(57)【要約】【課題】機械損失の少ない膨張機構部を有する圧縮機を提供すること。【解決手段】膨張機構部１と圧縮機構部４１とを有する圧縮機であって、膨張機構部１が、内部に空間１０Ａを形成するステータ１０と、ステータ１０内部の空間１０Ａで回転する円筒状のロータ２０と、ロータ２０を回転駆動するシャフト４０と、ロータ２０に有するベーン溝２１内を摺動するベーン２２と、ロータ２０の端面とステータ１０の端面とを封鎖する端板３０と、ステータ１０とロータ２０との間に形成される膨張空間１１にガスを供給する供給ポート１２と、膨張空間１１からガスを排出する吐出ポート３１とを備え、ロータ２０とシャフト４０とをスプライン結合とし、シャフト４０を圧縮機構部４１の駆動軸としたことを特徴とする圧縮機。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
膨張機構部と圧縮機構部とを有する圧縮機であって、
前記膨張機構部が、内部に空間を形成するステータと、前記ステータ内部の前記空間で回転する円筒状のロータと、前記ロータを回転駆動するシャフトと、前記ロータに有するベーン溝内を摺動するベーンと、前記ロータの端面と前記ステータの端面とを封鎖する端板と、前記ステータと前記ロータとの間に形成される膨張空間にガスを供給する供給ポートと、前記膨張空間から前記ガスを排出する吐出ポートとを備え、前記ロータと前記シャフトとをスプライン結合とし、前記シャフトを前記圧縮機構部の駆動軸としたことを特徴とする圧縮機。
【請求項２】
前記シャフトに対して、前記ロータを軸方向に移動可能に設けたことを特徴とする請求項１に記載の圧縮機。
【請求項３】
前記ステータの内部に形成する前記空間を、平面視で楕円形状とするとともに、前記楕円形状の短径側の対向面に、前記ロータと同心円状の円弧部を形成したことを特徴とする請求項１に記載の圧縮機。
【請求項４】
少なくとも一つの前記ベーンが、前記ロータの動作中に前記円弧部に配置されるように複数の前記ベーンを配置したことを特徴とする請求項３に記載の圧縮機。
【請求項５】
前記供給ポートと前記吐出ポートとを複数組備え、それぞれの前記供給ポートを軸対称に配置するとともに、それぞれの前記吐出ポートを軸対称に配置したことを特徴とする請求項１に記載の圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膨張機構部と圧縮機構部とを有する圧縮機に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、冷凍装置の冷媒として二酸化炭素を用いることが検討されているが、エネルギー効率の面から、膨張装置として膨張機を用いることが検討されている。
膨張機構部と圧縮機構部とは、構造的には共通するため、従来圧縮機構部として用いられてきた構造を膨張機構部として利用することができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、圧縮機と膨張機とを比較すると、膨張機の方が軸トルクが小さいにもかかわらず、同一冷凍サイクル装置内では、冷凍サイクル装置に、従来圧縮機構部として用いられてきた構造を膨張機として利用する場合、膨張機の損失割合が相対的に大きくなってしまう。
また、圧縮機と膨張機とを同軸で連結することも考えられるが、一体のシャフトにて連結する場合には、圧縮機構部及び膨張機構部の軸芯と、電動機部を構成するステータとロータの中心とを一致させ、同じ容器内に配置して組み立てることは困難である。また、圧縮機構部と膨張機構部とを別々に組立てた後にシャフトを連結する方法も考えられるが、継ぎ手部分の信頼性を確保することが困難となる。      
【０００４】
そこで本発明は、機械損失の少ない膨張機構部を有する圧縮機を提供することを目的とする。
また、本発明は、膨張機構部と圧縮機構部とを備えた圧縮機において、組立の容易化を図ることのできる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】
【０００５】
請求項１記載の本発明の圧縮機は、膨張機構部と圧縮機構部とを有する圧縮機であって、前記膨張機構部が、内部に空間を形成するステータと、前記ステータ内部の前記空間で回転する円筒状のロータと、前記ロータを回転駆動するシャフトと、前記ロータに有するベーン溝内を摺動するベーンと、前記ロータの端面と前記ステータの端面とを封鎖する端板と、前記ステータと前記ロータとの間に形成される膨張空間にガスを供給する供給ポートと、前記膨張空間から前記ガスを排出する吐出ポートとを備え、前記ロータと前記シャフトとをスプライン結合とし、前記シャフトを前記圧縮機構部の駆動軸としたことを特徴とする。
請求項２記載の本発明は、請求項１に記載の圧縮機において、前記シャフトに対して、前記ロータを軸方向に移動可能に設けたことを特徴とする。
請求項３記載の本発明は、請求項１に記載の圧縮機において、前記ステータの内部に形成する前記空間を、平面視で楕円形状とするとともに、前記楕円形状の短径側の対向面に、前記ロータと同心円状の円弧部を形成したことを特徴とする。
請求項４記載の本発明は、請求項３に記載の圧縮機において、少なくとも一つの前記ベーンが、前記ロータの動作中に前記円弧部に配置されるように複数の前記ベーンを配置したことを特徴とする。
請求項５記載の本発明は、請求項１に記載の圧縮機において、前記供給ポートと前記吐出ポートとを複数組備え、それぞれの前記供給ポートを軸対称に配置するとともに、それぞれの前記吐出ポートを軸対称に配置したことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、機械損失が少なく、組立の容易化を図ることのできる圧縮機を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明の第１の実施の形態による圧縮機は、膨張機構部が、内部に空間を形成するステータと、ステータ内部の空間で回転する円筒状のロータと、ロータを回転駆動するシャフトと、ロータに有するベーン溝内を摺動するベーンと、ロータの端面とステータの端面とを封鎖する端板と、ステータとロータとの間に形成される膨張空間にガスを供給する供給ポートと、膨張空間からガスを排出する吐出ポートとを備え、ロータとシャフトとをスプライン結合とし、シャフトを圧縮機構部の駆動軸としたものである。本実施の形態によれば、ロータとシャフトとの間にはクリアランスを有するため、膨張機構部内での機械損失を少なくすることができるとともに、圧縮機構部と膨張機構部とをシャフトで連結する場合に、組立作業を容易に行うことができる。
本発明の第２の実施の形態は、第１の実施の形態による圧縮機において、シャフトに対して、ロータを軸方向に移動可能に設けたものである。本実施の形態によれば、ロータからシャフトに対するスラスト力が働かないため、膨張機構部内での機械損失を少なくすることができる。また、ロータが軸方向に移動可能なため、ロータの両端面の圧力バランスをとれば、両端面におけるクリアランスが等しくなり、ロータの端面を通る漏れを最小にできる。
本発明の第３の実施の形態は、第１の実施の形態による圧縮機において、ステータの内部に形成する空間を、平面視で楕円形状とするとともに、楕円形状の短径側の対向面に、ロータと同心円状の円弧部を形成したものである。本実施の形態によれば、ロータとシャフトとをスプライン結合としているので、ロータがステータ内部の空間の中心に勝手に調心されるため、円弧部とロータとのクリアランスを小さくすることができる。また、ロータとシャフトとを剛接合した場合では、シャフトの傾きによりロータ外周面が空間の内周面と接触してしまうが、本実施の形態では、ロータとシャフトとをスプライン結合しているので、ロータはシャフトの傾きの影響を受けず、ロータ外周面が空間の内周面と接触しないため、円弧部とロータとのクリアランスを小さくすることができる。また、本実施の形態では、ロータとシャフトとをスプライン結合しているので、ロータは軸方向に移動可能なため、ロータの両端面の圧力バランスをとれば両端面におけるクリアランスが等しくなり、ロータの端面を通る漏れを最小にできる。シリンダとロータとのクリアランスを大きくすることで、このように本実施の形態によれば、ロータのステータに対する摺動摩擦を少なくすることができ、ロータの始動を容易に行うことができ、また膨張機構部内での機械損失を少なくすることができる。
本発明の第４の実施の形態は、第３の実施の形態による圧縮機において、少なくとも一つのベーンが、ロータの動作中に円弧部に配置されるように複数のベーンを配置したものである。本実施の形態によれば、円弧部における冷媒漏れを防止することができる。
本発明の第５の実施の形態は、第１の実施の形態による圧縮機において、供給ポートと吐出ポートとを複数組備え、それぞれの供給ポートを軸対称に配置するとともに、それぞれの吐出ポートを軸対称に配置したものである。本実施の形態によれば、ロータには対称に圧力が加わるため、ステータに対してロータを常に適正な位置に保持することができる。
【実施例】
【０００８】
以下本発明の一実施例による圧縮機について説明する。
図１から図４は本実施例による膨張機構部の要部平面図であり、図１は一つの膨張室の供給完了状態を示す平面図、図２は次の膨張室が供給行程にあることを示す平面図、図３は同膨張室の供給行程終了直前の状態を示す平面図、図４は同膨張室の供給完了状態を示す平面図である。図５は同膨張機構部の側断面図、図６は同膨張機構部を有する圧縮機の側断面図である。
【０００９】
まず本実施例による膨張機構部の構成について説明する。
図１から図４に示すように本実施例による膨張機構部１は、内部に空間１０Ａを形成するステータ１０と、ステータ１０の内部の空間１０Ａで回転運動する円筒状のロータ２０とを備えている。ここで、ステータ１０の内部に形成される空間１０Ａは、平面視で楕円形状に形成されるとともに、楕円形状の短径側の対向面には、ロータ２０と同心円状の円弧部１０Ｂを形成している。この円弧部１０Ｂの曲率半径は、楕円形状の短径側の曲率半径よりも小さく、短径側に形成される空間１０Ａとロータ２０との最小隙間は、この円弧部１０Ｂを形成することで所定のクリアランスを確保している。
ステータ１０とロータ２０との間には膨張空間１１を形成している。ロータ２０には、放射状に形成された複数のベーン溝２１を有している。そしてこれらのベーン溝２１には、ベーン溝２１内を摺動する複数のベーン２２が配置されている。
これらのベーン２２は、膨張空間１１を複数の膨張室１１Ａ、１１Ｂに区分している。図においては、１０個のベーン２２によって１０個の膨張室１１Ａ、１１Ｂ・・に区分している。本実施例では、１０個のベーン２２によって、少なくとも一つのベーン２２が、ロータ２０の動作中に円弧部１０Ｂに配置されるように構成されている。
ステータ１０には、これらの膨張室１１Ａ、１１Ｂにガスを供給する供給ポート１２が設けられている。
それぞれの隣り合うベーン２２間には、ロータ側連通路２３が配置されている。このロータ側連通路２３は、ロータ２０の一方の端面に形成した所定長さの溝によって形成され、ベーン溝２１とともに、ロータ２０の中心に対して放射状に配置している。ロータ側連通路２３の長さは、ベーン溝２１の長さよりも短く形成している。
【００１０】
図１から図４に示す吐出ポート３１と端板側連通路３２とは、図５に示す端板３０に設けられている。吐出ポート３１は膨張空間１１からガスを排出する空間である。端板側連通路３２は、所定長さの円弧状の溝によって形成されている。
なお、ロータ２０の中心孔にはシャフト４０が配置され、ロータ２０とシャフト４０とは、スプライン結合されている。なお、本実施例におけるスプライン結合は、ロータ２０とシャフト４０とが、回転方向にのみ係合し、軸方向には自在に摺動可能なものである。従って、シャフト４０のスプライン長さは、ロータ２０のスプライン長さより長く構成され、シャフト４０に対してロータ２０を軸方向に移動可能に設けられていることが好ましい。
なお、本実施例では、供給ポート１２と吐出ポート３１とを２組備え、それぞれの供給ポート１２を対称に配置するとともに、それぞれの吐出ポート３１を対称に配置している。このように、供給ポート１２と吐出ポート３１とを対称に配置することで、それぞれ対向する膨張膨張室１１Ａ、１１Ｂ・・の圧力が等しくなり、ロータ２０とシャフト４０とのクリアランスを均一に生じさせ、ロータ２０とシャフト４０との機械摩擦を少なくすることができる。なお、３組以上の供給ポート１２と吐出ポート３１とを備える場合にも、それぞれの供給ポート１２を軸対称に配置するとともに、それぞれの吐出ポート３１を軸対称に配置することで、ロータ２０とシャフト４０との機械摩擦を少なくすることができる。
【００１１】
図５に示すように、ロータ２０の両端面とステータ１０の両端面とは、一対の端板３０によって封鎖されている。端板側連通路３２は端板３０の端面に形成され、供給ポート１２に導かれるガスが連通する通路３４が端板３０内に形成されている。端板側連通路３２と通路３４とは連通している。端板側連通路３２が形成された端板３０の端面は、ロータ側連通路２３が形成されたロータ２０の端面と対向している。
一方の端板３０には、環状溝３３が形成され、この環状溝３３は、図１から図４に示すベーン溝２１の中心側端部と連通している。この環状溝３３には、高圧ガスや高圧潤滑油が供給され、ベーン２２に対して背圧を付与する。なお、本実施例による膨張機構部は、ステータ１０内の空間が楕円形状をしており、供給ポート１２と吐出ポート３１とが、対称な位置に設けられている。
【００１２】
図６に示すように、本実施例による膨張機構部１は、圧縮機構部４１とともに、密閉容器４２内に配置されている。なお、この種の圧縮機は、放熱器や蒸発器とともに冷凍サイクル装置を構成する。この冷凍サイクル装置としては二酸化炭素を冷媒として用い、高圧側では超臨界域となるように運転することが好ましい。
密閉容器４２内には、電動機構部４３も備えている。圧縮機構部４１は密閉容器４２内の上方に配置され、電動機構部４３は圧縮機構部４１と膨張機構部１との間に配置されている。密閉容器４１の上部には、吸入管４４と吐出管４５が設けられている。密閉容器４２内の下部には、潤滑油を溜める油溜まり４６を有する。
圧縮機構部４１は、固定スクロール部品４１ａと旋回スクロール部品４１ｂとからなり、両部品が噛み合って、複数の圧縮室を形成している。即ち、固定スクロール部品４１ａは、固定鏡板から渦巻状の固定渦巻ラップが立ち上がって構成され、旋回スクロール部品４１ｂは、旋回鏡板から渦巻状の旋回渦巻ラップが立ち上がって構成されている。圧縮室は、固定鏡板と旋回鏡板との間に、旋回渦巻ラップと固定渦巻ラップとが噛み合って形成される。
旋回スクロール部品４１ｂは、自転拘束機構４７によって自転が拘束され、円軌道に沿って旋回する。圧縮室は、この旋回スクロール部品４１ｂの旋回動作によって容積を変えながら移動する。旋回スクロール部品４１ｂの鏡板背面部には背圧空間４８が設けてある。この背圧空間４８内には軸受部材４９に設けた円環溝に摺動仕切り環５０を配置し、この摺動仕切り環５０により背圧空間４８を２分割している。摺動仕切り環５０で分割した一方の内側領域４８ｂには、高圧の吐出圧力を作用させる。また、その外側領域４８ａには、吸入圧力から吐出圧力までの間の所定の中間圧力を作用させている。
電動機構部４３は、固定子４３ａと回転子４３ｂとを有している。固定子４３ａは、密閉容器４２に固定され、回転子４３ｂは、シャフト４０に固定されている。
シャフト４０は、その上端部では旋回スクロール部品４１ｂと嵌合し、旋回スクロール部品４１ｂを旋回動作させ、その下端部では膨張機構部１を回転動作させる。
【００１３】
次に、本実施例による膨張機構部の動作について説明する。
本実施例による膨張機構部は、供給ポート１２から供給したガスを膨張室１１Ａ、１１Ｂにて膨張させて吐出ポート３１から排出する。供給ポート１２から供給されるガスが高圧ガスの場合には、このガスの膨張作用によってロータ２０が回転し、供給ポート１２から供給されるガスを膨張させる場合には、ロータ２０を回転させる。
図１では、膨張室１１Ａの供給行程が完了した状態を示している。膨張室１１Ａの後端側はベーン２２Ａによって供給ポート１２から隔離されている。このタイミングでロータ側連通路２３Ａは、端板側連通路３２とは連通しない位置に移動している。
一方、図１において、膨張室１１Ａの次の膨張室１１Ｂは、供給ポート１２と連通された状態となっている。また、このタイミングでロータ側連通路２３Ｂは、端板側連通路３２と連通される位置に移動している。この状態では、供給ポート１２からは、供給隙間寸法が十分な間隔を持たないため、供給ポート１２からのガスの導入を十分に行えないが、ロータ側連通路２３Ｂが膨張室１１Ｂに開口することにより、端板側連通路３２からガスが供給される。
図２では、膨張室１１Ｂの供給行程中の状態を示している。膨張室１１Ｂには、供給ポート１２からガスが供給されるとともに、端板側連通路３２と連通しているロータ側連通路２３Ｂからもガスが供給される。
図３では、膨張室１１Ｂでの供給行程終了直前の状態を示している。この状態では、ベーン２２Ｂによって供給ポート１２の膨張室１１Ｂに対する開口面積は狭められてしまい、供給ポート１２と膨張室１１Ｂとの間の供給隙間寸法が十分な間隔を持たないため、供給ポート１２からのガスの導入を十分に行えないが、ロータ側連通路２３Ｂは端板側連通路３２と連通状態にあるため、ロータ側連通路２３Ｂから膨張室１１Ｂにガスが供給される。
図４では、膨張室１１Ｂの供給完了状態を示している。膨張室１１Ｂの後端側はベーン２２Ｂによって供給ポート１２から隔離されている。このタイミングでロータ側連通路２３Ｂも、端板側連通路３２とは連通しない位置に移動している。
【００１４】
以上のように、それぞれの膨張室１１は、供給行程において、供給ポート１２以外に、ロータ側連通路２３からガスが供給されるため、供給ポート１２と膨張室１１との間の供給隙間寸法が十分な間隔を持たないタイミングでも十分なガスが供給される。特に供給行程の開始からの所定時間、及び供給行程の終了前における所定時間の内の少なくとも一方の所定時間に、ロータ側連通路２３からガスが供給されるように構成してもよい。
また、楕円形状の短径側の対向面に、ロータ２０と同心円状の円弧部１０Ｂを形成し、ステータ１０とロータ２０とのクリアランスを小さくすることができる。すなわち、ロータ２０とシャフト４０との間にはクリアランスを有するために、ロータ２０がステータ１０内部の空間の中心に勝手に調心され、またロータ２０はシャフト４０の傾きの影響を受けず、ロータ２０外周面が空間１０Ａの内周面と接触しないためである。従って、ステータ１０とロータ２０とのクリアランスを小さくしても、ロータ２０のステータ１０に対する摺動摩擦を少なくすることができ、ロータ２０の始動を容易に行うことができる。また、ロータ２０の両端面の圧力バランスをとれば、両端面におけるクリアランスが等しくなり、ロータ２０の端面を通る漏れを最小にできる。
【００１５】
次に、本実施例による圧縮機の組立について図６を用いて説明する。
まず、固定スクロール部品４１ａ及び旋回スクロール部品４１ｂからなる圧縮機構部４１が、シャフト４０及び自転拘束機構４７とともに組み立てられる。その後、回転子４３ｂがシャフト４０に焼きバメされる。一方、密閉容器４２の胴体部分には、固定子４３ａが固定される。固定子４３ａを固定した密閉容器４２内に、既に組み立てた圧縮機構部４１を挿入し、軸受部材４９を密閉容器４２に溶接して固定する。次に、副軸受３０ａを有する端板３０を密閉容器４２内に組み入れ、シャフト４０を回転させながら、副軸受３０ａの位置を微小に移動させ、シャフト４０の回転トルクが一番小さくなる個所で副軸受３０ａを固定する。その後、上シェル４２ａと胴体部分４２ｂとを溶接し、ガラスターミナル６０から電流を投入することによって、回転子４３ｂを着磁する。その後、膨張機構部１を順次組み立て、最終に、シャフト４０の下端にオイルポンプを取り付け、下シェル４２ｃを胴体部分４２ｂに溶接して完成する。
ここで、ロータ２０とシャフト４０との間は、スプライン結合によってクリアランスを有するために、圧縮機構部４１と膨張機構部１との連結を容易に行うことができる。
なお、上記実施例では、ベーン溝２１とロータ側連通路２３とを、ロータ２０の中心に対して放射状に設けた場合で説明したが、所定の傾き角度を持たせてもよい。
本実施例による膨張機構部は、圧縮機、放熱器、凝縮器とともに冷凍サイクルを構成し、放熱器で放熱された高圧冷媒ガスを供給ポート１２から供給し、吐出ポート３１から吐出される低圧冷媒ガスを凝縮器に導くことで、ロータ２０が回転し、回転軸４０から動力を出力することができる。
【産業上の利用可能性】
【００１６】
本実施例の膨張機構部は、二酸化炭素を冷媒として用いた冷凍サイクルを構成する圧縮機として特に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施例の圧縮機における一つの膨張室の供給完了状態を示す平面図
【図２】同圧縮機における次の膨張室が供給行程にあることを示す平面図
【図３】同圧縮機における同膨張室の供給行程終了直前の状態を示す平面図
【図４】同圧縮機における同膨張室の供給完了状態を示す平面図
【図５】同圧縮機における膨張機構部の側断面図
【図６】同膨張機構部を用いた圧縮機の側断面図
【符号の説明】
【００１８】
１  膨張機構部
１０  ステータ
１１  膨張空間
２０  ロータ
２１  ベーン溝
２２  ベーン
２３  ロータ側連通路
３０  端板
３１  吐出ポート
３２  端板側連通路
４１  圧縮機構部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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