JP6270080B1 - 密閉型ロータリ圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な手法で高効率化を達成可能な密閉型ロータリ圧縮機を提供する。【解決手段】密閉型ロータリ圧縮機１における電動モータ３が、回転軸５を内部に固定しているロータコア１２と、ロータコア１２の外周側でケース２に固定されたステータコア１１と、ステータコア１１に設けられたステータコイル１３と、を有し、ステータコア１１の外径をΦＭｏとし、圧縮室１９を形成するシリンダ１６の内径をΦＤｃとしたとき、数式：ΦＤｃ／ΦＭｏ≦０．３５０が満たされている。【選択図】図１

Description

本発明は、流体を圧縮する密閉型のロータリ圧縮機に関する。

従来から、例えば冷凍空調用に用いられる圧縮機として密閉型のロータリ圧縮機が知られている。このような圧縮機は例えば特許文献１に記載されている。

特許文献１に記載のように密閉型のロータリ圧縮機では、密閉容器内に回転軸、回転軸を回転させるモータ、回転軸に偏心して取り付けられたピストンロータ、及び、内部にピストンが配置されるシリンダ等が主に設けられている。そしてこのような圧縮機では、冷媒ガスをシリンダの側壁に接続される吸入管を介してシリンダ内に吸入し、ピストンロータの回転によって冷媒ガスが圧縮される。

特開２０１１−１５３５２６号公報

近年、このような圧縮機ではさらなる効率向上が求められているものの、設置スペース等の制約があり、高効率化を目的として大幅に圧縮機の構造や形状を変更することが難しいといった問題がある。

そこで本発明は、簡易な手法で高効率化を達成可能な密閉型ロータリ圧縮機を提供する。

本発明の一の態様に係る密閉型ロータリ圧縮機は、電動モータと、前記電動モータによって軸線回りに回転可能な回転軸と、前記回転軸に設けられて、前記回転軸の回転に伴って前記軸線に対して偏心回転するピストンロータと、前記ピストンロータを収容する圧縮室が内部に形成されるとともに、該圧縮室に冷媒を供給する供給流路が形成されたシリンダと、前記シリンダを囲うことで該シリンダとの間に前記ピストンロータによって圧縮された冷媒が排出される吐出空間を形成して、前記電動モータ、前記回転軸、前記ピストンロータ、及び前記シリンダを密閉して収容するケースと、前記ケースに前記回転軸を支持する軸受と、を備え、前記電動モータは、前記回転軸を内部に固定しているロータコアと、前記ロータコアの外周側で前記ケースに固定されたステータコアと、前記ステータコアに設けられたステータコイルと、を有し、前記ステータコアの外径をΦＭｏとし、前記シリンダの内径をΦＤｃとしたとき、下記の（３）式を満たし、前記回転軸の外径をΦＬＪとしたとき、下記の（６）式をさらに満たす。
０．２００≦ΦＤｃ／ΦＭｏ≦０．３２０・・・（３）
０．１０６≦ΦＬＪ／ΦＭｏ≦０．１４０・・・（６）

ステータコアの外径ΦＭｏが大きくなればなるほど、ステータコアでの鉄損（渦電流損）を低減することができ、電動モータの効率が向上する。
また、圧縮機で所定の圧縮能力を得る条件下では、シリンダ排除容積（圧縮室の容積）を小さくすると電動モータの回転数を増大させる必要がある。シリンダ排除容積はシリンダの内径ΦＤｃと相関があり、シリンダ排除容積（圧縮室の容積）が小さい程シリンダの内径ΦＤｃが小さくなる。従って、所定の圧縮能力を得る条件下では、シリンダの内径ΦＤｃを小さくする程、電動モータの回転数を増大させる必要がある。
ここで、電動モータは低回転数の領域で運転すると効率が低い。上記の通りシリンダの内径ΦＤｃが小さければ電動モータの回転数を増大させることになるため、結果として電動モータの効率が向上する。
従って、ステータコアの外径ΦＭｏを大きくし、又は（及び）、シリンダの内径ΦＤｃを小さくして、ΦＤｃ／ΦＭｏの値が０．３２０以下で、かつ、０．２００以上となるように電動モータ、及びシリンダを形成することで、密閉型ロータリ圧縮機の設置スペースや外形形状等を大幅に変更することなく、密閉型ロータリ圧縮機の効率向上を達成できる。
さらに、回転軸の外径ΦＬＪが小さくなれば、回転軸と軸受等との間の摺動損失を低減することができ、密閉型ロータリ圧縮機での機械効率を向上することができる。また上述のようにステータコアの外径ΦＭｏを大きくすればステータコアでの鉄損（渦電流損）を低減することができ、電動モータの効率が向上する。よって、回転軸の外径ΦＬＪをステータコアの外径ΦＭｏに対して小さくし、ΦＬＪ／ΦＭｏの値を０．１４０以下とすることで、密閉型ロータリ圧縮機のさらなる効率向上を達成できる。
さらに回転軸の外径ΦＬＪが小さくなれば、回転軸と軸受等との間の摺動損失を低減することができるものの、回転軸の外径ΦＬＪが小さくなりすぎると、軸受に回転軸が片当たりし易くなり、かえって摺動損失が増大してしまう。したがって、ΦＬＪ／ΦＭｏの値を０．１０６以上とすることで、このような回転軸の片当たりを抑制しつつ、摺動損失が最大限低くなる領域での運転が可能となり、密閉型ロータリ圧縮機での機械効率を向上することができ、密閉型ロータリ圧縮機のさらなる効率向上を達成できる。

上記の密閉型ロータリ圧縮機によれば、上述したような簡易な指標に基づいて電動モータ、及びシリンダを形成することで、簡易な手法で高効率化を達成可能となる。

本発明の実施形態の密閉型ロータリ圧縮機を示す縦断面図である。 ステータコアの外径ΦＭｏと、電動モータのモータ効率との関係を示すグラフである。 密閉型ロータリ圧縮機がある所定の圧縮能力を発揮している状態でのシリンダの内径ΦＤｃと、電動モータの回転数との関係を示すグラフである。 電動モータの回転数と、電動モータのモータ効率との関係を示すグラフである。 シリンダの内径ΦＤｃと、電動モータのモータ効率との関係を示すグラフである。 回転軸の外径ΦＬＪ、機械効率との関係を示すグラフである。 回転軸の外径ΦＬＪとステータコアの外径ΦＭｏとの比であるΦＬＪ／ΦＭｏと、軸受での摺動損失との関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態における密閉型ロータリ圧縮機１（以下、単に圧縮機１とする）について説明する。
図１に示すように、圧縮機１は、円筒形状のケース２と、ケース２内に収容される電動モータ３と、ケース２内で電動モータ３によって駆動される回転軸５と、ケース２内で回転軸５を支持する軸受１７、１８（上方軸受１７、下方軸受１８）と、ケース２内で回転軸５に取り付けられたピストンロータ１５と、ケース２内に設けられてピストンロータ１５を収容するシリンダ１６と、を備えている。
圧縮機１は、図示しない冷媒回路に接続されている。即ち、圧縮機１は、凝縮器、膨張弁、蒸発器などを有する冷媒回路に組み込まれており、冷媒回路の配管内を流れる冷媒を圧縮する装置である。

ケース２は、筒状の胴体７と、胴体７の上端に溶接される上蓋８と、胴体７の下端に溶接される底蓋９と、を有している。電動モータ３、ピストンロータ１５、及びシリンダ１６は、ケース２の内部に密閉されている。胴体７には、シリンダ１６に接続される吸入管１０が設けられている。吸入管１０は、例えば、アキュムレータ（不図示）を介して冷媒ガスＧをシリンダ１６内に吸入する管である。ケース２は、シリンダ１６から圧縮された冷媒ガスＧが排出される吐出空間を内部に形成している。そしてこの吐出空間内に充満した冷媒ガスＧは、上蓋８を貫通する吐出管１４を通じて冷媒回路へと吐出される。

電動モータ３は、ロータコア１２と、ロータコア１２の外周側に配置されたステータコア１１及びステータコイル１３と、を備えている。

ステータコア１１は、電磁鋼板により形成されて軸線Ｏを中心とした円筒状をなしている。ステータコア１１は、ケース２の内周面に固定されて設けられている。
ステータコイル１３はステータコア１１に巻き付けられて設けられている。

ここで、ステータコア１１の外径をΦＭｏとする。

ロータコア１２は、電磁鋼板及び磁石により形成されて軸線Ｏを中心とした円柱状をなしている。ロータコア１２は、ステータ１１への通電によって軸線Ｏを中心に回転可能となっている。また、ロータコア１２には、軸線Ｏを中心として円柱状をなし、軸線Ｏの方向にロータコア１２を貫く貫通孔１２ａが形成されている。ロータコア１２には、電動モータ３の駆動時におけるロータコア１２の心振れを抑制するために、バランスウェイト２５（カウンタウェイト）が取り付けられている。バランスウェイト２５は、ロータコア１２の下部に取り付けられている。バランスウェイト２５は、ステンレスによって形成されている。なお、バランスウェイト２５は、ステンレスで形成する必要はなく、銅合金、鋼等、任意の非磁性材料を用いることができる。

回転軸５は軸線Ｏを中心とした円柱状をなして、鉛直方向に沿って軸線Ｏの方向に延びている。また回転軸５は、ロータコア１２の貫通孔１２ａに挿入されていることでロータコア１２の内部に固定されている。これにより、電動モータ３による回転駆動力はロータコア１２から回転軸５に出力される。

ここで、回転軸５の外径（≒貫通孔１２ａの直径）をΦＬＪとする。

上方軸受１７、及び下方軸受１８は、軸線Ｏの方向に、即ち鉛直方向に互いに離れてケース２内で下方に配置されている。そして、上方軸受１７及び下方軸受１８は回転軸５の第一の端部（図１における上方）が自由端側となるように、ケース２に対して軸線Ｏ回りに回転可能となるように回転軸５を片持ち支持している。より詳しくは、回転軸５はロータコア１２よりも下方に延出しており、第一の端部とは反対側の第二端部（図１における下方）のみが上方軸受１７、及び下方軸受１８によって支持されている。

ピストンロータ１５は、回転軸５の上記第二の端部に、軸線Ｏに対して偏心して取り付けられていることで、回転軸５の回転に伴って偏心回転する。

シリンダ１６には、内部にピストンロータ１５が収容される密閉された圧縮室１９が、上方軸受１７と下方軸受１８との間に挟まれて形成されている。また、シリンダ１６には、吸入管１０が接続されて、圧縮室１９内に冷媒ガスＧを供給する供給流路２０が形成されている。そして回転軸５の回転によってピストンロータ１５を回転させることで、シリンダ１６内の圧縮室１９の容積を次第に減少させて冷媒ガスＧを圧縮する。またシリンダ１６は、ピストンロータ１５の外周面と周上の一箇所で微小スキマを有して摺接する円筒面状の内周面１６ａを有している。シリンダ１６の内周面１６ａの軸心は、軸線Ｏに一致している。この内周面１６ａの直径がシリンダ１６の内径ΦＤｃである。
ここで、シリンダ１６の圧縮室１９の容積は、シリンダ１６の内径ΦＤｃを直径とした空間の容積から圧縮室１９内のピストンロータ１５の体積を除いた容積である。この圧縮室１９の容積がいわゆるシリンダ排除容積である。よって、このシリンダ排除容積はシリンダ１６の内径ΦＤｃと相関しており、シリンダ１６の内径ΦＤｃが小さくなればシリンダ排除容積も小さくなる。

ここで、本実施形態では、上記ステータコア１１の外径ΦＭｏと、シリンダ１６の内径ΦＤｃとが以下の（１）式を満足している。
ΦＤｃ／ΦＭｏ≦０．３５０・・・（１）

さらに、本実施形態では、上記ステータコア１１の外径ΦＭｏと、シリンダ１６の内径ΦＤｃとが以下の（２）式を満足していてもよい。
ΦＤｃ／ΦＭｏ≦０．３２０・・・（２）

さらに、本実施形態では、上記ステータコア１１の外径ΦＭｏと、シリンダ１６の内径ΦＤｃとが以下の（３）式を満足していてもよい。
０．２００≦ΦＤｃ／ΦＭｏ≦０．３２０・・・（３）

さらに、本実施形態では、上記回転軸５の外径ΦＬＪと、ステータコア１１の外径ΦＭｏとが以下の（４）式を満足していてもよい。
ΦＬＪ／ΦＭｏ≦０．１４０・・・（４）

さらに、本実施形態では、上記回転軸５の外径ΦＬＪと、ステータコア１１の外径ΦＭｏとが以下の（５）式を満足していてもよい。
０．０８００≦ΦＬＪ／ΦＭｏ≦０．１４０・・・（５）

さらに、本実施形態では、上記回転軸５の外径ΦＬＪと、ステータコア１１の外径ΦＭｏとが以下の（６）式を満足していてもよい。
０．１０６≦ΦＬＪ／ΦＭｏ≦０．１４０・・・（６）

ここで、図２に示すように、ステータコア１１の外径ΦＭｏが大きくなればなるほど、ステータコア１１での鉄損（渦電流損）を低減することができることが知られている。よって、ステータコア１１の外径ΦＭｏが大きくすることで、電動モータ３の効率が向上する。

また、図３に示すように、圧縮機１で所定の圧縮能力を得る条件下では、シリンダ１６の内径ΦＤｃ（上記のシリンダ排除容積に相関する値）を小さくすると電動モータ３の回転数を増大させる必要があることが知られている。つまり、シリンダ１６の内径：Ｄｃ_１＜Ｄｃ_２とすると、電動モータ３の回転数：ｒｐｓ_２＜ｒｐｓ_１となる。

さらに、図４に示すように、電動モータ３の回転数が低回転数の領域へ向かうにつれて、モータ効率の低下率が大きくなることが知られている。このため、低回転数の領域で電動モータ３を運転するとモータ効率が低くなってしまう。

よって圧縮機１で所定の圧縮能力を得る条件下では、シリンダ１６の内径ΦＤｃを小さくすれば電動モータ３の回転数を増大させることになり、この結果、図５に示すように電動モータ３の効率が向上する。

そしてステータコア１１の外径ΦＭｏを大きく設定し、又は（及び）、シリンダの内径ΦＤｃを小さく設定し、上記の（１）式に示すようにΦＤｃ／ΦＭｏの値を０．３５０以下とすることで、実機への適用を考えた際にも、十分な電動モータ３の効率を得ることができるとの知見が得られた。

本実施形態の圧縮機１では、ステータコア１１の外径ΦＭｏと、シリンダ１６の内径ΦＤｃとが上記の（１）式：ΦＤｃ／ΦＭｏ≦０．３５０を満足している。本実施形態の圧縮機１では、ΦＤｃ／ΦＭｏの値が０．３５０以下となるように電動モータ３、及びシリンダ１６を形成することで、圧縮機１の設置スペースや外形形状を大幅に変更することなく、上記の（１）式のような簡易な指標に基づいて、簡易な手法で電動モータ３の効率を向上でき、圧縮機１の高効率化を達成可能である。

さらに、ステータコア１１の外径ΦＭｏと、シリンダ１６の内径ΦＤｃとが上記の（２）式：ΦＤｃ／ΦＭｏ≦０．３２０を満足すれば、電動モータ３の効率をさらに向上でき、圧縮機１のさらなる効率向上を達成できるとの知見が得られた。このため、本実施形態の圧縮機１では、ΦＤｃ／ΦＭｏの値が０．３２０以下となるように電動モータ３、及びシリンダ１６を形成することで、圧縮機１の設置スペースや外形形状を大幅に変更することなく、圧縮機１のさらなる効率向上を達成できる。

さらに、実機での諸元を考慮した際、ステータコア１１の外径ΦＭｏと、シリンダ１６の内径ΦＤｃとが上記の（３）式：０．２００≦ΦＤｃ／ΦＭｏ≦０．３２０を満足すれば、電動モータ３の効率をさらに向上でき、圧縮機１のさらなる効率向上を達成できるとの知見が得られた。このため、本実施形態の圧縮機１では、ΦＤｃ／ΦＭｏの値が０．３２０以下で、かつ、０．２００以上となるように電動モータ３、及びシリンダ１６を形成することで、圧縮機１の設置スペースや外形形状を大幅に変更することなく、圧縮機１のさらなる効率向上を達成できる。

ここで、図６に示すように、回転軸５の外径ΦＬＪが小さくなれば、回転軸５と上方軸受１７、及び下方軸受１８等との間での摺動損失を低減することができることが知られている。

よって回転軸５の外径ΦＬＪを小さく設定することで機械効率を向上できる。また、上述のようにステータコア１１の外径ΦＭｏを大きく設定することでステータコア１１での鉄損（渦電流損）を低減でき、電動モータ３の効率を向上できる。そこで回転軸５の外径ΦＬＪをステータコア１１の外径ΦＭｏに対して小さくし、上記の（４）式に示すようにΦＬＪ／ΦＭｏの値を０．１４０以下とすることで、実機への適用を考えた際にも、圧縮機１で十分な効率を得ることができるとの知見が得られた。

よって本実施形態の圧縮機１では、回転軸５の外径ΦＬＪと、ステータコア１１の外径ΦＭｏとが上記の（４）式：ΦＬＪ／ΦＭｏ≦０．１４０をさらに満足するように電動モータ３、及び回転軸５を形成することで、圧縮機１の形状や設置スペース等を大幅に変更することなく、上記の（４）式のような簡易な指標に基づいて、簡易な手法で電動モータ３の効率を向上でき、圧縮機１の高効率化を達成可能である。

また、電磁鋼板で形成されたロータコア１２に、電磁鋼板ではない回転軸５が挿入されて設けられている。本実施形態では回転軸５の外径ΦＬＪを小さくすることで、ロータコア１２の貫通孔１２ａの径を小さくすることができ、ロータコア１２における電磁鋼板の量を増大させることができる。よって、ロータコア１２での磁気抵抗を低減することができ、電動モータ３の効率を向上でき、圧縮機１の高効率化を達成可能である。

ここで、回転軸５の外径ΦＬＪが小さくなり過ぎると上方軸受１７及び下方軸受１８と回転軸５との間で片当たりが生じる可能性が増大する。よってΦＬＪが所定値よりも小さい領域ではかえって摺動損失が増大し、図７に示すように、ΦＬＪ／ΦＭｏの値には、最も上方軸受１７及び下方軸受１８と回転軸５との間の摺動損失が低くなる極小値が存在するとの知見が得られた。そしてこのΦＬＪ／ΦＭｏの極小値は、０．０８００以上であって、０．０１０６以上であって、かつ、０．１４０以下の値であるとの知見が得られた。

よって本実施形態では実機での諸元を考慮した際、回転軸５の外径ΦＬＪと、ステータコア１１の外径ΦＭｏとが上記の（５）式：０．０８００≦ΦＬＪ／ΦＭｏ≦０．１４０をさらに満足するように回転軸５、及び電動モータ３を形成することで、摺動損失を低減でき、圧縮機１の設置スペースや外形形状を大幅に変更することなく、圧縮機１のさらなる効率向上を達成できる。

さらに、本実施形態ではさらに、回転軸５の外径ΦＬＪと、ステータコア１１の外径ΦＭｏとが上記の（６）式：０．０１０６≦ΦＬＪ／ΦＭｏ≦０．１４０を満足するように回転軸５、及び電動モータ３を形成することで、摺動損失をさらに低減でき、圧縮機１の設置スペース等を大幅に変更することなく、圧縮機１のさらなる効率向上を達成できる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。また、本発明は実施形態によって限定されることはなく、特許請求の範囲によってのみ限定される。
例えば、上記では密閉型ロータリ圧縮機１について説明したが、ケース２内の上部にスクロール圧縮機構をさらに有する密閉型二段圧縮機等にも、上述した構成を適用してもよい。

１…密閉型ロータリ圧縮機
２…ケース
３…電動モータ
５…回転軸
７…胴体
８…上蓋
９…底蓋
１０…吸入管
１１…ステータコア
１２…ロータコア
１２ａ…貫通孔
１３…ステータコイル
１４…吐出管
１５…ピストンロータ
１６…シリンダ
１６ａ…内周面
１７…上方軸受
１８…下方軸受
１９…圧縮室
２０…供給流路
２５…バランスウェイト
Ｏ…軸線
Ｇ…冷媒ガス

Claims (1)

1. 電動モータと、
   前記電動モータによって軸線回りに回転可能な回転軸と、
   前記回転軸に設けられて、前記回転軸の回転に伴って前記軸線に対して偏心回転するピストンロータと、
   前記ピストンロータを収容する圧縮室が内部に形成されるとともに、該圧縮室に冷媒を供給する供給流路が形成されたシリンダと、
   前記シリンダを囲うことで該シリンダとの間に前記ピストンロータによって圧縮された冷媒が排出される吐出空間を形成して、前記電動モータ、前記回転軸、前記ピストンロータ、及び前記シリンダを密閉して収容するケースと、
   前記ケースに前記回転軸を支持する軸受と、
   を備え、
   前記電動モータは、
   前記回転軸を内部に固定しているロータコアと、
   前記ロータコアの外周側で前記ケースに固定されたステータコアと、
   前記ステータコアに設けられたステータコイルと、
   を有し、
   前記ステータコアの外径をΦＭｏとし、前記シリンダの内径をΦＤｃとしたとき、下記の（３）式を満たし、
   前記回転軸の外径をΦＬＪとしたとき、下記の（６）式をさらに満たす密閉型ロータリ圧縮機。
   ０．２００≦ΦＤｃ／ΦＭｏ≦０．３２０・・・（３）
   ０．１０６≦ΦＬＪ／ΦＭｏ≦０．１４０・・・（６）

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