JPS6157954B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は特にカーエアコン等に使用するベーン
形圧縮機に関するものである。 一般のスライデイングベーン式の圧縮機は、第
１図に示す様に、内部に円筒空間を有するシリン
ダ１と、この両側面に固定され、シリンダ１の内
部空間である羽根室２をその側面において密閉す
る側板（第１図では図示せず）と、前記シリンダ
１内に偏芯して配置されるロータ３と、このロー
タ３に設けた溝４に摺動可能に係合されたベーン
５より構成される。６は側板に形成された吸入
孔、７はシリンダ１に形成された吐出孔である。
ベーン５は、ロータ３の回転に伴い、遠心力によ
つて外側に飛出し、その先端面がシリンダ１の内
壁面を摺動しつつ、圧縮機のガスの漏洩防止を計
つている。 この様なスライデイングベーン式のロータリー
圧縮機は構成が複雑で、部品点数の多いレシプロ
式の圧縮機と比べ、小型シンプルな構成が可能で
あり、近年、カークーラー用の圧縮機に適用され
るようになつた。しかし、このロータリー式はレ
シプロ式と比べて次のような問題点があつた。 すなわち、カークーラーの場合、エンジンの駆
動力は、ベルトを介してクラツチのプーリーに伝
達され、圧縮機の回転軸を駆動する。したがつ
て、スライデイングベーン式の圧縮機を用いた場
合、その冷凍能力は車のエンジンの回転数に比例
してほぼ直線的に上昇していく。 一方、従来から用いられているレシブロ式のコ
ンプレツサを用いた場合は、吸入弁の追従性が高
速回転時においては悪くなり、圧縮ガスを十分に
シリンダ内に吸入出来ず、その結果、冷凍能力は
高速時においては飽和してしまう。つまり、レシ
プロ式では、高速走行時においては冷凍能力の抑
制作用が自動的に働くのに対してロータリー式で
はその作用がなく、圧縮仕事の増大によつて効率
を低下させ、あるいは過冷却（冷え過ぎ）の状態
になる。ロータリー圧縮機の前述した問題点を解
消させる方法として、ロータリー圧縮機の吸入孔
６に通ずる流通路に流通路の開口面積が変化する
制御バルブを構成し、高速回転時に開口面積を絞
ることにより、その吸入損失を利用して能力制御
を行う方法が従来から提案されている。但し、こ
の場合、上記制御バルブを別途附加せねばなら
ず、構成が複雑化し、コスト高となる問題点があ
つた。ロータリー圧縮機の高速時の能力過多を解
消する他の方法として、流体クラツチ、遊星歯車
等を用いて回転数を一定以上は増速させない構造
が従来から提案されている。 しかし、例えば、前者は相対移動面の摩擦発熱
によるエネルギーロスが大きく、後者は部品点数
の多い遊星歯車機構を附加することにより寸法形
状も大型となり、省エネルギー化の動向によつて
増々シンプル化、コンパクト化が要求されている
昨今において、実用化は難しい。 本発明者らは、カークーラー用冷凍サイクルの
前述した問題を解消するために、ロータリー圧縮
機を用いた場合の羽根室圧力の過渡現象の詳細な
検討結果により、ロータリー圧縮機の場合でも、
その吸入孔面積、吐出量、羽根枚数等のパラメー
タを適切に撰択、組合せることにより、従来のレ
シプロ式同様に、高速回転時における冷凍能力の
自己抑制作用が効果的に働くことを見い出してお
り、特願昭55−134048号（特開昭57−70986号）
で出願中である。 上記出願の発明では、ロータとシリンダ間が、
他と比べて最も近接している部分をシリンダ・ト
ツプ部とするベーン形圧縮機において、ロータの
回転中心を中心とし、前記シリンダ・トツプ部か
ら前記ベーンのシリンダ側の端部までの角度をθ
ラジアン、吸入行程終了時の前記角度θラジアン
の値をθ_sラジアン、吸入行程終了時の前記角度
θ_sラジアンのときの前記羽根室の容積をＶ_0cc、
エバポレータから前記羽根室に至る吸入流通路の
前記角度θラジアンの時の有効面積をａ（θ）
cm²、重み平均をを ＝∫〓_０ ^sθ²a（θ）ｄθ／∫〓_０ ^sθ²dθ としたとき、パラメータθ_s／V₀を 0.025＜θ_s／V₀＜0.080の範囲となるようベ
ーン形圧縮機を構成したものであり、上記発明か
ら見い出される条件下で圧縮機を構成すれば、低
速時では吸入圧力の損失を極力小さくすることが
出来、高速時でのみ、有効な圧力損失が発生する
ため、従来のロータリー圧縮機に何ら附加しない
シンプルな構成で、効果的な能力制御が実現出来
るものである。 しかしながら、上記発明を、特にベーン枚数の
多い、例えば３ベーン、４ベーンタイプの圧縮機
に適用した場合、吸入流通路の有効面積を制限す
ることに起因して、特に低速回転時に圧力損失が
生じる場合がある。 これは、ベーン枚数の増加にともない、吸入行
程にある羽根室が２室生じるが、これら２室に、
制限された吸入流通路の有効面積条件下において
充分な冷媒を供給させるためには、両室を吸入溝
によつて連通させて冷媒を供給する必要がある
が、逆にこの吸入溝によつて吸入行程の終了段階
にある羽根室の圧力が低下する欠点を生じ、これ
が圧力損失を生じる原因となるものであつた。 本発明は、上記問題点を解決するものであり、
ロータの回転にともなつてその体積が増加する行
程にある羽根室が常に隣接して２個形成されるよ
う前記ベーンが配置された圧縮機において、先に
吸入行程が終了する第１の羽根室に開口させて前
記吸入孔を形成すると共に、この第１の羽根室に
隣接して吸入行程にある第２の羽根室に、前記第
１の羽根室を介してのみ冷媒を供給する吸入溝を
前記シリンダ又は前記側板に形成し、前記吸入孔
と吸入溝とを連通させず独立して形成したもので
あり、一定条件の吸入有効面積下で、吸入行程に
ある２つの羽根室に吸入孔及び吸入溝にて冷媒を
供給すると共に、吸入行程終了直前においては、
吸入孔と吸入溝が連通していないため、吸入孔の
みから充分な冷媒が供給され、羽根室の圧力降下
は最少限にとどめられるようにしたものである。 以下、実施例として、４ベーンタイプのスライ
デイングベーンコンプレツサに本発明を適用した
場合について説明する。 第２図は、本発明の一実施例を示す圧縮機の正
面断面図である。 １１はシリンダ、１２は低圧側羽根室、１３は
高圧側羽根室、１４はベーン、１５はベーンの摺
動溝、１６はロータ、１４は吸入孔、１８は吸入
溝、１９は前記吸入孔１７と吸入溝を連通させず
独立して形成させるための圧力回復部、２０は吐
出孔である。 さて、ベーン先端の走行角度：θ、圧力回復開
始角度：θ_s1、吸込み終了角度：θ_s2を以下述べ
る様に定義する。 すなわち、第３図イ〜ホにおいて、２６−１は
吸入行程にある２つの羽根室の内の第１の羽根室
となる羽根室Ａ、２６−２は吸入行程にある第２
の羽根室としての羽根室Ｂ、２７はシリンダ１１
のトツプ部、２８−１はベーンＡ、２８−２はベ
ーンＢ、２９は吸入溝端部である。 羽根室Ａ２６−１は上流側羽根室、羽根室Ｂ２
６−２は、羽根室Ａ２６−１に対する下流側羽根
室である。 ロータ１６の回転中心を中心とし、シリンダの
トツプ部２７に、ベーン先端が通過する位置をθ
＝０とし、前記θ＝０を原点として、ベーン先端
の任意の位置における角度をθとする。羽根室Ａ
２６−１に着目すれば、第３図イは、ベーンＡ２
８−１がトツプ部２７を通過して、吸入溝１８を
走行している状態を示す。 第３図ロは、ベーンＡ２８−１が圧力回復部１
９の上を通過している状態を示し、このとき羽根
室Ａ２６−１への冷媒の供給は一時遮断される。 第３図ハは、ベーンＡ２８−１が吸入孔１７を
通過した直後の状態を示し、羽根室Ａ２６−１に
は再度冷媒の吸入が復活する。 第３図ニは、ベーンＡ２８−１に追従するベー
ンＢ２８−２の先端が吸入溝端部２９の間際にあ
る状態を示す。このとき、冷媒は吸入孔１７から
上流側の羽根室Ａ２６−１に流入し、さらに、図
の矢印のごとく、吸入溝１８を通り、下流側の羽
根室Ｂ２６−２に供給される。 第３図ホは、ベーンＢ２８−２が圧力回復部１
９の上を走行している状態を示す。 このとき、下流側羽根室２６−２への冷媒の供
給は遮断されるために、冷媒は吸入孔１７から上
流側羽根室のみに供給される。 ここで、ベーンＢ２８−２が圧力回復部１９上
の走行を開始したときのベーンＡ２８−１の走行
角度：θ＝θ_s1を圧力回復開始角度と定義する。 第３図ヘは、ベーンＢ２８−２が吸入ポート１
７を通過した直後の状態を示し、このとき、ベー
ンＡ２６−１の走行角度はθ＝θ_s2、かつ、羽根
室Ａ２６−１の容積は最大となり、吸入行程は終
了する。 さて、実施例における圧縮機は下記の条件で構
成されたものである。

【表】 上記パラメータで構成した圧縮機により、本実
施例では、下記の様な特徴を有する圧縮機を実現
することが出来た。すなわち、 (i) 低速回転においては、吸入損失による冷凍能
力の低下は僅少であつた。 冷凍能力の自己抑制作用のあるレシプロ式は
低速回転において吸入損失が僅少である事を特
徴とするが、ロータリー式の本圧縮機は、レシ
プロ式と比べても遜色のない特性が得られた。 (ii) 高速回転においては、従来のレシプロと同等
以上の冷凍能力の抑制効果が得られた。 (iii) 抑制効果が得られるのは、1800〜2000rpm程
度以上に回転数が上昇した場合であり、カーク
ーラー用圧縮機として用いた場合、理想的な省
エネルギー、好フイーリングの冷凍サイクルが
実現出来た。 以下、本発明の重要なポイントである冷媒圧力
の過渡現象を詳細に把握するため行つた特性解析
について述べる。一つの羽根室（例えば羽根室Ａ
２６−１）に着目し、かつ、冷媒の供給源の圧
力：Psが常に一定であるとした場合の羽根室圧
力の過渡特性は、次の様なエネルギー方程式によ
つて記述出来る。 Ｃｐ／ＡGT_A−PaｄＶａ／ｄｔ＋ｄＱ／ｄｔ＝ｄ／ｄｔ
（Ｃｖ／Ａγ_aVaTa）１式 上記１式において、Ｇ：冷媒の重量流量、
Va：羽根室容積、Ａ：仕事の熱当量、Cp：定圧
比熱、Ｔ_A：供給側冷媒温度、κ：比熱比、Ｒ：
気体定数、Cv：定積比熱、Pa：羽根室圧力、
Ｑ：熱量、γ_a：羽根室冷媒の比重量、Ta：羽根
室冷媒の温度である。また、以下２式〜４式にお
いて、ａ：吸入有効面積、ｇ：重力加速度、γ
_A：供給側冷媒の比重量、Ps：供給側冷媒圧力で
ある。 １式において、左辺第一項は糾吸入孔を通過し
て単位時間に羽根室にもちこまれる冷媒の熱エネ
ルギー、第二項は冷媒圧力が単位時間に外部に対
してなす仕事、第三項は外壁を通して外部から単
位時間に流入する熱エネルギーを示し、右辺は系
の内部エネルギーの単位時間の増加を示す。冷媒
が理想気体の法則に従うものとし、また圧縮機の
吸入行程は急速であるために、断熱変化とすれ
ば、γ_a＝Pa／RTa、ｄＱ／ｄｔ＝０から次式の様にな る。 Ｇ＝ｄＶａ／ｄｔ（Ａ／ＣｐＴ_Ａ＋１／κＲＴ_Ａ）Pa ＋Ｖａ／κＲＴ_ＡｄＰａ／ｄｔ ２式 また、１／Ｒ＝Ａ／Ｃｐ＋１／κＲの関係式を用いれ
ば Ｇ＝１／ＲＴ_Ａ・ｄＶａ／ｄｔ・Pa＋Ｖａ／κＲＴ_Ａｄ
Ｐａ／ｄｔ３式 吸入孔を通過する冷媒の重量流量はノズルの理
論が適用出来 したがつて、３式、４式を連立させて解くこと
により、羽根室圧力：Paの過渡特性が得られ
る。 但し、上記羽根室の容積：Va（θ）は、ｍ＝
Rr／Rcとして Ｖ（θ）＝ｂＲｃ^２／２｛（１−m²）θ＋（１−ｍ）^２／２sin2θ−（１−ｍ）sinθ√１−（１−）^{2 2} −sin^-1〔（１−ｍ）sinθ〕｝＋ΔＶ（θ） ０＜θ＜π／２のとき、Va（θ）＝Ｖ（θ） π／２＜θ＜θｓのとき、Va（θ）＝Ｖ（θ）−Ｖ（π−θ） ５式 上記：ΔＶ（θ）は、ベーンがロータ中心に対
して偏芯されて配置されていることによる補正項
であるが、通常１〜２％のオーダーである。ΔＶ
（θ）＝０の場合を第４図イに示す。 第４図ロは、本発明の一実施例である第２図の
構成の圧縮機において、吸入孔１７からみた、実
質的な羽根室の容積：Va（θ）を示す。 すなわち、吸入行程の後半において、第３図ニ
で示すごとく、冷媒は上流側羽根室２６−１と下
流側羽根室２６−２の両方に流入するために、羽
根室の容積は、５式で得られるVaに加うるに、
位相差：Δθ＝90゜遅れた下流側羽根室Ｂ２６−
２の容積が加わることになる。曲線ロが、θ＝
210゜で曲線イに急変するのは、ベーンＢ２８−
２が圧力回復部１９を走行することにより、羽根
室Ｂ２６−２への冷媒の供給が遮断されるからで
ある。 第５図は、吸入行程における一つの羽根室と、
冷媒の供給源との間の吸入有効面積を示す。 120゜＜θ＜135゜の区間で、有効面積：ａ＝０
となるのは、やはりこの区間で上流側羽根室から
の冷媒の供給がベーンＢ２８−２によつてさえぎ
られるからである。 第６図は、３式〜４式及び第４図ロの体積曲
線：Va、第５図の吸入有効面積：ａ及び表１、
２の条件を用いて、ｔ＝０、Ｐ＝Psの初期条件
のもとに、回転数をパラメータとして、羽根室圧
力の過渡特性を求めたものである。また、カーク
ーラー用冷凍サイクルの冷媒は通常Ｒ１２を用い
るため、κ＝1.13、Ｒ＝668Kg・cm/〓Kg、γ_A＝
16.8×10^-6Kg/cm³、Ｔ_A＝283〓として解析を行つ
た。

【表】 また、吸入行程が終了する直前（θ＝210゜）
から、羽根室圧力は上昇を始めるが、この理由
は、下流側羽根室Ｂ２６−２への冷媒の供給が遮
断されることにより、第４図で示す様に、実質的
に羽根室容積の急激な減少をもたらすからであ
る。 実施例では、ω＝1000rpmにおいて、羽根室圧
力：Paが吸入行程終了直前で供給圧：Psに到達
出来る様に、圧縮機の各パラメータを決定した。
第７図は、吸入流通路の有効面積：a₁をパラメー
タとして、回転数に対する圧力降下率を求めたも
のである。 但し、吸入行程終了時における羽根室圧力を
Pa＝Pasとしたとき、圧力降下率：η_pを次の様
に定義する。 η_p＝（１−Ｐａｓ／Ｐｓ）×100 ６式 参考として第８図に圧力回復部を設けない場合
のω＝1000rpmにおける羽根室圧力の過渡特性を
示す。 吸入有効面積を、例えば、ａ＝0.6cm²に増加さ
せても、吸入行程終了間際において、依然として
圧力損失：Δｐが存在し、体積効率の低下をもた
らすことが分かる。 さて、本発明における吸入有効面積とは、下記
の様なものである。 エバポレータ出口から、圧縮機の羽根室に致る
までの流体経路の中で、その断面積が最小となる
個所があれば、その断面積に縮流係数：Ｃ＝0.7
〜0.9を乗じた値から、吸入有効面積：ａの概略
値が把握出来る。但し、厳密にはJISB8320等で
用いられる方法に準じて下記の様な実験から得ら
れる値を吸入有効面積：ａと定義する。 第９図は、その実験方法の一例を示すもので、
１００は圧縮機、１０１は車輛に実装する際にエ
バポレータから圧縮機の吸入孔に連結するパイ
プ、１０２は高圧空気供給用パイプ、１０３は上
記両パイプ１０１，１０２を連結するためのハウ
ジング、１０４は熱伝対、１０５は流量計、１０
６は圧力計、１０７は圧力調整弁、１０８は高圧
のエアー源である。 第９図の一点鎖線：Ｎで包まれる部分が、本発
明の対称となる圧縮機に相当するものである。 但し、上記実験装置において、エバポレータ内
部に流体抵抗として無視出来ない絞り部分があれ
ば、それに相当する絞りを、上記パイプ１０１に
附加する必要がある。 高圧空気源の圧力をP₁Kg/cm²abs、大気圧をP₂
＝1.03Kg/cm²abs、空気の比熱比：κ_１＝1.4、比
重量：γ_１、重力加速度：ｇ＝980cm/sec²として
上記条件下で得られる重量流量をG₁とすれば下
記の様に吸入有効面積：ａが得られる。 但し、0.528＜P₂／P₁＜0.9の範囲になる様に高
圧：P₁を設定する。 第１０図は本発明の他の実施例を示すもので、
２００はロータ、２０１はベーン、２０２はシリ
ンダ、２０３は側板に形成した吸入溝、２０４は
やはり側板に形成した吸入孔、２０５は圧力回復
部である。 第２図の実施例では、吸入溝、吸入孔共シリン
ダに形成したが、第９図のごとく側板に形成して
もよい。 以上、実施例によつて説明したように、本発明
のベーン形圧縮機は、吸入行程における前記羽根
室圧力が、冷媒の供給源圧力よりも降下する吸入
損を利用して高速駆動時の冷凍能力の抑制を行う
圧縮機であつて３枚以上のベーンが摺動可能に設
けられたロータと、このロータ及びベーンを収容
するシリンダと、前記シリンダの両側面に固定さ
れ、前記ベーン、前記ロータ、前記シリンダで形
成される羽根室の空間をその側面において密閉す
る側板と、前記羽根室と外部を連絡する流通路で
ある吸入孔及び吐出孔とより構成され、前記ロー
タの回転にともなつてその体積が増加する行程に
ある羽根室が常に隣接して２個形成されるよう前
記ベーンが配置された圧縮機において、先に吸入
行程が終了する第１の羽根室に開口させて前記吸
入孔を形成すると共に、この第１の羽根室に隣接
して吸入行程にある第２の羽根室に、前記第１の
羽根室を介してのみ冷媒を供給する吸入溝を前記
シリンダ又は前記側板に形成し、前記吸入孔と吸
入溝とを連通させず独立して形成したものである
ため、高速回転時に吸入損を生じるよう一定の吸
入有効面積の条件下において、吸入行程にある羽
根室が２室以上となつても、低速回転時に体積効
率の低下を生じることのないベーン形圧縮機を構
成することが可能となつた。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のスライデイングベーン式の圧縮
機の断面図、第２図は本発明の一実施例である４
ベーンタイプの圧縮機の断面図、第３図イ〜ヘは
吸入行程における各羽根室への冷媒の流入状態を
示す説明図、第４図はθ−Va特性ベーン走行角
度に対する羽根室体積：Vaのグラフ、第５図は
ベーン走行角度に対する吸入有効面積：ａを示す
グラフ、第６図はベーン走行角度に対する羽根室
圧力：θ−Pa特性のグラフ、第７図は回転数に
対する圧力降下率：ω−η_pのグラフ、第８図は
ベーン走行角度に対する羽根室圧力：θ−Paの
グラフ、第９図は吸入有効面積の実測方法を示す
図、第１０図は本発明の他の実施例を示す圧縮機
の正面断面図である。 １１……シリンダ、１４……ベーン、１６……
ロータ、１７……吸入孔、１８……吸入溝。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 吸入行程における前記羽根室圧力が、冷媒の
   供給源圧力よりも降下する吸入損を利用して高速
   駆動時の冷凍能力の抑制を行う圧縮機であつて、
   ３枚以上のベーンが摺動可能に設けられたロータ
   と、このロータ及びベーンを収容するシリンダ
   と、前記シリンダの両側面に固定され、前記ベー
   ン、前記ロータ、前記シリンダで形成される羽根
   室の空間をその側面において密閉する側板と、前
   記羽根室と外部を連絡する流通路である吸入孔及
   び吐出孔とより構成され、前記ロータの回転にと
   もなつてその体積が増加する行程にある羽根室が
   常に隣接して２個形成されるよう前記ベーンが配
   置された圧縮機において、先に吸入行程が終了す
   る第１の羽根室に開口させて前記吸入孔を形成す
   ると共に、この第１の羽根室に隣接して吸入行程
   にある第２の羽根室に、前記第１の羽根室を介し
   てのみ冷媒を供給する吸入溝を前記シリンダ又は
   前記側板に形成し、前記吸入孔と吸入溝とを連通
   させず独立して形成したベーン形圧縮機。