JP2017155634A - 密閉型圧縮機およびそれを用いた冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型軽量で、低速運転においても振動が低い密閉型圧縮機を提供する。【解決手段】ピストン２５０の圧縮室２５２の反対側の円筒面２５０ａに少なくともひとつの切欠き部２７０ａを設け、ピストン２５０が下死点近傍に位置するときに、切欠き部２７０ａの少なくとも一部が回転駆動される偏心軸２３４のフランジ部２３６に重なるように近接する構成としてある。これにより、ピストンの質量が小さくなって往復動による加振エネルギーが小さくなり、かつ、切欠き部とフランジ部の鉛直方向重なり寸法分だけ高さを低くでき、全高が低く、軽量、小型で低速運転においても振動の少ない密閉型圧縮機とすることができる。【選択図】図１

Description

本発明は、密閉型圧縮機およびそれを用いた冷蔵庫やショーケース等の冷凍装置に関するものである。

近年、冷蔵庫やその他の冷凍装置において、省エネ化はもちろん、低振動化の要望が高まっている。

特に、インバータ制御により運転回転数を可変速する方式の往復動式密閉型圧縮機においては、低速運転により消費電力を低減できる反面、低速運転時の振動が大きくなるため、対策が求められている。

このような中にあって、従来、この種の密閉型圧縮機には、Ｒ６００ａを主体とする冷媒を用い、かつ振動を小さくするための改善をしたものが見られる（例えば、特許文献１参照）。

以下、図５を参照しながら、上記従来の密閉型圧縮機について説明する。
図５は従来の密閉型圧縮機の縦断面図である。

図５において、密閉容器１０２内には、下方に配置された電動要素１０６と、上方に配置された圧縮要素１０８とを一体化した電動圧縮要素１１０が、サスペンションスプリング１１２により支持されて収容されている。

電動要素１０６は、永久磁石を内蔵するロータ１２０と、ステータ１２２で構成されている。

次に圧縮要素１０８について説明する。

クランクシャフト１３０は、ロータ１２０を圧入固定した主軸１３２および主軸１３２に対し偏心して形成された偏心軸１３４を有しており、偏心軸１３４はフランジ部１３６で主軸１３２と接続されている。フランジ部１３６の一部は、バランスウェイト１３６ａを形成している。また、偏心軸１３４の上端にはバランスウエイト１３６ｂを備えている。

ブロック１４０は、略円筒形のシリンダー１４２を有するとともに主軸１３２を軸支する軸受部１４４を有し、電動要素１０６の上方に形成されている。

ピストン１５０は、シリンダー１４２に往復動自在に挿入されることで、シリンダー１４２との間に圧縮室１５２を形成している。また、ピストン１５０は偏心軸１３４との間を連結手段１５４によって連結されている。

バルブプレート１６２は、シリンダー１４２の端面に、高圧室を形成するシリンダヘッド１６４、ＰＢＴなどの樹脂で成型される吸入マフラー１６６と共に取り付けられている。

サスペンションスプリング１１２は、４箇所に設けてあり、一端が密閉容器１０２に固定され、他端が電動要素１０６のステータ１２２に固定されて電動圧縮要素１１０を弾性
的に支持している。

密閉容器１０２には、吸入管１７６、吐出管１７８が溶接等により固定されている。吸入管１７６と吐出管１７８は冷却システム（図示せず）の低圧側と高圧側にそれぞれ接続されている。

以上のように構成された密閉型圧縮機について、以下その動作を説明する。

商用電源から供給される電力はインバータ装置（図示せず）を介して電動要素１０６に供給され、主軸１３２に固定されたロータ１２０を所定の回転数で回転させる。そして、主軸１３２の回転に伴い、偏心軸１３４が偏心運動する。この偏心軸１３４の偏心運動が連結手段１５４を介してピストン１５０に伝えられることで、ピストン１５０はシリンダー１４２内を往復運動する。

冷媒は、冷却システム（図示せず）から吸入管１７６を通して密閉容器１０２内に導かれた後、吸入マフラー１６６から吸入され、圧縮室１５２内で連続して圧縮され、吐出管１７８より冷却システムへ再び吐き出される。

また、この際、ピストン１５０がシリンダー１４２内で往復運動することで不平衡な振動エネルギーが発生するが、この振動エネルギーをバランスウェイト１３６ａおよびバランスウェイト１３６ｂによって打ち消し、振動を低減している。

特開２００５−１５５４３８号公報

しかしながら、上記従来の構成では、単気筒の密閉型圧縮機において、ピストンの往復運動による振動を、回転するバランスウェイト１３６ａ、１３６ｂで完全に打ち消すことは不可能であり、振動の発生が避けられない。

また、密閉容器１０２内に固定されたサスペンションスプリング１１２およびこれらによって支持される電動圧縮要素１１０の振動系は、通常、固有振動数が概ね１０Ｈｚ前後である。そのため、密閉型圧縮機の低回転化による省エネ効果を狙いとして２０ｒ／ｓｅｃ未満といった極端に低い運転周波数で運転すると、電動圧縮要素１１０の振動系の固有振動数に近づくために、振動がサスペンションスプリング１１２を介して密閉容器１０２に伝わりやすくなり、密閉型圧縮機の振動が急激に増加してしまう課題を有していた。

また、冷蔵庫の庫内容積を増やして使い勝手を向上させる手段のひとつとして、密閉型圧縮機の全高を低くして機械室の容積を減らすことで庫内容積を増加させる手法がある。ここで、密閉型圧縮機の全高を低くするためには、電動圧縮要素１１０の高さを低くする必要があり、それにより、往復運動するピストン１５０と支持するサスペンションスプリング１１２の距離が近くなり密閉容器１０２に振動が伝わりやすくなると共に、電動圧縮要素１１０の重量が軽くなることによって振動系の振幅が増大するので密閉型圧縮機の振動が増大してしまうという課題を有していた。

本発明は上記従来の課題を解決するもので、小型軽量で、低速運転においても振動が低い密閉型圧縮機およびそれを用いた冷凍装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の密閉型圧縮機は、ピストンの圧縮室の反対側の円筒面に少なくともひとつの切欠き部を設け、前記ピストンが下死点近傍に位置するときに、前記切欠き部の少なくとも一部が前記電動要素により回転駆動される偏心軸のフランジ部に重なるように近接する構成としてある。

これにより、ピストンが円筒面に切欠き部を有することでピストンの体積が低減され軽量化されるため、ピストンの往復動による加振エネルギーが小さくなる。すなわち、低速運転においても振動を低く抑制することができる。

さらに、ピストンの往復動による加振エネルギーが低減できるため、フランジ部のバランスウェイトの肉厚を薄くして軽量化する設計が可能となる。同時に切欠き部の一部が前記フランジ部に重なるように近接する構成であることから、切欠き部の空間内へ回転するフランジ部を配置することが可能となり、切欠き部の空間内へのフランジ部の重なり寸法分だけシリンダーをより鉛直下方に下げ高さを低くすることができる。よって、低速運転においても密閉型圧縮機の振動を低減でき、かつ全高を低くすることができる。

本発明は、全高が低く、軽量、小型で低速運転においても振動の少ない密閉型圧縮機を提供することができる。また、この密閉型圧縮機を用いた冷凍装置は、冷凍装置の貯蔵空間を拡大でき、使い勝手の向上が図れるとともに、低振動化することができる。

本発明の実施の形態１における密閉型圧縮機の縦断面図 同実施の形態の下死点におけるピストンおよびフランジ部の要部上面図 同実施の形態の要部側面図 本発明の実施の形態２における冷凍装置としての冷蔵庫を示す概略図 従来の密閉型圧縮機の縦断面図

第１の発明は、密閉容器内に電動要素と圧縮要素を収容し、前記圧縮要素は、圧縮室を形成するシリンダブロックと、前記圧縮室の内部に往復動可能に挿設された略円筒形のピストンと、前記電動要素により回転駆動されるクランクシャフトとを備え、前記クランクシャフトは主軸部と前記ピストンに連結される偏心軸部と前記主軸部と前記偏心軸部を連結するフランジ部とを有するとともに、前前記ピストンは前記圧縮室の反対側の円筒面に少なくともひとつの切欠き部を備え、前記ピストンが下死点近傍に位置するときに、前記切欠き部の少なくとも一部が前記フランジ部に重なるように近接する構成としてある。

これにより、ピストンが円筒面に切欠き部を有することでピストンの体積が低減され軽量化されるため、ピストンの往復動による加振エネルギーが小さくなる。すなわち、低速運転においても振動を低く抑制することができる。

さらに、ピストンの往復動による加振エネルギーが低減できるため、フランジ部のバランスウェイトの肉厚を薄くして軽量化することが可能となる。同時に切欠き部の一部が前記フランジ部に重なるように近接する構成であることから、切欠き部の空間内へ回転するフランジ部を配置することが可能となり、切欠き部の空間内へのフランジ部の重なり寸法分だけシリンダーをより鉛直下方に下げ高さを低くすることができる。
従って、密閉型圧縮機の振動を低減し、かつ全高を低くすることができる。

第２の発明は、第１の発明において、ピストンはその軸心に対して鉛直方向のブランジ部側に重心が位置するように切欠き部を設けた構成としてある。

これにより、ピストンはその往復軸に対し鉛直方向のフランジ部側に重心が位置することになってピストン２５０の上下重量配分にアンバランスが発生する。このアンバランスにより、ピストンが往復運動するときの上死点における圧縮荷重でピストンの傾きが抑制されるように挙動が変化する。そのためピストンのこじり力が抑制され、摺動損失を低減することができる。

第３の発明は、第１または第２の発明において、切欠き部の少なくとも一部が重なるように近接するフランジ部にバランスウエイトを設けた構成としてある。

これにより、往復動するピストンに接触することなく回転するフランジ部のバランスウエイトの最大外径および質量を大きくすることができる。最大外径および質量を大きくするとバランスウエイトの慣性エネルギーを大幅に増大することができ、振動の原因となるピストンの往復動によって生じる不平衡な振動エネルギーをさらに低減することができる。よって、低速運転においても振動を低減することができる。

また、フランジ部のバランスウエイトの慣性エネルギーを大幅に増大させることで、従来、偏心軸の上端に設けていたバランスウエイトを廃止してフランジ部に設けたバランスウエイトに一本化することができる。そのため偏心軸用バランスウエイトを固定するための偏心軸の延長が不要となり、偏心軸を短縮することができる。さらに、従来、偏心軸上端で回転していたバランスウエイトの占めていた占有空間と合わせて圧縮要素の上部の空間を大幅に縮小することができるので、密閉型圧縮機の全高を下げることが可能となる。

さらに、偏心軸が短縮されて偏心軸の質量が小さくなることで、不平衡な振動エネルギーがさらに減少するため、バランスウエイトを小型軽量化できる。

したがって、より全高が低く、軽量、小型で低速運転においても振動が低い密閉型圧縮機を提供することができる。

第４の発明は、複数の運転周波数でインバータ駆動される第１から第３のいずれかの発明に記載の密閉型圧縮機としてある。

これにより、軽量、小型で全高を低くした低背の圧縮機構が省エネ効果を狙いとして２０ｒ／ｓｅｃ未満といった極端に低い運転周波数で運転する条件下においても、振動を低減することができる。

第５の発明は、密閉型圧縮機、放熱器、減圧装置、吸熱器を配管によって環状に連結した冷媒回路を有し、前記密閉型圧縮機を第１から第４の発明のいずれかに記載の密閉型圧縮機とした冷凍装置である。

これにより、密閉型圧縮機が小型で全高が低く低振動であるので、冷凍装置の貯蔵空間を拡大でき使い勝手の向上が図れるとともに、低振動化することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における密閉型圧縮機の縦断面図、図２は同実施の形態の
下死点におけるピストンおよびフランジ部の要部上面図、図３は同実施の形態の要部側面図である。

図１から図３において、密閉容器２０２内には、下方に配置された電動要素２０６と、上方に配置された圧縮要素２０８とを一体化した電動圧縮要素２１０がサスペンションスプリング２１２により支持されて収容されている。

クランクシャフト２３０は、ロータ２２０を圧入固定した主軸２３２、および主軸２３２に対し偏心して形成された偏心軸２３４を有しており、偏心軸２３４はフランジ部２３６で主軸２３２と接続されている。フランジ部２３６の一部は、図２に示すような形でバランスウエイト２３６ａを形成している。ブロック２４０は、鋳鉄で形成され、シリンダー２４２と軸受部２４４を備えている。

ピストン２５０はシリンダー２４２に往復動自在に挿入され、シリンダー２４２とピストン２５０によって圧縮室２５２が形成されている。ピストン２５０と偏心軸２３４はコネクティングロッド方式の連結手段２５４にて連結されている。

ピストン２５０は、その略円筒形状の円筒面２５０ａの圧縮室２５２と反対側に、下切欠部（Ｄカット）２７０ａと上切欠き部（Ｄカット）２７０ｂを備えている。このピストン２５０は下死点近傍に位置するときに、下方切欠き部（Ｄカット）２７０ａがフランジ部２３６と重なるように近接する構成となっている。

また、ピストン２５０はその軸心に対して鉛直方向のフランジ部２３６側に重心が位置するように下切欠き部（Ｄカット）２７０ａと上切欠き部（Ｄカット）２７０ｂを設けている。すなわち、図３に示すように略円筒形状のピストン２５０の円筒面２５０ａに対して、下切欠き部（Ｄカット）２７０ａの切欠き容積より上切欠き部（Ｄカット）２７０ｂの容積が大きい形状となっている。

また、下切欠き部（Ｄカット）２７０ａと対向する位置に一部が重なるように近接して設けられたフランジ部２３６の回転の外周側にはバランスウエイト２３６ａが設けられている。

電動要素２０６は、インバータ装置（図示せず）により、最低回転数が１５ｒ／ｓｅｃで、最高回転数を８０ｒ／ｓｅｃとし、運転周波数比を４倍以上とした広範囲な運転を行う。

以上のように構成された密閉型圧縮機について、以下その動作、作用を説明する。

商用電源から供給される電力はインバータ装置（図示せず）を介して電動要素２０６に供給され、ロータ２２０を所定の回転数で回転させる。ロータ２２０はクランクシャフト２３０を回転させ、偏心軸２３４の偏心運動が連結手段２５４を介してピストン２５０に伝えられることで、ピストン２５０はシリンダー２４２内を往復運動する。

冷媒は、冷却システム（図示せず）から吸入管２７６を通して密閉容器２０２内に導かれた後、吸入マフラー２６６から吸入され、圧縮室２５２内で連続して圧縮され、吐出管２７８より冷却システムへ再び吐き出される。

またこの際、ピストン２５０がシリンダー２４２内で往復運動することでその反作用として、電動圧縮要素２１０には加振力が加わり、不平衡な振動エネルギーが発生する。この加振力の大きさはピストン２５０の加速度と質量の積と等しい。この不平衡な振動エネ
ルギーをバランスウエイト２３６ａによって打ち消している。

このとき、ピストン２５０が円筒面２５０ａに下切欠き部（Ｄカット）２７０ａと上切欠き部（Ｄカット）２７０ｂを有することで、ピストン２５０の質量は下切欠き部（Ｄカット）２７０ａの切欠き容積と上切欠き部（Ｄカット）２７０ｂの体積の分だけ軽量化されるため、ピストンの往復動による加振力が小さくなる。すなわち、不平衡な振動エネルギーを発生させる加振エネルギーを低減することができる。これにより電動圧縮要素２１０の振動を低減できる。

また、ピストン２５０の下切欠き部（Ｄカット）２７０ａがピストン２５０の往復動の可動領域内でフランジ部２３６のバランスウエイト２３６ａと対向する位置に一部が重なるように近接して設けられているから、下切欠き部（Ｄカット）２７０ａの空間内へ回転するフランジ部２３６を配置することが可能となり、シリンダー２４２をより鉛直下方に下げることができる。

よって、密閉型圧縮機の振動を低減し、かつ全高を低くすることができる。

したがって、小型軽量で低速運転においても振動を低減できる密閉型圧縮機を提供することができる。

また、ピストン２５０はその軸心２５１に対して鉛直方向のフランジ部２３６のバランスウエイト２３６ａ側に重心２５０ｂが位置するように下切欠き部（Ｄカット）２７０ａと上切欠き部（Ｄカット）２７０ｂを設けてあるから、ピストン２５０の摺動損失を低減することができる。

すなわち、ピストン２５０の重心２５０ｂが往復軸２５１より下方に位置することにより、ピストン２５０の上下重量配分にアンバランスが生じ、このアンバランスによりピストン２５０が往復運動するとき上死点における圧縮荷重でクランクシャフト２３０に生じるわずかな撓み変形に伴うピストン２５０の傾きが抑制されるように挙動を変化させて、こじり力を抑制し、摺動損失を低減することができるのである。

また、ピストン２５０はその円筒面２５０ａに下切欠き部（Ｄカット）２７０ａと上切欠き部（Ｄカット）２７０ｂを有することで、高温・高圧の悪条件で圧縮荷重が大きくなった場合でもピストン２５０の円筒面２５０ａの下切欠き部（Ｄカット）２７０ａと上切欠き部（Ｄカット）２７０ｂの非摺動部が逃げとなることでこじり力が抑制され、摺動損失が低減される。

さらに、ピストン２５０の円筒面２５０ａに下切欠き部（Ｄカット）２７０ａと上切欠き部（Ｄカット）２７０ｂを有することで摺動面積が低減し、摺動損失が低減できる。

したがって、ピストン２５０の摺動損失の低い高効率な密閉型圧縮機を提供することができる。

また、ピストン２５０の下切欠き部（Ｄカット）２７０ａと対向する位置に一部が重なるように近接して設けられたフランジ部２３６にバランスウエイト２３６ａが設けてあるから、下死点においてピストン２５０の下切欠き部（Ｄカット）２７０ａの空間内にバランスウエイト２３６ａを位置させることが可能となる。これにより、フランジ部２３６に設けたバランスウエイト２３６ａの体積を増やすことが可能となってバランスウエイト２３６ａの質量を増大できる。さらに回転の最大径２８２（図２参照）を大きくすることができる
ため相乗効果でバランスウエイト２３６ａの慣性エネルギーを大幅に大きくでき、ピストン２５０の往復動による不平衡な振動エネルギーを強力に低減できる。よって、低速運転においても振動を低減することができる。

また、フランジ部２３６のバランスウエイト２３６ａの慣性エネルギーを大幅に増大できることで、従来、偏心軸２３４の上端に設けていた偏心軸用バランスウエイト（図示せず）を不要としフランジ部２３６に一本化することができる。そのため偏心軸用バランスウエイト（図示せず）を固定するための偏心軸２３４の鉛直上方向への延長が不要となる。よって、偏心軸２３４を短縮することができる。さらに、従来、偏心軸２３４上端で回転していた偏心軸用バランスウエイトの占めていた占有空間と合わせて圧縮要素２０８の上部の空間を大幅に縮小することができる。したがって、密閉型圧縮機の全高を下げることが可能となる。

さらに、偏心軸２３４が短縮されることで偏心軸２３４の質量が小さくなり、アンバランス量が減少するため、バランスウエイト２３６ａをさらに小型軽量化できる。

したがって、より全高が低く、軽量、小型で低速運転においても振動が低い密閉型圧縮機を提供することができる。

また、電動要素２０６は複数の運転周波数でインバータ駆動されるようになっており、軽量、小型で全高を低くした低背の圧縮機を、２０ｒ／ｓｅｃ未満といった極端に低い運転周波数で運転する省エネ効果狙いの条件下においても、振動を低減することができる。

（実施の形態２）
図４は本発明の実施の形態２における冷凍装置の構成を示す模式図である。この冷凍装置は、その冷媒回路に、実施の形態１で説明した密閉型圧縮機３００を搭載した構成としてあり、冷凍装置の基本構成の概略について説明する。

図４において、冷凍装置は、扉付の開口を有した断熱性の箱体からなる本体３５１と、本体３５１の内部を、物品の貯蔵空間３５２と機械室３５３に区画する区画壁３５４と、貯蔵空間３５２内を冷却する冷媒回路３５５を具備している。

冷媒回路３５５は、圧縮機として、実施の形態１で説明した密閉型圧縮機３００と、放熱器３５７と、減圧装置３５８と、吸熱器３５９とを環状に配管接続した構成となっている。そして、吸熱器３５９は、送風機（図示せず）を具備した貯蔵空間３５２内に配置されている。吸熱器３５９の冷却熱は、矢印で示すように、送風機によって貯蔵空間３５２内を循環するように撹拌され、貯蔵空間３５２内が冷却される。

以上説明した冷凍装置は、実施の形態１の小型で振動の低い密閉型圧縮機３００を搭載していることにより、冷凍装置の貯蔵空間が拡大でき、使い勝手の向上を図ることができるとともに、低騒音化を実現することができる。

以上、本発明の実施の形態を説明してきたが、上記実施の形態で説明した構成は、本発明を実施する一例として示したものであり、本発明の目的を達成する範囲で種々変更可能なことは言うまでもなく、本発明の技術的思想に基づく構成が適用された各種の密閉型圧縮機を含むものである。

以上のように本発明は、小型軽量で、低速運転においても振動が低い密閉型圧縮機及び
この密閉型圧縮機を用いた冷凍装置を提供することができ、電気冷蔵庫、あるいはエアーコンディショナー等の家庭用に限らず、業務用ショーケース、自動販売機等の各種冷凍装置に広く適用することができる。

２０２ 密閉容器
２０６ 電動要素
２０８ 圧縮要素
２３０ クランクシャフト
２３２ 主軸
２３６ フランジ部
２３６ａ バランスウエイト
２４０ ブロック（シリンダーブロック）
２５０ ピストン
２５０ａ 円筒面
２５１ 往復軸（軸心）
２５２ 圧縮室
２５４ 連結手段
２７０ａ，２７０ｂ 切欠き部
３００ 密閉型圧縮機
３５５ 冷媒回路
３５７ 放熱器
３５８ 減圧装置
３５９ 吸熱器

Claims (5)

1. 密閉容器内に電動要素と圧縮要素を収容し、前記圧縮要素は、圧縮室を形成するシリンダブロックと、前記圧縮室の内部に往復動可能に挿設された略円筒形のピストンと、前記電動要素により回転駆動されるクランクシャフトとを備え、前記クランクシャフトは主軸部と前記ピストンに連結される偏心軸部と前記主軸部と前記偏心軸部を連結するフランジ部とを有するとともに、前記ピストンは前記圧縮室の反対側の円筒面に少なくともひとつの切欠き部を備え、前記ピストンが下死点近傍に位置するときに、前記切欠き部の少なくとも一部が前記フランジ部に重なるように近接する構成とした密閉型圧縮機。
2. ピストンはその軸心に対して鉛直方向のブランジ部側に重心が位置するように切欠き部を設けたことを特徴とする請求項１記載の密閉型圧縮機。
3. 切欠き部の少なくとも一部が重なるように近接するフランジ部にバランスウエイトを備えた請求項１または２に記載の密閉型圧縮機。
4. 複数の運転周波数でインバータ駆動される請求項１から３のいずれか一項に記載の密閉型圧縮機。
5. 密閉型圧縮機、放熱器、減圧装置、吸熱器を配管によって環状に連結した冷媒回路を有し、前記密閉型圧縮機を、請求項１から４のいずれか一項に記載の密閉型圧縮機とした冷凍装置。

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