JP5132352B2 - 密閉型圧縮機 - Google Patents

Description

この発明は、例えば冷凍装置、空調装置、給湯装置等に好ましく用いることができる密閉型圧縮機に関するものである。

可燃性や毒性を有する冷媒を１次冷媒とし、別の２次冷媒を用いた冷凍サイクル装置において、機器の小型化を図るために、圧縮機および減圧器が配管接続され、内部に主冷媒が封入された主冷媒回路と、利用側熱交換器および利用側ポンプとが配管接続され、内部に利用側冷媒が封入された利用側冷媒回路と、熱源側熱交換器および熱源側ポンプが配管接続され、内部に熱源側冷媒が封入された熱源側冷媒回路と、主冷媒回路および利用側冷媒回路それぞれに接続され、主冷媒と利用側冷媒との間の熱交換を行う利用側中間熱交換器と、主冷媒回路および熱源側冷媒回路それぞれに接続され、主冷媒と熱源側冷媒との間の熱交換を行う熱源側中間熱交換器とを備え、利用側ポンプは、圧縮機と同一の駆動機構により駆動する冷凍サイクル装置が提案されている。この冷凍サイクル装置では、駆動機構部の外径を圧縮機の外径よりも小さくしている（例えば、特許文献１参照）。

従来の密閉型圧縮機として、シリンダ内径をシリンダ高さで除した値が１．６〜１．７であるロータリ圧縮機が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特開２０００−６５４３１号公報（第７頁、図２） 特開平５−３０２５８４号公報

オゾン層に対する脅威もなく地球温暖化係数も小さい冷媒として、ＨＣ（ハイドロカーボン）冷媒やＲ７１７（アンモニア）などの自然冷媒が注目されている。ＨＣ冷媒としては、例えば、Ｒ１７０（エタン）、Ｒ１２７０（プロピレン）、Ｒ２９０（プロパン）、Ｒ６００ａ（イソブタン）の各単一冷媒やこれらの混合冷媒がある。

ＨＣ冷媒を冷媒回路に使用する場合、冷媒が漏洩すると可燃性のために引火爆発の恐れがある。従って、冷媒回路内に封入される冷媒量は、その危険性を軽減するために削減することが望ましい。冷凍装置、空調装置、給湯装置等に使用される密閉型圧縮機は、その密閉容器内の圧力は高圧になる形式のものが通常である。そのため、冷媒回路内に封入される冷媒量を削減するためには、密閉型圧縮機の密閉容器内空間容積を少なくする必要がある。

この点を解決するためになされた上記特許文献１においては、以下に示す課題があった。ＨＣ冷媒を使用する主冷媒回路における圧縮機構部と、熱源側冷媒回路の熱源側ポンプとを同一の電動機で駆動し、且つ主冷媒回路と熱源側冷媒回路とを完全に分離する必要がある。そのため、上記特許文献１の第７頁図２に示すように、圧縮機構部を覆う容器と、電動機を覆う容器と、熱源側ポンプを覆う容器とはそれぞれ別体で構成される。さらに電動機内部の固定子と回転子はキャンによって気密が保持されている。

このような構成の場合、圧縮機構部と電動機とは、電動機を覆う密閉容器に固定された電動機の固定子と、圧縮機構部に回転自在に保持されている圧縮機構部の駆動軸に固定されている回転子との同軸度が、所定の数値以内に確保されないと異常振動、異常騒音の発生を招き、最悪の場合運転不可能な状態となる。このために圧縮機構部を覆う密閉容器と、電動機を覆う密閉容器とは、高精度な同軸組み立て技術にて製造する必要があり生産性が著しく劣り、高価になるという課題があった。

また、上記特許文献２のロータリ圧縮機は、以下に示す課題があった。従来の空気調和機では、冷媒にＲ４１０Ａ冷媒が使用されてきた。Ｒ４１０Ａ冷媒に代えて、ＨＣ冷媒を使用すると圧縮機構部の押しのけ容積を同一とした場合には、冷媒の特性からその冷凍能力は約１０％程度低下する。例えば、Ｒ４１０Ａ冷媒を使用していたときの冷凍能力をＡとすれば、同一押しのけ容積でＨＣ冷媒を使用する密閉型圧縮機を製造すると、その冷凍能力は０．９×Ａとなる。従来のＲ４１０Ａ冷媒と同一冷凍能力を得ようとするとその押しのけ容積を１０％増加させる必要がある。

一般に密閉型圧縮機の圧縮効率は、シリンダ内径をシリンダ高さで除した値に比例している。即ち、シリンダ高さに対してシリンダ内径が相対的に大きく、扁平なシリンダ寸法であると圧縮効率が高くなる。このとき従来の技術にその効率を追求してシリンダ内径、シリンダ高さを設計すると、シリンダ内径を拡大することになる。

しかし、シリンダ内径を拡大することはシリンダ外径、即ちシリンダを覆う密閉容器の内径を拡大することになる。密閉容器の内径を拡大すると、圧縮機構部へ供給する冷凍機油を貯溜する密閉容器底部の内径も大きくなる。一定の液面高さを確保しようとすれば、封入する冷凍機油は多くなる。

一般に現在用いられている冷凍機油に対してＨＣ冷媒は非常に高い溶解性を示し、冷凍機油の中によく溶け込む。従い密閉型圧縮機内部に冷凍機油が多ければ、それに応じて封入する冷媒の量も、冷凍機油に溶け込む分だけ多く封入する必要がある。

ＨＣ冷媒を冷凍回路に使用する場合、可燃性のために冷媒が漏洩した場合、引火爆発の恐れがある。従って、冷凍回路内に封入される冷媒量は、その危険性を軽減するために削減することが望ましい。封入される冷媒量が多いと、その分だけ引火、爆発の危険性が高まる。

また、密閉型圧縮機は廃棄される場合、解体されて鉄、アルミ、銅などに分類されてリサイクルされるが、冷凍機油は再利用用途がなく廃棄されることになる。従って封入される冷凍機油が多いと廃棄される冷凍機油も多くなり、環境に与える影響が強まる。

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、ＨＣ冷媒を使用する冷凍回路に使用されるものにおいて、封入される冷媒量を削減することによって、万が一冷媒が漏洩した場合においても引火、爆発の恐れが少なく、安全な密閉型圧縮機を提供することを目的とする。

この発明に係る密閉型圧縮機は、密閉容器内に、冷媒を圧縮する圧縮機構部と、圧縮機構部を駆動する電動機とを有し、電動機によって回転するクランクシャフトの偏芯軸に嵌合するローリングピストンを内部に配置するシリンダと、シリンダの軸方向両端を閉塞するシリンダヘッド及びフレームとによって構成される圧縮室を、ベーンにより高圧室と低圧室に区分して連続的に冷媒の圧縮を行い、ＨＣ冷媒を使用する密閉型圧縮機において、電動機のコア幅を、Ｒ４１０Ａ冷媒等の従来冷媒に対する電動機のコア幅よりも小さくし、シリンダの内径をＤ、シリンダの高さＨとしたとき、Ｄ／Ｈを０．５以上１．６未満としたことを特徴とする。

この発明に係る密閉型圧縮機は、電動機のコア幅を、Ｒ４１０Ａ冷媒等の従来冷媒に対する電動機のコア幅よりも小さくしたことにより、封入される冷媒量を削減することができ、万が一ＨＣ冷媒が漏洩した場合においても引火、爆発の恐れが少なく、安全な密閉型圧縮機を提供することができる。また、シリンダの内径をＤ、シリンダの高さＨとしたとき、Ｄ／Ｈを０．５以上１．６未満としたことにより、押しのけ容積を拡大する場合においてもシリンダ内径を拡大せずに縦長な形状とすることでシリンダ内径を拡大せず、シェル内径を拡大しないようにしたので、封入する冷媒の量が少なく、また封入する冷凍機油が少ない。従って万が一ＨＣ冷媒が漏洩した場合でも引火、爆発の危険性が少なく、また解体時に環境への影響を軽減した密閉型圧縮機が得られる。

実施の形態１．
図１、図２は実施の形態１を示す図で、図１は密閉型圧縮機１００を概略的に示す縦断面図、図２は密閉型圧縮機１００の要部縦断面図である。

図１を参照しながら密閉型圧縮機１００の構成を説明する。密閉型圧縮機１００は、一例としてロータリ圧縮機を用いて説明する。密閉型圧縮機１００は、密閉容器１内に、圧縮機構部２０と、この圧縮機構部２０を駆動する電動機１０とを収納している。

電動機１０は、固定子２と、この固定子２の内側で回転する回転子３とを備える。固定子２には、ガラス端子３０から電力が供給される。電動機１０には、通常ブラシレスＤＣモータ、誘導電動機等が使用される。

圧縮機構部２０は、シリンダ１６を有し、シリンダ１６は外周部が密閉容器１の内壁に固定される。シリンダ１６の内部には、軸方向両端面が開口した空間があり、この空間にローリングピストン７が収納される。ローリングピストン７は、クランクシャフト６の偏芯軸６ａに嵌合してシリンダ１６内を偏芯回転する。

シリンダ１６の一方の開口部（電動機１０側）は、フレーム５で閉塞される。フレーム５は、上軸受けとも呼ばれ、クランクシャフト６を支持する。

シリンダ１６の他方の開口部は、シリンダヘッド４により閉塞される。シリンダヘッド４は、下軸受けとも呼ばれ、クランクシャフト６を支持する。

ベーン（図示せず）がシリンダ１６の溝（図示せず）に摺動自在に組み込まれ常時ローリングピストン７の外周に当接して圧縮室内を高圧側と低圧側に区分する。

密閉容器１の底部に冷凍機油４０が貯留され、クランクシャフト６の内部を経由してローリングピストン７の内側に導かれる。

また、吸入マフラー２２が、密閉容器１の外部に固定される。吸入マフラー２２上部に設けられた吸入管２３から冷媒回路（図示せず）からの冷媒ガス（低圧・低温）を吸入する。吸入マフラー２２の下端に設置した下接続管２４を経由して圧縮機構部２０の圧縮室に吸入ガスが供給される。

圧縮機構部２０で圧縮された高温・高圧の吐出ガスは、密閉容器１内に吐出され、電動機１０を通過して吐出管２５から冷媒回路（図示せず）へ出て行く。

ここでシリンダ内径Ｄ及びシリンダ高さＨと、圧縮効率との関係について説明する。密閉型圧縮機１００の圧縮効率、すなわち理論冷凍能力に対して実冷凍能力の比は、密閉型圧縮機１００の圧縮工程において、高圧側から低圧側へ漏れる冷媒ガスの量が多くなると実冷凍能力が減少することから、低下する。この圧縮工程における高圧側から低圧側へ漏れる冷媒の量はそのシリンダ高さに比例する。

即ち、シリンダ高さが低くなればその分だけ、高圧側から低圧側へ漏れる流路面積が減少することになるので、冷凍能力の低下が緩和される。このため従来の圧縮機においてはこのシリンダ内径Ｄをシリンダ高さＨで除した値を１．６以上としている場合が多い。

従いシリンダ内径Ｄが大きくなり、圧縮機構部２０へ供給する冷凍機油４０を貯溜する密閉容器１底部の内径も大きくなる。一定の液面高さを確保しようとすれば封入する冷凍機油は多くなる。

一般に現在用いられている冷凍機油４０に対してＨＣ冷媒は非常に高い溶解性を示し、冷凍機油４０の中によく溶け込む。従い密閉型圧縮機１００内部に冷凍機油４０が多ければ、それに応じて封入する冷媒の量も、冷凍機油４０に溶け込む分だけ多く封入する必要がある。

ＨＣ冷媒を冷凍回路に使用する場合、冷媒が漏洩した場合、可燃性のために引火爆発の恐れがある。従って、冷凍回路内に封入される冷媒量はその危険性を軽減するために削減することが望ましい。封入される冷媒量が多いと、その分だけ引火、爆発の危険性が高まる。

また、密閉型圧縮機１００は廃棄される場合、解体されて鉄、アルミ、銅などに分類されてリサイクルされるが、冷凍機油４０は再利用用途がなく廃棄されることになる。従って封入される冷凍機油４０が多いと廃棄される冷凍機油４０も多くなり、環境に与える影響が強まる。

この実施の形態においては、この不具合を防止するために、シリンダ１６の内径Ｄをシリンダ１６の高さで除した値Ｄ／Ｈを０．５以上１．６未満としているので、シリンダ１６は縦長形状となっており、シリンダ内径Ｄは大きくならず従って密閉容器１の内径も大きくならない。

以上のように、本実施の形態によれば、シリンダ１６の内径Ｄをシリンダ１６の高さで除した値Ｄ／Ｈを０．５以上１．６未満としている。それにより、密閉型圧縮機１００の押しのけ容積を拡大する場合においても、シリンダ内径Ｄを拡大せずに縦長な形状とすることで、密閉容器１の内径を拡大しないようにしたので、封入する冷媒の量が少なく、また封入する冷凍機油が少ない。従って万が一冷媒が漏洩した場合でも引火、爆発の危険性が少なく、また解体時に環境への影響を軽減した密閉型圧縮機１００を得られる効果がある。

実施の形態２．
図３は実施の形態２を示す図で、密閉型圧縮機１００を概略的に示す縦断面図である。

図３に示す密閉型圧縮機１００の構成は、以下に示す点を除き図１の密閉型圧縮機１００と同じである。
（１）電動機１０の外径Ｄｍを、圧縮機構部２０の外径Ｄｃよりも小さくする。
（２）それに伴い、密閉容器１も電動機１０を覆う部分の内径は、圧縮機構部２０を覆う部分の内径よりも小さくなる。

電動機１０は、密閉容器１の内周に焼き嵌め等により嵌合し固定される。

ここで、密閉型圧縮機１００の電動機１０の出力について説明する。通常の密閉型圧縮機１００においては、生産設備の制約上冷媒が変わっても、同一の圧縮機構部２０、電動機１０を流用することが多い。

従来、空気調和機においては、Ｒ４１０Ａ冷媒が使用されてきた。Ｒ４１０Ａ冷媒に代えて、ＨＣ冷媒を使用すると圧縮機構部２０の押しのけ容積を同一とした場合には冷媒の特性から、その冷凍能力は約１０％程度低下する。ここで、押しのけ容積とは、密閉型圧縮機１００が、１回転当たりに押しのける幾何学的容積である。

例えば、Ｒ４１０Ａ冷媒を使用していたときの電動機１０の出力をＡすれば、同一押しのけ容積でＨＣ冷媒を使用する密閉型圧縮機１００を製造すると、そのとき電動機１０が発生する必要のある出力は、従来の１０％減の０．９×Ａでよいことになり、差分０．１×Ａは余剰となる。

この電動機１０の出力の余剰分を減らすために、電動機１０の外径Ｄｍを縮小し、圧縮機構部２０の外径Ｄｃよりも小さくする。即ち、電動機１０の使用するコア２ａの外径を小さくして容積を減らし、電動機１０の出力を調整する。この場合、コア２ａの軸方向長さ（コア幅）は一定とする。

電動機１０の出力は、コア２ａ（固定子と回転子の全体）の容積に比例すると仮定する。コア幅が一定であるから、電動機１０が発生する必要のある出力が従来の１０％減の０．９×Ａの場合、電動機１０の外径を、√０．９≒０．９５Ｄｍに小さくすることができる。電動機１０の外径は、電動機１０を覆う部分の密閉容器１の内径と同じであるから、電動機１０を覆う部分の密閉容器１の内径も略５％小さくできる。こうすることにより、密閉容器１の内部容積が縮減されることになる。

そして、密閉容器１の内部空間容積が小さくなることによって、高圧の空間が減ることになり、冷凍回路内に封入される冷媒の量を削減することが出来る。

以上のように、本実施の形態２によれば以下のような効果を奏する。即ち、圧縮機構部２０の外径Ｄｃに対して電動機１０の外径Ｄｍを小さくするようにしたので、密閉容器１内部の空間容積が小さくでき、封入する冷媒量を削減することができる。よって、可燃性冷媒を使用し場合にも、万が一冷媒が漏洩した場合においても引火、爆発の恐れが少なく、安全な密閉型圧縮機１００が得られる効果がある。

上記特許文献１では、第７頁図２に示すように、圧縮機構部を覆う容器と、電動機を覆う容器と、熱源側ポンプを覆う容器とはそれぞれ別体で構成される。さらに電動機の内部は、固定子がキャンによって隔離されている。可燃性や毒性を有する主冷媒は、固定子の部分には存在しない。従って、電動機を小さくしても可燃性や毒性を有する主冷媒の量を削減することはできない。

実施の形態３．
実施の形態２では、圧縮機構部２０の外径Ｄｃに対して電動機１０の外径Ｄｍを小さくするようにしたが、この実施の形態においては、電動機１０の出力の余剰分を減らすために、電動機１０のコア２ａの幅（軸方向長さ）を、例えばＲ４１０Ａなどの従来冷媒に対して設定されていた電動機１０のコア２ａの幅に対して小さくして、電動機１０の使用するコア２ａの容積を小さくして電動機１０の出力を調整する。これに伴って電動機１０を覆う密閉容器１の高さも低くする。こうすることにより、密閉容器１の内部容積が縮減されることになる。

電動機１０の出力は、コア２ａ（固定子と回転子の全体）の容積に比例すると仮定する。電動機１０の外径は一定とする。電動機１０の外径は一定であるから、電動機１０が発生する必要のある出力が従来の１０％減の０．９×Ａの場合、電動機１０のコア幅Ｈも０．９Ｈに小さくすることができる。

そして、密閉容器１の内部空間容積が小さくなることによって、高圧の空間が減ることになり、冷凍回路内に封入される冷媒の量を削減することが出来る。

このように、本実施の形態によれば、以下のような効果を奏する。即ち、電動機１０のコア２ａの幅を、例えばＲ４１０Ａなどの従来冷媒に対して設定されていた電動機１０のコア２ａの幅に対して小さくするので、密閉容器１内部の空間容積が小さくでき、封入される冷媒量を削減することによって、可燃性冷媒を使用し場合にも、万が一冷媒が漏洩した場合においても引火、爆発の恐れが少なく、安全な密閉型圧縮機１００が得られる効果がある。

実施の形態１を示す図で、密閉型圧縮機１００を概略的に示す縦断面図。 実施の形態１を示す図で、密閉型圧縮機１００の要部縦断面図。 実施の形態２を示す図で、密閉型圧縮機１００を概略的に示す縦断面図。

符号の説明

１ 密閉容器、２ 固定子、２ａ コア、３ 回転子、４ シリンダヘッド、５ フレーム、６ クランクシャフト、６ａ 偏芯軸、７ ローリングピストン、１６ シリンダ、２０ 圧縮機構部、２２ 吸入マフラー、２３ 吸入管、２４ 下接続管、２５ 吐出管、３０ ガラス端子、４０ 冷凍機油、１００ 密閉型圧縮機。

Claims (1)

1. 密閉容器内に、冷媒を圧縮する圧縮機構部と、前記圧縮機構部を駆動する電動機とを有し、冷媒として、ＨＣ（ハイドロカーボン）冷媒を使用する密閉型圧縮機において、
   前記圧縮機構部は、前記電動機によって回転するクランクシャフトの偏芯軸に嵌合するローリングピストンが内部に配置されるシリンダと、前記シリンダの軸方向両端を閉塞するシリンダヘッド及びフレームとによって構成される圧縮室を、ベーンにより高圧室と低圧室に区分して連続的に冷媒の圧縮を行い、
   前記電動機の高さがＲ４１０Ａ冷媒を使用する密閉型圧縮機の電動機の高さよりも低くなっており、
   前記圧縮機構部のシリンダは、縦長形状であることを特徴とする密閉型圧縮機。

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