JP2010164303A - スクロール圧縮機及び冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スクロール圧縮機における一方のスクロールを他方のスクロールへ押し付ける押付力を小さくすることを可能にし、スクロール歯先の摩耗やかじりの発生を低減して圧縮機運転範囲を拡大する。
【解決手段】スクロール圧縮機におけるスクロール背圧室を、吸入ガス（または中間圧力のガス）で充満された空間１１１と、吐出圧力で充満された空間１１２で構成し、吸入ガス圧力（または中間圧力）と吐出ガス圧力との総和で一方のスクロールを他方のスクロールに押し付ける。スクロール圧縮機構部２の圧縮室８１へガス冷媒または液冷媒をインジェクションするためのインジェクション穴２０５が固定スクロール６に設けられており、運転圧力比に応じてガスインジェクションまたは液インジェクションが選択され、実行される。
【選択図】 図４

Description

本発明は固定スクロールと旋回スクロールとを有するスクロール圧縮機構を備え、少なくとも一方のスクロール鏡板背面にガス冷媒で充満された背面室を設けて背圧室の冷媒ガス圧力で一方のスクロールを他方のスクロールに押圧する構造のスクロール圧縮機及び冷凍装置に関する。

固定スクロールと旋回スクロール等からなる圧縮機構と、圧縮機構を駆動する駆動部とを備え、前記圧縮機構と駆動部とを密閉容器に収納したスクロール圧縮機は知られており、このような圧縮機は、凝縮器、膨張弁、蒸発器等により構成された冷凍サイクルに良く使用されている。また、このような構成の冷凍サイクルにおいて、前記凝縮器下流のガス冷媒を前記圧縮室へインジェクションすることにより、蒸発器前後のエンタルピー差を大きくし、冷凍能力を増やして冷凍サイクルのＣＯＰを向上させる技術も知られている。

一方、高圧力比での運転が必要となる冷凍用や冷蔵用の圧縮機、或いは暖房時に高圧力比での運転が必要となる寒冷地用空調機の圧縮機においては、膨張弁上流の低温度の液冷媒を前記圧縮室へインジェクションすることにより吐出ガス温度を低下させ、それによって電動機巻線温度の上昇を抑え、運転範囲を拡大するようにしたものもある。

更に、上記ガスインジェクションと液インジェクションを必要に応じて同一圧縮機で使い分け、冷凍サイクルＣＯＰを向上させると共に運転範囲も拡大できるようにしたものも知られている。

特開平９−２２９４９６号公報 特開平５−３０２７６０号公報

スクロール背面にガス冷媒で充満された背面室を設け、背面室の冷媒ガス圧力により一方のスクロールを他方のスクロールに押し付ける構造のスクロール圧縮機としては、背面室を吸入ガスまたは中間圧力のガスで充満された空間と、吐出圧力のガスで充満された空間で構成するものがある。このようなものでは、吸入ガス圧力または中間圧力と吐出ガス圧力との総和で、一方のスクロールを他方のスクロールに押し付けるので、吐出ガス圧力が高く、吸入ガス圧力の低い高圧力比条件においては、背面室の冷媒ガス圧力の総和が大きくなる。

背面室を吸入ガス圧力とした場合の圧力をＰｓ、または背面室を中間圧力とした場合の圧力をＰｂとし、これらの圧力を受圧するスクロール鏡板の面積をＳ₁とする。また、吐出ガス圧力Ｐｄで充満されたスクロール背面室のガス圧力が受圧するスクロール鏡板の面積をＳ₂とすると、背面室の冷媒ガス圧力が作用するスクロールを他方のスクロールに押し付ける力Ｆ１は次式（１）または（２）となる。

上記式（１）において、吐出ガス圧力Ｐｄが高く、吸入ガス圧力Ｐｓが低い高圧力比条件においては、Ｆ１が大きくなり、その大きさは吐出ガス圧力に支配されることがわかる。また、吸入ガス圧力Ｐｓが小さいと中間圧力Ｐｂも小さくなるので、上記式（２）においても、吐出ガス圧力Ｐｄが高く、吸入ガス圧力Ｐｓが低い高圧力比条件においては、Ｆ１が大きくなり、その大きさは吐出ガス圧力に支配されることがわかる。特に、背圧室が吸入ガス或いは中間圧で満たされた空間と吐出圧で満たされた空間とをシール材でシールしたものにおいては、吐出ガス圧力Ｐｄが作用する受圧面積Ｓ₂が大きくなる傾向にあるため、押し付け力Ｆ１は吐出ガス圧力Ｐｄが支配的となり、吸入ガス圧力Ｐｓや中間圧力Ｐｂには影響されにくくなる。

一方、固定スクロールと旋回スクロールにより形成される圧縮室の内圧による力Ｆ２が、押し付け力Ｆ１とは逆向きに作用する。圧縮過程をポリトロープ指数ｋが一定の断熱変化と仮定すると、ＰＶ^k＝一定の関係より、圧縮室内圧力Ｐは、圧縮室容積をＶ、閉じ込み開始直後の最大閉じ込み容積をＶmaxとすると次式（３）で表せる。

さらに、圧縮終了直後の吐出圧力が作用する圧縮室の受圧面積をＳminとすると、内圧による力Ｆ２は式（４）となる。

この式（４）から、吸入ガス圧力Ｐｓが小さくなると式（４）の第一項の値が小さくなるから内圧による力（離反力）Ｆ２は小さくなることがわかる。

一方のスクロールを他方のスクロールに押し付ける正味の力Ｆ３は背圧室による押し付け力Ｆ１と内圧による離反力Ｆ２との差（Ｆ３＝Ｆ１−Ｆ２）となり、この関係を図２に示す。図２からわかるように、吐出ガス圧力Ｐｄが高く、吸入ガス圧力Ｐｓが低い高圧力比条件においては、背圧室の冷媒ガス圧力が作用するスクロールを他方のスクロールに押し付ける正味の力Ｆ３が過大となることがわかる。このため、高圧力比となる運転条件においては、スクロール歯先の接触面圧が過大となり、スクロール歯先の摩耗またはかじりの発生を招くという課題があった。

本発明の目的は、一方のスクロールを他方のスクロールへ押し付ける押付力をより小さくすることを可能にすることにより、スクロール歯先の摩耗やかじりの発生を低減し、運転範囲を拡大することができるスクロール圧縮機及び冷凍装置を得ることにある。

上記目的を達成するため本発明の第１の特徴は、固定スクロールと旋回スクロール等からなる圧縮機構部と、圧縮機構を駆動する駆動部とを備え、前記圧縮機構部と駆動部とを密閉容器に収納し、前記一方のスクロール背面にガス冷媒で充満された背圧室を設け、背圧室の冷媒ガス圧力により前記一方のスクロールを他方のスクロールに押し付ける構成としたスクロール圧縮機であって、凝縮器や蒸発器を有する冷凍サイクルに使用されるものにおいて、前記背圧室を、吸入圧力の空間と吐出圧力の空間とで構成して、吸入圧力と吐出圧力の総和で前記一方のスクロールを他方のスクロールに押し付けるようにすると共に、前記固定スクロールと旋回スクロールとにより形成される圧縮室に、前記冷凍サイクルの凝縮器下流からガス冷媒及び液冷媒の何れをもインジェクション可能に構成し、前記圧縮機への吸入冷媒の圧力Ｐｓと、吐出冷媒の圧力Ｐｄとの比（Ｐｄ／Ｐｓ）が、前記圧縮機の設定容積比より大きく且つ設定容積比より大きな任意の設定値より小さい場合にはガスインジェクションを実施し、前記任意の設定値より大きい場合には液インジェクションを実施するスクロール圧縮機にある。

ここで、スクロール圧縮機の前記圧縮室へガス冷媒または液冷媒をインジェクションするためのインジェクション穴を固定スクロールに形成するようにすると良い。また、前記背圧室の吸入圧力の空間と吐出圧力の空間とをシール材でシールするようにすると良い。

本発明の第２の特徴は、固定スクロールと旋回スクロール等からなる圧縮機構部と、圧縮機構を駆動する駆動部とを備え、前記圧縮機構部と駆動部とを密閉容器に収納し、前記一方のスクロール背面にガス冷媒で充満された背圧室を設け、背圧室の冷媒ガス圧力により前記一方のスクロールを他方のスクロールに押し付ける構成としたスクロール圧縮機であって、凝縮器や蒸発器を有する冷凍サイクルに使用されるものにおいて、前記背圧室を、吐出圧力と吸入圧力との中間の圧力で充満された空間と吐出圧力で充満された空間とで構成して、中間圧力と吐出圧力の総和で前記一方のスクロールを他方のスクロールに押し付けるようにすると共に、前記固定スクロールと旋回スクロールとにより形成される圧縮室に、前記冷凍サイクルの凝縮器下流からガス冷媒及び液冷媒の何れをもインジェクション可能に構成し、前記圧縮機への吸入冷媒の圧力Ｐｓと、吐出冷媒の圧力Ｐｄとの比（Ｐｄ／Ｐｓ）が、前記圧縮機の設定容積比より大きく且つ設定容積比より大きな任意の設定値より小さい場合にはガスインジェクションを実施し、前記任意の設定値より大きい場合には液インジェクションを実施するスクロール圧縮機にある。

ここで、中間圧力の前記背圧室空間と前記圧縮室とを連通する前記中間圧穴は、背面室の圧力が作用するスクロールの鏡板に設け、更に前記固定スクロールの鏡板には、圧縮室にガス冷媒または液冷媒をインジェクションするためのインジェクション穴を形成するようにすると良い。

ここで、前記中間圧穴が連通する圧縮室よりも高圧側の圧縮室に連通するように前記インジェクション穴が形成されるように構成し、更に前記中間圧穴が圧縮室へ開口している区間と、前記インジェクション穴が圧縮室へ開口している区間が重ならないように前記中間圧穴及びインジェクション穴を形成すると良い。また、前記インジェクション穴は、圧縮機の吐出空間とは連通しない位置、即ちインジェクション穴が開口している圧縮室は吐出圧力とはならない位置に設け、前記中間圧穴は圧縮機の吸入空間とは連通しない位置、即ち中間圧穴が開口している圧縮室は吸入圧力とならない位置に設けるようにすると良い。

このように、中間圧穴が圧縮室へ開口している区間と前記液インジェクション穴が圧縮室へ開口している区間が重ならないようにし、インジェクション穴は圧縮機の吐出空間とは連通しない位置とし、中間圧穴も圧縮機の吸入空間とは連通しない位置に設けるようにすることにより、ガスインジェクションや液インジェクションした場合の中間圧力の背圧室に与える影響を低減でき、旋回スクロールの挙動を安定化することができる。

上記において、前記背圧室の中間圧力の空間と吐出圧力の空間とをシール材でシールするようにすると良く、また、背面室の吸入圧力または中間圧力を受圧するスクロール鏡板の面積Ｓ₁と吐出圧力を受圧するスクロール鏡板の面積Ｓ₂との面積比Ｓ₁／Ｓ₂は５未満にすると良い。

なお、吸入冷媒の圧力Ｐｓと、吐出冷媒の圧力Ｐｄとの比（Ｐｄ／Ｐｓ）が３を超える運転条件となった場合に、ガス冷媒または液冷媒を圧縮室にインジェクションするようにし、３以下の場合にはインジェクションしないように制御すると良い。また、吸入冷媒の圧力Ｐｓと、吐出冷媒の圧力Ｐｄとの比（Ｐｄ／Ｐｓ）が３〜８ではガスインジェクションを実行し、８を超える運転条件では液冷媒を圧縮室にインジェクションすることが好ましい。

本発明の第３の特徴は、圧縮機、凝縮器及びサブクーラーを備え、前記凝縮器とサブクーラーとの間の冷媒配管から分岐しサブクーラーを経由した後圧縮機の圧縮室に接続されるインジェクション配管を備えた冷凍装置において、前記インジェクション配管には、前記サブクーラーの上流側に絞り手段（膨張弁）Ａを、下流側に絞り手段（膨張弁）Ｂを設け、圧縮機に、ガスインジェクションする場合には、前記絞り手段Ａの開度を小さくすると共に絞り手段Ｂの開度は絞り手段Ａの開度よりも大きく（好ましくは全開）し、液インジェクションする場合には、前記絞り手段Ｂの開度を小さくすると共に絞り手段Ａの開度は絞り手段Ｂの開度よりも大きく（好ましくは全開）するように制御する冷凍装置にある。

本発明の第４の特徴は、圧縮機、凝縮器及び気液分離器を備える冷凍装置において、前記気液分離器内下部の液溜り部と前記圧縮機の圧縮室に連通され、絞り手段（膨張弁）Ｆを備える液インジェクション系統（配管）と、前記気液分離器内上部のガス空間部と前記圧縮機の圧縮室に連通され、絞り手段（膨張弁）Ｅを備えるガスインジェクション系統（配管）とを備え、圧縮機に液インジェクションする場合には前記液インジェクション系統を用い、圧縮機にガスインジェクションする場合には前記ガスインジェクション系統を用いて、冷媒を圧縮室にインジェクションする冷凍装置にある。

ここで、圧縮機に、液インジェクションする場合には、前記絞り手段Ｆの開度を小さくすると共に絞り手段Ｅの開度は絞り手段Ｆの開度よりも更に小さく（好ましくは全閉）するように制御し、ガスインジェクションする場合には、前記絞り手段Ｅの開度を小さくすると共に絞り手段Ｆの開度は絞り手段Ｅの開度よりも更に小さく（好ましくは全閉）に制御することによりそれぞれのインジェクションを実行できる。

なお、上記冷凍装置における圧縮機は、固定スクロールと旋回スクロール等からなる圧縮機構部と、圧縮機構を駆動する駆動部とを備え、前記圧縮機構部と駆動部とを密閉容器に収納し、前記一方のスクロール背面に背圧室を設け、背圧室の圧力により前記一方のスクロールを他方のスクロールに押し付ける構成としたスクロール圧縮機とし、前記背圧室を、吐出圧力の空間と、これよりも圧力の低い低圧空間（吸入圧力または中間圧力の空間）とで構成して、吸入圧力と吐出圧力の総和で前記一方のスクロールを他方のスクロールに押し付けるように構成し、更に前記圧縮機への吸入冷媒の圧力Ｐｓと、吐出冷媒の圧力Ｐｄとの比（Ｐｄ／Ｐｓ）が、前記圧縮機の設定容積比より大きく且つ設定容積比より大きな任意の設定値より小さい場合にはガスインジェクションを実施し、前記任意の設定値より大きい場合には液インジェクションを実施するように前記インジェクションラインに設けた各絞り手段を制御する制御手段を備えていることが好ましい。

本発明によれば、圧縮室に、冷凍サイクルの凝縮器下流からガス冷媒及び液冷媒の何れをもインジェクション可能に構成し、圧縮機の運転条件により、ガスインジェクションと液インジェクションとを選択して実施できるように構成しているので、スクロール圧縮機における一方のスクロールを他方のスクロールへ押し付ける押付力をより小さくすることが可能となり、スクロール歯先の摩耗やかじりの発生を低減でき、運転範囲も拡大することが可能となる。

また、インジェクション穴位置と中間圧穴位置の関係を互いに干渉しない位置に設けるようにすれば、ガスインジェクション及び液インジェクションのどちらを使用する運転条件においても、旋回スクロールの挙動を安定化でき、これにより圧縮機の体積効率を向上させ、且つ振動及び騒音の少ない圧縮機を得ることができる。

本発明のスクロール圧縮機の実施例を示す縦断面図である。 本発明の実施例における運転条件（圧力比）と押付け力との関係を説明する線図である。 本発明の実施例における圧縮室内圧の変化と中間圧穴の連通区間及びインジェクション穴の連通区間を説明する線図である。 図１における圧縮機構部及び背圧室周辺の構造を拡大して示す要部断面図で本発明の第１実施例を示す図である。 本発明の第２実施例を示すもので、図４に相当する図である。 図５に示す旋回スクロールの詳細構造を示す平面図である。 図６のVII−VII線矢視縦断面図である。 図５に示す固定スクロールの詳細構造を示す平面図である。 図８のIX−IX線矢視縦断面図である。 本発明の冷凍装置の一例を示す冷凍サイクル構成図である。 本発明の冷凍装置の他の例を示す冷凍サイクル構成図である。 圧縮機負荷に応じてガス冷媒或いは液冷媒を選択してインジェクションする例を示す制御フローチャートである。 図１２に示す制御を実施した場合の効果を説明する図で、運転条件（圧力比）と押付け力との関係を説明する線図である。

本発明を実施するための最良の形態を以下説明する。
本発明のスクロール圧縮機は、旋回或いは固定スクロールの背面にガス冷媒で充満された背圧室が設けられており、背圧室の冷媒ガス圧力により一方のスクロールを他方のスクロールに押し付ける構造とされている。また、前記背圧室は、吸入ガスまたは中間圧力のガスで充満された低圧側空間と吐出圧力で充満された高圧側空間で構成されており、吸入ガス圧力または中間圧力と、吐出ガス圧力との総和で、一方のスクロールを他方のスクロールに押し付けている。更に、本発明においては、旋回及び固定スクロールで構成される圧縮室にガス冷媒または液冷媒をインジェクションできるようにインジェクション穴が固定スクロールに設けられている。

上記ガス冷媒または液冷媒のどちらか一方を必要に応じて選択してスクロール圧縮機の圧縮室にインジェクションできるようにした冷凍装置（冷凍サイクル）の例を図１０により説明する。
図１０において、冷凍サイクルは、圧縮機３００、凝縮器３０１、サブクーラー３０４、膨張弁Ｃ及び蒸発器３０２等を順次配管接続することで構成されている。凝縮器３０１とサブクーラー３０４との間の冷媒配管からインジェクション配管３０５が分岐され、このインジェクション配管はサブクーラー３０４を経由した後、圧縮機３００の圧縮途中の圧縮室に接続されている。サブクーラー３０４においては、主冷媒配管を流れる冷媒とインジェクション配管を流れる冷媒とが熱交換できるように構成されている。膨張弁Ａはサブクーラー上流側のインジェクション配管に、膨張弁Ｂはサブクーラー下流側のインジェクション配管にそれぞれ設けられ、これらの膨張弁は流量調整可能な電子膨張弁等で構成されている。

ガス冷媒を圧縮機にインジェクションする場合には、膨張弁Ａの開度を小さくし、膨張弁Ｂの開度をそれより大きく、好ましくは全開にすることにより、サブクーラーによって気化されたガス冷媒を圧縮室にインジェクションできる。この場合、膨張弁Ａの開度の大小でインジェクションするガス冷媒の流量を調整することが可能である。

液インジェクションする場合には、膨張弁Ａの開度を大きく、好ましくは全開し、膨張弁Ｂの開度をそれより小さくして絞ることにより、圧縮室への液インジェクションが可能となる。この場合、膨張弁Ａの前後で液冷媒の物性に変化がないため、膨張弁Ｂの手前は、吐出圧力の液冷媒の状態であり、膨張弁Ｂの開度の大小で液インジェクション流量を調整し、圧縮室に液インジェクションすることが可能となる。
なお、ガスインジェクション及び液インジェクションのどちらも実施しない場合は、膨張弁Ａ及び膨張弁Ｂを全閉にすればよい。

図１１は本発明の冷凍装置の別の例で、この例は気液分離器３０６を有する冷凍サイクルに適用したものである。冷凍サイクルは、圧縮機３００、凝縮器３０１、気液分離器３０６、蒸発器３０２及び膨張弁Ｃ等を順次配管接続することで構成されている。膨張弁Ｃを有する主冷媒配管は気液分離器３０６内下部の液相から取り出され、気液分離器３０６と膨張弁Ｃとの間の主冷媒配管からインジェクション配管３０５が分岐されて圧縮機３００の圧縮室に接続されている。このインジェクション配管には液インジェクション用の膨張弁Ｆが設けられ、更にこの膨張弁Ｆ下流側のインジェクション配管と前記気液分離器３０６内の気相となっている上部空間とはバイパス配管３０７で接続され、このバイパス配管にも膨張弁Ｅが設けられている。

なお、この例ではインジェクション配管３０５を主冷媒配管から分岐させて構成しているが、インジェクション配管３０５の一端側を気液分離器３０６内下方の液相となっている部分に連通させるようにしても良い。また、膨張弁Ｅ，Ｆとしては流量調節可能な電子膨張弁とするのが良いが、その代わりに電磁弁（開閉弁）とキャピラリーとの組合せで構成することも可能である。

図１１の例において、ガス冷媒を圧縮機にインジェクションする場合には、膨張弁Ｅの開度を大きくし、膨張弁Ｆを全閉或いは膨張弁Ｅより小さい開度にすることにより、気液分離器３０６で分離されたガス冷媒をバイパス配管３０７及びインジェクション配管３０５を介して圧縮室にインジェクションできる。この場合、膨張弁Ｅの開度調節により、ガス冷媒流量を調整することが可能となる。

液インジェクションする場合には、膨張弁Ｅを全閉或いは小さくし、膨張弁Ｆの開度を膨張弁Ｅの開度より大きくすることにより、気液分離器により分離され主冷媒配管を流れる液冷媒の一部を膨張弁Ｆを介してインジェクション配管３０５から圧縮室にインジェクションできる。この場合にも、膨張弁Ｆの開度調節により液インジェクション量の調整が可能となる。
なお、ガスインジェクション及び液インジェクションのどちらも実施しない場合は、膨張弁Ｅ及びＦ共に全閉にすればよい。

上記図１０または図１１の冷凍装置においては、各膨張弁Ａ〜Ｆの開閉或いは開度を制御する制御装置（図示せず）が設けられている。
上述した冷凍装置を用い、圧縮室にガス冷媒または液冷媒をインジェクションすることにより、圧縮室内の圧力は上昇し、圧縮室の内圧による力Ｆ２が増加してＦ２′となる。この結果、吐出ガス圧力Ｐｄが高く、吸入ガス圧力Ｐｓが低い高圧力比条件においても、一方のスクロールを他方のスクロールに押し付ける正味の押付力Ｆ３は、
Ｆ３＝Ｆ１−Ｆ２′
となり、インジェクションしない場合に比較して小さくすることができる。

即ち、図２に示すように、圧縮室内圧による離反力がＦ２からＦ２′に増加するため、前記正味の押付力はＦ３から図２のＦ３′に示すように低減することができる。これにより、スクロール歯先とスクロール鏡板との接触面圧を小さくでき、スクロール歯先とスクロール鏡板との摩耗やかじりの発生を抑えて、信頼性の高いスクロール圧縮機を実現することができる。

この結果、高圧力比の運転条件においては、スクロール歯先とスクロール鏡板との面圧が高くなってしまうため、運転できなかった運転範囲でも、本発明を採用することにより、運転が可能となる。即ち、同一の圧縮機を用いて運転範囲を拡大できるから、寒冷地向けヒートポンプエアコン等の用途にも適した冷凍装置やスクロール圧縮機が得られる。また、インジェクションすることにより、スクロール歯先の温度も下げることができるから、歯先と鏡板との摺動特性も良くなり、信頼性を向上できる。これはガスインジェクションより、液インジェクションの方が高い効果が得られる。

上記図１０及び図１１で構成された冷凍サイクルを用いることにより、ガス冷媒或いは液冷媒を圧縮機の圧縮室にインジェクションすることができるが、圧縮機の負荷に応じてガス或いは液を選択してインジェクションすることにより、いかなる運転条件においても、スクロール歯先と鏡板との接触面圧をほぼ一定にすることが可能となり、高信頼性のスクロール圧縮機を実現することができる。

次に、図１２に示す制御フローチャートにより、圧縮機負荷に応じてガス冷媒或いは液冷媒を選択してインジェクションする制御の例を説明する。圧縮機の運転開始後、吸入冷媒圧力Ｐｓ及び吐出冷媒圧力Ｐｄを圧力センサ等により検出する。検出された圧力より、運転圧力比Ｐｄ／Ｐｓ＝εを算出する。この例においては、『設定容積比≦ε≦８』の運転条件にあるときにはガスインジェクションを実施し、『８＜ε』の運転条件となった場合には液インジェクションを実行するように制御される。ここで、設定容積比とはスクロール圧縮機の閉じ込み開始直後の圧縮室の容積（最大容積）と吐出空間に連通される直前の圧縮室の容積（最小容積）との比である。

ガスインジェクションでも吐出ガス温度を十分に冷やすことが可能な圧縮機であれば液インジェクションをしなくともよいが、一般的には液インジェクションを実施しないと、吐出ガス温度を冷却できないため、液インジェクションを実施する方がよい。なお、吐出ガス温度の限界値は、圧縮機内部で吐出ガスの雰囲気にさらされる部品の許容温度となり、圧縮機の仕様により異なる。電動機や転がり軸受けが吐出ガスの雰囲気にさらされる場合には、吐出ガス温度の限界値は１２０℃前後である。ε＜８の場合には液インジェクションしなくとも吐出ガス温度を冷却できる運転範囲となるので、より高いサイクルＣＯＰが得られるガスインジェクションを優先して実施するのが良い。但し、吐出ガス温度が限界値を超える場合は液インジェクションを実施する。

運転圧力比εが設定容積比より小さい運転条件においては、冷媒ガスによる背圧室の圧力が小さくなるため、インジェクションにより内圧が上昇しすぎるとスクロールが背圧室側へ押され、旋回スクロールと固定スクロールの離脱が起こる可能性が大きくなる。このため、この例においては、運転圧力比εが設定容積比より小さい場合にはガスインジェクションや液インジェクションを実施しないように制御されている。

図１３により、図１２の制御による本実施例の効果を説明する。図１３は運転圧力比、即ち圧縮機運転負荷に応じて、ガスまたは液インジェクションを選択実行する制御をした場合における運転圧力比に対するスクロール押付力の関係を示す。Ｆ１は背圧室の圧力によりスクロールを押し付ける力、Ｆ２はスクロール内圧によるスクロールを離反させようとする力でインジェクションしない場合のもの、Ｆ３は正味の押付力（＝Ｆ１−Ｆ２）である。Ｆ２G_INJはガスインジェクションを実施した場合のスクロール内圧による離反力、Ｆ２液_INJは液インジェクションを実施した場合のスクロール内圧による離反力、Ｆ３G_INJはガスインジェクションした場合の正味の押付力、Ｆ３液_INJは液インジェクションした場合の正味の押付力を示している。

この図からわかるように、運転圧力比に応じてガスまたは液インジェクションを使い分けた場合、両スクロールの正味の押付力をインジェクションしない場合に比べて小さくすることができると共に、運転圧力比の変化に対して、正味の押付力の変動幅を小さくすることができる。従って、本発明によれば、いかなる運転条件においても、スクロール歯先と鏡板との接触面圧をほぼ一定に維持することができ、信頼性の高いスクロール圧縮機を得ることができる。

図１に本発明のスクロール圧縮機の実施例を示す。
スクロール圧縮機１は、密閉容器１００内に、圧縮機構部２、電動機部３、副軸受部４及び給油機構等を収納して構成されている。本実施例は、圧縮機構部２と電動機部３とを上下に配置した縦型スクロール圧縮機の例を示している。

圧縮機構部２は旋回スクロール５、固定スクロール６、フレーム７、駆動軸８、旋回軸受１３及び旋回機構９等により構成されている。また、圧縮機構部２は固定スクロール６と旋回スクロール５とを噛み合わせて圧縮室８１を形成している。
旋回スクロール５は、鏡板１０、これの一側に垂直に立設された渦巻き状ラップ１１及び軸支持部（ボス部）５ａ等から構成されている。旋回スクロール５の鏡板１０の背面側には、旋回機構（オルダムリング）９と、駆動軸８のクランク部１２が挿入される旋回軸受１３とが設けられている。

固定スクロール６は、鏡板１４、これの一側に垂直に立設された渦巻き状ラップ１５、吸入口１６、吐出口１７等により構成され、フレーム７にボルトを介して固定されている。固定スクロール６とフレーム７との間には、旋回スクロール５が旋回運動可能に挟持されている。固定スクロール６の吸入口１６には、密閉容器１００に設けた吸入管８５が接続されている。さらに、密閉容器１００には、フレーム７と電動機３との間の空間に連通する吐出管２２が設けられている。

フレーム７は、その外周部が密閉容器１００に固定され、その中央部には主軸受６３が設けられ、主軸受６３はフレーム７とカバー８４により覆われている。カバー８４は主軸受６３を下方から押さえるようにフレームに着脱可能に取付けられ、主軸受６３は電動機部３と旋回スクロール５との間に配置されている。

駆動軸８の主軸部上部にはクランク部１２が設けられ、このクランク部１２を旋回スクロール５に連結することにより旋回スクロール５を駆動する。クランク部１２は旋回軸受１３内に挿入され、旋回スクロールを軸支している。

電動機部３は、駆動軸８を介して圧縮機構部２を駆動する回転駆動手段を構成するものであり、ステータ１８とロータ１９とを基本要素としている。ステータ１８は密閉容器１００に取付けられている。ステータ１８の外周面は密閉容器１００の内周面にほぼ密着して形成されている。

副軸受部４は、駆動軸８を電動機部３の下方で支持するもので、副軸受５１、この副軸受５１を挿入した副軸受ハウジング５２、この副軸受けハウジング５２に締結された下フレーム５３等により構成され、前記下フレーム５３は密閉容器１００に固定されている。駆動軸８は、主軸受６３と副軸受５１とにより電動機３の両側で軸支されると共に、上端部のクランク部１２により旋回軸受１３を介して旋回スクロールを駆動する。

即ち、電動機部３の回転により駆動軸８が回転すると、旋回スクロール５は旋回機構９の働きにより姿勢を保ったまま固定スクロール６に対して旋回運動を行なう。その旋回運動により生じる不釣り合い力を打ち消すため、ロータ１９と旋回スクロール５との間にバランスウェイト２０が取り付けられると共に、ロータ１９にロータバランスウェイト２１が取り付けられている。

固定スクロール６と旋回スクロール５を噛合せることにより形成される圧縮室８１は旋回スクロール５が旋回運動することにより、その容積が減少する圧縮動作が行われる。この圧縮動作では、旋回スクロール５の旋回運動に伴って、作動流体が吸入口１６から圧縮室８１へ吸込まれ、吸込まれた作動流体が圧縮工程を経て固定スクロール６の吐出口１７から密閉容器１００内の吐出空間に吐出され、電動機側の室を経由して吐出管２２から密閉容器１００外に吐出される。これによって、密閉容器１００内の空間は吐出圧力に保たれる。

給油機構は、給油ポンプ８３、給油穴６１及び排油パイプ６０から構成され、給油ポンプ８３は、油溜め８２に貯留された潤滑油を給油穴６１を介して副軸受５１、旋回軸受１３、主軸受６３に供給する。なお、給油穴６１から各軸受部に供給された油は、旋回スクロール５と固定スクロール６との摺動部にも流れる。駆動軸８の副軸受５１付近には給油穴６１に連通する横給油穴が設けられており、副軸受５１に給油されるようになっている。

排油パイプ６０は、主軸受６３を潤滑した油を、電動機部３のステータ外周凹部１８ａを通って密閉容器１００の油溜め８２に導くものである。排油パイプ６０の水平部６０ａの端部は、フレーム７の主軸受６３を覆っている部分の円形孔に圧入されて装着されている。この装着構造によって、排油パイプ６０をフレーム７に簡単かつ確実に装着できる。排油パイプ６０の装着部は、フレーム７内に開口され、主軸受６３を潤滑した油がこの開口部から排油パイプ６０内に導入される。

排油パイプ６０の垂直部６０ｂは、密閉容器１００の内壁面に沿って上下に延び、ステータ１８のコイルエンド部１８ｃと密閉容器１００との間、及びステータ外周の凹部１８ａを通って、下方に延び、排油パイプ６０の下端部は下フレーム５３に取り付けられたパイプ押さえ６５に固定されている。

次に、図４により、圧縮機構部及び背圧室周辺の構造を説明する。旋回スクロール５の鏡板１０背面には吸入ガスで充満された空間（背圧室１１１）と吐出圧力で充満された空間（背圧室１１２）が形成されており、吸入圧の背圧室１１１と吐出圧の背圧室１１２とは、フレーム７の溝１１３に装着したシール材１１４によりシールされている。固定スクロールの吸入空間１６下部には背圧室１１１と連通する連通穴１１０が形成されており、背圧室１１１は吸入圧力になっている。背圧室１１２には密閉容器１００下部の吐出圧力雰囲気にある潤滑油が給油ポンプ８３及び給油穴６１を介して供給され、吐出圧力の潤滑油等で充満されている。シール材１１４はフレーム溝１１３の隙間に充満された吐出ガス圧力により旋回スクロールに押し付けられ、背圧室１１１と背圧室１１２をシールする構造となっている。この構造により、旋回スクロールは、背圧室１１１の吸入ガス圧力と、背圧室１１２の吐出ガス圧力との総和で、固定スクロールに押し付けられる。

インジェクション穴２０５は、固定スクロール６の鏡板１４に形成され、圧縮室８１と連通している。このインジェクション穴２０５の形成位置により、圧縮室８１との連通区間を調整することが可能である。

図５は図４とは別の実施例を示すもので、この実施例では、中間ガス圧力で充満された空間（背圧室２０４）と、吐出ガス圧力で充満された空間（背圧室１１２）を備えている例である。この実施例でも図４の例と同様に、中間圧の背圧室２０４と吐出圧の背圧室１１２とはシール材１１４でシールされている。

旋回スクロール５の鏡板１０には、ラップ側に連通するコの字型の連通穴（中間圧穴）２０１が形成されている。このコ字型連通穴２０１の外周側の出口部２０２と間歇的に連通するように、固定スクロール鏡板１４の外周部下面には、切欠き溝２０３が形成されており、旋回スクロール５の旋回運動により連通穴出口２０２が切欠き溝２０３と間歇的に連通する。これにより、断続的に中間圧の圧縮室８１と背圧室２０４とが連通し、背圧室２０４は中間圧力のガスで充満される。前記コ字型連通穴２０１、連通穴出口２０２及び前記切欠き溝２０３の形状及び位置関係を適切に設定することにより、圧縮室８１と背圧室２０４が連通する区間を調整することができ、背圧室２０４を適切な中間圧力に設定できる。

この実施例における旋回スクロールの詳細構造を図６及び図７に、固定スクロールの詳細構造を図８及び図９に示す。これらの図において同一符号を付した部分は同一部分を示している。

上記実施例のスクロール圧縮機において、その圧縮室内圧の変化と、中間圧穴２０１の連通区間及びインジェクション穴２０５の連通区間の一例を図３に示す。この図に示すように、インジェクション穴２０５が圧縮室に連通している区間と、中間圧穴（連通穴）２０１が圧縮室に連通している区間とは重ならない位置関係となるように、前記中間圧穴２０１及びインジェクション穴２０５の位置が設定されている。また、インジェクション穴２０５が連通している圧縮室が吐出圧力とならず、更に中間圧の背圧室２０４も吸入圧力とならないように、インジェクション穴２０５及び中間圧穴２０１の位置が決められ、中間圧室２０４が液インジェクションやガスインジェクションの圧力の影響を受けることがないようにしている。

１…スクロール圧縮機、２…圧縮機構部、３…電動機部、４…副軸受部、５…旋回スクロール、５ａ…軸支持部（ボス部）、６…固定スクロール、７…フレーム、８…駆動軸、９…旋回機構（オルダムリング）、１０…旋回スクロールの鏡板、１１…旋回スクロールのラップ、１２…クランク部、１３…旋回軸受、１４…固定スクロールの鏡板、１５…固定スクロールのラップ、１６…吸入口、１７…吐出口、１８…ステータ、１８ａ…切欠き（凹部）、１９…ロータ、２０…バランスウェイト、２１…ロータバランスウェイト、２２…吐出管、５１…副軸受、５２…副軸受けハウジング、５３…下フレーム、６０…排油パイプ、６１…給油穴、６３…主軸受、６５…パイプ押さえ、８１…圧縮室、８２…油溜め、８３…給油ポンプ、８５…吸入管、１００…密閉容器、１１０…連通穴、１１１…背圧室、１１２…背圧室、１１３…溝、１１４…シール材、２０１…連通穴（中間圧穴）、２０２…連通穴出口部、２０３…切欠き溝、２０４…背圧室、２０５…インジェクション穴、３００…圧縮機、３０１…凝縮器、３０２…蒸発器、３０４…サブクーラー、３０５…インジェクション配管、３０６…気液分離器分離器、Ａ〜Ｆ…膨張弁（絞り手段）。

Claims (4)

1. 圧縮機、凝縮器及びサブクーラーを備え、前記凝縮器とサブクーラーとの間の冷媒配管から分岐しサブクーラーを経由した後圧縮機の圧縮室に接続されるインジェクション配管を備えた冷凍装置において、
   前記インジェクション配管には、前記サブクーラーの上流側に絞り手段Ａを、下流側に絞り手段Ｂを設け、
   圧縮機に、ガスインジェクションする場合には、前記絞り手段Ａの開度を小さくすると共に絞り手段Ｂの開度は絞り手段Ａの開度よりも大きくし、
   液インジェクションする場合には、前記絞り手段Ｂの開度を小さくすると共に絞り手段Ａの開度は絞り手段Ｂの開度よりも大きくするように制御する
   ことを特徴とする冷凍装置。
2. 圧縮機、凝縮器及び気液分離器を備える冷凍装置において、
   前記気液分離器内下部の液溜り部と前記圧縮機の圧縮室に連通され、絞り手段Ｆを備える液インジェクション系統と、
   前記気液分離器内上部のガス空間部と前記圧縮機の圧縮室に連通され、絞り手段Ｅを備えるガスインジェクション系統とを備え、
   圧縮機に液インジェクションする場合には前記液インジェクション系統を用い、圧縮機にガスインジェクションする場合には前記ガスインジェクション系統を用いて、冷媒を圧縮室にインジェクションする
   ことを特徴とする冷凍装置。
3. 請求項２において、圧縮機に、液インジェクションする場合には、前記絞り手段Ｆの開度を小さくすると共に絞り手段Ｅの開度は絞り手段Ｆの開度よりも更に小さくするように制御し、
   ガスインジェクションする場合には、前記絞り手段Ｅの開度を小さくすると共に絞り手段Ｆの開度は絞り手段Ｅの開度よりも更に小さく制御する
   ことを特徴とする冷凍装置。
4. 請求項１〜３の何れかにおいて、
   前記圧縮機は、固定スクロールと旋回スクロール等からなる圧縮機構部と、圧縮機構を駆動する駆動部とを備え、前記圧縮機構部と駆動部とを密閉容器に収納し、前記一方のスクロール背面に背圧室を設け、背圧室の圧力により前記一方のスクロールを他方のスクロールに押し付ける構成としたスクロール圧縮機であり、前記背圧室を、吐出圧力の空間と、これよりも圧力の低い低圧空間とで構成して、吸入圧力と吐出圧力の総和で前記一方のスクロールを他方のスクロールに押し付けるように構成されているものであり、更に、
   前記圧縮機への吸入冷媒の圧力Ｐｓと、吐出冷媒の圧力Ｐｄとの比（Ｐｄ／Ｐｓ）が、前記圧縮機の設定容積比より大きく且つ設定容積比より大きな任意の設定値より小さい場合にはガスインジェクションを実施し、前記任意の設定値より大きい場合には液インジェクションを実施するように前記インジェクションラインに設けた各絞り手段を制御する制御手段を備えている
   ことを特徴とする冷凍装置。

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