JP6909375B2 - 圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、圧縮機に関する。

近年の冷凍冷蔵装置など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の広領域にて運転可能であると共に、特に高効率化に影響する低い運転周波数領域においては圧縮機自身の振動が悪化する傾向にあり摺動損失増加による性能の悪化にも影響するため低振動とする必要がある。

本技術分野の背景技術として、特開２００５−１３３６８４号公報（特許文献１）に記載されているものなどがある。この特許文献１には、ピストンとコンロッドの連結にピストンピンを用いた密閉形往復動圧縮機であり、商用電源周波数未満の低い運転周波数にて運転される圧縮機の振動低減を目的にピストンの軽量化が記載されている。

特開２００５−１３３６８４号公報

圧縮機の振動低減のために特許文献１にはピストンの軽量化に加えて、クランクシャフトの回転軸の中心を基準にピストンなどにより発生する遠心力とクランクシャフトの回転軸を支える軸受長さ中央位置を基準にピストンなどにより発生する遠心力のモーメントのアンバランスを改善するためにクランクシャフトの偏心部となるピン部の上端にバランスウェイトを設けている。

しかしながら、特許文献１に記載があるピストンピンを用いた密閉形往復動圧縮機は、クランクシャフトの傾きに対してコンロッドとピストンとシリンダの摺動部における平行度及び直角度が摺動損失に影響すると共に商用電源周波数未満の低い運転周波数にて運転される場合においてはジャイロ効果（物体が自転運動をすると姿勢を乱されにくくなる現象）によりシャフトの傾きが大きくなることで更に摺動損失の増加を招くという課題があった。

また、ピストンにおいては圧縮機に組み込まれた状態のみならず、機械加工時の寸法精度確保のための剛性をもたせる必要があるため軽量化には制約がある。
したがって、商用電源周波数未満の低い運転周波数にて運転される場合においてはピストンの軽量化とピン部上端のバランスウェイトだけでは遠心力と遠心力のモーメントによるアンバランスの改善が不十分であるため圧縮機の振動低減は困難である。

本発明の目的は上記従来の課題を解決するものであり、ジャイロ効果を受けにくい商用電源周波数未満の低い運転周波数にて運転される場合のみならず、停止から始動する場合と運転から停止する場合においても低振動と低摺動損失になるように遠心力および遠心力のモーメントによるアンバランスの設計による設定範囲を変更すこることで低振動と高効率を図ることにある。

上記事情に鑑みてなされた本発明は、クランクシャフトを回転させる回転子と、前記クランクシャフト上側に位置する偏心部と、往復運動するピストンと、前記ピストンと前記偏心部を連結するコンロッドと、前記ピストンと前記コンロッドとを連結するピストンピンと、前記偏心部の上側に備えられるとともに前記クランクシャフトの回転軸を中心に前記偏心部に対して対称に備えられるバランスウェイトと、を有する圧縮機であって、前記回転子に備えられるとともに前記クランクシャフトの回転軸を中心に前記偏心部に対して対称に備えられるロータバランスウェイトを有することを特徴とする。

本発明はピストンとロッドの連結にピストンピンを用いた密閉形往復動圧縮機において、ジャイロ効果を受けにくい商用電源周波数未満の低い運転周波数にて運転される場合、運転状態から停止状態に遷移する場合、停止状態から始動する場合においても低振動と低摺動損失を満足することができる効果がある。

本発明の実施例の圧縮機のアンバランスに関係する要部断面図。 本発明の実施例の圧縮機の断面図。

以下、本発明の密閉型圧縮機の実施例を添付の図面を参照しつつ説明する。同一の構成要素には同一の符号を付し、同一の説明は繰り返さない。

図１は本実施例の圧縮機のピストンやクランクシャフトを含む構造の正面、図２は本実施例の圧縮機の断面図である。

密閉容器１内の底部には潤滑油２（冷凍機油）が貯留されており、回転子３及び固定子４を備えた電動要素５と、電動要素５によって駆動される圧縮要素６が収容されている。

圧縮要素６は、回転子３が固定された主軸部７ａと偏心軸部（ピン部）７ｂを有するクランクシャフト７、圧縮工程が行われる圧縮室８を形成するためのシリンダ９ａなどを備えたシリンダブロック９、シリンダ９ａ内で往復運動するピストン１０、ピストン１０とピン部７ｂとを連結するコンロッド１１とピストンピン１２、シリンダブロック９に設けられ、クランクシャフト７の主軸部７ａを支持する主軸受９ｂ、主軸受９ｂのスラスト面側に配設され、クランクシャフト７を軸方向に支持するスラストボールベアリング（スラスト軸受）１３、圧縮工程時のピストン１０など往復運動でのアンバランスによる振動を低減させるためにピン部７ｂの上端部に備えられると共に主軸部７ａの回転軸を中心にピン部７ｂに対して対称の位置に備えられるバランスウェイト１４などにより構成されている。

クランクシャフト７が電動要素５により回転すると、偏心軸部７ｂ及びコンロッド１１とピストンピン１２とを介してピストン１０は往復運動する。このピストン１０の往復運動により圧縮動作（圧縮工程）が行われるように構成されている。

ピストンピン１２を用いてピストン１０とコンロッド１１とを連結する構造においては主軸受９ｂと主軸部７ａのクリアランスについて、クランクシャフト７の回転時に発生するクランクシャフト７の傾きに伴って発生するコンロッド１１、ピストン１０、及びシリンダ９ａとの間の摺動損失を抑えるために、加工寸法精度となる平行度及び直角度などの管理が重要である。また、ジャイロ効果を受けにくくクランクシャフト７の傾きが大きくなる商用電源周波数未満の低い運転周波数にて運転される場合、運転状態から停止状態に遷移する場合、停止状態から始動する場合においては、振動増加に加えて摺動損失も増加する。ピストンとコンロッドの連結方法としてはピストンピン構造の他にピストン側とコンロッドを球面形状とした連結したボールジョイント構造があるが、ボールジョイント構造は球面形状によりシャフト傾きを吸収することが可能となるため摺動損失の増加は発生しない。

ピストンピン１２を含むピストン１０の質量をＭＰ、コンロッド１１の質量をＭＲ、ピン部７ｂの質量をＭＳ、バランスウェイト１４の質量をＭＢとする。
また、主軸部７ａの回転軸中心とピン部７ｂの中心軸との距離となる偏心量をＲＰ、主軸部７ａの回転軸中心とピン部７ｂの重心の径方向の距離をＲＳ、主軸部７ａの回転軸中心とバランスウェイト１４との重心の径方向の距離をＲＢ、主軸受９ｂの軸受長さの中央位置とピストンピン１２をピストン１０の重心との鉛直方向の距離をＬＰ、主軸受９ｂの軸受長さの中央位置とピン部７ｂの重心との鉛直方向の距離をＬＳ、主軸受９ｂの軸受長さの中央位置とコンロッド１１の重心との鉛直方向の距離をＬＲ、主軸受９ｂの軸受長さの中央位置とバランスウイト１４の重心との鉛直方向の距離をＬＢとする。

本実施例の圧縮機は、バランスウェイト１４に加えて、回転子３の上端部かつ主軸部７ａの回転軸を中心にピン部７ｂに対して対称の位置に備えられるロータバランスウェイト３ａを備えている。ロータバランスウェイト３ａは、回転子３の側面や下端部に設けられても良いが、後述する係数を好適な範囲に比較的容易に収めるには、上端部側に位置する方が好ましい。

ロータバランスウェイト３ａの質量をＭＷとし、主軸部７ａの回転軸中心とロータバランスウェイト３ａの重心との径方向の距離をＲＷとする。
主軸受９ｂの軸受長さの中央位置よりも前ロータバランスウェイト３ａの重心位置が上方にある場合においては主軸受９ｂの軸受長さの中央位置とロータバランスウェイト３ａの重心との鉛直方向の距離をＬＷＰとし、主軸受９ｂの軸受長さの中央位置よりもロータバランスウェイト３ａの重心位置が下方にある場合においては主軸受９ｂの軸受長さの中央位置とロータバランスウェイト３ａの重心との鉛直方向の距離をＬＷＮと示す。

このとき、主軸部７ａが回転するときのピストン１０（ピストンピン１２を含む）とコンロッド１１とピン部７ｂとバランスウェイト１４とロ−タバランスウェイト３ａにおいて、主軸受９ｂの軸受長さ中央位置を基準とした遠心力とモーメントの関係を数１と数２に示す。数１と数２とは、ロータバランスウェイト３ａの位置によってどちらが用いられるかが決定される。係数Ｃ１やＣ２は、１．０に近い値、例えば０．９０〜１．１０であることが好ましい。

また、主軸部７ａが停止状態から始動するとき及び運転状態から停止状態に遷移するときのピストン１０（ピストンピン１２を含む）とコンロッド１１とピン部７ｂとバランスウェイト１４とロータバランスウェイト３ａにおいて、主軸部７ａの回転軸中心を基準とした遠心力の関係を数３に示す。係数Ｃ３は、１．０に近い値、例えば０．９０〜１．１０とすることが好ましい。

このようにすることでジャイロ効果を受けにくい商用電源周波数未満の低い運転周波数にて運転される場合、運転状態から停止状態に遷移する場合、及び停止状態から起動する場合においても低振動と低摺動損失を実現できる。

ここで数１、数２、数３について説明する。数１と数２においては、軸受９ｂの軸受長さ中央位置を基準にモーメントが発生する向きの違いにより分子と分母を分けており、分子と分母が逆になってもモーメントの基準の方向が変わるだけであるため数式としての問題はない。

数３においては、主軸部７ａの回転軸の中心を基準に左右に発生する遠心力向きの違いにより分子と分母を分けており、分子と分母が逆になっても遠心力の基準の方向が変わるだけであるため数式としての問題はない。また、数１及び数２に対してはモーメントに関係する距離を除外した数式となっている。

本実施例によれば、商用電源周波数未満での低い運転周波数領域となる１３〜１７Ｈｚにおいても低振動と低摺動損失での運転が可能である。

なお、数１〜数３に含まれる値についてより具体的に説明する。ピストン１０（ピストンピン１２を含む）は主軸部７ａの回転軸に対して往復動のみであるため質量を１／２とした数４とし、コンロッド１１は主軸部７ａに対して往復動と回転の両方が含まれるため往復動分と回転分を分けており、往復動分は質量を１／２にすると共にピストン１０（ピストンピン１２を含む）とピン部７ｂとの重心間にコンロッドの重心があることにより１／２の影響を考慮した数５とし、回転分は質量を１／２とした数６としている。

１ 密閉容器
２ 冷凍機油
３ 回転子
３ａ ロータバランスウェイト
４ 固定子
５ 電動要素
６ 圧縮要素
７ クランクシャフト
７ａ 主軸部
７ｂ 偏心部（ピン部）
８ 圧縮室
９ シリンダブロック
９ａ シリンダ
９ｂ 主軸受
１０ ピストン
１１ コンロッド
１２ ピストンピン
１３ スラストボールベアリング（スラスト軸受）
１４ バランスウェイト

Claims (2)

1. クランクシャフトを回転させる回転子と、
   前記クランクシャフト上側に位置する偏心部と、
   往復運動するピストンと、
   前記ピストンと前記偏心部を連結するコンロッドと、
   前記ピストンと前記コンロッドとを連結するピストンピンと、
   前記偏心部の上側に備えられるとともに前記クランクシャフトの回転軸を中心に前記偏心部に対して対称の位置に備えられるバランスウェイトと、を有する圧縮機であって、
   前記回転子に備えられるとともに前記クランクシャフトの回転軸を中心に前記偏心部に対して対称の位置に備えられるロータバランスウェイトを有し、
   前記ピストンピンを含む前記ピストンの質量をＭＰ、
   前記コンロッドの質量をＭＲ、
   前記偏心部の質量をＭＳ、
   前記バランスウェイトの質量をＭＢ、
   前記クランクシャフトの回転軸中心と前記偏心部の中心軸との距離となる偏心量をＲＰ、
   前記回転軸中心と前記偏心部の重心との径方向の距離をＲＳ、
   前記回転軸中心と前記バランスウェイトの重心との径方向の距離をＲＢ、
   鉛直方向に関する軸受長さの中央位置と前記ピストンピンを含む前記ピストンの重心との鉛直方向の距離をＬＰ、
   前記軸受長さの中央位置と前記偏心部の重心との鉛直方向の距離をＬＳ、
   前記軸受長さの中央位置と前記コンロッドの重心との鉛直方向の距離をＬＲ、
   前記軸受長さの中央位置と前記バランスウェイトの重心との鉛直方向の距離をＬＢ、とし、
   前記ロータバランスウェイトの質量をＭＷとし、
   前記回転軸中心と前記ロータバランスウェイトの重心との径方向の距離をＲＷとし、
   前記軸受長さ中央位置よりも前記ロータバランスウェイトの重心位置が上方にある場合は、前記軸受長さの中央位置と前記ロータバランスウェイトの重心との鉛直方向の距離をＬＷＰとし、
   前記軸受長さ中央位置よりも前記ロータバランスウェイトの重心位置が下方にある場合は、前記軸受長さの中央位置と前記ロータバランスウェイトの重心との鉛直方向の距離をＬＷＮとしたときに、
   前記クランクシャフトが回転するときの前記ピストンピンを含む前記ピストンと、前記コンロッドと、前記偏心部と、前記バランスウェイトと、前記ロータバランスウェイトとにおいて前記軸受長さ中央位置を基準とした遠心力とモーメントの関係を示す数１の係数Ｃ１または数２の係数Ｃ２が０．９０〜１．１０であることを特徴とする密閉型圧縮機。
   

   

   
2. 前記クランクシャフトが停止状態から始動するとき及び運転状態から停止状態に遷移するときの前記ピストンピンを含む前記ピストンと、前記コンロッドと、前記偏心部と、前記バランスウェイトと、前記ロータバランスウェイトと、において前記クランクシャフトの回転軸の中心を基準とした遠心力の関係を示す数３の係数Ｃ３が０．９０〜１．１０であることを特徴とする請求項１に記載の密閉型圧縮機。
   

   

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