JP2006214368A - 気体圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】 気体圧縮機において、システム外に気体を放出することなく、気体圧縮機本体に吸入される気体の吸入圧と気体圧縮機本体から吐出された気体の吐出圧との圧力バランスを自動的に調整する。
【解決手段】 駆動力の供給により運転されるコンプレッサ本体１０と、外部の動力源からコンプレッサ本体１０への駆動力の伝達を断接する電磁クラッチ８０とを備え、コンプレッサ本体１０は、ハウジング２０の内部に、吸入室２５と吐出室２６とが形成され、吸入室２５と吐出室２６との間に、圧縮機構部３０が、吸入室の圧力Ｐｓと吐出室２６の圧力Ｐｄとのバランスに応じて吸入室２５の方向または吐出室２６の方向にスライド変位可能に配設され、圧縮機構部３０のスライド変位によって電磁クラッチ８０の断接が切り替えられるように、圧縮機構部３０と電磁クラッチ８０とが連結されている。
【選択図】 図３

Description

本発明は、気体圧縮機に関し、詳細には気体圧縮機の吸入圧と吐出圧との圧力バランスの調整の改良に関する。

従来より、エアコンディショナ等の空調システムには、冷媒ガス等の気体を圧縮してシステムに循環させるための気体圧縮機が備えられている。

この気体圧縮機は、圧縮作動方式として往復動式や回転式などが実用化されているが、いずれの作動方式によるものであっても、外部から駆動力の供給を受けて運転される。例えば、自動車の空調システムに用いられている気体圧縮機では、自動車のエンジンから駆動力の供給を受けて運転されている。

ここで、エンジン等の外部の動力源を停止させることなく、運転と停止とを任意に切り替えることが求められている気体圧縮機においては、気体圧縮機本体の他に電磁クラッチが備えられ、この電磁クラッチにより、外部の動力源から気体圧縮機本体への駆動力伝達経路を断接して、気体圧縮機本体の運転と停止とを切り替えている。

ところで、気体圧縮機本体に吸入される気体の吸入圧と気体圧縮機本体から吐出された気体の吐出圧とは、この気体圧縮機が用いられる空調システムのスペック等により、所定のバランスが保たれている。

しかし、空調システムが何らかの不調を来すと、この圧力バランスが許容範囲から逸脱する虞がある。このような圧力バランスの問題は、特に吐出圧が許容範囲を超えて上昇する場合に問題となる。

そこで、空調システムの、気体圧縮機本体から吐出された気体が通過する経路上には、この吐出気体をシステムの外部に放出してシステムの吐出圧を所定の許容範囲まで低下させる調整弁が設けられている（特許文献１）。
特開２００４−３６０４９１号公報

ところで、システム内を循環する気体が、調整弁によって大気に放出されると、システム内の気体総量が減少することとなり、システムの熱交換効率が低下する虞がある。特にＧＨＰにおいては、自動車用空調システムにおけるものよりも大量の気体がシステム外に放出されるため、システム内に作動媒体を補充する必要がある。

このため、一時的に気体圧縮機の運転を停止させることになるが、気体を補充し、気体圧縮機の運転を再開し、吐出圧が所定の圧力まで上昇して安定するまでには、手間も時間も掛り、補充気体自体のコストを含めて大きなコストを要することになる。

本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、システム外に気体を放出することなく、気体圧縮機本体に吸入される気体の吸入圧と気体圧縮機本体から吐出された気体の吐出圧との圧力バランスを自動的に調整することができる気体圧縮機を提供することを目的とするものである。

本発明に係る気体圧縮機は、ハウジングの内部で、吸入圧と吐出圧との圧力バランスに応じて圧縮機構部がスライド変位し、この圧縮機構部のスライド変位によって、電磁クラッチの断接の切替えを行わせたものである。

すなわち、本発明に係る気体圧縮機は、駆動力の供給により運転される気体圧縮機本体と、外部の動力源から前記気体圧縮機本体への駆動力の伝達を断接する電磁クラッチとを備え、前記気体圧縮機本体は、ハウジングの内部に、気体が導入される吸入室と気体が吐出される吐出室とが形成され、前記吸入室と前記吐出室との間に、圧縮機構部が、前記吸入室の圧力（吸入圧）と前記吐出室の圧力（吐出圧）とのバランスに応じて前記吸入室の方向または前記吐出室の方向にスライド変位可能に配設され、前記圧縮機構部のスライド変位によって前記電磁クラッチの断接が切り替えられるように、前記圧縮機構部と前記電磁クラッチとが連結されていることを特徴とする。

また、本発明に係る気体圧縮機においては、圧縮機構部の回転軸がスライド方向に延び、電磁クラッチが、圧縮機構部に対して吸入室方向に配設され、回転軸が、電磁クラッチの断接部を構成する駆動側断接体と磁束により従動する従動側断接体とのうち従動側断接体に連結されたものとするのが好ましい。

さらに、本発明に係る気体圧縮機においては、吸入室と吐出室とを気密に隔絶するシールリングが、圧縮機構部の外周面とハウジングの内周面との間に介在されたものとするのが好ましい。

本発明に係る気体圧縮機によれば、ハウジングの内部の吸入室と吐出室との間に配設された圧縮機構部が、吸入圧と吐出圧とのバランスに応じて、吸入室の方向または吐出室の方向にスライド変位する。また、この圧縮機構部は電磁クラッチに連結されているため、圧縮機構部がスライド変位することにより、電磁クラッチの断接が切り替えられる。

したがって、吸入圧と吐出圧との圧力バランスに応じて電磁クラッチが自動的に断接されることとなる。

すなわち、吐出圧が所定の上限値以上に高くなるような圧力バランスのときは、その圧力バランスに応じて圧縮機構部がハウジング内をスライド変位し、この圧縮機構部のスライド変位により、圧縮機構部に連結された電磁クラッチが切断され、電磁クラッチの切断により、気体圧縮機本体への駆動力の供給が停止されて気体圧縮機本体の運転が停止され、気体の吐出が止まって徐々に吐出圧が下がり、圧力バランスが適正範囲に戻される。

また、気体圧縮機本体の運転が停止された後に、吐出圧力が所定の下限値以上に低くなるような圧力バランスに達すると、その圧力バランスに応じて圧縮機構部がハウジング内をスライド変位し、この圧縮機構部のスライド変位により、圧縮機構部に連結された電磁クラッチが接続され、電磁クラッチの接続により、気体圧縮機本体への駆動力の供給が開始されて気体圧縮機本体が運転を再開し、気体の吐出によって徐々に吐出圧が上がり、圧力バランスが適正範囲に戻される。

このように、本発明に係る気体圧縮機によれば、システム外に気体を放出することなく、気体圧縮機本体に吸入される気体の吸入圧と気体圧縮機本体から吐出された気体の吐出圧との圧力バランスを自動的に調整することができる。

しかも、圧力バランスを検出する手段（検出手段）やこの電磁クラッチの断接を切り替える手段（切替手段）、および検出手段によって検出された結果に基づいて切替手段を制御する制御手段などを新たに備える必要がなく、構成の複雑化を防止するとともに製造コストの上昇も抑制することができる。

以下、本発明の気体圧縮機に係る最良の実施形態について、図面を参照して説明する。本実施形態の気体圧縮機は、ＧＨＰ等ヒートポンプサイクルに用いられ、冷媒ガスＲを圧縮するベーンロータリコンプレッサ１００（気体圧縮機）である。

このコンプレッサ１００は、詳細には図１の縦断面に示すように、駆動力の供給により運転されるコンプレッサ本体１０（気体圧縮機本体）と、外部の動力源からコンプレッサ本体１０への駆動力の伝達を断接する電磁クラッチ８０とを備えている。

ここで、コンプレッサ本体１０は、ハウジング２０の内部に圧縮機構部３０が配設された構成である。

ハウジング２０は、相対的に低圧の冷媒ガスＲを外部から内部に導入する吸入ポート２３が形成されたフロントヘッド２１と、相対的に高圧の冷媒ガスＲを内部から外部に吐出する吐出ポート２４が形成されたケース２２とが突き合わされて形成されており、ハウジング２０の内部には、圧縮機構部３０を間に挟んで、吸入ポート２３側に、逆止弁２７を介して吸入ポート２３に連通する吸入室２５が形成され、吐出ポート２４側に、吐出ポート２４に連通するとともに、下部に冷凍機油Ｋが貯留される吐出室２６が形成されている。

すなわち、吸入室２５と吐出室２６との間に、圧縮機構部３０が設けられている。

この圧縮機構部３０は、吸入室２５に供給された低圧の冷媒ガスＲを吸入し、この冷媒ガスＲを圧縮して高圧化し、吐出室２６に吐出させる機構であり、供給された駆動力によって回転するシャフト３１（回転軸）と、このシャフト３１の外側に嵌合し、シャフト３１と一体的に回転する略円柱状のロータ３２と、ロータ３２の外周面外方を取り囲む略楕円形状の内周面輪郭を有するシリンダブロック３３と、ロータ３２の両端面に略当接するフロントサイドブロック３４およびリヤサイドブロック３５と、図２の断面図に示すように、ロータ３２の外周面からの突出量が可変であり、かつロータ３２の軸に対して等角度間隔でロータ３２に埋設された５枚のベーン３６とを備えている。

そして、相隣り合う２枚のベーン３６，３６と、ロータ３２の外周面と、シリンダブロック３３の内周面と、両サイドブロック３４，３５とによって囲まれた空間が、気体圧縮室４０として形成されている。

各ベーン３６は、ベーン３６が埋設されたロータ３２のベーン摺動溝３２ａのロータ中心側に供給される冷凍機油Ｋの油圧を背圧として受けることによって、ロータ３２の外周面から突出し、ベーン３６の突出側先端が、シリンダブロック３３の内周面に沿って、ベーン摺動溝３２ａ内を摺動する。

なお、冷凍機油Ｋは、吐出室２６に貯留されているが、吐出室２６に吐出された高圧の冷媒ガスＲにより、所定の油路４１および各サイドブロック３４，３５の端面に形成された背圧室（サライ溝）３４ａ，３５ａを通って、ベーン摺動溝３２ａに供給される。

このように形成された各気体圧縮室４０は、シャフト３１の回転によってロータ３２が回転すると、各気体圧縮室４０の容積が変化する。そして、吸入室２５と気体圧縮室４０とが連通するようにフロントサイドブロック３４に形成された２つの吸入口３４ｂ，３４ｂを通って、容積増大行程（吸入行程）の気体圧縮室４０に吸入された冷媒ガスＲは、容積縮小行程（圧縮行程）において高温高圧に圧縮され、シリンダブロック３３に設けられた２つの吐出弁３３ａ，３３ａおよびリヤサイドブロック３５に形成された連通孔３５ｂ，３５ｂを通って、吐出室２６に吐出される。

なお、図１に示したように、吸入室２５は、フロントヘッド２１の内面と、フロントサイドブロック３４の外面とによって囲まれた空間であり、吐出室２６は、ケース２２の内面と、リヤサイドブロック３５の外面とによって囲まれた空間である。

また、リヤサイドブロック３５の外面には、連通孔３５ｂ，３５ｂを通過した冷媒ガスＲから、この冷媒ガスＲに混入した冷凍機油Ｋを凝集分離させる油分離器（金網等）４２ａが配設されたサイクロンブロック４２が取り付けられている。そして、この油分離器４２ａによって分離された冷凍機油Ｋは、吐出室２６の下部に滴下して貯められ、各部の潤滑やベーン３６の背圧のために各部に供給される。

さらに、シリンダブロック３３の外周面および両サイドブロック３４，３５の周面には、略円筒状のインナーケース３７が外方から嵌合している。

そして、このインナーケース３７の外周面には、ケース２２の内周面またはフロントヘッド２１の内周面と、インナーケース３７の外周面とにそれぞれ当接して、吸入室２５と吐出室２６とを気密に隔絶する環状のシールリング３８，３９が配設されている。

このように構成された圧縮機構部３０は、ハウジング２０の内部において、シャフト３１の軸方向に沿って、吸入室２５の方向および吐出室２６の方向に、スライド変位可能となっており、シールリング３８，３９がこのスライド変位の際の摩擦力低減部材として機能している。

なお、圧縮機構部３０は、スプリング４３によって、図１に示すように、最も吐出室２６寄りに付勢されており、この状態からは、吸入室２５の方向へのみスライド変位可能であって、吐出室２６の方向へはスライド変位不能であるが、吸入室２５の方向へスライド変位した状態からは、図１に示した状態に復帰する方向すなわち吐出室２６の方向へスライド変位可能となる。

一方、電磁クラッチ８０は、フロントヘッド２１のノーズ部２１ａに、ラジアルボールベアリング８１を介して回転自在に設けられ、外部の動力源によって回転駆動されるプーリ８２（駆動側断接体）と、プーリ８２の内側に設けられ、図示しない電源から供給された電流によって磁化する電磁石８３と、この電磁石８３の磁束によってプーリ８２の側面８２ａに吸引されて当接し、この側面８２ａとの当接摩擦力により、プーリ８２と一体的に回転するアーマチュア８４（従動側断接体）とを備えている。

アーマチュア８４は、プーリ８２の側面８２ａ方向に変位可能の外周側リング部８４ａと、変位しない内周側リング部８４ｂとが、板バネ８４ｃによって連結された構造であり、内周側リング部８４ｂは、シール部材２１ｂによりシールされるとともにフロントヘッド２１のノーズ部２１ａからハウジング２０の外部に突出したシャフト３１の端部に、連結されている。

ここで、図示の状態、すなわち圧縮機構部３０が、最も吐出室２６寄りにスライド変位した状態であって、電磁石８３が電磁吸引力を発生していない状態においては、プーリ８２の側面８２ａとアーマチュア８４の外周側リング部８４ａとの間には、わずかな隙間（クラッチギャップ）が形成されており、これにより、プーリ８２が回転しても、圧縮機構部３０は圧縮動作を行わず、これに対して、電磁石８３が電磁吸引力を発生している状態においては、外周側リング部８４ａが内周側リング部８４ｂに対し、板バネ８４ｃの弾性力に抗して、プーリ８２の側面８２ａ方向に変位し、このプーリ８２の側面８２ａに当接し、プーリ８２の回転が、外周側リング部８４ａ、板バネ８４ｃおよび内周側リング部８４ｂを介してシャフト３１を回転させ、圧縮機構部３０が圧縮動作を行うように、各部の位置関係や、板バネ８４ｃの弾性係数およびスプリング４３の弾性係数等が設定されている。

一方、圧縮機構部３０が、最も吸入室２５寄りにスライド変位した状態では、電磁石８３が電磁吸引力を発生しているか否かに拘わらず、プーリ８２の側面８２ａとアーマチュア８４の外周側リング部８４ａとの間には、板バネ８４ｃの弾性変形量を超える間隙が形成され、これにより、プーリ８２が回転しても、圧縮機構部３０は圧縮動作を行わない。

このように構成された本実施形態に係るベーンロータリコンプレッサ１００は、初期位置においては、圧縮機構部３０は、スプリング４３の付勢力により、スライド変位範囲のうち最も吐出室２６寄りに位置している。

そして、通常の運転時には、図３（ａ）の模式図に示すように、プーリ８２に駆動力が供給されてプーリ８２が回転駆動され、ここで電磁石８３に通電されて電磁吸引力Ｆｃが生じると、アーマチュア８４の外周側リング部８４ａが、板バネ８４ｃの弾性力Ｆｋに抗してプーリ８２の側面８２ａに当接する。

プーリ８２と外周側リング部８４ａとが当接すると、両者８２，８４ａ間の当接摩擦力により、外周側リング部８４ａがプーリ８２と一体的に回転するが、この外周側リング部８４ａは、板バネ８４ｃによって内周側リング部８４ｂと連結されているため、アーマチュア８４の全体が、プーリ８２と一体的に回転する。

さらに、圧縮機構部３０のシャフト３１は、吸入室２５側において、アーマチュア８４の内周側リング部８４ｂと連結されているため、シャフト３１はアーマチュア８４とともに回転する。

このシャフト３１の回転によって、コンプレッサ本体１０は冷媒ガスＲの圧縮動作を開始し、吸入室２５に導入された相対的に低圧の冷媒ガスＲが圧縮され、圧縮機構部３０によって相対的に高圧の冷媒ガスＲとして吐出室２６に吐出される。

ここで、コンプレッサ本体１０の適正な運転状態においては、吸入室２５の内圧Ｐｓ、吐出室２６の内圧Ｐｄ、スプリング４３の付勢力Ｆsp、板バネ８４ｃの弾性力Ｆｋは、吸入室２５の内圧Ｐｓの受圧面積をＳｓ、吐出室２６の内圧Ｐｄの受圧面積をＳｄとすれば、下記式（１）で示す圧力バランスが成立するように設定されている。

Ｆsp＋Ｐｓ・Ｓｓ＋Ｆｋ＞Ｐｄ・Ｓｄ （１）
そして、この式（１）が成立する圧力バランスの範囲では、プーリ８２と外周側リング部８４ａとの当接状態は持続し、圧縮機構部３０の運転は継続される。

一方、この運転状態において、吐出室２６の内圧Ｐｄと吸入室２５の内圧Ｐｓとの圧力バランスが適正範囲から外れた場合、例えば、吐出室２６に通じるヒートポンプサイクルのシステム経路上の障害によって、吐出室２６の内圧Ｐｄが所定圧を超えた高圧となった場合等、式（１）が成立しないとき、すなわち、下記式（２）が成立するときは、この圧力バランスにより、圧縮機構部３０は図３（ｂ）に示すように、吸入室２５寄りにスライド変位する。

Ｆsp＋Ｐｓ・Ｓｓ＋Ｆｋ＜Ｐｄ・Ｓｄ （２）
このとき、圧縮機構部３０のシャフト３１に連結されたアーマチュア８４の内周側リング部８４ｂも、アーマチュア８４がプーリ８２の側面８２ａから離れる方向に変位し、外周側リング部８４ａがプーリ８２の側面８２ａから切離する。

このため、プーリ８２からの駆動力が圧縮機構部３０に伝達されなくなり、圧縮機構部３０による圧縮動作は停止される。

そして、この圧縮動作停止状態が継続すると、吐出室２６の内圧Ｐｄは、システム内のわずかな気密洩れ等によって徐々に下がり、式（１）を満たす圧力バランスにいずれ復帰する。

このとき、圧縮機構部３０は、図３（ａ）に示すように、吐出室２６寄りにスライド変位し、プーリ８２と外周側リング部８４ａとが当接して、圧縮機構部３０の運転が再開される。

このように、本実施形態に係るコンプレッサ１００によれば、システム外に冷媒ガスＲを放出することなく、コンプレッサ本体１０に吸入される冷媒ガスＲの吸入圧Ｐｓとコンプレッサ本体１０から吐出された冷媒ガスＲの吐出圧Ｐｄとの圧力バランスを自動的に調整することができる。

しかも、圧力バランスを検出する手段（例えばプレッシャセンサ）やこの電磁クラッチの断接を切り替える手段（切替手段）、およびプレッシャセンサ等によって検出された結果に基づいて切替手段を制御する制御手段などを新たに備える必要がなく、構成の複雑化を防止するとともに製造コストの上昇も抑制することができる。

また、本実施形態に係るコンプレッサ１００によれば、圧縮機構部３０のシャフト３１（回転軸）がスライド方向に延び、電磁クラッチ８０が、圧縮機構部３０に対して吸入室２５の方向に配設され、シャフト３１が、電磁クラッチ８０の断接部を構成するプーリ８２（駆動側断接体）と、電磁石８３の磁束により従動するアーマチュア８４（従動側断接体）とのうちアーマチュア８４に連結されているため、既存のシャフト３１を、電磁クラッチ８０の断接手段として用いることができ、電磁クラッチ８０を断接させるために新たな電磁クラッチ断接手段を備える必要がなく、製造コストの上昇を抑制することができる。

さらに、本実施形態に係るコンプレッサ１００によれば、吸入室２５と吐出室２６とを気密に隔絶するシールリング３８，３９が、圧縮機構部３０の外周面とハウジング２０の内周面との間に介在されているため、吸入室２５と吐出室２６との気密が確実に確保される。

しかも、シールリング３８，３９は、圧縮機構部３０がハウジング２０に対してスライド変位する際に、圧縮機構部３０の外周面とハウジング２０の内周面との間で滑り、あるいは転動するため、複雑なスライド変位機構を設けることなくハウジング２０に対する圧縮機構部３０の円滑なスライド変位を実現することができる。

なお、本実施形態のコンプレッサ１００の作動説明においては、シールリング３８，３９と圧縮機構部３０の外周面またはハウジング２０の内周面との間で生じる摩擦力については無視しているが、この摩擦力をも考慮して、式（１）や式（２）を設定してもよい。

本発明に係る気体圧縮機の一実施形態であるベーンロータリコンプレッサの縦断面を示す断面図である。 図１に示したコンプレッサのＡ−Ａ線に沿った断面を示す断面図である。 圧力バランスと圧縮機構部のスライド変位動作との関係を説明する図であり、（ａ）は適正な圧力バランス状態におけるスライド状態、（ｂ）は圧力バランスが適正範囲を外れた場合のスライド状態、をそれぞれ示す模式図である。

符号の説明

１０ コンプレッサ本体（気体圧縮機本体）
２０ ハウジング
２５ 吸入室
２６ 吐出室
３０ 圧縮機構部
３１ シャフト（回転軸）
３８，３９ シールリング
４３ スプリング
８０ 電磁クラッチ
８２ プーリ
８２ａ 側面
８４ アーマチュア
８４ａ 外周側リング部
８４ｂ 内周側リング部
８４ｃ 板バネ
１００ ベーンロータリコンプレッサ（気体圧縮機）
Ｐｄ 吐出圧
Ｐｓ 吸入圧
Ｆsp 付勢力
Ｆｋ 弾性力

Claims (3)

1. 駆動力の供給により運転される気体圧縮機本体と、外部の動力源から前記気体圧縮機本体への駆動力の伝達を断接する電磁クラッチとを備え、
   前記気体圧縮機本体は、ハウジングの内部に、気体が導入される吸入室と気体が吐出される吐出室とが形成され、
   前記吸入室と前記吐出室との間に、圧縮機構部が、前記吸入室の圧力と前記吐出室の圧力とのバランスに応じて前記吸入室の方向または前記吐出室の方向にスライド変位可能に配設され、
   前記圧縮機構部のスライド変位によって前記電磁クラッチの断接が切り替えられるように、前記圧縮機構部と前記電磁クラッチとが連結されていることを特徴とする気体圧縮機。
2. 前記圧縮機構部の回転軸が前記スライド方向に延び、前記電磁クラッチが、前記圧縮機構部に対して前記吸入室方向に配設され、前記回転軸が、前記電磁クラッチの断接部を構成する駆動側断接体と磁束により従動する従動側断接体とのうち前記従動側断接体に、連結されたことを特徴とする請求項１に記載の気体圧縮機。
3. 前記吸入室と前記吐出室とを気密に隔絶するシールリングが、前記圧縮機構部の外周面と前記ハウジングの内周面との間に介在されたことを特徴とする請求項１または２に記載の気体圧縮機。
   

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