(57)【要約】【課題】  スクロールコンプレッサを駆動するガスエンジンを，適正トルクの高効率領域で駆動させることのできるスクロールコンプレッサ及び空調装置を提供すること。【解決手段】  本発明の空調装置１のスクロールコンプレッサ１２は，固定スクロールと旋回スクロールとを有し，旋回スクロールの旋回により，固定スクロールと旋回スクロールとの間の圧縮室に外端の吸入口２１から被圧縮体を取り込み，圧縮室を外側から内側に移動させて被圧縮体を圧縮するスクロールコンプレッサ１２であって，同一の圧縮室により吸入口２１と連通しうる位置に設けられるとともに，開閉弁１７によって開閉の切換が可能な吸入量調整口２３を有する。【選択図】            図１
2005098208.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定スクロールと旋回スクロールとを有し，前記旋回スクロールの旋回により，前記固定スクロールと前記旋回スクロールとの間の圧縮室に外端の吸入口から被圧縮体を取り込み，圧縮室を外側から内側に移動させて被圧縮体を圧縮するスクロールコンプレッサにおいて，
同一の圧縮室により吸入口と連通しうる位置に設けられるとともに，開閉の切換が可能な吸入量調整口を有することを特徴とするスクロールコンプレッサ。
【請求項２】
冷媒流路と，前記冷媒流路に冷媒を循環させるコンプレッサと，前記コンプレッサを駆動する原動機とを有し，
前記コンプレッサは，
固定スクロールと旋回スクロールとを有し，前記旋回スクロールの旋回により，前記固定スクロールと前記旋回スクロールとの間の圧縮室に外端の吸入口から被圧縮体を取り込み，圧縮室を外側から内側に移動させて被圧縮体を圧縮するスクロールコンプレッサであり，
同一の圧縮室により吸入口と連通しうる位置に設けられるとともに，開閉の切換が可能な吸入量調整口を有していることを特徴とする空調装置。
【請求項３】
請求項２に記載する空調装置において，
運転モードとして，
前記スクロールコンプレッサの吸入量調整口が開かれるとともに，前記原動機が低トルク運転される低トルク運転モードと，
前記スクロールコンプレッサの吸入量調整口が閉じられるとともに，前記原動機が高トルク運転される高効率運転モードとを有することを特徴とする空調装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，冷媒を循環させて室内の空調を行う空調装置及びその空調装置に使用されるスクロールコンプレッサに関する。さらに詳細には，ガスエンジンにより駆動されるスクロールコンプレッサ及び空調設備に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より，室内と室外とにそれぞれ熱交換器を備え，それらの間に冷媒を相変化させつつ循環させることによって室内空調を行う空調装置がある。このような空調装置では，低圧ガス状態の冷媒を圧縮して高圧ガス状態とするための圧縮機が利用される。この圧縮機としてガスエンジン駆動のスクロールコンプレッサを利用したものがある。スクロールコンプレッサは，渦巻き状の固定スクロールの間に配置された渦巻き状の旋回スクロールが旋回され，その内部の圧縮室の容積を小さくしていく。このコンプレッサでは，吸入口と吐出口とのガスの圧力差やガス吐出量によって必要とされるエンジントルクの大きさが決まる。そのため，空調装置の設定温度あるいは外気温との温度差等によって必要とされるエンジントルクはかなり変化する。
【０００３】
また，このスクロールコンプレッサを駆動するガスエンジンでは，一般に，負荷に応じてその回転数を変化させ，エンジンの軸トルクはほぼ一定となるように制御している。しかし，ガスエンジンは可変速度範囲（稼働できる回転数の範囲）には限度がある。そのため，大きく変化するような負荷，特に負荷がごく小さくなった場合に十分対応できなかった。そこで，コンプレッサの中間圧部分に開口部を設けた空調装置が提案されている（例えば，特許文献１参照。）。この空調装置では，負荷が小さいとき，コンプレッサの開口部から低圧流路へ冷媒ガスを流出させる。これにより，空調負荷が小さい場合の制御性を向上させている。
【特許文献１】特開平１０−１１５２９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら，一般にガスエンジンでは，同じ仕事量であれば高トルク領域ほど効率の高い運転領域となっているので，低トルクの仕事は効率の低い運転領域となる。前記した従来の空調装置のように，空調負荷が小さいときにコンプレッサの負荷を減少させ，コンプレッサ駆動用のエンジンにかかるトルクも減少させた場合，同時にエンジンの運転効率も低下するという問題点があった。
【０００５】
ここで，図８に一般的なガスエンジンの最大トルク曲線の例を示す。図８に示すように，ガスエンジンの最大トルクはその回転数によって異なり，回転数がその変化域の中央付近においてピークを示し，それより高い回転数では徐々に低下する。また，使用するエンジンの規格は，空調負荷が最大となった時にもストールしないことを基準に選択され，制御値とされるエンジンの軸トルクは，最大負荷時でもエンジンの規格値（最大トルク）までには多少の余裕があるように設定されている。すなわち，エンジンの規格を選定する際の基準となるのは，高負荷時（例えば，約２０００ｒｐｍの高回転領域）であり，このときの最大トルクはピークより１〜２割程度低くなっている。そして，制御値となる軸トルクはその最大負荷時に対して所定の余裕を持って，例えば図８に一点鎖線で示したように決定されるので，１０００〜１６００ｒｐｍ程度の中速回転領域での駆動時には最大トルクよりかなり小さい値となっている。そこで，エンジンにとってより高効率領域である高トルク領域での駆動ができるスクロールコンプレッサ及び空調装置が望まれていた。
【０００６】
本発明は，前記した従来のスクロールコンプレッサ及び空調装置が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは，スクロールコンプレッサを駆動するガスエンジンを，適正トルクの高効率領域で駆動させることのできるスクロールコンプレッサ及び空調装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この課題の解決を目的としてなされた本発明のスクロールコンプレッサは，固定スクロールと旋回スクロールとを有し，旋回スクロールの旋回により，固定スクロールと旋回スクロールとの間の圧縮室に外端の吸入口から被圧縮体を取り込み，圧縮室を外側から内側に移動させて被圧縮体を圧縮するスクロールコンプレッサであって，同一の圧縮室により吸入口と連通しうる位置に設けられるとともに，開閉の切換が可能な吸入量調整口を有するものである。
【０００８】
本発明のスクロールコンプレッサによれば，開閉の切り換えが可能な吸入量調整口を有し，その吸入量調整口は，被圧縮体を取り込む吸入口と同一の圧縮室により連通しうる位置に設けられる。すなわち，吸入量調整口が開状態であれば，吸入量調整口を含む位置にある圧縮室は吸入口と連通されるので，内部の被圧縮体は圧縮されない。圧縮室が吸入量調整口より内側に移動されて初めて圧縮が進行する。従って，吸入口と吐出口との圧力差が小さく低負荷であるため，エンジンにとっては低トルクでの運転となる。それに対して，吸入量調整口が閉状態であれば，初めから圧縮が進行し高負荷であるため，エンジンにとっては高トルクでの運転となる。すなわち，このスクロールコンプレッサでは必要とされる負荷の異なる運転が可能であり，それらを空調負荷の大きさに応じて選択することによって，スクロールコンプレッサを駆動するガスエンジンを，適正トルクの高効率領域で駆動させることができる。
【０００９】
また，本発明の空調装置は，冷媒流路と，冷媒流路に冷媒を循環させるコンプレッサと，コンプレッサを駆動する原動機とを有し，コンプレッサは，固定スクロールと旋回スクロールとを有し，旋回スクロールの旋回により，固定スクロールと旋回スクロールとの間の圧縮室に外端の吸入口から被圧縮体を取り込み，圧縮室を外側から内側に移動させて被圧縮体を圧縮するスクロールコンプレッサであり，同一の圧縮室により吸入口と連通しうる位置に設けられるとともに，開閉の切換が可能な吸入量調整口を有しているものである。
【００１０】
本発明の空調装置によれば，スクロールコンプレッサが開閉の切換が可能な吸入量調整口を有していることから，負荷を切り換えることができる。従って，エンジンは高トルクと低トルクの２種類の運転モードから選択できる。そこで，空調負荷の大きさに応じて選択することにより，効率のよい領域を選んで運転させることができる。
【００１１】
さらに，本発明の空調装置では，運転モードとして，スクロールコンプレッサの吸入量調整口が開かれるとともに，原動機が低トルク運転される低トルク運転モードと，スクロールコンプレッサの吸入量調整口が閉じられるとともに，原動機が高トルク運転される高効率運転モードとを有することが望ましい。
このようにすれば，空調負荷が大きく，高回転数で駆動される場合には，トルクに余裕がないので低トルク運転モードで運転される。その一方，空調負荷が中程度であり，中程度の回転数で駆動される場合には，エンジンの最大トルクが大きいので高トルク運転をすることができる。高トルク運転は高効率運転であるので，この運転モードは高効率運転モードであるといえる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のスクロールコンプレッサ及び空調装置によれば，スクロールコンプレッサを駆動するガスエンジンを，適正トルクの高効率領域で駆動させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下，本発明を具体化した実施の形態について，添付図面を参照しつつ詳細に説明する。本実施の形態は，冷媒を循環させて室内空調を行う空調装置及びそれに用いられるスクロールコンプレッサに本発明を適用したものである。
【００１４】
本実施の形態の空調装置１は，その概略構成を図１に示すように，ガスエンジン１１，スクロールコンプレッサ１２，２つの熱交換器（凝縮器１３と蒸発器１４），膨張弁１５を有している。これらの構成が冷媒流路１６によって互いに接続され，冷媒流路１６を冷媒が循環される。スクロールコンプレッサ１２には，吸入口２１，吐出口２２，吸入量調整口２３が設けられ，吸入量調整口２３と冷媒流路１６との間には開閉弁１７が設けられている。
【００１５】
ガスエンジン１１は，都市ガス等のガスを燃料として回転軸を回転させ，スクロールコンプレッサ１２を駆動する。凝縮器１３は，熱を放出して冷媒を凝縮（液化）させる。蒸発器１４は，熱を吸収して冷媒を蒸発（気化）させる。膨張弁１５は，液体冷媒を減圧する。これらの構成は，従来の空調装置と同様のものである。スクロールコンプレッサ１２については，後述する。また，空調装置１としては，この構成以外にさらに，各種の弁やアキュミュレータ等が必要とされるが，これらは一般的なものであるので，ここでは説明を省略する。
【００１６】
この空調装置１に矢印のように冷媒を循環させると，次のように状態が変化する。高圧ガス状態でスクロールコンプレッサ１２の吐出口２２から吐出された冷媒が凝縮器１３で液化される。このとき，凝縮器１３からは熱が放出される。そして，高圧液状態となった冷媒は膨張弁１５で減圧され，低圧液状態となる。さらに，蒸発器１４で気化されて低圧ガス状態となる。このとき，蒸発器１４に熱が吸収される。その後，冷媒は吸入口２１から再びスクロールコンプレッサ１２に入り，圧縮されて高圧ガス状態となって吐出される。従って，冷房時は蒸発器１４を室内機，凝縮器１３を室外機とする。暖房時には蒸発器１４を室外機，凝縮器１３を室内機とする。
【００１７】
次に，スクロールコンプレッサ１２について説明する。スクロールコンプレッサ１２の内部では，図２に模式的に示すように，渦巻き状の固定スクロール２４の間を渦巻き状の旋回スクロール２５が旋回する。各図の下に示したのは，左上の状態を０度としたときの旋回角である。旋回角３６０度では旋回スクロール２５の配置は，旋回角０度の時と同じ状態に戻る。また，スクロールコンプレッサ１２には，図２に示すように，２つの吸入口２１，１つの吐出口２２，２つの吸入量調整口２３が設けられている。吸入口２１は，固定スクロール２４の端部と旋回スクロール２５との間，及び旋回スクロール２５の端部と固定スクロール２４との間にそれぞれ連通している。吐出口２２は，中央の圧縮室に連通している。また，吸入量調整口２３は，固定スクロール２４の端部から１３５度程度内側の位置とその点対称位置の圧縮室に連通して設けられている。
【００１８】
開閉弁１７を閉状態として，２つの吸入量調整口２３が閉止されている場合の圧縮室は，旋回スクロール２５の旋回とともに，図２に示したように変化する。すなわち，このスクロールコンプレッサ１２の固定スクロール２４と旋回スクロール２５とで囲まれた圧縮室は，旋回スクロール２５の旋回により位置を変えながら容積が減少される。旋回角に対する圧縮室の容積変化の割合を，図３のグラフに示すように，ほぼ一定であると仮定した場合，旋回角０度で容積１００％の圧縮室は，旋回角７２０度では４５％程度となる。このスクロールコンプレッサ１２では最大で旋回角１０８０度（３周）程度まで圧縮でき，その場合には容積２０％程度まで圧縮される。
【００１９】
次に，開閉弁１７を開状態とすると，図１に示すように，吸入口２１と吸入量調整口２３とが互いに連通した状態となる。すなわち，蒸発器１４で気化された低圧ガス冷媒は，吸入口２１と吸入量調整口２３とに流入する。この状態では，図２中で点ハッチングした圧縮室は，旋回角０度から９０度の間は吸入量調整口２３と連通しているので，吸入口２１とも連通していることとなり冷媒が流入出し，圧縮は進行しない。旋回角１３５度以上となって初めて圧縮が行われる。これは，図３のグラフから，圧縮室の容積が９０％程度となってから圧縮が始まることを意味する。従って，スクロールコンプレッサ１２の吸い込み量が９０％程度に減少するので，吐出口２２の冷媒吐出量は開閉弁１７を閉状態とした場合に比較して少なく，圧縮に必要なトルクも小さい。このことから，このスクロールコンプレッサ１２では，開閉弁１７の開閉によりその負荷の大きさを２種類に変化させることができるといえる。
【００２０】
ところで，図２では，吸入調整口２３を固定スクロール２４の端部から１３５度程度内側の位置とそのほぼ点対称位置に設けている。この固定スクロール２４の端部から１３５度程度内側の位置とは，図４（Ａ）に示すように，破線で示した角度（１３５度）の固定スクロール２４に接した内側のことである。ここで，この角度位置は１３５度に限るものではない。同一の圧縮室によって吸入口２１と連通しうる位置であればよく，その位置範囲は図４（Ａ）で点ハッチングで示した範囲であり，これは，図４（Ｂ）に示すように，固定スクロール２４の端部から３６０度未満の内側の位置（範囲３１）に相当する。すなわち，吸入調整口２３の１つは，範囲３１の線上の１箇所に設けられる。そして，他の１箇所は，そのほぼ点対称位置に設けられ，その位置範囲は図４（Ｂ）に示した範囲３２である。なお，この図４（Ｂ）では旋回スクロール２５を省略し，固定スクロール２４と吸入調整口２３の配置可能範囲のみを示している。
【００２１】
さらに，吸入調整口２３の位置（端部からの角度）によって，スクロールコンプレッサ１２の吸い込み量の変化割合が異なるので，希望の吸い込み量となるようにその位置を選択する。例えば，その容積減少率が図３のグラフで表されるスクロールコンプレッサ１２の場合，その吸い込み量を７０％程度にするには端部から３５０度付近に，吸い込み量を９５％程度とするには端部から４５度付近に吸入調整口２３を設ければよい。なお，図２では，分かりやすさのために吸入調整口２３をかなり大きく表しているが，実際にはごく小径または細長い孔であり，旋回スクロール２５の厚みによって塞がれる大きさに形成される。
【００２２】
次に，この空調装置１の制御方法について説明する。ガスエンジン１１の最大トルク曲線は，図７に示すように，従来と同様の山形に変化する。ここで，開閉弁１７を開状態としてスクロールコンプレッサ１２を低負荷とし，エンジンにとって低トルクとした場合のエンジン軸トルクをｔ１（Ｎｍ）とする。また，開閉弁１７を閉状態としてスクロールコンプレッサ１２を高負荷とし，エンジンにとって高トルクとした場合のエンジン軸トルクをｔ２（Ｎｍ）とする。またここでは，開閉弁１７を開状態としたとき，従来の空調装置におけるコンプレッサと同等の大きさまたは圧縮率となるように，スクロールコンプレッサ１２を選定する。
【００２３】
外気温と設定温度の差が大きく空調負荷が大きい場合には，ガスエンジン１１の回転数の大きい領域で使用する。図７で，エンジン回転数がｒ４（ｒｐｍ）より大となる領域での運転である。この領域では，ガスエンジン１１の最大トルクまでの余裕が少ない。そこで，図５に示すように，開閉弁１７を開状態とし，ガスエンジン１１をエンジン軸トルクｔ１（Ｎｍ）で低トルク運転する。このモードが低トルク運転モードである。これは，従来の運転と同じ領域での運転である。
【００２４】
一方，空調負荷がやや小さく，低トルク運転モードではエンジン回転数がｒ４（ｒｐｍ）以下となる場合には，ガスエンジン１１の運転モードを変更する。この領域では最大トルクまでの余裕が大きくなるので，高トルク運転とするのである。すなわち，図６に示すように，開閉弁１７を閉状態とし，ガスエンジン１１をエンジン軸トルクｔ２（Ｎｍ）で運転制御する。これは，高トルク低回転数での駆動制御である。ガスエンジン１１では一般に，同じ仕事量であれば高トルク領域が高効率領域であるので，効率の高い領域での運転である。従って，このモードが高効率運転モードである。
【００２５】
これらのモードの変わり目では，図７に示すように，仕事量が等しくなるように回転数ｒ２，ｒ３（ｒｐｍ）が選択される。なお，ガスエンジン１１では最低回転数以下で回転させることは望ましくない。そこで，空調負荷がさらに小さく，高トルク運転ではエンジン回転数が最低回転数となる場合には，開閉弁１７を開状態として，低トルク運転モードで低トルク低回転運転とする。
【００２６】
以上詳細に説明したように，本実施の形態の空調装置１によれば，冷媒流路１６と，冷媒流路１６に冷媒を循環させるスクロールコンプレッサ１２と，スクロールコンプレッサ１２を駆動するガスエンジン１１とを有し，低トルク運転モードまたは高効率運転モードで運転される。すなわち，空調負荷がある程度小さい場合には，エンジンの最大トルクまでに余裕があるので，開閉弁１７を閉状態として高トルクでの運転を行う。ガスエンジン１１は，一般に高トルク領域で高効率であるので，これは高効率運転モードでの運転である。従って，この空調装置１ではスクロールコンプレッサ１２を駆動するガスエンジン１１を，適正トルクの高効率領域で駆動させることができる。あるいは，空調負荷が大きい場合には，開閉弁１７を開状態として低トルク運転モードでの運転を行う。
【００２７】
なお，本実施の形態は単なる例示にすぎず，本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に，その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良，変形が可能である。
例えば，上記の実施の形態では，高回転領域では低トルク運転モードで運転するとしたが，高回転領域でもできる限り高トルクで運転させることもできる。ただしこの場合には，トルク余裕が小さくなるため，常時トルク変化を監視してトルク不足となったときには開閉弁１７を開状態とする。これにより，瞬時に低トルク運転モードに切り換えることができるので，スクロールコンプレッサ１２をエンジンストールを防ぐ手段として利用できる。
また例えば，スクロールコンプレッサ１２にさらに中間圧口を設けて，そこから冷媒ガスを流出させることで，スクロールコンプレッサ１２の負荷を調整するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本実施の形態に係る空調装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】スクロールコンプレッサの圧縮室の様子を示す説明図である。
【図３】スクロールコンプレッサの圧縮室の容積変化を示すグラフである。
【図４】スクロールコンプレッサの圧縮室の様子を示す説明図である。
【図５】空調装置を低トルク運転モードでの運転の様子を示すブロック図である。
【図６】空調装置を高効率運転モードでの運転の様子を示すブロック図である。
【図７】ガスエンジンの最大トルク曲線を示すグラフである。
【図８】ガスエンジンの最大トルク曲線を示すグラフである。
【符号の説明】
【００２９】
１  空調装置
１１  ガスエンジン（原動機）
１２  スクロールコンプレッサ
１６  冷媒流路
１７  開閉弁
２１  吸入口
２３  吸入量調整口
【図１】
2005098208.tif 000003
【図２】
2005098208.tif 000004
【図３】
2005098208.tif 000005
【図４】
2005098208.tif 000006
【図５】
2005098208.tif 000007
【図６】
2005098208.tif 000008
【図７】
2005098208.tif 000009
【図８】
2005098208.tif 000010