JP2008163894A

JP2008163894A - 多段圧縮機

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Publication number: JP2008163894A
Application number: JP2006356169A
Authority: JP
Inventors: So Sato; 創佐藤; Hisayuki Kimata; 央幸木全
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2006-12-28
Filing date: 2006-12-28
Publication date: 2008-07-17
Anticipated expiration: 2026-12-28
Also published as: WO2008081899A1; US7914267B2; US20100143172A1; EP2055956A4; EP2055956A1; EP2055956B1; JP4875484B2

Abstract

【課題】ＣＯ２サイクル用のガスインジェクション方式を採用した多段圧縮機において、その圧縮効率および圧縮性能を向上させることができる多段圧縮機を提供することを目的とする。
【解決手段】低段側ロータリ圧縮機構４で圧縮されたＣＯ２冷媒ガスを密閉ハウジング３内に吐出し、密閉ハウジング３内の中間圧の冷媒ガスを高段側スクロール圧縮機構５が吸入して２段圧縮するＣＯ２サイクル１用の多段圧縮機２において、密閉ハウジング３には、冷媒回路から抽出される中間圧のＣＯ２冷媒ガスを、密閉ハウジング３内にインジェクションするガスインジェクション回路１５が接続されるとともに、低段側ロータリ圧縮機構４と高段側スクロール圧縮機構５とは、略等圧力比で、かつ、押しのけ量比が略同等とされる。
【選択図】図２

Description

本発明は、ＣＯ２冷媒を作動流体とする超臨界冷凍サイクル（ＣＯ２サイクル）に適用して好適な多段圧縮機に関するものである。

従来から、空調装置に適用される多段圧縮機としては、様々なものが提案されている。その１つとして、密閉ハウジング内の中央部に設置される電動モータの下部に低段側ロータリ圧縮機構を設置し、その圧縮ガスを密閉ハウジング内に吐出し、該中間圧ガスを電動モータの上部に設置される高段側スクロール圧縮機構に吸入して、２段圧縮する多段圧縮機が知られている（例えば、特許文献１参照）。
また、密閉ハウジング内に、電動モータと、低段側および高段側ロータリ圧縮機構とを設置し、低段側ロータリ圧縮機構で圧縮された中間圧ガスを、密閉ハウジング内に設けられた第２密閉室に吐出するとともに、この第２密閉室に冷媒回路側から抽出された中間圧ガスをインジェクションし、この中間圧のインジェクションガスと、低段側ロータリ圧縮機構で圧縮された中間圧ガスとを高段側ロータリ圧縮機構Ｉ吸入して、２段圧縮する多段圧縮機が特許文献２により提案されている。

また、Ｒ４１０Ａ冷媒を用い、低段側ロータリ圧縮要素で圧縮された中間圧ガスを、ガス配管を経て高段側ロータリ圧縮要素に吸入させるとともに、該ガス配管中に冷媒回路側から抽出された中間圧ガスをインジェクションし、２段圧縮する多段圧縮機において、低段側圧縮要素と高段側圧縮要素との押しのけ量比を、１：０．６５〜１：０．８５としたものが、特許文献３により提案されている。
さらに、特許文献４には、低段側ロータリ圧縮要素で圧縮されたＣＯ２冷媒ガスの一部を密閉ハウジング内に吐出し、この中間圧のＣＯ２冷媒ガスと前記残りの中間圧ＣＯ２冷媒ガスを、ガス配管を経て高段側ロータリ圧縮要素に吸入させ、２段圧縮する多段圧縮機において、低段側圧縮要素と高段側圧縮要素との容積比を、１：０．５６〜１：０．８としたものが提案されている。

特開平５−８７０７４号公報

特開２０００−５４９７５号公報

特開２００６−１５２８３９号公報

特開２００１−７３９７６号公報

しかしながら、上記特許文献１ないし３のものは、いずれもフロン冷媒やＨＦＣ冷媒を用いた冷凍サイクル用の多段圧縮機を対象としており、ノンフロン冷媒であるＣＯ２冷媒を用いた超臨界冷凍サイクル（ＣＯ２サイクル）にそのまま適用しても、必ずしも所期の圧縮性能が得られるとは限らない。
特に、ＣＯ２サイクルにおいて、低段側圧縮要素から吐出された中間圧ガス中に、冷媒回路から抽出された中間圧の冷媒ガスをインジェクションする方式を採用する場合、その効果は、冷媒特性をも考慮の上、低段側圧縮要素と高段側圧縮要素とを如何なる組み合わせ構成とするかに左右される。しかるに、上記特許文献１ないし４に開示されている技術の組み合わせでは、ガスインジェクション方式を採用したＣＯ２サイクル用多段圧縮機として、所期の圧縮効率や圧縮性能を得ることはできず、課題が残されている。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、ＣＯ２サイクル用のガスインジェクション方式を採用した多段圧縮機において、その圧縮効率および圧縮性能を向上させることができる多段圧縮機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の多段圧縮機は、以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる多段圧縮機は、密閉ハウジング内に、電動モータにより駆動される低段側ロータリ圧縮機構と高段側スクロール圧縮機構とが設置され、前記低段側ロータリ圧縮機構で圧縮されたＣＯ２冷媒ガスを前記密閉ハウジング内に吐出し、該密閉ハウジング内の中間圧の冷媒ガスを前記高段側スクロール圧縮機構が吸入して２段圧縮するＣＯ２サイクル用の多段圧縮機において、前記密閉ハウジングには、冷媒回路から抽出される中間圧のＣＯ２冷媒ガスを、該密閉ハウジング内にインジェクションするガスインジェクション回路が接続されるとともに、前記低段側ロータリ圧縮機構と前記高段側スクロール圧縮機構とは、略等圧力比で、かつ、押しのけ量比が略同等とされることを特徴とする。

本発明によれば、低段側ロータリ圧縮機構で圧縮した冷媒ガスを密閉ハウジング内に吐出するとともに、冷媒回路からの中間圧冷媒ガスを、ガスインジェクション回路を介して中間圧の密閉ハウジング内にインジェクションし、これら中間圧冷媒ガスを高段側スクロール圧縮機構に吸入させるようにしているため、この間、余計な圧力損失が生じることがなく、ガスインジェクションによるエコノマイザ効果により、高い圧縮能力と高いＣＯＰ（成績係数）を得ることができる。また、低段側圧縮機構と高段側圧縮機構とは、略等圧力比とされているために効率がよく、その上等圧力比とした場合は、高段側圧縮機構の圧力差が大きくなるが、高段側圧縮機構を高差圧時の圧縮漏れがロータリ圧縮機構に比べて小さいスクロール圧縮機構としているため、高段側圧縮機構の圧縮効率を高め、２段圧縮機の性能を可及的に向上させることができる。しかも、低段側ロータリ圧縮機構と高段側スクロール圧縮機構の押しのけ量が略同等とされているため、冷媒の特性上、中間圧冷媒ガスの乾き度が高いＣＯ２冷媒であっても、高段側圧縮機構に十分な量の冷媒を吸入させることができる。従って、ガスインジェクション効果をいかんなく発揮させ、２段圧縮による圧縮効率および圧縮性能を十分に向上させることができる。

さらに、本発明の多段圧縮機は、上記の多段圧縮機において、前記押しのけ量比は、１：０．８〜１：１とされることを特徴とする。

本発明によれば、略同等とされる低段側圧縮機構と高段側圧縮機構との押しのけ量比の範囲が、１：０．８〜１：１とされるため、ＣＯ２冷媒用の多段圧縮機でガスインジェクションなしの場合に最適とされている押しのけ量（約１：０．６〜１：０．８）対比からみて、押しのけ量比が十分に大きくされており、中間圧の冷媒ガスを密閉ハウジング内にインジェクションする方式を採用した多段圧縮機であっても、十分に冷媒ガスを高段側圧縮機構に吸入させることが可能である。従って、ガスインジェクション効果を充分に発揮させ、圧縮能力およびＣＯＰを可及的に向上させることができる。

さらに、本発明の多段圧縮機は、上述のいずれかの多段圧縮機において、前記低段側ロータリ圧縮機構は、前記密閉ハウジングの中央部に設置される前記電動モータの一方側に、該電動モータにより駆動される駆動軸の一端に設けられるクランク部に結合されて設置され、前記高段側スクロール圧縮機構は、前記電動モータの他方側に、前記駆動軸の他端に設けられるクランクピン部に結合されて設置されることを特徴とする。

本発明によれば、電動モータを密閉ハウジングの中央部に設置し、その駆動軸の一端側に低段側ロータリ圧縮機構を結合し、他端側に高段側スクロール圧縮機構を結合して設置した構成としているため、異なる構成のロータリ圧縮機構とスクロール圧縮機構とを組み合わせ、高効率で高性能の多段圧縮機の製造を可能とすることができる。

さらに、本発明の多段圧縮機は、上述のいずれかの多段圧縮機において、前記低段側ロータリ圧縮機構および前記高段側スクロール圧縮機構は、その駆動軸中に設けられる給油孔を介して、前記密閉ハウジング内に充填されている潤滑油を、所要潤滑箇所に給油する給油ポンプを備え、該給油ポンプは、容積式給油ポンプとされることを特徴とする。

密閉ハウジング内が中間圧とされる多段圧縮機では、密閉ハウジング内に充填されている潤滑油を、高段側スクロール圧縮機構に差圧給油することが難となる。しかるに、本発明では、給油ポンプとして、給油能力の高い容積式給油ポンプを採用しているため、密閉ハウジング内が中間圧とされる多段圧縮機であっても、低段側圧縮機構および高段側圧縮機構の各々の所要潤滑箇所に対し、確実に給油することができる。従って、両圧縮機構共に、安定的な潤滑を行わせることができる。

さらに、本発明の多段圧縮機は、上述のいずれかの多段圧縮機において、前記ガスインジェクション回路は、前記圧縮機構を潤滑後の潤滑油が前記密閉ハウジングに排出される油排出孔の位置に対し、前記圧縮機構の駆動軸線を挟み該駆動軸線と直交する線の反対側位置において、前記密閉ハウジングに接続されることを特徴とする。

本発明によれば、ガスインジェクション回路が、油排出孔の位置に対し、圧縮機構の駆動軸線を挟んで反対側の位置において、密閉ハウジングに接続されるため、油排出孔とガスインジェクション回路の接続位置との間に十分な距離が確保され、密閉ハウジング内にインジェクションされる冷媒ガスが、油排出孔から排出される潤滑油に接触して、潤滑油を巻き上げるのを抑制することができる。これにより、余計な潤滑油の油上がり（油の圧縮機外への排出）を防止することができるとともに、過度に潤滑油が中間圧冷媒ガスに混入することによる高段側圧縮機構の体積効率の低下を防止し、多段圧縮機の高性能化を図ることができる。

さらに、本発明の多段圧縮機は、上述のいずれかの多段圧縮機において、前記密閉ハウジング内には、前記ガスインジェクション回路の前記密閉ハウジング内への開口部に対向させて遮蔽板が設けられることを特徴とする。

本発明によれば、ガスインジェクション回路の開口部に対向して遮蔽板が設けられているため、遮蔽板の仕切り作用により、密閉ハウジング内にインジェクションされる冷媒ガスと、圧縮機構を潤滑した後、密閉ハウジング内に滴下される潤滑油とを分離し、インジェクションされる冷媒ガスにより潤滑油が巻き上げられるのを抑制することができる。従って、余計な潤滑油の油上がり（油の圧縮機外への排出）を防止することができるとともに、過度に潤滑油が中間圧冷媒ガスに混入することによる高段側圧縮機構の体積効率の低下を防止し、多段圧縮機の高性能化を図ることができる。

さらに、本発明の多段圧縮機は、上述のいずれかの多段圧縮機において、前記ガスインジェクション回路は、前記電動モータのステータコイルエンドと対向する位置において、前記密閉ハウジング内に接続開口されることを特徴とする。

本発明によれば、ガスインジェクション回路が、電動モータのステータコイルエンドと対向する位置において、密閉ハウジング内に接続開口されるため、ステータコイルエンドの仕切り作用を利用して、密閉ハウジング内にインジェクションされる冷媒ガスと、圧縮機構を潤滑した後、密閉ハウジング内に滴下される潤滑油とを分離し、インジェクションされる冷媒ガスにより潤滑油が巻き上げられるのを抑制することができる。従って、余計な潤滑油の油上がり（油の圧縮機外への排出）を防止することができるとともに、過度に潤滑油が中間圧冷媒ガスに混入することによる高段側圧縮機構の体積効率の低下を防止し、多段圧縮機の高性能化を図ることができる。また、インジェクションされる冷媒ガスにより、モータステータを冷却することができ、モータ効率を向上させることができる。

さらに、本発明の多段圧縮機は、上述のいずれかの多段圧縮機において、前記ガスインジェクション回路は、前記高段側スクロール圧縮機構に向けて斜めに前記密閉ハウジング内に接続開口されることを特徴とする。

本発明によれば、ガスインジェクション回路が、高段側スクロール圧縮機構に向けて斜めに密閉ハウジング内に接続開口されているため、高段側スクロール圧縮機構に向けて斜めにインジェクションされた冷媒ガスは、そのまま高段側スクロール圧縮機構へと吸入される。このため、インジェクションガスによって、圧縮機構を潤滑した後、密閉ハウジング内に滴下される潤滑油が巻き上げられるのを抑制することができる。従って、余計な潤滑油の油上がり（油の圧縮機外への排出）を防止することができるとともに、過度に潤滑油が中間圧冷媒ガスに混入することによる高段側圧縮機構の体積効率の低下を防止し、多段圧縮機の高性能化を図ることができる。

さらに、本発明の多段圧縮機は、上述のいずれかの多段圧縮機において、前記低段側ロータリ圧縮機構および／または前記高段側スクロール圧縮機構には、所要箇所を潤滑した後の潤滑油を、前記密閉ハウジング内に排出する油排出孔が設けられ、該油排出孔には、排出油を密閉ハウジング内の油溜めに導く油排出ガイドが設けられることを特徴とする。

本発明によれば、低段側ロータリ圧縮機構および／または高段側スクロール圧縮機構に設けられる油排出孔に、排出油を密閉ハウジング内の油溜めに導く油排出ガイドが設けられるため、この油排出ガイドの仕切り作用により、密閉ハウジング内にインジェクションされる冷媒ガスと、圧縮機構を潤滑した後、油排出孔から密閉ハウジング内に排出される潤滑油とを分離し、インジェクションされた冷媒ガスにより潤滑油が巻き上げられるのを抑制することができる。従って、余計な潤滑油の油上がり（油の圧縮機外への排出）を防止することができるとともに、過度に潤滑油が中間圧冷媒ガスに混入することによる高段側圧縮機構の体積効率の低下を防止し、多段圧縮機の高性能化を図ることができる。

さらに、本発明の多段圧縮機は、上述のいずれかの多段圧縮機において、前記ガスインジェクション回路は、前記電動モータと前記高段側スクロール圧縮機構との間において、前記密閉ハウジング内に接続開口されることを特徴とする。

本発明によれば、ガスインジェクション回路が、電動モータと高段側スクロール圧縮機構との間において、密閉ハウジング内に接続開口されるため、密閉ハウジング内にインジェクションされた冷媒ガスが電動モータにより加熱されるのを抑制することができる。従って、高段側スクロール圧縮機構の吸入効率を向上させ、多段圧縮機を高性能化することができる。

さらに、本発明の多段圧縮機は、上述のいずれかの多段圧縮機において、前記ガスインジェクション回路は、前記電動モータと前記低段側ロータリ圧縮機構との間において、前記密閉ハウジング内に接続開口されることを特徴とする。

本発明によれば、ガスインジェクション回路が、電動モータと低段側ロータリ圧縮機構との間において、密閉ハウジング内に接続開口されるため、密閉ハウジング内にインジェクションされた冷媒ガスが電動モータの周りを流れることとなり、これにより、電動モータを冷却することができる。これによって、モータ効率を向上させ、多段圧縮機を高性能化することができる。

本発明によると、ガスインジェクションの間において、余計な圧力損失が生じることがなく、ガスインジェクションによるエコノマイザ効果により、高い圧縮能力と高いＣＯＰ（成績係数）を得ることができる。また、低段側圧縮機構と高段側圧縮機構とを等圧力比とし、その場合に圧力差が大きくなる高段側圧縮機構を、高差圧時の圧縮漏れが比較的小さいスクロール圧縮機構としているため、高段側圧縮機構の圧縮効率を高め、２段圧縮機としての性能を可及的に向上させることができる。しかも、低段側ロータリ圧縮機構と高段側スクロール圧縮機構の押しのけ量を略同等とし、中間圧冷媒ガスの乾き度が高いＣＯ２冷媒において、高段側圧縮機構に十分な量の冷媒を吸入させることができるようにしているため、ガスインジェクション効果をいかんなく発揮させ、２段圧縮による圧縮効率および圧縮性能を十分に向上させることができる。

以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態について、図１ないし図４を用いて説明する。
図１には、本発明の第１実施形態に係る多段圧縮機２を用いたＣＯ２サイクル（ＣＯ２冷媒を用いた超臨界冷凍サイクル）１の構成図が示されている。ＣＯ２サイクル１は、１つの密閉ハウジング３内に低段側圧縮機構４と高段側圧縮機構５との２つの圧縮機構が設置された多段圧縮機２を有する。この多段圧縮機２の詳細構成については後述する。

多段圧縮機２の高段側圧縮機構５には、吐出配管６が接続されており、吐出配管６の他端は、放熱器７に接続されている。放熱器７において、多段圧縮機２から吐出された高温高圧の冷媒ガスは、図示省略の放熱器用ファンにより送風される外気と熱交換されて冷却される。放熱器７の下流には、冷媒配管８および第１減圧弁９を介して気液分離器１０が設けられ、第１減圧弁９で減圧された冷媒を気液分離している。この気液分離器１０の下流には、冷媒配管１１および第２減圧弁１２を介して蒸発器１３が接続される。

蒸発器１３において、第２減圧弁１２を経て減圧された低温低圧の気液二相冷媒は、図示省略の蒸発器用ファンにより送風される空気と熱交換され、該空気から吸熱して蒸発ガス化される。蒸発器１３で蒸発された冷媒は、蒸発器１３と多段圧縮機２間に接続された吸入配管１４を介して多段圧縮機２の低段側圧縮機構４に吸入されるよう構成される。
また、上記気液分離器１０と多段圧縮機２の密閉ハウジング３間には、気液分離器１０で分離された中間圧の冷媒ガスを、密閉ハウジング３内にインジェクションするガスインジェクション回路１５が接続される。

次に、上記多段圧縮機２の構成について、図２を参照して説明する。
多段圧縮機２は、密閉ハウジング３内の下方部に低段側圧縮機構４が設置され、上方部に高段側圧縮機構５が設置された構成を有する。この多段圧縮機２には、吸入配管１４が接続されるアキュームレータ３０が一体に設けられる。また、密閉ハウジング３の中央部には、ステータ３２とロータ３３とからなる電動モータ３１が設けられ、そのロータ３３には、クランク軸３４が一体的に結合される。クランク軸３４の下端部は、低段側圧縮機構４用のクランク軸３５とされ、上端部は、高段側圧縮機構５用のクランク軸３６とされる。また、密閉ハウジング３の底部には、潤滑油３７が所定量封入される。この潤滑油３７は、クランク軸３４の下端部に設けられる後述の容積式給油ポンプ２０により、クランク軸３４の軸線方向に穿設される給油孔２１を介して、低段側圧縮機構４および高段側圧縮機構５の所要潤滑箇所に給油されるようになっている。

上記低段側圧縮機構４は、ロータリ式圧縮機構により構成される。このロータリ式圧縮機構４は、シリンダ室４１を有し、密閉ハウジング３に固定設置されるシリンダ本体４０と、該シリンダ本体４０の上下に各々設置される上部軸受４２および下部軸受４３と、クランク軸３５のクランク部３５Ａに嵌合され、シリンダ室４１内を摺動回転されるロータ４４と、吐出キャビティ４５を形成する吐出カバー４６と、図示省略のブレードおよびブレード押えバネ等とから構成される一般的なロータリ式圧縮機構であってよい。
この低段側ロータリ式圧縮機構４において、アキュームレータ３０に接続される吸入管４７を介してシリンダ室４１に吸入された冷媒ガスは、ロータ４４の回転によって中間圧まで圧縮された後、吐出キャビティ４５内に吐出され、さらに吐出カバー４６に設けられている吐出口を経て密閉ハウジング３内に吐出される。

密閉ハウジング３内に吐出された中間圧の冷媒ガスは、電動モータ３１のエアギャップ等を通って密閉ハウジング３の上部空間に流動し、密閉ハウジング３に接続されているガスインジェクション回路１５から、密閉ハウジング３内にインジェクションされる中間圧冷媒ガスと合流され、高段側圧縮機構５に吸入される。
上記ガスインジェクション回路１５は、電動モータ３１と高段側圧縮機構５との間において、密閉ハウジング３に接続されている。

上記高段側圧縮機構５は、スクロール式圧縮機構により構成される。
このスクロール式圧縮機構５は、クランク軸３６を支持する軸受５１を有し、密閉ハウジング３に固定設置されるフレーム部材５０と、該フレーム部材５０上に支持され、互いに位相をずらして噛み合わせることにより一対の圧縮室５４を形成する固定スクロール５２および旋回スクロール５３と、該旋回スクロール５３とクランク軸３６の軸端に設けられるクランクピン３６Ａとを結合し、旋回スクロール５３を旋回駆動するドライブブッシュ５５と、旋回スクロール５３と支持フレーム５０間に設けられ、旋回スクロール５３をその自転を阻止しつつ公転旋回させるオルダムリング５６と、固定スクロール５２の背面に設けられる吐出弁５７と、固定スクロール５２の背面に固定設置され、固定スクロール５２との間に吐出チャンバ５８を形成する吐出カバー５９等とから構成される一般的なスクロール式圧縮機構であってよい。

上記高段側スクロール式圧縮機構５において、吐出チャンバ５８には、上記吐出配管６が接続されており、高温高圧に圧縮された冷媒ガスを圧縮機外へと吐出する。
高段側スクロール式圧縮機構５には、低段側のロータリ式圧縮機構４により中間圧まで圧縮され、密閉ハウジング３内に吐出された中間圧冷媒ガスおよびガスインジェクション回路１５から、密閉ハウジング３内にインジェクションされた中間圧冷媒ガスが、密閉ハウジング３内で混合された後、吸入口６０を経て一対の圧縮室５４に吸入される。一対の圧縮室５４は、旋回スクロール５３が公転旋回駆動されることにより、容積が減少されつつ中心側へと移動され、合流して１つの圧縮室５４とされる。この間、冷媒ガスは、中間圧から高圧（吐出圧力）まで圧縮され、固定スクロール５２の中心部から吐出弁５７を経て吐出チャンバ５８内に吐出される。この高温高圧の冷媒ガスは、吐出配管６を介して多段圧縮機２の外部へと吐出される。

上記容積式給油ポンプ２０は、図２および図３に示されるように、低段側ロータリ圧縮機構４を構成する下部軸受４３に、スラストプレート２３およびカバープレート２４により下方開放部が密閉されたシリンダ室２２を形成し、このシリンダ室２２内に、クランク軸３４の下端に形成された偏心軸２５に嵌合され、シリンダ室２２の内周面を摺接しながら公転旋回運動されるロータ２６を嵌装して構成される。ロータ２６には、シリンダ室２２内を給油室２２Ａと排油室２２Ｂとに仕切るブレード２６Ａが一体に設けられる。この容積式給油ポンプ２０により、密閉ハウジング３内に充填されている潤滑油３７を、吸込口２７を経て給油室２２Ａに吸込み、排油室２２Ｂから吐出口２８に吐出し、連通路２９を経て給油孔２１へと給油できるようにされている。
なお、上記容積式給油ポンプ２０は、一例にすぎず、ここでは、いかなる構成の容積式給油ポンプを採用してもよい。

さらに、本実施形態では、上記した多段圧縮機２において、低段側のロータリ圧縮機構４と高段側のスクロール圧縮機構５との間の関係を、以下のように構成している。
低段側のロータリ圧縮機構４と高段側のスクロール圧縮機構５とは、２段圧縮する場合において、最も高い効率が得られるように、圧力比が略等しくなるようにされている。
また、低段側のロータリ圧縮機構４と高段側のスクロール圧縮機構５とは、上記の等圧力比を前提に、その押しのけ量比が略同等となるようにされている。
なお、ここで、押しのけ量比が略同等とは、低段側のロータリ圧縮機構４の押しのけ量Ｖ１と高段側のスクロール圧縮機構５の押しのけ量Ｖ２との比（Ｖ１：Ｖ２）が、１：０．８〜１：１であることを意味する。

以下に、上記冷凍サイクル１および多段圧縮機２の動作について説明する。多段圧縮機２の低段側ロータリ式圧縮機構４には、アキュームレータ３０から吸入管４７を介して直接シリンダ室４１内に低圧の冷媒ガスが吸入される。この冷媒ガスは、ロータ４４が電動モータ３１およびクランク軸３５を介して回転されることにより、中間圧まで圧縮された後、吐出キャビティ４５に吐出され、さらに、吐出キャビティ４５から吐出カバー４６に設けられている吐出口を経て密閉ハウジング３内へと吐出される。これにより、密閉ハウジング３内は中間圧雰囲気とされ、電動モータ３１および潤滑油３７は、この中間圧冷媒とほぼ同じ温度とされる。
この中間圧雰囲気の密閉ハウジング３内には、さらにガスインジェクション回路１５を経て、気液分離器１０により分離された中間圧の冷媒ガスがインジェクションされる。

上記の中間圧冷媒ガスは、密閉ハウジング３内で混合され、密閉ハウジング３内に開口されている吸入口６０を経て高段側スクロール式圧縮機構５の圧縮室５４内に吸い込まれる。スクロール式圧縮機構５では、電動モータ３１が駆動され、クランク軸３６、クランクピン３６Ａ、ドライブブッシュ５５を介して旋回スクロール５３が、固定スクロール５２に対して公転旋回駆動されることにより、圧縮作用が行われる。これによって、上記の中間圧冷媒ガスは、高圧状態まで圧縮され、吐出弁５７を経て吐出チャンバ５８に吐出される。

吐出チャンバ５８内に吐出された高温高圧の冷媒ガスは、吐出チャンバ５８に接続されている吐出配管６を経て多段圧縮機２から吐出され、図１に実線矢印で示すように、放熱器７に導入される。この冷媒ガスは、放熱器７で放熱器用ファンにより送風される空気と熱交換され、空気側に放熱することにより超臨界状態もしくは凝縮液化状態とされる。この冷媒は、冷媒配管８を経て第１減圧弁９により減圧され、気液二相状態とされて気液分離器１０に至り、そこで中間圧液冷媒と中間圧ガス冷媒とに分離される。分離された中間圧ガス冷媒は、ガスインジェクション回路１５を経て上記の通り密閉ハウジング３内にインジェクションされる。一方、中間圧液冷媒は、冷媒配管１１を経て第２減圧弁１２により再度減圧され、低圧の気液二相冷媒となって蒸発器１３に至る。

蒸発器１３に流入した低圧低温の気液二相冷媒は、蒸発器１３内を流通する間に蒸発器用ファンにより送風される空気と熱交換され、空気側から吸熱することにより蒸発ガス化される。この低圧冷媒ガスは、吸入配管１４を介して多段圧縮機２に一体に設けられているアキュームレータ３０に至り、ここで液分(油を含む)が分離され、ガス分のみが吸入管４７を介して低段側ロータリ圧縮機構４に吸入され、再び圧縮される。
以上のサイクルが繰り返される間に、放熱器７からの放熱を利用することにより、暖房または加熱を行うことができ、蒸発器１３での吸熱作用を利用することにより、冷房または冷却を行うことができる。

上記サイクルの間、多段圧縮機２では、密閉ハウジング３内に充填されている潤滑油３７が、容積式給油ポンプ２０により、給油孔２１を介して低段側ロータリ式圧縮機構４および高段側スクロール式圧縮機構５の所要給油箇所に供給され、両圧縮機構４，５を確実に潤滑することができる。つまり、密閉ハウジング３内の潤滑油３７は、吸込口２７から給油室２２Ａに吸込まれ、ロータ２６の旋回運動により排油室２２Ｂから吐出口２８に吐出され、連通路２９を介して給油孔２１へと送出される。この容積式給油ポンプ２０の給油作用により、差圧給油が困難な高段側スクロール式圧縮機構５に対しても、確実に給油を行うことができる。

図４に、上記冷凍サイクルのＰ−ｈ線図が示されている。これに基いて冷媒の特性変化を説明する。まず、多段圧縮機２に吸入された低圧の冷媒は、低段側ロータリ式圧縮機構４によりＡ点からＢ点まで圧縮された後、密閉ハウジング３内に吐出され、ガスインジェクション回路１５からインジェクションされる中間圧冷媒ガスと合流してＣ点の状態とされる。この状態で高段側スクロール式圧縮機構５に吸入され、再び圧縮される。この高段側スクロール式圧縮機構５により、Ｄ点まで圧縮された高圧冷媒ガスは、放熱器７で放熱することにより冷却されて、Ｅ点の超臨界状態もしくは凝縮液化状態とされる。

上記により超臨界状態もしくは凝縮液化状態とされた冷媒は、第１減圧弁９によりＦ点まで減圧され、気液二相の中間圧冷媒となり、気液分離器１０内で中間圧ガス冷媒と中間圧液冷媒とに分離される。この中間圧ガス冷媒は、ガスインジェクション回路１５を介して密閉ハウジング３内にインジェクションされ、Ｂ点の冷媒と合流してＣ点の状態とされる。気液分離器１０で中間圧ガス冷媒の分離により冷却され、Ｇ点とされた中間圧液冷媒は、第２減圧弁１２により更に減圧されてＨ点の気液二相の低圧冷媒とされる。この低圧二相冷媒は、蒸発器１３に至り、空気から吸熱して蒸発ガス化され、Ａ点に変化して多段圧縮機２に戻る。

この結果、暖房または加熱時においては、放熱器７を流れる冷媒に、ガスインジェクションによる中間圧冷媒が加わるため、冷媒循環量が増大され、その分暖房または加熱能力が向上される。また、冷房または冷却時においては、Ｈ点の冷媒は、Ｆ点からＧ点までエンタルピが増大されているため、蒸発器１３で蒸発される冷媒の熱量が多くなり、その分冷房または冷却能力が向上されることとなる。さらに、多段圧縮機２においては、冷媒をＡ点からＤ点まで圧縮するのに必要とする動力が、ガスインジェクションによるエコノマイザ効果により、大幅に削減されることとなる。

また、多段圧縮機２は、低段側ロータリ式圧縮機構４と高段側スクロール式圧縮機構５とが、等圧力比とされているために、最も高い効率で２段圧縮を行わせることができる。しかも、低段側ロータリ式圧縮機構４と高段側スクロール式圧縮機構５との押しのけ量比が、１：０．８〜１で略同等とされているため、冷媒の特性上、中間圧冷媒ガスの乾き度が高いＣＯ２冷媒であっても、高段側圧縮機構に十分な量の冷媒を吸入させ、ガスインジェクション機能を十分発揮させることができる。つまり、ＣＯ２冷媒の場合は、冷媒の特性上から、一段膨張された中間段の冷媒ガスは、図４からも明らかなように、ガス分が多く、Ｒ４１０Ａ冷媒等に比べ、乾き度が高い。このため、前述の特許文献３，４に示されているＲ４１０Ａ冷媒用の多段圧縮機やガスインジェクションなし方式のＣＯ２冷媒用多段圧縮機に比べ、押しのけ量比を高くしないと、高段側圧縮機構において、十分な量のインジェクションガスを吸入することができず、ガスインジェクション効果が低下されることとなる。
しかるに、本実施形態においては、これら特許文献３，４に示されている押しのけ量比に比較して、押しのけ量比を十分高くしているため、所期のガスインジェクション効果を発揮させることが可能となる。

従って、本実施形態によると、以下の効果を奏する。
低段側ロータリ圧縮機構４と高段側スクロール圧縮機構５との圧力比を、略等圧力比としているため、最も高い効率で２段圧縮を行わせることができる。
また、低段側と高段側とを等圧力比とした場合、高段側圧縮機構の圧力差が大きくなるが、高段側圧縮機構を、高差圧時の圧縮漏れがロータリ圧縮機構に比べて小さいスクロール圧縮機構としているため、その分圧縮効率を高め、２段圧縮機の性能を可及的に向上させることができる。
また、低段側ロータリ圧縮機構４と高段側スクロール圧縮機構５との押しのけ量比を略同等（１：０．８〜１：１）とし、中間圧冷媒ガスの乾き度が高いＣＯ２冷媒であっても、高段側スクロール圧縮機構５に十分な量の冷媒ガスを吸入させることができるようにしているため、ガスインジェクション効果をいかんなく発揮させ、２段圧縮機の圧縮効率および圧縮性能を十分に向上させることができる。

また、各圧縮機構４，５に潤滑油を供給する給油ポンプに、給油能力の高い容積式給油ポンプ２０を採用しているため、密閉ハウジング内が中間圧とされ、高段側圧縮機構に差圧給油が困難な多段圧縮機２であっても、低段側圧縮機構４および高段側圧縮機構５の各々の所要潤滑箇所に対し、確実に給油することができる。従って、両圧縮機構共に、安定的な潤滑を行わせることができる。

また、電動モータ３１を密閉ハウジング３の中央に設置し、その駆動軸（クランク軸）３４の一端側３５に低段側ロータリ圧縮機構４を結合し、他端側３６に高段側スクロール圧縮機構５を結合して設置した構成としているため、ロータリ圧縮機構４とスクロール圧縮機構５とを組み合わせた高性能の多段圧縮機２の製造を可能とすることができる。
さらに、本実施形態においては、ガスインジェクション回路１５を、電動モータ３１と高段側スクロール圧縮機構５との間に接続しているため、インジェクションされた冷媒ガスが、電動モータ３１により加熱されるのを抑制することができる。従って、高段側スクロール圧縮機構５の吸入効率を高め、多段圧縮機２の性能を向上させることができる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について、図２および図５を用いて説明する。
本実施形態は、上記第１実施形態に対して、ガスインジェクション回路１５の接続位置を特定している点が異なっている。その他の点については、第１実施形態と同様であるので、説明は省略する。
上記高段側スクロール圧縮機構５において、所要潤滑箇所を潤滑した潤滑油は、フレーム部材５０の凹部に集められ、この凹部から油排出孔６５（図２参照）を介して密閉ハウジング３の底部へと滴下されている。ガスインジェクション回路１５は、この油排出孔６５に対して、図５に示すように、クランク軸３４の軸線Ｐを挟んで１８０度反対側位置において、密閉ハウジング３に接続される。

このように、ガスインジェクション回路１５を、油排出孔６５の位置に対して、クランク軸３４の軸線Ｐを挟んで１８０度反対側位置において、密閉ハウジング３に接続することにより、油排出孔５６とガスインジェクション回路１５の接続位置との間に十分な距離が確保されるため、密閉ハウジング３内にインジェクションされる冷媒ガスが油排出孔５６から排出される潤滑油３７に接触して、潤滑油３７を巻き上げるのを抑制することができる。これにより、余計な潤滑油３７の油上がり（油の圧縮機外への排出）を防止することができるとともに、過度に潤滑油３７が中間圧冷媒ガスに混入することにより、高段側圧縮機構５の体積効率が低下されるのを防止することができる。従って、ＣＯ２サイクル１および多段圧縮機２の高性能化を図ることができる。

なお、上記ガスインジェクション回路１５の接続位置は、必ずしも、油排出孔６５に対して、クランク軸３４の軸線Ｐを挟んで１８０度反対側位置である必要はなく、油排出孔６５から排出される潤滑油３７の巻き上げを抑制できる距離だけ離れておればよく、油排出孔６５の位置に対して、クランク軸３４の軸線Ｐを挟み該軸線Ｐと直交する線Ｑの反対側の範囲Ｒにおいて、密閉ハウジング３に接続されておればよい。
また、必要に応じて低段側ロータリ圧縮機構４に油排出孔を設けることができ、この場合も、ガスインジェクション回路１５との関係は、上記の通りとされる。

［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態について、図６を用いて説明する。
本実施形態は、上記第１実施形態に対して、密閉ハウジング３に接続されるガスインジェクション回路１５の接続部の構成が異なっている。その他の点については、第１実施形態と同様であるので、説明は省略する。
本実施形態は、図６に示されるように、ガスインジェクション回路１５の密閉ハウジング３への接続位置に対向させて、密閉ハウジング３の内部に、ガスインジェクション回路１５の開口部を、所定間隔を隔てて覆う遮蔽板６６を設けたものである。

上記のように、遮蔽板６６を設けることによって、ガスインジェクション回路１５から密閉ハウジング３内にインジェクションされる冷媒ガスと、圧縮機構５を潤滑した後、密閉ハウジング３内に滴下される潤滑油３７とを分離し、インジェクションされる冷媒ガスにより潤滑油３７が巻き上げられるのを抑制することができる。
従って、潤滑油３７が冷媒ガスに混入して圧縮機２の外部へと排出される余計な油上がりを防止することができるとともに、過度に潤滑油が中間圧冷媒ガスに混入することにより、高段側圧縮機構５の体積効率が低下されるのを防止し、多段圧縮機２の高性能化を図ることができる。

［第４実施形態］
次に、本発明の第４実施形態について、図７を用いて説明する。
本実施形態は、上記第１実施形態に対して、密閉ハウジング３に接続されるガスインジェクション回路１５の接続部の構成が異なっている。その他の点については、第１実施形態と同様であるので、説明は省略する。
本実施形態は、図７に示されるように、ガスインジェクション回路１５を、電動モータ３１のステータコイルエンド６７と対向する位置において、密閉ハウジング３に接続したものである。

上記のように、ガスインジェクション回路１５を、電動モータ３１のステータコイルエンド６７と対向させて接続することにより、ステータコイルエンド６７を利用して、密閉ハウジング３内にインジェクションされる冷媒ガスと、圧縮機構５を潤滑した後、密閉ハウジング３内に滴下される潤滑油とを分離し、インジェクションされる冷媒ガスにより潤滑油が巻き上げられるのを抑制することができる。
これによって、潤滑油３７が冷媒ガスに混入して圧縮機２の外部へと排出される余計な油上がりを防止することができるとともに、過度に潤滑油が中間圧冷媒ガスに混入することにより、高段側圧縮機構５の体積効率が低下されるのを防止し、多段圧縮機２の高性能化を図ることができる。また、インジェクションされる冷媒ガスによって、モータステータ３２を冷却することができるため、モータ効率を向上させることができる。

［第５実施形態］
次に、本発明の第５実施形態について、図８を用いて説明する。
本実施形態は、上記第１実施形態に対して、密閉ハウジング３に接続されるガスインジェクション回路１５の接続構成が異なっている。その他の点については、第１実施形態と同様であるので、説明は省略する。
本実施形態は、図８に示されるように、ガスインジェクション回路１５を、密閉ハウジング３に対して、下方から斜め上方に向けて接続し、インジェクションされた冷媒ガスが高段側スクロール圧縮機構５に向かうようにしたものである。

上記のように、ガスインジェクション回路１５を密閉ハウジング３に接続することによって、密閉ハウジング３内にインジェクションされた冷媒ガスを、高段側スクロール圧縮機構５を潤滑した後、密閉ハウジング３内に滴下される潤滑油３７とあまり接触させないで、高段側スクロール圧縮機構５へと吸入させることができる。このため、インジェクションガスにより潤滑油が巻き上げられるのを抑制することができる。
従って、潤滑油３７が冷媒ガスに混入して圧縮機２の外部へと排出される余計な油上がりを防止することができるとともに、過度に潤滑油が中間圧冷媒ガスに混入することにより、高段側圧縮機構５の体積効率が低下されるのを防止し、多段圧縮機２の高性能化を図ることができる。

［第６実施形態］
次に、本発明の第６実施形態について、図９を用いて説明する。
本実施形態は、上記第１実施形態に対して、密閉ハウジング３に接続されるガスインジェクション回路１５の接続位置が異なっている。その他の点については、第１実施形態と同様であるので、説明は省略する。
本実施形態は、図９に示されるように、第１実施形態では鎖線で示す位置に接続されていたガスインジェクション回路１５を、電動モータ３１の下方位置、すなわち、電動モータ３１と低段側ロータリ圧縮機構４との間位置において、密閉ハウジング３に接続したものである。

上記のように、ガスインジェクション回路１５を、電動モータ３１と低段側ロータリ圧縮機構４との間において、密閉ハウジング３に接続することにより、密閉ハウジング３内にインジェクションされた冷媒ガスが、電動モータ３１の周りを上方へ向かって流通されることになるため、この冷媒ガスにより電動モータ３１を冷却することができる。
これによって、モータ効率を向上させ、多段圧縮機２を高性能化することができる。

［第７実施形態］
次に、本発明の第７実施形態について、図１０を用いて説明する。
本実施形態は、上記した第１および第２実施形態に対して、油排出孔６５の構成が異なっている。その他の点については、第１および第２実施形態と同様であるので、説明は省略する。
本実施形態は、図１０に示されるように、高段側スクロール圧縮機構５を潤滑した後の潤滑油を、密閉ハウジング３内に排出するための油排出孔６５に、排出油を密閉ハウジング３内の油溜めに導く油排出ガイド６８を設けたものである。

上記のように、油排出ガイド６８を設けることにより、密閉ハウジング３内にインジェクションされる冷媒ガスと、圧縮機構５を潤滑した後、油排出孔６５から密閉ハウジング３内に排出される潤滑油とを分離し、インジェクションされる冷媒ガスにより潤滑油が巻き上げられるのを抑制することができる。
これによって、潤滑油３７が冷媒ガスに混入して圧縮機２の外部へと排出される余計な油上がりを防止することができるとともに、過度に潤滑油が中間圧冷媒ガスに混入することにより、高段側圧縮機構５の体積効率が低下されるのを防止し、多段圧縮機２の高性能化を図ることができる。
なお、油排出ガイドは、低段側ロータリ圧縮機構４に油排出孔を設けた場合にも、同様に設けることができる。

なお、本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、適宜変更することができる。
例えば、ＣＯ２サイクルは、気液分離器によるインジェクション方式に代えて、内部熱交換器を設け、該内部熱交換器から抽出される中間圧冷媒ガスをインジェクションする方式を採用してもよい。

本発明の第１実施形態に係る多段圧縮機を適用したＣＯ２サイクルの構成図である。本発明の第１実施形態に係る多段圧縮機の縦断面図である。図２に示す多段圧縮機に適用した容積形給油ポンプの横断面図である。図１に示すＣＯ２サイクルのＰ−ｈ線図である。本発明の第２実施形態に係る多段圧縮機の要部の横断面図である。本発明の第３実施形態に係る多段圧縮機の要部の縦断面図である。本発明の第４実施形態に係る多段圧縮機の要部の縦断面図である。本発明の第５実施形態に係る多段圧縮機の要部の縦断面図である。本発明の第６実施形態に係る多段圧縮機の要部の縦断面図である。本発明の第７実施形態に係る多段圧縮機の要部の縦断面図である。

符号の説明

１ＣＯ２サイクル
２多段圧縮機
３密閉ハウジング
４低段側ロータリ圧縮機構（低段側圧縮機構）
５高段側ロータリ圧縮機構（高段側圧縮機構）
１５ガスインジェクション回路
２０容積式給油ポンプ
２１給油孔
３１電動モータ
３４，３５，３６クランク軸（駆動軸）
３５Ａ，クランク部
３６Ａクランクピン
３７潤滑油
６５油排出孔
６６遮蔽板
６７ステータコイルエンド
６８油排出ガイド
Ｐ駆動軸線
Ｑ直交線

Claims

密閉ハウジング内に、電動モータにより駆動される低段側ロータリ圧縮機構と高段側スクロール圧縮機構とが設置され、前記低段側ロータリ圧縮機構で圧縮されたＣＯ２冷媒ガスを前記密閉ハウジング内に吐出し、該密閉ハウジング内の中間圧の冷媒ガスを前記高段側スクロール圧縮機構が吸入して２段圧縮するＣＯ２サイクル用の多段圧縮機において、
前記密閉ハウジングには、冷媒回路から抽出される中間圧のＣＯ２冷媒ガスを、該密閉ハウジング内にインジェクションするガスインジェクション回路が接続されるとともに、
前記低段側ロータリ圧縮機構と前記高段側スクロール圧縮機構とは、略等圧力比で、かつ、押しのけ量比が略同等とされることを特徴とする多段圧縮機。
前記押しのけ量比は、１：０．８〜１：１とされることを特徴とする請求項１に記載の多段圧縮機。
前記低段側ロータリ圧縮機構は、前記密閉ハウジングの中央部に設置される前記電動モータの一方側に、該電動モータにより駆動される駆動軸の一端に設けられるクランク部に結合されて設置され、
前記高段側スクロール圧縮機構は、前記電動モータの他方側に、前記駆動軸の他端に設けられるクランクピン部に結合されて設置されることを特徴とする請求項１または２に記載の多段圧縮機。
前記低段側ロータリ圧縮機構および前記高段側スクロール圧縮機構は、その駆動軸中に設けられる給油孔を介して、前記密閉ハウジング内に充填されている潤滑油を、所要潤滑箇所に給油する給油ポンプを備え、
該給油ポンプは、容積式給油ポンプとされることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の多段圧縮機。
前記ガスインジェクション回路は、前記圧縮機構を潤滑後の潤滑油が前記密閉ハウジングに排出される油排出孔の位置に対し、前記圧縮機構の駆動軸線を挟み該駆動軸線と直交する線の反対側位置において、前記密閉ハウジングに接続されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の多段圧縮機。
前記密閉ハウジング内には、前記ガスインジェクション回路の前記密閉ハウジング内への開口部に対向させて遮蔽板が設けられることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の多段圧縮機。
前記ガスインジェクション回路は、前記電動モータのステータコイルエンドと対向する位置において、前記密閉ハウジング内に接続開口されることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の多段圧縮機。
前記ガスインジェクション回路は、前記高段側スクロール圧縮機構に向けて斜めに前記密閉ハウジング内に接続開口されることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の多段圧縮機。
前記低段側ロータリ圧縮機構および／または前記高段側スクロール圧縮機構には、所要箇所を潤滑した後の潤滑油を、前記密閉ハウジング内に排出する油排出孔が設けられ、
該油排出孔には、排出油を密閉ハウジング内の油溜めに導く油排出ガイドが設けられることを特徴とする請求項１ないし８に記載の多段圧縮機。
前記ガスインジェクション回路は、前記電動モータと前記高段側スクロール圧縮機構との間において、前記密閉ハウジング内に接続開口されることを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載の多段圧縮機。
前記ガスインジェクション回路は、前記電動モータと前記低段側ロータリ圧縮機構との間において、前記密閉ハウジング内に接続開口されることを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載の多段圧縮機。