JP2005337160A - 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冷媒漏れ及び摺動特性の改善を行い、効率の向上を図る。
【解決手段】容器１０１内にオイル１０６を貯溜するとともに冷媒ガスを圧縮する圧縮機構１０５を収容し、ピストン１４０は、ピストン１４０のトップ側面１５１に少なくとも連通しない溝部１５３を、ピストンの軸方向１７０から見てピストンピンの軸方向１４７およびピストンピンの直角方向１４８を除くピストンの外周面１５０に形成するとともに、溝部１５３は少なくとも下死点付近で容器１０１内の空間と連通するとしたので、ピストン１４０の上下の傾斜が抑制されるとともに、溝部１５３を通じてオイル１０６の摺動部への供給が促進されるため、シール性および潤滑性が向上し、圧縮機の高効率化を図ることができる。
【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型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、消費電力の低減が強く望まれている。従来この種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を示すものである。

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と、密閉容器１内の下部にオイル６を収容する。

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から外にでる。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により案内されるため、スムーズにシリンダー２１に入ることができる。
国際公開第０２／０２９４４号パンフレット

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は、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。このことから、ピストン３０は傾きやすくなり、特に下死点から上死点へ向かう圧縮行程のときにピストン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押されることもあり、ピストン３０が上下方向に最大限に傾くことになる。このため、冷媒の漏れが多くなり、冷凍能力が低く、効率が低下してしまうという課題を有していた。

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、高効率の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、ピストンピンの軸方向およびその直角方向を除くピストン外周面に形成するとともに、溝部は少なくとも下死点付近で容器内の空間と連通するとしたもので、摺動面積減による摺動損失の低減と、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冷媒の漏れを抑制し、また、オイルを溝部を通じて摺動部へ供給しシール性を向上させ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間からの冷媒の漏れを抑制して高効率の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、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ピストンと、前記ピストンに軸心が前記偏芯部と平行になるよう配設されたピストンピンと、前記偏心部と前記ピストンピンを連結するコンロッドと、前記オイルを前記ピストンの外周面に供給する給油手段とを備えるとともに、前記ピストンを軸方向から見て前記ピストンピンの軸方向およびその直角方向を除く前記ピストンの外周面に溝部を形成し、前記溝部は少なくとも前記ピストンのトップ側面に連通せず、かつ少なくとも前記ピストンが下死点にあるとき前記容器内の空間と連通する密閉型圧縮機としたもので、ピストンピンの直角方向に形成された上部及び下部摺動面で、シリンダーに対してピストンの上下方向への傾きを抑制するとともに、溝部を通じてピストン摺動部へオイル供給を促進することで、ピストンとシリンダー間の冷媒漏れを抑制するとともに、摺動損失が低減し、効率を向上させることができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明に、更に、溝部の面積をピストンの外周面の面積の半分以上としたもので、ピストンとシリンダー間からの漏れを抑制した上で、シリンダーと接触しない面積を大きくでき、ピストンとシリンダー間で発生する摺動損失を大幅に減らすことができ、また、溝部を通じてピストンの外周の広い範囲にオイルを供給することができるため、更に効率を高くすることができる。

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、溝部の端部とピストンの外周面とがなす角度を鋭角としたもので、溝部に供給されたオイルは溝部の縁の端部を上りやすくなり、ピストンの外周の各摺動部へのオイル供給を促進し、ピストンとシリンダー間のシール性および潤滑性を高め、更に高効率にすることができる。

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、ピストンの位置に関わらず、常に溝部と容器内の空間が連通しているもので、圧縮工程中に溝部へ溜まった高圧ガスが容器内の空間に抜け、吸入工程中における再膨張損失を低減できるとともに、下死点付近で溝部が容器内空間と連通する時に発生する噴流音を抑制でき、更に高効率で低騒音にすることができる。

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、ピストンのトップ摺動面に環状溝を設けたもので、毛細管現象の保油性が維持でき、ピストンとシリンダー間のシール性が向上し、更に高効率で低騒音にすることができる。

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、ピストンの両端に微小なテーパを設けたもので、この微小テーパ部に油膜が発生して、ピストンの挙動を安定化するとともにピストンとシリンダー間のシール性を向上させ、更に、高効率で低騒音化を図ることができる。

請求項７に記載の発明は、請求項１から６のいずれか一項に記載の発明に、更に、少なくとも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としたもので、低速運転においてオイルの供給量が減るにも関わらず、溝部にオイルを貯留して冷媒の漏れを抑制するため、更に高効率化を図ることができる。

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を用いるもので、従来のＲ１３４ａ冷媒使用の圧縮機と比べて気筒容積の拡大の為にピストン外径が大きくなり、冷媒の漏れが生じやすくなるにも関わらず、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、冷媒の漏れを抑制し、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正面図、図４は、同実施の形態の密閉型圧縮機に用いる図３のＡ−Ａ’断面図、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の端面拡大図、図６は、同実施の形態の密閉型圧縮機に用いるピストンの先端拡大図である。

図１から図６において、容器１０１内には、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制御回路等を用いることでインバーター駆動できる電動要素１０４を収容し、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とからなり、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の上部には当り部１３４を有し、シリンダー１３１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１３５を備えている。

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ている。ピストン１４０には偏芯部１１２の軸心と平行に穿設したピストンピン孔１４１に中空円筒状のピストンピン１４２が嵌入され、ピストンピン１４２は中空円筒状のロックピン１４３によってピストン１４０に固定されている。そしてピストンピン１４２は偏心部１１２とコンロッド１４６で連結されている。

ピストンピン１４２の中空部１４４と容器１０１内の空間はガス抜き孔１４５によって連通している。

ピストンの外周面１５０には、ピストン１４０のトップ側面１５１に連通せず、スカート側面１５２に連通している溝部１５３が、ピストンの軸方向１７０から見て、ピストンピンの軸方向１４７およびピストンピンの直角方向１４８を除いて形成されている。これにより、ピストンの外周面１５０の上下方向に上部摺動面１５４、下部摺動面１５５、側面方向に側面摺動面１６０がそれぞれ形成されている。

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、また、図５に示すように、溝部１５３の端部１８０は、ピストンの外周面１５０となす角度αが鋭角になっている。そしてピストン１４０のトップ摺動面１９０に環状溝１９１を２本設けており、さらにピストンの外周面１５０の両端に微小なテーパ２００が設けられている。

本実施の形態においては、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。

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、微小なテーパ２００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が下死点にきた時に溝部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。

溝部１５３に入り込んだオイル１０６は溝部１５３の端部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。

ここで端部１８０とピストンの外周面１５０とがなす角度αが鋭角になっているため、オイル１０６はピストン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やすくなる。

また、溝部１５３は本実施の形態においてはピストン１４０の軸方向に４本あることからそれぞれの溝部１５３通じてピストンの外周面１５０の広い範囲にオイル１０６が供給されやすい。

これらの相乗効果でピストン１４０の潤滑性が向上し、その結果、極めて高いシール性を得ることができ、冷媒漏れが抑制できため、高効率化を図ることができる。

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が反ピストン方向へ押され、傾斜する。

このため、ピストン１４０はシリンダー１３１に対して上下方向へ傾き、シリンダー１３１とピストンの外周面１５０の隙間が広くなる部分ができ、冷媒ガスの漏れが加速される。さらに、ピストン１４０が傾斜することで、ピストン１４０とシリンダー１３１との潤滑状態が悪くなり、摺動音も増大する。

しかしながら本実施の形態では、ピストン１４０に上部摺動面１５４と下部摺動面１５５が形成されていることでこれらがピストン１４０の上下方向の傾きを規制するため、ピストン１４０の傾斜が小さい。その結果、シリンダー１３１から容器１０１内への冷媒の漏れが抑制され、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。

また、ピストン１４０がシリンダー１３１内で往復運動する時に発生する摺動損失は摺動面積に比例して小さくなる流体潤滑状態であるが、溝部１５３の面積をピストンの外周面１５０の面積の半分以上としていることから、ピストン１４０の摺動損失は約半分となり、大幅な入力低減による高効率化を図ることができる。

また、圧縮行程時にシリンダー１３１内の高圧ガスが溝部１５３に漏出するが、溝部１５３は常に容器１０１内の空間と連通しているため、漏出した冷媒ガスが溝部１５３に溜まることはない。よって、溝部１５３がシリンダー１３１から出る時に高圧ガスが一気に容器１０１内の低圧空間に解放されて発生する噴流音は生じることはなく、また、溝部１５３に溜まった高圧ガスが吸入行程時にシリンダー１３１内へ逆流し、再膨張損失を増大させることはない。

なお、本実施例では溝部１５３が常にスカート側面１５２に連通しているが、溝部１５３をスカート側面１５２へ連通させずに下死点近傍で容器１０１内の空間に連通するか、あるいはピストンピン孔１４１と連通させたものにおいても、高圧ガスは容器１０１内の空間に開放されるため、同様の効果が得られる。

また、図６に示すように、トップ摺動面１９０に環状溝１９１を設けることで、ピストン１４０がシリンダー１３１から出た下死点付近でオイル１０６が環状溝１９１へ降りかかり、毛細管現象により環状溝１９１内の全体に染み渡る。その後、ピストン１４０が下死点から上死点へ向かう時に冷媒ガスが環状溝１９１に到達し、環状溝１９１内のオイル１０６と合流することで、冷媒ガスに大きな粘性抵抗が働くとともに、合流したオイル１０６と冷媒ガスは膨張、収縮を繰り返し減圧することで、いわゆるラビリンスシールの効果が発生して、シリンダー１３１からの冷媒漏れに対するシール性が向上することで、さらにトップ摺動面への給油が促進され、潤滑性を向上させることができ、更に高効率化を図ることができる。

また、図６に示すように、ピストン１４０の両端面に微小なテーパ２００を設けることで、下死点から上死点へピストンが運動する時には、ピストン１４０のトップ側面１５１側の微小なテーパ２００のくさび効果により、オイル１０６がピストン１４０のトップ摺動面１９０へ入り込みピストン１４０の潤滑性を向上させるとともに、シール性も向上する。さらに、上死点から下死点へピストン１４０が運動する時にはスカート側面１５２側の微小なテーパ２００のくさび効果により微小なテーパ２００にオイル１０６が進入し、油膜が形成され、同様に、潤滑及び、シール性が向上する。これらのことから、冷媒漏れの抑制と、摺動損失が低減され、さらなる高効率化を図ることができる。

また、少なくとも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する場合には、低速運転においてピストン１４０の往復運動速度が遅くなることと、容器１０１内に散布するオイル１０６の量が減るのでピストンの外周面１５０とシリンダー１３１の隙間からの冷媒の漏れが大きくなる。本実施の形態は溝部１５３にオイル１０６を貯留できるとともにピストン１４０の上下傾斜を抑制することができるため、効率を高く維持することができる。

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、効率を向上させることができる。

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るとともに、副軸部を軸支する副軸受を備えた構成とした場合は、クランクシャフト１１０が偏心部１１２を挟んで両端で軸支されるため、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、本発明にかかる密閉型圧縮機は、生産性が高く、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正面図 同実施の形態の密閉型圧縮機に用いる図３のＡ−Ａ’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溝部の端面拡大図 同実施の形態の密閉型圧縮機に用いるピストンの先端拡大図 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 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
１４２ ピストンピン
１４６ コンロッド
１４７ ピストンピンの軸方向
１４８ ピストンピンの直角方向
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
１７０ ピストンの軸方向
１８０ 端部
１９０ トップ摺動面
１９１ 環状溝
２００ 微小なテーパ
α 溝部の端部とピストン外周面とがなす角度

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、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ピストンと、前記ピストンに軸心が前記偏芯部と平行になるよう配設されたピストンピンと、前記偏心部と前記ピストンピンを連結するコンロッドと、前記オイルを前記ピストンの外周面に供給する給油手段とを備えるとともに、前記ピストンを軸方向から見て前記ピストンピンの軸方向およびその直角方向を除く前記ピストンの外周面に溝部を形成し、前記溝部は少なくとも前記ピストンのトップ側面には連通せず、かつ少なくとも前記ピストンが下死点にあるとき前記容器内の空間と連通する密閉型圧縮機。
2. 溝部の面積をピストンの外周面の面積の半分以上とした請求項１に記載の密閉型圧縮機。
3. 溝部の端部とピストンの外周面とがなす角度を鋭角とした請求項１または２に記載の密閉型圧縮機。
4. ピストンの位置に関わらず、常に溝部と容器内の空間が連通している請求項１から３のいずれか一項に記載の密閉型圧縮機。
5. ピストンのトップ摺動面に環状溝を設けた請求項１から４のいずれか一項に記載の密閉型圧縮機。
6. ピストンの両端に微小なテーパを設けた請求項１から５に記載の密閉型圧縮機。
7. 少なくとも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請求項１から６のいずれか一項に記載の密閉型圧縮機。
8. 冷媒にＲ６００ａを用いる請求項１から７のいずれか一項に記載の密閉型圧縮機。

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