JP2005040000A - 冷凍装置 - Google Patents
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Abstract
高効率であるにも係わらず、圧縮機の圧縮室の容積、圧縮機全体の大きさ、さらには圧縮機を搭載する室外ユニット、冷凍装置(含む空気調和機)の小型化を図る。
【解決手段】
電動機によって駆動される複数台の圧縮機1a、1bを備えた冷凍サイクルを有する冷凍装置において、インバータで容量制御される可変速形圧縮機1aと、回転子の鉄心にかご形導体と2極に着磁された永久磁石が設けられ商用電源で駆動される一定速形圧縮機1bと、を備え、可変速形圧縮機1aと一定速形圧縮機1bの圧縮機構部は共通化された部品で組立てられている。
【選択図】 図5
Description
さらに、産業用モータは、省エネルギニーズの要求より、高効率で商用電源駆動が可能なものとして埋込磁石同期電動機が提案され、例えば 平野他3名:新高率モータと応用:技報 安川、第62巻、No.4、1998、通巻241号 に記載されている。
また、上記従来技術による埋込磁石同期電動機を冷凍サイクルが用いられる空気調和機及び室外機並びに冷凍装置に採用するには、例えば、電動機の回転速度についても冷凍サイクルに必要とされる冷媒吐出量、冷凍サイクルとしての効率を考慮しなければならないし、圧縮機の圧縮室の容積、圧縮機全体の大きさ、さらには圧縮機を搭載する室外ユニットのサイズなどが大きくならないようにしなければならない。
さらに、冷凍サイクルの定常運転時、つまり同期状態の運転時に過負荷が生じると埋込磁石同期電動機の回転子が大きく失速したり、電動機の巻線温度が上昇して最悪の場合、巻線の絶縁材料が劣化したり、巻線の絶縁破壊を生じたりして、装置の信頼性が著しく損なわることになる。
さらに、埋込磁石同期電動機の永久磁石の冷凍サイクルを循環する冷媒や潤滑油の劣化に対する影響も最小限となるようにする必要がある。
また、本発明の目的は、高効率であるにも係わらず、圧縮機の圧縮室の容積、圧縮機全体の大きさ、さらには圧縮機を搭載する室外ユニット、冷凍装置(含む空気調和機)の小型化を図ることにある。
なお、本発明は上記課題、目的の少なくとも一つを達成するものである。
蒸気圧縮冷凍サイクルを用いる空気調和機の効率向上のためには、冷凍サイクルを構成する部品の中で最も消費電力が大きい冷媒圧縮機に用いる電動機の効率を向上することが効果的である。従来、冷媒圧縮機には誘導電動機が用いられることが多いが、それに比べ効率の高い電動機としては、回転子鉄心内に永久磁石を埋設した同期電動機が知られている。同期電動機は、電動機の回転子に埋設された永久磁石と固定子より発生した回転磁場の引き合いを利用して回転することから、誘導電動機では発生する電動機の回転子に流れる2次電流が発生せず、これによるエネルギー損失がないことから効率が高くなる。
しかし、冷媒圧縮機に用いる電動機として同期電動機を使用する場合、以下のようなことを考慮しなければならない。
図1に示す空気調和機は、一定速形圧縮機1、四方弁2、室外熱交換器3、室外膨張装置5、室内膨張装置6、室内熱交換器7、アキュムレータ9を順次連結し構成されている。一定速形圧縮機1に使用する電動機として、その回転子に、回転子の外周近傍に周方向に沿ってかご型巻線(導体)を形成し、かつ回転子に永久磁石が埋設されることで、回転子の回転速度が同期速度になるまでは誘導電動機として作用し、回転子の回転速度が同期速度となると同期電動機として働く。そのため、インバータを用いなくても始動が可能であると共に、同期速度での運転時、つまり商用電源の電源周波数(50/60Hz)で決まる回転数(3000r/min、3600r/min)での定常運転時において、電動機の回転子に2次電流が発生しないので効率を向上できる。
つまり、同期電動機は誘導電動機にあった固定子と回転子間の滑り(スリップ)が発生しないため、誘導電動機に比べ、回転子の回転速度の負荷変動が小さく、同じ負荷ならば圧縮機1の回転数が速くなるので、圧縮機1の冷媒圧縮機構部により圧縮される冷媒量も増加し、圧縮機1の冷媒吐出量が増加し、図2に示すように冷凍サイクルの通常の負荷範囲ではその能力を向上することができる。
圧縮機機構部は、固定スクロール60の端板61に直立する渦巻状ラップ63と、旋回スクロール57の端板58に直立する渦巻状ラップ68とを噛み合わせて形成し、旋回スクロール57をクランクシャフト55によって旋回運動させることで圧縮動作を行う。
固定スクロール60及び旋回スクロール57によって形成される圧縮室59(59a、59b…)のうち、最も外径側に位置している圧縮室は旋回運動に伴って両スクロール60、57の中心に向かって移動し、容積が次第に縮小する。両圧縮室59a、59bが両スクロール60、57の中心近傍に達すると、両圧縮室内の圧縮された冷媒ガスは圧縮室と連通した吐出口62から吐出される。吐出された冷媒ガスは、固定スクロール60及びフレーム56に設けられたガス通路を通ってフレーム56下部の圧縮容器内に至り圧縮容器の側壁に設けられた吐出パイプ64から圧縮機外に排出される。
電動機の下部には、油溜め部66が設けられ、そのなかの潤滑油は回転運動によって生じる圧力差によってクランクシャフト55内に設けられた油孔65を通って旋回スクロール57とクランクシャフト55との摺動部、滑り軸受け等の潤滑を行う。
電動機は固定子51と回転子52とで構成される埋込磁石形同期電動機であり、固定子51は固定子鉄心53とそれに巻き回された電機子巻線(導体)とを有し、回転子52は、永久磁石71が埋設され、磁石間スリット73を有する回転子鉄心52を設けている。
図7は、回転子52の詳細構造を示し、永久磁石71が2極に着磁され、かつ回転子52の外周近傍に導体が埋設されてかご型導体(巻線)72を形成している。
冷凍サイクルを始動する場合、圧縮機1の吐出側と吸入側の差圧が大きいと始動が不可能となったり、その信頼性が不充分となったりするので電動機の始動トルクを充分確保する必要がある。そのため、冷凍サイクルを誘導電動機として始動し、その後、同期電動機として運転するにしても電動機の始動トルクを大きくするには誘導電動機としての作用を、つまり、回転子のかご形導体の量を多くしたり、電流を多くするため線径を太くしたりしなければならず、圧縮機1が大型化する恐れがある。そして、コンパクト化するには、かご形導体が設けられた回転子の鉄心に永久磁石を埋め込むことが構造的にも困難となる。また冷凍サイクル内の圧力がバランスするには、圧縮機1が停止してから数分間かかる。
圧力検出装置14としては、設定圧力Pdsetとなったときに、電気回路のスイッチが開(または閉)するように設定した圧力スイッチでもよい。
本空気調和機は、室外熱交換器3と室内熱交換器7(室外熱交換器3と室内膨張装置6)の間に受液器11が設けられており、主配管と受液器11内とをつなぐ冷媒導入出管もしくは主配管の流れ方向に対して後流側に受液器11内のガス冷媒をバイパスするバイパス管と、そのバイパス回路を開閉する開閉弁10a、10bとを設けている。
冷房運転時においては、開閉弁10bを開けることで、受液器11内のガス冷媒を導出することができ、受液器11出入口の冷媒かわき度が大きくなり、凝縮器として働く室外熱交換器3の出口の冷媒かわき度が大きくなるため、凝縮器として有効に活用することができるので、凝縮圧力が低く抑えることができ吐出圧力を下げることができる。暖房時においては開閉弁10aを開けることで、冷房時と同様の効果を得ることができる。
これを利用して、圧縮機1に用いる電動機の回転子52が失速しない吐出圧力Pdsetを設定し、吐出圧力検出装置14により吐出圧力を検出し、Pdsetまで上昇したら、冷房時は開閉弁10bを、暖房時は開閉弁10aを開けることで吐出圧力を下げることができ、冷凍サイクルの異常を防ぐことができる。
圧縮機1としては、1台の可変速形圧縮機1aと1台以上の商用電源で駆動される一定速形圧縮機1bを搭載し、一定速圧縮機1bの吐出側に逆止弁13、さらに油分離器12を設けている。
さらに、電動機の永久磁石としてネオジム、鉄、ボロン磁石やサマリウム・コバルト磁石を用いた場合、冷媒及び潤滑油と永久磁石とが接触して、永久磁石の構成物質であるネオジムやサマリウムなどの希土類元素が強力な触媒として作用し、潤滑油を劣化して、その劣化生成物が冷凍サイクル中の低温部でスラッジとして析出し、キャピラリを閉塞するため冷媒の流れが阻害され、冷媒圧縮機の温度が異常に上昇してしまう。
しかし、永久磁石の表面をコーティング、ニッケルメッキ、またはアルミメッキを施し被覆することで、圧縮機1内の冷媒及び潤滑油と永久磁石とが直接接することがなくなるので、潤滑油の劣化を抑えることができ、信頼性を向上することができる。
Claims (6)
- 電動機によって駆動される複数台の圧縮機を備えた冷凍サイクルを有する冷凍装置において、インバータで容量制御される可変速形圧縮機と、回転子の鉄心にかご形導体と2極に着磁された永久磁石が設けられ商用電源で駆動される一定速形圧縮機と、を備え、前記可変速形圧縮機と前記一定速形圧縮機の圧縮機構部は共通化されていることを特徴とする冷凍装置。
- 請求項1に記載のものにおいて、前記一定速形圧縮機をスクロール圧縮機としたことを特徴とする冷凍装置。
- 請求項1に記載のものにおいて、前記冷凍装置は室外熱交換器及び室内熱交換器を備えた空気調和機であることを特徴とする冷凍装置。
- 請求項1に記載のものにおいて、前記一定速形圧縮機の吐出側に逆止弁を設け、前記可変速形圧縮機を始動し、その後前記一定速形圧縮機を駆動することを特徴とする冷凍装置。
- 請求項1に記載のものにおいて、前記圧縮機の運転中において前記圧縮機の吐出圧力が設定圧力となった場合、前記圧縮機の吐出側と吸入側とがバイパスされることを特徴とする冷凍装置。
- 請求項1に記載のものにおいて、前記圧縮機構部は固定スクロールと旋回スクロールとを有するスクロール圧縮機とされ、圧力容器に内封された前記電動機で前記旋回スクロールが駆動されることを特徴とする冷凍装置。
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JP2007127327A (ja) * | 2005-11-02 | 2007-05-24 | Yanmar Co Ltd | エンジン駆動式ヒートポンプの高圧上昇回避手段 |
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