JP2017031812A - 密閉型圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】低い運転周波数領域で運転される場合でも、クランクシャフトの強度低下を抑制しつつ、油膜形成に必要な給油量と摺動面積を確保できるようにすること。【解決手段】クランクシャフト９では、スパイラル溝９６の粘性オイルポンプ性能を向上するためにスパイラル溝傾斜角度を変更し、かつ、下側オイルポンプ孔９４と上側オイルポンプ孔９５とスパイラル溝９６とを、最大負荷領域９８を除く領域に位置させ、スパイラル溝９６の断面は円弧状であり、その巻き数は１．５巻き以上である。【選択図】図２

Description

本発明は、密閉型圧縮機に関する。

近年、冷凍冷蔵装置などに対する高効率化の市場要求は高い。そのため、冷凍冷蔵装置などに搭載される密閉型圧縮機においても、さらなる効率化が求められている。密閉型圧縮機では、商用電源周波数未満の低い運転周波数から商用電源周波数以上の高い運転周波数までの広い領域にて運転可能である。特に、低い運転周波数領域においては、高効率化に影響するため、信頼性維持および効率向上を満足するために、給油の確保と摺動損失の低減とが重要になる（特許文献１）。

特開２０１５−９４２２３号公報

従来の給油構造では、図７に示す通り、スパイラル溝に垂直な断面は台形に近い形状をしている。しかし、これでは給油量を向上させる為にスパイラル溝の巻き数を増すにつれ、クランクシャフトの強度は低下してしまう。
従って、本発明の目的は、比較的低い運転周波数領域においても、給油量および摺動面積を確保して、高信頼性および高効率を実現できるようにした密閉型圧縮機を提供することにある。

上記課題を解決すべく、本発明に係る密閉型圧縮機は、潤滑油を有する密閉容器に電動要素と圧縮要素とが収容されており、圧縮要素は電動要素にクランクシャフトを介して連結され、電動要素の回転力により作動する密閉型圧縮機において、圧縮要素は、シリンダブロックと、該シリンダブロックに設けられる圧縮室内を摺動するピストンとを備え、ピストンはコネクティングロッドを介してクランクシャフトに連結されており、電動要素は、クランクシャフトの外周側に離間して設けられるステータと、該ステータの内周側とクランクシャフトの外周側との間に位置してクランクシャフトに固定され、クランクシャフトと一体的に回転するロータと、を備え、クランクシャフトは、上端側に設けられる偏芯ピン部がコネクティングロッドを介してピストンに連結され、下端側には遠心力や潤滑油の粘性を利用して潤滑油を吸い上げるための給油ポンプ部が設けられたシャフト本体と、シリンダブロックの下側に設けられる軸受部に上下に離間してそれぞれ摺動するようにシャフト本体に設けられる、上ジャーナル部および下ジャーナル部と、下ジャーナル部に設けられ、給油ポンプ部から潤滑油が供給される下側オイルポンプ孔と、上ジャーナル部に設けられ、潤滑油を偏芯ピン部に設けられる給油穴に供給するための上側オイルポンプ孔と、上側オイルポンプ孔と下側オイルポンプ孔とを連通するようにシャフト本体の外周面に螺旋状に形成され、潤滑油の粘性を利用して下側オイルポンプ孔から上側オイルポンプ孔に向けて潤滑油を供給するスパイラル溝と、を備え、上側オイルポンプ孔は、所定値以上の負荷の発生する上側所定領域を避けるように設けられ、下側オイルポンプ孔は、所定値以上の負荷の発生する下側所定領域を避けるように設けられ、スパイラル溝に垂直な断面形状は円弧状であり、その巻き数は１．５巻き以上である。

上側所定領域は、偏芯ピン部と対向する位置で上ジャーナル部の上下両端点と、クランクシャフトが所定角度回転した場合の上ジャーナル部の上端点とをそれぞれ結ぶ三角形状の領域として形成され、下側所定領域は、偏芯ピン部と同一方向の位置で下ジャーナル部の上限両端点と、クランクシャフトが所定角度回転した場合の下ジャーナル部の下端点とをそれぞれ結ぶ三角形状の領域として形成されてもよい。

スパイラル溝は、クランクシャフト本体における、直径方向に切った断面と交わる角度が、上側オイルポンプ孔と下側オイルポンプ孔の、直径方向に切った断面間で変化してもよい。

本発明では、低い運転周波数領域で電動要素が駆動されて、ポンプ性能が低下した場合でも、スパイラル溝と上側オイルポンプ孔および下側オイルポンプ孔とによる粘性オイルポンプの機能を維持または向上できる。従って、低い運転周波数領域での運転の際に、油膜形成に必要な給油量と摺動面積を確保でき、高信頼性及び高効率を満足することができる。

本実施形態による圧縮機の断面図。 実施例１に係り、クランクシャフトの側面図とスパイラル溝の展開図を並べて示す説明図。 実施例２に係り、クランクシャフトの側面図とスパイラル溝の展開図を並べて示す説明図。 実施例３に係り、クランクシャフトの側面図とスパイラル溝の展開図を並べて示す説明図。 比較例としての圧縮機の断面図。 比較例としてのクランクシャフトの側面図とスパイラル溝の展開図を並べて示す説明図。 比較例としてのスパイラル溝の側面図。

以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態を説明する。本実施形態では、以下に詳述するように、レシプロ型の圧縮機を容器内に密閉した構造において、上側オイルポンプ孔は、上ジャーナル部に位置して最大負荷の発生する上側所定領域を避けるようにして、上ジャーナル部に設けられ、下側オイルポンプ孔は、下ジャーナル部に位置して最大負荷の発生する下側所定領域を避けるようにして、下ジャーナル部に設けられ、さらに、スパイラル溝の進行方向に垂直な断面の形状は円弧状をしており、その巻き数は１．５巻き以上に設定される。これにより、本実施形態では、スパイラル溝の巻き数を増加させても、クランクシャフトの強度の低下を抑制し、給油量が減少しやすい低い運転周波数領域であっても、摺動部へ効率よく給油することができ、高い信頼性と高い効率を実現できる。

本発明の実施例を説明する前に、比較例となる遠心オイルポンプ構造による給油方式を、図５および図６を参照して説明する。

図５の密閉型圧縮機１Ｐの断面図を参照しながら、圧縮機構と給油経路を説明する。密閉された容器２には、圧縮要素３と電動要素４とが設けられている。圧縮要素３と電動要素４とは、バネ等の弾性支持部材により支持されている。密閉容器２の底部には、給油のために使用される冷凍機油５が貯留されている。

圧縮要素３は、シリンダブロック３１と、シリンダブロック３１内の圧縮室３２内に摺動可能に設けられるピストン３３と、圧縮室３２の開口面を施蓋するヘッドカバー３４と、ヘッドカバー３４とシリンダブロック３１の間に固定されるバルブプレート３５とを備える。シリンダブロック３１とバルブプレート３５の間には、吸入バルブおよび吐出バルブ（不図示）が設けられる。

ピストン３３の基端側は、コネクティングロッド６を介してクランクシャフト９Ｐの偏芯ピン部９１に連結されている。クランクシャフト９Ｐは、シリンダブロック３１の下側に一体的に設けられた軸受部７により回動可能に支持されている。クランクシャフト９Ｐは、電動要素４の一部を構成するロータ４２と締結されており、ロータ４２の回転力により回転する。

ステータ４１は、クランクシャフト９Ｐの外周側に離間して設けられており、クランクシャフト９Ｐの外周側とステータ４１の内周側との間には、筒状のロータ４２がクランクシャフト９Ｐに固定されている。クランクシャフト９Ｐがロータ４２と一緒に回転すると、偏芯ピン部９１が旋回し、その旋回時の回転力はコネクティングロッド６により直線運動に変換されて、ピストン３３を圧縮室３２内で往復運動させる。ピストン３３が圧縮室３２内を往復運動することで、ガス（冷媒）が圧縮される。

図６を参照しながら、クランクシャフト９Ｐの構成を説明する。クランクシャフト９Ｐは、偏芯ピン部９１がコネクティングロッド６を介してピストン３３に連結され、下端側には遠心力や潤滑油の粘性を利用して潤滑油を吸い上げるための給油ポンプ部８が設けられたシャフト本体９０と、軸受部７に上下に離間してそれぞれ摺動するようにシャフト本体９０に設けられる上ジャーナル部９３および下ジャーナル部９２と、下ジャーナル部９２に設けられ、給油ポンプ部８から潤滑油が供給される下側オイルポンプ孔９４と、上ジャーナル部９３に設けられ、冷凍機油５を偏芯ピン部９１に設けられる給油穴９１２に供給するための上側オイルポンプ孔９５とを備える。

さらに、スパイラル溝９６Ｐは、上側オイルポンプ孔９５と下側オイルポンプ孔９４とを連通するようにして、シャフト本体９０の外周面に螺旋状に形成される。スパイラル溝９６Ｐは、潤滑油の粘性を利用して下側オイルポンプ孔９４から上側オイルポンプ孔９５に向けて潤滑油を供給する。

給油の方法を説明する。圧縮工程を行なう際には、シリンダブロック３１とピストン３３の間、ピストン３３とコネクティングロッド６の間、コネクティングロッド６とクランクシャフト９Ｐの間、クランクシャフト９Ｐと軸受部７の間のように、部材同士が接触する摺動面において、油膜を形成する。油膜によって、摺動面での金属接触を防ぎ、信頼性を維持するためである。

給油経路を説明する。ロータ４２の回転力によりクランクシャフト９Ｐが回転すると、クランクシャフト９Ｐの下側に設けられた給油ポンプ部８は、容器２の底部に溜まった冷凍機油５を遠心力・粘性の力を利用して吸い込み、クランクシャフト９Ｐの下側外周面に形成される遠心オイルポンプ通路９７を介して吸い上げる。

吸い上げられた冷凍機油５は、下側オイルポンプ孔９４を通って、粘性オイルポンプとなるスパイラル溝９６Ｐを通過し、上側オイルポンプ孔９５に至る。上側オイルポンプ孔９５は、図６にも示すように、下側オイルポンプ孔９４と同一方向に位置して、上ジャーナル部９３に形成されている。

上側オイルポンプ孔９５から流出した冷凍機油５は、偏芯ピン部９１の上端９１１とピン部給油穴９１２から、周囲に放射線状に飛散する。これにより、シリンダブロック３１との摺動面となるピストン３３の外径上面３３Ａに給油される。さらに、上述の経路の途中においても、経路周辺の他の摺動面に給油される。

ところで、遠心オイルポンプ構造は、商用電源周波数未満の低い運転周波数領域では遠心力が小さくなるため、遠心オイルポンプ通路９７が冷凍機油５を吸い上げる力が低下してしまい、給油量が減少する。ここで、冷凍機油５の油面高さとクランクシャフト９Ｐの下側オイルポンプ孔９４との距離(以下、揚程と呼ぶ)を短縮することで、必要な給油量を確保することが考えられる。

揚程を短縮する手段としては、冷凍機油５の封入量を増加させることで油面高さを上げる場合と、下側オイルポンプ孔９４の位置を下げる場合とがある。しかし、油面高さを上げ過ぎると、油面とロータ４２の下端との距離が狭くなり、ロータ４２の回転によるフォーミングが発生する。これにより、信頼性が低下したり、入力の増加によって効率が低下したりする。

一方、下側オイルポンプ孔９４の位置を下げると、スパイラル溝９６Ｐの傾斜角度θ１が大きくなってしまうため、スパイラル溝９６Ｐを含んで構成される粘性オイルポンプの性能が低下してしまい、かえって給油量が減少する。

傾斜角θ１を変更せずに粘性オイルポンプの性能を維持するためには、スパイラル溝９６Ｐの巻き数を増やすことで対応できる。スパイラル溝の巻き数とは、スパイラル溝を形成する角度でもあり、巻き角度と呼ぶこともできる。例えば、スパイラル溝をちょうど１巻きだけ形成する場合、その巻き角度は３６０度である。例えば、スパイラル溝をちょうと１．５巻きだけ形成する場合、その巻き角度は、５４０度である。

しかし、スパイラル溝９６Ｐの巻き数を単純に増やすだけでは、上側オイルポンプ孔９５または下側オイルポンプ孔９４の位置が、最大負荷面に近づいてしまい、摺動面が減少する。摺動面が減少すると、油膜を形成しにくくなり、信頼性低下および効率低下につながる。また、図７に示すように、一般的にスパイラル溝９６Ｐは台形断面形状をしており、スパイラル溝９６Ｐの巻き数を増やすほど、クランクシャフト９Ｐの主軸直径が減少し強度は低下する。そこで、上述の技術的矛盾を解決すべく、以下の解決策を提案する。

図１は、本実施例に係るクランクシャフト９を組込んだ圧縮機１の断面図である。図２は、本実施例に係るクランクシャフト９の側面図と、スパイラル溝９６の展開図を並べて示す説明図である。

図１に示す密閉型圧縮機１は、図５に示す圧縮機１Ｐと基本的構成は共通している。

図１と図５では共に、遠心オイルポンプ構造の給油経路は同じであり、遠心オイルポンプ通路９７から吸い上げられた冷凍機油５は、下側オイルポンプ孔９４を通って、粘性オイルポンプとなるスパイラル溝９６に流れ込み、下側オイルポンプ孔９４と同一方向に位置した上側オイルポンプ孔９５を通って、偏芯ピン部９１の上端９１１とピン部給油穴９１２とから、周囲に向けて放射線状に飛散する。これにより、ピストン３３の外径上面３３Ａに給油される。さらに、冷凍機油５の経路の途中において、ピストン３３の外径上面３３Ａ以外の他の摺動面にも給油される。

ここで、図６に示すクランクシャフト９Ｐでは、下側オイルポンプ孔９４が圧縮工程時の最大負荷領域９８に位置しているため、摺動面積が減少する。摺動面積の減少に伴って面圧が増加するため、油膜形成が困難となり易い。

これに対して、図２に示す本実施例のクランクシャフト９では、スパイラル溝９６の粘性オイルポンプ性能を向上させる為、スパイラル溝傾斜角度θ１を変更し巻き数を増加させ、かつ、下側オイルポンプ孔９４と上側オイルポンプ孔９５とスパイラル溝９６とを、最大負荷領域９８を除く領域に位置させる。

「上側所定領域」としての上ジャーナル部９３における最大負荷領域９８は、上死点から所定角度（例えば３０〜６０度）回転した範囲までの領域である。「下側所定領域」としての下ジャーナル部９２における最大負荷領域９８は、上ジャーナル部９３における最大負荷領域９８の反対側（１８０度ずれた位置）に形成される。以下、上ジャーナル部９３における最大負荷領域９８を上側最大負荷領域と、下ジャーナル部９２における最大負荷領域９８を下側最大負荷領域と、呼ぶ場合がある。

図２に示す本実施例では、図６とは異なり、Ａ−Ａ断面を見ると円弧状の形状をしている。これにより、スパイラル溝９６の深さを浅くしても応力集中がし辛く、シャフト９の強度低下を抑制することができる。ただし、本実施例ではスパイラル溝９６を浅くした分、給油能力が低下することを防止する為、スパイラル溝の巻き数を１．５巻きに設定している。ただし、本発明は１．５巻きに限定されず、後述する他の実施例に示すように、１．５巻き以上に設定した場合でも、下側オイルポンプ孔９４と上側オイルポンプ孔９５とスパイラル溝９６とが、最大負荷領域９８を除く領域に位置させることができる。なお、スパイラル溝９６の巻き数を１．５巻きよりも大きい値に設定した場合、傾斜角度θ１は小さくなるため、スパイラル溝９６の粘性オイルポンプ性能は低下しない。
図２を見ると、上側オイルポンプ孔９５は、上側最大負荷領域９８の上死点と反対側の位置に近接して形成されている。下側オイルポンプ孔９４は、上側オイルポンプ孔９５の位置から５４０度の位置に形成されている。従って、スパイラル溝９６の巻き数は１．５であり、巻き角度は５４０度である。

このように構成される本実施例によれば、低い運転周波数領域で電動要素４が駆動されて、給油ポンプ部８の性能が低下した場合でも、スパイラル溝９６と上側オイルポンプ孔９５および下側オイルポンプ孔９４とによる粘性オイルポンプの機能を維持または向上することができる。従って、本実施例によれば、低い運転周波数領域での運転の際に、油膜形成に必要な給油量と摺動面積を確保することができ、高信頼性及び高効率を満足することができる。

図３を参照して実施例２を説明する。実施例２は、実施例１と共通の構成を備えるため、第１実施例との相違点を中心に説明する。

実施例１では、上側オイルポンプ孔９５と下側オイルポンプ孔９４およびスパイラル溝９６が避けるべき最大負荷領域９８を矩形状に設定した。これに対し、本実施例では、最大負荷領域９９を三角形状に設定する。クランクシャフト９Ａの回転に応じて、負荷は徐々に増大するためである。

本実施例では、圧縮工程により負荷が増加を始めて最大値になるまでの基準位置（Ｐ１−Ｐ２、Ｐ４−Ｐ５）から、クランクシャフト回転角度が所定角度（例えば１２０度）前の位置（Ｐ３、Ｐ６）までの比較的広い三角形状の領域を最大負荷領域９９として設定している。

詳しくは、上ジャーナル部９３では、圧縮行程によって負荷が最大になる位置の、上ジャーナル部９３の上端点Ｐ１および下端点Ｐ２を基準位置とし、その基準位置から１２０度前の位置Ｐ３を負荷増大位置とし、基準位置Ｐ１−Ｐ２と負荷増大位置Ｐ３とを結ぶ三角形状の領域９９を、上側最大負荷領域９９として設定する。

下ジャーナル部９２でも同様に、負荷が最大になる位置の、下ジャーナル部９２の上端点Ｐ４および下端点Ｐ５を基準位置とし、その基準位置から１２０度前の位置Ｐ６を負荷増大位置とし、基準位置Ｐ４−Ｐ５と負荷増大位置Ｐ６とを結ぶ三角形状の領域９９を、下側最大負荷領域９９として設定する。

このように構成される本実施例も、上下オイルポンプ孔が上述した最大負荷領域９９を避けるように配置されているので、実施例１と同様の作用効果を発揮することができる。

図４を参照して実施例３を説明する。本実施例は実施例１の変形例であり、本実施例のクランクシャフト９Ｂでは、スパイラル溝９６Ｂの巻き数を１．５巻き以上に設定している。
本実施例では、上下ジャーナル部９３，９２の最大負荷面９８を避けるように下側オイルポンプ孔９４と上側オイルポンプ孔９５を位置させ、スパイラル溝９６Ｂの角度θ１が、途中でθ２へと変化することを特徴とする。スパイラル溝９６Ｂは、クランクシャフト９Ｂ本体における、直径方向に切った断面と交わる角度を、上側オイルポンプ孔９５と下側オイルポンプ孔９４の、直径方向に切った断面間で２回以上変化させたり、連続して徐々に変化させたりしても良い。

このように構成される本実施例も実施例１と同様の作用効果を奏する。さらに本実施例では、スパイラル溝９６Ｂの角度を任意の位置で変更できる為、上下オイルポンプ孔を任意の位置に設定することができる。

なお、本発明は、上述した実施例に限定されない。当業者であれば、本発明の範囲内で、種々の追加や変更等を行うことができる。例えば、本発明の密閉型圧縮機は、低速で駆動される冷蔵庫用の圧縮機として好適に用いることができるが、本発明は冷蔵庫以外への適用を除外するものではない。

１：密閉型圧縮機
９，９Ａ，９Ｂ：クランクシャフト
９０：シャフト本体
９２：下ジャーナル部
９３：上ジャーナル部
９４：下側オイルポンプ孔
９５：上側オイルポンプ孔
９６，９６Ａ，９６Ｂ：スパイラル溝
９８，９９：所定領域

Claims (3)

1. 潤滑油を有する密閉容器に電動要素と圧縮要素とが収容されており、前記圧縮要素は前記電動要素にクランクシャフトを介して連結され、前記電動要素の回転力により作動する密閉型圧縮機において、
   前記圧縮要素は、シリンダブロックと、該シリンダブロックに設けられる圧縮室内を摺動するピストンとを備え、前記ピストンはコネクティングロッドを介して前記クランクシャフトに連結されており、
   前記電動要素は、前記クランクシャフトの外周側に離間して設けられるステータと、該ステータの内周側と前記クランクシャフトの外周側との間に位置して前記クランクシャフトに固定され、前記クランクシャフトと一体的に回転するロータと、を備え、
   前記クランクシャフトは、
   上端側に設けられる偏芯ピン部が前記コネクティングロッドを介して前記ピストンに連結され、下端側には遠心力や潤滑油の粘性を利用して潤滑油を吸い上げるための給油ポンプ部が設けられたシャフト本体と、
   前記シリンダブロックの下側に設けられる軸受部に上下に離間してそれぞれ摺動するように前記シャフト本体に設けられる、上ジャーナル部および下ジャーナル部と、
   前記下ジャーナル部に設けられ、前記遠心ポンプ部から潤滑油が供給される下側オイルポンプ孔と、
   前記上ジャーナル部に設けられ、潤滑油を前記偏芯ピン部に設けられる給油穴に供給するための上側オイルポンプ孔と、
   前記上側オイルポンプ孔と前記下側オイルポンプ孔とを連通するように前記シャフト本体の外周面に螺旋状に形成され、潤滑油の粘性を利用して前記下側オイルポンプ孔から前記上側オイルポンプ孔に向けて潤滑油を供給するスパイラル溝と、
   を備え、
   前記上側オイルポンプ孔は、所定値以上の負荷の発生する上側所定領域を避けて設けられ、
   前記下側オイルポンプ孔は、所定値以上の負荷の発生する下側所定領域を避けて設けられ、
   前記スパイラル溝に垂直な断面形状は円弧状であり、その巻き数は１．５巻き以上である、
   密閉型圧縮機。
2. 前記上側所定領域は、前記偏芯ピン部と対向する位置で前記上ジャーナル部の上下両端点と、前記クランクシャフトが所定角度回転した場合の前記上ジャーナル部の上端点とをそれぞれ結ぶ三角形状の領域として形成され、
   前記下側所定領域は、前記偏芯ピン部と同一方向の位置で前記下ジャーナル部の上限両端点と、前記クランクシャフトが前記所定角度回転した場合の前記下ジャーナル部の下端点とをそれぞれ結ぶ三角形状の領域として形成される、
   請求項１に記載の密閉型圧縮機。
3. 前記スパイラル溝は、前記クランクシャフト本体における、直径方向に切った断面と交わる角度が、前記上側オイルポンプ孔と前記下側オイルポンプ孔の、直径方向に切った断面間で変化する、
   請求項１または請求項２に記載の密閉型圧縮機。

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