JP5877361B2 - スクロール圧縮機を備えた超低温冷凍装置 - Google Patents

Description

本発明は、超低温冷凍装置におけるスクロール圧縮機の良好な潤滑を得る技術に関する。

スクロール圧縮機は、密閉容器内に電動機構成の電動要素とこの電動要素によって駆動されるスクロール圧縮要素とを収容し、スクロール圧縮要素は、鏡板の表面に渦巻き状のラップが立設された固定スクロールと、固定スクロールに対向配置され鏡板の表面に渦巻き状のラップが立設され電動要素の回転軸の回転に伴って旋回運動する揺動スクロールとを備える。

また、固定スクロールのラップと揺動スクロールのラップとが互いに偏心して、この偏心方向の線上で相互接触による噛み合わせにて閉じ込められた圧縮空間が形成される。この圧縮空間は、電動要素の回転軸の回転に伴う揺動スクロールの旋回運動により、外側から内側に向かって次第に縮小されることにより低圧室、中間圧室、及び高圧室を形成し、圧縮空間の外周部に連通した吸入管から低圧室への冷媒ガスの吸込口に吸い込んだ冷媒ガスを順次、低圧室、中間圧室、及び高圧室にて圧縮しつつ、高圧室と連通するように中心部に形成した吐出ポートから吐出する構成である。

このように、スクロール圧縮機によって圧縮され吐出ポートから吐出された冷媒が、凝縮器で凝縮され、膨張弁で減圧膨張された液体冷媒が蒸発器で蒸発し、再びスクロール圧縮機へ帰還する冷媒循環回路を構成した冷凍装置において、内部低圧型スクロール圧縮機を採用して、スクロール圧縮要素の圧縮空間のうち、凝縮器を出た液冷媒の一部を中間圧室へインジェクションすることにより、スクロール圧縮機の吐出ガス温度を制御するものがある（特許文献１参照）。

特開２０１１−０４７３８３号公報

上記のように、スクロール圧縮機で冷媒を圧縮する場合、スクロール圧縮機中の潤滑用オイルの一部がガス冷媒に混入した状態で吐出され、冷凍装置を構成する冷媒循環回路中に入る。特に、スクロール圧縮機を含む冷凍装置によって、膨張弁で減圧膨張された冷媒が導入される蒸発器での冷媒蒸発温度を超低温帯である−４０℃以下の温度帯、例えば−４０℃〜−６０℃程度の超低温の冷凍装置を構成する場合、膨張弁による絞り効果によって、冷凍装置を構成する冷媒循環回路中の冷媒循環量が少なくなる。このため、スクロール圧縮要素の圧縮空間の入り口へ吸入される冷媒ガス量が減少し、これに伴って冷媒ガスに含まれた潤滑用オイルの量も圧縮空間の入り口へ吸入される量が減少した状態となり、スクロール圧縮要素部の潤滑不良となる。

また、上記のように、冷媒ガス中のオイルの量が減少してスクロール圧縮要素への潤滑用オイルの供給が不足した場合には、圧縮空間を形成する固定スクロールのラップと揺動スクロールのラップとの相互の摺接による噛み合わせ部のシールに必要なオイルの供給量が不足し、この部分のシールに必要な油膜の形成が困難となり、この部分からの圧縮ガス漏れが増加して冷凍能力の低下を招く。

スクロール圧縮要素部の温度上昇を抑制するために、特許文献１のように、液冷媒の一部をスクロール圧縮要素の中間圧部分へ供給するリキッドインジェクション回路を備えた場合、このリキッドインジェクションされる液冷媒によって、圧縮空間のうちの中間圧室のオイルも流され、このスクロール圧縮要素のオイル潤滑が不足することが懸念される。

上記のように、−４０℃〜−６０℃程度の超低温の冷凍装置を構成する場合、スクロール圧縮要素の圧縮空間の入り口へ吸入される冷媒ガス量の減少に伴うオイル吸入量の減少と、更に、リキッドインジェクションされる液冷媒によって生じる中間圧室のオイル不足により、スクロール圧縮要素のオイル潤滑不足が懸念される。

本発明はこのような点に鑑み、内部低圧型スクロール圧縮機を採用して超低温冷凍装置を構成する場合に、スクロール圧縮要素の温度上昇を抑制するために、液冷媒の一部をスクロール圧縮要素の中間圧部分へ供給するリキッドインジェクション回路を備えた場合において、スクロール圧縮要素の潤滑不足に伴うスクロール部分での摩擦の発生を抑制することができ、超低温冷凍に用いるのに好適なスクロール圧縮機を備えた超低温冷凍装置を提供することを目的とするものである。

本発明の請求項１に記載の超低温冷凍装置は、電動要素と前記電動要素によって駆動されるスクロール圧縮要素とが密閉容器内に収容され、前記密閉容器内の前記スクロール圧縮要素の下方空間を低圧室とし、前記密閉容器内の前記スクロール圧縮要素の上方空間を前記スクロール圧縮要素にて圧縮された冷媒ガスの吐出圧力空間とし、前記スクロール圧縮要素に連通した吸入管から吸い込んだ冷媒ガスを前記スクロール圧縮要素にて圧縮しつつ吐出ポートから前記吐出圧力空間に吐出し、この吐出される冷媒ガスを前記密閉容器外に吐出するスクロール圧縮機を備え、
前記吐出される冷媒ガスが、凝縮器、液冷媒を溜めるレシーバタンクを経て膨張弁にて減圧膨張された液冷媒を蒸発器で蒸発した後、再び前記吸入管から前記スクロール圧縮要素へ帰還する冷媒循環回路を形成し、
前記圧縮機のスクロール圧縮要素から吐出する冷媒ガスが前記密閉容器外の前記凝縮器に送り出される冷媒循環回路上にオイルセパレータが設置され、
前記オイルセパレータに貯油したオイルを前記密閉容器内に返油するオイルリターン回路を備え、
前記レシーバタンクに溜まった液冷媒の一部または前記レシーバタンクを出た冷媒を過冷却器で過冷却した液冷媒の一部を、前記スクロール圧縮要素の低圧部または中間圧部の圧縮室へ供給するリキッドインジェクション回路を備え、
前記オイルセパレータで冷媒から分離されたオイルを前記スクロール圧縮要素の低圧部または中間圧部の圧縮室へ供給するオイルインジェクション回路を備え、
−４０℃以下の超低温に冷却する超低温冷凍装置において、
前記オイルセパレータは、
上下方向に長い容器と、
この容器内の上部側に設置される冷媒とオイルの分離用フィルタと、
前記密閉容器から吐出する冷媒が前記フィルタへ流入する流入管及び前記フィルタで分離されたオイルが前記凝縮器へ流出する流出管を前記容器の上部に有し、
前記フィルタで分離され滴下されて前記容器内の底部に貯留するオイルの液量に応じて昇降するフロートと、
このフロートが予め設定された所要レベルを越えて上昇すると作動するフロート式弁と、
前記容器内の底部に貯留するオイルの液面が所要レベルを越えるところで前記フロート式弁が開き前記容器内の底部に貯留するオイルを圧力差にて吸引し前記容器の上部から前記オイルリターン回路へ供給するオイル管と、を備え、
更に、前記オイルインジェクション回路の先端部が前記容器内の最下部に接続される構成であり、
前記低圧室の内部圧力を検知する低圧圧力センサを設け、制御部によって、前記低圧圧力センサからの出力信号に基づき冷媒の圧力とエンタルピーとの相関性を示す線図によって算出される前記低圧室の温度が設定値を下回っているとき、前記オイルインジェクション回路に設けた電磁弁を開き、前記低圧室の内部温度が設定温度に達するまでオイルを前記スクロール圧縮要素の低圧部または中間圧部の圧縮室へ供給する
ことを特徴とする。

本発明の請求項１に係る超低温冷凍装置によれば、オイルセパレータで冷媒から分離されたオイルをスクロール圧縮要素の低圧部または中間圧部の圧縮室へ供給するオイルインジェクション回路を設けており、このオイルインジェクション回路を介してスクロール圧縮要素の低圧部または中間圧部の圧縮室へオイルを供給するようになっているので、スクロール部分での摩擦の発生を抑制することができるという利点がある。
また、オイルリターン回路を備えることにより、冷媒回路の蒸発器として作用する熱交換器などへオイルが送り込まれることによる各種の不都合を回避できるという利点がある。
本発明の請求項３に係る超低温冷凍装置によれば、圧縮機の密閉容器内の低圧室の温度が所定値以下に降下すると、第２電磁弁が開いてオイルが補給されるので、温度低下が原因でスクロールの圧縮室内に生じるオイル不足を解消させることができるという利点がある。
更に、油量が所定値を上回ると自動的に密閉容器内へ回収させることができるので、簡易かつ低コストでオイルの供給自動化を実現できるという利点がある。

本発明の実施形態に係る超低温冷凍装置に用いる冷媒回路を示す説明図である。 その冷媒回路に用いる超低温圧縮機を示す拡大断面図である。 （Ａ）はその冷媒回路に用いるオイルセパレータなどを示す断面図、（Ｂ）はその平面図である。 （Ａ）から（Ｃ）は本発明の実施形態に係る超低温冷凍装置の圧縮機でのスクロール圧縮作用を示す説明図である。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本実施形態に係る超低温冷凍装置に用いる冷媒循環回路を構成する冷媒回路１を示すものであり、この冷媒回路１は、スラッジ等の異物を除去するためのストレーナ２と、液冷媒（液状の冷媒、以下同じ。）を貯留しガス化させるアキュムレータ３と、極低温・低圧のガス冷媒（ガス状の冷媒、以下同じ。）を吸入し圧縮するスクロール型の超低温圧縮機（以下、「圧縮機」とよぶ）１００と、この圧縮機１００から吐出された高温・高圧の冷媒に含まれる潤滑油であるオイルを分離・貯留し後述するオイルリターン回路２３を介して圧縮機１００に戻すオイルセパレータ５と、凝縮器として作用する熱交換器６と、この熱交換器６から流出した液冷媒を貯留するレシーバタンク７と、熱交換器６と一体的に設置された過冷却器８と、冷媒に含まれる水分を除去するフィルタードライヤ９と、及び水分検出用のモイスチャーインジケータ１０と、が順次配管接続されている。

また、この冷媒回路１には、詳細は後述するが、リキッドインジェクション回路２１と、オイルインジェクション回路２２と、オイルリターン回路２３と、制御部２４と、をさらに備えている。なお、図１中、符号２５は低圧圧力センサ、２６は高圧圧力センサを示す。

そして、この室外側の冷媒回路１には、ユニット間配管１１及び１２を介して膨張弁等の減圧装置１３と、蒸発器などとして作用する熱交換器１４とが環状に配管接続されており、冷凍サイクルを構成している。なお、図１中、符号１５は、熱交換器６及び過冷却器８に送風する冷却ファンである。

圧縮機１００は、詳細は後述するが、スクロール型超低温圧縮機で構成されており、図２に示すように、密閉容器１０１の上部内に設けたスクロール圧縮要素の固定スクロール１１４にはリキッドインジェクション回路２１の先端が連結されている。また、圧縮機１００の吐出ポートである吐出孔１１３から上方へ吐出される冷媒ガスの流れが側方へ偏向されて吐出されるカバー１２７には、この上壁に開口した図示外の出口近傍に、上壁を貫通するパイプＰの先端部に温度検知部６０が収容されている。

オイルセパレータ５は、図３に示すように、容器５Ａ内の底部にフロート式弁５Ｂが設置されおり、容器５Ａ内の底部に貯留されるオイルの液量が増大するにつれてフロート５Ｃが上昇し、液面が所要レベルを越えるところで開弁してオイル管５Ｄからオイルリターン回路２３へオイルが供給される。また、このオイルセパレータ５には、容器５Ａの上部に、流入管１Ａ及び流出管１Ｂが配管されており、密閉容器１０１から吐出する冷媒が流入管１Ａを介してフィルタ５Ｅに流入すると、このフィルタ５Ｅでオイルのみが分離されて容器５Ａ内の底部に貯留するようになっている。一方、冷媒中のオイルが分離・除去された後の冷媒が流出管１Ｂから熱交換器６へ送り込まれる。

リキッドインジェクション回路２１は、圧縮機１００の高圧状態の圧縮室内の温度上昇を検知すると過冷却（又は冷却でもよい）された液冷媒によってこの圧縮室を冷却させるために設置されている。このリキッドインジェクション回路２１は、レシーバタンク７を出た後、過冷却器８にて過冷却された液冷媒の一部（またはレシーバタンク７に溜まった液冷媒の一部）を、圧縮機１００のスクロール圧縮要素の低圧部または中間圧部の圧縮室へ供給するようになっている。

本実施形態のリキッドインジェクション回路２１は、図２に示すように、過冷却器８にて過冷却された液冷媒の一部を圧縮機１００のスクロール圧縮要素の圧縮室を構成する、低圧部、中間圧部、高圧部の３室からなる圧縮室のうち、中間圧部の圧縮室へ送り込むように構成されている。また、本実施形態のリキッドインジェクション回路２１には、サービス用弁２１Ｓ、ストレーナ２１Ｃ、第１電磁弁２１Ａと、ソレノイド２１Ｄ等が設置されている。このような構成のリキッドインジェクション回路２１では、吐出孔１１３から上方へ吐出される冷媒ガスの温度が温度検知部６０によって検知されると、その検知温度が所定の設定温度を越えるときには、ソレノイド２１Ｄがオンして開くのと同時に、設定温度と検知温度との温度差に応じて第１電磁弁２１Ａの開度量が制御され、過冷却された冷媒が圧縮室へ送り込まれる。

温度検知部６０は、前述したように、図１に示す密閉容器１０１及びカバー１２７の上壁を貫通したパイプＰの先端部に収容されており、吐出孔１１３から上方へ吐出される冷媒ガスの温度を検知する。この温度検知部６０で検知された温度情報は、制御部２４へ出力されるとともに、制御部２４では、この温度情報に基づき、例えばカバー１２７の図示外の出口での温度が所定の設定温度を上回るときには、ソレノイド２１Ｄをオンさせるための第３制御信号Ｉ_３及び第１電磁弁２１Ａの開度量調整のための第１制御信号Ｉ_１をそれぞれ出力する。

オイルインジェクション回路２２は、圧縮機１００のスクロール外に吐出された後の冷媒が流入するオイルセパレータ５で冷媒中から分離されたオイルを、スクロール圧縮要素１０２の低圧部または中間圧部の圧縮空間１２５へ供給するものであり、この供給は蒸発器の冷媒蒸発温度が所定温度以下になると行われる。

即ち、このオイルインジェクション回路２２は、冷媒の蒸発温度が超低温、例えば−４０℃以下になると、冷媒の循環量が低下するのと同時に冷媒に混入しているオイルも循環量が少なくなる。そこで、オイルセパレータ５で冷媒から分離されたオイルを前述のリキッドインジェクション回路２１の下流側に合流させることで、圧縮機１００のスクロール圧縮要素１０２の低圧部または中間圧部の圧縮室へ潤滑用のオイルも同時に補給させるようになっている。なお、本実施形態では、上述したように、リキッドインジェクション回路２１（同時に、オイルインジェクション回路２２も同様）の先端がスクロール圧縮要素１０２の中間圧部の圧縮室に接続されているが、本発明では、スクロール圧縮要素１０２の低圧部の圧縮室に接続させてもよい。

本実施形態のオイルインジェクション回路２２は、図３に示すオイルセパレータ５の底部とリキッドインジェクション回路２１のソレノイド２１Ｄの排出側との間に連結されており、キャピラリチューブ２２Ａと、第２電磁弁２２Ｂとが設けられている。

このうち、キャピラリチューブ２２Ａは、オイルセパレータ５で冷媒から分離されたオイルに対して、管内が極端に狭まった通路を通過させることで、ここを通過するオイルの過剰な供給を防止して常時安定した流量の制御を行う。

第２電磁弁２２Ｂは、制御部２４によって開弁制御される。即ち、制御部２４は、圧縮機１００の低圧室１１２の内部圧力を検知する低圧圧力センサ２５からの圧力信号を介して低圧室１１２の内部温度を検出し、この温度が所定の設定値以下になると、第２電磁弁２２Ｂの開弁用の第２制御信号Ｉ_２を出力する。これにより、リキッドインジェクション回路２１側の冷媒とともに、オイルを圧縮機１００のスクロール圧縮要素の中間圧部の圧縮室へ適宜供給することで、スクロールの圧縮室内部に不足しているオイルを補給させ、スクロールに対する焼き付け防止、及び圧縮空間を形成する固定スクロールのラップと揺動スクロールのラップとの相互の摺接による噛み合わせ部のシール部からの冷媒の漏れ防止を図るようになっている。

なお、低圧圧力センサ２５の圧力情報から圧縮機１００の低圧室１１２の内部温度を検出する検出方法については、制御部２４に格納された、冷媒の圧力Ｐ（飽和圧力、絶対圧力）とエンタルピーＨとの相関性を示すＰＨ線図（即ち、モリエール線図）に基づき、検出した圧力値に対応する温度が同定されることから、温度検出を行うようになっている。また、本発明での低圧圧力の検出部位については、熱交換器１４から圧縮機１００までの間の冷媒回路１中であってもよい。

オイルリターン回路２３は、オイルセパレータ５で冷媒から分離されたオイルを圧縮機１００の密閉容器１０１内へ回収させるものであり、上述したようにオイルセパレータ５の底部に所定量以上にオイルが貯留されたときに、密閉容器１０１内の底部へ給油させる。

制御部２４は、入力が密閉容器１０１及びカバー１２７の上壁を貫通するパイプＰの先端部に収容された温度検知部６０に接続されているとともに、出力がリキッドインジェクション回路２１の第１電磁弁２１Ａ及びソレノイド２１Ｄに接続されている。また、この制御部２４は、入力が圧縮機１００の低圧室１１２の内部圧力を検知する低圧圧力センサ２５にも接続されているとともに、出力がオイルインジェクション回路２２の第２電磁弁２２Ｂにも接続されている。

次に、本実施形態に係る冷媒回路１に備えた、スクロール圧縮機１００について、詳細に説明する。
図２において、スクロール圧縮機１００は内部低圧型のものであって、鋼板からなる縦型円筒状の密閉容器１０１を備えている。この密閉容器１０１は、縦長円筒状を呈する容器本体１０１Ａと、この容器本体１０１Ａの両端（上下両端）にそれぞれ溶接固定された略椀状を呈するエンドキャップ１０１Ｂ（図中上方）及びボトムキャップ１０１Ｃ（図中下方）とから構成されている。以下、密閉容器１０１のエンドキャップ１０１Ｂ側を上、ボトムキャップ１０１Ｃ側を下で説明を行う。

この密閉容器１０１内には、下側に駆動手段としての電動要素１０３、上側に電動要素１０３の回転軸１０５にて駆動されるスクロール圧縮要素１０２がそれぞれ収納されている。該密閉容器１０１内のスクロール圧縮要素１０２と電動要素１０３の間には、上部支持フレーム１０４（メインフレーム）が収納されており、この上部支持フレーム１０４には中央に軸受部１０６とボス収容部１２２とが形成されている。

この軸受部１０６は、回転軸１０５の先端（上端）側を軸支するためのものであり、当該上部支持フレーム１０４の一方の面（下側の面）の中央から下方に突出して形成されている。また、ボス収容部１２２は後述する揺動スクロール１１５のボス１２４を収容するためのものであり、上部支持フレーム１０４の他方の面（上側の面）の中央を下方に凹陥することにより形成されている。

また、電動要素１０３下部の密閉容器１０１内には、下部支持フレーム１０７（ベアリングプレート）が収納されており、この下部支持フレーム１０７の中央には軸受け１０８が形成されている。この軸受け１０８は、回転軸１０５の末端（下端）側を軸支するためのものであり、当該下部支持フレーム１０７の一方の面（下側の面）の中央から下方に突出して形成されている。そして、下部支持フレーム１０７の下側の空間、即ち、密閉容器１０１内の底部は、スクロール圧縮要素１０２などを潤滑する潤滑油が貯留される油溜め１６２とされている。

前記回転軸１０５の先端（上端）には、偏心軸１２３が形成されている。この偏心軸１２３は、中心が回転軸１０５の軸心と偏心して設けられると共に、図示しないスライドブッシュ及び旋回軸受けを介して、揺動スクロール１１５のボス１２４に、当該揺動スクロール１１５を旋回駆動可能に挿入されている。

前記スクロール圧縮要素１０２は、固定スクロール１１４と揺動スクロール１１５とで構成されている。該固定スクロール１１４は、円形状の鏡板１１６と、この鏡板１１６の一方の面（下側の表面）に立設されたインボリュート状、又は、これに近似した曲線からなる渦巻き状のラップ１１７と、このラップ１１７の周囲を取り囲むように立設された周壁１１８と、この周壁１１８の周囲（周壁１１８の他方の面側（上側））に突出して設けられ、外周縁が密閉容器１０１の容器本体１０１Ａの内面に焼き嵌めされたフランジ１１９とが、一体に構成されている。

そして、固定スクロール１１４は、フランジ１１９が容器本体１０１Ａの内面に焼き嵌め固定されると共に、鏡板１１６の中央部（固定スクロール１１４の中心）には、スクロール圧縮要素１０２にて圧縮された冷媒ガスを密閉容器１０１内上側に形成された吐出圧力空間１１１（マフラー室）に連通する吐出孔１１３が形成されている。係る固定スクロール１１４は、ラップ１１７の突出方向を下方としている。

前記電動要素１０３は、密閉容器１０１に固定された固定子１５０と、この固定子１５０の内側に配置され、固定子１５０内で回転する回転子１５２とから構成されており、この回転子１５２の中心に回転軸１０５が嵌合されている。固定子１５０は、複数枚の電磁鋼板を積層した積層体から成り、この積層体の歯部に巻装された固定子巻線１５１を有している。また、回転子１５２も固定子１５０と同様に電磁鋼板の積層体で形成されている。

また、回転軸１０５の内部には当該回転軸１０５の軸方向に沿って油路１０５Ａが形成されており、この油路１０５Ａは、回転軸１０５の下端に位置する吸込口１６１を備え、当該吸込口１６１が油溜め１６２に貯留された潤滑油に浸漬されて、潤滑油中に開口している。また、油路１０５Ａには各軸受けに対応する位置に潤滑を給油する給油口が形成されて、係る構成により、回転軸１０５が回転すると、油溜め１６２に貯留された潤滑油が回転軸１０５の吸込口１６１から油路１０５Ａに入り、上方に汲み上げられる。そして、汲み上げられた潤滑油は各給油口等を介して各軸受けやスクロール圧縮要素１０２の摺動部に供給されることとなる。

前記密閉容器１０１には、当該密閉容器１０１内の下側の空間１１２（即ち、低圧室）内に冷媒を導入するための冷媒吸入管１４５と、スクロール圧縮要素１０２にて圧縮され、前記吐出孔１１３から後述する吐出マフラー室１２８を介して密閉容器１０１内の上側の吐出圧力空間１１１に吐出された冷媒を外部に吐出するための冷媒吐出管１４６とが設けられている。尚、本実施例では、冷媒吸入管１４５は密閉容器１０１の容器本体１０１Ａの側面に溶接固定され、冷媒吐出管１４６はエンドキャップ１０１Ｂの側面に溶接固定されている。

一方、本実施例の構成では、固定スクロール１１４の鏡板１１６の上面１３０（ラップ１１７の反対側の面）が密閉容器１０１内の上側に形成された吐出圧力空間１１１に臨むように構成されている。固定スクロール１１４の鏡板１１６の上面１３０には、吐出孔１１３に連なる吐出弁（図示せず）と、この吐出弁に隣接して複数のリリース弁とが設けられている（吐出弁及びリリース弁は共に図示しない）。当該リリース弁は、冷媒の過圧縮を防止するために設けられたものであり、図示しないリリースポートを介して圧縮過程の圧縮空間１２５に連通されている。

該密閉容器１０１内上側の吐出圧力空間１１１内には固定スクロール１１４にネジ止めされたカバー１２７が設けられている。このカバー１２７の下面中央には、固定スクロール１１４側から吐出圧力空間１１１方向に凹陥形成され、当該吐出圧力空間１１１と共にマフラー室を形成する吐出マフラー室１２８が形成されている。この吐出マフラー室１２８が前記吐出孔１１３に連通すると共に、図示しないがカバー１２７と固定スクロール１１４間に設けられた隙間を介して吐出マフラー室１２８と密閉容器１０１内上側の吐出圧力空間１１１内とが連通している。

具体的には、圧縮過程の冷媒圧力が吐出孔１１３に至る以前に吐出圧力に達すると、リリース弁が開放されて、圧縮空間１２５内の冷媒がリリースポートを介して外部に吐出されることとなる。

前記揺動スクロール１１５は、上述した如き容器本体１０１Ａの内面に焼き嵌め固定された固定スクロール１１４に対して旋回するスクロールであり、円板状の鏡板１２０と、この鏡板１２０の一方の面（上側の表面）に立設されたインボリュート状、又は、これに近似した曲線からなる渦巻き状のラップ１２１と、鏡板１２０の他方の面（下側の面）の中央に突出形成された前述したボス１２４とで構成されている。そして、揺動スクロール１１５はラップ１２１の突出方向を上方として、このラップ１２１が固定スクロール１１４のラップ１１７に１８０度回し、向かい合って噛み合うように配置され、内部のラップ１１７、１２１間に前記圧縮空間１２５が形成される。

即ち、揺動スクロール１１５のラップ１２１は、固定スクロール１１４のラップ１１７と対向し、両ラップ１２１、１１７の先端面が相手の底面（鏡板１１６面、及び、鏡板１２０面）に接するように噛み合い、且つ、揺動スクロール１１５は回転軸１０５の軸心から偏心して設けられた偏心軸１２３に嵌合されている。このため、圧縮空間１２５は、２つの渦巻き状のラップ１２１、１１７が互いに偏心して、その偏心方向の線上で接して閉じこめられた複数の空間を作り、この空間の各々が圧縮室（低圧室や中間圧室、及び、高圧室などの複数の圧縮室）となる。

前記固定スクロール１１４は、その周壁１１８の周囲に設けられたフランジ１１９が複数のボルト（図示せず）を介して上部支持フレーム１０４に固定されている。また、揺動スクロール１１５は、オルダムリング１４８、及び、オルダムキーよりなるオルダム機構１４９によって上部支持フレーム１０４に支承されている。これにより、揺動スクロール１１５は、固定スクロール１１４に対して、自転せずに旋回運動を行うように構成されている。

この揺動スクロール１１５は、固定スクロール１１４に対して偏心して公転するため、２つの渦巻き状のラップ１１７、１２１の偏心方向と接触位置は回転しながら移動し、前記圧縮室は外側から内側の圧縮空間１２５に向かって移りながら次第に縮小していく。最初に外側の圧縮空間１２５から入り込んで低圧室に閉じこめられた低圧の冷媒ガスは、断熱圧縮されながら次第に内側に移動して中間圧（中間圧室）を経て、最後に中央部（高圧室）に到達するときには、高温高圧の冷媒ガスとなる。この冷媒ガスは、当該固定スクロール１１４の中心に形成された吐出孔１１３、及び、吐出マフラー室１２８を介して吐出圧力空間１１１に送り出される。

また、前記カバー１２７内（カバー１２７の板圧内部）にはレシーバタンク７（図１参照）内の液冷媒を、スクロール圧縮要素１０２の中間圧部に戻し、蒸発させることによって圧縮ガスの冷却を行うためのリキッドインジェクション通路１４４（本発明のリキッドインジェクション回路２１に相当）が形成されている（図２に図示）。

このリキッドインジェクション通路１４４は、カバー１２７内で分岐して後述するインジェクション孔１４１，１４２に接続される。また、リキッドインジェクション通路１４４には、内部が中空のチューブにて構成された配管１４０が接続されており、この配管１４０の一端はカバー１２７のリキッドインジェクション通路１４４内に圧入され、他端はスリーブ１３９を介してエンドキャップ１０１Ｂに溶接固定されている。

また、固定スクロール１１４の鏡板１１６には、前記リキッドインジェクション通路１４４に連通する上述のインジェクション孔１４１、１４２が上下方向に貫通形成されている。両インジェクション孔１４１、１４２の下側（揺動スクロール１１５側）は、ラップ１１７、１２１側に開口すると共に、スクロール圧縮要素１０２の中間圧部分（固定スクロール１１４の中心に形成された吐出孔１１３と同一の圧縮室になる直前、若しくは、その近傍の中間圧の位置）に連通している。係る、エンドキャップ１０１Ｂとカバー１２７間に渡って配管１４０が取り付けられると共に、配管１４０に接続された接続管１４７に図１に示すレシーバタンク７からのリキッドインジェクション回路２１が接続されて、リキッドインジェクション通路１４４が形成されている。

該一方のインジェクション孔１４１は、図１及び図４に示すように固定スクロール１１４の中心を基準にして、他方のインジェクション孔１４２と１８０度ずれた位置に形成されている。そして、一方のインジェクション孔１４１は、固定スクロール１１４に立設されたラップ１１７の外側（揺動スクロール１１５のラップ１２１の内側に形成される高圧縮室側）に形成され、他方のインジェクション孔１４２は、固定スクロール１１４に立設されたラップ１１７の内側（揺動スクロール１１５のラップ１２１の外側に形成される高圧縮室側）に形成されている。

次に、本実施形態の作用について説明する。
初めに、圧縮機１００内のスクロール圧縮要素１０２の作用、特に圧縮ガスの冷却作用について説明する。なお、ここでは、詳細は後述するが、吐出される冷媒温度が所定の温度を上回ったことを、温度検知部６０を介して制御部２４で検出すると、以下のような工程を経て、制御部２４の制御により、レシーバタンク７内の液冷媒が、リキッドインジェクション回路２１を介してスクロール圧縮要素１０２の中間圧部に戻され、蒸発して圧縮ガスの冷却が行われる。

ここでは、説明の都合上、初めに、揺動スクロール１１５は最終圧縮行程近傍に位置しているものとする。また、そのときには、インジェクション孔１４１、１４２が、揺動スクロール１１５のラップ１２１にて完全に閉塞されている（第１工程；図４（Ａ）参照）。

そして、揺動スクロール１１５が公転していくと、揺動スクロール１１５のラップ１２１にて閉塞されていた両インジェクション孔１４１、１４２は、中間圧縮部（圧縮空間１２５）へ開口する直前に位置する（第２工程；図４（Ｂ）参照）。このときは、高圧室（圧縮空間１２５）から吐出孔１１３への高温高圧の冷媒ガスの吐出が終了、若しくは、終了直前状態である。

更に、揺動スクロール１１５が公転していくと、両インジェクション孔１４１、１４２から揺動スクロール１１５のラップ１２１が離間し、当該両インジェクション孔１４１、１４２は、中間圧室（圧縮空間１２５）に開口する（第３工程；図４（Ｃ）参照）。このときは、レシーバタンク７内の液冷媒がリキッドインジェクション回路２１を介してスクロール圧縮要素１０２の中間圧部に戻り、蒸発して圧縮ガスの冷却が行われる状態である。そして、更に揺動スクロール１１５が公転していくと戻って、前記（第１工程）、（第２工程）、（第３工程）を繰り返す。このようにして、リキッドインジェクション回路２１を介しレシーバタンク７内から送り込まれる液冷媒の蒸発作用を利用した、高温高圧の圧縮ガスに対する冷却動作が行われる。

次に、リキッドインジェクション回路２１、オイルインジェクション回路２２、オイルリターン回路２３の各作用について、それぞれに説明する。
まず、本実施形態には、リキッドインジェクション回路２１を備えており、スクロール型超低温圧縮機１００においては、温度検知部６０が所定の設定温度以上に上昇したことを検知することにより、制御部２４が動作制御する。

そして、この制御部２４から出力する第３制御信号Ｉ_３によりソレノイド２１Ｄがオンしてリキッドインジェクション回路２１が開くとともに、リキッドインジェクション回路２１の途中に設けた第１電磁弁２１Ａが第１制御信号Ｉ_１により検知温度と設定温度との温度差に応じた開度量だけ開く。これにより、過冷却器８で過冷却された液冷媒の一部が、リキッドインジェクション回路２１を介してスクロール圧縮要素の中間圧部（または低圧部）の圧縮室へ適宜供給され、スクロール圧縮要素１０２の温度上昇を抑制する。

即ち、温度検知部６０の検知温度に応じた制御部２４の動作により、検知温度が設定温度を超える場合、設定温度と検知温度との温度差が大きいときには液冷媒の流量が多く、設定温度と検知温度との温度差が小さいときには液冷媒の流量が少なくなるように、第１電磁弁２１Ａによる液冷媒の流量が調整される。このようなスクロール圧縮要素の中間圧部（または低圧部）の圧縮室への液冷媒の供給は、スクロール圧縮要素１０２の中間圧部（または低圧部）の圧縮室よりも過冷却器８内の圧力が高圧であることによる圧力差によって行なわれる。これによって、スクロール圧縮要素の温度上昇が抑制されるわけである。

また、本実施形態に係る超低温冷凍装置は、−４０℃以下の超低温、例えば−６０℃で運転されることがあり、上記のように、オイルインジェクション回路２２を備えている。従って、圧縮機１００の密閉容器１０１内の低圧室１１２の内部圧力を検知する低圧圧力センサ２５からの出力信号に基づき、制御部２４が、格納する冷媒の圧力Ｐ（飽和圧力、絶対圧力）とエンタルピーＨとの相関性を示すＰＨ線図（即ち、モリエール線図）等に関する情報に基づき、検出した圧力値に対応する温度が算出されて検知される。

そして、この検知された、密閉容器１０１内部の低圧室１１２の温度が設定値を下回っているときには、制御部２４からの制御信号によって第２電磁弁２２Ｂが開弁する。従って、オイルセパレータ５の底部からのオイルは、オイルインジェクション回路２２に設けたキャピラリチューブ２２Ａを介して流量がほぼ一定量ずつ送り出されるように調整されながら、開弁された第２電磁弁２２Ｂを通過する。また、この第２電磁弁２２Ｂを通過後のオイルは、オイルインジェクション回路２２とリキッドインジェクション回路２１とが合流する共通の配管を介してスクロール圧縮要素２の中間圧部の圧縮室へ供給されるが、このオイルの供給動作は、低圧室１１２の内部温度が上昇し設定温度に達するまで行われる。

これにより、リキッドインジェクション回路２１による過冷却された冷媒供給でスクロール圧縮要素の温度上昇が抑制されるのと同時に、オイルインジェクション回路２２によるオイル供給でスクロール圧縮要素のオイル不足を解消してスクロール動作時の潤滑を維持するわけである。

また、本実施形態に係る超低温冷凍装置は、上記のように、オイルリターン回路２３を備えている。従って、図３に示すオイルセパレータ５の底部のオイルの液面を検知するフロート５Ｃが所要レベルを越えたことを検知すると、フロート式弁５Ｂが開弁してオイル管５Ｄから吐出されるオイルがオイルリターン回路２３を介して密閉容器１０１内底部のオイル溜めに供給され、オイル溜め１６のオイル不足を解消する。

従って、本実施形態によれば、オイルセパレータ５と圧縮機１００の下部との間を連通するオイルリターン回路２３を介してオイルが圧縮機１００の内部に戻されることで、圧縮空間１２５内に生じるオイル不足を解消させることができる。

また、本実施形態によれば、密閉容器１０１内のスクロールの低圧室１１２の温度が設定値以下に降下することを、低圧圧力センサ２５が検知する圧力から温度を制御部２４で検知すると、オイルインジェクション回路２２に設けた第２電磁弁２２Ｂが開いてオイルが補給される。従って、蒸発器における冷媒の温度低下に伴うオイル戻りが少なくなることが原因で圧縮室内に生じるオイル不足を解消させることができる。

従って、本実施形態によれば、冷媒中に混ざり込んでいるオイルをオイルセパレータ５でその冷媒中から分離させることができるので、圧縮機１００から吐出して冷媒回路１中を通過する冷媒中にオイルが多く混入して蒸発器として作用する熱交換器１４などへそのオイルが送り込まれることを効果的に回避できるので、確実かつ良好な蒸発作用が実現でき、便宜である。

また、本実施形態に係る超低温冷凍装置によれば、フロート式弁５Ｂを備えたオイルセパレータ５の容器５Ａ内の底部に貯留されるオイルの液量が増大するにつれて、フロート５Ｃが上昇し、内部に貯留される油量が所定レベルを上回るときには、液面が所定レベルを越えるところで開弁してオイル管５Ｄからオイルリターン回路２３へオイルが送り出される。従って、冷媒中に混入するオイルを自動的に密閉容器１０１内へ回収させることができるので、簡易かつ低コストでオイルの回収自動化を実現できるという利点がある。

しかも、本実施形態に係る超低温冷凍装置によれば、オイルリターン回路２３は、フロート式弁５Ｂを備えたオイルセパレータ５の容器５Ａ内と圧縮機１００の底部の油溜め１６２との間の圧力差（差圧）により、オイルセパレータ５の容器５Ａ内上部から外部へ容器５Ａ内底部のオイルを吸い上げるようにしている。一方、オイルインジェクション回路２２は、圧縮機１００の底部の油溜め１６２から、つまり下部から外部へオイルを送り出すようにしている。

換言すれば、セパレータ５の容器５Ａ内の下部において、オイルインジェクション回路２２とオイルリターン回路２３との各基端を同時に接続させることができるように、引き出し位置が上下に割り振りされている。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の要旨を逸脱しない範囲で各種の変形実施が可能である。
例えば、オイルインジェクション回路２２に関する温度検出は、本実施形態では、制御部２４により、低圧圧力センサ２５の圧力検知に基づき圧縮機１００の密閉容器１０１内の低圧室１１２の内部圧力から温度が演算される構成であるが、特にこれに限定されない。

例えば、密閉容器１０１内の低圧室１１２の内部温度を直接測定する構成であってもよいし、蒸発器などとして作用する熱交換器１４又はこの熱交換器１４と圧縮機１００との間の冷媒回路中の任意の部位において、そこを通過する冷媒の温度を検知するように構成してもよい。また、本発明の超低温冷凍装置による冷媒蒸発温度は−４０℃以下の所定温度であって、本実施形態では−４０℃または−４５℃に設定されているが、特にこの温度に限定されない。

さらに、本実施形態では、過冷却器８を通過後の冷媒をリキッドインジェクション回路２１を介して、圧縮機１００のスクロール圧縮要素の中間圧部の圧縮室へ送り込むように構成しているが、これに限らない。即ち、例えば図１に破線で示すように、このリキッドインジェクション回路２１´を、レシーバタンク７の吐出側と圧縮機１００のスクロール圧縮要素の中間圧部（又は低圧部）の圧縮室との間に設置させてもよい。

また、本実施形態では、前述したように、リキッドインジェクション回路２１（同時に、オイルインジェクション回路２２も同様）の先端がスクロール圧縮要素１０２の中間圧部の圧縮室に接続されているが、本発明では、スクロール圧縮要素１０２の低圧部の圧縮室に接続させてもよい。

また、本実施形態では、フロート式のオイルセパレータを設けているが、特にこのフロート式のものに限定されるものではない。また、本実施形態ではオイルリターン回路２３を付設させているが、本発明では特にこのオイルリターン回路２３は必須とするものではない。

１ 冷媒回路（冷媒循環回路）
１Ａ 流入管
１Ｂ 流出管
１１、１２ ユニット間配管
１３ 減圧装置（膨張弁）
１４ 熱交換器（蒸発器）
２ ストレーナ
２１ リキッドインジェクション回路
２１Ａ 第１電磁弁
２２ オイルインジェクション回路
２２Ｂ 第２電磁弁（電磁弁）
２３ オイルリターン回路
２４ 制御部
２５ 低圧圧力センサ
３ アキュムレータ
５ オイルセパレータ
５Ａ 容器
５Ｂ フロート式弁
５Ｃ フロート
５Ｄ オイル管
６ 熱交換器（凝縮器）
６０ 温度検知部
７ レシーバタンク
８ 過冷却器
１００ 圧縮機（スクロール型超低温圧縮機）
１０１ 密閉容器
１１２ 低圧室
１１３ 吐出孔（吐出ポート）
１１４ 固定スクロール
１４５ 冷媒吸入管
Ｐ パイプ

Claims (1)

1. 電動要素と前記電動要素によって駆動されるスクロール圧縮要素とが密閉容器内に収容され、前記密閉容器内の前記スクロール圧縮要素の下方空間を低圧室とし、前記密閉容器内の前記スクロール圧縮要素の上方空間を前記スクロール圧縮要素にて圧縮された冷媒ガスの吐出圧力空間とし、前記スクロール圧縮要素に連通した吸入管から吸い込んだ冷媒ガスを前記スクロール圧縮要素にて圧縮しつつ吐出ポートから前記吐出圧力空間に吐出し、この吐出される冷媒ガスを前記密閉容器外に吐出するスクロール圧縮機を備え、
   前記吐出される冷媒ガスが、凝縮器、液冷媒を溜めるレシーバタンクを経て膨張弁にて減圧膨張された液冷媒を蒸発器で蒸発した後、再び前記吸入管から前記スクロール圧縮要素へ帰還する冷媒循環回路を形成し、
   前記圧縮機のスクロール圧縮要素から吐出する冷媒ガスが前記密閉容器外の前記凝縮器に送り出される冷媒循環回路上にオイルセパレータが設置され、
   前記オイルセパレータに貯油したオイルを前記密閉容器内に返油するオイルリターン回路を備え、
   前記レシーバタンクに溜まった液冷媒の一部または前記レシーバタンクを出た冷媒を過冷却器で過冷却した液冷媒の一部を、前記スクロール圧縮要素の低圧部または中間圧部の圧縮室へ供給するリキッドインジェクション回路を備え、
   前記オイルセパレータで冷媒から分離されたオイルを前記スクロール圧縮要素の低圧部または中間圧部の圧縮室へ供給するオイルインジェクション回路を備え、
   −４０℃以下の超低温に冷却する超低温冷凍装置において、
   前記オイルセパレータは、
   上下方向に長い容器と、
   この容器内の上部側に設置される冷媒とオイルの分離用フィルタと、
   前記密閉容器から吐出する冷媒が前記フィルタへ流入する流入管及び前記フィルタで分離されたオイルが前記凝縮器へ流出する流出管を前記容器の上部に有し、
   前記フィルタで分離され滴下されて前記容器内の底部に貯留するオイルの液量に応じて昇降するフロートと、
   このフロートが予め設定された所要レベルを越えて上昇すると作動するフロート式弁と、
   前記容器内の底部に貯留するオイルの液面が所要レベルを越えるところで前記フロート式弁が開き前記容器内の底部に貯留するオイルを圧力差にて吸引し前記容器の上部から前記オイルリターン回路へ供給するオイル管と、を備え、
   更に、前記オイルインジェクション回路の先端部が前記容器内の最下部に接続される構成であり、
   前記低圧室の内部圧力を検知する低圧圧力センサを設け、制御部によって、前記低圧圧力センサからの出力信号に基づき冷媒の圧力とエンタルピーとの相関性を示す線図によって算出される前記低圧室の温度が設定値を下回っているとき、前記オイルインジェクション回路に設けた電磁弁を開き、前記低圧室の内部温度が設定温度に達するまでオイルを前記スクロール圧縮要素の低圧部または中間圧部の圧縮室へ供給する
   ことを特徴とする超低温冷凍装置。

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