JP6001993B2 - 密閉型往復動圧縮機及びこれを用いた冷蔵庫 - Google Patents

Description

本発明は、冷凍冷蔵装置等の冷凍サイクルに搭載される密閉型往復動圧縮機及びこれを用いた冷蔵庫に係わり、特に、往復動圧縮機に発生する摺動損失を低減する技術に関する。

冷凍冷蔵庫等の冷凍サイクルに用いられる往復動圧縮機において、ピストンとコネクティングロッド（コンロッドとも称する）の連結構造として球面軸受により連結されるボールジョイント構造が、例えば特許文献１により知られている。この特許文献１によると、ピストンの球座とコンロッドの球体部とが摺動する構造であるので、球面軸受の摺動損失の低減を図るための具体的構造と潤滑油経路が開示されている。この具体的構造は、コンロッドの球体部の上下を切断して平行平面を形成し、この平行平面の形状を利用してピストンの球座に球体部を装填するとともに、ピストンが回動しないように、ピストンの球座とコンロッドの球体部との間に薄板のロッドホルダを介在させてこのロッドホルダの一部をピストンに係止している（ピストンの回り止めを形成している）。

ところで、往復動圧縮機が運転している状態では、ピストンはその内部と外部とに摺動部分を有する。すなわち、コンロッドとピストンとの間の摺動部と、ピストンの外周とシリンダの内周面との間の摺動部とがあり、これらの摺動部での摺動損失を低減することで圧縮機を高効率化することが求められている。

また、シリンダ内周面へのピストン摺動を低減する従来技術として、例えば、特許文献２には、コネクティングロッドの端部に対してピストンに設けられたピストンピンの軸心が圧縮室の軸線上からずれて位置させることで、ピストン側圧を軽減し、エネルギ効率を改善し、騒音を減らすことが提案されている。

特許第４８３２５０２号公報 特開２０１０−７７８６１号公報

ところで、上記の特許文献１に示されているようなボールジョイント構造の圧縮機においては、ピストンの球座のボール形状の中心部分をコンロッドが押してピストンを進ませるので、ピストンはシリンダとのクリアランス内で傾きながら移動するが、圧縮行程において下死点から上死点へ向かう際、ピストン重心位置とボール部中心位置（ピストン・コンロッド連結部位置）が同じであるため（図４を参照）、ピストンのシリンダへの傾く方向は不安定で定まらない。ピストンが不安定だと油膜ができにくくなり、ピストンがシリンダの中を摺動する際に摩擦抵抗が生じて圧縮機への入力が増えて圧縮機効率化に課題が生じる。

また、上記の特許文献２においては、コンロッドの先端部とピストンとを連結するのに、ピストンピンを上下方向に挿通して留め具でピストンピンを抜け止めしているが、そのピストンピンの軸心を圧縮室の軸線上からずらせることでピストンのシリンダに対する側圧を軽減しているものであり、シリンダ内に浸入する冷凍機油によるピストンとシリンダ間の油膜形成による摺動損失については特段の配慮がされていない。

このように、特許文献１と２を含めた従来技術においては、圧縮機の低速回転時には、冷凍能力の低下に伴って、摺動損失の割合が増大し、密閉型圧縮機の効率が悪化し冷凍サイクルの消費電力が増大するという課題が生じ得る。

そこで、本発明の目的は、上述した課題を解消するために、ピストンとシリンダ間の摺動部における損失を低減し、高効率化を達成する密閉型往復動圧縮機を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、シリンダ及びピストンを有する圧縮要素とステータ及びロータを有する電動要素とを収納した密閉容器と、前記ロータと直結した主軸部と、前記主軸部の上部に設けられてその回転中心から偏芯した偏芯軸部からなるクランクシャフトと、前記偏芯軸部と前記ピストンとを連結するコンロッドと、を備えた密閉型往復動圧縮機であって、前記ピストンの開口部側に設けられた略内球面と、前記略内球面に包持される前記コンロッドの先端部に設けられた略球体部の略外球面と、からなる当該ピストン及び当該コンロッド間のボールジョイント連結構造を有し、前記ピストン及び前記コンロッドを連結する連結部の位置が当該ピストンの重心位置よりも前記クランクシャフト側に形成されると共に、前記偏芯軸部が当該連結部を押す力の前記主軸部と前記偏芯軸部との成す角度によって分解される前記ピストンの軸心の垂直方向の力と当該連結部及び当該ピストンの重心位置間の距離との積で当該連結部に作用するモーメントの方向に当該ピストンが傾くことに伴い、当該ピストンのトップ部の外周面が前記シリンダの内周面に対して角度を有して摺動し、当該シリンダ内の冷凍機油が当該角度を有する当該シリンダ及び当該ピストン間に入り込んで摺動損失を低減する構造であることを特徴とする。

本発明によれば、ボールジョイント構造を備えた圧縮機において、ピストンの側面に油膜を形成し易くし、ピストンとシリンダ間の摺動損失を低減することができ、ひいては、高効率な密閉型往復動圧縮機を提供するができる。

本発明の実施形態に係る密閉型往復動圧縮機の概略的な全体構成を示す縦断面図である。 本実施形態に関する、ピストンとコンロッドを球面軸受により連結されたボールジョイント構造において、コンロッド・ピストン連結部位置とピストン重心位置をずらした連結構造を示す断面図である。 本実施形態に係る密閉型往復動圧縮機のボールジョイント構造に作用するモーメントを説明する図である。 従来技術に関するボールジョイント構造において、コンロッド・ピストン連結部位置とピストン重心位置とが一致した連結構造を示す断面図である。

本発明の実施形態に係る密閉型往復動圧縮機について、図１〜図４を参照しながら以下説明する。図１は本発明の実施形態に係る密閉型往復動圧縮機の概略的な全体構成を示す縦断面図であり、図１に記載のものは、汎用的な圧縮機であるが本実施形態においても適用される圧縮機である。

図１において、本実施形態の密閉型往復動圧縮機は、密閉容器１０内に設けられた軸受部１ａ及びフレーム１ｂと一体に成形されたシリンダ１内をピストン４が往復動して圧縮要素を構成するレシプロ型の圧縮機である。フレーム１ｂの下部には、電動要素として、電動機を構成するステータ５及びロータ６が備えられており、クランクシャフト７の主軸部７ａの回転中心から偏芯した位置に偏芯軸部７ｂが設けられている。すなわち、クランクシャフト７は、主軸部７ａとその上部に設けられた偏芯軸部７ｂとからなっている。

クランクシャフト７の主軸部７ａは、フレーム１ｂの軸受部１ａを貫通してフレーム１ｂの下部から上部へ延伸しており、偏芯軸部７ｂがフレーム１ｂの上方側に位置するように設けられている。クランクシャフト７の下部はロータ６と直結しており、電動機の動力によってクランクシャフト７は回転する。偏芯軸部７ｂとピストン４との間はコンロッド２で連結されており、偏芯軸部７ｂ及びコンロッド２を介してピストン４が往復動する構成となっている。

本実施形態に係る密閉型往復動圧縮機は、密閉容器１０に、シリンダ１とピストン４等の圧縮要素と、ステータ５及びロータ６からなる電動機等の電動要素とが収納されており、クランクシャフト７によって電動要素からの回転力を伝える構成を前提とするものである。コンロッド２とピストン４の連結構造については図２の説明で後述するが、ピストン４は、クランクシャフト７側に開口部２１を有しており、この開口部２１内に内球面２２を有している。

また、密閉容器１０内には冷凍機油１１（潤滑油）が溜められており、クランクシャフト７の回転運動による遠心ポンプ作用で引き上げられ、圧縮要素へと送られる構造となっている。

次に、ピストン４とコンロッド２の連結構造について、図４を用いて説明する。図４は従来技術に関する汎用のボールジョイント構造を示している（以下に述べる説明は、本実施形態においても共通する技術である）。図４と図２において、ピストン４の内球面２２は、コンロッド２の先端部に設けられる球体部２７の外球面２８を受ける軸受構造を構成するものであり、コンロッド２の外球面２８を１８０°以上の角度で包む形状となっている。詳しく云えば、コンロッドの外球面２８の上下部分を切断して球体部２７の一部に平行平面を形成し、この平行平面の形状を利用してピストンの内球面２２（内球面２２についてもその一部を刳り貫いた形状のもの）に球体部２７を装填するとともに、ピストン４が中心軸回りに回転しないように、ピストン４の内球面２２とコンロッド２の外球面２８との間に薄板のロッドホルダ（不図示）を介在させてこのロッドホルダの一部をピストン４の開口部２１の係合部に係止している（ピストンの回り止めを形成している。特許文献１を参照）。

このように、コンロッド２の外球面２８が、ピストン４の内球面２２及びロッドホルダ（不図示）に包持されて、コンロッド２とピストン４とが連結される。コンロッド球体部２７の奥側（コンロッド２の反クランクシャフト側）にも図示するように切り欠き部を形成してピストン内球面２２との摺動面をより小さくしている。球体部２７の切り欠き部に対向してピストン２２の内球面２２に図示するように凹部が形成され、この凹部に潤滑油を流入させて潤滑を良くし、摺動損失を低減している。

本実施形態に係る密閉型往復動圧縮機は上述した構成を基盤的技術として採用していて、その動作概略は、シリンダ１内に供給された冷媒がピストン４の往復運動によって圧縮され、圧縮されたガス冷媒がシリンダヘッド側に連通する吐出管へと送られる。冷媒は、凝縮器，減圧機構，蒸発器を経て、再び圧縮機内へと戻され、これらの各機構を有する冷凍サイクルを形成している。

次に、本実施形態に係る密閉型往復動圧縮機の特徴について、図２〜図４を用い、従来技術と比較しながら以下説明する。そもそも、本実施形態の課題であるピストンの摺動損失は、密閉形圧縮機を運転している状態では、ピストン４にとって、そのピストン内部とピストン外部に存在する。すなわち、コンロッド２とピストンとの連結部分における摺動損失の内部損失に加えて、ピストン４の外周面とシリンダ１の内周面との間における摺動損失の外部損失がある。本実施形態では、特に上述した外部損失に着目するものである。

ところで、ピストン４への給油は、クランクシャフト７の偏芯部７ｂの上端に設けられた不図示の給油穴より飛散される冷凍機油２１が、ピストン４の外径上面へと直接供給される。また、サクションパイプから圧縮機内部に流入した冷媒がプラスチックサイレンサ内部を通過し、サクションバルブに制御されてシリンダ１内部に流入するが、この際に圧縮機内部に飛散していた油の一部が冷媒の流れに乗ってシリンダ１の内部である圧縮室２９に浸入する。

ピストン４の圧縮工程においてコンロッド２がピストン４を押し込むときに、コンロッド２の球体部２７に対応して位置するピストン４の側面には高い面圧が発生する。このとき、図４に示す従来技術においては、ピストン重心位置２５とピストン・コンロッド連結部位置２６（ボール部中心位置２６）が同じであるため、ピストン４の傾く方向は不安定で定まらず、ピストン４が不安定状態で進行すると、ピストン４外周面とシリンダ１の圧縮室２９の内周面との間に油膜ができ難くなる。

そこで、本実施形態においては、図２に示すように、ピストン４の構成として、コンロッド２との連結部であるピストン内球部中心位置（コンロッド・ピストン連結部位置）２６がピストンの重心位置２５に対してクランクシャフト７側に位置するように構成しており、換言すると、コンロッド・ピストン連結部位置２６（コンロッド球体部２７の中心位置）よりもピストン重心位置２５を反クランクシャフト側に配設する構成が、本実施形態に係る密閉型往復動圧縮機の特徴の１つである。ピストン重心位置２５を反クランクシャフト側に配設する具体的手法は後述する。

本実施形態に係る密閉型往復動圧縮機においては、ピストン４のコンロッド連結部中心位置２６がピストン重心位置２５よりクランクシャフト７側に位置するように構成しているため、連結部位置２６と重心位置２５でモーメントＭが発生し、ピストン４はモーメントＭの方向に傾く（図２に示すシリンダ１の圧縮室２９内周面に対するピストン４の傾斜状態を参照）。

図３は本実施形態に係る密閉型往復動圧縮機のボールジョイント構造に作用するモーメントを説明する図である。図３に示すように、クランクシャフト７の偏芯軸部７ｂがコンロッド・ピストン連結部２６を押す力Ｆは、クランクシャフト主軸部７ａとクランクシャフト偏芯軸部７ｂとでなす角度θによって、ピストン４の軸心方向の力Ｆｘと軸心の垂直方向の力Ｆｙに分解され、コンロッド・ピストン連結部位置２６とピストン重心位置２５との間の距離ｒとすると、連結部位置２６に作用するモーメントＭ＝Ｆｙ・ｒを発生させる。

このモーメントＭによって、図２に示すように、ピストン先端とそれに対応するシリンダ内周面間が開くようにピストン４が傾くため、シリンダ１の圧縮室２９内に存在する冷凍機油が、楔効果によりピストン外周面とシリンダ内周面間に入り込んで油膜が形成しやすくなり、摺動損失を低減することが出来る。

次に、本実施形態に関するコンロッド２とピストン４を連結するボールジョイント構造について説明する。まず、背景技術欄で紹介した公知の特許文献２においては、コンロッドとピストンの連結構造は、ピストンの開口部にコンロッドの先端部を挿入し、ピストンピンをピストンとコンロッドに対して上下方向に挿通させてピストンピンとその留め具で両者を連結するものである。

これに対して、本実施形態では、上記の特許文献１に示すように且つ上述したように、外球面２８の平行平面形成部や内球面２２のくり貫き形状部やロッドホルダ等の設置、配置を基盤技術として、概説すれば、ピストン４の開口部に内球面２２を形成し、これに対応するコンロッド２の先端には球状体２７を設け、内球面２２に球状体２７を嵌め込み、内球面２２と球状体２７の外球面２８との間に弾性部材からなる球状体ホルダ（ロッドホルダ）を間挿して、ピストンの回り止め、コンロッドの抜け止めを構成している。

本実施形態では、上述した構成によってボールジョイント構造を形成しているが、これに限らず、公知のボールジョイント構造を採用しても構わない。このようなボールジョイント構造を採用することによって、上記の特許文献２のピストンピン及び留め具による上下方向の規制をするのではなく、ジョイント部分での上下左右の可動を許容し得えて、無理な力が加わらないようにしている。また、一体成型した弾性部材のロッドホルダのみを使用するだけで、ジョイント部分の機能を果たすことができる。

また、本実施形態は、ピストンの重心位置を連結部位置よりも反クランクシャフト側に形成するものであるが、その具体的手法としては、ピストンの軸方向の寸法を一定に保持することを条件として、ピストンの開口部２１側を形成するスカート部４ｂの長さを短くし、且つ、スカート部４ｂと反対側のトップ部４ａの長さを長くすることで達成させる。図２のピストン４の軸方向長さを、図４に示すそれと対比すると、図示例で、トップ部４ａの軸方向長さが延設され且つスカート部４ｂの軸方向長さが短縮されていることが分かる。

また、上記の特許文献２におけるピストンピンは、推進力を与えるコンロッドと冷媒を圧縮するピストンとを連結するものであるので、強度が必要とされ重量のある鋼材で構成されている。これに対して、本実施形態では互いの球面で広面連結されていて且つ軽量の薄板ロッドホルダで済ませることができる。なお、ピストン重心位置を連結部位置よりも反クランクシャフト側に形成させる際に、上記特許文献２に示すようにピストンピン連結構造とすると、ピストンピンの大なる重量の故に、ピストン重心位置が連結位置側に近寄ることとなり、設計上のモーメントを生じさせるのに難がある。

なお、内球面２２及び球状体２７は、必ずしも真球に限定するものではなく、円滑に摺動可能な略球面状の範囲内で、面粗さや真球度は許容される。

１ シリンダ
１ａ 軸受部
１ｂ フレーム
２ コンロッド（コネクティングロッド）
４ ピストン
４ａ ピストントップ部
４ｂ ピストンスカート部
５ ステータ
６ ロータ
７ クランクシャフト
７ａ クランクシャフト主軸部
７ｂ クランクシャフト偏芯軸部
１０ 密閉容器
１１ 冷凍機油（潤滑油）
２２ ピストン内球面
２５ ピストン重心位置
２６ コンロッド・ピストン連結部位置
２７ コンロッド球体部
２８ コンロッド外球面
２９ 圧縮室

Claims (2)

1. シリンダ及びピストンを有する圧縮要素とステータ及びロータを有する電動要素とを収納した密閉容器と、前記ロータと直結した主軸部と、前記主軸部の上部に設けられてその回転中心から偏芯した偏芯軸部からなるクランクシャフトと、前記偏芯軸部と前記ピストンとを連結するコンロッドと、を備えた密閉型往復動圧縮機であって、
   前記ピストンの開口部側に設けられた略内球面と、前記略内球面に包持される前記コンロッドの先端部に設けられた略球体部の略外球面と、からなる当該ピストン及び当該コンロッド間のボールジョイント連結構造を有し、
   前記ピストン及び前記コンロッドを連結する連結部の位置が当該ピストンの重心位置よりも前記クランクシャフト側に形成されると共に、前記偏芯軸部が当該連結部を押す力の前記主軸部と前記偏芯軸部との成す角度によって分解される前記ピストンの軸心の垂直方向の力と当該連結部及び当該ピストンの重心位置間の距離との積で当該連結部に作用するモーメントの方向に当該ピストンが傾くことに伴い、当該ピストンのトップ部の外周面が前記シリンダの内周面に対して角度を有して摺動し、当該シリンダ内の冷凍機油が当該角度を有する当該シリンダ及び当該ピストン間に入り込んで摺動損失を低減する構造であることを特徴とする密閉型往復動圧縮機。
2. 請求項１記載の密閉型往復動圧縮機を冷凍サイクルの構成要素として用いたことを特徴とする冷蔵庫。