JP5442378B2 - 回転圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、密閉容器内に電動要素と、この電動要素の回転軸にて駆動させる回転圧縮要素を備えて成る回転圧縮機に関するものである。

従来より、この種回転圧縮機は、密閉容器内に電動要素とこの電動要素の回転軸にて駆動される回転圧縮要素を収納して成る。回転圧縮要素は、シリンダと、回転軸に形成された偏心部に嵌合されてシリンダ内で偏心回転するローラと、このローラに当接してシリンダ内を低圧室側と高圧室側とに区画するベーンと、シリンダの開口面を閉塞すると共に、回転軸の軸受けを有する支持部材と、支持部材のシリンダが位置する側と反対側に設けられた吐出消音室から構成されている。また、吐出消音室とシリンダ内の高圧室側とはシリンダに形成された吐出ポートと、支持部材に形成された連通孔を介して連通されており、吐出消音室内には連通孔を開閉可能に閉塞する吐出弁が設けられている。

また、電動要素は、密閉容器内面に固定される固定子と、この固定子の内側に回転可能に設けられた回転子から構成され、固定子は回転子に回転磁界を与えるための固定子巻線を備えている。

そして、駆動要素が駆動されると、吸込通路を介してシリンダの低圧室側に低温低圧の冷媒ガスが吸入され、ローラとベーンの動作により圧縮される。当該ローラとベーンの動作によりシリンダ内の冷媒ガスが圧縮されて、所定の圧力に到達すると、係る冷媒ガスの圧力により吐出弁が押し上げられて、吐出ポート及び連通孔を介してシリンダの高圧室側と吐出消音室とが連通される。これにより、シリンダ内で圧縮され、高温高圧となった冷媒ガスは、シリンダの高圧室側より吐出ポート及び連通孔を経て吐出消音室に吐出される。吐出消音室に吐出された高温高圧の冷媒ガスは、密閉容器内に吐出された後、当該密閉容器内を経て、外部に吐出される構成とされていた（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−２５４２７０号公報

このような回転圧縮機では、電動要素の回転子の回転により発生する電動要素の静トルクが周期的に変動するため、従来、回転圧縮要素における冷媒ガス圧縮過程で、最もトルクが必要となる吐出弁が開く直前に電動要素の静トルクが最大となるように位置あわせして電動要素と回転圧縮要素を密閉容器内に取り付けることで、効率の向上を図ろうとしていたが、十分ではなかった。

本発明は、従来の技術的課題を解決するために成されたものであり、電動要素の効率を改善して、回転圧縮機の性能の向上を図ることを目的とする。

請求項１の発明の回転圧縮機は、密閉容器内に電動要素と、この電動要素の回転軸にて駆動される回転圧縮要素を備えて成るものであって、電動要素は、４極の磁極を構成する永久磁石を挿入してなる回転子と、２４個のスロット部の相対向する位置に同一の相として三相の固定子巻線を巻回してなる固定子を備え、当該電動要素の静トルクが最大となる位置を、回転圧縮要素の負荷トルクが最大となる位置から電動要素の回転方向に５°以上２０°以下の範囲でずらしたことを特徴とする。

請求項２の発明の回転圧縮機は、密閉容器内に電動要素と、この電動要素の回転軸にて駆動される回転圧縮要素を備えて成るものであって、電動要素を構成する固定子、及び、回転軸に取り付けられて固定子内で回転する回転子と、回転圧縮要素を構成するシリンダと、回転軸の軸受けを備えてシリンダの開口を閉塞する支持部材と、この支持部材に形成されてシリンダ内の圧縮室と連通する吐出口を開閉する吐出弁とを備え、回転子は、４極の磁極を構成する永久磁石を挿入してなると共に、固定子は、２４個のスロット部の相対向する位置に同一の相として三相の固定子巻線を巻回してなり、電動要素の静トルクが最大となる位置を、吐出弁が開く直前の位置から電動要素の回転方向に５°以上２０°以下の範囲でずらしたことを特徴とする。

請求項３の発明の回転圧縮機は、請求項１又は請求項２の発明において電動要素は、直流モータであることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、密閉容器内に電動要素と、この電動要素の回転軸にて駆動される回転圧縮要素を備えて成る回転圧縮機において、電動要素は、４極の磁極を構成する永久磁石を挿入してなる回転子と、２４個のスロット部の相対向する位置に同一の相として三相の固定子巻線を巻回してなる固定子を備え、当該電動要素の静トルクが最大となる位置を、回転圧縮要素の負荷トルクが最大となる位置から電動要素の回転方向に５°以上２０°以下の範囲でずらしたので、電動要素の回転数を低下させること無く、入力を低減することが可能となる。

請求項２の発明によれば、密閉容器内に電動要素と、この電動要素の回転軸にて駆動される回転圧縮要素を備えて成る回転圧縮機において、電動要素を構成する固定子、及び、回転軸に取り付けられて固定子内で回転する回転子と、回転圧縮要素を構成するシリンダと、回転軸の軸受けを備えてシリンダの開口を閉塞する支持部材と、この支持部材に形成されてシリンダ内の圧縮室と連通する吐出口を開閉する吐出弁とを備え、回転子は、４極の磁極を構成する永久磁石を挿入してなると共に、固定子は、２４個のスロット部の相対向する位置に同一の相として三相の固定子巻線を巻回してなり、電動要素の静トルクが最大となる位置を、吐出弁が開く直前の位置から電動要素の回転方向に５°以上２０°以下の範囲でずらしたので、電動要素の回転数を低下させること無く、入力を低減することが可能となる。

また、請求項３の発明のように、誘導電動機に比して慣性力を期待できない、電動要素が回転子に永久磁石を備えた直流モータに上記請求項１又は請求項２の発明を適用することで、上記各発明がより効果的となる。

本発明を適用した一実施例の回転圧縮機の縦断側面図である。 図１の回転圧縮機の電動要素及び回転圧縮要素の配置を示す図である。 各回転角における電動要素の静トルクと回転圧縮要素の負荷トルクの変化を示す図である。 本発明を適用した回転圧縮機と従来の回転圧縮機とを運転した場合の能力を示す図である。 従来の回転圧縮機の電動要素及び回転圧縮要素の配置を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面に基づき詳細に説明する。図１は、本発明を適用した一実施例の回転圧縮機の縦断側面図、図２は本発明の電動要素の固定子と回転圧縮要素の位置関係を示す図である。図１に示す本実施例の回転圧縮機１０は、鋼板から成る縦型円筒状の密閉容器１２の内部空間の上側に駆動要素としての電動要素１４を収納し、その下側に電動要素１４の回転軸１６により駆動される回転圧縮要素３２を収納して成る内部高圧型のロータリコンプレッサである。

密閉容器１２は、電動要素１４及び回転圧縮要素３２を収納する容器本体１２Ａと、この容器本体１２Ａの上部開口を閉塞する略椀状のエンドキャップ（蓋体）１２Ｂから成り、密閉容器１２内の底部にはオイル溜まりが構成されている。このエンドキャップ１２Ｂの上面には円形の取付孔１２Ｄが形成され、この取付孔１２Ｄには電動要素１４に電力を供給するためのターミナル（配線を省略）２０が取り付けられている。更に、エンドキャップ１２Ｂには冷媒吐出管９６が取り付けられ、この冷媒吐出管９６の一端は電動要素１４上側の密閉容器１２内の上部空間と連通している。また、密閉容器１２（容器本体１２Ａ）の底部には取付用台座１１が設けられている。

電動要素１４は、密閉容器１２の上部空間の内周面に沿って環状に溶接固定された固定子２２と、この固定子２２の内側に回転軸１６を中心にして回転自在に支持され、内部に永久磁石を備えた回転子２４にて構成される直流モータである。本実施例では、係る電動要素１４として、ＤＣブラシレスモータを用いるものとして説明する。

上記固定子２２は、複数の薄板電磁鋼板を積層して構成された固定子鉄心２６と、回転子２４に回転磁界を与えるための固定子巻線２８とから構成されている。この場合、固定子鉄心２６には２４個のスロット部が形成され、これらスロット内に相対向する位置に挿入された固定子巻線２８を同一の相として、三相の固定子巻線２８が挿入され、固定子２２の磁極を形成している。

また、前記回転子２４は、固定子２２と同様に電磁鋼板を積層して成る回転子鉄心３０から構成され、この回転子鉄心３０には、４極の磁極に対応してスロット３１が穿設されており、各スロット３１内には永久磁石ＭＧがそれぞれ挿入される（図２）。そして、回転子２４の回転子鉄心３０の軸方向の端面（上下端面）に、非磁性体から成る図示しない端面部材を被せた後、バランスウエイト１５Ａ、１５Ｂを取り付け、バランスウエイト１５Ａの上側にオイル分離板１７を配置した状態でリベット１８にて固定することで、これらが一体化されている。尚、永久磁石ＭＧはスロット３１に挿入された後、着磁されるものである。

一方、回転圧縮要素３２は、シリンダ３８と、このシリンダ３８内に設けられ、回転軸１６に形成された偏心部４２に嵌合されてシリンダ３８で偏心回転するローラ４６と、このローラ４６に当接してシリンダ３８内を低圧室側と高圧室側に区画するベーン５０（図２）と、シリンダ３８の上面の開口部を閉塞すると共に、回転軸１６の軸受部５４Ａを有する上部支持部材５４と、シリンダ３８の下面の開口部を閉塞すると共に、回転軸１６の軸受部５６Ａを有する下部支持部材５６にて構成される。

前記シリンダ３８には、当該シリンダ３８内部の低圧室側とそれぞれ連通する吸込通路５８が形成されており、当該吸込通路５８には後述する冷媒導入管９２が連通接続されている。また、シリンダ３８の上部支持部材５４側（即ち、シリンダ３８の上縁）には、シリンダ３８内の高圧室側と連通する図示しない吐出ポートが形成されている。

また、上部支持部材５４のシリンダ３８が位置する側とは反対側の面（上面）は、略椀状のカップ部材６３により覆われており、その内側には吐出消音室６２が設けられている。即ち、吐出消音室６２は、上部支持部材５４の上面をカップ部材６３にて覆うことにより構成されている。この吐出消音室６２の底面となる上部支持部材５４には、シリンダ３８の上縁に形成された前記吐出ポートに対応する位置に上部支持部材５４を軸心方向（上下方向）に貫通する連通孔５５が形成されており、この連通孔５５の上端開口（吐出口）は吐出弁６６により開閉可能に閉塞されている。

この吐出弁６６は縦長形状の金属板からなる弾性部材にて構成されており、吐出弁６６の一端が連通孔５５の上端開口に当接して密閉すると共に、他側は連通孔５５と所定の間隔を存し、上部支持部材５４に形成された図示しない取付孔にカシメピンにより固着される。吐出弁６６の上側には吐出弁抑え板としてのバッカーバルブ６７が配置され、前記吐出弁６６と同様にカシメピンによって上部支持部材５４に取り付けられている。

そして、シリンダ３８内で圧縮され、所定の圧力に達した高圧室側の冷媒ガスの一部が、連通孔５５を閉じている吐出弁６６を押し上げて連通孔５５の上端開口を開く。これにより、連通孔５５を介して吐出ポートと吐出消音室６２とが連通されて、シリンダ３８内の高温高圧の冷媒ガスが吐出消音室６２内に吐出されることとなる。このとき、吐出弁６６は上述したように他側が上部支持部材５４に固着されているので連通孔５５に当接している一側が反り曲がり、吐出弁６６の開き量を規制しているバッカーバルブ６７に当接する。そして、冷媒ガスの吐出が終了する時期になると、吐出弁６６がバッカーバルブ６７から離れ、連通孔５５の上端開口を閉塞する。

前記密閉容器１２の容器本体１２Ａの側面には、シリンダ３８の吸込通路５８に対応する位置に、スリーブ９１が溶接固定されている。そして、スリーブ９１内にはシリンダ３８に冷媒ガスを導入するための前述した冷媒導入管９２の一端が挿入接続され、この冷媒導入管９２の一端はシリンダ３８の吸込通路５８と連通する。この冷媒導入管９２の他端はアキュムレータ９８内にて開口している。

上記アキュムレータ９８は吸込冷媒の気液分離を行うタンクであり、密閉容器１２の容器本体１２Ａの上部側面にブラケット９７を介して取り付けられている。そして、アキュムレータ９８には冷媒導入管９２が底部から挿入され、当該アキュムレータ９８内の上方に他端が開口している。

また、吐出消音室６２と密閉容器１２内とは、カップ部材６３を貫通する図示しない吐出孔にて連通されており、この孔から吐出消音室６２内の冷媒ガスが密閉容器１２内に（具体的には、当該カップ部材６３の上方に位置する電動要素１４に向かって）吐出されることとなる。

以上の構成で次にロータリコンプレッサ１０の動作を説明する。ターミナル２０及び図示しない配線を介して電動要素１４の固定子巻線２８に直流電流を通電すると、回転子２４のスロット３１内に埋め込まれた永久磁石ＭＧから生じる磁界との反発・吸引作用により、回転子２４は固定子巻線２８に印加される電圧と負荷とがバランスする速度で回転する。回転子２４の回転によって、回転軸６が回転し、この回転軸１６と一体に設けられた偏心部４２に嵌合されたローラ４６がシリンダ３８内を偏心回転する。

これにより、アキュムレータ９８内で液と分離された、気体の冷媒（冷媒ガス）のみが当該アキュムレータ９８内に開口した冷媒吐出管９２内に入る。冷媒導入管９２に入った低圧の冷媒ガスは吸込通路５８を経て、回転圧縮要素３２のシリンダ３８の低圧室側に吸入される。

シリンダ３８の低圧室側に吸入された冷媒ガスは、ローラ４６と図示しないベーンの動作により圧縮される。そして、シリンダ３８内の冷媒ガスが所定の高圧に達すると、係る冷媒ガスの高圧によりシリンダ３８の上側に位置する吐出弁６６が押し上げられて、連通孔５５の上端開口が開放される。これにより、連通孔５５を介して吐出ポートと吐出消音室６２とが連通され、シリンダ３８の高圧室側の高温高圧の冷媒ガスが、吐出ポートから連通孔５５を経て吐出消音室６２内に吐出される。この吐出消音室６２内に吐出された冷媒ガスは、カップ部材６３に形成された図示しない吐出孔から密閉容器１２内に吐出される。

そして、密閉容器１２内に吐出された高温高圧の冷媒ガスは、その後、電動要素１４の隙間を通って、密閉容器１２の上側に移動し、エンドキャップ１２Ｂに形成された冷媒吐出管９６から外部に吐出される。

ところで、このようなロータリコンプレッサ１０では、電動要素１４の回転子２４の回転により発生する電動要素１４の静トルクが周期的に変動する。具体的に説明すると、回転子２４に永久磁石ＭＧを備えた直流モータからなる電動要素１４では、回転子２４の永久磁石ＭＧによる磁石と固定子巻線２８による回転磁界とが吸引反発して発生するトルク（磁石トルク）と、固定子巻線２８による回転磁界に回転子２４の突極部が（鉄が）吸引されて発生するトルク（リラクタンストルク）の双方を利用できる。

上記磁石トルクは永久磁石ＭＧと回転磁界との吸引反発力で決定されるため、回転位置によって変動すること無くほぼ一定であるが、リラクタンストルクは回転子２４の突極の位置で変化する。このため、本実施例のように、４極の磁極を構成する４個の永久磁石ＭＧを挿入してなる回転子２４と、三相の固定子巻線２８を巻回してなる固定子２２を電動要素１４として用いた場合には、電動要素１４の静トルクは図３に細線Ｂで示すように１回転内で１２個のピークＴ２が発生することとなる。

図５は、従来のロータリコンプレッサにおける電動要素の固定子と回転圧縮要素の位置を示す図である。尚、図５において、前記図１及び図２と同一の図番が付されているものは、図１及び図２と同様、或いは、類似の効果、若しくは、作用を奏するものである。図５に示す配置は、電動要素１４の静トルクが最大となる位置と、回転圧縮要素３２の負荷トルクが最大となる位置とが一致するように、固定子１２２の三相の固定子巻線１２８を配置して密閉容器１２に取り付けたものである。この図５に示す従来の配置は、本発明のロータリコンプレッサ１０と電動要素１４の固定子１２２の位置が相違するだけで、その他の構成部品、構造等は全て本発明のロータリコンプレッサ１０と同一である。

これに対して、本発明では、電動要素１４の静トルクが最大となる位置を、回転圧縮要素３２の負荷トルクが最大となる位置から電動要素１４の回転方向にずらすものとする。具体的に、図２に示す本発明のロータリコンプレッサ１０では、図５に示す従来の位置から、電動要素１４の固定子２２を電動要素１４の回転方向（図２に示す矢印の方向）に５°以上２０°以下の範囲（本実施例では、固定子鉄心２６に形成された複数のスロットの１スロット分となる約１５°）ずらして配置することにより、電動要素１４の静トルクが最大となる位置を、回転圧縮要素３２の負荷トルクが最大となる吐出弁６６が開く直前の位置から電動要素１４の回転方向にずらしている。

図３は、図２の配置とした場合の電動要素１４の静トルクと回転圧縮要素３２の負荷トルクの変動を示す図である。図３において、横軸は回転圧縮要素３２のロータ４６の回転角度、縦軸はトルクを示している。図３の太線Ａで示すように、回転圧縮要素３２の負荷トルクは回転角度が約２１０°で最大Ｔ１となる。尚、このとき、シリンダ３８内において、高圧室側の冷媒ガスの圧力が最も高い、吐出弁６６が開く直前の状態となる。

また、図３の細線Ｂは本実施例の電動要素１４の静トルクの変動を示している。本実施例では、前述したように、４極の磁極を構成する４個の永久磁石ＭＧを挿入してなる回転子２４と、三相の固定子巻線２８を巻回してなる固定子２２を電動要素１４として用いているので、電動要素１４の静トルクは図３に細線Ｂで示すように１回転内で１２個のピークＴ２が発生する。

図５に示す従来の配置では、回転圧縮要素３２の負荷トルクのピークＴ１と、電動要素１４の静トルクのピークＴ２とが一致していたが、本実施例では、図３に示すように、この電動要素１４の静トルクのピークＴ２が回転圧縮要素３２の負荷トルクのピークＴ１から約１５°回転方向にずれている。

ここで、図２に示す本発明の配置のロータリコンプレッサ（図４に示す本考案圧縮機に相当）１０と図５に示す従来のロータリコンプレッサ（図４に示す従来圧縮機に相当）とで、運転周波数を幾つか変更して入力と電流とを比較した結果を図４に示す。図４に示す比較試験運転において、両ロータリコンプレッサは、電動要素の固定子２２の位置が相違するだけで、その他の構成部品、構造等全て同一のものを使用して性能の比較実験を行った。この場合、冷媒吐出管９６から吐出される冷媒ガスの圧力（高圧圧力）は、１５．７８ｋｇ／ｃｍ²Ｇ、冷媒導入管９２から回転圧縮要素３２のシリンダ３８内に吸い込まれる冷媒ガスの圧力（低圧圧力）は４．８１ｋｇ／ｃｍ²Ｇ、シリンダ３８内に吸い込まれる冷媒ガスの温度は３５．０℃である。

図４に示すように何れの周波数の場合にも、本発明を適用した場合の方が、従来の配置のものより、入力及び電流が低くなることが明らかである。従来のように、電動要素の静トルクが最大となる位置（図３に示すＴ２）を、回転圧縮要素の負荷トルクが最大となる位置（図３に示すＴ１）と一致させると、最大負荷トルクＴ１に達した時点ですぐに電動要素１４のトルクが落ちていってしまうため、より入力が増えてしまうものと考えられる。

これに対して、本発明のように、電動要素の静トルクが最大となる位置Ｔ２と、回転圧縮要素の負荷トルクが最大となる位置Ｔ１とが一致する位置から、電動要素の静トルクが最大となる位置Ｔ２が電動要素１４の回転方向、即ち、進行方向にずれるように、固定子２２の三相の固定子巻線２８を配置して密閉容器１２に取り付けることで、電動要素１４の静トルクが上昇していく過程で回転圧縮要素３２の負荷トルクが最大となる。このため、従来のように回転圧縮要素３２の負荷最大トルクの位置Ｔ１と電動要素１４の静トルクのピークＴ２とを一致させた場合よりも、ローラ４６を回転方向に引張る力をより効果的に与えることができ、その結果、入力が低減されたものと考えられる。

以上詳述した本発明のように、電動要素１４の静トルクが最大となる位置を、回転圧縮要素３１の負荷トルクが最大となる位置、即ち、本実施例では、吐出弁６６が開く直前の位置から電動要素１４の回転方向に１５°ずらしたことで、回転圧縮要素３２の負荷最大トルクの位置と電動要素１４の静トルクのピークとを一致させた場合よりも、ローラ４６を回転方向に引張る力をより効果的に与えることができるようになり、ロータリコンプレッサ１０の入力を低減することが可能となる。これにより、ロータリコンプレッサ１０の性能の向上を図ることができるようになる。

特に、本実施例のように、回転子２４に永久磁石ＭＧを備えた直流モータを電動要素１４として用いた場合、誘導電動機のような慣性力を得られないため、入力を効果的に低減することが困難であったが、本発明を適用することで、このような直流モータを用いた場合においても、電動要素１４の効率を向上させることが可能となり、入力の低減を図ることができるようになる。

尚、本実施例では、電動要素１４の静トルクが最大となる位置を、吐出弁６６が開く直前の位置から電動要素１４の回転方向に前述したように１５°（１スロット分）ずらすものとしたが、電動要素１４の回転方向にずらす角度は、実施例の角度に限定されるものではない。

１０ ロータリコンプレッサ
１１ 取付用台座
１２ 密閉容器
１２Ａ 容器本体
１２Ｂ エンドキャップ
１２Ｄ 取付孔
１４ 電動要素
１５Ａ バランスウエイト（回転子鉄心の上側）
１５Ｂ バランスウエイト（回転子鉄心の下側）
１６ 回転軸
１７ オイル分離板
１８ リベット
２０ ターミナル
２２ 固定子
２４ 回転子
２６ 固定子鉄心
２８ 固定子巻線
３０ 回転子鉄心
３１ スロット
３２ 回転圧縮要素
３８ シリンダ
４２ 偏心部
４６ ローラ
５４ 上部支持部材
５５ 連通孔
５６ 下部支持部材
５８ 吸込通路
６２ 吐出消音室
６３ カップ部材
６６ 吐出弁
６７ バッカーバルブ
９１ スリーブ
９２ 冷媒導入管
９６ 冷媒吐出管
９７ ブラケット
９８ アキュムレータ
ＭＧ 永久磁石

Claims (3)

1. 密閉容器内に電動要素と、該電動要素の回転軸にて駆動される回転圧縮要素を備えて成る回転圧縮機において、
   前記電動要素は、４極の磁極を構成する永久磁石を挿入してなる回転子と、２４個のスロット部の相対向する位置に同一の相として三相の固定子巻線を巻回してなる固定子を備え、
   当該電動要素の静トルクが最大となる位置を、前記回転圧縮要素の負荷トルクが最大となる位置から前記電動要素の回転方向に５°以上２０°以下の範囲でずらしたことを特徴とする回転圧縮機。
2. 密閉容器内に電動要素と、該電動要素の回転軸にて駆動される回転圧縮要素を備えて成る回転圧縮機において、
   前記電動要素を構成する固定子、及び、前記回転軸に取り付けられて前記固定子内で回転する回転子と、
   前記回転圧縮要素を構成するシリンダと、
   前記回転軸の軸受けを備えて前記シリンダの開口を閉塞する支持部材と、
   該支持部材に形成されて前記シリンダ内の圧縮室と連通する吐出口を開閉する吐出弁とを備え、
   前記回転子は、４極の磁極を構成する永久磁石を挿入してなると共に、
   前記固定子は、２４個のスロット部の相対向する位置に同一の相として三相の固定子巻線を巻回してなり、
   前記電動要素の静トルクが最大となる位置を、前記吐出弁が開く直前の位置から前記電動要素の回転方向に５°以上２０°以下の範囲でずらしたことを特徴とする回転圧縮機。
3. 前記電動要素は、直流モータであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の回転圧縮機。
   

Images