JP5653017B2 - 密閉型電動圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、空調装置や冷蔵庫等の冷却装置、あるいはヒートポンプ式の給湯装置用の冷媒用密閉型電動圧縮機や、空気等の一般的な密閉型電動圧縮機に関するものである。

エアコンや冷蔵庫など冷凍機に密閉型電動圧縮機が広く使われているが、エアコンでは室外機に、冷蔵庫では本体内に圧縮機は配置されており、騒音低減の要求は非常に大きい。密閉型電動圧縮機の構造は、例えば特許文献１に示されており、図１を参考に説明する。

図１において、１は円筒状の密閉容器胴シェル（外殻）、２は密閉容器上部の蓋、３は密閉容器底部の蓋、４は電動機の固定子、５はコイル、６は回転子、７は圧縮機で、その駆動軸８は回転子６と結合されており、固定子４は密閉容器胴シェル１の円筒状の内壁に圧着されており、圧縮機７は密閉容器胴シェル１の円筒状の内壁に固定されている。圧縮機７はベーンロータリー式やスクロール式など使用用途により複数の方式が用いられている。９は密閉容器と並列に配置されたアキュームレータで、支持具１０によって密閉容器に支持されている。１１は密閉容器の胴シェル１に水平に設けた冷媒吸込口で、アキュームレータ９に設けてある垂直方向の冷媒出口と曲管１２によって連結されている。１３は圧縮された冷媒の吐出管である。

電動機はコギングなどにより振動し、その振動は密閉容器に伝播し、騒音となる。密閉容器の鋼材は、通常板厚３mm程度のＪＩＳ Ｇ ３１０１で規定するＳＳ４００等の鋼板を円筒状に成型し、端部を溶接し胴シェルとして使用される。

騒音低減のためには、密閉型電動圧縮機の周囲への防音材の配置などが一般的に行われる。或いは、特許文献１〜３に提案されているような騒音減衰装置が用いられる。
一方、密閉容器からの騒音を低減するためには振動を低減すればよく、そのためには密閉容器の剛性を上げることが考えられ、鋼板の板厚を厚くすることが考えられる。

特開昭５８−１５８３８３号公報 特開昭６０−１１１０７０号公報 特開昭６０−１２９５７５号公報

密閉容器の周囲に防音材を配置することは、騒音は低減できるもののコストの上昇は避け得ない。特許文献２、３によれば、騒音は低減できるものの部品が増え、コストの上昇は避け得ない。密閉容器の外殻用の鋼板の板厚を厚くすることは、円筒への加工が難しくなり、また、密閉容器の重量が増加し、エアコン室外機や冷蔵庫の運搬や設置の際に大きな問題となる。
本発明は、上記従来技術の課題を解決し、コスト上昇を抑えられ、密閉容器の外殻用の鋼板の板厚を厚くすることなく密閉容器の振動を低減し、騒音を抑えることができる密閉型電動圧縮機を提供するものである。

上記課題を解決する本発明の要旨は、以下のとおりである。
（１） 密閉容器の内部に電動機およびこれと一体に連結された圧縮機構を収納し、駆動軸の周囲に、順に回転子、固定子を配置した前記電動機の動力により、前記駆動軸を介して前記圧縮機構が作動流体を圧縮する密閉型電動圧縮機において、前記密閉容器が、円筒状の外殻と、上下の蓋の３部品からなり、前記円筒状の外殻に、直交する二方向のヤング率を２２０ＧＰａ以上に高めたヤング率に異方性を有する鋼板を用い、外殻における軸及び周方向のヤング率が２２０ＧＰａ以上となるようにしたことを特徴とする密閉型電動圧縮機。
（２） 外殻が、ＪＩＳ Ｇ ３１０１で規定するＳＳ４００で、ヤング率が２０６ＧＰａからなる密閉型電動機圧縮機に比べ、外殻の固有振動数が３％以上高周波側にシフトすることを特徴とする（１）記載の密閉型電動圧縮機。

本発明によれば、板厚を厚くすることなく密閉容器の振動、騒音を低減した密閉型電動圧縮機の提供を可能としたものである。

本発明を適用した密閉型圧縮機の縦断面図である。 本発明を適用した電動機部の上部空間から見た横断面図である。 本発明に係る外殻に用いられる鋼管の鋼管軸方向及び周方向の説明図である。 本発明に係る外殻に用いられる鋼管の鋼管軸方向の剛性測定の模式図である。 本発明に係る外殻に用いられる鋼管と比較例の鋼管の鋼管軸方向及び周方向の剛性比較図である。 本発明に係る外殻に用いられる鋼管の鋼管円周方向の剛性測定の模式図である。 本発明に係る外殻に用いられる鋼管の固有振動測定における振動モード図である。 本発明に係る外殻に用いられる鋼管の製作工程の説明図である。 本発明に係る外殻に用いられる鋼管のヤング率の方向の説明図である。 本発明に係る外殻に用いられる鋼管の他の製作工程の説明図である。

以下、本発明の詳細について説明する。
本発明者らは、密閉型電動圧縮機駆動時の振動の主因は、電動圧縮機の磁気吸引力ならびに回転不釣合いによるものであり、その振動が密閉容器に伝達されて振動が生じ、さらに密閉容器の振動が周囲の空気に伝わり、圧力変動として空気中を伝播し騒音として認識されため、密閉容器の振動を低減することにより、騒音の低減可能であると考えた。また、共振が生じている場合には、振動体の系の固有振動数を変えることにより、共振現象を防ぐことが可能であると考えた。

そして、振動の低減と固有振動数の調整の手段としてヤング率に注目した。なぜなら、外殻を形成する鋼管の曲げ剛性はヤング率に比例するため、同一形状の鋼管に外力を加えた場合、鋼管の静的変形量は高いヤング率の鋼管ほど小さくなり、振動振幅や振動速度も小さくなる。また、鋼管の固有振動数はヤング率の１／２乗に比例するため、同一形状の鋼管の固有振動数は高いヤング率の鋼管ほど大きくなるからである。

上述の考えに基づき、本発明者らは鋼板の板厚を厚くすることなく騒音を低減するために鋭意検討の結果、上記密閉容器の鋼管部分（円筒状の外殻）にふたつの直角方向のヤング率がいずれも２２０ＧＰａ以上の鋼板を用い、図３に示したように、鋼管軸方向と鋼管円周方向の鋼材のヤング率が２２０ＧＰa以上になるように適用することによって、鋼管部分（外殻）の鋼板の板厚を厚くすることなく、著しく騒音を低減することが出来ることを新たに見出した。

ヤング率は結晶方位に依存することが知られており、鉄の場合結晶の＜１１１＞方向では理想的には約２８０ＧＰａまで高めることが可能である。鋼板は通常多結晶体であり各結晶粒の方位がランダムな場合には、平均的な値としていずれの方向においても約２０５ＧＰａのヤング率を有する。しかしながら、結晶粒が特定の方位に配向する、すなわち集合組織を有する場合にはヤング率に異方性が生じ、特定の方向に高いヤング率が得られる。

このようにヤング率に異方性を発生させ、特定の方向のヤング率を高めた鋼板としては、特開２００５−２７３００１号公報等に、ＮｂやＴｉを添加した熱延鋼板または冷延鋼板において圧延方向と垂直な方向、すなわち鋼板の幅方向に２４０ＧＰａを超える高いヤング率を有する鋼板およびその製造方法を開示している。
この鋼板は熱延板の表層に発達するせん断集合組織の代表方位である｛１１０｝＜１１１＞および｛２１１｝＜１１１＞を発達させることによって圧延方向のヤング率を向上させるとともに、板厚中心部に発達する｛２１１｝＜０１１＞方位によって幅方向のヤング率を同時に上げたものである。

本発明はこのように直交二方向にヤング率が高い鋼板を、密閉型電動圧縮機の鋼管円周および管軸方向に平行になるように適用することによって、板厚を増すことなく、密閉容器の振動を著しく低減することを可能にしたものである。

本発明の密閉型電動圧縮機の密閉容器は、上記のように胴シェル（外殻）にヤング率の高い鋼板を使用したため、胴シェル、及びその上下の蓋の３部品からなる。
本発明に係る密閉型電動圧縮機は、駆動軸を中心として、駆動軸の周囲に、順に回転子、固定子を配置した電動機の動力を動力源として、駆動軸の周囲に配置した圧縮機を駆動させる。
本発明で用いる圧縮機は、圧縮効率が優れている点から、総合資源エネルギー調査会省エネルギー基準部会エアコンディショナー判断基準小委員会中間取りまとめ等に記載されている、いわゆるツインロータリー式やスクロール式と呼ばれるものを用いることが好ましい。

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。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。

本発明者らは、密閉型電動圧縮機の密閉容器用の鋼板に下記の２つの材料を適用した。
一つは、質量％で、Ｃ：０．０４％、Ｓｉ：０．０５％、Ｍｎ：１．７％、Ｔｉ：０．０２％、Ｎｂ：０．０２％、Ｂ：０．００２％の鋼塊を溶製し、加熱温度１２００℃、熱延開始温度１０００℃、仕上温度９１０℃の熱間圧延を施して作製した板厚３ｍｍの熱延鋼板であり、他の一つは、質量％で、Ｃ：０．０４％、Ｓｉ：０．２％、Ｍｎ：２％、Ｎｂ：０．０４％、Ｔｉ：０．０１％、Ｍｏ：０．１％，Ｂ：０．００１％の鋼塊を溶製し、加熱温度１２３０℃、熱延開始温度９４０℃，仕上温度８３０℃の熱間圧延を施して作製した板厚３ｍｍの熱延鋼板である。

これらの鋼板のヤング率の測定はＪＩＳ Ｚ ２２８０に準拠した常温での横共振法にて行った。すなわち試料を固定せずに振動を加え、発振機の振動数を徐々に変化させて一次共振振動数を測定して、（１）式よりヤング率を算出する。
Ｅ＝０．９４６×（１／ｈ）³×ｍ／ｗｆ² （１）
ここで、Ｅ：動的ヤング率（Ｎ／ｍ²）、ｌ：試験片の長さ（ｍ）、ｈ：試験片の厚さ(m)、ｍ：質量（ｋｇ）、ｗ：試験片の幅（ｍ）、ｆ：横共振法の一次共振振動数（ｓ^-1）、である。

本発明例に係る鋼板のヤング率は、先に述べた鋼板が圧延方向には２２０ＧＰａ、圧延方向に垂直な方向に２２２ＧＰａ、次に述べた鋼板が、圧延方向には２４５ＧＰａ、圧延方向に垂直な方向には２３８ＧＰａであった。また、比較例として用いたＪＩＳ Ｇ ３１０１で規定するＳＳ４００のヤング率は、圧延方向に２０７ＧＰａ、圧延方向に垂直な方向に２０５ＧＰａと平均２０６ＧＰａである。

比較例と、本発明例に係る材料の特性を比較検討するため、内径：１１２ｍｍ、板厚：３ｍｍ、軸方向長さ：１６０ｍｍの鋼管を製作し、３種類の機械特性、（ａ）鋼管軸方向の剛性、（ｂ）鋼管円周方向の剛性、（ｃ）鋼管の固有振動数を実測した。なお、鋼管を製作する際には鋼板の幅方向が鋼管の円周方向に平行になるように材料を切り出した。（図３参照）

鋼管軸方向の剛性（ａ）は、図４に示すように鋼管の一端を壁に固定した状態でもう一端に鉛直方向下向きの力：Ｆ_rを加え、そのときの外力を加えた点の変形量：ｘ_rを測定し、（鋼管軸方向の剛性）＝Ｆ_r／ｘ_rとして評価した。
その結果、比較例と比べ、本発明例に係る鋼管では、鋼管軸方向の剛性は、圧延方向のヤング率が２２０ＧＰａの鋼材を用いた鋼管で５．３％、同じくヤング率が２４５ＧＰａの鋼材を用いた鋼管では１２．８％向上することを確認した（図５参照）。

鋼管円周方向の剛性（ｂ）は、図６に示すように鋼管内部に内圧：Pを加え、そのときの鋼管軸方向中央部半径方向の変形量：ｘ_θを測定し、（鋼管円周方向の剛性）＝P／ｘ_θとして評価した。その結果、比較例Ｓ４００と比べ、本発明例に係る鋼管では、鋼管円周方向の剛性は、ヤング率が２２２ＧＰａの鋼材を用いた鋼管で４．０％、ヤング率が２３８ＧＰａの鋼材を用いた鋼管では９．８％向上することを確認した（図５参照）。

鋼管の固有振動数（ｃ）は、一般的なハンマリング試験により求めた。その結果、表１に示すように、（固有振動数変化率）＝｛１−（開発材を用いた鋼管の振動数）／（ＳＳ４００を用いた鋼管の振動数）｝×１００（％）として比較した場合、比較例と比べ、本発明例を用いた鋼管では、面内の変形の波数：ｎ（図７参照）が、測定した範囲ｎ＝２、３、４（軸方向ねじれなし）、ｎ＝２、３、４（軸方向にねじれあり）において（ａ）、（ｂ）の高剛性化により、固有振動数変化率が全モードで、圧延方向のヤング率が２２０ＧＰａの鋼材を用いた鋼管で＋３．５％程度、圧延方向のヤング率が２４５ＧＰａの鋼材を用いた鋼管では＋８％程度変化（高周波側に固有振動数がシフト）したことを確認した。
このことから、固有振動数変化率の高周波側へのシフト量を３％以上とした。

上述で製作した熱延鋼板を用いて密閉容器外殻の製作を実施した。その製作工程を図８に示す。なお、アンコイラ３０の熱延鋼板３１に係る鋼板のヤング率は、鋼板を繰り出す方向３２に２２０ＧＰａ、鋼板の繰り出す垂直方向３３に２２２ＧＰａであった。

アンコイラ３０から一定幅で連続する帯状の熱延鋼板３１を連続的に繰り出し、繰り出された熱延鋼板３１は一対の押さえロール３４を経て、複数対配列されたフォーミングロール３５を通して徐々にＣ字状に丸められていく。そしてローリングセパレータ３６により突き合わせるべき熱延鋼板３１の両端縁間の間隙量が一定に保たれた上、誘導加熱部のワークコイル、例えば誘導加熱コイル３７に通される。誘導加熱コイル３７はＣ字状に丸められた熱延鋼板３１を加熱し両端縁に集中的にジュール熱を発生させる。そして熱延鋼板３１は一対のスクイズロール３８，３８間を通過する際に加熱された両端縁が押されて突き合わされて溶接される。熱延鋼板３１が溶接されて成る管３９の内外面には溶接部からはみ出した溶融材料により外面及び内面ビードが形成され、これらは切削装置で除去される。そして管３９は冷却された後、切断機などにより所定長さ毎に切断され密閉容器の外殻４０となる。

図８の工程にて製作された図９に示す密閉容器外殻４０のヤング率は、図８に示す熱延鋼板３１の繰り出される方向３２が図９における外殻４０の円筒軸方向４１に相当する為２２０ＧＰａとなり、図８に示す熱延鋼板３１の繰り出す垂直方向３３が図９における外殻４０の円筒周方向４２に相当する為２２２ＧＰａとなる。

また、密閉容器外殻が上記方法とは異なる製作方法を図１０に示す。なお、板状の熱延鋼板５０に係る鋼板のヤング率は、鋼板を繰り出す方向５１に２２２ＧＰａ、鋼板の繰り出す垂直方向５２に２２０ＧＰａであった。あらかじめ所定の長さに切断された板状の熱延鋼板５０を使用し、（ｂ）の工程の加工機にて、板状の熱延鋼板５０をプレスローラー５３で押さえつけながら回転ローラー５４でＣ字状に丸める。次に（ｃ）の工程にて、上部金型５５と下部金型５６でＣ字状の熱延鋼板５０を挟み込みシュリンクさせワークの円筒度を高めるとともに、鋼板の継目部のすき間を安定化させる。次に（ｄ）の工程にてトンネル上の金型５７にＣ字状の熱延鋼板５０を通過させると共に、継目部をプラズマ溶接方法５８などで接合することで円筒状の外殻５９が完成する。次に（ｅ）の工程にて円筒状の外殻５９の内径にエキスパンドの金型６０を挿入し、外殻５９の真円度、円筒度を高める。最後に、（ｆ）の工程にて、外殻を回転装置６１などに固定し、外殻５９の端面を切削工具６２などで切削し、所定の寸法に仕上げる。

図１０の工程にて製作された密閉容器外殻５９のヤング率は、図８の工程にて製作された密閉容器外殻４０と同等の値を示した。なぜなら、図１０の製作工程における熱延鋼板５０の繰り出す垂直方向５２が図９における外殻４０の円筒軸方向４１に相当するとともに、図１０に示す熱延鋼板５０の繰り出す方向５１が図９における外殻４０の円筒周方向４２に相当する為である。

次に、上述にて製作された密閉容器外殻にて構成した密閉型圧縮機を説明する。図１は密閉型圧縮機の縦断面図であり、図２は、電動機部の上部空間から見た横断面図である。なお、図８の製作方法で製作した外殻４０および図１０の製作方法で製作した外殻５９は、図１における密閉容器外殻１に相応しており、以降、密閉容器外殻を符号の１を用いて説明する。

図１において圧縮機は、底部にオイルの貯溜されたオイル溜りを有する密閉容器で、この容器内には上側に電動機が、下側に圧縮機構部７がそれぞれ収納されている。電動機は駆動軸８に装着された回転子６と、外周に切欠部を形成した固定子４とで構成されている。圧縮機構部７は、シリンダ１４と、駆動軸８の偏芯部によりシリンダ１４内を回転するピストン１５とこのピストン１５に接してシリンダ１４内を分けるベーン（図示せず）とシリンダ１４の開口を封じる上軸受部１６と下軸受部１７と、この上軸受部１６に取り付けられた吐出弁（図示せず）と、この吐出弁を覆うカップマフラー１８とで構成されており、回転子６からの駆動によりシリンダ１４内をピストン１５が回転し冷媒が圧縮される構造となっている。また、図２に示すように、固定子４の外周が密閉容器外殻１の内壁に焼き嵌めや溶接などにより固定されている。

以上のように構成された密閉型圧縮機において、密閉容器外殻１におけるヤング率は、図８に示す熱延鋼板３１の繰り出される方向３２が図１の円筒軸方向１９に相当する為２２０ＧＰａとなり、図８に示す熱延鋼板３１の繰り出す垂直方向３３が密閉容器外殻１の図２に示す円筒周方向２０に相当する為２２２ＧＰａとなる。

電動機の巻線は図１に示す上蓋２にあらかじめ抵抗溶接などで取り付けられたガラスターミナル２ａ（圧縮機内部側）に接続される。また、ガラスターミナル２ａ（圧縮機外部側）には、交流電源や直流電源などの制御回路（図示せず）からの配線が接続され制御回路からの指令により電動機が回転する仕組みとなっている。この電動機の巻線５に通電することにより、固定子４のティース４ａに磁力が発生し、固定子４に回転磁界が発生する。これにより回転子６が回転し、電動機が駆動する。このとき、固定子４のティース４ａが、その内側に配置された回転子６との間に生じる磁気吸引力又は離反力によって固定子４が振動する。その振動は上述のように密閉容器外郭１の内壁に固定子４が固定されていることから密閉容器外殻１に伝播し、円筒周方向に密閉容器外郭１が振幅する事により騒音となる。

上記で製作した比較例及び本発明例の鋼管を用いて密閉型電動圧縮機を作成し、実際に定格運転させたときの騒音値を実測した。
その結果、比較例と比べ、本発明の実施の形態に係る鋼管を用いた密閉型電動圧縮機では、騒音のオーバーオール値が２ｄＢ（Ａ）小さくなることを確認した。さらに、騒音のピーク周波数も固有振動数の変化に伴い、各振動モードに関連した周波数で＋３．４％以上変化（高周波側に固有振動数がシフト）することを確認した。
また、鋼管の曲げ剛性はヤング率に比例し、鋼管の固有振動数はヤング率の１／２乗に比例するため、密閉容器外郭の円筒軸及び周方向におけるヤング率が２２０ＧＰａ未満の鋼管では、騒音値、固有振動数の変化の効果も相対的に小さくなり、本願発明の効果は得られない。

１ 密閉容器外殻
２ 密閉容器上蓋
２ａ ガラスターミナル
３ 密閉容器下蓋
４ 固定子
４ａ 固定子のティース
５ 巻線
６ 回転子
７ 圧縮機構部
８ 駆動軸
９ アキュームレータ
１０ 支持具
１１ 冷媒吸込口
１２ 曲管
１３ 吐出管
１４ シリンダ
１５ ピストン
１６ 上軸受部
１７ 下軸受部
１８ カップマフラー
１９ 密閉容器外殻の円筒軸方向
２０ 密閉容器外殻の円筒周方向
２１ 鋼管
２２ 外力を加えて変形させた後の鋼管
２３ 反力壁
３０ アンコイラ
３１ 熱延鋼板
３２ アンコイラの鋼板を繰り出す方向
３３ アンコイラの鋼板の繰り出す垂直方向
３４ 一対の押さえロール
３５ 複数対配列されたフォーミングロール
３６ ローリングセパレータ
３７ 誘導加熱コイル
３８ 一対のスクイズロール
３９ 溶接されて成る管
４０ 図７の工程にて製作された密閉容器外殻
４１ 外殻の円筒軸方向
４２ 外殻の円筒周方向
５０ 板状の熱延鋼板
５１ 板状の鋼板を繰り出す方向
５２ 板状の鋼板の繰り出す垂直方向
５３ プレスローラー
５４ 回転ローラー
５５ 上部金型
５６ 下部金型
５７ トンネル上の金型
５８ プラズマ溶接方法
５９ 図９の工程にて製作された密閉容器外殻
６０ エキスパンドの金型
６１ 回転装置
６２ 切削工具

Claims (2)

1. 密閉容器の内部に電動機およびこれと一体に連結された圧縮機構を収納し、駆動軸の周囲に、順に回転子、固定子を配置した前記電動機の動力により、前記駆動軸を介して前記圧縮機構が作動流体を圧縮する密閉型電動圧縮機において、前記密閉容器が、円筒状の外殻と、上下の蓋の３部品からなり、前記円筒状の外殻に、直交する二方向のヤング率を２２０ＧＰａ以上に高めたヤング率に異方性を有する鋼板を用い、外殻における軸及び周方向のヤング率が２２０ＧＰａ以上となるようにしたことを特徴とする密閉型電動圧縮機。
2. 外殻が、ＪＩＳ Ｇ ３１０１で規定するＳＳ４００で、ヤング率が２０６ＧＰａからなる密閉型電動機圧縮機に比べ、外殻の固有振動数が３％以上高周波側にシフトすることを特徴とする請求項１記載の密閉型電動圧縮機。

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