JP2009138693A - 密閉形圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】起動時に冷媒を圧縮要素の摺動部に供給することや過剰な油上がりを抑制できる密閉形圧縮機を提供することを目的とする。
【解決手段】この発明に係るスクロール圧縮機１００は、密閉容器１１の内部に、圧縮要素３０と、電動要素４０とを収納したスクロール圧縮機１００において、以下に示す構成とし、
（ａ）圧縮要素３０は密閉容器１１の内部空間に高圧の冷媒を吐出する；
（ｂ）密閉容器１１の底部付近の温度を検出する温度センサ８を備える；
（ｃ）冷媒にＲ３２（ジフルオロメタン）を使用する；
さらにスクロール圧縮機１００の起動時に、圧縮要素３０を所定の回転数以上にはならないように駆動するとともに、温度センサ８が所定温度より高い温度を検知してから所定の回転数より高い回転数で圧縮要素３０を駆動することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

この発明は、密閉形圧縮機に関するもので、詳しくはＲ３２冷媒使用時の運転方法に関する。

密閉形圧縮機の運転停止中において、例えば停止時間が長い場合、密閉容器の温度が運転中よりも低下する。すると、密閉容器内の冷媒の密度が小さくなって、冷媒と冷凍機油との組合せによっては、液冷媒が冷凍機油の下に沈む現象が発生する。この状態で、密閉形圧縮機を運転すると、液冷媒が油ポンプの吸入部に存在するため油ポンプで液冷媒を吸引する不具合が生じる。

このような現象に対する対策として、従来、少なくとも所定温度以下では冷媒と分離状態となる冷凍機油を、圧縮機の摺動部の潤滑に用いる冷凍装置の制御方法であって、圧縮機の温度と圧縮機の運転周波数とを検出し、圧縮機の検出温度と圧縮機の検出周波数とに基づき、検出周波数が設定周波数を超え、かつ検出温度が設定温度未満であると判断したときに、運転周波数を保護周波数に切り換える冷凍装置の制御方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−２２１３６９号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載された従来の冷凍装置の制御方法は、その概念を述べているだけであり、具体的な内容までは記載が十分とは言えない。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、起動時に冷媒を圧縮要素の摺動部に供給することや過剰な油上がりを抑制できる密閉形圧縮機を提供することを目的とする。

この発明に係る密閉形圧縮機は、密閉容器の内部に、圧縮要素と、電動要素とを収納した密閉形圧縮機において、
以下に示す構成とし、
（ａ）圧縮要素は密閉容器の内部空間に高圧の冷媒を吐出する；
（ｂ）密閉容器の底部付近の温度を検出する温度センサを備える；
（ｃ）冷媒にＲ３２（ジフルオロメタン）を使用する；
さらに密閉形圧縮機の起動時に、圧縮要素を所定の回転数以上にはならないように駆動するとともに、温度センサが所定温度より高い温度を検知してから所定の回転数より高い回転数で圧縮要素を駆動することを特徴とする。

この発明に係る密閉形圧縮機は、上記構成により、起動時に冷媒を圧縮要素の摺動部に供給することや過剰な油上がりを抑制することができる。

実施の形態１．
具体的な説明の前に、本実施の形態の基本概念を説明しておく。密閉形圧縮機は、運転を休止している状態で、密閉形圧縮機の温度が低い場合（周囲温度と略同等）、冷媒と冷凍機油との組合せによっては、冷媒の密度が冷凍機油の密度より大きくなることがある。そうなると冷媒は冷凍機油の下に沈む現象が発生する。この状態で、密閉形圧縮機（特に密閉容器内が高圧の密閉形圧縮機）を起動させると、冷媒中にある油ポンプが冷媒を吸引し圧縮要素の摺動部に冷媒が供給されるため、摺動部の潤滑不良が発生する。また、冷凍機油の下に沈んだ冷媒が密閉容器の外部に吐出されるときに上層の冷凍機油も一緒に持ち出される現象が生じる。これらの対策は、密閉形圧縮機の起動後、できるだけ早く冷媒を冷凍機油の上に移動させることである。そこで、本実施の形態では、飽和状態密度が比較的小さい冷媒、密度が比較的大きい冷凍機油を使用する。また、密閉形圧縮機の起動時に、冷凍機油及び冷媒の温度が所定温度に上昇するまでは、密閉形圧縮機の回転数を所定値より上げない準備運転を行う。冷凍機油及び冷媒の温度が所定温度に上昇し、冷媒が冷凍機油の上に移動してから、密閉形圧縮機の回転数を所定値より上げる定常運転に移行するものである。

密閉形圧縮機の一例として、ここではスクロール圧縮機について説明する。密閉容器内が高圧のものであれば、他の形式の密閉形圧縮機（例えば、ロータリ圧縮機）にも、本実施の形態は適用される。

図１乃至図５は実施の形態１を示す図で、図１はスクロール圧縮機１００の縦断面図、図２は起動時のＲ３２冷媒９と冷凍機油１０の流れを示すスクロール圧縮機１００の縦断面図、図３は起動時のＲ３２冷媒９と冷凍機油１０が混合した状態を示すスクロール圧縮機１００の縦断面図、図４は準備運転実施後のＲ３２冷媒９と冷凍機油１０が分離した状態を示すスクロール圧縮機１００の縦断面図、図５は冷媒の飽和状態密度［ｋｇ／ｍ^３］と温度［℃］の関係を示す図である。

図１により、スクロール圧縮機１００の構成を簡単に説明する（スクロール圧縮機１００は公知のものを使用するため）。スクロール圧縮機１００は、密閉容器１１の内部に圧縮要素３０と、電動要素４０とを収納している。

圧縮要素３０は、それぞれ台板上の板状渦巻歯が相互間に圧縮室を形成するように噛み合わされた固定スクロール１および揺動スクロール２と、この揺動スクロール２を軸方向に支持するコンプライアントフレーム３と、このコンプライアントフレーム３を半径方向に支持するガイドフレーム４と、電動要素４０のトルクを圧縮要素３０に伝達する主軸７とを備える。

固定スクロール１は、その外周部はガイドフレーム４にボルトによって締結されている。台板部の一方の面（図１において下側）には板状渦巻歯が形成されるとともに、外周部にはオルダム案内溝がほぼ一直線上に２個形成されている。このオルダム案内溝にはオルダムリングの爪が往復摺動自在に係合されている。さらに、固定スクロール１の側面には、吸入冷媒が通る吸入管１３が密閉容器１１を貫通して圧入されている。

揺動スクロール２は、台板部の上面には固定スクロール１の板状渦巻歯と実質的に同一形状の板状渦巻歯が設けられており、幾何学的に圧縮室を形成している。台板の板状渦巻歯と反対側の面の中心部には中空円筒のボス部が形成されており、主軸７上端の揺動軸部と回転自在に係合している。また、台板の板状渦巻歯と反対側の面には、コンプライアントフレーム３のスラスト軸受けと圧接摺動可能なスラスト面が形成されている。揺動スクロール２の台板の外周部には、固定スクロール１のオルダム案内溝と９０度の位相差をもつオルダム案内溝がほぼ一直線上に２ヶ形成されており、このオルダム案内溝にはオルダムリングの爪が往復摺動自在に係合されている。また台板部には圧縮室とスラスト面を貫通する抽出孔が設けられ、圧縮途中の冷媒ガスを抽出してスラスト面に導く構造となっている。

コンプライアントフレーム３はその外周部に設けられた上下２つの円筒面を、ガイドフレーム４の内周部に設けた円筒面により半径方向に支持されており、その中心部には電動要素４０により回転駆動される主軸７を半径方向に支持する主軸受けおよび副主軸受けが形成されている。

ガイドフレーム４の外周面は焼きばめ、もしくは溶接などによって密閉容器１１に固着されているものの、その外周部に設けた切り欠き部により、固定スクロール１の吐出ポートから吐出される高圧の冷媒ガスを電動要素４０側に設けられた吐出管１２に導く流路は確保されている。またガイドフレーム４の内周面には、コンプライアントフレーム３の外周面に形成された上下円筒面と係合する円筒面、およびシール材を収納するシール溝が２カ所設けられており、それぞれシール材が設置されている。これら２つのシール材を用いて密封されたガイドフレーム４の内周面とコンプライアントフレーム３の外周面からなるフレーム空間は、コンプライアントフレーム３の連絡通路とのみ連通しており、揺動スクロール２の抽出孔より供給される圧縮途中の冷媒ガスを封入する構造となっている。

主軸７は、その上端部は揺動スクロール２の揺動軸受けと回転自在に係合する揺動軸が形成されており、その下側には主軸バランサが焼きばめられている。さらにその下にはコンプライアントフレーム３の主軸受けおよび副主軸受けと回転自在に係合する主軸部が形成されている。また主軸７の下側はサブフレーム１７の副軸受けと回転自在に係合する副軸部が形成され、この副軸部と前述した主軸部間には電動要素４０のロータ６が焼きばめられている。

電動要素４０は、ステータ５とロータ６とを備える。電動要素４０には、通常ＤＣ（直流）ブラシレスモータが使用される（誘導電動機も稀に使用される）。ＤＣブラシレスモータの場合、ステータ５には、三相の巻線が施される。巻線方式は、集中巻または分布巻である。そして、ロータ６は、永久磁石を用いるマグネットロータである。

密閉容器１１の底部（外側）に、密閉容器１１の底部の温度を検出する温度センサ８を備える。温度センサ８は、例えばサーミスタで構成される。図１では、密閉容器１１の底部の中央部付近に温度センサ８が設けられている。但し、この位置に限定されない。密閉容器１１の底部のどの部分でもよい。また、密閉容器１１の底部に連なる側壁の下部に設けてもよい。要は、後述するＲ３２冷媒９または冷凍機油１０の温度を検出できる位置であればよい。Ｒ３２とは、ジフルオロメタンで、化学式はＣＨ_２Ｆ_２である。

スクロール圧縮機１００が冷凍サイクルに組み込まれた状態での運転休止中には、密閉容器１１の内部の底部に冷媒または冷凍機油が貯留する。

図１では、冷凍サイクルを循環する冷媒であるＲ３２冷媒９が、冷凍機油１０の下に沈みこんでいる。これは、例えばスクロール圧縮機１００が運転休止中で、密閉容器１１の温度が周囲温度に略等しい温度（常温）になっているため、Ｒ３２冷媒９の飽和状態密度が冷凍機油１０の密度より小さくなっているためである。

密閉容器１１の底部の温度とＲ３２冷媒９の温度が略等しくなるので、密閉容器１１の底部の温度を検出する温度センサ８は、Ｒ３２冷媒９の温度を検出している。

冷媒をＲ３２冷媒９に限定する理由を先ず説明する。図５はスクロール圧縮機１００の主要な用途である空気調和機に使用される各種冷媒の飽和状態密度［ｋｇ／ｍ^３］と温度［℃］との関係を示している。図５に示すように、温度が低下すると冷媒の飽和状態密度は大きくなる。各温度における各種冷媒の飽和状態密度は、図５に示すような関係にある。即ち、Ｒ３２の飽和状態密度がこの中では、最も小さい。スクロール圧縮機１００の起動時における、冷凍機油１０の下に沈んだ冷媒を加熱して温度を上げる準備運転において、飽和状態密度の小さい冷媒ほど早く冷凍機油１０の上に移動する。

Ｒ３２の飽和状態密度は、１０℃で１０２０ｋｇ／ｍ^３、２０℃で９８１ｋｇ／ｍ^３、３０℃で９４０ｋｇ／ｍ^３である。

準備運転においてＲ３２冷媒９をできるだけ早く冷凍機油１０の上に移動させるには、冷凍機油１０は密度が大きいものが好適である。

現在、密閉形圧縮機の冷凍機油１０にはナフテン系の鉱油、パラフィン系の鉱油、アルキルベンゼン（ＡＢ）、ポリアルファオレフィン（ＰＡＯ）、ポリオールエステル（ＰＯＥ）、ポリビニルエーテル（ＰＶＥ）、ポリアルキレングリコール（ＰＡＧ）などが使用されている。ナフテン系の鉱油、パラフィン系の鉱油、ＡＢ、ＰＡＯは、密度が略８７０ｋｇ／ｍ^３であり、他のＰＯＥ、ＰＶＥ、ＰＡＧは密度が略１０００ｋｇ／ｍ^３である。本実施の形態では、ＰＯＥ、ＰＶＥ、ＰＡＧ等の密度が９８０ｋｇ／ｍ^３以上の冷凍機油１０を選択する。

例えば、密度が略１０００ｋｇ／ｍ^３のＰＯＥ、ＰＶＥ、ＰＡＧ等の冷凍機油１０を使用すると、Ｒ２２では温度が６０℃になっても飽和状態密度が１０３０ｋｇ／ｍ^３であり、冷媒の方がまだ重い。しかし、Ｒ３２冷媒９では、温度が２０℃で密度が略９８１ｋｇ／ｍ^３になり、ＰＯＥ、ＰＶＥ、ＰＡＧ等の冷凍機油１０よりも軽くなる。

図２はスクロール圧縮機１００の回転数を制限しないで起動させた場合のＲ３２冷媒９の挙動を示している。この場合、Ｒ３２冷媒９は冷凍機油１０の層を通り抜け、図２の矢印の方向に流れる。さらに電動要素４０の回転により、Ｒ３２冷媒９と冷凍機油１０は攪拌されて冷媒と冷凍機油の混合物１５になる（図３参照）。そして、冷媒と冷凍機油の混合物１５は、吐出管１２からスクロール圧縮機１００の外部の冷凍サイクルへ吐出され、スクロール圧縮機１００内の冷凍機油１０が大量にスクロール圧縮機１００の外部の冷凍サイクルへ持ち出される。

冷凍機油１０がスクロール圧縮機１００の外部の冷凍サイクルへ持ち出されることによって、スクロール圧縮機１００内の冷凍機油１０が減少する。それにより圧縮要素３０の摺動部へ供給される冷凍機油１０が減少する。供給される冷凍機油１０が減少すると摺動部の焼付きの原因となり、スクロール圧縮機１００の信頼性が低下する。

また、固定スクロール１と揺動スクロール２の間に供給される冷凍機油１０が減少することで、圧縮室を形成するように噛み合わされた板状渦巻歯のシール性が悪化し、スクロール圧縮機１００の性能低下の原因となる。

そこで、本実施の形態では、スクロール圧縮機１００の起動時に、電動要素４０の回転数を所定の回転数以上には上げない準備運転を行う。所定の回転数は、電動要素４０の電源の周波数が例えば６０Ｈｚ相当の回転数である。

電動要素４０の回転数を所定の回転数以上には上げない準備運転では、電動要素４０の回転数が低いため、図１のようにＲ３２冷媒９が冷凍機油１０の下に沈んでいても、圧縮要素３０の摺動部の潤滑不足、冷凍機油１０のスクロール圧縮機１００の外部への流出等の不具合は許容範囲内に抑制できる。

電動要素４０の回転数を所定の回転数以上には上げない準備運転を行うことにより、電動要素４０及び圧縮要素３０の温度が上昇し、この熱が冷凍機油１０の下に沈んでいるＲ３２冷媒９に伝熱して、Ｒ３２冷媒９の温度を上昇させる。

Ｒ３２冷媒９の温度は、密閉容器１１の底部の温度を検出する温度センサ８で間接的に検出する。温度センサ８が所定温度より高い温度を検知した場合、圧縮要素３０を所定の回転数より高い回転数で駆動する運転に切替える。

温度センサ８が所定温度より高い温度を検知した場合の所定温度は、例えば２５℃である。温度センサ８の測定値が２５℃以上であれば、内部のＲ３２冷媒９の温度は少なくとも２０℃以上になっていると推定でき、この状態では、Ｒ３２冷媒９は密度が略１０００ｋｇ／ｍ^３のＰＯＥ、ＰＶＥ、ＰＡＧ等の冷凍機油１０の上に浮上するからである。

以上のように、スクロール圧縮機１００の起動時に準備運転を行うことにより、以下に示す効果を奏する。
（１）電源が６０Ｈｚ以下の周波数での運転となるので、電動要素４０の回転運動によるＲ３２冷媒９と冷凍機油１０の撹拌を抑え、Ｒ３２冷媒９と冷凍機油１０が混合されて図３の状態（Ｒ３２冷媒９と冷凍機油１０が混合されて、冷媒と冷凍機油の混合物１５になる）にならないようにすることができる。
（２）温度センサ８の測定値が２５℃以上であれば、内部のＲ３２冷媒９の温度は少なくとも２０℃以上になっていると推定でき、この状態では、Ｒ３２冷媒９は密度が略１０００ｋｇ／ｍ^３のＰＯＥ、ＰＶＥ、ＰＡＧ等の冷凍機油１０の上に浮上する。

図４は、以上の準備運転を行うことによって、スクロール圧縮機１００内の冷凍機油１０の上にＲ３２冷媒９が浮上した状態を示している。この状態は、図５に示される通りＲ３２冷媒は２０℃弱で飽和状態密度が１０００ｋｇ／ｍ^３を下回り、密度が１０００ｋｇ／ｍ^３以上の冷凍機油（ＰＯＥ、ＰＶＥ、ＰＡＧ等）を選択することによって達成される。

この状態から通常の運転（圧縮要素３０の回転数を制限しない運転）へ移行することにより、吐出管１２から外部へ流出する吐出ガスの殆どがＲ３２冷媒９であり、スクロール圧縮機１００内から持ち出される冷凍機油１０の量を低減することができる。

スクロール圧縮機１００の起動時において、毎回本実施の形態の準備運転を行うことで、スクロール圧縮機１００信頼性を向上することができる。

特に、空気調和機や冷蔵庫における密閉形圧縮機の取付後の初回運転時には、冷凍サイクルの配管へ吐出された冷凍機油が圧縮機へ非常に戻り難くい。また、冷凍サイクルの配管へ残る冷凍機油も存在する。しかし、本実施の形態の準備運転により、密閉形圧縮機の信頼性を確保しつつ少しずつ冷凍機油を配管へ馴染ませることができる。

実施の形態１を示す図で、スクロール圧縮機１００の縦断面図。 実施の形態１を示す図で、起動時のＲ３２冷媒９と冷凍機油１０の流れを示すスクロール圧縮機１００の縦断面図。 実施の形態１を示す図で、起動時のＲ３２冷媒９と冷凍機油１０が混合した状態を示すスクロール圧縮機１００の縦断面図。 実施の形態１を示す図で、準備運転実施後のＲ３２冷媒９と冷凍機油１０が分離した状態を示すスクロール圧縮機１００の縦断面図。 実施の形態１を示す図で、冷媒の飽和状態密度［ｋｇ／ｍ^３］と温度［℃］の関係を示す図。

符号の説明

１ 固定スクロール、２ 揺動スクロール、３ コンプライアントフレーム、４ ガイドフレーム、５ ステータ、６ ロータ、７ 主軸、８ 温度センサ、９ Ｒ３２冷媒、１０ 冷凍機油、１１ 密閉容器、１２ 吐出管、１３ 吸入管、１５ 冷媒と冷凍機油の混合物、１７ サブフレーム、３０ 圧縮要素、４０ 電動要素、１００ スクロール圧縮機。

Claims (3)

1. 密閉容器の内部に、圧縮要素と、電動要素とを収納した密閉形圧縮機において、
   以下に示す構成とし、
   （ａ）前記圧縮要素は前記密閉容器の内部空間に高圧の冷媒を吐出する；
   （ｂ）前記密閉容器の底部付近の温度を検出する温度センサを備える；
   （ｃ）前記冷媒にＲ３２（ジフルオロメタン）を使用する；
   さらに当該密閉形圧縮機の起動時に、前記圧縮要素を所定の回転数以上にはならないように駆動するとともに、前記温度センサが所定温度より高い温度を検知してから前記所定の回転数より高い回転数で前記圧縮要素を駆動することを特徴とする密閉形圧縮機。
2. 前記圧縮要素の潤滑を行う冷凍機油に、密度が９８０ｋｇ／ｍ^３以上の冷凍機油を使用することを特徴とする請求項１記載の密閉形圧縮機。
3. 前記温度センサが、２５℃より高い温度を検知してから前記所定の回転数より高い回転数で前記圧縮要素を駆動することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の密閉形圧縮機。

Images