JP2009215894A - 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】密閉容器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１３０は少なくともピストンピン孔１３８の中心軸１３６よりも反トップ面１３９側のピストン１３０の外周部１３２に、シリンダ１２１と摺動しない非摺動部１７０を全周に形成したことで、ピストン１３０がシリンダ１２１に対して上下方向に傾いたときにもトップ面からピストンピン孔１３８の中心部付近の外周方向にわたり十分なシール部を確保できるので、ピストン１３０のトップ面１３１側より供給されたオイル１０６で摺動部１３４を潤滑しつつ、安定した油膜を形成することができるので冷凍能力と効率を高くすることができる。
【選択図】図２

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、低価格化が進んでおり、低コスト化を実現した上での消費電力の低減が強く望まれている。低コスト化の課題としては生産性の向上が挙げられ、消費電力の低減のための課題として摺動特性の改善が挙げられる。これらの課題に対し、従来の密閉型圧縮機としては、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５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６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５、図６において、密閉容器１内には、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、偏心部１２の下部には給油管１３がオイル６中に開口するように設けてある。ブロック２０は、略円筒形のシリンダ２１を有し、電動要素４の下方に形成されている。

ピストン３０は、外周面３２にシリンダ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２１から外にでる。そしてピストン３０がシリンダ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２１に入ることができる。
米国特許第６９２８９２１号明細書

しかしながら、上記従来の構成では、除去部３６を設けているのでピストン３０の外周のシール面部３４よりスカート側は円筒形でなく段差があるため、加工時に回転する研磨砥石が安定しないので センターレスのスルー研磨機が使用できず、生産性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３０のシリンダ２１に対する上下方向の傾きは、トップ面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３２とシリンダ２１の隙間とで規制されるため、傾きやすく、ピストン３０とシリンダ２１との間に形成される油膜が減少し、冷媒の漏れが多くなるため、冷凍能力が低くなり、効率が低下してしまう可能性があるという課題を有していた。

さらに、上記従来の構成では、ピストン３０に大きな側圧が生じたときに除去部３６を設けているので上下方向に油膜を形成するためのオイルが逃げて、ピストン３０とシリンダ２１との間の油膜が減少し、流体潤滑から境界潤滑へ移行するので、入力が大きくな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、生産性が高く、冷凍能力と効率の高く、信頼性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、少なくともピストンピン孔の中心軸よりも反トップ面側のピストンの外周部に、シリンダと摺動しない非摺動部を全周に形成したしたもので、加工時にピストンのトップ面側からピストンピン孔の中心軸までに構成される略円筒形の外周面により回転する研磨砥石を安定させるとともに、ピストンがシリンダに対して上下方向に傾いたときにおいても、シール面部が十分に確保され、さらに上死点付近でピストンに大きな側圧が生じたときにも摺動部に安定した油膜を形成することができるという作用を有する。

本発明の密閉型圧縮機は、生産性が高く、ピストンとシリンダ間からの冷媒の漏れと油膜の減少を抑制して冷凍能力と効率が高く、信頼性の高い密閉型圧縮機を提供できる。

請求項１に記載の発明は、密閉容器内にオイルを貯留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、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、シリンダを形成するブロックと、前記シリンダ内を往復動するピストンと、前記ピストンのピストンピン孔に配設された略円筒形のピストンピンと、前記偏心部と前記ピストンピンとを連結する連結手段と、前記オイルを前記ピストンと前記シリンダに供給する給油手段とを備え、少なくとも前記ピストンピン孔の中心軸よりも反トップ面側の前記ピストンの外周部に、シリンダと摺動しない非摺動部を全周に形成したことで、加工時に回転する研磨砥石を安定させることができるとともに、ピストンがシリンダに対して上下方向に傾いたときにもトップ面からピストンピン孔の中心部付近の外周方向にわたり十分なシール部を確保でき、上死点付近でピストンに大きな側圧が生じたときにも上下方向にオイルが逃げることがないので、ピストンのトップ面側より供給されたオイルで摺動部全周を潤滑しつつ、安定した油膜を形成することができるので、生産性が高くでき、冷凍能力と効率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に記載の発明に加えて、ピストン下死点位置において、非摺動部の少なくとも一部はシリンダ内に存在するように構成したもので、負荷の少ない下死点付近でのピストンの挙動が不安定な領域においても、摺動部がシリンダから出ることなく油膜が形成され、ピストンとシリンダ間に発生する入力の増加を抑制することができるので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に記載の発明に加えて、ピストンピン孔の中心軸よりもトップ面側で、かつトップ面より８ｍｍ以上反トップ面側のピストンの外周部位置にシリンダと摺動しない中抜き部を形成し、前記中抜き部は前記ピストンピン孔に一部が連通するように構成したもので、ピストンとシリンダ間からの冷媒の漏れを抑制した上で、ピストンとシリンダとの間の摺動損失を低減することができるとともに、中抜き部に生じる可能性がある冷媒が気化してできる気泡をピストンピン孔へ逃がすことができるので、シリンダの周りの潤滑を阻害しないので更に冷凍能力と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３に記載の発明に加えて、中抜き部の深さは０．０５ｍｍ以下としたもので、ピストンとシリンダ間の摺動損失を低減するとともに、中抜き部にはピストンのトップ面側から供給されるオイルが留まりシール性が向上するので、更に冷凍能力と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加えて、ピストンの非摺動部は、鋳抜きまたは焼結により形成したもので、シリンダと摺動しない非摺動部を機械加工せずに形成することができるので、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加えて、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駆動されるとしたもので、低速運転においてシリンダ周りのオイルの供給量が減るにも関わらず、十分なシール面積を確保した上で、冷媒の漏れを抑制するため、更に冷凍能力と効率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である。

図１、図２において、密閉容器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、密閉容器１０１内にはオイル１０６を貯溜している。

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、主軸部１１１に対し偏心して形成された偏芯部１１２を有するとともに、偏心部１１２の下部には給油管１１３がオイル１０６中に開口するように設けてある。

ブロック１２０は、略円筒形のシリンダ１２１を有し、電動要素１０４の下方に形成されている。

給油手段１６０はシリンダ１２１と連通した圧縮部１５０に取り付けられ先端部がオイル１０６に開口している。

ピストン１３０は、ブロック１２０のシリンダ１２１に往復摺動自在に挿入されており、ピストンピン１４０を介して偏芯部１１２と連結手段１４１にて連結されている。

ピストン１３０は、ピストンピン１４０を保持するためのピストンピン孔１３８を設け、少なくともピストンピン孔１３８の中心軸１３６よりも反トップ面側のピストン１３０の外周部１３２に、シリンダ１２１と摺動しない非摺動部１７０を全周に形成している。

ピストン１３０の反トップ面側に設けた外周部１３２は、ピストン１３０の下死点位置において、非摺動部１７０の少なくとも一部はシリンダ１２１内に存在するように構成されている。

ピストン１３０の反トップ面側に設けられる非摺動部１７０は、鋳抜きまたは焼結により形成されている。

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の回転運動が連結手段１４１を介してピストン１３０に伝えられることでピストン１３０はシリンダ１２１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１２１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。

オイル１０６は、クランクシャフト１１０の回転に伴って給油管１１３が回転することで発生する遠心力によって汲み上げられ偏心部１１２および主軸部１１１を含む各摺動部へ供給される。

またオイル１０６は給油手段１６０により圧縮部１５０を通じてシリンダ１２１内に供給され、ピストン１３０とシリンダ１２１の間を潤滑する。

ピストン１３０が上死点付近にあるとき、シリンダ１２１内は圧縮された冷媒により高圧となり、その後吐出される。このとき、密閉容器１０１内とシリンダ１２１内の圧力差が最大となり、シリンダ１２１とピストン１３０との間からの冷媒ガスの漏れが大きくなると同時に、給油手段１６０を通りシリンダ１２１とピストン１３０の間に供給されるオイル１０６の漏れも大きくなりシール性が減少する。

また、ピストン１３０には、シリンダ１２１内で生じた冷媒の流れによる圧力分布が発生して、シリンダ１２１に対して傾く力が生じる。

しかしながら本実施の形態１におけるピストン１３０には、少なくともピストンピン孔１３８の中心軸１３６よりも反トップ面１３９側の外周部１３２に非摺動部１７０を全周に設けていることでトップ面１３１からピストンピン孔１３８の中心部付近の外周方向にわたり十分なシール長を確保することができ、給油手段１６０を通じてピストン１３０のトップ面１３１側より供給されたオイル１０６で摺動部１３４を潤滑しつつ、安定した油膜を形成することができるので、冷媒の漏れを防止して冷凍能力を高くすることができる。

それと同時に、シリンダ１２１とピストン１３０の摺動損失を低減することができるので、効率を高くすることができる。

また、ピストン１３０の上死点付近においてピストン１３０に大きな側圧が生じてもピストンピン孔１３８以外の全周に摺動部１３４が存在するため上下方向にオイル１０６が逃げることがなく、給油手段１６０を通じてピストン１３０のトップ面側より供給されたオイル１０６で摺動部１３４を潤滑しつつ、安定した油膜を形成することができるので、冷媒の漏れを防止して冷凍能力を高くすることができる。

ピストン１３０が下死点付近にあるときには、非摺動部１７０の少なくとも一部はシリンダ１２１内に存在するように構成しているので、負荷の少ない下死点付近でのピストン１３０の挙動が不安定な領域においても、摺動部１３４がシリンダ１２１から出ることがなく油膜が形成されるので、ピストン１３０とシリンダ１２１間に生じる入力の増大を低減することができるので効率を高くすることができる。

本実施の形態１におけるピストン１３０の反トップ面１３９側に設けられる非摺動部１７０は、鋳抜きまたは焼結により形成されているので、加工による切削工程を低減することができるので生産性が高く安価で提供することができる。

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駆動する場合には、低速運転においてピストン１３０の往復運動速度が遅くなることと、給油手段１６０からシリンダ１２１内に供給されるオイル１０６の量が減るのでピストン１３０とシリンダ１２１の間からの冷媒の漏れが大きくなる。

しかしながら本実施の形態１においては、シール長が十分長く確保されつつ摺動損失を低減することができるため、冷凍能力と効率を高く維持することができる。

（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２における密閉型圧縮機の縦断面図、図４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である。

図３、図４において、密閉容器２０１内には、固定子２０２と回転子２０３からなり、電動要素２０４を収容し、電動要素２０４によって駆動される圧縮機構２０５を収容し、密閉容器２０１内にはオイル２０６を貯溜している。

クランクシャフト２１０は、回転子２０３を圧入固定した主軸部２１１、主軸部２１１に対し偏心して形成された偏芯部２１２を有するとともに、偏心部２１２の下部には給油管２１３がオイル２０６中に開口するように設けてある。

ブロック２２０は、略円筒形のシリンダ２２１を有し、電動要素２０４の下方に形成されている。

給油手段２６０はシリンダ２２１と連通した圧縮部２５０に取り付けられ先端部がオイル２０６に開口している。

ピストン２３０は、ブロック２２０のシリンダ２２１に往復摺動自在に挿入されており、ピストンピン２４０を介して偏芯部２１２と連結手段２４１にて連結されている。

ピストン２３０は、ピストンピン２４０を保持するためのピストンピン孔２３８を設け、少なくともピストンピン孔２３８の中心軸２３６よりも反トップ面側のピストン２３０の外周部２３２に、シリンダ２２１と摺動しない非摺動部２７０を全周に形成している。

ピストン２３０の反トップ面側に設けた外周部２３２は、ピストン１３０の下死点位置において、非摺動部２７０の少なくとも一部はシリンダ２２１内に存在するように構成されている。

ピストン２３０はピストンピン孔２３８の中心軸２３６よりもトップ面２３１側で、かつトップ面２３１より８ｍｍ以上反トップ面１３９側のピストン２３０の外周部２３２の位置にシリンダ２２１と摺動しない中抜き部２９０を形成している。

中抜き部２９０は深さが０．０５ｍｍ以下としピストン２３０のピストンピン孔２３８に一部が連通するように構成されている。

ピストン２３０の反トップ面２３９側に設けられる非摺動部２７０は、鋳抜きまたは焼結により形成されている。

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２０４の回転子２０３はクランクシャフト２１０を回転させ、偏心部２１２の回転運動が連結手段２４１を介してピストン２３０に伝えられることでピストン２３０はシリンダ２２１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２２１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。

オイル２０６は、クランクシャフト２１０の回転に伴って給油管２１３が回転することで発生する遠心力によって汲み上げられ偏心部２１２および主軸部２１１を含む各摺動部へ供給される。

またオイル２０６は給油手段２６０により圧縮部２５０を通じてシリンダ２２１内に供給され、ピストン２３０とシリンダ２２１の間を潤滑する。

ピストン２３０が上死点付近にあるとき、シリンダ２２１内は圧縮された冷媒により高圧となり、その後吐出される。このとき、密閉容器２０１内とシリンダ２２１内の圧力差が最大となり、シリンダ２２１とピストン２３０との間からの冷媒ガスの漏れが大きくなると同時に、給油手段２６０を通りシリンダ２２１とピストン２３０の間に供給されるオイル２０６の漏れも大きくなりシール性が減少する。

また、ピストン２３０には、シリンダ２２１内で生じた冷媒の流れによる圧力分布が発生して、シリンダ２２１に対して傾く力が生じる。

しかしながら本実施の形態２におけるピストン２３０には、少なくともピストンピン孔２３８の中心軸２３６よりも反トップ面２３９側の外周部２３２に非摺動部２７０を全周に設けていることでトップ面２３１からピストンピン孔２３８の中心部付近の外周方向にわたり十分なシール長を確保することができ、給油手段２６０を通じてピストン２３０のトップ面２３１側より供給されたオイル２０６で摺動部２３４を潤滑しつつ、安定した油膜を形成することができるので、冷媒の漏れを防止して冷凍能力を高くすることができる。

それと同時に、シリンダ２２１とピストン２３０の摺動損失を低減することができるので、効率を高くすることができる。

また、ピストン２３０の上死点付近においてピストン２３０に大きな側圧が生じてもピストンピン孔２３８以外の全周に摺動部２３４が存在するため上下方向にオイル２０６が逃げることがなく、給油手段２６０を通じてピストン２３０のトップ面２３１側より供給されたオイル２０６で摺動部２３４を潤滑しつつ、安定した油膜を形成することができるので、冷媒の漏れを防止して冷凍能力を高くすることができる。

ピストン２３０が下死点付近にあるときには、非摺動部２７０の少なくとも一部はシリンダ２２１内に存在するように構成しているので、負荷の少ない下死点付近でのピストン２３０の挙動が不安定な領域においても、摺動部２３４がシリンダ２２１から出ることがなく油膜が形成されるので、ピストン２３０とシリンダ２２１間に生じる入力の増大を低減することができるので効率を高くすることができる。

さらにピストン２３０はピストンピン孔２３８の中心軸２３６よりもトップ面２３１側に、中抜き部２９０を形成している。

通常ピストン２３０のトップ面付近に中抜き部２９０を形成すると、ピストン２３０が上死点付近にあるとき、シリンダ２２１内は圧縮された冷媒により高圧となり、密閉容器２０１内とシリンダ２２１内の圧力差が最大となった際に、シリンダ２２１とピストン２３０との間からの冷媒ガスの漏れは大きくなる。

しかしながら本実施の形態２においては、ピストン２３０のトップ面より８ｍｍ以上反トップ面２３９側の外周部２３２の位置に、中抜き部２９０を形成することで冷媒の漏れの増大を防止できることが実験により確認された。

結果として、ピストン２３０とシリンダ２２１の間の摺動損失を低減しつつ冷凍能力の低下を防ぐことができる。

また、圧縮行程時にシリンダ１２１内の高圧ガスが中抜き部２９０に漏出するが、中抜き部２９０は常にピストン２３０のピストンピン孔２３８に一部が連通するように構成したため、漏出した冷媒ガスが中抜き部２９０に溜まることはない。よって、中抜き部２９０に溜まった高圧ガスが吸入行程時にシリンダ２２１内へ逆流し、再膨張損失を増大させることはない。

さらに中抜き部２９０の深さは０．０５ｍｍ以下としたもので、ピストン２３０が上死点付近にあるとき、シリンダ２２１内は圧縮された冷媒により高圧となり、密閉容器２０１内とシリンダ２２１内の圧力差が最大となった際にも、オイル２０６が中抜き部２９０に留まりシール性が向上するので、冷凍能力の低下を防ぐことができる。

本実施の形態２におけるピストン２３０の反トップ面２３９側に設けられる非摺動部２７０は、鋳抜きまたは焼結により形成されているので、加工による切削工程を工数を削減することができるので生産性が高く安価で提供することができる。

以上のように、本発明にかかる密閉型圧縮機は、冷凍能力が高く、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 本発明による実施の形態２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 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

１０１，２０１ 密閉容器
１０５，２０５ 圧縮機構
１０６，２０６ オイル
１１０，２１０ クランクシャフト
１１１，２１１ 主軸部
１１２，２１２ 偏心部
１２０，２２０ ブロック
１２１，２２１ シリンダ
１３０，２３０ ピストン
１３１，２３１ トップ面
１３２，２３２ 外周部
１３６，２３６ 中心軸
１３８，２３８ ピストンピン孔
１３９，２３９ 反トップ面
１４０，２４０ ピストンピン
１４１，２４１ 連結手段
１６０，２６０ 給油手段
１７０，２７０ 非摺動部
２９０ 中抜き部

Claims (6)

1. 密閉容器内にオイルを貯留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、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、シリンダを形成するブロックと、前記シリンダ内を往復動するピストンと、前記ピストンのピストンピン孔に配設された略円筒形のピストンピンと、前記偏心部と前記ピストンピンとを連結する連結手段と、前記オイルを前記ピストンと前記シリンダに供給する給油手段とを備え、少なくとも前記ピストンピン孔の中心軸よりも反トップ面側の前記ピストンの外周部に、シリンダと摺動しない非摺動部を全周に形成した密閉型圧縮機。
2. ピストン下死点位置において、非摺動部の少なくとも一部はシリンダ内に存在するように構成した請求項１に記載の密閉型圧縮機。
3. ピストンピン孔の中心軸よりもトップ面側で、かつトップ面より８ｍｍ以上反トップ面側のピストンの外周部位置にシリンダと摺動しない中抜き部を形成し、前記中抜き部は前記ピストンピン孔に一部が連通する請求項１または２に記載の密閉型圧縮機。
4. 中抜き部の深さは０．０５ｍｍ以下とした請求項３に記載の密閉型圧縮機。
5. ピストンの非摺動部は、鋳抜きまたは焼結により形成した請求項１から４のいずれか一項に記載の密閉型圧縮機。
6. 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駆動される請求項１から５のいずれか一項に記載の密閉型圧縮機。

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