JP7256421B1 - 圧縮機ユニット及び冷凍装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】圧縮機本体からアキュムレータに伝達される振動が増大するのを抑える。【解決手段】圧縮機本体（11）の運転周波数ｎの１倍の周波数を１ｎ周波数、３倍の周波数を３ｎ周波数とし、圧縮機本体（11）の最高回転数時において、アキュムレータ（40）における１ｎ周波数の伝達関数の位相と、アキュムレータ（40）における３ｎ周波数の伝達関数の位相との位相差θを、位相遅れ側を正とした１ｎ周波数側のピーク基準で、－２０°≧θ≧－６０°とする。【選択図】図７

Description

本開示は、圧縮機ユニット及び冷凍装置に関するものである。
特許文献１には、圧縮機運転時において圧縮機運転周波数よりもアキュムレータの固有振動数が高くなるように、アキュムレータを取り付けるブラケットの位置を調整することで、アキュムレータに伝達される振動を抑制するようにした縦置型圧縮機が開示されている。
特開２００１－３１７４７９号公報
ところで、本願発明者らは、アキュムレータの振動が増大する要因として、アキュムレータの共振の他に、圧縮機本体の運転周波数の１倍の周波数（１ｎ周波数）と、３倍の周波数（３ｎ周波数）との振動伝達特性の違いに着目した。
具体的に、本願発明者らは、１ｎ周波数と３ｎ周波数とのピーク振動が重なり合い、アキュムレータ振動のピークピーク値を押し上げる現象が発生することを見出した。しかしながら、特許文献１の発明では、１ｎ周波数と３ｎ周波数との振動伝達特性の違いについては、何ら考慮されていない。
本開示の目的は、圧縮機本体からアキュムレータに伝達される振動が増大するのを抑えることにある。
本開示の第１の態様は、圧縮機構（50）を有する圧縮機本体（11）と、前記圧縮機本体（11）に接続されたアキュムレータ（40）と、を備えた圧縮機ユニットであって、前記圧縮機構（50）は、シリンダ（51）と、前記シリンダ（51）内で偏心回転するピストン（54）と、前記シリンダ（51）の圧縮室（55）の内部を低圧室（55a）と高圧室（55b）とに区画するブレード（57）と、を有し、前記圧縮機本体（11）の運転周波数ｎの１倍の周波数を１ｎ周波数、３倍の周波数を３ｎ周波数とし、前記圧縮機本体（11）の最高回転数時において、前記アキュムレータ（40）における前記１ｎ周波数の伝達関数の位相と、前記アキュムレータ（40）における前記３ｎ周波数の伝達関数の位相との位相差θが、位相遅れ側を正とした前記１ｎ周波数側のピーク基準で、－２０°≧θ≧－６０°である。
第１の態様では、圧縮機本体（11）の最高回転数時において、アキュムレータ（40）における１ｎ周波数の伝達関数の位相と、アキュムレータ（40）における３ｎ周波数の伝達関数の位相との位相差θを、－２０°≧θ≧－６０°としている。
位相差θは、３ｎ周波数側のピーク基準では、－６０°≧３θ≧－１８０°であり、圧縮機本体（11）の最高回転数時において、アキュムレータ（40）における３ｎ周波数の伝達関数の位相が、アキュムレータ（40）における１ｎ周波数の伝達関数の位相より６０°～１８０°進んでいる必要がある。
これにより、１ｎ周波数と３ｎ周波数とのピーク振動が重なり合わないようにずらすことで、アキュムレータ（40）における振動のピークピーク値を低減して、圧縮機本体（11）からアキュムレータ（40）に伝達される振動が増大するのを抑えることができる。
本開示の第２の態様は、第１の態様の圧縮機ユニットにおいて、前記圧縮機構（50）を駆動する駆動機構（20）を備え、前記駆動機構（20）は、駆動軸（25）と、前記駆動軸（25）を回転させるモータ（21）と、を有し、前記圧縮機本体（11）は、ケーシング（12）と、前記ケーシング（12）を支持する防振部材（14）と、を有し、前記防振部材（14）が共振する周波数を第１共振周波数とし、前記駆動軸（25）が共振する周波数と、前記アキュムレータ（40）が共振する周波数とのうち、低い方の周波数を第２共振周波数とし、前記第１共振周波数と、前記第２共振周波数との間には、前記アキュムレータ（40）において反共振が発生する反共振周波数が含まれ、前記圧縮機本体（11）の最高回転数時において、前記１ｎ周波数は、前記第１共振周波数以上で且つ前記反共振周波数以下であり、前記３ｎ周波数は、前記反共振周波数以上である。
第２の態様では、圧縮機本体（11）の最高回転数時において、１ｎ周波数を第１共振周波数以上で且つ反共振周波数以下とし、３ｎ周波数を反共振周波数以上としている。
これにより、ピストン（54）の回転によって生じる３ｎ周波数の加振力が、１ｎ周波数の加振力よりも遅れてアキュムレータ（40）に伝達されないように、反共振を利用して位相を進めることができる。
本開示の第３の態様は、第１又は２の態様の圧縮機ユニットにおいて、前記圧縮機本体（11）の最高回転数は、１１８ｒｐｓ以上である。
第３の態様では、圧縮機本体（11）の最高回転数を上げることで、圧縮機の能力を向上させるとともに、高速回転域においても、アキュムレータ（40）の振動が増大するのを抑えることができる。
本開示の第４の態様は、第１～３の態様の何れか１つの圧縮機ユニットにおいて、前記圧縮機本体（11）は、１つの前記シリンダ（51）を有する１シリンダ型の圧縮機である。
第４の態様では、高速回転域において振動課題が特に大きくなる１シリンダ型の圧縮機本体（11）に対しても、アキュムレータ（40）の振動が増大するのを抑えることができる。
本開示の第５の態様は、第１～４の態様の何れか１つの圧縮機ユニット（10）と、前記圧縮機ユニット（10）で圧縮された冷媒が流れる冷媒回路（1a）と、を備える冷凍装置である。
第５の態様では、圧縮機ユニット（10）を備えた冷凍装置を提供できる。
本開示の第６の態様は、第５の態様の冷凍装置において、前記冷凍装置（1）は、冷房専用機であり、前記冷凍装置（1）の定格能力Ｐ［ｋＷ］、前記シリンダ（51）の容積Ｖ［ｃｃ］が、Ｐ／Ｖ＜１．９という条件を満たす。
第６の態様では、圧縮機本体（11）を小型高速化するのにあたって、単位能力あたりのシリンダ（51）の容積を小さくすることができる。
本開示の第７の態様は、第５の態様の冷凍装置において、前記冷凍装置（1）は、冷房と暖房とを切り替える冷暖房機であり、前記冷凍装置（1）の冷房運転時の定格能力Ｐ［ｋＷ］、前記シリンダ（51）の容積Ｖ［ｃｃ］が、Ｐ／Ｖ＜２．６という条件を満たす。
第７の態様では、圧縮機本体（11）を小型高速化するのにあたって、単位能力あたりのシリンダ（51）の容積を小さくすることができる。
図１は、本実施形態の冷凍装置の構成を示す冷媒回路図である。 図２は、圧縮機ユニットの構成を示す縦断面図である。 図３は、圧縮機構の構成を示す平面断面図である。 図４は、位相差が０°の場合の、クランク角とアキュムレータ振動との関係を示すグラフ図である。 図５は、位相差が１０°の場合の、クランク角とアキュムレータ振動との関係を示すグラフ図である。 図６は、位相差が２０°の場合の、クランク角とアキュムレータ振動との関係を示すグラフ図である。 図７は、位相差が４０°の場合の、クランク角とアキュムレータ振動との関係を示すグラフ図である。 図８は、位相差が６０°の場合の、クランク角とアキュムレータ振動との関係を示すグラフ図である。 図９は、位相差が７０°の場合の、クランク角とアキュムレータ振動との関係を示すグラフ図である。 図１０は、位相差が８０°の場合の、クランク角とアキュムレータ振動との関係を示すグラフ図である。 図１１は、圧縮機本体の回転数とアキュムレータ振動のピークピーク値との関係を示すグラフ図である。 図１２は、ゴム脚共振を説明する図である。 図１３は、軸共振を説明する図である。 図１４は、アキュムレータ共振を説明する図である。 図１５は、ゴム脚共振と軸共振との振動が重なる反共振を説明する図である。 図１６は、軸共振とアキュムレータ共振との振動が重なる反共振を説明する図である。 図１７は、圧縮機本体の運転周波数と、アキュムレータにおける振幅及び位相の伝達関数のグラフ図である。
《実施形態》
図１に示すように、圧縮機ユニット（10）は、冷凍装置（1）に設けられる。冷凍装置（1）は、冷媒が充填された冷媒回路（1a）を有する。冷媒回路（1a）は、圧縮機ユニット（10）、放熱器（3）、減圧機構（4）、及び蒸発器（5）を有する。減圧機構（4）は、例えば膨張弁である。冷媒回路（1a）は、蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行う。
冷凍サイクルでは、圧縮機ユニット（10）によって圧縮された冷媒が、放熱器（3）において空気に放熱する。放熱した冷媒は、減圧機構（4）によって減圧され、蒸発器（5）において蒸発する。蒸発した冷媒は、圧縮機ユニット（10）に吸入される。
冷凍装置（1）は、空気調和装置である。空気調和装置は、冷房専用機、暖房専用機、あるいは冷房と暖房とを切り換える空気調和装置であってもよい。この場合、空気調和装置は、冷媒の循環方向を切り換える切換機構（例えば四方切換弁）を有する。冷凍装置（1）は、給湯器、チラーユニット、庫内の空気を冷却する冷却装置などであってもよい。冷却装置は、冷蔵庫、冷凍庫、コンテナなどの内部の空気を冷却する。
図２に示すように、圧縮機ユニット（10）は、圧縮機本体（11）と、アキュムレータ（40）と、を備える。アキュムレータ（40）は、圧縮機本体（11）に接続される。圧縮機本体（11）は、ケーシング（12）と、駆動機構（20）と、圧縮機構（50）と、を有する。
以下、図２において、圧縮機本体（11）とアキュムレータ（40）とが並ぶ左右方向をＸ軸方向、Ｘ軸方向に直交する紙面奥行方向をＹ軸方向、圧縮機本体（11）が立設する上下方向をＺ軸方向とする。
ケーシング（12）は、縦長の円筒状の密閉容器で構成される。ケーシング（12）は、胴部（12a）と、上椀部（12b）と、下椀部（12c）と、を有する。胴部（12a）は、上下に延びる円筒状に形成され、軸方向の両端が開口している。上椀部（12b）は、胴部（12a）の上端に固定され、胴部（12a）の上方開口を塞ぐ。下椀部（12c）は、胴部（12a）の下端に固定され、胴部（12a）の下方開口を塞ぐ。胴部（12a）には、吸入管（16）が貫通して固定される。上椀部（12b）には、吐出管（17）が貫通して固定される。
ケーシング（12）の胴部（12a）には、周方向に間隔をあけて複数の支持脚（13）が設けられる。支持脚（13）の下方には、防振部材（14）が設けられる。防振部材（14）は、例えば、ゴム材によって形成される。ケーシング（12）は、支持脚（13）を介して防振部材（14）に支持される。
ケーシング（12）の底部には、油溜まり部（18）が形成される。油溜まり部（18）は、胴部（12a）の下部の内壁及び下椀部（12c）によって構成される。油溜まり部（18）には、潤滑油が貯留される。潤滑油は、圧縮機構（50）や駆動軸（25）の摺動部を潤滑する。
駆動機構（20）は、ケーシング（12）の内部に収容される。駆動機構（20）は、モータ（21）と、駆動軸（25）と、バランスウエイト（30）と、を有する。モータ（21）は、圧縮機構（50）の上方に配置される。モータ（21）は、ステータ（22）と、ロータ（23）と、を有する。バランスウエイト（30）は、ロータ（23）の軸方向の両端部にそれぞれ設けられる。
ステータ（22）は、ケーシング（12）の胴部（12a）の内周面に固定される。ロータ（23）は、ステータ（22）の内部を上下方向に貫通している。ロータ（23）の軸心内部には、駆動軸（25）が固定される。モータ（21）が通電されると、ロータ（23）とともに駆動軸（25）が回転駆動される。
駆動軸（25）は、ケーシング（12）の胴部（12a）の軸心上に位置している。駆動軸（25）の内部には、給油路（25a）が形成される。駆動軸（25）の下端は、油溜まり部（18）に浸漬される。油溜まり部（18）に貯留された潤滑油は、駆動軸（25）の内部の給油路（25a）を通じて、圧縮機構（50）や駆動軸（25）の摺動部へ供給される。
駆動軸（25）は、主軸部（26）と、偏心部（27）と、を有する。主軸部（26）の上部は、モータ（21）のロータ（23）に固定される。偏心部（27）の軸心は、主軸部（26）の軸心から所定量だけ偏心している。
主軸部（26）における偏心部（27）よりも上部は、後述するフロントヘッド（52）のボス部（52b）によって回転可能に支持される。主軸部（26）における偏心部（27）よりも下部は、後述するリアヘッド（53）によって回転可能に支持される。
圧縮機構（50）は、ケーシング（12）の内部に収容される。圧縮機構（50）は、モータ（21）の下方に配置される。圧縮機構（50）は、シリンダ（51）と、フロントヘッド（52）と、リアヘッド（53）と、ピストン（54）と、ブレード（57）と、を有する。
シリンダ（51）は、扁平な略環状の部材で形成される。シリンダ（51）の中央部には、円形状の圧縮室（55）が形成される。シリンダ（51）には、径方向に延びる吸入通路（56）が形成される。吸入通路（56）の下流端は、圧縮室（55）と連通する。吸入通路（56）の上流端には、吸入管（16）が接続される。
ケーシング（12）の胴部（12a）には、吸入通路（56）に対向する位置に貫通孔（15）が形成される。ケーシング（12）の貫通孔（15）には、継手管（19）が接続される。継手管（19）は、金属材料で形成された円筒状の部材で形成される。継手管（19）は、貫通孔（15）に嵌め込まれた状態でケーシング（12）の胴部（12a）に接合される。継手管（19）は、ケーシング（12）の胴部（12a）からケーシング（12）の外部に向かって延びる。
吸入管（16）は、シリンダ（51）の吸入通路（56）に接続されるとともに、継手管（19）の内部を通ってケーシング（12）の外部に延びる。吸入管（16）の外周面は、継手管（19）の内周面にロウ付けされる。
フロントヘッド（52）は、シリンダ（51）の上部に配置される。フロントヘッド（52）は、シリンダ（51）の内部空間を上方から覆うように配置される。フロントヘッド（52）は、環状プレート部（52a）と、ボス部（52b）と、を有する。
環状プレート部（52a）は、扁平な環状の部材で形成され、シリンダ（51）の上端部に積層される。環状プレート部（52a）は、ケーシング（12）の胴部（12a）の内周面に固定される。ボス部（52b）は、環状プレート部（52a）の径方向中央部から上方に延びる筒状の部材で形成される。ボス部（52b）は、駆動軸（25）の主軸部（26）を回転可能に支持する。フロントヘッド（52）には、環状プレート部（52a）を軸方向に貫通する吐出通路（図示省略）が形成される。
リアヘッド（53）は、シリンダ（51）の下部に配置される。リアヘッド（53）は、シリンダ（51）の内部空間を下方から覆うように配置される。リアヘッド（53）は、駆動軸（25）の主軸部（26）を回転可能に支持する。
図３にも示すように、ピストン（54）は、シリンダ（51）内部に収容される。ブレード（57）は、ピストン（54）に一体形成される。シリンダ（51）とピストン（54）とによって、圧縮室（55）が区画される。ピストン（54）は、真円形の環状に形成される。ピストン（54）の内部には、駆動軸（25）の偏心部（27）が嵌め込まれる。圧縮室（55）の内部は、ブレード（57）によって低圧室（55a）と高圧室（55b）とに区画される。ブレード（57）は、一対のブッシュ（58）によって揺動可能に支持される。
ピストン（54）は、駆動軸（25）の回転駆動に伴って、シリンダ（51）内で偏心回転する。ピストン（54）の偏心回転に伴って低圧室（55a）の容積が徐々に大きくなると、吸入管（16）を流れる冷媒が吸入通路（56）から低圧室（55a）へ吸入されていく。
次に、低圧室（55a）が吸入通路（56）から遮断されると、遮断された空間が高圧室（55b）を構成する。高圧室（55b）の容積が徐々に小さくなると、高圧室（55b）の内圧が上昇していく。高圧室（55b）の内圧が所定の圧力を超えると、高圧室（55b）の冷媒が吐出通路（59）を通じて、圧縮機構（50）の外部へ流出する。この高圧冷媒は、ケーシング（12）の内部空間を上方へ流れ、モータ（21）のコアカット（図示省略）等を通過する。モータ（21）の上方に流出した高圧冷媒は、吐出管（17）より冷媒回路へ送られる。
〈アキュムレータの構成〉
圧縮機本体（11）の上流側には、アキュムレータ（40）が接続される。アキュムレータ（40）は、圧縮機本体（11）に吸入される前の冷媒を一時的に貯留するとともに、冷媒ガスに含まれる液冷媒や冷凍機油を気液分離するものである。
アキュムレータ（40）は、本体容器（41）と、入口管（42）と、出口管（43）と、を有する。入口管（42）は、本体容器（41）に冷媒を流入させる。出口管（43）は、本体容器（41）から冷媒を流出させる。
本体容器（41）は、縦長の円筒状の部材で構成される。本体容器（41）は、胴部（41a）と、上部筐体（41b）と、下部筐体（41c）と、を有する。胴部（41a）は、上下方向に延びる円筒状に形成され、軸方向の両端が開口している。上部筐体（41b）は、胴部（41a）の上端に固定され、胴部（41a）の上方開口を塞ぐ。下部筐体（41c）は、胴部（41a）の下端に固定され、胴部（41a）の下方開口を塞ぐ。
上部筐体（41b）の上部には、入口管（42）が接続される。入口管（42）の下端部は、本体容器（41）の内部空間における上部寄りの位置に開口している。下部筐体（41c）の下部には、出口管（43）が接続される。出口管（43）の上端部は、本体容器（41）内を上方向に延びて本体容器（41）の内部空間における上部寄りの位置に開口している。
出口管（43）の下端部は、本体容器（41）の下端から下方に延びた後に、圧縮機本体（11）の吸入管（16）に向かって屈曲して吸入管（16）に接続される。
〈１ｎ周波数と３ｎ周波数について〉
ところで、圧縮機の能力をさらに向上させるために、圧縮機本体（11）の回転数を上げたいという要望がある。しかしながら、圧縮機本体（11）の回転数を上げていくと、圧縮機本体（11）からアキュムレータ（40）に伝達される振動が増大して、入口管（42）を介して室外機全体に振動が伝播することで、配管応力の増大や製品で生じる騒音が大きくなる。
ここで、本願発明者らは、アキュムレータ（40）の振動が増大する要因として、圧縮機本体（11）の運転周波数ｎの１倍の周波数である１ｎ周波数と、圧縮機本体（11）の運転周波数ｎの３倍の周波数である３ｎ周波数との振動伝達特性の違いに着目した。
具体的に、１ｎ周波数の加振力は、トルクやピストン（54）やロータ（23）の遠心力が大きい。一方、３ｎ周波数の加振力は、トルクが大きい。そして、加振力がアキュムレータ振動として伝達されるタイミングは、周波数ごとに異なる。つまり、１ｎ周波数と３ｎ周波数とで、振動伝達の位相が異なることとなる。
そして、１ｎ周波数と３ｎ周波数との位相差によっては、１ｎ周波数と３ｎ周波数とのピーク振動が重なり合い、アキュムレータ振動のピークピーク値を押し上げる現象が発生する。
そこで、本実施形態では、圧縮機本体（11）の回転数を上げた場合でも、圧縮機本体（11）からアキュムレータ（40）に伝達される振動が増大するのを抑えることができるように、１ｎ周波数と３ｎ周波数との最適な位相差について検討した。
図４は、位相差が０°の場合の、クランク角とアキュムレータ振動との関係を示すグラフ図である。図４に示す例では、圧縮機本体（11）の最高回転数が１１８ｒｐｓ以上、具体的には、１２０ｒｐｓである。また、吐出圧力が３．５Ｍｐａ、吸入圧力が１．１ＭＰａである。また、位相遅れ側を正、位相進み側を負としている。
ここで、冷媒の吐出温度や吸入温度の条件によって、３ｎ周波数の位相が、１ｎ周波数の位相に対して、予め１１°～１９°程度進んだ位置にある。図４に示す例では、アキュムレータ（40）における３ｎ周波数の伝達関数の位相が、１ｎ周波数の伝達関数の位相に対して位相進み側に１８°ずれた位置を、１ｎ周波数側のピーク基準で位相差θ＝０°としている。
図４に示すように、位相差θが０°の場合には、１ｎ周波数のピーク振動と３ｎ周波数のピーク振動とが重なり合っている。そのため、１ｎ周波数の波形のピークピーク値ｖ１よりも、１ｎ周波数の波形と３ｎ周波数の波形とを合成した波形（図４に「ｓｕｍ」で示す点線の波形）のピークピーク値ｖ２の方が大きくなり、圧縮機本体（11）からアキュムレータ（40）に伝達される振動が増大する。
図５に示すように、位相差が１０°の場合には、１ｎ周波数のピーク振動と３ｎ周波数のピーク振動とが重なり合っている。そのため、１ｎ周波数の波形のピークピーク値ｖ１よりも、１ｎ周波数の波形と３ｎ周波数の波形とを合成した波形のピークピーク値ｖ２の方が大きくなり、圧縮機本体（11）からアキュムレータ（40）に伝達される振動が増大する。
図６に示すように、位相差が２０°の場合には、１ｎ周波数のピーク振動と３ｎ周波数のピーク振動とがずれている。そのため、１ｎ周波数の波形のピークピーク値ｖ１と、１ｎ周波数の波形と３ｎ周波数の波形とを合成した波形のピークピーク値ｖ２とが、略同じ値となり、圧縮機本体（11）からアキュムレータ（40）に伝達される振動が増大するのを抑えることができる。
図７に示すように、位相差が４０°の場合には、１ｎ周波数のピーク振動と３ｎ周波数のピーク振動とがずれており、山部と谷部とが重なり合っている。そのため、１ｎ周波数の波形のピークピーク値ｖ１よりも、１ｎ周波数の波形と３ｎ周波数の波形とを合成した波形のピークピーク値ｖ２の方が小さくなり、圧縮機本体（11）からアキュムレータ（40）に伝達される振動が増大するのをさらに抑えることができる。
図８に示すように、位相差が６０°の場合には、１ｎ周波数のピーク振動と３ｎ周波数のピーク振動とがずれている。そのため、１ｎ周波数の波形のピークピーク値ｖ１と、１ｎ周波数の波形と３ｎ周波数の波形とを合成した波形のピークピーク値ｖ２とが、略同じ値となり、圧縮機本体（11）からアキュムレータ（40）に伝達される振動が増大するのを抑えることができる。
図９に示すように、位相差が７０°の場合には、１ｎ周波数のピーク振動と３ｎ周波数のピーク振動とが、位相差６０°の場合に比べて一部重なり合っている。そのため、１ｎ周波数の波形のピークピーク値ｖ１よりも、１ｎ周波数の波形と３ｎ周波数の波形とを合成した波形のピークピーク値ｖ２の方が若干大きいか、略同じとなり、圧縮機本体（11）からアキュムレータ（40）に伝達される振動が増大するのを抑える効果が小さくなる。
図１０に示すように、位相差が８０°の場合には、１ｎ周波数のピーク振動と３ｎ周波数のピーク振動とが重なり合っている。そのため、１ｎ周波数の波形のピークピーク値ｖ１よりも、１ｎ周波数の波形と３ｎ周波数の波形とを合成した波形のピークピーク値ｖ２の方が大きくなり、圧縮機本体（11）からアキュムレータ（40）に伝達される振動が増大する。
以上のように、図４～図１０に示す検討結果に基づいて、本実施形態では、圧縮機本体（11）の最高回転数時において、アキュムレータ（40）における１ｎ周波数の伝達関数の位相と、アキュムレータ（40）における３ｎ周波数の伝達関数の位相との位相差θが、位相遅れ側を正とした１ｎ周波数側のピーク基準で、－２０°≧θ≧－６０°となるようにした。
このように、１ｎ周波数と３ｎ周波数とのピーク振動が重なり合わないようにずらすことで、アキュムレータ（40）における振動のピークピーク値を低減して、圧縮機本体（11）からアキュムレータ（40）に伝達される振動が増大するのを抑えることができる。
図１１は、圧縮機本体の回転数とアキュムレータ振動のピークピーク値との関係を示すグラフ図である。図１１では、１ｎ周波数と３ｎ周波数との位相差θを考慮した本実施形態を実線で示し、１ｎ周波数と３ｎ周波数との位相差θを考慮しない比較例を仮想線で示す。
図１１に示す例では、１ｎ周波数の加振力は、ピストン（54）の振れ回りを考慮して、圧縮機本体（11）の回転数が１００ｒｐｓのときに、トルクと遠心力とが等しくなるようにした。また、伝達特性は、１ｎ周波数、３ｎ周波数ともに１としている。ここで、１ｎ周波数の加振力Ｆ＿１ｎ、３ｎ周波数の加振力Ｆ＿３ｎは、圧縮機本体（11）の最高回転数をＲとして、以下の式で表される。
Ｆ＿１ｎ＝０．５×（１＋（Ｒ／１００）２） ・・・（１）
Ｆ＿３ｎ＝１ ・・・（２）
図１１に示すように、圧縮機本体（11）の回転数が低いうちは、比較例のピークピーク値が、本実施形態のピークピーク値よりも小さくなっている。ところが、圧縮機本体（11）の回転数が１１８ｒｐｓ以上となった後は、本実施形態のピークピーク値が、比較例のピークピーク値よりも小さくなっている。このように、図１１のグラフ図を見ると、ピストン（54）の高速回転域において、本実施形態に係る圧縮機ユニット（10）は、比較例に比べて、アキュムレータ（40）の振動を抑えられていることが分かる。
そこで、本実施形態では、圧縮機本体（11）の最高回転数が１１８ｒｐｓ以上となるようにした。なお、圧縮機本体（11）の最高回転数は、１３０ｒｐｓ以上とするのが好ましい。
次に、位相差θを上述した範囲に設定するための、１ｎ周波数と３ｎ周波数との最適な範囲について検討した。以下の説明では、アキュムレータ（40）上部におけるＹ軸方向の振動について検討した。
まず、アキュムレータ（40）が振動する要因として、ゴム脚共振（図１２参照）と、軸共振（図１３参照）と、アキュムレータ共振（図１４参照）とがある。
図１２に示すように、ゴム脚共振とは、防振部材（14）としてのゴム材が弾性変形することでアキュムレータ（40）が振動することである。図１２に示す例では、圧縮機本体（11）が左方向に傾くとともに、アキュムレータ（40）が左方向に傾いている。ここで、ゴム脚共振の共振周波数は、防振部材（14）の剛性、圧縮機本体（11）の重量を適宜変更することで、共振設計をすることができる。
図１３に示すように、軸共振とは、圧縮機本体（11）のケーシング（12）内部で駆動軸（25）が弾性変形することで、アキュムレータ（40）が振動することである。図１３に示す例では、圧縮機本体（11）は防振部材（14）で支持されたまま傾いておらず、駆動軸（25）がケーシング（12）内部で左方向に撓むとともに、アキュムレータ（40）が右方向に傾いている。ここで、軸共振の共振周波数は、駆動軸（25）の剛性、ロータ（23）の重量、アキュムレータ（40）の支持剛性、アキュムレータ（40）の重量を適宜変更することで、共振設計をすることができる。
図１４に示すように、アキュムレータ共振とは、アキュムレータ（40）と圧縮機本体（11）とが逆方向に傾くことで、アキュムレータ（40）が振動することである。図１４に示す例では、圧縮機本体（11）が右方向に傾くとともに、アキュムレータ（40）が左方向に傾いている。ここで、アキュムレータ共振の共振周波数は、圧縮機本体（11）の重量、アキュムレータ（40）の支持剛性、アキュムレータ（40）の重量を適宜変更することで、共振設計をすることができる。
また、本実施形態では、３ｎ周波数の加振力が、１ｎ周波数の加振力よりも遅れてアキュムレータ（40）に伝達されないように、反共振を利用して位相を進めるようにしている。
ここで、反共振は、ゴム脚共振と軸共振との振動が重なる場合（図１５参照）と、軸共振とアキュムレータ共振との振動が重なる場合（図１６参照）において発生する。
図１５に示すように、ゴム脚共振と軸共振との振動が重なる反共振では、圧縮機本体（11）が左方向に傾くとともに、駆動軸（25）がケーシング（12）内部で左方向に撓む。このとき、アキュムレータ（40）は傾いておらず、アキュムレータ（40）に対して振動が伝達されるのを抑えることができる。
図１６に示すように、軸共振とアキュムレータ共振との振動が重なる反共振では、駆動軸（25）がケーシング（12）内部で左方向に撓むとともに、圧縮機本体（11）が右方向に傾いている。このとき、アキュムレータ（40）は傾いておらず、アキュムレータ（40）に対して振動が伝達されるのを抑えることができる。
図１７に示すように、最高回転数時の３ｎ周波数における位相は、最高回転数時の１ｎにおける位相より、約８０°の位相進み特性を有している。３ｎ周波数における約８０°の位相進みは、図４～図１０に示す時系列波形で見たときの約－２７°（＝－８０／３）に相当し、約８０°の位相進み特性により、１ｎ周波数と３ｎ周波数とのピーク振動が重なり合わないようにずらし、アキュムレータ（40）における振動のピークピーク値を低減させる。
図１７に示すように、防振部材（14）が共振するゴム脚共振の周波数は、駆動軸（25）が共振する軸共振の周波数よりも低い。ゴム脚共振の周波数と、軸共振の周波数との間には、ゴム脚共振と軸共振との振動が重なる反共振の周波数が含まれる。
図１７に示す例では、駆動軸（25）が共振する軸共振の周波数は、アキュムレータ（40）が共振するアキュムレータ共振の周波数よりも低い。軸共振の周波数と、アキュムレータ共振の周波数との間には、軸共振とアキュムレータ共振との振動が重なる反共振の周波数が含まれる。
ここで、本実施形態では、防振部材（14）が共振する周波数を第１共振周波数とする。また、駆動軸（25）が共振する周波数と、アキュムレータ（40）が共振する周波数とのうち、低い方の周波数を第２共振周波数とする。
図１７で示す例では、駆動軸（25）が共振する周波数の方が、アキュムレータ（40）が共振する周波数よりも低いため、駆動軸（25）が共振する周波数を第２共振周波数とする。なお、アキュムレータ（40）が共振する周波数の方が、駆動軸（25）が共振する周波数よりも低い場合であれば、アキュムレータ（40）が共振する周波数を第２共振周波数とする。
第１共振周波数と、第２共振周波数との間には、アキュムレータ（40）において反共振が発生する反共振周波数が含まれる。図１７に示す例では、ゴム脚共振と軸共振との振動が重なる反共振の周波数を反共振周波数とする。
そして、圧縮機本体（11）の最高回転数時において、１ｎ周波数を、第１共振周波数以上で且つ反共振周波数以下とする。また、圧縮機本体（11）の最高回転数時において、３ｎ周波数を、反共振周波数以上とする。
これにより、ピストンの回転によって生じる３ｎ周波数の加振力が、１ｎ周波数の加振力よりも遅れてアキュムレータ（40）に伝達されないように、反共振を利用して位相を進めることができる。
本実施形態に係る冷凍装置（1）は、冷房専用機であり、冷凍装置（1）の定格能力Ｐ［ｋＷ］、シリンダ（51）の容積Ｖ［ｃｃ］が、Ｐ／Ｖ＜１．９という条件を満たす。
これにより、圧縮機本体（11）を小型高速化するのにあたって、単位能力あたりのシリンダ（51）の容積を小さくすることができる。
なお、冷凍装置（1）は、冷房と暖房とを切り替える冷暖房機であってもよい。この場合、冷凍装置（1）の冷房運転時の定格能力Ｐ［ｋＷ］、シリンダ（51）の容積Ｖ［ｃｃ］が、Ｐ／Ｖ＜２．６という条件を満たすようにすればよい。
－実施形態の効果－
本実施形態の特徴によれば、圧縮機本体（11）の運転周波数ｎの１倍の周波数を１ｎ周波数、３倍の周波数を３ｎ周波数とし、圧縮機本体（11）の最高回転数時において、アキュムレータ（40）における１ｎ周波数の伝達関数の位相と、アキュムレータ（40）における３ｎ周波数の伝達関数の位相との位相差θを、位相遅れ側を正とした１ｎ周波数側のピーク基準で、－２０°≧θ≧－６０°としている。
これにより、１ｎ周波数と３ｎ周波数とのピーク振動が重なり合わないようにずらすことで、アキュムレータ（40）における振動のピークピーク値を低減して、圧縮機本体（11）からアキュムレータ（40）に伝達される振動が増大するのを抑えることができる。
本実施形態の特徴によれば、防振部材（14）が共振する周波数を第１共振周波数とし、駆動軸（25）が共振する周波数と、アキュムレータ（40）が共振する周波数とのうち、低い方の周波数を第２共振周波数としている。また、第１共振周波数と、第２共振周波数との間には、アキュムレータ（40）において反共振が発生する反共振周波数が含まれる。そして、圧縮機本体（11）の最高回転数時において、１ｎ周波数を第１共振周波数以上で且つ反共振周波数以下とし、３ｎ周波数を反共振周波数以上としている。
これにより、ピストン（54）の回転によって生じる３ｎ周波数の加振力が、１ｎ周波数の加振力よりも遅れてアキュムレータ（40）に伝達されないように、反共振を利用して位相を進めることができる。
本実施形態の特徴によれば、圧縮機本体（11）の最高回転数を、１１８ｒｐｓ以上に上げることで、圧縮機本体（11）の最高回転数を上げることで、圧縮機の能力を向上させるとともに、高速回転域においても、アキュムレータ（40）の振動が増大するのを抑えることができる。なお、圧縮機本体（11）の最高回転数は、１３０ｒｐｓ以上であることが好ましい。
本実施形態の特徴によれば、高速回転域において振動課題が特に大きくなる１シリンダ型の圧縮機本体（11）に対しても、アキュムレータ（40）の振動が増大するのを抑えることができる。
本実施形態の特徴によれば、圧縮機ユニット（10）と、圧縮機ユニット（10）で圧縮された冷媒が流れる冷媒回路（1a）と、を備える。これにより、圧縮機ユニット（10）を備えた冷凍装置を提供できる。
本実施形態の特徴によれば、冷凍装置（1）は、冷房専用機であり、冷凍装置（1）の定格能力Ｐ［ｋＷ］、シリンダ（51）の容積Ｖ［ｃｃ］が、Ｐ／Ｖ＜１．９という条件を満たす。これにより、圧縮機本体（11）を小型高速化するのにあたって、単位能力あたりのシリンダ（51）の容積を小さくすることができる。
本実施形態の特徴によれば、冷凍装置（1）は、冷房と暖房とを切り替える冷暖房機であり、冷凍装置（1）の冷房運転時の定格能力Ｐ［ｋＷ］、シリンダ（51）の容積Ｖ［ｃｃ］が、Ｐ／Ｖ＜２．６という条件を満たす。これにより、圧縮機本体（11）を小型高速化するのにあたって、単位能力あたりのシリンダ（51）の容積を小さくすることができる。
《その他の実施形態》
本実施形態では、ピストン（54）とブレード（57）とが一体形成された揺動ピストン型の圧縮機について説明したが、ピストン（54）とブレード（57）とが別体で形成されたローリングピストン型のロータリ圧縮機であってもよい。
以上、実施形態を説明したが、特許請求の範囲の趣旨及び範囲から逸脱することなく、形態や詳細の多様な変更が可能なことが理解されるであろう。また、以上の実施形態は、本開示の対象の機能を損なわない限り、適宜組み合わせたり、置換したりしてもよい。また、明細書及び特許請求の範囲の「第１」、「第２」、「第３」…という記載は、これらの記載が付与された語句を区別するために用いられており、その語句の数や順序までも限定するものではない。
以上説明したように、本開示は、圧縮機ユニット及び冷凍装置について有用である。
1 冷凍装置
1a 冷媒回路
10 圧縮機ユニット
11 圧縮機本体
12 ケーシング
14 防振部材
20 駆動機構
21 モータ
25 駆動軸
40 アキュムレータ
50 圧縮機構
51 シリンダ
54 ピストン

Claims (8)

  1. 圧縮機構（50）を有する圧縮機本体（11）と、前記圧縮機本体（11）に接続されたアキュムレータ（40）と、を備えた圧縮機ユニットであって、
    前記圧縮機構（50）は、シリンダ（51）と、前記シリンダ（51）内で偏心回転するピストン（54）と、前記シリンダ（51）の圧縮室（55）の内部を低圧室（55a）と高圧室（55b）とに区画するブレード（57）と、を有し、
    前記圧縮機本体（11）の運転周波数ｎの１倍の周波数を１ｎ周波数、３倍の周波数を３ｎ周波数とし、
    前記圧縮機本体（11）の最高回転数時において、前記アキュムレータ（40）における前記１ｎ周波数の振動の位相と、前記アキュムレータ（40）における前記３ｎ周波数の振動の位相との位相差θが、位相遅れ側を正とした前記１ｎ周波数側のピークから位相進み側に所定角度ずれた位置を基準として、－２０°≧θ≧－６０°である
    圧縮機ユニット。
  2. 請求項１の圧縮機ユニットにおいて、
    前記所定角度は、１１°以上且つ１９°以下である
    圧縮機ユニット。
  3. 請求項１又は２の圧縮機ユニットにおいて、
    前記圧縮機構（50）を駆動する駆動機構（20）を備え、
    前記駆動機構（20）は、駆動軸（25）と、前記駆動軸（25）を回転させるモータ（21）と、を有し、
    前記圧縮機本体（11）は、ケーシング（12）と、前記ケーシング（12）を支持する防振部材（14）と、を有し、
    前記防振部材（14）が共振する周波数を第１共振周波数とし、
    前記駆動軸（25）が共振する周波数と、前記アキュムレータ（40）が共振する周波数とのうち、低い方の周波数を第２共振周波数とし、
    前記第１共振周波数と、前記第２共振周波数との間には、前記アキュムレータ（40）において反共振が発生する反共振周波数が含まれ、
    前記圧縮機本体（11）の最高回転数時において、前記１ｎ周波数は、前記第１共振周波数以上で且つ前記反共振周波数以下であり、前記３ｎ周波数は、前記反共振周波数以上である
    圧縮機ユニット。
  4. 請求項１～３の何れか１つの圧縮機ユニットにおいて、
    前記圧縮機本体（11）の最高回転数は、１１８ｒｐｓ以上である
    圧縮機ユニット。
  5. 請求項１～４の何れか１つの圧縮機ユニットにおいて、
    前記圧縮機本体（11）は、１つの前記シリンダ（51）を有する１シリンダ型の圧縮機である
    圧縮機ユニット。
  6. 請求項１～５の何れか１つの圧縮機ユニット（10）と、
    前記圧縮機ユニット（10）で圧縮された冷媒が流れる冷媒回路（1a）と、を備える
    冷凍装置。
  7. 請求項６の冷凍装置において、
    前記冷凍装置（1）は、冷房専用機であり、
    前記冷凍装置（1）の定格能力Ｐ［ｋＷ］、前記シリンダ（51）の容積Ｖ［ｃｃ］が、
    Ｐ／Ｖ＜１．９
    という条件を満たす
    冷凍装置。
  8. 請求項６の冷凍装置において、
    前記冷凍装置（1）は、冷房と暖房とを切り替える冷暖房機であり、
    前記冷凍装置（1）の冷房運転時の定格能力Ｐ［ｋＷ］、前記シリンダ（51）の容積Ｖ［ｃｃ］が、
    Ｐ／Ｖ＜２．６
    という条件を満たす
    冷凍装置。
JP2021161444A 2021-09-30 2021-09-30 圧縮機ユニット及び冷凍装置 Active JP7256421B1 (ja)

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