JP4687634B2 - 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型圧縮機に関するものである。

近年、冷凍冷蔵庫等の冷凍装置に使用される密閉型圧縮機については、消費電力の低減のための高効率化や、低騒音化、並びに高信頼性化が望まれている。

従来、この種の密閉型圧縮機としては、スラストボールベアリングを採用して、効率を向上させたものがある（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５は、特許文献１に記載された従来の密閉型圧縮機の縦断面図、図６は、分解斜視図である。図５、図６に示すように、密閉容器１内には、固定子２と回転子３からなる電動要素４と、電動要素４によって駆動される圧縮要素５を収容し、密閉容器１内に潤滑油６を貯溜する。シャフト１０は、回転子３を固定した主軸部１１および主軸部１１に対し偏心して形成された偏心軸部１２を有する。シリンダブロック１４は、略円筒形の圧縮室１５と主軸受２０を有する。ピストン２３は、シリンダブロック１４の圧縮室１５に往復摺動自在に挿入され、偏心軸部１２との間を連結手段２４とピストンピン２５によって連結されている。

シャフト１０の主軸部１１と偏心軸部１２の間の主軸部１１側には主軸部１１の軸心と略直角に環状の上ワッシャ着座面２７が形成され、主軸受２０の上端には主軸受２０の軸心と略直角に環状の下ワッシャ着座面２８が形成されている。これらの上ワッシャ着座面２７と下ワッシャ着座面２８の間には、シャフト１０を支持するため、ボール３０と上ワッシャ３１及び下ワッシャ３２とからなるスラストボールベアリング３５が装着される。上ワッシャ３１及び下ワッシャ３２は平板で形成されている。スラストボールベアリング３５は、シャフト１０と回転子３の重力方向の荷重を支持している。

以上のように構成された密閉型圧縮機について、以下その動作を説明する。

電動要素４の回転子３はシャフト１０を回転させ、偏心軸部１２の回転運動が連結手段２４を介してピストン２３に伝えられることでピストン２３は圧縮室１５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）から圧縮室１５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。

シャフト１０と回転子３の重量はスラストボールベアリング３５で支えられると共に、シャフト１０の回転時はボール３０が上ワッシャ３１と下ワッシャ３２の間で転がるために回転が滑らかになる。回転時において、上ワッシャ３１は上ワッシャ着座面２７に密着して上ワッシャ着座面２７と同時に回転し、下ワッシャ３２は下ワッシャ着座面２８に密着して静止している。このスラストボールベアリング３５を用いることによって、シャフト１０を回転させるトルクはスラストすべり軸受けに比べて小さくなるため、スラスト軸受けでの損失を小さくすることができる。従って、入力が低減して、高効率とすることができる。
特開２００５−１２７３０５号公報

しかしながら、上記従来の構成では、電源周波数を超える周波数で回転するインバータ圧縮機に同様のスラストボールベアリング３５を採用する際において、電源周波数を超える高速回転時に上ワッシャ３１や下ワッシャ３２に剥離や摩耗の兆候が見られた。

この兆候は回転数が高くなるほど顕著に現れ、また、近年インバータ圧縮機用の電動要素の主流となってきている、小型で回転子が非常に軽量な集中巻き型のものの方が分布巻き型より顕著であることが分かった。その結果、上記従来の構成では、集中巻き型の電動要素を用いて高速運転を行うことができなかった。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、ボールや上ワッシャ、下ワッシャの摩耗を低減して、低騒音、高効率で高信頼性の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、回転子は少なくとも電源周波数を超える運転周波数で回転し、かつ、ボール一個の重量をｍ［ｇ］、前記ボールの数をＺ［個］、前記ボールの軌道径をｄ［ｍｍ］、前記シャフトの回転数をｎ［ｒ／ｓ］、前記スラストボールベアリングに掛かる重力方向の荷重をＦａ［Ｎ］、係数を２．０×１０−３［ｓ・Ｎ／（ｇ・ｍｍ）］としたとき、これらの値が関係式
Ｆａ＞２．０×１０−３・ｍ・Ｚ・ｄ・ｎ
の関係を満たすことを特徴とするものであり、電源周波数を超える高速の周波数で運転される場合に、ボールに掛かる荷重が所定の値以上になることで、ボールがワッシャ上ですべりにくくなり、安定して転がるようになるため、ボールやワッシャの摩耗を低減する作用を有する。

本発明の密閉型圧縮機は、ボールやワッシャの摩耗を低減するので、低騒音、高効率で高信頼性の密閉型圧縮機を提供することができる。

請求項１に記載の発明は、密閉容器内に潤滑油を貯溜するとともに、固定子と回転子を備えた電動要素と、前記電動要素によって駆動される圧縮要素を収容し、前記回転子は少なくとも電源周波数を超える運転周波数で回転し、前記圧縮要素は、鉛直方向に延展した主軸部に前記回転子が固定されたシャフトと、前記シャフトの前記主軸部を軸支する主軸受と、前記シャフトの回転に伴い容積を変化させる圧縮室を備え、前記シャフトおよび前記回転子の重力荷重を支持するスラスト摺動部に複数のボールと前記ボールを保持するホルダー部を備えたスラストボールベアリングを配設し、前記ボール一個の重量をｍ［ｇ］、前記ボールの数をＺ［個］、前記ボールの軌道径をｄ［ｍｍ］、前記シャフトの最高回転数をｎ［ｒ／ｓ］、前記スラストボールベアリングに掛かる重力方向の荷重をＦａ［Ｎ］、係数を２．０×１０−３［ｓ・Ｎ／（ｇ・ｍｍ）］としたとき、これらの値が、
Ｆａ＞２．０×１０−３・ｍ・Ｚ・ｄ・ｎ
の関係式を満たすことを特徴とするもので、電源周波数を超える高速の周波数で運転される場合に、ボール
に掛かる荷重を一定の値以上になるようにして、ボールがワッシャ上ですべりにくく、安定して転がるようになるため、ボールやワッシャの摩耗が低減し、低騒音、高効率で高信頼性の密閉型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に記載の発明において、電動要素は固定子のコアに設けたティース部に巻き線を集中巻きした集中巻き型の電動要素であるものであり、固定子の巻き線が分布巻のものと比べて電動要素が小型、軽量であり、回転子も軽量であるため、一般にスラストボールベアリングに掛かる荷重は小さく、従来構成のままではボールが滑る条件になりやすいが、請求項１に記載の発明によりボールのすべりを防ぐ限界設計ができるので、請求項１に記載の発明の効果に加えて、小型、軽量化することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、ボールの数が６以上１０以下であるものであり、ボールの数を比較的少なくしてボール１個に掛かる荷重を増やすことによってボールのすべりを容易に低減することができる。一方、ボールの数を少なくし過ぎると、圧縮荷重によりシャフトが傾きスラストボールベアリングの一部のボールのみで荷重を受ける場合に特定のボールのみに荷重が集中してしまうため、シャフト１回転３６０度のうち圧縮荷重が掛かる回転角度、すなわち３００度から３６０度の約６０度において圧縮荷重を受ける側に常に複数のボールがある必要があり、ボール６個はその最低数である。従って、請求項１または２に記載の発明の効果に加えて、容易にボールのすべりを低減でき、かつ複数のボールに圧縮による荷重が分散されてボールの片当たりを緩和することができる。

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おいて、回転子に鉛直下向きの磁気吸引力を作用させたものであり、磁気吸引力による荷重がボールに掛かるため、回転子やシャフトの軽量化に伴いボールに掛かる重力荷重が小さい場合や、更に高周波数でシャフトが回転する場合でも、ボールが滑ることなく安定して転がる。従って、請求項１から３のいずれか一項に記載の発明の効果に加えて、更に小型、軽量化や高速回転化が可能となる。

請求項５に記載の発明は、請求項１から４のいずれか一項に記載の発明において、潤滑油の粘度がＶＧ３〜ＶＧ８であるもので、摺動部での損失を低減できるため、請求項１から４のいずれか一項に記載の発明の効果に加えて、さらに高効率にすることができる。

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。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。

（実施の形態１）
図１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２は、要部断面図である。図３は、同実施の形態における密閉型圧縮機のスラストボールベアリングの分解斜視図である。図４は、同実施の形態におけるスラストボールベアリングの必要最小荷重の特性図である。

図１から図３において、密閉容器１０１内には、固定子１０２と回転子１０３からなる電動要素１０４と、電動要素１０４によって駆動される圧縮要素１０５を収容し、密閉容器１０１内に潤滑油１０６を貯溜する。シャフト１１０は、回転子１０３を固定した主軸部１１１と、主軸部１１１の上部に配設され主軸部１１１に対し偏心して形成された偏心軸部１１２とを有する。偏心軸部１１２の先端には回転のアンバランスを打ち消し、振動を小さくするためのクランクウェイト１１３が固定されている。

シリンダブロック１１４は、略円筒形の圧縮室１１６を有し、主軸部１１１を軸支する主軸受１２０が固定されている。ピストン１２６は、シリンダブロック１１４の圧縮室１１６に往復摺動自在に挿入され、偏心軸部１１２との間を連結手段１２７とピストンピン１２８によって連結されている。

シャフト１１０の主軸部１１１と偏心軸部１１２の間の主軸部１１１側には主軸部１１１の軸心と略直角に上ワッシャ着座面１３１が環状に形成され、主軸受１２０の上端には主軸受１２０の軸心と略直角に下ワッシャ着座面１３２が環状に形成されている。これらの上ワッシャ着座面１３１と下ワッシャ着座面１３２の間には、シャフト１１０を支持するため、複数のボール１３５と、ボール１３５を保持するホルダー部１３６と、ボール１３５の上下に各々配設される上ワッシャ１３８及び下ワッシャ１３９とからなるスラストボールベアリング１４０が装着されている。スラストボールベアリング１４０は、シャフト１１０、回転子１０３及びクランクウェイト１１３の重力方向の荷重を支持している。ホルダー部１３６は樹脂で成型され、ボール１３５を保持する穴の内面はボール１３５に沿った球面状になっており、ボール１３５との間にわずかな隙間が形成されてボール１３５が回転しやすくなっている。

ボール１３５の一個の重量をｍ［ｇ］、ボール１３５の数をＺ［個］、ボール１３５の軌道径をｄ［ｍｍ］、シャフト１１０の最高回転数をｎ［ｒ／ｓ］、スラストボールベアリング１４０に掛かる重力方向の荷重をＦａ［Ｎ］としたとき、これらの値が関係式
Ｆａ＞２．０×１０^−３・ｍ・Ｚ・ｄ・ｎ
の関係を満たすように構成されている。ここで、「２．０×１０ ^−３ 」は、係数であり、その単位は、［ｓ・Ｎ／（ｇ・ｍｍ）］である。具体的には、ｍは０．１３［ｇ］、Ｚは６［個］、ｄは２４［ｍｍ］、ｎは８０［ｒ／ｓ］、Ｆａは７．０［Ｎ］であり、２．０×１０^−３・ｍ・Ｚ・ｄ・ｎの値を計算すると３．０［Ｎ］となり、Ｆａよりも小さくなっている。

電動要素１０４は固定子１０２のコアに設けたティース部に巻き線を集中巻きした集中巻き型の電動要素である。また、電動要素１０４はインバータ制御により複数の回転数で運転することができ、最高回転数は前述したように８０［ｒ／ｓ］となっている。

回転子１０３のコアは固定子１０２のコアに対して鉛直上向きにずらして設置しており、このずれにより、運転時において回転子１０３に鉛直下向きの磁気吸引力が作用する。このため、スラストボールベアリング１４０にはシャフト１１０や回転子１０３等の重力による荷重に加えて、磁気吸引力による荷重もさらに作用する。

本密閉型圧縮機に使用される冷媒は、オゾン破壊係数がゼロのＲ１３４ａやＲ６００ａに代表される温暖化係数の低い自然冷媒である炭化水素系冷媒等であり、それぞれ相溶性の高い潤滑油と組み合わせてあり、潤滑油１０６の粘度はＶＧ５である。

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。

電動要素１０４の回転子１０３はシャフト１１０を回転させ、偏心軸部１１２の回転運動が連結手段１２７を介してピストン１２６に伝えられることでピストン１２６は圧縮室１１６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）から圧縮室１１６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。

シャフト１１０、クランクウェイト１１３並びに回転子１０３の重量はスラストボールベアリング１４０で支えられると共に、シャフト１１０の回転時はボール１３５が上ワッシャ１３８と下ワッシャ１３９の間で転がるために回転が滑らかになる。このスラストボールベアリング１４０を用いることによって、シャフト１１０を回転させるトルクはスラストすべり軸受けに比べて小さくなるため、スラスト軸受けでの損失を小さくすることができる。従って、入力が低減して、高効率とすることができる。

このとき、上ワッシャ１３８は上ワッシャ着座面１３１に密着して上ワッシャ着座面１３１と同時に回転し、下ワッシャ１３９は下ワッシャ着座面１３２に密着して静止している。

一般に、回転しているスラストボールベアリングのボールには、遠心力を初めとした力が働き、これらの影響は高速回転になるほど大きくなる。その結果、上述した力がボールのころがり抵抗の値を上回り、ワッシャ上で局部的に滑ると推定した。

従って所定の値以上の荷重を与えてやることによって上記すべりを抑えることが可能となると考えられたが、遠心力を初めとした力は回転数ｎの二乗に比例するため、必要最小荷重Ｆは例えば７０［ｒ／ｓ］を越えてくるようなものにおいては１０［Ｎ］に近い数値となり、この値はシャフトや回転子等の重量を大きく上回るため、別途ウエイトを付加するといった対応が必要であると思われた。

特にインバータ圧縮機に用いられる電動要素については、近年集中巻き型が主流であり、分布巻き型のものより小型で回転子が非常に軽量であるため、必要最小荷重を確保することは更に困難であり、高速運転を行うインバータ圧縮機にスラストボールベアリングを適用することは困難であると思われた。

しかしながら発明者らは多くの実験結果から、上記した理論的に必要となる与荷重より遥かに小さい所定の荷重を与えることで上ワッシャ１３８や下ワッシャ１３９に剥離や摩耗の兆候をほとんど起さないことを見出し、その限界を明確にすることができたものである。

図４にスラストボールベアリングの必要最小荷重の特性を示す。図４において横軸が回転周波数、縦軸が荷重で、理論的な計算による必要最小荷重と、本発明による試験結果から得られた必要最小荷重について、同一条件での結果を示している。

理論的な計算式での必要最小荷重は、回転数の二乗に比例するため、回転数の増加とともに必要最小荷重が顕著に大きくなっていき、６０［ｒ／ｓ］を超える領域において７［Ｎ］を超える。すなわち、本実施例において、シャフト１１０や回転子１０３等の重量によりスラストボールベアリング１４０へ掛かる荷重（７［Ｎ］）は、理論的な計算式ではボールに滑りが生じるＮＧ領域に入る。

一方、スラストボールベアリングに掛かる荷重と回転数を変化させた実験の結果を図４にプロットしている。ここで、ＯＫとは実験後のボールやワッシャに傷つきや剥離等の摩耗の兆候が無いものであり、ＮＧとは実験後のボールやワッシャに傷つきや剥離等の摩耗の兆候があるものである。また、図４における実験において電動要素の磁気吸引力による荷重は与えておらず、よって図４の結果には重力によりスラストボールベアリングにかかる荷重のみが示されている。これらの実験結果によると、８０［ｒ／ｓ］等の高速回転域においても必要最小荷重は理論的な計算式よりかなり小さく、さらに回転数とともに顕著に大きくなるような傾向は見られない。

この理由として、本実施の形態のようなホルダー部１３６のボール１３５を保持する穴が球形状の場合、回転数が大きくなりボール１３５の回転が速くなると、ホルダー部１３６とボール１３５との間にある潤滑油１０６のくさび効果により油膜が形成しやすくなり、ボール１３５とホルダー部１３６との摩擦係数が小さくなってボール１３５が転がりやすくなるためであると推測している。

これらの実験結果と理論的な考え方を統合させて、本発明の必要最小荷重の関係式
Ｆａ＞２．０×１０^−３・ｍ・Ｚ・ｄ・ｎ
を導き出したものである。

従って、本実施の形態の密閉型圧縮機は、電源周波数を超える高速の周波数で運転される場合に、ボール１３５に掛かる荷重を本発明の計算式で算出される値以上になるようにしており、ボール１３５が上ワッシャ１３８や下ワッシャ１３９上ですべりにくく、安定して転がるようになるため、ボール１３５、上ワッシャ１３８及び下ワッシャ１３９の摩耗を低減して、低騒音、高効率で高信頼性にすることができる。

また、電動要素１０４は固定子１０２のコアに設けたティース部に巻き線を集中巻きした集中巻き型の電動要素であり、固定子１０２の巻き線が分布巻のものと比べて電動要素１０４が小型、軽量であり、回転子１０３も軽量であるため、スラストボールベアリング１４０に掛かる荷重は小さく、従来構成のままではボール１３５が滑る条件になりやすいが、本発明の計算式によりボール１３５のすべりを防ぐ限界設計ができるので、更に、小型、軽量化することができる。

更に、ボール１３５の数が６であり、ボール１３５の数を比較的少なくしてボール１個に掛かる荷重を増やすことによってボール１３５のすべりを容易に低減することができる。また、ボール１３５は６０度間隔で配置されているため、圧縮荷重によりシャフト１１０が傾いた場合でも常に複数のボール１３５で荷重を支えることができ、荷重が分散されてボール１３５の片当たりを緩和することができる。

また、回転子１０３のコアを固定子１０２のコアに対して鉛直上向きにずらして設置しているために回転子１０３に鉛直下向きの磁気吸引力が働き、磁気吸引力による荷重がボール１３５に掛かるため、更にボール１３５が滑ることを安定して防ぐことができる。また、回転子１０３の取り付け位置が多少ばらついても反重力方向の磁気吸引力が働きボール１３５に掛かる荷重が減少する、といったことを防ぐことができる。

また、潤滑油１０６の粘度はＶＧ５と低粘度であるため、摺動部での粘性抵抗が小さく、損失を低減できるのでさらに高効率にすることができる。

なお、本実施の形態において、軸受構成はシャフト１１０を主軸受１２０のみで軸支する片持ち軸受構成としたが、主軸受と副軸受の２つの軸受で軸支する両持ち軸受構成で、スラストボールベアリングを副軸受の上部に設けた構成であっても、同様の効果が得られる。

また、本実施の形態において、圧縮方式は往復式を例示して説明したが、回転式やスクロール式の圧縮方式であっても、同様の効果が得られる。

以上のように、本発明にかかる密閉型圧縮機は、ボールの滑りが低減されて摩耗を防ぎ、低騒音、高効率、高信頼性が可能となるので、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適用できる。

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 同実施の形態における密閉型圧縮機の要部断面図 同実施の形態におけるスラストボールベアリングの分解斜視図 同実施の形態におけるスラストボールベアリングの必要最小荷重の特性図 従来の密閉型圧縮機の縦断面図 従来の密閉型圧縮機の分解斜視図

符号の説明

１０１ 密閉容器
１０２ 固定子
１０３ 回転子
１０４ 電動要素
１０５ 圧縮要素
１０６ 潤滑油
１１０ シャフト
１１１ 主軸部
１１６ 圧縮室
１２０ 主軸受
１３５ ボール
１３６ ホルダー部
１４０ スラストボールベアリング

Claims (5)

1. 密閉容器内に潤滑油を貯溜するとともに、固定子と回転子を備えた電動要素と、前記電動要素によって駆動される圧縮要素を収容し、前記回転子は少なくとも電源周波数を超える運転周波数で回転し、前記圧縮要素は、鉛直方向に延展した主軸部に前記回転子が固定されたシャフトと、前記シャフトの前記主軸部を軸支する主軸受と、前記シャフトの回転に伴い容積を変化させる圧縮室を備え、前記シャフトや前記回転子の重力方向の荷重を支持するスラスト摺動部に複数のボールと前記ボールを保持するホルダー部を備えたスラストボールベアリングを配設し、前記ボール一個の重量をｍ［ｇ］、前記ボールの数をＺ［個］、前記ボールの軌道径をｄ［ｍｍ］、前記シャフトの最高回転数をｎ［ｒ／ｓ］、前記スラストボールベアリングに掛かる重力方向の荷重をＦａ［Ｎ］、係数を２．０×１０ ^−３ ［ｓ・Ｎ／（ｇ・ｍｍ）］としたとき、これらの値が、
   Ｆａ＞２．０×１０^−３・ｍ・Ｚ・ｄ・ｎ
   の関係式を満たした密閉型圧縮機。
2. 電動要素は固定子のコアに設けたティース部に巻き線を集中巻きした集中巻き型の電動要素である請求項１に記載の密閉型圧縮機。
3. ボールの数が６以上１０以下である請求項１または２に記載の密閉型圧縮機。
4. 回転子に鉛直下向きの磁気吸引力を作用させた請求項１から３のいずれか一項に記載の密閉型圧縮機。
5. 潤滑油の粘度がＶＧ３〜ＶＧ８である請求項１から４のいずれか一項に記載の密閉型圧縮機。

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