JP2006169998A - 密閉型圧縮機 - Google Patents

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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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