(57)【要約】【課題】ロータのバランサ質量できるだけ小さくし、かつ、シャフト全体を傾けるモーメントをバランスすることができる２段圧縮型のロータリ圧縮機を提供する。【解決手段】高段側圧縮部３２に対応する高段側クランク軸７２の軸長さＬ２を低段側圧縮部３１に対応する低段側クランク軸７３の軸長さＬ１よりも大きく（Ｌ２＞Ｌ１）する。【選択図】図１
2008240667.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
密閉容器と、前記密閉容器の内部に低段側圧縮部および高段側圧縮部と、前記低段側圧縮部および前記高段側圧縮部に対応した低段側偏芯部および高段側偏芯部を備えたシャフトと、前記シャフトに機械的に接続され前記低段側圧縮部および前記高段側圧縮部を駆動する電動機と、
前記低段側圧縮部および前記高段側圧縮部のそれぞれにシリンダと、前記シリンダ内で前記シャフトの偏芯部に嵌合して旋回運動するピストンと、前記シリンダのベーン溝内を往復運動しながら先端を前記ピストンと摺接することによって前記シリンダと前記ピストンと共に冷媒の吸入室と圧縮室とを形成するベーンと、前記低段側圧縮部および前記高段側圧縮部に挟まれ前記吸入室および前記圧縮室の一端面を閉塞する中間仕切り板と、前記シャフトを回転自在に支持する軸受け部を備えると共に前記吸入室および前記圧縮室の一端面を閉塞するメインフレームおよびサブフレームとを有し、
前記低段側圧縮部の吐出側と前記高段側圧縮部の吸入側を連通する手段を有して２段圧縮部を構成したロータリ圧縮機において、
前記低段側圧縮部に対応するシャフトの偏芯部の軸方向の長さをＬ１、前記高段側圧縮部に対応するシャフトの偏芯部の軸方向の長さをＬ２としたとき、Ｌ２＞Ｌ１であることを特徴とするロータリ圧縮機。
【請求項２】
前記圧縮部の回転数が可変であることを特徴とする請求項１に記載のロータリ圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低段側圧縮部と高段側圧縮部とを含む２段圧縮部を有したロータリ圧縮機に関し、さらに詳しく言えば、電動機と圧縮部とを連結するシャフトに生じる撓みを防止して、信頼性を向上する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、ロータリ圧縮機は、圧縮室の隙間をシールして冷媒の漏れによる損失を低減する目的と、軸受けなど摺動部分を潤滑するため、潤滑油の溜まる密閉容器の下側に圧縮部が配置される。
【０００３】
また、２段圧縮型ロータリ圧縮機では、２つの圧縮部で発生する圧縮負荷トルクのバランスと、２つの圧縮部に対応した偏芯部分すなわち旋回運動するピストンと前記ピストンに嵌合するシャフトの偏芯部に作用する遠心力のバランスを良くするため、低段側圧縮部と高段側圧縮部との圧縮位相を１８０°ずらしている。
また、シャフトの２つの偏芯部分および旋回運動する２つのピストンに作用する遠心力により、シャフト全体を傾けようとするモーメントが発生する。そこで、電動機のロータの上下にバランサを取り付けてシャフト全体を傾けようとするモーメントを打ち消すようにしている。
【０００４】
ここで、２段圧縮型のロータリ圧縮機は、その圧縮特性上、高段側圧縮部の容積を低段側圧縮部の容積よりも小さくする必要がある。圧縮室の容積を小さくする手段として、圧縮室の厚さすなわちシリンダの厚さを小さくする方法と、ピストンの旋回半径を小さくする方法があるが、シャフトの偏芯部およびピストンに作用する遠心力は、いずれの方法でも容積の小さい高段側圧縮部のほうが小さくなる。
【０００５】
このため、特許文献１に示すように、作用する遠心力の大きい低段側圧縮部を、バランサを取り付けるロータに近い側とする、すなわち低段側圧縮部を高段側圧縮部よりも上に配置することによって、バランサの質量を小さくする手段が知られている。
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−２３００７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、低段側圧縮部を高段側圧縮部よりも上に配置した場合、次のような問題があった。すなわち、圧縮機の運転圧力条件および回転数条件によっては密閉容器内の上側に配置された圧縮部よりも潤滑油の油面が下がり、上側の圧縮部は冷媒ガス中にさらされる。これによって、ベーンとベーン溝の隙間などを通って冷媒が吸入室および圧縮室に漏れることによって漏れ損失が発生する。
【０００８】
低段側圧縮部を上側に配置すると、密閉容器内部が高段側圧縮部の吐出圧力であるため、吸入室および圧縮室との圧力差が高段側圧縮部を上側に配置した場合よりも大きくなり、隙間から吸入室および圧縮室に漏れる冷媒量が大きくなり、圧縮機の効率がより低下するという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
そこで、本発明の目的は、高段側圧縮部を上側に配置した構成において、バランサの質量を小さくでき、これによって、シャフトのたわみ量を低減し軸受け部における焼き付きやロータとステータの接触を防止できるロータリ圧縮機を提供することにある。
【００１０】
上述した目的を達成するため、本発明は、以下に示すいくつかの特徴を備えている。すなわち、密閉シェルの内部に低段側圧縮部および高段側圧縮部を含む２段圧縮部と、２段圧縮部を駆動する電動機を有し、高段側圧縮部が電動機側に配置されているロータリ圧縮機において、低段側圧縮部に対応するシャフトの偏芯部すなわち低段側クランク軸の軸方向の長さをＬ１、高段側圧縮部に対応するシャフトの偏芯部すなわち高段側クランク軸の軸方向の長さをＬ２としたとき、Ｌ２＞Ｌ１であることを特徴としている。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、前記圧縮部の回転数が可変であることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１に記載の発明によれば、高段側クランク軸の軸方向の長さを低段側クランク軸の軸方向の長さより長くすることによって、ロータに取り付けるバランサの質量を小さくすることが可能となり、よってシャフト全体のたわみを低減して軸受け部の局部的な荷重過剰による焼き付けや、ロータとステータの接触を防止することができる。
【００１３】
請求項２に記載の発明によれば、回転数が可変なロータリ圧縮機においては、回転数が高い場合、上部バランサおよび下部バランサに作用する遠心力が大きくなり、よってシャフトのたわみがより大きくなるため、本発明の効果がより大きくなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の実施形態を図１を用いて説明する。ロータリ圧縮機１は、円筒状の密閉容器２を縦方向に配置し、密閉容器２内部の上方に電動機４と下方に圧縮部３を備えている。
【００１５】
密閉容器２は、円筒状のメインシェル２１とメインシェル２１の上部および下部を閉塞するドーム状のトップシェル２２およびボトムシェル２３とから成り、トップシェル２２およびボトムシェル２３はメインシェル２１に溶接固定されている。
【００１６】
トップシェル２２には、圧縮部３から密閉容器２内部に吐出された冷媒を密閉容器２外部に吐出するための冷媒吐出管２４が設けられている。
【００１７】
電動機４のステータ４１はメインシェル２１に焼きバメされ、電動機４のロータ４２は電動機４と圧縮部３を機械的に連結するシャフト７に焼きバメ固定されている。また、ロータ４２の上下には回転部品全体の遠心力のバランスを取るため、上部バランサ４３および下部バランサ４４が取り付けられている。
【００１８】
圧縮部３は、上方に高段側圧縮部３２と下方に低段側圧縮部３１を有し、低段側圧縮部３１の吐出側と高段側圧縮部３２の吸入側とを密閉容器２外部の中間連絡管２６によって接続することにより、２段圧縮部を構成している。
【００１９】
次に各圧縮部３の構成を図２を用いて説明する。図２は図１における低段側圧縮部３１の横断面である。高段側圧縮部３２もピストンの位相が１８０°異なるだけで、構成は同じである。
【００２０】
各圧縮部３１，３２は、シリンダ２００，４００と、シリンダ２００，４００の内側に形成される円筒状のシリンダボア２００ａ，４００ａの内部に収納される円筒状のピストン２２０，４２０とを有し、シリンダボア２００ａ，４００ａ内壁とピストン２２０，４２０の外周面との間に冷媒の作動空間を形成している。
【００２１】
シリンダ２００，４００には、シリンダボア２００ａ，４００ａから外周方向に向けてシリンダ溝２００ｂ，４００ｂが設けられ、シリンダ溝２００ｂ，４００ｂ内に平板状のベーン２３０，４３０を有している。
【００２２】
ベーン２３０，４３０と密閉容器２の内壁の間にはスプリング２４０，４４０を有し、スプリング２４０，４４０の付勢力によってベーン２３０，４３０の先端がピストン２２０，４２０の外壁と摺接することによって、作動空間を吸入室Ｖ１，Ｖ２と圧縮室Ｃ１，Ｃ２に区画している。
【００２３】
ここで、高段側圧縮部３２の作動空間容積を低段側圧縮部３１の作動空間容積より小さくするために、高段側のシリンダ２００、ピストン２２０、ベーン２３０はそれぞれ軸方向の厚さを低段側のシリンダ４００、ピストン４２０、ベーン４３０よりも薄くしている。
【００２４】
次に再び図１を用いて、圧縮機１全体の説明をする。高段側シリンダ２００の上にメインフレーム１００と、高段側シリンダ２００と低段側シリンダ４００との間に中間仕切り板３００と、低段側シリンダ４００の下にサブフレーム５００とを有し、メインフレーム１００、中間仕切り板３００、サブフレーム５００によって２つの作動空間の上下を閉塞して、それぞれを密閉した空間としている。
【００２５】
メインフレーム１００の上およびサブフレーム５００の下に、それぞれ高段側吐出マフラーカバー１３０、低段側吐出マフラーカバー５１０を有し、吐出冷媒の圧力脈動を低減するための高段側吐出マフラー室Ｍ２および低段側吐出マフラー室Ｍ１が形成される。
【００２６】
高段側吐出マフラーカバー１３０、メインフレーム１００、高段側シリンダ２００、中間仕切り板３００、低段側シリンダ４００、サブフレーム５００、低段側吐出マフラーカバー５１０はボルト（図示せず）によって一体に固定され、さらにメインフレーム１００外周部がメインシェル２１にスポット溶接にて固定されている。
【００２７】
メインフレーム１００およびサブフレーム５００は、軸受け部１１０，５０２を有し、軸受け部１１０，５０２にシャフト７を嵌合することによってシャフト７を回転自在に支持している。
【００２８】
シャフト７は、１８０°異なる方向に偏芯した２つのクランク軸７２，７３を有し、一方のクランク軸７２が高段側圧縮部３２のピストン２２０と嵌合し、他方のクランク軸７３が、低段側圧縮部３１のピストン４２０と嵌合している。
【００２９】
シャフト７の回転に伴い、ピストン２２０，４２０はそれぞれのシリンダボア２００ａ，４００ａ内壁に摺接しながら旋回運動し、これに追随してベーン２３０，４３０が往復運動することによって、それぞれの吸入室Ｖ１，Ｖ２および圧縮室Ｃ１，Ｃ２の容積が連続的に変化する。これによって圧縮部３は冷媒の吸入と圧縮を繰り返す。
【００３０】
低段側圧縮部３１の吸入室Ｖ１は、シリンダ４００に設けられた低段側吸入孔４１０を介して冷媒吸入管６４に接続されている。低段側圧縮部３１の圧縮室Ｃ１は、サブフレーム５００に設けられた低段側吐出孔５２０および低段側吐出マフラー室Ｍ１を介して中間連絡管２６に接続される。
【００３１】
さらに詳しくは、低段側吐出孔５２０には逆止弁５４０が設けられ、また冷媒吸入管６４は低段側吸入接続管４１１を介して低段側吸入孔４１０に接続され、中間連絡管２６は中間吐出接続管５２１を介して低段側吐出マフラー室Ｍ１に接続される。
【００３２】
高段側圧縮部３２の吸入室Ｖ２は、シリンダ２００に設けられた高段側吸入孔２１０を介して中間連絡管２６に接続されている。高段側圧縮部３２の圧縮室Ｃ２はメインフレーム１００に設けられた高段側吐出孔１２０および高段側吐出マフラー室Ｍ２を介して密閉容器２内部に開口される。
【００３３】
さらに詳しくは、高段側吐出孔１２０には逆止弁１４０が設けられ、また中間連絡管２６は中間吸入接続管２１１を介して高段側吸入孔２１０に接続される。
【００３４】
圧縮機本体１の側面には、独立した密閉容器６１から成るアキュムレータ６を有している。アキュムレータ６の上部には、図示しないヒートポンプシステム側と接続する冷媒戻り管６２を有し、アキュムレータ６の下部にはＬ字状の一端がアキュムレータ６内部の上方まで延長され、他端が圧縮機１の側面から低段側圧縮部３１の吸入室Ｖ１と接続する冷媒吸入管６４を有している。
【００３５】
次に、以上の構成による冷媒の流れを図１および図２を参照して説明する。システム側から冷媒戻り管６２を通ってアキュムレータ６内に流入した冷媒は、液冷媒がアキュムレータ６の下部に、ガス冷媒がアキュムレータ６の上部に分離される。
【００３６】
低段側ピストン４２０が旋回運動して低段側吸入室Ｖ１の容積が拡大することによって、アキュムレータ６内のガス冷媒は、冷媒吸入管６４を通って圧縮機本体１の低段側吸入室Ｖ１に吸入される。
【００３７】
一回転後に低段側吸入室Ｖ１は低段側吸入孔４１０と遮断された位置となり、そのまま低段側圧縮室Ｃ１に切り替わることによって、冷媒は圧縮される。
【００３８】
圧縮された冷媒は、圧力が低段側吐出孔５２０に設けられた逆止弁５４０の外側となる低段側吐出マフラー室Ｍ１の圧力すなわち中間圧力に達すると逆止弁５４０が開放し、低段側吐出マフラー室Ｍ１に吐出される。
【００３９】
冷媒は、低段側吐出マフラー室Ｍ１で騒音の原因となる圧力脈動を低減したあと、中間連絡管２６を通って高段側圧縮部３２の吸入室Ｖ２に導かれる。
【００４０】
高段側圧縮部３２の吸入室Ｖ２に導かれた冷媒は、低段側圧縮部３１と同様の原理により高段側圧縮部３２で吸入、圧縮、吐出され、高段側吐出マフラー室Ｍ２で圧力脈動を低減したあと、密閉容器２の内部に吐出される。
【００４１】
さらに電動機４のステータ４１のコア切り欠き（図示せず）やコアと巻き線の隙間を通って電動機４の上部に導かれ、吐出管２４を通ってシステム側に吐出される。
【００４２】
次に、以上の構成による圧縮機内の回転系部品に作用する遠心力を、図３を用いて説明する。図３は、圧縮機内の回転系部品を抽出して示した図である。
【００４３】
回転系部品に作用する遠心力としては、低段側クランク軸７３およびこれと嵌合する低段側ピストン４２０に作用する遠心力（Ｆ１）と、高段側クランク軸７２およびこれと嵌合する高段側ピストン２２０に作用する遠心力（Ｆ２）と、ロータ４２の上部に取り付けられた上部バランサ４３に作用する遠心力（Ｆ４）と、ロータ４２の下部に取り付けられた下部バランサ４４に作用する遠心力（Ｆ３）とがあり、これらが水平方向に釣り合うようにするため、
Ｆ１＋Ｆ４＝Ｆ２＋Ｆ３  ・・・式１
シャフト全体を傾けようとするモーメントを釣り合わせるため、Ｆ３の作用点周りのモーメントから、
Ｆ１×（Ｌｘ＋Ｌｙ）＝Ｆ２×Ｌｙ＋Ｆ４×Ｌｚ  ・・・式２
の２式が得られ、この２式を満足するように、Ｆ３およびＦ４すなわちロータ４２の上部バランサ４３の質量と下部バランサ４４の質量が決められる。
【００４４】
ここで、式２を変形して、
Ｆ４＝（Ｆ１×（Ｌｘ＋Ｌｙ）−Ｆ２×Ｌｙ）／Ｌｚ  ・・・式３
式３より、Ｆ１を小さくするほど、またＦ２を大きくするほど、Ｆ４は小さくすることができる。
【００４５】
すなわち、低段側クランク軸７３の質量を小さくするほど、また高段側のクランク軸７２の質量を大きくするほどロータ４２の上部バランサ４３を小さくすることができる。
【００４６】
ここで、シャフト７に作用する遠心力によってシャフトがたわむ状態を図４を用いて説明する。図４は、シャフト７およびシャフトを支持する軸受け部１１０を抽出して示した図である。
【００４７】
シャフト７全体のたわみが大きくなると、特にメインフレーム１００の軸受け１１０にて、軸と軸受け１１０の隙間以上にシャフト７が変形して軸受け１１０の上下でシャフト７と軸受け１１０が局部的に接触する状態となり、焼き付けの原因となる。
【００４８】
したがって、高段側クランク軸７２の軸方向の長さを低段側クランク軸７３の軸方向の長さより長くすることによって、ロータ４２の上部バランサ４３を小さくすることが可能となり、よってシャフト７全体のたわみを低減して軸受け部１１０の局部的な荷重過剰による焼き付けや、ロータ４２とステータ４１の接触を防止することができる。
【００４９】
他方において、以下のような効果も得られる。すなわち、空気調和機や給湯器などのヒートポンプに利用される圧縮機では、主に外気温条件によって圧縮機の吸入圧力Ｐｓと吐出圧力Ｐｄが変化する。これは圧縮機全体としての圧縮比ψ＝Ｐｄ／Ｐｓは一定でなく、広い範囲に対応することが必要なことを意味する。
【００５０】
そこで、低段側圧縮部３１の吸入容積をＶ１、高段側圧縮部３２の吸入容積をＶ２、圧縮ガスの比熱をκとすると、各圧縮部３１，３２の損失を無視して考えた場合、低段側圧縮部３１の圧力比ψ１は、ψ１＝（Ｖ１／Ｖ２）κとなる。すなわち、低段側圧縮部３１の圧縮比ψ１は、外気温条件によらずに２つのシリンダの吸入容積によって決まる。
【００５１】
したがって、外気温が特に高い条件の冷房運転や、外気温が特に低い条件の暖房運転など、全圧力比ψが大きくなる条件においては、高段側圧縮部３２の圧力比ψ２が必然的に高くなる。
【００５２】
すなわち、このような条件下においては、低段側圧縮部３１の負荷トルクよりも高段側圧縮部３２の負荷トルクが大きくなる。この負荷荷重を支持するためには、所定長さ以上のクランク軸長さが必要であるが、必要以上にクランク軸を長くすることは、クランク部における摺動損失増加の要因となりうるため、好ましくない。
【００５３】
そこで、上述したように、高段側クランク軸の軸方向の長さＬ２を低段側クランク軸Ｌ１の軸方向の長さよりも大きく（Ｌ２＞Ｌ１）することにより、各クランク軸受け部における信頼性向上と摺動損失低減による効率向上を両立することができる。
【００５４】
この実施例において、ロータリ圧縮機１は、低段側圧縮部３１と高段側圧縮部３２とを有する２段圧縮式の圧縮部を備えた圧縮機において、高段側圧縮部３２の軸方向長さを低段側圧縮部３１の軸方向長さより小さくすることによって、高段側圧縮部３２の作動空間容積を低段側圧縮部３１の作動空間容積より小さくした構成を好ましい形態として例示したが、圧縮部３の軸方向長さを同じとして、高段側ピストン２２０の旋回半径を低段側ピストン４２０の旋回半径よりも小さくすることによって、高段側圧縮部３２の作動空間容積を小さくした構成に適用してもよい。
【００５５】
また、冷凍サイクルとしてガスインジェクションサイクルを利用し、低段側圧縮部３１と高段側圧縮部３２との間の中間圧力部にインジェクション冷媒を流入できるように構成した２段圧縮式のロータリ圧縮機でもよい。
【００５６】
また圧縮部３の圧縮機構として、クランク軸７２，７３によってピストン２２０，４２０を旋回運動させて吸入室Ｖ１，Ｖ２および圧縮室Ｃ１，Ｃ２の容積が変化することを利用した圧縮機であれば本実施例の圧縮機構に限定することはない。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の一実施形態におけるロータリ圧縮機の縦断面図。
【図２】本発明の一実施形態におけるロータリ圧縮機の圧縮部の横断面図。
【図３】本発明の一実施形態におけるロータリ圧縮機の回転系部品とこれに作用する遠心力を示した図。
【図４】本発明の一実施形態におけるロータリ圧縮機の遠心力によるシャフトたわみ状態を示した図。
【符号の説明】
【００５８】
１  ロータリ圧縮機
２  密閉シェル
３  圧縮部（２段圧縮部）
４  電動機
４１  ステータ
４２  ロータ
４３  上部バランサ
４４  下部バランサ
６  アキュムレータ
７  シャフト
７１  主軸
７２  高段側クランク軸
７３  低段側クランク軸
１００  メインフレーム
１１０  主軸受け
２００  高段側シリンダ
２２０  高段側ロータリピストン
３００  仕切板
４００  低段側シリンダ
４２０  低段側ロータリピストン
５００  サブフレーム
Ｃ１  低段側圧縮室
Ｃ２  高段側圧縮室
Ｖ１  低段側吸入室
Ｖ２  高段側吸入室
【図１】
2008240667.tif 000003
【図２】
2008240667.tif 000004
【図３】
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【図４】
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