(57)【要約】【課題】クランク軸に作用するスラスト荷重を支持するスラスト面の機械摩擦損失を低減し、効率向上と信頼性確保を両立できる密閉形圧縮機及びこれを備えた冷蔵庫を提供することにある。【解決手段】クランク軸８に作用するスラスト荷重を支持する軸受部５ｃを備えた密閉形圧縮機において、軸受部５ｃは、クランク軸８に作用するスラスト荷重を支持する軸受スラスト面５ｃａを有し、軸受スラスト面５ｃａには、クランク軸８の回転により軸受スラスト面５ｃａのすき間を流れる潤滑油４に油膜圧力を発生させる動圧溝１４が形成され、動圧溝１４の数は、クランク軸８中心に対して圧縮室側よりも反圧縮室側に多く配設したことを特徴とする。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
密閉容器と、該密閉容器内に収納された圧縮要素及び電動要素とを備え、前記圧縮要素はクランク軸を介して前記電動要素で駆動され、前記クランク軸の下端部は前記密閉容器に貯留された潤滑油中に浸され、前記クランク軸の下端部に設けたオイルポンプにより前記潤滑油を前記クランク軸及び前記圧縮要素の摺動部に供給し、前記クランク軸に作用するスラスト荷重を支持する軸受部を備えた密閉形圧縮機において、
前記軸受部は、前記クランク軸に作用するスラスト荷重を支持する軸受スラスト面を有し、該軸受スラスト面には、前記クランク軸の回転により該軸受スラスト面のすき間を流れる潤滑油に油膜圧力を発生させる動圧溝が形成され、
該動圧溝の数は、前記クランク軸中心に対して圧縮室側よりも反圧縮室側に多く配設したことを特徴とする密閉形圧縮機。
【請求項２】
請求項１に記載の密閉形圧縮機において、前記動圧溝はスパイラル油溝で構成され、該スパイラル油溝は、前記クランク軸の回転により前記軸受スラスト面の内側から外側に向かって前記潤滑油の流れが発生するように形成されていることを特徴とする密閉形圧縮機。
【請求項３】
請求項１に記載の密閉形圧縮機において、前記動圧溝は前記クランク軸の回転方向に溝深さが徐々に浅くなるテーパ形状に形成されていることを特徴とする密閉形圧縮機。
【請求項４】
請求項１に記載の密閉形圧縮機において、少なくとも商用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回転数制御されることを特徴とする密閉形圧縮機。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項に記載の密閉形圧縮機を、冷媒としてＲ６００ａを用いる冷凍サイクルに搭載したことを特徴とする冷凍空調システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、密閉形圧縮機及びこれを用いた冷蔵庫に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、家庭用冷蔵庫に使用されている小容量の密閉形圧縮機では、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、特に冷蔵庫用の密閉形圧縮機の低速運転時に、一層の効率向上と軸受摺動部の信頼性向上が求められている。ここで、密閉形圧縮機の効率向上を図る上で基本的な損失原因の１つである機械損失の低減が課題となる。この中でもクランク軸に作用するスラスト荷重を支持するスラスト摺動面の機械摩擦損失低減及び信頼性向上を図ることが、例えば特許文献１に記載されている。
【０００３】
特許文献１には、クランクシャフトや電動要素の回転子の重力方向の荷重を支持するスラスト摺動部に、非摺動部となるスラスト非摺動面を偏在させた構成が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−８５１２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載されているような平行平面型のスラストすべり軸受の場合、マクロなくさび形状を持たないことから、流体潤滑による油膜圧力が発生しづらく、油膜厚さが薄いことから摩擦係数が増加し摺動損失も大きくなっていた。
【０００６】
また、摺動面の面積を減少させて摺動損失を低減できるのは、摺動面の潤滑状態が油膜により完全に隔てられた流体潤滑状態の場合であり、油膜が薄くなり摺動部に固体接触の部分が介在する混合潤滑状態になると、摺動面の面積減少により逆に摩擦係数が増加して摺動損失の増加をもたらし、摺動部の摩耗を引き起こすという問題がある。
【０００７】
特に、低速運転時は、スラスト摺動面に油膜が一層形成されにくくなることから、摺動部の摩耗が起こりやすくなり、密閉形圧縮機の信頼性低下の一因となっていた。近年の家庭用冷蔵庫では、インバータ制御による省エネルギ化が図られてきており、冷蔵庫が通常使用される圧縮機の回転速度は、約１５００min-1以下と低速化してきている。
【０００８】
特許文献１に記載の構成では、このような密閉形圧縮機の回転速度が変化した場合についての言及はなく、低速化した場合のスラスト軸受の性能及び信頼性上の問題について特に認識されていない。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、クランク軸に作用するスラスト荷重を支持するスラスト面の機械摩擦損失を低減し、効率向上と信頼性確保を両立できる密閉形圧縮機及びこれを備えた冷蔵庫を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
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、密閉容器と、該密閉容器内に収納された圧縮要素及び電動要素とを備え、前記圧縮要素はクランク軸を介して前記電動要素で駆動され、前記クランク軸の下端部は前記密閉容器に貯留された潤滑油中に浸され、前記クランク軸の下端部に設けたオイルポンプにより前記潤滑油を前記クランク軸及び前記圧縮要素の摺動部に供給し、前記クランク軸に作用するスラスト荷重を支持する軸受部を備えた密閉形圧縮機において、前記軸受部は、前記クランク軸に作用するスラスト荷重を支持する軸受スラスト面を有し、該軸受スラスト面には、前記クランク軸の回転により該軸受スラスト面のすき間を流れる潤滑油に油膜圧力を発生させる動圧溝が形成され、該動圧溝の数は、前記クランク軸中心に対して圧縮室側よりも反圧縮室側に多く配設したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、クランク軸に作用するスラスト荷重を支持するスラスト面の機械摩擦損失を低減し、効率向上と信頼性確保を両立できる密閉形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。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る密閉形圧縮機の縦断面図である。
【図２】図１に示すシリンダブロック付近の要部拡大断面図である。
【図３】図１に示すシリンダブロック平面図である。
【図４】図３に示す軸受スラスト面の拡大平面図である。
【図５】図４のＡ−Ａ矢視断面図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る軸受スラスト面の拡大平面図である。
【図７】本発明の第３の実施形態に係るシリンダブロック平面図である。
【図８】図７の軸受スラスト面の拡大平面図である。
【図９】図８のＢ−Ｂ矢視断面図である。
【図１０】本発明の密閉形圧縮機が搭載された冷蔵庫の実施例を示す断面図である。
【図１１】本発明の動圧溝付スラスト軸受の潤滑特性を示すストライベック線図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本実施形態は以下の内容に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で任意に変更して実施することができる。
【００１４】
まず、図１、図２、図３にて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形圧縮機の縦断面図、図２は図１の要部拡大図、図３は本発明の特徴であるスラスト面の構成を示すシリンダブロックの平面図である。
【００１５】
本実施形態の密閉形圧縮機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、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、いわゆるレシプロ式である。
【００１６】
クランク軸８は、主軸８ａと偏心軸８ｂと両者を一体的に接続するフランジ部８ｃからなり、フランジ部８ｃの下端面が軸スラスト面８ｃａである。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、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。
【００１７】
シリンダブロック５の軸受部５ｃの上端面が、クランク軸８の軸スラスト面８ｃａに当接する軸受スラスト面５ｃａである。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も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。
【００１８】
シリンダ５ａの頂部は、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、吐出弁から吐き出される構造となっている。
【００１９】
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の下部の中繰り孔８ｄに取り付けられたオイルポンプ１８の遠心ポンプ作用で引き上げられ、引き上げられた油は下部連通孔８ｅから主軸８ａ外周に形成されたスパイラル溝８ｆを介して上方に導かれ、主軸８ａの摺動部及びスラスト面に供給され、上部連通孔８ｇを通って偏心軸中繰り孔８ｈに搬送される。
【００２０】
さらに、偏心軸横孔８ｉを通って偏心軸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８ｊ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。主に、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行われる。
【００２１】
シリンダブロック５の上面に飛散・堆積した潤滑油４は、油戻し孔５ｂａを通って下方に落下し密閉容器１内の底部に回収される。
【００２２】
密閉容器１内に接続された吸込パイプ（図示せず）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（図示せず）を通ってシリンダ５ａの圧縮室１２内に入り、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内の吐出室に入り、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（図示せず）を通り、吐出管１９を通って吐出パイプ２０より外部の冷凍サイクルに流出するようになっている。
【００２３】
次に、本実施形態の特徴であるスラスト軸受について説明する。スラスト軸受は、クランク軸８に作用するスラスト荷重を支持する軸受で、スラスト荷重としてはクランク軸８、バランスウエイト９及びロータ２ｂの自重、ステータ２ａとロータ２ｂのマグネットセンタのずれに起因するロータ２ｂの磁気推力からなる。これらの荷重をクランク軸８の軸スラスト面８ｃａと、シリンダブロック５の軸受部５ｃ上端の軸受スラスト面５ｃａとで受け止め支持する。
【００２４】
密閉形圧縮機５０の通常の運転状態では、ピストン７に圧縮負荷が作用してクランク軸８は軸受部５ｃの軸受クリアランスの範囲で僅かに傾斜した状態になり、軸受スラスト面５ｃａで支持するスラスト荷重も偏荷重になり易い。
【００２５】
そこで、本実施形態のスラスト軸受では、軸受スラスト面５ｃａにクランク軸８の回転により軸受すき間を流れる油の動圧により油膜圧力を発生させる動圧溝を設けるとともに、軸受部５ｃの中心を通りシリンダ５ａに直角な平面４０に対して、この動圧溝の数を圧縮室側に比べ反圧縮室側に多く配設することにより、スラスト摺動面の軸受負荷容量を増加させ、圧縮負荷によるクランク軸傾斜時もスラスト面の局部的な片当たりを防止してスラスト損失を低減することができる。
【００２６】
一般に、スラスト軸受の負荷容量を増す手段として、軸の回転により軸受すき間を流れる油の動圧により油膜圧力を発生させる動圧溝を設けた、いわゆる動圧流体軸受が良く知られているが、本実施形態のような密閉形圧縮機のスラスト軸受という寸法仕様や運転環境の制約の中で、動圧軸受の効果を検証した報告は見当たらない。
【００２７】
そこで、本発明者らは実際の圧縮要素を用いて種々のスラスト軸受仕様における機械摩擦トルクを実測し、スラスト軸受の潤滑特性を実験評価した。図１１に、その検討結果であるストライベック線図を模式的に示す。ここで、横軸に軸受性能を決定する無次元量である軸受特性数Ｇをとり、縦軸はスラスト摩擦係数μである。軸受特性数Ｇは以下の数１の式で表され、実験条件である油粘度η、回転速度ｎそれに軸受平均面圧Ｐmから計算される。
【００２８】
【数１】
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【００２９】
これら３つのパラメータを種々変化させた実験結果を整理することにより、図１１に示した従来の平行平面軸受（実線）と本発明の動圧軸受（破線）のストライベック線図を得た。これより、密閉形圧縮機のスラスト軸受として従来一般的に採用されている平行平面軸受に対して、動圧軸受による摩擦係数低減効果を明らかにすることができた。また、実機の性能試験においてもその効果を検証している。
【００３０】
次に、本実施形態の特徴である軸受スラスト面に形成した動圧溝の構造を図４、図５を用いて説明する。図４は図３の軸受スラスト面の拡大平面図、図５は図４のＡ−Ａ断面図である。
【００３１】
本実施形態の密閉形圧縮機では、シリンダブロック５の軸受スラスト面５ｃａにらせん形状の動圧溝１４を圧縮室側に比べ反圧縮室側に密になるように形成している。太線矢印はクランク軸の回転方向を示している。本実施形態のスパイラル油溝の特徴は、密閉形圧縮機における軸受の過熱防止やスラスト摺動面から異物の排出を容易にするため、クランク軸の回転によりスラスト面の内側から外側に向かってスラスト面を貫通する油の流れが存在するように油溝形状を構成していることである。これにより、動圧溝１４のポンピング作用により外向きの油の流れを生じる。
【００３２】
また、本実施形態では動圧溝１４の溝幅は一定にしているが、これは微小径エンドミルによる量産ラインでの機械加工を考慮したもので、それ以外の加工法では溝幅寸法は一定でなくてもかまわない。溝深さ寸法ｈは、動圧溝１４の負荷容量特性と機械加工性の他に油溝数が関係するスラスト面給油量が、軸受スラスト面５ｃａより上部に位置する摺動部の潤滑を阻害しない範囲に寸法規定され、これらの制約条件を満足する寸法仕様で、密閉形圧縮機の動圧スラスト軸受として量産加工を可能にしている。
【００３３】
なお、さらに量産性を考慮した構造としてスラスト部のみリング形状の別部品にしてサイジング加工やコイニング加工等で動圧溝を製作し、軸受部５ｃの上面に装着固定することも可能である。
【００３４】
次に、本発明の第２の実施形態に係る密閉形圧縮機５１について、図６を用いて説明する。本実施形態は、軸受スラスト面に機械加工等で形成した動圧溝（スパイラル油溝）の油流入・流出端の鋭角となった角部の部品脱落を防止したものである。図６は本発明の第２の実施形態に係る密閉形圧縮機の軸受スラスト面拡大平面図である。
【００３５】
本実施形態の密閉形圧縮機では、シリンダブロック５の軸受スラスト面５ｃａに動圧溝１４を形成し（スパイラル油溝の配設位置は前述した第１の実施形態と同じ）、各スパイラル油溝の端部を円弧ｒ１、ｒ２で構成している。これにより動圧溝１４端部の鋭角な角部がなくなることから、油の流体力等による部品脱落が防止され安定した動圧効果を得ることができる。
【００３６】
次に、本発明の第３の実施形態に係る密閉形圧縮機５２について、図７から図９を用いて説明する。図７は本発明の第３の実施形態に係るシリンダブロック平面図、図８は図７の軸受スラスト面の拡大平面図、図９は図８のＢ−Ｂ矢視断面図である。本実施形態では、シリンダブロック５の軸受スラスト面５ｃａに太線矢印で示したクランク軸の回転方向に溝深さが徐々に浅くなるテーパ状の動圧溝１４′を形成し、テーパ油溝のくさび形状の油膜による動圧効果で油膜圧力を発生させるとともに、軸受部５ｃの中心を通りシリンダ５ａに直角な平面４２に対して、動圧溝１４′の数を圧縮室側に比べ反圧縮室側により多く配設することによりスラスト負荷面の軸受負荷容量を充分確保し、実働状態でのスラスト面の局部的な片当たりを防止してスラスト損失を低減することができる。また、本実施形態の場合も動圧溝１４′の溝幅ｗや溝深さ寸法ｈは、油溝の負荷容量特性と機械加工性の他に油溝数が関係するスラスト面給油量が、軸受スラスト面５ｃａより上部に位置する摺動部の潤滑を阻害しない範囲に寸法規定される。
【００３７】
以上詳細に説明した実施形態では、クランク軸のスラスト面が当接するシリンダブロックの軸受スラスト面に、スラスト面の内側から外側に向かって貫通する油の流れが存在する動圧溝を形成し、動圧溝の数を圧縮室側に比べスラスト負荷が大きい反圧縮室側により多く配設することにより、スラスト面の局部的な片当たりを防止した密閉形圧縮機により、スラスト軸受の機械損失低減と信頼性確保を両立することができ、特に冷蔵庫の使用頻度が高い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圧縮機の信頼性も向上した密閉形圧縮機を提供することができる。
【００３８】
次に、本実施形態に係る密閉形圧縮機を用いた冷蔵庫として、図１０に具体例を示す。図１０は、本実施形態に係る密閉形圧縮機が搭載された冷蔵庫を模式的に示す断面図である。図１０に示す本実施形態に係る冷蔵庫６０は、冷媒としてＲ６００ａ（イソブタン）を用いる冷凍サイクルに本実施形態に係る密閉形圧縮機を搭載したものである。
【００３９】
図１０に示すように、本実施形態に係る冷蔵庫６０は、冷蔵庫本体（筐体）６１内に、第１の実施形態に係る密閉形圧縮機５０、冷蔵室６２、上段冷凍室６３、下段冷凍室６４、野菜室６５及び冷却器６６が収納されたものである。そして、密閉形圧縮機５０が駆動されることにより、冷媒ガスとしてＲ６００ａを用いた冷凍サイクル（図示せず）を動作させ、冷蔵庫６０内を冷却することができる。
【００４０】
なお、本実施形態に係る冷蔵庫６０において収納された密閉形圧縮機は、第１の実施形態に係る密閉形圧縮機５０であるが、本実施形態に係る冷蔵庫６０に収納しうる密閉形圧縮機は本実施形態に係る密閉形圧縮機であれば特に制限されないことは言うまでもない。また、本発明の密閉形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。
【００４１】
以上説明した実施形態によれば、クランク軸に作用するスラスト荷重を支持する軸受スラスト面に、前記クランク軸の回転によりスラスト面のすき間を流れる油に油膜圧力を発生させる動圧溝を設けるとともに、クランク軸中心に対してこの動圧溝の数を圧縮室側に比べ反圧縮室側に多く配設することにより、クランク軸に圧縮負荷が加わる実運転状態で反圧縮室側の軸受負荷容量を増加させることにより、軸傾斜に依る軸受スラスト面の局部的な片当たりを防止し、スラスト摺動部の機械摩擦損失を低減して効率向上を図ることができるとともに、信頼性も向上できる密閉形圧縮機及びこれを用いた冷蔵庫を提供することができる効果がある。
【符号の説明】
【００４２】
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
５ｂａ  油戻し孔
５ｃ  軸受部
５ｃａ  軸受スラスト面
６  コンロッド
７  ピストン
８  クランク軸
８ａ  主軸
８ｂ  偏心軸
８ｃ  フランジ部
８ｃａ  軸スラスト面
８ｄ  中繰り孔
８ｅ  下部連通孔
８ｆ  スパイラル溝
８ｇ  上部連通孔
８ｈ  偏心軸中繰り孔
８ｉ  偏心軸横孔
８ｊ  潤滑油放射孔
９  バランスウエイト
１０  シリンダヘッド
１１  ヘッドカバー
１２  圧縮室
１４  動圧溝（スパイラル形状）
１４′  動圧溝（テーパ形状）
１８  オイルポンプ
１９  吐出管
２０  吐出パイプ
３０  給油孔
５０、５１、５２  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
【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】
2013170556.tif 000012
【図１０】
2013170556.tif 000013
【図１１】
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