JP4639413B2 - スクロール圧縮機および空気調和機 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はスクロール圧縮機および空気調和機に関し、より特定的には、運転状態の検知結果に基づいて、アンロード運転／フルロード運転の切換制御や冷媒インジェクション等の容量制御およびモータの回転数制御を行なうことが可能なスクロール圧縮機および空気調和機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１７に、従来の冷媒圧縮機の一例を示す。この圧縮機は、特開平１１−１８２４７９号公報に開示されている。
【０００３】
図１７に示すように、冷媒圧縮機は、密閉容器６３を備え、この密閉容器６３内に固定スクロール５６および揺動スクロール（図示せず）が組み込まれる。密閉容器６３の端部には、シリンダ５３が形成されている。シリンダ５３内にはピストン式制御弁５１と圧縮ばね５２が設置されている。
【０００４】
また、シリンダ５３には、中間圧力空間５９と連通する第１通路６０、吸入圧力空間５７と連通する第２通路６１、吐出口５５を介して吐出圧力空間５８と連通する第３通路６２が設けられる。ピストン式制御弁５１の背圧空間５４は、第３通路６２と連通している。
【０００５】
上記の構成を有する圧縮機において、冷媒の吸入圧力（Ｐｓ）と吐出圧力（Ｐｄ）との差圧の大きさに応じてピストン式制御弁５１が移動し、第１通路６０が開閉制御される。それにより、第１通路６０が閉じられ吐出容量が１００％の運転（フルロード運転）と、第１通路６０が開かれ吐出容量が低減した運転（アンロード運転）とに圧縮機の運転状態が切換えられる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述の圧縮機では、圧縮機内部の圧力条件で自動的にアンロード運転とフルロード運転との切換制御が行われるので、次に説明するような問題があった。その問題について図１８を用いて説明する。図１８は、凝縮温度（Ｔｃ）と、蒸発温度（Ｔｅ）と、運転圧力比（Ｐｒ）との関係を示す図である。
【０００７】
たとえば冷凍サイクルにおいて蒸発温度が低く凝縮温度が高い条件（図１８に斜線で示す領域内）で、かつ必要冷凍能力が小さい場合には、上述の圧縮機はアンロード運転されない。それは、蒸発温度（Ｔｅ）が低く凝縮温度（Ｔｃ）が高い場合には、冷媒の吸入圧力（Ｐｓ）は低く吐出圧力（Ｐｄ）が高くなるため、上述の第１通路６０が閉じられるからである。
【０００８】
小能力運転時に上記のように圧縮機がアンロード運転されないと、圧縮機は低速運転を余儀なくされ、潤滑の厳しい運転を強いられるばかりでなく、低速運転ではモータ効率も中高速運転時に比べて低く、圧縮機内部の圧縮ガスの洩れ等により効率も低下し得る。
【０００９】
上記のように従来の圧縮機では運転状態を検知することなく自動的にアンロード運転とフルロード運転との切換制御を行っていたため、運転状態に応じた適切かつ効率的な運転が行なえない場合が生じるという問題があった。この問題は、上記のような圧縮機を備える空気調和機においても同様に生じ得る。
【００１０】
本発明は上述の課題を解決するためになされたものである。本発明の目的は、あらゆる運転状態に応じて適切かつ効率的な運転を選択することができるスクロール圧縮機および空気調和機を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載のスクロール圧縮機は、冷媒を圧縮する圧縮室（４０）を形成する可動スクロール（２）および固定スクロール（１）を有するスクロール圧縮機であって、可変速モータ（２８）と、容量制御手段（１２，３５）と、運転状態検知部（２７）と、制御部（２６）とを備える。可変速モータ（２８）は、可動スクロール（２）を駆動する。容量制御手段（１２，３５）は、圧縮室（４０）内に冷媒を供給あるいは圧縮室（４０）から低圧側へ冷媒をバイパスすることによりスクロール圧縮機の容量を制御する。運転状態検知部（２７）は、スクロール圧縮機の運転状態を検知する。制御部（２６）は、運転状態検知部（２７）により検知された運転状態に応じて容量制御手段（１２，３５）の動作制御およびモータ（２８）の回転数制御を行なう。
【００１２】
スクロール圧縮機が上記のような運転状態検知部（２７）を備えることにより、スクロール圧縮機の運転状態を検知することができる。ここで、スクロール圧縮機が上述の制御部（２６）を備えることにより、スクロール圧縮機の運転状態に応じて容量制御手段（１２，３５）の動作制御およびモータ（２８）の回転数制御を行なうことができる。それにより、あらゆる運転条件下で適切かつ効率的な運転を選択することができる。なお、上記の運転状態検知部（２７）や制御部（２６）は、圧縮機内部のみならず冷凍・空気調和機システム内に設置されてもよい。
【００１３】
請求項１に記載のスクロール圧縮機では、運転状態検知部（２７）は、冷媒の吐出圧力に対する冷媒の吸入圧力の比の値である運転圧力比を検知する運転圧力比検知部と、スクロール圧縮機の運転時の必要能力を検知する必要能力検知部とを含み、制御部（２６）は、上記運転圧力比および必要能力に応じて容量制御手段（１２，３５）の動作制御およびモータ（２８）の回転数制御を行なう。
【００１４】
上記のように運転状態検知部（２７）が運転圧力比検知部と必要能力検知部とを有することにより、スクロール圧縮機の運転圧力比や必要能力等の運転状態を検知することができる。このようにして検知された運転圧力比および必要能力に応じて制御部（２６）によって容量制御手段（１２，３５）の動作制御およびモータ（２８）の回転数制御を行なうことにより、あらゆる運転条件下でスクロール圧縮機の高効率運転を行なうことができる。
【００１５】
請求項２に記載のスクロール圧縮機では、容量制御手段（１２，３５）は、圧縮室（４０）における圧縮開始時点を実質的に遅らせてアンロード運転を行なうためのアンロード手段（１２）を含む。
【００１６】
容量制御手段（１２，３５）の一例としてアンロード手段（１２）を挙げることができる。このようにアンロード手段（１２）を備えた場合には、スクロール圧縮機の運転状態に応じて意図的にアンロード手段（１２）を作動させることができ、アンロード運転を行なうことができる。具体的には、たとえば蒸発温度が低く凝縮温度が高くかつ必要冷凍能力が小さい条件下で、アンロード手段（１２）を意図的に作動させてアンロード運転を行なうことができる。それにより、従来問題となっていた潤滑の厳しい低速運転を回避することができる。
【００１７】
請求項３に記載のスクロール圧縮機では、容量制御手段（１２，３５）は、圧縮室（４０）内に冷媒をインジェクションするための冷媒インジェクション手段（３５）を含む。
【００１８】
容量制御手段（１２，３５）の他の例として冷媒インジェクション手段（３５）を挙げることができる。このように冷媒インジェクション手段（３５）を備えた場合には、スクロール圧縮機の運転状態に応じて適宜冷媒インジェクション手段（３５）を作動させることができ、スクロール圧縮機の容量を増大することができる。それにより、スクロール圧縮機の可変能力幅を増大することができる。また、上述のアンロード手段（１２）と併用した場合には、冷媒インジェクション時に不必要にアンロード手段（１２）が作動しないように制御部（２６）によってアンロード手段（１２）の動作制御を行なうことも可能となる。それにより、インジェクション冷媒が吸入圧力室に洩れて冷媒の循環量の増加を充分に図れないという事態を回避することができる。
【００１９】
請求項４に記載のスクロール圧縮機は、圧縮後の冷媒を吐出する吐出ポート（１９）と、吐出ポート（１９）を開閉し冷媒の逆流を防止するための吐出弁（２０）とを備える。
【００２０】
スクロール圧縮機のアンロード運転時には一般に低速運転が行われる。そのため、冷媒の吐出抵抗が小さくなり、吐出ポート（１９）における冷媒の逆流が生じ得る。そこで、上記のように吐出弁（２０）を設けることにより、冷媒の逆流を防止することができ、逆流損失を低減することができる。それにより、低速運転時における効率を向上させることができる。
【００２１】
請求項５に記載のスクロール圧縮機は、吐出圧に達した圧縮室（４０）と連通するリリーフポート（２９）と、リリーフポート（２９）を開閉するリリーフ弁（３１ａ）とを備える。
【００２２】
たとえば蒸発温度が高く凝縮温度が低くかつ必要冷凍能力が大きい条件下では、アンロード状態で高速運転を行なう。しかし、高速運転を行なうと、吐出ガス流速が増大し、過圧縮損失が増大し得る。そこで、上記のようにリリーフポート（２９）およびリリーフ弁（３１ａ）を設けることにより、これらを介して吐出圧に達した冷媒を高圧空間に適宜吐出することができる。それにより、過圧縮損失を低減することができ、運転効率を向上することができる。
【００２３】
請求項６に記載のスクロール圧縮機では、可動スクロール（２）および固定スクロール（１）は、渦巻体（４１，４２）を有し、一方の渦巻体（４１）の巻終り端部が他方の渦巻体（４２）の巻終り端部近傍にまで延在する。
【００２４】
このようにスクロール圧縮機がいわゆる非対称渦巻を有することにより、アンロード機構の一構成要素としてアンロードポートを設けた場合にはこれを１箇所に集約することができ、また冷媒インジェクション機構の一構成要素としてインジェクションポートを設けた場合にもこれを１箇所に集約することができる。
【００２５】
請求項７に記載のスクロール圧縮機は、固定スクロール（１）の背面に吸入圧力空間（３３）を備える。
【００２６】
このように固定スクロール（２）の背面に吸入圧力空間（３３）を設けることにより、アンロード運転時に低圧空間に冷媒を逃がすべく迂回通路を設ける必要がなくなり、アンロード機構を簡素化することができる。
【００２７】
請求項８に記載の空気調和機は、請求項１から請求項７のいずれかに記載のスクロール圧縮機を備える。なお、本願明細書において、空気調和機とは、冷暖房装置のみならず冷凍機をも含むものと定義する。
【００２８】
空気調和機が上述の構成を有するスクロール圧縮機を備えることにより、あらゆる運転状態において高効率運転が可能となる。
【００２９】
請求項９に記載の空気調和機は、冷媒を圧縮する圧縮要素を有する圧縮機（３７）と、冷媒を凝縮あるいは蒸発させる複数の負荷側熱交換器（２５ａ，２５ｂ，２５ｃ）とを有するいわゆるマルチ型空気調和機であって、可変速モータと、容量制御手段（１２ａ）と、運転状態検知部（３９）と、制御部（３８）とを備える。可変速モータは、圧縮要素を駆動する。容量制御手段（１２ａ）は、圧縮要素に冷媒を供給あるいは圧縮要素から冷媒を引き抜くことにより、圧縮機の容量を制御する。運転状態検知部（３９）は、空気調和機の運転状態を検知する。制御部（３８）は、運転状態検知部（３９）により検知された運転状態に応じて容量制御手段（１２ａ）の動作制御およびモータの回転数制御を行なう。なお、上記の負荷側熱交換器としては、たとえばエアコンの室内機（蒸発器あるいは凝縮器）を挙げることができる。
【００３０】
このように空気調和機が運転状態検知部（３９）を備えることにより、空気調和機の運転状態を検知することができる。この運転状態の検知結果に基づいて制御部（３８）によって容量制御手段（１２ａ）の動作制御およびモータの回転数制御を行なうことができる。それにより、たとえば蒸発温度と凝縮温度との差が小さく大能力が必要な場合には、制御部（３８）によって、容量制御手段（１２ａ）を作動させてアンロード運転を行ないかつモータを高速回転させることができ、過圧縮損失を低減することができる。また、蒸発温度と凝縮温度との差が大きく能力が小さくてよい場合には、制御部（３８）によって、容量制御手段（１２ａ）を作動させずフルロード運転を行ないかつモータを低速回転させることができ、逆流損失（圧縮不足損失）を低減することができる。その結果、あらゆる運転条件下で高効率運転を行なえる。また、たとえば外気温が低く蒸発温度も低い暖房運転時には、制御部（３８）によって、容量制御手段（１２ａ）を作動させてガス冷媒のインジェクションを行ないかつモータを高速回転させることができ、モータの回転数を極端に上昇させることなく吐出冷媒量を増加させることができる。この場合には、圧縮機の信頼性を向上させることができる。さらに、圧縮機の低速運転時に圧縮機の断熱効率が低下して吐出冷媒の温度が上昇した場合、制御部（３８）によって容量制御手段（１２ａ）を作動させて液冷媒のインジェクションを行なうことにより、吐出冷媒の温度を低下させることができる。それにより、冷媒や潤滑油の寿命低下を抑制することができるのみならず吐出冷媒の温度上昇に起因して空気調和機の運転を停止させる必要もなくなる。
【００３１】
請求項９に記載の空気調和機では、運転状態検知部（３９）は、上記圧縮機における冷媒の吐出圧力に対する冷媒の吸入圧力の比の値である運転圧力比を検知する運転圧力比検知部と、空気調和機の運転時における負荷側熱交換器（２５ａ，２５ｂ，２５ｃ）の必要能力を検知する必要能力検知部とを含み、制御部（３８）は、上記運転圧力比および必要能力に応じて容量制御手段（１２ａ）の動作制御およびモータの回転数制御を行なう。
【００３２】
このように運転圧力比や必要能力等の運転状態を検知し、これに基づいて容量制御手段（１２ａ）の動作制御およびモータの回転数制御を行なうことにより、前述のように高効率運転を行なうことができる。
【００３３】
請求項１０に記載の空気調和機では、運転状態検知部（３９）は、負荷側熱交換器（２５ａ，２５ｂ，２５ｃ）の運転台数を検知する運転台数検知部を含み、この運転台数をも考慮して容量制御手段（１２ａ）の動作制御およびモータの回転数制御を行なう。
【００３４】
マルチ型空気調和機では、蒸発温度と凝縮温度の関係以外に、負荷側熱交換器（２５ａ，２５ｂ，２５ｃ）の運転台数も必要能力に影響を及ぼす。そこで、上記の運転台数検知部を設けることにより、運転台数をも考慮して容量制御手段（１２ａ）の動作制御およびモータの回転数制御を行なうことができる。それにより、蒸発温度と凝縮温度間の温度差が小さい場合の全負荷側熱交換器（２５ａ，２５ｂ，２５ｃ）運転状態や、上記温度差が大きい場合の負荷側熱交換器（２５ａ，２５ｂ，２５ｃ）の一部運転状態においても、高効率運転を行なうことができる。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図１６を用いて、本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の１つの実施の形態におけるスクロール圧縮機の概略構成図である。
【００３６】
図１に示すように、本発明に係るスクロール圧縮機は、ケーシング１８と、固定スクロール１と、可動スクロール２と、アンロード機構と、吐出管（高圧ライン）１４と、制御部２６と、運転状態検知部２７と、モータ２８とを備える。
【００３７】
ケーシング１８内に、固定スクロール１、可動スクロール２およびモータ２８が組み込まれる。固定スクロール１は、冷媒を吐出する吐出ポート１９と、アンロード運転時に開口されるアンロードポート４と、弁穴５と、バイパス通路６と、バイパス弁７と、コイルスプリング８と、蓋部材９と、操作圧室１１と、吐出弁２０と、弁ばね２１と、弁押え２２とを有する。
【００３８】
バイパス通路６は、圧縮前の冷媒を収容する低圧空間３と、圧縮室４０とを連通させ、アンロード運転時に圧縮室４０から低圧空間３に冷媒を引き抜き、冷媒の圧縮開始点を実質的に遅らせる。バイパス弁７は、操作圧室１１内に設置され、アンロードポート４を開閉する。
【００３９】
蓋部材９は、弁穴５の開口を閉じる。この蓋部材９には、継手管１６が挿通される。吐出弁２０は、吐出ポート１９を開閉し、この吐出弁２０が開くことにより吐出圧に達した冷媒が吐出ドーム１０に放出される。
【００４０】
可動スクロール２は、図示しないクランク軸を介してモータ２８によって駆動される。この可動スクロール２と固定スクロール１との間に圧縮室４０が形成され、この圧縮室４０内で冷媒が圧縮される。
【００４１】
アンロード機構は、上記のアンロードポート４、弁穴５、バイパス通路６、バイパス弁７、コイルスプリング８、蓋部材９、操作圧室１１、アンロード操作弁１２、操作圧ライン１５、継手管１６、キャピラリチューブ１７を含む。アンロード操作弁１２を開いてアンロード機構を作動させることにより、スクロール圧縮機のアンロード運転を行なうことができる。
【００４２】
吐出管（高圧ライン）１４は、吐出ドーム１０に放出された高圧冷媒をケーシング１８の外部に吐出する。このように吐出された冷媒は、たとえば凝縮器２３、膨張弁２４および蒸発器２５を経て低圧ライン１３を通って再びスクロール圧縮機内に送り込まれる。
【００４３】
運転状態検知部２７は、スクロール圧縮機の運転状態を検知する。運転状態検知部２７は、具体的には運転圧力比検知部および必要能力検知部を有し、スクロール圧縮機の運転圧力比Ｐｒや、スクロール圧縮機の運転時における必要能力を検知する。
【００４４】
なお、運転圧力比Ｐｒとは、冷媒の吐出圧力Ｐｄに対する冷媒の吸入圧力Ｐｓの比の値（Ｐｄ／Ｐｓ）である。吐出圧力Ｐｄは冷媒の凝縮過程における圧力である凝縮圧力Ｐｃに、また吸入圧力Ｐｓは冷媒の蒸発過程における圧力である蒸発圧力Ｐｅに概ね置き換えることができるので、圧力Ｐｃ、Ｐｅを検知することにより、運転圧力比Ｐｒを算出することができる。圧力Ｐｃ、Ｐｅは、たとえば凝縮温度Ｔｃ、蒸発温度Ｔｅを基にして得られる。
【００４５】
また、スクロール圧縮機の必要能力については、スクロール圧縮機を備える機器がたとえば空気調和機の場合には、室内機吸込み空気温度、室内設定温度、室内湿度や外気温度等の温度条件等を基にして検知することができる。
【００４６】
モータ２８は、インバータ駆動の可変速モータであり、必要に応じてその回転数の増減を行なえる。
【００４７】
制御部２６は、運転状態検知部２７による検知結果に基づいて、アンロード機構の動作制御およびモータ２８の回転数制御を行なう。具体的には、アンロード運転が適切であると判断した場合にはアンロード操作弁１２を開いてアンロード運転を行ない、かかる運転状態で更なる容量制御が必要な場合にはモータ２８の回転数を増減させる。
【００４８】
図２に、図１におけるＸ−Ｘ線に沿って見た断面構造を示す。図２に示すように、固定スクロール１と可動スクロール２はそれぞれ渦巻体４１，４２を有し、該渦巻体４１，４２間に複数の圧縮室４０が形成される。図２に示す例では、渦巻体４１，４２は、非対称形状を有し、渦巻体４１の巻終り端部は、渦巻体４２の巻終り端部近傍に位置する。
【００４９】
固定スクロール１には、上述の吐出ポート１９とアンロードポート４以外に、図２に示すようにインジェクションポート３０と、リリーフポート２９とが設けられている。
【００５０】
インジェクションポート３０は、ガス冷媒あるいは液冷媒を圧縮室４０内にインジェクションするためのものであり、ガス冷媒をインジェクションすることによりスクロール圧縮機の容量を増大させることができ、液冷媒をインジェクションすることにより吐出冷媒の温度を低下させることができる。
【００５１】
上記のようにスクロール圧縮機がいわゆる非対称渦巻を有することにより、アンロードポート４やインジェクションポート３０を１箇所に集約することができる。つまり、これらのポートを１箇所に設けるだけで、圧縮の進行が約１８０度ずれて始まる２つの圧縮室４０に各ポートを順次連通させることができる。
【００５２】
図３に、アンロードポート４、吐出ポート１９、リリーフポート２９およびインジェクションポート３０と、圧縮室４０との連通角度範囲を示す。図３においてαはアンロードポート４の連通角度範囲を示し、βはリリーフポート２９の連通角度範囲を示し、γは吐出ポート１９の連通角度範囲を示し、δはインジェクションポート３０の連通角度範囲を示している。
【００５３】
次に、上述の構成を有するスクロール圧縮機における特徴的な動作について説明する。
【００５４】
まず、運転状態検知部２７によりスクロール圧縮機の運転状態を検知する。具体的には、運転状態検知部２７における運転圧力比検知部により運転圧力比Ｐｒを検知し、運転状態検知部２７における必要能力検知部によりスクロール圧縮機の必要能力を検知する。
【００５５】
運転圧力比Ｐｒを検知するには、温度センサ等を用いて凝縮温度Ｔｃと蒸発温度Ｔｅを検知し、この値に基づいて凝縮圧力Ｐｃおよび蒸発圧力Ｐｅを得る。そして、これらの圧力値から運転圧力比Ｐｒを算出する。
【００５６】
ここで、運転圧力比Ｐｒと、凝縮温度Ｔｃおよび蒸発温度Ｔｅとの関係例を図４に示す。なお、図４には、冷媒としてＲ２２（ＣＨＣｌＦ₂）を使用した場合のデータを示している。また、図５に、スクロール圧縮機の効率比η^*と運転圧力比Ｐｒとの関係を示す。上記の効率比η^*は、フルロード運転時の効率が最大となる圧力比での効率を１とし、他の場合の効率を比で示したものである。
【００５７】
図４に示すように、凝縮温度Ｔｃおよび蒸発温度Ｔｅの組合せによって運転圧力比Ｐｒの値が変化するのがわかる。また、図５に示すように、運転圧力比Ｐｒの値によって、フルロード運転が最適な場合と、アンロード運転が最適な場合とがあるのがわかる。これは、スクロールの巻角、吐出ポートの位置などで、圧縮開始時の圧縮室体積と、圧縮室が吐出ポートに連通し始める時の圧縮室体積の比で最適な圧力比が決定されることに起因している。
【００５８】
したがって、スクロール圧縮機の効率を高く維持するには、運転圧力比Ｐｒの値によって、フルロード運転とアンロード運転とを切換えることが好ましいことがわかる。
【００５９】
図４および図５に示す例では、アンロード運転とフルロード運転とを切換える目安となるアンロード／フルロード切換目標運転圧力比Ｐｒｏを２．２〜３とすればよい。なお、この圧力比Ｐｒｏの値は使用する冷媒の種類や、冷凍・空気調和機の用途などによって変化するものと考えられるので、使用する冷媒の種類や用途などに応じて予め圧力比Ｐｒｏの値を求めておく。
【００６０】
制御部２６において、スクロール圧縮機の運転時に算出された圧力比Ｐｒと、上記圧力比Ｐｒｏとを比較し、圧力比Ｐｒが圧力比Ｐｒｏよりも大きい場合には原則としてフルロード運転を選択し、圧力比Ｐｒが圧力比Ｐｒｏよりも小さい場合には原則としてアンロード運転を選択する。また、時々刻々変化する室内温度、凝縮温度Ｔｃや蒸発温度Ｔｅなどから、やがて圧力比Ｐｒが圧力比Ｐｒｏよりも小さくなると予測された場合にアンロード運転を選択してもよい。
【００６１】
それにより、図６および図７に示すように、低運転圧力比条件下で過圧縮損失を低減することができ、高運転圧力比条件下で逆流損失を低減することができる。
【００６２】
フルロード運転を行なうには、アンロード操作弁１２を閉じた状態に維持し、アンロード運転を行なうには、制御部２６によってアンロード操作弁１２を開く。
【００６３】
しかし、圧力比Ｐｒが圧力比Ｐｒｏより大きい場合でも、アンロード運転を選択した方が有利な場合がある。具体的には、たとえば蒸発温度Ｔｅが低く凝縮温度Ｔｃが高く（運転圧力比Ｐｒが高い）かつ必要能力が小さい場合である。
【００６４】
このような場合には、上記の必要能力検知部によってスクロール圧縮機の運転時における温度条件等を基に必要能力をも検知しているので、この検知結果に基づいて制御部２６によりアンロード操作弁１２を意図的に開くようにする。それにより、潤滑の厳しいフルロード低速運転を回避することができ、スクロール圧縮機の信頼性を向上することができる。
【００６５】
なお、制御部２６によってモータ２８の回転数を適切に調節することにより、運転圧力比Ｐｒが高い場合にアンロード運転を選択したとしても必要能力を確保することができる。
【００６６】
ところが、図６（ｃ）および図７（ｃ）に示すように、運転圧力比Ｐｒが高い場合にアンロード運転を行なうと、フルロード運転の場合と比べて圧縮不足（逆流損失）が増大する。
【００６７】
しかし、図１に示すように吐出弁２０を設けることにより、アンロード運転時における冷媒の逆流を防止することができ、上記の逆流損失を低減することができる（図８参照）。その結果、低速運転時における効率を向上させることができる。
【００６８】
図９は、リリーフ弁機構３１を併記したスクロール圧縮機の断面図である。図９に示すように、吐出圧に達した圧縮室４０と連通するリリーフポート２９と、該リリーフポート２９を開閉するリリーフ弁３１ａとを設けている。リリーフ弁３１ａ上に弁押え３２を設け、リリーフ弁３１ａおよび弁押え３２はボルト４３により固定スクロール１に取り付けられる。
【００６９】
このようにリリーフ弁３１ａを設けることにより、たとえばアンロード状態で高速運転を行なった場合に、リリーフポート２９を通して吐出圧に達した冷媒を吐出ドームに放出することができ、図７（ａ）および図１０に示すように、過圧縮損失を低減することができる。このことも、スクロール圧縮機の効率向上に効果的に寄与し得る。
【００７０】
図１１に示すように、固定スクロール１の背面に吸入圧力空間３３を設けることが好ましい。それにより、アンロード運転時にバイパス通路６ａを通して吸入圧力空間３３に冷媒を逃がすことができ、低圧空間に冷媒を逃がすべく迂回通路を設ける必要がなくなり、アンロード機構を簡素化することができる。
【００７１】
図１２は、上述の構成を有するスクロール圧縮機にさらに冷媒インジェクション機構を付加した場合のスクロール圧縮機の概略構成図である。
【００７２】
図１２に示すように、スクロール圧縮機は、圧縮室４０に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３０と、インジェクションポート３０にに冷媒を導くインジェクション管３５と、インジェクション管３５に冷媒を供給するインジェクション冷媒供給部４４とを備える。
【００７３】
このように冷媒インジェクション機構を備えることにより、上述の場合よりもさらに可変能力幅を増大することができる。すなわち、フルロード運転時にモータ２８高速回転させたとしても必要能力が得られない場合に、制御部２６によりインジェクション冷媒供給部４４を駆動して圧縮室４０にガス冷媒を供給することができる。それにより、スクロール圧縮機の能力向上を図ることができる。
【００７４】
なお、冷媒インジェクション時には、制御部２６によりアンロード操作弁１２を閉じた状態に保持しておく。それにより、インジェクション冷媒が吸入圧縮室に洩れるのを阻止することができる。
【００７５】
また、運転状態検知部２７により吐出管の温度から吐出された冷媒温度をも検知するようにする。そして、冷媒温度が必要以上に高温となった場合には、制御部２６によりインジェクション冷媒供給部４４を駆動して圧縮室４０に液冷媒を供給することができる。それにより、冷媒や潤滑油の寿命低下を抑制することができるばかりでなく、冷媒温度上昇に起因する機器の運転停止をも回避することができる。
【００７６】
以上のように本発明に係るスクロール圧縮機の説明を行なったが、本発明に係るスクロール圧縮機は、圧縮室４０内に冷媒を供給する冷媒インジェクション機構と、圧縮室４０から低圧側へ冷媒を引き抜くアンロード機構の少なくとも一方をスクロール圧縮機の容量制御手段として備えていればよい。
【００７７】
次に、本発明に係る空気調和機について、図１３〜図１６を用いて説明する。図１３は、本発明に係る空気調和機の概略構成を示す図である。
【００７８】
図１３に示す空気調和機は、いわゆるマルチ型空気調和機であり、複数の負荷側熱交換器を備える。より詳しくは、該空気調和機は、凝縮器２３と、膨張弁２４と、負荷側熱交換器としての蒸発器２５ａ〜２５ｃと、圧縮機３７と、アンロード操作弁１２ａと、四路切換弁３６と、運転状態検知部３９と、制御部３８とを備える。
【００７９】
圧縮機３７は可変容量型の圧縮機であればよく、好ましくは、スクロール圧縮機である。また、圧縮機３７は、冷媒を圧縮する圧縮要素と、この圧縮要素を駆動する可変速モータと、容量制御手段としてのアンロード機構を有する。なお、容量制御手段として上述のスクロール圧縮機の場合と同様に、冷媒インジェクション機構を設けてもよい。
【００８０】
運転状態検知部３９は、空気調和機の運転状態を検知する。この運転状態検知部３９は、前述のスクロール圧縮機の場合と同様に、圧縮機３７における冷媒の吐出圧力に対する冷媒の吸入圧力の比の値である運転圧力比を検知する運転圧力比検知部と、空気調和機の運転時における蒸発器２５ａ〜２５ｃの必要能力を検知する必要能力検知部と、蒸発器２５ａ〜２５ｃの運転台数を検知する運転台数検知部とを含む。なお、運転圧力比や必要能力の検知方法については、前述のスクロール圧縮機の場合と同様である。
【００８１】
制御部３８は、上記運転圧力比、必要能力および蒸発器２５ａ〜２５ｃの運転台数に応じてアンロード機構の動作制御およびモータの回転数制御を行なう。
【００８２】
上記のように空気調和機が運転状態検知部３９および制御部３８を備えることにより、空気調和機の運転状態の検知結果に基づいてアンロード機構の動作制御およびモータの回転数制御を行なうことができる。
【００８３】
それにより、たとえば蒸発器２５ａ〜２５ｃにおける冷媒の蒸発温度と凝縮器２３における冷媒の凝縮温度との差が小さく大能力が必要な場合には、制御部３８によって、アンロード操作弁１２ａを開いてアンロード運転を行なうとともにモータを高速回転させる。それにより、過圧縮損失を低減することができる。
【００８４】
また、上記の温度差が大きく能力が小さくてよい場合には、制御部３８によって、アンロード操作弁１２ａを閉じてフルロード運転を行なうとともにモータを低速回転させる。それにより、逆流損失を低減することができる。
【００８５】
このように、図１４における領域２および領域４で示される条件下においても高効率運転を行なえる。
【００８６】
空気調和機が圧縮機の容量制御手段として冷媒インジェクション機構（図示せず）を備えた場合には、たとえば外気温が低く蒸発温度も低い暖房運転時に、制御部３８によって冷媒インジェクション機構を作動させてガス冷媒のインジェクションを行ないかつモータを高速回転させることができる。この場合には、モータの回転数を極端に上昇させることなく吐出冷媒量を増加させることができ、圧縮機の信頼性を向上させることができる。
【００８７】
また、圧縮機の低速運転時に圧縮機の断熱効率が低下して吐出冷媒の温度が上昇した場合、冷媒インジェクション機構を作動させて液冷媒のインジェクションを行なうことにより、吐出冷媒の温度を低下させることができる。それにより、冷媒や潤滑油の寿命低下を抑制することができるのみならず吐出冷媒の温度上昇に起因して空気調和機の運転を停止させる必要もなくなる。
【００８８】
ところで、図１３に示すようなマルチ型空気調和機では、蒸発温度と凝縮温度の関係以外に、負荷側熱交換器の運転台数も必要能力に影響を及ぼす。そこで、上記のように運転台数検知部を設けることにより、運転台数をも考慮してアンロード機構の動作制御およびモータの回転数制御を行なうことができる。
【００８９】
それにより、たとえば蒸発温度と凝縮温度間の温度差が小さい場合の全蒸発器２５ａ〜２５ｃ運転状態や、上記温度差が大きい場合の蒸発器２５ａ〜２５ｃの一部運転状態においても、高効率運転を行なうことができる。
【００９０】
なお、圧縮機３７に、前述のスクロール圧縮機の場合と同様に、吐出弁やリリーフ弁を設けてもよい。
【００９１】
次に、図１５および図１６を用いて、本発明に係る空気調和機の動作例について説明する。図１５は、図１３に示す空気調和機の動作の一例（冷房運転の場合）を説明するためのフローチャートである。図１６は、図１３に示す空気調和機に冷媒インジェクション機構を付加した場合の空気調和機の動作の一例を説明するためのフローチャートである。
【００９２】
まず、図１５を参照して、ステップＳ１において、運転状態検知部３９により、凝縮器（室外機）２３における凝縮温度Ｔｃと、蒸発器（室内機）２５ａ〜２５ｃにおける蒸発温度Ｔｅとを検知する。このとき、圧縮機３７の運転周波数ｆと現在の各室内機能力をも検知しておく。
【００９３】
次に、ステップＳ２において、凝縮温度Ｔｃと蒸発温度Ｔｅより冷媒凝縮時圧力Ｐｃ（吐出圧力Ｐｄとほぼ等しい）および冷媒蒸発時圧力Ｐｅ（吸入圧力Ｐｓとほぼ等しい）が得られ、これより運転圧力比Ｐｒ（Ｐｃ／Ｐｅ）を算出する。
【００９４】
次に、ステップＳ３において、制御部３８により、予めデータとしてインプットされているアンロード／フルロード切換目標運転圧力比Ｐｒｏと上記の運転圧力比Ｐｒとを比較する。
【００９５】
そして、圧力比Ｐｒが圧力比Ｐｒｏよりも小さい場合には、ステップＳ４において、制御部３８によりアンロード操作弁１２ａが開かれ、アンロード運転が行なわれる。
【００９６】
ステップＳ５において、上記のアンロード運転時に、運転状態検知部３９により、蒸発器（室内機）２５ａ〜２５ｃの能力が充分か否かが検知される。そして、能力が適切である場合には、ステップＳ６において圧縮機３７の運転周波数ｆをそのまま維持し、能力不足の場合には、ステップＳ８において制御部３８により上記運転周波数ｆを上昇させ、能力が過大である場合には、ステップＳ７において制御部３８により上記運転周波数ｆを下降させる。
【００９７】
ステップＳ８において運転周波数ｆを上昇させた後に、ステップＳ９において、運転状態検知部３９により、運転周波数ｆが運転可能な最大値でしかも蒸発器（室内機）２５ａ〜２５ｃの能力が不足しているか否かを判断する。そして、能力不足の場合には、ステップＳ１３において、制御部３８によりアンロード操作弁１２ａが閉じられ、フルロード運転が行なわれる。能力が充分である場合には、ステップＳ１０において、上記運転周波数ｆをそのまま維持する。
【００９８】
ステップＳ７において上記運転周波数ｆを下降させた後に、ステップＳ１１において、運転周波数ｆが運転可能な最小値でしかも蒸発器（室内機）２５ａ〜２５ｃの能力が過大であるか否かを判断する。そして、能力が過大である場合には、ステップＳ１２において、制御部３８により圧縮機３７停止させ、能力が過大ではない場合には、ステップＳ１０において、上記運転周波数ｆをそのまま維持する。
【００９９】
ステップＳ３において圧力比Ｐｒが圧力比Ｐｒｏ以上の場合には、ステップＳ１３に移行し、制御部３８によりアンロード操作弁１２ａを閉じた状態に維持し、フルロード運転が行なわれる。
【０１００】
このようにフルロード運転が行なわれた後、ステップＳ１４において、運転状態検知部３９により、蒸発器（室内機）２５ａ〜２５ｃの能力が充分であるか否かを判断する。そして、能力が適切である場合には、ステップＳ１５において圧縮機３７の運転周波数ｆをそのまま維持し、能力不足の場合には、ステップＳ１９において制御部３８により上記運転周波数ｆを上昇させ、能力が過大である場合には、ステップＳ１６において制御部３８により上記運転周波数ｆを下降させる。
【０１０１】
ステップＳ１６において運転周波数ｆを下降させた後、ステップＳ１７において、運転周波数ｆが運転可能な最小値でしかも蒸発器（室内機）２５ａ〜２５ｃの能力が過大であるか否かを判断する。そして、能力が過大である場合には、ステップＳ４に移行し、制御部３８によりアンロード操作弁１２ａを開いてアンロード運転を行ない、能力が過大ではない場合には、ステップＳ１８において、上記運転周波数ｆをそのまま維持する。
【０１０２】
ステップＳ１９において運転周波数ｆを上昇させさせた後、ステップＳ２０において、運転周波数ｆが運転可能な最大値でしかも蒸発器（室内機）２５ａ〜２５ｃの能力が不足であるか否かを判断する。そして、能力不足である場合には、ステップＳ２２において圧縮機３７の運転周波数ｆを最大値で維持し、能力不足ではない場合には、ステップＳ２１において上記運転周波数ｆを維持する。
【０１０３】
ちなみに、能力の調整をするにあたり、アンロード／フルロードの切換が頻繁に起こり、異常振動する可能性があるが、同一運転周波数でのアンロード運転時能力Ｑｕとフルロード運転時能力Ｑｆの能力変化率Ｑｆ／Ｑｕよりもフルロード（またはアンロード）状態下での最小運転周波数時能力Ｑminと最大運転周波数時能力Ｑmaxの能力変化率Ｑmax／Ｑminを大きくすることで、アンロード／フルロード切換時のハンチングを防止することができる。
【０１０４】
次に、冷媒インジェクション機構を付加した場合の動作例について説明する。
図１６を参照して、ステップＳ２１までの動作については上述の場合と同様であるので説明は省略する。ステップＳ２０において運転周波数ｆが運転可能な最大値でしかも蒸発器（室内機）２５ａ〜２５ｃの能力が不足である場合、ステップＳ２２において、冷媒インジェクション機構を作動させてガス冷媒を圧縮機３７の圧縮要素内にインジェクションする。
【０１０５】
上記インジェクション後に、ステップＳ２３において、蒸発器（室内機）２５ａ〜２５ｃの能力が充分であるか否かを判断する。能力が適切である場合には、ステップＳ２４において圧縮機３７の運転周波数ｆをそのまま維持し、能力不足の場合には、ステップＳ２５において上記運転周波数ｆを最大値で維持し、能力が過大である場合には、ステップＳ２６において制御部３８により上記運転周波数ｆを下降させる。
【０１０６】
以上のような動作制御を行なうことにより、あらゆる運転状態において空気調和機の高効率運転を行なえる。
【０１０７】
なお、図１３に示す空気調和機は、１台の圧縮機を備えているが、複数の圧縮機を備えてもよい。また、空気調和機が複数の圧縮機を備えた場合、前述の容量制御機構付インバータ圧縮機と、他のタイプの圧縮機（たとえば、一定速容量制御機構付圧縮機や、一定速一定容量型圧縮機等）とを組合わせてもよい。
【０１０８】
上述のように本発明の実施の形態について説明を行なったが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。
【０１０９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、あらゆる運転状態で高効率運転を行なうことができ、可変能力幅が大きく、かつ信頼性の高いスクロール圧縮機および空気調和機が得られる。また、空気調和機の場合には、多数の小型圧縮機を並列に接続した複雑なシステムになることを回避でき、低コスト化も可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 冷凍サイクルを併記した本発明に係るスクロール圧縮機の概略構成図である。
【図２】 図１におけるＸ−Ｘ線断面図である。
【図３】 アンロードポート、リリーフポート、インジェクションポートおよび吐出ポートの開口角度範囲例を示す図である。
【図４】 運転温度条件（凝縮温度、蒸発温度）と運転圧力比の関係を示す図である。
【図５】 圧縮機効率比と運転圧力比の関係を示す図である。
【図６】 （ａ）は、アンロードＯＦＦの時の低運転圧力比条件下での冷媒の圧力変化と可動スクロールの回転角との関係を示す図である。
（ｂ）は、アンロードＯＦＦの時の通常運転圧力比条件下での冷媒の圧力変化と可動スクロールの回転角との関係を示す図である。
（ｃ）は、アンロードＯＦＦの時の高運転圧力比条件下での冷媒の圧力変化と可動スクロールの回転角との関係を示す図である。
【図７】 （ａ）は、アンロードＯＮの時の低運転圧力比条件下での冷媒の圧力変化と可動スクロールの回転角との関係を示す図である。
（ｂ）は、アンロードＯＮの時の通常運転圧力比条件下での冷媒の圧力変化と可動スクロールの回転角との関係を示す図である。
（ｃ）は、アンロードＯＮの時の高運転圧力比条件下での冷媒の圧力変化と可動スクロールの回転角との関係を示す図である。
【図８】 アンロードＯＮの時の高運転圧力比条件下で吐出弁を設けた場合の冷媒の圧力変化と可動スクロールの回転角との関係を示す図である。
【図９】 リリーフポートおよびリリーフ弁を併記したスクロール圧縮機の部分断面図である。
【図１０】 アンロードＯＮの時の低運転圧力比条件下でリリーフ弁を設けた場合と設けない場合における冷媒の圧力変化と可動スクロールの回転角との関係を示す図である。
【図１１】 固定スクロールの背面空間を低圧（吸入圧）空間とした場合のスクロール圧縮機の部分断面図である。
【図１２】 アンロード機構および冷媒インジェクション機構を備えた場合のスクロール圧縮機の概略構成図である。
【図１３】 本発明に係る空気調和機の概略構成図である。
【図１４】 凝縮温度と蒸発温度の関係と示す図である。
【図１５】 図１３に示す空気調和機の動作例を説明するためのフローチャートである。
【図１６】 図１３に示す空気調和機に冷媒インジェクション機構を付加した場合の空気調和機の動作例を説明するためのフローチャートである。
【図１７】 従来の冷媒圧縮機の部分断面図である。
【図１８】 運転温度条件（凝縮温度、蒸発温度）と運転圧力比の関係を示す図である。
【符号の説明】
１ 固定スクロール、２ 可動スクロール、３ 低圧空間、４ アンロードポート、５ 弁穴、６，６ａ バイパス通路、７ バイパス弁、８ コイルスプリング、９ 蓋部材、１０ 吐出ドーム、１１ 操作圧室、１２，１２ａ アンロード操作弁、１３ 低圧ライン、１４ 吐出管（高圧ライン）、１５ 操作圧ライン、１６ 継手管、１７ キャピラリチューブ、１８ ケーシング、１９ 吐出ポート、２０ 吐出弁、２１弁ばね、２２ 弁押え、２３ 凝縮器、２４ 膨張弁、２５ 蒸発器、２６，３８ 制御部、２７，３９運転状態検知部、２８ モータ、２９ リリーフポート、３０ インジェクションポート、３１ リリーフ弁機構、３１ａ リリーフ弁、３２ 弁押え、３３ 吸入圧力空間、３４ 吸入管、３５ インジェクション管、３６ 四路切換弁、３７ 圧縮機、４０ 圧縮室、４１，４２ 渦巻体、４３ ボルト、４４ インジェクション冷媒供給部。

Claims (10)

1. 冷媒を圧縮する圧縮室（４０）を形成する可動スクロール（２）および固定スクロール（１）を有するスクロール圧縮機であって、
   前記可動スクロール（２）を駆動する可変速モータ（２８）と、
   前記圧縮室（４０）内に冷媒を供給あるいは前記圧縮室（４０）から低圧側へ冷媒をバイパスすることにより、前記スクロール圧縮機の容量を制御する容量制御手段（１２，３５）と、
   前記スクロール圧縮機の運転状態を検知する運転状態検知部（２７）と、
   前記運転状態検知部（２７）により検知された運転状態に応じて前記容量制御手段（１２，３５）の動作制御および前記モータ（２８）の回転数制御を行なう制御部（２６）とを備え、
   前記運転状態検知部（２７）は、冷媒の吐出圧力に対する冷媒の吸入圧力の比の値である運転圧力比を検知する運転圧力比検知部と、前記スクロール圧縮機の運転時の必要能力を検知する必要能力検知部とを含み、
   前記制御部（２６）は、前記運転圧力比および前記必要能力に応じて前記容量制御手段（１２，３５）の動作制御および前記モータ（２８）の回転数制御を行なう、スクロール圧縮機。
2. 前記容量制御手段（１２，３５）は、前記圧縮室（４０）における圧縮開始時点を遅らせてアンロード運転を行なうためのアンロード手段（１２）を含む、請求項１に記載のスクロール圧縮機。
3. 前記容量制御手段（１２，３５）は、前記圧縮室（４０）内に冷媒をインジェクションするための冷媒インジェクション手段（３５）を含む、請求項１または請求項２に記載のスクロール圧縮機。
4. 圧縮後の冷媒を吐出する吐出ポート（１９）と、
   前記吐出ポート（１９）を開閉し冷媒の逆流を防止するための吐出弁（２０）とを備えた、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。
5. 吐出圧に達した前記圧縮室（４０）と連通するリリーフポート（２９）と、
   前記リリーフポート（２９）を開閉するリリーフ弁（３１ａ）とを備えた、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。
6. 前記可動スクロール（２）および前記固定スクロール（１）は、渦巻体（４１，４２）を有し、
   一方の前記渦巻体（４１）の巻終り端部が他方の前記渦巻体（４２）の巻終り端部近傍にまで延在する、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。
7. 前記固定スクロール（１）の背面に吸入圧力空間（３３）を備えた、請求項２から請求項６のいずれかに記載のスクロール圧縮機。
8. 請求項１から請求項７のいずれかに記載のスクロール圧縮機を備えた、空気調和機。
9. 冷媒を圧縮する圧縮要素を有する圧縮機（３７）と、冷媒を凝縮あるいは蒸発させる複数の負荷側熱交換器（２５ａ，２５ｂ，２５ｃ）とを有する空気調和機であって、
   前記圧縮要素を駆動する可変速モータと、
   前記圧縮要素に冷媒を供給あるいは前記圧縮要素から冷媒を引き抜くことにより、前記圧縮機の容量を制御する容量制御手段（１２ａ）と、
   前記空気調和機の運転状態を検知する運転状態検知部（３９）と、
   前記運転状態検知部（３９）により検知された運転状態に応じて前記容量制御手段（１２ａ）の動作制御および前記モータの回転数制御を行なう制御部（３８）とを備え、
   前記運転状態検知部（３９）は、前記圧縮機における冷媒の吐出圧力に対する冷媒の吸入圧力の比の値である運転圧力比を検知する運転圧力比検知部と、前記空気調和機の運転時における前記負荷側熱交換器（２５ａ，２５ｂ，２５ｃ）の必要能力を検知する必要能力検知部とを含み、
   前記制御部（３８）は、前記運転圧力比および前記必要能力に応じて前記容量制御手段（１２ａ）の動作制御および前記モータの回転数制御を行なう、空気調和機。
10. 前記運転状態検知部（３９）は、前記負荷側熱交換器（２５ａ，２５ｂ，２５ｃ）の運転台数を検知する運転台数検知部を含み、
    前記運転台数をも考慮して容量制御手段（１２ａ）の動作制御および前記モータの回転数制御を行なう、請求項９に記載の空気調和機。

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