特許第6242674号(P6242674)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2022.1.31 β版

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6242674
(24)【登録日】2017年11月17日
(45)【発行日】2017年12月6日
(54)【発明の名称】冷媒圧縮装置の運転方法
(51)【国際特許分類】
   F04C 18/356 20060101AFI20171127BHJP
   F04C 29/00 20060101ALI20171127BHJP
【FI】
   F04C18/356 E
   F04C29/00 T
   F04C29/00 D
【請求項の数】1
【全頁数】10
(21)【出願番号】特願2013-254994(P2013-254994)
(22)【出願日】2013年12月10日
(65)【公開番号】特開2015-113744(P2015-113744A)
(43)【公開日】2015年6月22日
【審査請求日】2016年7月27日
(73)【特許権者】
【識別番号】516299338
【氏名又は名称】三菱重工サーマルシステムズ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100100077
【弁理士】
【氏名又は名称】大場 充
(74)【代理人】
【識別番号】100136010
【弁理士】
【氏名又は名称】堀川 美夕紀
(74)【代理人】
【識別番号】100130030
【弁理士】
【氏名又は名称】大竹 夕香子
(74)【代理人】
【識別番号】100203046
【弁理士】
【氏名又は名称】山下 聖子
(72)【発明者】
【氏名】薬師寺 俊輔
(72)【発明者】
【氏名】中村 秀男
(72)【発明者】
【氏名】中野 浩児
(72)【発明者】
【氏名】森下 昌俊
(72)【発明者】
【氏名】永坂 圭史
(72)【発明者】
【氏名】城所 直弥
【審査官】 所村 陽一
(56)【参考文献】
【文献】 特開2013−167210(JP,A)
【文献】 特開2013−230086(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
F04C 18/356
F04C 29/00
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
内部に冷媒が供給されるシリンダと、
前記シリンダ内を回転自在に貫通するシャフトと、
前記シャフトの回転軸心に対して偏心して設けられ、前記シリンダ内で前記シリンダの中心に対して偏心して回転駆動されるピストンロータと、
前記シャフトをその中心軸周りに回転駆動させるロータ及びステータを有するモータと、が外殻をなすハウジングに収容され、前記シャフトがフローティングする機能を有するロータリー圧縮機と、
電源から供給される電力を変換して前記モータの前記ステータに供給する電力変換装置と、を備え、
前記モータは、
最高回転速度においても逆起電圧による電圧限界に到達せずに、前記フローティングする機能が発現できるように、前記ステータの電線の巻数、前記ステータの内径及び前記ステータの積厚の少なくとも一つが設定され、
前記電力変換装置スイッチング素子が、ワイドバンドギャップ半導体素子で構成される、冷媒圧縮装置の運転方法であって、
前記電力変換装置は、前記モータの回転を回転速度が遅い領域から前記回転速度が速い領域に変化させるときに弱め界磁制御をすることなく前記モータに電力を供給し、前記フローティングを維持させることを特徴とする冷媒圧縮装置の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、高速回転においてもシャフトフローティング機能が維持されるロータリー圧縮機を含む冷媒圧縮装置に関する。
【背景技術】
【0002】
冷凍装置に用いられるロータリー圧縮機は、密閉されたハウジングの内部に、円筒状の内壁面を有したシリンダと、シリンダの中心に対して偏心して設けられたピストンロータと、を備えている。ピストンロータは、シリンダの中心軸に沿って設けられたシャフトに設けられている。シャフトは、シリンダに固定された軸受を介してその軸線周りに回転自在に設けられている。シャフトには、シャフトを回転させるためのモータを構成するロータが設けられている。ロータの外周側には、容器の内周面に固定されたステータが配置され、ステータに通電されることによって、シャフトが回転駆動され、ピストンロータがシリンダの内部で旋回する。
ロータリー圧縮機は、シリンダとピストンロータとの間に形成された圧縮室に冷媒を吸い込み、ピストンロータの回転により圧縮室容積が減少して冷媒を圧縮して吐出する。
【0003】
ロータリー圧縮機の作動時において、ゴトゴトといった騒音が生じることがあった。これは、ロータの上と下で発生する圧力脈動により、ピストンロータおよびシャフトが、シャフトを支持する軸受のクリアランスの範囲内で振動し、その結果、ピストンロータが、シャフトの軸線方向に振動して軸受、特に下側の軸受と干渉するためである。
これに対し、ロータの磁力中心とステータの磁力中心とをオフセットさせ、ステータで発生する磁界によってロータおよびシャフトを浮き上がらせることで、ピストンロータが下側の軸受に接触するのを低減して騒音の発生を抑制するシャフトフローティング機構が知られている(特許文献1)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開2013−167210号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
従来のロータリー圧縮機は、モータが高速回転になると供給する電流を絞る弱め界磁制御がなされる。そうすると、ステータから発生される磁界が弱くなり、これに伴ってシャフトを上方に浮き上がらせる力が弱くなるので、ピストンロータが下降して下側の軸受に接触してしまい、音が発生する。なお、ロータリー圧縮機は、一例として、10〜120rps(600〜7200rpm)の回転速度の範囲で運転されるとすると、弱め界磁制御は、例えば60〜70rpsを超える回転速度になると行なわれる。
本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、高速回転においてもシャフトフローティング機能を維持できるロータリー圧縮機を備える冷媒圧縮装置の運転方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
かかる目的のもと、本発明の冷媒圧縮装置の運転方法において、冷媒圧縮装置は、ロータリー圧縮機と電力変換装置を備えている。
ータリー圧縮機は、内部に冷媒が供給されるシリンダと、シリンダ内を回転自在に貫通するシャフトと、シャフトの回転軸心に対して偏心して設けられ、シリンダ内でシリンダの中心に対して偏心して回転駆動されるピストンロータと、シャフトをその中心軸周りに回転駆動させるロータ及びステータを有するモータと、が外殻をなすハウジングに収容され、シャフトがフローティングする機能を有している。電力変換装置は、電源から供給される電力を変換してモータのステータに供給する。
モータは、最高回転速度においても逆起電圧による電圧限界に到達せずに、フローティング機能が発現できるように、ステータの電線の巻数、ステータの内径及びステータの積厚の少なくとも一つが設定されるまた、電力変換装置スイッチング素子が、ワイドバンドギャップ半導体素子で構成される
そして、電力変換装置は、モータの回転を回転速度が遅い領域から回転速度が速い領域に変化させるときに弱め界磁制御をすることなくモータに電力を供給し、フローティングを維持させる。
【発明の効果】
【0011】
本発明によれば、高速回転においてもシャフトフローティング機能が維持されるロータリー圧縮機を備える冷媒圧縮装置の運転方法が提供される。しかも、冷媒圧縮装置は、電力変換装置のスイッチング素子が、ワイドバンドギャップ半導体素子で構成されているために、低い回転速度の領域でもスイッチング素子の発熱を問題にしなくてもよい。
【図面の簡単な説明】
【0012】
図1】本実施の形態におけるロータリー式圧縮機の構成を示す縦断面図である。
図2図1のロータリー式圧縮機の横断面図である。
図3】本実施の形態におけるインバータ装置を示す図である。
図4】インバータ装置を用いてモータの動作を制御したときの回転速度と電流、回転速度とトルクとの関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
図1に示すように、圧縮機10は、上下方向に中心軸を有した円筒状の密閉型のハウジング11の内部に、ディスク状のシリンダ20A、20Bが上下2段に設けられた、いわゆる2気筒タイプのロータリー式圧縮機である。シリンダ20A、20Bの中央部には、それぞれ、上下方向に軸線を有した円筒状のシリンダ内壁面20Sが形成されている。
【0014】
シリンダ20A、20Bの内方には、シリンダ内壁面20Sの内径よりも外径の小さな円筒状のピストンロータ21A、21Bが配置されている。ピストンロータ21A、21Bのそれぞれは、ハウジング11の中心軸に沿ったシャフト23の偏心軸部40A、40Bに挿入固定されている。これにより、シリンダ20A、20Bのシリンダ内壁面20Sとピストンロータ21A、21Bの外周面との間には、それぞれ三日月状の断面を有した空間Rが形成されている。
ここで、上段側のピストンロータ21Aと、下段側のピストンロータ21Bとは、その位相が互いに異なるように設けられている。
また、上・下のシリンダ20A、20Bの間には、ディスク状の仕切板24が設けられている。仕切板24により、上段側のシリンダ20A内の空間Rと、下段側のシリンダ20Bの空間Rとが互いに連通せずに圧縮室R1と圧縮室R2とに仕切られている。
【0015】
図2に示すように、上下のシリンダ20A、20Bには、圧縮室R1、R2を、それぞれ2つに区切るブレード25が設けられている。ブレード25は、シリンダ20A、20Bのそれぞれにおいて、シリンダ20A、20Bの径方向に延在して形成された挿入溝26に、ピストンロータ21A、21Bに対して接近・離間する方向に進退自在に保持されている。そして、ブレード25は、その後端部25aが、コイルバネ28によって押圧されており、先端部25bがピストンロータ21A、21Bに常に押し付けられている。
【0016】
図1に示したように、シャフト23は、上下のシリンダ20A、20Bにボルトによって固定された上下の軸受29A、29Bにより、その軸線周りに回動自在に支持されている。
そして、シャフト23には、ピストンロータ21A、21Bの内側に、シャフト23の中心軸から直交する方向にオフセットした偏心軸部40A、40Bが形成されている。偏心軸部40A、40Bは、ピストンロータ21A、21Bの内径よりもわずかに小さな外径を有している。これにより、シャフト23が回転すると、偏心軸部40A、40Bがシャフト23の中心軸周りに旋回し、上・下のピストンロータ21A、21Bがシリンダ20A、20B内で、偏心転動する。このとき、ブレード25は、コイルバネ28により押圧されているため、先端部25bがピストンロータ21A、21Bの動きに追従して進退し、ピストンロータ21A、21Bに常に押し付けられる。
【0017】
シャフト23は、軸受29Aから上方に突出して延びており、その突出部には、シャフト23を回転させるためのモータ36のロータ37が設けられている。ロータ37の外周部に対向して、ステータ38が、ハウジング11の内周面に固定して設けられている。
ここで、ロータ37は、鉄心と永久磁石を備えており、ステータは、鉄心と電線が巻き回された巻線とを備えている。
【0018】
ハウジング11の側方には、シリンダ20A、20Bの外周面に対向する位置に、開口部12A、12Bが形成されている。シリンダ20A、20Bには、開口部12A、12Bに対向した位置に、シリンダ内壁面20Sの所定位置まで連通する吸入ポート30A、30Bが形成されている。
【0019】
ハウジング11の外部に、圧縮機10に供給するに先立ち冷媒を気液分離するためのアキュムレータ14が、ステー15を介してハウジング11に固定されている。
アキュムレータ14には、アキュムレータ14内の冷媒を圧縮機10に吸入させるための吸入管16A、16Bが設けられている。吸入管16A、16Bの先端部は、開口部12A、12Bを通して、吸入ポート30A、30Bに接続されている。
【0020】
以上の構成を備える圧縮機10は、アキュムレータ14の吸入口14aからアキュムレータ14内に冷媒を取り込み、アキュムレータ14内で冷媒を気液分離して、その気相を吸入管16A、16Bからシリンダ20A、20Bの吸入ポート30A、30Bを介し、シリンダ20A,20Bの内部空間である圧縮室R1、R2に供給する。
そして、ピストンロータ21A、21Bの偏心転動により、圧縮室R1、R2の容積が徐々に減少して冷媒が圧縮される。シリンダ20A、20Bの所定の位置には、冷媒を吐出する吐出穴(図示無し)が形成されており、この吐出穴にはリード弁(図示無し)が備えられている。これにより、圧縮された冷媒の圧力が高まると、リード弁を押し開き、冷媒をシリンダ20A、20Bの外部に吐出する。吐出された冷媒は、ハウジング11の上部に設けられた吐出管42から外部の図示しない配管に排出される。
【0021】
また、ロータ37は、永久磁石を内蔵しており、図1に示すように、ロータ37が回転していない状態では、その磁力中心C10が、ステータ38の磁力中心C20に対し、シャフト23の軸方向に沿って下方にオフセットして配置されている。
このモータ36の構成においては、ステータ38に通電されると、ステータ38とロータ37との間に生じる磁気吸引力により、ステータ38に対し、ロータ37が上方に浮き上がるフローティングが生じる。そうすると、ロータ37とともにシャフト23がフローティングするようになっている。これによって、ピストンロータ21Bが下方の軸受29Bに接触するのが抑えられるので、騒音の発生を抑制することができる。ブラシレスDC(直流)のモータ36は、後述するインバータ装置50により、交流電源から供給される交流電流を整流し、整流後の直流電流を三相に変換して電力が供給される。
【0022】
本実施形態のモータ36は、高速回転になっても、弱め界磁制御をしなくてもよいように設計がなされている。
通常、モータが高速回転になると、誘導起電圧に対応するために弱め界磁制御を行うことにより、回転速度を確保する。この場合、ステータで生じる磁界が弱くなるため、ピストンロータをフローティングし続けることができなくなる。そこで、本実施形態は、モータ36は、高速回転になっても弱め界磁制御をしないこととし、ロータ37を介するシャフト23のフローティング機能を維持する。ただし、単純に弱め界磁制御をしないことにすれば、モータ36に電力の供給を担うインバータ装置の特にスイッチング素子に支障をきたすので、インバータ装置50に対応を施す。以下、弱め界磁制御、インバータ装置50の対応の順に、具体的に説明する。
【0023】
弱め界磁制御をさせないモータ36の指針は以下の通りである。
モータ36の回転速度ωは、供給される電力の電圧Vに比例する。
V=k・ω=k・2π/60・N … (1)
V:印加電圧,ω:回転速度(rad/s),N:回転速度(rpm)
また,トルクは電流に比例する。
T=k・I … (2)
T:トルク,I:電流
式(1),(2)より、回転速度Nは、下記の式(3)の通りであり、kを小さくすれば、回転速度Nを上げることができる。
=60/2π・1/k・V≦60/2π・1/k・Vs … (3)
Vs:電源電圧
【0024】
ここで、kは各種モータ定数に比例する。つまり、式(4)の通りとなる。kを小さくすれば、つまり、N,B,D,Lを小さくすれば、回転速度Nを上げることができる。弱め界磁はBを小さくすることと等価であるから、Bを小さくする代わりに、N,D,Lのいずれかを小さくすれば、弱め界磁制御をする必要がなくなる。
∝ NBDL … (4)
N:巻数, B:磁束密度, D:ステータ内径, L:積厚
なお、Nはステータの巻線の巻き数、Bはロータの永久磁石の磁束密度、Lはステータの鉄心の積厚である。
【0025】
一方、式(4)より、式(5),式(6)であるから、kを小さくするとkも小さくなり、同じトルクを得る場合、供給する電流を増やさなければならない。
I=1/k・T … (5) k∝k … (6)
【0026】
式(4)より、例えば、ステータ38の巻数を減らすと逆起電力が低減するので、より高速回転でモータ36を回転させることができる。しかし、式(5),(6)より、低速回転域では大電流が流れることになる。そこで、本実施形態では、以下説明するように、インバータ装置50により低速回転域における大電流に対応する。
【0027】
従来、インバータ装置をはじめとする電力変換装置にはバイポーラトランジスタ、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、FET(Field Effect Transistor)などの半導体素子が用いられている。これらの半導体素子はシリコン(Si)を主体とするために素子内部の使用限界温度が150℃以下と低い。したがって、低速回転域では大電流が流れる本実施形態のモータ36に対して、従来のシリコン(Si)を主体とする半導体からなるスイッチング素子を備えるインバータ装置は発熱により対応が困難である。したがって、従来は、スイッチング素子の電流許容値の制約から、kを小さくすることに限界があり、回転速度が不足する分は、弱め界磁制御により磁束密度Bを小さくしていた。
【0028】
そこで、本実施形態では、インバータ装置50のスイッチング素子として、炭化ケイ素(SiC)を用いる。SiCトランジスタは素子内部の使用限界温度が理論的には1500℃程度と高いので、これをスイッチング素子として用いることで電流許容値の上限値を上げることができる。その結果として、モータ36のステータ38を構成する巻線の巻数、ステータ内径、積厚、ロータ37を構成する永久磁石を大幅に減らすことができるとともに、弱め界磁制御を入れる必要がない程度まで回転速度の上限値を上げることができる。
【0029】
したがって、インバータ装置50により電力の供給が制御される圧縮機10は、高速回転域まで弱め界磁なしで運転できるので、ステータ38とロータ37との間にシャフトフローティング状態を維持するのに足りる磁気吸引力を継続して発生させることができる。
また、本実施形態にかかるモータ36は、ロータ37の永久磁石の量、ならびに、ステータ38の巻線及び積厚の量を減らせるので、シャフト23に係る重量を低減できる。したがって、仮に、多少の弱め界磁制御をして磁気吸引力が衰えても、重量が減っている分だけ、従来よりも高速回転域までシャフトフローティング状態を維持できる。
【0030】
本実施形態に適用できるインバータ装置50の一例を図3に示す。
三相のインバータ装置50は、6個のSiCトランジスタQ1〜Q6と6個のダイオードD1〜D6とを備えている。各SiCトランジスタQ1〜Q6には対応するダイオードD1〜D6がそれぞれ並列に接続されている。ダイオードD1〜D6は、SiCトランジスタQ1〜Q6を保護するとともに、正常な電源装置から故障した電源装置へ電流が流れ込まないように逆流を阻止するための保護素子である。
【0031】
これら6組のSiCトランジスタQ1〜Q6およびダイオードD1〜D6のうち2組ずつが組み合わされ、3つの直列回路が形成されている。3つの直列回路の両側は入力端子にそれぞれ並列に接続されている。なお、入力端子は図示しない大容量コンデンサを介して直流電源(図示せず)に接続されている。
一方、3つの直列回路の中点U,V,Wはモータ36の出力端子にそれぞれ接続され、これにより三相のハーフブリッジ回路が負荷となるモータ36との間に形成されている。
【0032】
また、図示を省略するオン・オフ制御回路がSiCトランジスタQ1〜Q6およびダイオードD1〜D6にそれぞれ接続されている。このオン・オフ制御回路はSiCトランジスタQ1〜Q6およびダイオードD1〜D6の各々の動作を個別にオン・オフ制御するものである。
【0033】
このようなインバータ装置50は、6組のSiCトランジスタQ1〜Q6/ダイオードD1〜D6をON・OFF制御することにより、各相のハーフブリッジは180°導通して切り替わり、1サイクルに6個の動作モードを生じる。電位の基準点を直流電源の中点0DCにとると、出力端子の電位vU,vV,vWは、プラス側のトランジスタ(Q1,Q3,Q5)がオンのときはVdとなり、マイナス側のトランジスタ(Q2,Q4,Q6)がオンのときはゼロとなる。ちなみに相電圧は直流電源の中点0DCに対して±Ed/2の振幅をもつ180°幅の方形波となる。また、線間電圧は±Edの振幅をもつ120°幅の方形波となるが、負荷電圧は階段状の6ステップ波形となる。
【0034】
次に、図4を参照して、インバータ装置50を用いてモータ36の動作を制御したとき(本実施形態)の回転速度と電流、トルクの関係を、従来例と比較して説明する。ここで、従来例とは、Si半導体素子をスイッチング素子に用いるインバータ装置により、弱め界磁制御をすることを前提にしたモータを制御するものである。
図4に示すように、回転速度が高い領域において、従来例は弱め界磁制御するために、モータに供給する電流値及びトルクが小さくなる。なお、従来例は、弱め界磁制御の効果を示すために、当該制御ありとなしの両者を示している。また、ステータから発生される磁界が弱くなるので、シャフトフローティングが機能しなくなる。これに対して本実施形態は、逆起電力の発生を抑えており、弱め界磁制御を行わなくてもよく、回転速度が速い領域においても、回転速度が遅い領域と同じ電流を供給できるので、高速回転域においても、シャフトフローティングを維持することができる。
【0035】
一方、回転速度の遅い領域において、従来例はインバータ装置のスイッチング素子の加熱を避けるために、低い値の電流しか供給できないのに対して、本実施形態はスイッチング素子にSiCを用いているために高い値の電流を供給することができる。
【0036】
以上の通りであり、本実施形態は、N:巻数、D:ステータ内径及びL:積厚を小さくすることにより、高速回転域で弱め界磁制御を行わないので、高速回転域でもシャフトフローティング機能を維持することができる。また、低速回転域においては、インバータ装置50がスイッチング素子としてSiCトランジスタQ1〜Q6を用いているので、N:巻数、D:ステータ内径及び L:積厚を小さくすることによりスイッチング素子が温度上昇しても、インバータ装置50の機能を確保できる。
【0037】
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更したりすることが可能である。
例えば、本実施形態では、使用限界温度の高い半導体としてSiCを例示したが、窒化ガリウム(GaN)を用いることもできる。
また、本実施形態では、交流電源を用い、インバータ装置50を介してモータ36に三相直流電流を供給する例を示したが、直流電源を用いてモータ36に三相直流電流を供給することもできる。この場合、コンバータ装置のスイッチング素子をSiC又はGaNから構成する必要がある。
インバータ装置50はあくまで一例に過ぎず、使用限界温度の高い半導体をスイッチング素子として用いていることを前提として、本発明は、モータ36に必要に応じた電力を供給することのできる電力変換装置を広く適用することができる。
【符号の説明】
【0038】
10 圧縮機
11 ケース
12A 開口部
14 アキュムレータ
14a 吸入口
15 ステー
16A 吸入管
20A,20B シリンダ
20S シリンダ内壁面
21A,21B ピストンロータ
23 シャフト
24 仕切板
25 ブレード
25a 後端部
25b 先端部
26 挿入溝
28 コイルバネ
29A,29B 軸受
30A 吸入ポート
36 モータ
37 ロータ
38 ステータ
40A 偏心軸部
42 吐出管
50 インバータ装置
D1〜D6 ダイオード
Q1〜Q6 SiCトランジスタ
図1
図2
図3
図4