JP2002168173A

JP2002168173A - 可変容量圧縮機の制御装置

Info

Publication number: JP2002168173A
Application number: JP2000367279A
Authority: JP
Inventors: Hisatoshi Hirota; 久寿広田
Original assignee: TGK Co Ltd
Current assignee: TGK Co Ltd
Priority date: 2000-12-01
Filing date: 2000-12-01
Publication date: 2002-06-14

Abstract

(57)【要約】【課題】二酸化炭素のような超臨界域で作動する冷媒
を使用した冷凍サイクルで使用される可変容量圧縮機の
制御装置を提供することを目的とする。【解決手段】吐出室２１と気密に形成されたクランク
室１２とを連通する高圧連通路２７に設けられて吸入室
２０の圧力に影響される感圧部の圧力検知に応じて吐出
室２１からクランク室１２へ導入する圧力を制御する制
御弁３０と、その制御弁３０の感圧部が受ける中間圧力
Ｐａと吸入室２０の圧力Ｐｓとが電流値によって変わる
任意の一定の差圧になるよう制御する電磁駆動の定差圧
弁５０とにより構成し、設定値を変えるための制御を、
制御弁３０の側で行わずに、大きな差圧の制御が容易な
定差圧弁５０の側で行うようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は可変容量圧縮機の制
御装置に関し、特に自動車用空調装置などの冷凍サイク
ル中で二酸化炭素（ＣＯ₂）などの冷媒を超臨界域で使
用する可変容量圧縮機の制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車用空調装置の冷凍サイクル中で冷
媒を圧縮するために用いられる圧縮機は、エンジンを駆
動源としているので、回転数制御を行うことができな
い。そこで、エンジンの回転数に制約されることなく適
切な冷房能力を得るために、冷媒の容量（吐出量）を変
えることができる可変容量圧縮機が用いられている。

【０００３】このような可変容量圧縮機においては、エ
ンジンによって回転駆動される軸に取り付けられた揺動
板に圧縮用ピストンが連結され、揺動板の角度を変える
ことによってピストンのストロークを変えることで冷媒
の吐出量を変えるようにしている。

【０００４】その制御には、冷媒にフロン（たとえばＨ
ＦＣ−１３４ａ）を使用した冷凍サイクルでは、たとえ
ば実開昭６４−２７４８７号公報に記載のような制御弁
が使われている。この制御弁によれば、圧縮室と揺動板
が配置されているクランク室とを連通する連通路に配置
された弁部と、吸入室の圧力を受けるダイヤフラムと、
そのダイヤフラムの動きを弁部の弁体に伝える作動棒と
を備え、ダイヤフラムが吸入室の圧力を受圧して弁体を
制御し、圧縮室からクランク室内に導入される圧力を変
えることによって揺動板の角度を変え、ピストンのスト
ロークを変えて冷媒の吐出量を変えるようにしている。
つまり、吸入室の圧力を受けてクランク室内の圧力を制
御することで吸入室の圧力を設定圧力に制御し、その結
果、冷凍サイクルの蒸発器からの吹き出し温度が一定に
保たれる。また、負荷が下がると吸入室の圧力が低下し
て蒸発器がフロストするが、それを避けるべく吸入室の
圧力が所定の圧力より低下しないように制御するため、
ダイヤフラムの受圧面と反対側の面には、ばねおよびソ
レノイドが配置されている。ばねは、所定の圧力に対応
する荷重をダイヤフラムに与え、ソレノイドがそのばね
の荷重を外部より調整できるようにしている。

【０００５】ここで、冷媒がフロンの場合は、冷媒の温
度変化が０〜１５℃程度とすると、圧縮室の吐出圧力
は、約０．５〜３ＭＰａの範囲で変化し、吸入室の圧力
は、約０．３〜０．４５ＭＰａの範囲で変化する。つま
り、この吸入室の圧力変化の範囲から、ソレノイドの制
御差圧は、約０．１５ＭＰａとなり、外部制御信号によ
り、ソレノイドの電流を変化させることにより、冷媒の
温度を０〜１５℃の範囲で変化させることができる。

【０００６】ところで、自動車用空調装置の冷凍サイク
ル中で使われる冷媒は、オゾン層破壊に係る環境問題か
ら、フロンから二酸化炭素を使用することが提案されて
いる。冷媒に二酸化炭素を使用した冷凍サイクルにおい
ても、基本的な動作は冷媒にフロンを使用した冷凍サイ
クルと原理的に同じである。

【０００７】すなわち、冷凍サイクルは、圧縮機からガ
スクーラ、膨脹弁、蒸発器および受液器を経由して圧縮
機に戻るように配管することで構成され、圧縮機で気相
状態の二酸化炭素の冷媒を圧縮し、圧縮された高温高圧
の気相状態の冷媒をガスクーラにて冷却し、次に、膨脹
弁により減圧した後、気液２相状態となった冷媒を蒸発
器で蒸発させ、ここで蒸発潜熱を車室内の空気から奪っ
て車室内の空気を冷却し、受液器で冷媒を気液分離し、
分離された気相状態の二酸化炭素を圧縮機に戻すように
している。

【０００８】この二酸化炭素を冷媒とした冷凍サイクル
では、圧縮機の吸入圧力は、冷媒にフロンを使用した場
合で０．３〜０．４５ＭＰａ程度であるのに対して、
３．５〜６．５ＭＰａ程度と１桁以上も高く、吐出圧力
も、冷媒にフロンを使用した場合で０．５〜３ＭＰａ程
度であるのに対し、７〜１５ＭＰａ程度と高くなる。

【０００９】吸入圧力を直接受圧し、その圧力に応じて
クランク室内の圧力を制御するような制御弁において
は、ダイヤフラムに最大でも０．１５ＭＰａ程度の圧力
しか掛けることができないソレノイドを使って３ＭＰａ
もの圧力を変化させるには、有効径の小さなダイヤフラ
ムを作ればよい。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような圧力条件を満たすダイヤフラムを作ろうとした場
合、ダイヤフラムは、受圧面の有効径が２ｍｍ程度の非
常に小さいものにする必要があり、実際には作ることが
できないという問題点があった。

【００１１】本発明はこのような点に鑑みてなされたも
のであり、二酸化炭素のような超臨界域で作動する冷媒
を使用した冷凍サイクルで使用される可変容量圧縮機の
制御装置を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明では上記問題を解
決するために、超臨界冷凍サイクルで使用される冷媒を
圧縮するための可変容量圧縮機であって、気密に形成さ
れたクランク室内で回転軸に対して傾斜角可変に設けら
れて前記回転軸の回転駆動により揺動運動をする揺動体
と、前記揺動体に連結されて往復動することにより吸入
室からの冷媒をシリンダ内に吸入して圧縮した後、吐出
室に吐出するピストンとを有し、前記クランク室内の圧
力と前記吸入室内の圧力との差によって前記揺動体の傾
斜角を変化させることで吐出量を変化させるようにした
可変容量圧縮機の制御装置において、前記吐出室と前記
クランク室とを連通する高圧連通路に設けられて感圧部
による圧力検知に応じて前記吐出室から前記クランク室
への圧力を導入する弁体を制御する制御弁と、前記吸入
室と前記制御弁の感圧部とを連通する低圧連通路に設け
られて前記制御弁の感圧部が受ける圧力と前記吸入室の
圧力とが任意の一定の差圧になるよう制御する定差圧弁
と、を備えていることを特徴とする可変容量圧縮機の制
御装置が提供される。

【００１３】このような可変容量圧縮機の制御装置によ
れば、制御弁が前記吸入室内の圧力を定差圧弁を介して
検知し、クランク室へ導入する圧力を制御することによ
り、冷媒の吐出量（容量）を変えるようにした。これに
より、制御弁の感圧部を直接制御する必要がなく、定差
圧弁で大きな差圧を制御するようにしたことで、超臨界
冷凍サイクルで使用される高圧の冷媒を容易に制御でき
るようになった。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、冷
媒に二酸化炭素を使用した冷凍サイクル用の可変容量圧
縮機に適用した場合を例に図面を参照して詳細に説明す
る。

【００１５】図１は本発明による制御装置を備えた可変
容量圧縮機の概略構成を示す縦断面図である。可変容量
圧縮機１は、その出口ポートがガスクーラ２、膨脹弁
３、蒸発器４、受液器５を経由して入口ポートに配管さ
れることで閉回路の冷凍サイクルを構成している。

【００１６】この可変容量圧縮機１は、受液器５から送
り込まれた低圧の冷媒を高圧に圧縮し、圧縮された高圧
の冷媒をガスクーラ２に対して送り出す機能を有するも
ので、以下、この可変容量圧縮機１の詳細について説明
をする。

【００１７】可変容量圧縮機１は、気密に構成されたク
ランク室１２内に配置されて駆動プーリ１３によって回
転駆動される回転軸１１を備えている。この回転軸１１
には、揺動板１４が傾斜状態で配置され、回転軸１１の
回転に従って軸線方向に揺動するようになっている。

【００１８】クランク室１２内の周辺部には、複数のシ
リンダ１５が円周上に配置され、各シリンダ１５内に
は、ピストン１７が往復動自在に配置されていて、ロッ
ド１８によってピストン１７と揺動板１４とが連結され
ている。

【００１９】したがって、揺動板１４が揺動すると、ピ
ストン１７がシリンダ１５内で往復動して、シリンダ１
５の奥に形成された吸入室２０から冷媒をシリンダ１５
内に吸入し、その冷媒を圧縮した後、吐出室２１に吐出
する。

【００２０】なお、各シリンダ１５内の吸入室２０同士
および吐出室２１同士は、各々図示しない連通路を介し
て連通している。また、吸入室２０とクランク室１２と
は、逃し通路となる細い固定オリフィス２５を介して連
通している。

【００２１】揺動板１４は、クランク室１２内の圧力Ｐ
ｃとピストン上部（図ではピストンの下方に示される部
屋）の圧力の平均値との差圧によって傾斜角が変化し、
揺動板１４の傾斜角が変わると軸線方向の揺動幅、すな
わちピストン１７のストロークが変化するので、可変容
量圧縮機１の吐出量（容量）が変化する。

【００２２】吐出室２１とクランク室１２との間には、
高圧連通路２７が形成されており、その高圧連通路２７
の途中には、制御弁３０が設けられている。この制御弁
３０は、吸入室２０内の圧力Ｐｓに応じて吐出室２１か
らクランク室１２へ導入する高圧を制御してクランク室
１２内の圧力Ｐｃを制御する。

【００２３】吸入室２０と制御弁３０との間には、低圧
連通路２８が形成されており、その低圧連通路２８の途
中には、定差圧弁５０が設けられている。この定差圧弁
５０は、制御弁３０が感知する吸入室２０内の圧力Ｐｓ
との間に所定の差圧を生じさせるもので、その所定の差
圧は電磁力により可変できるようにしてある。

【００２４】図２は制御弁の構成を示す断面図である。
可変容量圧縮機１の高圧連通路２７に設けられる制御弁
３０は、弁本体３１とこの弁本体３１を駆動制御するパ
ワーエレメント３２とからなっている。弁本体３１は、
ボディ３３に周設されたストレーナ３４を介して可変容
量圧縮機１の吐出室２１に連通されることにより吐出室
２１内の１２ＭＰａ程度の圧力Ｐｄを導入するポート３
５と、可変容量圧縮機１のクランク室１２に連通されて
そこに制御された圧力Ｐｃを導入させるポート３６と、
定差圧弁５０を介し可変容量圧縮機１の吸入室２０に連
通されるポート３７とを備えている。

【００２５】吐出室２１内の圧力Ｐｄのポート３５とク
ランク室１２内の圧力Ｐｃのポート３６とを連通する冷
媒流路には、ボディ３３と一体に形成された弁座にクラ
ンク室１２内の圧力Ｐｃのポート３６の側から着座する
よう弁体３８が配置されている。この弁体３８は、ばね
３９によって閉弁方向に付勢されており、このばね３９
のばね荷重は、ポート３６に螺着されたアジャストねじ
４０によって調整される。また、ボディ３３の軸線位置
には、弁体３８をパワーエレメント３２にて制御駆動さ
れるシャフト４１が軸線方向に進退自在に保持されてい
る。ポート３５とポート３７との間でシャフト４１を保
持している部分は、所定のクリアランスを有しており、
ポート３５に導入された吐出室２１内の圧力Ｐｄをポー
ト３７にリークさせて所定の中間圧力Ｐａを確保するよ
うにした固定オリフィス４２を構成している。

【００２６】パワーエレメント３２は、下側ケーシング
４３と、上側ケーシング４４と、これら下側ケーシング
４３および上側ケーシング４４によって囲まれる空間を
仕切るよう配置された感圧部材のダイヤフラム４５と、
このダイヤフラム４５を両面から挾持するよう配置され
た２つのディスク４６，４７と、ディスク４６を弁本体
３１側へ付勢するばね４８とからなっている。上側ケー
シング４４内には、高圧のガスが封入されており、ダイ
ヤフラム４５にかかる背圧が、ばね４８の荷重と合わせ
てたとえば０℃のときに５ＭＰａ程度となるようにして
ある。

【００２７】弁本体３１側のディスク４７は、ボディ３
３のポート３７と弁本体３１側のダイヤフラム室とを連
通する連通孔４９に遊挿されたシャフト４１の端面に当
接している。

【００２８】したがって、この制御弁３０は、ポート３
７が定差圧弁５０によって作られた一定の差圧ΔＰｉを
介して吸入室２０に接続されていることから、吸入室２
０の圧力Ｐｓの変化がポート３７、および、連通孔４９
とシャフト４１との隙間を介してダイヤフラム４５に影
響を与えるようにしている。これにより、吸入室２０の
圧力Ｐｓが所定の圧力より低下すると、ダイヤフラム４
５にて受圧されている中間圧力Ｐａが低下し、シャフト
４１を介して弁体３８を押し下げて開弁するので、ポー
ト３６から高圧連通路２７を介してクランク室１２内に
導入される圧力が増加し、クランク室内の圧力Ｐｃが増
加することで可変容量圧縮機１は、冷媒の吐出量が減少
する方向に制御され、これにより吸入室２０の圧力が上
昇して、吸入室２０の圧力がそれ以上低下しないよう制
御される。

【００２９】図３は制御弁の別の構成を示す断面図であ
る。この図３に示した制御弁３０ａは、図２に示した制
御弁３０から上側ケーシング４４に配置されているばね
４８を取り除いた構成にしてある。この上側ケーシング
４４には、ガスが封入されており、ダイヤフラム４５に
かかる背圧が、たとえば０℃のときに５ＭＰａ程度とな
るようにしてある。それ以外のパワーエレメント３２の
構成および制御弁３０ａの動作は、図２に示した制御弁
３０と同じである。

【００３０】図４は定差圧弁の構成を示す断面図であ
る。定差圧弁５０は、吸入室２０と制御弁３０のダイヤ
フラムとを連通する低圧連通路２８の途中に設けられた
弁座５１に吸入室２０の側から着座するように配置され
た弁体５２を有している。この弁体５２と同一軸線上に
は、スリーブ５３が配置されている。

【００３１】そのスリーブ５３において、弁体５２の側
には、その軸線方向に進退自在にプランジャ５４が嵌挿
配置され、反対側には、コア５５が固定されている。コ
ア５５には、圧縮コイルスプリング５６が内設されてい
て、プランジャ５４を付勢し、これにより、プランジャ
５４に嵌合された弁体５２をその弁座５１に着座させる
ようにしている。また、スリーブ５３の外側には、電磁
コイル５７が設けられて、ソレノイドを構成している。

【００３２】このような定差圧弁５０において、電磁コ
イル５７へ通電すると、プランジャ５４は圧縮コイルス
プリング５６の付勢力に抗してコア５５の側へ吸引され
ていくので、弁体５２を閉める方向に作用する力が減少
し、これにより、弁体５２は差圧によって弁座５１から
離れる方向へ移動されて、その前後差圧を小さくするよ
う制御することができる。

【００３３】ここで、蒸発器からの吹き出し温度を０〜
２０℃に制御しようとした場合、吸入室２０の圧力は、
３．５〜５．８ＭＰａ程度の範囲で変化する。したがっ
て、定差圧弁５０は、その差である２．３ＭＰａ、余裕
を見て最大で３ＭＰａの差圧を作ることになる。この差
圧０〜３ＭＰａは、たとえば、弁座５１のポート径を２
ｍｍ程度にすると、従来の制御弁に付いていたソレノイ
ドと同等の付勢力で発生させることができる。

【００３４】吸入室２０内の圧力Ｐｓと、定差圧弁５０
によって作られる差圧ΔＰｉと、制御弁３０の固定オリ
フィス４２を介して吐出圧力Ｐｄがリークすることで作
られるダイヤフラム室内の中間圧力Ｐａとの関係は、Ｐ
ｓ＝Ｐａ−ΔＰｉで表される。差圧ΔＰｉは、電磁コイ
ル５７へ通電する電流値ｉを変化させることにより０〜
３ＭＰａに可変することができる。したがって、この電
流値ｉを変化させることにより、中間圧力Ｐａはほぼ一
定に保たれていることから、吸入室２０内の圧力Ｐｓ
は、Ｐａ−ΔＰｉからＰａまで変化させることが可能と
なる。なお、この中間圧力Ｐａは外部温度の影響を受け
て変動するが、その変動分は電流値ｉを調整することに
より補正できるので、吸入室２０内の圧力Ｐｓを安定さ
せることができる。

【００３５】このように構成された可変容量圧縮機１の
制御装置においては、蒸発器４の負荷が小さくなると、
吸入室２０内の圧力Ｐｓが低下して、制御弁３０のダイ
ヤフラム室の中間圧力Ｐａが低くなり、その結果、ダイ
ヤフラム４５が弁本体３１側へ変位され、この変位がシ
ャフト４１を介して弁体３８を押しあけ、吐出室２１か
らクランク室１２に供給される冷媒が増えるようにな
る。

【００３６】これにより、クランク室１２内の圧力Ｐｃ
が高まってクランク室１２内の圧力Ｐｃとピストン上部
の圧力の平均値との差圧が大きくなるため、揺動板１４
の傾斜角が小さくなり、ピストン１７のストロークが小
さくなることで、冷媒の吐出量（容量）が小さくなる。
蒸発器４の負荷が大きくなったときは、これと逆の動作
によって容量が大きくなる。このようにして、蒸発器４
の負荷に対応して自動的に容量が変化する。

【００３７】また、定差圧弁５０の電磁コイル５７に与
える電流値ｉを変えると、差圧ΔＰｉが変化し、吸入室
２０内の圧力Ｐｓが変化するので、それによってもクラ
ンク室１２内の圧力Ｐｃとピストン上部の圧力の平均値
との差圧が変化して、揺動板１４の傾斜角が変わってピ
ストン１７のストロークが変わり、容量が変化する。

【００３８】したがって、蒸発器４の負荷とは関係な
く、必要に応じて電磁コイル５７に与える電流値ｉを変
えれば、可変容量圧縮機１の容量を変えることができ
る。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明では、吸入
室の圧力に影響される感圧部の圧力検知に応じて吐出室
からクランク室へ導入する圧力を制御する制御弁と、そ
の制御弁の感圧部が受ける圧力と吸入室の圧力とが任意
の一定の差圧になるよう制御する電磁駆動の定差圧弁と
により二酸化炭素のような超臨界域で作動する冷媒を使
用した冷凍サイクルで使用される可変容量圧縮機の制御
装置を構成した。これにより、設定値を変えるために感
圧部を直接制御する必要がないため、制御弁は従来のフ
ロンを冷媒とする冷凍サイクルで用いられているような
大きさで作ることができ、かつ、設定値の可変を実現可
能な大きさの定差圧弁で構成することができるようにな
った。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による制御装置を備えた可変容量圧縮機
の概略構成を示す縦断面図である。

【図２】制御弁の構成を示す断面図である。

【図３】制御弁の別の構成を示す断面図である。

【図４】定差圧弁の構成を示す断面図である。

【符号の説明】

１可変容量圧縮機２ガスクーラ３膨脹弁４蒸発器５受液器１１回転軸１２クランク室１３駆動プーリ１４揺動板１５シリンダ１７ピストン１８ロッド２０吸入室２１吐出室２５固定オリフィス２７高圧連通路２８低圧連通路３０，３０ａ制御弁３１弁本体３２パワーエレメント３３ボディ３４ストレーナ３５，３６，３７ポート３８弁体３９ばね４０アジャストねじ４１シャフト４２固定オリフィス４３下側ケーシング４４上側ケーシング４５ダイヤフラム４６，４７ディスク４８ばね４９連通孔５０定差圧弁５１弁座５２弁体５３スリーブ５４プランジャ５５コア５６圧縮コイルスプリング５７電磁コイル

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】超臨界冷凍サイクルで使用される冷媒を
圧縮するための可変容量圧縮機であって、気密に形成さ
れたクランク室内で回転軸に対して傾斜角可変に設けら
れて前記回転軸の回転駆動により揺動運動をする揺動体
と、前記揺動体に連結されて往復動することにより吸入
室からの冷媒をシリンダ内に吸入して圧縮した後、吐出
室に吐出するピストンとを有し、前記クランク室内の圧
力と前記吸入室内の圧力との差によって前記揺動体の傾
斜角を変化させることで吐出量を変化させるようにした
可変容量圧縮機の制御装置において、前記吐出室と前記クランク室とを連通する高圧連通路に
設けられて感圧部による圧力検知に応じて前記吐出室か
ら前記クランク室への圧力を導入する弁体を制御する制
御弁と、前記吸入室と前記制御弁の感圧部とを連通する低圧連通
路に設けられて前記制御弁の感圧部が受ける圧力と前記
吸入室の圧力とが任意の一定の差圧になるよう制御する
定差圧弁と、を備えていることを特徴とする可変容量圧縮機の制御装
置。
【請求項２】前記制御弁は、前記感圧部の内圧を一定
以上確保するために前記吐出室の圧力を導入するポート
と前記低圧連通路に連通するポートとの間で前記感圧部
の変位を前記弁体に伝えるシャフトの保持部に所定のク
リアランスを設けて前記吐出室の圧力を前記低圧連通路
に連通するポートにリークさせるようにしたことを特徴
とする請求項１記載の可変容量圧縮機の制御装置。
【請求項３】前記定差圧弁は、前記感圧部が受ける圧
力と前記吸入室の圧力との差圧を任意に可変することが
できるよう電磁駆動式にしたことを特徴とする請求項２
記載の可変容量圧縮機の制御装置。