JP2009503342A - 熱放散システムを備えた密閉型コンプレッサ - Google Patents

Abstract

熱放散システムを備えた密閉型コンプレッサであって、オイルサンプ７が中に画成されたケース１、ケース１内部に取り付けられ、冷却流体を圧縮するように、排出室が中に画成されたシリンダヘッド１０によって閉鎖される端部を有するシリンダ３を画成するシリンダブロック２、およびシリンダ３内部で冷却流体の圧縮によって発生した熱を吸収するように、シリンダブロック２に取り付けられた熱吸収端２１、およびそこから吸収された熱を別の手段へと伝導し放出するように、シリンダブロック２から離間して設けられた放熱端２２を有する少なくとも１つの熱エネルギー伝達管２０を含む、密閉型コンプレッサが提供される。

Description

本発明は、冷蔵庫および冷凍庫などの冷却機器で使用されるタイプでありコンプレッサ内部に熱放散システムを備えた密閉型コンプレッサに関し、システムは特に、コンプレッサ内部の高温部分から、そのシリンダブロックの外部でそこから離れた位置にある環境へと熱エネルギーを伝達するために使用される。

冷却システムで使用されるタイプの密閉型コンプレッサは一般に、ケース内部に、シリンダ内部に画成された圧縮室と選択的に流体連通する排出室を内部に画成するシリンダヘッドによって閉鎖される端部を有するシリンダが中に画成され、シリンダの閉鎖された端部とシリンダヘッドの間に設けられたバルブプレートによって閉鎖される、シリンダブロックを有するモータ−コンプレッサアセンブリを含み、流体連通は、バルブプレートに設けられ、一般にバルブプレートによって支えられる吸入および排出バルブによって選択的かつ個々に閉鎖される吸入および排出口を通して画成される。

ガスの圧縮中、例えば、圧縮中のガスの発熱、粘性の低下によって電力が熱エネルギーおよび熱に変換されるベアリングの摩滅による損失、同様に熱に変換される電気モータの損失など、様々なプロセスの結果、熱が発生する。

コンプレッサは、その構造的形態では、コンプレッサのほかにコンデンサ、エバポレータおよび膨張装置を含む冷却システムに連結されたケース内に取り付けられている。この回路は密封的に封止され、質量を外部環境へ伝達しない。
コンプレッサによって生成される熱電力の一部は冷却流体によって排出ラインへと送られ、冷却システムのコンデンサ内で放散される。他の部分は冷却流体へ、およびケース内部に含まれる潤滑オイルへと伝達される。次いで、冷却流体および潤滑オイルは、熱の他の部分をケースへと伝達し、ケースは生成された熱の他の部分を外部環境へと放散する。

このシステムによって、蒸発および凝縮圧ならびに換気特性が一定であると考慮して、例えば外部環境の温度およびコンプレッサの動作条件など、ある条件が一定に維持されるとき、熱平衡が達成される。

熱平衡のこの状態では、コンプレッサのエネルギー効率に直接関係する温度曲線を確立することができ、一方、ケースの環境が加熱されることによって潤滑オイルが加熱されることから、粘性および粘性の低下によって失われる電力が減少する。流体力学ベアリングの負荷容量はこの粘性の減少を考慮して寸法決めされる。一方、例えば、引き込まれる冷却流体の温度の上昇、シリンダが高温になることによる圧縮力の増加、高温に耐えるよう特別な材料をコンプレッサの製造に使用する必要性など、ケース内部の発熱によって生じる多くの負の側面が存在する。
コンプレッサの内部から外部への伝熱の一般的なプロセスは、現在、次のように起きている：冷却流体の圧縮で発生した熱がシリンダブロックへ、および排出マフラへと伝わり、次いで対流によってコンプレッサの内部環境のガスへ、および発熱面上にあるオイルにも伝達される。ガスおよびオイルはケースの内壁で熱を変化させ、熱は、コンプレッサ本体から外部環境へと自然または強制対流によって最終的に放散されるように、伝導によってケースの壁面に侵入する必要がある。このプロセスには、熱交換および熱放散を低減させる一連の熱抵抗が存在する。

当技術分野では次の伝熱プロセスも知られている：内部構成部品と潤滑オイルとの間、およびコンプレッサ本体とケースの外部環境との間で起きる強制換気による；およびコンプレッサが属する冷却システムのコンデンサの冷却流体がコンプレッサ内部のオイルに浸漬された熱交換器へと逸れる際に通る冷却パイプを通る潤滑オイルを冷却することにより、そこから熱を除去する。

知られている従来技術では、例えば、米国特許第６，３４７，５２３号に教示されているようにスターリング機械での熱交換の使用；シリンダヘッド内のフィンおよび補助空気循環システムの提供；熱パイプの使用；振動、機械および電気的動作によって駆動されるポンプによる流体給送システムの使用など、伝熱を促進するための様々な代替策を提供している。

しかし、そのような知られている解決策にはいくつかの欠点がある。フィンを付けたシリンダヘッドおよび空気との熱交換を使用する知られている解決策の場合、高い伝熱容量を達成することができないという欠点がある。このシステムでは、伝熱容量に対する飽和限界は容易に達成される。これはフィンの長さを増加および／またはフィン間の距離を減少することによって、または測定された伝熱容量に必要な圧力および流量レベルの達成を可能にするために十分な容量を備えた空気移動機器の実現が不可能であることによって、フィン効率の飽和関数として起きる。さらに、そのような解決策によって冷却システムの振動および騒音の増加、および多くの可動部品の信頼性の低下を招く。

米国特許第６，４９９，９７７号に開示された、知られている解決策では、スクロールコンプレッサが、外部に熱パイプを使用する冷却システムを有する。この解決策では、熱パイプシステムを使用してコンプレッサケース内の熱が除去される。ケースの外面から外部環境への伝熱のみが改善され、他の熱抵抗は一定に維持される。そのようなコンプレッサは、シリンダが直接外部環境にさらされ、したがって内部環境のガスの高い熱抵抗によってコンプレッサが損傷されない、という構造上の特性を有する。しかし、往復運動をする密閉型コンプレッサでは、ガスのそのような内部熱抵抗を最小限にする、または排除することが非常に望ましい。

熱パイプの使用による伝熱の別の解決策は米国特許第６，４１２，４７９号に開示されており、シリンダヘッドから熱を除去するために内燃機関の内部に熱パイプが提供される。しかし、この解決策は（密閉型コンプレッサではなく）内燃機関に関し、その目的は供給システムで排出される未燃焼ガスを再使用することである。米国特許第５，６５１，２５８号および米国特許第５，６９５，００４号に記載された他の知られている解決策もまた、コンプレッサが関連する冷却システムで熱を再使用し、または再使用せずに、熱をコンプレッサ内部から除去するための熱パイプシステムを示す。しかし、そのような解決策では、熱パイプは密閉型コンプレッサの高温部分から熱を除去するためではなく、熱を使用するためにシステムに適用されるので、密閉型コンプレッサのエネルギー効率に関する問題を対象としていない。

本発明の目的は、例えばエネルギー消費が高く高温に耐える特別な材料を使用する必要があるなど、知られている解決策に見られる問題を生じずに、内部の全体的な熱抵抗を低減し内部温度をより均一にする、特にそのシリンダブロックから熱を除去するための熱放散システムをコンプレッサケース内部に備えた密閉型コンプレッサを提供することである。

本発明の他の目的は、コンプレッサケースの外部へと伝達するようにその部品から熱を放散することを可能にする、上述のようなコンプレッサを提供することである。

これらおよび他の目的は熱放散システムを備えた密閉型コンプレッサによって達成され、コンプレッサは、オイルサンプが中に画成されたケース、ケース内部に取り付けられ、冷却流体を圧縮するように、排出室が中に画成されたシリンダヘッドによって閉鎖される端部を有するシリンダを画成するシリンダブロックを含み、熱放散システムは、シリンダ内部で冷却流体の圧縮によって発生した熱を吸収するように、シリンダブロックに取り付けられた熱吸収端、およびそこから吸収された熱を吸収が行われる手段の温度より低い温度で別の手段へと伝導し放出するように、シリンダブロックから離間して設けられた放熱端を有する熱エネルギー伝達管を含む。

本発明の解決策は、熱交換を非常に効率的に行い、コンプレッサの特定領域から、より詳細にはシリンダブロックに関連する高温部分から、多量の熱を除去することを可能にする熱パイプなど熱交換器の適用を考慮しており、熱をケース内部または外部にある別の手段へと伝導する。

本発明を、好ましい実施形態の例を使用して示される添付の図面を参照して説明する。

本発明の熱放散システムは、冷却機器の冷却システムで使用されるタイプのコンプレッサに適用されるように設計されており、コンプレッサは、密閉型ケース１内部に、一端には冷却流体を圧縮するピストン（図示せず）を収容するシリンダ３が中に画成され、バルブプレート５内に設けられ、吸入および排出バルブ（図示せず）によって選択的かつ個々に閉鎖される、吸入および排出口（図示せず）を通して、シリンダ３内部でピストン上部とシリンダ３の反対端とシリンダヘッド１０の間に設けられたバルブプレート５との間に画成された、圧縮室（図示せず）との選択的な流体連通を維持する吸入室および排出室（図示せず）が中に画成された、シリンダカバーまたはシリンダヘッド１０によって閉鎖された反対端４を有する、シリンダブロック２を有するモータ−コンプレッサアセンブリを含む。

コンプレッサによって引き込まれ、コンプレッサが連結された冷却システムの吸入ライン（図示せず）から流入するガスは、一般に、ケース１内部に設けられコンプレッサの吸入室内部との流体連通を維持する吸入マフラ６を通って、ケース１の内部に到達する。

ケース１の内部では、その下部１ａに隣接して、互いに相対動作を行うモータ−コンプレッサアセンブリ部分を潤滑するためのオイルを含むオイルサンプ７が設けられており、オイルサンプ７に蓄えられている潤滑オイルは、図示されていないポンプによってモータ−コンプレッサアセンブリに給送される。添付の図面は電気モータ上に置かれたシリンダブロックを備えたコンプレッサを示すが、本発明は電気モータがシリンダブロック上に置かれた密閉型コンプレッサも包含することを理解されたい。

本発明によれば、ケース１内部には、例えば可撓性（熱パイプ）であり銅など伝熱性に優れた材料から形成されている熱エネルギー伝達管２０が設けられており、シリンダ３内部で冷却流体の圧縮によって発生する熱を吸収するように、シリンダブロック２にピストンの動作によって生じる冷却流体の圧縮に応じて後者の高温の領域に取り付けられた熱吸収端２１、およびそこから吸収された熱を吸収が行われる手段の温度より低い温度で別の手段に伝導し放出するために、シリンダブロック２から離間された放熱端２２を有する。

図１および２は、熱エネルギー伝達管２０の熱吸収端２１がバルブプレート５に隣接する取付領域でシリンダブロック２に連結された、本発明の構造的選択肢を示す。この構造的選択肢では、熱エネルギー伝達管２０の熱吸収端２１はシリンダブロック２の反対端４の突出部４ａに連結されている。

別の構造的選択肢では、熱エネルギー伝達管２０の熱吸収端２１は、図３〜５に示すようにシリンダヘッド１０に連結されている。この構造では、シリンダヘッド１０は熱エネルギー伝達管２０の熱吸収端２１を受ける少なくとも１つのハウジング１１を備えており、ハウジング１１は熱吸収端２１を固定するための維持手段を備えており、その手段は例えばハウジング１１に組み込まれている。

図６〜８に示されたシリンダヘッド１０の構造では、シリンダヘッド１０はバルブプレート５に面して据え付けられる取付面１３の反対側の面１２から、例えば直線構成でありシリンダヘッド１０の長手方向延長に沿って設けられたチャンネル１５を内部に画成する突出部１４を有し、チャンネル１５はハウジング１１を画成する。

本発明によれば、チャンネル１５は、開口しており熱エネルギー伝達管２０の熱吸収端２１を受ける寸法である第１の端部１５ａを有する。図示された構造では、チャンネル１５は、開口しており熱エネルギー伝達管２０の熱吸収端２１を選択的に受ける寸法である第２の端部１５ｂをさらに備えており、熱吸収端２１がチャンネル１５の第１の端部１５ａに取り付けられている熱吸収端２１を有する別の熱エネルギー伝達管２０の設置とは別個に設けることができる。

別の図示されていない構造的選択肢では、第１および第２の端部１５ａ、１５ｂはそれぞれ、各熱エネルギー伝達管２０の熱吸収端２１を、同時にまたは同時ではなく、受けることができる。

図示された実施形態では、チャンネル１５は、シリンダヘッド１０のバルブプレート５に面して据え付けられる面の平面に対して傾斜した軸に従って互いに位置合わせされた、第１の端部１５ａおよび第２の端部１５ｂを有する。チャンネル１５の軸の傾斜は、図３および４にそれぞれ示すように、熱エネルギー伝達管２０の熱吸収端２１をチャンネル１５の第１および第２の端部１５ａ、１５ｂのいずれかを通して固定しやすくするために、第１の端部１５ａが第２の端部１５ｂと比較してバルブプレート５に据え付けられる面からより多く離間するように画成されている。

図１、４および５に示すシリンダヘッド１０の構造的選択肢では、熱エネルギー伝達管２０の熱吸収端２１は、ハウジング１１内に直接堅固に固定されている。

図９および１０は本発明のシリンダヘッド１０の構造的選択肢を示し、シリンダヘッド１０は、図６〜８に示すシリンダヘッド１０に関連して既に説明したと同様に、それぞれが熱エネルギー伝達管２０の各熱吸収端２１を受けるように、シリンダヘッド１０の面１２に横方向に設けられた一対の平行なチャンネル１５、１５’を示す。

熱エネルギー伝達管２０の熱吸収端２１はシリンダブロック２に、冷却流体の圧縮によって発生する熱を後者から受けるために、シリンダブロック２に関連するコンプレッサ構成部品に直接取り付けることもできることを理解されたい。

図４および５に示す、本発明の構造的選択肢によれば、熱エネルギー伝達管２０の放熱端２２は、例えば熱をオイルサンプ７に放出するように放熱端２２をケース１内部に画成されたオイルサンプ７に浸漬することによって、ケース１内部に置かれ後者の内部に含まれるオイルによって画成される手段へと熱を放出する。この構造では、放熱端２２はオイルサンプ７内に緩く浸漬し、または適切な維持手段によってその中に維持することができる。図４に示すこの構造の変形例では、本発明の熱放散システムは、オイルサンプ７のオイルに浸漬された各熱吸収端３１、およびオイルから、そこから離間した領域へと熱の少なくとも一部を運ぶ、オイルサンプ７の外部に放熱端３２を有する追加の熱エネルギー伝達管３０を含む。

図示された構造では、追加の熱エネルギー伝達管３０の放熱端３２は、そこから外方向に突出し、一般にそれ自体の外部環境によって画成されたケース１外部の手段へと放熱端３２を介して熱を放出するために、ケース１に密封的に入り込む管部分３３を備えている。

別の構造的選択肢では、図示しないが、熱エネルギー伝達管２０の放熱端２２は、例えば互いの相対動作でコンプレッサ部品を潤滑するために使用されるオイルなど、ケース１内部を循環する潤滑オイルの流れへと熱を放出する。

本発明によれば、シリンダブロックから除去された熱は、図３に示すように、内部に含まれるオイルを通らずにケース１の外部へと向かうこともできる。この場合、熱エネルギー伝達管２０の放熱端２２は上述のようにそこから外方向に突出し、ケース１外部の手段へと熱を放出するために、密封的にケース１に入り込む端部部分２３を有する。

図１１ａおよび１２は、本発明の熱エネルギー伝達管２０（または追加の熱エネルギー伝達管３０）の２つの構造的な形態を例示し、管のそれぞれが、熱吸収の各エバポレータ部分２０ａ、輸送部分２０ｂまたは断熱部分、コンデンサ部分２０ｃ、および、例えば図示するように熱放散部分２０ｄに沿って設けられた少なくとも１つの熱放散フィン２０ｅを含む、熱放散部分２０ｄを有する。

図１１ａに示す構造では、コンデンサ部分２０ｃは、コンデンサ部分２０ｃの延長に沿って配設された熱放散フィン２０ｅに関連している。図１２に示す構造では、熱エネルギー伝達管２０は２つの熱放散部分２０ｄを含み、その一方は熱エネルギー伝達管２０のエバポレータ部分（熱吸収）２０ａの延長に沿って配設された熱放散フィン２０ｅを示し、熱放散部分の他方は互いに平行に配設されコンデンサ部分２０ｃの延長に対して横断方向に配設される複数の熱放散フィン２０ｅを含み、フィンは後者の熱放散領域を増加するために熱エネルギー伝達管２０に横断方向または長手方向に整列されている。熱放散フィン２０ｅの設置、ならびにその配置および数量は、熱エネルギー伝達管２０の、配置された場所の面積、温度および換気などのパラメータの関数である。

図１１ｂ、１１ｃおよび１１ｄに示すように、本発明の構造的選択肢では、熱エネルギー伝達管２０を形成するエバポレータ部分２０ａは、熱エネルギー伝達管の他の部分の断面とは異なる断面を示し、断面はその部分に所望される熱吸収パラメータの関数として計算される。この手順は、熱エネルギー伝達管の他の部分の断面を決定するために適用することもできる。

図１１ａおよび１２に示す熱エネルギー伝達管の構造について、熱エネルギー伝達管２０の輸送部分２０ｂ（または断熱部分）の熱量対温度の結果、および熱エネルギー伝達管２０の各構造の（コンデンサ部分２０ｃの）熱エネルギー伝達管の熱量対有効な長さ単位の結果が、図１３ａ、１３ｂ、１４ａ、１４ｂに示されている。

図１３ｂおよび１４ｂに示すグラフで考察された有効な長さは、輸送部分２０ｂの長さ（Ｌａｄｂ）、およびエバポレータ部分２０ａの長さ（Ｌｅｖａｐ）とコンデンサ部分２０ｃの長さ（Ｌｃｏｎｄ）の合計の半分の合計を表し、すなわち、
Ｌｅｆ＝Ｌａｄｂ＋（Ｌｃｏｎｄ＋Ｌｅｖａｐ）／２
である。

このような結果を得るために、これらの熱エネルギー伝達管の構造は、例えば約６ｍｍである外径および約０．５ｍｍの銅壁厚さを示す。図１３ａ、１３ｂ、１４ａおよび１４ｂに示すように、示された曲線は４ｍｍおよび６ｍｍの熱エネルギー伝達管の外径（Ｄｅｘｔ）について得られたものである。

本発明の解決策では、シリンダブロック２の高温領域から熱を除去することによって、コンプレッサ内部の温度を低下させ、コンプレッサのエネルギー効率を増加することができる。

以上、本発明を実行するいくつかの方法のみを説明したが、添付の特許請求の範囲に規定された本発明の概念から逸脱せずにコンプレッサの構成部品の形態および配置の変更を行うことができることを理解されたい。

本発明の冷却システムの第１の実施形態を示す、冷却コンプレッサの概略的な断面図である。 図１に示す実施形態の概略的な上面図である。 図１と同様の、冷却システムの第２の実施形態の概略的な断面図である。 図１に示す冷却システムの第２の実施形態の変形例の概略的な断面図である。 図４に示す構造の概略的な斜視図である。 図５に示すシリンダヘッドの構造の概略的な底面図である。 図６に示すシリンダヘッドの構造の概略的な側面図である。 図７の線ＶＩＩＩ−ＶＩＩＩに沿った、図６および７に示すシリンダヘッドの構造の概略的な垂直断面図である。 本発明のシリンダヘッドの別の構造の概略的な底面図である。 図９に示すシリンダヘッドの構造の概略的な側面図である。 本発明の熱エネルギー伝達管の構造の概略的な側面図である。 図１１ａに示す熱エネルギー伝達管の一部分の概略的な断面図である。 図１１ａに示す熱エネルギー伝達管の一部分の概略的な断面図である。 図１１ａに示す熱エネルギー伝達管の一部分の概略的な断面図である。 本発明の熱エネルギー伝達管の別の構造の概略的な側面図である。 図１１ａに示す熱エネルギー伝達管の性能曲線の概略図である。 図１１ａに示す熱エネルギー伝達管の性能曲線の概略図である。 図１２に示す熱エネルギー伝達管の性能曲線の概略図である。 図１２に示す熱エネルギー伝達管の性能曲線の概略図である。

Claims (14)

1. 熱放散システムを備えた密閉型コンプレッサであって、前記コンプレッサが、オイルサンプ（７）が中に画成されたケース（１）と、ケース（１）内部に取り付けられ、冷却流体を圧縮するように、排出室が中に画成されたシリンダヘッド（１０）によって閉鎖される端部を有するシリンダ（３）を画成するシリンダブロック（２）とを含み、シリンダ（３）内部で冷却流体の圧縮によって発生した熱を吸収するように、シリンダブロック（２）に取り付けられた熱吸収端（２１）、およびそこから吸収された熱を吸収が行われる手段の温度より低い温度で別の手段へと伝達し放出するように、シリンダブロック（２）から離間して設けられた放熱端（２２）を有する少なくとも１つの熱エネルギー伝達管（２０）を含むことを特徴とする、密閉型コンプレッサ。
2. 熱エネルギー伝達管（２０）の放熱端（２２）が、ケース（１）の内部に置かれ、ケース（１）の内部に含まれるオイルによって画成された手段へと熱を放出することを特徴とする、請求項１に記載の密閉型コンプレッサ。
3. 熱エネルギー伝達管（２０）の放熱端（２２）が、熱をオイルサンプ（７）へと放出するように、オイルサンプ（７）のオイルに浸漬されることを特徴とする、請求項２に記載の密閉型コンプレッサ。
4. オイルサンプ（７）のオイルに浸漬された各熱吸収端（３１）、およびそこから外方向に突出し、ケース（１）外部の手段へと熱を放出するように、ケース（１）に密封的に入り込む管部分（３３）に設けられた放熱端（３２）を有する、追加の熱エネルギー伝達管（３０）を含むことを特徴とする、請求項３に記載の密閉型コンプレッサ。
5. 熱エネルギー伝達管（２０）の放熱端（２２）が、ケース（１）の内部で循環する潤滑オイルの流れへと熱を放出することを特徴とする、請求項２に記載の密閉型コンプレッサ。
6. シリンダヘッド（１０）が、個々の吸入および排出バルブによって選択的に閉鎖される吸入および排出口を備えたバルブプレート（５）に面して取り付けられ、熱エネルギー伝達管（２０）の熱吸収端（２１）がバルブプレート（５）に隣接する取付領域でシリンダブロック（２）に連結されていることを特徴とする、請求項３に記載の密閉型コンプレッサ。
7. 熱エネルギー伝達管（２０）の熱吸収端（２１）がシリンダヘッド（１０）に連結されていることを特徴とする、請求項６に記載の密閉型コンプレッサ。
8. シリンダヘッド（１０）が、熱エネルギー伝達管（２０）のそれぞれの熱吸収端（２１）を受ける少なくとも１つのハウジング（１１）を備えることを特徴とする、請求項７に記載の密閉型コンプレッサ。
9. 熱エネルギー伝達管（２０）の熱吸収端（２１）が、ハウジング（１１）によって支えられる維持手段によって個々のハウジング（１１）に固定されていることを特徴とする、請求項８に記載の密閉型コンプレッサ。
10. 維持手段がハウジング（１１）に組み込まれていることを特徴とする、請求項９に記載の密閉型コンプレッサ。
11. 熱エネルギー伝達管（２０）の熱吸収端（２１）がハウジング（１１）に堅固に固定されていることを特徴とする、請求項１０に記載の密閉型コンプレッサ。
12. シリンダヘッド（１０）が、開口しており熱エネルギー伝達管（２０）の熱吸収端（２１）を受ける寸法である第１の端部（１５ａ）を有するチャンネル（１５）を中に画成する突起部（１４）を組み込むことを特徴とする、請求項１１に記載の密閉型コンプレッサ。
13. チャンネル（１５）は、開口しており熱エネルギー伝達管（２０）の熱吸収端（２１）を選択的に受ける寸法である第２の端部（１５ｂ）を備えており、熱吸収端２１がチャンネル（１５）の第１の端部（１５ａ）に取り付けられている別の熱エネルギー伝達管（２０）の設置とは別個に設けることができることを特徴とする、請求項１２に記載の密閉型コンプレッサ。
14. 熱エネルギー伝達管（２０）の放熱端（２２）が、そこから外方向に突出し、ケース（１）外部の手段へと熱を放出するように、ケース（１）に密封的に入り込む端部部分を有することを特徴とする、請求項１に記載の密閉型コンプレッサ。

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