JPH07317686A - 冷凍装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】冷凍装置の凝縮器で液化された冷媒の一部をス
クロール圧縮機の圧縮室内に導入する液冷媒注入用配管
を備えた冷凍装置において、液冷媒注入用配管に関わる
信頼性向上と冷凍装置の性能向上を目的とする。 【構成】冷凍装置の凝縮器で液化された冷媒の一部をス
クロール圧縮機の圧縮室内に導入する液冷媒注入用配管
を備えた冷凍装置において、液冷媒注入用配管に副膨張
弁を設け、該副膨張弁の下流側に逆止弁を配置したこと
を特徴とする冷凍装置。 【効果】本発明によれば，液冷媒注入用配管を備えた冷
凍装置において、液冷媒注入用配管に関わる信頼性向上
と冷凍装置の性能向上が図れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、冷凍空調用途のスクロ
ール圧縮機を用いた冷凍装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】スクロ−ル圧縮機を用いた従来の冷凍装
置は，実開昭５６−８５０８７号で開示されているよう
に、冷凍装置の凝縮器で液化された冷媒の一部をスクロ
ール圧縮機の圧縮室内に導入する液冷媒注入用配管を備
えた冷凍装置がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】スクロール圧縮機にお
いては、通常その圧縮室内部の圧力は数ｋｇ／ｃｍ²の
脈動圧力を呈している。冷凍装置の運転条件において
は、運転圧力比の低い条件になるときがある。スクロー
ル圧縮機は、図１６でも示すように、スクロ−ルラップ
巻き数が２．５巻きから３巻き前後となっている。スク
ロール圧縮機は、一定容積形圧縮機構造となっているた
め、圧縮室内部の最内室で最高圧力Ｐｍａｘとなる。上
記引用例の冷凍装置において、そのスクロール圧縮機の
内部圧力である前記最高圧力Ｐｍａｘの値と冷凍装置側
の凝縮器の圧力即ち、吐出圧力Ｐｄとくいちがうことが
通常である。特に、低い圧力比条件においては、過圧縮
運転条件となって吐出圧力Ｐｄと最内室の最高圧力Ｐｍ
ａｘとがＰｄ＜Ｐｍａｘの関係となる。この場合には、
圧縮室内の冷媒ガスと液冷媒が、スクロール鏡板部に設
けた液冷媒注入用細孔を介して冷凍装置の液冷媒注入用
配管側の上流側に向って（Ｐｍａｘ−Ｐｄ）の差圧でも
って逆流することになる。このため、最内室の数ｋｇ／
ｃｍ²という脈動圧力によって、冷媒ガスと液冷媒の逆
流作用も脈動流を呈することとなる。そのため、上記副
膨張弁の弁作動にハンチング現象や副膨張弁の誤動作を
生じるという課題がある。また、副膨張弁の寿命にも悪
影響を及ぼすことになる。さらに、上記逆流現象がある
と、メイン冷媒配管側へガス冷媒が混入し、冷凍装置の
蒸発器性能が低下するなどの問題も生じる。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明では、上記課題お
よび問題点を解決するため、冷凍装置の凝縮器で液化さ
れた冷媒の一部をスクロール圧縮機の圧縮室内に導入す
る液冷媒注入用配管を備えた冷凍装置において、液冷媒
注入用配管に逆止弁を設けた構成の冷凍装置とすること
である。もしくは、液冷媒注入用配管に副膨張弁を設
け、該副膨張弁の下流側に逆止弁を配置した構成とする
ことである。また、スクロール圧縮機において、固定ス
クロ−ルラップの歯底面のラップ間のほぼ中央部に細孔
を設け、該細孔と前記液冷媒注入用配管とを接続した構
成とすることを特徴とするものである。

【０００５】

【作用】本発明の作用を図１５をもとにして説明する．
図１５において、液冷媒注入用配管６２を備えた冷凍装
置において、低い圧力比条件においても、液冷媒注入用
配管６２の下流側に逆止弁６８を配置しているため、逆
止弁６８が作動して、前記した圧縮室内の冷媒ガスと液
冷媒が、スクロール鏡板部５ａに設けた液冷媒注入用細
孔６３を介して液冷媒注入用配管６２側の副膨張弁６７
まで逆流することがなくなる。また、最内室の数ｋｇ／
ｃｍ²という脈動圧力による液媒ガスと液冷媒の脈動流
も副膨張弁６７に及ぼすことがなくなる。一対の圧縮室
であっても一本の液冷媒注入用配管なので、従来の二本
の液冷媒注入用配管に対して、液冷媒注入用細孔と逆止
弁までの配管内容積いわゆる死容積が約半分に縮小し
て、スクロール圧縮室間側の内部漏れが減少し、ひいて
は圧縮動力が低下して圧縮機の性能が向上するというス
クロ−ル圧縮機固有の効果がある。また、液冷媒注入用
配管６２内の液冷媒の流れが一方向流れとなるため、該
液冷媒注入用配管６２の振動が低減すること、流体音な
ど騒音低減が図れることになる。そして、該副膨張弁６
７の弁作動が安定化して副膨張弁の誤動作を解消でき
る。また、副膨張弁の長寿命を図ることができる。さら
に、上記逆流現象がなくなることで、圧縮途中の高温な
ガス冷媒が、液冷媒注入用配管を介してメイン冷媒配管
側への混入現象も回避でき、液冷媒メイン配管の圧損低
下と冷凍装置の全体性能の低下を防止出来る効果があ
る。

【０００６】

【実施例】図１は油注入機構を有する冷凍、空調用の冷
媒圧縮機ユニットを示す。

【０００７】密閉容器１内には、スクロール圧縮機部２
を上部に、電動機部３を下部に連設した縦形の電動圧縮
機が収納されている。圧縮機部は、圧縮要素を成す固定
スクロール５と旋回スクロール６（両者のラップはモデ
ル化のため少なくして示してある。）の両スクロール部
材と、該旋回スクロール６の自転防止部材６ｄ及び、該
旋回スクロール６と係合するクランク軸７ａを有する主
軸７、そして該主軸７を支える軸受部、即ち、旋回スク
ロール６の軸受６ｃとフレーム４に形成される主軸受４
ａ、その下部の補助軸受４ｂ等から形成されている。こ
の密閉形スクロール圧縮機は密閉容器１内が吐出圧力
（高圧側圧力）Ｐｄの雰囲気にある高圧チャンバ方式の
態様である。また、スクロールラップの形状はインボリ
ュート、或いはこれと近似な曲線をなす。

【０００８】次に、冷媒ガスの流れに従って、上記スク
ロール圧縮機の作用を説明する（圧縮機内部の潤滑油の
流れについては省略する。）。低温低圧の冷媒ガスは、
実線矢印に示す様に吸入管１１から導入され、吸入継手
１２及び逆止弁部１３を介して固定スクロール５内の吸
入口１４に至り、圧縮要素部に至った冷媒ガスは密閉空
間に導入される。旋回スクロール６の自転を防止された
公転運動により、両スクロール部材で形成される圧縮室
８は漸次縮小し、スクロール中央部に移動するととも
に、冷媒ガスは圧力を高められて中央の吐出孔１０より
吐出され、吐出された高温高圧の冷媒ガスは、上記密閉
容器１内の上部空間１ａに吐出され、次いで通路１６
ａ、１６ｂを介し電動機まわりの空間１ｂを満たし、吐
出管１８を介し高圧の吐出圧力Ｐｄで外部へ導出され
る。また油注入用配管２１は、固定スクロール５の鏡板
部に設けた油注入用細孔２２に接続している。

【０００９】圧縮機の定常運転において、油注入用配管
２１を介して供給される油は、細孔２２を介して圧縮室
８に注入され、圧縮室内の作動ガスの冷却を行なう。こ
のように油注入用配管２１から注入された油は細孔２２
を介して圧縮室８に注入され、作動ガスと混合し作動ガ
スとともに吐出孔１０より吐出室１ａに吐出される。次
いで、通路１６ａ、１６ｂを通って電動機室１ｂに至
り、ここで作動ガスと油は分離する。分離された油は密
閉容器１の下部に落下し貯溜される。油分の少ない作動
ガスは、吐出管１８により外部の油分離器２３に至る。
ここで再度作動ガス中の油は分離され、該油は、油配管
２４、２５を介して注入用油として供される。なお、２
６は油冷却器であり、２７は油量調節用弁である。な
お、容器底部には油取出管２８が設けられ、該油配管２
８は前記油配管２４、２５と合流し、これら油配管２
８、２５、２１等にて油注入用配管経路を構成してい
る。なお、実線矢印は作動ガス（冷媒ガス）の流れ方向
を、破線矢印は油の流れ方向を示す。

【００１０】尚油分離器２３にて油分を分離したガスは
配管２９にて凝縮器３０に送出される。 次に、上記油
注入用の細孔２２について以下詳述する。図２は上記細
孔の位置を示す固定スクロール５の下面図である。図に
おいて、５ｅと５ｅ’は固定スクロールラップ５ｂの巻
終わり部を示す。固定スクロールラップの歯底面５ｇの
ほぼ中央位置の鏡板５ａに油注入用細孔２２が設けられ
ている。

【００１１】図３乃至図５は図１の実施例の固定スクロ
ールを用いた圧縮機構の油注入時の作動状況を示す。

【００１２】本実施例では、１個の油注入用細孔２２
で、２つの隣設圧縮室８ａ、８ｂに間欠的に油を注入す
る。上記のように、各圧縮室８ａ、８ｂと油注入用細孔
２２とが間欠的に連通させることにより、注油量の制限
（注油量の調節作用をもったいわゆる絞り部）機能を持
たせることができる。この場合、細孔２２の孔径ｄｓ
は、旋回スクロールのラップ厚さｔに対して、実用的に
次式を満たされればよい。

【００１３】ｄｓ ≦ ｔ ………（１） 図２の場合、油注入用細孔２２は両スクロールの吸入行
程時の圧縮作動室と間欠的に連通する位置でもある。こ
れにより起動時の油圧縮を防止する機能がでてくる。ま
た、図２において、上記油孔２２が吸入行程時の圧縮作
動室（例えば図３に示した５ｇ，５ｇ’の吸入室５ｆと
連通した空間）と一時的に連通することにより、吸入行
程時の作動ガスの冷却効果が生まれ、これにて容積効率
が向上するという効果もある。

【００１４】図４と図５は、旋回スクロール６の旋回運
動に伴い、油注入用細孔２２が圧縮室８ａ及び圧縮室８
ｂと間欠的に連通し、これによって、各圧縮室に対して
間欠的に（主軸の１回転に対して必ず一度連通するこ
と）油注入作用を行なうことができる説明図である。２
１は、油注入用配管である。

【００１５】図６は、図２に示した油注入用細孔２２の
位置よりも更に中央部（圧力の高くなる位置）に寄った
位置すなわち吐出孔１０に近くなった位置に設けた油注
入用細孔２２ｂの実施例である。なお、該細孔２２ｂ
は、両スクロールで形成される吸入行程時の圧縮作動室
とは連通せず、常に密閉空間を形成する圧縮室８ｃ等と
連通するものである。このように、固定スクロールラッ
プの歯底面のほぼ中央位置に油注入用細孔２２、２２ｂ
を設ける理由は、圧縮室８ａと圧縮室８ｂの両圧縮室へ
の給油量の分配を効率よくするためである。

【００１６】図７は、固定スクロール５の鏡板部５ａに
油注入用細孔を１個設けるとともに、該細孔２２ｃを、
固定スクロール５のラップ外側と旋回スクロール６のラ
ップ内側とで形成される圧縮室８ａと、これとほぼ対称
な位置にある圧縮室８ｂとの両側の圧縮室に８ａ、８ｂ
に間欠的に連絡するような位置に設けるため、油注入用
細孔２２ｃを固定スクロールのラップ部の歯側面５ｍか
らラップ厚さｔよりもラップ歯溝中央部側に寄った位置
で、該細孔を固定スクロールの鏡板部に設けた実施例で
ある。

【００１７】即ち、図２乃至図７の実施例は、１個の注
入用細孔にて二つの圧縮室８ａ、８ｂに間欠的に油を注
入する構造の実施例である。

【００１８】図８乃至図１３は上記油注入用細孔の孔径
を比較的大きくした場合の実施例を示す。

【００１９】図８と図９は油注入用細孔３１を固定スク
ロール５の鏡板部５ａの歯底面５ａの歯底面５ｇのほぼ
中央位置（歯溝の中央部を１点破線のｑにて示す。ｑ曲
線もスクロールラップ曲線と同一曲線となる。）に設け
る。該孔３１は絞り部３１ｂと開口部３１ａとからな
る。絞り部３１ｂの口径をｄｏで表示する。開口部３１
ａの断面形状は円形をなし、該孔３１ａの孔径をｄｓで
表示する。これら両者の口径は両圧縮室への連続的な給
油（インジェクション）がなされるよう、ｄｏ＜ｄｓの
関係を有している。

【００２０】図８に示すように、該細孔３１は、固定ス
クロール５のラップ外側と旋回スクロール６のラップ内
側とで形成される圧縮室８ａと固定スクロールのラップ
内側と旋回スクロールのラップ外側とで形成される圧縮
室８ｂとに、同時に連通するような位置に設けられてい
る。従って、油注入用細孔３１（あるいは比較的大きな
油注入用孔）が、両圧縮室８ａ、８ｂと常時連通するよ
うな位置関係を得るためには、実用的に次式を満たせば
よい。

【００２１】 ｔ ＜ ｄｓ ＜ ２ε−ｔ ………（２） ここで、 ｔ ：旋回スクロールのラップ厚さ（mm） ε ：旋回スクロールの旋回半径（mm） ｄｓ：注油孔の口径 なお、２１は油インジェクション管であり、説明上、油
の流れる方向を破線矢印で示す。

【００２２】図１０と図１１は他の実施例を示し、固定
スクロールの鏡板部５ａに設けた油注入用細孔４１が、
両スクロールで形成される両側の圧縮室８ａ、８ｂへの
給油量の分配を均等化するため、固定スクロールラップ
の外側壁面５ｍ’に、より近づけた位置で歯溝中心に対
して偏心した位置とした実施例である。スクロール圧縮
機の場合、スクロール中央部に行くほど圧力が高くなる
ため、圧縮室８ｂの内部圧力は、圧縮室８ａの内部圧力
の方が、８ｂの内部圧力よりも高くなる。

【００２３】圧力的には主軸の回転角で表示すると１８
０度（π radian）ずれている。従って供給元である高
圧部との差圧給油を実施している関係上、給油量の均圧
配分を行なうには、上記油注油孔４１と圧縮室８ａとの
連通期間よりも長くする必要がある。このため、注油孔
４１の中心を、歯溝中央線ｑに対してｌｓの距離だけス
クロール中央部に寄った位置、すなわち歯溝中心に対し
て偏心した位置に設定している。ｌｓの寸法は、上記
（１）式を考慮して設定されればよい。実用的には、ｌ
ｓの寸法は概略次式で表示される。

【００２４】 ｌｓ ≒ （１.０〜２.０）ε／ａ ………（３） ここで、ｌｓ：ラップ歯溝中心からａ偏心量（mm） ε：旋回半径（mm） ａ：スクロール曲線の基礎円半径（mm） すなわち、図８乃至図１１の実施例では、これまでの説
明で表示しているように、固定スクロールの鏡板部に設
けた油注入機構（あるいは液冷媒注入機構、これについ
ては後述する。）用の孔（もしくは細孔）は、１個設け
るとともに、ラップ歯溝の中央位置ｑよりも、ラップ中
央部（すなわち径方向で、スクロールラップ中心部）へ
偏心した位置に設けることあるいは少なくとも、ラップ
歯溝中心位置に、油注入用孔の開口部（圧縮室５ａ、５
ｂ等と連絡する部分）を設けている。

【００２５】図１２と図１３は更に他の実施例を示し、
油注入用細孔５１の開口面が径方向に伸びた長孔形状の
実施例である。この実施例では、油注入管２１と連結し
た油注入用孔５１の絞り部５１ｂは比較的孔径の小さい
円形状となっており、圧縮室８ａと８ｂと係合する開口
部５１ａが長孔形状としている。該長孔５１ａの位置設
定は両圧縮室８ａ、８ｂへの給油量の均等配分を行なう
ため、長孔５１の中心ｐを、歯溝中央線ｑに対してｌｓ
の距離だけスクロール中央部に寄った位置としている。

【００２６】図１４は上記長孔形状の油注入用孔を用い
た固定スクロールを用いた圧縮機構部の油注入時の作動
状況を示す。図８に示す長孔５１の寸法Ｅｓは、実用的
に次式で示される値となる。

【００２７】 ｔ ＜ Ｅｓ ＜２ε−ｔ ………（４） なお図１４において、５ｃは作動ガスの取入口である吸
入孔５ｆは吸入室である。作動ガスは、両スクロール部
材５、６により形成される密閉空間８（８ａ、８ｂ、８
ｃ）を外側から中心へ移動せしめ、容積を減少させ固定
スクロールの鏡板部に設けた中央部の吐出孔１０から作
動ガスは、注入されるとともに、外部へ導かれる。

【００２８】上記各実施例は固定スクロールの鏡板部に
設けた油注入用孔について最適な位置構造を示したが、
本発明は液注入機構を用いた冷凍装置及びガス注入機構
を用いた冷凍装置にも適用されるもので、以下その実施
例について説明する。

【００２９】図１５は、本発明の液注入機構を用いた冷
凍装置における実施例である。実線矢印は冷媒ガスの流
れ方向を、破線矢印は冷却用冷媒液の流れ方向を示す。
配管６１、６２は液冷媒注入用配管であり固定スクロー
ル５の鏡板部５ａに設けた細孔６３は本発明の液冷媒注
入用細孔となる。６４は凝縮器、６５は蒸発器、６６は
主膨脹弁、６７は副膨脹弁である。前記液冷媒注入用配
管６１にて、液冷媒を導入し、液冷媒注入用細孔６３を
介して、圧縮室８ａ、８ｂの両圧縮室へ常時あるいは間
欠的に冷却用の液冷媒が注入される。注入された液冷媒
は圧縮過程中で、圧縮熱の除去（冷媒ガスの冷却）を行
ない、ひいては、モータ３等圧縮機全体の冷却作用に供
される。６８は圧縮室から副膨脹弁６７への液冷媒、冷
媒ガスの逆流を防止するための逆止弁である。スクロー
ル圧縮機の各部の構造は前述の各実施例と同様であるか
らその説明を省略する。

【００３０】図１６は図１５の固定スクロールの下面図
を示し、液冷媒注入用孔６３を固定スクロール５の鏡板
部５ａに設けた実施例である。該液冷媒注入孔６３は、
固定スクロールの中央部に設けた吐出孔１０に比較的近
い位置となっている。該孔６３により、圧縮室８ｄ、８
ｄ’へ間欠的に液冷媒を注入する。これまでの説明によ
って、液注入作用による圧縮機の冷却のためには、液冷
媒注入孔６３を、圧縮行程のより最終域に設けること
（第１６図参照）が望ましい。

【００３１】

【発明の効果】本発明によれば次の効果がある． （１）液冷媒注入用配管６２側の副膨張弁６７まで冷媒
が逆流することがなく、また、最内室の数ｋｇ／ｃｍ²
という脈動圧力による液媒ガスと液冷媒の脈動流も副膨
張弁６７に及ぼすことがなくなる。そのことにより副膨
張弁６７の弁作動が安定化して副膨張弁の誤動作を解消
できる。また、副膨張弁の長寿命を図ることができる。

【００３２】（２）液冷媒注入用配管６２内の液冷媒の
流れが一方向流れとなるため、該液冷媒注入用配管６２
の振動が低減できる。

【００３３】（３）メイン冷媒配管側へのガス冷媒の混
入現象も回避でき、冷凍装置の全体性能の低下を防止出
来る効果がある。

【００３４】（４）液冷媒注入用細孔と逆止弁までの配
管内容積いわゆる死容積が縮小化して、スクロール圧縮
室間側の内部漏れが減少し、圧縮機の性能が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す油注入機構を備えた冷
凍空調用冷凍装置の圧縮機ユニットの断面図。

【図２】図１の固定スクロールの下面図。

【図３】図２に示す固定スクロールが旋回スクロールと
噛み合った状態を示す平面図

【図４】油注入機構部の縦断面図。

【図５】その作動を示す縦断面図。

【図６】他の実施例を示し、油注入孔の位置が異なる固
定スクロールの下面図。

【図７】図６に示す固定スクロールが旋回スクロールと
噛み合った状態を示す平面図。

【図８】更に他の実施例を示す油注入機構部の縦断面
図。

【図９】油注入孔部分の平面図。

【図１０】更に他の実施例を示す油注入機構部の縦断面
図。

【図１１】油注入孔部分の平面図。

【図１２】更に他の実施例を示す油注入機構の縦断面
図。

【図１３】油注入孔部分の平面図。

【図１４】図１３に示す固定スクロールが旋回スクロー
ルと噛み合った状態を示す平面図。

【図１５】本発明の実施例を示す液冷媒注入機構を備え
た冷凍装置の構成図。

【図１６】液冷媒注入用細孔の位置を示す両スクロール
が噛み合った状態の平面図。

【符号の説明】

４…フレ−ム， ５…固定スクロ−
ル，５ａ，６ａ…スクロ−ル鏡板部， ６…旋回スク
ロ−ル，７…主軸， ８…圧縮
室，１０…吐出孔， １８…連通
路，６１…液冷媒注入用配管， ６３…液冷媒
注入用細孔，６７…副膨張弁， ６８
…逆止弁。

フロントページの続き (72)発明者 末藤 和孝 静岡県清水市村松390番地 株式会社日立 製作所機械研究所内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】冷凍装置の凝縮器で液化された冷媒の一部
   をスクロール圧縮機の圧縮室内に導入する液冷媒注入用
   配管を備えた冷凍装置において、液冷媒注入用配管に逆
   止弁を設けたことを特徴とする冷凍装置。
2. 【請求項２】冷凍装置の凝縮器で液化された冷媒の一部
   をスクロール圧縮機の圧縮室内に導入する液冷媒注入用
   配管を備えた冷凍装置において、液冷媒注入用配管に副
   膨張弁を設け、該副膨張弁の下流側に逆止弁を配置した
   ことを特徴とする請求項１記載の冷凍装置。
3. 【請求項３】冷凍装置の凝縮器で液化された冷媒の一部
   をスクロール圧縮機の圧縮室内に導入する液冷媒注入用
   配管を備えた冷凍装置において、固定スクロ−ルラップ
   の歯底面のラップ間のほぼ中央部に細孔を設け、該細孔
   と前記液冷媒注入用配管とを接続したことを特徴とする
   請求項１記載の冷凍装置。