JP4825519B2

JP4825519B2 - 膨張圧縮機

Info

Publication number: JP4825519B2
Application number: JP2006002218A
Authority: JP
Inventors: 清寺内
Original assignee: Sanden Corp
Current assignee: Sanden Holdings Corp
Priority date: 2006-01-10
Filing date: 2006-01-10
Publication date: 2011-11-30
Anticipated expiration: 2026-01-10
Also published as: JP2007182822A

Description

本発明は、膨張機と圧縮機を一体化した膨張圧縮機に関し、とくに、二酸化炭素などの冷媒を用いた冷凍サイクルでガス膨張のエネルギー損失を低減するために膨張機を用いるシステムに用いて好適な膨張圧縮機に関する。

近年、車両空調用途などにおいて、地球温暖化への影響を低減するため、二酸化炭素などの自然系冷媒を用いた冷凍サイクルが開発されている（例えば、特許文献１）。二酸化炭素などの冷媒を用いた冷凍サイクルでガス膨張のエネルギー損失を低減しサイクルの効率の大幅な向上のために、膨張機を用いたサイクルが提案されつつある。

膨張機には遠心式（タービン式）と容積式の２種類がある。このうち容積式膨張機はスクロールやベーンなどの圧縮用機構を用いて、圧縮と反対の動作をさせるものが多く用いられている。

また、この膨張機としては、冷凍サイクルの圧縮機と一体化し、回収した膨張動力を圧縮機の軸駆動力の一部とする方式も知られている。
特開平１１−１９３９６７号公報

二酸化炭素などを冷媒として用いた超臨界サイクルにおいては、膨張手段として、ガス膨張を単なる等エンタルピ膨張を行なわせる絞り弁手段を用いる場合には、膨張に伴うロスが非常に大きい。等エントロピー線に近い膨張が理想であるため、圧縮機に膨張機を一体化する試みはこれまでにも行なわれている。しかし、単に圧縮機に膨張機を一体化するだけでは、圧縮機と膨張機を単純に結合するため筐体の全長が非常に長くなったり、部品点数が多くなったり、構造的にも複雑となりやすいという問題を抱えていた。

そこで本発明の課題は、コンパクトでかつ簡素な構造であり、しかも安価に製造可能な圧縮機と膨張機の一体機を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る一の膨張圧縮機は、駆動軸の回転を斜板カム機構により変換し、駆動軸に並行に配列された複数個のピストンを往復動させる圧縮機の駆動軸に結合された出力軸を有する膨張機が一体化された膨張圧縮機において、前記膨張機がスクロール型膨張機であり、該スクロール型膨張機が、前記駆動軸の前記ピストン側に配置され、前記スクロール型膨張機の固定スクロール部材の一部は、前記圧縮機のシリンダヘッドと前記圧縮機のシリンダブロックとに挟まれた領域まで延在されていることを特徴とするものからなる。
また、本発明に係る他の膨張圧縮機は、駆動軸の回転を斜板カム機構により変換し、駆動軸に並行に配列された複数個のピストンを往復動させる圧縮機の駆動軸に結合された出力軸を有する膨張機が一体化された膨張圧縮機において、前記膨張機がスクロール型膨張機であり、該スクロール型膨張機が、前記駆動軸の前記ピストン側に配置されるとともに前記圧縮機のシリンダヘッド部の内部にまで及ぶように配置され、前記スクロール型膨張機の固定スクロール部材が、前記圧縮機のシリンダヘッドと一体的に形成されていることを特徴とするものからなる。

上記膨張圧縮機は、例えば、冷媒として二酸化炭素を使用する冷凍サイクルに用いられて好適なものである。二酸化炭素などの冷媒を用いた超臨界冷凍サイクルでは、ガス膨張のエネルギー損失を低減するために膨張機を用いることが好ましいが、本発明に係る膨張圧縮機を用いることにより、コンパクトで安価な構造にて、ガス膨張のエネルギーが効率よく圧縮機の駆動エネルギーとして回収できるようになる。

また、この膨張圧縮機においては、上記膨張機が上記複数個のピストンの配列の径方向内側に配置されている構造とすることができ、全体としてコンパクトに構成できる。

あるいは、上記膨張機が上記圧縮機のシリンダヘッド部の内部にまで及ぶように配置されている構造とすることもでき、装置内部が有効に活用されて、やはり全体としてコンパクトに構成できる。

また、上記膨張機としては、スクロール型膨張機を採用する。

また、上記膨張機による膨張途中のガスが前記駆動軸の軸シール部を冷却・潤滑可能に構成されている構成とすることもでき、膨張途中のガスの有効利用をはかることが可能である。

また、上記圧縮機の圧縮部の構成はとくに限定されないが、例えば、可変容量型に構成することができる。

このような本発明に係る膨張圧縮機は、例えば車両用空調装置の冷凍サイクル、中でも二酸化炭素を冷媒とした冷凍サイクルに用いられて好適なものである。

本発明に係る膨張圧縮機によれば、膨張機をコンパクトかつシンプル・安価な機構構成で圧縮機と複合化できる。したがって、単純に膨張機と圧縮機を一体化する場合に比べて、本発明に係る膨張圧縮機は、実際にかつ容易に展開可能である。

以下に、本発明の望ましい実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の第１実施態様に係る膨張圧縮機を示している。図１において、１は膨張圧縮機全体を示しており、膨張圧縮機１は、圧縮機部２と膨張機部３とが一体化されたものからなる。駆動軸４に並行に、周方向に複数配列されたシリンダ５に複数個のピストン６が挿入されており、各ピストン６は連結ロッド７を介して揺動板８に連結されている。揺動板８はスラスト軸受９を介して斜板カム１０と力を受け渡すよう連接されている。斜板カム１０は、リンク機構１１を介してローター１２と傾斜角可変で回転力が伝達されるようリンクしている。ローター１２は駆動軸４（以下、主軸と呼ぶこともある）に結合している。

主軸４の一方の端部にはクランク軸１３が形成されており、可動スクロール部材１４の回転力を受ける。該可動スクロール部材１４は対向する固定スクロール部材１５との組合わせにより、冷凍サイクルの例えばガスクーラ（図示せず）側からの冷却された高圧ガスを吸入路１６から導入してこれを膨張させつつ動力を回収し、膨張して圧力低下したガスを吐出路１７から冷凍サイクルの例えばエバポレータ（図示せず）側に戻す。

したがって、可動スクロール部材１４と固定スクロール部材１５とによってスクロール型の膨張機部３が構成され、この膨張機部３は、駆動軸４のピストン側の位置に、かつ、複数個のピストン６の配列の径方向内側の位置に、配置されている。この膨張機部３によるガス膨張によって回収された動力は、圧縮機部２の駆動動力の一部として用いることができる。

図１は具体的実施例の一例に過ぎない。膨張機部３の機構としては、このようなスクロール式の他、ベーンを用いたロータリー式やローリングピストンタイプを用いることもできる。また、図１では圧縮機部２の機構として揺動板８を用いた可変容量機構で説明しているが、片斜板式圧縮機構でもよいし、また可変容量でなく固定容量式でも同様に本発明の適用が可能である。図１における１８はシリンダブロック、１９はクランク室、２０はシリンダヘッドを、それぞれ示しており、シリンダヘッド２０内には、吸入室２１と吐出室２２が形成されている。

また、斜板カム１０のローター１２とのリンク結合や他の各部構造も種々の構造があるが、いずれの構造も本発明において使用可能である。また、揺動板８の回転阻止機構については図示を省略してあるが、周知のいずれの機構も適用できる。

また、クランク室１９には、図示していないが、室内ガス圧力を調整する制御弁機構によって圧力が入口圧と出口圧の概略中間に設定され、ガス圧力のつりあいにより斜板カム１０の傾斜角度が調整可能となっている。

このクランク室圧力源としては、ピストン６から洩れるブローバイガスによる圧力や高圧側のガス導入によって賄うことができる。圧力調整にはクランク室１９に導入するガス量またはクランク室１９から低圧側に排出するガス量あるいはその両方を調節することで可能となる。圧力調整のための制御弁としては、例えば電磁制御弁が用いられる。

さらに図１に示す構造においては、膨張圧縮機１の駆動軸４内に設けた通路２３を通して軸シール部２４に向けて膨張過程（膨張途中）の冷却されたガスを供給できるようになっており、二酸化炭素などのシール条件の厳しい軸シール部２４の冷却・潤滑を行なうことができるようになっている。

図２は、本発明の第２実施態様に係る膨張圧縮機を示している。図２において、３１は膨張圧縮機全体を示しており、膨張圧縮機３１は、圧縮機部３２と膨張機部３３とが一体化されたものからなる。本実施態様では、膨張機部３３が、シリンダヘッド３４の内部にまで及ぶように配置されている。図２では膨張機部３３が実質的に完全にシリンダヘッド３４内にあるが、応用上、膨張機構はシリンダヘッド３４とシリンダブロック３５の内周部３６の間に介在する構造とすることも可能である。その他の部分の構造は、前述の第１実施態様における構造に準じるので、図１に付したのと同じ符号を付すことにより説明を省略する。

なお、本発明は、上記駆動軸４を車両のエンジンなどによって外部から駆動する方法のみでなく、例えば電動モータを内蔵した電動型の圧縮機に対しても適用可能である。

上記各実施態様に示したように、膨張機構をピストン配列の内周部あるいはシリンダヘッド部に設けることにより、二酸化炭素などの超臨界冷凍サイクルにおいて、容積膨張行程により膨張のエネルギーを回収し、冷凍サイクルの冷凍能力向上と圧縮機の所要動力を低減する機能がコンパクトかつシンプルに実現できる。

本発明に係る膨張圧縮機は、膨張機と圧縮機との一体化が望まれるあらゆる一体機として適用可能であり、とくに二酸化炭素などの冷媒を用いた冷凍サイクルでガス膨張のエネルギー損失を低減するために膨張機を用いるシステムに用いて好適な膨張圧縮機として好適なものである。但し、二酸化炭素など以外の臨界点以下でで作動する冷媒、例えばＲ１３４ａなどの一般的な冷媒を用いた冷凍サイクルにおいても、その効果は減少するが利用可能である。

本発明の第１実施態様に係る膨張圧縮機の縦断面図である。本発明の第２実施態様に係る膨張圧縮機の縦断面図である。

符号の説明

１膨張圧縮機
２圧縮機部
３膨張機部
４駆動軸
５シリンダ
６ピストン
７連結ロッド
８揺動板
９スラスト軸受
１０斜板カム
１１リンク機構
１２ローター
１３クランク軸
１４可動スクロール部材
１５固定スクロール部材
１６吸入路
１７吐出路
１８シリンダブロック
１９クランク室
２０シリンダヘッド
２１吸入室
２２吐出室
２３通路
２４軸シール部
３１膨張圧縮機
３２圧縮機部
３３膨張機部
３４シリンダヘッド
３５シリンダブロック
３６内周部

Claims

駆動軸の回転を斜板カム機構により変換し、駆動軸に並行に配列された複数個のピストンを往復動させる圧縮機の駆動軸に結合された出力軸を有する膨張機が一体化された膨張圧縮機において、前記膨張機がスクロール型膨張機であり、該スクロール型膨張機が、前記駆動軸の前記ピストン側に配置され、前記スクロール型膨張機の固定スクロール部材の一部は、前記圧縮機のシリンダヘッドと前記圧縮機のシリンダブロックとに挟まれた領域まで延在されていることを特徴とする膨張圧縮機。
駆動軸の回転を斜板カム機構により変換し、駆動軸に並行に配列された複数個のピストンを往復動させる圧縮機の駆動軸に結合された出力軸を有する膨張機が一体化された膨張圧縮機において、前記膨張機がスクロール型膨張機であり、該スクロール型膨張機が、前記駆動軸の前記ピストン側に配置されるとともに前記圧縮機のシリンダヘッド部の内部にまで及ぶように配置され、前記スクロール型膨張機の固定スクロール部材が、前記圧縮機のシリンダヘッドと一体的に形成されていることを特徴とする膨張圧縮機。
前記膨張機が前記複数個のピストンの配列の径方向内側に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の膨張圧縮機。
冷媒として二酸化炭素を使用する冷凍サイクルに用いられる、請求項１〜３のいずれかに記載の膨張圧縮機。
前記膨張機による膨張途中のガスが前記駆動軸の軸シール部を冷却・潤滑可能に構成されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の膨張圧縮機。
前記圧縮機の圧縮部が可変容量型に構成されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の膨張圧縮機。
車両用空調装置の冷凍サイクルに用いられる、請求項１〜６のいずれかに記載の膨張圧縮機。