JP2000046429A - 冷凍空調機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】膨張側で得られた動力を効率よく圧縮側へ伝達
可能で回収動力を有効利用できるようにする。 【解決手段】圧縮室５を持つ主圧縮機ハウジング１と、
該ハウジングに隣接する膨張室６を持つ膨張機ハウジン
グ２と、圧縮機ハウジングと膨張機ハウジングの両端側
には、夫々圧縮機シリンダヘッド３と膨張機シリンダヘ
ッド４を形成し、膨張機シリンダヘッドの高圧ポート１
６には凝縮器２３からの冷媒を連通し、低圧ポート１５
には蒸発器２４へ冷媒を供給するよう連通し、圧縮機シ
リンダヘッドの吸入ポート１２には蒸発器２４からの冷
媒を供給する連通し、吐出ポート１８には凝縮器へ供給
するよう連通し、圧縮機ハウジングと膨張機ハウジング
内には、主軸１３を配設し、斜板７が主軸に配設され、
主軸の回転で圧縮室及び膨張室において、冷媒の圧縮、
膨張が行われる炭酸ガスを冷媒とする冷凍空調機１００
を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、冷凍空調機に関
し、特に二酸化炭素を冷媒として用いる蒸気圧縮型の冷
凍空調機に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、冷凍・空調機で使われる冷媒で、
オゾン層を破壊せず、地球温暖化係数の極めて小さい冷
媒として炭酸ガスがあるが、これはフロン冷媒と比較し
て成績係数（ＣＯＰ）が低いという不利があった。この
ため炭酸ガスを冷媒として使用するにはランニングコス
トがかかるため用いられなかったが、圧縮式の冷凍・空
調機で使われている冷媒は、高圧から低圧へ膨張させる
とき、冷媒のエネルギー変化を動力として回収すること
が出来る。

【０００３】特に炭酸ガスの場合、炭酸ガスの特性とそ
れを冷媒として使用する際の温度・圧力条件から、フロ
ンの場合より回収できる動力が大きく、特開平１０−１
９４０１号公報にあるように膨張機を使って回収した動
力を圧縮機駆動に使うなどしてシステム効率の向上を図
り、フロン冷媒の冷凍・空調機と同程度の効率を得るこ
とができる技術があった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、先の特
開平１０−１９４０１のように、この膨張機を用いるシ
ステム効率の向上方法も動力を効率よく回収し、利用し
なければ、フロン冷媒機器と同等のシステム効率にする
ことは困難となるため、膨張機の高効率化は重要な課題
である。

【０００５】特開平１０−１９４０１では、膨張機は圧
縮機の圧縮ロータと類似形状をしたロータを備えたロー
タリ式で、膨張ロータと圧縮ロータの２つのロータが同
一軸で連結されている。この構造は、膨張機側で得られ
た動力が、圧縮ロータの補助駆動力となる構造で、圧縮
ロータの主駆動力の低減ができ、システム効率の向上が
できる構造となっている。

【０００６】しかしながら、この構造では得られた動力
が膨張ロータから軸へ伝わり、軸から圧縮ロータへと伝
達していくため、動力伝達時の損失（機械損失）が大き
く、膨張機の効率が下がってしまい、システム効率の向
上も小さくなる。また、圧縮機に膨張ロータを追加する
ため部品点数を増加させてしまうという課題がある。

【０００７】本発明は、上記課題を解決したもので、膨
張で押しのけられたピストンの反対側で冷媒を圧縮する
構造とし、膨張側で得られた動力を効率よく圧縮側へ伝
えることができ、回収動力を有効に利用できるように、
システム効率もフロン式と同等にでき、また、部品点数
も多くなく、膨張・圧縮機を構成することができ、冷凍
空調機の小型化ができ、それにより、冷凍空調機の小型
化が必要な車両用にも利用が可能となる。また、ピスト
ンを斜板によりストロークが決め、膨張側、圧縮側の死
容積が運転条件により変化せず、常にシリンダヘッドと
適当なクリアランスを保つようにして、性能のばらつき
やピストンとシリンダヘッドの衝突がなく、信頼性の高
い冷凍空調機を提供するものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記技術的課題を解決す
るために、本発明の請求項１において講じた技術的手段
（以下、第１の技術的手段と称する。）は、炭酸ガスが
冷媒として用いられ、主圧縮室を備えた主圧縮機ハウジ
ングと、該主圧縮機ハウジングに隣接する膨張室を備え
た膨張機ハウジングと、前記主圧縮機ハウジングと前記
膨張機ハウジングの両端側には、それぞれ主圧縮機シリ
ンダヘッドと膨張機シリンダヘッドを形成し、前記膨張
機シリンダヘッドの高圧ポートには凝縮器からの冷媒を
連通し、前記膨張機シリンダの低圧ポートには、蒸発器
へ冷媒を供給するよう連通しており、前記主圧縮機シリ
ンダヘッドの吸入ポートには、前記蒸発器からの冷媒を
供給するよう連通し、前記主圧縮機シリンダヘッドの吐
出ポートには前記凝縮器へ供給するよう連通し、前記主
圧縮機ハウジングと前記膨張機ハウジング内には、回転
可能な主軸が配設され、該主軸には主軸に対して斜板が
配設され、前記主軸の回転により前記主圧縮室及び前記
膨張室において、前記冷媒の膨張、圧縮が行われる炭酸
ガスを冷媒とする冷凍空調機。

【０００９】上記第１の技術的手段による効果は、以下
のようである。

【００１０】即ち、膨張で押しのけられたピストンの反
対側で冷媒を圧縮する構造としているため、膨張側で得
られた動力を効率よく圧縮側へ伝えることができ、回収
動力を有効に利用できるためシステム効率もフロン式と
同等にできる。また、この構造により現在使われている
自動車用のフロン用斜板式圧縮機と同等の部品点数で、
膨張・圧縮機を構成することができる。などから機器の
小型化ができ、機器の小型化の必要な車両用に利用が可
能となる。

【００１１】上記技術的課題を解決するために、本発明
の請求項２において講じた技術的手段（以下、第２の技
術的手段と称する。）は、前記膨張機シリンダ内に、冷
媒を前記膨張室へ供給する回転可能な回転弁を備え、前
記主圧縮機シリンダ内には冷媒の圧力差により開閉する
吸入弁と吐出弁が設けられていることを特徴とする請求
項１記載の冷凍空調機である。

【００１２】上記第２の技術的手段による効果は、以下
のようである。

【００１３】膨張室への冷媒回路の切替を回転弁で行う
ことは一つの弁で全シリンダへの供給と吐出を最適なタ
イミングで切り換えることがシンプルな構造で可能とな
る。主圧縮機側の弁形状が圧力差のみで開閉する弁であ
ることは、回転弁のタイミングを膨張側のみで決定する
ことが可能である。

【００１４】上記技術的課題を解決するために、本発明
の請求項３において講じた技術的手段（以下、第３の技
術的手段と称する。）は、前記主軸にはモータ、エンジ
ン等の主動力が接続されていることを特徴とする請求項
１又は２記載の冷凍空調機である。

【００１５】上記第３の技術的手段による効果は、以下
のようである。

【００１６】主圧縮機、主動力と同一軸に膨張機を配置
することで動力回収時の動力伝達ロスを低減できるた
め、高効率なシステムが可能となる。

【００１７】上記技術的課題を解決するために、本発明
の請求項４において講じた技術的手段（以下、第４の技
術的手段と称する。）は、前記主圧縮機の吸入側に膨張
機と一体となった補助圧縮機を配設したことを特徴とす
る請求項１記載の冷凍空調機である。

【００１８】上記第４技術的手段による効果は、以下の
ようである。

【００１９】即ち、膨張機の回収動力で補助圧縮機を駆
動する点で、外部からの動力を使わないため主軸をケー
ス外へ出す必要が無く、主軸部のシールが不要で、漏れ
がなくなる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の第１実施例につい
て、図１、図２に基づいて説明する。

【００２１】本発明の冷凍空調機１００の実施例を図１
に示すが、図１の冷凍空調機１００は、図３、図４のよ
うに圧縮機２０と膨張機２１を一体構造にして冷媒回路
中に入れるものである。

【００２２】主圧縮機シリンダヘッド３の入口側に相当
する吸入ポート１７には、前記蒸発器２４からの冷媒を
供給するよう連通し、前記主圧縮機シリンダヘッド３の
出口側に相当する吐出ポート１８には前記凝縮器２３へ
供給するよう連通している。

【００２３】また、前記主圧縮機ハウジング１と前記膨
張機ハウジング２内には、回転可能な主軸１３が配設さ
れ、該主軸１３には主軸１３に対して斜板７が配設さ
れ、前記主軸１３の回転により前記主圧縮室５及び前記
膨張室６において、前記冷媒の膨張、圧縮が行われる。

【００２４】冷凍空調機１００は主圧縮機ハウジング
１、膨張機ハウジング２、主圧縮機シリンダヘッド３、
主膨張機シリンダヘッド４で形成されたケース２００内
に、冷媒ガスを圧縮する圧縮室５と冷媒ガスを膨張させ
る膨張室６を備えている。

【００２５】主圧縮機ハウジング１と膨張機ハウジング
２の中には斜板７でガイドされた複数の円筒状ピストン
８が円周上に等間隔に配置されている。斜板７にはシュ
ー９が配設され、このシュー９を介して斜板７の回転運
動を往復運動（図１の左右方向）にかえている。

【００２６】炭酸ガスを冷媒に使う場合、ガスの特性
上、高圧側と低圧側の圧力差が大きくなるため、ピスト
ン８には膨張室６側、主圧縮室５側共にピストンリング
１０を備えている。ピストン径は主圧縮側と膨張側が同
一径とは限らず、運転条件、冷媒回路構成や冷媒圧力、
温度などから適宜決定される。

【００２７】主圧縮室５の上部には冷媒の圧力差により
開閉する板状の吸入弁１１と吐出弁１２が設けられ、主
圧縮室５を蒸発器２４（図１参照）後の低圧回路と接続
している吸入ポート１７や凝縮器２３前の高圧回路と接
続している吐出ポート１８と仕切っている。

【００２８】膨張室６の上部には凝縮器２３後の高圧回
路に接続された高圧ポート１６と蒸発器２４前の低圧回
路に接続された低圧ポート１５から高圧及び低圧の冷媒
を膨張室６へ導入するための溝が刻設された切替回転弁
１４を備え、主軸１３と連結し駆動される。

【００２９】膨張機２１で回収された動力は主圧縮機２
０の補助動力として利用し、主軸１３はモータ、エンジ
ン２５などの主動力が接続できるようにケース２００の
外へ取り出されており、冷媒漏れはシール１９により防
いでいる。

【００３０】また、冷媒ガスの圧縮、膨張の行程とし
て、蒸発器２４後の低圧冷媒が吸入ポート１７から吸入
弁１１を通って主圧縮室５へ吸入され、主圧縮室５の上
部方向へ移動するピストン８に圧縮された冷媒は、吐出
弁１２を通り、高圧冷媒が吐出ポート１８から凝縮器２
３へ吐出される。

【００３１】以上説明したように、本発明の冷凍空調機
１００の構成は、圧縮室５を備えた主圧縮機ハウジング
１と、該主圧縮機ハウジング１に隣接する膨張室６を備
えた膨張機ハウジング２と、前記主圧縮機ハウジング１
と前記膨張機ハウジング２の両端側には、それぞれ主圧
縮機シリンダヘッド３と膨張機シリンダヘッド４を形成
し、前記膨張機シリンダヘッド４の入口側に相当する高
圧ポート１６側には凝縮器２３からの冷媒を連通し、前
記膨張機シリンダヘッドの出口側に相当する低圧ポート
１５は、蒸発器２４へ冷媒を供給するよう連通してい
る。

【００３２】さらに、前記主圧縮機シリンダヘッドの吸
入ポート１７には、前記蒸発器２４からの冷媒を供給す
るよう連通し、前記主圧縮機シリンダヘッドの吐出ポー
ト１８には前記凝縮器２３へ供給するよう連通し、前記
主圧縮機ハウジングと前記膨張機ハウジング内には、回
転可能な主軸１３が配設され、該主軸には主軸に対して
斜板７が配設され、前記主軸の回転により前記主圧縮室
及び前記膨張室において、前記冷媒の膨張、圧縮が行わ
れる炭酸ガスを冷媒とする冷凍空調機である。

【００３３】この冷凍空調機１００の構成において、主
圧縮室５が吸入行程にあるとき、反対側の膨張室６で
は、膨張を完了した低圧冷媒を回転弁１４（回転により
連通を切替する）により導通された低圧ポート１５を通
り、蒸発器２４へ排出する。

【００３４】次に冷媒ガスの圧縮、膨張の行程を以下に
説明する。

【００３５】主圧縮室５に冷媒が吸入される工程にある
時には、蒸発器２４後の低圧冷媒が吸入ポート１７から
吸入弁１１を通って主圧縮室５へ吸入され、主圧縮室５
の上部方向へ移動するピストン８に圧縮された冷媒は、
吐出弁１２を通り、高圧冷媒が吐出ポート１８から凝縮
器２３へ吐出される。

【００３６】一方、主圧縮室５が圧縮行程にある時に
は、回転弁１４が膨張室６を高圧ポート１６と導通さ
せ、凝縮器２３後の高圧冷媒を回転弁１４の形状により
決まる時間だけ導入した後、回転弁１４は閉じられる。
この時、膨張室６内に導入された高圧冷媒の圧力でピス
トン５は主圧縮室５側へ移動し、圧縮の補助動力とな
る。

【００３７】回転弁１４が閉じてから後、膨張室６の下
死点までピストン８が移動する間に、冷媒ガスは膨張し
て圧力が低下し、膨張が完了する。以上の行程が位相の
ズレた複数の各円筒状のシリンダ８内で行われる。

【００３８】図３、図４は本発明の第２実施例である。
図４のように主圧縮機２０の吸入側に膨張機２１と一体
となった補助圧縮機２０ａを入れ、主圧縮機２０の圧縮
仕事を低減するようにする。膨張機２１と補助圧縮機２
０ａの構造を図３に示す。

【００３９】第１実施例と異なる点は膨張機２１の回収
動力で補助圧縮機２０ａを駆動する点で、外部からの動
力を使わないため主軸１３をケース外へ出す必要が無
く、第１実施例の図１に示すシール１９が不要で、漏れ
がなくなる。回転数の調整は冷媒回路の膨張機２１の入
口側に設けた絞り２６で流れる冷媒量を調整することで
可能である。なお補助圧縮機ハウジング１´、補助圧縮
機シリンダヘッド３´、補助圧縮室５´は第１実施例と
同様な働きをするので、説明は省略する。

【００４０】なお、第１実施例において主圧縮機ハウジ
ングのように、「主」を入れた表現をしているが、第１
実施例においては、必ずしも補助の圧縮機ハウジングが
存在するものではないことはいうまでもないことであ
る。

【００４１】

【発明の効果】本発明は、以下の如く効果を有する。

【００４２】即ち、炭酸ガスが冷媒として用いられ、主
圧縮室を備えた主圧縮機ハウジングと、該主圧縮機ハウ
ジングに隣接する膨張室を備えた膨張機ハウジングと、
前記主圧縮機ハウジングと前記膨張機ハウジングの両端
側には、それぞれ主圧縮機シリンダヘッドと膨張機シリ
ンダヘッドを形成し、前記膨張機シリンダヘッドの高圧
ポートには凝縮器からの冷媒を連通し、前記膨張機シリ
ンダの低圧ポートには、蒸発器へ冷媒を供給するよう連
通しており、前記主圧縮機シリンダヘッドの吸入ポート
には、前記蒸発器からの冷媒を供給する連通し、前記主
圧縮機シリンダヘッドの吐出ポートには前記凝縮器へ供
給するよう連通し、前記主圧縮機ハウジングと前記膨張
機ハウジング内には、回転可能な主軸が配設され、該主
軸には主軸に対して斜板が配設され、前記主軸の回転に
より前記主圧縮室及び前記膨張室において、前記冷媒の
膨張、圧縮が行われる炭酸ガスを冷媒とする冷凍空調機
であるので、膨張側で得られた動力を効率よく圧縮側へ
伝えることができ、回収動力を有効に利用できるためシ
ステム効率もフロン式と同等にできる。また、この構造
により現在使われている自動車用のフロン用斜板式圧縮
機と同等の部品点数で、膨張・圧縮機を構成することが
でき、機器の小型化の必要な車両用に利用が可能とな
る。

【００４３】また、ピストンは斜板によりストロークが
決められているため、膨張側、圧縮側の死容積が運転条
件により変化せず、常にシリンダヘッドと適当なクリア
ランスを保つため、性能のばらつきやピストンとシリン
ダヘッドの衝突がなく、信頼性の高い機器とすることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例であり、図２に示す冷媒回
路で用いられる冷凍空調機の構造を示す断面図。

【図２】本発明の第１実施例であり、冷凍空調機の冷媒
回路の一例を示す図。

【図３】本発明の第２実施例であり、図４に示す冷媒回
路で用いられる冷凍空調機の構造を示す断面図。

【図４】本発明の第２実施例であり、冷凍空調機の冷媒
回路の一例を示す図。

【符号の説明】

１…主圧縮機ハウジング １´…補助圧縮機ハウジング ２…膨張機ハウジング ３…圧縮機シリンダヘッド ３´…補助圧縮機シリンダヘッド ４…膨張機シリンダヘッド ５…圧縮室 ５´…補助圧縮室 ６…膨張室 ７…斜板 １２…吸入ポート １３…主軸 １５…低圧ポート １６…高圧ポート １８…吐出ポート ２３…凝縮器 ２４…蒸発器 １００…冷凍空調機

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】炭酸ガスが冷媒として用いられ、主圧縮室
   を備えた主圧縮機ハウジングと、該主圧縮機ハウジング
   に隣接する膨張室を備えた膨張機ハウジングと、前記圧
   縮機ハウジングと前記膨張機ハウジングの両端側には、
   それぞれ主圧縮機シリンダヘッドと膨張機シリンダヘッ
   ドを形成し、前記膨張機シリンダヘッドの高圧ポートに
   は凝縮器からの冷媒を連通し、前記膨張機シリンダの低
   圧ポートには、蒸発器へ冷媒を供給するよう連通してお
   り、前記主圧縮機シリンダヘッドの吸入ポートには、前
   記蒸発器からの冷媒を供給するよう連通し、前記主圧縮
   機シリンダヘッドの吐出ポートには前記凝縮器へ供給す
   るよう連通し、前記主圧縮機ハウジングと前記膨張機ハ
   ウジング内には、回転可能な主軸が配設され、該主軸に
   は主軸に対して斜板が配設され、前記主軸の回転により
   前記主圧縮室及び前記膨張室において、前記冷媒の膨
   張、圧縮が行われる炭酸ガスを冷媒とする冷凍空調機。
2. 【請求項２】前記膨張機シリンダ内に、冷媒を前記膨張
   室へ供給する回転可能な回転弁を備え、前記主圧縮機シ
   リンダ内には冷媒の圧力差により開閉する吸入弁と吐出
   弁が設けられていることを特徴とする請求項１記載の冷
   凍空調機。
3. 【請求項３】前記主軸にはモータ、エンジン等の主動力
   が接続されていることを特徴とする請求項１又は２記載
   の冷凍空調機。
4. 【請求項４】前記主圧縮機の吸入側に膨張機と一体とな
   った補助圧縮機を配設したことを特徴とする請求項１記
   載の冷凍空調機。