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