JP2011241750A - 密閉型圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】 暖房の高速立ち上げのため密閉型圧縮機の高速起動を行ったり、高暖房能力を得るため高速回転領域へ拡大を図ったりすると、密閉型圧縮機の密閉容器下方の圧縮要素から吐出される冷媒ガスにより密閉容器下方の圧力が急速に上昇するので、密閉容器の下方から電動要素を通過し上方に向かう冷媒ガスの流速が急速に上昇し、電動要素の回転子に設けた貫通孔により回転子上方に吹き上がる冷凍機油を含んだ冷媒ガス量が増加するため、さらに上方にある吐出管から冷凍機油を含んだまま冷媒ガスは送り出され、密閉型圧縮機内の冷凍機油が不足するという課題があった。
【解決手段】 この発明は、回転子を構成する電磁鋼板に貫通孔を設けるとともに電磁鋼板をかしめるリベットにも貫通孔を設け、回転子内部を通過する冷媒流路の流路面積の拡大を図ったものである。
【選択図】 図１

Description

この発明は、冷凍空調装置に使用される密閉型圧縮機に関するものである。

冷凍空調装置に用いる密閉型の電動圧縮機において、圧縮要素の各摺動部品の磨耗を抑制するために圧縮機の密閉容器の内部に冷凍機油を貯留し、圧縮要素に給油している。しかしながら、出力容量の増加などにより冷凍回路に封入される冷媒量が増加すると、圧縮機によって圧縮される冷媒ガスに冷凍機油の一部が混合し、圧縮機外に搬出されて冷媒回路を循環する量が増加し、圧縮機内部の貯溜冷凍機油量が減少するため、圧縮要素への給油不足を生じ摩耗を促進する。また、回転式電動圧縮機は、その体積効率などの性能を維持するために、圧縮要素の各摺動部品の間隙を冷凍機油で満たす必要があることから、圧縮要素に対する油面レベルの維持をはかる必要がある。

このような循環冷凍機油量を抑制するために、電動要素の回転子に貫通孔を設け、電動要素の下方から上方に冷媒ガスが流れる流路面積を増加させ流路抵抗を抑制することで、圧縮機の密閉容器下方の圧縮要素にて圧縮され冷凍機油を含んだ冷媒ガスが電動要素の固定子の内周面より内側の流路を上昇し、電動要素の上方の空間に滞留したところで、冷媒ガスと冷凍機油とに分離され、冷凍機油は固定子の外周側と密閉容器との間に設けられた流路を通って密閉容器の下方に戻り、冷媒ガスは密閉容器に設けられた吐出管から送り出されることによって、圧縮機外部に吐出される冷凍機油量を抑制するというものがある（例えば文献１参照）。

なお、同様に電動機要素に貫通孔を設ける例として、回転軸が横向きの圧縮機にて電動要素を冷却するため、回転子と固定子を形成する積層した鋼板をかしめるリベットに中空円筒状のパイプリベットを用い、パイプリベットの中を冷媒が通過するようにしたものもある（例えば文献２参照）。

また、同様に回転子に貫通孔を設けるとともに、その上方の駆動軸に円盤を設け、冷媒ガスを円盤に衝突させ冷凍機油と分離させたり、円盤によって冷媒ガスの流れを回転子の外側方向を変えるとともにその遠心力により冷凍機油と分離させたりするものもある（例えば文献３参照）。

特開平８−０６５９６１号公報（第２、３頁、第１、２図） 特開２００１−３０９６０７号公報（第３−６頁、第２図） 特開２００７−２５５２１４号公報（第４−５頁）

近年、省エネ、環境対策の促進によって、冷凍空調装置にて暖房を行う機会が増加している。また、密閉型圧縮機は、省エネと高い制御性を得るため、回転数を可変制御可能なインバータ装置による可変周波数電源化も進み、より快適な居住空間を得るため、暖房の高速立ち上げや高暖房能力が要求されている。しかしながら、暖房の高速立ち上げのため密閉型圧縮機の高速起動を行ったり、高暖房能力を得るため高速回転領域へ拡大を図ったりすると、密閉型圧縮機の密閉容器下方の圧縮要素から吐出される冷媒ガスにより密閉容器下方の圧力が急速に上昇するので、密閉容器の下方から電動要素を通過し上方に向かう冷媒ガスの流速が急速に上昇し、電動要素の回転子に設けた貫通孔により回転子上方に吹き上がる冷凍機油を含んだ冷媒ガス量が増加するため、さらに上方にある吐出管から冷凍機油を含んだまま冷媒ガスは送り出され、密閉型圧縮機内の冷凍機油が不足するという課題があった。

また、冷凍空調装置において、冬の外気温が低下した条件で長時間装置を停止しておいた場合、冷凍回路内部の冷媒ガスが液化し密閉型圧縮機内に集中して溜るが、この状態で、密閉型圧縮機を急激に立ち上げると、フォーミング現象を起こし、密閉型圧縮機の外部にある冷凍回路に冷凍機油を含んだまま冷媒ガスが送り出され、密閉型圧縮機内の冷凍機油が不足するという課題があった。

また、密閉容器の上方に向かう冷媒ガスの流速緩和のため、電動要素の回転子に貫通孔をさらに増加させ流路面積を増加させようとすると、貫通孔が回転子の鉄心内部を通過する磁束の磁気抵抗となるため、圧縮機の運転効率を低下させるという課題があった。

また、電動要素の固定子側に貫通孔を設けると、固定子側から密閉容器の上方に吹き上げる冷媒ガスが増加するため、冷凍機油が冷媒ガスから分離し固定子側の貫通孔や隙間から密閉容器の下方に戻り難くなるという課題があった。

また、圧縮機の効率を維持しつつ流路面積を増加させ流速を抑制するには、密閉型圧縮機の密閉容器に収納された電動要素の回転子のサイズを大きくする必要があり、密閉型圧縮機全体を大型化しなければならなくなるという課題があった。

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、電動要素内の磁束を阻害することなく回転子内部を通過する冷媒流路面積を増加し、密閉容器内を上昇する冷媒ガスを回転子内部を上昇し回転子上方で密閉容器の側面に流れを導き密閉容器の側面に衝突させる流路に集中させることによって、冷媒ガスから冷凍機油を分離、回収させ、密閉容器の外に持ち出される冷凍機油量を抑制することができる高効率で信頼性の高い密閉型圧縮機を得ることが目的である。

この発明は、回転子を構成する電磁鋼板に貫通孔を設けるとともに電磁鋼板をかしめるリベットにも貫通孔を設け、回転子内部を通過する冷媒流路の流路面積の拡大を図ったものである。

この発明は、回転子を構成する電磁鋼板に貫通孔を設けるとともに電磁鋼板をかしめるリベットにも貫通孔を設け、回転子内部を通過する冷媒流路の流路面積の拡大を図ることによって、密閉容器内を上昇する冷媒ガスを回転子内部を上昇し回転子上方で密閉容器の側面に流れを導き密閉容器の側面に衝突させる流路に集中させることができ、冷媒ガスから冷凍機油を分離、回収させ、密閉容器の外に持ち出される冷凍機油量を抑制することができる高効率で信頼性の高い密閉型圧縮機を得ることができる。

この発明の実施の形態１に係る密閉型圧縮機を示す平面図である。 この発明の実施の形態１に係る図１のＡ−Ａ断面図を示す平面図である。 この発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る密閉型圧縮機内の冷凍ガスの流れを示す図である。

実施の形態１．
まず初めに密閉型圧縮機について説明する。
図１はこの発明の実施の形態１における密閉型圧縮機の断面図、図２は図１のＡ−Ａ断面図を示すものである。図１にて、１シリンダ型ロータリ圧縮機の一例である密閉型圧縮機の全体構成を説明する。密閉型圧縮機１００は、上部容器１１と下部容器１２とで構成される密閉容器１０内に、冷媒ガスを圧縮する圧縮要素２０と、圧縮要素２０を駆動する電動要素３０を収納している。圧縮要素２０と電動要素３０とは、駆動軸すなわちクランクシャフト２１で連結され、圧縮要素２０が密閉容器１０の下部に、電動要素３０が密閉容器１０の上部に収納されている。

クランクシャフト２１は主軸２１ａ、副軸２１ｂ、偏心部２１ｃから構成されており、偏心部２１ｃにはローリングピストン２２が勘合されている。
圧縮要素２０は、シリンダ２３、ローリングピストン２２、主軸受け２４、副軸受け２５および図示しないベーンで構成されており、シリンダ２３内にクランクシャフト２１の偏心部２１ｃと勘合したローリングピストン２２と、シリンダ２３に設けられた溝内を径方向に往復運動する図示しないベーンの一端がローリングピストン２２の外周に当接し圧縮室が形成されている。シリンダ２３の軸方向両端の開口部は、主軸受け２４および副軸受け２５で閉塞されている。また、シリンダ２３には密閉容器１０の外部から冷媒ガスを吸入する吸入口が設けられており、主軸受け２４には圧縮した冷媒ガスを上方の電動要素３０側に吐出する吐出口が設けられている。

また、密閉容器１０の下部すなわち底部には、冷凍機油が貯留されており、クランクシャフト２１の下部に設けられたオイルポンプによって、圧縮要素２０内の軸受け２４、２５などへ給油される。これにより、圧縮要素２０の機械的潤滑作用を確保し、かつ圧縮要素２０を冷却している。なお、冷凍機油は常に底部に貯留されているわけではなく、圧縮要素２０の圧縮動作に伴い、冷凍機油一部は圧縮された冷媒ガスとともに霧状になって密閉容器の上方へ吹き上げられる。

電動要素３０は、固定子３１と回転子４１とから構成された、例えば、ブラシレスＤＣモータである。

固定子３１は、固定子鉄心３２、絶縁部材３３、コイル３４から構成されており、図１のようにコイル３４には電圧をかけ電流を流すためリード線３５が接続されている。リード線３５は密閉容器１０の外部から電力の供給を受けるため、上部容器１１に設けられたガラス端子３６に接続されている。コイル３４は、図２に示すように、固定子鉄心３２に複数設けられたティース３８に回転軸方向すなわち上下方向に巻き付けられた巻き線の集合体であり、巻き線全体はほぼ隙間無くスロット３７に収納されている。コイル３４に電流を流したとき、これらのコイル３４が巻きつけられた固定子鉄心３２のティース３８の各々が固定子３１に設けた複数の磁極となり、コイル３４に流す電流の方向を変えることよって、Ｎ・Ｓ極と変化する交番磁界すなわち固定子３１側の界磁を発生させる。また、固定子鉄心３２は、薄板電磁鋼板を打抜いた鉄心シートを積層して構成されており、固定子鉄心３２の外径は下部容器１２の中間部分の内径より大きく製作され、下部容器１２に焼嵌めによって固定される。

回転子４１は、図１または図２のように、回転子鉄心４２と、回転子鉄心４２の両端部に夫々配置され永久磁石４３の飛散を防止する役割を兼ねた回転子鉄心４２の上端部に配置される上バランスウェイト４４及び回転子鉄心４２の下端部に配置される下バランスウェイト４５と、で構成され、上バランスウェイト４４、下バランスウェイト４５、及び回転子鉄心４２はリベット４６で固定されている。回転子４１の回転子鉄心４２は、固定子３１と同様に薄板電磁鋼板を打抜いた鉄心シートを積層し構成され、磁石挿入孔４７、貫通孔４８を有し、磁石挿入孔４７には回転子鉄心に永久磁石４３が挿入されている。なお、磁石挿入孔４７は回転子４１の外周側表面付近に設けられ永久磁石４３により磁極を形成し、貫通孔４８は磁石挿入孔４７より内周側で磁極が形成する磁束を邪魔しない位置、例えば、隣り合う磁極の間であってクランクシャフト２１の近傍や永久磁石４３の回転子４１の内周側などに設けられている。回転子鉄心４２の両端部に夫々配置される上下バランスウェイト４４、４５にも貫通孔は有され、回転子鉄心の貫通孔とつながって、回転子４１の上下に連通する貫通孔４８が構成される。また、リベット４６はリベット挿入孔例えば図２の回転子鉄心４２の４９に挿入されている。リベット４６も、磁石挿入孔４７より内周側で磁束を邪魔しない位置、例えば隣り合う磁極の間であってクランクシャフト２１の近傍に設けられている。なお、上下バランスウェイト４４、４５は、圧縮要素２０の冷媒ガスの吸入、圧縮、吐出などの圧縮工程における回転トルクの変位によって生じる回転子４１の回転運動のむらを修正するめに取付けられている。したがって、圧縮要素２０の構成の種類によって、上下バランスウェイト４４、４５が不要であったり、上下のうちどちらか取付けられていれば良かったり、回転子鉄心４２の上下の端面を覆うように取付けるほどウェイトが必要でなかったりする場合もある。その場合は、回転子鉄心４２の端面と同じ大きさの上下バランスウェイト４４、４５より薄い端板を取付けられていて、上下バランスウェイト４４、４５同様リベット４６で取付けられている。また、貫通孔４８も上下に連通するように端板にも設けられている。なお、上下バランスウェイト４４、４５と端板は別材料の部品でもよい。

貫通孔４８は、圧縮要素２０から吐出された冷媒ガスを密閉容器１０の上部へ導く役割を持っている。また、固定子３１の外周面と密閉容器１０の内部側面との間には、密閉容器１０の上部と下部を連通し、冷媒ガスと共に密閉容器１０の上部に導かれた冷凍機油を電動要素３０の下方に落とすための間隙３９を設けている。また、電動要素３０の下方に落とされた冷凍機油を、さらに密閉容器１０の底部に落とすため、圧縮要素２０のシリンダ２３には密閉容器１０の内部側面に近く、ローリングピストン２２で形成される圧縮室より遠い外周部分に油戻しの穴が設けられている。なお、図１の例ではシリンダ２３が密閉容器１０の底部と電動要素３０がある上部とを仕切っているので、油戻しの穴はシリンダ２３に設けられているが、シリンダ２３以外のサブフレームによって仕切られている場合は、サブフレームに油戻しの穴を設けている。その場合も外周側に設ける。
また、回転子鉄心４２の内径はクランクシャフト２１の主軸２１ａの外径より小さく、回転子鉄心４２は主軸２１ａに焼嵌め固定される。
また、回転子４１上方のクランクシャフト２１には回転子４１の貫通孔４８を覆うように円盤２６が取付けられており、貫通孔４８から吐出された冷媒ガスを固定子３１側すなわち密閉容器１０の側面に向う流れに変える役目を持っている。また、円盤２６の外径は回転子４１の外径より小さいが貫通孔４８を覆うため貫通孔４８が設けられた位置よりも大きい。

このように構成された電動要素２０では、固定子３１のコイルに電流を流し交番磁束を発生させると、固定子３１の磁束と回転子４１の永久磁石４３が発生する磁束との斥力または引力によって回転子４１は回転するようになる。この回転子４１の回転力によりクランクシャフト２１でつながった圧縮要素２０は吸入、圧縮、吐出という一連の動作を行っている。このとき、固定子３１の磁束は固定子鉄心３２を通過し、回転子４１の磁束は回転子鉄心４２を通過する。磁束にとって材料ごとに磁気抵抗があり、磁束の強さが変化する。したがって、磁束が通る磁路が薄板電磁鋼板以外の別の材料を通過すると磁気抵抗が上がり、磁力が低下する。例えば、回転子４１に設けたリベット４６などは磁気抵抗となる。また、貫通孔４８のような空間を通る場合も例外ではなく、磁気抵抗が変化する。これらの抵抗が磁束を阻害し、回転子４１に発生する回転する力が低下し、電動要素２０の効率が低下する。すなわち、永久磁石４３は磁束の力が最大限発揮されるように回転子の外周付近に配置され、リベット４６は永久磁石４３の磁束を阻害しないように永久磁石４３にて形成される磁極より内周側のクランクシャフト２１の近傍であるとともに複数の磁極どうしが隣り合うの間に配置されている。すなわち、リベット４６どうしの間には複数の磁極が配置されており、例えば、図２の場合、リベット４６は磁極間であって１２０°毎離れた磁極より内周に設けられている。また、貫通孔４８は隣り合うリベット４８の間であって永久磁石４３の磁束を阻害しない位置、例えば、隣り合う磁極の間であって磁極より内周側のクランクシャフト２１の近傍や永久磁石４３の回転子４１の内周側に配置されている。

また、密閉型圧縮機１００には、図１に示すように、密閉容器１０に隣接して、冷媒音を消音する役割を有する吸入マフラー６０が設けられ、吸入マフラー６０は吸入連結管６１によりシリンダ２３に連結されている。密閉型圧縮機１００が圧縮運転するときには、吸入マフラー６０には液冷媒を貯留するアキュムレータなどの冷凍回路が接続され、吸入マフラー６０を介してアキュムレータなどから冷媒ガスが吸入される。また、密閉型圧縮機１００の上部には圧縮された冷媒ガスを吐出する吐出管６２が設けられており、外部の冷凍回路と吐出管６２とが接続され、圧縮された冷媒ガスはこの吐出管６２を通って外部の冷凍回路に吐出される。
すなわち、外部の冷凍回路から吸入マフラー６０及び吸入連結管６１を介し冷媒ガスを密閉容器１０の下方のシリンダ２３に吸入し、シリンダ２３内で圧縮され、密閉容器１０内に吐出される。このとき、シリンダ２３内の圧縮室はクランクシャフト２１の周囲に形成されるため、圧縮室から冷媒ガスを吐出する吐出口もクランクシャフト２１の近傍にある。よって、吐出された冷媒ガスは、同じくクランクシャフト２１に接続され圧縮要素２０の上方に位置する電動要素３０の回転子４１の下方に吐出され、回転子４１の貫通孔４８や固定子３１と回転子４１との間の間隙などを上昇し、電動要素３０のさらに上方にある空間まで上昇した後、密閉容器１０の上方にある吐出管６２から外部の冷凍回路へ送り出されることになる。

このとき、密閉容器１０の底部に貯留された冷凍機油が潤滑作用のためオイルポンプによって圧縮要素２０に給油されながら、圧縮動作を繰り返している。圧縮要素２０が圧縮動作を行うとき、冷媒ガスを圧縮し密閉容器１０内に吐出するとともに、給油された冷凍機油の一部も冷媒ガスに混じって密閉容器１０内に霧状に吹き上げられる。回転子４１は回転運動を行っているため、回転子４１周辺に気流を起こし、回転子４１の貫通孔４８や回転子４１の外周面と固定子３１の内周面との間隙などの固定子３１の内周面より内側の流路は流路抵抗が小さくなり、冷媒ガスを下方から吸込み上方に吐出しやすくなる。よって、冷凍機油を含んだ冷媒ガスは、圧縮要素２０の上方に配置された電動要素３０の固定子３１の内周面より内側の流路を上昇する。また、回転子４１の貫通孔４８を上昇した冷媒ガスは電動要素３０の上方にあるクランクシャフト２１に取付けられた円盤２６によって、冷媒ガスの流れを固定子３１側すなわち密閉容器１０の側面に向う流れに変えられる。このとき、回転子４１は同様に回転運動を行っているため回転子４１の貫通孔４８を上昇した冷媒ガスは回転子４１の遠心力が加わり比較的流速が速くなり、円盤２６によって冷媒ガスは流れを密閉容器１０の側面に向けられたとき、回転子４１の外周面と固定子３１の内周面との間隙を上昇する冷媒ガスも巻き込み、密閉容器１０の側面に導かれる。これによって、上昇する冷媒ガスはまとめて密閉容器１０の側面に衝突することになり、その衝突によって、冷媒ガスと冷凍機油が分離する。また、冷媒ガスの一部は円盤２６との衝突によって冷凍機油と分離するが、大部分は密閉容器１０の側面に衝突することによって冷凍機油と分離する。冷媒ガスと冷凍機油との比重や粘度の違いから、比重の軽い冷媒ガスは、密閉容器１０の上部に拡散したとき、吐出管６２から外部の冷凍回路に送り出され、比重が重い冷凍機油は密閉容器１０の下方に降下していく。圧縮要素２０にて圧縮された冷媒ガスが電動要素３０内を上昇するとき、流路抵抗の大きい固定子３１の内周面より外側の流路より流路抵抗の小さい固定子３１の内周面より内側の流路を上昇するため、固定子３１の内周面より外側の流路を上昇する量は少なく、冷凍機油もこの流路を下方に降下しやすい。よって、分離された冷凍機油は電動要素３０の固定子３１の外周面と密閉容器１０の内部側面と間に設けられた間隙３８や固定子３１を構成するコイルやスロットの隙間から、電動要素３０の下方に降下し、さらに圧縮要素２０に設けられた油戻しの穴から密閉容器１０の冷凍機油が貯油されている底部に戻っていく。なお、密閉容器１０の上方に滞留した冷媒ガスは冷凍機油が完全に分離する前に吐出管６２から冷凍機油を含んだまま送り出されることもあり、冷凍回路中に流出した冷凍機油は、冷凍回路の各要素部品を経由して循環し、やがて密閉型圧縮機１００の吸入連結管６１側から戻ることになる。

以上から、圧縮要素２０に密閉容器１０の底部に貯留された冷凍機油を給油するとともに、給油された冷凍機油の一部が圧縮要素２０で圧縮された冷媒ガスに含まれ、固定子３１の内周面より内側の流路を上昇し、上昇した冷媒ガスが密閉容器１０の上部で円盤２６によって密閉容器１０の側面に向う流れに変えられ、密閉容器１０の側面に衝突する。この衝突によって、冷媒ガスと冷凍機油とを分離し、冷媒ガスは吐出管６２から外部の冷凍回路に送り出され、冷凍機油は固定子３１の内周面より外側の流路を通過し圧縮要素２０の油戻し穴を経て密閉容器１０の底部に戻って行くという循環経路を形成する。
しかしながら、密閉容器１０の上部の空間で冷媒ガスから冷凍機油が分離できず、外部の冷凍回路に流出する量が増加する場合がある。

ここでは密閉型圧縮機の一例として、ロータリ型圧縮機を一例に示したが、スクロール型、レシプロ型等、電動機が密閉容器内に配置される密閉型圧縮機であればその圧縮構造を問わない。

次に、圧縮機１００を外部の冷凍回路につなぎ冷凍システムを構成した場合の構成例と動作について説明する。
図３は例えば空気調和機などの冷凍回路の概略構成図であり、６０は密閉型圧縮機１００の吸入マフラーで密閉型圧縮機１００の吸入側に接続されており、１０１は密閉型圧縮機１００の吐出側に接続された圧縮機１００からの冷媒の流れを切換える四方切換弁、１０２は室外側熱交換器、１０３は電動膨張等の減圧器、１０４は室内側熱交換器、１０５は密閉型圧縮機１００の吸入側配管に接続され冷媒を貯留するアキュムレータであり、これら機器は配管を介して順次接続し、冷凍回路が形成されている。なお、一般的に冷凍空調装置では、室内側熱交換器１０４は屋内の装置に、残る密閉型圧縮機１００、四方弁１０１、室外熱交換器１０２、減圧器１０３、アキュムレータ１０５は屋外の装置に搭載されている。

次に、冷凍回路における暖房動作、冷房動作を順に説明する。
まず、暖房運転は、暖房運転が開始されると、四方切換弁１０１は図３の実線側に接続される。圧縮機１００で圧縮された高温高圧の冷媒は室内側熱交換器１０４に流れ、凝縮し、液化した後、電動膨張弁１０３で絞られ、低温低圧の二相状態となり、室外側熱交換器１０２へ流れ、蒸発し、ガス化して四方切換弁１０１、アキュムレータ１０５を通って再び圧縮機１００に戻る。すなわち、図３の実線矢印に示すように冷媒は循環する。この循環によって、蒸発器である室外側熱交換器１０２では外気と熱交換して、室外側熱交換器１０２に送られてきた冷媒が吸熱し、吸熱した冷媒は凝縮器である室内側熱交換器１０４に送られ、室内の空気と熱交換を行い、室内の空気を温める。

次に、冷房運転について説明する。冷房運転が開始されると、四方切換弁１０１は図３の破線側に接続される。圧縮機１００で圧縮された高温高圧の冷媒は室外側熱交換器１０２に流れ、凝縮し、液化した後、電動膨張弁１０３で絞られ、低温低圧の二相状態となり、室内側熱交換器１０４へ流れ、蒸発し、ガス化して四方切換弁１０１、アキュムレータ１０５を通って再び圧縮機１００に戻る。すなわち、暖房運転から冷房運転に変わると、室内側熱交換器１０４が凝縮器から蒸発器に変わり、室外側熱交換器１０２が蒸発器から凝縮器に変わる。よって、図３の破線矢印に示すように冷媒は循環する。この循環によって、蒸発器である室内側熱交換器１０４では室内の空気と熱交換を行い、室内の空気から吸熱すなわち室内の空気を冷却し、吸熱した冷媒は凝縮器である室外側熱交換器１０２に送られ、外気と熱交換を行い、外気に放熱する。

ところで、密閉型圧縮機１００の圧縮要素２０で冷媒ガスが圧縮されるとき、同時に圧縮要素２０の潤滑油である冷凍機油も圧縮された冷媒ガスに混じって密閉容器１０の上方に吹き上げられることは説明した。密閉容器１０の上方にある空間で冷凍機油と冷媒ガスがうまく分離せず、冷凍機油が回収流路から回収できなかった場合、冷媒ガスに混じって密閉圧縮機１００の外部に接続された冷凍回路へ送り出される。このような現象が続き冷凍機油が循環経路としての冷凍回路に増加した場合、冷凍機油は室内側熱交換器１０４、室外側熱交換器１０２において熱交換を行うものではなく冷媒の循環を阻害するだけで、冷凍回路の冷凍能力を低下させる。また、密閉容器１０内から冷凍機油が外部の冷凍回路側へ持ち出されると、圧縮要素２０の潤滑作用を低下させるばかりか、密閉容器１０内の圧縮要素２０を構成する各摺動部品の摩耗を促進し、時にはクランクシャフト２１や軸受け２４、２５などを損傷させることもある。

したがって、冷凍回路においては、密閉型圧縮機の内部も含め冷凍回路の冷媒が流れる冷媒流路は分解整備が出来ない構造である為、部品の信頼性を向上する必要があり、かつ熱交換器の効率を維持するためにも、密閉圧縮機から持ち出される冷凍機油は少ないほうが望ましい。

近年、環境対策のため、化石燃料を燃焼する暖房機より、クリーンなエネルギーを利用するヒートポンプを利用した冷凍空調装置にて暖房を行うことが多くなった。また、ＣＯ２削減のため、省エネ化が進み、インバータ装置のような可変周波数電源にて密閉型圧縮機を駆動することが一般的となり、高速起動によって所定の目標回転数までの到達時間を短縮できるようになるとともに、高速回転にて高出力を得られるようになってきた。そのため、暖房を行う部屋の室温が十分目標に達すると回転数を下げて暖房出力を下げた省エネ運転を行う他、大きな容量の圧縮機でしか得られなかった高能力を小さな容量の圧縮機でも高速に回転させ同等の出力を得られるようになった。すなわち、従来１馬力程度の冷凍空調装置に用いていた小型の密閉型圧縮機をインバータ装置による回転数の調整と封入冷媒量の調整にて２馬力程度の冷凍空調装置で使用するなど、省エネと同時にコストダウンと小型化を図るような最適化を行う場合も多くなった。

しかし、冷凍空調装置において暖房を利用するとき、冬の冷え込んだ部屋をいかに早く温めるかが課題であり、そのためには、冷凍回路中の冷媒をいち早く循環させ室内外の熱交換器の熱交換能力をフルに発揮させることが必要である。そこで、インバータ装置によって、密閉型圧縮機を高速起動かけ、一気に所定の目標回転数まで到達させる制御を行うケースが増加した。

しかしながら、冷凍空調装置が低温条件にて長時間停止していた後に、密閉型圧縮機１００の高速起動を図ったり、急激な高回転での運転を行ったりすると、密閉型圧縮機１００内から冷凍機油が一気に持ち出され不足する現象が発生しやすい。

例えば、図１の密閉圧縮機１００が停止中のとき、密閉容器１０内では一様な気圧となっており、密閉容器１０下部の吸入側と密閉容器１０上部の吐出側とでは大きな圧力差はない。ここで、密閉容器１０下部の圧縮要素２０が圧縮動作を開始すると急激に圧縮要素２０から吐出される冷媒ガスによって密閉容器１０下部の気圧が上昇し、電動要素３０を通過し、気圧の低い密閉容器１０上部に向かって、上昇する流速が速く大量の冷媒ガスの流れができ、密閉容器１０の底部に貯留された冷凍機油も、持ち出されやすい状態になる。

特に、真冬の屋外が冷え込んだ場合、冷凍回路では冷媒ガスが液化し冷凍機油が貯留されている密閉型圧縮機１００の底部に溜るという寝込み現象が発生する。さらに、低温の冷凍機油は冷媒に溶け込みやすく、密閉容器１０の底部では冷媒と冷凍機油とが混濁した状態になっていることが多い。特に、小さな容量の圧縮機にて高暖房能力を得るため冷媒封入量を増やす傾向にあり、寝込み現象が発生すると密閉容器１０内に溜る冷媒量が増加する傾向にある。このような状態で、電動要素３０を起動し圧縮要素２０の圧縮動作を開始させると、吐出される冷媒ガスによって密閉容器１０の下部の気圧が上昇し、密閉容器１０の底部に液化し溜った冷凍機油に溶け込んだ冷媒は、沸騰し気化し発泡するフォーミング現象が起きる。冷凍機油に溶け込んだ冷媒量が少なければ、オイルポンプなどで給油する軸受けを通って発泡、気化したり、圧縮室に侵入し圧縮した冷媒ガスとともに吐出口から吐出される際に発泡、気化したりするが、冷凍機油に溶け込んだ冷媒が多くなると、密閉容器１０の底部から発生する発泡した冷媒ガスも増加するので、圧縮要素２０の隙間例えばシリンダ２３の油戻し穴などからも圧縮要素２０の上方にゆっくりと上昇してくる。電動要素３０が起動直後で低速回転であるため、回転子４１周辺に冷媒を吸い込む力も弱く、固定子３１より内側の流路に集まりにくく、上昇させにくい。また、圧縮要素２０で圧縮された高圧高温の冷媒ガスではないので、電動要素３０を自力で上昇する速度も遅く、固定子３１の内周面より内側、外側の流路に係らず冷凍機油とともに冷媒ガスが上昇する状態になる。さらに、起動直後であり低速で圧縮要素２０にて圧縮、吐出されるため、発泡、気化した冷媒ガスに比べると冷媒ガスの量も少ない。
以上により、圧縮された吐出ガスである冷媒ガスと発泡、気化した発泡ガスである冷媒ガスが電動要素３０内を混在、混合して上昇するが、回転子４１の貫通孔４８から上昇し円盤２６によって密閉容器１０の側面に向かう流れに変えられる冷媒ガスの量は少なく、これ以外の流路から上昇する冷媒ガスを密閉容器１０の側面に導くことはできないばかりか、密閉容器１０の側面に向かう流れを他の流路の冷媒ガスが阻むことになる。これによって、密閉容器１０の上方に上昇し、冷媒ガスと冷凍機油とが分離せず、上方の吐出管６２から送り出される。

また、仮に冷媒ガスから冷凍機油が分離したとしても、冷凍機油は本来の戻り流路である固定子３１の内周面より外側の流路を下方から上昇してくる冷媒ガスによって阻まれ戻ることができなくなる。

よって、密閉容器１０の底部に貯留されるべき冷凍機油は、持ち出されたまま密閉容器１０内では戻れずに不足し、密閉型圧縮機１００は故障に至る。

フォーミング現象が起こっても、冷媒ガスから冷凍機油を分離するためには、回転子４１の外周面より外側の流路から上昇する冷媒ガスを抑制し、密閉容器１０の側面に向かう冷媒ガスを阻む流れを無くし、回転子４１内部の流路を通過し円盤によって密閉容器１０の側面に導かれる流量を増加させ、密閉容器１０の側面に衝突する量を増加させる必要がある。そのためには、回転子４１の貫通孔の増設が必要である。

しかしながら、回転子４１を通過する流路を増やすため、回転子４１の貫通孔４８の数を増やすと、回転子４１上の永久磁石４３が発生させる磁束の磁気抵抗となり、回転する力が低下する。すなわち、電動要素３０の効率が低下したり、円滑な回転ができなかったりする。したがって、回転子４１に設けた貫通孔４８も磁束への影響が少ない位置に設けており、回転子４１の大きさを考慮してもこれ以上磁束に影響を与えない位置を探し出して増やすことは容易にはできない。また、電動要素３０の高効率化と円滑な回転を保持するために回転子４１の磁極を増やした多極化を進めると、回転子４１が有する磁束数も増加し、回転子鉄心４２の中で磁束が通らないスペースは少なくなり、貫通孔４８を設けても良いスペースは少ない。また、省エネと同時にコストダウンと小型化を図る最適化のため、密閉型圧縮機１００は小型化する傾向であり、さらに回転子４１に貫通孔などを設けるスペースは少ない。

一方、回転子４１には薄板電磁鋼板と上下のバランスウェイト４４、４５を固定するため、リベット４６が打たれている。このリベット４６は、回転子４１上の磁束にとって、磁気抵抗の原因になるだけで、磁束の形成を円滑にすることに貢献はしない。よって、この磁束の無駄なスペースに貫通孔を設ける。すなわち、リベット４６にも回転子４１の上下に連通するリベット貫通孔５０を設け、回転子４１の流路面積拡大を行うことができる。なお、リベット４６は円盤２６の外径より内側に設けたものに貫通孔を設け、リベット４６の貫通孔を通過した冷媒ガスが円盤２６に衝突できるように配置している。

これにより、例え密閉型圧縮機１００の起動時にフォーミング現象が発生し図４の圧縮要素２０が圧縮し吐出する実線ａ以外に実線ｂのように上昇する冷媒ガスが増加しても、回転子４１の外周面より外側の流路から上昇する冷媒ガスを抑制し、回転子４１内部の流路を上昇し円盤２６によって密閉容器１０の側面に導かれる冷媒ガスの流れを増やし、密閉容器１０の側面と衝突させ、冷媒ガスから冷凍機油を分離する量を増加させることができる。すなわち、図４の実線ｃのように回転子４１を上昇する冷媒ガスは、回転子４１の外周面と固定子３１の内周面との間隙を上昇する実線ｄの冷媒ガスより流量が大きくなり、これらを巻き込んで実線ｅのような密閉容器１０の側面に向かう流れにすることができる。また、回転子４１内部の流路に上昇する冷媒ガスを集中させることによって固定子３１の内周面より外側の流路を上昇する冷媒ガスを抑制し、密閉容器１０の側面に向かう冷媒ガスは阻まれること無く、密閉容器１０の側面に衝突するので、冷媒ガスと冷凍機油との分離は確実に行われたうえ、冷凍機油は実線ｆの経路でスムーズに電動要素３０を通過し、圧縮要素２０の油戻し穴を経て密閉容器１０の底部に戻るようになり、冷凍機油の不足を抑制できる。なお、分離された冷媒ガスは、実線ｇのように吐出管６２側に流れて外部に送り出される。

すなわち、例えフォーミング現象が発生しても、冷媒ガスが固定子３１の内周面より内側の流路を上昇し円盤２６によって、密閉容器１０の側面に向かう流れに変えて密閉容器１０の側面に衝突させ、冷媒ガスと冷凍機油とを分離し、冷媒ガスは吐出管６２から外部の冷凍回路に送り出され、冷凍機油は固定子３１の内周面より外側の流路を通過し圧縮要素２０の油戻し穴を経て密閉容器１０の底部に戻って行くという循環経路を維持できる。

また、固定子３１の内周面より内側の流路を冷凍機油を含んだ冷媒ガスが上昇する流路に集中させ、固定子３１の内周面より外側の流路を分離された冷凍機油を戻す油戻し用流路の流路に特化することができる。

また、密閉型圧縮機１００の電動機要素３０の大きさを大きくすることなく、密閉容器１０内を上昇する上昇気流の流速を抑えることができるので、冷媒ガスと冷凍機油との分離が促進でき、冷凍機油の不足を防止できる。すなわち、小容量の密閉型圧縮機１００を従来の冷凍空調装置よりひとサイズ大きな容量の冷凍空調装置に適用し、冷媒封入量が増えても、冷凍機油の不足を防止できる。
また、回転子４１や固定子３１に無駄な貫通孔をあけ、永久磁石４３、コイル３４が発生する磁束を妨害し、電動要素３０の効率を下げるということも回避できる。

また、冷凍機油を含む冷媒ガスが密閉容器１０の上部に滞留し、自然に分離するのではなく、密閉容器１０の側面に衝突することによって分離させるため、冷媒ガスと冷凍機油との分離も速く、冷凍機油の回収も速いほか、上部に冷凍機油を含む状態で冷媒ガスが滞留しないので吐出管６２から外部の冷媒回路に分離されずに送り出されるケースが抑制できる。

これにより、密閉型圧縮機運転時に密閉型圧縮機外部に持ち出される冷凍機油量を低減することができ、信頼性の高い密閉型圧縮機を得ることができる。

なお、貫通孔４８とリベット貫通孔５０は、円盤２６で覆われていると説明したが、必ずしも、覆われていなくても構わない。例えば、貫通孔４８の一部が円盤２６より外周にあっても構わず、また、リベット貫通孔５０の一部が円盤２６より外周にあっても構わない。仮に、貫通孔４８の一部が円盤２６より外周にあって円盤２６と衝突する流量が少なくなっても、リベット貫通孔５０を通過する流量が補っているので、リベット貫通孔５０を設けず、貫通孔４８と円盤２６で貫通孔４８を十分に覆った構成と同等である。
また、リベット貫通孔５０を増やした分、冷媒ガスが円盤２６に衝突する量が増えるので、円盤２６を小さくして、軽量化、低コスト化を図っても構わない。
なお、貫通孔４８、リベット貫通孔５０の位置は、回転子４１の内周側すなわちクランクシャフト２１の近傍にあった方が、流路を通過する冷媒ガスが円盤２６に衝突しやすく、位置としては望ましい。
また、貫通孔４８とリベット貫通孔５０の位置も、必ずしもリベット貫通孔５０が貫通孔４８より内側にある必要はない。回転子の外周付近の磁束を邪魔しない位置にリベット貫通孔５０を有するリベット４６を設け、リベット４６より内側に貫通孔４８を設ける構成であっても構わない。
また、貫通孔４８の総面積の方がリベット貫通孔５０の総面積より大きい説明をしてきたが、これは逆でも構わない。すなわち、リベット貫通孔５０の総面積の方が貫通孔４８の総面積より大きくても構わない。また、貫通孔４８を設けず、すべてリベット貫通孔５０にて、流路を設けても構わない。
貫通孔４８とリベット貫通孔５０とで形成される冷媒の流路の総面積のうち円盤２６に覆われる総面積が同じであれば、貫通孔の位置に関係なく冷凍機油の高い分離効果が得られる。

また、貫通孔４８とリベット貫通孔５０とで形成される流路の総面積は、回転子４１の外周面と固定子３１の内周面との間隙によって形成される流路の総面積より大きい方が望ましい。貫通孔４８とリベット貫通孔５０とで形成される流路の総面積が大きい分、円盤２６に衝突する流量が増加し、円盤２６にて冷凍機油の分離効果が大きくなり、冷媒ガスが密閉容器１０内を流れる早い段階で分離でき、冷凍機油を密閉容器１０の下方に戻すことができる。すなわち、流路の早い段階の分離は、吐出管６２から冷凍機油と冷媒ガスが混合状態で吐出される機会を少なくし、早い段階で冷凍機油を密閉容器１０の下方に戻すことができる。
なお、従来同様、貫通孔４８とリベット貫通孔５０とで形成される流路の総面積が、回転子４１の外周面と固定子３１の内周面との間隙によって形成される流路の総面積と同等かあるいは小さくても、円盤２６に衝突後の冷媒ガスが回転子４１の外周面と固定子３１の内周面との間隙によって形成される流路を上昇する冷媒ガスを巻き込んで、密閉容器１０の側面に衝突させるので、密閉容器１０の側面にて冷凍機油は分離される。したがって、円盤２６と密閉容器１０の側面とによって冷凍機油を分離する量や効果に不足はない。

以上により、電動要素の回転子内部を通過する流路面積をコイルや永久磁石が発生する磁束を阻害することなく増加させ、密閉容器内を上昇する冷媒ガスを回転子内部を上昇し回転子の上方に設けられた円盤によって密閉容器の側面に向かう流れに変え密閉容器の側面に冷媒ガスを衝突させる流路に集中させることによって、例え密閉型圧縮機が低温条件で長時間停止し、冷媒が密閉型圧縮機の密閉容器内に溜る寝込み現象が発生した状態で電動要素の起動を行ったとしても、冷媒ガスから冷凍機油を分離させることができる。さらに、回転子内部の流路に上昇する冷媒ガスを集中させることによって回転子外周面より外側の流路から上昇する冷媒ガスは抑制されるとともに、固定子内周面より外側の流路を上昇した冷媒ガスから分離される冷凍機油を戻す油戻し用の流路として特化させることができるので、密閉型圧縮機内で冷媒ガスから冷凍機油を分離し冷凍機油のみ密閉型圧縮機の底部に回収することができ、密閉型圧縮機の外部の冷凍回路に持ち出される冷凍機油量を抑制することができる高効率で信頼性の高い密閉型圧縮機を得ることができる。

１０ 密閉容器
１１ 上部容器
１２ 下部容器
２０ 圧縮要素
２１ クランクシャフト
２１ａ 主軸
２１ｂ 副軸
２１ｃ 偏心部
２２ ローリングピストン
２３ シリンダ
２４ 主軸受け
２５ 副軸受け
２６ 円盤
３０ 電動要素
３１ 固定子
３２ 固定子鉄心
３３ 絶縁部材
３４ コイル
３５ リード線
３６ ガラス端子
３７ スロット
３８ ティース
３９ 間隙
４１ 回転子
４２ 回転子鉄心
４３ 永久磁石
４４ 上バランスウェイト
４５ 下バランスウェイト
４６ リベット
４７ 磁石挿入孔
４８ 貫通孔
４９ リベット挿入孔
５０ リベット貫通孔
６０ 吸入マフラー
６１ 吸入連結管
６２ 吐出管
１００ 密閉型圧縮機
１０１ 四方弁
１０２ 室外側熱交換器
１０３ 減圧器
１０４ 室内側熱交換器
１０５ アキュムレータ

Claims (6)

1. 底部に冷凍機油が貯油された密閉容器と、前記密閉容器の内部下方に設けられ冷媒ガスを圧縮し前記密閉容器内に吐出する圧縮要素と、前記密閉容器の内部上方に設けられ固定子と前記固定子の内側に設けられた回転子とによって構成され駆動軸にて接続された前記圧縮機要素を駆動する電動要素と、前記回転子を構成する電磁鋼板に設けられた複数の第１貫通孔と前記電磁鋼板をかしめる複数のリベットに設けられた第２貫通孔とによって形成され前記冷媒ガスを上下に導く流路と、前記第１貫通孔と前記第２貫通孔の少なくとも一方を覆うように前記駆動軸の上部に設けられ前記冷媒ガスと衝突し前記密閉容器の側面に導く円盤と、を備えたことを特徴とする密閉型圧縮機。
2. 前記回転子の外周側に複数の磁極を備え、前記複数の磁極どうしが隣り合う間であって前記複数の磁極より内周側に前記第２貫通孔が複数設けられ、前記第２貫通孔の間に複数の前記第１貫通孔が設けられたことを特徴とする請求項１に記載の密閉型圧縮機。
3. 前記固定子の内周面と前記回転子の外周面とによって形成される前記冷媒ガスの流路の総面積より前記第１貫通孔と前記第２貫通孔からなる前記冷媒ガスの流路の総面積の方が大きいことを特徴とする請求項１または２に記載の密閉型圧縮機。
4. 前記冷媒ガスを前記密閉容器の側面に衝突させ前記冷媒ガスに混合した前記冷凍機油を分離することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の密閉型圧縮機。
5. 前記密閉容器の前記側面と前記固定子の外周面との間に設けられ前記冷凍機油が前記密閉容器の底部に戻る流路を備えたことを特徴とする請求項４に記載の密閉型圧縮機。
6. 請求項５に記載の密閉型圧縮機と、前記密閉圧縮機にて圧縮された高温高圧の冷媒を凝縮させる凝縮器と、前記凝縮器にて凝縮された前記冷媒を減圧する減圧器と、前記減圧器にて減圧した前記冷媒を蒸発させる蒸発器と、を配管で接続し前記冷媒を循環させる冷凍回路を備えたことを特徴とする冷凍空調装置。

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