JP5004620B2 - 圧縮機及び冷凍サイクル装置 - Google Patents

Description

この発明は各種産業機械に用いられる電動機に関するものである。特に空気調和装置、冷凍冷蔵装置等の冷凍サイクル装置に使用される圧縮機に適したものである。

近年省エネルギー、環境保全を目的に各種、電動機は高効率化や省資源化（小型、軽量化）が求められている。その実現方法として高密度整列巻線化が必要とされている。そのため巻線を直接鉄心に巻きつける集中巻（直巻）化が小型電動機を中心に進んでいる。さらに整列性をあげるため鉄心を分割する場合もある。（例えば、特許文献１参照）。

特開平９−２３６００号公報（第３頁、第４図）

特許文献１に記載の電動機は固定子の積層鉄心に整列巻線を施した後、積層鉄心を所定数結合して円筒状に形成する。その後、巻線の端末を接続することにより、中性点や入力線（Ｕ，Ｖ，Ｗ相）を形成し、電動機の固定子を成している。ここで、上記のような構成では、少なくとも中性点と入力線を含めて４ヶ所において巻線を接続（結線）する部分（以下、接続部という）が発生する。接続部にはすべて絶縁処理が必要となるため、接続部が多くなると、絶縁処理にかかる加工費用及び絶縁部材の費用がかかる。特に冷媒等の圧縮機内部に電動機に適用する場合、電動機が冷媒（液体）、潤滑油に浸る可能性もあるため、絶縁処理を強固にしないと冷媒、潤滑油を伝って漏電する等の問題点が考えられる。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、絶縁に係るコストを低減し、信頼性の高い圧縮機及び冷凍サイクル装置を得るものである。

この発明に係る圧縮機は、極歯毎に分割された積層鉄心に絶縁部材を介して巻線を巻き付け、積層鉄心を所定数環状に結合して形成した固定子、各積層鉄心に巻き付けられた巻線の各端末をすべて入力電源と接続する、並列回路のデルタ結線としたときの接続部分を絶縁するための絶縁部材、及び入力電源からの通電により発生した回転磁界により回転する回転子を有する電動機と、回転子の回転により駆動して圧縮対象を圧縮する圧縮機構部とを密閉容器に収容し、電動機が収容された位置よりも上側で、かつ圧縮対象を取り入れるために容器に設けられた吸入口の位置に対し、主軸を中心として略線対称となる位置において、巻線の各端末の接続がなされているものである。

この発明に係る圧縮機は、電動機において、各積層鉄心に巻き付けられた巻線を並列回路のデルタ結線により接続し、このとき、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相に対応する接続部分を絶縁部材によって絶縁を行うだけでよいので、部材コストや取り付け作業を行う加工コストを低減することができる。また、接続部分が少なくなるため、絶縁不良を起こす可能性を低減することもできる。特に、圧縮機内部では潤滑油、冷媒等の雰囲気に晒されるため、接続部分を減らせることで、故障等の発生を少なくし、信頼性の高い圧縮機を低コストで得ることができる。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係る圧縮機２０の縦断面の概略図である。図１のように本実施の形態における圧縮機２０の密閉容器１１は電動機１０と圧縮機機構部１２とを少なくとも収容している。

図２は実施の形態１に係る電動機１０の固定子を上面から見たときの概略図である。図２では模式的に巻線同士の接続部分も表している。図２において、分割された積層鉄心１に絶縁部材２を介し、巻線３が極歯に巻き付けられている。巻線３は分割された積層鉄心１毎に極歯に直接巻きつけることができるため、隣の極歯に邪魔されず、比較的容易に高密度整列巻線が可能となっている。この巻き方はいわゆる集中巻と呼ばれ、巻線３を極歯に直接巻き付けるので、巻線３全体の長さを短くして、巻線３の使用量を減らすことができる。また、巻線の径を大きくして電気抵抗を減らすことができ、高効率化を図ることができる。さらに小型軽量化を図ることもできる。ここで、実際には巻線３は積層鉄心１に複数回巻き付けられているが、図２では見やすくするために簡略化して記載している。巻線３の端末３ａ、３ｂは、それぞれ巻線３の巻き始めと巻き終わりの端末となる。本実施の形態では、端末の数は１８（=２×９）となる。

この状態の積層鉄心１を所定数環状に溶接等の方法で接合し、固定子全体の鉄心としている。本実施の形態の電動機１０の固定子では、９つの積層鉄心１を環状にして接合して構成している。ただし、この数に限定するものではない。そして、接続部４において、それぞれの積層鉄心１の巻線３の端末３ａ、３ｂを接続（結線）する。各端末３ａ、３ｂはそれぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相に分けて接続される。そして、各相の接続部分である接続部４にはリード線５の一方の端部も接続される。リード部５の他端にはコネクタ端子７が接続されている。コネクタ端子７は、後述するように圧縮機２０外部における電源入力部１３と接続される。これにより、接続部４において接続された各巻線３と外部装置である３相交流電源（入力電源。図示せず）とが、電源入力部１３、コネクタ端子７を介して電気的に接続され、電気的入力を得ることができる（通電可能となる）。

図３は電動機の電気回路図である。巻線３の接続（結線）の方法は、図３に示すように並列回路でのデルタ結線となっており、スター結線のように中性点は存在しない。そのため、本実施の形態の電動機においては接続部４は３点ですむ。本実施の形態では、集中巻した巻線３をデルタ結線で接続するため、各相の接続部４においては６つの端末（端末３ａ、３ｂをそれぞれ３つずつ）を接続することになる。

各接続部４には電気的絶縁（以下、単に絶縁という）を得るため接続部絶縁部材６が取付けられている。接続部絶縁部材６は、例えば筒状のポリエステルフィルム等から成り、筒口部分を融着等して接続部４の絶縁を行う。固定子の巻線３には３相電源からの電力供給により電圧が印加され、電流が流れるが、積層鉄心１や電動機の周りの部材、雰囲気に対して電流漏れ等を防ぐために絶縁が必要である。本実施の形態の電動機１０では、接続部４が３ヶ所あるが、すべてに接続部絶縁部材６による絶縁処理を施す。回転子８は、３相電源からの電力供給により固定子に発生した回転磁界による力を受けて回転する。回転子８の回転と共に主軸９も回転する。ここで、回転子８の形態としては、インダクションモータ、ブラシレスＤＣモータ等に対応するものがあるが、特に限定するものではなく、どのような形態でもよい。

圧縮機機構部１２は電動機１０の主軸９（回転子８）の回転により駆動力が伝達される。これにより、取り込んだ圧縮対象を体積変化（縮小）させて圧縮できる機構を有している。機構の方式としては例えばレシプロ式、スクロール式、ロータリ式等があるが方式については特に限定しない。また、特に限定するものではないが、本実施の形態においては、冷凍、空気調和装置等に用いる冷媒（特に気体）を圧縮対象とする。冷媒としては、例えばＨＦＣ系冷媒である、Ｒ４１０Ａ、Ｒ４０４Ａ、また、ＣＯ₂ 、アンモニア等が利用される。

電源入力部１３は、密閉容器１１内にある電動機１０のコネクタ端子７と圧縮機２０外の装置である３相電源とのインターフェースとなる。吸入管１４は吸入口を有し、圧縮機機構部１２により圧縮する冷媒を密閉容器１１に導入するために設けられている。一方、吐出管１５は吐出口を有し、圧縮機機構部１２が圧縮した冷媒を密閉容器１１外に送り出すために設けられている。潤滑油１６は、密閉容器１１内部（特に下部）に貯留されており、圧縮機機構部１２の軸受けの潤滑や気密性を保つようにポンプ等により循環されている。以上のように冷媒圧縮機２０が構成されており、電動機１０の主軸９の回転が動力となって圧縮機機構部１２による冷媒圧縮を行うことができる。

次に本実施の形態における圧縮機２０の動作について説明する。上記のように構成された電動機１０では、図２及び図３に示すような接続が成されている。そして、コネクタ端子７に接続された３相電源からの電力供給を受けた（通電された）電動機１０には、固定子内側に回転磁界が発生する。固定子の内径側に配置された回転子８には回転磁界による力が働き、これにより回転子８及び主軸９が回転する。主軸９が回転することで、例えば圧縮機２０がスクロール式の場合、圧縮機機構部１２に設けられた揺動スクロールが揺動して、固定スクロールとの間で冷媒の容積を変化させて圧縮する。

以上のように実施の形態１の圧縮機２０の電動機１０においては、各積層鉄心１に巻き付けられた巻線３をデルタ結線により接続し、各巻線３の同相の端末３ａ、３ｂについては接続部４において接続するようにしたので、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相に対応する必要最低限となる３ヶ所の接続部４のみに接続部絶縁部材６を設けて絶縁処理を行えばよく、接続部絶縁部材６に要する部材のコストや取り付け作業を行う加工コストを低減することができる。また、絶縁処理すべき接続部４が少なくなるため、絶縁不良を起こす可能性を低減することもできる。特に、潤滑油１６、冷媒等の雰囲気に晒される密閉容器１１の内部において接続部分を減らすことができるため、故障等の発生を少なくし、信頼性の高い圧縮機２０を低コストで得ることができる。

実施の形態２．
図４は実施の形態２に係る電動機１０の固定子を上面から見たときの概略図である。模式的に１つの相に係る巻線同士の接続部分も表している。図４において、図１と同じ符号を付しているものは実施の形態１で説明したことと同様の役割を果たすものであるため、説明を省略する。

上述の実施の形態では、同相の６つの端末を接続部４において接続し、リード線５を介してコネクタ端子７に接続した。本実施の形態では、各相のコネクタ端子７を接続部４として、巻線３の端末３ａ、３ｂを直接、コネクタ端子７に接続する。ここで、本実施の形態においても、巻線３の接続の方法は図２に示すような並列回路でのデルタ結線となっており、中性点は存在しないため、３つのコネクタ端子７において接続するだけでよい。

上記のように構成された電動機１０では、図２及び図３に示すような接続が成されている。そして、実施の形態１と同様に、コネクタ端子７に接続された３相電源からの電力供給を受けた（通電された）電動機１０には、固定子内側に回転磁界が発生し、回転子８及び主軸９が回転する。主軸９の回転により、圧縮機機構部１２が冷媒の圧縮動作を行う。

以上のように実施の形態２によれば、各端末３ａ、３ｂを直接コネクタ端子７に接続するようにしたので、コネクタ端子７以外の接続部分を設ける必要がなく、絶縁不良が起きないので、その部分における絶縁処理を行う必要がなくなる。

実施の形態３．
上述の実施の形態では、集中巻により積層鉄心１に巻線３が巻き付けられている。そのため、実施の形態１で説明した接続部４のように、端末３ａ、３ｂを接続するための接続部分を設ける必要がある。本実施の形態では、密閉容器１１内の接続部分を設ける位置について検討する。

例えば、圧縮機２０が圧縮動作を行っていないときには、密閉容器１１の下部には、液体の潤滑油１６が溜まっている。そして、圧縮動作時には、その潤滑油１６が汲み上げられたり、巻き上げられたりしながら、回転部分や摺動部分を潤滑させ、余分な潤滑油１６はまた下部に溜まる。また、潤滑油１６だけでなく、液化した冷媒等も下部に溜まる。例えば液化した冷媒等は気化した状態よりも電気を通しやすい。そのため、例えば接続部絶縁部材６が絶縁不良をしていた場合、冷媒や潤滑油を介して密閉容器１１へと漏電する恐れがある。また、接続部絶縁部材６による絶縁がされていても、これらの液体の影響をできる限り受けない位置において、接続部分を設けることが望ましい。

そこで、圧縮機２０の電動機１０において、各端末３ａ、３ｂの接続部分（接続部４、コネクタ端子７）は、圧縮機２０の密閉容器１１収容時に、電動機１０本体よりも上側（本体上又はそれ以上の位置）に設けるようにし、接続部分が潤滑油１６に浸かる頻度を下げるようにする。

さらに、圧縮機２０の圧縮動作時には、吸入管１４の吸入口から冷媒が吸入される。このとき、例えば冷媒以外に、冷媒が通過する装置に付着した異物、これらの装置と圧縮機２０との間で冷媒を循環させる冷媒配管において、配管接続持に発生したスケール等が冷媒の循環に伴って、冷媒と共に密閉容器１１内に入り込む可能性がある。例えば集中巻のように極歯間に隙間があると、その異物等が極歯間に入り込む可能性がある。また接続部分に付着したり堆積したりすると悪い影響を与えることになる。

そこで、図１等に示すように、吸入管１４の吸入口から異物等が入り込んでも付着等しない位置に接続部分を設けるようにする。ここでは、例えば吸入管１４の吸入口の位置に対し、主軸９を中心とし、略線対称となる位置において端末３ａ、３ｂを接続し、接続部分を設けるようにしている。

以上のように、本実施の形態の圧縮機２０において、巻線３の端末３ａ、３ｂを接続する接続部分（接続部４、コネクタ端子７）を電動機１０本体上側の位置又はそれ以上の位置に設けるようにしたので、圧縮機２０の下部に溜まった潤滑油１６等の液体に浸かせることがない。そのため、密閉容器１１への漏電等を防ぐことができ、信頼性の高い圧縮機２０を得ることができる。また、保守管理等を効率よく行うことができる。

実施の形態４．
図５は本発明の実施の形態４に係る冷凍サイクル装置の構成図である。本実施の形態では、冷凍サイクル装置の例として空気調和装置について説明する。図５の空気調和装置は、熱源側ユニット（室外機）１００と負荷側ユニット（室内機）２００とを備え、これらが冷媒配管で連結され、主となる冷媒回路（以下、主冷媒回路という）を構成して冷媒を循環させている。冷媒配管のうち、気体の冷媒（ガス冷媒）が流れる配管をガス配管３００とし、液体の冷媒（液冷媒。気液二相冷媒の場合もある）が流れる配管を液配管４００とする。

熱源側ユニット１００は、本実施の形態においては、圧縮機１０１、油分離器１０２、四方弁１０３、熱源側熱交換機１０４、熱源側ファン１０５、アキュムレータ（気液分離器）１０６、熱源側絞り装置（膨張弁）１０７、冷媒間熱交換器１０８、バイパス絞り装置１０９及び熱源側制御装置１１１の各装置（手段）で構成する。

圧縮機１０１は、構造については、上述した実施の形態１〜３に記載した圧縮機２０を用いている。一方、運転制御については、例えばインバータ回路（図示せず）を備え、電源入力部１３を介した３相電源の電力供給に係る運転周波数を任意に変化させることにより、回転子８及び主軸９の回転を制御でき、それに伴って圧縮機１０１の容量（単位時間あたりの冷媒を送り出す量）を細かく変化させることができるものとする。

また、油分離器１０２は、冷媒に混じって圧縮機１０１から吐出された潤滑油１６を分離させるものである。分離された潤滑油１６は圧縮機１０１に戻される。四方弁１０３は、熱源側制御装置１１１からの指示に基づいて冷房運転時と暖房運転時とによって冷媒の流れを切り換える。また、熱源側熱交換器１０４は、冷媒と空気（室外の空気）との熱交換を行う。例えば、暖房運転時においては蒸発器として機能し、熱源側絞り装置１０７を介して流入した低圧の冷媒と空気との熱交換を行い、冷媒を蒸発させ、気化させる。また、冷房運転時においては凝縮器として機能し、四方弁１０３側から流入した圧縮機１０１において圧縮された冷媒と空気との熱交換を行い、冷媒を凝縮して液化させる。熱源側熱交換器１０４には、冷媒と空気との熱交換を効率よく行うため、熱源側ファン１０５が設けられている。熱源側ファン１０５もインバータ回路を有してファンモータの運転周波数を任意に変化させてファンの回転速度を細かく変化させるようにしてもよい。

冷媒間熱交換器１０８は、冷媒回路の主となる流路を流れる冷媒と、その流路から分岐してバイパス絞り装置１０９（膨張弁）により流量調整された冷媒との間で熱交換を行う。特に冷房運転時において冷媒を過冷却する必要がある場合に、冷媒を過冷却して負荷側ユニット２００に供給するものである。バイパス絞り装置１０９を介して流れる液体は、バイパス配管１０７を介してアキュムレータ１０６に戻される。アキュムレータ１０６は例えば液体の余剰冷媒を溜めておく手段である。 熱源側制御装置１１１は、例えばマイクロコンピュータ等からなる。負荷側制御装置２０４と有線又は無線通信することができ、例えば、空気調和装置内の各種検知手段（センサ）の検知に係るデータに基づいて、インバータ回路制御による圧縮機１０１の運転周波数制御等、空気調和装置に係る各手段を制御して空気調和装置全体の動作制御を行う。

一方、負荷側ユニット２００は、負荷側熱交換器２０１、負荷側絞り装置（膨張弁）２０２、負荷側ファン２０３及び負荷側制御装置２０４で構成される。負荷側熱交換器２０１は冷媒と空気との熱交換を行う。例えば、暖房運転時においては凝縮器として機能し、ガス配管３００から流入した冷媒と空気との熱交換を行い、冷媒を凝縮させて液化（又は気液二相化）させ、液配管４００側に流出させる。一方、冷房運転時においては蒸発器として機能し、負荷側絞り装置２０２により低圧状態にされた冷媒と空気との熱交換を行い、冷媒に空気の熱を奪わせて蒸発させて気化させ、ガス配管３００側に流出させる。また、負荷側ユニット２００には、熱交換を行う空気の流れを調整するための負荷側ファン２０３が設けられている。この負荷側ファン２０３の運転速度は、例えば利用者の設定により決定される。負荷側絞り装置２０２は、開度を変化させることで、負荷側熱交換器２０１内における冷媒の圧力を調整するために設ける。

また、負荷側制御装置２０４もマイクロコンピュータ等からなり、例えば熱源側制御装置１１１と有線又は無線通信することができる。熱源側制御装置１１１からの指示、居住者等からの指示に基づいて、例えば室内が所定の温度となるように、負荷側ユニット２００の各装置（手段）を制御する。また、負荷側ユニット２００に設けられた検知手段の検知に係るデータを含む信号を送信する。

次に空気調和装置の動作について説明する。まず、冷房運転時の主となる冷媒回路における基本的な冷媒循環について説明する。３相電源からの電力供給により、圧縮機１０１の電動機１０の回転子８及び主軸９が回転する。これにより、圧縮機機構部１２が冷媒を圧縮する。吐出管１６から吐出した高温、高圧ガス（気体）の冷媒は、四方弁１０３から熱源側熱交換器１０４内を通過することで凝縮し、液冷媒となって熱源側ユニット１００を流出する。液配管４００を通って負荷側ユニット２００に流入した冷媒は、負荷側絞り装置２０２の開度調整により圧力調整された低温低圧の液冷媒が負荷側熱交換器２０１内を通過して蒸発して流出する。そして、ガス配管３００を通って熱源側ユニット１００に流入し、四方弁１０３、アキュムレータ１０６を介して圧縮機１０１の吸入管１５から吸入され、再度加圧され吐出することで循環する。

また、暖房運転時の主となる冷媒回路における基本的な冷媒循環について説明する。３相電源からの電力供給により、圧縮機１０１の電動機１０の回転子８及び主軸９が回転する。これにより、圧縮機機構部１２が冷媒を圧縮する。吐出管１６から吐出した高温、高圧ガス（気体）の冷媒は、四方弁１０３からガス配管３００を通って負荷側ユニット２００に流入する。負荷側ユニット２００においては、負荷側絞り装置２０２の開度調整により圧力調整され、負荷側熱交換器２０１内を通過することにより凝縮し、中間圧力の液体又は気液二相状態の冷媒となって負荷側ユニット２００を流出する。液配管４００を通って熱源側ユニット１００に流入した冷媒は、熱源側絞り装置１０７の開度調整により圧力調整され、熱源側熱交換器１０４内を通過することで蒸発し、ガスの冷媒となって四方弁１０３、アキュムレータ１０６を介して圧縮機１０１の吸入管１５から吸入され、前述したように加圧され吐出することで循環する。

以上のように実施の形態５では、上述した実施の形態に係る巻線３の接続部分が少ない圧縮機１０１を用いて冷凍サイクル装置である空気調和装置を構成するようにしたので、空気調和装置の中で特に重要な圧縮機１０１において、信頼性が高く、加工コストの低減を図ることができるため、空気調和装置全体としても信頼性が高く、コスト低減を図ることができる。

実施の形態５．
上述の実施の形態４では冷凍サイクル装置として空気調和装置について説明したが、之に限るものではない。例えば、冷凍、冷蔵倉庫等に利用する冷却装置、ヒートポンプ装置等にも利用することができる。

この発明の実施の形態１に係る圧縮機２０を示す縦断面図である。 実施の形態１に係る固定子を上面から見たときの概略図である。 この発明の電動機１０の電気回路図である。 実施の形態１に係る固定子を上面から見たときの概略図である。 実施の形態４に係る冷凍サイクル装置の構成図である。

符号の説明

１ 積層鉄心、２ 絶縁部材、３ 巻線、３ａ端末（巻き始め）、３ｂ端末（巻き終わり）、４ 接続部、５ リード線、６ 接続部絶縁部材、７ コネクタ端子、８ 固定子、９ 主軸、１０ 電動機、１１ 密閉容器、１２ 圧縮機機構部、１３ 電源入力部、１４ 吸入管、１５ 吐出管、１６ 潤滑油、１００ 熱源側ユニット、２０，１０１ 圧縮機、１０２ 油分離器、１０３ 四方弁、１０４ 熱源側熱交換機、１０５ 熱源側ファン、１０６ アキュムレータ、１０７ 熱源側絞り装置、１０８ 冷媒間熱交換器、１０９ バイパス絞り装置、１１０ 熱源側制御装置、２００ 負荷側ユニット、２０１ 負荷側熱交換器、２０２ 負荷側絞り装置、２０３ 負荷側ファン、２０４ 負荷側制御装置、３００ ガス配管、４００ 液配管。

Claims (3)

1. 極歯毎に分割された積層鉄心に絶縁部材を介して巻線を巻き付け、所定数の前記積層鉄心を環状に結合して形成した固定子、各積層鉄心に巻き付けられた巻線の各端末をすべて入力電源と接続して並列回路のデルタ結線としたときの接続部分を絶縁するための絶縁部材、及び前記入力電源からの通電により発生した回転磁界により回転子と共に回転する主軸を有する電動機と、
   前記主軸の回転により駆動して圧縮対象を圧縮する圧縮機構部と
   を密閉容器に収容し、
   前記電動機が収容された位置よりも上側で、かつ圧縮対象を取り入れるために前記容器に設けられた吸入口の位置に対し、前記主軸を中心として略線対称となる位置において、前記巻線の各端末の接続がなされていることを特徴とする圧縮機。
2. 極歯毎に分割された積層鉄心に絶縁部材を介して巻線を巻き付け、所定数の前記積層鉄心を環状に結合して形成した固定子、各積層鉄心に巻き付けられた巻線の各端末をすべて入力電源と接続して並列回路のデルタ結線としたときに、前記各端末が直接接続され、前記各端末と前記入力電源との接続を図るコネクタ端子、及び入力電源からの通電により発生した回転磁界により回転子と共に回転する主軸を有する電動機と、
   前記主軸の回転により駆動して圧縮対象を圧縮する圧縮機構部と
   を密閉容器に収容し、
   前記電動機が収容された位置よりも上側で、かつ圧縮対象を取り入れるために前記容器に設けられた吸入口の位置に対し、前記主軸を中心として略線対称となる位置において、前記巻線の各端末の接続がなされていることを特徴とする圧縮機。
3. 請求項１又は２に記載され、冷媒を圧縮する圧縮機と、
   熱交換により前記冷媒を凝縮する凝縮器と、
   凝縮された冷媒を減圧させるための絞り装置と、
   減圧した前記冷媒と空気とを熱交換して前記冷媒を蒸発させる蒸発器とを配管接続して冷媒回路を構成することを特徴とする冷凍サイクル装置。

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