JP2008525720A - 小型回転型圧縮機および当該圧縮機に関する方法 - Google Patents

Abstract

【解決手段】 サイズおよび重量が決定的な要因であることの多い携帯型および移動型用途向けの、一次冷媒を使用した小型ローリングピストン式回転型圧縮機を開示している。前記小型回転型圧縮機は、圧縮機構部と、ブラシレスＤＣモーターと、ケーシングとを有する。前記圧縮機構部は、シリンダと、偏心部分を有したシャフトと、前記シャフトを支持する１若しくはそれ以上の軸受けと、ローラーと、羽根と、オイルサンプと、潤滑油および冷媒を流通させる開孔と、吸入口と、吐出ポートとを有する。前記圧縮機構部および前記モーターは、密閉または半密閉されたケーシングに収容される。本発明の構成および設計により、超軽量の小型圧縮機が実現可能になる。前記小型回転型圧縮機では、冷媒ベースの最先端の回転型圧縮機と比べ、より高い出力密度と、同程度の効率とが得られる。また、前記小型回転型圧縮機を製造する方法も開示している。
【選択図】 図１ａ

Description

本願は、２００４年１２月２９日付で出願された米国特許仮出願第６０／６４０，６９９号の利益および優先権を主張するものであり、この米国特許仮出願は参照により本明細書に組み込まれる。

本発明は、回転型圧縮機および当該圧縮機に関する方法に関する。具体的には、本発明は、蒸気圧縮システムに使用する作動流体として一次冷媒を使用するローリングピストン式小型回転型圧縮機に関する。この小型回転型圧縮機は、特に小型で超軽量の冷却システムを必要とする用途に有用であり、携帯用に電池式にすることができ、さらに従来の空気調和（空調）には非実用的な環境でも使用可能である。

新しい小型化技術の出現により、従来の空調を代替する環境が生じている。このような変化が起こりうる分野の１つが、マイクロプロセッサ、遠隔通信、誘導用の機器など各種電子部品の熱管理である。他の分野としては、飛行機操縦士、兵士、救急隊、および危険物処理班を熱から保護するための携帯システムなどがある。これらのシステムの設計においては、固定設置された冷却システムでは直面することのなかった特殊な冷却システムの構成部品を必要とする。これらの用途に必要な特殊サービスを提供するため、圧縮機および冷却システムは超軽量で非常に小型である必要があり、さらに高い耐衝撃性を備え、異なる配置場所でも安全に実施できるものでなければならない。

現在冷却システムで利用できる圧縮機には、いくつかのタイプがある。家庭用の冷蔵庫および冷暖房装置には、一般にローリングピストン式圧縮機が使用されている。ローリングピストン式圧縮機は、固定された（または静止した）ベーン式回転型圧縮機とも呼ばれる。このような圧縮機では、羽根（ベーン）がローターとともに回転する代わりに、圧縮機の静止部分に収容されたスロット内で往復動する。偏心軸に取り付けられた圧縮機のシリンダ部分は、シリンダの壁面を転がるように見えるため、ローリングピストンと呼ばれている。サイクル中で吸入が行われる間、冷媒ガスは、吸入ポートから圧縮チャンバーへ吸入され、ガス体積が増加する。この吸入工程中、ピストンおよび羽根の反対側では体積が減少して圧縮ストロークが起こる。このため、ローラーの偏心運動によりガスは圧縮される。吐出流は吐出バルブにより制御される。

（処理能力を考えると）小型のローリングピストン式圧縮機は有益であるが、シリンダ壁面に沿って冷媒が漏れるのが欠点である。圧縮機に加える潤滑油は、圧縮機のポンプ部品が適切に機能する上で不可欠な２つの役割を果たす。第１の役割は、可動部品自体の潤滑化に関する。第２の役割は可動部品間のクリアランス（隙間）をすべて密閉することに関し、これにより、圧縮機の処理能力および効率を損なう可能性がある直接的なガス漏れを最小限に抑えることができる。

固定配線または車両から電力が得られない状況では、移動用途および携帯用途に適した小型回転型圧縮機が必要とされる。現在まで、高内圧の圧縮装置ではこのような小型のものがまったく実現されておらず、あるいは実用的な段階まで小型化されていない。圧縮装置のスケーリング則に従い、このような装置の小型化の試みは、不可避かつ深刻な技術的障害に直面してきており、このような技術的障害は部品の機械加工および妥当な寸法公差を特定することにおいて最も顕著であった。小型回転型圧縮機の設計工程中、回転軸、軸受け、ローラー、羽根、およびシリンダを含む圧縮部材の寸法および公差は、圧力およびより低い流れ状態に応じてスケールおよび配分しなければならない。寸法公差および表面仕上げは小型化工程において非常に重要であり、性能の変動および各圧縮機の繰返し精度を直接左右する。さらに、圧縮機部品の小型化およびスケールの工程におけるある時点で、より大型の圧縮機と同じ性能を実現する上で必要な最も厳しい寸法公差に準拠した部品を、費用効率よく作製することが不可能になるおそれがある。小さな制御体積内でこれらの部品をパッケージングする場合も、多数の技術的課題が伴う。

動的なターボ機械の構成部品では、当該機械のサイズ、回転速度、および全体にわたる圧力比がすべて関連しあう。さらに、小型システムには、ターボ機械との設計関係により深刻な問題が生じる。これは、サイズを縮小するには半径を小さくする必要があり、信頼性を高めるには回転速度を落とす必要があり、さらに効率を高めるには圧力比を大きくする必要があるためである。このため、効率の高さを保ちながら小型化を実現させることは容易ではない。この問題は多段階式にするとある程度軽減できるが、その場合複雑度およびサイズを犠牲にすることになる。小型圧縮機の設計は、電動機駆動ユニットの低電力化に対応して質量流量を低減するという必要性によりさらに複雑になる。冷媒の流量が少ないと、種々の間隙からの相対漏れ流量が増加してしまう。

従来サイズの構成部品に適用できる一般的な設計規則は、小型の構成部品には当てはまらない。小型化により、圧縮機ポンプ部品の表面と体積の比は増加する。また、回転型圧縮機内の冷媒損失は、機械部品間のクリアランス、潤滑化に必要な表面積、および使用する潤滑剤に直接関係する。このため、サイズを縮小すると、損失を相殺する設計をしない限り、予測可能な効率損失が生じる。さらに、従来の設計を単純に再パッケージングしただけでは、小型化後に最適な性能が得られない。したがって小型圧縮機には、より小さいサイズに最適化され、小型化に伴う製造制限に対応した、画期的で新規性のある設計を採用しなければならない。

既存の回転型圧縮機は、近年まである程度の制限付きで実現されている。このような圧縮機は、全体として比較的大きなサイズおよび重量を有するため、上記で定義した新たな応用分野では使用できない。市販の回転型圧縮機で最小のものは、高さ約５インチ、直径４インチで、重さは５ポンドを超える。さらに、そのような圧縮機の効率・性能は、寸法および重量の低下とともに低下する。

現在、標準的な冷媒用のローリングピストン式回転型圧縮機には、種々の構成が存在する。しかし、これら公知のローリングピストン式回転型圧縮機のうち最小のものであっても、小型で超軽量な携帯型圧縮機を必要とする用途にはかさ張り過ぎ、および／または非移動型で、および／または十分な冷却効果を提供していない。

上記を考慮すると、標準的な冷媒を使用した小型で超軽量の小型ローリングピストン式回転型圧縮機が必要とされている。また、超軽量の小型回転型圧縮機を製造する方法も必要とされている。

したがって、本発明の一観点において、最高約２．５インチの直径と、最高約３．５インチの軸長さと、最高約１．７ポンドの重量と、最高約３．０ｃｃ／回転の排気量とを有したコンパクトで超軽量の小型ローリングピストン式回転型圧縮機を提供する。

本発明の別の観点において、冷媒ベースの最先端の回転型圧縮機と比べ、より高い出力密度と、同程度の効率とをもたらす超軽量の小型ローリングピストン式回転型圧縮機を提供する。

本発明の別の観点において、信頼度が高く、各種冷媒で使用でき、費用効率よく生産できる超軽量の小型ローリングピストン式回転型圧縮機を提供する。

本発明の別の観点において、個人用冷却システム、小型の冷蔵庫および冷凍庫、携帯型血液冷却器、飲料冷却器など、サイズ、重量、および効率など他の要因により機能性が損なわれない携帯型冷却用途に適し、さらにマイクロプロセッサや、大量の熱を発する他の構成部品の電子機器を冷却するといった小型の固定設置用途に適した小型ローリングピストン式回転型圧縮機を提供する。

また、本発明の一観点においては、超軽量の小型ローリングピストン式回転型圧縮機を製造する方法も提供する。

本発明は、圧縮機構部と、ケーシングと、ブラシレスＤＣモーターとを有する超軽量の小型ローリングピストン式回転型圧縮機に関する。この小型回転型圧縮機の機構は、密閉または半密閉されたケーシングに収容される。前記圧縮機構部は、圧縮シリンダと、偏心部分を有するシャフトと、前記シャフトを支持する上部軸受けおよび下部軸受けと、潤滑油を流通させる開孔と、ローラーと、羽根と、吸入ポートと、吐出ポートとを有する。前記圧縮機構部は、オイルポンプおよび油分離器をさらに有する。前記ケーシングの底部は、潤滑油の油溜めとして作用する。

一実施形態において、密閉された小型ローリングピストン式回転型圧縮機は、３つのハウジング部、すなわち最上部キャップと、ケーシングと、底部キャップとを有し、これらは溶接により接合されることが好ましい。別の実施形態において、前記圧縮機は、３若しくはそれ以上の電気的フィードスルーピンを有し、これらの３若しくはそれ以上の電気的フィードスルーピンは、絶縁ガラスで密封することにより直接前記最上部キャップに組み込まれる。

本発明の小型回転型圧縮機は、最先端の回転型圧縮機より著しく小型で軽量でありながら、それに匹敵する効率または性能を提供する。本発明の一実施形態では、前記小型ローリングピストン式回転型圧縮機は、約２．２インチの直径を有し、約２．７インチの軸長さを有し、約１．４ポンドの重量を有する。別の一実施形態では、前記小型ローリングピストン式回転型圧縮機の排気量は、最も小さい最先端の圧縮機と比べるとその２０パーセントである。別の一実施形態では、前記小型ローリングピストン式回転型圧縮機の物理的サイズは、最も小さい最先端の圧縮機と比べ、７．５パーセントの大きさである。別の実施形態では、前記小型ローリングピストン式回転型圧縮機のオイルポンプは、最先端の圧縮機と比べ、同程度のモーター速度で約６１パーセントの油体積である。別の実施形態では、前記小型ローリングピストン式回転型圧縮機は、最先端圧縮機の７６パーセントの直径の吸入穴を有する。さらに別の実施形態では、前記小型ローリングピストン式回転型圧縮機は、最先端圧縮機の４０パーセントの長さの上方フランジ軸受けと、最先端圧縮機の８４パーセントの長さの下方フランジ軸受けとを有する。

一実施形態では、モーター駆動に電力を供給するため３ピンのフィードスルーが組み立てられ、前記ケーシング内に配置される。別の実施形態では、ＡＳＭＥ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｖｅｓｓｅｌ Ｃｏｄｅの構造要件と、密閉圧縮機に関するＵＬ規格の水圧試験要件とを満たす薄壁の圧縮機ケーシングを利用している。別の実施形態では、側部に取り付けられた吐出口の連結部用に支持構造が利用され、これにより軸方向の全長を最小限に抑える。別の実施形態では、ケーシングの軸長さおよび直径を最小にすることを可能にする一方で油損失を最小限に抑えるようにマフラーが組み込まれ、望ましい冷却能力および性能係数を提供する。別の実施形態では、熱収縮を利用せずに前記モーターが前記シャフトに固定される。

本発明は、小型ローリングピストン式回転型圧縮機の製造方法にも関する。一実施形態において、小型ローリングピストン式回転型圧縮機を製造する方法は、所与の厳しい公差セットで諸部品を機械加工する工程と、最高７０００ｒｐｍの速度で動作することが好ましいブラシレスＤＣモーターを組み込む工程とを有する。別の実施形態では、この製造方法は、シリンダと、シャフトと、ローラーと、羽根と、駆動モーターを伴う上部軸受けフランジおよび下部軸受けフランジと、ケーシングとを組み立てる工程を有する。別の実施形態では、前記駆動モーターおよび前記ケーシングとの組み立て前に、前記シリンダ、前記ローラー、前記羽根、前記シャフト、前記上部軸受けフランジ、および前記下部軸受けフランジはそれぞれ組み立てられる。別の実施形態では、前記ローターは、前記モーターの磁石を損傷するおそれのある加熱を回避するように前記シャフトに取り付けられる。別の実施形態では、前記モーターへの熱損傷を回避するように前記ケーシングをプラズマ溶接する方法を利用する。

以上の本発明の要約は、本発明の例示的な実施形態または実施のすべてについて説明することを意図したものではない。これらの実施形態は、以下の図と詳細な説明とで具体的に例示する。

本発明は一次冷媒用の小型ローリングピストン式回転型圧縮機に関し、当該圧縮機は、個人用冷却システム、小型の冷蔵庫および冷凍庫、携帯型血液冷却器、飲料冷却器など、サイズ、重量、および効率などの要因により機能性が損なわれない携帯型冷却用途のために主に設計されたものである。この小型ローリングピストン式回転型圧縮機は、大量の熱を発するマイクロプロセッサ、レーザー部品、Ｘ線部品、および他の電子部品を冷却するなど、小型の固定設置用途にも適している。

１．定義
本明細書における用語「超軽量」は、携帯電源付きの完全な冷却システムとして、一個人が快適に無理なく持ち運びするのに十分小さい質量をいう。この文脈では、圧縮機重量が２．０ポンド未満で冷却能力が約１００〜約５００ワットであれば、個人用冷却のための携帯性要件を満たす。ただし、携帯型冷却システムの最終的な質量は、圧縮機の質量だけに依存するものではなく、バッテリー、燃料電池、太陽電池といった電源のサイズおよび質量を左右する圧縮機効率にも依存する。

本明細書における用語「排気量」は、圧縮機ピストンの単一ストロークで押し出されるガスの体積をいう。

本明細書における用語「性能係数（ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）」または「ＣＯＰ」は、冷却出力（ワット）と供給電力（ワット）との無次元量の比率をいう。

本明細書における用語「公差」は、所与の部分の寸法に指定された数量の変動許容量をいう。

また、本明細書および添付の特許請求の範囲で単数形扱いされている名称は、文脈で別段の断わりが明記されていない限り、複数形も含むと理解すべきである。

２．小型ローリングピストン式回転型圧縮機
本発明は、超軽量の小型ローリングピストン式回転型圧縮機を実現するため構成および設計されている。この小型ローリングピストン式回転型圧縮機では、冷媒ベースおよび非冷媒ベースの最先端の回転型圧縮機と比べても、高い出力密度および効率が得られる。サイズ、重量、（特に密閉ケーシングの）耐久性、および潤滑システムなど、独自の特質を組み合わせることにより、本圧縮機は携帯型用途に非常に適したものとなっているが、小型の固定設置用途にも使用できる。

本発明の小型ローリングピストン式回転型圧縮機は、圧縮機構部と、ケーシングと、前記圧縮機構部を駆動するブラシレスＤＣモーターとを有するアセンブリである。前記ブラシレスＤＣモーターは、最大約７０００ｒｐｍまでの範囲の可変速度で動作することが好ましい。このＤＣ圧縮機モーターは、バッテリー、燃料電池、または太陽電池を電源とする。電力が生成されると、この圧縮機はＤＣ電源から電力を得る。

図１ａに例示したように、本発明の一実施形態において、圧縮機アセンブリ１００は、圧縮シリンダ１１７と、偏心部分を有するシャフト（クランクシャフトとも呼ばれる）１０２と、上方軸受け（上部フランジとも呼ばれる）１０３ａと、前記シャフト１０２を支持する下方軸受け（下部フランジとも呼ばれる）１０３ｂと、ローラー１０４と、羽根１０６と、ケース吸入スリーブ１０５ａと、吸入管１０５ｂと、吸入つば部１０５ｃとを有する吸入管アセンブリ１０５と、冷媒を前記圧縮機アセンブリ１００と流通させる吐出管１１６とを有する。図１ａおよび図３に例示したように、ブラシレスＤＣモーターのローター１１８は、前記シャフト１０２を介して前記圧縮機構部と機械的に連動している。この小型ローリングピストン式回転型圧縮機は、潤滑油のオイルサンプ（油溜め）１２３と、潤滑油を供給するオイルポンプ１１５も有する。潤滑油は、前記小型ローリングピストン式回転型圧縮機用に選択された一次冷媒に適合する任意の油（オイル）であってよい。ＨＦＣ冷媒を使用した適切な潤滑剤の例としては、ポリエステル（ＰＯＥ）やポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）の潤滑剤などがある。冷却用には冷媒ＨＦＣ−１３４ａを使用可能であり、また低温（冷凍）用にはＨＦＣ−４０４Ａを選択可能である。冷媒は、所与の温度範囲で有効な任意の適切な一次冷媒でよく、任意の標準ハロカーボン冷媒またはその混合物であることが好ましい。

前記小型ローリングピストン式回転型圧縮機は、前記圧縮機アセンブリ１００の一部ではない外部コントローラで制御することができる。本発明の一実施形態では、この圧縮機は、負荷需要に見合うようモーターの速度を変化させて制御する。前記モーターは、非常にゆっくりした速度から開始させ、広い範囲内の任意の速度に上げて、負荷要件にすばやく対応できるよう前記圧縮機アセンブリの冷却能力に合わせることができる。

図１ａに示した本発明の一実施形態において、本発明の小型回転型圧縮機は、密閉されたケーシングに収容されている。このようなケーシングでは、前記小型回転型圧縮機アセンブリは、３つのハウジング部、すなわち最上部キャップ１０１ａと、底部キャップ１０１ｂと、ケーススリーブ１１４とを有し、これらは溶接により接合されることが好ましい。別の実施形態では、前記圧縮機アセンブリ１００は、半密閉されたケーシングに収容される。そのようなケーシングでは、小型ローリングピストン式回転型圧縮機アセンブリはさらに、１若しくはそれ以上のＯリングシールを有する。

本発明の小型ローリングピストン式回転型圧縮機は、最先端の回転型圧縮機より著しく小型で軽量でありながら、それに匹敵する効率または性能を提供する。本発明の小型ローリングピストン式回転型圧縮機は、最大約２．５インチ、好ましくは約１．５インチ〜約２．５インチの直径を有し、最大約３．５インチ、好ましくは約１．５インチ〜約３．０インチ、より好ましくは約２．０インチ〜約２．８インチの軸長さを有し、最大約３．０ｃｃ／回転（ｃｃ／ｒｅｖ）、好ましくは約０．９０ｃｃ／ｒｅｖ〜約３．０ｃｃ／ｒｅｖ、より好ましくは約１．２ｃｃ／ｒｅｖ〜約３．０ｃｃ／ｒｅｖの排気量を有し、最大約１．７ポンド、好ましくは約０．８ポンド〜約１．５ポンド、より好ましくは約１．０ポンド〜約１．４ポンドの重量を有する。本発明の一実施形態では、前記小型ローリングピストン式回転型圧縮機は、約２．２インチの直径を有し、約３．０インチの軸長さを有し、約１．２ポンドの重量を有する。

本発明の一実施形態において、前記小型ローリングピストン式回転型圧縮機の排気量は、最も小さい最先端の圧縮機と比べ、その２０パーセントである。別の一実施形態では、前記小型ローリングピストン式回転型圧縮機の物理的サイズは、最も小さい最先端の圧縮機と比べ、７．５パーセントの大きさである。別の実施形態では、前記小型ローリングピストン式回転型圧縮機のオイルポンプは、最先端の圧縮機と比べ、同程度のモーター速度で約６１パーセントの油体積を供給するよう設計されている。別の実施形態では、前記小型ローリングピストン式回転型圧縮機は、最先端圧縮機の７６パーセントの直径を有した吸入ポートを有する。これにより特に高い圧縮機速度でいかなる流量制限も取り除かれ、圧縮機の熱力学的な性能が強化される。さらに別の実施形態では、前記小型ローリングピストン式回転型圧縮機は、最先端圧縮機の４０パーセントの長さを有した上部フランジ軸受けと、最先端圧縮機の８４パーセントの長さを有した下部フランジ軸受けとを有する。相対的にいうと、本小型ローリングピストン式回転型圧縮機の設計は、より長い下部フランジにより、より堅固な支持システムをもたらす。

本発明の一実施形態では、密閉された小型ローリングピストン式回転型圧縮機は最上部キャップ１０１ａおよび底部キャップ１０１ｂを有することのできる密閉ケーシング１１４を有する。ブラシレスＤＣモーターステータ１１０は、このモーターにより駆動される前記シャフト１０２と同軸的に、前記ケーシング１１４に締まりばめされている。図１ａ、図２、および図３に例示したように、前記圧縮機構部１００は、シリンダ１１７と、当該シリンダ１１７の上端面および下端面を閉じるよう取り付けられた上方軸受け部材１０３ａおよび下方軸受け部材１０３ｂと、一端に前記モーターローター１１８が取り付けられ、上部側で前記上方軸受け部材により支持され、下部側で前記下方軸受け部材により支持されたシャフト１０２と、回転圧縮機構部、例えば、偏心シャフト１０２ａにより前記シリンダ１１７内で偏心回転するローラー１０４と、シリンダ壁に設けられた吸入ポート１２１と、前記上部フランジ１０３ａに設けられ前記シリンダ１１７と流通自在な吐出バルブポート１１３と、前記ローラー１０４と係合して高圧側（チャンバー）１２８および低圧側（チャンバー）１２９に前記シリンダ１１７を分割するようスライド自在に取り付けられた羽根１０６とを有する。

最先端の圧縮機では、圧縮機アセンブリに固定モーターステータが含まれる。前記ステータは、積層部と呼ばれる複数層の板金を有する。積層部のスタックは、モーターの巻線部材用に空間を提供するため、前記ステータの内径に位置付けられたスロットを形成する。最先端圧縮機の一般的なモーターでは、これらのスロットが垂直な態様で配向される。本発明の一実施形態では、図５に示したように、積層部スタック１１０ａを有する前記ステータ１１０が、回転する前記軸１０２の方向へ上部から下部に向かい傾斜したスロット１３７を有する。前記傾斜したスロットは油溝として作用し、冷媒ガス中で運ばれる油を集め、前記オイルサンプ１２３に戻す。この実施形態では、ローターの回転で生成される回転流により油が前記サンプへ向かって流れることで、油がより戻りやすくなっている。当該モーターの空隙は、潤滑剤が前記圧縮機アセンブリ１００を出る際の主要経路で、前記積層部スタックのスロットで油が逆流することにより、冷媒に混入して前記圧縮機アセンブリ１００を出る油の量は減少する傾向がある。ステータ１１０の前記積層部スタック１１０a内の前記スロット１３７は、前記サンプ１２３へ向かって油の流れを変えることにより油の循環率を低減し、前記オイルサンプ内で油レベルをより高く維持するよう、傾斜させることが好ましい。

本発明の一実施形態では、前記最上部キャップ１０１ａは、前記ケーシング１１４への溶接部が、前記モーターステータ積層部１１０ａの中央に位置するよう配置される。この構成では前記ステータ積層部をヒートシンクとして使用できるため、溶接作業の熱によりステータの巻線部材が損傷する危険性を最小限に抑え、またこれを防ぐことができる。

本圧縮機アセンブリの部品および前記ケーシング１１４は、金属材料から大部分が作製され、前記金属材料は、現在の最先端ローリングピストン式圧縮機と同様、異なるグレードのフェライト合金を有することができる。

本発明の一実施形態では、前記小型ローリングピストン式回転型圧縮機内のガス漏れの断面積は、最先端の回転型圧縮機のものより小さいため、効率を高く維持しながら羽根の幅、羽根の長さ、およびローラー壁の厚さのサイズ縮小を可能にしている。

本発明の一実施形態では、前記シャフト１０２および前記ローター１１８は、熱によるローター磁石の損傷を防ぐため、熱を使わず機械的な固定部材で接合される。平坦部１３１は、前記シャフト１０２を熱収縮させるより削ったものにしており、前記ローター１１８の平坦部に合致している。あるいは、ウッドラフキー１３４用に、前記ローター１１８にキー溝１３３を機械加工で作製してもよい。

本発明の小型ローリングピストン式回転型圧縮機は、より大きな最先端の回転型圧縮機に匹敵する効率／性能をもたらす超軽量で小型の回転型圧縮機である。本小型回転型圧縮機のＣＯＰは、個人用冷却用の約４０°Ｆ〜約６０°Ｆ範囲の蒸発器温度および約８５°Ｆ〜約１６０°Ｆ範囲の凝縮器温度で関心のある動作条件において約１．５〜約４．５の範囲である。一実施形態では、前記小型回転型圧縮機は、蒸発器温度５５°Ｆおよび凝縮器温度１５０°Ｆで、約１．８５〜約２．２５範囲の最大ＣＯＰを有する。別の一実施形態では、前記小型回転型圧縮機は、蒸発器温度５５°Ｆおよび凝縮器温度１１０°Ｆで、約３．８〜約４．６範囲の最大ＣＯＰを有する。

前記小型ローリングピストン式回転型圧縮機のサイズおよび重量は、当該小型ローリングピストン式回転型圧縮機が最先端の回転型圧縮機より携帯型用途に適合するようなっている。本圧縮機は、個人用冷却システム、小型の冷蔵庫や冷凍庫、携帯型血液冷却器、飲料冷却器などの携帯型冷却用途に使用でき、サイズ、重量その他の要因に機能的な可動性が損なわれない。前記小型ローリングピストン式回転型圧縮機は、マイクロプロセッサや、大量の熱を発する他の構成部品の電子機器を冷却するなど、小型の固定設置用途にも使用できる。

３．小型ローリングピストン式回転型圧縮機の製造方法
本発明は、小型ローリングピストン式回転型圧縮機の製造方法にも関する。一実施形態において、この製造方法は、所与の公差セットで前記圧縮機アセンブリの一部を機械加工する工程と、最高約７０００ｒｐｍといった高い回転数／分（ｒｐｍ）で動作することが好ましいブラシレスＤＣモーターを組み込む工程とを有する。別の実施形態では、この製造方法は、シリンダと、シャフトと、ローラーと、羽根と、駆動モーターを伴う上部軸受けフランジおよび下部軸受けフランジと、ケーシングとを組み立てる工程を有する。別の実施形態では、前記駆動モーターおよび前記ケーシングとの最終組み立て前に、前記シリンダと、前記ローラーと、前記羽根と、前記シャフトと、前記上部軸受けフランジと、前記下部軸受けフランジとが、圧縮機ポンプアセンブリに組み付けられる。

本発明の小型ローリングピストン式回転型圧縮機の設計および製造では、部品構造が必要に応じてスケールダウンされるが、羽根幅および羽根スロット、羽根の高さおよびシリンダの高さ、ローラーの高さおよびシリンダの高さ、ローラーおよびシリンダ内径、およびジャーナル（軸頚）軸受けのクリアランスなど、性能に関するクリアランスは、最先端の回転型圧縮機と同じに維持され、最先端の回転型圧縮機に匹敵する熱力学的性能および信頼性を提供するようなっている。本発明において、前記圧縮機アセンブリは著しく小型化されているが、性能を損なうものではない。本発明の一実施形態では、種々の圧縮機クリアランスを、羽根幅クリアランス０．０００９／０．０００４、羽根端部クリアランス０．０００７／０．０００３、ローラー端部クリアランス０．０００８／０．０００４、シリンダセットクリアランス０．０００５／０．０００３、およびジャーナル軸受けクリアランス（リン酸マンガン乾燥潤滑剤、別称Ｌｕｂｒｉｔｅ付き）０．０００８／０．０００２としている。

表１には、本発明の小型ローリングピストン式回転型圧縮機の一次パラメータを示した。

本発明の小型ローリングピストン式回転型圧縮機の設計および製造は、部品構造が必要に応じてスケールダウンされるが、個々の部品の寸法公差は、最先端の回転型圧縮機と同じに維持されるようなっている。唯一の例外は、前記羽根が往復動するシリンダ１１７内の羽根スロット１３５である。前記羽根スロットの公差は±０．０００２インチで、最先端の圧縮機より小さくなっている。これは、最先端の圧縮機に現在採用されている「ブローチ削り」工程の代わりに、ワイヤーＥＤＭ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ Ｍａｃｈｉｎｉｎｇ、放電加工）を新規性ある態様で使用することにより実現されたものである。前記羽根スロット１３５の公差がより小さいことにより、最先端圧縮機のように羽根１０６／シリンダ１１７を選択的にマッチングする必要がなくなる。これがこの組み立て工程を大幅に簡略化する。本発明は、この互換性態様により、結果的に費用効果がより高まる。

本小型圧縮機の設計および製造は、最先端の回転型圧縮機の設計および製造と著しく異なる。最先端の回転型圧縮機の設計および製造では、直径約１．５インチの型打ちした鋼製カップから大量生産される別個のフィードスルーと、ニッケルコーティングした３つの鋼製ピンを絶縁ガラスで前記鋼製カップ内に密封したものとで密閉された電気的接触が実現され、その場合、前記鋼製カップは前記最上部キャップに溶接され、前記圧縮機ケーシング内部のモーターワイヤー取り付けにはナイロン端子台が使われ、電源からの導電体は標準の電気端子で前記フィードスルーの外部に取り付けられられる。一方、本小型圧縮機の設計および製造では、特注で型打ちした最上部キャップ１０１ａへフィードスルーピン１０８を直接設置する必要があり、その場合、標準のナイロン端子台１１１ａが１つ内側での前記モーターへの接続用に使われ、別の標準ナイロン端子台１１１ｂが前記圧縮機アセンブリ１００の外側で電源への接続用に使われる。この小型ローリングピストン式回転型圧縮機の場合、前記ガラス絶縁材１０９および前記鋼製ピン１０８の穴は、スタンピング工程で押し出し加工される。一般に、前記フィードスルーのカップとピンとコネクタのサイズが、圧縮機の軸長さの最小化を制限する。本発明の小型ローリングピストン式回転型圧縮機の設計により、圧縮機の軸長さの短縮と、使用する原料の削減と、製造コストの削減とが可能になる。さらに、この設計は、前記最上部キャップ１０１ａへの前記フィードスルー溶接も不要にする。

最先端の回転型圧縮機の設計および製造では、前記最上部キャップ中央に前記吐出管が垂直方向に配置されることで圧縮機の軸長さの最小化を阻んでおり、圧縮機を凝縮器に連結している管が前記吐出管にろう付けされているため、圧縮機の高さがより増加してしまっている。一方、本発明の圧縮機は、前記吐出管１１６が前記最上部キャップ１０１ａの側部で水平方向に配置されるよう設計および製造されているため、当該圧縮機と、それに取り付けられる管との軸長さを低減している。

最先端の回転型圧縮機の設計および製造では、最上部キャップをメインケーシングの内径へ挿入して溶接することにより密閉を行っているため、当該圧縮機の内部で前記最上部キャップおよび前記ケーシングがオーバーラップするよう、また前記モーターの巻線部材から十分離れている２ピースを溶接する位置を提供して従来のＭＩＧ溶接（ミグ溶接）工程による熱損傷を防ぐよう、十分な空間が必要となる。一方、本小型圧縮機の設計および製造では、前記ケーシング１１４の外径を覆うように最上部キャップ１０１ａを配置して、溶接の継ぎ目を前記モーターステータ１１０に隣接させる。一実施形態では、より少ないエネルギーを前記溶接の継ぎ目に直接集束させるプラズマ溶接技術を使うことにより、前記モーターの熱損傷が防止される。この圧縮機アセンブリの溶接は、溶接される材料から前記モーターなど当該小型圧縮機の他の部品へ、熱がほとんど伝達されないよう、溶接ワイヤーの必要なく迅速に実施される。

最先端の回転型圧縮機の設計および製造では、通常、ＡＣ誘導電動機が使用される。このモーター（電動機）タイプは比較的製造が安価だが、出力密度が低く、直径および軸長さをかなり大きくしないと前記圧縮機のトルク要件を満たすことができない。さらに前記ＡＣモーターは単一速度モーターで、通常、約３５００ｒｐｍで動作し、起動時の過電流を扱うため大きな起動コンデンサー（容量）を必要とする。一方、前記小型圧縮機の設計および製造には、（ステータ１１０およびローター１１８を有する）高速のブラシレスＤＣモーターを使用する。このモーターは、出力密度が非常に高いため、結果的に前記圧縮機の直径、軸長さ、および重量を低減できる。また、このブラシレスモーターは最高１０，０００ｒｐｍの速度で動作が可能であるため、同等の能力を保ちながら当該圧縮機の小型化を可能にする。

最先端の回転型圧縮機の設計および製造において、一般的な回転型圧縮機に使われる上記のＡＣ誘導電動機は、単一速度で動作する。この結果、最先端の圧縮機を利用した冷却システムでは、サイクルをオン・オフして変化する負荷に冷却能力を合わせることが必要になる。最先端の圧縮機は大きな起動過電流を有し、また前記冷却システムはオフサイクルの熱損失を有するするため、これら双方は稼働経費の増加と非効率につながってしまう。一方、前記小型圧縮機の設計および製造には、変速ブラシレスＤＣモーターを使用する。このモーターは、非常に低速から起動できるため、起動過電流を排除することができる。また、広い範囲の任意速度で動作できるため、変化する負荷に合わせて前記圧縮機の冷却能力を細かく調整することができる。最終的にこの冷却システムの動作には、より少ないエネルギーが使われ、稼働経費を削減するだけでなく、バッテリー式システムについてはシステム重量を削減することも可能になる。これは、特に、冷却システムおよび電源の全体を利用者が持ち運ぶ携帯型個人用冷却システムで有利となる。

最先端の回転型圧縮機の設計および製造では、圧縮機ケースの基部に大型のオイルサンプが設けられる。すべての回転型圧縮機では、サンプ内の油の一部が圧縮機の稼働中に冷却システムへと失われる。オイルミストまたは油滴と吐出ガスとの混合物は、前記吐出管から前記凝縮器へ運び出される。油は当該システムを通じて流れ、最終的に前記吸入管を通じて前記圧縮機へと戻る。最終的には、システムが平衡に達し、前記圧縮機に戻る油流は前記圧縮機からの油流出量と同等になる。ただし、一定量の油は常に前記システム内にとどまるため、結果として圧縮機サンプ内の油は減少する。この油レベルが一定レベル未満に減少すると、油はシャフト端部にあるオイルポンプに供給されなくなり、圧縮機への潤滑化が行われなくなってしまう。その結果、漏れおよび摩擦が増加する。どちらの要因も電力浪費および耐久年数に達する前に圧縮機が故障する基となる。この理由から、圧縮機サンプ内の油量は必ず最高にしておかなければならない。しかし、サンプ内の油レベルは、シリンダのほぼ中間の高さを超えてはならない。油レベルがそれより高くなると、油が圧縮機内へ流入し、オフサイクル中に圧縮チャンバーを満たしてしまう。圧縮機を起動すると、油の非圧縮性により極度に高い過電流が生じる。この過電流は安全限界値を超えるもので、通常はヒューズが切れ、またはブレーカーが落ちてしまう。また、吐出バルブ１１３ｂから強制的に排出される油はバルブ後方支持部材１１３ａを損傷し、圧縮機を使用不能にしてしまう。これを防ぐため、最先端の回転型圧縮機のケーシングは、サンプから油が溢れ出ないよう十分なオイルサンプ容量を提供している。一方、本小型圧縮機の設計および製造では、（ステータ１１０およびローター１１８を有する）前記変速ブラシレスモーターと、前記サンプ１２３に十分な油量を有しつつ小型設計を実現する新規性のある制御方式とを使用している。本発明の小型ローリングピストン式回転型圧縮機内の油レベルは、通常、前記シリンダ１１７の中間点を越える。本小型ローリングピストン式回転型圧縮機は、サージ電流（過電流）を起こすことなく、またいかなる圧縮機部品にも損傷を生じることなく、前記シリンダ圧縮チャンバー１２８から油をゆっくりパージする起動工程を使用している。前記圧縮機の速度については、５ｒｐｍなど比較的低速で起動するよう電子制御で設定できる。この起動速度により、油は、前記シリンダ圧縮チャンバー１２８から、また前記吐出バルブポート１１３から、非常に低いトルクで、したがって低い引き込み電流で非常に緩慢に移動する。一度油が前記チャンバー１２８からパージされると、前記圧縮機の速度を安全に動作速度（数千ｒｐｍ）まで上げることができる。この新規性のある起動制御方式により、前記サンプ１２３のより高いレベルまで油を満たす能力が得られて前記圧縮機アセンブリ１００の小型化が可能になり、圧縮機のサイズ、重量、および製造コストの削減が実現する。

最先端の回転型圧縮機の製造において、ケーシングは、通常、ＭＩＧ溶接工程を使って一体に溶接される。ＭＩＧ溶接では、溶接する２つの材料に溶接ワイヤーを自動供給する。一方、本発明の一実施形態では、前記小型圧縮機を製造する際、モーターの損傷対策としてプラズマ溶接を行う。プラズマ溶接工程は、接合部品への熱入力がより少なく、溶接ワイヤーの追加を必要としないため、好ましい。

製造工程中、圧縮機のポンプ部品は、通常、溶接のため前記圧縮機ケーシング１１４の内部に配置される。この場合、前記圧縮機ケーシング１１４に穴を３つ作り、前記圧縮機ポンプと前記ケーシング１１４の仮付け溶接を容易にする。最先端の回転型圧縮機では、通常、前記ケーシングに仮付け溶接用の穴を開けることはない。最先端の圧縮機はサイズが大きいため、穴は、仮付け溶接工程中、仮付け溶接に悪影響を及ぼすことなく前記ケーシング１１４が溶けて作られる。本小型圧縮機および好適な薄いケーシング材料は小型であるため、ケーシングを溶かして穴を開けると穴のサイズを制御することが難しいため、実用的ではない。その代わり、本小型回転型圧縮機は、仮付け溶接工程を容易にするため、前記ケーシングの仮付け溶接位置に予備穴を有する。

最先端の回転型圧縮機の設計および製造では、前記モーターのローターにカウンターウェイトを使って、回転する前記アセンブリのバランスを取る。このカウンターウェイトは、前記ローターの底部側で、吐出マフラーおよび吐出ポートの上位に位置付けられる。前記カウンターウェイトは、通常、三日月形の塊で、前部領域は回転方向に垂直な著しく大きい断面を伴う。このカウンターウェイトの前部領域は、冷媒蒸気およびオイルミストの中を移動して著しい乱流を加えることにより、冷媒および油を完全に混合させる。油および冷媒がよく混ぜられることにより、より多くの油が圧縮機から吐出管を通じてポンプで排出され、サンプ内に残された油のレベルを低下させてしまう。上述のとおり、この油レベルが減少すると、圧縮機が早期に故障を起こす原因となる。一方、本発明の小型圧縮機の設計および製造では、前記圧縮機アセンブリ１００からの油排出を低下させるため、図１ａに例示するようにカウンターウェイト１２２の前部領域をマスキングしており、このマスキングは、前記カウンターウェイト１２２と反対位置にある前記ローター１１８の最上部および底部に取り付けた軽量の三日月形構成部品１２５で行っている。この新規性のある構成部品１２５は、乱流と冷媒蒸気および油の混合とを起こし、また混合物のチャーニングに電力を消費し抗力係数を増加させる前部領域をなくすよう、連続した中空シリンダを形成している。この構成部品は非常に軽量の材料から作製されており中空内部を有するため、この構成部品を加えても回転する前記アセンブリのバランスを妨げることはない。前記圧縮機アセンブリ１００から排出される油がより少ないことから前記オイルサンプ１２３を小さくでき、したがって本圧縮機をさらに小型化することができる。

最先端の回転型圧縮機の製造において、マフラー（吐出マフラーとも呼ばれる）は板金を型打ちして作製され、前記圧縮チャンバーの吐出ポートおよび吐出バルブが位置する箇所で、前記上部フランジを覆う。前記圧縮シリンダから出た圧縮ガスは、前記マフラーに入り、短い距離を移動して前記マフラーの頂面にある複数の穴から出る。このように、ガスの流れは、ガスが前記ローターおよび回転する前記カウンターウェイトに突き当たる、前記モーターローターの下部で方向付けられる。本小型圧縮機では、前記ローター１１８および前記カウンターウェイト１２２は、前記マフラー１１２の頂部に非常に近い位置に配置され、前記マフラー１１２から排出されるガスおよび油は回転する前記ローター１１８と直に接触する。これにより乱流が生じてガスと混合した油がとどまる尤度が上がり、最終的に前記圧縮機を出る油がとどまる尤度が上がる。本小型圧縮機の設計には、油分離を容易にする放射状の穴を有したマフラー１１２が組み込まれている。この設計では、前記マフラー１１２の垂直側面に前記放射状の穴を配置することにより、前記圧縮機アセンブリ１００から排出される油を減らすことが可能になる。これにより、ガスおよび油の流れは回転する前記モーターに直接衝突せず、代わりに水平外方へ方向付けられる。冷媒ガスおよび油の混合物は、前記ケーシング１１４の内径面に当たり、油はそこで分離され前記オイルサンプ１２３に戻る傾向がある。一実施形態では、前記圧縮機からの油の損失が削減されることにより、前記ローター１１８を前記吐出マフラー１１２頂部に非常に近づけて配置できるため、前記圧縮機アセンブリの小型化が可能になる。

上記のとおり、本発明は、一次冷媒を使用した小型ローリングピストン式回転型圧縮機と、それに関連する方法とに関する。本発明は上記の特定の実施形態に限定されると見なすべきではなく、むしろ添付した請求項に適正に記載したとおり、本発明のすべての態様をカバーするものと理解すべきである。本発明を適用できる種々の変更（修正）形態、対応工程、また多数の構成は、本発明に該当する当業者であれば、本明細書を検討することにより容易かつ明確に理解される。前記請求項は、このような変更（修正）形態をカバーするよう意図したものである。

本発明は、本発明の種々の実施形態に関する以下の詳細な説明を添付の図面とともに考慮することでより完全に理解される。
図１ａは、本発明の一実施形態に係る吸入管および吐出管を有する密閉小型ローリングピストン式回転型圧縮機の横断面図を例示したものである。 図１ｂは、本発明の一実施形態に係るローター取り付け部材の拡大横断面図を例示したものである。 図１ｃは、本発明の一実施形態に係る前記ローター取り付け部材の拡大上断面図を例示したものである。 図１ｄは、本発明の一実施形態に係る代替ローター取り付け部材の拡大横断面図を例示したものである。 図２は、本発明の一実施形態に係る図１ａの（ビューＡ−Ａで定義された）密閉された小型ローリングピストン式回転型圧縮機の上断面図を例示したものである。 図３は、本発明の一実施形態に係る図１ａの圧縮機アセンブリ構成部品の分解図を概略的に例示したものである。 図４ａは、本発明の一実施形態に係る半密閉された小型ローリングピストン式回転型圧縮機の横断面図を例示したものである。 図４ｂは、本発明の一実施形態に係る半密閉された小型ローリングピストン式回転型圧縮機の上断面図を例示したものである。 図５は、本発明の一実施形態に係るステータ積層部のスタック内部の傾斜したスロットを例示したものである。 本発明は種々の変更および代替形態が可能であるが、図面に示した具体的内容は例示を目的としたもので、以下詳細に説明していく。ただし、これらは本発明を特定の実施形態に限定することを意図したものではないことを理解すべきである。むしろ、添付の特許請求の範囲で定義しているとおり、本発明の要旨の範囲に含まれる変更形態、均等物、代替形態とをすべて網羅するよう意図している。

Claims (20)

1. 小型ローリングピストン式回転型圧縮機アセンブリであって、
   圧縮機構部と、ブラシレスＤＣモーターと、ケーシングとを有し、
   この圧縮機アセンブリは軸長さが最高約３．５インチである
   小型ローリングピストン式回転型圧縮機アセンブリ。
2. 請求項１記載の小型ローリングピストン式回転型圧縮機アセンブリにおいて、この圧縮機アセンブリは、最高約２．５インチの直径を有するものである。
3. 請求項１記載の小型ローリングピストン式回転型圧縮機アセンブリにおいて、この圧縮機アセンブリは、最高約３．０ｃｃ／回転の排気量を有するものである。
4. 請求項１記載の小型ローリングピストン式回転型圧縮機アセンブリにおいて、この圧縮機アセンブリは、最高約１．７ポンドの重量を有するものである。
5. 請求項１記載の小型ローリングピストン式回転型圧縮機アセンブリにおいて、この圧縮機アセンブリは、さらに、
   油分離用の放射状の穴を有する吐出マフラーを有するものである。
6. 請求項１記載の小型ローリングピストン式回転型圧縮機アセンブリにおいて、前記ケーシングは密閉されているものである。
7. 請求項１記載の小型ローリングピストン式回転型圧縮機アセンブリにおいて、この圧縮機アセンブリは、さらに、
   ３つのハウジング部分を有し、当該ハウジング部分はプラズマ溶接で接合されているものである。
8. 請求項１記載の小型ローリングピストン式回転型圧縮機アセンブリにおいて、前記ケーシングは半密閉されているものである。
9. 請求項１記載の小型ローリングピストン式回転型圧縮機アセンブリにおいて、この小型回転型圧縮機は、約２３．６ワット／インチ^３〜約３６．９ワット／インチ^３の範囲の冷却出力密度、または約２００．００ワット／ポンド〜約３１２．５０ワット／ポンドの範囲の冷却出力密度を有するものである。
10. 請求項１記載の小型ローリングピストン式回転型圧縮機アセンブリにおいて、この小型回転型圧縮機は、約５５°Ｆの蒸発器温度および約１５０°Ｆの凝縮器温度では約１．８５〜約２．２５範囲のＣＯＰ（性能係数）を有し、または約５５°Ｆの蒸発器温度および約１１０°Ｆの凝縮器温度では約３．８〜約４．６範囲のＣＯＰ（性能係数）を有するものである。
11. 請求項１記載の小型ローリングピストン式回転型圧縮機アセンブリにおいて、この小型回転型圧縮機は、その速度を負荷需要に整合させることにより制御されるものである。
12. 請求項１記載の小型ローリングピストン式回転型圧縮機アセンブリにおいて、モーターステータおよびローターは空隙により分離され、当該空隙は油分を離器する機能を果たすものである。
13. 請求項１記載の小型ローリングピストン式回転型圧縮機アセンブリにおいて、この小型ローリングピストン式回転型圧縮機アセンブリは、さらに、
    カウンターウェイトおよび軽量の三日月形構成部品を有し、前記カウンターウェイトおよび前記軽量の三日月形構成部品は連続した中空シリンダを形成するものである。
14. 請求項１記載の小型ローリングピストン式回転型圧縮機アセンブリにおいて、この小型回転型圧縮機は、個人用冷却システム、小型の冷蔵庫および冷凍庫、携帯型血液冷却器、飲料冷却器などの携帯型冷却用途に使用されるか、若しくは、大量の熱を発生させるマイクロプロセッサおよび他の電子部品用の冷却システムなどの小型の固定設置用途に使用されるものである。
15. 小型ローリングピストン式回転型圧縮機アセンブリを製造する方法であって、
    ａ）所定の公差セットで圧縮機構部の部品を機械加工する工程と、
    ｂ）ブラシレスＤＣモーターを組み込む工程と、
    ｃ）ケーシングを組み込む工程と
    を有し、
    前記小型回転型圧縮機は、最高約２．５インチの直径と、最高約３．５インチの軸長さと、最高約１．７ポンドの重量とを有するものである
    方法。
16. 請求項１５記載の小型ローリングピストン式回転型圧縮機アセンブリを製造する方法において、前記圧縮機構部は、シリンダと、シャフトと、ローラーと、羽根と、駆動モーターを伴う上部軸受けフランジおよび下部軸受けフランジと、ケーシングとを有するものである。
17. 請求項１６記載の小型ローリングピストン式回転型圧縮機アセンブリを製造する方法において、この方法は、さらに、
    オイルサンプを組み込む工程を有し、前記オイルサンプは、前記シリンダの高さの半分を超えるレベルで油を有するものである。
18. 請求項１５記載の小型ローリングピストン式回転型圧縮機アセンブリを製造する方法において、この方法は、さらに、
    吐出管および最上部キャップを組み込む工程を有し、前記吐出管は、前記圧縮機アセンブリの軸長さを短縮するため、前記最上部キャップの側部に水平方向に配置されているものである。
19. 請求項１５記載の小型ローリングピストン式回転型圧縮機アセンブリを製造する方法において、この方法は、さらに、
    １若しくはそれ以上の電気的フィードスルーピンおよび最上部キャップを組み込む工程を有し、前記１若しくはそれ以上の電気的フィードスルーピンは、絶縁ガラスでシールすることにより前記最上部キャップに直接組み込まれるものである。
20. 請求項１５記載の小型ローリングピストン式回転型圧縮機アセンブリを製造する方法において、前記小型回転型圧縮機アセンブリは羽根とシリンダとを有し、当該羽根および前記シリンダは非選択的に組み立てられるものである。

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