JP6755123B2 - 圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、圧縮機に関する。

冷凍用や空調用などの冷凍サイクルに使用される冷媒圧縮機、あるいは、空気やその他のガスを圧縮するガス圧縮機として、スクロール圧縮機やロータリ圧縮機が知られている。また、幅広い負荷範囲に対して高効率を実現するため、容量制御機構を備える圧縮機が知られている。インバータを用いて圧縮機のモータ電流の周波数を可変とし、回転速度を電気的に制御することにより圧縮機の容量制御を行う方法はよく用いられる手法のひとつである。

しかしながら、回転速度が極端に低下すると軸受の油膜が保持できなくなり、焼き付き等が生じるおそれがある。このため、実用上の回転速度には下限値が存在し、したがって容量制御範囲にも下限があった。そこで、容量制御範囲を回転速度制御の下限よりさらに拡大するため、機構的に冷媒（作動流体）の一部をバイパス循環させて、圧縮する冷媒量を制御する手法も複数考案されている。

例えば、特許文献１（特許第５６９８７２７号公報）には、「密閉ケース内で旋回スクロールの渦巻体と固定スクロールの渦巻体とが互いに噛み合わせられて圧縮室を形成し、当該旋回スクロールを駆動するモータと、当該モータの回転部に取り付けられた回転主軸となるクランクシャフトと、を備えたスクロール圧縮機において、前記クランクシャフトには、前記モータの回転を安全に保つためのフライホイールが設けられており、前記固定スクロールは、中央部分に吐出ポートが形成されると共に、当該吐出ポートの外周側に前記圧縮室へ連通するリリースポートに繋がるリリース弁が設けられ、前記固定スクロールの天板に取り付けられて前記吐出ポート及び前記リリース弁を覆って吐出ヘッド空間を形成すると共に、所定の箇所に設けられた貫通孔を開成又は閉成するための吐出弁を備えた吐出ヘッドカバーと、前記吐出ヘッド空間から前記密閉ケース外へ当該吐出ヘッド空間内の冷媒ガスを導く吐出ガイド管と、前記冷媒ガスを吸入するための吸入管及び前記吐出ガイド管に結合されて連通すると共に、パルス幅調整制御信号により開成状態と閉成状態とが駆動制御されるソレノイド弁と、を備え、前記吐出ヘッドカバー、前記吐出ガイド管、及び前記ソレノイド弁は、当該ソレノイド弁を開成状態として前記吐出ヘッド空間内の前記冷媒ガスを当該吐出ガイド管から前記吸入管へ導くためのバイパス通路を形成すると共に、前記モータの回転速度を変化させる電力を供給する電力変換器の動作と当該ソレノイド弁を駆動制御する前記パルス幅調整制御信号を生成するソレノイド駆動回路の動作とを操作指示により制御する操作指示制御手段を備え、前記操作指示制御手段の制御により、前記モータの最低回転数近傍の所定の回転数で当該モータを駆動し、且つ前記ソレノイド駆動回路を駆動させて吐出流量制御を行うことを特徴とするスクロール圧縮機」が開示されている（請求項１参照）。

また、特許文献２（特許第２５５０６１２号公報）には、「ケーシングに、鏡板に渦巻体をそれぞれ突設した固定及び可動スクロールを対向状に組合わせて内装し、前記渦巻体間に二系統の圧縮室を形成して、これら圧縮室内で吸入流体を圧縮させると共に、圧縮行程途中における前記圧縮室を、該圧縮室にそれぞれ開口する一対のバイパス孔を介して吸入側に連通させて容量制御を行うようにしたスクロール形圧縮機の容量制御機構において、前記固定スクロールの鏡板の上面側に、前記各バイパス孔が開口し、該バイパス孔の径より大径な座孔を固定スクロールの中心に対し対称に形成すると共に、前記バイパス孔をそれぞれ吸入側に連通させる一対のバイパス通路と、前記座孔を開閉する一対のアンローダピストンを内装させる弁孔とを中心に対して対称に配置したアンローダ弁ブロックを形成して、この弁ブロックを、前記固定スクロールの鏡板の上面に中心を一致させて取付けていることを特徴とするスクロール形圧縮機の容量制御機構」が開示されている（請求項１参照）。

特許第５６９８７２７号公報 特許第２５５０６１２号公報

特許文献１のように、冷媒を圧縮するフルロード運転と、無圧縮で冷媒をバイパス循環させるアンロード運転とを周期的に切り替える手法においては、アンロード運転時の動力はすべて損失となるため極力小さいことが望ましいが、バイパス経路における圧力損失や軸受等における摺動損失等が発生し、効率低下の要因となっていた。

また、特許文献２のように圧縮室の一部を吸込側と連通させて部分負荷運転を行う手法では、バイパス孔を設ける位置により容量制御の比率が変わるが、より小さな能力で運転しようとするとバイパス孔が吐出側に近づくため圧縮行程が十分に取れなくなり、特許文献１の方法に比べて容量制御の範囲が狭いという課題があった。さらに、旋回スクロールを支持するため、旋回スクロールの反ラップ側に一定の背圧を印加する方式を採用すると、容量制御時には旋回スクロールのラップ側圧力分布が全体として低くなるため旋回スクロールを過剰に固定スクロールに押し付け、鏡板摺動部の損失が増大する課題があった。

そこで、本発明は、広い運転範囲において高効率な圧縮機を提供することを課題とする。

このような課題を解決するために、本発明に係る圧縮機は、密閉容器と、作動流体を圧縮する圧縮室を有する圧縮機構部と、前記圧縮機構部を駆動する電動機と、前記圧縮機構部に作動流体を導入する吸込部と、前記圧縮室と前記吸込部を連通するバイパス機構部と、前記電動機と前記バイパス機構部を制御する制御部と、を備え、前記バイパス機構部は、前記圧縮室と前記吸込部とが前記バイパス機構部を介して連通する連通状態、前記圧縮室と前記吸込部とが前記バイパス機構部を介して連通しない閉塞状態を切り替えるバイパス切換部を有し、前記制御部は、前記連通状態における前記電動機の回転速度を、前記閉塞状態における前記電動機の最低回転速度よりも低くするとともに、前記制御部は、前記バイパス機構部を前記連通状態から前記閉塞状態に切り替える際、前記バイパス切換部を制御して、前記連通状態から前記閉塞状態に切り替える前に、前記電動機の回転速度を、前記バイパス機構部が前記閉塞状態における前記電動機の最低回転速度よりも高くすることを特徴とする。

本発明によれば、機構的容量制御の状態に合わせて適切な回転速度を用いることにより、広い運転範囲において高効率な圧縮機を提供することができる。

第１実施形態に係る圧縮機の縦断面図である。 第１実施形態に係る圧縮機の容量制御時の各物理量の時間変化を示すグラフである。 第１実施形態に係る圧縮機におけるフルロード運転からアンロード運転に切り替える際の弁切替と減速のタイミングを説明するグラフである。 第１実施形態に係る圧縮機におけるアンロード運転からフルロード運転に切り替える際の弁切替と増速のタイミングを説明するグラフである。 第２実施形態に係る圧縮機の圧縮機構部を示す断面図である。 第３実施形態に係る圧縮機の縦断面図である。 第３実施形態に係る圧縮機の固定スクロールを鏡板面側から見た図である。 第４実施形態に係る圧縮機の固定スクロールを鏡板面側から見た図である。 第４実施形態に係る圧縮機における給油孔と圧縮行程との関係を示すグラフである。 第４実施形態に係る圧縮機における背圧の変化を説明するグラフである。

以下、本発明を実施するための形態（以下「実施形態」という）について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し重複した説明を省略する。

≪第１実施形態≫
第１実施形態に係る圧縮機１の構成について、図１を用いて説明する。図１は、第１実施形態に係る圧縮機１の縦断面図である。

図１に示すように、第１実施形態に係る圧縮機１は、スクロール圧縮機であり、後述するように、冷媒を圧縮機構部３で圧縮するフルロード運転（全負荷運転）と、冷媒をバイパスさせて圧縮機構部３で圧縮しないアンロード運転（無負荷運転）と、を周期的に切り替えることにより容量制御を行うことができるようになっている。

圧縮機１は、渦巻状のラップ６ａを立設した旋回スクロール６および渦巻状のラップ５ｃを立設した固定スクロール５を有する圧縮機構部３と、圧縮機構部３を駆動する電動機４と、圧縮機構部３と電動機４を収納する密閉容器２と、制御部（３０，３１，３２）と、を備えている。密閉容器２内の上部には圧縮機構部３が配置され、下部には電動機４が配置されている。そして、密閉容器２の底部には、潤滑油１６が貯留されている。

密閉容器２は、円筒状のケース２ａに蓋チャンバ２ｂと底チャンバ２ｃが上下に溶接されて構成されている。蓋チャンバ２ｂには吸込パイプ２ｄが設けられ、ケース２ａ側面には吐出パイプ２ｅが設けられている。また、密閉容器２の内部は圧縮機構部３で圧縮されたガス冷媒が吐出される吐出圧室２ｆとなる。

圧縮機構部３は、台板５ｄの鏡板面５ｆ側に渦巻状のラップ５ｃを有する固定スクロール５と、同じく台板６ｂ上に渦巻状のラップ６ａを有する旋回スクロール６と、固定スクロール５にボルト８で一体化されて旋回スクロール６を支持するフレーム７と、を備えて構成されている。固定スクロール５のラップ５ｃと旋回スクロール６のラップ６ａが噛み合うことにより、圧縮室１０が形成される。

固定スクロール５には、吸込パイプ２ｄと接続する吸込ポート５ａが形成されている。また、固定スクロール５の台板５ｄには、圧縮室１０と固定スクロール５の反ラップ側（上面側）とを連通するリリースポート５ｂが形成され、リリースポート５ｂには逆止弁であるリリース弁１１が設けられている。また、固定スクロール５の台板５ｄの略中央には、圧縮室１０と固定スクロール５の反ラップ側とを連通する吐出口５ｅが設けられている。

固定スクロール５の反ラップ側には、吐出カバー２０が取り付けられ、固定スクロール５と吐出カバー２０の間にバイパス空間２０ｃを形成する。リリースポート５ｂおよび吐出口５ｅは、バイパス空間２０ｃと連通するようになっている。換言すれば、リリースポート５ｂおよび吐出口５ｅは、吐出カバー２０で覆われている。また、吐出カバー２０には、バイパス空間２０ｃと吐出圧室２ｆとを連通する吐出口２０ｂが形成され、吐出口２０ｂには吐出弁２０ａを備えている。また、吐出カバー２０は、バイパス機構２１と接続されている。

バイパス機構２１は、吐出カバー２０と、バイパス路を形成するバイパスパイプ２１ａと、バイパス路の開閉（連通／閉塞）を切り替えるバイパス弁２１ｂと、を備えている。バイパス機構２１のバイパス路の一端はバイパス空間２０ｃと接続され、バイパス路の他端は吸込パイプ２ｄと接続されている。バイパス弁２１ｂは、例えば電磁弁などで構成され、任意のタイミングで外部から自在に開閉することができるものを用いる。

フレーム７は、クランク軸９を回転自在に支持する主軸受７ａを備えている。旋回スクロール６の下面側に、クランク軸９の偏心部９ｂが連結される旋回軸受６ｃを備えている。

旋回スクロール６の反ラップ側（下面側）とフレーム７の間には背圧室１４が形成され、背圧室１４の内部にはオルダムリング１３が配置されており、オルダムリング１３は旋回スクロール６の反ラップ側に形成された溝（図示せず）とフレーム７に形成された溝（図示せず）に装着されている。このオルダムリング１３は、旋回スクロール６を自転することなく、クランク軸９の偏心部９ｂの偏心回転を受けて公転運動をさせる働きをする。

また、固定スクロール５には、背圧室１４と圧縮室１０とを連通する給油孔５ｇ，５ｈが形成され、給油孔５ｇ，５ｈの途中には背圧制御弁１２が設けられている。

電動機４は、固定子４aおよび回転子４ｂを備えている。固定子４aは密閉容器２に圧入および溶接などにより締結されている。回転子４ｂは固定子４a内に回転可能に配置されている。回転子４ｂにはクランク軸９が固定されている。

クランク軸９は、主軸９ａと偏心部９ｂとを備えて構成されており、フレーム７に設けた主軸受７ａと下軸受１５とで支持されている。偏心部９ｂはクランク軸９の主軸９ａに対して偏心して一体に形成されており、旋回スクロール６の背面に設けた旋回軸受６ｃに嵌合されている。クランク軸９は電動機４によって駆動され、偏心部９ｂは主軸９ａに対して偏心回転運動し、旋回スクロール６を旋回運動させるようになっている。また、クランク軸９は、主軸受７ａ、下軸受１５および旋回軸受６ｃへ潤滑油１６を導く給油通路９ｃが設けられている。給油通路９ｃから旋回軸受６ｃへ供給された潤滑油１６は、背圧室１４、給油孔５ｈ，５ｇを経て、圧縮室１０を形成するラップ５ｃ，６ａに供給される。

また、圧縮機１は、電動機４を駆動するインバータ（モータ駆動回路）３１と、バイパス弁２１ｂを開閉駆動するバイパス弁駆動回路３２と、インバータ３１およびバイパス弁駆動回路３２を制御することにより圧縮機１の運転全体を制御する制御装置３０と、を備えている。

制御装置３０は、電動機４の回転速度を制御する信号をインバータ３１に送信する。また、制御装置３０は、バイパス弁２１ｂの開閉を制御する信号をバイパス弁駆動回路３２に送信する。

インバータ３１は、制御装置３０からの制御信号に従って、電動機４の回転速度を制御する。

バイパス弁駆動回路３２は、制御装置３０からの制御信号に従って、バイパス弁２１ｂの開閉、即ち、バイパス機構２１の連通／閉塞を制御する。

第１実施形態に係る圧縮機１は、バイパス弁２１ｂを閉弁する（バイパス機構２１のバイパス路を閉塞状態にする）ことにより通常通り冷媒を圧縮するフルロード運転と、バイパス弁２１ｂを開弁する（バイパス機構２１のバイパス路を連通状態にする）ことにより冷媒を圧縮せずにバイパス機構２１を通じて吸込側へと循環させるアンロード運転と、を周期的に切り替えることにより容量制御を行う。

＜フルロード運転＞
まず、バイパス弁２１ｂを閉弁するフルロード運転における動作ついて説明する。
電動機４で駆動されるクランク軸９を介して旋回スクロール６が旋回運動すると、冷媒ガスは、吸込パイプ２ｄから固定スクロール５に吸込パイプ２ｄと同軸に設けられた吸込ポート５ａを経て、旋回スクロール６および固定スクロール５により形成される圧縮室１０へと導入される。ここで、冷媒ガスは、スクロールの中心方向に移動するに従い圧縮室１０の容積が縮小することで圧縮される。

その後、圧縮室１０内の冷媒ガスは、固定スクロール５の台板５ｄの略中央に設けられた吐出口５ｅから、吐出カバー２０と固定スクロール５とで形成されるバイパス空間２０ｃへと吐出される。ここで、バイパス弁２１ｂは閉じているため、冷媒ガスはバイパスパイプ２１ａには流れず、吐出弁２０ａが開いて吐出口２０ｂを経て密閉容器２内の吐出圧室２ｆへ吐出され、吐出パイプ２ｅから外部へと流出していく。ただし、圧縮室１０内の冷媒ガスの圧力が吐出口５ｅへと連通する前に吐出圧力に到達するいわゆる過圧縮条件では、リリースポート５ｂのリリース弁１１が開いてバイパス空間２０ｃへと冷媒ガスが吐出され、過圧縮を防ぐ。

＜アンロード運転＞
次に、バイパス弁２１ｂを開弁するアンロード運転における動作ついて説明する。
電動機４で駆動されるクランク軸９を介して旋回スクロール６が旋回運動すると、冷媒ガスは、吸込パイプ２ｄ、吸込ポート５ａを経て、圧縮室１０へと導入される。ここで、冷媒ガスは、圧縮室１０の容積が縮小することで圧縮されようとする。しかしながら、リリースポート５ｂ（リリース弁１１）の出口側であるバイパス空間２０ｃは、バイパス弁２１ｂが開くことで吸込圧力となっている。このため、圧縮室１０の圧力が吸込圧力よりも上昇すると、直ちにリリース弁１１が開き、冷媒ガスはほぼ圧縮されずにそのままバイパス空間２０ｃへと吐出される。さらに冷媒ガスは、バイパスパイプ２１ａおよびバイパス弁２１ｂを経て、吸込パイプ２ｄへと戻される。

一方、吐出圧室２ｆとバイパス空間２０ｃとの差圧により吐出弁２０ａは閉じている。このため、このとき冷媒ガスは吐出圧室２ｆへは流れず、したがって吐出パイプ２ｅから圧縮機１の下流側へも冷媒ガスは吐出されない。したがって、アンロード運転では冷媒の圧縮はほぼ全く行われず、無負荷運転となる。

＜容量制御＞
第１実施形態に係る圧縮機１において容量制御を行う方法について、図２を用いて説明する。図２は、第１実施形態に係る圧縮機１の容量制御時の各物理量の時間変化を示すグラフである。

図２のグラフは、上から順に、（ａ）はバイパス空間２０ｃの圧力の時間変化を示し、（ｂ）は吐出パイプ２ｅからの吐出流量の時間変化を示し、（ｃ）は主軸受７ａ、旋回軸受６ｃ、または、下軸受１５の軸受荷重の時間変化を示し、（ｄ）はクランク軸９（電動機４）の回転速度の時間変化を示している。また、図２（ａ）の両矢印で示す「開」または「閉」は、バイパス弁２１ｂの動作状態を示している。また、図２（ａ）の両矢印で示す「アンロード」または「フルロード」は、圧縮機１の運転状態がアンロード運転またはフルロード運転であることを示している。

バイパス弁２１ｂを周期的に開閉させると、図２（ａ）に示すように、バイパス空間２０ｃの圧力は、吸込圧力Ｐ１と吐出圧力Ｐ２とを周期的に変化する。この圧力変化に連動して、圧縮機１下流への吐出流量も変化し、図２（ｂ）に示すように、吐出と遮断（吐出なし）を周期的に繰り返す。

このとき、バイパス弁２１ｂの開閉の時間比率を変化させることにより、平均的な吐出流量Ｑａｖｅを制御することができ、圧縮機１の容量制御が可能となる。即ち、アンロード運転の時間比率を増加させるほど、低負荷での運転が可能となる。

また、図２（ｃ）に示すように、アンロード運転時は圧縮トルクがかからないため、アンロード運転時の軸受荷重Ｌ１は、フルロード運転時の軸受荷重Ｌ２よりも大きく低下する。

ここで、アンロード運転時は圧縮仕事を行わないため、理想的には動力がゼロであることが望ましいが、実際にはクランク軸９の回転に伴う軸受損失や、バイパス機構２１における圧力損失が発生し、無駄な動力が発生する。アンロード運転時に無駄な動力が発生すると、フルロード運転とアンロード運転を周期的に切り替えて容量制御する圧縮機１の運転全体の効率を低下させる。

そこで、第１実施形態に係る圧縮機１は、図２（ｃ）に示すように、アンロード運転時の軸受荷重Ｌ１がフルロード運転時の軸受荷重Ｌ２よりも大きく低下することを利用して、図２（ｄ）に示すように、アンロード運転時の電動機４の回転速度を、軸受の信頼性から定められた通常運転（フルロード運転）での下限回転速度Ｎ２ｍｉｎよりも低い回転速度Ｎ１（但し、Ｎ１＞Ｎ１ｍｉｎ）で運転させる。

ここで、軸受が流体潤滑であるとき、最小油膜厚さはゾンマーフェルト数Ｓの増加関数となることが知られているが、Ｓは回転速度に比例し、また軸受荷重に反比例する。したがって、軸受荷重が下がれば油膜厚さを一定以上に保つための回転速度も低下し、より低速運転が可能となる。なお、Ｎ１ｍｉｎは、軸受の信頼性から定められたアンロード運転時の電動機４の下限回転速度であり、Ｎ２はフルロード運転時の電動機４の回転速度である。

以上により、アンロード時の軸受損失や圧力損失を低減させることができ、アンロード運転の時間比率が高い極低負荷での容量制御においても低損失で高い効率を実現できる。

さらに、バイパス弁２１ｂの開閉と回転速度の増減のタイミングのより望ましい関係について、図３および図４を用いて説明する。図３は、第１実施形態に係る圧縮機１におけるフルロード運転からアンロード運転に切り替える際の弁切替と減速のタイミングを説明するグラフである。図４は、第１実施形態に係る圧縮機１におけるアンロード運転からフルロード運転に切り替える際の弁切替と増速のタイミングを説明するグラフである。なお、図３および図４のグラフは、上から順に、（ａ）はバイパス空間２０ｃの圧力の時間変化を示し、（ｂ）は主軸受７ａ、旋回軸受６ｃ、または、下軸受１５の軸受荷重の時間変化を示し、（ｃ）はクランク軸９の回転速度の時間変化を示している。

前述のように、軸受荷重が低いときには、圧縮機１の効率の観点から、電動機４の回転速度を下げることが望ましい。一方、軸受荷重が高いときには、軸受の油膜厚さを一定以上に保つ観点から、回転速度をある程度高く維持しなければならない。後者の要求は軸受の信頼性にかかわる問題のため、前者より強く満たされる必要がある。

したがって、図３に示すように、フルロード運転からアンロード運転に切り替える際には、先にバイパス弁２１ｂを開き（Ｓ１）、その後、電動機４の回転速度を減速する（Ｓ２）。一方、図４に示すように、アンロード運転からフルロード運転に切り替える際には、先に電動機４の回転速度を増速し、その後、バイパス弁２１ｂを閉じる（Ｓ４）。

以上のように、第１実施形態に係る圧縮機１によれば、バイパス弁２１ｂの開閉と電動機４の増減速のタイミングを制御することで、軸受信頼性を損なうことなく、アンロード運転時の損失を低減することができる。

≪第２実施形態≫
第１実施形態に係る圧縮機１は、スクロール圧縮機であるものとして説明したが、これに限られるものではなく、例えば、フルロード運転と、アンロード運転と、を周期的に切り替えることにより容量制御を行うロータリ圧縮機に適用してもよい。

第２実施形態に係る圧縮機について、図５を用いて説明する。図５は、第２実施形態に係る圧縮機の圧縮機構部３Ａを示す断面図であり、（ａ）はフルロード運転時を示し、（ｂ）はアンロード運転時を示す。

図５に示すように、第２実施形態に係る圧縮機は、ロータリ圧縮機であり、後述するように、冷媒を圧縮機構部３Ａで圧縮するフルロード運転（全負荷運転）と、冷媒をバイパスさせて圧縮機構部３Ａで圧縮しないアンロード運転（無負荷運転）と、を周期的に切り替えることにより容量制御を行うことができるようになっている。

第２実施形態に係る圧縮機構部３Ａは、円筒状のシリンダ５１と、シリンダ５１の内部に配置され、クランク軸９の偏心部に回転自在に嵌入されたローラ５２と、シリンダ５１の径方向に移動可能なベーン５３と、を備えている。シリンダ５１には、ベーン５３の背面側に形成されたベーン空間５４と、吸込口５５と、吐出口５６と、が形成されている。

図５（ａ）に示すように、フルロード運転時は、ベーン空間５４に高圧ガス（吐出圧ガス）が導入される等により、ベーン５３がローラ５２に押し付けられている。これにより、吸込室１０ｂと圧縮室１０ｃが仕切られている。換言すれば、吸込室１０ｂと圧縮室１０ｃとの間のバイパス路が閉塞した状態となっている。

クランク軸９の偏心部が偏心しながらローラ５２とともに回転し、吸込室１０ｂの容積が拡大して吸込口５５より冷媒ガスを導入する。吸込室１０ｂは、ローラ５２がシリンダ５１の内部を回転することにより、吸込口５５と吸込室１０ｂとが連通しなくなると、容積を圧縮する圧縮室１１ｃとなって冷媒ガスを圧縮し。吐出口５６から吐出される。

一方、図５（ｂ）に示すように、アンロード運転時は、ベーン空間５４に低圧ガス（吸込圧ガス）が導入される等により、ベーン５３がローラ５２から引き離され保持されている。これにより、吸込室１０ｂ（図５（ａ）参照）と圧縮室１０ｃ（図５（ａ）参照）は常時連通し、連通室１０ｄとなっている。換言すれば、吸込室１０ｂと圧縮室１０ｃとの間のバイパス路が連通した状態となっている。

これにより、クランク軸９の偏心部が偏心しながらローラ５２とともに回転しても、圧縮機構部３Ａでの圧縮が行われなくなる。

このような第２実施形態に係るロータリ圧縮機においても、第１実施形態に係る圧縮機１と同様に、アンロード運転時の電動機の回転速度を、軸受の信頼性から定められた通常運転（フルロード運転）での下限回転速度Ｎ２ｍｉｎよりも低い回転速度Ｎ１（但し、Ｎ１＞Ｎ１ｍｉｎ）で運転させる（図２参照）ことで、アンロード運転時の損失を低減することができる。

また、このような第２実施形態に係るロータリ圧縮機においても、第１実施形態に係る圧縮機１と同様に、フルロード運転からアンロード運転に切り替える際には、先にベーン５３をローラ５２から引き離してバイパス路を連通した状態とし、その後、電動機４の回転速度を減速する（図３参照）。一方、アンロード運転からフルロード運転に切り替える際には、先に電動機４の回転速度を増速し、その後、ベーン５３をローラ５２に押し付けてバイパス路を閉塞した状態とする（図４参照）。これにより、軸受信頼性を損なうことなく、アンロード運転時の損失を低減することができる。

≪第３実施形態≫
第３実施形態に係る圧縮機１Ｂの構成について、図６および図７を用いて説明する。図６は、第３実施形態に係る圧縮機１Ｂの縦断面図である。図７は、第３実施形態に係る圧縮機１Ｂの固定スクロール５を鏡板面側から見た図である。なお、図６では図示を省略しているが、第３実施形態に係る圧縮機１Ｂも第１実施形態に係る圧縮機１と同様に、給油孔５ｇ，５ｈ（図７参照）および背圧制御弁１２（図１参照）を備えている。

ここで、第３実施形態に係る圧縮機１Ｂは、スクロール圧縮機であり、第１実施形態に係る圧縮機１（図１参照）と比較して、容量制御にかかわる構成が異なっている。即ち、第３実施形態に係る圧縮機１Ｂは、吐出カバー２０、吐出弁２０ａを有さない。一方、第３実施形態に係る圧縮機１Ｂは、固定スクロール５に圧縮室１０と固定スクロール５の反ラップ側とを連通するバイパスポート５ｋが形成され、バイパスポート５ｋには逆止弁２１ｃが設けられている。また、バイパスポート５ｋの出口側はバイパスパイプ２１ａと接続され、さらにバイパス弁２１ｂを介して吸込パイプ２ｄと接続される。逆止弁２１ｃにより、バイパスパイプ２１ａ側から圧縮室１０側へは冷媒ガスは流れないようになっている。その他の構成は、第１実施形態に係る圧縮機１と同様であり、重複する説明を省略する。

第３実施形態に係る圧縮機１Ｂは、バイパス弁２１ｂを閉弁する（バイパス機構２１のバイパス路を閉塞状態にする）ことにより通常通り冷媒を圧縮するフルロード運転（全負荷運転、通常運転）と、バイパス弁２１ｂを開弁する（バイパス機構２１のバイパス路を連通状態にする）ことにより冷媒の一部をバイパスさせて容量制御する部分負荷運転と、を切り替えることにより容量制御を行うことができるようになっている。

＜フルロード運転＞
まず、バイパス弁２１ｂを閉弁するフルロード運転における動作ついて説明する。
バイパス弁２１ｂを閉弁すると、バイパスパイプ２１ａ内の圧力はバイパスポート５ｋと連通する圧縮室１０の圧力上昇に伴って上昇し、やがてバイパスパイプ２１ａ側へは冷媒が流れず圧縮室１０へ導入された冷媒ガスはすべて圧縮されて吐出口５ｅあるいはリリースポート５ｂから吐出される。

＜部分圧縮運転＞
次に、バイパス弁２１ｂを開弁する部分負荷運転における動作ついて説明する。
バイパス弁２１ｂを閉弁すると、バイパスポート５ｋと吸込パイプ２ｄはバイパス路を介して連通し、圧縮室１０がバイパスポート５ｋと連通している間は圧縮室１０の容積変化分の冷媒ガスはすべて吸込パイプ２ｄへと循環し、圧縮される冷媒ガスの量が低減する。そして、圧縮室１０がバイパスポート５ｋと連通しなくなると、スクロールの中心方向に移動するに従い圧縮室１０の容積が縮小することで冷媒ガスは圧縮され、吐出口５ｅあるいはリリースポート５ｂから吐出される。これにより、部分的に冷媒を吸込側へバイパスすることによって圧縮機１Ｂの容量制御を実現する。このバイパス弁２１ｂが開弁しているときの運転モードを部分負荷運転と称し、またここで示した容量制御方法を吸込部分バイパス方式と称するものとする。

＜部分圧縮運転の容量制御＞
吸込部分バイパス方式では、バイパスポート５ｋを設ける位置によって容量制御の比率が決まる点に特徴がある。バイパスポート５ｋを吐出口５ｅに近づけるほど圧縮される冷媒流量が低減できて低負荷運転が可能となるが、同時に圧縮行程も短縮されるため、大幅に容量制御比率を下げることは難しいという課題があった。

一方、バイパス弁２１ｂを開弁して部分負荷運転に切り替えると、圧縮開始が遅れるため圧縮室１０の圧力が全体的に低下し、圧縮ガスによるトルクも低下する。したがって軸受荷重も低下する。

このため、第３実施形態に係る圧縮機１Ｂにおいても、部分圧縮運転時の電動機４の回転速度を、軸受の信頼性から定められた通常運転（フルロード運転）での下限回転速度Ｎ２ｍｉｎよりも低い回転速度Ｎ１（但し、Ｎ１＞Ｎ１ｍｉｎ）で運転しても軸受の油膜を保持することができる。なお、Ｎ１ｍｉｎは、軸受の信頼性から定められた部分圧縮運転時の電動機４の下限回転速度である。

第３実施形態に係る圧縮機１Ｂは、フルロード運転／部分圧縮運転の切り替えと、電動機４の回転速度の制御により容量制御を行う。第３実施形態に係る圧縮機１Ｂによれば、部分圧縮運転時の電動機４の回転速度を、通常運転での下限回転速度Ｎ２ｍｉｎよりも低い回転速度Ｎ１ｍｉｎまで下げることができるので、圧縮機１Ｂの容量制御範囲を拡大することができる。

≪第４実施形態≫
第４実施形態に係る圧縮機の構成について、図８から図１０を用いて説明する。図８は、第４実施形態に係る圧縮機の固定スクロール５を鏡板面側から見た図である。

第４実施形態に係る圧縮機は、第３実施形態に係る圧縮機と比較して、給油孔５ｇの位置を特徴付けるものである。第４実施形態に係る圧縮機の構成は第３実施形態に係る圧縮機（図６参照）と同様であり、重複する説明を省略する。

ここで、第４実施形態に係る圧縮機は、旋回スクロール６を固定スクロール５へと押し付けて支持する機構として、背圧による制御方式を用いている。この方式では、給油通路９ｃを経て潤滑油１６を背圧室１４に導入し、一方で背圧室１４と圧縮室１０とを給油孔５ｈ、背圧制御弁１２、給油孔５ｇ（図１参照）を介して連通させることで背圧室１４の圧力を吐出圧力と吸込圧力との中間の圧力（背圧）に保ち、背圧によって旋回スクロール６を支持する。

吸込部分バイパス方式では、前述の通り、部分負荷運転時において圧縮室１０の圧力分布が全体的に低下する。このため、旋回スクロール６を固定スクロール５から引き離す圧縮ガスの力は通常運転時よりも低下し、背圧が一定であるとすると、旋回スクロール６を固定スクロール５に押し付ける力が過剰となって摺動損失が増加してしまう。

そこで、背圧室１４から圧縮室１０へ給油を行う連通路である給油孔５ｇを、図８に示す給油区間８０２または給油区間８０３（の圧縮室と連通する位置）に設けることとする。なお、図８において、給油区間８０２に設けた給油孔５ｇ２、および、給油区間８０３に設けた給油孔５ｇ３の例を破線で図示しているが、給油孔５ｇの位置は図８に示す位置に限定されるものではない。ここで、図８に示した点Ａは、旋回スクロール外線と固定スクロール内線が接触する最も外側の点であって、旋回外線側圧縮室の閉じ込み完了時の最外側接点である。また、給油区間８０２と給油区間８０３との境は、バイパスポート５ｋの中心位置である。

図９は、第４実施形態に係る圧縮機における給油孔５ｇと圧縮行程との関係を示すグラフである。ここで、点Ｂ，Ｃはそれぞれ通常運転、部分負荷運転時の圧縮開始点である。また、実線で示すグラフ（符号９０１）は、通常運転時における圧縮室１０の圧力変化を示し、破線で示すグラフ（符号９０２）は、部分負荷運転時における圧縮室１０の圧力変化を示す。

給油孔５ｇに対して、圧縮室１０はある幅の回転角区間で連通する。その例として、図８の給油区間８０１に給油孔５ｇを設けた場合の連通区間８０４、給油区間８０２に給油孔５ｇを設けた場合（図８の５ｇ２）の連通区間８０５を、それぞれ図９のグラフ下方の両矢印で示している。給油区間８０１は、図８の点Ａよりも吸込側であるため、給油区間８０１に給油孔５ｇを設けた場合、給油孔５ｇは連通区間８０４として示したように吸込行程の圧縮室１０のみと連通し、圧縮室１０が圧縮を開始する時点で圧縮室１０と給油孔５ｇとは連通しなくなる。一方、給油区間８０２および８０３は、通常運転時の圧縮開始点Ｂよりも吐出側にあるため、給油区間８０２または８０３に給油孔５ｇを設けた場合、通常運転時は、連通区間８０５におけるグラフ９０１が示すように、少なくともその連通区間８０５の一部で圧縮室１０の圧力が上昇し、連通する給油孔５ｇの圧力も上昇する。部分負荷運転時は、連通区間８０５においてグラフ９０２が吸込圧力を保っているように、少なくともその連通区間８０５の一部では通常運転時よりも圧縮室１０の圧力が低くなり、連通する給油孔５ｇの圧力も低下する。したがって、給油区間８０２または８０３に給油孔５ｇを設けた場合、連通区間８０５における給油孔５ｇの平均圧力は、通常運転時よりも部分負荷運転時の方が低くなる。

図１０は、第４実施形態に係る圧縮機における背圧の変化を説明するグラフであり、（ａ）は給油区間８０２に給油孔５ｇを設けた場合を示し、（ｂ）は給油区間８０１に給油孔５ｇを設けた場合を示す。なお、図１０のグラフはいずれも通常運転からバイパス弁２１ｂを開弁し、部分負荷運転に切り替えたときの吸込圧力１００１、背圧弁出口圧力（給油孔５ｇにおける圧力）１００２、背圧１００３を示している。ただし、図１０を含め、以下では圧力は給油孔５ｇが圧縮室１０に連通する１区間（例えば図９の連通区間８０４、８０５）の平均値を考えるものとする。

図１０（ａ）に示す給油孔５ｇが給油区間８０２にあって、圧縮室１０と給油孔５ｇとが図９の連通区間８０５にて連通する場合、前述のように通常運転時の背圧弁出口圧力（給油孔５ｇの圧力）１００２は吸込圧力１００１よりも高く（差をΔＰとする）、部分負荷運転時の背圧弁出口圧力１００２は吸込圧力１００１と同等となる。背圧弁出口圧力１００２と背圧１００３は、背圧制御弁１２によってほぼ一定の圧力差ΔＰ１に保たれる。このため、背圧弁出口圧力１００２の変化に従って、背圧１００３も変化する。

このように、給油孔５ｇが給油区間８０２にある場合、部分負荷運転時には通常運転時よりも背圧１００３をΔＰだけ低下させることができ、旋回スクロール６の過剰な押し付けによる摺動損失を低減することができる。なお、図示は省略するが、給油孔５ｇが給油区間８０３にある場合も同様である。

一方、図１０（ｂ）に示す給油孔５ｇが給油区間８０１にある場合、容量制御の切り替え前後で背圧弁出口圧力１００２は変化せず、背圧１００３も変化しない。このため、通常運転時に旋回スクロール６が固定スクロール５から離脱しないように、背圧制御弁１２は、背圧１００３と背圧弁出口圧力との圧力差ΔＰ２がΔＰ２＝ΔＰ１＋ΔＰを満たすように設定される必要がある。したがって、部分負荷運転時にも通常運転時と同じ背圧１００３で旋回スクロール６を固定スクロール５に押し付けることとなり、力が過剰となって摺動損失が増加する。

以上により、給油孔５ｇは、給油区間８０２または給油区間８０３に設けることがより望ましいといえる。換言すれば、図９に示すように、通常運運転時において、圧縮室１０が作動流体を圧縮することで圧力が上昇する区間に給油孔５ｇを設けることが望ましい。

さらに、給油区間８０２に給油孔５ｇを設けた場合、その下流にバイパスポート５ｋがあるため、部分負荷運転時は給油された潤滑油１６の一部が吸込側へと循環してしまい、圧縮室１０のシール不足になり、圧縮機の効率が低下するおそれがある。これに対し、給油区間８０３に給油孔５ｇを設けた場合、換言すれば、固定ラップ５ｃのラップ渦に沿う方向にみて、バイパスポート５ｋよりも吐出口５ｅの側に給油孔５ｇを設けた場合、潤滑油１６はバイパスポート５ｋを経て吸込側に循環することがなくなるため、圧縮室１０のシール性が向上し、より高効率に部分負荷運転を実現することができる。

≪変形例≫
なお、本実施形態（第１〜第４実施形態）に係る圧縮機１は、上記実施形態の構成に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の変更が可能である。

図示および詳細な説明を省略するが、フルロード運転と、部分負荷運転を切り替えることが可能なロータリ圧縮機において、第３実施形態に係る圧縮機１Ｂの制御を適用してもよい。

１，１Ｂ 圧縮機
２ 密閉容器
２ｄ 吸込パイプ（吸込部）
３，３Ａ 圧縮機構部
４ 電動機
５ 固定スクロール
５ａ 吸込ポート
５ｂ リリースポート（リリース機構部）
５ｃ ラップ
５ｅ 吐出口
５ｇ，５ｈ 給油孔
５ｋ バイパスポート
６ 旋回スクロール
６ａ ラップ
７ フレーム
８ ボルト
９ クランク軸
９ｃ 給油通路
１０ 圧縮室
１１ リリース弁（リリース機構部）
１２ 背圧制御弁
１３ オルダムリング
１４ 背圧室
１５ 下軸受
１６ 潤滑油
２０ 吐出カバー
２０ａ 吐出弁
２０ｂ 吐出口
２０ｃ バイパス空間
２１ バイパス機構（バイパス機構部）
２１ａ バイパスパイプ（バイパス路）
２１ｂ バイパス弁（バイパス切換部）
２１ｃ 逆止弁
３０ 制御装置（制御部）
３１ インバータ（制御部）
３２ バイパス弁駆動回路（制御部）
５１ シリンダ
５２ ローラ
５３ ベーン
５４ ベーン空間（圧力空間）
５５ 吸込口
５６ 吐出口

Claims (7)

1. 密閉容器と、
   作動流体を圧縮する圧縮室を有する圧縮機構部と、
   前記圧縮機構部を駆動する電動機と、
   前記圧縮機構部に作動流体を導入する吸込部と、
   前記圧縮室と前記吸込部を連通するバイパス機構部と、
   前記電動機と前記バイパス機構部を制御する制御部と、を備え、
   前記バイパス機構部は、
   前記圧縮室と前記吸込部とが前記バイパス機構部を介して連通する連通状態、前記圧縮室と前記吸込部とが前記バイパス機構部を介して連通しない閉塞状態を切り替えるバイパス切換部を有し、
   前記制御部は、
   前記連通状態における前記電動機の回転速度を、前記閉塞状態における前記電動機の最低回転速度よりも低くするとともに、
   前記制御部は、
   前記バイパス機構部を前記連通状態から前記閉塞状態に切り替える際、
   前記バイパス切換部を制御して、前記連通状態から前記閉塞状態に切り替える前に、
   前記電動機の回転速度を、前記バイパス機構部が前記閉塞状態における前記電動機の最低回転速度よりも高くする
   ことを特徴とする圧縮機。
2. 密閉容器と、
   作動流体を圧縮する圧縮室を有する圧縮機構部と、
   前記圧縮機構部を駆動する電動機と、
   前記圧縮機構部に作動流体を導入する吸込部と、
   前記圧縮室と前記吸込部を連通するバイパス機構部と、
   前記電動機と前記バイパス機構部を制御する制御部と、を備え、
   前記圧縮機構部は、円筒状の内面および吸込口、吐出口を有するシリンダと、偏心回転するローラと、ローラと接触可能なベーンと、を備えるロータリ式であり、
   前記バイパス機構部は、
   前記圧縮室と前記吸込部とが前記バイパス機構部を介して連通する連通状態、前記圧縮室と前記吸込部とが前記バイパス機構部を介して連通しない閉塞状態を切り替えるバイパス切換部を有するとともに、
   前記ベーンの背面側に圧力空間を有し、
   前記バイパス切換部は、前記圧力空間の圧力を高圧に切り替えることにより前記閉塞状態とし、前記圧力空間の圧力を低圧に切り替えることにより前記連通状態とし、
   前記制御部は、
   前記連通状態における前記電動機の回転速度を、前記閉塞状態における前記電動機の最低回転速度よりも低くする
   ことを特徴とする圧縮機。
3. 密閉容器と、
   作動流体を圧縮する圧縮室を有する圧縮機構部と、
   前記圧縮機構部を駆動する電動機と、
   前記圧縮機構部に作動流体を導入する吸込部と、
   前記圧縮室と前記吸込部を連通するバイパス機構部と、
   前記電動機と前記バイパス機構部を制御する制御部と、を備え、
   前記圧縮機構部は、
   旋回ラップを有する旋回スクロールと、固定ラップを有する固定スクロールと、を備えるスクロール式であり、
   前記固定スクロールは、
   前記圧縮室に連通するバイパスポート、を備え、
   前記バイパス機構部は、
   前記圧縮室と前記吸込部とが前記バイパス機構部を介して連通する連通状態、前記圧縮室と前記吸込部とが前記バイパス機構部を介して連通しない閉塞状態を切り替えるバイパス切換部を有するとともに、
   前記バイパスポートと前記吸込部とを連通するバイパス路をさらに有し、
   前記制御部は、
   前記連通状態における前記電動機の回転速度を、前記閉塞状態における前記電動機の最低回転速度よりも低くする
   ことを特徴とする圧縮機。
4. 前記制御部は、
   前記バイパス機構部を前記閉塞状態から前記連通状態に切り替える際、
   前記バイパス切換部を制御して、前記閉塞状態から前記連通状態に切り替えた後、
   前記電動機の回転速度を、前記バイパス機構部が前記閉塞状態における前記電動機の最低回転速度よりも低くする
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の圧縮機。
5. 前記圧縮機構部は、旋回ラップを有する旋回スクロールと、固定ラップを有する固定スクロールと、を備えるスクロール式であり、
   前記固定スクロールは、前記圧縮室で圧縮された作動流体を吐出する吐出口と、前記圧縮室に連通するリリース機構部と、を備え、
   前記バイパス機構部は、
   前記吐出口および前記リリース機構部を覆い、バイパス空間を形成する吐出カバーと、
   前記吐出カバーに形成されたカバー吐出口に設けられた吐出弁と、
   前記バイパス空間と前記吸込部とを連通するバイパス路と、をさらに備える
   ことを特徴とする請求項１に記載の圧縮機。
6. 前記密閉容器内の潤滑油を前記旋回スクロールの反ラップ側に設けられた背圧室に供給する油供給部と、
   背圧制御弁を介して、前記背圧室と、前記圧縮室と接続する給油孔と、を接続する給油路と、をさらに備え、
   前記給油孔の前記圧縮室側の開口部は、
   前記バイパス切換部が前記閉塞状態において、前記圧縮室が作動流体を圧縮することで圧力が上昇する区間に設けられる
   ことを特徴とする請求項３に記載の圧縮機。
7. 前記固定スクロールは、前記圧縮室で圧縮された作動流体を吐出する吐出口と、前記圧縮室に連通するリリース機構部と、を備え、
   前記給油孔の位置は、
   前記固定ラップのラップ渦に沿う方向にみて、前記バイパスポートよりも前記吐出口の側に設けられる
   ことを特徴とする請求項６に記載の圧縮機。

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