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JP2014202070A - 密閉型圧縮機および冷凍装置 - Google Patents

密閉型圧縮機および冷凍装置 Download PDF

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JP2014202070A
JP2014202070A JP2013075619A JP2013075619A JP2014202070A JP 2014202070 A JP2014202070 A JP 2014202070A JP 2013075619 A JP2013075619 A JP 2013075619A JP 2013075619 A JP2013075619 A JP 2013075619A JP 2014202070 A JP2014202070 A JP 2014202070A
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賢治 金城
Kenji Kaneshiro
賢治 金城
飯田 登
Noboru Iida
飯田  登
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Abstract

【課題】電動要素の効率を低下させずに、主軸と軸受との間で発生する磁気吸引力によるロストルクや、漏れ磁束による鉄損(特に渦電流損)を低減することで、効率の高い密閉型圧縮機を提供することを目的とする。【解決手段】回転子159が非磁性材料で形成された非磁性スリーブ157を介してクランクシャフト119の回転子固定部130に固定されることにより、非磁性スリーブ157の磁気シールド効果により、回転子固定部130を通過する磁束を低減し、クランクシャフト119の磁化を抑制することができると共に、回転子鉄心161の磁路が減少せず、回転子159からの漏れ磁束の増加がないので、電動要素103の効率を低下させずに、主軸129と軸受137との間で発生する磁気吸引力によるロストルクや、漏れ磁束による鉄損(特に渦電流損)を低減することができるので、効率の高い密閉型圧縮機を提供することができる。【選択図】図1

Description

本発明は、家庭用電気冷凍冷蔵庫やショーケース等に使用される密閉型圧縮機に関するものである。
近年、地球環境保護に対する要求はますます強まってきており、家庭用電気冷凍冷蔵庫やその他の冷凍サイクル装置等に使用される密閉型圧縮機においても高効率化が強く要望されている。
従来、この種の密閉型圧縮機としては、効率を向上させるために、電動要素として誘導電動機ではなく、回転子に永久磁石を内蔵した2極の誘導同期電動機を用いたものがある(例えば、特許文献1参照)。
図5は、特許文献1に記載された従来の密閉型圧縮機の縦断面図である。図6は、従来の密閉型圧縮機の回転子の横断面図である。
図5に示すように、従来の密閉型圧縮機は、密閉容器1内には、電動要素3と、この電動要素3によって回転駆動される圧縮要素5とが収納されている。
圧縮要素5は、中間仕切板7で仕切られた第一のシリンダ9と、第二のシリンダ11と、第一のシリンダ9内を回転する第一のローラ13と、第二のシリンダ11内を回転する第二のローラ15と、第一の偏心部17と第二の偏心部19と主軸21と副軸23と回転子固定部24を備えたシャフト25と、主軸21を軸支する主軸受27と、副軸23を軸支する副軸受29とを備えている。
電動要素3は、密閉容器1の内壁に固定された固定子31と、固定子31の内側で、固定子31と同軸上に配置され、かつシャフト25の回転子固定部24に焼き嵌め等で固定された回転子33とで構成されている。
回転子33は、図6に示すように、強磁性体で構成された回転子鉄心35と、回転子鉄心35の外周に位置してダイカスト成型されたかご形の2次導体37と、2次導体37の内側の回転子鉄心35に埋め込まれた永久磁石39a、39b、39c、39dとで構成されている。
永久磁石39a、39b、39c、39dは、シャフト25の回転子固定部24に対向して埋め込まれると共に、対向する永久磁石39a、39b、39c、39dがそれぞれ異なる磁極で配置されることで、2極の回転子磁極を形成している。
また、回転子鉄心35には、シャフト25の回転子固定部24の周囲に沿って、円弧状の空隙41が設けられている。
ここで、図6の矢印破線で示すように、回転子鉄心35には空隙41が設けられているため、永久磁石39によって形成された磁界が、シャフト25の回転子固定部24を回避するように形成される。そのため、シャフト25の回転子固定部24に磁束が通過せず、シャフト25が磁化されることを防止できるので、主軸21と主軸受27、および、副軸23と副軸受29とが磁力によって吸引されることで発生する摩擦を低減することができる。
特開2003−18776号公報
しかしながら、前記従来の構成では、回転子鉄心35に空隙41が設けられるため、磁束が流れる磁路が減少し、鉄損が増加するので、電動要素3の効率が低下するという課題を有していた。
また、回転子鉄心35の磁路が減少すると、狭い磁路を多くの磁束が通過するため、磁気飽和が生じ、回転子鉄心35から漏れ出した磁束により、主軸受27で鉄損(特に渦電流損)が発生し、この鉄損(特に渦電流損)を補って運転を続けるために、余分な電力が必要になり、運転時の入力が増加するという課題を有していた。
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、電動要素の効率を低下させずに、軸受と主軸との間で発生する磁気吸引力によるロストルクや、漏れ磁束による鉄損(特に渦電流損)を低減することで、効率の高い密閉型圧縮機を提供することを目的とする。
前記従来の課題を解決するために、本発明の密閉型圧縮機は、回転子が非磁性スリーブを介してクランクシャフトに設けられた回転子固定部に固定されると共に、回転子固定部の外径が主軸の外径よりも小さく形成されたものである。
これによって、クランクシャフトの回転子固定部が非磁性スリーブによって、回転子鉄心に内蔵された永久磁石の磁束からシールドされるので、クランクシャフトの回転子固定部を通過する磁束が低減され、クランクシャフトの磁化を抑制することができると共に、回転子鉄心の磁路の減少がないので、回転子からの漏れ磁束の増加がなく、電動要素の効率を低下させずに、主軸と軸受との間で発生する磁気吸引力によるロストルクや、漏れ磁束による鉄損(特に渦電流損)を低減することができる。
本発明の密閉型圧縮機は、電動要素の効率を低下させずに、軸受で発生する磁気吸引力によるロストルクや、漏れ磁束による鉄損(特に渦電流損)を低減することができるので、密閉型圧縮機の効率を向上させることができる。
本発明の実施の形態1における密閉型圧縮機の縦断面図 同実施の形態における密閉型圧縮機の回転子とクランクシャフトの回転子固定部における横断面図 同実施の形態における非磁性スリーブの厚みに対するクランクシャフトの回転子固定部を通過する磁束密度と電動要素の効率の関係を示した特性図 本発明の実施の形態2における冷凍装置の模式図 従来の密閉型圧縮機の縦断面図 従来の密閉型圧縮機の回転子とシャフトの回転子固定部における横断面図
第1の発明は、密閉容器内に、電動要素と、前記電動要素によって駆動される圧縮要素を収容し、前記圧縮要素は、主軸と偏心軸と回転子固定部とから構成されるクランクシャ
フトと、前記クランクシャフトの主軸を軸支する軸受と、シリンダとを有するシリンダブロックと、前記シリンダ内で往復運動するピストンと、前記クランクシャフトの偏心軸と前記ピストンを連結する連結手段とを備え、前記電動要素は、固定子と、回転子とを備えた永久磁石型電動機であり、前記回転子が非磁性材料で形成された非磁性スリーブを介して前記クランクシャフトに固定されると共に、前記回転子固定部の外径が、主軸の外径よりも小さく形成されたことにより、回転子固定部が非磁性スリーブによって、回転子鉄心に内蔵された永久磁石の磁束からシールドされるので、回転子固定部を通過する磁束が低減され、クランクシャフトの磁化を抑制することができると共に、回転子鉄心の磁路の減少がないので、回転子からの漏れ磁束の増加がなく、電動要素の効率を低下させずに、主軸と軸受との間で発生する磁気吸引力によるロストルクや、漏れ磁束による鉄損(特に渦電流損)を低減することができる。
第2の発明は、特に、第1の発明において、非磁性スリーブが、オーステナイト系ステンレス鋼で形成されたことにより、オーステナイト系ステンレス鋼の熱膨張係数は、鉄系のクランクシャフトや回転子鉄心の熱膨張係数に比べて、約1.5倍であるので、運転中に高温になったとしても、回転子が非磁性スリーブから抜け落ちることがないため、第1の発明の効果に加えて、信頼性の高い密閉型圧縮機を提供することができる。
第3の発明は、特に、第1または第2の発明において、非磁性スリーブの厚みが0.2mmから1.0mmの範囲であることにより、非磁性スリーブの厚みが薄いのでクランクシャフトの回転子固定部の外径寸法の減少を抑えられ、クランクシャフトの剛性低下が抑制できると共に、電動要素の効率を低下させずに、非磁性スリーブの磁気シールド効果により、回転子固定部への磁束の通過を低減することができるので、第1または第2の効果に加えて、さらに信頼性が高く、効率の高い密閉型圧縮機を提供することができる。
第4の発明は、特に、第1から第3のいずれか1つの発明において、永久磁石が希土類磁石で形成されたことにより、希土類磁石は強い磁力を得ることができるので、第1から第3のいずれか1つの発明の効果に加えて、永久磁石の小型化により、電動要素の小型軽量化、ひいては、密閉型圧縮機の小型軽量化を図ることができる。
第5の発明は、特に、第1から第4のいずれか1つの発明において、回転子鉄心の外周に、かご形の2次導体を有し、永久磁石は、前記2次導体の内側に配設される構成の自己始動型永久磁石式誘導電動機としたことにより、始動時には、かご形の2次導体に電流が流れ、制御回路がなくても始動トルクが発生し起動できると共に、同期運転時には、励磁電力が不要となり、電動要素の高効率化が図れるので、第1から第4のいずれか1つの発明の効果に加えて、密閉型圧縮機の生産性および効率を向上させることができる。
第6の発明は、圧縮機、放熱器、減圧装置、吸熱器を配管によって環状に連結した冷媒回路を有し、前記圧縮機を第1から5のいずれか1つの発明の密閉型圧縮機とした冷凍装置であることにより、効率を向上させた密閉型圧縮機の搭載によって冷凍装置の消費電力を低減し、省エネルギー化を実現することができる。
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における密閉型圧縮機の縦断面図である。図2は、同実施の形態における密閉型圧縮機の回転子とクランクシャフトの回転子固定部における横断面図である。図3は、同実施の形態における非磁性スリーブの厚みに対する回転子固定部を通過する磁束密度と電動要素の効率の関係を示した特性図である。
図1において、本実施の形態1における密閉型圧縮機は、鉄板の絞り成型によって形成された密閉容器101の内部に、電動要素103と、この電動要素103によって駆動される圧縮要素105とを備えた圧縮機本体107を配置している。この圧縮機本体107は、サスペンションスプリング109によって弾性的に支持されている。
さらに、密閉容器101内には、潤滑用のオイル113が封入されている。また、密閉容器101には、一端が密閉容器101内空間に連通すると共に、他端が配管経路(図示せず)に接続される吸入パイプ115と、圧縮要素105で圧縮された冷媒ガス111を配管経路(図示せず)へ導く吐出パイプ117とを備えている。
圧縮要素105は、クランクシャフト119、シリンダブロック121、ピストン123、連結手段125等で構成されている。
クランクシャフト119は、偏心軸127と主軸129とを備えており、オイル113に浸漬された主軸129の下端から偏心軸127の上端までオイル113を供給する給油機構131とを備えている。また、主軸129の下方部分は、主軸129より軸径の小さい回転子固定部130となっている。
給油機構131は、主軸129の表面に形成された螺旋状の溝132等によって構成されている。シリンダブロック121は、圧縮室133を形成するシリンダ135が一体に形成され、また、主軸129を回転自在に軸支する軸受137を備えている。
また、シリンダ135の軸受137の反対側開口部端面には、吸入孔139と吐出孔141を備えたバルブプレート143と、吸入孔139を開閉する吸入バルブ145と、バルブプレート143を塞ぐシリンダヘッド147が、ヘッドボルト149によって共締めで固定されている。さらに、バルブプレート143とシリンダヘッド147との間に、吸入マフラー151が挟持されて固定されている。
また、圧縮要素105には、ピストン123の往復運動により圧縮された冷媒ガス111を密閉容器101に固定された吐出パイプ117へ流す高圧管153が接続されている。
電動要素103は、シリンダブロック121の下方に、ボルト(図示せず)によって固定された固定子155と、固定子155の内側で、固定子155と同軸上に配置され、かつクランクシャフト119の回転子固定部130に、非磁性スリーブ157を介して焼き嵌め等で固定された回転子159で構成されている。
また、非磁性スリーブ157は、SUS305やSUS316等のオーステナイト系ステンレス鋼で形成されている。さらに、非磁性スリーブ157の厚みtは、1.0mmに設定されている。なお、後述する解析結果に基づき、非磁性スリーブ157の厚みtは、非磁性スリーブ157の磁気シールド効果により回転子固定部130に通過する磁束を低減できる0.2mmから1.0mmの範囲において任意に設定することができる。
また、回転子固定部130の外径d1は、主軸129の外径d2よりも小さく設定されている。
次に、回転子159は、例えば、ケイ素鋼板等の強磁性体で構成された回転子鉄心161と、回転子鉄心161の外周に位置して、アルミニウムをダイカストで成型したかご形の2次導体163と、2次導体163の内側の回転子鉄心161に埋め込まれた永久磁石
165とで構成されている。つまり、本実施の形態の電動要素103は、いわゆる自己始動型永久磁石式誘導同期電動機である。
ここで、永久磁石165は、希土類磁石であるネオジウム・鉄・ボロン系の強磁性体からなる平板形の磁石である。
永久磁石165は、永久磁石165a、165b、165c、165dからなり、図2に示すように配置される。一対の同極性の永久磁石165aおよび165bは、回転子固定部130の周りに、所定の角度および所定の間隔で対向設置され、一方、他の一対の同極性の永久磁石165cおよび165dは、回転子固定部130の周りに、所定の角度および所定の間隔で対向設置されている。
永久磁石165a、165b、165c、165dは、いずれも回転子鉄心161の軸心方向と平行な方向に埋め込まれる。すなわち、一対の同極性の永久磁石165aと165bで1極の回転子磁極を形成し、他の一対の同極性の永久磁石165cと165dでも1極の回転子磁極を形成する。従って、回転子159全体では2極の回転子磁極を形成している。
また、隣り合う永久磁石165aと165cとの間、または永久磁石165bと165dとの間の磁束の短絡を防止するために、非磁性材料であるアルミニウムをダイカストで成型したバリア167が形成されている。
以上のように構成された密閉型圧縮機について、以下その動作、作用を説明する。
密閉型圧縮機は、密閉容器101に備えられた吸入パイプ115と吐出パイプ117が、周知の構成からなる冷凍装置(図示せず)に接続され、冷凍サイクルを構成している。
その構成において、電動要素103に通電すると、固定子155に電流が流れ、磁界が発生し、主軸129に固定された回転子159が回転する。この時、電動要素103は、回転子159に備えられたかご形の2次導体163により、誘導電動機として始動する。そして、最大トルクを超え、同期回転数近くになると、永久磁石165による同期運転に移行し、定常運転を継続する。
そして、この回転子159の回転により、クランクシャフト119が回転し、偏心軸127に回転自在に取り付けられた連結手段125を介して、ピストン123がシリンダ135内を往復運動する。このピストン123の往復運動に伴い、吸入パイプ115を通過して密閉容器101内に戻った冷媒ガス111は、吸入マフラー151を介して圧縮室133内へ吸入され、圧縮された後、高圧管153を介して吐出パイプ117へと流れる。そして、冷凍装置の配管経路(図示せず)を循環する。
次に、永久磁石165a、165b、165c、165dの磁束の流れを図2の矢印破線で概念的に説明する。
上部2個の永久磁石165a、165bから出た磁束は回転子鉄心161の中央部を通り、下部の永久磁石165c、165dに流れていく。
ここで、回転子固定部130の周りを非磁性スリーブ157で磁気シールドせずに、回転子159を回転子固定部130に直接固定する一般的な構成においては、回転子固定部130にも磁束が通過し、クランクシャフト119が磁化され、主軸129と軸受137とが磁力によって吸引され、摩擦が増加する。
しかしながら、本実施の形態のように、回転子159が非磁性スリーブ157を介して回転子固定部130に固定されることにより、回転子固定部130を通過する磁束が低減し、クランクシャフト119の磁化を抑制することができる。その結果、主軸129と軸受137との間で発生する磁気吸引力によるロストルクを低減し、密閉型圧縮機の効率を向上させることができる。
また、回転子固定部130の外径d1を、主軸129の外径d2よりも小さく設定したことにより、回転子159の内径を拡げずに非磁性スリーブ157を挿入することができるので、回転子鉄心161の磁路が減少しない。そのため、回転子鉄心161からの漏れ磁束の増加を抑制することができるので、電動要素103の効率の低下を防止し、密閉型圧縮機の効率を向上させることができる。
ここで、本実施の形態の非磁性スリーブ157は、鉄系のクランクシャフト119や回転子鉄心161に比べて熱膨張係数が約1.5倍であるオーステナイト系ステンレス鋼で形成されているので、運転中に高温になったとしても、回転子159が非磁性スリーブ157から抜け落ちることがなく、信頼性の高い密閉型圧縮機を提供することができる。
なお、非磁性スリーブ157を形成する材料として、本実施の形態では、オーステナイト系ステンレス鋼としたが、鉄の熱膨張係数に対して同等以上で、かつ、耐クリープ性の高い材料であれば、その他の非磁性材料でも、同様の効果が得られる。
次に、非磁性スリーブ157の厚みtに対する回転子固定部130を通過する磁束密度と電動要素103の効率の関係について説明する。
図3に示すように、非磁性スリーブ157の厚みtを、0.2mm以上にすることで、回転子固定部130を通過する磁束密度を約1割に減少させることができる。一方で、電動要素103の効率は、非磁性スリーブ157の厚みtが0.2mmから1.0mmの範囲であれば、ほとんど低下しない。
しかしながら、クランクシャフト119自身を非磁性材料にしてしまうと、回転子固定部130への磁束の通過はなくなるが、一方で、回転子鉄心161の磁束密度が増加し、磁気飽和が発生するため、電動要素103の効率が大きく低下してしまう。
また、非磁性スリーブ157の厚みtを厚くするということは、回転子固定部130の外径d1が小さくなり、非磁性スリーブ157の厚みtを厚くしすぎると、クランクシャフト119の剛性が低下するため、密閉型圧縮機の信頼性を低下させてしまう。
したがって、本実施の形態においては、非磁性スリーブ157の厚みtを1.0mmに設定したので、クランクシャフト119の剛性の低下を抑制しながら、電動要素103の効率を低下させずに、回転子固定部130への磁束の通過を低減することができるので、信頼性が高く、効率の高い密閉型圧縮機を提供することができる。
また、本実施の形態において、永久磁石165として希土類磁石であるネオジウム・鉄・ボロン系の強磁性体からなる磁石を用いたことで、強い磁力が得られる一方で、クランクシャフト119の磁化に及ぼす影響が大きくなる。
しかしながら、本実施の形態の回転子159を回転子固定部130に非磁性スリーブ157を介して固定する方法を採用することにより、クランクシャフト119の磁化を抑制することができるので、電動要素103の効率を向上させることができると共に、永久磁
石165の小型化により、電動要素103の小型軽量化、ひいては、密閉型圧縮機の小型軽量化を図ることができる。
さらに、本実施の形態のように、電動要素103を、回転子鉄心161の外周に、かご形の2次導体163を有し、永久磁石165を2次導体163の内側に配設した自己始動型永久磁石式誘導同期電動機としたことにより、始動時には、かご形の2次導体163に電流が流れ、制御回路がなくても始動トルクが発生し起動できると共に、同期運転時には、励磁電力が不要となり、電動要素103の高効率化が図れるので、密閉型圧縮機の効率を向上させることができる。
(実施の形態2)
図4は、本発明の実施の形態2における冷凍装置の構成を示す模式図である。ここでは、冷媒回路に、実施の形態1で説明した密閉型圧縮機を搭載した構成とし、冷凍装置の基本構成の概略について説明する。
図4において、冷凍装置は、一面が開口した断熱性の箱体とその開口を開閉する扉体構成の本体201と、本体201の内部を、物品の貯蔵空間203と機械室205に区画する区画壁207と、貯蔵空間203内を冷却する冷媒回路209を具備している。
冷媒回路209は、圧縮機211として実施の形態1で説明した密閉型圧縮機と、放熱器213と、減圧装置215と、吸熱器217とを環状に配管接続した構成となっている。
また、搭載された密閉型圧縮機内には、例えば、地球温暖化係数の低い炭化水素系のR600a等の冷媒ガスが、冷凍装置(図示せず)の低圧側と同等圧力で、比較的低温の状態で封入されると共に、密閉容器内底部には、潤滑用のオイルが封入されている。
そして、吸熱器217は、送風機(図示せず)を具備した貯蔵空間203内に配置されている。吸熱器217の冷却熱は、矢印で示すように、送風機によって貯蔵空間203内を循環するように撹拌され、貯蔵空間203内は冷却される。
以上説明した冷凍装置に、圧縮機211として本発明の実施の形態1における密閉型圧縮機を搭載することにより、圧縮機211は回転子固定部130が非磁性スリーブ157によって、回転子鉄心161に内蔵された永久磁石165から磁気シールドされて効率が向上しているので、冷凍装置の消費電力が低減でき、省エネルギー化を実現することができる。
以上のように、本発明にかかる密閉型圧縮機および冷凍装置は、密閉型圧縮機の効率を向上することができるので、電気冷蔵庫、あるいはエアーコンディショナー等の家庭用に限らず、業務用ショーケース、自動販売機等の冷凍装置に広く適用することができる。
101 密閉容器
103 電動要素
105 圧縮要素
119 クランクシャフト
121 シリンダブロック
123 ピストン
125 連結手段
127 偏心軸
129 主軸
130 回転子固定部
135 シリンダ
137 軸受
155 固定子
157 非磁性スリーブ
159 回転子
161 回転子鉄心
163 2次導体
165 永久磁石
209 冷媒回路
211 圧縮機
213 放熱器
215 減圧装置
217 吸熱器

Claims (6)

  1. 密閉容器内に、電動要素と、前記電動要素によって駆動される圧縮要素を収容し、前記圧縮要素は、主軸と偏心軸と回転子固定部とから構成されるクランクシャフトと、前記クランクシャフトの主軸を軸支する軸受と、シリンダとを有するシリンダブロックと、前記シリンダ内で往復運動するピストンと、前記クランクシャフトの偏心軸と前記ピストンを連結する連結手段とを備え、前記電動要素は、固定子と、回転子とを備えた永久磁石型電動機であり、前記回転子が非磁性材料で形成された非磁性スリーブを介して前記クランクシャフトに固定されると共に、前記回転子固定部の外径が、主軸の外径よりも小さく形成された密閉型圧縮機。
  2. 非磁性スリーブが、オーステナイト系ステンレス鋼で形成された請求項1に記載の密閉型圧縮機。
  3. 非磁性スリーブの厚みが、0.2mmから1.0mmの範囲である請求項1または2に記載の密閉型圧縮機。
  4. 永久磁石が、希土類磁石で形成された請求項1から3のいずれか一項に記載の密閉型圧縮機。
  5. 回転子は、回転子鉄心の外周に、かご形の2次導体を有し、前記永久磁石は、前記2次導体の内側に配設される構成の自己始動型永久磁石式誘導同期電動機である請求項1から4のいずれか一項に記載の密閉型圧縮機。
  6. 圧縮機、放熱器、減圧装置、吸熱器を配管によって環状に連結した冷媒回路を有し、前記圧縮機を、請求項1から5のいずれか一項に記載の密閉型圧縮機とした冷凍装置。
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