JP2015113744A - 冷媒圧縮装置、冷媒圧縮装置の運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高速回転においてもシャフトフローティング機能が維持されるロータリー圧縮機を提供する。
【解決手段】シャフト２３をその中心軸周りに回転駆動させるロータ３７及びステータ３８を有するモータ３６と、を、外殻をなすハウジング１１に収容し、シャフト２３がフローティングする機能を有するロータリー式の圧縮機１０と、電源から供給される電力を変換してステータ３８に供給するインバータ装置と、を備える。モータ３６は、最高回転速度においても、フローティング機能を維持できるように、ロータ３７及びステータ３８の一方又は双方の仕様が設定される。インバータ装置は、スイッチング素子が、ワイドバンドギャップ半導体素子で構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、高速回転においてもシャフトフローティング機能が維持されるロータリー圧縮機を含む冷媒圧縮装置に関する。

冷凍装置に用いられるロータリー圧縮機は、密閉されたハウジングの内部に、円筒状の内壁面を有したシリンダと、シリンダの中心に対して偏心して設けられたピストンロータと、を備えている。ピストンロータは、シリンダの中心軸に沿って設けられたシャフトに設けられている。シャフトは、シリンダに固定された軸受を介してその軸線周りに回転自在に設けられている。シャフトには、シャフトを回転させるためのモータを構成するロータが設けられている。ロータの外周側には、容器の内周面に固定されたステータが配置され、ステータに通電されることによって、シャフトが回転駆動され、ピストンロータがシリンダの内部で旋回する。
ロータリー圧縮機は、シリンダとピストンロータとの間に形成された圧縮室に冷媒を吸い込み、ピストンロータの回転により圧縮室容積が減少して冷媒を圧縮して吐出する。

ロータリー圧縮機の作動時において、ゴトゴトといった騒音が生じることがあった。これは、ロータの上と下で発生する圧力脈動により、ピストンロータおよびシャフトが、シャフトを支持する軸受のクリアランスの範囲内で振動し、その結果、ピストンロータが、シャフトの軸線方向に振動して軸受、特に下側の軸受と干渉するためである。
これに対し、ロータの磁力中心とステータの磁力中心とをオフセットさせ、ステータで発生する磁界によってロータおよびシャフトを浮き上がらせることで、ピストンロータが下側の軸受に接触するのを低減して騒音の発生を抑制するシャフトフローティング機構が知られている（特許文献１）。

特開２０１３−１６７２１０号公報

従来のロータリー圧縮機は、モータが高速回転になると供給する電流を絞る弱め界磁制御がなされる。そうすると、ステータから発生される磁界が弱くなり、これに伴ってシャフトを上方に浮き上がらせる力が弱くなるので、ピストンロータが下降して下側の軸受に接触してしまい、音が発生する。なお、ロータリー圧縮機は、一例として、１０〜１２０rps（６００〜７２００rpm）の回転速度の範囲で運転されるとすると、弱め界磁制御は、例えば６０〜７０rpsを超える回転速度になると行なわれる。
本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、高速回転においてもシャフトフローティング機能を維持できるロータリー圧縮機を提供することを目的とする。

かかる目的のもと、本発明の冷媒圧縮装置は、ロータリー圧縮機と電力変換装置を備えている。
本発明のロータリー圧縮機は、内部に冷媒が供給されるシリンダと、シリンダ内を回転自在に貫通するシャフトと、シャフトの回転軸心に対して偏心して設けられ、シリンダ内でシリンダの中心に対して偏心して回転駆動されるピストンロータと、シャフトをその中心軸周りに回転駆動させるロータ及びステータを有するモータと、が外殻をなすハウジングに収容され、シャフトがフローティングする機能を有している。本発明の電力変換装置は、電源から供給される電力を変換してモータのステータに供給する。
本発明のロータリー圧縮機は、モータが、最高回転速度においても逆起電圧による電圧限界に到達せずに、フローティング機能が発現できるように、ロータ及びステータ一方又は双方の仕様が設定されることを特徴とする。
また、本発明の電力変換装置は、スイッチング素子が、ワイドバンドギャップ半導体素子で構成されることを特徴とする。

本発明の冷媒圧縮装置は、モータが、ロータ及びステータ一方又は双方の仕様を設定することにより、最高回転速度においても、フローティングする機能が発現できる。
また、本発明の冷媒圧縮装置は、スイッチング素子が、使用限界温度の高いワイドバンドギャップ半導体素子で構成されるので、回転速度が低くなっても、継続したスイッチング動作が確保される。

本発明において、ロータの仕様として、ロータを構成する永久磁石の磁束密度、ステータの仕様としては、電線の巻数、ステータの内径及びステータの積厚の少なくとも一つが採用される。
永久磁石の磁束密度は、同じ材質の永久磁石を用いることを前提とすれば、ロータに用いる永久磁石の量を増減することにより磁束密度を調整することができる。

本発明において、ワイドバンドギャップ半導体素子としては、ＳｉＣ素子、ＧａＮ素子、ダイアモンドなどを用いることができる。

本発明は、以上説明した冷媒圧縮装置を運転するあたり、電力変換装置は、弱め界磁制御することなくモータに供給することができる。

本発明によれば、高速回転においてもシャフトフローティング機能が維持されるロータリー圧縮機を備える冷媒圧縮装置が提供される。しかも、冷媒圧縮装置は、電力変換装置のスイッチング素子が、ワイドバンドギャップ半導体素子で構成されているために、低い回転速度の領域でもスイッチング素子の発熱を問題にしなくてもよい。

本実施の形態におけるロータリー式圧縮機の構成を示す縦断面図である。 図１のロータリー式圧縮機の横断面図である。 本実施の形態におけるインバータ装置を示す図である。 インバータ装置を用いてモータの動作を制御したときの回転速度と電流、回転速度とトルクとの関係を示すグラフである。

以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
図１に示すように、圧縮機１０は、上下方向に中心軸を有した円筒状の密閉型のハウジング１１の内部に、ディスク状のシリンダ２０Ａ、２０Ｂが上下２段に設けられた、いわゆる２気筒タイプのロータリー式圧縮機である。シリンダ２０Ａ、２０Ｂの中央部には、それぞれ、上下方向に軸線を有した円筒状のシリンダ内壁面２０Ｓが形成されている。

シリンダ２０Ａ、２０Ｂの内方には、シリンダ内壁面２０Ｓの内径よりも外径の小さな円筒状のピストンロータ２１Ａ、２１Ｂが配置されている。ピストンロータ２１Ａ、２１Ｂのそれぞれは、ハウジング１１の中心軸に沿ったシャフト２３の偏心軸部４０Ａ、４０Ｂに挿入固定されている。これにより、シリンダ２０Ａ、２０Ｂのシリンダ内壁面２０Ｓとピストンロータ２１Ａ、２１Ｂの外周面との間には、それぞれ三日月状の断面を有した空間Ｒが形成されている。
ここで、上段側のピストンロータ２１Ａと、下段側のピストンロータ２１Ｂとは、その位相が互いに異なるように設けられている。
また、上・下のシリンダ２０Ａ、２０Ｂの間には、ディスク状の仕切板２４が設けられている。仕切板２４により、上段側のシリンダ２０Ａ内の空間Ｒと、下段側のシリンダ２０Ｂの空間Ｒとが互いに連通せずに圧縮室Ｒ１と圧縮室Ｒ２とに仕切られている。

図２に示すように、上下のシリンダ２０Ａ、２０Ｂには、圧縮室Ｒ１、Ｒ２を、それぞれ２つに区切るブレード２５が設けられている。ブレード２５は、シリンダ２０Ａ、２０Ｂのそれぞれにおいて、シリンダ２０Ａ、２０Ｂの径方向に延在して形成された挿入溝２６に、ピストンロータ２１Ａ、２１Ｂに対して接近・離間する方向に進退自在に保持されている。そして、ブレード２５は、その後端部２５ａが、コイルバネ２８によって押圧されており、先端部２５ｂがピストンロータ２１Ａ、２１Ｂに常に押し付けられている。

図１に示したように、シャフト２３は、上下のシリンダ２０Ａ、２０Ｂにボルトによって固定された上下の軸受２９Ａ、２９Ｂにより、その軸線周りに回動自在に支持されている。
そして、シャフト２３には、ピストンロータ２１Ａ、２１Ｂの内側に、シャフト２３の中心軸から直交する方向にオフセットした偏心軸部４０Ａ、４０Ｂが形成されている。偏心軸部４０Ａ、４０Ｂは、ピストンロータ２１Ａ、２１Ｂの内径よりもわずかに小さな外径を有している。これにより、シャフト２３が回転すると、偏心軸部４０Ａ、４０Ｂがシャフト２３の中心軸周りに旋回し、上・下のピストンロータ２１Ａ、２１Ｂがシリンダ２０Ａ、２０Ｂ内で、偏心転動する。このとき、ブレード２５は、コイルバネ２８により押圧されているため、先端部２５ｂがピストンロータ２１Ａ、２１Ｂの動きに追従して進退し、ピストンロータ２１Ａ、２１Ｂに常に押し付けられる。

シャフト２３は、軸受２９Ａから上方に突出して延びており、その突出部には、シャフト２３を回転させるためのモータ３６のロータ３７が設けられている。ロータ３７の外周部に対向して、ステータ３８が、ハウジング１１の内周面に固定して設けられている。
ここで、ロータ３７は、鉄心と永久磁石を備えており、ステータは、鉄心と電線が巻き回された巻線とを備えている。

ハウジング１１の側方には、シリンダ２０Ａ、２０Ｂの外周面に対向する位置に、開口部１２Ａ、１２Ｂが形成されている。シリンダ２０Ａ、２０Ｂには、開口部１２Ａ、１２Ｂに対向した位置に、シリンダ内壁面２０Ｓの所定位置まで連通する吸入ポート３０Ａ、３０Ｂが形成されている。

ハウジング１１の外部に、圧縮機１０に供給するに先立ち冷媒を気液分離するためのアキュムレータ１４が、ステー１５を介してハウジング１１に固定されている。
アキュムレータ１４には、アキュムレータ１４内の冷媒を圧縮機１０に吸入させるための吸入管１６Ａ、１６Ｂが設けられている。吸入管１６Ａ、１６Ｂの先端部は、開口部１２Ａ、１２Ｂを通して、吸入ポート３０Ａ、３０Ｂに接続されている。

以上の構成を備える圧縮機１０は、アキュムレータ１４の吸入口１４ａからアキュムレータ１４内に冷媒を取り込み、アキュムレータ１４内で冷媒を気液分離して、その気相を吸入管１６Ａ、１６Ｂからシリンダ２０Ａ、２０Ｂの吸入ポート３０Ａ、３０Ｂを介し、シリンダ２０Ａ，２０Ｂの内部空間である圧縮室Ｒ１、Ｒ２に供給する。
そして、ピストンロータ２１Ａ、２１Ｂの偏心転動により、圧縮室Ｒ１、Ｒ２の容積が徐々に減少して冷媒が圧縮される。シリンダ２０Ａ、２０Ｂの所定の位置には、冷媒を吐出する吐出穴（図示無し）が形成されており、この吐出穴にはリード弁（図示無し）が備えられている。これにより、圧縮された冷媒の圧力が高まると、リード弁を押し開き、冷媒をシリンダ２０Ａ、２０Ｂの外部に吐出する。吐出された冷媒は、ハウジング１１の上部に設けられた吐出管４２から外部の図示しない配管に排出される。

また、ロータ３７は、永久磁石を内蔵しており、図１に示すように、ロータ３７が回転していない状態では、その磁力中心Ｃ１０が、ステータ３８の磁力中心Ｃ２０に対し、シャフト２３の軸方向に沿って下方にオフセットして配置されている。
このモータ３６の構成においては、ステータ３８に通電されると、ステータ３８とロータ３７との間に生じる磁気吸引力により、ステータ３８に対し、ロータ３７が上方に浮き上がるフローティングが生じる。そうすると、ロータ３７とともにシャフト２３がフローティングするようになっている。これによって、ピストンロータ２１Ｂが下方の軸受２９Ｂに接触するのが抑えられるので、騒音の発生を抑制することができる。ブラシレスＤＣ（直流）のモータ３６は、後述するインバータ装置５０により、交流電源から供給される交流電流を整流し、整流後の直流電流を三相に変換して電力が供給される。

本実施形態のモータ３６は、高速回転になっても、弱め界磁制御をしなくてもよいように設計がなされている。
通常、モータが高速回転になると、誘導起電圧に対応するために弱め界磁制御を行うことにより、回転速度を確保する。この場合、ステータで生じる磁界が弱くなるため、ピストンロータをフローティングし続けることができなくなる。そこで、本実施形態は、モータ３６は、高速回転になっても弱め界磁制御をしないこととし、ロータ３７を介するシャフト２３のフローティング機能を維持する。ただし、単純に弱め界磁制御をしないことにすれば、モータ３６に電力の供給を担うインバータ装置の特にスイッチング素子に支障をきたすので、インバータ装置５０に対応を施す。以下、弱め界磁制御、インバータ装置５０の対応の順に、具体的に説明する。

弱め界磁制御をさせないモータ３６の指針は以下の通りである。
モータ３６の回転速度ωは、供給される電力の電圧Ｖに比例する。
Ｖ＝ｋ_Ｅ・ω＝ｋ_Ｅ・２π／６０・Ｎ_０ … （１）
Ｖ：印加電圧，ω：回転速度（rad/s），Ｎ_０：回転速度（rpm）
また，トルクは電流に比例する。
Ｔ＝ｋ_Ｔ・Ｉ … （２）
Ｔ:トルク，Ｉ:電流
式（１），（２）より、回転速度Ｎ_０は、下記の式（３）の通りであり、ｋ_Ｅを小さくすれば、回転速度Ｎ_０を上げることができる。
Ｎ_０＝６０／２π・１／ｋ_Ｅ・Ｖ≦６０／２π・１／ｋ_Ｅ・Ｖｓ … （３）
Ｖｓ：電源電圧

ここで、ｋ_Ｅは各種モータ定数に比例する。つまり、式（４）の通りとなる。ｋ_Ｅを小さくすれば、つまり、Ｎ，Ｂ，Ｄ，Ｌを小さくすれば、回転速度Ｎ_０を上げることができる。弱め界磁はＢを小さくすることと等価であるから、Ｂを小さくする代わりに、Ｎ，Ｄ，Ｌのいずれかを小さくすれば、弱め界磁制御をする必要がなくなる。
ｋ_Ｅ ∝ ＮＢＤＬ … （４）
Ｎ：巻数， Ｂ：磁束密度， Ｄ：ステータ内径， Ｌ：積厚
なお、Ｎはステータの巻線の巻き数、Ｂはロータの永久磁石の磁束密度、Ｌはステータの鉄心の積厚である。

一方、式（４）より、式（５），式（６）であるから、ｋ_Ｅを小さくするとｋ_Ｔも小さくなり、同じトルクを得る場合、供給する電流を増やさなければならない。
Ｉ＝1／ｋ_Ｔ・Ｔ … （５） ｋ_Ｔ∝ｋ_Ｅ … （６）

式（４）より、例えば、ステータ３８の巻数を減らすと逆起電力が低減するので、より高速回転でモータ３６を回転させることができる。しかし、式（５），（６）より、低速回転域では大電流が流れることになる。そこで、本実施形態では、以下説明するように、インバータ装置５０により低速回転域における大電流に対応する。

従来、インバータ装置をはじめとする電力変換装置にはバイポーラトランジスタ、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＦＥＴ（Field Effect Transistor）などの半導体素子が用いられている。これらの半導体素子はシリコン（Ｓｉ）を主体とするために素子内部の使用限界温度が１５０℃以下と低い。したがって、低速回転域では大電流が流れる本実施形態のモータ３６に対して、従来のシリコン（Ｓｉ）を主体とする半導体からなるスイッチング素子を備えるインバータ装置は発熱により対応が困難である。したがって、従来は、スイッチング素子の電流許容値の制約から、ｋ_Ｅを小さくすることに限界があり、回転速度が不足する分は、弱め界磁制御により磁束密度Ｂを小さくしていた。

そこで、本実施形態では、インバータ装置５０のスイッチング素子として、炭化ケイ素（ＳｉＣ）を用いる。ＳｉＣトランジスタは素子内部の使用限界温度が理論的には１５００℃程度と高いので、これをスイッチング素子として用いることで電流許容値の上限値を上げることができる。その結果として、モータ３６のステータ３８を構成する巻線の巻数、ステータ内径、積厚、ロータ３７を構成する永久磁石を大幅に減らすことができるとともに、弱め界磁制御を入れる必要がない程度まで回転速度の上限値を上げることができる。

したがって、インバータ装置５０により電力の供給が制御される圧縮機１０は、高速回転域まで弱め界磁なしで運転できるので、ステータ３８とロータ３７との間にシャフトフローティング状態を維持するのに足りる磁気吸引力を継続して発生させることができる。
また、本実施形態にかかるモータ３６は、ロータ３７の永久磁石の量、ならびに、ステータ３８の巻線及び積厚の量を減らせるので、シャフト２３に係る重量を低減できる。したがって、仮に、多少の弱め界磁制御をして磁気吸引力が衰えても、重量が減っている分だけ、従来よりも高速回転域までシャフトフローティング状態を維持できる。

本実施形態に適用できるインバータ装置５０の一例を図３に示す。
三相のインバータ装置５０は、６個のＳｉＣトランジスタＱ１〜Ｑ６と６個のダイオードＤ１〜Ｄ６とを備えている。各ＳｉＣトランジスタＱ１〜Ｑ６には対応するダイオードＤ１〜Ｄ６がそれぞれ並列に接続されている。ダイオードＤ１〜Ｄ６は、ＳｉＣトランジスタＱ１〜Ｑ６を保護するとともに、正常な電源装置から故障した電源装置へ電流が流れ込まないように逆流を阻止するための保護素子である。

これら６組のＳｉＣトランジスタＱ１〜Ｑ６およびダイオードＤ１〜Ｄ６のうち２組ずつが組み合わされ、３つの直列回路が形成されている。３つの直列回路の両側は入力端子にそれぞれ並列に接続されている。なお、入力端子は図示しない大容量コンデンサを介して直流電源（図示せず）に接続されている。
一方、３つの直列回路の中点Ｕ，Ｖ，Ｗはモータ３６の出力端子にそれぞれ接続され、これにより三相のハーフブリッジ回路が負荷となるモータ３６との間に形成されている。

また、図示を省略するオン・オフ制御回路がＳｉＣトランジスタＱ１〜Ｑ６およびダイオードＤ１〜Ｄ６にそれぞれ接続されている。このオン・オフ制御回路はＳｉＣトランジスタＱ１〜Ｑ６およびダイオードＤ１〜Ｄ６の各々の動作を個別にオン・オフ制御するものである。

このようなインバータ装置５０は、６組のＳｉＣトランジスタＱ１〜Ｑ６／ダイオードＤ１〜Ｄ６をＯＮ・ＯＦＦ制御することにより、各相のハーフブリッジは１８０°導通して切り替わり、１サイクルに６個の動作モードを生じる。電位の基準点を直流電源の中点０ＤＣにとると、出力端子の電位ｖＵ，ｖＶ，ｖＷは、プラス側のトランジスタ（Ｑ１，Ｑ３，Ｑ５）がオンのときはＶｄとなり、マイナス側のトランジスタ（Ｑ２，Ｑ４，Ｑ６）がオンのときはゼロとなる。ちなみに相電圧は直流電源の中点０ＤＣに対して±Ｅｄ／２の振幅をもつ１８０°幅の方形波となる。また、線間電圧は±Ｅｄの振幅をもつ１２０°幅の方形波となるが、負荷電圧は階段状の６ステップ波形となる。

次に、図４を参照して、インバータ装置５０を用いてモータ３６の動作を制御したとき（本実施形態）の回転速度と電流、トルクの関係を、従来例と比較して説明する。ここで、従来例とは、Ｓｉ半導体素子をスイッチング素子に用いるインバータ装置により、弱め界磁制御をすることを前提にしたモータを制御するものである。
図４に示すように、回転速度が高い領域において、従来例は弱め界磁制御するために、モータに供給する電流値及びトルクが小さくなる。なお、従来例は、弱め界磁制御の効果を示すために、当該制御ありとなしの両者を示している。また、ステータから発生される磁界が弱くなるので、シャフトフローティングが機能しなくなる。これに対して本実施形態は、逆起電力の発生を抑えており、弱め界磁制御を行わなくてもよく、回転速度が速い領域においても、回転速度が遅い領域と同じ電流を供給できるので、高速回転域においても、シャフトフローティングを維持することができる。

一方、回転速度の遅い領域において、従来例はインバータ装置のスイッチング素子の加熱を避けるために、低い値の電流しか供給できないのに対して、本実施形態はスイッチング素子にＳｉＣを用いているために高い値の電流を供給することができる。

以上の通りであり、本実施形態は、Ｎ：巻数、Ｄ：ステータ内径及びＬ：積厚を小さくすることにより、高速回転域で弱め界磁制御を行わないので、高速回転域でもシャフトフローティング機能を維持することができる。また、低速回転域においては、インバータ装置５０がスイッチング素子としてＳｉＣトランジスタＱ１〜Ｑ６を用いているので、Ｎ：巻数、Ｄ：ステータ内径及び Ｌ：積厚を小さくすることによりスイッチング素子が温度上昇しても、インバータ装置５０の機能を確保できる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更したりすることが可能である。
例えば、本実施形態では、使用限界温度の高い半導体としてＳｉＣを例示したが、窒化ガリウム（ＧａＮ）を用いることもできる。
また、本実施形態では、交流電源を用い、インバータ装置５０を介してモータ３６に三相直流電流を供給する例を示したが、直流電源を用いてモータ３６に三相直流電流を供給することもできる。この場合、コンバータ装置のスイッチング素子をＳｉＣ又はＧａＮから構成する必要がある。
インバータ装置５０はあくまで一例に過ぎず、使用限界温度の高い半導体をスイッチング素子として用いていることを前提として、本発明は、モータ３６に必要に応じた電力を供給することのできる電力変換装置を広く適用することができる。

１０ 圧縮機
１１ ケース
１２Ａ 開口部
１４ アキュムレータ
１４ａ 吸入口
１５ ステー
１６Ａ 吸入管
２０Ａ，２０Ｂ シリンダ
２０Ｓ シリンダ内壁面
２１Ａ，２１Ｂ ピストンロータ
２３ シャフト
２４ 仕切板
２５ ブレード
２５ａ 後端部
２５ｂ 先端部
２６ 挿入溝
２８ コイルバネ
２９Ａ，２９Ｂ 軸受
３０Ａ 吸入ポート
３６ モータ
３７ ロータ
３８ ステータ
４０Ａ 偏心軸部
４２ 吐出管
５０ インバータ装置
Ｄ１〜Ｄ６ ダイオード
Ｑ１〜Ｑ６ ＳｉＣトランジスタ

Claims (3)

1. 内部に冷媒が供給されるシリンダと、
   前記シリンダ内を回転自在に貫通するシャフトと、
   前記シャフトの回転軸心に対して偏心して設けられ、前記シリンダ内で前記シリンダの中心に対して偏心して回転駆動されるピストンロータと、
   前記シャフトをその中心軸周りに回転駆動させるロータ及びステータを有するモータと、が外殻をなすハウジングに収容され、前記シャフトがフローティングする機能を有するロータリー圧縮機と、
   電源から供給される電力を変換して前記モータの前記ステータに供給する電力変換装置と、を備え、
   前記モータは、
   最高回転速度においても逆起電圧による電圧限界に到達せずに、前記フローティングする機能が発現できるように、前記ロータ及び前記ステータ一方又は双方の仕様が設定され、
   前記電力変換装置は、
   スイッチング素子が、ワイドバンドギャップ半導体素子で構成される、
   ことを特徴とする冷媒圧縮装置。
2. 前記ロータの前記仕様は、前記ロータを構成する永久磁石の磁束密度、
   前記ステータの前記仕様は、電線の巻数、前記ステータの内径及び前記ステータの積厚の少なくとも一つである、
   請求項１に記載の冷媒圧縮装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の冷媒圧縮装置を運転するあたり、
   前記電力変換装置は、弱め界磁制御することなく前記モータに電力を供給する、
   ことを特徴とする冷媒圧縮装置の運転方法。

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