(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
インバータにより駆動制御されるコンプレッサと、ガスクーラ、減圧装置及びエバポレータ等を順次環状に配管接続して構成された冷媒回路において、
前記ガスクーラを出た冷媒と前記エバポレータを出て前記コンプレッサに吸い込まれる冷媒とを熱交換させるための熱交換器を備え、前記インバータを該熱交換器と交熱的に配置したことを特徴とするインバータ制御コンプレッサを用いた冷媒回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インバータによって駆動制御されるコンプレッサを備えて構成された冷媒回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より例えば家屋の室内や車室内を空調するためのエアコンは、例えば特開平２−２９４５８７号公報に示されるようなロータリコンプレッサや、ガスクーラ、膨張弁（減圧装置）及びエバポレータ（蒸発器）等を順次環状に配管接続して冷媒回路が構成されている。そして、ロータリコンプレッサの回転圧縮要素の吸込ポートから冷媒ガスがシリンダの低圧室側に吸入され、ローラとベーンの動作により圧縮が行われて高温高圧の冷媒ガスとなり、高圧室側より吐出ポート、吐出消音室を経て冷媒回路を構成するガスクーラに流入して放熱し、膨張弁で絞られてエバポレータ（蒸発器）に供給される。そこで冷媒が蒸発し、そのときに周囲から吸熱することにより冷却作用を発揮して室内を空調するものであった。
【０００３】
また、近年では地球環境問題に対処するため、この種のエアコン等の冷媒回路においても、従来のフロンを用いずに自然冷媒である二酸化炭素（ＣＯ2）を冷媒として用いることが試みられているが、ＣＯ2冷媒は高低圧差の大きい冷媒であるため、コンプレッサとしては多段圧縮式のロータリコンプレッサも使用される。
【０００４】
この多段圧縮式のロータリコンプレッサ、例えば内部中間圧型多段圧縮式のロータリコンプレッサでは、第１の回転圧縮要素の吸込ポートから冷媒ガスがシリンダの低圧室側に吸入され、ローラとベーンの動作により圧縮されて中間圧となりシリンダの高圧室側より吐出ポート、吐出消音室を経て密閉容器内に吐出される。そして、この密閉容器内の中間圧のガスは第２の回転圧縮要素の吸込ポートからシリンダの低圧室側に吸入され、ローラとベーンの動作により２段目の圧縮が行なわれて高温高圧のガスとなり、高圧室側より吐出ポート、吐出消音室を経て外部に吐出されることになる。
【０００５】
そして、係るロータリコンプレッサに、二酸化炭素（ＣＯ2）を冷媒として用いた場合、吐出冷媒圧力は高圧となる第２の回転圧縮要素で１２ＭＰａＧに達し、一方、低段側となる第１の回転圧縮要素で８ＭＰａＧ（中間圧）となる（第１の回転圧縮要素の吸込圧力は４ＭＰａＧ）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このようなエアコンでは温度制御性能を向上させるために、上記ロータリコンプレッサをインバータによって回転数制御するのが一般的となりつつあるが、係るインバータは複数の半導体スイッチング素子から構成されるため、動作中に発熱を伴う。この発熱で許容温度を超えると破壊や動作不良を引き起こすため、従来では送風機やウォータージャケットなどで冷却していたが、装置の大型化やコストの高騰引き起こす問題があった。
【０００７】
本発明は、係る従来の技術的課題を解決するために成されたものであり、コンプレッサを駆動制御するためのインバータの冷却を効率的に行える冷媒回路を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明ではインバータにより駆動制御されるコンプレッサと、ガスクーラ、減圧装置及びエバポレータ等を順次環状に配管接続して構成された冷媒回路において、ガスクーラを出た冷媒とエバポレータを出てコンプレッサに吸い込まれる冷媒とを熱交換させるための熱交換器を備え、インバータをこの熱交換器と交熱的に配置したので、コンプレッサに吸い込まれる比較的低温の冷媒によってインバータを冷却し、発熱を抑えることができる。
【０００９】
これにより、格別なインバータ用の冷却装置を省いて装置の小型化とコストの低減を図ることができるようになるものである。
【００１０】
特に、ガスクーラを出た冷媒とエバポレータを出た冷媒とを熱交換させるための熱交換器にインバータを交熱的に配置しているので、熱交換器における熱交換性能を損なうこと無く、インバータの冷却が可能となるものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に、図面に基づき本発明の実施形態を詳述する。図１は本発明の冷媒回路に使用するコンプレッサの実施例として、第１及び第２の回転圧縮要素を備えた内部中間圧型多段（２段）圧縮式ロータリコンプレッサ１０の縦断側面図である。
【００１２】
この図において、１０は二酸化炭素（ＣＯ2）を冷媒として使用する内部中間圧型多段圧縮式ロータリコンプレッサで、この多段圧縮式ロータリコンプレッサ１０は鋼板からなる円筒状の密閉容器１２と、この密閉容器１２の内部空間の上側に配置収納された電動要素１４及びこの電動要素１４の下側に配置され、電動要素１４の回転軸１６により駆動される第１の回転圧縮要素３２（１段目）及び第２の回転圧縮要素３４（２段目）からなる回転圧縮機構部１８にて構成されている。
【００１３】
密閉容器１２は底部をオイル溜めとし、電動要素１４と回転圧縮機構部１８を収納する容器本体１２Ａと、この容器本体１２Ａの上部開口を閉塞する略椀状のエンドキャップ（蓋体）１２Ｂとで構成され、且つ、このエンドキャップ１２Ｂの上面中心には円形の取付孔１２Ｄが形成されており、この取付孔１２Ｄには電動要素１４に後述するインバータ１６３から電力を供給するためのターミナル（配線を省略）２０が取り付けられている。
【００１４】
電動要素１４は、密閉容器１２の上部空間の内周面に沿って環状に取り付けられたステータ２２と、このステータ２２の内側に若干の間隔を設けて挿入設置されたロータ２４とから構成され、前述のインバータ１６３により駆動回転数が制御される。このロータ２４は中心を通り鉛直方向に延びる回転軸１６に固定されている。
【００１５】
ステータ２２は、ドーナッツ状の電磁鋼板を積層した積層体２６と、この積層体２６の歯部に直巻き（集中巻き）方式により巻装されたステータコイル２８を有している。また、ロータ２４ステータ２２と同様に電磁鋼板の積層体３０で形成され、この積層体３０内に永久磁石ＭＧを挿入して形成されている。
【００１６】
前記第１の回転圧縮要素３２と第２の回転圧縮要素３４との間には中間仕切板３６が狭持されている。即ち、第１の回転圧縮要素３２と第２の回転圧縮要素３４は、中間仕切板３６と、この中間仕切板３６の上下に配置された上シリンダ３８、下シリンダ４０と、この上下シリンダ３８、４０内を１８０度の位相差を有して回転軸１６に設けた上下偏心部４２、４４にて偏心回転する上下ローラ４６、４８と、この上下ローラ４６、４８に当接して上下シリンダ３８、４０内をそれぞれ低圧室側と高圧室側に区画するベーン５０、５２と、上シリンダ３８の上側の開口面及び下シリンダ４０の下側の開口面を閉塞して回転軸１６の軸受けを兼用する支持部材としての上部支持部材５４及び下部支持部材５６にて構成されている。
【００１７】
一方、上部支持部材５４及び下部支持部材５６には、図示しない吸込ポートにて上下シリンダ３８、４０の内部とそれぞれ連通する吸込通路６０（上側の吸込通路は図示せず）と、一部を凹陥させ、この凹陥部を上カバー６６、下カバー６８にて閉塞することにより形成される吐出消音室６２、６４とが設けられている。
【００１８】
尚、吐出消音室６４と密閉容器１２内とは、上下シリンダ３８、４０や中間仕切板３６を貫通する連通路にて連通されており、連通路の上端には中間吐出管１２１が立設され、この中間吐出管１２１から第１の回転圧縮要素３２で圧縮された中間圧の冷媒が密閉容器１２内に吐出される。
【００１９】
また、第２の回転圧縮要素３４の上シリンダ３８内部と連通する吐出消音室６２の上面開口部を閉塞する上部カバー６６は、密閉容器１２内を吐出消音室６２と電動要素１４側とに仕切る。
【００２０】
そして、この場合冷媒としては地球環境にやさしく、可燃性及び毒性等を考慮して自然冷媒である前述した二酸化炭素（ＣＯ2）を使用し、潤滑油としてのオイルは、例えば鉱物油（ミネラルオイル）、アルキルベンゼン油、エーテル油、エステル油、ＰＡＧ（ポリアルキルグリコール）等該存のオイルが使用される。
【００２１】
密閉容器１２の容器本体１２Ａの側面には、上部支持部材５４と下部支持部材５６の吸込通路６０（上側は図示せず）、吐出消音室６２、上部カバー６６の上側（電動要素１４の下端に略対応する位置）に対応する位置に、スリーブ１４１、１４２、１４３及び１４４がそれぞれ溶接固定されている。スリーブ１４１と１４２は上下に隣接すると共に、スリーブ１４３はスリーブ１４１の略対角線上にある。また、スリーブ１４４はスリーブ１４１と略９０度ずれた位置にある。
【００２２】
そして、スリーブ１４１内には上シリンダ３８に冷媒ガスを導入するための冷媒導入管９２の一端が挿入接続され、この冷媒導入管９２の一端は上シリンダ３８の図示しない吸込通路と連通する。この冷媒導入管９２は密閉容器１２の上側を通過してスリーブ１４４に至り、他端はスリーブ１４４内に挿入接続されて密閉容器１２内に連通する。
【００２３】
また、スリーブ１４２内には下シリンダ４０に冷媒ガスを導入するための冷媒導入管９４の一端が挿入接続され、この冷媒導入管９４の一端は下シリンダ４０の吸込通路６０と連通する。この冷媒導入管９４の他端はアキュムレータ１５８の下側に接続されている。また、スリーブ１４３内には冷媒吐出管９６が挿入接続され、この冷媒導入管９６の一端は吐出消音室６２と連通する。
【００２４】
前記アキュムレータ１５８は吸込冷媒の気液分離を行うタンクであり、密閉容器１２の容器本体１２Ａの上部側面に溶接固定された密閉容器１２側のブラケット１４７に図２に示すアキュムレータ１５８側のブラケットを介して取り付けられている。
【００２５】
次に、図２は本発明を家屋の室内や車室内を空調するエアコン（空気調和機）に適用した場合の冷媒回路を示しており、上述した多段圧縮式ロータリコンプレッサ１０は図２に示すエアコンの冷媒回路の一部を構成する。即ち、多段圧縮式ロータリコンプレッサ１０の冷媒吐出管９６はガスクーラ１５４の入口に接続される。このガスクーラ１５４を出た配管は内部熱交換器１６０を介して膨張弁（減圧装置）１５６に至り、この膨張弁１５６を経て、エバポレータ（蒸発器）１５７の入口に至る。エバポレータ１５７の出口は内部熱交換器１６０、前記アキュムレータ１５８を介して冷媒導入管９４に接続される。
【００２６】
即ち、多段圧縮式ロータリコンプレッサ１０、ガスクーラ１５４、内部熱交換器１６０、膨張弁１５６、エバポレータ１５７及びアキュムレータ１５８が順次環状に配管接続されて本発明の冷媒回路は構成されている。前記内部熱交換器１６０（本発明の熱交換器）は、二重管から構成され、内管内をガスクーラ１５４から出た高温高圧冷媒が流れると共に、内管と外管（管路）との間をエバポレータ１５７から出た低温冷媒が対向流で流れる。これにより、内管を介して両者を熱交換させ、ガスクーラ１５４から出た冷媒の凝縮若しくは温度低下を促進させると共に、エバポレータ１５７から出て多段圧縮式ロータリコンプレッサ１０に吸い込まれる冷媒の蒸発を促すものである。
【００２７】
図中１６１は制御装置であり、この制御装置１６１は室内空調のための運転指令信号に基づいて多段圧縮式ロータリコンプレッサ１０の運転を制御する制御出力をインバータ１６３に対して発生する。また、制御装置１６１は例えば冷媒吐出管９６に添設された温度センサ１６２が検出する吐出冷媒温度に基づいて膨張弁１５６の弁開度を過熱度一定で制御する。この膨張弁１５６は、例えばステッピングモータにて駆動される電子式膨張弁である。
【００２８】
前記インバータ１６３は複数の半導体スイッチング素子をブリッジ状に接続して構成されており、制御装置１６１からの制御出力によってスイッチング制御され、電動要素１４のステータコイル２８に印加する電力を制御することで、電動要素１４の駆動回転数を制御する。そして、このインバータ１６３は前記内部熱交換器１６０の外管と交熱的に取り付けられている。この場合の内部熱交換器１６０へのインバータ１６３の取り付け構造は、直接外管をインバータ１６３のケースに添設する方法や、それらを伝熱板を介して取り付ける方法など種々考えられる。
【００２９】
以上の構成で次に動作を説明する。例えば室内温度が設定値より高く上昇して制御装置１６１に起動指令が入力されると、制御装置１６１はインバータ１６３に制御出力を発生する。インバータ１６３はこの制御出力に基づき、ターミナル２０及び図示しない配線を介して電動要素１４のステータコイル２８に電圧を印加し、所定の回転数にて電動要素１４を運転する。ステータコイル２８に通電されると、電動要素１４が起動してロータ２４が前記回転数で回転する。この回転により回転軸１６と一体に設けた上下偏心部４２、４４に嵌合された上下ローラ４６、４８が上下シリンダ３８、４０内を偏心回転する。
【００３０】
これにより、冷媒導入管９４及び下部支持部材５６に形成された吸込通路６０を経由して図示しない吸込ポートからシリンダ４０の低圧室側に吸入された低圧の冷媒は、ローラ４８とベーン５２の動作により圧縮されて中間圧となり下シリンダ４０の高圧室側より図示しない連通路を経て中間吐出管１２１から密閉容器１２内に吐出される。これによって、密閉容器１２内は中間圧となる。
【００３１】
そして、密閉容器１２内の中間圧の冷媒ガスは、スリ−ブ１４４から出て冷媒導入管９２及び上部支持部材５４に形成された図示しない吸込通路を経由して図示しない吸込ポートから上シリンダ３８の低圧室側に吸入される。吸入された中間圧の冷媒ガスは、ローラ４６とベーン５０の動作により２段目の圧縮が行われて高圧高温の冷媒ガスとなり、高圧室側から図示しない吐出ポートを通り上部支持部材５４に形成された吐出消音室６２、冷媒吐出管９６を経由してガスクーラ１５４で放熱された後、内部熱交換器１６０の内管内を通過し、膨張弁１５６で減圧され、エバポレータ１５７内に流入する。この場合、制御装置１６１は膨張弁１５６の弁開度を前述の如く過熱度一定で制御している。
【００３２】
冷媒はエバポレータ１５７内で蒸発し、そのときに周囲から吸熱することにより冷却作用を発揮して室内が冷房される。その後、エバポレータ１５７を出た低温の冷媒は内部熱交換器１６０の外管を経て（このときに内管内の冷媒と熱交換し、且つ、インバータ１６３を冷却する）、アキュムレータ１５８を経て冷媒導入管９４から第１の回転圧縮要素３２内に吸い込まれるサイクルを繰り返す。
【００３３】
そして、室内温度が設定値に低下すると、制御装置１６１はインバータ１６３を制御して電動要素１４の回転数を低下させていき、最終的には停止制御する。その後、室内温度が再び設定値より高く上昇すると、制御装置１６１は前述同様にロータリコンプレッサ１０を起動するものである。
【００３４】
このように、本発明ではロータリコンプレッサ１０の電動要素１４を駆動制御するインバータ１６３をエバポレータ１５７から出てロータリコンプレッサ１０に吸い込まれる冷媒が流れる内部熱交換器１６０の外管に交熱的に設けているので、ロータリコンプレッサ１０に吸い込まれる比較的低温の冷媒（実施例では＋３５℃程）によってインバータ１６３を冷却し、発熱を抑えることができる。
【００３５】
これにより、格別なインバータ用の冷却装置を省いて装置の小型化とコストの低減を図ることができるようになる。特に、ガスクーラ１５４を出た冷媒とエバポレータ１５７を出た冷媒とを熱交換させるための内部熱交換器１６０にインバータ１６３を交熱的に配置しているので、内部熱交換器１６０における熱交換性能を損なうこと無く、インバータ１６３の冷却が可能となる。
【００３６】
尚、実施例ではロータリコンプレッサを用いた冷媒回路に本発明を適用したが、それに限らず、レシプロコンプレッサやスクロールコンプレッサなども適用可能であり、冷媒回路もエアコンに限らないものである。
【００３７】
【発明の効果】
以上詳述した如く本発明によれば、インバータにより駆動制御されるコンプレッサと、ガスクーラ、減圧装置及びエバポレータ等を順次環状に配管接続して構成された冷媒回路において、ガスクーラを出た冷媒とエバポレータを出てコンプレッサに吸い込まれる冷媒とを熱交換させるための熱交換器を備え、インバータをこの熱交換器と交熱的に配置したので、コンプレッサに吸い込まれる比較的低温の冷媒によってインバータを冷却し、発熱を抑えることができる。
【００３８】
これにより、格別なインバータ用の冷却装置を省いて装置の小型化とコストの低減を図ることができるようになるものである。
【００３９】
特に、ガスクーラを出た冷媒とエバポレータを出た冷媒とを熱交換させるための熱交換器にインバータを交熱的に配置しているので、熱交換器における熱交換性能を損なうこと無く、インバータの冷却が可能となるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施例の冷媒回路を構成する多段圧縮式ロータリコンプレッサの縦断面図である。
【図２】  本発明の実施例のエアコンの冷媒回路図である。
【符号の説明】
１０  多段圧縮式ロータリコンプレッサ
３２  第１の回転圧縮要素
３４  第２の回転圧縮要素
９２、９４  冷媒導入管
９６  冷媒吐出管
１５４  ガスクーラ
１５６  膨張弁
１５７  エバポレータ
１５８  アキュムレータ
１６０  内部熱交換器
１６１  制御装置
１６２  温度センサ
１６３  インバータ
【図１】
0003986338.tif 000002
【図２】
0003986338.tif 000003