JP2020037869A - 軸支部を備える圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮機の振動を抑制すること。【解決手段】圧縮機５は、ケーシング１０と、モータ２０と、クランク軸３０と、圧縮機構４０と、軸支部６１と、を備える。ケーシング１０は、第１寸法Ｄ１の内径を持つ円筒部１１を有する。モータ２０は、第２寸法Ｄ２の外径を持つロータ２２を有する。クランク軸３０は、前記ロータ２２に固定されており、回転軸心ＲＡのまわりに回転する。圧縮機構４０は、低圧冷媒を圧縮することによって高圧冷媒を生成する。軸支部６１は、クランク軸３０を回転可能に支える。第２寸法Ｄ２に対する第１寸法Ｄ１の比率Ｄ１／Ｄ２は１．８以下である。回転軸心ＲＡの延出方向における軸支部６１の全長Ｌは１０ｍｍ以上かつ４０ｍｍ以下である。【選択図】図５

Description

本発明は、軸支部を備える圧縮機に関する。

空気調和装置および冷蔵庫などの冷凍装置には、圧縮機が搭載される。特許文献１（特開２００６−１４４７３１号公報）は、クランク軸が１回転する期間にトルクが大きく変動する、という現象が往復型圧縮機に起こることを説明している。このようなトルク変動は、振動すなわち騒音を引き起こす。同様の問題は、ロータリ型圧縮機などの他の種類の圧縮機においても起こりうる。トルク変動に起因する振動を低減する解決策の１つは、モータのロータを大型化し、ロータの重量を増やすことによって、回転のイナーシャを確保することである。

しかしながら、ロータの重量増加は別の振動を引き起こすおそれがある。それは、重量の不均衡に起因する振動である。この振動は、ロータの重量分布の微妙な不均衡によってわずかに傾斜したクランク軸の先端が、往復や回転などの運動をすることによって始まる。その運動は、次いで、クランク軸を支える軸受および圧縮機構を振動させる。この振動はケーシングに伝達され、最終的には圧縮機全体が振動する。このような重量の不均衡に起因する振動は、重量の大きなロータを高速で回転させる場合にとりわけ顕著になる。

本発明の課題は、圧縮機の振動を抑制することである。

本発明の第１観点に係る圧縮機は、ケーシングと、モータと、クランク軸と、圧縮機構と、軸支部と、を備える。ケーシングは、第１寸法の内径を持つ円筒部を有する。モータは、第２寸法の外径を持つロータを有する。クランク軸は、ロータに固定されており、回転軸心のまわりに回転する。圧縮機構は、低圧冷媒を圧縮することによって高圧冷媒を生成する。軸支部は、クランク軸を回転可能に支える。第２寸法に対する第１寸法の比率は１．８以下である。回転軸心の延出方向における軸支部の全長は１０ｍｍ以上かつ４０ｍｍ以下である。

この構成によれば、軸支部の全長が短い。したがって、ロータと軸支部とを近接配置する際の妨げとなるロータと軸支部との干渉が起こりにくいので、圧縮機の振動を抑制するのに好都合である。

本発明の第２観点に係る圧縮機は、第１観点に係る圧縮機において、ロータが、圧縮機構から遠い第１面、および、圧縮機構に近い第２面を有する。軸支部における第１面に最も近い端部は、前記第２面と比較して所定距離だけ前記第１面からより遠い。所定距離は２ｍｍ以下である。

この構成によれば、ロータは軸支部に近接して配置されるので、軸支部または圧縮機構のケーシングへの固定箇所から、ロータの重心までの距離が短い。したがって、クランク軸の傾斜が起こりにくいので、圧縮機の振動を抑制できる。

本発明の第３観点に係る圧縮機は、第２観点に係る圧縮機において、ロータの第２面における、軸支部の端部に対向する箇所には、第２面と比較して第１面のより近くに位置する面によって規定される凹部が形成されている。

この構成によれば、凹部の存在により、ロータおよび圧縮機構を互いに干渉することなく近接配置することができる。したがって、軸支部または圧縮機構のケーシングへの固定箇所から、ロータの重心までの距離がより短いので、圧縮機の振動をより抑制できる。

本発明の第４観点に係る圧縮機は、第３観点に係る圧縮機において、所定距離は、さらに−２ｍｍ以上である。

この構成によれば、軸支部の端部が凹部に入り込んでいる構成において、その端部と第２面との距離が短い。これは、凹部を規定する面と軸支部の端部が適度に離間することを意味する。したがって、各種制約の下で、その両者について、配置の自由度を増やすことができる。

本発明の第５観点に係る圧縮機は、第２観点から第４観点のいずれか１つに係る圧縮機において、ロータがロータコアを有する。第１面は、ロータコアにおける圧縮機構から最も遠い面である。第２面は、ロータコアにおける圧縮機構に最も近い面である。

この構成によれば、第１面および第２面はロータコアに属する。したがって、軸支部または圧縮機構のケーシングへの固定箇所から、ロータの重心までの距離をより短くできる。

本発明の第６観点に係る圧縮機は、第１観点から第５観点のいずれか１つに係る圧縮機において、第１寸法は、６０ｍｍ以上かつ１２０ｍｍ以下である。

この構成によれば、圧縮機は小径のケーシングを有する。したがって、小型の圧縮機において振動を抑制できる。

本発明の第７観点に係る圧縮機は、第１観点から第６観点のいずれか１つに記載の圧縮機において、軸支部の全長は３７ｍｍ以下である。

この構成によれば、軸支部の全長がさらに短い。したがって、軸支部または圧縮機構のケーシングへの固定箇所から、ロータの重心までの距離がさらに短いので、圧縮機の振動をさらに抑制できる。

本発明の第８観点に係る圧縮機は、第１観点から第７観点のいずれか１つに係る圧縮機において、軸支部はロータに対して圧縮機構の側のみに存在する。

この構成によれば、軸支部はロータに対して圧縮機構の反対側には存在しない。したがって、圧縮機のコストダウンを達成できる。

本発明の第９観点に係る圧縮機は、第１観点から第８観点のいずれか１つに係る圧縮機において、圧縮機構が軸支部に固定されており、前記軸支部よりも前記ロータから遠い。

この構成によれば、圧縮機構と軸支部は極めて近接している。したがって、圧縮機構におけるピストンの回転が安定化される。

本発明の第１０観点に係る圧縮機は、第１観点から第９観点のいずれか１つに係る圧縮機において、軸支部が、全長にわたり連続的にクランク軸に接触する。

この構成によれば、軸支部は全長にわたってクランク軸と接触する。したがって、非接触部分を有する軸支構造に比べて、軸支部の全長を短くできる。

本発明の第１１観点に係る圧縮機は、第１観点から第１０観点のいずれか１つに係る圧縮機において、軸支部が円筒部に直接的に固定されている。

この構成によれば、軸支部がケーシングに直接的に固定される。したがって、圧縮機構および軸支部の組立体をケーシングに固定する固定箇所がロータに近いので、圧縮機の振動をより抑制できる。

本発明の第１２観点に係る圧縮機は、第１観点から第１１観点のいずれか１つに係る圧縮機において、圧縮機構が円筒部に直接的に固定されている。

この構成によれば、圧縮機構がケーシングに直接的に固定される。したがって、大きな重量を有する圧縮機構が振れる現象を抑制できる。

本発明の第１３観点に係る圧縮機は、第１観点から第１２観点のいずれか１つに係る圧縮機において、ロータリ型圧縮機である。

この構成によれば、回転中のトルク変動に起因して振動を発しやすいロータリ型圧縮機に対して、騒音の抑制策を施すことができる。

本発明の第１観点、第２観点、第３観点、第６観点、第７観点、第１１観点、および第１３観点に係る圧縮機によれば、圧縮機の振動を抑制できる。

本発明の第４観点に係る圧縮機によれば、凹部を規定する面および軸支部の端部などについて、配置の自由度を増やすことができる。

本発明の第５観点に係る圧縮機によれば、軸支部または圧縮機構のケーシングへの固定箇所から、ロータの重心までの距離をより短くできる。

本発明の第８観点に係る圧縮機によれば、圧縮機のコストダウンを達成できる。

本発明の第９観点に係る圧縮機によれば、圧縮機構におけるピストンの公転が安定化される。

本発明の第１０観点に係る圧縮機によれば、軸支部の全長を短くできる。

本発明の第１２観点に係る圧縮機によれば、大きな重量を有する圧縮機構が振れる現象を抑制できる。

本発明の一実施形態に係る圧縮機５の断面図である。 圧縮機５の円筒部１１およびモータ２０の平面図である。 圧縮機５のステータ２１の断面図である。 圧縮機５のロータ２２の断面図である。 圧縮機５の部分的な断面図である。 本発明の変形例に係る圧縮機５Ａの断面図である。 圧縮機５Ａのロータ２２の断面図である。 圧縮機５Ａの部分的な断面図である。

以下、本発明に係る空気調和装置の実施形態について、図面を用いて説明する。なお、本発明に係る空気調和装置の具体的な構成は、下記の実施形態に限られるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

（１）全体構成
（１−１）概要
図１は、本発明の一実施形態に係る圧縮機５を示す。圧縮機５は、空気調和装置および冷蔵庫などの冷凍装置に搭載され、ガス状の冷媒の圧縮を行うロータリ型圧縮機である。圧縮機５は、ケーシング１０、モータ２０、クランク軸３０、圧縮機構４０、軸支部６１、補助軸支部６２を有する。

（１−２）ケーシング１０
ケーシング１０は、圧縮機５の他の構成要素を収容するものであり、冷媒の高い圧力に耐えることができる。ケーシング１０は、円筒部１１、上部１２、下部１３を有する。円筒部１１は、ケーシング１０の構成要素の中で最も大きいものであり、円筒状である。上部１２および下部１３はいずれも円筒部１１に接合されている。ケーシング１０の下方には、冷凍機油１４１を貯留するための油貯留部１４が設けられている。

円筒部１１には、吸入管１５が設置されている。上部１２には、吐出管１６およびターミナル１７が設置されている。吸入管１５は、低圧冷媒を吸入するためのものである。吐出管１６は、高圧冷媒を吐出するためのものである。ターミナル１７は、外部から電力の供給を受けるためのものである。

（１−３）モータ２０
モータ２０は、ターミナル１７から図示しない導線を介して供給された電力を用いて、機械的な動力を発生するものである。モータ２０は、ステータ２１およびロータ２２を有する。図２に示すように、ステータ２１は円筒状であり、ケーシング１０の円筒部１１に固定されている。ステータ２１とロータ２２の間には間隙２３が形成されている。間隙２３は、冷媒の通路として機能する。

図３に示すように、ステータ２１は、ステータコア２１ａ、インシュレータ２１ｂ、巻線２１ｃを有する。ステータコア２１ａは、積層された複数の鋼板からなる。ステータコア２１ａには、ロータ２２を配置するための空間２１３が形成されている。インシュレータ２１ｂは樹脂からなる。インシュレータ２１ｂは、ステータコア上面２１１とステータコア下面２１２にそれぞれ設けられる。巻線２１ｃは、交流磁界を発するためのものであり、ステータコア２１ａとインシュレータ２１ｂの積層体に巻きつけられている。

図４に示すように、ロータ２２は、ロータコア２２ａ、永久磁石２２ｂ、端板２２ｃ、バランスウェイト２２ｄ、かしめピン２２ｅを有する。ロータコア２２ａは、積層された複数の鋼板からなる。ロータコア２２ａは、圧縮機構４０から最も遠い第１面２２１、および、圧縮機構４０に最も近い第２面２２２を有する。第１面２２１と第２面２２２は互いに平行な平面である。ロータコア２２ａには、クランク軸３０を固定するための空間２２３が形成されている。永久磁石２２ｂは、巻線２１ｃが発する交流磁界と相互作用することによって、ロータ２２の全体を回転させるためのものである。永久磁石２２ｂは、ロータコア２２ａの空洞２２４の中に配置されている。端板２２ｃは、第１面２２１および第２面２２２にそれぞれ設けられ、永久磁石２２ｂが空洞２２４の外に出て行くことを防止する。バランスウェイト２２ｄは、ロータ２２およびそれに付随して回転する部品からなる回転体の重心を調整するためのものである。バランスウェイト２２ｄは、いずれかの端板２２ｃに設けられる。かしめピン２２ｅは、端板２２ｃまたはバランスウェイト２２ｄをロータコア２２ａに固定する。

（１−４）クランク軸３０
図１に戻り、クランク軸３０は、モータ２０が発生させた動力を圧縮機構４０に伝達するためのものである。クランク軸３０は、回転軸心ＲＡのまわりに回転する。クランク軸３０は、主軸部３１と偏心部３２を有する。主軸部３１の一部はロータ２２に固定されている。偏心部３２は、回転軸心ＲＡに対して偏心している。

（１−５）圧縮機構４０
圧縮機構４０は、低圧冷媒を圧縮して高圧冷媒を生成するためのものである。圧縮機構４０は、シリンダ４１、ピストン４２を有する。

シリンダ４１は金属部材であり、吸入管１５を介してケーシング１０の外部と連通する内部空間を有する。ピストン４２は、シリンダ４１よりも小さな円筒状の金属部材である。ピストン４２は、偏心部３２に取り付けられている。偏心部３２およびピストン４２は、シリンダ４１の内部空間に配置されている。クランク軸３０の回転に伴い、ピストン４２は公転する。シリンダ４１、ピストン４２、後述する軸支部６１および補助軸支部６２によって、圧縮室４３が規定される。

圧縮室４３の容積は、ピストン４２の公転により増減し、それによって低圧冷媒が圧縮され、高圧冷媒が生成される。高圧冷媒は、軸支部６１に形成された通路４４から後述するマフラ室へ吐出される。通路４４には、図示しない吐出弁が設けられている。吐出弁は、高圧冷媒がマフラ室から圧縮室４３へ逆流することを抑制する。

（１−６）軸支部６１
軸支部６１は、偏心部３２よりも上方の主軸部３１を回転可能に支える。軸支部６１は、シリンダ４１の内部空間の上側を塞ぐ機能も有する。軸支部６１は、固定箇所Ｆにおいて円筒部１１に固定されている。固定方法は、例えば、溶接または焼き嵌めである。軸支部６１にはマフラ６３が取り付けられている。軸支部６１とマフラ６３は、マフラ室を規定する。高圧冷媒は、ピストン４２が公転を１回するたびに通路４４を通過する。高圧冷媒の通路４４の通過がこのように断続的であることは、騒音の原因となり得る。マフラ６３は、マフラ室においてガス冷媒の圧力変動を平滑化し、それによって騒音を低減する。高圧冷媒は、マフラ６３に形成された吐出孔６４から吐出される。

（１−７）補助軸支部６２
補助軸支部６２は、偏心部３２よりも下方の主軸部３１を回転可能に支える。補助軸支部６２は、シリンダ４１の内部空間の下側を塞ぐ機能も有する。

（２）基本動作
図１の矢印は冷媒の流れを示す。低圧冷媒は吸入管１５から圧縮機構４０の圧縮室４３へ吸入される。圧縮機構４０の圧縮動作によって生成した高圧冷媒は、通路４４および吐出孔６４を通過して、圧縮機構４０から吐出される。その後、高圧冷媒は、ロータ２２に向かって吹きつけられた後、間隙２３へ向かって進む。高圧冷媒は、間隙２３の中を上昇した後、吐出管１６からケーシング１０の外部へ吐出される。

（３）詳細構成
本発明に係る圧縮機５のロータ２２は、７５〜１５０ｒｐｓ（回転毎秒）、好ましくは１００〜１５０ｒｐｓ、さらに好ましくは１２０〜１３０ｒｐｓで回転するよう構成されている。この回転速度は、従来の圧縮機におけるロータの回転速度の１５〜７５ｒｐｓと比較して速いものである。

図５は、圧縮機５の各部の寸法を示している。第１寸法Ｄ１は、ケーシング１０の円筒部１１の内径である。第１寸法Ｄ１は、６０ｍｍ以上かつ１２０ｍｍ以下である。第２寸法Ｄ２は、ロータ２２のロータコア２２ａの外径である。第２寸法Ｄ２に対する第１寸法Ｄ１の比率Ｄ１／Ｄ２は、１．８以下となるように設計されている。例えば、第１寸法Ｄ１は９０ｍｍであり、第２寸法は５０ｍｍである。比率Ｄ１／Ｄ２は、１．８“未満”となるように設計されてもよい。

軸支部６１における第１面２２１に最も近い端部６１１は、第２面２２２と比較して所定距離Ｈだけ第１面２２１からより遠い。この所定距離Ｈは、例えば２ｍｍ以下である。回転軸心ＲＡの延出方向における軸支部６１の全長Ｌは短く設定されている。例えば、全長Ｌは１０ｍｍ以上かつ４０ｍｍ以下であり、好ましくは１０ｍｍ以上かつ３７ｍｍ以下である。軸支部６１は、全長Ｌにわたり連続的にクランク軸３０と接触する。

（４）特徴
（４−１）
軸支部６１の全長Ｌが短い。したがって、ロータ２２と軸支部６１とを近接配置する際の妨げとなるロータ２２と軸支部６１との干渉が起こりにくいので、圧縮機５の振動を抑制するのに好都合である。

（４−２）
ロータ２２は軸支部６１に近接して配置されるので、軸支部６１のケーシング１０への固定箇所Ｆから、ロータ２２の重心までの距離が短い。したがって、クランク軸３０の傾斜が起こりにくいので、圧縮機５の振動を抑制できる。

（４−３）
第１面２２１および第２面２２２はロータコア２２ａに属する。この結果、軸支部６１の端部６１１とロータコア２２ａとの離間距離の規定に、ロータ２２の重心を決定する主要部品であるロータコア２２ａ以外の部品が関与しない。したがって、軸支部６１のケーシング１０への固定箇所Ｆから、ロータ２２の重心までの距離をより短くできる。

（４−４）
第１寸法Ｄ１は、６０ｍｍ以上かつ１２０ｍｍ以下である。すなわち、圧縮機５は小径のケーシング１０を有する。したがって、小型の圧縮機５において振動を抑制できる。

（４−５）
軸支部６１はロータ２２に対して圧縮機構４０の反対側には存在しない。したがって、圧縮機のコストダウンを達成できる。

（４−６）
圧縮機構４０と軸支部６１は極めて近接している。したがって、圧縮機構４０におけるピストン４２の公転が安定化される。

（４−７）
軸支部６１は全長Ｌにわたってクランク軸３０と接触する。したがって、非接触部分を有する軸支構造に比べて、軸支部６１の全長Ｌを短くできる。

（４−８）
軸支部６１がケーシング１０に直接的に固定される。したがって、圧縮機構４０および軸支部６１の組立体をケーシング１０に固定する固定箇所Ｆがロータ２２に近いので、圧縮機５の振動をより抑制できる。

（４−９）
回転中のトルク変動に起因して振動を発しやすいロータリ型圧縮機である圧縮機５に対して、騒音の抑制策を施すことができる。
（５）変形例
（５−１）第１変形例
図６は、上述の実施形態の第１変形例に係る圧縮機５Ａを示す。圧縮機５Ａは、ロータ２２の構造が上述の実施形態と異なる。図７に示すように、ロータコア２２ａの第２面２２２には凹部２５が形成されている。凹部２５は、底面２５１および側面２５２によって規定される。底面２５１および側面２５２は、いずれも、第２面２２２と比較して第１面２２１のより近くに位置する面である。凹部２５は、この構成に代えて、例えば、放射線状または円弧状の断面を有する曲面によって規定されてもよい。

図８に示すように、凹部２５は、ロータコア２２ａの第２面２２２における、軸支部６１の端部６１１に対向する箇所に位置する。軸支部６１における第１面２２１に最も近い端部６１１は、第２面２２２と比較して所定距離Ｈだけ第１面２２１からより遠い。この所定距離Ｈは負数とすることもできる。負数である所定距離Ｈは、端部６１１が凹部２５の中に入り込んでいる構成を意味する。所定距離Ｈは、例えば−２ｍｍ以上かつ２ｍｍ以下である。

この構成によれば、凹部２５の存在により、ロータ２２および圧縮機構４０を互いに干渉することなく近接配置することができる。したがって、軸支部６１のケーシング１０への固定箇所Ｆから、ロータ２２の重心までの距離がより短いので、圧縮機５の振動をより抑制できる。

軸支部６１の端部６１１が凹部２５に入り込んでいる場合においても、その端部６１１と第２面２２２との距離が短い。これは、凹部２５を規定する面（すなわち底面２５１および側面２５２）と、軸支部６１の端部６１１が適度に離間することを意味する。したがって、所定の絶縁距離の確保などの各種制約の下で、凹部を規定する面および軸支部の端部などについて、配置の自由度を増やすことができる。
（５−２）第２変形例
上述の実施形態では、軸支部６１がケーシング１０に直接的に固定される。これに代えて、またはこれと併せて、圧縮機構４０がケーシング１０に直接的に固定されてもよい。この場合、大きな重量を有する圧縮機構４０が振れる現象を抑制できる。

５、５Ａ 圧縮機
１０ ケーシング
１１ 円筒部
１２ 上部
１３ 下部
１４ 油貯留部
２０ モータ
２１ ステータ
２２ ロータ
２５ 凹部
３０ クランク軸
４０ 圧縮機構
４１ シリンダ
４２ ピストン
４５ マフラ
４６ 吐出孔
６１ 軸支部
６２ 補助軸支部
１４１ 冷凍機油
Ｆ 固定箇所
Ｈ 所定距離
Ｌ 軸支部の全長
ＲＡ 回転軸心

特開２００６−１４４７３１号公報

Claims (13)

1. 第１寸法（Ｄ１）の内径を持つ円筒部（１２）を有するケーシング（１０）と、
   第２寸法（Ｄ２）の外径を持つロータ（２２）を有するモータ（２０）と、
   前記ロータに固定されており、回転軸心（ＲＡ）のまわりに回転するクランク軸（３０）と、
   低圧冷媒を圧縮することによって高圧冷媒を生成する圧縮機構（４０）と、
   前記クランク軸を回転可能に支える軸支部（６１）と、
   を備え、
   前記第２寸法に対する前記第１寸法の比率（Ｄ１／Ｄ２）は１．８以下であり、
   前記回転軸心の延出方向における前記軸支部の全長（Ｌ）は１０ｍｍ以上かつ４０ｍｍ以下である、
   圧縮機（５、５Ａ）。
2. 前記ロータは、前記圧縮機構から遠い第１面（２２１）、および、前記圧縮機構に近い第２面（２２２）を有し、
   前記軸支部における前記第１面に最も近い端部（６１１）は、前記第２面と比較して所定距離（Ｈ）だけ前記第１面からより遠く、
   前記所定距離は２ｍｍ以下である、
   請求項１に記載の圧縮機。
3. 前記ロータの前記第２面における、前記軸支部の前記端部に対向する箇所には、前記第２面と比較して前記第１面のより近くに位置する面によって規定される凹部（２５）が形成されている、
   請求項２に記載の圧縮機（５Ａ）。
4. 前記所定距離（Ｈ）は、さらに−２ｍｍ以上である、
   請求項３に記載の圧縮機（５Ａ）。
5. 前記ロータはロータコア（２２ａ）を有し、
   前記第１面は、前記ロータコアにおける前記圧縮機構から最も遠い面であり、
   前記第２面は、前記ロータコアにおける前記圧縮機構に最も近い面である、
   請求項２から４のいずれか１つに記載の圧縮機（５、５Ａ）。
6. 前記第１寸法は、６０ｍｍ以上かつ１２０ｍｍ以下である、
   請求項１から５のいずれか１つに記載の圧縮機。
7. 前記軸支部の前記全長は３７ｍｍ以下である、
   請求項１から６のいずれか１つに記載の圧縮機。
8. 前記軸支部は前記ロータに対して前記圧縮機構の側のみに存在する、
   請求項１から７のいずれか１つに記載の圧縮機。
9. 前記圧縮機構は前記軸支部に固定されており、前記軸支部よりも前記ロータから遠い、
   請求項１から８のいずれか１つに記載の圧縮機。
10. 前記軸支部は、前記全長にわたり連続的に前記クランク軸に接触する、
    請求項１から９のいずれか１つに記載の圧縮機。
11. 前記軸支部は前記円筒部に直接的に固定されている
    請求項１から１０のいずれか１つに記載の圧縮機。
12. 前記圧縮機構は前記円筒部に直接的に固定されている
    請求項１から１１のいずれか１つに記載の圧縮機。
13. ロータリ型圧縮機である、
    請求項１から１２のいずれか１つに記載の圧縮機。

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