JP2006169998A - 密閉型圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮時のピストンの傾斜によって生じる局所摩耗やシール性の低下を防止して信頼性が高く、冷凍能力と効率の高い密閉型圧縮機を提供する。
【解決手段】少なくとも下死点付近で密閉容器１０１内の空間と連通し、かつピストン１４０のトップ側面１５１およびスカート側面１５２に連通しない溝部１５３をピストン１４０の外周の上側面１５４および下側面１５５に形成するとともに、少なくとも下死点付近で密閉容器１０１内の空間と連通している部分において溝部１５３を平面展開したときの形状がピストン軸芯１７０との平行線を形成しないもので、ピストン１４０が上下方向に傾きにくくなることで冷媒の漏れを抑制でき、また摺動部への側圧荷重が低減される。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷凍冷蔵庫等の冷凍サイクルに用いられる密閉型圧縮機に関するものである。

近年、例えば、家庭用冷凍冷蔵庫等の冷凍装置に使用される密閉型圧縮機については、より消費電力の低減効果の高いものが強く望まれている。従来の密閉型圧縮機としては、ピストンの外形形状を改善することによりピストンとシリンダー間の摺動損失を低減して、高効率化したものがある（例えば、特許文献１参照）。

以下、図面を参照しながら上記従来の密閉型圧縮機を説明する。

図７は、特許文献１に記載された従来の密閉型圧縮機の縦断面図であり、図８は従来の密閉型圧縮機に用いるピストンの斜視図である。

図７、図８において、密閉容器１内には、巻線部２ａを保有する固定子２と回転子３からなる電動要素４と、電動要素４によって駆動される圧縮要素５が収納され、密閉容器１内の下部にはオイル６を貯留する。

圧縮要素５を構成するクランクシャフト１０は、回転子３を圧入固定した主軸部１１および主軸部１１に対し偏心して形成された偏心部１２を有するとともに、主軸部１１の内部にはオイルポンプ１３がオイル６中に開口するよう設けてある。ブロック２０は、略円筒形のシリンダー２１を有するとともに主軸部１１を軸支する軸受部２２を有し、電動要素４の上方に形成されている。ピストン３０はブロック２０のシリンダー２１内に往復摺動自在に挿入され、偏心部１２との間を連結手段４１によって連結されている。

ピストン３０は、トップ側面３１とスカート側面３２と外周面３３とから構成され、外周面３３にシリンダー２１の内周面と密着するように形成されたシール面部３４と、シリンダー２１の内周面の一部分と密着するように形成されたピストン３０の運動方向にほぼ平行に伸びる少なくとも２つの案内面部３５と、シリンダー２１の内周面と密着しない除去部３６とを備え、ピストン３０の円筒中心軸３７と案内面部３５の２つの境界エッジ３５ａ、３５ｂとをピストン３０の半径方向に結ぶ線がなす角度が４０°以下、好ましくは３０°以下であることを特徴とする。

以上のように構成された密閉型圧縮機について、以下その動作を説明する。

運転中、ピストン３０は往復運動している。下死点付近においてピストン３０はスカート側の一部がシリンダー２１から外に出る。そしてピストン３０がシリンダー２１に入るとき、案内面部３５により案内されながら、スムースにシリンダー２１に入ることができる。そして、シリンダー２１の内周面とピストン３０の外周面とで形成される摺動面積はピストン３０の除去部３６によって減少しているため摺動抵抗が減り、摺動損失を低減することができる。
国際公開第０２／００２９４４号パンフレット

ここで、圧縮行程において下死点から上死点へ向かう際、ピストン３０のトップ側面３１は冷媒ガスの圧縮荷重を受け、連結手段４１を介してクランクシャフト１０が反ピストン方向へ強く押されることで、クランクシャフト１０がたわむ。その結果、ピストン３０を上下方向に大きく傾ける力が働くことになる。

しかしながら上記従来の構成では、ピストン３０のシリンダー２１に対する上下方向の傾きに対しては、ピストン３０のトップ側面３１の縁からシール面部３４の縁までの短い区間と、ピストン３０の外周面３３とシリンダー２１の隙間とで規制されるに過ぎない。

その結果ピストン３０は大きく傾き、ピストン３０の上死点側から下死点側へと漏れる冷媒ガスの量は、ピストンの傾斜角度の増大によって拡大した隙間を介して多くなり、冷凍能力が低下する。

また、傾斜角度の増大に伴い、ピストン３０の案内面部３５の境界エッジ３５ａ、３５ｂにおける面圧が増大するため局所的な摩耗を生じ、信頼性低下を引き起こす可能性の他、入力増に伴う効率低下を生ずるといった課題を有していた。

こういった課題は特に冷媒にＲ６００ａを用いた場合、ピストン３０の外径は大きくなり、冷媒の漏れが生じやすくなるため、効率の低下が顕著であった。

本発明は上記従来の課題を解決するもので、信頼性が高く、冷凍能力と効率の高い密閉型圧縮機を提供することを目的とする。

上記従来の課題を解決するために、本発明の密閉型圧縮機は、ピストンのトップ側面およびスカート側面に連通しない溝部をピストンの外周の上側面および下側面に形成するとともに、少なくとも下死点付近で密閉容器内の空間と連通している部分において溝部を平面展開したときの形状がピストン軸芯との平行線を形成しないもので、摺動面積の低減による摺動損失の低減により高効率化が達せられると共に、ピストンがシリンダーに対して上下方向に傾きにくくすることによって冷媒の漏れを抑制でき体積効率の低下を防止できるとともに、ピストンの傾斜時に生じる摺動部への側圧荷重が低減され、局部的な摩耗を低減することができる。

本発明の圧縮機は、局部的な摩耗を低減することができ、体積効率の低下を防止できるので信頼性が高く、冷凍能力と効率の高い密閉型圧縮機を提供することができる。

請求項１に記載の発明は、密閉容器内にオイルを貯溜するとともに冷媒ガスを圧縮する圧縮機構を収容し、前記圧縮機構は、略鉛直方向に配設され主軸部および偏芯部を有するクランクシャフトと、シリンダーを形成するブロックと、前記シリンダー内を往復運動する略円筒形のピストンと、前記偏芯部と前記ピストンを連結する連結手段と、前記オイルをピストンの外周に供給する給油手段とを備え、少なくとも下死点付近で前記密閉容器内の空間と連通し、かつ前記ピストンのトップ側面およびスカート側面に連通しない溝部を前記ピストンの外周の上側面および下側面に形成するとともに、少なくとも下死点付近で前記密閉容器内の空間と連通している部分において前記溝部を平面展開したときの形状がピストン軸芯との平行線を形成しない密閉型圧縮機としたもので、ピストン外周面に設けた溝によって摺動面積が低減されることから摺動損失の低減が図れ、ピストンがシリンダーに対して上下方向に傾きにくくなることによって冷媒の漏れを抑制でき体積効率の低下を防止できるとともに、ピストンの傾斜時に生じる摺動部への側圧荷重が低減され、局部的な摩耗を低減することができるので、信頼性が高く、冷凍能力と効率の高い密閉型圧縮機を提供することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明に、更に、溝部を平面展開したときの形状が、ピストン軸芯との平行線を一切形成しないので、ピストンが往復運動した際により摺動部へのオイル供給を良好にできるので、更に体積効率と信頼性の向上を図ることができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明に、更に、溝部のピストン外周面からの深さを５０μｍから４００μｍとしたものであり、粘性抵抗による摺動損失の低減効果、及び冷媒ガスの漏れを防止するシール性効果との両面を最適にすることができ、更に高効率化を図ることができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれか一項に記載の発明に、更に、溝部の形状が、ピストンのスカート側面側に張り出す略半月状の形状をなし、前記スカート側面側に張り出す部分の曲率が、ピストンのトップ側面側とのつなぎＲの曲率より小さいものであり、エンドミル等を用いて切削加工する際に、同一の加工軌跡を幾度も往復しないので、生産時間を短縮して更に低コスト化が図れる。

請求項５に記載の発明は、請求項１から４のいずれか一項に記載の発明に、更に、冷媒は炭化水素系冷媒であるので、従来のＲ１３４ａ冷媒を使用した圧縮機と比べて気筒容積の拡大に伴うピストンの径大化により、冷媒の漏れが生じやすくなるが、ピストンがシリンダーに対して上下方向に傾きにくくして冷媒の漏れを抑制するので、体積効率の低減を防止し更に高効率化を図ることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によってこの発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における密閉型圧縮機の縦断面図、図２は、同実施の形態の密閉型圧縮機に用いるピストン周りの要素拡大図、図３は、同実施の形態の密閉型圧縮機に用いるピストンの上面図である。図４は、横軸がピストンの溝部深さを示し、縦軸には成績係数Ｃ．Ｏ．Ｐ（ＣＯＥＦＦＩＣＩＥＮＴ ＯＦ ＰＥＲＦＯＲＭＡＮＣＥ）で示した同実施の形態の特性図である。図５は、同実施の形態の密閉型圧縮機に用いるピストンの溝部加工方法を示した概略図である。

図１から図３において、密閉容器１０１内に、固定子１０２と回転子１０３からなり、電源周波数以下の運転周波数を含む複数の運転周波数でインバーター駆動される電動要素１０４及び、電動要素１０４によって駆動される圧縮機構１０５を収容し、密閉容器１０１内にはオイル１０６を貯溜している。

本密閉型圧縮機に使用される冷媒は温暖化係数の低い自然冷媒である炭化水素系冷媒のＲ６００ａである。

クランクシャフト１１０は、回転子１０３を圧入固定した主軸部１１１と、主軸部１１１に対し偏心して形成された偏芯部１１２を備え、略鉛直方向に配設されている。

給油手段１２０は、一端がオイル１０６中に開口し他端が粘性ポンプ１２１と連通するクランクシャフト１１０の内部に形成された遠心ポンプ１２２と、粘性ポンプ１２１の他端で密閉容器１０１内の空間と開口する縦孔部１２３と、横孔部１２４とから構成されている。

ブロック１３０は、略円筒形のシリンダー１３１を形成するとともに主軸部１１１を軸支する主軸受１３２を備える。シリンダー１３１の上部には湾曲した当り部１３４を有す。

ピストン１４０は、ブロック１３０のシリンダー１３１に往復摺動自在に挿入され、偏心部１１２とをコンロッド１４６で連結されており、図１に示すように下死点付近でピストン１４０のスカート側の一部がシリンダー１３１内から突出する構成となっている。

ピストンの外周面１５０には、少なくとも下死点付近で密閉容器１０１内の空間と連通し、かつピストン１４０のトップ側面１５１およびスカート側面１５２に連通しない溝部１５３をピストン１４０の外周の上側面１５４および下側面１５５に形成する。

溝部１５３を平面展開したときの形状は、ピストン１４０の軸芯との平行線を一切形成しないように、ピストン１４０のスカート方向に摺動幅が増大する様な曲線形状を成す。更に、ピストン１４０のスカート側面側に張り出す部分１５７の曲率は、ピストン１４０のトップ側面側とのつなぎＲ１５６の曲率より小さく形成されている。

溝部１５３の深さは５０μｍから４００μｍとしており、溝部１５３を加工形成するためのエンドミルが溝部１５３の外周を一周することで溝部１５３を形成できる形状となっている。また、溝部１５３の総面積は、ピストンの外周面１５０の面積の半分を超えるように構成されている。

ピストン１４０の外周のトップ側面側近傍には複数の環状溝１９１が形成される。

以上のように構成された密閉型圧縮機について、以下その動作、作用を説明する。

電動要素１０４の回転子１０３は、クランクシャフト１１０を回転させ、偏芯部１１２の回転運動がコンロッド１４６とピストンピン１４２を介してピストン１４０に伝えられることでピストン１４０はシリンダー１３１内を往復運動する。それにより、冷媒ガスは冷却システム（図示せず）からシリンダー１３１内へ吸入・圧縮された後、再び冷却システムへと吐き出される。

一方、給油手段１２０は、クランクシャフト１１０の回転に伴って遠心ポンプ１２２が回転することで発生する遠心力によって、オイル１０６を遠心ポンプ１２２内で上昇させ、さらに粘性ポンプ１２１に到達したオイル１０６を粘性ポンプ１２１内で上昇させ、縦孔部１２３と、横孔部１２４から密閉容器１０１内に散布する。

散布されたオイル１０６は当り部１３４に当り、切り欠き部１３５を伝って、ピストンの外周面１５０に付着する。付着したオイル１０６はピストン１４０の往復動に伴ってピストンの外周面１５０や溝部１５３、環状溝１９１に入り込み、ピストンの外周面１５０とシリンダー１３１との間を潤滑する。

この際、本実施の形態においては、図１及び図２に示すように下死点付近でピストン１４０のスカート側の一部がシリンダー１３１内から突出するので、ピストン１４０が下死点に来た時に溝部１５３はシリンダー１３１より出てオイル１０６を受けるので、オイル１０６は溝部１５３へ十分に供給される。

ここで、溝部１５３を平面展開したときの形状がピストン１４０の軸芯との平行線を一切形成しないように、ピストン１４０のスカート方向に摺動幅が増大する様な曲線形状を成すので、溝部１５３に入り込んだオイル１０６は溝部１５３の上部１８０付近に貯留され、ピストン１４０が下死点から上死点に向うときにシリンダー１３１の奥に運ばれ、ピストン１４０が上死点から下死点に向うときに、ピストン１４０の動きに伴いシリンダー１３１とピストンの外周面１５０との間に引き込まれトップ摺動面１９０近傍を効果的に潤滑する。

この作用によってシリンダー１３１とピストンの外周面１５０との間には十分な油膜が維持されるため、極めて高いシール性を得ることができ、体積効率の向上による冷凍能力の工場が得られる。

更には溝部１５３を平面展開したときの形状がピストン１４０の軸芯との平行線を一切形成しないことによって、ピストン１４０の軸芯との平行線を形成した時に生ずる、往復動方向の段付き摩耗といった局所的な摩耗を防ぐことができ、潤滑性が高まることと相まって極めて高い信頼性を得ることができる。

また、ピストン１４０が上死点付近にあるとき、シリンダー１３１内は圧縮された冷媒により高圧となり、シリンダー１３１とピストンの外周面１５０との間から冷媒ガスが漏れようとする。この際、シリンダー１３１内で生じる圧縮荷重により、ピストンピン１４２、コンロッド１４６を介してクランクシャフト１１０が下死点方向へ押され、鉛直方向に対して大きくたわみ、ピストン１４０はシリンダー１３１に対して上下方向へと傾斜しようとするが、本実施の形態では、ピストン溝部１５３を形成する形状がピストン１４０のスカート方向に従って摺動幅が増大するような曲率が形成されているので、傾斜方向に対して幅広く保持され、ピストン１４０が大きく傾斜することを防ぐことができる。

その結果、シリンダー１３１から密閉容器１０１内への冷媒の漏れが抑制されると共に、傾斜時に生じる摺動部への側圧荷重が低減され、局所的な摩耗を防ぎ、摺動部の信頼性を向上させることができる。

図４において、縦軸は従来品と本実施の形態の圧縮機の溝部深さと成績係数Ｃ．Ｏ．Ｐ（Ｗ／Ｗ）の特性を示し、冷媒はＲ６００ａ冷媒を使用した場合の結果を示す。

本結果から明白なように、溝部１５３はピストン外周面からの深さを５０μｍから４００μｍで形成することから、冷蔵庫等の消費電力低減効果の高い低回転運転時において、粘性抵抗による摺動損失の低減効果の他、冷媒ガスの漏れを防止するシール性効果との両面を最適にすることができ、高効率化が図れる事を確認した。

ここで、溝部１５３の深さが４００μｍを超えると成績係数が低下する原因は、溝部１５３が深すぎることでここに溜められたオイルがピストン１４０周りに行き渡りにくくなることでシール性が悪化したものと推定する。一方、加工寸法の管理上、浅いほうは５０μｍを限度とした。

また、図３、図５において、溝部１５３の形状がピストン１４０のスカート側面側に張り出す略半月状の形状をなし、スカート側面側に張り出す部分１５７の曲率がピストン１４０のトップ側面側とのつなぎＲ１５６の曲率より小さいので、エンドミルがピストン１４０を軸中心に１往復回動させながら溝部１５３の外周を一周することで溝部１５３を形成できるため、同一の加工軌跡を幾度も往復する必要が無く、短時間に加工が完了できるため生産時間を短縮することで生産性が上がり、低コスト化が図れる。

更に、Ｒ６００ａ冷媒の密度は従来から冷蔵庫に用いられているＲ１３４ａ冷媒と比較すると小さいため、Ｒ１３４ａ冷媒の密閉型圧縮機と同じ冷凍能力を得るためには、Ｒ６００ａ冷媒を用いる場合、気筒容積が大きくなり、ピストン１４０の外径が大きくなる。従ってシリンダー１３１から密閉容器１０１内に漏れる冷媒は、流路面積が大きくなり、増加する。しかしながら本実施の形態のピストン１４０はシリンダー１３１に対して傾きにくくできるので、より大きな効率向上の効果が得られる。

なお、クランクシャフト１１０に、偏芯部１１２を挟んで主軸部１１１と同軸上に設けた副軸部を設けた構成とした場合には、偏心部１１２が両端で軸支されるのでクランクシャフト１１０がほとんど傾斜しなくなり、ピストン１４０はシリンダー１３１に対して更に上下方向へ傾きにくくなり、更にピストン１４０の挙動が安定し、摺動損失を低減できるとともに騒音の増大も抑制でき、高効率、低騒音化を図ることができる。

以上のように、本発明にかかる圧縮機は、ピストン外周の摺動損失を低減しつつ保油性が高められるので高効率化が図れると共に、ピストン摺動時の傾斜を抑制して摺動部の信頼性を向上することができるので、エアーコンディショナーや自動販売機等の密閉型圧縮機の用途にも広く適用できる。

本発明の実施の形態１における密閉型圧縮機の縦断面図 同実施の形態の密閉型圧縮機に用いるピストン周りの要素拡大図 同実施の形態の密閉型圧縮機に用いるピストンの上面図 同実施の形態の密閉型圧縮機に用いるピストンの溝部深さと成績係数の特性図 同実施の形態の密閉型圧縮機に用いるピストンの溝部加工方法を示した概略図 従来の密閉型圧縮機の縦断面図 従来の密閉型圧縮機に用いるピストンの斜視図

符号の説明

１０１ 密閉容器
１０５ 圧縮機構
１０６ オイル
１１０ クランクシャフト
１１１ 主軸部
１１２ 偏芯部
１２０ 給油手段
１３０ ブロック
１３１ シリンダー
１４０ ピストン
１４６ コンロッド
１５０ ピストンの外周面
１５１ トップ側面
１５２ スカート側面
１５３ 溝部
１５４ 上側図
１５５ 下側図
１５６ トップ側面側とのつなぎＲ
１５７ スカート側面側に張り出す部分
１７０ ピストンの軸芯

Claims (5)

1. 密閉容器内にオイルを貯溜するとともに冷媒ガスを圧縮する圧縮機構を収容し、前記圧縮機構は、略鉛直方向に配設され主軸部および偏芯部を有するクランクシャフトと、シリンダーを形成するブロックと、前記シリンダー内を往復運動する略円筒形のピストンと、前記偏芯部と前記ピストンを連結する連結手段と、前記オイルをピストンの外周に供給する給油手段とを備え、少なくとも下死点付近で前記密閉容器内の空間と連通し、かつ前記ピストンのトップ側面およびスカート側面に連通しない溝部を前記ピストンの外周の上側面および下側面に形成するとともに、少なくとも下死点付近で前記密閉容器内の空間と連通している部分において前記溝部を平面展開したときの形状がピストン軸芯との平行線を形成しない密閉型圧縮機。
2. 溝部を平面展開したときの形状が、ピストン軸芯との平行線を一切形成しない請求項１に記載の密閉型圧縮機。
3. 溝部のピストン外周面からの深さを５０μｍから４００μｍとした請求項１または２に記載の密閉型圧縮機。
4. 溝部の形状が、ピストンのスカート側面側に張り出す略半月状の形状をなし、前記スカート側面側に張り出す部分の曲率が、ピストンのトップ側面側とのつなぎＲの曲率より小さい請求項１から３のいずれか一項に記載の密閉型圧縮機。
5. 冷媒は炭化水素系冷媒である請求項１から４のいずれか一項に記載の密閉型圧縮機。

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