JP3588216B2

JP3588216B2 - 圧縮機および空気調和機

Info

Publication number: JP3588216B2
Application number: JP00698597A
Authority: JP
Inventors: 公二永江
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1997-01-17
Filing date: 1997-01-17
Publication date: 2004-11-10
Anticipated expiration: 2017-01-17
Also published as: JPH10196570A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、能力可変型の圧縮機とその圧縮機を備えた空気調和機に係り、消費エネルギーの低減を図りながら、リニアな能力制御を実現する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の空気調和機では、冷暖房時における室温のオーバシュートやハンチングを防止するため、利用側（室内熱交換器）の能力要求に応じて、熱源側（圧縮機）で能力制御を行うものが主流となっている。圧縮機の能力制御方法としては、インバータ装置を用いて交流電流の周波数を変換し、これにより圧縮機の駆動回転数をリニアに制御するものが多い。この方法によれば、圧縮機の能力を０〜定格点まで任意に変動させることができるため、略完全な空気調和制御が実現可能となる。ところが、インバータ装置には、周波数変換に伴うエネルギーロスが避けられない他、望ましくない電磁波を環境に放出したり、大型のものでは装置コストが高くなる等、種々の問題がある。
【０００３】
そこで、特開平８−２４７５６０号等では、一定速度で駆動される圧縮機構が内装された定速圧縮機を用いながら、パワーセーブ機構や冷媒戻し回路により能力制御を行う能力可変型定速圧縮機が提案されている。パワーセーブ機構は、圧縮機構のシリンダ側壁等に弁装置を付設したもので、この弁装置を開放することにより、例えば、圧縮行程前半における圧縮仕事が行われなくなる。また、冷媒戻し回路は、例えば、圧縮機の吐出側冷媒回路と吸込側冷媒回路との間にバイパス回路を設け、このバイパス回路に介装された弁装置を開放することにより、圧縮後の冷媒の一部を吸込側冷媒回路に環流させる。
【０００４】
能力可変型定速圧縮機を用いることにより、多段階の能力制御が可能となる。例えば、圧縮機の定格能力を４馬力とし、パワーセーブ機構による能力低減量を２馬力、冷媒戻し回路による能力低減量を１馬力とすると、１〜４馬力の範囲で１馬力毎（すなわち、４段階）に能力が切換えられる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した冷媒戻し回路を開放させると、圧縮後の冷媒の一部が吸込側冷媒回路に環流するため、圧縮機は無駄な圧縮仕事を行うことになる。例えば、３馬力の能力で運転が行われる際には、冷媒戻し回路により１馬力の圧縮仕事が廃棄されるが、エネルギー消費は４馬力の能力で運転が行われるときと略同等となる。これにより、インバータ装置と同等あるいはそれ以上のエネルギーロスが発生し、能力可変型定速圧縮機の採用を難しくさせる要因となっていた。また、空気調和機に上述した構成の能力可変型定速圧縮機を用いた場合、能力切換えが１馬力毎にしか行われないため、室温のオーバシュートやハンチングが起こり、被空調空間におけるユーザーの快適性を損なう虞があった。
【０００６】
本発明は上記状況に鑑みなされたものであり、消費エネルギーの低減等を図りながら、リニアな能力制御を実現した圧縮機とこの圧縮機を備えた空気調和機とを提供することを目的としている。
【０００８】
この発明によれば、パワーセイブ手段の遮断弁が閉鎖されると、各圧縮要素において全ての圧縮仕事が行われ、圧縮機は定格能力をもって運転される。また、遮断弁が開放されると、その弁開度に応じた流量をもって、一の圧縮要素の圧縮空間から他の圧縮要素の吸込空間に流体が流出し、圧縮機は能力をリニアにセーブされた状態で運転される。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
そこで、請求項１の発明では、シリンダ内で偏心回転するロータと、このロータの外周面に摺接して吸入空間と圧縮空間とを画成するベーンとからなる圧縮要素を複数有した複ロータ型の圧縮機であって、一の圧縮要素における圧縮空間と他の圧縮要素における吸入空間とを所定の位相で連通させる連通路と、当該連通路内での流体の流通を遮断する遮断弁と、当該遮断弁の弁開度を制御する弁開度制御手段とからなるパワーセイブ手段と、前記圧縮要素の少なくとも一つに設けられ、その圧縮要素の吸入空間と圧縮空間とを連通させる圧縮停止手段とを備え、前記弁開度制御手段により、前記遮断弁の弁開度をリニアに制御するとともに、前記圧縮停止手段を行わせたものを提案する。
【００１０】
この発明によれば、パワーセイブ手段と圧縮停止手段の作動状態とにより、圧縮機は、定格能力をもって運転される他、比較的低出力の状態まで能力をリニアにセーブされた状態でも運転される。
【００１１】
また、請求項３の発明では、請求項１または２記載の圧縮機を備えた空気調和機を提案する。
【００１２】
この発明では、例えば、室外ユニット内に一対の圧縮要素を備えた定速圧縮機を配設し、この定速圧縮機にパワーセーブ手段と圧縮停止手段とを付設する。これにより、両圧縮要素の定格圧縮仕事が同一であれば、パワーセーブ手段および圧縮停止手段の駆動制御を行うことで、インバータを用いることなく、リニアな能力制御が実現される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づき詳細に説明する。図１は、１台の室外ユニット１と複数台の室内ユニット３とからなる空気調和機の概略構成図であり、同図中には実線で冷媒回路を示し、一点鎖線で電気回路を示してある。
【００１４】
室外ユニット１側には、圧縮機５、電磁式の四方弁９、室外熱交換器１１、電動ファン１３、アキュムレータ１５、オイルセパレータ１７等が設置されている。また、室内ユニット３側には、電動膨張弁２１、室内熱交換器２３、電動ファン２５等が設置されている。冷媒回路を構成する機器は、ガス冷媒あるいは液冷媒の流通に供される冷媒配管３１〜４５により接続されている。図中、２７は後述するパワーセーブ機構の駆動に供される比例制御形の電磁弁である。
【００１５】
室外ユニット１内には、ＣＰＵを始め、入出力インタフェースやＲＯＭ、ＲＡＭ等から構成された、室外側コントロールユニット（以下、室外側ＥＣＵと記す）５１が設置されている。室外側ＥＣＵ５１は、内蔵した制御プログラムや図示しない各種センサ等からの入力情報に基づき、圧縮機５や四方弁９、電動ファン１３、電磁弁２７を駆動制御する。
【００１６】
一方、室内ユニット３内には、ＣＰＵを始め、入出力インタフェースやＲＯＭ、ＲＡＭ等から構成された、室内側コントロールユニット（以下、室内側ＥＣＵと記す）５２が設置されている。室内側ＥＣＵ５２は、内蔵した制御プログラムや図示しないリモートコントローラおよび各種センサ等からの入力信号に基づき、電動膨張弁２１や電動ファン２５の駆動制御を行うと共に、室外側ＥＣＵ５１との間で相互に信号の授受を行う。
【００１７】
本実施形態の場合、圧縮機５は上下一対の回転圧縮要素を有する電動ツインロータ型の定速圧縮機であり、その定格出力は４馬力に設定されている。また、圧縮機５には、図２に示すパワーセーブ機構と図５に示す圧縮停止機構とが設けられており、それらの作動により圧縮機５の能力制御が行われる。
【００１８】
以下、本実施形態におけるパワーセーブ機構の構造および作用を説明する。
【００１９】
圧縮機５の圧縮機構６１は、図２にその半裁縦断面を示すように、メインフレーム６５とベアリングプレート６７とに挟持された上下一対のシリンダ６９，７０と、両シリンダ６９，７０および中間プレート７１により画成された上下一対のシリンダ室７３，７５と、両シリンダ室７３，７５の内周面に沿い相互に１８０゜の位相をもって偏心回転する上下一対のロータ７７，７９とからなっている。図中、８０は圧縮機ケーシングである。
【００２０】
パワーセーブ機構８１は、両シリンダ室７３，７５を所定の連通部位（後述するベーンと１８０゜位相のずれた部位）で連通させるもので、シリンダ６９，７０および中間プレート７１の外周部を上下方向に貫通するバルブ孔８３と、このバルブ孔８３に摺動自在に保持された上下一対のピストンバルブ８５，８６と、これらピストンバルブ８５，８６を互いに離間する方向に付勢するバルブスプリング（圧縮コイルスプリング）８７とを主要構成部材としている。尚、中間プレート７１の部分では、ピストンバルブ８５，８６に対するストッパを形成するべく、バルブ孔８３の内径がピストンバルブ８５，８６の外径より小径となっている。また、バルブスプリング８７は、両ピストンバルブ８５，８６の受圧面に所定値以上の高圧（例えば、圧縮機５の最大吐出圧の４０％）が作用したときに、完全に圧縮するように設定されている。
【００２１】
バルブ孔８３は、中間プレート７１の近傍に穿孔された一対の連通孔８８，８９を介して、両シリンダ室７３，７５と連通されている。また、両シリンダ６９，７０および中間プレート７１には、バルブ孔８３に平行する冷媒導入孔９１が貫通しており、この冷媒導入孔９１に冷媒配管４６からのガス冷媒が導入される。更に、メインフレーム６５とベアリングプレート６７とには、それぞれ、バルブ孔８３と冷媒導入孔９１とを連通させる連通凹部９３，９４が形成されている。
【００２２】
前述した電磁弁２７は、圧縮機５の吐出側冷媒配管３１と吸入側冷媒配管４１とを連通する第１、第２バイパス配管４２、４３の間に介装されている。そして、冷媒導入孔９１に連通するパワーセーブ配管４４は、第１バイパス配管４２に接続しており、その接続部位の上流にはガス冷媒の流量を絞るためのキャピラリチューブ４９が配設されている。
【００２３】
本実施形態では、パワーセーブ機構８１を作動させる場合、室外側ＥＣＵ５１は、電磁弁２７を開放して第１バイパス配管４２と第２バイパス配管４３とを連通させる。電磁弁２７の閉鎖時において、パワーセーブ配管４４には、第１バイパス配管４２を介して、吐出側冷媒配管３１からの高圧冷媒ガスが導入されているが、電磁弁２７が開放されると、この高圧冷媒ガスが第２バイパス配管４３を介して吸入側冷媒配管４１に流出する。
【００２４】
そして、第１バイパス配管４２からの高圧冷媒ガスの供給がキャピラリチューブ４９の作用によりごく少量であることから、パワーセーブ配管４４には吸入側冷媒配管４１からの低圧冷媒ガスが流入することになる。尚、キャピラリチューブ４９には、第１、第２バイパス配管４２、４３を介して連通された際において、吐出側冷媒配管３１から吸入側冷媒配管４１に流出する高圧冷媒ガスの量をごく少なくする作用もある。
【００２５】
これにより、両ピストンバルブ８５，８６は、バルブスプリング８７のばね力により、図２に示したように、メインフレーム６５またはベアリングプレート６７の端面に押し付けられる。その結果、両シリンダ室７３，７５は、連通孔８８，８９およびバルブ孔８３を介して連通され、上方シリンダ室７３（下方シリンダ室７５）の圧縮空間から下方シリンダ室７５（上方シリンダ室７３）の吸入空間にガス冷媒が流出することになり、圧縮機構６１全体として５０％（＝２馬力）がセーブされる。
【００２６】
パワーセーブ機構８１の作動を完全に停止させる場合、室外側ＥＣＵ５１は、電磁弁２７を閉鎖して第１バイパス配管４２と第２バイパス配管４３との連通を遮断させる。これにより、パワーセーブ配管４４には、第１バイパス配管４２を介して、吐出側冷媒配管３１からの高圧冷媒ガスが導入され、更に、この高圧冷媒ガスが、図３に示したように、冷媒導入孔９１および連通凹部９３、９４を介して、バルブ孔８３に流入する。
【００２７】
すると、両ピストンバルブ８５，８６の受圧面に高圧が作用し、バルブスプリング８７が圧縮することにより、両ピストンバルブ８５，８６が互いに接近して中間プレート７１に当接する。その結果、両ピストンバルブ８５，８６の外周面により連通孔８８，８９が閉鎖され、両シリンダ室７３，７５間が連通されなくなる。これにより、圧縮機構６１では圧縮仕事が全て行われ、圧縮機５が定格出力（本実施形態では、４馬力）を発生することになる。
【００２８】
一方、パワーセーブ機構８１を部分的に作動させる場合、室外側ＥＣＵ５１は、所定の駆動電流を供給することで電磁弁２７の弁開度を調整し、第１バイパス配管４２と第２バイパス配管４３との連通量を制御する。これにより、パワーセーブ配管４７には、第１バイパス配管４２を介して、吐出側冷媒配管３１からの高圧冷媒ガスが圧力を調整された状態で導入され、更に、この高圧冷媒ガスが、冷媒導入孔９１および連通凹部９３，９４を介して、バルブ孔８３に流入する。
【００２９】
すると、両ピストンバルブ８５，８６の受圧面には所定の圧力が作用し、バルブスプリング８７が圧縮することにより、図４に示したように、両ピストンバルブ８５，８６が所定の距離をもって対峙する。その結果、両ピストンバルブ８５，８６の外周面により両連通孔８８，８９が部分的に閉鎖され、両シリンダ室７３，７５間が部分的に連通され、圧縮機構６１では圧縮仕事の一部がセーブされることになる。したがって、室外側ＥＣＵ５１により電磁弁２７の弁開度がリニアに制御されれば、圧縮機５の能力もリニアに変化することになる。
【００３０】
次に、本実施形態における圧縮停止機構の構造および作用を説明する。
【００３１】
圧縮機５の上方シリンダ６９には、図５にその半裁横断面を示すように、圧縮停止機構１０１が組み込まれている。圧縮停止機構１０１は、上方シリンダ６９に埋設された電磁ストッパ１０３と、ベーン１０５に形成された係止凹部１０７とからなっている。電磁ストッパ１０３は、ソレノイド式のアクチュエータ（図示せず）を内蔵しており、その作動時にはロックピン１０９が図５中で左方に突出する。
【００３２】
通常運転時においては、図５に示したように、電磁ストッパ１０３のロックピン１０９とベーン１０５の係止凹部１０７とが離間しており、ベーン１０５は図示しないベーンスプリングによりロータ７７の外周面に押し付けられる。これにより、上方シリンダ室７３が吸入空間１２１と圧縮空間１２３に画成され、ロータ７７の回転に伴って圧縮仕事がなされる。
【００３３】
ところが、室外側ＥＣＵ５１からの駆動電流により電磁ストッパ１０３が駆動（ソレノイドが励磁）されると、図６に示したように、ロックピン１０９が図中左方に突出し、その先端がベーン１０５の係止凹部１０７に嵌入する。これにより、ベーン１０５は上方シリンダ６９の内周面から突出しなくなり、上方シリンダ室７３では冷媒の吸入および圧縮が全く行われなくなり、圧縮機構６１全体の圧縮仕事の一部（本実施形態では、５０％＝２馬力）がセーブされる。尚、電磁ストッパ１０３の作動時には、ロックピン１０９が瞬時に左方に突出するが、その先端が係止凹部１０７に嵌入するタイミングは、ベーン１０５がロータ７７により上方シリンダ６９内に押し込まれた瞬間となる。
【００３４】
次に、冷房運転時における冷媒の流れを説明する。
【００３５】
アキュムレータ１５から冷媒配管４１を経由して圧縮機５に吸引されたガス冷媒は、断熱圧縮されることにより高温の高圧ガス冷媒となって圧縮機５から吐出される。吐出された高圧ガス冷媒は、冷媒配管３１、オイルセパレータ１７、冷媒配管３２を経由し、四方弁９により進路を制御された後、冷媒配管３３を経由して室外熱交換器１１に流入する。高温高圧のガス冷媒は、室外熱交換器１１内を通過する間に外気により冷却され、凝縮することによって液冷媒となった後、冷媒配管３４〜３６を経由して各室内ユニット３の電動膨張弁２１に流入する。
【００３６】
液冷媒は、電動膨張弁２１で流量を制御された後、室内熱交換器２３に流入し、室内熱交換器２３内を通過する間に気化してガス冷媒となり、気化潜熱により電動ファン２５が送風した室内空気を冷却する。この際、室内側ＥＣＵ５２は、設定温度と室温との偏差に基づき電動ファン７の回転数を制御すると共に、室内熱交換器２３の入口側冷媒温度と出口側冷媒温度との偏差が所定値（例えば、０〜１℃）となるように電動膨張弁２１の開弁量（弁体駆動用ステップモータのステップ数）を制御する。
【００３７】
室内熱交換器２３で気化したガス冷媒は、冷媒配管３７〜３９、四方弁９、冷媒配管４０を経由してアキュムレータ１５に流入し、冷媒配管４１から再び圧縮機５に吸引される。
【００３８】
一方、暖房運転時には、四方弁９が破線で示すように切り換えられ、破線の矢印で示すように、冷媒の流れも冷房運転時とは逆になる。すなわち、圧縮機５から吐出された高温の高圧ガス冷媒は、室内熱交換器２３に導入された後、室内熱交換器２３内を通過する間に凝縮して液冷媒となり、凝縮潜熱により電動ファン２５が送風した室内空気を加熱する。次に、液冷媒は、室外熱交換器１１に流入し、室外熱交換器１１内を通過する間に外気により加熱され、気化することによってガス冷媒となった後、アキュムレータ１５から圧縮機５に再び吸入される。
【００３９】
さて、空気調和機の運転が開始されると、室外側ＥＣＵ５１は、各室内側ＥＣＵ５２からの入力信号に基づき目標圧縮仕事を決定し、圧縮機５を起動する（起動用マグネットスイッチをＯＮにする）と共に、パワーセーブ制御および圧縮停止制御を行う。
【００４０】
すなわち、図９に示すように、目標圧縮仕事が２〜４馬力の場合、室外側ＥＣＵ５１は、電磁弁２７に所定の駆動電流を供給してその弁開度を制御する。これにより、図７の模式図に示したように、両ピストンバルブ８５，８６のにより両連通孔８８，８９が部分的に閉鎖され、上方シリンダ室７３（下方シリンダ室７５）の圧縮空間１２３から下方シリンダ室７５（上方シリンダ室７３）の吸入空間１２１にガス冷媒の一部が流出する。これにより、圧縮機５の両シリンダ室７３，７５内での圧縮仕事は２〜４馬力の間でリニアに変化し、室外ユニット１としては目標圧縮仕事と等しい圧縮仕事がなされる。
【００４１】
また、目標圧縮仕事が１〜２馬力の場合、室外側ＥＣＵ５１は、上方シリンダ６９側の電磁ストッパ１０３を駆動すると共に、電磁弁２７に所定の駆動電流を供給してその弁開度を制御する。すると、圧縮停止機構１０１により、図８の模式図に示したように、上方シリンダ室７３では冷媒の吸入および圧縮が全く行われなくなり、前述したように２馬力がセーブされ、更にパワーセーブ機構８１により下方シリンダ室７５の圧縮空間１２３から上方シリンダ室７３の吸入空間１２１にガス冷媒の一部が流出する。これにより、圧縮機５の全体としての圧縮仕事は１〜２馬力の間でリニアに変化し、室外ユニット１としては目標圧縮仕事と等しい圧縮仕事がなされる。
【００４２】
このように、本実施形態では、図９に示したように、パワーセーブ機構８１および圧縮停止機構１０１を駆動制御することにより、目標圧縮仕事が１馬力以下の場合を除き、１〜４馬力の範囲でリニアな能力制御をインバータを用いることなく実現できた。そして、この能力制御にあたっては、圧縮仕事を廃棄する冷媒戻し制御を行わないことにより、エネルギ効率を向上させることができた。
【００４３】
以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこの実施形態に限られるものではない。例えば、上記実施形態では、空気調和機の室外ユニットにパワーセーブ機構と圧縮停止機構とを備えた１台の定速圧縮機を設けるようにしたが、複数台の定速圧縮機を設け、そのうちの一台にパワーセーブ機構と圧縮停止機構とを備えるようにしてもよい。また、上記実施形態では、パワーセーブ機構や圧縮停止機構をツインロータ型の定速圧縮機に設けるようにしたが、トリプルロータ以上の圧縮機構を備えた定速圧縮機に設けるようにしてもよい。また、パワーセーブ機構については、例えば、圧縮機ケーシングの外部に連通回路と電磁弁とを設ける等、種々の構造が考えられるし、そのセーブ量についても自由に設定可能である。また、圧縮停止機構の駆動源として、高圧冷媒ガスを用いるようにしてもよい。その他、冷媒回路の具体的構成等についても、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変更可能である。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、一の圧縮要素における圧縮空間と他の圧縮要素における吸入空間とを所定の位相で連通させる連通路と、当該連通路内での流体の流通を遮断する遮断弁と、当該遮断弁の弁開度を制御する弁開度制御手段とからなるパワーセイブ手段を圧縮機に備えるようにしたため、インバータを用いずに圧縮機のリニアな能力制御が可能になり、空気調和制御性の向上を図りながら、消費エネルギの低減等を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る空気調和機の一実施形態を示す冷媒および電気回路図である。
【図２】パワーセーブ機構の作動状態を示す半裁縦断面図である。
【図３】パワーセーブ機構の不作動状態を示す半裁縦断面図である。
【図４】パワーセーブ機構の不作動状態を示す半裁縦断面図である。
【図５】圧縮停止機構の不作動状態を示す半裁横断面図である。
【図６】圧縮停止機構の作動状態を示す半裁横断面図である。
【図７】実施形態の作用を示す模式図である。
【図８】実施形態の作用を示す模式図である。
【図９】目標圧縮仕事と各機器の作動との関係を示す図である。
【符号の説明】
１室外ユニット
３室内ユニット
５圧縮機
２７電磁弁
５１室外側ＥＣＵ
８１パワーセーブ機構
１０１圧縮停止機構
１０３電磁ストッパ
１０５ベーン
１２１吸入空間
１２３圧縮空間

Claims

シリンダ内で偏心回転するロータと、このロータの外周面に摺接して吸入空間と圧縮空間とを画成するベーンとからなる圧縮要素を複数有した複ロータ型の圧縮機であって、
一の圧縮要素における圧縮空間と他の圧縮要素における吸入空間とを所定の位相で連通させる連通路と、当該連通路内での流体の流通を遮断する遮断弁と、当該遮断弁の弁開度を制御する弁開度制御手段とからなるパワーセイブ手段と、前記圧縮要素の少なくとも一つに設けられ、その圧縮要素の吸入空間と圧縮空間とを連通させる圧縮停止手段とを備え、前記弁開度制御手段により、前記遮断弁の弁開度をリニアに制御するとともに、前記圧縮停止手段を行わせたことを特徴とする圧縮機。
請求項１に記載の圧縮機を備えた空気調和機。