JP2005264740A - 密閉型圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】密閉型圧縮機のピストンとシリンダー間の金属接触を防止して、効率と信頼性の向上を図る。
【解決手段】ピストンの外周１４３に、少なくともピストン１４０の全長の半分を超える長さを有するとともに、一端側１４４がピストン１４０のスカート側１４５に連通し、他端側１４６がピストン１４０のトップ面１４７に達しない複数の溝部１４８とを備えたので、オイル中から気化した冷媒を溝部１４８より排出し、油膜切れを防止し、溝部１４８を通じて摺動面へのオイルを供給するため、摺動損失の発生を少なくし、効率と信頼性を高くすることができる。
【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形圧縮機に関するものである。

近年、この種の密閉型圧縮機は、高信頼性を前提とした消費電力の低減が強く望まれている。消費電力の低減のための課題として摺動特性の改善と、摺動部の信頼性確保が挙げられる。これらの課題に対し、従来の密閉型圧縮機としては、シリンダーとピストンの潤滑剤などの液体の動圧を利用して摺動特性を改善し、信頼性確保したものがある（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５は、特許文献１に記載された従来の密閉型圧縮機の要部断面図を示すものである。図５において、シリンダー１の内周面１ａに沿って往復動する円筒形のピストン２の外周面２ａの上下両端縁に、各端面２ｂに開口する三角ポケット形の凹部３を５〜２０μm の深さでそれぞれ形成し、この凹部３は外周面２ａの周方向に等間隔で複数箇所に配置する。

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。

ピストン２がシリンダー１内で往復運動する際、シリンダー１の内周面１ａに対してピストン２の外周面２ａが傾こうとしても、ポケット形の凹部３に、冷媒などの液体または液状の潤滑剤が流入して高圧の動圧が発生し、シリンダー１に接近したピストン２の端部はシリンダー１の内周面１ａから離れるので、ピストン２の傾きは矯正される。このようにして、往復動作するピストン２の外周面２ａはシリンダー１の内周面１ａと常に平行することとなって、安定して往復運動が可能となる。
特開平７−６３２６４号公報

しかしながら、上記従来の構成では、冷媒の圧縮に伴いピストン２やシリンダー１の温度が上昇すると、ピストン２の外周面２ａとシリンダー１の内周面１ａとの間の冷媒などの液体や、潤滑剤に溶解した冷媒が気化し、油膜切れによる金属接触が発生し、摺動損失が発生して効率が低くなる可能性があるという課題を有していた。

また、上記従来の構成では、ピストン２の摺動面へのオイルの供給は、ピストン２の外周面２ａとシリンダー１の内周面１ａの狭い隙間を通してのみ供給されるため、十分にオイルが供給されず、ピストン２やシリンダー１が摩耗してしまい信頼性が低下する可能性があるという課題を有していた。

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、摺動損失の少ない高効率な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、ピストンの外周に、少なくともピストンの全長の半分を超える長さを有するとともに、一端側がピストンのスカート側に連通し、他端側がピストンのトップ面に達しない複数の溝部を形成したもので、オイル中から気化した冷媒を溝部より排出し、油膜切れを防止するとともに、溝部を通じて摺動面へのオイルを供給するという作用を有する。

本発明の密閉型圧縮機は、ピストンとシリンダーとの間に安定して油膜を形成できるため信頼性が高く、摺動損失が少なく、高い効率を備えた密閉型圧縮機を提供できる。

請求項１に記載の発明は、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、前記オイルを前記ピストンの外周に供給する給油手段とを備え、前記ピストンの外周に、少なくとも前記ピストンの全長の半分を超える長さを有するとともに、一端側が前記ピストンのスカート側に連通し、他端側が前記ピストンのトップ面に達しない複数の溝部を形成した密閉型圧縮機としたもので、溝部がオイル中から気化した冷媒をシリンダーの外へ排出し、また、溝部を通じて摺動面へのオイルを供給するため、油膜切れによる金属接触の発生を抑制でき、摺動損失の発生を少なくし、効率を高くすることができ、また信頼性を高くすることができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明に、更に、溝部はピストンの外周で、少なくとも圧縮時にシリンダーとの間で最大荷重が生ずる位置近傍に形成したもので、最も摩耗し易い位置においても油膜切れを防ぎ、また摺動面へのオイル供給をより確実にできるため、更に高い信頼性を得ることができる。

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、ピストンは偏芯部と平行に配設された略円筒形のピストンピンを備え、前記偏芯部と前記ピストンピンを連結手段にて連結するするとともに、側面投影において前記ピストンピンの中心軸と溝部の一端側との距離と、前記ピストンピンの中心軸と前記溝部の他端側との距離の比率が１未満であるとしたもので、吸入行程において溝部の他端側に発生するオイルの動圧によってピストンピンの中心軸を軸心にピストンの半径方向内側へ向う回転力が発生し、ピストンの外周面がシリンダーの内周面に対して傾くのを防止し平行となるため、ピストンの縁の金属接触を少なくし、摺動損失を少なくでき、効率を高くすることができる。

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、ピストンは外径と長さの比が１．２以上であるので、ピストンの外周面がシリンダーの内周面に対して傾き易い形状にもかかわらず、これを防止できるので摺動損失を少なくでき、ピストンの軽量化を図れるのでさらに効率を高くすることができる。

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、溝部の面積が、ピストンの外周の前記溝部の一端側から他端側までの範囲において、前記範囲の面積の半分を超えないとしたもので、ピストン外周にかかる面圧を低くでき、またピストンとシリンダーの隙間から漏れる冷媒をシールする幅を得ることができるため、更に効率と信頼性を高くすることができ、また大量生産に対応したセンターレスのスルー研磨機によって精度が出しやすく、生産性を高くすることができる。

請求項６に記載の発明は、請求項１から５のいずれか一項に記載の発明に、更に、溝部の一端側の深さか幅の少なくとも一方が他端側より大きいとしたもので、溝部にオイルが入り易くなり、また他端側で発生する油圧が大きくなるため、更に摺動損失の発生を少なくし、効率を高くすることができ、また信頼性を高くすることができる。

請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の発明に、更に、ピストンは焼結材で形成されるとしたもので、型で溝部を形成することができ、加工の工数が減るため、生産性があがるのでコストが少なくできる。

請求項８に記載の発明は、請求項１から７のいずれか一項に記載の発明に、更に、冷媒にＲ６００ａを用いるとともにオイルは前記冷媒と相溶性があるとしたもので、Ｒ６００ａはオイルに溶け込みやすく、また気化しやすい冷媒であるため、気化した冷媒を排出する効果が大きくなり、更に効率および信頼性を高くすることができる。

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の斜視図、図３は同実施の形態の密閉型圧縮機の要部拡大図、図４は、本圧縮機の成績係数Ｃ．Ｏ．Ｐ（ＣＯＥＦＦＩＣＩＥＮＴ ＯＦ ＰＥＲＦＯＲＭＡＮＣＥ）の特性図である。

図１、図２、図３において、容器１０１内には、固定子１０２と回転子１０３からなる電動要素１０４と、電動要素１０４によって駆動される圧縮機構１０５を収容し、容器１０１内にはオイル１０６を貯溜している。

本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であり、相溶性のあるオイルと組み合わせてある。

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および主軸部１１１に対し偏芯して形成された偏芯部１１２を有する。

給油手段１２０は、主軸部１１１の下端部に固定され、一端がオイル１０６中に開口し他端が給油通路１２１と連通したオイルコーン１２２と、クランクシャフト１１０の内部に形成され、オイルコーン１２２と連通し、偏芯部１１２の上端で開口している給油通路１２１とで構成されている。

ブロック１３０は、略円筒形のシリンダー１３１を有するとともに主軸部１１１を軸支する主軸受１３２を有していて、シリンダー１３１にはクランクシャフト１１０側の縁の上部に設けられた切り欠き部１３３と、クランクシャフト１１０側の縁の円周に設けられた面取り部１３４を備えている。

ピストン１４０は焼結材で形成され、ブロック１３０のシリンダー１３１に往復摺動自在に挿入されており、偏芯部１１２と平行に配設された略円筒形のピストンピン１４１を備えるとともに、偏芯部１１２とピストンピン１４１を連結手段１４２にて連結されている。

またピストン１４０は、ピストンの外周１４３に、少なくともピストン１４０の全長の半分を超える長さを有するとともに、一端側１４４がピストン１４０のスカート側１４５に連通し、他端側１４６がピストン１４０のトップ面１４７に達しない複数の溝部１４８を上部と下部と側面に形成されており、溝部１４８はピストンの外周１４３で、少なくとも圧縮時にシリンダー１３１との間で最大荷重が生ずる位置としてのピストン１４０を上部からみて右側面近傍に形成さている。

図３においてピストンピン１４１の中心軸１４９と溝部１４８の一端側１４４との距離をＭ、ピストンピン１４１の中心軸１４９と溝部１４８の他端側１４６との距離をＮ、ピストン１４０の外径をＤ、長さをＬとしている。そして本実施の形態ではＭとＮの比率を１未満とし、ＤとＬの比を１．２以上としている。

溝部１４８はその総面積が、ピストンの外周１４３の溝部１４８の一端側１４４から他端側１４６までの範囲において、その範囲の面積の半分を超えないように構成されており、さらに溝部１４８の一端側１４４の深さが他端側１４６より大きくなっている。

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を上面から見て時計回りに回転させ、偏芯部１１２の回転運動が連結手段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の回転に伴ってオイルコーン１２２が回転することで発生する遠心力によって、オイル１０６を給油通路１２１内で上昇させ、偏芯部１１２の上端から容器１０１内に散布する。散布されたオイル１０６はピストンの外周１４３や切り欠き部１３３、面取り部１３４に当たり、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１４３や溝部１４８に入り込み、ピストンの外周１４３とシリンダー１３１との間を潤滑する。

この際、溝部１４８に入り込んだオイル１０６はピストン１４０の往復動に伴って一端側１４４から他端側１４６へと運ばれ、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１４３との間に引き込まれトップ面１４７近傍を効果的に潤滑する結果、シール性が向上する。

更に溝部１４８の一端側１４４の深さを他端側１４６より大きくしているため、溝部１４８にオイル１０６が入り易くなり、また他端側１４６で発生する油圧が大きくなるため、ピストン１４０が上死点から下死点に向うときによりシリンダー１３１とピストンの外周１４３との間に引き込まれやすくなっている。

一方、冷媒ガスの圧縮に伴いピストン１４０やシリンダー１３１の温度が上昇すると、シリンダー１３１の内面とピストン１４０のピストンの外周１４３にあるオイル１０６に溶解している冷媒が気化する。この気化した冷媒は摺動面へのオイル１０６の供給を妨げてしまうが、本実施の形態では気化した冷媒は、溝部１４８を介して容器１０１内の空間へと連続的に吐出されるため、摺動面への給油がスムーズになり、油膜切れによる金属接触の発生を抑制という効果が得られる。その結果、摩耗の発生を防ぎ、高い信頼性を得ることができる。

また、圧縮時にピストンの外周１４３の上部からみて右側面には、側圧力による最大荷重がかかり、摩耗し易いが、本実施の形態では、溝部１４８を圧縮時にシリンダー１３１との間で最大荷重が生ずる位置に設けているので、この部位でのオイル供給をより確実にできるため油膜切れを防ぐことで更に高い信頼性を得ることができる。

また、吸入行程すなわちピストン１４０が上死点から下死点に向うときに、溝部１４８に供給されてピストン１４０と共に移動しているオイル１０６は、溝部１４８の他端側１４６で行き止まり、動圧を発生する。発生したオイル１０６の動圧によってピストンピン１４１の中心軸１４９を軸心にピストン１４０の半径方向内側へ向う回転力が発生する。その結果、ピストンの外周１４３がシリンダー１３１の内周に対して傾くのを防止し平行となり、ピストン１４０のスカート側１４５の縁の金属接触が少なくなる。

この理由として、溝部１４８の他端側１４６に発生する回転力は、動圧とピストンピン１４１の中心軸１４９と溝部１４８の他端側１４６（図３中のＮ）との距離に比例し、またピストン１４０のスカート側１４５の縁に発生する回転力は、摩擦力とピストンピン１４１の中心軸１４９と溝部１４８の一端側１４４との距離（図３中のＭ）に比例するため、距離Ｍと距離Ｎの比率が１未満である場合は、ピストン１４０の半径方向内側へ向う回転力が大きくなり、平行となると推定される。よって更に摺動損失を少なくでき、効率を高くするという効果を得ることができる。

ピストン１４０は外径と長さの比が１．２以上になるように構成しているので、必要材料重量を従来の同一外径のピストン重量と比べ少なくすることができるので、ピストン１４０の軽量化を図れる。また同時に、ピストンの外周１４３がシリンダー１３１の内周面に対して傾き易い形状にもかかわらず、オイル１０６の動圧によってピストンピン１４１の中心軸１４９を軸心にピストン１４０の半径方向内側へ向う回転力が発生するため、これを防止する。よって摺動損失を少なくでき、さらに効率を高くするという効果を得ることができる。

溝部１４８の面積が、ピストンの外周１４３の溝部１４８の一端側１４４から他端側１４６までの範囲において、その範囲の面積の半分を超えないように構成しているので、シリンダー１３１との間に生じる荷重を分散して受けることができるため、ピストンの外周１４３にかかる面圧を低くでき、またピストン１４０とシリンダー１３１の隙間から漏れる冷媒をシールする幅を得ることができるため、更に効率と信頼性を高くすることができる。また、製造過程で研磨する際、回転する砥石が溝部１４８の影響を受けにくく、ピストンの外周１４３に沿って安定して加工できるため、大量生産に対応したセンターレスのスルー研磨機を用いることができるため、生産性を高くすることができる。

ピストン１４０は焼結材で形成しているので、型で溝部１４８を形成することができ、更に溝部１４８が一端側１４４の深さを他端側１４６より大きくしているので型が抜け易く、生産性が良くできるため、加工の工数が減り、生産性があがるのでコストを下げることができる。

冷媒にＲ６００ａを用いるとともにオイル１０６は冷媒と相溶性があるとしたので、Ｒ６００ａはオイル１０６に溶け込みやすく、また気化しやすい冷媒であるため、気化した冷媒を排出する効果が大きくなり、更に効率および信頼性を高くすることができる。また、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冷媒を用いる場合は、気筒容積が大きくなる。しかしながらピストン１４０は外径と長さの比が１．２以上にできるので、ピストンの軽量化に伴い効率を向上させることができ、また振動も低くすることができる。

次に、本実施の形態における密閉型圧縮機の効率改善について説明する。

図５において、縦軸は従来品と本実施の形態の圧縮機の成績係数Ｃ．Ｏ．Ｐ（Ｗ／Ｗ）特性を示し、冷媒はＲ６００ａ冷媒を使用した場合の結果を示す。何れの結果もピストン往復の運転周波数が５０Ｈｚ時の結果であり、運転温度条件は冷蔵庫で運転される条件に近い蒸発温度を−２５℃とし凝縮温度を５５℃としている。

本結果から明白なように、Ｃ．Ｏ．Ｐは大幅に改善され、効率を高くすることができることを確認した。

なお、溝部１４８の一端側１４４の深さを他端側１４６より大きくしているとしたが溝部１４８の一端側１４４の幅を他端側１４６より大きくしてもよい。

以上のように、本発明にかかる密閉型圧縮機は、入力増加による効率低下や、摺動部の傷つきや摩耗による信頼性低下を防ぎ、効率と信頼性を高くすることが可能となるので、エアーコンディショナーや冷凍冷蔵装置の密閉型圧縮機の用途にも展開できる。

本発明による実施の形態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の斜視図 同実施の形態の密閉型圧縮機の要部拡大図 同実施の形態の密閉型圧縮機の成績係数の特性図 従来の密閉型圧縮機の縦断面図

符号の説明

１０１ 容器
１０５ 圧縮機構
１０６ オイル
１１０ クランクシャフト
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
１４１ ピストンピン
１４２ 連結手段
１４３ ピストンの外周
１４４ 一端側
１４５ スカート側
１４６ 他端側
１４７ トップ面
１４８ 溝部
１４９ 中心軸

Claims (8)

1. 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、前記オイルを前記ピストンの外周に供給する給油手段とを備え、前記ピストンの外周に、少なくとも前記ピストンの全長の半分を超える長さを有するとともに、一端側が前記ピストンのスカート側に連通し、他端側が前記ピストンのトップ面に達しない複数の溝部を形成した密閉型圧縮機。
2. 溝部はピストンの外周で、少なくとも圧縮時にシリンダーとの間で最大荷重が生ずる位置近傍に形成した請求項１に記載の密閉型圧縮機。
3. ピストンは偏芯部と平行に配設された略円筒形のピストンピンを備え、前記偏芯部と前記ピストンピンを連結手段にて連結するするとともに、側面投影において前記ピストンピンの中心軸と溝部の一端側との距離と、前記ピストンピンの中心軸と前記溝部の他端側との距離の比率が１未満である請求項１または２に記載の密閉型圧縮機。
4. ピストンは外径と長さの比が１．２以上である請求項１から３のいずれか一項に記載の密閉型圧縮機。
5. 溝部の面積が、ピストンの外周の前記溝部の一端側から他端側までの範囲において、前記範囲の面積の半分を超えない請求項１から４のいずれか一項に記載の密閉型圧縮機。
6. 溝部の一端側の深さか幅の少なくとも一方が他端側より大きい請求項１から５のいずれか一項に記載の密閉型圧縮機。
7. ピストンは焼結材で形成される請求項６に記載の密閉型圧縮機。
8. 冷媒にＲ６００ａを用いるとともにオイルは前記冷媒と相溶性がある請求項６に記載の密閉型圧縮機。

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