JP2008138588A

JP2008138588A - 冷凍回路の往復動型圧縮機

Info

Publication number: JP2008138588A
Application number: JP2006325543A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Terauchi; 清寺内
Original assignee: Sanden Corp
Current assignee: Sanden Corp
Priority date: 2006-12-01
Filing date: 2006-12-01
Publication date: 2008-06-19

Abstract

【課題】吐出冷媒の高圧化を容易にし、且つ、熱負荷の軽減を図ることができる冷凍回路の往復動型圧縮機を提供する。
【解決手段】冷凍回路の往復動型圧縮機は、ハウジング（１６）内に設けられ、シリンダボア（３０）及びピストン（３２）を有する複数の圧縮セルと、これら圧縮セルを２つのグループに分け、各グループを２段階にカスケード接続する中間室（６６）と、中間室（６６）に冷凍回路中の気液分離器から気相の冷媒を導く導入ポート（７６）とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、特に自動車用空調システムのための冷凍回路の往復動型圧縮機に関する。

この種の往復動型圧縮機はそのハウジング内に複数の圧縮セルを備え、各圧縮セルはピストンをそれぞれ含んでいる。これらピストンは主軸の回転に伴って順次往復運動し、これにより、圧縮セル毎に冷媒の吸引から圧縮を経て吐出に至る一連のプロセスが実行される（特許文献１）。
特開2001-027177号公報

一般的に、自動車用空調システムのための圧縮機には冷媒としてR134aが使用されているが、この冷媒は地球温暖化指数(GWP)が非常に高い。このため、特許文献１の圧縮機は、冷媒として地球温暖指数が低い二酸化炭素を使用し、また、近年にあってはCF₃Iを含んだ混合冷媒の使用をも提案されている。
前者の冷媒は圧縮時、その動作温度がR134aに比べて１５０℃を越える高温となり、圧縮機が受ける熱負荷は大きい。これに対して、後者の冷媒ではR134aでの場合と同程度の動作温度に抑えることができるものの、冷媒中含まれるCF₃I中のC-I結合はその結合エネルギが低いために、冷媒自体がその動作温度にて分解し易い。

本発明は上述の事情に基づいてなされたもので、その目的とするところは冷媒の吐出温度の上昇を抑制しつつ、冷媒の高い圧縮効率を確保することができる冷凍回路の往復動型圧縮機を提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明は、ハウジング内に設けられた複数の圧縮セルを備え、これら圧縮セルが回転駆動される主軸の回りに配置されたピストンをそれぞれ含み、主軸の回転に伴いピストンが順次往復運動することにより、圧縮セル毎に冷媒の吸入から圧縮を経て吐出に至る一連のプロセスが実行される冷凍回路の往復動型圧縮機において、本発明の往復動型圧縮機は圧縮セルをプロセスの実行順序に従いカスケード接続する接続部と、この接続部に設けられ、前記圧縮機の冷媒の吐出圧よりも低圧で且つ前記接続部内の冷媒圧よりも高い圧力の冷媒を冷凍回路から前記接続部に受け入れ可能とする導入ポートとを備える（請求項１）。

上述の往復動型圧縮機によれば、冷凍回路から導入ポートを介して接続部に導入される冷媒の温度は圧縮機から吐出される冷媒の吐出温度よりも十分に低い。それ故、カスケード接続でみて上流段の圧縮セルと下流段の圧縮セルとの接続部では、上流段の圧縮セルから吐出された高温の冷媒と導入ポートを通じて導入された低温の冷媒とが混合されることで、下流段の圧縮セルに吸引される冷媒の温度は低下される。

この結果、圧縮機の各圧縮セルにて冷媒の圧縮が繰り返され、圧縮機に要求される吐出冷媒の圧力がたとえ高圧になっても、吐出冷媒の温度上昇は抑制される。
カスケード接続された２つの圧縮セルのピストンはその直径が互いに異なり（請求項２）、この場合、低圧側となる上流段の圧縮セルのピストンの直径は高圧側となる下流段の圧縮セルのピストンの直径よりも大であるのが好ましい。このような構成によれば、高圧側の圧縮セルは低圧側の圧縮セルに比べて冷媒の排斥量が小さくなり、冷媒の比容積の変化にマッチした冷媒の圧縮が可能となる。

具体的には、上述したカスケード接続は２段であって、直径が異なるピストンは主軸の回りに交互に配列されているのが好ましい（請求項３）。この場合、低圧側及び高圧側の圧縮セルが受ける圧縮負荷が異なるとしても、圧縮機全体としては圧縮負荷の分布が主軸の周方向に一様になる。
上述した圧縮機は可変容量式であって、ピストンのストロークを可変するための斜板を含んだ可変容量機構を更に備えているのが好ましく（請求項４）、この場合、可変容量機構は、斜板の傾斜角を変更する変角部（請求項５）を含み、より具体的には、この変角部はハウジング内に形成され、斜板を収容し且つ斜板を介してピストンの背面側に圧力を加えるクランク室を有する（請求項６）。

更に、各圧縮セルは共通の弁板と、この弁板に設けられ、圧縮セル毎に割り当てられた吸入弁及び吐出弁を更に含むこができ（請求項７）、これら吸入弁及び吐出弁は対応した圧縮セルの圧縮室を、カスケード切断段毎に独立した対応する吸入室及び吐出室にそれぞれ連通させるべく開閉される。
そして、冷媒は二酸化炭素（請求項８）又はC-I結合を有する化合物（請求項９）を含むことができる。

請求項１〜９の冷凍回路の往復動型圧縮機は、複数の圧縮セルをカスケード接続する一方、カスケード接続の接続部に冷凍回路からの低圧冷媒を導く導入ポートを設けてあるから、圧縮機に要求される吐出冷媒の吐出圧の高圧化を容易に達成しつつ、吐出冷媒の温度上昇を抑制することができ、圧縮機に加わる熱負荷を低減することができる。
この結果、冷媒として二酸化炭素や熱分解を受け易いCF₃Iの使用が可能となり、地球温暖化を防止するうえで優れた圧縮機の提供が可能となる。

更に、往復動型圧縮機は斜板を使用した機械式の容量可変機構により、その吐出容量を容易に可変することができるから、エネルギ効率を容易に向上させることができ、しかも、構成的にも簡単且つ安価なものとなる。

図１は、自動車用空調システムの冷凍回路を概略的に示す。
冷凍回路は冷媒の循環経路２を備え、この循環経路２に圧縮機４、凝縮器６、第１膨脹弁８、気液分離器１０、第２膨脹弁１２及び蒸発器１４が順次介挿されている。圧縮機４は冷媒を凝縮器６に向けて吐出し、吐出された冷媒は循環経路２を通じて循環する。ここで、循環経路２は、圧縮機４の吐出ポートから凝縮器６を経て第１膨脹弁８に至る高圧域２_Ｈと、第１膨脹弁８から気液分離器１０、第２膨脹弁１２及び蒸発器１４を経て圧縮機４の吸入ポートに至る低圧域２_Ｌとを有し、図１中、吸入ポート及び吐出ポートは参照符号４ａ，４ｂで示されている。

図２は圧縮機４の詳細を示す。
圧縮機４は可変容量式の往復動型であって、そのハウジング１６は図２でみて左側からエンドプレート１８、センタケーシング２０及びシリンダヘッド２２を含み、これらは一体的に結合されている。
センタケーシング２０はその内部にエンドプレート１８に隣接したクランク室２４を有し、一方、センタケーシング２０のシリンダヘッド２２側の部位はシリンダブロック２６として形成されている。

センタケーシング２０内には圧縮ユニット２８が配置され、この圧縮ユニット２８は複数、本実施例の場合には６個の圧縮セルを有する。各圧縮セルはシリンダブロック２６内に形成されたシリンダボア３０と、このシリンダボア３０内に摺動自在に嵌合されたピストン３２とを含む。これら圧縮セルのシリンダボア３０はハウジング１６、即ち、シリンダブロック２６の軸線回りに間隔を存して配置され、シリンダブロック２６を貫通している。

図２から明らかなようにシリンダボア３０は、３個の大径のシリンダボア３０ａと、これらシリンダボア３０ａよりも小径の３個のシリンダボア３０ｂからなり、それ故、ピストン３２もまたそのシリンダボア３０の径に応じて、３個ずつの大径のピストン３２ａと小径のピストン３２ｂとからなる。これらピストン３２ａ，３２ｂ、即ち、シリンダボア３０ａ，３０ｂは図３から明らかなように、シリンダブロック２６の軸線回りに交互に配列されている。

一方、クランク室２４内にはシリンダブロック２６の軸線と同軸にして主軸３４が配置され、この主軸３４はシリンダブロック２６に軸受３６を介して回転自在に支持された内端と、エンドプレート１８を軸受３８及びシールユニット４０を介してハウジング１６の外側に延出する外端とを有する。主軸３４の外端は自動車のエンジンから駆動力を受け、回転駆動可能である。

クランク室２４内にて、主軸３４にはロータ４２が取り付けられており、このロータ４２は主軸３４と一体に回転し、エンドプレート１８にスラスト軸受４４を介して回転自在に支持されている。
また、クランク室２４内には主軸３４を囲むようにして斜板４６が配置され、この斜板４６はロータ４２に変角部、即ち、リンク４８を介して連結されている。リンク４８は主軸３４に対する斜板４６の傾動を許容し、これにより、斜板４６の傾斜角が可変されるようになっている。

更に、斜板４６にはラジアル軸受５０及びスラスト軸受５２を介して揺動板５４が支持され、揺動板５４の自転は自転阻止機構（図示しない）により阻止されている。このような揺動板５４と前述した各ピストン３２とはピストンロッド５６の両端にそれぞれ連結され、これらピストンロッド５６の両端は玉継手として構成されている。
上述したように主軸３４が回転されると、この回転力はロータ４２、斜板４６、揺動板５４及びピストンロッド５６を介し、公知の如くピストン３２の往復運動に変換される。

一方、図２から明らかなようにシリンダブロック２６とシリンダヘッド２２との間には弁板５８がガスケット（図示しない）を介して挟み込まれ、この弁板５８には圧縮セル、即ち、シリンダボア３０毎に割り当てられた吸入孔６０及び吐出孔６２を有する。図２中、シリンダボア３０ａ側の吸入弁６０及び吐出孔６２には同一の添え字「ａ」が付加され、そて、シリンダボア３０ｂ側の吸入孔６０及び吐出孔６２には同一の添え字「ｂ」が付加されている。

弁板５８とシリンダヘッド２２との間には吸入室６４、中間室６６及び吐出室６８が互いに独立して形成されている。吸入室６４は吸入孔６０ａにそれぞれ連通する一方、前述した吸入ポート４ａを通じて循環経路２の低圧域２_Ｌに接続されている。なお、吸入ポート４ａはシリンダヘッド２２に形成されている。
中間室６６は吐出孔６２ａにそれぞれ連通し、これら吐出孔６２を互いに接続している。一方、中間室６６には吸入孔６０ｂもまた連通しており、そして、吐出孔６２ｂは吐出室６８にそれぞれ連通している。吐出室６８は前述した吐出ポート４ｂを介して循環経路２の高圧域２_Ｈに接続され、吐出ポート４ｂもまたシリンダヘッド２２に形成されている。

図３には吸入室６４、中間室６６及び吐出室６８のレイアウトが破線で示されている。図３では、吐出室６８を除き、吸入室６４及び中間室６６のそれぞれは破線で囲まれた円及びこれら破線円を繋ぐ破線で表されている。
図２を再度参照すれば、前述した吸入孔６０及び吐出孔６２は吸入弁７０及び吐出弁７２により開閉可能となっている。これら吸入弁７０及び吐出弁７２は何れもリード弁からなり、また、図２中、吸入弁７０及び吐出弁７２にも、対応する吸入孔６０及び吐出孔６２と同一の添え字「ａ」，「ｂ」が付されている。なお、参照符号７４ａ，７４ｂは対応する吐出弁７２ａ，７２ｂのためのバルブリテーナをそれぞれ示す。

更に、図２に示されるようにシリンダヘッド２２には導入ポート７６が形成されている。この導入ポート７６は中間室６６に連通する一方、図１に示されているように導入経路７８を介して気液分離器１０に接続されている。導入経路７８は気液分離器１０から気相状態の冷媒を導き、導入ポート７６を通じて中間室６６に導入させる。
前述したように主軸３４の回転を受けて、各圧縮セルのピストン３２が順次往復運動するとき、大径のピストン３２ａを有する圧縮セルにあっては、循環経路２の低圧域２_Ｌに連なる吸入室６４から吸入孔６０ａ及び吸入弁７０ａを通じて冷媒を吸入し、吸入した冷媒を圧縮し、その冷媒圧を圧力Ｐａだけ上昇させた後、圧縮冷媒を吐出孔６２ａ及び吐出弁７２ａを通じて中間室６６に吐出する。

一方、小径のピストン３２ｂを有する圧縮セルにあっては、中間室６６から吸入孔６０ｂ及び吸入弁７０ｂを通じて冷媒を吸入し、吸入した冷媒を圧縮し、冷媒圧を圧力Ｐｂだけ更に上昇させた後、圧縮冷媒を吐出孔６２ｂ及び吐出弁７２ｂを通じて吐出室６８に吐出し、この結果、圧縮機４から循環経路２の高圧域２_Ｈを通じ、凝縮器６に向けて供給される。

上述の説明から明らかなように、大径のピストン３２ａを有する圧縮セルと小径のピストン３２ｂとを有する圧縮セルとは、中間室６６を接続部として２段階にカスケード接続されており、しかも、中間室６６には冷凍回路の気液分離器１０から導入経路７８及び導入ポート７６を通じて冷媒が導入されている。
ここで、中間室６６への冷媒は循環経路２の低圧域２_Ｌから導かれているので、その冷媒の温度は圧縮機４から凝縮器６に向かう吐出冷媒の温度よりも十分に低い。それ故、低温の導入冷媒は、カスケード接続でみて大径のピストン３２ａを有する上流段の圧縮セルから中間室６６に吐出された冷媒と混合され、この混合された冷媒が小径のピストン３２ｂを有する下流段の圧縮セルに吸入される。

上述したように下流段の圧縮セルに吸入される冷媒の温度は低いので、下流段の圧縮セルにて冷媒が更に所望の高圧まで圧縮され、そして、吐出室６８に吐出されても、吐出室６８内の冷媒の温度上昇を抑制することができ、圧縮機４が受ける熱負荷を大幅に低減することができる。
この結果、地球の温暖化を防止するために、冷媒に二酸化炭素やCF₃Iを含む化合物が使用されても、圧縮機４はその冷媒に要求される吐出圧まで冷媒を容易に圧縮でき、しかも、吐出冷媒の温度上昇を抑制できることから、CF₃I中のC-I結合が分解されることもない。

ここで、ピストン３２ａ，３２ｂの直径比、即ち、前述した圧力比Ｐｂ／Ｐａは、冷凍回路に要求される高圧側の冷媒圧、つまり、循環経路２の高圧域２_Ｈにて要求される冷媒吐出圧を達成すべく設定されている。
また、下流段における圧縮セルのピストン３２ｂはその直径が上流段における圧縮セルのピストン３２ａよりも小さいので、下流段の圧縮セルが受ける圧縮負荷を抑制でき、下流段の圧縮セルは冷媒の目標冷媒吐出圧を容易に達成することができる。

一方、前述したクランク室２４は吸入室６４及び吐出室６８の双方に、弁板５８及びシリンダブロック２６を貫通する接続通路（図示しない）を介して接続され、そして、クランク室２４と吸入室６４とを接続する接続通路には絞りが介挿され、クランク室２４と吐出室６８とを接続する接続通路には電磁制御弁が介挿されている。この電磁制御弁は吐出室６８からクランク室２４に流入する高圧冷媒の流入量を制御し、クランク室２４内の圧力を調整する。

公知のようにクランク室２４の斜板４６の傾斜角は、圧縮セルからの圧縮反力と斜板４６の背面に加わるクランク室２４内の圧力、即ち、背圧とが釣り合う角度に保持されるので、クランク室２４内の圧力（背圧）が調整されることで、斜板４６の傾斜角、即ち、圧縮セルにおけるピストン３２のストロークが調整され、この結果、圧縮機４の冷媒吐出量が可変されることになる。

図４は前述した冷凍回路の多効サイクルを示したモリエル線図であり、図４中、冷凍回路の構成要素と対応した点には同一の参照符号が付されている。図４から明らかなように、冷凍回路は気液分離器１０を挟む上流側及び下流側のそれぞれに第１及び第２膨脹弁８，１２が配置されているで、第２膨脹弁１２と圧縮機４の吸入ポート４ａとの間でのエンタルピ差ΔＨ_１が第１膨脹弁８と吸入ポート４ａとの間でのエンタルピ差ΔＨ_２よりも増加し、ここでの増加は導入経路７８を経て冷媒の一部が蒸発器１４をバイパスするとしても、エネルギ効率の改善を図ることができる。

なお、冷媒に二酸化炭素が使用される場合、二酸化炭素は図４中、１点鎖線で示されるようにその超臨界域まで圧縮機４にて圧縮され、そして、循環経路２の高圧域２_Ｈには凝縮器６の代わりにガスクーラが介挿される。
本発明は上述した一実施例に制約されるものではなく、種々の変形が可能である。
例えば、本発明の往復動型圧縮機は、固定容量式であってもよいし、その駆動源もまたエンジンに代えて電動機を使用可能である。また、往復動の形式もまた、図示の揺動板式に限らず、片斜板式や他のアキシャルピストン方式であってよい。更に、圧縮セルは３段階以上にカスケード接続されていてよい。

冷凍回路の構成を示した概略図である。図１の圧縮機の詳細を示した断面図である。図２の大小のシリンダボアのレイアウトを示した図である。図１の冷凍回路の多効サイクルを示したモリエル線図である。

符号の説明

２循環経路
１０気液分離器
１６ハウジング
２４クランク室
３０シリンダボア（圧縮セル）
３２ピストン（圧縮セル）
３４主軸
４６斜板
４８リンク（変角部）
５８弁板
６６中間室（接続部）
７０吸入弁
７２吐出弁
７６導入ポート
７８導入経路

Claims

ハウジング内に設けられた複数の圧縮セルを備え、これら圧縮セルが回転駆動される主軸の回りに配置されたピストンをそれぞれ含み、前記主軸の回転に伴い前記ピストンが順次往復運動することにより、前記圧縮セル毎に冷媒の吸入から圧縮を経て吐出に至る一連のプロセスが実行される冷凍回路の往復動型圧縮機において、
前記圧縮セルを前記プロセスの実行順序に従いカスケード接続する接続部と、
前記接続部に設けられ、前記圧縮機の冷媒の吐出圧よりも低圧で且つ前記接続部内の冷媒圧よりも高い圧力の冷媒を前記冷凍回路から前記接続部に受け入れ可能とする導入ポートと
を具備したことを特徴とする冷凍回路の往復動型圧縮機。
カスケード接続された２つの前記圧縮セルの前記ピストンはその直径が互いに異なることを特徴とする請求項１に記載の冷凍回路の往復動型圧縮機。
前記複数の圧縮セルのカスケード接続は２段であって、前記直径が異なるピストンは前記主軸の回りに交互に配列されていることを特徴とする請求項２に記載の冷凍回路の往復動型圧縮機。
前記圧縮機は可変容量式であって、前記ピストンのストロークを可変するための斜板を含んだ可変容量機構を更に備えていることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の冷凍回路の往復動型圧縮機。
前記可変容量機構は、前記斜板の傾斜角を変更する変角部を含むことを特徴とする請求項４に記載の冷凍回路の往復動型圧縮機。
前記変角部は、前記ハウジング内に形成され、前記斜板を収容し且つ前記斜板を介して前記ピストンの背面側に圧力を加えるクランク室を有することを特徴とする請求項５に記載の冷凍回路の往復動型圧縮機。
前記各圧縮セルは共通の弁板と、この弁板に設けられ、前記圧縮セル毎に割り当てられた吸入弁及び吐出弁を更に含み、これら吸入弁及び吐出弁は対応した圧縮セルの圧縮室を、カスケード切断段毎に独立した対応する吸入室及び吐出室にそれぞれ連通させるべく開閉されることを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載の冷凍回路の往復動型圧縮機。
前記冷媒は二酸化炭素であることを特徴とする請求項１〜７の何れかに記載の冷凍回路の往復動型圧縮機。
前記冷媒はC-I結合を有する化合物を含むことを特徴とする請求項１〜７の何れかに記載の冷凍回路の往復動型圧縮機。