JP2005113864A - 往復動式冷媒圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】インバータ制御において、運転回転数の低下により回転体の回転慣性力が小さくなり、圧縮負荷を乗り切れず脱調停止する課題を有していた。
【解決手段】圧縮要素１０６にクランクシャフト１０７を挟んで一対の第１圧縮室１１９、第２圧縮室１２０と、前記第１圧縮室１１９、第２圧縮室１２０内で往復運動する一対のピストン１１２ａ，１１２ｂと、偏心部１０９と前記一対のピストン１１２ａ，１１２ｂと連結する連結手段とを備えることにより、圧縮要素１０６における冷媒ガス圧縮時に伴う負荷トルクの最大値を抑えることで脱調停止を避ける。
【選択図】図１

Description

本発明は主に家庭用の電気冷凍冷蔵庫に使用されるインバータ制御方式の往復動式冷媒圧縮機に関するものである。

近年、地球環境に対する要求はますます強まってきており、冷蔵庫やその他の冷凍サイクル装置等においても、消費電力量の低減が強く要望されている。特に、インバータ駆動回路により低速運転を行うことで消費電力量を低減する往復動式冷媒圧縮機においては、低速回転時での高効率化および安定した運転が課題になっている。

従来、この種の往復動式冷媒圧縮機として、低速運転時において安定した効率を得るためにオイルを安定して供給する改善をしたものがある（例えば、特許文献１参照）。

以下、図面を参照しながら上記従来に往復動式冷媒圧縮機を説明する。

図８は、特許文献１に記載された従来の往復動式冷媒圧縮機の側断面図を示したものである。

図８において、密閉容器１の底部にはオイル２を貯留している。電動要素３は固定子４および回転子５から構成され、圧縮要素６を駆動する。また、電動要素３は、インバータ駆動回路（図示せず）によって回転し、固定子４に突極集中巻の巻線を採用することで大幅にコイルエンドを減少させ、回転子５には磁石材を鉄心内に配置して小型で高効率を実現している。

次に圧縮要素６の詳細を以下に説明する。

クランクシャフト７は主軸部８及び偏心部９から構成されており、主軸部８はシリンダブロック１０に軸支され、回転子５を固定し、下端にはオイル２に浸漬したオイルポンプ１１が形成されている。ピストン１２はシリンダブロック１０のシリンダ１３に往復自在に挿入されており、シリンダ１３とバルブプレート１４とともに圧縮室１５を形成する。コネクティングロッド１６は偏心部９とピストン１２を連結している。また、バルブプレート１４はシリンダヘッド１７によりサクションマフラー１８と共に、シリンダブロック１０に固定されている。

以上のように構成された往復動式冷媒圧縮機について、以下にその動作を説明する。

電動要素３に通電されると、固定子４に発生する磁界により回転子５は、クランクシャフト７を回転させる。主軸部８の回転により偏心部９の偏心運動がコネクティングロッド１６を介してピストン１２に伝えられる。ピストン１２はシリンダ１３内で往復動し、密閉容器１内の冷媒ガスを、サクションマフラー１８の開口部から圧縮室１５内へ導入し、連続して圧縮する。圧縮された冷媒ガスは、吐出管（図示せず）を経由して密閉容器１外の既知の冷凍サイクル（図示せず）へ送出される。

インバータ駆動回路（図示せず）は、回転子５の回転を検出し、所定の回転数になるように出力を調整しながら、電動要素３を駆動する。通常、インバータ駆動回路の出力は一回転中で一定であるが、電動要素３が駆動する負荷トルクは一回転中で変動し、圧縮時に大きく、吸入時には小さくなる。この結果、回転子５の回転速度も一回転中で変化するが、商用周波数近傍では回転子５やクランクシャフト７の回転慣性力が大きく、回転速度の絶対値に比べ変動量が小さいため、負荷トルクの変動が問題になることは少なかった。
特開２００３−６５２３６号公報

しかしながら、上記従来の構成では、運転回転数が小さくなると、回転子５やクランクシャフト７の回転慣性力が小さくなるため、回転子５の回転速度の変動も大きくなる。この現象は、２０Ｈｚ以下といった非常に低い周波数では特に顕著となり、圧縮時に回転子５の回転速度が大幅に低下し、負荷を乗り切れずに電動要素が脱調することで圧縮機が停止する可能性があるという課題を有していた。これらの課題は、特に冷蔵庫の消費電力量を低減する手段として、２０Ｈｚ以下といったより低い運転回転数を用い、広範囲の冷凍能力に対応する圧縮機を実現するための障壁となっていた。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、運転回転数を広範囲に設定した圧縮機の安定運転を実現することを目的とする。

上記従来の課題を解決するために、本発明の往復動式冷媒圧縮機は、密閉容器内に商用電源周波数未満の回転数を含む回転数でインバータ駆動される電動要素と、電動要素によって駆動される圧縮要素とを収容し、一対の圧縮室を形成するシリンダブロックと、圧縮室内で往復運動する一対のピストンとを備えたもので、電動要素の１回転において圧縮機構が２回圧縮を行うので冷媒ガスの吸入、圧縮および吐出の過程に伴う負荷トルクの最大値が低く抑えられるため、圧縮負荷を乗り切り易くなり、脱調停止を起こしにくくなるという作用を有する。

本発明の往復動式冷媒圧縮機は、安定運転を可能とすることができる。

請求項１に記載の発明は、密閉容器内に商用電源周波数未満の回転数を含む回転数でインバータ駆動される電動要素と、前記電動要素によって駆動される圧縮要素とを収容し、前記圧縮要素は主軸部及び前記主軸部に偏心して連結されたひとつの偏心部とを有する
クランクシャフトと、前記クランクシャフトを挟んで一対の圧縮室を形成するシリンダブロックと、前記圧縮室内で往復運動する一対のピストンと、前記偏心部と前記一対のピストンと連結する連結手段とを備えたもので、電動要素の１回転において圧縮機構が２回圧縮を行うことにより、冷媒ガスの吸入、圧縮および吐出の過程に伴う負荷トルクの最大値を抑えることとなり、圧縮機の圧縮負荷を減らし、脱調停止しにくく、安定運転を可能とすることができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明に、２０ｒ／ｓｅｃ以下の運転周波数を含むもので、特に回転慣性力が小さくなり電動要素への負担が大きくなる超低速運転において、負荷トルクの最大値を低減することとなり、請求項１に記載の発明の効果に加えて、脱調停止の防止と入力を低減することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２記載の発明に、電動要素を形成する固定子に突極集中巻の巻線を採用し、回転子は希土類からなる磁石材を鉄心内に配置してなるもので、請求項１または２に記載の発明の効果に加えて、電動要素の小型化に伴って回転慣性力が小さくなり電動要素への負担が大きくなるにもかかわらず、負荷トルクの最大値を低減し安定した運転を得ることができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれか１項に記載の発明に、圧縮する冷媒ガスがＲ６００ａなどの炭化水素系冷媒であるので、必要気筒容積が増大しても、圧縮機構における１気筒あたりの気筒容積を小さくできるため、冷媒の吸入および吐出がスムーズになり、請求項１から３に記載の発明の効果に加えて、圧縮効率を向上することができる。

請求項５に記載の発明は、請求項１から４のいずれか１項に記載の発明に、最低回転数に対する最高回転数の比が３以上であるので、低負荷な運転条件においては超低速運転することにより入力を低減するとともに、高負荷な運転条件では高速運転することとなり、請求項１から４に記載の発明の効果に加えて、高い冷凍能力を確保することができる。

請求項６に記載の発明は、請求項１から５のいずれか１項に記載の発明に、連結手段をコネクティングロッド方式とした往復動式冷媒圧縮機であるので、クランクシャフトの運動をピストンにスムーズに伝えることとなり、請求項１から５の発明の効果に加えて、クランクシャフトの運動をピストンに効率よく伝えることができる。

請求項７に記載の発明は、請求項１から５のいずれか１項に記載の発明に、連結手段をスコッチヨーク方式とした往復動式冷媒圧縮機であるので、２つのピストンが同じ連結手段を共有することができ、請求項１から５の発明の効果に加えて、安価な往復動式冷媒圧縮機を実現できる。

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。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１による往復動式冷媒圧縮機の縦断面図である。図２は、同実施の形態の上面図である。図３は、本発明のピストン変位を示す特性図である。図４は本発明の圧縮要素の圧力を示す特性図である。図５は本発明の圧縮室内の負荷トルクを示す特性図である。

図１および図２において、密閉容器１０１内にはオイル１０２を貯留するとともに、例えばＲ６００ａなどの炭化水素系の冷媒を充填している。

圧縮要素１０６は、シリンダブロック１１０やクランクシャフト１０７、２つのサクションマフラー１１８ａ，１１８ｂ、ピストン１１２ａ，１１２ｂなどから構成される。

シリンダブロック１１０は軸が水平方向のシリンダ１１３ａ，１１３ｂを有し、往復自在にピストン１１２ａ，１１２ｂが挿入されることで、クランクシャフト１０７をはさんで１８０度対向する位置に一対の第１圧縮室１１９、第２圧縮室１２０を形成する。クランクシャフト１０７は、主軸部１０８がシリンダブロック１１０に軸支されるとともに、偏心部１０９がコネクティングロッド１１６ａ，１１６ｂにより、それぞれピストン１１２ａ，１１２ｂと連結されている。

コネクティングロッド１１６ａ，１１６ｂはそれぞれ偏心部１０９に対して二重にかつ回転自在に嵌め合う形になっており、内側大端１２１と外側大端１２２をおのおの構成している。またピストン１１２ａ，１１２ｂとはコネクティングロッド１１６ａ，１１６ｂの小端部１２３ａ，１２３ｂがおのおのピストンピン１２４ａ、１２４ｂを介して連結されている。

電動要素１０３は、シリンダブロック１１０の下方に固定され、インバータ駆動回路（図示せず）とつながっている突極集中巻の巻線を採用した固定子１０４と、例えばネオジウム等の希土類からなる磁石材を鉄心内に配置し主軸部１０８に固定された回転子１０５から構成される。その結果、電動要素１０３は高効率化、小型化され、特に積圧が低くなっており、回転子１０５の回転慣性力は小さくなっている。

電動要素１０３はインバータ駆動により最低回転数が１５ｒ／ｓｅｃで、最高回転数を７５ｒ／ｓｅｃとし、運転周波数比を５倍とした広範囲な運転を行うよう設定されている。

以上のように構成された往復動式冷媒圧縮機について、以下その動作、作用を説明する。

上記インバータ駆動回路より電動要素１０３に通電されると、固定子１０４に発生する磁界により回転子１０５はクランクシャフト１０７とともに回転する。主軸部１０８の回転に伴い偏心部１０９は偏心回転し、この偏心運動はコネクティングロッド１１６ａ，１１６ｂを介して往復運動に変換され、ピストンピン１２４ａ、１２４ｂを介してそれぞれピストン１１２ａ，１１２ｂをシリンダ１１３ａ，１１３ｂ内で往復運動させることで密閉容器１０１内の冷媒ガスを第１圧縮室１１９、第２圧縮室１２０内に吸入し、圧縮する所定の圧縮動作を行う。

各ピストン１１２ａ，１１２ｂの往復動に伴う吸入行程において、密閉容器１０１内の冷媒ガスはそれぞれのサクションマフラー１１８ａ，１１８ｂを介して第１圧縮室１１９、第２圧縮室１２０内に吸入され、圧縮された後、吐出配管（図示せず）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。

また、オイル１０２はクランクシャフト１０７の下端部から吸い上げられ、クランクシャフト１０７の各摺動部とピストン１１２ａ，１１２ｂと第１圧縮室１１９、第２圧縮室１２０の摺動部やコネクティングロッド１１６ａ，１１６ｂの摺動部を潤滑する。

次に、図３、図４および図５により、一連の圧縮機の動作における回転子１０５と負荷トルクによる回転子１０５の回転速度変動の軽減について説明する。

図３は、それぞれのピストン１１２ａ，１１２ｂの上死点からの変位を示している。第１圧縮室１１９が上死点の時には、第２圧縮室１２０は下死点となり、逆に第１圧縮室１１９が下死点の時には第２圧縮室１２０は上死点となるように、交互に圧縮を行っている。また、従来と同じ能力を得るために、圧縮室が２つあるので、同じピストン径を用いた場合にはピストンの変位は半分になる。

従って、片方のピストン１１２ａが上死点にある時、もう片方のピストン１１２ｂは下死点にあるので、図４のように、従来と同じ圧力をそれぞれのピストン１１２ａ，１１２ｂで２回得ることができる。その結果、図５のように、インバータ駆動回路による運転回転数の変動によって発生するガス圧縮と慣性力に起因する負荷トルクの変動も２回発生することになるが、負荷トルクの最大値が従来の約半分に抑えられる。

その結果、回転数が例えば１５ｒ／ｓｅｃといった超低回転運転において、回転子１０５およびクランクシャフト１０７を含む回転の慣性力が極めて小さく、フライホイール効果が少なくなっているにもかかわらず、負荷変動が激減していることで負荷を乗り切り易くなり、また回転子１０５の回転速度の変動が小さくなっている。すなわち、電動要素１０３の小型化に伴って回転慣性力が小さくなり電動要素１０３への負担が大きくなるにもかかわらず、負荷トルクの最大値が低減しているために安定した運転を得ることができる。

この結果、電動要素１０３が脱調しにくく、安定して回転することができる。また１５ｒ／ｓｅｃといった超低回転運転においては、脱調まで至らないでも、固定子１０４の作る回転磁界に対する回転子１０５の遅れによって生ずる過電流を制御側が感知し、停止命令を出すことによる圧縮機の停止が発生しやすかったが、こうした現象もほとんど起こらなくなった。

一方で、超低速運転が可能になることで低入力運転が実現でき、高い省エネ効果が得られる。

すなわち本実施の形態では、低い方の回転数を１５ｒ／ｓｅｃまで下げることができたため、従来から実施されていた７５ｒ／ｓｅｃとの回転数比は５と、きわめて広くすることができる。

一方、近年の家庭用冷凍冷蔵庫は断熱性能が格段に向上しており、安定運転時と負荷投入時との必要冷凍能力の比が大きくなってきているが、往復動式冷媒圧縮機の冷凍能力はおおむね電動要素１０３の回転数に比例するため、本実施の形態によればこうした必要冷凍能力の比の拡大に対応することができ、先に述べたようにきわめて高い省エネ効果が得られるものである。

さらに、本実施の形態では、固定子１０４に突極集中巻の巻線を採用し、回転子１０５の鉄心内には希土類からなる磁気力の大きな磁石材を用いたので磁気特性が改善されることとなり、電動要素１０３の小型化や効率の向上が図ることができる。

また、本実施の形態では、冷媒ガスに環境負荷の低いＲ６００ａを用いているが、Ｒ６００ａはＲ１３４ａといったＨＦＣ冷媒に対して単位流量あたりの冷凍能力が低く、気筒容積を相対的に大きくする必要があるが、本実施の形態によれば、第１圧縮室１１９、第２圧縮室１２０おのおの１気筒あたりの気筒容積を約半分にできるので、冷媒の吸入および吐出がスムーズになり、圧縮効率を向上することができるため、特にＲ６００ａに対して好適である。

なお、本実施の形態の往復動式冷媒圧縮機では、圧縮要素１０６の連結手段を、ピストンピン１２４ａ，１２４ｂを用いたコネクティングロッド方式としているが、本発明はこれに限定されることなく、コネクティングロッドのピストン側連結部に球部を形成し、それに対しピストン１１２ａ，１１２ｂ内部には球受部を形成し、互いに掛合することで連結されるボールジョイント式の連結手段としても同様の効果を得られる。なお、連結手段がボールジョイント方式の場合、球部と球受部は、連結手段およびピストン１１２ａ，１１２ｂに対して互いに逆の構成であっても同様の効果が得られる。

（実施の形態２）
図６は、本発明の実施の形態２による往復動式冷媒圧縮機の側断面図である。図７は、本発明の実施の形態２による往復動式冷媒圧縮機の上面図である。

以下、図６および図７に基づいて本実施の形態について説明する。なお、実施の形態１と同一構成については同一符号を付し、詳細な説明を省略する。

圧縮要素２０６は、シリンダブロック１１０やクランクシャフト２０７、２つのサクションマフラー１１８ａ，１１８ｂ、十字ピストン２２４などから構成され、スコッチヨーク方式の機構を形成しいている。

クランクシャフト２０７は、主軸部２０８と偏心部２０９から形成される。

シリンダブロック１１０はクランクシャフト２０７をはさんで１８０度対向する位置に軸が水平方向の一対のシリンダ１１３ａ，１１３ｂを有するとともに、主軸部２０８を軸支している。

スライダー２２５は円柱形を成し、十字ピストン２２４の中央部の管部２２４ａ内に往復自在に組み込まれ、偏心部２０９に回転自在に連結されている。

十字ピストン２２４は一対のシリンダ１１３ａ，１１３ｂに往復自在に挿入されることで第１圧縮室２１９、第２圧縮室２２０を形成する。

以上のように構成された往復動式冷媒圧縮機について、以下その動作、作用を説明する。

上記インバータ駆動回路より電動要素１０３に通電されると、固定子１０４に発生する磁界により回転子１０５はクランクシャフト２０７とともに回転する。主軸部２０８の回転に伴い偏心部２０９の偏心運動は、偏心部２０９に連結されたスライダー２２５により回転運動がシリンダ１１３ａ，１１３ｂ内の十字ピストン２２４の往復運動に変換され、密閉容器１０１内の冷媒ガスを第１圧縮室２１９、第２圧縮室２２０内に導入して圧縮する所定の圧縮動作を行う。

十字ピストン２２４の往復動に伴う吸入行程において、密閉容器１０１内の冷媒ガスはそれぞれのサクションマフラー１１８ａ，１１８ｂを介して第１圧縮室２１９、第２圧縮室２２０内に吸入され、圧縮された後、吐出配管（図示せず）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。

また、オイル１０２はクランクシャフト２０７の下端部から吸い上げられ、クランクシャフト２０７の各摺動部と十字ピストン２２４と第１圧縮室２１９、第２圧縮室２２０の摺動部やスライダー２２５の摺動部を潤滑する。

以上のような本実施の形態における、一連の圧縮機の動作における回転子１０５と負荷トルクによる回転子１０５の回転速度低下軽減についての説明は実施の形態１と同様であるため省略する。

ここで、本実施の形態では、連結手段がスライダー２２５および十字ピストン２２４のみで構成されることとなり、圧縮機の部品点数が少なく、安価な圧縮機を得ることができる。

以上のように、本発明にかかる往復動式冷媒圧縮機は、圧縮機の圧縮負荷を減らし、脱調しない安定運転が可能となるので、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サイクル装置等に使用されるインバータ制御方式の往復動式圧縮機に広く適用できる。

本発明の実施の形態１による往復動式冷媒圧縮機の側断面図 同実施の形態の往復動式冷媒圧縮機の上面図 本発明の往復動式冷媒圧縮機のピストン変位特性図 本発明の往復動式冷媒圧縮機の圧縮室内の圧力特性図 本発明の往復動式冷媒圧縮機の圧縮要素の負荷トルク特性図 本発明の実施の形態２による往復動式冷媒圧縮機の側断面図 同実施の形態の往復動式冷媒圧縮機の上面図 従来の往復動式冷媒圧縮機の側断面図

符号の説明

１０１ 密閉容器
１０３ 電動要素
１０５ 回転子
１０６，２０６ 圧縮要素
１０７，２０７ クランクシャフト
１０８，２０８ 主軸部
１０９，２０９ 偏心部
１１０ シリンダブロック
１１２ａ，１１２ｂ，２２４ ピストン
１１６ａ，１１６ｂ コネクティングロッド
１１９，２１９ 第１圧縮室
１２０，２２０ 第２圧縮室
２２４ 十字ピストン
２２５ スライダー

Claims (7)

1. 密閉容器内に商用電源周波数未満の回転数を含む回転数でインバータ駆動される電動要素と、前記電動要素によって駆動する圧縮要素とを収容し、前記圧縮要素は主軸部及び前記主軸部に偏心して連設されたひとつの偏心部とを有するクランクシャフトと、前記クランクシャフトを挟んで一対の圧縮室を形成するシリンダブロックと、前記圧縮室内で往復運動する一対のピストンと、前記偏心部と前記一対のピストンとを連結する連結手段とを備えた往復動式冷媒圧縮機。
2. ２０ｒ／ｓｅｃ以下の運転周波数を含む請求項１に記載の往復動式冷媒圧縮機。
3. 電動要素を形成する回転子は希土類からなる磁石材を鉄心内に配置してなる請求項１または２に記載の往復動式冷媒圧縮機。
4. 圧縮する冷媒ガスがＲ６００ａである請求項１から３のいずれか１項に記載の往復動式冷媒圧縮機。
5. 最低回転数に対する最高回転数の比が３以上である請求項１から４のいずれか１項に記載の往復動式冷媒圧縮機。
6. 連結手段をコネクティングロッド方式とした請求項１から５のいずれか１項に記載の往復動式冷媒圧縮機。
7. 連結手段をスコッチヨーク方式とした請求項１から５のいずれか１項に記載の往復動式冷媒圧縮機。

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