特許 6225045 ロータおよびロータリー型流体機械

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6225045

(24)【登録日】2017年10月13日

(45)【発行日】2017年11月1日

(54)【発明の名称】ロータおよびロータリー型流体機械

(51)【国際特許分類】

   F04C 18/344 20060101AFI20171023BHJP

【ＦＩ】

   F04C18/344 351E

【請求項の数】3

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2014-32141(P2014-32141)

(22)【出願日】2014年2月21日

(65)【公開番号】特開2015-158143(P2015-158143A)

(43)【公開日】2015年9月3日

【審査請求日】2016年5月11日

(73)【特許権者】

【識別番号】000207791

【氏名又は名称】大豊工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000752

【氏名又は名称】特許業務法人朝日特許事務所

(74)【代理人】

【識別番号】100147810

【弁理士】

【氏名又は名称】渡邉 浩

(72)【発明者】

【氏名】堀部 直樹

(72)【発明者】

【氏名】秋月 政憲

(72)【発明者】

【氏名】金光 博

【審査官】 松浦 久夫

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１２−１３７０１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開昭４７−３０００８（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 国際公開第２００９／０６６４１３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特公昭６３−１４２００（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】 実公昭５５−１８５４５（ＪＰ，Ｙ２）

【文献】 特開昭５４−７９８０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−３１６５３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第５３１０３２６（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０４Ｃ １８／３４４

Ｆ０４Ｃ １８／３２

Ｆ０４Ｃ １８／３５６

Ｆ０４Ｃ ２９／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

スライディングベーン式のロータリー流体機械に用いられるロータであって、
筒状部材と当該筒状部材の軸方向の両端の開口部を閉鎖する閉鎖部材とで形成された空間に収容され、前記軸方向と同一方向の軸の周りを回転する基材と、
前記基材に形成され、前記ロータの駆動軸を受ける孔と、
前記基材のスラスト面に形成され、前記閉鎖部材と接触する樹脂層と、
前記樹脂層に形成された同心円をなす複数の環状の溝または渦巻状の溝であって、当該環状の溝の環の中心または当該渦巻状の溝の渦巻の中心が前記孔の中心と異なっている溝と
を有するロータ。

【請求項2】

前記基材の回転中心に対する前記環状の溝の環の中心の偏心量または前記渦巻状の溝の渦巻の中心の偏心量が前記溝のピッチ以上である
請求項１に記載のロータ。

【請求項3】

筒状部材と、
前記筒状部材の軸方向の両端の開口部を閉鎖する閉鎖部材と、
前記筒状部材および前記閉鎖部材により形成される、流体を圧縮するための作動室における、請求項１または２に記載のロータと
を有するスライディングベーン式のロータリー型流体機械。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ロータおよびロータリー型流体機械に関する。

【背景技術】

【0002】

シリンダの両端を閉鎖して形成された空間の内部でロータとベーンを運動させることによって流体の吸入・吐出を行うロータリー型流体機械が知られている。ロータリー型流体機械においては、ロータの焼き付きや摩耗を防ぐことが求められる。この課題を解決するための技術として、例えば特許文献１には、シリンダの内周とロータの外周の双方またはそのいずれか一方に、浸硫窒化処理または浸硫処理により改質してなる表面改質層を有するロータリー型圧縮機が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００４−２７８３０９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に記載された技術では、ロータのスラスト面に油膜が形成されにくいため、圧縮時の漏れ損失及び消費動力が高くなるという問題があった。
そこで、本発明は、ロータのスラスト面に油膜が形成されやすくして、圧縮時の漏れ損失及び消費動力を低減することのできる技術を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明は、筒状部材と当該筒状部材の軸方向の両端の開口部を閉鎖する閉鎖部材とで形成された空間に収容され、前記軸方向と同一方向の軸の周りを回転する基材と、前記基材のスラスト面に形成された樹脂層と、前記樹脂層に形成された同心円をなす複数の環状の溝または渦巻状の溝であって、当該環状の溝の環の中心または当該渦巻状の溝の渦巻の中心が前記基材の回転中心と異なっている溝とを有するロータを提供する。
上記の構成において、前記基材の回転中心に対する前記環状の溝の環の中心の偏心量または前記渦巻状の溝の渦巻の中心の偏心量が前記溝のピッチ以上であってもよい。
また、本発明は、筒状部材と、前記筒状部材の軸方向の両端の開口部を閉鎖する閉鎖部材と、上記のロータとを有するロータリー型流体機械を提供する。

【発明の効果】

【0006】

本発明によれば、ロータのスラスト面に油膜が形成されやすくして、圧縮時の漏れ損失及び消費動力を低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】一実施形態に係るロータリー型圧縮機を示す部分断面図。

【図2】図１に示す矢視II−IIにおける圧縮機構６の断面図である。

【図3】ロータ４１の側面図である。

【図4】ロータ４１の平面図である。

【図5】図４に示す矢視III−IIIにおける溝Ｃの断面図である。

【図6】ロータリー型流体機械の変形例を示す図である。

【図7】ロータリー型流体機械の変形例を示す図である。

【図8】溝Ｃの変形例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

１．実施形態（ロータリー型圧縮機の構造）
以下、図において、ロータリー型圧縮機９の各構成の配置を説明するため、各構成が配置される空間をｘｙｚ右手系座標空間として表す。また、図に示す座標記号のうち、内側が白い円の中に黒い円を描いた記号は、紙面奥側から手前側に向かう矢印を表している。また、内側が白い円の中に交差する２本の線分を描いた記号は、紙面手前側から奥側に向かう矢印を表している。空間においてｘ軸に沿う方向をｘ軸方向という。また、ｘ軸方向のうち、ｘ成分が増加する方向を＋ｘ方向といい、ｘ成分が減少する方向を−ｘ方向という。ｙ、ｚ成分についても、上記の定義に沿ってｙ軸方向、＋ｙ方向、−ｙ方向、ｚ軸方向、＋ｚ方向、−ｚ方向を定義する。

【0009】

図１は、本発明の一実施形態に係るロータリー型圧縮機９を示す部分断面図である。ロータリー型圧縮機９は、本発明に係るロータリー型流体機械の一例であり、例えば、自動車用、家庭用、鉄道用、または業務用の空気調和機（空調機）において冷媒ガスなどの気体の圧縮に用いられる。ロータリー型圧縮機９は、密閉ケーシング８内の上部に収納された駆動源としてのモータ７と、密閉ケーシング８内の下部に配置されるとともに上記のモータ７によって駆動されて冷媒ガスを吸入・吐出する圧縮機構６とを備えている。

【0010】

図２は、図１に示す矢視II−IIにおける圧縮機構６の断面図である。圧縮機構６は、いわゆるロータリーベーン方式（スライディングベーン方式）による圧縮機構である。圧縮機構６は、図１における上下方向（ｚ軸方向）に軸を有する円筒状の部材（以下、筒状部材１という）と、この筒状部材１の下方側の端面および開口部（以下、第１開口部Ｋ１という）を閉鎖する第１閉鎖部材２と、筒状部材１の上方側の端面および開口部（以下、第２開口部Ｋ２という）を閉鎖する第２閉鎖部材３と、作動部４とを有する。筒状部材１は、いわゆるシリンダである。作動室５は、筒状部材１をその軸方向の両側から（すなわち、図１における上下から）第１閉鎖部材２および第２閉鎖部材３によって挟み、筒状部材１の円周方向の複数箇所を複数のボルト８１で締結することによって筒状部材１の内部に形成される。

【0011】

作動部４は、駆動軸４０、ロータ４１、ベーン４２、およびベーン溝４４を有する。図２に示した例においては、ベーン４２が２箇所に設けられているが、ベーン４２が設けられる場所は１箇所であってもよいし、３箇所以上であってもよい。ロータ４１の内周側には、第１閉鎖部材２および第２閉鎖部材３にそれぞれ設けられた孔を通って作動室５の外部へ通じる駆動軸４０が貫通している。駆動軸４０は、モータ７に連結されており、モータ７の駆動力によって駆動軸４０およびロータ４１がＤ１方向に回転する。密閉ケーシング８内の下部には潤滑油８０が貯溜されており、ロータ４１が回転される際には、駆動軸４０の下端部内に形成された図示しない油通路を介してロータ４１の内周面と外周面とに潤滑油８０が供給される。

【0012】

駆動軸４０およびロータ４１は同軸の周りを回転するが、駆動軸４０の中心と筒状部材１の内周の中心とは異なっているので、ロータ４１と筒状部材１の内周面との間には図２に示すような蹄状の空間（作動室５）が形成される。ロータ４１にはベーン４２を収納したベーン溝４４が設けられており、ベーン４２は、背圧によりベーン溝４４から突出して筒状部材１の内周面に向かう力を受けている。ロータ４１の回転に伴って、ベーン４２の先端がその筒状部材１の内周面に接しながらベーン溝４４に沿って動くため、作動室５はベーン４２によって複数の隔室に仕切られて各隔室に満たされた流体が吸入口１３から吐出口１４へ移動する。吐出口１４にベーン４２が近づくと、ベーン４２によって仕切られた作動室５の内圧が上昇し、吐出圧を越えたときに吐出弁１５に抗って作動室５の内部を満たす流体が吐出口１４から吐出する。

【0013】

図３は、ロータ４１の側面図である。ロータ４１は、筒状の基材４１１と、基材４１１の第１閉鎖部材２または第２閉鎖部材３に対向する面（以下、スラスト面という。）に形成された樹脂層４１０とを有する。樹脂層４１０は、例えば、ポリアミドイミド系樹脂、ポリイミド系樹脂、これら樹脂のジイソシアネート変性、ＢＰＤＡ変性、スルホン変性樹脂、エポキシ樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、フェノール樹脂、ポリアミド、エラストマーのいずれか１種以上をバインダー樹脂として含有する。また、樹脂層４１０は、例えば、グラファイト、カーボン、二硫化モリブデン、ポリテトラフルオロエチレン、窒化ホウ素、二硫化タングステン、フッ素系樹脂、軟質金属（例えばＳｎ、Ｂｉなど）のいずれか１種以上を固体潤滑剤として含有する。基材４１１は、鋳鉄で形成されてもよいし、アルミニウム、ステンレス鋼など各種の材料に対して、焼結、鍛造、切削、プレス、溶接などの各種の加工処理を施すことで形成されてもよい。また、基材４１１はセラミック製であってもよく、樹脂製であってもよい。

【0014】

図４は、ロータ４１の平面図である。樹脂層４１０には、同心円をなす複数の環状の溝Ｃが形成されている。溝Ｃの環の中心Ｏ２は、ロータ４１の回転中心Ｏ１（駆動軸４０の軸心）とは異なる位置にある。ロータ４１の回転中心Ｏ１に対する溝Ｃの中心Ｏ２の偏心量は、溝Ｃのピッチ１つ分以上であることが望ましい（ただし、溝Ｃが等間隔の場合）。

【0015】

図５は、図４に示す矢視III−IIIにおける溝Ｃの断面図である。溝Ｃの断面は、深い位置ほど幅が狭くなり底に近づくほど幅の変化が急になるＵ字ないし半円に似た形状である。溝Ｃは、樹脂層４１０の表面に沿って切削工具の刃先を移動させて形成される。溝Ｃの幅ｗは、溝Ｃの伸びる方向に直交する断面における溝Ｃの幅であり、上記断面において溝Ｃの両端部を結んだ線分の長さである。溝Ｃの間隔ｐは、隣り合う２つの溝Ｃ同士の間隔であり、溝Ｃの伸びる方向に直交する断面においてこれら溝Ｃの中心同士を結んだ線分の長さである。間隔ｐは、例えば０．１〜０．１５ｍｍである。この例において、溝Ｃの幅ｗは、溝Ｃの間隔ｐと同じである。

【0016】

本実施形態では、樹脂層４１０に形成された山部Ｂの各々と第１閉鎖部材２および第２閉鎖部材３とが線接触する。ここで、溝Ｃの中心Ｏ２がロータ４１の回転中心Ｏ１と異なる位置にあるため、溝Ｃの各点における接線の方向がロータ４１の回転方向と異なっている（ただし、中心Ｏ２と回転中心Ｏ１とを通る直線上の点を除く）。そのため、くさび効果（くさび膜効果ともいう。）により、山部Ｂと第１閉鎖部材２および第２閉鎖部材３との間に潤滑油８０が引きずり込まれ、油膜が形成されやすくなる。従って、本実施形態によれば、溝Ｃの中心Ｏ２がロータ４１の回転中心Ｏ１と同じ位置にある場合と比べて、樹脂層４１０と第１閉鎖部材２および第２閉鎖部材３との接触部分の気密性および潤滑性が向上する。

【0017】

２．変形例
以上が実施形態の説明であるが、この実施形態の内容は以下のように変形し得る。また、以下の変形例を組み合わせてもよい。
２−１．適用例
上述した実施形態において、ロータリー型圧縮機９が適用される装置として、自動車用、家庭用、鉄道用、または業務用の空気調和機を挙げたが、冷凍機、冷蔵装置などに適用されてもよいし、水温調節、恒温槽、恒湿槽、塗装設備、粉体輸送装置、食品加工装置、空気分離装置など各種装置に用いられてもよい。また、上述した実施形態において、本発明に係るロータリー型流体機械の一例としてロータリー型圧縮機９を挙げたが、これ以外にも、気体を扱うロータリー型送風機や、液体を扱うロータリー型ポンプなどが本発明に係るロータリー型流体機械として挙げられる。

【0018】

２−２．変形例１
図６は、ロータリー型流体機械の変形例を示す図である。作動部４ａは、駆動軸４０ａ、ロータ４１、ベーン４２ａを有する。駆動軸４０ａには駆動軸４０ａ自身と異なる軸を中心とする円柱状の偏心部（図示略）が設けられており、この偏心部がロータ４１ａ（いわゆる、ローリングピストン）の内周側にはめ込まれている。そのため、駆動軸４０ａが回転すると、これに伴ってロータ４１ａは、筒状部材１ａの内周面に沿って偏心回転する。

【0019】

ベーン４２ａは、筒状部材１ａの内周面から延びてロータ４１ａの外周面に接する板状の部材（板状部材）である。ベーン４２ａは、バネ４３ａにより筒状部材１ａの内周面から突出して駆動軸４０ａに向かう力を受けており、この力によりベーン４２ａの先端はロータ４１ａの外周面を押している。そして、ロータ４１ａと筒状部材１ａとの間に形成される空間である作動室５ａは、ロータ４１ａの外周面を押すベーン４２ａによって仕切られる。

【0020】

吸入口１３ａは、筒状部材１ａの内周面に設けられた開口部であり、外部から作動室５ａへ冷媒ガスを吸入させる。作動部４ａが矢印Ｄ２に沿って時計回りに回転すると、ロータ４１ａの外周面によって仕切られた作動室５ａの空間は、筒状部材１ａの内周面に沿って時計回りに移動する。吐出口１４ａは、作動室５ａの内圧が決められた吐出圧未満のとき、吐出弁１５ａによって閉塞されている。作動室５ａの内圧が吐出圧以上になったときに、吐出口１４ａから冷媒ガスが吐出する。

【0021】

本変形例においても、上記実施形態と同様に、ロータ４１ａのスラスト面に設けられた樹脂層に同心円をなす複数の環状の溝を形成することにより、樹脂層と第１閉鎖部材および第２閉鎖部材との間に油膜が形成されやすくなる。ただし、本変形例では、ロータ４１ａが偏心回転するので、溝の環の中心の位置とは無関係にくさび効果が発生する。従って、本変形例では、溝の環の中心の位置は限定されない。

【0022】

２−３．変形例２
図７は、ロータリー型流体機械の変形例を示す図である。この場合、筒状部材１ｂの内周面には、揺動ブッシュ４５ｂが設けられている。作動部４ｂは、駆動軸４０ｂ、およびロータ４１ｂを有する。ロータ４１ｂは、いわゆるスイングピストンであり、板状の部材（以下、「板状部材４１２ｂ」という）と円筒状の基材（以下、「円筒状基材４１１ｂ」という）とを有し、板状部材４１２ｂは揺動ブッシュ４５ｂに挟まれて気密性を保持されている。つまり、板状部材４１２ｂは、円筒状基材４１１ｂと一体に設けられ、円筒状基材４１１ｂの外周面から筒状部材の内周面に向かって延び、その内周面に設けられた揺動ブッシュ４５ｂに挟まれる。ロータ４１ｂと筒状部材１ｂの内周面との間には図７に示すような作動室５ｂがあり、この作動室５ｂは板状部材４１２ｂによって仕切られる。

【0023】

駆動軸４０ｂは偏心部を有し、この偏心部がロータ４１ｂの円筒状基材４１１ｂの内周面に嵌め込まれているため、駆動軸４０ｂが回転すると、ロータ４１ｂが揺動する。これにより、板状部材４１２ｂおよび円筒状基材４１１ｂによって作動室５ｂが仕切られる位置が移動し、仕切られた各室のそれぞれを満たす流体は、吸入口１３ｂから吐出口１４ｂへと移動し、作動室５ｂの内圧が上昇して吐出圧を越えたときに吐出弁１５ｂに抗って吐出口１４ｂから吐出する。

【0024】

なお、図７において筒状部材１ｂは全体を図示せず、その部分（内周面、吸入口１３ｂ、吐出口１４ｂ、吐出弁１５ｂ）を図示している。また、揺動ブッシュ４５ｂが保持する板状部材４１２ｂにおいても気密性を確保するために、揺動ブッシュ４５ｂと板状部材４１２ｂが存在する範囲に凹部を設け、樹脂層を形成すればさらに好ましい。また、筒状部材１ｂの形状は円筒形状であったが、円筒状に限られず、筒状であれば例えば断面が楕円であってもよい。

【0025】

本変形例においても、上記実施形態と同様に、円筒状基材４１１ｂのスラスト面に設けられた樹脂層に同心円をなす複数の環状の溝を形成することにより、樹脂層と第１閉鎖部材および第２閉鎖部材との間に油膜が形成されやすくなる。ただし、本変形例では、円筒状基材４１１ｂが揺動するので、溝の環の中心の位置とは無関係にくさび効果が発生する。従って、本変形例では、溝の環の中心の位置は限定されない。

【0026】

２−４．変形例３
図８は、溝Ｃの変形例を示す図である。この例において、溝Ｃの幅ｗは、溝Ｃ同士の間隔ｐよりも小さい（ｗ＜ｐ）。山部Ｂには、溝Ｃ同士の間で幅ａを有する平坦面が設けられている。この場合、幅ａは幅ｗよりも小さい（ａ＜ｗ）ことが望ましい。幅ａを幅ｗよりも小さくすることにより、作動部４と接触して弾性変形した山部Ｂによって溝Ｃが完全に埋まってしまうことがない。つまり、山部Ｂが溝Ｃに向かって弾性変形したとしても、溝Ｃが潤滑油８０を保持するので、ロータリー型流体機械の気密性が向上する。

【0027】

また、溝Ｃの深さｈは、隣り合う溝Ｃ同士の間隔ｐよりも小さい（ｈ＜ｐ）ことが望ましい。この場合、隣り合う溝Ｃ同士の間に形成される山部Ｂは、溝Ｃの深さｈに相当する高さよりも、間隔ｐに相当する裾部分の幅の方が長くなるから、図８における横方向の力に対して比較的頑丈な形状となる。深さｈは、例えば、１〜２０μｍである。

【0028】

２−５．変形例４
上述した実施形態において、駆動軸４０に垂直な平面における、基材４１１の断面形状は円形であったが、基材４１１の断面形状は円形に限られない。基材４１１の断面形状は、例えば、楕円形であってもよいし、ルーローの多角形のような定幅図形であってもよく、また、半円と楕円を組み合わせた形状であってもよい。

【0029】

２−６．変形例５
上述した実施形態において、溝Ｃは同心円をなす環状の溝であったが、溝Ｃは渦巻状でもよい。この場合、溝Ｃの渦巻の中心がロータ４１の回転中心と一致していてもくさび効果が発生するから、溝Ｃの渦巻の中心がロータ４１の回転中心と一致していてもよい。ただし、溝Ｃの渦巻の中心がロータ４１の回転中心と異なっている方が、全体的にくさび効果が大きくなるから、溝Ｃの渦巻の中心がロータ４１の回転中心と異なっていることが望ましい。また、ロータ４１の回転中心に対する溝Ｃの渦巻の中心の偏心量は、溝Ｃの渦巻のピッチ１つ分以上であることが望ましい（ただし、溝Ｃの渦巻のピッチが一定の場合）。

【0030】

２−7．変形例６
上述した実施形態において、樹脂層４１０において複数の溝Ｃが形成される範囲について言及していないが、樹脂層４１０の全面に溝Ｃが形成されていなくてもよく、樹脂層４１０の一部に溝Ｃが形成されていてもよい。また、２つのスラスト面に設けられた樹脂層４１０のうちの一方に溝Ｃが形成されていてもよい。

【符号の説明】

【0031】

１…筒状部材、１３…吸入口、１４…吐出口、１５…吐出弁、２…第１閉鎖部材、３…第２閉鎖部材、４…作動部、４０…駆動軸、４１…ロータ、４１０…樹脂層、４１１…基材、４２…ベーン（板状部材）、４４…ベーン溝、５…作動室（空間）、６…圧縮機構、７…モータ、８０…潤滑油、８１…ボルト、９…ロータリー型圧縮機、Ｂ…山部、Ｃ…溝

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】