JP6542545B2 - 圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は圧縮機に関する。

本技術分野の背景技術として、特許文献１に記載された流体圧縮機がある。特許文献１では、圧縮機機構部と電動機部を上下に連結する回転軸を前記電動機の上下両側で支持する主軸受と副軸受と、前記副軸受を支持する副軸受部材と、前記副軸受部材に取り付けられ且つ前記回転軸により駆動される給油ポンプとを備え、前記回転軸は給油ポンプから供給される潤滑油を副軸受に供給する給油経路を有し、前記副軸受支持部材および前記給油ポンプは、前記回転軸の周囲に前記副軸受に連通する内部空間を形成すると共に、この内部空間と油溜りを連通する通路を有した構造が示されている。内部空間と油溜りを連通する通路を有することで、内部空間内で潤滑油の回転軸の回転による撹拌損失低減を図るものである。

特開２００４−３１６５３７号公報

しかし、従来の構造では、回転軸の撹拌損失低減のために副軸受に給油された潤滑油を速やかに油溜りに戻す通路としているため、副軸受部材内部の空間から油溜りに連通する通路面積を副軸受に潤滑油を供給する通路面積よりも大きくし、副軸受部材内部の空間に潤滑油を溜めない構造としている。

そのため、副軸受である転がり軸受に対して潤滑油は滴下での給油となり、特に冷媒用圧縮機などの潤滑油と冷媒の混在した低粘度潤滑油にて給油を行う軸受構造としては、副軸受に十分な給油量が確保できず、給油量の不足によって軸受のかじりや焼き付き等が発生する虞があった。

本発明は、軸受への給油量の不足を抑制し、信頼性の向上させた圧縮機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明は、冷媒を圧縮する圧縮機構と、前記圧縮機構を駆動する電動機と、前記圧縮機構と前記電動機とを連結する回転軸と、前記回転軸を支持する軸受部と、前記軸受部を覆うハウジングと、が密閉容器内に収納される圧縮機において、前記密閉容器の底部には前記圧縮機構および前記軸受部を潤滑する潤滑油が溜められ、前記底部の潤滑油を前記回転軸内部に設けられる油通路に供給する給油ポンプと、前記油通路から前記ハウジングに連通し前記ハウジング内に潤滑油を供給する給油経路と、前記給油経路を通過し軸受部を潤滑した潤滑油が前記ハウジングから排出される第一の排油経路と、前記給油経路と前記ハウジングとの連通部より鉛直方向上方に位置し前記給油経路を通過する潤滑油が前記軸受部に到達する前に前記ハウジングから排出される第二の排油経路とを備え、前記給油経路から供給される潤滑油の油量Ｑ１が前記第一の排出経路から排出される油量Ｑ２よりも多く、前記ハウジング内に潤滑油が満たされ油浴状態となった場合に前記第二の排出経路から潤滑油が排出される。

また、冷媒を圧縮する圧縮機構と、前記圧縮機構を駆動する電動機と、前記圧縮機構と前記電動機とを連結する回転軸と、前記回転軸を支持する軸受部と、前記軸受部を覆うハウジングと、が密閉容器内に収納される圧縮機において、前記密閉容器の底部には前記圧縮機構および前記軸受部を潤滑する潤滑油が溜められ、前記底部の潤滑油を前記回転軸内部に設けられる油通路に供給する給油ポンプと、前記油通路から前記ハウジングに連通し前記ハウジング内に潤滑油を供給する給油経路と、前記給油経路を通過し軸受部を潤滑した潤滑油が前記ハウジングから排出される第一の排油経路と、前記給油経路と前記ハウジングとの連通部より鉛直方向上方に位置し前記給油経路を通過する潤滑油が前記軸受部に到達する前に前記ハウジングから排出される第二の排油経路とを備え、前記給油経路から供給される潤滑油の油量をＱ１、前記第一の排油経路の最小断面積をＡ、前記第一の排油経路の排出口と前記第二の排油経路の排出口との鉛直方向における高さの差をＨ、重力加速度をｇとして、Ｑ１＞Ａ×√（２ｇＨ）の関係を満たすように構成する。

本発明によれば、軸受への給油量の不足を抑制し、信頼性の向上させた圧縮機を提供することができる。

本発明の実施例１に係る圧縮機の断面図を示す。 図１に示す副軸受部の拡大図を示す。 図２に示す副軸受部における運転中の油面状態を示す。 本発明の実施例２に係る圧縮機の副軸受部の拡大図を示す。

本発明の冷媒圧縮機の複数の実施例を、図を用いて説明する。これらの実施例は圧縮機構部をスクロール圧縮機で構成した場合について説明する。なお、各実施例の図における同一符号は同一物または相当物を示す。以下、実施例について説明する。

本発明の第１の実施例を図１のスクロール圧縮機断面構造図および図２の副軸受部拡大図を用いて説明する。

まず本実施例のスクロール圧縮機の全体構成について、図１を参照しながら説明する。図１は、密閉容器５０内の上部に作動冷媒を圧縮する圧縮機構部１、中間部に圧縮機構部１を駆動する電動機部２、底部に潤滑油が溜められる油溜め３を配置した縦型のスクロール圧縮機である。なお、縦型とはスクロール圧縮機が配置される際に鉛直方向にみて縦型であることを意味する。

圧縮機構部１は、電動機部２のロータ２１と連結されている駆動軸４の回転運動により圧縮機構部１にて冷媒ガスを圧縮する。ロータ２１はステータ２０への通電により発生した磁界により回転駆動する。

圧縮機構部１は、フレーム２２により密閉容器５０に固定され台板上に渦巻き状のラップが設けられた固定スクロール３０と、固定スクロール３０と噛み合わさる渦巻き状のラップが台板上に設けられるとともに偏心旋回する旋回スクロール４０と、旋回スクロール４０の自転を防止する自転防止機構２３とを有する。

固定スクロール３０と旋回スクロール４０のラップが互いに噛み合わさることで冷媒を圧縮する圧縮室４２を形成する。固定スクロール３０には、圧縮室４２へ冷媒を吸入させる吸入口３１、圧縮した冷媒を密閉容器５０上部へ吐出する吐出口３２が設けられている。

旋回スクロール４０の背面には駆動軸の先端の偏芯ピン部５と係合する旋回軸受４１及びフレーム２２との間に自転防止機構２３を配置している。この自転防止機構２３は、旋回スクロール４０を固定スクロール３０に対し自転することなく旋回運動させる継手である。

駆動軸４の偏芯ピン部５の回転と自転防止機構２３により、旋回スクロール４０は固定スクロール３０に対し、旋回運動を行い渦巻状のラップにて圧縮室４２を形成し中心部に向かって、その容積を減らすことで圧縮を行う。

駆動軸４は、電動機部２上方に備えたフレーム２２に組み付けられた主軸受２４と、電動機部２下方に備えた副軸受支持部材であるハウジング２６に組み付けられた副軸受２５で軸受支持されている。

副軸受２５は、ハウジング２６に圧入固定しており、ハウジング２６はボルト３５を用いて下フレーム２７に組み付けられ、下フレーム２７が密閉容器５０に固定している。ハウジング２６の下端には給油ポンプ８が給油ポンプ固定ボルト３６により取り付けられる。

また、駆動軸４下方に取り付けられた給油ポンプ駆動継手３３が、給油ポンプ８に挿入されており、駆動軸４の回転により駆動継手３３が回転し、給油ポンプ８を用いて油溜め３の潤滑油を吸込み及び吐出することで、駆動軸４の給油穴９へ油を送り出している。なお、給油ポンプ８は容積型給油ポンプであり、回転数の増減に合わせて、給油ポンプ８の吐出量が変化する。給油ポンプ８は、容積型給油ポンプであるトロコイド型給油ポンプを用いている。

給油ポンプ８から吐出された潤滑油は給油穴９を通り、給油経路９ａ及び給油経路９ｂに分配される。給油経路９ｂは副軸受２５への給油を行うための通路である。給油経路９aは、油を駆動軸４の上端まで向かった後、旋回スクロール４０に備えられた旋回軸受４１及び主軸受２４を給油し、フレーム２２に取り付けられた返油パイプ１０を介して、圧縮機下部の油溜め３へ戻る環油構造としている。

次に、本実施例の副軸受２５およびハウジング２６に関する給油経路について、図２を参照しながら詳細に説明する。図２は副軸受付近の拡大断面図である。本図の副軸受２５は、転がり軸受である玉軸受を使用している。玉軸受２５は、内輪２５ｂ、転動体２５a、外輪２５ｃにて構成されており、外輪２５ｃがハウジング２６に圧入固定されている。副軸受２５にて軸受荷重を受けることで内輪２５ｂと転動体２５a及び転動体２５ａと外輪２５ｃで摺動する。

転がり軸受摺動部には給油が必要であり、給油が行われないと、転がり軸受の摺動部にかじりや焼き付きといった損傷が発生し、冷媒圧縮機の信頼性を損なうこととなる。副軸受２５への給油は、給油ポンプ８を用いて、駆動軸４内の給油穴９を通った油が通路９ｂを通過し、通路９ｂから径方向に噴出し、カバー３４の内壁面を利用して副軸受２５の転動体２５ａと内輪２５ｂ、外輪２５ｃの摺動部に給油される。

ハウジング内部空間２６ａに油が溜まっていない状態の時、副軸受２５の給油環境状態は、軸受上部からの滴下給油状態である。副軸受２５を給油した油は、ハウジング内部空間２６ａ内を通り、ハウジング２６の下端面と給油ポンプ８の上端面の間に設けた排油通路２６ｂ（第一の排油経路）より排出される。

ここで、副軸受への給油量をＱ１とし、第一の排出経路であるハウジング内部空間の排出通路２６ｂからの排出量をＱ２とすると、Ｑ１＞Ｑ２の場合に、ハウジング内部空間２６ａに油が溜まり、油が充満し満液となる。ハウジング内部空間２６ａ及び副軸受２５が油で満液になると、ハウジング上部のカバー３４と駆動軸４の隙間である排油通路３４ａ（第二の排油経路）からオーバーフローする形で油が排出される。この排油経路３４ａは、給油経路９ｂとハウジング２６との連通部より鉛直方向上方に位置させる。そうすることで、ハウジング内部空間２６ａに潤滑油が満たされ油浴状態となった場合に排出経路３４ａから潤滑油が排出されるようになる。

排出経路３４ａからの排出量をＱ３とすると、軸受へ給油する油の量Ｑ１と排出量Ｑ２、Ｑ３には、Ｑ１＝Ｑ２＋Ｑ３が成り立ち、油が循環給油される。ハウジング内部空間２６ａが満液となると、副軸受２５の転動体２５ａ、内輪２５ｂ、外輪２５ｃの間の空間にも油が充満するため、結果として副軸受２５は潤滑油で満液となった状態で摺動させることができる。このように副軸受２５内に潤滑油を満たした油浴状態（給油）とすることで、滴下給油よりも軸受の損傷を起こしにくく信頼性の向上することができる。

冷媒用の圧縮機では、使用冷媒と潤滑油が混在した状態となっているため、潤滑油中に液冷媒が溶け込んで油の粘度を低下させる。また、潤滑油に溶け込んだ液冷媒は圧縮機中で熱をもらい温度上昇することで液冷媒からガス冷媒に発泡変化するため、軸受部に給油される油は、摺動部での油膜形成が大気圧中に比べて非常に厳しい状態となる。摺動部で油膜形成が正常に行われないと、金属接触を起こし、軸受のかじりや焼き付きに至る。

油通路９からの分配量は通路９ａの最小通路流路面積と通路９ｂの最小通路面積で決まる。一方、ハウジング内部空間からの油の排出通路２６ｂは、その通路面積と通路形状、使用潤滑油の密度、粘度等によって、排出量が変化する。

本構造では副軸受給油量Ｑ１は、給油ポンプ８の供給量と駆動軸４の油通路９から通路９ａ、通路９ｂの分配による量にて決まる。給油ポンプ８は容積型ポンプを使用しているため、給油ポンプ８の１回転あたりの吐出量(給油ポンプ自身の体積効率を含む吐出量)と回転数が供給量に変化を与える。つまり、回転数が上昇するほど副軸受２５への供給量Ｑ１が増加する。

一方、回転数が高い状態の際は、駆動軸４に偏心して組み付けられている旋回スクロール４０及びバランスウエイト２８、ロータウエイト２９の遠心力の影響により、副軸受２５は軸受荷重が大きい運転状態となる。そのため、軸受摺動部の発熱による油での冷却効果が重要となり、本構造における給油ポンプ８の容積型ポンプを用いることによる供給量Ｑ１の給油量増加は、信頼性を保つため非常に重要となる。

従来の一定回転数駆動の冷媒用圧縮機に対し、インバータを用いた回転数範囲の大きい圧縮機において、目安の回転数として６０ｒｐｓ以上で使用されることが多いため、給油ポンプの回転数が６０ｒｐｓに場合において供給量Ｑ１が排出量Ｑ２を上回るようにすることが望ましい。

圧縮機回転数が６０ｒｐｓ以上での運転は、冷媒用圧縮機を用いる空調機としては、主に暖房期間での空調立ち上げ時に多く発生するため、圧縮機構部での圧縮比が大きく且つ圧縮機機構部の吸込み側へ液冷媒の戻り量が大きくなる傾向が強いため、軸受荷重が増加しやすく、圧縮機回転数６０ｒｐｓ以上にて副軸受２５が油浴となることは軸受信頼性に有効である。

また、冷媒物性値としてＲ４１０Ａ冷媒と比べて密度の小さく顕熱の大きいＲ３２冷媒などでは、圧縮機の機構部での冷媒圧縮による温度上昇変化が大きいため、吐出ガス温度が従来の冷媒Ｒ４１０Ａに対し高温になり、油の粘度低下が起きやすく、摺動部での油膜形成状態が悪くなる。

また、潤滑油としてエステル油を用いる場合には、エーテル油に比べて潤滑油の油膜形成率が悪くなる傾向にあるため、本実施例を用いた構造でのハウジング内部空間２６ａを油で満液にすることで、副軸受２５の給油環境を油浴状態とすることは、冷媒Ｒ３２やエステル油使用の場合に、特に有効である。

次に図３を用いて圧縮機運転中の油の状態と排油通路２６ｂからの排出量について詳細説明する。図３は、図２の構造において圧縮機運転により給油量Ｑ１が排出通路２６ｂからの排出量Ｑ２よりも上回った状態のハウジング内部空間２６ａの油面状態を示す。油面は、図中に横線を引いたもので表している。供給量Ｑ１＞の排出量Ｑ２となると、ハウジング内部空間２６ａ、副軸受２５内は油で充満する。この時、ハウジング２５の排出経路２６ｂから副軸受を介して反対側のカバー３４の排出経路３４ａまでの軸方向高さをＨ、重力加速度をｇとすると、排油通路２６ｂでの油の流速Ｖは、通路抵抗及び粘性抵抗を無視すると、Ｖ＝√（２ｇＨ）で表される。

この流速Ｖに排油通路２６ｂでの通路面積Ａを積算した量が排油通路２６ｂからの排出量Ｑ２となる。実際には、排油通路２６ｂでの通路抵抗及び粘性抵抗分の損失量Ｃが発生するため、排出量Ｑ２はＡ×√（２ｇＨ）−Ｃで表される。したがって、ハウジング内部空間２６ａ及び副軸受２５を油で満液とするには、Ｑ１＞Ａ×√（２ｇＨ）−Ｃ の関係を満たすように断面積Ａを設定するば良い。また、排出量Ｑ２の損失量Ｃを差し引いて、Ｑ１＞Ａ×√（２ｇＨ）の関係を満たすように断面積Ａを設定することでより確実に副軸受２５を油浴状態とすることが可能となる。

但し、この通路断面積Ａを０とすると、ハウジング内部空間２６ａは常に満液とはなるが、ハウジング内部空間２６ａ空間での油の滞留が起こるため、軸受部での発熱に伴う油での冷却効果が失われ、軸受の信頼性を低下させることになるため、排出量Ｑ２＞０とすることが必要である。

次に第２の実施例について図４を用いて説明する。実施例２は、実施例１に対し副軸受２５をすべり軸受３７を用いた構造である。すべり軸受３７は、ハウジング２６に圧入固定されており、駆動軸４と摺動する。摺動部は軸方向に線接触となるため、駆動軸４の油通路９から副軸受部へ向かう通路９ｂは径方向に向かった後、駆動軸４に設けた軸方向のスリット溝を通ることですべり軸受け３７に給油される。この給油量をＱ１とする。

すべり軸受３７給油後は、ハウジング内部空間２６ａ内を通り排油通路２６ｂの第一の排出経路より油が排出される。排出量をＱ２とする。副軸受３７へ供給される油量Ｑ１よりも排油通路２６ｂから排出される油量Ｑ２が少ない場合、ハウジング内部空間２６ａは油で満液となり、排出経路３４ａを用いてオーバーフローした油が排出される構造である。排出量をＱ３とする。よって、Ｑ１＝Ｑ２＋Ｑ３の関係となる。

すべり軸受は、転がり軸受に比べて軸受部での摺動損失が大きくなる傾向にあるため、すべり軸受においても油浴給油を行うことが軸受の信頼性向上に有効であり、且つ軸受部での摺動損失低減効果も大きい。

１ 圧縮機構部
２ 電動機部
３ 油溜め
４ 駆動軸
８ 給油ポンプ
９ 給油穴
９ａ 給油経路(通路)
９ｂ 給油経路(通路)
２４ 主軸受
２５ 副軸受(転がり軸受)
２５ａ 転動体
２５ｂ 内輪
２５ｃ 外輪
２６ ハウジング(副軸受支持部材)
２６ａ ハウジング内部空間
２６ｂ 排油通路（第一の排油経路）
３０ 固定スクロール
３１ 吸入口
３２ 吐出口
３３ 駆動継手
３４ カバー
３４ａ 排油通路（第二の排油経路）
３６ 給油ポンプ固定ボルト
３７ 副軸受（すべり軸受）
４０ 旋回スクロール
４１ 旋回軸受
４２ 圧縮室
５０ 密閉容器

Claims (5)

1. 冷媒を圧縮する圧縮機構と、前記圧縮機構を駆動する電動機と、前記圧縮機構と前記電動機とを連結する回転軸と、前記回転軸を支持するために、前記電動機の上方に備えられた主軸受と前記電動機の下方に備えられた副軸受と、前記副軸受を覆うハウジングと、が密閉容器内に収納され、前記副軸受を覆う前記ハウジングはその上部に前記副軸受の上部を覆うカバーを備える圧縮機において、
   前記密閉容器の底部には前記圧縮機構、前記主軸受及び前記副軸受を潤滑する潤滑油が溜められ、
   前記底部の潤滑油を前記回転軸内部に設けられる油通路に供給する給油ポンプと、
   前記油通路から前記副軸受と前記カバーとの間の前記ハウジング内に連通し前記ハウジング内に潤滑油を供給する給油経路と、
   前記給油経路を通過し前記副軸受を潤滑した潤滑油が前記ハウジングから排出される第一の排油経路と、
   前記給油経路と前記ハウジングとの連通部より鉛直方向上方に位置する前記カバーと前記回転軸との隙間で形成され、前記給油経路を通過する潤滑油が前記副軸受に到達する前に前記ハウジングから排出される第二の排油経路とを備え、
   前記給油経路から供給される潤滑油の油量Ｑ１が前記第一の排出経路から排出される油量Ｑ２よりも多く、前記ハウジング内に潤滑油が満たされ油浴状態となった場合に前記第二の排出経路から潤滑油が排出され、且つ
   前記給油ポンプは、前記回転軸に連結されるとともに、前記回転軸の回転数の変化により前記給油ポンプの給油量が変化する容積型ポンプであって、前記給油ポンプの回転数が６０ｒｐｓの場合における前記油量Ｑ１が前記第一の排出経路から排出される油量Ｑ２よりも多いことを特徴とする圧縮機。
2. 冷媒を圧縮する圧縮機構と、前記圧縮機構を駆動する電動機と、前記圧縮機構と前記電動機とを連結する回転軸と、前記回転軸を支持するために、前記電動機の上方に備えられた主軸受と前記電動機の下方に備えられた副軸受と、前記副軸受を覆うハウジングと、が密閉容器内に収納され、前記副軸受を覆う前記ハウジングはその上部に前記副軸受の上部を覆うカバーを備える圧縮機において、
   前記密閉容器の底部には前記圧縮機構、前記主軸受及び前記副軸受を潤滑する潤滑油が溜められ、
   前記底部の潤滑油を前記回転軸内部に設けられる油通路に供給する給油ポンプと、
   前記油通路から前記副軸受と前記カバーとの間の前記ハウジング内に連通し前記ハウジング内に潤滑油を供給する給油経路と、
   前記給油経路を通過し前記副軸受を潤滑した潤滑油が前記ハウジングから排出される第一の排油経路と、
   前記給油経路と前記ハウジングとの連通部より鉛直方向上方に位置する前記カバーと前記回転軸との隙間で形成され、前記給油経路を通過する潤滑油が前記副軸受に到達する前に前記ハウジングから排出される第二の排油経路とを備え、
   前記給油経路から供給される潤滑油の油量をＱ１、前記第一の排油経路の最小断面積をＡ、前記第一の排油経路の排出口と前記第二の排油経路との鉛直方向における高さの差をＨ、重力加速度をｇとして、
   Ｑ１＞Ａ×√（２ｇＨ）
   の関係を満たすように構成し、且つ
   前記給油ポンプは、前記回転軸に連結されるとともに、前記回転軸の回転数の変化により前記給油ポンプの給油量が変化する容積型ポンプであって、前記給油ポンプの回転数が６０ｒｐｓの場合における前記油量Ｑ１が前記第一の排出経路から排出される油量Ｑ２よりも多いことを特徴とする圧縮機。
3. 請求項１または請求項２に記載の圧縮機において、
   前記副軸受は、内輪および外輪と複数の転動体とから構成された転がり軸受であることを特徴とする圧縮機。
4. 請求項１または請求項２に記載の圧縮機において、
   前記潤滑油にはエステル油が用いられることを特徴とする圧縮機。
5. 請求項１または請求項２に記載の圧縮機において、
   前記冷媒にはＲ３２を７０％以上含む混合冷媒またはＲ３２単一冷媒が使用されることを特徴とする圧縮機。