(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転子を有する電動機と、
前記回転子に接続され、前記電動機の駆動力を伝達するクランク軸と、
前記クランク軸に接続され、前記クランク軸から伝達された駆動力によって冷媒を圧縮する圧縮機構部と、
を備え、
前記クランク軸は、
前記回転子に接続された主軸部と、該主軸部の中心軸と同軸上に中心軸が配置された副軸部と、前記主軸部と前記副軸部との間に設けられ、中心軸が前記主軸部の中心軸及び前記副軸部の中心軸に対して偏芯している偏芯軸部と、
を有し、
前記圧縮機構部は、
冷媒を圧縮するシリンダ室を有し、該シリンダ室に前記偏芯軸部が配置されたシリンダと、
前記主軸部を回転自在に支持する第１軸受と、
前記副軸部を回転自在に支持する第２軸受と、
を有し、
前記クランク軸における少なくとも前記シリンダ室、並びに、前記第１軸受及び前記第２軸受の内壁が形成する筒状空間に配置されている部分は、
前記主軸部の中心軸と垂直な断面において、少なくとも内部が炭素繊維と樹脂との混合体で構成されているロータリ型圧縮機。
【請求項２】
前記クランク軸における少なくとも前記シリンダ室、並びに、前記第１軸受及び前記第２軸受の内壁が形成する筒状空間に配置されている部分は、
前記主軸部の中心軸と垂直な断面において、外周部が金属で構成され、内部が前記混合体で構成されている請求項１に記載のロータリ型圧縮機。
【請求項３】
前記クランク軸における少なくとも前記シリンダ室、並びに、前記第１軸受及び前記第２軸受の内壁が形成する筒状空間に配置されている部分は、
内部が前記副軸部の直径の９０％未満の直径の前記混合体で構成されている請求項２に記載のロータリ型圧縮機。
【請求項４】
前記クランク軸における前記シリンダ室、並びに、前記第１軸受及び前記第２軸受の内壁が形成する筒状空間に配置されている部分の全てが、前記混合体で構成されている請求項１に記載のロータリ型圧縮機。
【請求項５】
前記クランク軸における少なくとも前記シリンダ室、並びに、前記第１軸受及び前記第２軸受の内壁が形成する筒状空間に配置されている部分は、縦弾性係数が３００ＧＰａ以上である請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載のロータリ型圧縮機。
【請求項６】
回転子を有する電動機と、
前記回転子に接続され、前記電動機の駆動力を伝達するクランク軸と、
前記クランク軸に接続され、前記クランク軸から伝達された駆動力によって冷媒を圧縮する圧縮機構部と、
を備え、
前記クランク軸は、
前記回転子に接続された主軸部と、該主軸部の中心軸と同軸上に中心軸が配置された副軸部と、前記主軸部と前記副軸部との間に設けられ、中心軸が前記主軸部の中心軸及び前記副軸部の中心軸に対して偏芯している偏芯軸部と、
を有し、
前記圧縮機構部は、
冷媒を圧縮するシリンダ室を有し、該シリンダ室に前記偏芯軸部が配置されたシリンダと、
前記主軸部を回転自在に支持する第１軸受と、
前記副軸部を回転自在に支持する第２軸受と、
を有し、
前記クランク軸における少なくとも前記シリンダ室に配置されている部分は、
前記主軸部の中心軸と垂直な断面において、外周部が金属で構成され、内部が炭素繊維と樹脂との混合体で構成されているロータリ型圧縮機。
【請求項７】
前記シリンダ室は、両端が開口した形状で前記シリンダに形成されており、
前記圧縮機構部は、
前記シリンダ室の一方の開口部を閉塞する第１閉塞部材と、前記第１軸受とを有する第１軸受部と、
前記シリンダ室の他方の開口部を閉塞する第２閉塞部材と、前記第２軸受とを有する第２軸受部と、
を備えた請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載のロータリ型圧縮機。
【請求項８】
前記シリンダは、一方の端部が前記シリンダ室に連通したベーン溝を有し、
前記圧縮機構部は、
前記偏芯軸部の外周部に取り付けられ、前記クランク軸の回転によって前記シリンダ室内を偏芯回転するローリングピストンと、
往復動自在に前記ベーン溝に挿入され、前記ローリングピストンの外周面に先端部が当接して、前記シリンダ室を、冷媒を吸入する吸入室と冷媒を圧縮する圧縮室とに仕切るベーンと、
を備えた請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載のロータリ型圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷媒を圧縮するロータリ型圧縮機に関し、特に、小型化及び高効率化を図ったロータリ型圧縮機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のロータリ型圧縮機は、回転子を有する電動機と、回転子に接続され、該電動機の駆動力を伝達するクランク軸と、クランク軸に接続され、クランク軸から伝達された駆動力によって冷媒を圧縮するロータリ型の圧縮機構部と、を備えている。電動機、クランク軸及び圧縮機構部は、例えば密閉容器に収納されている（例えば、特許文献１参照）。【０００３】
詳しくは、クランク軸は、電動機の回転子に接続された主軸部、該主軸部の中心軸と同軸上に中心軸が配置された副軸部、及び、主軸部と副軸部との間に設けられ、中心軸が主軸部の中心軸及び副軸部の中心軸に対して偏芯している偏芯軸部と、を有している。一般的に、クランク軸は、鋳鉄の鋳物によって構成される。【０００４】
圧縮機構部は、円筒状に形成されて偏芯軸部が配置されたシリンダ室、及び、一方の端部がシリンダ室に連通したベーン溝を有するシリンダを有している。また、圧縮機構部は、偏芯軸部の外周部に取り付けられ、クランク軸の回転によってシリンダ室内を偏芯回転するローリングピストンと、往復動自在にベーン溝に挿入され、ローリングピストンの外周面に先端部が当接してシリンダ室を２つの作動室に仕切るベーンと、を有している。また、圧縮機構部は、シリンダ室の一方の端部を閉塞すると共に、主軸部を回転自在に支持する第１軸受部と、シリンダ室の他方の端部を閉塞すると共に、副軸部を回転自在に支持する第２軸受部と、を有している。【０００５】
第１軸受部における主軸部を支持している箇所は、すなわち軸受部分は、すべり軸受となっている。当該軸受部分と主軸部との間には、例えばクランク軸に形成された給油路を介して、冷凍機油が供給される。これにより、当該軸受部分は、油膜の流体潤滑により、主軸部を回転自在に支持する。同様に、第２軸受部における副軸部を支持している箇所は、すなわち軸受部分は、すべり軸受となっている。当該軸受部分と副軸部との間には、例えばクランク軸に形成された給油路を介して、冷凍機油が供給される。これにより、当該軸受部分は、油膜の流体潤滑により、副軸部を回転自在に支持する。【０００６】
電動機の回転子が回転すると、該回転子に接続されているクランク軸も回転する。これにより、シリンダ室内では、クランク軸の偏芯軸部と該偏芯軸部に取り付けられたローリングピストンとが、シリンダ室の中心軸に対して偏芯回転運動を行う。そして偏芯軸部及びローリングピストンのシリンダ室内での偏芯回転運動により、シリンダ室内に形成された２つの作動室は、容積を変化させていく。【０００７】
シリンダ室には、冷媒を該シリンダ室に吸い込むための吸入口と、シリンダ室から冷媒を吐出する吐出口とが連通している。そして、シリンダ室に形成された作動室は、容積が変化していく過程において、吸入口又は吐出口と連通する。すなわち、作動室は、吸入口と連通している間は吸入室として機能し、作動室内に冷媒を吸入する。また、作動室は、吸入口と連通しなくなると圧縮室として機能し、容積が減少していく間、作動室内の冷媒を圧縮する。この圧縮された冷媒は、圧縮室として機能する作動室に連通する吐出口から吐出される。上述のようにシリンダ室には２つの作動室が形成されるが、一方の作動室が吸入室として機能している間、他方の作動室が圧縮室として機能することとなる。【０００８】
ロータリ型圧縮機は、上述のように構成されているため、冷媒を圧縮するためにクランク軸を回転させた際、該クランク軸の偏芯軸部に遠心力が発生する。そして、当該遠心力によるクランク軸の撓みが大きくなると、第１軸受部又は第２軸受部においてかじり（スカッフ）が発生し、ロータリ型圧縮機が故障してしまう。このため、特許文献１に記載のロータリ型圧縮機は、偏芯軸部に発生する遠心力を低減させるため、偏芯軸部の一部を金属より比重が小さい材料で構成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１１−２１５８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
小型で高効率なロータリ型圧縮機を製作するためには、ロータリ型圧縮機の代表的な機械損失が発生するクランク軸の主軸部及び副軸部をなるべく細くすることが、すなわち主軸部及び副軸部の直径を小さくすることが有効である。これにより、機械損失を低減でき、ロータリ型圧縮機の能力を維持したまま、電動機の入力を低減することができるからである。しかしながら、従来のロータリ型圧縮機は、以下に説明するように、クランク軸の主軸部及び副軸部の直径を現状よりも小さくすることが困難であった。【００１１】
冷媒を圧縮するためにクランク軸を回転させた際、クランク軸の偏芯軸部には、上述した遠心力に加え、冷媒を圧縮するときにローリングピストンが受ける荷重（反力）も作用する。冷媒を圧縮するときにローリングピストンが受ける荷重は、偏芯軸部の中心軸に対して垂直な方向に、換言すると主軸部の中心軸及び副軸部の中心軸に対して垂直な方向に作用する。このため、クランク軸は、第１軸受部の軸受部分の偏芯軸部側端部、及び第２軸受部の軸受部分の偏芯軸部側端部を支持点として、偏芯軸部の中心軸に対して垂直な方向に該偏芯軸部に作用する上述の力によって撓みが発生する。つまり、クランク軸は、二点支持された梁の中央に荷重を加えたときのように撓む。これにより、第１軸受部の軸受部分の内部において主軸部が傾き、第２軸受部の軸受部分の内部において副軸部が傾くこととなる。【００１２】
主軸部の直径が小さい場合、主軸部の剛性が低下し、第１軸受部の軸受部分の内部において主軸部の傾きが大きくなる。その結果、第１軸受部の軸受部分と主軸部との間に満たされた冷凍機油に発生する油膜反力が低下する。同様に、副軸部の直径が小さい場合、副軸部の剛性が低下し、第２軸受部の軸受部分の内部において副軸部の傾きが大きくなる。その結果、第２軸受部の軸受部分と副軸部との間に満たされた冷凍機油に発生する油膜反力が低下する。【００１３】
第１軸受部の油膜反力と第２軸受部の油膜反力との合計である油膜負荷容量は、第１軸受部及び第２軸受部が支持する荷重より、すなわちクランク軸の偏芯軸部に作用する力よりも大きい必要がある。油膜負荷容量がクランク軸の偏芯軸部に作用する力よりも小さくなると、第１軸受部及び第２軸受部の軸受部分において冷凍機油の油膜が部分的に消失し、第１軸受部及び第２軸受部とクランク軸とが金属接触してしまうからである。すなわち、第１軸受部及び第２軸受部の軸受部分において凝着摩耗及びかじり（スカッフ）が発生してしまい、ロータリ型圧縮機が故障してしまうからである。【００１４】
したがって、従来のロータリ型圧縮機は、第１軸受部及び第２軸受部の軸受部分において凝着摩耗及びかじり（スカッフ）が発生することを防止するため、クランク軸の主軸部及び副軸部の直径を現状よりも小さくすることが困難であった。【００１５】
なお、第１軸受部及び第２軸受部の軸受部分において凝着摩耗及びかじり（スカッフ）が発生することを防止するために必要な主軸部及び副軸部の直径は、偏芯軸部に発生する遠心力、冷媒圧縮時に偏芯軸部に作用する荷重、第１軸受部の軸受部分の偏芯軸部側端部から第２軸受部の軸受部分の偏芯軸部側端部までの長さ、クランク軸の縦弾性係数等により、ほぼ一義的に決まる。ここで、特許文献１に記載のロータリ型圧縮機のクランク軸は、偏芯軸部の一部以外の構成が従来と同様である。このため、特許文献１に記載のロータリ型圧縮機のクランク軸は、偏芯軸部に発生する遠心力を低減させることはできるものの、冷媒を圧縮するときにローリングピストンが受ける荷重（反力）に対する撓み量は、従来のクランク軸と同様となる。したがって、特許文献１に記載のロータリ型圧縮機もまた、クランク軸の主軸部及び副軸部の直径を現状よりも小さくすることが困難である。【００１６】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、従来よりもクランク軸の主軸部及び副軸部の直径を小さくでき、従来よりも小型で高効率となるロータリ型圧縮機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明に係るロータリ型圧縮機は、回転子を有する電動機と、前記回転子に接続され、前記電動機の駆動力を伝達するクランク軸と、前記クランク軸に接続され、前記クランク軸から伝達された駆動力によって冷媒を圧縮する圧縮機構部と、を備え、前記クランク軸は、前記回転子に接続された主軸部と、該主軸部の中心軸と同軸上に中心軸が配置された副軸部と、前記主軸部と前記副軸部との間に設けられ、中心軸が前記主軸部の中心軸及び前記副軸部の中心軸に対して偏芯している偏芯軸部と、を有し、前記圧縮機構部は、冷媒を圧縮するシリンダ室を有し、該シリンダ室に前記偏芯軸部が配置されたシリンダと、前記主軸部を回転自在に支持する第１軸受と、前記副軸部を回転自在に支持する第２軸受と、を有し、前記クランク軸における少なくとも前記シリンダ室、並びに、前記第１軸受及び前記第２軸受の内壁が形成する筒状空間に配置されている部分は、前記主軸部の中心軸と垂直な断面において、少なくとも内部が炭素繊維と樹脂との混合体で構成されている。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係るロータリ型圧縮機においては、クランク軸における少なくとも圧縮機構部の内部に配置されている部分は、少なくとも内部が炭素繊維と樹脂との混合体で構成されている。このため、本発明に係るロータリ型圧縮機においては、クランク軸における前記圧縮機構部の内部に配置されている部分の縦弾性係数を、鋳鉄の鋳物で構成された従来のクランク軸よりも大きくすることができる。これにより、本発明に係るロータリ型圧縮機のクランク軸においては、第１軸受の偏芯軸部側端部、及び第２軸受の偏芯軸部側端部を支持点として、偏芯軸部の中心軸に対して垂直な方向に該偏芯軸部に作用する力によって撓む量が、従来のクランク軸よりも減少する。したがって、本発明に係るロータリ型圧縮機は、従来よりもクランク軸の主軸部及び副軸部の直径を小さくしても、第１軸受及び第２軸受において凝着摩耗及びかじり（スカッフ）が発生することを防止でき、ロータリ型圧縮機が故障してしまうことを防止できる。
【００１９】
すなわち、本発明に係るロータリ型圧縮機は、従来よりもクランク軸の主軸部及び副軸部の直径を小さくできるので、ロータリ型圧縮機の代表的な機械損失を低減でき、ロータリ型圧縮機を従来よりも小型で高効率にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明実施の形態に係るロータリ型圧縮機を示す縦断面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係るロータリ型圧縮機の圧縮機構部を示す縦断面図である。
【図３】本発明の実施の形態に係るロータリ型圧縮機における、上軸受部を取り外した状態の圧縮機構部を示す平面図である。
【図４】本発明の実施の形態に係るロータリ型圧縮機を使用した冷凍サイクル回路を示す冷媒回路図である。
【図５】本発明に係るロータリ型圧縮機における、圧縮機構部の内部に配置されているクランク軸部分の縦弾性係数と、主軸部及び副軸部の直径との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、実施の形態において、本発明に係るロータリ型圧縮機の一例について説明する。なお、以下の実施の形態では、縦型で密閉型のロータリ型圧縮機を例に、本発明に係るロータリ型圧縮機の一例について説明する。
【００２２】
実施の形態．
図１は、本発明実施の形態に係るロータリ型圧縮機を示す縦断面図である。なお、図１では、符号の引き出し線を見やすくするため、ハッチングを省略している。
本実施の形態に係るロータリ型圧縮機１００は、電動機２、圧縮機構部３、及び、電動機２と圧縮機構部３とを接続するクランク軸４を有している。また、本実施の形態に係るロータリ型圧縮機１００は、密閉型の圧縮機である。このため、電動機２、圧縮機構部３及びクランク軸４は、密閉容器１の内部に収容されている。また、ロータリ型圧縮機１００は上述のように縦型のロータリ型圧縮機であり、電動機２は密閉容器１内において圧縮機構部３の上方に配置されている。
【００２３】
電動機２は、固定子２１と、固定子２１が発生する磁力によって回転する回転子２２と、を備えている。固定子２１は、導線を巻き回したコイルを備え、そのコイルに通電されることにより磁力を発生させる。固定子２１のコイルは、ロータリ型圧縮機１００に設けられた端子２３と接続されており、端子２３を介してロータリ型圧縮機１００の外部から通電される。回転子２２は、アルミバー等で構成された二次導体又は永久磁石等を備え、固定子２１のコイルが発生する磁力に反応して回転する。
【００２４】
圧縮機構部３は、クランク軸４から伝達された電動機２の駆動力によって、圧縮機構部３に吸入した低圧の冷媒ガスを圧縮し、高圧の冷媒ガスを密閉容器１内に吐出する。密閉容器１内は圧縮された高温高圧の冷媒ガスによって満たされている。一方、密閉容器１の下方すなわち底部には圧縮機構部３の潤滑のための冷凍機油が貯留されている。
【００２５】
クランク軸４は、電動機２の回転子２２と圧縮機構部３とに接続され、電動機２の駆動力を伝達するものである。クランク軸４は、主軸部４１と副軸部４２と偏芯軸部４３とを備える。本実施の形態では、上方から下方に向かって、主軸部４１、偏芯軸部４３、副軸部４２の順に設けられている。すなわち、偏芯軸部４３の軸方向の一方に主軸部４１が設けられており、偏芯軸部４３の軸方向のもう一方に副軸部４２が設けられている。換言すると、偏芯軸部４３は、主軸部４１と副軸部４２との間に設けられている。主軸部４１、副軸部４２及び偏芯軸部４３は、それぞれ、ほぼ円柱状の形状をしている。また、副軸部４２の中心軸は、主軸部４１の中心軸と同軸上に設けられている。一方、偏芯軸部４３の中心軸は、主軸部４１及び副軸部４２の中心軸に対して偏芯している。すなわち、主軸部４１及び副軸部４２がこれらの中心軸を中心に回転すると、偏芯軸部４３は偏芯回転をする。主軸部４１には、例えば焼嵌又は圧入等により、電動機２の回転子２２が固定（接続）されている。偏芯軸部４３の外周部には、円筒状の形状のローリングピストン３２が摺動自在に取り付けられている。
【００２６】
図２は、本発明の実施の形態に係るロータリ型圧縮機の圧縮機構部を示す縦断面図である。また、図３は、本発明の実施の形態に係るロータリ型圧縮機における、上軸受部を取り外した状態の圧縮機構部を示す平面図である。つまり、図３は、上軸受部３３を取り外した状態の圧縮機構部３を、図１に示すＡ−Ａ方向から観察した図である。なお、図２では、図１と異なり、クランク軸４も断面で示している。
【００２７】
圧縮機構部３は、シリンダ３１、クランク軸４の主軸部４１を回転自在に支持する軸受３３ｂ、及び、クランク軸４の副軸部４２を回転自在に支持する軸受３４ｂを備えている。ここで、軸受３３ｂが、本発明の第１軸受に相当する。また、軸受３４ｂが、本発明の第２軸受に相当する。
【００２８】
シリンダ３１は、冷媒を圧縮するシリンダ室３６を有する。このシリンダ室３６の中心軸は、クランク軸４の主軸部４１及び副軸部４２の中心軸と同軸上に配置されている。なお、本実施の形態においては、シリンダ室３６は、上下方向の両端が開口した例えば円筒状で、シリンダ３１に形成されている。このため、シリンダ室３６の上方の開口部は、平板状の閉塞部材３３ａによって閉塞されている。また、シリンダ室３６の下方の開口は、平板状の閉塞部材３４ａによって閉塞されている。また、本実施の形態においては、シリンダ３１のシリンダ室３６には、クランク軸４の偏芯軸部４３に加えて、偏芯軸部４３の外周部に取り付けられたローリングピストン３２も配置されている。このため、クランク軸４が回転することにより、シリンダ３１のシリンダ室３６内では、偏芯軸部４３及びローリングピストン３２が、シリンダ室３６の中心軸に対して偏芯回転する。
ここで、閉塞部材３３ａが、本発明の第１閉塞部材に相当する。また、閉塞部材３４ａが、本発明の第２閉塞部材に相当する。
【００２９】
また、本実施の形態においては、シリンダ３１は、該シリンダ室３６の径方向に沿って形成されたベーン溝３７を有する。ベーン溝３７の一方の端部はシリンダ室３６に連通しており、ベーン溝３７の他方の端部は背圧室３８に連通している。ベーン溝３７には、形状がほぼ直方体状のベーン３５が挿入されている。ベーン３５は、ベーン溝３７内を往復動自在となっており、ベーン溝３７内を摺動しながら往復運動する。背圧室３８には、図示せぬスプリングが設けられており、ベーン３５をベーン溝３７からシリンダ３１のシリンダ室３６側に押し出し、ベーン３５の先端をローリングピストン３２の外周面に当接させている。
【００３０】
すなわち、ベーン３５は、シリンダ室３６を、より詳しくはシリンダ室３６の内周面とローリングピストン３２の外周面とで形成される空間を、２つの作動室に仕切っている。これらの作動室の一方は、後述のように、冷媒を該作動室に吸入する吸入室３６ａとなる。また、これらの作動室の他方は、該作動室内の冷媒を圧縮する圧縮室３６ｂとなる。すなわち、ベーン３５は、シリンダ室３６を、吸入室３６ａと圧縮室３６ｂとに仕切っている。そして、シリンダ室３６は、圧縮室３６ｂ部分において、冷媒を圧縮する。
【００３１】
シリンダ３１の上方には、軸受３３ｂが設けられている。軸受３３ｂは、すべり軸受であり、上下方向の両端が開口した円筒状の空間を有する。当該空間には、一方の開口部から他方の開口部へ貫通するように、主軸部４１が挿入されている。そして、軸受３３ｂは、主軸部４１を回転自在に支持する。本実施の形態では、軸受３３ｂは、上軸受部３３として、閉塞部材３３ａと一体形成されている。換言すると、上軸受部３３は、閉塞部材３３ａと、軸受３３ｂとを有している。詳しくは、軸受３３ｂは、閉塞部材３３ａからシリンダ３１とは逆方向、すなわち回転子２２の方向に伸長されている。上軸受部３３は、例えばボルトにより、シリンダ３１の上面に固定されている。
ここで、上軸受部３３が、本発明の第１軸受部に相当する。
【００３２】
上軸受部３３の軸受３３ｂと主軸部４１との間には、冷凍機油が供給される。これにより、上軸受部３３の軸受３３ｂは、油膜の流体潤滑により、主軸部４１を回転自在に支持する。なお、本実施の形態では、密閉容器１の底部に貯留された冷凍機油が、クランク軸４に形成された給油路５１，５２を通って、上軸受部３３の軸受３３ｂと主軸部４１との間に供給される。
【００３３】
同様に、シリンダ３１の下方には、軸受３４ｂが設けられている。軸受３４ｂは、すべり軸受であり、上下方向の両端が開口した円筒状の空間を有する。当該空間には、一方の開口部から他方の開口部へ貫通するように、副軸部４２が挿入されている。そして、軸受３４ｂは、副軸部４２を回転自在に支持する。本実施の形態では、軸受３４ｂは、下軸受部３４として、閉塞部材３４ａと一体形成されている。換言すると、下軸受部３４は、閉塞部材３４ａと、軸受３４ｂとを有している。詳しくは、軸受３４ｂは、閉塞部材３４ａからシリンダ３１とは逆方向、すなわち密閉容器１の底部の方向に伸長されている。下軸受部３４は、例えばボルトにより、シリンダ３１の下面に固定されている。
ここで、下軸受部３４が、本発明の第２軸受部に相当する。
【００３４】
下軸受部３４の軸受３４ｂと副軸部４２との間には、冷凍機油が供給される。これにより、下軸受部３４の軸受３４ｂは、油膜の流体潤滑により、副軸部４２を回転自在に支持する。なお、本実施の形態では、密閉容器１の底部に貯留された冷凍機油が、クランク軸４に形成された給油路５１，５３を通って、下軸受部３４の軸受３４ｂと副軸部４２との間に供給される。
【００３５】
シリンダ３１には、密閉容器１の外部からシリンダ室３６の中に冷媒ガスを吸入する吸入口３９が形成されている。吸入口３９は、ベーン３５によって仕切られた２つの作動室のうち、吸入室３６ａとなる作動室と連通する。また、上軸受部３３には、圧縮した冷媒ガスをシリンダ室３６の外に吐出する図示せぬ吐出口が設けられている。該吐出口は、ベーン３５によって仕切られた２つの作動室のうち、圧縮室３６ｂとなる作動室と連通する。
【００３６】
上軸受部３３の吐出口には、吐出弁が設けられている。吐出弁は、圧縮室３６ｂ内で圧縮される冷媒ガスが所定の圧力になるまで閉塞し、所定の圧力以上となると開口して高温高圧の冷媒ガスを密閉容器１内へ吐出させる。これによって、圧縮室３６ｂから吐出される冷媒ガスの吐出タイミングが制御される。
【００３７】
再び図１に着目すると、密閉容器１内に吐出された冷媒ガスは、密閉容器１の上方にある吐出管１１に向かって流れ、吐出管１１から密閉容器１の外部に送り出される。そのとき、冷媒ガスは、電動機２の固定子２１と回転子２２との隙間、又は回転子２２に設けられた風穴を通って、上方に流れる。
【００３８】
吸入口３９には、密閉容器１の外部に設けられた吸入マフラ１０１が、吸入管１２を介して接続されている。ロータリ型圧縮機１００には、ロータリ型圧縮機１００が接続された外部の回路から、低圧の冷媒ガスと液冷媒が混在して送られてくる。液冷媒が圧縮機構部３に流入し圧縮されると、圧縮機構部３の故障となる。このため、吸入マフラ１０１では、液冷媒と冷媒ガスとを分離する。そして、冷媒ガスのみが圧縮機構部３に送られる。
【００３９】
図４は、本発明の実施の形態に係るロータリ型圧縮機を使用した冷凍サイクル回路を示す冷媒回路図である。
図４に示すように、ロータリ型圧縮機１００の外部に、凝縮器１０２、膨張弁１０３及び蒸発器１０４が設けられて、冷凍サイクル回路が構成される。すなわち、冷凍サイクル回路は、ロータリ型圧縮機１００の吐出管１１、凝縮器１０２、膨張弁１０３、蒸発器１０４、及び吸入マフラ１０１が配管にて接続された、円環状の回路である。冷凍サイクル回路内を冷媒が循環することで、凝縮器１０２及び蒸発器１０４において空気又は水等と冷媒とが熱交換を行い、熱エネルギーを搬送する。このような冷凍サイクル回路は、空気調和装置等のヒートポンプ装置に用いられる。
【００４０】
なお、図４で示した冷凍サイクル回路には、四方弁１０５が設けられている。四方弁１０５は、冷媒が循環する順路を逆転するように切替える。詳しくは、四方弁１０５は、ロータリ型圧縮機１００、凝縮器１０２、膨張弁１０３、蒸発器１０４及び吸入マフラ１０１の順に流れる冷媒の順路を、ロータリ型圧縮機１００、蒸発器１０４、膨張弁１０３、凝縮器１０２及び吸入マフラ１０１の順に冷媒が流れるように切り替える。これにより、熱エネルギーの搬送を逆転させることができる。すなわち、当該冷凍サイクル回路を空気調和装置として用いる場合、冷房運転と暖房運転とを切り替えることができる。順路を逆転させた場合、凝縮器１０２が蒸発器として機能し、蒸発器１０４が凝縮器として機能する。
【００４１】
次に、圧縮機構部３の動作について説明する。
電動機２の回転子２２が回転すると、該回転子２２に接続されているクランク軸４も回転する。これにより、シリンダ室３６内では、クランク軸４の偏芯軸部４３と該偏芯軸部４３に取り付けられたローリングピストン３２とが、シリンダ室３６の中心軸に対して偏芯回転運動を行う。そして偏芯軸部４３及びローリングピストン３２のシリンダ室３６内での偏芯回転運動により、吸入口３９と連通した作動室が、吸入室３６ａとして機能し、低圧の冷媒ガスを吸入する。
【００４２】
低圧の冷媒ガスを吸入口３９から吸入した作動室は、偏芯軸部４３及びローリングピストン３２の偏芯回転運動により、シリンダ室３６内を移動して、吸入口３９との連通が断たれる。これ以降、当該作動室は圧縮室３６ｂとして機能することとなる。さらに、偏芯軸部４３及びローリングピストン３２が偏芯回転運動していくことにより、作動室の容積が縮小し、吸入した冷媒ガスを圧縮する。偏芯軸部４３及びローリングピストン３２の偏芯回転運動が進むにしたがって、作動室と吐出口が連通する。
【００４３】
作動室と吐出口が連通し、吐出口を閉塞している吐出弁が吐出口を開口したところで、作動室内の高圧の冷媒ガスは、吐出口を介して、密閉容器１内に吐出される。さらに、偏芯軸部４３及びローリングピストン３２が偏芯回転運動していくと、作動室は、吐出口との連通が断たれ、再び、吸入口３９と連通される。これ以降、当該作動室は吸入室３６ａとして機能することとなる。
【００４４】
上述した一連の動作は、偏芯軸部４３及びローリングピストン３２がシリンダ室３６内を一回転する間に行われる。なお、２つの作動室のうち、一方の作動室が冷媒ガスを吸入しているときには、他方の作動室は冷媒ガスを吐出するという動作となる。よって、ベーン３５を挟んで、吸入口３９が連通し低圧冷媒ガスを吸入している作動室が低圧空間の吸入室３６ａとなり、吸入口３９と連通せずに冷媒を圧縮している作動室が高圧空間の圧縮室３６ｂとなる。
【００４５】
ロータリ型圧縮機１００は、上述のように構成されているため、冷媒を圧縮するためにクランク軸４を回転させた際、該クランク軸４の偏芯軸部４３に遠心力が発生する。また、冷媒を圧縮するためにクランク軸４を回転させた際、クランク軸４の偏芯軸部４３には、上述した遠心力に加え、冷媒を圧縮するときにローリングピストン３２が受ける荷重（反力）も作用する。冷媒を圧縮するときにローリングピストン３２が受ける荷重は、偏芯軸部４３の中心軸に対して垂直な方向に、換言すると主軸部４１の中心軸及び副軸部４２の中心軸に対して垂直な方向に作用する。
【００４６】
このため、クランク軸４は、偏芯軸部４３に作用するこれらの力によって、上軸受部３３の軸受３３ｂの偏芯軸部４３側端部、及び下軸受部３４の軸受３４ｂの偏芯軸部４３側端部を支持点として、撓みが発生する。つまり、クランク軸は、二点支持された梁の中央に荷重を加えたときのように撓む。これにより、上軸受部３３の軸受３３ｂの内部において主軸部４１が傾き、下軸受部３４の軸受３４ｂの内部において副軸部４２が傾くこととなる。
【００４７】
主軸部４１の直径が小さい場合、主軸部４１の剛性が低下し、上軸受部３３の軸受３３ｂの内部において主軸部４１の傾きが大きくなる。その結果、上軸受部３３の軸受３３ｂと主軸部４１との間に満たされた冷凍機油に発生する油膜反力が低下する。同様に、副軸部４２の直径が小さい場合、副軸部４２の剛性が低下し、下軸受部３４の軸受３４ｂの内部において副軸部４２の傾きが大きくなる。その結果、下軸受部３４の軸受３４ｂと副軸部４２との間に満たされた冷凍機油に発生する油膜反力が低下する。
【００４８】
上軸受部３３の軸受３３ｂの油膜反力と下軸受部３４の軸受３４ｂの油膜反力との合計である油膜負荷容量は、上軸受部３３の軸受３３ｂ及び下軸受部３４の軸受３４ｂが支持する荷重より、すなわち偏芯軸部４３に作用する上記力よりも大きい必要がある。油膜負荷容量が偏芯軸部４３に作用する上記力よりも小さくなると、上軸受部３３の軸受３３ｂ及び下軸受部３４の軸受３４ｂにおいて冷凍機油の油膜が部分的に消失し、上軸受部３３の軸受３３ｂ及び下軸受部３４の軸受３４ｂとクランク軸とが金属接触してしまうからである。すなわち、上軸受部３３の軸受３３ｂ及び下軸受部３４の軸受３４ｂにおいて凝着摩耗及びかじり（スカッフ）が発生してしまい、ロータリ型圧縮機１００が故障してしまうからである。
【００４９】
したがって、偏芯軸部４３に発生する遠心力、冷媒圧縮時に偏芯軸部４３に作用する荷重、上軸受部３３の軸受３３ｂの偏芯軸部４３側端部から下軸受部３４の軸受３４ｂの偏芯軸部４３側端部までの長さ等により、主軸部４１及び副軸部４２の直径を決定する必要がある。
【００５０】
ここで、小型で高効率なロータリ型圧縮機１００を製作するためには、ロータリ型圧縮機１００の代表的な機械損失が発生するクランク軸４の主軸部４１及び副軸部４２をなるべく細くすることが、すなわち主軸部４１及び副軸部４２の直径を小さくすること有効である。これにより、機械損失を低減でき、ロータリ型圧縮機１００の能力を維持したまま電動機２の入力を低減することができるからである。しかしながら、従来と同様に鋳鉄の鋳物でクランク軸４を製作した場合、従来よりも主軸部４１及び副軸部４２の直径を小さくすることが困難であった。
【００５１】
そこで、本実施の形態に係るロータリ型圧縮機１００では、主軸部４１の中心軸と垂直な断面において、クランク軸４における少なくとも圧縮機構部３の内部に配置されている部分の少なくとも内部を、炭素繊維と樹脂との混合体４５で構成した。なお、従来のクランク軸に用いられている鋳鉄よりも混合体４５の縦弾性係数を大きくできれば、混合体４５を構成する炭素繊維及び樹脂は特に限定されるものではない。現在のロータリ型圧縮機のクランク軸に一般的に用いられているダクタイル鋳鉄は、縦弾性係数が１５０ＧＰａである。例えば、以下の炭素繊維及び樹脂を適宜の割合で混合し、混合体４５を構成することにより、縦弾性係数を６４０ＧＰａ〜９００ＧＰａとすることができる。
（１）炭素繊維：繊維長さ５０μｍ〜５００μｍで、超高弾性率（ｕｌｔｒａ  ｈｉｇｈ  ｍｏｄｕｌｕｓ）タイプのピッチ系炭素繊維。
（２）樹脂：ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）又はポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）等の汎用熱可塑性樹脂。
【００５２】
例えば、図２に示すように、クランク軸４における少なくとも圧縮機構部３の内部に配置されている部分は、主軸部４１の中心軸と垂直な断面において、外周部が金属で構成され、内部が炭素繊維と樹脂との混合体４５で構成されている。換言すると、クランク軸４における少なくとも圧縮機構部３の内部に配置されている部分の内部には、主軸部４１の中心軸方向に沿って、炭素繊維と樹脂との混合体が設けられている。このような構成のクランク軸４は、例えば、鋳鉄の鋳物で構成されたクランク軸４の内部に、炭素繊維と樹脂との混合体４５を芯棒として挿入することで製造される。このように構成されたクランク軸４おいては、軸受３３ｂ，３４ｂとの摺動箇所が、従来と同様に鋳鉄となる。このため、軸受３３ｂ，３４ｂとの摺動特性を従来と同様としたまま、クランク軸４の縦弾性係数を大きくすることができる。ここで、本実施の形態においては、主軸部４１の中心軸と垂直な断面において、クランク軸４における少なくとも圧縮機構部３の内部に配置されている部分は、内部が副軸部４２の直径の９０％未満の直径の混合体４５で構成されている。このようにクランク軸４を構成することにより、鋳鉄部分の変形を抑制できるため、鋳鉄と混合体４５とが剥離することを防止できる。
【００５３】
また例えば、クランク軸４は、クランク軸４における圧縮機構部３の内部に配置されている部分の全てが、炭素繊維と樹脂との混合体４５で構成されていてもよい。このような構成のクランク軸４は、例えば、射出成型の型によって概略形状が形成された後、上軸受部３３の軸受３３ｂ及び下軸受部３４の軸受３４ｂに挿入される外周部分等を研磨することによって製造される。このように構成されたクランク軸４おいては、混合体４５の外周部に鋳鉄が存在する場合と比較して、クランク軸４の縦弾性係数をより大きくすることができる。
【００５４】
上述のように、クランク軸４における少なくとも圧縮機構部３の内部に配置されている部分の少なくとも一部を炭素繊維と樹脂との混合体４５で構成することにより、クランク軸４における圧縮機構部３の内部に配置されている部分の縦弾性係数を、鋳鉄の鋳物で構成された従来のクランク軸よりも大きくすることができる。これにより、本実施の形態に係るロータリ型圧縮機１００のクランク軸４においては、上軸受部３３の軸受３３ｂの偏芯軸部４３側端部、及び下軸受部３４の軸受３４ｂの偏芯軸部４３側端部を支持点として、偏芯軸部４３の中心軸に対して垂直な方向に該偏芯軸部４３に作用する力によって撓む量が、従来のクランク軸よりも減少する。したがって、本実施の形態に係るロータリ型圧縮機１００は、従来よりもクランク軸４の主軸部４１及び副軸部４２の直径を小さくしても、上軸受部３３の軸受３３ｂ及び下軸受部３４の軸受３４ｂにおいて凝着摩耗及びかじり（スカッフ）が発生することを防止でき、ロータリ型圧縮機１００が故障してしまうことを防止できる。
【００５５】
すなわち、本実施の形態に係るロータリ型圧縮機１００は、従来よりもクランク軸４の主軸部４１及び副軸部４２の直径を小さくできるので、ロータリ型圧縮機の代表的な機械損失を低減でき、ロータリ型圧縮機１００を従来よりも小型で高効率にすることができる。
【００５６】
図５は、本発明に係るロータリ型圧縮機における、圧縮機構部の内部に配置されているクランク軸部分の縦弾性係数と、主軸部及び副軸部の直径との関係を示す図である。
ここで、図５の横軸は、クランク軸４における圧縮機構部３の内部に配置されている部分の縦弾性係数を示している。また、図５の縦軸は、図５の横軸に示す縦弾性係数であった場合に必要な主軸部４１及び副軸部４２の直径を示している。必要な主軸部４１及び副軸部４２の直径とは、上軸受部３３の軸受３３ｂ及び下軸受部３４の軸受３４ｂにおいて凝着摩耗及びかじり（スカッフ）が発生することを防止できる、主軸部４１及び副軸部４２の最小直径のことである。なお、図５の縦軸に示す主軸部４１及び副軸部４２の直径は、現在のロータリ型圧縮機に一般的に用いられているダクタイル鋳鉄製のクランク軸の主軸部及び副軸部の直径を「１」として示している。
【００５７】
また、図５では、以下のようにして、必要な主軸部及び副軸部の直径を算出した。詳しくは、円柱状の梁を２点で単純支持（回転自在に支持）し、該梁における支持点間の中央位置に、規定の大きさの集中荷重を作用させるモデルを想定した。そして、梁の縦弾性係数を変更しながら、撓み角が規定角度となる梁の直径を計算した。なお、撓み角の規定角度は、ロータリ型圧縮機１００において許容される、上軸受部３３の軸受３３ｂ内部における主軸部４１の傾き、及び、下軸受部３４の軸受３４ｂ内部における副軸部４２の傾きに基づいて決定した。
【００５８】
現在のロータリ型圧縮機のクランク軸に一般的に用いられているダクタイル鋳鉄は、縦弾性係数が１５０ＧＰａである。図５に示すように、本実施の形態に係るクランク軸４において、圧縮機構部３の内部に配置されている部分の縦弾性係数を３００ＧＰａにすれば、ダクタイル鋳鉄製のクランク軸に対して、主軸部４１及び副軸部４２の直径を１５．９％小さくできる。例えば、外周部が縦弾性係数１５０ＧＰａのダクタイル鋳鉄となり、内部が縦弾性係数８００ＧＰａの混合体４５となるように、クランク軸４における圧縮機構部３の内部に配置されている部分を構成した場合、主軸部４１及び副軸部４２の断面積と混合体４５の断面積との面積比を３：１０にすることで、クランク軸４における圧縮機構部３の内部に配置されている部分の縦弾性係数を３００ＧＰａにできる。例えば、主軸部４１及び副軸部４２の直径を２１ｍｍとした場合、縦弾性係数８００ＧＰａの混合体４５の直径を１３．７ｍｍとすることにより、クランク軸４における圧縮機構部３の内部に配置されている部分の縦弾性係数を３００ＧＰａにできる。
【００５９】
また、図５に示すように、本実施の形態に係るクランク軸４において、圧縮機構部３の内部に配置されている部分の縦弾性係数を６００ＧＰａにすれば、ダクタイル鋳鉄製のクランク軸に対して、主軸部４１及び副軸部４２の直径を２９．３％小さくできる。例えば、圧縮機構部３の内部に配置されている部分の全てを混合体４５で構成することにより、クランク軸４における圧縮機構部３の内部に配置されている部分の縦弾性係数を６００ＧＰａにできる。
【００６０】
クランク軸の摺動損失は、ロータリ型圧縮機に発生する損失全体のおよそ１０％を占めている。このため、本実施の形態のように主軸部４１及び副軸部４２の直径を小さくすることは、ロータリ型圧縮機１００の小型化及び高効率化に大きく貢献できる。
【００６１】
以上、本実施の形態に係るロータリ型圧縮機１００は、回転子２２を有する電動機２と、回転子２２に接続され、電動機２の駆動力を伝達するクランク軸４と、クランク軸４に接続され、クランク軸４から伝達された駆動力によって冷媒を圧縮する圧縮機構部３と、を備える。また、クランク軸４は、回転子２２に接続された主軸部４１、主軸部４１の中心軸と同軸上に中心軸が配置された副軸部４２、及び、主軸部４１と副軸部４２との間に設けられ、中心軸が主軸部４１の中心軸及び副軸部４２の中心軸に対して偏芯している偏芯軸部４３と、を有している。また、圧縮機構部３は、冷媒を圧縮するシリンダ室３６を有し、該シリンダ室３６に偏芯軸部４３が配置されたシリンダ３１と、主軸部４１を回転自在に支持する軸受３３ｂと、副軸部４２を回転自在に支持する軸受３４ｂと、を有している。そして、クランク軸４における少なくとも圧縮機構部３の内部に配置されている部分は、主軸部４１の中心軸と垂直な断面において、少なくとも内部が炭素繊維と樹脂との混合体４５で構成されている。
【００６２】
このため、本実施の形態に係るロータリ型圧縮機１００は、クランク軸４における圧縮機構部３の内部に配置されている部分の縦弾性係数を、鋳鉄の鋳物で構成された従来のクランク軸よりも大きくすることができる。これにより、本実施の形態に係るロータリ型圧縮機１００のクランク軸４においては、軸受３３ｂの偏芯軸部４３側端部、及び軸受３４ｂの偏芯軸部４３側端部を支持点として、偏芯軸部４３の中心軸に対して垂直な方向に該偏芯軸部４３に作用する力によって撓む量が、従来のクランク軸よりも減少する。したがって、本実施の形態に係るロータリ型圧縮機１００は、従来よりもクランク軸４の主軸部４１及び副軸部４２の直径を小さくできるので、ロータリ型圧縮機の代表的な機械損失を低減でき、ロータリ型圧縮機１００を従来よりも小型で高効率なロータリ型圧縮機とすることができる。
【００６３】
例えば、クランク軸４における少なくとも圧縮機構部３の内部に配置されている部分は、主軸部４１の中心軸と垂直な断面において、外周部が金属で構成され、内部が混合体４５で構成されている。このように構成されたクランク軸４おいては、軸受３３ｂ，３４ｂとの摺動特性を従来と同様としたまま、クランク軸４の縦弾性係数を大きくすることができる。この際、例えば、クランク軸４における少なくとも圧縮機構部３の内部に配置されている部分は、内部が副軸部４２の直径の９０％未満の直径の混合体４５で構成されている。このようにクランク軸４を構成することにより、金属と混合体４５とが剥離することを防止できる。
【００６４】
また例えば、クランク軸４における圧縮機構部３の内部に配置されている部分の全てが、混合体４５で構成されている。このように構成されたクランク軸４おいては、混合体４５の外周部に金属が存在する場合と比較して、クランク軸４の縦弾性係数をより大きくすることができる。
【００６５】
また例えば、クランク軸４における少なくとも圧縮機構部３の内部に配置されている部分は、縦弾性係数が３００ＧＰａ以上となっている。
【符号の説明】
【００６６】
１  密閉容器、１１  吐出管、１２  吸入管、２  電動機、２１  固定子、２２  回転子、２３  端子、３  圧縮機構部、３１  シリンダ、３２  ローリングピストン、３３  上軸受部、３３ａ  閉塞部材、３３ｂ  軸受、３４  下軸受部、３４ａ  閉塞部材、３４ｂ  軸受、３５  ベーン、３６  シリンダ室、３６ａ  吸入室、３６ｂ  圧縮室、３７  ベーン溝、３８  背圧室、３９  吸入口、４  クランク軸、４１  主軸部、４２  副軸部、４３  偏芯軸部、４５  混合体、５１  給油路、５２  給油路、５３  給油路、１００  ロータリ型圧縮機、１０１  吸入マフラ、１０２  凝縮器、１０３  膨張弁、１０４  蒸発器、１０５  四方弁。
【図１】
0006771592.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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