JP2013194536A - 密閉型圧縮機および冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ボールと上レース及び下レースの接触荷重を緩和し、低騒音、高効率で高信頼性の密閉型圧縮機を提供すること。
【解決手段】上レース１３５と下レース１３６はそれぞれ互いに対向する軌道面を有し、軌道面は環状からなる溝が設けられることで、回転子やシャフト等のスラスト荷重を受けるボールと上レース１３５及び下レース１３６の接触荷重を緩和するとともに、ホルダー部の内側に隙間を確保することで、ホルダー部の内側の摩耗を防止し、円滑な回転を維持するという作用を有するので、低騒音、高効率で高信頼性の密閉型圧縮機を提供することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は冷凍冷蔵装置等に用いられる密閉型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、消費電力の低減のための高効率化や、低騒音化、並びに高信頼性化が望まれている。こうした中、オゾン破壊係数がゼロであるＲ６００ａに代表される温暖化係数の低い自然冷媒である単化水素系冷媒への移行が進んでいる。

従来、この種の密閉型圧縮機は、スラストボールベアリングを採用して、効率を向上させたものがある（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３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４は特許文献１に記載された従来の密閉型圧縮機のスラストボールベアリングの要部拡大図である。

図３および図４において、密閉容器２の底部には潤滑油４を貯留しており、圧縮機本体６はサスペンションスプリング８によって密閉容器２に対して弾性的に支持されている。

圧縮機本体６は、電動要素１０と、電動要素１０の上方に配設される圧縮要素１２から構成されている。電動要素１０は、固定子１４および回転子１６とから構成されている。

圧縮要素１２のシャフト１８は、主軸部２０と偏心軸部２２を備えており、主軸部２０はシリンダブロック２４の主軸受け２６に回転自在に軸支されるとともに、回転子１６が固定されている。そして、荷重が作用する偏心軸部２２に対して、偏心軸部２２の下側のみに配置された主軸部２０と主軸受け２６で支持する片持ち軸受けの構成となっている。

また、シャフト１８は主軸部２０表面に設けた螺旋状の溝などからなる給油機構２８を備え、給油機構２８の上端に連通し、偏心軸部２２の上方へ延設された給油経路２９を備えている。

ピストン３０は、シリンダブロック２４に形成された略円筒形の内面を有するシリンダ３４に往復自在に挿入される。また、連結手段３６は、両端に設けた穴部（図示せず）がそれぞれピストン３０に取り付けられたピストンピン３８と偏心軸部２２に嵌挿されることで、偏心軸部２２とピストン３０とを連結している。

シリンダ３４およびピストン３０は、シリンダ３４の開口端面に取り付けられるバルブプレート４６とともに圧縮室４８を形成する。さらに、バルブプレート４６を覆って蓋をするようにシリンダヘッド５０が固定されている。

吸入マフラー５２は、ＰＢＴなどの樹脂で成型され、内部に消音空間を形成し、シリンダヘッド５０に取り付けられている。

次にスラストボールベアリング７６について説明する。

図４において、主軸受け２６は、軸心と直角な平面部であるスラスト面６０とスラスト
面６０よりさらに上方に延長され、主軸部２０に対向する内面を有する軸受け延出部６２とを有している。

そして、軸受け延出部６２の外径側に、上レース６４、ホルダー部６８に保持されたボール６６、下レース７０、および支持部材７２からなるスラストボールベアリング７６が配置されている。

上レース６４および下レース７０は環状で金属製の平板であり、上下の面が平行である。また、ホルダー部６８は環状の形状をなし、周方向に設けた複数の穴部（図示せず）にボール６６を転動自在に収納している。

そして、スラスト面６０の上に、支持部材７２、下レース７０、ボール６６、上レース６４の順に互いに接した状態で積み重なり、上レース６４の上面にシャフト１８のフランジ部７４が着座し、軸受け延出部６２の上端とシャフト１８のフランジ部７４との間に所定の軸方向隙間７８を設けている。

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１０に通電されると、固定子１４に発生する回転磁界により、回転子１６は主軸部２０とともに回転する。主軸部２０の回転により、偏心軸部２２が偏心運動し、偏心軸部２２の偏心運動が連結手段３６を介してピストン３０により圧縮され、圧縮された冷媒は密閉容器２から冷凍サイクルを送り出される。

また、シャフト１８下端は潤滑油４に浸漬しており、シャフト１８が回転することにより、潤滑油４は給油機構２８により主軸部２０の潤滑を行い、その後、軸方向隙間７８からスラストボールベアリング７６への供給と、給油経路２９を通り圧縮要素１２各部への供給とに分配され、摺動部の潤滑を行う。

特表２００５−５００４７６号公報

しかしながら上記従来の構成では、上レース６４と下レース７０が、環状で金属製の平板からなるため、ボール６６との接触面積は狭小であり、回転子１６やシャフト１８等のスラスト荷重が集中し、ボール６６、上レース６４及び下レース７０に過度な繰り返し応力がかかって疲労による摩耗や剥離などの損傷が生じ、騒音や効率、さらには信頼性が低下する可能性があるという事が判明したのである。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、ボールと上レースおよび下レースの接触荷重を緩和して、高効率で高信頼性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、上レースと下レースはそれぞれ互いに対向する軌道面を有し、軌道面は環状からなる溝が設けられるとともに、ホルダー部の内径は、上レースと下レースのそれぞれの内径より大きいことを特徴するものであり、ボールと上レースおよび下レースの接触面積を拡大できるので、回転子やシャフト等のスラスト荷重を受けるボールと上レース及び下レースの接触荷重を緩和するとともに、ホルダー部の内側に隙間を確保することで、ホルダー部の内側の摩耗を防止し、円滑な回転を維持するという作用を有する。

本発明の圧縮機は、上レースと下レースはそれぞれ互いに対向する軌道面を有し、軌道面は環状からなる溝が設けられるとともに、ホルダー部の内径は、上レースと前記下レースのそれぞれの内径より大きくすることにより、ボールと上レース及び下レースの接触荷重を緩和し、ホルダー部の内側の摩耗を防止し、円滑な回転を維持するので、高効率で高信頼性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横から見た縦断面図 同実施の形態における密閉型圧縮機の要部断面図 従来の密閉型圧縮機の横から見た縦断面図 従来の密閉型圧縮機の要部断面図

請求項１に記載の発明は、密閉容器内に潤滑油を貯留するとともに、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とが収容され、前記圧縮要素は、前記回転子が固定された主軸部と偏心軸部とを有するシャフトと、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手段と、前記シリンダブロックに設けられ前記主軸部を軸支する主軸受けと、前記主軸受けのスラスト面に配設されたスラストボールベアリングとを備え、前記スラストボールベアリングは、ホルダー部に保持された複数のボールと、前記ボールの上下に上レースと下レースがそれぞれ配設され、前記上レースと前記下レースはそれぞれ互いに対向する軌道面を有し、前記軌道面は環状からなる溝を設けることで、ボールと上レースおよび下レースの接触面積を拡大できるので、回転子やシャフト等のスラスト荷重から受けるボールと上レース及び下レースの接触荷重を緩和できるとともに、前記ホルダー部の内径は、前記上レースと前記下レースのそれぞれの内径より大きいもので、ホルダーの内側に隙間を確保することで、ホルダーの内側の摩耗を防止し、円滑な回転を維持するので、高効率で、高信頼性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、前記下レースと前記主軸受けの前記スラスト面との間に、鉛直方向に対する弾性力を備えた支持部材を備えたもので、密閉型圧縮機の運搬時などにおいて、落下など鉛直方向の衝撃的な荷重が作用した場合でも支持部材が変形することで、ボールと上レースおよび下レースの接触荷重が大きくなることを抑制し、スラストボールベアリングの塑性変形を防止することができ、スラストボールベアリングの摺動を良好な状態に維持できるので、請求項１に記載の発明の効果に加えて、さらに高信頼性の密閉型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に記載の発明において、前記上レースと前記下レースは少なくとも一方の面に環状からなる溝が設けられ、同一の内外径であること事を特徴とするもので、同一の金型により成型する事ができるので、請求項１に記載の発明の効果に加えてさらにコストの低い密閉型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１から３のいずれか一項に記載の発明において、スラストボールベアリングのボールの表面硬度は、上レースおよび下レースの表面硬度よりも高くしたもので、ボールの表面硬度と上レースおよび下レースの表面硬度が同等の際に発生する、ボール表面が早期に剥離し摩耗が生じる事を防止することができるので、請求項１から３のいずれか一項に記載の発明の効果に加えて、さらに信頼性を向上させることができる。

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おいて、冷媒はＨＦＣ冷媒であるもので、Ｒ６００ａ冷媒に比べ密度が高く、圧縮工程において圧縮荷重は増大し、シャフトの偏芯軸部が反圧縮方向に傾き、ボールと上レース及び下レースに荷重が作用するが、上レースと下レースはそれぞれ互いに対向する環状の溝からなる軌道面を有するので、ボールと上レースおよび下レースの接触面積が拡大し、ボールと上レース及び下レースの接触荷重を緩和できるので、ＨＦＣ冷媒においても高い信頼性を保持することができるので、スラストボールベアリングの使用を可能とし、スラスト軸受けでの摺動損失を低減できるので、請求項１から４のいずれか一項に記載の発明の効果に加えて、さらに高効率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おいて、潤滑油の粘度がＶＧ３〜ＶＧ１０であるもので、低粘度なオイルの使用により粘性抵抗が減少することから、摺動部での損失を低減できるため、請求項１から５のいずれか一項に記載の発明の効果に加えて、さらに高効率にすることができる。

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密閉型圧縮機を冷凍装置に搭載したもので、冷凍装置の消費電力の多くを占める密閉型圧縮機を高効率にすることで、消費電力を大きく低減した冷凍装置を提供することができる。

以下、本発明による圧縮機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、同実施の形態における密閉型圧縮機の要部断面図である。

図１、図２において密閉容器１０１内には潤滑油１０２が貯留され、固定子１０３と回転子１０４からなる電動要素１０５と、電動要素１０５によって駆動される圧縮要素１０６が収容される。シャフト１１０は、回転子１０４を固定した主軸部１１１と、主軸部１１１の上部に配設され主軸部１１１に対し偏心して形成された偏心軸部１１２とを有する。

シリンダブロック１１４は、略円筒形の圧縮室１１６を有し、主軸部１１１を軸支する主軸受け１２０が固定されている。ピストン１２６は、シリンダブロック１１４の圧縮室１１６に往復摺動自在に挿入され、偏心軸部１１２との間を連結手段１２８によって連結されている。

シリンダブロック１１４の主軸受け１２０の上端には主軸受け１２０の軸心と略直角に環状に形成されたスラスト面１３０と、スラスト面１３０よりさらに上方に延長され、主軸部１１１に対向する内面を有する軸受け延出部１４４とを備えている。そしてスラスト面１３０に、シャフト１１０を鉛直方向に支持するため、軸受け延出部１４４の外側のスラスト面１３０から上側に向かって、支持部材１６０、下レース１３６、複数のボール１３４と、ボール１３４を保持するホルダー部１３３と、上レース１３５の順に配置している。

これら下レース１３６、複数のボール１３４とボール１３４を保持するホルダー部１３３、上レース１３５により、スラストボールベアリング１３２が構成されており、上レース１３５と下レース１３６はそれぞれ互いに対向する軌道面を有し、軌道面は環状からなる溝が設けられている。

さらに、支持部材１６２、下レース１３６、複数のボール１３４とボール１３４を保持するホルダー部１３３は全て軸受け延出部１４４の外側に半径方向隙間を確保して配置されている。

ここで、ホルダー部１３３の内径φＤ１は、上レース１３５の内径φＤ２と下レース１３６の内径φＤ３より大きく構成されている。

加えて、スラスト面１３０からボール１３４の最上部までの距離（高さ）の方が、スラスト面１３０から軸受け延出部１４４の上端１７０までの距離（高さ）が長いため、その寸法差により、軸受け延出部１４４の上端とシャフトスラスト面１１５との間に所定の軸方向隙間１４６が形成されている。

また、支持部材１６０は比較的剛性の大きい波ワッシャー、または硬質の弾性部材などのように、鉛直方向に対して弾性力を備え弾性変形可能な部材である。そして、支持部材１６２の鉛直方向に対する弾性変形量は、軸方向隙間１４６よりも大きくなるように設定されている。

ボール１３４は、耐摩耗性の高い浸炭焼き入れされた軸受け鋼で形成され、表面硬度はＨＲＣ６０〜７０の範囲内である。

また、上レース１３５および下レース１３６は耐摩耗性の高い熱処理された炭素鋼で形成され、表面硬度はＨＲＣ５８〜６８の範囲内である。ボール１３４の表面硬度は上レース１３５および下レース１３６の表面硬度よりもわずかに高く設定されている。

また、本密閉型圧縮機に使用される冷媒は、オゾン破壊係数がゼロのＲ１３４ａに代表される温暖化係数の低いＨＦＣ冷媒であり、相溶性の高い潤滑油と組み合わせてある。

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１１２の回転運動が連結手段１２８を介してピストン１２６に伝えられることでピストン１２６は圧縮室１１６内を往復運動する。それにより、冷却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吐き出される。

シャフト１１０と回転子１０４の重量はスラストボールベアリング１３２で支えられるとともに、シャフト１１０の回転時はボール１３４が上レース１３５と下レース１３６の間で転がるために回転が滑らかになる。

このスラストボールベアリング１３２を用いることによって、スラストすべり軸受けに比べて摩擦係数が小さくなることから、シャフト１１０を回転するトルクを低減できるので、スラスト軸受けでの摺動損失を小さくすることができる。従って、入力が低減し高効率化を実現することができる。

シャフト１１０の回転の際、上レース１３５と下レース１３６はそれぞれ互いに対向する軌道面を有し、軌道面は環状からなる溝が設けられているので、ボール１３４と上レース１３５および下レース１３６との接触面積は、平板からなる上レースおよび下レースに比べ拡大できるので、回転子１０４やシャフト１１０等のスラスト荷重から受けるボール１３４と上レース１３５および下レース１３６との接触荷重を緩和するので、ボール１３４、上レース１３５及び下レース１３６に過度な繰り返し応力がかかって疲労による剥離などの損傷が生じるのを防止するので、高い信頼性を得ることができる。

また、ホルダー部１３３の内径φＤ１は、上レース１３５の内径φＤ２と下レース１３６の内径φＤ３より大きく構成されているので、シャフト１１０の回転の際、ホルダー部１３３の内側と軸受け延出部１４４の接触を回避できるので、ホルダー部１３３の内側の摩耗が生じるのを防止するので、摩耗粉によって、ボール１３４、上レース１３５及び下レース１３６に損傷が生じ、スラストボールベアリング１３２の寿命低下を防ぎ、高い信頼性を得ることができる。

また、スラストボールベアリング１３２のボール１３４の表面硬度は、上レース１３５および下レース１３６の表面硬度よりもわずかに高く設定することで、ボール１３４の表面硬度と上レース１３５および下レース１３６の表面硬度が同等の際に発生する、ボール１３４の表面が早期に剥離し摩耗が生じる事を防止することができ、高い信頼性を得ることができる。

これはボール１３４と上レース１３５および下レース１３６の表面硬度が同等の際は、ボール１３４の表面積は上レース１３５および下レース１３６に比べ小さいので、ボール１３４における上レース１３５と下レース１３６との接触部の表面積に占める割合が高くなるので、ボール１３４は上レース１３５および下レース１３６に比べ高温となり、その結果潤滑性が低下するため、ボール１３４の表面が早期に剥離し、摩耗が生じると推察する。

次に、密閉型圧縮機１００の運搬時などにおいて、落下など鉛直方向の衝撃的な荷重が作用することがある。この時には、スラストボールベアリング１３２にも鉛直方向の荷重が作用し、弾性変形可能な支持部材１６２が弾性変形し、支持部材１６２が弾性変形可能な変形域のうちに、軸受け延出部１４４の上端とシャフトスラスト面１１５との間の軸方向隙間１４６が零となり当接する。

これは、支持部材１６２の鉛直方向に対する弾性変形量は、軸方向隙間１４６よりも大きくなるように設定されているためである。

このように、密閉型圧縮機１００の運搬時などにおいて、落下など鉛直方向の衝撃的な荷重が作用した際には、その荷重をスラストボールベアリング１３２ではなく、軸受け延出部１４４の上端とシャフトスラスト面１１５とで支持することができるので、ボール１３４と上レース１３５および下レース１３６の接触荷重が極端に増大することを防止する。

そのため、スラストボールベアリング１３２の塑性変形を防止して、スラストボールベアリング１３２の摺動を良好な状態に維持できるので、打痕キズの発生により、打痕キズが起点となって上レース１３５および下レース１３６が摩耗することを防止するので、高い信頼性を得ることができるとともに、打痕キズの発生により、スラストボールベアリング１３２の滑らかな回転が阻害され、騒音に悪影響を及ぼすことを防止するので、低騒音が可能となる。

また、本密閉型圧縮機に使用される冷媒は、オゾン破壊係数がゼロのＲ１３４ａに代表される温暖化係数の低いＨＦＣ冷媒等であり、Ｒ６００ａ冷媒に比べ密度が高く、圧縮工程において圧縮荷重は増大し、ピストン１２６が圧縮荷重を受けると連結手段１２８によって連結されたシャフト１１０の偏心軸部１１２にも圧縮荷重を受ける。その際、シャフト１１０の主軸部１１１とシリンダブロック１１４の主軸受け１２０とのクリアランスの寸法でシャフト１１０は自由度があるので、偏心軸部１１２が反圧縮方向に傾き得る。偏心軸部１１２が反圧縮方向に傾いた際、ボール１３４と上レース１３５及び下レース１３
６に荷重が作用するが、上レース１３５と下レース１３６はそれぞれ互いに対向する環状の溝からなる軌道面を有するので、ボール１３４と上レース１３５及び下レース１３６の接触面積が拡大し、ボール１３４と上レース１３５及び下レース１３６の接触荷重を緩和でき、過度な荷重によるボール１３４と上レース１３５及び下レース１３６の摩耗を防止できるので、高負荷圧力条件で運転されるＨＦＣ冷媒においても、高い信頼性を保持することができるので、スラストボールベアリング１３２の使用を可能とし、スラスト軸受けで摺動損失を低減できるので、高効率が可能となる。

また、潤滑油の粘度はＶＧ３〜ＶＧ１０と低粘度であるため、粘性抵抗が減少し摺動部での損失を低減でき、さらに高効率にすることができる。

また、上記密閉型圧縮機１００を搭載することで、冷凍装置の消費電力の多くを占める密閉型圧縮機を高効率にできるので、冷凍装置の消費電力を大きく低減することができる。

冷蔵庫以外にも自販機や空調機器の用途にも適用できる。

１００ 密閉型圧縮機
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 偏心軸部
１１４ シリンダブロック
１１５ シャフトスラスト面
１１６ 圧縮室
１２０ 主軸受け
１２６ ピストン
１２８ 連結手段
１３０ スラスト面
１３２ スラストボールベアリング
１３３ ホルダー部
１３４ ボール
１３５ 上レース
１３６ 下レース

Claims (7)

1. 密閉容器内に潤滑油を貯留するとともに、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とが収容され、前記圧縮要素は、前記回転子が固定された主軸部と偏心軸部とを有するシャフトと、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手段と、前記シリンダブロックに設けられ前記主軸部を軸支する主軸受けと、前記主軸受けのスラスト面に配設されたスラストボールベアリングとを備え、前記スラストボールベアリングは、ホルダー部に保持された複数のボールと、前記ボールの上下に上レースと下レースがそれぞれ配設され、前記上レースと前記下レースはそれぞれ互いに対向する軌道面を有し、前記軌道面は環状からなる溝が設けられるとともに、前記ホルダー部の内径は、前記上レースと前記下レースのそれぞれの内径より大きいことを特徴とする密閉型圧縮機。
2. 前記下レースと前記主軸受の前記スラスト面との間に、鉛直方向に対する弾性力を備えた支持部材を備えたことを特徴とする請求項１に記載の密閉型圧縮機。
3. 前記上レースと前記下レースは少なくとも一方の面に環状からなる溝が設けられ、同一の内外径であることを特徴とする請求項１または２に記載の密閉型圧縮機。
4. スラストボールベアリングのボールの表面硬度は、上レースおよび下レースの表面硬度よりも高い請求項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ＨＦＣ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。
6. 潤滑油の粘度がＶＧ３〜ＶＧ１０である請求項１から５のいずれか一項に記載の密閉型圧縮機。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載の密閉型圧縮機を搭載した冷凍装置。