JP2012246819A - 圧縮機及び冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の圧縮機構成では、モータは圧縮機の機構部と同一密閉容器内に配置されているため、高温の冷媒に曝されることで加熱され、効率が低下する。また、圧縮機の運転中は駆動モータ巻線の発熱により、冷凍サイクルに循環する冷媒は、そのモータの熱量も追加で移送することになり、冷凍サイクルの効率が低下する。そこで、本発明の目的は、効率の高い圧縮機及びそれを搭載した冷凍サイクル装置を提供することにある。
【解決手段】上記本発明の目的は、圧縮機チャンバを、高温高圧の冷媒で満たされアキシャルギャップ型モータの回転子が配設される密閉チャンバとアキシャルギャップ型モータの固定子が配設される開放チャンバとに分け、これらを仕切る磁気誘導板を設けたことにより達成される。
【選択図】 図１

Description

本発明はアキシャルギャップ型モータおよびそれを用いた圧縮機に関する。

従来のアキシャルギャップ型モータを搭載する圧縮機では、例えば特許文献１に記載されているように、モータが圧縮機構部と密閉された容器に配置されている。上記アキシャルギャップモータは、冷凍サイクルから吸い込んだ低圧の冷媒に配置され、モータのロータ回転より冷媒がステータを通って圧縮機構部に流れ込んで圧縮される。

特開２００７−３２４２９号公報

この構成によれば、冷媒を圧縮機構部に流れ込むまで、冷媒に含まれた液滴，油滴が分離され、液圧縮を効果的に防止できる利点があった。

しかし、上記従来の圧縮機構成では、モータは圧縮機の機構部と同一密閉容器内に配置されているため、高温の冷媒に曝されることで加熱され、効率が低下する。また、圧縮機の運転中は駆動モータ巻線の発熱により、冷凍サイクルに循環する冷媒は、そのモータの熱量も追加で移送することになり、冷凍サイクルの効率が低下する。

そこで、本発明の目的は、効率の高い圧縮機及びそれを搭載した冷凍サイクル装置を提供することにある。

上記本発明の目的は、
電磁鋼板で小固定子鉄心を形成し、前記小固定子鉄心に巻線を巻き、複数の小固定子を円周に均等な間隔で配置して構成した固定子と、前記固定子に対向する磁石を有する回転子を備えたアキシャルギャップ型のモータを用いて圧縮機を駆動する構成において、
前記固定子が前記圧縮機の冷媒圧縮チャンバの外部に設置され、前記回転子が前記圧縮機の機構部を締結し、磁気誘導方式で前記圧縮機を駆動することにより達成される。

また、上記本発明の目的は、
圧縮機チャンバ内に圧縮機構を有し、モータを構成する回転子の回転により前記圧縮機構で冷媒を高温高圧に圧縮して、その高温高圧の冷媒で前記圧縮機チャンバを満たし、その後冷媒が吐出される高圧チャンバ型圧縮機において、
前記モータは、アキシャルギャップ型モータであり、
前記圧縮機チャンバを、高温高圧の冷媒で満たされ前記モータの回転子が配設される密閉チャンバと前記モータの固定子が配設される開放チャンバとに分け、これらを仕切る磁気誘導板を設けた
ことにより達成される。

本発明によれば、簡単な構成で磁気誘導方式により高効率および高信頼性の圧縮機を提供できる。

本発明の第１実施例の形態を示すアキシャルギャップ型モータ駆動する圧縮機の断面構成図。 本発明の第１実施例の形態を示すアキシャルギャップ型モータの回転子の構成外形図。 本発明の第１実施例の形態を示す磁気誘導部材の断面構成外形図。 本発明の第１実施例の形態を示すアキシャルギャップ型モータの回転子の外形図。 本発明の第１実施例の形態を示すアキシャルギャップ型モータの固定子の断面構成図。 本発明の第２実施例の形態を示すアキシャルギャップ型モータ駆動する圧縮機の断面構成図。 本発明の第２実施例の形態を示す磁気誘導部材の断面構成外形図。 本発明の実施例３の形態を示すアキシャルギャップ型モータ駆動する圧縮機の断面構成図。 本発明の実施例１〜３の形態を示す空気調和機の冷凍サイクル構成図。

以下、図を参照しながら実施例を説明する。

図１は本発明の第１実施例の形態を示すアキシャルギャップ型モータ駆動する圧縮機の断面構成図である。本発明の実施例１について図１〜図５を参照しながら説明する。

図１において、圧縮機８２は、磁気誘導板５０により、冷媒圧縮機構部を有する密閉チャンバ６９と圧縮機構部を駆動するアキシャルギャップ型モータの固定子２を有する固定子チャンバ７９とを仕切って構成されている。圧縮機構部は、固定スクロール部材６０の端板６１に直立する渦巻状ラップ６２と、旋回スクロール部材６３の端板６４に直立する渦巻状ラップ６５とを噛み合わせて形成されている。固定スクロール部材６０を圧縮機のケーシングに圧入し、溶接で固定する。そして、旋回スクロール部材６３をクランク軸４によって旋回運動させることで冷媒の圧縮動作を行う。

固定スクロール部材６０及び旋回スクロール部材６３によって形成される圧縮室６６（６６ａ，６６ｂ，…）のうち、最も外径側に位置している圧縮室６６は、旋回運動に伴って両スクロール部材６０，６３の中心に向かって移動し、容積が次第に縮小する。圧縮室６６ａ，６６ｂ，…が両スクロール部材６０，６３の中心近傍に達すると、その中の圧縮冷媒は吐出口６７から吐出される。吐出された圧縮ガスは、固定スクロール部材６０及びフレーム６８に設けられたガス通路（図示せず）を通ってフレーム６８下部の圧力チャンバ６９内に至り、圧力チャンバ６９の側壁に設けられた吐出パイプ７０から圧縮機外に排出される。

密閉チャンバ６９，旋回スクロール６３および回転子３を共にクランク軸４と締結している。回転子３が回転する時、旋回スクロール６３もクランク軸４の回転に応じて旋回し、冷媒の圧縮動作を行う。密閉チャンバ６９の下部には、油溜め部７１が設けられている。油溜め部７１内の油は背圧室と密閉チャンバ６９との圧力差によって、クランク軸４内に設けられた油孔７２を通って、旋回スクロール部材６３とクランク軸４との摺動部，滑り軸受け７３等の潤滑に供される。

図２は回転子３の外形図であり、回転子３は非磁性材料（金属、又は非金属でも良い）である。円盤状の回転子３に永久磁石１７を接着剤で貼り付けるなど固定した後、着磁装置を用いてパルス電流を流すことにより隣接の磁石同士は異極となるように着磁される。ここで、永久磁石１７の材質はフェライト、又は希土類磁石でも良い、形状は略扇形（長方形，正方形，楕円，円などの形状でも良い）で、厚みは均等（又は不均一でも良い）である。

図３は磁気誘導板５０の断面構造であり、図３（Ｂ）は軸方向の断面で、（Ａ）は径方向の断面である。なお、（Ｃ），（Ｄ）も同様に径方向の断面である。磁気誘導板５０は、圧縮機チャンバ６９の内径より僅かに小さい外径の非磁性材金属円盤５１（厚み５〜１５mm、例えばステンレスなど）と複数の磁性体５２ａ（電磁鋼板，アモルファス材料，圧粉磁心など）を構成している。非磁性材金属円盤５１に小固定子１６と同数、大きさもほぼ同等の穴５２を円環状の配列のように設け、複数の磁性体５２ａをそれぞれ嵌め合って溶接などの接合を施す。

ここで、磁性体５２ａの形状は（Ｃ），（Ｄ）に示している５２ｃ，５２ｄでもよい、磁気誘導板５０が圧縮機８２を密閉冷媒圧縮機構部チャンバ６９と固定子チャンバ７９とを仕切るように圧縮機のケーシング１８に溶接される。つまり、この圧縮機は、高温高圧の冷媒ガスで満たされる高圧チャンバとモータの固定子を配設する固定子チャンバ７９とを磁気誘導板５０で仕切っている。

固定子チャンバ７９において、アキシャルギャップ型モータの固定子２は、複数の小固定子１６および磁気誘導端板７をホルダー８にセットしてモールドしたものである。これをケーシング１８に固定している。固定子２を開放部分の圧縮機チャンバ７９に圧入し、磁気誘導板５０と０.３〜１.５mmのエアギャップを保持して固定され、巻線のリード線は圧縮機チャンバ７９に設けた穴９２を通って端子台９１に接続される。ゴミなどの侵入を防ぐため、蓋３１を圧縮機のケーシング１８にボルトで取り付ける。

図４はアキシャルギャップ型モータの小固定子１６の構成の外形図である。

図４（Ａ）に示すように一定長さの略扇形断面（円，楕円，台形などの形状でも良い）の非磁性体材料の部材１１は樹脂成形などの方法で単品を作成し、該部材１１を中心部として片面絶縁皮膜を有するアモルファス薄帯を部材１１の外形を沿って巻き、所定の寸法になるとアモルファス薄帯を切断し、接着剤や樹脂のコーティングによって固め、或いは接着剤付きの絶縁紙１３を設けて固定子鉄心を固定し、図（Ｂ）に示すように扇形断面のアモルファス材料の小固定子鉄心１４が作成されている。

又は、図（Ｃ）に示すように小固定子鉄心１４ａは電磁鋼板を積層し、外周に樹脂などの絶縁材をコーティングして作られている。さらに、小固定子鉄心１４（又は１４ａ）に巻線１５を巻き付け、巻線１５の両端線１５ａ，１５ｂが外に出され、図（Ｄ）のように小固定子１６を形成する。

図５は固定子の軸方向の断面図であり、図に示すようにホルダー８の外円周に等間隔で穴２０を設け、複数の小固定子１６を穴２０に装着して固定する。小固定子１６の数は３ｎ個である（ｎ＝１，２，３・・・自然数）。三相巻線（Ｕ，Ｖ，Ｗ）の端線は前記３ｎ個の小固定子１６の端線１５ａ，１５ｂをそれぞれ結線して形成され、樹脂を型に流し込んで一体化した固定子２がモールド成形されている。

そして、回転子３および固定子２は磁気誘導板５０を挟むように形成され、磁気誘導板５０に設けられた複数の磁性体５２ａは、その両側に配置された回転子３に貼り付けた複数の永久磁石１７および固定子２とエアギャップを設け、アキシャルギャップ型モータが形成されている。アキシャルギャップ型モータのギャップは０.３〜１.５mmである。ギャップは狭い方が良いが、磁気誘導板５０が高圧チャンバの仕切りとなっているため、たわむこととなるので、その変形量も考慮する必要がある。

圧縮機８２全体のチャンバを、密閉チャンバ６９と固定子チャンバ７９とで分けるためには、仕切りが必要であり、それが磁気誘導板５０である。そして、ただ仕切るだけでなく、固定子２からの回転磁界を回転子３に伝えなければならない。５０に配設された磁性体６がその仕組みである。このように、圧縮機の効率を向上するため、アキシャルギャップ型モータの固定子軸方向の両端面に磁気誘導部材を設け、磁気誘導方式により圧縮機を駆動する。なお、モータの固定子２が、密閉チャンバ６９外に設置されるため、メンテナンス性が向上する。

ここで、アキシャルギャップ型モータの動作について説明する。固定子２において、複数の小固定子１６に三相巻線がそれぞれ設けられ、インバータの制御通電により、固定子２の端面部に軸方向の回転磁界を生じさせることができる。このとき、磁束は対向配置された磁気誘導体である磁性体５０を通して、密閉チャンバ６９に配置された回転子３の複数の永久磁石１７に届き、磁性体６と永久磁石１７との間に磁気吸引力又は磁気反発力を発生させる。回転子３は回転磁界と同期して回転し、この時クランク軸４に締結している旋回スクロール６３も連れられて回転し、圧縮機は正常に動作する。

なお、巻線の信頼性を向上するため、回転子３は専用ヨーク治具を用いて着磁した後、圧縮機の機構部と締結することとしても良い。

磁束漏れを防ぐため、固定子２の片方の端面に磁性円盤７を設けている。磁性円盤７は、その材質は電磁鋼板などの磁性体で、形状は環状であり、径方向の面積は複数の小固定子１６の全体を覆う大きさである。また、複数の小固定子１６から出てきた磁束を磁性体５２ａに誘導し、磁束漏れが低減され、モータの効率が改善される。

本実施例に示しているモータの固定子は１２極、回転子は８極の構成になっているが、固定子２と回転子３の極数比はそれ以外の組み合わせでも良い。

このように、図１〜図４で述べたアキシャルギャップ型モータを用いて、磁気誘導方式で圧縮機を駆動することにより、冷凍サイクルにモータ巻線の発熱の影響を与えず、圧縮機の高効率化を実現できる。また、それとともに、圧縮機の信頼性，メンテナンスも向上することができる。

図６は本発明の第２実施例の形態を示すアキシャルギャップ型モータ駆動する圧縮機の断面構成図である。図７（Ｂ）は第２実施例の形態を示す磁気誘導板の軸方向の断面で、（Ａ）は径方向の断面である。なお、（Ｃ）も同様に径方向の断面である。

本発明の第２実施例は第１実施例と同様な圧縮機構部の内容を省略し、アキシャルギャップ型モータの異なる構成部分を述べる。磁気誘導板５０は、その外径が圧縮機チャンバ６９の内径より僅かに小さい非磁性材金属の円盤５１、厚み５〜１０mm（例えばステンレスなど）と複数の磁性体５２ｅ（電磁鋼板，圧粉磁心など）を構成している。円盤５１に小固定子鉄心１４ａ（又は１４）と同数、大きさも同等の穴５２を円環状の配列のように設け、複数の磁性体５２ｅを図７（Ｃ）に示すようにそれぞれ嵌め合って接合する。そして、複数の磁性体５２ｅに樹脂など絶縁材でコーティングした後、巻線１５を巻き付ける。従って小固定子１６と磁気誘導板５０を一体化した部品が形成され、樹脂を型に流し込んで一体化した固定子２付きの磁気誘導部品５４が作られる。

さらに、固定子付きの磁気誘導部品５４を回転子３とのエアギャップが０.３〜１.５mmの均一対向するように、圧縮機８２のケーシングに接合する。図５の構成では非磁性体板５１のたわみがほとんど無いため、隙間は小さい方が良い。

このような構成により、圧縮機運転の時、複数の小固定子１６に三相巻線にそれぞれ通電すると、小固定子鉄心に巻き付けられた巻線から回転磁界が発生し、その磁束は小固定子５２ｅを介して密閉チャンバに配置された回転子３の永久磁石１７に直接に届き、回転磁界と永久磁石１７の間に磁気吸引力又は磁気反発力の作用により、回転子３は回転磁界と同期に回転し、クランク軸４に締結している旋回スクロール６３も連られて回転し、圧縮機は正常に動作する。

複数の小固定子１６と磁気誘導板５０とを一体化したため、磁路の磁気抵抗は大幅に減少し、磁束漏れを防ぐことができる。実施例２は、実施例１が有する利点を享受すると共に実施例１よりモータの効率が大幅に改善される。

このように、圧縮機の効率を向上するため、アキシャルギャップ型モータの固定子鉄心を磁気誘導部材と一体化し、磁気誘導により圧縮機を駆動することを特徴とする高効率の圧縮機を提供する。

図８は本発明の第３実施例の形態を示すアキシャルギャップ型モータ駆動する圧縮機の断面構成図である。

図８により、第３実施例の圧縮機は、密閉された圧縮機のチャンバ６９を２つ、アキシャルギャップ型モータの両端面部に、０.３〜１.５mmのエアギャップを保持して配置し、密閉された圧縮機のケーシング１８をアキシャルギャップ型モータのケーシング１９をボルトで締結して形成されている。

本実施例の冷媒圧縮機構部を保持する密閉チャンバ６９の構成は実施例１，２と同じものであるため、説明を省略する。本実施例のアキシャルギャップ型モータの固定子２ａは固定子２に磁性円盤７を設けないものであり、他の構成部品は固定子２と同様なもので、固定子チャンバ７９に設置されている。

固定子２ａの三相巻線に通電すると、固定子２ａの両端面に回転磁界が発生し、該回転磁界が両側に配置されている回転子３に対してそれぞれ吸引又は反発の力が生じ、その結果両側の回転子３が回転磁界に誘導され同時に回転する。そして、クランク軸４に固定された旋回スクロール６３も、回転子３の回転運動に伴って旋回運動する。これによって冷媒の圧縮動作を行う。

このように、圧縮機の効率を向上するため、アキシャルギャップ型モータの固定子軸方向の両端面に磁気誘導部材を設け、磁気誘導方式により圧縮機を駆動する。上記圧縮機の構成により、実施例１および実施例２に記載された利点を享受するとともに、実施例１，２より大容量な圧縮機を実現することができる。

図９は本発明の実施例４の形態を示す空気調和機の冷凍サイクル構成図である。図９において、８０は室外機、８１は室内機である。圧縮機８２内には冷媒が封入され、配管を通して凝縮器８４と、膨張弁８５と、蒸発器８６とを繋げている。室外機８０および室内機８１にファン８８とモータを備えている。圧縮機８２の運転によりファンを回転させ、熱交換器に流れている冷媒を周囲空気と熱交換することができる。冷凍サイクルは冷媒を矢印の方向に循環させ、圧縮機８２は冷媒を圧縮して、室外機８０と、室内機８１間で熱交換を行って冷房機能を発揮する。図示していないが、四方弁を備えることによって、冷凍サイクルの向きを逆転させれば、暖房機能を発揮することができる。冷暖房が逆転すれば凝縮器８４と蒸発器８６との関係も逆転する。

以上、各実施例で示したアキシャルギャップ型モータを用いた圧縮機を空気調和機，冷蔵および冷凍の冷凍サイクル装置などに使用すると、圧縮機の効率向上により入力を低減できる。また、圧縮機の運転中に固定子が高温高圧の冷媒，冷凍油に曝されることがなくなり、巻線の絶縁や経年劣化の点で信頼性の向上にも寄与できる。さらに、モータが密閉チャンバとは別の部屋に配置されるため、モータのメンテナスが容易にはできる。

２ 固定子
３ 回転子
４ クランク軸
５ ベアリング
７ 磁性円盤
８ ホルダー
１０ ホルダー穴
１１ 非磁性体部材
１２，１４ 小固定子鉄心
１３ 絶縁紙
１５ 巻線
１５ａ，１５ｂ 巻線端線
１６ 小固定子
１７ 永久磁石
１８ 圧縮機ケーシング
１９ 固定子ケーシング
５０，５４ 磁気誘導板
５１ 非磁性体板
５２ 孔
５２ａ，５２ｃ，５２ｄ，５２ｅ 磁性体
６０ 固定スクロール部材
６１ 固定スクロール端板
６２，６５ ラップ
６３ 旋回スクロール部材
６４ 旋回スクロール端板
６６ 圧縮室
６７ 吐出口
６８ フレーム
６９ 密閉チャンバ
７０ 吐出パイプ
７１ 油溜め部
７２ クランク軸孔
７５ バランス
７９ 固定子チャンバ
８０ 室外機
８１ 室内機
８２ 圧縮機
８３ 圧縮機フレーム
８４ 凝縮器
８５ 膨張弁
８６ 蒸発器
８８ ファン
９０ 吸込口

Claims (11)

1. 圧縮機の冷媒圧縮機構部はクランク軸を介してアキシャルギャップ型モータの回転子と締結して形成する密閉チャンバの圧縮機において、
   前記アキシャルギャップ型モータの固定子は前記圧縮機の冷媒圧縮チャンバの外部に設置され、磁気誘導方式で前記圧縮機の冷媒圧縮機構部を駆動することを特徴とする圧縮機。
2. 請求項１において、
   磁気誘導方式で前記固定子の片方端部側に設けられた一つの前記冷媒圧縮機構部を駆動することを特徴とする圧縮機。
3. 請求項１において、
   磁気誘導方式で前記固定子の両端部側に設けられた二つの前記冷媒圧縮機構部を駆動することを特徴とする圧縮機。
4. 前記請求項１乃至３の何れかにおいて、
   前記アキシャルギャップ型モータの固定子と回転子の間に非磁性金属板を設け、該非磁性金属板を圧縮機のケーシングに溶接することを特徴とする圧縮機。
5. 請求項４において、
   該非磁性金属板に前記固定子の小固定子鉄心と同様な数および形状の磁気誘導体を有することを特徴とする圧縮機。
6. 請求項４において、
   該金属板の平面に対し両側に突き出す複数小固定子鉄心を有し、前記複数の小固定子鉄心の片側に巻線を設けることを特徴とする圧縮機。
7. 前記請求項１乃至６の何れかにおいて、
   前記アキシャルギャップ型モータの固定子の片方の端面側に回転子を設け、片方の端面に円環状の磁性板を設けることを特徴とするアキシャルギャップ型モータを用いた圧縮機。
8. 圧縮機チャンバ内に圧縮機構を有し、モータを構成する回転子の回転により前記圧縮機構で冷媒を高温高圧に圧縮して、その高温高圧の冷媒で前記圧縮機チャンバを満たし、その後冷媒が吐出される高圧チャンバ型圧縮機において、
   前記モータは、アキシャルギャップ型モータであり、
   前記圧縮機チャンバを、高温高圧の冷媒で満たされ前記モータの回転子が配設される密閉チャンバと前記モータの固定子が配設される開放チャンバとに分け、これらを仕切る磁気誘導板を設けた高圧チャンバ型圧縮機。
9. 請求項８において、
   前記磁気誘導板は、
   前記圧縮機チャンバに固定された非磁性金属円盤と、
   前記固定子から前記回転子へ回転磁束を伝える磁性体であって、前記非磁性金属円盤に嵌め込まれた磁性体と、
   を有する高圧チャンバ型圧縮機。
10. 請求項８において、
    前記磁気誘導板は、
    前記圧縮機チャンバに固定された非磁性金属円盤と、
    前記固定子の一部を成す磁性体であって、前記非磁性金属円盤に嵌め込まれた磁性体と、
    を有する高圧チャンバ型圧縮機。
11. 前記請求項１乃至１０の何れかに記載した圧縮機を冷凍サイクルと組み合わせ、前記圧縮機の運転により冷媒を冷凍サイクルに循環することを特徴とする冷凍サイクル装置。