JP2004053072A

JP2004053072A - 空気調和システム

Info

Publication number: JP2004053072A
Application number: JP2002208659A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Nonaka; 野中　毅
Original assignee: Calsonic Compressor Manufacturing Inc
Current assignee: Marelli Corp
Priority date: 2002-07-17
Filing date: 2002-07-17
Publication date: 2004-02-19

Abstract

【課題】気体圧縮機の駆動動力を削減し、また気体圧縮機を小型化する。
【解決手段】気体圧縮機１で圧縮された冷媒はコンデンサ３で液化されたあと、膨張弁４で断熱膨張し、エバポレータ５で蒸発して、周囲の空気を冷却する。エバポレータ５で蒸発した冷媒はアキュムレータ６で液分離したあとターボ過給機７で圧縮され、それから気体圧縮機１に戻る。ターボ過給機７で冷媒を圧縮するので、気体圧縮機１の吸入ガス圧力が高くなり、その分だけ気体圧縮機１の駆動動力が少なくて済む。また、吸入ガスの密度が高くなるので、気体圧縮機１の排除容積を小さくできる。
【選択図】　　　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃エンジンにより駆動される気体圧縮機を用いた空気調和システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の空気調和システムとして、車両用エアコンディショナや、ビル用のガスエンジンヒートポンプ（ＧＨＰ）を用いた空調システムなどでは、とくに内燃エンジンにより駆動される気体圧縮機を用いたものがある。
気体圧縮機はプーリを備えたクラッチを有し、内燃エンジン（以下、単にエンジンと言う）のプーリとの間に掛け渡されたベルトを介して駆動される。気体圧縮機で圧縮された冷媒はコンデンサで液化されたあと、膨張弁を経由してエバポレータで吸熱して蒸発し、周囲の空気を冷却する。エバポレータで蒸発した冷媒はアキュムレータで液分離したあと再度気体圧縮機に戻り、上記の過程を繰り返す。
ここで、気体圧縮機から吐出すべき凝縮圧力が同じであるとすると、吸入ガス圧力が高いほど気体圧縮機の駆動動力は少なくて済む。
【０００３】
ところで、例えば車両用エアコンディショナにおいては、涼風感を得るためのクールダウン性能が要求されるが、このためにはエバポレータで冷却された空気のいわゆる吹き出し温度をある程度低くする必要がある。
この吹き出し温度は蒸発温度と相関があるから、したがって、蒸発温度を下げる必要がある。さらには、蒸発温度と気体圧縮機への吸入ガス圧力の間にも相関があるから、結局、吸入ガス圧力を低くしなければならないことになる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
すなわち、所要の冷房能力を発揮するためには、気体圧縮機への吸入ガス圧力を下げ、吸入ガス密度が小さい状態となってしまう。
そのため、気体圧縮機が所定の吐出圧を得るために必要な排除容積が大きくなり、気体圧縮機が大型化せざるを得ず、また必要な駆動力も大きくなる。
【０００５】
さらに、負荷に対応した容量制御を行う場合にも、ＧＨＰでは低負荷時に冷媒循環が不要なときには冷媒をバイパス路へ捨てているので、成績係数が低下してしまうという問題がある。
また、車両用エアコンディショナでは、クラッチの断続により負荷に対応させることができるが、クラッチの断続に起因するショックや異音により、運転の快適性が阻害される。また、気体圧縮機の内部構造に容量制御機構を組み込んだものもあるが、構造が複雑となる。
【０００６】
したがって本発明は上記の問題点に鑑み、気体圧縮機を小型化でき、しかも成績係数や運転快適性に影響を与えることなく、所要の冷房能力を確保できるようにした空気調和システムを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１の本発明は、エンジンにより駆動される気体圧縮機を用いて冷媒を圧縮するようにした空気調和システムにおいて、気体圧縮機の上流側に、エンジンの排気ガスで駆動されるターボ過給機を設け、該ターボ過給機で気体圧縮機の吸入ガス圧力を増大可能に構成したものとした。
【０００８】
請求項２の発明は、ターボ過給機が、エンジンの排気ガスで回転駆動されるタービンホイールと、該タービンホイールと連結されて回転し、冷媒を圧縮するコンプレッサホイールとからなるものであり、さらに、請求項３のように、タービンホイールとコンプレッサホイールの間にクラッチを備えることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は実施の形態にかかる空気調和システムの全体図である。
ベーンロータリ形の気体圧縮機１がエンジン２により駆動されるようになっている。気体圧縮機１の冷媒ガス吐出ポート１６は配管８でコンデンサ３に接続され、以下、コンデンサ３から順次に膨張弁４、エバポレータ５、アキュムレータ６、ターボ過給機７が接続され、ターボ過給機７が気体圧縮機１の冷媒ガス吸入ポート１４に接続されている。また、冷媒ガス吐出ポート１６とコンデンサ３の間には必要に応じて潤滑油分離のためのオイルセパレータ８０が設けられ、コンデンサ３と膨張弁４の間には必要に応じてガス分離のためのリキッドタンク８２が設けられる。
【００１０】
図２は気体圧縮機１の縦断面図、図３は図２におけるＡ−Ａ部断面図である。コンプレッサケース１０内に、略楕円形状の内周を有するシリンダ４０がフロントサイドブロック２０とリヤサイドブロック３０に挟まれて配置され、複数のベーン５８を備えるロータ５０がシリンダ４０内に回転可能に設けられている。
【００１１】
ロータ５０と一体回転する回転軸５１は、フロントサイドブロック２０を貫通して前端側がコンプレッサケース端壁のリップシール１８からコンプレッサケース１１の外方へ延び、後端はリヤサイドブロック３０に設けられた貫通支持穴３２に支持されている。回転軸５１の前端にはプーリ２４が取り付けられ、エンジンのクランクプーリからの回転駆動力を受けるようになっている。
【００１２】
とくに図３に示すように、ロータ５０の外周面側にはスリット状のベーン溝５６が放射状に複数形成され、これらのベーン溝５６にはそれぞれベーン５８が装着されている。ベーン５８は、ロータ５０の回転時に遠心力とベーン溝５６の底部に形成される背圧室５９に加えられる油圧とにより、シリンダ４０の内周面へ付勢される。シリンダ４０内はロータ５０とベーン５８により複数の小室に仕切られ、ロータ５０の回転にしたがって容積の大小変化を繰り返す圧縮室４８を形成する。
【００１３】
コンプレッサケース１０の冷媒ガス吸入ポート１４が設けられたフロントサイドブロック２０側は、吸入室１３が形成されている。
フロントサイドブロック２０には吸入室１３と圧縮室４８を連通させる吸入口２２が開口している。
冷媒ガス吸入ポート１４から吸入室１３に流入した冷媒ガスは、フロントサイドブロック２０に形成された吸入口２２から圧縮室４８へ吸入される。
【００１４】
コンプレッサケース１０のリヤサイドブロック３０側には吐出室１５が形成され、冷媒ガス吐出ポート１６が設けられている。
またリヤサイドブロック３０の吐出室１５側には、オイルセパレータ６２を備えるサイクロンブロック６０が取り付けられている。サイクロンブロック６０は、回転軸５１の後端を支持するリヤサイドブロック３０の貫通支持穴３２が形成されたボス部３８との間に密閉空間Ｒを形成している。
【００１５】
シリンダ４０の短径部近傍は外周部に吐出チャンバ４４が切り欠かれて薄肉部とされ、この薄肉部に吐出口４２が開口されている。吐出口４２にはリードバルブ４３が設けられている。
吐出口４２から吐出された冷媒ガスは、吐出チャンバ４４からオイルセパレータ６２を経て吐出室１５へ吐出される。
吸入口２２と吐出口４２は、ロータ５０の回転軸５１に関して対称に、シリンダ４０の周辺部にそった２個所に設けられている。
【００１６】
リヤサイドブロック３０には吐出室１５の底部に開口するとともに貫通支持穴３２の側壁に至る油路３３が形成され、また、リヤサイドブロック３０のロータ５０に対向する面には、ベーン溝５６の背圧室５９に連通するように配した凹部（さらい）３５が設けられている。
サイクロンブロック６０とリヤサイドブロック３０間の密閉空間Ｒと凹部３５とが連通路３４で結ばれている。
【００１７】
吐出室１５の吐出圧に押されて、油路３３を経て貫通支持穴３２の側壁に至った潤滑油は、貫通支持穴３２と回転軸５１間の隙間を通って直接凹部３５へ、または密閉空間Ｒへ流れ、それから連通路３４により凹部３５へ流れる。
また、シリンダ４０の底部にはリヤサイドブロック３０の油路３３に接続する貫通穴４６が設けられ、フロントサイドブロック２０に形成された油路２６でこの貫通穴４６とフロントサイドブロック２０の回転軸支持部２３を接続して、当該支持部２３並びにフロントサイドブロック２０のロータ５０に対向する面に形成した凹部２７へ潤滑油を導くようになっている。
【００１８】
ロータ５０が回転すると、冷媒ガス吸入ポート１４に流入する冷媒ガスは、吸入室１３から吸入口２２を経て、圧縮室４８へ吸入される。そして、冷媒ガスは圧縮室４８で圧縮された後、吐出口４２からリードバルブ４３を経て吐出され、吐出室１５を経て冷媒ガス吐出ポート１６からコンデンサ３へ向けて供給される。
【００１９】
図１に戻って、ターボ過給機７は、タービンホイール７２とコンプレッサホイール７４を備え、タービンホイール７２側はエンジン２の排気管７０に接続されており、排気ガスの運動エネルギーによりタービンホイール７２が回転駆動される。コンプレッサホイール７４はクラッチ７８を介してタービンホイール７２に連結可能とされ、連結状態においてタービンホイール７２により回転駆動されて、冷媒入り口７５に入る冷媒を圧縮し冷媒出口７６から吐出する。
【００２０】
気体圧縮機１で圧縮された冷媒はコンデンサ３で液化されたあと、膨張弁４で断熱膨張し、エバポレータ５で蒸発して、周囲の空気を冷却する。エバポレータ５で蒸発した冷媒はアキュムレータ６で液分離したあとターボ過給機７で圧縮され、それから気体圧縮機１に戻る。
【００２１】
ターボ過給機７では、クラッチ７８を接続することにより、気体圧縮機１に冷媒が吸入される前の冷媒を圧縮する。すなわち、ターボ過給機７は冷媒を所定の凝縮圧力まで圧縮するに必要な動力の一部を分担していることになり、冷媒ガスの比エンタルピ、密度を高める。
一方、クラッチ７８を切断すると、システムを循環する冷媒の量が少なくなる。
【００２２】
図４は上記構成における理論サイクルを示すモリエル線図である。
アキュムレータ６からターボ過給機７の冷媒入り口７５に入った冷媒は、Ａ点の状態からＢ点まで圧縮され、それから気体圧縮機１で凝縮圧のＣ点まで圧縮される。コンデンサ３では圧縮されて高温となった冷媒がＤ点まで冷却されて液化される。
そして膨張弁４によりＤ点からＥ点へ断熱膨張して、低圧、低温となった冷媒は、エバポレータ５で蒸発してガス化して、一連のサイクルを形成する。
【００２３】
実施の形態は以上のように構成され、気体圧縮機１の上流側にエンジン２で駆動されるターボ過給機７を設け、ターボ過給機７で圧縮されて密度を高めた冷媒を気体圧縮機１で凝縮圧力まで圧縮するものとしたので、気体圧縮機１としての吸入ガス圧力が高くなり、その分だけ気体圧縮機１の駆動動力が少なくて済む。
【００２４】
例えば、冷媒にＲ１３４ａを用い、排除容積１００ｃｍ^３／回転、吸入圧（吸入ガス圧力）０．１ＭＰａ、吸入ガス温度５℃、吸入ガス密度４．５ｋｇ／ｍ^３、吐出圧（吐出ガス圧力）１．０ＭＰａの条件で理論サイクルで運転された場合、気体圧縮機の駆動動力は１．２６ｋＷである。これに０．５８ｋＷの冷媒圧縮仕事をするターボ過給機を付加すると、気体圧縮機の駆動動力は、（０．５８／１．２６）×１００＝４６％の削減となる。
この場合、冷房能力は一定のままであるから、成績係数ＣＯＰは、（（１−０．５８）／１．２６）×１００＝３３％向上することになる。
【００２５】
同じくターボ過給機７により吸入ガスの密度が高くなるので、気体圧縮機１の排除容積を小さくできるから、気体圧縮機全体のサイズを小型化することができる。
すなわち、上記の例では、気体圧縮機の吸入ガス密度は１２．５ｋｇ／ｍ^３になるので、その排除容積は（４．５／１２．５）×１００＝３６ｃｍ^３／回転でよいことになる。
【００２６】
さらに、ターボ過給機７にはタービンホイール７２とコンプレッサホイール７４の間にクラッチ７８を設けているので、気体圧縮機１の排除容積を３６ｃｍ^３／回転とした場合、クラッチ７８を切断したときには排除容積がそのまま３６ｃｍ^３／回転、クラッチ７８を接続したときには排除容積１００ｃｍ^３／回転相当となる。したがって、ターボ過給機７のクラッチ７８を断続することにより、排除容積１００ｃｍ^３〜３６ｃｍ^３／回転の広範囲にわたる容量制御が可能である。
【００２７】
なお、実施の形態では気体圧縮機１としてベーンロータリ形のものとしたが、これに限定されず、任意の形式の気体圧縮機を用いることができる。
【００２８】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明は、エンジンで駆動する気体圧縮機を用いた空気調和システムにおいて、気体圧縮機の上流側に、エンジンの排気ガスで駆動されるターボ過給機を設けて、気体圧縮機の吸入ガス圧力を増大可能にしたので、エンジンの無駄に廃棄されていた排気ガスを有効利用して気体圧縮機の駆動動力を削減することができるとともに、気体圧縮機を小型化することができるという効果を有する。
【００２９】
また、ターボ過給機のタービンホイールとコンプレッサホイールの間にクラッチを備えることにより、クラッチの断続で広範囲の容量制御が行えるから、要求冷房能力の変化に対応させることができ、気体圧縮機の駆動動力の削減と相俟って成績係数の低下が防止される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を示すシステム図である。
【図２】気体圧縮機を示す縦断面図である。
【図３】図２におけるＡ−Ａ部断面図である。
【図４】運転時の状態を示すモリエル線図である。
【符号の説明】
１　　　　気体圧縮機
２　　　　エンジン
３　　　　コンデンサ
４　　　　膨張弁
５　　　　エバポレータ
６　　　　アキュムレータ
７　　　　ターボ過給機
８　　　　配管
１０　　　コンプレッサケース
１３　　　吸入室
１４　　　冷媒ガス吸入ポート
１５　　　吐出室
１６　　　冷媒ガス吐出ポート
１８　　　リップシール
２０　　　フロントサイドブロック
２２　　　吸入口
２３　　　回転軸支持部
２４　　　プーリ
２６　　　油路
２７　　　凹部
３０　　　リヤサイドブロック
３２　　　貫通支持穴
３３　　　油路
３４　　　連通路
３５　　　凹部
３８　　　ボス部
４０　　　シリンダ
４２　　　吐出口
４３　　　リードバルブ
４４　　　吐出チャンバ
４６　　　貫通穴
４７　　　圧縮室
５０　　　ロータ
５１　　　回転軸
５６　　　ベーン溝
５８　　　ベーン
５９　　　背圧室
６０　　　サイクロンブロック
６２　　　オイルセパレータ
７０　　　排気管
７２　　　タービンホイール
７４　　　コンプレッサホイール
７５　　　冷媒入り口
７８　　　クラッチ
７６　　　冷媒出口
８０　　　オイルセパレータ
８２　　　リキッドタンク
Ｒ　　　　密閉空間

Claims

エンジンにより駆動される気体圧縮機を用いて冷媒を圧縮するようにした空気調和システムにおいて、
前記気体圧縮機の上流側に、エンジンの排気ガスで駆動されるターボ過給機を設け、該ターボ過給機で前記気体圧縮機の吸入ガス圧力を増大可能に構成したことを特徴とする空気調和システム。
前記ターボ過給機は、エンジンの排気ガスで回転駆動されるタービンホイールと、該タービンホイールと連結されて回転し、冷媒を圧縮するコンプレッサホイールとを有することを特徴とする請求項１記載の空気調和システム。
前記ターボ過給機は、前記タービンホイールとコンプレッサホイールの間にクラッチを備えていることを特徴とする請求項２記載の空気調和システム。