(57)【要約】【課題】  ヒートポンプシステムに組み込まれるスクロール型圧縮機において、吐出ガスを旋回スクロールの背圧室へ供給することによって生じる効率の低下を防止する。【解決手段】  スクロール型の圧縮機部３において、旋回スクロール２０の端板部２１の上面にハウジング１の仕切り壁９の開口１５を含む背圧室が形成される。加圧されて吐出室３２へ吐出される高温、高圧の流体（冷媒）は先ず熱交換器４３へ導かれて、流体の熱が水の加熱等の目的に利用される。温度の低下した流体は膨張弁４４を経て蒸発器４５へ流れるが、その一部が分流してキャピラリチューブ５４のような絞り要素を有する背圧導入管５５によって電動機２の上部空間１３へ導かれ、電動機２の内部を経て背圧室を構成する開口１５へ供給されて背圧室を加圧する。また、その流体に含まれている潤滑油が流下して電動機２と圧縮機部３を順次に潤滑する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジングと、前記ハウジング内に固定された固定スクロールと、前記固定スクロールに噛み合うことによって流体を圧縮する複数個の作動室を形成しながら前記固定スクロールに対して旋回する旋回スクロールと、前記旋回スクロールを旋回させるための偏心軸部を備えている回転軸と、圧縮すべき流体を吸入する吸入室と、圧縮された流体が吐出される吐出室と、前記作動室において流体を圧縮する時に発生する圧縮反力の少なくとも一部を相殺するために前記旋回スクロールの端板部の背後に空間として形成される背圧室とを備えるスクロール型圧縮機と、前記吐出室及び吸入室の間に接続される蒸発器と、前記吐出室及び吸入室の間において前記蒸発器の上流側に接続される膨張弁と、前記吐出室及び吸入室の間において前記膨張弁の上流側に接続されて前記吐出室から導かれる高温高圧の流体を他の流体によって冷却する熱交換器と、前記熱交換器の下流側で前記膨張弁の上流側から分流して前記背圧室へ吸入圧と吐出圧の中間の圧力を帯びた流体を供給する背圧導入管とを備えていることを特徴とするヒートポンプシステム。
【請求項２】
請求項１において、前記熱交換器の下流側で前記膨張弁の上流側の位置に設けられて、前記熱交換器において他の流体によって冷却された後の高圧の流体から潤滑油を分離すると共に、分離した潤滑油を前記背圧導入管を経て前記背圧室へ供給する油分離器を備えていることを特徴とするヒートポンプシステム。
【請求項３】
請求項１において、前記熱交換器の下流側で前記膨張弁の上流側の位置に設けられて、前記熱交換器において他の流体によって冷却された後の高圧の流体に残存する熱を回収するために、この高圧の流体と前記蒸発器から前記吸入室へ戻る途中の低温、低圧の流体との間で熱交換を行う内部熱交換器を備えていることを特徴とするヒートポンプシステム。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかにおいて、前記背圧導入管の途中に絞り要素が設けられていることを特徴とするヒートポンプシステム。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかにおいて、密閉された前記ハウジング内の下部に前記固定スクロール及び前記旋回スクロールを含む前記圧縮機部が設けられると共に、前記ハウジング内の上部に前記回転軸を介して前記旋回スクロールを駆動する電動機が設けられており、前記背圧導入管が前記電動機の上部空間に開口していると共に、前記上部空間が前記電動機の内部を介して前記旋回スクロールの端板部の上面においてシール手段によって区画して形成された前記背圧室に連通していることによって、前記背圧室へ供給される流体に含まれている潤滑油が前記電動機の内部と圧縮機構を潤滑するように構成されていることを特徴とするヒートポンプシステム。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかにおいて、前記吐出室から導かれる高温高圧の流体を他の流体によって冷却する前記熱交換器が、給湯器において水を加熱するための手段として使用されていることを特徴とするヒートポンプシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固定スクロールと旋回スクロールを有し、固定スクロールに対して旋回スクロールを旋回（公転）させることにより、両スクロールの間に形成される作動室の体積を拡大縮小させて流体を吸入加圧するスクロール型圧縮機を備えるヒートポンプシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、スクロール型の圧縮機においては、流体を加圧（圧縮）する際に発生する加圧反力（圧縮反力）として旋回スクロールに大きな軸方向力、所謂「スラスト荷重」が作用する。そこで、従来は、旋回スクロールの背面側、つまり旋回スクロールの端板部のうち作動室と反対側の面に吐出圧を導いて、この吐出圧によって旋回スクロールを固定スクロール側に押し付けることにより、旋回スクロールに作用するスラスト荷重を相殺している（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平９−１７０５７１号公報
【０００３】
しかしながら、例えば、二酸化炭素等を冷媒とするヒートポンプシステムでは、冷媒を約１０ＭＰａ以上の高圧まで加圧する必要があるので、仮に、特許文献１に記載されているようなスクロール型圧縮機をこのヒートポンプシステムの圧縮機として採用すると、旋回スクロールの背面側、つまり圧縮機を駆動する電動機が収納される旋回スクロールの背面側の室（以下これを「モーター室」と称する）に吐出圧を作用させることになるため、このモーター室にも１０ＭＰａ以上の高圧が作用する。このため、モーター室を構成する容器部材の肉厚を厚くして、容器部材の耐圧強度を高める必要があるので、スクロール型圧縮機の大型化及び重量増加を招くことになる。
【０００４】
この点を考慮して、モーター室の圧力を吸入圧力よりも高いが吐出圧力よりは低い中間圧として、それを旋回スクロールの背圧としてスラスト荷重の一部を相殺しようとするスクロール型圧縮機が知られている（特許文献２を参照）。このスクロール型圧縮機においては吐出ガス中の潤滑油を油分離部によって分離し、減圧した後にそれを貯油部に蓄えると共に、ポンプ等の手段を用いて圧縮機構と電動機との間へ戻すようになっている。
【特許文献２】特開平１１−３０３７７６号公報
【０００５】
この他に、吐出ガスの一部を分流させてモーター室へ供給することによりモーター室に背圧を形成するものも知られている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、これらの従来技術においては以下のような問題が生じる。
１．吐出ガス中の潤滑油或いはガスを分離してモーター室へ供給するため、例えば高温の吐出ガス及びその中に含まれる潤滑油の熱を水に与えて温水を作るヒートポンプ式給湯器のような、高温側の熱を利用することを目的とするヒートポンプシステムでは、背圧を形成するために吐出ガスから分流した後に圧縮機へ戻るガス或いは潤滑油の熱は水に与えることができないので、その分だけ加熱能力が低下する。
２．前述の特許文献２に記載された圧縮機の構造では、上部に圧縮機構部を、下部にモーター室を配設していて、モーター室の底部に潤滑油が貯留されるために、特に潤沢に潤滑油を必要とする圧縮機構部まで潤滑油を送油するための手段、望ましくは油ポンプ等を設ける必要が生じるので構造が複雑となる。
【０００７】
本発明は、従来技術におけるこのような問題を可及的に簡単な手段によって解消することを発明の解決目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記の課題を解決するために特許請求の範囲の各請求項に記載した通りの構成を有するヒートポンプシステムを提供する。
【０００９】
それによって、本発明は次のような作用効果を奏することができる。
１．スクロール型圧縮機によって加圧された高圧ガス或いは潤滑油が高温側の熱交換器を通過した後に、その一部を分流させて旋回スクロールのための背圧を形成するために供給することにより、高圧ガス或いは潤滑油の熱を加熱の目的に有効に利用する。それによって、吐出ガス及びその中に含まれる潤滑油の熱を殆ど全て有効に被加熱流体の加熱に用いることができるので、システムの成績係数を低下させることなしに、スクロール型圧縮機の背圧室を加圧することができる。
２．熱交換器を通過した後の、温度が低下していても圧力は高いガス或いは潤滑油を減圧して背圧室、即ちモーター室へ導入するので、低い温度のガスがモーター室内において減圧膨張をして更に低温となる結果、背圧室の加圧だけでなく、モーターの冷却をも併せて行うことができる。
３．従来のように、熱交換器へ流入する前の高温、高圧の吐出ガスや潤滑油を背圧形成のために使用する方法においては、背圧室へ分流するガスや潤滑油の流量が増えれば増えるほどシステムの成績係数の悪化が著しくなるが、本発明によれば、熱を被加熱流体に与えた後のガスや潤滑油の一部を背圧形成のために背圧室へ供給するため、その流量が増加してもシステムの成績係数が低下する程度は小さい。換言すれば、背圧をシールするシール部材からの洩れが多少増加しても、それがシステム全体の性能に及ぼす影響が少ない。それによって安価なシール構造を用いることができる。
４．後述の実施例のように、上部にモーター室を、下部に圧縮機構部を配設するという構造を取れば、圧縮機の最上部より背圧形成用のガス或いは潤滑油を導入することになるので、圧縮機の上部から下部にわたって散在するベアリングなどの潤滑を必要とする部位が、重力によって流下する潤滑油により順次に潤滑されるため、特許文献２に記載されたもののようにポンプによる潤滑油の汲み上げ機構を設ける必要がない。また、最も多量の潤滑油を必要とするスラスト受け部が背圧室の最下部に位置することになるため、この部分に大量の潤滑油を滞留させることによって十分に潤滑を行うことができると共に、シールリングによって効果的に漏れ止めを行うことができる。（背圧形成用に吐出ガスを導入した場合においても、ガス中には重量パーセントで２〜５パーセントの潤滑油が存在するため、この潤滑油によって各部の潤滑がなされる）
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、添付の図面に示された幾つかの実施例を本発明のスクロール型圧縮機における最良の実施形態として、それらについて順次詳細に説明を加える。
【００１１】
第１実施例
第１実施例に限らず他の実施例においてもスクロール型圧縮機の本体Ｃそのものは全て同じ構造を有するので、まず、全ての実施例に共通する圧縮機本体Ｃの構造について詳細に説明する。図１に示したように、密閉された共通のハウジング１内の上部寄りの部分に電動機２が設けられると共に、下部寄りの部分に圧縮機部３が設けられている。電動機２はハウジング１に固定されたステータと、その中で回転し得るロータを有する。ロータに取り付けられた回転軸６の下部は主軸受７と環状の仕切り壁９を介して、また、上部は副軸受８と環状の仕切り壁１０を介して、それぞれハウジング１によって回転自由に軸支されている。下部の仕切り壁９によってハウジング１の内部空間が上側のモーター室１１と下側の吸入室１２とに分けられる。また、上部の仕切り壁１０によってハウジング１の内部が上側の上部空間１３と下側のモーター室１１とに分けられる。前述のステータやロータはモーター室１１内にある。
【００１２】
なお、下部の仕切り壁９には転動する複数個のボール又はローラを有する主軸受７が取り付けられていると共に、上部の仕切り壁１０にも同様な副軸受８が取り付けられているのと、ステータとロータとの間には若干の隙間があるから、軸受７及び８の隙間及びステータとロータとの隙間を介して、上部空間１３とモーター室１１とは連通している。上部空間１３とモーター室１１は後述のように旋回スクロールのための背圧室に連通する中間圧力室となる（この部分もまた実質的には背圧室の一部である。）と共に、シールリング１４によって吸入室１２から遮断された仕切り壁９の大きな開口がモーター室１１と連通していて背圧室の主要部を構成する。
【００１３】
回転軸６の下端には、主軸受７によって軸支されている軸部分に対して偏心すると共に下方へ突出している偏心軸部１６が設けられている。回転軸６の偏心軸部１６には円筒形のブッシュ１７が、それに形成された偏心穴によって相対的に回転可能に嵌合している。なお、ブッシュ１７にバランスウェイトが取り付けられる。偏心穴を有するブッシュ１７と回転軸６の偏心軸部１６とが係合することによって所謂「従動クランク機構」が構成されるが、従動クランク機構自体は周知のものであるし、本発明は従動クランク機構を用いた点に特徴がなく、この部分に固定のクランク機構（例えば偏心軸部１６とブッシュ１７が一体化されたもの等）を使用することもできるので、この部分についての詳細な説明は省略する。
【００１４】
ブッシュ１７は、ニードルベアリングからなる旋回スクロール軸受１９を介して旋回スクロール２０の端板部２１のボス部２２を回転可能に軸支する。端板部２１の上面と仕切り壁９の下面は摺動可能に係合して、作動時に旋回スクロール２０に作用するスラスト力の一部を支持するスラスト受け部２３を形成している。このスラスト受け部２３を構成する端板部２１の上面或いは仕切り壁９の下面における外周寄りの周縁部に円環状の溝が設けられて、その中にシールリング１４が装着され、相手方の面に対して摺動係合することにより、開口１５内の空間を含む背圧室の主要部空間と、吸入室１２との間を気密状態に遮断している。また、旋回スクロール２０の端板部２１の下面には渦巻き形の羽根部が一定の幅をもって下方へ突出するように形成されている。
【００１５】
旋回スクロール２０と噛み合って圧縮機部３の主要部を構成する固定スクロール２５がその端板部２６の周縁においてハウジング１の下部の内面に固定されている。固定スクロール２５の端板部２６の上面には渦巻き形の羽根部が一定の幅をもって上方へ突出するように形成されている。それによって、固定スクロール２５の渦巻き形の羽根部は、それに対向する旋回スクロール２０の渦巻き形の羽根部と噛み合うことにより、両者の間に対になった複数個の作動室２８を形成する。
【００１６】
第１実施例においてはスクロール型圧縮機Ｃがヒートポンプによって水を加熱する温水器における冷媒圧縮機として使用されているので、図示した冷凍サイクル（空調装置等に使用される場合を含めて一般的にはヒートポンプシステム）において熱を吸収して吸入管２９を通って吸入室１２へ戻ってくる比較的に低温低圧の二酸化炭素のような冷媒が、作動室２８のうちで外周部にあるものが半径方向の外方に向かって開いた時に作動室２８内へ取り込まれる。回転軸６の回転によって旋回スクロール２０が偏心軸部１６とブッシュ１７からなるクランク機構を介して駆動され、その自転が図示しない自転防止機構によって阻止されるので旋回スクロール２０は固定スクロール２５に対して公転のみをする。それによって外周部にある作動室２８も閉じ、容積を縮小しながら半径方向の内方へ移動するので、その間に作動室２８内の冷媒が圧縮される。そして、縮小した作動室２８が中心部において内方に向かって開いた時に、高圧となった冷媒が吐出口を通過し、吐出弁を押し開いて吐出室３２内へ排出される。
【００１７】
実施例のうちでスクロール型圧縮機の本体Ｃ（特に圧縮機部３）についての以上の構成と作動は、従来から知られているスクロール型圧縮機のそれと同様なものである。
【００１８】
主軸受７を介してモーター室１１に連通する開口１５内が旋回スクロール２０のための背圧室の主要部を構成すると共に、旋回スクロール２０の端板部２１の上面に背圧室の周縁部を区画する円形のシールリング１４が設けられているので、背圧室には吐出室３２の圧力（吐出圧）やモーター室１１内の圧力（中間圧）よりも僅かに低い圧力が作用している。この圧力が旋回スクロール２０の背圧として作用して、シールリング１４の内部の円形の面積に背圧を乗じた値の軸方向力が旋回スクロール２０の端板部２１を押し下げるので、作動室２８内で冷媒を圧縮することにより旋回スクロール２０を押し上げようとする圧縮反力としての軸方向力の少なくとも一部を相殺する。なお、シールリング１４は僅かではあるが冷媒や潤滑油の漏れを生じるため、開口１５内に溜まった潤滑油の一部が吸入室１２へ流入し、作動室２８を形成する旋回スクロール２０と固定スクロール２５の渦巻き形の羽根部等の摺動接触部分を潤滑する。
【００１９】
上部空間１３及びモーター室１１の圧力（中間圧力）と、仕切り壁９の開口１５内に形成された空間（背圧室）の圧力、即ち旋回スクロール２０のための背圧の値を調整すると共に、背圧室を通って循環する潤滑油及び冷媒の流量を調整するために、背圧室となる開口１５内に開く背圧抜き穴４１が設けられ、それと吸入室１２との間に背圧制御弁４２が配設される。つまり、背圧制御弁４２の高圧側が背圧室に連通すると共に、この背圧制御弁４２の低圧側が吸入室１２に連通している。なお、低圧側を吸入室１２ではなく、旋回スクロール２０と固定スクロール２５の間に形成される作動室２８のうちで比較的に低圧のもの（外周部に近いもの）に連通させてもよい。
【００２０】
なお、背圧制御弁４２としては色々な特性のものを適用することができるが、一般的には定差圧弁、すなわち背圧制御弁４２そのものの上流側圧力と下流側圧力との圧力差が一定になるように制御するような弁を用いる。従ってこの場合には、開口１５内の圧力によって代表される旋回スクロール２０の背圧と吸入室１２の圧力との圧力差が一定になるように制御する。
【００２１】
後述のものを含めて、図示された実施例は全てスクロール型圧縮機Ｃをヒートポンプ式の温水器における冷媒圧縮機として使用した場合を示しており、温水器の主要部として、給水管５２によって供給される低温の水と、圧縮機本体Ｃの吐出室３２から吐出管３５を介して導かれる高温、高圧の冷媒及び潤滑油（吐出ガス）との間で熱交換を行わせるために熱交換器４３を設けている点も全ての実施例に共通している。各実施例の特徴は熱交換器４３を通過した後の冷媒及び潤滑油の流れ方にある。
【００２２】
図１に示す第１実施例においては、熱交換器４３を通過して給水管５２から供給される低温の水に熱を与えることによって温度が低下した冷媒及び潤滑油の一部を、冷凍サイクルにおける膨張弁４４へ導く管路５３の途中から三叉管等によって直接に取り出して、キャピラリチューブ５４（一般的には「絞り要素」というべきもの）を介して、圧縮機本体Ｃの上部空間１３に開口する背圧導入管５５へ導いている点にある。熱交換器４３を通過した後の大部分の低温、高圧の冷媒及び潤滑油は、膨張弁４４を経て減圧されることによって一層低温且つ低圧となって蒸発器４５へ流入し、大気から熱を吸収して膨張及び温度上昇した後に、アキュムレータ４６を経て圧縮機本体Ｃへ戻って再び圧縮される。なお、背圧導入管５５の開口５６は圧縮機本体Ｃの上部空間１３のなかでも特に上部にある潤滑必要部位、この場合は副軸受８に向けて開口するよう構成するのが望ましい。なお、背圧室の圧力は、背圧室を構成する開口１５と吸入室１２との間に設けられた背圧制御弁４１によって、吸入圧力よりも略一定値だけ高い圧力に制御される。
【００２３】
第１実施例はこのように構成されているので、熱交換器４３を通過した後の低温、高圧の冷媒及び潤滑油の一部が、キャピラリチューブ５４を通過して背圧導入管５５から圧縮機本体Ｃ内へ供給され、中間圧力室として作用するモーター室１１を通る間に電動機２を冷却し、若干減圧されて背圧室を構成する開口１５内へ導かれる。それによって背圧室が軸方向力を発生して旋回スクロール２０を下方へ押圧するので、作動室２８内で冷媒を圧縮することによって発生する圧縮反力の少なくとも一部が相殺され、旋回スクロール２０が比較的に小さい摺動損失を伴って旋回（公転）することが可能になる。また、給水管５２を流れる水は、熱交換器４３を通過する時に高温、高圧の冷媒及び潤滑油によって加熱されて温度上昇するが、熱交換器４３を通過した後の冷媒及び潤滑油の一部が背圧室を構成する開口１５へ導かれるだけであるから、それによって大きい性能低下を招くことがないというように、前述の効果を十分に発揮することができる。
【００２４】
第２実施例
図２に本発明の第２実施例を示す。図１に示す第１実施例においては、熱交換器４３を通過した後の冷媒及び潤滑油の一部を分流させて背圧室を構成する開口１５へ導入する場合を示したが、第２実施例においては熱交換器４３を通過した後の冷媒及び潤滑油を管路５３に設けられた油分離器５７を通過させることによって冷媒と潤滑油に分離し、高圧の潤滑油のみを絞り要素であるキャピラリチューブ５４等を介して開口１５（背圧室）へ導入することを特徴とする。それ以外の点は前述の第１実施例と同じである。
【００２５】
第２実施例において高圧の潤滑油のみを背圧室を構成する開口１５へ供給することによって背圧を発生させることができる理由は、背圧導入管５５を経て開口１５へ供給される低温、高圧の潤滑油の中には冷媒が溶解しているため、キャピラリチューブ（絞り要素）５４によって減圧されて背圧室に流入する過程において冷媒が気化してガス状になるためである。
【００２６】
第２実施例においても第１実施例と同様な効果を生じるが、第２実施例独自の効果として、潤滑油を含むガス状の冷媒を背圧形成のために用いる第１実施例に比べてより潤沢な量の潤滑油を供給することになるため、各摺動部分の潤滑が良好となる。また、第１実施例に比べて必要な量の潤滑油を供給する場合の冷媒ガスの量が相対的に少なくなるため、背圧制御弁４２を通過して吸入室１２側へ流入するガス量が少なくなり、背圧を形成することに伴う圧縮機Ｃの体積効率の低下も少なくなる。
【００２７】
第３実施例
図３に本発明の第３実施例を示す。第３実施例は所謂「内部熱交換器」を有するシステムに本発明を適用した場合の例である。この場合の内部熱交換器５８は、温水器の主要部として高温、高圧の冷媒及び潤滑油と低温の水との間で熱交換を行わせる熱交換器である熱交換器４３を通過した後の冷媒及び潤滑油が有する残余の熱を圧縮機本体Ｃへ再び吸入される冷媒に与えることによって、吸入される冷媒の温度を上昇させると共に、それに伴って圧縮機部３から吐出される冷媒の温度を更に上昇させることにより、温水器としてのシステム全体の水加熱能力を向上させるものである。
【００２８】
内部熱交換器５８は、第１実施例と同様な構成において、熱交換器４３を通過した後の高圧の冷媒を流すために熱交換器４３と膨張弁４４とを接続している管路５３と、膨張した後の低温、低圧の冷媒を圧縮機本体Ｃへ戻すために蒸発器４５とアキュムレータ４６とを接続している管路５９との間に跨るように設けられる。それによって冷媒の廃熱が圧縮機本体Ｃへ再び吸入される冷媒に与えられる。第３実施例のように内部熱交換器５８を使用する場合には、本発明の目的から明らかなように、内部熱交換器５８を通過することによって更に温度が低下した後の冷媒ガスを背圧室を構成する開口１５へ供給することが好ましい。そのために、第３実施例においては背圧用ガスを分流させる位置を、内部熱交換器５８を通過した後の位置として、その管路５３の途中にキャピラリチューブ５４を接続している。
【００２９】
なお、図示された実施例は全てスクロール型圧縮機における旋回スクロール２０の背圧機構ということで説明しているが、本発明はスクロール型圧縮機に限らず、背圧室を設けるその他の形式の圧縮機や、高圧のガス若しくは潤滑油を必要とする部位へ供給するための手段に対して容易に転用可能であることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】第１実施例の縦断面図である。
【図２】第２実施例の縦断面図である。
【図３】第３実施例の縦断面図である。
【符号の説明】
【００３１】
１…ハウジング
２…電動機
３…圧縮機部
６…回転軸
７…主軸受
８…副軸受
９…仕切り壁
１１…モーター室
１２…吸入室
１３…上部空間
１４…シールリング
１５…背圧室を構成する開口
２０…旋回スクロール
２１，２６…端板部
２３…スラスト受け部
２５…固定スクロール
２８…作動室
２９…吸入管
３５…吐出管
４２…背圧制御弁
４３…熱交換器
４５…蒸発器
５２…給水管
５４…キャピラリチューブ（絞り要素）
５５…背圧導入管
５７…油分離器
５８…内部熱交換器
【図１】
2005201563.tif 000003
【図２】
2005201563.tif 000004
【図３】
2005201563.tif 000005