JP7165901B2 - スクロール圧縮機 - Google Patents

Description

本開示は、例えば、冷暖房空調装置および冷蔵庫等の冷凍装置、または、ヒートポンプ式の給湯装置等に用いられる、冷媒ガスを圧縮するスクロール圧縮機に関する。

従来の冷凍装置を構成するスクロール圧縮機においては、旋回スクロールまたは固定スクロールの背面を押圧する背圧室が形成されている。

背圧室内の圧力が、吸入側圧力と吐出側圧力との中間圧力になるように、背圧室と圧縮室とを連通する中間圧孔が、旋回スクロールまたは固定スクロールに設けられている。

スクロール圧縮機には、密閉容器内の吐出側圧力と、背圧室内の中間圧力との圧力差により、背圧室に給油する給油機構が形成されている。

スクロール圧縮機には、圧縮室と密閉容器内の吐出側とを連通するリリーフ孔、および、圧縮室と密閉容器内の吐出側との圧力差により、リリーフ孔を開閉するリリーフ弁が設けられている。リリーフ弁は、リリーフ孔と中間圧孔とを間欠的に連通する位置に設けられている（特許文献１）。

また、従来の冷凍装置を構成するスクロール圧縮機においては、一対の圧縮室のいずれかにつながる開口部と背圧室につながる開口部とを備えた流路が、旋回スクロールまたは固定スクロールに設けられている。

流路の密閉空間側の開口部がつながる側の圧縮室の容積比は、開口部がつながらない側の圧縮室の容積比よりも小さく構成されている（特許文献２）。

いずれの構成においても、背圧室の圧力は、吸入圧力と吐出圧力との間の中間圧力となる。背圧室から圧縮室への給油により、圧縮室圧力が上昇し易くなる。

このため、特許文献１では、中間圧孔とリリーフ孔とを連通させることで、過圧縮状態になるのを防止している。

また、特許文献２では、圧縮室の容積比を調整することで、過圧縮による必要動力の増加抑制を図っている。

特許第３５８４７８１号公報 特許第４６９３９８４号公報

従来のスクロール圧縮機においては、圧縮比（吸入圧力に対する吐出圧力の比）が比較的高い状態での運転である高圧縮比運転時における過圧縮状態が防止されている。

過圧縮状態の回避は、圧縮室の圧力を低減するのに有効であるが、同時に背圧室の圧力も低下してしまい、安定した圧縮動作につながらない。さらに、空調、冷凍および給油装置等の省エネルギー化、ならびに、圧縮機の回転数制御技術により、スクロール圧縮機には、より緩やかで、圧縮比のより低い、低圧縮比での運転が求められている。

しかしながら、従来のスクロール圧縮機は、低圧縮比運転時において、旋回スクロールと固定スクロールとの間の押し付け力が、圧縮室からの押し返し力よりも低い。このため、旋回スクロールと固定スクロールとが離れる現象である転覆が生じてしまうという問題があった。

本開示は、上記の問題に鑑みてなしたもので、低圧縮比運転時に、旋回スクロールと固定スクロールとが離れる現象である転覆をなくし、安定した圧縮動作を行うスクロール圧縮機を提供するものである。

本開示のスクロール圧縮機は、第1の鏡板および第1の渦巻き状のラップを有する固定スクロールと、第2の鏡板および第2の渦巻き状のラップを有する旋回スクロールと、前記固定スクロールと前記旋回スクロールとを噛み合わせて構成された圧縮室と、前記旋回スクロールを前記固定スクロールに対して押し付ける背圧を保持する背圧室と、を備える。

前記圧縮室は、前記旋回スクロールの前記第2の渦巻き状ラップの外側に位置する外側圧縮室と、前記旋回スクロールの前記第2の渦巻き状のラップの内側に位置する内側圧縮室とを有している。

前記背圧室は、圧縮途中に、前記内側圧縮室のみと連通する。

前記外側圧縮室および前記内側圧縮室それぞれは、作動流体の閉込みを終了した時点の吸入閉込み容積を有する。

前記外側圧縮室の前記吸入閉込み容積が、前記内側圧縮室の前記吸入閉込み容積よりも大きい。

圧縮途中に、前記内側圧縮室と、前記背圧室とが連通する。

前記内側圧縮室と前記背圧室との連通が終了する時の、前記内側圧縮室の容積に対する、前記内側圧縮室の前記吸入閉込み容積の比を背圧室閉口時容積比とする。

前記外側圧縮室および前記内側圧縮室それぞれについて、内部の圧力が吐出圧力以上まで上昇し、吐出経路に吐出できる前記作動流体の容積に対する前記吸入閉込み容積の比を吐出可能容積比とする。

前記背圧室閉口時容積比は、前記内側圧縮室の前記吐出可能容積比よりも小さく、前記外側圧縮室の前記吐出可能容積比よりも大きい。

このような構成により、圧縮比が背圧室閉口時容積比よりも小さくなる低圧縮比運転時に、背圧室が連通する側の内側圧縮室において過圧縮が生じ、連動して背圧室も過圧縮状態となる。

その後、背圧室と圧縮室の連通は閉じられ、圧縮室は、吐出可能容積比に到達した時点で吐出圧力まで低下する。一方、背圧室は、圧縮室と区画されているため、過圧縮状態を維持する。

そのため、旋回スクロールは、吐出圧力以上となった背圧室の圧力で固定スクロールに押し付けられ、転覆が生じることを抑制できる。

本開示によれば、低圧縮比運転時に、旋回スクロールの固定スクロールからの離脱を無くし、安定した圧縮動作を行うスクロール圧縮機を提供できる。

図１は、本開示の実施の形態に係るスクロール圧縮機の側方から見た断面図である。 図２は、同スクロール圧縮機の圧縮機構の要部拡大断面図である。 図３は、図２におけるＣ－Ｃ線での矢視断面図である。 図４は、同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を示す図である。 図５は、同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説明する図である。 図６は、本開示の実施の形態におけるスクロール圧縮機を用いた冷凍サイクル図である。 図７は、図２のＡ－Ａ線での矢視断面図である。 図８は、図７のＢ－Ｂ線での矢視断面図である。

本開示のスクロール圧縮機は、第1の鏡板および第1の渦巻き状のラップを有する固定スクロールと、第2の鏡板および第2の渦巻き状のラップを有する旋回スクロールと、前記固定スクロールと前記旋回スクロールとを噛み合わせて構成された圧縮室と、前記旋回スクロールを前記固定スクロールに対して押し付ける背圧を保持する背圧室と、を備えるスクロール圧縮機である。

前記圧縮室は、前記旋回スクロールの前記第2の渦巻き状ラップの外側に位置する外側圧縮室と、前記旋回スクロールの前記第2の渦巻き状のラップの内側に位置する内側圧縮室とを有している。

前記背圧室は、圧縮途中に、前記内側圧縮室のみと連通する。

前記外側圧縮室および前記内側圧縮室それぞれは、作動流体の閉込みを終了した時点の吸入閉込み容積を有する。

前記外側圧縮室の前記吸入閉込み容積が、前記内側圧縮室の前記吸入閉込み容積よりも大きい。

圧縮途中に、前記内側圧縮室と、前記背圧室とが連通する。

前記内側圧縮室と前記背圧室との連通が終了する時の、前記内側圧縮室の容積に対する、前記内側圧縮室の前記吸入閉込み容積の比を背圧室閉口時容積比とする。

前記外側圧縮室および前記内側圧縮室それぞれについて、内部の圧力が吐出圧力以上まで上昇し、吐出経路に吐出できる前記作動流体の容積に対する前記吸入閉込み容積の比を吐出可能容積比とする。

前記背圧室閉口時容積比は、前記内側圧縮室の前記吐出可能容積比よりも小さく、前記外側圧縮室の前記吐出可能容積比よりも大きい。

この構成により、圧縮比が背圧室閉口時容積比よりも小さくなる低圧縮比運転時に、背圧室が連通する側の内側圧縮室において過圧縮が生じ、背圧室が連通する側の内側圧縮室と連動して背圧室も過圧縮状態となる。その後、背圧室と内側圧縮室の連通は閉じられ、内側圧縮室は吐出可能容積比に到達した時点で吐出圧力まで低下する。一方、背圧室は圧縮室と区画されているため、過圧縮状態を維持する。そのため、旋回スクロールは、吐出圧力以上となった背圧室の圧力で固定スクロールに押し付けられ、転覆が生じることを抑制できる。

また、前記吐出圧力に到達した作動流体が排出される吐出室と、前記固定スクロールの中央部に設けられた吐出ポートと、前記外側圧縮室に設けられ、前記吐出ポートより先に前記外側圧縮室と前記吐出室とを連通させる吐出バイパスポートとを備えてもよい。また、前記吐出バイパスポートにより、前記外側圧縮室の前記吐出可能容積比が、前記内側圧縮室の前記吐出可能容積比よりも小さくなる構成であってもよい。

これにより、背圧室と連通する側の内側圧縮室は、背圧室との連通が閉じた後に吐出ポートまたは吐出バイパスポートと連通し、過圧縮状態から解放されて、吐出圧力まで下がる。一方、背圧室の圧力は、圧力の抜け先がなく過圧縮状態を維持するため、吐出圧力よりも大きくなる。そのため、旋回スクロールには背圧室側から固定スクロール側への押し付け力が働き、圧縮室の気密性を維持しながら、圧縮動作を続けることができる。

また、吐出バイパスポートを備えることで、旋回スクロールのラップ形状および固定スクロールのラップ形状に関わらず、内側圧縮室および外側圧縮室いずれか一方のみの吐出可能容積比を任意に調整可能となるため、背圧室閉口時容積比に対して本開示を実現させる各圧縮室の吐出可能容積比を構成できる。

また、前記背圧室と前記内側圧縮室が連通を終了する時の前記背圧室は、前記背圧室とは圧力差を有する他の空間から区画された閉空間である構成であってもよい。

これにより、さらに、旋回スクロールには背圧室側から固定スクロール側への押し付け力が働き、圧縮室の気密性を維持しながら圧縮動作を続けることができる。

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、これらの実施の形態によって、本開示が限定されるものではない。

（実施の形態）
図１は、本開示の実施の形態に係るスクロール圧縮機の側方から見た断面図であり、図２は、同スクロール圧縮機の圧縮機構の要部拡大断面図である。

以下、本実施の形態に係るスクロール圧縮機について、その動作および作用を説明する。

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、溶接または焼き嵌め等で固定され
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（第１の鏡板）に渦巻き状のラップ（第１の渦巻き状のラップ）が直立した固定スクロール１２と、鏡板（第2の鏡板）に渦巻き状のラップ（第2の渦巻き状のラップ）が直立した旋回スクロール１３とを備えている。圧縮機構２は、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た圧縮室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、円軌道運動するように案内するオルダムリング等を含む自転拘束機構１４が設けられている。

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によって旋回スクロール１３が偏心駆動される。

これにより、旋回スクロール１３は円軌道運動する。固定スクロール１２と旋回スクロール１３との間に形成された圧縮室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。これを利用して、密閉容器１外に通じた吸入パイプ１６（図１参照）、および、固定スクロール１２の外周部の吸入ポート１７から作動流体が吸入され、圧縮室１５に閉じ込められた後、圧縮される。

所定の圧力に到達した作動流体は、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を押し開く。吐出圧力に到達した作動流体は、吐出室３１を通り、密閉容器１内に吐出され、吐出管２２（図１参照）から密閉容器１外へ送り出される。

図1に示すように、シャフト４の下端にはポンプ２５が設けられる。ポンプ２５は、その吸い込み口が貯油部２０内に存在するように配置される。ポンプ２５は、旋回スクロール１３と同時に駆動される。これにより、ポンプ２５は、貯油部２０にあるオイル６を、圧力条件および運転速度に関係なく、確実に吸い上げることができる。よって、オイル切れを起こすことがない。

ポンプ２５で吸い上げられたオイル６は、シャフト４内を通縦（貫通）しているオイル供給穴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、または、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されて、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の圧力は、スクロール圧縮機９１の吐出圧力とほぼ同等であり、旋回スクロール１３に対する背圧源となる。さらに、オイル６の一部は、供給圧および自重によって、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、および、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におけるＣ－Ｃ矢視断面図である。

固定スクロール１２および旋回スクロール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とが含まれる。

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、非対称スクロール圧縮機である。

ここで、吸入閉込み容積とは、吸入ポート１７から吸い込んだ作動流体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であることにより、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から吸い込まれた作動流体を、外側圧縮室１５ａにおける吸入ポート１７近辺で閉じ込めて、圧縮工程に入ることができる。このため、低圧低温の作動流体が圧縮機構２により加熱されて、作動流体の密度低下を抑制できる。

外側圧縮室１５ａと内側圧縮室１５ｂと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、ある時点での、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ついて規定できる。

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が圧縮室内の作動流体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、圧縮室と吐出室３１とが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ついて規定できる。

本実施の形態では、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に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（図２参照）には、運転中の温度分布を測定した結果に基づいて、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な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に形成され、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、圧力上昇速度の速い内側圧縮室１５ｂに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には、シール部材７８と、吐出圧力の作動流体を保持する高圧領域３０と、吐出圧力と吸入圧力との中間の圧力の作動流体を保持する背圧室２９とが設けられている。シール部材７８により、シール部材７８の内側を高圧領域３０に、シール部材７８の外側を背圧室２９に、それぞれ区画している。

給油経路のうち少なくとも一つが、背圧室２９を経由するように構成される。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とから構成する。

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への作動流体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の圧力と、背圧室２９の圧力（以下、背圧）とが完全に分離され、旋回スクロール１３の背面からの圧力付加を、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、および、固定スクロール１２と旋回スクロール１３と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５５－２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を、常時、高圧領域３０に開口させる。これにより、間欠給油、および、背圧の調整を実現できる。

まず、間欠給油について説明する。

図５は、スクロール圧縮機の旋回運動に伴う、背圧室との連通路と、シール部材との位置関係を説明する図である。

図５は、位相を９０度ずつずらして、（Ｉ）０°～９０°、（ＩＩ）９０°～１８０°、（ＩＩＩ）１８０°～２７０°、（ＩＶ）２７０°～３６０°の状態を示している。

つまり、図５の（ＩＩ）は、図５の（Ｉ）からシャフト４が９０度回転した状態、図５の（ＩＩＩ）は、図５の（ＩＩ）からさらに９０度回転した状態、図５の（ＩＶ）は、図
５の（ＩＩＩ）からさらに９０度回転した状態、図５の（Ｉ）は、図５の（ＩＶ）からさらに９０度回転した状態を、それぞれ示している。

図５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とに仕切られている。

図５の（ＩＩ）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。このため、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５の、（Ｉ）、（ＩＩＩ）、（ＩＶ）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。このため、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の両側の、開口端５５－１ａと５５－１ｂとの間に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を跨いで往来する時間割合で調整される。このため、接続路５５－１の通路径を、オイルフィルタに対して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虞がなくなるため、安定した背圧の印加ができると同時に、スラスト摺動部および自転拘束機構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、上述の説明では、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とを往来する場合を例として説明した。本開示はこの例に限定されず、例えば、他方の開口端５５－１ａが高圧領域３０と背圧室２９とを往来し、一方の開口端５５－１ｂが、常時、背圧室２９にある場合でも、開口端５５－１ａと５５－１ｂとの間に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、および、インジェクションポートの開口状態を示す図である。

図４は、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、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５と同様に、図４は、（Ｉ）０°～９０°、（ＩＩ）９０°～１８０°、（ＩＩＩ）１８０°～２７０°、（ＩＶ）２７０°～３６０°の状態を示している。

つまり、図４の（ＩＩ）は、図４の（Ｉ）からシャフト４が９０度回転した状態、図４の（ＩＩＩ）は、図４の（ＩＩ）からさらに９０度回転した状態、図４の（ＩＶ）は、図４の（ＩＩＩ）からさらに９０度回転した状態、図４の（Ｉ）は、図４の（ＩＶ）からさらに９０度回転した状態を、それぞれ示している。

図４の（Ｉ）に示す状態は、外側圧縮室１５ａが作動流体を閉じ込める位置であり、図４の（ＩＩＩ）に示す状態は、内側圧縮室１５ｂが作動流体を閉じ込める位置である。

図４の（Ｉ）に示す状態では、２つの外側圧縮室１５ａが形成されている。外周側に位置する外側圧縮室１５ａは、作動流体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４の（ＩＩ）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４の（ＩＩＩ）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、作動流体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４の（ＩＶ）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、高圧縮比運転の場合について説明する。

図４の（ＩＶ）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および通路１３ａ（図2参照）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、吸入した作動流体（吸入冷媒とも記す）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られている（図４の（ＩＶ）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。

これに対して、図４の、（Ｉ）、（ＩＩ）、（ＩＩＩ）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４の（ＩＩ）に対応する図５の（ＩＩ）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、背圧室２９の圧力は、高圧領域３０の圧力、つまり、吐出圧力と同等となる。

つまり、高圧縮比運転時には、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、低圧縮比運転時における、旋回スクロールへの押し付け力として機能する。

次に、低圧縮比運転の場合について説明する。

低圧縮比運転時には、図４の（ＩＶ）の状態において、背圧室２９と連通し、外周側に位置する内側圧縮室１５ｂの圧力は、吐出圧力以上まで上昇し、同時に背圧室２９も吐出圧力以上の圧力になる。

図５の（ＩＶ）の状態において、背圧室２９は高圧領域３０と連通しておらず、内側圧縮室１５ｂと背圧室２９とで構成された空間は閉空間である。そのため、背圧室２９は、吐出圧力と等しい高圧領域３０よりも高い圧力状態となる。

さらに圧縮工程が進み、背圧室２９と内側圧縮室１５ｂとを連通させていた開口端５５－２ｂが凹部１２ａから外れると、背圧室２９は独立した閉空間となる。このため、背圧室２９の圧力は、内側圧縮室１５ｂの圧力、および、高圧領域３０の圧力に依存しなくなる。内側圧縮室１５ｂの圧力は、吐出可能容積比以上まで圧縮が進むと、圧縮室内部の作動流体が吐出室３１へと排出され、吐出圧力へと下がる。これに対して、背圧室２９の圧力は、内側圧縮室１５ｂから分離した際の過圧縮状態が、再度、背圧室２９が内側圧縮室１５ｂまたは高圧領域３０と連通するまで続く。

つまり、低圧縮比運転時には、図４の（Ｉ）および図５の（Ｉ）の状態において、背圧室２９のみが、吐出圧力よりも高い圧力状態を維持することになり、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には、圧縮室１５で圧縮された作動流体を吐出室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（図２参照）が設けられている。

吐出バイパスポート２１は、吐出ポート１８と同様に、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に作動流体が排出される。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への作動流体の逆流が抑制される。

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と連通する位置に、吐出バイパスポート２１が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また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の作動流体を吐出室３１へ排出することが可能となる。

吐出バイパスポート２１は、圧縮工程において、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。

図４に示すように、スクロール圧縮機９１には、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とがそれぞれ別々に設けられ、これにより、連通するタイミングがずらされている。

吐出バイパスポート２１ａは、図４の（Ｉ）の状態では、外側圧縮室１５ａと連通せず、図４の、（ＩＩ）～（ＩＶ）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４の（ＩＶ）の状態では、内側圧縮室１５ｂと連通せず、図４の、（Ｉ）～（ＩＩＩ）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４の（Ｉ）のタイミングで吸入工程を完了して、外側圧縮室１５ａ内は閉じ込められる。圧縮工程が９０°進んだ図４の（ＩＩ）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４の（ＩＩＩ）のタイミングで吸入工程を完了して、内側圧縮室１５ｂ内は閉じ込められる。圧縮工程が９０°進んだ図４の（ＩＶ）において、内側圧縮室１５ｂは、吐出バイパスポート２１ｂとは連通していない。さらに９０°進んだ図４の（Ｉ）においては、内側圧縮室１５ｂは、吐出バイパスポート２１ｂと連通する。また、図４の（ＩＶ）のタイミングで、内側圧縮室１５ｂは、供給路５５－２および通路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る。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との連通が終了する時（つまり、図４の（ＩＶ）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。

このような構成により、低圧縮比運転時には、早いタイミングで圧縮室１５の圧力が吐出圧力に到達しても、投影面積の大きい外側圧縮室１５ａは過圧縮することなく、吐出室３１へと作動流体を排出できる。

これに対して、内側圧縮室１５ｂでは過圧縮が発生し、その圧力が背圧室２９にも伝達して、旋回スクロール１３の押し付け力を高める。内側圧縮室１５ｂと背圧室２９との連通が終了した後には、背圧室２９の過圧縮状態の圧力は維持される。

一方、内側圧縮室１５ｂの過圧縮は、吐出バイパスポート２１ｂとの連通により解消される。これにより、旋回スクロール１３を固定スクロール１２から引き離す方向に働く、圧縮室１５側からの力を抑制しつつ、旋回スクロールの背面１３ｅに強い押し付け力を与え、旋回スクロール１３を固定スクロール１２に安定して押し付けながら、圧縮動作を続けることができる。

次に、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、本開示の実施の形態におけ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、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９４、インジェクション管９５、および、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、および、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で凝縮された作動流体（以下、冷媒とも記す）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、中間圧の冷媒を、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、さらに下流側の減圧器９４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、または、一部、液冷媒の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に流入する。

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、閉塞弁または減圧器９４等の、インジェクションする圧力を調整および停止する手段を設けてもよい。

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、高温高圧冷媒を、吐出管２２（図１参照）から凝縮器９２に排出する。

気液分離器９６で分離される冷媒の、気相成分と液相成分との比率について説明する。

上流側の膨張弁（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、または、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の冷媒を、インジェクション管９５から吸い込むと、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させるためには、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。そこで、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に構成する必要がある。

図７は、図２のＡ－Ａ線矢視断面図である。図８は、図７のＢ－Ｂ線矢視断面図である。

インジェクション管９５から流入する中間圧では、図１、図２、図７および図８に示すように、冷媒が中間圧室４１に流入し、インジェクションポート４３に設けられた逆止弁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る。インジェクションされた冷媒は、吸入ポート１７から吸い込まれた冷媒と共に、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られている。インジェクションポート４３は、外側圧縮室１５ａおよび内側圧縮室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および内側圧縮室１５ｂそれぞれでの閉じ込み後の圧縮工程中に、それぞれの圧縮室に開口する位置に設けられている。

図１および図２に示すように、スクロール圧縮機９１には、インジェクション管９５から送り込まれ、圧縮室１５にインジェクションする前の中間圧作動流体を導く中間圧室４１が設けられている。

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（図２参照）とで形成されている。中間圧室４１と圧縮室１５とは、
固定スクロール１２を挟んで対向している。

中間圧室４１は、中間圧作動流体が流入する中間圧室入口４１ａと、中間圧作動流体を圧縮室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された液溜め部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されている。

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。このように、逆止弁４２を設けることにより、冷媒の逆流を阻止できる。

本実施の形態に係るスクロール圧縮機９１では、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とを連通させるリード弁４２ａで構成されている。よって、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に連通させることができる。

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、長期に亘ってシール性を維持できるとともに、流路面積を、必要に応じて拡大させ易い。

逆止弁４２を設けない場合、および、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る。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が設けられている。

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られている。したがって、中間圧作動流体の内、気相成分の冷媒が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、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られている。これにより、中間圧室４１に液相成分の作動流体が流入した際の気化が促進されるとともに、吐出室３１の高圧冷媒の温度上昇を抑制できる。このため、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から吸い込まれた低圧冷媒と、圧縮室１５で合流する。

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、再膨張および再圧縮を繰り返すので、スクロール圧縮機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に固定されている。バルブストップ４２ｂに設けられたボルト４８の固定用孔は、バルブストップ４２ｂを貫通することなく、ボルト４８の挿入側にのみ開口している。このため、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されている。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との間で作動流体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の容積は、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から導かれた作動流体を圧縮室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、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得る。このため、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。

図４に示すように、インジェクションポート４３は、第１圧縮室（外側圧縮室１５ａ）と第２圧縮室（内側圧縮室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４の、（ＩＩ）、（ＩＩＩ）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に開口する位置、または、図４の（Ｉ）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られている。

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られ、固定スクロールが旋回スクロールに押し付けられる構成でもよい。また、本実施の形態では、インジェクション管を有するスクロール圧縮機を用いて説明したが、インジェクション管が設けられていないスクロール圧縮機であってもよい。

本開示のスクロール圧縮機は、冷暖房空調装置および冷蔵庫等の冷凍装置、または、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
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
１３ａ 通路
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
１５ｂ、１５ｂ－１、１５ｂ－２ 内側圧縮室
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（中間圧室隔壁部材）
４８ ボルト（固定部材）
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）
６６ 軸受部
７８ シール部材
９１ スクロール圧縮機
９２ 凝縮器
９３ 蒸発器
９４、９４ａ、９４ｂ 減圧器
９５ インジェクション管
９６ 気液分離器

Claims (3)

1. 第1の鏡板および第1の渦巻き状のラップを有する固定スクロールと、
   第2の鏡板および第2 の渦巻き状のラップを有する旋回スクロールと、
   前記固定スクロールと前記旋回スクロールとを噛み合わせて構成された圧縮室と、
   前記旋回スクロールを前記固定スクロールに対して押し付ける背圧を保持する背圧室と、を備え、
   前記圧縮室は、前記旋回スクロールの前記第2の渦巻き状ラップの外側に位置する外側圧縮室と、前記旋回スクロールの前記第2の渦巻き状のラップの内側に位置する内側圧縮室とを有し、
   前記背圧室は、圧縮途中に、前記内側圧縮室のみと連通し、
   前記外側圧縮室および前記内側圧縮室それぞれは、作動流体の閉込みを終了した時点の吸入閉込み容積を有し、
   前記外側圧縮室の前記吸入閉込み容積が、前記内側圧縮室の前記吸入閉込み容積よりも大きく、
   圧縮途中に、前記内側圧縮室と、前記背圧室とが連通し、
   前記内側圧縮室と前記背圧室との連通が終了する時の、前記内側圧縮室の容積に対する、前記内側圧縮室の前記吸入閉込み容積の比を背圧室閉口時容積比とし、
   前記外側圧縮室および前記内側圧縮室それぞれについて、内部の圧力が吐出圧力以上まで上昇し、吐出経路に吐出できる前記作動流体の容積に対する前記吸入閉込み容積の比を吐出可能容積比としたとき、
   前記背圧室閉口時容積比は、前記内側圧縮室の前記吐出可能容積比よりも小さく、前記外側圧縮室の前記吐出可能容積比よりも大きいスクロール圧縮機。
2. 前記吐出圧力に到達した前記作動流体が排出される吐出室と、
   前記固定スクロールの中央部に設けられた吐出ポートと、
   前記外側圧縮室に設けられ、前記吐出ポートより先に前記外側圧縮室と前記吐出室とを連通させる吐出バイパスポートと、を備え、
   前記吐出バイパスポートにより、前記外側圧縮室の前記吐出可能容積比が、前記内側圧縮室の前記吐出可能容積比よりも小さくなるように構成された
   請求項１に記載のスクロール圧縮機。
3. 前記背圧室と前記内側圧縮室とが連通を終了する時の前記背圧室は、
   前記背圧室とは圧力差を有する他の空間から区画された閉空間である
   請求項１又は請求項２に記載のスクロール圧縮機。

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