JPH03145589A - 低温用スクロール式冷凍装置 - 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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、スクロール圧縮機と、該圧縮機を組込んだ冷
凍装置、特に低温で効率良く運転できるスクロール式冷
凍装置とに関するものである。

［従来の技術］ 周知のように、低温用冷凍装置では、蒸発温度が低くな
ると吸入圧力が低下し、それに伴ない圧縮比が増大する
。そうすると、圧縮機の体積効率が低下して冷凍能力が
減少し、圧縮効率も低下し所要動力が増加し、吐出ガス
温度が著しく高くなる。その結果、潤滑油の劣化をまね
き、また密閉形圧縮機の場合は内蔵する電動機の絶縁劣
化をきたす。

そこで、これらの傾向が顕著となる一４５℃〜−７０℃
の蒸発温度では上記欠点を補うため圧縮作用を二段階に
分けて行なう二段圧縮方式が採用されている。従来二段
圧縮機にはレシプロ圧縮機あるいはスクリュー圧縮機な
どの容積形座縮機が使用されている。この二段圧縮の代
表的方式のものとして、第８図に示す二段圧縮−段膨張
式冷凍装置が使用されている。第９図にこの装置のサイ
クル図を示す。

第９図に示す二段圧縮−段膨張サイクルは高圧冷媒液の
過冷却により冷凍能力が増加して成績係数を上げること
ができるため、この方式は１通常単段圧縮で達成可能な
蒸発温度域にも応用されている。この例として、特開昭
４９−５４９４３隆公報にスクリュー圧縮機を用いて圧
縮途中にガスをインジェクションし、この作用で高圧冷
媒液の過冷却を行なう装置が示されている。又、スクロ
ール圧縮機についても特開昭５７−７６２８！Ｈ；・公
報には、第１０、第１王図に示すように、ガスインジェ
クションすることにより省エネを図り、冷暖房時の容量
向上を図ったものが開示されている。

［発明が解決しようとする課題］ 二段圧縮機を使用すると、蒸発温度−４５°Ｃ〜−７０
℃の低温を得ることはできるが、二段圧縮機は圧縮機構
部とこれを岨動するモータ部を二対必要としたり、二段
圧縮するための機構が複雑となり、製造コストが高くな
るなどの欠点がある。

又、機構が複雑となることと製造コストの問題などから
、二段圧縮機は小容量の機種には実用化できないとの問
題もある。

一方、スクリュー或はスクロール圧縮機はその圧縮原理
から高圧縮比条件でも圧縮途中の圧縮ガス漏れは少なく
、高圧縮比でも体積効率および圧縮効率が高くできると
の予測はできるが、実用化について以下の理由により検
討されるには至っていなかった。すなわちスクロール圧
縮機の圧縮理論に関する幾可学的理論については、森下
氏はかの「スクロール圧縮機の幾可理論」、ターボ機械
第１３巻第４珍、工９８５年４月に詐細が報告されてい
る。この報告のなかに理論的な組込容積比（以下設定容
積比と呼ぶ）と渦巻体（以下ラップと呼ぶ）の巻数との
関係、設定容積比と最適圧縮比および最適圧縮比をはず
れた場合の不要な所要動力について述べられている。ス
クロール圧縮機の場合、その圧縮機が通常使用される圧
縮比と、スクロール圧縮機の幾可理論により、最適圧縮
比が通常使用される圧縮比に近い値となるように設定容
積比を決定する。

スクロール圧縮機は、とじ込み容積が理論的には１００
％圧縮・吐出すること、および、吸入と吐出の間にいく
重かの中間圧縮室が形成され、かつ、設定容積比が大き
くなればなるほど多くの中１ｍ圧縮室が形成され、被圧
縮流体の漏れが少なくなることから理論的には高圧縮比
用圧縮機として適した方式の圧縮機であることが予測さ
れる。但し、冷媒フロン２２を使用して、蒸発温度−４
５℃〜−７０”Ｃの冷凍装置として設計した場合、凝縮
温度を４０℃とすると、蒸発温度−４５℃の場合の圧縮
比は約２０．蒸発温度−７５℃の場合の圧縮比は約７５
となる。

この圧縮比を最適圧縮比とするには設定容積比を１２〜
３８の範囲で送定することが必要となり。

仮に１２〜３８の中央の値である設定容積比２５でラッ
プの幾可形状を決めるとラップの巻数は約２０巻となる
。

従来実用化されているスクロール圧縮機のランプの巻数
が２〜４巻であることからすれば、このラップ巻数は５
〜１０倍の巻数であり、渦巻体の外径寸法がほぼその巻
数に比例して大きくなることからして、圧縮機のす法が
非常に大きなものになってしまう。又、この大きな渦巻
体を高精度に加工するｆｆｉ産加工技術は非常に高度な
技術が要求されるとの不都合が生じる。

以上のように、スクロール圧縮機によっても蒸発温度−
４５℃〜７０’Ｃの低温は得ることは実際上できず、従
来は二段圧縮方式が採用されていた。

したがって、本発明は、圧縮機部と電動機部とが１組の
いわゆる単段の圧縮機でありながら、体積効率の低下が
少なく、圧縮に要する所要動力も二段圧縮方式のものに
比較して実用上同等レベルの圧縮機と、このような圧縮
機を組込んだ冷凍装置とを提但することを［１的として
いる。

［課題を解決するための手段］ 本発明の上記目的は、スクロール圧縮機を改良すること
によって達１戊される。すなわち請求項１４１２載の発
明は、ガス吸入孔とガス吐出孔とを右するスクロール圧
縮機において、これらの孔の間にガスインジェクション
孔と液インジェクション孔とを設けることによ−ノて連
成される。また開求唄３の発明においては、」二記スク
ロール圧縮機に凝縮器、減圧装置、蒸発器算が組込まれ
て冷凍サイクルが構成され、凝縮器の出Ｌ１がそしてス
クロール圧縮機縮機の液インジェクション孔には直接に
、又ガスインジェクション孔には減圧装置を介して間接
的に接続される。

［作　　　用コ 本発明は、上記構成を右するので、例えばガスインジェ
クション孔と液インジェクション孔とを閉鎖すると、従
来のスクロール圧縮機と全く同様に作用する。

ところで、１）η記した構成を有するスクロール圧縮機
に凝縮器等の冷凍サイクル構成要素を組込み。

そしてスクロールに縮機の液インジェクション孔には凝
縮器の出［］に直接接続し、ガスインジェクション孔に
は減圧装置を接続して、冷凍サイクルを運転すると、ス
クロール圧縮機は蒸発温度４５℃〜−７０℃の低温用単
段圧縮機として作用し、高圧液冷媒の過冷却を失施し、
冷凍能力を増加させて成績係数を上げることが可能とな
る。

一般にスクロール圧縮機の場合、理論的にはとじ込み容
積を１００％圧縮し、吐７１するが、丈際の機械では体
積効率は理論値より低下する。蒸発温度−４５℃〜−７
０℃の低温用スクロール圧縮機の場合、この体積効率を
低下させる鮫も大きな原因は吸入ガスの加熱による損失
であるが、本発１すＪによると、液インジェクションに
より吐出ガスが冷却されるので、１吸入室での加熱が貼
止される。

したがって体積効率は低下しない。

また、高圧液冷媒を圧縮途中にインジェクションするい
わゆる液インジェクション冷却方式を実施すると１通常
所要動力は増加する。しかしながら１本発明によると、
ガスインジェクション孔より冷媒ガスが注入されるので
、動力は増加しない。

また、本発明によると、液インジェクション孔は吐出孔
近くに設けられ、そして減圧されていない冷媒液が導入
されるため、液インジェクション冷媒の＋ＩＴ　ＬＭ縮
動力は小さく、吐出ガス温度を冷却できるにもかかわら
ず、圧縮機の所要動力も大きくはむらない。

［実　施　例］ 以下、本発明の１実施例を第１図〜第５図により説明す
る。

第１図は本実施例の蒸発温度−４５℃〜−７０℃のスク
ロール冷凍装置のサイクル構成を示すものである。第１
図において、１は圧縮機を示し、該圧縮機はスクロール
式で冷媒の吸入ロア、冷媒の吐出口８の他にガスインジ
ェクション口９と液インジェクションロ１０を備えてい
る。そして、これらのインジェクションし１には必要に
応じて流量制御弁が設けられる。管２０は分岐し、この
分岐管２１に凝縮器２と高圧液過冷却装置である液冷却
器４の間に第１減圧装置３を備え、第１減圧装置と凝縮
８２の間にスクロール圧縮機の液インジェクションロに
連通ずる液インジェクションバイブ１１が分岐接続され
ている。液冷却器４は第１減圧装置により減圧された冷
媒ガスをスクロール圧縮機１のガスインジェクション口
９に導入するガスインジェクションパイプ１２が接続さ
れている。凝縮器２より液冷却器４内を通し該冷凍サイ
クルの主減圧装置である第２減圧装置５を介し蒸発器６
を接続する管路２２および蒸発器６とスクロール圧縮機
１を接続する管路２３から冷凍装置が構成されている。

そして第２図に、上記冷凍装置の冷凍サイクル図が示さ
れている。

第３図は本実施例のスクロール圧縮機の一例を示した断
面図である。第３図に示すスクロール圧縮機は、吐出圧
力となる密閉容器１０１に圧縮部１０２、フレーム１０
３、電動ｆｉ１０４．クランク軸１０５等軸取０５れて
構成されている。圧縮部１０２は固定スクロール１０６
．旋回スクロール］０７よりなる。旋回スクロール１０
７は圧縮部と反対側に軸受部を有し、クランク軸１０７
に係介し、オルダムリング１０８により自転を防止され
る。

第４図（イ）、（ロ）は固定スクロールエ０６を示した
もので、図示されているように同定スクロールＬＯＧに
は吸入ロアに接続する吸入孔１１０、ガスインジェクシ
ョンバイブ１２に接続する２ケ所のガスインジェクショ
ン孔１１１、故インジェクションパイプ１■に接続する
液インジェクション孔１１２及びガス吐、“■孔１１３
をイ」゛する。ぞしてこれらのインジェクション孔１１
１．０２の孔径は、固定ラップ１０　に　ａのノ１さよ
りも小さく、第４図の（ロ）にも示されているようにラ
ップ１０６ａの向に沿って形成されている。ガス吸入孔
１１０は、固定スクロールの半径方ｆｒｌ外方部に設け
られ、ガス吐出孔↓１３は、西方部すなわち中心部に設
けられ、これらの孔の間にガスインジェクション孔１１
１，１１１及び液インジェクション孔１１２が設けられ
ている。そしてこれらの孔の配置関係は、第４図（イ）
にも示されているように、万いに干渉しない位置に配置
されている。

固にスクロールのラップ１０６ａはインボリュ−ｌ−ｌ
１１１線より成り、本丈施例の場合ラップの巻数はラッ
プの巻き角度で約４巻であり、フロン２２を被圧縮流体
とした場合、最適圧縮比は５で設定容積比は３．Ｌ３と
している。ラップの幾可学的形状が以上のように設定さ
れているので、実用化されているスクロール圧縮機のラ
ップ数の範囲内で、吸入孔１１０とガスインジェクショ
ン孔１１１及び液インジェクション孔１１２は、吸気か
ら吐出行程に到る間、実質的に互いに連通しない位置に
設定できることになる。またラップ形状が前記のように
構成されているので、圧縮機は小型化され得る。

第５図は、ｈ５１定スクロール１０Ｇと旋回スクロール
１０７を組合せ、吸入ガスを吸入した状態を示したもの
である。この状態では、２ケのガスインジェクション孔
１１１，１１１は、旋回スクロールのラップ１０７ａで
閉塞された状態にある。

なお第３図に示すように、固定スクロールの吐出孔■↓
３には吐出弁（逆止弁）１１５が備えられている。なお
、介１１５は、圧縮機の無、駄な動力の？ｌ’ｆ　’Ｉ
ｒｅを防止するためのものである。又密閉容器１０１の
底部には潤滑浦がたくわえられており、フレーｌＸＩ　
０２に接続された給油パイプ１２０を介して摺動面を滑
潤するように構成されている。

フレーム１０２は密閉容器１０１に固定されており、フ
レー４１０２および固定スクロール１０Ｇには固定スク
ロール１０Ｇ側と電動機１０４側とを連通ずるガス通路
１．１８と潤？１ｆ油通路１１９が設けられている。

次に本実施例の動作について説明する。まず第３図に示
すスクロール圧縮機について説明する。

スクロール圧縮機の吸入ロアに導かれた吸入ガスは直接
に固定スクロール１０６の吸入孔１１０に導入される。

、オルダムリング１０８により自転を防止され、電動機
１０４とクランク軸１０５により旋回スクロール１０７
は同定スクロール１０６に対して旋回運動するが、この
旋回運動により。

吸入ガスは固定スクロール１０６と旋回スクロール１０
７により形成される外周部の吸入室に導入され、最大密
閉空間１２１にとじ込められる（第５図）。この最大密
閉空間１２１が完成されるまでは、吸入室空間とガスイ
ンジェクション孔１１１は実質的に連通していない位置
関係にあるため、ガスインジェクションによって吸入ガ
スの流量の減少は発生しない。吸入ガスは最大密閉空間
１２１にとじ込められた後、旋回スクロール１０７の動
きにより、密閉空間が中央へ移動して容積を減しること
により圧縮される。本実施例では最大密閉空間１２１が
形成された直後にガスインジェクション孔１１１と該密
閉空間（図示せず）が連通し、該密閉空間に冷媒ガスが
インジェクションされる。吸入ガスとガスインジェクシ
ョンされた冷媒ガスは共に中央に向って圧縮されるが５
ガスインジエクシヨン孔１１１が該圧縮空間（図示せず
）と実質的に隔離された後で圧縮工程の終了近くになる
と液インジェクション孔１１２と該圧縮空間が述通し、
冷媒液がインジェクションされる。この液冷媒の潜熱で
圧縮途中の冷媒ガスは冷却されて、同定スクロール１０
６の中央の吐出孔Ｌ１３より吐出される。ここで、本発
明の実施例の場合、最適圧縮比を５としており、蒸発温
度が−４５〜−７０℃の使用条ｆ１下では、ラップによ
り形成される密閉空間内では圧縮不足の状態となり、理
論的な圧縮動力に対し、余分な動力を必要とするが、こ
の余分な動力の発生を少なくするため吐、“■ブｒ１１
５が設けられている。

吐出孔１１３より吐出された冷媒ガス、即ち、吸入孔１
１０より吸入された冷媒ガスとガスインジェクション孔
１１１よりインジェクションされため媒ガスと液インジ
ェクション孔１１２よりインジェクションされた冷媒は
フレーム外周のガス通路１１８を通り、電動機１０４の
周囲を流れることにより電動機１０４を冷却し、吐出バ
イブ８より冷凍サイクルへ移動する（第１図）。

ここで、蒸発温度−４５〜−７０℃の条件下では吸入ガ
ス流量が少なくなるが、本実施例の場合、吸入ガスとガ
スインジェクションと液インジェクションの合計の冷媒
ガスで電動機１０４を冷却するために電動機を十分に冷
却することができる。

又本実施例では吸入カスを直接吸入水に吸入すること、
及び液インジェクションにより吐出ガス温度を低くする
ことができて圧縮部１０２の温度が高くならないことか
ら、吸入ガスへの加熱損失をほとんど発生させることが
なく、又、ガスインジェクションによる吸入ガス流量の
低下も発’ＩＥ　Ｌないことから、蒸発温度が−４５〜
−７０℃の条件ドでも９０％程度の高い体積効率を維持
できる。

このことは実験により確認できた。この高い体積効率と
不要な圧縮動力の発生を少なくする吐出弁１１５の効果
などから、ラップの幾可／７．的形状を最適江縮比５に
設定した本実施例においては蒸発快度−４５〜−７０℃
の条件下において丈用上支障のない圧縮効率を確保でき
る。

次に、このスクロール圧縮機を使用した冷凍装置につい
て、第１図および第２図を参照して説明する。

スクロール圧縮機１の吐出口８より吐出された冷媒ガス
は凝縮器２により凝縮される。凝縮された液冷媒の一部
は細管で形成された液インジェクションパイプｉｔを介
して、スクロール圧縮機１の液インジェクション目■０
に導かれる。液冷媒の−・部は、第１減圧装置３で減圧
された後、液冷却））３４に導かれる。この冷媒ガスは
、液冷却器４で、第２減圧装置へ導入されるところの残
りの高圧液冷媒を冷却した後に、冷媒ガス状態となり、
パイプ１２を介してスクロール圧縮機１のガスインジェ
クション口９に導かれる。又、液冷却器４で過冷却され
た残りの液冷媒は、本冷凍装置の主減圧装置である第２
減圧装置５により蒸発温度４５〜−７０℃に相当する圧
力まで減圧されて蒸発器６に導入され、この蒸発器で熱
交換した後にスクロール圧縮機１の吸入ロアへと導かれ
る。

ここで、液インジェクション目１０に導かれた液冷媒は
凝縮器５の出口より導かれたもので、火質的に減圧され
ていむいため、圧縮行程の終了近くの液インジェクショ
ン孔１１２より、圧縮途中に液インジェクションするこ
とが可能となる。このため、故インジェクションによる
圧縮動力の増加を発生させることむく、逆に、液インジ
ェクションによる冷却効果で、圧縮効率を上げることが
できて、所要動力を低下させることができる。これも実
験により確認できている。

又、ガスインジェクション口９に連通ずるガスインジェ
クション孔１１１は吸入孔１１０に連通しない位置でか
つより低圧側となる位置に設けられているため、ガスイ
ンジェクション量を最大限に大きくすることができ、液
冷却器４内の圧力を最大限低くすることができて、第二
減圧装置へ導かれる液冷媒の過冷却を最大限に丈施する
ことかできる。この過冷却の効果により蒸発ＧＧでの冷
凍能力を増加することができる。この効果は第２図の冷
凍サイクル図により明らかである。

以上の如く、本実施例によれば、従来は二段圧縮方式に
よって達成されていた、蒸発温度−４５〜−７０℃の低
温を、密閉容器内を高圧とし、実際の使用圧力条件に対
し最適圧縮比を小さく設定した小形の単段のスクロール
圧縮機で、電動機冷却のための液インジェクションと１
’ｌｌ圧液冷媒の過冷却を達成するためのガスインジェ
クションを大飽することにより、実用化することができ
る。

第６図は、蒸発温度−４５℃〜−７０℃のスクロール冷
凍装置（′ｉの他の実施例を示す。第１図の実施例に対
して、高圧液過冷却に僧として、気液分離器４′を用い
、分離された液を第２減圧装置５に導入する構１＆、以
外は同一構造であり、図中の番号も同一としている。木
実胤例においての動作は、第１図の場合の高圧液の過冷
却が液冷却器４における熱交換により実施されるのに対
し、第６図の楊介、気液分離器４′内の気液分離によっ
て達成されることを除き、同一・である。又、ＫＬ圧液
の過冷却効果は第７図の冷凍サイクル図で明らかで、同
様に冷凍能力を増加させることができる。

以上の実施例において、スクロール圧縮機の最適圧縮比
をフロン２２を使用した場合で５になるようなランプの
幾可学的形状としたが、最適圧縮比をこれより小さくし
ても、吸入孔とガス、ｒンジェクション孔と液インジェ
クション孔を美質的に連通しない位置に設定することが
ＯＩ能であり、不要な動力は若干増加するが１体積効率
はほぼ本実流側と同一レベルの効率が得られ、蒸発温度
−４５〜−７０℃の低温を得ることができる。又。

最適ｌＴ、縮比を５より大きくした場合は、ラップ巻数
が増加し圧縮機の寸法が大きくなるが、不要な動力の増
加は少なくすることができ、かつ同様に１’ｌ’ｌ　ａ
ｅ低臥を得ることが可能である。

［発明の効果コ 以」−訂、連したように、本発明によると、スクロール
圧縮機にガスインジェクション孔と液インジェクション
孔とが設けられているので、スクロール圧縮機の吸入ガ
スを直接的に圧縮ｚテにとじ込んだ構造とあいまって、
電動機及び圧新１部を適９）に冷却できることから、体
積効率を低下させることなく、蒸発温度−４５〜−７０
℃の条件で運転できるスクロール圧縮機を得ることがで
きる。このとき、吸入ガス容積、ガスインジェクション
量。

液インジェクション量を互いに影響されることなく充分
に調節すると、上記効果は一層高められる。

又、設定容積比を理論上最適な値より小さむ値とし、ス
クロール圧縮機の小形化を達成の上、前記の高い体積効
率の確保と、固定スクロールの吐出孔に吐出ブ？・を設
けることにより、不要な動力の低社、圧縮行程終了近く
に液インジェクションを実ＪＪ４　可能とすることによ
り液インジェクションに件う不望な動力のン１’ｌ費が
防止される。したがって蒸発ム度−４５℃〜−７０℃の
条件下で従来の二段／ｆ、縮め式とＦＪ算の圧縮効率を
得ることができる。

本発明のスクロール圧縮機を使用したスクロール冷凍装
置は、液インジェクションによりスクロール圧縮機を適
切に冷却することが可能となり。

又、ガスインジェクションにより高圧液冷媒の過冷却を
達成することができ、特に蒸発温度−４０〜−７０℃の
条件下で冷凍能力の増大を可能とする。

以上の総合効果により、本発明によれば、いわゆる貼設
の小形なスクロール圧縮機により、従来は二段圧縮方式
で得ていた蒸発温度で−４５〜−７０℃の低温を得るこ
とが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１〜７図は本発明の実施例を示し、第１図は冷凍装置
の模式図、第２図はそのサイクル図、第３図はスクロー
ル圧縮機の断面図、第４図（イ）、（ロ）はその固定ス
クロールの平面図と側面図、第５図は固定スクロールと
旋回スクロールの組合せにより最大密閉空間が形）戊さ
れている状態を示す図、第０図は冷凍装置の他の例を示
す模式図、第７図はそのサイクル図、第８〜第１１図は
、従来例を示す図で、第８図は二段圧縮−段膨張式冷凍
装置の例を示す模式図、第９図はそのサイクル図、第１
０図は第１図と同様な模式図、第１■図はスクロール圧
縮機の断面図である。 ］−・・・スクロール圧縮機　２・・・凝縮器３・・第
１減圧装置　　　４・・・液冷却器４′・・・気液分離
器　　　５・・・第２減圧装置６・・蒸発器 １１０．１１１，１１２，１１３・・・それぞれ固定ス
クロールに設けられた吸入孔、ガスインジェクション孔
、液インジェクション孔、吐出孔第 １ 図 第 図 エンタルピー 第 図 （イ） （ロ） ○６ 第 ５ 図 第 図 第 図 エンタルピー 第 図 第 図 エンタルピー 第 ０ 図 第 １ 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　固定スクロールと旋回スクロールとから成り、固定
   スクロールの半径方向外方部にはガス吸入孔が、そして
   中心部にはガス吐出孔が設けられていると共に、これら
   の吸入孔と吐出孔との間にはガスインジェクション孔と
   液インジェクション孔とが設けられていることを特徴と
   するスクロール圧縮機。 ２　各孔は、互いに連通しない位置関係に配置されてい
   る請求項１記載のスクロール圧縮機。 ３　請求項１又は２記載のスクロール圧縮機と、凝縮器
   と、第１減圧装置および第２減圧装置と、蒸発器とから
   成り、これらが順次冷媒回路により結合されて冷凍サイ
   クルを構成している冷凍装置において、前記凝縮器の出
   口部に前記スクロール圧縮機の液インジェクション孔は
   直接に、そしてガスインジェクション孔は第１減圧装置
   を介してそれぞれ接続されていることを特徴とするスク
   ロール式冷凍装置。 ４　ガスインジェクション孔は、更に高圧液過冷却装置
   を介して凝縮器の出口部に接続されている請求項３記載
   のスクロール式冷凍装置。