JP2008280847A - スクロール圧縮機及びそれを用いたヒートポンプ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
通常運転時の圧縮機効率低下を招くことなく、圧縮機起動時に、確実に旋回スクロールを固定スクロールに押付けるスクロール圧縮機及びそれを用いたヒートポンプ装置を提供する。
【解決手段】
本発明のスクロール圧縮機は、旋回スクロールと、この旋回スクロールと互いにかみ合う固定スクロールと、前記旋回スクロールと前記固定スクロールがかみ合うことによって形成される圧縮室と、前記固定スクロールが固定されるフレームと、前記旋回スクロールと固定スクロールとフレームにより形成される中間圧室と、前記旋回スクロールに前記圧縮室と前記中間圧室を連通する連通孔と、前記連通孔に設けられた開閉手段とを設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は、スクロール圧縮機及びそれを用いた冷凍空調機器，ヒートポンプ給湯機等のヒートポンプ装置に係る。

従来は、特許文献１に記載されるように、旋回スクロールの鏡板の背面を、環状の外側背圧室，中央背圧室および内側背圧室とに区画し、外側背圧室を圧縮室の冷媒吸入部に連通し、前記中央背圧室を吐出室に連通するとともに、内側背圧室を電動機室に連通させ、運転開始時の旋回鏡板の傾きを防止し、旋回スクロールを固定スクロールに押付ける構造を備えたスクロール圧縮機が記載されていた。

特開２０００−２０５１５４号公報

特許文献１に記載されたスクロール圧縮機は、旋回スクロールを背面から固定スクロールに押付ける背圧力を最も大きく生み出す中央背圧室の圧力を、一定の絞りにより調節する構造である。

しかしながら、このような構造を備えたスクロール圧縮機を用いた冷媒サイクル、例えばヒートポンプ給湯機のように、要求される出湯能力によりスクロール圧縮機の圧力条件が大きく変わる装置に用いた場合、旋回スクロールへの適切な背圧力を与えるには不十分であることが分かった。

ヒートポンプ給湯機の圧力条件の例を挙げて見ると、４２℃で出湯させる圧力条件と、同じく９０℃で出湯させる圧力条件では、圧縮機からの吐出圧力が大きく変化する。

そのような条件下で、４２℃出湯条件で旋回スクロールの背面にかける圧力（旋回スクロールを固定スクロールに押付ける圧力。以下、背圧と呼ぶ）を適正化すると、９０℃出湯条件では背圧が高くなりすぎて旋回スクロールを固定スクロールに過剰に押付けてしまい、摺動ロスが増加し効率が低下する。

また同様に、９０℃出湯条件で旋回スクロールにかかる背圧を適正化すると、４２℃出湯条件では、旋回スクロールと固定スクロールとで形成する圧縮室内の圧力より背圧が小さくなり、旋回スクロールの固定スクロールへの押付け力が不足し、起動時の運転が不安定になるとともに、通常運転時に圧縮室からの漏れが増加し効率が低下するといった課題があった。

上記課題を解決するために本発明におけるスクロール圧縮機は、旋回スクロールと、この旋回スクロールと互いにかみ合い圧縮室を形成する固定スクロールと、固定スクロールが固定されるフレームと、旋回スクロールと固定スクロールとフレームとにより形成される中間圧室と、旋回スクロールに設けられ、圧縮室と中間圧室を連通する連通孔と、この連通孔を開閉する連通孔開閉手段と、を有するものである。

また、上記課題を解決するために本発明におけるヒートポンプ装置は、スクロール圧縮機と、水通路を流れる水と冷媒通路を流れる冷媒との熱交換を行う熱交換器と、この熱交換器と熱交換した冷媒を減圧する膨張弁と、減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器とがそれぞれ冷媒管路で接続され、前記スクロール圧縮機は、旋回スクロールと、この旋回スクロールと互いにかみ合い圧縮室を形成する固定スクロールと、前記固定スクロールが固定されるフレームと、前記旋回スクロールと固定スクロールとフレームとにより形成される中間圧室と、前記旋回スクロールに設けられ、前記圧縮室と前記中間圧室を連通する連通孔と、この連通孔を開閉する連通孔開閉手段と、を有するものである。

本発明によれば、本発明のスクロール圧縮機は、起動時にも旋回スクロールを固定スクロールに確実に押付け、旋回スクロールの離脱を防止できる。

また、本発明のスクロール圧縮機を搭載するヒートポンプ装置は、信頼性が高く、エネルギ効率に優れたものとなる。

図１は、本発明第１の実施例にかかる横置スクロール圧縮機の縦断面図である。具体的には、後述する旋回スクロール１０１，固定スクロール１０２，フレーム１０９，オルダムリング１１０の各部品に対して、複数の断面からみた図である。

図２は、固定スクロール１０２のスクロールラップ１０２ｎ側からみた図１のＡ−Ａ矢視断面図である。

図３は差圧制御弁１０８の拡大図、図４は旋回スクロール１０１のスクロールラップ１０１ｂ側からみた図、図５は旋回スクロール１０１の図４におけるＢ−Ｂ矢視断面図、図６は連通弁１２７の拡大図、図７は連通弁１２７開時の説明図、図８は連通弁１２７閉時の説明図、図９は圧縮機の運転圧力範囲内における中間圧の状態図である。

まず、構造を説明する。図１において、旋回スクロール１０１は、鏡板１０１ａにスクロールラップ１０１ｂが立設している。その鏡板１０１ａの背面には、旋回軸受１０１ｃを挿入した軸受保持部１０１ｄと、旋回オルダム溝１０１ｅが設けられる。

固定スクロール１０２は、図２に示されるように、スクロールラップ１０２ｎの歯先面と同一面である固定スクロール基準面１０２ａを有している。その固定スクロール基準面１０２ａには周囲溝１０２ｂを設けてある。歯底（スクロールラップ１０２ｎと固定スクロール基準面１０２ａとの間の面）には４個のリリース穴１０２ｃを有している。

旋回スクロール１０１のスクロールラップ１０１ｂと固定スクロール１０２のスクロールラップ１０２ｎとを噛み合わせて、旋回スクロール１０１が旋回することにより、旋回スクロール１０１と固定スクロール１０２とからできた圧縮室１０３が外側から内側に移動しながら容積を減少させて圧縮室１０３内の作動冷媒を圧縮する。

スクロールラップ同士が冷凍機油を介して摺動するとともに、旋回スクロール１０１のスクロールラップ１０１ｂの歯先（スクロールラップ１０１ｂの固定スクロール１０２との対向面）と固定スクロール１０２の歯底，固定スクロール１０２のスクロールラップ１０２ｎの歯先（スクロールラップ１０２ｎの旋回スクロール１０１との対向面）と旋回スクロール１０１の歯底（鏡板１０１ａ）も冷凍機油を介して摺動する。各スクロールラップと固定スクロール１０２の歯底と旋回スクロール１０１の歯底とからできる閉じた空間が、圧縮室１０３となる。

リリース穴１０２ｃは、圧縮室１０３内の圧力が吐出圧以上になった場合に、このリリース穴１０２ｃから冷媒ガスを抜くためのものである。

図１に示すように、このリリース穴１０２ｃを覆い、圧縮室１０３内の圧力が吐出圧以上になったら開くように設けられたリード弁板であるリリース弁板１０４と、そのリリース弁板１０４の開口度を制限するリテーナ１０４ａは固定ねじ１０５で、旋回スクロール１０１と反対側の固定スクロール１０２の端面に固定されている。その端面の中央近くには吐出穴１０２ｄが開口している。

また、図２に示すように、固定スクロール１０２は歯底面１０２ｑの外縁側に、圧縮室１０３に機外から導入された低圧の冷媒ガス（作動流体）が供給される吸込圧空間の一部をなす吸込掘込１０２ｅを有している。その吸込堀込１０２ｅに連通する、固定スクロール１０２の背面（リリース弁板１０４取付け面）から吸込パイプ１０６を挿入するための吸込穴１０２ｆ（図中、点線で表示）を、固定スクロール１０２の背面側に設ける。

吸込圧空間と連通する吸込穴１０２ｆには、弁体１０７ａと逆止弁ばね１０７ｂからなる吸込側逆止弁１０７を介して吸込パイプ１０６が挿入される。この吸込側逆止弁１０７は、圧縮室１０３に吸い込む低圧ガスが通過する吸込口１１６内のガス圧力が、吸込パイプ１０６内の圧力よりも高くなるとガス流路を閉じる。

さらに、固定スクロール１０２の外周には、吐出穴１０２ｄから吐出した吐出ガスや、そのガスから固定背面室１１７で分離した冷凍機油をモータ１１２側に流す複数個の流通溝１０２ｇを設ける。

次に、背圧領域と吸込み圧領域との圧力差を制御する差圧制御弁１０８について説明する。図２，図３において、固定スクロール１０２に弁穴１０２ｈを設け、貫通する孔を有する弁シール１０２ｉを旋回スクロール１０１側に設ける。そして、この弁穴１０２ｈの側面から、吸込圧空間の一部をなすＲ溝１０２ｍと通じる吸込側導通路１０２ｋを有する。

図３において、弁穴１０２ｈには、弁シール面を有する弁シール１０２ｉに設けられた孔を塞ぐ弁体１０８ａと、この弁体１０８ａを押付ける差圧弁ばね１０８ｂが設けられている。差圧弁ばね１０８ｂの固定のため、弁キャップ１０８ｄに設けられたばね位置決め突起１０８ｃに差圧弁ばね１０８ｂの一端を挿入した状態で、弁穴１０２ｈよりも直径の大きい弁キャップ挿入部１０２ｌに圧入された弁キャップ１０８ｄを設けている。

次に、フレーム１０９について説明する。フレーム１０９は、外周部に固定スクロール１０２を取り付ける固定取り付け面１０９ａと、その内側に旋回スクロールはさみこみ面１０９ｂを有している。そのさらに内側には、旋回スクロール１０１の自転を防止するオルダムリング１１０をフレーム１０９と旋回スクロール１０１の間に配置するため、フレームオルダム溝１０９ｃを有している。

また、フレーム１０９の中央部には、シャフト１１１と摺動する軸シール１０９ｄと、シャフト１１１と摺動して軸受けする主軸受１０９ｅを有していて、その旋回スクロール１０１側にシャフト１１１を受けるシャフトスラスト面１０９ｆを備えている。フレーム１０９の外周面には、固定スクロール１０２の外周設けられた複数個の流通溝１０２ｇと連通して、ガス及び油の流路となる複数の流通溝１０９ｈが設けられている。

略円形のリングであるオルダムリング１１０の一面には、フレーム側突起部１１０ａが設けられ、もう一方の面には旋回スクロール側突起部１１０ｂを有する。

シャフト１１１は、その内部を貫通するシャフト給油孔１１１ａと、シャフト給油孔１１１ａと連通して主軸受１０９ｅに対向して開口する主軸受給油孔１１１ｂと、シャフト給油孔１１１ａと連通して軸シール１０９ｄに対向して開口する軸シール給油孔１１１ｃと、シャフト給油孔１１１ａと連通してシャフト１１１を軸受けする副軸受１１３に対向して開口する副軸受給油孔１１１ｄと、が設けられている。

シャフト１１１の一端部である偏心部１１１ｅは、旋回軸受１０１ｃに挿入されていて、一方の端部は副軸受１１３に挿入される。

副軸受１１３は副軸受ハウジング１１５に組み込まれていて、副軸受ハウジング１１５は密閉容器１２２に固定された副軸受支持板１１４に固定されている。

さらに、シャフト１１１にはロータ１１２ａが圧入されており、このロータ１１２ａと、密閉容器１２２に焼き嵌めされたステータ１１２ｂとでモータ１１２を形成する。

次に本実施例におけるスクロール圧縮機の動作を説明する。ステータ１１２ｂが通電制御されロータ１１２ａが回転することにより、シャフト１１１が回転する。シャフト１１１が回転することにより偏心部１１１ｅが旋回軸受１０１ｃに駆動力を伝えて旋回スクロール１０１が旋回運動する。オルダムリング１１０があるため、旋回スクロール１０１の自転が防止される。

この動作により、圧縮機外から吸込パイプ１０６を通じて吸い込まれた吸込口１１６内の冷媒ガスが、両スクロールの間に形成される圧縮室１０３に入り圧縮されて吐出穴１０２ｄから固定背面室１１７に吐出される。

固定背面室１１７に吐出された冷媒ガスは、固定スクロール１０２およびフレーム外周部にある流通溝１０２ｇ，１０９ｈを通ってモータ室１１８に入る。

モータ室１１８に入った冷媒ガスはモータ１１２の隙間（ステータ１１２ｂのコイルやステータ１１２ｂとロータ１１２ａとの隙間など）を通る。その過程で、圧縮室１０３内で冷凍機油が混入した冷媒ガスは、ロータ１１２ａやステータ１１２ｂに衝突して、その冷媒ガスの中に含まれた冷凍機油が分離される。分離された油はモータ室１１８の下部の油たまりに落ちて溜まる。

モータ室１１８に入った冷媒ガスは、副軸支持板１１４に設けられた通気孔１１４ａを通って、油分離板１２５に衝突し、更にその中に含まれる油を分離して吐出パイプ１２０より外部に出る。

モータ室１１８内の冷媒ガスの圧力と貯油室１２１内の冷媒ガスの圧力では、通気孔１１４ａを通る流路抵抗により貯油室１２１の圧力の方がモータ室１１８の圧力より低くなる。この結果、モータ室１１８の冷凍機油１１９は、副軸支持板１１４の導油孔１１４ｂより押し出され、モータ室１１８の油面より貯油室１２１の油面が高くなる。

次に給油について説明する。旋回スクロール１０１と固定スクロール１０２とフレーム１０９により形成される中間圧室１２３には、吐出圧力と吸込圧力の差圧により主軸受１０９ｅとシャフト１１１との間隙を通って冷凍機油が供給される。圧縮機の運転時間が経過するのに伴い、中間圧室１２３の圧力が徐々に上昇し、差圧制御弁１０８により吸込圧力と吐出圧力の間の圧力（以後、中間圧と称す。この中間圧は前述の背圧に相当する。）となる。

吐出圧雰囲気にある貯油室１２１内の冷凍機油１１９は、貯油室１２１内の吐出圧と中間圧室１２３内の中間圧との差圧により、給油パイプ１２４からシャフト給油孔１１１ａを通って偏心部１１１ｅの先端の開口部から旋回軸受１０１ｃに給油する。

また、シャフト１１１の回転による遠心力により主軸受給油孔１１１ｂ，軸シール給油孔１１１ｃ，副軸受給油孔１１１ｄから各摺動部へ給油される。旋回軸受１０１ｃに給油された冷凍機油１１９は、中間圧室１２３に漏れこみ差圧制御弁１０８から吸込口１１６に入り、圧縮室１０３内を潤滑する。また潤滑に寄与しなかった冷凍機油１１９は冷媒ガスとともに固定背面室１１７に吐出される。

次に旋回スクロール１０１と連通弁１２７との関係について説明する。図４，図５，図６において、旋回スクロール１０１には、スクロールラップ１０１ｂの外側であってスクロールラップ１０１ｂの近傍における鏡板１０１ａに連通孔１２６を有する。この連通孔１２６を通じて連通弁１２７により、圧縮室１０３と中間圧室１２３との間の圧力を調整する。連通孔１２６は、圧縮室１０３側の開口部が、旋回スクロール１０１の旋回により固定スクロール１０２と旋回スクロール１０１とで圧縮室１０３が形成される位置に開口している。

連通弁１２７は、鏡板１０１ａに設けられ、連通孔１２６と連通する連通弁孔１２７ａ内に、連通孔１２６を鏡板１０１ａ中で閉塞する連通弁体１２７ｂと、この連通弁体１２７ｂを押圧する連通弁ばね１２７ｃを有する開閉手段である。

さらに連通弁１２７は、連通弁ばね１２７ｃの一端を挿入する連通ばね位置決め突起１２７ｄが設けられた連通弁キャップ１２７ｅを有している。この連通弁キャップ１２７ｅは、連通弁孔１２７ａと連通してその連通弁孔１２７ａよりも直径の大きい連通弁キャップ挿入部１２７ｆに圧入されている。

連通弁キャップ１２７ｅは、冷媒ガスが通過する複数の流路を備え、それら流路の断面積を合わせた断面積が、連通孔１２６の流路断面積よりも大きいものが好ましい。

連通弁体１２７ｂは、圧縮室１０３と中間圧室１２３の差圧によって開閉する。連通弁ばね１２７ｃのばね力は連通弁体１２７ｂが正常に開閉できる設計であれば問題がないが、後述するように所定の差圧で連通孔１２６を開放できるように、連通弁ばね１２７ｃのばね力を設定する。

また、連通弁ばね１２７ｃは、連通弁体１２７ｂ自体で正常に開閉できる形状、たとえば連通孔１２６へ押圧力を生じる可撓性のバネ部を連通弁体１２７ｂに設けるようにしてもよい。この場合は連通弁ばね１２７ｃがなくてもかまわない。

このような連通弁１２７を旋回スクロール１０１に設けたことによって旋回軸受１０１ｃに対するバランスが悪くなったら、旋回スクロール１０１の中間圧室１２３側に重りを設けたりバランス調整穴を設けたりしてもよい。

また本実施例において、図４では中間連通孔１２６を旋回スクロール１０１におけるスクロールラップ１０１ｂの外側に設けたが、図１０に示したように、中間連通孔１２６と図示しない連通弁１２７の位置を旋回スクロール１０１のスクロールラップ１０１ｂの内側に設けてもよい。

図１０の旋回スクロールを用いた構成であっても、起動時は圧縮室１０３から圧縮した冷媒ガスを中間圧室１２３に供給できるため、中間圧室１２３の圧力が上昇しやすくなる。それにより旋回スクロール１０１を固定スクロール１０２に確実に押付けると伴に、旋回スクロール１０１の離脱を防止できる。

また、旋回スクロール１０１のスクロールラップ１０１ｂの外側と内側にそれぞれ独立した連通孔１２６を設けた場合でも同様の効果は得られる。

次に図７と図８を用いて、連通弁１２７の動作について説明する。

圧縮機停止時は、圧縮室１０３と中間圧室１２３は同じ圧力となっており、連通弁ばね１２７ｃのばね力によって連通弁体１２７ｂで連通孔１２６は閉じてた状態（図８）となっている。

圧縮機が起動すると、圧縮室１０３の圧力が上昇し始め、その影響で連通弁体１２７ｂが開いた状態（図７）となり、圧縮室１０３から中間圧室１２３へ冷媒ガスの流れが発生し、中間圧室１２３の圧力が上昇する。

この旋回スクロール１０１の圧縮室１０３側と中間圧室１２３側との圧力差の作用により、旋回スクロール１０１自身に自己離脱回避作用が働くため、固定スクロール１０２に旋回スクロール１０１が押し付くことになる。

また起動後は、前述したように、主軸受１０９ｅとシャフトスラスト面１０９ｆの隙間を通って冷凍機油が供給され、中間圧室１２３の圧力が高まる。中間圧室１２３の圧力が、連通孔１２６が連通する圧縮室１０３より高くなると、差圧制御弁１０８により調整される。つまり冷媒ガスの中間圧は連通弁１２７だけでなく、差圧制御弁１０８で調整するようになる。

次に図９を用いて、差圧制御弁１０８と連通弁１２７における吸込圧と中間圧との関係を示して、本実施例のスクロール圧縮機の運転圧力範囲内における中間圧の状態を説明する。図９の横軸は吸込圧を示し、縦軸は中間圧を示す。

図９に示すように、本実施例におけるスクロール圧縮機の運転圧力範囲内においては、連通孔１２６の開閉手段である連通弁１２７で形成される中間圧を、差圧制御弁１０８で形成される中間圧よりも小さく設定する。

本実施例におけるスクロール圧縮機の運転圧力範囲において、連通弁１２７で調整される中間圧（線Ａ）が、差圧制御弁１０８で調整される中間圧力（線Ｂ）よりも小さくなる圧力範囲で運転する。図９では、線Ａと線Ｂの交点が運転圧力範囲の最大値と重っているが、この交点が運転圧力範囲に含まれていてもよい。

本実施例におけるスクロール圧縮機の運転圧力範囲では、起動時は圧縮室１０３から圧縮した冷媒ガスを中間圧室１２３に供給できるため、中間圧室１２３の圧力が上昇しやすい。それにより旋回スクロール１０１を固定スクロール１０２に確実に押付けられ、旋回スクロール１０１の離脱を防止できる。

また、スクロール圧縮機の運転が継続して行われ、スクロール圧縮機が接続する冷媒サイクルの安定状態においては、連通弁体１２７ｂが閉じて差圧制御弁１０８で中間圧が調整する。また、ヒートポンプ給湯機のように複数の運転圧力条件があっても安定した性能を確保できる。

本実施例におけるスクロール圧縮機の中間圧の変化について、運転状態と合わせてより詳細に説明する。スクロール圧縮機の起動後、最初に連通孔１２６の連通弁１２７が動作して中間圧室１２３内の中間圧が上昇する。またシャフト１１１を通る吐出圧力と同圧力だった冷凍機油が、軸受の間隙を通る間に減圧されて中間圧室１２３に供給されることによっても、中間圧が徐々に上昇する。

すると、中間圧室１２３内の中間圧と吸込口１１６における吸込圧力との差圧も大きくなるため、連通孔１２６が連通する圧縮室１０３で圧縮された冷媒ガスの圧力よりも、中間圧室１２３の冷媒ガス圧力のほうが高くなる。

スクロール圧縮機の起動時のことだけを考慮するのであれば、少なくとも連通孔１２６が圧縮室１０３に開口し易くなるように連通弁ばね１２７ｃのばね力を調整することで、圧力が上がっていない状態の中間圧室１２３よりも高い圧力を圧縮室１０３から中間圧室１２３に供給することができる。これにより、中間圧室１２３の圧力不足で旋回スクロール１０１の固定スクロール１０２からの離脱を防止することができる。

しかしながら、中間圧室１２３の圧力を運転中に制御するときに、連通孔１２６の圧縮室１０３側開口部の位置によっては、必要以上に高い圧力が中間圧室１２３にかかる。すると旋回スクロール１０１が固定スクロール１０２に押付けられることになり、性能低下や旋回スクロール１０１の停止を生じる恐れがある。

そこで、連通孔１２６が連通する圧縮室１０３の圧力より中間圧室１２３の圧力が高くなると、連通弁体１２７ｂが閉じた状態（図８）で圧縮機は運転するように連通弁ばね１２７ｃのばね力を設定し、差圧制御弁１０８のみで中間圧を調整するようにした。

図９において同じ吸込圧で比較すると、連通弁１２７で形成される中間圧の方が、差圧制御弁１０８で形成される中間圧より低い関係にあると、中間圧が連通弁１２７で制御される範囲を超えたときに、差圧制御弁１０８で中間圧を制御できるため、スクロール圧縮機の起動時から安定した運転状態に至るまで安定した性能を確保することができる。

しかし、図９で示した関係とは逆に、連通弁１２７で形成される中間圧の方が、差圧制御弁１０８で形成される中間圧より高い関係にあると、中間圧が差圧制御弁１０８で制御される範囲を超えたときに、差圧制御弁１０８が働かなくなり、中間圧が高くなり過ぎ、圧縮機への入力が増大して性能低下を引き起こしてしまうことになる。

従って、図９に示すように、連通弁１２７で形成される中間圧の方が、同じ吸込圧力で比較したとき、差圧制御弁１０８で形成される中間圧より低い関係が成り立つ運転圧力範囲でスクロール圧縮機を制御するように運転するのが好ましい。言い換えると、同じ吸込圧で比較したときに、連通弁１２７が連通孔１２６を開く中間圧力は、差圧制御弁１０８が吸込側導通路１０２ｋを開く中間圧力よりも低いものである。

スクロール圧縮機を以上の構成とすることにより、起動時に中間圧室１２３の圧力を上昇しやすくでき、旋回スクロール１０１を固定スクロール１０２に確実に押付け、旋回スクロール１０１の離脱を防止できる。また、サイクルの安定状態においては連通弁体１２７ｂが閉じて差圧制御弁１０８で中間圧が形成されるために、ヒートポンプ装置、例えばヒートポンプ給湯機のように複数の運転圧力条件があっても常に安定した性能を確保できる。

次に、本実施例におけるスクロール圧縮機を用いた冷媒サイクルの実施例について説明する。本実施例では、上述のスクロール圧縮機をヒートポンプ給湯機に適用した場合の冷媒サイクルを、図１１を用いて説明する。

本実施例では、作動冷媒として二酸化炭素を用い、冷凍機油としてポリアルキレングリコール系油（ＰＡＧ）もしくはポリアルファオレフィン系油（ＰＡＯ）を用いた。冷凍機油はこれらと同等の性能を有するものであれば、これらに限定されるものではないことはない。

図１１において、本実施例のスクロール圧縮機２００，水通路２０２を流れる水と冷媒通路２０３を流れる冷媒との熱交換を行う熱交換器２０１，熱交換器２０１と熱交換した冷媒を減圧する膨張弁２９，減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器３０とは、密閉された冷媒管路で接続されている。

本実施例におけるスクロール圧縮機２００から吐出した高温，高圧の冷媒が熱交換器２０１に供給され、その冷媒と対向する流れの水通路２０２を流れる水と熱交換する。水と熱交換した冷媒は、膨張弁２０４を通って減圧されて、蒸発器２０５に送られる。

蒸発器２０５では、蒸発器ファン２０６が送風した空気と液化した冷媒との間で熱交換を行い、低温，低圧の冷媒がスクロール圧縮機２００に戻り再び圧縮される。

熱交換器２０１で加熱される水について説明する。給水口２０７を通じて導入された上水は、水通路２０２を通り熱交換器２０１で加熱される。加熱された水は湯となり、蛇口やシャワーノズル、若しくは風呂給湯口となる出湯口２１３から出湯される。

図１１に示したヒートポンプ給湯機は、給水口２０７から導入された水を熱交換器２０１で加熱しながら貯湯タンク２０８に溜めておき、貯湯タンク２０８から出湯するタンク出湯と、給水口２０７から導入された水を熱交換器２０１で加熱して直接、出湯口２１３から出湯する直接出湯と、それらを組み合わせたタンク湯混合出湯のいずれも可能な装置である。

タンク出湯の場合、給水口２０７から給水された水は一旦、貯湯タンク２０８に貯められ、ポンプ２０９を用いて貯湯タンク２０８の下部から水を熱交換器２０１に供給する。熱交換器２０１で加熱された水は、熱交換器２０１と貯湯タンク２０８に開となっているタンク湯混合弁２１０を通じて貯湯タンク２０８の上部に戻される。熱交換器２０１で加熱された水は、貯湯タンク２０８内で上方より貯まっていき、やがて貯湯タンク２０８内に所定量高温の水が貯まったことが図示しないセンサで検知されると、ポンプ２０９が停止して貯湯タンク２０８内の水の循環を停止する。

冷媒サイクルの運転は、ポンプ２０９の運転開始に合わせてスクロール圧縮機２００の運転を始めるようにしてもよい。冷媒サイクルの運転停止は、ポンプ２０９による貯湯タンク２０８内の高温水が貯まるのに応じて徐々に回転数を減らして停止するようにしてもよいし、ポンプ２０９の回転停止に合わせて運転停止するようにしてもよい。

次に、直接出湯であるが、冷媒サイクルが給水された水を加熱するのに必要な状態になっていない場合には、タンク湯混合弁２１０の開度を調節して、熱交換器２０１で加熱された水にタンク湯を混合させて出湯する。

冷媒サイクルが必要な加熱状態になっている場合には、タンク湯混合弁２１０にてタンク湯を混合させずに出湯させる。冷媒サイクルが十分な加熱状態になるまでタンク湯混合弁２１０の開度を調節して徐々にタンク湯を混合する割合を低下するように制御するのが好ましい。熱交換器２０１から出る水の温度を検知することで制御できる。

また、タンク湯混合弁２１０を通過した水の温度を検知して、設定温度よりも高い場合には水混合弁２１１を調節して、加熱していない水を混ぜて出湯するように制御する。貯湯タンク２０８内のタンク湯を出湯させる場合にも水混合弁２１１を用いる。

流量調整弁２１２は、冷媒サイクルが必要な加熱状態に至っていない場合や、出湯させる水の温度が設定温度に達していない場合などに、水の流量よりも水の温度を設定温度に近づけるために、水の流量を少なくする場合に開度が少なくなるように制御される。

このように用いられるヒートポンプ給湯機において、上述のスクロール圧縮機を用いた運転について説明する。

図１１に示すヒートポンプ給湯機の運転を開始すると、スクロール圧縮機２００が運転を開始し、ロータ１１２ａが回転しシャフト１１１を通じて旋回スクロール１０１が旋回する。旋回スクロール１０１と固定スクロール１０２とから形成される圧縮室１０３が旋回中心に移動するに伴い冷媒である二酸化炭素が圧縮される。

旋回スクロール１０１を固定スクロール１０２に押圧するための中間圧室１２３の圧力は、冷凍機油に溶け込んだ作動冷媒である二酸化炭素がガス化することにより、上昇する。

二酸化炭素がＰＡＧもしくはＰＡＯに溶け込む量は、エアコンなどで使用されているＲ４１０Ａとポリオールエステル系油（ＰＯＥ）との組合せより少なく、二酸化炭素とＰＡＧもしくはＰＡＯの組合せの場合、背圧が上昇し難い。その結果、起動時に中間圧室１２３の圧力が不足して、旋回スクロール１０１が固定スクロール１０２に押圧できない場合がある。

しかし、本実施例のスクロール圧縮機を使用することにより、圧縮機が起動すると、圧縮室１０３の圧力が上昇し始め、その影響で連通弁体１２７ｂが開いた状態となり、圧縮室１０３から中間圧室１２３へ冷媒ガスの流れが発生し、中間圧室１２３の圧力が上昇する。この旋回スクロール１０１の圧縮室１０３側と中間圧室１２３側との圧力差により、固定スクロール１０２に旋回スクロール１０１が押し付く。

また起動後は、主軸受１０９ｅとシャフトスラスト面１０９ｆの隙間を通って冷凍機油が供給され、中間圧室１２３の圧力が高まる。中間圧室１２３の圧力が、連通孔１２６が連通する圧縮室１０３より高くなると、差圧制御弁１０８により調整される。

以上により、図１１に示したヒートポンプ給湯機では、二酸化炭素とＰＡＧもしくはＰＡＯの組合せの如く二酸化炭素に対する溶け込み量が少ない冷凍機油を用いても、確実に旋回スクロール１０１を固定スクロール１０２に押圧できる。

また、図１１に示したヒートポンプ給湯機では、一例として、効率よく貯湯するために貯湯タンク２０８の水を熱交換器２０１で９０℃以上とし、直接、熱交換器２０１から出湯する場合は４２℃で出湯するようにスクロール圧縮機２００の運転を制御する。

この場合においても、図９に示した関係が成り立つように、連通弁１２７の連通弁ばね１２７ｃのばね力が、差圧制御弁１０８の差圧弁ばね１０８ｂのばね力よりも小さくなるように設定することで、本実施例のヒートポンプ給湯装置は、信頼性が高く、エネルギ効率に優れたヒートポンプ給湯機を得ることができる。

本発明第１の実施例にかかる横置スクロール圧縮機の縦断面図。 図１のＡ−Ａ矢視断面図。 差圧制御弁の拡大図。 旋回スクロールのスクロールラップ側からみた図。 図４のＢ−Ｂ矢視断面図。 連通弁拡大図。 第１の実施例における連通弁開時の説明図。 第１の実施例における連通弁閉時の説明図。 圧縮機の運転圧力範囲内における中間圧の状態図。 本発明第２の実施例にかかる旋回スクロールのスクロールラップ側からみた図。 本発明のスクロール圧縮機をヒートポンプ給湯機に搭載した冷媒サイクル図。

符号の説明

１０１ 旋回スクロール
１０１ａ 鏡板
１０１ｂ，１０２ｎ スクロールラップ
１０１ｃ 旋回軸受
１０１ｄ 軸受保持部
１０１ｅ 旋回オルダム溝
１０２ 固定スクロール
１０２ａ 固定スクロール基準面
１０２ｂ 周囲溝
１０２ｃ リリース穴
１０２ｄ 吐出穴
１０２ｅ 吸込掘込
１０２ｆ 吸込穴
１０２ｇ 流通溝
１０２ｈ 弁穴
１０２ｉ 弁シール
１０２ｋ 吸込側導通路
１０２ｌ 弁キャップ挿入部
１０２ｍ Ｒ溝
１０３ 圧縮室
１０４ リリース弁板
１０４ａ リテーナ
１０５ 固定ねじ
１０６ 吸込パイプ
１０７ 吸込側逆止弁
１０７ａ，１０８ａ 弁体
１０７ｂ 逆止弁ばね
１０８ 差圧制御弁
１０８ｂ 差圧弁ばね
１０８ｃ ばね位置決突起
１０８ｄ 弁キャップ
１０９ フレーム
１０９ａ 固定取り付け面
１０９ｂ 旋回スクロールはさみこみ面
１０９ｃ フレームオルダム溝
１０９ｄ 軸シール
１０９ｅ 主軸受
１０９ｆ シャフトスラスト面
１０９ｈ 流通溝
１１０ オルダムリング
１１０ａ フレーム側突起部
１１０ｂ 旋回スクロール側突起部
１１１ シャフト
１１１ａ シャフト給油孔
１１１ｂ 主軸受給油孔
１１１ｃ 軸シール給油孔
１１１ｄ 副軸受給油孔
１１１ｅ 偏心部
１１２ モータ
１１２ａ ロータ
１１２ｂ ステータ
１１３ 副軸受
１１４ 副軸受支持板
１１４ａ 通気孔
１１４ｂ 導油孔
１１５ 副軸受ハウジング
１１６ 吸込口
１１７ 固定背面室
１１８ モータ室
１１９ 冷凍機油
１２０ 吐出パイプ
１２１ 貯油室
１２２ 密閉容器
１２３ 中間圧室
１２４ 給油パイプ
１２５ 油分離板
１２６ 連通孔
１２７ 連通弁
１２７ａ 連通弁孔
１２７ｂ 連通弁体
１２７ｃ 連通弁ばね
１２７ｄ 連通ばね位置決突起
１２７ｅ 連通弁キャップ
１２７ｆ 連通弁キャップ挿入部
２００ スクロール圧縮機
２０１ 熱交換器
２０２ 水通路
２０３ 冷媒通路
２０４ 膨張弁
２０５ 蒸発器
２０６ 蒸発器ファン
２０７ 給水口
２０８ 貯湯タンク
２０９ ポンプ
２１０ タンク湯混合弁
２１１ 水混合弁
２１２ 流量調整弁
２１３ 出湯口

Claims (8)

1. 旋回スクロールと、この旋回スクロールと互いにかみ合い圧縮室を形成する固定スクロールと、前記固定スクロールが固定されるフレームと、前記旋回スクロールと固定スクロールとフレームとにより形成される中間圧室と、前記旋回スクロールに設けられ、前記圧縮室と前記中間圧室を連通する連通孔と、この連通孔を開閉する連通孔開閉手段と、を有するスクロール圧縮機。
2. 請求項１記載のスクロール圧縮機において、外部からの低圧の流体が導入される吸込圧空間と、前記中間圧室と吸込圧空間とを連通する連通路と、この連通路を開閉する連通路開閉手段と、を有するスクロール圧縮機。
3. 請求項２記載のスクロール圧縮機において、前記連通路開閉手段により調整される前記中間圧室の圧力よりも小さい圧力の前記圧縮室に前記連通孔が連通するスクロール圧縮機。
4. 旋回スクロールと、この旋回スクロールと互いにかみ合い圧縮室を形成する固定スクロールと、前記固定スクロールが固定されるフレームと、前記旋回スクロールと固定スクロールとフレームとにより形成される中間圧室と、前記旋回スクロールに設けられ、前記圧縮室と前記中間圧室を連通する連通孔と、前記圧縮室の圧力と前記中間圧室の圧力との差に応じて前記連通孔を開閉する連通孔開閉手段と、外部からの低圧の流体が導入される吸込圧空間と、前記中間圧室と吸込圧空間とを連通する連通路と、前記中間圧室の圧力と前記吸込圧空間の圧力との差に応じて前記連通路を開閉する連通路開閉手段と、を有し、前記連通孔開閉手段が前記連通孔を開く中間圧は、前記連通路開閉手段が前記連通路を開く中間圧よりも低いスクロール圧縮機。
5. スクロール圧縮機と、水通路を流れる水と冷媒通路を流れる冷媒との熱交換を行う熱交換器と、この熱交換器と熱交換した冷媒を減圧する膨張弁と、減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器とがそれぞれ冷媒管路で接続され、前記スクロール圧縮機は、旋回スクロールと、この旋回スクロールと互いにかみ合い圧縮室を形成する固定スクロールと、前記固定スクロールが固定されるフレームと、前記旋回スクロールと固定スクロールとフレームとにより形成される中間圧室と、前記旋回スクロールに設けられ、前記圧縮室と前記中間圧室を連通する連通孔と、この連通孔を開閉する連通孔開閉手段と、を有するヒートポンプ装置。
6. 請求項５記載のヒートポンプ装置において、作動冷媒に二酸化炭素を用い、冷凍機油にＰＡＧ若しくはＰＡＯを用いたヒートポンプ装置。
7. 請求項５記載のヒートポンプ装置において、前記スクロール圧縮機は、外部からの低圧の流体が導入される吸込圧空間と、前記中間圧室と吸込圧空間とを連通する連通路と、この連通路を開閉する連通路開閉手段と、を有するヒートポンプ装置。
8. 請求項７記載のヒートポンプ装置において、前記スクロール圧縮機は、前記連通路開閉手段により調整される前記中間圧室の圧力よりも小さい圧力の前記圧縮室に前記連通孔が連通するヒートポンプ装置。

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