JP2018044443A - 摺動機構、その摺動機構を用いた軸受、および、その軸受を用いた圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】場所より油膜が変化しても、摩擦損失や摩耗を低減することができる摺動部材および圧縮機を提供すること。【解決手段】摺動面に、凹部が設けられ、上記摺動面全面において、上記凹部の単位容積率が不均一に形成されてなる摺動機構を用いる。また、円柱状のクランクシャフトと、上記クランクシャフトを受け、上記クランクシャフトと摺動する軸受と、を含み、上記摺動する部分に、上記摺動機構を用いた軸受を用いる。また、上記軸受と、上記クランクシャフトが回転することで一方向へ前後移動するヒストンと、を有し、上記回転の角度により、上記摺動面の上記凹部の容積率を変化させた圧縮機を用いる。【選択図】図３

Description

本発明は、摺動機構、その摺動機構を用いた軸受、および、その軸受を用いた圧縮機に関する。

摺動部材の摩擦損失を低減させることは、装置の効率向上、及び信頼性向上のために必要である。

従来から摺動部材の摩擦損失を低減させるため、接触する摺動面の微細な凹凸を除去して可能な限り平滑にする努力がなされていた。

一方で、摺動部材の摩擦損失を低減させるため、平滑化された摺動部材の摺動面に凹部を形成するための加工を施す技術が提案されている。具体的には、断面が略円弧状の無数の凹部を摺動部材の摺動面に形成する技術が提案されている（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摺動部材について説明を行う。

図１０と図１１で、特許文献１を説明する。図１０と図１１では、相互に摺動する摺動部材が潤滑油による油膜（図示省略）を介して対向している状態を示している。 図１０は摺動部材１０２と対向する摺動部材１０１の摺動面をともに平滑にした状態を示している。これに対して、特許文献１では、図１１に示すように、対向する摺動部材１０１の摺動面を平滑にし、もう一方の摺動部材１０２の摺動面に無数の凹部１１１を設けた様子を示している。

特許文献１によれば、接触摺動部１０３に潤滑油を供給すると、潤滑油は表面張力により無数に形成された凹部１１１にて油玉となり、荷重が加えられると、各々の凹部１１１の隣接する油玉が互いに連結し、摺動面全域に油膜が形成され、摺動面の接触を抑制する。

特許文献２では、別の方法で摺動面の接触を抑制している。特許文献２では、摺動面において、その全領域が同じ条件で摺動しない場合には、各領域における摺動条件により、摺動面に対する凹形状の加工仕様を場所により、変化させる技術である（例えば、特許文献２参照）。図１２は、特許文献２に記載されている摺動条件が異なる領域で開口面積率が異なっている摺動部材を示している。

一方、図１２では、互いに摺動する２つの摺動部材の片方を示したものである。潤滑条件が厳しい第１の領域Ａの摺動面１２３ａにはディンプル状の凹部１２１ａが設けられ、潤滑条件が厳しくない第２の領域Ｂの摺動面１２３ｂには、ディンプル状の凹部１２１ａよりも開口寸法が大きい、または、凹部深さが深い大きいディンプル状の凹部１２１ｂが設けられている。

特許文献２によれば、潤滑条件の厳しい第１の領域Ａでは、第２の領域Ｂよりも広い摺動面の平坦部で、負荷荷重をより広い面で受け止める。さらに、凹部１２１ａに保持された潤滑油が平坦部に滲み出ることで、より過酷な摺動条件の場合であっても摩擦損失や摩耗を低減することができる。一方、潤滑条件の厳しくない第２の領域Ｂでは、平滑面の面積減少により潤滑油の粘性抵抗を小さくできる。

特開平７−１８８７３８号公報 ＷＯ２０１３／００５３９４号公報

しかしながら、摺動部において負荷荷重等で潤滑条件に差が生じる場合、２つの摺動面で形成される油膜は連続的に変化した状態になる。図１３（ａ）、図１３（ｂ）に荷重負荷がかかった場合の代表的な摺動部を示す。図１３（ａ）は、平滑面１０４，１０５の摺動部を示す。図１３（ｂ）は、円筒面の摺動部を示す。図１３（ａ）において、向かい合う平滑面１０４，１０５の片方に面が傾く方向に力が働いている。この場合、油膜厚さは比例的な分布となる。

図１３（ｂ）において、内側部材に径方向に力が働いて一方向に偏心している。この場合、油膜厚さは正弦波の分布となる。

一方、一般的に摺動部は油膜に発生する圧力によって摺動面の振動や摺動面同士の接触を抑制する機構になっているが、その圧力は摺動面に形成される凹部形状と油膜厚さの関係に影響されることが知られている。

特許文献２に記載の領域ごとに開口面積や凹部深さが異なる形状においては、領域内では開口面積や凹部深さは一定である。それに対して図１３（ａ）、図１３（ｂ）に示すように、油膜厚さは連続的に変化しており、領域内で平均的に最適な凹部形状を形成してもその領域内では最適になっていない箇所が生じる。

特許文献１の方法でも同様に、場所により油膜厚さが変化する場合、対応できない。

よって、本発明の課題は、場所より油膜が変化しても、摩擦損失や摩耗を低減することができる摺動部材および圧縮機を提供することである。

上記目的を達成するために、摺動面に、凹部が設けられ、上記摺動面全面において、上記凹部の単位容積率が不均一に形成されてなる摺動機構を用いる。

また、円柱状のクランクシャフトと、上記クランクシャフトを受け、上記クランクシャフトと摺動する軸受と、を含み、上記摺動する部分に、上記摺動機構を用いた軸受を用いる。

また、上記軸受と、上記クランクシャフトが回転することで一方向へ前後移動するヒストンと、を有し、上記回転の角度により、上記摺動面の上記凹部の容積率を変化させた圧縮機を用いる。

以上のように、本発明の摺動部材および圧縮機によれば、連続的に変化する油膜に対応して最適な摺動部形状にできるのでより効果的に摩擦損失や摩耗を低減することができ、高効率な圧縮機が実現できる。

本発明の実施の形態１における摺動部材を用いた圧縮機の断面図 本発明の実施の形態１におけるクランクシャフト軸受部の断面模式図 本発明の実施の形態１における主軸軸受摺動部の溝形状の斜視図 （ａ）本発明の実施の形態１における主軸上軸受の溝形状の展開図、（ｂ）本発明の実施の形態１における主軸下軸受の溝形状の展開図 （ａ）本発明の実施の形態１における主軸上軸受の溝深さの分布グラフ、（ｂ）本発明の実施の形態１における主軸下軸受の溝深さの分布グラフ （ａ）本発明の実施の形態１における主軸上軸受の溝深さの分布グラフ、（ｂ）本発明の実施の形態１における主軸下軸受の溝深さの分布グラフ 本発明の実施の形態２における主軸上軸受の溝形状の展開図 本発明の実施の形態３における主軸上軸受の溝形状の展開図 本発明の実施の形態４における主軸上軸受の溝形状の展開図 特許文献１に記載された従来の平滑な摺動面の断面模式図 特許文献１に記載された従来の凹部が設けられた摺動面の断面模式図 特許文献２に記載された従来の摺動部材の斜視模式図 （ａ）従来の平滑面で構成される摺動面の場合の断面模式図、（ｂ）従来の円筒面で構成される摺動面の場合の断面模式図

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、従来と同一構成及び差異がない部分については、詳細な説明を省略する。また、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におけるジャーナル軸受摺動部材が組み込まれたレシプロ圧縮機の断面図である。
＜構造＞
まずレシプロ圧縮機の構造について説明する。

図１において、密閉容器１は、固定子２、回転子３からなる電動要素４、および電動要素４によって駆動される圧縮要素５を収容する。密閉容器１内には、貯留した潤滑油６がある。シリンダブロック７で圧縮室８を形成する。

クランクシャフト９は、円柱状で、主軸部９ａ及び偏心軸部９ｂから構成される。また、クランクシャフト９は、給油通路を介して偏心軸部９ｂの上端９ｃに連通する潤滑油ポンプ部材１８を内蔵する。さらに、クランクシャフト９の下端９ｄは、潤滑油６中に開口している。

また、クランクシャフト９には、潤滑油ポンプ部材１８の上端に連通し、クランクシャフト９の主軸部９ａの外壁に設けた軸受面の溝９ｅがある。

さらに、クランクシャフト９には、軸受面の溝９ｅの上端に連通し、クランクシャフト９の偏心軸部９ｂの外壁に設けた偏心部分岐穴９ｆがある。

コンロッド１０で偏心軸部９ｂとピストン１１とをピストンピン１２を介して連結している。バルブプレート１３、１４は、吸入孔、吸入バルブ、吐出孔、吐出バルブ（いずれも図示せず）を備える。バルブプレート１３、１４は、内部に吸入室、吐出室（いずれも図示せず）に区割りしたシリンダヘッドである。ボルト１５で、シリンダブロック７にバルブプレート１３とシリンダヘッド１４を締め付ける。サクションマフラー１６は、一端が圧縮室８に連通している。サクションチューブ１７は、密閉容器１を貫通している。
＜動作＞
以上のように構成されたレシプロ圧縮機について、以下にその動作を説明する。

電動要素４の回転子３はクランクシャフト９を回転させ、偏心軸部９ｂの運動がコンロッド１０を介してピストン１１に伝えられる。

このことでピストン１１は圧縮室８内をＡ方向へ進み、逆方向へ戻る往復運動する。この時、サクションチューブ１７を通して密閉容器１内に導かれた冷媒ガスは、サクションマフラー１６から吸入され、圧縮室８内で連続して圧縮される。

一方、密閉容器１内の底部には各摺動部の異常摩耗や焼き付きを防止し、円滑に運動するための潤滑油６が貯溜されている。この潤滑油６はクランクシャフト９の回転により、このクランクシャフト９の下端に設けられた潤滑油ポンプ部材１８によって吸い上げられ、さらに、回転により発生する遠心力が加わり、クランクシャフト９の軸穴内壁に上昇する。上昇した潤滑油６は軸受面の溝９ｅ、偏心部分岐穴９ｆを通って所要の摺動部へ給油されるものと、クランクシャフト９の偏心部内壁の上端９ｃから飛散し、圧縮室８の内周部、ピストン１１の外周部に給油されるものに分かれる。

＜軸受＞
図２は、実施の形態１におけるクランクシャフト９を受ける軸受部の周辺の断面図を示す。図２は、シリンダブロック７、クランクシャフト９、ピストン１１、コンロッド１０を切り出した断面図である。図２において、クランクシャフト９は、コンロッド１０との間に形成される偏心軸軸受２１とシリンダブロック７との間に形成される主軸上軸受２２、主軸下軸受２３で支持される。

この時、主軸上軸受２２のシリンダブロック７の側の軸受面２２ａと主軸下軸受２３のシリンダブロック側の軸受面２３ａとに、図３に示すようなヘリングボーン形状の溝である凹部３１が形成されている。

＜溝形状＞
図３は、軸受面２２ａ、２３ａを円柱に転写（展開）した状態で示している。軸受面２２ａ、２３ａには、ヘリングボーン形状の溝である凹部３１が形成されている。ヘリングボーン形状の溝である凹部３１とは、平面視でＶ字形状の溝である。なお、凹部の１つである。単独の凹みでなくつながった凹みである。

この時のクランクシャフト９は、図３中に示す矢印のＡ方向に回転する。そうすることによって軸受内にある潤滑油がヘリングボーン形状の溝である凹部３１に沿って、ヘリングボーン形状の溝である凹部３１の先端部（Ｖ字の頂点）に寄せ集められ、動圧が発生しクランクシャフト９が保持される。

また、ピストン１１の移動方向は、Ａ方向である。矢印の元が回転角度０度で、矢印の先端方向が、回転角度１８０度である。

図４（ａ）、図４（ｂ）は、主軸上軸受２２の内面を展開したもので、ヘリングボーン形状の溝である凹部３１の配置を示している。図４（ａ）が主軸上軸受２２（第１領域）、図４（ｂ）が主軸下軸受２３（第２領域）を示す。

図４（ａ）において、主軸上軸受２２のヘリングボーン形状の溝である凹部３１はピストンの移動方向Ｃからの角度０°の位置で溝である凹部３１の間ピッチが最も狭く、角度１８０°の位置で最も広くなるように連続的に変化している。

すなわち、角度０°の位置で溝である凹部３１の開口面積率が最も大きく、角度１８０°の位置で開口率が最も小さくなるように連続的に変化している。

一方、図４（ｂ）のヘリングボーン形状の溝である凹部３１は、ピストンの移動方向Ｃからの角度０°の位置で開口面積率が最も小さく、角度１８０°の位置で最も大きくなっている。

結果、主軸上軸受２２（第１領域）と主軸下軸受２３（第２領域）とで、溝である凹部３１の形状、分布を逆にしている。

図５（ａ）、図５（ｂ）は、図４（ａ）、図４（ｂ）に示す主軸上軸受２２内面に形成されるヘリングボーン形状の溝である凹部３１の溝深さと、ピストンの移動方向Ｃからの角度との関係を示しており、図５（ａ）が主軸上軸受２２、（ｂ）が主軸下軸受２３である。

図５（ａ）、図５（ｂ）に示すようにピストンの移動方向Ｃからの角度に対応して溝深さが正弦波状に連続的に変化している。図５（ａ）の主軸上軸受２２の溝である凹部３１の深さはピストンの移動方向Ｃからの角度０°の位置で最も深く、角度１８０°の位置で最も浅くなっている。

一方、図５（ｂ）の主軸下軸受２３の溝である凹部３１の深さは、ピストンの移動方向Ｃからの角度０°の位置で最も浅く、角度１８０°の位置で最も深くなっている。

すなわち、ヘリングボーン形状の溝である凹部３１の１本の中でも角度位置が変化するため溝である凹部３１の深さが連続的に変化している。具体的には溝である凹部３１の深さは２μｍ程度から、１０μｍ程度に変化する。

ここで、凹部３１の深さと凹部３１の開口率とで表現でしたが、凹部３１の単位容積率で考えてもよい。つまり、図４（ａ）、図５（ａ）では、０度で、凹部３１の単位容積率を大きくし、１８０度で凹部３１の単位容積率を小さくする。図４（ｂ）、図５（ｂ）では、その逆にする。

つまり、摺動負荷が大きい部分は、凹部３１の単位容積率を大きく、摺動負荷が小さい部分は、凹部３１の単位容積率を小さくする。

結果、摺動面全面において、凹部の単位容積率が不均一に形成されている。

なお、凹部３１の単位容積率は、単位体積あたりの凹部の空間の体積の割合である。

次に、本実施の形態の効果について説明する。

＜効果＞
図６（ａ）、図６（ｂ）は、レシプロ圧縮機の圧縮時の主軸軸受部の断面図である。図６（ａ）は、主軸上軸受２２で、図６（ｂ）は主軸下軸受２３である。

図６（ａ）の主軸上軸受２２において、シリンダブロック７の軸受部に油膜６１を介してクランクシャフト９が保持されており、軸受面２２ａには前述のヘリングボーン形状の凹部３１が形成されている。

また、クランクシャフト９はシリンダの方向から力を受け、シリンダの方向からの角度１８０°の方向に偏心する。この時、油膜厚さの分布は角度１８０°で最も薄く、角度０°で最も厚くなり、具体的には２μｍ程度から２０μｍ程度まで連続した分布となる。

これに対して本実施の形態の構造では、油膜厚さが薄い負荷の大きい位置に軸受面２２ａに形成された凹部３１の開口面積率が小さく凹部３１の深さの浅い部分が対応する。

このことにより、負荷の大きくなる位置で平滑面が広くなり荷重を面で受け止め、潤滑油が平滑面に滲み出ることで摩擦損失や摩耗を低減できる。反対に、油膜厚さの厚い負荷の小さい位置には軸受面２２ａに形成された凹部３１の開口面積率が大きく凹部３１の深さが深い部分が対応する。このことにより潤滑油の粘性抵抗を下げることができ摩擦損失が低減できる。さらに、油膜厚さと凹部３１の開口面積率、凹部３１の深さが連続的に対応していることでより効果的に摩擦損失や摩耗の低減が実現できる。

一方、図６（ｂ）の主軸下軸受２３においては、クランクシャフトの傾きにより、クランクシャフトはピストンの移動方向Ｃからの角度０°の方向に偏心し、角度０°の位置が最も油膜厚さが薄く負荷が大きくなる。

それに対して主軸下軸受２３はピストンの移動方向Ｃからの角度０°の方向の軸受面２３ａに形成された凹部３１の開口面積率が小さく凹部３１の深さが浅い部分が対応している。

また、ピストンの移動方向Ｃから角度１８０°の位置では、油膜厚さが最も厚く負荷が小さくなるのに対して軸受面２３ａの凹部３１は開口面積率が大きく凹部３１の深さが深い部分が対応している。

両者の間では、連続的に凹部３１の開口面積率、凹部３１の深さが変化して油膜厚さの変化に対応している。

このことにより主軸上軸受２２と同様により効果的に潤滑油の粘性抵抗を下げ摩擦損失や摩耗を低減することが可能となる。

なお、本実施の形態に記載の開口面積率や凹部３１の深さが連続的に変化するヘリングボーン形状の溝は軸受面に対して切削または転造により溝を形成する工具を偏心方向に位置規制をすることで加工が可能である。

（実施の形態２）
実施の形態２について図７を用いて説明する。実施の形態２は実施の形態１における図１および図２の構成は同じである。また、記載しない事項は実施の形態１と同様である。

図７は、本実施の形態２における主軸上軸受２２の内壁を展開して示したものである。図７において、軸受面にクロスハッチ状に形成された溝７１がある。

溝７１は、ピストンの移動方向Ｃからの角度が０°の位置でピッチが最も狭く溝の開口面積率が小さくなっている。

反対に、溝７１は、ピストンの移動方向Ｃからの角度１８０°の位置ではピッチが最も広く溝の開口面積率が大きくなっている。

両者の間では、溝７１のピッチ、すなわち、開口面積率は連続的に変化している。

本実施の形態の構造により、実施の形態１と同様にクランクシャフトに負荷がかかり偏心した場合に、油膜厚さの分布に応じて溝の開口面積率が対応する。このことでより効果的に摩擦損失や摩耗を低減することが可能となる。

（実施の形態３）
実施の形態３について図８を用いて説明する。本発明の実施の形態３は実施の形態１における図１および図２の構成は同じである。また、記載しない事項は実施の形態１と同様である。

図８は本実施の形態２における主軸上軸受２２の内壁を展開して示したものである。図８において、軸受面に軸方向に並行して形成された溝８１を設けた。

ピストンの移動方向Ｃからの角度が０°の位置で、溝８１のピッチが最も狭く、溝８１の開口面積率が小さくなっている。

反対に、ピストンの移動方向Ｃからの角度１８０°の位置では、溝８１のピッチが最も広く、溝８１の開口面積率が大きくなっている。

両者の間では、溝８１のピッチ、すなわち、開口面積率は連続的に変化している。

本実施の形態３の構造により、実施の形態１と同様にクランクシャフト９に負荷がかかり偏心した場合でも、油膜厚さの分布に応じて、溝８１の開口面積率が対応しているので、より効果的に摩擦損失や摩耗を低減することが可能となる。

（実施の形態４）
実施の形態４について図９を用いて説明する。実施の形態４は実施の形態１における図１および図２の構成は同じである。また、記載しない事項は実施の形態１と同様である。

図９は本実施の形態４における主軸上軸受２２の内壁を展開して示したものである。図９において、軸受面に形成されたディンプル９１がある。ディンプル９１は、円錐上の凹み、凹部である。四角垂状、円錐台状でもよい。溝のように連続しない凹みである。

ディンプル９１は、ピストンの移動方向Ｃからの角度が０°の位置でピッチ（間隔）が最も狭く、ディンプル９１の開口面積率が小さくなっている。

反対に、ディンプル９１は、ピストンの移動方向Ｃからの角度１８０°の位置ではピッチ（間隔）が最も広くディンプル９１の開口面積率が大きくなっている。

両者の間では、ディンプル９１のピッチ（間隔）、すなわち、ディンプル９１の開口面積率は連続的に変化している。

本実施の形態４の構造により、実施の形態１と同様にクランクシャフト９に負荷がかかり偏心した場合に油膜厚さの分布に応じて溝の開口面積率が対応することでより効果的に摩擦損失や摩耗を低減することが可能となる。

（全体を通じて）
溝を軸受面に設けたが、軸受面と、軸（クランクシャフト）の面との少なくとも一方に設けるとよい。両方に設けるよりは、一方に溝を設けた方が、好ましい。一方に溝を設けた方が、摺動抵抗を制御しやすい。なお、溝の無い面は、平滑面である。

実施の形態は組み合わせることができる。

本発明の摺動部材および圧縮機は、摺動部材が用いられている様々な装置、特に冷蔵庫やエアコン等の冷凍サイクルを有する各種装置、製品に利用可能である。

１ 密閉容器
２ 固定子
３ 回転子
４ 電動要素
５ 圧縮要素
６ 潤滑油
７ シリンダブロック
８ 圧縮室
９ クランクシャフト
９ａ 主軸部
９ｂ 偏心軸部
９ｃ 上端
９ｄ 下端
９ｅ 軸受面の溝
９ｆ 偏心部分岐穴
Ａ 領域
Ｂ 領域
Ｃ 移動方向
１０ コンロッド
１１ ピストン
１２ ピストンピン
１３ バルブプレート
１４ シリンダヘッド
１５ ボルト
１６ サクションマフラー
１７ サクションチューブ
１８ 潤滑油ポンプ部材
２１ 偏心軸軸受
２２ 主軸上軸受
２２ａ 軸受面
２３ 主軸下軸受
２３ａ 軸受面
３１ 凹部
６１ 油膜
７１ 溝
８１ 溝
９１ ディンプル
１０１ 摺動部材
１０２ 摺動部材
１０３ 接触摺動部
１０４，１０５ 平滑面
１１１ 凹部
１２１ａ 凹部
１２１ｂ 凹部
１２３ａ 摺動面
１２３ｂ 摺動面

Claims (10)

1. 摺動面に、凹部が設けられ、
   前記摺動面全面において、前記凹部の単位容積率が不均一に形成されてなる摺動機構。
2. 前記摺動面において、摺動負荷が大きい部分は、摺動負荷が小さい部分より、前記凹部の単位容積率を大きくした請求項１記載の摺動機構。
3. 前記単位容積率とは、前記凹部の開口面積率、または、前記凹部の深さである請求項１または２記載の摺動機構。
4. 前記凹部は、平面視でＶ字形状の凹部である請求項１〜３のいずれか１項に記載の摺動機構。
5. 前記凹部がクロスハッチ形状の凹部である請求項１〜３のいずれか１項に記載の摺動機構。
6. 前記凹部が並行に整列した直線状の凹部である請求項１〜３のいずれか１項に記載の摺動機構。
7. 前記凹部がディンプル状の凹部である請求項１〜３のいずれか１項に記載の摺動機構。
8. 円柱状のクランクシャフトと、
   前記クランクシャフトを受け、前記クランクシャフトと摺動する軸受と、を含み、
   前記摺動する部分に、前記請求項１〜７のいずれか１項に記載の摺動機構を用いた軸受。
9. 請求項８の軸受と、
   前記クランクシャフトが回転することで一方向へ前後移動するヒストンと、を有し、
   前記回転の角度により、前記摺動面の前記凹部の容積率を変化させた圧縮機。
10. 前記ヒストンに近い側の前記摺動機構の第１領域と、
    前記ヒストンから遠い側の前記摺動機構の第２領域とで、
    前記凹部の容積密度の分布を逆にした請求項９記載の圧縮機。
    

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