(57)【要約】【課題】摩擦損失の少ない軸受構造を有する圧縮機とそれを用いた冷蔵庫を提供する。【解決手段】電動要素，フレーム，圧縮要素、前記電動要素と前記圧縮要素を繋ぐ軸、前記軸と同軸に設置される複数のリング形状の永久磁石を有する圧縮機において、内径側と外径側で異なる極となるよう着磁されたリング形状の永久磁石である回転側磁石２１と、内径側と外径側で異なる極となるよう着磁されたリング形状の永久磁石である固定側磁石２２を有する磁気軸受２０を備え、磁気軸受２０によりクランクシャフト７のスラスト方向を支持し、かつ、磁気軸受２０からコネクティングロッド２までの間の距離を、滑り軸受もしくは転がり軸受１ａからコネクティングロッド２までの間の距離よりも長くする構成を採用した。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動要素，圧縮要素，前記電動要素と前記圧縮要素とを繋ぐ軸、前記軸を支持する軸受を有する圧縮機において、
前記軸受を複数のリング形状の永久磁石とし、
前記複数のリング形状の永久磁石により前記軸のスラスト方向とラジアル方向の位置を支持することを特徴とする圧縮機。
【請求項２】
電動要素，フレーム，圧縮要素、前記電動要素と前記圧縮要素を繋ぐ軸、前記軸と同軸に設置される複数のリング形状の永久磁石を有する圧縮機において、
前記リング形状の永久磁石の一部が前記軸に設置され、かつ前記軸に設置されていない前記リング形状の永久磁石が前記フレームに設置され、
前記軸に設置された前記リング形状の永久磁石の外径は前記フレームに設置された前記リング形状の永久磁石の内径よりも小さく、
前記リング形状の永久磁石は内径側と外径側で異なる極となり、
前記軸に設置された前記リング形状の永久磁石の外径側の極と前記フレームに設置された前記リング形状の永久磁石の内径側の極が同じであることを特徴とする圧縮機。
【請求項３】
電動要素，フレーム，圧縮要素、前記電動要素と前記圧縮要素を繋ぐ軸、前記軸を支持する磁気軸受と滑り軸受もしくは転がり軸受を有する圧縮機において、
前記磁気軸受により前記軸のスラスト方向を支持し、前記磁気軸受と前記滑り軸受もしくは転がり軸受により前記軸のラジアル方向を支持することを特徴とする圧縮機。
【請求項４】
電動要素、フレーム、シリンダとピストンにより構成される圧縮要素、前記電動要素と前記圧縮要素を繋ぐ軸、前記軸を支持する磁気軸受と滑り軸受もしくは転がり軸受を有する圧縮機において、
前記滑り軸受もしくは転がり軸受は前記電動要素と前記ピストンの間に配置され、前記磁気軸受は前記滑り軸受もしくは転がり軸受に対して前記ピストンを挟んで対向する位置に配置したことを特徴とする圧縮機。
【請求項５】
請求項４に記載の圧縮機において、
前記滑り軸受もしくは転がり軸受から前記ピストンまでの距離を前記磁気軸受から前記ピストンまでの距離よりも短くしたことを特徴とする圧縮機。
【請求項６】
請求項４又は５に記載の圧縮機において、
前記磁気軸受を前記軸と同軸に設置される複数のリング形状の永久磁石とし、
前記リング形状の永久磁石の一部が前記軸に設置され、かつ前記軸に設置されていない前記リング形状の永久磁石が前記フレームに設置され、
前記軸に設置された前記リング形状の永久磁石の外径は前記フレームに設置された前記リング形状の永久磁石の内径よりも小さく、
前記リング形状の永久磁石は内径側と外径側で異なる極となるように着磁され、
前記軸に設置された前記リング形状の永久磁石の外径側の極と前記フレームに設置された前記リング形状の永久磁石の内径側の極が同じであることを特徴とする圧縮機。
【請求項７】
請求項１乃至６に記載された圧縮機を用いた冷蔵庫。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮機に関し、特に、往復運動するピストンを有する圧縮機と、それを用いた冷蔵庫に関する。
【背景技術】
【０００２】
回転体の軸受構造としては、特許文献１のように転がり軸受とすべり軸受を用いた構造が知られている。また、特許文献２のように磁気軸受で回転軸のスラスト方向を支持する構造が知られている。また、非特許文献のように永久磁石を用いて回転体の軸のラジアル方向とスラスト方向を非接触に支持する構造が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１２７３０５号公報
【特許文献２】特開平６−１２９４２６号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】「回転体の保守を容易にする低コスト磁気軸受」高性能永久磁石を活用して回転体を非接触支持  神戸大学  海洋機械工学講座  小豆澤  照男http://www.maritime.kobe-u.ac.jp/study/Seeds/D05.pdf
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した従来の軸受構造ではそれぞれ次のような課題があった。
【０００６】
特許文献１に記載された軸受構造では、転がり軸受の一種であるスラストベアリングのボールが上輪及び下輪に常に接触するため、接触部に摩擦力が発生し、クランクシャフトを回転させるための動力が増加する恐れがある。
【０００７】
特許文献２に記載された軸受構造では、電磁石により磁気軸受を構成している。そのため、回転軸の回転にかかる電力以外に電力を必要とし、入力電力が増加する恐れがある。
また、電磁石へ流す電流の制御に制御回路を必要とするため、回転軸を駆動するための電気回路が複雑化し、製造にかかるコストが増加する恐れもある。
【０００８】
非特許文献１に記載された軸受構造では、ラジアル方向とスラスト方向の支持に永久磁石のみを利用している。そのため、圧縮機への使用を考えた場合、圧縮要素から軸へかかる負荷には耐えられない恐れがある。また、電動要素と永久磁石との距離が近い場合、軸受や電動要素に悪影響を及ぼす恐れもある。
【０００９】
本発明では、上記課題を解決しようとするもので、電動要素と圧縮要素とを繋ぐ軸を支持する軸受を非接触とすることで、入力電力の少ない圧縮機やそれを用いた冷蔵庫を提供することを目的とした。
【００１０】
また、内径側と外径側で異なる極となるリング形状の永久磁石を電動要素と圧縮要素とを繋ぐ軸を支持する軸受に用い、軸受を非接触とすることで、入力電力の少ない圧縮機やそれを用いた冷蔵庫を提供することを目的とした。
【００１１】
また、磁気軸受と、滑り軸受もしくは転がり軸受を併用し、軸受の一部を非接触とすることで、入力電力の少ない圧縮機やそれを用いた冷蔵庫を提供することを目的とした。
【００１２】
また、磁気軸受と、滑り軸受もしくは転がり軸受を併用し軸受の一部を非接触とすることで、かつ滑り軸受もしくは転がり軸受を電動要素とピストンの間に配し磁気軸受をピストンを挟んで電動要素と対向する位置に配置し電動要素と磁気軸受との距離を離したことで、入力電力が少なく、かつ信頼性の高い圧縮機やそれを用いた冷蔵庫を提供することを目的とした。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するために、電動要素，圧縮要素、前記電動要素と前記圧縮要素とを繋ぐ軸、前記軸を支持する軸受を有する圧縮機において、前記軸受を複数のリング形状の永久磁石とし、前記複数のリング形状の永久磁石により前記軸のスラスト方向とラジアル方向の位置を支持することを特徴とする圧縮機を採用した。
【００１４】
また、電動要素，フレーム，圧縮要素、前記電動要素と前記圧縮要素を繋ぐ軸、前記軸と同軸に設置される複数のリング形状の永久磁石を有する圧縮機において、前記リング形状の永久磁石の一部が前記軸に設置され、かつ前記軸に設置されていない前記リング形状の永久磁石が前記フレームに設置され、前記軸に設置された前記リング形状の永久磁石の外径は前記フレームに設置された前記リング形状の永久磁石の内径よりも小さく、前記リング形状の永久磁石は内径側と外径側で異なる極となり、前記軸に設置された前記リング形状の永久磁石の外径側の極と前記フレームに設置された前記リング形状の永久磁石の内径側の極が同じであることを特徴とする圧縮機を採用した。
【００１５】
また、電動要素，フレーム，圧縮要素、前記電動要素と前記圧縮要素を繋ぐ軸、前記軸を支持する磁気軸受と滑り軸受もしくは転がり軸受を有する圧縮機において、前記磁気軸受により前記軸のスラスト方向を支持し、前記磁気軸受と前記滑り軸受もしくは転がり軸受により前記軸のラジアル方向を支持することを特徴とする圧縮機を採用した。
【００１６】
また、電動要素，フレーム，シリンダとピストンにより構成される圧縮要素、前記電動要素と前記圧縮要素を繋ぐ軸、前記軸を支持する磁気軸受と滑り軸受もしくは転がり軸受を有する圧縮機において、前記滑り軸受もしくは転がり軸受は前記電動要素と前記ピストンの間に配置され、前記磁気軸受は前記滑り軸受もしくは転がり軸受に対して前記ピストンを挟んで対向する位置に配置されたことを特徴とする圧縮機を採用した。
【発明の効果】
【００１７】
本願発明の圧縮機は、電動要素と圧縮要素とを繋ぐ軸を支持する軸受を非接触とすることで、入力電力の少ない圧縮機やそれを用いた冷蔵庫を提供することができる。
【００１８】
また、内径側と外径側で異なる極となるリング形状の永久磁石を電動要素と圧縮要素とを繋ぐ軸を支持する軸受に用い、軸受を非接触とすることで、入力電力の少ない圧縮機やそれを用いた冷蔵庫を提供することができる。
【００１９】
また、磁気軸受と、滑り軸受もしくは転がり軸受を併用し、軸受の一部を非接触とすることで、入力電力の少ない圧縮機やそれを用いた冷蔵庫を提供することができる。
【００２０】
また、磁気軸受と、滑り軸受もしくは転がり軸受を併用し軸受の一部を非接触とすることで、かつ滑り軸受もしくは転がり軸受を電動要素とピストンの間に配し磁気軸受をピストンを挟んで電動要素と対向する位置に配置し電動要素と磁気軸受との距離を離したことで、入力電力が少なく、かつ信頼性の高い圧縮機やそれを用いた冷蔵庫を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施形態に係る圧縮機の縦断面図。
【図２】本発明の磁気軸受の断面図。
【図３】本発明の磁気軸受の磁力線の分布図。
【図４】コネクティングロッド位置に対する滑り軸受もしくは転がり軸受及び磁気軸受の位置の説明図。
【図５】内径側と外径側で異なる極となるように着磁されたリング型永久磁石を用いた磁気軸受を使用した圧縮機の分解図。
【図６】分割した磁石を用いた磁気軸受を使用した圧縮機の分解図。
【図７】回転側磁石の設置位置の説明図。
【図８】固定型磁石の設置位置の説明面図。
【図９】冷蔵庫の分解図。
【図１０】本発明の一実施形態に係る圧縮機の斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下に示す実施形態は、軸受を有する圧縮機において、ピストン（圧縮要素）を挟んで滑り軸受もしくは転がり軸受と対向する位置に磁気軸受を設置することによって、上記目的の達成を図った。以下、図面を参照しながら説明する。
【００２３】
図１は、本発明の一実施形態に係る圧縮機の縦断面図である。本実施形態の圧縮機は、滑り軸受もしくは転がり軸受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が往復運動して圧縮要素を構成するレシプロ型（往復動型，ピストン型）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（固定子）５及びロータ（回転子）６が備えられており、電動要素の回転中心から偏心した位置に、クランクピン７ａが設けられている。
【００２４】
クランクシャフト７は回転する軸とそれとは芯のずれた軸を結ぶ柄からなる形状であり、滑り軸受もしくは転がり軸受１ａに貫通してフレーム１ｂの下部から上部へ延伸しており、クランクピン７ａ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。クランクピン７ａとピストン４との間はコネクティングロッド（連接棒，連結部材）２で連結されており、クランクシャフト７の回転運動をクランクピン７ａ及びコネクティングロッド２を介して直線運動に変え、ピストン４を往復運動させる構成となっている。クランクピン７ａの上部に、電動要素の中心軸と同軸になるようリング状の永久磁石が取り付けられている。永久磁石はクランクシャフト７に取り付けられた回転側磁石２１と、フレーム１ｂに固定された固定側磁石２２に用いられる。永久磁石は内径側と外径側で異なる極となるように着磁され、前記回転側磁石２１の外径側は前記固定側磁石２２の内径側と同じ極となるように着磁されている。これらの磁石により磁気軸受２０が構成されている。
【００２５】
すなわち、本実施形態の圧縮機は、シリンダ（円筒，円柱）１，ピストン４，フレーム１ｂなどの圧縮要素と、電動機等の電動要素が収納されており、クランクシャフト７によって電動要素からの回転力をピストン４に伝える構成を前提としている。ピストン４はクランクシャフト側に開口して、この開口内に内球面を有し、ポールジョイント構造によりコネクティングロッド２と連結している。
【００２６】
そして、シリンダ１内に供給された冷媒はピストン４の往復運動によって圧縮され、圧縮されたガス冷媒が、バルブプレート（弁体）に設けられた吐出ポートを経由し、シリンダヘッド側に連通する吐出管へと戻され、これらの各機構を有する冷凍サイクルを形成している。
【００２７】
圧縮機内には冷凍機油（潤滑油）が溜められており、クランクシャフト７の回転運動によるポンプ作用で引き上げられ、圧縮要素部分へと送られる構造となっている。また、この冷凍装置は、プロパン（Ｒ２９０）やイソブタン（Ｒ６００ａ）などの炭化水素系の冷媒（ＨＣ冷媒）など、地球温暖化係数（ＧＷＰ）の低い冷媒を使用している。
【００２８】
次に磁気軸受２０の構造について図２を用いて説明する。図２はクランクシャフト７の上部に設置される磁気軸受２０の断面図である。磁気軸受２０は複数のリング型永久磁石により構成され、内径側と外径側で異なる極となるように着磁される。回転側磁石２１の外径側２１ａと、固定側磁石２２の内径側２２ａが同じ極となるように設置される。従って、回転側磁石２１と固定側磁石２２の間には反発力が発生する構造となっている。なお、図２では回転側を２個、固定側を１個のリング型永久磁石としているが、回転側を１個、固定側を２個とした組み合わせでも同様の効果が得られる。また、回転側，固定側の磁石の数はどちらかが少なくとも１個以上であり、もう一方がそれ以上の数であれば同様の効果が得られる。
【００２９】
図３は磁気軸受２０内部の磁力線の分布である。ここで、クランクシャフトのスラスト方向とは軸の長手方向であり、クランクシャフトのラジアル方向とはスラスト方向から垂直な方向のことである。回転側磁石２１は上側磁石２１１と下側磁石２１２から構成されている。上側磁石２１１と下側磁石２１２の間に空間２１３を設けると、空間２１３は磁力線が集まるため、回転側磁石２１の外側２１ａと逆の極が形成される。従って、固定側磁石２２の内側２２ａと空間２１３が引き合うことで、クランクシャフト７のスラスト方向の位置を固定し、従来のスラスト軸受と同等の効果を有している。また、回転側磁石２１と固定側磁石２２の間の反発力と、滑り軸受もしくは転がり軸受１ａにより、ピストン４に負荷される圧縮冷媒のガス荷重を支える構造とした。従って、滑り軸受もしくは転がり軸受１ａによりクランクシャフト７のラジアル方向の位置がほぼ固定される。そのため、ピストン４が上死点の位置となり荷重が最もかかるときでも、ピストン４とバルブプレートが近接でき、圧縮機の体積効率が低下しない構造となっている。
【００３０】
図４は圧縮冷媒のガス荷重と滑り軸受もしくは転がり軸受１ａ，磁気軸受２０の位置関係である。ピストン４に負荷される圧縮冷媒のガス荷重Ｆ１は、滑り軸受もしくは転がり軸受１ａと磁気軸受２０により支えられる。そして、滑り軸受もしくは転がり軸受１ａの保持荷重Ｆ２と、磁気軸受２０の保持荷重Ｆ３の関係は、Ｆ１＝Ｆ２＋Ｆ３である。また、コネクティングロッド２から滑り軸受もしくは転がり軸受１ａまでの間の距離Ｌ２と、コネクティングロッド２から磁気軸受２０までの間の距離Ｌ３の関係は、Ｆ２×Ｌ２＝Ｆ３×Ｌ３である。従ってＬ２＜Ｌ３とすることにより、Ｆ２＞Ｆ３とでき、耐荷重性の低い磁気軸受２０を圧縮機に適用できる。
【００３１】
以上の構造により、クランクシャフト７を支えるラジアル軸受の一部とスラスト軸受を磁力により非接触とした構造とし、クランクシャフト７を回転させるときの摩擦力を大幅に低減させることができる。
【００３２】
上記の結果により、圧縮機の入力電力を低減させるために、クランクシャフト７の周囲に発生する摩擦力を低減することが必要であることが分かった。以下、図５を用いて具体的に説明する。
【００３３】
本実施例では、回転側磁石２１及び固定側磁石２２をネオジム磁石とし、その残留磁束密度を１.３７〜１.４３Ｔとした。そして、回転側磁石２１の外径をφ６８mm、厚さを１
２mmとし、外径側がＮ極、内径側がＳ極となるようリング形状の磁石の内径側と外径側で
異なる極となるように着磁し、上側磁石２１１と下側磁石２１２の間の空間２１３の幅を１mmとした。また、固定側磁石２２の内径をφ６９mm、厚さを１２mmとし、内径側がＮ極
、外径側がＳ極となるようリング形状の磁石の内径側と外径側で異なる極となるように着磁した。以上の構成により、磁気軸受２０は３００Ｎまで耐荷重可能である。なお、本実施形態では固定側磁石２２の外径側と回転側磁石２１の内径側でＮ極が向かい合う構造としたが、Ｓ極が向かい合う構造としても良い。
【００３４】
上述の磁気軸受２０の保持力は、コネクティングロッド２の下方に設置した滑り軸受もしくは転がり軸受１ａの保持力の半分程度である。従って、コネクティングロッド２から滑り軸受もしくは転がり軸受１ａまでの間の距離Ｌ２を１５mmとし、コネクティングロッ
ド２から磁気軸受２０までの間の距離Ｌ３を３０mmとして、磁気軸受２０にかかる荷重を
少なくすることで圧縮機の信頼性を確保した。
【００３５】
また、磁気軸受２０の保持力が滑り軸受もしくは転がり軸受１ａの保持力の半分程度であること、圧縮機に用いられているため全体をあまり大きくしないほうが好ましいこと、冷凍能力を確保するためにはピストンの大きさを２６mm以上にする必要があることを考慮
すると、Ｌ２は１５mm以上で、かつＬ２：Ｌ３は１：２〜１０となることが望ましい。但
し、場所等の考慮がいらない場合はこの限りではない。
【００３６】
更なる一例を図６を用いて説明する。一般に、磁気特性が良好な希土類磁石は磁気異方性を有するため、一体型のリング形状磁石の内径側と外径側で異なる極となるように着磁するためには特殊な設備が必要である。そこで着磁を容易にするために本実施形態では、図６に示すようにリング磁石を周方向に分割した構造とした。分割することで一体型のリング磁石よりも着磁が容易となる。リング磁石を分割した構造の場合、分割部の磁束密度が、その他の部分の磁束密度よりも低くなる。
【００３７】
図７を用いて、回転側磁石２１の分割位置について説明する。本実施形態では回転側磁石２１を等間隔で４分割した。クランクシャフト７が右回りに回転するとき、ピストン４が下死点から上死点に移動するときに圧縮冷媒のガス荷重が負荷され、磁気軸受２０に荷重が加わる。従って、荷重が負荷されるときに磁束密度の高い位置で荷重を支えるため、分割位置がクランクシャフト７の偏心位置に対して反回転側にθ１＝１０度ずれる位置とした。
【００３８】
図８を用いて、固定側磁石２２の分割位置について説明する。本実施形態では固定側磁石２２を等間隔で４分割した。そして、分割位置がピストンの中心軸に対してθ２＝４５度の位置となるように設置し、荷重が負荷される位置が磁石中央となるようにし、磁気軸受２０の耐荷重性を向上した。
【００３９】
上記実施形態は磁気軸受２０に永久磁石を用いる場合について述べてきたが、電磁石など他の磁気軸受を用いた場合でも同様の効果が得られる。
【００４０】
上述した圧縮機を利用した冷蔵庫の一例について図９を用いて説明する。本実施形態では冷蔵庫１００は、磁気軸受を利用した圧縮機１０２を有した機械室１０１，冷蔵庫の内外を繋ぐドア１０３，冷蔵庫内でそれぞれ仕切られた冷蔵室１０４，冷凍庫１０５，野菜室１０６，冷却を行うためのエバポレータ１０７を有している。圧縮機１０２の効率が向上することで、圧縮機１０２の入力電力が低減され、それを用いている冷蔵庫１００の消費電力を低減することが可能となる。また、圧縮機１０２の信頼性が向上するため、冷蔵庫１００の信頼性をも向上することができる。したがって、省電力かつ高信頼性である冷蔵庫を提供することが可能となる。
【００４１】
また、本願発明はルームエアコンなど冷凍サイクルを用いた機器などにも用いることが可能である。
【符号の説明】
【００４２】
１  シリンダ
２  コネクティングロッド
３  バルブプレート
４  ピストン
１０  吸入弁板
１１  吐出弁板
１２  制振板
１３  ストッパ
１４  パッキン
２０  磁気軸受
２１  回転側磁石
２２  固定側磁石
２１３  上側磁石２１１と下側磁石２１２の間の空間
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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