(57)【要約】【課題】  負荷に応じて非常に広い範囲にわたり圧縮機の吐出し量を変えることができ、かつ性能低下の少ない、高効率の圧縮機を得る。【解決手段】  ピストン１０とシリンダ３１などを備える圧縮機構部はその吐出し量を機械的な機構で調整（例えばピストンのストローク変更）することができる可変容量機構を備えている。また、圧縮機構部を駆動する電動機部はインバータや極数変換などの周波数変換装置を介してその回転速度を制御可能に構成されている。圧縮機の吐出し量は、前記可変容量機構及び周波数変換装置の両方を制御して調整される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機構部と、この圧縮機構部に駆動軸を介して連結された電動機部とを備え、これらが密閉容器内に収納されている冷媒圧縮機において、
前記圧縮機構部はその吐出し量を機械的な機構で調整することのできる可変容量手段を備え、かつ前記電動機部は周波数変換装置を介してその回転速度を制御可能に構成され、前記機械的機構による可変容量手段及び前記周波数変換装置の両方を制御して圧縮機の吐出し量を調整するようにしたことを特徴とする冷媒圧縮機。
【請求項２】
請求項１において、前記周波数変換装置はインバータであることを特徴とする冷媒圧縮機。
【請求項３】
請求項１において、前記周波数変換装置は、極数変換により電動機回転数を可変するものであることを特徴とする冷媒圧縮機。
【請求項４】
請求項１〜３の何れかにおいて、前記圧縮機構部は、シリンダと該シリンダ内を往復運動するピストンを備えるものであり、この圧縮機構部の吐出し量を機械的に調整する可変容量手段は、前記ピストンのストロークを変化させるものであることを特徴とする冷媒圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷凍・空調用機器に使用される冷媒圧縮機に係り、特に冷凍・空調用機器の負荷に応じて圧縮機の吐出し量を変えることができる冷媒圧縮機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の冷媒用圧縮機においては、冷凍・空調用機器の負荷に応じて圧縮機の吐出し量を変化させる機構として、例えば特開昭５７−８６５８８号公報に記載のごとく、圧縮室に取り込まれた冷媒ガスを、一部吸入側へ戻す流路を備え、この流路を必要に応じて開閉することにより圧縮機の吐出し量を変える。あるいは冷凍６２巻７２０号第７０頁から第７５頁（ＶＯＬ．６２、No７２０、Ｐ７０〜７５）に記載のごとく、圧縮機をインバータで駆動することにより、圧縮機の回転速度を変え、これに応じて吐出し量を変化させるなどの方法が採用されていた。
【０００３】
また、特開昭６３−１８６９７３号公報に記載のように、カ−ク−ラ用圧縮機として用いられる半密閉形の可変容量式圧縮機が開示されている。
【特許文献１】特開昭５７−８６５８８号公報
【特許文献２】特開昭６３−１８６９７３号公報
【非特許文献１】冷凍６２巻７２０号（第７５頁から第７５頁）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし上記従来技術では、吐出量の調整範囲が小さく、特開昭５７−８６５８８号公報に記載のものでは吐出量の調整範囲は、６０〜１００％、冷凍６２巻７２０号第７０頁から第７５頁に記載のものでも２０〜１００％程度である。また吐出し量を減らした容量制御時には効率が大きく低下するなど、冷凍・空調用機器に用いる際には、使い勝手が悪い。吐出し量を減らした割に消費電力が低下しないなどの欠点を有していた。
【０００５】
また、カ−ク−ラ用圧縮機として用いられる可変容量式の圧縮機は、斜板の傾転角の制御に、吐出圧力あるいは吸入圧力のいずれか一方のみで制御しているため、ル−ムク−ラ、パッケ−ジ形空気調和機のように急速な運転変化を要求される場合に対応できないものであった。さらに、密閉形圧縮機のように、電動機部を有さないため、電動機部の効率も含めた全体の効率については、配慮されていないものであった。
【０００６】
本発明の目的は、非常に広い範囲にわたり圧縮機の吐出し量を調整することが可能で、しかも性能低下も少ない冷媒圧縮機を得ることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明の特徴は、圧縮機構部と、この圧縮機構部に駆動軸を介して連結された電動機部とを備え、これらが密閉容器内に収納されている冷媒圧縮機において、前記圧縮機構部はその吐出し量を機械的な機構で調整することのできる可変容量手段を備え、かつ前記電動機部は周波数変換装置を介してその回転速度を制御可能に構成され、前記機械的機構による可変容量手段及び前記周波数変換装置の両方を制御して圧縮機の吐出し量を調整するようにしたものである。
【０００８】
ここで、前記周波数変換装置としては、インバータあるいは極数変換により電動機回転数を可変するようにしたものが良い。
【０００９】
さらに、前記圧縮機構部は、シリンダと該シリンダ内を往復運動するピストンを備えるものであり、この圧縮機構部の吐出し量を機械的に調整する可変容量手段は、前記ピストンのストロークを変化させるものとするとなお良い。
【発明の効果】
【００１０】
以上述べたように本発明によれば、圧縮機構部はその吐出し量を機械的な機構で調整することのできる可変容量手段を備え、かつ電動機部は周波数変換装置を介してその回転速度を制御可能に構成され、機械的機構による可変容量手段及び前記周波数変換装置の両方を制御して圧縮機の吐出し量を調整するようにしているので、圧縮機の吐出し量を変えることができることに加え、これを駆動する電動機の駆動回転速度も変えることができるので、非常に広い範囲にわたり圧縮機の吐出し量を調整することができる。しかも、本発明によれば容量制御による性能低下も少ないという効果がある。
また本発明によれば、機械的機構による可変容量手段及び前記周波数変換装置の両方を制御して圧縮機の吐出し量を調整することから、それら両者の制御を種々組み合わせれば、最も電力消費量の少ない運転、静粛な運転など、好みに応じた運転をなすことも可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の一実施例に係る冷媒圧縮機について、図１から図３を参照しながら説明する。図１は圧縮機の全体構造を示す縦断面図で、ピストンストロークが最大の状態を、図３はピストンストロークが最小の状態を示している。
【００１２】
図１に示すように、本実施例の冷媒圧縮機は、圧縮機構部と電動機部が密閉容器１内に収納されている。密閉容器１は、薄い肉圧の円筒状の容器と、この円筒状容器の一方の端部に溶接などにより固定される吐出配管１３と、吸入パイプ１２が取付られたカバ−と、円筒状の容器の他端を封止するために溶接などにより固定されるカバ−とから構成されるが、この密閉容器１内には、図示のように圧縮機構部に取付られた吐出カバ−４（必要であればシ−ル材などによるシール部
３８で吐出カバ−と密閉容器１の内壁との間のシ−ルを行うように構成することができる。）により、電動機部と圧縮機構部を収納する低圧雰囲気の第１チャンバ室１０１と圧縮ガスが排出される高圧雰囲気の第２チャンバ室１０２に分離されている。
【００１３】
固定子２１と回転子２２から構成される電動機部は、低圧雰囲気である第１チャンバ室１０１内にあって、電動機の固定子２１は、密閉容器１の内壁に、圧入、焼ばめなどの方法により内接して固定されている。又、斜板室２０２が形成されているフレーム２も、密閉容器１の内壁に固定されて支持されている。回転子２２が取り付けられた駆動軸５は、フレーム２に設けられた軸受２３と、フレーム２に結合されたシリンダブロック３の中心部に設けられた軸受２４により回転自在に支持されており、軸受２３、２４の間の位置でこの駆動軸５にドライブプレート６が固定されている。又、この駆動軸５は、シリンダブロック３およびフレ−ム２に設けられたスラスト軸受７１、７２によって軸方向のスラスト力を受けるようになっている。フレーム２に固定されたシリンダブロック３には、駆動軸５の軸線と平行でかつ駆動軸５の軸線を中心とした円周方向には複数個のシリンダ３６が形成されて配置されており、それぞれのシリンダ３６内を往復運動するピストン１０が組み込まれている。ピストン１０には、ピストンリング１０ａ、１０ｂが装着されており、ピストン１０がシリンダ３６内を往復運動するときの圧縮ガスが漏洩するのを防いでいる。
【００１４】
駆動軸５に固定されて結合されたドライブプレート６には、ガイド溝６１が設けられ、ガイド溝６１には、斜板７に設けられたピポットピン１５が嵌合された状態で移動可能に取り付けられている。ガイド溝６１は１つの閉曲線で形成され、その形状はピボットピン１５がこのガイド溝６１内を移動してもピストンの上死点の位置が変化しないように形成されている。また、駆動軸５には、スリーブ１４が駆動軸５に対し軸方向に滑動可能に組み込まれており、スリーブ１４と斜板７とは、図２に示すようにスリーブピン１６により係合されている。さらに、駆動軸５にはストッパ８０が設けられており、スリ−ブ１４が当接することによりピストンストロ−クが最小となる位置を規制している。斜板７にはスラスト軸受２５とラジアル軸受２６を介してピストンサポート８が回転可能に軸受支持されており、かつ潤滑油が溜められている圧縮機の下部位置で、半径方向にサポートピン２７が圧入、ねじ込み、あるいは塑性結合などの方法で固定され、サポートピン２７には、図２に示すようにフレーム２の内周部に設けられた軸方向案内溝２０１内を往復運動するスライドシュー２８が、回転及び滑動自在に装着されている。このサポ−トピン２７は、ピストンサポート８が駆動軸５のまわりに回転しないように、軸まわりの運動を規制している。
【００１５】
上記図２により、ピストンサポート部を更に詳細に説明する。ピストンサポート８には、シリンダ３６と同数の凹部９１ａ〜９１ｆが形成されており、両端にボ−ル９１、９２を有するコンロッド９の一端が、その凹部にボール９１の中心まわりに回転自在に取つけられいる。一方、コンロッド９の他端はボール９２の中心まわりに回転自在にピストン１０が取り付けられている。シリンダ３６が設けられているシリンダブロック３と吐出カバ−との間には、吸入弁が形成された弁板３４、吐出弁が形成された弁板３５と各シリンダ３６のそれぞれに対応して、吸入ポート１２１と吐出ポート１２２が設けられたシリンダヘッド１２０とが取付られており、シリンダ３６、ピストン１０などにより形成される圧縮室と吐出カバ−４に設けられた吸入室４１と吐出室４２とが吸入ポ−ト１２１、吸入弁あるいは吐出ポ−ト、吐出弁を介してそれぞれ通じている。この弁板１２３とシリンダヘッド１２０とは、シリンダブロック３の中央部にねじ止めされることおよび吐出カバ−４の外周部ではさみ込むことにより固定されている。吸入室４１には吸入側配管（吸入パイプ）１２が接続され、直接圧縮機外部の冷凍サイクル機器（図示せず）とつながっている。また、吐出カバ−４に設けられた吐出室４２と連通する第１チャンバ室１０１には、密閉容器１に取付けられた吐出側配管（吐出パイプ）１３を介して冷凍サイクルの機器（図示せず）とつながっている。
【００１６】
さらに、圧縮機構部や電動機部を収納している低圧雰囲気の第１チャンバ室１０１と吸入側配管１２及び吐出側配管１３あるいは高圧雰囲気の第２チャンバ室１０２とは、それぞれ途中に制御弁３１０、３２０を介して、配管３１、３２によりつながっている。
【００１７】
次に、以上述べたように構成された冷媒圧縮機の動作について説明する。電動機部により駆動軸５が回転され、駆動軸５に固定されたドライブプレート６が回転すると、ドライブプレート６から斜板７にガイド溝６１と嵌合されたピポットピン１５を介して回転力が与えられ、斜板７が回転する。サポ−トピン２７によりピストンサポート８が駆動軸５のまわりに回転しないように規制しており、スラスト軸受２５とラジアル軸受２６を介してピストンサポート８が斜板７に対して回転可能に軸受支持されているので、斜板７の回転に応じて、ピストンサポート８が揺動運動を行い、ピストン１０をシリンダ３６内で往復運動させる。ピストン１０がシリンダ３６内を往復運動することにより、冷凍サイクル（図示せず）から帰還した冷媒は、吸入パイプ１２から吸入室４１に流入し、シリンダヘッド１２０に設けられた吸入ポート１２１から吸入弁、吸入ポ−ト１２１を介してシリンダ３６内に導かれる。シリンダ３６内でピストン１０がシリンダヘッド１２０側に動くことにより、圧縮室の容積が縮小して昇圧された冷媒は、吐出ポート１２２から吐出弁を介して吐出室４２へ送り出され、さらに吐出カバ−４に設けられた連通穴１２３を通って、吐出カバ−４の外側に設けられた第２チャンバ室１０２に吐出され、その後吐出パイプ１３から外部へ排出される。密閉容器１の第１チャンバ室１０１の底部には潤滑油が溜められているが、フレーム２の内周部に設けられた軸方向案内溝２０１内を往復運動するスライドシュー２８の潤滑、ガイド溝６１と嵌合されたピポットピン１５との間の潤滑、軸受２３、２４の潤滑、コンロッド９の両端のボ−ル９１、９２とピストンサポ−ト８に設けられた凹部との間の潤滑等は、密閉容器１の第１チャンバ室１０１の底部に溜まった潤滑油をはねかけることにより行われる。
【００１８】
第１チャンバ室１０１には、圧力センサ８１が設けられており、この圧力センサ８１の出力はＡ／Ｄ変換器８２に入力され、その出力が制御装置８３に入力されるように構成されている。この制御装置８３では、検出した第１チャンバ室１０１内の圧力と傾転角を設定された値に保つための設定圧力との差を比較し、制御弁３１０、３２０の開閉制御を行うための指令値を出力する。
【００１９】
次に、圧縮機の運転制御について説明する。圧縮機と凝縮器、膨張弁、蒸発器、四方弁とそれらを接続する配管から構成される冷凍サイクル（図示せず）の負荷が大きい場合、すなわち冷房運転の場合は外気温度が高い、暖房運転の場合は外気温度が低い場合などは、冷媒圧縮機は、斜板７の傾斜角が最大の状態、すなわち、ピストン１０の往復運動行程が最大の状態で運転される。このとき、圧縮途中でピストン１０とシリンダ３６の隙間からピストン１０の背面の斜板室２０
２へ漏れ出たブローハイガスは、第１チャンバ室１０１内の圧力を高めるが、室内ユニット（図示せず）に設けられた制御器の指令に応答して、制御弁３１０が開状態となり、第１チャンバ室１０１と吸入側配管１２（あるいは冷凍サイクル中の吸入路でもよい）とを結ぶ配管３１を介して、吸入側に戻され、第１チャンバ室１０１の圧力は吸入側の圧力とはほぼ同じ圧力に保たれるため、斜板７の傾斜角が最大の状態で運転が持続される。
【００２０】
これに対し、冷凍サイクルの負荷が小さく、圧縮機の吐出し量を抑える場合には、第１チャンバ室１０１と吸入側とを結ぶ配管３１に設けられた制御弁３１０を閉じる。制御弁３１０を閉じると、圧縮途中でピストン１０とシリンダ３６の隙間から斜板室２０２に漏れ出たブローハイガスにより、第１チャンバ室１０１の圧力が昇圧される。さらに第１チャンバ室１０１の圧力を迅速に昇圧する必要がある場合には、第１チャンバ室１０１と吐出側配管とを結ぶ配管３２の途中に設けられた制御弁３２０を開き、高圧ガスを第１チャンバ室１０１へ導入して昇圧する。第１チャンバ室１０１が昇圧されると、ピストン１０の背面に加わる力が大きくなり、斜板７は、ドライブプレート６に設けられたガイド溝６１に沿って傾斜角を変えるとともに、斜板７を傾き自在に支持するスリーブ１４がシリンダヘッド１２０方向に移動し、斜板７の傾転角に応じてピストン１０のストロークが小さくなり、圧縮機の吐出量が減少する。このとき、上述したように、ガイド溝６１の形状をピボットピン１５がガイド溝６１内を移動してもピストンの上死点の位置が変化しないように形成しているので、上死点時におけるピストン位置がほぼ変わらないため、圧縮機の性能が大幅に低下することない。
【００２１】
このように制御弁３１０、３２０の開閉を制御することにより、第１チャンバ室１０１の圧力を調整し、ピストンストロークを任意に変えることができる。このとき、制御弁３１０、３２０の開閉制御としてデュ−ティ比制御などを適用することができる。この第１チャンバ室１０１の圧力を調整する方法として、第１チャンバ室１０１内に設けられた圧力センサ８１の出力を制御装置にフィ−ドバックして、第１チャンバ室１０１内の圧力が高い場合は、制御弁３１０を開き圧力を低下させ、第１チャンバ室１０１内の圧力が低い場合は、制御弁３２０を開き圧力を上昇させる方法がある。又、ピストンスリ−ブなどの変位を測定する、あるいは斜板の位置を直接測定することにより、この値をフィ−ドバックしてもよい。
【００２２】
以上は、ピストン１０の背面の部屋の圧力を昇圧させて斜板傾斜角を変える制御（加圧制御）について述べたが、吸入路を絞り、シリンダ３６入口側の圧力をピストン１０の背面の圧力よりも低下させる制御（減圧制御）よっても、同様のことが行える。また、斜板７を支持するスリーブ１４に直接力を加えて、スリーブ１４を駆動軸上で滑動させて斜板７の傾転角を変え、圧縮機の吐出し量を変えることも可能である。
【００２３】
以上述べたように、本実施例によれば、圧縮機構部と電動機部とを密閉容器１内に収め、吐出圧力と吸入圧力とを斜板の傾転角の制御に用いているので、運転条件に即応できる圧縮機を得ることができる。また、第１チャンバ室１０１に排出されるブローバイガスや、密閉容器１の内壁を通した放熱により、電動機の冷却が促進され、小形で軽量かつ、信頼性の高い圧縮機を得ることができる。さらに、ピストン１０のストロークにかかわらず、ピストン１０の上死点位置が変わらないので、圧縮機の吐出し量を変えても効率の変化が少なく、広い容量範囲にわたり、高い効率を維持することが可能となる。
【００２４】
次に、本発明の他の実施例を図４〜図７により説明する。本実施例では、駆動回転速度を変えることのできる電動機部５１０と圧縮機構部５２０を組み合わせた場合について説明する。図４、図５は、電動機の極数を変えることにより、電動機部５１０の回転速度を２段階に変えた場合の例を示している。本実施例では、電動機の駆動は、極数変換回路５３０を経て、密閉容器１内の電動機部に給電されるようになっている。図５は、この極数変換回路５３０および電動機部５１
０と図１に示した圧縮機を組み合わせた時の圧縮機の吐出し量の変化を示した図である。
【００２５】
電動機の回転速度を高速側（一定速度）に設定したまま、上述したように、圧縮機構部のピストンストロ−クを変えることにより圧縮機の吐出し量を調整すると吐出し量はＡ−Ｃ間で変化する。また、電動機の回転速度を低速側（一定速度）に設定して、ピストンストロークを変えて圧縮機の吐出し量を調整すると吐き出し量はＣ−Ｄ間で変化する。なお、ＢＣ間は、電動機の回転速度を低速側に切り換え、ピストンストロークの大きな範囲を用いて、Ｄ−Ｆ間を用いる運転も可能である。従って、このような容量範囲では圧縮機構部と電動機部のそれぞれの効率を考慮して、全体の効率が最も高くなる組合せを選び、効率の良い方に切り換えて運転することができる。
【００２６】
図６、図７はインバータ回路５４０を用いて駆動速度を可変にすることができる電動機部５１０と圧縮機構部５２０と組合せた場合の例を示している。図７は、電動機の回転速度と、圧縮機のピストンストロークを変えたときそれぞれに対応して圧縮機の吐出し量の変化を示した図である。例えば図中のＡ−Ｃ間は、圧縮機構部のピストンストロークを最大側に維持したまま、電動機の回転速度を変えることによる圧縮機の吐出し量の変化範囲を示したものであり、Ｃ−Ｄ間は、
電動機の回転速度を最小に維持したまま、圧縮機構部のピストンストロークを変えることによる圧縮機の吐き出し量の変化範囲を示したものである。このように、電動機の回転速度を最小に維持し、ピストンストロ−クを小さくすることにより、さらに圧縮機の吐出し量を低下させさせることができるので、非常に広い範囲にわたり、圧縮機の吐出し容量を制御することができる。また、吐出し容量をＡ点からＤ点まで変えるにあたり、電動機の回転速度と、圧縮機構部のピストンストロークの組合せは、例えば図中に示したごとく、Ａ−Ｂ−Ｅ−Ｄなる経路に沿って、電動機の回転速度と圧縮機構部のピストンストロークを変えることによっても制御を行うことができるように、電動機の回転速度と圧縮機構部のピストンストロークとの組合せは、Ａ−Ｃ−Ｄ−Ｆで囲まれた範囲内で多岐にわたって選ぶことができる。
【００２７】
例えば、電力消費量を低く抑えたい場合には、次のようにする。ここで圧縮機構部の効率をηｃ、電動機部（インバータ等を介して駆動する場合はこれも含め）の効率をηｍとすると、これらの値は、回転速度やピストンストロークにより変わるが、全体の効率ηｔは
ηｔ＝ηｃ×ηｍ
で表される。このηｔが圧縮機の吐出し容量に対して最大となるよう、電動機の回転速度と圧縮機構部のピストンストロークを制御することにより、電力消費量を最も低く抑えることが可能となる。
【００２８】
振動や騒音を低く抑えた運転を行いたい場合には、必要とされている圧縮機の吐出し容量に対して、圧縮機構部のピストンストロークを低下させて最小にし、さらに容量を低下させる場合には電動機の回転速度を低下させるような制御、すなわち図７に示すＡ−Ｆ−Ｅ−Ｄの経路に沿った制御を行うことにより、静粛な運転が可能となる。これらの運転制御は、前述した制御装置８３に予め圧縮機構部の効率ηｃと電動機部の効率ηｍをデ−タベ−スとして記憶させておき、要求される吐き出し量に対し最大となる全体の効率ηｔとなる組合せを計算し、それぞれの値を指令値としてインバ−タ回路５４０、制御弁３１０、３２０へ出力することによって行うことができる。このように、好みに応じた多岐にわたる容量の制御が可能となり、多機能化に大きく貢献することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の一実施例を示す冷媒圧縮機の縦断面図である。
【図２】ピストンサポート部の詳細な構造を示す横断面図である。
【図３】ピストンストロークが最小となった状態を示す部分縦断面図である。
【図４】電動機と圧縮機構部の組合せの一実施例を示す図である。
【図５】圧縮機の容量制御方法の一実施例を示す概念図である。
【図６】電動機と圧縮機構部の組合せの一実施例を示す図である。
【図７】圧縮機の容量制御方法の一実施例を示す概念図である。
【符号の説明】
【００３０】
１…密閉容器、２…フレーム、３…シリンダブロック、４…吐出カバー、５…
駆動軸、６…ドライブプレート、７…斜板、８…ピストンサポート、９…コンロ
ッド、１０…ピストン、１２…吸入側配管（吸入パイプ）、１３…吐出側配管（
吐出パイプ）、１４…スリーブ、３６…シリンダ、３８…シール部、１０１…第
1チャンバ室、１０２…第２チャンバ室（高圧チャンバ室）、３１０…制御弁、
３２０…制御弁。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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