JP6218919B2 - スクロール圧縮機及びこれを用いた冷凍サイクル装置 - Google Patents

スクロール圧縮機及びこれを用いた冷凍サイクル装置 Download PDF

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Description

本発明は、冷凍サイクル回路を循環する冷媒等を圧縮するスクロール圧縮機及びこれを用いた冷凍サイクル装置に関するものである。
従来から、圧縮途中の過程の中間圧部に、たとえば冷媒回路を構成する受液器内の液冷媒をインジェクションして蒸発させて圧縮機の冷却を行うスクロール圧縮機が提案されている(たとえば、特許文献1参照)。特許文献1のスクロール圧縮機において、インジェクションポートが固定スクロールの上面に2つ設けられており、2つのインジェクションポートにそれぞれインジェクション配管が接続されている。インジェクション配管はいわゆるT字管からなっており、インジェクション配管内を流れた冷媒が2分岐して各インジェクションポートに流入するようになっている。
特開平11−159479号公報
特許文献1に示すインジェクション配管は、例えば管の側壁にバーリング加工等で穴を開け、この穴に別の管を挿入してロウ付けした構造を有している。ここで、インジェクション配管には、CO2冷媒、R32冷媒等を含有する混合冷媒のような高圧冷媒の使用時のように高圧の液冷媒が流通する場合、耐圧の観点から銅配管の肉厚を厚くする必要がある。しかしながら、インジェクション配管の肉厚が厚いとバーリング加工等が困難になる。このため、ロウ付け時の嵌り込み深さ(はまり代)が短くなってしまい、過大な応力で接合部分において亀裂が発生する可能性がある。
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、高圧冷媒を使用した場合であっても、インジェクション配管の亀裂等の発生を確実に防止することができるスクロール圧縮機及びこれを用いた冷凍サイクル装置を提供することを目的とするものである。
本発明のスクロール圧縮機は、渦巻き体が設けられ、モータの駆動により揺動運動を行う揺動スクロールと、揺動スクロールの渦巻き体に嵌め込まれる渦巻き体を有し、揺動スクロールと協働して作動ガスを圧縮する圧縮室を形成する固定スクロールとを備えたスクロール圧縮機であって、固定スクロールは、上部から圧縮室に貫通する複数のインジェクションポートを有するものであり、固定スクロールの上部の複数のインジェクションポート上に設けられ、複数のインジェクションポートにCO冷媒、R32冷媒を含有する混合冷媒である作動流体を供給するインジェクション配管ユニットとを備え、インジェクション配管ユニットは、外部から複数のインジェクションポートに供給される作動流体が流れる本配管と、一端が本配管に接続され、他端が複数のインジェクションポートにそれぞれ接続された複数の枝配管と、本配管と複数の枝配管との端部がそれぞれ嵌め込まれて接合された継ぎ手部材とを有し、継ぎ手部材は、円筒形状に形成されており、両端に開口が形成され側壁に穴が形成されたものであり、複数の枝配管は、継ぎ手部材の両端の開口に嵌り込んで接合されており、本配管は、継ぎ手部材の側壁に形成された穴に嵌り込んで接合されており、継ぎ手部材の側壁に形成された穴は、側壁の外周壁と内周壁との間で本配管が嵌め込まれるはまり代として形成された嵌め込み部と、嵌め込み部よりも側壁の内周壁側に位置し嵌め込み部よりも小さい径で形成された貫通部とを有する。
本発明のスクロール圧縮機によれば、本配管と複数の枝配管とが継ぎ手部材に嵌め込まれて接合されていることにより、本配管及び枝配管の肉厚を厚くした場合であっても、本配管及び複数の枝配管の接合時の嵌り込み深さ(はまり代)を確保することができるため、高圧の作動流体が流通した場合であっても、過大な応力で接合部分に亀裂が発生するのを防止することができる。
本発明の実施形態1に係るスクロール圧縮機の断面図である。 図1のスクロール圧縮機における固定スクロールの一例を示す斜視図である。 図1のスクロール圧縮機における固定スクロールの一例を示す断面図である。 図2の固定スクロールに取り付けられたインジェクション配管の一例を示す斜視図である。 図4のインジェクション配管における継ぎ手部材の断面を示す断面図である。 本発明の実施形態2に係るスクロール圧縮機におけるインジェクション配管ユニットを示す斜視図である。 本発明のスクロール圧縮機を用いた空気調和装置の実施形態を示す冷媒回路図である。
実施形態1.
以下、図面を参照しながら本発明のスクロール圧縮機の実施形態について説明する。図1は本発明の実施形態1に係るスクロール圧縮機1の断面図、図2は図1のスクロール圧縮機における固定スクロールの一例を示す斜視図、図3は図1のスクロール圧縮機における固定スクロールの一例を示す断面図であり、図1から図3を参照してスクロール圧縮機1について説明する。図1から図3のスクロール圧縮機1は、例えばガス冷媒等の作動流体をスクロール状の圧縮室10Aにおいて圧縮して吐出するものであって、シェル2、主軸3、モータ4、流体圧縮部10を備えている。
シェル(密閉容器)2は、密閉空間を有する円筒形状に形成されたものであって耐圧性を有している。シェル2の側面には作動ガスをシェル2内に取り込むための吸入配管2Aが接続されており、上面には圧縮した作動ガスをシェル2から吐き出す吐出配管2Bが接続されている。シェル2の上部側及び下部側にはそれぞれフレーム2D、2Eが固定されており、シェル2の底部には潤滑油を貯留する油溜め2Cが形成されている。
主軸3は、シェル2内にフレーム2D、2Eにベアリング等により回転可能に支持されている。主軸3の上端には偏心軸部が主軸3に対し偏心した状態で取付けられており、偏心軸部には揺動スクロール11が公転運動可能に設けられている。また、主軸3の下端には図示しない油ポンプが取付けられており、油ポンプは、主軸3の内部に設けた通路を介してシェル2の下部に貯蔵された油を偏心軸部の上部から揺動軸受11Aに供給する。
モータ4は、主軸3を回転駆動させるものであり、ロータ4A及びステータ4Bを有している。ステータ4Bはシェル2に固定されており、ロータ4Aは主軸3に固定されている。そして、インバータ回路等から電力が供給された際、主軸3及びロータ4Aがステータ4Bに対し回転する。
流体圧縮部10は、吸入配管2Aから吸入されるガス冷媒等の作動流体を圧縮するものであり、揺動スクロール11及び固定スクロール12を備えている。揺動スクロール11の上面及び固定スクロール12の下面にはそれぞれ渦巻き体が形成されており、揺動スクロール11及び固定スクロール12の渦巻き体は向き合うように配置されている。そして、固定スクロール12の渦巻き体および揺動スクロール11の渦巻き体との間に圧縮室10Aが形成される。
揺動スクロール11は、シェル2の内部に設置されたフレーム2Dに公転運動を行うように支持されており、揺動スクロール11の下面には揺動軸受11Aが設けられている。なお、フレーム2Dと揺動スクロール11との間には、揺動スクロール11の自転を防止しながら揺動運動を与えるために、フレーム2Dに揺動自在に支持されたオルダムリング(図示せず)が設けられている。
固定スクロール12は、揺動スクロール11の上部に配置されたものであってフレーム2Dに固定されている。固定スクロール12の中心には作動流体を吐出するための吐出口12Aが形成されており、吐出口12A上には圧縮された作動ガスの逆流を防止するリード弁13が配置されている。このリード弁13は弁押さえ14により可動範囲を規制されており、リード弁13及び弁押さえ14はそれらを弁ボルト15により固定スクロール12の上面に固定されている。そして、揺動スクロール11の渦巻体と固定スクロール12の渦巻体とが互いに噛み合わされることで相対的に容積が変化する圧縮室10Aが複数形成される。
また、固定スクロール12の上部には弁カバー20がネジ23により取り付けられている。弁カバー20には吐出配管2Bが挿入される挿入穴21が形成されており、吐出口12Aから吐出された作動流体が挿入穴21に挿入された吐出配管2Bから外部に排出されるようになっている。
次に、図1を参照してスクロール圧縮機1の動作について説明する。モータ4に通電されると主軸3が回転し、主軸3の先端部の揺動スクロール11が公転運動を行う。すると、揺動スクロール11の旋回運動とともに圧縮室10Aが中心に向かって容積を減少させながら移動し、冷媒が圧縮される。その後、シェル2内に吸入された流体が、流体圧縮部10において圧縮された後、固定スクロール12の吐出口12Aを通り、リード弁13及び弁カバー20を介して吐出配管2Bからシェル2の外部に排出される。
ここで、スクロール圧縮機1は、圧縮室10A内の冷媒の容量を増やし、かつ圧縮室10A内の冷却を行うために、圧縮室10A内より高い圧力の液冷媒を圧縮室10Aに流入させるインジェクションが可能な構造を有している。具体的には、図2に示すように、固定スクロール12には圧縮室10Aに液冷媒を流入する複数のインジェクションポート12Bが設けられており、インジェクションポート12Bから固定スクロール12の圧縮過程の中間部に液冷媒が流入するようになっている。なお、図2において、インジェクションポート12Bが2つ設けられている場合について例示しているが、2つ以上設けられていてもよい。インジェクションポート12Bは、固定スクロール12の上面から渦巻き体の形成面まで貫通した貫通孔からなっており、インジェクションポート12B上には、インジェクションポート12Bに作動流体(液冷媒)を供給するためのインジェクション配管ユニット30が配置されている。
図4はインジェクション配管ユニット30の一例を示す斜視図である。図4のインジェクション配管ユニット30は、本配管31、枝配管32A、32B、継ぎ手部材33を有している。本配管31と枝配管32A、32Bとは、例えば銅管等からなっており、それぞれ別体の配管から構成されている。本配管31は、外部からインジェクションポート12Bに供給される作動流体が流れるものであり、端部が継ぎ手部材33に接合されている。一方、枝配管32A、32Bは、それぞれ一端が継ぎ手部材33に接合されており、他端には配管カバー34A、34Bが取り付けられている。そして、配管カバー34A、34Bがネジ35によりインジェクションポート12B上にそれぞれ固定されることにより、枝配管32A、32Bが複数のインジェクションポート12Bにそれぞれ接続されることになる。
継ぎ手部材33は、本配管31と複数の枝配管32A、32Bとを接続するものであって、例えば鉄製等の高強度な材料からなっている。継ぎ手部材33には本配管31と複数の枝配管32A、32Bとの端部がそれぞれ嵌め込まれて接合されている。図5は、図4のインジェクション配管ユニット30における継ぎ手部材の断面を示す断面図である。図5に示すように、継ぎ手部材33は、両端に開口33Bを有する円筒形状を有するものであって、側壁33Aに本配管31を取り付けるための穴が設けられている。そして、継ぎ手部材33の開口33Bにそれぞれ枝配管32A、32Bが嵌め込まれて固定され、側壁33Aの穴33Hに本配管31が嵌め込まれて固定されている。
ここで、枝配管32A、32Bは、それぞれ外径がφ1、内径がφ2、肉厚がD1で形成されている。一方、継ぎ手部材33は、外径φ10が枝配管32A、32Bの外径φ1よりも大きく形成されており、内径φ2が枝配管32A、32Bの内径φ2になるように形成されている。また、継ぎ手部材33の肉厚D10は枝配管32A、32Bの肉厚D1よりも厚くなっている。なお、本配管31と枝配管32A、32Bとは、同一の外径及び内径を有する配管からなっていてもよいし、異なる外径及び内径の配管であってもよい。
継ぎ手部材33の開口33B側には、継ぎ手部材33の内径φ2よりも大きく形成され、枝配管32A、32Bが挿入される挿入部33Cが形成されている。そして、複数の枝配管32A、32Bは、継ぎ手部材33の両端の開口33Bの挿入部33Cに挿入され、ロウ付け等により接合されることになる。特に、挿入部33Cは、継ぎ手部材の内径φ2よりも肉厚D1分だけ大きい径を有している。すると、挿入部33Cに枝配管32A、32Bが挿入された際、継ぎ手部材33内において段差が形成されることを防止することができる。よって、継ぎ手部材33内を流れる作動流体が流通した際の流動抵抗を低減することができる。
一方、継ぎ手部材33の側壁33Aには穴33Hが形成されており、本配管31は穴33Hに嵌り込んで接合される。継ぎ手部材33の側壁33Aの穴33Hは、本配管31が嵌め込まれる嵌め込み部33H1と、嵌め込み部33H1よりも小さい径で形成された貫通部33H2とを有している。嵌め込み部33H1は、所定の嵌め込み深さ(はまり代)D2であって、本配管31の外径と同一の径になるように形成されている。そして、本配管31は嵌め込み部33H1に嵌め込まれ、ロウ付け等により接合される。なお、貫通部33H2は本配管31の内径φ2と同一の大きさを有している。これにより、継ぎ手部材33内に段差が形成されることを防止することができ、継ぎ手部材33内を流れる作動流体が流通した際の流動抵抗を低減することができる。
このように、高い圧力の液冷媒を導くインジェクション配管ユニット30において、本配管31と枝配管32A、32Bの直結部に継ぎ手部材33を追加し、嵌り込み深さ(はまり代)を確保した配管構造にすることで、作用圧力の上昇による過大な応力での配管破損を防止することができる。すなわち、CO2冷媒、R32冷媒等を含有する混合冷媒のような高圧冷媒の使用時、配管の肉厚をアップさせる必要がある。従来のように、1本の枝配管の両端がインジェクションポートに接続し、この枝配管の側壁にバーリング加工等により穴を開けて本配管が接合する構造を採用した場合、バーリング加工等が困難になるため、ロウ付け時の嵌め込み深さ(はまり代)が短い結果となり、過大な応力で亀裂が発生する可能性がある。一方、図1から図5に示すインジェクション配管ユニット30においては、本配管31と枝配管32A、32Bとの直結部に継ぎ手部材33を追加し、嵌め込み深さ(はまり代)を確保した配管形状にすることにより、作用圧力の上昇による過大な応力での配管の破損等を確実に防止することができる。
さらに、継ぎ手部材33が鉄製等の高強度部材にすることで、継ぎ手部材33の大きさをコンパクトにし、省スペース化を可能にし、弁カバー20等によるスペースの少ない固定スクロール12の背面にインジェクション配管ユニット30を設置することができる。
また、継ぎ手部材33が、両端に開口33Bが形成された円筒形状を有し、側壁33Aに穴33Hが形成されたものであり、複数の枝配管32A、32Bが、継ぎ手部材33の両端の開口33Bに嵌り込んで接合されており、本配管31は、継ぎ手部材33の側壁33Aの穴33Hに嵌り込んで接合されているとき、複数の枝配管32A、32Bの嵌め込み深さ(はまり代)を確実に確保して配管の破損等を確実に防止することができる。また、継ぎ手部材33の軸方向及び周方向の配管形状または配管径の自由度をあげ、弁カバー20等によるスペースの少ない固定スクロール12の背面にインジェクション配管ユニット30を設置することができる。
さらに、継ぎ手部材33の側壁33Aの穴33Hは、本配管31が嵌め込まれる嵌め込み部33H1と、嵌め込み部33H1よりも小さい径で形成された貫通部33H2とを有するものであれば、本配管31の嵌め込み深さ(はまり代)を確実に確保して配管の破損等を確実に防止することができる。
実施形態2.
図6は、本発明の実施形態2に係るスクロール圧縮機におけるインジェクション配管ユニットを示す斜視図であり、図6を参照してインジェクション配管ユニット130について説明する。なお、図6のインジェクション配管ユニット130において、図4のインジェクション配管ユニット30と同一の構成を有する部位には、同一の符号を付してその説明を省略する。図6のインジェクション配管ユニット130が、図4のインジェクション配管ユニット30と異なる点は、継ぎ手部材133の構造である。
図6の継ぎ手部材133は、一方に開口33Bが形成され他方が閉塞している円筒形状を有しており、側壁33Aに複数の穴33Hが形成されている。そして、本配管31は、継ぎ手部材133の開口33Bに嵌り込んで接合されており、複数の枝配管32A、32Bは、継ぎ手部材133の複数の穴33Hにそれぞれ嵌り込んで接合されている。なお、図6の継ぎ手部材133と本配管31との接合構造は、図5の継ぎ手部材33と枝配管32A、32Bの接合構造と同一であり、図6の継ぎ手部材133と枝配管32A、32Bとの接合構造は、図5の継ぎ手部材33と本配管31の接合構造と同一である。
このような場合であっても、実施形態1と同様、高い圧力の液冷媒を導くインジェクション配管ユニット30において、本配管31と枝配管32A、32Bの直結部に継ぎ手部材133を追加し、嵌め込み深さ(はまり代)を確保した配管形状とすることで、作用圧力の上昇による過大な応力での配管破損を防止することができる。
実施形態3.
図7は、本発明のスクロール圧縮機を用いた空気調和装置の実施形態を示す冷媒回路図であり、図7を参照して冷凍サイクル装置200について説明する。冷凍サイクル装置200は、スクロール圧縮機1と、凝縮器202と、減圧装置である第1膨張弁203と、蒸発器204とが冷媒配管により接続されたものである。スクロール圧縮機1は、図1から図6に示すように、冷媒を圧縮するものであって、インジェクションポート12Bが設けられた構造を有している。
凝縮器202は、主冷媒回路を流れる冷媒と熱媒体(たとえば空気や水等)とが熱交換することで、冷媒が有している熱を熱媒体に放熱するものである。凝縮器202は、たとえば図示省略の送風機から供給される空気と冷媒との間で熱交換を行なうようになっている。この凝縮器202は、たとえば冷媒を通過させる伝熱管およびその伝熱管を流れる冷媒と空気との間の伝熱面積を大きくするための伝熱フィン(図示せず)を有し、冷媒と空気(外気)との熱交換を行うものである。
第1膨張弁203は、主冷媒回路を流れる冷媒を減圧して膨張させるものであり、開度が可変に制御可能なもの、たとえば電子式膨張弁等で構成するとよい。蒸発器204は、主冷媒回路を流れる冷媒と熱媒体(たとえば空気や水等)とが熱交換することで、熱媒体が有している熱を冷媒に吸熱させるものである。凝縮器202は、たとえば図示省略の送風機から供給される空気と冷媒との間で熱交換を行なうようになっている。この蒸発器204は、たとえば冷媒を通過させる伝熱管及び伝熱管を流れる冷媒と空気との間の伝熱面積を大きくするための伝熱フィン(図示せず)を有し、冷媒と室内空気と間での熱交換を行ない、冷媒を蒸発させてガス化させる。
さらに、冷凍サイクル装置200は、凝縮器202と第1膨張弁203との間に、スクロール圧縮機1にインジェクションを行うためのインジェクション配管205及び冷媒間熱交換器206が接続されている。インジェクション配管205は、凝縮器202と第1膨張弁203との間からスクロール圧縮機1のインジェクション配管ユニット30、130を介してインジェクションポート12B(図1〜図6参照)へインジェクションする冷媒を流通させるものである。冷媒間熱交換器206は、凝縮器202から第1膨張弁203へ流れる冷媒と、インジェクション配管205を流れる冷媒との間で熱交換を行うものである。また、インジェクション配管205には、第2膨張弁207が設けられており、冷媒間熱交換器206に流入する一方の冷媒を減圧するとともに、インジェクション配管205を流れる冷媒流量を調整する。
上記実施形態3の冷凍サイクル装置200の場合であっても、実施形態1、2と同様、CO2冷媒、R32冷媒等を含有する混合冷媒のような高圧冷媒に使用するインジェクション配管ユニット30、130の直結部に継ぎ手部材33、133を追加し、嵌め込み深さ(はまり代)を確保した配管形状とすることにより、作用圧力の上昇による過大な応力での配管破損を防止することができる。
本発明の実施形態は、上記各実施形態に限定されない。たとえば、図7において、インジェクション配管205は冷媒間熱交換器206において熱交換される場合について例示しているが、スクロール圧縮機1のインジェクションポート12Bに冷媒をインジェクションする回路であればこれに限定されず、公知の種々の冷凍サイクル回路を用いることができる。
1 スクロール圧縮機、2 シェル、2A 吸入配管、2B 吐出配管、2C 油溜め、2D、2E フレーム、3 主軸、4 モータ、4A ロータ、4B ステータ、10 流体圧縮部、10A 圧縮室、11 揺動スクロール、11A 揺動軸受、12 固定スクロール、12A 吐出口、12B インジェクションポート、13 リード弁、14 弁押さえ、15 弁ボルト、20 弁カバー、21 挿入穴、23 ネジ、30、130 インジェクション配管ユニット、31 本配管、32A、32B 枝配管、33、133 継ぎ手部材、33A 側壁、33B 開口、33C 挿入部、33H 穴、33H1 嵌め込み部、33H2 貫通部、34A、34B 配管カバー、35 ネジ、200 冷凍サイクル装置、202 凝縮器、203 第1膨張弁、204 蒸発器、205 インジェクション配管、206 冷媒間熱交換器、207 第2膨張弁、D1、D10 肉厚、φ1、φ10 外径φ2 内径。

Claims (6)

  1. 渦巻き体が設けられ、モータの駆動により揺動運動を行う揺動スクロールと、前記揺動スクロールの渦巻き体に嵌め込まれる渦巻き体を有し、前記揺動スクロールと協働して作動ガスを圧縮する圧縮室を形成する固定スクロールとを備えたスクロール圧縮機であって、
    前記固定スクロールは、上部から前記圧縮室に貫通する複数のインジェクションポートを有するものであり、
    前記固定スクロールの上部の前記複数のインジェクションポート上に設けられ、前記複数のインジェクションポートにCO冷媒、R32冷媒を含有する混合冷媒である作動流体を供給するインジェクション配管ユニットと
    を備え、
    前記インジェクション配管ユニットは、
    外部から前記複数のインジェクションポートに供給される作動流体が流れる本配管と、
    一端が前記本配管に接続され、他端が前記複数のインジェクションポートにそれぞれ接続された複数の枝配管と、
    前記本配管と前記複数の枝配管との端部がそれぞれ嵌め込まれて接合された継ぎ手部材と
    を有し、
    前記継ぎ手部材は、円筒形状に形成されており、両端に開口が形成され側壁に穴が形成されたものであり、
    前記複数の枝配管は、前記継ぎ手部材の両端の開口に嵌り込んで接合されており、
    前記本配管は、前記継ぎ手部材の前記側壁に形成された穴に嵌り込んで接合されており、
    前記継ぎ手部材の前記側壁に形成された穴は、前記側壁の外周壁と内周壁との間で前記本配管が嵌め込まれるはまり代として形成された嵌め込み部と、前記嵌め込み部よりも前記側壁の前記内周壁側に位置し前記嵌め込み部よりも小さい径で形成された貫通部とを有するスクロール圧縮機。
  2. 前記継ぎ手部材の内径は、前記枝配管の外径よりも小さく形成されており、
    前記継ぎ手部材の開口には、前記継ぎ手部材の内径よりも大きく形成され前記枝配管を挿入するための挿入部が形成されている請求項1に記載のスクロール圧縮機。
  3. 前記挿入部は、前記継ぎ手部材の内径よりも前記枝配管の肉厚分だけ大きい径を有する請求項2に記載のスクロール圧縮機。
  4. 前記貫通部は、前記本配管の内径と同一の大きさを有する請求項1〜3のいずれか1項に記載のスクロール圧縮機。
  5. 前記継ぎ手部材は、鉄製からなるものである請求項1〜4のいずれか1項に記載のスクロール圧縮機。
  6. 請求項1〜5のいずれか1項に記載のスクロール圧縮機を備えた冷凍サイクル装置。
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