三菱重工技報 VOL.45 NO.3: 2008

特集論33

地球環境にやさしい高効率・軽量カ−
エアコン用スクロ−ルコンプレッサQS90

文Contribution of High Efficiency and Light
Weight Scroll Compressors ( QS90 ) forAutomotive Air-Conditioning Systems to
Global Climate Protection

Makoto Takeuchi

竹 内 真 実＊1

Tetsuzo Ukai

鵜 飼 徹 三＊2

山渡 辺 和 英＊4

毛 路 智 久＊4

三 島 慎 太＊3

Kazuhide Watanabe

Tomohisa Moro

崎浩＊3Hiroshi Yamazaki

Shinta Mishima

近年，地球環境保護に対する関心が高まってきており，様々な分野で省エネルギーへの取り組みがなされている．当社は高効率が特徴であるスクロールコンプレッサを，これまで多くの冷凍・空調製品に採用し，省エネルギーに貢献してきた．その中でも，カーエアコンは効率とともに，重量も重要なファクタとなる．そこで，当社独自の新技術（３D スクロール，ダイレクトオイルリターンシステム）を投入することで，高効率と軽量化を両立し，エネルギーロスの少ないコンプレッサを開発した．

1．はじ

めに電磁クラッチ

近年，地球規模での環境保護が叫ばれるようになり，特に地球温暖化に対しての動きが，各国政府，企業ともに活発になってきている．また，原油価格や材料費の高騰も重なって，更なる省エネルギーや省資源が求められてきている．
現在の主なカーエアコンは，コンプレッサ，熱交換吐出ポート器，膨張弁を組み合わせ，冷凍サイクルを構成することで，空調を行っている．その中で，コンプレッサはクランク軸

自動車のエンジン動力を利用して，ベルト／プーリを旋回スクロール介して駆動され冷媒を圧縮するため，エアコンで消費される動力の多くを占めている．

図１

そのため，カーエアコンの省エネルギーには直接エ固定スクロール

新開発カーエアコン用スクロールコンプレッサ（QS90）

ンジン動力への負荷軽減となるコンプレッサの効率向上が必要である．また，コンプレッサの主要材料であ

レッサは，端板と渦巻き状の羽根（ラップ）からなるるアルミの製造には多くのエネルギーが必要であるこ

一対のスクロール（固定スクロール，旋回スクロール）とから，コンプレッサの軽量化は資源の節約とともにで構成された圧縮部と，クランク軸を介して旋回スク省エネルギーにも重要である．

ロールを駆動する駆動部とで構成される．クランク軸

本報では，地球環境にやさしいカーエアコンを提供をエンジンからベルトを介して回転させ，自転防止機するために必要な，コンプレッサの高効率化と軽量化

構を用いて旋回スクロールを公転運動させることで冷技術について述べる．

媒を圧縮する．

2．QS90 の高効率化

QS90 コンプレッサは，高効率化するために新しく開発したスクロール（３D スクロール）を採用してい新スクロール（３D スクロール ( 注 )）の構造

る．図２に従来スクロールと３D スクロールの断面模図１に新しく開発したカーエアコン用スクロールコ

式図を示す 1 ．従来のスクロールはラップ高さが圧縮

ンプレッサ QS90 の断面図を示す．スクロールコンプ

行程全域にわたって一定であり，冷媒は外周部から内＊1＊3

2．1＊2技術本部名古屋研究所機械要素研究室長
冷熱事業本部カーエアコン技術部圧縮機設計課長

( )

＊4

技術本部名古屋研究所機械要素研究室
冷熱事業本部カーエアコン技術部圧縮機設計課

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３Dスクロール

従来スクロール
固定スクロール

ラップ高さ一定

固定スクロール

外周部
ラップ高さ大３D スクロールは，周方向だけでなく，高さ方向にも圧縮することで，高い圧縮比が得られる特徴を有している．この特徴を利用することで，再圧縮による損失低減が可能となった．図４にアイドル相当条件と40km/h 走行相当条件に対して，開発した QS90 コンプレッサと従来コンプレッサ（MSC90CAS）単体の二次元圧縮

図２

三次元圧縮

従来スクロールと３D スクロールの断面図

３D スクロール化により三次元圧縮が可能になる．

周部に向かって二次元的に圧縮される．一方，３D ス
クロールはスクロールの歯先と根元にステップを設置することで，外側のラップ高さを内側よりも高くしている．これにより，周方向のみならず高さ方向にも圧縮する三次元圧縮が可能となる．３D スクロールの特徴は以下のとおりである．
● 周方向だけでなく，高さ方向にも圧縮することで，高い圧縮比が得られる● 大荷重が作用するスクロール中央部のラップ高さを低くすることで，スクロール強度が向上し，高い信頼性が得られる

台上試験における全断熱圧縮効率の比較結果を示す．
QS90 コンプレッサは，同一車両に搭載される従来コンプレッサに比べ，アイドル相当条件では７％，40 km/h 走行相当条件では 13 ％の効率向上を確認している．
120
全断熱圧縮効率向上割合（％）（MSC90CAS 対比）

旋回スクロール

旋回スクロール

中央部
ラップ高さ小110

100
アイドル相当図４40 km/走行相当

従来スクロールと QS90 の効率比較

３D スクロールを採用し再圧縮損失を低減することで省エネルギー（高効率）を達成した．

● 外周部のラップ高さを高くすることで，スクロール外径を増加させることなく容量の増加が可能であり，小型軽量化に適している．
注： ３D スクロール

2．2

は三菱重工業（株）の登録商標である．

３D スクロールによる高効率化

3．QS90 の軽量化
カーエアコン用コンプレッサの摺動部への給油は，冷媒中に油を混合させた状態で，エアコンシステム内スクロール圧縮機を高効率化するために，損失が発を循環させることで行っている．そのため信頼性を高生している部位を分析した．図３に従来のスクロールめるには循環させる油を増やせばよいが，油が多いと(2)コンプレッサの損失分析結果を示す ．その結果，最熱交換器への油の付着量が増加し，熱交換の効率が低も大きい損失は再圧縮により発生する損失であること下するため冷凍能力が低下する．
そこでオイルセパレータを搭載し，システム内へのが分かった．

油の循環を抑え，給油は分離した油で行うようにする
ことで，冷凍能力の低下を抑えるとともに，摺動部へ

1.0
：機械損失
：再圧縮による損失：漏れ，熱による損失：過大圧縮損失

各損失／全損失

0.80.6

対応してきた．しかし，冷媒と油を分離する部品（遠心分離筒）や油を溜める部品（油溜め）が増えてしまう課題が残った．

0.4最も大きい損失

QS90 コンプレッサの開発において，軽量化に重点を置いていたため，従来のオイルセパレータより軽量かつ小スペースとなるダイレクトオイルリターンシス

0.2

テム（DOR システム）を開発した．DOR システム

0.0
スクロール圧縮機

図３の十分な給油ができるように改良し，省エネルギーに

従来スクロールの損失分析

再圧縮による損失が最も大きい．

はカーエアコン用コンプレッサの給油に対する当社独自の新技術であり，シンプルな構造で摺動部に積極的な給油を可能とした．図５に，従来のオイルセパレー

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33% 軽量化

従来オイルセパレータ（遠心分離）

13% 小型化

冷媒＋油遠心分離筒

油摺動部

絞り

油溜め

図６

224 mm

194 mm従来コンプレッサ（MSC90CAS）

QS90 コンプレッサ

コンプレッサ外観

従来コンプレッサに比べ大幅な軽量・小型化を達成した．

ダイレクトオイルリターンシステム
冷媒＋油

QS90 コンプレッサで構成したカーエアコンシステ

絞り

ムを車に搭載した燃費計測においても省エネルギーで冷媒( )あることを三菱自動車工業（株）との共同研究で実証 3し，その結果，2007 EPA Climate Protection Awardを受賞した．
引き続き当社は，地球環境保護及び省資源を推進し，地球環境にやさしいカーエアコンの観点から，QSコンプレッサのシリーズ展開やハイブリット車／燃料油摺動部電池車に対応した電動エアコンシステムなどの高効率ダイレクトオイルリターンシステムの構造かつ小型軽量な製品開発を行い，お客様にお届けして

タと DOR システムの構造を示す．従来のオイルセパ

参 考 文 献（1）佐藤創ほか，３D スクロール圧縮機による冷凍空調機器の小型・高効率化，三菱重工技報
Vol.45 No.2（2008）（2）野山英人ほか，地球環境にやさしいカーエアコンをめざして，
三菱重工技報 Vol.41 No.2（2004）（3）Hideto Noyama，Kazumi Okinaka; "Energy
Efficiency Improvement of the MAC Systemwith the New Development Scroll Compressor",
SAE Automotive Alternate Refrigerant
Systems Symposium ( 2006 ) , Presentationmaterial

図５

圧縮室内から直接摺動部に給油するため，構造をシンプルにできた．

レータは，冷媒に混合された油を筒の部分で遠心分離させ，分離した油を油溜めに溜め，絞りを通して摺動部に給油を行っている．一方，DOR システムは，圧縮室内に付着した油の一部をスクロールの歯先でかき集め，圧縮室内の圧力を利用し，絞りを通してスクロールから直接摺動部に戻すことで給油を行っている．DOR システムはシンプルな構造であるため，従来オイルセパレータに必要な，油を遠心分離する筒やいく．

油溜めを必要としない．
軽量化のため，DOR システムと３D スクロールを採用した結果，図６に示すように QS90 コンプレッサ
は従来機（MSC90CAS）に比べ 33％の軽量化と 13％の小型化が達成できた．

4．まとめ竹内真実

鵜飼徹三

山崎浩

渡辺和英

毛路智久

三島慎太

当社独自の新圧縮機構である ３D スクロール の開発と，新給油機構であるDOR システムの開発により，従来スクロールに対して大幅な高効率化，軽量化が達成できた．