JP2014163299A - 密閉型圧縮機及びこれを用いた冷蔵庫 - Google Patents

Abstract

【課題】ピストンとシリンダ間の潤滑油保持性を向上させるとともに、ピストンの往復運動による油の動圧効果により圧縮効率と信頼性を向上した密閉型圧縮機及びこれを備えた冷蔵庫を提供することを目的とする。
【解決手段】密閉容器内に収納した圧縮要素及び電動要素を備え、前記圧縮要素はピストン及びシリンダを有し、前記電動要素で駆動されるクランク軸の下端部を前記密閉容器に貯留された潤滑油中に浸し、前記クランク軸の下端部に設けたオイルポンプ等のポンピング作用で前記潤滑油を上昇させ、前記クランク軸の上部に偏心して形成した偏心軸の潤滑油放射孔から噴出する前記潤滑油を前記シリンダと前記ピストンの間に供給する密閉型圧縮機において、前記ピストンに潤滑油保持部を有し、前記潤滑油保持部に連通して前記ピストンの往復運動により摺動面に潤滑油を導く微細溝を有する。
【選択図】図６

Description

本発明は、密閉型圧縮機及びこれを用いた冷蔵庫に関する。

従来、家庭用冷蔵庫に使用されている小容量の密閉型圧縮機では、冷蔵庫の省エネルギ化の要求が高まり、インバータ制御による圧縮機の低速運転化が図られてきている。このため、冷蔵庫用密閉型圧縮機の低速運転時の一層の効率向上と摺動部の信頼性向上が求められている。密閉型圧縮機のエネルギ効率改善策の一つとして、圧縮要素の主要部品であるシリンダとピストンの往復摺動部におけるピストンの挙動を安定化し、潤滑を改善して機械的な摩擦損失を低減するとともに、両者間のすき間のシール性を向上して圧縮機効率を改善する構成が、特開平７−６３２６４号公報（特許文献１）及び特開２００５−２６４７４０号公報（特許文献２）に示されている。

特許文献１には、シリンダの内周面に沿って往復動するピストンの外周面の上下両端縁に、各端面に開口する三角ポケット形の凹部を形成し、この凹部は外周面の周方向に等間隔で複数箇所に配置することが記載されている。

特許文献２には、ピストンの外周に、少なくともピストンの全長の半分を超える長さを有するとともに、一端側がピストンのスカート側に連通し、他端側がピストンのトップ面に達しない複数の溝部を形成したもので、この溝部を通した潤滑油供給によりピストンとシリンダとの間に安定して油膜を形成することが記載されている。

特開平７−６３２６４号公報 特開２００５−２６４７４０号公報

特許文献１では、ピストンがシリンダに対して傾こうとしてもポケット形の凹部に潤滑油が流入して動圧が発生し、ピストンの傾きが矯正され安定した往復運動が可能になる。しかし、特許文献１では、ピストンの摺動面への潤滑油供給は、ピストンの外周面とシリンダの内周面の狭いすき間を通してのみ供給されるため、十分に潤滑油が供給されず、ピストンやシリンダが摩耗してしまい信頼性が低下する可能性がある。

特許文献２では、溝部に取り込まれた潤滑油に動圧が発生する行程は、ピストンが上死点から下死点に向かう吸入行程に限られ、ピストンが下死点から上死点に向かいガス圧縮に伴いピストンに大きな側圧が作用する圧縮行程での動圧発生効果は期待できないため、ピストンの摺動損失低減も限定的である。

また、ピストンとシリンダ間への給油は、潤滑油がシリンダの切り欠き部の側面に到達している間だけであり、回転軸の一回転中に常に給油するものではなく、溝部もピストンの両側面に開口していることからクランクシャフトの上端から噴射された潤滑油を溝部に取り込みにくい構造であり、給油時間も短いものとなっている。

従って、ピストンとシリンダ間における圧縮行程での油膜形成が不十分となり、シール性が低下し圧縮室からの圧縮ガスの漏れ量が増加し、圧縮機の効率が低下するとともに、ピストンとシリンダ間の摺動部の潤滑性が低下して圧縮機の信頼性が低下しやすい。

そこで、本発明は、ピストンとシリンダ間の潤滑油保持性を向上させるとともに、ピストンの往復運動による油の動圧効果により圧縮効率と信頼性を向上した密閉型圧縮機及びこれを備えた冷蔵庫を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、閉容器内に収納した圧縮要素及び電動要素を備え、前記圧縮要素はピストン及びシリンダを有し、前記電動要素で駆動されるクランク軸の下端部を前記密閉容器に貯留された潤滑油中に浸し、前記クランク軸の下端部に設けたオイルポンプ等のポンピング作用で前記潤滑油を上昇させ、前記クランク軸の上部に偏心して形成した偏心軸の潤滑油放射孔から噴出する前記潤滑油を前記シリンダと前記ピストンの間に供給する密閉型圧縮機において、前記ピストンに潤滑油保持部を有し、前記潤滑油保持部に連通して前記ピストンの往復運動により摺動面に潤滑油を導く微細溝を有する。

本発明によれば、ピストンとシリンダ間の潤滑油保持性を向上させるとともに、ピストンの往復運動による油の動圧効果により圧縮効率と信頼性を向上した密閉型圧縮機及びこれを備えた冷蔵庫を提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る密閉型圧縮機の縦断面図である。 図１のＡ−Ａ断面に相当する、密閉型圧縮機の横断面図である。 本実施形態に係る密閉型圧縮機のピストン下死点位置付近の要部拡大断面図である。 本実施形態に係る密閉型圧縮機のピストン外観図である。 図４のＢ−Ｂ断面する要部拡大断面図である。 本実施形態に係るピストンに形成した微細溝の他の実施形態を示すピストン外観図である。 本発明の第２の実施形態に係る密閉型圧縮機の要部拡大断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る密閉型圧縮機のピストン外観図である。 本発明の第２の実施形態に係るピストンに形成した微細溝の他の実施形態を示すピストン外観図である。 図９に示した微細溝の加工の一例を示す要部拡大断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る密閉型圧縮機のピストン外観図である。 図１１の要部拡大図である。 本実施形態に係る密閉型圧縮機の搭載された冷蔵庫の縦断面図である。

（実施形態１）
以下、本発明の第１の実施の形態を、図１から図６を用いて詳細に説明する。まず、図１、図２にて、密閉型圧縮機の全体構成を説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る密閉型圧縮機の縦断面図、図２は、図１のＡ−Ａ断面に相当する密閉型圧縮機の横断面図である。

本実施形態の密閉型圧縮機５０は、密閉容器１内にステータ２ａとロータ２ｂからなる電動要素２と圧縮要素３を収納している。圧縮要素３は、軸受部５ｃとフレーム部５ｂが一体に成形されたシリンダブロック５に形成されたシリンダ５ａ内を、コンロッド６によりクランク軸８の偏心軸８ｂに連結されたピストン７が往復運動する、所謂、レシプロ式である。クランク軸８は、シリンダブロック５の軸受部５ｃに回転自在に嵌められた主軸８ａの下部で電動要素２のロータ２ｂに固定される。圧縮要素３は、フレーム部５ｂの下部に固定された電動要素２のステータ２ａを介してコイルスプリングにより密閉容器１の底部に弾性的に支持されている。

電動要素２のロータ２ｂが回転することによってクランク軸８が回転し、偏心軸８ｂ偏心回転して偏心軸８ｂに連結されたコンロッド６を介し、ピストン７がシリンダ５ａのボア内を往復運動するようになっている。

シリンダ５ａの上端部は、吸入弁及び吐出弁（図示せず）が組み込まれたシリンダヘッド１０によって閉塞され、ピストン７との間に圧縮室１２を構成している。圧縮室１２内では、ピストン７の往復運動によって冷媒が吸入，圧縮され、吐出弁から吐出される構造となっている。

なお、クランク軸８の回転によって、密閉容器１内の底部に貯留された潤滑油４は、クランク軸８の下端に取り付けられたオイルポンプ８ｃの遠心ポンプ作用で引き上げられる。そして、主軸８ａ外周に形成されたスパイラル溝８ｄを介して上方に導かれ、さらに偏心軸８ｂに回転自在に嵌合されたコンロッド６の大端軸受部及びピストン７と連結しているボールジョイント部の潤滑を行い、偏心軸８ｂの上端に取り付けられたバランスウエイト９を一部貫通する形で設けられた潤滑油放射孔８ｂｂから噴射され、最後に偏心軸８ｂの上端部から周囲に噴射される。この噴射された潤滑油４により、ピストン７とシリンダ５ａとの間の潤滑及びシールが主に行われる。

密閉容器１内に接続された吸込パイプ１４を通って流入した冷媒は、プラスチック製の吸込サイレンサ１５を通ってシリンダ５ａの圧縮室１２内に入る。ここで、圧縮された冷媒は、シリンダヘッド１０からヘッドカバー１１内に形成された吐出室１１ａに入り、ここからシリンダブロック５に一体で成形された吐出サイレンサ１６を通り、吐出管１７を介して吐出パイプ１８より外部の冷凍サイクルに流出するようになっている。

次に、ピストンとシリンダボア間の潤滑構造を図３から図６を用いて詳細に説明する。図３は、本実施形態に係る密閉型圧縮機のピストン下死点位置付近の要部拡大断面図、図４は、本実施形態に係る密閉型圧縮機のピストン外観図、図５は、図４のＢ−Ｂ断面する要部拡大断面図、図６は、本実施形態に係るピストンに形成した微細溝の他の実施形態を示すピストン外観図である。

本実施形態のピストン７の外周には、潤滑油保持部として２本の環状溝７ｂ，７ｃが形成されている。環状溝７ｂは、主にピストン頂部７ａが面する圧縮室１２から漏れ出す潤滑油の保持部として、環状溝７ｃはクランク軸８の偏心軸８ｂより噴射される潤滑油の保持部として機能する。シリンダ５ａの内周面とピストン７の外周面との間は摺動面（摺動部長さＬｓ）となっており、シリンダ５ａのボア内径はピストン７の外径よりも、通常、直径すき間で１０μｍ程度大きく形成されている。環状溝７ｂ，７ｃは、ピストン７外周面から約５０μｍにわたって凹設されており、この溝内空間に潤滑油を保持するようになっている。この環状溝７ｂ，７ｃの幅と深さ寸法により潤滑油４の保持量が決まる。溝深さ約５０μｍの場合、幅寸法は約１ｍｍであるが、これらの寸法関係は任意に設定可能である。ピストン全長Ｌｐから摺動部長さＬｓを除いた部分がスカート部７ｄで、この部分はピストン７外径より直径で約２００μｍ小さく、環状溝７ｃと同様にクランク軸８の偏心軸８ｂより噴射される潤滑油の保持部として機能する。環状溝７ｃを挟む両側のピストン摺動面には、環状溝７ｃに連通して略Ｖ字形状の微細溝７ｅ１，７ｅ２がピストン７外周面の周方向に複数個連続して形成されている。ここで、微細溝７ｅ１，７ｅ２の寸法は、図５の断面形状に示すように溝幅Ｗは約０．５ｍｍ、溝深さδはピストン７の表面に施されている親油性の表面処理であるリン酸マンガン皮膜７ｆの厚みに当たる、約５μｍ相当である。

また、シリンダ５ａの外周上面部には、仕切り壁１３ａによりクランク軸８の偏心軸８ｂより飛散する潤滑油４を受ける油溜まり部１３が設けられており、油溜まり部１３の底面をクランク軸８側に向けて傾斜させることにより、シリンダとピストン７の摺動面に潤滑油４を供給するようになっている。

このピストン７が下死点近傍に位置する時には、図４に示すように、ピストン７の下側（クランク軸側）の環状溝７ｃは、シリンダ５ａの主軸側端面に面取り角度を変えて二段階に設けられた面取り５ａａを介して密閉容器１内空間に全面開口している。クランク軸８の回転により汲み上げられた潤滑油４は、偏心軸８ｂの潤滑油放射孔８ｂｂから噴射され、潤滑油放射孔８ｂｂと略同一高さに位置する面取り５ａａを通ってピストン７の下側の環状溝７ｃに供給される。

ピストン７が下死点から上死点に移動する圧縮行程では、ピストン７の環状溝７ｃ内に保持された潤滑油４がピストン７の（上昇）運動により微細溝７ｅ１に取り込まれ（図４に破線矢印で図示）、微細溝７ｅ１の終端が閉じられていることにより潤滑油に動圧が発生し、ピストン７とシリンダ５ａは油膜で隔てられ、良好な潤滑が保たれる。

また、ピストン７が上死点から下死点に移動する吸込行程では、ピストン７の環状溝７ｃ内に保持された潤滑油４がピストン７の（下降）運動により今度は反対側の微細溝７ｅ２に取り込まれ（図４に破線矢印で図示）、同様の動圧効果により、ピストン７とシリンダ５ａは油膜で隔てられ、両者間の潤滑が良好に保たれることになる。

本実施形態の潤滑構造では、油供給部であるシリンダ５ａの油溜まり部１３は密閉容器１内に解放されており、油保持部となるピストン７の環状溝７ｃもクランク軸８の一回転に一度は密閉容器１内に開口することから、環状溝７ｃ内にガスが滞留して潤滑油の流入を阻害するベーパーロック現象を防止することができ、溝内全域に潤滑油４を行き渡らすことができる。また、ピストン７の往復運動により、微細溝７ｅ１，７ｅ２によりピストン７の摺動面全域に潤滑油を導くことにより、ピストン７摺動面の潤滑油保持性を高め、油膜切れを防止することができる。

次に、図６は本実施形態に係るピストンに形成した微細溝の他の実施形態を示すもので、図６（ａ）は微細溝７ｅ１，７ｅ２を機械加工で加工する場合に、微細溝７ｅ１と微細溝７ｅ２を一筆書きで連続して加工できるように配置し、加工工具の加工パスを短縮して加工コストの低減を図ったものである。図６（ｂ）は、微細溝７ｅ１、７ｅ２の配設箇所をガス圧縮に伴う前記ピストン７の側圧支持部に限定して設けたものである。これにより、微細溝による動圧効果を維持しながら、さらなる加工の簡略化を図ることができる。

（実施形態２）
次に、本発明の第２の実施の形態について、図７から図１０を用いて説明する。図７は、本発明の第２の実施形態に係る密閉型圧縮機の要部拡大断面図、図８は、本発明の第２の実施形態に係る密閉型圧縮機のピストン外観図、図９は、本発明の第２の実施形態に係るピストンに形成した微細溝の他の実施形態を示すピストン外観図、図１０は、図９に示した微細溝の加工の一例を示す要部拡大断面図である。

本実施形態では、微細溝配設位置をピストン７の環状溝７ｃよりスカート部７ｄ側（クランク軸側）の摺動部としている。

本実施形態においても基本的なピストンとシリンダボア間の潤滑機能は第１の実施形態と同様に実現される。すなわち、ピストン７が下死点から上死点に移動する圧縮行程では、ピストン７の環状溝７ｃ内に保持された潤滑油４がピストン７の（上昇）運動により微細溝７ｅ１に取り込まれて潤滑油に動圧が発生し、ピストン７とシリンダ５ａは油膜で隔てられ、良好な潤滑が保たれる。

また、ピストン７が上死点から下死点に移動する吸込行程では、ピストン７のスカート部７ｄに保持された潤滑油４がピストン７の（下降）運動により、今度は反対側の微細溝７ｅ２に取り込まれ同様の動圧効果により、ピストン７とシリンダ５ａは油膜で隔てられ、両者間の潤滑が良好に保たれることになる。

実施形態２では、環状溝７ｃよりピストン頂部７ａ側の摺動面には微細溝は設けない構造になっている為、実施形態１よりもピストン７のシール性は良好に保たれる。

次に、図９は本発明の第２の実施形態に係るピストンに形成した微細溝の他の実施形態を示すもので、動圧効果を発揮する溝としては前述の略Ｖ字形状に限らず、潤滑油の流れ方向に流路断面積が縮小する溝であればどのような形状でもかまわない。図では機械加工での作業性を考慮し、図１０に示すような外周面をテーパ形状（角度α）にした比較的大きな加工工具（砥石）２０で、ピストン７外周面を削除しその除去加工した略楕円形状の切断面を微細溝７ｅ１´,７ｅ２´としている。これにより、加工工具の寿命を長くすることができ、加工コスト低減に寄与する。

（実施形態３）
次に、本発明の第３の実施の形態について、図１１、図１２を用いて説明する。図１１は、本発明の第３の実施形態に係る密閉型圧縮機のピストン外観図、図１２は、図１１の要部（Ｃ１部）拡大図である。

本実施形態は、これまでの実施形態で示した微細溝に代えて、より簡便な加工で動圧効果が発揮できる傾斜面（テーパ面）構造を採用したものである。図１１（ａ）は、本発明の第１の実施形態で示した微細溝７ｅ１、７ｅ２に代えて、傾斜面７ｅ1´´,７ｅ２´´を設けたもの、図１１（ｂ）は、本発明の第２の実施形態で示した微細溝７ｅ１´´,７ｅ２´´に代えて、傾斜面７ｅ1´´，７ｅ２´´を設けたものである。図１２に示した図１１のＣ１部の拡大図からも分かる通り、ピストン７摺動面の角部に傾斜面を形成する比較的単純な構造で、ピストン７の往復運動による傾斜面に形成されるくさび形油膜の動圧効果により、ピストン７とシリンダ５ａは油膜で隔てられ、両者間の潤滑が良好に保たれることになる。これにより、傾斜面による動圧効果を維持しながら、さらなる加工の簡略化を図ることができる。

以上述べた実施形態では、ピストン７の外周面への微細溝や傾斜面の加工を、ピストン７の表面に施されている親油性の表面処理であるリン酸マンガン皮膜処理後として説明したが、この加工は表面処理前に実施することも可能である。また、微細溝や傾斜面の加工は必ずしも機械加工に限らず、例えば、リン酸マンガン皮膜をエッチング等の化学的な方法で除去することによっても可能である。

次に、図１３は、本実施形態に係る密閉型圧縮機の搭載された冷蔵庫の縦断面図である。図１３において、本実施形態の密閉型圧縮機５０は、冷却器６６を備え、温暖化係数の小さい自然冷媒Ｒ６００ａを用いた冷蔵庫６０に搭載され、冷蔵室６２、上段冷凍室６３、下段冷凍室６４、野菜室６５からなる庫内空間は密閉型圧縮機５０の駆動により冷凍サイクル（図示せず）を動作させることにより冷却される。

以上詳細に説明した実施形態では、ピストンとシリンダ間における油膜形成が確実となり、シール性が向上し、特に漏れの影響が大きいインバータによる回転数制御圧縮機における低速運転時の圧縮機効率を向上することができるとともに、油の動圧効果によりピストンとシリンダが油膜で隔てられ圧縮機の信頼性も向上した密閉型圧縮機を提供することができる。また、本発明の密閉型圧縮機を適用するシステムとしては、冷蔵庫に限らず冷凍空調用途ではルームエアコンや冷凍機等のシステムに適用することも可能であり、これらの機器のシステム効率を大幅に改善することができる。

１…密閉容器、２…電動要素、２ａ…ステータ、２ｂ…ロータ、３…圧縮要素、４…潤滑油、５…シリンダブロック、５ａ…シリンダ、５ｂ…フレーム部、５ｃ…軸受部、６…コンロッド、７…ピストン、７ａ…ピストン頂部、７ｂ…環状溝１、７ｃ…環状溝２、７ｄ…スカート部、７ｅ１，７ｅ１´,７ｅ２，７ｅ２´…微細溝、７ｅ１´´, ７ｅ２´´…傾斜面、７ｆ…りん酸マンガン皮膜、８…クランク軸、８ａ…主軸、８ｂ…偏心軸、８ｂａ…給油溝、８ｂｂ…潤滑油放射孔、８ｃ…オイルポンプ、８ｄ…スパイラル溝、９…バランスウエイト、１０…シリンダヘッド、１１…ヘッドカバー、１１ａ…吐出室、１２…圧縮室、１３…油溜まり部、１３ａ…仕切り壁、１４…吸込パイプ、１５…吸入サイレンサ、1６…吐出サイレンサ、1７…吐出管、１８…吐出パイプ、２０…加工工具（砥石）、５０…密閉形圧縮機、６０…冷蔵庫、６１…冷蔵庫本体、６２…冷蔵室、６３…上段冷凍室、６４…下段冷凍室、６５…野菜室、６６…冷却器

Claims (7)

1. 密閉容器内に収納した圧縮要素及び電動要素を備え、前記圧縮要素はピストン及びシリンダを有し、前記電動要素で駆動されるクランク軸の下端部を前記密閉容器に貯留された潤滑油中に浸し、前記クランク軸の下端部に設けたオイルポンプ等のポンピング作用で前記潤滑油を上昇させ、前記クランク軸の上部に偏心して形成した偏心軸の潤滑油放射孔から噴出する前記潤滑油を前記シリンダと前記ピストンの間に供給する密閉型圧縮機において、
   前記ピストンに潤滑油保持部を有し、前記潤滑油保持部に連通して前記ピストンの往復運動により摺動面に潤滑油を導く微細溝を有することを特徴とする密閉型圧縮機。
2. 密閉容器内に収納した圧縮要素及び電動要素を備え、前記圧縮要素はピストン及びシリンダを有し、前記電動要素で駆動されるクランク軸の下端部を前記密閉容器に貯留された潤滑油中に浸し、前記クランク軸の下端部に設けたオイルポンプ等のポンピング作用で前記潤滑油を上昇させ、前記クランク軸の上部に偏心して形成した偏心軸の潤滑油放射孔から噴出する前記潤滑油を前記シリンダと前記ピストンの間に供給する密閉型圧縮機において、
   前記ピストン外周面に前記ピストンが下死点近傍に位置する場合に前記シリンダの内周面より露出する環状溝を有し、前記環状溝に連通し前記ピストンの往復運動により摺動面に潤滑油を導き動圧を発生させる微細溝を有することを特徴とする密閉型圧縮機。
3. 密閉容器内に収納した圧縮要素及び電動要素を備え、前記圧縮要素はピストン及びシリンダを有し、前記電動要素で駆動されるクランク軸の下端部を前記密閉容器に貯留された潤滑油中に浸し、前記クランク軸の下端部に設けたオイルポンプ等のポンピング作用で前記潤滑油を上昇させ、前記クランク軸の上部に偏心して形成した偏心軸の潤滑油放射孔から噴出する前記潤滑油を前記シリンダと前記ピストンの間に供給する密閉型圧縮機において、
   前記ピストン外周面に前記ピストンが下死点近傍に位置する場合に前記シリンダの内周面より露出する環状溝を有し、前記環状溝に連通し前記ピストンの往復運動により摺動面に潤滑油を導き動圧を発生させる傾斜面を有することを特徴とする密閉型圧縮機。
4. 前記シリンダ上面に油溜り部を構成する仕切り壁を設け、前記油溜り部の底面は前記クランク軸側に向けて下方に傾斜させたことを特徴とする、請求項１乃至３のいずれかの記載の密閉型圧縮機。
5. 前記微細溝をガス圧縮に伴う前記ピストンの側圧支持部に設けたことを特徴とする、請求項１から２記載の密閉型圧縮機。
6. 少なくとも電源周波数以下の運転周波数を含む複数の運転周波数でインバータ駆動される、請求項１から５記載の密閉型圧縮機。
7. 密閉型圧縮機と、該密閉型圧縮機と冷媒配管で連結された冷却器と、を備えた冷蔵庫において、
   前記密閉型圧縮機は、密閉容器内に収納した圧縮要素及び電動要素を備え、前記圧縮要素はピストン及びシリンダを有し、前記電動要素で駆動されるクランク軸の下端部を前記密閉容器に貯留された潤滑油中に浸し、前記クランク軸の下端部に設けたオイルポンプ等のポンピング力で前記潤滑油を上昇させ、前記クランク軸の上部に偏心して形成した偏心軸の潤滑油放射孔から噴出する前記潤滑油を前記シリンダと前記ピストンの間に供給して、
   前記ピストン外周面に前記ピストンが下死点近傍に位置する場合に前記シリンダの内周面より露出する環状溝を有し、前記環状溝に連通し前記ピストンの往復運動により摺動面に潤滑油を導き動圧を発生させる微細溝を形成したことを特徴とする冷蔵庫。