JP2005307794A - 圧縮機の防振装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮機の防振装置に関し、特に低速運転における振動を低減する。
【解決手段】密閉容器１０４内に電動要素１０５と圧縮要素１０６からなる電動圧縮要素１０７を保持した圧縮機本体１０２とマウント１０３で構成された圧縮機１０１と、圧縮機１０１を取り付けるベース１２８と、マウント１０３とベース１２８との間に配設される防振部材１２９とを備え、防振部材１２９は損失係数が１以上５以下のゴム材にて形成することにより、防振部材１２９の内部摩擦により振動エネルギーを消費し、圧縮機１０１と防振部材１２９とから形成される振動系の共振のピークを消滅させることで、圧縮機１０１の低速運転時における振動を低減することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気冷蔵庫やその他の冷凍サイクル装置等に使用される圧縮機に関するものである。

近年、冷蔵庫やその他の冷凍サイクル装置等において、低振動化の必要性が高まっている。

特に、インバーター制御により運転周波数を可変する方式の往復動式の圧縮機においては、低速運転により消費電力を低減することができる反面、低速運転時の振動が大きくなることが課題となっている。そこで、従来の圧縮機としては、防振ゴムの低剛性化を図り、振動を小さくするための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、上記従来の圧縮機の防振装置を説明する。

図４は従来の圧縮機の防振装置の側面図で、図５は従来の圧縮機の振動変位振幅の特性図である。

図４において、圧縮機１は圧縮機本体２とマウント３とから構成され、マウント３を防振ゴム４の首部５に嵌合し、底板６とマウント３の間に防振ゴム４を介在させることにより、圧縮機１を防振支持している。防振ゴム４は、蛇腹形状の蛇腹部７を有した上部８と、肉厚部９と最大肉厚部１０との間にくびれ部１１を備えた下部１２とで構成され、防振ゴム４のバネ定数を低下させている。

以上のように構成された密閉型圧縮機について、以下その動作を説明する。

防振ゴム４は、圧縮機本体２からマウント３に伝達した振動の大部分を、まず、上部８の蛇腹部７が伸縮することで減衰させる。次に、上記下部１２の肉厚部９と最大肉厚部１０の間のくびれ部１１が伸縮することによって、振動をさらに減衰させる。

その結果、圧縮機本体２からマウント３に伝達した振動は防振ゴム４で減衰され、底板６に伝達される振動は小さくなる。
特許第３３８２７８２号公報

しかしながら、上記従来の構成では、さらに、冷蔵庫の断熱性能の向上に伴い、圧縮機１の低速運転化による省エネ効果がますます大きくなってきているにもかかわらず、２０Ｈｚ未満といった低速運転を行うと、一般的な冷蔵庫用の圧縮機１の防振装置では、圧縮機１の振動が急激に増加し、その振動を防振装置が十分に防振できず、圧縮機１の低速運転化による省エネ効果を高める上で、大きな課題となっていた。

以下、圧縮機１が低速運転を行うと振動が急激に増加してしまう理由について、従来の圧縮機の振動変位振幅の特性図である図５に基づいて説明する。

図５の横軸は運転周波数であり、ピストンが往復運動する方向の密閉容器１３の振動変位振幅を示している。

この結果から、運転周波数が低くなるほど振動変位振幅が増加する傾向にあり、３０Ｈｚ以下では振動変位振幅が極端に大きい２つの周波数帯域が存在することがわかる。１つ目は２０Ｈｚ近傍の帯域で振動変位振幅が３００μｍと大きくなっており、２つ目は１５Ｈｚ以下の帯域で急激に振動変位振幅が大きくなり、１００μｍを上回っていることがわかる。また、この２つの大きな振動変位振幅の間の運転周波数、すなわち１７Ｈｚ近傍と３０Ｈｚ以上の運転周波数では、ともに４０μｍ以下と比較的振動は小さくなっている。

次に、上述した振動特性の理由について説明する。

圧縮機１と防振ゴム４で支持される振動系は、防振ゴム４のバネ定数と圧縮機１の質量の関係から共振周波数を持ち、バネ定数が小さいほど共振周波数が低い周波数域に移動し、低速運転での圧縮機１の振動増大を抑制できるが、防振ゴム４の要求される剛性との関係等である程度の剛性が必要となり、通常、共振周波数は概ね２０Ｈｚ前後であることが多い。

また、密閉容器１３内に固定されたサスペンションスプリング（図示せず）およびこれによって支持される電動圧縮要素（図示せず）の振動系も同様に、サスペンションスプリングのバネ定数と電動圧縮要素の質量の関係から共振周波数を持ち、バネ定数が小さいほど共振周波数が低周波数域に移動し、低速運転での圧縮機１の振動増大を抑制できるが、サスペンションスプリングに要求される剛性との関係である程度の剛性が必要となり、通常、共振周波数は概ね１０Ｈｚ前後であることが多い。

すなわち、図５において２０Ｈｚと１５Ｈｚ以下で急激に振動変位振幅が大きくなっているのは、圧縮機１の運転周波数が、圧縮機１と防振ゴム４からなる振動系の共振周波数および、電動圧縮要素とサスペンションスプリングからなる振動系の共振周波数に一致するまたは近づくために、圧縮機１の防振ができなくなってくるためである。

一方、近年の地球環境保全の観点からＲ１３４ａ冷媒に代わり、温暖化係数の低いハイドロカーボン冷媒であるＲ６００ａが用いられ始めているが、Ｒ６００ａはＲ１３４ａに比べて冷凍能力が低いという冷媒物性を備えており、そのためＲ１３４ａと同等の冷凍能力を実現するためには概ね２倍の気筒容積が必要となる。

従って、偏心軸の偏心量やピストンの外径が、Ｒ１３４ａを用いた圧縮機１に比べて拡大されており、この結果、ピストンの質量の増加やピストンのストローク量が増加することで、ピストンの往復運動によって発生する振動エネルギーも大きくなる。そのため、ますます圧縮機１の振動が大きくなり、防振装置では防振しきれないという課題を有していた。

本発明は上記従来の課題を解決するもので、特に低速運転における振動を低減した圧縮機の防振装置を提供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、本発明の圧縮機の防振装置は、圧縮機と、圧縮機を取り付けるベースと、前記マウントとベースとの間に配設される防振部材とを備え、前記防振部材は損失係数が１以上５以下のゴム材にて形成されたものであり、圧縮機から伝達される振動を防振部材の内部摩擦により振動エネルギーを消費することで減衰させることで、圧縮機と防振部材とが形成する振動系の共振ピークが無くなり、共振を起こさせないという作用を有する。

本発明の圧縮機の防振装置は、マウントとベースとの間に配設される防振部材が損失係数１以上５以下のゴム材にて形成されたものであり、低速運転における振動を低減した圧縮機の防振装置を提供することができる。

本発明の請求項１に記載の発明は、密閉容器内に電動要素と圧縮要素からなる電動圧縮要素を保持した圧縮機本体とマウントで構成された圧縮機と、前記圧縮機を取り付けるベースと、前記マウントとベースとの間に配設される防振部材とを備え、前記防振部材は損失係数が１以上５以下のゴム材にて形成されたもので、圧縮機から防振部材へ伝達された振動が防振部材の内部摩擦により振動エネルギーを消費することで減衰させることで、圧縮機と防振部材とが形成する振動系の共振ピークが無くなり共振を起こさないため、低速運転における振動を低減することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、さらに圧縮機と防振部材とが形成する振動系の固有振動数が電動要素を駆動する運転周波数と略一致するもので、防振部材の減衰効果により圧縮機と防振部材とが形成する振動系の共振ピークが無くなることから、固有振動数で圧縮機を運転しても低振動化を実現することができ、請求項１に記載の発明の効果に加えて、圧縮機と防振部材とが形成する振動系の固有振動数での圧縮機の運転が可能となり、より圧縮機の低速運転ができ、システムの省エネ効果を向上させることができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、さらに電動要素は商用電源周波数を含む複数の運転周波数で運転するもので、請求項１または２に記載の発明の効果に加えて、圧縮機の冷凍能力の最適化が可能となり、システムの省エネ効果を向上させることができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれか一項に記載の発明において、さらに電動要素を構成する固定子は、鉄心に形成したティースに巻線を直接的に巻設した突極集中巻の電動機を形成するもので、圧縮機または電動要素の質量が軽量化し、振動変位が増大しても、防振部材の内部摩擦により振動を低減することができ、請求項１から３の発明の効果に加えて、突極集中巻により電動要素と圧縮機の効率を高めることができるとともに、電動要素の積厚の低減が図れ、圧縮機を小型で軽量にすることができる。

請求項５に記載の発明は、請求項１から４のいずれか一項に記載の発明において、さらに電動要素を構成する回転子は、鉄心内部に希土類系磁石を収納したもので、コギング力の増大に伴い振動が増大しても、防振部材の内部摩擦により振動を低減することができ、請求項１から４に記載の発明の効果に加えて、希土類系磁石により磁束密度を増大させることで電動要素の効率を高めることができ、圧縮機の効率も高めることができる。

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における圧縮機と防振装置の側面図、図２は同実施の形態における圧縮機の振動変位振幅の特性図、図３は同実施の形態における電動要素の平面図である。

図１から図３において、圧縮機１０１は圧縮機本体１０２とマウント１０３で構成されており、圧縮機本体１０２の密閉容器１０４内には、下方に配置された電動要素１０５と上方に配置された圧縮要素１０６を一体化した電動圧縮要素１０７が、サスペンションスプリング１０８を介して支持されて収容されている。

電動要素１０５は、回転子１０９と固定子１１０とから構成され、回転子１０９は鉄心１３０の内部にネオジウム等の希土類系磁石１１１が収納され、固定子１１０は鉄心１３０に形成したティース１３１に巻線１３２を直接的に巻設した突極集中巻として形成されている。

圧縮要素１０６は、電動要素１０５以外の電動圧縮要素１０７であるクランクシャフト１１２、シリンダーブロック１１３等で構成され、クランクシャフト１１２は、回転子１１０を圧入固定した主軸１１４、および主軸１１４に対し偏心して形成された偏心軸１１５を有するとともに、バランスウェイト部１１６を主軸１１４と偏心軸１１５の間に有し、また偏心軸１１５の上端には、バランスウェイト１１７が取り付けられている。

シリンダーブロック１１３は、略円筒形のシリンダー１１８を有するとともに、主軸１１４を軸支する軸受部１１９を有し、電動要素１０５の上方に形成されている。

ピストン１２０は鉄などの金属で形成され、シリンダー１１８に往復動自在に挿入される。また、ピストン１２０は偏心軸１１５との間を連結手段１２１によって連結されている。

バルブプレート１２２は、シリンダー１１８の端面１１８ａに、高圧室（図示せず）を形成するシリンダヘッド１２３と、ＰＢＴなどの樹脂で成型される吸入マフラー１２４と共に取り付けられている。

また、サスペンションスプリング１０８は、図１の断面を中心に４箇所に設けてあり、密閉容器１０４に固定されたスナブバー１２５および電動要素１０５の固定子１１０に固定されたスナブバー１２６の間に嵌装されている。

密閉容器１０４には、マウント１０３やハーメチックターミナル１２７、吸入管（図示せず）、吐出管（図示せず）が溶接等により固定されている。吸入管と吐出管は冷却システムの低圧側と高圧側（図示せず）にそれぞれ接続されている。

一方、圧縮機１０１は、マウント１０３とベース１２８との間に中空の略円筒形状の防振部材１２９を備えている。防振部材１２９は損失係数が１以上５以下のゴム材にて形成されている。

このベース１２８は、例えば家庭用冷蔵庫の機械室に設けられた圧縮機１０１を取り付ける為の金属部材等である。

ここで、損失係数について、簡単に説明する。

周波数を変えて対象部材を加振して共振を起こさせ、その時の振動を計測することによって得られる共振曲線に基づいて、損失係数を求めることができる。具体的には、振動が最大となる共振周波数（Ｆ０）と、振動の最大振幅である共振曲線の最大値から３ｄＢ下がったところの周波数（Ｆ１、Ｆ２）を共振曲線から求める。そして、Ｆ１とＦ２との周波数差（△Ｆ）を求め、Ｆ０に対する△Ｆの比として、損失係数は定義される。

このような損失係数１を上回るような制振性の高いゴム材の材料は、高分子制振材料と呼ばれるものがあり、その成分は例えば、スチレン系エラストマー３６．７重量％、パラフィン系オイル１８．３重量％、水添石油樹脂４５．０重量％を混合したものである。スチレン系エラストマーは熱可塑性高分子有機材料であり、押出成形や射出成形が可能で量産化を容易にしており、また、パラフィン系オイルは軟化剤であり防振部材１２９の硬度を調整することができる。

さらに、水添石油樹脂はＳＰ値（溶解性パラメータ）が熱可塑性高分子有機材料に近いため相溶性が良く、水添された脂環族系石油であるので耐熱性、耐候性に優れ、粘着付与剤でもあることから自己粘着性があるという特徴を有している。

このような高分子制振材料は一般に応力が加わると変形し、応力を取り除くと、一旦引き伸ばされた高分子鎖の絡み合いが元へ戻ろうとする。この分子内あるいは分子間の運動により摩擦熱が発生するが、それらは外部へ散逸してしまうため、結果として内部でエネルギーの損失が起こる。このように、高分子制振材料とは機械的な振動エネルギーを熱エネルギーに変換し、振動エネルギー自体を材料内部で減衰する材料といえる。

以上のように構成された圧縮機の防振装置について、以下その動作、作用を説明する。

電力はインバーター装置（図示せず）等を介して電動要素１０５に供給され、回転子１０９を所定の回転数で回転させる。回転子１０９はクランクシャフト１１２を回転させ、偏心軸１１５の偏心運動が連結手段１２１を介してピストン１２０に伝えられることで、ピストン１２０はシリンダー１１８内を往復運動する。

そして冷媒は、冷却システムから吸入管を通して密閉容器１０４内に導かれた後、吸入マフラー１２４から吸入され、シリンダー１１８内で連続して圧縮され、吐出管より冷却システムへ再び吐き出される。

また、ピストン１２０がシリンダー１１８内で往復運動する際に、ピストン１２０の慣性力はピストン１２０の往復運動の直線方向に作用するのに対して、バランスウェイト部１１６、バランスウエイト１１７に作用する遠心力の方向は、クランクシャフト１１２の回転に伴い常に回転している。従って、上死点および下死点では、遠心力はピストン１２０の慣性力と反対向きに作用し、電動圧縮要素１０７への不釣合い力を小さくするように作用する。しかし、上死点と下死点以外の位置では、慣性力と遠心力のベクトルの方向は異なるため、いずれかの方向に不釣合い力を生じる。

電動圧縮要素１０７はこの不釣合い力により振動し、この振動はサスペンションスプリング１０８を介して密閉容器１０４へ伝達され、圧縮機１０１を振動させる。そして圧縮機１０１の振動はマウント１０３を介して防振部材１２９に伝達し、ベース１２８へ振動が伝達する。

しかしながら防振部材１２９は損失係数が１以上と高いため、上述した通り防振部材１２９の内部でエネルギーの損失が起こる。すなわち、防振部材１２９に伝達した機械的な振動エネルギーを熱エネルギーに変換し、振動エネルギー自体を防振部材１２９の内部で減衰させる。そのため、圧縮機１０１の振動は防振部材１２９で大きく減衰され、ベース１２８へ伝達される振動を低減することができる。

そして、図３から損失係数が０．８であれば、通常、圧縮機１０１と防振部材１２９とで形成される振動系の固有振動数である２０Ｈｚ近傍に共振のピークが認められるが、防振部材１２９は損失係数が１以上のゴムで形成されていることで、固有振動数の近傍にある共振のピークが消滅している。

ここで、圧縮機１０１と防振部材１２９とが形成する振動系の固有振動数は防振部材１２９のバネ定数をｋ、圧縮機１０１の質量ｍ（ｋｇ）、固有振動数をｆ（ＨＺ）、とするとき、（数１）で表される。
ｆ＝（√（ｋ／ｍ））／（２×π） …（数１）
従って、圧縮機１０１と防振部材１２９とで形成される振動系の固有振動数に圧縮機１０１の運転周波数が略一致する場合でも、振動の増加が無く振動変位振幅が４０μｍ以下になり、その結果、本実施の形態においては、１７Ｈｚ近傍までの低速運転が可能となり、システムの省エネ効果を高めることができる。そして、圧縮機１０１と防振部材１２９とで形成される振動系の固有振動数と圧縮機１０１の運転周波数の差が２Ｈｚ以内でも十分に実現可能である。

さらに、上記したような低い運転周波数を含む複数の運転周波数において、振動変位振幅が４０μｍ以下のレベルを維持できることから、圧縮機１０１の運転周波数領域を拡大することができ、システムの省エネ運転や急凍、急冷等、様々な条件下において、負荷に応じた最適な冷凍能力を得ることができる。

また、固定子１１０は、鉄心１３０に形成したティース１３１に巻線１３２を直接的に巻設した突極集中巻にすることで巻線１３２の量を低減でき、圧縮機１０１の軽量化が図れるが、一方で圧縮機１０１の軽量化によって一般に振動変位の増加が生ずる。また回転子１０９は希土類系磁石１１１により磁束密度を増大させることで電動要素１０５の高効率化効率はさらに向上するものの、圧縮機１０１の軽量化、および希土類系磁石１１１によるコギング力の増大による振動の増加が生ずる。

このコギング力とは、回転子１０９を誘導する固定子１１０の極が変わる度に回転子１０９の希土類系磁石１１１から発生する磁束の向きと大きさが変化し、回転子１０９の磁束が周期的に変動することに伴う回転トルク変動である。

しかしながら、本実施の形態では防振部材１２９は損失係数が１以上５以下のゴム材で形成されていることで、圧縮機１０１の振動は防振部材１２９で大きく減衰されるとともに、圧縮機１０１と防振部材１２９とで形成される振動系の固有振動数である２０Ｈｚ周辺に現れる共振のピークが消滅しているために、上記したような振動の増加要因を有するにもかかわらず、振動変位振幅が４０μｍ以下のレベルを維持できるとともに、圧縮機１０１の軽量化および高効率化を実現できる。

なお、損失係数は高くなればなるほど、振動の減衰効果が大きくなるが、実際に圧縮機で使用する場合に問題となる重量の重さや熱負荷の大きさに耐えうるものとして本実施の形態では防振部材１２９は損失係数を５以下でのものとしたが、現在の技術水準における耐久性から考慮すると損失係数が１以上３以下の防振部材１２９を使用するとより高い信頼性を得ることができる。また、現在の技術水準における耐久性に加え、製造コストを考慮すると、損失係数が１．０以上２．３以下の防振部材１２９を使用することで、防振部材１２９の製造コストを大幅に低減することができる。

以上のように、本発明にかかる圧縮機の防振装置は、低速運転時の振動を低減することが可能となるので、冷凍ショーケース、除湿機エアーコンディショナーや自動販売機などに用いられる圧縮機の防振装置等の用途にも適用できる。

本発明の実施の形態１における圧縮機と防振装置の側面図 同実施の形態における圧縮機の振動変位振幅の特性図 同実施の形態における電動要素の平面図 従来の圧縮機の防振装置の側面図 従来の圧縮機の振動変位振幅の特性図

符号の説明

１０１ 圧縮機
１０２ 圧縮機本体
１０３ マウント
１０４ 密閉容器
１０５ 電動要素
１０６ 圧縮要素
１０７ 電動圧縮要素
１０９ 回転子
１１０ 固定子
１１１ 希土類系磁石
１２８ ベース
１２９ 防振部材
１３０ 鉄心
１３１ ティース
１３２ 巻線

Claims (5)

1. 密閉容器内に電動要素と圧縮要素からなる電動圧縮要素を保持した圧縮機本体とマウントで構成された圧縮機と、前記圧縮機を取り付けるベースと、前記マウントと前記ベースとの間に配設される防振部材とを備え、前記防振部材は損失係数が１以上５以下のゴム材にて形成される圧縮機の防振装置。
2. 圧縮機と防振部材とが形成する振動系の固有振動数が、電動要素を駆動する運転周波数と略一致する請求項１に記載の圧縮機の防振装置。
3. 電動要素は商用電源周波数を含む複数の運転周波数で運転する請求項１または２に記載の圧縮機の防振装置。
4. 電動要素を構成する固定子は、鉄心に形成したティースに巻線を直接的に巻設した突極集中巻の電動機を形成する請求項１から３のいずれか一項に記載の圧縮機の防振装置。
5. 電動要素を構成する回転子は、鉄心内部に希土類系磁石を収納した請求項１から４のいずれか一項に記載の圧縮機の防振装置。

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