JP2018193999A - 容積式の密閉型圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】生じた支配的な作動音が人間の聴覚であまり知覚されない周波数範囲にある、容積式の密閉型圧縮機を開示する。【解決手段】問題の本発明は、冷凍圧縮機の技術分野に関する。容積式の密閉型圧縮機が開示されており、その気密ハウジングは、振動のその固有振動数が４２００Ｈｚより大きい周波数で分布され、その「容量密度」が１６０Ｗ／Ｌよりも大きいように特に変更される。【選択図】図１

Description

問題の本発明は、容積式の密閉型圧縮機に、より詳細には、一般的に冷凍システムに適用可能な往復動密閉型圧縮機に関し、その生じる作動音は、主に、人間の聴覚で低い知覚周波数範囲にある。

当業者に知られているように、容積式密閉型圧縮機は、基本的にシリンダピストンアセンブリから成る少なくとも１つの電動機および少なくとも１つの圧縮機構が協働して機能的に収容される気密ハウジングによって本質的に一体化される。この意味で、電動機の動作、冷媒蒸気を圧縮するシリンダ内のピストンの動き、および圧縮機弁の動作は、望ましくない振動および騒音（連続的な騒音）を発生させる。

往復動密閉型圧縮機の騒音低減のための現在の技術は、（ｉ）励起過渡源の低減に影響を及ぼす技術に、（ｉｉ）供給源と最終放射体との間の伝達経路の減少に影響を及ぼす技術に、および（ｉｉｉ）最終的放射体（主にハウジング）に作用する技術に分類され得る。

特に、広く知られている振動音響の原理に考慮して、蒸気圧縮プロセスにおいて圧縮機内で生じる振動がハウジングに伝達され、気密ハウジングの振動の固有振動数に応じて増幅され得ることを観察するのが一般的である。住宅向きの冷凍システム（たとえば、冷蔵庫）に使用される容積式密閉型圧縮機の従来の気密ハウジングは、人間の耳の騒音知覚に非常に敏感な周波数範囲と一致する、３２００Ｈｚからの第１の固有周波数を有する。このように、圧縮機の気密ハウジングは、そのユーザによって特によく知覚される周波数範囲における騒音放射を容易にする。ハウジングの前記固有振動数は、（システム内の圧縮機の固定ベースプレートを考慮することなく）キャップおよび本体センブリから成ることに留意されたい。

これに関連して、現在の技術水準は、一般に冷凍システムに適用可能な往復動密閉型圧縮機における騒音の発生、増幅、および放射の問題を解決することを目的としている解決策を含むことが留意される。

第１の態様によれば、圧縮機を一体化する電動機の動作速度を低下させることによって、容積式密閉型圧縮機の望ましくない騒音を低減することが可能であることが知られている。結局、この可能性は直感的な原理から生ずるものであり、圧縮機の冷凍能力が大きければ大きいほど（その電動機の動作速度が高ければ高いほど）、発せられる騒音は大きくなることが観察される。したがって、この第１の態様を考慮すると、冷凍システムに適用可能な現在の往復動密閉型圧縮機は一般に電動機によって統合され、その最大角速度は、許容限界内に騒音を保つように４５００ｒｐｍ（１分当たりの回転数）を超えないことが留意される。

第２および第３の態様によれば、その気密ハウジングの特定の特性を変えることによって、および特に、ハウジング壁の厚さを増加させ、かつ／またはハウジングの全体形状を最適化することによって気密ハウジングの動的構造剛性を増大させることによって、容積式密閉型圧縮機の望ましくない騒音を低減することが可能であることが知られている。しかしながら、容積式密閉型圧縮機の気密ハウジングの特定の特性を変化させることはまた、必ずしも有益ではない他の変化をもたらす（たとえば、ハウジング壁の厚さを増加させることによる気密ハウジングの動的構造剛性の増加が圧縮機の製造コストの増加を意味する）場合もあり、これは回避されなければならないことに留意する価値がある。

現在の技術水準は（通常は独立して研究され、適用される）これらの２つの態様の組み合わせを説明していないが、ユーザにとって特に不愉快な騒音を最大限に低減するために、その最大角速度が４５００ｒｐｍ未満であり、より大きな動的構造剛性を持つ気密ハウジングが設けられる電動機を一般に備えた冷凍システムに適用可能な往復動密閉型圧縮機を設計することが可能である。この往復動密閉型圧縮機は、非常に静かであろうが、その冷凍能力および製造コストに関して厳しい不利益を有することになる。これは、上で論じられた前記２つの態様が不満足な結果のため通常は組み合わされないことを意味する。

問題の本発明が生まれるのはこの背景に基づいている。

したがって、問題の本発明の基本的な目的は、生じたその支配的な作動音が人間の聴覚であまり知覚されない周波数範囲にある、容積式の密閉型圧縮機を開示することである。

したがって、問題の本発明の目的は、本明細書において開示された容積式密閉型圧縮機が特に４２００Ｈｚより上にある固有周波数が与えられる、気密ハウジングによって一体化されること、および同時に、本明細書において開示された容積式密閉型圧縮機が家庭向け冷凍用途において伝統的な冷凍能力を発生させることができる手段を備えることである。

上で要約された目的は、（少なくとも１つの本体および少なくとも１つのキャップを結合することによって画定される）少なくとも１つの気密ハウジングと、（少なくとも１つの圧縮シリンダおよび可動ピストンによって画定される）少なくとも１つの圧縮機構と、（少なくとも１つの電子制御システムによって制御される）少なくとも１つの電動機と、を備え、前記気密ハウジング内に両方とも収容される圧縮機構および電動機が、機能的に互いに協働している、容積式の密閉型圧縮機によって完全に達成される。

問題の本発明によれば、気密ハウジングは４２００Ｈｚよりも大きい振動のその固有振動数を含み、圧縮機の「容量密度」は、１６０Ｗ／Ｌよりも大きい。

問題の本発明は、添付の図において特に詳細に述べられることになる。

本明細書において開示された容積式密閉型圧縮機の「容量密度」（円形マーキング）と現在の技術水準に属する他の圧縮機の「容量密度」（正方形マーキング）との間の比較グラフを示す図である。 一定の音圧の振幅に起因する特定のラウドネスレベルのグラフである。人間の耳が音圧に対してより大きな感度を有する、３１００Ｈｚ付近の周波数におけるラウドネスレベルのピークが認められる。これらの最大値は、周波数が４２００Ｈｚにシフトされると、およそ３ｐｈｏｎだけ低減される。 ハウジングの表面積の関数としてのラウドネスレベルのグラフである。ハウジング面積が１０００ｃｍ^２から８００ｃｍ^２に縮小されると、およそ３ｐｈｏｎの減少が認められる。 圧縮機の動作の最大角速度の関数としてのラウドネスレベルのグラフである。４５００ｒｐｍから５０００ｒｐｍへ最大角速度が増加すると、およそ３ｐｈｏｎの増加がもたらされる。

一般的に冷凍システムに適用可能な往復動密閉型圧縮機に関しては、現在の技術水準およびそれによって保護される教示を考慮して、先に論じた内容に基づいて、以下のことを客観的に推論することが妥当と思われる。

Ｉ）圧縮機の作動音は、圧縮機のモータ速度が増加されるにつれて増加する。

ＩＩ）圧縮機の作動音は、圧縮機ハウジングの動的構造剛性が増加されるにつれて減少する傾向がある。

この意味で、問題の本発明は、前記冷凍能力に影響を及ぼす作動音の低減の不利益なしに、圧縮機の作動音を低減すること（また、圧縮機の作動音の知覚を低下させること）、およびその冷凍能力を維持することを提案する。

問題の本発明によれば、容積式密閉型圧縮機は、気密ハウジング、圧縮機構、および電動機を最小限に備える形式のものである。

気密ハウジングは少なくとも１つの本体および少なくとも１つのキャップを結合することによって画定され、いったん結合されるならば（好ましくは溶接によって）、完全に密閉式の内部容積を画定することが好ましいが、これに限定されない。

また、圧縮機構は少なくとも１つの圧縮シリンダおよび前記圧縮シリンダ内で往復動式に移動されることが可能な可動ピストンによって画定されることが好ましいが、これに限定されない。

（ロータおよびステータによって一体化された）電動機は一般に電動機を制御するための周波数インバータに一般的なラインで関連している電子制御システムによって制御されることがさらに好ましいが、これに限定されない。

さらに、圧縮機構および電動機は機能的に互いに協働し、圧縮機構および電動機は前記気密ハウジング内に収容されることがさらに強調される。

一般的なラインにおいては、問題の本発明による容積式密閉型圧縮機を一体化するコンポーネントおよびシステムの好ましい実施形態に関する一般的な概念は、当業者に広く知られている。したがって、これらのコンポーネントおよびシステムの開示の十分性は、この状況で明らかである。

問題の本発明の目的を達成するために、気密ハウジングは、振動のその固有振動数が４２００Ｈｚより上に配置されるように特に変更されることが強調される。

前述のように、気密ハウジングの振動の固有振動数の定義は、いくつかの方法（２つの例を挙げると、気密ハウジングの全体サイズの縮小、および気密ハウジングの全体形状の変更）で行われ得る。しかしながら、問題の本発明によれば、気密ハウジングの振動の固有振動数の定義は、その全体的な小型化によって主として与えられることが特に適切である。

したがって、問題の本発明によれば、気密ハウジングは、１．４リットル未満の内部機能容積を備える。圧縮機の全体的な小型化を実現し、その結果として、１．４リットル未満の収容容積を達成するためには、構成要素の圧縮、および圧縮機の内部のそれらの配置の最適化によって圧縮機の内部空間を利用することが必要である。前述の処置が行われているが、圧縮シリンダを縮小して、圧縮サイクルあたりの冷凍能力を低下させることも必要である。こうして、前記圧縮機構の圧縮シリンダは、８ｃｍ^３未満の排出容積を有する。

これらの仕様により、気密ハウジングの振動の固有振動数は、周波数の関数としてのラウドネス知覚のグラフでお分かりのように（図２）、人間の耳の知覚が（現在の技術水準に従って３２００Ｈｚからの固有振動数に関して）少なくとも３ｐｈｏｎだけ減少する周波数範囲に「シフトされ」るようになっている。また、圧縮機の全体的な小型化は、圧縮機ハウジングの表面積を減少させ、それにより、ハウジング面積の関数としてのラウドネス知覚に従って（図３）、少なくとも３ｐｈｏｎより大きい場合にそれによって放射される騒音が低減される。

特に気密ハウジングの振動の固有振動数が４２００Ｈｚより大きく設定されることを決定している、上述の仕様を考慮すると、問題の本発明の一般的目的の大部分が達成されることが留意され、結局、人間の耳は３０００Ｈｚと４０００Ｈｚとの間の周波数でより大きな知覚を有し、４０００Ｈｚより上の周波数の範囲では、知覚は減少し始めることが知られている。

不利益−気密ハウジングの振動の固有振動数の移動に固有の−気密ハウジングおよび圧縮機構の圧縮シリンダの容積の減少による冷凍能力の低下は、電動機の角速度を調整することによって回避され、これは、５０００ｒｐｍより大きい最大動作速度を発生させるのに適応している。

これは、気密ハウジングのおよび圧縮シリンダの寸法特性に従って本明細書において不利にされる、問題の本発明の対象、容積式密閉型圧縮機の冷凍能力が、（５０Ｗと３００Ｗとの間で）家庭向け冷凍標準内で再確立されることを意味する。許容できる範囲内のこの冷凍能力は、電動機の動作速度と圧縮機構の圧縮シリンダの圧縮体積との間の比によって与えられる。

しかしながら、圧縮機の電動機の角速度の増加は、騒音の発生が増加し、同時に、騒音の知覚がまたハウジングの寸法特性のため増加するので、圧縮機の騒音に不利益を発生させる。圧縮機の角速度の関数としてのラウドネスのグラフでお分かりのように（図４）、騒音知覚は、圧縮機の最大角速度が４５００ｒｐｍから５０００ｒｐｍに増加されると少なくとも３ｐｈｏｎだけ増加する。

これに関連して、（現在の技術水準に従って従来の最大速度４５００ｒｐｍより大きい）電動機の動作速度は、動作騒音の増幅に関して関連する不利益を生じず、結局、作動時に圧縮機によって生じる振動は、人間の耳の感度が低下し始めるその時４２００Ｈｚより上のその固有周波数でハウジングによって増幅されるようになることを強調する価値がある。

さらに、提案された解決策の効果の簡単な算術和を作ると、（角速度の増加により生じる）３フォンの増加に対して、（ハウジング固有振動数の増加およびハウジング面積の減少の効果）６フォンの減少を有することになり、それにより、知覚騒音で３フォンの正味の減少が生じる。

圧縮機によって生成される最大冷凍能力は、次のように等式化され得る。すなわち、「η_ｖｏｌ」が前記圧縮機の容積効率であり、「ρ」が吸込み圧力における冷媒流体の密度であり、「Ｖ_{ｓｗｅｐｔ}」が圧縮シリンダの排出容積であり、「ｆ」が圧縮機モータの動作の角速度であり、「ΔＨ」が冷凍システムの蒸発エンタルピーの差であるので、「ｃａｐ＝η_ｖｏｌ×ρ×Ｖ_{ｓｗｅｐｔ}×ｆ×ΔＨ」である。

その前提がその最大角速度が５０００ｒｐｍから成る電動機によって駆動される８ｃｍ^３未満の圧縮容積圧縮機構を考慮する、問題の本発明によれば、規範的条件Ａｓｈｒａｅ（アシュレイ）ＬＢＰ（−２３．３℃の蒸発温度、凝縮温度５４．４℃）下で作動すると、本明細書において開示される容積式密閉型圧縮機は、特に、およそ２２３Ｗの冷凍能力を発生させるのに適応している。

圧縮機の容量密度を測定する１つの方法は、次の式によって与えられる。すなわち、「ｃａｐ」がＡｓｈｒａｅ ＬＢＰの冷凍能力であり、「Ｖｏｌ＿ｉｎｔ」がリットルという単位での圧縮機のハウジングの内部容積（内部コンポーネントなし）であるので、「容量密度＝Ｃａｐ／Ｖｏｌ＿ｉｎｔ」である。この点に関して、その内部機能容積が１．４リットルから成る問題とする本発明の対象の容積式密閉型圧縮機を考慮すると、「容量密度」は１６０Ｗ／Ｌから成る。

図１は、Ａｓｈｒａｅ ＬＢＰ規範的条件を考慮した「容量密度」のグラフを指すが、現在の技術水準に属する伝統的な圧縮機（正方形マーキング）および容積式密閉圧縮機（円形マーキング）を比較可能な方法で示している。この意味で、提案された解決策は、既存の圧縮機を考慮して著しく優れた「容量密度」を示すことを認めることができる。

上述の説明は、問題の本発明の特定の実施形態を例示的に説明するという唯一の目的を有することに留意することが重要である。したがって、同じ結果を達成するように、同じ機能を実質的に同じ方法で実行する要素の修正、変形、および構成的組み合わせが、添付の特許請求の範囲によって限定される保護の範囲内に留まることは明らかである。

Claims (6)

1. 少なくとも１つの本体および少なくとも１つのキャップを結合することによって画定される少なくとも１つの気密ハウジングと、
   少なくとも１つの圧縮シリンダおよび可動ピストンによって画定される少なくとも１つの圧縮機構と、
   少なくとも１つの電子制御システムによって制御される少なくとも１つの電動機と、
   を備えるタイプの、容積式の密閉型圧縮機にして、
   前記圧縮機構および前記電動機が、機能的に互いに協働しており、
   前記圧縮機構および前記電動機が、前記気密ハウジング内に収容される
   容積式の密閉型圧縮機であって、
   前記気密ハウジングが、４２００Ｈｚよりも大きい振動の第１の固有振動数を含み、
   「容量密度」が、１６０Ｗ／Ｌよりも大きい
   ことによって特に特徴づけられる、容積式の密閉型圧縮機。
2. １．４リットル未満の内部機能容積を備えることによって特徴づけられる、請求項１に記載の圧縮機。
3. ８ｃｍ^３未満の圧縮容積を持つ圧縮シリンダを備えることによって特徴づけられる、請求項１に記載の圧縮機。
4. ５０００ｒｐｍよりも大きい最大角速度を得るために特に改造された電動機を備えることによって特徴づけられる、請求項１に記載の圧縮機。
5. ２００Ｗよりも大きい冷凍能力を発生させるのに特に適応していることによって特徴づけられる、請求項１に記載の圧縮機。
6. １６０Ｗ／Ｌのより高い「容量密度」を含むことによって特徴づけられる、請求項１から５のいずれか一項に記載の圧縮機。

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