(57)【要約】【課題】高圧力条件下で使用されても信頼性を確保できる流体機械を提供する。【解決手段】流体機械は、円筒状のシリンダ３１と、このシリンダ３１内に偏心して配置され外周面に螺旋状溝を有するローラ３２と、このローラ３２の螺旋状溝３４に嵌められた螺旋状のブレード３３を有するヘリカル機構部３を備え、ブレード全体を金属材料で形成する。【選択図】  図１
2004239089.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒状のシリンダと、このシリンダ内に偏心して配置され外周面に螺旋状溝を有するローラと、このローラの前記螺旋状溝に嵌められた螺旋状のブレードを有するヘリカル機構部を備えた流体機械において、前記ブレード全体を金属材料で形成したことを特徴とする流体機械。
【請求項２】
前記金属材料は、バネ鋼あるいはピアノ線であることを特徴とする請求項１に記載の流体機械。
【請求項３】
前記ブレードの断面の半径方向高さ寸法は、ブレードの外周直径の１０分の１以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の流体機械。
【請求項４】
前記ブレードの外周直径は、ブレードの最大螺旋ピッチよりも大きいことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の流体機械。
【請求項５】
前記ブレードの断面形状は、略矩形形状または内周側の幅寸法が外周側の幅寸法よりも小さい略台形形状であるとともに、内周面が内周側に凸の曲面状に形成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の流体機械。
【請求項６】
円筒状のシリンダと、このシリンダ内に偏心して配置され外周面に螺旋状溝を有するローラと、このローラの前記螺旋状溝に嵌められた螺旋状のブレードを有するヘリカル機構部を備えた流体機械において、前記ブレードは、剛性が高くかつ螺旋状溝の少なくとも吸込み側の側面に接触しないように位置決めされていることを特徴とする流体機械。
【請求項７】
前記ブレードのスラスト方向への移動を規制する規制部材をブレードの少なくとも一端側に備えたことを特徴とする請求項６に記載の流体機械。
【請求項８】
前記規制部材は、ブレードの螺旋方向への移動を規制するストッパを兼用しかつ、その断面がＬ字状またはコ字状に形成されていることを特徴とする請求項７に記載の流体機械。
【請求項９】
前記ブレードは、シリンダに固定されていることを特徴とする請求項１または６に記載の流体機械。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は流体機械に係わり、特にブレードの材質及びその取付けを改良した流体機械に関する。
【０００２】
【従来の技術】
室内冷暖房用空気調和機、冷蔵庫、冷凍ショーケース等には冷凍サイクルが組み込まれており、この冷凍サイクルに冷媒を圧縮するコンプレッサが備えられている。この種のコンプレッサには、レシプロタイプのほかにロータリタイプのコンプレッサが普及しているが、圧縮機構部にヘリカルブレードを採用したヘリカルコンプレッサが開発されている。
【０００３】
ヘリカルコンプレッサは、螺旋状のブレードを、ローラ外周に形成した螺旋状溝に巻きつけた状態で、シリンダ内腔に挿入し、ローラをシリンダ中心から偏心させることによって、圧縮室を形成する。モータの回転によって、螺旋状のブレードが、螺旋状溝を出入りする動きをする。このとき、ブレードと螺旋状溝は、互いにその形状がわずかに違っているので、ブレードが螺旋状溝を出入りするときには、ブレードが変形して溝形状にならうことで、その動きを可能にしている。
【０００４】
しかしながら、ヘリカルコンプレッサのブレード材料として、変形可能な弾性材料を用いるという条件を付すとその材質は限定される、例えば、フッ素樹脂材料を使用することが考えられる（例えば特許文献１など）。この場合の問題として、圧力が高いときには、使用範囲が限られるという点がある。螺旋プレードに弾性材料を用いると、ブレード両面に大きな差圧を受けたとき、螺旋ブレードの応力が高くなり、この応力が材料の許容応力を超えた場合には、摩耗に到る危険性がある。
【０００５】
そこで、高圧力条件下で使用されても信頼性を確保できるヘリカルコンプレッサが要望されていた。
【０００６】
また、図１３に示すように、従来のヘリカルコンプレッサは、螺旋状のブレード６１がシリンダ６２内を偏心公転するローラ６３に設けられた螺旋状溝６４を出入りするとき、ブレード６１は差圧によって溝側壁６３ａに押付けられ、摺動による摩擦損失が発生し、ヘリカルコンプレッサの効率を低下させる問題があった。
【０００７】
そこで流体機械の螺旋状のブレードと螺旋状溝の摺動による摩擦損失を低減でき、高効率な流体機械が要望されていた。
【０００８】
【特許文献１】
特開平２−１９６８３号公報（明細書第４頁左欄下段第１０行〜第５頁左欄上段第１行、第１図）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述した事情を考慮してなされたもので、高圧力条件下で使用されても信頼性を確保できる流体機械を提供することを目的とする。
【００１０】
また、流体機械の螺旋状のブレードと螺旋状溝の摺動による摩擦損失を低減でき、高効率な流体機械を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の１つの態様によれば、円筒状のシリンダと、このシリンダ内に偏心して配置され外周面に螺旋状溝を有するローラと、このローラの前記螺旋状溝に嵌められた螺旋状のブレードを有するヘリカル機構部を備えた流体機械において、前記ブレード全体を金属材料で形成したことを特徴とする流体機械が提供される。これにより、高圧力条件下で使用されても信頼性を確保できる流体機械が実現される。
【００１２】
好適な一例では、前記金属材料は、バネ鋼あるいはピアノ線である。これにより、バネ性を有しており、弾性範囲が広くなり、許容応力が大きくなる。
【００１３】
また、他の好適な一例では、前記ブレードの断面の半径方向高さ寸法は、ブレードの外周直径の１０分の１以下である。また前記ブレードの外周直径は、ブレードの最大螺旋ピッチよりも大きい。これにより、ブレードが螺旋状溝を出入りするための必要変形量が、クリアランス量以下になり、ブレードが金属材料で形成されていても螺旋状溝の出入動作が可能になる。
【００１４】
また、他の好適な一例では、前記ブレードの断面形状は、略矩形形状または内周側の幅寸法が外周側の幅寸法よりも小さい略台形形状であるとともに、内周面が内周側に凸の曲面状に形成されている。
【００１５】
また、本発明の他の態様によれば、円筒状のシリンダと、このシリンダ内に偏心して配置され外周面に螺旋状溝を有するローラと、このローラの前記螺旋状溝に嵌められた螺旋状のブレードを有するヘリカル機構部を備えた流体機械において、前記ブレードは、剛性が高くかつ螺旋状溝の少なくとも吸込み側の側面に接触しないように位置決めされている。これにより、流体機械の螺旋状のブレードと螺旋状溝の摺動による摩擦損失を低減でき、高効率な流体機械が実現される。
【００１６】
好適な一例では、前記ブレードのスラスト方向への移動を規制する規制部材をブレードの少なくとも一端側に備える。これにより、ブレードのスラスト方向の動きが抑制されて両者の相対位置が固定され、ブレードの端部が螺旋状溝端部から乗り上げてローラによってかじりを受けることがない。
【００１７】
また、他の好適な一例では、前記規制部材は、ブレードの螺旋方向への移動を規制するストッパを兼用しかつ、その断面がＬ字状またはコ字状に形成されている。これにより、ブレードは螺旋状溝の吸込み側の側面に接触することがないので、摺動による摩擦損失が防止される。
【００１８】
また、他の好適な一例では、前記ブレードは、シリンダに固定されている。これにより、ブレードが螺旋状溝の吸込み側の側面に接触することがなく、摺動による摩擦損失が防止され、また、ブレードの端部が螺旋状溝の端部から乗り上げてローラによってかじりを受けることがない。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係わる流体機械の第１実施形態について添付図面を参照して説明する。
【００２０】
図１は本発明に係わる流体機械の第１実施形態の横型ヘリカルコンプレッサの縦断面図である。
【００２１】
図１に示すように、第１実施形態の横型ヘリカルコンプレッサ１は、密閉状のケース２と、このケース２に収納されたヘリカル機構部例えばヘリカル圧縮機構部３と、このヘリカル圧縮機構部３を駆動させ、モータロータ４１を有する電動機部４と、この電動機部４とヘリカル圧縮機構部３間に設けられ電動機部４の動力をヘリカル圧縮機構部３に伝達しクランク部５１を有するクランクシャフト５とを有しており、これらの各構成要素が一直線上に配置されている。
【００２２】
ヘリカル圧縮機構部３は、横置きタイプのシリンダ（シリンダブロック）３１と、このシリンダ３１内腔に偏心して設置される回転体としての金属製のローラ３２と、このローラ３２とシリンダ３１との間に介装される螺旋状のブレード３３とを有している。
【００２３】
このブレード３３は、全体が金属材料、好ましくはバネ鋼あるいはピアノ線で形成され、螺旋形状をなし、ローラ３２に設けられた螺旋状溝３４に出入り自在に収納され、このブレード３３によりシリンダ３１とローラ３２との間に作動室としての複数の圧縮室３５がシリンダ軸方向に沿って形成されている。
【００２４】
ここで、ブレード３３は螺旋状溝３４に対して旋回運動するので、ブレード３３の断面は螺旋の全ての位置で同一であり、螺旋状溝３４の断面も螺旋の全ての位置で同一とする。ブレード３３の外経と螺旋状溝３４の外経は、互いに異なるので、螺旋の傾きなど形状がわずかに違っており、ブレード３３が金属材料からなっていると、その形状によっては螺旋状溝を出入りすることができなくなる。従って、螺旋状溝３４の断面寸法は、ブレード３３のそれに対して、動きに必要なクリアランス分だけ大きくとった寸法になっている。ブレード３３が螺旋状溝３４を出入りするための必要変形量は、クリアランスの量以下であれば、ブレード３３とローラ３２の動きは可能になる。
【００２５】
ブレード３３が金属材料からなっていても螺旋状溝３４を出入り可能にするためには、ブレード３３と螺旋状溝３４の形状差が極くわずかであるように構成する必要がある。但し、クリアランスの量が大きすぎると、ガスリークが多くなり、圧縮効率が低下するので、最適値を設定することが必要である。
【００２６】
各圧縮室３５は体積変化により流体吸込孔３１ａから吸込まれた冷媒が順次圧縮されて高圧化され、高圧側圧縮室から流体吐出孔３１ｂを経て吐出される。
【００２７】
また、図２に示すように、ブレード３３の断面の半径方向高さ寸法Ｈは、ブレード３３の外周直径Ｄの１０分の１以下であるのが好ましく、また、ブレード３３の外周直径Ｄは、ブレード３３の最大螺旋ピッチＬよりも大きいのが好ましい。さらに、ブレード３３の断面形状は、略矩形形状または図３に示すような内周側の幅寸法が外周側の幅寸法よりも小さい略台形形状であるとともに、図４に示すような内周面が内周側に凸の曲面状に形成されている。
【００２８】
また、ブレード３３に金属材料、特にバネ性を有する材料を用いる場合には、摺動相手部材であるローラ３２及びシリンダ３１の材質は、鉄系材料、特にＦＣ２５０などの鋳鉄が好ましく、また、摺動性に問題がなければアルミ系や、アルミ系材料に表面処理したものでもよい。
【００２９】
上記金属材料にバネ鋼あるいはピアノ線を用いることにより、バネ性を有し、弾性範囲が広くなり、許容応力が大きくなる。また、ブレード３３の螺旋外周径Ｄが、螺旋の最大ピッチＬより大きくなるようにし、ブレード断面の半径方向高さＨが、螺旋外周径Ｄの１０分の１以下、ブレード３３の断面は、矩形形状、あるいは、内周側の幅が外周側の幅より小さい台形形状とすることで、ブレード３３が螺旋状溝３４を出入りするための必要変形量が、クリアランス量以下になり、ブレード３３が金属材料で形成されていても螺旋状溝の出入動作が可能になる。
【００３０】
また、上記ブレード３３の断面の半径方向の高さが、螺旋外周径の１０分の１以下が好ましい根拠は以下の通りである。
【００３１】
ブレードの材料が「金属」であることは、ブレードの大きな変形は期待できず、螺旋状溝の出入り性が制約される。そのため、螺旋状溝との出入りが可能な構造を選択することが必要になる。ブレードが螺旋状溝を出入りするときの変形量δは次式で表される。
【００３２】
【数１】
2004239089.tif 000003
δはθ＝８０°の位置付近で最大になる。
【００３３】
式（１）より
【数２】
2004239089.tif 000004
であるから、１例として螺旋ピッチＬ＝１０ｍｍのときで考える。
【００３４】
ガスシールが可能な隙間として、変形量δ＝０．１ｍｍまで許容すると、
【数３】
ｅ＝０．０６４・Ｒ
となる。
【００３５】
ブレードの断面の半径方向の高さＨは、偏心量ｅの約３倍必要であるから、
【数４】
Ｈ＝３・ｅ＝０．１９２・Ｒ＝０．０９６・Ｄ
（Ｄ：ブレードの外周径）
【００３６】
この結果から、ブレードの断面の半径方向の高さが、螺旋外周径の１０分の１以下が好ましいとの結果を得る。
【００３７】
さらに、ブレード外周径Ｄが、螺旋の最大ピッチよりも大きくするのが好ましい根拠は以下の通りである。
【００３８】
上記式（１）において、ブレード外周径Ｄが螺旋の最大ピッチＬと同じ大きさとして、仮にＬ・Ｄ・１００ｍｍとすると、
【数５】
ｅ＝０．０１Ｒ＝０．００５Ｄ
となり、変形量δを抑えるためには、偏心量を極端に小さくしなければ成り立たなくなる。
【００３９】
上記ブレードの断面が、内周側がＲ形状を有する断面形状にすると製造性が良い理由としては、断面が略矩形の線材を用いてスプリング状に巻く場合、その製造工程から、内周側にＲ形状が必要になる。
【００４０】
次に第１実施形態の流体機械の動作について説明する。
【００４１】
図１に示すような横型ヘリカルコンプレッサ１の電動機部４に通電されると、モータロータ４１が回転駆動される。モータロータ４１の回転力はクランクシャフト５を介してクランク部５１に伝達され、ローラ３２を偏心回転（公転）させる。このローラ３２の偏心回転により、ローラ３２はシリンダ３１の内周面に内接しながら摺動し、公転される。上記ローラ３２の偏心回転によりシリンダ３１とローラ３２との間にブレード３３により形成される各圧縮室３５は、シリンダ軸方向にヘリカル状に移動しながら容積が次第に小さくなるように体積変化する。各圧縮室３５は体積変化により、流体吸込孔３１ａから吸込まれた冷媒が順次圧縮されて高圧化され、高圧側圧縮室から流体吐出孔３１ｂを経て吐出される。
【００４２】
上記のような冷媒の圧縮過程において、図５に示すように、螺旋状溝３４内を出入りするブレード３３が、差圧を受け低圧側（流体吸込孔３１ａ側）に押圧されてもブレード３３と螺旋状溝３４との間のクリアランスは保たれ、また、ブレード３３が螺旋状溝３４にたとえ接することがあっても、ブレード３３が金属製であるので、摺動による摩擦損失が発生せず、ヘリカルコンプレッサ１の効率を低下させることがなく、高効率が維持される。また、圧縮過程において、発熱を伴い、ローラ３２及びブレード３３は高温に曝され熱膨張するが、ブレード３３は金属製であるので、ローラ３２及びブレード３３との熱膨張差は小さく、両者間のクリアランスを小さく保つことができ、高効率が実現される。
【００４３】
また、本発明に係わる流体機械の第２実施形態について説明する。
【００４４】
本第２実施形態は、図１に示す上記第１実施形態におけるブレードが差圧を受け螺旋状溝の低圧側に接触するのを防止するように、ブレードに接触防止手段を付加したものである。
【００４５】
例えば、図６及び図７に示すように、第２実施形態のヘリカルコンプレッサ１Ａのシリンダ３１Ａ内腔には、ローラ３２Ａが偏心配置され、このローラ３２Ａとシリンダ３１Ａとの間には、螺旋状溝３４Ａ内を出入し金属のように剛性が高いブレード３３Ａが設けられている。このブレード３３Ａの両端部３３Ａａ、３３Ａａに対応する位置には、シリンダ３１Ａにその内周面に突出するように取付けられた規制部材３１Ａａ、３１Ａａが突出して設けられている。この規制部材３１Ａａ、３１Ａａは、図８に示すような断面がＬ字形状あるいは図９に示すようなコ字形状をなしている。この規制部材３１Ａａ、３１Ａａにより、ブレード３３Ａは螺旋状溝３４Ａの少なくとも吸込み側の側面に接触しないように位置決めされている。
【００４６】
なお、規制部材を図１０に示すように、初期の組立状態で、ブレード３３Ｂの吐出側側面が、螺旋状溝３４Ｂの吐出側側壁に接するように配置すれば、摺動摩擦はあるものの、差圧による摩擦損失を減らすことは可能になり、高効率が実現する。
【００４７】
従って、第２実施形態の冷媒の圧縮過程において、ローラ３２Ａの偏心回転により、ローラ３２Ａはシリンダ３１Ａの内周面に内接しながら摺動し、公転され、ブレード３３Ａは螺旋状溝３４Ａ内を出入する。このとき、規制部材３１Ａａ、３１Ａａは、ブレード３３が螺旋状溝３４Ａの吸込み側の側面に接触するのを防止するストッパの働きを兼ねることにより、ブレード３３は螺旋状溝３４Ａの吸込み側の側面に接触することがないので、摺動による摩擦損失が発生せず、ヘリカルコンプレッサ１Ａの効率を低下させることがなく、高効率が維持される。また、このとき、規制部材３１Ａａ、３１Ａａにより、ブレード３３Ａのスラスト方向（軸方向）の動きが抑制されて両者の相対位置が固定され、ブレード３３Ａの端部が螺旋状溝３４Ａ端部から乗り上げてローラ３２Ａによってかじりを受けることがない。これにより、高効率で信頼性の高いヘリカルコンプレッサが得られる。他の構成は図１に示す流体機械と異ならないので、同一符号を付して説明は省略する。
【００４８】
また、本発明に係わる流体機械の第３実施形態について説明する。
【００４９】
本第３実施形態は、図６に示す上記第２実施形態において、ブレードはシリンダに取付けられた規制部材により動きが抑制されるのに対して、ブレードがシリンダに固着されるものである。
【００５０】
例えば、図１１及び図１２に示すように、第３実施形態のヘリカルコンプレッサのシリンダ３１Ｃ内腔には、ローラ３２Ｃが偏心配置され、このローラ３２Ｃとシリンダ３１Ｃとの間には、螺旋状溝３４Ｃ内を出入し金属のように剛性の高いブレード３３Ｃが設けられている。このブレード３３Ｃは、シリンダ３１Ｃに溶着、ロウ付けあるいは螺着のような固着手段によって強固に取付けられている。
【００５１】
従って、ブレード３３Ｃは、螺旋状溝３４Ｃ内を出入するが、ブレード３３Ｃはシリンダ３１Ｃに取付けられているので、螺旋状溝３４Ｃの吸込み側の側面に接触することがなく、摺動による摩擦損失が発生せず、ヘリカルコンプレッサ１Ｃの効率を低下させることがなくなって、高効率が維持される。また、ブレード３３Ｃの軸方向の動きはなく、ブレード３３Ｃの端部が螺旋状溝３４Ｃ端部から乗り上げてローラ３２Ｃによってかじりを受けることがない。これにより、高効率で信頼性の高いヘリカルコンプレッサが得られる。
【００５２】
なお、本発明に係わる流体機械を上記各実施形態では、横型ヘリカルコンプレッサで説明したが、本発明の流体機械は、縦型ヘリカルコンプレッサ、真空ポンプ等にも適用できる。
【００５３】
【発明の効果】
本発明に係わる流体機械によれば、高圧力条件下で使用されても信頼性を確保できる流体機械を提供することができる。
【００５４】
また、流体機械の螺旋状のブレードと螺旋状溝の摺動による摩擦損失を低減でき、高効率な流体機械を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる流体機械の第１実施形態の縦断面図。
【図２】本発明に係わる流体機械の第１実施形態に用いられるブレードの側面図。
【図３】本発明に係わる流体機械の第１実施形態に用いられるブレードの断面図。
【図４】本発明に係わる流体機械の第１実施形態に用いられる他のブレードの断面図。
【図５】本発明に係わる流体機械の第１実施形態に用いられるブレードの圧力作用状態を示す概念図。
【図６】本発明に係わる流体機械の第２実施形態の縦断面図。
【図７】本発明に係わる流体機械の第２実施形態の横断面図。
【図８】図６のＡ−Ａ線に沿う断面図。
【図９】図６のＡ−Ａ線に沿う他の規制部材の断面図。
【図１０】本発明に係わる流体機械の第２実施形態の他の規制部材の取付け状態を示す断面図。
【図１１】本発明に係わる流体機械の第３実施形態の縦断面図。
【図１２】本発明に係わる流体機械の第３実施形態の横断面図。
【図１３】従来の流体機械に用いられるブレードの圧力作用状態を示す概念図。
【符号の説明】
１  横型ヘリカルコンプレッサ
２  ケース
３  ヘリカル圧縮機構部
４  電動機部
５  クランクシャフト
３１  シリンダ
３１ａ  流体吸込孔
３１ｂ  流体吐出孔
３２  ローラ
３３  ブレード
３４  螺旋状溝
３５  圧縮室
４１  モータロータ
５１  クランク部
【図１】
2004239089.tif 000005
【図２】
2004239089.tif 000006
【図３】
2004239089.tif 000007
【図４】
2004239089.tif 000008
【図５】
2004239089.tif 000009
【図６】
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【図７】
2004239089.tif 000011
【図８】
2004239089.tif 000012
【図９】
2004239089.tif 000013
【図１０】
2004239089.tif 000014
【図１１】
2004239089.tif 000015
【図１２】
2004239089.tif 000016
【図１３】
2004239089.tif 000017