特許 6703921 回転式圧縮機及び冷凍サイクル装置

(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】6703921

(24)【登録日】2020年5月13日

(45)【発行日】2020年6月3日

(54)【発明の名称】回転式圧縮機及び冷凍サイクル装置

(51)【国際特許分類】

   F04C 23/00 20060101AFI20200525BHJP

   F04C 18/356 20060101ALI20200525BHJP

【ＦＩ】

   F04C23/00 F

   F04C18/356 H

   F04C18/356 M

   F04C18/356 Z

【請求項の数】4

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2016-179607(P2016-179607)

(22)【出願日】2016年9月14日

(65)【公開番号】特開2018-44489(P2018-44489A)

(43)【公開日】2018年3月22日

【審査請求日】2019年4月12日

(73)【特許権者】

【識別番号】505461072

【氏名又は名称】東芝キヤリア株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100088720

【弁理士】

【氏名又は名称】小川 眞一

(72)【発明者】

【氏名】平山 卓也

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 秀明

(72)【発明者】

【氏名】畑山 昌宏

【審査官】 大瀬 円

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１３／０６５７０６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００８−１４１５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−１７７２２５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０４Ｃ ２３／００

Ｆ０４Ｃ １８／３５６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

密閉ケースと、前記密閉ケース内の上部に収容された極数が６極以上の電動機と、前記密閉ケース内の下部に収容されて前記電動機に連結された回転軸を介して駆動される圧縮機構部と、前記密閉ケースの上部に設けられた吐出管とを有し、
前記圧縮機構部は、上下両端が閉塞されて内部にシリンダ室が形成された２つのシリンダを有し、前記シリンダ室内で前記回転軸に嵌合されたローラが偏心回転することにより作動流体を圧縮し、前記シリンダ室内で圧縮された作動流体を前記密閉ケース内に吐出し、
前記電動機は、前記回転軸と一体に回転する回転子とこの回転子の外周を囲む固定子とを有し、前記シリンダ室内から吐出された作動流体を前記吐出管側に導く吐出流路が形成され、
作動流体の最大吐出圧力が３ＭＰａ以上となる回転式圧縮機において、
前記シリンダ室の内径をＤ１、
前記２つのシリンダのシリンダ室の合計高さをＨ、
前記固定子の上端部から前記密閉ケースの上部内壁面までの距離をＬ１、
前記密閉ケースの内側断面積をＡｃ、
前記吐出流路の総断面積をＡｄ、
前記固定子の固定子鉄心の厚みをＴとしたとき、
下記関係式（１）〜（３）が全て成り立つことを特徴とする回転式圧縮機。
（１）０．８５×Ｄ１＜Ｈ＜Ｌ１
（２）０．０６＜Ａｄ／Ａｃ＜０．１３
（３）１．２＜Ｔ／Ｈ＜１．５

【請求項2】

前記密閉ケース内の前記シリンダの位置における水平断面において、前記シリンダ室の外側に形成されて上下方向に伸びる空間の平均断面積をＡｖ、
前記電動機の前記回転子の下端部から前記密閉ケースの下部内壁面までの距離をＬ２としたとき、
下記関係式（４）及び（５）が成り立つことを特徴とする請求項１記載の回転式圧縮機。
（４）Ａｖ／Ａｃ＞０．１
（５）Ｈ＜Ｌ２／２

【請求項3】

前記回転軸は、一方の前記シリンダの前記電動機側の端面側に設けられた一方の軸受と、他方の前記シリンダの前記電動機と反対側の端面側に設けられた他方の軸受とにより軸支され、前記軸受の内径をＤ２としたとき、
下記関係式（６）が成り立つことを特徴とする請求項１又は２記載の回転式圧縮機。
（６）０．３＜Ｄ２／Ｈ＜０．４

【請求項4】

請求項１ないし３のいずれか一項に記載の回転式圧縮機と、前記回転式圧縮機に接続される放熱器と、前記放熱器に接続される膨張装置と、前記膨張装置と前記回転式圧縮機との間に接続される吸熱器とを備えた冷凍サイクル装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、回転式圧縮機及びこの回転式圧縮機を用いた冷凍サイクル装置に関する。

【背景技術】

【0002】

密閉ケース内に電動機とこの電動機に連結された回転軸を介して駆動される圧縮機構部とを収容し、冷媒等の作動流体を圧縮する回転式圧縮機において、圧縮されて吐出される作動流体の吐出容量を増大させるために様々な対策が講じられており、例えば、下記特許文献１に記載されたような対策が講じられている。

【0003】

特許文献１に記載された回転式圧縮機では、シリンダ室の内径をＤ、シリンダ室の高さをＨとしたとき、１シリンダ型はＨ／Ｄ≦０．４、２シリンダ型はＨ／Ｄ≦０．３としている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特許第４８６４５７２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、特許文献１に記載された回転式圧縮機では、吐出容量を増大させるためには、シリンダ室の内径を大きくする必要があり、それに伴い、密閉ケースの内径も大きくなるので耐圧性が低下する。特に、吐出圧力が高い場合には、密閉ケースの肉厚をアップすることが必要となり、回転式圧縮機の大型化、重量増大、省資源性の悪化を招いている。そのため、Ｈ／Ｄを大きくし、密閉ケースの内径を大きくすることなく吐出容量を大きくすることが考えられるが、その場合、電動機の径を大きくできないことから、従来一般に用いられている４極電動機では圧縮負荷トルクが過大になり、圧縮機効率が低下していた。

【0006】

本発明の実施形態の目的は、小型でありながら吐出容量が大きい回転式圧縮機及びこの回転式圧縮機を用いた冷凍サイクル装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

実施形態の回転式圧縮機によれば、密閉ケースと、密閉ケース内の上部に収容された極数が６極以上の電動機と、密閉ケース内の下部に収容されて電動機に連結された回転軸を介して駆動される圧縮機構部と、密閉ケースの上部に設けられた吐出管とを有し、圧縮機構部は、上下両端が閉塞されて内部にシリンダ室が形成された２つのシリンダを有し、シリンダ室内で回転軸に嵌合されたローラが偏心回転することにより作動流体を圧縮し、シリンダ室内で圧縮された作動流体を密閉ケース内に吐出し、電動機は、回転軸と一体に回転する回転子とこの回転子の外周を囲む固定子とを有し、シリンダ室内から吐出された作動流体を吐出管側に導く吐出流路が形成され、作動流体の最大吐出圧力が３ＭＰａ以上となる回転式圧縮機において、シリンダ室の内径をＤ１、２つのシリンダのシリンダ室の合計高さをＨ、固定子の上端部から密閉ケースの上部内壁面までの距離をＬ１、密閉ケースの内側断面積をＡｃ、吐出流路の総断面積をＡｄ、固定子の固定子鉄心の厚みをＴとしたとき、
下記関係式（１）〜（３）が全て成り立つ。
（１）０．８５×Ｄ１＜Ｈ＜Ｌ１
（２）０．０６＜Ａｄ／Ａｃ＜０．１３
（３）１．２＜Ｔ／Ｈ＜１．５

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】断面図で示した回転式圧縮機を含む冷凍サイクル装置の概略図である。

【図2】４極電動機と６極電動機とにおける、シリンダ室の高さと内径の比を変えた場合のＣＯＰ比を示すグラフである。

【図3】Ａｄ／Ａｃと潤滑油の吐油量との関係を示すグラフである。

【図4】Ａｄ／Ａｃと電動機の効率比との関係を示すグラフである。

【図5】Ｔ／Ｈと電動機の効率比との関係を示すグラフである。

【図6】Ｔ／Ｈと吐出流路の圧力損失の割合との関係を示すグラフである。

【図7】Ｄ２／ＨとＣＯＰ比とを示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0009】

実施形態の冷凍サイクル装置の概略について、図１に基づいて説明する。図１に示すように、冷凍サイクル装置１は、回転式圧縮機２と、回転式圧縮機２に接続された放熱器である凝縮器３と、凝縮器３に接続された膨張装置４と、膨張装置４に接続された吸熱器である蒸発器５とを有している。回転式圧縮機２にはアキュムレータ６が設けられている。この冷凍サイクル装置１では、作動流体である冷媒が気体状のガス冷媒と液体状の液冷媒とに相変化しながら循環し、ガス冷媒から液冷媒に相変化する過程で放熱され、液冷媒からガス冷媒に相変化する過程で吸熱され、これらの放熱や吸熱を利用して暖房、冷房、加熱、冷却等が行われる。

【0010】

なお、回転式圧縮機２では、ガス冷媒の圧縮が行われる。凝縮器３では、圧縮されたガス冷媒が凝縮されて液冷媒となる。膨張装置４では、凝縮された液冷媒が減圧される。蒸発器５では、減圧された液冷媒が蒸発してガス冷媒となる。回転式圧縮機２のアキュムレータ６では、蒸発器５で蒸発したガス冷媒中に液冷媒が含まれていた場合、その液冷媒が除去される。

【0011】

回転式圧縮機２は、上下両端が閉塞されて気密状態とされる円筒状の密閉ケース７を有し、この密閉ケース７内の上部に電動機８が収容され、密閉ケース７内の下部にガス冷媒を圧縮する部分である圧縮機構部９が収容されている。電動機８には回転軸１０が連結され、この回転軸１０を介して圧縮機構部９が駆動されるようになっている。圧縮機構部９で圧縮されたガス冷媒は密閉ケース７内に吐出され、密閉ケース７内は高圧のガス冷媒で満たされる。密閉ケース７の上部には吐出管１１が設けられ、密閉ケース７内の高圧のガス冷媒は吐出管１１内を通って凝縮器３に導かれるようになっている。また、密閉ケース７内の底部には潤滑油１２が貯留されている。

【0012】

電動機８は、回転軸１０に固定されて回転軸１０と一体に回転する回転子１３とこの回転子１３の外周を囲む固定子１４とを有しており、極数が６極以上とされている。回転子１３は、電磁鋼板を積層した回転子鉄心１３ａと、回転子鉄心１３ａの内部に挿入された複数の永久磁石１３ｂとを有している。固定子１４は、電磁鋼板を積層した固定子鉄心１４ａと、固定子鉄心１４ａに巻回された界磁巻線１４ｂとを有している。また、電動機８には、圧縮機構部９から密閉ケース７内に吐出されたガス冷媒を密閉ケース７内の上部側である吐出管１１側に導く複数の吐出流路１５、例えば、回転子１３に上下方向に貫通して形成された貫通孔、密閉ケース７の内周面と固定子１４の外周面間の隙間及び回転子１３外周面と固定子１４の内周面間の隙間等が形成されている。

【0013】

圧縮機構部９は、上下方向に配置された２つのシリンダ１６ａ、１６ｂと、シリンダ１６ａ、１６ｂの間に配置されてそれらのシリンダ１６ａ、１６ｂの一方の端面を閉塞する仕切板１７と、一方のシリンダ１６ａの上方側である電動機８側に配置されてこのシリンダ１６ａの上方側の端面を閉塞する一方の軸受である主軸受１８と、他方のシリンダ１６ｂの下方側である電動機８の反対側に配置されてこのシリンダ１６ｂの下方側の端面を閉塞する他方の軸受である副軸受１９とを有している。そして、両端面を主軸受１８と仕切板１７とにより閉塞されたシリンダ１６ａの内部にシリンダ室２０ａが形成され、両端面を仕切板１７と副軸受１９とにより閉塞されたシリンダ１６ｂの内部にシリンダ室２０ｂが形成されている。これらのシリンダ１６ａ、１６ｂには回転軸１０が挿通されており、この回転軸１０は主軸受１８と副軸受１９とにより軸支されている。

【0014】

回転軸１０には、円柱状の２つの偏心部２１ａ、２１ｂが形成されており、一方の偏心部２１ａはシリンダ室２０ａ内に配置され、他方の偏心部２１ｂはシリンダ室２０ｂ内に配置されている。偏心部２１ａにはローラ２２ａが嵌合され、偏心部２１ｂにはローラ２２ｂが嵌合されている。これらのローラ２２ａ、２２ｂは、回転軸１０の回転に伴い外周面をシリンダ室２０ａ、２０ｂの内周面に摺接させながら偏心回転ように設けられている。また、シリンダ１６ａには往復摺動可能なブレード２３ａが設けられ、シリンダ１６ｂには往復摺動可能なブレード２３ｂが設けられ、これらのブレード２３ａ、２３ｂは先端部をローラ２２ａ、２２ｂの外周面に当接させることによりシリンダ室２０ａ、２０ｂ内を、低圧のガス冷媒を吸込む吸込室と吸込んだガス冷媒を圧縮する圧縮室とに区画している。

【0015】

主軸受１８には、シリンダ室２０ａ内で圧縮されたガス冷媒を密閉ケース７内に吐出させるための吐出孔２４ａと吐出弁２５ａとが設けられている。副軸受１９には、シリンダ室２０ｂ内で圧縮されたガス冷媒を密閉ケース７内に吐出させるための吐出孔２４ｂと吐出弁２５ｂとが設けられている。

【0016】

また、主軸受１８には、吐出弁２５ａを囲む位置にマフラケース２６ａが取付けられ、吐出弁２５ａを開弁して吐出したガス冷媒はマフラケース２６ａ内に吐出された後、マフラケース２６ａに形成された吐出孔２７から密閉ケース７内に吐出されるようになっている。副軸受１９には、吐出弁２５ｂを囲む位置にマフラケース２６ｂが取付けられ、吐出弁２５ｂを開弁して吐出されたガス冷媒はマフラケース２６ｂ内に吐出された後、図示しない連通路を通ってマフラケース２６ａ内に流入し、マフラケース２６ａの吐出孔２７から密閉ケース７内に吐出されるようになっている。

【0017】

ここで、この回転式圧縮機２は、作動時におけるガス冷媒の最大吐出圧力が３メガパスカル（ＭＰａ）以上となるように設定されており、この回転式圧縮機２における各部の寸法について以下に詳しく説明する。

【0018】

シリンダ室２０ａ、２０ｂの内径は同じ寸法であり、これらのシリンダ室２０ａ、２０ｂの内径はＤ１とされている。

【0019】

一方のシリンダ室２０ａの高さはＨ１、他方のシリンダ室２０ｂの高さはＨ２、２つのシリンダ室２０ａ、２０ｂの合計高さがＨ（Ｈ＝Ｈ１＋Ｈ２）とされている。

【0020】

固定子１４の上端部から密閉ケース７の上部内壁面までの距離は、Ｌ１とされている。

【0021】

密閉ケース７の内側断面積は、Ａｃとされている。

【0022】

吐出流路１５の総断面積は、Ａｄとされている。

【0023】

固定子１４の固定子鉄心１４ａの厚みは、Ｔとされている。

【0024】

以上説明した各寸法は、下記関係式（１）〜（３）が全て成り立つように設定されている。
（１）０．８５×Ｄ１＜Ｈ＜Ｌ１
（２）０．０６＜Ａｄ／Ａｃ＜０．１３
（３）１．２＜Ｔ／Ｈ＜１．５
つぎに、密閉ケース７内のシリンダ１６ａ、１６ｂの位置における水平断面において、シリンダ室２０ａ、２０ｂの外側に形成されて上下方向に伸びる空間の平均断面積は、Ａｖとされている。

【0025】

また、電動機８の回転子１３の下端部から密閉ケース７の下部内壁面までの距離はＬ２とされている。

【0026】

そして以上説明した各寸法は、下記関係式（４）及び（５）が成り立つように設定されている。
（４）Ａｖ／Ａｃ＞０．１
（５）Ｈ＜Ｌ２／２
つぎに、主軸受１８と副軸受１９との内径は、Ｄ２とされている。

【0027】

そして、以上説明した各寸法は、下記関係式（６）が成り立つように設定されている。
（６）０．３＜Ｄ２／Ｈ＜０．４
このような構成において、電動機８に通電されることにより回転子１３と回転軸１０とが回転し、回転軸１０が回転することにより圧縮機構部９が駆動される。圧縮機構部９が駆動されることにより、低圧のガス冷媒がアキュムレータ６を通過してシリンダ室２０ａ、２０ｂ内に吸込まれ、吸込まれたガス冷媒はシリンダ室２０ａ、２０ｂ内で圧縮される。

【0028】

シリンダ室２０ａ内で圧縮されて高圧になったガス冷媒は、吐出弁２５ａからマフラケース２６ａ内に吐出され、マフラケース２６ａの吐出孔２７から密閉ケース７内に吐出される。また、シリンダ室２０ｂ内で圧縮されて高圧になったガス冷媒は、吐出弁２５ｂからマフラケース２６ｂ内に吐出され、図示しない連通路を通ってマフラケース２６ａ内に流入した後、マフラケース２６ａの吐出孔２７から密閉ケース７内に吐出される。吐出孔２７から密閉ケース７内に吐出されたガス冷媒は、電動機８に形成された吐出流路１５を通って密閉ケース７内の上部側である吐出管１１側に導かれ、吐出管１１を通って凝縮器３に導かれる。

【0029】

図２は、作動時の最大吐出圧力が３ＭＰａ以上となる冷媒（例えば、Ｒ４１０Ａ、Ｒ３２、二酸化炭素）を用いた定格条件において、シリンダ室２０ａ、２０ｂの内径“Ｄ１”、密閉ケース７の内径を同一にしたまま、シリンダ室２０ａ、２０ｂの合計高さ“Ｈ”を大きくしてガス冷媒の吐出容量を増大した場合の、“Ｈ／Ｄ１”と、４極電動機使用時と６極電動機使用時とのＣＯＰ（成績係数）比（６極電動機使用時のＣＯＰ／４極電動機使用時のＣＯＰ）の関係を示している。

【0030】

この図２から、０．８５＜Ｈ／Ｄ１の領域、即ち、圧縮負荷トルクが大きい領域になると、ＣＯＰ比が１以上となり、６極電動機のほうが、大電流時における銅損抑制効果や鉄心間ピーク磁束減による鉄損低減効果により効率が高くなることが分かる。よって、０．８５×Ｄ１＜Ｈの場合には、６極電動機を使用することにより、密閉ケース７の細径化、吐出容量の増大、高効率化を両立することができ、高耐圧であり、小型軽量で吐出容量が大きく、省資源性の高い回転式圧縮機２を提供することができる。

【0031】

なお、図２では４極電動機に対して６極電動機を比較した場合を例に挙げて説明しているが、６極以上の電動機、例えば、８極電動機や１０極電動機等においても同様の効果が得られる。

【0032】

図３は、０．８５×Ｄ１＜Ｈを満たし、かつ、固定子１４の上端部から密閉ケース７の上部内壁面までの距離Ｌ１をシリンダ室２０ａ、２０ｂの合計高さＨより大きくしたとき（Ｈ＜Ｌ１）の、Ａｄ／Ａｃに対する吐出管１１からの潤滑油１２の吐油量を計測した結果を示している。吐油量は、ガス冷媒の循環量に対する重量比で表している。シリンダ室２０ａ、２０ｂの内径、密閉ケース７の内径を変えずにシリンダ室２０ａ、２０ｂの合計高さ“Ｈ”を変えてガス冷媒の吐出容量を増大していくと、電動機８の吐出流路１５におけるガス冷媒の流速が大きくなるため、吐出流路１５においてガス冷媒から潤滑油が分離しにくくなり、特に、Ａｄ／Ａｃ＜０．０６においては吐油量が急増することが分かる。

【0033】

図４は、Ａｄ／Ａｃに対する６極の電動機８の効率比を示している。電動機８の効率比は、Ａｄ／Ａｃ＝０．１３における電動機効率に対する比で表している。この図４から、Ａｄ／Ａｃ＞０．１３においては、吐出流路１５の面積を確保するために界磁巻線１４ｂの占積率低下や永久磁石１３ｂの断面積低下等を招き、電動機８の効率が大幅に低下することが分かる。これらのことから、Ｈ＜Ｌ１と、０．０６＜Ａｄ／Ａｃ＜０．１３（関係式２）とを満たすことにより、電動機効率の悪化を抑制しつつ吐油量を少なくすることができる。

【0034】

図５は、０．８５×Ｄ１＜Ｈ＜Ｌ１、０．０６＜Ａｄ／Ａｃ＜０．１３を満たすときの、Ｔ／Ｈに対する６極の電動機８の効率比を示している。電動機８の効率比は、Ｔ／Ｈ＝１．２における電動機効率に対する比で表している。Ｔ／Ｈ＜１．２においては、圧縮負荷トルクに対し固定子鉄心１４ａの厚み“Ｔ”が小さく、電動機８の効率低下を招いていることが分かる。

【0035】

図６は、シリンダ室２０ａ、２０ｂの合計高さＨに対する固定子１４の固定子鉄心１４ａの厚みＴの割合（Ｔ／Ｈ）と、圧縮機理論仕事Ｗｔｈに対する電動機８の吐出流路１５におけるガス冷媒の圧力損失Ｗｄの割合との関係を示している。１．５＜Ｔ／Ｈにおいては、Ｗｄ／Ｗｔｈが急増する。これらのことから、１．２＜Ｔ／Ｈ＜１．５（関係式３）により、電動機効率の悪化を抑制しながら吐出流路１５の圧力損失を低減することができる。したがって、以上の関係式１〜関係式３を全て満たすことにより、高耐圧であり、小型軽量で吐出容量が大きく、省資源性が高く、しかも、吐油量が少なく信頼性の高い回転式圧縮機２を提供することができる。

【0036】

また、密閉ケース７の細径化と吐出容量の増大化とを図った場合、Ａｖ／Ａｃ＞０．１（関係式４）、かつ、Ｈ＜Ｌ２／２（関係式５）とすることにより、密閉ケース７の底部に十分な量の潤滑油１２を貯留することができ、潤滑油１２が吐油された場合においても密閉ケース７内における潤滑油１２の油面の急激な低下を防止することができ、より信頼性の高い回転式圧縮機２を提供することができる。

【0037】

図７は、主軸受１８と副軸受１９との内径Ｄ２と、シリンダ室２０ａ、２０ｂの合計高さＨの比であるＤ２／Ｈに対する定格条件におけるＣＯＰ比を示している。ＣＯＰ比は、Ｄ２／Ｈ＝０．３のときのＣＯＰに対する比で表している。Ｄ２／Ｈ＜０．３の領域では、Ｈを大きくすることで主軸間距離が大きくなるのに対し、回転軸１０の剛性が不十分となり、回転軸１０のたわみが過大になることによりＣＯＰが大きく低下する。一方、Ｄ２／Ｈ＞０．４の領域では、圧縮負荷トルクに対して回転軸１０の径が必要以上に大きくなり、軸摺動損失の増大を招いてＣＯＰが低下する。これらのことから、０．３＜Ｄ２／Ｈ＜０．４（関係式６）とすることにより、より一層高効率となる回転式圧縮機２を提供することができる。

【0038】

以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、様々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0039】

１…冷凍サイクル装置、２…回転式圧縮機、３…凝縮器（放熱器）、４…膨張装置、５…蒸発器（吸熱器）、８…電動機、９…圧縮機構部、１０…回転軸、１１…吐出管、１３…回転子、１４…固定子、１４ａ…固定子鉄心、１５…吐出流路、１６ａ、１６ｂ…シリンダ、１８、１９…軸受、２０ａ、２０ｂ…シリンダ室、２２ａ、２２ｂ…ローラ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】