JP4192314B2 - 超臨界冷凍サイクル - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧縮機に関するもので、高圧側（放熱器側）の冷媒圧力が冷媒の臨界圧力以上となる超臨界冷凍サイクル用圧縮機に適用して有効である。
【０００２】
【従来の技術】
圧縮機の圧縮機構を潤滑する手段として、例えば実開昭５９−１１９９９２号公報に記載の発明では、圧縮機構から流出する冷媒（流体）から潤滑油を分離するオイル分離器（オイルセパレータ）を設けるとともに、オイルセパレータにて分離されて貯油部に蓄えられた潤滑油を吐出圧と吸入圧との差圧を利用して圧縮機構の吸入側に戻している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、超臨界冷凍サイクルでは、吐出圧がフロンを冷媒とする冷凍サイクル（以下、この冷凍サイクルをフロンサイクルと呼ぶ。）の約１０倍以上高いため、吐出圧と吸入圧との差圧もフロンサイクルの約５〜８倍と大きい。
このため、上記公報に記載のごとく、吐出圧と吸入圧との差圧を利用して単純に潤滑油を圧縮機構に供給すると、圧縮機構に供給される潤滑油の量が過度に増加してしまうという問題が発生する。
【０００４】
この問題に対しては、貯油部に連なるオイル通路の通路断面積を小さくして、圧縮機構に供給される潤滑油の量が過度に増加することを防止するといった手段が考えられる。
しかし、超臨界冷凍サイクルでは、吐出圧と吸入圧との差圧はフロンサイクルの約５〜８倍と大きいので、単純にオイル通路の通路断面積を小さくすると、通路断面積を過度に小さくする必要があり、オイル通路に異物が詰まる可能性がある。このため、圧縮機構に安定的に潤滑油を供給することができず、圧縮機の性能及び信頼性を損なうおそれがある。
【０００５】
本発明は、上記点に鑑み、圧縮機構に安定的に潤滑油を供給することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、以下の技術的手段を用いる。請求項１に記載の発明では、冷媒を吸入圧縮する圧縮機（１００）と、圧縮機（１００）から吐出する冷媒を冷却するとともに、内部の圧力が冷媒の臨界圧力以上となる放熱器（２００）と、放熱器（２００）から流出する冷媒を減圧する減圧器（４００）と、減圧器（４００）から流出する冷媒を蒸発させる蒸発器（３００）とを有し、冷媒として二酸化炭素を用い、圧縮機（１００）は、ハウジング（１１０）と、ハウジング（１１０）に対して固定された固定スクロール（１２０）、及び固定スクロール（１２０）に対して旋回する旋回スクロール（１３０）により流体を吸入圧縮する複数個の作動室（Ｖ）を構成するとともに、旋回スクロール（１３０）の旋回に連動して作動室（Ｖ）を固定スクロール（１２０）に対して旋回させながら作動室（Ｖ）の体積を縮小させる圧縮機構（Ｃｐ）と、圧縮機構（Ｃｐ）から吐出する流体から潤滑油を分離するとともに、その分離された潤滑油を蓄える貯油部（２１０）を有するオイル分離器（２００）とを備え、圧縮機（１００）には、作動室（Ｖ）と貯油部（２１０）とを連通させる連通路（２２０）が設けられ、連通路（２２０）のうち作動室（Ｖ）に向けて開口する出口側の開口部（２２１）は、１箇所のみに開口するように設けられ、さらに、開口部（２２１）は、複数個の作動室（Ｖ）のうち、内圧（Ｐ）が貯油部（２１０）の圧力（Ｐｄ）より低い所定の圧力（Ｐｏ）から貯油部（２１０）の圧力（Ｐｄ）以上まで変化する所定の作動室（Ｖｏ）に連通するように開口して、貯油部（２１０）の圧力（Ｐｄ）が所定の作動室（Ｖｏ）の内圧（Ｐ）よりも高い間のみ、貯油部（２１０）に蓄えられた潤滑油を所定の作動室（Ｖｏ）へ供給するように設けられていることを特徴とする。
【０００７】
これにより、貯油部（２１０）内の潤滑油は、複数個の作動室（Ｖ）のうち、貯油部（２１０）の圧力（Ｐｄ）が作動室（Ｖ）の内圧（Ｐ）より高い状態となっている所定の作動室（Ｖｏ）のみに供給されるので、常に貯油部（２１０）から圧縮機構（Ｃｐ）に潤滑油が供給されるのではなく、間欠的に潤滑油が圧縮機構（Ｃｐ）に供給されることとなる。
【０００８】
したがって、連通路（２２０）の通路断面積を縮小させることなく、圧縮機構（Ｃｐ）に供給される潤滑油の量が過度に増加することを防止できるので、連通路（２２０）の通路断面積を縮小させる必要がない。延いては、連通路（２２０）に異物が詰まることを防止できるので、圧縮機構（Ｃｐ）に安定的に潤滑油を供給することができ、圧縮機の性能及び信頼性を向上させることができる。
【０００９】
また、通路断面積の小さい連通路（２２０）を形成する必要がないので、連通路（２２０）を容易に形成することができるので、圧縮機の製造原価低減を図ることができる。
請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の超臨界冷凍サイクルにおいて、旋回スクロール（１３０）を旋回駆動するシャフト（１４０）を備え、固定スクロール（１２０）の巻き数は２巻きであり、旋回スクロール（１３０）の巻き数は１．５巻きであり、作動室（Ｖ）が閉じた空間となった時のシャフト（１４０）の回転角（θ）を０°としたとき、開口部（２２１）は、シャフト（１４０）の回転角度（θ）が３００°〜６００°となる時までの間の期間（Θｏ）のみ前記所定の作動室（Ｖｏ）と連通することを特徴とする。
因みに、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本実施形態は、本発明に係る圧縮機１００を車両空調装置用超臨界冷凍サイクル用の圧縮機に適用したものであって、図１は超臨界冷凍サイクルの模式図である。
図１中、１００は冷媒（二酸化炭素）を吸入し、その吸入した冷媒を冷媒の臨界圧力以上にまで圧縮するスクロール型圧縮機（以下、圧縮機と略す。）であり、詳細は、後述する。
【００１１】
２００は室外空気と冷媒との間で熱交換を行い冷媒を冷却する室外熱交換器（放熱器）であり、３００は室内に吹き出す室内空気と冷媒との間で熱交換を行い冷媒を蒸発させる室内熱交換器（蒸発器）である。そして、この室内熱交換器３００と室外熱交換器２００との間には、冷媒を減圧する減圧器４００が設けられている。
【００１２】
なお、減圧器４００は、特願平８−３３９６２号出願に記載されている圧力制御弁と同様なものであるので、本明細書では、減圧器４００の詳細説明は省略する。
また、圧縮機１００の吸入側には、冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離するとともに、気相冷媒を圧縮機１００の吸入側に向けて流出させるアキュムレータ（気液分離手段）５００が設けられている。そして、６００は、アキュムレータ６００と圧縮機１００との間に存在する冷媒と、室外熱交換器２００と減圧器４００との間に存在する冷媒とを熱交換する内部熱交換器である。
【００１３】
次に、図２に基づいて圧縮機１００について述べる。
１１１は固定スクロール（固定部）１２０が固定されたフロントハウジングである。１３０は固定スクロール１２０に対して旋回可動する旋回スクロール（可動部）であり、両スクロール１２０、１３０には、冷媒（流体）が吸入される複数個の作動室Ｖを形成する渦巻状のスクロール歯部１２１、１３１が形成されている。
【００１４】
そして、本実施形態では、両スクロール１２０、１３０により形成された作動室Ｖの体積を拡大縮小させることによって、冷媒を吸入圧縮する圧縮機構Ｃｐを構成している。なお、１１３は室内熱交換器３００の流入側に接続される吸入口であり、１１４は室外熱交換器２００の流入側に接続される吐出口である。
１４０は旋回スクロール１３０を旋回駆動するシャフトであり、このシャフト１４０はフロントハウジング１１１内外を貫通して、その一端側（紙面左側）がフロントハウジング１１１外に露出している。なお、本実施形態では、シャフト１４０は、シャフト１４０の一端側（フロントハウジング１１１外に露出した部分）に連結された電磁クラッチ（図示せず）を介して車両走行用エンジン（図示せず）により回転駆動される。
【００１５】
また、フロントハウジング１１１内には、シャフト１４０を回転可能に支持する転がり軸受（以下、軸受と略す。）１５０が配設されている。この軸受１５０の近傍のうち軸受１５０より電磁クラッチ側（シャフト１４０の一端側）には、シャフト１４０とフロントハウジング１１１との隙間を密閉して、フロントハウジング１１１（圧縮機１００）外に、冷媒や潤滑油が流出することを防止するリップシール１６０が配設されている。
【００１６】
また、シャフト１４０の他端側（紙面右側）のうちシャフト１４０の回転中心から偏心した部位には、軸受１７０を介して旋回スクロール１３０が連結されている。１８０は旋回スクロール１３０の自転を防止する、周知のピン−リング式の自転防止機構であり、この自転防止機構１８０により、シャフト１４０が回転すると、旋回スクロール１３０は自転せずにシャフト１４０周りを旋回（公転）する。
【００１７】
なお、１３２は旋回スクロール１３０の旋回とともに、シャフト１４０に作用する偏心力（旋回スクロール１３０に発生する遠心力）を相殺するバランサである。
１９０は作動室Ｖから吐出する冷媒の脈動を平滑化する吐出室であり、１９１は作動室Ｖと吐出室１９０とを連通させる吐出ポートである。１９２は、吐出室１９０から作動室Ｖに冷媒が逆流することを防止するリード弁状の吐出弁（逆止弁）であり、１９３は吐出弁１９２の最大開度を規制するストッパである。
【００１８】
２００は圧縮機構Ｃｐから吐出した冷媒中から潤滑油を分離するとともに、その分離された潤滑油を蓄える貯油部を有するオイルセパレータ（オイル分離器）である。そして、オイルセパレータ２００（貯油部２１０）は、吐出室１９０に連通しているため、その内部力は、吐出室１９０内の圧力（圧縮機構Ｃｐの吐出圧Ｐｄ）に略等しい。そこで、以下、貯油部２１０内の圧力を貯油部内圧力Ｐｄと表記する。
【００１９】
なお、吐出室１９０、オイルセパレータ２００及び貯油部２１０は、固定スクロール１２０に固定されたリアハウジング１１２に形成されている。そして、フロントハウジング１１１、固定スクロール１２０の最外周部及びリアハウジング１１２により、圧縮機１００のハウジング１１０が構成されている。因みに、オイルセパレータ２００は、吐出室１９０から潤滑油を含む冷媒を、吐出口１１４から連なる分離パイプ部２０１の外周面に向けて吹き出すことにより、潤滑油を含む冷媒を分離パイプ部２０１周りに回転させて遠心力によりの潤滑油を分離する遠心分離型のものである。
【００２０】
また、固定スクロール１２０の端板部１２２には、貯油部２１０と作動室Ｖとを連通させて潤滑油を作動室Ｖに導くオイル通路（連通路）２２０が形成されている。そして、オイル通路２２０のうち作動室Ｖに向けて開口する出口側の開口部２２１は、複数個の作動室Ｖのうち、内圧Ｐが貯油部内圧力Ｐｄより低い所定の圧力Ｐｏから貯油部内圧力Ｐｄ以上まで変化する所定の作動室Ｖに連通するように開口している。
【００２１】
次に、本実施形態の特徴的作動を述べる。
スクロール型圧縮機の圧縮機構Ｃｐは、周知のごとく、スクロール歯部１２１、１３１の渦巻外方側に形成された作動室Ｖが、図３〜１４に示すように、旋回スクロール１３０の旋回運動に連動して、固定スクロール１２０に対して旋回移動しつつ渦巻中央側に近づきながら、その体積を縮小させて冷媒（流体）を圧縮するものである。
【００２２】
因みに、図３〜１４は、冷媒の吸入を完了した時（渦巻外方側に形成された作動室Ｖが閉じた空間となった時）のシャフト１４０の回転角θを０°として（図３）、シャフト１４０の回転が６０°進んだ時毎の両スクロール１２０、１３０の状態を示すものである。ここで、複数個の圧縮機構Ｃｐのうち一の作動室Ｖ（以下、この作動室を作動室Ｖｏと表記する。）内の圧力の変化に着目すると、図１５（ａ）に示すように、シャフト１４０の回転とともに、圧縮機構Ｃｐの吸入圧Ｐｓから吐出圧Ｐｄに向けて上昇していく。そして、作動室Ｖｏの内圧が吐出圧Ｐｄ以上まで上昇し、かつ、作動室Ｖｏが吐出ポート１９１に連通したときに（図８〜１４参照）、作動室Ｖｏ内の冷媒が放熱器２００に向けて吐出される。
【００２３】
ところで、開口部２２１は、複数個の作動室Ｖのうち、内圧Ｐが圧力Ｐｏから貯油部内圧力Ｐｄ以上まで変化する所定の作動室Ｖｏに連通するように開口しているため、図３〜１４からも明らかなように、常に作動室Ｖｏに連通するのではなく、シャフト１４０の回転角度θが第１所定角度（本実施形態では３００°）θ１になった時から第２所定角度（本実施形態では６００°）θ２となる時までの間の期間Θｏのみ作動室Ｖｏと連通する（図８〜１２参照）。
【００２４】
一方、貯油部２１０の潤滑油は、貯油部内圧力Ｐｄが作動室Ｖｏの内圧Ｐより高いときに作動室Ｖｏに供給されるので、貯油部２１０の潤滑油は、開口部２２１が作動室Ｖｏと連通している期間Θｏのうち、貯油部内圧力Ｐｄが作動室Ｖｏの内圧Ｐより高い間のみ作動室Ｖｏに供給される。
つまり、本実施形態に係る圧縮機１００では、常に貯油部２１０から圧縮機構Ｃｐ（作動室Ｖ）に潤滑油が供給されるのではなく、図５（ｂ）に示すように、間欠的に潤滑油が圧縮機構Ｃｐに供給されることとなる。
【００２５】
なお、上記作動説明から明らかなように、圧縮機構Ｃｐに供給される潤滑油の量は、開口部２２１の位置（開口部２２１が作動室Ｖｏと連通している時間）、作動室Ｖｏの内圧Ｐの上昇度合い（吸入圧Ｐｓ）、及び吐出圧Ｐｄによって変化するので、開口部２２１の位置の選定にあたっては、圧縮機１００の負荷（吐出圧Ｐｄ及び吸入圧Ｐｓ）を考慮して選定する必要がある。
【００２６】
因みに、貯油部内圧力Ｐｄが作動室Ｖｏの内圧Ｐ以下となったときには、作動室Ｖｏ内の冷媒が、吐出室１９０を経由せずに貯油部２１０に流入するが、貯油部内圧力Ｐｄが作動室Ｖｏの内圧Ｐ以下となった後、すぐに、吐出ポート１９１が開くので、吐出室１９０を経由せずに貯油部２１０に流入する冷媒量は微量であり、実用上、殆ど問題はない。
【００２７】
次に、本実施形態の特徴を述べる。
上記作動説明から明らかなように、間欠的に潤滑油を圧縮機構Ｃｐに供給することができるので、オイル通路２２０の通路断面積を縮小させることなく、圧縮機構Ｃｐに供給される潤滑油の量が過度に増加することを防止できる。したがって、オイル通路２２０の通路断面積を縮小させる必要がないので、オイル通路２２０に異物が詰まることを防止できる。
【００２８】
延いては、圧縮機構Ｃｐに安定的に潤滑油を供給することができるので、圧縮機１００の性能及び信頼性を向上させることができる。
また、通路断面積の小さいオイル通路２２０を形成する必要がないので、オイル通路２２０を容易に形成することができるので、圧縮機１００の製造原価低減を図ることができる。
【００３０】
ところで、オイル通路２２０の形態は、上記実施形態に限定されるものではなく、固定スクロール１２０の端板部１２２及び旋回スクロール１３０のスクロール歯部１３１を経由して貯油部２１０の潤滑油を作動室Ｖに導くようにしてオイル通路２００を構成してもよい。
【００３１】
また、オイル通路２２０に、作動室Ｖから貯油部２１０に冷媒が流通することを防止する逆止弁を設けてもよい。
さらに、上述の実施形態では、圧縮機構Ｃｐとオイルセパレータ２００とが一体となったものであったが、圧縮機構Ｃｐとオイルセパレータ２００とを別体としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 超臨界冷凍サイクルの模式図である。
【図２】 実施形態に係る圧縮機の断面図である。
【図３】 図２のＡ−Ａ断面図である。
【図４】 図２のＡ−Ａ断面図である。
【図５】 図２のＡ−Ａ断面図である。
【図６】 図２のＡ−Ａ断面図である。
【図７】 図２のＡ−Ａ断面図である。
【図８】 図２のＡ−Ａ断面図である。
【図９】 図２のＡ−Ａ断面図である。
【図１０】 図２のＡ−Ａ断面図である。
【図１１】 図２のＡ−Ａ断面図である。
【図１２】 図２のＡ−Ａ断面図である。
【図１３】 図２のＡ−Ａ断面図である。
【図１４】 図２のＡ−Ａ断面図である。
【図１５】 （ａ）はシャフトの回転角θと作動室の内圧との関係を示すグラフであり、（ｂ）はシャフトの回転角θと作動室に供給される潤滑油量との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１１１ フロントハウジング
１１２ リアハウジング
１２０ 固定スクロール
１３０ 旋回スクロール
１４０ シャフト
１５０ 軸受
１６０ リップシール
２００ オイルセパレータ（オイル分離器）
２１０ 貯油部
２２０ オイル通路（連通路）

Claims (2)

1. 冷媒を吸入圧縮する圧縮機（１００）と、
   前記圧縮機（１００）から吐出する前記冷媒を冷却するとともに、内部の圧力が冷媒の臨界圧力以上となる放熱器（２００）と、
   前記放熱器（２００）から流出する前記冷媒を減圧する減圧器（４００）と、
   前記減圧器（４００）から流出する前記冷媒を蒸発させる蒸発器（３００）とを有し、
   前記冷媒として二酸化炭素を用い、
   前記圧縮機（１００）は、
   ハウジング（１１０）と、
   前記ハウジング（１１０）に対して固定された固定スクロール（１２０）、及び前記固定スクロール（１２０）に対して旋回する旋回スクロール（１３０）により流体を吸入圧縮する複数個の作動室（Ｖ）を構成するとともに、前記旋回スクロール（１３０）の旋回に連動して前記作動室（Ｖ）を前記固定スクロール（１２０）に対して旋回させながら前記作動室（Ｖ）の体積を縮小させる圧縮機構（Ｃｐ）と、
   前記圧縮機構（Ｃｐ）から吐出する流体から潤滑油を分離するとともに、その分離された潤滑油を蓄える貯油部（２１０）を有するオイル分離器（２００）とを備え、
   前記圧縮機（１００）には、前記作動室（Ｖ）と前記貯油部（２１０）とを連通させる連通路（２２０）が設けられ、
   前記連通路（２２０）のうち前記作動室（Ｖ）に向けて開口する出口側の開口部（２２１）は、１箇所のみに開口するように設けられ、
   さらに、前記開口部（２２１）は、前記複数個の作動室（Ｖ）のうち、内圧（Ｐ）が前記貯油部（２１０）の圧力（Ｐｄ）より低い所定の圧力（Ｐｏ）から前記貯油部（２１０）の圧力（Ｐｄ）以上まで変化する所定の作動室（Ｖｏ）に連通するように開口して、前記貯油部（２１０）の圧力（Ｐｄ）が前記所定の作動室（Ｖｏ）の内圧（Ｐ）よりも高い間のみ、前記貯油部（２１０）に蓄えられた潤滑油を前記所定の作動室（Ｖｏ）へ供給するように設けられていることを特徴とする超臨界冷凍サイクル。
2. 前記旋回スクロール（１３０）を旋回駆動するシャフト（１４０）を備え、
   前記固定スクロール（１２０）の巻き数は２巻きであり、
   前記旋回スクロール（１３０）の巻き数は１．５巻きであり、
   前記作動室（Ｖ）が閉じた空間となった時の前記シャフト（１４０）の回転角（θ）を０°としたとき、
   前記開口部（２２１）は、前記シャフト（１４０）の回転角度（θ）が３００°〜６００°となる時までの間の期間（Θｏ）のみ前記所定の作動室（Ｖｏ）と連通するように開口していることを特徴とする請求項１に記載の超臨界冷凍サイクル。

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