JP4042634B2

JP4042634B2 - 流体機械

Info

Publication number: JP4042634B2
Application number: JP2003160951A
Authority: JP
Inventors: 重樹岩波; 和秀内田
Original assignee: Denso Corp; Nippon Soken Inc
Current assignee: Denso Corp; Soken Inc
Priority date: 2003-06-05
Filing date: 2003-06-05
Publication date: 2008-02-06
Anticipated expiration: 2023-06-05
Also published as: US20040247458A1; JP2004360598A; DE102004027000A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、外部駆動源及び電動モータのうち少なくとも一方から動力を得て流体を吸入加圧するポンプ機構を有する流体機械に関するもので、電動モータと内燃機関とを組み合わせて走行するハイブリッド自動車に適用して有効である。
【０００２】
【従来の技術】
家庭用空調装置等の据え置き型の空調装置では、圧縮機を駆動する電動モータの回転数が低いときのモータ制御パターンと、回転数が高いときのモータ制御パターンとを設けることにより、低回転領域における圧縮機の振動を低減している（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平６−３１１７７８号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、現在、実用化されているハイブリッド自動車は、走行用の電動モータと走行用の内燃機関とを有し、電動モータのみで走行する場合、内燃機関のみで走行する場合、並びに電動モータ及び内燃機関の両者で走行する場合のいずれかを切り換えて走行するので、空調装置用の圧縮機は、内燃機関から動力を得て稼動する場合と専用の電動モータから動力を得て稼動する場合とがある。
【０００５】
また、圧縮機は流体を吸入加圧するので、圧縮機からの反トルクは、吸入時が加圧時より小さくなるように変動する。
【０００６】
このため、圧縮機がＶベルト等の動力伝達手段を介して内燃機関から動力を得て回転しているときに、圧縮機で発生するトルク変動がＶベルト等を介して内燃機関に伝達されてしまうので、オルタネータ等の内燃機関に組み付けられた補機等が共振してしまい、大きな振動・騒音、つまり補機共振が発生する。
【０００７】
本発明は、上記点に鑑み、第１には、従来と異なる新規な流体機械を提供し、第２には、流体機械の振動及び騒音を低減することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明では、外部駆動源（１）及び電動モータ（１２）のうち少なくとも一方から動力を得て流体を吸入加圧するポンプ機構（１１）と、外部駆動源（１）の動力を断続可能にポンプ機構（１１）に伝達するクラッチ（１３）とを有し、外部駆動源（１）から動力を得てポンプ機構（１１）が稼動しているときに、ポンプ機構（１１）で発生するトルク変動成分と逆位相成分のトルクを電動モータ（１２）にてポンプ機構（１１）に与え、外部駆動源（１）から動力を得てポンプ機構（１１）が稼動している場合であって、ポンプ機構（１１）で発生する振動数が所定の振動数領域になったときに、外部駆動源（１）からの動力伝達を遮断して電動モータ（１２）にてポンプ機構（１１）を駆動することを特徴とする。
【０００９】
これにより、ポンプ機構（１１）で発生するトルク変動を相殺することができるので、流体機械の振動及び騒音を低減することができるとともに、ポンプ機構（１１）の振動が外部駆動源（１）に伝達されてしまうことを防止できるので、例えば補機共振が発生することを確実に防止できる。
【００１３】
請求項２に記載の発明では、外部駆動源（１）及び電動モータ（１２）のうち少なくとも一方から動力を得て流体を吸入加圧するポンプ機構（１１）と、外部駆動源（１）の動力を断続可能にポンプ機構（１１）に伝達するクラッチ（１３）とを有し、外部駆動源（１）から動力を得てポンプ機構（１１）が稼動しているときに、ポンプ機構（１１）で発生するトルク変動成分と逆位相成分のトルクを電動モータ（１２）にてポンプ機構（１１）に与え、外部駆動源（１）から動力を得てポンプ機構（１１）が稼動している場合であって、ポンプ機構（１１）の回転数が所定の回転数領域になったときに、外部駆動源（１）から動力を遮断して電動モータ（１２）にてポンプ機構（１１）を駆動することを特徴とする。
【００１４】
これにより、請求項１に記載の発明と同様の作用効果を得ることができる。
【００１７】
請求項３に記載の発明では、電動モータ（１２）、クラッチ（１３）、及びポンプ機構（１１）は、動力を伝達するシャフト（１４）を介して連結されていることを特徴とするものである。
【００１８】
因みに、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図１は本実施形態に係る車両用補機の制御装置を示す模式図であり、図２は本実施形態に係る電動モータ一体型圧縮機の模式図である。
【００２０】
図１中、エンジン１は走行用の動力を発生させる駆動源であり、オルタネータ２はエンジン１から動力を得て発電する発電機であり、オルタネータ２にて発電された電力は、バッテリ８に供給される。
【００２１】
なお、オルタネータ２は、周知のごとく、ロータに流すフィールド電流をレギュレータにて制御することにより、ロータの磁極及び回転磁界の強さを制御して発電電力を制御するものである。
【００２２】
圧縮機１１はエンジン１及び電動モータ１２のうち少なくとも一方から動力を得て冷媒を吸入圧縮するもので、本実施形態では、図２に示すように、圧縮機１１と電動モータ１２とが一体となった、いわゆるハイブリッド圧縮機１０を採用している。なお、ハイブリッド圧縮機１０の詳細は後述する。
【００２３】
凝縮器３は圧縮機１１から吐出した高圧冷媒の熱を放冷させる放熱器であり、減圧器４は凝縮器３に冷却された冷媒を減圧するものであり、蒸発器５は冷媒を蒸発させて冷凍能力を発生させるものである。なお、本実施形態では、凝縮器３は室外空気と冷媒とを熱交換して冷媒を冷却し、蒸発器５は室内に吹き出す空気と冷媒とを熱交換して冷媒を加熱している。
【００２４】
また、モータ制御装置６は電動モータ１２の作動を制御するもので、このモータ制御装置６には、エンジン１の回転数を検出する回転数センサ６ａの検出信号が入力されている。
【００２５】
そして、モータ制御装置６は、電動モータ１２にて圧縮機１１を駆動する場合には、電動モータ１２への印可電圧等を制御して回転数を制御し、電動モータ１２にて発電する場合には、発電制御装置（レギュレータ）７と連動して電動モータ１２の発電電力を制御する。
【００２６】
次に、ハイブリッド圧縮機１０について図２に基づいて述べる。
【００２７】
本実施形態に係るハイブリッド圧縮機１０は、冷媒を吸入圧縮するスクロール型圧縮機構１１、スクロール型圧縮機構１１を駆動する電動モータ（本実施形態では、ＤＣブラシレスモータ）１２、及びエンジン１からの動力を断続可能にスクロール型圧縮機構１１側に伝達する電磁クラッチ１３等の動力伝達装置が一体化されたものである。
【００２８】
先ず、電動モータ１２の概略について述べる。
【００２９】
本実施形態に係る電動モータ１２は、いわゆるＤＣブラシレスモータであり、固定子鉄心１２ａは、けい素鋼板等の磁性材料からなるヨークであり、この固定子鉄心１２ａはモータハウジング１２ｂに対して焼き嵌め又はしまり嵌めにて固定されている。コイル１２ｃは固定子鉄心１２ａに巻き付けられた巻線であり、このコイル１２ｃ及び固定子鉄心１２ａ等からステータが構成されている。
【００３０】
また、ロータ１２ｄはステータ内で回転する回転子であり、このロータ１２ｄは複数個の永久磁石、並びに軸受１２ｅ、１２ｆを介して回転可能に支持されたシャフト１４等から構成されている。
【００３１】
そして、軸受１２ｆはモータハウジング１２ｂにボルト等の締結手段にて固定されたミドルハウジング１１ａに装着され、軸受１２ｅはモータハウジング１２ｂに装着されている。
【００３２】
次に、スクロール型圧縮機構１１について述べる。
【００３３】
シェル１１ｂはミドルハウジング１１ａに固定されてミドルハウジング１１ａと共に空間を構成する固定部材であり、このシェル１１ｂのうちミドルハウジング１１ａ側には、ミドルハウジング１１ａ側に向けて突出する渦巻状の歯部１１ｃが形成されている。
【００３４】
また、ミドルハウジング１１ａとシェル１１ｂとの間には、シェル１１ｂの歯部１１ｃに接触して作動室Ｖを構成する渦巻状の歯部１１ｄ、及びこの歯部１１ｄが一体形成された略円盤状の端板部１１ｅ等からなる旋回スクロール１１ｆが配設されており、この旋回スクロール１１ｆが、シェル１１ｂ、つまり固定スクロール１１ｂに対して旋回することにより、作動室Ｖの体積を拡大縮小させて圧縮性流体、つまり冷媒を吸入・加圧圧縮する。
【００３５】
また、旋回スクロール１１ｆは、端板部１１ｅの略中央に形成された略円筒状のボス部１１ｇにてシャフト１４の一端側（紙面右側）に形成されたクランク部１４ａに、ブッシング１４ｂ及びシェル型（内輪を持たないタイプ）の針状コロ軸受（ニードルベアリング）１４ｃを介して連結されている。
【００３６】
そして、クランク部１４ａは、シャフト１４の回転中心から径外方側に偏心した位置に形成されているため、シャフト１４が回転すると、旋回スクロール１１ｆは、シャフト１４周りに旋回（回転）運動する。
【００３７】
因みに、ブッシング１４ｂは、旋回スクロール１１ｆをクランク部１４ａに対して摺動可能に連結し、両歯部１１ｃ、１１ｄ間の接触面圧を増大させる従動クランク機構を構成するものであり、このブッシング１４ｂは、旋回スクロール１１ｆに作用する圧縮反力のうち旋回方向の力によって旋回スクロール１１ｆをクランク部１４ａに対して微小変位させて両歯部１１ｃ、１１ｄ間の接触面圧を増大させている。
【００３８】
また、自転防止用ピン１１ｈは、旋回スクロール１１ｆが旋回する際に、旋回スクロール１１ｆがクランク部１４ａ周りに回転（自転）することを防止する自転防止用手段である。
【００３９】
このため、シャフト１４が回転すると、旋回スクロール１１ｆは、クランク部１４ａ周りに回転（自転）することなく、シャフト１４の軸方向と直交する平面内において、シャフト１４の回転中心を公転中心として旋回（公転）する。
【００４０】
また、リアハウジング１１ｊは、シェル１１ｂと共に作動室Ｖから吐出する冷媒を平滑化する吐出室１１ｋを構成するものであり、このリアハウジング１１ｊは、ボルト等の締結手段によりシェル１１ｂに固定されている。
【００４１】
また、吐出ポート１１ｍはシェル（固定スクロール）１３の略中心部に位置する作動室Ｖと吐出室１１ｋとを連通させる連通口であり、この吐出ポート１１ｍのうち吐出室１１ｋ側には、吐出室１１ｋに吐出した冷媒が作動室Ｖに逆流することを防止するリード弁状の吐出弁（図示せず）及び吐出弁の最大開度を規制するストッパが設けられている。
【００４２】
以上に述べた構成により、電動モータ１２が稼動すると、モータハウジング１２ｂに設けられた吸入口１２ｇからロータ１２ｄやステータ等が収納されたモータ室１２ｈ内に流入した吸入冷媒は、ロータ１２ｄとステータとの隙間等を流れて電動モータ１２を冷却した後、吸入ポート１１ｎからスクロール型圧縮機構１１に吸引されて圧縮され、その後、吐出室１１ｋを経由して吐出口１１ｐから水凝縮器３に向けて吐出される。
【００４３】
次に、電磁クラッチ１３について述べる。
【００４４】
電磁クラッチ１３は、Ｖベルト等の動力伝達装置を介して伝達されるエンジン１の動力を受ける入力部をなすプーリ１３ａ、電磁吸引力によりプーリ１３ａと板的に回転するロータ１３ｂに吸着されるアーマチャ１３ｃ、及び磁界を発生させるコイル１３ｄ等からなるもので、アーマチャ１３ｃは、シャフト１４と一体的に回転する。
【００４５】
したがって、本実施形態では、電動モータ１２、電磁クラッチ１３、及びスクロール型圧縮機構１１は、動力を伝達するシャフト１４を介して連結された構造となっている。
【００４６】
次に、本実施形態に係るハイブリッド圧縮機１０の作動及び作用効果を述べる。
【００４７】
１．電動モータ１２にてスクロール型圧縮機構１１を稼動させる場合
電磁クラッチ１３への通電を遮断してエンジン１から動力を遮断した状態で、コイル１２ｃ（ステータ）に通電する。なお、電動モータ１２で発生するトルクは、印可電圧を調節することにより行い、回転数はコイル１２ｃに通電する電流の周波数により制御する。
【００４８】
２．エンジン１にてスクロール型圧縮機構１１を稼動させる場合
電磁クラッチ１３へ通電して外部駆動源をなすエンジン１の動力をスクロール型圧縮機構１１に伝達する。
【００４９】
このとき、スクロール型圧縮機構１１は、図３の実線に示すように、冷媒の吸入圧縮に連動するように必要駆動トルク（反トルク）が変動するので、「発明が解決しようとする課題」の欄で述べたように、プーリ１３ａに掛けられたＶベルトの張力が必要駆動トルクの変動に連動して変動し、スクロール型圧縮機構１１で発生するトルク変動がＶベルトを介してエンジン１に伝達されてオルタネータ２等のエンジン１に組み付けられた補機等が共振してしまうおそれがある。
【００５０】
そこで、本実施形態では、スクロール型圧縮機構１１で発生するトルク変動成分と逆位相成分のトルク（図３の破線）を電動モータ１２にてスクロール型圧縮機構１１に与えることにより、スクロール型圧縮機構１１で発生するトルク変動を相殺して補機共振が発生することを防止している。
【００５１】
なお、スクロール型圧縮機構１１で発生するトルク変動は、スクロール型圧縮機構１１の幾何学的構成（機械的構成）により決定され、その変動周波数はシャフト１４の回転数に比例することから、本実施形態では、回転数センサ６ａの検出信号に基づいてシャフト１４、つまりスクロール型圧縮機構１１の回転数を算出してスクロール型圧縮機構１１で発生するトルク変動周波数を算出し、逆位相成分のトルクの変動周波数を決定している。
【００５２】
（第２実施形態）
第１実施形態では、スクロール型圧縮機構１１で発生するトルク変動成分と逆位相成分のトルクを電動モータ１２にてスクロール型圧縮機構１１に与えることにより、スクロール型圧縮機構１１で発生するトルク変動を相殺して補機共振が発生することを防止したが、オルタネータ２等の補機類の取付剛性が低いときには、スクロール型圧縮機構１１で発生するトルク変動周波数が、補機類の共振周波数と一致すると、図４に示すように、大きな補機共振が発生してしまう。
【００５３】
そこで、本実施形態では、エンジン１にてスクロール型圧縮機構１１を稼動させる場合には、第１実施形態と同様に、スクロール型圧縮機構１１で発生するトルク変動成分と逆位相成分のトルクを電動モータ１２にてスクロール型圧縮機構１１に与えながら、スクロール型圧縮機構１１で発生するトルク変動周波数が、補機類の共振周波数を基準とする所定の振動数領域になったときには、電磁クラッチ１３への通電を停止してエンジン１からの動力伝達を遮断して電動モータ１２にてスクロール型圧縮機構１１を駆動するモードとする。
【００５４】
これにより、本実施形態では、補機共振が発生することを確実に防止できる。
【００５５】
なお、スクロール型圧縮機構１１の回転数に応じてスクロール型圧縮機構１１で発生するトルク変動周波数が変動するので、本実施形態では、スクロール型圧縮機構１１の回転数が、予め試験等にて求めた共振周波数に対応する回転数を基準とする所定の回転数領域になったときに、スクロール型圧縮機構１１で発生するトルク変動周波数が前記所定の振動数領域になったものとみなしている。
【００５６】
因みに、スクロール型圧縮機構１１で発生するトルク変動周波数が前記所定の振動数領域からずれたときには、電磁クラッチ１３に通電してエンジン１の動力をスクロール型圧縮機構１１に伝達しながら、スクロール型圧縮機構１１で発生するトルク変動成分と逆位相成分のトルクを電動モータ１２にてスクロール型圧縮機構１１に与える。
【００５７】
（第３実施形態）
本実施形態は、図５に示すように、変速機構１５を内蔵したハイブリッド圧縮機１０に本発明を適用したものである。
【００５８】
ここで、変速機構１５は、リング状の内歯車（リングギヤ）１５ａ、内歯車１５ａと噛み合う複数枚（例えば、３枚）の遊星歯車（プラネタリギヤ）１５ｂ、及び遊星歯車１５ｂに噛み合う太陽歯車（サンギヤ）１５ｃ等からなるものである。
【００５９】
そして、太陽歯車１５ｃは、電動モータ１２のロータ１２ｄと一体化され、遊星歯車１５ｂは、電磁クラッチ１３のアーマチャ１３ｃと一体的に回転するシャフト１３ｄに一体化され、内歯車１５ａはシャフト１４と一体化されている。
【００６０】
また、軸受１３ｅはシャフト１３ｄを回転可能に支持するもので、軸受１３ｆは太陽歯車１５ｃ、つまりロータ１２ｄをシャフト１４に対して回転可能に支持するものであり、軸受１３ｇは内歯車１５ａをシャフト１４に対して回転可能に支持するものである。
【００６１】
次に、本実施形態に係るハイブリッド圧縮機１０の作動及び作用効果を述べる。
【００６２】
１．電動モータ１２にてスクロール型圧縮機構１１を稼動させる場合
電磁クラッチ１３へ通電してエンジン１側と太陽歯車１５ｃ側とを繋いだ状態で、コイル１２ｃ（ステータ）に通電する。
【００６３】
このとき、エンジン１側と太陽歯車１５ｃ側とが繋がれて太陽歯車１５ｃが回転しないので、電動モータ１２の回転力は、変速機構１５にて減速されてスクロール型圧縮機構１１に伝達される。
【００６４】
２．エンジン１にてスクロール型圧縮機構１１を稼動させる場合
電磁クラッチ１３に通電して電磁クラッチ１３を繋ぐとともに、太陽歯車１５ｃ、つまりロータ１２ｄが回転しない程度のトルクがロータ１２ｄに発生するように電動モータ１２に通電する。
【００６５】
これにより、電磁クラッチ１３に伝達されたエンジン１の回転動力は、変速機構１５にて増速されてスクロール型圧縮機構１１に伝達される。
【００６６】
なお、太陽歯車１５ｃを回転させ、かつ、その回転数を制御すれば、図６に示すように、変速機構１５での変速比を制御することができる。因みに、図７の破線は、変速比を制御した場合の電動モータ１２のトルクを示しており、この例では、電動モータ１２は電力を消費する。
【００６７】
（その他の実施形態）
上述の実施形態では、流体を吸入加圧するポンプ機構として、スクロール型圧縮機構を用いたが、本発明はこれに限定されるものはなく、ロータリ型、ピストン型、ベーン型等のその他の形式のポンプモータ機構にも適用することができる。
【００６８】
また、上述の実施形態では、本発明に係る流体機械を車両用のハイブリッド圧縮機に用いたが、本発明の適用はこれに限定されるものではない。
【００６９】
また、上述の実施形態では、電動モータ１２としてＤＣブラシレスモータを用いたが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００７０】
また、上述の実施形態では、電動モータ１２、電磁クラッチ１３、及びスクロール型圧縮機構１１は、動力を伝達するシャフト１４を介して連結された構造であったが、本発明はこれに限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る車両用補機の制御装置を示す模式図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る電動モータ一体型圧縮機の模式図である。
【図３】トルクとシャフト回転角との関係を示すグラフである。
【図４】オルタネータの振動最大変位量とシャフト回転角との関係を示すグラフである。
【図５】本発明の第２実施形態に係る電動モータ一体型圧縮機の模式図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係る変速機構の作動を示すグラフである。
【図７】トルクとシャフト回転角との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１０…ハイブリッド圧縮機、１１…スクロール型圧縮機構、
１２…電動モータ、１３…電磁クラッチ。

Claims

外部駆動源（１）及び電動モータ（１２）のうち少なくとも一方から動力を得て流体を吸入加圧するポンプ機構（１１）と、
前記外部駆動源（１）の動力を断続可能に前記ポンプ機構（１１）に伝達するクラッチ（１３）とを有し、
前記外部駆動源（１）から動力を得て前記ポンプ機構（１１）が稼動しているときに、前記ポンプ機構（１１）で発生するトルク変動成分と逆位相成分のトルクを前記電動モータ（１２）にて前記ポンプ機構（１１）に与え、
前記外部駆動源（１）から動力を得て前記ポンプ機構（１１）が稼動している場合であって、前記ポンプ機構（１１）で発生する振動数が所定の振動数領域になったときに、前記外部駆動源（１）からの動力伝達を遮断して前記電動モータ（１２）にて前記ポンプ機構（１１）を駆動することを特徴とする流体機械。
外部駆動源（１）及び電動モータ（１２）のうち少なくとも一方から動力を得て流体を吸入加圧するポンプ機構（１１）と、
前記外部駆動源（１）の動力を断続可能に前記ポンプ機構（１１）に伝達するクラッチ（１３）とを有し、
前記外部駆動源（１）から動力を得て前記ポンプ機構（１１）が稼動しているときに、前記ポンプ機構（１１）で発生するトルク変動成分と逆位相成分のトルクを前記電動モータ（１２）にて前記ポンプ機構（１１）に与え、
前記外部駆動源（１）から動力を得て前記ポンプ機構（１１）が稼動している場合であって、前記ポンプ機構（１１）の回転数が所定の回転数領域になったときに、前記外部駆動源（１）から動力を遮断して前記電動モータ（１２）にて前記ポンプ機構（１１）を駆動することを特徴とする流体機械。
前記電動モータ（１２）、前記クラッチ（１３）、及び前記ポンプ機構（１１）は、動力を伝達するシャフト（１４）を介して連結されていることを特徴とする請求項１または２に記載の流体機械。