JP4429769B2 - 密閉型圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、冷凍冷蔵庫等の冷凍サイクルに用いられる密閉形圧縮機に関するものである
。

近年、この種の密閉型圧縮機は、低価格化が進んでおり、低コスト化を実現した上での消費電力の低減が強く望まれている。低コスト化の課題としては生産性の向上が挙げられ、消費電力の低減のための課題として摺動特性の改善が挙げられる。これらの課題に対し、従来の密閉型圧縮機としては、ピストンの外形形状を改善することによりピストンとシリンダー間の摺動損失を低減して、高効率化したものがある（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密閉型圧縮機を説明する。

図８は、特許文献１に記載された従来の密閉型圧縮機に用いるピストンの斜視図を示すものである。図８において、ピストン１は、外周面２にシリンダーの内周面と密着するように形成されたシール面部３と、シリンダーの内周面の一部分と密着するように形成されたピストン１の運動方向にほぼ平行に伸びる少なくとも２つの案内面部４と、シリンダーの内周面と密着しない除去部５とを備え、ピストン１の円筒中心軸６と案内面部４の２つの境界エッジ４ａ、４ｂとをピストン半径方向に結ぶ線がなす角度が４０°以下、好ましくは３０°以下であることを特徴とする。

以上のように構成された密閉型圧縮機について、以下その動作を説明する。

運転中、ピストン１は往復運動している。下死点付近においてピストン１はスカート側の一部がシリンダーから外にでる。そしてピストン１がシリンダーに入るとき、案内面部４により案内されるため、スムーズにシリンダーに入ることができる。
国際公開第０２／０２９４４号パンフレット

しかしながら、上記従来の構成では、除去部５を設けているのでピストン１の外周のシール面部３よりスカート側は円筒形でなく段差があるため、加工時に回転する研磨砥石が安定しないので センターレスのスルー研磨機が使用できず、生産性が低くなる可能性があるという課題を有していた。

また、上記従来の構成では、ピストン１のシリンダーに対する上下方向の傾きは、トップ面の縁からシール面部３の縁までの短い区間と、ピストン１の外周面２とシリンダーの隙間とで規制されるため、傾きやすいので、冷媒の漏れが多くなるため、冷凍能力が低くなり、効率が低下してしまう可能性があるという課題を有していた。

本発明は上記従来の課題を解決するもので、生産性が高く、冷凍能力と効率の高い密閉型圧縮機を提供することを目的とする。

上記従来の課題を解決するために、本発明の密閉型圧縮機は、ピストンのトップ側面およびスカート側面に連通しない溝部を少なくともピストンの外周の上側面および下側面に形成するとともに、溝部は少なくとも下死点付近で容器内の空間と連通するとしたもので、加工時にピストンのトップ側およびスカート側の略円筒形の外周面により、回転する研磨砥石を安定させ、また、ピストンがシリンダーに対して上下方向に傾きにくくし、また、オイルを溝部を通じて摺動部へ供給するという作用を有する。

本発明の密閉型圧縮機は、生産性が高く、ピストンとシリンダー間からの冷媒の漏れを抑制して冷凍能力と効率の高い密閉型圧縮機を提供できる。

請求項１に記載の発明は、容器内にオイルを貯溜するとともに冷媒ガスを圧縮する圧縮機構を収容し、前記圧縮機構は、略鉛直方向に配設され主軸部および偏芯部を有するクランクシャフトと、シリンダーを形成するブロックと、前記シリンダー内を往復運動するピストンと、前記偏芯部と前記ピストンを連結する連結手段と、前記オイルをピストンの外周に供給する給油手段とを備え、前記ピストンのトップ側面およびスカート側面に連通しない溝部を少なくとも前記ピストンの外周の上側面および下側面に形成するとともに、前記溝部は少なくとも下死点付近で前記容器内の空間と連通する円周方向に幅広の溝であって、前記溝部の面積は前記ピストン外周の面積の半分以上とし、前記溝部を平面展開した時の形状において、前記ピストンの前記スカート側の形状が曲線形状である密閉型圧縮機としたもので、加工時にピストンのトップ側およびスカート側の略円筒形の外周面により、回転する研磨砥石を安定させ、また、トップ側面の縁とスカート側の縁で、ピストンのシリンダーに対して上下方向の傾きを規制して傾きにくくし、また、オイルを溝部を通じて摺動部へ供給するため、生産性が高くでき、冷凍能力と効率を高くすることができる。またピストンが下死点から上死点に向うときに溝部のスカート側の形状が曲面形状であるため、ピストンとシリンダー間の上下方向の案内となり、ピストンの挙動が安定するため、騒音を低くすることができる。

さらに、ピストンとシリンダー間からの漏れを抑制した上で、シリンダーと接触しない面積を大きくでき、ピストンとシリンダー間で発生する摺動損失を大幅に減らすことができ、また、溝部を通じてピストンの外周の広い範囲にオイルを供給することができるため、更に効率を高くすることができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明に、更に、クランクシャフトには、偏心軸部を挟んで主軸部と同軸上に設けた副軸部を設けるとともに、前記副軸部を軸支する副軸受を備えたとしたもので、クランクシャフトの鉛直方向からの倒れが抑制され、クランクシャフトと連結手段により連結しているピストンは、シリンダーの円筒軸方向と略平行となり、ピストンが下死点から上死点に向うときに、溝部のスカート側の縁がシリンダーの縁に当たることを防止し、ピストンの挙動が安定するため、更に冷媒の漏れを抑制し、冷凍能力と効率を高くすることができ、騒音を低くすることができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明に、更に、少なくとも電源周波数以下の運転周波数を含む複数の運転周波数でインバーター駆動されるとしたもので、低速運転においてオイルの供給量が減るにも関わらず、溝部にオイルを貯留して冷媒の漏れを抑制するため、更に冷凍能力と効率を高くすることができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれか一項に記載の発明に、更に、冷媒にＲ６００ａを用いるとしたもので、従来のＲ１３４ａ冷媒使用の圧縮機と比べて気筒容積の拡大の為にピストン外径が大きくなり、漏れが生じやすくなるにも関わらず、ピストンがシリンダーに対して上下方向に傾きにくくし、冷媒の漏れを抑制し、更に冷凍能力と効率を高くすることができる。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明に、更に、粘度グレードＶＧ１０からＶＧ５であるとしたもので、低粘度オイルでは漏れの影響が大きくなるにも関わらず、冷媒の漏れを抑制し、更に冷凍能力と効率を高くすることができる。

以下、本発明の前提例および実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、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。

（前提例）
図１は、本発明の前提例における密閉型圧縮機の縦断面図、図２は、同密閉型圧縮機に用いるピストンの斜視図である。図３は、本圧縮機の冷凍能力および成績係数Ｃ．Ｏ．Ｐ（ＣＯＥＦＦＩＣＩＥＮＴ ＯＦ ＰＥＲＦＯＲＭＡＮＣＥ）の特性図である。

図１、図２において、容器１０１内には、固定子１０２と回転子１０３からなり、電源周波数以下の運転周波数を含む複数の運転周波数で制御回路等を用いることでインバーター駆動できる電動要素１０４を収容し、電動要素１０４によって駆動される圧縮機構１０５を収容し、容器１０１内にはオイル１０６を貯溜している。

本圧縮機に使用される冷媒は温暖化係数の低い自然冷媒である炭化水素系冷媒のＲ６００ａであり、オイル１０６は相溶性があり、粘度グレードは低粘度油であるＶＧ１０からＶＧ５と組み合わせてある。

クランクシャフト１１０は、回転子１０３を圧入固定した主軸部１１１、主軸部１１１に対し偏心して形成された偏芯部１１２、並びに偏芯部１１２を挟んで主軸部１１１と同軸上に設けた副軸部１１３を有し、略鉛直方向に配設されている。

給油手段１２０は、主軸部１１１の下端部に固定され、一端がオイル１０６中に開口し他端が給油通路１２１と連通したオイルコーン１２２と、クランクシャフト１１０の内部に形成され、オイルコーン１２２と連通し、偏芯部１１２の上端で開口している給油通路１２１とで構成されている。

ブロック１３０は、略円筒形のシリンダー１３１を有するとともに主軸部１１１を軸支する主軸受１３２、副軸部１１３を軸支する副軸受１３３を有していて、シリンダー１３１の上部には当り部１３４を有し、シリンダー１３１はクランクシャフト１１０側の縁の上部に設けられた切り欠き部１３５と、クランクシャフト１１０側の縁の円周に設けられた面取り部１３６を備えている。

ピストン１４０は、ブロック１３０のシリンダー１３１に往復摺動自在に挿入されており、偏芯部１１２と連結手段１４１にて連結されている。

またピストン１４０は、ピストン１４０のトップ側面１４２およびスカート側面１４３に連通しない溝部１４４を少なくともピストンの外周１４５の上側面および下側面に備えている。溝部１４４としては、例えば溝部１４４を平面展開した時、四角形とし、溝部１４４のスカート側の縁はピストン１４０のスカート側面１４３から円筒方向に約２ｍｍの位置に、溝部１４４のトップ側の縁はトップ側面１４２から円筒方向に７〜８ｍｍの位置に構成し、溝部１４４の深さはピストンの外周１４５から０．１〜０．５ｍｍとしている。

溝部１４４は、下死点付近でピストン１４０のスカート側の一部がシリンダー１３１内から容器１０１内に出る構成となっているため、少なくとも下死点付近で容器１０１内の空間と連通する。また溝部１４４は、その総面積が、ピストンの外周１４５の面積の半分を超えるように構成されている。

以上のように構成された密閉型圧縮機について、以下その動作、作用を説明する。

電動要素１０４の回転子１０３はクランクシャフト１１０を回転させ、偏芯部１１２の回転運動が連結手段１４１を介してピストン１４０に伝えられることでピストン１４０はシリンダー１３１内を往復運動する。それにより、冷媒ガスは冷却システム（図示せず）からシリンダー１３１内へ吸入・圧縮された後、再び冷却システムへと吐き出される。

一方、給油手段１２０は、クランクシャフト１１０の回転に伴ってオイルコーン１２２が回転することで発生する遠心力によって、オイル１０６を給油通路１２１内で上昇させ、副軸部１１３の上端付近から容器１０１内に散布する。散布されたオイル１０６は当り部１３４に当り、切り欠き部１３５を伝って、ピストンの外周１４５や、面取り部１３６に付着する。付着したオイル１０６はピストン１４０の往復動に伴ってピストンの外周１４５や溝部１４４に入り込み、ピストンの外周１４５とシリンダー１３１との間を潤滑する。

この際、面取り部１３６に付着したオイル１０６や、溝部１４４に入り込んだオイル１０６はピストン１４０が下死点から上死点に向うときに、溝部１４４のスカート側の縁によりかき集められ、ピストン１４０の側面の溝部１４４の縁付近に貯留され、ピストン１４０が上死点から下死点に向うときに、ピストン１４０の動きに伴いシリンダー１３１とピストンの外周１４５との間に引き込まれトップ側面１４２近傍を効果的に潤滑する結果、シール性が向上する。また、溝部１４４を通じてピストンの外周１４５の広い範囲にオイル１０６を供給することができるため、更に、効率を高くすることができる。

ピストン１４０が上死点付近にあるとき、シリンダー１３１内は圧縮された冷媒により高圧となり、その後吐出される。このとき、容器１０１内とシリンダー１３１内の圧力差が最大となり、シリンダー１３１とピストン１４０との間からの冷媒ガスの漏れは大きくなる。また、ピストン１４０には、シリンダー１３１内で生じた冷媒の流れによる圧力分布が発生して、シリンダー１３１に対して傾く力が生じる。しかしながら本実施の形態では、ピストン１４０のトップ側面１４２の縁とスカート側面１４３の縁により、その傾きを小さくなるように規制されるため、シリンダー１３１とピストンの外周１４５の隙間が広くならないため、シリンダー１３１から容器１０１内への漏れを抑制することができ、冷凍能力を高くすることができる。一方、溝部１４４はシリンダー１３１と接触することがないため、摺動損失が少なくすることできる。この相乗効果により効率を高くすることができる。更に溝部１４４の面積をピストンの外周１４５の面積の半分以上としているので、ピストン１４０とシリンダー１３１の間からの冷媒の漏れを抑制した上で、シリンダー１３１と接触しない面積を大きくでき、ピストン１４０とシリンダー１３１の間で発生する摺動損失を大幅に減らすことができる。

ピストン１４０を製造過程で研磨する際、スカート側面１４３から溝部１４４のスカート側の縁、溝部１４４のトップ側の縁からトップ側面１４２の略円筒形のピストンの外周１４５に沿って、回転する砥石が溝部１４４の影響を受けにくく、安定して加工できるため、大量生産に対応したセンターレスのスルー研磨機を用いても、精度良く加工でき、生産性を高くすることができる。

ピストン１４０からの圧縮荷重をクランクシャフト１１０の偏芯部１１２が受けると副軸部１１３がない場合、クランクシャフト１１０が傾いてしまう。その結果ピストン１４０が上下方向に傾き、特に本実施の形態によるピストン１４０においてはスカート側の縁がシリンダー１３１の縁に当たり、音が発生してしまうことが考えられる。

しかしながら本実施の形態では、クランクシャフト１１０は、偏芯部１１２を挟んで主軸部１１１と同軸上に設けた副軸部１１３を設けるとともに、副軸部１１３を軸支する副軸受１３３を備えているので、クランクシャフト１１０の傾きが抑制され、クランクシャ
フト１１０と連結手段１４１により連結しているピストン１４０は、シリンダー１３１の円筒軸方向と略平行となる。

その結果、ピストン１４０が下死点から上死点に向うときに、ピストン１４０の下側面に設けた溝部１４４のスカート側の縁がシリンダー１３１のクランクシャフト１１０側の縁に当たることを防止することで当たり音の発生を抑制し、かつ、ピストン１４０の挙動が安定するため、冷媒の漏れを抑制し、冷凍能力と効率を高くすることができる。

更に、少なくとも電源周波数以下の運転周波数を含む複数の運転周波数でインバーター駆動する場合には、低速運転においてピストン１４０の往復運動速度が遅くなることと、副軸部１１３の上端付近から容器１０１内に散布するオイル１０６の量が減るのでピストンの外周１４５とシリンダー１３１の間からの冷媒の漏れが大きくなる。本実施の形態は溝部１４４にオイル１０６を貯留できるため、冷凍能力と効率を高く維持することができる。

Ｒ６００ａ冷媒の密度は従来から冷蔵庫に用いられているＲ１３４ａ冷媒と比較すると小さいため、Ｒ１３４ａ冷媒の密閉型圧縮機と同じ冷凍能力を得るためには、Ｒ６００ａ冷媒を用いる場合は、気筒容積が大きくなり、ピストン１４０の外径が大きくなる。従ってシリンダー１３１から容器１０１内に漏れる冷媒は、流路面積が大きくなり、増加する。しかしながら本実施の形態はピストン１４０はシリンダー１３１に対して傾きにくくできるので、効率を向上させることができる。

オイル１０６は、粘度グレードＶＧ１０からＶＧ５であるとしたもので、低粘度オイルである。一般にオイルの粘度を低くすると摺動損失は低下するが、冷媒のシリンダー１３１とピストンの外周１４５の隙間のオイル１０６が不連続になりシールが切れ易く、容器１０１内への漏れが大きくなる。しかしながら本実施の形態では溝部１４４によりオイル１０６を供給するため、シール切れを防ぎ、冷媒の漏れを抑制することで効率を高くすることができる。

次に、前提例における密閉型圧縮機の効率改善の結果について説明する。

図３において、縦軸は従来品と本実施の形態の圧縮機の冷凍能力および成績係数Ｃ．Ｏ．Ｐ（Ｗ／Ｗ）特性を示し、冷媒はＲ６００ａ冷媒を使用した場合の結果を示す。何れの結果もピストン往復の運転周波数が５０Ｈｚ時の結果であり、運転温度条件は冷蔵庫で運転される条件に近い蒸発温度を−２５℃とし凝縮温度を５５℃としている。

本結果から明白なように、冷凍能力とＣ．Ｏ．Ｐは大幅に改善され、冷凍能力と効率を高くすることができることを確認した。

（実施の形態１）
図４は、本発明の実施の形態１における密閉型圧縮機の縦断面図、図５は、同実施の形態の密閉型圧縮機に用いるピストンの斜視図である。

なお、図１〜図３の前提例と同一構成については同一符号を付して詳細な説明を省略する。

図４、図５において、容器１０１内には、電動要素１０４によって駆動される圧縮機構２０５を収容している。

圧縮機構２０５を構成するピストン２４０は、ピストン２４０のトップ側面２４２およ
びスカート側面２４３に連通しない溝部２４４を少なくともピストンの外周２４５の上側面および下側面に備えている。

溝部２４４は、少なくとも下死点付近で容器１０１内の空間と連通し、ピストン２４０を上部から見て右側面が左側面よりも広くなっている。溝部２４４のスカート側の形状２４６としては、図５に示すように、ピストン２４０のスカート側面２４３との平行線を形成しない形状としての曲線形状となっている。

以上のように構成された密閉型圧縮機について、以下その動作、作用を説明する。 電動要素１０４の回転子１０３はクランクシャフト１１０を時計回りに回転させ、偏芯部１１２の回転運動が連結手段１４１を介してピストン２４０に伝えられることでピストン２４０はシリンダー１３１内を往復運動する。

ピストン２４０のスカート側の形状２４６がピストン２４０のスカート側面２４３との平行線を形成しない形状としているので、ピストン２４０が下死点から上死点に向うときに、ピストン２４０の下側面に設けた溝部２４４のスカート側の縁がシリンダー１３１のクランクシャフト１１０側の縁に対して連続的に案内部となり、縁が周期的に当たることを防止し、ピストン２４０の挙動が安定するため、騒音を低くすることができる。それに加えて、溝部２４４は上部から見て右側面を広くしているため、側圧力がかかり最も摩耗し易い位置に、溝部２４４を通じてオイル１０６を広い範囲に供給できるため、信頼性を高くできる。

なお、クランクシャフト１１０には、偏芯部１１２を挟んで主軸部１１１と同軸上に設けた副軸部１１３を設けるとともに、副軸部１１３を軸支する副軸受１３３を備えているとしたが、副軸部１１３と副軸受１３３を備えない場合、すなわちクランクシャフト１１０が主軸受１３２のみで軸支され、鉛直方向から傾くことによりピストン２４０がシリンダー１３１に対して上下方向に傾きやすい場合でも同様の作用、効果が得られることはいうまでもない。

（実施の形態２）
図６は、本発明の実施の形態２における密閉型圧縮機の縦断面図、図７は、同実施の形態の密閉型圧縮機に用いるピストンの斜視図である。

なお、図１〜図３の前提例と同一構成については同一符号を付して詳細な説明を省略する。

図６、図７において、容器１０１内には、電動要素１０４によって駆動される圧縮機構３０５を収容している。

圧縮機構３０５を構成するピストン３４０は、ピストン３４０のトップ側面３４２およびスカート側面３４３に連通しない溝部３４４を少なくともピストンの外周３４５の上側面および下側面に備えている。

溝部３４４は、少なくとも下死点付近で容器１０１内の空間と連通し、ピストン３４０を上部から見てトップ側で広くなるかまぼこ形状となっている。溝部３４４のスカート側の形状３４６としては、図７に示すピストン３４０のスカート側面３４３との平行線を形成しない形状としての弓形状となっている。

以上のように構成された密閉型圧縮機について、以下その動作、作用を説明する。 電動要素１０４の回転子１０３はクランクシャフト１１０を回転させ、偏芯部１１２の回転
運動が連結手段１４１を介してピストン３４０に伝えられることでピストン３４０はシリンダー１３１内を往復運動する。

ピストン３４０のスカート側の形状３４６がピストン３４０のスカート側面３４３との平行線を形成しない形状としているので、ピストン３４０が下死点から上死点に向うときに、ピストン３４０の下側面に設けた溝部３４４のスカート側の縁がシリンダー１３１のクランクシャフト１１０側の縁に対して連続的に案内部となり、縁が周期的に当たることを防止し、ピストン３４０の挙動が安定するため、騒音を低くすることができる。それに加えて、溝部３４４のスカート側の形状３４６に沿ってオイル１０６が、ピストン３４０のトップ側に集まるため、更にシール性を高くすることができる。

なお、クランクシャフト１１０には、偏芯部１１２を挟んで主軸部１１１と同軸上に設けた副軸部１１３を設けるとともに、副軸部１１３を軸支する副軸受１３３を備えているとしたが、副軸部１１３と副軸受１３３を備えない場合、すなわちクランクシャフト１１０が主軸受１３２のみで軸支され、鉛直方向から傾くことによりピストン３４０がシリンダー１３１に対して上下方向に傾きやすい場合でも同様の作用、効果が得られることはいうまでもない。

以上のように、本発明にかかる密閉型圧縮機は、生産性が高く、効率と信頼性を高くすることが可能となるので、エアーコンディショナーや冷凍冷蔵装置の密閉型圧縮機の用途にも展開できる。

本発明による前提例における密閉型圧縮機の縦断面図 同密閉型圧縮機に用いるピストンの斜視図 同密閉型圧縮機の冷凍能力および成績係数の特性図 本発明による実施の形態１における密閉型圧縮機の縦断面図 同実施の形態の密閉型圧縮機に用いるピストンの斜視図 本発明による実施の形態２における密閉型圧縮機の縦断面図 同実施の形態の密閉型圧縮機に用いるピストンの斜視図 従来の密閉型圧縮機に用いるピストンの斜視図

１０１ 容器
１０５、２０５、３０５ 圧縮機構
１０６ オイル
１１０ クランクシャフト
１１１ 主軸部
１１２ 偏芯部
１１３ 副軸部
１２０ 給油手段
１３０ ブロック
１３１ シリンダー
１３３ 副軸受
１４０、２４０、３４０ ピストン
１４１ 連結手段
１４２、２４２、３４２ トップ側面
１４３、２４３、３４３ スカート側面
１４４、２４４、３４４ 溝部
１４５、２４５、３４５ ピストンの外周
２４６、３４６ スカート側の形状

Claims (5)

1. 容器内にオイルを貯溜するとともに冷媒ガスを圧縮する圧縮機構を収容し、前記圧縮機構は、略鉛直方向に配設され主軸部および偏芯部を有するクランクシャフトと、シリンダーを形成するブロックと、前記シリンダー内を往復運動するピストンと、前記偏芯部と前記ピストンを連結する連結手段と、前記オイルをピストンの外周に供給する給油手段とを備え、前記ピストンのトップ側面およびスカート側面に連通しない溝部を少なくとも前記ピストンの外周の上側面および下側面に形成するとともに、前記溝部は少なくとも下死点付近で前記容器内の空間と連通する円周方向に幅広の溝であって、前記溝部の面積は前記ピストン外周の面積の半分以上とし、前記溝部を平面展開した時の形状において、前記ピストンの前記スカート側の形状が曲線形状である密閉型圧縮機。
2. クランクシャフトには、偏心軸部を挟んで主軸部と同軸上に設けた副軸部を設けるとともに、前記副軸部を軸支する副軸受を備えた請求項１に記載の密閉型圧縮機。
3. 少なくとも電源周波数以下の運転周波数を含む複数の運転周波数でインバーター駆動される請求項１または２に記載の密閉型圧縮機。
4. 冷媒にＲ６００ａを用いる請求項１から３のいずれか一項に記載の密閉型圧縮機。
5. オイルは、粘度グレードＶＧ１０からＶＧ５である請求項４に記載の密閉型圧縮機。

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