JP2008185023A - 密閉型往復動圧縮機及び冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プロパン（Ｒ２９０）を用いても低騒音かつ高成績係数が可能な密閉型往復動圧縮機及び冷凍サイクル装置を提供する。
【解決手段】密閉型往復動圧縮機１００の吸込孔１１５ａの面積Ｓｓ（ｍｍ^２）及び上記圧縮室の圧縮した上記圧縮対象流体の排除容積Ｖｃｃ（ｍｍ^３）との関係が０．００１５≦（Ｓｓ／Ｖｃｃ）＜０．００３に形成されている密閉型往復動圧縮機１００と、密閉型往復動圧縮機１００に接続された凝縮器２００と、凝縮器２００に接続された膨張装置３００と、膨張装置３００に接続された蒸発器４００とで連結され構成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、家庭用冷蔵庫等に用いられる密閉型往復動圧縮機、及び密閉型往復動圧縮機が組み込まれた冷凍サイクル装置に関し、特に騒音を低減できるものに関する。

家庭用冷蔵庫等の冷凍サイクル装置には密閉型往復動圧縮機が用いられている。しかし、密閉型往復動圧縮機の吐出流量を最適になるよう設計しても、形状が複雑であるため、設計通りにはならず吐出流量が目標流量に達しないことがあった。

このため、吐出流量が目標流量に達するように、吸込口の通路面積や、吐出口の通路面積等を設定している。このように設定した例として、密閉型往復動圧縮機の吸込孔の開口面積をシリンダ内の圧縮室の面積に対しての比が０．０６〜０．０８程度としたものがある。また、無潤滑コンプレッサにおいては、吸込孔の面積を、シリンダ内の圧縮室の面積に対して０．０４〜０．１２とし、吐出バルブの総リフト面積を、前記圧縮室の面積に対して０．０２〜０．１０と設定したもの等がある（例えば特許文献１参照）。

また、以前はフロンが主に冷凍サイクル装置の冷媒として使用されていたが、オゾン層の破壊などから、代替フロン（ＨＦＣ１３４ａ）が冷媒として使用されるようになった。しかし、代替フロンはオゾン層の破壊はしないが、高い温室効果係数を持つ物質であることから、冷媒として代替フロンから炭化水素冷媒に移行した。現在、冷蔵庫等に使用されている冷媒は主として炭化水素冷媒（ＨＣ冷媒）、特にイソブタン（Ｒ６００ａ）が用いられている。しかし、今後の冷蔵庫等の低蒸発温度化、大容量化（圧縮機小型化）対応として冷媒を同じＨＣ冷媒であるプロパン（Ｒ２９０）が選定される可能性がある。
特開２００３−２８６９５０号公報

上述した密閉型往復動圧縮機では、次のような問題があった。すなわち、プロパン（Ｒ２９０）はイソブタン（Ｒ６００ａ）に比べ、冷媒体積循環量が少ないという性質がある。このため、従来の吸込孔の面積、吐出孔の面積、シリンダ径等を有する圧縮機では騒音が大きくなる。しかし、騒音を小さくすると成績係数が低下することがある。

そこで本発明は、冷媒としてプロパン（Ｒ２９０）を用いたものであっても、最適な吸込通路を形成することにより、高い成績係数を維持するとともに、低騒音の密閉型往復動圧縮機及び冷凍サイクル装置を提供することを目的としている。

前記課題を解決し目的を達成するために、本発明の密閉型往復動圧縮機及び冷凍サイクル装置は次のように構成されている。

密閉ケースと、この密閉ケース内に設けられた電動機部と、この電動機部に連結された回転軸と、上記密閉ケース内に設けられ、圧縮室を形成するシリンダ、上記回転軸に偏心回転可能に設けられたクランクピン、上記圧縮室内を往復動自在に設けられたピストン、このピストンと上記クランクピンとを連接する連接部材、上記圧縮室へ圧縮対象流体を導く吸込孔を有する弁装置、この弁装置を有する圧縮機構部とを備え、上記圧縮対象流体はプロパンとし、上記弁装置の上記吸込孔及び上記圧縮室は、上記吸込孔の開口面積Ｓｓ（ｍｍ^２）と排除容積Ｖｃｃ（ｍｍ^３）との関係が、０．００１５≦（Ｓｓ／Ｖｃｃ）＜０．００３に形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、冷媒としてプロパン（Ｒ２９０）を用いたものであっても、最適な吸込通路を形成することにより、高い成績係数を維持するとともに、低騒音とすることが可能となる。

図１は本発明の第１の実施の形態に係る冷凍サイクル装置１の構成及び密閉型往復動圧縮機１００を示す縦断面図、図２は密閉型往復動圧縮機１００の圧縮機構部１０３に組み込まれた弁座板１１５を示す側面図、図３は同弁座板１１５の吸込孔１１５ａに接続された吸込マフラ１１９を示す側面図、図４はプロパン（Ｒ２９０）を用いた密閉型往復動圧縮機１００の吸込孔１１５ａの面積（Ｓｓ）の排除容積（Ｖｃｃ）に対する比（Ｓｓ／Ｖｃｃ）と成績係数及び騒音との相関を示すグラフである。

冷凍サイクル装置１は、密閉型往復動圧縮機１００と、密閉型往復動圧縮機１００の吐出側に接続された凝縮器２００と、凝縮器２００に接続された膨張装置３００と、膨張装置３００に接続された蒸発器４００とが連結されて構成されている。冷凍サイクル装置１に用いる冷媒は炭化水素冷媒（ＨＣ冷媒）のプロパン（Ｒ２９０）を用いる。

密閉型往復動圧縮機１００は、密閉ケース１０１内に電動機部１０４を介してスプリング１０２ａにより弾性的に支持されるフレーム１０２と、このフレーム１０２の上部に配置された圧縮機構部１０３と、フレーム１０２の下部に配置された電動機部１０４とを備えている。また、密閉ケース１０１は、下部ケース１０１ｃと、この下部ケース１０１ｃを密閉するための上蓋１０１ａを備えている。圧縮機構部１０３と電動機部１０４とは、フレーム１０２に設けられた枢支用孔１０２ｂに嵌合軸支された回転軸１０５により連結されており、電動機部１０４により圧縮機構部１０３が駆動される。

密閉ケース１０１は、スプリング１０２ａを挿入し、スプリング１０２ａを密閉ケース１０１に固定する突出部１０１ｂを備えている。

圧縮機構部１０３は、フレーム１０２の上面に載置され圧縮室１０７ａを形成するシリンダ１０７と、後述するクランクピン１０５ｂからボールジョイント機構部１１０を介して連結され圧縮室内を往復動自在に配置されたピストン１０８とを備えている。ボールジョイント機構部１１０は、回転軸１０５のクランクピン１０５ｂに回転自在に嵌合された大端部１１１と、この大端部１１１に結合された連接部材１０９と、連接部材１０９に設けられたボールジョイント１１２とを備えており、ボールジョイント１１２とピストン１０８とが回転自由にピストン１０８に設けられた嵌合部１１３により嵌合されている。ここで、ピストン１０８が１往復したときの圧縮された冷媒ガスの吐出容積である排除容積をＶｃｃとする。

電動機部１０４は、回転軸１０５に固着された回転子１１７と、フレーム１０２に支持ボルト１０６ａによって固定された固定子１１８とを備えている。この支持ボルト１０６ａは、スプリング１０２ａを挿入することで、スプリング１０２ａを押支・固定するためのボルト頭部１０６を備えている。

回転子１１７は永久磁石（不図示）を有するとともに、固定子１１８はコイルが集中巻方式により巻かれている。

回転軸１０５には、フレーム１０２上面に鍔部１０５ａを介し、回転軸１０５が回転するとき所定の偏心半径で偏心回転する中心軸を備えたクランクピン１０５ｂが設けられている。

シリンダ１０７の端面には弁座板１１５が設けられている。図２に示すように、弁座板１１５は吸込孔１１５ａと吐出孔１１５ｂを有し、吸込孔１１５ａと吐出孔１１５ｂに対応して吸込弁及び吐出弁（共に不図示）が設けられている。ここで、弁座板１１５の吸込孔１１５ａ直径をＤｓ、吸込孔１１５ａの開口面積をＳｓとする。ただし、弁座板１１５に吸込孔１１５ａが複数個設けられているときは、複数個の吸込孔１１５ａの開口面積の和をＳｓとする。

弁座板１１５は、バルブカバー１１６で覆われており、バルブカバー１１６は、内部を二分する仕切り部（不図示）を有している。バルブカバー１１６の仕切り部の一方は吸込孔１１５ａを覆うように設けられた吸込室、他方は吐出弁１１５ｂを覆うように設けられた吐出室に形成されている。

また、弁座板１１５の吸込孔１１５ａの上流側には、図３に示すような吸込マフラ１１９が接続されている。この吸込マフラ１１９は、プロパン（Ｒ２９０）を吸込マフラ入口１１９ａから吸込み、吸込マフラ室（不図示）を介して吸込マフラ出口１１９ｂから吐出するよう形成されている。また、吸込マフラ出口１１９ａから吐出されたプロパン（Ｒ２９０）は、弁座板１１５へと移動するよう吸込経路が形成されている。

ここで、密閉型往復動圧縮機１００の吸込孔１１５ａの面積Ｓｓ（ｍｍ^２）の排除容積Ｖｃｃ（ｍｍ^３）に対する比（Ｓｓ／Ｖｃｃ）が０．００１５（ｍｍ^−１）以上０．００３（ｍｍ^−１）未満に設定されている。このように設定した理由については後述する。

このように構成された冷凍サイクル装置１では、まず密閉型往復動圧縮機１００で、電動機部１０４への外部エネルギ（例えば商用電源等）の供給により回転子１１７が回転する。これにより、回転子１１７に固着された回転軸１０５も回転することとなる。この回転軸１０５の回転に合わせ、クランクピン１０５ｂは偏心回転される。クランクピン１０５ｂの偏心回転は、ボールジョイント機構部１１０を介してピストン１１１の往復動に変換され、ピストン１１１は圧縮室１０７ａ内で往復動し、この往復動により冷媒であるプロパン（Ｒ２９０）を圧縮する。圧縮されたプロパン（Ｒ２９０）は吐出孔１１５ｂから吐出室を通り、密閉型往復動圧縮機１００から冷媒管１２０を介して凝縮器２００、膨張装置３００及び蒸発器４００を順次通過する。蒸発器４００を通過したプロパン（Ｒ２９０）は冷媒管１２０を介し密閉型往復動圧縮機１００へ入り、吸込マフラ１１９の吸込マフラ１１９ａ入口から吸込マフラ室を介して吸込マフラ出口１１９ｂへと移動する。さらにプロパン（Ｒ２９０）は、吸込マフラ出口１１９ｂから吸込孔１１５ａを通過し圧縮室１０７ａへ戻る。

次に、吸込孔１１５ａの面積Ｓｓ（ｍｍ^２）の排除容積Ｖｃｃ（ｍｍ^３）に対する比Ｓｓ／Ｖｃｃ（ｍｍ^−１）を０．００１５（ｍｍ^−１）以上０．００３（ｍｍ^−１）未満とした理由について説明する。

音の減衰量には、空間ボリュームの面積比が大きく影響する。密閉型往復動圧縮機１００の騒音は、圧縮機構部１０３で発生する圧力脈動が吸込孔１１５ａ及び吸込室を通り、密閉ケース１０１空間へ放出される等により騒音となる。

また、音の減衰量は、音の伝達方向の空間ボリュームを大から小にすることにより、大きくなるため、シリンダ１０７の圧縮ボリューム、すなわち排除容積Ｖｃｃに対して吸込孔１１５ａを小さくすることで、伝播する音を減衰することが可能になる。

成績係数（以下、「ＣＯＰ」と称する）と冷媒体積循環量との関係では、冷媒体積循環量の多いイソブタン（Ｒ６００ａ）では吸込孔１１５ａを小さくするとＣＯＰが大幅に低下する。これに対し、冷媒体積循環量が少ないプロパン（Ｒ２９０）ではＣＯＰを低下させることなく吸込孔１１５ａを細径化できる。ただし、吸込孔１１５ａが小さすぎると圧力損失が大きくなり、吸込みの冷媒量が減少してＣＯＰが低下する。

ここで実測したところ、図４に示すように、プロパン（Ｒ２９０）を用いた密閉型往復動圧縮機１００での騒音は、Ｓｓ／Ｖｃｃが０．００３（ｍｍ^−１）未満で小さく、０．００３（ｍｍ^−１）以上になると急激に大きくなることがわかった。このためＳｓ／Ｖｃｃを０．００３未満にすることで低騒音化を図ることができる。

さらに、図４に示すように、密閉型往復動圧縮機１００のＣＯＰは、Ｓｓ／Ｖｃｃが０．００１５（ｍｍ^−１）未満では急激に低下するが、０．００１５（ｍｍ^−１）以上では略一定である。

このように、本実施の形態の形態に係る冷凍サイクル装置１によれば、圧縮機構部１０３の吸込み孔の面積Ｓｓ（ｍｍ^２）と排除容積Ｖｃｃ（ｍｍ^３）との関係を０．００１５≦（Ｓｓ／Ｖｃｃ）＜０．００３（ｍｍ^−１）と設定することで、ＣＯＰを低下させることなく、低騒音化を図ることができる。

次に、第２の実施の形態に係る冷凍サイクル装置１として、吸込孔１１５ａの面積（Ｓｓ）と吸込マフラ入口１１９ａの面積（Ｍｓ）との最適化を行う密閉型往復動圧縮機１００Ａの説明を行う。図５はプロパン（Ｒ２９０）を用いた密閉型往復動圧縮機１００Ａの吸込マフラ入口１１９ａの面積Ｍｓ（ｍｍ^２）の吸込孔１１５ａの面積Ｓｓ（ｍｍ^２）に対する比（Ｍｓ／Ｓｓ）と成績係数及び騒音との相関を示すグラフである。
ここで、吸込マフラ入口１１９ａの面積をＭｓとし、第１の実施の形態に係る冷凍サイクル装置１の密閉型往復動圧縮機１００と同構成とする。

吸込孔１１５ａの面積Ｓｓと吸込マフラ入口１１９ａの面積Ｍｓとの最適化として吸込マフラ入口１１９ａの面積Ｍｓに対する、吸込孔１１５ａの面積Ｓｓの比（Ｍｓ／Ｓｓ）が１以上２以下に設定されている。

このように設定した理由として、吸込マフラ１１９の吸込マフラ入口１１９ａから吸込孔１１５ａは、上述した構成からもわかるように圧縮室１０７ａへの冷媒の吸込経路を形成している。特に、吸込マフラ入口１１９ａは、吸込孔１１５ａよりも上流に設けている。吸込孔１１５ａは、第１の実施の形態による密閉型往復動圧縮機１００にて最適値を設けているため、流路抵抗を吸込孔１１５ａで大幅に調整することが難しい。しかし、流路抵抗が大きくなると、ＣＯＰが大幅に低下し、流路抵抗が小さくなると騒音が増大するために、流路抵抗を最適化する調整を行う必要がある。

そこで、吸込マフラ入口１１９ａの面積を吸込孔１１５ａの面積に対して調整する。吸込マフラ入口１１９ａの面積は、この面積を小さくすると流路抵抗が大きくなり、上述したようにＣＯＰが大幅に低下する。また、吸込マフラ入口１１９ａの面積を大きくしすぎると、圧縮機構部１０３で発生する圧力脈動が吸込経路を通って密閉ケース空間へ放射されやすくなり、騒音が大きくなる。

ここで実測したところ、図５に示すようにプロパン（Ｒ２９０）を用いた密閉型往復動圧縮機１００Ａの騒音は、Ｍｓ／Ｓｓが２以下で小さく、２を超えると急激に大きくなる。したがって、Ｓｓ／Ｓｄを２以下にすることによって、低騒音化を図ることができる。同様に実測したところ、図５に示すように、密閉型往復動圧縮機１００ＡのＣＯＰは、Ｍｓ／Ｓｓが１未満になると急激に低下するが、１以上では略一定である。したがってＳｓ／Ｓｄを１以上にすれば、ＣＯＰの低下を防止することができる。

本実施の形態に係る冷凍サイクル装置１において、圧縮機構部１０３の吸込孔１１５ａの面積Ｓｓと吸込マフラ１１９の吸込マフラ１１９ａの面積Ｍｓとの比を１≦（Ｍｓ／Ｓｓ）≦２と設定することで、ＣＯＰを低下することなく、低騒音化を図ることができる。

次に上述した密閉型往復動圧縮機１００及び１００Ａのボルト頭部１０６の変形例を説明する。図６は、第１の変形例に係る冷凍サイクル装置１に用いる密閉型往復動圧縮機１００Ｂのボルト頭部１３０の要部構成を示す断面図である。ボルト頭部１３０は、スプリング１０２ａの座面を覆うよう形成された挿入部１３０ａを有している。このような挿入部１３０ａにスプリング１０２ａの一端を挿入し、スプリング１０２ａの多端を突出部１０１ｂに挿入することで、密閉ケース１０１にフレーム１０２が弾性的に支持される。

このように構成された冷凍サイクル装置１では、図６に示すように、溝部である挿入部１３０ａを有するボルト頭部１３０を用いることで、挿入部１３０ａがスプリング１０２ａの水平方向への移動を制限する。このため、冷凍サイクル装置１及び密閉型往復動圧縮機１００Ｂの輸送時等に発生する上下及び横方向の振動により、スプリング１０２ａがボルト頭部１３０から離脱することを防止することができる。さらに、挿入部１３０ａがボルト頭部１３０に一体成形されているために、例えば型を用いることにより、容易に成形することが可能となる。このため、ボルト頭部１３０の加工や製造にかかるコストを低減することにもなる。

次に上述した密閉型往復動圧縮機１００Ｂのボルト頭部１３０の変形例を説明する。図７は、第２の変形例に係る冷凍サイクル装置１に用いる密閉型往復動圧縮機１００Ｃのボルト頭部１３１の要部構成を示す断面図である。

ボルト頭部１３１には、スプリング１０２ａの座面を覆う形状となる挿入部１３２が係合している。このような挿入部１３２にスプリング１０２ａの一端を挿入し、スプリング１０２ａの他端を突出部１０１ｂに挿入することで、密閉ケース１０１にフレーム１０２を弾性的に支持される。

このように構成された冷凍サイクル装置では、ボルト頭部１３１と挿入部１３２とを別体とし、これらを係合させることで、スプリング１０２ａを挿入する形状としたため、スプリング１０２ａ等の仕様に対して、ボルト頭部１３１と挿入部１３２との内外形や高さ寸法の変更を容易とすることが可能となる。これにより、第１の変形例に用いたボルト頭部１３０に比べ、ボルト頭部１３１と挿入部１３２がスプリング１０２ａの水平方向への移動をより制限することが可能となる。このため、例えば、冷凍サイクル装置１及び密閉型往復動圧縮機１００Ｃの輸送時等に発生する上下及び横方向の振動により、スプリング１０２ａがボルト頭部１３０から離脱することを確実に防止することができる。また、型等による加工の制約を受けなくてすむため、各仕様に適した様々なボルト頭部の形状とすることが可能となる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。例えば、上述した例では吸込マフラ入口１０９ａが単数の吸込マフラ１０９を用いているが、これは複数の吸込マフラ入口を有している吸込マフラでも適用できる。この場合、吸込マフラ入口の面積Ｍｓは、複数の吸込マフラ入口の面積の和をＭｓとして用いればよい。また、密閉ケース１０１の上部に圧縮機構部１０３、下部に電動機部１０４を配置していると説明したが、密閉ケース１０１の下部に圧縮機構部１０３を、上部に電動機部１０４でも適用可能である。また、上述した例ではフレーム１０２とシリンダ１０７は別に設けていたが、フレーム１０２とシリンダ１０７を一体としてもよい。この他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能である。

本発明の第１の実施の形態に係る冷凍サイクル装置の構成及び密閉型往復動圧縮機を示す縦断面図。 同密閉型往復動圧縮機の圧縮機構部に組み込まれた弁座板を示す側面図。 同弁座板の吸込孔に接続された吸込マフラを示す側面図。 プロパン（Ｒ２９０）を用いた密閉型往復動圧縮機の吸込孔の面積Ｓｓの排除容積Ｖｃｃに対する比（Ｓｓ／Ｖｃｃ）と成績係数及び騒音との相関を示すグラフ。 第２の実施の形態に係るプロパン（Ｒ２９０）を用いた密閉型往復動圧縮機の吸込マフラ入口の面積Ｍｓの吸込孔の面積Ｓｓに対する比（Ｍｓ／Ｓｓ）と成績係数及び騒音との相関を示すグラフ。 第１の変形例に係る冷凍サイクル装置に用いる密閉型往復動圧縮機のボルト頭部の要部構成を示す断面図。 第２の変形例に係る冷凍サイクル装置に用いる密閉型往復動圧縮機のボルト頭部の要部構成を示す断面図。

符号の説明

１…冷凍サイクル装置、１０１…密閉ケース、１０１ａ…上蓋、１０１ｂ…突出部、１０２…フレーム、１０２ａ…スプリング、１０２ｂ…枢支用孔、１０３…圧縮機構部、１０４…電動機部、１０５…回転軸、１０５ａ…鍔部、１０５ｂ…クランクピン、１０６…ボルト頭部、１０６ａ…支持ボルト、１０７…シリンダ、１０７ａ…圧縮室、１０８…ピストン、１０９…連接部材、１１０…ボールジョイント機構部、１１１…大端部、１１２…ボールジョイント、１１３…嵌合部、１１５…弁座板、１１５ａ…吸込孔、１１５ｂ…吐出孔、１１６…バルブカバー、１１７…回転子、１１８…固定子、１２０…冷媒管、１００…密閉型往復動圧縮機、２００…凝縮器、３００…膨張装置、４００…蒸発器。

Claims (3)

1. 密閉ケースと、
   この密閉ケース内に設けられた電動機部と、
   この電動機部に連結された回転軸と、
   上記密閉ケース内に設けられ、圧縮室を形成するシリンダ、上記回転軸に偏心回転可能に設けられたクランクピン、上記圧縮室内を往復動自在に設けられたピストン、このピストンと上記クランクピンとを連接する連接部材、上記圧縮室へ圧縮対象流体を導く吸込孔を有する弁装置、この弁装置を有する圧縮機構部とを備え、
   上記圧縮対象流体はプロパンとし、
   上記弁装置の上記吸込孔及び上記圧縮室は、上記吸込孔の開口面積Ｓｓ（ｍｍ^２）と排除容積Ｖｃｃ（ｍｍ^３）との関係が、
   ０．００１５≦（Ｓｓ／Ｖｃｃ）＜０．００３
   に形成されていることを特徴とする密閉型往復動圧縮機。
2. 上記弁装置の吸込孔の上流側に上記圧縮対象流体を導く吸込マフラを備え、
   上記弁装置の吸込孔及び上記吸込マフラは、上記吸込孔開口面積Ｓｓと上記吸込マフラ入口面積Ｍｓとの関係が、
   １≦（Ｍｓ／Ｓｓ）≦２
   に形成されていることを特徴とする請求項１記載の密閉型往復動圧縮機。
3. 請求項１または２に記載の密閉型往復動圧縮機と、
   上記密閉型往復動圧縮機に接続された凝縮器と、
   上記凝縮器に接続された膨張装置と、
   上記膨張装置に接続された蒸発器とを備えたことを特徴とする冷凍サイクル装置。

Images