JP5950807B2 - 圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、冷凍機や空気調和装置等のヒートポンプ装置の要素機器として用いられる圧縮機に関し、特に圧縮する冷媒として二酸化炭素の使用を想定した圧縮機に関するものである。

従来から、全密閉型スクロール圧縮機が存在している。このような全密閉形スクロール圧縮機は、固定スクロールと揺動スクロールとからなる圧縮機構部、固定子と回転子とからなる電動機構部、電動機構部より回転駆動される主軸、上記圧縮機構部および電動機構部を収容する密閉形のシェル、冷媒ガスを吸入する吸入管、圧縮された冷媒ガスを吐出する吐出管、固定子の電源動力線および熱動保護器の接続線をシェルの外側に取り出すためにシェルに溶接された密封端子、軸受けおよび各摺動部に潤滑油を供給する容積形油ポンプで構成されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平５−２０９５９１号公報（図１等）

特許文献１に記載されているような圧縮機では、圧縮する冷媒として二酸化炭素を使用することができる。二酸化炭素を圧縮する冷媒として使用する場合を想定すると、圧縮機シェルの強度設計を、圧縮機が停止して二酸化炭素冷媒が常温になり、圧縮機シェル内の冷媒圧力が高くなった場合の圧力を考慮した設計とする必要がある。つまり、圧縮機シェルの板厚を、使用温度の冷媒圧力が低くなったとしても、常温での冷媒圧力を考慮した厚さに設計しなければならない。

また、圧縮機が停止して二酸化炭素冷媒が常温となっても、圧縮機シェル内の冷媒圧力が高くならないようにするためには、圧縮機の１５〜２０倍となる大きさの容器を圧縮機に別に取り付けなければならない。つまり、単に、二酸化炭素を吸収できるような容器を設けるだけでは、小型化の要請に対応することができない。

本発明は、以上のような問題を解決するためになされたもので、二酸化炭素冷媒を圧縮するものであって、圧縮機シェルの板厚を使用温度の冷媒圧力に応じた板厚に設計可能な圧縮機を提供することを目的としている。

本発明に係る圧縮機は、二酸化炭素冷媒を圧縮する圧縮機であって、前記二酸化炭素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構部と、前記圧縮機構部及び前記電動機構部を収容するシェルと、前記シェルの外部に設けられ、前記電動機構部の停止中に前記シェル内の二酸化炭素冷媒を吸収する二酸化炭素吸収器と、前記二酸化炭素吸収器を加熱するヒータと、を有するものである。

本発明に係る圧縮機は、前記電動機構部の停止中にシェル内の二酸化炭素冷媒を吸収する二酸化炭素吸収器と、二酸化炭素吸収器を加熱するヒータと、を設けたので、シェル内の冷媒圧力が高くなっても、二酸化炭素吸収器で二酸化炭素冷媒を吸収することでシェル内の冷媒圧力が高くなるのを抑制でき、ヒータによって必要に応じて二酸化炭素冷媒を再生することができる。そのため、本発明に係る圧縮機によれば、使用温度に応じた冷媒圧力で設計される板厚でシェルを構成することが可能になる。

本発明の実施の形態に係る圧縮機の構成例を示す概略構成図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る圧縮機１００の構成例を示す概略構成図である。図１に基づいて、圧縮機１００の構成及び動作について説明する。この圧縮機１００は、スクロール式圧縮機である場合を例に示しており、たとえば冷蔵庫や冷凍庫、自動販売機、空気調和機、冷凍装置、給湯器等の冷凍サイクル装置（ヒートポンプ装置）の要素機器の一つとなるものである。なお、図１を含め、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。

圧縮機１００は、冷凍サイクルを循環する冷媒を吸入し、圧縮して高温高圧の状態として吐出させるものである。そして、圧縮機１００は、圧縮する冷媒として二酸化炭素の使用を想定している。圧縮機１００は、図１に示すように、シェル６と二酸化炭素吸収器１７とを、流入管１７ａと流出管１７ｂとで接続して構成されている。

シェル６は、圧力容器となっており、内部に圧縮機構部Ａ（固定スクロール１、揺動スクロール２）及び電動機構部Ｂ（固定子３、回転子４）が収納されている。圧縮機構部Ａがシェル６の上側に配置され、電動機構部Ｂがシェル６の下側に配置されている。このシェル６の底部は、冷凍機油１６を貯留する油だめ２１となっている。また、シェル６には、二酸化炭素冷媒を吸入するための吸入管７と、二酸化炭素冷媒を吐出するための吐出管８と、が連接されている。さらに、シェル６の内側には、フレーム１０、及び、サブフレーム１１が固定されている。

シェル６には、ガラス端子９が設置されている。ガラス端子９は、外部の電源とシェル６内に収納されている固定子３とを電気的に接続するものである。このガラス端子９は、密封されており、シェル６の側壁の一部を貫通するように設置されている。つまり、ガラス端子９は、シェル６の内外を電気的に絶縁しつつ橋渡しをする機能を有している。また、圧縮機１００には、電動機構部Ｂの動作を制御する図示省略の制御装置が接続されている。この制御装置は、ガラス端子９を介して電動機構部Ｂに接続されている。

固定スクロール１は、フレーム１０に固定部材であるボルト３０等によって固定されている。固定スクロール１は、鏡板と、鏡板の一方の面（紙面下側の面）に立設されたインボリュート曲線形状の渦巻状突起であるラップ部と、を有している。また、固定スクロール１の中央部には、圧縮され、高圧となった冷媒ガスを吐出する吐出ポート１９が形成されている。

揺動スクロール２は、固定スクロール１に対して自転運動することなく公転旋回運動を行なうようになっている。揺動スクロール２は、鏡板と、鏡板の一方の面（紙面上側の面）に立設されたインボリュート曲線形状の渦巻状突起であるラップ部と、を有している。また、揺動スクロール２のラップ部形成面とは反対側の面（以下、スラスト面と称する）の略中心部には、中空円筒形状の揺動スクロールボス部が形成されている。この揺動スクロールボス部には、後述する主軸５の上端に設けられた揺動軸１２が嵌入（係合）されているのである。

固定スクロール１と揺動スクロール２とは、それぞれのラップ部を互いに噛み合わせ、シェル６内に装着される。そして、それぞれのラップ部の間には、相対的に容積が変化する圧縮室２０が形成される。なお、揺動スクロール２と固定スクロール１との間には、揺動スクロール２の偏心旋回運動中における自転運動を阻止するためのオルダムリング（図示省略）が配設されている。このオルダムリングは、揺動スクロール２の自転運動を阻止するとともに、公転旋回運動を可能とする機能を果たすようになっている。

電動機構部Ｂは、圧縮機構部Ａで二酸化炭素冷媒を圧縮するために、圧縮機構部Ａを構成する揺動スクロール２を駆動する機能を果たすようになっている。つまり、電動機構部Ｂが主軸５を介して揺動スクロール２を駆動することによって、圧縮機構部Ａで二酸化炭素冷媒を圧縮するようになっているのである。電動機構部Ｂは、固定子３への通電が開始されることにより回転子４を回転駆動させ、回転子４に固定された主軸５を回転させる機能を有している。

主軸５は、作用するガス荷重に対し、許容撓み量を確保できる剛性をもち、切削性が良好であって、低コスト化できる材料を選定して構成するとよい。主軸５の上端部は、揺動スクロール２の揺動スクロールボス部と回転自在に嵌合する揺動軸１２が形成されている。また、主軸５の内部には、油だめ２１に貯留してある冷凍機油１６の流路となる給油流路５ａが形成されている。そうすれば、油だめ２１に溜まっている冷凍機油１６を、主軸５の回転に伴って吸い上げ、圧縮機構部Ａに給油することが可能になる。

フレーム１０は、シェル６の内周面に外周面が焼き嵌めや溶接等によって固着され、中心部に主軸５が挿通される貫通穴が形成されている。この貫通穴には、主軸５を回転自在に支持する主軸受１３が設けられている。このフレーム１０は、シェル６内の上方に設置され、主軸５の上方部分を支持している。

サブフレーム１１も、シェル６の内周面に外周面が焼き嵌めや溶接等によって固着され、中心部に主軸５が挿通される貫通穴が形成されている。この貫通穴には、主軸５を回転自在に支持させるため副軸受１４が設けられている。このサブフレーム１１は、シェル６内の下方に設置され、主軸５の下方部分を支持している。

二酸化炭素吸収器１７は、流入管１７ａ及び流出管１７ｂを介して、シェル６の外部に設置されている。流入管１７ａは、シェル６の上下方向中央部よりも下側であってサブフレーム１１よりも上側、つまりシェル６内の低圧空間に接続されている。流入管１７ａは、シェル６内の二酸化炭素冷媒を二酸化炭素吸収器１７に流入させるものである。流出管１７ｂは、シェル６の底部、つまり油だめ２１の側方部分に接続されている。流出管１７ｂは、二酸化炭素吸収器１７から二酸化炭素冷媒をシェル６に流出させるものである。また、流入管１７ａにはバルブ１７ｅが、流出管１７ｂにはバルブ１７ｆが、それぞれ設けられている。バルブ１７ｅ及びバルブ１７ｆは、流入管１７ａ及び流出管１７ｂを開閉するものである。

また、二酸化炭素吸収器１７には、例えばメタノール、ポリエチレングリコール、セラミックなどの二酸化炭素吸収剤１７ｄが設置してある。さらに、二酸化炭素吸収器１７からの外側には、二酸化炭素吸収器１７から加熱するためのヒータ１７ｃが設置してある。すなわち、ヒータ１７ｃを介して二酸化炭素吸収器１７を加熱することにより、二酸化炭素吸収剤１７ｄで吸収した二酸化炭素冷媒を、二酸化炭素吸収剤１７ｄから放出再生させてシェル６内に戻すようにしている。ヒータ１７ｃは、二酸化炭素吸収剤１７ｄを効率よく加熱するために、二酸化炭素吸収剤１７ｄの側面と対向する面に周状に設けるとよい。ただし、ヒータ１７ｃを複数個に分割して設けてもよい。

ここで、圧縮機１００の動作について説明する。
電動機構部Ｂに駆動電圧が供給されると、回転子４は、固定子３が発生する回転磁界からの回転力を受けて回転する。それに伴って、回転子４に固定され、主軸受１３及び副軸受１４に支持された主軸５が回転駆動する。主軸５の回転運動は、主軸５の揺動軸１２及び揺動スクロールボス部を介し揺動スクロール２に伝わる。揺動スクロール２は、図示省略のオルダムリングにより自転が規制され、公転運動する。

この主軸５の回転駆動によって、シェル６内の二酸化炭素冷媒が固定スクロール１と揺動スクロール２とにより形成される外周側の圧縮室２０内へ吸い込まれる。なお、冷凍サイクルを循環してきた低温・低圧状態の二酸化炭素冷媒は、吸入管７からシェル６内に流入するようになっている。圧縮室２０内に取り込まれた二酸化炭素冷媒は、揺動スクロール２の回転とともに徐々に圧縮されながら中心部に向かう。そして、圧縮室２０で圧縮された二酸化炭素冷媒は、高圧の状態となって固定スクロール１の吐出ポート１９から吐出し、シェル６内の上部空間を経由してから圧縮機１００の外部へと流出される。なお、圧縮された高圧状態の二酸化炭素冷媒は、吐出管８からシェル６の外部に流出され、冷凍サイクルを循環することになる。

また、電動機構部Ｂへの駆動電圧の供給が停止されると圧縮機１００が停止して二酸化炭素冷媒が常温になり、シェル６内の圧力が高くなると、流入管１７ａのバルブ１７ｅを開く。そうすることで、流入管１７ａを通して二酸化炭素冷媒が二酸化炭素吸収器１７に流入する。二酸化炭素吸収器１７に流入してきた二酸化炭素冷媒は、二酸化炭素吸収剤１７ｄにより吸収される。

一方、電動機構部Ｂへの駆動電圧の供給を再開し、圧縮機１００を起動する場合、二酸化炭素吸収器１７をヒータ１７ｃにより過熱する。二酸化炭素吸収剤１７ｄが所定温度にまで加熱されると、二酸化炭素吸収剤１７ｄに吸収されていた二酸化炭素冷媒が放出再生される。その後、流出管１７ｂのバルブ１７ｆを開く。そうすることで、二酸化炭素吸収器１７の下部に溜まった冷凍機油１６を流出管１７ｂを通してシェル６内に押し出した後、二酸化炭素冷媒をシェル６内に戻すことができる。

なお、バルブ１７ｆを開放させるタイミング及び開放時間は、二酸化炭素吸収器１７に収納されている二酸化炭素吸収剤１７ｄの種類及び量に基づいて設定するとよい。また、ヒータ１７ｃによって何度まで加熱するかということも、二酸化炭素吸収剤１７ｄの種類及び量に基づいて設定するとよい。さらに、どの程度の二酸化炭素冷媒を吸収するかも、圧縮機１００の用途や能力などに基づいて適宜設定すればよい。またさらに、バルブ１７ｅ及びバルブ１７ｆは、図示省略の制御装置により制御されるようになっている。

以上のように、圧縮機１００によれば、圧縮機１００が停止して二酸化炭素冷媒が常温になり、シェル６内の圧力が高くなっても二酸化炭素吸収器１７で二酸化炭素を吸収してシェル６内の圧力を上昇させない構成としたので、使用温度に応じた冷媒圧力で設計される板厚でシェル６を構成することができる。また、二酸化炭素吸収剤１７ｄを二酸化炭素吸収器１７に収納し、二酸化炭素吸収剤１７ｄをヒータ１７ｃによって加熱する構成とし、二酸化炭素冷媒の必要量に応じて二酸化炭素冷媒の吸収、再生を可能にしたので、二酸化炭素吸収器１７を、圧縮機に取り付けられていた従来の容器に比較して１／７０〜１／８０の大きさにすることができる。

なお、本実施の形態では、密閉形スクロール圧縮機を例に説明したが、これに限定するものではなく、他の構造（例えば、ロータリ圧縮機、ベーン圧縮機、スクリュー圧縮機など）の圧縮機においても適用することができる。

１ 固定スクロール、２ 揺動スクロール、３ 固定子、４ 回転子、５ 主軸、５ａ 給油流路、６ シェル、７ 吸入管、８ 吐出管、９ ガラス端子、１０ フレーム、１１ サブフレーム、１２ 揺動軸、１３ 主軸受、１４ 副軸受、１６ 冷凍機油、１７ 二酸化炭素吸収器、１７ａ 流入管、１７ｂ 流出管、１７ｃ ヒータ、１７ｄ 二酸化炭素吸収剤、１７ｅ バルブ、１７ｆ バルブ、１９ 吐出ポート、２０ 圧縮室、２１ 油だめ、３０ ボルト、１００ 圧縮機、Ａ 圧縮機構部、Ｂ 電動機構部。

Claims (5)

1. 二酸化炭素冷媒を圧縮する圧縮機であって、
   前記二酸化炭素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構部と、
   前記圧縮機構部及び前記電動機構部を収容するシェルと、
   前記シェルの外部に設けられ、前記電動機構部の停止中に前記シェル内の前記二酸化炭素冷媒を吸収する二酸化炭素吸収器と、
   前記二酸化炭素吸収器を加熱するヒータと、
   を有する
   ことを特徴とする圧縮機。
2. 前記二酸化炭素吸収器は、
   前記シェルの低圧空間に接続されている流入管、及び、前記シェルの油だめに接続されている流出管を介して前記シェルに設けられている
   ことを特徴とする請求項１に記載の圧縮機。
3. 前記流入管及び前記流出管には、前記流入管及び前記流出管を開閉するバルブがそれぞれ設けられている
   ことを特徴とする請求項２に記載の圧縮機。
4. 前記流入管に設けられている前記バルブは、
   前記電動機構部への駆動電圧の供給停止により前記流入管を開放するように制御され、
   前記流出管に設けられている前記バルブは、
   前記電動機構部への駆動電圧の供給再開により、前記ヒータを介して前記二酸化炭素吸収器を所定温度まで加熱した後に前記流出管を開くように制御される
   ことを特徴とする請求項３に記載の圧縮機。
5. 前記二酸化炭素吸収器の内部には、
   前記二酸化炭素冷媒を吸収する二酸化炭素吸収剤が収納されている
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の圧縮機。

Images