JP4595408B2

JP4595408B2 - 圧縮機

Info

Publication number: JP4595408B2
Application number: JP2004201545A
Authority: JP
Inventors: 貴規石田
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-07-08
Filing date: 2004-07-08
Publication date: 2010-12-08
Anticipated expiration: 2024-07-08
Also published as: CN100494677C; WO2006006344A1; EP1668248B1; US7478997B2; KR20060087521A; DE602005007683D1; US20080112822A1; JP2006022720A; CN1806121A; KR100687983B1; EP1668248A1

Description

本発明は、家庭用冷凍冷蔵庫に使用される圧縮機において、信頼性を向上し得るピストンに関するものである。

近年、家庭用冷凍冷蔵庫等において、省エネルギー化の観点から、消費電力量の低減が強く要望されている。そういった中、圧縮機はインバータ制御され、低運転周波数化が進んでいるが、低速回転時の性能値の安定化や性能の高効率化が課題になっている。

以下、図面を参照しながら上記従来技術の圧縮機について説明する。（例えば、特許文献１参照）。尚、以下の説明において、上下の関係は圧縮機を正規の姿勢に設置した状態を基準とする。

図１３は従来の圧縮機の縦断面図、図１４は従来の圧縮機の平面断面図、図１５は従来のピストンを上方から見た斜視図である。

図１３、図１４、図１５において、密閉容器１は、内部に充填された冷媒１５と、底部に貯留されたオイル２と、固定子３と永久磁石を内蔵する回転子４から構成されて回転する電動要素５と、電動要素５によって駆動される圧縮要素６を収容する。

圧縮要素６について、以下に説明する。

鉛直方向に延在したクランクシャフト９は、主軸７及び偏芯軸８から構成されており、スパイラル溝１７を介して偏芯軸８の上端に連通するオイルポンプ２０を内蔵するとともに、下端はオイル２中に開口している。シリンダブロック１２は、主軸７を回転自在に軸支するとともに、圧縮室１０を形成するボア孔１１を有している。

ピストン５０は、ボア孔１１に往復可動に挿入されている。ピストンピン１４は、略円筒形状をなし、偏芯軸８と平行に配置され、ピストン５０に形成されたピストンピン孔５１に回転不能に係止されている。連結手段１３は、偏芯軸８が挿入される大端孔３３と、ピストンピン１４が挿入される小端孔３１と、偏芯軸８とピストンピン１４を介してピストン５０を連結するロッド部３２を備えている。

また、ピストン５０は、圧縮機の上方から、クランクシャフト９を手前にして見た時、ピストン５０の中心軸を鉛直に切断する面を基準として左右対称の略円筒形状をなしている。尚、ボア孔１１とともに圧縮室１０を形成する面側をピストントップ側５２、連結手段１３が遊挿される面側をピストンスカート側５３とする。

以上のように構成された圧縮機について、以下にその動作を説明する。

電動要素５に通電がなされると、圧縮機を上方から見て回転子４が右回り（時計回り）に回転し、これに伴ってクランクシャフト９が回転する。偏芯軸８の回転運動が、連結手段１３とピストンピン１４を通してピストン５０に伝えられ、連結手段１３はピストンピン１４に対して揺動し、ピストン５０はボア孔１１を往復運動する。このピストン５０の往復運動により、密閉容器１内の冷媒１５は、圧縮室１０内に吸引された後に圧縮されて、密閉容器１外へと繰り返し吐出される。

一方、クランクシャフト９の回転に伴って、オイルポンプ２０によってオイル２は吸引され、スパイラル溝１７から上方へ導かれ、偏芯軸８の上端から噴射されたオイル２が、連結手段１３の小端孔３１とピストンピン１４や、ピストン５０とボア孔１１等の摺動部を潤滑する。
特開２０００−１４５６３７号公報

しかしながら、上記従来の構成において、低速運転（例えば、運転周波数が１５００ｒ／ｍｉｎ）がなされる家庭用冷凍冷蔵庫の冷却システムに適用した場合、圧縮要素６を構成するピストン５０とボア孔１１との摺動部において、片当り摩耗が発生することがある。

発明者らの低速回転での実機試験によれば、ピストン５０の摺動面において、圧縮機の上方から、クランクシャフト９を手前にして見た時、ピストン５０の中心軸を鉛直に切断する面より右側におけるピストンスカート側５３の端部（図１５中、Ｌ点）と、前述の面より左側におけるピストントップ側５２の端部（図１５中、Ｈ点）を起点とした片当り摩耗、即ちピストン５０がボア孔１１内で左に傾斜した状態で接触し、摺動していることを確認している。

このような摩耗が進行すると、ピストン５０とボア孔１１の間に隙間が生じ、吸入圧縮時に冷媒１５のリークが顕在化し、圧縮機の性能値が不安定になる、あるいは低下するのに加え、長期的な信頼性確保に支障を来たすという欠点があった。

また、機構面、及び材質面等の種々の観点からピストン５０とボア孔１１の摩耗防止策が検討されているが、構成が複雑化したり高コスト化する等の欠点があった。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、低速回転であっても、ピストン５０とボア孔１１の片当り摩耗を防ぎ、信頼性が高く、安価な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、本発明の圧縮機は、ピストンとボア孔との圧縮負荷側の摺動面積を反圧縮負荷側より大きくしたもので、圧縮負荷側の側面において流体摩擦による摺動抵抗を増やすことで、ピストンピンと連結手段間の摩擦によるピストンの左回り（反時計回り）の首振りモーメントを相殺し、ピストンのボア孔内での姿勢を真っ直ぐに維持するので、ピストンとボア孔の片当り摩耗を防止する。

本発明の圧縮機はピストンとボア孔の片当り摩耗を防止するので、信頼性が高く、安価な圧縮機を提供できるという効果が得られる。

請求項１に記載の発明は、密閉容器内にオイルを貯溜するとともに、固定子と回転子からなる電動要素と、前記電動要素によって駆動される圧縮要素を収容し、前記圧縮要素は、主軸及び偏芯軸を備えたクランクシャフトと、前記主軸を回転自在に軸支すると共に圧縮室を形成するボア孔を有するシリンダブロックと、前記ボア孔内を往復運動するピストンと、前記ピストンのピストンピン孔に係止されたピストンピンと前記偏芯軸とを連結する連結手段とを備え、前記連結手段と前記ピストンピンの連結、および前記連結手段と前記偏芯軸の連結をそれぞれ回動可能とし、さらに、前記ピストンと前記ボア孔との圧縮負荷側の摺動面積を反圧縮負荷側より大きくしたもので、圧縮負荷側の側面において流体摩擦による摺動抵抗を増やすことで、ピストンピンと連結手段間の摩擦によるピストンの左回り（反時計回り）の首振りモーメントを相殺し、ピストンのボア孔内での姿勢を真っ直ぐに維持するので、ピストンとボア孔の片当り摩耗を防止し、信頼性が高く、安価な圧縮機を提供することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１の発明に、ピストンの圧縮負荷側の側面の長さを反圧縮負荷側の側面の長さよりも長くしたもので、ピストン形状は金型形状で概ね決定されるので、左右の摺動面積に差を持たせるための後加工の工程が必要なく量産性に優れ、信頼性が高く、安価な圧縮機を提供することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１の発明に、ピストンの側面に非摺動部を凹設したもので、凹設された非摺動部において、流体摩擦による摺動抵抗を低減して圧縮機の入力を低減し、信頼性が高く、安価な圧縮機を提供することができる。

請求項４に記載の発明は、請求項３の発明に、非摺動部は、ピストンの側面に、少なくともピストントップ側およびピストンスカート側を各々摺動面として残して形成されたもので、ピストン摺動面の最終仕上げにおいて、センターレス研磨加工が可能であり、生産性が高く、高信頼性で、安価な圧縮機を提供することができる。

請求項５に記載の発明は、請求項３の発明に、圧縮負荷側の摺動面と反圧縮負荷側の摺動面をピストンの側面の往復方向に形成するとともに、圧縮負荷側の摺動面の幅を反圧縮負荷側より広く形成したもので、圧縮負荷側の摺動面を非摺動部にて分割しないことで、高圧冷媒やシステムにおける圧縮機の使用条件等により、圧縮室内の圧縮圧力が比較的高い場合であっても、圧縮負荷側の摺動面における油膜は切れ難くなり、信頼性が高く、安価な圧縮機を提供することができる。

請求項６に記載の発明は、請求項１から請求項５のいずれか１項の発明に、少なくとも商用電源周波数未満の周波数を含む運転周波数にて運転されるもので、圧縮機の入力が小さく抑えられ、長期に亘り安定的なピストンの姿勢維持と相まって、低い消費電力が得られ、信頼性の高い冷媒圧縮機を提供することができる。

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。尚、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における圧縮機の縦断面図、図２は同実施の形態における圧縮機の平面断面図、図３は同実施の形態のピストンを上方から見た斜視図、図４は同実施の形態のピストンの挙動を示す特性図である。

密閉容器１０１には、冷媒１１５としてイソブタン（Ｒ６００ａ）を充填するとともに、オイル１０２として比較的低粘度の鉱油を貯留している。

電動要素１０５は、シリンダブロック１１２の下方に固定されインバータ駆動回路（図示せず）とつながっている固定子１０３と、永久磁石を内蔵し主軸１０７の下方に固定された回転子１０４から構成され、インバータ駆動用の電動モータを形成しており、インバータ駆動回路によって、商用電源周波数を下回る運転周波数（例えば、１５００ｒ／ｍｉｎ）を含む複数の運転周波数で駆動される。

圧縮要素１０６について、以下に説明する。

鉛直方向に延在したクランクシャフト１０９は、主軸１０７及び偏芯軸１０８から構成されており、スパイラル溝１１７を介して偏芯軸１０８の上端に連通するオイルポンプ１２０を内蔵するとともに、下端はオイル１０２中に開口している。シリンダブロック１１２は、主軸１０７を回転自在に軸支するとともに、圧縮室１１０を形成するボア孔１１１を有している。

ピストン１５０は、ボア孔１１１に往復可動に挿入されている。ピストンピン１１４は、略円筒形状をなし、偏芯軸１０８と平行に配置され、ピストン１５０に形成されたピストンピン孔１５１に係止されている。連結手段１１３は、偏芯軸１０８が挿入される大端孔１３３と、ピストンピン１１４が挿入される小端孔１３１と、偏芯軸１０８とピストンピン１１４を介してピストン１５０を連結するロッド部１３２を備えている。

また、ピストン１５０は、圧縮機の上方から、クランクシャフト１０９を手前にして見た時、ピストン１５０の中心軸を鉛直に切断する面より右側を圧縮負荷側の側面１６０、左側を反圧縮負荷側の側面１７０とし、圧縮負荷側の側面１６０の長さを反圧縮負荷側の側面１７０よりも長くすることにより、圧縮負荷側の摺動面積を反圧縮負荷側よりも大きくしている。

尚、圧縮要素１０６を構成する上述の摺動部品の多くは、鋳鉄、焼結、あるいは炭素鋼などの鉄系材料で形成されている。但し、連結手段１１３に関しては、耐摩耗性の観点から鉄系材料と相性が良いとされるアルミ系材料、例えばアルミダイカストで形成されている。

以上のように構成された圧縮機について、その動作を説明する。

電動要素１０５に通電がなされると、圧縮機を上方から見て回転子１０４が右回り（時計回り）に回転し、これに伴ってクランクシャフト１０９が回転する。偏芯軸１０８の回転運動が、連結手段１１３とピストンピン１１４を通してピストン１５０に伝えられ、連結手段１１３はピストンピン１１４に対し揺動し、ピストン１５０はボア孔１１１を往復運動する。このピストン１５０の往復運動により、密閉容器１０１内の冷媒１１５は、圧縮室１１０内に吸引された後に圧縮されて、密閉容器１０１外へと繰り返し吐出される。

一方、クランクシャフト１０９の回転に伴って、オイルポンプ１２０によってオイル１０２は吸引され、スパイラル溝１１７から上方へ導かれ、偏芯軸１０８の上端から噴射されたオイル１０２が、連結手段１１３の小端孔１３１とピストンピン１１４や、ピストン１５０とボア孔１１１等の摺動部を潤滑する。

次に、ピストン１５０の姿勢が悪くなると思われる圧縮行程後期における本実施の形態の圧縮機のピストン１５０の挙動について、図４に基づいて説明する。尚、図４は、圧縮機を上方から、偏芯軸１０８が手前になるように見た状態を示しており、主軸１０７は軸芯Ｏを中心に右回りである。また、点Ｓは偏芯軸１０８の軸芯、点Ｑはピストンピン１１４の軸芯であり、円１９５は偏芯軸１０８の軸芯の回転軌跡である。

ピストン１５０には、圧縮圧力Ｐがかかることから、小端孔１３１の左回り（反時計方向）の回転に伴って、矢印に示す左回りの強い首振りモーメント１８０が発生する。一方、圧縮圧力Ｐの側方ベクトルＦによって、ピストン１５０における圧縮負荷側の側面１６０とボア孔１１１間の流体摩擦による摺動抵抗ｆ２が、反圧縮負荷側の側面１７０とボア孔１１１間の流体摩擦による摺動抵抗ｆ１より大きくなり、その結果、左回りの首振りモーメント１８０とは反対向きの右回りの首振りモーメント１８５が発生する。

通常、圧縮負荷側の側面１６０の長さと、反圧縮負荷側の側面１７０の長さが同じ場合、左回りの首振りモーメント１８０が右回りの首振りモーメント１８５よりも大きくなることで、ピストン１５０には最終的に左回りの首振りモーメントが働くために、ピストン１５０はボア孔１１１内で左に傾斜し、ピストン１５０の摺動面上の点Ｌ、点Ｈに相当する部位においてボア孔１１１と接触し、摩耗していたと考えられる。

しかしながら、本実施の形態では、圧縮負荷側の側面１６０の長さを反圧縮負荷側の側面１７０の長さよりも長くすることで、圧縮負荷側の側面１６０とボア孔１１１間の流体摩擦による摺動抵抗ｆ２が、反圧縮負荷側の側面１７０とボア孔１１１間の流体摩擦による摺動抵抗ｆ１よりも大きくなり、その結果として、右回りの首振りモーメント１８５が大きくなることで、左回りの首振りモーメント１８０と釣り合わせることができる。

従って、右回りの首振りモーメント１８５は、左回りの首振りモーメント１８０を相殺することで、ピストン１５０に働く首振りモーメントが消滅するので、ピストン１５０の左への傾斜をなくすことができ、低速運転時のピストン１５０のボア孔１１１内での姿勢がほぼ真っ直ぐに維持される。これにより、ピストン１５０の摺動面上の点Ｌ、点Ｈに相当する部位でのボア孔１１１との接触を起点とした片当り摩耗を防止できる。

発明者らの検討結果によれば、本実施の形態により、ピストン１５０の表面において、ボア孔１１１との片当り摩耗によるキズが殆ど無くなるとともに、特に低速運転時の圧縮機の性能値に関し、従来に比べて、それらの平均値が高くなり、かつばらつきの幅が２０％以上小さくなることを圧縮機を用いた実機試験にて確認している。

以上のように、本実施の形態により、ピストン１５０とボア孔１１１の片当り摩耗を防止するとともに、低速運転時の圧縮機の高効率化と性能安定化も可能であり、信頼性が高く、安価な圧縮機を提供することができる。

また、本実施の形態のピストン１５０の圧縮負荷側の側面１６０の長さと反圧縮負荷側の側面１７０の長さの比率は、システムサイドから要求される回転周波数や圧力条件によって適性化を図ることができる。

（実施の形態２）
図５は本発明の実施の形態２における圧縮機の縦断面図、図６は同実施の形態における圧縮機の平面断面図、図７は同実施の形態のピストンを上方から見た斜視図、図８は同実施の形態のピストンの挙動を示す特性図である。

密閉容器２０１には、冷媒２１５としてイソブタン（Ｒ６００ａ）を充填するとともに、オイル２０２として比較的低粘度の鉱油を貯留している。

電動要素２０５は、シリンダブロック２１２の下方に固定されインバータ駆動回路（図示せず）とつながっている固定子２０３と、永久磁石を内蔵し主軸２０７の下方に固定された回転子２０４から構成され、インバータ駆動用の電動モータを形成しており、インバータ駆動回路によって、商用電源周波数を下回る運転周波数（例えば、１５００ｒ／ｍｉｎ）を含む複数の運転周波数で駆動される。

圧縮要素２０６について、以下に説明する。

鉛直方向に延在したクランクシャフト２０９は、主軸２０７及び偏芯軸２０８から構成されており、スパイラル溝２１７を介して偏芯軸２０８の上端に連通するオイルポンプ２２０を内蔵するとともに、下端はオイル２０２中に開口している。シリンダブロック２１２は、主軸２０７を回転自在に軸支するとともに、圧縮室２１０を形成するボア孔２１１を有している。

ピストン２５０は、ボア孔２１１に往復可動に挿入されている。ピストンピン２１４は、略円筒形状をなし、偏芯軸２０８と平行に配置され、ピストン２５０に形成されたピストンピン孔２５１に係止されている。連結手段２１３は、偏芯軸２０８が挿入される大端孔２３３と、ピストンピン２１４が挿入される小端孔２３１と、偏芯軸２０８とピストンピン２１４を介してピストン２５０を連結するロッド部２３２を備えている。

更に、ピストン２５０は、圧縮機の上方から、クランクシャフト２０９を手前にして見た時、ピストン２５０の中心軸を鉛直に切断する面より右側を圧縮負荷側の側面２６０、左側を反圧縮負荷側の側面２７０とし、また、ボア孔２１１とともに圧縮室２１０を形成する側をピストントップ側２５２、連結手段２１３が遊挿される側をピストンスカート側２５３として、ピストン２５０の側面のピストントップ側２５２とピストンスカート側２５３に各々摺動面を残して非摺動部２９０が凹設されているとともに、非摺動部２９０により分割された圧縮負荷側の側面２６０の摺動部長さの和が、反圧縮負荷側の側面２７０の摺動部長さの和よりも長くなることにより、圧縮負荷側の摺動面積を反圧縮負荷側よりも大きくしている。

また、圧縮要素２０６を構成する上述の摺動部品の多くは、鋳鉄、焼結、あるいは炭素鋼などの鉄系材料で形成されている。但し、連結手段２１３に関しては、耐摩耗性の観点から鉄系材料と相性が良いとされるアルミ系材料、例えばアルミダイカストで形成されている。

電動要素２０５に通電がなされると、圧縮機を上方から見て回転子２０４が右回り（時計回り）に回転し、これに伴ってクランクシャフト２０９が回転する。偏芯軸２０８の回転運動が、連結手段２１３とピストンピン２１４を通してピストン２５０に伝えられ、連結手段２１３はピストンピン２１４に対し揺動し、ピストン２５０はボア孔２１１を往復運動する。このピストン２５０の往復運動により、密閉容器２０１内の冷媒２１５は、圧縮室２１０内に吸引された後に圧縮されて、密閉容器２０１外へと繰り返し吐出される。

一方、クランクシャフト２０９の回転に伴って、オイルポンプ２２０によってオイル２０２は吸引され、スパイラル溝２１７から上方へ導かれ、偏芯軸２０８の上端から噴射されたオイル２０２が、連結手段２１３の小端孔２３１とピストンピン２１４との間や、ピストン２５０とボア孔２１１との間等の摺動部を潤滑する。

次に、ピストン２５０の姿勢が悪くなると思われる圧縮行程後期における本実施の形態の圧縮機のピストン２５０の挙動について、図８に基づいて説明する。尚、図８は、圧縮機を上方から、偏芯軸２０８が手前になるように見た状態を示しており、主軸２０７は軸芯Ｏを中心に右回りである。また、点Ｓは偏芯軸２０８の軸芯、点Ｑはピストンピン２１４の軸芯であり、円２９５は偏芯軸２０８の軸芯の回転軌跡である。

ピストン２５０には、圧縮圧力Ｐがかかることから、小端孔２３１の左回り（反時計方向）の回転に伴って、矢印に示す左回りの強い首振りモーメント２８０が発生する。一方、圧縮圧力Ｐの側方ベクトルＦによって、ピストン２５０における圧縮負荷側の側面２６０とボア孔２１１間の流体摩擦による摺動抵抗ｆ２が、反圧縮負荷側の側面２７０とボア孔２１１間の流体摩擦による摺動抵抗ｆ１より大きくなり、その結果、左回りの首振りモーメント２８０とは反対向きの右回りの首振りモーメント２８５が発生する。

通常、圧縮負荷側の摺動面積と、反圧縮負荷側の摺動面積が同じ場合、左回りの首振りモーメント２８０が右回りの首振りモーメント２８５よりも大きくなることで、ピストン２５０には最終的に左回りの首振りモーメントが働くために、ピストン２５０はボア孔２１１内で左に傾斜し、ピストン２５０の摺動面上の点Ｌ、点Ｈに相当する部位においてボア孔２１１と接触し、摩耗していたと考えられる。

しかしながら、本実施の形態では、非摺動部２９０により分割された圧縮負荷側の側面２６０の摺動部長さの和が、反圧縮負荷側の側面２７０の摺動部長さの和よりも長くなることで、圧縮負荷側の側面２６０とボア孔２１１間の流体摩擦による摺動抵抗ｆ２が、反圧縮負荷側の側面２７０とボア孔２１１間の流体摩擦による摺動抵抗ｆ１よりも大きくなり、その結果として、右回りの首振りモーメント２８５が大きくなることで、左回りの首振りモーメント２８０と釣り合わせることができる。

従って、右回りの首振りモーメント２８５は、左回りの首振りモーメント２８０を相殺することで、ピストン２５０に働く首振りモーメントが消滅するので、ピストン２５０の左への傾斜をなくすことができ、低速運転時のピストン２５０のボア孔２１１内での姿勢がほぼ真っ直ぐに維持される。これにより、ピストン２５０の摺動面上の点Ｌ、点Ｈに相当する部位でのボア孔２１１との接触を起点とした片当り摩耗を防止できる。

発明者らの検討結果によれば、本実施の形態により、ピストン２５０の表面において、ボア孔２１１との片当り摩耗によるキズが殆ど無くなるとともに、特に低速運転時の圧縮機の性能値に関し、従来に比べて、それらの平均値が高くなり、かつばらつきの幅が４０％以上小さくなることを圧縮機を用いた実機試験にて確認している。

以上のように、本実施の形態により、ピストン２５０とボア孔２１１の片当り摩耗を防止するとともに、低速運転時の圧縮機の高効率化と性能安定化も可能であり、信頼性が高く、安価な圧縮機を提供することができる。

加えて、本実施の形態によれば、ピストン２５０の側面に非摺動部２９０を凹設したことで、凹設した部分におけるピストン２５０とボア孔２１１間の流体摩擦による摺動抵抗が低減できるので、圧縮機の入力を低く抑えて、消費電力量を低減することができる。

また、本実施の形態によれば、非摺動部２９０は、ピストン２５０の側面に、ピストントップ側２５２およびピストンスカート側２５３を摺動面として残して形成したことで、ピストン２５０の摺動面の最終仕上げにおいて、センターレス研磨加工が可能であり、大掛かりな設備は必要ないので生産性が高い。

また、本実施の形態において、ピストン２５０の圧縮負荷側の側面２６０の摺動部長さの和と、反圧縮負荷側の側面２７０の摺動部長さの和との比率、及びそれに付随する非摺動部２９０の往復方向の長さは、システムサイドから要求される回転周波数や圧力条件によって適性化を図ることができる。

（実施の形態３）
図９は本発明の実施の形態３における圧縮機の縦断面図、図１０は同実施の形態における圧縮機の平面断面図、図１１は同実施の形態のピストンを上方から見た斜視図、図１２は同実施の形態のピストンの挙動を示す特性図である。

密閉容器３０１には、冷媒３１５としてイソブタン（Ｒ６００ａ）を充填するとともに、オイル３０２として比較的低粘度の鉱油を貯留している。

電動要素３０５は、シリンダブロック３１２の下方に固定されインバータ駆動回路（図示せず）とつながっている固定子３０３と、永久磁石を内蔵し主軸３０７の下方に固定された回転子３０４から構成され、インバータ駆動用の電動モータを形成しており、インバータ駆動回路（図示せず）によって、商用電源周波数を下回る運転周波数（例えば、１５００ｒ／ｍｉｎ）を含む複数の運転周波数で駆動される。

圧縮要素３０６について、以下に説明する。

鉛直方向に延在したクランクシャフト３０９は、主軸３０７及び偏芯軸３０８から構成されており、スパイラル溝３１７を介して偏芯軸３０８の上端に連通するオイルポンプ３２０を内蔵するとともに、下端はオイル３０２中に開口している。シリンダブロック３１２は、主軸３０７を回転自在に軸支するとともに、圧縮室３１０を形成するボア孔３１１を有している。

ピストン３５０は、ボア孔３１１に往復可動に挿入されている。ピストンピン３１４は、略円筒形状をなし、偏芯軸３０８と平行に配置され、ピストン３５０に形成されたピストンピン孔３５１に係止されている。連結手段３１３は、偏芯軸３０８が挿入される大端孔３３３と、ピストンピン３１４が挿入される小端孔３３１と、偏芯軸３０８とピストンピン３１４を介してピストン３５０を連結するロッド部１３２を備えている。

更に、ピストン３５０は、圧縮機の上方から、クランクシャフト３０９を手前にして見た時、ピストン３５０の中心軸を鉛直に切断する面より右側を圧縮負荷側、左側を反圧縮負荷側として、圧縮負荷側の摺動面３６０と反圧縮負荷側の摺動面３７０がピストン３５０の往復方向に形成されるように非摺動部３９０が凹設されているとともに、圧縮負荷側の摺動面３６０の幅を反圧縮負荷側の摺動面３７０の幅よりも広く形成することにより、圧縮負荷側の摺動面積を反圧縮負荷側よりも大きくしている。

また、圧縮要素３０６を構成する上述の摺動部品の多くは、鋳鉄、焼結、あるいは炭素鋼などの鉄系材料で形成されている。但し、連結手段３１３に関しては、耐摩耗性の観点から鉄系材料と相性が良いとされるアルミ系材料、例えばアルミダイカストで形成されている。

電動要素３０５に通電がなされると、圧縮機を上方から見て回転子３０４が右回り（時計回り）に回転し、これに伴ってクランクシャフト３０９が回転する。偏芯軸３０８の回転運動が、連結手段３１３とピストンピン３１４を通してピストン３５０に伝えられ、連結手段３１３はピストンピン３１４に対し揺動し、ピストン３５０はボア孔３１１を往復運動する。このピストン３５０の往復運動により、密閉容器３０１内の冷媒３１５は、圧縮室３１０内に吸引された後に圧縮されて、密閉容器３０１外へと繰り返し吐出される。

一方、クランクシャフト３０９の回転に伴って、オイルポンプ３２０によってオイル３０２は吸引され、スパイラル溝３１７から上方へ導かれ、偏芯軸３０８の上端から噴射されたオイル３０２が、連結手段３１３の小端孔３３１とピストンピン３１４との間や、ピストン３５０とボア孔３１１との間等の摺動部を潤滑する。

次に、ピストン３５０の姿勢が悪くなると思われる圧縮行程後期における本実施の形態の圧縮機のピストン３５０の挙動について、図１２に基づいて説明する。尚、図１２は、圧縮機を上方から、偏芯軸３０８が手前になるように見た状態を示しており、主軸３０７は軸芯Ｏを中心に右回りである。また、点Ｓは偏芯軸３０８の軸芯、点Ｑはピストンピン３１４の軸芯であり、円３９５は偏芯軸３０８の軸芯の回転軌跡である。

ピストン３５０には、圧縮圧力Ｐがかかることから、小端孔３３１の左回り（反時計方向）の回転に伴って、矢印に示す左回りの強い首振りモーメント３８０が発生する。一方、圧縮圧力Ｐの側方ベクトルＦによって、ピストン３５０における圧縮負荷側の摺動面３６０とボア孔３１１間の流体摩擦による摺動抵抗ｆ２が、反圧縮負荷側の摺動面３７０とボア孔３１１間の流体摩擦による摺動抵抗ｆ１より大きくなり、その結果、左回りの首振りモーメント３８０とは反対向きの右回りの首振りモーメント３８５が発生する。

通常、圧縮負荷側の摺動面積と、反圧縮負荷側の摺動面積が同じ場合、左回りの首振りモーメント３８０が右回りの首振りモーメント３８５よりも大きくなることで、ピストン３５０には最終的に左回りの首振りモーメントが働くために、ピストン３５０はボア孔３１１内で左に傾斜し、ピストン３５０の摺動面上の点Ｌ、点Ｈに相当する部位においてボア孔３１１と接触し、摩耗していたと考えられる。

しかしながら、本実施の形態では、圧縮負荷側の摺動面３６０の幅が反圧縮負荷側の摺動面３７０の幅よりも広く形成することで、圧縮負荷側の摺動面３６０とボア孔３１１間の流体摩擦による摺動抵抗ｆ２が、反圧縮負荷側の摺動面３７０とボア孔３１１間の流体摩擦による摺動抵抗ｆ１よりも大きくなり、その結果として、右回りの首振りモーメント３８５が大きくなることで、左回りの首振りモーメント３８０と釣り合わせることができる。

従って、右回りの首振りモーメント３８５は、左回りの首振りモーメント３８０を相殺することで、ピストン３５０に働く首振りモーメントが消滅するので、ピストン３５０の左への傾斜をなくすことができ、低速運転時のピストン３５０のボア孔３１１内での姿勢がほぼ真っ直ぐに維持される。これにより、ピストン３５０の摺動面上の点Ｌ、点Ｈに相当する部位でのボア孔３１１との接触を起点とした片当り摩耗を防止できる。

発明者らの検討結果によれば、本実施の形態により、ピストン３５０の表面において、ボア孔３１１との片当り摩耗によるキズが殆ど無くなるとともに、特に低速運転時の圧縮機の性能値に関し、従来に比べて、それらの平均値が高くなり、かつばらつきの幅が５０％以上小さくなることを圧縮機を用いた実機試験にて確認している。

以上のように、本実施の形態により、ピストン３５０とボア孔３１１の片当り摩耗を防止するとともに、低速運転時の圧縮機の高効率化と性能安定化も可能であり、信頼性が高く、安価な圧縮機を提供することができる。

加えて、本実施の形態によれば、圧縮負荷側の摺動面３６０が非摺動部３９０にて分割されないことで、高圧冷媒やシステムでの圧縮機の使用条件により、圧縮室３１０内の圧縮圧力が比較的高くなる場合であっても、圧縮負荷側の摺動面３６０とボア孔３１１との間の油膜が切れ難くなり、ピストン３５０とボア孔３１１との金属接触による摩耗を防止することができる。

また、本実施の形態によれば、ピストン３５０の側面に非摺動部３９０を凹設したことで、凹設した部分におけるピストン３５０とボア孔３１１間の流体摩擦による摺動抵抗が低減できるので、圧縮機の入力を低く抑えて、消費電力量を低減することができる。

尚、本実施の形態において、ピストン３５０の圧縮負荷側の摺動面３６０の幅と反圧縮負荷側の摺動面３７０の幅の比率は、システムサイドから要求される回転周波数や圧力条件によって適性化を図ることができる。

以上のように、本発明にかかる圧縮機は信頼性が高いため、家庭用冷蔵庫を初めとして、除湿機やショーケース、自販機等の冷凍サイクルを用いたあらゆる用途にも適用できる。

本発明の実施の形態１における圧縮機の縦断面図本発明の実施の形態１における圧縮機の平面断面図本発明の実施の形態１のピストンを上方から見た斜視図本発明の実施の形態１のピストンの挙動を示す特性図本発明の実施の形態２における圧縮機の縦断面図本発明の実施の形態２における圧縮機の平面断面図本発明の実施の形態２のピストンを上方から見た斜視図本発明の実施の形態２のピストンの挙動を示す特性図本発明の実施の形態３における圧縮機の縦断面図本発明の実施の形態３における圧縮機の平面断面図本発明の実施の形態３のピストンを上方から見た斜視図本発明の実施の形態３のピストンの挙動を示す特性図従来の圧縮機の縦断面図従来の圧縮機の平面断面図従来の圧縮機のピストンを上方から見た斜視図

符号の説明

１０１，２０１，３０１密閉容器
１０２，２０２，３０２オイル
１０３，２０３，３０３固定子
１０４，２０４，３０４回転子
１０５，２０５，３０５電動要素
１０６，２０６，３０６圧縮要素
１０７，２０７，３０７主軸
１０８，２０８，３０８偏芯軸
１０９，２０９，３０９クランクシャフト
１１０，２１０，３１０圧縮室
１１１，２１１，３１１ボア孔
１１２，２１２，３１２シリンダブロック
１１３，２１３，３１３連結手段
１５０，２５０，３５０ピストン
１６０，２６０圧縮負荷側の側面
１７０，２７０反圧縮負荷側の側面
２５２ピストントップ側
２５３ピストンスカート側
２９０，３９０非摺動部
３６０圧縮負荷側の摺動面
３７０反圧縮負荷側の摺動面

Claims

密閉容器内にオイルを貯溜するとともに、固定子と回転子からなる電動要素と、前記電動要素によって駆動される圧縮要素を収容し、前記圧縮要素は、主軸及び偏芯軸を備えたクランクシャフトと、前記主軸を回転自在に軸支すると共に圧縮室を形成するボア孔を有するシリンダブロックと、前記ボア孔内を往復運動するピストンと、前記ピストンのピストンピン孔に係止されたピストンピンと前記偏芯軸とを連結する連結手段とを備え、前記連結手段と前記ピストンピンの連結、および前記連結手段と前記偏芯軸の連結をそれぞれ回動可能とし、さらに、前記ピストンと前記ボア孔との圧縮負荷側の摺動面積を反圧縮負荷側より大きくした圧縮機。
ピストンの圧縮負荷側の側面の長さを反圧縮負荷側の側面の長さよりも長くした請求項１に記載の圧縮機。
ピストンの側面に非摺動部を凹設した請求項１に記載の圧縮機。
非摺動部は、ピストンの側面に、少なくともピストントップ側およびピストンスカート側を残して形成された請求項３に記載の圧縮機。
圧縮負荷側の摺動面と反圧縮負荷側の摺動面をピストンの側面の往復方向に形成するとともに、前記圧縮負荷側の摺動面の幅を前記反圧縮負荷側の摺動面よりも広く形成した請求項３に記載の圧縮機。
少なくとも商用電源周波数未満の周波数を含む運転周波数にて運転される請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の圧縮機。