密閉型電動圧縮機およびこれを用いた冷凍装置
【課題】Ｒ６００ａを主体とする冷媒を用い、高効率でかつ振動が小さく、騒音の低い密閉型電動圧縮機を提供する。
【解決手段】Ｒ６００ａを主体とする炭化水素冷媒を主成分とする冷媒を用い、商用電源周波数未満の回転数を含む複数の運転周波数で駆動されるインバーター駆動式のレシプロ型密閉型電動圧縮機であって、ピストン１３０の外径対往復動の比は１対１から１．５対１の範囲内であり、圧縮要素１０６が電動要素１０５の略上方に構築され、かつ圧縮要素１０６が固定子１０３を介し、固定子１０３の下方で密閉容器１０１から弾性支持されたことで圧縮時の振動が小さくおさえられ、また圧縮室１２２とピストン１３０の間の漏れが小さく抑えられるので、高効率でかつ振動が小さく、騒音の低い密閉型電動圧縮機を実現できる。
【解決手段】Ｒ６００ａを主体とする炭化水素冷媒を主成分とする冷媒を用い、商用電源周波数未満の回転数を含む複数の運転周波数で駆動されるインバーター駆動式のレシプロ型密閉型電動圧縮機であって、ピストン１３０の外径対往復動の比は１対１から１．５対１の範囲内であり、圧縮要素１０６が電動要素１０５の略上方に構築され、かつ圧縮要素１０６が固定子１０３を介し、固定子１０３の下方で密閉容器１０１から弾性支持されたことで圧縮時の振動が小さくおさえられ、また圧縮室１２２とピストン１３０の間の漏れが小さく抑えられるので、高効率でかつ振動が小さく、騒音の低い密閉型電動圧縮機を実現できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電気冷蔵庫やエアーコンディショナー、あるいは自動販売機等に使用される密閉型圧縮機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球環境に対する要求はますます高まってきており、省エネ、温室効果の高いガスの規制等の動きが加速されている。
【０００３】
以下、図面を参照しながら上記従来技術の密閉型電動圧縮機について説明する。なお以下の説明において、上下の関係は、密閉型電動圧縮機を正規の姿勢に設置した状態を基準とする。
【０００４】
図４は特許文献１に記載された従来技術の密閉型電動圧縮機の断面図で、１は密閉容器で冷凍機油２を貯溜する。５は電動要素で固定子３、および永久磁石を内臓する回転子４からなる。６は圧縮要素で電動要素５の下方に構築され、電動要素５によって駆動され、ともに密閉容器１に収容される。
【０００５】
また、この密閉型電動圧縮機はオゾン破壊係数がゼロであるＨＦＣ系の代表的な冷媒であるＲ１３４ａを圧縮するよう、設計されている。
【０００６】
次に圧縮要素６の詳細を以下に説明する。
【０００７】
１０はクランクシャフトで、回転子４を圧入固定した主軸部１１および主軸部１１に対し偏心して形成された偏心部１２を有する。２０はシリンダーブロックで、略円筒形の圧縮室２２を有するとともに主軸部１１を軸支する軸受け部２３を有し、電動要素の下方に形成されている。３０はピストンで圧縮室２２に勘入され、偏心部１２との間を連結手段３１によって連結されている。３３は鉄板を積層したバランスウエイトで回転子４に固定される。３５は圧縮室２２の端面を封止するバルブプレート、３６はヘッドで高圧室を形成し、バルブプレート３５の反圧縮室２２側に固定される。
【０００８】
３９はサクションチューブで密閉容器１に固定されるとともに冷凍サイクルの低圧側（図示せず）に接続され、冷媒ガス（図示せず）を密閉容器１内に導く。４０はサクションマフラーで消音空間４２を形成する。５０はサスペンションスプリングで密閉容器１に固定されたスナブバー５２およびシリンダーブロック２０に形成されたスナブバー部５３の間に嵌装され、圧縮要素６を弾性的に支持する。
【０００９】
６０はインバーター装置で固定子３と結線される。６１はインバーター装置６０をコントロールする制御回路、６２は商用電源で制御回路６１、およびインバーター装置６０に結線されている。
【００１０】
なお、一般に圧縮機の消費電力は運転周波数が低いほど小さくなり、また一方で負荷に応じた冷凍能力も同時に求められることから、通常インバーター装置は商用電源の周波数に対しその半分程度から商用電源の周波数を超える程度までの間で任意に複数の出力周波数が設定される。
【００１１】
次に以上のような構成における一連の動作について説明する。
【００１２】
商用電源６２から供給される電力は制御回路６１、インバーター装置６０を介して電動要素５に供給され、電動要素５の回転子４を任意の回転数で回転させる。回転子４はクランクシャフト１０を回転させ、偏心部１２の偏心運動が連結手段３１を介してピストン３０を駆動することでピストン３０は圧縮室２２内を往復運動し、サクションチューブ３９を通して密閉容器１内に導かれた前記冷媒ガスはサクションマフラー４０から吸入され、圧縮室２２内で連続して圧縮される。
【００１３】
この際、ピストン３０の往復運動によって発生する振動は、バランスウエイト３３でかなり相殺されるが、一部残存する。こうして残存した振動はその反作用としてシリンダーブロック２０を振動させるが、この振動はサスペンションスプリング５０でさらに減衰される。この時生ずる密閉型電動圧縮機の振動は、電動要素の回転数が低いほど振幅が大きくなるが、２７Ｈｚ近辺の運転周波数では実用上問題の無い４０ミクロンメートルを下回る３２ミクロンメートル程度のレベルであった。
【特許文献１】特開平１１−１０７９３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
上記した密閉型電動圧縮機は既に実用化されている一般的な構成であるが、地球環境の観点からは、まだ改良の余地を残す。
【００１５】
すなわち従来技術の密閉型電動圧縮機は、オゾン破壊係数がゼロであるＨＦＣ系の代表的な冷媒であるＲ１３４ａを圧縮するよう設計されているが、Ｒ１３４ａを含むＨＦＣ系の冷媒は温暖化係数が高く、いずれ規制されることが決定している。これに代り、欧州で既に実用化されており、オゾン破壊係数がゼロでしかも温暖化係数の小さい炭化水素系冷媒、具体的にはＲ６００ａが、日本国内でも有力な代替冷媒と考えられている。
【００１６】
しかしながらＲ６００ａは冷媒Ｒ１３４ａに較べ、圧縮機吸込み体積当たりの冷凍能力が半分近くしかなく、このことからＲ１３４ａと同等の冷凍能力を得るためにはピストンによる押しのけ容積をＲ１３４ａに比べて２倍近くまで拡大する必要がある。
【００１７】
通常、押しのけ容積（以下、気筒容積という）を大きくするためには、圧縮室の径、すなわちピストンの外径を大きくするか、クランクシャフトシャフトの偏心量を大きくする、あるいはこれら双方を併用するのが一般的であるが、ピストンの外径を大きくすることはピストンの質量が増加することになり、またクランクシャフトの偏心量を大きくすることは、ピストンの往復動における加速度が増加することになり、こうした手法を採択した場合、いずれもピストンの往復動に伴う振動エネルギーが増加する。特に気筒容積を２倍近くまで拡大した場合、この振動エネルギーは非常に大きくなる。
【００１８】
一方、この振動エネルギーによって発生する圧縮機の振動の振幅は、圧縮要素や電動要素の慣性質量と振動エネルギーとの関係で、電動要素の回転数が低いほど大きくなる。インバーター装置を用いた低速運転、具体的には２７Ｈｚ近辺の回転周波数では、６５ミクロンメートル程度のレベルまで振動が増加してしまう。こういった振幅レベルになると、この振動に伴い圧縮機や冷凍装置の発生する騒音が増加してしまう、また冷凍装置の配管が振動によって疲労破壊し、折損してしまうことで冷媒がリークしてしまうといった課題がある。
【００１９】
本発明はこういった課題を解決するもので、Ｒ６００ａを主体とする冷媒を用い、高効率でかつ振動が小さく、騒音の低い密閉型電動圧縮機を提供し、また騒音が低く、かつ信頼性の高い冷凍装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上記従来の課題を解決するために、本発明の密閉型電動圧縮機はＲ６００ａを主体とする炭化水素冷媒を主成分とする冷媒を用い、商用電源周波数未満の回転数を含む複数の運転周波数で駆動されるインバーター駆動式のレシプロ型密閉型電動圧縮機であって、前記ピストンの外径対往復動の比は１対１から１．５対１の範囲内であり、前記圧縮要素が前記電動要素の略上方に構築され、かつ前記圧縮要素が前記固定子を介し、前記固定子の下方で前記密閉容器から弾性支持されたもので、圧縮時の振動が小さくおさえられ、また圧縮室とピストンの間の漏れが小さく抑えられるという作用を有する。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の密閉型電動圧縮機は、圧縮時の振動が小さくおさえられ、また圧縮室とピストンの間の漏れが小さく抑えられるので、高効率でかつ振動が小さく、騒音の低い密閉型電動圧縮機を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
請求項１に記載の発明は、密閉容器内に冷凍機油と、圧縮室内で往復動するピストンを含む圧縮要素と、固定子と回転子からなり前記圧縮要素を駆動する電動要素とを収容するとともに、Ｒ６００ａを主体とする炭化水素冷媒を主成分とする冷媒を用い、商用電源周波数未満の回転数を含む複数の運転周波数で駆動されるインバーター駆動式のレシプロ型密閉型電動圧縮機であって、前記ピストンの外径対往復動の比は１対１から１．５対１の範囲内であり、前記圧縮要素が前記電動要素の略上方に構築され、かつ前記圧縮要素が前記固定子を介し、前記固定子の下方で前記密閉容器から弾性支持された密閉型電動圧縮機であり、圧縮時の振動が小さくおさえられ、また圧縮室とピストンの間の漏れが小さく抑えられるので、高効率でかつ振動が小さく、騒音の低い密閉型電動圧縮機を実現できる。
【００２３】
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、少なくとも２７Ｈｚ以下の回転数を含む運転周波数で駆動されるものであり、請求項１に記載の発明の効果に加えてさらに密閉型電動圧縮機の消費電力量を小さくできる。
【００２４】
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、圧縮室とピストンとの間のクリアランスが５から１０ミクロンメートルの範囲内であるとしたものであり、圧縮室とピストンの間の漏れが小さく抑えられるので、請求項１または２に記載の発明の効果に加えてさらに高い効率を実現できる。
【００２５】
請求項４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、冷凍機油は４０度Ｃの時の粘度が７から３２ｃＳｔの範囲内であるとしたものであり、圧縮室とピストンの間の漏れが小さく抑えられるので、請求項１または２に記載の発明の効果に加えてさらに高い効率を実現できる。
【００２６】
請求項５に記載の発明は、圧縮機、凝縮器、乾燥器、膨張器、および蒸発器とを備え、前記圧縮機に請求項１から４のいずれか一項に記載の密閉型電動圧縮機を用いた冷凍装置であり、圧縮機の振動が小さいことで冷凍装置の騒音を低く抑え、かつ配管折損を生じにくくするため信頼性の高い冷凍装置を実現できる。
【００２７】
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の発明において、圧縮機、凝縮器、乾燥器、膨張器、および蒸発器はそれぞれがロウ付けを含む溶接によって配管で結合されたものであり、請求項５に記載の発明の効果に加えてさらに疲労によるロウ付け部のクラックの発生が抑えられ、信頼性の高い冷凍装置を実現できる。
【００２８】
以下、本発明による密閉型電動圧縮機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、従来例と同一構成については同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。
【００２９】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１による密閉型電動圧縮機の断面図、図２は振動特性図で運転周波数と圧縮機の振幅の関係を示すグラフである。
【００３０】
図１において、１０１は密閉容器で冷凍機油１０２を貯溜する。１０５は電動要素で固定子１０３、および永久磁石を内臓する回転子１０４からなる。１０６は圧縮要素で電動要素１０５の上方に構築され、電動要素１０５によって駆動され、ともに密閉容器１０１に収容される。また、この密閉型電動圧縮機は温暖化係数の低い炭化水素系冷媒の代表的な冷媒であるＲ６００ａを圧縮する。
【００３１】
次に圧縮要素１０６の詳細を以下に説明する。
【００３２】
１１０はクランクシャフトで、回転子４を圧入固定した主軸部１１１および主軸部１１１に対し偏心して形成された偏心部１１２を有する。１２０はシリンダーブロックで、略円筒形の圧縮室１２２を有するとともに主軸部１１１を軸支する軸受け部１２３を有し、電動要素が下方に形成されている。１３０はピストンで圧縮室１２２に嵌入され、偏心部１１２との間を連結手段１３１によって連結されている。従来例で採用されているＲ１３４ａと同等の冷凍能力をＲ６００ａで得るために、偏心部１１２の偏心量およびピストン１３０の外径は従来例より遥かに拡大されている。
【００３３】
１３３は鉄板を積層したバランスウエイトで回転子１０４に固定される。１３５は圧縮室２２の端面を封止するバルブプレート、１３６はヘッドで高圧室を形成し、バルブプレート１３５の反圧縮室１２２側に固定される。１３９はサクションチューブで密閉容器１に固定されるとともに冷凍サイクルの低圧側（図示せず）に接続され、冷媒ガス（図示せず）を密閉容器１０１内に導く。１４０はサクションマフラーで消音空間１４２を形成する。
【００３４】
１５０はサスペンションスプリングで図１の断面を中心に４箇所に設けてあり、密閉容器１０１に固定されたスナブバー１５２および電動要素１０５の固定子１０３に固定されたスナブバー１５３の間に嵌装され、圧縮要素１０６を、電動要素１０５の固定子１０３を介して間接的に弾性的に支持する。
【００３５】
以上のように構成された密閉型電動圧縮機について、以下その動作を説明する。
【００３６】
商用電源６２から供給される電力は制御回路６１、インバーター装置６０を介して電動要素１０５に供給され、電動要素１０５の回転子１０４を任意の回転数で回転させる。回転子１０４はクランクシャフト１１０を回転させ、偏心部１１２の運動が連結手段１３１を介してピストン１３０に伝えられることでピストン１３０は圧縮室１２２内を往復運動し、サクションチューブ１３９を通して密閉容器１０１内に導かれた前記冷媒ガスはサクションマフラー１４０から吸入され、圧縮室１２２内で連続して圧縮される。
【００３７】
この際、ピストン１３０の往復運動によって発生する振動は、バランスウエイト１３３でかなり相殺されるが、一部残存する。こうして残存した振動はその反作用としてシリンダーブロック２０を振動させるが、偏心部１１２の偏心量およびピストン１３０の外径は、冷媒Ｒ１３４ａを圧縮する従来例に示した密閉型電動圧縮機に比べ遥かに拡大されていることから、ピストン１３０の往復運動によって発生する振動エネルギーは、従来例に示したものに較べ遥かに大きく、その反作用としてシリンダーブロック１２０は大きく振動する。
【００３８】
しかしながら、この振動は圧縮要素１０６の上部とサスペンションスプリング１５０近傍でまったくその挙動が異なる。すなわちピストン１３０の反作用を直接受けるシリンダーブロック１２０近傍は大きく振動するものの、サスペンションスプリング１５０の近傍では電動要素１０５を介し下方でこの動きを支えることからサスペンションスプリング１５０近傍が支点となることで、振幅は小さくなる。この小さくなった振幅はさらにサスペンションスプリング１５０で減衰される。
【００３９】
前述したように、ピストンの往復動による慣性エネルギーによって発生する密閉型電動圧縮機の振動の振幅は、電動要素の回転数が低いほど大きくなるが、本実施の形態によれば、２７Ｈｚ近辺の回転周波数では、実用上問題の無い４０ミクロンメートル以下のレベルに収まることがわかった。
【００４０】
上記メカニズムの検証結果として、図２の振動特性図を用いて説明する。
【００４１】
図２においてＢは従来例に示した圧縮機の結果で、気筒容積は５．７ｃｍ３で冷媒にはＲ１３４ａを用いたものである。Ｃは従来例の構成のまま、気筒容積を１０ｃｍ３に拡大し、冷媒にＲ６００ａを用いて測定したもの、Ａは本発明の実施例による圧縮機でやはり気筒容積を１０ｃｍ３に拡大し冷媒にＲ６００ａを用いて測定したものである。
【００４２】
振動値はそれぞれ圧縮機の中心部近傍で横方向の振動を測定した結果である。この結果からＢは２７Ｈｚでの振動が３２ミクロンメートル、Ｃは２７Ｈｚでの振動が６５ミクロンメートル、Ｄは２７Ｈｚでの振動が２９ミクロンメートルであった。
【００４３】
以上の実測データからも明白なように、本発明では従来のＲ１３４ａを用いた圧縮機とほぼ同等の振動値が得られ、冷媒Ｒ６００ａを使用しながらインバーター装置による低回転速度運転を実現することができた。
【００４４】
なお、この際、引き続き評価した圧縮機の効率においても、２５Ｈｚ近辺の回転周波数でのＣＯＰが１．３を超える、良好な結果が得られた。今回検証試験に使用した冷凍機油はすでに欧州等で実用化されているアルキルベンゼン系の冷凍機油で、４０℃のときの粘度が１０ｃＳｔのものである。通常、低い回転数で圧縮機を運転した場合、圧縮機の仕事量が小さく、その結果、圧縮機からの発熱量が小さく、密閉容器内でこの熱影響を強く受ける冷凍機油も温度上昇が小さい。
【００４５】
本実施の形態においては比較的粘度の低い冷凍機油が圧縮機の摺動部での粘性抵抗を小さく抑えたこと、また低回転運転下では温度上昇が小さいことから圧縮室１２２とピストン１３０の間の漏れが小さく抑えられたことの相乗効果で良好な効率の結果が得られたものと推測される。上記結果から、粘度が７から３２ｃＳｔの範囲であれば同様に良好な効率の結果が得られると推察される。また、評価した圧縮機は圧縮室１２２とピストン１３０との間のクリアランスが５から１０ミクロンメートルに管理されており、このことも圧縮室１２２とピストン１３０の間の漏れが小さく抑えられた要因と考えられる。
【００４６】
また、評価した圧縮機はピストンの外径対往復運動の距離との比が約１．５対１と相対的にピストンの外径を小さく抑えていることも圧縮室１２２とピストン１３０の間の漏れが小さく抑えられた要因と考えられ、この比はさらに通常設計される約１対１の比の近辺まで下げることで、より良好な効率の結果が得られると推定される。
【００４７】
（実施の形態２）
図３は本発明の実施の形態２による冷凍装置の構成図である。図３において１７０は圧縮機、１８０は凝縮器、１８５は乾燥器、１８７は膨張器、１８９は蒸発器でそれぞれがロウ付け等の溶接により、配管によって流体的に結合している。また、圧縮機１７０は実施の形態１に記載された密閉型電動圧縮機である。
【００４８】
以上の構成において、圧縮機の振動が実用上問題の無いレベル、具体的には４０ミクロンメートル以下に収まっていることから、冷凍装置に対する加振力が小さく、従って冷凍装置が共振することで発生する異常音を防ぐことができる。また、冷凍装置の構成要素は前述したとおり、ロウ付け等の溶接により、配管によって結合しているが、このロウ付けされた部分に大きな振動による繰り返し応力がかかると疲労によるクラックが発生する可能性がある。しかしながら本実施例では圧縮機の振動が小さいことで繰り返し応力の応力振幅が小さく、その結果、疲労によるクラックの発生が抑えられ、配管折損が生じにくくなり、信頼性の高い冷凍装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の実施の形態１による密閉型電動圧縮機の断面図
【図２】本発明の実施の形態１による密閉型電動圧縮機の振動特性図
【図３】本発明の実施の形態２による冷凍装置の構成図
【図４】従来技術の密閉型電動圧縮機の断面図
【符号の説明】
【００５０】
６０ インバーター装置
６１ 制御回路
１０１ 密閉容器
１０２ 冷凍機油
１０５ 電動要素
１０６ 圧縮要素
１３０ ピストン
１５０ サスペンションスプリング
１７０ 圧縮機
１８０ 凝縮器
１８５ 乾燥器
１８７ 膨張器
１８９ 蒸発器
【技術分野】
【０００１】
本発明は電気冷蔵庫やエアーコンディショナー、あるいは自動販売機等に使用される密閉型圧縮機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球環境に対する要求はますます高まってきており、省エネ、温室効果の高いガスの規制等の動きが加速されている。
【０００３】
以下、図面を参照しながら上記従来技術の密閉型電動圧縮機について説明する。なお以下の説明において、上下の関係は、密閉型電動圧縮機を正規の姿勢に設置した状態を基準とする。
【０００４】
図４は特許文献１に記載された従来技術の密閉型電動圧縮機の断面図で、１は密閉容器で冷凍機油２を貯溜する。５は電動要素で固定子３、および永久磁石を内臓する回転子４からなる。６は圧縮要素で電動要素５の下方に構築され、電動要素５によって駆動され、ともに密閉容器１に収容される。
【０００５】
また、この密閉型電動圧縮機はオゾン破壊係数がゼロであるＨＦＣ系の代表的な冷媒であるＲ１３４ａを圧縮するよう、設計されている。
【０００６】
次に圧縮要素６の詳細を以下に説明する。
【０００７】
１０はクランクシャフトで、回転子４を圧入固定した主軸部１１および主軸部１１に対し偏心して形成された偏心部１２を有する。２０はシリンダーブロックで、略円筒形の圧縮室２２を有するとともに主軸部１１を軸支する軸受け部２３を有し、電動要素の下方に形成されている。３０はピストンで圧縮室２２に勘入され、偏心部１２との間を連結手段３１によって連結されている。３３は鉄板を積層したバランスウエイトで回転子４に固定される。３５は圧縮室２２の端面を封止するバルブプレート、３６はヘッドで高圧室を形成し、バルブプレート３５の反圧縮室２２側に固定される。
【０００８】
３９はサクションチューブで密閉容器１に固定されるとともに冷凍サイクルの低圧側（図示せず）に接続され、冷媒ガス（図示せず）を密閉容器１内に導く。４０はサクションマフラーで消音空間４２を形成する。５０はサスペンションスプリングで密閉容器１に固定されたスナブバー５２およびシリンダーブロック２０に形成されたスナブバー部５３の間に嵌装され、圧縮要素６を弾性的に支持する。
【０００９】
６０はインバーター装置で固定子３と結線される。６１はインバーター装置６０をコントロールする制御回路、６２は商用電源で制御回路６１、およびインバーター装置６０に結線されている。
【００１０】
なお、一般に圧縮機の消費電力は運転周波数が低いほど小さくなり、また一方で負荷に応じた冷凍能力も同時に求められることから、通常インバーター装置は商用電源の周波数に対しその半分程度から商用電源の周波数を超える程度までの間で任意に複数の出力周波数が設定される。
【００１１】
次に以上のような構成における一連の動作について説明する。
【００１２】
商用電源６２から供給される電力は制御回路６１、インバーター装置６０を介して電動要素５に供給され、電動要素５の回転子４を任意の回転数で回転させる。回転子４はクランクシャフト１０を回転させ、偏心部１２の偏心運動が連結手段３１を介してピストン３０を駆動することでピストン３０は圧縮室２２内を往復運動し、サクションチューブ３９を通して密閉容器１内に導かれた前記冷媒ガスはサクションマフラー４０から吸入され、圧縮室２２内で連続して圧縮される。
【００１３】
この際、ピストン３０の往復運動によって発生する振動は、バランスウエイト３３でかなり相殺されるが、一部残存する。こうして残存した振動はその反作用としてシリンダーブロック２０を振動させるが、この振動はサスペンションスプリング５０でさらに減衰される。この時生ずる密閉型電動圧縮機の振動は、電動要素の回転数が低いほど振幅が大きくなるが、２７Ｈｚ近辺の運転周波数では実用上問題の無い４０ミクロンメートルを下回る３２ミクロンメートル程度のレベルであった。
【特許文献１】特開平１１−１０７９３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
上記した密閉型電動圧縮機は既に実用化されている一般的な構成であるが、地球環境の観点からは、まだ改良の余地を残す。
【００１５】
すなわち従来技術の密閉型電動圧縮機は、オゾン破壊係数がゼロであるＨＦＣ系の代表的な冷媒であるＲ１３４ａを圧縮するよう設計されているが、Ｒ１３４ａを含むＨＦＣ系の冷媒は温暖化係数が高く、いずれ規制されることが決定している。これに代り、欧州で既に実用化されており、オゾン破壊係数がゼロでしかも温暖化係数の小さい炭化水素系冷媒、具体的にはＲ６００ａが、日本国内でも有力な代替冷媒と考えられている。
【００１６】
しかしながらＲ６００ａは冷媒Ｒ１３４ａに較べ、圧縮機吸込み体積当たりの冷凍能力が半分近くしかなく、このことからＲ１３４ａと同等の冷凍能力を得るためにはピストンによる押しのけ容積をＲ１３４ａに比べて２倍近くまで拡大する必要がある。
【００１７】
通常、押しのけ容積（以下、気筒容積という）を大きくするためには、圧縮室の径、すなわちピストンの外径を大きくするか、クランクシャフトシャフトの偏心量を大きくする、あるいはこれら双方を併用するのが一般的であるが、ピストンの外径を大きくすることはピストンの質量が増加することになり、またクランクシャフトの偏心量を大きくすることは、ピストンの往復動における加速度が増加することになり、こうした手法を採択した場合、いずれもピストンの往復動に伴う振動エネルギーが増加する。特に気筒容積を２倍近くまで拡大した場合、この振動エネルギーは非常に大きくなる。
【００１８】
一方、この振動エネルギーによって発生する圧縮機の振動の振幅は、圧縮要素や電動要素の慣性質量と振動エネルギーとの関係で、電動要素の回転数が低いほど大きくなる。インバーター装置を用いた低速運転、具体的には２７Ｈｚ近辺の回転周波数では、６５ミクロンメートル程度のレベルまで振動が増加してしまう。こういった振幅レベルになると、この振動に伴い圧縮機や冷凍装置の発生する騒音が増加してしまう、また冷凍装置の配管が振動によって疲労破壊し、折損してしまうことで冷媒がリークしてしまうといった課題がある。
【００１９】
本発明はこういった課題を解決するもので、Ｒ６００ａを主体とする冷媒を用い、高効率でかつ振動が小さく、騒音の低い密閉型電動圧縮機を提供し、また騒音が低く、かつ信頼性の高い冷凍装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上記従来の課題を解決するために、本発明の密閉型電動圧縮機はＲ６００ａを主体とする炭化水素冷媒を主成分とする冷媒を用い、商用電源周波数未満の回転数を含む複数の運転周波数で駆動されるインバーター駆動式のレシプロ型密閉型電動圧縮機であって、前記ピストンの外径対往復動の比は１対１から１．５対１の範囲内であり、前記圧縮要素が前記電動要素の略上方に構築され、かつ前記圧縮要素が前記固定子を介し、前記固定子の下方で前記密閉容器から弾性支持されたもので、圧縮時の振動が小さくおさえられ、また圧縮室とピストンの間の漏れが小さく抑えられるという作用を有する。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の密閉型電動圧縮機は、圧縮時の振動が小さくおさえられ、また圧縮室とピストンの間の漏れが小さく抑えられるので、高効率でかつ振動が小さく、騒音の低い密閉型電動圧縮機を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
請求項１に記載の発明は、密閉容器内に冷凍機油と、圧縮室内で往復動するピストンを含む圧縮要素と、固定子と回転子からなり前記圧縮要素を駆動する電動要素とを収容するとともに、Ｒ６００ａを主体とする炭化水素冷媒を主成分とする冷媒を用い、商用電源周波数未満の回転数を含む複数の運転周波数で駆動されるインバーター駆動式のレシプロ型密閉型電動圧縮機であって、前記ピストンの外径対往復動の比は１対１から１．５対１の範囲内であり、前記圧縮要素が前記電動要素の略上方に構築され、かつ前記圧縮要素が前記固定子を介し、前記固定子の下方で前記密閉容器から弾性支持された密閉型電動圧縮機であり、圧縮時の振動が小さくおさえられ、また圧縮室とピストンの間の漏れが小さく抑えられるので、高効率でかつ振動が小さく、騒音の低い密閉型電動圧縮機を実現できる。
【００２３】
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、少なくとも２７Ｈｚ以下の回転数を含む運転周波数で駆動されるものであり、請求項１に記載の発明の効果に加えてさらに密閉型電動圧縮機の消費電力量を小さくできる。
【００２４】
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、圧縮室とピストンとの間のクリアランスが５から１０ミクロンメートルの範囲内であるとしたものであり、圧縮室とピストンの間の漏れが小さく抑えられるので、請求項１または２に記載の発明の効果に加えてさらに高い効率を実現できる。
【００２５】
請求項４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、冷凍機油は４０度Ｃの時の粘度が７から３２ｃＳｔの範囲内であるとしたものであり、圧縮室とピストンの間の漏れが小さく抑えられるので、請求項１または２に記載の発明の効果に加えてさらに高い効率を実現できる。
【００２６】
請求項５に記載の発明は、圧縮機、凝縮器、乾燥器、膨張器、および蒸発器とを備え、前記圧縮機に請求項１から４のいずれか一項に記載の密閉型電動圧縮機を用いた冷凍装置であり、圧縮機の振動が小さいことで冷凍装置の騒音を低く抑え、かつ配管折損を生じにくくするため信頼性の高い冷凍装置を実現できる。
【００２７】
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の発明において、圧縮機、凝縮器、乾燥器、膨張器、および蒸発器はそれぞれがロウ付けを含む溶接によって配管で結合されたものであり、請求項５に記載の発明の効果に加えてさらに疲労によるロウ付け部のクラックの発生が抑えられ、信頼性の高い冷凍装置を実現できる。
【００２８】
以下、本発明による密閉型電動圧縮機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、従来例と同一構成については同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。
【００２９】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１による密閉型電動圧縮機の断面図、図２は振動特性図で運転周波数と圧縮機の振幅の関係を示すグラフである。
【００３０】
図１において、１０１は密閉容器で冷凍機油１０２を貯溜する。１０５は電動要素で固定子１０３、および永久磁石を内臓する回転子１０４からなる。１０６は圧縮要素で電動要素１０５の上方に構築され、電動要素１０５によって駆動され、ともに密閉容器１０１に収容される。また、この密閉型電動圧縮機は温暖化係数の低い炭化水素系冷媒の代表的な冷媒であるＲ６００ａを圧縮する。
【００３１】
次に圧縮要素１０６の詳細を以下に説明する。
【００３２】
１１０はクランクシャフトで、回転子４を圧入固定した主軸部１１１および主軸部１１１に対し偏心して形成された偏心部１１２を有する。１２０はシリンダーブロックで、略円筒形の圧縮室１２２を有するとともに主軸部１１１を軸支する軸受け部１２３を有し、電動要素が下方に形成されている。１３０はピストンで圧縮室１２２に嵌入され、偏心部１１２との間を連結手段１３１によって連結されている。従来例で採用されているＲ１３４ａと同等の冷凍能力をＲ６００ａで得るために、偏心部１１２の偏心量およびピストン１３０の外径は従来例より遥かに拡大されている。
【００３３】
１３３は鉄板を積層したバランスウエイトで回転子１０４に固定される。１３５は圧縮室２２の端面を封止するバルブプレート、１３６はヘッドで高圧室を形成し、バルブプレート１３５の反圧縮室１２２側に固定される。１３９はサクションチューブで密閉容器１に固定されるとともに冷凍サイクルの低圧側（図示せず）に接続され、冷媒ガス（図示せず）を密閉容器１０１内に導く。１４０はサクションマフラーで消音空間１４２を形成する。
【００３４】
１５０はサスペンションスプリングで図１の断面を中心に４箇所に設けてあり、密閉容器１０１に固定されたスナブバー１５２および電動要素１０５の固定子１０３に固定されたスナブバー１５３の間に嵌装され、圧縮要素１０６を、電動要素１０５の固定子１０３を介して間接的に弾性的に支持する。
【００３５】
以上のように構成された密閉型電動圧縮機について、以下その動作を説明する。
【００３６】
商用電源６２から供給される電力は制御回路６１、インバーター装置６０を介して電動要素１０５に供給され、電動要素１０５の回転子１０４を任意の回転数で回転させる。回転子１０４はクランクシャフト１１０を回転させ、偏心部１１２の運動が連結手段１３１を介してピストン１３０に伝えられることでピストン１３０は圧縮室１２２内を往復運動し、サクションチューブ１３９を通して密閉容器１０１内に導かれた前記冷媒ガスはサクションマフラー１４０から吸入され、圧縮室１２２内で連続して圧縮される。
【００３７】
この際、ピストン１３０の往復運動によって発生する振動は、バランスウエイト１３３でかなり相殺されるが、一部残存する。こうして残存した振動はその反作用としてシリンダーブロック２０を振動させるが、偏心部１１２の偏心量およびピストン１３０の外径は、冷媒Ｒ１３４ａを圧縮する従来例に示した密閉型電動圧縮機に比べ遥かに拡大されていることから、ピストン１３０の往復運動によって発生する振動エネルギーは、従来例に示したものに較べ遥かに大きく、その反作用としてシリンダーブロック１２０は大きく振動する。
【００３８】
しかしながら、この振動は圧縮要素１０６の上部とサスペンションスプリング１５０近傍でまったくその挙動が異なる。すなわちピストン１３０の反作用を直接受けるシリンダーブロック１２０近傍は大きく振動するものの、サスペンションスプリング１５０の近傍では電動要素１０５を介し下方でこの動きを支えることからサスペンションスプリング１５０近傍が支点となることで、振幅は小さくなる。この小さくなった振幅はさらにサスペンションスプリング１５０で減衰される。
【００３９】
前述したように、ピストンの往復動による慣性エネルギーによって発生する密閉型電動圧縮機の振動の振幅は、電動要素の回転数が低いほど大きくなるが、本実施の形態によれば、２７Ｈｚ近辺の回転周波数では、実用上問題の無い４０ミクロンメートル以下のレベルに収まることがわかった。
【００４０】
上記メカニズムの検証結果として、図２の振動特性図を用いて説明する。
【００４１】
図２においてＢは従来例に示した圧縮機の結果で、気筒容積は５．７ｃｍ３で冷媒にはＲ１３４ａを用いたものである。Ｃは従来例の構成のまま、気筒容積を１０ｃｍ３に拡大し、冷媒にＲ６００ａを用いて測定したもの、Ａは本発明の実施例による圧縮機でやはり気筒容積を１０ｃｍ３に拡大し冷媒にＲ６００ａを用いて測定したものである。
【００４２】
振動値はそれぞれ圧縮機の中心部近傍で横方向の振動を測定した結果である。この結果からＢは２７Ｈｚでの振動が３２ミクロンメートル、Ｃは２７Ｈｚでの振動が６５ミクロンメートル、Ｄは２７Ｈｚでの振動が２９ミクロンメートルであった。
【００４３】
以上の実測データからも明白なように、本発明では従来のＲ１３４ａを用いた圧縮機とほぼ同等の振動値が得られ、冷媒Ｒ６００ａを使用しながらインバーター装置による低回転速度運転を実現することができた。
【００４４】
なお、この際、引き続き評価した圧縮機の効率においても、２５Ｈｚ近辺の回転周波数でのＣＯＰが１．３を超える、良好な結果が得られた。今回検証試験に使用した冷凍機油はすでに欧州等で実用化されているアルキルベンゼン系の冷凍機油で、４０℃のときの粘度が１０ｃＳｔのものである。通常、低い回転数で圧縮機を運転した場合、圧縮機の仕事量が小さく、その結果、圧縮機からの発熱量が小さく、密閉容器内でこの熱影響を強く受ける冷凍機油も温度上昇が小さい。
【００４５】
本実施の形態においては比較的粘度の低い冷凍機油が圧縮機の摺動部での粘性抵抗を小さく抑えたこと、また低回転運転下では温度上昇が小さいことから圧縮室１２２とピストン１３０の間の漏れが小さく抑えられたことの相乗効果で良好な効率の結果が得られたものと推測される。上記結果から、粘度が７から３２ｃＳｔの範囲であれば同様に良好な効率の結果が得られると推察される。また、評価した圧縮機は圧縮室１２２とピストン１３０との間のクリアランスが５から１０ミクロンメートルに管理されており、このことも圧縮室１２２とピストン１３０の間の漏れが小さく抑えられた要因と考えられる。
【００４６】
また、評価した圧縮機はピストンの外径対往復運動の距離との比が約１．５対１と相対的にピストンの外径を小さく抑えていることも圧縮室１２２とピストン１３０の間の漏れが小さく抑えられた要因と考えられ、この比はさらに通常設計される約１対１の比の近辺まで下げることで、より良好な効率の結果が得られると推定される。
【００４７】
（実施の形態２）
図３は本発明の実施の形態２による冷凍装置の構成図である。図３において１７０は圧縮機、１８０は凝縮器、１８５は乾燥器、１８７は膨張器、１８９は蒸発器でそれぞれがロウ付け等の溶接により、配管によって流体的に結合している。また、圧縮機１７０は実施の形態１に記載された密閉型電動圧縮機である。
【００４８】
以上の構成において、圧縮機の振動が実用上問題の無いレベル、具体的には４０ミクロンメートル以下に収まっていることから、冷凍装置に対する加振力が小さく、従って冷凍装置が共振することで発生する異常音を防ぐことができる。また、冷凍装置の構成要素は前述したとおり、ロウ付け等の溶接により、配管によって結合しているが、このロウ付けされた部分に大きな振動による繰り返し応力がかかると疲労によるクラックが発生する可能性がある。しかしながら本実施例では圧縮機の振動が小さいことで繰り返し応力の応力振幅が小さく、その結果、疲労によるクラックの発生が抑えられ、配管折損が生じにくくなり、信頼性の高い冷凍装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の実施の形態１による密閉型電動圧縮機の断面図
【図２】本発明の実施の形態１による密閉型電動圧縮機の振動特性図
【図３】本発明の実施の形態２による冷凍装置の構成図
【図４】従来技術の密閉型電動圧縮機の断面図
【符号の説明】
【００５０】
６０ インバーター装置
６１ 制御回路
１０１ 密閉容器
１０２ 冷凍機油
１０５ 電動要素
１０６ 圧縮要素
１３０ ピストン
１５０ サスペンションスプリング
１７０ 圧縮機
１８０ 凝縮器
１８５ 乾燥器
１８７ 膨張器
１８９ 蒸発器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
密閉容器内に冷凍機油と、圧縮室内で往復動するピストンを含む圧縮要素と、固定子と回転子からなり前記圧縮要素を駆動する電動要素とを収容するとともに、Ｒ６００ａを主体とする炭化水素冷媒を主成分とする冷媒を用い、商用電源周波数未満の回転数を含む複数の運転周波数で駆動されるインバーター駆動式のレシプロ型密閉型電動圧縮機であって、前記ピストンの外径対往復動の比は１対１から１．５対１の範囲内であり、前記圧縮要素が前記電動要素の略上方に構築され、かつ前記圧縮要素が前記固定子を介し、前記固定子の下方で前記密閉容器から弾性支持された密閉型電動圧縮機。
【請求項２】
少なくとも２７Ｈｚ以下の回転数を含む運転周波数で駆動される請求項１に記載の密閉型電動圧縮機。
【請求項３】
圧縮室とピストンとの間のクリアランスが５から１０ミクロンメートルの範囲内である請求項１または２に記載の密閉型電動圧縮機。
【請求項４】
冷凍機油は４０度Ｃの時の粘度が７から３２ｃＳｔの範囲内である請求項１または２に記載の密閉型電動圧縮機。
【請求項５】
圧縮機、凝縮器、乾燥器、膨張器、および蒸発器とを備え、前記圧縮機に請求項１から４のいずれか一項に記載の密閉型電動圧縮機を用いた冷凍装置。
【請求項６】
圧縮機、凝縮器、乾燥器、膨張器、および蒸発器はそれぞれがロウ付けを含む溶接によって配管で結合されている請求項５に記載の冷凍装置。
【請求項１】
密閉容器内に冷凍機油と、圧縮室内で往復動するピストンを含む圧縮要素と、固定子と回転子からなり前記圧縮要素を駆動する電動要素とを収容するとともに、Ｒ６００ａを主体とする炭化水素冷媒を主成分とする冷媒を用い、商用電源周波数未満の回転数を含む複数の運転周波数で駆動されるインバーター駆動式のレシプロ型密閉型電動圧縮機であって、前記ピストンの外径対往復動の比は１対１から１．５対１の範囲内であり、前記圧縮要素が前記電動要素の略上方に構築され、かつ前記圧縮要素が前記固定子を介し、前記固定子の下方で前記密閉容器から弾性支持された密閉型電動圧縮機。
【請求項２】
少なくとも２７Ｈｚ以下の回転数を含む運転周波数で駆動される請求項１に記載の密閉型電動圧縮機。
【請求項３】
圧縮室とピストンとの間のクリアランスが５から１０ミクロンメートルの範囲内である請求項１または２に記載の密閉型電動圧縮機。
【請求項４】
冷凍機油は４０度Ｃの時の粘度が７から３２ｃＳｔの範囲内である請求項１または２に記載の密閉型電動圧縮機。
【請求項５】
圧縮機、凝縮器、乾燥器、膨張器、および蒸発器とを備え、前記圧縮機に請求項１から４のいずれか一項に記載の密閉型電動圧縮機を用いた冷凍装置。
【請求項６】
圧縮機、凝縮器、乾燥器、膨張器、および蒸発器はそれぞれがロウ付けを含む溶接によって配管で結合されている請求項５に記載の冷凍装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００６−３１６７９５（Ｐ２００６−３１６７９５Ａ）
【公開日】平成１８年１１月２４日（２００６．１１．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２０５９０６（Ｐ２００６−２０５９０６）
【出願日】平成１８年７月２８日（２００６．７．２８）
【分割の表示】特願２００１−１８７７２９（Ｐ２００１−１８７７２９）の分割
【原出願日】平成１３年６月２１日（２００１．６．２１）
【出願人】（０００００４４８８）松下冷機株式会社 (25)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１１月２４日（２００６．１１．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年７月２８日（２００６．７．２８）
【分割の表示】特願２００１−１８７７２９（Ｐ２００１−１８７７２９）の分割
【原出願日】平成１３年６月２１日（２００１．６．２１）
【出願人】（０００００４４８８）松下冷機株式会社 (25)
【Ｆターム（参考）】
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