JP5575033B2

JP5575033B2 - ロータリ式圧縮機及びヒートポンプ装置

Info

Publication number: JP5575033B2
Application number: JP2011070328A
Authority: JP
Inventors: 篤義深谷; 谷　　真男
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2011-03-28
Filing date: 2011-03-28
Publication date: 2014-08-20
Anticipated expiration: 2031-03-28
Also published as: JP2012202378A

Description

この発明は、ロータリ式圧縮機及びヒートポンプ装置に関する。

密閉型圧縮機は、その内部に冷凍機油が貯留されている。圧縮機構を駆動させる際、この冷凍機油を圧縮機構に供給することで、圧縮機構の摩耗を防止している。このため、圧縮機構から吐出された冷媒には、冷凍機油が混入してしまう。冷媒と共に冷凍機油が圧縮機の外部へ持ち出されると、圧縮機内の冷凍機油が減少して圧縮機構への冷凍機油の供給が不足し、圧縮機の信頼性が低下してしまう。また、冷媒と共に圧縮機の外部へ持ち出された冷凍機油が熱交換器に付着すると、熱交換器の熱交換能力も低下してしまう。

特に二段圧縮機は、給湯や暖房の負荷が高いヒートポンプ装置に用いられ、高速回転による運転が求められる。そのため、圧縮機内部から吐出される冷媒流速が速く、冷凍機油の外部持ち出しを助長させてしまう。

そこで、従来の圧縮機には、圧縮機構と電動機部とを接続する駆動軸に油分離部材を設け、圧縮機外部へ冷凍機油が流出することを抑制したものがある（例えば特許文献１や特許文献２など）。

特許文献１に記載のものは、吐出口を上部に持つ冷媒コンプレッサ内の回転子上部に２枚の円盤を有する油分離装置を備えたエアチラー装置が提案されている。

しかし、密閉容器上方に漂う冷凍機油を含む冷媒に対し、上部の油分離板のような略円板形状では、攪拌、油分離効果が十分得られないことがあった。

特許文献２に記載のものは、油分離板が回転子上部と固定子上部との、複数箇所に設けられ、回転子上部の油分離板の半径Ｒ１、回転子の半径Ｌ３、回転子中心から回転子に設けられているガス用貫通孔までの距離Ｌ２とした場合、Ｌ３≧Ｒ１≧Ｌ２の関係にすることを述べている。

また、固定子上部に設けられた油分離板の半径Ｒ４、固定子の内周半径Ｒ５とした場合、Ｒ４≧Ｒ５の関係にすることを述べている。

しかしながら、Ｌ３≧Ｒ１≧Ｌ２、Ｒ４≧Ｒ５といった範囲規定では、油分離効果が十分得られる範囲と得られない範囲が混在してしまう可能性があった。

特開２００５−１６１９２８公報特開２００９−２２８６６８公報

従来の圧縮機に用いられている油分離部材は、いずれも遠心分離効果のみによって冷媒と冷凍機油とを分離している。したがって、例えば流量の大きな圧縮機や容量の大きな圧縮機に従来の油分離部材を採用した場合等、十分な油分離効果が得られないという課題があった。

本発明は、従来よりも油分離効果が高いロータリ式圧縮機を得ることを目的とする。

この発明のロータリ式圧縮機は、
冷媒を圧縮して吐出するロータリ式圧縮機において、
密封容器と、
前記密閉容器の内部に端部が配置され、前記端部に圧縮された冷媒を吐出する吐出口を有する吐出管と、
前記密閉容器の内部に配置され、前記冷媒を圧縮する圧縮機構部と、
前記密閉容器の内部に配置され、前記吐出管の前記吐出口へ入流する冷媒の流入方向に長手方向を略同じくして前記吐出口の付近から冷媒の前記流入方向と逆の方向に延びる駆動軸であって、回転することによって前記圧縮機構部を駆動する駆動軸と、
前記密閉容器の内部に配置されると共に、前記駆動軸の長手方向において前記圧縮機構部よりも前記吐出管の前記吐出口側に配置されるモータ部であって、固定子と、前記駆動軸の長手方向を中心軸方向とする略円筒形状をなし、略円筒形状の前記吐出口側の上面から前記駆動軸が突き出した状態で前記吐出口側の前記駆動軸に固定的に設置され、前記固定子と電気的に相互作用して前記駆動軸と一体に回転する回転子とを有するモータ部と、
前記吐出管の前記吐出口と、略円筒形状の前記回転子の前記吐出口側の上面との間で、前記回転子の前記上面に対向すると共に前記駆動軸が貫通する状態で前記駆動軸に固定的に取り付けられた板状体である第１の油分離板と
を備え、
前記回転子は、
前記吐出口側の前記上面に対して反対側となる底面から前記上面へと前記駆動軸の長手方向に沿って貫通すると共に、前記上面側が前記第１の油分離板で覆われる貫通孔が形成されたことを特徴とする。

この発明に係るロータリ縮機は、第１の油分離板と貫通孔の形成された回転子とを備えた。これにより、ロータリ圧縮機の油分離効果を高めることができる。

実施の形態１に係る二段圧縮機１００の平面図。図１におけるＡ−Ａ’断面図。図２における圧縮機構部３及び圧縮機構部３の周囲の拡大図。図１におけるＢ−Ｂ’断面図。図２におけるＣ−Ｃ’断面図。図２におけるＤ−Ｄ’断面図。回転子と第１の油分離版、第２の油分離版設置状態を示す図。第１の油分離版、第２の油分離版の上面、側面図。実施の形態１に係る第２の油分離部材に発生する流速勾配を説明するための明図（平面図）。９０ｒｐｓにおける比Ｈ２／Ｖと、吐油量の関係を示す図。９０ｒｐｓにおける比Ｈ１／Ｖと、吐油量の関係を示す図。評価結果を示す図。インジェクション回路を有するヒートポンプ装置の回路構成の一例を示す図。図１３に示すヒートポンプ装置１０１の冷媒の状態についてのモリエル線図。

実施の形態１．
実施の形態１では、高段圧縮部をバイパスするバイパス口を有する二段圧縮機１００について説明する。

図１は、実施の形態１に係る二段圧縮機１００の平面図である。
図２は、図１におけるＡ−Ａ’断面図である。なお、図２では、中間連結管５１部分についてはａ−ａ’断面を示している。
図３は、図２における圧縮機構部及び圧縮機構部の周囲の拡大図である。
図４は、図１におけるＢ−Ｂ’断面図である。
図５は、図２におけるＣ−Ｃ’断面図である。
図６は、図２におけるＤ−Ｄ’断面図である。

まず、二段圧縮機１００（ロータリ型の二段圧縮機）の構成について説明する。
図４に示すように、二段圧縮機１００は、密閉容器１の内部に、電動要素２（モータ部）と、低段圧縮部１０と高段圧縮部３０との２つの圧縮部を備える圧縮機構部３と、駆動軸４とを備える。また、密閉容器１の上部には、吐出管５が嵌入される。さらに、密閉容器１の下部は、潤滑油貯蔵部６を形成し、潤滑油６ａが封入される。また、二段圧縮機１００は、密閉容器１の外部に、吸入マフラ７を備える。吸入マフラ７は、吸入管８により密閉容器１内の圧縮機構部３の低段圧縮部１０と接続される。

図４に示すように、圧縮機構部３の低段圧縮部１０は、低段シリンダ１１と、低段シリンダ１１の上側を閉塞する低段フレーム１４と、低段シリンダ１１の下側を閉塞する中間仕切板５０とにより低段圧縮室１５を形成する。低段圧縮室１５内には、低段ローリングピストン１２が設けられる。また、低段圧縮室１５の低段吸入口２１には、吸入管８が接続されている。同様に、高段圧縮部３０は、高段シリンダ３１と、高段シリンダ３１の下側を閉塞する高段フレーム３４と、高段シリンダ３１の上側を閉塞する中間仕切板５０とにより、低段圧縮室１５よりも容積の小さい高段圧縮室３５を形成する。高段圧縮室３５内には、高段ローリングピストン３２が設けられる。つまり、二段圧縮機１００は、ロータリ型の二段圧縮機である。

また、圧縮機構部３は、低段フレーム１４との間に低段吐出空間２０を形成する低段カバー１９（低段吐出部）と、高段フレーム３４との間に高段吐出空間４０を形成する高段カバー３９（高段吐出部）とを備える。また、低段カバー１９の中間流出口２２と高段シリンダ３１の高段吸入口４１とを接続する中間連結管５１が設けられ、低段吐出空間２０と高段圧縮室３５とが連通している。

また、高段フレーム３４と、高段シリンダ３１と、中間仕切板５０と、低段シリンダ１１と、低段フレーム１４と、低段カバー１９とを貫通し、高段吐出空間４０と吐出圧空間５３とを連通する吐出流路５２が設けられている。

さらに、図４に示すように、低段カバー１９には、インジェクタ６０が設けられる。インジェクタ６０には、インジェクションパイプ６１が接続される。

図７の（ａ）は、二段圧縮機１００のＡ−Ａ’縦断面（図２）に相当する図である。「相当する」としたのは、理解容易のため、例えば図２に対して、固定子２ａ，コイル２ｃ等を除き、本実施の形態１に関する主要部（回転子２ｂ、第１の油分離板８０、第２の油分離板９０、吐出管５、吐出口５ａ、密閉容器１等）を示したからである。また、図７の（ｂ）は図７の（ａ）におけるＥ−Ｅ’断面である。電動要素２は、図４に示すように、固定子２ａ及び回転子２ｂを備えている。図７の（ｂ）に示すように、回転子２ｂは、積層された鋼鈑からなるコア２ｂ−２と、複数の永久磁石２ｂ−５を複数の固定用リベット２ｂ−３にて一体にかしめて形成されている。回転子２ｂには、図７の（ａ）に示すように、第１のガス流路として総断面積Ａ１なる複数の貫通孔２ｂ−１が設けられている。固定子２ａは中空円筒形状をしており、その外周部が密閉容器１の内壁に例えば圧入されている。この固定子２ａは、例えば電磁鋼板等の鋼板を複数枚積層させることにより構成されている。また、固定子２ａには、内周部の溝にコイル２ｃが例えば分布巻きされている。

また、回転子２ｂの中心には、駆動軸４が圧入されている。圧縮機構部３には、この駆動軸４が回転した際、密閉容器１の下部に貯留された冷凍機油が、駆動軸４に形成された給油経路を介して供給されるようになっている。

図７に示すように、回転子２ｂから突出した駆動軸４の先端には、第１の油分離板８０及び第２の油分離板９０が設けられている。
図８は、第１の油分離板８０及び第２の油分離板９０の形状を示す。
（ａ）は第１の油分離板８０の側面図である。
（ｂ）は第１の油分離板８０の下面図である。
（ｃ）は第２の油分離板９０の平面図である。
（ｄ）は第２の油分離板９０の側面図である。
図８の（ａ），（ｂ）に示すように、第１の油分離板８０は、略円板形状をしており、円板部８１より駆動軸４の軸方向に一体に延出して、円板部８１に直角に立設されてなる円筒壁８２を有する中抜き穴８３を有している。円筒壁８２の内径は駆動軸４より小さく形成されており、駆動軸４は円筒壁８２内径に圧入もしくは焼嵌め等により締まり嵌めにて嵌挿される。図７に示すように、第１の油分離板８０は、回転子２ｂの貫通孔２ｂ−１を覆い隠すように、回転子２ｂの上面２ｂ−４から「所定の距離Ｈ１」を隔てて駆動軸４に圧入されている。これは、回転子２ｂの貫通孔２ｂ−１から流出した冷媒を、より確実に第１の油分離板８０に接触させるためである。これにより、回転子２ｂの貫通孔２ｂ−１より流出した冷媒から、より確実に冷凍機油を分離することができる。第１の油分離板８０の略円板の最外径Ｒ（８０）（図８（ｂ））は、回転子２ｂの外径Ｄ（図７（ｂ））の０．８〜１．０倍である。なお後述する第２の油分離板９０の最外径Ｒ（図８（ｃ））も、回転子２ｂの外径Ｄの０．８〜１．０倍である。

図７及び図８の（ｃ）、（ｄ）に示すように、第２の油分離板９０は、円板部９１の外周から吐出口５ａに向かって起立する折曲げ部９４（起立部）と、駆動軸４の軸方向に一体に延出して円板部９１に直角に立設されてなる円筒壁９２を有する中抜き穴９３とを有している。第２の油分離板９０は、第１の油分離板８０と同様に、駆動軸４に圧入もしくは焼嵌め等により締まり嵌めにて嵌挿され、図７の（ａ）のように第１の油分離板８０の上方へ所定の間隔Ｈ３を隔てて設置されている。間隔Ｈ３は、概ね間隔Ｈ１程度である。

また、図８の（ｃ）、（ｄ）に示すように、本実施の形態１の折曲げ部９４は、外周部の四箇所が上方（吐出口５ａ方向を向くように）に折り曲げられて形成されている。この折曲げ部９４は、円板部９１から上面に対し略垂直に折り曲げられ、図８（ｄ）のように側面視すると、四角形状をしている。さらに、図８（ｃ）のように上面視（平面視）すると、円板は多角形状（半径Ｒの円の内接多角形）をしている。また、折曲げ部９４の数は、図８の（ｃ）、（ｄ）では折曲げ部９４を４箇所に設けた場合について述べるが、この限りではない。つまり、円板を平面視した場合（図８（ｃ））、多角形となっていれば、後述のような流速勾配による油分離効果を得ることができる。しかしながら、円板を平面視（図８の（ｃ））において多角形に形成する場合でも、平面視において中心点９５に対して略点対称となる多角形状（例えば、略四角形、略六角形、略八角形等）に円板部９１を形成する。これにより、後述のような流速勾配による油分離効果がより促進される。この中でも、円板部９１を平面視において略四角形（図８（ｃ）の形状）とすることにより、折曲げ部９４の平面視における長さＬを大きくすることができるため、後述のような流速勾配による油分離効果がさらに促進される。

また、折曲げ部９４の高さＨ（９４）は、円板部９１の半径Ｒ（より詳しくは、図８（ｃ）に示したように、折曲げ部９４が設けられていない状態の半径）の３０％〜４０％（０．３Ｒ〜０．４Ｒ）となっている。ここで、折曲げ部９４の高さＨ（９４）は、図８（ｄ）に示すように、折曲げ部９４の吐出口５ａ側となる先端と、円板部９１の下面９７との、駆動軸４の長手方向における距離とする。これは、第２の油分離板９０に、遠心力による油分離効果（遠心分離効果）と後述する流速勾配による油分離効果の双方を効率よく発揮させるためである。つまり、折曲げ部９４の高さＨ（９４）が円板部９１の半径Ｒの４０％よりも大きくなると、折曲げ部９４にかかる遠心力によって電動要素２への入力が過大になってしまう。電動要素２への入力が過大とならないように回転数を減少させると、遠心力による油分離効果が減少してしまう。一方、折曲げ部９４の高さＨ（９４）が円板部９１のＲ半径Ｒ３０％よりも小さくなると、折曲げ部９４近傍で発生する流速勾配（図９で後述する）が小さくなる。このため、流速勾配による油分離効果が減少してしまう。このように、折曲げ部９４の高さＨ（９４）は、０．３Ｒ〜０．４Ｒが好ましい。

（距離Ｈ１）
図７（ａ）に示す「第１の油分離板８０の下面８４と回転子２ｂの上面２ｂ−４との間の距離Ｈ１（ｍｍ」と、この二段圧縮機１００の押しのけ量Ｖ（ｃｃ）との比Ｈ１／Ｖは、０．２〜０．６の範囲とする。なおＳＩ単位で示せば、距離Ｈ１（１０^−３ｍ）、押しのけ量Ｖ（１０^−６ｍ）なるので、比Ｈ１／Ｖは、２００〜６００の範囲である。第１の油分離板８０の設置位置について発明者らが鋭意検討した結果、上記位置（距離Ｈ１）に第１の油分離板８０を設置した場合、回転子２ｂの貫通孔２ｂ−１から流出した冷媒の流れ方向を変化させる効果が大きかったためである。この効果については後述する。これにより、回転子２ｂの貫通孔２ｂ−１から流出した冷媒は、拡散する前に第１の油分離板８０に到達する。

（距離Ｈ２）
また、図７（ａ）に示す「第２の油分離板９０の折曲げ部９４の吐出口５ａ側の端部と吐出口５ａの端面との距離Ｈ２」と、二段圧縮機１００の押しのけ量Ｖ（ｃｃ）との比Ｈ２／Ｖは、０．１４〜０．３５の範囲とする。なおＳＩ単位で示せば、距離Ｈ１（１０^−３ｍ）、押しのけ量Ｖ（１０^−６ｍ）となるので、比Ｈ１／Ｖは、１４０〜３５０の範囲である。第２の油分離板９０の設置位置（距離Ｈ２）について発明者らが鋭意検討した結果、油分離効果が最大値を示したためである。この効果については後述する。

第２の油分離板９０については、第２の油分離板９０の折曲げ部９４の上端と吐出管５の冷媒吸入口である吐出口５ａとの距離Ｈ２を円板部９１の半径Ｒ以下とし、吐出管５と第２の油分離板９０とが接触しない範囲に設ける。一方、第２の油分離板９０の折曲げ部９４の上端部と吐出管５の吐出口５ａとの距離Ｈ２が円板部９１の半径Ｒよりも大きくなってしまうと、第２の油分離板９０の油分離効果が低下し、冷媒と冷凍機油との分離が不十分となる。第２の油分離板９０の折曲げ部９４の上端部と吐出管５の吐出口５ａとの距離Ｈ２を円板部９１の半径Ｒ以下にすることで、吐出管５の吐出口５ａを、後述の流速勾配の及ぶ範囲に配置することができる。

次に、二段圧縮機１００の動作について説明する。電力が供給されると、電動要素２が動作する。電動要素２と圧縮機構部３とは、駆動軸４により接続されており、電動要素２で発生した動力が駆動軸４を介して圧縮機構部３へ伝達される。そして、駆動軸４により、低段ローリングピストン１２と高段ローリングピストン３２とがそれぞれ低段圧縮室１５と高段圧縮室３５との内部で偏芯回転する。低段ローリングピストン１２と高段ローリングピストン３２とが偏芯回転することにより、低段圧縮部１０と高段圧縮部３０とで冷媒が圧縮される。

次に、二段圧縮機１００における冷媒の流れを説明する。まず、外部から低圧の冷媒が吸入マフラ７へ流入する。吸入マフラ７へ流入した低圧の冷媒は、吸入管８を介して低段圧縮室１５へ吸入される。低段圧縮室１５へ吸入された低圧の冷媒は、低段圧縮室１５内で中間圧まで圧縮される。冷媒が中間圧まで圧縮されると、低段圧縮室１５内の冷媒と低段吐出空間２０内の冷媒との圧力差により低段吐出弁１７が低段吐出空間２０側へたわんで開き、低段圧縮室１５内の冷媒が低段吐出口１６から低段吐出空間２０へ吐出する。ここで、中間圧は、低段圧縮室１５の吸入室の容積と高段圧縮室３５の吸入室の容積との比から決定される圧力である。低段吐出空間２０へ吐出した中間圧の冷媒は、中間連結管５１を介して高段圧縮室３５へ吸入される。高段圧縮室３５へ吸入された中間圧の冷媒は、高段圧縮室３５内で吐出圧まで圧縮される。冷媒が吐出圧まで圧縮されると、高段圧縮室３５内の冷媒と高段吐出空間４０内の冷媒との圧力差により高段吐出弁３７が高段吐出空間４０側へたわんで開き、高段圧縮室３５内の冷媒が高段吐出口３６から高段吐出空間４０へ吐出する。高段吐出空間４０へ吐出した吐出圧の冷媒は、吐出流路５２を介して低段圧縮部１０の上方の吐出圧空間５３へ吐出される。そして、吐出圧空間５３へ吐出された吐出圧の冷媒は、吐出管５から外部へ吐出される。なお、二段圧縮機１００を備えるヒートポンプ装置においてインジェクション運転がされている場合には、図４に示すインジェクションパイプ６１からインジェクタ６０を介して、インジェクション冷媒が低段吐出空間２０へ注入される。インジェクション冷媒は、低段圧縮室１５から吐出された中間圧の冷媒と低段吐出空間２０で混合され、高段圧縮部３０で圧縮される。

ヒートポンプ装置１０１の負荷が小さい場合等に、低段圧縮部１０による圧縮だけで、吐出圧となってしまう過圧縮状態となる場合がある。つまり、上述した冷媒の中間圧が必要な吐出圧より高い圧力となってしまう場合がある。この場合、低段吐出空間２０の冷媒と、吐出圧空間５３の冷媒との圧力差により、バイパス弁２４が開き、低段吐出空間２０の冷媒がバイパス口２３から吐出圧空間５３へ吐出される。つまり、低段圧縮部１０から低段吐出空間２０へ吐出された冷媒が、高段圧縮部３０で圧縮されることなく、バイパスして吐出圧空間５３へ吐出される。過圧縮状態では、低段圧縮部１０による圧縮だけで吐出圧となっているため、高段圧縮部３０による圧縮は無駄であり、高段圧縮部３０で圧縮を行うと効率が悪化する。しかし、二段圧縮機１００では、過圧縮状態になった場合に、低段圧縮部１０で圧縮した冷媒を高段圧縮部３０をバイパスして吐出させる。そのため、過圧縮状態が発生した場合における損失（過圧縮損失）を抑制できる。

二段圧縮機１００で、第１のガス流路となる貫通孔２ｂ−１の総断面積を総断面積Ａ１とする。また、「回転子２ｂの外周面と固定子２ａの内周面との間に確保されるエアギャップ」と、「固定子２ａにおける巻線収容スロットの開口から固定子２ａの内周面にかけて形成される溝部」とからなる総断面積を、総断面積Ａ２とする。このとき実施の形態１の二段圧縮機１００では、
総断面積Ａ１＞総断面積Ａ２、
が成立する構成とする。
本実施の形態１の密閉電動圧縮機（二段圧縮機１００）は、上記のように構成されており、吸入マフラ７より圧縮機構部３へ送られた低圧の冷媒ガスは、低段、高段の圧縮機構部３にて圧縮され、密閉容器１内に放出される。圧縮機構部３には潤滑油６ａが付着している為、密閉容器１内の吐出ガスには潤滑油６ａが混在している。潤滑油６ａの混在する吐出ガスは、密閉容器１内において回転子２ｂを貫通する第１のガス流路（貫通孔２ｂ−１）と、「回転子２ｂの外周面と固定子２ａの内周面との間に確保されるエアギャップ」と、「固定子２ａにおける巻線収容スロットの開口から固定子２ａの内周面にかけて形成される溝部」とからなる第２のガス流路を通過して、密閉容器１上部の吐出口５ａより、密閉容器１外へと送られる。このとき、吐出ガスの大部分は面積が大きい第１の流路（貫通孔２ｂ−１）を通り、密閉容器１上部の吐出口５ａへと向かう。第１、第２のガス流路以外にも固定子２ａの外周隙間も流路として存在しているが、面積が小さく流路抵抗が大きいため、吐出口５ａへ向かう冷媒ガスは殆ど流れない。特に第１のガス流路すなわち回転子２ｂの上下両端を軸方向に連通する複数の貫通孔２ｂ−１を通過した吐出ガスは、直後にまず保持されている第１の油分離板８０に吹きつけられる。このとき一部の潤滑油６ａは第１の油分離板８０に付着し、第１の油分離板８０の回転に伴って外周方向へ弾き飛ばされることにより、冷媒ガスから分離される。その後冷媒ガスは、第１の油分離板８０には一切の穴がない為に、全て第１の油分離板８０の外周を回り込みつつ吐出口５ａへと向かう。その過程において吐出ガスには第１の油分離板８０の回転に伴い回転運動が与えられ、吐出ガスに残存する潤滑油６ａは比重の差により遠心力で分離される。

このとき、第１の油分離板８０と回転子２ｂの上面２ｂ−４との距離Ｈ１が大きすぎると（つまり冷媒流れを変更する位置が高すぎると）、貫通孔２ｂ−１から流出した冷媒は、第１の油分離板８０へ到達する前に拡散してしまう。このため、吐出管５付近へ機油濃度の高い冷媒が流れ、冷媒回路へ吐出されてしまう。また、第１の油分離板８０と回転子２ｂの上面２ｂ−４との距離Ｈ１が小さすぎると、高回転運転による、高流量の冷媒が油分離板に吹きつけられ、十分に遠心分離することができない。このため、吐出管５付近へ機油濃度の高い冷媒が流れ、冷媒回路へ吐出されてしまう。

この点、本実施の形態１に係る二段圧縮機１００の場合、貫通孔２ｂ−１から流出した冷媒は、第１の油分離板８０によって、その流れ方向が外周方向（駆動軸４側から密閉容器１の内壁へ向かう方向）へ変更される。このとき、第１の油分離板８０の遠心分離効果によって、冷媒内に混入した冷凍機油が分離される。そして、この冷媒は、吐出管５の吐出口５ａ（冷媒吸入口）付近に設けられた第２の油分離板９０へ流れ込み、冷媒内に混入した冷凍機油が再度分離される。したがって、本実施の形態１に係る二段圧縮機１００は、従来の二段圧縮機よりも油分離効果が向上する。

図９は、第２の油分離板９０に発生する流速勾配を説明する図（平面図）である。図９を参照して第２の油分離板９０に発生する流速勾配を説明する。本実施の形態１に係る第２の油分離板９０は、流速勾配によっても冷媒に混入した冷凍機油を分離することが可能なので、さらに油分離効果が向上する（図９）。より詳しくは、略直線的に折り曲げられた折曲げ部９４は、折曲げ部９４内の各位置において、回転中心（中心点９５）からの距離が異なる。このため、折曲げ部９４の両端部は半径が長いので周速度が大きくなり、折曲げ部９４の中心部は半径が短いので周速度が小さくなる。この周速度の違いによって、図９に示すように、折曲げ部９４の回転方向前方側の端部には外側に負圧が発生し、折曲げ部９４の回転方向後方側の端部には内側に負圧が発生する。これにより、折曲げ部９４の外側では回転方向と同じ方向に流れが発生し、折曲げ部９４の内側では回転方向と逆方向に流れが発生する。したがって、第２の油分離板９０は、この流れ方向の違い（流速勾配）によっても冷媒に混入した冷凍機油を分離することが可能なので、さらに油分離効果が向上する。

以上、このように構成された二段圧縮機１００においては、第２の油分離板９０が回転した際、折曲げ部９４近傍において流速勾配が生じる。したがって、第２の油分離板９０は、遠心分離効果に加え、この流速勾配によっても冷凍機油と冷媒とを分離することが可能となる。なお、この効果は、第２の油分離板９０が設けられた場合に限るものではない。つまり、第２の油分離板９０を設けなくとも、本実施の形態１に係る二段圧縮機１００は、従来の圧縮機よりも油分離効果が向上する。第１の油分離板８０は、遠心分離効果に加え、この流速勾配によっても冷凍機油と冷媒とを分離することが可能だからである。

また、前述のように、円板部９１の形状を平面視において略四角形とすることにより、流速勾配による油分離効果がさらに促進される。

また、第１の油分離板８０と、折曲げ部９４を有する第２の油分離板９０とを設け、そして、これら折曲げ部９４及び油分離板の高さ（即ち距離Ｈ１、Ｈ２）を設定することにより、高い油分離効果を得ることができる。

（距離Ｈ２の効果）
図１０は、折曲げ部９４と前記吐出口５ａとの距離Ｈ２［ｍｍ］と、二段圧縮機１００の押しのけ量Ｖ［ｃｃ］の比Ｈ２／Ｖと圧縮機外へ吐出された吐油量の関係である。
図１１は、回転子２ｂの上面２ｂ−４と第１の油分離板８０との距離Ｈ１［ｍｍ］と、二段圧縮機１００の押しのけ量Ｖ［ｃｃ］との比Ｈ１／Ｖと、圧縮機外へ吐出された吐油量の関係である。
図１０、図１１は、二段圧縮機１００の回転数を９０ｒｐｓとした場合を示す。
図１２は、評価を繰り返したときの評価結果を示す。

（距離Ｈ２の効果）
図１２に示すように、吐油量が小さくなるのは、比Ｈ２／Ｖが０．１４より大きく０．３５以下であった。また、より吐油量が小さくなるのは、比Ｈ２／Ｖが０．１５より大きく０．３３以下であった。さらに、より吐油量が小さくなるのは、比Ｈ２／Ｖが０．１８より大きく０．２５以下であった。特に吐油量が小さくなるのは、比Ｈ２／Ｖが０．２０９が最適値であった。なお、上記に比Ｈ２／Ｖの説明については、距離Ｈ２の単位には［ｍｍ］を使用し、押しのけ量Ｖの単位には［ｃｃ］を用いている。ＳＩ単位系を用いた場合、すなわち、距離Ｈ２の単位に［ｍ］、押しのけ量Ｖの単位に［ｍ^３］を用いたときは、上記のＨ２／Ｖの値は１０００倍になる。すなわち比Ｈ２／Ｖが１４０より大きく３５０以下のときに吐油量が小さくなる。

（距離Ｈ１の効果）また、図１２に示すように、吐油量が小さくなるのは、比Ｈ１／Ｖが０．２より大きく０．６以下であった。また、より吐油量が小さくなるのは、比Ｈ１／Ｖが０．２４より大きく０．５５以下であった。さらに、より吐油量が小さくなるのは、比Ｈ１／Ｖが０．３より大きく０．４５以下であった。特に吐油量が小さくなるのは、比Ｈ１／Ｖが０．３７７が最適値であった。なお、上記に比Ｈ１／Ｖの説明についても比Ｈ２／Ｖの場合と同様である。すなわち、上記の説明では距離Ｈ１の単位には［ｍｍ］を使用し、押しのけ量Ｖの単位には［ｃｃ］を用いている。ＳＩ単位系を用いた場合、すなわち、距離Ｈ１の単位に［ｍ］、押しのけ量Ｖの単位に［ｍ^３］を用いたときは、上記のＨ１／Ｖの値は１０００倍になる。すなわち比Ｈ１／Ｖが２００より大きく６００以下のときに吐油量が小さくなる。

また、折曲げ部９４の高さＨ（９４）は、円板部９１の半径Ｒ（より詳しくは折曲げ部９４が設けられていない状態の半径）の３０％〜４０％となっている。このため、第２の油分離板９０に、遠心力による油分離効果（遠心分離効果）と流速勾配による油分離効果の双方を効率よく発揮させることができる。

次に、二段圧縮機１００（ロータリ型二段圧縮機）を備えるヒートポンプ装置１０１について説明する。
図１３は、インジェクション回路を有するヒートポンプ装置の回路構成の一例を示す図である。
図１４は、図１３に示すヒートポンプ装置１０１の冷媒の状態についてのモリエル線図である。図１４において、横軸は比エンタルピ、縦軸は冷媒圧力を示す。

ヒートポンプ装置１０１は、二段圧縮機１００、熱交換器７１（第２熱交換器）、第１膨張弁７２、レシーバー７８、第３膨張弁７４、熱交換器７６（第１熱交換器）を配管により順次接続した主冷媒回路を備える。また、ヒートポンプ装置１０１は、レシーバー７８と第３膨張弁７４との間から、二段圧縮機１００のインジェクションパイプ６１までを配管により接続し、配管の途中に第２膨張弁７５を備えるインジェクション回路を備える。また、ヒートポンプ装置１０１は、主冷媒回路における冷媒とインジェクション回路における冷媒とを熱交換させる内部熱交換器７３を備える。さらに、ヒートポンプ装置１０１は、冷媒の流れる向きを変更する四方弁７７を備える。

まず、ヒートポンプ装置１０１の暖房運転時の動作について説明する。暖房運転時には、四方弁７７は実線方向に設定される。なお、この暖房運転とは、空調で使われる暖房だけでなく、水に熱を与えて温水を作る給湯も含む。二段圧縮機１００で高温高圧となった気相冷媒（図１４の点１）は、二段圧縮機１００の吐出管５から吐出され、凝縮器であり放熱器となる熱交換器７１で熱交換されて液化する（図１４点２）。このとき、冷媒から放熱された熱により空気や水などが温められ、暖房や給湯がされる。熱交換器７１で液化された液相冷媒は、第１膨張弁７２（減圧機構）で減圧され、気液二相状態になる（図１４の点３）。第１膨張弁７２で気液二相状態になった冷媒は、レシーバー７８で二段圧縮機１００へ吸入される冷媒と熱交換され、冷却されて液化される（図１４の点４）。レシーバー７８で液化された液相冷媒は、内部熱交換器７３、第３膨張弁７４側の主冷媒回路と、第２膨張弁７５側のインジェクション回路とに分岐して流れる。主冷媒回路を流れる液相冷媒は、第２膨張弁７５で減圧され気液二相状態となったインジェクション回路を流れる冷媒と内部熱交換器７３で熱交換されて、さらに冷却される（図１４の点５）。内部熱交換器７３で冷却された液相冷媒は、第３膨張弁７４（減圧機構）で減圧されて気液二相状態になる（図１４の点６）。第３膨張弁７４で気液二相状態になった冷媒は、蒸発器となる熱交換器７６で熱交換され、加熱される（図１４の点７）。そして、熱交換器７６で加熱された冷媒は、レシーバー７８でさらに加熱され（図１４の点８）、吸入マフラ７から二段圧縮機１００に吸入される。一方、インジェクション回路を流れる冷媒は、上述したように、第２膨張弁７５（減圧機構）で減圧されて（図１４の点９）、内部熱交換器７３で熱交換される（図１４の点１０）。内部熱交換器７３で熱交換された気液二相状態の冷媒（インジェクション冷媒）は、気液二相状態のまま二段圧縮機１００のインジェクションパイプ６１から低段吐出マフラ９ｂ（前回は低段吐出空間２０：この原稿でも前記では低段吐出空間２０を使用しているので混在）へ流入する。二段圧縮機１００内では、主冷媒回路を流れ吸入マフラ７から吸入された冷媒（図１４の点８）が、低段圧縮部１０で中間圧まで圧縮、加熱される（図１４の点１１）。中間圧まで圧縮、加熱された低段吐出マフラ９ｂ（低段吐出空間２０）へ吐出された冷媒（図１４の点１１）と、インジェクション冷媒（図１４の点８）とが合流して、温度が低下する（図１４の点１２）。そして、温度が低下した冷媒（図１４の点１２）が、さらに高段圧縮部３０で圧縮、加熱され高温高圧となり、吐出流路５２から吐出圧空間５３へ吐出される（図１４の点１）。

なお、インジェクション運転を行わない場合には、第２膨張弁７５の開度を全閉にする。つまり、インジェクション運転を行う場合には、第２膨張弁７５の開度が所定の開度よりも大きくなっているが、インジェクション運転を行わない際には、第２膨張弁７５の開度を所定の開度より小さくする。これにより、二段圧縮機１００のインジェクションパイプ６１へ冷媒が流入しない。つまり、熱交換器７１、第１膨張弁７２、レシーバー７８を通過した冷媒の全てを吸入マフラ７から二段圧縮機１００へ吸入させる。ここで、第２膨張弁７５の開度は、制御部により電子制御により制御される。なお、制御部とは、例えば、マイクロコンピュータ等である。

次に、ヒートポンプ装置１０１の冷房運転時の動作について説明する。冷房運転時には、四方弁７７は破線方向に設定される。二段圧縮機１００で高温高圧となった気相冷媒（図１４の点１）は、二段圧縮機１００の吐出管５から吐出され、凝縮器であり放熱器となる熱交換器７６で熱交換されて液化する（図１４の点２）。熱交換器７６で液化された液相冷媒は、第３膨張弁７４で減圧され、気液二相状態になる（図１４の点３）。第３膨張弁７４で気液二相状態になった冷媒は、内部熱交換器７３で熱交換され、冷却され液化される（図１４の点４）。内部熱交換器７３では、第３膨張弁７４で気液二相状態になった冷媒と、内部熱交換器７３で液化された液相冷媒を第２膨張弁７５で減圧させて気液二相状態になった冷媒（図１４の点９）とを熱交換させている。内部熱交換器７３で熱交換された液相冷媒（図１４の点４）は、レシーバー７８側の主冷媒回路と、内部熱交換器７３側のインジェクション回路とに分岐して流れる。主冷媒回路を流れる液相冷媒は、レシーバー７８で二段圧縮機１００に吸入される冷媒と熱交換されて、さらに冷却される（図１４の点５）。レシーバー７８で冷却された液相冷媒は、第１膨張弁７２で減圧されて気液二相状態になる（図１４の点６）。第１膨張弁７２で気液二相状態になった冷媒は、蒸発器となる熱交換器７１で熱交換され、加熱される（図１４の点７）。このとき、冷媒が吸熱することにより空気や水などが冷やされ、冷房やされたり、冷水や氷を作ったり、冷凍がされる。そして、熱交換器７１で加熱された冷媒は、レシーバー７８でさらに加熱され（図１４の点８）、吸入マフラ７から二段圧縮機１００に吸入される。一方、インジェクション回路を流れる冷媒は、上述したように、第２膨張弁７５で減圧されて（図１４の点９）、内部熱交換器７３で熱交換される（図１４の点１０）。内部熱交換器７３で熱交換された気液二相状態の冷媒（インジェクション冷媒）は、気液二相状態のまま二段圧縮機１００のインジェクションパイプ６１から低段吐出マフラ９ｂ（低段吐出空間２０）へ流入する。二段圧縮機１００内での圧縮動作については、暖房運転時と同様である。

なお、インジェクション運転を行わない際には、暖房運転時と同様に、第２膨張弁７５の開度を全閉にして、二段圧縮機１００のインジェクションパイプ６１へ冷媒が流入しないようにする。

また、熱交換器７１は、上述したとおり、高温高圧となった気相冷媒又は低温低圧となった液相冷媒と水等の液体との熱交換を行う熱交換器であってもよい。また、熱交換器７１は、高温高圧となった気相冷媒又は低温低圧となった液相冷媒と空気等の気体との熱交換を行う熱交換器であってもよい。つまり、図１３で説明したヒートポンプ装置１０１は、空調装置であってもよいし、給湯装置であってもよいし、冷凍装置や冷蔵装置であってもよい。

ここで、インジェクション運転をするのは、負荷の高いときである。負荷とは、熱交換器７１において主冷媒回路を流れる冷媒と熱交換される流体の温度を所定の温度にするのに必要な熱量である必要負荷である。必要負荷は、外気温や圧縮機の回転数等を指標として計ることができる。ここでは、図示されていない必要負荷検出部が、外気温や圧縮機の回転数等を検出して、必要負荷を検出しているものとする。例えば、暖房運転の場合であれば、外気温が所定の温度（例えば、２℃）以下の場合や、圧縮機の回転数が所定の周波数（例えば、６０Ｈｚ）以上の場合に、インジェクション運転する。これにより、低外気温時における暖房能力を高くすることができ、暖房や給湯性能のよいヒートポンプ装置が得られる。インジェクション運転の必要がないこの他のような場合には、暖房運転時であっても、第２膨張弁７５の開度を全閉にして、インジェクション運転を行わない。

二段圧縮機１００は、第１の油分離板８０と第２の油分離板９０とを上記のように設定することにより、油分離効率がよい。したがって、二段圧縮機１００を備えるヒートポンプ装置も効率がよい。

１密閉容器、２電動要素、２ａ固定子、２ｂ回転子、２ｂ−１貫通孔、２ｂ−２コア、２ｂ−３リベット、２ｃコイル、３圧縮機構部、４駆動軸、５吐出管、５ａ吐出口、６潤滑油貯蔵部、６ａ潤滑油、７吸入マフラ、８吸入管、１０低段圧縮部、１１低段シリンダ、１２低段ローリングピストン、１３低段ベーン、１４低段フレーム、１５低段圧縮室、１６低段吐出口、１７低段吐出弁、１８低段弁押え、１９低段カバー、２０低段吐出空間、２１低段吸入口、２２中間流出口、２３バイパス口、２４バイパス弁、２５バイパス弁押え、２６低段背圧室、２７バネ、２８リベット、３０高段圧縮部、３１高段シリンダ、３２高段ローリングピストン、３３高段ベーン、３４高段フレーム、３５高段圧縮室、３６高段吐出口、３７高段吐出弁、３８高段弁押え、３９高段カバー、４０高段吐出空間、４１高段吸入口、４２高段吸入流路、４６高段背圧室、４８リベット、５０中間仕切板、５１中間連結管、５２吐出流路、５３吐出圧空間、５４四方弁、５５圧力導入路、６０インジェクタ、６１インジェクションパイプ、７１熱交換器、７２第１膨張弁、７３内部熱交換器、７４第３膨張弁、７５第２膨張弁、７６熱交換器、７７四方弁、７８レシーバー、８０第１の油分離板、８１円板部、８２円筒壁、８３中抜き穴、８７下面、９０第２の油分離板、９１円板部、９２円筒壁、９３中抜き穴、９４折曲げ部、９５中心点、９７下面、１００二段圧縮機、１０１ヒートポンプ装置。

Claims

冷媒を圧縮して吐出するロータリ式圧縮機において、
密閉容器と、
前記密閉容器の内部に端部が配置され、前記端部に圧縮された冷媒を吐出する吐出口を有する吐出管と、
前記密閉容器の内部に配置され、前記冷媒を圧縮する圧縮機構部と、
前記密閉容器の内部に配置され、前記吐出管の前記吐出口へ入流する冷媒の流入方向に長手方向を略同じくして前記吐出口の付近から冷媒の前記流入方向と逆の方向に延びる駆動軸であって、回転することによって前記圧縮機構部を駆動する駆動軸と、
前記密閉容器の内部に配置されると共に、前記駆動軸の長手方向において前記圧縮機構部よりも前記吐出管の前記吐出口側に配置されるモータ部であって、固定子と、前記駆動軸の長手方向を中心軸方向とする略円筒形状をなし、略円筒形状の前記吐出口側の上面から前記駆動軸が突き出した状態で前記吐出口側の前記駆動軸に固定的に設置され、前記固定子と電気的に相互作用して前記駆動軸と一体に回転する回転子とを有するモータ部と、
前記吐出管の前記吐出口と、略円筒形状の前記回転子の前記吐出口側の上面との間で、前記回転子の前記上面に対向すると共に前記駆動軸が貫通する状態で前記駆動軸に固定的に取り付けられた板状体である第１の油分離板と
を備え、
前記回転子は、
前記吐出口側の前記上面に対して反対側となる底面から前記上面へと前記駆動軸の長手方向に沿って貫通すると共に、前記上面側が前記第１の油分離板で覆われる貫通孔が形成され、
前記ロータリ式圧縮機は、さらに、
前記吐出管の前記吐出口と、前記第１の油分離板との間で、前記第１の油分離板に対向すると共に前記駆動軸が貫通する状態で前記駆動軸に固定的に取り付けられた板状体である第２の油分離板を備え、
前記第２の油分離板は、
前記吐出管の前記吐出口に向いて起立するように周縁に沿って間隔を設けて複数形成された起立部であって、隣接する前記起立部どうしの端部の間は隙間が形成されている複数の起立部を備え、
前記第１の油分離板は、
前記駆動軸の長手方向に対して略直角方向を半径方向とする略円形の円板部を有し、
前記第２の油分離板は、
前記吐出管の前記吐出口側から見ると、前記駆動軸の軸中心を中心とする円に内接する略内接多角形の形状であって前記略内接多角形の各辺に相当する箇所が前記起立部となると共に隣接する前記辺どうしの端部の間に前記隙間が存在する前記略内接多角形の形状をなすことを特徴とするロータリ式圧縮機。
複数の前記起立部は、
四角形状をなすことを特徴とする請求項１記載のロータリ式圧縮機。
前記吐出管の前記吐出口側から見える前記内接多角形は、
略内接四角形であることを特徴とする請求項１または２に記載のロータリ式圧縮機。
前記第１の油分離板は、
前記略円形の円板部の外径が、略円筒形状をなす前記回転子の外径の０．８倍以上、１．０倍以下の範囲にあり、
前記第２の油分離板は、
前記駆動軸の軸中心を中心とする前記円の外径が、略円筒形状をなす前記回転子の外径の０．８倍以上、１．０倍以下の範囲にあることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のロータリ式圧縮機。
前記第１の油分離板の前記円板部の前記回転子側の面と、前記回転子の前記上面との前記駆動軸の長手方向における距離Ｈ１（１０^−３ｍ）に対する、前記圧縮機構部の押しのけ量Ｖ（１０^−６ｍ^３）の比であるＨ１／Ｖが、
２００以上、６００以下の範囲であり、
前記第２の油分離板の前記起立部の前記吐出口側の端部と、前記吐出口との前記駆動軸の長手方向における距離Ｈ２（１０^−３ｍ）に対する、前記押しのけ量Ｖ（１０^−６ｍ^３）の比であるＨ２／Ｖが、
１４０以上、３５０以下の範囲であることを特徴とする請求項４記載のロータリ式圧縮機。
前記第２の油分離板の前記起立部は、
前記第１の油分離板に対向する面から前記吐出口側の端部までの前記駆動軸の長手方向における長さを示す起立部高さが、前記駆動軸の軸中心を中心とする前記円の半径の０．３倍以上、０．４倍以下の範囲であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のロータリ式圧縮機。
請求項１〜６のいずれかに記載のロータリ式圧縮機を備えたことを特徴とするヒートポンプ装置。