JP6735929B2 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Description

この発明は、インジェクション逆止弁を搭載したスクロール圧縮機を備えた冷凍サイクル装置に関するものである。

従来のスクロール圧縮機は、圧縮途中過程の圧縮室に冷媒を供給するためのインジェクション流路を備えている。インジェクション流路には、スクロール圧縮機の外部からインジェクション配管が接続され、インジェクション配管からインジェクション流路を通って圧縮室に冷媒がインジェクションされるようになっている。そして、インジェクション流路にはインジェクション逆止弁が設置されており、インジェクション配管の圧力が圧縮室内の圧力よりも低くなると閉じて、圧縮室からインジェクション配管に冷媒が逆流するのを防止するようにしている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１において、インジェクション逆止弁は、弁体とばねとを備えている。そして、インジェクション動作時にはインジェクション冷媒によって弁体をばねの付勢力に対して押圧し、弁体が弁座から離れる方向に移動させることでインジェクション流路を開放する。また、インジェクション停止時には、ばねの付勢力で弁体を押圧し、弁体を弁座に着座させることでインジェクション流路を遮断するようにしている。

特開２０１６−１１６２０号公報

特許文献１では、インジェクション動作を停止した直後に、インジェクション流路を遮断する動作を実現するために、インジェクション逆止弁にばねを備え、ばねで弁体に押圧力を作用させている。つまり、インジェクション動作を停止した直後は、インジェクション配管側のインジェクション流路の内圧が、圧縮室の内圧よりも高くなっているため、ばねが無いと弁体を動作させることができない。このように、特許文献１は、ばねが必要な構成であるが、ばねは繰り返しの動作で疲労破壊する可能性があり、信頼性の面で問題があった。

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、ばねを不要としながらも、インジェクション逆止弁の開閉を行うことが可能な冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。

この発明に係る冷凍サイクル装置は、スクロール圧縮機と、凝縮器と、減圧装置と、蒸発器とがこの順に配管で接続され、冷媒が循環する主回路と、凝縮器と減圧装置との間から分岐してスクロール圧縮機のインジェクション配管に接続されたインジェクション回路と、インジェクション回路に設けられ、インジェクション回路の流量を制御する制御弁と、インジェクション回路を開閉する第１電磁弁と、インジェクション回路の第１電磁弁の下流から分岐して主回路の蒸発器とスクロール圧縮機との間に接続されたバイパス回路と、バイパス回路を開閉する第２電磁弁とを備え、スクロール圧縮機は、冷媒を圧縮する圧縮室と、圧縮途中過程の圧縮室とインジェクション配管とを連通するインジェクション流路に配置され、圧縮室の冷媒がインジェクション配管を介してインジェクション回路に逆流することを阻止するインジェクション逆止弁を備え、インジェクション逆止弁は、インジェクション流路の一部となるホルダ内流路が形成されたホルダと、ホルダ内流路に移動自在に配置され、ホルダ内流路に形成された弁座に接離してインジェクション流路を開閉する弁体とを備え、弁体は、第１電磁弁及び第２電磁弁のそれぞれの開閉によって、インジェクション回路の内圧と圧縮室の内圧との差圧のみで動作するものである。

この発明によれば、インジェクション回路に設けた電磁弁と、インジェクション回路を低圧側と連通させるバイパス回路に設けた電磁弁とのそれぞれの開閉により、インジェクション回路の内圧と圧縮室との内圧との差圧のみで弁体を動作させるようにした。これにより、ばねを不要としながらも、インジェクション逆止弁の開閉を行うことが可能な冷凍サイクル装置を得ることができる。

この発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１を示す冷媒回路図である。 この発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１に備えられたスクロール圧縮機２を示す概略断面図である。 この発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１に備えられたスクロール圧縮機におけるインジェクション逆止弁を含む周辺構造を拡大して示す図である。 この発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１のインジェクション動作時における、第１電磁弁７及び第２電磁弁８の開閉状態の説明図である。 この発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１のインジェクション停止時における、第１電磁弁７及び第２電磁弁８の開閉状態の説明図である。 この発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１のインジェクション停止時のインジェクション逆止弁４０を拡大して示す図である。 本発明の実施の形態１に係るスクロール圧縮機２の主軸３０の回転角に応じた、圧縮途中過程の圧縮室の内圧を計測した結果を示す図である。

以下、本発明の実施の形態に係る冷凍サイクル装置について図面を参照しながら説明する。ここで、図１を含め、以下の図面において、同一の符号を付したものは、同一又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。また、圧力の高低については、特に絶対的な値との関係で高低が定まっているものではなく、システム及び装置等における状態及び動作等において相対的に定まるものとする。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１を示す冷媒回路図である。
冷凍サイクル装置１は、スクロール圧縮機２と、凝縮器３と、膨張弁又はキャピラリーチューブ等で構成された減圧装置４と、蒸発器５とがこの順に配管で接続され、冷媒が循環する冷凍サイクル回路である主回路Ａを備えている。

また、冷凍サイクル装置１は更に、凝縮器３と減圧装置４との間の配管から分岐してスクロール圧縮機２の後述のインジェクション配管に接続されたインジェクション回路Ｂを備えている。インジェクション回路Ｂの配管には、例えば電子膨張弁で構成され、インジェクション流量を制御する制御弁６と、インジェクション回路Ｂを開閉する第１電磁弁７とが設けられている。

冷凍サイクル装置１は更に、インジェクション回路Ｂの第１電磁弁７の下流の配管から分岐して主回路Ａの蒸発器５とスクロール圧縮機２との間に接続されたバイパス回路Ｃを備えている。バイパス回路Ｃの配管には、バイパス回路Ｃを開閉する第２電磁弁８が設けられている。なお、バイパス回路Ｃの配管径は、インジェクション回路Ｂの配管径よりも細く構成されている。

また、冷凍サイクル装置１には更に、冷凍サイクル装置１全体を制御する制御装置１００を備えている。制御装置１００はマイクロコンピュータ等で構成され、ＣＰＵ、ＲＡＭ及びＲＯＭ等を備えている。制御装置１００は、スクロール圧縮機２の回転数制御、減圧装置４を構成する膨張弁の開度制御、制御弁６の制御、第１電磁弁７及び第２電磁弁８の開閉動作等を行う。

次に、冷媒の流れについて説明する。
主回路Ａにおいて、スクロール圧縮機２から吐出された冷媒は、凝縮器３で冷却される。凝縮器３で冷却された冷媒は、減圧装置４で減圧された後、蒸発器５で加熱され、冷媒ガスとなる。蒸発器５から流出した冷媒ガスはスクロール圧縮機２に戻る。

また、スクロール圧縮機２から吐出され、凝縮器３を通過した冷媒の一部であるインジェクション冷媒は、インジェクション回路Ｂに流入する。インジェクション回路Ｂに流入した冷媒は、制御弁６で減圧されて液状態又は二相状態となり、スクロール圧縮機２の後述のインジェクション配管１０（図２参照）に流入する。インジェクション配管１０に流入したインジェクション冷媒は、圧縮途中過程の圧縮室１６に流入する。バイパス回路Ｃにおける冷媒の流れについては後述する。

図２は、この発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１に備えられたスクロール圧縮機２を示す概略断面図である。
スクロール圧縮機２は、圧縮機構部１１と、圧縮機構部１１を主軸３０を介して駆動する駆動機構部１２とを有している。圧縮機構部１１及び駆動機構部１２は、圧力容器であるシェル１３内に収容されている。シェル１３の底部は、冷凍機油を貯蓄する油溜め１３ａとなっている。油溜め１３ａに貯留された冷凍機油は、主軸３０内に形成された給油流路３０ａを通って主軸３０及び圧縮機構部１１及び各軸受に供給される。

また、シェル１３には、冷媒をシェル１３内に吸入する吸入管１４と、圧縮された冷媒をシェル１３外に吐出する吐出管１５とが接続されている。吸入管１４から吸入される冷媒の圧力は低圧Ｐｓ、吐出管１５から吐出される冷媒の圧力は高圧Ｐｄとなっている。

圧縮機構部１１は、吸入管１４から吸入した冷媒を圧縮し、圧縮した冷媒をシェル１３内の上方の吐出空間１８に排出する機能を有している。吐出空間１８は高圧空間となっている。吐出空間１８に排出された冷媒ガスは、吐出空間１８に連通している吐出管１５からスクロール圧縮機２の外部に吐出される。

圧縮機構部１１は、固定スクロール１９と揺動スクロール２５とを備えている。固定スクロール１９は、シェル１３内に固定支持されているフレーム２０にボルト等によって固定されている。固定スクロール１９は、固定台板２１と、固定台板２１の一方の面（本例では図中下側の面）に立設されたインボリュート曲線形状の突起である固定渦巻歯２２とを有している。揺動スクロール２５は、揺動台板２７と、揺動台板２７の一方の面（本例では、図中上側の面）に立設されたインボリュート曲線形状の突起である揺動渦巻歯２８と、を有している。

固定スクロール１９及び揺動スクロール２５は、固定渦巻歯２２と揺動渦巻歯２８とを主軸３０の回転中心に対して逆位相で噛み合わせた対称渦巻形状の状態でシェル１３内に配置されている。そして、固定スクロール１９と揺動スクロール２５とを固定渦巻歯２２と揺動渦巻歯２８とが噛み合うように組み合わせることで、固定渦巻歯２２と揺動渦巻歯２８との間に圧縮室１６が形成されている。圧縮室１６は、主軸３０の回転に伴い、半径方向外側から内側へ向かうに従って容積が縮小するようになっている。

また、固定スクロール１９の固定台板２１の中央部には、圧縮室１６内で圧縮されて高圧となった冷媒ガスを吐出する吐出ポート１７が形成されている。

固定台板２１の揺動スクロール２５と反対側の面には、バックプレート２４がボルト等によって固定される。バックプレート２４には、吐出ポート１７に連通する吐出流路２４ａが形成されている。また、バックプレート２４と固定スクロール１９の固定台板２１とには、インジェクション回路Ｂからのインジェクション冷媒を圧縮途中過程の圧縮室１６内にインジェクションするためのインジェクション流路２３が形成されている。インジェクション流路２３には、シェル１３の外部からインジェクション配管１０が接続されている。

インジェクション流路２３には、圧縮室１６の冷媒がインジェクション配管１０に逆流することを阻止するインジェクション逆止弁４０が設置されている。インジェクション逆止弁４０を含む周辺構造の詳細は、改めて詳述する。

揺動スクロール２５は、オルダム継手２６により、固定スクロール１９に対し自転運動することなく公転旋回運動を行うようになっている。また、揺動スクロール２５の揺動渦巻歯２８の形成面とは反対側の面の略中心部には、中空円筒形状のボス部２９が形成されている。このボス部２９には、主軸３０の一端に設けられた偏心軸部３１が回転自在に連結されている。

駆動機構部１２は、圧縮機構部１１で冷媒ガスを圧縮するために、揺動スクロール２５を駆動する機能を有している。つまり、駆動機構部１２が主軸３０を介して揺動スクロール２５を駆動することによって、圧縮機構部１１で冷媒ガスを圧縮するようになっている。駆動機構部１２は、固定子３２及び回転子３３を有している。回転子３３は、主軸３０に対して圧入等により固定されている。回転子３３は、固定子３２に通電されることにより回転駆動し、主軸３０を回転させるようになっている。

次に、インジェクション逆止弁４０を含む周辺構造の詳細について説明する。

図３は、この発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１に備えられたスクロール圧縮機におけるインジェクション逆止弁を含む周辺構造を拡大して示す図である。
バックプレート２４には、軸方向に貫通する連通流路２４ｂが形成されており、連通流路２４ｂに、インジェクション配管１０が接続部材１０ａを介して接続されている。

固定台板２１には、バックプレート２４側の表面に凹部２１ａが形成され、凹部２１ａ内にインジェクション逆止弁４０が設置されている。また、固定台板２１には、凹部２１ａの底面から圧縮室１６に連通するインジェクションポート２１ｂが穴加工されており、インジェクションポート２１ｂを介してインジェクション冷媒が圧縮室１６に供給される。インジェクションポート２１ｂは主軸３０の一回転中において圧縮行程の初期に圧縮室１６に連通する位置に形成されており、このときの圧縮室１６の圧力は、低圧Ｐｓと高圧Ｐｄとの間の中間圧となっている。

インジェクション逆止弁４０は、インジェクション冷媒が通過するホルダ内流路４５が形成されたホルダ４１と、ホルダ内流路４５に配置された弁体４２とを備えている。ホルダ内流路４５は、軸方向にホルダ４１を貫通する第１流路４３と、第１流路４３の途中から分岐してインジェクションポート２１ｂと連通する第２流路４４とから構成されている。第２流路４４は第１流路４３を挟んで、軸方向と直交する方向に対向して２つ形成されており、インジェクションポート２１ｂもまた、固定台板２１に２つ形成されている。

このように、インジェクション配管１０から圧縮室１６までを連通するインジェクション流路２３が、バックプレート２４に形成された連通流路２４ｂと、固定台板２１に形成された第１流路４３、第２流路４４及びインジェクションポート２１ｂとによって形成されている。

そして、第１流路４３には、弁体４２が移動自在に設置されており、第１流路４３において第２流路４４との分岐点よりも上流側には弁座４３ａが形成されている。そして、弁体４２が弁座４３ａに接離することで、インジェクション流路２３の開放及び遮断が切り替えられるようになっている。

次にインジェクション逆止弁４０の動作について説明する。

＜インジェクション動作時＞
図４は、この発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１のインジェクション動作時における、第１電磁弁７及び第２電磁弁８の開閉状態の説明図である。インジェクション動作時のインジェクション逆止弁４０の状態は、図３を参照されたい。
主回路Ａでは、スクロール圧縮機２から吐出された高温高圧の冷媒が、凝縮器３で冷却され、凝縮器３で冷却された冷媒が減圧装置４で減圧される。減圧装置４で減圧された冷媒は、蒸発器５で加熱され、冷媒ガスとなる。蒸発器５から流出した冷媒ガスはスクロール圧縮機２に戻る。

ここで、インジェクション動作時、制御装置１００は、制御弁６及び第１電磁弁７を開とし、第２電磁弁８を閉とする。これにより、凝縮器３で冷却された高圧の液冷媒の一部であるインジェクション冷媒がインジェクション回路Ｂに流入し、制御弁６及び第１電磁弁７を介してスクロール圧縮機２のインジェクション配管１０に流入する。バイパス回路Ｃの第２電磁弁８は閉じられているので、バイパス回路Ｃには液冷媒は流れない。

そして、インジェクションポート２１ｂが圧縮途中過程の圧縮室１６に連通したときの圧縮室１６の内圧Ｐは、インジェクション回路Ｂ中の内圧Ｐｍよりも低い。これは、上述したように、インジェクションポート２１ｂは、主軸３０の一回転中において圧縮行程の初期に圧縮室１６に連通する位置に形成されているためである。そして、圧縮室１６の内圧Ｐとインジェクション回路Ｂ中の内圧Ｐｍとの差圧により、インジェクション配管１０からインジェクション逆止弁４０の第１流路４３にインジェクション冷媒が流入する。これにより、図３に示すように弁体４２が下方に押しやられて弁座４３ａから離れ、第１流路４３の下端で停止する。これにより、インジェクション流路２３が開放され、第１流路４３に流入したインジェクション冷媒が、第２流路４４及びインジェクションポート２１ｂを通って圧縮室１６に供給される。これにより、圧縮途中過程のガス冷媒が冷却される。

＜インジェクション停止時＞
図５は、この発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１のインジェクション停止時における、第１電磁弁７及び第２電磁弁８の開閉状態の説明図である。図６は、この発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１のインジェクション停止時のインジェクション逆止弁４０を拡大して示す図である。
主回路Ａにおける冷媒の流れは上記インジェクション動作時と同様である。そして、インジェクション停止時、制御装置１００は、制御弁６及び第１電磁弁７を閉とし、第２電磁弁８を開とする。これにより、インジェクション回路Ｂがバイパス回路Ｃを介して低圧側に連通するため、インジェクション回路Ｂの内圧が低下する。

この状態において、インジェクション回路Ｂの内圧Ｐｍは、圧縮室１６の内圧Ｐよりも低くなる。ここで、内圧Ｐｍは、低圧Ｐｓと同等となる。このため、圧縮室１６からインジェクションポート２１ｂへと、図６の矢印に示すように逆流する冷媒の流れが発生し、その流れによって弁体４２が上方向に移動して弁座４３ａに着座する。これによりインジェクション流路２３が遮断される。その結果、圧縮室１６の冷媒がインジェクション回路Ｂ及びバイパス回路Ｃ側に侵入することが防止される。

以上のように、この実施の形態１では、インジェクション回路Ｂに、低圧側と通じるバイパス回路Ｃを接続し、インジェクション回路Ｂに設けた第１電磁弁７とバイパス回路Ｃに設けた第２電磁弁８とのそれぞれの開閉により、インジェクション回路Ｂの内圧を圧縮室１６の内圧Ｐよりも高圧と、内圧Ｐよりも低圧とに切り替える構成とした。これにより、インジェクション回路Ｂ内の内圧Ｐｍと圧縮室１６の内圧Ｐとの差圧のみで弁体４２を動作させ、インジェクション逆止弁４０の開閉を行うことができる。このため、弁体４２を動作させるために従来必要であったばねが不要となる。よって、従来、ばねが疲労破壊することによる信頼性低下を回避でき、信頼性の向上を図ることができる。

また、この実施の形態１では、ばね不要の構成としたことで、インジェクション流路２３の途中にばねがあることによる、インジェクション冷媒の流れの阻害を阻止でき、性能低下を防ぐ効果が得られる。

また、この実施の形態１では、ばね不要の構成としたことで、ばねの疲労によって押付け力が低下したことによるインジェクション冷媒漏れを無くすことができる。その結果、性能低下を防ぎ、安定して能力を確保することができる。また、インジェクション冷媒の漏れが無くなることで、インジェクション冷媒漏れによるインジェクション脈動での配管振動を抑えることができる。

また、インジェクション回路Ｂの配管径は、バイパス回路Ｃの配管径よりも大きく設定されている。このため、インジェクション冷媒流入時の流体抵抗を抑え、スムーズにインジェクション冷媒を流すことで必要なインジェクション冷媒量を確保し、性能低下及び吐出管温度上昇を防ぐという効果が得られる。

また、インジェクション逆止弁４０は、固定スクロール１９に形成された凹部２１ａに配置されているので、確実に圧縮途中過程の圧縮室１６へインジェクション冷媒が流入され、性能確保と吐出温度上昇を防ぐことができる。

図７は、本発明の実施の形態１に係るスクロール圧縮機２の主軸３０の回転角に応じた、圧縮途中過程の圧縮室の内圧を計測した結果を示す図である。図７の横軸は回転角（θ）、縦軸は圧縮途中過程の圧縮室の内圧（Ｍｐａ）である。図７には、比較例として、弁体とばねとを備えたインジェクション逆止弁とした構成における、主軸の回転角に応じた、圧縮途中過程の圧縮室の内圧を計測した結果も併せて示している。（ａ）は本実施の形態の計測ラインを示し、（ｂ）は比較例の計測ラインを示し、（ｃ）は回転角（θ）と圧縮室の内圧との関係における理想ラインを示している。図７に示すように、本実施の形態は、比較例に比べて理想ラインに近い計測ラインを得ることができる。

ところで上記説明では、インジェクション逆止弁４０の構成及び構造について説明したが、これのみに限定されるものではなく、同様の機能を有するものであれば他の材料、構成でも差支えない。また、この発明を冷媒の圧縮に用いたが、圧縮の対象は必ずしも冷媒に限定されず、例えば空気又は窒素ガスなど他のガスであってもよく、この場合も同様の効果が得られる。

１ 冷凍サイクル装置、２ スクロール圧縮機、３ 凝縮器、４ 減圧装置、５ 蒸発器、６ 制御弁、７ 第１電磁弁、８ 第２電磁弁、１０ インジェクション配管、１０ａ 接続部材、１１ 圧縮機構部、１２ 駆動機構部、１３ シェル、１３ａ 油溜め、１４ 吸入管、１５ 吐出管、１６ 圧縮室、１７ 吐出ポート、１８ 吐出空間、１９
固定スクロール、２０ フレーム、２１ 固定台板、２１ａ 凹部、２１ｂ インジェクションポート、２２ 固定渦巻歯、２３ インジェクション流路、２４ バックプレート、２４ａ 吐出流路、２４ｂ 連通流路、２５ 揺動スクロール、２６ オルダム継手、２７ 揺動台板、２８ 揺動渦巻歯、２９ ボス部、３０ 主軸、３０ａ 給油流路、３１ 偏心軸部、３２ 固定子、３３ 回転子、３４ ホルダ、４０ インジェクション逆止弁、４１ ホルダ、４２ 弁体、４３ 第１流路、４３ａ 弁座、４４ 第２流路、４５ ホルダ内流路、１００ 制御装置、１０１ 吸入管、Ａ 主回路、Ｂ インジェクション回路、Ｃ バイパス回路。

Claims (4)

1. スクロール圧縮機と、凝縮器と、減圧装置と、蒸発器とがこの順に配管で接続され、冷媒が循環する主回路と、
   前記凝縮器と前記減圧装置との間から分岐して前記スクロール圧縮機のインジェクション配管に接続されたインジェクション回路と、
   前記インジェクション回路に設けられ、前記インジェクション回路の流量を制御する制御弁と、
   前記インジェクション回路を開閉する第１電磁弁と、
   前記インジェクション回路の前記第１電磁弁の下流から分岐して前記主回路の前記蒸発器と前記スクロール圧縮機との間に接続されたバイパス回路と、
   前記バイパス回路を開閉する第２電磁弁とを備え、
   前記スクロール圧縮機は、
   前記冷媒を圧縮する圧縮室と、
   圧縮途中過程の前記圧縮室と前記インジェクション配管とを連通するインジェクション流路に配置され、前記圧縮室の冷媒が前記インジェクション配管を介して前記インジェクション回路に逆流することを阻止するインジェクション逆止弁を備え、
   前記インジェクション逆止弁は、前記インジェクション流路の一部となるホルダ内流路が形成されたホルダと、前記ホルダ内流路に移動自在に配置され、前記ホルダ内流路に形成された弁座に接離して前記インジェクション流路を開閉する弁体とを備え、
   前記弁体は、前記第１電磁弁及び前記第２電磁弁のそれぞれの開閉によって、前記インジェクション回路の内圧と前記圧縮室の内圧との差圧のみで動作する
   冷凍サイクル装置。
2. 前記バイパス回路の配管径は、前記インジェクション回路の配管径よりも細い請求項１記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記第１電磁弁が開、前記第２電磁弁が閉のとき、前記インジェクション流路が開放され、
   前記第１電磁弁が閉、前記第２電磁弁が開のとき、前記インジェクション流路が遮断される請求項１又は請求項２記載の冷凍サイクル装置。
4. 前記スクロール圧縮機は、
   揺動スクロールと固定スクロールとを組み合わせて形成した前記圧縮室にて冷媒を圧縮する圧縮機構を備え、
   前記インジェクション逆止弁は、前記固定スクロールに形成された凹部内に配置されている請求項１〜請求項３の何れか一項に記載の冷凍サイクル装置。

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