JP3984057B2 - レシプロ式密閉型電動圧縮機 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷凍サイクルに用いられ、自然冷媒であるイソブタン（Ｒ６００ａ）を圧縮対象流体とするレシプロ式密閉型電動圧縮機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
たとえば冷蔵庫などでは、冷凍サイクルを構成する圧縮機として、レシプロ式密閉型電動圧縮機が多用される。この圧縮機は、シリンダ内に往復動自在に収容されるピストンと、主軸に設けられ偏心回転運動をなすクランクピンとを、コンロッドを介して連結してなる。
【０００３】
上記主軸が回転駆動され、クランクピンが偏心回転運動するのにともないコンロッドがピストンとのジョイント部を支点としとして揺動運動をなす。したがって、ピストンはシリンダ内において往復運動をなし、冷媒ガスの吸入と圧縮および吐出を繰り返す。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、たとえば冷蔵庫用の冷凍サイクルに用いられる冷媒は、ＨＦＣ冷媒であるＲ１３４ａが用いられている。このＲ１３４ａを用いることにより、従来から用いられる冷媒（Ｒ１２）の欠点であるオゾン層破壊の懸念が解消され、地球環境保護の点で極めて有効となっている。
【０００５】
なお、冷媒として、オゾン層破壊係数の他に、温暖化係数が求められている。Ｒ１３４ａの場合、オゾン層破壊係数が”０”であるのに対して、温暖化係数がある程度存在している。そのため、全ての冷凍サイクル機器がＲ１３４ａを使用している限り、近い将来、地球温暖化に対して影響を与える虞れがある。
【０００６】
一方、オゾン層破壊係数および温暖化係数が極く低い値の自然冷媒として、イソブタン（Ｒ６００ａ）が知られている。この種の冷媒を用いることにより、オゾン層破壊と地球温暖化の防止をほとんど両立させることができ、極めて理想的である。
【０００７】
しかしながら、現状は、Ｒ１３４ａに適応する冷凍サイクル構成部品の開発の途中期であって、イソブタン（Ｒ６００ａ）冷媒に適応する構成部品についてはほとんど未着手となっている。そこで、本出願人においては、他に先駆けて、使用冷媒の交代によって影響が最も顕著に現れる圧縮機に注目した。
【０００８】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、オゾン層破壊防止に有効であるばかりでなく、地球温暖化への影響の少ない冷媒：イソブタン（Ｒ６００ａ）を用いた冷凍サイクルに適用でき、信頼性の向上を図ったレシプロ式密閉型電動圧縮機を提供しようとするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を満足するため本発明は、シリンダ内に往復動自在に収容されるピストンと、主軸に設けられ偏心回転運動をなすクランクピンとを、コンロッドを介して連結するレシプロ式密閉型電動圧縮機において、圧縮対象流体を、冷媒：イソブタン（Ｒ６００ａ）としたうえで、
冷凍機油に４０℃における動粘度が８〜３２ｃＳｔの鉱油を用い、上記ピストンのストロークｓと、ピストンの直径ｄとの比ｓ／ｄを ０．３〜１．０ としたときに、上記ピストンの下死点位置における、ピストンのシリンダに対する軸方向接触長さＬ１と、シリンダの直径Ｄとの関係を、 １／５Ｄ≦Ｌ１≦Ｄ に設定した。
【００１０】
さらに、上記ピストンの軸方向長さＬ２と、シリンダとピストンとの接触面長さ（周長）Ｕとの関係を、 ４Ｌ２≦Ｕ≦６Ｌ２ に設定した。
さらに、上記ピストンのシリンダ内における１往復行程時間を、少なくとも ０．０１２５ｓ 以上に設定した。
さらに、上記シリンダおよびピストンのいずれか一方、もしくはその両方の表面を、リン酸マンガン処理した。
さらに、上記ピストンとコンロッドは、ボールジョイント機構部を介して連結される。
以上の課題を解決する手段を採用することにより、冷媒：イソブタン（Ｒ６００ａ）圧縮用として最適な圧縮機となり、信頼性の向上を図れる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面にもとづいて説明する。
図１は、たとえば冷蔵庫の冷凍サイクルを構成する、レシプロ式密閉型電動圧縮機を縦断面にした正面図を示している。
冷蔵庫の冷凍サイクルは、上記圧縮機の他に、凝縮器と、膨張装置および蒸発器を備えていて、これら構成部品が冷媒管を介して冷凍サイクル回路を構成するように連通される。
【００１２】
冷凍サイクルに用いられる冷媒として、自然冷媒であるイソブタン（Ｒ６００ａ）を採用し、この冷媒に最も適応する圧縮機として、後述するレシプロ式密閉型電動圧縮機を備えたことを特徴としている。
【００１３】
このレシプロ式密閉型電動圧縮機において、図中１は縦型の密閉ケースであり、この密閉ケース１内の上下方向ほぼ中間部には、フレーム２がスプリング２ａを介して弾性的に支持されている。上記フレーム２の上部側には圧縮機構部３が載設され、下部側には電動機部４が設けられる。
【００１４】
上記圧縮機構部３は、いわゆるレシプロ式圧縮機構が採用されている。なお説明すると、上記フレーム２の中心部に沿って枢支用孔２ｂが設けられ、主軸である回転軸５が回転自在に嵌め込まれている。
【００１５】
この回転軸５の上端部には、フレーム２上面に摺動自在に載る鍔部５ａが一体に設けられ、さらに鍔部５ａの上部には、回転軸５の中心軸とは所定量偏心する中心軸をもったクランクピン５ｂが連設される。
【００１６】
このことから、回転軸５が回転駆動されると、鍔部５ａはフレーム２上面で摺接状態で回転し、かつ上記クランクピン５ｂは回転軸５中心の周囲に沿って偏心回転するようになっている。
【００１７】
さらに、上記圧縮機構部３は、フレーム２上面に載設され、軸方向を水平に向けたシリンダ６を備えている。このシリンダ６の内部は、ピストン７が往復動自在に収容されるシリンダ室８となっている。
【００１８】
上記ピストン７には、コンロッド９の一端がボールジョイント機構部１０を介して連結される。上記コンロッド９の他端には、上記クランクピン５ｂに回転自在に嵌め合う大端部１１が設けられる。
【００１９】
上記ボールジョイント機構部１０について説明すると、上記コンロッド９の一端にはボール１２が一体的に設けられる。その一方で、ピストン７内部にはボール受け座１３が設けられている。このボール受け座１３は、上記ボール１２を回動自在に抱持している。
【００２０】
このことにより、クランクピン５ｂの偏心回転にともない、コンロッド９がボールジョイント機構部１０を支点としとして揺動運動をなすことができ、ピストン７はシリンダ室８において往復運動するようになっている。
【００２１】
一方、シリンダ６の開口端は、弁機構１５によって閉塞され、かつバルブカバー１６で覆われる。詳細には図示していないが、上記バルブカバー１６には、内部を二分する仕切り部が設けられ、その一方空間は吸込み室となし、他方空間は吐出室となっている。
【００２２】
上記弁機構１５は、吸込み口と、吐出口を備えた弁板が設けられ、それぞれの吸込み口と、吐出口は吸込み弁と吐出弁によって開閉される。そして、上記吸込み口は吸込み室と対向し、吐出口は吐出室に対向する。
【００２３】
このようにして構成される圧縮機構部３に対して、上記電動機部４は、上記回転軸５のフレーム２から下方に突出する部位に嵌着されるロータ１７と、このロータ１７の周面と狭小の間隙を存する内周面を備え、上記フレーム２から適宜な手段で垂設固定されるステータ１８とからなる。
【００２４】
つぎに、上記レシプロ式密閉型電動圧縮機の圧縮運転と、それにともなう冷凍サイクル作用について説明する。
【００２５】
電動機部４に通電して回転軸５を回転駆動すると、クランクピン５ｂが一体に偏心回転する。この偏心回転に応じて、コンロッド９とボールジョイント機構部１０を介してピストン７が、シリンダ室８内を往復動する。
【００２６】
密閉ケース１内には、蒸発器で蒸発して低圧化した冷媒ガス、すなわちイソブタン（Ｒ６００ａ）ガスが導かれ充満している。このガスは、バルブカバー１６内の吸込み室に導かれ、さらにピストン７の移動（往動）にともなってシリンダ６のシリンダ室８に吸込まれる。
【００２７】
ピストン７が逆方向に移動（復動）することで、イソブタンガス（Ｒ６００ａ）が圧縮される。ピストン７が、いわゆる上死点位置まで移動すると、吐出弁が開放され、シリンダ室８で圧縮され高圧化したイソブタンガスがバルブカバー１６内の吐出室へ吐出される。
【００２８】
さらに、この高圧ガスはケース内吐出管を介して密閉ケース１から外部冷媒管へ導出され、上述の冷凍サイクルに導かれる。回転軸５が継続して回転しているところから、ピストン７が復動して上述の冷凍サイクルが繰り返される。
【００２９】
図２および図３は、それぞれ圧縮機構部３一部の概略の断面図である。
特に、図２は、上記ピストン７がシリンダ室８内に最も深く挿入する位置である上死点位置にある状態を示している。このピストン７の上死点位置は、ピストン７がここでは図示しない弁機構１５の吸込み弁等に接触しないように構成されている。
【００３０】
上死点位置におけるピストン７のトップ面と、シリンダ６のトップ面との間隔を、トップクリアランスＴＣと呼ぶ。また、シリンダ室８において、シリンダ６のトップ面位置とピストン７のトップ面との間の空間容量を、トップクリアランスボリュームＴＣＶと言う。
【００３１】
図３は、上記ピストン７がシリンダ室８内に最も浅く挿入する位置である下死点位置にある状態を示している。この下死点位置における、ピストン７のシリンダ６に対する軸方向接触長さをＬ１と呼び、ピストン７の軸方向長さをＬ２、シリンダ６の内径をφＤとする。特に図示しないが、シリンダ６とピストン７との接触面長さ（周長）をＵとする。
【００３２】
このように、トップクリアランスボリュームＴＣＶを構成する要素としては、シリンダ室８の面積と、トップクリアランスＴＣがあり、トップクリアランスボリュームＴＣＶの設定の相違の程度に応じて、シリンダ６内に残留した冷媒：イソブタン（Ｒ６００ａ）の再膨張する状態が異なってくる。
【００３３】
図４は、トップクリアランスＴＣと、圧縮機が仕事した量を圧縮機に入力した電力量で割った値、すなわち、ＣＯＰ（成績係数）との関係を表す特性図である。実線変化ＡはＣＯＰ（成績係数）を表し、一点鎖線変化Ｂは仕事量を表している。
【００３４】
すなわち、トップクリアランスＴＣを０．０５ｍｍ〜１．０ｍｍに設定することにより、ＣＯＰ（成績係数）の値が高くなり、同じ仕事をしたときに消費する電力量を少なく抑えることができる。
【００３５】
また、上記ピストン７が下死点から上死点に移動する圧縮行程時において、シリンダ６内周壁とピストン７周面との間から若干の冷媒が漏れる。その漏れ量の多少によって、圧縮機自体の圧縮効率に影響を及ぼす。
【００３６】
通常の状態では、シリンダ室８壁とピストン７周面との隙間が冷凍機油で満たされていて、この冷凍機油が冷媒の漏れ量を抑制する。しかしながら、シリンダ６とピストン７との軸方向接触長さが短くなると、冷凍機油だけでは冷媒の漏れを確実に防止することができなくなり、ＣＯＰ（成績係数）が低くなってしまう。
【００３７】
そこで、上述したように、冷媒としてイソブタン（Ｒ６００ａ）を採用することを前提とし、冷凍機油は４０℃における動粘度が８〜３２ｃＳｔの鉱油を用いる。そして、ピストン７のストロークｓと、ピストン７の直径ｄとの比を、 ｓ／ｄ＝０．３〜１．０ とする。
【００３８】
図５は、ピストン７のシリンダ６に対する軸方向接触長さＬ１と、シリンダ６の内径Ｄとの比に対するＣＯＰ（成績係数）の特性図である。
同図に示すように、シリンダ６とピストン７との軸方向接触長さＬ１と、シリンダの内径Ｄとの関係を、 １／５Ｄ≦Ｌ１≦Ｄと 設定することにより、ＣＯＰ（成績係数）を向上することができる。
【００３９】
図６は、ピストン７の軸方向長さＬ２と、シリンダ６とピストン７との接触長さ（周長）Ｕとの比に対するＣＯＰ（成績係数）の特性図である。
同図に示すように、ピストン長Ｌ２の少なくとも４倍以上６倍以下の長さの、シリンダ６とピストン７との接触面長さ（周長）Ｕを備える。すなわち、 ４Ｌ２≦Ｕ≦６Ｌ２ を設定することにより、シリンダ６とピストン７の接触部における面圧を小さくでき、ＣＯＰ（成績係数）の向上を得られる。
【００４０】
図７は、ピストン７のシリンダ６内における１往復行程時間に対するＣＯＰ（成績係数）の特性図である。
【００４１】
同図に示すように、ピストン７のシリンダ６内における１往復行程時間を、少なくとも ０．０１２５ｓ 以上に設定することにより、ＣＯＰ（成績係数）の向上を図れる。
【００４２】
なお、特に図示していないが、上記シリンダ６およびピストン７のいずれか一方、もしくはその両方の表面を、リン酸マンガン処理することにより、シリンダ６とピストン７との摩耗が低減し、ＣＯＰ（成績係数）の向上を図れる。
【００４３】
一方、先に図１で説明したように、ピストン７とコンロッド９は、ボールジョイント機構部１０を介して連結される。したがって、ピストン７がシリンダ６を押す力が低減してＣＯＰ（成績係数）の低下に繋げられる。
【００４４】
さらに、図１に示したレシプロ式密閉型電動圧縮機における圧縮機構部３は、シリンダ６が単独（一筒）のものとして説明したが、これに限定されるものではなく、回転軸５の左右両側に対称的に一対（二筒）のシリンダを備えた圧縮機構部であってもよく、上述の限定要件の全てがそのまま適用される。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、オゾン層破壊防止に有効であるばかりでなく、地球温暖化への影響の少ない冷媒：イソブタン（Ｒ６００ａ）を用いた冷凍サイクルに適用でき、信頼性の向上を図れるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態を示す、レシプロ式密閉型電動圧縮機の縦断正面図。
【図２】同実施の形態を示す、圧縮機構部一部の断面図。
【図３】同実施の形態を示す、図２とは異なる状態の圧縮機構部の一部の断面図。
【図４】同実施の形態を示す、トップクリアランスに対するＣＯＰおよび仕事量の特性図。
【図５】同実施の形態を示す、ピストンのシリンダに対する軸方向最小接触長さＬ１と、シリンダの内径Ｄとの比に対するＣＯＰの特性図。
【図６】同実施の形態を示す、ピストンの軸方向長さＬ２と、シリンダとピストンとの接触長さ（周長）Ｕとの比に対するＣＯＰの特性図。
【図７】同実施の形態を示す、ピストンのシリンダ内における１往復行程時間に対するＣＯＰの特性図。
【符号の説明】
６…シリンダ、
７…ピストン、
５…回転軸（主軸）、
５ｂ…クランクピン、
９…コンロッド、
１０…ボールジョイント機構部。

Claims (5)

1. シリンダ内に往復動自在に収容されるピストンと、主軸に設けられ偏心回転運動をなすクランクピンとを、コンロッドを介して連結するレシプロ式密閉型電動圧縮機において、
   圧縮対象流体を、冷媒：イソブタン（Ｒ６００ａ）としたうえで、
   冷凍機油に４０℃における動粘度が８〜３２ｃＳｔの鉱油を用い、
   上記ピストンのストロークｓと、ピストンの直径ｄとの比ｓ／ｄを ０．３〜１．０ としたときに、
   上記ピストンの下死点位置における、ピストンのシリンダに対する軸方向接触長さＬ１と、シリンダの直径Ｄとの関係を、 １／５Ｄ≦Ｌ１≦Ｄ に設定したことを特徴とするレシプロ式密閉型電動圧縮機。
2. 上記ピストンの軸方向長さＬ２と、シリンダとピストンとの接触面長さ（周長）Ｕとの関係を、 ４Ｌ２≦Ｕ≦６Ｌ２ に設定したことを特徴とする請求項１記載のレシプロ式密閉型電動圧縮機。
3. 上記ピストンのシリンダ内における１往復行程時間を、少なくとも ０．０１２５ｓ 以上に設定したことを特徴とする請求項１記載のレシプロ式密閉型電動圧縮機。
4. 上記シリンダおよびピストンのいずれか一方、もしくはその両方の表面を、リン酸マンガン処理したことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のレシプロ式密閉型電動圧縮機。
5. 上記ピストンとコンロッドは、ボールジョイント機構部を介して連結されることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のレシプロ式密閉型電動圧縮機。

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