JP2007231880A - スクロール式圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】クラッチ嵌入時において、入力軸オフセットにシール材が追従できないことによる冷凍機油漏れを防止することである。
【解決手段】固定スクロール３７と可動スクロール３６を有し、可動スクロール３６の入力軸３１がラジアル軸受３２にて支持されて、入力軸３１と断接する電磁クラッチ４０を有するスクロール式圧縮機３０において、圧縮機駆動用エンジン５５が停止中で圧縮機３０の雰囲気温度が設定温度以下のときに電磁クラッチ４０を入力軸３１へ嵌入するように制御する手段を備えた。
【選択図】図３

Description

本発明はスクロール式圧縮機、詳しくはエンジン駆動式ヒートポンプに用いられるスクロール式圧縮機のシール技術に関する。

従来、冷凍サイクルで冷媒を圧縮する圧縮機としてスクロール式圧縮機が用いられている。このスクロール式圧縮機は、渦巻状の曲線で構成される固定スクロールと、それとほぼ同じ形の旋回する可動スクロールとをケーシング内にて組み合わせることで、両スクロールの間に形成される圧縮空間容積を旋回に伴い減少させ吸入ガス冷媒を圧縮する。そして、圧縮空間が次第に減少しながら中心部に向かって移動することで、最終的にはスクロール中心部にある吐出口から吐出ガス冷媒が吐出される。
例えば、可動スクロールの押し付け力を制御することで効率低下や機械損失を防止できるスクロール式圧縮機が特許文献１に開示されている。
特開２００１−２１４８７２号公報

また、従来、エンジンにより圧縮機を駆動するエンジン駆動式ヒートポンプにもスクロール式圧縮機が用いられている。図７を用いて、エンジン駆動によるスクロール式圧縮機（以下、単に圧縮機とする）１３０を駆動する構成について簡単に説明する。
圧縮機１３０は、ケーシング１３３を貫通して外部に突き出ている入力軸１３１によって駆動される。この入力軸１３１が可動スクロール（図示なし）を回転させることで、吸入管１３４より吸入した冷媒ガスを圧縮する圧縮仕事が行なわれる。ここで、入力軸１３１は、ラジアル軸受（ベアリング）１３２にて周方向を固定されている。また、ケーシング１３３内部に封入されている冷媒及び冷凍機油を密閉するため、入力軸１３１がケーシング１３３を貫通する部分（入力軸シール部）はシール材１３５にてシールされている。
エンジン動力は、エンジン（図示なし）に備えられるフライホイール等の駆動プーリー（図示なし）からベルト１４３を介して駆動プーリー１４２に伝達される。電磁クラッチ１４０は、入力軸１３１に固設されたアーマチャ１４５と駆動プーリー１４２とを「接」・「離」とすることで駆動をОＮ・ОＦＦする装置である。駆動プーリー１４２内部に配置されるコイル１４４に電流が流され励磁されると、その磁束によってアーマチャ１４５が駆動プーリー１４２に吸着されて圧接し、アーマチャ１４５と駆動プーリー１４２は摩擦係合により一体化される。

このような電磁クラッチ１４０を介した圧縮機１３０の構成において、入力軸１３１のシール材１３５が合成ゴム製であるとき、冬季などで周囲温度が低い場合に弾性が低下することがある。このとき電磁クラッチ１４０のОＮにより入力軸１３１が軸方向（図７中の矢印Ａ方向）にオフセットした場合、シール材１３５が入力軸１３１に追従できずに入力軸１３１とシール材１３５との間に隙間が生じ、この隙間から圧縮機の潤滑油が漏れることがある（図７中の矢印Ｂ）。
そこで、解決しようとする課題は、クラッチ嵌入時において、入力軸オフセットにシール材が追従できないことによる冷凍機油漏れを防止することである。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

即ち、請求項１においては、固定スクロールと可動スクロールを有し、可動スクロールの入力軸がラジアル軸受にて支持されて、入力軸と断接する電磁クラッチを有するスクロール式圧縮機において、圧縮機駆動用エンジンが停止中で圧縮機の雰囲気温度が設定温度以下のときに電磁クラッチを入力軸へ嵌入するように制御する手段を備えたものである。

請求項２においては、固定スクロールと可動スクロールを有し、可動スクロールの入力軸がラジアル軸受にて支持されて、入力軸と断接するクラッチを有するスクロール式圧縮機において、圧縮機の雰囲気温度が設定温度以下のときに圧縮機駆動用エンジンを設定時間アイドリングさせた後にクラッチを入力軸に嵌入するように制御する手段を備えたものである。

請求項３においては、固定スクロールと可動スクロールを有し、可動スクロールの入力軸がラジアル軸受にて支持されて、入力軸と断接するクラッチを有するスクロール式圧縮機において、クラッチを入力軸に対して軸方向にスライド可能な構成としたものである。

本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。

請求項１においては、電磁クラッチへの通電によるコイルの発熱により、スクロール式圧縮機の雰囲気温度を昇温させシール材の弾性低下を防止できる。すなわち、入力軸のオフセットに対するシール材の追従性を維持することで、冷凍機油の漏れを防止できる。

請求項２においては、クラッチ嵌入前のエンジンアイドリングによる発熱により、スクロール式圧縮機の雰囲気温度を昇温させシール材の弾性を回復できる。すなわち、入力軸のオフセットに対するシール材の追従性を回復することで、冷凍機油の漏れを防止できる。

請求項３においては、クラッチ嵌入による入力軸のオフセット自体を抑制できるため、クラッチ嵌入時の入力軸オフセットに対するシール材の追従不良によって生じる問題を解決できる。

次に、発明の実施の形態を説明する。
図１は本発明の実施例に係るエンジン駆動式ヒートポンプの構成を示した冷媒回路図、図２は実施例１に係る電磁クラッチを示した概略構成図、図３は実施例１及び２に係るＧＨＰ用スクロール式圧縮機の模式断面図である。
図４は実施例１の制御手段を示したフローチャート図である。図５は実施例２の制御手段を示したフローチャート図、図６は実施例３に係るＧＨＰ用スクロール式圧縮機の模式断面図である。
図７は従来のＧＨＰ用スクロール式圧縮機の問題点を示す模式断面図である。

本発明の実施例に係るエンジン駆動式ヒートポンプについて、その構成を図１を用いて簡単に説明する。
エンジン駆動式ヒートポンプ１０は、駆動源としてのエンジン５５から電磁クラッチ４０を介して動力を得て冷媒を圧縮する圧縮機３０と、該圧縮機３０の吐出側に接続され冷房時及び暖房時で冷媒の流れを切り換える四方弁２１と、冷房時に圧縮機３０から四方弁２１を介して吐出冷媒が供給される室外熱交換器１１と、該室外熱交換器１１に室外空気を導いて熱交換を促進させる室外ファン１５と、暖房時に圧縮機３０から四方弁２１を介して吐出冷媒が供給される室内熱交換器１２と、該室内熱交換器１２に室内空気を導いて熱交換を促進させる室内ファン１６と、室外熱交換器１１及び室内熱交換器１２間に配設される室外熱交換器膨張弁２２とを有しており、これらで構成される冷媒サイクルを用いるものである。

前記圧縮機３０は、その吸入側からガス冷媒を吸引・圧縮し、高温・高圧のガス冷媒を吐出する。圧縮機３０の吐出側には、吐出経路２６を介して前記四方弁２１が接続されており、この吐出経路２６にはガス冷媒中に含まれる冷凍機油を分離して圧縮機３０の吸入側に戻すためのオイルセパレータ１７が設けられている。すなわち、圧縮機３０から吐出されるガス冷媒は、オイルセパレータ１７を介して前記四方弁２１へと流入し、この四方弁２１にて所定の方向に導かれる。また、圧縮機３０に吸引されるガス冷媒も四方弁２１にて導かれるため、圧縮機３０の冷媒吸入側と四方弁２１とは吸入経路２７により接続されている。

前記四方弁２１は、前記室外熱交換器１１の一端側に接続されており、この室外熱交換器１１の他端側には、レシーバ１８が接続されている。一方、室内熱交換器１２は、一端が、液側連絡配管を介して、前記レシーバ１８に接続されており、他端は、ガス側連絡配管を介して、四方弁２１に接続されている。
廃熱回収器１３は、前記室外熱交換器膨張弁２２と前記レシーバ１８の間から分岐し、吸入経路２７に接続される経路に設けられている。該経路には、吸入経路２７に向かって廃熱回収器膨張弁２４、過冷却熱交換器１４、前記廃熱回収器１３の順にて、これらが直列に接続されている。前記経路を通過する冷媒は、蒸発潜熱により、レシーバ１８内の液冷媒を、過冷却熱交換器１４にて過冷却し、廃熱回収器１３でエンジン冷却水からエンジン５５の廃熱を回収して蒸発する。

バイパス経路２８は、吐出経路２６と吸入経路２７とを短絡するバイパス経路である。バイパス経路２８には、減圧機構としてバイパス電磁弁２５が設けられている。減圧機構は本実施例では電磁弁としたが、膨張弁又はキャピラリでも構わない。このバイパス経路２８は、圧縮機３０の吐出ガスを短絡して吸入経路２７に戻すことで、エンジン駆動式ヒートポンプ１０の高圧上昇を防止する。

次に、エンジン駆動式ヒートポンプ１０における圧縮機３０について、その駆動構成を図２を用いて説明する。
圧縮機３０の駆動プーリー４２は、エンジン５５のフライホイール４１によりベルト４３を介して動力伝達される。この圧縮機３０への駆動の断続、すなわち圧縮機３０の運転・停止の切り換えは、電磁クラッチ４０のオン・オフにより行われる。
電磁クラッチ４０は、内部にコイル４４を配置された駆動プーリー４２と、一端にアーマチャ４５が固設された入力軸３１（図３参照）との間に介装されている。
温度センサー５１は、圧縮機３０の周囲温度を検出するため圧縮機３０の近傍に配置されている。このとき、温度センサー５１はエンジン廃熱等を検出しない位置にあることが必要である。Ｅｎｇｉｎｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ（以下ＥＣＵ）５０は、これらエンジン５５、電磁クラッチ４０及び温度センサー５１と接続されている。

このようにして構成された圧縮機３０の駆動における電磁クラッチ４０のОＮ・ОＦＦ作用について説明する。
電磁クラッチ４０がОＮされた場合、ＥＣＵ５０は駆動プーリー４２内部のコイル１４４に電流を流し励磁する。駆動プーリー４２の磁束により、アーマチャ４５が駆動プーリー４２に吸着する。そして、アーマチャ４５と駆動プーリー４２は摩擦係合により一体化する。すなわち、圧縮機３０の入力軸３１が回転駆動され、圧縮機２は運転状態となる。
一方、電磁クラッチ４０がОＦＦされている場合、すなわちコイル４４励磁されていない状態では、アーマチャ４５と駆動プーリー４２はギャップを隔てて離れており駆動プーリー４２だけが空転する。すなわち、圧縮機２の入力軸３１にエンジン５５の駆動力が伝わらず、圧縮機３０は停止状態となる。

さらに、エンジン駆動式ヒートポンプ１０の圧縮機３０について、その内部構成を図３を用いて簡単に説明する。
スクロール式圧縮機３０（以下、単に圧縮機と省略する）は、渦巻状の曲線で構成される固定スクロール３７と、それとほぼ同じ形の旋回する可動スクロール３６とをケーシング３３内にて組み合わせ配置されている。
ここで、入力軸３１はケーシング３３を貫通して外部に延出している。この入力軸３１は、圧縮機内部側一端に可動スクロール３６が、外部に延出された他端にアーマチャ４５（電磁クラッチ４０の構成部品）が固設されている。また、入力軸３１は、複数のラジアル軸受（ベアリング）３２にて周方向を固定され、ケーシング３３に回転自在に支持されている。そして、ケーシング３３内部に封入されている冷媒及び冷凍機油を密閉するため、入力軸３１がケーシング３３を貫通する部分（入力軸シール部）３９はシール材３５が入力軸３１とケーシング３３の間に介装されてシールされている。
このようにして構成される圧縮機３０は、吸入配管３４より吸入冷媒を吸入し、両スクロール３６・３７の間に形成された圧縮空間容積を旋回に伴い減少させることで吸入ガス冷媒を圧縮する。圧縮空間は次第に減少しながら中心部に向かって移動し、吐出管３８によって吐出冷媒が吐出される。

さらに、圧縮機３０の入力軸３１のシール材３５について、その詳細を同じく図３を用いて説明する。
入力軸３１は、周方向はラジアル軸受３２にて固定されているが、軸方向は電磁クラッチ４０のОＮ・ОＦＦによるアーマチャ４５の軸方向移動に伴いオフセットする。
入力軸３１に挿通されケーシング３３内部にはめ込まれたシール材３５は、圧縮機内部の冷凍機油及び冷媒の漏れを防止し，外部からの流体や塵埃の侵入を防止するために用いる密封装置である。密封の原理は，接触する２面間（入力軸３１とシール材３５）の隙間を冷凍機油及び冷媒が通過しうる最小の通路以下に保持することである。本実施例では、断面が円の合成ゴム製リングであるОリングをシール材３５として、取付け溝３９にあらかじめ多少つぶした状態で装着されている。
シール材３５が合成ゴム製リングであるОリングのような場合は、冬季等で周囲温度が低いときにその弾性が低下する。そのため、電磁クラッチОＮにより入力軸３１が軸方向にオフセットした場合、シール材３５が入力軸３１に追従できずに隙間が生じる。
そこで、以下にシール材弾性低下防止制御を実施例１、２として、入力軸オフセットを抑制する圧縮機８０を実施例３として説明する。

ここで、本発明に係る実施例である圧縮機シール材弾性低下防止制御について、そのフローを図４に沿って説明する。
まず、電磁クラッチ４０をＯＮとしてコイルに通電すると、コイル自身が有する抵抗により発熱するので、この熱を入力軸３１に伝えてシール材３５を所定温度まで温めて所定の弾性が得られるようにする方法について説明する。
ＥＣＵ５０は、温度センサー５１によって検出される圧縮機周囲温度Ｔｒを検知して、圧縮機周囲温度Ｔｒが第一設定温度（例えば−３℃）以下であればシール材弾性低下防止制御を実施し、圧縮機周囲温度Ｔｒが第一設定温度（−３℃）よりも高い温度であればシール材弾性低下防止制御は実施しない（Ｓ６１）。シール材弾性低下防止制御が指示された場合、エンジン５５が停止していることを確認する（Ｓ６２）。
次に、ＥＣＵ５０は、電磁クラッチ４０をОＮとする（Ｓ６３）。このとき、通電によるコイル４４の発熱が駆動プーリー４２・入力軸３１に伝達することで、圧縮機３０の周囲温度が上昇しシール材３５の弾性低下が妨げられる。
ＥＣＵ５０は、コイル４４への通電により圧縮機周囲温度Ｔｒが第二設定温度（例えば０℃）以上に上昇するとシール材弾性低下防止が十分であると判断し電磁クラッチ４０をОＦＦとし、圧縮機周囲温度Ｔｒが第二設定温度（０℃）未満であれば電磁クラッチ４０のОＮを継続する。

このように電磁クラッチ４０をОＮとしたときのコイル４４による発熱を利用することで、圧縮機３０の雰囲気温度を上昇させてシール材３５の弾性低下を防止できる。すなわち、入力軸３１のオフセットによってもシール材３５は本来の密封を維持し、圧縮機３０よりの冷凍機油又は冷媒の漏れを防止できるのである。
また、シール材５５の弾性低下を防止するためにヒータ類を別に備える必要が無い。
なお、シール材弾性低下防止制御の設定値（図４参照）はシール材３５の材質物性によって定めれば良く本実施例に限定されるものではない。

さらに、本発明に係る実施例２である圧縮機シール材弾性低下防止制御について、そのフローを図５に沿って説明する。
ＥＣＵ５０は、シール材弾性低下防止制御が指示され、かつエンジン起動が指示された場合、エンジン５５を起動する（Ｓ７１）。次に、温度センサー５１によって検出される圧縮機周囲温度Ｔｒが第三設定温度（例えば０℃）未満であれば、そのままエンジン５５をアイドリングする（Ｓ７２、Ｓ７５）。このとき、エンジン５５の発熱により圧縮機３０の周囲温度が上昇しシール材３５の弾性低下が回復する。
ＥＣＵ５０は、エンジン始動（起動）から設定時間経過すると、圧縮機周囲温度Ｔｒが第三設定温度以上に上昇するので、バイパス電磁弁２５をОＮして（Ｓ７３）圧縮機３０の運転負荷を軽減し、電磁クラッチ４０をОＮとする（Ｓ７４）。但し、エンジン始動からの所定の経過時間を検知することで、圧縮機周囲温度Ｔｒを温度センサー５１で検知する替わりとすることも可能である。

このようにエンジン５５の運転による発熱を利用することで、圧縮機３０の周囲雰囲気温度を上昇させてシール材３５の弾性低下を回復できる。すなわち、入力軸３１のオフセットによってもシール材３５は本来の密封を維持し、圧縮機３０よりの冷凍機油又は冷媒の漏れを防止できるのである。
本実施例はクラッチ機構を電磁クラッチ４０としているが、エンジン５５の発熱を利用しているため、どのようなクラッチ機構においてもシール材３５の弾性低下防止が可能である。
また、本実施例でもシール材５５の弾性低下を防止するためにヒータ類を別に備える必要が無い。
ところで、エンジン５５起動後にクラッチをОＮすると、圧縮機３０起動のトルク変動によりエンジン５５が所定回転数以下となってエンストが発生する恐れがある。しかし、本実施例では、クラッチОＮ前にバイパス電磁弁２５をОＮとしてバイパス回路２８にて吐出経路２６と吸入経路２７を短絡させている（図１参照）。このとき、圧縮機３０の起動負荷が低減されることでエンスト発生を防止している。
なお、本実施例でも実施例１同様に、シール材弾性低下防止制御の設定値はシール材３５の材質物性によって定めれば良い。

さらに、本発明に係る実施例３である入力軸８１が軸方向にスライド可能な圧縮機８０について、その構成を図６を用いて説明する。
圧縮機８０において、可動スクロール８６、固定スクロール８７及びラジアル軸受８２は従来の圧縮機３０と同様であり説明は割愛する。また、シール材３５を含めたケーシング８３の構造も従来の圧縮機３０と同様である。
入力軸８１の一端外周にはスプラインが形成され、該スプライン上にアーマチャ４５が軸方向に摺動自在、かつ、相対回転不能に外嵌され、該入力軸８１の先端にはナット等により構成した抜け止め９０が固定されている。該抜け止め９０と反対側の入力軸８１上にはバネ９１が外嵌され、該バネ９１の一端はアーマチャ４５と当接し、他端は入力軸８１上に設けた係止部に当接させ、該バネ９１によりアーマチャ４５を入力軸８１端方向に付勢している。なお、入力軸８１上に設ける係止部は本実施例では軸径を大きくした段部としているが、リングを外嵌したり、ピンを貫通させたりすることも可能である。こうして、軸方向において、アーマチャ４５は入力軸８１に対してバネ９１の弾性変形量分のみ独立して摺動可能である。一方、周方向については、入力軸８１・バネ９１・アーマチャ４５は一体的に回転する。

このような構成とすることで、電磁クラッチ４０がОＮされた場合でも入力軸８１がオフセットすることを防止できる。すなわち、電磁クラッチ４０がОＮされアーマチャ４５が駆動プーリー４２に吸着されるが、アーマチャ４５は軸方向においてバネ９１の弾性変形量のみ入力軸８１から独立しているため、バネ９１がその弾性変形によってアーマチャ４５のオフセットを吸収できる。
本実施例は、入力軸８１の軸方向オフセット自体を解消している。なお、本実施例ではクラッチ機構を電磁クラッチ４０としたが、入力軸８１が軸方向にオフセットする構成であれば、どのようなクラッチ機構でも本実施例同様の効果が得られる。

本発明の実施例に係るエンジン駆動式ヒートポンプの構成を示した冷媒回路図。 実施例１に係る電磁クラッチを示した概略構成図。 実施例１及び２に係るＧＨＰ用スクロール式圧縮機の模式断面図。 実施例１の制御手段を示したフローチャート図。 実施例２の制御手段を示したフローチャート図。 実施例３に係るＧＨＰ用スクロール式圧縮機の模式断面図。 従来のＧＨＰ用スクロール式圧縮機の問題点を示す模式断面図。

符号の説明

３０ スクロール式圧縮機
３１ 入力軸
３２ ラジアル軸受
３６ 可動スクロール
３７ 固定スクロール
４０ 電磁クラッチ
５５ エンジン

Claims (3)

1. 固定スクロールと可動スクロールを有し、可動スクロールの入力軸がラジアル軸受にて支持されて、入力軸と断接する電磁クラッチを有するスクロール式圧縮機において、
   圧縮機駆動用エンジンが停止中で圧縮機の雰囲気温度が設定温度以下のときに電磁クラッチを入力軸へ嵌入するように制御する手段を備えたことを特徴とするスクロール式圧縮機。
2. 固定スクロールと可動スクロールを有し、可動スクロールの入力軸がラジアル軸受にて支持されて、入力軸と断接するクラッチを有するスクロール式圧縮機において、
   圧縮機の雰囲気温度が設定温度以下のときに圧縮機駆動用エンジンを設定時間アイドリングさせた後にクラッチを入力軸に嵌入するように制御する手段を備えたことを特徴とするスクロール式圧縮機。
3. 固定スクロールと可動スクロールを有し、可動スクロールの入力軸がラジアル軸受にて支持されて、入力軸と断接するクラッチを有するスクロール式圧縮機において、
   クラッチを入力軸に対して軸方向にスライド可能な構成としたことを特徴とするスクロール式圧縮機。