JP2010048146A - インバータ一体型電動圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】インバータ冷却に伴う吸入圧力損失が発生しても最大冷房能力の低下を防止して高効率に運転できるインバータ内蔵の電動圧縮機を提供するものである。
【解決手段】流体の吸入、圧縮および吐出を行う圧縮機構部と、該圧縮機構部を駆動する電動機を内蔵した本体ケーシングと、前記電動機を駆動するインバータを内蔵したインバータケースと前記インバータケースを密閉するインバータカバーを備え、冷媒の吸入通路を設けてインバータの設置壁の裏面を冷却するインバータ一体型電動圧縮機において、前記圧縮機構部の幾何学的圧縮開始点から吸入通路に連通した副吸入通路が圧縮室に面して設置されていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は流体の吸入、圧縮および吐出を行う圧縮機構部と、この圧縮機構部を駆動する電動機とを機体容器に内蔵し、前記電動機をインバータにより駆動する電動圧縮機に関するものである。

この種の電動圧縮機は、インバータと圧縮機構部および電動機とを互いに仕切って設けることが行なわれている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１に記載のものは、機体容器を軸線方向に圧縮室とインバータ室とに仕切る仕切り壁を設けて、その圧縮室に圧縮機構部および電動機を収容し、インバータ室にインバータを収容している。ここに、インバータは前記仕切り壁を介して電動機のある吸入側に面し、吸入冷媒によってインバータおよび電動機を冷却した後、圧縮機構部へ流入する、いわゆる低圧型圧縮機における代表的な構造である。また、特許文献２に記載のものは、電動機を収容した機体容器、圧縮機構部、および圧縮機構部を挟んで電動機と反対側にインバータを収容したインバータケースを軸線方向にボルト等で締結したものである。

圧縮機構部に設けられた吸入孔より流入された吸入冷媒は、一旦インバータケースに設けられた通路に導かれ、インバータとの熱交換を図った後、再度圧縮機構部に戻される。さらに圧縮機構部で圧縮された冷媒ガスは電動機を冷却した後、機体容器に設けられた吐出孔より吐出される。いわゆる高圧型圧縮機における代表的な構造である。
特開２０００−２９１５５７号公報（図１０） 特開２００４−１８３６３１号公報（図１１）

しかし、特許文献１に記載の構造は、吸入冷媒によって、インバータおよび電動機の高発熱部品と熱交換した後に圧縮部に吸入されるため、吸入冷媒温度の上昇によって体積効率が低下し、圧縮機の性能に大きな影響を及ぼす。さらに、圧縮機構部からの吐出冷媒は電動機側に至ることなく外部に直接吐出するので、圧縮機構部に供給して吐出冷媒に随伴している潤滑油を冷凍サイクルの性能向上のために分離しようとすると、前記外部への吐出過程で行うしかなく分離しにくい。このため、本格的かつ大型な分離装置が必要となり、機体容器の大型化、重量化の原因になる。

一方、特許文献２に記載の構造は、特許文献１に記載の構造に対して、吸入冷媒はインバータ冷却のみに利用され、また、潤滑油の分離装置は電動機が収容されている機体容器の空きスペースを利用して設けることが出来るため、性能面および機体容器のサイズ面でのメリットが大きい。

しかしながら、特許文献２に記載の構造は、インバータケースに設けられた吸入冷媒通路はインバータの冷却を促進するために流速を上げるために通路を狭くしたり、放熱を促進する為に放熱フィンを設置するなどの施策がされる為、流体抵抗により圧力損失が発生しやすく、高速回転時の大循環量時には体積効率が低下する傾向にあり、課題を有している。

本発明の目的は、大幅なコスト削減ができるインバータ一体型電動圧縮機構造を提供すると共にインバータの冷却を効率的に図りつつ、高速回転時の圧力損失による体積効率の減少を抑制するインバータ一体型電動圧縮機を提供することにある。

前記従来の課題を解決するために、本発明の電動圧縮機は、流体の吸入、圧縮および吐出を行う圧縮機構部と、該圧縮機構部を駆動する電動機を内蔵した本体ケーシングと、前記電動機を駆動するインバータを内蔵したインバータケースと前記インバータケースを密閉するインバータカバーを備え、前記圧縮機構部を前記本体ケーシングに収容し、前記インバータケースの内周端面と前記本体ケーシングの内面段付き部によって挟持して固定すると共に前記本体ケーシングの端面と前記インバータケースの外周端面の間にシール材を用いて密閉した構造体で、前記インバータケースの内周端面と前記圧縮機構部の端面の間に冷媒の吸入通路を設けてインバータの設置壁の裏面を冷却するインバータ一体型電動圧縮機である。

前記圧縮機構部の吸入部には幾何学的圧縮開始点から前記圧縮室に通じる吸入通路に連通した副吸入通路が圧縮室に面して設置されており、吸入ガスは低速回転時には副吸入通路の設置により圧縮開始により吸入ガスが吸入通路に戻る為、見かけの体積効率は低下するが、高速回転時には前記インバータ冷却による圧力損失の発生により、幾何学的吸入終了点（圧縮開始点）では吸入終了時の圧力は少し低下するが、副吸入通路を通じ、吸入工程が持続する為、吸入ガスは流入し続け、見かけの体積効率は副吸入通路が無い場合に比べ増加させることができる。実施例１はスクロール型圧縮機の場合であり、固定スクロールまたは旋回スクロールの鏡板の少なくとも一方に副吸入通路を設けた。

第２の実施例は固定スクロールの吸入通路に隣接した外壁の内側側面に副吸入通路を設置した場合を示した。第３の実施例ではベーンロータリ型圧縮機の場合であり、圧縮室を構成する円筒状のシリンダの内壁の設置した場合であり、第４の実施例では前記円筒状シリンダを両側から閉塞する側版の少なくとも一方に設置した場合を示した。

本発明のインバータ一体型電動圧縮機は、小型軽量化によって、ハイブリッド車等のエンジンに直接装着されることが可能となり、さらに小型で高速回転しても大きな冷媒循環量を確保することができる。

第１の発明は、流体の吸入、圧縮および吐出を行う圧縮機構部と、該圧縮機構部を駆動する電動機を内蔵した本体ケーシングと、前記電動機を駆動するインバータを内蔵したインバータケースと前記インバータケースを密閉するインバータカバーを備え、冷媒の吸入通路を設けてインバータの設置壁の裏面を冷却するインバータ一体型電動圧縮機において前記圧縮機構部の幾何学的圧縮開始点から吸入通路に連通した副吸入通路が圧縮室に面して設置されている。

第２の発明は、第１の発明の圧縮機構部がスクロール式であり、前記副吸入通路は固定スクロールまたは旋回スクロールの鏡板の少なくとも一方に設けられたことを特徴とする請求項１に記載のインバータ一体型電動圧縮機である。

第３の発明は、圧縮機構はスクロール型であり、前記副吸入通路は固定スクロール側の外壁の内側側面に設けられたことを特徴とする。

第４の発明は、圧縮機構はベーンロータリ式であり、前記副吸入通路は円筒状シリンダの外壁側面に設けられたことを特徴とする。

第５の発明は、圧縮機構はベーンロータリ式であり、前記副吸入通路は円筒状シリンダ
を閉塞する両側壁少なくとも一方に設けられたことを特徴とする。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１におけるインバータ一体型電動圧縮機の縦断面図である。図１においては、電動圧縮機１の胴部の周りにある取付け脚２によって横向きに設置される横型の電動圧縮機の場合の１つの例を示しており、電動圧縮機１はその本体ケーシング３内に電動機５を内蔵し、この本体ケーシング３に嵌入または圧入される圧縮機構部４を駆動する。電動機５はインバータケース１０２内に組み込まれたモータ駆動回路部１０１によって駆動される。また、本体ケーシング３内に圧縮機構部４を含む各摺動部の潤滑に供する液を貯留する貯液部６を備えている。取り扱う冷媒はガス冷媒であり、各摺動部の潤滑や圧縮機構部４の摺動部のシールに供する液としては潤滑油７などの液を採用している。また、潤滑油７は冷媒に対して相溶性のあるものである。しかし、本発明はこれらに限られることはない。基本的には、液体の吸入、圧縮および吐出を行う圧縮機構部４と、この圧縮機構部４を駆動する電動機５を内蔵する本体ケーシング３と、電動機５を駆動するモータ駆動回路部１０１を内蔵するインバータケース１０２とを有する電動圧縮機１であればよく、以下の説明は特許請求の範囲の記載を限定するものではない。

本実施の形態の電動圧縮機１の圧縮機構部４はひとつの例としてスクロール式のものであって、図１に示すように固定鏡板１１ａ、旋回鏡板１２ａから羽根が立ち上がった固定スクロール１１と旋回スクロール１２とを噛合わせて形成した圧縮空間１０が、旋回スクロール１２を電動機５により駆動軸１４を介して固定スクロール１１に対し円軌道運動させたときに、移動を伴い容積を変化させることにより外部サイクルから帰還する冷媒３０の吸入、圧縮および外部サイクルへの吐出をインバータケース１０２に設けた吸入口８および本体ケーシング３に設けた吐出口９を通じて行う。

これに併せ、本体ケーシング３の貯液部６に貯留されている潤滑油７が容積型ポンプ１３などを駆動軸１４にて駆動するか本体ケーシング３内の差圧を利用するなどして、駆動軸１４の給油路１５を通じ旋回スクロール１２の旋回駆動に伴い旋回スクロール１２の背面の液溜り２１および液溜り２２、図に示す例では液溜り２１に供給し、この液溜り２１に供給した潤滑油７の一部は旋回スクロール１２の外周部の背面側に旋回スクロール１２を通じ絞り２３などによる所定の制限の基に供給して旋回スクロール１２をバックアップしながら、前記潤滑油７を旋回スクロール１２を通じ旋回スクロール１２の羽根における先端の固定スクロール１１との間のシール部材の一例であるチップシール２４を保持する保持溝２５に供給して固定、旋回各スクロール１１、１２間のシールおよび潤滑を図る。また、液溜り２１に供給した潤滑油７の別の一部は、偏心軸受４３、液溜り２２、主軸受４２を経ながら、それら軸受４２、４３を潤滑した後、電動機５側に流出し、貯液部６へと回収される。

さらに、本体ケーシング３内の軸線方向の一方の端部壁３ａ側からポンプ１３、副軸受４１、電動機５、主軸受４２を持った主軸受部材５１を配置してある。ポンプ１３は端壁部３ａの外面から収容してその後に嵌め付けた蓋体５２との間に保持し、蓋体５２の内側に貯液部６に通じるポンプ室５３を形成して吸上げ通路５４を介して貯液部６に通じるようにしてある。副軸受４１は端部壁３ａにて支持し、駆動軸１４のポンプ１３に連結している側を軸受するようにしてある。電動機５は固定子５ａを本体ケーシング３に焼き嵌め固定されるか、または環状部材１７によって固定され、駆動軸１４の途中まわりに固定した回転子５ｂとによって駆動軸１４を回転駆動できるようにしている。主軸受部材５１は前記固定渦巻部１１と図示しないボルトなどによって固定し、本体ケーシング３の開口端
に嵌合され、インバータケース１０２でもって挟持する状態で、駆動軸１４の圧縮機構部４側を主軸受４２により軸受している。さらに、これら主軸受部材５１と固定スクロール１１との間に前記旋回スクロール１２を挟み込んでスクロール圧縮機を構成している。主軸受部材５１と旋回スクロール１２との間にはオルダムリング５７などの旋回スクロール１２の自転を防止して円運動させるための自転拘束部５７が設けられ、駆動軸１４を偏心軸受４３を介して旋回スクロール１２に接続して、旋回スクロール１２を円軌道上で旋回させられるようにしている。

圧縮機構部４には吐出孔３１及びリード弁３１ａが設けられ、固定鏡板１１ａと蓋体６５で構成された吐出室６２に開口される。吐出室６２は固定スクロール１１および主軸受部材５１ないしはこれらと本体ケーシング３との間に形成した連絡通路６３を通じて圧縮機構部４と端部壁３ａとの間の、吐出孔９を持った電動機５側に通じている。

モータ駆動回路部１０１は、インバータケース１０２内に端部壁１０２ａを隔てて吸入室６１及び吐出室６２の反対側に回路基板１０３と、図示しない電解コンデンサとを収容して構成され、回路基板１０３には発熱度の高いスイッチング素子を含むＩＰＭ（インテリジェントパワーモジュール）１０５が搭載される。モータ駆動回路部１０１は、電動機５などとハーネスコネクタ１０７によって接続される圧縮機ターミナル１０６を介して電気的な接続が行われ、電動機５を温度などの必要な情報をモニタしながらモータ駆動回路部１０１によって駆動するようにしてある。このためモータ駆動回路部１０１は外部との電気的な接続を行う図示しないハーネスコネクタが設けられている。

以上によって、電動機５はモータ駆動回路部１０１によって駆動され、駆動軸１４を介して圧縮機構部４を円軌道運動させるとともに、ポンプ１３を駆動する。このとき圧縮機構部４はポンプ１３により貯液部６の潤滑油７を供給されて潤滑およびシール作用を受けながら、インバータケース１０２に設けた吸入口８を通じ冷凍サイクルからの帰還冷媒を吸入して、圧縮し、吐出口３１から吐出室６２に吐出する。吐出室６２に吐出された冷媒は連絡通路６３を通じて電動機５側に入り、電動機５を冷却しながら本体ケーシング３の吐出口９から吐出されるまでの長い過程で、冷媒は衝突、遠心、絞りなど各種の気液分離を図って潤滑油７の分離を受けながらも、随伴している一部潤滑油７によって副軸受４１の潤滑も行う。

以上の構成の電動圧縮機１において、インバータケース１０２内の冷却通路構造について図２を用いて説明する。図２はインバータケース１０２と固定鏡板１１ａとで構成される冷却通路空間の分解構造図である。インバータケース１０２に設けた吸入口８から吸入された冷媒は、吸入通路空間７０に拡散され、端部壁１０２ａを冷却すると共に、背面に搭載されているＩＰＭ１０５等の発熱体と熱交換を行ったのち、固定鏡板１１ａの通路穴７１を介して吸入空間１０に流入する。

また、インバータケース１０２には、圧縮機ターミナル１０６がトメワ８０等によって固定されている。電動機５からのリード線８１は固定鏡板１１ａの外周近傍に設けられた連絡通路８２を通してハーネスコネクタ１０７に接続され、圧縮機ターミナル１０６に差込固定される。

また、インバータケース１０２の端部壁１０２ａに冷媒の流れを制御するガイドフィン７５を、背面に搭載されている発熱体に相対する位置に設けることで、冷却効果をさらに上げることができる。

図３はスクロール式圧縮機における吸入および圧縮初期工程の部分模式図である。１１
は固定スクロールの一部で通路穴７１が設置され、通路穴７１から冷媒が旋回スクロー
ル１２の旋回運動により吸入空間１０の容積の増加に伴う圧力低下により通路穴７１からガス冷媒が進入する。

この時、吸入空間１０は吸入終了間際の状態であるが、高速回転時には吸入空間１０に冷媒が充分流入し終えない状態で幾何学的（理論的）吸入終了点１０ａに至ると体積効率が低下することとなる。そこで、固定スクロール１１のスクロール底板１１ｂの吸入空間１０に面する位置に通路穴７１と連通した副吸入通路７２を新設することにより冷媒が流入し続けることができる為、体積効率を高く維持できる。

図４は図３の断面図であり、図５は上記体積効率と冷媒循環量の回転数に対する変化を従来に対し、本発明の実施例の特性を示した。

高速回転域では従来に対し、高い体積効率を得ることができる。逆に低速回転時には一旦吸入した冷媒が圧縮開始により副吸入通路７２から通路穴７１側へ戻るため、体積効率は低下する傾向となるが、本発明の目的は最高回転数における冷媒循環量の最大化であり、上記低速の特性は無視できる。

図６は前記副吸入通路７２を固定スクロール１１の外壁の内側内壁１１ｃに設置した場合を示す。

（実施の形態２）
図７と８は圧縮機構がベーンロータリ式の場合を示す。圧縮部は円筒状シリンダ２００に一点が近接して回転するロータ２１０と、前記ロータ内に複数枚放射状に出没自在に配置されたベーン２１１と前記シリンダ２００を両側から閉塞する側板２０５，２０６からなる。図７では前記副吸入通路７２を円筒状シリンダ２００の内壁に切欠き加工した場合である。一点鎖線で表した理論的吸入終了位置２０１に対し、切欠き部２０２が長く形成されており、この副吸入通路７２から前述した効果が得られる。

図８は前記副吸入通路７２を円筒状シリンダ２００を両側から閉塞する側板２０５に形成した場合の横断面図であり、図９はその縦断面図である。

この場合も同様な効果が得られる。

今回ベーンロータリ式では真円シリンダの場合を示したが、楕円形状のシリンダの場合や、ベーン枚数が変化した場合でも同じ効果が得られることは言うまでも無い。

以上のように、本発明にかかるインバータ一体型電動圧縮機は、従来のインバータ一体型電動圧縮機と比較して多くの冷媒循環量が得られる為、小型・軽量・高効率化が図られる。これにより、エンジンへの装着も容易となり、ハイブリッド車等の環境車両に幅広く適用できる。

本発明の実施の形態１におけるインバータ一体型電動圧縮機の縦断面図 図１で示されるインバータケースの冷却通路空間の分解構造図 図１で示されるスクロール式圧縮機の吸入・圧縮工程摸式図 図３の断面摸式図 体積効率と冷媒循環量特性図 スクロール式圧縮機における別実施例の吸入・圧縮工程摸式図 本発明の実施の形態２におけるインバータ一体型電動圧縮機の吸入・圧縮工程摸式図 本発明の実施の形態２におけるインバータ一体型電動圧縮機の別実施例の吸入・圧縮工程摸式図 図８の縦断面摸式図 文献１の従来のインバータ一体型電動圧縮機の断面図 文献２の従来のインバータ一体型電動圧縮機の断面図

符号の説明

１ 電動圧縮機
２ 取付け脚
３ 本体ケーシング
３ａ シール溝
３ｂ Ｏリング
３ｃ 微少隙間
４ 圧縮機構部
５ 電動機
５ａ 固定子
６ 貯液部
７ 潤滑油
８ 吸入口
９ 吐出口
１０ 吸入空間
１１ 固定スクロール
１１ａ 固定鏡板
１２ 旋回スクロール
１２ａ 旋回鏡板
１３ ポンプ
１４ 駆動軸
１５ 給油路
１７ 環状部材
２１ 液溜り
２２ 液溜り
２３ 絞り
２４ チップシール
２５ 保持溝
３０ 冷媒
３１ 吐出孔
４１ 副軸受
４２ 主軸受
４３ 偏心軸受
５１ 主軸受部材
５２ 蓋体
５３ ポンプ室
５４ 吸上げ通路
５７ オルダムリング
６１ 吸入室
６２ 吐出室
６３ 連絡通路
６５ 蓋体
７０ 吸入通路空間
７１ 通路穴
７２ 副吸入通路
７５ ガイドフィン
８０ トメワ
８１ リード線
８２ 連絡通路
１０１ モータ駆動回路部
１０２ インバータケース
１０２ａ 端部壁
１０３ 回路基板
１０５ ＩＰＭ
１０６ 圧縮機ターミナル
１０７ ハーネスコネクタ
１１３ インバータカバー
２００ シリンダ
２０５ 側板
２１０ ロータ
２１１ ベーン

Claims (5)

1. 流体の吸入、圧縮および吐出を行う圧縮機構部と、該圧縮機構部を駆動する電動機を内蔵した本体ケーシングと、前記電動機を駆動するインバータを内蔵したインバータケースと前記インバータケースを密閉するインバータカバーを備え、冷媒の吸入通路を設けてインバータの設置壁の裏面を冷却するインバータ一体型電動圧縮機において、前記圧縮機構部の幾何学的圧縮開始点から吸入通路に連通した副吸入通路が圧縮室に面して設置されていることを特徴とするインバータ一体型電動圧縮機。
2. 圧縮機構はスクロール型であり、前記副吸入通路は固定スクロールまたは旋回スクロールの鏡板の少なくとも一方に設けられたことを特徴とする請求項１に記載のインバータ一体型電動圧縮機。
3. 圧縮機構はスクロール型であり、前記副吸入通路は固定スクロール側の外壁側面に設けられたことを特徴とする請求項１に記載のインバータ一体型電動圧縮機。
4. 圧縮機構はベーンロータリ型であり、前記副吸入通路は円筒状シリンダの外壁側面に設けられたことを特徴とする請求項１に記載のインバータ一体型電動圧縮機。
5. 圧縮機構はベーンロータリ型であり、前記副吸入通路は円筒状シリンダを閉塞する両側壁の少なくとも一方に設けられたことを特徴とする請求項１に記載のインバータ一体型電動圧縮機。