JP2020033913A - 圧縮機およびこれを用いた機器 - Google Patents

Abstract

【課題】ピストンとシリンダ間の摩擦損失低減と信頼性確保を両立する。【解決手段】シリンダと、シリンダ内を前後方向に往復動するピストンと、を有し、ピストンは、シリンダ内周と摺動可能なピストン摺動面を上死点側に有し、ピストン摺動面より径寸法が小さいピストン小径部を下死点側に有し、シリンダの内周の下死点側に凹部を有する圧縮機。【選択図】 図５

Description

本発明は、圧縮機およびこれを用いた機器に関する。

特許文献１は、ピストンの質量や摩擦を抑制するために、下死点側に広く凹部７を有するピストンを開示している（００１４、図２，４）。

特表２００４−５０１３２０号公報

ピストンは、ピストン側面とシリンダ内周との間に供給される潤滑油を介在にした油膜圧力で支持されるところ、特許文献１のように下死点側を凹ませたピストンを採用しようとすると、これらの間の距離が増大するため、下死点側では油膜圧力による支持を行い難くなる。すると、ピストンは、側面視で時計回り又は反時計回りの回転モーメントを受けて回転しようとする力の影響が大きくなってくる。このため、ピストンの上死点側の上面側又は下面側と、下死点側の下面側又は上面側とがシリンダに接触しやすくなる。このうち、上死点側は比較的油膜圧力による保護が効くが、下死点側は上述の通り油膜が生じにくいため、下死点側の支持を検討する必要がある。しかし、特許文献１はそのような検討は何ら開示していない。

上記事情に鑑みてなされた本発明は、
シリンダと、
該シリンダ内を前後方向に往復動するピストンと、を有し、
前記ピストンは、
前記シリンダ内周と摺動可能なピストン摺動面を上死点側に有し、
前記ピストン摺動面より径寸法が小さいピストン小径部を下死点側に有し、
前記シリンダの内周の下死点側に凹部を有する圧縮機である。

実施例１の圧縮機の縦断面図 実施例１のピストンの側面図 実施例１のシリンダの、図１におけるＡ−Ａ断面図 実施例１の下死点状態でのシリンダとピストンの側面断面図 実施例１の下死点状態でのシリンダとピストンの後方図 実施例１のシリンダの、下死点側上方から上死点側下方を見た斜視図 実施例１のシリンダの摺動部と非摺動部との境界概略図 比較例１の下死点状態でのシリンダとピストンの側面断面図 比較例１の下死点状態でのシリンダとピストンの後方図 比較例２の下死点状態でのシリンダとピストンの断面図

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。

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。

図１は本実施例の圧縮機５０の縦断面図である。説明の便利のため、重力加速度方向を下方向、ピストンの往復動方向のうち上死点側を前方向、下死点側を後方向、とする。

［圧縮機５０］
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、ピストン４に下死点側で接続する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。

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が構成されている。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。

［ピストン４］
図２は本実施例におけるピストン４の概略側面図である。ピストン４は、ピストンピン９が挿入されたピストンピン型であり、ピストンピン９の挿入穴としてのピストンピン穴４aと、ピストンピン穴４ａの一部又は全部より上死点側に位置しシリンダ１壁面と摺動可能なピストン摺動面４ｄと、ピストンピン穴４ａの一部より下死点側に位置しピストン摺動面４ｄより径寸法が小さいピストン小径部４ｃとを有する。ピストン摺動面４ｄの例えば前後方向中央側には、周方向に好ましくは１周分に亘るピストン油溝４ｂを設けている。

ピストン摺動面４ｄはシリンダ１の内周面と摺動する円筒面である。ピストン小径部４ｃは、ピストン摺動面４ｄの外径よりも小さく、ピストン小径部４ｃとシリンダ１の内周面との接触が少なくとも通常は生じないようにされている。また、ピストンピン９が嵌装された場合、ピストンピン９の上端及び下端はそれぞれ、ピストン小径部４ｃより内側に位置する。

［シリンダ１の壁面］
図３は本実施例のシリンダ１の縦断面略図であり、図１にて示すＡ-Ａ断面である。シリンダ１は、ピストン４の外径よりやや大きい径寸法で、ピストン４の前後寸法より長い前後長さの筒状空間を、下死点側を除き囲んでいる。この下死点側からピストンが挿入されて往復動可能である。シリンダ１の下死点側の端部には、ピストン摺動面４ｄと非接触（非摺動）となる上側凹部８aと下側凹部８bが、相対する向きで形成されている。本実施例の上側凹部８aはシリンダ１上壁面を貫通しており、下側凹部８ｂはシリンダ１下壁面を貫通しない凹部である。凹部８ａ，８ｂはそれぞれ、これらとシリンダ内周面との境界としての縁を凹部８ａ，８ｂに含む構成要素である。

上側凹部８ａを介しては、公知の構成により潤滑油がピストン４とシリンダ１との間に供給される。下側凹部８ｂは、後述する左右幅を有して設けられており、ピストン４が２点接触しやすいようになっている。

なお、ピストン４にピストンピン９とコネクティングロッド２を組付ける工程では、ピストンピン９を上側凹部８aの切欠き部分を通すことで組立てやすい。

［ピストン４の側面視における時計／反時計まわりの回転モーメント］
図４は本実施例におけるピストン４とシリンダ１の下死点における前後方向断面の図３におけるＢ−Ｂ位置の側面概略図であり、図５は図４の状態での後方図である。
ピストン４の前後方向視の径はシリンダ１内周面の外径に比してやや小さく、潤滑油が供給される隙間を介してシリンダ１内周面に対向する。この隙間に起因してピストン４は揺動し得るが、往復動に伴い発生する油膜圧力で支持されている。しかし本実施例のピストン４は下死点側の径寸法が小さいため、上死点側と下死点側とで油膜による支持を均等にし難い。したがって、本実施例では、ピストン４が側面視で時計回り又は反時計回りに回転しやすく、ピストン４の上面や下面がシリンダ１内周面に点接触する虞がある。

このような揺動の原因としては、ピストンピン９を介してコネクティングロッド２からピストン４が受ける上死点方向への駆動力と、シリンダ室内の圧縮ガスの圧力から受ける下死点方向への力の方向ベクトルの軸ずれが挙げられる。これら２つの力の方向ベクトルが同一軸上に存在しない場合には、ピストン４には回転モーメントが発生する。２つの方向ベクトルが一致するように設計製造することが好ましいものの、圧縮機部品の組み立て工程の都合上、各部品間には所定の隙間が設定されており、それらには加工公差が存在する。よって、実際の製品においてはピストン４には回転モーメントが発生し得る。

本発明者の検討の結果、回転モーメントの発生方向は、図４のような側面視で時計回り、すなわち、ピストン４の上面の上死点側と下面の下死点側とがシリンダ１に接触する方向であることが判明した。これは、ピストンピン９にコネクティングロッド２を嵌装するとコネクティングロッド２は自重によって下方向に力を受けるため、公差を想定した設計では設計位置よりも下方にずれてしまう一方、圧力による力が作用する位置は予めの設計で比較的高精度に予測できるためである。すると、ピストン４の重心周りの回転モーメントは、コネクティングロッド２による上死点方向への力が重心より下側に作用しやすくなる一方、ガス圧はピストン４の頂面に均一に作用する結果、例えば頂面の中心一点への作用と等価になるので、時計回りのモーメントが発生しやすくなる。

よって本実施例のピストン４には、図４に例示するように、上死点側ではピストン摺動面４ｄの上面を、下死点側ではピストン摺動面４ｄの下面又はピストン小径部４ｃの下面をシリンダ１に接触させるような回転モーメントが加わりやすい。このとき、ピストン４の上下での接触点数がそれぞれ１点の場合、ピストン４はピストンピン穴４ａの軸まわりのモーメントをうけると、上下２接触点を結ぶ軸まわりに揺動しようとする。すると、ピストン４に加わる外力に応じてピストン４がシリンダ１壁面に衝突し続けることになり、圧縮機の信頼性が低下する。本実施例では、ピストン４をシリンダ１内に安定的に保持するために、図５に例示するように、下面での支持を２点以上の接触で行えるように構成した。

例えばピストン４とシリンダ１の接触点を合計３点確保し、その３点を図５のように下死点方向から上死点方向にみたときに正三角形とすることが力学的に好ましい。好適には、下面での支持点２点間距離は、ピストン半径の約１．７倍（１．３倍以上、好ましくは１．６倍又は１．６５倍以上。また、２．０倍未満、好ましくは１．８倍又は１．７５倍以下。）となる。この２点間距離が狭すぎる場合、下面との接触点数が１点のときと同様、ピストン４は力学的に不安定な保持状態となり、圧縮機の信頼性が低下する虞が生じる。

［前後方向視における回転モーメント］
ピストン４が上死点近傍に位置する時は、シリンダ室内外の圧力差が大きいために、ピストン４はシリンダ１壁面に強く押されて拘束状態にある。このとき、ピストン４の軸とシリンダ１の軸は略平行となっている。一方、ピストン４が下死点近傍に位置する時は、シリンダ室内外の圧力差が小さく、ピストン４の拘束力が小さい。このため、ピストン４が下死点近傍に位置する時は、わずかな外力のアンバランスによってピストン４の軸とシリンダ１の軸は略平行状態から崩れ、ピストン４とシリンダ１とが点接触を起こしやすい状態にあるといえる。さらに、下死点近傍ではシリンダ１とピストン４とのかかり代が小さいため、力学的に不安定である。力学的不安定な状態下では、ピストン４はシリンダ１壁面に何度も衝突する虞があり、摩擦損失や信頼性の観点から好ましくない。

このため、下死点におけるピストン４のシリンダ１に対する接触関係を改善することが最も好ましい。本実施例では、下死点におけるピストン４の上死点側の側面がシリンダ１内周面に接触（例えば点接触）した場合、下死点側の側面が下側凹部８ｂの縁に接触するようにされている。下側凹部８ｂの幅をピストン４の左右寸法より小さくし、かつ、ピストン４の左右方向の中心を含んだ範囲に設けることで、少なくとも縁の左側と右側それぞれ１ヶ所ずつがピストン４に接触可能である。通常、ピストン４の上死点側では左右寸法の中心近傍がシリンダ１に接触するので、上死点側の接触位置を挟んで左側と右側それぞれを下死点側で支持できる。したがって、少なくとも３点での接触が生じるため、左右方向の回転モーメント（ピストンピン穴４ａの軸まわりのモーメント）を支持することができる。

このように本実施例では、往復動方向視略円形のピストン４の下面がシリンダ１壁面に接触する位置は、下側凹部８ｂの幅によって調整できる。本実施例では、シリンダ壁面下部とピストン４とが接触する２点間距離（接触間隔）がピストン半径（ピストン摺動面４ｄにおける半径寸法）の２倍（すなわち、直径）未満、好ましくは１．３倍から１．７倍の間程度となるように設定されており、ピストンピン穴４ａの穴径はシリンダ壁面下部とピストン４とが接触する２点間距離（接触間隔）よりも小さく設定されている。この時、ピストン４はシリンダ１と３点で接触でき、かつシリンダ壁面下部とピストン４とが接触する２点間距離（接触間隔）を比較的広くできる。このため、下死点近傍においてもピストン４がシリンダ１内に安定的に保持され、ピストン４がシリンダ１壁面と何度も衝突することを抑制できる。

なお、上下方向に嵌装されたピストンピン９によってピストン４を拘束することで、左右方向への揺動（前後方向視での時計回り又は反時計回り）を抑えることができる。

図６は本実施例のシリンダ１の下死点側の斜視図である。シリンダ１は、下死点側端部位置に、前後方向に直交する端面１ｚを有し、端面１ｚの中央側に、前後方向に延在する円筒状の空間が設けられている。この空間にピストン４が挿入される。

上側凹部８ａ、下側凹部８ｂそれぞれは、端面１ｚの一部を切り欠いた上で前方向に延在するように設けられている。上側凹部８ａ、下側凹部８ｂそれぞれとシリンダ内周面との境界となる縁は、シリンダ内周面の範囲で左右方向に略凸となっている。本実施例では、上面視において上側凹部８aは上死点側に凸の略弧状であり、下側凹部８bは略円形（シリンダ内周面の範囲では略半円）である。また、それぞれの縁は、シリンダ１内周面と滑らかにつながっている。凹部８ａ，８ｂそれぞれを円状又は弧状にする場合、それらの曲率半径は略同一であることが好ましい。

また、下側凹部８ｂは、前方向に凸となっている。これにより縁が左側と右側に形成されるため、少なくとも２点での接触が容易になる。

ここで、シリンダ１とピストン４との摺動面への潤滑油の供給について考える。図７は本実施例のシリンダ１内周面の非摺動部（凹部８ａ，８ｂ）と摺動部（シリンダ内周面）との境界の概略を示す図である。図中、黒線矢印が摺動方向であり、白抜き矢印が油の流れ方向である。潤滑油は非摺動部を介して降りかかる又は非摺動部に貯留されるため、潤滑油の流れの向きは非摺動部から摺動部へと向かう方向となる。このためピストン４の摺動による引き込みによって、潤滑油が摺動部へと導入される。本実施例のように左右方向に凸な縁であると、摺動に伴って多くの潤滑油が摺動部に移行できるため、潤滑性を向上できる。
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。

［比較例１］
図８は、ピストン４のピストン小径部４ｃと、シリンダ１の下側凹部８ｂとが設けられていない比較例１のピストン４とシリンダ１の下死点における縦断面概略図を示す。図９は下死点方向から見た比較例１の下死点における概略図である。なお、図８および図９ではシリンダ１とピストン４以外の部品は非表示としている。

比較例１では、下面側の接触が１点接触となりやすい。ピストン４はピストンピン穴４aの軸まわりのモーメントをうけると、上下２接触点を結ぶ軸まわりに揺動しようとする。本比較例ではその揺動を支持する３つめの接触点がないので左右方向の回転によってピストン４とシリンダ１とが接触を繰り返し、信頼性が低下する。

［比較例２］
図１０は、ピストン小径部４ｃが前後方向中央側のみに設けられ、下側凹部８ｂがない比較例２の縦断面概略図である。下死点側にもピストン摺動面４ｄが形成されることとなるので、シリンダ壁面端部と下死点側のピストン摺動面４ｄとが１点接触となりやすい。したがって、ピストン小径部４ｃは、実施例１のように、下死点においてピストン４がシリンダ１から露出する範囲全体を含むことが好ましい。

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
９ ・・・ピストンピン
１ａ・・・ラジアル軸受部
４ａ・・・ピストンピン穴
４ｂ・・・ピストン油溝
４ｃ・・・ピストン小径部
４ｄ・・・ピストン摺動部
４e・・・コネクティングロッド挿入穴
７a・・・クランクピン
８a・・・上側凹部
８ｂ・・・下側凹部
２０・・・圧縮要素
３０・・・電動要素
３５・・・潤滑油
５０・・・圧縮機

Claims (10)

1. シリンダと、
   該シリンダ内を前後方向に往復動するピストンと、を有し、
   前記ピストンは、
   前記シリンダ内周と摺動可能なピストン摺動面を上死点側に有し、
   前記ピストン摺動面より径寸法が小さいピストン小径部を下死点側に有し、
   前記シリンダの内周の下死点側に凹部を有する圧縮機。
2. 前記ピストンの側面視で、前記ピストンに時計回り又は反時計回りの回転モーメントが作用した場合、
   前記ピストンの前後方向視で、
   前記ピストン摺動面の上側又は下側の一方の上死点側が少なくとも１箇所で前記シリンダと略接触し、
   該略接触する点の個数よりも多い箇所で、上側又は下側の他方の下死点側が、前記凹部の縁と略接触することを特徴とする請求項１に記載の圧縮機。
3. 前記ピストンの側面視で前記ピストンに時計回り又は反時計回りの回転モーメントが作用した場合、
   前記ピストンの前後方向視で、
   前記ピストンの上側又は下側の一方が、少なくとも１箇所で前記シリンダに略接触し、
   前記ピストンの上側又は下側の他方が、該１箇所に対して左側及び右側それぞれ少なくとも１箇所ずつで前記凹部の縁に略接触することを特徴とする請求項１に記載の圧縮機。
4. 前記凹部の左右方向の最大幅は、前記ピストンの半径超であることを特徴とする請求項１乃至３何れか一項に記載の圧縮機。
5. 前記凹部の左右方向の最大幅は、前記ピストンの半径の１．８倍未満であることを特徴とする請求項１乃至４何れか一項に記載の圧縮機。
6. 前記凹部の縁の形状は、左右方向いずれかに凸であることを特徴とする請求項１乃至５何れか一項に記載の圧縮機。
7. 前記凹部の縁の形状は、前方向に凸であることを特徴とする請求項１乃至５何れか一項に記載の圧縮機。
8. 前記凹部は、前記シリンダの下死点側端部に位置し、前後方向に直交する端面を切り欠く領域に位置することを特徴とする請求項１乃至７何れか一項に記載の圧縮機。
9. 前記凹部に対向する凹部を有し、該２つの凹部の曲率半径は略同一であることを特徴とする請求項１乃至８何れか一項に記載の圧縮機。
10. 請求項１乃至９何れか一項に記載の圧縮機を備える機器。

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