JP2003035289A - 冷凍装置及び圧縮機 - Google Patents
冷凍装置及び圧縮機Info
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Abstract
用電源駆動が可能で信頼性の高い冷凍装置及び圧縮機を
得る。 【解決手段】電動機によって駆動される圧縮機1、凝縮
器3、蒸発器7を備えた冷凍装置において、冷媒ガスは
固定スクロール60と旋回スクロール57により構成さ
れる圧縮室で圧縮され、圧縮された冷媒ガスは電動機及
び電動機の下部に設けられた油溜め部66が配置された
圧縮容器内を通過して圧縮機外に排出され、電動機は、
その回転子52の鉄心に誘導電動機として機能するよう
に巻き回された巻線と、同じく回転子52の鉄心に同期
電動機として機能するように着磁された永久磁石と、を
設け、始動時は誘導電動機として、定常運転時は同期電
動機として駆動される。
Description
クルを用いる空気調和機及び室外機並びに冷凍装置に関
し、特に圧縮機に搭載する電動機を商用電源駆動が可能
となるようにし、低価格品から高価格品までの広い用
途、共通化を進め機種展開を容易にするものに好適であ
る。
和機及び室外機並びに冷凍装置に用いる冷媒圧縮機とし
ては、回転数がほぼ一定として駆動される一定速形圧縮
機、回転速度が制御されるインバータ形圧縮機があり、
商用周波数の交流電圧で容易に駆動できること等よりか
ご型導体(巻線)を設けた誘導電動機が採用されること
が多い。また、高効率化の観点より回転子鉄心に永久磁
石を設けてなる回転子と電機子鉄心に三相巻線を設けた
電機子を有するDCモータを採用することも例えば、特
開平5−211796号公報に記載されているように知
られている。
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。
て、特開平5−211796号公報に記載されているも
のでは、高効率化の点では良いが、始動するためにはそ
の電源に周波数を可変できるインバータを採用すること
が必然的となり、電源回路等が複雑化し、冷凍サイクル
を有するシステムとして見た場合、用途によっては必要
以上に複雑となり高価となることがある。
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。
縮機の吐出側と吸入側の差圧が大きいと埋込磁石同期電
動機であっても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恐れがある。
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。
効率とすると共に、商用電源駆動が可能で信頼性の高い
冷凍装置及び圧縮機を提供することにある。
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。
め、本発明は、電動機によって駆動される圧縮機、凝縮
器、蒸発器を備えた冷凍装置において、冷媒ガスは固定
スクロールと旋回スクロールにより構成される圧縮室で
圧縮され、圧縮された冷媒ガスは前記電動機及び前記電
動機の下部に設けられた油溜め部が配置された圧縮容器
内を通過して前記圧縮機外に排出され、前記電動機は、
その回転子の鉄心に誘導電動機として機能するように巻
き回された巻線と、同じく回転子の鉄心に同期電動機と
して機能するように着磁された永久磁石と、を設け、始
動時は誘導電動機として、定常運転時は同期電動機とし
て駆動されるものである。
装置等を小形でコンパクトにして、冷凍サイクルの効率
向上、低騒音化などに有利となる。特に、冷凍サイクル
の効率は、定常運転時に電動機が同期状態となり滑りに
対する電力が不要となること、外気温度が変化して負荷
が大きくなっても圧縮機の回転数は変化しないので圧縮
効率が低下しないこと、冷凍サイクルに対する負荷変動
があっても冷凍サイクル自体を安定にできること、など
も合わせてより一層向上することができる。
の空気調和機などとも圧縮機構部を共通化することがで
き、機種展開等も容易で安価とすることができる。ま
た、始動時、冷媒液が圧縮機に多量に戻って潤滑油の油
粘度を低下させたり、暖房運転の始動時は立ち上がりが
悪くなるが、冷媒ガスが電動機室を通過するようにし
て、さらに、商用電源で始動から同期に入るまではすべ
りを生じた非同期状態で駆動されるので、電動機の発熱
が冷媒及び潤滑油を加熱し、圧縮機の軸受けの損傷を防
止したり、暖房能力を増加することができる。
を噛み合わせて形成された圧縮室で圧縮され、圧縮され
た冷媒ガスは電動機及び電動機の下部に設けられた油溜
め部が配置された圧縮容器内を通過して圧縮機外に排出
され、電動機は、その回転子の鉄心に誘導電動機として
機能するように巻き回された巻線と、同じく回転子の鉄
心に同期電動機として機能するように着磁された永久磁
石と、を設け、始動時は誘導電動機として、定常運転時
は同期電動機として駆動される圧縮機である。
冷凍サイクルを誘導電動機として始動するので、電動機
の発熱が冷媒及び潤滑油を加熱し粘度の低下を防ぎ、圧
縮機の軸受けの損傷を防止し、暖房能力を増加すること
ができる。そして、それにも係わらずその後、電動機が
同期状態となり圧縮機の回転数は変化しないので外気温
度が変化して負荷が大きくなっても圧縮効率の低下を防
ぐことができる。
出側と吸入側とをバイパスさせるバイパス回路を設け、
始動前に吐出側と吸入側とをバイパスさせることとが望
ましい。さらに、上記のものにおいて、永久磁石として
ネオジウム又はサマリウム・コバルト磁石を用いたこと
ことが望ましい。さらに、上記のものにおいて、永久磁
石の表面をコーテイング又はメッキを施し被覆したこと
ことが望ましい。
に図を参照して説明する。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。冷媒圧縮機の電
動機として同期電動機を使用し、その同期電動機に直
接、商用電源を接続すると、電動機の固定子より発生す
る回転磁界は電源周波数(50/60Hz)に相当する回
転速度(同期速度)となる。冷媒圧縮機に用いる電動機
の回転子は、冷媒圧縮機の回転部品と一体化されている
ため慣性力が大きい。そのため、始動時において、回転
子は固定子より発生する回転磁界の回転速度に追従でき
ず、冷凍サイクルは始動できない。よって、一定速形圧
縮機が必要とされる場合、商用電源駆動を前提とするこ
とが好ましいので同期電動機を使用することはできなか
った。
形態である空気調和機であり、圧縮機が商用電源で駆動
される一定速形圧縮機であり、その圧縮機に用いられる
電動機の回転子鉄心が同期速度以下では、誘導電動機と
して作用する同期電動機を内蔵し、つまり回転子鉄心内
に2極に着磁された永久磁石が埋設されている。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。
して、電動機の回転子に永久磁石を埋設しているが、単
なる永久磁石形の同期電動機と、その同期電動機の同期
速度付近まで駆動することのできる誘導電動機とを組み
合わせても良い。この場合、始動時はまず誘導電動機の
みに電力を供給し、電動機の回転子が同期電動機の同期
速度付近まで回転速度が達したら、誘導電動機への電力
の供給を断ち、同時に同期電動機に電力を供給する。こ
れにより、圧縮機1は定常運転にて同期電動機のみで駆
動され、電動機及び圧縮機1の運転効率が高くなり、空
気調和機全体としての効率も大幅に向上する。
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。
においても、同期状態で滑りが0となり、かご形導体に
電流が流れないので、誘導電動機が過負荷では滑りが大
きいことと比較して、能力が向上する効果は非常に大き
くなる。さらに、圧縮機1をスクロール圧縮機とすれば
圧縮トルクの変動が小さいことから、電動機に対する負
荷変動が小さいのでより一層効率向上を図ることができ
る。なお、図2では冷房運転時の例を示しているが、暖
房運転時においても同様である。
機の極数に反比例するため、電動機の極数を最小の2極
とすることで、電動機の回転子の回転速度は速くなり、
圧縮機1からの冷媒吐出量は多くなる。よって、圧縮機
1の圧縮室の容積を小さくすることができ、圧縮機1及
びそれを搭載する室外ユニット20のサイズを小型化す
ることができる。さらに、インバータが用いられる可変
速形の空気調和機などとも圧縮機構部あるいはその他の
冷凍サイクルに必要とされる部品を共通化することがで
き、機種展開等も容易で安価とすることができる。圧縮
機1及び回転子52の詳細を図6、7を参照して説明す
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6
0、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5
6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。
内封されており、電動機で旋回スクロール57が駆動さ
れて圧縮動作を行う。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。
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。
て説明する。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。
イパス管で接続し、そのバイパス回路を開閉する開閉弁
10を設け、始動前に開閉弁10を開けることで、吐出
圧力と吸入圧力との差圧を小さくすることができるの
で、圧縮機1は始動しやすくなり、かご形導体の量を少
なくできるので、永久磁石を回転子52に設けることも
容易となり、コンパクト化に適し、信頼性を確保するこ
とができる。さらに、圧縮機1の運転中において、圧縮
機1の電動機の回転子52にかかるトルクが大きくな
る、つまり吐出圧力が高くなると、電動機の回転子は失
速する恐れがある。そこで、電動機の回転子52が失速
しない吐出圧力の値Pdsetを設定し、吐出圧力検出装置
14により吐出圧力を計測し、吐出圧力がPdsetまで上
昇したら、開閉弁10を開けることで吐出圧力を下げる
ことで、電動機の失速による冷凍サイクルの異常を防止
できる。さらに、圧縮機をスクロール圧縮機とすれば圧
縮トルクの変動が少ないので、この冷凍サイクルの異常
をより防止して、信頼性を高め、低騒音化を達成するこ
とができる。
et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。
の形態について説明する。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。
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。
する。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。室内ユニットは21a、
21bのように複数設けられそれぞれの使用状態によっ
て負荷が大きく変動する。室内ユニット側の負荷が小さ
い場合、圧縮機1a、1bを全て駆動する必要はなく、
可変速形圧縮機1aのみを駆動することで容量制御運転
を実施する。可変速形圧縮機1aのみ駆動の時に、室内
ユニット側の負荷が大きくなり、可変速形圧縮機1aの
みでは能力を確保できなくなった場合、一定速圧縮機1
bを駆動する。そのとき、可変速形圧縮機1aは既に駆
動されているので、一定速形圧縮機1bにして見れば吐
出側圧力と吸入側圧力との差圧が大きくなる。そこで、
一定速形圧縮機1bの吐出側に逆止弁13を設置し、可
変速形圧縮機1aが駆動中においても、一定速形圧縮機
1bの吐出側圧力と吸入側圧力との差圧を小さくして、
商用電源での始動を容易にすることができる。よって、
マルチエアコンのように大容量化が要求されても、イン
バータ電源を増設することなく、容量可変幅を大きく、
かつ木目細かい制御を実現することができる。
回転子52の鉄心内に埋設した永久磁石として、磁力の
大きいネオジム、鉄、ボロン磁石、またはサマリウム・
コバルト磁石を用いれば、永久磁石の大きさを小さく、
かつ数を少なくすることができる。よって、回転子52
の鉄心内にかご形導体と永久磁石を設けることが構造的
に容易となり、圧縮機1を小型化できる。そして、効率
も向上されるので、圧縮機1を搭載する室外ユニット
(室外機)20の大きさを小さくすることができる。
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。
消費電力を小さくし、高効率とすると共に、商用電源駆
動が可能で信頼性の高い冷凍装置及び圧縮機を提供する
ことができる。さらに、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、冷凍装置の小型化を図る
ことが可能となる。
の系統図。
の外気温度に対する冷房能力の関係を示すグラフ。
サイクルの系統図。
サイクルの系統図。
サイクルの系統図。
面図。
子の断面図。
…四方弁、3…室外熱交換器、4…室外送風装置、5、
5a…室外膨張装置、6、6a、6b…室内膨張装置、
7、7a、7b…室内熱交換器、8、8a、8b…室内
送風装置、9…アキュムレータ、10、10a、10b
…電磁開閉弁、11…受液器、12…油分離器 13…
逆止弁、14…吐出圧力検出装置、20…室外ユニッ
ト、21、21a、21b…室内ユニット。
Claims (5)
- 【請求項1】電動機によって駆動される圧縮機、凝縮
器、蒸発器を備えた冷凍装置において、冷媒ガスは固定
スクロールと旋回スクロールにより構成される圧縮室で
圧縮され、圧縮された冷媒ガスは前記電動機及び前記電
動機の下部に設けられた油溜め部が配置された圧縮容器
内を通過して前記圧縮機外に排出され、前記電動機は、
その回転子の鉄心に誘導電動機として機能するように巻
き回された巻線と、同じく回転子の鉄心に同期電動機と
して機能するように着磁された永久磁石と、を設け、始
動時は誘導電動機として、定常運転時は同期電動機とし
て駆動されることを特徴とする冷凍装置。 - 【請求項2】冷媒ガスが渦巻状ラップを噛み合わせて形
成された圧縮室で圧縮され、圧縮された冷媒ガスは前記
電動機及び前記電動機の下部に設けられた油溜め部が配
置された圧縮容器内を通過して前記圧縮機外に排出さ
れ、前記電動機は、その回転子の鉄心に誘導電動機とし
て機能するように巻き回された巻線と、同じく回転子の
鉄心に同期電動機として機能するように着磁された永久
磁石と、を設け、始動時は誘導電動機として、定常運転
時は同期電動機として駆動されることを特徴とする圧縮
機。 - 【請求項3】請求項1に記載のものにおいて、前記圧縮
機の吐出側と吸入側とをバイパスさせるバイパス回路を
設け、始動前に吐出側と吸入側とをバイパスさせること
を特徴とする冷凍装置。 - 【請求項4】請求項2に記載のものにおいて、前記永久
磁石としてネオジウム又はサマリウム・コバルト磁石を
用いたことを特徴とする圧縮機。 - 【請求項5】請求項2に記載のものにおいて、前記永久
磁石の表面をコーテイング又はメッキを施し被覆したこ
とを特徴とする圧縮機。
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|---|---|---|---|
| JP2002137902A JP3984864B2 (ja) | 2002-05-14 | 2002-05-14 | 冷凍装置及び圧縮機 |
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Publications (2)
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