JP7329771B2 - インジェクション機構付き圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、インジェクションサイクルに用いるインジェクション機構付き圧縮機に関するものである。

特許文献１は、従来のインジェクションサイクルに用いるインジェクション機構付き圧縮機を示す。この圧縮機は、図１１に示すように、密閉容器１００、密閉容器１００内に設けた固定スクロール１０１、固定スクロール１０１と噛み合って圧縮室１０２を形成する旋回スクロール１０３、前記圧縮室１０２からの吐出冷媒の脈動を平滑化するための吐出室１０４、吐出室１０４に隣接して設けた中間圧室１０５、中間圧室１０５にインジェクション冷媒を導入するインジェクション管（図示せず）、上記中間圧室１０５と圧縮室１０３との間に設けた逆止弁１０６を備えている。

特許第３７４５８０１号公報

本開示は、吐出冷媒とインジェクション冷媒との間で生じる熱移動を抑制して高い運転効率を持つインジェクション機構付き圧縮機を提供する。

本開示のインジェクション機構付き圧縮機は、密閉容器の内部に低圧状態の作動流体を吸入して高圧状態へと圧縮する圧縮機構部を有し、圧縮機構部内の圧縮室から吐出室へと排出された作動流体が圧縮機構部周辺の内部空間を経由して吐出管から密閉容器の外へ送り出される圧縮機において、圧縮機には低圧と高圧の間の中間圧力状態の作動流体を密閉容器の外部から引き込むためのインジェクション管を有し、インジェクション管から導かれた作動流体が流れ込む中間圧室と吐出室はいずれも圧縮室に隣接して設けられ、内部空間と中間圧室さらに吐出室を区画する区画部材は、内部空間と吐出室の間の熱抵抗である第１熱抵抗よりも内部空間と中間圧室の熱抵抗である第２熱抵抗を大きくし、区画部材は、内部空間と中間圧室を区画する面積を内部空間と吐出室を区画する面積よりも小さくした構成としてある。

なお、ここでいう熱抵抗とは、熱の伝わり難さを表し、区画部材両表面の各流体の温度差ΔＴ、区画部材面積Ａ、熱流束ｑとした時に、熱抵抗Ｋ＝ΔＴ／（ｑｘＡ）で定義され、単位熱量を通過させるのに必要な温度差と言い換えることができる。逆に言えば、温度差ΔＴが固定されている場合には、区画部材を介して隣接する流体間で授受される熱量（ｑ ｘＡ）は、熱抵抗Ｋに反比例の関係にあり、熱抵抗Ｋを大きくすることで内部空間と中間圧室の流体間の熱交換量を抑制することができるため、吐出冷媒の温度低下やインジェクション率の低下を最小限に留めたインジェクション機構付き圧縮機の提供が可能となる。

本開示は、インジェクション冷媒による吐出温度低下と中間圧室でのインジェクション冷媒の受熱を抑制し、インジェクション冷媒の密度を高く保ったまま圧縮室へと導くことができる。そのため、高能力で高効率なインジェクション機構付き圧縮機を提供できる。

実施の形態１に係るインジェクション機構付きスクロール圧縮機の縦断面図 実施の形態１に係るインジェクション機構付き圧縮機の要部を示す拡大断面図 図２のＣ－Ｃ線矢視図 実施の形態１に係るインジェクション機構付き圧縮機の旋回運動に伴う背圧室との連通路とシール部材との位置関係を示す説明図 実施の形態１に係るインジェクション機構付き圧縮機の旋回運動に伴う背圧室との連通路およびインジェクションポートの開口状態を示す図 実施の形態１に係るインジェクション機構付き圧縮機を用いて構成した冷凍サイクル装置の冷凍サイクル図 図２のＡ－Ａ線矢視図 図７のＢ－Ｂ線矢視図 実施の形態２におけるスクロール圧縮機の要部を示す拡大断面図 実施の形態３におけるスクロール圧縮機の要部を示す拡大断面図 従来のインジェクション機構付きのスクロール圧縮機の縦断面図

（本開示の基礎となった知見等）
発明者らが本開示に想到するに至った当時、特許文献１に記載されたスクロール圧縮機があった。このインジェクション機構付き圧縮機は、図１１に示すように、インジェクション冷媒を中間圧室１０５に導き、そのインジェクション冷媒による脈動を中間圧室１０５により平準化し、圧縮機外部への伝播を抑制して低騒音化している。

しかしながら、上記従来の構成では、インジェクション冷媒と吐出冷媒との間で熱移動が生じ、圧縮機の運転効率が低下する。

すなわち、圧縮機は圧縮された冷媒が密閉容器内を経由して外部に吐出されるため、密閉容器内と吐出室１０４、中間圧室１０５を区画する区画部材１０７表面は高温状態まで加熱される。一方、インジェクション冷媒は中温であるからこれが導入される中間圧室１０５は中温状態である。よって、中間圧室１０５と密閉容器内空間とを区画する区画部材１０７は高温と中温の冷媒に挟まれて、大きな温度勾配を有することとなり、密閉容器内空間の吐出冷媒から中間圧室１０５内のインジェクション冷媒へと熱移動が生じる。これにより、吐出冷媒側では温度低下によって空気調和機や給湯装置としての暖房能力や加熱能力が低下し、インジェクション冷媒側では温度上昇に伴う密度低下によって、インジェクション率が低下し効率悪化が生じると言う課題がある。発明者らはこのような課題を発見し、その課題を解決するために、本開示の主題を構成するに至った。

そこで本開示は、吐出冷媒とインジェクション冷媒との間で生じる熱移動を抑制して高い運転効率を持つインジェクション機構付き圧縮機を提供する。

以下、図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が必要以上に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。

なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図していない。

（実施の形態１）
以下、図１～図８を用いて、実施の形態１を説明する。

［１－１．構成］
図１は、本発明の実施の形態１に係るインジェクション機構付き圧縮機の一例として示すスクロール圧縮機の縦断面図、図２は図１のスクロール圧縮機の要部を示す拡大断面図である。以下、本実施の形態に係るスクロール圧縮機について、その動作、作用を説明する。

図１に示すように、本実施の形態に係るスクロール圧縮機９１は、密閉容器１と、密閉容器１の内部に位置する圧縮機構２と、圧縮機構２を駆動するモータ部３と、密閉容器１の底部に設けられた貯油部２０とを備えている。

図２に示すように、圧縮機構２は、密閉容器１内に溶接や焼き嵌めなどで固定された主軸受部材１１と、主軸受部材１１上にボルト止めされ、鏡板に渦巻き状のラップを直立する固定スクロール１２と、鏡板に渦巻き状のラップを直立する旋回スクロール１３と、固定スクロール１２と旋回スクロール１３とを噛み合わせてできる圧縮室１５と、旋回スクロール１３を固定スクロール１２に対して押し付ける圧力を保持する背圧室２９と、を備えている。

旋回スクロール１３と主軸受部材１１との間には、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。

シャフト４は、モータ部３により回転駆動される。シャフト４は、主軸受部材１１により軸支され、シャフト４の上端にある偏心軸部４ａにて旋回スクロール１３を偏心駆動する。

これにより、旋回スクロール１３を円軌道運動させ、固定スクロール１２と旋回スクロール１３との間に形成している圧縮室１５が、外周側から中央部に向かって容積を縮めながら移動することを利用して、密閉容器１外に通じた吸入パイプ１６及び固定スクロール１２の外周部の吸入ポート１７から作動流体を吸入し、圧縮室１５に閉じ込んだのち圧縮を行う。所定の圧力に到達した作動流体となる冷媒（以下、冷媒と称す）は、固定スクロール１２の中央部に設けられた吐出ポート１８から吐出リード弁１９を押し開いて、吐出圧力に到達した冷媒が吐出される吐出室３１を通り、密閉容器１内に吐出され、最終的には吐出管２２から密閉容器１外へ送り出される。

またシャフト４の下端にはポンプ２５が設けられ、ポンプ２５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は旋回スクロール１３と同時に駆動されるため、ポンプ２５は貯油部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る。これによりオイル切れを起こすことがない。

ポンプ２５で吸い上げたオイル６は、シャフト４内の軸方向に設けたオイル供給穴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は、スクロール圧縮機の吐出圧力とほぼ同等であり、旋回スクロール１３に対する背圧源ともなる。さらにオイル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。

図３は図２のＣ－Ｃ線矢視図である。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のラップの外側に位置する外側圧縮室１５ａと、ラップの内側に位置する内側圧縮室１５ｂがある。スクロール圧縮機９１は、外側圧縮室１５ａの吸入閉込み容積と、内側圧縮室１５ｂの吸入閉込み容積とが異なる容積である非対称スクロール圧縮機である。ここで、吸入閉込み容積は、吸入ポート１７から吸い込んだ冷媒を閉じ込めた直後の圧縮室容積である。さらに、スクロール圧縮機９１は、外側圧縮室１５ａの吸入閉込み容積が、内側圧縮室１５ｂの吸入閉込み容積より大きい非対称スクロール圧縮機である。

非対称スクロール圧縮機とすることにより、圧縮機全体としての吸入閉込み容積が増えるため、圧縮機内部の空間を効率的に使うことができる。また、吸入ポート１７から吸い込んだ冷媒は、外側圧縮室１５ａについても吸入ポート１７近辺で閉じ込めて圧縮工程に入ることができるため、低圧低温の冷媒が圧縮機構２により加熱されて、冷媒の密度低下を抑制できる。

その一方で、各圧縮室の吸入閉じ込み容積の違いは容積比に影響する。容積比とは、圧縮工程における、ある時点の圧縮室の容積に対する、吸入閉込み容積の比である。容積比は、外側圧縮室および内側圧縮室のそれぞれに規定できる。一般に、内側圧縮室および外側圧縮室が、固定スクロール１２の中央部に設けられた吐出ポート１８と連通する際の圧縮室容積は略等しい。吐出ポート１８が圧縮室内の冷媒の唯一の排出経路である場合、各圧縮室の吐出可能容積比は吸入閉込み容積により決まる。ここで、吐出可能容積比とは、圧縮室が吐出可能となった、つまり、圧縮室が吐出室３１と連通した時点の圧縮室の容積に対する、吸入閉込み容積の比である。吐出可能容積比は、外側圧縮室および内側圧縮室のそれぞれに規定できる。外側圧縮室１５ａの吸入閉込み容積が、内側圧縮室１５ｂの吸入閉込み容積よりも大きいため、外側圧縮室１５ａは内側圧縮室１５ｂに対して圧縮工程が長くなり、吐出可能容積比が大きくなる。

圧縮比が比較的低い状態での運転である低圧縮比運転時において、外側圧縮室１５ａは内側圧縮室１５ｂよりも過圧縮状態になり易い。ここで、圧縮比は、吸入圧力に対する吐出圧力の比である。また、外側圧縮室１５ａは、内側圧縮室１５ｂに比較して、圧縮室を押し付け方向視での投影した面積が大きい。このため、外側圧縮室１５ａの過圧縮が、旋回スクロール１３を固定スクロール１２から押し離す力を増大させ易い。

また、旋回スクロール１３のラップ先端１３ｃ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、徐々にラップ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、局所摺動を防止することができる。

スクロール圧縮機９１は、図２に示すように、貯油部２０からオイルを圧縮室１５に導く給油経路５５として、接続路５５－１と供給路５５－２とを備えている。また、圧縮室１５への給油経路として、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とを備えている。通路１３ａには供給路５５－２を含む。

通路１３ａの一方の開口端５５－２ｂ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に開口する。また、通路１３ａの他方の開口端５５－２ａは、常時背圧室２９に開口する。これにより、背圧室２９は内側圧縮室１５ｂとのみ間欠的に連
通し、外側圧縮室１５ａとは連通しない。また、圧力上昇速度が速い内側圧縮室１５ｂへ積極的にオイル供給することで、圧縮工程において、１つ前に形成された内側圧縮室１５ｂ－１（図３参照）から、次に形成された内側圧縮室１５ｂ－２（図３参照）への漏れを抑制できる。

また、図２に示すように、旋回スクロール１３の背面１３ｅに、シール部材７８と、吐出圧力の冷媒を保持する高圧領域３０と、吐出圧力と吸入圧力の中間の圧力の冷媒を保持する背圧室２９を備えている。シール部材７８により、シール部材７８の内側を高圧領域３０、シール部材７８の外側を背圧室２９に区画している。

給油経路のうち少なくとも一つが背圧室２９を経由するよう構成する。つまり、給油経路５５を、高圧領域３０から背圧室２９への接続路５５－１と、背圧室２９から内側圧縮室１５ｂへの供給路５５－２から構成する。これにより、背面１３ｅからの背圧により、旋回スクロール１３は固定スクロール１２に安定的に押し付けられ、背圧室２９から圧縮室１５への冷媒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。

また、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の圧力（以下、背圧）は完全に分離され、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。

また、高圧領域３０から背圧室２９への接続路５５－１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を供給できる。

また、背圧室２９から内側圧縮室１５ｂへの供給路５２を設けることで、内側圧縮室１５ｂへの給油量を積極的に増やすことができ、内側圧縮室１５ｂにおける漏れ損失を抑制できる。

また、接続路５５－１の一方の開口端５５－１ｂを旋回スクロール１３の背面１３ｅに形成し、シール部材７８を往来させ、他方の開口端５５－１ａは常時高圧領域３０に開口させる。これにより、間欠給油と背圧の調整が実現できる。

まず、間欠給油について説明する。

図４は、スクロール圧縮機の旋回運動に伴う背圧室との連通路とシール部材との位置関係を示す説明図である。図４は、位相を９０度ずつずらしており、（ａ）０°～９０°、（ｂ）９０°～１８０°、（ｃ）１８０°～２７０°、（ｄ）２７０°～３６０°の状態を示している。つまり、図４（ｂ）は、図４（ａ）からシャフト４が９０度回転した状態、図４（ｃ）は、図４（ｂ）からさらに９０度回転した状態、図４（ｄ）は、図４（ｃ）からさらに９０度回転した状態、図４（ａ）は、図４（ｄ）からさらに９０度回転した状態を示している。

図４に示すように、接続路５５－１の一方の開口端５５－１ｂは、旋回スクロール１３の背面１３ｅに位置している。旋回スクロール１３の背面１３ｅは、シール部材７８によって、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４（ｂ）の状態では、一方の開口端５５－１ｂ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、背圧室２９と高圧領域３０とが連通する。これにより、高圧領域３０から背圧室２９にオイル６が供給される。対して、図４（ａ）、（ｃ）、（ｄ）の状態では、開口端５５－１ｂはシール部材７８の内側に開口しているため、背圧室２９は高圧領域３０と連通しない。このため、高圧領域３０から背圧室２９にオイル６は供給されない。

すなわち、接続路５５－１の一方の開口端５５－１ｂは、高圧領域３０と背圧室２９とを往来し、接続路５５－１の両開口端５５－１ａ、５５－１ｂ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。これにより、給油量は一方の開口端５５－１ｂがシール部材７８を往来する時間割合で調整できる。このため、接続路５５－１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できる。

また、通路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できる。

なお、他方の開口端５５－１ａが常時高圧領域３０にあり、一方の開口端５５－１ｂ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が、他方の開口端５５－１ａが高圧領域３０と背圧室２９を往来し、一方の開口端５５－１ｂが常時背圧室２９にある場合でも、両開口端５５－１ａ、５５－１ｂ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。

次に、背圧の調整について説明する。

図５は、スクロール圧縮機の旋回運動に伴う背圧室との連通路およびインジェクションポートの開口状態図である。図５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から見た状態であり、位相を９０度ずつずらした図である。図４と同様に、図５は、（ａ）０°～９０°、（ｂ）９０°～１８０°、（ｃ）１８０°～２７０°、（ｄ）２７０°～３６０°を示している。つまり、図５（ｂ）は、図５（ａ）からシャフト４が９０度回転した状態、図５（ｃ）は、図５（ｂ）からさらに９０度回転した状態、図５（ｄ）は、図５（ｃ）からさらに９０度回転した状態、図５（ａ）は、図５（ｄ）からさらに９０度回転した状態を示している。

図５（ａ）に示す状態が、外側圧縮室１５ａが冷媒を閉じ込める位置であり、図５（ｃ）に示す状態が、内側圧縮室１５ｂが冷媒を閉じ込める位置である。

図５（ａ）に示す状態では、２つの外側圧縮室１５ａが形成されており、外周側に位置する外側圧縮室１５ａは冷媒を閉じ込めた直後の低圧状態であり、内周側に位置する外側圧縮室１５ａは中間圧状態である。図５（ｃ）に示す状態では、内周側に形成された外側圧縮室１５ａは吐出前の高圧状態である。

図５（ｃ）に示す状態では、２つの内側圧縮室１５ｂが形成されており、外周側に位置する内側圧縮室１５ｂは冷媒を閉じ込めた直後の低圧状態であり、内周側に位置する内側圧縮室１５ｂは中間圧状態である。図５（ｄ）に示す状態では、内周側に形成された内側圧縮室１５ｂは吐出前の高圧状態である。

まず、背圧室２９の作用について説明する。図５（ｄ）の状態では、一方の開口端５５－２ｂは、凹部１２ａに開口している。このため、内側圧縮室１５ｂは背圧室２９と連通する。高圧縮比運転時には、供給路５５－２及び通路１３ａを通って背圧室２９から内側圧縮室１５ｂにオイル６が供給される。

凹部１２ａは、内側圧縮室１５ｂが、吸入した冷媒（以下、吸入冷媒）を閉じ込めた直後に、一方の開口端５５－２ｂが開口する位置に設けている（図５（ｄ）参照）。換言すると、一方の開口端５５－２ｂによって給油経路は、吸入冷媒を閉じ込み後の圧縮工程中にある内側圧縮室１５ｂに開口する位置に設けている。そのため、内側圧縮室１５ｂと連
通している間の背圧室２９の圧力は、内側圧縮室１５ｂの圧力とほぼ等しくなる。対して、図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の状態では、一方の開口端５５－２ｂは凹部１２ａに開口していない。このため、背圧室２９から内側圧縮室１５ｂにオイル６は供給されない。また、背圧室２９の圧力も内側圧縮室１５ｂから影響を受けない。

また、前述のように、図５（ｂ）に対応する図４（ｂ）の状態では、背圧室２９と高圧領域３０とが連通する。これにより、連通している間、高圧領域３０のオイル６が背圧室２９へと共有され、背圧室２９の圧力は上昇する。

つまり、背圧室２９を吸入圧力と吐出圧力との中間の圧力状態に調整でき、この圧力が旋回スクロールへの押し付け力として機能する。

スクロール圧縮機９１は、圧縮室１５で圧縮した冷媒を吐出室３１に導く通路として、吐出ポート１８の他に吐出バイパスポート２１を設けている。吐出バイパスポート２１は吐出ポート１８と同様、リード弁を備えている。圧縮室１５内の圧力が吐出室３１の圧力に達した場合には、リード弁が押し開らかれ、吐出室３１に冷媒を排出される。圧縮室１５の圧力が吐出室３１の圧力に満たない場合は、リード弁が閉じて吐出室３１から圧縮室１５への冷媒の逆流を抑制する。

ただし、吐出バイパスポート２１が前述の機能を実現する条件として、圧縮室１５が吐出バイパスポート２１と連通する位置に存在する必要がある。吐出バイパスポート２１は固定スクロール１２の鏡板に設けられた固定通路である。圧縮室１５は圧縮動作とともに容積を縮めながら中心側へと移動していき、圧縮室１５が吐出ポート１８もしくは吐出バイパスポート２１と連通する位置まで進んで初めて、圧縮室１５の冷媒を吐出室３１へ排出可能となる。吐出バイパスポート２１は、圧縮工程において、圧縮室１５が吐出ポート１８によって吐出室３１と連通する前の圧縮室１５と、吐出室３１とを連通させるように設けられている。

スクロール圧縮機９１は、外側圧縮室１５ａが連通する吐出バイパスポート２１ａと内側圧縮室１５ｂが連通する吐出バイパスポート２１ｂをそれぞれ別々に設け、連通するタイミングをずらしている。

吐出バイパスポート２１ａは、図５（ａ）の状態では、外側圧縮室１５ａと連通せず、図５（ｂ）～（ｄ）の状態では、外周側に位置する外側圧縮室１５ａと連通する位置に設けられている。吐出バイパスポート２１ｂは、図５（ｄ）の状態では、内側圧縮室１５ｂと連通せず、図５（ａ）～（ｃ）の状態では、外周側に位置する内側圧縮室１５ｂと連通する位置に設けられている。

外側圧縮室１５ａは、図５（ａ）のタイミングで吸入工程を完了して外側圧縮室１５ａを閉じ込める。圧縮工程が９０°進んだ図５（ｂ）において、既に外側圧縮室１５ａは吐出バイパスポート２１ａと連通状態にある。この場合、外側圧縮室１５ａの吐出可能容積比は、外側圧縮室１５ａが吐出バイパスポート２１ａと連通するタイミングの圧縮室容積に対する外側圧縮室１５ａの吸入閉込み容積の比で決まり、実質的に吐出ポート１８との連通タイミングには依存しない。

一方、内側圧縮室１５ｂは、図５（ｃ）のタイミングで吸入工程を完了して内側圧縮室１５ｂを閉じ込める。内側圧縮室１５ｂは、圧縮工程が９０°進んだ図５（ｄ）において、吐出バイパスポート２１ｂとは連通しておらず、更に９０°進んだ図５（ａ）において、吐出バイパスポート２１ｂと連通する。また、内側圧縮室１５ｂは、図５（ｄ）のタイミングで、供給路５５－２及び通路１３ａを介して背圧室２９と連通している。

この場合も、内側圧縮室１５ｂの吐出可能容積比は吐出バイパスポート２１ｂとの連通タイミングにより決められ、背圧室２９が連通する内側圧縮室１５ｂの吐出可能容積比は、背圧室閉口時容積比および外側圧縮室１５ａの吐出可能容積比よりも大きい。ここで、背圧室閉口時容積比とは、背圧室２９が連通する側の圧縮室、つまり内側圧縮室１５ｂにおいて、背圧室２９と圧縮途中の内側圧縮室１５ｂの連通が終了する時（つまり、図５（ｄ）の直後のタイミング）の外周側の内側圧縮室１５ｂの容積に対する、吸入閉込み容積の比である。

次に上記スクロール圧縮機９１を用いた冷凍サイクル装置について、説明する。

図６は本発明の実施の形態によるスクロール圧縮機を用いた冷凍サイクル図である。

図６に示すように、スクロール圧縮機９１を用いた冷凍サイクル装置は、スクロール圧縮機９１、凝縮器９２、蒸発器９３、２つの減圧器９４ａ，９４ｂ、インジェクション管９５、気液分離器９６を備えている。スクロール圧縮機９１、凝縮器９２、上流側の減圧器９４ａ、気液分離器９６、下流側の減圧器９４ｂは配管により環状に接続されている。インジェクション管９５は、気液分離器９６とスクロール圧縮機９１とを接続している。

凝縮器９２で凝縮した冷媒は、上流側の減圧器９４ａで中間圧まで減圧され、気液分離器９６に流入する。気液分離器９６は、中間圧の冷媒の気相成分（ガス冷媒）と液相成分（液冷媒）とに分離する。中間圧の液冷媒は、更に下流側の減圧器９４ｂを通り、低圧冷媒となって蒸発器９３に流入する。

蒸発器９３に流入した液冷媒は、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、スクロール圧縮機９１の圧縮室１５に流入される。

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、スクロール圧縮機９１内の圧縮室１５に噴射（インジェクション）される。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、停止する手段を設けても良い。

スクロール圧縮機９１は、蒸発器９３から流入する低圧冷媒を圧縮する圧縮過程において、気液分離器９６の中間圧冷媒を圧縮室１５にインジェクションさせて、冷媒を圧縮し、高温高圧冷媒として吐出管２２から凝縮器９２に排出する。

気液分離器９６で分離される気相成分と液相成分の比率について説明する。上流側の減圧器９４ａの入口側圧力と出口側圧力との圧力差が大きいほど、気相成分が多くなる。また、凝縮器９２出口の冷媒の過冷却度が小さい、もしくは乾き度が大きいほど、気相成分が多くなる。

一方、スクロール圧縮機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。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。

スクロール圧縮機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からスクロール圧縮機９１に吸い込まれることが望ましい。仮に、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からスクロール圧縮機９１に液冷媒が流入する。インジェクション管９５から液冷媒が流入する場合においても、スクロール圧縮機９１が高い信頼性を維持できるよう構成する必要がある。

最後に本実施の形態のスクロール圧縮機９１におけるインジェクション管接続部分の構成について、図７、図８を用いて説明する。

図７は、図２のＡ－Ａ線矢視図である。図８は、図７のＢ－Ｂ線矢視図である。

図１に示すインジェクション管９５から流入する中間圧は、図１、図２、図７、図８に示すように、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から吸い込んだ冷媒と共に吐出ポート１８から密閉容器１内に吐出される。

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、外側圧縮室１５ａ及び内側圧縮室１５ｂに順次開口する。インジェクションポート４３は、外側圧縮室１５ａ及び内側圧縮室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。

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、中間圧プレート４４と、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、中間圧冷媒が流入する中間圧室入口４１ａと、中間圧冷媒を圧縮室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。

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、液相成分の冷媒が溜まる液溜め部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、中間圧冷媒の内、気相成分の冷媒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冷媒は、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には液相成分の冷媒が流入しにくい。

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に液相成分の冷媒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に導かれた中間圧冷媒は、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冷媒と圧縮室１５で合流するが、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に残る中間圧冷媒は、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内体積を小さく構成している。

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に固定されており、バルブストップ４２ｂに設けた固定部材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との間で冷媒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から導いた冷媒を圧縮室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、外側圧縮室１５ａと内側圧縮室１５ｂとの合計容積である。本実施の形態に係るスクロール圧縮機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、スクロール圧縮機９１に封入されたオイル６の一部が、吐出冷媒と共にスクロール圧縮機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。

なお、図５に示すように、インジェクションポート４３は、第１圧縮室１５ａと第２圧縮室１５ｂとに順次開口する位置に設けている。また、インジェクションポート４３は、図５（ｂ）、（ｃ）に示すように吸入冷媒を閉じ込み後の圧縮行程中にある外側圧縮室１５ａ又は図５（ａ）に示すように吸入冷媒を閉じ込み後の圧縮行程中にある内側圧縮室１５ｂに開口する位置に、固定スクロール１２の鏡板を貫通して設けている。

ここで、図１図、２に示すように、中間圧室４１と密閉容器１内の内部空間７、さらに吐出室３１と内部空間７とを仕切る中間圧カバー４５の内、中間圧室４１と内部空間７を区画する部分の厚みは、吐出室３１と内部空間７を区画する部分の厚みと比べ厚く設けている。具体的には吐出室３１を区画する部分の厚みに対して、１．５倍から１０倍程度にしている。

また、図７に示すように、中間圧カバー４５が内部空間７と区画する中間圧室４１の表面積は吐出室３１の表面積と比べ、小さく限定して、熱交換量を抑制している。具体的には、中間圧カバー４５が内部空間７と吐出室３１とを区画する面積の２／３以下にしている。

［１－２．動作］
以下に本実施の形態による動作を説明する。

本実施の形態のスクロール圧縮機において、インジェクション管９５から流入する中間圧は、図１、図２、図７、図８に示すように、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、閉じ込み後の外側圧縮室１５ａ及び内側圧縮室１５ｂに順次インジェクションされ、吸入ポート１７から吸い込んだ冷媒と共に吐出ポート１８から吐出室３１、吐出冷媒通路５９を介して密閉容器１の内部空間７に吐出される。

ここで、密閉容器１の内部空間７には圧縮室１５から吐出室３１へと排出された高温の冷媒が吐出冷媒通路５９を通って流入し、吐出室３１とほぼ等しい高温状態となっており、中間圧カバー４５の内部空間側表面は高温の冷媒に晒される。特に、本実施の形態のように、密閉容器１の内部が概ね高圧状態で、吐出管２２が圧縮室１５を基準に中間圧室４１と同じ側、特に、中間圧室４１を挟む位置に設置されている場合には、内部空間７へは吐出室３１から次々と冷媒が入り込み、吐出管２２から排出されるため、内部空間７は吐出室３１とほぼ等しい高温高圧状態となり、中間圧カバー４５の内部空間側表面は高温の冷媒に晒される。一方、中間圧室４１のインジェクション冷媒は中間圧状態であり、吐出冷媒と比較すると低温の冷媒である。したがって、内部空間７の高温冷媒と中間圧室４１のインジェクション冷媒との間で熱交換が行われるような形となる。

しかしながら、本実施の形態の圧縮機は、中間圧室４１と密閉容器１内の内部空間７とを仕切る中間圧カバー４５の厚みを、吐出室３１と内部空間７を区画する部分の厚みより厚くしているので、前記内部空間７の高温冷媒と中間圧室４１のインジェクション冷媒との間の熱交換を抑制することが可能である。

また、本実施の形態では、上記中間圧カバー４５が内部空間７と区画する中間圧室４１の表面積を、吐出室３１の表面積と比べ、小さく限定しており、これによっても熱交換量を抑制している。

つまり、中間圧カバー４５の両表面のインジェクション冷媒と吐出冷媒の温度差ΔＴ、中間圧カバー４５が内部空間７と区画する中間圧室４１の表面積Ａ、中間圧カバー４５の厚み方向の熱流束ｑとした時に、熱抵抗Ｋ＝ΔＴ／（ｑｘＡ）の分母である熱流束もしくは面積を小さくすることで熱抵抗を高くしている。ちなみに、中間圧カバー４５の厚みは熱流束を減少させる効果を有する。

これにより、内部空間７の高温冷媒と中間圧室４１のインジェクション冷媒との間で生じる熱交換を抑制し、それぞれの冷媒を適切な温度状態に維持できる。その結果、背景技術で述べたような、インジェクション冷媒密度低下によるインジェクション率の低下、吐出管２２から排出される冷媒温の度低下による加熱能力（暖房能力）の低下を抑制できる。

なお、ここでいう厚みとは中間圧カバー４５が内部空間７と区画している領域の平均厚みを意味し、複数の部材を組み合わせて構成した場合はそれらの全体の厚みを意味する。

また、中間圧カバー４５の厚みは吐出室３１と内部空間７を区画する部分の厚みより、１．５倍から１０倍程度厚くするのが望ましい。

また、中間圧カバー４５が内部空間７と区画する中間圧室４１の表面積は中間圧カバー４５が内部空間７と吐出室３１とを区画する面積の２／３以下が望ましい。

［１－３．効果等］
以上のように、本実施の形態において、圧縮機は、密閉容器の内部に低圧状態の冷媒を吸入して高圧状態へと圧縮する圧縮機構部を有し、圧縮機構部内の圧縮室から吐出室へと排出された冷媒が圧縮機構部周辺の内部空間を経由して吐出管から密閉容器の外へ送り出される圧縮機において、圧縮機には低圧と高圧の間の中間圧力状態の冷媒を密閉容器の外部から引き込むためのインジェクション管を有し、インジェクション管から導かれた冷媒が流れ込む中間圧室と吐出室はいずれも圧縮室に隣接して設けられ、内部空間と中間圧室さらに吐出室を区画する区画部材は、内部空間と吐出室の間の熱抵抗である第１熱抵抗よりも内部空間と中間圧室の熱抵抗である第２熱抵抗を大きくした構成としてある。これにより、インジェクション冷媒による吐出温度低下と中間圧室でのインジェクション冷媒の受熱を抑制し、インジェクション冷媒の密度を高く保ったまま圧縮室へと導くことができる。そのため、高能力で高効率なインジェクション機構付き圧縮機を提供できる。

なお、本実施の形態では圧縮室と背圧室との連通路として給油経路を用いたが、給油経路とは別に独立した経路を設けても同様の効果を得ることができる。また、背圧室は旋回スクロールの背面側に限らず、固定スクロールの背面側に設け、固定スクロールを旋回スクロールに押し付ける構成でもよい。

さらに、本実施の形態ではスクロール方式のインジェクション機構付き圧縮機を用いたが、ロータリ方式やレシプロ方式、スクリュー方式などの他の圧縮方式を用いても同様の効果を得ることができる。

（他の実施の形態）
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施の形態１を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用できる。また、上記実施の形態１で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。

そこで、以下、他の実施の形態を例示する。

実施の形態１では、中間圧室４１と内部空間７を区画する区画部材となる中間圧カバー４５の厚みを、吐出室３１と内部空間７を区画する部分の厚みより厚くする、及び中間圧カバー４５の内部空間７と区画する中間圧室４１の表面積を吐出室３１の表面積と比べ小さく限定して、熱交換量を抑制することを説明した。

上記区画部材となる中間圧カバー４５は内部空間７の高温冷媒と中間圧室４１のインジェクション冷媒との間で生じる熱交換を効率よく抑制する構成のものであればよい。

したがって、例えば図９に示すように、中間圧カバー４５のうち、中間圧室４１と内部空間７を区画する部分の表面に、中間圧カバー４５よりも熱伝導率の低い材質の低熱伝導材４６を貼り付ける、もしくは締結するなどして固定してもよい。この場合、断熱が必要な中間圧室４１のみの断熱性能が向上し、経済的に冷媒間の熱交換を抑制することができる。なお、この図９では、低熱伝導材４６を内部空間側の表面に設けているが、中間圧室４１側に設けても同様の効果が得られる。また、低熱伝導材４６の材質としては、熱伝導率および化学的安定性の観点からポリエステルやシリコンなどの樹脂材料や、焼結材、多孔質材などが好ましい。

或いは、図１０に示すように、中間圧室４１と内部空間７は中間圧カバー４５により区画し、吐出室３１と内部空間７は中間圧カバー４５とは異なる吐出室カバー４７により区画してもよい。この場合、中間圧カバー４５は吐出室カバー４７とは異なる材質や厚み、形状を選択可能となり、設計自由度が向上する。

なお、本実施の各形態では圧縮室１５と背圧室２９との連通路として給油経路５５を用いたが、給油経路５５とは別に独立した経路を設けても同様の効果を得ることができる。また、背圧室２９は旋回スクロール１３の背面側に限らず、固定スクロール１２の背面側に設け、固定スクロール１２を旋回スクロールに押し付ける構成でもよい。

さらに、本実施の形態ではスクロール方式のインジェクション機構付き圧縮機を用いたが、ロータリ方式やレシプロ方式、スクリュー方式などの他の圧縮方式を用いても同様の効果を得ることができる。

本発明は、インジェクション作動流体による吐出温度低下と中間圧室でのインジェクション作動流体の受熱を抑制するインジェクション機構付き圧縮機に適用できる。そして、冷暖房空調装置や冷蔵庫等の冷凍装置、あるいはヒートポンプ式の給湯装置等に有用である。

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
７ 内部空間
１１ 主軸受部材
１２ 固定スクロール
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 外側圧縮室（第１圧縮室）
１５ｂ 内側圧縮室（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
２１，２１ａ，２１ｂ 吐出バイパスポート
２２ 吐出管
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（区画部材）
４６ 低熱伝導材
４７ 吐出室カバー
４８ 固定部材（ボルト）
５５ 給油経路
５５－１ 接続路
５５－１ａ 他方の開口端（高圧領域側）
５５－１ｂ 一方の開口端（背圧室側）
５５－２ 供給路
５５－２ａ 他方の開口端（背圧室側）
５５－２ｂ 一方の開口端（圧縮室側）
５９ 吐出冷媒通路
６６ 軸受部
７８ シール部材
９１ 圧縮機（スクロール圧縮機）
９２ 凝縮器
９３ 蒸発器
９４ 減圧器
９５ インジェクション管
９６ 気液分離器

Claims (7)

1. 密閉容器の内部に低圧状態の作動流体を吸入して高圧状態へと圧縮する圧縮機構部を有し、前記圧縮機構部内の圧縮室から吐出室へと排出された前記作動流体が前記圧縮機構部の周辺の内部空間を経由して吐出管から前記密閉容器の外へ送り出される圧縮機において、
   前記圧縮機には低圧と高圧の間の中間圧力状態の作動流体を前記密閉容器の外部から引き込むためのインジェクション管を有し、
   前記インジェクション管から導かれた前記作動流体が流れ込む中間圧室と前記吐出室はいずれも前記圧縮室に隣接して設けられ、前記内部空間と前記中間圧室さらに前記吐出室を区画する区画部材は、前記内部空間と前記吐出室の間の熱抵抗である第１熱抵抗よりも前記内部空間と前記中間圧室の熱抵抗である第２熱抵抗を大きくし、
   前記区画部材は、前記内部空間と前記中間圧室を区画する面積を前記内部空間と前記吐出室を区画する面積よりも小さくした
   ことを特徴とするインジェクション機構付き圧縮機。
2. 密閉容器の内部に低圧状態の作動流体を吸入して高圧状態へと圧縮する圧縮機構部を有し、前記圧縮機構部内の圧縮室から吐出室へと排出された前記作動流体が前記圧縮機構部の周辺の内部空間を経由して吐出管から前記密閉容器の外へ送り出される圧縮機において、
   前記圧縮機には低圧と高圧の間の中間圧力状態の作動流体を前記密閉容器の外部から引き込むためのインジェクション管を有し、
   前記インジェクション管から導かれた前記作動流体が流れ込む中間圧室と前記吐出室はいずれも前記圧縮室に隣接して設けられ、前記内部空間と前記中間圧室さらに前記吐出室を区画する区画部材は、前記内部空間と前記吐出室の間の熱抵抗である第１熱抵抗よりも前記内部空間と前記中間圧室の熱抵抗である第２熱抵抗を大きくし、
   前記中間圧室および前記吐出室は、それぞれ異なる少なくとも１つ以上の区画部材により前記内部空間と仕切った
   ことを特徴とするインジェクション機構付き圧縮機。
3. 前記区画部材は、前記内部空間と前記中間圧室の間の厚みを前記内部空間と前記吐出室の間の厚みよりも大きく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構付き圧縮機。
4. 前記区画部材の前記内部空間と前記中間圧室を区画する部分は、前記内部空間と前記吐出室を区画する部分よりも熱伝導率の小さい材質で構成したことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のインジェクション機構付き圧縮機。
5. 前記区画部材の前記内部空間と前記中間圧室を区画する部分の表面のうち、すくなくとも一部を、前記区画部材よりも熱伝導率の小さい材質で覆ったことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のインジェクション機構付き圧縮機。
6. 前記中間圧室および前記吐出室は、前記圧縮室を基準に前記吐出管側に設けたことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のインジェクション機構付き圧縮機。
7. 前記圧縮機構部を取り囲む前記密閉容器の内側は、前記圧縮機構部を除いて、概ね吐出圧力状態の前記内部空間で満たされていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のインジェクション機構付き圧縮機。

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