JP7467531B2 - 圧縮機及びその設計方法 - Google Patents

Description

本開示は、圧縮機及びその設計方法に関するものである。

冷凍装置や空気調和装置等に使用される圧縮機の１つに、ロータリ圧縮機が知られている。

特許文献１に示されているように、ロータリ圧縮機の振動がアキュムレータの入口管に伝播することが問題となっている。アキュムレータの入口管に伝播した振動によって冷媒配管が折損した場合、配管の内部の冷媒が外部に漏出する可能性がある。とりわけ、冷媒として可燃性冷媒（燃焼クラスの例として、微燃性（Ａ２Ｌ）や、可燃性（Ａ２）、強燃性（Ａ３））を使用している場合、冷媒の漏出を回避する必要性が一段と高い。
また、ロータリ圧縮機に振動が発生した場合、製品への搭載性が低下する可能性がある。

特開２０１１－１８５１２３号公報

重量が比較的大きい従来のロータリ圧縮機では、静止系の慣性モーメントが大きいため、回転系であるロータリ圧縮部の駆動（例えばピストンロータの回転）に起因した振動が抑制される傾向にあった。ところが、ロータリ圧縮機の小型化に伴って、静止系の慣性モーメントが低下して振動に関する問題が顕在化するおそれがある。

本開示は、このような事情に鑑みてなされたものであって、圧縮機本体を小型化した場合であっても振動を低減することができる圧縮機及びその設計方法を提供することを目的とする。

本開示の一態様に係る圧縮機（１）は、筒状とされたハウジング（２）内に冷媒を圧縮する圧縮部（６）を有する圧縮機本体（１０）と、該圧縮機本体の冷媒吸入側に接続された筒状のアキュムレータ（１２）と、を備えた圧縮機であって、前記圧縮機本体の質量をｍ１、前記アキュムレータの質量をｍ２、前記圧縮機本体の外径をＤ１、前記アキュムレータの外径をＤ２とした場合に、３≦ （ｍ１／Ｄ１）／（ｍ２／Ｄ２） ≦７とされている。

本開示の一態様に係る圧縮機の設計方法は、筒状とされたハウジング内に冷媒を圧縮する圧縮部を有する圧縮機本体と、該圧縮機本体の冷媒吸入側に接続された筒状のアキュムレータと、を備えた圧縮機の設計方法であって、前記圧縮機本体の質量をｍ１、前記アキュムレータの質量をｍ２、前記圧縮機本体の外径をＤ１、前記アキュムレータの外径をＤ２とした場合に、３≦ （ｍ１／Ｄ１）／（ｍ２／Ｄ２） ≦７とする。

圧縮機を小型化した場合であっても振動を低減することができる。

本開示の一実施形態に係るロータリ圧縮機を示した縦断面図である。 図１のロータリ圧縮機が設置面上に設けられた状態を示した側面図である。 本開示の圧縮機の小型化した場合の振動低減効果を示したグラフである。 図３の比較例であり、横軸をＤ１／ｍ２とした場合のグラフである。 図３の比較例であり、横軸をｍ１／ｍ２とした場合のグラフである。

以下に、本開示に係る一実施形態について、図面を参照して説明する。
図１に示すように、本実施形態に係るロータリ圧縮機（以下、単に「圧縮機」という。）１は、例えば空気調和機や冷凍装置などに用いられる密閉型の電動ロータリ圧縮機とされている。圧縮機１は、圧縮機本体１０とアキュムレータ１２とを備えている。アキュムレータ１２は、圧縮機本体１０に対して吸入管１１を介して接続されている。

圧縮機本体１０は、略円筒形状のハウジング２と、回転軸体３と、電動モータ５と、ロータリ圧縮部６とを備えている。回転軸体３の回転軸線ＣＬは、ハウジング２の中心軸線と一致している。回転軸体３は、延在方向が上下方向となるように配置され、ハウジング２内で回転軸線ＣＬ回りに回転する。

ハウジング２は、密閉型で上下方向に延在している。ハウジング２は、円筒状をなす本体部２１と、本体部２１の上下の開口を閉塞する上部蓋部２２及び下部蓋部２３とを備えている。

本体部２１の下方には、複数の脚部７が固定されている。各脚部７は、所定角度間隔を空けて本体部２１の周方向に配置されている。各脚部７は、図２に示すように、防振ゴム８を介して設置面ＦＬに固定されている。

ハウジング２は、側壁下部におけるシリンダ６０の外周面に対向する位置に、開口部２４が形成されている。シリンダ６０には、開口部２４に対向した位置において、シリンダ内の所定位置まで連通する吸入ポート２５が形成されている。

ハウジング２の底部には、潤滑油を貯留する油溜まりが形成されている。油の初期封入時における油溜まりの液面は、ロータリ圧縮部６の上方に位置している。これにより、ロータリ圧縮部６は、油溜まりの中で駆動される。

上部蓋部２２には、吐出管１３と端子台３０が設けられている。吐出管１３は、上部蓋部２２の厚さ方向に貫通し、下部がハウジング２内に配置されており、上部がハウジング２の外に配置されている。吐出管１３は、圧縮された冷媒をハウジング２の外部へ吐出する。端子台３０は、電動モータ５に給電する３つの給電端子３１が設けられている。給電端子３１には、図示しないインバータ装置から３相の電力が供給される。

アキュムレータ１２は、圧縮機本体１０に供給するに先立って冷媒を気液分離するため用いられる。アキュムレータ１２は、略円筒形状とされており、ブラケット１４を介してハウジング２の外周面に固定されている。アキュムレータ１２の上部には、図示しない蒸発器から導かれた冷媒を導入するための入口管１５が設けられている。アキュムレータ１２の下部には、内部の冷媒を圧縮機本体１０に吸入させるための吸入管１１が接続されている。吸入管１１は、ハウジング２の開口部２４を通して、吸入ポート２５に接続されている。アキュムレータ１２は、吸入管１１を介して気相の冷媒をロータリ圧縮部６へ供給する。

冷媒としては、可燃性冷媒、すなわち燃焼クラスとして微燃性冷媒（Ａ２Ｌ）、可燃性冷媒（Ａ２）またはプロパンなどの強燃性冷媒（Ａ３）とされた冷媒が用いられる。

電動モータ５は、ハウジング２内の上下方向の中央部に収容されている。電動モータ５は、ロータ５１と、ステータ５２とを備えている。ロータ５１は、回転軸体３の外周面に固定され、ロータリ圧縮部６の上方に配置されている。ステータ５２は、ロータ５１の外周面を囲むように配置され、ハウジング２の本体部２１の内面２１ａに固定されている。
ステータ５２に対して、各給電端子３１から配線３２を介して電力が供給される。電動モータ５は、給電端子３１から供給された電力によって回転軸体３を回転させる。

ロータリ圧縮部６は、上部軸受４Ａ及び下部軸受４Ｂによって上下から挟まれた状態で配置されている。上部軸受４Ａと下部軸受４Ｂは、それぞれ金属材料から形成され、ロータリ圧縮部６を構成するシリンダ６０にボルト６１で固定されている。
なお、回転軸体３は、上部軸受４Ａと下部軸受４Ｂによって回転軸線ＣＬ回りに回転自在に支持されている。

ロータリ圧縮部６は、電動モータ５の下方でハウジング２内の底部に配置されている。ロータリ圧縮部６は、シリンダ６０と、偏心軸部６２と、ピストンロータ６３とを備えている。

シリンダ６０は、圧縮室６０Ａと、吸入孔６０Ｂと、吐出孔（図示せず）とが形成されている。圧縮室６０Ａは、シリンダ６０の内部に形成されている。圧縮室６０Ａ内には、ピストンロータ６３が収容されている。

ロータリ圧縮部６は、ハウジング２の本体部２１の内面２１ａに対して固定されている。具体的には、シリンダ６０を挟み込んでいる上部軸受４Ａが、ハウジング２の本体部２１の内面２１ａに対して固定されている。上部軸受４Ａは、ハウジング２の周方向の複数箇所に栓溶接を行うことによって固定される。なお、栓溶接に代えて、焼き嵌め、冷やし嵌め等を用いても良い。

偏心軸部６２は、回転軸体３の下端部に設けられ、ピストンロータ６３の内側において回転軸体３の中心軸から直交する方向にオフセットした状態で設けられている。
ピストンロータ６３は、シリンダ６０の内径よりも小さい外径の円筒状をなしてシリンダ６０の内側に配置され、偏心軸部６２の外周に装着された状態で固定されている。ピストンロータ６３は、回転軸体３の回転に伴って回転軸線ＣＬに対して偏心して回転する。

吸入孔６０Ｂは、シリンダ６０の内部に冷媒を導くための孔であり、回転軸線ＣＬに対して直交する方向に形成されている。
シリンダ６０に形成された吐出孔（図示せず）から吐出された高圧冷媒は、吐出カバー６５と上部軸受４Ａとの間に形成された空間内に導かれた後に、ハウジング２の内部空間に導かれる。

上述した圧縮機１は以下のように動作する。
図示しない蒸発器から導かれた冷媒が入口管１５を介してアキュムレータ１２内に取り込まれる。冷媒は、アキュムレータ１２内で気液分離され、その気相が吸入管１１を介してロータリ圧縮部６に導かれる。ロータリ圧縮部６では、吸入孔６０Ｂを介して圧縮室６０Ａに冷媒が導かれる。そして、ピストンロータ６３の偏心転動により、圧縮室６０Ａの容積が徐々に減少して冷媒が圧縮される。圧縮後の冷媒は、吐出孔を介して吐出カバー６５内の空間を経た後にハウジング２の内部空間へ導かれる。ハウジング２の内部空間に吐出された冷媒は、ハウジング２の上部に設けられた吐出管１３から図示しない凝縮器へと導かれる。

次に、圧縮機１を運転したときの振動について説明する。
圧縮機１の運転に伴う振動は、ピストンロータ６３等の回転系の駆動部から発生し、圧縮機本体１０からアキュムレータ１２へと伝播する。

振動計算に用いる諸元は以下のとおりである。
圧縮機本体１０の質量：ｍ１［ｋｇ］
アキュムレータ１２の質量：ｍ２［ｋｇ］
圧縮機本体１０の外径：Ｄ１（図２参照）［ｍ］
アキュムレータ１２の外径：Ｄ２（図２参照）［ｍ］
回転軸線ＣＬと入口管１５の中心軸線ＣＬ２との距離：Ｒｇ（図２参照）［ｍ］
ロータリ圧縮部６の押退量：Ｖ［ｃｃ／ｒｅｖ］
冷凍機油質量：ｍ０［ｋｇ］：
回転系質量：ｍｒ［ｋｇ］
ここで、回転系とは、回転する部材、すなわち回転軸体３、ロータ５１及びピストンロータ６３を示す。したがって、静止系は、回転系以外の構成、すなわち回転系を除いた圧縮機本体１０とアキュムレータ１２を示す。

なお、ｍ１、ｍ２、Ｄ１及びＤ２の数値は以下の範囲とされる。
４ｋｇ≦ｍ１≦ ６ｋｇ
０．３ｋｇ≦ｍ２≦０．７ｋｇ
８０ｍｍ≦Ｄ１≦９５ｍｍ
５０ｍｍ≦Ｄ２≦７５ｍｍ

静止系の慣性モーメントと回転系の慣性モーメントは以下の通りである。
＜静止系＞
慣性モーメント（圧縮機本体）：
Ｊｃ＝｛（ｍ１－ｍｒ－ｍ０）×Ｄ１^２｝／８ ［ｋｇ・ｍ^２］
慣性モーメント（アキュムレータ）：
Ｊａ＝（ｍ２×Ｄ２^２）／８ ［ｋｇ・ｍ^２］
慣性モーメント（全体）：
Ｊｓ＝Ｊｃ＋Ｊａ＋ｍ２×Ｒｇ^２［ｋｇ・ｍ^２］
＜回転系＞
慣性モーメント：Ｊｒ［ｋｇ・ｍ^２］

設計時の基準圧縮機（従来の圧縮機）のアキュムレータ１２の入口管１５の振動をＡ［ｍ］とすると、基準圧縮機に対して、本実施形態の圧縮機１の入口管１５の振動Ａ’［ｍ］は、簡易的に以下の式で示される。
Ａ’＝αＡ ［ｍ］
α＝（Ｖ／Ｖ’）×（Ｊｒ’／Ｊｒ）×（Ｊｓ’／Ｊｓ）×（Ｒｇ／Ｒｇ’）

上記αの式の各項は以下の物理的意味を有している。
加振力（押退量に比例）：（Ｖ／Ｖ’）倍
回転速度変動（Ｊｒ^－１に比例）：（Ｊｒ’／Ｊｒ）倍
ロータリ圧縮部６の角速度（Ｊｓ^－１に比例）：（Ｊｓ’／Ｊｓ）倍
入口管１５の回転方向加速度（Ｒｇに比例）：（Ｒｇ／Ｒｇ’）倍

図３には、上記の計算を行った結果をプロットしたグラフが示されている。
同図において縦軸が静止系慣性モーメント（全体）Ｊｓを示し、横軸が（ｍ１／Ｄ１）／（ｍ２／Ｄ２）を示している。
縦軸の静止系慣性モーメントＪｓが大きいほど振動が小さくなることを意味している。

図３から分かるように、（ｍ１／Ｄ１）／（ｍ２／Ｄ２）の範囲を３以上７以下となるように設計することによって、従来機（基準圧縮機）よりも静止系慣性モーメントＪｓが小さくなっている（最大でも静止系慣性モーメントＪｓが０．０１１［ｋｇ・ｍ^２］が、振動低減効果としては許容できる範囲である）。また、振動低減として許容できる所定値（０．００６［ｋｇ・ｍ^２］）以上の静止系慣性モーメントＪｓを得ることができる。
また、同図から分かるように、（ｍ１／Ｄ１）／（ｍ２／Ｄ２）というパラメータを用いることによって、従来機（基準圧縮機）とは区別して評価することができ、圧縮機本体１０の小型化の評価において有効な指標となる。

例えば、以下に示す各比較例のようにパラメータを設定すると、従来機との区別ができず小型化と振動低減を同時に評価することができない。

図４Ａは、横軸のパラメータとして、Ｄ１／ｍ２すなわち圧縮機本体１０の外径Ｄ１をアキュムレータ１２の質量ｍ２で割った値をパラメータとしたものである。同図から分かるように、本実施形態のプロット点が従来機（基準圧縮機）と横軸の値において重なっており両者を区別することができない。

図４Ｂは、横軸のパラメータとして、ｍ１／ｍ２すなわち圧縮機本体１０の質量ｍ１をアキュムレータ１２の質量ｍ２で割った値をパラメータとしたものである。同図から分かるように、本実施形態のプロット点が従来機（基準圧縮機）と横軸の値において重なっており両者を区別することができない。

図３、図４Ａ及び図４Ｂを参照すれば理解できるように、図３に示したようにパラメータを適切に選定することによって、従来機（基準圧縮機）に対して区別して評価することができる。

以上説明した本実施形態の作用効果は以下の通りである。
圧縮機本体１０を小型化すると質量が低下するため静止系慣性モーメントが減少して運転時の振動が増大する傾向となる。これに対して、本発明者等が検討した結果、圧縮機本体１０の質量ｍ１及び外径Ｄ１とアキュムレータ１２の質量ｍ２及び外径Ｄ２との関係で振動の低下を実現できる範囲が存在することを見出した。
すなわち、
３≦ （ｍ１／Ｄ１）／（ｍ２／Ｄ２） ≦７
の範囲であれば、圧縮機本体１０を小型化しても振動を低減することができる。

冷媒として微燃性冷媒（Ａ２Ｌ）、可燃性冷媒（Ａ２）または強燃性冷媒（Ａ３）が用いられる場合であっても、運転時の振動が少ない圧縮機１が提供されるので、入口管１５に接続された配管の折損などによって冷媒が漏出する可能性を可及的に低減することができる。

なお、アキュムレータ１２に対して、アキュムレータ１２の質量ｍ２を調整するように重量付加物を取り付けてもよい。重量付加物とは、主としてアキュムレータ１２の質量ｍ２を増大させるために用いられるものであって、アキュムレータ１２としての必須の機能とは無関係のものであり、例えば、ゴム（具体的には比重が大きいブチルゴム）が用いられる。ゴムを用いる場合は、例えばアキュムレータ１２の外周面に貼り付けて使用する。

以上説明した実施形態に記載の圧縮機及びその設計方法は、例えば以下のように把握される。

本開示の第１態様に係る圧縮機（１）は、筒状とされたハウジング（２）内に冷媒を圧縮する圧縮部（６）を有する圧縮機本体（１０）と、該圧縮機本体の冷媒吸入側に接続された筒状のアキュムレータ（１２）と、を備えた圧縮機であって、前記圧縮機本体の質量をｍ１、前記アキュムレータの質量をｍ２、前記圧縮機本体の外径をＤ１、前記アキュムレータの外径をＤ２とした場合に、３≦ （ｍ１／Ｄ１）／（ｍ２／Ｄ２） ≦７とされている。

圧縮機本体を小型化すると質量が低下するため静止系慣性モーメントが減少して運転時の振動が増大する傾向となる。これに対して、本発明者等が検討した結果、圧縮機本体の質量及び外径とアキュムレータの質量及び外径との関係で振動の低下を実現できる範囲が存在することを見出した。すなわち、圧縮機本体の質量をｍ１、アキュムレータの質量をｍ２、圧縮機本体の外径をＤ１、アキュムレータの外径をＤ２とした場合に、
３≦ （ｍ１／Ｄ１）／（ｍ２／Ｄ２） ≦７
の範囲であれば、圧縮機本体を小型化しても振動を低減することができる。

本開示の第２態様に係る圧縮機は、前記第１態様において、
４ｋｇ≦ｍ１≦ ６ｋｇ
０．３ｋｇ≦ｍ２≦０．７ｋｇ
８０ｍｍ≦Ｄ１≦９５ｍｍ
５０ｍｍ≦Ｄ２≦７５ｍｍ
とされている。

上記の範囲の質量及び外径とすれば、小型化された圧縮機を実現することができる。

本開示の第３態様に係る圧縮機は、前記第１態様又は前記第２態様において、冷媒として、微燃性冷媒、可燃性冷媒または強燃性冷媒が用いられる。

微燃性冷媒（Ａ２Ｌ）、可燃性冷媒（Ａ２）または強燃性冷媒（Ａ３）が用いられる場合であっても、運転時の振動が少ない圧縮機が提供されるので、配管の折損などによって冷媒が漏出する可能性を可及的に低減することができる。

本開示の第４態様に係る圧縮機は、前記第１態様から前記第３態様のいずれかにおいて、前記アキュムレータには、前記ｍ２を調整する重量付加物が取り付けられている。

アキュムレータの質量ｍ２を調整することによって、振動低減が実現される上記式を満足するようにしても良い。重量付加物とは、主としてアキュムレータの重量を増大させるために用いられるものであって、アキュムレータとしての必須の機能とは無関係のものであり、例えば、ゴム（具体的には比重が大きいブチルゴム）が用いられる。ゴムを用いる場合は、例えばアキュムレータの外周面に貼り付けて使用する。

本開示の第５態様に係る圧縮機の設計方法は、筒状とされたハウジング内に冷媒を圧縮する圧縮部を有する圧縮機本体と、該圧縮機本体の冷媒吸入側に接続された筒状のアキュムレータと、を備えた圧縮機の設計方法であって、前記圧縮機本体の質量をｍ１、前記アキュムレータの質量をｍ２、前記圧縮機本体の外径をＤ１、前記アキュムレータの外径をＤ２とした場合に、３≦ （ｍ１／Ｄ１）／（ｍ２／Ｄ２） ≦７とする。

１ 圧縮機（ロータリ圧縮機）
２ ハウジング
３ 回転軸体
４Ａ 上部軸受
４Ｂ 下部軸受
５ 電動モータ
６ ロータリ圧縮部（圧縮部）
７ 脚部
８ 防振ゴム
１０ 圧縮機本体
１１ 吸入管
１２ アキュムレータ
１３ 吐出管
１４ ブラケット
１５ 入口管
２１ 本体部
２１ａ 内面
２２ 上部蓋部
２３ 下部蓋部
２４ 開口部
２５ 吸入ポート
３０ 端子台
３１ 給電端子
３２ 配線
５１ ロータ
５２ ステータ
６０ シリンダ
６０Ａ 圧縮室
６０Ｂ 吸入孔
６１ ボルト
６２ 偏心軸部
６３ ピストンロータ
６５ 吐出カバー
ＣＬ 回転軸線
ＣＬ２ 入口管の中心軸線
ＦＬ 設置面

Claims (5)

1. 筒状とされたハウジング内に冷媒を圧縮する圧縮部を有する圧縮機本体と、該圧縮機本体の冷媒吸入側に接続された筒状のアキュムレータと、を備えた圧縮機であって、
   前記圧縮機本体の質量をｍ１、前記アキュムレータの質量をｍ２、前記圧縮機本体の外径をＤ１、前記アキュムレータの外径をＤ２とした場合に、
   ３≦ （ｍ１／Ｄ１）／（ｍ２／Ｄ２） ≦７
   とされている圧縮機。
2. ４ｋｇ≦ｍ１≦ ６ｋｇ
   ０．３ｋｇ≦ｍ２≦０．７ｋｇ
   ８０ｍｍ≦Ｄ１≦９５ｍｍ
   ５０ｍｍ≦Ｄ２≦７５ｍｍ
   とされている請求項１に記載の圧縮機。
3. 冷媒として、微燃性冷媒、可燃性冷媒または強燃性冷媒が用いられる請求項１又は２に記載の圧縮機。
4. 前記アキュムレータには、前記ｍ２を調整する重量付加物が取り付けられている請求項１又は２に記載の圧縮機。
5. 筒状とされたハウジング内に冷媒を圧縮する圧縮部を有する圧縮機本体と、該圧縮機本体の冷媒吸入側に接続された筒状のアキュムレータと、を備えた圧縮機の設計方法であって、
   前記圧縮機本体の質量をｍ１、前記アキュムレータの質量をｍ２、前記圧縮機本体の外径をＤ１、前記アキュムレータの外径をＤ２とした場合に、
   ３≦ （ｍ１／Ｄ１）／（ｍ２／Ｄ２） ≦７
   とする圧縮機の設計方法。