JP5118340B2 - 冷凍回路の往復動型圧縮機 - Google Patents

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シリンダブロック内に複数のシリンダボアを備え、これらシリンダボア内にはピストンが往復動自在に嵌合され、ピストンはそのシリンダボア内に圧縮室を形成する。各ピストンは主軸の回転に伴い、シリンダボア内を順次往復運動し、これにより、圧縮室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)が約１３００と非常に高い。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且つ冷媒の圧縮効率を高め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、弁板とシリンダヘッドとの間に形成され、それぞれ環状をなす吐出室及び吸入室と、複数のシリンダボア内にそれぞれ往復動自在に嵌合され、対応するシリンダボア内に圧縮室を形成し且つ主軸の回転を受けて往復動可能なピストンとを含み、ピストンの往復運動により、対応する圧縮室への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、シリンダヘッド内に吐出室及び吸入室よりもシリンダヘッドの中央に位置して形成され、冷凍回路から冷媒の吐出圧よりも低く且つ圧縮室内にて圧縮過程にある冷媒の過渡圧よりも高い中間圧の冷媒の供給を受ける中間圧室と、中間圧室と圧縮室とを接続する接続通路と、接続通路に設けられ、冷媒の圧縮過程にて、各圧縮室内の冷媒の圧力が過渡圧と中間圧との間に達しているとき、中間圧室に対し各圧縮室を接続通路を通じて順次連通させるべく回転する回転弁とを具備し、この回転弁は、主軸と中間圧室との間には配置され、主軸に一体的に連結された一端を有する（請求項１）。

上述した請求項１の往復動型圧縮機によれば、１つの圧縮室内にて冷媒が圧縮過程にあって、その圧縮室内の冷媒の圧力が過渡圧と中間圧との間に達しているとき、回転弁はその圧縮室と中間圧室とを接続通路を介して連通させる。それ故、中間圧室内の冷媒は中間圧と圧縮室内の圧力との間の差に基づき、その圧縮室内に噴射される。ここで、中間圧室内の冷媒は圧縮室内の冷媒温度よりも低いので、圧縮室内にて圧縮過程にある冷媒は中間圧室からの冷媒と混合されることで冷却される。

また、上述の目的は、シリンダボア内に往復動自在に嵌合されてシリンダボア内に圧縮室を形成し且つ主軸の回転を受けて往復動可能なピストンを含み、ピストンの往復運動により、圧縮室への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を前提としたとき、冷凍回路から冷媒の吐出圧よりも低く且つ圧縮室内に圧縮過程にある冷媒の過渡圧よりも高い中間圧の冷媒の供給を受ける中間圧室と、中間圧室と圧縮室とを接続する接続通路と、接続通路に設けられ、冷媒の圧縮過程にて、圧縮室内の冷媒の圧力が過渡圧と中間圧との間にあるとき、接続通路を開く回転弁であって、主軸とは独立したモータにより回転される回転弁とを具備した往復動型圧縮機（請求項２）や、請求項２の回転弁を電磁弁に置換した往復動型圧縮機（請求項３）によっても達成可能である。
更にまた本発明の往復動型圧縮機は、斜板を備えた容量可変機構を更に含むことができ（請求項４）、そして、冷媒は二酸化炭素（請求項５）であるか又はC-I結合を有する化合物を含むことができる（請求項６）。

請求項１〜６の冷凍回路の往復動型圧縮機は、冷媒の圧縮過程にて、圧縮室に中間圧室〜低温の冷媒が噴射されるので、圧縮機からの吐出冷媒の温度上昇が抑制され、冷媒に二酸化炭素やC-I結合を有する化合物を含むことができ、地球温暖化防止に大きく貢献する。また、圧縮過程での圧縮室への冷媒の噴射は、冷媒の圧縮効率を高め、冷凍回路のエネルギ効率向上に大きく寄与する。

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はシリンダブロック２６内に形成された複数のシリンダボア３０を備え、これらシリンダボア３０はシリンダブロック２６の軸線回りに等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。各シリンダボア３０内にはピストン３２が摺動自在に嵌合され、このピストン３２はシリンダボア３０内に圧縮室３３を形成する。なお、図２には、シリンダボア３０及びピストン３２が１個ずつのみ示されている。

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から軸受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、主軸３４は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にはシリンダボア３０毎、つまり、圧縮室３３毎に割り当てられた吸入孔６０及び吐出孔６２を有する。
弁板５８とシリンダヘッド２２との間には吸入室６４、吐出室６６及び中間圧室６８が互いに独立して形成されている。

ここで、中間圧室６８はシリンダヘッド２２の中央に位置付けられ、吐出室６６及び吸入室６４は中間圧室６８を順次囲む環状をなしている。
吸入室６４は吸入孔６０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。

一方、吐出室６６は吐出孔６２にそれぞれ連通する一方、前述した吐出ポート４ｂを通じて循環経路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。
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、弁板５８の両面に分けて配置されている。なお、参照符号７３は吐出弁７２のためのバルブリテーナをそれぞれ示す。

更に、前述した中間圧室６８は導入ポート７４を介して導入経路７６に接続されており、この導入経路７６は前述した気液分離器１０に接続されている（図１）。導入経路７６は気液分離器１０から気相状態の冷媒を導き、導入ポート７４を通じて中間圧室６８に導入させる。
一方、中間圧室６８と主軸３４との間には円筒状の回転弁７８が配置されており、この回転弁７８は弁板５８を気密に貫通し、そして、シリンダブロック２６内に回転自在に嵌合されている。回転弁７８は主軸３４と同軸上に位置付けられ、主軸３４側の一端は主軸３４に一体的に結合されている。従って、回転弁７８は主軸３４と一体に回転する。

具体的には、主軸３４からは回転弁７８に嵌合する駆動ピン８０が突設され、この駆動ピン８０がキー８２を介して回転弁７８に連結されている。また、回転弁７８の他端はシリンダヘッド２２に対してリング状のスラスト軸受８４を介して回転自在に支持されている。
更に、回転弁７８内には内部通路８６が形成され、この内部通路８６は回転弁７８の外周面に開口する一端と、中間圧室６８に連通した他端とを有する。図２から明らかなように内部通路８６の一端は弁板５８の近傍に位置付けられている。

そして、シリンダブロック２６内には、圧縮室３３毎に接続通路としての弁孔８８が形成されている。これら弁孔８８は弁板５８側のシリンダボア３０の上端部にて、対応する圧縮室３３に開口する一端と、回転弁７８の外周面に臨んで開口する他端とを有する。これら弁孔８８の他端は回転弁７８の周方向に等間隔を存し、且つ、回転弁７８が回転されたとき、内部通路８６の一端開口が形成する回転軌跡上に位置付けられている。

従って、回転弁７８が主軸３４とともに回転されたとき、内部通路８８の一端開口、即ち、前述した中間圧室６８は各圧縮室３３にその弁孔８８を通じて順次に連通する。即ち、回転弁７８は主軸３４の回転に伴い、各圧縮室３３と組みをなす弁孔８８を順次開閉することができる。
前述したように主軸３４の回転を受けて、シリンダボア３０内にて、そのピストン３２が順次往復運動するとき、各圧縮室３３では循環経路２の低圧域２_Ｌに連なる吸入室６４から吸入孔６０及び吸入弁７０を通じて冷媒が吸入され、そして、吸入冷媒は圧縮され、高圧の冷媒が圧縮室３３から吐出孔６２及び吐出弁７２を通じて吐出室６６に吐出される。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。

一方、回転弁７８は主軸３４と一体に回転しているので、回転弁７８の内部通路８６の一端開口は圧縮室３３内での冷媒の圧縮過程にて、その圧縮室３３と組みをなす弁孔８８に連通し、この弁孔８８を所定の開弁期間だけ開く。ここでの連通タイミング及び開弁期間は、圧縮室３３内にて圧縮過程にある冷媒の過渡圧が前述した中間圧室６８内の冷媒圧に達するまでの間でそれぞれ設定されている。

従って、冷媒の圧縮過程にて回転弁７８が開弁されると、中間圧室６８内の冷媒が回転弁７８及び弁孔８８を通じて圧縮室３３内に噴射される。ここで、中間圧室６８には、前述した気液分離器１０からの気相の冷媒が導入され、この導入冷媒は圧縮機４から吐出された冷媒の吐出温度よりも十分に低い。それ故、圧縮室３３内に中間圧室６８内の低温の冷媒が噴射されれば、圧縮室３３内にて、噴射された低温の冷媒と圧縮過程にある高温の冷媒とが混合され、圧縮室３３内での圧縮冷媒の温度、即ち、圧縮機４からの吐出冷媒の温度上昇を抑制できる。

この結果、地球の温暖化を防止するために、冷媒に高圧に圧縮される二酸化炭素や、CF₃Iを含む化合物が使用されても、圧縮機４が受ける熱負荷を大幅に低減でき、また、CF₃I中のC-I結合が分解されてしまうこともない。
また、圧縮室３３内への低温冷媒の噴射は、圧縮室３３内での冷媒の圧縮効率を高めることから、冷凍回路のエネルギ効率を効果的に向上させる多効サイクルを容易に実現可能となる。

一方、前述したクランク室２４は吸入室６４及び吐出室６６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６６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６６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、各ピストン３２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、各ピストン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。

ここで、ピストン３２のストロークが可変されても、各圧縮室３３に対する回転弁７８の開弁タイミング及び開弁期間は変化しないので、圧縮機４の冷媒吐出圧と中間圧室６８の冷媒圧との関係は略一定に保たれ、冷媒の圧縮過程での圧縮室３３内への低温冷媒の噴射は安定して実施可能である。
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、図３は、主軸３４とは独立して回転される回転弁７８を示す。この場合、回転弁７８は電動モータ９０の出力軸９２に同軸にして連結されており、電動モータ９０はシリンダヘッド２２の外面に取り付けられている。通常、電動モータ９０は主軸３４の回転と同期して回転弁７８を回転させるが、必要に応じて回転弁７８の開弁タイミング（連通タイミング）及び開弁期間を調整することができる。

また、図４は、回転弁７８に代えて電磁開閉弁９４が使用された変形例を示す。電磁開閉弁９４は各圧縮室３３に割り当てられ、前述した回転弁７８と同様な機能を発揮する。
更に、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。

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。 変形例の回転弁を示した図である。 回転弁の代わりに使用される電磁開閉弁を示した図である。

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
３２ ピストン
３４ 主軸
３３ 圧縮室
４６ 斜板
６８ 中間圧室
７０ 吸入弁
７２ 吐出弁
７４ 導入ポート
７６ 導入経路
７８ 回転弁（開閉弁）
８６ 内部通路（接続通路）
８８ 弁孔（接続通路）
９０ 電動モータ
９４ 電磁開閉弁

Claims (6)

1. 弁板とシリンダヘッドとの間に形成され、それぞれ環状をなす吐出室及び吸入室と、複数のシリンダボア内にそれぞれ往復動自在に嵌合され、対応するシリンダボア内に圧縮室を形成し且つ主軸の回転を受けて往復動可能なピストンとを含み、前記ピストンの往復運動により、対応するシリンダボア内にて前記圧縮室への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、
   前記シリンダヘッド内に前記吐出室及び前記吸入室よりも前記シリンダヘッドの中央に位置して形成され、前記冷凍回路から前記冷媒の吐出圧よりも低く且つ前記圧縮室内にて圧縮過程にある冷媒の過渡圧よりも高い中間圧の冷媒の供給を受ける中間圧室と、
   前記中間圧室と前記各圧縮室とを接続する接続通路と、
   前記接続通路に設けられ、前記冷媒の圧縮過程にて、前記各圧縮室内の前記冷媒の圧力が前記過渡圧と前記中間圧との間に達しているとき、前記中間圧室に対し前記各圧縮室を前記接続通路を通じて順次連通させるべく回転する回転弁と
   を具備し、
   前記回転弁は、前記主軸と前記中間圧室との間に配置され、前記主軸に一体的に連結された一端を有することを特徴とする冷凍回路の往復動型圧縮機。
2. シリンダボア内に往復動自在に嵌合されて前記シリンダボア内に圧縮室を形成し且つ主軸の回転を受けて往復動可能なピストンを含み、前記ピストンの往復運動により、前記圧縮室への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、
   前記冷凍回路から前記冷媒の吐出圧よりも低く且つ前記圧縮室内に圧縮過程にある冷媒の過渡圧よりも高い中間圧の冷媒の供給を受ける中間圧室と、
   前記中間圧室と前記圧縮室とを接続する接続通路と、
   前記接続通路に設けられ、前記冷媒の圧縮過程にて、前記圧縮室内の前記冷媒の圧力が前記過渡圧と前記中間圧との間にあるとき、前記接続通路を開く回転弁であって、前記主軸とは独立したモータにより回転される回転弁と具備したことを特徴とする冷凍回路の往復動型圧縮機。
3. シリンダボア内に往復動自在に嵌合されて前記シリンダボア内に圧縮室を形成し且つ主軸の回転を受けて往復動可能なピストンを含み、前記ピストンの往復運動により、前記圧縮室への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、
   前記冷凍回路から前記冷媒の吐出圧よりも低く且つ前記圧縮室内に圧縮過程にある冷媒の過渡圧よりも高い中間圧の冷媒の供給を受ける中間圧室と、
   前記中間圧室と前記圧縮室とを接続する接続通路と、
   前記接続通路に設けられ、前記冷媒の圧縮過程にて、前記圧縮室内の前記冷媒の圧力が前記過渡圧と前記中間圧との間にあるとき、前記接続通路を開く電磁弁と
   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。
4. 斜板を備えた容量可変機構を更に含む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。
5. 冷媒は二酸化炭素であることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の冷凍回路の往復動型圧縮機。
6. 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１〜４の何れかに記載の冷凍回路の往復動型圧縮機。

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