(57)【要約】  【課題】ピストンピンとコンロッドの摺動面の面圧上昇に起因する磨耗等の信頼性の低下を防止する。  【解決手段】中空部１３７を貫通してピストン１３４に固定されたピストンピン１５２と、ピストンピン１５２が嵌入される小端孔１６２と偏心軸に嵌装される大端孔をそれぞれ小端部１５８及び大端部に設けたコンロッド１５４を備え、ピストン１３４の圧縮方向の投影面積をＡ，ピストンピン１５２と小端孔１６２との摺動部の圧縮方向の投影面積をＢとしたとき、Ｂ／Ａを０．３より大きくしたもので、ピストンピン１５２とコンロッド１５４の小端孔１６２の摺動部の面圧を磨耗発生限界値以下にできる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮室を形成するシリンダと、前記シリンダ内に嵌装され中空部とピン孔を設けたピストンと、前記中空部を貫通して前記ピン孔に固定されたピストンピンと、主軸および偏心軸を有するクランクシャフトと、前記ピストンピンが嵌入される小端孔と前記偏心軸に嵌装される大端孔をそれぞれ小端部及び大端部に設けたコンロッドを備え、前記ピストンの圧縮方向の投影面積をＡ，前記ピストンピンと前記小端孔との摺動部の圧縮方向の投影面積をＢとしたとき、Ｂ／Ａが０．３より大きい圧縮機。
【請求項２】
ピストンピンがピストンに溶接された請求項１に記載の圧縮機。
【請求項３】
ピストンピンがピストンにレーザ溶接によって溶接された請求項１または２に記載の圧縮機。
【請求項４】
ピストンピンの少なくとも一方の端面側が溶接された請求項１から３のいずれか一項に記載の圧縮機。
【請求項５】
ピストンの軸線方向が溶接された請求項４に記載の圧縮機。
【請求項６】
ピストン外周面のピン孔の近傍が平面で構成された請求項４に記載の圧縮機。
【請求項７】
冷媒に二酸化炭素を用いた請求項１から６いずれか一項に記載の圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主に電気冷凍冷蔵庫などの冷凍サイクルに使用される圧縮機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の圧縮機は、ピストンとピストンピンの固定にスプリングピンを用いたものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
以下、図面を参照しながら従来の圧縮機を説明する。
【０００４】
図１５は特許文献１に記載された従来の圧縮機の縦断面図、図１６は従来のピストンの縦断面図、図１７は図１６のＥ−Ｅ線における断面図を示したものである。
【０００５】
図１５から図１７において、密閉容器１の底部にはオイル２を貯留しており、圧縮機本体４はサスペンションスプリング６によって密閉容器１に対して弾性的に支持されている。
【０００６】
圧縮機本体４は、電動要素１０と、電動要素１０の下方に配設される圧縮要素２０から構成されている。電動要素１０は、固定子１２および回転子１４から構成されている。
【０００７】
圧縮要素２０のクランクシャフト２２は主軸２４及び偏心軸２６から構成されており、主軸２４はブロック２８に取り付けられた軸受部３０に回転自在に軸支されるとともに、回転子１４が固定されている。さらに、クランクシャフト２２は主軸２４表面に設けたらせん状の溝などからなる給油機構３２を備えている。
【０００８】
ピストン３４はブロック２８に一体に形成された略円筒形の内面を有するシリンダ４０に往復自在に挿入されており、シリンダ４０およびピストン３４は、シリンダ４０端面に取り付けられるバルブプレート４２とともに圧縮室４４を形成する。さらに、ボルト４６により、バルブプレート４２を蓋するようにシリンダヘッド４８が固定されている。吸入マフラ５０は、ＰＢＴなどの樹脂で成型され、内部に消音空間を形成し、シリンダヘッド４８に取り付けられている。
【０００９】
また、ピストン３４は、背面に中空部３７と、中空部３７の上下にボス部３５を有している。また、両ボス部３５には軸心を共有するピン孔３６が穿孔されている。
【００１０】
コンロッド５４は、大端孔６０を備えた大端部５６と、小端孔６２を備えた小端部５８を有する。小端部５８はピストン３４の中空部３７に収納され、ピストンピン５２がピン孔３６に嵌入されるともに、ピストンピン５２は中空部３７内で小端孔６２に嵌入されている。そして、ピストンピン５２とピストン３４は、ボス部３５に設けた背面穴３４ａおよびピストンピン５２の穴５２ａに、ＪＩＳ  Ｂ  ２８０８などで示されるような、断面が略Ｃ字型のスプリングピン６６を嵌入することで、互いに固定されている。
【００１１】
さらに、大端孔６０は偏心軸２６に嵌挿されることで、コンロッド５４は偏心軸２６とピストンピン５２とを連結する。
【００１２】
ピストンピン５２は、機械構造用合金鋼のＳＣｒ４２０（クロム鋼）またはＳＣＭ４２０（クロムモリブデン鋼）で形成され、浸炭焼入れを行うとともに、表面が平滑に仕上げられている。また、コンロッド５４は、アルミダイカスト合金で形成されている。
【００１３】
ここで、ピストン３４とピストンピン５２の寸法について説明する。
【００１４】
ピストン３４の直径をＤとすると、ピストン３４の圧縮方向の投影面積ＡはπＤ２／４である。また、ピストンピン５２の直径をｄ、小端孔６２の高さをｈとすると、ピストンピン５２と小端孔６２の摺動部（以下、小端孔摺動部）の、ピストン３４の圧縮方向に対する投影面積Ｂはｈｄである。
【００１５】
圧縮機の運転条件によっても異なるが、一般にこれらの面積の比Ｂ／Ａは０．１９程度の値が選択されることが多く、最大でも０．２９より小さい値が選択されている。
【００１６】
以上のように構成された圧縮機について、以下にその動作を説明する。
【００１７】
電動要素１０に通電されると、固定子１２に発生する回転磁界により、回転子１４はクランクシャフト２２とともに回転する。主軸２４の回転により、偏心軸２６の偏心運動がコンロッド５４及びピストンピン５２を介してピストン３４に伝えられ、ピストン３４はシリンダ４０内で往復動する。
【００１８】
密閉容器１外の冷凍サイクル（図示せず）より戻った冷媒ガスは、吸入マフラ５０を経由して圧縮室４４内へ導入され、圧縮室４４内でピストン３４により圧縮され、圧縮された冷媒ガスは密閉容器１外の冷凍サイクル（図示せず）へ送出される。
【００１９】
スプリングピン６６はそのばね作用により、背面穴３４ａおよび穴５２ａの内壁面に密着し、保持力が発生するので、スプリングピン６６が圧縮機の運転中に抜け落ちることが無いため、ピストン３４とピストンピン５２は互いに固定される。この結果、ピストンピン５２がシリンダ４０の内壁面に接触することによる傷つき等が防止できる。
【００２０】
この圧縮機の動作において、コンロッド５４が偏心軸２６の偏心運動をピストン３４に伝達する際、ピストンピン５２とコンロッド５４の小端孔６２の摺動部が摺動する。
【特許文献１】特開２００１−３４２９５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
しかしながら、上記従来の構成では圧縮機運転の際、小端孔６２とピストンピン５２の摺動部は摺動距離が短く、摺動速度が極端に遅い往復運動であるため油膜が形成されにくく、さらに、冷媒の圧力差による荷重やピストン３４の往復運動に伴う慣性力による荷重が作用するため、厳しい摺動条件となる。特に、ＣＯ２をはじめとする高圧冷媒においては、冷媒の圧力差が大きいので、摺動部に作用する荷重が増加し、異常磨耗が発生しやすいという課題があった。
【００２２】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、ピストンピンとコンロッドの磨耗を防止し、信頼性の高い圧縮機を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
上記従来の課題を解決するために、本発明の圧縮機は、圧縮室を形成するシリンダと、シリンダ内に嵌装され中空部とピン孔を設けたピストンと、中空部を貫通してピン孔に固定されたピストンピンと、主軸および偏心軸を有するクランクシャフトと、ピストンピンが嵌入される小端孔と偏心軸に嵌装される大端孔をそれぞれ小端部及び大端部に設けたコンロッドを備え、ピストンの圧縮方向の投影面積をＡ，ピストンピンと小端孔との摺動部の圧縮方向の投影面積をＢとしたとき、Ｂ／Ａが０．３より大きくしたもので、ピストンピンとコンロッドの摺動部の面積を大きくすることで摺動部の面圧を低減して、磨耗などの発生を防止するという作用を有する。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の圧縮機は、摺動部の面圧を低減することで磨耗を防止し、信頼性を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
請求項１に記載の発明は、圧縮室を形成するシリンダと、前記シリンダ内に嵌装され中空部とピン孔を設けたピストンと、前記中空部を貫通して前記ピン孔に固定されたピストンピンと、主軸および偏心軸を有するクランクシャフトと、前記ピストンピンが嵌入される小端孔と前記偏心軸に嵌装される大端孔をそれぞれ小端部及び大端部に設けたコンロッドを備え、前記ピストンの圧縮方向の投影面積をＡ，前記ピストンピンと前記小端孔との摺動部の圧縮方向の投影面積をＢとしたとき、Ｂ／Ａが０．３より大きくしたもので、摩耗限界値以下に摺動部の面圧を低減できるため、ピストンピンとコンロッドの磨耗を防止し、信頼性を向上することができる。
【００２６】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、ピストンピンがピストンに溶接されるもので、ピストンピンとピストンの接触面積が小さくても確実に固定でき、信頼性を向上することができる。
【００２７】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、ピストンピンがピストンにレーザ溶接によって溶接されるもので、レーザ溶接を用いることで周囲の摺動部の熱変形を防止し、磨耗などの発生を防止するので信頼性を向上することができる。
【００２８】
請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれか一項に記載の発明において、ピストンピンの少なくとも一方の端面側が溶接されたもので、溶接が容易となり、生産性が向上することができる。
【００２９】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、ピストン軸線方向が溶接されたもので、溶接による変形部がピストン外周の摺動面に突出することが無く、突出部が起点の磨耗の発生を防止できるので、信頼性が向上する。
【００３０】
請求項６に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、ピストン外周面のピン孔の近傍が平面で構成されたもので、溶接による変形部がピストン外周の摺動面に突出することが無く、多点で溶接を行い、ピストンピンの固定がさらに確実になり、信頼性が向上することができる。
【００３１】
請求項７に記載の発明は、請求項１から６のいずれか一項に記載の発明において、冷媒に二酸化炭素を用いたもので、気筒容積が小さく、圧力が高くとも、信頼性を向上することができる。
【００３２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によってこの発明が限定されるものではない。
【００３３】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における圧縮機の縦断面図である。図２はピストンの縦断面図、図３は図２のＡ−Ａ線における断面図、図４は図２のＢ部拡大図、図５はピストンの上面図である。図６は小端孔摺動部の面圧を示す特性図であり、図７はピストンピン直径と面積比を変更した場合の構成可否を示す特性図である。
【００３４】
図１から図５において、密閉容器１０１内底部にオイル１０２を貯留するとともに、電動要素１１０と、これによって駆動される圧縮要素１２０とからなる圧縮機本体１０４を収容し、温暖化係数の低い二酸化炭素（ＣＯ２）冷媒を充填している。
【００３５】
オイル１０２は、ＰＡＧ（ポリアルキレングリコール）であり、粘度グレードは３２から６８の範囲で選択している。
【００３６】
圧縮機本体１０４は、サスペンションスプリング１０６により密閉容器１０１内で内部懸架されている。また密閉容器１０１には電動要素１１０に電源を供給するための電源端子１０８が取り付けられている。
【００３７】
まず、電動要素１１０について説明する。
【００３８】
電動要素１１０は、鉄心に巻線を巻回して形成される固定子１１２と、固定子１１２の内径側に配置される回転子１１４とを備え、固定子１１２の巻線が電源端子１０８を経由して圧縮機外の電源（図示せず）と導線により接続されている。
【００３９】
次に圧縮要素１２０について説明する。
【００４０】
圧縮要素１２０は電動要素１１０の下方に配設されている。
【００４１】
圧縮要素１２０を構成するクランクシャフト１２２は、主軸１２４及び偏心軸１２６を備えるとともに、主軸１２４表面に設けたらせん状の溝などからなる給油機構１３２を備えている。給油機構１３２は、オイル１０２に浸漬される偏心軸１２６の下端に設けた導入管１３２ａから主軸１２４のらせん状の溝の上端１３２ｂまで連通している。
【００４２】
ブロック１２８には主軸１２４を回転自在に軸支する軸受部１３０が取り付けられるとともに、円筒状の穴部であるシリンダ１４０を備える。
【００４３】
ピストン１３４は、シリンダ１４０に往復自在に挿入され、シリンダ１４０の端面に配設されるバルブプレート１４２とともに圧縮室１４４を形成する。さらに、ボルト１４６により、バルブプレート１４２を蓋するようにシリンダヘッド１４８が固定されている。吸入マフラ１５０は、ＰＢＴなどの樹脂で成型され、内部に消音空間を形成し、シリンダヘッド１４８に取り付けられている。
【００４４】
また、ピストン１３４は、背面に中空部１３７と、中空部１３７の上下にボス部１３５を有している。また、両ボス部１３５には軸心を共有するピン孔１３６が穿孔されている。
【００４５】
コンロッド１５４は、大端孔１６０を備えた大端部１５６と、小端孔１６２を備えた小端部１５８を有する。小端部１５８はピストン１３４の中空部１３７に収納され、ピストンピン１５２がピン孔１３６に嵌入されるともに、ピストンピン１５２は中空部１３７内で小端孔１６２に嵌入されている。
【００４６】
さらに、大端孔１６０は偏心軸１２６に嵌挿されることで、コンロッド１５４は偏心軸１２６とピストンピン１５２とを連結する。
【００４７】
次に、ピストン１３４などの材料について説明する。
【００４８】
ピストン１３４は機械構造用炭素鋼材あるいは焼結材などの鉄系の材料で形成され、焼き付き防止のため、燐酸マンガン系の表面処理が施されている。
【００４９】
ピストンピン１５２には、従来用いられてきた機械構造用合金鋼の浸炭焼入れ品より、さらに高い耐磨耗性とじん性が得ることができるよう、高炭素のＳＵＪ２（高炭素クロム軸受鋼）を用いるとともに、表面の硬度が向上する窒化処理を行い、表面が平滑に仕上げられている。
【００５０】
コンロッド１５４は小端部１５８の肉薄部においても強度が確保できるよう、従来のアルミダイカスト合金よりも強度が高い、機械構造用炭素鋼材などの材料で形成されている。また、摺動面の磨耗を防止するため、表面の硬度が向上する窒化処理を行っている。
【００５１】
次に、ピストン１３４などの寸法について説明する。
【００５２】
ピストン１３４の直径Ｄは１４ｍｍ、ピストンピン１５２の直径ｄは６ｍｍ、コンロッド１５４の小端孔１６２の高さｈは８．３ｍｍである。従って、ピストン１３４の圧縮方向の投影面積Ａ（＝πＤ２／４）は１５３．９ｍｍ２であり、ピストンピン１５２と小端孔１６２の摺動部（以下、小端孔摺動部）のピストン１３４の圧縮方向の投影面積Ｂ（＝ｄｈ）は４９．８ｍｍ２であるので、面積比Ｂ／Ａは０．３２である。
【００５３】
また、ピストンピン１５２とピン孔１３６の嵌合幅Ｗは１．８ｍｍである。
【００５４】
ピストンピン１５２とピストン１３４は、ピストンピン１５２の端面とピストン１３４が接する位置で溶接により接合され、接合部１６８が形成されている。溶接の方法としては、レーザ溶接を用いている。レーザ溶接は、レーザ光を熱源として主として金属に集光した状態で照射し、金属を局部的に溶融・凝固させる事により接合するもので、レーザの発振器にはＹＡＧレーザを用いている。
【００５５】
溶接の位置はピストンピン１５２の端面で、ピストン１３４の軸方向の点であり、ピストンピン１５２の片面のみの溶接としている。また、レーザはピストンピン１５２の軸心に対して約４５度傾斜して照射されている。
【００５６】
以上のように構成された圧縮機について、以下その動作、作用を説明する。
【００５７】
電源端子１０８より電動要素１１０に通電されると、固定子１１２に発生する磁界により回転子１１４はクランクシャフト１２２とともに回転する。主軸１２４の回転に伴い、偏心軸１２６は偏心回転し、この偏心運動はコンロッド１５４を介して往復運動に変換され、ピストン１３４をシリンダ１４０内で往復運動させる。
【００５８】
このピストン１３４の往復動作により、密閉容器１０１内の冷媒ガスは吸入マフラ１５０を介して圧縮室１４４内に間欠的に吸入され、圧縮された後、高温高圧の冷媒ガスは吐出配管（図示せず）などを経由して密閉容器１０１外の既知の冷凍サイクル（図示せず）へ送られる。冷凍サイクルは、吸入圧力が通常２から３ＭＰａ（蒸発温度で−２０から−６℃）、吐出圧力が臨界点を上回る８から１０ＭＰａで運転される。
【００５９】
このような圧縮機の運転において、小端孔１６２とピストンピン１５２の摺動部（以下、小端孔摺動部）は摺動距離が短く、摺動速度が極端に遅い上に往復運動であるため油圧が発生しにくく、油膜が形成されにくい。また、小端孔摺動部には冷媒の圧力差による荷重とピストン１３４の往復運動に伴う慣性力による荷重が作用するが、特に、ＣＯ２のように運転時の圧力差が極めて大きい冷媒の場合、摺動部に作用する荷重が過大となることで油膜がさらに薄くなり、極めて厳しい摺動条件となると推察されていた。
【００６０】
ここで、冷媒の種類による小端孔摺動部の面圧の比較を図６に示す。
【００６１】
図６において、横軸はピストンと小端孔摺動部の面積比Ｂ／Ａであり、縦軸は小端孔摺動部の面圧である。また、Ｒ４０７Ｃ冷媒における小端孔摺動部の面圧を細線、ＣＯ２冷媒における小端孔摺動部の面圧を太線で示している。
【００６２】
従来の冷媒で比較的高い圧力差（約２ＭＰａ）で運転されるＲ４０７Ｃでは、ピストンと小端孔摺動部の面積比Ｂ／Ａが０．１９であるとき、小端孔摺動部の面圧は約１０Ｎ／ｍｍ２となる。
【００６３】
これに対して、圧力差が従来冷媒の約４倍となるＣＯ２を用いた場合、面圧も４倍となってしまうため、従来と同程度の面圧を得る設計はピストンピン・コンロッドの構成では不可能である。
【００６４】
ところが発明者らが実験を行ったところ、ＣＯ２冷媒を用いた場合、小端部摺動部の面圧を３０Ｎ／ｍｍ２まで落すことによって、耐久性が確保できることが判明した。このように他の冷媒より遥かに高い面圧３０Ｎ／ｍｍ２で耐久性が確保できる理由は、材料の改質に加え、ＣＯ２冷媒における高低圧間の圧力差が極めて大きいため、ピストンピン１５２とコンロッド１５４間のクリアランスにおいて強いスクイジングの力が生じ、そのために小端孔摺動部においてオイル１０２の流れが発生することで高い油圧が生じたことによるものと推察する。
【００６５】
小端部摺動部の面圧が３０Ｎ／ｍｍ２以下となるためには、ＣＯ２冷媒における高負荷運転時の時の高圧と低圧の圧力差は約９ＭＰａであるので、図６に示すように面積比Ｂ／Ａは０．３以上とする必要がある。なお、本実施の形態の場合、面積比Ｂ／Ａは０．３２であるので、小端部摺動部の面圧は２８Ｎ／ｍｍ２となる。
【００６６】
一方、本実施の形態では、ピストンピン１５２とピン孔１３６の嵌合幅Ｗは片側で１．８ｍｍである。図６に示すように面積比Ｂ／Ａが大きいほど小端部摺動部の面圧は低くなるが、この場合、同時に嵌合幅Ｗは小さくなる。嵌合幅Ｗには、ピストン１３４に作用する圧力による荷重などが作用するため、嵌合幅Ｗが過小となると嵌合幅Ｗの面圧が上昇し、ピストン１３４およびピストンピン１５２の材料強度での許容を越えてくる。従って、面積比Ｂ／Ａには実施可能な上限が存在する。
【００６７】
そしてピストン１３４とピストンピン１５２の嵌合部には、ピストンピン１５２をピストン１３４に挿入する際のかじりを防止のための面取りも必要であり、嵌合幅Ｗは実際にはさらに小さくなる。
【００６８】
さらにピストン１３４やコンロッド１５４を加工する上で最小限必要な肉厚や、ピストン１３４とコンロッド１５４間の隙間など、この他の設計上の制約条件を考慮すると、実施可能な上限は図７に示すように面積比Ｂ／Ａが０．３４くらいになる。
【００６９】
図７は、ピストン直径を１４ｍｍとし、面積比Ｂ／Ａおよびピストンピン直径を変更した場合の構成可能な範囲を丸印で示したもので、面積比Ｂ／Ａが０．３０から０．３４の極めて狭い範囲でのみ、ピストンピン・コンロッドの構成が成立しうることがわかる。
【００７０】
なお、ＣＯ２以外の冷媒の場合、ＣＯ２に比べ運転時の圧力が低いので、小端孔摺動部の面圧は低くなる。従って、ＣＯ２で使用可能な仕様であれば他の冷媒でも十分な耐久性が得られることは言うまでもない。
【００７１】
ところで、従来技術の構成部品であるスプリングピンは、ボス部に設けた背面穴およびピストンピンの穴に嵌入されることで、ピストンとピストンピンを互いに固定する役割を果たすものであるが、一般的なスプリングピンの直径は１ｍｍを越えることを考慮すると、本実施の形態のように嵌合幅Ｗが１．８ｍｍといった小さい幅では周辺の肉厚が確保できないため、スプリングピンを挿入する穴を穿孔することができない。
【００７２】
このように、面積比Ｂ／Ａが０．３を越えるような構成では、従来のようなスプリングピンを使用することはできないが、本実施の形態では、ピストンピン１５２とピストン１３４を溶接により固定することで、嵌合幅Ｗが小さくてもピストン１３４にピストンピン１５２を固定することができる。
【００７３】
さらに、ピストンピン１５２とピストン１３４の溶接の方法としてレーザ溶接が用いられている。レーザ溶接による効果として以下の３点が挙げられる。
【００７４】
まず１点目は、表面状態に関わらず溶接が可能であることである。
【００７５】
ピストン１３４は、摺動時の相手材との金属接触が起点となって発生する磨耗を防止するために、燐酸マンガン系の表面処理が施されている。このような部材を溶接すると、表面に形成された化合物層などが原因で溶接部に欠陥が生じることが多く、溶接を行うことはほとんどなかった。
【００７６】
ところが、本発明ではレーザ溶接を用い、局所的に高いエネルギーを短時間に投入することで、溶解部分の温度が非常に高くなり、ピストン１３４のような表面処理を施した部品においても、良好な接合が可能であることがわかった。
【００７７】
しかも、レーザ溶接を用いることで、接合部１６８の表面での面積が小さくとも深くまで溶解接合が可能となるので、表面処理を施したような材料でも高い接合強度が得ることができる。
【００７８】
次に２点目は、摺動部の変形等を防止できる点である。
【００７９】
ピストン１３４とピストンピン１５２を接合する際に、金属が溶解して形成される接合部１６８はピストン１３４外周の摺動面のごく近傍に配置されることになる。ところが、レーザ溶接では局所的に高いエネルギーを短時間に投入することで、接合部１６８の周囲の温度上昇を防止できるので、ピストン１３４やピストンピン１５２の熱変形が防止できる。
【００８０】
また、金属が溶融凝固した部分である接合部１６８自体が小さく、溶接時に溶解した接合部１６８が冷却凝固する際の収縮も小さくできることから、接合部１６８の周囲のピストン１３４やピストンピン１５２の変形が防止できる。
【００８１】
しかも、抵抗溶接などの方法と比べると、溶接時の加圧が不要であるため、加圧力によるひずみも生じることはない。
【００８２】
３点目は、接合部１６８自体が小さいので、接合部１６８がシリンダ１４０内面の摺動部と干渉することがなく、摩擦や磨耗を防止できることである。
【００８３】
以上のようにレーザ溶接を用いることで、周囲の摺動部材との干渉や、摺動部材の変形を防止し、摩擦や磨耗の発生を防止しながら溶接が可能であるので、信頼性を向上することができる。
【００８４】
なお、レーザ発振器は金属に対する光エネルギーの吸収性がＣＯ２レーザより優れるＹＡＧレーザを用いると、より少ないエネルギーで溶接でき、また、レーザ発振機から出射部まで、光ファイバーでエネルギー伝送が出来るので、自動機との組み合わせが容易である点で優れている。
【００８５】
さらに、溶接による接合部１６８は、ピストンピン１５２の一方の端面で溶接されており、接合部１６８が小さく溶接位置の正確な検出が必要なレーザ溶接においても、検出位置が限定されることで位置検出が容易となり、生産性が向上することができる。
【００８６】
また、ピストンピン１５２は、ピストン１３４の軸線方向の接合部１６８で溶接されているが、ピストンピン１５２の端面が平坦であるので、この位置がピストン１３４外周面と最も離れた位置となり、この位置で溶接することにより、溶接による変形部がピストン１３４外周の摺動面に突出することを確実に防止できるため、磨耗やロックの発生を防止することができる。
【００８７】
以上のように、本発明の圧縮機は、ピストンピン１５２とピストン１３４を溶接により固定し、ピストンピン１５２とコンロッド１５４の小端孔１６２の摺動面の面圧を低減することで、磨耗を防止できるので、圧縮機の信頼性が向上できる。
【００８８】
なお、ピストンの振幅と直径の比であるボア・ストローク比（Ｓ／Ｄ）は効率重視の観点から、０．６から０．８といった比較的ピストン径が小さく、漏れや摺動損失が低減できる仕様が選択される場合が多い。しかし、本実施の形態においてはＣＯ２冷媒のように圧力が高く、気筒容積の小さい圧縮機においては、ボア・ストローク比が０．４から０．６の比較的ピストンの振幅が短い仕様の方が、ピストン１３４の投影面積（Ａ）に対する小端孔１６２摺動部面積（Ｂ）の比率Ｂ／Ａを大きくでき、小端孔１６２の摺動部の面圧を低くできるため、さらに信頼性を向上できてよい。
【００８９】
なお、本実施の形態では、溶接の方法としてレーザ溶接を用いたが、他の方法として抵抗溶接やロー付けなどの溶接、また接着剤を用いた接着によってもピストン１３４とピストンピン１５２の接合が可能である。さらに、ピストンピン１５２をピストン１３４のピン孔１３６に圧入してもよい。
【００９０】
（実施の形態２）
図８は本発明の実施の形態２における圧縮機の縦断面図である。図９はピストンの縦断面図、図１０は図９のＣ−Ｃ線における断面図、図１１は図９のＤ部拡大図、図１２はピストンの斜視図である。図１３は小端孔摺動部の面圧を示す特性図であり、図１４はピストンピン直径と面積比を変更した場合の構成可否を示す特性図である。
【００９１】
図８から図１２において、密閉容器２０１内底部にオイル２０２を貯留するとともに、電動要素２１０と、これによって駆動される圧縮要素２２０とからなる圧縮機本体２０４を収容し、温暖化係数の低い二酸化炭素（ＣＯ２）冷媒を充填している。
【００９２】
オイル２０２は、ＰＡＧ（ポリアルキレングリコール）であり、粘度グレードは３２から６８の範囲で選択している。
【００９３】
圧縮機本体２０４は、サスペンションスプリング２０６により密閉容器２０１内で内部懸架されている。また密閉容器２０１には電動要素２１０に電源を供給するための電源端子２０８が取り付けられている。
【００９４】
まず、電動要素２１０について説明する。
【００９５】
電動要素２１０は、鉄心に巻線を巻回して形成される固定子２１２と、固定子２１２の内径側に配置される回転子２１４とを備え、固定子２１２の巻線が電源端子２０８を経由して圧縮機外の電源（図示せず）と導線により接続されている。
【００９６】
次に圧縮要素２２０について説明する。
【００９７】
圧縮要素２２０は電動要素２１０の下方に配設されている。
【００９８】
圧縮要素２２０を構成するクランクシャフト２２２は、主軸２２４及び偏心軸２２６を備えるとともに、主軸２２４表面に設けたらせん状の溝などからなる給油機構２３２を備えている。給油機構２３２は、オイル２０２に浸漬される偏心軸２２６の下端に設けた導入管２３２ａから主軸２２４のらせん状の溝の上端２３２ｂまで連通している。
【００９９】
ブロック２２８には主軸２２４を回転自在に軸支する軸受部２３０が取り付けられるとともに、円筒状の穴部であるシリンダ２４０を備える。
【０１００】
ピストン２３４は、シリンダ２４０に往復自在に挿入され、シリンダ２４０の端面に配設されるバルブプレート２４２とともに圧縮室２４４を形成する。さらに、ボルト２４６により、バルブプレート２４２を蓋するようにシリンダヘッド２４８が固定されている。吸入マフラ２５０は、ＰＢＴなどの樹脂で成型され、内部に消音空間を形成し、シリンダヘッド２４８に取り付けられている。
【０１０１】
また、ピストン２３４は、背面に中空部２３７と、中空部２３７の上下にボス部２３５を有している。また、両ボス部２３５には軸心を共有するピン孔２３６が穿孔されている。
【０１０２】
コンロッド２５４は、大端孔２６０を備えた大端部２５６と、小端孔２６２を備えた小端部２５８を有する。小端部２５８はピストン２３４の中空部２３７に収納され、ピストンピン２５２がピン孔２３６に嵌入されるともに、ピストンピン２５２は中空部２３７内で小端孔２６２に嵌入されている。
【０１０３】
さらに、大端孔２６０は偏心軸２２６に嵌挿されることで、コンロッド２５４は偏心軸２２６とピストンピン２５２とを連結する。
【０１０４】
次に、ピストン２３４などの材料について説明する。
【０１０５】
ピストン２３４は機械構造用炭素鋼材あるいは焼結材などの鉄系の材料で形成され、焼き付き防止のため、燐酸マンガン系の表面処理が施されている。
【０１０６】
ピストンピン２５２には、従来用いられてきた機械構造用合金鋼の浸炭焼入れ品より、さらに高い耐磨耗性とじん性が得ることができるよう、高炭素のＳＵＪ２（高炭素クロム軸受鋼）を用いるとともに、表面の硬度が向上する窒化処理を行い、表面が平滑に仕上げられている。
【０１０７】
コンロッド２５４は小端部２５８の肉薄部においても強度が確保できるよう、従来のアルミダイカスト合金よりも強度が高い、機械構造用炭素鋼材などの材料で形成されている。また、摺動面の磨耗を防止するため、表面の硬度が向上する窒化処理を行っている。
【０１０８】
次に、ピストン２３４などの寸法について説明する。
【０１０９】
ピストン２３４の直径Ｄは１４ｍｍ、ピストンピン２５２の直径ｄは６ｍｍ、コンロッド２５４の小端孔２６２の高さｈは８．３ｍｍである。従って、ピストン２３４の圧縮方向の投影面積Ａ（＝πＤ２／４）は１５３．９ｍｍ２であり、ピストンピン２５２と小端孔２６２の摺動部（以下、小端孔摺動部）のピストン２３４の圧縮方向の投影面積Ｂ（＝ｄｈ）は４９．８ｍｍ２であるので、面積比Ｂ／Ａは０．３２である。
【０１１０】
また、ピストンピン２５２とピン孔２３６の嵌合幅Ｗは１．８ｍｍである。
【０１１１】
ピストン２３４外周面のピン孔２３６の近傍が平面２３８で構成されており、ピストンピン２５２の両端面とほぼ同一の面となっている。そして、ピストンピン２５２とピストン２３４は、ピストンピン２５２の端面とピストン２３４の平面２３８が溶接により接合され、接合部２６８が形成されている。
【０１１２】
溶接の方法としては、レーザ光を熱源として主として金属に集光した状態で照射し、金属を局部的に溶融・凝固させる事により接合するレーザ溶接を用いており、レーザの発振器にはＹＡＧレーザを用いている。
【０１１３】
ピストンピン２５２とピストン２３４は複数の接合部２６８で接合されている。また、レーザはピストンピン２５２の軸心に対してほぼ平行に照射されている。
【０１１４】
接合部２６８の断面はほぼ三角形であり、この接合部２６８の深さは接合部２６８の表面における直径の半分程度である。
【０１１５】
以上のように構成された圧縮機について、以下その動作、作用を説明する。
【０１１６】
電源端子２０８より電動要素２１０に通電されると、固定子２１２に発生する磁界により回転子２１４はクランクシャフト２２２とともに回転する。主軸２２４の回転に伴い、偏心軸２２６は偏心回転し、この偏心運動はコンロッド２５４を介して往復運動に変換され、ピストン２３４をシリンダ２４０内で往復運動させる。
【０１１７】
このピストン２３４の往復動作により、密閉容器２０１内の冷媒ガスは吸入マフラ２５０を介して圧縮室２４４内に間欠的に吸入され、圧縮された後、高温高圧の冷媒ガスは吐出配管（図示せず）などを経由して密閉容器２０１外の既知の冷凍サイクル（図示せず）へ送られる。冷凍サイクルは、吸入圧力が通常２から３ＭＰａ（蒸発温度で−２０から−６℃）、吐出圧力が臨界点を上回る８から１０ＭＰａで運転される。
【０１１８】
このような圧縮機の運転において、小端孔２６２とピストンピン２５２の摺動部（以下、小端孔摺動部）は摺動距離が短く、摺動速度が極端に遅い上に往復運動であるため油圧が発生しにくく、油膜が形成されにくい。また、小端孔摺動部には冷媒の圧力差による荷重とピストン２３４の往復運動に伴う慣性力による荷重が作用するが、特に、ＣＯ２のように運転時の圧力差が極めて大きい冷媒の場合、摺動部に作用する荷重が過大となることで油膜がさらに薄くなり、極めて厳しい摺動条件となると推察されていた。
【０１１９】
ここで、冷媒の種類による小端孔摺動部の面圧の比較を図１３に示す。
【０１２０】
図１３において、横軸はピストンと小端孔摺動部の面積比Ｂ／Ａであり、縦軸は小端孔摺動部の面圧である。また、Ｒ４０７Ｃ冷媒における小端孔摺動部の面圧を細線、ＣＯ２冷媒における小端孔摺動部の面圧を太線で示している。
【０１２１】
従来の冷媒で比較的高い圧力差（約２ＭＰａ）で運転されるＲ４０７Ｃでは、ピストンと小端孔摺動部の面積比Ｂ／Ａが０．１９であるとき、小端孔摺動部の面圧は約１０Ｎ／ｍｍ２となる。
【０１２２】
これに対して、圧力差が従来冷媒の約４倍となるＣＯ２を用いた場合、面圧も４倍となってしまうため、従来と同程度の面圧を得る設計はピストンピン・コンロッドの構成では不可能である。
【０１２３】
ところが発明者らが実験を行ったところ、ＣＯ２冷媒を用いた場合、小端部摺動部の面圧を３０Ｎ／ｍｍ２まで落すことによって、耐久性が確保できることが判明した。このように他の冷媒より遥かに高い面圧３０Ｎ／ｍｍ２で耐久性が確保できる理由は、材料の改質に加え、ＣＯ２冷媒における高低圧間の圧力差が極めて大きいため、ピストンピン２５２とコンロッド２５４間のクリアランスにおいて強いスクイジングの力が生じ、そのために小端孔摺動部においてオイル２０２の流れが発生することで高い油圧が生じたことによるものと推察する。
【０１２４】
小端部摺動部の面圧が３０Ｎ／ｍｍ２以下となるためには、ＣＯ２冷媒における高負荷運転時の時の高圧と低圧の圧力差は約９ＭＰａであるので、図１３に示すように面積比Ｂ／Ａは０．３以上とする必要がある。なお、本実施の形態の場合、面積比Ｂ／Ａは０．３２であるので、小端部摺動部の面圧は２８Ｎ／ｍｍ２となる。
【０１２５】
一方、本実施の形態では、ピストンピン２５２とピン孔２３６の嵌合幅Ｗは片側で１．８ｍｍである。図１３に示すように面積比Ｂ／Ａが大きいほど小端部摺動部の面圧は低くなるが、この場合、同時に嵌合幅Ｗは小さくなる。嵌合幅Ｗには、ピストン２３４に作用する圧力による荷重などが作用するため、嵌合幅Ｗが過小となると嵌合幅Ｗの面圧が上昇し、ピストン２３４およびピストンピン２５２の材料強度での許容を越えてくる。従って、面積比Ｂ／Ａには実施可能な上限が存在する。
【０１２６】
そしてピストン２３４とピストンピン２５２の嵌合部には、ピストンピン２５２をピストン２３４に挿入する際のかじりを防止のための面取りも必要であり、嵌合幅Ｗは実際にはさらに小さくなる。
【０１２７】
さらにピストン２３４やコンロッド２５４を加工する上で最小限必要な肉厚や、ピストン２３４とコンロッド２５４間の隙間など、この他の設計上の制約条件を考慮すると、実施可能な上限は図１４に示すように面積比Ｂ／Ａが０．３４くらいになる。
【０１２８】
図１４は、ピストン直径を１４ｍｍとし、面積比Ｂ／Ａおよびピストンピン直径を変更した場合の構成可能な範囲を丸印で示したもので、面積比Ｂ／Ａが０．３０から０．３４の極めて狭い範囲でのみ、ピストンピン・コンロッドの構成が成立しうることがわかる。
【０１２９】
なお、ＣＯ２以外の冷媒の場合、ＣＯ２に比べ運転時の圧力が低いので、小端孔摺動部の面圧は低くなる。従って、ＣＯ２で使用可能な仕様であれば他の冷媒でも十分な耐久性が得られることは言うまでもない。
【０１３０】
ところで、従来技術の構成部品であるスプリングピンは、ボス部に設けた背面穴およびピストンピンの穴に嵌入されることで、ピストンとピストンピンを互いに固定する役割を果たすものであるが、一般的なスプリングピンの直径は１ｍｍを越えることを考慮すると、本実施の形態のように嵌合幅Ｗが１．８ｍｍといった小さい幅では周辺の肉厚が確保できないため、スプリングピンを挿入する穴を穿孔することができない。
【０１３１】
このように、面積比Ｂ／Ａが０．３を越えるような構成では、従来のようなスプリングピンを使用することはできないが、本実施の形態では、ピストンピン２５２とピストン２３４を溶接により固定することで、嵌合幅Ｗが小さくてもピストン２３４にピストンピン２５２を固定することができる。
【０１３２】
さらに、ピストンピン２５２とピストン２３４の溶接の方法としてレーザ溶接が用いられている。レーザ溶接による効果として以下の３点が挙げられる。
【０１３３】
まず１点目は、表面状態に関わらず溶接が可能であることである。
【０１３４】
ピストン２３４は、摺動時の相手材との金属接触が起点となって発生する磨耗を防止するために、燐酸マンガン系の表面処理が施されている。このような部材を溶接すると、表面に形成された化合物層などが原因で溶接部に欠陥が生じることが多く、溶接を行うことはほとんどなかった。
【０１３５】
ところが、本発明ではレーザ溶接を用い、局所的に高いエネルギーを短時間に投入することで、溶解部分の温度が非常に高くなり、ピストン２３４のような表面処理を施した部品においても、良好な接合が可能であることがわかった。
【０１３６】
しかも、レーザ溶接を用いることで、接合部２６８の表面での面積が小さくとも深くまで溶解接合が可能となるので、表面処理を施したような材料でも高い接合強度が得ることができる。
【０１３７】
次に２点目は、摺動部の変形等を防止できる点である。
【０１３８】
ピストン２３４とピストンピン２５２を接合する際に、金属が溶解して形成される接合部２６８はピストン２３４外周の摺動面のごく近傍に配置されることになる。ところが、レーザ溶接では局所的に高いエネルギーを短時間に投入することで、接合部２６８の周囲の温度上昇を防止できるので、ピストン２３４やピストンピン２５２の熱変形が防止できる。
【０１３９】
しかも、抵抗溶接などの方法と比べると、溶接時の加圧が不要であるため、加圧力によるひずみも生じることはない。
【０１４０】
３点目は、接合部２６８自体が小さいので、接合部２６８がシリンダ２４０内面の摺動部と干渉することがなく、摩擦や磨耗を防止できることである。
【０１４１】
以上のようにレーザ溶接を用いることで、周囲の摺動部材との干渉や、摺動部材の変形を防止し、摩擦や磨耗の発生を防止しながら溶接が可能であるので、信頼性を向上することができる。
【０１４２】
なお、レーザ発振器は金属に対する光エネルギーの吸収性がＣＯ２レーザより優れるＹＡＧレーザを用いると、より少ないエネルギーで溶接でき、また、レーザ発振機から出射部まで、光ファイバーでエネルギー伝送が出来るので、自動機との組み合わせが容易である点で優れている。
【０１４３】
ピストンピン２５２とコンロッド２５４の摺動部には、ピストン２３４に作用する圧力などにより大きな荷重が作用するので、ピストンピン２５２とコンロッド２５４の間に作用する摩擦力もこれに比例して大きくなる。この結果、ピストンピン２５２とピストン２３４の接合部２６８の断面に対して剪断力が作用する。
【０１４４】
接合部２６８の剪断強度は接合部２６８の断面積に比例することになるが、ピストン２３４とピストンピン２５２はレーザ溶接により接合されているため、外表面の直径の大きさが小さいにもかかわらず他の溶接方法より接合部２６８が内部にまで形成されるので、接合部２６８は大きな断面を有しており、高い剪断強度を達成している。さらに、多点で溶接されているので、点数に比例してさらに高い溶接強度が得られており、ピストンピン２５２をピストン２３４に確実に固定できる。
【０１４５】
しかも、平面２３８を形成して接合部２６８とシリンダ２４０の間に距離を確保しているので、接合部２６８の面積が大きくなっても、シリンダ２４０とピストン２３４の摺動面に溶接による変形の影響が及ぶことを防止できる。
【０１４６】
さらに、平面２３８を形成しても、圧縮機の圧縮動作の際にコンロッド２５４によってピストン２３４がシリンダ２４０へ押し当てられる際に、ピストン２３４の荷重方向の投影面積はほとんど小さくならないので、面圧はほぼ同等となり、平面２３８を設けても磨耗を防止できる。しかも、シリンダ２４０とピストン２３４の摺動面積は平面２３８の分だけ小さくなり、摺動損失を低減することができ、効率が向上する。
【０１４７】
なお、本実施の形態では、多数の点状の溶接部を形成したが、円弧上に連続した溶接部を形成しても同様の効果が得られることはいうまでもない。
【０１４８】
以上のように、本発明の圧縮機は、ピストンピン２５２とピストン２３４を溶接により固定し、ピストンピン２５２とコンロッド２５４の小端部２５８の摺動面の面圧を低減することで、磨耗を防止できるので、圧縮機の信頼性が向上できる。
【０１４９】
なお、平面２３８はピストン２３４外周面に対して十分な隙間を有していれば、厳密な平面ではなく曲面であっても、摺動損失低減の効果が得られることは言うまでもない。
【０１５０】
また、本実施の形態では、溶接の方法としてレーザ溶接を用いたが、他の方法として抵抗溶接やロー付けなどの溶接、また接着剤を用いた接着によってもピストン２３４とピストンピン２５２の接合が可能である。さらに、ピストンピン２５２をピストン２３４のピン孔２３６に圧入してもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１５１】
以上のように、本発明にかかる圧縮機は、圧縮機の信頼性を向上できるので、家庭用電気冷凍冷蔵庫に限らず、エアーコンディショナー、自動販売機やその他の冷凍装置等に広く適用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１５２】
【図１】本発明の実施の形態１における圧縮機の縦断面図
【図２】同実施の形態におけるピストンの縦断面図
【図３】図２のＡ−Ａ線における断面図
【図４】図２のＢ部拡大図
【図５】同実施の形態におけるピストンの上面図
【図６】同実施の形態における小端孔摺動部の面圧を示す特性図
【図７】同実施の形態におけるピストンピン直径と面積比を変更した場合の構成可否を示す特性図
【図８】本発明の実施の形態２における圧縮機の縦断面図
【図９】同実施の形態におけるピストンの縦断面図
【図１０】図９のＣ−Ｃ線における断面図
【図１１】図９のＤ部拡大図
【図１２】同実施の形態におけるピストンの斜視図
【図１３】同実施の形態における小端孔摺動部の面圧を示す特性図
【図１４】同実施の形態におけるピストンピン直径と面積比を変更した場合の構成可否を示す特性図
【図１５】従来の圧縮機の縦断面図
【図１６】従来のピストンの縦断面図
【図１７】図１６のＥ−Ｅ線における断面図
【符号の説明】
【０１５３】
１２２，２２２  クランクシャフト
１２４，２２４  主軸
１２６，２２６  偏心軸
１３４，２３４  ピストン
１３６，２３６  ピン孔
１３７，２３７  中空部
１４０，２４０  シリンダ
１４４，２４４  圧縮室
１５２，２５２  ピストンピン
１５４，２５４  コンロッド
１５６，２５６  大端部
１５８，２５８  小端部
１６０，２６０  大端孔
１６２，２６２  小端孔
２３８  平面
【図１】
2008190398.tif 000003
【図２】
2008190398.tif 000004
【図３】
2008190398.tif 000005
【図４】
2008190398.tif 000006
【図５】
2008190398.tif 000007
【図６】
2008190398.tif 000008
【図７】
2008190398.tif 000009
【図８】
2008190398.tif 000010
【図９】
2008190398.tif 000011
【図１０】
2008190398.tif 000012
【図１１】
2008190398.tif 000013
【図１２】
2008190398.tif 000014
【図１３】
2008190398.tif 000015
【図１４】
2008190398.tif 000016
【図１５】
2008190398.tif 000017
【図１６】
2008190398.tif 000018
【図１７】
2008190398.tif 000019