JP2005307849A - 車両用空調装置の圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】 代替冷媒ＨＦＣ−１５２ａの物性に適合したピストン形状を得ることができる車両用空調装置の圧縮機を提供する。
【解決手段】 圧縮機(2)は、ハウジング(6)と、ハウジング内に形成され、圧縮室(44)を備えたシリンダボア(24)と、シリンダボア内を往復運動するピストン(26)とを含み、冷媒としてＨＦＣ−１３４ａよりも高低圧の圧力差が小さなＨＦＣ−１５２ａを使用し、冷媒にＨＦＣ−１５２ａを使用した場合に要求されるピストンの長さとピストンの径との比率が、冷媒にＨＦＣ−１３４ａを使用した場合に要求されるピストンの長さとピストンの径との比率に比べて小さくされる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、車両用空調装置の冷凍回路に組込まれる圧縮機に係り、詳しくは、代替冷媒ＨＦＣ−１５２ａの使用に好適な車両用空調装置の圧縮機に関する。

現行のカーエアコン用冷媒としてはＨＦＣ−１３４ａが使用されているが、その冷媒の温暖化係数（ＧＷＰ）が１３００もあって大きく、地球温暖化の観点からの問題が依然として残されている。よって、欧米においては、修理時の回収が義務付けられており、またいずれ全廃することも考えられている。
そこで、他の代替冷媒が必要となる。この例としては、ＣＯ₂やＨＦＣ−１５２ａが挙げられる。特に、このＨＦＣ−１５２ａではＧＷＰが１４０と小さく、ＨＦＣ−１３４ａに比して環境負荷の低減に大きく貢献する。また、ＨＦＣ−１５２ａは可燃性であるが、上記ＨＦＣ−１３４ａに比して冷凍能力の点でも優れている。そして、この代替冷媒ＨＦＣ−１５２ａを用いた車両用空調装置に関する技術が種々出願されている（特許文献１、２）。
特開平１１−２３１１５号公報 特開２０００−７１７５５号公報

ところで、代替冷媒ＨＦＣ−１５２ａは、現行冷媒ＨＦＣ−１３４ａとは蒸気圧が異なるとの物性を有している。
具体的には、蒸発温度（５０℃）と凝縮温度（０℃）における各蒸気圧について示すと、代替冷媒ＨＦＣ−１５２ａの蒸発温度では１．１７ＭＰａ、凝縮温度では０．２６ＭＰａとの蒸気圧を有しており、この差圧はΔ₁＝０．９１ＭＰａとなる。これに対し、現行冷媒ＨＦＣ−１３４ａの蒸発温度では１．３２ＭＰａ、凝縮温度では０．２９ＭＰａとの蒸気圧を有しており、この差圧はΔ₀＝１．０３ＭＰａとなる。つまり、代替冷媒ＨＦＣ−１５２ａの差圧Δ₁は現行冷媒ＨＦＣ−１３４ａの差圧Δ₀よりも小さくなることが分かる。

ここで、ピストンがシリンダボア内を摺動する斜板型圧縮機を例に挙げれば、上記差圧Δ₁及び差圧Δ₀がピストンの前後に生じた圧力の差圧に相当する。換言すれば、蒸発温度における蒸気圧が吐出圧力Ｐｄに、凝縮温度における蒸気圧が吸入圧力Ｐｓにそれぞれ相当し、上記差圧Δ₁が代替冷媒ＨＦＣ−１５２ａを使用した場合のＰｄ−Ｐｓの値に、上記差圧Δ₀が現行冷媒ＨＦＣ−１３４ａを使用した場合のＰｄ−Ｐｓの値にそれぞれ相当する。よって、代替冷媒ＨＦＣ−１５２ａを使用した場合のピストンの前後には、現行冷媒ＨＦＣ−１３４ａを使用した場合のピストンに比して小さな圧力が作用していることが分かる。

そして、カーエアコン用冷媒として代替冷媒ＨＦＣ−１５２ａを使用するにあたり、この物性の違いを考慮することなく単に冷媒を変更するだけでは、上記斜板型圧縮機のピストンにはこの変更に伴う負荷や無駄が大きくなり、圧縮機の信頼性を却って損なわせることが懸念される。
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、代替冷媒ＨＦＣ−１５２ａの物性に適合したピストン形状を得ることができる車両用空調装置の圧縮機を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するべく、請求項１記載の車両用空調装置の圧縮機は、冷凍回路の冷媒循環経路に介挿され、圧縮室にて冷媒の吸入工程及び圧縮工程を実行し、高圧の圧縮冷媒を圧縮室から冷媒循環経路に供給する車両用空調装置の圧縮機であって、圧縮機は、ハウジングと、ハウジング内に形成され、圧縮室を備えたシリンダボアと、シリンダボア内を往復運動するピストンとを含み、冷媒としてＨＦＣ−１３４ａよりも高低圧の圧力差が小さなＨＦＣ−１５２ａを使用し、冷媒にＨＦＣ−１５２ａを使用した場合に要求されるピストンの長さとピストンの径との比率が、冷媒にＨＦＣ−１３４ａを使用した場合に要求されるピストンの長さとピストンの径との比率に比べて小さくされていることを特徴としている。

また、請求項２記載の発明では、冷媒にＨＦＣ−１５２ａを使用した場合に要求されるピストンの長さとピストンの径との比率と、冷媒にＨＦＣ−１３４ａを使用した場合に要求されるピストンの長さとピストンの径との比率との比率が、０．８７３から０．９５０に設定されていることを特徴としている。
更に、請求項３記載の発明では、冷媒にＨＦＣ−１５２ａを使用した場合に要求されるピストンの長さが、冷媒にＨＦＣ−１３４ａを使用した場合に要求されるピストンの長さに比べて短くされていることを特徴としている。

本発明は代替冷媒ＨＦＣ−１５２ａが現行冷媒ＨＦＣ−１３４ａよりも蒸発温度及び凝縮温度における各蒸気圧の圧力差が小さいことに着目したものである。そして、請求項１記載の本発明の車両用空調装置の圧縮機によれば、ＨＦＣ−１５２ａを使用した場合のピストンの長さ及び径の比率が、ＨＦＣ−１３４ａを使用した場合のピストンの長さ及び径の比率に比べて小さくされているので、小さな圧力差を有するとの代替冷媒ＨＦＣ−１５２ａの物性に適合したピストン形状が構成可能となる。この結果、冷媒の変更に伴うピストンへの負荷や無駄が小さくなる。

また、請求項２記載の発明によれば、ＨＦＣ−１５２ａを使用した場合のピストンの長さ及び径の比率が、ＨＦＣ−１３４ａを使用した場合のピストンの長さ及び径の比率の０．８７３から０．９５０倍にされることから、ＨＦＣ−１３４ａに比して圧力差の小さいＨＦＣ−１５２ａを使用しても、ブローバイ量を従来と同等に保持しつつ、ピストンの摺動抵抗やピストンの質量を低減可能となる。

更に、請求項３記載の発明によれば、ピストンの長さを短くすれば圧縮機の小型化及び軽量化を達成できる。

以下、図面により本発明の実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係るカーエアコン用の斜板型圧縮機を示す。
当該圧縮機２はシリンダブロック（ハウジング）６を備え、このシリンダブロック６の一端側にはクランクケース４が、他端側にはシリンダヘッド８がそれぞれ複数の連結ボルトにより相互に連結されている。なお、図１には、シリンダブロック６とシリンダヘッド８との間を連結する連結ボルトのみが示されている。

クランクケース４内にはその中央に駆動軸１０が配置され、この駆動軸１０の一端側はクランクケース４を貫通し、軸受１２を介してクランクケース４に回転自在に支持されている。一方、駆動軸１０の他端はシリンダブロック６の中央に貫通して形成された中央孔１４に進入し、軸受１６を介してシリンダブロック６に回転自在に支持されている。
駆動軸１０の一端は駆動プーリ１８に電磁クラッチ２０を介して連結可能となっており、電磁クラッチ２０は駆動プーリ１８に内蔵されている。駆動プーリ１８は軸受２２を介してクランクケース４に回転自在に支持され、車両のエンジン（図示しない）から動力を受けて回転される。従って、電磁クラッチ２０がオン作動されると、駆動プーリ１８の回転が駆動軸１０に伝達され、この駆動軸１０は一方向に回転される。

シリンダブロック６内には例えば７個のシリンダボア２４が形成されている。これらシリンダボア２４はシリンダブロック６の周方向に等間隔を存して配置され、駆動軸１０と平行にしてシリンダブロック６をその軸線方向に貫通している。
各シリンダボア２４内には、後述する長さＬ及び径Ｄを有するピストン２６が摺動自在に嵌合され、これらピストン２６の一端はシリンダブロック６からクランクケース４内、すなわち、クランク室２８に突出したテール３０として形成されている。テール３０は一対のシュー３２を有し、これらシュー３２間に斜板３４の外周縁部が摺動自在に挟み付けられている。

斜板３４は駆動軸１０に取り付けられ、この駆動軸１０にはクランクケース４と斜板３４との間に位置するロータ３６が取り付けられている。これら斜板３４及びロータ３６は駆動軸１０と一体に回転し、斜板３４はロータ３６にヒンジ３８を介して連結され、傾動可能に構成されている。更に、駆動軸１０には、コイルスプリング４０がこの駆動軸１０を囲繞するように取り付けられており、このコイルスプリング４０は斜板３４をシリンダブロック６側に押圧付勢している。

一方、シリンダブロック６とシリンダヘッド８との間には円形のバルブプレート４２が挟持されており、このバルブプレート４２は各シリンダボア２４内に、そのピストン２６の他端との間にて圧縮室４４を形成させる。バルブプレート４２にはシリンダボア２４毎に吸入ポート４６及び吐出ポート４８がそれぞれ形成されている。図から明らかなように、バルブプレート４２の径方向でみて、吸入ポート４６は対応する吐出ポート４８の外側に位置付けられている。

シリンダヘッド８は、シリンダブロック６に向けて開口したカップ形状をなし、このカップ形状の開口端はバルブプレート４２に気密に嵌合され、シリンダブロック６に連結される。また、シリンダヘッド８はその内部に互いに独立した環状の吸入室５０と、吐出室５２とを有している。吐出室５２はシリンダヘッド８の中央部に配置され、吸入室５０はその外周側に配置されている。

吸入室５０は各シリンダボア２４の圧縮室４４にそれぞれ吸入弁５４を介して連通することができる。これに対し、吐出室５２は各シリンダボア２４の圧縮室４４にそれぞれ吐出弁５６を介して連通することができる。これら吸入弁５４及び吐出弁５６はリード弁からなる。より詳しくは、吸入弁５４の弁体はシリンダブロック６とバルブプレート４２との間に挟持され、その圧縮室４４内に配置されている。一方、吐出弁５６の弁体は吐出室５２側のバルブプレート４２の面にその弁開度を制限するストッパ５８とともに取付けボルト６０を介して取り付けられている。

吸入室５０及び吐出室５２は冷凍回路の冷媒循環経路６２に接続されており、この冷媒循環経路６２には吐出室５２側から凝縮器６４、膨脹弁６６及び蒸発器６８が順次介挿されている。凝縮器６４及び膨脹弁６６は圧縮機２と同様に車両のエンジンルーム内に配置され、これに対し、蒸発器６８は車両の車室側に配置されている。
そして、圧縮機２の駆動軸１０とともに斜板３４が回転されると、この斜板３４の回転は各ピストン２６の往復運動に変換される。ここで、ピストン２６がそのシリンダボア２４内の圧縮室４４を増加させる方向に移動すると、吸入弁５４が開かれ、吸入室５０から吸入ポート４６を通じて冷媒ガスが吸い込まれる。この後、ピストン２６が圧縮室４４側に向けて移動すると、圧縮室４４内に吸い込まれた冷媒は圧縮され、この圧縮圧が吐出弁５６の締切圧を越えた時点で吐出弁５６が開かれる。この結果、圧縮冷媒は圧縮室４４から吐出ポート４８を通じて吐出室５２内、つまり、冷媒循環経路６２に向けて吐出される。この吐出された冷媒は、この後、凝縮器６４にて凝縮され、そして、膨脹弁６６を通じて気液混合状態の冷媒が蒸発器６８に供給される。この２相の冷媒は蒸発器６８内にて気化し、この気化熱よって蒸発器６８周辺の空気が冷却される。従って、このような冷却空気を車室内に導入させて、車室内の冷房を行うことができる。

この実施形態の圧縮機２では、冷媒にはＨＦＣ−１３４ａではなく、このＨＦＣ−１３４ａよりも高低圧の圧力差の小さい代替冷媒ＨＦＣ−１５２ａが使用されている。そして、この冷媒の使用に伴い、前述したピストン２６の長さ及び径の比率（Ｌ／Ｄ）が、冷媒にＨＦＣ−１３４ａを使用した場合のピストンの長さ及び径の比率（Ｌ₀／Ｄ₀）に比べて小さくされている。より具体的には、ピストン２６の長さ及び径の比率Ｌ／Ｄは、Ｌ₀／Ｄ₀の０．８７３から０．９５０倍に設定されている。これは、例えば、ピストン２６の径Ｄがピストンの径Ｄ₀に等しいとすれば、ピストン２６の長さＬがピストンの長さＬ₀に比べて短くされることになる。

このようにピストン２６の長さ及び径の比率（Ｌ／Ｄ）が小さめに設定されていれば、圧縮機２からの冷媒のブローバイ量を現行冷媒ＨＦＣ−１３４ａを用いた場合と同等にしつつ、代替冷媒ＨＦＣ−１５２ａの物性に適合したピストン形状が構成可能となり、この結果、冷媒の変更に伴うピストン２６への負荷や無駄が小さくなる。
この点に関して詳述すると、この実施形態では、代替冷媒ＨＦＣ−１５２ａの物性に適合したピストン形状を得るべく、ブローバイモデル、ピストン摺動抵抗モデル、及びピストン質量モデルの３つのモデルを用いている。

まず、ブローバイモデルではシリンダボア２４とピストン２６との関係が求められる（図２（ａ））。そして、粘性流と擬制すれば、ブローバイ量ｑは次式で表すことができる。
ｑ＝πＤｈ³（Ｐ₁ ²−Ｐ₂ ²）／（２４ηＰ₂Ｌ）
ここで、
Ｄ：ピストン２６の径
ｈ：シリンダボア２４とピストン２６との隙間の長さ
Ｐ₁：圧力室４４内の圧力（蒸発温度における蒸気圧Ｐｄに相当する）
Ｐ₂：クランク室２８内の圧力（凝縮温度における蒸気圧Ｐｓに相当する）
η：粘度
Ｌ：ピストン２６の長さ
を示す。

すなわち、ブローバイ量ｑは、隙間の長さｈに支配されており、隙間の長さｈの３乗及びＰ₁ ²−Ｐ₂ ²に比例し、一方、粘度η、ピストン２６の長さＬ及び低圧側の圧力Ｐ₂に反比例することが分かる。そして、現行冷媒ＨＦＣ−１３４ａのブローバイ量が適正であるとの判断に基づき、同一のブローバイ量を代替冷媒ＨＦＣ−１５２ａで維持させ、且つ、ピストン２６の径ＤもＨＦＣ−１３４ａを使用した場合のピストンの径Ｄ₀に等しいとすれば、Ｐｄ−Ｐｓの値の小さな代替冷媒ＨＦＣ−１５２ａではピストン２６の長さＬを短くすることが可能となる。

次に、ピストン摺動抵抗モデルではピストン２６に生ずる摺動抵抗（せん断応力）が求められる（図２（ｂ））。
ここで、シリンダボア２４とピストン２６との間には冷凍機油や冷媒が介在し、流体摩擦であると考えられる。そして、冷凍機油のみが介在する場合のせん断応力Ω（摺動抵抗１）は（１／ｈ³）ηＡに比例し、このせん断応力Ωはその冷凍機油の粘度η及び摺動部分の面積Ａに比例する。一方、冷凍機油及び冷媒が介在する場合のせん断応力Ω（摺動抵抗２）は（１／ｈ³）ηＡ^1/2に比例し、このせん断応力Ωはその冷媒が溶解された冷凍機油の粘度η及び摺動部分の面積Ａの１／２乗に比例する。よって、摺動抵抗１は摺動抵抗２よりも大きくなるが、ピストン２６の長さＬが短くなれば摺動部分の面積Ａも小さくなり、いずれの摺動抵抗も小さくなることが分かる。

また、ピストン質量モデルではピストン２６の質量が求められる（図２（ｃ））。
このピストン２６をアルミニウム製とし（密度ρ＝２．７ｇ／ｃｍ³）、テール３０の部分を省略したピストン２６の断面の各寸法をａ＝２．５ｍｍ、ｂ＝６．９ｍｍ、ｃ＝４．５ｍｍ、ｄ＝２６．１ｍｍとする。
以上の３つのモデルに基づき、上記のピストン２６の径、隙間の長さｈや冷媒溶解による粘度ηは現行冷媒ＨＦＣ−１３４ａを用いた場合と同等とし、代替冷媒ＨＦＣ−１５２ａの蒸発温度及び凝縮温度の各蒸気圧の値（１．１７ＭＰａ、０．２６ＭＰａ）を代入して、代替冷媒ＨＦＣ−１５２ａを用いた場合のピストンの長さＬやピストンの径Ｄを求める。

より詳しくは、図３及び図４に示されるように、Ｌ／Ｄ（Ｄ＝Ｄ₀＝３１．５ｍｍ）を１から１．５までの範囲内に設定すると、まず、代替冷媒ＨＦＣ−１５２ａ及び現行冷媒ＨＦＣ−１３４ａの各ブローバイ量が求められる。具体的には、代替冷媒ＨＦＣ−１５２ａのブローバイ量は現行冷媒ＨＦＣ−１３４ａの下側に位置する。
ここで、ピストン２６の摺動抵抗については、図３に示されるように、Ｌ／Ｄが１のときを基準として上記摺動抵抗１及び摺動抵抗２が求められる。そして、現行冷媒ＨＦＣ−１３４ａのＬ₀／Ｄ₀が約１．４９０であることを鑑み、この現行冷媒ＨＦＣ−１３４ａのブローバイ量が適正であるとの判断に基づいて、同一のブローバイ量を達成できる代替冷媒ＨＦＣ−１５２ａを用いた場合のピストンの長さとピストンの径との比率を求めれば、Ｌ／Ｄは約１．３０１となり、（Ｌ／Ｄ）／（Ｌ₀／Ｄ₀）が０．８７３となる。また、この場合の摺動抵抗１は、現行冷媒ＨＦＣ−１３４ａにおける摺動抵抗の約８７％に低減できる。

次に、ピストン２６の質量については、図４に示されるように、Ｌ／Ｄが約１．３０１の場合のピストン２６の質量は、現行冷媒ＨＦＣ−１３４ａにおけるピストンの質量の約９３％（削減量約２．２ｇ）に削減できる。
一方、同一のブローバイ量と擬制可能なピストン２６の長さ及び径の比率を求めると、Ｌ／Ｄは約１．４１６となり、（Ｌ／Ｄ）／（Ｌ₀／Ｄ₀）が０．９５０となる。また、Ｌ／Ｄが約１．４１６の場合のピストン２６の質量は、現行冷媒ＨＦＣ−１３４ａにおけるピストンの質量の約９６％（削減量約１．１ｇ）に削減できる。

従って、（Ｌ／Ｄ）／（Ｌ₀／Ｄ₀）が０．８７３から０．９５０の範囲内に設定されていれば、現行冷媒ＨＦＣ−１３４ａと同一のブローバイ量を維持しつつ、代替冷媒ＨＦＣ−１５２ａへの変更に伴うピストンの負荷や無駄が小さくなる。
なお、（Ｌ／Ｄ）／（Ｌ₀／Ｄ₀）が０．８７３未満であるか或いは０．９５０を超えると、同一のブローバイ量が得られず、特に、０．９５０を超えると、ピストンの摺動抵抗やピストンの質量が増加してピストンの負荷や無駄が大きくなり、圧縮機の信頼性が損なわれ得ることになる。

以上のように、ピストン２６の径Ｄを現行冷媒ＨＦＣ−１３４ａにおけるピストンの径Ｄ₀と同じにすれば、ピストン２６の長さＬがピストンの長さＬ₀の約０．８７３から０．９５０倍に短くなる。よって、この実施形態によれば、現行冷媒ＨＦＣ−１３４ａに比して高低圧の圧力差の小さいＨＦＣ−１５２ａを使用しても、ブローバイ量を従来と同等に保持しつつ、ピストン２６の摺動抵抗やピストン２６の質量を低減できる。この結果、圧縮機２の小型化及び軽量化が図られ、また、圧縮機２の製造コストの低廉化にも繋がる。

なお、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能であり、例えば圧縮機２におけるシリンダボア２４は７個に限らず、その数に何ら制約されるものではない。
また、上述の実施形態の如くピストン２６の径Ｄをピストンの径Ｄ₀と同じにし、ピストン２６の長さＬをピストンの長さＬ₀よりも小さくさせる他、ピストン２６の長さＬをピストンの長さＬ₀と同じにし、ピストン２６の径Ｄをピストンの径Ｄ₀よりも大きくさせるか、或いはピストン２６の長さＬ及びピストン２６の径Ｄの双方を変更しても、（Ｌ／Ｄ）／（Ｌ₀／Ｄ₀）を０．８７３から０．９５０の範囲内に設定可能である。

本発明の一実施形態に係る車両用空調装置の圧縮機の断面構成図である。 図１の圧縮機の設計に用いられたモデルを示す図である。 図１の圧縮機におけるピストン形状とブローバイ量及び摺動抵抗との関係を示す図である。 図１の圧縮機におけるピストン形状とブローバイ量及びピストン質量との関係を示す図である。

符号の説明

２ 斜板型圧縮機（圧縮機）
６ シリンダブロック（ハウジング）
２４ シリンダボア
２６ ピストン
４４ 圧縮室
６２ 冷媒循環経路

Claims (3)

1. 冷凍回路の冷媒循環経路に介挿され、圧縮室にて冷媒の吸入工程及び圧縮工程を実行し、高圧の圧縮冷媒を該圧縮室から前記冷媒循環経路に供給する車両用空調装置の圧縮機において、
   該圧縮機は、ハウジングと、該ハウジング内に形成され、前記圧縮室を備えたシリンダボアと、該シリンダボア内を往復運動するピストンとを含み、
   前記冷媒としてＨＦＣ−１３４ａよりも高低圧の圧力差が小さなＨＦＣ−１５２ａを使用し、
   前記冷媒にＨＦＣ−１５２ａを使用した場合に要求されるピストンの長さと該ピストンの径との比率が、前記冷媒にＨＦＣ−１３４ａを使用した場合に要求されるピストンの長さと該ピストンの径との比率に比べて小さくされていることを特徴とする車両用空調装置の圧縮機。
2. 前記冷媒にＨＦＣ−１５２ａを使用した場合に要求されるピストンの長さと該ピストンの径との比率と、前記冷媒にＨＦＣ−１３４ａを使用した場合に要求されるピストンの長さと該ピストンの径との比率との比率が、０．８７３から０．９５０に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の車両用空調装置の圧縮機。
3. 前記冷媒にＨＦＣ−１５２ａを使用した場合に要求されるピストンの長さが、前記冷媒にＨＦＣ−１３４ａを使用した場合に要求されるピストンの長さに比べて短くされていることを特徴とする請求項１又は２に記載の車両用空調装置の圧縮機。

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