JP2017172498A - 圧縮機、及び圧縮機の設計方法 - Google Patents

Abstract

【課題】流体を周期的に圧縮して吐出空間に吐出する圧縮機において、カバーにおける共鳴に起因する騒音を低減する。【解決手段】回転駆動する回転軸と、回転軸の回転を用いて流体を周期的に圧縮して吐出する圧縮機本体と、圧縮機本体から吐出された流体が導入される吐出空間を形成するカバー本体３４、及び、カバー本体３４の表面３４ａ及び裏面の少なくとも一方に設けられて、表面及び裏面の少なくとも一方に沿って延びる複数の補強部３７を有するカバー６と、を備える圧縮機を提供する。【選択図】図２

Description

本発明は、圧縮機、及び圧縮機の設計方法に関する。

圧縮機としては、例えば、スクロールの回転運動を用いて冷媒等の作動流体を圧送するスクロール圧縮機が知られている。スクロール圧縮機においては、スクロールにて圧縮された冷媒が、スクロールの回転周期に対応して周期的に吐出空間に吐出される（例えば、特許文献１参照。）。吐出空間は、圧縮機のハウジングやカバーによって囲まれた空間であり、圧縮された冷媒は、カバーに設けられた吐出配管を介して他の系に排出される。

特開２００１−３３６４８４号公報

ところで、冷媒がスクロールの吐出口から周期的に吐出空間に吐出されることによって、圧力脈動が生じる。この圧力脈動が吐出空間の固有振動数と一致すると、共鳴が起こることがある。従来の圧縮機では、この共鳴によってカバーが振動することで、騒音が発生することがあった。

この発明は、流体を周期的に圧縮して吐出空間に吐出する圧縮機において、カバーにおける共鳴に起因する騒音を低減することができる圧縮機を提供することを目的とする。

本発明の第一の態様によれば、圧縮機は、回転駆動する回転軸と、前記回転軸の回転を用いて流体を周期的に圧縮して吐出する圧縮機本体と、前記圧縮機本体から吐出された前記流体が導入される吐出空間を形成するカバー本体、及び、前記カバー本体の表面及び裏面の少なくとも一方に設けられて、前記表面及び前記裏面の少なくとも一方に沿って延びる複数の補強部を有するカバーと、を備える。

このような構成によれば、カバーに補強部を形成することによって、周期的に吐出される流体と吐出空間に対応して起こる共鳴によって発生するカバーの振動を抑えることができる。

上記圧縮機において、前記回転軸を軸線回りに回転駆動させる電動機と、前記軸線に沿う筒状をなし、前記電動機と前記回転軸と前記圧縮機本体とを収容するハウジングと、を備え、前記カバーは、前記ハウジングの一端を閉じるアッパーカバーであってよい。

上記圧縮機において、前記ハウジングは円筒状をなし、前記カバー本体は、前記軸線方向から見て円形をなし、前記補強部は、前記カバー本体の中心から放射状に延在してよい。

上記圧縮機において、前記補強部は、前記カバー本体の中心に対して周方向に延在してよい。

上記圧縮機において、前記カバー本体は、前記軸線方向に突出する頂部を有する多角錐状をなし、前記補強部は、前記カバー本体の斜稜であってよい。

本発明の第二の態様によれば、圧縮機の設計方法は、回転駆動する回転軸を備え、前記回転軸の回転を用いて流体を周期的に圧縮して吐出する圧縮機本体と、前記圧縮機本体から吐出された前記流体が導入される吐出空間を画成するカバーと、を備える圧縮機を設計する圧縮機設計工程と、前記圧縮機設計工程にて設計された圧縮機に基づいてモデル化された圧縮機モデルを用いて、前記吐出空間に生じる共鳴モードを測定する共鳴モード計測工程と、前記共鳴モード計測工程によって測定された共鳴モードに基づいて、前記カバーに前記共鳴モードの腹を通過するように前記カバーの表面及び裏面の少なくとも一方に、前記表面及び前記裏面の少なくとも一方に沿って延びる複数の補強部を設計する補強部設計工程と、を有する。

本発明によれば、カバーに補強部を形成することによって、周期的に吐出される流体と吐出空間に対応して起こる共鳴によって発生するカバーの振動を抑えることができる。

本発明の第一の実施形態のスクロール圧縮機の断面図である。 本発明の第一の実施形態のスクロール圧縮機のアッパーカバーの斜視図である。 本発明の第一の実施形態のスクロール圧縮機の吐出チャンバの共鳴モードを示す模式図である。 本発明の第一の実施形態の第一の変形例スクロール圧縮機のアッパーカバーの斜視図である。 本発明の第一の実施形態の第二の変形例スクロール圧縮機のアッパーカバーの斜視図である。 本発明の第二の実施形態のスクロール圧縮機のアッパーカバーの斜視図である。

〔第一の実施形態〕
以下、本発明の第一の実施形態の圧縮機について図面を参照して詳細に説明する。本実施形態の圧縮機は、旋回スクロールが公転運動を行い、固定スクロールとの間にできた圧縮室が中央部へと動いていくに従い、圧縮室容積が小さくなっていくことで圧縮作用を行うスクロール圧縮機である。本実施形態のスクロール圧縮機は冷凍サイクルに用いられるもので、作動流体は冷媒である。

図１に示すように、スクロール圧縮機１は、電動機３と、電動機３によって軸線Ｏ１回りに回転駆動する回転軸２と、回転軸２の回転を用いて冷媒を圧縮して吐出する圧縮機本体４と、回転軸２、電動機３、及び圧縮機本体４を収容するハウジング５と、ハウジング５の軸線方向一方側Ｄ１の一端を閉じるアッパーカバー６とハウジング５の軸線方向他方側Ｄ２を閉じるロアカバー７と、を有している。
なお、以下の説明において、回転軸２の軸線Ｏ１が延びている方向を軸線方向Ｄとする。また、軸線Ｏ１に直交する方向を径方向とし、径方向で軸線Ｏ１から遠ざかる側を径方向外側といい、径方向で軸線Ｏ１に近づく側を径方向内側という。また、軸線方向Ｄであって、図１の上方を軸線方向一方側Ｄ１、図１の下方を軸線方向他方側Ｄ２という。

圧縮機本体４は、回転軸２の回転エネルギーによって冷媒を圧縮して高圧状態で外部に吐出する。
圧縮機本体４は、固定スクロール１７と、旋回スクロール１８と、を有している。ディスチャージカバー８は、ハウジング５の内部の空間を軸線方向Ｄに区画する略円盤状の部材である。吐出チャンバ１５（吐出空間）は、ディスチャージカバー８とアッパーカバー６とによって形成される空間である。吐出チャンバ１５は、圧縮機本体４から吐出された冷媒が導入される空間である。ディスチャージカバー８の中央部には、吐出チャンバ１５と圧縮後の冷媒を連通するディスチャージポート２０と、高圧側からの冷媒の逆流を防止するための吐出弁２１が設けられている。

なお、本実施形態の吐出チャンバ１５は、アッパーカバー６とディスチャージカバー８とによって形成されているがこれに限ることはない。例えば、吐出チャンバ１５が、アッパーカバー６と固定スクロール１７の軸線方向一方側Ｄ１を向く面とから形成されてもよいし、アッパーカバー６のみによって形成されてもよい。

ハウジング５には、外部から冷媒を吸入する吸入配管９が設けられている。アッパーカバー６には、圧縮機本体４による圧縮を経て吐出チャンバ１５内で高圧状態となった冷媒を排出する吐出配管１０が設けられている。

回転軸２は軸線Ｏ１を中心とした円柱状をなしている。回転軸２は、軸線方向一方側Ｄ１に設けられたメイン軸受１１、及び軸線方向他方側Ｄ２に設けられたサブ軸受１３によってハウジング５内で回転可能に支持されている。メイン軸受１１と回転軸２の外周面との間にはメイン軸受本体１２が取り付けられている。サブ軸受１３と回転軸２の外周面との間にはサブ軸受本体１４が取り付けられている。

回転軸２の軸線方向一方側Ｄ１の端部において、軸線Ｏ１に対してオフセットされた（偏心した）位置には、軸線Ｏ１とは異なる偏心軸線Ｏ２を中心として柱状をなす偏心軸１６が設けられている。偏心軸線Ｏ２は軸線Ｏ１と平行をなしている。偏心軸１６は、回転軸２の端部から軸線方向一方側Ｄ１に向かって突出する円柱状をなしている。したがって、回転軸２が軸線Ｏ１回りに回転している状態では、偏心軸１６は回転軸２の軸線Ｏ１回りに公転する。

固定スクロール１７は、ハウジング５内部に固定された略円盤状の部材である。旋回スクロール１８は、固定スクロール１７に対して軸線方向Ｄから対向することで両者の間に圧縮室Ｃを形成する。
固定スクロール１７は、円盤状の固定端板２５と、固定端板２５の軸線方向他方側Ｄ２の面から軸線方向Ｄに立設された固定ラップ２６と、を有している。固定端板２５は、軸線Ｏ１におおむね直交する面に沿って延びている。固定ラップ２６は、軸線方向Ｄから見て渦巻状に形成された壁体である。固定ラップ２６は、固定端板２５の中心回りに巻回された板状の部材で形成されている。固定ラップ２６は、軸線方向Ｄから見て軸線Ｏ１を中心とするインボリュート曲線をなすように構成されることが望ましい。

固定ラップ２６の径方向外側には、固定端板２５の外周に沿って筒状に延びる外周壁２７が形成されている。外周壁２７の軸線方向他方側Ｄ２の端縁には、径方向外側に向かって広がる円環状のフランジ部２８が設けられている。固定スクロール１７は、フランジ部２８を介してボルト等によってメイン軸受１１に固定されている。固定スクロール１７の渦巻の中央部には、固定スクロール吐出口２９が形成されている。

旋回スクロール１８は、円盤状の旋回端板２３と、旋回端板２３における軸線方向一方側Ｄ１の面に設けられた渦巻状の旋回ラップ３１と、を有している。旋回ラップ３１も、軸線Ｏ１を中心とするインボリュート曲線をなすように構成されることが望ましい。

旋回ラップ３１は、固定ラップ２６に対して軸線方向Ｄから対向するとともに、軸線Ｏ１と交差する方向で互いに重なり合うように配置される。換言すれば、固定ラップ２６と旋回ラップ３１とは互いに噛み合っている。このように噛み合った状態で、固定ラップ２６と旋回ラップ３１との間には一定の空間が形成される。この空間は旋回ラップ３１の旋回に伴ってその容積が変化する。これにより、冷媒を圧縮することが可能とされている。

旋回端板２３の軸線方向他方側Ｄ２の面には、円筒状のボス部３０が形成されている。ボス部３０の中心軸は、偏心軸線Ｏ２と同軸である。ボス部３０の内側の空間には、回転軸２に形成された偏心軸１６が、ドライブッシュ３２を介して軸線方向Ｄから嵌入される。ドライブッシュ３２とボス部３０との間には旋回軸受３３が取り付けられている。

メイン軸受１１には旋回スクロール１８の自転（偏心軸線Ｏ２回りの回転）を規制するためのオルダムリング２２が設けられている。オルダムリング２２には、旋回スクロール１８の旋回端板２３に形成された溝に嵌合する突起が形成されている。オルダムリング２２から見て径方向内側には、スラスト軸受２４が設けられている。スラスト軸受２４は、旋回スクロール１８による軸線方向Ｄの荷重を支持する。

本実施形態のアッパーカバー６について説明する。
図２に示すように、アッパーカバー６は、吐出チャンバ１５（図１参照）を形成するアッパーカバー本体３４と、アッパーカバー本体３４の表面３４ａに設けられた補強部３７（リブ）と、を有している。アッパーカバー本体３４は、軸線方向Ｄから見て円形をなし、吐出チャンバ１５の一部を形成する。
アッパーカバー本体３４は、円筒形状の円筒部３５と、円筒部３５の軸線方向一方側Ｄ１を塞ぐドーム部３６と、を有している。ドーム部３６は、球面形状をなしている。ドーム部３６と円筒部３５とは滑らかに接続されている。

アッパーカバー本体３４の表面３４ａには、アッパーカバー本体３４の表面３４ａに沿って延びる複数の補強部３７が形成されている。補強部３７は、アッパーカバー本体３４の中心Ｔ１から放射状に延在している。アッパーカバー６の中心Ｔ１とは、軸線Ｏ１とアッパーカバー６とが交差する点である。
複数の補強部３７は、周方向に間隔をあけて形成されている。複数の補強部３７は、周方向に等間隔に形成されていることが好ましい。補強部３７は、アッパーカバー本体３４の表面３４ａから突出する突条である。補強部３７はアッパーカバー本体３４を強化する機能を有する。

次に、本実施形態のスクロール圧縮機１の設計方法について説明する。
スクロール圧縮機１の設計方法は、圧縮機設計工程と、共鳴モード計測工程と、補強部設計工程と、を有している。
圧縮機設計工程は、要求される性能、仕様等に基づいて、スクロール圧縮機を設計する工程である。設計者は、電動機の選定（設計）、スクロールの設計、ハウジング、アッパーカバーの形状等の設計を行う。これにより、電動機の仕様、吐出チャンバ等の形状が決定する。

共鳴モード計測工程は、圧縮機設計工程にて設計されたスクロール圧縮機に基づいてモデル化された圧縮機モデル（解析モデル）を用いて、コンピュータ上でシミュレーションを行い、吐出チャンバに生じる共鳴モード（音響固有値、音響特性）を測定する工程である。

具体的には、まず、設計されたスクロール圧縮機に基づいて、コンピュータに入力可能な圧縮機モデルを作成する。次に、解析ソフト等を用いて、コンピュータ上で、圧縮機モデルの挙動を模擬する。
ここで、スクロール圧縮機１の動作について説明する。圧縮機本体４（スクロール）で圧縮された冷媒は、固定スクロール１７の固定スクロール吐出口２９から周期的に吐出される。固定スクロール吐出口２９を通過した冷媒は、固定スクロール１７とディスチャージカバー８の間の空間を通過する。冷媒は、ディスチャージカバー８のディスチャージポート２０を通過し、アッパーカバー６で画成された吐出チャンバ１５に入り、吐出配管１０へと抜けていく。

冷媒がこのようなルートで流れる際、冷媒が吐出弁２１から周期的に吐出チャンバ１５（吐出空間）に吐出されることによって、圧力脈動が生じる。この圧力脈動が吐出チャンバ１５の固有振動数と一致すると、共鳴が起こる。この共鳴によってアッパーカバー６が振動する。

図３は、シミュレーションにより測定された吐出チャンバ１５の共鳴モードである。また、シミュレーションにより共鳴周波数が特定される。本実施形態のスクロール圧縮機１の場合、共鳴周波数は、４ｋＨｚ−５ｋＨｚとなる。
図３において、符号＋は、共鳴により圧力が高くなる位置、符号−は、共鳴により圧力が低くなる位置であり、これらの位置が共鳴モードの腹となる。
共鳴モードは、図３に示すようなものに限らず、吐出チャンバ１５の形状等に応じて変化する。例えば、共鳴モードの腹の周方向の間隔は、回転軸２の回転速度等によって変化する。

補強部設計工程では、共鳴モード測定工程にて特定された共鳴モードの腹の位置に基づいて、アッパーカバー本体３４の表面３４ａに補強部３７を設計する。具体的には、補強部３７は、共鳴モードの腹を通過するように設計される。

上記実施形態によれば、共鳴によってアッパーカバー６における共鳴モードの腹に対応する位置が振動した場合においても、補強部３７によって、アッパーカバー６の振動を抑制することができる。即ち、補強部３７によって共鳴モードの腹に対応する位置が強化されることによって、振動による騒音を低減することができる。

なお、補強部３７の形状はこれに限ることはなく、共鳴モードの腹を強化するように、アッパーカバー本体３４の表面３４ａ及び裏面の少なくとも一方に設けられて、表面３４ａ及び裏面の少なくとも一方に沿って延びる形状であればよい。
例えば、図４に示す第一の変形例の補強部３７Ｂのように、補強部３７Ｂを共鳴モードの腹を通過するように、周方向に延在させてもよい。具体的には、本実施形態の第一の変形例の補強部３７Ｂは、同心円状に形成された複数の環状の補強部である。補強部３７Ｂの少なくとも一部は、共鳴モードの腹を通過するように形成されている。
本変形例によれば、共鳴モードの腹が周方向に移動しても、振動を抑制することができる。

また、図５に示す第二の変形例の補強部のように、径方向に延在する補強部３７と周方向に延在する環状の補強部３７Ｂとを組み合わせてもよい。
本変形例によれば、アッパーカバー本体３４の剛性をより向上させることができる。

また、上記実施形態では、補強部３７を設けることによって、補強部３７周辺を強化する構成としたが、これとは逆に、隣り合う共鳴モードの腹の間（共鳴モードの節）に径方向に延在する凹溝を形成することによって、相対的に、共鳴モードの腹に対応する部位をそれ以外の部位よりも強化する構成としてもよい。

また、アッパーカバー本体３４と補強部３７とを一体としたアッパーカバー６を鋳造により製造してもよいし、アッパーカバー本体３４と補強部３７とを一体としたアッパーカバー６を切削加工により削り出してもよい。
アッパーカバー本体３４と補強部３７とを別々に形成して、溶接などによって両者を接合してもよい。

また、補強部３７は、アッパーカバー６の表面３４ａ（軸線方向一方側Ｄ１を向く面）に限らず、アッパーカバー６の裏面に形成してもよい。ただし、アッパーカバー６の裏面に補強部３７を形成する場合、吐出チャンバ１５の形状が変るため好ましくはない。
また、解析を行うことなく、実機を用いた測定により、補強部３７の位置を決定してもよい。

〔第二の実施形態〕
以下、本発明の第二の実施形態の圧縮機について図面を参照して詳細に説明する。なお、本実施形態では、上述した第一の実施形態との相違点を中心に述べ、同様の部分についてはその説明を省略する。
本実施形態の圧縮機のアッパーカバー６Ｂは、軸線方向一方側Ｄ１に突出する頂部Ｔ２を有する多角錐状をなしている。即ち、図６に示すように、断面形状が十二角形状をなす筒状部３５Ｂと、十二角錐形状のドーム部３６Ｂから形成されてもよい。

このような形状の場合、十二角錐形状のドーム部３６Ｂの斜稜３９（稜線）の強度が、側面４０の強度よりも高くなる。よって、斜稜３９の位置を共鳴モードの腹と対応させることによって、振動を抑制することができる。即ち、十二角錐形状のドーム部３６Ｂの斜稜３９が本実施形態の補強部となる。このような形状のアッパーカバー６Ｂは、板金プレス加工を用いて製造することができる。

以上、本発明の実施形態について詳細を説明したが、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内において、種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態では、圧縮機としてスクロール圧縮機を採用したが、回転駆動する回転軸と、回転軸の回転を用いて流体を周期的に圧縮して吐出する圧縮機本体と、圧縮機本体から吐出された流体が導入される吐出空間を形成するカバーと、を備える圧縮機であればよい。圧縮機としては、例えば、斜坂式圧縮機や、ロータリー圧縮機にも適用が可能である。

１ スクロール圧縮機
２ 回転軸
３ 電動機
４ 圧縮機本体
５ ハウジング
６，６Ｂ アッパーカバー（カバー）
８ ディスチャージカバー
９ 吸入配管
１０ 吐出配管
１１ メイン軸受
１３ サブ軸受
１５ 吐出チャンバ
１６ 偏心軸
１７ 固定スクロール
１８ 旋回スクロール
２０ ディスチャージポート
２１ 吐出弁
２３ 旋回端板
２５ 固定端板
２６ 固定ラップ
２９ 固定スクロール吐出口
３１ 旋回ラップ
３３ 旋回軸受
３４ アッパーカバー本体（カバー本体）
３４ａ 表面
３５ 円筒部
３５Ｂ 筒状部
３６ ドーム部
３７，３７Ｂ 補強部
３９ 斜稜
４０ 側面
Ｃ 圧縮室
Ｄ 軸線方向
Ｄ１ 軸線方向一方側
Ｄ２ 軸線方向他方側
Ｏ１ 軸線
Ｏ２ 偏心軸線

Claims (6)

1. 回転駆動する回転軸と、
   前記回転軸の回転を用いて流体を周期的に圧縮して吐出する圧縮機本体と、
   前記圧縮機本体から吐出された前記流体が導入される吐出空間を形成するカバー本体、及び、前記カバー本体の表面及び裏面の少なくとも一方に設けられて、前記表面及び前記裏面の少なくとも一方に沿って延びる複数の補強部を有するカバーと、を備える圧縮機。
2. 前記回転軸を軸線回りに回転駆動させる電動機と、
   前記軸線に沿う筒状をなし、前記電動機と前記回転軸と前記圧縮機本体とを収容するハウジングと、を備え、
   前記カバーは、前記ハウジングの一端を閉じるアッパーカバーである請求項１に記載の圧縮機。
3. 前記ハウジングは円筒状をなし、
   前記カバー本体は、前記軸線方向から見て円形をなし、
   前記補強部は、前記カバー本体の中心から放射状に延在する請求項２に記載の圧縮機。
4. 前記補強部は、前記カバー本体の中心に対して周方向に延在する請求項２又は請求項３に記載の圧縮機。
5. 前記カバー本体は、前記軸線方向に突出する頂部を有する多角錐状をなし、
   前記補強部は、前記カバー本体の斜稜である請求項２に記載の圧縮機。
6. 回転駆動する回転軸を備え、前記回転軸の回転を用いて流体を周期的に圧縮して吐出する圧縮機本体と、
   前記圧縮機本体から吐出された前記流体が導入される吐出空間を画成するカバーと、を備える圧縮機を設計する圧縮機設計工程と、
   前記圧縮機設計工程にて設計された圧縮機に基づいてモデル化された圧縮機モデルを用いて、前記吐出空間に生じる共鳴モードを測定する共鳴モード計測工程と、
   前記共鳴モード計測工程によって測定された共鳴モードに基づいて、前記カバーに前記共鳴モードの腹を通過するように前記カバーの表面及び裏面の少なくとも一方に、前記表面及び前記裏面の少なくとも一方に沿って延びる複数の補強部を設計する補強部設計工程と、を有する圧縮機の設計方法。

Images