JP6101613B2 - 密閉形圧縮機及び冷蔵庫 - Google Patents

Description

本発明は、密閉型圧縮機及び冷蔵庫に関する。

近年の冷蔵庫を一例とする冷凍冷蔵装置は、高効率化の要求が高く、搭載される密閉型圧縮機も同様に高効率化のために、商用電源周波数未満の低い運転周波数から、商用電源周波数以上の高い運転周波数まで、広領域にて運転可能としている。これに伴い高効率化に影響する低い運転周波数領域においては信頼性及び効率を満足するための給油の確保が難しくなる傾向にある。

この給油確保を目的として提案されたものに、特表２００２−５１９５８９号公報（特許文献１）及びＷＯ２００４−０８１３８３号公報（特許文献２）がある。

特許文献１の要約欄には、「封止ケーシングを有する、家庭用、および同様の冷却機器用の密閉式冷却圧縮機であって、そのケーシングの底部が潤滑油の油だめを形成しており、鉛直軸の回りを回転する中空のクランク軸を共有する圧縮機本体とそれに連関する駆動モータの両方と、そのクランク軸の下端部に接続された潤滑油のポンプ手段とを収容する。前記ポンプ手段は、前記クランク軸の下端部に固設されたスリーブと、モータの固定子に弾性的に接続されており前記スリーブの中で自由に浮動するピストン部材を有する。」ことが記載されている。

特許文献２の要約欄には、「この圧縮機は、密閉容器内にオイルを貯留するとともにガスを圧縮する圧縮要素を収容し、圧縮要素は鉛直方向に延在し回転運動するシャフトとオイルに連通する粘性ポンプを備える。」ことが記載されている。

特表２００２−５１９５８９号公報 ＷＯ２００４−０８１３８３号公報

特許文献１及び２では、ポンプ手段を構成する複数の部材同士が摺動して、部材が削り取られることで粉状物が生じ、潤滑油中に異物として混入する。その結果、異物が給油溝を塞いだり、圧縮機構部に侵入して圧縮効率を低下させたりする。

そこで本発明は、低速運転時でも安定した給油性能を有する密閉型圧縮機を提供する。また、低速運転時でも安定した給油性能の密閉型圧縮機を備えることで、冷却効率の向上した冷蔵庫を提供する。

本発明は、上記課題を解決することを目的としてなされたものである。一例として、主軸と、該主軸下部の円筒中空部に位置して該主軸の回転に伴い回転する円筒のスリーブと、該スリーブの前記円筒内であって第一の給油溝を構成するスパイラル溝を有する固定ピースと、を備え、前記スリーブと前記固定ピースとの間は直径で０．２ｍｍ以上０．４ｍｍ以下のクリアランスを形成し、前記固定ピースの上端は前記スリーブの上端よりも上方に位置し、前記主軸は、前記スパイラル溝の上端まで汲み上げられた潤滑油を前記円筒中空部から外部に移送する連通部と、該連通部から該主軸外周の上部に設けた第二の給油溝と、前記スリーブ上端より上方であって前記スパイラル溝の一部と同じ高さ位置の前記中空円筒部の内周に設けた異物捕集部と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、低速運転時でも安定した給油性能を有する密閉型圧縮機を提供することができる。また、低速運転時でも安定した給油性能の密閉型圧縮機を備えることで、冷却効率の向上した冷蔵庫を提供することができる。

本発明の実施形態に係る密閉型圧縮機の縦断面図である。 図１の要部拡大図である。 本発明の実施形態に係る固定ピースとスリーブ間のクリアランスを説明する説明図である。 本発明の実施形態に係るスリーブの熱膨張の検討結果を示す表図である。 本発明の実施形態に係る固定ピースの熱膨張の検討結果を示す表図である。 本発明の実施形態に係るスパイラルの溝の詳細構造を説明する説明図である。 本発明の実施形態に係る固定ピースの熱膨張の検討結果を示す表図である。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。図１は、本発明の実施形態に係る密閉型圧縮機の縦断面図である。図２は、図１の要部拡大図である。図３は、本発明の実施形態に係る固定ピースとスリーブ間のクリアランスを説明する説明図である。

図１において、１は密閉容器（容器）である。この密閉容器１内の底部には、潤滑油（オイル）２を貯留している。なお、この密閉容器１には、冷媒が流通する管３ａが密閉空間２内部と外部を貫通して接続している。

４は圧縮要素で、シリンダー５を形成するフレーム７と、シリンダー５内を往復自在に嵌入されたピストン６と、フレーム７の主軸受８に軸支される主軸部９と偏芯部１０からなるクランクシャフト（主軸）１２等から構成されている。また、偏芯部１０にはピストン６を連結する、コンロッド１１を有している。

以上の構成を含み、圧縮要素４はレシプロ式の圧縮機構を構成している。

電動要素１３は、フレーム７の下方に固定される。この電動要素１３は、インバータ駆動回路（図示せず）と接続している固定子１４と、永久磁石（図示せず）を内蔵して、主軸部９に固定された回転子１５を含み構成される。電動要素１３はインバータ駆動用の電動要素を構成しており、インバータ駆動回路によって、少なくとも８００ｍｉｎ^-1を含む複数の運転周波数で駆動される。

２０は支持手段（コイルばね）である。この支持手段２０は、固定子１４を介して圧縮要素４を密閉容器１内に弾性的に支持している。

尚、クランクシャフト１２の主軸部９には、上下方向で下部の粘性ポンプ１６と、連通孔１７を介して粘性ポンプ１６に連接された主軸部９上部の第二の粘性ポンプ１６ｂが形成されている。この構成により、潤滑油２が主軸受８、ピストン６、シリンダー５等の摺動部に給油されている。

次に、粘性ポンプ１６と第二の粘性ポンプ１６ｂの関係について説明する。

粘性ポンプ１６は、クランクシャフト１２下部に形成された円筒中空部１８に、円筒状のスリーブ１９が配置されている。更には、スリーブ１９の円筒内に固定ピース２１が配置されて、固定ピース２１は、支持部材２２より回転方向、上下方向の遊動を拘束されている。固定ピース２１は線材で形成されており、両端が固定子１４に取り付けられ、固定ピース２１下端に設けられた取り付け孔２４に係止している。

スリーブ１９は略円筒形で、上下面は開放した形状をなし、比較的高い寸法精度を得易い金属材料で形成されている。

一方、固定ピース２１は耐油性を有する低熱伝導性の樹脂材料、例えば、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド），ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート），ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）等から形成される。

この固定ピース１４の外周面には、スパイラル溝２５が設けられ、スリーブ１９との間で潤滑油（オイル）２が流通する粘性ポンプ１６を形成している。

なお、主軸受８はフレーム７上部に設けられている。そして、主軸部９の外表面にも、図２に示す如く第二の給油溝３０（第二の粘性ポンプ１６ｂ）が構成されている。第二の給油溝３０は、断面形状が底面と、該底面側に向けて互いに近づく傾斜壁で構成されている。

そして、クランクシャフト１２の円筒中空部１８内部の第一の粘性ポンプ１６で汲み上げられた潤滑油（オイル）２は、連通孔（連通部）１７から第二の給油溝３０を流れて、主軸受８等を潤滑する。

すなわち、この連通孔（連通部）１７は固定ピース２１側に設けた第一の給油溝２６（粘性ポンプ１６）であるスパイラル溝２５を上昇する潤滑油（オイル）を、クランクシャフト１２の外表面側に設けた第二の給油溝（第二の粘性ポンプ１６ｂ）３０側に移す働きをする。

次に、図２、図３において、粘性ポンプ１６の構成について説明する。クランクシャフト１２の円筒中空部１８下部に位置するスリーブ１９は、円筒中空部１８への圧入により取り付けられている。この圧入代は、一例として５ｍｍ程度である。

２７は異物捕集部である。この異物捕集部２７は、中空円筒部１８内周であって、固定ピース２１に設けたスパイラル溝２５の途中の高さに位置し、スパイラル溝２５を通して給油される潤滑油中の異物を捕集する。換言すると、スリーブ１９上端より上方であって、スパイラル溝２５の一部に対応する高さ位置に異物捕集部２７を設けている。

スパイラル溝２５中を上昇する潤滑油２及び異物は、クランクシャフト１２の回転の途中で異物捕集部２７に捕集される構造である。通常、潤滑油中に入った異物の重量は潤滑油に比較して重いため、遠心力が強く働きスリーブ１９に内接しながら上昇して、上昇の途中で異物捕集部２７に入る構造である。この異物捕集部２７に入る異物は、ここに留め置かれるため、潤滑油２は摺動部に送られる前に異物が取り除かれる。

クランクシャフト１２には、円筒中空部１８の上部に連通して更に上方に、ガス抜き孔２９が形成されている。このガス抜き孔２９によって、潤滑油２とガスが分離されて、ガスと分離された潤滑油２が摺動部に送られる。

また、第二の給油溝３０を上昇した潤滑油（オイル）２は、第二の給油溝３０の上端部と連通する給油孔２８を介して、圧縮要素４上部に吹き出され、ピストン６、シリンダー５等の摺動部を潤滑及び冷却する。

次に、図４、図５をもって、スリーブ１９、固定ピース２１の組み合わせ寸法について説明する。

図４は、本発明の実施形態に係るスリーブの熱膨張の検討結果を示す表図である。図５は、本発明の実施形態に係る固定ピースの熱膨張の検討結果を示す表図である。

クランクシャフト１２に焼き嵌め又は圧入等により取り付けられたスリーブ１９は、比較的熱変形の少ない金属等で形成されているが、固定ピース２１は樹脂材料、例えばＰＰＳ，ＰＢＴ，ＰＫＥＫ等で金型成形する。

尚、固定ピース２１を金型成形した場合、割り型の合わせ方によっては、スパイラル溝２５部にバリができることがある。バリは、潤滑油の流れの障害となるため、製作法或いは割型の合わせ位置を工夫したり、仕上げ加工したりすることで、スパイラル溝２５にバリが出ないようにする。

このため、スリーブ１９及び固定ピース２１の両者を組み合わせて粘性ポンプを構成する場合、熱膨張を考慮した寸法関係が必要となる。

そこで、両者が冷蔵庫の運転時、どの程度形状変化するかを検討した。検討に当たり、圧縮機内に組み込まれたスリーブ１９及び固定ピース２１は、圧縮機の運転時に１５０℃まで温度上昇するものとした。また、スリーブ１９の外径は１２．１０ｍｍ、固定ピースの内径は１１．７８ｍｍと設定した。

なお、スリーブ１９と固定ピース２１間には、直径のクリアランスが０．２ｍｍとなるように設定した。これは、組み立て公差、真直度、同軸度、及び形状変化等を考慮したものである。

特に、１５０℃の熱膨張を考慮すると、スリーブ１９と固定ピース２１間には直径のクリアランスで０．２ｍｍ以上が必要となる。これに伴い、スリーブ１９及び固定ピース２１を図４、図５の如く設定した。

一例として、スリーブ１９は１５０℃になると０．０１ｍｍ寸法変化するので、公差最小径１２．０７ｍｍだった場合、１５０℃時に１２．０８ｍｍとなる。

従って、０．２ｍｍの直径のクリアランスを確保するために、固定ピース２１を１５０℃で１１．８８ｍｍの寸法とする必要がある。この必要寸法を考慮した公差最大直径は、図５に示す如く１１．８３ｍｍとなる。

次に、スリーブ１９及び固定ピース２１による粘性ポンプ構造について、図３及び図６を用いて説明する。図６は、本発明の実施形態に係るスパイラルの溝の詳細構造を説明する説明図である。

まず図３において、スリーブ１９と固定ピース２１間には、直径のクリアランスで０．２ｍｍ（半径で０．１ｍｍ）以上の隙間（図３のＣ寸法）を予め設けておく必要がある。

図３において、３１はスリーブ１９と固定ピース２１の間のＣ寸法で形成された隙間空間であって、スパイラル溝２５の一部の高さ範囲（図３中の斜線部）である。第一の給油溝２６の通路断面積は、スパイラル溝２５深さ（固定ピース２１外径からスパイラル溝２５底面までの径方向の深さ寸法）による断面積Ａｉと、隙間空間３１による断面積Ａｉｉを加えたものである。

次に、図６において、スリーブ１９と固定ピース２１との関係を説明する。

図中Ｐはピッチを表す。このピッチＰを小さくする方が、単位時間当たりの給油量を増すことができる。換言すると、スパイラル溝２５の径方向に対する傾斜角度が緩やかな方が、単位時間当たりの給油量を増やすことができる。

次に、Ｉはスパイラル溝２５の幅を表す。このスパイラル溝２５の幅Ｉは、大きい方が通路断面積は増えるので、給油量を増やすことができる。

また、σはスパイラル溝の深さ（固定ピース２１外径からスパイラル溝２５底面に至る径方向の深さ）を表す。このスパイラル溝２５の深さσは、大きい方が通路断面積は増えるので、給油量が増える。なお、σを大きくし過ぎると、ン繊細ポンプ作用が低下するため好ましくない。

また、ｈはシール部２３のシール幅を表す。シール部２３は、固定ピース２１の上下に位置するスパイラル溝２５の間に形成されて、上下に位置するスパイラル溝２５間での潤滑油２のショートサーキットを防ぐ。

このシール幅ｈは、小さ過ぎても、大き過ぎても給油量が落ち込む。すなわち、小さ過ぎると、上下に位置するスパイラル溝２５間が連通状態となり、粘性ポンプ作用がなくなる。大き過ぎると、給油量確保のために必要な数のスパイラル溝２５が形成できなくなる為である。そこで、本実施形態においては、このシール幅ｈは略３ｍｍとした。

次に、固定ピースのピッチＰ、スパイラルの幅Ｉ、シール幅ｈ、スパイラル溝の深さσ、及び溝形状について説明する。これらを変更した固定ピースの仕様による実機運転試験を行った結果を、図７に示す。
図７は、本発明の実施形態に係る固定ピースの熱膨張の検討結果を示す表図である。

なお、図７に示す結果の試験条件として、スリーブ１９と固定ピース２１における、熱膨張後の直径のクリアランスが０．２ｍｍ以上、初期の直径のクリアランスは０．４ｍｍ以下の状態で行ったものである。更に、仕様Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅの固定ピースを適用した圧縮機を冷蔵庫に組み込み、冷蔵庫を低速（８００回／分）で運転し、給油部（摺動部）への給油が満足しているかにより評価した。

直径のクリアランスの下限値である０．２ｍｍは、図４、図５に示す寸法変化量でも述べている。なお、０．４ｍｍの上限値は、実機試験の結果から定めたものである。すなわち、縦軸に給油量、横軸に圧縮機の回転数（５００〜４０００ｍｉｎ^-1）としたグラフから、直径のクリアランスを０．２〜０．９ｍｍの間のいずれかの所定値の仕様の固定ピースを作成して、各仕様の固定ピースを搭載した実機試験による結果から定めたものである。

この試験の結果、クリアランス０．２〜０．４ｍｍのものであると、回転数８００ｍｉｎ^-1の給油量を満足するが、０．５〜０．９ｍｍのものであると給油量を満足しないことが分かった。

これは、図３、図６に示すスパイラル溝２５でないシール部２３（シール幅ｈ）とスリーブ１９内壁との間の寸法が大きくなり過ぎて、上下のスパイラル溝２５間のシールが不十分となる為である。そこで、直径のクリアランスを０．４ｍｍとしている。

この試験の結果は図７に示す通りである。すなわち、仕様Ａ，Ｂ，Ｄは、全体的に給油量が不足していることが分かった。

仕様ＡはピッチＰを小さくし、スパイラル溝２５の全長を長くしたものであるが、シール幅ｈを小さくした為、上下のスパイラル溝２５間のシールが確保されず、給油量が確保できなかったためである。

仕様Ｂは、シール幅ｈを取り過ぎた為、第一の給油溝２６となるスパイラル溝２５の幅Ｉが小さくなり、通路断面積が確保できず、給油量が不足してしまった。

仕様Ｄは、ピッチＰを大きく取り過ぎた為、給油量が不足してしまった。

一方、仕様Ｃ，Ｅについては、冷蔵庫の低速（８００ｍｉｎ^-1）運転時であっても、給油部（摺動部）への給油を満足していることが分かった。

なお、仕様Ｅは側壁がスパイラル溝２５の底面に向けて互いに近づく傾斜形状であるのに対して、仕様Ｃは側壁が略平行の矩形である。このことにより、生産性を考慮した場合は、仕様Ｃを採用することがよい。

これにより、レシプロ式圧縮機（一例としてクランクシャフト１２外径が１１５ｍｍから２０ｍｍ）において、スリーブ１９と固定ピース２１間の直径のクリアランスを０．２ｍｍ以上０．４ｍｍ以下とすることが粘性ポンプ作用を圧縮機の低速域で発揮するために適している。

また、固定ピース２１に設けるスパイラル溝２５の断面溝形状を、底面と該底面側に向けて互いに近づく傾斜壁で構成すると、スパイラル溝２５の成形性、加工性が向上する。

また、スリーブ１９と固定ピース２１間に構成される第一の給油溝２６は、ピッチＰ、スパイラルの幅Ｉ、シール幅ｈ、及びスパイラル溝２５の深さσを、図７の仕様Ｃ、Ｅの如く形成すればよい。

本発明は以上説明した如き構成を有するものであるから、次の効果が得られるものである。

すなわち、主軸１２と、主軸１２下部の円筒中空部１８に位置して主軸１２の回転に伴い回転する円筒のスリーブ１９と、スリーブ１９の円筒内であって第一の給油溝２６を構成するスパイラル溝２５を有する固定ピース２１と、を備え、スリーブ１９と固定ピース２１との間は直径で０．２ｍｍ以上０．４ｍｍ以下のクリアランスを形成し、固定ピース２１の上端はスリーブ１９の上端よりも上方に位置し、主軸１２は、スパイラル溝２５の上端まで汲み上げられた潤滑油２を円筒中空部１８から外部に移送する連通部１７と、連通部１７から主軸１２外周の上部に設けた第二の給油溝３０と、スリーブ１９上端より上方であってスパイラル溝２５の一部に対応する高さ位置に異物捕集部２７と、を有する。

これにより、潤滑油２は摺動部に送られる前に物捕集部２７で異物が取り除かれるため、低速運転時でも安定した給油性能を得ることができる。

また、スパイラル溝２５の断面形状は、底面と該底面側に向けて互いに近づく傾斜壁で構成する。

これにより、スパイラル溝２５の給油能力を担保した状態で、成形性及び加工性が向上する。

また、上記いずれかの密閉型圧縮機を備えた冷蔵庫とする。これにより、低速運転時（一例としておよそ８００ｍｉｎ^-1）でも給油量を確保でき、信頼性の高い省電力運転が可能な冷蔵庫が得られるものである。

１ 密閉容器
２ 潤滑油（オイル）
３ 密閉空間
４ 圧縮要素
５ シリンダー
６ ピストン
７ フレーム
８ 主軸受
９ 主軸部
１０ 偏芯部
１１ コンロッド
１２ クランクシャフト（主軸）
１３ 電動要素
１４ 固定子
１５ 回転子
１６ 粘性ポンプ １６ｂ 第二の粘性ポンプ
１７ 連通孔（連通部）
１８ 円筒中空部
１９ スリーブ
２０ 支持手段（コイルばね）
２１ 固定ピース
２２ 支持部材
２３ シール部
２４ 取り付け孔
２５ スパイラル溝
２６ 第一の給油溝
２７ 異物捕集部
２８ 給油孔
２９ ガス抜き孔
３０ 第二の給油溝
３１ 隙間空間

Claims (3)

1. 主軸と、
   該主軸下部の円筒中空部に位置して該主軸の回転に伴い回転する円筒のスリーブと、
   該スリーブの前記円筒内であって第一の給油溝を構成するスパイラル溝を有する固定ピースと、を備え、
   前記スリーブと前記固定ピースとの間は直径で０．２ｍｍ以上０．４ｍｍ以下のクリアランスを形成し、
   前記固定ピースの上端は前記スリーブの上端よりも上方に位置し、
   前記主軸は、
   前記スパイラル溝の上端まで汲み上げられた潤滑油を前記円筒中空部から外部に移送する連通部と、
   該連通部から該主軸外周の上部に設けた第二の給油溝と、
   前記スリーブ上端より上方であって前記スパイラル溝の一部と同じ高さ位置の前記中空円筒部の内周に設けた異物捕集部と、
   を有することを特徴とする密閉型圧縮機。
2. 主軸と、
   該主軸下部の円筒中空部に位置して該主軸の回転に伴い回転する円筒のスリーブと、
   該スリーブの前記円筒内であって第一の給油溝を構成するスパイラル溝を有する固定ピースと、を備え、
   前記スリーブと前記固定ピースとの間は直径で０．２ｍｍ以上０．４ｍｍ以下のクリアランスを形成し、
   前記固定ピースの上端は前記スリーブの上端よりも上方に位置し、
   前記主軸は、
   前記スパイラル溝の上端まで汲み上げられた潤滑油を前記円筒中空部から外部に移送する連通部と、
   該連通部から該主軸外周の上部に設けた第二の給油溝と、
   前記スパイラル溝中を、遠心力によって前記スリーブに内接しながら上昇する異物を捕集して留め置く異物捕集部と、
   を有することを特徴とする密閉型圧縮機。
3. 前記異物捕集部は、前記中空円筒部の内周面に設けられた溝部を有し、
   該溝部は、
   前記スリーブの上端より上方であって、前記スパイラル溝の一部と同じ高さ位置に設けられて径方向外側に向けて延在する上側溝部と、
   前記中空円筒部の内周面及び前記スリーブの外側面によって径方向を囲まれ、前記上側溝部の下方に位置する領域である下側溝部と、を有することを特徴とする、請求項１又は２記載の密閉型圧縮機を備えた冷蔵庫。