JP2003286979A - ヘリカルブレ−ド式圧縮機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ヘリカルブレ−ド式圧縮機のピストンに作用す
るガス圧縮荷重により、ピストンがシリンダ中心側に押
されて作動室の気密性を保持している円柱状のピストン
外周面と円筒状のシリンダ内周面間の長手方向の最小隙
間部が拡大して内部漏れが増大し効率が低下する問題及
び熱やガス圧力に伴う部材の変形からピストンとシリン
ダ間での異常な接触に伴う異常振動や異常騒音さらには
軸受損傷が発生する問題があった。 【解決手段】円筒状のシリンダ内周面と円柱状のピスト
ン外周面及びピストンのスパイラル溝に装着されたブレ
−ドで構成された作動室において、ピストンとシリンダ
間に形成される長手方向の作動室シ−ル隙間を最小とす
る手段として、一方向の直線移動が可能な平坦なスライ
ド面を設けたスライドブッシュと弾性部材から構成され
たピストンの偏心量可変機構をシャフトとピストンとの
間い設けて構成されたことを特徴とするヘリカルブレ−
ド式圧縮機。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、作動流体として冷
凍サイクルにおける冷媒ガスのような気体ないしは空気
のような気体を圧縮するための容積式の圧縮機ないしは
ポンプに係り、特にヘリカルブレ−ド式圧縮機に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】ヘルカルブレ−ド式圧縮機の圧縮機部
は、基本的に円筒状のシリンダ気筒部と、この気筒部内
に偏心して配置されたピッチが徐々に変化するスパイラ
ル溝を外周面に設けた円柱状のピストン、該スパイラル
溝内に微小隙間を設けて装着されたブレ−ド、ピストン
内の軸受に回転可能に挿入された電動機の動力を伝達す
るシャフト、及びピストンをシリンダに対して旋回運動
させる手段としてのオルダム機構が機械的に連結されて
構成さている。

【０００３】さらには円筒状の気筒部空間を内側に形成
するシリンダの上端には該空間を塞ぐように主フレ−ム
が固定され、下端にも該空間を塞ぐように副フレ−ムが
固定されて形成される円柱状の該空間内には、主フレ−
ムと副フレ−ムの中央部に設けた軸受に支えられ２個の
バランサ−を設けたシャフトとこのシャフトの軸部に装
着された円筒状のピストンが設けられている。

【０００４】そしてガスを圧縮する作動室は、シリンダ
気筒部とピストン外壁面及びそのピストンに装着された
ブレ−ドの側壁面から形成される空間のその容積が長手
方向に沿って徐々に変化する複数の部屋に別れている。

【０００５】該作動室の気密性は、シリンダ気筒部内側
にそれより小さなピストン外壁面の円筒部を互いの軸を
平行にして挿入して偏心させた場合に生じる長手方向の
最小隙間すなはち作動室のシ−ル隙間δｃ、シリンダ気
筒部内側に接触するブレ−ド先端及びピストンのスパイ
ラル溝に収納されたブレ−ド端面との接触面によって保
持されている。

【０００６】このような圧縮機部を構成するシリンダの
一端と前記圧縮機部にシャフトを介して接続された電動
機を構成するモ−タが密閉ケ−ス内に固定され密閉型圧
縮機として構成された公知例として特開平１１−３２４
９５５号公報が挙げられる。

【０００７】上記圧縮機構部を構成するブレ−ド付きピ
ストンとピストンを支持しているシャフトの偏心部分を
加えた回転慣性質量に相当する質量がバランサ−として
該シャフトに固定されている。

【０００８】このため、運転時に前記シ−ル隙間δｃが
開いてシリンダ気筒部とピストン外壁面が非接触の場合
はピストンの遠心力はシャフトに作用するが、互いに接
触している場合にはピストンの遠心力はシリンダ気筒部
に作用する。

【０００９】

【発明が解決しようとしている課題】各作動室の気密性
はシリンダ気筒部とブレ−ド先端との間、ピストンのス
パイラル溝側壁面とブレ−ド端面との間、およびシリン
ダ内壁面とピストン外壁面間で形成される最小隙間であ
るシ−ル隙間δｃで保持されている。

【００１０】このうち、ブレ−ドでシ−ルされている面
には、ブレ−ド自身の弾性力である張力やその背面にガ
ス圧力を加えることによりシ−ル面を密着させて気密性
を保持することが可能となる。

【００１１】しかし、シリンダ気筒部とピストン外壁面
の相対的な位置関係で決まるシ−ル隙間δｃの大きさ
は、各ポンプ部品の加工精度や組立て精度及び運転中に
作用する熱やガス圧力による部材の移動や変形に大きく
影響される。

【００１２】特に、運転中は圧縮されて上昇したガス圧
力の一部がピストンをシリンダ気筒部中心軸側に押して
シ−ル隙間δｃを拡大させる方向に作用する現象につい
て、さらに詳しく説明する。

【００１３】電動機が駆動されて圧縮機の運転が開始さ
れると作動室に流入して閉じ込められたガスはピストン
の自転のない公転運動すなはち旋回運動に伴い作動室の
容積が徐々に減少して圧力が上昇する。

【００１４】このガス圧力に伴うガス圧縮荷重は、シリ
ンダ気筒部の軸中心線とピストン外壁円筒の軸中心線を
含む軸平面に垂直で軸トルクとして作用する接線力と該
軸平面に対しておよそ平行でピストンの軸心とシリンダ
の軸心に近付けるすなはち回転中心に向かう法線力に分
解できる。

【００１５】この法線力は作動室の気密性を保持してい
る長手方向の最小隙間部ではピストンとシリンダ気筒部
を互いに離反させてシ−ル隙間δｃを拡大させる働きを
するが、ピストンの軸心の偏心に伴う遠心力は回転数の
２乗に比例して法線力と反対方向に作用する。

【００１６】そのために、軸の回転数が低くてピストン
の遠心力が法線力よりも小さい領域では、シ−ル隙間δ
ｃが拡大されて作動室の気密性が低下し内部漏れが増大
して効率が低下する問題があった。

【００１７】この傾向は高圧側と低圧側の差圧が大きく
なるほとそのシ−ル隙間δｃを拡大させる法線力は大き
くなる傾向を示すので、より効率低下が大きくなり、高
い吐出高圧で利用することを困難にさせていた。

【００１８】一方、ピストンの遠心力が法線力よりも大
きくなる高速運転領域では、シ−ル隙間δｃは小さくな
って作動室の気密性が向上するが、増大するピストンの
遠心力がシリンダ気筒部に作用して振動騒音を増大させ
る問題や軸受に作用して軸受損傷が発生する問題があっ
た。

【００１９】また、シ−ル隙間δｃを低減する狙いから
シリンダ気筒部にピストン外壁面を接近させていくと、
運転中に熱やガス圧力に伴う部材の変形から異常接触が
発生して、異常振動や異常騒音さらには以上荷重が軸受
に加わって軸受損傷が発生する問題があった。

【００２０】

【課題を解決するための手段】上記従来の課題を解決す
る手段として、シリンダ気筒部１１ａとピストン外壁面
１２ａ及びピストンのスパイラル溝１２ｂに装着された
ブレ−ド１４で構成される作動室において、ピストン外
壁面とシリンダ気筒部との間に形成される長手方向のシ
−ル隙間δｃを最小とする手段としてのピストン中心軸
の偏心量を可変にする偏心量可変機構をピストンと動力
を伝達するシャフトのスライド部８ｂとの間に設ける。

【００２１】該偏心量可変機構は、シャフトと一体とな
った少なくとも１つの平坦面を設けたスライド部８ｂ
に、円筒状の内側に矩形状の嵌合穴１５ｂを設けたスラ
イドブッシュ１５を装着し、同時にその嵌合穴内にスプ
リング又はゴムなどで形成された弾性部材１７を装着し
て構成される。

【００２２】該スライドブッシュは嵌合穴のスライド面
１５ｅがスライド部８ｂの平坦面に密着するように組み
込まれるとともに弾性部材１７をスライドブッシュの嵌
合穴１５ｂ内でとシャフトのスライド部８ｂとの間に設
ける。そして、弾性部材の圧縮荷重を利用する場合には
シリンダ気筒部とピストン外壁面で形成される最小隙間
が最小となるように一定の弾性力を有した弾性部材を設
ける。

【００２３】すなはち、ガス圧縮荷重に伴う法線力に対
抗するシ−ル荷重を与える機構としては、法線力より数
倍大きな値を示すガス圧縮荷重に伴う接線力ないしは弾
性部材により生じる弾性力をピストン軸心の偏心量を拡
大させてシ−ル隙間δｃを減少させる方向に作用させ
る。

【００２４】該接線力を用いて作動室のシ−ル隙間δｃ
を縮小させる場合には、ガス圧縮荷重を分解した一方の
接線力をＦｔ、他方の法線力をＦｖと置き、また前記シ
−ル荷重をＦｓと置いた場合に、Ｆｓ＞Ｆｖとなる手段
を用いれば良い。

【００２５】さらに詳しく説明すると、スライドブッシ
ュ１５の移動方向を規制するスライド面１５ｅを、法線
力方向であるシリンダ気筒部軸心とピストン軸心を含む
面の方向に対して傾斜させて設けることにより、法線力
に対抗する接線力の分力が発生する。

【００２６】その分力の大きさは前記傾斜角をθと置い
た場合に、Ｆｔ×ｓｉｎθで算出されるので、この値が
Ｆｖ以上となるようにθの値を設定すれば良い。

【００２７】またスプリングやゴム等で形成された弾性
部材１７を用いる場合には、当該スライドブッシュとシ
ャフトのスライド部との間でスライドブッシュのスライ
ド面１５ｅを滑らす方向にその弾性力が作用するように
装着する。

【００２８】そして、その弾性力の大きさは、スライド
ブッシュ装着の傾斜角θを０に設定した場合には法線力
Ｆｖ以上となるように設定すれば良いが、θがある値を
持つ場合にはＦｖからＦｔ×ｓｉｎθを引いて残った値
以上に設定すれば良い。

【００２９】この際傾斜角θは接線力、法線力及び弾性
力の大きさで最適値が設定されるが、運転特性や弾性部
材の組み付け性を考慮するとθは５〜１５度の間に設け
るのが良い。

【００３０】一方、圧縮機構部を構成するブレ−ド付き
ピストンとピストンを装着しているシャフトの偏心部分
を加えた回転慣性質量に相当する値ないしはそれ以下の
回転慣性質量に相当するバランサ−が円筒状のスライド
ブッシュの端面１か所ないしは２か所に固定されてい
る。

【００３１】これにより圧縮機構部で発生する回転慣性
力は全体として殆ど相殺されて、シリンダ気筒部やピス
トンの軸受に作用することはない。

【００３２】以上の如く構成されたヘリカルブレ−ド式
ポンプのおいて、電源を投入して運転を開始すると、起
動初期においては弾性部材１７の弾性力によりピストン
１２が軸心の偏心量を拡大する方向に押されてシリンダ
気筒部１１ａとの最小隙間である作動室のシ−ル隙間δ
ｃが最も小さくなり、作動室内の圧縮ガスが低圧側に漏
れ出すのを防止できるのでガスの流出量は確保される。

【００３３】また、吐出側の圧力が高くなる定常状態の
運転においては、法線力より大きくて反対方向に作用す
るスライドブッシュのスライド面１５ｅの傾斜角θから
生じる接線力の分力に弾性部材の弾性力を加えた力によ
りピストンが軸心の偏心量を拡大する方向に押されてシ
−ル隙間δｃが最も小さくなり、吐出室含めた高圧側か
ら作動室への高圧ガスの流入や作動室から低圧側に流出
することが防止できるのでガスの流出量が確保できると
同時にガス圧縮動力が軽減できる。

【００３４】高速運転時にはスライドブッシュとピスト
ン及びバランサ−の遠心力は回転数の２乗に比例して増
大するが、バランサ−はスライドブッシュに固定さて一
体となって回転するので、遠心力は互いに相殺されるの
で、シ−ル隙間δｃやシリンダとピストンの接触荷重に
影響を及ぼすことはない。

【００３５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施例を図１な
いしは図６を参照して説明する。図１は本発明の一実施
例を示したヘリカルブレ−ド式圧縮機の縦断面図であ
る。図２は図１のＡ−Ａ断面図を表す。図３〜図６はそ
れぞれ構成部品の外観図を表す。

【００３６】本発明の圧縮機部は図１に示すように、電
動機部２に直結したシャフト８及びこのスライド部８ｂ
に嵌め込まれた矩形状の嵌合穴１５ｂを持つ円筒状のス
ライドブッシュ１５、この円筒軸部１５ａに装着された
円筒外径面にピッチが徐々に変化するスパイラル溝１２
ｂを設けたピストン１２、そして該スパイラル溝内に微
小隙間を設けて装着された矩形断面の細長いブレ−ド１
４、これらを内側に収納している円筒状のシリンダ気筒
部及びピストンの端部に自転を防止する手段として機械
的に連結されたオルダム機構から構成さている。

【００３７】加えて、シリンダ気筒部１１ａの上端には
内部空間を塞ぐように中央に軸受を設けた主フレ−ム９
が固定され、下端にも内部空間を塞ぐように中央に軸受
を設けた副フレ−ム１０が固定されて形成される円柱状
の内部空間に、ブレ−ド１４付きピストン１２と円筒の
両端面にバランサ−Ａ１８とバランサ−Ｂ１９を固定し
た該スライドブッシュとそれを支える該シャフトが収納
されている。

【００３８】そして、シリンダ気筒部とピストン外壁面
との間で形成される空間で該ブレ−ドで仕切きられて形
成された複数の作動室の気密性は、シリンダ気筒部１１
ａの円筒内にそれより小さなピストン外壁面１２ａの互
いの円筒軸を平行にして挿入して偏心させた場合に生じ
る長手方向の作動室のシ−ル隙間δｃとシリンダ気筒部
に接触するブレ−ド先端及びピストンのスパイラル溝に
収納されたブレ−ド端面との接触面によって保持されて
いる。

【００３９】すなはち、図１のＡ−Ａ断面である図２に
示すようにシリンダ気筒部１１ａの軸心に対するピスト
ン外壁面１２ａ軸心の偏心量を可変にする機構と前記シ
−ル隙間δｃを拡大させる要因であるガス圧縮による法
線力以上の荷重を反対方向にピストンに加える手段とで
構成された偏心量可変機構をピストン１２と図３に示す
ようなシャフトの矩形状のスライダ部８ｂとの間に設け
る。

【００４０】この偏心量可変機構は、シャフトと一体と
なった少なくとも１つの平面を有するスライド部８ｂに
図３に示すような円筒状の内側に該スライド部が収まる
形状の嵌合穴１５ｂを設けたスライドブッシュ１５を設
けるとともにその嵌合穴内にスプリングやゴム等で作ら
れた弾性部材１７を装着して構成される。図５に示され
ている弾性部材１７は、鋼板を山形形状に成型した板バ
ネで構成されている。

【００４１】そして、図２の中央に示されている四角い
断面のシャフト８の回転方向は時計回りに構成されてお
り、それに対してシャフトのスライド部８ｂに密着する
スライドブッシュのスライド面１５ｅは下側に設けら
れ、シリンダ気筒部１１ａの中心軸とピストン外壁面１
２ａの注心軸を含む平面に対して、該スライド面１５ｅ
は右上がりに傾斜して形成されている。その傾斜角度
は、運転特性の向上を図る狙いから上５〜１５°の範囲
の設けられるのが良い。

【００４２】このスライドブッシュは嵌合穴１５ｂのス
ライド面１５ｅがシャフトのスライド部８ｂの平坦面に
密着するように組み込まれるとともに弾性部材１７をス
ライドブッシュ嵌合穴内でシャフトのスライド部との間
に装着する。

【００４３】図４に示すスライドブッシュ円筒軸部１５
ａの両端面に設けたネジ穴１５ｄを利用して図６に示さ
れているバランサ−Ａ１８とこれの反対側に設けられて
いるバランサ−Ｂ１９がスライドブッシュ１５を挟むよ
うに装着されている。

【００４４】以上の如く構成されたヘリカルブレ−ド式
圧縮機の働きについて以下説明する。運転前は、ピスト
ン１２を円筒部で支えているスライドブッシュ１５を介
して間接的に弾性部材１７すなはち板バネのバネ力に押
されてシリンダ気筒部に殆ど接触した状態すなはちシ−
ル隙間δｃが最も少ない状態になっている。

【００４５】この状態から運転が開始されると、スライ
ド部に嵌合しているスライドブッシュはスライド面１５
ｅに押されてシャフト８と同期して回転するが、スライ
ドブッシュに回転自由に装着されたピストン１２はシリ
ンダ１１に対してオルダム機構により自転を阻止された
公転運動をすることになる。

【００４６】同時にピストン１１に装着されたブレ−ド
とシ−ル隙間δｃで気密が保持された作動室も回転し
て、作動ガスを吸入通路から吸い込まれて圧縮された後
吐出通路から吐出される。

【００４７】この際、吐出されるガスの圧力が上昇する
に従い圧縮ガスに伴い増大するガス圧縮荷重がピストン
１２から軸受を介してスライドブッシュのスライド面１
５ｅに作用する。

【００４８】この軸受に作用するガス圧縮荷重と弾性部
材のバネ力及びシャフトのスライド部に密着している摩
擦力の３者からスライドブッシュの動きが決定される。

【００４９】このガス圧縮荷重は、シリンダ気筒部１１
ａの軸中心線とピストン外壁面１２ａの軸中心線を含む
軸平面に垂直で軸トルクとして作用する接線力と該軸平
面に対して平行でピストンの軸心とシリンダの軸心を互
いに近付ける方向に作用する法線力に分解できる。

【００５０】この法線力は作動室の気密性を保持してい
る長手方向の最小隙間部ではピストンとシリンダを互い
に離反させてシ−ル隙間δｃを拡大させる方向に作用す
るが、弾性部材１７の弾性力とスライドブッシュのスラ
イド面１５ｅの傾斜角により生じる接線力の分力の合計
が該法線力以上の大きさとなるので、ピストン外壁面が
シリンダ気筒部内面に接触して作動室のシール性が高め
られる。

【００５１】すなはち、法線力をＦｒ、バネ力をＦｋ、
接線力をＦｄ、スライドブッシュのスライド面１５ｅの
傾斜角をθ及び該スライド面の摩擦力をＦｆと置いた時
に、下記式が成立するようにＦｋと傾斜角θを設定す
る。 Ｆｒ＋Ｆｆ＜Ｆｋ＋Ｆｄ×ｓｉｎθ

【００５２】この式から明らかなように、スライドブッ
シュのスライド面の傾きを無くしてθ＝０とする場合に
は、上式に合わせてＦｋを大きくすれば目的は達成され
る。

【００５３】このように、シャフト８の回転数の大きさ
に係わりなく作動室内の気密が保持されて、高圧側から
低圧側への作動ガスの漏れが大幅に減少して、作動ガス
の流出量が確保できると同時にガス圧縮動力が低減でき
ることになる。

【００５４】スライドブッシュ１５を含めたピストン１
２の遠心力とバランサ−Ａ１８とバランサ−Ｂ１９の遠
心力は互いに相殺されるので、シリンダ気筒部１１ａに
遠心力が作用することは殆どない。

【００５５】

【発明の効果】以上の如く構成されたヘリカルブレ−ド
式圧縮機において、スライドブッシュ１５と弾性部材１
７をシャフトとピストンの間に装着して構成される偏心
量可変機構によりシリンダ気筒部とピストン外壁面との
間に形成されるシ−ル隙間δｃを大幅に低減することが
できるので、シリンダ気筒部とピストン外壁面との間に
形成される空間をピストンに装着したブレ−ドで長手方
向に仕切って複数の部屋から形成される作動室の気密性
が大幅に高められて、ガスの吐出量が増加すると同時に
ガス圧縮動力が低減して高効率化が図れる効果がある。

【００５６】また圧縮機部の部分の加工精度や組み付け
精度が低下した時や運転中の圧力や熱変形などにより、
シリンダ気筒部にピストン外壁面が衝突して異常に高い
接触力の発生が想定される場合でも、スライドブッシュ
が逃げて異常荷重を回避して弾性部材の弾性力やスライ
ド面の傾斜角から求まるガス圧縮荷重の分力以上の荷重
が作用しないので、異常な振動騒音もなくまた軸受の損
傷や部材の損傷がなくなり信頼性が向上する効果があ
る。

【００５７】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のヘリカルブレ−ド式ポンプの断面図

【図２】図１のＡ−Ａ断面図

【図３】シャフト部分外観図

【図４】スライドブッシュの外観図

【図５】弾性部材の外観図

【図６】バランサ−Ａの外観図

【符号の説明】

３ 圧縮機部 ８ シャフト ８ｂ スライド部 ８ｄ スライド受面 １１ シリンダ １１ａ 気筒部 １２ ピストン １２ａ 外壁面 １２ｂ スパイラル溝 １２ｃ 軸受 １４ ブレ−ド １５ スライドブッシュ １５ａ 円筒軸部 １５ｂ 嵌合穴 １５ｄ ネジ穴 １５ｅ スライド面 １７ 弾性部材 １８ バランサ−Ａ １９ バランサ−Ｂ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】円筒状のシリンダと、このシリンダ気筒部
   内に偏心して配置されたピッチが徐々に変化するスパイ
   ラル溝を円筒外壁面に設けたピストン、前記スパイラル
   溝内に微小隙間を設けて装着されたブレ−ドと、ピスト
   ンに電動機の動力を伝達するシャフト、及びピストンを
   シリンダに対して旋回運動させる手段としてのオルダム
   機構が機械的に連結されて構成されたことを特徴とする
   ヘルカルブレ−ド式圧縮機において、ピストン１２の円
   筒内側に設けた円柱状の内側に矩形状の嵌合穴を設けた
   その一面に摺動可能な平坦なスライド面を設けたスライ
   ドブッシュ１５を、シャフト８を軸受で支える主と副フ
   レ−ム間に設けたスライド部の平坦面で形成されたスラ
   イド受面に密着するように装着して、シリンダ気筒部と
   ピストン外壁面との間に形成される作動室の長手方向の
   シ−ル隙間δｃが最小となるように、ピストンの偏心量
   可変機構を構成したことを特徴とするヘリカルブレ−ド
   式圧縮機。
2. 【請求項２】円筒状のシリンダ気筒部軸心に一致するシ
   ャフトの軸心と該気筒部内側に偏心して装着された円柱
   状のピストン軸心を含む平面に対してスライド部８ｂの
   平坦面を傾斜させたシャフトにスライドブッシュのスラ
   イド面１５ｅが密着するように装着してピストンの偏心
   量可変機構が構成されたことを特徴とする請求項１のヘ
   リカルブレ−ド式圧縮機。
3. 【請求項３】シャフトスライド部のスライド受面８ｄと
   スライドブッシュのスライド面１５ｅが合わさる面の方
   向にスライドブッシュが押されて移動するようにスプリ
   ングやゴム等で構成された弾性部材１７をシャフトとス
   ライドブッシュとの間に装着させて構成されたことを特
   徴とする請求項１及び２のヘリカルブレ−ド式圧縮機。
4. 【請求項４】圧縮機構部を構成するブレ−ド付きピスト
   ン１２とピストンを装着しているシャフトの偏心部分を
   加えた回転慣性質量に相当する値ないしはそれ以下の回
   転慣性質量に相当するバランサ−が円筒状のスライドブ
   ッシュ１５の端面１か所ないしは２か所に固定され構成
   されたことを特徴とする請求項１、２及び３のヘリカル
   ブレ−ド式圧縮機。