JP4516127B2 - 冷凍空調装置 - Google Patents

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Description

本発明は、空気調和装置または冷凍機に使用され、圧縮機構を収容する密閉容器を２つ以上備えた冷凍空調装置に関し、特に密閉容器間の均油機構に関するものである。
空気調和装置または冷凍機等で用いられる冷凍空調装置においては、ＣＯＰ（Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）を改善するために、冷媒を圧縮する主圧縮機と、冷媒を膨張させる膨張機構および膨張機構での膨張エネルギを機械エネルギに変換し稼動させる副圧縮機構を備えた膨張機とを有するものがある。このような冷凍空調装置においては、主圧縮機および膨張機の各摺動部の焼付や異常摩耗による信頼性低下を防ぐために、主圧縮機および膨張機において、潤滑油が不足しないように油面の高さを調整する必要がある。
このため、従来の冷凍空調装置においては、主圧縮機の密閉容器内圧力を吸入圧力に保つようにし、主圧縮機構への吸入パイプが密閉容器内に設けられ、その開口部が密閉容器内に貯留された潤滑油の油面の上方に位置されるとともに、開口部よりも下方で主圧縮機密閉容器における適正油面の上限位置に油回収小孔が形成されているものがある（例えば、特許文献１参照）。
また、第一の圧縮機と第二の圧縮機とを有し、第一の圧縮機の底部と第二の圧縮機の底部とを連通する均油管を設けている冷凍空調装置もある（例えば、特許文献２および特許文献３参照）。
特開２００４−３２５０１９号公報（第８頁、図８および図９） 特開平７−１０３５９４号公報（第３頁〜第４頁、図１） 特開平６−１０９３３７号公報（第３頁、図１）
しかしながら、特許文献１の冷凍空調装置においては、主圧縮機用の密閉容器内に主圧縮機構への吸入パイプを設ける必要があり、当該吸入パイプの位置についても制約がある。
また、特許文献２および特許文献３の冷凍空調装置においては、２つの圧縮機の設置高さを同じにしなければ、潤滑油の油面の高さの調整ができないという問題がある。
この発明は、上述のような問題を解決するためになされたものであり、主圧縮機構において構造上の制約を設けることなく、また主圧縮機構を収容する第１の密閉容器および副圧縮機構を収容する第２の密閉容器のそれぞれの設置高さを調整することなく、第１の密閉容器および第２の密閉容器の潤滑油の油面の高さを調整できる冷凍空調装置を得ることを目的とする。
この発明の冷凍空調装置は、冷媒を圧縮する主圧縮機構と、圧縮された冷媒を冷却する放熱器と、放熱器から流出した冷媒を膨張させ動力を回収する膨張機構と、主圧縮機構の吐出側または吸込側に配置され膨張機構で回収した動力で冷媒を圧縮する副圧縮機構と、膨張機構で膨張された冷媒を蒸発させる蒸発器と、主圧縮機構および潤滑油を収納し内部が吸入圧力雰囲気となる第１の密閉容器と、膨張機構、副圧縮機構および潤滑油を収納する第２の密閉容器と、第１の密閉容器の底部および第２の密閉容器の底部を連結した第１の均油管と、第２の密閉容器の側面の必要最低油面高さより高い位置および主圧縮機構の吸入側を連結した第２の均油管とを備え、第２の密閉容器内の空間は、膨張機構および副圧縮機構と隔離され、第２の密閉容器内の圧力は、膨張機構内の圧力および副圧縮機構内の圧力に依存しない。
また、この発明の冷凍空調装置は、冷媒を圧縮する主圧縮機構と、主圧縮機構の吐出側または吸込側に配置され冷媒を圧縮する副圧縮機構と、圧縮された冷媒を冷却する放熱器と、放熱器から流出した冷媒を膨張させる膨張弁と、膨張弁で膨張された冷媒を蒸発させる蒸発器と、主圧縮機構および潤滑油を収納し内部が吸入圧力雰囲気となる第１の密閉容器と、副圧縮機構および潤滑油を収納する第２の密閉容器と、第１の密閉容器の底部および第２の密閉容器の底部を連結した第１の均油管と、第２の密閉容器の側面の必要最低油面高さより高い位置および主圧縮機構の吸入側を連結した第２の均油管とを備え、第２の密閉容器内の空間は、副圧縮機構と隔離され、第２の密閉容器内の圧力は、副圧縮機構内の圧力に依存しない。
この発明によれば、主圧縮機構において構造上の制約を設けることなく、また主圧縮機構を収容する第１の密閉容器および副圧縮機構を収容する第２の密閉容器のそれぞれの設置高さを調整することなく、第１の密閉容器および第２の密閉容器における潤滑油の油面の高さを調整できる冷凍空調装置を提供できる。
この発明の実施の形態１による冷凍空調装置の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１による膨張機の構成を示す縦断面図である。 この発明の実施の形態１による膨張機の膨張機構の横断面図である。 この発明の実施の形態１による膨張機の副圧縮機構を示す平面図である。 一般的なチップシールの接触シール機能を説明するため断面図である。 この発明の実施の形態２による冷凍空調装置の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態３による冷凍空調装置の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態４による冷凍空調装置の構成を示すブロック図である。
符号の説明
１ 膨張機、２ 膨張機構、２ａ 膨張室、３ 副圧縮機構、３ａ 副圧縮室、４ 第２の密閉容器、５ 主圧縮機、６ 電動機構、７ 主圧縮機構、８ 第１の密閉容器、９ 潤滑油、１１ 放熱器、１２ 蒸発器、１３ 第１の膨張弁、１４ 第２の膨張弁、１５ 膨張機吸入管、１６ 膨張機吐出管、１７ 主圧縮機吸入管、１８ 主圧縮機吐出管、１９ 副圧縮機吸入管、２０ 副圧縮機吐出管、２１ 第１の均油管、２２ 第２の均油管、２３ 逆止弁、２４ 電磁弁、２５ 放熱器流出管、２６ バイパス管、２７ 蒸発器流入管、２８ 分流点、２９ 合流点、５１ 第１の固定スクロール、５１ａ 台板、５１ｂ 軸受部、５１ｃ 渦巻歯、５１ｄ 吸入ポート、５１ｅ 吐出ポート、５１ｇ 外周シール溝、５２ 第１の揺動スクロール、５２ａ 台板、５２ｂ 偏心軸受部、５２ｃ 渦巻歯、５２ｄ 肉厚部、５２ｅ 切り欠き部、５２ｇ 内周シール溝、６１ 第２の固定スクロール、６１ａ 台板、６１ｂ 軸受部、６１ｃ 渦巻歯、６１ｄ 吸入ポート、６１ｅ 吐出ポート、６１ｆ チップシール溝、６１ｇ 外周シール溝、６２ 第２の揺動スクロール、６２ａ 台板、６２ｂ 偏心軸受部、６２ｃ 渦巻歯、６２ｄ 肉厚部、６２ｅ 切り欠き部、６２ｆ チップシール溝、６２ｇ 内周シール溝、７１ チップシール、７２ａ 内周シール、７２ｂ 内周シール、７３ａ 外周シール、７３ｂ 外周シール、７６ 遠心ポンプ、７７ オルダムリング、７８ 軸、７８ａ クランク部、７９ａ バランスウェイト、７９ｂ バランスウェイト、８１ 副圧縮機、８２ 電動機構。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による冷凍空調装置の構成を示すブロック図である。図中の矢印は、冷媒の流れる方向を示している。図において、同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものであり、このことは明細書の全文において共通することである。さらに、明細書全文に表れている構成要素の形態は、あくまで例示であってこれらの記載に限定されるものではない。なお、この発明の実施の形態１では、二酸化炭素のような高圧側が超臨界となる冷媒を用いることを想定している。
図１において、膨張機１は、冷媒を膨張させて動力を回収する膨張機構２と、膨張機構２で回収した動力で駆動され冷媒を圧縮する副圧縮機構３とを備えており、膨張機構２と副圧縮機構３とは、摺動部を潤滑するための潤滑油９を底部に貯溜した第２の密閉容器４内に一体となって収納されている。主圧縮機５は、電動機構６によって駆動され冷媒を圧縮する主圧縮機構７を備えており、電動機構６と主圧縮機構７とは、摺動部を潤滑するための潤滑油９を底部に貯溜した第１の密閉容器８内に一体となって収納されている。図１に示すように、第２の密閉容器４の設置高さは、第１の密閉容器８の設置高さよりも高い。ここで、密閉容器４，８の設置高さとは、密閉容器４，８の底板の潤滑油９と接する面の高さ位置を指す。
副圧縮機構３は、主圧縮機構７の吐出側に配置されており、主圧縮機構７の吐出側と副圧縮機構３の吸入側とは、主圧縮機吐出管１８および副圧縮機吸入管１９を介して接続されている。また、副圧縮機構３の吐出側と冷媒を冷却する放熱器１１の入口側とは、副圧縮機吐出管２０を介して接続されている。さらに、放熱器１１の出口側と膨張機構２の吸入側とは、放熱器流出管２５および膨張機吸入管１５を介して接続されており、膨張機吸入管１５の途中に第２の膨張弁１４が設けられている。
一方、放熱器１１の出口側と冷媒を加熱する蒸発器１２の入口側とは、バイパス管２６および蒸発器流入管２７を介して接続されており、バイパス管２６の途中に第１の膨張弁１３が設けられている。また、膨張機構２の吐出側と蒸発器１２の入口側とは、膨張機吐出管１６および蒸発器流入管２７を介して接続されている。膨張機吸入管１５およびバイパス管２６は、分流点２８で放熱器流出管２５と接続されており、バイパス管２６および膨張機吐出管１６は、合流点２９で蒸発器流入管２７と接続されている。蒸発器１２の出口側と主圧縮機構７の吸入側とは、主圧縮機吸入管１７および第１の密閉容器８を介して接続されている。
ここで、第２の密閉容器４内の空間は、膨張機構２および副圧縮機構３とは隔離されているので、第２の密閉容器４内の圧力は、膨張機構２内の圧力および副圧縮機構３内の圧力に依存しない。また、第１の密閉容器８内の圧力は、主圧縮機吸入管１７が第１の密閉容器８に接続されているので、吸入圧力となる。
第２の密閉容器４の底部と第１の密閉容器８の底部とは、第１の均油管２１によって連結されており、第１の均油管２１には、第２の密閉容器４から第１の密閉容器８への潤滑油９の流出を防止するための逆止弁２３が設けられている。図１において、点線で示した高さＡは、軸受および摺動部の潤滑に必要な潤滑油９の最低限の油面高さである。以下、この高さＡを「必要最低油面高さ」と言う。第２の密閉容器４の側面の必要最低油面高さＡより高い位置と主圧縮機構７の吸入側である主圧縮機吸入管１７とは、第２の均油管２２によって連結されている。
以下に、この発明の実施の形態１に示す冷凍空調装置の動作について、図１を用いて説明する。
電動機構６によって主圧縮機構７が駆動されると、低温・低圧のガス状の冷媒が主圧縮機吸入管１７から、第１の密閉容器８内に吸入される。第１の密閉容器８内から主圧縮機構７に吸入された冷媒は、圧縮されて中間圧となり、主圧縮機吐出管１８から吐出される。主圧縮機吐出管１８から副圧縮機吸入管１９に流入した中間圧の冷媒は、副圧縮機構３でさらに圧縮され、高温・高圧となり、副圧縮機吐出管２０から吐出される。副圧縮機吐出管２０に吐出した冷媒は、放熱器１１で放熱した後、放熱器流出管２５に流出する。放熱器流出管２５に流出した冷媒の一部は、分流点２８で膨張機吸入管１５に流入し、残りは、分流点２８でバイパス管２６に流入する。
膨張機吸入管１５に流入した冷媒は、膨張機構２において適正な圧縮比で運転されるように第２の膨張弁１４で減圧された後、膨張機吸入管１５から膨張機構２へ導かれ、膨張される。膨張機構２で膨張された冷媒は、低温・低圧の気液二相状態となって、膨張機吐出管１６に吐出される。一方、バイパス管２６に流入した冷媒は、冷凍空調装置の運転条件が変化した場合の流量を調整するために、第１の膨張弁１３によって、低圧まで膨張・減圧される。第１の膨張弁１３で膨張・減圧された冷媒は、合流点２９で膨張機吐出管１６に吐出した冷媒と合流し、蒸発器流入管２７を通って、蒸発器１２に流入する。蒸発器１２に流入した冷媒は、吸熱して気化した後、主圧縮機吸入管１７を通って再び第１の密閉容器８内に流入する。
ここで、主圧縮機構７の吸入側の圧力および膨張機構２の吐出側の圧力を低圧と称し、膨張機構２の吸入側の圧力および副圧縮機構３の吐出側の圧力を高圧と称し、主圧縮機構７の吐出側であって副圧縮機構３の吸入側の圧力を中間圧と称する。
次に、以上の動作における第２の密閉容器４内および第１の密閉容器８内の潤滑油９の動作について、図１を用いて説明する。図１において、第２の均油管２２および第２の密閉容器４内の油面位置と第１の密閉容器８内の油面位置との高低差をＨとすると、高低差Ｈによって発生する圧力差ΔＰ１は（１）式で与えられる。
Figure 0004516127
ここで、ρoは潤滑油９の密度、ｇは重力加速度である。
一方、第２の均油管２２と主圧縮機吸入管１７との接続位置Ｂにおける、主圧縮機吸入管１７内のガス状の冷媒の流速をＶとすると、ガス状の冷媒の流速Ｖによって発生する動圧ΔＰ２は、（２）式で与えられる。
Figure 0004516127
ここで、ρｒはガス状の冷媒の密度である。
第２の密閉容器４内の圧力Ｐｂは、膨張機構２内の圧力および副圧縮機構３内の圧力に依存しない圧力であり、第２の密閉容器４と主圧縮機吸入管１７とが接続されているので、常に第１の密閉容器８内の圧力ＰａよりもΔＰ２だけ低くなる。したがって、ガス冷媒の流速Ｖによって発生する動圧ΔＰ２は、（３）式でも与えられる。
Figure 0004516127
主圧縮機吸入管１７におけるガス状の冷媒の流速Ｖが大きく、ΔＰ２＞ΔＰ１となる場合には、第２の密閉容器４内の油面位置と第１の密閉容器８内の油面位置との高低差Ｈによる圧力差ΔＰ１に打ち勝って、第１の均油管２１を通って第１の密閉容器８から第２の密閉容器４に潤滑油９が流れ、第２の密閉容器４内の油面を押し上げる。第２の密閉容器４内の油面が上昇して第２の均油管２２の高さまで達すると、第２の均油管２２を通って潤滑油９が主圧縮機吸入管１７に流出する。主圧縮機吸入管１７に流出した潤滑油９は、第１の密閉容器８内に流れ込み、第１の密閉容器８内の油量が増加して、それぞれの密閉容器４，８内における油面の高さが調整される。
逆に、主圧縮機吸入管１７におけるガス状の冷媒の流速Ｖが小さく、ΔＰ２＜ΔＰ１となる場合には、第２の密閉容器４側から第１の密閉容器８へ潤滑油９が流れようとする。しかしながら、逆止弁２３によって、潤滑油９は第２の密閉容器４側から第１の密閉容器８へ流れず、第２の密閉容器４内における油面の高さは低下せず保持されたままとなる。
また、第２の密閉容器４の設置高さが高く、第２の密閉容器４内の油面位置と第１の密閉容器８内の油面位置との高低差Ｈが大きい場合でも上述の作用によって、それぞれの密閉容器４，８内における油面の高さは調整される。
以上のように、この発明の実施の形態１による冷凍空調装置においては、第１の密閉容器８の底部および第２の密閉容器４の底部を連結した第１の均油管２１と、第２の密閉容器４の側面の必要最低油面高さＡより高い位置および主圧縮機構７の吸入側を連結した第２の均油管２２を備え、第１の密閉容器８の内部は吸入圧力雰囲気であり、第２の密閉容器４内の空間は膨張機構２および副圧縮機構３と隔離され、第２の密閉容器４内の圧力は、膨張機構２内の圧力および副圧縮機構３内の圧力に依存しない。このため、主圧縮機吸入管１７におけるガス冷媒の流速Ｖの大きさや、第２の密閉容器４内の油面位置と第１の密閉容器８内の油面位置との高低差Ｈの大きさに関係なく、それぞれの密閉容器４，８内における油面の高さを、自動的に調整することができる。したがって、主圧縮機５および膨張機１の各摺動部の焼付や異常摩耗による信頼性低下を防ぐことができる。
次に、この発明の実施の形態１に用いる膨張機構２と膨張機構２で回収した動力で駆動され冷媒を圧縮する副圧縮機構３とを備えた膨張機１として、スクロール方式の膨張機を例に取り、その構造および動作を説明する。
図２は、この発明の実施の形態１によるスクロール方式の膨張機の構成を示す縦断面図である。
図２において、第２の密閉容器４内の下方には、膨張機構２が設置されており、膨張機構２の上方には、副圧縮機構３が設置されている。膨張機構２は、台板５１ａ上に渦巻歯５１ｃを形成した第１の固定スクロール５１と、台板５２ａ上に渦巻歯５２ｃを形成した第１の揺動スクロール５２とから成り、第１の固定スクロール５１の渦巻歯５１ｃと第１の揺動スクロール５２の渦巻歯５２ｃとは、咬合するように配置されている。また、副圧縮機構３は、台板６１ａ上に渦巻歯６１ｃを形成した第２の固定スクロール６１と、台板６２ａ上に渦巻歯６２ｃを形成した第２の揺動スクロール６２とから成り、第２の固定スクロール６１の渦巻歯６１ｃと第２の揺動スクロール６２の渦巻歯６２ｃとは、咬合するように配置されている。
軸７８は、第１の固定スクロール５１および第２の固定スクロール６１それぞれの中央に形成された軸受部５１ｂ，６１ｂによって、回転自由に両持ち支持されている。第１の揺動スクロール５２と第２の揺動スクロール６２とは、それぞれの中央に形成された偏心軸受部５２ｂ，６２ｂを軸７８に嵌合されたクランク部７８ａによって貫通支持され、揺動運動できるようになっている。第２の密閉容器４の底部には、潤滑油９が貯溜されており、軸７８の下端に設けられた周知の遠心ポンプ７６によって、潤滑油９は軸７８内を上方に送られ、軸受部５１ｂ，６１ｂおよび偏心軸受部５２ｂ，６２ｂを潤滑する。必要最低油面高さＡは、軸７８の下端であり、軸受部５１ｂ，６１ｂおよび偏心軸受部５２ｂ，６２ｂの潤滑に必要な潤滑油９の最低限の油面高さである。
膨張機構２の外周であって第２の密閉容器４の側面には、冷媒を吸入する膨張機吸入管１５および膨張した冷媒を吐出する膨張機吐出管１６が設置されている。一方、副圧縮機構３の上方であって第２の密閉容器４の上面には、冷媒を吸入する副圧縮機吸入管１９が設置されており、副圧縮機構３の外周であって第２の密閉容器４の側面には、圧縮した冷媒を吐出する副圧縮機吐出管２０が設置されている。
また、第２の密閉容器４の底部には、第１の密閉容器８の底部と連通させるための第１の均油管２１が接続されており、第２の密閉容器４の側面には、必要最低油面高さＡより高い位置に主圧縮機吸入管１７と連通させるための第２の均油管２２が接続されている。
副圧縮機構３においては、第２の固定スクロール６１および第２の揺動スクロール６２それぞれの渦巻歯６１ｃ，６２ｃの先端に、第２の固定スクロール６１の渦巻歯６１ｃと第２の揺動スクロール６２の渦巻歯６２ｃとで形成される副圧縮室３ａを仕切るチップシール７１が装着されている。また、第２の揺動スクロール６２の第２の固定スクロール６１に対向する面であって偏心軸受部６２ｂの外周に、第２の揺動スクロール６２と第２の固定スクロール６１とをシールするシール部材である内周シール７２ａが設けられている。さらに、第２の固定スクロール６１における第２の揺動スクロール６２に対向する面であって渦巻歯６１ｃの外周に、第２の揺動スクロール６２と第２の固定スクロール６１とをシールするシール部材である外周シール７３ａが設けられている。
一方、膨張機構２においては、副圧縮機構３と同様に、第１の揺動スクロール５２の第１の固定スクロール５１に対向する面であって偏心軸受部５２ｂの外周に、第１の揺動スクロール５２と第１の固定スクロール５１とをシールするシール部材である内周シール７２ｂが設けられている。さらに、第１の固定スクロール５１における第１の揺動スクロール５２に対向する面であって渦巻歯５１ｃの外周に、第１の揺動スクロール５２と第１の固定スクロール５１とをシールするシール部材である外周シール７３ｂが設けられている。また、第１の固定スクロール５１の台板５１ａの外周部と第１の揺動スクロール５２の台板５２ａの外周部とは、接触するように構成されている。
第１の揺動スクロール５２と第２の揺動スクロール６２とは、ピンなどの結合要素によって一体化され、副圧縮機構３に設けたオルダムリング７７によって、自転を規正される。また、揺動スクロール５２，６２が揺動運動することによって発生する遠心力を相殺するために、軸７８の両端には、バランスウェイト７９ａ，７９ｂが取り付けられている。なお、第１の揺動スクロール５２と第２の揺動スクロール６２とは、台板５２ａ，６２ａを共用した形で一体に形成されてもよい。
膨張機構２においては、第１の固定スクロール５１の渦巻歯５１ｃと第１の揺動スクロール５２の渦巻歯５２ｃとで形成される膨張室２ａ内で、膨張機吸入管１５から吸入した高圧の冷媒が膨張することによって動力が発生する。膨張室２ａ内で膨張減圧した冷媒は、膨張機吐出管１６から第２の密閉容器４外へ吐出される。膨張機構２で発生した動力によって、副圧縮機構３の副圧縮室３ａ内で、副圧縮機吸入管１９から吸入した冷媒が圧縮昇圧される。副圧縮室３ａ内で圧縮昇圧された冷媒は、副圧縮機吐出管２０から第２の密閉容器４外へ吐出される。
膨張機構２は、高圧から低圧までの膨張過程を担い、副圧縮機構３は、中間圧から高圧までの圧縮過程を担う。このため、揺動スクロール５２，６２においては、中央の膨張室２ａおよび中央の副圧縮室３ａの双方に高圧が作用し、外周の膨張室２ａには低圧、外周の副圧縮室３ａには中間圧が作用する。副圧縮室３ａと第２の密閉容器４内の空間とは、内周シール７２ａと外周シール７３ａとで隔離されており、膨張室２ａと第２の密閉容器４内の空間とは、内周シール７２ｂと外周シール７３ｂとで隔離されている。
図３は、図２に示すこの発明の実施の形態１による膨張機の膨張機構のＣ−Ｃ断面図である。
第１の揺動スクロール５２の渦巻歯５２ｃの内端部には、肉厚部５２ｄが設けられており、肉厚部５２ｄには、クランク部７８ａが挿入される偏心軸受部５２ｂが貫通して形成されている。第１の揺動スクロール５２の肉厚部５２ｄ上であって偏心軸受部５２ｂの外周には、内周シール溝５２ｇが形成されており、内周シール溝５２ｇに内周シール７２ｂが装着されている。また、第１の固定スクロール５１の台板５１ａ上であって渦巻歯５１ｃの外周には、外周シール溝５１ｇが形成されており、外周シール７３ｂが装着されている。
第１の固定スクロール５１の台板５１ａには、冷媒を吸入するための吸入ポート５１ｄと冷媒を吐出するための吐出ポート５１ｅとが開けられている。吸入ポート５１ｄは、開口面積を確保するために、略長穴の形状であり、膨張機吸入管１５に連結している。また、揺動運動中に吸入ポート５１ｄが閉塞される面積を低減するために、肉厚部５２ｄに切り欠き部５２ｅを設けている。吐出ポート５１ｅは、第１の揺動スクロール５２の渦巻歯５２ｃの外端部と干渉しない位置に開けられており、膨張機吐出管１６に連結している。
図４は、この発明の実施の形態１による膨張機の副圧縮機構を示す平面図であり、図４（ａ）は、第２の固定スクロールの平面図、図４（ｂ）は、第２の揺動スクロールの平面図である。
図４に示すように、副圧縮機構３の渦巻歯６１ｃ，６２ｃは、膨張機構２と同じ巻き方向で、第２の揺動スクロール６２が第１の揺動スクロール５２と背面合わせ一体で揺動運動したときに、一方で圧縮、他方で膨張できるようになっている。
第２の揺動スクロール６２の渦巻歯６２ｃの内端部には、肉厚部６２ｄが設けられており、膨張機構２の第１の揺動スクロール５２と同様に、第２の揺動スクロール６２の肉厚部６２ｄには、クランク部７８ａが挿入される偏心軸受部６２ｂが貫通して形成されている。また、第２の固定スクロール６１の台板６１ａには、冷媒を吸入するための吸入ポート６１ｄと冷媒を吐出するための吐出ポート６１ｅとが開けられている。吐出ポート６１ｅは、開口面積を確保するために、略長穴の形状であり、副圧縮機吐出管２０に連結されている。また、揺動運動中に吐出ポート６１ｅが閉塞される面積を低減するために、肉厚部６２ｄに切り欠き部６２ｅを設けている。吸入ポート６１ｄは、第２の揺動スクロール６２の渦巻歯６２ｃの外端部と干渉しない位置に開けられており、副圧縮機吸入管１９に連結されている。
渦巻歯６１ｃ，６２ｃの先端面には、チップシール７１を装着するためのチップシール溝６１ｆ，６２ｆが形成されている。第２の揺動スクロール６２の肉厚部６２ｄ上であって偏心軸受部６２ｂの外周には、内周シール７２ａを装着するための内周シール溝６２ｇが形成されている。また、第２の固定スクロール６１の台板６１ａ上であって渦巻歯６１ｃの外周には、外周シール７３ａを装着するための外周シール溝６１ｇが形成されている。
図５は、チップシールの接触シール機能を説明するためにチップシール周辺を拡大した断面図である。
図５において、チップシール７１は、仕切られる両側の副圧縮室３ａの差圧によって、矢印で示すように高圧側である左方および下方から押圧される。このため、チップシール７１は、チップシール７１を装着するために設けられたチップシール溝６２ｆ内で、右方の壁および上方の台板６１ａに押付けられて、第２の揺動スクロール６２と第２の固定スクロール６１との間の接触シールを行う。内周シール７２ａ，７２ｂおよび外周シール７３ａ，７３ｂの接触シール作用も、チップシール７１の接触シール作用と同様である。
以上のスクロール方式の膨張機においては、第１の揺動スクロール５２の内周部および第２の揺動スクロール６２の内周部にシール部材である内周シール７２ａ，７２ｂを設けるとともに、第１の固定スクロール５１の外周部および第２の固定スクロール６１の外周部にシール部材である外周シール７３ａ，７３ｂを設けている。そのため、第２の密閉容器４の空間は、膨張機構２および副圧縮機構３とは隔離されており、第２の密閉容器４内の圧力は、膨張機構２内の圧力および副圧縮機構３内の圧力に依存しないので、安定して油面の高さの調整を行うことができる。
この実施の形態１においては、第１の揺動スクロール５２の内周部および第２の揺動スクロール６２の内周部にシール部材である内周シール７２ａ，７２ｂを設けたが、第１の固定スクロール５１の内周部および第２の固定スクロール６１の内周部にシール部材である内周シール７２ａ，７２ｂを設けてもよい。また、この実施の形態１においては、第１の固定スクロール５１の外周部および第２の固定スクロール６１の外周部にシール部材である外周シール７３ａ，７３ｂを設けたが、第１の揺動スクロール５２の外周部および第２の揺動スクロール６２の外周部にシール部材である外周シール７３ａ，７３ｂを設けてもよい。
さらに、この実施の形態１においては、冷凍空調装置に用いられる膨張機１として、スクロール式の膨張機を示したが、第２の密閉容器４内の圧力が、膨張機構２内の圧力および副圧縮機構３内の圧力に依存しない構成となっていれば、方式はどのようなものでもよく、例えば、マルチベーン方式やロータリ方式の膨張機でもよい。
また、この実施の形態１においては、潤滑油９を軸受および摺動部に供給するポンプとして遠心ポンプ７６を用いたが、方式はどのようなものでもよく、例えば、トロコイドポンプなどの容積型ポンプでもよい。容積型ポンプを用いた場合、ポンプの吸込口の高さが必要最低油面高さとなる。
実施の形態２．
実施の形態１においては、第２の密閉容器４の設置高さが第１の密閉容器８の設置高さよりも高い場合の冷凍空調装置の構成を示した。この発明の実施の形態２においては、第２の密閉容器４の設置高さが第１の密閉容器８の設置高さよりも低い場合の冷凍空調装置の構成を示す。
図６は、この発明の実施の形態２による冷凍空調装置の構成を示すブロック図である。
この発明の実施の形態２に示す冷凍空調装置は、図６に示すように、第２の密閉容器４の設置高さが第１の密閉容器８の設置高さより低い点、および第１の均油管２１に逆止弁２３が設けられておらず、電磁弁２４が設けられている点で実施の形態１に示す冷凍空調装置と異なっている。その他の構成は、実施の形態１に示す冷凍空調装置と同一である。
実施の形態２における第２の密閉容器４および第１の密閉容器８内の潤滑油９の動作を図６にて説明する。図６において、第２の密閉容器４の設置高さが第１の密閉容器８の設置高さより低いので、第２の密閉容器４内の油面位置と第１の密閉容器８内の油面位置との高低差Ｈによって発生する圧力差ΔＰ１は、第１の密閉容器８内の油面位置を押し下げることになる。また、式（２）で与えられる圧力差ΔＰ２も第１の密閉容器８内の油面位置を押し下げる力を発生するので、主圧縮機吸入管１７におけるガス冷媒の流速Ｖに関係なく、第２の均油管２２を通って潤滑油９が主圧縮機吸入管１７に流出する。
主圧縮機吸入管１７に流出した潤滑油９は、第１の密閉容器８内に流れ込み、第１の密閉容器８内の油量が増加して、それぞれの密閉容器４，８内における油面の高さが調整される。このため、第１の吸入管２１に逆止弁２３は不要である。ここで、冷凍空調装置が停止した場合に、高低差Ｈによって、第１の均油管２１を通って第１の密閉容器８から第２の密閉容器４に潤滑油９が移動するのを防止する必要がある。このため、冷凍空調装置が停止しているときには、第１の均油管２１に設けられた電磁弁２４を閉じるようにしている。なお、冷凍空調装置が運転しているときには電磁弁２４は、開いている。
以上のように、この発明の実施の形態２による冷凍空調装置においては、第１の密閉容器８の底部および第２の密閉容器４の底部を連結した第１の均油管２１と、第２の密閉容器４の側面の必要最低油面高さＡより高い位置および主圧縮機構７の吸入側を連結した第２の均油管２２を備え、第１の密閉容器８の内部は吸入圧力雰囲気であり、第２の密閉容器４内の空間は膨張機構２および副圧縮機構３と隔離され、第２の密閉容器４内の圧力は、膨張機構２内の圧力および副圧縮機構３内の圧力に依存しない。このため、主圧縮機吸入管１７におけるガス冷媒の流速Ｖの大きさや、第２の密閉容器４内の油面位置と第１の密閉容器８内の油面位置との高低差Ｈの大きさに関係なく、それぞれの密閉容器４，８内における油面の高さを、自動的に調整することができる。したがって、主圧縮機５および膨張機１の各摺動部の焼付や異常摩耗による信頼性低下を防ぐことができる。
この発明の実施の形態２においては、第２の密閉容器４の設置高さが第１の密閉容器８の設置高さより低い冷凍空調装置の場合を示したが、第２の密閉容器４の設置高さが第１の密閉容器８の設置高さと同じ冷凍空調装置の場合でも同様である。なお、第２の密閉容器４の設置高さが第１の密閉容器８の設置高さと同じ場合には、電磁弁２４は不要である。
実施の形態１および実施の形態２に示すように、この発明に係る冷凍空調装置においては、第１の密閉容器８の底部および第２の密閉容器４の底部を連結した第１の均油管２１と、第２の密閉容器４の側面の必要最低油面高さＡより高い位置および主圧縮機構７の吸入側を連結した第２の均油管２２を備え、第１の密閉容器８の内部は吸入圧力雰囲気であり、第２の密閉容器４内の空間は膨張機構２および副圧縮機構３と隔離され、第２の密閉容器４内の圧力は、膨張機構２内の圧力および副圧縮機構３内の圧力に依存しないので、第１の密閉容器８および第２の密閉容器４の設置高さに関係なく、それぞれの密閉容器４，８内における油面の高さを、自動的に調整することができる。したがって、主圧縮機５および膨張機１の各摺動部の焼付や異常摩耗による信頼性低下を防ぐことができる。
実施の形態３．
実施の形態１および実施の形態２においては、副圧縮機構３を主圧縮機構７の吐出側に配置した冷凍空調装置を示した。この発明の実施の形態３においては、副圧縮機構３を主圧縮機構７の吸入側に配置した冷凍空調装置を示す。
図７は、この発明の実施の形態３による冷凍空調装置の構成を示すブロック図である。
図７において、副圧縮機構３は、主圧縮機構７の吸入側に配置されており、副圧縮機構３の吐出側と主圧縮機構７の吸入側とは、副圧縮機吐出管２０、主圧縮機吸入管１７および第１の密閉容器８を介して接続されている。また、主圧縮機構７の吐出側と放熱器１１の入口側とは、主圧縮機吐出管１８を介して接続されている。一方、蒸発器１２の出口側と副圧縮機構３の吸入側とは、副圧縮機吸入管１９を介して接続されている。ここで、図７に示すように、第２の密閉容器４の設置高さは、第１の密閉容器８の設置高さよりも低い。その他の構成は、実施の形態２に示す冷凍空調装置と同一である。
以下に、この発明の実施の形態３に示す冷凍空調装置の動作について、図７を用いて説明する。
電動機構６によって主圧縮機構７が駆動されると、副圧縮機構３で昇圧された中間圧のガス状の冷媒が主圧縮機吸入管１７から第１の密閉容器８内に流入し、第１の密閉容器８内が中間圧力雰囲気になった後、主圧縮機構７に吸入される。主圧縮機構７でさらに圧縮されて高温、高圧の冷媒となったガス状の冷媒は、主圧縮機吐出管１８に吐出される。主圧縮機吐出管１８に吐出されたガス状の冷媒は、放熱器１１で放熱した後、放熱器流出管２５に流出する。放熱器流出管２５に流出した冷媒の一部は、分流点２８で膨張機吸入管１５に流入し、残りは、分流点２８でバイパス管２６に流入する。
膨張機吸入管１５に流入した冷媒は、膨張機構２において適正な圧縮比で運転されるように第２の膨張弁１４で減圧された後、膨張機吸入管１５から膨張機構２へ導かれ、膨張される。膨張機構２で膨張された冷媒は、低温・低圧の気液二相状態となって、膨張機吐出管１６に吐出される。一方、バイパス管２６に流入した冷媒は、冷凍空調装置の運転条件が変化した場合の流量を調整するために、第１の膨張弁１３によって、低圧まで膨張・減圧される。第１の膨張弁１３で膨張・減圧された冷媒は、合流点２９で膨張機吐出管１６に吐出した冷媒と合流し、蒸発器流入管２７を通って、蒸発器１２に流入する。蒸発器１２に流入した冷媒は、吸熱して気化した後、副圧縮機吸入管１９を通って副圧縮機構３に吸入される。副圧縮機構３に吸入された冷媒は、中間圧となって、副圧縮機吐出管２０に吐出される。副圧縮機吐出管２０に吐出された冷媒は、主圧縮機吸入管１７を通り、第１の密閉容器８内に流入し、再び主圧縮機構７に吸入される。
ここで、副圧縮機構３の吸入側の圧力および膨張機構２の吐出側の圧力を低圧と称し、膨張機構２の吸入側の圧力および主圧縮機構７の吐出側の圧力を高圧と称し、副圧縮機構３の吐出側の圧力であって主圧縮機構７の吸入側の圧力を中間圧と称する。
次に、以上の動作における第２の密閉容器４および第１の密閉容器８内の潤滑油９の動作について、図７を用いて説明する。図７において、第１の密閉容器８内の圧力Ｐａは、中間圧となるが、第２の密閉容器４内の圧力Ｐｂは、膨張機構２内の圧力および副圧縮機構３内の圧力とは独立しているので、圧力差ΔＰ２は、実施の形態１および２と同様に、式（２）で与えられる。
したがって、実施の形態２に示す冷凍空調装置と同じく、潤滑油９は、第２の均油管２２を通って第２の密閉容器４から主圧縮機吸入管１７に流出することになる。主圧縮機吸入管１７に流出した潤滑油９は、第１の密閉容器８内に流れ込み、第１の密閉容器８内の油量が増加して、それぞれの密閉容器内の油面が調整される。
以上のように、この発明の実施の形態３による冷凍空調装置においては、第１の密閉容器８の底部および第２の密閉容器４の底部を連結した第１の均油管２１と、第２の密閉容器４の側面の必要最低油面高さＡより高い位置および主圧縮機構７の吸入側を連結した第２の均油管２２を備え、第１の密閉容器８の内部は吸入圧力雰囲気であり、第２の密閉容器４内の空間は膨張機構２および副圧縮機構３と隔離され、第２の密閉容器４内の圧力は、膨張機構２内の圧力および副圧縮機構３内の圧力に依存しない。このため、主圧縮機吸入管１７におけるガス冷媒の流速Ｖの大きさや、第２の密閉容器４内の油面位置と第１の密閉容器８内の油面位置との高低差Ｈの大きさに関係なく、それぞれの密閉容器４，８内における油面の高さを、自動的に調整することができる。したがって、主圧縮機５および膨張機１の各摺動部の焼付や異常摩耗による信頼性低下を防ぐことができる。
なお、上記では第２の密閉容器４の設置高さが第１の密閉容器８の設置高さより低い場合を示したが、第２の密閉容器４の設置高さが第１の密閉容器８の設置高さと同じ場合も潤滑油９は同様の動作となり、同様の効果を得ることができる。また、第２の密閉容器４の設置高さが第１の密閉容器８の設置高さより高い場合には、潤滑油９は実施の形態１と同様の動作となり、実施の形態１に示す冷凍空調装置と同様の効果を得ることができる。
したがって、実施の形態１から実施の形態３に示すように、この発明に係る冷凍空調装置は、第１の密閉容器８の底部および第２の密閉容器４の底部を連結した第１の均油管２１と、第２の密閉容器４の側面の必要最低油面高さＡより高い位置および主圧縮機構７の吸入側を連結した第２の均油管２２を備え、第１の密閉容器８の内部は吸入圧力雰囲気であり、第２の密閉容器４内の空間は膨張機構２および副圧縮機構３と隔離され、第２の密閉容器４内の圧力は、膨張機構２内の圧力および副圧縮機構３内の圧力に依存しない。そのため、副圧縮機構３が主圧縮機構７の吐出側に配置される場合でも吸入側に配置される場合でも、それぞれの密閉容器４，８内における油面の高さを、自動的に調整することができる。したがって、主圧縮機５および膨張機１の各摺動部の焼付や異常摩耗による信頼性低下を防ぐことができる。
実施の形態４．
実施の形態１から３においては、第２の密閉容器４内に膨張機構２と副圧縮機構３とを収納した冷凍空調装置の構成を示した。実施の形態４においては、第２の密閉容器４内に電動機構６によって駆動される副圧縮機構３を収納した冷凍空調装置の構成を示す。
図８は、この発明の実施の形態４による冷凍空調装置の構成を示すブロック図である。
図８において、副圧縮機８１は、電動機構８２によって駆動され冷媒を圧縮する副圧縮機構３を備えており、電動機構８２と副圧縮機構３とは、底部に潤滑油９を貯溜した第２の密閉容器４内に一体となって収納されている。主圧縮機５は、電動機構６によって駆動され冷媒を圧縮する主圧縮機構７を備えており、電動機構６と主圧縮機構７とは、底部に潤滑油９を貯溜した第１の密閉容器８内に一体となって収納されている。図８に示すように、第２の密閉容器４の設置高さは、第１の密閉容器８の設置高さよりも高い。
副圧縮機構３は、主圧縮機構７の吐出側に配置されており、主圧縮機構７の吐出側と副圧縮機構３の吸入側とは、主圧縮機吐出管１８および副圧縮機吸入管１９を介して接続されている。また、副圧縮機３の吐出側と冷媒を冷却する放熱器１１の入口側とは、副圧縮機吐出管２０を介して接続されている。さらに、放熱器１１の出口側と蒸発器１２の入口側とは、放熱器流出管２５を介して接続されている。放熱器流出管２５の途中には、冷媒を膨張させる第１の膨張弁１３が設置されている。蒸発器１２の出口側と主圧縮機構７の吸入側とは、主圧縮機吸入管１７および第１の密閉容器８を介して接続されている。
ここで、第２の密閉容器４内の空間は、副圧縮機構３とは隔離されているので、第２の密閉容器４内の圧力は、副圧縮機構３内の圧力に依存しない。また、第１の密閉容器８内の圧力は、主圧縮機吸入管１７が第１の密閉容器８に接続されているので、吸入圧力となる。
第２の密閉容器４の底部と第１の密閉容器８の底部とは、第１の均油管２１によって連結されており、第１の均油管２１には、第２の密閉容器４から第１の密閉容器８への潤滑油９の流出を防止するための逆止弁２３が設けられている。また、第２の密閉容器４の側面の必要最低油面高さＡより高い位置と主圧縮機構７の吸入側である主圧縮機吸入管１７とは、第２の均油管２２によって連結されている。
以下に、この発明の実施の形態４に示す冷凍空調装置の動作について、図８を用いて説明する。
電動機構６によって主圧縮機構７が駆動されると、低温・低圧のガス状の冷媒が主圧縮機吸入管１７から、第１の密閉容器８内に吸入される。第１の密閉容器８内から主圧縮機構７に吸入された冷媒は、圧縮されて中間圧となり、主圧縮機吐出管１８から吐出される。主圧縮機吐出管１８から副圧縮機吸入管１９に流入した中間圧の冷媒は、副圧縮機構３でさらに圧縮され、高温・高圧となり、副圧縮機吐出管２０から吐出される。副圧縮機吐出管２０に吐出した冷媒は、放熱器１１で放熱した後、放熱器流出管２５に流出する。放熱器流出管２５に流出した冷媒は、第１の膨張弁１３で膨張され、低温・低圧の気液二相状態となって、蒸発器１２に流入する。蒸発器１２に流入した冷媒は、吸熱して気化した後、主圧縮機吸入管１７を通って再び第１の密閉容器８内に流入する。
ここで、主圧縮機構７の吸入側の圧力を低圧と称し、副圧縮機構３の吐出側の圧力を高圧と称し、主圧縮機構７の吐出側であって副圧縮機構３の吸入側の圧力を中間圧と称する。
以上の動作における、第２の密閉容器４および第１の密閉容器８内の潤滑油９の動作については、実施の形態１に示す冷凍空調装置の場合と同様であり、それぞれの密閉容器４，８内の油面が自動的に調整される。
以上のように、この発明の実施の形態４による冷凍空調装置においては、第１の密閉容器８の底部および第２の密閉容器４の底部を連結した第１の均油管２１と、第２の密閉容器４の側面の必要最低油面高さＡより高い位置および主圧縮機構７の吸入側を連結した第２の均油管２２を備え、第１の密閉容器８の内部は吸入圧力雰囲気であり、第２の密閉容器４内の空間は副圧縮機構３と隔離され、第２の密閉容器４内の圧力は、副圧縮機構３内の圧力に依存しない。このため、主圧縮機吸入管１７におけるガス冷媒の流速Ｖの大きさや、第２の密閉容器４内の油面位置と第１の密閉容器８内の油面位置との高低差Ｈの大きさに関係なく、それぞれの密閉容器４，８内における油面の高さを、自動的に調整することができる。したがって、主圧縮機５および副圧縮機８１の各摺動部の各摺動部の焼付や異常摩耗による信頼性低下を防ぐことができる。
この実施の形態４においては、第２の密閉容器４の設置高さが第１の密閉容器８の設置高さよりも高い場合を示したが、第２の密閉容器４の設置高さが第１の密閉容器８の設置高さより低い場合、または第２の密閉容器４の設置高さが第１の密閉容器８の設置高さと同じ場合においても、上記と同様の効果が得られる。なお、第２の密閉容器４の設置高さが第１の密閉容器８の設置高さより低い場合、または第２の密閉容器４の設置高さが第１の密閉容器８の設置高さと同じ場合には、逆止弁２３は不要である。第２の密閉容器４の設置高さが第１の密閉容器８の設置高さより低い場合には、実施の形態２の場合と同様に、第１の均油管２１に電磁弁２４を設け、冷凍空調装置が停止しているときには、電磁弁２４を閉じるようにするとよい。第１の均油管２１に電磁弁２４を設けているので、冷凍空調装置が停止したときに、高低差Ｈによって、第１の均油管２１を通って第１の密閉容器８から第２の密閉容器４に潤滑油９が移動するのを防止できる。
さらに、この実施の形態４においては、副圧縮機構３が主圧縮機構７に対して吐出側に配置された場合について示したが、副圧縮機構３が主圧縮機構７の吸入側に配置された場合でも、上記と同様の効果が得られる。また、この発明の実施の形態４においては、主圧縮機構７と副圧縮機構３とを直列に連結した場合について示したが、主圧縮機構７と副圧縮機構３とを並列に連結した場合についても、上記と同様の効果が得られる。

Claims (5)

  1. 冷媒を圧縮する主圧縮機構と、
    圧縮された冷媒を冷却する放熱器と、
    前記放熱器から流出した冷媒を膨張させ動力を回収する膨張機構と、
    前記主圧縮機構の吐出側または吸入側に配置され前記膨張機構で回収した動力で冷媒を圧縮する副圧縮機構と、
    前記膨張機構で膨張された冷媒を蒸発させる蒸発器と、
    前記主圧縮機構および潤滑油を収納し内部が吸入圧力雰囲気となる第１の密閉容器と、
    前記膨張機構、前記副圧縮機構および潤滑油を収納する第２の密閉容器と、
    前記第１の密閉容器の底部および前記第２の密閉容器の底部を連結した第１の均油管と、前記第２の密閉容器の側面の必要最低油面高さより高い位置および前記主圧縮機構の吸入側を連結した第２の均油管とを備え、
    前記第２の密閉容器内の空間は、前記膨張機構および前記副圧縮機構と隔離され、
    前記第２の密閉容器内の圧力は、前記膨張機構内の圧力および前記副圧縮機構内の圧力に依存しないことを特徴とする冷凍空調装置。
  2. 冷媒を圧縮する主圧縮機構と、
    前記主圧縮機構の吐出側または吸入側に配置され冷媒を圧縮する副圧縮機構と、
    圧縮された冷媒を冷却する放熱器と、
    前記放熱器から流出した冷媒を膨張させる膨張弁と、
    前記膨張弁で膨張された冷媒を蒸発させる蒸発器と、
    前記主圧縮機構および潤滑油を収納し内部が吸入圧力雰囲気となる第１の密閉容器と、
    前記副圧縮機構および潤滑油を収納する第２の密閉容器と、
    前記第１の密閉容器の底部および前記第２の密閉容器の底部を連結した第１の均油管と、前記第２の密閉容器の側面の必要最低油面高さより高い位置および主圧縮機構の吸入側を連結した第２の均油管とを備え、
    前記第２の密閉容器内の空間は、前記副圧縮機構と隔離され、
    前記第２の密閉容器内の圧力は、前記副圧縮機構内の圧力に依存しないことを特徴とする冷凍空調装置。
  3. 第２の密閉容器の設置高さは、第１の密閉容器の設置高さよりも高く、
    第１の均油管に逆止弁を設けたことを特徴とする請求項１または２記載の冷凍空調装置。
  4. 第２の密閉容器の設置高さは、第１の密閉容器の設置高さよりも低く、
    第１の均油管に電磁弁を設けたことを特徴とする請求項１または２記載の冷凍空調装置。
  5. 膨張機構は、第１の揺動スクロールおよび第１の固定スクロールを有し、副圧縮機構は、第２の揺動スクロールおよび第２の固定スクロールを有し、
    前記第１の揺動スクロールまたは前記第１の固定スクロールのいずれか一方の内周部および外周部ならびに前記第２の揺動スクロールまたは前記第２の固定スクロールのいずれか一方の内周部および外周部のそれぞれにシール部材を設けたことを特徴とする請求項１記載の冷凍空調装置。
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