JP5596148B2 - 往復動冷凍圧縮機ブロック - Google Patents

Description

本発明は、密閉型または密閉型でない冷凍圧縮機に使用される往復動圧縮機構のブロックの構造配置に関する。

往復式、すなわち、往復動ピストンを使用する冷凍圧縮機は、通常、基本的にはブロックとクランクシャフトと１つまたは複数のコネクティングロッドと１つまたは複数のピストンから成る機械アセンブリを有し、これらが特に、圧縮機の電気モータによって得られるクランクシャフトの回転運動が各ピストンの往復直線運動に変換されるように配置されている。

図１および図２に示されているタイプの往復動圧縮機の従来型構造は、シェル（図示せず）の内部に、水平軸Ｘを有するピストンハブ（またはシリンダ）１０を画定するブロックＢを有し、ブロックＢ内でピストン２０が往復運動する。

ブロックＢはさらに、隣接端部３１と自由端部３２とピストンハブ１０の水平軸Ｘと交差する垂直軸Ｙとを有するシャフトハブ３０を備え、前記シャフトハブ３０は、シャフトハブ３０の隣接端部３１から外側に突出してコネクティングロッド５０によってピストン２０に動作可能に接続される偏心端部４５を組み込むクランクシャフト４０を収容する。

本研究では、クランクシャフト４０の軸は、圧縮機の動作状態に関係なく、シャフトハブ３０の垂直軸Ｙと一致するものとされる。

クランクシャフト４０の偏心端部４５の周囲にコネクティングロッド５０の大きい方のアイ５１が取り付けられ、小さい方のアイ５２はリストピン５３によってピストン２０に接続される。クランクシャフト４０は、電気モータのロータ（図示せず）に接続され、ロータが前記クランクシャフト４０を回転させてピストン２０を往復運動させる。

一般に、このタイプの圧縮機では、クランクシャフト４０の下部はさらに、シェルの下部に形成された油溜めから潤滑される圧縮機部品へと潤滑油を送るオイルポンプ（図示せず）を有する。また、前記油ポンプは圧縮機の偏心端部４５に接続され、シェル内の機械アセンブリは逆さに取り付けられる。ブロックＢは、通常、端部７０で、電気モータのステータ（図示せず）を支持する。

この先行技術の構造では、ピストンハブ１０はブロックＢの上部に形成され、シャフトハブ３０は前記ブロックＢの下部に形成され、ブロックＢの前記上部および下部は、ピストンハブ１０の水平軸Ｘとシャフトハブ３０の隣接端部３１との間に画定された接続部６０によって互いに接合されて一体となる。

この知られている構造では、ピストンハブ１０内のガス圧縮時に、クランクシャフト４０の偏心端部４５に作用する圧縮反力Ｆがクランクシャフト４０によってブロックＢのシャフトハブ３０の隣接端部３１および自由端部３２に伝達され、次に、圧縮反力Ｆによって生じた第１および第２の圧縮による力Ｆ１、Ｆ２が前記隣接端部および自由端部に加わる。

さらに前記先行技術の構造によれば、接続部６０は、ピストンハブ１０とシャフトハブ３０との間の単一体構造接続部を形成する。

ピストンの圧縮時に、圧縮反力Ｆがクランクシャフト４０の偏心端部４５に対して水平軸Ｘの方向に加わり、クランクシャフト４０をピストンハブ１０から引き離す。前記反力Ｆは、クランクシャフト４０の偏心端部４５の弾性角変形を引き起こす傾向があり、軸Ｚをピストンハブ１０から引き離してシャフトハブ３０の垂直軸Ｙに対して角度αだけ傾斜させる。

クランクシャフト４０の偏心端部４５に加わるこの圧縮反力Ｆは、第１および第２の圧縮による力Ｆ１、Ｆ２によって、ブロックＢのシャフトハブ３０の隣接端部３１および自由端部３２に伝達される。シャフトハブ３０に加わる第１および第２の圧縮による力Ｆ１、Ｆ２は共に、それぞれ第１および第２の曲げモーメントＭ１、Ｍ２によって接続部６０に対してシャフトハブ３０を角変位させ、曲げモーメントＭ１、Ｍ２は得られる曲げモーメントＭＦに合成される。シャフトハブ３０の前記角変位は、ピストンハブ１０に向かって、ピストンハブの垂直軸Ｙに対する基準位置に対して角度βだけ発生し、接続部６０を弾性変形させて、ピストンハブ１０の水平軸Ｘに対するシャフトハブ３０の垂直軸Ｙの直交性を喪失させ、前記水平軸と９０°よりわずかに小さい角度ωを成す（図１から図３を参照）。

得られる曲げモーメントＭＦは、大部分がシャフトハブ３０の自由端部３２に加わる第２の曲げモーメントＭ２で構成されるので図３に示されている方向をとる。これは、シャフトハブ３０の隣接端部３１に加わる第１の圧縮による力Ｆ１が接続部６０に伝えられるので、レバーアームが低減されるためである。したがって、第１の圧縮による力Ｆ１によって引き起こされる第１の曲げモーメントＭ１も、接続部６０に対して最小限に抑えられる。

圧縮サイクルの間にシャフトハブ３０およびクランクシャフト４０の偏心端部４５が受ける角変形により、ピストンハブ１０の水平軸Ｘに対する偏心端部４５の軸Ｚの直交性を喪失させ、前記水平軸Ｘと９０°＋α＋βの和に相当する鈍角を形成し、クランクシャフト４０の偏心端部４５とコネクティングロッド５０とのずれを引き起こす。

偏心端部４５の軸と、ピストンハブ１０の水平軸Ｘおよびピストンハブ１０の往復動変位の水平軸Ｘとの直交性の喪失により、クランクシャフト４０の偏心端部４５とコネクティングロッド５０とのずれが生じ、そのことで前記偏心端部４５の周囲のコネクティングロッド５０の大きい方のアイ５１の軸受部を損傷しやすくなる。さらに、この幾何学的偏差がピストン２０に半径方向の力を付与して、ピストン２０をピストンハブ１０の内壁に押し付け、エネルギー消費および部品間の金属接触を増大させ、その結果、摩耗率が高くなり、圧縮機の耐久性および信頼性を低減させる。したがって、上述した幾何学的偏差は極めて望ましくない。

シャフトハブ３０および偏心端部４５の角変形だけでなく、さらにクランクシャフト４０とコネクティングロッド５０とのずれをさらに大きくして圧縮機の効率および耐久性を損なう可能性のある製造幾何学的偏差も生じる恐れがあることに留意されたい。

大容量の圧縮機では、高い圧縮負荷のためにこの問題は一層顕著になる。部品の変形によって生じるずれを低減するために、軸Ｘに一致する負荷ラインに対称的に位置決めされた軸受部を有するシャフトが使用される。この実施形態は部品の変形の軸受部のずれへの影響を最小限に抑えることができるが、クランクシャフト４０およびコネクティングロッド５０の両方の製造および組立てがより複雑になる。

知られている構造の解決策の不利点を克服するために、本発明の全般的な目的は、上述したような往復動ピストンを有するタイプの冷凍圧縮機の構造配置で、クランクシャフトの偏心端部の周囲のコネクティングロッドの大きい方のアイの軸受部およびピストンハブ内部のピストンの軸受部の摩耗を最小限に抑えることができる構造配置を提供することである。

より具体的には、圧縮反力によって生じるクランクシャフトおよびシャフトハブで形成されるアセンブリへの変形影響を最小限に抑える上述のタイプの構造配置を提供することが本発明の目的である。

上述したような配置で、さらに圧縮機の製造幾何学的偏差を補償して、クランクシャフトの偏心端部とコネクティングロッドの大きい方のアイとのずれをさらに最小限に抑えるようにする配置を提供することが、本発明の別の目的である。

上述の目的および他の目的は、水平軸を有し往復動ピストンを収容する少なくとも１つのピストンハブ、および隣接端部と自由端部とピストンハブの水平軸と交差する垂直軸とを有するシャフトハブを備えるブロックで、前記シャフトハブはシャフトハブの隣接端部から外側に突出しコネクティングロッドによりピストンに接続される偏心端部を組み込むクランクシャフトを収容するブロックを含むタイプの往復動冷凍圧縮機のブロックによって達成される。

本発明によれば、ブロックは、シャフトハブの側と反対側のピストンハブの水平軸の片側に位置するピストンハブの領域に取り付けられる第１の端部と、シャフトハブの隣接端部に取り付けられる第２の端部とを有する接続部を組み込み、前記接続部は、ピストンハブとシャフトハブとの間の一体構造接続部を形成し、接続部の第２の端部に作用してシャフトハブに第１のモーメントを付与する第１の圧縮による力と、クランクシャフトによってシャフトハブの自由端部に加えられ第１のモーメントと反対の第２のモーメントを自由端部に付与する第２の圧縮による力とから得られた曲げモーメントによって弾性変形可能であり、前記曲げモーメントは、接続部の弾性変形によって、シャフトハブの垂直軸の第１の圧縮による力の方向に角変位を引き起こす傾向があり、接続部の前記弾性変形は、シャフトハブの垂直軸がピストンハブの水平軸に対して直交しなくなる角変位を解消または所定値に制限する。

本発明の特定の態様では、接続部の弾性変形は、ピストンの圧縮サイクルの間に、ピストンハブの水平軸に対して直交しなくなるシャフトハブの垂直軸の角変位を、コネクティングロッドによってクランクシャフトの偏心部に加えられる圧縮反力によって、反対方向のクランクシャフトの偏心端部の角変位に対応する値に制限するように決定される。

本明細書で示されている構造では、接続部の構造寸法決定に応じて、接続部に関係するシャフトハブに作用する前記２つの反対の第１の曲げモーメントと第２の曲げモーメントとの強度差によって生成される曲げモーメントが接続部の弾性変形をもたらすようになる。接続部の構造寸法決定により、接続部の弾性変形は、ピストンハブの水平軸に対して直交しないシャフトハブの垂直軸の角変位を解消または所定値に制限することができる。

しかしながら、接続部の弾性変形が垂直軸の角変位を解消するためだけに決定される場合、ピストンハブの水平軸に対するクランクシャフトの偏心端部の軸の直交性の喪失を避けることはできず、前記直交性の喪失がクランクシャフトのコネクティングロッドとピストンハブのピストンとを取り付ける軸受部によって吸収されない場合、上述したような望ましくない結果をもたらす。

ピストンハブの水平軸に対する前記偏心端部の軸の直交性を維持するために、接続部の構造寸法決定は、得られる曲げモーメントが前記接続部の弾性変形を引き起こすように行われ、前記変形は、クランクシャフトの偏心端部の角変形を補償する角度だけしてシャフトハブの軸を角度的にずらすだけで十分で前記偏心端部の軸がピストンハブの軸と直交するのを維持する。

以下に、例として挙げられた添付図面を参照しながら、本発明について説明する。

先行技術に従って構成されたブロックの長手方向断面概略図で、シャフトハブの軸、ピストンハブの軸および圧縮反力によって変形されていない、つまり、突出部の基準直交性を維持しているクランクシャフトの偏心端部の軸を示した図である。 図１に示された先行技術に従って構成されたブロックの簡略上面斜視図である。 図１と同様の概略図であるが、シャフトハブと圧縮反力によって変形されたクランクシャフトの偏心端部とを示し、これらの軸がピストンハブの水平軸に対して直交せずに角度的にずれた状態を示した図である。 本発明に従って構成されたブロックで、クランクシャフトとコネクティングロッドとピストンと（コネクティングロッドとピストンは図示せず）を備え、ピストン圧縮動作状態であり、シャフトハブの垂直軸がピストンハブの水平軸に対して直交しているが、クランクシャフトの偏心端部の軸がピストンハブの水平軸に対して直交せずに角度変位した状態のブロックの長手方向断面概略図である。 図４と同様の図であるが、シャフトハブの角変位がクランクシャフトの偏心部の角変位を補償するのに十分にさせることが決定され前記偏心部の軸がピストンハブの水平軸に直交するのを維持する接続部の弾性変形状態を示した図である。 本発明に従って構成されたブロックであるが、他の部品：クランクシャフト、コネクティングロッド、ピン、およびピストンのない状態の若干簡略化した上面斜視図である。

本明細書で説明するように、本発明は、上述したタイプの密閉型または密閉型でない冷凍圧縮機、より詳細には、往復動圧縮機であって、シェル（図示せず）内部に、水平軸Ｘを有し往復動ピストン２０を収容する少なくとも１つのピストンハブ１０、および隣接端部３１と自由端部３２とピストンハブ１０の水平軸Ｘと交差する垂直軸Ｙとを有するシャフトハブ３０を備えるブロックＢで、前記シャフトハブ３０はシャフトハブ３０の隣接端部３１から外側に突出しコネクティングロッド５０によりピストン２０に接続される偏心端部４５を組み込むクランクシャフト４０を収容するブロックＢを有する往復動圧縮機に適用されるように設計されている。

本発明の配置によれば、ブロックＢは、シャフトハブ３０の側と反対側のピストンハブ１０の水平軸Ｘの片側に位置するピストンハブ１０の領域に取り付けられる第１の端部６１と、シャフトハブ３０の隣接端部３１に取り付けられる第２の端部６２とを有する少なくとも１つの接続部６０を組み込む。

各接続部６０は、各ピストンハブ１０とシャフトハブ３０との間の一体構造接続部を形成し、得られる曲げモーメントＭＦによって弾性変形可能な構造であり、曲げモーメントＭＦは、シャフトハブ３０の隣接端部３１に作用して接続部６０、特に接続部６０の第２の端部６２に第１の曲げモーメントＭ１を付与する第１の圧縮による力Ｆ１と、クランクシャフト４０によってシャフトハブ３０の自由端部３２に加えられ第１の曲げモーメントＭ１と反対の第２の曲げモーメントＭ２を自由端部３２に付与する第２の圧縮による力Ｆ２とによって生成される。

本発明によれば、得られる曲げモーメントＭＦは、接続部６０の弾性変形によって、大きい方の第１の圧縮による力Ｆ１の方向にシャフトハブ３０の垂直軸Ｙの角変位を引き起こす傾向がある。接続部６０の前記弾性変形が、ピストンハブ１０の水平軸Ｘに対して直交しなくなるシャフトハブ３０の垂直軸Ｙの角変位を解消または所定値に制限する。接続部６０に対する得られる曲げモーメントＭＦは、先行技術の構造で示されたのと反対の方向をとる。それは、本発明では、第１の圧縮による力Ｆ１が加わるシャフトハブ３０の隣接端部３１が接続部６０の接合線から離れているので、第１の圧縮による力Ｆ１が第２の圧縮による力Ｆ２より十分に大きくなると、第１の曲げモーメントＭ１が第２の曲げモーメントＭ２より優勢になるためである。第１の圧縮による力Ｆ１が第２の圧縮による力Ｆ２より優勢になるためには、クランクシャフト４０／ロータアセンブリは、特に、前記アセンブリの重心がシャフトハブ３０の自由端部３２に近くなるように考えられる。

図４に示されている動作状態では、第１の曲げモーメントＭ１と第２の曲げモーメントＭ２とによって得られた曲げモーメントＭＦは解消されて、ピストン２０が圧縮サイクルにある時でも、シャフトハブ３０の垂直軸Ｙをピストンハブ１０の水平軸Ｘに直交した状態で維持する。

図５に示されている動作状態では、接続部６０は、接続部６０の弾性変形が、ピストン２０の圧縮サイクルの間に、ピストンハブ１０の水平軸Ｘに対して直交しなくなるシャフトハブ３０の垂直軸Ｙの角変位（角度β）を、コネクティングロッド５０によって偏心端部４５に加えられる圧縮反力Ｆによって、反対方向のクランクシャフト４０の前記偏心端部４５の角変位（角度α）に対応する値に制限するような構造である。図５に示されている動作状態では、第１の曲げモーメントＭ１と第２の曲げモーメントＭ２とによって得られる曲げモーメントＭＦは、シャフトハブ４０の垂直軸Ｙがピストンハブ１０から離れる角変位、すなわち、第１の圧縮による力Ｆ１の方向に角変位を引き起こす傾向のある接続部６０の弾性変形をもたらすように、ゼロではない。このことにより、シャフトハブ３０の角変位がクランクシャフト４０の偏心端部４５の軸Ｚがピストンハブ１０の水平軸Ｘに直交する状態を維持するのに必要になる。

図５に示されている構造的動作状態では、偏心端部４５の角変形を補償するために、シャフトハブ３０の一定の角変位が可能である。このことにより、ピストン２０の圧縮サイクルの間に、前記偏心端部４５がコネクティングロッド５０の大きい方のアイ５１を支承するための基準位置に残って、半径方向の力がピストン２０に加わらないようにして、その結果、エネルギー消費および相対可動部品間の金属接触を最小限に抑えて、機械アセンブリの耐久性および信頼性を向上させることができる。

図４、図５、図６に示されている構造では、接続部６０は、ピストンハブ１０およびシャフトハブ３０とによって形成される部品と一体に形成される。しかしながら、接続部６０がピストンハブ１０およびシャフトハブ３０の前記部品のうちの少なくとも１つに一体となって組み込まれる異なる構造がブロックに適用されてもよいことは理解されたい。

図６は、側脚部６０ａの自由端部が水平軸Ｘをはさんで両側でピストンハブ１０に取り付けられ、底脚部６０ｂと側脚部６０ａの隣接部とが垂直軸Ｙをはさんで両側でシャフトハブ３０の隣接端部３１に取り付けられた横Ｕ字形構造を示す接続部６０の構造を示している。しかし、第１の曲げモーメントＭ１と第２の曲げモーメントＭ２とから得られる曲げモーメントＭＦが、ピストンハブ１０から離れる、すなわち、第１の圧縮による力Ｆ１の方向にシャフトハブ４０の垂直軸Ｙを角変位させることができれば、接続部６０は異なる構造形態を有してもよいことは理解されたい。

図示されていないが、本発明は、各々がそれぞれのピストンを収容する２つ以上のピストンハブを有する冷凍圧縮機のブロックＢの構造に適用でき、これらの構造では個々に、前記ピストンハブの水平軸が同一の水平面を形成するか、または同一の垂直面を形成する（例えば、ピストンハブが垂直に配向される場合）。各圧縮サイクルの間に逆位相で動作する複数のピストンを有する圧縮機のブロック配置では、本明細書で記載されているタイプの各ピストンハブ１０とシャフトハブ３０との間の一体接続部を形成する接続部６０が配設される。

本明細書では、圧縮機ブロックの構造の一例のみを示しているが、本明細書に添付されている特許請求の範囲で規定される本発明の概念の範囲から逸脱せずに、他の構造を有することも可能であることは理解されたい。

Claims (4)

1. 水平軸（Ｘ）を有し往復動ピストン（２０）を収容する少なくとも１つのピストンハブ（１０）、および隣接端部（３１）と自由端部（３２）とピストンハブ（１０）の水平軸（Ｘ）と交差する垂直軸（Ｙ）とを有するシャフトハブ（３０）を備えるブロック（Ｂ）を含み、前記シャフトハブ（３０）がシャフトハブ（３０）の隣接端部（３１）から外側に突出しコネクティングロッド（５０）によりピストン（２０）に接続される偏心端部（４５）を組み込むクランクシャフト（４０）を収容するタイプの往復動冷凍圧縮機のブロックであって、
   前記ブロック（Ｂ）が、第１の端部（６１）および第２の端部（６２）を有する少なくとも１つの接続部（６０）であって、第１の端部（６１）が、ピストンハブ（１０）の水平軸（Ｘ）に対し、シャフトハブ（３０）に向く側と反対の一側に位置するピストンハブ（１０）の領域に取り付けられ、第２の端部（６２）が、シャフトハブ（３０）の隣接端部（３１）に取り付けられる接続部（６０）を備え、
   前記接続部（６０）が、各ピストンハブ（１０）とシャフトハブ（３０）との間に一体構造の弾性接続部を形成する一方、シャフトハブ（３０）の隣接端部（３１）と各ピストンハブ（１０）の、シャフトハブ（３０）に向く他側に位置する領域との間に断続部を形成し、前記断続部は、シャフトハブ（３０）の垂直軸（Ｙ）に沿ってピストンハブ（Ｘ）の水平軸（Ｘ）から離れる方向に開くように形成され、
   前記接続部（６０）が、シャフトハブ（３０）の隣接端部（３１）に作用して接続部（６０）の第２の端部（６２）に第１の曲げモーメント（Ｍ１）を付与する第１の圧縮による力（Ｆ１）と、クランクシャフト（４０）によってシャフトハブ（３０）の自由端部（３２）に加えられて自由端部（３２）に第１の曲げモーメント（Ｍ１）と反対の第２の曲げモーメント（Ｍ２）を付与する第２の圧縮による力（Ｆ２）とによって得られる曲げモーメント（ＭＦ）によって弾性変形可能であり、曲げモーメント（ＭＦ）が、接続部（６０）の弾性変形によって、第１の圧縮による力（Ｆ１）の方向にシャフトハブ（３０）の垂直軸（Ｙ）の角変位を引き起こす傾向があり、前記接続部（６０）の弾性変形が、シャフトハブ（３０）の垂直軸（Ｙ）がピストンハブ（１０）の水平軸（Ｘ）に対して直交しなくなる角変位を解消または所定値に制限することを特徴とするブロック。
2. 接続部（６０）が、側脚部（６０ａ）の自由端部が水平軸（Ｘ）をはさんで両側でピストンハブ（１０）に取り付けられ、底脚部（６０ｂ）と側脚部（６０ａ）の隣接部とが垂直軸（Ｙ）をはさんで両側でシャフトハブ（３０）の隣接端部（３１）に取り付けられた横Ｕ字形構造を有することを特徴とする、請求項１に記載のブロック。
3. 接続部（６０）の弾性変形が、ピストン（２０）の圧縮サイクルの間に、ピストンハブ（１０）の水平軸（Ｘ）に対して直交しなくなるシャフトハブ（３０）の垂直軸（Ｙ）の角変位を、コネクティングロッド（５０）によって偏心端部（４５）に加えられる圧縮反力（Ｆ）によって、反対方向のクランクシャフト（４０）の前記偏心端部（４５）の角変位に対応する値に制限することを特徴とする、請求項１および２のいずれか一項に記載のブロック。
4. 接続部（６０）が、ピストンハブ（１０）およびシャフトハブ（３０）によって形成される部品のうちの少なくとも１つと一体に形成されることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のブロック。

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