JP4674466B2 - Compressor - Google Patents
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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主軸と主軸受に関するものである。 The present invention relates to a main shaft and a main bearing that can improve reliability in a compressor used in a domestic refrigerator-freezer.
近年、家庭用冷蔵庫については、保鮮性や省エネルギー性、静粛性などの基本性能の向上に加え、その使い勝手や収納性の向上が求められており、家庭用冷蔵庫の外寸法をそのままに内容積を増加させる基調にある。そういった中、家庭用冷蔵庫の機械室寸法を支配するデバイスの一つである圧縮機の小型化が強く望まれている。 In recent years, for home refrigerators, in addition to improving basic performance such as freshness, energy saving, and quietness, it has been required to improve usability and storage. The trend is to increase. Under such circumstances, downsizing of the compressor, which is one of the devices governing the size of the machine room of a home refrigerator, is strongly desired.
従来の圧縮機としては、密閉容器内に固定子および回転子からなる電動要素と、電動要素によって駆動される圧縮要素とを収納したものがある(例えば、特許文献1参照)。 As a conventional compressor, there is one in which an electric element composed of a stator and a rotor and a compression element driven by the electric element are housed in an airtight container (for example, see Patent Document 1).
以下、図面を参照しながら上記従来の圧縮機について説明する。なお、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。 The conventional compressor will be described below with reference to the drawings. In the following description, the upper and lower relationships are based on a state where the compressor is installed in a normal posture.
図13は従来の圧縮機の縦断面図、図14は従来の主軸の挙動を示す特性図である。 FIG. 13 is a longitudinal sectional view of a conventional compressor, and FIG. 14 is a characteristic diagram showing the behavior of a conventional main shaft.
密閉容器1には、冷媒21を充填するとともに、オイル2を貯留している。
The sealed
電動要素5は、シリンダブロック10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3と、永久磁石を内蔵し主軸7の下方に固定された回転子4から構成される。
The
圧縮要素6について、以下に説明する。
The
クランクシャフト9は、鉛直方向に延在し、主軸7及び偏芯軸8から構成される。シリンダブロック10は、主軸7を回転自在に軸支する主軸受11とともに、圧縮室12を形成するボア孔13を有している。
The
ピストン14は、ボア孔13に往復可動に挿入されている。ピストンピン15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14に形成されたピストンピン孔16に回転不能に係止されている。連結手段17は、ピストンピン15を介して、偏心軸8とピストン14を連結している。
The
尚、主軸7は、主軸受11との摺動面に形成されたスパイラル溝18と、スパイラル溝18の下端と連通孔20を介して連結され、オイル2に開口するオイルポンプ孔19を備えている。
The
また、クランクシャフト9やシリンダブロック10は、両者ともに、安価で加工が容易な鋳鉄材のねずみ鋳鉄(FC200)で形成されている。
The
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。 About the compressor comprised as mentioned above, the operation | movement is demonstrated below.
電動要素5に通電がなされると、回転子4は回転し、これに伴ってクランクシャフト9も回転する。主軸7は、主軸受11内を回転する一方で、偏芯軸8の回転運動が、連結手段17とピストンピン15を通してピストン14に伝えられ、ピストン14はボア孔13内を往復運動する。このピストン14の往復運動により、密閉容器1内の冷媒21は、圧縮室12内に吸入された後に圧縮されて、密閉容器1外へと吐出され、いわゆる吸入行程と圧縮行程を繰り返している。
When the
また、クランクシャフト9の回転に伴う遠心力によって、オイルポンプ孔19内にオイル2は吸引され、連通孔20を通ってスパイラル溝18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17とピストンピン15や、ピストン14とボア孔13等の摺動部を潤滑する。
しかしながら、上記従来の構成において、主軸7と主軸受11の摺動部に片当りによる摩耗が発生することがある。圧縮行程時に、圧縮荷重Pが連結手段17を介して偏芯軸8に負荷され、主軸7は、主軸受11内にて傾斜し、主軸受11の上方と下方との局所的な領域において接触した状態、いわゆる片当りした状態で摺動する。
However, in the above-described conventional configuration, the sliding portion between the
発明者らの実機試験によれば、特に、ピストン14が上死点近傍に位置して圧縮荷重Pの最大値が作用した時に、主軸受11の上方(図14中、U点)と下方(図14中、M点)と接触する主軸7部位における摩耗が、他の部位に比べ顕著であるとともに、主軸受11の上方(図14中、U点)と接触する主軸7部位よりも、下方(図14中、M点)と接触する主軸7部位における摩耗の方が大きいことを確認している。
According to the inventors' actual machine test, especially when the
加えて、昨今の圧縮機小型化の要望に対応して主軸受11の長さを更に短くすると、圧縮荷重Pは従来と同じであっても、モーメントの関係により主軸7と主軸受11の接触荷重が増加し、特に、主軸受11の下方(図14中、M点)と接触する主軸7の部位での摩耗がより大きくなることも確認している。
In addition, when the length of the main bearing 11 is further shortened in response to the recent demand for compressor downsizing, the contact between the
このような片当りした状態で摺動していると、接触面が非常に狭い領域であり、加えてその狭い領域に負荷が集中することから、オイル2による潤滑作用が十分に発揮されず、異常摩耗が発生したり、主軸7と主軸受11の摺動面間に生成された摩耗粉が噛み込まれロック(回転不能)が発生する可能性があり、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。
When sliding in such a state where it comes into contact with each other, the contact surface is a very narrow region, and in addition, the load concentrates in the narrow region, so that the lubricating action by the
また、機構面、及び材質面等の種々の観点から、主軸7と主軸受11の摩耗防止策が検討されているが、構成の複雑化や高コスト化につながったり、あるいは圧縮機の小型化には対応できない等の欠点があった。
Further, measures for preventing wear of the
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、主軸7と主軸受11の片当りによる摩耗を防ぎ、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。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention solves the above-described conventional problems, and an object of the present invention is to provide a highly reliable and inexpensive compressor that prevents wear due to contact between the
上記従来の課題を解決するために、本発明の圧縮機は、主軸受の最も肉厚の薄いストレート部における主軸受の曲げ剛性Gbと主軸の曲げ剛性Gcとの剛性比Gb/Gcを、1.8以上で4.6以下としたもので、主軸の曲げ剛性を主軸受に対し顕著に下げることで、圧縮行程時に圧縮荷重を受けて、主軸が傾斜して主軸受内と接触した際に、主軸は主軸
受下方と接触する部位を起点に湾曲して主軸受の内径形状に沿うので、主軸と主軸受の接触面積が増え、片当りによる摩耗を減少させる。
In order to solve the above problems, the compressor of the present invention, the rigidity ratio Gb / Gc and flexural rigidity Gb and flexural rigidity Gc of the principal axes of the main bearing in the thickest thin straight portion of the main bearing, 1 .8 or more and 4.6 or less , when the bending rigidity of the main shaft is remarkably lowered with respect to the main bearing, when the main shaft is tilted and comes into contact with the main bearing during the compression stroke Since the main shaft is curved starting from the portion that contacts the lower portion of the main bearing and conforms to the inner diameter of the main bearing, the contact area between the main shaft and the main bearing is increased, and wear caused by one piece is reduced.
本発明の圧縮機は主軸と主軸受の片当りによる摩耗が減少するので、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。 Since the compressor according to the present invention reduces wear due to the contact between the main shaft and the main bearing, it is possible to provide a highly reliable and inexpensive compressor.
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、電動要素によって駆動される圧縮要素を収容し、圧縮要素は、鉛直方向に延在し主軸を備えたクランクシャフトと、主軸を軸支する主軸受を有するシリンダブロックを備えるとともに、主軸受の最も肉厚の薄いストレート部における主軸受の曲げ剛性Gbと主軸の曲げ剛性Gcとの剛性比Gb/Gcを、1.8以上で4.6以下としたもので、主軸の曲げ剛性を主軸受に対し顕著に下げることで、圧縮行程時に圧縮荷重を受けて、主軸が傾斜して主軸受内と接触した際に、主軸は主軸受下方と接触する部位を起点に湾曲して主軸受の内径形状に沿うので、主軸と主軸受の接触面積が増え、片当りによる摩耗が減少し、信頼性が高く、安価な圧縮機を提供することができる。 According to the first aspect of the present invention, oil is stored in a sealed container, and an electric element composed of a stator and a rotor and a compression element driven by the electric element are accommodated, and the compression element extends in the vertical direction. A crankshaft having a main shaft and a cylinder block having a main bearing that supports the main shaft, and the bending rigidity Gb of the main bearing and the bending rigidity Gc of the main shaft in the thinnest straight portion of the main bearing. The rigidity ratio Gb / Gc is set to 1.8 or more and 4.6 or less. By significantly reducing the bending rigidity of the main shaft relative to the main bearing, the main shaft is inclined by receiving a compressive load during the compression stroke. When it comes into contact with the main bearing, the main shaft is curved starting from the part that contacts the lower part of the main bearing and conforms to the inner diameter of the main bearing, increasing the contact area between the main shaft and the main bearing and reducing wear due to contact with the main bearing. Reliable, cheap Inexpensive compressors can be provided.
請求項2に記載の発明は、請求項1の発明において、主軸受長さLと内径Dの比率L/Dを、1.9以上で2.5以下としたもので、主軸の片当りによる摩耗の減少効果が顕著に発揮されるとともに、主軸受、及び主軸の長さを短く構成して圧縮機を小型化することができ、信頼性が高く、安価な圧縮機を提供することができる。
The invention according to
請求項3に記載の発明は、請求項1または請求項2の発明において、主軸受の材料を、球状黒鉛鋳鉄またはねずみ鋳鉄とし、主軸の材料をねずみ鋳鉄としたもので、現状の生産ラインを大幅に変更する必要がなく、生産性に優れ、信頼性が高く、安価な圧縮機を提供することができる。
Invention according to
請求項4に記載の発明は、請求項1から請求項3のいずれか1項の発明において、オイルポンプ孔の上端に筒状孔を延長穿設したもので、孔加工だけで容易に主軸の曲げ剛性を下げることができ、加えて、圧縮機に求められる圧縮負荷条件に合わせて、筒状孔の直径や長さを変更して対応できるので、極めて汎用性に優れ、信頼性が高く、安価な圧縮機を提供することができる。
The invention according to
請求項5に記載の発明は、請求項1から請求項4のいずれか1項の発明において、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た上で、主軸と主軸受の摩耗が防止でき、信頼性が高く、安価な圧縮機を提供することができる。
The invention according to
(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主軸と主軸受のA−A’部での断面図(A−A’部の場所は図1に記載)、図3は同実施の形態における主軸の挙動を示す特性図、図4は同実施の形態での主軸摩耗量の計測結果を示す特性図、図5は剛性比Gb/Gcと主軸摩耗量の相関結果を示す特性図、図6は主軸受長さと内径の比率L/Dと主軸摩耗量の相関結果を示す特性図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a compressor according to
密閉容器101には、冷媒121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。
The hermetic container 101 is filled with isobutane (R600a) as the refrigerant 121 and stores a relatively low viscosity mineral oil as the
電動要素105は、シリンダブロック110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。
The
固定子103は、突極集中巻型の巻線が用いられている。突極集中巻型の巻線とは、回転子104の中心に向かって放射状に突出した部位(突極)を持つ鉄心を有するものであり、この鉄心の突極に集中的に被覆線を巻きつけたものである。突極集中巻型の巻線は、鉄心からのはみ出しが極めて少ないので、他の巻型(例えば分布巻型)に比べて電動要素105の全高が低い仕様である。
The
圧縮要素106について、以下に説明する。
The
クランクシャフト109は、鉛直方向に延在し、主軸107及び偏芯軸108から構成されている。シリンダブロック110は、主軸107を回転自在に軸支する主軸受111とともに、圧縮室112を形成するボア孔113を有している。
The
ピストン114は、ボア孔113に往復可動に挿入されている。ピストンピン115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114に形成されたピストンピン孔116に回転不能に係止されている。連結手段117は、ピストンピン115を介して、偏心軸108とピストン114を連結している。
The piston 114 is reciprocally inserted into the bore hole 113. The piston pin 115 has a substantially cylindrical shape, is disposed in parallel with the
尚、主軸受111の内径Dは、低速運転(例えば、運転周波数が1500r/min)でも効果的に遠心力を作用させてオイル102を上方へ吸い上げることが可能な18mmとしている。
The inner diameter D of the main bearing 111 is set to 18 mm which can effectively suck up the
主軸107の外径と主軸受111の内径Dとの隙間は、加工精度や熱時の径変化によるこじり、あるいは主軸107の回転時のがたつき防止を考慮して、10〜30μmの範囲内である。尚、主軸受111の長さLは40mmである。
The clearance between the outer diameter of the
また、主軸107は、主軸受111との摺動面に形成されたスパイラル溝118と、スパイラル溝118の下端と連通孔120を介して連結され、オイル202に開口した下方から上方に向かって傾斜するように形成されたオイルポンプ孔119を備えている。
The
主軸107を有するクランクシャフト109は、ヤング率が73.5〜127×10−9N/m2であるねずみ鋳鉄(FC200)で形成されている。一方の主軸受111を有するシリンダブロック110はヤング率が140〜170×10−9N/m2である球状黒鉛鋳鉄(FCD500)にて形成されている。
The
圧縮機の構造上、回転子104の上端面に形成された凹部122に囲われた主軸受111のストレート部123が最薄肉となる部位に相当する。主軸受111下方の最小肉厚は、加工、組立公差や、衝撃割れ、長期運転中の金属疲労による脆性割れ等の防止を考慮して、2.5mmとしている。よって、主軸受111のストレート部123の外径は23mmとなっている。
Due to the structure of the compressor, the straight portion 123 of the main bearing 111 surrounded by the recess 122 formed on the upper end surface of the
ここで、曲げ剛性とは、曲げに対する変形抵抗の大きさを示すもので、ヤング率と断面二次モーメントの積で表される。 Here, the bending rigidity indicates the magnitude of deformation resistance to bending, and is represented by the product of Young's modulus and cross-sectional second moment.
以上の主軸107と主軸受111を構成する異種材質、及び設計諸元から、本実施の形態では、最薄肉となる主軸受111のストレート部123にて、主軸107と主軸受111の剛性比Gb/Gcが1.85となり、主軸受111の長さ方向で最小値となる。尚、主軸受111の長さLと内径Dの比率L/Dは2.20である。
From the dissimilar materials constituting the
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。 About the compressor comprised as mentioned above, the operation | movement is demonstrated below.
電動要素105に通電がなされると、回転子104は回転し、これに伴ってクランクシャフト109も回転する。主軸107は、主軸受111に軸支されて回転する一方で、偏芯軸108の回転運動が、連結手段117とピストンピン115を通してピストン114に伝えられ、ピストン114はボア孔113内を往復運動する。このピストン114の往復運動により、密閉容器101内の冷媒121は、圧縮室112内に吸入された後に圧縮されて、密閉容器101外へと吐出される。いわゆる吸入行程と圧縮行程を繰り返している。
When the
クランクシャフト109の回転に伴う遠心力によって、オイルポンプ孔119内にオイル102は吸引され、連通孔120を通ってスパイラル溝118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117とピストンピン115や、ピストン114とボア孔113等の摺動部を潤滑する。
The
圧縮行程時における主軸107の挙動について、図3を用いて説明する。
The behavior of the
圧縮荷重Pが、連結手段117を介して偏芯軸108に右横側から作用すると、主軸107は左に傾斜して、主軸受111の上方(図3中、U点)と下方(図3中、M点)にて片当りする。しかしながら、本実施の形態では、主軸受111の中で最薄肉となるストレート部123における主軸受111の曲げ剛性Gbと主軸107の曲げ剛性Gcとの剛性比Gb/Gcを1.8以上としたことで、主軸107の曲げ剛性は主軸受111に比べて顕著に小さくなり、主軸107の方が、主軸受111に比べ弾性変形し易い構成である。
When the compressive load P acts on the
これにより、主軸107は、主軸受111と片当りした際に、主軸受111下方(図3中、M点)と接触する部位を起点として湾曲する。より具体的には、主軸107摺動表面の右側(図3中、M点に接する側)には引張応力が、一方の左側(図3中、U点に接する側)には圧縮応力が作用するような形で、主軸107は図3に示す如く湾曲する。よって、主軸107の下方は、主軸受111の下方(図3中、M点)の内径形状に比較的広範囲に亘って沿うことになり、主軸107と主軸受111の接触面積が増え、局所的な接触摺動を回避して、片当りによる摩耗が減少する。
As a result, when the
ここで、本実施の形態での主軸受111の上方(図3中、U点)、及び下方(図3中、M点)と接触する主軸107部位の摩耗量を、図4を用いて説明する。
Here, with reference to FIG. 4, the amount of wear at the
尚、本図では、剛性比Gb/Gcが1.85となる本実施の形態と、1.65となる従来例とを比較した。いずれの形態も主軸受111長さLと内径Dの比率L/Dは2.2とした。また、本検討では、ショートサーキットサイクルにて、冷蔵庫実使用圧力範囲で最大となる凝縮・蒸発圧力値で、圧縮機を約20日間連続運転させている。 In this figure, the present embodiment in which the rigidity ratio Gb / Gc is 1.85 is compared with the conventional example in which the rigidity ratio Gb / Gc is 1.65. In any form, the ratio L / D between the length L of the main bearing 111 and the inner diameter D was 2.2. In this study, the compressor is continuously operated for about 20 days at the maximum condensation / evaporation pressure value in the actual working pressure range of the refrigerator in a short circuit cycle.
図4から、主軸受111の下方(図3中、M点)と接触する主軸107部位の摩耗量が、従来例に比べ50%程度低減していることを実機試験にて確認した。
From FIG. 4, it was confirmed by an actual machine test that the amount of wear at the
これは、主軸107が湾曲することにより、主軸受111の下方(図3中、M点)の内径形状に比較的広範囲に亘って沿い、主軸107と主軸受111の接触面積が増えることで、局所的な接触摺動の回避に加え、オイル102による潤滑作用も相乗的に発揮されたものと思われる。
This is because, by bending the
次に、主軸受111下方の曲げ剛性Gbと主軸107の曲げ剛性Gcとの剛性比Gb/Gcと主軸受(図3中、M点)と接触する主軸の部位で計測された摩耗量との相関関係について、図5を用いて説明する。
Next, the rigidity ratio Gb / Gc between the bending rigidity Gb below the main bearing 111 and the bending rigidity Gc of the
本検討では、主軸受111長さLと内径Dの比率L/Dを2.20とした上で、剛性比Gb/Gcをパラメータとして6仕様の圧縮機を作製した。尚、これら圧縮機をショートサーキットサイクルにて、冷蔵庫実使用圧力範囲で最大となる凝縮・蒸発圧力値で、圧縮機を約20日間連続運転させている。 In this examination, the ratio L / D between the length L of the main bearing 111 and the inner diameter D was set to 2.20, and a 6-spec compressor was produced using the rigidity ratio Gb / Gc as a parameter. These compressors are continuously operated for about 20 days in a short circuit cycle at a condensing / evaporation pressure value that is maximum in the actual working pressure range of the refrigerator.
図5から、剛性比Gb/Gcが1.8以上では、主軸107の摩耗量は1μm以下となり、片当りによる摩耗の減少が確認された。一方、剛性比Gb/Gcが1.4から1.8までの間では、主軸107には、片当りによる摩耗の発生が確認された。
From FIG. 5, when the rigidity ratio Gb / Gc is 1.8 or more, the wear amount of the
また、剛性比Gb/Gcが1.4では、主軸107の片当りによる摩耗は1μm程度に抑制されるものの、運転中の圧縮機の振動が過剰に大きくなることが確認された。
In addition, when the rigidity ratio Gb / Gc is 1.4, it is confirmed that although the wear due to the contact of the
これは、主軸受111は、曲げ剛性が主軸107に比べて顕著に小さく、弾性変形し易いことで、主軸107の傾斜による押付け力によって、主軸受111の下方側が主軸107の傾斜角度をより大きくする方向に過大に湾曲した結果であると考える。
This is because the main bearing 111 has a significantly smaller bending rigidity than the
よって、主軸受111の内径が主軸107に沿うことで、局所的な接触摺動は回避されたものの、主軸107の傾斜角度がより大きくなったために、主軸107の回転中の振れ回りが過剰となり、圧縮機の振動増加につながったと考える。
Therefore, although the local contact sliding is avoided because the inner diameter of the main bearing 111 is along the
このことから、剛性比Gb/Gcが1.8以上であれば、従来に比べて、主軸107と主軸受111との間の片当りによる摩耗を減少させるだけでなく、圧縮機の振動の抑制も可能である。
From this, if the rigidity ratio Gb / Gc is 1.8 or more, it not only reduces wear caused by one-piece contact between the
次に、主軸受111長さLと内径Dの比率L/Dと、主軸受111の下方(図3中、M点)と接触する主軸107部位での計測された摩耗量の相関関係について、図6を用いて説明する。
Next, regarding the correlation between the ratio L / D of the main bearing 111 length L and the inner diameter D and the measured amount of wear at the
尚、本図では、剛性比Gb/Gcが1.85となる本実施の形態と、1.65となる従来例をベースとした上で、比率L/Dをパラメータとして各6仕様の圧縮機を作製した。尚、これら圧縮機をショートサーキットサイクルにて、冷蔵庫実使用圧力範囲で最大となる凝縮・蒸発圧力値で、圧縮機を約20日間連続運転させている。 In this figure, based on the present embodiment in which the rigidity ratio Gb / Gc is 1.85 and the conventional example in which the rigidity ratio Gb / Gc is 1.65, compressors of 6 specifications each with the ratio L / D as a parameter. Was made. These compressors are continuously operated for about 20 days in a short circuit cycle at a condensing / evaporation pressure value that is maximum in the actual working pressure range of the refrigerator.
図6から、比率L/Dが2.5以下の領域において、剛性比Gb/Gcを1.8以上とすることにより、片当りによる摩耗の減少効果が顕著に確認された。 From FIG. 6, in the region where the ratio L / D is 2.5 or less, it was confirmed that the effect of reducing wear due to one piece was significantly reduced by setting the rigidity ratio Gb / Gc to 1.8 or more.
本実施の形態によって、信頼性を十分確保させた上で、主軸107、及び主軸受111の長さを短小化して、昨今の圧縮機小型化の要望に対応することが可能である。
According to the present embodiment, it is possible to reduce the length of the
尚、比率L/Dが2.5よりも大きい場合では、次のように考える。 In the case where the ratio L / D is larger than 2.5, the following is considered.
主軸受111長さLが長いほど、モーメントの関係により主軸107と主軸受111の接触荷重は小さくなり、例え局所的な接触摺動であっても摩耗が進行する面圧レベルには達しないものと考えられる。また、主軸受111の内径D、つまり主軸107の外径が小さいほど、主軸107は、曲げ剛性が小さくなり湾曲し易く、主軸受111の内径形状に沿い易いので、接触摺動状態が緩和されるものと考えられる。
The longer the length L of the main bearing 111, the smaller the contact load between the
以上のことから、本実施の形態のように、主軸受111の曲げ剛性Gbと主軸107下方の曲げ剛性Gcとの剛性比Gb/Gcを1.8以上とすることにより、主軸107の曲げ剛性を主軸受111に対し顕著に下げることで、圧縮行程時に圧縮荷重Pを受けて、主軸107が傾斜して主軸受111内と接触した際に、主軸107は主軸受111下方と接触する部位を起点に湾曲して主軸受111の内径形状に沿うので、主軸107と主軸受111の接触面積が増え、片当りによる摩耗が減少し、信頼性が高く、安価な圧縮機を提供することができる。
From the above, by setting the rigidity ratio Gb / Gc between the bending rigidity Gb of the main bearing 111 and the bending rigidity Gc below the
加えて、主軸受111長さLと内径Dの比率L/Dを2.5以下の領域では、剛性比の範囲内を指定することで、主軸107の片当りによる摩耗の減少効果が顕著に発揮されるとともに、主軸受111、及び主軸107の長さを短く構成して圧縮機を小型化することが可能となる。
In addition, in the region where the ratio L / D between the length L of the main bearing 111 and the inner diameter D is 2.5 or less, the effect of reducing wear due to the contact of the
また、本実施の形態では、主軸受111を主軸107の材料のヤング率よりも高い材料にて形成しており、現状の生産ラインを大幅に変更することなく、生産性に優れている。
In the present embodiment, the main bearing 111 is formed of a material higher than the Young's modulus of the material of the
(実施の形態2)
図7は本発明の実施の形態2における圧縮機の縦断面図、図8は同実施の形態における主軸と主軸受のB−B’部での断面図(B−B’部の場所は図2に記載)、図9は同実施の形態における主軸の挙動を示す特性図、図10は同実施の形態での主軸摩耗量の計測結果を示す特性図、図11は剛性比Gb/Gcと主軸摩耗量の相関結果を示す特性図、図12は主軸受長さと内径の比率L/Dと主軸摩耗量の相関結果を示す特性図である。
(Embodiment 2)
FIG. 7 is a longitudinal sectional view of a compressor according to
密閉容器201には、冷媒221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。
The
電動要素205は、シリンダブロック210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。
The electric element 205 includes a
固定子203は、突極集中巻型の巻線が用いられている。突極集中巻型の巻線とは、回転子204の中心に向かって放射状に突出した部位(突極)を持つ鉄心を有するものであり、この鉄心の突極に集中的に被覆線を巻きつけたものである。突極集中巻型の巻線は、鉄心からのはみ出しが極めて少ないので、他の巻型(例えば分布巻型)に比べて電動要素205の全高が低い仕様である。
The
圧縮要素206について、以下に説明する。
The
クランクシャフト209は、鉛直方向に延在し、主軸207及び偏芯軸208から構成されている。シリンダブロック210は、主軸207を回転自在に軸支する主軸受211とともに、圧縮室212を形成するボア孔213を有している。
The
ピストン214は、ボア孔213に往復可動に挿入されている。ピストンピン215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214に形成されたピストンピン孔216に回転不能に係止されている。連結手段217は、ピストンピン215を介して、偏心軸208とピストン214を連結している。
The piston 214 is reciprocally inserted into the bore hole 213. The
尚、主軸受211の内径Dは、低速運転(例えば、運転周波数が1500r/min)でも効果的に遠心力を作用させてオイル202を上方へ吸い上げることが可能な18mmとしている。
The inner diameter D of the main bearing 211 is set to 18 mm, which can effectively suck up the
主軸207の外径と主軸受211の内径Dとの隙間は、加工精度や熱時の径変化によるこじり、あるいは主軸207の回転時のがたつき防止を考慮して、10〜30μmの範囲内である。尚、主軸受211の長さLは40mmである。
The clearance between the outer diameter of the
また、主軸207は、主軸受211との摺動面に形成されたスパイラル溝218と、スパイラル溝218の下端と連通孔220を介して連結され、オイル202に開口するオイルポンプ孔219と、オイルポンプ孔219の上端に延長穿設された筒状孔230を備えている。
The
オイルポンプ孔219は、オイル202に開口した下端から上方に向かって傾斜するように形成されている。オイルポンプ孔219の内径は11.5mmである。筒状孔230は、オイルポンプ孔219と同一の傾斜角度で傾斜しており、主軸207と主軸受211の摺動部分の中ほどよりやや上方の辺りまで穿設されている。尚、筒状孔230の孔径は10mmとしている。
The
クランクシャフト209、シリンダブロック210は、両方ともに、安価で加工が容易な鋳鉄材のねずみ鋳鉄(FC200)で形成されている。
Both the
圧縮機の構造上、回転子204の上端面に形成された凹部222に囲われた主軸受211のストレート部223が最薄肉となる部位に相当する。主軸受211下方の最小肉厚は、加工、組立公差や、衝撃割れ、長期運転中の金属疲労による脆性割れ等の防止を考慮して、2.5mmとしている。よって、主軸受211のストレート部223の外径は23mmとなっている。
Due to the structure of the compressor, the
ここで、曲げ剛性とは、曲げに対する変形抵抗の大きさを示すもので、ヤング率と断面二次モーメントの積で表される。 Here, the bending rigidity indicates the magnitude of deformation resistance to bending, and is represented by the product of Young's modulus and cross-sectional second moment.
以上の主軸207と主軸受211を構成する設計、組立諸元から、本実施の形態では、最薄肉となる主軸受211のストレート部223と、筒状孔230が穿設された主軸207部位において、主軸207と主軸受211の剛性比Gb/Gcが1.85となり、主軸受211の長さ方向で最小値となる。尚、主軸受211の長さLと内径Dの比率L/Dは2.20である。
In the present embodiment, from the design and assembly specifications that constitute the
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。 About the compressor comprised as mentioned above, the operation | movement is demonstrated below.
電動要素205に通電がなされると、回転子204は回転し、これに伴ってクランクシャフト209も回転する。主軸207は、主軸受211に軸支されて回転する一方で、偏芯軸208の回転運動が、連結手段217とピストンピン215を通してピストン214に伝えられ、ピストン214はボア孔213内を往復運動する。このピストン214の往復運動により、密閉容器201内の冷媒221は、圧縮室212内に吸入された後に圧縮されて、密閉容器201外へと吐出される。いわゆる吸入行程と圧縮行程を繰り返している。
When the electric element 205 is energized, the
クランクシャフト209の回転に伴う遠心力によって、オイルポンプ孔219内にオイル202は吸引され、連通孔220を通ってスパイラル溝218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217とピストンピン215や、ピストン214とボア孔213等の摺動部を潤滑する。
The
圧縮行程時における主軸207の挙動について、図9を用いて説明する。
The behavior of the
圧縮荷重Pが、連結手段217を介して偏芯軸208に右横側から作用すると、主軸207は左に傾斜して、主軸受211の上方(図9中、U点)と下方(図9中、M点)にて片当りする。しかしながら、本実施の形態では、主軸受211の中で最薄肉となるストレート部223における主軸受211の曲げ剛性Gbと主軸207の曲げ剛性Gcとの剛性比Gb/Gcを1.8以上としたことで、主軸207の曲げ剛性は主軸受211に比べて顕著に小さくなり、主軸207が、主軸受211に比べ弾性変形し易い構成である。
When the compressive load P acts on the
これにより、主軸207は、主軸受211と片当りした際に、主軸受211下方(図9中、M点)と接触する部位を起点として湾曲する。より具体的には、主軸107摺動表面の右側(図9中、M点に接する側)には引張応力が、一方の左側(図9中、U点に接する側)には圧縮応力が作用するような形で、主軸207は図9に示す如く湾曲する。よって、主軸207の下方は、主軸受211の下方(図9中、M点)の内径形状に比較的広範囲に亘って沿うことになり、主軸207と主軸受211の接触面積が増え、局所的な接触摺動を回避して、片当りによる摩耗が減少する。
As a result, when the
ここで、本実施の形態での主軸受211の上方(図9中、U点)、及び下方(図9中、M点)と接触する主軸207部位の摩耗量を、図10を用いて説明する。
Here, the amount of wear at the
尚、本図では、剛性比Gb/Gcが1.85となる本実施の形態と、1.65となる従来例とを比較した。いずれの形態も主軸受211長さLと内径Dの比率L/Dは2.2とした。また、本検討では、ショートサーキットサイクルにて、冷蔵庫実使用圧力範囲で最大となる凝縮・蒸発圧力値で、圧縮機を約20日間連続運転させている。 In this figure, the present embodiment in which the rigidity ratio Gb / Gc is 1.85 is compared with the conventional example in which the rigidity ratio Gb / Gc is 1.65. In any form, the ratio L / D between the length L of the main bearing 211 and the inner diameter D was 2.2. In this study, the compressor is continuously operated for about 20 days at the maximum condensation / evaporation pressure value in the actual working pressure range of the refrigerator in a short circuit cycle.
図10から、主軸受211の下方(図9中、M点)と接触する主軸207部位の摩耗量が、従来例に比べ60%程度低減していることを実機試験にて確認した。
From FIG. 10, it was confirmed by an actual machine test that the amount of wear at the
これは、主軸207が湾曲することにより、主軸受211の下方(図9中、M点)の内径形状に比較的広範囲に亘って沿い、主軸207と主軸受211の接触面積が増えることで、局所的な接触摺動の回避に加え、オイル202による潤滑作用も相乗的に発揮されたものと思われる。
This is because the
次に、主軸受211下方の曲げ剛性Gbと主軸207の曲げ剛性Gcとの剛性比Gb/Gcと主軸受(図9中、M点)と接触する主軸の部位で計測された摩耗量との相関関係について、図11を用いて説明する。
Next, the rigidity ratio Gb / Gc between the bending rigidity Gb below the main bearing 211 and the bending rigidity Gc of the
本検討では、主軸受211長さLと内径Dの比率L/Dを2.20とした上で、剛性比Gb/Gcをパラメータとして6仕様の圧縮機を作製した。尚、これら圧縮機をショートサーキットサイクルにて、冷蔵庫実使用圧力範囲で最大となる凝縮・蒸発圧力値で、圧縮機を約20日間連続運転させている。 In this examination, the ratio L / D between the length L of the main bearing 211 and the inner diameter D was set to 2.20, and a 6-spec compressor was produced using the rigidity ratio Gb / Gc as a parameter. These compressors are continuously operated for about 20 days in a short circuit cycle at a condensing / evaporation pressure value that is maximum in the actual working pressure range of the refrigerator.
図11から、剛性比Gb/Gcが1.8以上では、主軸207の摩耗量は1μm以下となり、片当りによる摩耗の減少が確認された。一方、剛性比Gb/Gcが1.4から1.8までの間では、主軸207には、片当りによる摩耗の発生が確認された。
From FIG. 11, when the rigidity ratio Gb / Gc is 1.8 or more, the wear amount of the
また、剛性比Gb/Gcが1.4では、主軸207の片当りによる摩耗は1μm程度に抑制されるものの、運転中の圧縮機の振動が過剰に大きくなることが確認された。
Further, when the rigidity ratio Gb / Gc is 1.4, it is confirmed that the vibration due to the contact of the
これは、主軸受211は、曲げ剛性が主軸207に比べて顕著に小さく、弾性変形し易いことで、主軸207の傾斜による押付け力によって、主軸受211の下方側が主軸207の傾斜角度をより大きくする方向に過大に湾曲した結果であると考える。
This is because the main bearing 211 has a significantly smaller bending rigidity than the
よって、主軸受211の内径が主軸207に沿うことで、局所的な接触摺動は回避されたものの、主軸207の傾斜角度がより大きくなったために、主軸207の回転中の振れ回りが過剰となり、圧縮機の振動増加につながったと考える。
Therefore, although the local contact sliding is avoided by having the inner diameter of the main bearing 211 along the
このことから、剛性比Gb/Gcが1.8以上であれば、従来に比べて、主軸207と主軸受211との間の片当りによる摩耗を減少させるだけでなく、圧縮機の振動の抑制も可能である。
From this, if the rigidity ratio Gb / Gc is 1.8 or more, it not only reduces wear caused by one-piece contact between the
次に、主軸受211長さLと内径Dの比率L/Dと、主軸受211の下方(図9中、M点)と接触する主軸207部位での計測された摩耗量の相関関係について、図12を用いて説明する。
Next, regarding the correlation between the ratio L / D of the main bearing 211 length L and the inner diameter D and the measured amount of wear at the
尚、本図では、剛性比Gb/Gcが1.85となる本実施の形態と、1.65となる従来例をベースとした上で、比率L/Dをパラメータとして各6仕様の圧縮機を作製した。尚、これら圧縮機をショートサーキットサイクルにて、冷蔵庫実使用圧力範囲で最大となる凝縮・蒸発圧力値で、圧縮機を約20日間連続運転させている。 In this figure, based on the present embodiment in which the rigidity ratio Gb / Gc is 1.85 and the conventional example in which the rigidity ratio Gb / Gc is 1.65, compressors of 6 specifications each with the ratio L / D as a parameter. Was made. These compressors are continuously operated for about 20 days in a short circuit cycle at a condensing / evaporation pressure value that is maximum in the actual working pressure range of the refrigerator.
図12から、比率L/Dが2.5以下の領域において、剛性比Gb/Gcを1.8以上とすることにより、片当りによる摩耗の減少効果が顕著に確認された。 From FIG. 12, in the region where the ratio L / D is 2.5 or less, it was confirmed that the effect of reducing wear due to one piece was significantly reduced by setting the rigidity ratio Gb / Gc to 1.8 or more.
本実施の形態によって、信頼性を十分確保させた上で、主軸207、及び主軸受211の長さを短小化して、昨今の圧縮機小型化の要望に対応することが可能である。
According to the present embodiment, it is possible to reduce the lengths of the
尚、比率L/Dが2.5よりも大きい場合では、次のように考える。 In the case where the ratio L / D is larger than 2.5, the following is considered.
主軸受211長さLが長いほど、モーメントの関係により主軸207と主軸受211の接触荷重は小さくなり、例え局所的な接触摺動であっても摩耗が進行する面圧レベルには達しないものと考えられる。また、主軸受211の内径D、つまり主軸207の外径が小さいほど、主軸207は、曲げ剛性が小さくなり湾曲し易く、主軸受211の内径形状に沿い易いので、接触摺動状態が緩和されるものと考えられる。
The longer the length L of the main bearing 211, the smaller the contact load between the
以上のことから、本実施の形態のように、主軸受211の曲げ剛性Gbと主軸207下方の曲げ剛性Gcとの剛性比Gb/Gcを1.8以上とすることにより、主軸207の曲げ剛性を主軸受211に対し顕著に下げることで、圧縮行程時に圧縮荷重Pを受けて、主軸207が傾斜して主軸受211内と接触した際に、主軸207は主軸受211下方と接触する部位を起点に湾曲して主軸受211の内径形状に沿うので、主軸207と主軸受211の接触面積が増え、片当りによる摩耗が減少し、信頼性が高く、安価な圧縮機を提供することができる。
From the above, by setting the rigidity ratio Gb / Gc between the bending rigidity Gb of the main bearing 211 and the bending rigidity Gc below the
また、本実施の形態のように、オイルポンプ孔219の上端に筒状孔230を延長穿設することにより、孔加工だけで容易に主軸の曲げ剛性を下げることができ、生産性に優れている。尚、圧縮機に求められる圧縮負荷条件に合わせて、オイルポンプ孔219の上端に延長穿設した筒状孔230の孔径と長さを変更して対応するので、極めて汎用性にも優れている。
Further, as in the present embodiment, by extending the
また、本実施の形態では、主軸受211と主軸207の材料を共に同種の鋳鉄材料としたが、剛性比Gb/Gcを1.8以下とするために、筒状孔の加工に加え、主軸受211を主軸207の材料のヤング率よりも高い材料にて形成しても良い。
In this embodiment, both the main bearing 211 and the
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。 As described above, since the compressor according to the present invention has high reliability, it can be applied to all uses using a refrigeration cycle such as a dehumidifier, a showcase, and a vending machine, including a refrigerator for home use.
101,201 密閉容器
102,202 オイル
103,203 固定子
104,204 回転子
105,205 電動要素
106,206 圧縮要素
107,207 主軸
109,209 クランクシャフト
110,210 シリンダブロック
111,211 主軸受
118,218 スパイラル溝
119,219 オイルポンプ孔
123,223 ストレート部
230 筒状孔
101, 201
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