JP4516123B2 - 容量可変型ロータリ圧縮機及びその運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、容量可変型ロータリ圧縮機に関し、特に、圧縮室の冷媒ガスを必要に応じて排気して冷却能力を調節できるようにする容量可変型ロータリ圧縮機及びその運転方法に関する。

一般に、ロータリ圧縮機は、主にエアコンなどの空気調和機に適用するもので、最近、エアコンの機能の多様化によって、容量を変化させることのできるロータリ圧縮機が要求されている。
ロータリ圧縮機の容量を変化させる技術としては、インバータモータを採用して圧縮機の回転数を制御する、いわゆるインバータ方式がよく知られている。しかし、この技術は、インバータモータ自体が高価であるためコスト負担が大きいだけでなく、大部分のエアコンが冷房機として使用されるにもかかわらず、冷房条件での冷却能力を向上させることが暖房条件での冷却能力を向上させることに比べて難しいという問題があった。

このような理由により、近年、インバータ方式に代えて、シリンダで圧縮された冷媒ガスの一部をシリンダの外部にバイパスして圧縮室の容積を変化させる、いわゆる「排除容積切替による冷却能力可変技術」（以下、排除容積切替技術と略称する）が広く知られている。
このような排除容積切替技術を適用したロータリ圧縮機のうち、最近圧縮機の運転中に圧縮を一時停止して冷却能力をゼロにするセーブ運転（以下、「モード０運転」という）を１００％で圧縮機を駆動するパワー運転（以下、「モード１運転」という）と組み合わせることにより冷却能力を制御する「デジタル圧縮技術」が紹介されている。

例えば、モード１運転を７秒間、モード０運転を３秒間運転する場合、合計１０秒間の運転による冷却能力は７０％である。このように、モード１運転とモード０運転を時間により調節して冷却能力を制御する圧縮機を「デジタル圧縮機」という。このようなデジタル圧縮機の特徴は、インバータを必要としないため、製造コストが低く、効率及び信頼性に優れているという利点がある。
しかしながら、大部分のデジタル圧縮技術は、スクロール圧縮機分野には実用化のために適用されているが、ロータリ圧縮機の具体的な駆動メカニズムには適用されていない。

本発明の目的は、デジタル圧縮技術に基づいた実用メカニズムを備えた容量可変型ロータリ圧縮機及びその運転方法を提供することにある。

以上のような目的を達成するために、本発明によるロータリ圧縮機の容量可変装置は、蒸発器に連通するガス吸入管と凝縮器に連通するガス吐出管とを備えるケーシングと、ローリングピストンが旋回運動して冷媒を圧縮するように中央に内部空間を形成し、内部空間にガス吸入管が連通するように半径方向に貫通する吸入口を形成し、ローリングピストンに半径方向に接して前記内部空間を圧縮室と吸入室に区画するベーンを支持するように半径方向にベーンスリットを形成してケーシングの内部に固定設置するシリンダと、前記シリンダの上下両側を覆蓋して内部空間を形成し、一側のベアリングプレートにはシリンダの内部空間に連通して圧縮冷媒を吐出するように吐出バルブを備えた吐出口を形成し、他側のベアリングプレートには前記ベーンが挿入されてそのベーンを中心に両側にそれぞれシリンダの圧縮室と吸入室に連通する複数のバイパス孔を互いに連通するように備える複数のベアリングプレートと、前記ベアリングプレートの前記複数のバイパス孔を選択的に連通させて圧縮冷媒を吸入室にバイパスさせるようにそのベアリングプレートに結合する容積可変ユニットと、前記容積可変ユニットが圧縮機の運転モードによってバイパス孔を開閉するように前記容積可変ユニットに背圧を差別的に供給する背圧切替ユニットとを含む。

また、本発明によるロータリ圧縮機の容量可変装置は、蒸発器に連通するガス吸入管と凝縮器に連通するガス吐出管とを備えるケーシングと、ローリングピストンが旋回運動して冷媒を圧縮するように中央に内部空間を形成し、内部空間にガス吸入管が連通するように半径方向に貫通する吸入口を形成し、ローリングピストンに半径方向に接して前記内部空間を圧縮室と吸入室に区画するベーンを支持するように半径方向にベーンスリットを形成してケーシングの内部に固定設置するシリンダと、前記シリンダの上下両側を覆蓋して内部空間を形成し、一側のベアリングプレートにはシリンダの内部空間に連通して圧縮冷媒を吐出するように吐出バルブを備えた吐出口を形成し、他側のベアリングプレートには前記ベーンが挿入されてそのベーンを中心に両側にそれぞれシリンダの圧縮室と吸入室に連通する複数のバイパス孔を互いに連通するように備える複数のベアリングプレートと、前記ベアリングプレートの前記複数のバイパス孔を選択的に連通させて圧縮冷媒を吸入室にバイパスさせるようにそのベアリングプレートに結合する容積可変ユニットと、前記容積可変ユニットが圧縮機の運転モードによってバイパス孔を開閉するように前記容積可変ユニットに背圧を差別的に供給する背圧切替ユニットと、前記容積可変ユニットの開閉状態を所定時間維持できるように冷媒流動を強制的に制御する圧力差維持ユニットとを含む。

このような目的を達成するために、本発明による容量可変型ロータリ圧縮機の運転方法は、容積可変ユニットがバイパス孔を遮断した状態で運転して最大能力を発揮するパワー運転モードと、パワー運転モード中に冷却能力を低くする必要がある場合、背圧切替ユニットにより前記容積可変ユニットが前記複数のバイパス孔を互いに連通させ、シリンダの全圧縮冷媒を前記シリンダの吸入室に排除するセーブ運転モードとを連続して行う。

本発明による容量可変型ロータリ圧縮機及びその運転方法は、サブベアリングにベーンを介在させてシリンダの圧縮室と吸入室を連通するバイパス孔を形成し、そのバイパス孔を開閉するスライドバルブを設置し、そのスライドバルブが容積排除運転を持続できるように圧力差維持装置を付加することにより、圧縮機の容積排除運転のとき、冷却能力低下率を向上できるとともに、容積排除運転を長時間持続できるため、エアコンの多様な調節が可能となり、圧縮機とこれを採用したエアコンの不要な電力消費を低減できる。

また、低コストで信頼性の高いパイロットバルブを利用してスライドバルブの背面圧力を迅速かつ正確に切替できるように構成することにより、頻繁な冷却能力調節機能を有する圧縮機又はエアコンに幅広く適用できるとともに、これを採用した圧縮機又はエアコン全体の効率低下を事前に防止できる。

以下、本発明による容量可変型ロータリ圧縮機及びその運転方法を添付図面に示す一実施形態に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明による容量可変型ロータリ圧縮機を備えたエアコンの配管図であり、図２は、図３のII−II線断面図であり、図３は、図２のＩ−Ｉ線断面図であり、図４は、容量可変装置の断面図であり、図５及び図６は、パワー運転及びセーブ運転過程を示す断面図である。

図示されたように、本発明によるロータリ圧縮機は、ガス吸入管ＳＰとガス吐出管ＤＰに連通するケーシング１と、ケーシング１の上側に設置されて回転力を発生する電動機構部と、ケーシング１の下側に設置されて電動機構部から発生した回転力により冷媒を圧縮する圧縮機構部とから構成される。

電動駆動部は、ケーシング１の内部に固定され、外部から印加される電源を受ける固定子Ｍｓと、該固定子Ｍｓの内部に所定孔隙を置いて配置され、固定子Ｍｓと相互作用して回転する回転子Ｍｒとからなる。

圧縮機構部は、環状に形成され、ケーシング１の内部に設置されるシリンダ１０と、シリンダ１０の上下両側を覆蓋して内部空間Ｖを形成するメインベアリングプレート（以下、メインベアリングと略称する）２０及びサブベアリングプレート（以下、サブベアリングと略称する）３０と、回転子Ｍｒに圧入され、メインベアリング２０とサブベアリング３０により支持されて回転力を伝達する回転軸４０と、該回転軸４０の偏心部４１に回転可能に結合されてシリンダ１０の内部空間を旋回しながら冷媒を圧縮するローリングピストン５０と、該ローリングピストン５０の外周面に圧接するようにシリンダ１０に半径方向に移動可能に結合してシリンダ１０の内部空間Ｖを吸入室と圧縮室に区画するベーン６０と、メインベアリング２０に備えられた吐出口２１の先端に開閉可能に結合する吐出バルブ７０とを含む。

また、圧縮機構部は、サブベアリング３０の一側に備えられて圧縮室容量を可変する容積可変ユニット８０と、容積可変ユニット８０に連結されて圧縮機の運転モードによる圧力差により容積可変ユニット８０を駆動する背圧切替ユニット９０とをさらに含む。

シリンダ１０は、ローリングピストン５０が相対運動できるように環状に形成され、ベーンスリット１１は、シリンダ１０の一側にベーン６０が半径方向に直線運動できるように線状に形成される。さらに、ベーンスリット１１の一側にはガス吸入管ＳＰに連通する吸入口１２がシリンダ１０の半径方向に貫通形成される。

サブベアリング３０は、その中央に回転軸を半径方向に支持するベアリング孔３１を備える円板状に形成され、シリンダ１０のベーンスリット１１に対向する部位にはベーン６０の下端面の一部が挿入されるようにベーン挿入溝３２がベーンスリット１１と同一形状に形成され、ベーン挿入溝３２の円周方向の両側にはシリンダ１０の圧縮室Ｖ１と吸入室Ｖ２にそれぞれ連通する複数のバイパス孔３３、３４が形成される。複数のバイパス孔３３、３４が相互連通するように、サブベアリング３０の内部には容積可変ユニット８０のスライドバルブ８１をスライド挿入するバルブ孔３５が、平面投影時にベーンスリット１１又はベーン挿入溝３２と直交する方向に形成される。

バイパス孔３３、３４は、ほぼ軸方向に一致するように形成され、そのうち１つ（以下、高圧側バイパス孔という）のバイパス孔３３は、最大圧力角度のメインベアリング２０の吐出口２１とほぼ同一に形成されるが、他の１つ（以下、低圧側バイパス孔という）のバイパス孔３４は、平面投影時に吸入口１２と一部が重なるように形成される。また、バイパス孔３３、３４へのガス流れを円滑にするためには、シリンダ１０における内径のベーン６０の側面部位にそれぞれガス案内溝１３ａ、１３ｂをテーパ形状に形成することが好ましい。

バルブ孔３５は、サブベアリング３０の外周面に両側バイパス孔３３、３４がベーンスリット１１又はベーン案内溝３２に対してほぼ直角方向に貫通形成され、その開口した両側がそれぞれバルブストッパ８３、８４で圧入して密封され、そのうち低圧側バイパス孔３４が属する空間の周面には吸入口１２と連通するように均一孔３６が形成される。

容積可変ユニット８０は、図４に示すように、バルブ孔３５にスライド挿入して背圧切替ユニット９０による圧力差によってバルブ孔３５で移動して複数のバイパス孔３３、３４を開閉するスライドバルブ８１と、スライドバルブ８１の移動方向を弾力支持して両端の圧力が同一であるとき、スライドバルブ８１が閉位置に移動するように圧縮スプリングで形成された少なくとも１つのバルブスプリング８２と、スライドバルブ８１の離脱を防止するようにバルブ孔３５の両端を遮蔽する複数のバルブストッパ８３、８４とからなる。

スライドバルブ８１は、バルブ孔３５の内周面にスライド接触するように形成され、バルブ孔３５の低圧側空間に位置して背圧切替ユニット９０から圧力が伝達されると２つのバイパス孔３３、３４を閉鎖する第１圧力部８１ａと、バルブ孔３５の内周面にスライド接触するように形成され、高圧側空間に位置して背圧切替ユニット９０から圧力が伝達される第２圧力部８１ｂと、２つの圧力部８１ａ、８１ｂ間を連結し、その外周面とバルブ孔３５間に２つのバイパス孔３３、３４が連通するようにガス通路が形成される連通部８１ｃとからなる。

第１圧力部８１ａは、両側バイパス孔３３、３４の直径より長く形成される。好ましくは、バルブの長さを最小化するために、第１圧力部８１ａの後方端には第１圧力部８１ａの内側に向かってバルブスプリング８２が挿入されるスプリング固定溝（図示せず）が形成される。

高圧側バイパス孔３３が属するバルブストッパ８３の中央には、後述する背圧切替ユニット９０の共通連結管９４が連結されるように背圧通孔が形成される。

背圧切替ユニット９０は、図５及び図６に示すように、スライドバルブ８１の圧力部側の圧力を決定する切替バルブ組立体９１と、切替バルブ組立体９１の高圧側入口９５ａに連結されて高圧雰囲気を供給する高圧連結管９２と、切替バルブ組立体９１の低圧側入口９１ｂに連結されて低圧雰囲気を供給する低圧連結管９３と、切替バルブ組立体９１の共通側出口９５ｃをバルブストッパ８３の背圧通孔８３ａに連結してスライドバルブ８１の第２圧力部８１ｂに高圧雰囲気又は低圧雰囲気を選択的に供給する共通連結管９４とからなる。

切替バルブ組立体９１は、高圧側入口９５ａ、低圧側入口９５ｂ、及び共通側出口９５ｃを形成する切替バルブハウジング９５と、切替バルブハウジング９５の内部にスライド結合して高圧側入口９５ａと共通側出口９５ｃ又は低圧側入口９５ｂと共通側出口９５ｃを選択的に連結する切替バルブ９６と、切替バルブハウジング９５の一側に設置されて印加した電源により切替バルブ９６を移動させる電磁石９７と、電磁石９７に印加した電源を遮断すると、切替バルブ９６を復元させる切替バルブスプリング９８とからなる。

好ましくは、電磁石９７は、信頼性の向上、並びに製造コスト及び電気消費の低減のために、小型かつ消費電力が約１５Ｗａｔｔ／Ｈｏｕｒ以下のものとする。

高圧連結管９２の入口端は、ガス吐出管ＤＰの中間に連結することもできる。しかしながら、好ましくは、高圧連結管９２は、切替バルブ組立体９１の内部又はバルブ孔３５とスライドバルブ８１間にオイルが流入するようにして摩擦損失やガス漏洩を遮断するために、ケーシング１の内部に充填されるオイルに浸るようにケーシング１の下部に連結される。

好ましくは、共通連結管９４は、圧縮機の振動と騷音を低減するために、毛細管などの細管を使用して圧力切替を緩慢にする。

ここで、符号２は凝縮器を示し、符号３は膨張機構を示し、符号４は蒸発器を示し、符号５はアキュムレータを示し、符号６は凝縮器送風ファンを示し、符号７は蒸発器送風ファンを示し、符号１３ａはガス案内溝を示す。

前述したような本発明による容量可変型ロータリ圧縮機は、次の通り動作する。
電動機構部に電源を印加すると、回転軸４０が回転し、ローリングピストン５０がシリンダ１０の内部空間Ｖで旋回運動してベーン６０との間に容積を形成して冷媒を吸入圧縮してケーシング１の内部に吐出し、この冷媒ガスはガス吐出管ＤＰを介して冷凍サイクル装置の凝縮器２に噴出された後、膨張機構３と蒸発器４を順に経た後、再びガス吸入管ＳＰを介してシリンダ１０の内部空間Ｖに吸入される一連の過程が繰り返される。

ここで、容量可変型圧縮機は、これを採用したエアコンの運転状態によってモード０運転（又は、セーブ運転）をするか、又は、モード１運転（又は、パワー運転）をするが、以下、これをより詳細に説明する。

モード１運転の場合は、図５に示すように、パイロットバルブである背圧切替ユニット９０の電磁石９７に印加された電源をオフし、切替バルブ９６が切替バルブスプリング９８の弾性力により移動することにより、低圧側出口９５ｂと共通連結管９５ｃが連通する。それにより、運転中にガス吸入管ＳＰ又は蒸発器４を通過した低圧の冷媒ガスが低圧連結管９３と共通連結管９４を経てスライドバルブ８１の第２圧力部８１ｂ側に流入する。ここで、切替バルブ９６は、第１圧力部８１ａ側を支持する切替バルブスプリング９８の弾性力により押され、図面の左側に移動して第１圧力部８１ａが高圧側バイパス孔３３を遮断する。このようにして、シリンダ１０の圧縮室Ｖ１で圧縮された冷媒ガスは、高圧側バイパス孔３３の閉鎖によりメインベアリング２０の吐出口２１からケーシング１の内部に完全に吐出された後、凝縮器２、膨張機構３、及び蒸発器４を循環しながら１００％の冷却能力を発揮する圧縮運転を行う。

これに対して、モード０運転の場合は、図６に示すように、パイロットバルブである背圧切替ユニット９０の電磁石９７に電源を印加し、切替バルブ９６が切替バルブスプリング９８の弾性力に勝って移動することにより、高圧側出口９５ａと共通連結管９５ｃが連通する。それにより、運転中にガス吐出管ＤＰ又はケーシング１の内部に高圧の冷媒ガス又はオイルが低圧連結管９３と共通連結管９４を経てスライドバルブ８１の第２圧力部８１ｂ側に流入する。ここで、第２圧力部８１ｂが高圧雰囲気であるので、切替バルブ９６は、切替バルブスプリング９８の弾性力に勝って図面の右側に移動する。従って、スライドバルブ８１の連通部８１ｃが高圧側バイパス孔３３と低圧側バイパス孔３４の中間に位置することで、２つのバイパス孔３３、３４が連通する。このようにして、シリンダ１０の圧縮室Ｖ１で圧縮された冷媒ガスは、高圧側バイパス孔３３が開放されることにより、相対的に低圧のシリンダ１０の吸入室Ｖ２に移動し、冷媒ガスの一部は、均一孔３６から吸入口１２に逆流する。従って、圧縮機は、冷却能力が０％である非圧縮運転を行う。

一方、圧縮機を停止させる場合、圧縮機は、モード１運転又はモード０運転で停止できる。モード１運転は圧縮運転であり、モード０運転は非圧縮運転であるため、圧縮機の振動を低減するために、モード０運転で停止させることが好ましい。ここで、バルブ孔３５の高圧側と低圧側が同一の圧力を有することにより、スライドバルブ８１はバルブスプリング８２により、図５のような状態に復帰する。

また、圧縮機を起動する場合も、振動を低減するために、モード０運転で起動することが好ましい。モード１運転に切り替えるとき、圧縮機は既に加速しているので、モード１運転に容易に切り替えることができる。従って、圧縮機は、起動を容易にし、急激な液冷媒の吸入による故障を防止するために、モード０運転で起動することが好ましい。ただし、圧縮機を停止させた後、長時間（通常１分以上）経過した場合は、高圧側と低圧側間にモード０運転を維持できる圧力差がなくなるので、通常の圧縮機のようにモード１運転で起動せざるを得ない。従って、モード０運転を長時間維持させるか、モード１運転からモード０運転への切り替えを迅速かつ容易にできれば、容量可変型ロータリ圧縮機を適用するエアコンをより多様に運転できる。

このために、以下のように、圧力差維持ユニットを備えた容量可変型ロータリ圧縮機を考慮できる。
すなわち、図７及び図８に示すように、圧力差維持ユニットの一例は、図１に示すシステムの低圧側、すなわち、蒸発器４とアキュムレータ５間に第１冷媒流動制御部の一部を構成するチェックバルブ１１０が設置される。これに対して、凝縮器２と膨張機構（又は、蒸発器）３間に第２冷媒流動制御部の一部を構成するマグネットバルブ（単方向ソレノイドバルブ）１２０が設置される。また、図７に示すように、低圧連結管９３は、チェックバルブ１１０の入口側、すなわち、チェックバルブ１１０と蒸発器４間の冷媒管から分岐され、背圧切替ユニット９０の低圧側入口９５ｂに連結される。また、バイパス管１３０は、チェックバルブ１１０の入口側から分岐され、容積可変ユニット８０の低圧側、すなわち、バルブ孔３５の低圧側を遮蔽する低圧側バルブストッパ８４に連結される。この場合、前述した均一孔３６は除去する。

前述したような本実施形態による圧力差維持ユニットは、次の通り動作する。
まず、モード１運転の場合は、図９に示すように、マグネットバルブ１２０に印加された電源をオフして凝縮器２と膨張機構３間が開放されるようにした状態で圧縮機を運転すると、その圧縮機から吐出される高圧の冷媒が凝縮器２とマグネットバルブ１２０を通過して膨張機構３、蒸発器４、及びチェックバルブ１１０を介して圧縮機の吸入口１２に吸入される一連の過程が繰り返される。ここで、背圧切替ユニット９０も電源がオフされ、低圧連結管９３と共通連結管９４が連通することにより、スライドバルブ８１が高圧側バイパス孔３３を遮断する。従って、圧縮機は持続的に１００％の冷却能力を発揮する圧縮運転を行う。

次に、モード０運転の場合、図１０に示すように、マグネットバルブ１２０に電源を印加して凝縮器２と膨張機構３間が閉鎖されるようにする。これと同時に、背圧切替ユニット９０にも電源を印加して高圧連結管９２と共通連結管９４を連通させる。このようにして、スライドバルブ８１がバルブスプリング８２に勝って図面の右側に移動することにより、高圧側バイパス孔３３と低圧側バイパス孔３４が連通して開放される。従って、シリンダ１０の圧縮ガスが圧縮室Ｖ１から吸入室Ｖ２に排除されることで、圧縮機は非圧縮運転を行う。

ここで、ロータリ圧縮機の構造的特性上、圧縮機がモード０運転を行うか、又は停止したとき、シリンダ１０内の全域で低圧雰囲気が形成されることにより、ケーシング１のオイルが、ベーン６０とシリンダ１０のベーンスリット１１間、又はローリングピストン５０と両側ベアリング２０、３０間のスキ間からシリンダ１０の圧縮室に迅速に流入する。これにより、シリンダ１０内の圧力が上昇してアキュムレータ５の方向への逆流現象が発生するが、アキュムレータ５の入口側に備えられたチェックバルブ１１０がこの逆流を遮断することにより、シリンダ１０とアキュムレータ５内の圧力は短時間でケーシング１の内部圧力、すなわち、システムの高圧側圧力とほとんど同一になる。これと共に、マグネットバルブ１２０を遮断すると、結局、圧縮機と凝縮器（又は、マグネットバルブの入口）２は高圧側を、蒸発器（又は、マグネットバルブの出口）４とチェックバルブ１１０は低圧側を維持でき、このような圧力差は、凝縮器２と蒸発器４の温度が周囲の空気温度と同一になるまで長時間維持されるので、モード０運転を長い間（３分以上）持続できる。また、モード０運転に切り替えられた後、凝縮器２と蒸発器４の送風ファン６、７のうち少なくともいずれか一方を停止させるか、又は風量を低下させる場合、このような状態を意図的に延長できる。ここで、マグネットバルブ１２０を膨張機構３の出口に配置しても同様の作用効果を得られる。

一方、図１１〜図１４に示す他の実施形態は、マグネットバルブを冷媒の圧力差により自動的に開閉される自動バルブに置き換えたものである。
すなわち、自動バルブ２００は、凝縮器２の出口と蒸発器４の入口間の冷媒管Ｌの中間に設置される調節バルブハウジング２１０と、調節バルブハウジング２１０の内部にスライド挿入して両端の圧力差によって凝縮器２の出口と蒸発器４の入口間を開閉するように調節バルブ２２０と、調節バルブ２２０の一側に備えらえてバルブ両側が平衡圧になるときに調節バルブ２２０が冷媒管を閉鎖するように復元される調節バルブスプリング２３０と、凝縮器２の出口から分岐され、調節バルブ２２０の一側に連通するように調節バルブハウジング２１０の一側に連結される第１バイパス管２４０と、圧縮機の入口とチェックバルブ１１０間の冷媒管から分岐され、調節バルブ２２０の他側に連通するように調節バルブハウジング２１０の他側に連結される第２バイパス管２５０とからなる。

蒸発器４とアキュムレータ５間の冷媒管には冷媒ガスやオイルの圧縮機からの逆流を遮断するためにチェックバルブ１１０が設置される。低圧連結管９３は、チェックバルブ１１０と蒸発器４間に連結され、第２バイパス管２５０が、チェックバルブ１１０とアキュムレータ５間に連結される。

前述したような本実施形態による自動バルブは、次のような作用効果がある。
まず、圧縮機がモード１運転を行う場合は、第１バイパス管２４０が凝縮器２の出口と膨張バルブ３間に連結される。従って、第１バイパス管２４０は常に高圧であるが、第２バイパス管２５０はガス吸入管ＳＰ又は蒸発器４の出口圧力と同一であり、低圧となる。ただし、圧縮機がモード０運転を行う場合、又は圧縮機が停止する場合は、前述したように、チェックバルブ１１０は遮断されるので、第２バイパス管２５０は高圧に切り替えられる。

このように、圧縮機がモード１運転を行うとき、第２バイパス管２５０の圧力は低圧であるが、第１バイパス管２４０の圧力は高圧となるので、調節バルブ２２０が第２バイパス管２５０側に移動することにより、図１３に示すように、凝縮器２と膨張機構３間の冷媒管Ｌは開放状態を維持する。

次に、モード１運転からモード０運転に切り替える場合又は圧縮機が停止した場合は、第２バイパス管２５０が高圧であるので、調節バルブ２２０の両端に作用する圧力も共に高圧となる。従って、図１４に示すように、調節バルブ２２０が調節バルブスプリング２３０の弾性力により第１バイパス管２４０側に移動することで、凝縮器２と膨張機構３間の冷媒管Ｌは閉鎖される。

また、モード０運転からモード１運転に切り替える場合又は圧縮機が再起動してモード１運転に切り替える場合は、第２バイパス管２５０が低圧となるので、凝縮器２と膨張機構３間の冷媒管Ｌは開放され、チェックバルブ１１０も開放されるので、通常的な冷凍サイクルが維持され、冷媒ガスは円滑に循環する。

このように、マグネットバルブの代わりに自動バルブを使用する場合は、電気回路を使用せずにモード切替によって自動的にシステム回路を開閉できるため、エネルギーを節約でき、信頼性が向上し、製造コストを節減できる。

一方、容量可変型ロータリ圧縮機を適用したエアコンに圧力差維持ユニットを装着する場合は、次のような作用効果がある。
第１に、前述したように、圧縮機のモード０運転を長くすることができる。これにより、システムの冷却能力下限値を小さくすることができるので、冷却能力調整自由度が大きいシステムを実現できる。また、冷却能力を切り替えるために圧縮機のモード１運転とモード０運転を頻繁に切り替える必要がないため、背圧切替ユニット９０や圧縮機の寿命が短縮することを事前に防止できる。

第２に、圧縮機を停止させた状態でモード０運転から再起動させることが容易である。ただし、過度に長時間（例えば、１０分以上）モード０運転を行う場合、高圧力と低圧力間の圧力差を維持できないため、自動的にモード１運転に切り替えられた後、この状態で起動される。自動バルブを適用したシステムは、圧力差が小さく、図１３に示すように自動的に開放されるので、迅速に平衡圧力となる。

第３に、通常、圧力差維持ユニットを備えない圧縮機が停止すると、圧縮機は、圧力差がなくなった後、システムが平衡圧力となるまで待機しなければならない。しかし、圧力差維持ユニットを備えた圧縮機は、モード０運転を維持するか、モード０運転に切り替えて圧縮機を起動すると、短時間（１０秒又は１分）で起動できる。逆に、比較的長時間停止していても、モード０運転が維持されていると、このモードで起動できる。また、圧縮機を停止させて冷却能力をゼロに切り替えることにより、冷却能力制御を幅広く実施できる。

第４に、モード０運転中には、チェックバルブ１１０とマグネットバルブ１２０が迅速に閉鎖されるので、凝縮器２から蒸発器４への冷媒移動、又は圧縮機から蒸発器４へのガスの逆流がなくなる。従って、モード１運転からモード０運転に切り替えることにより発生する冷凍サイクルのエネルギー損失がなく、また、モード０運転からモード１運転に切り替えるとき、瞬間的にモード１運転状態に切り替えられることによりシステム効率を大幅に向上できる。

ここで、モード０運転をどの程度の時間続けなければならないか、又は圧縮機を停止した後モード０運転で起動できるかなどは、モード０運転を維持するための高圧力と低圧力との圧力差が存在するか否かにより決定される。圧力差は、差圧センサを利用して得られ、圧力差の有無は、圧縮機がモード１運転からモード０運転に切り替えられて運転を続けた時間を検出するか、圧縮機を停止している時間を検出するか、又は凝縮器と蒸発器の温度を検出することにより判断される。凝縮器と蒸発器の温度が規定の温度範囲であると、圧力差が存在すると判断する。以上の検出方法のうち、凝縮器と蒸発器の温度の検出が最も経済的で、有利である。

以下、本発明の容量可変型ロータリ圧縮機の冷却能力を制御する過程をより詳細に説明する。
まず、圧縮機を起動すると、システムは、異常冷凍サイクルに続く正常冷凍サイクルのため、モード１運転で正常運転を続ける。室内温度が所定温度に近づくと、モード１運転において冷却能力が過大であるので、徐々に冷却能力が低下することにより、室内温度が所定温度に至る。例えば、冷却能力Ｑｍを８０％に低下させた場合は、モード１運転とモード０運転の運転時間比率ｍが４:１に設定される。

すなわち、ｍ＝モード１／（モード１＋モード０）＝０．８
冷却能力（Ｑｍ）＝０.８×１００％＝８０％である。
また、冷却能力を、例えば、２０％に低下させようとする場合、ｍを０．２に設定しなければならない。モード１運転とモード０運転間の運転時間比率ｍを１:４にしなければならない。

ここで、モードＳ（停止）運転が使用される場合、モード０運転はモードＳに置換される。モード０運転で圧縮機を制御する場合は、無負荷状態であっても、部品損失、モータ損失、さらにガス抵抗損失があり、モード１運転中の消費電力の少なくとも１０％以上の消費電力を必要とする。これに対して、モードＳ運転では、圧縮機が停止するので、損失がゼロである。

本発明による容量可変型ロータリ圧縮機を備えたエアコンの冷却能力制御方法は、次の通りである。
図１５〜図１８は、冷却能力制御のためのモードの使用方法を具体的に提示している。
図１５を参照すると、モード１運転で停止した圧縮機が起動することにより、モードＳ運転からモード１運転に切り替えられる。
その後、モード１運転を続けると、システムの熱交換器や圧縮機などの温度と圧力は安定する。室内温度が所定温度に近接すると、能力調整のために圧縮機を停止するのではなく、モード１運転とモード０運転間で切り替えを繰り返して室内温度と設定温度の差を小さくする。すなわち、図１６に示すように、モード１運転とモード０運転の運転時間比率ｍを調整し、圧縮機冷却能力を制御して室内温度を設定温度に安定させる。

ここで、システムが圧力維持装置を有する場合、前述したように圧縮機が停止した後に短時間で起動する。図１７に示すように、モード０運転の代りにモードＳ運転を使用し、モード０運転とモードＳ運転を併用する。すなわち、モード１運転とモードＳ運転の切り替え中にモード０運転を挿入する方法は、モード１運転とモードＳ運転間の切り替えを直接行う方法より、圧縮機の起動時や停止時に振動が少なくて起動も容易である。

また、圧縮機を停止する場合、図１８に示すように、圧縮機は、モード０運転中の場合はそのまま停止する。しかしながら、モード１運転中の場合は、圧縮機の停止時に発生する振動を低減するために、モード０運転に切り替えてから電源をオフする。

このように、本発明の容量可変型ロータリ圧縮機は、モード１運転とモード０運転を頻繁に切り替えることにより、冷却能力を制御できる。また、モード１運転とモード０運転にモードＳ運転を追加することにより、パルス式能力制御（Pulse Capacity Modulation）を行う。さらに、それぞれの運転モードにおいて運転時間を調節することにより、冷却能力を１００％から２０％の範囲で任意に制御できるため、インバータロータリ圧縮機に比べて製造コストを低減できるとともに、効率及び信頼性が向上する。

本発明の容量可変型ロータリ圧縮機及びその運転方法は、家電機器などに必須の構成要素である冷凍サイクル装置に適用可能であり、特に、エアコンに利用すると、非常に効果的である。

本発明による容量可変型ロータリ圧縮機を備えたエアコンの配管図である。 本発明による容量可変型ロータリ圧縮機の一例を示す図３のII−II線断面図である。 図２のＩ−Ｉ線断面図である。 本発明による容量可変型ロータリ圧縮機の容量可変装置を示す断面図である。 本発明による容量可変型ロータリ圧縮機においてパワー運転過程を示す断面図である。 本発明による容量可変型ロータリ圧縮機においてセーブ運転過程を示す断面図である。 本発明による容量可変型ロータリ圧縮機の他の実施形態を示す配管図である。 本発明によるロータリ圧縮機の容量可変装置の他の実施形態を示す断面図である。 本発明による容量可変型ロータリ圧縮機の他の実施形態においてパワー運転過程を示す断面図である。 本発明による容量可変型ロータリ圧縮機の他の実施形態においてセーブ運転過程を示す断面図である。 本発明による容量可変型ロータリ圧縮機のさらに他の実施形態を示す配管図である。 本発明によるロータリ圧縮機の容量可変装置のさらに他の実施形態を示す断面図である。 本発明による容量可変型ロータリ圧縮機において自動バルブの動作を示す断面図である。 本発明による容量可変型ロータリ圧縮機において自動バルブの動作を示す断面図である。 本発明による容量可変型ロータリ圧縮機の圧力差維持ユニットによる冷却能力制御過程を示す自由図である。 本発明による容量可変型ロータリ圧縮機の圧力差維持ユニットによる冷却能力制御過程を示す自由図である。 本発明による容量可変型ロータリ圧縮機の圧力差維持ユニットによる冷却能力制御過程を示す自由図である。 本発明による容量可変型ロータリ圧縮機の圧力差維持ユニットによる冷却能力制御過程を示す自由図である。

Claims (26)

1. 蒸発器に連通するガス吸入管と凝縮器に連通するガス吐出管とを備えるケーシングと、
   ローリングピストンが旋回運動して冷媒を圧縮するように中央に内部空間を形成し、内部空間にガス吸入管が連通するように半径方向に貫通する吸入口を形成し、ローリングピストンに半径方向に接して前記内部空間を圧縮室と吸入室に区画するベーンを支持するように半径方向にベーンスリットを形成してケーシングの内部に固定設置するシリンダと、
   前記シリンダの上下両側を覆蓋して内部空間を形成し、一側のベアリングプレートにはシリンダの内部空間に連通して圧縮冷媒を吐出するように吐出バルブを備えた吐出口を形成し、他側のベアリングプレートには前記ベーンが挿入されてそのベーンを中心に両側にそれぞれシリンダの圧縮室と吸入室に連通する複数のバイパス孔を互いに連通するように備える複数のベアリングプレートと、
   前記ベアリングプレートの前記複数のバイパス孔を選択的に連通させて圧縮冷媒を吸入室にバイパスさせるようにそのベアリングプレートに結合する容積可変ユニットと、
   前記容積可変ユニットが圧縮機の運転モードによってバイパス孔を開閉するように前記容積可変ユニットに背圧を差別的に供給する背圧切替ユニットと、を含む、
   ことを特徴とするロータリ圧縮機の容量可変装置。
2. 蒸発器に連通するガス吸入管と凝縮器に連通するガス吐出管とを備えるケーシングと、
   ローリングピストンが旋回運動して冷媒を圧縮するように中央に内部空間を形成し、内部空間にガス吸入管が連通するように半径方向に貫通する吸入口を形成し、ローリングピストンに半径方向に接して前記内部空間を圧縮室と吸入室に区画するベーンを支持するように半径方向にベーンスリットを形成してケーシングの内部に固定設置するシリンダと、
   前記シリンダの上下両側を覆蓋して内部空間を形成し、一側のベアリングプレートにはシリンダの内部空間に連通して圧縮冷媒を吐出するように吐出バルブを備えた吐出口を形成し、他側のベアリングプレートには前記ベーンが挿入されてそのベーンを中心に両側にそれぞれシリンダの圧縮室と吸入室に連通する複数のバイパス孔を互いに連通するように備える複数のベアリングプレートと、
   前記ベアリングプレートの前記複数のバイパス孔を選択的に連通させて圧縮冷媒を吸入室にバイパスさせるようにそのベアリングプレートに結合する容積可変ユニットと、
   前記容積可変ユニットが圧縮機の運転モードによってバイパス孔を開閉するように前記容積可変ユニットに背圧を差別的に供給する背圧切替ユニットと、
   前記容積可変ユニットの開閉状態を所定時間維持できるように冷媒流動を強制的に制御する圧力差維持ユニットと、を含む、
   ことを特徴とするロータリ圧縮機の容量可変装置。
3. 前記バイパス孔のうち高圧側に位置する１つは吐出口と同一軸線上に形成され、他の１つは吸入口と重なるように形成される、ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のロータリ圧縮機の容量可変装置。
4. 前記複数のバイパス孔が互いに連通するように、ベアリングプレートにはバルブ孔を形成し、該バルブ孔に前記容積可変ユニットを設置する、ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のロータリ圧縮機の容量可変装置。
5. 前記容積可変ユニットは、
   バルブ孔にスライド挿入して前記背圧切替ユニットによる圧力差によってバルブ孔で移動して前記バイパス孔を開閉するスライドバルブと、
   スライドバルブの移動方向を弾力支持して両端の圧力が同一である場合、前記スライドバルブを閉位置に移動させる少なくとも１つのバルブスプリングと、
   スライドバルブの離脱を防止するように前記バルブ孔を遮蔽するバルブストッパと、から成る、
   ことを特徴とする請求項４に記載のロータリ圧縮機の容量可変装置。
6. 前記スライドバルブは、
   バイパス孔の両側に位置してバルブ孔の内周面にスライド接触するように形成し、背圧切替ユニットから圧力が伝達されると少なくとも１つのバイパス孔を開閉する複数の圧力部と、
   複数の圧力部間を連結し、その外周面とバルブ孔間に複数のバイパス孔を連通するガス通路を有する連通部と、から成る、
   ことを特徴とする請求項５に記載のロータリ圧縮機の容量可変装置。
7. 前記バルブ孔は、両側面の少なくともいずれか一側には背圧切替ユニットの出口に連通する背圧通孔を有する、ことを特徴とする請求項６に記載のロータリ圧縮機の容量可変装置。
8. 前記バルブ孔の両側面の他側は、低圧側に位置するバイパス孔をシリンダの吸入口に連通する、ことを特徴とする請求項７に記載のロータリ圧縮機の容量可変装置。
9. 前記バルブ孔の両側面のうち他側は、圧力差維持ユニットにより低圧を形成する冷媒管の中間に連通する、ことを特徴とする請求項７に記載のロータリ圧縮機の容量可変装置。
10. 前記背圧切替ユニットは、
    スライドバルブの圧力部側の圧力を決定する切替バルブ組立体と、
    該切替バルブ組立体の高圧側入口に連結されて高圧雰囲気を供給する高圧連結管と、
    前記切替バルブ組立体の低圧側入口に連結されて低圧雰囲気を供給する低圧連結管と、
    前記切替バルブ組立体の共通側出口をバルブ孔に連結してスライドバルブの圧力部に高圧雰囲気又は低圧雰囲気を供給する共通連結管と、から成る、
    ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のロータリ圧縮機の容量可変装置。
11. 前記切替バルブ組立体は、
    前記高圧側入口、低圧側入口、及び共通側出口を形成する切替バルブハウジングと、
    該切替バルブハウジングの内部にスライド結合して前記高圧側入口と共通側出口又は低圧側入口と共通側出口を選択的に連結させる切替バルブと、
    前記切替バルブハウジングの一側に設置して、印加された電源により前記切替バルブを移動させる電磁石と、
    該電磁石に印加された電源を遮断すると前記切替バルブを復元させる弾性部材と、から成る、
    ことを特徴とする請求項１０に記載のロータリ圧縮機の容量可変装置。
12. 前記高圧連結管は、ガス吐出管の中間に連結される、ことを特徴とする請求項１１に記載のロータリ圧縮機の容量可変装置。
13. 前記高圧連結管は、ケーシングの内部に充填されるオイルに浸るようにケーシングの下部に連結される、ことを特徴とする請求項１１に記載のロータリ圧縮機の容量可変装置。
14. 前記圧力差維持ユニットは、
    圧縮機の入口と蒸発器の出口間に設置され、圧縮機が運転中であるとともにバイパス孔が閉状態であるときは、前記圧縮機と蒸発器間の冷媒管を開放して低圧を形成し、バイパス孔が開状態であるときは、前記冷媒管を閉鎖して高圧を形成する第１冷媒流動制御部と、
    前記蒸発器の入口と凝縮器の出口間に設置され、圧縮機が運転中であるとともにバイパス孔が閉状態であるときは、前記蒸発器と凝縮器間の冷媒管を開放して高圧を形成し、バイパス孔が開状態であるときは、前記冷媒管を閉鎖して低圧を形成する第２冷媒流動制御部と、から成る、
    ことを特徴とする請求項１１に記載のロータリ圧縮機の容量可変装置。
15. 前記第１冷媒流動制御部は、
    圧縮機の入口と蒸発器の出口間の冷媒管の中間に設置され、前記入口と出口間の圧力差によって自動的に開閉して逆流を遮断するチェックバルブと、
    該チェックバルブの入口側から分岐して背圧切替ユニットの低圧側入口に連通する低圧連結管と、
    前記チェックバルブの入口側から分岐して容積可変ユニットのバルブ孔に連通するバイパス管と、から成る、
    ことを特徴とする請求項１４に記載のロータリ圧縮機の容量可変装置。
16. 前記第２冷媒流動制御部は、蒸発器の入口と凝縮器の出口間の冷媒管の中間に設置され、前記冷媒管を印加された電源により自動的に開閉するソレノイドバルブで形成される、ことを特徴とする請求項１５に記載のロータリ圧縮機の容量可変装置。
17. 前記第１冷媒流動制御部は、
    圧縮機の入口と蒸発器の出口間の冷媒管の中間に設置され、前記入口と出口間の圧力差によって自動的に開閉して逆流を遮断するチェックバルブと、
    前記チェックバルブの入口側から分岐して背圧切替ユニットの低圧側入口に連通する低圧連結管とから成る、ことを特徴とする請求項１４に記載のロータリ圧縮機の容量可変装置。
18. 前記第２冷媒流動制御部は、
    蒸発器の入口と凝縮器の出口間の冷媒管の中間に設置される調節バルブハウジングと、
    該調節バルブハウジングの内部にスライド挿入して両端の圧力差によって前記蒸発器の入口と凝縮器の出口を開閉する調節バルブと、
    調節バルブの一側に備えられ、バルブの両側が平衡圧となる場合、前記調節バルブが冷媒管を閉鎖するように復元させる弾性部材と、
    凝縮器の出口から分岐して調節バルブの一側に連通するように前記調節バルブハウジングの一側に連結される第１バイパス管と、
    圧縮機の入口とチェックバルブ間の冷媒管から分岐して前記調節バルブの他側に連通するように調節バルブハウジングの他側に連結される第２バイパス管と、から成る、
    ことを特徴とする請求項１７に記載のロータリ圧縮機の容量可変装置。
19. 前記共通連結管は、細管で形成される、ことを特徴とする請求項１１に記載のロータリ圧縮機の容量可変装置。
20. 請求項１又は２に記載の容量可変型ロータリ圧縮機の運転方法であって、
    容積可変ユニットがバイパス孔を遮断した状態で運転して最大能力を発揮するパワー運転モードと、パワー運転モード中に冷却能力を低くする必要がある場合、背圧切替ユニットにより前記容積可変ユニットが前記複数のバイパス孔を互いに連通させ、シリンダの全圧縮冷媒を前記シリンダの吸入室に排除するセーブ運転モードとを連続して行う、
    ことを特徴とする容量可変型ロータリ圧縮機の運転方法。
21. 前記セーブ運転モードは、高圧側と低圧側間の圧力差を検出することにより持続するか否かを決定する、ことを特徴とする請求項２０に記載の容量可変型ロータリ圧縮機の運転方法。
22. 前記セーブ運転モードは、凝縮器と蒸発器の検出温度が規定の温度範囲内である場合、前記高圧側と低圧側間の圧力差が発生したと判断することにより継続して行われる、ことを特徴とする請求項２１に記載の容量可変型ロータリ圧縮機の運転方法。
23. 前記セーブ運転モードは、圧力差維持ユニットにより冷凍サイクルの高圧側と低圧側間の圧力差を維持することにより運転時間を延長する、ことを特徴とする請求項２２に記載の容量可変型ロータリ圧縮機の運転方法。
24. 前記セーブ運転モードは、冷凍サイクルの凝縮器又は蒸発器の送風ファンのうち少なくとも一方の送風ファンを停止させるか、又は風量を低下させることで、高圧側と低圧側間の圧力差を維持することにより運転時間を延長する、ことを特徴とする請求項２３に記載の容量可変型ロータリ圧縮機の運転方法。
25. 前記圧縮機は、パワー運転モードを行う前に前記セーブ運転モードを先に行うことにより動作する、ことを特徴とする請求項２０に記載の容量可変型ロータリ圧縮機の運転方法。
26. 前記セーブ運転モードは、複数のバイパス孔を互いに連通させるために、圧縮機を停止させる停止モードと共に行われる、ことを特徴とする請求項２０に記載の容量可変型ロータリ圧縮機の運転方法。

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