JP4021668B2 - レシプロ式密閉型電動圧縮機 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷凍サイクルに用いられ、自然冷媒であるイソブタン（Ｒ６００ａ）を圧縮対象流体とするレシプロ式密閉型電動圧縮機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
たとえば冷蔵庫などでは、冷凍サイクルを構成する圧縮機として、レシプロ式密閉型電動圧縮機が多用される。さらに、この種の圧縮機において、主軸に一体に設けられるクランクピンと、シリンダ内に収容されるピストンとを連結する手段の一つに、ボールジョイント機構部がある。
【０００３】
このボールジョイント機構部は、主軸のクランクピンに回動自在に嵌め込まれる大径部にコンロッドの一端部が連結され、コンロッドの他端部はピストン内部に延在される。コンロッドの他端部にはボールが一体的に設けられ、上記ピストンに設けられるボール受け座によって摺動自在に抱持されてなる。
【０００４】
上記主軸が回転駆動され、クランクピンが偏心回転運動するのにともないコンロッドがボールジョイント機構部を支点としとして揺動運動をなす。したがって、ピストンはシリンダ内において往復運動をなし、冷媒ガスの吸入と圧縮および吐出を繰り返す。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、たとえば冷蔵庫用の冷凍サイクルに用いられる冷媒は、一般的に、ＨＦＣ冷媒であるＲ１３４ａが用いられている。このＲ１３４ａを用いることにより、従来から用いられる冷媒（Ｒ１２）の欠点であるオゾン層破壊の懸念が解消され、地球環境保護の点で極めて有効となっている。
【０００６】
なお、冷媒として、オゾン層破壊係数の他に、温暖化係数が求められている。Ｒ１３４ａの場合、オゾン層破壊係数が”０”であるのに対して、温暖化係数がある程度存在している。そのため、全ての冷凍サイクル機器がＲ１３４ａを使用している限り、近い将来、地球温暖化に対し影響を与える虞れがある。
【０００７】
一方、オゾン層破壊係数および温暖化係数が極く低い値の自然冷媒として、イソブタン（Ｒ６００ａ）が知られている。この種の冷媒を用いることにより、オゾン層破壊と地球温暖化の防止をほとんど両立させることができ、極めて理想的である。
【０００８】
しかしながら、現状は、Ｒ１３４ａに適応する冷凍サイクル構成部品の開発の途中期であって、イソブタン（Ｒ６００ａ）冷媒に適応する構成部品についてはほとんど未着手となっている。そこで、本出願人においては、他に先駆けて、使用冷媒の交代によって影響が最も顕著に現れる圧縮機に注目した。
【０００９】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、オゾン層破壊防止に有効であるばかりでなく、地球温暖化への影響の少ない冷媒：イソブタン（Ｒ６００ａ）を用いた冷凍サイクルに適用でき、信頼性の向上を図ったレシプロ式密閉型電動圧縮機を提供しようとするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を満足するため本発明は、主軸に一体のクランクピンからコンロッドを延在し、このコンロッドとシリンダ内に収容されるピストンとをボールジョイント機構部を介して連結するレシプロ式密閉型電動圧縮機において、ボールジョイント機構部は、コンロッドの端部に一体的に設けられるボールと、ピストンに設けられボールを摺動自在に抱持するボール受け座とからなり、圧縮対象流体を冷媒：イソブタン（Ｒ６００ａ）としたうえで、ボールジョイント機構部の平均速度Ｖと、圧縮行程時にボールジョイント機構部に作用する荷重Ｆとの関係を、Ｖ×Ｆ ＜ ２００（Ｎ・ｍ／ｓ）に設定した。
【００１１】
さらに、ボールジョイント機構部を構成するボールの直径ｄを、１４．５（ｍｍ）以下に設定した。
さらに、クランクピンの偏心回転運動にともなうコンロッドの揺動運動において、コンロッドの揺動角を、５４°以下に設定した。
さらに、主軸の回転数を、１０５（ｒｐｓ）以下に設定した。
さらに、ボール受け座に対して、窒化処理およびリン酸マンガン処理の両方、もしくは、いずれか一方の処理を施した。
さらに、ボールの素材として、クロム（Ｃｒ）を０．５〜２．０％含む高炭素クロム鋼材を採用した。
さらに、ボールとボール受け座との間に、ＰＴＦＥ，ＰＦＡなどの熱可塑性樹脂材からなるバッファリングを介設した。
以上の課題を解決する手段を採用することにより、冷媒：イソブタン（Ｒ６００ａ）圧縮用として最適な圧縮機となり、信頼性の向上を図れる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面にもとづいて説明する。
図１は、たとえば冷蔵庫の冷凍サイクルを構成する、レシプロ式密閉型電動圧縮機を縦断面にした正面図を示している。
冷蔵庫の冷凍サイクルとして、上記圧縮機の他に、凝縮器と、膨張装置および蒸発器を備えていて、これら構成部品が冷媒管を介して冷凍サイクル回路を構成するよう連通される。
【００１３】
このような冷凍サイクルに用いられる冷媒として、自然冷媒であるイソブタン（Ｒ６００ａ）を採用し、この冷媒に最も適応する圧縮機として、後述するレシプロ式密閉型電動圧縮機を備えたことを特徴としている。
【００１４】
このレシプロ式密閉型電動圧縮機において、図中１は縦型の密閉ケースであり、この密閉ケース１内の上下方向ほぼ中間部には、フレーム２がスプリング２ａを介して弾性的に支持されている。上記フレーム２の上部側には圧縮機構部３が載設され、下部側には電動機部４が設けられる。
【００１５】
上記圧縮機構部３は、いわゆるレシプロ式圧縮機構が採用されている。なお説明すると、上記フレーム２の中心部に沿って枢支用孔２ｂが設けられ、主軸である回転軸５が回転自在に嵌め込まれている。
【００１６】
この回転軸５の上端部には、フレーム２上面に摺動自在に載る鍔部５ａが一体に設けられ、さらに鍔部５ａの上部には、回転軸５の中心軸とは所定量偏心する中心軸をもったクランクピン５ｂが連設される。
【００１７】
このことから、回転軸５が回転駆動されると、鍔部５ａはフレーム２上面で摺接状態で回転し、かつ上記クランクピン５ｂは回転軸５中心の周囲に沿って偏心回転するようになっている。
【００１８】
さらに、上記圧縮機構部３は、フレーム２上面に載設され、軸方向を水平に向けたシリンダ６を備えている。このシリンダ６の内部は、ピストン７が往復動自在に収容されるシリンダ室８となっている。
【００１９】
上記ピストン７には、コンロッド９の一端がボールジョイント機構部１０を介して連結される。上記コンロッド９の他端には、上記クランクピン５ｂに回転自在に嵌め合う大端部１１が設けられる。
【００２０】
上記ボールジョイント機構部１０について説明すると、上記コンロッド９の一端にはボール１２が一体的に設けられる。その一方で、ピストン７内部にはボール受け座１３が設けられている。このボール受け座１３は、上記ボール１２を回動自在に抱持している。
【００２１】
このことにより、クランクピン５ｂの偏心回転にともない、コンロッド９がボールジョイント機構部１０を支点としとして揺動運動をなすことができ、ピストン７はシリンダ６内において往復運動するようになっている。
【００２２】
一方、シリンダ６の開口端は、弁機構１５によって閉塞され、かつバルブカバー１６で覆われる。詳細には図示していないが、上記バルブカバー１６には、内部を二分する仕切り部が設けられ、その一方空間は吸込み室となし、他方空間は吐出室となっている。
【００２３】
上記弁機構１５は、吸込み口と、吐出口を備えた弁板が設けられ、それぞれの吸込み口と、吐出口は吸込み弁と吐出弁によって開閉される。そして、上記吸込み口は吸込み室と対向し、吐出口は吐出室に対向する。
【００２４】
このようにして構成される圧縮機構部３に対して、上記電動機部４は、上記回転軸５のフレーム２から下方に突出する部位に嵌着されるロータ１７と、このロータ１７の周面と狭小の間隙を存する内周面を備え、上記フレーム２から適宜な手段で垂設固定されるステータ１８とからなる。
【００２５】
つぎに、上記レシプロ式密閉型電動圧縮機の圧縮運転と、それにともなう冷凍サイクル作用について説明する。
【００２６】
電動機部４に通電して回転軸５を回転駆動すると、クランクピン５ｂが一体に偏心回転する。この偏心回転に応じて、コンロッド９とボールジョイント機構部１０を介してピストン７が、シリンダ室８内を往復運する。
【００２７】
密閉ケース１内には、蒸発器で蒸発して低圧化した冷媒ガス、すなわちイソブタン（Ｒ６００ａ）ガスが導かれ充満している。このガスは、バルブカバー１６内の吸込み室に導かれ、さらにピストン７の移動（往動）にともなってシリンダ６のシリンダ室８に吸込まれる。
【００２８】
ピストン７が逆方向に移動（復動）することで、イソブタンガス（Ｒ６００ａ）が圧縮される。ピストン７が、いわゆる上死点位置まで移動すると、吐出弁が開放され、シリンダ室８で圧縮され高圧化したイソブタンガスがバルブカバー１６の吐出室に吐出される。
【００２９】
さらに、この高圧ガスはケース内吐出管を介して密閉ケース１から外部冷媒管へ導出され、上述の冷凍サイクルに導かれる。回転軸５が継続して回転しているところから、ピストン７が復動して上述の冷凍サイクルが繰り返される。
【００３０】
図２は、圧縮機構部３の一部を横断面にした概略の平面図である。
特に、上記クランクピン５ｂの偏心回転運動と、それにともなう上記コンロッド９の揺動運動と、上記ボールジョイント機構部１０および上記ピストン７との関係を説明している。
【００３１】
上記回転軸５の回転にともなってクランクピン５ｂが偏心回転し、クランクピン中心Ｏａは偏心量を回転半径とする円形の回転軌跡Ａ１を描く。コンロッド９は、所定の揺動角度αをもつ揺動運動をなし、ボールジョイント機構部１０においては、ボール１２とボール受け座１３とが互いに摺動する。
【００３２】
シリンダ室８に導入した冷媒ガスであるイソブタン（Ｒ６００ａ）ガスを圧縮する際に、ピストン７のトップ面に荷重（Ｆ）がかかり、その力はピストン７を介してボールジョイント機構部１０に作用する。
【００３３】
一般的に、ボールジョイント機構部１０に対する評価として、ボールジョイント機構部１０にかかる面圧（Ｐ）と、ボールジョイント機構部１０の摺動速度（Ｖ）との積があげられるが、ここでは上記の最大荷重（Ｆ）と、ボール１２の摺動時の平均速度（Ｖ）との積を指標とする。
【００３４】
最大荷重Ｆと平均速度Ｖとの積を求める算出式は、次のとおりである。
Ｆ＝（π／４）×（Ｄ）^２ ×（Ｐｄ−Ｐｓ）
Ｖ＝π×ｄ×（α／３６０）×ｆ
ただし、Ｄ：ピストン７の直径、Ｐｄ：吐出圧力、Ｐｓ：吸込み圧力、
ｄ：ボール１２の直径、α：コンロッド９の揺動角、
ｆ：回転軸５の回転数。
【００３５】
図３は、Ｆ×Ｖ値と、ボールジョイント機構部１０におけるボール受け座１３の摩耗量の関係を示す特性図である。
Ｆ×Ｖ値が、２００（Ｎ・ｍ／ｓ）以下では、摩耗量が少なく良好な状態である。しかしながら、２００（Ｎ・ｍ／ｓ）以上では、摩耗量が増大する傾向がある。
【００３６】
また、イソブタン（Ｒ６００ａ）の使用圧力を考慮すると、吐出圧力は最大１（ＭＰａ）、吸込み圧力は最低０．０５（ＭＰａ）程度が想定される。
その場合、Ｆ×Ｖ＜２００（Ｎ・ｍ／ｓ）を満足するため、ボール１２直径として、１４．５（ｍｍ）以下、揺動角として５４°以下、回転軸５の回転数として１０５（ｒｐｓ）以下が良好である。
さらに、ボールジョイント機構部１０の耐摩耗性を向上させるため、ボールジョイント機構部１０の受け側をなすボール受け座１３に対して、窒化処理もしくはリン酸マンガン処理の両方もしくは一方を施すことは有効な手段である。
【００３７】
また、コンロッド９の一端に一体的に設けられるボール１２の素材として、クロム（Ｃｒ）を０．２〜２．０（％）含む高炭素クロム鋼材を用いることも有効である。
【００３８】
このように、ボールジョイント機構部１０における特徴として、ボール受け座１３は、かしめ（塑性変形）加工によりボール１２を受ける。そこで、かしめ部分に緩衝材としてＰＴＥＦ、ＰＦＡなどの熱可塑性樹脂材からなるリング状のバッファリング２０を介設することで、ボールジョイント機構部１０における摺動動作が極めて円滑化する。
【００３９】
なお、冷媒：イソブタン（Ｒ６００ａ）は、炭化水素系であるところから、可燃性冷媒でもある。冷凍サイクルの低圧側の圧力は大気圧よりも小さく、何らかの事情で冷凍サイクルからガスがリークする条件になると、冷凍サイクル内に空気を吸入してしまう。
【００４０】
一方、電動機部４を構成するステータ１８のコイル部に微細な傷がある場合は、傷から放電してアークが発生する。その結果、可燃性冷媒であるイソブタン（Ｒ６００ａ）が冷凍サイクル内で燃焼または爆発の虞れがある。
【００４１】
なお、ステータ１８鉄心に対する巻線の手段として、分布巻と集中巻がある。上記分布巻は、巻線の際にコイルがストレスを受けて傷が発生し易く、上記集中巻は、コイルがストレスを受けず、傷が発生しないという特徴がある。
【００４２】
そこで、分布巻の場合は、モータ完成後、コイルに電気絶縁物を固着してストレスを受けて発生した傷を補修する。具体的には、コイル巻線後、電気絶縁物としてコイル部分にワニスを塗布し、そのあと、加熱固着させる、あるいは常温固着としてもよい。
【００４３】
したがって、分布巻であっても、可燃性冷媒：イソブタン（Ｒ６００ａ）を用いた冷凍サイクルにおいて、燃焼または爆発の危険が解消される。集中巻の場合は、コイルがストレスを受けず傷が発生しないので、そのまま用いる。
【００４４】
さらに、図１に示したレシプロ式密閉型電動圧縮機における圧縮機構部３は、シリンダ６が単独（一筒）のものとして説明したが、これに限定されるものではなく、回転軸５の左右両側に対称的に一対（二筒）のシリンダを備えた圧縮機構部であってもよく、上述の限定要件の全てがそのまま適用される。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、オゾン層破壊防止に有効であるばかりでなく、地球温暖化への影響の少ない冷媒：イソブタン（Ｒ６００ａ）を用いた冷凍サイクルに適用でき、信頼性の向上を図れるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態を示す、レシプロ式密閉型電動圧縮機の縦断正面図。
【図２】同実施の形態を示す、圧縮機構部一部の動作を説明するための図。
【図３】同実施の形態を示す、ボールジョイント機構部におけるＦ×Ｖ値とボール受け座の摩耗量との特性図。
【符号の説明】
５…回転軸（主軸）、
５ｂ…クランクピン、
６…シリンダ、
７…ピストン、
９…コンロッド、
１２…ボール、
１３…ボール受け座、
１０…ボールジョイント機構部、
２０…バッファリング。

Claims (7)

1. 主軸に一体のクランクピンからコンロッドを延在し、このコンロッドとシリンダ内に収容されるピストンとをボールジョイント機構部を介して連結するレシプロ式密閉型電動圧縮機において、
   上記ボールジョイント機構部は、コンロッドの端部に一体的に設けられるボールと、上記ピストンに設けられ上記ボールを摺動自在に抱持するボール受け座とからなり、
   圧縮対象流体を、冷媒：イソブタン（Ｒ６００ａ）としたうえで、上記ボールジョイント機構部の平均速度Ｖと、圧縮行程時にボールジョイント機構部に作用する荷重Ｆとの関係を、 Ｖ×Ｆ ＜ ２００（Ｎ・ｍ／ｓ） に設定したことを特徴とするレシプロ式密閉型電動圧縮機。
2. 上記ボールジョイント機構部を構成する上記ボールの直径ｄを、１４．５（ｍｍ）以下に設定したことを特徴とする請求項１記載のレシプロ式密閉型電動圧縮機。
3. 上記クランクピンの偏心回転運動にともなう上記コンロッドの揺動運動において、コンロッドの揺動角を、５４°以下に設定したことを特徴とする請求項１記載のレシプロ式密閉型電動圧縮機。
4. 上記主軸の回転数を、１０５（ｒｐｓ）以下に設定したことを特徴とする請求項１記載のレシプロ式密閉型電動圧縮機。
5. 上記ボールジョイント機構部を構成するボール受け座に対して、窒化処理およびリン酸マンガン処理の両方、もしくは、いずれか一方の処理を施したことを特徴とする請求項１記載のレシプロ式密閉型電動圧縮機。
6. 上記ボールジョイント機構部を構成するボールの素材として、クロム（Ｃｒ）を０．５〜２．０％含む高炭素クロム鋼材を採用したことを特徴とする請求項１記載のレシプロ式密閉型電動圧縮機。
7. 上記ボールジョイント機構部を構成するボールとボール受け座との間に、ＰＴＦＥ，ＰＦＡなどの熱可塑性樹脂材からなるバッファリングを介設したことを特徴とする請求項１記載のレシプロ式密閉型電動圧縮機。

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