JP2020016203A - 圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】信頼性に優れた圧縮機を提供する。【解決手段】円筒状の空隙が設けられたシリンダボア２ｂを有するシリンダと、空隙内を往復動するピストン３と、を備え、シリンダボアと前記ピストンとの間に潤滑油が供給される圧縮機であって、シリンダボアは、空隙を挟んで互いに対向する第１切欠き部２ｃ及び第２切欠き部２ｄを有する。【選択図】図３

Description

本発明は、圧縮機に関する。

特許文献１の圧縮機は、ピストンに凹設した環状の給油溝２３ｅが、ピストンの下死点において、切欠き部７ｃから露出する位置関係になるように設定することにより、吸い込み工程時に下死点で切欠き部から給油溝に潤滑油が給油され、給油溝とシリンダボアとの間に油膜を形成することで圧縮時のシール性を向上している（００２５，図３）。

特開２００６−２８３７７０号公報

油膜には圧縮冷媒からの圧力がかかるため、圧縮時のピストンは油膜からの反力を受けるところ、特許文献１の圧縮機では、下死点においてピストンの給油溝２３ｅのうち上部のみが切欠き部７ｃを介して露出しており、その他の部分はシリンダボアに入り込んでいる。このため、吸い込み工程から圧縮工程に移った後、上死点に向かって移動することで給油溝の全周がシリンダボアに入り込むまでは、油膜は切欠き部分には形成されない。すると、ピストンにかかる油膜の反力は、ピストン上側が小さく下側が大きいアンバランスとなり、反力の合成力はピストンを上下方向に振れさせる方向に働く。

ピストンの上下方向の振れは、圧縮機全体の振動を増加させ、騒音増加につながる。また、振れが過大になると、ピストンとシリンダボア、ピストンに運転力を伝達するコンロッドやピストンピン、シャフトなどといった各部材同士の磨耗を発生し得る。磨耗は熱損失となり、圧縮機の性能低下の原因であると共に、圧縮機の信頼性を損なう虞がある。

上記事情に鑑みてなされた本発明は、
円筒状の空隙が設けられたシリンダボアを有するシリンダと、
該空隙内を往復動するピストンと、を備え、
前記シリンダボアと前記ピストンとの間に潤滑油が供給される圧縮機であって、
前記シリンダボアは、前記空隙を挟んで互いに対向する第１切欠き部及び第２切欠き部を有することを特徴とする。

実施例１の１密閉型電動圧縮機の縦断面図。 実施例１のピストンが圧縮工程の下死点近傍位置にあるときの要部断面図。 図２のA-A断面視で、圧縮時にピストンにかかる油膜反力を表した模式図。 実施例１のピストンが吸込み工程の下死点近傍位置におけるシリンダボア切欠き部の位置と油膜の関係を示した要部断面模式図。 比較例として下切欠き部を有さないピストンが圧縮工程の下死点近傍位置にあるときの要部断面図 図５のA'-A'断面について圧縮時にピストンにかかる油膜反力を表した模式図

以下、本発明の実施例を、添付の図面を参照しつつ説明する。本実施例における下方向は、重力加速度の方向と同一にしても良いしそれ以外の方向と同一にしても良い。

図１は実施例１の密閉型電動圧縮機の縦断面図である。密閉容器１内に設けられたシリンダブロック２は軸受部２ａとシリンダボア２ｂを一体で形成しており、シリンダボア２ｂ内をピストン３が往復動して圧縮要素を構成する。シリンダボア２ｂはピストン３が摺動する円筒状の空隙を有しており、ピストン３は略円柱状である。

シリンダブロック２に固定されたステータ４及び電動機に連結するロータ５によって電動要素を構成し、ロータ５に固定されたクランクシャフト７を回転させることで圧縮要素に動力を伝える。クランクシャフト７は回転中心から偏心した位置にクランクピン７ａを有し、クランクピン７ａとピストン３との間はコンロッド８及びピストンピン９によって回転自在に連結され、クランクシャフト７の回転運動をピストン３の往復運動へと変換する。

シリンダボア２ｂ上部に設けた上面視略Ｕ字形状の上切欠き部２ｃはシリンダブロック２上壁まで貫通しており、組立て時に予めシリンダボア２ｂ内に挿入したピストン３とクランクピン７ａに挿入したコンロッド８を上切欠き部２ｃからピストンピン９を挿入することで各部品を組み立てるものである。

なお、クランクシャフト７は内部に給油通路を有し、回転による遠心力を利用して密閉容器１内に貯留した潤滑油を上方へと吸い上げ、クランクピン７ａ上部の噴出口及びコンロッド８内に同じく形成された給油通路から圧縮要素へと潤滑油を供給する。

シリンダボア２ｂの先端は、冷媒の吸込み口及び吐出口とそれぞれの経路口の冷媒流れを調節するバルブを有する、バルブプレート６によって封止されており、ピストン３とシリンダボア２ｂとの間は潤滑油によってシールされ、冷媒吸込み時及び圧縮時に冷媒はバルブプレート６の冷媒経路口を通して流れる。

低速回転時には、回転による遠心力が小さくなるため、クランクシャフト７による潤滑油の吸い上げ量が小さくなり、圧縮要素に供給される潤滑油の量が減少し、ピストン３とシリンダボア２ｂとの間のシール性が低下することで、圧縮時に冷媒が漏れやすくなる。このため、シール性の改善が望まれる。

図２は本実施例のピストン３が圧縮工程の下死点近傍位置にあるときの要部断面図である。図３は図２のA-A断面視で、圧縮時にピストン３にかかる油膜反力を表した模式図である。
ピストン３外周には環状の給油溝３１が１つ以上ピストン３の軸方向（往復動方向）に並んで凹設されている。給油溝３１は、ピストン３の回転中心位置、本実施例ではピストンピン９位置に対して、軸方向で別の位置に設けられている。本実施例では、回転中心位置よりも上死点側の位置に設けられている。
シリンダボア２ｂには、ピストン３が往復動する円筒状の空隙が設けられている。シリンダボア２ｂは、軸方向視で、空隙の中心を挟んで対向する２つの切欠き部２ｃ，２ｄを有している。切欠き部２ｃ，２ｄは、シリンダボア２ｂの上側及び下側に位置すると、上側の切欠き部２ｃを通してピストンピン９を挿入しやすく、また、噴出口から供給される潤滑油が届きやすいため好ましい。

ピストン３が最もシリンダボア２ｂから引き出される下死点において、給油溝３１の上部は、シリンダボア２ｂの上切欠き部２ｃを介して露出している。また、給油溝３１の下部は、シリンダボア２ｂの下切欠き部２ｄを介して露出している。

クランクピン７ａ上部から噴出された潤滑油が上切欠き部２ｃを通して給油溝３１の上部にかかり、給油溝３１全周へと伝わって供給される。さらに、圧縮時にピストン３がシリンダボア２ｂへと押し込まれていくと、給油溝３１はシリンダボア２ｂ内に完全に入り、シリンダボア２ｂ内壁と給油溝３１によって潤滑油が保持されることで、低速回転時の小さい潤滑油供給量においても、ピストン３とシリンダボア２ｂとの間のシール性を高く維持することができる。

給油溝３１に供給された潤滑油は、ピストン３とシリンダボア２ｂとの隙間に油膜を形成し、油膜によって圧縮冷媒の圧力を受けることで低圧側への冷媒漏れを抑える働きをする。つまり、圧縮時には油膜は圧縮冷媒から圧力を受け、これは油膜反力としてピストン３にも伝わる。

下死点において給油溝３１の一部は、上切欠き部２ｃ又は下切欠き部２ｄを介してシリンダボア２ｂから露出する。給油溝３１を複数設ける場合、全ての給油溝３１に潤滑油を供給するために、下死点において、全ての給油溝３１の上部がシリンダボア２ｂから露出することが好ましい。即ち、最も上死点側に近い給油溝３１ａのうち、下死点側の溝端部３２ｂ上部が下死点において上切欠き部２ｃ及び下切欠き部２ｄそれぞれから露出することが好ましい。反力は、給油溝３１ａに溜められた潤滑油がシリンダボア２ｂとピストン３との間に挟まれることで生じるから、圧縮工程では主に、給油溝３１のうち移動方向後端（すなわち、下死点側の端部３２ｂ）に存在する潤滑油によって生じる。

本実施例では、ピストン３の軸方向視について、シリンダボア２ｂの中心周りで、上切欠き部２ｃに略点対称な位置に下切欠き部２ｄが設けられている。このため、下死点近傍の圧縮工程において給油溝３１に貯留した潤滑油がピストン３とシリンダボア２ｂの間に形成する油膜１０及びその油膜反力がピストン３の軸中心に対して略対称となり、ピストン３に働く転覆モーメント（ピストン３の径方向視で、ピストン重心周りに回転するモーメント）を抑えることができる。なお、ピストン３の三次元構造としては、例えば面対称にすることができる。

上切欠き部２ｃと下切欠き部２ｄはそれぞれ、ピストン３の軸方向位置で略同一の位置に存在することができる。すなわち、上切欠き部２ｃを介して露出する給油溝３１の長さと下切欠き部２ｄを介して露出する給油溝３１の長さとは、略同一であることができる。
具体的には、上切欠き部２ｃの内周側端部とシリンダボア２ｂの軸方向視の中心とをそれぞれ通る２本の仮想の直線を考えると、これら２本の直線に挟まれた領域に、下切欠き部２ｄが存在する。下切欠き部２ｄは、この領域内の全域に亘り、領域外には存在しないことが最も好ましいが、この領域の一部のみに実質的に存在する場合でも効果を奏する。

加工性の観点から、下切欠き部２ｄの位置は上切欠き部２ｃに対して完全には対称にならないことが考えられる。上切欠き部２ｃと下切欠き部２ｄの軸方向位置に差があると、圧縮工程が進んだ際に給油溝３１に貯留した潤滑油がピストン３とシリンダボア２ｂの間に形成する油膜１０及びその油膜反力が上下非対称となる瞬間が生じ得る。しかし、少なくとも、下死点において給油溝３１下部が下切欠き部２ｄから露出する位置関係とすることによって、下切欠き部２ｄから露出する部分の給油溝３１に貯留した潤滑油は給油溝３１から流出し、再度上切欠き部２ｃから供給される潤滑油によって給油溝３１が満たされるまで、油膜反力の上下非対称性による転覆モーメントを抑えることができる。

また、ピストン３とシリンダボア２ｂとの間のシール性は圧縮時だけでなく、吸込み時についても必要とされる。吸込み時のシール性を高めることで、適切な経路で冷媒を流すことにより冷媒の流体音を抑制できるほか、冷媒ガスの密度を高くすることができ、性能向上につながる。また、吸込み時にシールが不十分であると、漏れた冷媒と共に潤滑油がシリンダボア２ｂ内に入り込み、圧縮吐出される冷媒の中に潤滑油が混ざり込み、冷凍サイクルの冷力を低下させる要因となる。

図４は、本実施例の吸込み工程の下死点近傍におけるシリンダボア２ｂ切欠き部の位置と油膜１０の関係を示した要部断面図である。吸込み時はピストン３が下死点側へと動くため、給油溝３１のうち、上死点側の端部３２がシリンダボア２ｂから露出していれば反力が生じず、シリンダボア２ｂ内に位置すれば反力が生じ得る。

本実施例では、図４に示すように、最も上死点側に近い給油溝３１ａのうち、上死点側の端部３２ａが、下死点においても上切欠き部２ｃ及び下切欠き部２ｄから露出しないように設定している。このような位置関係とすることにより、吸込み工程において常に給油溝３１ａに貯留した潤滑油がピストン３とシリンダボア２ｂの間に油膜を形成し、シール性を維持することができる。

上切欠き部２ｃにおける給油溝３１ａの露出量は給油溝３１ａへの潤滑油の供給量に影響するため、潤滑油の供給量を確保することを優先した場合、端部３２ａは上切欠き部２ｃから露出するように設定することも考えられるし、例えば給油溝３１ａの軸方向寸法を長く設けることで、端部３２ａはシリンダボア２ｂ内に位置するようにしつつそれ以外の給油溝３１ａの部分が露出するようにすることも考えられる。

一方で、給油溝３１に貯留する潤滑油は溝３１を伝って下方へと流れるため、下切欠き部２ｄについては、油膜によるシールを維持できずに冷媒が漏れたとき、冷媒と共にシリンダボア２ｂ内に漏れ入ってしまう潤滑油の量も多くなるため、端部３２ａを下切欠き部２ｄから出ないようにすることは、吐出冷媒に混ざり込む潤滑油の量を抑える効果が大きい。

比較例

図５は比較例として下切欠き部２ｄを有さないピストン３が圧縮工程の下死点近傍位置にあるときの要部断面図であり、図６は図５のA'-A'断面について圧縮時にピストン３にかかる油膜反力を表した模式図である。

比較例の場合、下死点近傍の圧縮工程においては、上切欠き部２ｃ側で給油溝３１がシリンダボア２ｂから露出しているのみのため、油膜１０は、上切欠き部２ｃを除く全周に形成される。

すると、ピストン３にかかる油膜反力は図６のように非対称に発生するため、油膜反力の合成力はピストン３を径方向視で回転するように働き、ピストン３の軸に対して回転させる転覆モーメントがかかる。

油膜反力及び転覆モーメントは高速回転時ほど大きくなるため、圧縮機の製品仕様として高い最高回転数を持つ場合に、より大きな問題となる。

１ 密閉容器
２ シリンダブロック
２ａ 軸受部
２ｂ シリンダボア
２ｃ 上切欠き部（第１切欠き部）
２ｄ 下切欠き部（第２切欠き部）
３ ピストン
４ ステータ
５ ロータ
６ バルブプレート
７ クランクシャフト
７ａ クランクピン
８ コンロッド
９ ピストンピン
１０ 油膜
３１ 給油溝
３１ａ 最も上死点に近い給油溝
３２ａ 最も上死点に近い給油溝のうち上死点側の端部
３２ｂ 最も上死点に近い給油溝のうち下死点側の端部

Claims (6)

1. 円筒状の空隙が設けられたシリンダボアを有するシリンダと、
   該空隙内を往復動するピストンと、を備え、
   前記シリンダボアと前記ピストンとの間に潤滑油が供給される圧縮機であって、
   前記シリンダボアは、前記空隙を挟んで互いに対向する第１切欠き部及び第２切欠き部を有することを特徴とする圧縮機。
2. 前記第１切欠き部と前記第２切欠き部の何れか一方は、前記空隙に対して重力加速度の方向と逆側に位置することを特徴とする請求項１に記載の圧縮機。
3. 前記ピストンは、円環状の給油溝を有し、
   前記ピストンの下死点において、該給油溝は、
   前記第１切欠き部を介して前記シリンダボアから露出する部分と、
   前記第２切欠き部を介して前記シリンダボアから露出する部分と、
   前記シリンダボアに対向する部分と、を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の圧縮機。
4. 前記給油溝のうち、
   周方向で前記第１切欠き部側に位置する部分の上死点側の端部は、前記ピストンの下死点において、前記第１切欠き部より上死点側に位置し、及び／又は、
   周方向で前記第２切欠き部側に位置する部分の上死点側の端部は、前記ピストンの下死点において、前記第２切欠き部より上死点側に位置することを特徴とする請求項３に記載の圧縮機。
5. 前記ピストンの往復動方向における断面視において、前記第１切欠き部の端部と前記空隙の中心それぞれを略通過する２本の仮想の直線で挟まれる領域に、前記第２切欠き部の一部が収まることを特徴とする請求項１乃至４何れか一項に記載の圧縮機。
6. 前記ピストンの往復動方向における断面視において、前記第１切欠き部の端部と前記空隙の中心それぞれを略通過する２本の仮想の直線で挟まれる領域に、前記第２切欠き部の全部が収まることを特徴とする請求項１乃至４何れか一項に記載の圧縮機。

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