JP2012145053A - 密閉型圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】スラスト部の摺動損失低減及び耐磨耗性向上を一つの部品で可能とし、高効率、高信頼性で低コストの密閉型圧縮機を提供する。
【解決手段】スラストワッシャー１２１に、三つ以上の突起部１２３を形成し、かつ突起部１２３に形成されたツバ部１１２との接触面１２４の面積を、軸中心から外側に向かうにつれて大きくなるように形成したことにより、ツバ部１１２とスラストワッシャー１２１との接触面１２４を、突起部１２３のみとして摺動面積を低減した。また、突起部１２３におけるスラスト面１２２との接触面積を増大することにより、摺動速度が増加しても摺動面の潤滑性維持することができ、さらに一つの構成部品であるため、高効率、高信頼性で低コストの密閉型圧縮機を提供することができる。
【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形圧縮機に関するものである。

近年、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、消費電力低減のための高効率化が進められている。従来から高効率化の手段として、スラスト軸受部の摺動損失を低減する手段の一つとして、スラストボールベアリングが採用されてきている。

従来この種の密閉型圧縮機としては、ボールの上下をワッシャーで挟み、高分子材料の保持器を用いた構成のスラストボールベアリングを用いて、高効率化を図ったものがある（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、図８は、従来の密閉型圧縮機の分解斜視図である。

図７、図８に示すように、密閉容器１内には、固定子２と回転子３とを備えた電動要素４と、電動要素４によって駆動される圧縮要素５を収容し、密閉容器１内に潤滑油６を貯溜する。

シャフト１０は、回転子３を固定した主軸部１１および主軸部１１に対し偏心して形成された偏心軸部１２を有する。

シリンダブロック１４は、略円筒形の圧縮室１５と主軸受２０を有する。ピストン２３は、シリンダブロック１４の圧縮室１５に往復摺動自在に挿入され、偏心軸部１２との間を連結手段２４とピストンピン２５によって連結されている。

シャフト１０の主軸部１１と偏心軸部１２の間の主軸部１１側には主軸部１１の軸心と略直角に環状の上ワッシャー着座面２７が形成され、主軸受２０の上端には主軸受２０の軸心と略直角に環状の下ワッシャー着座面２８が形成されている。

これらの上ワッシャー着座面２７と下ワッシャー着座面２８の間には、スラストボールベアリング２９が設けられ、シャフト１０と回転子３の重力方向の荷重を支持している。

スラストボールベアリング２９は、複数のボール３０と、ボール３０を保持するナイロンに代表される高分子材料で形成された保持器３１と、ボール３０の上下に各々配設される上ワッシャー３２及び下ワッシャー３３とで構成される。上ワッシャー３２及び下ワッシャー３３は焼入れされた鉄の平板で形成されている。

以上のように構成された密閉型圧縮機について、以下その動作を説明する。

電動要素４の回転子３は、シャフト１０を回転させ、偏心軸部１２の回転運動が連結手段２４を介してピストン２３に伝えられることで、ピストン２３が圧縮室１５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）から圧縮室１５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。

シャフト１０と回転子３の重量はスラストボールベアリング２９で支えられ、シャフト１０の回転時はボール３０が上ワッシャー３２と下ワッシャー３３の間で転がるためにシャフト１０が滑らかに回転する。

シャフト１０の回転時において、上ワッシャー３２は上ワッシャー着座面２７に密着し、下ワッシャー３３は下ワッシャー着座面２８に密着している。また、保持器３１は遠心力によりボール３０が飛び出さないようにボール３０を保持している。

このスラストボールベアリング２９を用いることによって、シャフト１０を回転させるトルクは小さくなるため、スラスト軸受での損失を小さくすることができる。従って、入力が低減して、高効率とすることができる。

また、別の従来の密閉型圧縮機として、摺動面及び反摺動面に凹凸を設けて、摺動面積を低減させることで摺動損失を低減させる構成も知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００５−１２７３０５号公報 特開２００７−２８６５５０号公報

しかしながら、上記特許文献１の構成では、スラストボールベアリングは複数のボールとボールを保持する保持器とボールの上下に各々配設された上ワッシャーと下ワッシャーとの４部品で構成されていることから、組み立て性及びコストの課題を有していた。

また、特許文献２の構成は、強度が不足し、摺動面において局部が特に擦れる、所謂片当たりをする可能性を有していた。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、高効率で低コスト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、回転子とシャフトの自重による垂直方向の荷重を支持するツバ部とスラスト面を備え、スラスト面上部に配設されたスラストワッシャーは、三つ以上の突起部が形成され、かつ突起部のツバ部との接触面が軸中心から外側に向かうにつれて、接触面積を大きく形成し、かつスラストワッシャーは、スラスト面との回転を規制する回転規制手段を設けた一つの構成部品で、ツバ部との摺動損失を低減する作用を有する。

本発明の密閉型圧縮機は、スラスト部の摺動損失を低減し、構成部品が一つであることから、高効率で低コストの密閉型圧縮機を提供することができる。

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１における密閉型圧縮機のスラストワッシャーの正面図 同実施の形態１における密閉型圧縮機のスラストワッシャーのＡ−Ａ線による断面図 同実施の形態１における密閉型圧縮機の圧縮要素部の要部断面図 同実施の形態１における密閉型圧縮機の圧縮荷重の変化を示す特性図 同実施の形態１における密閉型圧縮機の電動要素部の要部拡大断面図 従来の密閉型圧縮機の縦断面図 従来の密閉型圧縮機の分解斜視図

請求項１に記載の発明は、密閉容器内に潤滑油を貯溜するとともに、固定子と回転子とを備えた電動要素と前記電動要素によって駆動される圧縮要素を収容し、前記圧縮要素は、主軸部とツバ部を介して形成された偏心軸部を有し、かつ前記回転子が固定されたシャフトと、円筒形の圧縮室を備えたシリンダブロックと、前記圧縮室内で往復運動するピストンと、前記ピストンと前記偏心軸部とを連結する連結機構と、前記シリンダブロックに形成され、かつ前記シャフトの前記主軸部を軸支する主軸受と、前記回転子と前記シャフトの自重による垂直方向の荷重を支持するツバ部とスラスト面を備えた密閉型圧縮機において、前記スラスト面とシャフトに形成されたツバ部との間に、スラストワッシャーを設け、前記スラストワッシャーに、前記ツバ部と当接する突起部を少なくとも三つ設け、さらに前記突起部における前記ツバ部との接触面を、該スラストワッシャーの軸中心から外側に向かうにつれて、前記ツバ部との接触面積が大きくなるように形成し、さらに前記スラストワッシャーに、スラスト面との回転を規制する回転規制手段を設けたものである。

かかる構成とすることにより、ツバ部とスラストワッシャーとの接触面は、突起部のみとなることから、摺動面積が低減でき、また、ツバ部とスラストワッシャーに設けられた突起部との接触面積が、軸中心から外側に向かうにつれて大きくなるように形成したことにより、一般的に、軸中心から外側に向かうにつれて摺動速度が速くなり、潤滑状態が厳しくなるが、摺動速度の増加部位に対応してツバ部と突起部の摺動面積を増加させていることから、摺動面全体にわたって潤滑性を維持することができ、高効率、高信頼性の密閉型圧縮機を提供することができる。さらに、スラストワッシャーは、一つの構成部品で形成されていることから、低コストの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に記載の発明において、前記スラストワッシャーの表面に、窒化処理やＣｒＮ、ＴｉＮ等のセラミックコーティングを施したものである。

かかることにより、低摩擦係数及び耐摩耗性が向上することから、請求項１に記載の発明の効果に加えて、さらに摺動損失が低減でき、高効率でさら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または請求項２に記載の発明において、前記スラストワッシャーに形成された突起部の少なくとも一つ以上を、圧縮荷重が作用する位置に配設したものである。

かかる構成とすることにより、圧縮荷重によるシャフトのたわみを突起部で支えるため、前記シャフトのたわみが低減でき、請求項１および請求項２に記載の効果に加えて、さらに高い信頼性を得ることができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の発明において、前記スラストワッシャーに形成された突起部の接触面の高さを傾斜させたものである。

かかる構成とすることにより、圧縮荷重が作用する側を低くして、ツバ部と突起部との摺動面の片当たりを回避することができる。その結果、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の効果に加えて、更に高い信頼性を得ることができる。

請求項５に記載の発明は、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の発明において、前記電動要素を、前記固定子の磁気中心に対し、回転子の磁気中心の相対位置を下方にずらすように回転子を配設したものである。

かかることにより、磁気吸引力により回転子に固定されたシャフトを上方に引き上げる力が作用するため、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の効果に加えて、回転子とシャフトの自重による垂直方向の荷重が低減されることから、さらに高い信頼性を得ることができる。

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おいて、前記電動要素を、インバータによって複数の運転周波数で駆動し、回転子を、少なくとも６０Ｈｚ以上の回転周波数で回転できるようにしたものである。

かかることにより、スラストワッシャーの摺動速度が大きくなる、例えば、８０Ｈｚでの周波数で運転した場合に、ツバ部とスラストワッシャーとの摺動部の摺動状態が厳しくなるが、スラストワッシャーの突起部の接触面積が、軸中心から外側に向かうにつれて、接触面積を大きく形成し、さらに接触面を傾斜させ、さらに表面に窒化処理やＣｒＮ及びＴｉＮコーティングを施し、さらに磁気中心をずらすことで、垂直方向の圧縮荷重を低減することができる。その結果、ツバ部とスラストワッシャーの摩耗を低減し、信頼性を高める効果が顕著となり、請求項１から請求項５に記載の発明の効果に加えて、高速運転での信頼性を得ることができる。

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１におけるスラストワッシャーの正面図、図３は、同実施の形態１におけるスラスワッシャーのＡ−Ａ線による断面図、図４は、同実施の形態１における密閉型圧縮機の圧縮要素部の要部断面図、図５は、同実施の形態１における密閉型圧縮機の圧縮荷重の変化を示す特性図、図６は、同実施の形態１における密閉型圧縮機の電動要素の要部拡大断面図である。

図１から図６において、密閉容器１０１内には、潤滑油１０２を貯溜するとともに、固定子１０３と回転子１０４とを備えた電動要素１０５と、電動要素１０５によって駆動され、電動要素１０５の上方に配設された圧縮要素１０６を収容している。

圧縮要素１０６を構成するシャフト１１０は、回転子１０４が焼嵌め固定された主軸部１１１と、ツバ部１１２を介して主軸部１１１に対し偏心して形成された偏心軸部１１３と、シャフト１１０の内部に設けられた給油機構１１４を具備している。

シリンダブロック１１５は、略円筒形の圧縮室１１６と、主軸部１１１を軸支する主軸受１１７を具備している。ピストン１１８は、シリンダブロック１１５の圧縮室１１６に往復摺動自在に挿入され、偏心軸部１１３との間を連結機構１１９とピストンピン１２０によって連結されている。

スラストワッシャー１２１は、ツバ部１１２と主軸受１１７の上端面であるスラスト面１２２との間に配設され、回転子１０４とシャフト１１０の自重による垂直方向の荷重を支持する。

スラストワッシャー１２１は、三つの突起部１２３が形成され、かつ突起部１２３に形成されたツバ部１１２との接触面１２４が軸中心から外側に向かうにつれて、ツバ部１１２との接触面積が大きくなるように形成されている。この突起部１２３は、均等にスラスト荷重を受ける構成として、三つ以上が望ましい。また、スラストワッシャー１２１には、スラスト面１２２との回転を規制する回転規制手段１２５が、外周方向に突出して設けられている。

電動要素１０５は、固定子１０３のコアに設けたティース部に巻き線を集中巻きした集中巻き型の電動要素１０５である。また、電動要素１０５を構成する固定子１０３と回転子１０４は、固定子１０３の磁気中心１２６と回転子１０４の磁気中心１２７の相対位置が一致しないよう、回転子１０４の磁気中心１２７を、若干下方にずらして配設している。

また、電動要素１０５は、インバータ制御により、複数の回転数で回転される運転をすることができ、最高回転数は、８０Ｈｚ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、以下その動作を説明する。

電動要素１０５の回転子１０４は、シャフト１１０を回転させ、偏心軸部１１３の回転運動が連結機構１１９を介してピストン１１８に伝えられることで、ピストン１１８が圧縮室１１６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）から圧縮室１１６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。

この際、シリンダブロック１１５に形成されたスラスト面１２２、及びスラストワッシャー１２１とツバ部１１２には、回転子１０４とシャフト１１０の自重による垂直方向の荷重が作用する。

ここで、スラストワッシャー１２１は、スラスト面１２２との回転を規制する回転規制手段１２５を設けているため、スラスト面１２２とスラストワッシャー１２１間では、摺動しない。その結果、両者間に摺動抵抗は発生しないが、ツバ部１１２とスラストワシャー１２１に設けられた突起部１２３との間で摺動抵抗が発生する。また、ツバ部１１２とスラストワッシャー１２１間での潤滑状態が悪化すると摩耗が進行する可能性がある。

この時に、スラストワッシャー１２１には、三つ（以上）の突起部１２３が形成され、かつ突起部１２３のツバ部１１２との接触面１２４が軸中心から外側に向かうにつれて、接触面積を大きく形成したことにより、ツバ部１１２とスラストワッシャー１２１との接触面１２４は、突起部１２３のみとなることから、摺動面積が低減できる。

また、ツバ部１１２とスラストワッシャー１２１に設けられた突起部１２３との接触面１２４を、軸中心から外側に向かうにつれて、接触面積を大きく形成したことにより、軸中心から外側に向かうにつれて摺動速度が速くなり、潤滑状態が厳しくなるが、摺動速度の増加に伴い、摺動面積が増加することから潤滑性が向上する。

さらに、スラストワッシャー１２１と突起部１２３が一つの構成部品で形成されている
ことから、部品数の増加を抑制し、高効率、高信頼性で低コストの密閉型圧縮機を提供することができる。

また、スラストワッシャー１２１（突起部１２３）の表面に、窒化処理やＣｒＮ、ＴｉＮ等のセラミックコーティングを施しているため、低摩擦と高硬度により耐摩耗性が向上すること、及びツバ部１１２とスラストワッシャー１２１に形成された接触面１２４との摺動損失が低減でき、高効率で高い信頼性を得ることができる。

次に、シャフト１１０に形成されたツバ部１１２と、スラストワッシャー１２１に設けられた突起部１２３に作用する垂直方向の圧縮荷重について説明する。

ピストン１１８に作用する圧縮荷重Ｆ１は、図５に示すように、圧縮行程後半の３３０ｄｅｇ付近において最大となり、連結機構１１９を介してシャフト１１０に作用する。

最大圧縮荷重が発生する圧縮行程後半において、偏心軸部１１３は、圧縮室１１６側に位置し、このとき、ピストン１１８に作用する圧縮荷重Ｆ１は、図４に示すように、連結機構１１９を介して、偏心軸部１１３に作用する。

また、偏心軸部１１３に作用した圧縮荷重Ｆ１により、反圧縮室１１６側のスラストワッシャー１２１とツバ部１１２の間に垂直方向の圧縮荷重Ｆ２が作用する。

この時に、スラストワッシャー１２１に形成された突起部１２３の少なくとも一つ以上が反圧縮室１１６側に位置することにより、圧縮荷重Ｆ２を突起部１２３で受け止めることができる。これにより、偏心軸部１１３のたわみが低減でき、さらに高い信頼性を得ることができる。

さらに、スラストワッシャー１２１に形成された突起部１２３の接触面１２４の高さを、圧縮荷重Ｆ２が作用する側が低くなるように傾斜させたことにより、圧縮荷重Ｆ１が作用したことに伴うツバ部１１２の傾きを、それぞれの突起部１２３で受け止めることができる。したがって、わずかに傾斜したツバ部１１２を局部的にその荷重を受け止めるといった片当りを回避することができ、更に高い信頼性を得ることができる。

また、電動要素１０５は、図６に示すように、固定子１０３の垂直方向における固定子の磁気中心１２６に対し、回転子１０４の垂直方向における回転子の磁気中心１２７の相対位置が、若干下方に位置するように回転子１０４を配設している。その結果、回転子１０４の回転時における磁気吸引力により、回転子１０４に固定されたシャフト１１０を上方に引き上げる力が作用し、回転子１０４とシャフト１１０の自重による垂直方向の荷重が低減される。

したがって、ツバ部１１２とスラストワッシャーに設けられた突起部１２３の接触面１２４にかかる垂直方向の荷重が低減することにより、さらに高い信頼性を得ることができる。

また、電動要素１０５は、インバータによって複数の運転周波数で駆動され、回転子１０４は、高い回転数では少なくとも６０Ｈｚ以上の回転周波数、例えば８０Ｈｚで回転されるものである。したがって、スラストワッシャー１２１の摺動速度が大きくなる８０Ｈｚでの周波数で運転した場合は、ツバ部１１２とスラストワッシャー１２１との摺動部の摺動状態が厳しくなるが、スラストワッシャー１２１の突起部１２３の接触面積を、軸中心から外側に向かうにつれて大きく形成し、さらに接触面１２４を傾斜させ、さらに表面に窒化処理やＣｒＮ及びＴｉＮコーティングを施し、さらに固定子の磁気中心１２６と回
転子の磁気中心１２７をずらすことで、垂直方向の荷重を低減することができる。その結果、ツバ部１１２とスラストワッシャー１２１の摩耗を低減し、信頼性を高める効果が顕著となり、高い信頼性を得ることができる。

以上のように、本発明にかかる密閉型圧縮機は、スラスト部の摺動損失を低減し、高い信頼性と低コストが得られることから、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適用できる。

１０１ 密閉容器
１０２ 潤滑油
１０３ 固定子
１０４ 回転子
１０５ 電動要素
１０６ 圧縮要素
１１０ シャフト
１１１ 主軸部
１１２ ツバ部
１１３ 偏心軸部
１１５ シリンダブロック
１１６ 圧縮失
１１７ 主軸受
１１８ ピストン
１１９ 連結機構
１２１ スラストワッシャー
１２２ スラスト面
１２３ 突起部
１２４ 接触面
１２５ 回転規制手段
１２６ 固定子の磁気中心
１２７ 回転子の磁気中心

Claims (6)

1. 密閉容器内に潤滑油を貯溜するとともに、固定子と回転子とを備えた電動要素と前記電動要素によって駆動される圧縮要素を収容し、前記圧縮要素は、主軸部とツバ部を介して形成された偏心軸部を有し、かつ前記回転子が固定されたシャフトと、円筒形の圧縮室を備えたシリンダブロックと、前記圧縮室内で往復運動するピストンと、前記ピストンと前記偏心軸部とを連結する連結機構と、前記シリンダブロックに形成され、かつ前記シャフトの前記主軸部を軸支する主軸受と、前記回転子と前記シャフトの自重による垂直方向の荷重を支持するツバ部とスラスト面を備えた密閉型圧縮機において、前記スラスト面とシャフトに形成されたツバ部との間に、スラストワッシャーを設け、前記スラストワッシャーに、前記ツバ部と当接する突起部を少なくとも三つ設け、さらに前記突起部における前記ツバ部との接触面を、該スラストワッシャーの軸中心から外側に向かうにつれて、前記ツバ部との接触面積が大きくなるように形成し、さらに前記スラストワッシャーに、スラスト面との回転を規制する回転規制手段を設けた密閉型圧縮機。
2. 前記スラストワッシャーの表面に、窒化処理、ＣｒＮ、ＴｉＮ等のセラミックコーティングを施した請求項１に記載の密閉型圧縮機。
3. 前記スラストワッシャーに形成された突起部の少なくとも一つ以上を、圧縮荷重が作用する位置に配設した請求項１または請求項２に記載の密閉型圧縮機。
4. 前記スラストワッシャーに形成された突起部の接触面の高さを傾斜させた請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の密閉型圧縮機。
5. 前記電動要素を、前記固定子の磁気中心に対し、回転子の磁気中心の相対位置を下方にずらすように回転子を配設した請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の密閉型圧縮機。
6. 前記電動要素を、インバータによって複数の運転周波数で駆動し、回転子を、少なくとも６０Ｈｚ以上の回転周波数で回転できるようにした請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の密閉型圧縮機。