JP6541804B2 - スクロール圧縮機およびヒートポンプ装置 - Google Patents

スクロール圧縮機およびヒートポンプ装置 Download PDF

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Description

この発明は、スクロール圧縮機などに関するものである。特にスクロール圧縮機におけるインジェクション構造に係るものである。
従来のスクロール圧縮機は、密閉容器内にスクロール圧縮要素と駆動手段が収納されているものがある。スクロール圧縮要素は、たとえば、鏡板の表面に渦巻き状のラップが立設された固定スクロールと、該固定スクロールと噛み合う鏡板の表面に渦巻き状のラップが立設された揺動スクロールとから構成されている。そして、スクロール圧縮機は、駆動手段により揺動スクロールを、固定スクロールに対して公転させ、揺動スクロールと固定スクロールとで形成される圧縮室となる複数の空間を外側から内側に向かって次第に縮小させることにより圧縮を行う。このような従来のスクロール圧縮機において、圧力を加えるための背圧通路と、インジェクション孔に連通するリキッドインジェクション通路とを形成するとともに、リキッドインジェクション通路に接続される接続管の内部に容積縮小部材が挿設されているものがある(たとえば、特許文献1参照)。
また、たとえば、他のスクロール圧縮機では、インジェクションポートを通じてガスインジェクションが行われるものがある。インジェクションされる冷媒の流路には、逆止弁が設置されている。このようなスクロール圧縮機においては、固定スクロールの鏡板に、背面から圧縮室まで貫通するインジェクションポートが設けられ、固定スクロールの鏡板のインジェクションポートと、インジェクションポートに接続するインジェクションパイプとの接続部に逆止弁室が形成される。この逆止弁室内に逆止弁が設けられる。また、スクロール圧縮機は、固定スクロールの鏡板内に嵌まり込むプラグ部を有している。プラグ部のまわりのフランジ部が、固定スクロールの背面にシール材を介して固定される。ここで、逆止弁は、プラグ部の端面に、この端面に開口するインジェクションパイプからの導入ポートを先端部で閉じるようにあてがって、背部の逆止弁ストッパとともに基部が取付けられたリードバルブである(たとえば、特許文献2参照)。
特許第4651567号公報 特開平11−107949号公報
たとえば、特許文献1に示すようなスクロール圧縮機においては、インジェクション孔を形成するために、固定スクロール鏡板背面の大部分を覆う必要がある。このため、コストを抑制することが難しかった。また、蓋となるカバーを設置するためのスペース確保が困難であった。
また、たとえば、特許文献2に示すようなスクロール圧縮機においては、逆止弁用プラグと逆止弁室設置のためのスペースを確保することが困難であった。さらに、リードバルブを逆止弁に用いる場合は、逆止弁ストッパとリードバルブの基部とをボルトで固定する必要があるため、さらにスペースを確保する必要があった。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、小型化およびコスト抑制をはかることができるスクロール圧縮機などを得ることを目的とする。
この発明に係るスクロール圧縮機は、台板に渦巻き状の固定渦巻歯を有し、揺動スクロールが有する揺動渦巻歯と組み合わさって圧縮室が形成され、圧縮室と連通して外部から流入する冷媒が通過するインジェクション流路を台板の内部に有する固定スクロールと、インジェクション流路内に設置され、圧縮室からインジェクション流路内に冷媒が流れないようにする逆止弁と、インジェクション流路と台板の外面とを連通する加工穴を塞ぎ、逆止弁の弁座となるカバーと、カバーが加工穴から抜ける方向に移動することにより台板外と連通してインジェクション流路内の圧力を逃がす圧力逃がし通路とを備えるものである。
この発明のスクロール圧縮機によれば、インジェクションが行われる場合には、冷媒の流れにより、逆止弁が開放され、圧縮途中の圧縮室内にインジェクション流路を介して冷媒を流入させることができるので、冷媒流量を確保することができる。一方、インジェクションが行われない場合には、逆止弁が閉塞されることで、圧縮途中の冷媒がインジェクション流路に流れず、インジェクション流路内に滞留した冷媒が再び圧縮室内に戻ることで発生する再圧縮損失を軽減することができる。また、固定スクロールの台板が、内部にインジェクション流路を有しているので、インジェクション流路に必要なスペースを小さくすることができる。また、部品点数を少なくするなどすることができるので、小型化およびコスト抑制をはかることができる。
この発明の実施の形態1に係るスクロール圧縮機100の内部構成を示す縦断面図である。 この発明の実施の形態1に係るスクロール圧縮機100におけるインジェクション構造部50について説明する図である。 この発明の実施の形態1に係るスクロール圧縮機100において、第一カバー50jと第二カバー50kとが設置される前のインジェクション構造部50を示す図である。 この発明の実施の形態1に係るスクロール圧縮機100を備えるヒートポンプ装置の構成の一例を示す図である。 この発明の実施の形態1に係るスクロール圧縮機100を備えるヒートポンプ装置において、暖房運転時の冷媒の状態を示すモリエル線図である。 この発明の実施の形態1に係るスクロール圧縮機100を備えるヒートポンプ装置において、冷房運転時の冷媒の状態を示すモリエル線図である。 この発明の実施の形態1に係るスクロール圧縮機100の固定スクロール1に対する揺動スクロール2の相対位置を、吸入完了状態の時点を0度として、90度毎に450度まで示した図である。 この発明の実施の形態1に係るスクロール圧縮機100において、インジェクションが行われているときのインジェクション構造部50付近の冷媒の流れなどを説明する図である。 この発明の実施の形態1に係るスクロール圧縮機100において、インジェクションが行われていないときのインジェクション構造部50付近の冷媒の流れなどを説明する図である。 この発明の実施の形態2に係るスクロール圧縮機100におけるインジェクション構造部50について説明する図である。 この発明の実施の形態4に係るスクロール圧縮機100におけるインジェクション構造部50を説明する図である。 第一カバー50jおよび第二カバー50kが抜け方向に移動した場合を示す図である。 この発明の実施の形態4に係るスクロール圧縮機100におけるインジェクション構造部50の別例を説明する図である。 この発明の実施の形態5に係るスクロール圧縮機100におけるインジェクション構造部50を説明する図である。 この発明の実施の形態5に係るスクロール圧縮機100におけるインジェクション構造部50の別例を説明する図である。
以下、この発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。ここで、図1を含めた、以下の図面において、同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものであり、以下に記載する実施の形態の全文において共通することとする。そして、明細書全文に表わされている構成要素の形態は、あくまでも例示であって、明細書に記載された形態に限定するものではない。特に構成要素の組み合わせは、各実施の形態における組み合わせのみに限定するものではなく、他の実施の形態に記載した構成要素を別の実施の形態に適用することができる。さらに、添字で区別などしている複数の同種の機器などについて、特に区別したり、特定したりする必要がない場合には、添字を省略して記載する場合がある。また、図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。そして、温度、圧力などの高低については、特に絶対的な値との関係で高低などが定まっているものではなく、システム、装置などにおける状態、動作などにおいて相対的に定まるものとする。また、図における上方を「上」とし、下方を「下」として説明する。そして、図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。
実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1に係るスクロール圧縮機100の内部構成を示す縦断面図である。実施の形態1のスクロール圧縮機100は、後述するように、インジェクション機構を有するスクロール圧縮機である。
まず、実施の形態1に係るスクロール圧縮機100の構成について説明する。図1に示すように、実施の形態1のスクロール圧縮機100は、固定スクロール1、揺動スクロール2、コンプライアントフレーム3、ガイドフレーム4、電動機5、サブフレーム6、主軸7、オルダム機構8が密閉容器10内に収納されている。
固定スクロール1の外周部は、ガイドフレーム4に、ボルトによって締結され、固定されている。固定スクロール1の台板部1aの一方面側(図1の下側)には、板状の渦巻歯1b(固定渦巻歯)が形成されている。固定スクロール1の渦巻歯1bと、後述する揺動スクロール2の渦巻歯2b(揺動渦巻歯)とが噛み合うことにより、圧縮室20となる空間が形成される。
台板部1aの一方面側(図1の下側)の外周部には、オルダム案内溝1cがほぼ一直線上に2個形成されている。オルダム案内溝1cにはオルダム機構8の爪8aが往復摺動自在に係合されている。
揺動スクロール2の台板部2aの一方面側(図1の上側)には、固定スクロール1の渦巻歯1bと実質的に同一形状の板状の渦巻歯2bが形成されている。上述したように、固定スクロール1の渦巻歯1bと、揺動スクロール2の渦巻歯2bとが噛み合うことにより、圧縮室20となる空間が形成される。台板部2aの渦巻歯2bと反対の面側(図1の下側)の外周部には、固定スクロール1のオルダム案内溝1cとほぼ90度の位相差を持つオルダム案内溝2eがほぼ一直線上に2個形成されている。オルダム案内溝2eにはオルダム機構8の爪8bが往復摺動自在に係合されている。
台板部2aの渦巻歯2bと反対の面側(図1の下側)の中心部には、中空円筒状のボス部2fが形成されている。そして、ボス部2fの内側が揺動軸受2cとなる。揺動軸受2cには、主軸7の上端の揺動軸部7bが係合されている。
ボス部2fの外径側には、コンプライアントフレーム3のスラスト軸受3aと圧接摺動可能なスラスト面2dとが形成されている。ここで、ボス部2fの外径側において、揺動スクロール2のスラスト面2dとコンプライアントフレーム3との間に形成された空間を、以下、ボス部外径空間2gと呼ぶこととする。
スラスト軸受3aの外径側において、揺動スクロール2の台板部2aとコンプライアントフレーム3との間に形成された空間を台板外径部空間2hと呼ぶ。台板外径部空間2hは、吸入ガス雰囲気圧(吸入圧)の低圧空間となっている。
台板部2aには、固定スクロール1側の面(図1の上側の面)からコンプライアントフレーム3側の面(図1の下側の面)までを貫通する抽気孔2jが設けられる。抽気孔2jは、圧縮室20とスラスト面2d側の空間とを連通することになる。
コンプライアントフレーム3は、外周部に設けられた上下2つの上嵌合円筒面3dおよび下嵌合円筒面3eを、ガイドフレーム4の内周部に設けた上嵌合円筒面4aおよび下嵌合円筒面4bにより、半径方向に支持されている。また、コンプライアントフレーム3の中心部には、電動機5により回転駆動される主軸7を半径方向に支持する主軸受3cが形成されている。ここで、ガイドフレーム4とコンプライアントフレーム3との間に形成され、上下をリング状の上シール材16aおよび下シール材16bで仕切られた空間を、以下、フレーム空間4cと呼ぶこととする。また、実施の形態1では、ガイドフレーム4の内周面に、上シール材16aおよび下シール材16bをそれぞれ収納するリング状のシール溝が2ヶ所に形成されている。しかし、シール溝の形成位置については、たとえば、コンプライアントフレーム3の外周面に形成されていてもよい。
コンプライアントフレーム3には、抽気孔2jの下開口部と対峙する位置に、連通孔3fが形成されている。連通孔3fは、スラスト軸受3a側からフレーム空間4c側までを貫通して、常時または間欠的に抽気孔2jとフレーム空間4cとを連通する。また、コンプライアントフレーム3は、ボス部外径空間2gの圧力を調整する中間圧調整弁3g、弁押さえ3hおよび中間圧調整スプリング3kが収納された調整弁空間3nを有している。中間圧調整スプリング3kは、自然長より縮められた状態で調整弁空間3nに収納されている。ここで、中間圧調整弁3gの外径側における、コンプライアントフレーム3とガイドフレーム4との間の空間を、弁外径空間3pと呼ぶこととする。
ガイドフレーム4の内側面の固定スクロール1側(図1の上側)には、上嵌合円筒面4aが形成されている。上嵌合円筒面4aは、コンプライアントフレーム3の外周面に形成された上嵌合円筒面3dと係合されている。また、ガイドフレーム4の内側面の電動機5側(図1の下側)には、下嵌合円筒面4bが形成されている。下嵌合円筒面4bは、コンプライアントフレーム3の外周面に形成された下嵌合円筒面3eと係合されている。
主軸7の揺動スクロール2側(図1の上側)には、揺動スクロール2の揺動軸受2cと回転自在に係合する揺動軸部7bが形成されている。揺動軸部7bの下側には、コンプライアントフレーム3の主軸受3cと回転自在に係合する主軸部7cが形成されている。
主軸7の揺動スクロール2側とは逆側(図1の下側)には、サブフレーム6の副軸受6aと回転自在に係合する副軸部7dが形成されている。副軸部7dと上述した主軸部7cとの間に電動機5の回転子5aが焼嵌され、その周囲に固定子5bが設けられている。また、主軸7の内部には、軸方向に貫通して設けられた高圧油給油穴7eが設けられている。
図2は、この発明の実施の形態1に係るスクロール圧縮機100におけるインジェクション構造部50について説明する図である。実施の形態1のスクロール圧縮機100は、圧縮室20において圧縮途中の冷媒に、外部から冷媒を流入させてインジェクションを行うことができる圧縮機である。インジェクション構造部50には、インジェクションに係る流路などが形成されている。
固定スクロール1が有する台板部1aのほぼ中心部には、吐出口1dが台板部1aを貫通して設けられている。また、冷媒流入口となるインジェクションパイプ41は、密閉容器10を貫通し、台板部1aの側部において、台板部1a内に形成されているインジェクション第一流路50aと連通している。インジェクション第一流路50aは、外部からインジェクションされる冷媒が流入する最初の流路となる。インジェクション第一流路50aは、台板部1aの側部から流路となる穴が空けられる加工が行われ、形成される。
図3は、この発明の実施の形態1に係るスクロール圧縮機100において、第一カバー50jと第二カバー50kとが設置される前のインジェクション構造部50を示す図である。また、台板部1aは、インジェクション第一流路50aと連通するインジェクション第二流路50bおよび冷媒の流路内に逆止弁50hを収納する逆止弁収納路50fを有している。インジェクション第二流路50bおよび逆止弁収納路50fは、台板部1aの一方面とは反対側の面(図3の上側)から流路となる穴が空けられる加工が行われ、形成される。加工の際、逆止弁収納路50fよりもさらに開口面積が大きい第一加工用穴50dが形成される。
さらに、台板部1aは、逆止弁収納路50fと連通するインジェクション第三流路50cを有している。インジェクション第三流路50cは、台板部1aの側部から流路となる穴が空けられる加工が行われ、形成される。そして、台板部1aは、インジェクション第三流路50cと圧縮室20とを連通するインジェクション連通路50gを有している。インジェクション連通路50gは、台板部1aの一方面側(図1の下側)から穴が空けられ、インジェクション第三流路50cと圧縮室20とが貫通するように形成される。ここで、固定スクロール1の台板部1a内に形成されるインジェクション第一流路50a、インジェクション第二流路50b、逆止弁収納路50f、インジェクション第三流路50cおよびインジェクション連通路50gによる流路をインジェクション流路と呼ぶ。
前述したように、逆止弁50hは、逆止弁収納路50fに設置される。逆止弁50hは、逆止弁収納路50f開閉方向(図2の上下方向)に移動可能である。逆止弁50hは、インジェクション第二流路50b側から逆止弁収納路50fに流入する、外部からインジェクションされる冷媒をインジェクション第三流路50c側に通過させる。インジェクション第三流路50c側から逆止弁収納路50fに流入する冷媒をインジェクション第二流路50b側に通過させずに遮断する。
第一カバー50jは、たとえば弾性を有し、第一加工用穴50dを覆う蓋となり、逆止弁収納路50fと高圧雰囲気である密閉容器10とが連通しないように空間を隔てる。特に実施の形態1のスクロール圧縮機100において、第一カバー50jは、逆止弁50hにおける弁座の着座座面となる。第二カバー50kは、たとえば弾性を有し、インジェクション第三流路50cを形成する際にできる第二加工用穴50eを覆う蓋となり、インジェクション第三流路50cと密閉容器10とが連通しないように空間を隔てる。
次に、実施の形態1におけるスクロール圧縮機100の動作について説明する。外部からの電力供給により、電動機5が駆動し、主軸7が回転する。主軸7が回転することで、主軸7に固定された揺動スクロール2が駆動する。揺動スクロール2は、オルダム機構8によって自転運動せず、公転運動(偏芯旋回運動)して、圧縮室20の容積を徐々に減少させる圧縮動作をする。この圧縮動作により吸入された圧縮室20内の冷媒は高圧となり、固定スクロール1の吐出口1dから密閉容器10内に吐出される。吐出された冷媒は、吐出管12から密閉容器10外に放出される。したがって、密閉容器10内における冷媒雰囲気は高圧となる。
通常運転時において、密閉容器10内が高圧になることで、密閉容器10の底部に溜まった冷凍機油11は、高圧油給油穴7eを揺動スクロール2側(図1の上側)へ向かって流れる。そして、高圧の冷凍機油11は、揺動軸受2cに導かれ、吸入圧より高く吐出圧以下の中間圧Pm1まで減圧され、ボス部外径空間2gへ流れる。
ボス部外径空間2gにおいて中間圧Pm1となった冷凍機油11は、調整弁空間3nを通って弁外径空間3pに流れる。弁外径空間3pへ流れた冷凍機油11は、連通孔3fを通ってオルダム機構環状部8cの内側へ排出される。ここで、冷凍機油11は、調整弁空間3nを通る際、中間圧調整スプリング3kによって付加される力に打ち勝って、中間圧調整弁3gを押し上げて弁外径空間3pに流れる。また、ボス部外径空間2gにおいて中間圧Pm1となった冷凍機油11は、揺動スクロール2のスラスト面2dとコンプライアントフレーム3のスラスト軸受3aの摺動部へ給油され、オルダム機構環状部8cの内側へ排出される。そして、オルダム機構環状部8cの内側に排出された冷凍機油11は、オルダム機構環状部8cの摺動面とオルダム機構8の爪8aおよび爪8bの摺動面とに給油される。
ここで、ボス部外径空間2gにおける中間圧Pm1は、中間圧調整スプリング3kのばね力と中間圧調整弁3gの露出面積とによってほぼ決定される所定の圧力αによって、「Pm1=Ps+α」と表すことができる。ここで、Psは吸入雰囲気圧となる低圧である。
また、抽気孔2jの下開口部は、コンプライアントフレーム3に設けられた連通孔3fのスラスト軸受3a側の開口部と、常時または間欠的に連通する。このため、圧縮室20からの圧縮途中の冷媒ガスが、揺動スクロール2の抽気孔2jおよびコンプライアントフレーム3の連通孔3fを介して、フレーム空間4cに導かれる。この冷媒ガスは、圧縮途中であるため、吸入圧より高く、吐出圧力以下の中間圧Pm2となる。なお、冷媒ガスが導かれるといっても、フレーム空間4cは上シール材16aと下シール材16bとで密閉された閉空間である。したがって、通常運転時には圧縮室20の圧力変動に呼応して圧縮室20とフレーム空間4cとは双方向に微少な流れを有する。
ここで、フレーム空間4cの中間圧Pm2は、連通する圧縮室20の位置でほぼ決定される所定の倍率βによって、「Pm2=Ps×β」と表すことができる。Psは前述したように低圧である。
中間圧Pm1に起因する力と、(B)スラスト軸受3aを介した揺動スクロール2からの押し付け力との合計(A+B)が下向きの力として作用する。一方、コンプライアントフレーム3には、(C)フレーム空間4cの中間圧Pm2に起因する力と、(D)下端面の高圧雰囲気に露出している部分に作用する高圧に起因する力との合計(C+D)が上向きの力として作用する。そして通常運転時には、上向きの力(C+D)が下向きの力(A+B)より大きくなるように設定されている。
通常運転時には、上向きの力(C+D)が下向きの力(A+B)より大きくなるように設定されている。したがって、コンプライアントフレーム3は、固定スクロール1側(図1上側)に浮き上がった状態となる。このため、コンプライアントフレーム3においては、上嵌合円筒面3dが、ガイドフレーム4の上嵌合円筒面4aにガイドされるとともに、下嵌合円筒面3eが、ガイドフレーム4の下嵌合円筒面4bにガイドされて、固定スクロール1側(図1の上側)に浮き上がった状態となる。また、コンプライアントフレーム3は、スラスト軸受3aを介して揺動スクロール2に押し付けられた状態となる。
コンプライアントフレーム3が揺動スクロール2に押し付けられているため、揺動スクロール2も、コンプライアントフレーム3と同様に固定スクロール1側(図1の上側)に浮き上がった状態となる。その結果、揺動スクロール2の渦巻歯2bの歯先と、固定スクロール1の歯底(台板部1a)とが接触するとともに、固定スクロール1の渦巻歯1bの歯先と、揺動スクロール2の歯底(台板部2a)とが接触する。
一方、スクロール圧縮機100の起動時などの過度期、圧縮室20の内圧が異常に上昇したときなどには、上述した(B)のスラスト軸受3aを介しての揺動スクロール2からの押し付け力が大きくなる。このため、下向きの力(A+B)が上向きの力(C+D)より大きくなる。その結果、コンプライアントフレーム3がガイドフレーム4側(図1の下側)へ押し付けられる。そして、揺動スクロール2の渦巻歯2bの歯先と、固定スクロール1の歯底(台板部1a)とが離れるとともに、固定スクロール1の渦巻歯1bの歯先と、揺動スクロール2の歯底(台板部2a)とが離れる。これにより、圧縮室20内の圧力が下がり、圧縮室20内の圧力が過度に上昇することを防ぐことができる。
図4は、この発明の実施の形態1に係るスクロール圧縮機100を備えるヒートポンプ装置の構成の一例を示す図である。実施の形態1のヒートポンプ装置(冷凍サイクル装置)は、たとえば、空気調和装置、給湯装置、冷凍装置、冷蔵装置などに適用することができる。図4におけるヒートポンプ装置は、スクロール圧縮機100、四方弁58、負荷側熱交換器52、第1膨張弁53、内部熱交換器54、第3膨張弁55、熱源側熱交換器57を配管接続して、主となる冷媒回路(主回路)を構成している。
四方弁58は、冷媒回路における配管接続関係について、スクロール圧縮機100の吸入側と吐出側を入れ替えることができ、たとえば暖房運転と冷房運転とにおける冷媒の循環方向を切り替える。ここで、暖房運転とは、室内などを空気調和する暖房のことだけでなく、水を加熱して温水にする給湯に係る運転も含む。冷房運転についても同様である。負荷側熱交換器52は、たとえば、空調対象となる空気などの熱負荷と冷媒との熱交換を行う。たとえば、暖房運転時においては凝縮器として機能し、冷媒を凝縮して液化させる。また、冷房運転時においては蒸発器として機能し、冷媒を蒸発させ、気化させる。絞り装置などの第1膨張弁53は、負荷側熱交換器52を通過する冷媒の流量および圧力を制御する。レシーバ59は、たとえば冷媒回路中の余剰冷媒をためる。
内部熱交換器54は、主となる冷媒回路を流れる冷媒とバイパス流路に流れる冷媒との熱交換を行う。また、第3膨張弁55は、たとえば、暖房運転時において、冷媒を減圧などして熱源側熱交換器57を通過する冷媒の流量および圧力を制御する。熱源側熱交換器57は、たとえば、冷媒と空気(室外の空気)との熱交換を行う。たとえば、暖房運転時においては蒸発器として機能し、冷媒を蒸発させ、気化させる。また、冷房運転時においては凝縮器として機能し、冷媒を凝縮して液化させる。
また、図4のヒートポンプ装置は、バイパス流路を有している。バイパス流路は、主回路を流れる冷媒の一部を通過させ、インジェクションパイプ41を介して圧縮途中の圧縮室20に冷媒を流入させるまたはスクロール圧縮機100の吸入管13側に流す流路である。バイパス流路には、第2膨張弁56が設置されている。第2膨張弁56は、バイパス流路を流れる冷媒量を制御する。実施の形態1における第2膨張弁56は、たとえば、制御装置(図示せず)により、開度を制御される。また、バイパス流路は、インジェクションパイプ41と接続される配管とレシーバ59に流入する冷媒が流れる配管に接続される配管とに分岐している。インジェクションパイプ41と接続される配管には、開閉弁60が設置されている。また、レシーバ59に流入する冷媒が流れる配管に接続される配管には、第4膨張弁61が設置されている。
図5は、この発明の実施の形態1に係るスクロール圧縮機100を備えるヒートポンプ装置において、暖房運転時の冷媒の状態を示すモリエル線図である。図5において、横軸は比エンタルピを表し、縦軸は冷媒圧力を表す。次に、図4に示すヒートポンプ装置の動作について説明する。
まず、暖房運転時において、スクロール圧縮機100にインジェクションを行う場合について説明する。たとえば、ヒートポンプ装置を制御する制御装置(図示せず)は、四方弁58の流路が実線方向となるように設定する。また、制御装置は、開閉弁60は開放し、第4膨張弁61には冷媒が流れないようにする。
スクロール圧縮機100は、吐出管12から高温高圧となった気相冷媒(図5(A))を吐出する。吐出された冷媒は、負荷側熱交換器52において、熱負荷と熱交換されて液化する(図5(B))。このとき、負荷となる空気、水などは、冷媒の放熱により加熱され、暖房、給湯などがなされる。
負荷側熱交換器52で液化された液相の冷媒は、第1膨張弁53で中間圧まで減圧され、気液二相状態の冷媒になる(図5(C))。第1膨張弁53を通過して気液二相状態になった冷媒は、レシーバ59でスクロール圧縮機100に吸入される冷媒と熱交換し、冷却されて液化される(図5(D))。レシーバ59で液化された液相の冷媒は、内部熱交換器54側(主回路側)と、第2膨張弁56側(バイパス流路側)とに分岐して流れる。
主回路を流れる液相の冷媒は、後述するように、内部熱交換器54において、第2膨張弁56で減圧され気液二相状態となったバイパス流路を流れる冷媒と熱交換されて、さらに冷却される(図5(E))。内部熱交換器54で冷却された液相の冷媒は、第3膨張弁55で減圧されて気液二相状態の冷媒になる(図5(F))。第3膨張弁55で気液二相状態になった冷媒は、蒸発器となる熱源側熱交換器57で熱交換され、加熱される(図5(G))。熱源側熱交換器57で加熱された冷媒は、レシーバ59内の冷媒との熱交換によってさらに加熱される(図5(H))。そして、吸入管13からスクロール圧縮機100に吸入される。
一方、バイパス流路を流れる冷媒は、上述したように、第2膨張弁56(減圧機構)で減圧され、気液二相状態の冷媒となって(図5(I))、内部熱交換器54に流入する。内部熱交換器54に流入した冷媒は、熱交換によって加熱される。ここで、内部熱交換器54を通過した冷媒は、加熱されるが気液二相状態のままである(図5(J))。気液二相状態の冷媒は、バイパス流路を通過し、スクロール圧縮機100のインジェクションパイプ41から固定スクロール1内のインジェクション連通路50gなどを介して圧縮室20へ流入する。
スクロール圧縮機100内での圧縮動作の詳細については後述するが、スクロール圧縮機100内では、主回路を流れて吸入管13から吸入された冷媒(図5(H))が、中間圧まで圧縮および加熱される(図5(K))。圧縮室20においては、中間圧まで圧縮および加熱された冷媒(図5(K))と、バイパス流路を介して流入した冷媒(図5(H))とが合流して、温度が低下する(図5(L))。そして、温度が低下した冷媒(図5(L))が、さらに圧縮および加熱されて高温高圧となった冷媒を、スクロール圧縮機100が吐出する(図5(A))。
たとえば、外気の温度が所定の温度(たとえば、2℃)以下の場合、スクロール圧縮機100が所定の周波数(たとえば、60Hz)以上で回転している場合などにおいて、スクロール圧縮機100にインジェクションを行うことにより暖房能力を高くすることができる。ここで、インジェクションを行うか否かの基準については、上記した場合に限定するものではない。
一方、スクロール圧縮機100にインジェクションを行う必要がない場合には、制御装置は、第2膨張弁56を所定の開度より小さくし、バイパス流路に冷媒が流れないようにする。また、開閉弁60を閉止する。このため、インジェクションパイプ41などを介して圧縮室20には冷媒が流入しない。そして、負荷側熱交換器52、第1膨張弁53、レシーバ59を通過した冷媒は、すべて吸入管13を介してスクロール圧縮機100に吸入される。
図6は、この発明の実施の形態1に係るスクロール圧縮機100を備えるヒートポンプ装置において、冷房運転時の冷媒の状態を示すモリエル線図である。図6において、横軸は比エンタルピを表し、縦軸は冷媒圧力を表す。次に、冷房運転時におけるヒートポンプ装置の動作について説明する。スクロール圧縮機100へのインジェクションは基本的に行わない。したがって、たとえば、制御装置は、四方弁58の流路が破線方向となるように設定する。また、冷房運転時には、スクロール圧縮機100へのインジェクションは基本的には行われない。したがって、開閉弁60は閉止する。そして、主回路における冷媒の過冷却を行うため、第4膨張弁の開度を調整する。
スクロール圧縮機100は、吐出管12から高温高圧となった気相冷媒(図6(A))を吐出する。吐出された冷媒は、凝縮器となる熱源側熱交換器57において、空気などと熱交換されて液化する(図6(B))。ここで、第3膨張弁55の開度は全開にされている。
内部熱交換器54では、熱源側熱交換器57を通過した液相の冷媒と、第2膨張弁56において減圧されて気液二相状態となった冷媒(図6(I))とが熱交換される。このとき。熱源側熱交換器57で液化された液相の冷媒は、過冷却される(図6(D))。内部熱交換器54を通過した液相の冷媒(図6(D))は、レシーバ59側(主回路側)と、内部熱交換器54側(バイパス流路側)とに分岐して流れる。
主回路を流れる液相の冷媒は、レシーバ59において、スクロール圧縮機100に吸入される冷媒と熱交換し、さらに過冷却される(図6(E))。レシーバ59において冷却された液相の冷媒は、第1膨張弁53において減圧されて気液二相状態の冷媒になる(図6(F))。第1膨張弁53において気液二相状態になった冷媒は、蒸発器となる負荷側熱交換器52において熱負荷と熱交換されて加熱される(図6(G))。このとき、冷媒が吸熱することにより、負荷となる空気、水などが冷やされ、冷房、冷水、製氷、冷凍などがなされる。負荷側熱交換器52で加熱された冷媒は、レシーバ59内の冷媒との熱交換によってさらに加熱される(図6(H))。そして、吸入管13からスクロール圧縮機100に吸入される。
一方、バイパス流路を流れる冷媒は、上述したように、第2膨張弁56(減圧機構)で減圧され、気液二相状態の冷媒となって(図6(I))、内部熱交換器54に流入する。内部熱交換器54に流入した冷媒は、熱交換によって加熱される(図6(J))。また、第4膨張弁61により減圧されて、気相の冷媒となる(図6(G))。そして、主回路を流れる冷媒と合流してレシーバ59においてさらに加熱され(図6(H))、吸入管13からスクロール圧縮機100に吸入される。
図7は、この発明の実施の形態1に係るスクロール圧縮機100の固定スクロール1に対する揺動スクロール2の相対位置を、吸入完了状態の時点を0度として、90度毎に450度まで示した図である。次に、実施の形態1のスクロール圧縮機100における圧縮動作の一例について説明する。
前述したように、固定スクロール1の渦巻歯1bと揺動スクロール2の渦巻歯2bとが噛み合わさることで、対をなす圧縮室20aおよび圧縮室20bとなる空間が形成される。ここで、圧縮室20aと圧縮室20bとを区別せずに圧縮室20とする。圧縮室20は、主軸7の回転に伴い、揺動スクロール2が回転することにより、徐々に容積が小さくなりながら中央部へ移動する。したがって、圧縮室20に吸入された冷媒は、主軸7の回転に伴い、揺動スクロール2が公転運動することにより、徐々に圧縮されて、圧力を高めながら中央部へ移動することになる。そして、圧縮室20が、中央部に設けられた吐出口1dと連通すると、圧縮室20内の圧縮された冷媒が、吐出口1dから密閉容器10内へ吐出される。
固定スクロール1に対する揺動スクロール2の相対位置が0度であるときは、上述したように、吸入管13から圧縮室20に冷媒が吸入され、冷媒の吸入が完了し、圧縮室20が密閉された状態である。主軸7が、0度(冷媒吸入完了時点)から90度回転すると、圧縮室20の容積が少し小さくなるとともに、圧縮室20が少し中央部寄りに移動する。そして、このとき、圧縮室20とインジェクション連通路50gとが連通する。このため、スクロール圧縮機100にインジェクションが行われているときには、インジェクション連通路50gからインジェクション流路を通過した冷媒が流入する。したがって、吸入管13から圧縮室20へ吸入された吸入冷媒が、吸入された時点の吸入圧(低圧)よりも高く、吐出口1dから吐出される時点の吐出圧(高圧)よりも低い中間圧になる中間圧の雰囲気内にインジェクション流路を通過した冷媒が流入する。
さらに冷媒吸入完了時点から180度、270度、360度と主軸7が回転する。この間、圧縮室20は、インジェクション連通路50gと連通している。このため、インジェクション流路を通過した冷媒が、インジェクション連通路50gを介して流入しつつ、圧縮室20内の冷媒が圧縮されて徐々に中央部寄りに移動する。
主軸7の回転が冷媒吸入完了時点から360度を過ぎると、圧縮室20と、インジェクション連通路50gとの間が連通しなくなる。そして、これ以降、圧縮室20が吐出口1dと連通するまで、圧縮室20へは外部から冷媒が流入しないまま、圧縮室20内の冷媒は圧縮される。そして、主軸7の回転が進み、圧縮室20が吐出口1dと連通すると、圧縮された冷媒が吐出口1dから密閉容器10内へ吐出される。
図8は、この発明の実施の形態1に係るスクロール圧縮機100において、インジェクションが行われているときのインジェクション構造部50付近の冷媒の流れなどを説明する図である。次に、インジェクション構造部50の逆止弁50hの動作について説明する。スクロール圧縮機100へのインジェクションが行われると、気液二相状態の冷媒が、インジェクションパイプ41からスクロール圧縮機100内に流入する。そして、流入した冷媒は、固定スクロール1の台板部1aの内部に形成された、インジェクション第一流路50aからインジェクション第二流路50bへと進む。逆止弁50hの端面に冷媒の流れが作用し、逆止弁50hが開放する方向(図8の上方向)に移動する。第一カバー50jは逆止弁50hに対し、第一加工用穴50d内に適切な平面度・平行度を保つように設置されている。逆止弁50hは、第一カバー50jの端面に当たって移動を停止する。逆止弁50hを通過した冷媒は、逆止弁収納路50f、インジェクション第三流路50cおよびインジェクション連通路50gを通過して圧縮室20に流入する。
図9は、この発明の実施の形態1に係るスクロール圧縮機100において、インジェクションが行われていないときのインジェクション構造部50付近の冷媒の流れなどを説明する図である。スクロール圧縮機100へのインジェクションが行われていないときは、ヒートポンプ装置において第2膨張弁56は所定の開度より小さい開度となる。このため、インジェクションパイプ41からは冷媒が流入しない。
たとえば、スクロール圧縮機100に逆止弁50hを設けていない場合、インジェクション連通路50gが連通した状態における圧縮室20内の圧力は、インジェクション流路における冷媒の圧力より高い。このため、圧縮室20とインジェクション連通路50gとが連通したときに、圧縮室20内の冷媒がインジェクション連通路50gを介してインジェクション流路に流出し、逆流する。この場合、インジェクション連通路50gから第2膨張弁56までのインジェクション流路の容積が圧縮における死容積となり、圧縮効率は大幅に低下する。
実施の形態1のスクロール圧縮機100のように、逆止弁50hが設けられていると、圧縮室20内の圧力が、インジェクション連通路50gから逆止弁収納路50fまで伝わり、逆止弁50hの背面に作用することにより、逆止弁50hは閉塞する方向(図9の下方向)に移動し、逆止弁止まり面1eと密着する。このため、逆止弁50hの動作により、圧縮室20内の圧力がインジェクション第二流路50bから第2膨張弁56までの空間への逆流を防止することができる。このため、圧縮における死容積を縮小することができるので、圧縮効率を大幅に改善することができる。
また、さらに、第一カバー50jは、密閉容器10内の高圧ガス空間とインジェクション構造部50内空間を隔てるように設置されている。そして、第一カバー50jは密閉容器10内の高圧ガス空間とインジェクション構造部50内空間を閉塞する役割と共に、逆止弁50hに対し、第一加工用穴50d内に、適切な平面度および平行度を保つように設置される。このため、第一カバー50jは、逆止弁50hを開放したときの弁座の着座座面となる。したがって、部品点数を削減した簡素な構造とすることができる。
実施の形態2.
図10は、この発明の実施の形態2に係るスクロール圧縮機100におけるインジェクション構造部50について説明する図である。次に、実施の形態2におけるスクロール圧縮機100について説明する。実施の形態2において、実施の形態1と同じ符号を付している機器などについては、実施の形態1で説明したことと同様の動作などを行う。
実施の形態2におけるスクロール圧縮機100は、実施の形態1における逆止弁50hに対して、弾性体となる逆止弁ばね50mを備えるものである。実施の形態2の逆止弁ばね50mは、逆止弁50hに対して、逆止弁50hが流路を閉塞しようとする方向(図10の下方向)に力を加える。また、実施の形態2の第一カバー50jは、ばね収納口50nを備えている。そして、第一カバー50jは、逆止弁ばね50mの一端を、ばね収納口50nに収納し、固定する構造となっている。
次に、実施の形態2におけるスクロール圧縮機100の運転中の逆止弁50hの動作などについて説明する。インジェクションを行わない場合、インジェクション第二流路50b側からの冷媒流入がなく、逆止弁50hには、インジェクション第二流路50b側からの力が加わらない。逆止弁ばね50mが逆止弁50hに加える力により、逆止弁50hを逆止弁止まり面1eに押し当てる。実施の形態2のスクロール圧縮機100のように、逆止弁ばね50mを有し、逆止弁50hに力を加えることで、より確実に、逆止弁50hが流路を閉塞することができる。また、インジェクションを行っている状態からインジェクションを行わない状態に切り替わる場合において、逆止弁50hは、流路が閉塞する方向(図10の下方向)に移動しようとする。このとき、逆止弁ばね50mの力が加わることで、逆止弁50hが速く移動し、流路の閉じ遅れを防止することができる。さらに、インジェクション第三流路50cから逆止弁収納路50fへのインジェクション冷媒が逆流して逆止弁ばね50m側面に作用する。このとき、逆止弁ばね50mは、ばね収納口50nに収納されている。したがって、逆止弁ばね50mの外れを防止することができる。
実施の形態3.
この発明の実施の形態3に係るスクロール圧縮機100は、実施の形態1または実施の形態2の第一カバー50jと第二カバー50kが、圧入されて固定されているものである。実施の形態3に係るスクロール圧縮機100の構成は、実施の形態1または実施の形態2において説明したスクロール圧縮機100と同じである。
第一カバー50jの外径は、第一加工用穴50dの内径に対して、若干大きい寸法となっている。また、第二カバー50kの外径は、第二加工用穴50e内径に対して、若干大きい寸法となっている。第一加工用穴50dに第一カバー50jを挿入すると、圧入によって固定される構造となる。また、第二加工用穴50eに第二カバー50kを挿入した場合も、圧入によって固定される構造となる。
実施の形態3におけるスクロール圧縮機100によれば、第一加工用穴50dに対して第一カバー50jが圧入によって固定され、また、第二加工用穴50eに対して第二カバー50kが圧入によって固定されているため、密閉容器10内とインジェクション構造部50内における流路となる空間とを隔てるために、用いる部品点数を削減することができる。したがって、コストを抑制することができる。
実施の形態4.
図11は、この発明の実施の形態4に係るスクロール圧縮機100におけるインジェクション構造部50を説明する図である。次に、実施の形態4におけるスクロール圧縮機100について説明する。実施の形態4において、実施の形態1などと同じ符号を付している機器などについては、実施の形態1などで説明したことと同様の動作などを行う。
図11において、実施の形態4に係る第一カバー50jおよび第二カバー50kは、圧力逃がし通路50pを有している。圧力逃がし通路50pは、インジェクション構造部50の空間内における圧力の上昇を抑えて、圧力を逃がすために設けられる小さな連通孔である。
次に、実施の形態4におけるスクロール圧縮機100の運転中の動作などについて説明する。通常の運転において、インジェクション構造部50における空間内の圧力が、密閉容器10内よりも高くなることはない。しかし、たとえば、液状の冷媒が圧縮室20内に流入した場合、液圧縮による圧力上昇により、インジェクション構造部50における空間内圧力が、密閉容器10内の圧力よりも高圧となることがある。このとき、第一カバー50jと第二カバー50kとに、抜け方向の力が加わる。ここで、抜け方向とは、第一カバー50jにおいては、図11における上方向となる。また、第二カバー50kにおいては、図11における左方向となる。
たとえば、抜け方向の力が、第一カバー50jが固定されている力よりも大きいと、第一カバー50jは第一加工用穴50dから抜けてしまう。同様に、抜け方向の力が、第二カバー50kが固定されている力よりも大きいと、第二カバー50kは第二加工用穴50eから抜けてしまう。このとき、たとえば、第一カバー50jまたは第二カバー50kの抜けの勢いが強いと、密閉容器10を損傷することがある。
そこで、実施の形態4のスクロール圧縮機100では、圧力逃がし通路50pを有することで、インジェクション構造部50における空間内の圧力を逃がすようにしている。ここで、圧力逃がし通路50pを複数有するようにしてもよい。
たとえば、第一カバー50jおよび第二カバー50kが通常の位置にあれば、図11に示すように、第一カバー50jと第一加工用穴端面1fとが密着した状態にある。同様に、第二カバー50kと第二加工用穴端面1gとが密着した状態にある。したがって、第一カバー50jおよび第二カバー50kは、密閉容器10内の空間とインジェクション構造部50内の空間との間を隔てることができる。
図12は、第一カバー50jおよび第二カバー50kが抜け方向に移動した場合を示す図である。たとえば、図12に示すように、第一カバー50jおよび第二カバー50kが抜け方向(第一カバー50jにおいて図12の上方向となる。また、第二カバー50kにおいて図12の左方向となる)に移動した場合、密閉容器10内空間とインジェクション構造部50内の空間とが圧力逃がし通路50pを通して連通する。インジェクション構造部50内の空間内圧力を密閉容器10内空間に逃がすことで、第一カバー50jおよび第二カバー50kに加わる抜け方向の力が弱くなる。したがって、第一カバー50jおよび第二カバー50kが完全に抜けてしまうことを防止できる。
図13は、この発明の実施の形態4に係るスクロール圧縮機100におけるインジェクション構造部50の別例を説明する図である。図13では、第一加工用穴50dおよび第二加工用穴50eに圧力逃がし通路50pを設けている。第一加工用穴50dおよび第二加工用穴50eに圧力逃がし通路50pを設けるようにしても、第一カバー50jおよび第二カバー50kに圧力逃がし通路50pを設けた場合と同様の効果を奏することができる。
実施の形態5.
図14は、この発明の実施の形態5に係るスクロール圧縮機100におけるインジェクション構造部50を説明する図である。次に、実施の形態5におけるスクロール圧縮機100について説明する。実施の形態5において、実施の形態1などと同じ符号を付している機器などについては、実施の形態1などで説明したことと同様の動作などを行う。
図14において、第一カバー50jおよび第二カバー50kは、外周側面にねじ溝を有している。また、固定スクロール1の台板部1aに固定する。また、第一加工用穴50dおよび第二加工用穴50eの内周側面にもねじ溝を有している。このため、第一カバー50jを第一加工用穴50d内にねじ止めすることができる。同様に、第二カバー50kを第二加工用穴50e内にねじ止めすることができる。ここで、第一カバー50jと第一加工用穴50dとのねじ止めによる締結部分および第二カバー50kと第二加工用穴50eとのねじ止めによる締結部分には、シール材50qを備えるようにして、冷媒の漏れを防ぐ。
図15は、この発明の実施の形態5に係るスクロール圧縮機100におけるインジェクション構造部50の別例を説明する図である。図15に示すように、ねじ14を用いて、第一カバー50jと第一加工用穴50dとをねじ止めするようにしてもよい。同様に、第二カバー50kと第二加工用穴50eとをねじ止めするようにしてもよい。そして、シール材50qは、第一カバー50jおよび第二カバー50kの端面と台板部1aとの間を封止するようにしてもよい。
実施の形態5におけるスクロール圧縮機100においては、第一カバー50jおよび第二カバー50kが、ねじ止めすることで台板部1aに固定されるようにしたので、密閉容器10内の空間とインジェクション構造部50内の圧力空間と隔てるための部品点数を削減でき、コストを抑制することができる。
1 固定スクロール、1a 台板部、1b 渦巻歯、1c オルダム案内溝、1d 吐出口、1e 逆止弁止まり面、1f 第一加工用穴端面、1g 第二加工用穴端面、2 揺動スクロール、2a 台板部、2b 渦巻歯、2c 揺動軸受、2d スラスト面、2e オルダム案内溝、2f ボス部、2g ボス部外径空間、2h 台板外径部空間、2j 抽気孔、3 コンプライアントフレーム、3a スラスト軸受、3c 主軸受、3d 上嵌合円筒面、3e 下嵌合円筒面、3f 連通孔、3g 中間圧調整弁、3h 弁押さえ、3k 中間圧調整スプリング、3n 調整弁空間、3p 弁外径空間、4 ガイドフレーム、4a 上嵌合円筒面、4b 下嵌合円筒面、4c フレーム空間、5 電動機、5a 回転子、5b 固定子、6 サブフレーム、6a 副軸受、7 主軸、7b 揺動軸部、7c 主軸部、7d 副軸部、7e 高圧油給油穴、8 オルダム機構、8a,8b 爪、8c オルダム機構環状部、10 密閉容器、11 冷凍機油、12 吐出管、13 吸入管、14 ねじ、16a 上シール材、16b 下シール材、20,20a,20b 圧縮室、41 インジェクションパイプ、50 インジェクション構造部、50a インジェクション第一流路、50b インジェクション第二流路、50c インジェクション第三流路、50d 第一加工用穴、50e 第二加工用穴、50f 逆止弁収納路、50g インジェクション連通路、50h 逆止弁、50j 第一カバー、50k 第二カバー、50m 逆止弁ばね、50n ばね収納口、50p 圧力逃がし通路、50q シール材、52 負荷側熱交換器、53 第1膨張弁、54 内部熱交換器、55 第3膨張弁、56 第2膨張弁、57 熱源側熱交換器、58 四方弁、59 レシーバ、60,61 開閉弁、100 スクロール圧縮機。

Claims (7)

  1. 台板に渦巻き状の固定渦巻歯を有し、揺動スクロールが有する揺動渦巻歯と組み合わさって圧縮室が形成され、該圧縮室と連通して外部から流入する冷媒が通過するインジェクション流路を前記台板の内部に有する固定スクロールと、
    前記インジェクション流路内に設置され、前記圧縮室から前記インジェクション流路内に冷媒が流れないようにする逆止弁と、
    前記インジェクション流路と前記台板の外面とを連通する加工穴を塞ぎ、前記逆止弁の弁座となるカバーと、
    前記カバーが前記加工穴から抜ける方向に移動することにより前記台板外と連通して前記インジェクション流路内の圧力を逃がす圧力逃がし通路と
    を備えるスクロール圧縮機。
  2. 弁を閉じる方向に作用する力を前記逆止弁に加える弾性体を備え、
    前記カバーは、前記弾性体を収納する収納口を有する請求項1に記載のスクロール圧縮機。
  3. 前記カバーが前記加工穴内に固定され、前記加工穴が塞がれる請求項1または請求項2に記載のスクロール圧縮機。
  4. 前記カバーに圧力逃がし通路が設けられた請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載のスクロール圧縮機。
  5. 前記固定スクロールの前記台板が有する前記加工穴の一部に前記圧力逃がし通路が設けられた請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載のスクロール圧縮機。
  6. 前記カバーと前記台板とをねじで締結して前記カバーは前記加工穴を塞ぐ請求項1〜請求項のいずれか一項に記載のスクロール圧縮機。
  7. 請求項1〜請求項のいずれか一項に記載のスクロール圧縮機と、
    冷媒と空気との熱交換を行う熱源側熱交換器と、
    熱交換対象と冷媒とを熱交換する負荷側熱交換器と、
    該負荷側熱交換器に流入させる冷媒の流量および圧力を調整する絞り装置と
    を配管接続して冷媒回路を構成するヒートポンプ装置。
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