JP6948531B2 - インジェクション機能を備えた圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、特に空気調和機、給湯器、冷蔵庫等の冷凍機に用いられる、インジェクション機能を備えた圧縮機に関する。

冷凍装置や空気調和装置には、蒸発器で蒸発したガス冷媒を吸入し、凝縮器にて凝縮させるために必要な圧力までガス冷媒を圧縮して冷媒回路中に高温高圧のガス冷媒を送り出す圧縮機が使用されている。そして、インジェクション機能を備えた圧縮機は、凝縮器と蒸発器との間に２つの膨張弁を設け、２つの膨張弁の間を流れる中間圧冷媒を圧縮工程中の圧縮室内にインジェクションすることで、冷凍サイクルの消費電力削減や能力向上を図っている。

すなわち、凝縮器を循環する冷媒は、インジェクションされた冷媒量だけ増加し、空調機であれば暖房能力が向上する。また、インジェクションされる冷媒は、中間圧状態であり、圧縮に必要な動力は、中間圧から高圧までであるため、インジェクションを行わずに同じ能力を実現する場合に比べて、ＣＯＰ（Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｏｆ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）が向上し、消費電力も削減できる。

凝縮器を流れる冷媒量は、蒸発器を流れる冷媒量とインジェクションされる冷媒量との和に等しく、凝縮器の冷媒量に対するインジェクション冷媒量の比がインジェクション率である。

インジェクションの効果を大きくするには、インジェクション率を高くすればよい。そして、インジェクションされる冷媒圧と圧縮室の内圧との圧力差で冷媒がインジェクションされるため、インジェクション率を高くするには、インジェクションされる冷媒圧を高くする必要がある。

しかし、インジェクションされる冷媒圧を高くすると、液冷媒が圧縮室にインジェクションされてしまい、暖房能力の低下や圧縮機の信頼性低下を招いてしまう。

ところで、従来のスクロール圧縮機では、圧縮室内にインジェクションされる冷媒の圧力脈動を抑制するための中間圧室を開示している（例えば、特許文献１参照）。この圧力脈動の発生は、凝縮器を流れる冷媒量に対する圧縮室へ噴射される冷媒の割合（以下、インジェクション率と称す）を低下させるため、特許文献１記載のスクロール圧縮機では、圧力脈動を抑制することでインジェクション率を高めている。

特許第３７４５８０１号公報

圧縮室にインジェクションする冷媒について、ガス冷媒と液冷媒の生成比率を制御する方法の一つとして２つの膨張弁の制御方法があるが、過不足なくガス冷媒をインジェクションする状態とインジェクション管に液冷媒の一部が混入する状態とは紙一重である。圧縮機の信頼性確保のためにはガスインジェクションもしくは液インジェクションのいずれか一方に限定した設計ではなく、ガス冷媒と液冷媒が混合した状態でインジェクション管から圧縮室へ流入することを想定しなければならない。

インジェクション管から圧縮室に流入する冷媒は、気液分離器からガス冷媒を優先的に取り出して送り込まれるが、中間圧制御のバランスが崩れた場合や過渡的な条件変化の際には、ガス冷媒に液冷媒が混ざった状態でインジェクション管から圧縮室へ流入する。摺動部分を多く有する圧縮室には、摺動状態を良好に保つために適量のオイルを送り込んで冷媒とともに圧縮しているが、液冷媒が混入すると圧縮室のオイルが液冷媒によって洗い流されることで、摺動状態が悪化し、部品磨耗や焼き付きを生じさせてしまう。従って、インジェクション管から流入した液冷媒は、極力圧縮室には送り込まず、ガス冷媒だけをインジェクションポートに導くことが重要となる。

特許文献１は、ガスインジェクション又は液インジェクションのいずれかを想定した構成であり、ガス冷媒に液冷媒が混入した状態でインジェクション管から冷媒が流入することは想定されておらず、その解決策についての言及もない。

本発明は、万一ガスインジェクションされる気相成分の作動流体に液相成分の作動流体が混入しても、中間圧室によって液相成分の作動流体が圧縮室に流れ込むことを抑制し、中間圧室で液冷媒を蒸発させることで、最適な中間圧で高効率に運転しながら、高信頼性を実現できるインジェクション機能を備えた圧縮機を提供する。

本発明のインジェクション機能を備えた圧縮機は、低圧作動流体を吸入し、低圧作動流体の圧縮過程にある圧縮室に中間圧作動流体をインジェクションし、高圧作動流体を吐出する、インジェクション機能を備えた圧縮機である。そして、圧縮室を、例えば固定スクロールで構成する圧縮室区画部材によって形成し、圧縮室にインジェクションする前の中間圧作動流体を導く中間圧室を設ける。また、中間圧室と圧縮室とを、圧縮室区画部材を挟んで対向させ、中間圧室を、圧縮室区画部材と中間圧室隔壁部材とで形成し、中間圧室は、中間圧作動流体が流入する中間圧室入口と、中間圧作動流体を圧縮室にインジェクションするインジェクションポートのインジェクションポート入口と、中間圧室入口より低い位置に形成した液溜め部とを有する。さらに、液溜め部を圧縮室区画部材によって形成したことを特徴とする。また、インジェクションポートには、圧縮室から中間圧室への中間圧作動流体の逆流を防止する逆止弁を設ける。また、逆止弁を、中間圧室隔壁部材と圧縮室区画部材が対面する境界面に設置する。

この構成により、中間圧作動流体の一部に液相成分の作動流体が存在していても、液溜め部で蒸発して気相成分の作動流体となるため、液相成分の作動流体を圧縮室にインジェクションすることがなく、最適な中間圧で高効率に運転でき、摺動部の潤滑性が液冷媒により悪化することがないために信頼性の高い圧縮機を提供することができる。
圧縮室内部の吸入圧から吐出圧まで昇圧される途中の段階で、圧縮室の内圧と中間圧との圧力差を利用してインジェクションポートから作動流体を流入させる。しかし、中間圧はインジェクション量の観点から決められるため、インジェクションポートが圧縮室内へ連通するタイミングは必ずしも常に最適にはならず、連通状態であっても圧縮室の内圧が中間圧よりも高くなることも起こり得る。この構成によれば、インジェクションポートに逆止弁を設けることで、圧縮室から中間圧室への作動流体の逆流を防止することができ、様々な運転状況において高効率で高能力な運転を実現できる。
また、この構成により、逆止弁を圧縮室の近傍に設けることで圧縮工程でのデッドボリュームを小さくでき、インジェクション率の高い高効率運転が可能となる。

図１は、本発明の第１の実施の形態によるインジェクション機能を備えた圧縮機を備えた冷凍サイクル図である。 図２は、本発明の第１の実施の形態によるインジェクション機能を備えた圧縮機の縦断面図である。 図３は、図２の要部拡大図である。 図４は、図３の４−４線矢視図である。 図５は、図４の５−５線矢視図である。 図６は、図３の６−６線矢視図である。 図７は、インジェクション運転を伴わない場合のスクロール圧縮機の非対称圧縮室の内圧と吐出開始位置の関係図である。 図８は、本発明の第１の実施の形態によるインジェクション機能を備えたスクロール圧縮機の旋回運動に伴う給油経路とシール部材との位置関係を示す説明図である。 図９は、本発明の第１の実施の形態によるインジェクション機能を備えたスクロール圧縮機の旋回運動に伴う給油経路およびインジェクションポートの開口状態を示す説明図である。

（第１の実施の形態）
以下本発明の第１の実施の形態によるインジェクション機能を備えた圧縮機について説明する。なお、以下の実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

図１は本実施の形態によるインジェクション機能を備えた圧縮機を備えた冷凍サイクル図である。

図１に示すように、本実施の形態の冷凍サイクル装置は、圧縮機９１、凝縮器９２、蒸発器９３、膨張弁９４ａ、９４ｂ、インジェクション管９５、および気液分離器９６を備えている。

凝縮器９２で凝縮した作動流体である冷媒は上流側の膨張弁９４ａで中間圧まで減圧され、気液分離器９６は、中間圧冷媒の気相成分（ガス冷媒）と液相成分（液冷媒）を分離する。中間圧まで減圧された液冷媒は、更に下流側の膨張弁９４ｂを通り、低圧冷媒となって蒸発器９３に導かれる。

蒸発器９３に送り込まれた液冷媒は、熱交換によって蒸発し、ガス冷媒又は一部液冷媒が混じったガス冷媒として排出される。蒸発器９３から排出された冷媒は圧縮機９１の圧縮室に取り込まれる。

一方、気液分離器９６で分離された中間圧のガス冷媒は、インジェクション管９５を通り、圧縮機９１内の圧縮室に導かれる。なお、インジェクション管９５に閉塞弁や減圧器を設け、インジェクションする圧力を調整、停止する構成としても良い。

圧縮機９１は蒸発器９３から流入する低圧冷媒を圧縮し、圧縮過程において気液分離器９６の中間圧冷媒を圧縮室に噴射（インジェクション）させて圧縮し、高温高圧冷媒を吐出管から凝縮器９２に送り出す。

気液分離器９６で分離される冷媒の気相成分と液相成分の比率は、上流側に設けた膨張弁９４ａの入口側圧力と出口側圧力との圧力差が大きいほど気相成分が多く、また凝縮器９２出口の冷媒の過冷却度が小さい、もしくは渇き度が大きいほど気相成分が多くなる。

一方、圧縮機９１がインジェクション管９５を介して吸入する冷媒の量は、中間圧が高いほど多くなるため、気液分離器９６で分離される冷媒の気相成分比率よりも多くインジェクション管９５から冷媒を吸い込むと、気液分離器９６のガス冷媒が枯渇し、インジェクション管９５に液冷媒が流入する。圧縮機９１の能力を最大限に発揮するためには、気液分離器９６において分離されるガス冷媒が余すことなくインジェクション管９５から圧縮機９１に吸い込まれることが望ましい。しかし、その均衡状態から外れてしまうとインジェクション管９５から圧縮機９１に液冷媒が流入するため、そのような場合においても圧縮機９１が高い信頼性を維持できるように構成する必要がある。

気液分離器９６の上流側および下流側にそれぞれ設けた膨張弁９４ａ、９４ｂの開度を調整することで、中間圧を制御し、インジェクション管９５が最終的に繋がる圧縮機９１内の圧縮室の内圧と中間圧との圧力差でインジェクション冷媒を圧縮室に送り込む。このため、中間圧を高く調整すればインジェクション率は増加する。一方で、凝縮器９２から上流側の膨張弁９４ａを通って気液分離器９６に流入する冷媒中の気相成分比率は、中間圧が高いほど少なくなるため、過剰に中間圧を上げると気液分離器９６の液冷媒が増加し、液冷媒がインジェクション管９５に流れ込み、暖房能力の低下や圧縮機９１の信頼性に影響を及ぼす。よって、圧縮機９１としてはできるだけ低い中間圧で多くのインジェクション冷媒を取り込める構成が望ましく、圧縮方式としては圧縮速度が緩やかなスクロール型が適している。

図２は、本実施の形態によるインジェクション機能を備えた圧縮機の縦断面図である。図３は図２の要部拡大図である。図４は図３の４−４線矢視図である。図５は図４の５−５線矢視図である。

本実施例によるインジェクション機能を備えた圧縮機９１はスクロール圧縮機である。

図２に示すように、圧縮機９１は、密閉容器１の内部に、圧縮機構２、モータ部３、貯油部２０を備えている。

圧縮機構２は、密閉容器１に溶接や焼き嵌めによって固定した主軸受部材１１と、主軸受部材１１上にボルト止めした圧縮室区画部材である固定スクロール１２と、固定スクロール１２と噛み合う旋回スクロール１３とを有する。シャフト４は主軸受部材１１で軸支されている。

また、圧縮機構２は、旋回スクロール１３の自転を防止して円軌道運動するように案内するオルダムリングなどによる自転拘束機構１４を設けている。本実施の形態では、自転拘束機構１４であるオルダムリングは、旋回スクロール１３と主軸受部材１１との間に配置している。

旋回スクロール１３は、シャフト４の上端にある偏心軸部４ａに嵌合して偏心駆動し、自転拘束機構１４によって円軌道運動する。

圧縮室１５は、固定スクロール１２と旋回スクロール１３との間に形成される。

吸入パイプ１６は密閉容器１外に通じ、固定スクロール１２の外周部には吸入ポート１７を設けている。吸入パイプ１６から吸入される作動流体（冷媒）は、吸入ポート１７から圧縮室１５に導かれる。圧縮室１５は、外周側から中央部に向かって容積を縮めながら移動して吸入された作動流体の圧力を上げる。圧縮室１５で所定の圧力に到達した作動流体は、固定スクロール１２の中央部に設けた吐出ポート１８から吐出室３１に吐出される。吐出ポート１８には吐出リード弁１９を設けている。圧縮室１５で所定の圧力に到達した作動流体は、吐出リード弁１９を押し開いて吐出室３１に吐出される。吐出室３１に吐出された作動流体は、図示しない通路を介して密閉容器１の最上部に流れ、吐出管８を通じて密閉容器１の外に吐出される。

一方、インジェクション管９５から導かれた中間圧の作動流体は、中間圧室４１に流入し、インジェクションポート４３に設けた逆止弁４２を開き、閉じ込み後の圧縮室１５にインジェクションされ、吸入ポート１７から吸い込んだ作動流体と共に吐出ポート１８から密閉容器１内の吐出室３１に吐出される。

シャフト４の下端にはポンプ２５を設けている。ポンプ２５は、その吸い込み口が貯油部２０内に存在するように配置する。ポンプ２５は、シャフト４によって駆動され、密閉容器１の底部に設けられた貯油部２０にあるオイル６を、圧力条件や運転速度に関係なく、確実に吸い上げることができ、圧縮機構２などにおけるオイル６が切れるという心配も解消される。ポンプ２５で吸い上げたオイル６は、シャフト４内に形成しているオイル供給穴２６を通じて圧縮機構２に供給される。なお、オイル６をポンプ２５で吸い上げる前もしくは吸い上げた後に、オイルフィルタ等でオイル６から異物を除去すると、圧縮機構２への異物混入が防止でき、更なる信頼性向上を図ることができる。

圧縮機構２に導かれたオイル６の圧力は、スクロール圧縮機の吐出圧とほぼ同等であり、旋回スクロール１３に対する背圧源ともなる。これにより、旋回スクロール１３は固定スクロール１２から離れたり片当たりしたりすることはなく、所定の圧縮機能を安定して発揮する。

図３に示すように、旋回スクロール１３の鏡板の背面１３ｅにはリング状のシール部材７８を配置している。

シール部材７８の内側には高圧領域３０が形成され、シール部材７８の外側には背圧室２９が形成される。背圧室２９は、高圧と低圧との間の圧力に設定されている。シール部材７８を用いることにより、高圧領域３０と背圧室２９とを分離できるため、旋回スクロール１３の背面１３ｅからの圧力付加を安定的に制御できる。

なお、図３の６−６線矢視図である図６に示すように、固定スクロール１２と旋回スクロール１３により形成される圧縮室１５には、旋回スクロール１３のラップ外壁側に形成される第１圧縮室１５ａと、ラップ内壁側に形成される第２圧縮室１５ｂとがある。

貯油部２０からの給油経路としては、高圧領域３０から背圧室２９への接続路５５と、背圧室２９から第２圧縮室１５ｂへの供給路５６とを有する。高圧領域３０から背圧室２９への接続路５５を設けることで、自転拘束機構１４の摺動部や、固定スクロール１２と旋回スクロール１３のスラスト摺動部にオイル６を供給することができる。

接続路５５の第１開口端５５ａは旋回スクロール１３の背面１３ｅに形成し、シール部材７８を往来させ、第２開口端５５ｂは常に高圧領域３０に開口している。これにより間欠給油が実現できる。

オイル６の一部は、供給圧や自重によって、逃げ場を求めるようにして偏心軸部４ａと旋回スクロール１３との嵌合部、シャフト４と主軸受部材１１との間の軸受部６６に進入してそれぞれの部分を潤滑した後落下し、貯油部２０へ戻る。

本実施の形態によるスクロール圧縮機では、圧縮室１５への給油経路が、旋回スクロール１３の内部に形成された通路１３ａと、固定スクロール１２のラップ面側鏡板に形成された凹部１２ａから構成されている。通路１３ａの第３開口端５６ａはラップ先端１３ｃに形成し、旋回運動にあわせて周期的に凹部１２ａに開口させ、また通路１３ａの第４開口端５６ｂは常に背圧室２９に開口させている。これにより、背圧室２９と第２圧縮室１５ｂを間欠的に連通させることができる（図６、図９参照）。

中間圧の冷媒をインジェクションするためのインジェクションポート４３は、固定スクロール１２の鏡板を貫通して設けている。インジェクションポート４３は、第１圧縮室１５ａ及び第２圧縮室１５ｂに順次開口する。インジェクションポート４３は、第１圧縮室１５ａ及び第２圧縮室１５ｂでの閉じ込み後の圧縮工程中に開口する位置に設けている。

固定スクロール１２の鏡板には、吐出ポート１８と連通する前に圧縮室１５で圧縮した冷媒を吐出する吐出バイパスポート２１を設けている。

図３、図４に示すように、本実施の形態による圧縮機９１は、インジェクション管９５から送り込まれ、圧縮室１５にインジェクションする前の中間圧作動流体を導く中間圧室４１を設けている。

中間圧室４１は、圧縮室区画部材である固定スクロール１２と、中間圧室隔壁部材を構成する中間圧プレート４４および中間圧カバー４５とで形成している。中間圧室４１と圧縮室１５とは、固定スクロール１２を挟んで対向させている。中間圧室４１は、中間圧作動流体が流入する中間圧室入口４１ａと、中間圧作動流体を圧縮室１５にインジェクションするインジェクションポート４３のインジェクションポート入口４３ａと、中間圧室入口４１ａより低い位置に形成した液溜め部４１ｂとを有している。

液溜め部４１ｂは固定スクロール１２の鏡板の上面で形成している。

中間圧プレート４４には、圧縮室１５から中間圧室４１への冷媒逆流を防止する逆止弁４２が設けられている。インジェクションポート４３が圧縮室１５に開口している区間において、圧縮室１５の内圧がインジェクションポート４３の中間圧よりも高い場合には、圧縮室１５から中間圧室４１に向けて冷媒が逆流するため、逆止弁４２を設けることにより冷媒の逆流を阻止できる。

本実施の形態による圧縮機９１では、逆止弁４２は圧縮室１５側にリフトして圧縮室１５と中間圧室４１を連通させるリード弁４２ａで構成しており、圧縮室１５の内圧が中間圧室４１の圧力よりも低い時にのみ中間圧室４１を圧縮室１５に連通させる。リード弁４２ａを用いることで、可動部における摺動箇所が少なく、長期に亘りシール性を維持できるとともに、流路面積を必要に応じて拡大し易い。逆止弁４２を設けなかったり、逆止弁４２をインジェクション管９５に設けたりした場合は、圧縮室１５の冷媒がインジェクション管９５まで逆流し、無駄な圧縮動力を消費することになる。本実施の形態では逆止弁４２を圧縮室１５に近い中間圧プレート４４に設けることで圧縮室１５からの逆流を抑制している。

固定スクロール１２の鏡板の上面は、中間圧室入口４１ａよりも低い位置にあり、固定スクロール１２の鏡板の上面に、液相成分の作動流体が溜まる液溜め部４１ｂを設けている。また、インジェクションポート入口４３ａは、中間圧室入口４１ａの高さよりも高い位置に設けている。従って、中間圧作動流体の内、気相成分の作動流体はインジェクションポート４３に導かれ、液溜め部４１ｂに溜まった液相成分の作動流体は、高温状態にある固定スクロール１２の表面で気化されるため、圧縮室１５には液相成分の作動流体が流入しにくい。

さらに、中間圧室４１と吐出室３１とは中間圧プレート４４を介して隣接する位置に設けており、中間圧室４１に液相成分の作動流体が流入した際の気化を促進するとともに、吐出室３１の高圧冷媒の温度上昇も抑制できるため、その分だけ高い吐出圧条件まで運転を行うことができる。

インジェクションポート４３に導かれた中間圧作動流体は、インジェクションポート４３と圧縮室１５との圧力差によりリード弁４２ａを押し開き、吸入ポート１７から吸い込んだ低圧作動流体と圧縮室１５で合流する。しかし、逆止弁４２から圧縮室１５までの間のインジェクションポート４３に残る中間圧作動流体は、再膨張と再圧縮を繰り返すため、圧縮機９１の効率を低下させる要因となる。そこで、リード弁４２ａの最大変位量を規制するバルブストップ４２ｂ（図５参照）の厚みを、リード弁４２ａのリフト規制箇所に応じて変化させ、リード弁４２ａより下流のインジェクションポート４３内体積を小さくしている。

また、リード弁４２ａおよびバルブストップ４２ｂは固定部材であるボルト４８により中間圧プレート４４に固定されている。バルブストップ４２ｂに設けたねじを含む固定部材４８の固定用孔は、バルブストップ４２ｂを貫通することなく固定部材４８の挿入側にのみ開口しているため、結果として、固定部材４８は中間圧室４１にのみ開放するように構成している。これにより、固定部材４８の隙間を介して中間圧室４１と圧縮室１５との間で作動流体が漏れるのを抑制でき、インジェクション率を向上させることができる。

中間圧室４１は、圧縮室１５へのインジェクション量を十分に供給可能とするために圧縮室１５の吸入容積以上とする。ここで吸入容積とは、吸入ポート１７から導いた作動流体を圧縮室１５に閉じ込んだ時点、すなわち吸入工程完了時点での圧縮室１５の容積であり、第１圧縮室１５ａ（図６参照）と第２圧縮室１５ｂ（図６参照）との合計容積である。本実施例の圧縮機９１では、中間圧室４１を固定スクロール１２の鏡板の平面上に広がるように設け、容積を拡大している。しかしながら、圧縮機９１に封入されたオイル６の一部が吐出冷媒と共に圧縮機９１から出ていき、気液分離器９６からインジェクション管９５を通って中間圧室４１に戻った場合に、液溜め部４１ｂに残るオイル６が多すぎると貯油部２０のオイル６が不足してしまう問題を生じるため、中間圧室４１の容積が大きすぎるのも適切でない。このことから、中間圧室４１の容積は、圧縮室１５の吸入容積以上で、封入されるオイル６のオイル容積の１／２以下とすることが好ましい。

図６は図３の６−６線矢視図である。

図６は固定スクロール１２に旋回スクロール１３を噛み合わせ、旋回スクロール１３の背面１３ｅ（図３参照）側から見た図である。図６に示すように固定スクロール１２と旋回スクロール１３を噛み合わせた状態で、固定スクロール１２の渦巻きラップを旋回スクロール１３の渦巻きラップと同等まで延長している。

固定スクロール１２と旋回スクロール１３により形成される圧縮室１５には、旋回スクロール１３のラップ外壁側に形成される第１圧縮室１５ａと、ラップ内壁側に形成される第２圧縮室１５ｂとがある。

第１圧縮室１５ａの作動流体を閉じ込める位置と第２圧縮室１５ｂの作動流体を閉じ込める位置とは、略１８０度ずれるように渦巻きラップを構成している。

作動流体を閉じ込めるタイミングが第１圧縮室１５ａと第２圧縮室１５ｂとで１８０度程度ずれることで、第１圧縮室１５ａを閉じ込めた後、シャフト４の回転が１８０度進んでから第２圧縮室１５ｂを閉じ込めることになる。これにより、第１圧縮室１５ａにおいて吸入加熱の影響を小さくすることができ、さらに吸入容積を最大にすることができる。すなわちラップ高さを低く設定でき、その結果ラップの径方向接点部の漏れ隙間（＝漏れ断面積）を縮小することができるので、漏れ損失の更なる低減が可能となる。

図７は、インジェクション運転を伴わない場合のスクロール圧縮室の非対称圧縮室の内圧と吐出開始位置の関係図である。

図７には、クランクの回転角度であるクランク角度に対する第１圧縮室１５ａの圧力変化を示す圧力曲線Ｐと、第２圧縮室１５ｂの圧力変化を示す圧力曲線Ｑと、圧力曲線Ｑを１８０度スライドさせて圧力曲線Ｐと圧縮開始点を揃えた圧職曲線Ｑａを示している。圧力曲線Ｐと圧力曲線Ｑａの比較で明らかなように、第２圧縮室１５ｂの圧力上昇速度は第１圧縮室１５ａの圧力上昇速度より速い。

そのため、圧縮開始位置からのシャフト４の回転角で言えば、第１圧縮室１５ａに比べて第２圧縮室１５ｂの方が早期に吐出圧に到達する。圧縮室１５（図３参照）が吐出ポート１８や吐出バイパスポート２１と連通して冷媒が吐出可能となる圧縮室１５の吐出容積に対する圧縮室１５の吸入容積の比で定義する容積比は、吸入容積が小さい第２圧縮室１５ｂの方が同等か小さくなる。しかし、本実施の形態によるスクロール圧縮機では、後述するインジェクション冷媒の効果により第１圧縮室１５ａの方が早期に吐出圧に到達するため、この容積比に関しても第１圧縮室１５ａを第２圧縮室１５ｂに対して小さくしている。これにより、圧縮室１５での内圧が吐出圧以上まで圧縮されたにも関わらず、吐出ポート１８もしくは吐出バイパスポート２１と連通していないがために吐出圧以上にまで圧縮されるという課題を解決している。

また、旋回スクロール１３のラップ先端１３ｃ（図３参照）には、運転中の温度分布を測定した結果をもとに、中心部である巻き始め部から外周部である巻き終わり部にかけて、徐々にハネ高さが高くなるようにスロープ形状が設けられている。これにより熱膨張による寸法変化を吸収し、局所摺動を防止し易くしている。

図８は、本実施の形態における圧縮機であるスクロール圧縮機の旋回運動に伴う給油経路とシール部材との位置関係を示す説明図である。

図８は固定スクロール１２に旋回スクロール１３を噛み合わせ、旋回スクロール１３の背面１３ｅ側から見た図であり、位相を９０度ずつずらした図である。

接続路５５の一方の第１開口端５５ａは旋回スクロール１３の背面１３ｅに形成している。

図８に示すように、シール部材７８で旋回スクロール１３の背面１３ｅは内側の高圧領域３０と外側の背圧室２９に仕切られている。

図８の（Ｂ）の状態では、第１開口端５５ａはシール部材７８の外側である背圧室２９に開口しているため、オイル６が供給される。

これに対し図８の（Ａ）、（Ｃ）、（Ｄ）の状態では、第１開口端５５ａはシール部材７８の内側に開口しているため、オイル６が供給されることはない。

すなわち接続路５５の一方の第１開口端５５ａは、高圧領域３０と背圧室２９とを往来するが、接続路５５の第１開口端５５ａと第２開口端５５ｂ（図３参照）との間で圧力差が生じたときのみ背圧室２９にオイル６が供給される。この構成にすると、給油量は第１開口端５５ａがシール部材７８を往来する時間割合で調整できるため、接続路５５の通路径をオイルフィルタに対し１０倍以上の寸法で構成することが可能となる。これにより、通路１３ａ（図３参照）に異物が噛み込んで閉塞する恐れがなくなるため、安定した背圧の印加と同時にスラスト摺動部及び自転拘束機構１４（図３参照）の潤滑も良好な状態を維持でき、高効率かつ高信頼性を実現するスクロール圧縮機を提供することができる。なお本実施の形態では、第２開口端５５ｂが常に高圧領域３０にあり、第１開口端５５ａが高圧領域３０と背圧室２９を往来する場合を例として説明した。しかし、第２開口端５５ｂが高圧領域３０と背圧室２９を往来し、第１開口端５５ａが常に背圧室２９にある場合でも、第１開口端５５ａ、第２開口端５５ｂで圧力差が生じるため、間欠給油が実現でき同様の効果が得られる。

図９は、本実施の形態における圧縮機であるスクロール圧縮機の旋回運動に伴う給油経路およびインジェクションポートの開口状態を示す図である。

図９は、固定スクロール１２に旋回スクロール１３を噛み合わせた状態であり、位相を９０度ずつずらした図である。

図９に示すように、ラップ先端１３ｃ（図３参照）に形成された、通路１３ａの第３開口端５６ａを、固定スクロール１２の鏡板に形成された凹部１２ａに周期的に開口させることで、間欠連通を実現させている。

図９の（Ｄ）の状態で第３開口端５６ａは凹部１２ａに開口しており、この状態では、供給路５６（図３参照）及び通路１３ａを通って背圧室２９（図３参照）から第２圧縮室１５ｂにオイル６が供給される。

これに対し図９の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）では、第３開口端５６ａは凹部１２ａに開口していないため、背圧室２９から第２圧縮室１５ｂにオイル６は供給されない。以上のことから、背圧室２９のオイル６は、給油経路を通って第２圧縮室１５ｂに間欠的に導かれるので、背圧室２９の圧力変動を抑制することができ、所定の圧力に制御することが可能となる。また同時に、第２圧縮室１５ｂに供給されたオイル６は圧縮時のシール性向上や潤滑性向上の役割を果たす。

第１圧縮室１５ａの閉じ込み時点を示す図９の（Ａ）では、インジェクションポート４３は第１圧縮室１５ａに開口しておらず、圧縮が開始された後の状態を示す図９の（Ｂ）、（Ｃ）では、第１圧縮室１５ａに対してインジェクションポート４３が開口している。

同様に、第２圧縮室１５ｂの閉じ込み時点を示す図９の（Ｃ）では、インジェクションポート４３は第２圧縮室１５ｂに対して開口しておらず、圧縮が進んだ状態を示す図９の（Ａ）の状態においてインジェクションポート４３は第２圧縮室１５ｂに対して開口する。これにより、インジェクションポート４３を省スペース化すると共に、インジェクション冷媒が吸入ポート１７（図３参照）まで逆流することなく圧縮できるため、冷媒循環量を増加し易く、高効率なインジェクション運転が可能となる。

圧縮室１５への給油区間の少なくとも一部を、インジェクションポート４３の開口区間と重複するよう構成することで、背面１３ｅから旋回スクロール１３への圧力付加は、インジェクション冷媒の中間圧が上昇するのに応じて、給油区間中の圧縮室１５の内圧と共に大きくなる。そのため、旋回スクロール１３は固定スクロール１２に対してより安定的に押し付けられ、背圧室２９から圧縮室１５への漏れを低減するとともに、安定した運転を行うことができる。これにより、旋回スクロール１３の挙動はより安定的に、最適性能を実現し、インジェクション率を更に向上させることができる。

作動流体である冷媒として、吐出冷媒の温度が高温となり易いＲ３２や二酸化炭素を用いた場合には、吐出冷媒温度の上昇を抑制できる効果が発揮され、モータ部３の絶縁材など樹脂材料の劣化を抑え、長期に亘って信頼性の高い圧縮機を提供することが可能となる。

一方、炭素間に二重結合を有する冷媒、又はその冷媒を含むＧＷＰ５００以下（ＧＷＰ：Ｇｌｏｂａｌ Ｗａｒｍｉｎｇ Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ（地球温暖化係数））の冷媒を用いた場合には、高温時に冷媒分解反応を生じ易いため、吐出冷媒温度の上昇を抑制する効果により、冷媒の長期安定性に効果を発揮する。

第１の開示によるインジェクション機能を備えた圧縮機は、圧縮室を、例えば固定スクロールで構成する圧縮室区画部材によって形成し、圧縮室にインジェクションする前の中間圧作動流体を導く中間圧室を設け、中間圧室と圧縮室とを、圧縮室区画部材を挟んで対向させる。また、中間圧室を、圧縮室区画部材と中間圧室隔壁部材とで形成する。また、中間圧室は、中間圧作動流体が流入する中間圧室入口と、中間圧作動流体を圧縮室にインジェクションするインジェクションポートのインジェクションポート入口と、中間圧室入口より低い位置に形成した液溜め部とを有し、液溜め部を圧縮室区画部材によって形成する。また、インジェクションポートには、圧縮室から中間圧室への中間圧作動流体の逆流を防止する逆止弁を設ける。また、逆止弁を、中間圧室隔壁部材と圧縮室区画部材が対面する境界面に設置する。

この構成によれば、中間圧作動流体の一部に液相成分の作動流体が存在していても、圧縮室区画部材の熱により液溜め部で蒸発して気相成分の作動流体となる。そのため、液相成分の作動流体を圧縮室にインジェクションすることがなく、最適な中間圧で高効率に運転でき、摺動部の潤滑性が液冷媒により悪化することがないために信頼性の高い圧縮機を実現できる。
圧縮室内部の吸入圧から吐出圧まで昇圧される途中の段階で、圧縮室の内圧と中間圧との圧力差を利用してインジェクションポートから作動流体を流入させる。しかし、中間圧はインジェクション量の観点から決められるため、インジェクションポートが圧縮室内へ連通するタイミングは必ずしも常に最適にはならず、連通状態であっても圧縮室の内圧が中間圧よりも高くなることも起こり得る。この構成によれば、インジェクションポートに逆止弁を設けることで、圧縮室から中間圧室への作動流体の逆流を防止することができ、様々な運転状況において高効率で高能力な運転を実現できる。
また、この構成により、逆止弁を圧縮室の近傍に設けることで圧縮工程でのデッドボリュームを小さくでき、インジェクション率の高い高効率運転が可能となる。

第２の開示は、第１の開示によるインジェクション機能を備えた圧縮機において、圧縮室を内部に形成する密閉容器に、所定量のオイルを封入し、中間圧室の容積を、圧縮室の吸入容積以上で、封入したオイルによるオイル容積の１／２以下としてもよい。

本実施の形態によれば、中間圧室は中間圧の作動流体を噴射するのに十分な容積を確保しつつ、中間圧室の液溜め部にオイルの一部が溜まったとしても貯油部には潤滑に必要なオイルを残すことができるため、液溜め部が摺動部へのオイル供給を妨げることがなく、高い信頼性を有する圧縮機を提供する。

第３の開示は、第１又は第２いずれかの開示によるインジェクション機能を備えた圧縮機において、インジェクションポート入口を、中間圧室入口よりも高い位置に設けてもよい。

この構成によれば、中間圧室入口から流入した作動流体の液成分はインジェクションポートに到達することができず、液溜め部へと導かれるため、作動流体の気相成分を圧縮室に噴射することができる。

第４の開示は、第１又は第２いずれかの開示によるインジェクション機能を備えた圧縮機において、圧縮室区画部材に、高圧作動流体を圧縮室から吐出室に吐出する吐出孔を設け、吐出室と中間圧室とを隣接させてもよい。

この構成によれば、中間圧室内の液溜め部の作動流体を、吐出された高温の作動流体の熱によって蒸発させ易くなる。

第５の開示は、第１又は第２いずれかの開示によるインジェクション機能を備えた圧縮機において、作動流体として、Ｒ３２又は二酸化炭素を用いてもよい。

Ｒ３２や二酸化炭素は高温冷媒であり、吐出温度が上昇し易く、設備保護などの安全面から運転可能な高圧限界が定められる。この構成によれば、高温となる吐出冷媒がインジェクションされる冷媒によって温度低下するため、運転可能領域を拡大することができる。

第６の開示は、第１又は第２いずれかの開示によるインジェクション機能を備えた圧縮機において、作動流体として、炭素間に二重結合を有する冷媒、又はその冷媒を含むＧＷＰ（Ｇｌｏｂａｌ Ｗａｒｍｉｎｇ Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ（地球温暖化係数））５００以下の冷媒を用いてもよい。

炭素間に二重結合を有する冷媒は、高温状態で不安定となり分解し易くなるため、温度上昇を抑制する必要がある。この構成によれば、インジェクション冷媒との混合ならびに液溜め部の冷媒との熱交換によって、吐出冷媒の温度は大きく低下するため、冷媒の分解を抑制し、高信頼性の圧縮機を提供することができる。

第７の開示は、第１の開示によるインジェクション機能を備えた圧縮機において、逆止弁を固定する固定部材を、中間圧室隔壁部材又は圧縮室区画部材に設けてもよい。

この構成により、固定部材の隙間を通じて、中間圧室と圧縮室間で作動流体が漏れ出ることを防止できるため、インジェクション率の高い高効率運転が可能となる。

第８の開示は、第１の開示によるインジェクション機能を備えた圧縮機において、逆止弁としてリード弁を用い、インジェクションポートを開閉するようにリード弁を設置してもよい。

リード弁は、可動部における摺動箇所が少なく、長期に亘りシール性を維持できるとともに、流路面積を必要に応じて拡大し易いため、この構成によれば、インジェクション率の高い高効率運転と高い信頼性を実現できる。

第９の開示は、第８の開示によるインジェクション機能を備えた圧縮機において、リード弁の最大変位量を規制するバルブストップを設け、バルブストップの厚みを、リード弁のリフト規制箇所に応じて異ならせてもよい。

インジェクションポート中のリード弁がリフト開閉する側は、圧縮室と連通した圧縮室の一部であり、必要以上の空間はデッドボリュームとなって圧縮機の効率低下に繋がる。バルブストップの厚みを一定とした場合、リード弁根元付近ではバルブストップ背面に空間が発生してしまい、それが効率低下の要因となってしまう。この構成により、そのような空間をバルブストップの板厚変化によって無くすことができ、インジェクション量が多くなる高リフトタイプのリード弁で特に効果を発揮する。

本発明は、中間圧のインジェクションが行われるスクロール圧縮機だけに限らず、ロータリ式などのインジェクションを行う全ての方式の圧縮機に有用であり、その用途としても、空気調和機に限らず、温水暖房装置、給湯器、冷凍機などの電気製品に利用できる冷凍サイクル装置に有用である。

１ 密閉容器
２ 圧縮機構
３ モータ部
４ シャフト
４ａ 偏心軸部
６ オイル
１１ 主軸受部材
１２ 固定スクロール（圧縮室区画部材）
１２ａ 凹部
１３ 旋回スクロール
１３ｃ ラップ先端
１３ｅ 背面
１４ 自転拘束機構
１５ 圧縮室
１５ａ 第１圧縮室
１５ｂ 第２圧縮室
１６ 吸入パイプ
１７ 吸入ポート
１８ 吐出ポート
１９ 吐出リード弁
２０ 貯油部
２１ 吐出バイパスポート
２５ ポンプ
２６ オイル供給穴
２９ 背圧室
３０ 高圧領域
３１ 吐出室
４１ 中間圧室
４１ａ 中間圧室入口
４１ｂ 液溜め部
４２ 逆止弁
４２ａ リード弁
４２ｂ バルブストップ
４３ インジェクションポート
４３ａ インジェクションポート入口
４４ 中間圧プレート（中間圧室隔壁部材）
４５ 中間圧カバー（中間圧室隔壁部材）
４８ 固定部材（ボルト）
５５ 接続路
５５ａ 第１開口端
５５ｂ 第２開口端
５６ 供給路
５６ａ 第３開口端
５６ｂ 第４開口端
６６ 軸受部
７８ シール部材
９１ 圧縮機
９２ 凝縮器
９３ 蒸発器
９４ａ，９４ｂ 膨張弁
９５ インジェクション管
９６ 気液分離器

Claims (9)

1. 低圧作動流体を吸入し、前記低圧作動流体の圧縮過程にある圧縮室に中間圧作動流体をインジェクションし、高圧作動流体を吐出する、インジェクション機能を備えた圧縮機において、
   前記圧縮室を、圧縮室区画部材によって形成し、前記圧縮室にインジェクションする前の前記中間圧作動流体を導く中間圧室を設け、前記中間圧室と前記圧縮室とを、前記圧縮室区画部材を挟んで対向させ、前記中間圧室を、前記圧縮室区画部材と中間圧室隔壁部材とで形成し、前記中間圧室は、前記中間圧作動流体が流入する中間圧室入口と、前記中間圧作動流体を前記圧縮室にインジェクションするインジェクションポートのインジェクションポート入口と、前記中間圧室入口より低い位置に形成した液溜め部とを有し、前記液溜め部を前記圧縮室区画部材によって形成したことを特徴とするインジェクション機能を備えるとともに、前記インジェクションポートには、前記圧縮室から前記中間圧室への前記中間圧作動流体の逆流を防止する逆止弁を設け、前記逆止弁を、前記中間圧室隔壁部材と前記圧縮室区画部材が対面する境界面に設置した圧縮機。
2. 前記圧縮室を内部に形成する密閉容器には、所定量のオイルが封入され、前記中間圧室の容積を、前記圧縮室の吸入容積以上で、封入される前記オイルによるオイル容積の１／２以下としたことを特徴とする請求項１に記載のインジェクション機能を備えた圧縮機。
3. 前記インジェクションポート入口を、前記中間圧室入口よりも高い位置に設けたことを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれか１項に記載のインジェクション機能を備えた圧縮機。
4. 前記圧縮室区画部材には、前記高圧作動流体を前記圧縮室から吐出室に吐出する吐出孔を設け、前記吐出室と前記中間圧室とを隣接させたことを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれか１項に記載のインジェクション機能を備えた圧縮機。
5. 前記低圧作動流体、前記中間圧作動流体および前記高圧作動流体として、Ｒ３２又は二酸化炭素を用いたことを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれか１項に記載のインジェクション機能を備えた圧縮機。
6. 前記低圧作動流体、前記中間圧作動流体および前記高圧作動流体として、炭素間に二重結合を有する冷媒、又は前記冷媒を含むＧＷＰ（Ｇｌｏｂａｌ Ｗａｒｍｉｎｇ Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ（地球温暖化係数））５００以下の冷媒を用いたことを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれか１項に記載のインジェクション機能を備えた圧縮機。
7. 前記逆止弁を固定する固定部材を、前記中間圧室隔壁部材又は前記圧縮室区画部材に設けたことを特徴とする請求項１に記載のインジェクション機能を備えた圧縮機。
8. 前記逆止弁としてリード弁を用い、前記インジェクションポートを開閉するように前記リード弁を設置したことを特徴とする請求項１に記載のインジェクション機能を備えた圧縮機。
9. 前記リード弁の最大変位量を規制するバルブストップを設け、前記バルブストップの厚みを、前記リード弁のリフト規制箇所に応じて異ならせたことを特徴とする請求項８に記載のインジェクション機能を備えた圧縮機。
   

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