JPH02245490A - 可変速スクロール圧縮機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、冷凍空調用・冷蔵庫用等の冷媒圧縮機として
用いられるスクロール圧縮機に関する。

〔従来の技術〕

従来のスクロール圧縮機は、特開昭６１−１２６３９６
号公報に記載のように、固定スクロール鏡板に液冷媒注
入用穴を複数個設け、この穴から冷凍装置側の液冷媒を
注入し、圧縮機吐出ガス温度の低減を図った例が開示さ
れている。

〔発明が解決しようとする課題〕

近年ではスクロール圧縮機をインバータにて駆動し、圧
縮機の冷媒決意を調節する機運が高まっている。

上記従来技術においては、運転周波数の範囲が３０Ｈｚ
から１２０Ｈｚ前後と容量制御幅として１：４とその制
御幅が比較的小さい、この容量制御幅を１：１０とより
大きくしたい場合を適正な液冷媒流盆の制御法またはス
クロール圧縮機のより高速化に対する適正な圧縮機構造
に関して問題があった。

本発明では圧縮機の高速化を達成するため旋回スクロー
ルの材質としてアルミニウム合金などの軽合金を使用し
、一方固定スクロール側には鋳鉄材を用いている。この
ような異なった材質の組合せの場合には両者の線膨張係
数、摺動特性のちがいなどから圧縮機の作動室の温度が
上昇しやすくなり、性能面と信頼性の両面で悪い作用の
あることを実験的に突きとめた。そのことを第５図と第
６図をもとにして説明する６従来機では両スクロール部
材とも鋳鉄材など使用しており、同質材のため熱膨張に
よる部材の熱変形量は同程度となる。

このため第５図に示すように吐出ガス温度Ｔ、の温度に
無関係に従来機のものは性能（全断熱効率）が一定とな
っている。これに対して本発明の対象としている異質材
の組合せの場合はＴｄが上昇すると性能が大きく低下し
てゆく、これは旋回スクロール６の鏡板の軸方向変位ｗ
ｋがＴ唸が上昇とともに増加し、このことが圧縮性能を
低下せしめている。温度上昇にともない例えば旋回スク
ロール側のラップ先端部が相対的に伸びて相手側の歯底
面と摺動接触して機械損失が増加すること、また鏡板変
位Ｗｈの増大にともない背圧室（第２図中の４１）の油
が鏡板外周部を介して吸入室５ｆに大証に漏れ込み、そ
のため吸入冷媒ガスが加熱を受けて圧縮機の吸込み量（
体積効率）が低下することに及んでいる。この油による
吸入ガスの加熱作用は低い周波数領域で大きくなる。ま
た、容量制御幅が拡大することによりモータの回転数範
囲も拡大する。これにより低速領域でのモータ効率が悪
化し、発熱が増大し、圧縮機内部の温度上昇をもたらし
、上述した悪影響が出てくる。上記現象は異質材を組合
せ運転範囲を拡大したことによる新しい技術課題となっ
ている。第６図は容量制御幅を１：１０前後にするとき
の技術課題（上記の性能低下と関わる吸入室での内部加
熱度ΔＴｓと背圧室の圧力Ｐｂの変化）のちがいを従来
機の場合と比較して示したものである。第６図から、今
回の発明の対象としている容量制御幅の拡大にともない
前記した技術１１題（温度上昇にともなう性能低下等）
、特に低い周波数領域で大きな問題となる。特に、旋回
スクロールのアルミニウム化に伴い、第７図に示すよう
に圧縮機本体などの冷却の必要な範囲は従来機に対して
広範囲にわたる８本発明では上記技術課題を解消するこ
とを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は広い周波数範囲でも高い圧縮性能を得ること
、また旋回スクロールの鏡板挙動の安定化を図るため、
圧縮機全体の適正な冷却法を開示することにより達成さ
れる。

すなわち１本発明の特徴は、鏡板と該鏡板に直立して設
けられた渦巻き状のラップとからなる固定スクロール部
材、および、鏡板と該鏡板に直立して設けられた渦巻き
状のラップとからなり且つ上記固定スクロール部材とは
材質の異なる旋回スクロール部材を備え、これら両スク
ロール部材を互にラップを内側にして噛み合せ、固定ス
クロール部材に対して旋回スクロール部材を自転なしに
旋回運動させるように構成したスクロール圧縮機を冷凍
装置に組込み、インバータにて前記圧縮機を駆動する可
変速スクロール圧縮機において、高圧液冷媒を圧縮室に
注入する液インジェクション機能を備え、両スクロール
部材の膨張係数の相違によって生じるスクロール鏡板の
軸方向変位を抑制するとともに広い容量制御幅を実現し
たことにある。

本発明の他の特徴は、圧縮機と冷媒の流れ方向を切換え
を西方弁と室内外の熱交換器及びメイン配管内の工高液
冷媒を減圧させる減圧装置を備えるとともに吐出ガスを
冷却するための液冷媒インジェクション配管を有した冷
凍装置において、冷房運転時と暖房運転時の場合により
圧縮機の吐出しガス温度あるいは吐出しガス温度のスー
パヒート量を異なった値に設定するとともに、該吐出し
ガス温度の制御を液インジェクション配管に設置した電
子式膨張弁により行なわせるようにしたことにある。

〔作用〕

本発明では高圧液冷媒を減圧して圧縮室にインジェクシ
ョンを行ない、その冷媒流量を電子膨張弁を用いて制御
するものである。この場合冷媒流量は；吐出しガス温度
あるいは圧縮機下部の油温度を感熱部でもって検知し、
それらの温度を基にして制御するものである。第２図に
示すようなスクロール圧縮機では底チャンバの油は圧縮
機内部を循環しており、上記した冷却法により油の温度
を下げることができる。油の温度を下げることにより、
背圧室から吸入室に漏れ込む油の量を抑えるとともに油
による吸入ガスの加熱を下げることができる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を図により説明する。

第１図はインバータ２００により駆動される圧縮機１０
０が液インジェクション回路１０７゜１０９を備えた冷
凍装置に組み込まれた実施例である。９０は四方弁で冷
媒ガスの流れを切り換える役目をする。１ｏ３と１０５
はメイン冷媒配管である。１０２は室外側熱交換器、１
０４は減圧装置（絞り機構部）、１０６は室内側熱交換
器である。第１図では冷房運転時（冷房モード）での冷
媒の流れを矢印でもって表示している。なお２０１は電
源部である。第２図と第３図に液インジェクション機能
を備えた可変速スクロール圧縮機の構造を示す、第２図
において、密閉容器１内の上方に圧縮機１００が、下方
に電動機部３が収納されている。そして、密閉容器１内
は上部室ｌａ（吐呂室）と電動機室１ｂ、ｌｃとに区画
されている。

圧縮機部１００は固定スクロール部材５と旋回スクロー
ル部材６を互に噛合せて圧縮室（密閉空間）７を形成し
ている。固定スクロール部材５は、自己潤滑性に比較的
価れている鋳鉄材（以下ｒＦＣ材」と称する。）を用い
、該円板状の鏡板５ａと、これに直立しインボリュウト
曲線あるいはこれに近似の曲線に形成されたラップ５ｂ
とからなり。

その中心部に吐出口１０．外周部に吸入口１６を備えて
いる。また鏡板５ａには液インジェクション注入用細孔
５ｇが貫通している。細孔５ｇの具体的な位置について
は第３図に示す。細孔５ｇは固定スクロールラップ５ｂ
の内側曲線に沿って吐出口１０に比較的近い部分に１個
設けている。冷媒ガス及び圧縮機全体の冷却に際しては
上記細孔は１個で十分である。図の細孔５ｇの位置は吐
出圧力側とクランク回転角にして約１００度前後連通し
た位置関係となっている。この穴位置は可変速スクロー
ル圧縮機の場合の性能面及び冷却面から適正な位置とな
る。旋回スクロール部材６は円板状の鏡板６ａと、これ
に直立し、固定スクロールのラップと同一形状に形成さ
れたラップ６ｂと、鏡板の反ラツプ面に形成されたボス
６ｃとからなっている。該旋回スクロールの材質は、圧
縮機の高速化を実現するためアルミニウム合金（以下Ａ
塁合金と称する。）などの軽合金としている。これは、
高速になると、旋回スクロールに作用する遠心力が増大
しこの力が旋回軸受への荷重増大（軸受面圧の過大化）
を防ぐためである。また、ＡＱ用旋回スクロールとする
ことにより遠心力の低減に伴い該旋回スクロールの鏡板
挙ａ　（＠方向の微小変位）が安定化するというスクロ
ール圧縮機個有の効果が表われる。フレーム１１は中央
部に軸受部を形成し、この軸受部に回転＃１４が支承さ
れ、回転軸先端の偏心軸１４ａは、上記ボス６ｃに旋回
運動が可能なように挿入されている。

またフレーム１１には固定スクロール部材５が複数本の
ボルトによって固定され、旋回スクロール部材６は、ア
ルミニウム合金を地金としてアルミ材同志の摺動性に適
正な表面処理（カニゼンメツキ処理等）を施したオルダ
ムリングおよびオルダムキーよりなるオルダム機構１２
によってフレーム１１に支承され、旋回スクロール部材
６は固定スクロール部材５に対して、自転しないで旋回
運動をするように形成されている０回転軸１４には下部
に、ロータ３ｂに固定された電動機軸１４ｂを一体に連
設し、電動機部３を直結している。

固定スクロール部材５の吸入口１６には密閉容器１を貫
通して垂直方向の吸入管１７が接続され。

吐出口１０が開口している上部室１ａは通ｊｌ１８ａ。

１８ｂを介して上部電動機室１ｂと連通している。

この上部電動機室１ｂは電動機ステータ３ａと密閉容器
１側壁との間の通路１９を介して下部電動機室１ｏに連
通している。また上部電動機室１ｂは密閉容器１を貫通
する吐出管２０に連通している。

なお、ｌｌａは電動機３をフレーム側に固定するための
フレーム足座部である。

２２は密閉容器底部の油溜りを示す、尚図中実線矢印は
冷媒ガスの流れ方向、破線矢印は油の流れ方向を示す。

上記密閉容器１は上部鏡板２ａ、胴体部２ｂ。

下部鏡板２ｃで形成されている。主軸受部４０には、油
膜切れに対しては信頼性の高いころがり軸受を用いてい
る。

旋回スクロール部材６の背面とフレーム１１で囲まれた
空間４１（これを「背圧室」と称する）には、旋回、固
定の両スクロールで形成される複数の密閉空間内のガス
圧によるスラスト方向のガス力（この力は、旋回スクロ
ール部材６を下方に押し下げようとする離反力となる。

）に対抗するため吸入圧留（低圧側圧力）と吐出圧力の
中間の圧力（記号ｐｍで示す）が作用する。この中間圧
力の設定は、旋回スクロール６の鏡板６ａに細孔６ｄを
設け、この細孔を介してスクロール内部のガスを背圧室
に導き旋回スクロールの背面にガス力を作用させて行う
、この中間圧力のかけ方は特開昭５３−１１９４１２号
及び特開昭５５−３７５２０号等にて開示されているの
で詳細な説明を省略する。

次に第８図を用いて潤滑油の流れについて説明する。

潤滑油２２ａは密閉容器１の下部に溜められる。

主軸１４の下端は容器底部の油中に浸漬し、主軸上部に
は偏心軸部１４ａを備え、該偏心軸部１４ａが旋回軸受
３９を介して、スクロール圧縮要素部である旋回スクロ
ール部材６と係合している。主軸１４には、各軸受部へ
の給油を行うための中心縦孔１３が主軸下端から主軸の
上端面まで形成される。１３ａは主軸下端と底部２２の
油槽部を連ねる揚油管である。偏心軸部１４ａの下部に
は、旋回スクロールボス部６ｃの先端面を対向せる主軸
受上部にバランスウェイト８が、主軸１４と係合し一体
化して形成されている。潤滑油２２ａ内に浸漬された揚
油管１３ａの下端は高圧の吐出圧力Ｐｄの雰囲気にあり
他方、下流となる旋回軸受３９及び主軸受４０のまわり
は、中間圧力Ｐｍの雰囲気にあるため、（Ｐｄ−Ｐｍ）
の圧力差によって、容器底部の潤滑油２２ａは中心縦孔
１３内を上昇する。このように、各軸受部への給油は、
中心式給油による差圧給油等によって行っている。

中心縦孔１３内を上昇した潤滑油２２は、補助軸受９と
９′及び、主軸受４０へ給油されるとともに偏心軸部１
４ａの上部空間（旋回スクロールボス部６ｃのボス部底
面と偏心軸部１４ａの上端面との隙間の部分の油圧室を
介して旋回軸受部に給油される。

各軸受部３９．４０に給油された油は、背圧室４１に至
る。背圧室に流入した油は冷媒ガスと混合し、背圧孔６
ｄを介して圧縮室７に流出する。

一方背圧室の油は隣の旋回スクロールの側部空間１１ｆ
に移動し、再び背圧室に戻ったり、両スクロールの鏡板
摺動面に浸入しそのあと吸入室５ｆに排出する。このよ
うに背圧室の油は吸入室ひいては圧縮室に移動する。高
温の油が冷媒ガスと混合されると、冷媒ガスは加熱され
てその温度が上昇することとなる。なお圧縮室に至った
油は、冷媒ガスとともに加圧され、また液インジェクシ
ョン用細孔５ｇより注入された冷媒ガスと一緒になつて
冷やされ、固定スクロール５上方の吐出室１ａさらに電
動機室１ｂへと移動する。この電動機室で冷媒ガスと油
は分離され、油はチャンバ下部に落下し、再び各摺動部
に供給される。このように油２２ａは圧縮機内部を循環
しており、油の温度は圧縮機全体の湿度レベルに影響を
及ぼす。

第２図において液インジェクション配管１０７゜１０９
に設けた減圧装置として流量制御の範囲が広くてきめの
細かい制御が可能な電子式膨張弁１４５を使っている。

電子式膨張弁１４５の冷媒流量の制御は吐出管９５の温
度（吐出しガス温度Ｔ−）を感熱部１４６にて検知し空
調制御部１５５を介して該膨張弁１４５の弁開度を設定
して行なう、そのＴ櫨の温度の高さあるいは吐出ガス自
体の加熱度（スーパーヒートｆｔ）を一定になるように
液インジェクション配管工０７を流れる液冷媒量を決め
る。すなわちインジェクション流量でもってＴ、のスー
パヒート制御を行うものである。

実用的には吐出しガス温度のスーパヒートｆｓＨ（Ｔ−
）は２０〜３０度前後が適正である。具体的な１゛−の
制御法は第１０図に示した。

第４図は、圧縮機底部２２の油２２ａの温度を感熱部１
６１で検知するとともに、上記した吐出しガス温度Ｔ−
の両者でもって適正な液冷媒流量（インジェクション流
＊　Ｇ　ｔ　−７）を制御した実施例である。１５５は
空調制御部でＡ／Ｄ変換器などのインタフェースとマイ
コン部（演算回路部）とから成っている。該空ＩＳ制御
部１５５は温度の検知部１５１，１６１と制御弁１５０
とが連動するよう働きかける機能を備えている。スクロ
ール圧縮機の場合、前記したように油２２ａが内部を循
環しており、油の温度を基にしてインジェクション流量
を設定することにより、スクロール部材の湿度調節ひい
ては圧縮機全体の温度調節がより正確に行なえる。底チ
ャンバの油の温度と吸入ガスの加熱度の大きさとは相関
のあることが実験的に解明され、油の温度ひいては背圧
室内の油を冷却・することにより上記した吸入ガスの加
熱を大幅に低減することができる。圧縮機が高速化する
と、液冷媒注入用細孔５ｇの開口時間が低速時に比べて
短くなるため今迄みられたキャピラリチューブによる冷
媒制御では適正なＴ−制御ができない。

本発明の電子式膨張弁１４５によれば制御性がよいので
高速運転時においても充分な冷却が可能となる。

第８図と第９図をもとにして、本発明の作用・効果を説
明する。第８図において従来機は破線に示すように容量
制御の幅が比較的狭いため、液インジェクション流量比
ξ　（液インジェクション流量ＧＩＩＩＪ　と吸入配管
９４を流れる吸入ガス流量Ｇｒ　との比）は０．２前後
であり、この場合は圧縮機入力、体積効率など圧縮機特
性は変わっていない、一方、本発明の対象としている低
い周波数領域、例えばＨａ　＝１５　Ｈｚのときには、
インジェクション流量比がξ；０．８〜０．９前後と相
対的にインジェクション流量を増大させているので、冷
却効果の発揮とともに各性能値が飛躍的に向上している
０図ではξ＝０のときの値をもとにして各性能を比率で
表わしている。特に体積効率ηνの向上が顕著となって
いる。この冷暖房能力の向上は、低速周波数になるとイ
ンバータ用電動機の効率が悪化してそのため圧縮機の熱
負荷が増加すること、またそのことによる液インジェク
ション量が相対的に増大していることによる。これらの
具体的な性能向上は、圧縮機内の油もしくは冷媒ガスの
冷却にともない旋回スクロール側の相対的な熱変形を抑
えることにより、両スクロールのラップ先端部が接触す
ることがなくなり機械損失が減少すること、また旋回ス
クロールの変位Ｗつが小さくなり背圧室内の油に起因し
た吸入ガスへの内部加熱度が低下した効果によるもので
ある。これらの作用・効果は容量制御幅を１＝１０にし
たこと、また低周波数域での電動機特性と直接関わって
いることであり、従来技術では予期しえない本発明の個
有の作用・効果となる。第９図は従来機のものと比較し
て本発明の容量制御幅を示した説明図である。従来機の
場合は低速域で冷媒流量Ｇｒの低下が大きく、これに対
して本発明の場合は液インジェクションの冷却作用が大
きく効果を発揮し、より広い容量制御幅がとれることが
分かる、このように本実施例では、圧縮機の吐出しガス
温度を液インジェクション配管に設けた電子式膨張弁の
弁開度でもって！１１１節するようにし、駆動周波数に
応じて液インジェクション流量比（インジェクション流
量と低圧吸入側の冷却流量との比）を可変にせしめたこ
とをも一つの特徴としている。

第１０図は吐出ガス温度Ｔ４の制御を冷房運転時と暖房
運転時とでそのスーパーヒート量を違わせた実施例であ
る。暖房運転時には第１図において冷媒の流れが熱交換
器の部分で逆となる０図中のΔ’ｒｉｃは冷房運転時の
スーパーヒート量を。

ΔＴａＨは暖房運転時のスーパーヒート量でΔＴ＋ｕ＋
〉ΔＴ　ｄｃとなるように空調制御部（マイコン部）１
５５を設定する。このように運転モードによりスーパー
ヒート量を変えるのには前記した電子式膨張弁の使用が
最適である。暖房運転時でのΔＴａＨを大きく設定する
ことにより電動機３からの発熱量を室内側熱交換器１０
６に排熱することができるので、暖房能力の向上に有効
に利用することを狙っている。

以上説明したように、本実施例によれば固定スクロール
部材に鋳鉄材を、旋回スクロールにアルミ合金など線膨
張係数の異なる材質を組合せたスクロール圧縮機を冷凍
装置に組込み、インバータにて広い運転周波数にて上記
圧縮機を駆動する可変速スクロール圧縮機において、高
圧側液冷媒を圧縮室に注入する液インジェクション機能
を備えることにより１両スクロール部材の膨張係数の相
違に因って生じるスクロール鏡板の踊り（変位Ｗｂの増
大作用）を抑制するとともに、より広い容量制御幅を実
現する効果がある。

〔発明の効果〕

本発明によれば１次のような効果がある。

（１）両スクロール部材の材質を異なった組合わせを有
する圧縮機において、温度上昇にともなう両スクロール
ラップの軸方向及び径方向の当たりを防止できるので、
従来機に対して性能向上と摺動部のかじり防止など信頼
性を確保できる。

（２）可変速スクロール圧縮機の容量制御幅を１：１０
前後とより広くとれるとともに運転圧力比の範囲の拡大
化が図れる。

（３）インジェクション流量比を８４０．８前後に設定
することにより、低い周波数領域で冷暖房能力が大幅に
向上できる。

（４）暖房運転時と冷房運転時での吐出ガス温度のスー
パーヒート量を違わせた液インジェクション流量の制御
をすることにより、暖房能力の向上をより一層図ること
ができ、空調機の快適性が図れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の冷凍装置のサイクル構成を示す図、第
２図と第４図は密閉形スクロール圧縮機の全体構造を示
す縦断面図、第３図は両スクロール部材のかみ合い情態
を示す平面図、第５図から第７図は従来技術の課題を説
明するための説明図、第８図と第９図は本発明の効果を
あらゎす説明図、第１０図は冷房運転時と暖房運転時で
の吐出ガスのスーパーヒート量を違わせた実施例を示す
図である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 　１．鏡板と該鏡板に直立して設けられた渦巻き状のラ
   ツプとからなる固定スクロール部材、および、鏡板と該
   鏡板に直立して設けられた渦巻き状のラツプとからなり
   且つ上記固定スクロール部材とは材質の異なる旋回スク
   ロール部材を備え、これら両スクロール部材を互にラツ
   プを内側にして噛み合せ、固定スクロール部材に対して
   旋回スクロール部材を自転なしに旋回運動させるように
   構成したスクロール圧縮機を冷凍装置に組込み、インバ
   ータにて前記圧縮機を駆動する可変速スクロール圧縮機
   において、高圧液冷媒を圧縮室に注入する液インジエク
   シヨン機能を備え、両スクロール部材の膨張係数の相違
   によつて生じるスクロール鏡板の軸方向変位を抑制する
   とともに広い容量制御幅を実現したことを特徴とする可
   変速スクロール圧縮機。
2. 　２．圧縮機の吐出しガス温度を液インジエクシヨン配
   管に設けた電子式膨張弁の弁開度により調節するように
   し、駆動周波数に応じて液インジエクシヨン流量比（イ
   ンジエクシヨン流量と低圧吸入側の冷媒流量との比）を
   可変にせしめたことを特徴とする特許請求範囲第１項記
   載の可変速スクロール圧縮機。
3. 　３．固定スクロールの鏡板部に設けたインジエクシヨ
   ン用細孔がラツプ歯厚より小径で、該穴はスクロールラ
   ツプ側壁の近傍に単数個設けており、吐出圧力側と主軸
   のクランク角にして約１００度前後連通した位置関係に
   あることを特徴とする特許請求の範囲第１項または第２
   項記載の可変速スクロール圧縮機。