JPWO2013187043A1 - 密閉型圧縮機 - Google Patents

Abstract

シャフト（１１９）の主軸部（１２０）を軸支する主軸受（１２６）を備え、主軸受（１２６）の上端にスラストボールベアリングを備え、回転子（１１６）がフランジ部を介して主軸部（１２０）に取り付けられる。そして、回転子鉄心（１１７）の磁気中心が、固定子鉄心（１１５）の磁気中心より上方に配置され、回転子（１１６）と固定子（１１４）の間に下向きの磁気吸引力を作用させる。それにより、スラストボールベアリングの鋼球と上レースや下レースの接触荷重が適正に維持される。

Description

本発明は、主に電気冷凍冷蔵庫などの冷凍サイクルに使用される密閉型圧縮機に関するものである。

近年、電気冷凍冷蔵庫に用いられる密閉型圧縮機については、消費電力の低減のための高効率化や、低騒音化並びに高信頼性化が望まれている。

従来、この種の密閉型圧縮機としては、スラスト軸受にボールベアリングを採用して、効率を向上させたものがある（例えば、特許文献１参照）。

以下、図面を参照しながら上記従来の密閉型圧縮機を説明する。

図４は、従来の密閉型圧縮機の縦断面図、図５は従来の密閉型圧縮機の要部分解斜視図である。

図４、図５において、密閉容器２の底部には潤滑油４を貯留しており、圧縮機本体６はサスペンションスプリング（図示せず）によって密閉容器２に対して弾性的に支持されている。

圧縮機本体６は、電動要素１０と、電動要素１０の上方に配設される圧縮要素１２から構成されている。電動要素１０は、固定子１４および回転子１６とから構成されている。

圧縮要素１２のシャフト１９は、主軸部２０と、主軸部２０の上端に設けたアーム部２１と、アーム部２１の上面より延出する偏心軸部２２を備えている。主軸部２０はシリンダブロック２４の主軸受２６に回転自在に軸支されるとともに、回転子１６が固定されている。そして、圧縮荷重を受ける偏心軸部２２に対して、偏心軸部２２の下側のみに配置された主軸部２０と主軸受２６で支持する片持ち軸受の構成となっている。

また、シャフト１９は主軸部２０内部に設けた傾斜穴２７や主軸部２０表面に設けたリード溝２８などからなる給油機構２９を備えている。

ピストン３０は、シリンダブロック２４に形成された略円筒形の内面を有するシリンダ３４に往復自在に挿入される。また、連結部３６は、両端に設けた孔部がそれぞれピストン３０に取り付けられたピストンピン３８と偏心軸部２２に嵌挿されることで、偏心軸部２２とピストン３０とを連結している。

シリンダ３４およびピストン３０は、シリンダ３４の開口端面に取り付けられるバルブプレート４０とともに圧縮室４２を形成する。さらに、バルブプレート４０を覆って蓋をするようにシリンダヘッド４４が固定されている。

吸入マフラ４６は、ＰＢＴなどの樹脂で成型され、内部に消音空間を形成し、シリンダヘッド４４に取り付けられている。

次に、スラストボールベアリング５０について説明する。

主軸受２６は、上端面に軸心と直角な平面部であるスラスト面５２を有している。

そして、スラスト面５２の上部に上レース５４と、ホルダー部５８に保持された鋼球５６と、下レース６０とからなるスラストボールベアリング５０が配置されている。

上レース５４および下レース６０は環状で金属製の平板であり、上下の面が平行である。また、ホルダー部５８は環状の形状をなし、周方向に設けた複数の孔部に鋼球５６を転動自在に収納している。

そして、スラスト面５２の上に、下レース６０、ホルダー部５８に保持された鋼球５６、上レース５４の順に互いに接した状態で積み重なり、上レース５４の上面にシャフト１９のアーム部２１が着座している。

以上のように構成された密閉型圧縮機について、以下にその動作を説明する。

電動要素１０に通電されると、固定子１４に発生する回転磁界により、回転子１６は主軸部２０とともに回転する。主軸部２０の回転により、偏心軸部２２が偏心運動し、偏心軸部２２の偏心運動が連結部３６を介してピストン３０に伝えられ、ピストン３０はシリンダ３４内で往復動する。

密閉容器２の外の冷凍サイクル（図示せず）より戻った冷媒は、吸入マフラ４６を経由して圧縮室４２内へ導入され、圧縮室４２内でピストン３０により圧縮され、圧縮された冷媒は密閉容器２から冷凍サイクルへ送出される。

また、シャフト１９の下端は潤滑油４に浸漬しており、シャフト１９が回転することにより、潤滑油４は給油機構２９により圧縮要素１２の各部に供給され、摺動部の潤滑を行う。

スラストボールベアリング５０は、鋼球５６と上レース５４と下レース６０に点接触の状態で転がる転がり軸受であり、シャフト１９や回転子１６の自重などの垂直方向のアキシアル荷重を支持しながら回転が可能である。転がり軸受は、一般的に用いられている滑り軸受の形式のスラストボールベアリングより摩擦が少なく、入力を低減して効率を向上することができる。

しかしながら、従来の構成では、電源周波数を超える周波数で高速回転するインバータ圧縮機にスラストボールベアリングを用いると、上レースや下レースには通常微小な平面のうねりがあるので、電源周波数を超える高速回転時にスラストボールベアリングの鋼球と上レースや下レースとの間の接触状態が不安定になり、騒音や振動が増加する課題を有していた。

特開２００５−１２７３０５号公報

本発明の密閉型圧縮機は、複数の鋼球と、鋼球の上下に配設された上レースと下レースとを有したスラストボールベアリングを備え、回転子はフランジ部を介して主軸部に固定される。また、本発明は、回転子鉄心の磁気中心が、固定子鉄心の磁気中心より上方にずらして配置されるもので、回転子鉄心と固定子鉄心の間に作用する磁気吸引力により、回転子に下向きの荷重が作用する。このことで、スラストボールベアリングの鋼球と上レースや下レースとの間に働く接触荷重が適正に維持され、騒音や振動の発生を防止する。

図１は、本発明の一実施の形態における密閉型圧縮機の縦断面図である。 図２は、本発明の一実施の形態における密閉型圧縮機のスラストボールベアリングの拡大図である。 図３は、本発明の一実施の形態における密閉型圧縮機の電動要素周辺の要部拡大図である。 図４は、従来の密閉型圧縮機の縦断面図である。 図５は、従来の密閉型圧縮機の要部分解斜視図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によってこの発明が限定されるものではない。

図１は、本発明の一実施の形態における密閉型圧縮機の縦断面図である。図２は、本発明の一実施の形態における密閉型圧縮機のスラストボールベアリングの拡大図である。図３は、本発明の一実施の形態における密閉型圧縮機の電動要素周辺の要部拡大図である。

図において、密閉容器１０２の内底部に潤滑油１０４を貯留するとともに、電動要素１１０と、これによって駆動される圧縮要素１１２とからなる圧縮機本体１０６がサスペンションスプリング１０８により密閉容器１０２内で弾性的に支持されている。また、密閉容器１０２には、温暖化係数の低い冷媒であるＲ６００Ａ（イソブタン）が充填されている。

密閉容器１０２には電動要素１１０に電源を供給するための電源端子１１３が取り付けられている。

まず、圧縮要素１１２について説明する。

圧縮要素１１２は電動要素１１０の上方に配設されている。

圧縮要素１１２を構成するシャフト１１９は、主軸部１２０と、主軸部１２０上端のアーム部１２１と、アーム部１２１上面から延出し、主軸部１２０と中心軸が異なり平行な偏心軸部１２２と備えている。

シリンダブロック１２４は、円筒形の内面を有する主軸受１２６を備え、主軸受１２６にシャフト１１９の主軸部１２０が回転自在に挿入され、支持されている。そして、圧縮要素１１２は、偏心軸部１２２に作用した荷重を偏心軸部１２２の下側に配置された主軸部１２０と主軸受１２６で支持する片持ち軸受の構成になっている。

また、シャフト１１９は主軸部１２０内部に設けた傾斜穴（図示せず）や主軸部１２０表面に設けた螺旋状のリード溝１２８などからなる給油機構１２９を備えている。

また、シリンダブロック１２４は円筒状の孔部であるシリンダ１３４を備えており、ピストン１３０がシリンダ１３４内に往復自在に挿入されている。

また、連結部１３６は、両端に設けた孔部がそれぞれピストン１３０に取り付けられたピストンピン１３８と偏心軸部１２２に嵌挿されることで、偏心軸部１２２とピストン１３０と連結している。

シリンダ１３４端面にはバルブプレート１４０が取り付けられ、シリンダ１３４およびピストン１３０とともに圧縮室１４２を形成する。さらに、バルブプレート１４０を覆って蓋をするようにシリンダヘッド１４４が固定されている。吸入マフラ１４６は、ＰＢＴなどの樹脂で成型され、内部に消音空間を形成し、シリンダヘッド１４４に取り付けられている。

主軸受１２６は、軸心と直角な平面部であるスラスト面１５２と、スラスト面１５２よりさらに上方に延長され、主軸部１２０に対向する内面を有する軸受延長部１５３とを有している。

そして、軸受延長部１５３の上側に上レース１５４が配置され、軸受延長部１５３の外径側且つ上レース１５４の下側に、ホルダー部１５８に保持された鋼球１５６、下レース１６０が配置され、スラストボールベアリング１５０が構成されている。

また、下レース１６０の下側とスラスト面１５２との間には、上下方向に弾性変形可能な弾性部材１６４が配置されている。

また、スラストボールベアリング１５０において、上レース１５４および下レース１６０は環状で金属製の平板であり、望ましくは熱処理を行ったバネ鋼などで形成され、上下の面が平行で、且つ表面は平滑に仕上げられている。

ホルダー部１５８は、ポリアミドなどの樹脂材料で形成され、環状の形状をなし、それぞれに鋼球１５６が転動自在に収納される複数の孔部１５９を有している。

次に、電動要素１１０について説明する。

電動要素１１０は、固定子１１４と回転子１１６とを備えた突極集中巻方式のＤＣブラシレスモータである。固定子１１４は、電磁鋼板を積層して形成される固定子鉄心１１５の複数の磁極歯（図示せず）に絶縁材１７６を介して巻線１７４を直接巻回している。回転子１１６は、固定子１１４の内径側に配置され、電磁鋼板を積層して形成される回転子鉄心１１７に永久磁石１１８を内蔵している。

ＤＣブラシレスモータは永久磁石１１８により強い磁力を得られるため、永久磁石を用いない誘導モータに比べて、固定子鉄心１１５や回転子鉄心１１７の高さを低くでき、回転子１１６は誘導モータに比べて軽量である。

固定子１１４の巻線は、電源端子１１３を経由して密閉型圧縮機外の制御回路（図示せず）と導線により接続され、電動要素１１０は、２０ｒ／ｓ程度の低速から、８０ｒ／ｓ程度の高速までの広い運転範囲で駆動される。

回転子１１６は、回転子鉄心１１７の下側には、ＳＵＳ３０４や真鍮などの非磁性の材料で形成されたフランジ部１７０が配置され、回転子鉄心１１７とフランジ部１７０はカシメピン１７２により固定されている。図３に詳細に示すように、カシメピン１７２が貫通しているフランジ部上部１７０Ａの外径は、回転子鉄心１１７の外径より小さい略円盤形状であり、中心には主軸部１２０と係合する孔部を有している。また、フランジ部１７０の下側にはフランジ部上部１７０Ａよりも外径が小さい延出部１７０Ｂを有し、フランジ部上部１７０Ａと同様に中心には主軸部１２０と係合する孔部を有している。

回転子１１６は、フランジ部１７０を介して主軸部１２０に焼嵌め等の方法で固定されている。また、回転子鉄心１１７の内径側の円筒状の孔部であるラップ１７８の内部には、主軸受１２６が延出配置され、主軸受１２６の下端部１２６Ａがフランジ部１７０のフランジ部上部１７０Ａの上端面と近接対向している。

固定子鉄心１１５の高さはＨ１、回転子鉄心１１７の高さはＨ２であり、Ｈ２はＨ１より大きい。固定子１１４の磁気中心１８２と回転子１１６の磁気中心１８４はそれぞれの下端からＨ１／２、Ｈ２／２の高さであり、回転子鉄心１１７の磁気中心１８４は固定子鉄心１１５の磁気中心１８２より距離Ｄ１だけ、上方にずらして配置されている。

また、固定子鉄心１１５の下端より回転子鉄心１１７の下端はＤ２だけ上方にある。

以上のように構成された密閉型圧縮機について、以下その動作、作用を説明する。

電源端子１１３より電動要素１１０に通電されると、固定子１１４に発生する磁界により回転子１１６はシャフト１１９とともに回転する。主軸部１２０の回転に伴う偏心軸部１２２の偏心回転は、連結部１３６により変換され、ピストン１３０をシリンダ１３４内で往復運動させる。そして、圧縮室１４２が容積変化することで、密閉容器１０２内の冷媒を圧縮室１４２内に吸入し、圧縮する圧縮動作を行う。

この圧縮動作に伴う吸入行程において、密閉容器１０２内の冷媒は、吸入マフラ１４６を介して圧縮室１４２内に間欠的に吸入され、圧縮室１４２内で圧縮された後、高温高圧の冷媒は吐出配管１４８などを経由して密閉容器１０２からの冷凍サイクル（図示せず）へ送られる。

また、シャフト１１９下端は潤滑油１０４に浸漬しており、シャフト１１９が回転することにより、潤滑油１０４は給油機構１２９により、主軸部１２０などの各摺動部へ供給される。

回転子１１６の磁気中心１８４は固定子１１４の磁気中心１８２に対して、Ｄ１だけ上方にずらして配置されているので、固定子１１４と回転子１１６の間に作用する磁気吸引力により回転子１１６には重力方向の力が作用する。

さらに、固定子鉄心１１５の下端より回転子鉄心１１７の下端の方がＤ２だけ上方にずらして配置されているので、回転子１１６にはより強い下向きの磁気吸引力が作用する。

この結果、スラストボールベアリング１５０には、回転子１１６やシャフト１１９の重量による荷重に加え、磁気吸引力による下向きの荷重が作用することになり、鋼球１５６と上レース１５４や下レース１６０の接触部に常に適切な荷重を与えることができる。

従って、回転子１１６が軽量で、なおかつ高速運転を行う場合においても、接触状態を安定させることができるので、スラストボールベアリング１５０における騒音や振動の発生を防止することができる。また、鋼球１５６と上レース１５４や下レース１６０との滑りを防止し、転がり状態を一定に維持できるので、摩耗や剥離等の発生を防止し、信頼性を向上できる。

また、フランジ部上部１７０Ａの外径は回転子鉄心１１７の外径より小さく、フランジ部上部１７０Ａの外周と固定子鉄心１１５との隙間が広いので、フランジ部上部１７０Ａと固定子鉄心１１５との間にはほとんど磁気吸引力が作用しない。その結果、固定子１１４と回転子１１６の間に作用する磁気吸引力が小さくなることがなく安定して働くので、スラストボールベアリング１５０の接触荷重の低下を防止し、より確実に騒音や振動の発生を防止するとともに、鋼球１５６と上レース１５４や下レース１６０との滑りを防止することで信頼性を向上することができる。

また、フランジ部１７０を非磁性の材料で形成することで、フランジ部上部１７０Ａと固定子鉄心１１５との間に磁気吸引力が全く発生しないので、スラストボールベアリング１５０の接触荷重の低下をより確実に防止できる。さらに、回転子鉄心１１７の磁界の影響を受けても、フランジ部１７０に渦電流が発生することを防止できるので、電動要素１１０の効率が低下し、密閉型圧縮機の効率が低下することを防止することができる。

通常片持ち軸受では、シャフト１１９の偏心軸部１２２が連結部１３６より荷重を受けた場合、軸受の長さが短いと主軸受１２６の上下端で生じるモーメントによる荷重が大きくなり、摩擦が増え、高効率でかつ高信頼性の密閉型圧縮機を実現することは難しかった。

本発明では、主軸受１２６の多くの部分を回転子鉄心１１７の内部にオーバラップして配置させることで、主軸受１２６の長さを十分に確保しながら、圧縮機の全高を低くすることができる。

また、潤滑油１０４に冷媒が溶け込み、油面が上昇し、フランジ部１７０の下部の延出部１７０Ｂが潤滑油１０４に接触しても、延出部１７０Ｂの外径は回転子鉄心１１７の外径に比べ大幅に小さいので、潤滑油１０４を攪拌して騒音が発生したり、潤滑油１０４中の冷媒が発泡したりすることを防止できる。

従って、回転子鉄心１１７を主軸部１２０に直接固定する場合に比べ、フランジ部１７０を用いることで、より油面に近い位置に回転子１１６を配置することが可能になり、圧縮機の全高をさらに低くできる。

この結果、外形寸法を変えずに冷蔵庫の庫内容積を拡大するといった、密閉型圧縮機の使い勝手を向上することができる。

なお、本実施の形態ではフランジ部１７０を非磁性の材料としたが、焼結材料などの鉄系の材料とすることで、シャフト１１９と同じ鉄系の材料で形成することができる。この結果、フランジ部１７０をシャフト１１９と線膨張係数を同じにすることができるので、シャフト１１９に回転子１１６を固定する際に、焼嵌め固定などの方法を用いることが容易になる。

本発明は、密閉容器内に潤滑油を貯溜するとともに、固定子鉄心と巻線とを備えた固定子と、回転子鉄心と永久磁石と回転子鉄心の下方に配置されたフランジ部とを備えた回転子と、回転子と固定子からなる電動要素と、電動要素の上方に配置された圧縮要素とを収容する。また、圧縮要素は、主軸部と偏心軸部とを有するシャフトと、シリンダを備えたシリンダブロックと、シリンダの内部に往復動可能に挿設されたピストンと、ピストンと偏心軸部とを連結する連結部と、シリンダブロックに形成される。また、シャフトの主軸部を軸支する主軸受と、主軸受の上端にスラストボールベアリングが配置され、スラストボールベアリングは、複数の鋼球と、鋼球の上下に配設された上レースと下レースとを備える。回転子はフランジ部を介して主軸部に固定されるとともに、回転子鉄心の磁気中心が、固定子鉄心の磁気中心より上方にずらして配置される。

これにより、上レースや下レースとの間に働く接触荷重を適正に維持することで鋼球と上レースや下レースとの間の接触状態を安定させ、騒音や振動の発生を防止するとともに、鋼球と上レースや下レースの滑りを防止することで信頼性を向上することができる。

また、本発明は、密閉型圧縮機の回転子鉄心の下端が、固定子鉄心の下端より上方に配置する。この構成により、回転子鉄心と固定子鉄心との間の磁気吸引力をより確実に得ることができるので、スラストボールベアリングの接触荷重が低下することを防止し、より確実に騒音や振動の発生を防止する。さらに、鋼球とレースの滑りを防止することで信頼性を向上することができる。

また、本発明は、密閉型圧縮機のフランジ部の外径を回転子鉄心の外径より小さくする。この構成により、フランジ部と固定子鉄心との隙間が広がり、その間で作用する磁気吸引力を小さく抑えることで、スラストボールベアリングの接触荷重が低下することを防止する。そして、より確実に騒音や振動の発生を防止するとともに、鋼球と上レースや下レースの滑りを防止することで信頼性を向上することができる。

また、本発明は、密閉型圧縮機のフランジ部を非磁性の材料で形成する。この構成により、フランジ部が非磁性体のため、回転子鉄心の磁束の影響で、フランジ部に渦電流が発生することを防止できる。そして、電動要素の効率が低下し、密閉型圧縮機の効率が低下することを防止することができる。

また、本発明は、密閉型圧縮機の主軸受が回転子鉄心の内径側に延出するとともに、主軸受の下端部がフランジ部上部の上端面と近接対向する。この構成により、主軸受の長さを十分に確保することで運転時、主軸部と主軸受との間で発生する面圧の増加を抑制することができるので、信頼性を向上することができる。また、主軸受と回転子鉄心がオーバラップすることで、密閉型圧縮機の全高を低くすることで冷蔵庫の外形寸法が同じでも庫内容積を拡大するといった使い勝手を向上することができる。

以上のように、家庭用電気冷凍冷蔵庫に限らず、エアーコンディショナー、自動販売機やその他の冷凍装置等に広く適用できる。

２，１０２ 密閉容器
４，１０４ 潤滑油
６，１０６ 圧縮機本体
１０，１１０ 電動要素
１２，１１２ 圧縮要素
１４，１１４ 固定子
１６，１１６ 回転子
１９，１１９ シャフト
２０，１２０ 主軸部
２１，１２１ アーム部
２２，１２２ 偏心軸部
２４，１２４ シリンダブロック
２６，１２６ 主軸受
２７ 傾斜穴
２８，１２８ リード溝
２９，１２９ 給油機構
３０，１３０ ピストン
３４，１３４ シリンダ
３６，１３６ 連結部
３８，１３８ ピストンピン
４０，１４０ バルブプレート
４２，１４２ 圧縮室
４４，１４４ シリンダヘッド
４６，１４６ 吸入マフラ
５０，１５０ スラストボールベアリング
５２，１５２ スラスト面
５４，１５４ 上レース
５６，１５６ 鋼球
５８，１５８ ホルダー部
６０，１６０ 下レース
１１５ 固定子鉄心
１１７ 回転子鉄心
１１８ 永久磁石
１２６Ａ 下端部
１７０ フランジ部
１７０Ａ フランジ部上部
１７０Ｂ 延出部
１７４ 巻線
１７８ ラップ
１８２，１８４ 磁気中心

Claims (5)

1. 密閉容器内に潤滑油を貯溜するとともに、固定子鉄心と巻線とを備えた固定子と、回転子鉄心と永久磁石と前記回転子鉄心の下方に配置されたフランジ部とを備えた回転子と、前記回転子と前記固定子からなる電動要素と、前記電動要素の上方に配置された圧縮要素とを収容し、前記圧縮要素は、主軸部と偏心軸部とを有するシャフトと、シリンダを備えたシリンダブロックと、前記シリンダの内部に往復動可能に挿設されたピストンと、前記ピストンと前記偏心軸部とを連結する連結部と、前記シリンダブロックに形成され、前記シャフトの前記主軸部を軸支する主軸受と、前記主軸受の上端にスラストボールベアリングが配置され、前記スラストボールベアリングは、複数の鋼球と、前記鋼球の上下に配設された上レースと下レースとを備え、前記回転子は前記フランジ部を介して前記主軸部に固定されるとともに、前記回転子鉄心の磁気中心が、前記固定子鉄心の磁気中心より上方にずらして配置された密閉型圧縮機。
2. 前記回転子鉄心の下端が、前記固定子鉄心の下端より上方に配置された請求項１に記載の密閉型圧縮機。
3. 前記フランジ部の外径を前記回転子鉄心の外径より小さくした請求項１または２のいずれか一項に記載の密閉型圧縮機。
4. 前記フランジ部を非磁性の材料で形成した請求項１または２のいずれか一項に記載の密閉型圧縮機。
5. 前記主軸受が前記回転子鉄心の内径側に延出するとともに、前記主軸受の下端部が前記フランジ部上部の上端面と近接対向する請求項１または２のいずれか一項に記載の密閉型圧縮機。

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