JP2019190427A - Compressor and apparatus using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、圧縮機およびこれを用いた機器に関する。 The present invention relates to a compressor and a device using the compressor.
特許文献1は、クランクシャフト7に複数本の微細給油溝7pを設けた密閉型圧縮機を開示している。
特許文献1によれば、微細給油溝7pの溝深さを10μm程度と言及するものの(0036)、それ以上に具体的な形状や加工法については何ら検討していない。しかし、微細給油溝7pの加工はし易いことが望ましく、また、微細給油溝7pの形状、深さ、および幅によって潤滑性能に与える影響が異なるところ、特許文献1はこの点については何ら検討していない。
According to
上記事情に鑑みてなされた本発明は、
回転自在で略円筒形状のクランクシャフトと、
該クランクシャフトを軸支する中空円筒形状のラジアル軸受と、
前記クランクシャフト及び前記ラジアル軸受の間の隙間に供給される潤滑油と、
前記クランクシャフトのうち前記ラジアル軸受に対向する領域に設けた平面カット部と、を有する圧縮機である。
The present invention made in view of the above circumstances,
A rotatable, substantially cylindrical crankshaft;
A hollow cylindrical radial bearing that pivotally supports the crankshaft;
Lubricating oil supplied to the gap between the crankshaft and the radial bearing;
It is a compressor which has a plane cut part provided in the field which counters the radial bearing among the crankshafts.
以下、本発明の実施例について添付の図面を参照しつつ説明する。同様の構成要素には同様の符号を付し、同様の説明は繰り返さない。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. Similar components are denoted by the same reference numerals, and the same description will not be repeated.
本発明の各種の構成要素は必ずしも個々に独立した存在である必要はなく、一の構成要素が複数の部材から成ること、複数の構成要素が一の部材から成ること、或る構成要素が別の構成要素の一部であること、或る構成要素の一部と他の構成要素の一部とが重複すること、などを許容する。 The various components of the present invention do not necessarily have to be independent of each other. One component is composed of a plurality of members, a plurality of components are composed of one member, and one component is separated from another. And a part of a certain component and a part of another component are allowed to overlap.
[圧縮機50の全体構成]
図1は本実施例の圧縮機50の縦断面図、図2は本実施例の圧縮機50の横断面図である。
圧縮機50は、ステータ5およびロータ6からなる電動要素30と、シリンダ1、ピストン4、コネクティングロッド2、クランクシャフト7からなる圧縮要素20とが密閉容器3内に収納された形をとる。圧縮要素20は電動要素30の上方に位置するよう構成されている。密閉容器3底部には潤滑油35が貯留されている。
[Overall configuration of compressor 50]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a
The
略円筒状のクランクシャフト7は、中空円筒状のラジアル軸受部1aを貫通して上下方向を軸方向とし、回転自由に設置されている。クランクシャフト7の回転軸から偏心した位置で、クランクシャフト7の上端にはクランクピン7aが接続されている。クランクピン7aに一端が接続し、他端がピストン4と接続したコネクティングロッド2が設けられており、これによりクランクピン7aが偏心回転運動するとピストン4が往復動する。クランクシャフト7の下部にはロータ6が設けられており、ロータ6が回転するとクランクシャフト7が回転し、クランクピン7aが偏心回転する。このような構造により、クランクシャフト7の回転に伴ってピストン4はシリンダ1内を往復運動することとなる。
The substantially
[クランクシャフト7]
図3は本実施例のクランクシャフト7の側面図である。クランクシャフト7は、軸方向中央側の小径部7i、軸方向上端側の上側軸支部7m、および軸方向下端側の下側軸支部7nを有する。小径部7iは、上側軸支部7mおよび下側軸支部7nよりも軸径が小さく形成されている。クランクシャフト7が回転してピストン4が往復動すると、ピストン4の流体への作用によってクランクシャフト7に対して径方向の力がはたらく。上側軸支部7mおよび下側軸支部7nはそれぞれ、ラジアル軸受部1aに好ましくは潤滑油35を介して接触し、この力を支える。一方、小径部7iはラジアル軸受部1aとの隙間が比較的大きくなるため、主に、上側軸支部7mと下側軸支部7nとを機械的に接続し、また、潤滑油35の流路としての作用を奏する。
[Crankshaft 7]
FIG. 3 is a side view of the
クランクシャフト7の外周には、下側軸支部7n、小径部7i、および上側軸支部7mにかけて、クランクシャフト7の回転時に、底部に貯留された潤滑油35を上方に汲み上げることが可能なスパイラル溝7dが設けられている。スパイラル溝7dは、クランクシャフト7の回転方向と反対方向に向かうにつれて上方に向かうよう傾斜したリード角を有している。
A spiral groove on the outer periphery of the
下側軸支部7n、小径部7i、および上側軸支部7mそれぞれとラジアル軸受部1aとの隙間には、圧縮機の運転中、スパイラル溝7dを通じて潤滑油35が導入される。小径部7iとラジアル軸受部1aとの隙間寸法は比較的大きく、大きな油膜圧力は発生しない。一方、下側軸支部7nや上側軸支部7mとラジアル軸受部1aとの隙間寸法は比較的小さく、比較的大きな油膜圧力が発生する。このため、クランクシャフト7に加わるラジアル方向の荷重は、上側軸支部7m、下側軸支部7nにて軸支される。
Lubricating
潤滑油35の種類にも依るが、概ね、上側軸支部7mおよび下側軸支部7nとラジアル軸受部1aの隙間を数μm〜数十μmにすることで、クランクシャフト7にラジアル荷重が加わると油膜圧力が発生するようにできる。
Although depending on the type of the lubricating
(平面カット部7p)
図4は本実施例の下側軸支部7nとその周囲の拡大模式図である。
(Plane cut
FIG. 4 is an enlarged schematic view of the lower
ラジアル軸受1aに対向する領域である下側軸支部7nには、断面円形の側周面を内径側に向けて凹ませた平面カット部7pが複数配されている。平面カット部7pは、上端が小径部7i側に連通しており、下端がラジアル軸受部1aの下端よりも上方に位置している。
A plurality of
平面カット部7pは、クランクシャフト7が回転したときに、潤滑油35が小径部7i側から平面カット部7pに導入される向きに設計されている。すなわち、クランクシャフト7の回転方向と反対方向に向かうにつれて下方向に向かうよう傾斜したリード角θを有して、平面カット部7pは設けられている。リード角θは、図4に例示するように、クランクシャフト7の周方向に延在する仮想の直線を基準(θ=0°)にして、平面カット部7pの端部との間で時計回りに成す角度であり、0°<θ≦90°にすることができる。
The
平面カット部7pは、例えば、下側軸支部7nに回転刃具を押付ける除去加工により形成される。平面カット部7pは略平面により構成されるが、加工冶具の精度によっては厳密な平面ではなく、ゆるやかな曲面にて構成され得る。
The
加工工程を考えた場合、平面カット部7pの除去形状は回転刃具の押付け量とリード角の2パラメータで決定される。平面カット部7pによる半径方向除去量と、平面カット部7pの弦長さの2つは互いに従属関係にあり、回転刃具押付け量で決定される。一方、後述する比較例のような溝7qは、溝部の深さ、溝幅、リード角の3パラメータで決定され、加工時における回転刃具の制御すべきパラメータが1つ多い。こうした生産加工性の観点においては、後述する比較例よりも本実施例の平面カット部7pの構造の方が加工が簡易であるといえる。
Considering the machining process, the removal shape of the
[潤滑]
相対運動する2固体の間に潤滑油35を供給して潤滑および支持する場合、この相対運動に起因して潤滑油35が運動することで圧力が高まり、2固体の接触を抑制することができる。本明細書では、これに関して特に、「緩やかなくさび効果」と「急峻なくさび効果」とに注目した。
[Lubrication]
When lubricating
(緩やかなくさび効果)
運動する潤滑油35の流路断面積が減少していき、流路断面積が略0に近付くと、潤滑油35が圧縮されていき大きな圧力(油膜圧力)が発生する(くさび効果)。くさび効果は、例えば、中空円筒状の固定面と、この中空領域に収められた滑らかな円柱状の回転面と、これらの間に配された潤滑油とから成る系を考えると、回転面が固定面から偏心して、回転面と固定面との隙間が次第に狭くなっていく際に生じる。本実施例や比較例のように、回転面(クランクシャフト7)の側周面に凹部を設けた場合であっても、クランクシャフト7の基本的な形状は円柱状であるから、凹部の影響により弱められるものの或る程度のくさび効果は生じると考えられる。この円柱状の回転面と,中空円筒状の固定面とで形成されるくさび効果を本明細書では「緩やかなくさび効果」と呼ぶこととする。これは、回転面と固定面との隙間が緩やかに狭くなることで、比較的広い範囲に油膜圧力が発生するために名付けたものである。
(Slow wedge effect)
When the flow passage cross-sectional area of the moving lubricating
なお、「緩やかなくさび効果」は、回転面(クランクシャフト7)が大きく偏心した状態で大きな効果を発揮する。これは、大きく回転面が偏心するほど、流路断面積の減少具合が大きくなるためである。したがって、高負荷時(ピストン4の圧縮による仕事量が大きく、クランクシャフト7を偏心させようとする力が大きいこと。)ほどそのくさび効果は大きくなる。
The “gradual wedge effect” exhibits a great effect when the rotating surface (crankshaft 7) is greatly decentered. This is because the degree of decrease in the cross-sectional area of the flow path increases as the rotational surface becomes more eccentric. Therefore, the wedge effect increases as the load increases (the amount of work due to compression of the
(急峻なくさび効果)
運動する潤滑油35の流路断面積が急峻に減少すると、前述したくさび効果によって、大きな油膜圧力が発生する。本明細書では、流路断面積の減少が急峻である点に鑑み、緩やかなくさび効果と区別し、「急峻なくさび効果」と呼ぶこととする。本実施例や比較例のように、回転面(クランクシャフト7)の側周面に凹部を設けた場合、凹部内の潤滑油35が非凹部に流入する箇所が、流路断面積が急峻に減少する場所であり、「急峻なくさび効果」が発生する場所となる。「急峻なくさび効果」に起因する圧力は、流路断面積が急峻に減少する場所周辺の比較的狭い範囲に発生する。
(Steep and rust effect)
When the flow passage cross-sectional area of the moving lubricating
[平面カット部7pによる潤滑の詳細]
後述するように、ステップ状の段差では「急峻なくさび効果」が支配的となり、「緩やかなくさび効果」が減少してしまうが、本実施例の平面カット部7pによれば、流路断面積の滑らかな減少性を維持する空間により、「緩やかなくさび効果」と「急峻なくさび効果」を両立することができる。すなわち、本実施例のような平面カット部7pによれば、バランスに優れた性能を実現できる。
[Details of lubrication by
As will be described later, the “steep wedge effect” becomes dominant at the stepped step and the “gradual wedge effect” is reduced. However, according to the
図5は本実施例のクランクシャフト7の軸断面図(図4のA−A断面視をとり、一の平面カット部7pに注目したもの。但しラジアル軸受部1aは不図示)、図6は図4のA−A断面視をとり、ラジアル軸受部1aとこれに対向する平面カット部7pを示したものである。本実施例の平面カット部7pの表現の仕方は複数考え得るが、例えば次のような説明が可能である。
平面カット部7pは略平面で構成されており、図5に破線で示すような未加工の領域(平面カット部7pの加工前の領域)との接続箇所(接稜線7rと呼ぶ。)2つに稜線(クランクシャフト7の軸断面視で、頂点となる部位をいう。)を持つが、他に持たない。すなわち、一の平面カット部7pに対して、稜線が2つのみ存在する。なお、平面カット部7pの加工が軸方向に沿って行われた場合(リード角θが90°の場合)、稜線は、クランクシャフト7の軸方向に沿って延在することになる。また、平面カット部7pでないカット(例えば後述する比較例のような溝構造7q)の場合、上記の2つの接稜線7r以外の稜線が生じる。この稜線には、横断面視で180°超となるものが少なくとも含まれる(比較例である図7のφ3,φ4参照。「カット後に残存するクランクシャフト部分の角度φ3,φ4」が180°超となっている)。
FIG. 5 is an axial sectional view of the
The plane cut
下側軸支部7nの側周面に、平面カット部7pのみを加工したとすると、横断面視(図4のA−A断面視)の形状は、略凸図形(下側軸支部7n内にとった任意の2点を結ぶ線分は、下側軸支部7n内に存する。)となっている。
If only the plane cut
平面カット部7pは、横断面視で、略直線(加工冶具の精度によってはゆるやかな曲線)である。
The plane cut
(平面カット部7pにおける油膜圧力)
図6に例示するように、クランクシャフト7とラジアル軸受部1aとの間に位置する径方向の隙間7sは、平面カット部7pが配された領域で比較的大きく、それ以外の領域(下側軸支部7nのうち平面カット部7pを除いた部分。)で比較的小さくなる。また、ラジアル軸受部1aが中空円筒形状で、未加工のクランクシャフト7がラジアル軸受部1aの中空部分に配された円筒形状であり、被加工部としての平面カット部7pがA−A断面視略直線状であることから、平面カット部7pのうち中央側の方が隙間7sの寸法が大きく、接稜線7r側の方が隙間7sの寸法が小さい。
(Oil film pressure at the
As illustrated in FIG. 6, the
そして、クランクシャフト7が回転方向に回転すると、隙間7sに存在する潤滑油35は、クランクシャフト7の回転速度よりも小さい速度で回転方向へ移動することで、図6の矢印で例示するように、クランクシャフト7表面から観察した場合に反回転方向へ移動する。すなわち、平面カット部7pの幅方向に沿って反回転方向(図6中、右方向)へと力を受ける。すると、接稜線7r(角度φ1側)に近付くにつれて徐々に隙間寸法が小さくなる(流路断面積が減少する)ため、流れが滞ることで潤滑油35の圧力(油膜圧力)が高まる。この現象については、前述した「緩やかなくさび効果」に近いものの、流路断面積の減少具合は平面カット部7pがない場合よりも急峻であるため、「急峻なくさび効果」も含まれる。
When the
また、平面カット部7pはリード角θを持っているため、クランクシャフト7が回転すると、潤滑油35は、回転面であるクランクシャフト7との摩擦力(粘性力)によって軸方向(図6中、紙面直交方向)へと力を受ける。上述の回転方向の力と併せて結果として平面カット部7pの延在方向に沿った力(図4参照)を受けることになるから、潤滑油35の供給量を増加させやすい。
Further, since the
また、図4に例示するように平面カット部7pの下端はラジアル軸受部1aの下端より上方に位置しているから、潤滑油35が実線矢印の方向に流れて平面カット部7pの下端に到達すると、平面カット部7pが終端となることで隙間7sが急激に狭まる。こうして流れが滞ることで潤滑油35の圧力(油膜圧力)が高まる。この圧力の増加は、上述の「急峻なくさび効果」に相当する。
Further, as illustrated in FIG. 4, since the lower end of the
(リード角θの好適な範囲)
平面カット部7pのリード角θは大きくなるにつれて、平面カット流路7s内に潤滑油35を導入しにくくなるため、平面カット部7pの終端部における「急峻なくさび効果」が低下する。
一方、リード角θを小さくすると、平面カット部7pの周方向幅が広くなり、下側軸支部7n表面上に占める平面カット部7pの割合が増大する。平面カット部7pの割合が大きすぎると、下側軸支部7nで発生する(未加工の)「緩やかなくさび効果」の影響が非常に小さなものとなり、負荷増大によりクランクシャフト7がラジアル軸受1aに近付いても(ピストン4の圧縮による仕事量が大きく、クランクシャフト7を偏心させようとする力が大きくなっても)くさび効果の効果が小さいことから十分な圧力が発生せず、油膜破断する虞が増す。
(Suitable range of lead angle θ)
As the lead angle θ of the
On the other hand, when the lead angle θ is reduced, the circumferential width of the
そのため、「急峻なくさび効果」と「緩やかなくさび効果」のバランスの観点からは、リード角は20°以上60°以下の範囲に設定することが望ましい。 Therefore, from the viewpoint of the balance between the “steep wedge effect” and the “slow wedge effect”, it is desirable to set the lead angle in the range of 20 ° to 60 °.
(カット量の好適な範囲)
また、平面カット部7pについて、クランクシャフト7の側周面表面からのカット量(図5参照。クランクシャフト7の中心を通る仮想の直線Cについて、「未加工時の側周面(破線)との交点」から「平面カット部7pとの交点」までの距離。)が長すぎると、平面カット部7pの周方向幅が広くなり、リード角が浅い場合と同様の理由で好ましくない。一方、カット量が浅いと隙間7sの寸法が狭くなり、摩擦損失低減効果が小さいし潤滑油35が不足しやすくなる。したがって、カット量は5μm以上25μm以下の範囲に設定することが望ましい。
(Suitable range of cut amount)
Further, regarding the
[比較例]
図7は比較例のクランクシャフト7’の軸断面図、図8は図7にラジアル軸受1aを追記したものである。
比較例の溝構造7qは、加工冶具(回転刃具)における2面(刃具先端と刃具側面)以上を用いた除去加工により形成される。よって溝構造7qは、2面以上の略平面で構成されることとなる。例えば三角形断面の溝の場合、除去加工により形成される面は2面であり、図7に例示するような矩形断面の溝7qの場合、除去加工により形成される面は3面となる。よって必然的に溝構造は複数の面で構成されるため、3つ以上の稜線をもつこととなる。
比較例のような溝構造7qによる潤滑は、比較的狭い範囲に油膜圧力を発生させることができる「急峻なくさび効果」が支配的となる。一方「緩やかなくさび効果」は、徐々に軸受隙間が狭まる構造で発生することを考えると、溝構造7q内で「緩やかなくさび効果」は発生しにくい。これは溝構造7q内はほぼ一定溝深さであり、軸受隙間が広いため、流路断面積の減少具合が非常に小さいからである。そのため、溝構造7qを多く設けるほど、「急峻なくさび効果」が増すが、「緩やかなくさび効果」は低下することとなる。
[Comparative example]
FIG. 7 is an axial sectional view of a
The
The lubrication by the
(実施例と比較例との対比)
図9は本実施例のクランクシャフト7において発生する摺動損失と、比較例のクランクシャフト7’において発生する摺動損失とを比較したグラフを示す図である。縦軸が摺動損失であり、下側軸支部7nの表面に加工を施さないときの損失を1としている。横軸がクランクシャフト7に加えた負荷荷重を示す。
(Contrast between Example and Comparative Example)
FIG. 9 is a graph showing a comparison between the sliding loss that occurs in the
両者を比較すると、概略、溝構造7qの仕様は低負荷領域では摺動損失の低減が実現しているが、高負荷領域では摺動損失が悪化することがわかる。一方、平面カット部7pの仕様は広い負荷領域で摺動損失の低減が実現していることがわかる。このような傾向が得られる理由について説明する。
Comparing the two, it can be seen that, in general, the specification of the
上述のように、「緩やかなくさび効果」はクランクシャフト7が大きく偏心した状態で大きな効果を発揮するため、負荷荷重が大きくなるほど「緩やかなくさび効果」は大きくなる。この効果から、高負荷条件において、実施例の方が比較例よりも発生する油膜圧力が高く、軸受負荷能力が大きいものとなる。これは、実施例においては「緩やかなくさび効果」と「急峻なくさび効果」が両立できる構造であるのに対して、比較例では、前述の通り比較的広い範囲に圧力を発生することができる「緩やかなくさび効果」が発生しにくい構造であり、高負荷条件での軸受負荷能力が低いためである。
As described above, since the “gradual wedge effect” exhibits a large effect when the
すると高負荷条件においては実施例の方が比較例よりも下側軸支部7nの油膜厚さを厚くすることができるため、摩擦損失を低く抑えることができ、信頼性の観点からも優れたものにすることができる。
Then, in the high load condition, since the oil film thickness of the lower
[上側軸支部7m]
図10は本実施例のクランクシャフト7の上側軸支部7m付近の模式図、図11は本実施例のクランクシャフト7がラジアル軸受部1a内で大きく傾斜したときの模式図である。上側軸支部7mの断面形状はスパイラル溝7d部を除いて円形であるが、その直径はラジアル軸受1aの上端付近で細くなっており、上側軸支部7mの下端と上端とで、断面直径は数μm〜数十μmの差があるよう構成されている。すなわち、側面図でみたときにクランクシャフト7の上側軸支部7mには、上側軸支部傾斜領域7tが存在する。
[Upper shaft support 7m]
FIG. 10 is a schematic view of the
本実施例のように下側軸支部7nの表面に平面カット部7pを設けた場合、発生する「緩やかなくさび効果」が、未加工時に比して小さい。そのため、大きな負荷がクランクシャフト7に加わると、クランクシャフト7の軸傾斜量が大きくなる場合がある。このとき、クランクシャフト7の負荷が大きく、回転速度が小さいような条件下においては上側軸支部7mとラジアル軸受部1a上端部とが接触しやすくなり、摩擦損失増大の要因となる虞が生じる。
When the plane cut
本実施例においては、上側軸支部7mに上側軸支部傾斜領域7tが存在するため、上側軸支部7mとラジアル軸受部1a上端部との接触を効果的に回避することができる。クランクシャフト7が軸傾斜した場合、傾斜方向側において、上側軸支部傾斜領域7tとラジアル軸受部1aとが略平行になるため、ラジアル軸受部1a上端部エッジが上側軸支部7mに接触し難い構造となっており、高負荷時においても摩擦損失が低いクランクシャフトを実現することができる。
In the present embodiment, since the upper shaft support portion inclined
以上の通り本実施例によれば、加工が容易であり、摩擦損失が低く、信頼性の高い密閉型圧縮機を提供することが可能となる。なお、平面カット部7pを上側軸支部7mに設け、上側軸支部傾斜領域7tを下側軸支部7nに設けても良い。
本実施例の圧縮機は、冷蔵庫その他の機器に適用可能である。
As described above, according to the present embodiment, it is possible to provide a hermetic compressor that is easy to process, has low friction loss, and high reliability. The
The compressor of a present Example is applicable to a refrigerator and other apparatuses.
1 ・・・シリンダ
2 ・・・コネクティングロッド
3 ・・・密閉容器
4 ・・・ピストン
5 ・・・ステータ
6 ・・・ロータ
7 ・・・クランクシャフト
1a・・・ラジアル軸受部
7i・・・小径部
7m・・・上側軸支部
7n・・・下側軸支部
7p・・・平面カット部
7d・・・スパイラル溝
20・・・圧縮要素
30・・・電動要素
35・・・潤滑油
50・・・圧縮機
7q・・・溝構造
DESCRIPTION OF
Claims (8)
該クランクシャフトを軸支する中空円筒形状のラジアル軸受と、
前記クランクシャフト及び前記ラジアル軸受の間の隙間に供給される潤滑油と、
前記クランクシャフトのうち前記ラジアル軸受に対向する領域に設けた平面カット部と、を有する圧縮機。 A rotatable, substantially cylindrical crankshaft;
A hollow cylindrical radial bearing that pivotally supports the crankshaft;
Lubricating oil supplied to the gap between the crankshaft and the radial bearing;
A compressor having a flat cut portion provided in a region of the crankshaft facing the radial bearing.
前記上側軸支部及び前記下側軸支部の一方に前記平面カット部を有し、
前記上側軸支部及び前記下側軸支部の他方は、前記ラジアル軸受の端部近傍が位置する高さの径が、該高さより前記上側軸支部及び前記下側軸支部の他方の中央側端部の径に比して小さい軸支部傾斜領域を有することを特徴とする請求項1乃至6何れか一項に記載の圧縮機。 The crankshaft is pivotally supported by the radial bearing at an upper pivotal support and a lower pivotal support,
One of the upper shaft support portion and the lower shaft support portion has the flat cut portion,
The other of the upper shaft support portion and the lower shaft support portion has a diameter of a height at which the vicinity of the end portion of the radial bearing is located, and the other central side end portion of the upper shaft support portion and the lower shaft support portion from the height. The compressor according to any one of claims 1 to 6, further comprising a shaft support portion inclined region smaller than the diameter of the shaft support portion.
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