JP2015105577A - 密閉型圧縮機及びこれを用いた冷蔵・冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】密閉型圧縮機において、圧縮ガスの漏れを低減し、高効率化及び高信頼性化を図ること。【解決手段】密閉型圧縮機は、シリンダ１３、ピストン２５、コネクティングロッド２０からなる圧縮要素６を備える。ピストン２５はシリンダ１３内を往復動し、作動流体を圧縮させる。ピストン外径部には圧縮室側に円環状の貯油溝を凹設し、該貯油溝から非圧縮側へ連通するスパイラス溝を凹設する。圧縮時のピストンの往復運動により、スパイラル溝を介し、貯油溝へ潤滑油を供給することで、シリンダとピストンとの間の圧縮漏れを低減し、高効率な圧縮機を得る。【選択図】図２

Description

本発明は、冷蔵庫等の冷蔵・冷凍装置に用いられるレシプロ式の密閉型圧縮機に関する。

密閉型圧縮機の背景技術として、特許文献１（特開２０１３−５７２８７号公報）がある。この文献には、「摺動部材であるピストン１１９の表面に、ピストン１１９の摺動方向に延出するＶ溝１２７を、所定の間隔で複数配列形成することにより、オイル１０３の乱流を防ぎ、流体摩擦の低減を図ることができた。その結果、摺動特性が向上し、耐摩耗性に優れた摺動構造が得られ、圧縮機の信頼性を高めることができる。」と記載されている（要約参照）。

また、他の背景技術として、特許文献２（特開平４−１３２８８６号公報）には、発明の効果として、「ピストンとシリンダとの間の摺動面に圧縮側から非圧縮側に伸びるスパイラル状の溝部が備えられているので、ピストンとシリンダとの摺動による摩耗粒子がシリンダ室より外部に排出されるため、摩耗粒子による急激な摩耗が起こらず、また、シリンダ室の吐出孔から摩耗粒子が排出されて吐出気体を汚染することもない。」と記載されている（発明の効果参照）。

特開２０１３−５７２８７号公報 特開平４−１３２８８６号公報

しかしながら、係る特許文献１に記載の従来の密閉型圧縮機では、ピストンの摺動方向に延出する溝を形成しているため、摺動面に充分な潤滑油を導入することができず、圧縮気体が非圧縮側に漏れてしまう課題がある。また、特許文献２に記載の圧縮機も圧縮側から非圧縮側に伸びる溝があるため、圧縮気体が非圧縮側に漏れてしまう課題がある。

本発明は、シリンダとピストンとの間に充分な潤滑油を導入することで、圧縮ガスの漏れを低減させ、高効率で高信頼性、低コストな密閉型圧縮機を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は特許請求の範囲に記載の構成を採用する。

本発明は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、シリンダ室を設けたシリンダ、前記シリンダ室を往復動するピストン、及びクランクシャフトの偏心軸部の偏心回転運動を前記ピストンの往復運動に変換する連結機構を有する圧縮要素を備えた密閉型圧縮機において、前記ピストンの外径部の圧縮室側に円環状の貯油溝を凹設し、該貯油溝から非圧縮側に連通したスパイラル状の溝を凹設したことを特徴とするものである。

本発明の密閉型圧縮機によれば、シリンダとピストンとの間に充分な潤滑油を導入できるので、圧縮ガスの漏れを低減させ、高効率で高信頼性、低コストな密閉型圧縮機を提供することができる。

本発明の第１実施形態のレシプロ式の密閉型圧縮機の縦断面図。 図１の密閉型圧縮機の要部を示す部分断面図。 本発明の第１実施形態のピストンの概観図。 ピストンが下死点のときの部分断面拡大模式図。 ピストンが上死点のときの部分断面拡大模式図。 本発明の第２実施形態のピストンの概観図。

以下、本発明の複数の実施の形態を図面を用いて説明する。なお、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態のレシプロ式の密閉型圧縮機を、図１から図５を用いて説明する。本実施形態の密閉型圧縮機は、冷蔵庫、冷凍庫、冷凍冷蔵庫、冷蔵ショーケース、冷凍ショーケース等の冷蔵・冷凍装置に適用可能であるが、以下の説明では、冷凍冷蔵庫の冷凍サイクルに用いられる場合について説明する。

本実施形態の密閉形圧縮機の全体構成に関して図１、図２及び図３を参照しながら説明する。図１は本発明の第１実施形態のレシプロ式の密閉型圧縮機の縦断面図、図２は図１の密閉型圧縮機の要部拡大模式図である。図３は本実施形態のピストンの概観図である。

密閉容器１内には、圧縮要素６と、電動要素５と、クランクシャフト８と、フレーム７と、潤滑油２とが主要構成要素として収容されている。密閉容器１の側面に吸込管（図示せず）が接続され、密閉容器１内に開口されている。この吸込管は冷凍サイクルの蒸発器に連通されている。密閉容器１の側面に吐出管３２が接続されている、吐出管３２の一側はシリンダヘッド１５に接続され、吐出管３２の他側は冷凍サイクルの凝縮器に連通されている。これらによって、密閉容器１内が運転中に吸込み圧力とされる低圧チャンバ方式となっている。密閉容器１内底部には、潤滑油２が貯留されている。

圧縮要素６は、水平に延びるシリンダ室６ａを設けたシリンダ１３と、このシリンダ１３の一側に配置されたバルブシート及びシリンダヘッド１５と、ヘッドカバー１６と、シリンダ室６ａを往復動するピストン２５と、クランクシャフト８の偏心軸部８ａの偏心回転運動をピストン２５の往復運動に変換する連結機構２０と、を備えている。シリンダ１３は、フレーム７と一体に鋳物で形成されている。

シリンダ室６ａは水平方向の両側が開口されており、その一側はピストン２５で閉塞され、その他側はバルブシート４２及びシリンダヘッド１５で閉塞されている。バルブシート４２及びシリンダヘッド１５は、シリンダ１３の反クランク軸側にボルト等により固定されている。シリンダヘッド１５は、吸入穴１５ａ、吸入バルブ４２、吐出穴１５ｂ、吐出バルブ４１を備えている。ヘッドカバー１６は、内部を吸入室、吐出室（何れも図示せず）に区割りしている。

ピストン２５は、シリンダ室６ａ内に往復動可能に挿入されると共に、偏心軸部８ａ側に開口する球座２５ｄを有している。また、ピストン２５の外径部には圧縮室（シリンダ室）６ａ側に環状の貯油溝２５aが凹設されている。この貯油溝２５ａの形状、寸法はほかの構成要素との関係から、適宜決めるべきものであるが、本実施例では深さ０．３ｍｍ、幅２ｍｍで、圧縮室側から５ｍｍの位置に凹設した。さらにこの貯油溝２５ａから非圧縮部側へ連通したスパイラル溝２５ｂも凹設している。このスパイラル溝２５ｂは深さ０．２ｍｍ、幅０．５ｍｍで、スパイラルピッチ４ｍｍで右ネジの方向に凹設している。

連結機構２０は、本実施形態では、コネクティングロッドで構成されているので、連結機構２０をコネクティングロッド２０と称することもある。コネクティングロッド２０は、クランクシャフト８の偏心軸部８ａに回転可能に嵌合された、大端部であるリング部２０ａと、ピストン２５の球座２５ｄに揺動可能に接合された小端部である球体部２０ｂと、を連接棒２０ｃで繋いで構成されている。リング部２０ａ、連接棒２０ｃ及び球体部２０ｂは一体に形成されている。また、連接棒２０ｃは、垂直な偏心軸部８ａに対して直角に水平方向に直線状に延びている。

コネクティングロッド２０には、給油経路の一部を構成する給油穴２０ｄが形成されている。この給油穴２０ｄは、リング部２０ａ、連接棒２０ｃ及び球体部２０ｂを貫通して形成され、偏心軸部８ａに形成された給油穴に連通されている。

電動要素５は、電機子鉄心及び巻き線からなる固定子３と、この固定子３内に回転可能に配置された回転子４とを備えている。圧縮要素６と電動要素５とは概略上下に配置されている。そして、電動要素５は、クランクシャフト８を介して圧縮要素６を駆動する。固定子３は、コイルバネ５１を介して密閉容器１の底部に支持されている。

クランクシャフト８は、回転子４に固定されて垂直に延びる主軸部８ｂと、主軸部の上端に設けられた鍔部と、鍔部から上方に延び且つ主軸部の軸心に対して偏心して設けられた偏心軸部８ａと、主軸部の下端部に取り付けられたオイルポンプ１８とを備えている。主軸部の外周面には、クランクシャフト８内の給油穴に連通されたスパイラル溝８ｃが形成されている。

クランクシャフト８の、偏芯部８ａにはスパイラル溝８ｃから供給される潤滑油を導く連通穴が設けられており、コネクティングロッド２０のリング部２０ａの内径部と偏芯部８ａとの間に潤滑油を供給する構造となっている。

フレーム７は、固定子３の上に載置され、固定されている。このフレーム７は、主軸部を軸支する主軸受を構成する円筒内周面を有する。クランクシャフト８は、フレーム７の円筒内周面に回転可能に設置され、クランクシャフト８に加わるラジアル荷重を支持する。このラジアル荷重は、冷媒ガスの吸入、圧縮時の反力、クランクシャフト８、回転子４の自重、及び電動要素５の磁気推力などからなっている。

以上のように構成された密閉形圧縮機の基本的動作について、以下に説明する。

電動要素５の回転子４が回転されると、これに伴ってクランクシャフト８が回転される。それによる偏心軸部８ａの偏心回転運動によって、偏心軸部８ａとコネクティングロッド２０のリング部２０ａとが回転摺動され、コネクティングロッド２０の連接棒２０ｃを介して球体部２０ｂとピストン２５の球座２５ｄとが揺動摺動される。これによって、ピストン２５は圧縮室６ａとなるシリンダ１３の内径を往復運動し、冷媒ガスが吸気孔１５ａからシリンダヘッド１５を通してシリンダ室（圧縮室）６ａ内に吸入され、シリンダ室６ａ内で圧縮される。圧縮された冷媒は、吐出孔１５ｂから吐出管３２を通して密閉容器１の外部の凝縮器（図示せず）に吐出される。

クランクシャフト８の偏心軸部８ａの偏心運動がコネクティングロッド２０によりピストン２５の往復運動に変換され、ピストン２５がシリンダ室６ａ内で往復動されることにより、冷媒ガスがシリンダ室６ａに吸入され、圧縮される。このクランクシャフト８の回転に伴い、密閉容器１に貯留されている潤滑油２はクランクシャフト８に圧入固定されているオイルポンプ１８の回転動作によって汲み上げられ、シャフト８の内部の連通穴（図示せず)を通り、スパイラル溝８ｃに導かれる。この潤滑油２は軸受け隙間の間に充填されるとともに、スパイラル溝８ｃを通り、上方へと導かれた後、再びクランクシャフト８の主軸受け部から偏芯部８ａへと連通する潤滑油供給穴（図示せず）を通り、偏芯部８ａに供給される。偏芯部８ａに供給された潤滑油２は偏芯部に設けられた、潤滑油供給穴（図示せず）を通り、コネクティングロッド２０のリング部２０ａとの間の軸受け隙間に充填されるとともに、コネクティングロッド２０の内部に設けられている潤滑油供給穴２０ｄを通り、ピストン２５とコネクティングロッド２０の間の潤滑を行う。また、クランクシャフト８の偏芯部８ａの片端部は開口しているため、潤滑油２は偏芯部８ａの先端から漏れ出し、クランクシャフト８の回転に伴い遠心力で飛散し、ピストンの外径部に降り掛けられ、ピストン２５とシリンダ１３との間の潤滑を行う。

次に、ピストン２５とシリンダ１３との関係を図４，５を用いて説明する。図４はピストン２５が下死点のときの部分断面模式図である。また、図５はピストン２５が上死点のときの部分断面模式図である。ピストンが下死点にあるときは、上述のようにクランクシャフト８の偏芯部８ａから飛散した潤滑油２はピストン２５の外形部へと降り掛かる。このとき潤滑油はピストン２５の外形面に沿って流れ落ちる。このときピストン２５は上死点に向かいシリンダの内部に挿入されながら、潤滑油をシリンダ１３とピストン２５との間に充填する。この充填されたピストン２５とシリンダ１３との間の潤滑油２は、ピストン２５とシリンダ１３との間を潤滑するとともに、シリンダ圧縮室６ａの中の高圧ガスを封止する。とくに近年の圧縮機に用いられる潤滑油は運転時の摺動損失を低減するため粘度が低くなっており、摺動損失低減、信頼性確保、ならびに高圧ガスの封止に対し、重要な役割を担っている。本実施例のピストン２５はシリンダ１３との間に充分な潤滑油を貯留させるための油溝２５ａを、ピストン２５の圧縮室側近傍に設けているので、効果的に圧縮ガスを封止させることが可能である。また、非圧縮側から連通するスパイラル状の油溝２５ｂにも潤滑油を貯留させる効果もあり、本実施例では圧縮室からの高圧ガスの漏れを低減できるので、圧縮機の高効率化が可能である。合わせて、潤滑に充分な潤滑油の供給も可能となる。また、クランクシャフト上端から飛散して降り掛かる潤滑油の供給が過剰となった場合、シリンダ１３にピストン２５が入っていく際、すなわちピストン２５が上死点に向かうときシリンダ１３との間で潤滑油の噛み込みによる損失が生じるが、本実施例によれば潤滑油の供給溝２５ｂがスパイラル状に非圧縮側に連通しているため、余剰な潤滑油はこの連通溝２５ｂを通り、非圧縮側に排出されるため、潤滑油の噛み込みによる損失が生じないため、圧縮機の高効率化が可能である。また、単純な円環状の油溝をシリンダ１３から突出するように凹設した場合、ピストン２５の往復の度に油溝のエッジとシリンダ１３のエッジとが互いに擦れてしまうため、圧縮機の信頼性に悪影響を及ぼす。一方、本実施例のスパイラル状の連通溝２５ｂはピストン２５が下死点から上死点に向かう際に、シリンダ１３のエッジと逐次接触位置を変えながら摺動することができるため、信頼性を確保できる。

さらに、本実施形態ではスパイラル状の油溝２５ｂがピストン２５の往復方向に対し、概ね直交しているため、ピストン２５の往復動の際、油溝２５ｂに貯留されている潤滑油はより狭い隙間へと押し込まれる、いわゆるポンピング作用が発生できるため、ピストン２５とシリンダ６との間に互いに排斥する力が生じるため、ピストンの往復摺動時の摩擦損失を低減でき、圧縮機の高効率にすることができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図６を用いて説明する。図６は本発明の第２実施形態の密閉型圧縮機のピストン２５の概観図である。この第２実施形態は、次に述べる点で第１実施形態と相違するものであり、その他の点については第１実施形態と基本的には同一であるので、重複する説明を省略する。

この第２実施形態では、ピストン２５の外形のスパイラル溝を複数本凹設し、かつスパイラルの方向を交差させて配置している。変形例としては非圧縮側に連通していない溝を混在させることも可能である。第２の実施形態では、スパイラル状の油溝２５ｂに対してスパイラル状の油溝２５ｃを交差させているため、上述したピストン往復動の際のポンピング作用をより大きく発生できるため、摩擦損失の低減に効果がある。また、ピストン２５の外形部への貯油溝を増やすことができるため、より多くの潤滑油を留めることが可能であり、高い信頼性を確保できる。

１ 密閉容器
２ 潤滑油
３ 固定子
４ 回転子
５ 電動要素
６ 圧縮要素
７ フレーム
８ クランクシャフト
１３ シリンダ
１５ シリンダヘッド
１６ ヘッドカバー
１７ オイルポンプ
２０ 連結機構（コネクティングロッド）
２５ ピストン
２５ａ 油溝
２５ｂ，２５ｃ スパイラル状の油溝

Claims (6)

1. シリンダ室を設けたシリンダ、前記シリンダ室を往復動するピストン、及びクランクシャフトの偏心軸部の偏心回転運動を前記ピストンの往復運動に変換する連結機構を有する圧縮要素を備えた密閉型圧縮機において、
   前記ピストンの外径部の圧縮室側に円環状の貯油溝を凹設し、該貯油溝から非圧縮側に連通したスパイラル状の溝を凹設したことを特徴とする密閉型圧縮機。
2. 請求項１に記載の密閉型圧縮機において、
   前記貯油溝から非圧縮側に連通した、ねじれ方向の異なる複数のスパイラル状の溝を凹設したことを特徴とする密閉型圧縮機。
3. 請求項２に記載の密閉型圧縮機において、
   前記複数のスパイラル状の溝の一部は非圧縮側に連通しないように構成したことを特徴とする密閉型圧縮機。
4. 請求項１〜請求項３の何れか１つに記載の密閉型圧縮機において、
   前記ピストンの外径部に潤滑油を振り掛ける潤滑油供給手段を備えることを特徴とする密閉型圧縮機。
5. 請求項４に記載の密閉型圧縮機において、
   前記潤滑油供給手段は、潤滑油を飛散させる前記偏芯軸部に設けた開口を含むことを特徴とする密閉型圧縮機。
6. 請求項１〜請求項５の何れか１つに記載の密閉型圧縮機を用いた冷蔵・冷凍装置。

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