WO2019044419A1

WO2019044419A1 - スクロール圧縮機及びその制御方法並びに空気調和装置

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Publication number: WO2019044419A1
Application number: PCT/JP2018/029516
Authority: WO
Inventors: 暉裕金井; 拓馬山下; 太一舘石; 洋悟高須; 創佐藤; 一樹高橋
Original assignee: 三菱重工サーマルシステムズ株式会社
Priority date: 2017-08-29
Filing date: 2018-08-07
Publication date: 2019-03-07
Also published as: JP6896569B2; CN110520623A; EP3613986A1; JP2019039414A; CN110520623B; EP3613986A4; EP3613986B1

Abstract

圧縮機の効率低下を抑制しながら油の温度上昇による周辺機器への影響を回避することを目的とする。スクロール圧縮機は、背圧室と、背圧室から排出された油をハウジングの油溜に戻す排油通路と、排油通路に設けられた弁と、弁の開度を制御する制御装置とを備える。制御装置は、圧縮機回転数Ｒが第１閾値Ｒｔｈ１未満の場合に、排油通路を流れる油の流量を予め設定された第１流量以下に制御するとともに、所定のタイミングで排油通路を流れる油の流量を一時的に増加させ、圧縮機回転数Ｒが第２閾値Ｒｔｈ２以上の場合に、排油通路を流れる油の流量を第１流量よりも大きな値である第２流量以上に制御する。

Description

スクロール圧縮機及びその制御方法並びに空気調和装置

　本発明は、スクロール圧縮機及びその制御方法並びに空気調和装置に関するものである。

　密閉型スクロール圧縮機では、圧縮機下部の油溜に溜まった油をポンプで汲み上げ、軸受に給油している。汲み上げられた油は、上部軸受と旋回スクロールの間に設けられた空間である背圧室を経由した後、排油通路を通じて圧縮機下部の油溜に戻される。
　例えば、特許文献１には、排油通路に電磁弁を設け、電磁弁の開度を制御することで、背圧室から排出させる油の流量を制御することが開示されている。具体的には、特許文献１には、旋回スクロールの回転数が閾値以下の場合に、電磁弁を全閉状態として背圧室内の油量を上昇させることが開示されている。このように、背圧室内の油量を上昇させることで反スラスト力を増加させることができ、結果として、圧縮機の効率を向上させることができる。

国際公開第２０１７／０７３２１３号

　電磁弁を全閉状態とした場合、背圧室内に油が滞留することとなるため、排熱が十分に行えず、背圧室内の油の温度が徐々に上昇してしまう。これにより、熱による周辺機器への影響が懸念される。

　本発明は、圧縮機の効率低下を抑制しながら油の温度上昇による周辺機器への影響を回避することのできるスクロール圧縮機及びその制御方法並びに空気調和装置を提供することを目的とする。

　本発明の第１態様は、固定スクロール及び旋回スクロールを有し、前記固定スクロールと前記旋回スクロールとの間の冷媒を圧縮して排出するスクロール圧縮機構と、前記旋回スクロールを旋回させる棒状部材の回転シャフトと、前記回転シャフトの内部に長手方向に沿って設けられ、前記回転シャフトの一端から流入した油を前記回転シャフトの他端から排出する給油通路と、前記旋回スクロールの回転シャフト側に配置され、前記給油通路の他端から排出された油が流入する背圧室と、前記背圧室に流入した油を排出する排油通路と、前記排油通路を流れる油の流量を変更するための流量調整機構と、前記流量調整機構を制御することにより、前記排油通路を流れる油の流量を制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、前記旋回スクロールの旋回速度が予め設定された第１閾値未満の場合に、前記排油通路を流れる油の流量を予め設定された第１流量以下に制御するとともに、前記背圧室における油の温度に基づいて決定された所定のタイミングで前記排油通路を流れる油の流量を一時的に増加させ、前記旋回スクロールの旋回速度が前記第１閾値と同じまたは前記第１閾値よりも大きな値に設定された第２閾値以上の場合に、前記排油通路を流れる油の流量を前記第１流量よりも大きな値である第２流量以上に制御するスクロール圧縮機である。

　上記構成によれば、旋回スクロールの旋回速度、換言すると、圧縮機回転数が第１閾値未満の場合には、背圧室内から排油通路を通って流出する油の流量を第１流量以下に制御する。これにより、背圧室内の油量が上昇し、背圧室内の圧力が上昇する。これにより、旋回スクロールの背面に旋回スクロールから固定スクロールに向かう力（以下「反スラスト力」という。）を増加させることができる。この反スラスト力により旋回スクロールに作用する固定スクロールから離れる方向の力の一部が相殺され、スラスト軸受における旋回スクロールが旋回する際の摩擦による損失が低減する。この結果、スクロール圧縮機の効率低下を抑制できる。一方、背圧室内から排油通路を通って流出する油の流量を第１流量以下に制御すると、背圧室に油が滞留しやすい状態となり、排熱が十分にできないおそれがある。このような場合でも、背圧室における油の温度に基づいて予め決定された所定のタイミングで前記排油通路を流れる油の流量を一時的に増加させるので、油の温度が上昇しすぎることを回避することができる。これにより、背圧室周辺の部材への熱の影響を回避することが可能となる。
　旋回スクロールの旋回速度が第１閾値と同じまたは第１閾値よりも大きな値に設定された第２閾値以上の場合には、排油通路を流れる油の流量が第１流量よりも大きな値である第２流量以上となるように制御するので、反スラスト力により旋回スクロールが旋回する際の摩擦による損失を低減しながら、排熱を十分に行うことが可能となる。
　上記スクロール圧縮機は、例えば、内部が第一室と第二室とに仕切られるハウジングを有し、前記旋回スクロール及び前記固定スクロールは、前記ハウジング内の前記第一室に配置されている。

　上記スクロール圧縮機において、前記第１閾値は、スクロール圧縮機が定格運転の１／２の能力で運転されている場合に相当する旋回速度以上かつスクロール圧縮機が定格運転の能力で運転されている場合に相当する旋回速度以下に設定されていてもよい。

　上記構成によれば、スクロール圧縮機の効率低下を効果的に抑制できる。

　上記スクロール圧縮機において、前記制御装置は、前記旋回スクロールの旋回速度が前記第１閾値以上であって前記第１閾値よりも大きな値に設定された前記第２閾値未満の場合に、前記排油通路を流れる油の流量を前記第１流量以下に制御することとしてもよい。

　上記構成によれば、旋回スクロールの旋回速度が第１閾値以上第２閾値未満の場合には、排熱通路を流れる油の流量が第１流量以下に制御される。しかしながらその一方で、所定のタイミングにおける流量の一時的な増加は行われない。例えば、旋回スクロールの旋回速度が第１閾値以下の領域では、給油通路を通じて背圧室に流入する油量が十分でないため、例えば、軸受け等の摺動部の排熱が促進されない。このため、上述したように、所定のタイミングで排油通路を流れる油の流量を一時的に増加させ、排熱を促進させている。これに対し、旋回スクロールの旋回速度が第１閾値以上第２閾値以下の領域では、回転数が中速域にあり、摺動部の排熱を行うのに十分な油量が給油通路を通じて背圧室に流入する。このため、旋回スクロールの旋回速度が第１閾値以下のときのように、所定のタイミングで排油通路を流れる油の流量を一時的に増加させる必要がない。
　このように、旋回スクロールの旋回速度が第１閾値以上第２閾値未満の場合には、排熱通路を流れる油の流量を第１流量以下に制御することにより、比較的大きな反スラスト力を発生させることができ、スクロール圧縮機の効率低下を抑制することができる。更に、軸受け等の摺動部の排熱を促進でき、背圧室周辺の部材への熱の影響を回避することが可能となる。

　上記スクロール圧縮機において、前記所定のタイミングは、前記背圧室における前記油の温度が予め設定された上限温度に達するタイミングを事前に推定または試験し、その結果に基づいて事前に決定してもよい。

　例えば、所定のタイミングは、様々な条件（例えば、圧縮機に吸い込まれる流体の温度等）を変化させたときの背圧室における温度上昇を事前にシミュレーションまたは実機試験し、背圧室における油の温度が予め設定された上限温度に達するまでの経過時間に基づいて決定される。このように、事前にシミュレーション等を行い、所定のタイミングを事前に設定しておくことで、温度センサ等を設ける必要がなく、背圧室における油の過剰な温度上昇を容易に緩和させることが可能となる。

　上記スクロール圧縮機は、前記背圧室における油の温度を推定する温度推定部を更に備え、前記制御装置は、前記温度推定部によって推定された前記油の温度が予め設定されている上限温度以上である場合に前記所定のタイミングと判定し、前記排油通路を流れる前記油の流量を一時的に増加させることとしてもよい。

　上記構成によれば、温度推定部によって推定された油の温度が予め設定されている上限温度以上である場合に、所定のタイミングであると判定して、排油通路を流れる油の流量を一時的に増加させるので、背圧室内の油の温度が過剰に上昇することを容易に回避することができる。

　本発明の第２態様は、冷媒を凝縮させる凝縮器と、前記凝縮器によって凝縮された前記冷媒を蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器が蒸発させた前記冷媒を圧縮する上記スクロール圧縮機とを備える空気調和装置である。

　本発明の第３態様は、内部が第一室と第二室とに仕切られるハウジングと、前記第一室に配置された固定スクロール及び旋回スクロールを有し、前記固定スクロールと前記旋回スクロールとの間の冷媒を圧縮して前記第二室に排出するスクロール圧縮機構と、前記旋回スクロールを旋回させる棒状部材の回転シャフトと、前記回転シャフトの内部に長手方向に沿って設けられ、前記回転シャフトの一端から流入した油を前記回転シャフトの他端から排出する給油通路と、前記旋回スクロールの前記回転シャフト側に配置され、前記給油通路の他端から排出された油が流入する背圧室と、前記背圧室に流入した前記油を排出する排油通路とを備えるスクロール圧縮機の制御方法であって、前記旋回スクロールの旋回速度が予め設定された第１閾値未満の場合に、前記排油通路を流れる油の流量を予め設定された第１流量以下に制御するとともに、所定のタイミングで前記排油通路を流れる油の流量を一時的に増加させ、前記旋回スクロールの旋回速度が前記第１閾値と同じまたは前記第１閾値よりも大きな値に設定された第２閾値以上の場合に、前記排油通路を流れる油の流量を前記第１流量よりも大きな値である第２流量以上に制御するスクロール圧縮機の制御方法である。

　圧縮機の効率低下を抑制しながら油の温度上昇による周辺機器への影響を回避することができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る空気調和装置の冷媒回路の概略構成を示した図である。本発明の一実施形態に係るスクロール圧縮機の全体断面図である。図２に示したスクロール圧縮機の全体断面図において、背圧室及び排油通路の周辺を拡大して示した拡大断面図である。本発明の一実施形態に係る弁の制御手順を示したフローチャートである。

　以下に、本発明の一実施形態に係るスクロール圧縮機及びその制御方法並びに空気調和装置について、図面を参照して説明する。以下に説明する実施形態では、スクロール圧縮機を空気調和装置に適用した場合を例示して説明するが、本発明のスクロール圧縮機は空気調和装置に限られず、他の装置に対しても適宜適用することが可能である。

　図１は、本発明の一実施形態に係る空気調和装置１０の冷媒回路の概略構成を示した図である。図１に示すように、空気調和装置１０は、スクロール圧縮機１と、四方切換弁２と、室外熱交換器４と、電子膨張弁６と、室内熱交換器８とが順次冷媒配管により接続されて構成される冷暖房運転が可能な冷媒回路を有する。

　スクロール圧縮機１は、インバータ制御によるモータの駆動周波数制御が可能とされ、冷媒回路の低圧側から、低圧低温の冷媒ガスを吸い込み、高温高圧に圧縮して冷媒回路の高圧側へと吐出するものである。
　四方切換弁２は、スクロール圧縮機１から吐出される高温高圧の冷媒ガスを、冷房運転時には、室外熱交換器４側に循環させ、暖房運転時には、室内熱交換器８側に循環させるように切り換えられるものである。

　室外熱交換器４は、冷房運転時には、スクロール圧縮機１から供給される高温高圧の冷媒ガスと外気とを熱交換させ、冷媒を凝縮液化させる凝縮器として機能し、暖房運転時には、電子膨張弁６を経て供給される低温低圧の二相冷媒と外気とを熱交換させ、冷媒を蒸発ガス化させる蒸発器として機能するものであり、外気を送風する図示省略の室外ファンが付設される。

　電子膨張弁６は、室外熱交換器４または室内熱交換器８で凝縮された高圧の液冷媒を断熱膨張させて低温低圧の気液二相冷媒とするものであり、例えば、パルスモータにより駆動される電動式の膨張弁が用いられる。
　室内熱交換器８は、冷房運転時には、電子膨張弁６を経て導入される低温低圧の気液二相冷媒と空調する室内の空気とを熱交換させ、冷媒を蒸発させることにより室内空気を冷却する蒸発器として機能し、暖房運転時には、スクロール圧縮機１から供給される高温高圧の冷媒ガスと空調する室内の空気とを熱交換させ、冷媒を凝縮させることにより室内空気を加熱する凝縮器として機能するものであり、室内空気を循環流通させる図示省略の室内ファンが付設される。

　このような空気調和装置１０において、冷房運転時は、スクロール圧縮機１から吐出された高温高圧の冷媒ガスが、四方切換弁２により室外熱交換器４に導入され、外気と熱交換されて凝縮液化される。この高圧液冷媒が、電子膨張弁６で断熱膨張されて低温低圧の気液二相冷媒とされ、室内熱交換器８に導入される。室内熱交換器８では、低温低圧の気液二相冷媒が室内空気と熱交換され、室内空気から吸熱して蒸発されることによって低温低圧の冷媒ガスとなり、スクロール圧縮機１へと吸入される。そして、室内熱交換器８で冷媒が蒸発されることにより冷却された室内空気が、室内ファンを介して室内に吹き出されることによって、冷房運転が行われる。

　一方、暖房運転時は、スクロール圧縮機１から吐出された高温高圧の冷媒ガスは四方切換弁２により室内熱交換器８に導かれ、室内空気と熱交換されて凝縮液化される。この際の放熱により室内空気が加熱される。室内熱交換器８で凝縮液化された高圧液冷媒は、電子膨張弁６を経て断熱膨張され、低温低圧の気液二相冷媒とされて室外熱交換器４に導入される。室外熱交換器４では、低温低圧の気液二相冷媒が外気と熱交換され、外気から吸熱して蒸発ガス化され、低温低圧の冷媒ガスとしてスクロール圧縮機１へと吸入される。そして、室内熱交換器８で冷媒からの放熱により過熱された室内空気が、室内ファンを介して室内に吹き出されることにより、暖房運転が行われる。

　次に、本発明の一実施形態に係るスクロール圧縮機１について図を参照して説明する。図２は、本発明の一実施形態に係るスクロール圧縮機１の全体断面図、図３は図２に示したスクロール圧縮機の全体断面図において、背圧室及び排油通路の周辺を拡大して示した拡大断面図である。
　図１に示すように、スクロール圧縮機１は、ハウジング３の内部に、スクロール圧縮機１の駆動装置であるモータ５と、モータ５により駆動されるスクロール圧縮機構７とを備えている。モータ５は、インバータ（図示略）により周波数制御される。インバータの制御は、後述する制御装置５３によって行われても良いし、インバータ制御を行う専用の制御装置を設けることとしてもよい。空気調和装置１０の制御装置によって制御されてもよい。

　ハウジング３は、上下に延在する筒状のハウジング本体３ａと、ハウジング本体３ａの下端を閉塞する底部３ｂと、ハウジング本体３ａの上端を閉塞する蓋部３ｃとを備える。ハウジング３は、全体が密閉された圧力容器となっている。ハウジング本体３ａは、側部に、ハウジング３内に冷媒を導入させる吸入管９が設けられている。

　蓋部３ｃは、上部に、スクロール圧縮機構７によって圧縮された冷媒を排出させる吐出管１１が設けられている。ハウジング３は、ハウジング本体３ａと蓋部３ｃとの間にディスチャージカバー１３が設けられ、ハウジング３の内部は、仕切り部材であるディスチャージカバー１３より下側の第一室である低圧室３Ａと、ディスチャージカバー１３より上側の第二室である高圧室３Ｂとに仕切られている。ハウジング３がディスチャージカバー１３を有さない場合には、固定スクロール３３及び上部軸受２１が仕切り部材として機能することとしてもよい。ディスチャージカバー１３には、低圧室３Ａと高圧室３Ｂとを連通する開口孔１３ａ及び開口孔１３ａを開閉する吐出リード弁１３ｂが設けられている。ハウジング３内の底は、油が溜められる油溜３ｂｔとなっている。

　モータ５は、ステータ１５と、ロータ１７とを備えている。ステータ１５は、ハウジング本体３ａの上下方向のほぼ中央において、内壁面に固定されている。ロータ１７は、ステータ１５に対して回転可能に設けられている。回転シャフト１９は、ロータ１７に対して長手方向を上下に配置されている。モータ５は、ハウジング３の外部から電源が供給されることでロータ１７を回転させ、ロータ１７と共に回転シャフト１９が回転する。

　回転シャフト１９は、スクロール圧縮機構７の旋回スクロール３５を旋回させる棒状の部材である。回転シャフト１９は、ロータ１７の上方及び下方に端部が突出して設けられ、ハウジング本体３ａに対し、上端部が上部軸受２１に、下端部が下部軸受２３によって上下方向に延在する軸心ＣＥを基に回転可能に支持されている。軸心ＣＥは、棒状の部材である回転シャフト１９の長手方向である。

　回転シャフト１９は、その上端に、軸心ＣＥに対して偏った偏心ＬＥに沿って上方に突出した偏心ピン２５が形成されている。この偏心ピン２５を有する回転シャフト１９の上端に、スクロール圧縮機構７が接続されている。回転シャフト１９及び偏心ピン２５は、その内部に、上下、すなわち回転シャフト１９の長手方向に沿って延在する給油通路２７を有する。本実施形態において、給油通路２７は、回転シャフト１９の一端から他端に向かって貫通している。給油通路２７及び回転シャフト１９は、その下端が油溜３ｂｔに至るように配置され、回転シャフト１９の下端には給油ポンプ２９が設けられている。給油ポンプ２９は、回転シャフト１９によって駆動される。給油ポンプ２９は、回転シャフト１９の回転に伴って油溜３ｂｔに溜められた油を回転シャフト１９の給油通路２７に送り込む。給油通路２７は、給油ポンプ２９によって送り込まれた油を通過させて、スクロール圧縮機構７側の端部に設けられた出口２７Ｈから流出させる。

　本実施形態において、給油ポンプ２９は、回転シャフト１９の回転速度、すなわちモータ５の回転速度が増加するにしたがって、油の吐出流量が増加する。給油ポンプ２９は、例えば、容積式のポンプ及び遠心式のポンプであるが、これらに限定されない。給油ポンプ２９を容積式のポンプとすることで、排油通路５１を絞った場合でも後述する背圧室５０内の油を比較的容易に昇圧させることができるので好ましい。

　上部軸受２１は、回転シャフト１９の上端部を貫通させて回転シャフト１９を回転可能に支持する。上部軸受２１の上面には、貫通させた回転シャフト１９の上端部を囲むように凹部２１ａが形成されている。凹部２１ａは、後述するスライドブッシュ３７を収容するとともに、給油ポンプ２９により給油通路２７を介して送り込まれた油を貯留する。

　上部軸受２１には、ハウジング本体３ａの内壁面と隙間を有するように外周の一部に切欠２１ｂが形成されている。上部軸受２１の切欠２１ｂの下方において、カバープレート３１が設けられている。カバープレート３１は、上下方向に延在して設けられている。カバープレート３１は、切欠２１ｂの周囲を覆うようにハウジング本体３ａの内壁面に両側端を向けて湾曲して形成され、かつ下端がハウジング本体３ａの内壁面に漸次近づくように折曲して形成されている。

　スクロール圧縮機構７は、ハウジング３の内部において、ディスチャージカバー１３よりも下側の低圧室３Ａであって上部軸受２１の上方に配置されており、固定スクロール３３と、旋回スクロール３５と、スライドブッシュ３７とを備えている。

　固定スクロール３３には、ハウジング３の内部に固定された固定側端板３３ａの内面（図１における下面）に、渦巻状の固定側ラップ３３ｂが形成されている。固定側端板３３ａには、その中央部に吐出孔３３ｃが形成されている。

　旋回スクロール３５において、固定スクロール３３における固定側端板３３ａの内面に対面する可動側端板３５ａの内面（図１における上面）には、渦巻状の可動側ラップ３５ｂが形成されている。そして、旋回スクロール３５の可動側ラップ３５ｂと、固定スクロール３３の固定側ラップ３３ｂとが互いに位相をずらして噛み合わされることで、固定側端板３３ａ及び可動側端板３５ａと固定側ラップ３３ｂ及び可動側ラップ３５ｂとで区画された圧縮室が形成されている。

　旋回スクロール３５は、可動側端板３５ａの外面（図１における下面）に、回転シャフト１９の偏心ピン２５が接続されて偏心ピン２５の偏心した回転が伝達される円筒形状のボス３５ｃが形成されている。ボス３５ｃは、回転シャフト１９が有する給油通路２７の出口２７Ｈ側に配置される。本実施形態では、給油通路２７の出口２７Ｈは、旋回スクロール３５の可動側端板３５ａと対向している。旋回スクロール３５は、可動側端板３５ａの外面と上部軸受２１との間に配置されたオルダムリンク等の自転阻止機構３９により、偏心ピン２５の偏心した回転に基づき自転を阻止されつつ旋回される。

　スライドブッシュ３７は、上述した上部軸受２１の凹部２１ａに収容され、回転シャフト１９の偏心ピン２５と旋回スクロール３５のボス３５ｃとの間に介在されて、偏心ピン２５の回転移動を旋回スクロール３５に伝達するものである。スライドブッシュ３７は、旋回スクロール３５の可動側ラップ３５ｂと、固定スクロール３３の固定側ラップ３３ｂとの噛み合わせを維持するために偏心ピン２５の径方向にスライド移動可能に設けられている。

　本実施形態において、旋回スクロール３５の裏面３５ａｂ、すなわち可動側端板３５ａの上部軸受２１と対向する面と、凹部２１ａと、上部軸受２１とによって形成された空間を、背圧室５０という。背圧室５０は、旋回スクロール３５と、回転シャフト１９を旋回スクロール３５側で回転可能に支持する上部軸受２１との間に形成される。

　背圧室５０は、排油通路５１に接続されている。排油通路５１は、ハウジング３の外部に設けられており、一端がハウジング３を貫通して背圧室５０と接続され、他端はハウジング３を貫通して、ハウジング３内の底に設けられた油の油溜３ｂｔに接続される。すなわち、排油通路５１は、背圧室５０と油溜３ｂｔとを連通させる外部配管である。排油通路５１には、排油通路５１を流れる油の流量を調整するための流量調整機構が設けられている。流量調整機構は、例えば、弁開度が調整可能な弁５２である。弁５２は、例えば、油が通過する部分の面積を変更する機構を有している。弁５２の具体例として、電磁開閉弁又は電磁流量調整弁が挙げられる。弁５２の開度は、制御装置５３によって制御される。制御装置５３は、例えばプロセッサ及びメモリを有するコンピュータである。制御装置５３は、スクロール圧縮機１が搭載される空気調和装置１０の制御装置（図示略）であってもよいし、弁５２の動作を制御するための専用の装置であってもよい。

　図２及び図３では、排油通路５１を一本有する場合について例示しているが、排油通路５１の本数はこれに限定されず、複数本設けられていても良い。排油通路５１は必ずしもハウジング３の外部に設けられている必要はなく、例えば、ハウジング３の内部に設けられていても良い。排油通路５１が複数本設けられる場合には、その一部がハウジング３の外部に、残りがハウジング３の内部に設けられるような構成としても良い。

　上記構成を備えるスクロール圧縮機１において、冷媒は吸入管９を介してハウジング３内の低圧室３Ａに導かれる。低圧室３Ａに導かれた冷媒は、旋回スクロール３５が旋回することで固定スクロール３３と旋回スクロール３５との間の圧縮室内に吸入されつつ圧縮される。圧縮された高圧の冷媒は、固定スクロール３３の吐出孔３３ｃから固定側端板３３ａの外面側に吐出され、自身の圧力によりディスチャージカバー１３の吐出リード弁１３ｂを開放し、開口孔１３ａから高圧室３Ｂに流入し、吐出管１１を介してハウジング３の外部に排出される。

　スクロール圧縮機１の低圧室３Ａの圧力は、運転中において、スクロール圧縮機構７が冷媒を吸入する圧力である吸入圧力と同等となる。このため、スクロール圧縮機構７の旋回スクロール３５は、圧縮中の冷媒によって固定スクロール３３から離れる方向の力（以下「スラスト力」という。）を受ける。この力は上部軸受２１の上面に設置されたスラスト軸受４０によって支持される。スラスト力がスラスト軸受４０に作用することにより、旋回スクロール３５が旋回する際の旋回スクロール３５の裏面３５ａｂとスラスト軸受４０との摩擦による損失（以下「スラスト損失」という。）が発生する。

　上記スラスト力は、背圧室５０内に流入した油によって低減することができる。すなわち、本実施形態において、油溜３ｂｔに溜められた油は、給油ポンプ２９によって吸引されて給油通路２７へ導かれ、給油通路２７の出口２７Ｈから背圧室５０内へ流入する。背圧室５０内へ流入した油は、排油通路５１へ流入し、排油通路５１を通じてハウジング本体３ａの下端の油溜３ｂｔに戻される。このとき、排油通路５１に設けられた弁５２の開度を制御することで、背圧室５０から流出される油の流量を調整することができ、背圧室５０内の油量を調整することができる。

　背圧室５０内の油量が多いほど、背圧室５０内の油の圧力は増加し、旋回スクロール３５に対して上記スラスト力と反対方向に作用する反スラスト力を増加させることができる。これにより、旋回スクロール３５に作用するスラスト力を低減することができ、スラスト損失を低減することができる。これにより、スクロール圧縮機１の効率低下を抑制することが可能となる。

　次に、本発明の一実施形態に係るスクロール圧縮機１が備える弁５２の制御について図４を参照して説明する。図４は、制御装置５３によって実行される弁制御処理のフローチャートを示した図である。
　まず、制御装置５３は、旋回スクロール３５の回転数、換言すると、スクロール圧縮機１の回転数（以下「圧縮機回転数」という。）Ｒが予め設定された第１閾値Ｒｔｈ１未満であるか否かを判定する（ＳＡ１）。圧縮機回転数Ｒが第１閾値Ｒｔｈ１未満である場合（以下「第１低速モード」という。）には（ＳＡ１において「ＹＥＳ」）、弁５２の開度を予め設定されている第１開度とする（ＳＡ２）。本実施形態において、第１開度はゼロ、すなわち、全閉状態に設定されている。

　続いて、弁５２の全閉状態が第１所定期間維持されたか否かを判定する（ＳＡ３）。この結果、全閉状態が第１所定期間維持されていなければ（ＳＡ３において「ＮＯ」）、ステップＳＡ１に戻る。一方、全閉状態が第１所定期間維持されている場合には（ＳＡ３において「ＹＥＳ」）、弁５２を一時的に開く。例えば、弁５２を第１開度よりも大きな所定の開度に制御し、この状態を予め設定された第２所定期間維持する（ＳＡ４）。そして、弁開度を所定の開度に制御してから第２所定期間経過すると、弁５２を再び全閉状態とし（ＳＡ５）、ステップＳＡ１に戻る。ステップＳＡ４における弁の開度は適宜設定できるものとする。弁開度に応じて第２所定期間が設定されることとしてもよい。

　ステップＳＡ１において、圧縮機回転数Ｒが第１閾値Ｒｔｈ１以上である場合には（ステップＳＡ１において「ＮＯ」）、続いて、圧縮機回転数Ｒが第１閾値よりも大きな値に設定された第２閾値Ｒｔｈ２未満であるか否かを判定する（ＳＡ６）。この結果、圧縮機回転数Ｒが第２閾値Ｒｔｈ２未満である場合（以下「第２低速モード」という。）には（ＳＡ６において「ＹＥＳ」）、弁５２を第１開度、すなわち全閉状態とし（ＳＡ７）、ステップＳＡ１に戻る。
　一方、ステップＳＡ６において、圧縮機回転数Ｒが第２閾値Ｒｔｈ２以上である場合（以下「高速モード」という。）には（ＳＡ６において「ＮＯ」）、弁開度を第１開度よりも大きな第２開度とし（ＳＡ８）、ステップＳＡ１に戻る。

　ここで、第１閾値Ｒｔｈ１は、スクロール圧縮機１が定格運転の１／２の能力で運転されている場合に相当する旋回転速以上、かつ、スクロール圧縮機１が定格運転の能力で運転されている場合に相当する旋回速度以下の範囲に設定される。第１閾値をこのような範囲に設定することで、スクロール圧縮機１の効率低下の抑制を期待できる。第１閾値Ｒｔｈ１の一例として、旋回スクロール３５の最大旋回速度の１／２、１／３、または１／４の値が挙げられる。第１閾値Ｒｔｈ１は、スクロール圧縮機１の最も頻繁に使用される旋回速度であってもよい。第１閾値Ｒｔｈ１は、油膜形成が可能な回転数範囲に設定されることが好ましい。

　第２閾値Ｒｔｈ２は、例えば、スクロール圧縮機１が定格運転の１／２の能力で運転されている場合に相当する旋回転速以上、かつ、スクロール圧縮機１が定格運転の能力で運転されている場合に相当する旋回速度以下の範囲であって、第１閾値Ｒｔｈ１よりも大きな値に設定される。

　図４に示したフローチャートにおいて、「第１所定期間」は、背圧室５０内の油温が旋回スクロール３５や上部軸受２１等の周辺部材の耐熱温度以下に設定された上限温度に達するまでの時間に設定されている。これは、例えば、様々な条件下において背圧室５０における油の温度を事前にシミュレーションまたは実機試験し、この結果から設定することができる。例えば、弁５２を全閉にした状態で、吸込み冷媒の温度、旋回スクロールの摩擦係数、背圧室に与えられる熱量等のパラメータを様々な値に設定し、複数のシミュレーションを行うことで、背圧室５０内の油の温度上昇を予測し、油の温度が上限温度に達するまでの経過時間を得る。そして、この経過時間から第１所定期間を決定すればよい。

　例えば、背圧室５０の温度は、上部軸受２１からの発熱量Ｑ１と、上部軸受２１を伝わって外に逃げる熱量である排熱量Ｑｏｉｌとを用いて推定することができる。例えば、シミュレーション開始時から（換言すると、弁５２を閉状態としてから）ｎ秒後の背圧室５０の油温Ｔｏｉｌ（ｎ）は、以下の（１）式で表すことができる。

　更に、（１）式における排熱量Ｑｏｉｌは、以下の式のように展開できる。

　上記各式における各種パラメータは以下の表１の通りである。

　シミュレーションにおいては、上部軸受２１の発熱量Ｑ１、試験開始時の油温Ｔｏｉｌ、スクロール圧縮機１の吸込み冷媒の温度Ｔｓ、試験開始時の上部軸受２１の壁面温度Ｔｗに対して各種条件に応じた値を設定するとともに、油の比熱ｃｇ、油の質量ｍｇ、上部軸受２１の比熱ｃｂ、上部軸受２１の質量ｍｂ、油の熱伝達率ｈｏ、上部軸受２１の熱伝達率ｈｂ、油と上部軸受２１の接触長さＬ、上部軸受２１の面積Ａにはスクロール圧縮機１の構造から決定される値を設定する。そして、上記演算式にこれらの設定値を組み込むことにより、試験開始からの経過時間と背圧室５０内の油温との関係を得ることができる。これらの結果から背圧室５０の油温が上限温度に達するまでの経過時間を取得し、取得したこれらの経過時間から第１所定期間を設定する。

　「第２所定期間」は、背圧室５０内の油の温度が上限温度の場合に、弁５２を全閉状態から所定の開度に変化させたときに、油の温度が予め設定された基準温度に低下するまでの経過時間に基づいて設定される。この第２所定期間についても、事前にシミュレーションを行い、そのシミュレーション結果から導くことができる。所定の開度についても適宜採用することが可能であるが、弁開度を全開に近づけるほど、排熱を促進させることができるため、第２所定期間は短く設定することが可能となる。

　上記のような制御を行うことで、例えば、圧縮機回転数Ｒが第１閾値Ｒｔｈ１未満の場合、すなわち、第１低速モードの場合には、弁５２が全閉状態とされる。これにより、背圧室５０内の油量を上昇させることができ、背圧室５０の圧力を増加させることができる。この結果、反スラスト力を増加させることができ、スラスト損失を低減することができる。更に、背圧室５０が油で満たされた後において、油の余剰分は上部軸受２１と旋回スクロール３５との間に流出する。この油は、冷媒とともに圧縮室内に流入し、スクロール圧縮機構７の内部で油膜を形成し、封止性能を向上させる。これにより、スクロール圧縮機１の効率低下を抑制させることができる。

　一方で、弁５２が全閉状態とされることで、背圧室５０内における油の移動はなくなり、油温は徐々に上昇する。しかしながら、このような状態においても、弁５２が全閉とされた状態が第１所定期間維持された場合には、弁５２を一時的に開状態とするため、背圧室５０に滞留していた高温の油を排油通路５１を通じて排出することができる。これにより、背圧室５０内の油の温度を低下させることができ、油の温度上昇による周辺部品への影響を未然に回避することが可能となる。

　圧縮機回転数Ｒが第１閾値Ｒｔｈ１以上第２閾値Ｒｔｈ２未満の場合、すなわち、第２低速モードの場合には、弁５２が全閉状態とされる。これにより、上述した第１低速モードと同様に、スクロール圧縮機１の効率低下を抑制することができる。第２低速モードの場合には、第１低速モードと違って弁５２を一時的に開状態として、一時的に流量を増加させる制御は行わない。
　例えば、圧縮機回転数Ｒが第１閾値Ｒｔｈ１以下の領域では、油溜３ｂｔから背圧室５０に汲み上げられる油量が十分でなく、油の循環量が少ないため、上部軸受２１等の摺動部の排熱が促進されない。このため、上述したように、所定のタイミングで排油通路５１を流れる油の流量を一時的に増加させ、排熱を促進させる必要がある。
　これに対し、圧縮機回転数Ｒが第１閾値Ｒｔｈ１以上第２閾値Ｒｔｈ２以下の領域では、回転数が中速域にあり、摺動部の排熱に十分な油量が油溜３ｂｔから背圧室５０に汲み上げられる。このため、圧縮機回転数Ｒが第１閾値Ｒｔｈ１以下のときのように、所定のタイミングで排油通路５１を流れる油の流量を一時的に増加させる必要がない。背圧室５０に汲み上げられた油は、排油通路５１以外に、旋回スクロール３５と固定スクロール３３の摺動部から流れ出て圧縮機下部の油溜３ｂｔに戻されてもよい。

　圧縮機回転数Ｒが第２閾値Ｒｔｈ２以上の場合、すなわち、高速モードの場合には、弁５２の開度が第２開度Ｄ２に制御される。これにより、背圧室５０内には給油通路２７を通じて冷たい油が流入し、排油通路５１を介して油が排出されることとなるので、背圧室５０の油の温度上昇を抑制することができる。弁５２の弁開度が第２開度Ｄ２に制御されることにより、油の流量が大きくなるので、給油ポンプ２９の駆動動力の増加を抑制することが可能となる。その結果、スクロール圧縮機１の効率低下を抑制することができる。背圧室５０内から上部軸受２１と旋回スクロール３５との間に流出する油の量も少なくなるので、冷媒に含まれる油の量も抑制される。

　以上説明してきたように、本実施形態に係るスクロール圧縮機及びその制御方法並びに空気調和装置によれば、圧縮機回転数Ｒが第１閾値Ｒｔｈ１未満の場合に、弁５２を全閉状態とし、排油通路５１を流れる油の流量をゼロとするので、背圧室５０内の圧力を効率的に上昇させ、反スラスト力を増加させることができる。これにより、スラスト軸受における旋回スクロール３５が旋回する際の摩擦による損失を低減することができる。その結果、スクロール圧縮機１の効率低下を抑制することができる。更に、弁５２を全閉状態としてから第１所定期間が経過する毎に弁５２を一時的に開き、排油通路５１を流れる油の流量を一時的に増加させるので、油温が上昇しすぎることを回避することができる。これにより、背圧室５０周辺の部材への熱の影響を回避することが可能となる。

　圧縮機回転数Ｒが第１閾値Ｒｔｈ１以上第２閾値Ｒｔｈ２未満の場合には、弁５２が全閉状態を維持した状態とされ、上記第１低速モードのように、所定のタイミングにおける流量の一時的な増加は行われない。
　このように、圧縮機回転数Ｒが第１閾値Ｒｔｈ１以上第２閾値Ｒｔｈ２未満の場合には、弁５２が全閉状態を維持した状態とされることで、スクロール圧縮機の効率低下を抑制することができるとともに、軸受け等の摺動部の排熱を促進でき、背圧室周辺の部材への熱の影響を回避することが可能となる。

　圧縮機回転数Ｒが第２閾値Ｒｔｈ２以上の場合には、弁５２の開度を第１及び第２低速モードに比べて大きくし、排油通路５１を流れる油の流量を増加させるので、反スラスト力により旋回スクロールが旋回する際の摩擦による損失を低減しながら、排熱も十分に行うことが可能となる。

　以上、本発明について上記実施形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。発明の要旨を逸脱しない範囲で上記実施形態に多様な変更又は改良を加えることができ、該変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれる。

　例えば、上記実施形態では、背圧室５０の油温が上限温度を超えないようにするために、弁５２が全閉状態とされてからの経過時間が第１所定期間に達した場合に弁５２を一時的に開く制御を行っていた（図４のＳＡ３～ＳＡ５参照）。すなわち、上記実施形態では、予めシミュレーションや実機試験等を行うことにより、第１所定期間を予め設定しておき、この第１所定期間を用いて弁５２の一時開閉を行っていた。これに代えて、または、加えて、例えば、スクロール圧縮機１の制御装置５３が背圧室５０の温度を推定する温度推定部を更に備え、温度推定部によって推定された温度が上限温度に達したときに、弁５２を一時的に開く制御を行うこととしても良い。このように、温度推定部によって背圧室５０の油温を推定することにより、例えば、上述したスクロール圧縮機１が吸い込む冷媒の温度や弁５２を閉状態としたときの油温（試験開始時の油温に相当）に実測値を用いることが可能となる。これにより、背圧室５０の油温の推定に実際の周囲環境を反映させることができ、より適切なタイミングで弁５２の一時開閉を実施することが可能となる。

　上記実施形態では、第１開度をゼロ、すなわち、全閉状態としていたが、これに限定されず、第１開度は、第２開度よりも小さな開度であればよい。このように、圧縮機回転数Ｒが第２閾値未満の場合に、弁５２の開度を全閉よりも開いた開度に制御することで、排油通路５１を通じて少量の油を排出することが可能となる。これにより、軸受等の摺動部に油を確実に供給できるので、摺動部を確実に潤滑できるという効果を得ることができる。
　上記実施形態では、圧縮機回転数Ｒが第２開度未満の場合に弁５２の開度を第１開度とし、圧縮機回転数Ｒが第２開度以上の場合に弁５２の開度を第２開度とすることで、弁開度を段階的に制御していたが、この例に限定されない。例えば、圧縮機回転数Ｒが第２開度未満の場合には弁５２の開度を第１開度以下に制御し、圧縮機回転数Ｒが第２開度以上の場合に弁５２の開度を第２開度以上に制御することとしてもよい。一例として、圧縮機回転数Ｒに応じて弁５２の開度を連続的に変化させることとしてもよい。このように排油通路５１を流れる油の流量を制御することにより、スクロール圧縮機１の全運転領域で排油通路５１を流れる油の流量を最適に調整できるので、スクロール圧縮機１の効率低下の更なる抑制が期待できる。
　圧縮機回転数Ｒに代えてモータの回転数（周波数）を用いても良いし、旋回スクロールの速度を用いても良い。

　上記実施形態では、流量調整機構の一例として排油通路５１に設けられた弁５２を例示したが、排油通路５１に流れる油の流量を調整するための機構は弁５２に限定されない。

　上記実施形態では、圧縮機回転数Ｒ（旋回スクロール３５の回転数、モータの回転数）に基づいて弁５２の弁開度を制御していたが、これに限定されず、例えば、冷媒の圧力に基づいて弁５２の弁開度を制御することとしてもよい。例えば、冷媒の圧力として、スクロール圧縮機１が吐出する冷媒の吐出圧力と吸入する冷媒の吸入圧力との圧力差を用いることができる。冷媒の圧力差は、旋回スクロール３５の回転速度が大きくなると増加する。このため、例えば、冷媒の圧力差が大きくなるにしたがって弁５２の開度を大きくする、すなわち排油通路５１を流れる油の流量を増加させる制御を行うことにより、上述した制御と同様の効果を得ることができる。

１　スクロール圧縮機
３　ハウジング
３ｂｔ　油溜
４　室外熱交換器
６　電子膨張弁
７　スクロール圧縮機構
８　室内熱交換器
１０　空気調和装置
１９　回転シャフト
２７　給油通路
３３　固定スクロール
３５　旋回スクロール
５０　背圧室
５１　排油通路
５２　弁
５３　制御装置

Claims

　固定スクロール及び旋回スクロールを有し、前記固定スクロールと前記旋回スクロールとの間の冷媒を圧縮して排出するスクロール圧縮機構と、
　前記旋回スクロールを旋回させる棒状部材の回転シャフトと、
　前記回転シャフトの内部に長手方向に沿って設けられ、前記回転シャフトの一端から流入した油を前記回転シャフトの他端から排出する給油通路と、
　前記旋回スクロールの回転シャフト側に配置され、前記給油通路の他端から排出された油が流入する背圧室と、
　前記背圧室に流入した油を排出する排油通路と、
　前記排油通路を流れる油の流量を変更するための流量調整機構と、
　前記流量調整機構を制御することにより、前記排油通路を流れる油の流量を制御する制御装置と
を備え、
　前記制御装置は、
　前記旋回スクロールの旋回速度が予め設定された第１閾値未満の場合に、前記排油通路を流れる油の流量を予め設定された第１流量以下に制御するとともに、前記背圧室における油の温度に基づいて決定された所定のタイミングで前記排油通路を流れる油の流量を一時的に増加させ、
　前記旋回スクロールの旋回速度が前記第１閾値と同じまたは前記第１閾値よりも大きな値に設定された第２閾値以上の場合に、前記排油通路を流れる油の流量を前記第１流量よりも大きな値である第２流量以上に制御するスクロール圧縮機。
　前記第１閾値は、スクロール圧縮機が定格運転の１／２の能力で運転されている場合に相当する旋回速度以上かつスクロール圧縮機が定格運転の能力で運転されている場合に相当する旋回速度以下に設定されている請求項１に記載のスクロール圧縮機。
　前記制御装置は、前記旋回スクロールの旋回速度が前記第１閾値以上であって前記第１閾値よりも大きな値に設定された前記第２閾値未満の場合に、前記排油通路を流れる油の流量を前記第１流量以上かつ前記第２流量以下に制御する請求項１または請求項２に記載のスクロール圧縮機。
　前記所定のタイミングは、前記背圧室における前記油の温度が予め設定された上限温度に達するタイミングを事前に推定または試験し、その結果に基づいて事前に決定される請求項１から請求項３のいずれかに記載のスクロール圧縮機。
　前記背圧室における油の温度を推定する温度推定部を備え、
　前記制御装置は、前記温度推定部によって推定された前記油の温度が予め設定されている上限温度以上である場合に、前記所定のタイミングであると判定して、前記排油通路を流れる前記油の流量を一時的に増加させる請求項１から請求項４のいずれかに記載のスクロール圧縮機。
　冷媒を凝縮させる凝縮器と、
　前記凝縮器によって凝縮された前記冷媒を蒸発させる蒸発器と、
　前記蒸発器が蒸発させた前記冷媒を圧縮する請求項１から請求項５のいずれかに記載のスクロール圧縮機と、
を備える空気調和装置。
　固定スクロール及び旋回スクロールを有し、前記固定スクロールと前記旋回スクロールとの間の冷媒を圧縮して排出するスクロール圧縮機構と、前記旋回スクロールを旋回させる棒状部材の回転シャフトと、前記回転シャフトの内部に長手方向に沿って設けられ、前記回転シャフトの一端から流入した油を前記回転シャフトの他端から排出する給油通路と、前記旋回スクロールの回転シャフト側に配置され、前記給油通路の他端から排出された油が流入する背圧室と、前記背圧室に流入した油を排出する排油通路とを備えるスクロール圧縮機の制御方法であって、
　前記旋回スクロールの旋回速度が予め設定された第１閾値未満の場合に、前記排油通路を流れる油の流量を予め設定された第１流量以下に制御するとともに、前記背圧室における油の温度に基づいて決定された所定のタイミングで前記排油通路を流れる油の流量を一時的に増加させ、
　前記旋回スクロールの旋回速度が前記第１閾値と同じまたは前記第１閾値よりも大きな値に設定された第２閾値以上の場合に、前記排油通路を流れる油の流量を前記第１流量よりも大きな値である第２流量以上に制御するスクロール圧縮機の制御方法。