JP4750561B2 - スコッチヨーク式レシプロ圧縮機及びそれを用いた冷凍・冷蔵庫 - Google Patents

Description

本発明は、スコッチヨーク式レシプロ圧縮機及びそれを用いた冷凍・冷蔵庫に関する。

近年、冷凍・冷蔵庫に用いられるスコッチヨーク式レシプロ圧縮機には、冷却性能向上のための圧縮機の高性能化、庫内容積効率の向上のための圧縮機の小型化、並びに低騒音・低コスト化等が要求されている。合わせて環境問題に配慮した新冷媒の採用による冷凍機油の潤滑性能の低下が圧縮機の信頼性向上の隘路となっている。

従来のスコッチヨーク式レシプロ圧縮機としては、例えば特開平１０―８９２５５号公報（特許文献１）、及び特開平９−７９１４３号公報（特許文献２）に示されたものがある。

特許文献１のスコッチヨーク式レシプロ圧縮機では、圧縮機構部は、クランクシャフトと、クランクシャフトに設けられたクランクピンの偏心回転運動を往復運動に変換するスライダ及びスライド管と、このスライド管の往復運動によってシリンダ内を往復運動して吸込工程と圧縮工程とを繰り返すピストンとにより構成されている。スライダは、外周が全て同径の円柱状をしており、中央部にクランクピンを挿入する穴を形成している。スライド管は、内周が全て同径の円筒状をしており、下部にクランクピンが貫通する長穴を形成している。スライダはスライド管内に往復動可能に挿入され、クランクピンはスライド管の長穴を貫通してスライダの穴に挿入されている。かかる構成によってクランクピンの偏心回転運動をピストンの往復運動に変換する。また、密閉容器の下部に貯留された潤滑油（冷凍機油）は、クランクシャフトの軸孔内壁とクランクピンの内壁を上昇し、スライド管とスライダとのクリアランスに供給される。

一方、特許文献２のスコッチヨーク式レシプロ圧縮機は、クランクピンを有するクランクシャフト（回転軸）と、クランクピンに遊嵌され外周面の中央部に中央溝が形成されているスライダと、スライダを囲繞しているスライド管（スライダシェル）と、スライド管の一側に設けられているシリンダと、スライド管の外周面の所定部位に結合し、シリンダの内部を直線往復運動するピストンとにより構成されている。そして、スライド管の内周面に接触されるスライダの外周面の両側に円弧部が形成されている。

特開平１０−８９２５５号公報 特開平９−７９１４３号公報

しかし、スコッチヨーク式レシプロ圧縮機では、クランクシャフトの回転力と摺動面の摩擦力及び冷媒圧縮によるピストンの反力とによって、スライダはスライド管の中でクリアランス分だけ傾きながら力を伝達する。このため、特許文献１においては、スライダはスライド管の内周面にスライダの端面の稜線上で接触し摺動する。このような摺動環境下では、スライダの接触応力が大きくなるため、充分な油膜が形成されず、実質的にはスライダの接触応力が大きな固体接触となり、スライダまたはスライド管の破損を招くおそれがあった。

一方、特許文献２のスコッチヨーク式レシプロ圧縮機では、スライダの外周面の中央溝の両側に円弧部を形成することにより、スライダの外周面に高い流体圧力が形成されうるようにしてスライド管との摩擦を小さくすることを提案している。しかし、潤滑油の流体圧力を利用しているため、スライダが往復動する両端位置では、スライダが停止した状態となって十分な流体圧力を利用することができず、接触応力が大きな状態でスライダが傾いて、実質的にはスライダの接触応力が大きな固体接触となり、スライダまたはスライド管の破損を招くおそれがあった。

本発明の目的は、安価な構造で、圧縮機の効率向上及び信頼性の向上を図ることができるスコッチヨーク式レシプロ圧縮機及びそれを用いた冷凍・冷蔵庫を提供することにある。

前述の目的を達成するための本発明の第１の態様は、シリンダと、前記シリンダ内を往復動して冷媒を圧縮するピストンと、前記ピストンに一体に設けられたスライド管と、前記スライダ管内をクランクシャフトによって往復動されるスライダと、前記クランクシャフトを通して前記スライド管と前記スライダとの間に給油する給油機構とを備えたスコッチヨーク式レシプロ圧縮機において、前記スライダの外周面に、中央部が最大径となり、この中央部から両側端部へ小径となるように延びる円弧部を形成し、前記円弧部の内外径差と前記円弧部の軸方向長さとの比を、前記スライダが前記スライド管の軸方向中央に位置して平行状態で接触した場合における反接触側の中央に形成されるクリアランスと前記スライダの全長との比に対して１〜５倍の範囲内にしたことにある。

係る本発明の第１の態様のより好ましい具体的な構成例は次の通りである。
（１）前記円弧部の内外径差と前記円弧部の軸方向長さとの比を、前記クリアランスと前記スライダの全長との比に対して２〜３倍の範囲内にしたこと。
（２）前記円弧部内の軸方向中央部に位置して円周溝を形成したこと。

また、本発明の第２の態様は、シリンダと、前記シリンダ内を往復動して冷媒を圧縮するピストンと、前記ピストンに一体に設けられたスライド管と、前記スライダ管内をクランクシャフトによって往復動されるスライダと、前記クランクシャフトを通して前記スライド管と前記スライダとの間に給油する給油機構とを備えたスコッチヨーク式レシプロ圧縮機において、前記スライド管の内周面に、中央部が最小径となり、この中央部から両側端部に大径となるように延びる円弧部を形成し、前記スライダの摺動範囲における前記円弧部の内外径差と前記円弧部の軸方向長さとの比を、前記スライダが前記スライド管の軸方向中央に位置して平行状態で接触した場合における反接触側の中央に形成されるクリアランスと前記スライダの全長との比に対して１〜５倍の範囲内にしたことにある。

係る本発明の第２の態様におけるより好ましい具体的構成例は次の通りである。
（１）前記スライダの摺動範囲における前記円弧部の内外径差と前記円弧部の軸方向長さとの比を、前記クリアランスと前記スライダの全長との比に対して２〜３倍の範囲内にしたこと。

また、本発明の第３の態様は、前記各態様またはそれらの好ましい構成例の何れかに記載のスコッチヨーク式レシプロ圧縮機を用いた冷凍・冷蔵庫である。

本発明のスコッチヨーク式レシプロ圧縮機及びそれを用いた冷凍・冷蔵庫によれば、安価な構造で、圧縮機の効率向上及び信頼性の向上を図ることができる。

以下、本発明の複数の実施形態について図を用いて説明する。各実施形態の図における同一符号は同一物または相当物を示す。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態を図１から図８を用いて説明する。

まず、本実施形態のスコッチヨーク式レシプロ圧縮機の全体構成に関して図１から図４を参照しながら説明する。図１は本発明の第１実施形態のスコッチヨーク式レシプロ圧縮機の縦断面図、図２は図１の圧縮機構部の一部断面の平面図、図３は図２の縦断面図、図４は図２の圧縮機構部の分解図である。

本実施形態のスコッチヨーク式レシプロ圧縮機は、冷凍庫、冷蔵庫に用いられるものであり、図１に示すように、密閉容器１２内の下部にロータ９とステータ１１とからなる電動機部２０を設置し、その上部に冷媒を圧縮する圧縮機構部３０を設置し、これらをスプリング１０で弾性支持している。電動機部２０のロータ９にはフレーム４に軸支されたクランクシャフト８が嵌入されている。

圧縮機構部３０は、クランクシャフト８と、クランクシャフト８に設けられたクランクピン８ａの偏心回転運動を往復運動に変換するスライダ３及びスライド管１ａと、シリンダ５と、シリンダヘッド７と、スライド管１ａの往復運動によってシリンダ５内を往復運動して吸込工程と圧縮工程とを繰り返すピストン１とを備えて構成されている。スライダは、基本形状が円柱状をしており、中央部にクランクピン８ａを挿入する穴３ａを形成している。スライド管１ａは、内周が全て同径の円筒状をしており、下部にクランクピン８ａが貫通する長穴１ａ１を形成している。スライダ３はスライド管１ａ内に往復動可能に挿入され、クランクピン８ａはスライド管１ａの長穴１ａ１を貫通してスライダ３の穴３ａに挿入されている。かかる構成によって、クランクピン８ａの偏心回転運動をピストン１の往復運動に変換し、ピストン１をシリンダ５の内周面に沿って往復動させ、冷媒の吸入・圧縮を行う。なお、スライド管１ａ及びスライダ３は共に鋳鉄製である。

密閉容器１２内には潤滑油１３が封入されており、この潤滑油１３は給油機構により各摺動部へ供給される。すなわち、潤滑油１３は、クランクシャフト８の回転により、クランクシャフト８の下端部に設けられた遠心ポンプで汲み上げられ、クランクシャフト８の内部に設けられた給油穴を通り、各摺動部分に供給されて各摺動部分の潤滑を行う。この各摺動部は、クランクシャフト８を軸支する軸受、シリンダとピストンとの摺動部、クランクピン８ａとスライダ３との摺動部、スライダ３とスライド管１ａとの摺動部などである。

電動機部２０の回転力はクランクシャフト８のクランクピン８ａを偏芯運動させ、クランクピン８ａの回転力はスライダ３を往復運動させる。冷媒の圧縮時には、図２に示すように、ピストン１に加わる冷媒からの反力がスライド管１ａを介してスライダ３に加わり、この反力をモータの回転力（クランクピン８ａの回転力）によって受ける。ピストン１の中心軸線とクランクピン８ａの中心軸線とがずれている状態では、スライダ３を回転させる力（傾ける力）が発生する。

スコッチヨーク式レシプロ圧縮機は、クランクシャフト８の回転を、ピストン１と一体のスライド管１ａ内で往復動するスライダ３を介して、ピストン１をシリンダ５内で往復動させるため、スライダ３とスライド管１ａの間にはクリアランスを設けることが必要であり、このクリアランスの潤滑油の油膜により摺動摩擦を低減させるようになっている。クランクシャフト８の回転は、スライダ３をスライド管１ａ内で往復動させるだけでなく、クリアランスの範囲でスライダ３を回転させる作用も生じさせる。

そのときの状況を、特許文献１と同様な構成の比較例のスライダ３Ａを用いた場合について図５及び図６を参照しながら説明する。図５は本実施形態のスライダ３を比較例のスライダ３Ａに変更した場合のスライダ部分の拡大模式図、図６は図５のスライダ３Ａによる接触応力の特性図である。

この比較例のスライダ３Ａは、軸方向の全長にわたって同一外径の円柱状をしている点で、本実施形態のスライダ３と相違するが、その他の点では本実施形態のスライダ３と同一である。図５において、Ｌはスライダ３Ａの全長、Ｄはスライダ３Ａの直径、δはスライダ３Ａがスライド管１ａに平行状態で接触した場合（図５（ａ）の場合）における反接触側に形成されるクリアランス、θはスライダ３Ａの傾斜角を示す。

スライダ３Ａが図５（ａ）に示すようにスライド管１ａと平行に接触した場合において、スライダ３とスライド管１ａとの接触応力は、クリアランスδが６ｍｍまでの広いクリアランスにわたって、図６の「スライダが平行に接触した場合」の曲線に示すように極めて小さい。しかし、スライダ３Ａが図５（ｂ）に示すようにスライダ３Ａの全長Ｌとクリアランスδとで決まる傾斜角θだけ傾いて接触すると、スライダ３Ａの角部とスライド管１ａの内周面とが接触するため、スライダ３とスライド管１ａとの接触応力は、クリアランスδが僅かに広くなるだけで、図６の「スライダが傾いて接触した場合」の曲線に示すように著しく増大する。このため、潤滑油の油膜が形成されにくくなり、スライド管１ａの摩耗が進行してしまい、信頼性を著しく低下させるおそれがある。なお、図６は直径Ｄが２０ｍｍ、全長Ｌが２５ｍｍのスライダ３Ａを用いた場合の例であり、接触応力は、スライダ、スライド管とも材料を鋳鉄製とし、そのクリアランスが極小のときの（１０の−１０乗以下）相対値で示してある。

接触応力を基準の１とし、その相対値で示したる。

これに対し、本実施形態のスライダ３は図７に模式的に強調して示すような形状としてある。図７は本実施形態におけるスライダ部分の拡大模式図である。

このスライダ３の外周面には、中央部３ｂから両側端部へ小径となるように延びる円弧部３ｂが形成され、円弧部３ｃ内の軸方向中央部に位置して円周溝３ｄが形成されている。なお、円弧部３ｂが形成されていないスライダ３の外周面の中央部３ｂは、軸方向に同径となっている。図７（ａ）において、Ｌはスライダ３の全長、Ｄはスライダ３の中央部３ｂの直径、δはスライダ３がスライド管１ａの軸方向中央に位置して平行状態で接触した場合における反接触側の中央に形成されるクリアランス、εは円弧部３ｃの内外径差、ｋは円弧部３ｃの軸方向長さ、をそれぞれ表す。

本発明者らは、かかるスライダ３において、円弧部の内外径差εと円弧部の軸方向長さｋとの比ε／ｋを、クリアランスδとスライダの全長Ｌとの比δ／Ｌに関連づけることにより、スライダ３とスライド管１ａとの接触応力が極めて小さくなる最適値があることを見出し、図８に示すような比ε／ｋに対するスライダ３とスライド管１ａとの接触応力の特性曲線を求めた。図８において、スライダ直径Ｄは２０ｍｍ、スライダ全長Ｌは２５ｍｍ、クリアランスδは０．０２ｍｍであり、接触応力は、スライダ、スライド管とも材料を鋳鉄製とし、そのクリアランスが極小のときの（１０の−１０乗以下）相対値で示してある。

図８の特性曲線から明らかなように、比ε／ｋを比δ／Ｌの１〜５倍の範囲内にすることにより、スライダ３とスライド管１ａとの接触応力を２以下とすることができ、信頼性を格段に向上することができると共に、摺動抵抗が小さくなり圧縮機の効率も向上することができる。スライダ３が往復動する両端位置でスライダ３が停止した状態でも、このスライダ３とスライド管１ａとの接触応力の低減が可能である。

比ε／ｋが比δ／Ｌの１倍より小さくなると、スライダ３とスライド管１ａとの接触応力が急激に増加するため、比ε／ｋを比δ／Ｌの２倍以上にして、製造上の公差を十分に確保し、より確実に接触応力の低減を達成することが実用上好ましい。さらには、圧縮機の省電力化のために圧縮機の間欠運転が一般的に行われるようになっており、スライダ３とスライド管１ａとの間に充分な潤滑が出来ない状態が生ずることがあるが、その状態が生じても、スライド管１ａに過度の摩耗等が発生しない、より高い信頼性を得ることができるように、比ε／ｋを比δ／Ｌの３倍以下にすることが実用上好ましい。

また、円弧部３ｃ内の軸方向中央部に位置して円周溝３ｄを形成しているので、この円周溝３ｄ内に潤滑油を保持して両側の円弧部３ｃに潤滑油を容易に供給することができ、この点からも信頼性を向上することができる。

かかるスライダ３は製造方法を変更するだけで簡単に実現可能であるため、低コストに摺動部位の信頼性を向上することができる。
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態のスコッチヨーク式レシプロ圧縮機について図９を用いて説明する。図９は本発明の第２実施形態のスコッチヨーク式レシプロ圧縮機におけるスライダ部分の拡大模式図である。この第２実施形態は、次に述べる点で第１実施形態と相違するものであり、その他の点については第１実施形態と基本的には同一であるので、重複する説明を省略する。

この第２実施形態では、スライド管１ａの内周面に中央部１ａｂから両側に大径となるように延びる円弧部１ａｃを形成し、スライダ３の摺動範囲における円弧部１ａｃの内外径差と円弧部１ａｃの軸方向長さとの比を、スライダ３がスライド管１ａの軸方向中央に位置して平行状態で接触した場合における反接触側の中央に形成されるクリアランスとスライダ３の全長との比に対して１〜５倍の範囲内にしている。この１〜５倍の範囲を２〜３倍の範囲とすることが実用上好ましい。かかる構成によっても、第１実施形態と同様に、スライダ３とスライド管１ａとの接触応力を低減し、摺動部の摩耗を抑制し、高い信頼性を得ることが出来る。

本発明の第１実施形態のスコッチヨーク式レシプロ圧縮機の縦断面図である。 図１の圧縮機構部の一部断面の平面図である。 図３は図２の縦断面図である。 図２の圧縮機構部の分解図である。 本実施形態のスライダを比較例のスライダに変更した場合のスライダ部分の拡大模式図である。 図５のスライダによる接触応力の特性図である。 本実施形態におけるスライダ部分の拡大模式図である。 図７のスライダによる接触応力の特性図である。 本発明の第２実施形態のスコッチヨーク式レシプロ圧縮機におけるスライダ部分の拡大模式図である。

符号の説明

１…ピストン、１ａ…スライド管、３…スライダ、３ａ…穴、３ｂ…中央部、３ｃ…円弧部、３ｄ…円周溝、３Ａ…比較例のスライダ、４…フレーム、５…シリンダ、６…バルブプレート、７…シリンダヘッド、８…クランクシャフト、８ａ…クランクピン、９…ロータ、１０…スプリング、１１…ステータ、１２…密閉容器、１３…潤滑油、２０…電動機部、３０…圧縮機構部。

Claims (6)

1. シリンダと、前記シリンダ内を往復動して冷媒を圧縮するピストンと、前記ピストンに一体に設けられたスライド管と、前記スライダ管内をクランクシャフトによって往復動されるスライダと、前記クランクシャフトを通して前記スライド管と前記スライダとの間に給油する給油機構とを備えたスコッチヨーク式レシプロ圧縮機において、
   前記スライダの外周面に、中央部が最大径となり、この中央部から両側端部へ小径となるように延びる円弧部を形成し、
   前記円弧部の内外径差と前記円弧部の軸方向長さとの比を、前記スライダが前記スライド管の軸方向中央に位置して平行状態で接触した場合における反接触側の中央に形成されるクリアランスと前記スライダの全長との比に対して１〜５倍の範囲内にしたこと、
   を特徴とするスコッチヨーク式レシプロ圧縮機。
2. 請求項１において、前記円弧部の内外径差と前記円弧部の軸方向長さとの比を、前記クリアランスと前記スライダの全長との比に対して２〜３倍の範囲内にしたこと、を特徴とするスコッチヨーク式レシプロ圧縮機。
3. 請求項２において、前記円弧部内の軸方向中央部に位置して円周溝を形成したこと、を特徴とするスコッチヨーク式レシプロ圧縮機。
4. シリンダと、前記シリンダ内を往復動して冷媒を圧縮するピストンと、前記ピストンに一体に設けられたスライド管と、前記スライダ管内をクランクシャフトによって往復動されるスライダと、前記クランクシャフトを通して前記スライド管と前記スライダとの間に給油する給油機構とを備えたスコッチヨーク式レシプロ圧縮機において、
   前記スライド管の内周面に、中央部が最小径となり、この中央部から両側端部に大径となるように延びる円弧部を形成し、
   前記スライダの摺動範囲における前記円弧部の内外径差と前記円弧部の軸方向長さとの比を、前記スライダが前記スライド管の軸方向中央に位置して平行状態で接触した場合における反接触側の中央に形成されるクリアランスと前記スライダの全長との比に対して１〜５倍の範囲内にしたこと、
   を特徴とするスコッチヨーク式レシプロ圧縮機。
5. 請求項４において、前記スライダの摺動範囲における前記円弧部の内外径差と前記円弧部の軸方向長さとの比を、前記クリアランスと前記スライダの全長との比に対して２〜３倍の範囲内にしたこと、を特徴とするスコッチヨーク式レシプロ圧縮機。
6. 請求項１から５の何れかに記載のスコッチヨーク式レシプロ圧縮機を用いたことを特徴とする冷凍・冷蔵庫。

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