JP4538307B2 - 密閉型圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は密閉型圧縮機に関する。

冷蔵庫等の冷凍サイクルには密閉容器内に圧縮機要素と電動機要素を収納してなる密閉型圧縮機が用いられている。特許文献１に記載のレシプロ式の圧縮機では、圧縮機要素であるシリンダとピストンを備え、電動機要素の動力によってピストンを往復動させることによってシリンダ内の冷媒を圧縮している。このようなレシプロ式の圧縮機のクランクシャフトとピストンとの接続としては、ボールジョイントによる接続方式がある。特許文献１には、ボールジョイントによって接続されたレシプロ式圧縮機が開示されており、ピストンの上死点位置におけるシリンダ面との間隔（トップクリアランス）寸法や、下死点位置におけるピストンとシリンダに対する軸方向最小接触長さとシリンダ直径との関係に着目して、イソブタン（Ｒ６００ａ）を用いた冷凍サイクルへの適用を図っている。

特開２００３−２１４３４２号公報

このようなボールジョイント機構によるレシプロ式の圧縮機について、図面を用いて説明する。図５は従来のレシプロ式圧縮機を示す図である。レシプロ式圧縮機は、底部に潤滑油を貯留する密閉容器の内部にステータ１とロータ２からなる電動機要素と、シリンダ３、ピストン４、シリンダヘッド５、ヘッドカバー６などからなる圧縮機要素とを、クランクシャフト７を回転可能に支承するための軸受部を形成したフレーム８の上下にそれぞれ配置して構成した圧縮機本体を、バネ等の弾性体９を介して支持して収容した構造である。電動機要素による回転駆動によってピストン４がシリンダ３内を往復運動をし、冷媒の吸込、圧縮、吐出工程を順次繰り返している。

ピストン４とシリンダ３の摺動においては、金属同士の接触による接触面の摩耗を抑制するためにピストン外周面とシリンダ内面との間に、クランクシャフト７のシャフトピン７ａから飛散させた潤滑油による油膜を形成させるための適正なクリアランス寸法が設けられており、ピストン外周面とシリンダ内面との間のシール性を維持させながらピストンの往復運動を行うよう構成されている。

このクリアランス寸法とシール性との関係については、ピストン外周面とシリンダ内面との間でシールされた部分の面積が大きく影響する。ピストンとシリンダが油膜でシールされた部分の面積は、減少させ過ぎると面圧が増加して信頼性が低下したり、シール性が低下して圧縮された冷媒がピストンとシリンダの間から圧縮機容器内部に漏れて冷凍能力が低下する傾向となる。逆に、この面積を増加させ過ぎると信頼性と冷凍能力は確保できるが摺動損失が増加する傾向となる。

そこで、従来から密閉型圧縮機におけるピストンの外周面の形状に関しては、シリンダとの間に積極的に潤滑油を引き込んで、ピストンのシリンダヘッド側先端まで十分な油膜を形成するために、外周面の一部に溝や凹部を設ける等の様々な工夫を行い、ピストン外周面の溝あるいは凹部がシリンダの内外で出入りする間に、潤滑油をシリンダとピストンとの間に引き込んでいる。

しかしながら、最近では圧縮機の効率向上の要求が加速度的に高まってきており、効率向上の一つの手段として圧縮機の入力を低減することが必要となっているが、上記のシリンダ外周面の一部に溝や凹部を設けるだけでは、十分な効率向上を図ることが困難となってきている。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、冷凍能力および信頼性を十分確保すると同時に、圧縮機の機械損失を低減して圧縮機の入力を低減して、圧縮機効率（ＣＯＰ）を向上した圧縮機を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、密閉容器内に、潤滑油と共に、冷媒ガスを吸入して圧縮するための圧縮機要素と、これを回転駆動する電動機要素とからなる圧縮機本体を収容してなる密閉型圧縮機において、前記圧縮機要素はクランクシャフトの回転駆動と連動してシリンダ内を往復運動するピストンを備え、該ピストンの外周面の全周にわたり前記クランクシャフト側の端部から前記ピストンの全長の０.２〜０.４倍の範囲内に延伸する２００μｍ以下の深さの段付部を有し、該段付部の前記ピストン側の端部位置は前記ピストンの下死点位置において前記シリンダの開口よりも前記クランクシャフト側として、且つ該段付部は前記潤滑油を全体で受けて該潤滑油を前記ピストン外周と前記シリンダ内周との間に供給する構成とした。

上記の構成によって、冷凍能力と信頼性を確保しながら、シリンダ−ピストン間の摺動による機械損失を低減することが可能となった。

また、前記圧縮機要素はクランクシャフトの回転駆動と連動してシリンダ内を往復運動するピストンを有し、冷媒ガスとしてＲ６００ａを使用して前記シリンダ及び前記ピストンにかかる面圧を小さくし、かつ、前記ピストンの外周面の全周にわたり前記クランクシャフト側の端部から前記ピストンの全長の０.２〜０.４倍の範囲内に延伸するシリンダ内面と接触しない段付部を備えて前記ピストンと前記シリンダとの接触面積を小さくして、前記段付部の前記ピストン側の端部位置は前記ピストンの下死点位置において前記シリンダの開口よりも前記クランクシャフト側として、且つ該段付部は前記潤滑油を全体で受けて該潤滑油を前記ピストン外周と前記シリンダ内周との間に供給する構成とした。

冷媒ガスとしてＲ６００ａを採用してシリンダ及びピストンにかかる面圧を小さくすることによって、ピストンとシリンダとの接触面積を小さくすることが可能となった。したがって、機械損失を低減可能な構成とできた。

また、圧縮機要素は、シリンダ内を往復運動するピストンが、略球状の先端を有するロッドと連結され、前記ピストンは前記ロッドを介してクランクシャフトのクランクピンの偏心運動と連動してシリンダ内を往復運動するボールジョイント機構で構成され、
前記ピストンの外周面の全周にわたり前記クランクシャフト側の端部から前記ピストンの全長の０.２〜０.４倍の範囲にかけて延伸する２００μｍ以下の深さの段付部を有し、
前記段付部の前記ピストン側の端部位置は前記ピストンの下死点位置において前記シリンダの開口よりも前記クランクシャフト側として、且つ該段付部は前記潤滑油を全体で受けて該潤滑油を前記ピストン外周と前記シリンダ内周との間に供給する構成とした。

このようにボールジョイント機構によってクランクシャフトとピストンとを連結する場合には、クランクシャフトの回転運動による方向性とピストンの往復運動による方向性との関係から、シリンダ内においてピストンのいわゆる片当たりが発生しやすい構成であるが、段付部をピストン開口よりもシャフト側とすることによって、片当たりを効果的に防止して安定的な運転が可能となった。

また、ボールジョイント機構に限らず、前記段付部の前記ピストン側の端部位置を、前記ピストンの下死点位置において前記シリンダの開口よりも前記クランクシャフト側とすることによって、段付部全体で潤滑油を受けることができ、シリンダとピストンとの間の潤滑油供給を効率的に行うことができる。

また、上記のいずれかの構成を備えた密閉型圧縮機において、段付部を一定の深さで前記ピストンの全周にわたって一様に設けた。このような構成とすることによって、ＣＯＰ向上はもちろん、加工上の寸法精度も維持することができる。

また、上記のいずれかの構成を備えた密閉型圧縮機において、段付部の深さを２００μｍ以下とした。段付部の深さを２００μｍ以下とすることによって、段付部の油膜がピストンとシリンダの間に十分形成されると共に、段差を小さくすることで油が段付部からピストン先端まで滑らかに潤滑することが可能とした。したがって、接触面における油膜切れを起こすことなく、信頼性を確保することができる。

本発明によれば、冷凍能力および信頼性を確保し、かつ、圧縮機の機械損失を低減して圧縮機の入力を低減して、圧縮機効率（ＣＯＰ）を向上した圧縮機を提供することができる。

以下、図に示す本発明の一実施形態を説明する。図１は本実施例の圧縮機の全体構成を示す図である。

本実施例の圧縮機は、底部に潤滑油を貯留する密閉容器の内部にステータ１とロータ２からなる電動機要素と、シリンダ３、ピストン４、シリンダヘッド５、ヘッドカバー６などからなる圧縮機要素とを備えており、クランクシャフト７を回転可能に支承するための軸受部を形成したフレーム８の上下にそれぞれ配置して構成した圧縮機本体を、バネ等の弾性体９を介して支持して収容した構造である。

かかる構造の密閉型圧縮機の圧縮機構は、クランクシャフト７が上記電動機要素により回転駆動されると、圧縮機要素のクランクピン７ａの偏心運動により、ロッド１０を介して、ピストン４がシリンダ３内を往復運動をし、冷媒の吸込、圧縮、吐出工程を順次繰り返している。冷媒の吸込、圧縮、吐出の工程を繰り返すにあたってはピストン４がシリンダ３内を摺動するため、シリンダ３の内周面とピストン４の外周面との間のクリアランス寸法とシール性とが重要となる。

すなわち、密閉容器内の底部に貯留する鉱油を潤滑油とし、電動機要素によるクランクシャフト７の回転動に伴って低部より引き上げられた潤滑油をクランクピン７ａ部より飛散させ、シリンダ３とピストン４の摺動面内に油膜を形成させるに適したクリアランス寸法と、シリンダ３内のシール性とが要求される。

本実施例のピストン４の形態について図２を用いて説明する。図２は図１の中に構成されているピストン４の本実施例における形態を示す図である。本実施例のピストン４は、ピストン４の外周面にクランクシャフト７側の端部からピストン４の中間位置までの範囲内に延伸する段付部４ａを有している。図２に示すとおり、全長がＬのピストンにおいて、段付部４ａはピストンの全周方向３６０度にわたり設け、段付部の長さＬ１、深さｄ（ｍｍ）の寸法をそれぞれ
Ｌ×０．２≦Ｌ１≦Ｌ×０．４、ｄ≦２００μｍ
としている。

このＬ１寸法の大きさによって、後述するように圧縮機効率が変化し、本実施例では圧縮機効率の向上が実現可能な段付部４ａ寸法Ｌ１としている。なお、Ｌ１＝０の場合が従来のピストンである。

以下、段付部４ａと圧縮機効率との関係について説明する。図３は本実施例におけるピストン段付寸法Ｌ１と圧縮機効率との関係を示す図である。この図３は、Ｌ１寸法と圧縮機効率との関係について、Ｌ１寸法を変化させて効率を計測した結果であり、Ｌ１寸法が０の場合（すなわち図３に示す段付部４ａが無い従来例のピストンの場合）のピストンとシリンダの摺動損失、圧縮機入力、冷凍能力を各々１００として示している。段付部長さＬ１の増加にしたがい、摺動損失と圧縮機入力はある増加範囲までは低減するが、ある範囲を超えると逆に増加する傾向を示す。

なお、図３の実験結果について考察するに、ある増加範囲までは接触面積の減少により損失は低減するが、接触面積を減少し過ぎると面圧が増加して油膜形成不足の要因となり逆に接触抵抗が増加することを意味する。また、接触面積を減少し過ぎた場合は信頼性も低下することになる。また、冷凍能力においては、ある範囲までの接触面積に対しては変わらないが、ある範囲を超えて減少し過ぎると圧縮室の中にある冷媒がピストンとシリンダの間のクリアランスから洩れて冷凍能力が低下することになる。

この結果から、Ｌ１寸法が０．６よりも大きくなると急激にＣＯＰが低下するため、従来例よりも高い効率を維持するためには、Ｌ１寸法を０．６以下とすることが必要である。このようなＬ１寸法とすることによって、ＣＯＰの向上を図ることができ、省エネ向上に寄与する。

ただし、Ｌ１寸法が０．５以上となると圧縮機の冷凍能力が低下傾向となるため、例えば、負荷の高い運転が必要な場合には、高負荷運転時間が長くなってしまい、場合によっては、結果として省エネに逆効果となってしまう。したがって、Ｌ１寸法を０．５よりも小さくすることが肝要である。Ｌ１寸法を０．５より小さくする（すなわち、シリンダヘッド６とは反対側の端面から中間位置までの範囲内とする）ことによって、冷凍能力を確保しながら入力を小さくし、省エネ向上により寄与することが可能となる。

以上から、入力の低減と、冷凍能力の確保、信頼性の確保の両面から、Ｌ１寸法の適正範囲としてＬ×０．２≦Ｌ１≦Ｌ×０．４とすることが最も圧縮機効率（ＣＯＰ）の向上につながることを実験結果により定めた。

また、段付部４ａの深さｄ寸法をｄ≦２００μｍの範囲とすることで、段付部の油膜がピストンとシリンダの間に十分形成されると共に、段差を小さくすることで油が段付部からピストン先端まで滑らかに潤滑することができるため、接触面における油膜切れを起こすことなく、信頼性を確保することができる。

段付部４ａ深さについてはピストンとシリンダとの間のクリアランス性とシール性との関係で定まるものであり、シリンダ径ｒの変化によって上記の傾向が大きく異なることはない。また、段付部４ａ寸法Ｌ１についても、ピストン寸法Ｌとの関係で上記の傾向が現れるものであり、ピストン寸法Ｌそのものによって大きく変化することはない。

そこで、本実施例においては、ＣＯＰ向上を目的として図３に示す結果から、シリンダ、ピストン部分の各諸元を次のように定めた。図４を用いて説明すると、本実施例のシリンダ３の内径ｒを２６．２ｍｍ、シリンダ深さｗを３０．５ｍｍ、シリンダ寸法Ｌを２２ｍｍ、段付部４ａの寸法Ｌ１を６ｍｍ、ピストン４のストロークｓを１８ｍｍ、ピストン４の上死点位置におけるクリアランス（トップクリアランス）を０．０４ｍｍ以下とし、冷媒にＲ６００ａを用い、潤滑油としては鉱油を使用している。なお、図４は本実施例のシリンダ、ピストン部分の構成を示す図であり、ピストン４が下死点位置にある場合を示している。

図４に示すように、ピストン４のクランクシャフト７側の端部から備えられる段付部４ａのシリンダ３側の端部である段位置４ｂは、ピストン４の下死点位置においてはシリンダ開口より外側に出る構造としている。したがって、下死点位置ではクランクシャフト側から飛散する潤滑油や上方より滴下する潤滑油を段付部４ａ全体で受けることができ、シリンダ３内周面とピストン４外周との間に潤滑油を供給するにあたって、段付部４ａを有効に活用することができる。

また、上述のように段付部４ａの深さｄ寸法をｄ≦２００μｍの範囲とすることによって、段付部４ａで受けた潤滑油の油膜がピストンとシリンダの間に十分形成される。

さらに、本実施例では、ピストン４のクランクシャフト７側の端部から備えられる段付部４ａのシリンダ３側の端部である段位置４ｂは、ピストン４の下死点位置においてはシリンダ開口より外側に出る構造としているが、これによって圧縮機の安定的な運転が可能である。例えば、下死点位置において段位置４ｂがシリンダ内にある場合、クランクシャフトとボールジョイント機構によって接続された本実施例の場合においては、シリンダ３の内周面がピストン４の往復運動のガイド的な役割をも併せ持つ。したがって、段付部４ａの段位置４ｂが下死点位置においてシリンダ３開口の内側にある場合には、ピストン４の往運動（冷媒圧縮方向）開始時に、段位置４ｂを支点としたピストン４の回転運動が生じ易く、いわゆる片当たりの原因となり得る。本実施例ではこれを防止し、安定的な運転と信頼性向上に寄与している。

以下、上記の本実施例の効果について考察を加える。圧縮機の入力の低減手段の一つとしては主として摺動部の機械損失の低減があり、その中でもピストンとシリンダの摺動損失の低減は、圧縮機の入力を低減する上で有効である。したがって、従来から、ピストンとシリンダの摺動損失を低減するための設計手法として、油膜による潤滑性の向上や、部品の寸法精度を高めることにより、摩擦抵抗を低減することが基本的な手法の一つとなっている。

この従来からの基本的な手法による潤滑油供給構造の改良や寸法精度の向上よりも、さらに低減効果を得るためには、ピストンとシリンダの接触面積を従来よりも大幅に削減することが大いに有効であることを見出し、本実施例では、ピストンの外周面において、シリンダと接触しない段付部を設け、ピストンとシリンダの接触面積を従来よりも大幅に減少させて摺動損失を低減することに着目した。

このように段付部を備えたピストンを使用することによって、摩擦抵抗による摺動損失を低減させ、圧縮機の入力の低減を実現できた。

しかしながら、この場合の課題としては、段付部を広く設け過ぎると、接触面積が小さくなり過ぎてしまって面圧が増加し、摺動部の摩耗を促進させる恐れや、ピストンとシリンダの隙間からの冷媒が洩れてしまって圧縮機の冷凍能力が低下する恐れがある。また、段付きを深くし過ぎると、段付部の表面の油膜がピストン外周面の全域に行き渡らなくなって接触面での油膜切れを起こす恐れがある。

そこで、密閉容器内に、潤滑油と共に、冷媒ガスを吸入して圧縮するための圧縮機要素と、これを回転駆動する電動機要素とからなる圧縮機本体を収容してなる密閉型圧縮機において、本実施例では、クランクシャフトの回転駆動と連動してシリンダ内を往復運動するピストンの外周面にシリンダ内面と接触しない段付部を設け、且つ段付部の長さをピストン全長の２０％〜４０％としたものである。また、段付部の深さを２００μｍ以下としたものである。

このような構成とすることによって、段付部を有することによる不都合もなく、圧縮機の入力の低減が可能となった。

また、段付部４ａをシリンダヘッドとは反対側のピストン端面からピストン中間位置までの範囲にかけて一定の深さで全周に設けることによって、単純形状の段付部４ａとすることができ、加工上の寸法精度も維持できる。

また、本実施例は以上説明してきた如く、ピストンとシリンダにかかる面圧が小さい圧縮機に対して特に適している。したがって、従来の冷蔵庫用圧縮機で広く使用されてきた冷媒ガスＨＦＣ−１３４ａに替わって最近主流となってきた冷媒ガスＲ６００ａを使用した圧縮機においては、冷媒圧力が低く面圧が少ないために、本構成は非常に有効なものである。換言すれば、冷媒ガスとしてＲ６００ａを使用してシリンダ３及びピストン４にかかる面圧を小さくし、かつ、ピストン４の外周面にはシリンダ３内面と接触しない段付部４ａを備えることによって、ピストン４とシリンダ３との接触面積を小さくすることが可能となり、効率向上につながるということである。

また、圧縮方式として、シリンダ内を往復運動するピストンが、略球状の先端を有するロッドと連結され、前記ピストンは前記ロッドを介してクランクシャフトのクランクピンの偏心運動と連動してシリンダ内を往復運動するボールジョイント機構で構成された圧縮機（図１はボールジョイント機構を図示した圧縮機構成図の一例）は、クランクシャフトの回転動をピストンの往復動とする際に、クランクシャフトの回転方向によって、ピストン側面の片当たりなどが発生しやすい構造であり、ピストンとシリンダのクリアランスを常に最適に保持することが必要であるが、本実施例では上記のような構造を備えたので、これらの問題点を解決可能となった。したがって、ボールジョイント圧縮機構を有する圧縮機では本構成は非常に有効なものである。

本発明の一実施形態に係る圧縮機の全体構成図である。 図１に示す記号４（ピストン）の本発明における説明図である。 本発明にかかる圧縮機の特性を示す説明図である。 本実施例のシリンダ、ピストン部分の構成を示す図である。 従来の圧縮機の全体構成図である。

符号の説明

１…ステータ、２…ロータ、３…シリンダ、４…ピストン、４ａ…段付部、５…シリンダヘッド、６…ヘッドカバー、７…クランクシャフト、７ａ…クランクピン、８…フレーム、９…弾性体、１０…ロッド。

Claims (3)

1. 密閉容器内に、潤滑油と共に、冷媒ガスを吸入して圧縮するための圧縮機要素と、これを回転駆動する電動機要素とからなる圧縮機本体を収容してなる密閉型圧縮機において、
   前記圧縮機要素はクランクシャフトの回転駆動と連動してシリンダ内を往復運動するピストンを備え、該ピストンの外周面の全周にわたり前記クランクシャフト側の端部から前記ピストンの全長の０.２〜０.４倍の範囲内に延伸する２００μｍ以下の深さの段付部を有し、該段付部の前記ピストン側の端部位置は前記ピストンの下死点位置において前記シリンダの開口よりも前記クランクシャフト側として、且つ該段付部は前記潤滑油を全体で受けて該潤滑油を前記ピストン外周と前記シリンダ内周との間に供給する密閉型圧縮機。
2. 密閉容器内に、潤滑油と共に、冷媒ガスを吸入して圧縮するための圧縮機要素と、これを回転駆動する電動機要素とからなる圧縮機本体を収容してなる密閉型圧縮機において、
   前記圧縮機要素はクランクシャフトの回転駆動と連動してシリンダ内を往復運動するピストンを有し、冷媒ガスとしてＲ６００ａを使用して前記シリンダ及び前記ピストンにかかる面圧を小さくし、かつ、前記ピストンの外周面の全周にわたり前記クランクシャフト側の端部から前記ピストンの全長の０.２〜０.４倍の範囲内に延伸するシリンダ内面と接触しない段付部を備えて前記ピストンと前記シリンダとの接触面積を小さくして、前記段付部の前記ピストン側の端部位置は前記ピストンの下死点位置において前記シリンダの開口よりも前記クランクシャフト側として、且つ該段付部は前記潤滑油を全体で受けて該潤滑油を前記ピストン外周と前記シリンダ内周との間に供給する密閉型圧縮機。
3. 密閉容器内に、潤滑油と共に、冷媒ガスを吸入して圧縮するための圧縮機要素と、これを回転駆動する電動機要素とからなる圧縮機本体を収容してなる密閉型圧縮機において、
   圧縮機要素は、シリンダ内を往復運動するピストンが、略球状の先端を有するロッドと連結され、前記ピストンは前記ロッドを介してクランクシャフトのクランクピンの偏心運動と連動してシリンダ内を往復運動するボールジョイント機構で構成され、
   前記ピストンの外周面の全周にわたり前記クランクシャフト側の端部から前記ピストンの全長の０.２〜０.４倍の範囲にかけて延伸する２００μｍ以下の深さの段付部を有し、
   前記段付部の前記ピストン側の端部位置は前記ピストンの下死点位置において前記シリンダの開口よりも前記クランクシャフト側として、且つ該段付部は前記潤滑油を全体で受けて該潤滑油を前記ピストン外周と前記シリンダ内周との間に供給する密閉型圧縮機。

Images