JP3582917B2 - スクロール型圧縮機 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、カーエアコン用の冷媒圧縮機として使用するのに適したスクロール型圧縮機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来からカーエアコン用の冷媒圧縮機を車両のエンジンによって連続的に駆動するようにして、通常はエンジンと冷媒圧縮機との間に設けられる電磁クラッチのような動力断続手段を省略することにより、構造の簡略化やコストおよび重量の低減を図る所謂「冷媒圧縮機のクラッチレス化」が試みられている。その一つとして、スクロール型圧縮機における固定スクロールの端板に逆止弁を備えた複数個のバイパス孔を開口させるとともに、吐出ポートと吸入ポートの間に電磁開閉弁を備えたバイパス通路を設けて、この電磁開閉弁を開弁させたときには、固定スクロールと旋回スクロールの間に形成される作動室内にある冷媒が圧縮されないで吐出ポートから吸入ポートへ戻ることができるようにして、旋回スクロールを連続的に駆動しながらも０％の吐出容量を達成するものがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
この従来技術によれば、スクロール型圧縮機を連続的に駆動状態においていながら、バイパス通路の電磁開閉弁を単に開閉制御することによって冷媒の吐出容量を０％から１００％へ、或いはその反対に自由に切り換えることができるが、０％容量の運転状態に切り換えた場合に、切り換えた後暫くは密度の低い冷媒がバイパス通路を循環するので、その間は圧縮機駆動のためのトルクは無視することができる程度の大きさになるものの、時間が経過して冷凍サイクル全体が均圧化してくると、バイパス通路を流れる冷媒の密度も次第に高くなって来て、その冷媒がスクロール端板のバイパス孔やバイパス通路を流れる際に圧力損失が増加することによって、圧縮機を駆動するトルクが無視できない程の大きさになるという新たな問題のあることが判って来た。本発明は、従来技術におけるこのような問題に対処して、新規な手段によってこの問題を解消することを発明の目的としている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載した本発明のスクロール型圧縮機においては、通常のスクロール型圧縮機と同様に、吸入ポートから流入する冷媒のような流体が、固定スクロールの渦巻体と、それに噛み合って公転のみをする旋回スクロールの渦巻体との間に形成される作動室内で圧縮され、吐出孔を通過して吐出ポートへ排出されることになるが、制御手段によってバイパス流路を開閉する手段を開くことによってバイパス室と吸入室が連通するので、バイパス室の圧力が低下する結果、複数個のバイパス群孔の逆止弁も開き、冷媒は殆ど圧縮されることなくバイパス室に流出し、バイパス流路から吸入ポートおよび吸入室へ循環するため、スクロール型圧縮機は冷凍サイクルに対して吐出容量０％の運転状態となる。
【０００５】
そのまま時間が経過すると、冷凍サイクル内部の均圧化によってバイパスされる冷媒の密度が徐々に高くなって行き、圧縮機駆動のためのトルクも増大して行くことになるが、請求項１の発明においては０％容量の運転を行うときにバイパス流路を開くだけでなく、それに先立って制御手段によって開閉手段を作動させて吸入ポートを閉じるので、吸入ポートに冷凍サイクルから冷媒が補給されることがなくなり、バイパス流路を循環する冷媒の密度が低くなって、旋回スクロールを駆動していても循環する冷媒がバイパス孔等を通過する際の圧力損失は微小なものとなる結果、圧縮機駆動のためのトルクも問題にならない程度の小さな値を維持することになる。
【０００６】
具体的に、バイパス流路を開閉する手段としては、請求項２に記載しているように、吸入室の冷媒圧力と蒸発器出口の冷媒圧力との差圧によって発生する力と弾性体の付勢力との釣り合いによって移動するスプールを用いるとともに、吸入ポートを開閉する手段としては、吸入室の冷媒圧力と凝縮器入口の冷媒圧力との差圧によって発生する力と弾性体の付勢力との釣り合いによって移動するスプールを用いるのが好適である。
【０００７】
さらにこの場合には、バイパス流路を開閉する手段としてのスプールと、吸入ポートを開閉する手段としてのスプールと、それらのスプールの間に挟まれる弾性体の全てを同一軸線上に配列させるとともに、前者のスプールの直径よりも後者のスプールの直径を大となし、且つ、前者のスプールの端面に蒸発器出口の冷媒圧力を導き、後者のスプールの端面に吐出側の冷媒圧力を導くとともに、それらのスプールの間に挟まれる弾性体のある空間には吸入圧力を導くという請求項３に記載した構成をとることによって、バイパス流路を開閉する手段と吸入ポートを開閉する手段とをコンパクトに纏めることができ、それらの複数の手段が円滑に関連作動するようになる。
【０００８】
本発明は、前述の課題に対してこのような解決手段をもたらすので、それを実施することによってスクロール型圧縮機の０％容量運転の際に駆動トルクを従来よりも低く抑えることが可能になり、冷媒圧縮機のクラッチレス化を達成して、重くて大きく且つ高価な電磁クラッチのような動力断続手段の不要な、構造が簡単で小型軽量のカーエアコンを低コストで提供することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１に本発明の第１実施形態としてのスクロール型圧縮機の構成を示す。図１に示すように、フロントハウジング１に保持された軸受け１１にクランクシャフト５が回転自在に支持されている。クランクシャフト５は図示しないプーリを介してエンジンから動力を受け入れて回転する。クランクシャフト５と一体に、その回転軸線から所定量だけ偏心して形成されたクランク部６には、軸受１０を介して旋回スクロール３が回転自在に支持され、クランクシャフト５の回転を受けて旋回スクロール３が公転運動を行う。
【００１０】
さらに、旋回スクロール３の端板３ａに形成された円形溝９と、フロントハウジング１の端面１ａに形成された円形溝８との間には、複数個の球体１４が保持され、それらによって自転防止機構が構成されるので、旋回スクロールは自転を伴わない公転運動のみを行う。
【００１１】
クランクシャフト５には、旋回スクロール３およびクランク部６の偏心によるアンバランス荷重に釣り合うように、バランスウェイト７が固定されている。また、フロントハウジング１とクランクシャフト５の間にはシャフトシール１３が配設され、圧縮機内部の冷媒およびそれと混合している潤滑油が外部に漏洩することを防止している。
【００１２】
固定スクロール４は複数個のボルトによってフロントハウジング１に締結されている。旋回スクロール３と固定スクロール４にそれぞれ形成された渦巻き形の羽根が噛み合うことによって複数の作動室２０が形成される。
【００１３】
固定スクロール４には吸入ポート２１が開口しており、図示しない冷凍サイクルの蒸発器と配管によって結ばれている。吸入ポート２１はフロントハウジング１と旋回スクロール３および固定スクロール４によって区画形成される吸入室２２と連通可能であり、それらの間は、図１において左右の方向に移動するスプール５２によって連通、或いは遮断される。スプール５０の両端側には制御圧室３４および３６が設けられ、右端側の制御圧室３４は流路３２により吸入室２２と結ばれ、左端側の制御圧室３６は流路３５により吐出室２５と結ばれている。また、制御圧室３４にはスプリング５１が格納され、スプール５０を押圧している。流路３５は切換弁５３によって連通或いは遮断され、切換弁５３と制御圧室３６との間は細孔３７を介して吸入室２２と結ばれている。
【００１４】
固定スクロール４の端板４ａとリヤハウジング２との間の空間は、それらの間に挟まれたミドルプレート１２によってバイパス室２４と吐出室２５に分割されている。固定スクロール４の端板４ａには作動室２０とバイパス室２４とを連通する吐出孔１９とバイパス孔群１７が設けられ、吐出孔１９とバイパス孔群１７のバイパス室２４側出口には、作動室２０への冷媒の逆流を防止する逆止弁１５と弁止板１６が取り付けられている。また、ミドルプレート１２によって分割されたバイパス室２４と吐出室２５は流路２６により結ばれており、流路２６の吐出室２５側の出口には逆止弁２７と弁止板２８が設けられている。
【００１５】
バイパス室２４は、バイパス流路２９によって吸入室２２と結ばれており、図１において左右に移動するスプール５０の位置によって連通或いは遮断される。スプール５０の右端側には制御圧室３１が、左端側には前述の制御圧室３４が形成される。制御圧室３１は流路３０により吸入ポート２１と結ばれ、制御圧室３４は前述のように流路３２により吸入室２２と結ばれている。リヤハウジング２には吐出室２５に開口する吐出ポート２３が設けられており、図示しない冷凍サイクルの凝縮器と配管で結ばれている。
【００１６】
図２はバイパス孔群１７の配置を示すために図１のＩＩ−ＩＩ断面を示したものである。複数の作動室２０が、いかなる場合でもバイパス孔群１７もしくは吐出孔１９のいずれかと連通するように、バイパス孔群１７および吐出孔１９が配設されている。すなわち、作動室２０は常時バイパス可能となっている。
【００１７】
次に第１実施形態としてのスクロール型圧縮機の作用を説明する。上記構成における０％、および１００％の容量切換機構の作動説明図を図３〜６として示す。
図３は切換弁５３によって、流路３５を連通しておいた状態で自動車のエンジンを始動し、１００％容量運転に至る過程を示す。まず、図３の〔１）に示すように自動車エンジンが停止しているときには、スプリング５１の押圧力によって、スプール５０は図中右側に、スプール５２は図中左側の位置にあり、それぞれバイパス流路２９、吸入ポート２１を遮断している。
【００１８】
図３〔１〕のように切換弁５３が流路３５を連通している状態で自動車のエンジンが始動され、圧縮機のクランクシャフト５が回転を始めると、吸入室２２の冷媒は作動室２０において圧縮され、吐出孔１９またはバイパス孔群１７を経てバイパス室２４に吐出され、さらに流路２６を経て、吐出室２５へと流れる。この際、細孔３７が十分に細く、吸入室２２への冷媒の漏れ量が非常に小さいので、吸入室２２の圧力Ｐｓ は低下する。また、制御圧室３１の圧力Ｐ３１は蒸発器出口圧力Ｐｅｖと、制御圧室３４の圧力Ｐ３４は吸入室圧力Ｐｓ と、制御圧室３６の圧力Ｐ３６は凝縮器入口圧力Ｐｃｎと等しくなる。
【００１９】
この段階では、蒸発器出口圧力Ｐｅｖと凝縮器入口圧力Ｐｃｎはほぼ等しい値であるが、スプール５２の受圧面積Ａ５２がスプール５０の受圧面積Ａ５０よりも大きいことと、Ｐ３１÷Ｐ３６， Ｐ３６＞Ｐ３４の関係から、スプール５２が図中右方向に受ける力、
Ｆ５２＝Ａ５２（Ｐ３６−Ｐ３４）
は、スプール５０が左方向に受ける力、
Ｆ５０＝Ａ５０（Ｐ３１−Ｐ３４）
よりも大きくなるので、スプール５０は移動せずに、スプール５２のみがスプリング５１の押圧力に抗して、図３〔２〕に示すように右側に移動して吸入ポート２１を連通する。
【００２０】
吸入ポート２１が連通すると、圧縮機の作動室２０には冷媒が吸入され、所定の圧縮が行われる。これに伴って蒸発器出口圧力Ｐｅｖは低下し、吸入室圧力Ｐｓ は蒸発器出口圧力Ｐｅｖよりも若干低い値（吸入ポート２１での圧力損失分程度低い値）になり、凝縮器入口圧力ＰｃｎはＰｓ ，Ｐｅｖに対して十分高くなることから、スプール５２が図中右方向に受ける力がさらに増加して、安定した１００％容量運転が行われる。
【００２１】
図４の〔１〕および〔２〕は、切換弁５３によって流路３５を遮断しておいた状態で自動車のエンジンを始動し、０％容量運転に至る過程を示す。ここでもまず、自動車エンジンが停止しているときには、図４（１〕に示すようにスプリング５１の押圧力によって、スプール５０は図中右側に、スプール５２は図中左側の位置にあり、それぞれバイパス経路２９、吸入ポート２１を遮断している。
【００２２】
図４〔１〕のように切換弁５３が流路３５を遮断している状態で自動車エンジンが始動されると、吸入室２２の冷媒は作動室２０において圧縮され、吐出孔１９、バイパス孔群１７、バイパス室２４、流路２６を経て、吐出室２５へと流れ、吸入室２２の圧力Ｐｓ は低下する。それによって制御圧室３６の圧力Ｐ３６は次第に低下して吸入室圧力Ｐｓ と等しくなり、制御圧室３４の圧力Ｐ３４は吸入室圧力Ｐｓ と、制御圧室３１の圧力Ｐ３１は蒸発器出口圧力Ｐｅｖと等しくなる。
Ｐ３４＝Ｐ３６ ，Ｐ３１＞Ｐ３４の関係から、スプール５０が図中左方向に受ける力は、
Ｆ５０＝Ａ５０（Ｐ３１−Ｐ３４）
であり、スプール５２が図中右方向に受ける力は、
Ｆ５２＝Ａ５２（Ｐ３６−Ｐ３４）＝０
となる。
【００２３】
吸入室圧力Ｐｓ が所定の圧力まで低下すると、図４〔２〕に示すようにスプール５２は移動せずに、スプール５０のみがスプリング５１の押圧力に抗して図中左側に移動して流路２９を連通する。流路２９が連通すると、バイパス室圧力Ｐｂ と吸入室圧力Ｐｓ が等しくなり、逆止弁２７は閉じ、圧縮機は吐出を行わなくなる。また作動室２０の冷媒はバイパス孔群１７から圧縮されることなくバイパスされ、０％容量運転となる。
【００２４】
このように、第１実施形態の圧縮機においては、スプール５２が吸入ポート２１を閉じて、吸入室圧力Ｐｓ が十分に低下してから０％容量運転が始まるため、バイパス流路２９を通ってバイパスされる冷媒の密度が低くなる。また０％容量運転中は蒸発器、凝縮器からの冷媒は遮断されるため、バイパスされる冷媒密度を低く保つことができ、０％容量時のトルクをより低く抑えることができる。
【００２５】
図５は、自動車のエンジンが回転していて、圧縮機が０％容量運転を行っているときに、切換弁５３によって、流路３５を遮断状態から連通状態に切り換えることによって、０％容量から１００％容量運転に切り換えられる過程を示す。まず、図５〔１〕のように自動車エンジンが回っていて、０％容量運転されているときには、先述のように、スプール５０は図中左側に、スプール５２も図中左側にあり、バイパス経路２９が連通状態、吸入ポート２１は遮断状態になっている。このとき、制御圧室３６の圧力Ｐ３６と制御圧室３４の圧力Ｐ３４は吸入室２２の圧力Ｐｓ と等しく、制御圧室３１の圧力Ｐ３１は蒸発器出口圧力Ｐｅｖと等しい。また蒸発器出口圧力Ｐｅｖは凝縮器入口圧力Ｐｃｎと等しいか、小さいかのいずれかとなる。
【００２６】
この状態で切換弁５３を切り換えて流路３５を連通状態とすると、図５〔２〕に示すように、制御圧室３６の圧力Ｐ３６は凝縮器入口圧力Ｐｃｎと等しくなる。すなわち、Ｐ３１≦Ｐ３６ ，Ｐ３１＞Ｐ３４の関係から、スプール５０が図中左方向に受ける力は、
Ｆ５０＝Ａ５０（Ｐ３１−Ｐ３４）
スプール５２が図中右方向に受ける力は、
Ｆ５２＝Ａ５２（Ｐ３６−Ｐ３４）
となり、Ｆ５２≧Ｆ５０となるため、スプール５０，５２はともに図中右方向へ移動し、バイパス流路２９は遮断状態、吸入ポート２１は連通状態になる。
【００２７】
前述のように、バイパス流路２９が遮断、吸入ポート２１が連通すると、圧縮機には冷媒が吸入されて通常の圧縮が行われる。これに伴い、蒸発器出口圧力Ｐｅｖは低下し、吸入室２２の圧力Ｐｓ は蒸発器出口圧力Ｐｅｖよりも若干低い値（吸入ポート２１での圧力損失分程度低い値）になり、凝縮器入口圧力ＰｃｎはＰｓ およびＰｅｖに対して十分に高くなることから、スプール５２が図中右方向に受ける力がさらに増加して、安定した１００％容量運転が行われる。
【００２８】
図６は、エンジンが回転していて、圧縮機が１００％容量運転を行っているときに、切換弁５３によって流路３５を連通から遮断状態にすることによって、１００％容量から０％容量運転に切り換えられる過程を示す。
【００２９】
まず、自動車エンジンが回転していて、圧縮機が１００％容量運転されているときには、前述のようにスプール５０および５２はともに図中右側にあり、図６〔１〕に示すようにバイパス経路２９は遮断状態、吸入ポート２１は連通状態になっている。このとき制御圧室３１の圧力Ｐ３１は蒸発器出口圧力Ｐｅｖと等しく、制御圧室３４の圧力Ｐ３４は吸入室２２の圧力Ｐｓ と等しいことからＰ３１＝Ｐ３４となる（１００％容量時においては、吸入室圧力Ｐｓ は蒸発器出口圧力Ｐｅｖとほぼ一致する。厳密にはＰｓ はＰｅｖよりも吸入ポート２１における圧力損失分の程度だけ低い値となる）。制御圧室３６の圧力Ｐ３６は凝縮器入口圧力Ｐｃｎと等しく、凝縮器入口圧力Ｐｃｎは吸入室圧力Ｐｓ および蒸発器出口圧力Ｐｅｖよりも大きい。
【００３０】
この状態で、切換弁５３を切り換えて流路３５を遮断状態にすると、細孔３７を経て制御圧室３６の冷媒は徐々に吸入室２２へ放出されるため、制御圧室３６の圧力Ｐ３６は吸入室圧力Ｐｓ と等しくなる。すなわち、Ｐ３４＝Ｐ３６ ，Ｐ３１＝Ｐ３４の関係から、スプール５０が図中左方向に受ける力は、
Ｆ５０＝Ａ５０（Ｐ３１−Ｐ３４）＝０
スプール５２が図中右方向に受ける力は、
Ｆ５２＝Ａ５２（Ｐ３６−Ｐ３４）＝０
となり、図６〔２〕に示すように、スプール５０は移動せず、スプール５２はスプリングの押圧力によって図中左方向に移動する。バイパス通路２９および吸入ポート２１はともに遮断状態になる。
【００３１】
前述のように、バイパス通路２９および吸入ポート２１が遮断されると、吸入室２２の冷媒は作動室２０、吐出孔１９、バイパス孔群１７、バイパス室２４、流路２６を経て、吐出室２５へと流れ、吸入室２２の圧力Ｐｓ は低下する。制御圧室３６の圧力Ｐ３６および制御圧室３４の圧力Ｐ３４も吸入室圧力Ｐｓ と同様に低下する。制御圧室３１の圧力Ｐ３１は蒸発器出口圧力Ｐｅｖと等しい。
【００３２】
吸入室圧力Ｐｓ が所定の値まで低下すると、Ｐ３４＜Ｐ３１ ，Ｐ３６＝Ｐ３４の関係から、スプール５０が図中左方向に受ける力は、
Ｆ５０＝Ａ５０（Ｐ３１−Ｐ３４）
スプール５２が図中右方向に受ける力は、
Ｆ５２＝Ａ５２（Ｐ３６−Ｐ３４）＝０
となり、スプール５２は移動せずに、スプール５０のみがスプリング５１の押圧力に抗して、図中左側に移動して、図６〔３〕に示すように流路２９を連通する。流路２９が連通するとバイパス室圧力Ｐｂ と吸入室圧力Ｐｓ が等しくなるので逆止弁２７が閉じ、圧縮機は吐出を行わなくなる。また作動室２０の冷媒は圧縮されることなくバイパス孔群１７からバイパスされ、バイパス流路２９を通って循環するので０％容量運転となる。
【００３３】
以上の作用によって、本発明の実施形態としてのスクロール型圧縮機は０％−１００％の切換運転ができるだけでなく、０％容量運転状態においては、バイパスされる冷媒の密度を低く保つことができるので、０％容量時の駆動トルクを従来のものよりも低く抑えることが可能になる。
【００３４】
図７に本発明の第２の実施形態としてのスクロール型圧縮機を示す。第１の実施形態では、冷媒が作動室２０を出た後にバイパス室２４、吐出室２５の順に流れるようになっているが、この実施形態では吐出室２５を省略して、リヤハウジング２の中にバイパス室２４′のみを形成し、該室２４′から凝縮器に通じる吐出配管６０の途中に逆止弁６１を設けることによって、第１の実施形態よりも簡単な構成でも同等の作用、効果を奏することができる。
【００３５】
また、第１の実施形態では切換弁５３と制御圧室３６との間の流路３５途中に細孔３７を設けているが、図７に示す第２の実施形態では、スプール５２の側面から吸入室２２へ冷媒が漏れ込むように、スプール５２の周囲あるいはその一部に微小なクリアランスを設けている。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態としてのスクロール型圧縮機の構成を示す縦断面図である。
【図２】バイパス孔群の配置を示すための図１におけるＩＩ−ＩＩ断面図である。
【図３】停止状態から１００％容量運転の状態へ移行する過程の作動を説明するための概念図である。
【図４】停止状態から０％容量運転の状態へ移行する過程の作動を説明するための概念図である。
【図５】運転中に０％容量から１００％容量運転の状態へ移行する過程の作動を説明するための概念図である。
【図６】運転中に１００％容量から０％容量運転の状態へ移行する過程の作動を説明するための概念図である。
【図７】第２実施形態としてのスクロール型圧縮機の構成を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１…フロントハウジング
２…リヤハウジング
３…旋回スクロール
４…固定スクロール
４ａ…固定スクロールの端板
５…クランクシャフト
６…クランク部
１２…ミドルプレート
１５…逆止弁
１７…バイパス孔群
１９…吐出孔
２０…作動室
２１…吸入ポート
２２…吸入室
２３…吐出ポート
２４，２４’…バイパス室
２５…吐出室
２６…流路
２７…逆止弁
２９…バイパス流路
３０…流路
３１…制御圧室
３２…流路
３４…制御圧室
３５…流路
３６…制御圧室
３７…細孔
５０…スプール
５１…スプリング
５２…スプール
５３…切換弁
６０…吐出配管
６１…逆止弁
【発明の属する技術分野】
本発明は、カーエアコン用の冷媒圧縮機として使用するのに適したスクロール型圧縮機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来からカーエアコン用の冷媒圧縮機を車両のエンジンによって連続的に駆動するようにして、通常はエンジンと冷媒圧縮機との間に設けられる電磁クラッチのような動力断続手段を省略することにより、構造の簡略化やコストおよび重量の低減を図る所謂「冷媒圧縮機のクラッチレス化」が試みられている。その一つとして、スクロール型圧縮機における固定スクロールの端板に逆止弁を備えた複数個のバイパス孔を開口させるとともに、吐出ポートと吸入ポートの間に電磁開閉弁を備えたバイパス通路を設けて、この電磁開閉弁を開弁させたときには、固定スクロールと旋回スクロールの間に形成される作動室内にある冷媒が圧縮されないで吐出ポートから吸入ポートへ戻ることができるようにして、旋回スクロールを連続的に駆動しながらも０％の吐出容量を達成するものがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
この従来技術によれば、スクロール型圧縮機を連続的に駆動状態においていながら、バイパス通路の電磁開閉弁を単に開閉制御することによって冷媒の吐出容量を０％から１００％へ、或いはその反対に自由に切り換えることができるが、０％容量の運転状態に切り換えた場合に、切り換えた後暫くは密度の低い冷媒がバイパス通路を循環するので、その間は圧縮機駆動のためのトルクは無視することができる程度の大きさになるものの、時間が経過して冷凍サイクル全体が均圧化してくると、バイパス通路を流れる冷媒の密度も次第に高くなって来て、その冷媒がスクロール端板のバイパス孔やバイパス通路を流れる際に圧力損失が増加することによって、圧縮機を駆動するトルクが無視できない程の大きさになるという新たな問題のあることが判って来た。本発明は、従来技術におけるこのような問題に対処して、新規な手段によってこの問題を解消することを発明の目的としている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載した本発明のスクロール型圧縮機においては、通常のスクロール型圧縮機と同様に、吸入ポートから流入する冷媒のような流体が、固定スクロールの渦巻体と、それに噛み合って公転のみをする旋回スクロールの渦巻体との間に形成される作動室内で圧縮され、吐出孔を通過して吐出ポートへ排出されることになるが、制御手段によってバイパス流路を開閉する手段を開くことによってバイパス室と吸入室が連通するので、バイパス室の圧力が低下する結果、複数個のバイパス群孔の逆止弁も開き、冷媒は殆ど圧縮されることなくバイパス室に流出し、バイパス流路から吸入ポートおよび吸入室へ循環するため、スクロール型圧縮機は冷凍サイクルに対して吐出容量０％の運転状態となる。
【０００５】
そのまま時間が経過すると、冷凍サイクル内部の均圧化によってバイパスされる冷媒の密度が徐々に高くなって行き、圧縮機駆動のためのトルクも増大して行くことになるが、請求項１の発明においては０％容量の運転を行うときにバイパス流路を開くだけでなく、それに先立って制御手段によって開閉手段を作動させて吸入ポートを閉じるので、吸入ポートに冷凍サイクルから冷媒が補給されることがなくなり、バイパス流路を循環する冷媒の密度が低くなって、旋回スクロールを駆動していても循環する冷媒がバイパス孔等を通過する際の圧力損失は微小なものとなる結果、圧縮機駆動のためのトルクも問題にならない程度の小さな値を維持することになる。
【０００６】
具体的に、バイパス流路を開閉する手段としては、請求項２に記載しているように、吸入室の冷媒圧力と蒸発器出口の冷媒圧力との差圧によって発生する力と弾性体の付勢力との釣り合いによって移動するスプールを用いるとともに、吸入ポートを開閉する手段としては、吸入室の冷媒圧力と凝縮器入口の冷媒圧力との差圧によって発生する力と弾性体の付勢力との釣り合いによって移動するスプールを用いるのが好適である。
【０００７】
さらにこの場合には、バイパス流路を開閉する手段としてのスプールと、吸入ポートを開閉する手段としてのスプールと、それらのスプールの間に挟まれる弾性体の全てを同一軸線上に配列させるとともに、前者のスプールの直径よりも後者のスプールの直径を大となし、且つ、前者のスプールの端面に蒸発器出口の冷媒圧力を導き、後者のスプールの端面に吐出側の冷媒圧力を導くとともに、それらのスプールの間に挟まれる弾性体のある空間には吸入圧力を導くという請求項３に記載した構成をとることによって、バイパス流路を開閉する手段と吸入ポートを開閉する手段とをコンパクトに纏めることができ、それらの複数の手段が円滑に関連作動するようになる。
【０００８】
本発明は、前述の課題に対してこのような解決手段をもたらすので、それを実施することによってスクロール型圧縮機の０％容量運転の際に駆動トルクを従来よりも低く抑えることが可能になり、冷媒圧縮機のクラッチレス化を達成して、重くて大きく且つ高価な電磁クラッチのような動力断続手段の不要な、構造が簡単で小型軽量のカーエアコンを低コストで提供することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１に本発明の第１実施形態としてのスクロール型圧縮機の構成を示す。図１に示すように、フロントハウジング１に保持された軸受け１１にクランクシャフト５が回転自在に支持されている。クランクシャフト５は図示しないプーリを介してエンジンから動力を受け入れて回転する。クランクシャフト５と一体に、その回転軸線から所定量だけ偏心して形成されたクランク部６には、軸受１０を介して旋回スクロール３が回転自在に支持され、クランクシャフト５の回転を受けて旋回スクロール３が公転運動を行う。
【００１０】
さらに、旋回スクロール３の端板３ａに形成された円形溝９と、フロントハウジング１の端面１ａに形成された円形溝８との間には、複数個の球体１４が保持され、それらによって自転防止機構が構成されるので、旋回スクロールは自転を伴わない公転運動のみを行う。
【００１１】
クランクシャフト５には、旋回スクロール３およびクランク部６の偏心によるアンバランス荷重に釣り合うように、バランスウェイト７が固定されている。また、フロントハウジング１とクランクシャフト５の間にはシャフトシール１３が配設され、圧縮機内部の冷媒およびそれと混合している潤滑油が外部に漏洩することを防止している。
【００１２】
固定スクロール４は複数個のボルトによってフロントハウジング１に締結されている。旋回スクロール３と固定スクロール４にそれぞれ形成された渦巻き形の羽根が噛み合うことによって複数の作動室２０が形成される。
【００１３】
固定スクロール４には吸入ポート２１が開口しており、図示しない冷凍サイクルの蒸発器と配管によって結ばれている。吸入ポート２１はフロントハウジング１と旋回スクロール３および固定スクロール４によって区画形成される吸入室２２と連通可能であり、それらの間は、図１において左右の方向に移動するスプール５２によって連通、或いは遮断される。スプール５０の両端側には制御圧室３４および３６が設けられ、右端側の制御圧室３４は流路３２により吸入室２２と結ばれ、左端側の制御圧室３６は流路３５により吐出室２５と結ばれている。また、制御圧室３４にはスプリング５１が格納され、スプール５０を押圧している。流路３５は切換弁５３によって連通或いは遮断され、切換弁５３と制御圧室３６との間は細孔３７を介して吸入室２２と結ばれている。
【００１４】
固定スクロール４の端板４ａとリヤハウジング２との間の空間は、それらの間に挟まれたミドルプレート１２によってバイパス室２４と吐出室２５に分割されている。固定スクロール４の端板４ａには作動室２０とバイパス室２４とを連通する吐出孔１９とバイパス孔群１７が設けられ、吐出孔１９とバイパス孔群１７のバイパス室２４側出口には、作動室２０への冷媒の逆流を防止する逆止弁１５と弁止板１６が取り付けられている。また、ミドルプレート１２によって分割されたバイパス室２４と吐出室２５は流路２６により結ばれており、流路２６の吐出室２５側の出口には逆止弁２７と弁止板２８が設けられている。
【００１５】
バイパス室２４は、バイパス流路２９によって吸入室２２と結ばれており、図１において左右に移動するスプール５０の位置によって連通或いは遮断される。スプール５０の右端側には制御圧室３１が、左端側には前述の制御圧室３４が形成される。制御圧室３１は流路３０により吸入ポート２１と結ばれ、制御圧室３４は前述のように流路３２により吸入室２２と結ばれている。リヤハウジング２には吐出室２５に開口する吐出ポート２３が設けられており、図示しない冷凍サイクルの凝縮器と配管で結ばれている。
【００１６】
図２はバイパス孔群１７の配置を示すために図１のＩＩ−ＩＩ断面を示したものである。複数の作動室２０が、いかなる場合でもバイパス孔群１７もしくは吐出孔１９のいずれかと連通するように、バイパス孔群１７および吐出孔１９が配設されている。すなわち、作動室２０は常時バイパス可能となっている。
【００１７】
次に第１実施形態としてのスクロール型圧縮機の作用を説明する。上記構成における０％、および１００％の容量切換機構の作動説明図を図３〜６として示す。
図３は切換弁５３によって、流路３５を連通しておいた状態で自動車のエンジンを始動し、１００％容量運転に至る過程を示す。まず、図３の〔１）に示すように自動車エンジンが停止しているときには、スプリング５１の押圧力によって、スプール５０は図中右側に、スプール５２は図中左側の位置にあり、それぞれバイパス流路２９、吸入ポート２１を遮断している。
【００１８】
図３〔１〕のように切換弁５３が流路３５を連通している状態で自動車のエンジンが始動され、圧縮機のクランクシャフト５が回転を始めると、吸入室２２の冷媒は作動室２０において圧縮され、吐出孔１９またはバイパス孔群１７を経てバイパス室２４に吐出され、さらに流路２６を経て、吐出室２５へと流れる。この際、細孔３７が十分に細く、吸入室２２への冷媒の漏れ量が非常に小さいので、吸入室２２の圧力Ｐｓ は低下する。また、制御圧室３１の圧力Ｐ３１は蒸発器出口圧力Ｐｅｖと、制御圧室３４の圧力Ｐ３４は吸入室圧力Ｐｓ と、制御圧室３６の圧力Ｐ３６は凝縮器入口圧力Ｐｃｎと等しくなる。
【００１９】
この段階では、蒸発器出口圧力Ｐｅｖと凝縮器入口圧力Ｐｃｎはほぼ等しい値であるが、スプール５２の受圧面積Ａ５２がスプール５０の受圧面積Ａ５０よりも大きいことと、Ｐ３１÷Ｐ３６， Ｐ３６＞Ｐ３４の関係から、スプール５２が図中右方向に受ける力、
Ｆ５２＝Ａ５２（Ｐ３６−Ｐ３４）
は、スプール５０が左方向に受ける力、
Ｆ５０＝Ａ５０（Ｐ３１−Ｐ３４）
よりも大きくなるので、スプール５０は移動せずに、スプール５２のみがスプリング５１の押圧力に抗して、図３〔２〕に示すように右側に移動して吸入ポート２１を連通する。
【００２０】
吸入ポート２１が連通すると、圧縮機の作動室２０には冷媒が吸入され、所定の圧縮が行われる。これに伴って蒸発器出口圧力Ｐｅｖは低下し、吸入室圧力Ｐｓ は蒸発器出口圧力Ｐｅｖよりも若干低い値（吸入ポート２１での圧力損失分程度低い値）になり、凝縮器入口圧力ＰｃｎはＰｓ ，Ｐｅｖに対して十分高くなることから、スプール５２が図中右方向に受ける力がさらに増加して、安定した１００％容量運転が行われる。
【００２１】
図４の〔１〕および〔２〕は、切換弁５３によって流路３５を遮断しておいた状態で自動車のエンジンを始動し、０％容量運転に至る過程を示す。ここでもまず、自動車エンジンが停止しているときには、図４（１〕に示すようにスプリング５１の押圧力によって、スプール５０は図中右側に、スプール５２は図中左側の位置にあり、それぞれバイパス経路２９、吸入ポート２１を遮断している。
【００２２】
図４〔１〕のように切換弁５３が流路３５を遮断している状態で自動車エンジンが始動されると、吸入室２２の冷媒は作動室２０において圧縮され、吐出孔１９、バイパス孔群１７、バイパス室２４、流路２６を経て、吐出室２５へと流れ、吸入室２２の圧力Ｐｓ は低下する。それによって制御圧室３６の圧力Ｐ３６は次第に低下して吸入室圧力Ｐｓ と等しくなり、制御圧室３４の圧力Ｐ３４は吸入室圧力Ｐｓ と、制御圧室３１の圧力Ｐ３１は蒸発器出口圧力Ｐｅｖと等しくなる。
Ｐ３４＝Ｐ３６ ，Ｐ３１＞Ｐ３４の関係から、スプール５０が図中左方向に受ける力は、
Ｆ５０＝Ａ５０（Ｐ３１−Ｐ３４）
であり、スプール５２が図中右方向に受ける力は、
Ｆ５２＝Ａ５２（Ｐ３６−Ｐ３４）＝０
となる。
【００２３】
吸入室圧力Ｐｓ が所定の圧力まで低下すると、図４〔２〕に示すようにスプール５２は移動せずに、スプール５０のみがスプリング５１の押圧力に抗して図中左側に移動して流路２９を連通する。流路２９が連通すると、バイパス室圧力Ｐｂ と吸入室圧力Ｐｓ が等しくなり、逆止弁２７は閉じ、圧縮機は吐出を行わなくなる。また作動室２０の冷媒はバイパス孔群１７から圧縮されることなくバイパスされ、０％容量運転となる。
【００２４】
このように、第１実施形態の圧縮機においては、スプール５２が吸入ポート２１を閉じて、吸入室圧力Ｐｓ が十分に低下してから０％容量運転が始まるため、バイパス流路２９を通ってバイパスされる冷媒の密度が低くなる。また０％容量運転中は蒸発器、凝縮器からの冷媒は遮断されるため、バイパスされる冷媒密度を低く保つことができ、０％容量時のトルクをより低く抑えることができる。
【００２５】
図５は、自動車のエンジンが回転していて、圧縮機が０％容量運転を行っているときに、切換弁５３によって、流路３５を遮断状態から連通状態に切り換えることによって、０％容量から１００％容量運転に切り換えられる過程を示す。まず、図５〔１〕のように自動車エンジンが回っていて、０％容量運転されているときには、先述のように、スプール５０は図中左側に、スプール５２も図中左側にあり、バイパス経路２９が連通状態、吸入ポート２１は遮断状態になっている。このとき、制御圧室３６の圧力Ｐ３６と制御圧室３４の圧力Ｐ３４は吸入室２２の圧力Ｐｓ と等しく、制御圧室３１の圧力Ｐ３１は蒸発器出口圧力Ｐｅｖと等しい。また蒸発器出口圧力Ｐｅｖは凝縮器入口圧力Ｐｃｎと等しいか、小さいかのいずれかとなる。
【００２６】
この状態で切換弁５３を切り換えて流路３５を連通状態とすると、図５〔２〕に示すように、制御圧室３６の圧力Ｐ３６は凝縮器入口圧力Ｐｃｎと等しくなる。すなわち、Ｐ３１≦Ｐ３６ ，Ｐ３１＞Ｐ３４の関係から、スプール５０が図中左方向に受ける力は、
Ｆ５０＝Ａ５０（Ｐ３１−Ｐ３４）
スプール５２が図中右方向に受ける力は、
Ｆ５２＝Ａ５２（Ｐ３６−Ｐ３４）
となり、Ｆ５２≧Ｆ５０となるため、スプール５０，５２はともに図中右方向へ移動し、バイパス流路２９は遮断状態、吸入ポート２１は連通状態になる。
【００２７】
前述のように、バイパス流路２９が遮断、吸入ポート２１が連通すると、圧縮機には冷媒が吸入されて通常の圧縮が行われる。これに伴い、蒸発器出口圧力Ｐｅｖは低下し、吸入室２２の圧力Ｐｓ は蒸発器出口圧力Ｐｅｖよりも若干低い値（吸入ポート２１での圧力損失分程度低い値）になり、凝縮器入口圧力ＰｃｎはＰｓ およびＰｅｖに対して十分に高くなることから、スプール５２が図中右方向に受ける力がさらに増加して、安定した１００％容量運転が行われる。
【００２８】
図６は、エンジンが回転していて、圧縮機が１００％容量運転を行っているときに、切換弁５３によって流路３５を連通から遮断状態にすることによって、１００％容量から０％容量運転に切り換えられる過程を示す。
【００２９】
まず、自動車エンジンが回転していて、圧縮機が１００％容量運転されているときには、前述のようにスプール５０および５２はともに図中右側にあり、図６〔１〕に示すようにバイパス経路２９は遮断状態、吸入ポート２１は連通状態になっている。このとき制御圧室３１の圧力Ｐ３１は蒸発器出口圧力Ｐｅｖと等しく、制御圧室３４の圧力Ｐ３４は吸入室２２の圧力Ｐｓ と等しいことからＰ３１＝Ｐ３４となる（１００％容量時においては、吸入室圧力Ｐｓ は蒸発器出口圧力Ｐｅｖとほぼ一致する。厳密にはＰｓ はＰｅｖよりも吸入ポート２１における圧力損失分の程度だけ低い値となる）。制御圧室３６の圧力Ｐ３６は凝縮器入口圧力Ｐｃｎと等しく、凝縮器入口圧力Ｐｃｎは吸入室圧力Ｐｓ および蒸発器出口圧力Ｐｅｖよりも大きい。
【００３０】
この状態で、切換弁５３を切り換えて流路３５を遮断状態にすると、細孔３７を経て制御圧室３６の冷媒は徐々に吸入室２２へ放出されるため、制御圧室３６の圧力Ｐ３６は吸入室圧力Ｐｓ と等しくなる。すなわち、Ｐ３４＝Ｐ３６ ，Ｐ３１＝Ｐ３４の関係から、スプール５０が図中左方向に受ける力は、
Ｆ５０＝Ａ５０（Ｐ３１−Ｐ３４）＝０
スプール５２が図中右方向に受ける力は、
Ｆ５２＝Ａ５２（Ｐ３６−Ｐ３４）＝０
となり、図６〔２〕に示すように、スプール５０は移動せず、スプール５２はスプリングの押圧力によって図中左方向に移動する。バイパス通路２９および吸入ポート２１はともに遮断状態になる。
【００３１】
前述のように、バイパス通路２９および吸入ポート２１が遮断されると、吸入室２２の冷媒は作動室２０、吐出孔１９、バイパス孔群１７、バイパス室２４、流路２６を経て、吐出室２５へと流れ、吸入室２２の圧力Ｐｓ は低下する。制御圧室３６の圧力Ｐ３６および制御圧室３４の圧力Ｐ３４も吸入室圧力Ｐｓ と同様に低下する。制御圧室３１の圧力Ｐ３１は蒸発器出口圧力Ｐｅｖと等しい。
【００３２】
吸入室圧力Ｐｓ が所定の値まで低下すると、Ｐ３４＜Ｐ３１ ，Ｐ３６＝Ｐ３４の関係から、スプール５０が図中左方向に受ける力は、
Ｆ５０＝Ａ５０（Ｐ３１−Ｐ３４）
スプール５２が図中右方向に受ける力は、
Ｆ５２＝Ａ５２（Ｐ３６−Ｐ３４）＝０
となり、スプール５２は移動せずに、スプール５０のみがスプリング５１の押圧力に抗して、図中左側に移動して、図６〔３〕に示すように流路２９を連通する。流路２９が連通するとバイパス室圧力Ｐｂ と吸入室圧力Ｐｓ が等しくなるので逆止弁２７が閉じ、圧縮機は吐出を行わなくなる。また作動室２０の冷媒は圧縮されることなくバイパス孔群１７からバイパスされ、バイパス流路２９を通って循環するので０％容量運転となる。
【００３３】
以上の作用によって、本発明の実施形態としてのスクロール型圧縮機は０％−１００％の切換運転ができるだけでなく、０％容量運転状態においては、バイパスされる冷媒の密度を低く保つことができるので、０％容量時の駆動トルクを従来のものよりも低く抑えることが可能になる。
【００３４】
図７に本発明の第２の実施形態としてのスクロール型圧縮機を示す。第１の実施形態では、冷媒が作動室２０を出た後にバイパス室２４、吐出室２５の順に流れるようになっているが、この実施形態では吐出室２５を省略して、リヤハウジング２の中にバイパス室２４′のみを形成し、該室２４′から凝縮器に通じる吐出配管６０の途中に逆止弁６１を設けることによって、第１の実施形態よりも簡単な構成でも同等の作用、効果を奏することができる。
【００３５】
また、第１の実施形態では切換弁５３と制御圧室３６との間の流路３５途中に細孔３７を設けているが、図７に示す第２の実施形態では、スプール５２の側面から吸入室２２へ冷媒が漏れ込むように、スプール５２の周囲あるいはその一部に微小なクリアランスを設けている。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態としてのスクロール型圧縮機の構成を示す縦断面図である。
【図２】バイパス孔群の配置を示すための図１におけるＩＩ−ＩＩ断面図である。
【図３】停止状態から１００％容量運転の状態へ移行する過程の作動を説明するための概念図である。
【図４】停止状態から０％容量運転の状態へ移行する過程の作動を説明するための概念図である。
【図５】運転中に０％容量から１００％容量運転の状態へ移行する過程の作動を説明するための概念図である。
【図６】運転中に１００％容量から０％容量運転の状態へ移行する過程の作動を説明するための概念図である。
【図７】第２実施形態としてのスクロール型圧縮機の構成を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１…フロントハウジング
２…リヤハウジング
３…旋回スクロール
４…固定スクロール
４ａ…固定スクロールの端板
５…クランクシャフト
６…クランク部
１２…ミドルプレート
１５…逆止弁
１７…バイパス孔群
１９…吐出孔
２０…作動室
２１…吸入ポート
２２…吸入室
２３…吐出ポート
２４，２４’…バイパス室
２５…吐出室
２６…流路
２７…逆止弁
２９…バイパス流路
３０…流路
３１…制御圧室
３２…流路
３４…制御圧室
３５…流路
３６…制御圧室
３７…細孔
５０…スプール
５１…スプリング
５２…スプール
５３…切換弁
６０…吐出配管
６１…逆止弁
Claims (3)
- 吸入ポートおよび吐出ポートを有するハウジングと、前記ハウジング内に形成され前記吸入ポートに連通し得る吸入室と、端板および該端板上に形成された渦巻体からなり前記ハウジング内に固定される固定スクロールと、端板および該端板上に形成された渦巻体からなり前記固定スクロールと噛み合うように組み込まれた旋回スクロールと、前記固定スクロールと前記旋回スクロールの間に複数個形成される作動室と、前記旋回スクロールに公転運動を与えるクランク部を持ち前記ハウジング内に回転自在に支持されている回転軸と、前記旋回スクロールの公転運動のみを許容し自転を阻止する自転防止機構と、前記固定スクロールの後方に固定されたリヤハウジングと、前記固定スクロールと前記リヤハウジングの間に形成され前記吐出ポートと連通するバイパス室と、前記バイパス室に冷凍サイクルの凝縮器からの高圧冷媒の逆流を防止する手段と、前記固定スクロールの端板上に配設され前記バイパス室に連通する複数個のバイパス孔群および吐出孔と、前記バイパス孔群および吐出孔の前記バイパス室側に設けられた逆止弁と、前記バイパス室と前記吸入室を連通するバイパス流路と、前記バイパス流路を開閉する手段と、前記吸入ポートを開閉する手段と、前記吸入ポートを閉じて前記吸入室の圧力が低下した後に前記バイパス流路を開く制御手段を有することを特徴とするスクロール型圧縮機。
- 前記バイパス流路を開閉する手段として、前記吸入室の圧力と蒸発器出口圧力との差圧によって発生する力と弾性体の付勢力との釣り合いによって移動するスプールと、前記吸入ポートを開閉する手段として、前記吸入室の圧力と凝縮器入口圧力との差圧によって発生する力と弾性体の付勢力との釣り合いによって移動するスプールを有することを特徴とする請求項１記載のスクロール型圧縮機。
- 前記吸入ポートを閉じて前記吸入室の圧力が低下した後に前記バイパス流路を開く制御手段として、前記バイパス流路を開閉するスプールと、前記バイパス流路を開閉するスプールと同軸に配置されかつ前記バイパス流路を開閉するスプールよりも直径が大きい前記吸入ポートを開閉するスプールと、前記の２本のスプール間に挟持される弾性体と、前記バイパス流路を開閉するスプールの端面に蒸発器出口圧力を導びく通路と、前記吸入ポートを開閉するスプールの端面に吐出室側の圧力を導びく通路と、該通路を開閉する手段と、前記スプリングが格納される空間に吸入圧力を供給する通路を有することを特徴とする請求項２記載のスクロール型圧縮機。
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| JP31805795A JP3582917B2 (ja) | 1995-12-06 | 1995-12-06 | スクロール型圧縮機 |
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