JP4815808B2

JP4815808B2 - ロータリ圧縮機

Info

Publication number: JP4815808B2
Application number: JP2005015491A
Authority: JP
Inventors: 哲英横山; 利秀幸田; 慎関屋; 昌之角田; 圭佐々木; 一吉安; 英人中尾; 英明前山; 直隆服部
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-01-24
Filing date: 2005-01-24
Publication date: 2011-11-16
Anticipated expiration: 2025-01-24
Also published as: JP2006200504A

Description

本発明は、第１及び第２の圧縮部を備え、第１の圧縮部で圧縮された冷媒を第２の圧縮部で圧縮する二段ロータリ圧縮機に関する。

ロータリ圧縮機は、小型化が可能なこと、また、構造が簡単であることから、冷凍冷蔵庫、空調機、ヒートポンプ式給湯機等に広く用いられている（非特許文献１参照）。また、地球温暖化防止を図る観点から、オゾン層破壊係数がゼロで地球温暖化係数の小さな自然冷媒のうちで特に毒性及び不燃性の炭酸ガス（ＣＯ２冷媒）が、フロンに代わる新たな冷媒として注目を集めている。

ところが、図１７の表１（ａ）及び表１（ｂ）に示すように、フロン冷媒を用いたロータリ圧縮機（単段ロータリ圧縮機）に比べて、ＣＯ２冷媒を用いたロータリ圧縮機（単段ロータリ圧縮機）は、吐出圧力（Ｐｄ）と吸入圧力（Ｐｓ）の圧縮比（Ｐｄ／Ｐｓ）が小さくなるものの、吐出圧力と吸入圧力の差圧（Ｐｄ−Ｐｓ）が大きくなる。そのため、シリンダ内部で偏心回転するローラに圧接してシリンダ内を吸入室（低圧）と圧縮室（低圧から高圧）に仕切っているベーンをローラに押しつける圧力が大きくなり、その結果、ローラに接触しているベーン先端が過度に摩耗するという問題がある。また、ベーンとこれが摺動するシリンダ面との隙間から冷媒が漏れるという問題がある。

表１の「フロン冷媒とＣＯ２冷媒を用いたロータリ圧縮機の運転条件比較表」は、Ashrae基準（凝縮温度（CT）/蒸発温度（ET）＝５４．４/７．２［℃］、アブクール/スーパ−ヒート＝８．３/２７．８［K］から圧縮機吸入温度（Ts）＝３５℃、膨張弁前温度（Texp）＝４６．１℃の条件で、高圧型単段ロータリ圧縮機を運転したときの、圧縮機効率と圧力・温度条件を求めたものである。また、図１３はフロン冷媒を用いた基本冷凍サイクルのｐ-h線図（モリエル線図）、図１４はＣＯ２冷媒を用いた基本冷凍サイクルのｐ-h線図（モリエル線図）である。

上述した単段ロータリ圧縮機と同様に、高圧シェル型の二段ロータリ圧縮機の場合も、低段側ベーンに着目すると、後段側ベーン背圧（高圧）とシリンダ内圧力（低圧から中間圧）の差圧が大きいことから低段側ベーン先端荷重（ベーンがローラに接触する圧力）が大きく、ベーンの摩耗及び冷媒の漏れが著しいという問題がある。

日本冷凍空調学会編、上級テキスト冷凍空調技術：冷凍編（平成１２年）第１００頁

そこで、本発明は、ベーン先端に加わる荷重を低下させること、ベーンの周りに好適なシール性と潤滑を形成することを目的とする。

このような目的を達成するため、本発明に係る一つの実施形態は、高圧シェル型密閉容器内に、電動機と、上記電動機によって駆動される第１及び第２の圧縮部を備え、上記第１の圧縮部で圧縮された冷媒を上記第２の圧縮部で圧縮するロータリ圧縮機において、上記第１及び第２の圧縮部はそれぞれ、シリンダと、上記シリンダ内を偏心回転するローラと、上記ローラに当接して上記シリンダと上記ローラとの間に形成された空間を吸入室と圧縮室に仕切るベーンを備えており、上記第１の圧縮部は上記ベーンの背後に形成された中間圧の背圧室を備えており、上記ロータリ圧縮機は、上記第１の圧縮部で圧縮された冷媒とこれに混入した油を上記第２の圧縮部に輸送する輸送経路と、上記第１の圧縮部で圧縮された冷媒と油の一部を分配して上記第１の圧縮部の背圧室に輸送するための分配器及び分配経路と、上記第１の圧縮部の背圧室に輸送する冷媒と油を冷却する冷却要素を備え、上記輸送経路は、上記密閉容器の外部に配置された上記冷却要素を介して、上記第１の圧縮部で圧縮された冷媒とこれに混入した油を上記第２の圧縮部に輸送し、上記分配器は、上記第１の圧縮部から上記第２の圧縮部に輸送される冷媒の流れに関して上記冷却要素の下流側に配置され、上記冷却要素にて冷却された冷媒と油の一部を上記分配経路を介して上記第１の圧縮部の背圧室に分配することを特徴とする。

このような構成を備えたロータリ圧縮機によれば、ベーン背圧とシリンダ内圧の差圧を小さくしてベーン先端荷重を低下させ、その摩耗を減少させることができる。また、ベーンの周囲に好適なシール性と潤滑が形成される。

以下、添付図面を参照して本発明に係る二段ロータリ圧縮機の複数の形態を説明する。なお、以下の説明では、「低圧」、「中間圧」、「高圧」の用語を用いるが、これらは圧力の相対的な大きさの程度を表したものであって、絶対的な値を示すものではない。また、二段圧縮機は、密閉容器内の圧力レベルによって大きく三種類に分類される。密閉容器内が蒸発器圧力、または、第１の圧縮部の吸入圧力に等しい場合は「低圧シェル型」、第１の圧縮部の吐出圧力、または、第２の圧縮部の吸入圧力に等しい場合は「中間圧シェル型」、ガスクーラ（超臨界以下で用いる場合はフロン冷媒と同様の凝縮器）圧力、または、第２の圧縮部の吐出圧力に等しい場合は「高圧シェル型」である。

実施の形態１

〔１．概略構成〕図１は、本発明の実施の形態１に係る高圧シェル型二段ロータリ圧縮機の縦断面を示す。図示する圧縮機１０は、略縦型円筒形の縦型密閉容器１２を有する。密閉容器１２はその内側に縦型円筒形の内部空間１４を有し、該内部空間１４の上部と下部にそれぞれ電動機２０と回転圧縮要素２２を収容し、底部に油（潤滑油）２１を貯蔵している。

〔２．電動機〕電動機２０は、内部空間１４の中心軸（鉛直中心線）２４を中心に配置された環状のステータ（固定子）２６と、ステータ２６の内側に配置されたロータ（回転子）２８を有する。ステータ２６は、密閉容器１２に固定されており、ロータ２８は中心軸２４を中心に回転可能に支持されている。周知のように、ステータ２６は、環状（ドーナッツ状）の電磁鋼板を積層した積層体と、積層体に形成されている複数の歯部（図示せず）に巻回されたコイルを有する。また、ロータ２８は、中心軸２４に沿って配置された回転軸３０と、該回転軸３０に固定された電磁鋼板の積層体と、該積層体に保持された複数の永久磁石からなる。

〔３．回転圧縮要素〕回転圧縮要素２２は、低圧の冷媒ガスを加圧して中間圧の冷媒ガスを得る第１の圧縮部（低段側圧縮部）３２と、中間圧の冷媒ガスを加圧して高圧の冷媒ガスを得る第２の圧縮部（高段側圧縮部）３４を有する。

圧縮部の構成を模式的に表した図２を参照して説明すると、第１の圧縮部３２は、中心軸２４を中心とする環状の板からなるシリンダ３６と、シリンダ３６に囲まれた円筒空間４０内において回転軸３０を半径方向外側に膨出して形成された円形の偏心部４４と、円筒空間４０内で偏心部４４の周囲に配置された環状のローラ４８を有する。偏心部４４は、中心軸２４に対して所定の偏心量ｅだけ所定の方向（図２のＸ方向）に偏心している。従って、偏心部４４に外装されたローラ４８も同一の偏心量ｅだけ中心軸２４からＸ方向に偏心している。偏心部４４とローラ４８の径は、図２に示すように、偏心したローラ４８の外周面が回転軸３０の回転と共にシリンダ３６の内面に接触して該接触部をシールするように決められている。

シリンダ３６には、該シリンダ３６の内周面から外周面に向かって半径方向に伸びると共に外周面の手前に終端部を有するベーン溝５２が形成されており、このベーン溝５２にベーン５６がローラ４８に向かって進退自在に収容されている。中心軸２４から半径方向外側に離れたベーン溝５２の奥側（底部）には、ベーン５６の背後に位置する背圧室６０が形成されている。背圧室６０にはばね６４が配置されており、このばね６４の付勢力によってベーン５２の先端（中心軸側の端部）がローラ４８の外周面に圧接し、シリンダ内周面とローラ外周面の間に形成されている空間を２つに分離している。実施の形態において、回転軸３０の回転方向（図２の反時計回り方向）に関してベーン５２の下流側に吸入室（低圧室）６８、上流側に圧縮室（高圧室）７２が形成されている。

圧縮前の冷媒ガスを吸入室６８に供給し、圧縮後の冷媒ガスを圧縮室７２から排出するために、シリンダ３６にはベーン近傍の下流側と上流側にそれぞれ吸入路７６と吐出路８０が形成されている（図１参照）。また、吐出路８０には吐出弁（逆止弁）８４が設けてあり、圧縮室７２から吐出された圧縮後の冷媒ガスが圧縮室７２に戻らないようにしてある。

第２の圧縮部３４も第１の圧縮部３２に類似の構成を有する。したがって、第１の圧縮部３２の構成を示している図２において、第１の圧縮部３２の構成部分に対応する第２の圧縮部３４の構成部分の符号を、第１の圧縮部３２の構成部分を示す符号の後の括弧内に表している。第２の圧縮部３４が第１の圧縮部３２と異なる部分は、偏心部４６の偏心方向が第１の圧縮部３２における偏心部４４の偏心方向（矢印Ｘ方向）とは逆の方向（矢印Ｘ’方向）である点である。したがって、第２の圧縮部３４におけるベーン５８、吸入路７８、吐出路８２、吐出弁８６は、第１の圧縮部３２におけるそれらの反対側（中心軸２４に対して対称）に配置されている。

図１に戻り、第１の圧縮部３２と第２の圧縮部３４の間には中間仕切板９０が配置されており、これにより第１の圧縮部３２のシリンダ３６内に形成された空間（吸入室６８、圧縮室７２）の上部と第２の圧縮部３４のシリンダ３８内に形成された空間（吸入室７０、圧縮室７４）の下部が閉鎖されている。第１の圧縮部３２のシリンダ３６の下には下部支持部材９２が固定され、これによりシリンダ３６内の空間の下部が閉鎖されており、第２の圧縮部３４のシリンダ３８の上には上部支持部材９４が固定され、これによりシリンダ３８内の空間の上部が閉鎖されている。下部支持部材９２の下には下部カバープレート９６が固定され、上部支持部材９４の上には上部カバープレート９８が固定されている。また、下部カバープレート９６に対向する下部支持部材９２の下面には低段側消音室１００が形成されており、この低段側消音室１００が吐出口１０２を介して後述する冷媒循環回路１２０に接続されている。上部カバープレート９８に対向する上部支持部材９４の上面には高段側消音室１０４が形成されており、この高段側消音室１０４が吐出口１０６を介して内部空間１４に接続されている。

〔４．冷媒循環回路〕油（潤滑油）２１は、第２の圧縮部３４が油に漬かる状態で蓄えられており、第２の圧縮部３４のベーン５８に直接供給される。具体的に、油２１は、回転軸３０の下端部に取り付けられた油ポンプ２３で吸い上げられ、回転軸３０の軸芯穴を通って、各回転圧縮要素のシリンダ内に供給される。第１の圧縮部３２に供給された油は、シリンダ内圧縮室で冷媒に混入し、この冷媒と一緒に輸送配管３０で輸送される。大部分の油は、油分離器または密閉容器を通過するときに冷媒と分離されて密閉容器内の底部に戻るが、分離されない油は冷媒といっしょに輸送配管１２０を循環する。図３と図１を参照すると、冷媒循環回路１２０は、輸送配管（主経路）１２２を有する。この輸送配管１２２は、密閉容器１２の内部空間１４から密閉容器１２の外部空間に引き出された後、再び密閉容器１２内に入って第１の圧縮部３２の吸入路７６に接続されており、その経路途中には凝集器１２４、膨張弁１２６、蒸発器１２８が順番に配置されている。

冷媒循環回路１２０はまた、密閉容器１２の外部に配置された輸送配管（第１の輸送配管）１３０を有し、この輸送配管１３０が第１の圧縮部３２における吐出口１０２と第２の圧縮部３４における吸入路７８を接続しており、冷却器（中間冷却器）１３２と分配器（分配要素）１３４を備えている。冷却器１３２は、第１の圧縮部３２で圧縮された冷媒ガスと油を冷却するものである。分配器１３４は、第１の圧縮部３２から第２の圧縮部３４に輸送される冷媒ガスの流れに関して冷却器１３２の下流側に配置されている。また、分配器１３４は、分配経路１３６を介して第１の圧縮部３２の背圧室６０に接続されており、第１の輸送配管１３０に沿って輸送される冷媒ガスと油の一部が分配経路（第２の輸送配管）１３６に設けた絞り調整弁１３８を介して第１の圧縮部３２の背圧室６０に供給されるようにしてある。分配器１３２は、これが接続されている背圧室６０の上方に配置することが好ましい。

分配器１３４には、冷媒ガスに含まれる油（潤滑油）を分離する油分離機能を備えた分配器（油分離器）と、油分離機能を備えていない分配器のいずれも利用できる。油分離機能付の分配器を用いる場合、分配器１３４で回収された油は分配経路１３６を通じて背圧室６０に供給される。一方、油分離機能の無い分配器の場合も、背圧室６０には油を含む冷媒ガスが背圧室６０に供給される。

〔５．動作〕以上のように構成された高圧シェル型二段圧縮機１０において、電動機２０に所定の駆動電力が供給されると、ロータ２８が回転する。その結果、図２に示すように、第１及び第２の圧縮部３４では、ローラ４８，５０が図示する反時計回り方向に回転する。したがって、第１の圧縮部３２では、吸入路７６から吸入室６８に供給された低圧の冷媒（例えば、ＣＯ２冷媒）がローラ４８の回転に基づいて圧縮される。所定の圧力（中間圧）まで圧縮された冷媒ガスは吐出路８０から吐出され、低段側消音室１００から吐出口１０２を介して輸送配管１３０に供給される。輸送配管１３０を流れる中間圧の冷媒ガスは、冷却部１３２でほぼ外気温度近くまで冷却された後、分配器１３４に供給される。分配器１３４が油分離機能付の分配器の場合、分配器１３４に供給された中間圧冷媒ガスは、分配器１３４によって油が分離される。分離された油は、分配器１３４によって分配された一部の冷媒ガスと共に分配経路１３６を輸送される。分配経路１３６を輸送される中間圧冷媒ガスは、絞り調整弁１３８で流量調整された後、第１の圧縮部３２の背圧室６０に供給される。特に、分配器１３４が背圧室６０の上方に配置される場合、重力作用によって背圧室６０に油が効率的に供給される。分配器１３４が油分離機能を備えていない場合でも、分配された一部の冷媒ガスには油が含まれており、この油が第１の圧縮部３２の背圧室６０に供給される。

背圧室６０に供給された中間圧の冷媒ガスはベーン５６の背面に作用し、ばね６４の付勢力と共に、ベーン５６をローラ４８に圧接する。その結果、ローラ４８とこれに接するベーン先端部との間には良好なシールが形成される。分配器１３４が油分離機能を有するか否かに拘わらず、背圧室６０に供給される冷媒ガスには油が含まれており、この油がベーン側面とこれに対向するベーン溝側壁との隙間に入り、両者の間を潤滑すると共にシールする。当然、油分離機能付き分配器を用いた場合、背圧室６０に供給される油の量が多く、そのために更に良好な潤滑とシールが達成できる。また、冷却部１３２で冷却された低温の冷媒ガスが背圧室６０に供給されるため、ベーン側面とベーン溝側壁との間に高いシール性が確保できる。

分配器１３４によって分配された他の中間圧冷媒ガスは、第１の輸送配管１３０を通じて再び密閉容器１２の内部に送り込まれた後、第２の圧縮部３４の吸入路７８から吸入室７０に供給される。第２の圧縮部３４の吸入室７０に供給された中間圧冷媒ガスは、ローラ５０の回転によって更に圧縮されて高圧冷媒ガスとなる。所定の圧力（高圧）まで圧縮された冷媒ガスは、吐出路８２から吐出され、高段消音室１０４から吐出口１０６を介して、密閉容器１２の内部空間１４に吐出されて貯蔵される。

密閉容器１２の内部空間１４に貯蔵された高温の高圧冷媒ガスは、吐出パイプ１２３を介して輸送配管（主経路）１２２を通じてガスクーラ１２４に供給され、そこで凝縮されて液体になる。次に、液体となった冷媒は、膨張弁１２６を通過する際に膨張し、低温の低圧冷媒ガスになる。この低温・低圧冷媒ガスは蒸発器１２８に送られ、そこで被冷却媒体から熱を奪った後、密閉容器１２の内部に送り戻され、第１の圧縮部３２の吸入室６８に供給される。

図１６は、上述した冷凍サイクルを表したｐ−ｈ線図（モリエル線図）である。

〔６．油分離機能付の分配器〕油分離機能付の分配器（油分離機能付の分配器）として、現在種々の形態のものが提供されており、例えば、形式と構造の観点から見た場合、遠心分離式（立形円筒内に旋回板を設け、ガスを旋回運動させて油滴を遠心力で分離する方式）、多孔板（バッフル）式（立形円筒内部に、小孔がある多数の複数の多孔板を斜めに設け、ガスが小孔を通過する際に油滴を分離する方式）、金網式（容器内に金網が円筒状に配置されており、ガスが金網を通過する際に、この金網によって油滴を分離する方式）、デミスタ式（ガス中の油滴をデミスタ内の線条で捕らえて分離する方式）がある。本発明に係るロータリ圧縮機には上述したすべての形態の分配器（油分離器）が適用可能である。例えば、デミスタ式油分離器を用いた場合、９９％以上の油を分離回収することが可能であることから、十分に油を含む冷媒ガスを背圧室に送ることができ、高いシール効果及び潤滑作用が期待できる。

〔７．変形例１〕実施の形態１では分配器１３４を密閉容器１２の外部に設けたが、分配機能と油分離機能を設ける場所は限定的事項ではない。例えば、図４（ａ）に示す変形例は、油分離機能付分配器１４０を回転圧縮要素２２に設けている。具体的に、分配器１４０において、第１の圧縮部３２の背圧室６０と第２の圧縮部３４の吸入路７８を繋ぐ上下方向の冷媒ガス輸送路（バイパス）１４２が形成されている。また、輸送配管１４２の入口（上端部）近傍の吸入路部分には、油分離（回収）手段の金網１４４（図４（ｂ）参照）が複数枚重ねて配置されている。図示するように、金網１４４は、これに回収された油が液滴状で冷媒ガス輸送路１４２に落下し易いように、上下方向に又は斜めに向けて配置し、その下端部を輸送配管１４２の入口に位置させることが好ましい。

このような構成を備えたロータリ圧縮機によれば、第２の圧縮部３４に供給される中間圧冷媒ガスの一部が吸入路７８から輸送配管１４２を介して第１の圧縮部３２の背圧室６０に落下供給される。また、冷媒ガス、特に冷媒ガスに含まれる油が、背圧室６０にその上方から落下供給されるため、背圧室６０はオイルリッチな状態に保たれる。しかも、背圧室６０に供給される冷媒ガス及び油は、油分離手段の上流側で中間冷却部１３２によって冷却されている。そのため、ベーン側面とベーン溝側壁との間に更に高いシール性が確保できる。

〔８．変形例２〕図５は実施の形態１の変形例２を示す。変形例２は、変形例１のロータリ圧縮機から油分離用の金網を除いたものである。したがって、変形例２のロータリ圧縮機によれば、第２の圧縮部３４の吸入路７８に供給された中間圧冷媒ガスが該冷媒ガスに含まれる油と共にその一部が輸送配管１４２を通じて第１の圧縮部３２の背圧室６０に落下供給される。その結果、変形例１と同様に、背圧室６０にその上方から油を含む冷媒ガスが落下供給されるため、背圧室６０はオイルリッチな状態に保たれる。また、背圧室６０に供給される冷媒ガス及び油は、油分離手段の上流側で中間冷却部によって冷却されているため、ベーン側面とベーン溝側壁との間に更に高いシール性が確保できる。

〔９．比較検討〕以下に示す複数の形態の二段ロータリ圧縮機の性能を解析した。解析の対象としてロータリ圧縮機は以下の通りである。

比較例１（背圧高圧型）：第２の圧縮部から吐出されて密閉容器に蓄積された高圧冷媒ガスを第１の圧縮部の背圧室に供給する二段ロータリ圧縮機。第１の圧縮部の背圧室に供給される高圧冷媒ガスの輸送配管は、中間冷却部、分配器のいずれも備えていない。

比較例２（背圧中間圧型）：第１の圧縮部から吐出された中間圧冷媒ガスを第１の圧縮部の背圧室に供給する二段ロータリ圧縮機。ただし、背圧室に通じる冷媒ガス輸送路は該背圧室の底部に接続されており、背圧室にその下方から冷媒ガスが供給される（特開２００４−２７９７０号公報に表されている二段ロータリ圧縮機）。第１の圧縮部の背圧室に供給される中間圧冷媒ガスの輸送配管は、中間冷却部、分配器のいずれも備えていない。

実施例１（中間冷却型〔油分離器あり〕）：実施の形態１で説明したように、第１の圧縮部から吐出された中間圧冷媒ガスを中間冷却器で冷却した後、油分離機能付の分配器で分離回収した油を含むオイルリッチな中間圧冷媒ガスを第１の圧縮部の背圧室に輸送する二段ロータリ圧縮機（図１参照）。

実施例２（中間冷却型〔油分離器なし〕）：油分離機能の無い分配器を用い、第１の圧縮部から吐出された中間圧冷媒ガスを中間冷却器で冷却した中間圧冷媒ガスを分配器から第１の圧縮部の背圧室に輸送する二段ロータリ圧縮機（図１参照）。

実施例３（変形例１：油分離器（金網）あり）：変形例１の二段ロータリ圧縮機（図４参照）。

実施例４（変形例２：油分離器（金網）なし）：変形例２の二段ロータリ圧縮機（図５参照）。

〔解析結果〕解析結果を表２：高圧シェル型ＣＯ２二段ロータリ圧縮機の低段側ベーン背圧室への中間圧導入の比較（Ａｓｈｒｅａ基準、中間冷却あり）に示す。表２及び以下に説明する別の表中、「ベーン動作環境」欄において、「ベーン背面とシリンダ内の差圧」欄の「大」は４Ｐａ以上、「中」は２〜４ＭＰａ、「小」は２ＭＰａ以下を意味し、「ベーン背面温度」欄の「超高温」は１００℃以上、「高温」は５０〜１００℃、「常温」は２０〜５０℃、「低温」は２０℃以下を意味し、「ベーン背面室油濃度」欄の「超濃」は９０％以上、「濃」は６０〜９０％、「中」は３０〜６０％、「淡」は１０〜３０％、「希薄」は１０％以下を意味する。「改善効果」欄において、「圧縮機効率」は理論断熱圧縮動力／圧縮機入力で定義され、「ベーン摩擦損失」と「ベーン隙間漏れによる損失」は、実験と理論式から推定した値である。推定方法は、例えば「幸田ら、“ロータリ圧縮機の性能解析”、空気調和・冷凍連合講演会講演論文集（’８９）による。「ベーン摺動部の耐摩耗性、シール性」は、以上の推定値と試験結果（耐久性評価）からベーン摺動部の耐摩耗性、シール性を総合的に相対評価したもので、それぞれ「×」は不良、「△」は普通、「○」は良好、「◎」は極めて良好を意味する。

〔検討〕表１８から明らかなように、比較例１の場合、第１の圧縮部のベーン背面には密閉容器内に蓄えられている油が潤沢に供給されるが、背圧室に供給される冷媒は高温高圧であるため、ベーン先端の受ける荷重が大きく、また良好な潤滑状態も得られない。比較例２の場合、第１の圧縮部のベーン背面には中間圧の冷媒が供給されるが、背圧室にその下方から冷媒を供給しているため、背圧室に十分な油が供給されず、潤滑やシール性が悪い。これに対し、本発明の実施形態に係る実施例１では、中間圧で低温の油が背圧室に潤沢に供給されるので、良好な潤滑とシール性が得られる。圧縮機効率に着目した場合、実施例１はもとより、他の実施例２〜４においても、比較例１，２よりも高い圧縮機効率を得られることが理解できる。

〔１０．変形例３〕実施の形態１では、第１の圧縮部３２から吐出された中間圧冷媒を環境温度（大気温度）まで放熱させる熱交換器を中間冷却器として利用している。しかし、二段圧縮冷凍サイクルで用いられる中間冷却要素としては、フラッシュ式、液冷却式、直接膨張式の冷却器が知られており、これらを実施の形態１の中間冷却器として利用することができる。なお、フラッシュ式冷却器を用いた場合、第１の圧縮部から吐出した高温・中間圧の冷媒は、ガスクーラから供給される冷媒と気液分離器機能付容器内で混合され、そのうちの飽和ガスが第２の圧縮部の吸入室に送り込まれる。そして、このような形態の中間冷却器を用いた二段ロータリ圧縮機は、上述した実施の形態１のロータリ圧縮機と同様の作用効果（潤滑とシール性の向上）が得られる。

〔１１．変形例４〕図６は、変形例４に係るインジェクション式の高圧シェル型ロータリ圧縮機の冷媒循環回路１５０を示す。このロータリ圧縮機において、第２の圧縮部３４の圧縮室から吐出された冷媒を第１の圧縮部３２の吸入室に案内する輸送配管（主経路）１５２には、上流側から下流側に向かって順番に、ガスクーラ１５４、膨張用キャピラリチューブ１５６、液タンク１５８、膨張用キャピラリチューブ１６０、冷蔵用蒸発器１６２、及び冷凍用蒸発器１６４が設けてある。液タンク１５８と第２の圧縮部３４の吸入室は別の輸送配管（第１のバイパス）１６６を通じて流体的に接続されており、この冷媒輸送回路（第１のバイパス）１６６に分配器１６８が設けてある。分配器１６８は第１の圧縮部３２の背圧室６０と輸送配管（第２のバイパス）１７０を通じて流体的に接続されており、この輸送配管（第２のバイパス）１７０に絞り調整弁１７２が設けてある。分配器１６８は、背圧室６０の上方に配置することが好ましい。輸送配管（第１のバイパス）１６６は液タンク１５８と分配器１６８の間にある分岐部１７４において分岐しており、その分岐路（輸送配管、第３のバイパス）１７６が冷蔵用蒸発器１６２と冷凍用蒸発器１６４の間で輸送配管（主経路）１５２に接続されている。

このように構成されたインジェクション式のロータリ圧縮機によれば、第２の圧縮部３４から輸送配管（主経路）１５２に吐出された高圧冷媒は、ガスクーラ１５４で冷却された後、膨張用キャピラリチューブ１５６で膨張減圧して低温の中間圧冷媒となる。冷却された中間圧冷媒は液タンク１５８に貯蔵される。液タンク１５８に貯蔵された中間圧冷媒は、その大部分がキャピラリチューブ１６０で膨張し低圧冷媒となり、冷蔵用蒸発器１６２、冷凍用蒸発器１６４で被冷却媒体から熱を奪って後、第１の圧縮部３２の吸入室に供給される。一方、液タンク１５８に貯蔵されている中間圧冷媒の一部は、輸送配管（第１のバイパス）１６６に供給され、一部が輸送配管（第３のバイパス）１７６を介して蒸発器１６２，１６４の間で輸送配管（主経路）１５２に戻され、その他は分配器１６８に供給されてそこで２つに分配される。分配された一方の中間圧冷媒は第２の圧縮部３４の吸入室に供給され、分配された他の中間圧冷媒は絞り調整弁１７２を介して第１の圧縮部３２の背圧室６０に供給される。このとき、図４及び図５を参照して説明したように、背圧室６０にはその上方から供給することが好ましい。これにより、上述したロータリ圧縮機と同様に、第１の圧縮部３２の背圧室６０はオイルリッチな状態に保たれ、ベーン側面とベーン溝側壁との間に高いシール性と潤滑が確保できる。なお、上述のように、分配器１６８は油分離機能付の分配器（油分離器）であってもよいし、油分離機能の無い分配器であってもよい。ただし、分配器１６８に油分離機能の無い分配器を使用する場合、分配器１６８から背圧室６０までの経路のいずれかに油分離器を設けてもよい。

〔１２．変形例５〕図７は変形例５に係るロータリ圧縮機の冷媒循環回路１８０、図１５はこのロータリ圧縮機の冷凍サイクル（ｐ−ｈ線図）を示し、上述した実施の形態が備えている中間冷却部を省略されている点に特徴を有する。このロータリ圧縮機によれば、第１の圧縮部３２の圧縮室から吐出した冷媒は、密閉容器１２の外部に伸びている第１の輸送配管１３０を輸送され、分配器１３４で分配される。分配された一方の冷媒は再び密閉容器１２の内部に戻されて第２の圧縮部３４の吸入室に供給され、他の冷媒は絞り調整弁１３８で流量調整されて第１の圧縮部３２の背圧室６０に供給される。このとき、図１〜図６を参照して説明したように、背圧室６０にはその上方から供給することが好ましい。これにより、上述したロータリ圧縮機と同様に、第１の圧縮部３２の背圧室６０はオイルリッチな状態に保たれ、ベーン側面とベーン溝側壁との間に高いシール性と潤滑が確保できる。

〔比較検討〕変形例５に係る二段ロータリ圧縮機（中間冷却部の無い高圧シェル型ＣＯ２二段ロータリ圧縮機）と、上述した比較例１，２で用いたロータリ圧縮機と同型式のロータリ圧縮機（中間冷却部の無い高圧シェル型ＣＯ２二段ロータリ圧縮機）〔比較例３，４〕について性能を比較した。比較方法は、実施の形態１で説明したとおりである。結果を、図１９の表３に示す。この表に示すように、比較例３では第１の圧縮部のベーン背面に油が冷媒と共に潤沢に供給されるが、この冷媒と油は高温高圧であるためにベーン先端荷重が大きく、潤滑も良くない。また、比較例４では、第１の圧縮部の背圧室に中間圧中温の冷媒が供給されるが、油の濃度が薄く、そのために潤滑とシール性が良くない。これに対し、変形例５では、第１の圧縮部の背圧室に中間圧常温の油が冷媒と共に潤沢に供給されるので、良好な潤滑とシール性が得られる。具体的に、変形例５では、比較例３，４に比べて圧縮機効率が約３％向上した。

実施の形態２

実施の形態２に係るロータリ圧縮機は、中間圧シェル型の二段ロータリ圧縮機で、その構成と冷媒循環回路をそれぞれ図８と図９に示す。この中間圧シェル型二段ロータリ圧縮機１０Ｂの基本的な構成は、上述した高圧シェル型二段ロータリ圧縮機１０に類似している。したがって、同一又は類似の構成部分には同一の符号を付し、両者の相違点のみを以下に説明する。具体的に、中間圧シェル型二段ロータリ圧縮機１０Ｂは、第１の圧縮部３２から吐出した中間圧冷媒（例えば、ＣＯ２冷媒）を密閉容器１２の内部空間１４に貯蔵するために、第１の圧縮部３２の吐出口１０２が輸送配管１９２を介して密閉容器１２の内部空間１４に接続されている。また、密閉容器１２の内部空間１４に貯蔵されている中間圧冷媒を第２の圧縮部３４の吸入室７０に供給するために、これら内部空間１４と吸入室７０が別の輸送配管１９４を介して接続されている。第２の圧縮部３４から吐出される高圧冷媒を輸送する別の輸送配管（主経路）１９６は、ガスクーラ１２４、膨張弁１２６、蒸発器１２８を介して第１の圧縮部３２の吸入室６８に接続されている。この輸送配管１９６は、ガスクーラ１２４と膨張弁１２６の間に、第２の圧縮部３４の背圧室６２の上方に配置された分配器１９８を備えており、この分配器１９８と第２の圧縮部３４の背圧室６２が別の輸送配管（バイパス）２００を介して接続されており、この輸送配管２００に絞り調整弁２０２が設けてある。上述のように、分配器１９８は、背圧室６２の上方に設けることが好ましい。

このように構成された中間圧シェル型二段ロータリ圧縮機１０Ｂによれば、第１の圧縮部３２は吸入した低圧冷媒を圧縮して中間圧冷媒を生成する。生成された中間圧冷媒は、輸送配管１９２を介して密閉容器１２の内部空間１４に供給される。密閉容器１２内の中間圧冷媒は、別の輸送配管１９４を介して第２の圧縮部３４に供給され、そこで圧縮されて高圧冷媒が生成される。生成された高圧冷媒は、輸送配管（主経路）１９６を輸送され、ガスクーラ１２４で凝縮された後、膨張弁１２６で膨張され、低温の低圧冷媒ガスになる。この低温・低圧冷媒ガスは蒸発器１２８に送られ、そこで被冷却媒体から熱を奪った後、再び密閉容器１２の内部に送り戻され、第１の圧縮部３２に供給される。一方、ガスクーラ１２４を通過した低温高圧冷媒の一部は分配器１９８から輸送配管（バイパス）２００に供給され、絞り調整弁２０２で流量調整された後、第２の圧縮部３４の背圧室６２にその上方から供給される。したがって、背圧室６２に供給された中間圧の冷媒ガスはベーン５８の背面に作用し、ばね６６の付勢力と共に、ベーン５８をローラ５０に圧接する。その結果、ローラ５０とこれに接するベーン先端部との間には良好なシールが形成される。また、分配器１９８が油分離機能を有するか否かに拘わらず、背圧室６２に供給される冷媒ガスには油が含まれており、この油がベーン側面とこれに対向するベーン溝側壁との隙間に入り、両者の間を潤滑すると共にシールする。当然、油分離機能付き分配器を用いた場合、背圧室６２に供給される油の量が多く、そのために更に良好な潤滑とシールが達成できる。また、ガスクーラ１２４で冷却された低温の高圧冷媒が背圧室６２に供給されるため、ベーン側面とベーン溝側壁との間に高いシール性が確保できる。

〔変形例〕図１０は、実施の形態２に係る中間圧シェル型二段ロータリ圧縮機１０Ｂの変形例を示す。この変形例は、輸送配管１９６においてガスクーラ１２４の上流側に油分離機能付の分配器１９８又は油分離機能の無い分配器１９８が設けられている点で異なる。この変形例に係る中間圧シェル型二段ロータリ圧縮機でも、上述した実施の形態２の圧縮機と同様に、第２の圧縮部３４の背圧室には低温のオイルリッチな高圧冷媒が供給されるため、ベーン側面とベーン溝側壁との間に高いシール性と潤滑が確保できる。

〔比較検討〕実施の形態２に係る二段ロータリ圧縮機（図９と図１０に示す中間圧シェル型ＣＯ２二段ロータリ圧縮機）と、高温高圧の冷媒を第２の圧縮部の背圧室に供給する中間圧シェル型ＣＯ２二段ロータリ圧縮機（比較例５）について性能を比較した。比較方法は、実施の形態１で説明したとおりである。結果を、図２０の表４に示す。この表に示すように、比較例３では第２の圧縮部のベーン背面に高圧の冷媒が供給されるものの、油の濃度が薄くて高温であるため、適当な潤滑とシール性が得られない。これに対し、実施の形態２では、第２の圧縮部の背圧室に十分な濃度の油が供給されるため、必要な潤滑とシール性が確保できる。

実施の形態３

実施の形態３に係るロータリ圧縮機は、低圧シェル型の二段ロータリ圧縮機で、その構成と冷媒循環回路をそれぞれ図１１と図１２に示す。この低圧シェル型二段ロータリ圧縮機１Ｂの基本的な構成は、上述した高圧シェル型二段ロータリ圧縮機１０と中間圧シェル型二段ロータリ圧縮機１０Ａに類似している。したがって、同一又は類似の構成部分には同一の符号を付し、両者の相違点のみを以下に説明する。具体的に、低圧シェル型二段ロータリ圧縮機１０Ｂでは、第１の圧縮部３２の吐出口１０２が輸送配管２０２を介して第２の圧縮部３４の吸入路７８に接続されており、第１の圧縮部３２から吐出される中間圧冷媒（例えば、ＣＯ２冷媒）が第２の圧縮部３４に供給されるようにしてある。また、密閉容器１２の内部空間１４が別の輸送配管２０４を介して第１の圧縮部３２の吸入路７６に接続されており、密閉容器１２内に貯蔵されている低圧冷媒が第１の圧縮部３２に供給されるようにしてある。さらに、第２の圧縮部３４から吐出される高圧冷媒を輸送する別の輸送配管（主経路）２０６は、ガスクーラ２０８、膨張弁２１０、蒸発器２１２を介して密閉容器１２の内部空間１４に接続されている。この輸送配管２０６は、ガスクーラ２０８と膨張弁２１０の間に、第１及び２の圧縮部３２，３４の背圧室６０，６２の上方に配置された分配器２１４を備えており、分配器２１４が第１の圧縮部３２の背圧室６０及び第２の圧縮部３４の背圧室６２と輸送配管（第１のバイパス）２１６と別の輸送配管（第２のバイパス）２１８を介してそれぞれ接続されており、これら背圧室６０，６２に低温の高圧媒体を供給するようにしてある。また、輸送配管（第１のバイパス）２１６と別の輸送配管（第２のバイパス）２１８に絞り調整弁２２０，２２２がそれぞれ設けてある。

このように構成された低圧シェル型二段ロータリ圧縮機１０Ｂによれば、第１の圧縮部３２は密閉容器１２内に貯蔵されている低圧冷媒を圧縮して中間圧冷媒を生成する。生成された中間圧冷媒は、輸送配管２０２を介して第２の圧縮部３４に供給され、そこで圧縮されて高圧冷媒が生成される。生成された高圧冷媒は、輸送配管（主経路）２０６を輸送され、ガスクーラ２０８で凝縮された後、膨張弁２１０で膨張され、低温の低圧冷媒ガスになる。この低温・低圧冷媒ガスは蒸発器２１２に送られ、そこで被冷却媒体から熱を奪った後、再び密閉容器１２の内部に送り戻され、第１の圧縮部３２に供給される。一方、ガスクーラ２０８を通過した低温高圧冷媒は、分配器２１４から輸送配管２１６、２１８に供給され、絞り調整弁２２０，２２２で流量調整された後、第１及び第２の圧縮部３２，３４の背圧室６０，６２にそれぞれ上方から供給される。したがって、背圧室６０，６２に供給された冷媒はベーン５６，５８の背面に作用し、ばね６４，６６の付勢力と共に、ベーン５６，５８をローラ４８，５０に圧接する。その結果、ローラ４８，５０とこれに接するベーン先端部との間には良好なシールが形成される。また、分配器２１４が油分離機能を有するか否かに拘わらず、背圧室６０，６２に供給される冷媒には油が含まれており、この油がベーン側面とこれに対向するベーン溝側壁との隙間に入り、両者の間を潤滑すると共にシールする。当然、油分離機能付き分配器を用いた場合、背圧室６０，６２に供給される油の量が多く、そのために更に良好な潤滑とシールが達成できる。また、ガスクーラで冷却された低温の高圧冷媒が背圧室に供給されるため、ベーン側面とベーン溝側壁との間に高いシール性が確保できる。

なお、本実施の形態については従来例との比較は示さないが、上述した実施の形態１，２と同様に、本実施形態３についても適当な潤滑とシール性が得られる。

また、本発明の二段ロータリ圧縮機で取り扱う冷媒にはＣＯ２冷媒、フロン冷媒などの種々の冷媒を用いることができるが、ＣＯ２冷媒を用いた圧縮機ではガスクーラ（高圧）側が超臨界域で１０ＭＰａ程度に達してベーン背圧とシリンダ内圧の差圧がフロン冷媒を用いたときよりも大きくなるため、本発明の効果がより顕著に表れる。

実施の形態１に係る高圧シェル型二段ロータリ圧縮機の縦断面図。図１に示す圧縮機の圧縮部を模式的に表した横断面図。実施の形態１に係る圧縮機の冷媒輸送回路図。図１に示す圧縮機の変形例１を示す圧縮機の部分断面図。図４（ａ）に示す金網の正面図。図１に示す圧縮機の変形例２を示す圧縮機の部分断面図。実施の形態１に係る圧縮機の変形例４の冷媒輸送回路図。実施の形態１に係る圧縮機の変形例５の冷媒輸送回路図。実施の形態２に係る中間圧シェル型二段ロータリ圧縮機の縦断面図。図８に示す圧縮機の冷媒輸送回路図。実施の形態２に係る圧縮機の変形例の冷媒輸送回路図。実施の形態３に係る中間圧シェル型二段ロータリ圧縮機の縦断面図。図８に示す圧縮機の冷媒輸送回路図。フロン冷媒を用いたロータリ圧縮機（単段ロータリ圧縮機）のp-h線図。ＣＯ２冷媒を用いたロータリ圧縮機（単段ロータリ圧縮機）のp-h線図。中間冷却部の無い二段ロータリ圧縮機のp-h線図。中間冷却部のある二段ロータリ圧縮機のp-h線図。フロン冷媒とCO2冷媒の運転条件比較表（表１（ａ））とＣＯ２二段圧縮機の運転条件比較表（表１（ｂ））を示す図。高圧シェル型CO2二段圧縮機の低段側ベーン背圧室への中間圧導入の比較表を示す図。高圧シェル型CO2二段圧縮機のベーン背圧室への中間圧導入の比較結果表を示す図。中間圧型CO2二段圧縮機のベーン背圧室への中間圧導入の比較表を示す図。

符号の説明

１０：二段ロータリ圧縮機、１２：密閉容器、１４：円筒空間、１６：上部空間、１８：下部空間、２０：電動機、２２：回転圧縮要素、２４：中心軸、２６：ステータ、２８：ロータ、３０：回転軸、３２：第１の圧縮部、３４：第２の圧縮部、３６、３８：シリンダ、４０，４２：円筒空間、４４，４６：偏心部、４８，５０：ローラ、５２，５４：ベーン溝、５６，５８：ベーン、６０，６２：背圧室、６４，６６：ばね、６８，７０：吸入室（低圧室）、７２，７４：圧縮室（高圧室）、７６，７８：吸入路、８０，８２：吐出路、８４，８６：吐出弁、９０：中間仕切板、９２：下部支持部材、９４：上部支持部材、９６：下部カバープレート、９８：上部カバープレート、１００：低段消音室、１２０：冷媒循環回路、１２４：凝縮器、１２６：膨張弁、１２８：蒸発器、１３０：第１の輸送配管、１３２：冷却部（中間冷却部）、１３４：分配器、１３６：分配経路（第２の輸送配管）、１３８：絞り調整弁。

Claims

高圧シェル型密閉容器内に、電動機と、上記電動機によって駆動される第１及び第２の圧縮部を備え、上記第１の圧縮部で圧縮された冷媒を上記第２の圧縮部で圧縮するロータリ圧縮機において、
上記第１及び第２の圧縮部はそれぞれ、シリンダと、上記シリンダ内を偏心回転するローラと、上記ローラに当接して上記シリンダと上記ローラとの間に形成された空間を吸入室と圧縮室に仕切るベーンを備えており、
上記第１の圧縮部は上記ベーンの背後に形成された中間圧の背圧室を備えており、
上記ロータリ圧縮機は、上記第１の圧縮部で圧縮された冷媒とこれに混入した油を上記第２の圧縮部に輸送する輸送経路と、
上記第１の圧縮部で圧縮された冷媒と油の一部を分配して上記第１の圧縮部の背圧室に輸送するための分配器及び分配経路と、
上記第１の圧縮部の背圧室に輸送する冷媒と油を冷却する冷却要素を備え、
上記輸送経路は、上記密閉容器の外部に配置された上記冷却要素を介して、上記第１の圧縮部で圧縮された冷媒とこれに混入した油を上記第２の圧縮部に輸送し、
上記分配器は、上記第１の圧縮部から上記第２の圧縮部に輸送される冷媒の流れに関して上記冷却要素の下流側に配置され、上記冷却要素にて冷却された冷媒と油の一部を上記分配経路を介して上記第１の圧縮部の背圧室に分配する
ことを特徴とするロータリ圧縮機。
上記第１の圧縮部と上記第２の圧縮部の間に中間仕切板が配置され、
上記分配経路は、上記中間仕切板を貫通して、上記第１の圧縮部の背圧室と上記第２の圧縮部の吸入路を繋ぐ上下方向の冷媒ガス輸送路であり、上記冷却要素により冷却された冷媒と油の一部を上記第１の圧縮部の背圧室に上方から供給することを特徴とする請求項１に記載のロータリ圧縮機。
上記分配器は、油分離要素を有し、上記油分離要素は上記冷媒ガス輸送路の上端部に設けられた金網であることを特徴とする請求項２に記載のロータリ圧縮機。