(57)【要約】【課題】インバータ制御による低速運転時において、回転体の慣性力が小さくなり、圧縮負荷を乗り切れず脱調停止する課題に対し、圧縮機の効率向上と安定運転化を図る。【解決手段】密閉容器１０１内に商用電源周波数未満の回転数を含む複数の運転周波数で運転する電動要素１０５と、電動要素１０５によって駆動する圧縮要素１０６とを収容し、圧縮要素１０６は主軸１０９及び偏芯軸１１０からなるクランクシャフト１０８と、クランクシャフト１０８を回転自在に軸支すると共に圧縮室１１２を形成するシリンダブロック１０７と、圧縮室１１２内を往復動するピストン１１３と、偏芯軸１１０の回転運動をピストン１１３へ伝達する伝達手段と、圧縮室１１２の開口端を封止するとともに吐出バルブ機構を形成するバルブプレート１１８とを備えるとともに、前記吐出バルブ機構は少なくとも２つ以上の吐出孔と前記吐出孔を開閉する吐出リードとを備える。【選択図】図１
2005069122.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
密閉容器内に商用電源周波数未満の回転数を含む複数の運転周波数で運転する電動要素と、前記電動要素によって駆動する圧縮要素とを収容し、前記圧縮要素は主軸及び偏芯軸を備えたクランクシャフトと、前記クランクシャフトを回転自在に軸支すると共に圧縮室を形成するシリンダブロックと、前記圧縮室内を往復動するピストンと、前記偏芯軸の回転運動をピストンへ伝達する伝達手段と、前記圧縮室の開口端を封止するとともに吐出バルブ機構を形成するバルブプレートとを備え、前記吐出バルブ機構は少なくとも２つ以上の吐出孔と前記吐出孔を開閉する吐出リードとを備えた往復動式冷媒圧縮機。
【請求項２】
２０ｒ／ｓｅｃ以下の運転周波数を含む請求項１記載の往復動式冷媒圧縮機。
【請求項３】
吐出孔を、バルブプレートの圧縮室側から吐出リード側にかけて内径が広がるテーパー状にした請求項１または請求項２記載の往復動式冷媒圧縮機。
【請求項４】
電動要素を形成する回転子は希土類からなる磁石材を鉄心内に配置してなる請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の往復動式冷媒圧縮機。
【請求項５】
圧縮する冷媒ガスがＲ６００ａである請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の往復動式冷媒圧縮機。
【請求項６】
最低回転数に対する最高回転数の比が３以上である請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の往復動式冷媒圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電気冷蔵庫やその他の冷凍サイクル装置等に使用されるインバータ制御方式の往復動式冷媒圧縮機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、冷蔵庫やその他の冷凍サイクル装置等において、消費電力量の低減が強く要望されている。特に、インバータ制御により運転回転数を可変速する方式の往復動式冷媒圧縮機においては、低速回転時での高効率化が課題になっている。
【０００３】
従来の圧縮機としては、低速運転時においても安定した効率を得るための改善
をしたものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
以下、図面を参照しながら上記従来の往復動式冷媒圧縮機を説明する。
【０００５】
図６は従来の往復動式冷媒圧縮機の断面図を示したものである。
【０００６】
図６において、密閉容器１の底部にはオイル２を貯留している。インバータ制御手段（図示せず）によって回転する電動要素５は固定子３および回転子４から構成され、圧縮要素６を駆動する。
【０００７】
電動要素５は固定子３に突極集中巻の巻線を採用することで大幅にコイルエンドを減少させ、回転子４には磁石材を鉄心内に配置して小型で高効率を実現している。
【０００８】
次に圧縮要素６の詳細を以下に説明する。クランクシャフト８は主軸９及び偏心軸１０から構成される。クランクシャフト８は回転子４を主軸９に固定し、シリンダブロック７に回転自在に軸支される。シリンダブロック７は圧縮室１２を形成する。圧縮室１２内には往復自在にピストン１３が嵌入されている。偏心軸１０は連結手段であるコンロッド１１によりピストンピン１４を介してピストン１３と連結している。圧縮室１２の開口端を封止するバルブプレート１５はシリンダヘッド１６によりサクションマフラー１７と共に、シリンダブロック７に固定される。バルブプレート１５は吸入バルブ（図示せず）及び吐出バルブ（図示せず）を形成しており、通常各々１つの冷媒ガス通路孔を有している。クランクシャフト８の主軸９の下端にはオイル２に浸漬したオイルポンプ１８が形成されている。
【０００９】
以上のように構成された密閉型往復動式圧縮機について、以下にその動作を説明する。
【００１０】
電動要素５に通電されると回転子４は、クランクシャフト８を回転させる。主軸９の回転により偏心軸１０の偏芯運動がコンロッド１１を介してピストン１３に伝えられる。ピストン１３が圧縮室１２内を往復運動することで、密閉容器１内の冷媒ガスは、サクションマフラー１７の開口部から圧縮室１２内へ導入される。これら、一連の動作により連続した圧縮動作を行う。圧縮した冷媒ガスは吐出管（図示せず）を経由して密閉容器１外の既知の冷凍サイクル（図示せず）へ送出される。
【特許文献１】特開２００３−６５２３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上記従来の構成は、インバータ制御による低速運転時において、回転速度が低下することで回転子及びクランクシャフトを含む回転体の慣性力が小さくなり、圧縮行程時に潜在する圧縮負荷の極大値を乗り切る際の回転角速度が低下し、負荷を乗り切れず脱調停止する課題を有していた。特に、冷蔵庫の消費電力量を低減する手段として運転回転数をより低下させ、冷凍能力比を大とした圧縮機を実現するための障壁となっていた。
【００１２】
図７は従来の往復動式冷媒圧縮機のトルク特性図で、クランクシャフト８の回転角度に対する負荷トルクとモータトルク及び回転子角速度を示している。
【００１３】
図７において、ピストン１３が上死点から下死点に向かう吸入行程で、負荷トルクＬＴは殆ど変化なく、発生するモータトルクＭＴも一定であって、回転子角速度ＲＶもほぼ一定している。次にピストン１３が下死点から上死点に向かう圧縮行程での負荷トルクＬＴは、回転角度が進むことにより圧縮室１２内の冷媒ガスが圧縮されるので図中″Ａ″で示すように急な立ち上がりによる極大値を経て、その後圧縮行程を終えて徐々に低下する。この時、負荷トルクＬＴよりも発生するモータトルクＭＴが小となる領域での回転子角速度ＲＶは徐々に低下し、図中″Ｂ″で示すように負荷トルクＬＴの急な立ち上がりに対応する位置で極小値を示し、その後、負荷トルクＬＴの低下とともに上昇する。
【００１４】
ここで、運転回転数が低くなると、回転子及びクランクシャフトを含む回転体の慣性力が小さくなるので、上記負荷トルクの急な立ち上がりに対応した位置での回転子角速度がさらに低下することで、圧縮負荷を乗り切れず、圧縮機が脱調停止し易くなってしまう。
【００１５】
この課題を解決する方策として、回転子の回転角度における負荷トルクを検出し、モータトルクを制御するトルク制御方式も知られているが、制御回路が煩雑で高価となる課題がある。
【００１６】
本発明は、運転回転数を広範囲に設定した圧縮機の低速運転での安定運転を安価に実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記課題を解決するため、本発明の往復動式冷媒圧縮機は、密閉容器内に商用電源周波数未満の回転数を含む複数の運転周波数で運転する電動要素と、前記電動要素によって駆動する圧縮要素とを収容し、前記圧縮要素は主軸及び偏芯軸からなるクランクシャフトと、前記クランクシャフトを回転自在に軸支すると共に圧縮室を形成するシリンダブロックと、前記圧縮室内を往復動するピストンと、前記偏芯軸の回転運動をピストンへ伝達する伝達手段と、前記圧縮室の開口端を封止するとともに吐出バルブ機構を形成するバルブプレートとを備えるとともに、前記吐出バルブ機構は少なくとも２つ以上の吐出孔と前記吐出孔を開閉する吐出リードとを備えたもので、圧縮ガスの吐出がスムースとなり、過圧縮損が減ることで、負荷トルクの極大値が抑制され、圧縮負荷を乗り切り易く安定運転できるいう作用を有する。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の往復動式冷媒圧縮機によれば、圧縮ガスの吐出がスムースとなり、過圧縮損が減ることで、負荷トルクの極大値を低減でき、回転子角速度の低下が抑えられ、圧縮機を安定運転できるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
請求項１に記載の発明は、密閉容器内に商用電源周波数未満の回転数を含む複数の運転周波数で運転する電動要素と、前記電動要素によって駆動する圧縮要素とを収容し、前記圧縮要素は主軸及び偏芯軸からなるクランクシャフトと、前記クランクシャフトを回転自在に軸支すると共に圧縮室を形成するシリンダブロックと、前記圧縮室内を往復動するピストンと、前記偏芯軸の回転運動をピストンへ伝達する伝達手段と、前記圧縮室の開口端を封止するとともに吐出バルブ機構を形成するバルブプレートとを備えるとともに、前記吐出バルブ機構は少なくとも２つ以上の吐出孔と前記吐出孔を開閉する吐出リードとを備えたもので、圧縮ガスの吐出がスムースとなり、過圧縮損が減ることで、負荷トルクの極大値が抑制され、圧縮負荷を乗り切り易く安定運転できるいう作用を有する。
【００２０】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明に、２０ｒ／ｓｅｃ以下の運転周波数を含むもので、低速運転を実現できるという作用を有する。
【００２１】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２記載の発明に、吐出孔を、バルブプレートの圧縮室側から吐出リード側にかけて内径が広がるテーパー状にしたもので、吐出弁開口部が広く設定できるので、さらに圧縮ガスの吐出がスムースとなり、過圧縮損が減ることで、負荷トルクの極大値が抑制され、回転子回転速度の低下が抑えられるという作用を有する。
【００２２】
請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の発明に、電動要素を形成する回転子は希土類からなる磁石材を鉄心内に配置してなるもので、磁気特性の改善が図れることで、電動機の積厚が薄型化されても、回転子回転速度の低下が抑えられるという作用を有する。
【００２３】
請求項５に記載の発明は、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の発明に、圧縮する冷媒ガスがＲ６００ａであるので、気筒容積の増大により吐出流量が増しても、圧縮ガスの吐出がスムースとなり、過圧縮損が減ることで、負荷トルクの極大値が抑制され、回転子回転速度の低下が抑えられるという作用を有する。
【００２４】
請求項６に記載の発明は、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の発明に、最低回転数に対する最高回転数の比が３以上であるので、高速運転時の吐出バルブ機構の動作特性が良好となり、冷凍能力を有効に引出せるという作用を有する。
【００２５】
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、従来と同一構成については、同一符号を付して詳細な説明を省略する。また、この実施の形態によってこの発明が限定されるものではない。
【００２６】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１による往復動式冷媒圧縮機の断面図である。図２は、同実施の形態の往復動式冷媒圧縮機の要部断面図である。図３は、同実施の形態の往復動式冷媒圧縮機の要部分解斜視図である。図４は、図３における吐出孔の要部断面図である。図５は本発明の往復動式冷媒圧縮機のトルク特性図である。
【００２７】
図１において、密閉容器１０１内にはオイル１０２を貯留するとともに、環境負荷の低い炭化水素系冷媒（例えばＲ６００ａ）からなる冷媒ガス１５０を充填している。冷媒ガス１５０としてＲ６００ａを用いる場合、従来より用いられていたＨＦＣ系冷媒（例えばＲ１３４ａ）と比べ、物性差より同一冷凍能力を得るために、圧縮機の気筒容積を概ね倍加して、大型化を図っている。
【００２８】
次に圧縮要素１０６の詳細を以下に説明する。圧縮要素１０６は、圧縮室１１２を形成するシリンダブロック１０７と、圧縮室１１２に往復自在に嵌入されたピストン１１３と、シリンダブロック１０７の軸受け部（図示せず）に軸支される主軸１０９および偏芯軸１１０からなるクランクシャフト１０８と、偏芯軸１１０とピストン１１３を連結するコンロッド１１１と、バルブプレート１１５にサクションマフラー１１７を当接してシリンダブロック１０７に固定するシリンダヘッド１１６を備えた往復動式の圧縮要素１０６を形成している。クランクシャフト１０８の主軸１０９の下端にはオイル１０２に浸漬したオイルポンプ１１８が形成されている。
【００２９】
電動要素１０５は、シリンダブロック１０７の下方に固定され、インバータ駆動回路（図示せず）とつながっている固定子１０３と、例えばネオジウム等の希土類からなる磁石材を鉄心内に配置し主軸１０９に固定された回転子１０４から構成される。回転子１０４に磁気特性の良好なネオジウム等の希土類からなる磁石材を用いることで、同一特性で積厚の薄い小型の電動機としている。電動要素１０５はインバータ駆動により最低回転数が１５ｒ／ｓｅｃで、最高回転数を７５ｒ／ｓｅｃとし、運転周波数比を５倍とした広範囲な運転を行う。運転周波数を広くとり、圧縮機の冷凍能力範囲を大とすることで、冷蔵庫等への適用時に使用負荷に適した冷凍能力を設定できるので省電力化が図れる。
【００３０】
図２又は図３において、バルブプレート１１５は１つの吸入孔１３０に対応した吸入リード１３２からなる吸入バルブ機構１３４と、２つの吐出孔１３１に対応した吐出リード１３３からなる吐出バルブ機構１３５を有している。吐出バルブ機構１３５を構成する吐出孔１３１の開閉を行う吐出リード１３３はバルブプレート１１５に設けられた凹所１３７内に設置され、リフト量を規制するストッパー１３８と共にリベット１３９によりバルブプレート１１５に固定されている。一連の吐出バルブ機構１３５はシリンダヘッド１１６の吐出室１４５内に配置している。サクションマフラー１１７の出口は吸入孔１３０と流体結合する構成で、吸入リード１３２、プレートガスケット１４０、バルブプレート１１５、ヘッドガスケット１４１、サクションマフラー１１７、シリンダヘッド１１６の配列で締付けボルト（図示せず）によりシリンダブロック１０７に固定されている。
【００３１】
図４において、バルブプレート１１５には吐出孔１３１の吐出弁座１４２を開閉する吐出リード１３３が設けられ吐出バルブ機構１３５を形成する。吐出弁座の内径１４４は吐出孔の最小径１４３より大なる設定で圧縮室１１２より吐出室１４５方向にテーパー状に形成されている。
【００３２】
以上のように構成された往復動式冷媒圧縮機について、以下その動作を説明する。
【００３３】
上記インバータ駆動回路より電動要素１０５に通電されると固定子１０３に発生する磁界により回転子１０４はクランクシャフト１０８とともに回転する。主軸１０９の回転に伴い偏芯軸１１０の偏芯運動は連結手段としてのコンロッド１１１によりピストンピン１１４を介してピストン１１３を圧縮室１１２内で往復運動させる。
【００３４】
ピストン１１３の往復動に伴う吸入行程において、密閉容器１０１内の冷媒ガス１５０はサクションマフラー１１７にて整流された後に、吸入孔１３０を経て吸入リード１３２を開き、圧縮室１１２へ流入する。次に圧縮行程において、圧縮された冷媒ガス１５０は圧縮室１１２内の圧力が吐出室１４５の圧力を超えることで吐出リード１３３を押し開き、吐出孔１３１を経て吐出室１４５内に流入する。更に吐出室１４５の冷媒ガス１５０は吐出配管（図示せず）を経由して密閉容器１０１外の既知の冷凍サイクル（図示せず）へ送られる。
【００３５】
次に、図５によって一連の圧縮機の動作における過圧縮による回転子の速度低下軽減について説明する。
【００３６】
次に１圧縮あたりのトルク特性を詳細に説明する。図５において吸入行程は図７の従来動作と同じであり説明を省く。ピストン１１３が下死点から上死点に向かう圧縮行程において、本実施の形態では吐出孔１３１を２個配置しさらに、吐出孔１３１をテーパー形状とすることで、吐出リード１３３が開き易く、流路抵抗が減少して、圧縮ガスの吐出がスムースとなる。
【００３７】
その結果、圧縮室１１２内の過圧縮が抑えられ、図中″Ａ″で示す負荷トルクＬＴの極大値が破線″イ″で示すように低下する。この負荷トルクＬＴの低下により、回転子角速度ＲＶの落ち込みは図中″Ｂ″で示す極小値が破線″ロ″で示すように軽減される。そこで、回転数が低下して回転子１０４及びクランクシャフト１０８を含む回転体の慣性力が小さくなっても、負荷を乗り切り易くなるので、圧縮機が脱調することなく安定して回転することができることとなる。
【００３８】
さらに回転子の鉄芯内に希土類からなる磁気力の大きな磁石材を用いたので、磁気特性が改善され、同一特性で積厚の薄い小型電動機を実用しても、負荷を乗り切り易く圧縮機が脱調することなく運転することができる。
【００３９】
又、冷媒ガスに環境負荷の低いＲ６００ａ冷媒を用いた場合に、気筒容積が増大して、吐出量が増しても吐出バルブ機構に負荷低減手段を適用することで、圧縮ガスがスムースに吐出されるので、圧縮行程における過大負荷を軽減でき、圧縮機の低速運転での安定運転を得ることができる。
【００４０】
一方、高速運転時においては冷媒ガスの吐出量が増大するが、吐出孔を２個配置し、かつ、吐出孔をテーパー状に形成することで通路面積が広くとれ、流路抵抗を低くできるので冷凍能力の落ち込みを低く抑えることができるため、広い運転周波数の範囲で高い効率と安定した運転を得ることができる。
【００４１】
以上のように、吐出バルブ機構に吐出孔を２個以上配置し、また、冷媒ガスの流れ方向に吐出孔をテーパー形状とすることで、圧縮ガスの吐出がスムースとなり、圧縮時の負荷トルクを低く抑えることができ、回転子速度の低下が小さく抑えられ、圧縮負荷を乗り切れずに圧縮機が脱調停止することを回避できるため、煩雑な制御回路を必要とせず、安価に圧縮機の安定運転を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
以上のように、本発明にかかる往復動式冷媒圧縮機は、過圧縮損が減ることで、負荷トルクの極大値を低減でき、回転子角速度の低下が抑えられて圧縮機を安定運転できるため、電気冷蔵庫やその他の冷凍サイクル装置等に使用されるインバータ制御方式の往復動式冷媒圧縮機として幅広く適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の実施の形態１による密閉型往復動式圧縮機の断面図
【図２】同実施の形態の密閉型往復動式圧縮機の要部断面図
【図３】同実施の形態の密閉型往復動式圧縮機の要部分解斜視図
【図４】図３における吐出孔の要部断面図
【図５】本発明の往復動式冷媒圧縮機のトルク特性図
【図６】従来の往復動式冷媒圧縮機の断面図
【図７】従来の往復動式冷媒圧縮機のトルク特性図
【符号の説明】
【００４４】
１０１    密閉容器
１０４    回転子
１０５    電動要素
１０６    圧縮要素
１０７    シリンダブロック
１０８    クランクシャフト
１０９    主軸
１１０    偏芯軸
１１１    コンロッド
１１２    圧縮室
１１３    ピストン
１１５    バルブプレート
１３１    吐出孔
１３３    吐出リード
１３５    吐出バルブ機構
１５０    冷媒ガス
【図１】
2005069122.tif 000003
【図２】
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【図３】
2005069122.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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