JP5179955B2 - 容積形圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、容積形圧縮機に係り、特に、圧縮機から発生する騒音を低減する技術に関する。

従来、容積形圧縮機は、空気調和機、ヒートポンプ式給湯機等に用いられることが知られている。このような容積形圧縮機としては、冷媒を圧縮する圧縮手段と、圧縮手段に連結されロータとステータとを有するモータとを容器内に収納したものが知られている（例えば、特許文献１）。

一方、容積形圧縮機の騒音を低減する技術として、圧縮機の吸入側配管又は吐出側配管に膨張型の消音器を設けることにより、圧縮機の吐出圧力の脈動や振動に起因する騒音を低減することが提案されている（例えば、特許文献２）。

特開平２−１４９７７７ 特開２００６−３４２７０８

しかしながら、特許文献２に記載の技術は、圧縮機の吐出圧力の変動に伴う騒音を低減できるが、容器の振動やモータの振動によって発生する容器内部の騒音を低減することについては考慮されていない。

本発明は、容器及びモータに起因する騒音を低減することを課題とする。

上記の課題を解決するため、本発明の容積形圧縮機は、冷媒を圧縮する圧縮手段と、該圧縮手段に連結されロータとステータを有するモータとを容器内に収納してなる容積形圧縮機において、前記ステータの内部に、該ステータの軸方向の両端に開口された空間からなる消音器を形成してなることを特徴とする。

このように、ステータの軸方向の両端に開口された空間からなる消音器を設けたことから、圧縮機内部の騒音を低減することができる。すなわち、圧縮機内部の騒音のうち、消音器の空間で共鳴（共振）する周波数の騒音の音響エネルギーを、共鳴により吸収することができる。ここで、減衰させたい騒音周波数としては、モータ、圧縮機の容器、圧縮機の脈動による騒音などが対象となるが、特に、モータを可変速で駆動するインバータのチョッピング周波数に基づいて設定することがより望ましい。

また、前記消音器は、前記ステータの軸方向にわたって前記ステータ内部に設けられた流路と、該流路の途中に流路断面が拡大された拡大部とを有し、前記ステータの両端に開口される流路部は、前記拡大部より断面積が小さく形成されてなることを特徴とする。

このようにしたことから、流路が膨張型の消音器として作用して、圧縮機の騒音を低減することができる。この場合、拡大部より断面積が小さく形成された流路を、ステータに代えてステータの軸端の双方に別の部材に設け、その部材に拡大部よりも断面積が小さい流路を設けてもよい。一般に、ステータは、磁性鋼板などのステータコア板を積層して形成されるので、ステータコア板を同一形状で加工することができ、ステータの製造を容易にすることができる。

本発明によれば、容器及びモータに起因する騒音を低減することができる。

以下、本発明を実施の形態に基づいて説明する。

（実施形態１）
図１は本発明の一実施形態のスクロール圧縮機の全体構成を示す縦断面図である。図１に示すように、本実施形態の容積形圧縮機である縦型のスクロール圧縮機は、冷媒ガス（例えば、二酸化炭素）を圧縮する圧縮手段である圧縮機構部１を備えている。圧縮機構部１には、ロータ３、コイル４、ステータ５を有するモータ７が連結されており、圧縮機構部１とモータ７は円筒状の容器９の内部に収納されている。

圧縮機構部１は、固定スクロール１１と旋回スクロール１３を備えて構成されている。固定スクロール１１は、円板状に形成された鏡板１１ａと、鏡板１１ａの上に渦巻状に立設されたラップ１１ｂと、鏡板１１ａの外周側に位置し、ラップ１１ｂを囲むように筒状に形成された支持部１１ｄとから構成されている。ラップ１１ｂが立設された鏡板１１ａの表面は、歯底１１ｃとなっている。また、固定スクロール１１は、支持部１１ｄでボルト８などによりフレーム１５に固定されており、フレーム１５は、溶接等の固定手段により容器９に固定されている。

旋回スクロール１３は、固定スクロール１１に対向して配置され、フレーム１５内に旋回可能に設けられている。旋回スクロール１３は、円盤状の鏡板１３ａと、固定スクロールのラップ１１ｂと同様に、鏡板１３ａの表面である歯底１３ｃから立設された渦巻状のラップ１３ｂと、鏡板１１ａの背面中央に設けられたボス部１３ｄとを有して構成されている。

容器９は、固定スクロール１１と旋回スクロール１３からなるスクロール部、モータ７、及び潤滑油を内部に収納して密閉構造に形成されている。クランク軸１７は、モータ７のロータ３に圧入などにより固定され、固定スクロール１１の軸線と同軸となっている。また、クランク軸１７の一端は、フレーム１５に軸受１８を介して回転自在に設けられ、他端が容器９の下部に固定された支持部材１９に軸受２０を介して回転自在に設けられている。クランク軸１７の先端にはクランク２１が設けられており、クランク２１に軸受２２を介して旋回スクロール１３のボス部１３ｄが回転可能に取り付けられている。クランク軸１７には、軸方向に穴２３が設けられており、穴２３を介して軸受１８、軸受２２、後述する背圧室３３に容器９の底部の冷凍機油を供給するようにしている。旋回スクロール１３は、軸線が固定スクロール１１の軸線に対して所定距離だけ偏心した状態で取り付けられている。

また、旋回スクロール１３のラップ１３ｂは、固定スクロール１１のラップ１１ｂに周方向に所定角度だけずらして重ね合わせられている。そして、旋回スクロール１３を固定スクロール１１に対して自転しないように拘束しながら相対的に旋回運動させるための機構として、オルダムリング２４が取り付けられている。この状態で旋回スクロール１３を旋回運動させたとき、ラップ１１ｂ、１３ｂ間に、中央部に移動するに従い連続的に容積が縮小される三日月状の複数の圧縮室２５が形成される。

吸込穴２７は、固定スクロール１１に形成されており、この吸込穴２７は最外周側の圧縮室２５と連通するように鏡板１１ａの外周側に穿設され、吸込室が形成されている。吸込穴２７には、吸込みパイプ２８の一端が接続して設けられ、他端は容器９を介して外部に引き出されている。吐出穴２９は、最内周側の圧縮室２５と連通するように固定スクロール１１の鏡板１１ａの中心部に穿設されている。容器９の内部には吐出室３０が形成されており、吐出パイプ３１の一端は容器９の吐出室３０に開口して設けられ、他端は容器９を介して外部に引き出されている。

背圧室３３は、旋回スクロール１３の鏡板１３ａの背面に圧縮機構部１とフレーム１５とで囲まれた空間により形成されており、背圧室３３は、背圧調整弁３５を介して圧縮機構部１の吸込室と連通している。旋回スクロール１３のラップ１３ｂの歯先には、背圧室３３と圧縮室とを連通する穴３７が設けられている。

次に、本実施形態の特徴部であるステータの構造について説明する。図２は図１のＡ−Ａ矢視図、図３は図１のＢ−Ｂ矢視図、図４は本実施形態のステータの要部を示す断面図である。ステータ５は、焼嵌めなどにより容器９に固定され、複数のステータコア板５ａ、５ｂを積層させて形成されいる。ステータコア板５ａ、５ｂは、鋼板（例えば、磁性鋼板）をプレスなどの加工方法によって略円状に成形されている。ステータ５には、ステータコア板５ａ、５ｂを組み合わせることにより、有底穴４０が形成されている。

図２に示すように、ステータコア板５ａには、周方向に等間隔に円形の穴４１が６箇所に貫通して設けられ、１箇所の穴４１に対して周方向の両側の２箇所に円形の穴４３が貫通して設けられている。一方、図３に示すように、ステータコア板５ｂには周方向に等間隔に円形の穴４５が６箇所に貫通して設けられ、穴４５は、ステータコア５ａ、５ｂを積層したときにステータコア５ａの穴４１と同軸となる位置に配置されている。すなわち、ステータ５の上部にステータコア板５ｂを複数枚積層し、下部にステータコア板５ａを複数枚積層して組み合わせ、かつ穴４１と穴４５が同軸となるように配置することにより穴４３からなる有底穴４０が形成される。図４に示すように、有底穴４０のクランク軸１７の軸方向の長さＬは、ステータコア板５ａの積層枚数によって決定される。有底穴４０の長さＬは、例えば、減衰させたい騒音周波数の波長の１／４又は（２ｎ−１）倍（奇数倍）に設定する。ここで、ｎは１以上の整数である。

また、ステータ５には、ステータコア板５ａ、５ｂの穴４１、４５が同軸に配置されることにより、クランク軸１７の軸方向にわたって貫通穴（図示せず）が形成されており、貫通穴に冷凍機油を含む冷媒を通過可能にしている。ステータコア板５ａ、５ｂの外周部には、円周方向に等間隔に切り欠きが形成されており、容器９との間に隙間を形成して冷凍機油を含む冷媒を通過可能にしている。ステータコア板５ａ、５ｂの内周部にはコイル４が装着される突起が周方向に等間隔に設けられている。

次に、このように構成されるスクロール圧縮機の動作を説明する。モータ７を駆動してクランク軸１７を回転駆動すると、クランク軸１７の回転がクランク２１及び軸受２２を介して旋回スクロール１３に伝えられる。これにより、旋回スクロール１３は、固定スクロール１１の軸線を中心に、所定距離の旋回半径をもって旋回運動する。この旋回運動時に旋回スクロール１３が自転しないように、オルダムリング２４によって拘束される。そして、旋回スクロール１３の旋回運動によって、各ラップ１１ｂ、１３ｂの間にできる圧縮室２５は中央に連続的に移動し、その移動にしたがって圧縮室２５の容積が連続的に縮小する。これによって、吸込みパイプ２８から吸込まれた流体が各圧縮室２内で順次圧縮され、圧縮された冷媒ガスは吐出パイプから吐出される。吐出された冷媒ガスは、例えば、冷凍サイクルに供給される。また、冷媒の圧縮が開始されると、冷媒ガスの一部は、旋回スクロール１３の穴３７から背圧室に供給され背圧を上昇させる。

一方、冷凍機油は容器９の底に貯留され、周囲の圧力は吐出圧となっている。背圧室３３の圧力は吐出圧より低いため、容器９の底に貯留している冷凍機油はクランク軸１７に設けた穴２３を通って、背圧室３３に流入する。具体的には、冷凍機油の一部はクランク軸１７の一部に設けた穴５１を通って軸受１８を潤滑しながら背圧室３３に達する。また、他の冷凍機油は、穴５３を通ってクランク２１の上部に達し、軸受２２を潤滑して背圧室３３に入る。ここで、冷凍機油は、軸受１８、２２を通過する際、軸受隙間が小さいため絞られて吐出圧より低い圧力で背圧室３３に入る。背圧室３３に入った冷凍機油は、背圧が高くなると、吸込室への連通路に設けられた背圧調整弁３５を開いて吸込室へ入り、背圧室３３は所定の背圧に保たれる。そして、吸込室へ入った冷凍機油は圧縮室２５を通って吐出穴２９から吐出され、一部は吐出パイプ３１から冷凍サイクルへ吐出される。残りは容器９内で冷媒ガスと分離されるとともに、ステータ５に設けられた貫通穴及びステータと容器９との間の隙間などを通って容器９の底部に貯留される。

次に、本実施形態の特徴部である騒音の低減について動作と共に説明する。図４に示すようにステータ５の有底穴４０において、騒音のうち、有底穴４０の深さＬで共鳴する周波数の騒音の定在波５０が生じる。これにより、有底穴４０の長さＬで共鳴（共振）する周波数の騒音の音響エネルギーが、共鳴により吸収される。有底穴４０の深さＬは低減させたい騒音の周波数によって設定される。例えば、低減させたい騒音の周波数を、モータ７を可変速で駆動するインバータのチョッピング周波数の３．６ｋＨｚとした場合、吸込み圧力４ＭＰａ、吐出圧力１０ＭＰａ、吸込み温度を１３℃としたときの音速は２６０ｍ／ｓｅｃであるから、チョッピング周波数の波長は７２ｍｍとなる。したがって、有底穴４０の深さＬは、チョッピング周波数の波長の１／４である１８ｍｍに設定される。この場合の有底穴の深さＬは、チョッピング周波数の波長が共鳴する長さであればよく、チョッピング周波数の波長の１／４の奇数倍とすることができる。

このようにしたことから、有底穴４０が共鳴形の消音器として作用することで圧縮機内部の騒音を低減することができる。ここで、減衰させたい騒音周波数としては、モータ７、圧縮機の容器９、圧縮機の脈動による騒音などが対象となるが、特に、モータ７を可変速で駆動するインバータのチョッピング周波数に基づいて設定することがより望ましい。また、ステータコア板５ａに穴４３を設けるだけでよく、騒音低減手段を圧縮機と別体で設ける必要がないので、圧縮機の製造コストを小さくすることができる。また、ＣＯ_２冷媒を用いた冷凍サイクルにおいては、深夜電力を利用したヒートポンプ式給湯機が主流となっており、このようなヒートポンプ式給湯機に本実施形態のスクロール圧縮機を適用することが効果的である。

本実施形態においては、有底穴４０をステータ５のクランク軸１７の軸方向の下端に設けているが、クランク軸１７の軸方向の両端に設けてもよい。また、有底穴４０を上端に設けてもよいが、縦置き型の圧縮機の場合、冷凍機油が内部に侵入し、低減させたい周波数の騒音の低減効果が小さくなるため、有底穴４０を下端に設けることが好ましい。また、本実施形態の有底穴４０の長さＬは、全て同じ長さとしているが、低減させたい騒音の周波数が複数ある場合は、騒音の周波数に応じて複数の長さの有底穴を設けることができる。

また、有底穴４０の数が多く、穴の径が大きければ、騒音の低減効果は大きくなるが、反対に、モータ７の効率が低下することから、有底穴４０の数及び大きさはモータの容量及び騒音の低減度合いに応じて適宜設定する。また、有底穴４０は、予め穴４３のあけられたステータコア板５ａを積層させて形成しているが、穴のあけられていないステータコア板を積層させ、その後にドリルなどにより有底穴４０を形成してもよい。

また、本実施形態の有底穴４０はクランク軸１７の軸方向に平行に設けられているが、有底穴４０内の共鳴により騒音を低減できればよく、例えば、有底穴４０をクランク軸１７の軸方向に対して傾斜して設けて設けてもよい。

本実施形態においては、スクロール圧縮機について説明したが、容積形圧縮機に適用することができ、例えば、スクロール圧縮機や往復（レシプロ）圧縮機などに適用することができる。また、スクロール圧縮機は、縦置き型について説明したが、横置型にも適用することができる。横置型の場合、ステータの一部が冷凍機油に浸漬されるので、冷凍機油に浸漬された部分の以外の部分に有底穴を設けることが好ましい。

（実施形態２）
図５は本発明の他の実施形態のスクロール圧縮機の全体構成を示す縦断面図、図６は図５のＣ−Ｃ矢視図、図７は図５のＤ−Ｄ矢視図、図８は本実施形態のステータの要部を示す断面斜視図である。図示のように、本実施形態が実施形態１と異なる点は、ステータ５の構成にあり、有底穴４０に代えて、縮小部６０、６１、拡大部６３を備えた流路６５を設けたことにある。その他の構成は図１と同じであるから、詳細な説明を省略する。

ステータ５の流路６５は、クランク軸１７の軸方向わたって設けられ、流路６５の途中に流路断面が拡大された拡大部６３が設けられている。流路６５の両端には、拡大部６３より断面積が小さくなるよう形成された縮小部６０、６１が設けられている。流路６５はステータコア板５ｃ、５ｄを積層して形成され、ステータコア板５ｃには、周方向に等間隔に円形の穴６７が６箇所に貫通して設けられ、ステータコア板５ｄには、周方向に等間隔に長円形の穴６９が６箇所に貫通して設けられている。すなわち、ステータ５の上部と下部にステータコア板５ｃを複数枚積層して流路６５の縮小部６０、６１を形成し、ステータ５の中央部にステータコア板５ｄを複数枚積層して流路６５の拡大部６３を形成している。このようにしたことから、流路６５が膨張型の消音器として作用することから圧縮機の騒音を低減することができる。

本実施形態のステータ５においては、流路６５の両端に縮小部６０、６１を設けているが、本実施形態に限らず縮小部を流路６５の一方の端部のみに設けてもよい。

（実施形態３）
図９は本発明の他の実施形態のステータの要部を示す断面斜視図である。図示のように、本実施形態が実施形態２と異なる点は、ステータ５の構成にあり、ステータコア板５ｄを複数枚積層して流路７０をクランク軸１７の軸方向にわたって設け、ステータ５とは別の円環状の部材７１をステータ５のクランク軸１７の軸方向の両端に設け、部材７１に拡大部７１よりも断面積の小さい穴７２を貫通して設けたことにある。その他の構成は図５、７と同じであるから、詳細な説明を省略する。このようすれば、ステータコア板７ｄを同一形状で加工することができ、ステータの製造を容易にすることができる。

本実施形態のステータ５においては、部材７１をステータ５の両端に設けているが、部材７１をステータ５のクランク軸１７の軸方向一方の端部のみに設けてもよい。

本発明の一実施形態のスクロール圧縮機の全体構成を示す縦断面図である。 図１のＡ−Ａ矢視図である。 図１のＢ−Ｂ矢視図である。 本実施形態のステータの要部を示す断面図である。 本発明の他の実施形態のスクロール圧縮機の全体構成を示す縦断面図である。 図５のＣ−Ｃ矢視図である。 図５のＤ−Ｄ矢視図である。 本発明の他の実施形態のステータの要部を示す断面斜視図である。 本発明の他の実施形態のステータの要部を示す断面斜視図である。

符号の説明

１ 圧縮機構部
３ ロータ
４ コイル
５ ステータ
５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ ステータコア板
７ モータ
９ 容器
１１ 固定スクロール
１３ 旋回スクロール
１５ フレーム
１７ クランク軸
２１ クランク
２３、４１、４３、４５、６７、６９、７２ 穴
２７ 吸込穴
２８ 吸込みパイプ
２９ 吐出穴
３１ 吐出パイプ
３３ 背圧室
４０ 有底穴
６０、６１ 縮小部
６３ 拡大部
６５、７０ 流路
７１ 部材

Claims (3)

1. 冷媒を圧縮する圧縮手段と、該圧縮手段に連結されロータとステータを有するモータとを容器内に収納してなる容積形圧縮機において、
   前記ステータの内部に、該ステータの軸方向の両端に開口された空間からなる消音器を形成してなり、
   前記消音器は、前記ステータの軸方向にわたって前記ステータ内部に設けられた流路と、該流路の途中に流路断面が拡大された拡大部とを有し、前記ステータの両端に開口される流路部は、前記拡大部より断面積が小さく形成されてなることを特徴とする容積形圧縮機。
2. 請求項１に記載の容積形圧縮機において、
   前記流路の両端に開口される流路部は、前記拡大部より断面積が小さい流路を有する部材を取り付けて形成されてなることを特徴とする容積形圧縮機。
3. 請求項１又は２に記載の容積形圧縮機において、
   前記拡大部は、流路断面が長円形に形成されていることを特徴とする容積形圧縮機。

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