JP6558346B2

JP6558346B2 - 冷凍機油の排出を抑制できる圧縮機

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Publication number: JP6558346B2
Application number: JP2016219740A
Authority: JP
Inventors: 直人富岡; 拓也石野
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2016-11-10
Filing date: 2016-11-10
Publication date: 2019-08-14
Anticipated expiration: 2036-11-10
Also published as: WO2018088413A1; CN109923308B; MY194808A; JP2018076829A; CN109923308A; TW201825777A; TWI701384B

Description

本発明は、冷凍機油の排出を抑制できる圧縮機に関する。

空気調和装置および冷蔵庫などの冷凍装置には、圧縮機が搭載される。特許文献１（特開２００６−１４４７３１号公報）の圧縮機に搭載されるモータは、１５〜７５ｒｐｓ（回転毎秒）という遅い回転速度で回転する。これとは逆に、圧縮機のモータを高速で回転させると、冷媒の圧縮動作に寄与する出力容量を増加できる。したがって、高速回転が可能である場合には、冷凍装置が必要とする出力容量をより小型の圧縮機によって実現することができ、その結果コストダウンを達成できる。

圧縮機のモータを高速で回転させる場合、圧縮機のケーシングの内部に貯留されている冷凍機油、または圧縮機構の摺動箇所に付着している冷凍機油には、様々な動的な力が加わる。このとき、冷凍機油は冷媒との混合を促される。その結果、冷凍機油が高圧冷媒とともに圧縮機から排出される、いわゆる「油上がり」と呼ばれる現象が発生しやすくなる。

本発明の課題は、圧縮機からの冷凍機油の排出を抑制することである。

本発明の第１観点に係る圧縮機は、ケーシングと、モータと、圧縮機構と、を備える。ケーシングは、第１寸法の内径を持つ円筒部を有する。モータは、第２寸法の外径を持つロータを有する。圧縮機構は、低圧冷媒を圧縮することによって高圧冷媒を生成する。第２寸法に対する第１寸法の比率は１．８以下である。

この構成によれば、ロータの外径は大きいので、高圧冷媒はロータの面に沿って長い距離を移動する。この移動の間に、高圧冷媒に混合されていた冷凍機油の油滴は、高圧冷媒から離脱する機会を得る。したがって、冷凍機油の圧縮機からの排出が抑制される。

本発明の第２観点に係る圧縮機は、第１観点に係る圧縮機において、温度４０℃において５３ｍｍ²／ｓ以下の粘度を有する冷凍機油、をさらに備える。冷凍機油は、圧縮機構の摺動箇所を潤滑するよう構成されている。

この構成によれば、冷凍機油の粘度は比較的低い。したがって、圧縮機構の摺動損失を低減できるので、ロータの高速回転が容易になる。

本発明の第３観点に係る圧縮機は、第１観点または第２観点に係る圧縮機において、ロータが、７５ｒｐｓ以上の回転速度で回転するよう構成されている。

この構成によれば、ロータは高速回転する。したがって、圧縮機の出力容量が増加する。

本発明の第４観点に係る圧縮機は、第１観点から第３観点のいずれか１つに係る圧縮機において、クランク軸、をさらに備える。クランク軸は、ロータから圧縮機構へ動力を伝達する。圧縮機構は、高圧冷媒をクランク軸に沿ってロータに向かって吐出する。

この構成によれば、圧縮機構から吐出される高圧冷媒は、まずクランク軸に沿って進行する。したがって、高圧冷媒はロータの面に安定的に到達することができる。

本発明の第５観点に係る圧縮機は、第１観点から第４観点のいずれか１つに係る圧縮機において、圧縮機構が、モータより下方に設けられている。

この構成によれば、圧縮機構はケーシングの下方に設けられている。したがって、ケーシングの下方に貯留される冷凍機油を、圧縮機構の摺動箇所の潤滑のために利用しやすい。

本発明の第６観点に係る圧縮機は、第１観点から第５観点のいずれか１つに係る圧縮機において、吐出管、をさらに備える。吐出管は、高圧冷媒をケーシングの外へ吐出する。吐出管は、モータより上方に設けられている。モータは、ステータをさらに含む。ステータとロータの間隙は、高圧冷媒が通過する通路として機能する。

この構成によれば、吐出管と圧縮機構は互いにモータを基準として互いに反対側に位置している。したがって、高圧冷媒が圧縮機構から吐出管にまで至る経路を移動する際に、モータが障害物として機能する。高圧冷媒がこの障害物を回避する際に、高圧冷媒に混合されていた冷凍機油の油滴は、高圧冷媒から離脱する機会をさらに得る。したがって、冷凍機油の圧縮機からの排出がさらに抑制される。

本発明の第７観点に係る圧縮機は、第１観点から第６観点のいずれか１つに係る圧縮機において、圧縮機構が、高圧冷媒を吐出する吐出孔を有する。ロータの回転軸心と吐出孔との平面視における離間距離の２倍である第３寸法は第２寸法よりも小さい。

この構成によれば、高圧冷媒は、圧縮機構の吐出孔からロータの外縁までの距離を移動する。この移動の間に、高圧冷媒に混合されていた冷凍機油の油滴は、高圧冷媒から離脱する機会を得る。したがって、冷凍機油の圧縮機からの排出がより抑制される。

本発明の第８観点に係る圧縮機は、第７観点に係る圧縮機において、第２寸法に対する第３寸法の割合は、０．５以下である。

この構成によれば、高圧冷媒は、少なくともロータの半径の５０％の距離を、ロータの面に沿って移動する。したがって、冷凍機油の圧縮機からの排出がより確実に抑制される。

本発明の第９観点に係る圧縮機は、第１観点から第８観点のいずれか１つに係る圧縮機において、ロータにおける圧縮機構に向かう面には、圧縮機構が吐出する高圧冷媒を一時的に収容する凹部が形成されている。

この構成によれば、高圧冷媒はステータとロータの間隙に到達する前に一時的に凹部に収容される。したがって、高圧冷媒の移動距離および移動時間が増加するので、冷凍機油の圧縮機からの排出がさらに抑制される。

本発明の第１０観点に係る圧縮機は、第９観点に係る圧縮機において、凹部が、圧縮機構に近い第１円筒空間および圧縮機構から遠い第２円筒空間を含む。第１円筒空間の内径は第２円筒空間の内径よりも小さい。

この構成によれば、凹部の構造は複雑である。したがって、高圧冷媒の移動距離および移動時間がさらに増加するので、冷凍機油の圧縮機からの排出が確実に抑制される。

本発明の第１観点、第６観点、第７観点、第８観点、第９観点、および第１０観点に係る圧縮機によれば、冷凍機油の圧縮機からの排出が抑制される。

本発明の第２観点に係る圧縮機によれば、ロータの高速回転が容易になる。

本発明の第３観点に係る圧縮機によれば、圧縮機の出力容量が増加する。

本発明の第４観点に係る圧縮機によれば、高圧冷媒はロータの面に安定的に到達することができる。

本発明の第５観点に係る圧縮機によれば、ケーシングの下方に貯留される冷凍機油を、圧縮機構の摺動箇所の潤滑のために利用しやすい。

本発明の一実施形態に係る圧縮機５の断面図である。圧縮機５の円筒部１１およびモータ２０の平面図である。圧縮機５のステータ２１の断面図である。圧縮機５のロータ２２の断面図である。圧縮機５の部分的な断面図である。本発明の第１変形例に係る圧縮機５Ａの断面図である。圧縮機５Ａのロータ２２の断面図である。本発明の第２変形例に係る圧縮機５Ｂの断面図である。圧縮機５Ｂのロータ２２の断面図である。

以下、本発明に係る空気調和装置の実施形態について、図面を用いて説明する。なお、本発明にかかる空気調和装置の具体的な構成は、下記の実施形態に限られるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

（１）全体構成
（１−１）概要
図１は、本発明の一実施形態に係る圧縮機５を示す。圧縮機５は、空気調和装置および冷蔵庫などの冷凍装置に搭載され、ガス状の冷媒の圧縮を行うものである。圧縮機５は、ケーシング１０、モータ２０、クランク軸３０、圧縮機構４０を有する。

（１−２）ケーシング１０
ケーシング１０は、圧縮機５の他の構成要素を収容するものであり、冷媒の高い圧力に耐えることができる。ケーシング１０は、円筒部１１、上部１２、下部１３を有する。円筒部１１は、ケーシング１０の構成要素の中で最も大きいものであり、円筒状である。上部１２および下部１３はいずれも円筒部１１に接合されている。ケーシング１０の下方には、冷凍機油１４１を貯留するための油貯留部１４が設けられている。

円筒部１１には、吸入管１５が設置されている。上部１２には、吐出管１６およびターミナル１７が設置されている。吸入管１５は、低圧冷媒を吸入するためのものである。吐出管１６は、高圧冷媒を吐出するためのものである。ターミナル１７は、外部から電力の供給を受けるためのものである。

（１−３）モータ２０
モータ２０は、ターミナル１７から図示しない導線を介して供給された電力を用いて、機械的な動力を発生するものである。モータ２０は、ステータ２１およびロータ２２を有する。図２に示すように、ステータ２１は円筒状であり、ケーシング１０の円筒部１１に固定されている。ステータ２１とロータ２２の間には間隙２３が形成されている。間隙２３は、冷媒の通路として機能する。

図３に示すように、ステータ２１は、ステータコア２１ａ、インシュレータ２１ｂ、巻線２１ｃを有する。ステータコア２１ａは、積層された複数の鋼板からなる。ステータコア２１ａには、ロータ２２を配置するための空間２１３が形成されている。インシュレータ２１ｂは樹脂からなる。インシュレータ２１ｂは、ステータコア上面２１１とステータコア下面２１２にそれぞれ設けられる。巻線２１ｃは、交流磁界を発するためのものであり、ステータコア２１ａとインシュレータ２１ｂの積層体に巻きつけられている。

図４に示すように、ロータ２２は、ロータコア２２ａ、永久磁石２２ｂ、端板２２ｃ、バランスウェイト２２ｄ、ボルト２２ｅを有する。ロータコア２２ａは、積層された複数の鋼板からなる。ロータコア２２ａには、クランク軸３０を固定するための空間２２３が形成されている。永久磁石２２ｂは、巻線２１ｃが発する交流磁界と相互作用することによって、ロータ２２の全体を回転させるためのものである。永久磁石２２ｂは、ロータコア２２ａの空洞２２４の中に配置されている。端板２２ｃは、ロータコア上面２２１およびロータコア下面２２２にそれぞれ設けられ、永久磁石２２ｂが空洞２２４の外に出て行くことを防止する。バランスウェイト２２ｄは、ロータ２２およびそれに付随して回転する部品からなる回転体の重心を調整するためのものである。バランスウェイト２２ｄは、いずれかの端板２２ｃに設けられる。ボルト２２ｅは、端板２２ｃまたはバランスウェイト２２ｄをロータコア２２ａに固定する。

（１−４）クランク軸３０
図１に戻り、クランク軸３０は、モータ２０が発生させた動力を圧縮機構４０に伝達するためのものである。クランク軸３０は、回転軸心ＲＡのまわりに回転する。クランク軸３０は、主軸部３１と偏心部３２を有する。主軸部３１の一部はロータ２２に固定されている。偏心部３２は、回転軸心ＲＡに対して偏心している。

（１−５）圧縮機構４０
圧縮機構４０は、低圧冷媒を圧縮して高圧冷媒を生成するためのものである。圧縮機構４０は、シリンダ４１、ピストン４２、フロントヘッド６１、リアヘッド６２、マフラ４５を有する。

シリンダ４１は金属部材であり、吸入管１５を介してケーシング１０の外部と連通する内部空間を有する。ピストン４２は、シリンダ４１よりも小さな円筒状の金属部材である。ピストン４２は、偏心部３２に取り付けられている。偏心部３２およびピストン４２は、シリンダ４１の内部空間に配置されている。クランク軸３０の回転に伴い、ピストン４２は公転する。フロントヘッド６１は、シリンダ４１の内部空間の上側を塞ぐ部材である。フロントヘッド６１は、円筒部１１に固定されている。フロントヘッド６１は、偏心部３２よりも上方の主軸部３１を支える軸受の機能も有する。リアヘッド６２は、シリンダ４１の内部空間の下側を塞ぐ部材である。リアヘッド６２は、偏心部３２よりも下方の主軸部３１を支える軸受の機能も有する。シリンダ４１、ピストン４２、フロントヘッド６１、リアヘッド６２によって、圧縮室４３が規定される。フロントヘッド６１にはマフラ４５が取り付けられている。フロントヘッド６１とマフラ４５は、マフラ室を規定する。

圧縮室４３の容積は、ピストン４２の公転により増減し、それによって低圧冷媒が圧縮され、高圧冷媒が生成される。高圧冷媒は、フロントヘッド６１に形成された通路４４からマフラ室へ吐出される。通路４４には、図示しない吐出弁が設けられている。吐出弁は、高圧冷媒がマフラ室から圧縮室４３へ逆流することを抑制する。高圧冷媒は、ピストン４２が公転を１回するたびに通路４４を通過する。高圧冷媒の通路４４の通過がこのように断続的であることは、騒音の原因となり得る。マフラ４５は、マフラ室においてガス冷媒の圧力変動を平滑化し、それによって騒音を低減する。高圧冷媒は、マフラ４５に形成された吐出孔４６から圧縮機構４０の外へ吐出される。

（２）基本動作
図１の矢印は冷媒の流れを示す。低圧冷媒は吸入管１５から圧縮機構４０の圧縮室４３へ吸入される。圧縮機構４０の圧縮動作によって生成した高圧冷媒は、通路４４および吐出孔４６を通過して、圧縮機構４０から吐出される。その後、高圧冷媒は、ロータ２２に向かって吹きつけられた後、間隙２３へ向かって進む。高圧冷媒は、間隙２３の中を上昇した後、吐出管１６からケーシング１０の外部へ吐出される。

（３）詳細構成
本発明に係る圧縮機５のロータ２２は、７５ｒｐｓ（回転毎秒）以上かつ１５０ｒｐｓ以下で回転するよう構成されている。この回転速度は、従来の圧縮機におけるロータの回転速度の１５〜７５ｒｐｓと比較して速いものである。

図５は、圧縮機５の各部の寸法を示している。第１寸法Ｄ１は、ケーシング１０の円筒部１１の内径である。第２寸法Ｄ２は、ロータ２２のロータコア２２ａの外径である。第２寸法Ｄ２に対する第１寸法Ｄ１の比率Ｄ１／Ｄ２は、１．８以下となるように設計されている。例えば、第１寸法Ｄ１は９０ｍｍであり、第２寸法は５０ｍｍである。比率Ｄ１／Ｄ２は、１．８“未満”となるように設計されてもよい。

第３寸法Ｄ３は、無限長の直線であるロータ２２の回転軸心ＲＡと、マフラ４５に形成された圧縮機構４０の吐出孔４６の、平面視における離間距離Ｓの２倍である。ここで、平面視における離間距離Ｓとは、吐出孔４６の位置に相当する点から回転軸心ＲＡに対して垂直に延びる垂線上における、回転軸心ＲＡと垂線との交点から吐出孔４６の位置に相当する点までの距離を意味する。換言すれば、平面視における離間距離Ｓとは、回転軸心ＲＡと吐出孔４６の位置に相当する点との最短距離である。第２寸法Ｄ２に対する第３寸法Ｄ３の割合Ｄ３／Ｄ２は、０．５以下となるように設計されている。

図１に戻り、油貯留部１４に貯留される冷凍機油１４１としては、温度４０℃において５３ｍｍ²／ｓ以下という低い粘度を有するものが採用される。冷凍機油１４１は、たとえば下記のものである。

− エーテル化合物ＦＶＣ５０。

− エーテル化合物ＦＷ５０。

− その他のエーテル化合物。

− エステル化合物。

さらに、上記の冷凍機油には、所定量のアルキル芳香族炭化水素が加えられていてもよい。

（４）特徴
（４−１）
ロータ２２の外径である第２寸法Ｄ２が大きいので、高圧冷媒はロータ２２の下面に沿って長い距離を移動する。この移動の間に、高圧冷媒に混合されていた冷凍機油１４１の油滴は、高圧冷媒から離脱する機会を得る。したがって、冷凍機油１４１の圧縮機５からの排出が抑制される。

（４−２）
冷凍機油の粘度は比較的低い。したがって、圧縮機構４０の摺動損失を低減できるので、ロータ２２の高速回転が容易になる。

（４−３）
ロータ２２は高速で回転する。したがって、圧縮機５の出力容量が増加する。

（４−４）
圧縮機構４０から吐出される高圧冷媒は、まずクランク軸３０に沿って進行する。したがって、高圧冷媒はロータ２２の下面に安定的に到達することができる。

（４−５）
圧縮機構４０はケーシング１０の下方に設けられている。したがって、ケーシング１０の下方に貯留される冷凍機油１４１を、圧縮機構４０の摺動箇所の潤滑のために利用しやすい。

（４−６）
吐出管１６と圧縮機構４０は互いにモータ２０を基準として互いに反対側に位置している。したがって、高圧冷媒が圧縮機構４０から吐出管１６にまで至る経路を移動する際に、モータ２０が障害物として機能する。高圧冷媒がこの障害物を回避する際に、高圧冷媒に混合されていた冷凍機油１４１の油滴は、高圧冷媒から離脱する機会をさらに得る。したがって、冷凍機油１４１の圧縮機５からの排出がさらに抑制される。

（４−７）
高圧冷媒は、圧縮機構４０の吐出孔４６からロータ２２の外縁までの距離を移動する。この移動の間に、高圧冷媒に混合されていた冷凍機油１４１の油滴は、高圧冷媒から離脱する機会を得る。したがって、冷凍機油１４１の圧縮機５からの排出がより抑制される。

（４−８）
高圧冷媒は、少なくともロータ２２の半径の５０％の距離を、ロータ２２の下面に沿って移動する。したがって、冷凍機油１４１の圧縮機５からの排出がより確実に抑制される。

（５）変形例
（５−１）第１変形例
図６は、上述の実施形態の第１変形例に係る圧縮機５Ａを示す。圧縮機５Ａは、ロータ２２の構造が上述の実施形態と異なる。図７に示すように、ロータコア下面２２２には凹部２５が形成されている。

この構成によれば、高圧冷媒はステータ２１とロータ２２の間隙２３に到達する前に一時的に凹部２５に収容される。したがって、高圧冷媒の移動距離および移動時間が増加するので、冷凍機油１４１の圧縮機５Ａからの排出がさらに抑制される。

（５−２）第２変形例
図８は、上述の実施形態の第２変形例に係る圧縮機５Ｂを示す。圧縮機５Ｂは、ロータ２２の構造が上述の実施形態と異なる。図９に示すように、ロータコア下面２２２には凹部２５が形成されている。凹部２５は、圧縮機構４０に近い第１円筒空間２５１、および、圧縮機構４０から遠い第２円筒空間２５２を含む。第１円筒空間２５１の内径Ｂ１は、第２円筒空間２５２の内径Ｂ２よりも小さい。

この構成によれば、凹部２５の構造は複雑である。したがって、高圧冷媒の移動距離および移動時間がさらに増加するので、冷凍機油１４１の圧縮機５Ｂからの排出が確実に抑制される。

（５−３）第３変形例
上述の実施形態の圧縮機５のロータ２２は、７５ｒｐｓ以上かつ１５０ｒｐｓ以下で回転するよう構成されている。これに代えて、ロータ２２は、７５ｒｐを超えてかつ１５０ｐｓ以下で回転するように構成されてもよい。この場合、回転速度は、上述の実施形態の圧縮機５のロータ２２の回転速度よりわずかに速いので、圧縮機５の出力容量をわずかに増加できる。

好ましくは、ロータ２２は、９０ｒｐｓ以上かつ１３０ｒｐｓ以下で回転するよう構成されていてもよい。この場合、回転速度は、上述の実施形態の圧縮機５のロータ２２の回転速度よりずっと速いので、圧縮機５の出力容量をずっと増加できる。

さらに、ロータ２２は、９０ｒｐｓを超えてかつ１３０ｒｐｓ以下で回転するよう構成されていてもよい。この場合、回転速度はさらに速いので、圧縮機５の出力容量をさらに増加できる。

第３変形例を、第１変形例または第２変形例に適用してもよい。
る。

５、５Ａ、５Ｂ圧縮機
１０ケーシング
１１円筒部
１２上部
１３下部
１４油貯留部
２０モータ
２１ステータ
２２ロータ
２５凹部
３０クランク軸
４０圧縮機構
４１シリンダ
４２ピストン
４５マフラ
４６吐出孔
６１フロントヘッド
６２リアヘッド
１４１冷凍機油
ＲＡ回転軸心

特開２００６−１４４７３１号公報

Claims

第１寸法（Ｄ１）の内径を持つ円筒部（１２）を有するケーシング（１０）と、
第２寸法（Ｄ２）の外径を持つロータ（２２）を有するモータ（２０）と、
低圧冷媒を圧縮することによって高圧冷媒を生成する圧縮機構（４０）と、
を備え、
前記第２寸法に対する前記第１寸法の比率（Ｄ１／Ｄ２）は１．８以下であり、
前記ロータにおける前記圧縮機構に向かう面（２２２）には、前記圧縮機構が吐出する前記高圧冷媒を一時的に収容する凹部（２５）が形成されている、
圧縮機（５Ａ、５Ｂ）。
前記凹部（２５）は、前記圧縮機構に近い第１円筒空間（２５１）および前記圧縮機構から遠い第２円筒空間（２５２）を含み、
前記第１円筒空間の内径（Ｂ１）は前記第２円筒空間の内径（Ｂ２）よりも小さい、
請求項１に記載の圧縮機（５Ｂ）。
温度４０℃において５３ｍｍ^２／ｓ以下の粘度を有する冷凍機油（１４１）、
をさらに備え、
前記冷凍機油は、前記圧縮機構の摺動箇所を潤滑するよう構成されている、
請求項１または請求項２に記載の圧縮機。
前記ロータは、７５ｒｐｓ以上の回転速度で回転するよう構成されている、
請求項１から３のいずれか１つに記載の圧縮機。
前記ロータから前記圧縮機構へ動力を伝達するクランク軸（３０）、
をさらに備え、
前記圧縮機構は、前記高圧冷媒を前記クランク軸に沿って前記ロータに向かって吐出する、
請求項１から４のいずれか１つに記載の圧縮機。
前記圧縮機構は、前記モータより下方に設けられている、
請求項１から５のいずれか１つに記載の圧縮機。
前記高圧冷媒を前記ケーシングの外へ吐出する吐出管（１６）、
をさらに備え、
前記吐出管は、前記モータより上方に設けられており、
前記モータは、ステータ（２１）をさらに含み、
前記ステータと前記ロータの間隙（２４）は、前記高圧冷媒が通過する通路として機能する、
請求項１から６のいずれか１つに記載の圧縮機。
前記圧縮機構は、前記高圧冷媒を吐出する吐出孔（４６）を有し、
前記ロータの回転軸心（ＲＡ）と前記吐出孔との平面視における離間距離（Ｓ）の２倍である第３寸法（Ｄ３）は前記第２寸法よりも小さい、
請求項１から７のいずれか１つに記載の圧縮機。
前記第２寸法に対する前記第３寸法の割合（Ｄ３／Ｄ２）は、０．５以下である、
請求項８に記載の圧縮機。