JP2818207B2 - 回転機およびその回転機を用いた冷凍装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、回転機に係り、例えば、空気調和機、電気
冷蔵庫、除湿機などの冷凍装置に搭載される回転機で、
内部中空ベーンを有するロータリ圧縮機等の信頼性向上
および低騒音運転に好適な回転機に関するものである。

［従来の技術］ ベーンを有する回転機に係るロータリ圧縮機は、空気
調和機、電気冷蔵庫、除湿機等の冷凍装置にひろく用い
られている。

近年、これら冷凍装置の高速運転、回転機の高速回転
の要求に応えるために、ベーンの慣性重量を低減する目
的のため、内部中空形状の軽量ベーンの開発が進められ
てきた。

例えば、特開昭60-237190号公報には、粉末治金、冷
間鍛造、熱間鍛造、機械加工などにより形成した内部中
空ベーンを用いたロータリ圧縮機が開示されている。ま
た、特開昭64-35091号公報には、高速度工具鋼組成を有
する水アトマイズ原料粉末を用い射出成形法によって製
造され、非摺動面に連通する中空部を有するベーンが開
示されており、ベーンの表層部が、ロータ，シリンダと
の摩擦係数を下げるための浸硫窒化処理したものが知ら
れていた。

［発明が解決しようとする課題］ ここで、従来のロータリ圧縮機のベーンの問題点につ
いて、第３図ないし第10図を参照して説明する。

第３図は、一般的なロータリ圧縮機の縦断面図、第４
図は、第３図の圧縮機構部の断面図、第５図は、ベーン
に加わる力を示す拡大図、第６図は、ベーンスロットの
摩耗を示す説明図、第７図は、従来の内部中空ベーンの
形状を示す図で、（ａ）は上面図、（ｂ）は正面図、
（ｃ）は側面図、第８図は、耐久テストによるベーンの
破損状況を示す正面図、第９図は、ロータリ圧縮機の回
転速度に対する騒音レベルの変化を示す線図である。

一般的なロータリ圧縮機は、第3,4図に示すように、
密閉容器11内に、回転子1a,固定子1bよりなる電動機１
と、この電動機１に回転軸10で直結された圧縮機構部２
とを収納してなるものである。

圧縮機構部２は、密閉容器11に固定されたベーンスロ
ット3aを形設したシリンダ３と、回転軸10のクランク部
10aに回動可能に嵌入されシリンダ３内を偏心回転する
ローラ４と、このローラ４に一端を当接し他端をばね８
で支持され、ローラ４の回転に追従して、ベーンスロッ
ト3aに添って往復動しシリンダ３内を低圧側（吸入側）
と高圧側（吐出側）に仕切る内部中空ベーン５と、シリ
ンダ３の両端面を密閉し、回転軸10を支持する主軸受6,
副軸受７と、副軸受７に設けた吐出弁９とから構成され
ている。

前述の特開昭64-35091号公報記載の従来のベーンは、
第７図に示すように非摺動面に連通する中空部を形成す
る四角穴5a′を有する内部中空ベーン５′である。

この四角穴5a′は角四角の角（かど，コーナ）に特別
な配慮がないため、応力集中と中空による薄肉化と相俟
って第８図に示すようなベーン５′の破損を生じる恐れ
があった。

また、一般にベーン５は、第５図に示すようにガスの
低圧側，高圧側の差圧による差圧力Pfに対してベーン５
とベーンスロット3aとの接触部、より詳しくは、ベーン
５のばね側端部（第５図ではばねの図示を省略）とベー
ンスロット3aのシリンダ低圧側端部とに反力P_R1,P_R2が
作用し、ローラ４の偏心回転に追従する往復動を行なっ
ている。

その結果、第６図に示すように、前記の反力P_R1,P_R2
の作用するベーンスロット3aに斜線で示す摩耗（寸法
δ）が発生する。

また、このとき、前述の特開昭64-35091号公報記載の
従来の中空ベーンなど、ベーンの表層部に浸硫窒化処理
による表面硬化をしたものは、薄肉部の両面から窒素が
入り脆化してベーンの破損を招くという恐れがあった。

次に、ロータリ圧縮機の高速回転にともなう騒音につ
いて第９図を参照して説明する。

第９図は、横軸に回転速度（min ^１）、縦軸に騒音レ
ベル（ホン）をとり、実線は従来の中実ベーン、破線は
本発明の内部中空ベーンを用いたロータリ圧縮機の騒音
レベルを示したものである。ここで中実ベーンとは、板
材を切断あるいは切削加工で製作した内部に中空部のな
い高質量のベーンである。矢印で示すN₀,N₁は騒音レベ
ルが急激に増大する異常音発生回転数であり、異常音発
生のメカニズムについては後述する。

いずれにせよ、従来のロータリ圧縮機におけるベー
ン、特に中実ベーンでは、ロータリ圧縮機の回転速度が
高速化する段階で、ベーンの慣性力の変化によりベーン
とローラとの衝突音が発生し騒音レベルが急上昇すると
いう問題があった。

本発明は、上記従来技術の問題点を解決するためにな
されたもので、内部中空ベーンを有する回転機、例えば
ロータリ圧縮機の内部中空ベーンの破損を防止し、か
つ、ベーンスロットの摩耗を低減して信頼性の高い内部
中空ベーンを有する回転機を提供することを、目的とす
るものである。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するために、本発明に係る回転機の構
成は、回転機に用いる内部中空ベーンであって、この内
部中空ベーンの中空部を形成する四角穴の角部に、少な
くとも当該ベーンの外壁の肉厚寸法より大きい半径寸法
のＲを形成するとともに、当該内部中空ベーンの表層部
が、四三酸化鉄（Fe₃O₄）を主成分とする酸化皮膜を形
成してなる内部中空ベーンを有する回転機において、前
記内部中空ベーンの表層部は、四三酸化鉄を主成分とし
て水蒸気処理された酸化皮膜とし、その水蒸気処理の後
に、当該酸化皮膜の外表面を、バレル研磨、バフ研磨の
いずれかの仕上げ加工を施して平滑面としたものであ
る。

ここで、内部中空ベーンの材質には、アルミニウム合
金、セラミック材料、カーボン材料、プラスチック材料
のいずれかを用いたものである。

［作用］ 上記本発明の技術的手段によれば、内部中空ベーンの
中空部の四角穴の角部に前記の如きＲを形成したほか、
ベーンの表層部に水蒸気処理により四三酸化鉄（Fe
₃O₄）を主成分とする酸化皮膜を形成し、仕上げ加工に
より表面を平滑化することにより、内部中空ベーンの信
頼性を高め、ベーンスロットの摩耗量を減少させること
ができる。

ここで次に、回転機およびその回転機を用いた冷凍装
置の静音化を達成する開発の考え方について、先の第９
図ならびに第10図ないし第12図を参照して説明する。

第10図は、ロータリ圧縮機の異常音発生メカニズムを
説明するためのベーン部の説明図、第11図は、ベーン部
のばねの力の必要値を示す線図、第12図は、ロータリ圧
縮機の騒音の周波数別音圧レベルを示す線図である。

異常音発生のメカニズムについて第10図を参照して説
明する。

第10図では、上死点近傍における一般的なベーン５の
作用する力を矢印で示している。これらの力を次の符号
で表わす。

f₁,f₁′…ベーン５とベーンスロット3aとの間の摩擦力 f₂,f₂′…ベーン５と主軸受6,副軸受７との間の摩擦力 f₃………ベーン５の慣性力 f₄………ばね８の力 f₅………ガス圧による力（差圧） ベーン５の慣性力f₃は次式によって与えられる。

ここで、ｅ…回転軸10の偏心量 ω…回転角速度 ｔ…時間 Ｒ…ローラ４の外周半径 Rv…ベーン５がローラ４と当接する当接側端
部の先端半径 ｍ…ベーン５の質量 ベーン５に関する力の釣合い式、すなわち第10図で上
からベーンを押えつける力と、ベーンをとどめておく力
との釣合いは次式のとおりである。

f₄＋f₅≧f₁＋ｆ′₁＋f₂＋ｆ′₂＋f₃ ………（１） 式（１）を簡単にすると f_4min≧f_3max（ω）−Ｃ ………（２） Ｃ＝f_iu＋ｆ′_1u＋f_2u＋ｆ′_2u−f_5u ………（３） 式（２），（３）は上死点近傍の力の状況を示すもの
である。

ここで、 f_4min…ばね８の上死点近傍の最小必要値 f_3max（ω）…ベーン５の上死点近傍の慣性力であ
り、この値は回転角度ωによって変る。

f_iu＋ｆ′_1u＋f_2u＋ｆ′_2u−f_5u …それぞれf₁,f′₁，f₂,f′₂，f₅の上死点近傍
での力 Ｃ…回転角速度ωによって変化しない一定値とする。

ばね８の上死点近傍の必要最小値f_4minが式（２）を
満足しないと、第10図に示すように、ベーン５とローラ
４との間にすき間12が発生しローラ４が下死点に移動す
る途中でベーン５とローラ４とが衝突し衝撃音を発生す
る。

ロータリ圧縮機が高速回転となると、ベーンの慣性力
が回転速度の二乗に比例して急激に増えるので、ある回
転速度になるとベーン５とローラ４とのすき間12が大き
くなり、衝突音が急激に大きくなると考えられる。

前記式（２）を線図で示したのが第11図である。

第11図では、原点０に対し、横軸に回転角速度
（ω）、縦軸にばね８の上死点近傍の最小必要値f_4min
をとり、ベーン５の上死点近傍の慣性力f_3maxの変化を
プロットして示している。

f_3maxはほぼω^２に比例して変化する。図のＣは、前
記式（２）のＣと同じで回転角速度ωによって変化しな
い一定値を示す。

第11図に示すP_maxはばね８の設計限界を示す。すなわ
ち、ベーン５ならびにシリンダ３のベーンスロット3aの
構成上、スペースからの制約で決まるものである。この
P_maxからf_3maxとf_4minとが平衡する回転角速度ω_０が決
まり、このω_０における回転速度が、先の第９図に示し
た、従来の中実ベーン使用時における異常音発生回転数
N₀に相当する。すなわち、回転角速度ωがω_０を越える
と前記式（２）が満足されなくなり、ベーン５とローラ
４とが衝突して衝突音を発生する。

そこで、本発明においては、第９図に破線で示すよう
に異常音発生回転数を高回転速度にずらすことを考え、
内部中空ベーンを用いた結果、異常音発生回転数がN₀か
らN₁に移った。この結果、ロータリ圧縮機の押除量（圧
縮作用１回に付き出す風量）を低減することが可能とな
り、ロータリ圧縮機の小形軽量化が実現した。このロー
タリ圧縮機を搭載し、インバータ制御により商用電源周
波数以上の高速で運転することにより、空気調和機等冷
凍装置の静音化が達成された。

第12図に、ロータリ圧縮機の騒音の周波数別音圧レベ
ルの変化を示しており、破線に示す従来の音圧レベルに
対し、本発明のものでは実線に示す音圧レベルに低減さ
れている。

［実施例］ 以下、本発明の各実施例を先の各図に加えて、第１
図，第２図、ならびに第13図ないし第16図を参照して説
明する。

第１図は、本発明の一実施例に係る内部中空ベーンの
形状を示す図で、（ａ）は上面図、（ｂ）は正面図、
（ｃ）は側面図、第２図は、第１図の内部中空ベーンを
有するロータリ圧縮機を搭載したインバータ制御空気調
和機の構成図である。

本発明の一実施例に係る内部中空ベーンを有するロー
タリ圧縮機は、先に第3,4図を参照して説明した従来技
術のロータリ圧縮機と、外形形状は同等であり、その構
成についての説明は省略する。

このロータリ圧縮機は、第２図に示すインバータ制御
空気調和機に搭載されるものである。

第２図において、101は商用電源、102は、商用電源か
ら電圧の異なる直流に変換するコンバータ、103は、直
流電力を交流電力に変換するインバータ、104は、イン
バータ制御の速度可変モータ、105はコンプレッサ、106
は制御回路である。モータ104,コンプレッサ105は、第
３図のロータリ圧縮機の電動機1,圧縮機構部２に相当す
る。108は四方弁、109,110は熱交換器（凝縮器，蒸発器
として機能する）、111は減圧機構であり、コンプレッ
サ105とともに、これらは冷媒配管で接続され冷凍サイ
クルを構成する。

前記ロータリ圧縮器に用いる本実施例の内部中空ベー
ンを第１図に示す。

第１図に示す内部中空ベーン５は、鉄系焼結材で形成
され、非摺動面に連通する中空部を形成する四角穴5aの
角（かど，コーナ）に、当該ベーンの外壁5bの肉厚寸法
d,d′より大きい半径寸法ｒのＲを形成したものであ
る。このＲは、応力集中係数α，切欠き係数βを１に十
分近づけるものであり、四角穴の角の影響を無くし応力
集中を回避するものである。

なお、ここで、 応力集中係数α＝σ_max／σ_０ σ_max：最大応力，σ_０：公称応力 切欠き係数β＝平滑材の疲労限度／切欠き材の疲労限度 である。

このように、第１図に示す内部中空ベーン５は、第７
図に示した従来の内部中空ベーン５が四角穴5a′の角部
に配慮がなされておらず、応力集中と中空による薄肉化
とで生じる破損の問題があったのに対処してなされたも
のである。

つぎに、第13図は、ベーン表面処理の適正手段を選択
するための説明図、第14図は、第１図の内部中空ベーン
の組織写真撮影部を示す正面図、第15図（ａ）は、第14
図Ａ部の平滑化処理しない表面の金属組織を示す顕微鏡
写真、第15図（ｂ）は、その表面粗さを示すオシロスコ
ープ波形図、第16図（ａ）、第14図Ａ部の平滑化処理し
た表面の金属組織を示す顕微鏡写真、第16図（ｂ）は、
その表面粗さを示すオシロスコープの波形図である。

第１図に示した内部中空ベーン５について、表面処理
の適正化を図るため、ベーンの表面処理方法を変えて比
較実験を行なった結果を第13図に示す。

内部中空ベーンは、ベーンスロット3aの摩耗対策がで
き、かつ薄肉によって脆化，破損しないものが要求され
る。

そこで、第13図に示すように、同一形状の内部中空ベ
ーン５（第１図）の外表面に、ガス軟窒化、酸窒化、浸
硫窒化、水蒸気処理、水蒸気処理＋表面平滑化の各処理
を施したもの、および無処理のものを耐久テストして、
ベーンスロットの摩耗δ（第６図参照）の程度、ベーン
破損の有無を比較した。

この実験結果によれば、水蒸気処理＋表面平滑化がも
っとも優れていることがわかる。

そこで、ベーンスロットの摩耗、ベーンの脆化，破損
に対処する第２の発明として、水蒸気処理＋表面平滑化
を行なった。すなわち、内部中空ベーン５（第１図参
照）の表層部に、四三酸化鉄（Fe₃O₄）を主成分とし
て、飽和水蒸気中で600℃付近に加熱して酸化皮膜を形
成する。

この水蒸気処理後、前記酸化皮膜表面をバレル研磨あ
るいはバフ研磨などで仕上げ加工し平滑面を形成する。

このような表面平滑化処理を行なったものと行なわな
いものを比較したのが第15,16図である。第15図（ａ）
に示す平滑化処理しない内部中空ベーンの金属組織写真
および第15図（ｂ）に示す表面粗さの凹凸と、第16図
（ａ）に示す平滑化処理したものの金属組織写真および
第16図（ｂ）に示す表面粗さとを比較すれば、平滑化処
理したものは表面凸部が除去されて平坦となっているこ
とが明らかである。

本実施例によれば、内部中空ベーン５の表層部に水蒸
気処理によってFe₃O₄の皮膜が生成しているのでベーン
スロットとベーン間の耐凝着性が向上しており、さらに
表面の凸部を平滑化処理によって除去したので、ベーン
スロットの摩耗量を減少させる効果がある。

次に、このようなロータリ圧縮機の異常音対策と、ロ
ータリ圧縮機を塔載した空気調和機の静音化運転につい
て説明する。

本実施例における実験結果が第９図に示されている。
既に述べたように、従来の中実ベーンを用いたロータリ
圧縮機の騒音レベルは実線に示すとおりであり、先に詳
述した原理でベーン，ベーンスロットの衝突音が発生し
騒音レベルが急激に増大する回転速度は、異常音発生回
転数N₀として示されている。

本実施例では、内部中空ベーン５（第１図参照）の質
量を、同一外形寸法，同一材質の中実ベーンに対して50
％として実験した結果、中実ベーンのときの異常音発生
回転数N₀≒7000min^-1に対し、第９図に破線で示すよう
に内部中空ベーンのときのロータリ圧縮機の異常音発生
回転数はN₁≒1000min^-1になり、安定した低騒音レベル
で運転できる回転速度範囲が約４割拡大した。

これにともない、同一能力を出すためにはロータリ圧
縮機の押除量を４割低減することが可能となった。

押除量は、圧縮作用１回に吐き出す風量であり、次式
で与えられる。

ここで、V:押除量（cm³/rev） D:シリンダ内径（cm） d:ローラ４外径（cm） H:シリンダ高さ（cm） 例えば、本発明者が実験的に確認したところでは、 押除量V₀＝19.5cm³/rev 異常音発生回転数N₀＝6600rpm のロータリ圧縮機において、押除量低減を図り、 押除量V₁＝12.5cm³/rev 異常音発生回転数N₁＝10300rpm とした場合、表１に示す効果が確認された。

すなわち、ロータリ圧縮機は約33％ 小形軽量化でき
た。

このロータリ圧縮機を、第２図に示す構成の空気調和
機に搭載し、商用電源101からの入力電力をコンバータ1
02を経たのち、インバータ103によって商用電源周波数
以上の高速で、モータ104,コンプレッサ105（ロータリ
圧縮機）を運転することにより、空気調和機の静音化が
達成された。

第12図は、横軸に周波数（KHz）、縦軸に音圧レベル
（dB）をとり、ロータリ圧縮機の騒音の周波数別音圧レ
ベルの変化を示している。破線に示す従来の音圧レベル
に対し、本実施例のものでは実線に示す音圧レベルとな
り、周波数2000Hz以上のところで音圧レベルが改善され
ている。

なお、上述の本実施例の内部中空ベーンの材質は、鉄
系焼結材などを用いたものであるが、内部中空ベーンは
一般に寸法，強度的に中空率に限界がある。

さらにベーンの質量低減，軽量化を図るためには、比
重が小さく、かつ強度の高い材料を選択する必要があ
る。アルミニウム合金、セラミック材料、カーボン材
料、プラスチック材料などのいずれかを使用することに
より、鉄系材料による内部中空ベーンよりさらに２〜８
割の軽量化を実現できる。

また、上記の実施例では、主として空気調和機に搭載
するロータリ圧縮機の例を説明したが、本発明はこれに
限るものではない。内部中空ベーンを有する回転機とし
て、ベーンポンプにも適用できる。回転機を搭載する冷
凍装置としては、電気冷蔵庫，除湿機などがあることは
言うまでもない。

［発明の効果］ 以上詳細に説明したように、本発明によれば、内部中
空ベーンを有する回転機、例えばロータリ圧縮機の内部
中空ベーンの破損を防止し、かつ、ベーンスロットの摩
耗を低減して信頼性の高い内部中空ベーンを有する回転
機を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例に係る内部中空ベーンの形
状を示す図で、（ａ）は上面図、（ｂ）は正面図、
（ｃ）は側面図、第２図は、第１図の内部中空ベーンを
有するロータリ圧縮機を搭載したインバータ制御空気調
和機の構成図、第３図は、一般的なロータリ圧縮機の縦
断面図、第４図は、第３図の圧縮機構部の断面図、第５
図は、ベーンに加わる力を示す拡大図、第６図は、ベー
ンスロットの摩耗を示す説明図、第７図は、従来の内部
中空ベーンの形状を示す図で、（ａ）は上面図、（ｂ）
は正面図、（ｃ）は側面図、第８図は、耐久テストによ
るベーンの破損状況を示す正面図、第９図は、ロータリ
圧縮機の回転速度に対する騒音レベルの変化を示す線
図、第10図は、ロータリ圧縮機の異常音発生メカニズム
を説明するためのベーン部の説明図、第11図は、ベーン
部のばねの力の必要値を示す線図、第12図は、ロータリ
圧縮機の騒音の周波数別音圧レベルを示す線図、第13図
は、ベーン表面処理の適正手段を選択するための説明
図、第14図は、第１図の内部中空ベーンの組織写真撮影
部を示す正面図、第15図（ａ）は、第14図Ａ部の平滑化
処理しない表面の金属組織を示す顕微鏡写真、第15図
（ｂ）は、その表面粗さを示すオシロスコープ波形図、
第16図（ａ）は、第14図Ａ部の平滑化処理した表面の金
属組織を示す顕微鏡写真、第16図（ｂ）は、その表面粗
さを示すオシロスコープの波形図である。 ２……圧縮機構部、３……シリンダ、3a……ベーンスロ
ット、４……ローラ、５……内部中空ベーン、5a……四
角穴、5b……外壁、、d,d′，……肉圧寸法、ｒ……半
径寸法、101……商用電源、103……インバータ、106…
…制御回路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 飯塚 董 栃木県下都賀郡大平町大字富田800番地 株式会社日立製作所栃木工場内 (56)参考文献 特開 昭60−237190（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−35091（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−201391（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−13005（ＪＰ，Ａ) 実開 昭63−191286（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F04C 18/356 F25B 1/04

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】回転機に用いる内部中空ベーンであって、 この内部中空ベーンの中空部を形成する四角穴の角部
   に、少なくとも当該ベーンの外壁の肉厚寸法より大きい
   半径寸法のＲを形成するとともに、 当該内部中空ベーンの表層部が、四三酸化鉄（Fe₃O₄）
   を主成分とする酸化皮膜を形成してなる内部中空ベーン
   を有する回転機において、 前記内部中空ベーンの表層部は、四三酸化鉄を主成分と
   して水蒸気処理された酸化皮膜とし、その水蒸気処理の
   後に、 当該酸化皮膜の外表面を、バレル研磨、バフ研磨のいず
   れかの仕上げ加工を施して平滑面としたことを特徴とす
   る内部中空ベーンを有する回転機。
2. 【請求項２】内部中空ベーンの材質に、アルミニウム合
   金、セラミック材料、カーボン材料、プラスチック材料
   のいずれかを用いたことを特徴とする請求項１記載の内
   部中空ベーンを有する回転機。