JP2007132291A - 圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】特に低速回転時における、ピストンとシリンダボア間の片当りによる性能のばらつきや摩耗の発生による圧縮機の冷却性能の低下を防ぐことを目的とするものである。
【解決手段】ブロック１１２に形成されたシリンダボア１１１内を往復運動するとともに、中心軸１５０ａを含みピストンピンの中心軸１１４ａに垂直な平面１５０ｂに対して、主軸部側に相当する摺動面積を反主軸部側に相当する摺動面積よりも大きいピストン１５０を備えたことにより、ピストン１５０とシリンダボア１１１の片当り摩耗を防止するので、信頼性が高く、安価な圧縮機を提供できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、家庭用冷凍冷蔵庫に使用される圧縮機において、信頼性を向上し得るピストンに関するものである。

近年、家庭用冷凍冷蔵庫等において、省エネルギー化の観点から、消費電力量の低減が強く要望されている。そういった中、圧縮機はインバータ制御され、低運転周波数化が進んでいるが、低速回転時の性能値の安定化や性能の高効率化が課題になっている。

以下、図面を参照しながら上記従来技術の圧縮機について説明する（例えば、特許文献１参照）。なお、以下の説明において、上下の関係は圧縮機を正規の姿勢に設置した状態を基準とする。

図１５は従来の圧縮機の縦断面図、図１６は従来のピストンの斜視図、図１７は従来のシリンダボアとピストンの構成断面図である。

図１５、図１６、図１７において、密閉容器１は、内部に充填された冷媒１５と、底部に貯留されたオイル２と、固定子３と永久磁石を内蔵する回転子４から構成されて回転する電動要素５と、電動要素５によって駆動される圧縮要素６を収容する。

圧縮要素６について、以下に説明する。

鉛直方向に延在したクランクシャフト９は、主軸部７及び偏心部８から構成されており、スパイラル溝１７を介して偏心部８の上端に連通するオイルポンプ２０を内蔵するとともに、下端はオイル２中に開口している。軸受部１３は、主軸部７を回転自在に軸支している。また、ブロック１２は、圧縮室１０を形成するシリンダボア１１を有している。

ピストン５０は、シリンダボア１１に往復可動に挿入されている。ピストンピン１４は、略円筒形状をなし、偏心部８と平行に配置され、ピストン５０に形成されたピストンピン孔５１に回転不能に係止されている。コンロッド３０は、偏心部８が挿入される大端孔３３と、ピストンピン１４が挿入される小端孔３１と、偏心部８とピストンピン１４を介してピストン５０を連結するロッド部３２を備えている。

また、ピストン５０は、圧縮機を側面から見た時、ピストンの中心軸５０ａを含みピストンピンの中心軸１４ａに垂直な平面に対して、上下対称の略円筒形状をなしている。尚、シリンダボア１１とともに圧縮室１０を形成する面側をピストントップ側５２、コンロッド３０が遊挿される面側をピストンスカート側５３とする。

以上のように構成された圧縮機について、以下にその動作を説明する。

電動要素５に通電がなされると、圧縮機を上方から見て回転子４が右回り（時計回り）に回転し、これに伴ってクランクシャフト９が回転する。偏心部８の回転運動が、コンロッド３０とピストンピン１４を通してピストン５０に伝えられ、コンロッド３０はピストンピン１４に対し揺動し、ピストン５０はシリンダボア１１を往復運動する。このピストン５０の往復運動により、密閉容器１内の冷媒１５は、圧縮室１０内に吸引された後に圧縮されて、密閉容器１外へと繰り返し吐出される。

一方、クランクシャフト９の回転に伴って、オイルポンプ２０によってオイル２は吸引され、スパイラル溝１７から上方へ導かれ、偏心部８の上端から噴射されたオイル２が、コンロッド３０の小端孔３１とピストンピン１４や、ピストン５０とシリンダボア１１等の摺動部を潤滑する。
特開２０００−１４５６３７号公報

しかしながら、上記従来の構成の圧縮機を家庭用冷凍冷蔵庫の冷却システムに適用した場合、圧縮要素６を構成するピストン５０とシリンダボア１１との摺動部において、片当り摩耗が発生することがある。

発明者らの実機試験によれば、ピストン５０の摺動面において、圧縮機の側面から見て、偏心部８を左側、シリンダボア１１、ピストン５０を右側とした時、ピストントップ側５２の上方の端部（図１７中、Ｕ点）とピストンスカート側５３の下方の端部（図１７中、Ｌ点）を起点としたものであり、ピストン５０がシリンダボア１１内部にて左に傾斜したような状態で接触摺動し、摩耗が発生していることを確認している。

このような摩耗が進行すると、ピストン５０とシリンダボア１１の間に隙間が生じ、吸入圧縮時に冷媒１５のリークが顕在化し、圧縮機の性能値が不安定になったり、低下するのに加え、長期的な信頼性確保に支障を来たすという欠点があった。

また、機構面、及び材質面等の種々の観点からピストン５０とシリンダボア１１の摩耗防止策が検討されているが、構成が複雑化したり高コスト化する等の欠点があった。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、ピストン５０とシリンダボア１１の片当り摩耗を防止し、信頼性が高く、安価な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、本発明の圧縮機は、ピストンの中心軸を含みピストンピンの中心軸に垂直な平面に対して、ピストンの主軸部側の摺動面積を反主軸部側の摺動面積より大きくしたもので、ピストンの主軸部側において流体摩擦による摺動抵抗を増やすことで、圧縮荷重が負荷されてクランクシャフトが軸受部内で傾斜することによる左回りの回転モーメントを緩和し、ピストンのシリンダボア内での姿勢をより真っ直ぐに維持させるので、ピストンとシリンダボアの片当り摩耗を防止する。

本発明の圧縮機はピストンとシリンダボアの片当り摩耗を防止するので、信頼性が高く、安価な圧縮機を提供できるという効果が得られる。

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を圧縮する圧縮要素を収容し、圧縮要素は、略鉛直方向に配設され主軸部および偏心部を有するクランクシャフトと、クランクシャフトを支持する軸受部と、シリンダボアを形成するブロックと、シリンダボア内を往復動するピストンと、ピストンに中心軸が偏心部と平行となるよう配設されたピストンピンと、偏心部とピストンピンを連結するコンロッドとを備え、ピストンの中心軸を含みピストンピンの中心軸に垂直な平面に対してピストンの主軸部側の摺動面積を反主軸部側の摺動面積より大きくしたもので、ピストンの主軸部側において流体摩擦による摺動抵抗を増やすことで、圧縮荷重が負荷されてクランクシャフトが軸受部内で傾斜することによる左回りの回転モーメントを緩和し、ピストンのシリンダボア内での姿勢をより真っ直ぐに維持させるので、ピストンとシリンダボアの片当り摩耗を防止し、信頼性が高く、安価な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、ピストンの主軸部側の側面の長さを、反主軸部側よりも長くしたもので、ピストン形状は金型形状で概ね決定されるので、ピストンの主軸部側、反主軸部側の摺動面積に差を持たせるための後加工が必要無く量産性に優れ、信頼性が高く、安価な圧縮機を提供することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明に、ピストンの側面に非摺動部を凹設したもので、凹設された非摺動部において、流体摩擦による摺動抵抗を低減して圧縮機の入力を低減し、信頼性が高く、安価な圧縮機を提供することができる。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明に、非摺動部は、ピストンの側面に、少なくともピストントップ側およびピストンスカート側を各々摺動面として残して形成されたもので、ピストン摺動面の最終仕上げにおいて、センターレス研磨加工が可能であり、大掛かりな仕上げ装置は必要無く生産性が高く、高信頼性で、安価な圧縮機を提供することができる。

請求項５に記載の発明は、請求項３に記載の発明に、非摺動部は、ピストンの側面に圧縮負荷側および反圧縮負荷側を各々摺動面として、ピストンの側面の往復方向に残して形成されるとともに、ピストンの反主軸部側の非摺動部の幅を主軸部側の非摺動部よりも広く形成したもので、圧縮負荷側の摺動面を非摺動部にて分割しないことで、高圧冷媒やシステムにおける圧縮機の使用条件の過酷化により、圧縮室内の圧縮圧力が比較的高い場合となっても、圧縮負荷側の摺動面における油膜は切れ難く、金属接触を回避することで信頼性が高く、安価な圧縮機を提供することができる。

請求項６に記載の発明は、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の発明に、少なくとも商用電源周波数未満の周波数を含む運転周波数にて運転されるもので、圧縮機の入力が小さく抑えられ、長期に亘り安定的なピストンの姿勢維持と相まって、低い消費電力が得られ、信頼性の高い冷媒圧縮機を提供することができる。

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における圧縮機の縦断面図、図２は同実施の形態のピストンを側方から見た斜視図、図３は同実施の形態のピストンの圧縮行程後期の挙動を示す特性図、図４は同実施の形態のピストンの吸入行程前期の挙動を示す特性図である。

密閉容器１０１には、冷媒１１５としてイソブタン（Ｒ６００ａ）を充填するとともに、オイル１０２として比較的低粘度の鉱油を貯留している。

電動要素１０５は、ブロック１１２の下方に固定されインバータ駆動回路（図示せず）とつながっている固定子１０３と、永久磁石を内蔵し主軸部１０７の下方に固定された回転子１０４から構成され、インバータ駆動用の電動モータを形成しており、インバータ駆動回路によって、商用電源周波数を下回る運転周波数（例えば、１５００ｒ／ｍｉｎ）を含む複数の運転周波数で駆動される。

圧縮要素１０６について、以下に説明する。

鉛直方向に延在したクランクシャフト１０９は、主軸部１０７及び偏心部１０８から構成されており、スパイラル溝１１７を介して偏心部１０８の上端に連通するオイルポンプ１２０を内蔵するとともに、下端はオイル１０２中に開口している。軸受部１１３は、主軸部１０７を回転自在に軸支している。軸受部１１３と主軸部１０７の軸クリアランス１０７ａは１０〜２０μｍである。また、ブロック１１２は、圧縮室１１０を形成するシリンダボア１１１を有している。

ピストン１５０は、シリンダボア１１１に往復可動に挿入されている。ピストンピン１１４は、略円筒形状をなし、偏心部１０８と平行に配置され、ピストン１５０に形成されたピストンピン孔１５１に係止されている。コンロッド１３０は、偏心部１０８が挿入される大端孔１３３と、ピストンピン１１４が挿入される小端孔１３１と、偏心部１０８とピストンピン１１４を介してピストン１５０を連結するロッド部１３２を備えている。

また、ピストン１５０は、圧縮機を側面から見た時、ピストンの中心軸１５０ａを含みピストンピンの中心軸１１４ａに垂直な平面１５０ｂに対して、ピストン１５０の主軸部側の側面１７０を反主軸部側の側面１６０よりも長くすることにより、主軸部側の側面１７０の摺動面積を反主軸部側の側面１６０の摺動面積より大きくしている。尚、シリンダボア１１１とともに圧縮室１１０を形成する面側をピストントップ側１５２、コンロッド１３０が遊挿される面側をピストンスカート側１５３とする。

尚、圧縮要素１０６を構成する上述の摺動部品の多くは、鋳鉄、焼結、あるいは炭素鋼などの鉄系材料で形成されている。但し、コンロッド１３０に関しては、耐摩耗性の観点から相手側の鉄系材料と相性が良い、即ち凝着摩耗が発生し難いとされるアルミ系材料、例えばアルミダイカストで形成されている。

以上のように構成された圧縮機について、その動作を説明する。

電動要素１０５に通電がなされると、圧縮機を上方から見て回転子１０４が右回り（時計回り）に回転し、これに伴ってクランクシャフト１０９が回転する。偏心部１０８の回転運動が、コンロッド１３０とピストンピン１１４を通してピストン１５０に伝えられ、コンロッド１３０はピストンピン１１４に対し揺動し、ピストン１５０はシリンダボア１１１を往復運動する。このピストン１５０の往復運動により、密閉容器１０１内の冷媒１１５は、圧縮室１１０内に吸引された後に圧縮されて、密閉容器１０１外へと繰り返し吐出される。

一方、クランクシャフト１０９の回転に伴って、オイルポンプ１２０によってオイル１０２は吸引され、スパイラル溝１１７から上方へ導かれ、偏心部１０８の上端から噴射されたオイル１０２が、コンロッド１３０の小端孔１３１とピストンピン１１４の摺動部や、ピストン１５０とシリンダボア１１１の摺動部の潤滑に寄与する。

次に、ピストン１５０の姿勢が悪くなると思われる圧縮行程後期、及び吸入行程前期における本実施の形態の圧縮機のピストン１５０の挙動について、以下、図３、図４に基づいて説明する。

図３は、圧縮機を側面から見て、偏心部１０８を左側、ピストン１５０、シリンダボア１１１を右側とした状態である。尚、矢印１８０はピストン１５０の進行方向を示している。

圧縮行程後期では、ピストン１５０に圧縮圧力Ｐがかかることから、クランクシャフト１０９の主軸部１０７が、軸受部１１３内にて主軸クリアランス１０７ａに相当する分だけ傾斜することで、ピストン１５０の図中のＵ点には矢印に示す左回りの強い回転モーメント１８１が発生する。一方、ピストン１５０における主軸部側の側面１７０とシリンダボア１１１間の摺動抵抗Ｆ２が、反主軸部側の側面１６０とシリンダボア１１１間の摺動抵抗Ｆ１よりも大きくなり、その結果、左回りの回転モーメント１８１とは反対向きの右回りの回転モーメント１８２が発生する。

通常、従来のように、ピストン１５０の主軸部側の側面１７０の長さと、反主軸部側の側面１６０の長さが同じ場合、左回りの回転モーメント１８１が右回りの回転モーメント１８２よりも顕著に大きくなることで、ピストン１５０には最終的に左回りの回転モーメントが働くために、ピストン１５０はシリンダボア１１１内で左に、即ちピストントップ側１５２が上方、ピストンスカート側１５３が下方となるような傾斜した状態となり、ピストン１５０の摺動面上の点Ｕ、点Ｌに相当する部位においてシリンダボア１１１と接触して摩耗が発生していたと考えられる。

しかしながら、本実施の形態では、ピストン１５０における主軸部側の側面１７０の長さを反主軸部側の側面１６０の長さよりも長くすることで、主軸部側の側面１７０とシリンダボア１１１間の流体摩擦による摺動抵抗Ｆ２が、反主軸部側の側面１６０とシリンダボア１１１間の流体摩擦による摺動抵抗Ｆ１よりも大きくなり。その結果として、右回りの回転モーメント１８２が大きくなることで、左回りの回転モーメント１８１と釣り合わせることができる。

従って、右回りの回転モーメント１８２は、左回りの回転モーメント１８１を相殺することで、ピストン１５０に働く回転モーメントが消滅するので、ピストン１５０のシリンダボア１１１内での左の傾斜をなくすことができ、ピストン１５０のシリンダボア１１１内での姿勢が水平に維持される。これにより、圧縮行程後期におけるピストン１５０の摺動面上の点Ｕ、点Ｌに相当する部位でのシリンダボア１１１との局所的な接触を起点とした片当り摩耗を防止できる。

加えて、クランクシャフト１０９が左に傾斜するのに対し、ピストン１５０が水平に維持されることで、コンロッド１３０の小端孔１３１とピストンピン１１４間、及び大端孔１３３と偏心部１０８間に接触が生じる可能性があるが、ピストンピン１１４や偏心部１０８を形成する鉄系材料に対し耐摩耗性の観点から相性の良いアルミ系材料でコンロッド１３０を形成することで、摩耗を回避している。

続いて、図４は、圧縮機を側面から見て、偏心部１０８を左側、ピストン１５０、シリンダボア１１１を右側とした状態である。尚、矢印１８５はピストン１５０の進行方向を示している。

吸入行程前期では、ピストン１５０における主軸部側の側面１７０とシリンダボア１１１間の流体摩擦による摺動抵抗Ｆ４が、反主軸部側の側面１６０とシリンダボア１１１間の流体摩擦による摺動抵抗Ｆ３よりも大きくなり、左回りの回転モーメント１８６が発生する。

一方で、左回りの回転モーメント１８６の作用を受けてピストン１５０は左に傾斜しようとするが、その都度、反主軸部側の側面１６０とシリンダボア１１１間の隙間１８８がピストントップ側１５２に近づくほど小さくなる、いわゆるくさび形を呈することで、隙間１８８に流入したオイル１０２によるくさび形油膜が形成されて、隙間１８８に油膜圧力が生じ、左回りの回転モーメント１８６とは反対向きの右回りの回転モーメント１８７が発生する。その結果、右回りの回転モーメント１８７が大きくなることで、左回りの回転モーメント１８６と釣り合わせることができる。

従って、右回りの回転モーメント１８７は、左回りの回転モーメント１８６を相殺することで、ピストン１５０に働く回転モーメントが消滅するので、ピストン１５０のシリンダボア１１１内での左の傾斜をなくすことができ、ピストン１５０のシリンダボア１１１内での姿勢が水平に維持される。これにより、吸入行程前期におけるピストン１５０の摺動面上の点Ｕ、点Ｌに相当する部位でのシリンダボア１１１との局所的な接触を起点とした片当り摩耗を回避できる。

発明者らの検討結果によれば、本実施の形態により、ピストン１５０の表面において、シリンダボア１１１との片当りによる摩耗が殆ど無くなるとともに、特に低速運転時の圧縮機の性能値に関し、従来に比べて、それらの平均値が高くなり、かつばらつきの幅が２０％以上小さくなることを圧縮機を用いた実機試験にて確認している。

以上のように、本実施の形態により、ピストン１５０とシリンダボア１１１の片当り摩耗を防止するとともに、特に、低速運転時の圧縮機の高効率化と性能安定化も可能であり、信頼性が高く、安価な圧縮機を提供することができる。

また、本実施の形態のピストン１５０の主軸部側の側面１７０の長さと、反主軸部側の側面１６０の長さの比率は、システムサイドから要求される回転周波数や圧力条件によって適性化を図ることができる。

（実施の形態２）
図５は本発明の実施の形態２における圧縮機の縦断面図、図６は同実施の形態のピストンを側方から見た斜視図、図７は同実施の形態のピストンの圧縮行程後期の挙動を示す特性図、図８は同実施の形態のピストンの吸入行程前期の挙動を示す特性図である。

密閉容器２０１には、冷媒２１５としてイソブタン（Ｒ６００ａ）を充填するとともに、オイル２０２として比較的低粘度の鉱油を貯留している。

電動要素２０５は、ブロック２１２の下方に固定されインバータ駆動回路（図示せず）とつながっている固定子２０３と、永久磁石を内蔵し主軸部２０７の下方に固定された回転子２０４から構成され、インバータ駆動用の電動モータを形成しており、インバータ駆動回路によって、商用電源周波数を下回る運転周波数（例えば、１５００ｒ／ｍｉｎ）を含む複数の運転周波数で駆動される。

圧縮要素２０６について、以下に説明する。

鉛直方向に延在したクランクシャフト２０９は、主軸部２０７及び偏心部２０８から構成されており、スパイラル溝２１７を介して偏心部２０８の上端に連通するオイルポンプ２２０を内蔵するとともに、下端はオイル２０２中に開口している。軸受部２１３は、主軸部２０７を回転自在に軸支している。軸受部２１３と主軸部２０７の軸クリアランス２０７ａは１０〜２０μｍである。また、ブロック２１２は、圧縮室２１０を形成するシリンダボア２１１を有している。

ピストン２５０は、シリンダボア２１１に往復可動に挿入されている。ピストンピン２１４は、略円筒形状をなし、偏心部２０８と平行に配置され、ピストン２５０に形成されたピストンピン孔２５１に係止されている。コンロッド２３０は、偏心部２０８が挿入される大端孔２３３と、ピストンピン２１４が挿入される小端孔２３１と、偏心部２０８とピストンピン２１４を介してピストン２５０を連結するロッド部２３２を備えている。

また、ピストン２５０は、圧縮機を側面から見た時、ピストンの中心軸２５０ａを含みピストンピンの中心軸２１４ａに垂直な平面２５０ｂに対して、上方を反主軸部側の側面２６０、下方を主軸部側を側面２７０とし、シリンダボア２１１とともに圧縮室２１０を形成する面側をピストントップ側２５２、コンロッド２３０が遊挿される面側をピストンスカート側２５３とする。更に、ピストン２５０の側面のピストントップ側２５２とピストンスカート側２５３に各々摺動面を残して非摺動部２９０が凹設されているとともに、非摺動部２９０によって分断された主軸部側の側面２７０の摺動部の長さの和が、反主軸部側の側面２６０の摺動部の長さの和よりも長くなることにより、主軸部側の側面２７０の摺動面積を反主軸部側の側面２６０の摺動面積よりも大きくしている。

尚、圧縮要素２０６を構成する上述の摺動部品の多くは、鋳鉄、焼結、あるいは炭素鋼などの鉄系材料で形成されている。但し、コンロッド２３０に関しては、耐摩耗性の観点から相手側の鉄系材料と相性が良い、即ち凝着摩耗が発生し難いとされるアルミ系材料、例えばアルミダイカストで形成されている。

以上のように構成された圧縮機について、その動作を説明する。

電動要素２０５に通電がなされると、圧縮機を上方から見て回転子２０４が右回り（時計回り）に回転し、これに伴ってクランクシャフト２０９が回転する。偏心部２０８の回転運動が、コンロッド２３０とピストンピン２１４を通してピストン２５０に伝えられ、コンロッド２３０はピストンピン２１４に対し揺動し、ピストン２５０はシリンダボア２１１を往復運動する。このピストン２５０の往復運動により、密閉容器２０１内の冷媒２１５は、圧縮室２１０内に吸引された後に圧縮されて、密閉容器２０１外へと繰り返し吐出される。

一方、クランクシャフト２０９の回転に伴って、オイルポンプ２２０によってオイル２０２は吸引され、スパイラル溝２１７から上方へ導かれ、偏心部２０８の上端から噴射されたオイル２０２が、コンロッド２３０の小端孔２３１とピストンピン２１４の摺動部や、ピストン２５０とシリンダボア２１１の摺動部の潤滑に寄与する。

次に、ピストン２５０の姿勢が悪くなると思われる圧縮行程後期、及び吸入行程前期における本実施の形態の圧縮機のピストン２５０の挙動について、以下、図７、図８に基づいて説明する。

図７は、圧縮機を側面から見て、偏心部２０８を左側、ピストン２５０、シリンダボア２１１を右側とした状態である。尚、矢印２８０はピストン２５０の進行方向を示している。

圧縮行程後期では、ピストン２５０に圧縮圧力Ｐがかかることから、クランクシャフト２０９の主軸部２０７が、軸受部２１３内にて軸クリアランス２０７ａに相当する分だけ傾斜することで、ピストン２５０の図中のＵ点には矢印に示す左回りの強い回転モーメント２８１が発生する。一方、ピストン２５０における主軸部側の側面２７０とシリンダボア２１１間の摺動抵抗Ｆ２が、反主軸部側の側面２６０とシリンダボア２１１間の摺動抵抗Ｆ１よりも大きくなり、その結果、左回りの回転モーメント２８１とは反対向きの右回りの回転モーメント２８２が発生する。

通常、従来のように、ピストン２５０の主軸部側の側面２７０の長さと、反主軸部側の側面２６０の長さが同じ場合、左回りの回転モーメント２８１が右回りの回転モーメント２８２よりも顕著に大きくなることで、ピストン２５０には最終的に左回りの回転モーメントが働くために、ピストン２５０はシリンダボア２１１内で左に、即ちピストントップ側２５２が上方、ピストンスカート側２５３が下方となるような傾斜した状態となり、ピストン２５０の摺動面上の点Ｕ、点Ｌに相当する部位においてシリンダボア２１１と接触して摩耗が発生していたと考えられる。

しかしながら、本実施の形態では、ピストン２５０における主軸部側の側面２７０の長さの和を反主軸部側の側面２６０の長さの和よりも長くすることで、主軸部側の側面２７０とシリンダボア２１１間の流体摩擦による摺動抵抗Ｆ２が、反主軸部側の側面２６０とシリンダボア２１１間の流体摩擦による摺動抵抗Ｆ１よりも大きくなり、その結果として、右回りの回転モーメント２８２が大きくなることで、左回りの回転モーメント２８１と釣り合わせることができる。

従って、右回りの回転モーメント２８２は、左回りの回転モーメント２８１を相殺することで、ピストン２５０に働く回転モーメントが消滅するので、ピストン２５０のシリンダボア２１１内での左の傾斜をなくすことができ、ピストン２５０のシリンダボア２１１内での姿勢が水平に維持される。これにより、圧縮行程後期におけるピストン２５０の摺動面上の点Ｕ、点Ｌに相当する部位でのシリンダボア２１１との局所的な接触を起点とした片当り摩耗を防止できる。

加えて、クランクシャフト２０９が左に傾斜するのに対し、ピストン２５０が水平に維持されることで、コンロッド２３０の小端孔２３１とピストンピン２１４間、及び大端孔２３３と偏心部２０８間に接触が生じる可能性があるが、ピストンピン２１４や偏心部２０８を形成する鉄系材料に対し、耐摩耗性の観点から相性の良いアルミ系材料でコンロッド２３０を形成することで、摩耗を回避している。

続いて、図８は、圧縮機を側面から見て、偏心部２０８を左側、ピストン２５０、シリンダボア２１１を右側とした状態である。尚、矢印２８５はピストン２５０の進行方向を示している。

吸入行程前期では、ピストン２５０における主軸部側の側面２７０とシリンダボア２１１間の流体摩擦による摺動抵抗Ｆ４が、反主軸部側の側面２６０とシリンダボア２１１間の流体摩擦による摺動抵抗Ｆ３よりも大きくなり、左回りの回転モーメント２８６が発生する。

一方で、左回りの回転モーメント２８６の作用を受けてピストン２５０は左に傾斜しようとするが、その都度、反主軸部側の側面２６０とシリンダボア２１１間の隙間２８８がピストントップ側２５２に近づくほど小さくなる、いわゆるくさび形を呈するとともに、ステップ２８９におけるオイル２０２の堰き止め作用により、油膜圧力が効果的に発生する。その結果、左回りの回転モーメント２８６とは反対向きの右回りの回転モーメント２８７が発生する。その結果、右回りの回転モーメント２８７が大きくなることで、左回りの回転モーメント２８６と釣り合わせることができる。

従って、右回りの回転モーメント２８７は、左回りの回転モーメント２８６を相殺することで、ピストン２５０に働く回転モーメントが消滅するので、ピストン２５０のシリンダボア２１１内での左の傾斜をなくすことができ、ピストン２５０のシリンダボア２１１内での姿勢が水平に維持される。これにより、吸入行程前期におけるピストン２５０の摺動面上の点Ｕ、点Ｌに相当する部位でのシリンダボア２１１との局所的な接触を起点とした片当り摩耗を防止できる。

発明者らの検討結果によれば、本実施の形態により、ピストン２５０の表面において、シリンダボア２１１との片当りによる摩耗が殆ど無くなるとともに、特に低速運転時の圧縮機の性能値に関し、従来に比べて、それらの平均値が高くなり、かつばらつきの幅が３０％以上小さくなることを圧縮機を用いた実機試験にて確認している。

以上のように、本実施の形態により、ピストン２５０とシリンダボア２１１の片当り摩耗を防止するとともに、特に、低速運転時の圧縮機の高効率化と性能安定化も可能であり、信頼性が高く、安価な圧縮機を提供することができる。

加えて、本実施の形態によれば、ピストン２５０の側面に非摺動部２９０を凹設したことで、凹設した部分におけるピストン２５０とシリンダボア２１１間の流体摩擦による摺動抵抗が低減できるので、圧縮機の入力を低く抑えて、消費電力量を低減することができる。

また、本実施の形態によれば、非摺動部２９０は、ピストン２５０の側面に、ピストントップ側２５２およびピストンスカート側２５３を摺動面として残して形成したことで、ピストン２５０の摺動面の最終仕上げにおいて、センターレス研磨加工が可能であり、大掛かりな設備は必要ないので生産性が高い。

また、本実施の形態において、ピストン２５０の主軸部側の側面２７０の摺動部長さの和と、反主軸部側の側面２６０の長さの和との比率、及びそれに付随する非摺動部２９０の往復方向の長さは、システムサイドから要求される回転周波数や圧力条件によって適性化を図ることができる。

（実施の形態３）
図９は本発明の実施の形態３における圧縮機の縦断面図、図１０は同実施の形態における圧縮機の平面断面図、図１１は同実施の形態のピストンの斜視図、図１２は同実施の形態のピストンをピストンスカート側から見た底面図、図１３は同実施の形態のピストンの圧縮行程後期の挙動を示す特性図、図１４は同実施の形態のピストンの吸入行程前期の挙動を示す特性図である。

密閉容器３０１には、冷媒３１５としてイソブタン（Ｒ６００ａ）を充填するとともに、オイル３０２として比較的低粘度の鉱油を貯留している。

電動要素３０５は、ブロック３１２の下方に固定されインバータ駆動回路（図示せず）とつながっている固定子３０３と、永久磁石を内蔵し主軸部３０７の下方に固定された回転子３０４から構成され、インバータ駆動用の電動モータを形成しており、インバータ駆動回路によって、商用電源周波数を下回る運転周波数（例えば、１５００ｒ／ｍｉｎ）を含む複数の運転周波数で駆動される。

圧縮要素３０６について、以下に説明する。

鉛直方向に延在したクランクシャフト３０９は、主軸部３０７及び偏心部３０８から構成されており、スパイラル溝３１７を介して偏心部３０８の上端に連通するオイルポンプ３２０を内蔵するとともに、下端はオイル３０２中に開口している。軸受部３１３は、主軸部３０７を回転自在に軸支している。軸受部３１３と主軸部３０７の軸クリアランス３０７ａは１０〜２０μｍである。また、ブロック３１２は、圧縮室３１０を形成するシリンダボア３１１を有している。

ピストン３５０は、シリンダボア３１１に往復可動に挿入されている。ピストンピン３１４は、略円筒形状をなし、偏心部３０８と平行に配置され、ピストン３５０に形成されたピストンピン孔３５１に係止されている。コンロッド３３０は、偏心部３０８が挿入される大端孔３３３と、ピストンピン３１４が挿入される小端孔３３１と、偏心部３０８とピストンピン３１４を介してピストン３５０を連結するロッド部３３２を備えている。

また、ピストン３５０は、圧縮機の上方から、クランクシャフト３０９を手前にして見た時、ピストンの中心軸３５０ａを鉛直に切断する面より右側を圧縮負荷側、左側を反圧縮負荷側として、圧縮負荷側の摺動面３５４と反圧縮負荷側の摺動面３５５がピストン３５０の往復方向に形成されるように非摺動部３９０が凹設されている。加えて、圧縮機を側面から見た時、ピストンの中心軸３５０ａを含みピストンピンの中心軸３１４ａに垂直な平面３５０ｂに対して、反主軸部側の非摺動部３９０ａの幅Ｈａを主軸部側の非摺動部３９０ｂの幅Ｈｂよりも広く形成することにより、主軸部側の側面３７０の摺動面積を反主軸部側の側面３６０の摺動面積よりも大きくしている。

また、圧縮要素３０６を構成する上述の摺動部品の多くは、鋳鉄、焼結、あるいは炭素鋼などの鉄系材料で形成されている。但し、コンロッド３３０に関しては、耐摩耗性の観点から相手側の鉄系材料と相性が良い、即ち凝着摩耗が発生し難いとされるアルミ系材料、例えばアルミダイカストで形成されている。

以上のように構成された圧縮機について、その動作を説明する。

電動要素３０５に通電がなされると、圧縮機を上方から見て回転子３０４が右回り（時計回り）に回転し、これに伴ってクランクシャフト３０９が回転する。偏心部３０８の回転運動が、コンロッド３３０とピストンピン３１４を通してピストン３５０に伝えられ、コンロッド３３０はピストンピン３１４に対し揺動し、ピストン３５０はシリンダボア３１１を往復運動する。このピストン３５０の往復運動により、密閉容器３０１内の冷媒３１５は、圧縮室３１０内に吸引された後に圧縮されて、密閉容器３０１外へと繰り返し吐出される。

一方、クランクシャフト３０９の回転に伴って、オイルポンプ３２０によってオイル３０２は吸引され、スパイラル溝３１７から上方へ導かれ、偏心部３０８の上端から噴射されたオイル３０２が、コンロッド３３０の小端孔３３１とピストンピン３１４の摺動部や、ピストン３５０とシリンダボア３１１の摺動部の潤滑に寄与する。

次に、ピストン３５０の姿勢が悪くなると思われる圧縮行程後期、及び吸入行程前期における本実施の形態の圧縮機のピストン３５０の挙動について、以下、図１３、図１４に基づいて説明する。

図１３は、圧縮機を側面から見て、偏心部３０８を左側、ピストン３５０、シリンダボア３１１を右側とした状態である。尚、矢印３８０はピストン３５０の進行方向を示している。

圧縮行程後期では、ピストン３５０に圧縮圧力Ｐがかかることから、クランクシャフト３０９の主軸部３０７が、軸受部３１３内にて主軸クリアランス３０７ａに相当する分だけ傾斜することで、ピストン３５０の図中のＵ点には矢印に示す左回りの強い回転モーメント３８１が発生する。一方、ピストン３５０における主軸部側の側面３７０とシリンダボア３１１間の摺動抵抗Ｆ２が、反主軸部側の側面３６０とシリンダボア３１１間の摺動抵抗Ｆ１よりも大きくなり、その結果、左回りの回転モーメント３８１とは反対向きの右回りの回転モーメント３８２が発生する。

通常、従来のように、ピストン３５０の主軸部側の側面３７０の摺動面積と、反主軸部側の側面３６０の摺動面積が同じ場合、左回りの回転モーメント３８１が右回りの回転モーメント３８２よりも顕著に大きくなることで、ピストン３５０には最終的に左回りの回転モーメントが働くために、ピストン３５０はシリンダボア３１１内で左に、即ちピストントップ側３５２が上方、ピストンスカート側３５３が下方となるような傾斜した状態となり、ピストン３５０の摺動面上の点Ｕ、点Ｌに相当する部位においてシリンダボア３１１と接触して摩耗が発生していたと考えられる。

しかしながら、本実施の形態では、ピストン３５０における主軸部側の側面３７０の摺動面積を反主軸部側の側面３６０の摺動面積よりも大きくすることで、主軸部側の側面３７０とシリンダボア３１１間の流体摩擦による摺動抵抗Ｆ２が、反主軸部側の側面３６０とシリンダボア３１１間の流体摩擦による摺動抵抗Ｆ１よりも大きくなり、その結果として、右回りの回転モーメント３８２が大きくなることで、左回りの回転モーメント３８１と釣り合わせることができる。

従って、右回りの回転モーメント３８２は、左回りの回転モーメント３８１を相殺することで、ピストン３５０に働く回転モーメントが消滅するので、ピストン３５０のシリンダボア３１１内での左の傾斜をなくすことができ、ピストン３５０のシリンダボア３１１内での姿勢が水平に維持される。これにより、圧縮行程後期におけるピストン３５０の摺動面上の点Ｕ、点Ｌに相当する部位でのシリンダボア３１１との局所的な接触を起点とした片当り摩耗を防止できる。

加えて、クランクシャフト３０９が左に傾斜するのに対し、ピストン３５０が水平に維持されることで、コンロッド３３０の小端孔３３１とピストンピン３１４間、及び大端孔３３３と偏心部３０８間に接触が生じる可能性があるが、ピストンピン３１４や偏心部３０８を形成する鉄系材料に対し、耐摩耗性の観点から相性の良いアルミ系材料でコンロッド３３０を形成することで、摩耗を回避している。

続いて、図１４は、圧縮機を側面から見て、偏心部３０８を左側、ピストン３５０、シリンダボア３１１を右側とした状態である。尚、矢印３８５はピストン３５０の進行方向を示している。

吸入行程前期では、ピストン３５０における主軸部側の側面３７０とシリンダボア３１１間の流体摩擦による摺動抵抗Ｆ４が、反主軸部側の側面３６０とシリンダボア３１１間の流体摩擦による摺動抵抗Ｆ３よりも大きくなり、左回りの回転モーメント３８６が発生する。

一方で、左回りの回転モーメント３８６の作用を受けてピストン３５０は左に傾斜しようとするが、その都度、反主軸部側の側面３６０とシリンダボア３１１間の隙間３８８がピストントップ側３５２に近づくほど小さくなる、いわゆるくさび形を呈するとともに、ステップ３８９におけるオイル３０２の堰き止め作用により、油膜圧力が効果的に発生する。その結果、左回りの回転モーメント３８６とは反対向きの右回りの回転モーメント３８７が発生する。その結果、右回りの回転モーメント３８７が大きくなることで、左回りの回転モーメント３８６と釣り合わせることができる。

従って、右回りの回転モーメント３８７は、左回りの回転モーメント３８６を相殺することで、ピストン３５０に働く回転モーメントが消滅するので、ピストン３５０のシリンダボア３１１内での左の傾斜をなくすことができ、ピストン３５０のシリンダボア３１１内での姿勢が水平に維持される。これにより、吸入行程前期におけるピストン３５０の摺動面上の点Ｕ、点Ｌに相当する部位でのシリンダボア２１１との局所的な接触を起点とした片当り摩耗を防止できる。

発明者らの検討結果によれば、本実施の形態により、ピストン２５０の表面において、シリンダボア２１１との片当りによる摩耗が殆ど無くなるとともに、特に低速運転時の圧縮機の性能値に関し、従来に比べて、それらの平均値が高くなり、かつばらつきの幅が４０％以上小さくなることを圧縮機を用いた実機試験にて確認している。

以上のように、本実施の形態により、ピストン３５０とシリンダボア３１１の片当り摩耗を防止するとともに、特に、低速運転時の圧縮機の高効率化と性能安定化も可能であり、信頼性が高く、安価な圧縮機を提供することができる。

加えて、本実施の形態によれば、圧縮負荷側の摺動面３５４が非摺動部３９０にて分割されないことで、高圧冷媒やシステムでの圧縮機の使用条件により、圧縮室３１０内の圧縮圧力が比較的高くなる場合であっても、圧縮負荷側の摺動面３５４とシリンダボア３１１との間の油膜が切れ難くなり、ピストン３５０とシリンダボア３１１との金属接触による摩耗を防止することができる。

また、本実施の形態によれば、ピストン３５０の側面に非摺動部３９０を凹設したことで、凹設した部分におけるピストン３５０とシリンダボア３１１間の流体摩擦による摺動抵抗が低減できるので、圧縮機の入力を低く抑えて、消費電力量を低減することができる。

尚、本実施の形態において、ピストン３５０の反主軸部側の非摺動部３９０ａの幅Ｈａと主軸部側の非摺動部３９０ｂの幅Ｈｂの比率Ｈａ／Ｈｂは、システムサイドから要求される回転周波数や圧力条件によって適性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信頼性が高いため、家庭用冷蔵庫を初めとして、除湿機やショーケース、自販機等の冷凍サイクルを用いたあらゆる用途にも適用できる。

本発明の実施の形態１における圧縮機の縦断面図 本発明の実施の形態１のピストンを側方から見た斜視図 本発明の実施の形態１のピストンの圧縮行程後期の挙動を示す特性図 本発明の実施の形態１のピストンの吸入行程前期の挙動を示す特性図 本発明の実施の形態２における圧縮機の縦断面図 本発明の実施の形態２のピストンを側方から見た斜視図 本発明の実施の形態２のピストンの圧縮行程後期の挙動を示す特性図 本発明の実施の形態２のピストンの吸入行程前期の挙動を示す特性図 本発明の実施の形態３における圧縮機の縦断面図 本発明の実施の形態３における圧縮機の平面断面図 本発明の実施の形態３のピストンの斜視図 本発明の実施の形態３のピストンをピストンスカート側から見た底面図 本発明の実施の形態３のピストンの圧縮行程後期の挙動を示す特性図 本発明の実施の形態３のピストンの吸入行程前期の挙動を示す特性図 従来の圧縮機の縦断面図 従来のピストンの斜視図 従来のシリンダボアとピストンの構成断面図

符号の説明

１０１，２０１，３０１ 密閉容器
１０２，２０２，３０２ オイル
１０６，２０６，３０６ 圧縮要素
１０７，２０７，３０７ 主軸部
１０８，２０８，３０８ 偏心部
１０９，２０９，３０９ クランクシャフト
１１１，２１１，３１１ シリンダボア
１１２，２１２，３１２ ブロック
１１３，２１３，３１３ 軸受部
１１４，２１４，３１４ ピストンピン
１１４ａ，２１４ａ，３１４ａ ピストンピンの中心軸
１１５，２１５，３１５ 冷媒
１３０，２３０，３３３ コンロッド
１５０，２５０，３５０ ピストン
１５０ａ，２５０ａ，３５０ａ ピストンの中心軸
１５０ｂ，２５０ｂ，３５０ｂ 平面
１５２，２５２，３５２ ピストントップ側
１５３，２５３，３５３ ピストンスカート側
１６０，２６０，３６０ 反主軸部側の側面
１７０，２７０，３７０ 主軸部側の側面
２９０，３９０ 非摺動部
３５４ 圧縮負荷側の摺動面
３５５ 反圧縮負荷側の摺動面
３９０ａ 反主軸部側の非摺動部
３９０ｂ 主軸部側の非摺動部

Claims (6)

1. 密閉容器内にオイルを貯溜するとともに冷媒を圧縮する圧縮要素を収容し、前記圧縮要素は、略鉛直方向に配設され主軸部および偏心部を有するクランクシャフトと、前記クランクシャフトを支持する軸受部と、シリンダボアを形成するブロックと、前記シリンダボア内を往復動するピストンと、前記ピストンに中心軸が前記偏心部と平行と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を備え、前記ピストンの中心軸を含み前記ピストンピンの中心軸に垂直な平面に対して前記ピストンの主軸部側の摺動面積を反主軸部側の摺動面積より大きくした圧縮機。
2. ピストンの主軸部側の側面の長さを、反主軸部側よりも長くした請求項１に記載の圧縮機。
3. ピストンの側面に非摺動部を凹設した請求項１に記載の圧縮機。
4. 非摺動部は、ピストンの側面に、少なくともピストントップ側およびピストンスカート側を各々摺動面として残して形成された請求項３に記載の圧縮機。
5. 非摺動部は、ピストンの側面に、圧縮負荷側および反圧縮負荷側を各々摺動面として、前記ピストンの側面の往復方向に残して形成されるとともに、前記ピストンの反主軸部側の非摺動部の幅を主軸部側の非摺動部よりも広く形成した請求項３に記載の圧縮機。
6. 少なくとも商用電源周波数未満の周波数を含む運転周波数にて運転される請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の圧縮機。

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