JP2009058146A - 冷凍空調装置 - Google Patents

Abstract

【課題】可変容量圧縮機内に通常備えられている逆止弁の機能のうち、圧縮機停止時におけるクランク室圧力上昇防止機能と、圧縮機を最小容量で運転しているときの冷媒循環防止機能を、冷凍回路の膨張弁の動作で補うようにし、逆止弁無し圧縮機を実現する。
【解決手段】吐出室からクランク室への連通路の開度を制御することにより圧縮機の吐出容量を制御可能な容量制御弁を備えた可変容量圧縮機と、開度制御可能な膨張弁を有する冷凍空調装置において、該冷凍空調装置の運転を停止する際に、圧縮機停止と実質的に同時に膨張弁の開度を大きくする方向に制御することを特徴とする冷凍空調装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、可変容量圧縮機を用いた冷凍空調装置に関し、とくに、運転停止時に圧縮機内における冷媒の逆流の防止と空調装置内での不要な冷媒循環の防止を、簡素な構成にて達成できるようにした冷凍空調装置に関する。

従来から、容量制御弁を用いた可変容量圧縮機を備えた冷凍空調装置、例えば車両用冷凍空調装置はよく知られており、このような可変容量圧縮機内には下記の理由から、通常、逆止弁を装着している（例えば、特許文献１、２）。
（１）圧縮機停止時において圧縮機内へ冷媒が逆流することを（例えば、吐出室側からクランク室側に冷媒が逆流し、クランク室内が望ましくない高圧になることを）阻止する。（２）空調装置停止時における望ましくない冷媒循環を阻止する。

このような可変容量圧縮機の構造例を、図２を用いて説明する。この図２は、本発明の説明にも共通して使用することとし、逆止弁を装着しているものが従来の構造例であり、逆止弁を装着していないものが本発明における可変容量圧縮機の構造例を示すものとする。

図２において、可変容量圧縮機１は、複数のシリンダボア２を備えたシリンダブロック３と、シリンダブロック３の一端に設けられたフロントハウジング４と、シリンダブロック３の他端にバルブプレート５を介して設けられたリアハウジング６とを備えている。シリンダブロック３とフロントハウジング４とによって規定されるクランク室７を横断して駆動軸８が設けられ、その中央部の周囲には斜板９が配置されている。斜板９は駆動軸８に固着されたロータ１０とヒンジ式連結機構１１を介して連結されており、駆動軸８に対しその傾角が可変可能になっている。なお、ロータ１０と斜板９との間には斜板９を最小傾角方向に向けて付勢するコイルバネ１２が装着され、また、斜板９を挟んで反対側には、斜板９をその最小傾角近傍の位置にてその傾角を増大させる方向に向けて付勢するコイルバネ１３が装着されている。

駆動軸８の一端は、フロントハウジング４の外側に向けて突出したボス部１４内を貫通して外側まで延在しており、図示しない動力伝達装置に連結されている。なお、駆動軸８とボス部１４との間には軸封装置１５が挿入されており、その内部側と外部側とを遮断している。駆動軸８は、ラジアル方向にベアリング１６、１７を介して支持され、スラスト方向にベアリング１８、１９で支持されており、外部駆動源からの動力が動力伝達装置に伝達され、動力伝達装置の回転と同期して回転可能となっている。

各シリンダボア２にはピストン２０が配置され、ピストン２０の圧縮機内部側の一端のくぼみ内には斜板９の外周部が収容され、一対のシュー２１を介してピストン２０と斜板９とが互いに連動する構成となっている。したがって駆動軸８の回転によりピストン２０がシリンダボア２内を往復動することが可能となる。

リアハウジング６には、吸入室２２および吐出室２３が区画形成されており、吸入室２２は、シリンダボア２とは、バルブプレート５に設けられた吸入孔２４、図示しない吸入弁を介して連通し、吐出室２３は、シリンダボア２とは図示しない吐出弁、バルブプレート５に設けられた吐出孔２５を介して連通している。また、シリンダブロック３の上部にはマフラ２６が設けられており、マフラ２６は蓋部材２７とシリンダブロック３上部に形成区画された形成壁２８が図示しないシール部材を介して接合することにより形成されている。

このマフラ２６のマフラ空間２９内に、逆止弁３０が配置されている。逆止弁３０は、吐出通路３１と連通するマフラ空間２９の上流側開口を弁体の前後圧力差に応じて開閉制御し、圧力差が所定の開弁圧よりも小さい場合吐出通路３１を遮断し、圧力差が所定の開弁圧よりも大きい場合吐出通路３１を開放する。従って吐出室２３は、吐出通路３１、逆止弁３０、マフラ空間２９および吐出ポート３２を介して空調装置の下流側と接続されている。

リアハウジング６内には、例えば外部信号により制御可能な容量制御弁３３が設けられている。容量制御弁３３は、吐出室２３とクランク室７とを連通する給気通路３４の開度を調整しクランク室７への吐出ガス導入量を制御する。また、クランク室７内の冷媒は、駆動軸８の外周とベアリング１７との隙間、空間３５およびバルブプレート５に形成された固定オリフィス３６を経由した抽気通路を介して吸入室２２へ流れる。従って、容量制御弁３３によりクランク室７への吐出ガス導入量を調整してクランク室圧力を変化させることにより吐出容量を制御することができるようになっている。なお、吸入室２２には吸入ポート３７が連通されている。

容量制御弁３３は、図３に示すように、弁ハウジング４１に形成され一端が吐出室２３と連通し、他端が弁ハウジング４１と固定コア４２とで区画形成された弁室４３と連通する弁孔４４と、一端が弁室４３と連通し他端がクランク室７と連通弁孔４５と、一端が弁孔４４を開閉し、弁室４３に配設された弁体４６と、弁体４６の他端側に一体形成され、固定コア４２の挿通孔４７に摺動可能に支持されたソレノイドロッド４８と、ソレノイドロッド４８に固定され、固定コア４２と所定の隙間を有して対向配置された可動コア４９と、可動コア４９に内挿され、可動コア４９、ソレノイドロッド４８、弁体４６の一体構成物を開弁方向に付勢する開放バネ５０と、固定コア４２、可動コア４９を収容し、ソレノイドハウジング５１に固定された筒状部材５２と、筒状部材５２の外周でソレノイドハウジング５１内部に配置された電磁コイル部５３とから構成されている。可動コア４９、固定コア４２、ソレノイドハウジング５１は磁性材料で形成され、磁気回路を構成する。筒状部材５２は非磁性材料のステンレス系材料で形成されている。なお、ソレノイドハウジング５１と固定コア４２には吸入室２２と可動コア４９が配設されている空間５４とを連通する、連通孔５５、連通溝５６がそれぞれ形成されており、したがって弁体４６の背面側には吸入室２２内の圧力が連通路５７（図２）を介して作用できる構造となっている。なお、図２における６０は、容量制御弁３３へ外部からの制御信号を送る制御装置を示している。

上記のような容量制御弁３３を備えた可変容量圧縮機１が組み込まれた冷凍回路においては、通常冷凍サイクルを停止すると、上記のようなクラッチレス圧縮機１の場合、容量制御弁３３に停止信号が送られて該制御弁３３が全開になり、ピストン２０の往復動による吐出量が減少するように動作する。容量制御弁３３が全開になると、吐出室２３とクランク室７がつながり、吐出ガスがクランク室７へ流れ込む。このようにガスが流れ込む場合、クランク室７の圧力は上昇するが、逆止弁３０が無い場合と有る場合を比べるとクランク室圧力の上昇の度合いは異なる。つまり、逆止弁３０があることで吐出ガスをクランク室７へ過剰に流すことが防げている。このことは後述するように実験により実証されている。
特許第３５８７０１２号公報 特許第３２５４８５３号公報

ところが、上記のように可変容量圧縮機１内に逆止弁３０が装着されていることによって下記のような問題が生じるおそれがある。
（１）逆止弁により冷媒循環量が減少する。
（２）圧縮機寸法（シリンダブロックやリアハウジングの寸法）の自由度が制約される。（３）コストアップを招く。
（４）圧縮機生産性の悪化を招く。
（５）圧縮機の重量増加を招く。

本発明の課題は、このような逆止弁装着に伴う問題点に着目し、可変容量圧縮機内に通常備えられている逆止弁の機能のうち、圧縮機停止時におけるクランク室圧力上昇防止機能と、圧縮機を最小容量で運転しているときの冷凍回路への冷媒循環防止機能を、冷凍回路に設けられた膨張弁の動作で補うようにし（つまり、膨張弁に逆止弁機能をもたせるようにし）、それによって逆止弁を使用しない可変容量圧縮機を実現し、逆止弁がもたらす上記問題を低減することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る冷凍空調装置は、吐出室からクランク室への連通路の開度を制御することにより圧縮機の吐出容量を制御可能な容量制御弁を備えた可変容量圧縮機と、開度制御可能な膨張弁を有する冷凍空調装置において、該冷凍空調装置の運転を停止する際に、圧縮機停止と実質的に同時に膨張弁の開度を大きくする方向に制御することを特徴とするものからなる。

すなわち、後述の図４、図５を用いて説明する実験結果から、冷凍空調装置の運転を停止した際、冷凍回路に設けられている膨張弁の開度を大きくすることにより、吐出室からクランク室への冷媒ガスの逆流を抑えてクランク室圧力の上昇を防止できることを突き止めた。したがって、膨張弁にこのような動作を行わせることにより、逆止弁が装着されていなくても、従来の逆止弁と同等のクランク室圧力上昇防止機能を持たせることが可能になり、逆止弁が装着されない分、圧縮機の構造が簡素化され、寸法の自由度が緩和され、コストアップや重量増加が抑えられ、圧縮機生産性の悪化も防止されることとなる。

このような本発明に係る冷凍空調装置においては、上記冷凍空調装置の運転を停止する際には上記膨張弁を全開にすることが好ましい。膨張弁を全開にすることによって、より確実にクランク室圧力上昇防止機能が得られる。

また、上記冷凍空調装置の運転停止後圧縮機の吐出室とクランク室が実質的に同圧になったときに、上記膨張弁を閉じることが好ましい。このようにすれば、上記冷凍空調装置の運転停止時のクランク室圧力上昇が防止された後に、膨張弁を閉じることによって冷凍回路内に冷媒が循環することが防止され、空調装置停止時における（つまり、空調装置の冷凍回路の使用が要求されていない時における）望ましくない冷媒循環を阻止することが可能になる。

本発明に係る冷凍空調装置においては、上記のような可変容量圧縮機と膨張弁を備えていることが必要であるが、このような冷凍空調装置は一般に上記圧縮機の下流側に凝縮器またはガスクーラを有し、上記膨張弁の下流側に蒸発器を有しているので、このような冷凍回路構成を採用することが好ましい。

また、上記膨張弁としては、外部信号により開度が制御される膨張弁からなることが好ましい。このような膨張弁を使用することで、所望の弁開閉制御を精度良く行うことができるようになる。

さらに、上記容量制御弁としては、外部信号により開度が制御される容量制御弁からなることが好ましい。このような容量制御弁を使用することで、所望の圧縮機容量制御を精度良く行うことができるようになる。

本発明に係る冷凍空調装置によれば、逆止弁を搭載しない可変容量圧縮機を停止させるとき、圧縮機停止信号にあわせて膨張弁開度を増加させることでクランク室圧力の急激な上昇を抑え、とくに再起動時の圧縮機損傷等を防ぐことができる。また、空調装置の冷凍回路不使用時（非運転時）に膨張弁を閉じるようにすれば、不要な冷媒循環を効率よく阻止することができ、冷凍回路中の蒸発器の凍結等の不具合の発生を効果的に防止することができる。

また、圧縮機に逆止弁を装着しなくてもよいので、逆止弁に要求される開弁圧による通常運転時の冷媒循環量の減少、逆止弁装着による圧縮機の寸法自由度の制約、コストアップ、生産性の悪化、重量増加等の不具合を抑えることが可能になる。

以下に、本発明の望ましい実施の形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施態様に係る、車両用空調装置等に適用される冷凍空調装置７１を示しており、該冷凍空調装置７１は、可変容量圧縮機１と、その下流側に配置された凝縮器またはガスクーラ７２と、その下流側に配置された膨張弁７３と、その下流側に配置された蒸発器７４とを備えた、冷媒が循環される冷凍回路７５を有している。可変容量圧縮機１は、基本的に、前述の図２、図３を用いて説明した構造を有するが、逆止弁３０は装着されていない。各部の詳細は、前述した通りである。膨張弁７３は、本発明の技術思想に基づき、制御装置７６からの外部信号により、開度とその開閉タイミングが制御されるようになっている。

本発明において、逆止弁３０を搭載せずに、膨張弁７３の開閉制御を行う意義について、図４、図５に示す実験結果に基づいて説明する。図４、図５におけるダミーと表しているのは逆止弁（ＤＣＶと表示してある。）無しの場合の実験結果であり、その他は、逆止弁有りの場合の、逆止弁開弁圧を０．２ＭＰａと０．５ＭＰａに設定した場合の実験結果である。また、図４は、冷媒循環量（Ｇｒ）が８５ｋｇ／ｈの場合の膨張弁７３の開度を５０％にした場合、図５は、冷媒循環量（Ｇｒ）が２５０ｋｇ／ｈの場合の膨張弁７３の開度を１００％にした場合の実験結果を示している。Ｐｄは吐出室圧、Ｐｓは吸入室圧、Ｐｃはクランク室圧、Ｐｄｈは吐出ポートでの圧力を、それぞれ示しており、これらの圧力が、圧縮機停止後、時間の経過とともにどのような挙動を示すかを調べた。

図４に示すように、圧縮機停止時において膨張弁開度が中程度時（開度５０％時）では、ダミーとＤＣＶ（逆止弁有り）を比べると、クランク室圧力Ｐｃの上昇度合いは大きく異なり、逆止弁搭載の効果が高いことが分かる。しかし、図５に示すように、膨張弁が大開度時には、ダミーとＤＣＶ（逆止弁有り）を比べると、逆止弁の設定開弁圧にかかわらず、クランク室圧力値に大きな違いがないことが分かる。この結果から、膨張弁開度により、圧縮機停止時における吐出室からクランク室への冷媒の逆流度合いは変化することが分かり、膨張弁が大開度時には、逆止弁の有無にかかわらずクランク室圧力の上昇は殆どなく、逆止弁搭載の意義が実質的に無いことが分かる。換言すれば、膨張弁の開度を大きくすることにより、逆止弁無しでも、圧縮機停止時における吐出室からクランク室への冷媒の逆流、ひいてはクランク室圧の望ましくない上昇を抑えることができることが分かる。この実験結果に基づく事実を制御に利用したのが本発明である。

もし、圧縮機停止時に吐出室からクランク室への冷媒の逆流が生じ、クランク室圧力が過剰に上昇したピークの状態で圧縮機が再起動されると、圧縮機の各機構部分は高い圧力により押さえつけられた状態で起動を開始することになる。このとき一番荷重を受ける場所はリアスラスト軸受（図２におけるベアリング１９）である。場合によってはかじりが発生して圧縮機損傷につながってしまうおそれがある。しかし本発明では、冷凍空調装置の運転を停止する際に（圧縮機の運転を停止する際に）、該圧縮機の停止と実質的に同期させて膨張弁の開度を大きくすることで、クランク室への冷媒の逆流防止を実現でき、クランク室圧力が過剰に上昇することが適切に防止される。この膨張弁の開度は、制御装置７６からの信号によって制御される。膨張弁の開度制御においては、例えば開度を１００％にすることが好ましく、それによってより確実にクランク室圧力の過剰上昇が防止されることになる。

また、冷凍サイクル停止時（不使用時）は、図２に示したようなクラッチレス圧縮機の場合には常に圧縮機が回転していることとなる。特に冬季など冷房が必要とされない機会が多い条件のときでは、外気温度が低いこともあいまって、蒸発器が凍結してしまうことがある。このような凍結防止のために、従来技術では逆止弁をつけることで冷媒の循環を防止している。しかし、逆止弁で循環防止する場合は、冷媒が流れないだけの逆止弁開弁圧に設定しなくてはならず、設定開弁圧によっては逆止弁前後での圧力損失により結果として圧縮機動力の増加を招くことになる。

本発明では逆止弁の搭載が不要であり、圧縮機停止後に（または停止中に）膨張弁を全閉もしくは寸開程度に閉じることにより、冷媒循環を防止する機能を持たせることが可能になる。これによって、上述の蒸発器の凍結等の不具合の発生を適切に防止することが可能になる。

本発明に係る冷凍空調装置は、従来逆止弁を装着していた可変容量圧縮機を備えたあらゆる空調装置に適用でき、圧縮機のタイプとしてもあらゆるタイプ、例えば、クラッチを有するもの、クラッチレスのもの、また、斜板式圧縮機、ワッブルプレート式の圧縮機のいずれにも適用可能である。

本発明の一実施態様に係る冷凍空調装置の概略機器系統図である。 本発明が適用可能な可変容量圧縮機の縦断面図であり、逆止弁を有するものが従来構成、逆止弁の無いものが本発明に係る構成を示す。 図２における容量制御弁の拡大縦断面図である。 実験結果を表しており、膨張弁開度５０％時の逆止弁の有無の比較特性図である。 実験結果を表しており、膨張弁開度１００％時の逆止弁の有無の比較特性図である。

符号の説明

１ 可変容量圧縮機
２ シリンダボア
３ シリンダブロック
４ フロントハウジング
５ バルブプレート
６ リアハウジング
７ クランク室
８ 駆動軸
９ 斜板
１０ ロータ
１１ ヒンジ式連結機構
１２、１３ コイルバネ
１６、１７。１８、１９ ベアリング
２０ ピストン
２１ シュー
２２ 吸入室
２３ 吐出室
２４ 吸入孔
２５ 吐出孔
２６ マフラ
２９ マフラ空間
３０ 逆止弁
３１ 吐出通路
３２ 吐出ポート
３３ 容量制御弁
３４ 給気通路
３７ 吸入ポート
４１ 弁ハウジング
４２ 固定コア
４３ 弁室
４４ 弁孔
４５ 連通弁孔
４６ 弁体
４８ ソレノイドロッド
４９ 可動コア
５０ 開放バネ
５１ ソレノイドハウジング
５２ 筒状部材
５３ 電磁コイル部
５７ 連通路
６０ 制御装置
７１ 冷凍空調装置
７２ 凝縮器またはガスクーラ
７３ 膨張弁
７４ 蒸発器
７５ 冷凍回路
７６ 制御装置

Claims (6)

1. 吐出室からクランク室への連通路の開度を制御することにより圧縮機の吐出容量を制御可能な容量制御弁を備えた可変容量圧縮機と、開度制御可能な膨張弁を有する冷凍空調装置において、該冷凍空調装置の運転を停止する際に、圧縮機停止と実質的に同時に膨張弁の開度を大きくする方向に制御することを特徴とする冷凍空調装置。
2. 前記冷凍空調装置の運転を停止する際に前記膨張弁を全開にする、請求項１に記載の冷凍空調装置。
3. 前記冷凍空調装置の運転停止後圧縮機の吐出室とクランク室が実質的に同圧になったときに、前記膨張弁を閉じる、請求項１または２に記載の冷凍空調装置。
4. 前記冷凍空調装置が、前記圧縮機の下流側に凝縮器またはガスクーラを有し、前記膨張弁の下流側に蒸発器を有している、請求項１〜３のいずれかに記載の冷凍空調装置。
5. 前記膨張弁が外部信号により開度が制御される膨張弁からなる、請求項１〜４のいずれかに記載の冷凍空調装置。
6. 前記容量制御弁が外部信号により開度が制御される容量制御弁からなる、請求項１〜５のいずれかに記載の冷凍空調装置。

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