JP5206635B2 - 電動圧縮機およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、空気調和機やヒートポンプ式給湯機などに用いられる電動圧縮機に関するものである。特に、炭酸ガスなどの冷媒を高圧の超臨界状態に圧縮する電動圧縮機とその製造方法であって、圧縮機の密閉容器であるシェルと密封端子との接合に係るものである。

近年、地球環境問題への対応から、従来用いられていたＣＦＣ系やＨＣＦＣ系冷媒の使用が抑制され、地球温暖化係数の小さいＨＦＣ系冷媒（例えば、Ｒ４１０Ａ，またはＲ３２等を、主成分としたＨＦＣ系冷媒等）、あるいは自然冷媒（例えば、二酸化炭素）などを、冷媒に用いた機器の開発、利用が進められている。

従来より、家庭用、業務用の冷凍空調機器において、ローリングピストン形やスクロール形の密閉構造の電動圧縮機が多く使用されている。いずれの圧縮機も、密閉容器内に、圧縮機構部、その駆動シャフト、及び電動機等を収容して構成されている。例えば、特許文献１には、空調機用のスクロール式の密閉構造の電動圧縮機について動作等が説明されている。

ここでは、スクロール圧縮機を例にとり、従来の技術を説明する。図４に二酸化炭素（以後ＣＯ２と記す）冷媒を用いた従来のスクロール圧縮機の縦断面図を示す。

密閉容器１は、円筒状の胴シェル２１と、その上端側と下端側に円周溶接された深皿状の上部シェル２２と底部シェル１０により構成されている。胴シェル２１に吸入管１１、上部シェル２２に吐出管１６がロー付けなどで接合され、さらに上部シェル２２には電動機７に給電する密封端子２５が抵抗溶接などで接合されている。

密閉容器１の内部には、固定スクロール２と可動スクロール３、可動スクロール３を駆動するシャフト５と、シャフト５の回転を支持する軸受部材６とから構成された圧縮機構部４が上部に収納されており、シャフト５には電動機７の回転子８が、胴シェル２１に焼き嵌め固定された固定子９とともに軸受部材６の下部に収納されている。

この構成で、空調機の冷凍サイクルを循環してきた低圧の冷媒ガスは吸入管１１より圧縮機構部４に吸入され、固定スクロール２と可動スクロール３との間に形成された圧縮室で、可動スクロール３の旋回運動により冷媒ガスは圧縮され高圧ガスとなり吐出孔１２より吐出される。さらに、高圧ガスは吐出孔１２よりガス通路１４を通じ、電動機７が収容された下部空間に流れた後、ガス通路１５から上シェル側の空間に流れて吐出管１６より、冷凍サイクルへ吐出される。

次に、その上シェルと密封端子の接合構造について、図４の圧縮機の部分断面図を参照して説明する。図５は上部シェル２２と密封端子２５の接合状況を示したものである。

密封端子２５は、端子台座２６に絶縁体の封着ガラス２８を介して電流が流れる端子ピン２７が封止されたもので、端子台座２６はプレス加工成形した板金部品であり、端子ピン２７が挿入されるピン孔２６ａが形成された天板部２６ｂと、天板部２６ｂの外側に絞り成形された円筒部２６ｃと、円筒部２６ｃからフレア状に成形され上部シェル２２と接合されるフレア部２６ｄから形成されている。

抵抗溶接であるプロジェクション溶接によって上部シェル２２に端子台座２６を接合させる際、密封端子のフレア部２６ｄが下部電極３２の円錐状電極面３２ａに接触して設置
され、上部シェル２２に設けられた端子接合孔２２ａに円筒部２６ｃを挿入され、端子接合孔２２ａのエッジとフレア部２６ｄを接触させ、端子接合孔２２ａの淵の外側を上方から上部電極３１により荷重（図中の矢印Ｗ）をかけられ固定される。この状態で高い溶接電流（図中の点線矢印Ａ）を流すことで、接触抵抗の高い端子接合孔２２ａのエッジとフレア部２６ｄの接触部をそのジュール発熱で溶融し溶接部２９を形成し、上部シェル２２と密封端子２５の両者が接合されるものである。

そのため、上部電極３１と上部シェル２２との接触面、及び下部電極３２とフレア部２６ｄとの接触面は、ともに接触抵抗が小さくなるように十分に接触面積が確保されている。また、溶接電流による温度上昇を防止するため、上部電極３１と下部電極３２は水冷されている。

ところで、Ｒ２２、Ｒ４１０Ａ冷媒を用いた一般的なエアコンの冷媒サイクルでは、冷媒が臨界圧力未満にしか圧縮されないのに対して、ＣＯ２を冷媒とする場合は、冷媒を臨界圧よりも高い圧力にまで圧縮した冷凍サイクルが用いられている（例えば、特許文献２参照）。このように、ＣＯ２を冷媒とする場合は、冷凍サイクルの高圧側の圧力を臨界圧力よりも高く設定することが多く、冷凍サイクルの高圧側圧力が一般的な冷凍サイクルに比べて非常に高くなっている。このように、ＣＯ２冷媒を用いた場合、動作圧力が従来の冷媒より高いため、密閉容器１の耐圧強度を上げる必要があり、各シェル部材の材料強度及び板厚の変更、さらに密閉端子などの強度向上が必要であった。

特開２００５−４８６８２号公報 特開平１０−５４６１７号公報

しかしながら、前記従来の構成では、次のような課題が生じていた。すなわち、図５の密封端子２５は、端子台座２６はプレス加工成形した板金部品であり、従来の板厚では、密閉容器１内が臨界状態のような高圧となった場合、強度不足により変形し絶縁体の封着ガラス２８にクラック状のヒビ割れが生じて漏れが発生する課題を有していたプレス成形のため、板厚ｔａを厚くして強度を上げることにも限界があった。

また、図６に示すように切削加工によりブロックの鋼材から端子台座２６を形成する事で、フレア部２６ｄの厚みｔｂを厚くする事が出来るが、単に根元と先端を均一に溶接電流の流れる経路も長くなるため端子台座２６の温度上昇による熱衝撃や熱応力の影響で封着ガラス２８にクラックや欠けなどの損傷が生じて漏れが発生しやすいという課題が生じていた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、ＣＯ２（二酸化炭素）などのガスを超臨界状態の高圧に圧縮することにより密閉容器内が従来よりも高い圧力になる圧縮機において、抵抗溶接でシェルに接合される密封端子の接合強度を高めるとともに、溶接時の封着ガラスの損傷などによって密閉容器となるシェルの密閉性が低下しない電動圧縮機とその製造方法の提供を目的とするものである。

前記従来の課題を解決するために、本発明の電動圧縮機は、抵抗溶接機の荷重方向と密封端子のフレア部の内周面との角度を９０°未満とし、且つ前記フレア部の内周面の角度を前記フレア部の外周面の角度より大きくすることにより、強度の必要なフレア部の根元
部分の厚みを確保しつつ、フレア部を流れる溶接電流の経路長を短くしたものである。これによって、溶接電流による温度上昇を抑制でき、封着ガラスのクラックや割れ等の損傷を防止できる。

さらに、本発明の電動圧縮機は、密閉端子の端子台座を鋼材のブロックにより形成することで、端子台座の強度を増加したものである。これにより、抵抗溶接時の高荷重や圧縮機運転時の高圧に対して変形しにくく、より封着ガラスのクラックや割れ等の損傷を防止できる。

また、本発明の電動圧縮機の製造方法は、密封端子の端子台座をシェルに抵抗溶接で接合する際、抵抗溶接機の荷重方向と密封端子のフレア部の内周面との角度を９０°未満とし、且つ前記フレア部の内周面の角度を前記フレア部の外周面の角度より大きくし、強度の必要な部分の厚みを確保しつつフレア部を流れる溶接電流の経路長を短くした密封端子を、円錐状の下部電極に前記フレア部の内周面を密着させて位置決めした状態で、密閉端子のフレア部の内周面が設置抵抗溶接機の電極から受ける反力の作用点が、前記フレア部の外周面が上シェルから受ける前記抵抗溶接機の荷重の作用点より内側にしたものである。これによって、位置決めが容易で、高い荷重をかけ抵抗溶接を行う場合でも、封着ガラスに圧縮応力が作用し封着ガラスのクラックや割れ等の損傷発生を防止できる。

本発明の電動圧縮機は、抵抗溶接時の熱衝撃や熱応力による封着ガラスの損傷が防止できる。また、本発明の電動圧縮機の製造方法は、密封端子の抵抗溶接による接合工程において、加圧力を高めても、封着ガラスに圧縮応力を作用させながら溶接できるため、接合箇所の強度を高めつつ封着ガラスへの損傷を防止できる。したがって、ＣＯ２冷媒ガスを超臨界状態の高圧に圧縮する圧縮機において、先の溶接強度を高め、冷媒の漏れなどの問題を未然に防止できる。

本発明の実施の形態１における上シェルと密封端子の溶接状態を示す断面図 図１における上シェルと密封端子との接合部の拡大断面図 本発明の実施の形態２における上シェルと密封端子の溶接状態を示す断面図 従来の圧縮機の密閉型圧縮機を示す断面図 従来の圧縮機における上シェルと従来の密封端子の溶接状態を示す断面図 図５とは別の密封端子の溶接時の状態を示す断面図

第１の発明の電動圧縮機は、圧縮機構と前記圧縮機構を駆動する電動機をシェルの内部に収納し、前記電動機に給電する密封端子を有し、前記密封端子が前記シェルを密封して抵抗溶接機で抵抗溶接により荷重をかけ接合され、かつ、ガスを超臨界状態に圧縮する電動圧縮機であって、前記密封端子は、給電用のピンが絶縁体の封着ガラスにより絶縁されて端子台座に固定され、前記端子台座は外形状が軸対称で、その一部から円錐状にのび、根元部分が先端部分より厚いフレア部を有し、前記フレア部のフレア外周面を、前記シェル側の突起が接触し通電し溶融接合する上部接触面とし、前記フレア部のフレア内周面を、前記抵抗溶接機の下部電極が接触し通電する下部接触面とし、前記抵抗溶接機の荷重方向と前記フレア内周面との角度が９０°未満で、且つ前記フレア内周面の角度が前記フレア外周面の角度より大きく形成することにより、強度の必要なフレア部の根元部分の厚みを確保しつつ、フレア部を流れる溶接電流の経路長が短くなり、溶接電流による温度上昇を抑制でき、封着ガラスのクラックや割れ等の損傷を防止でき、密閉性の高い圧縮機を実現できる。

第２の発明の電動圧縮機は、特に、第１の発明の圧縮機において、端子台座が鋼材のブロックにより形成されることにより、その強度が向上し、超臨界状態のような高圧が端子台座に作用する場合でも、封着ガラスに損傷を与える応力を与えないため、密閉性の高い圧縮機を実現できる。

第３の発明の電動圧縮機の製造方法は、超臨界状態にガスを圧縮する電動圧縮機の製造方法であって、シェルの内部に設けられた電動機に給電する密封端子の端子台座を前記シェルに抵抗溶接機で接合する接合工程を有し、前記接合工程において、前記端子台座が軸対称である円錐状で根元部分が先端部分より厚いフレア部のシェルとの接合面となる外周面より、前記抵抗溶接機の荷重方向と成す角度が大きく、且つ前記荷重方向との角度が９０°未満である内周面を有する密封端子を、円錐状の下部電極に前記フレア部の内周面を密着させて位置決めし、前記フレア部の外周面に作用する前記抵抗溶接機の荷重の作用点より、前記抵抗溶接機の電極から前記フレア部の内周面に作用する前記荷重方向反力の作用点が内側にある状態で、加圧しながら抵抗溶接を行うことにより、フレア部根元の強度を確保しつつフレア部２６ｄの溶接電流が流れる経路長が短くでき、また、円錐状の下部電極３２にフレア部内周面３０ａを密着させ位置決めして確実に固定して抵抗溶接できるため、溶接電流による温度上昇を抑制し、封着ガラス２８の損傷や溶接部強度低下による、ガス漏れ等の密封性の低下を防止できる。密閉性の高い圧縮機の製造が実現できる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。圧縮機の構造で従来と同等部分の説明は省略する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における、上部シェル２２と密封端子２５の抵抗溶接による溶接時の状態を示す断面図である。また、図２は図１の一部（Ｐ部）を拡大した図である。

密封端子２５は、端子台座２６と電動機への給電電流が流れる端子ピン２７、及び端子台座２６に端子ピン２７を電気的に絶縁しかつ気密封止する絶縁体の封着ガラス２８から構成されている。また、端子台座２６はブロックの鋼材から切削加工などに形成されたもので、端子ピン２７が挿入されるピン孔２６ａが形成された天上部２６ｂと、天板部２６ｂの外側に成形された円筒部２６ｃと、円筒部２６ｃからフレア状に成形され上部シェル２２と接合されるフレア部２６ｄを有している。

次に、この構成による密封端子２５の抵抗溶接による溶接工程について説明する。

抵抗溶接にプロジェクション溶接を用い、上部シェル２２に端子台座２６を接合させる際、密封端子２５のフレア部２６ｄの内周面３０ｂが下部電極３２の円錐状電極面３２ａに接触して設置され、上部シェル２２に設けられた端子接合孔２２ａに円筒部２６ｃを挿入され、端子接合孔２２ａのエッジとフレア部２６ｄの外周面３０ａを接触させ、端子接合孔２２ａの淵の外側を上方から上部電極３１により荷重（図中の矢印Ｗ）をかけられ固定される。

この状態で上部電極３１と下部電極３２との間に高い溶接電流（図中の点線矢印Ａ）を流すことで、接触抵抗の高い端子接合孔２２ａのエッジとフレア部２６ｄの接触部をそのジュール発熱で溶融し溶接部２９を形成し、上部シェル２２と密封端子２５の両者が接合されるものである。そのため、上部電極３１と上部シェル２２との接触面、及び下部電極３２とフレア部との接触面は、ともに接触抵抗が小さくなるように十分に接触面積が確保されている。

また、溶接電流による温度上昇を防止するため、上部電極３１と下部電極３２は水冷されている。このように上部シェル２２に密封端子２５が接合された電動圧縮機が動作する際は、図１、２において、上方（密閉容器の外側に対応）から大気圧Ｐ０、下方（密閉容器の内側に対応）から高圧Ｐ１が作用している。これらの圧力により、端子台座２６は上方に凸の変形を生じようとするため、端子台座２６の上部には引張り応力σ０、下部には圧縮応力σ１が発生する傾向があるが、端子台座２６の厚みｔｃが厚く、溶接部２９が端子台座２６の下方に設けているため、封着ガラス２８に過大な応力、特に引張り応力は発生しにくい。

また封着ガラス２８は、圧縮応力に強いが引張り応力に非常に弱いため、圧縮応力が働くように設計されている。

このように、下方の圧縮応力の増加は封着ガラス２８の損傷しにくく有利に作用するため問題とはならない。フレア部２６ｄの根元厚みｔｃは、高圧Ｐ１が作用しても溶接部の強度を確保する必要となる。

フレア部２６ｄの外周面３０ａが矢印Ｗの荷重方向（図２参照）となす角度α０が、内周面３０ｂが成す角度α１より小さく形成されているため、フレア部２６ｄの断面厚みは根元厚みｔｃより外側に行くほど薄くなっており、そのため上部シェル２２と下部電極３２の電極接触面３２ａとの間の最短距離Ｓｃは根元厚みｔｃより短くなる。この最短距離Ｓｃは、溶接時に溶接電流が流れる距離であり、短いほどジュール加熱による発熱量は小さいため温度上昇が抑制され、端子台座２６の温度上昇も小さく、熱衝撃や熱応力が抑制されるため、封着ガラス２８のクラックや欠けなどの損傷が発生することがない。

また、端子台座２６は、内周面３０ｂが角度α１を有するため、先の角度α１に沿うように形成された下部電極３２の電極面３２ａに対して確実に位置決め固定され、上部シェル２２との位置ずれによる溶接不良の発生も防止できる。

尚、本実施形態の圧縮機１は、以上説明した溶接工程を始め、胴シェル２１内に圧縮機構４及び電動機７などを固定する工程や、胴シェル２１に上部シェル２２及び底部シェル１０を溶接する工程などを行うことにより製造することができる。

（実施の形態２）
図３は、本発明の第２の実施の形態における、上部シェル２２と密封端子２５の密封端子溶接工程における、溶接時の状態を示す断面の拡大図である。

密封端子２５は、図２に示す実施の形態１と同様の構成である。実施の形態１と異なる点は、下部電極３２の電極接触面３２ａと接触する内周面３０ｂが幅ｋｃでフレア部の根元側に形成されており、内周面３０ｂに作用する反力Ｒｃの荷重Ｗ方向成分Ｒｎの作用点が、外周面３０ａに作用する荷重Ｗの作用点より、端子台座２６の中心線に近くなっている。これにより、図２に示す溶接の際、端子台座２６が上方に凸の変形する方向にモーメントが作用するため、端子台座２６の下部には圧縮応力σ１が発生する。この圧縮応力が、封着ガラス２８の損傷を防止する方向に働くため、溶接時の損傷による不良を防止することができる。

密封端子２５の溶接工程において、端子台座２６を上部シェル２２側に荷重Ｗをかけながら溶接しているので、その荷重Ｗを増加することで溶接部２９が十分に溶融して溶接面積が大きくなり、溶接強度も十分に強化することができる。

したがって、本実施の形態の溶接工程によれば、実施封着ガラス２８の損傷を防止しつつ、荷重Ｗを増加させることができるため、溶接部２９の溶接強度を向上する事ができ、密封性の高い圧縮機を製造できる。

尚、端子台座２６の上部には引張り応力が発生する傾向となるが、フレア部２６ｄが端子台座２６の下部に形成されているため、影響が及びにくい。

尚、反力Ｒｃの荷重Ｗの垂直成分Ｒｔの影響は、電極接触面３２ａの摩擦力で吸収されるが、場合によっては、図３に示すように下部電極３２に反力Ｒｒを作用させる支持壁３２ｂを設けてもよい。

また、端子台座２６を、例えば鋼材のブロックから形成した厚肉の部品にしているので、該端子台座２６の剛性を高めることができるとともに、プロジェクション溶接などの抵抗溶接を行う際の封着ガラス２８の損傷などを確実に防止できる。

以上のように、本発明にかかる電動圧縮機は、密封端子のフレア部の強度を確保するとともに、溶接電流の経路を短かくすることで、端子台座の温度上昇による熱衝撃や熱応力による封着ガラス部のクラックや欠けの防止でき、漏れのない密閉容器が可能となるので、圧縮機に限らず超臨界状態のような高圧で動作させる必要のあるポンプ等の流体機械の用途にも適用できる。

１ 密閉容器
７ 電動機
２１ 胴シェル
２２ 上部シェル
２２ａ 端子接合孔
２５ 密封端子
２６ 端子台座
２６ａ ピン孔
２６ｂ 天板部
２６ｃ 円筒部
２６ｄ フレア部
２７ ピン
２８ 封着ガラス
２９ 溶接部
３１ 上部電極
３２ 下部電極

Claims (3)

1. 圧縮機構と前記圧縮機構を駆動する電動機をシェルの内部に収納し、前記電動機に給電する密封端子を有し、前記密封端子が前記シェルを密封して抵抗溶接機で抵抗溶接により荷重をかけ接合され、かつ、ガスを超臨界状態に圧縮する電動圧縮機であって、前記密封端子は、給電用のピンが絶縁体の封着ガラスにより絶縁されて端子台座に固定され、前記端子台座は外形状が軸対称で、その一部から円錐状にのび、根元部分が先端部分より厚いフレア部を有し、前記フレア部のフレア外周面を、前記シェル側の突起が接触し通電し溶融接合する上部接触面とし、前記フレア部のフレア内周面を、前記抵抗溶接機の下部電極が接触し通電する下部接触面とし、前記抵抗溶接機の荷重方向と前記フレア内周面との角度が９０°未満で、且つ前記フレア内周面の角度が前記フレア外周面の角度より大きく形成されていることを特徴とする電動圧縮機。
2. 前記端子台座は、鋼材のブロックにより形成されていることを特徴とする請求項１記載の電動圧縮機。
3. 超臨界状態にガスを圧縮する電動圧縮機の製造方法であって、シェルの内部に設けられた電動機に給電する密封端子の端子台座を前記シェルに抵抗溶接機で接合する接合工程を有し、前記接合工程において、前記端子台座が軸対称である円錐状で根元部分が先端部分より厚いフレア部のシェルとの接合面となる外周面より、前記抵抗溶接機の荷重方向と成す角度が大きく、且つ前記荷重方向との角度が９０°未満である内周面を有する密封端子を、円錐状の下部電極に前記フレア部の内周面を密着させて位置決めし、前記フレア部の外周面に作用する前記抵抗溶接機の荷重の作用点より、前記抵抗溶接機の電極から前記フレア部の内周面に作用する前記荷重方向反力の作用点が内側にある状態で、加圧しながら抵抗溶接を行うことを特徴とする電動圧縮機の製造方法。