JP2008144643A - 多段圧縮機およびそれを用いた冷凍サイクル - Google Patents

Abstract

【課題】 ２段圧縮機ながら、３段圧縮機に近い、高ＣＯＰおよび高冷凍能力が得られる多段圧縮機およびそれを用いた冷凍サイクルを提供することを目的とする。
【解決手段】 密閉ハウジング３内に、低段側圧縮機構４と高段側圧縮機構５とが収容設置され、低段側圧縮機構４で圧縮された冷媒ガスを密閉ハウジング３内に吐出し、密閉ハウジング３内の中間圧冷媒ガスを高段側圧縮機構５に吸入して２段圧縮する多段圧縮機２において、密閉ハウジング３には、冷媒回路から抽出される中間圧冷媒ガスを、密閉ハウジング３内にインジェクションする第１ガスインジェクション回路２０が接続され、高段側圧縮機構５には、冷媒回路から抽出される上記中間圧冷媒ガスよりも高圧の中間圧冷媒ガスを、高段側圧縮機構５の圧縮室５４内にインジェクションする第２ガスインジェクション回路２１が接続される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、より高い冷凍（圧縮）能力および成績係数（ＣＯＰ）が得られる多段圧縮機およびそれを用いた冷凍サイクルに関するものである。

従来から、圧縮機効率の向上策として、１つの密閉ハウジング内に低段側圧縮機構と高段側圧縮機構の２つの圧縮機構を収容設置した２段圧縮機が提案されている。
特許文献１には、低段側をロータリ式圧縮機構、高段側をスクロール式圧縮機構により構成し、低圧冷媒を低段側ロータリ式圧縮機構に直接吸入させて中間圧まで圧縮し、それをいったん密閉ハウジング内に吐き出した後、この中間圧冷媒を高段側スクロール式圧縮機構に吸入させて高圧まで圧縮し、圧縮機外部へと吐出するようにした２段圧縮機が示されている。

また、特許文献２には、低段側および高段側を共にロータリ式圧縮機構で構成し、低圧冷媒を低段側ロータリ式圧縮機構に直接吸入させて中間圧まで圧縮した後、それを中間通路により、気液分離器から中間通路中にインジェクションされる中間圧冷媒と共に高段側ロータリ式圧縮機構に吸入させ、高圧まで圧縮してから密閉ハウジング内に吐き出し、密閉ハウジングから圧縮機外部へと吐出するようにした２段圧縮機が示されている。この２段圧縮機では、中間通路中に気液分離器で分離された中間圧冷媒をインジェクションする構成とし、そのエコノマイザ効果によって冷凍能力の向上および成績係数（ＣＯＰ）の向上を図っている。

さらに、特許文献３には、特許文献２に示された２段圧縮機を更に改善したもので、密閉ハウジング内を仕切部材により２室に仕切ってその１つを中間圧室とし、低段側ロータリ式圧縮機構で圧縮された中間圧冷媒を中間圧室に吐出するとともに、該中間圧室に気液分離器で分離された中間圧冷媒をインジェクションし、これら中間圧冷媒を高段側ロータリ式圧縮機構に吸入させて高圧まで圧縮するように構成した２段圧縮機が示されている。

特開平５−８７０７４号公報 特開平５−１３３３６６号公報 特開２０００−５４９７５号公報

しかしながら、上記した２段圧縮機においては、以下のような改善すべき課題が残されている。
特許文献１のものは、低段側をロータリ式圧縮機構、高段側をスクロール式圧縮機構とした圧縮機構の組み合わせ構成および密閉ハウジング内が中間圧雰囲気とされている点に特長が有するが、冷凍能力およびＣＯＰについては、通常の２段圧縮機と同等であり、特に優れていると云えるものではない。
また、特許文献２のものは、エコノマイザ効果により冷凍能力および成績係数の向上を図っているが、密閉ハウジング内が高圧雰囲気とされる構成のため、いわゆる内部漏れや潤滑油の温度上昇による吸入過熱、さらには電動モータの温度上昇によるモータ効率の低下等の問題があり、ＣＯＰに影響する圧縮機効率やモータ効率について改善すべき課題を有している。

さらに、特許文献３のものは、特許文献２に記載の２段圧縮機が有する上記課題を改善したものであるが、密閉ハウジング内を２つの密閉室に仕切る必要があるほか、高段側圧縮機構の圧縮機効率について、未だ改善の余地があり、飛躍的な冷凍能力およびＣＯＰの向上がもたらされているものではない。
一般に、圧縮機の段数を増やすことにより、ＣＯＰの向上が見込めることは知られているが、圧縮機の段数を増やすことは、コストとの見合いから、現実的とは云えず、如何にＣＯＰを向上させるかが課題とされている。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、２段圧縮機ながら、３段圧縮機に近い、高ＣＯＰおよび高冷凍能力が得られる多段圧縮機およびそれを用いた冷凍サイクルを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の多段圧縮機およびそれを用いた冷凍サイクルは以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる多段圧縮機は、密閉ハウジング内に、低段側圧縮機構と高段側圧縮機構とが収容設置され、前記低段側圧縮機構で圧縮された冷媒ガスを前記密閉ハウジング内に吐出し、該密閉ハウジング内の中間圧冷媒ガスを前記高段側圧縮機構に吸入して２段圧縮する多段圧縮機において、前記密閉ハウジングには、冷媒回路から抽出される中間圧冷媒ガスを、該密閉ハウジング内にインジェクションする第１ガスインジェクション回路が接続され、前記高段側圧縮機構には、前記冷媒回路から抽出される前記中間圧冷媒ガスよりも高圧の中間圧冷媒ガスを、該高段側圧縮機構の圧縮室内にインジェクションする第２ガスインジェクション回路が接続されることを特徴とする。

本発明によれば、第１ガスインジェクション回路を介して密閉ハウジング内に中間圧冷媒ガスをインジェクションするとともに、第２ガスインジェクション回路を介して上記中間圧冷媒ガスよりも高圧の中間圧冷媒ガスを高段側圧縮機構の圧縮室内にインジェクションするようにしているため、２つの圧縮機構を用いた２段圧縮機でありながら、３段圧縮機のように機能させることができる。従って、通常の２段圧縮機と比べ、より高い圧縮能力が得られるとともに、成績係数（ＣＯＰ）を大幅に向上させることができる。また、密閉ハウジング内が中間圧雰囲気とされ、低段側圧縮機構および高段側圧縮機構の圧縮室周りが中間圧雰囲気とされるため、低段側圧縮機構では圧力差が低圧と中間圧との差、高段側圧縮機構では圧力差が中間圧と高圧との差となり、各々圧力差を小さくすることができる。従って、各圧縮機構での内部漏れを低減し、圧縮機効率を向上させることができる。また、密閉ハウジング内が中間圧雰囲気とされるため、高圧雰囲気のものに比べて、密閉ハウジングの耐圧強度を低下させ、コスト低減を図ることができる。

さらに、本発明の多段圧縮機は、上記の多段圧縮機において、前記第１ガスインジェクション回路は、前記冷媒回路の放熱器と蒸発器との間に設けられる第１気液分離器に接続され、前記第２ガスインジェクション回路は、前記冷媒回路の前記放熱器と前記第１気液分離器との間に設けられる第２気液分離器に接続されることを特徴とする。

本発明によれば、放熱器と蒸発器との間に設けられている第１気液分離器から中間圧冷媒ガスを抽出し、第１ガスインジェクション回路を介して密閉ハウジング内にインジェクションすることができる。また、放熱器と第１気液分離器との間に設けられている第２気液分離器から、第１気液分離器より抽出される中間圧冷媒ガスよりも高圧の中間圧冷媒ガスを抽出し、第２ガスインジェクション回路を介して高段側圧縮機構の圧縮室内にインジェクションすることができる。従って、密閉ハウジングおよび高段側圧縮機構の圧縮室に対して各々適切な圧力の中間圧冷媒ガスを適切量インジェクションすることができる。

さらに、本発明の多段圧縮機は、上記の多段圧縮機において、前記第１ガスインジェクション回路は、前記冷媒回路の放熱器と蒸発器との間に設けられる第１気液分離器に接続され、前記第２ガスインジェクション回路は、前記冷媒回路の前記放熱器と前記第１気液分離器との間に設けられる内部熱交換器に接続されることを特徴とする。

本発明によれば、放熱器と蒸発器との間に設けられている第１気液分離器から中間圧冷媒ガスを抽出し、第１ガスインジェクション回路を介して密閉ハウジング内にインジェクションすることができる。また、放熱器と第１気液分離器との間に設けられている内部熱交換器から、第１気液分離器より抽出される中間圧冷媒ガスよりも高圧の中間圧冷媒ガスを抽出し、第２ガスインジェクション回路を介して高段側圧縮機構の圧縮室内にインジェクションすることができる。従って、密閉ハウジングおよび高段側圧縮機構の圧縮室に対して各々適切な圧力の中間圧冷媒ガスを適切量インジェクションすることができる。

さらに、本発明の多段圧縮機は、上述のいずれかの多段圧縮機において、前記高段側圧縮機構に接続される圧縮機吐出配管には、オイルセパレータが設けられ、該オイルセパレータには、該オイルセパレータにより分離された油の一部を、前記第２ガスインジェクション回路に戻す油戻し回路が設けられることを特徴とする。

本発明によれば、オイルセパレータにより分離された油の一部が、油戻し回路から第２ガスインジェクション回路を経て、中間圧冷媒ガスと共に高段側圧縮機構の圧縮室内にインジェクションされるため、この油により圧縮室をシールすることができる。従って、高段側圧縮機構における冷媒ガスの圧縮漏れ量を低減し、圧縮機効率を向上させることができる。

また、本発明の多段圧縮機は、上記の多段圧縮機において、前記油戻し回路には、圧縮機の回転数に応じて油戻し量を調整可能な油量調整手段が設けられることを特徴とする。

本発明によれば、油戻し回路に設けられる油量調整手段により、圧縮機の回転数に応じて油戻し量を調整できるため、第２ガスインジェクション回路を経て高段側圧縮機構の圧縮室内にインジェクションされる油量を、圧縮機の高回転領域では少なく、低回転領域では多くなるようにすることができる。これにより、圧縮漏れが顕著となる低回転領域において、油によるシール効果を高め、冷媒ガスの圧縮漏れをより効果的に低減することができる。なお、油戻し量は、過度な油圧縮が生じない程度の量に調整されることはもちろんである。

さらに、本発明の多段圧縮機は、上記の多段圧縮機において、前記油量調整手段は、前記オイルセパレータにより分離され、主油戻し回路より前記多段圧縮機側に戻される油量と、高段側圧縮機構の圧縮室内にインジェクションされる油量とを相対的に調整可能とされていることを特徴とする。

本発明によれば、油量調整手段により、高段側圧縮機構の圧縮室内にインジェクションされる油量と、主油戻し回路より多段圧縮機側に戻される油量とを相対的に調整することができる。つまり、圧縮機の高回転領域では、主油戻し回路より戻される油量が相対的に多くされ、その分高段側圧縮機構の圧縮室内にインジェクションされる油量が少なくされる。一方、圧縮機の低回転領域では、主油戻し回路より戻される油量が相対的に少なくされ、その分高段側圧縮機構の圧縮室内にインジェクションされる油量が多くされる。これにより、圧縮機の高回転領域では、高回転のために必要な各圧縮機構での潤滑油量を十分に確保することが可能となり、また、低回転領域では、高段側圧縮機構における冷媒ガスの圧縮漏れに対するシールに必要な油量を十分に確保することが可能となる。

さらに、本発明の多段圧縮機は、上述のいずれかの多段圧縮機において、前記低段側圧縮機構は、ロータリ式圧縮機構により構成され、前記高段側圧縮機構は、ロータリ式圧縮機構またはスクロール式圧縮機構により構成されることを特徴とする。

本発明によれば、低段側圧縮機構がロータリ式圧縮機構により構成されるため、低段側ロータリ式圧縮機構での圧縮は、低圧から中間圧までとなり、圧力差が小さくされるとともに、温度上昇が抑えられるので、潤滑油を高粘度に保つことができる。従って、ロータリ式圧縮機構の弱点である圧縮漏れを抑制することができる。また、電動モータの温度上昇を抑え、その効率低下を抑制することができる。さらに、圧縮比が下げられ、トルク変動が抑制されるため、振動を低減することができる。
また、高段側がロータリ式圧縮機構とされた場合、上記と同様、圧縮が中間圧から高圧までとなり、圧力差が小さくされるため、圧縮漏れを抑えることができるとともに、圧縮比が下げられ、トルク変動が抑制されるため、振動を低減することができる。一方、高段側がスクロール式圧縮機構とされた場合、容量が低段側で決まるため、スクロール径を大きくする必要がなく、圧縮機構をコンパクト化することができる。また、旋回スクロールに作用するスラスト荷重が、中間圧と高圧との差圧となり、小さくされるため、摩擦ロスを低減することができる。従って、各々の圧縮機構の弱点を補い、特長点を生かすことができる。

さらに、本発明にかかる冷凍サイクルは、圧縮機と、放熱器と、減圧弁と、蒸発器とが順次接続されて冷媒回路が構成される冷凍サイクルにおいて、前記圧縮機として請求項１ないし７のいずれかに記載の多段圧縮機が用いられ、前記多段圧縮機の密閉ハウジングには、前記放熱器と前記減圧弁との間に第１減圧弁を介して接続された第１気液分離器で分離される中間圧冷媒ガスを、該密閉ハウジング内にインジェクションする第１ガスインジェクション回路が接続され、前記多段圧縮機の高段側圧縮機構には、前記放熱器と前記第１減圧弁との間に第２減圧弁を介して接続された第２気液分離器で分離される中間圧冷媒ガスを、該高段側圧縮機構の圧縮室内にインジェクションする第２ガスインジェクション回路が接続されることを特徴とする。

本発明によれば、放熱器と減圧弁との間に第１減圧弁を介して接続された第１気液分離器で分離される中間圧冷媒ガスを、第１ガスインジェクション回路を介して密閉ハウジング内にインジェクションすることができる。また、放熱器と第１減圧弁との間に第２減圧弁を介して接続された第２気液分離器で分離される、第１気液分離器で分離される中間圧冷媒ガスよりも高圧の中間圧冷媒ガスを、第２ガスインジェクション回路を介して高段側圧縮機構の圧縮室にインジェクションすることができる。これにより、密閉ハウジングおよび高段側圧縮機構の圧縮室に対して、各々適切な圧力の中間圧冷媒ガスを、第１および第２ガスインジェクション回路を介して適切量インジェクションし、見かけ上は２段、実質上は３段の多段サイクルを実現することができる。従って、通常の２段冷凍サイクルと比べ、より高い冷凍能力を得ることができるとともに、ＣＯＰ（成績係数）を大幅に向上させることができる。

さらに、本発明にかかる冷凍サイクルは、圧縮機と、放熱器と、減圧弁と、蒸発器とが順次接続されて冷媒回路が構成される冷凍サイクルにおいて、前記圧縮機として請求項１ないし７のいずれかに記載の多段圧縮機が用いられ、前記多段圧縮機の密閉ハウジングには、前記放熱器と前記減圧弁との間に第１減圧弁を介して接続された第１気液分離器で分離される中間圧冷媒ガスを、該密閉ハウジング内にインジェクションする第１ガスインジェクション回路が接続され、前記多段圧縮機の高段側圧縮機構には、前記放熱器と前記第１減圧弁との間に接続された内部熱交換器から分離される中間圧冷媒ガスを、該高段側圧縮機構の圧縮室内にインジェクションする第２ガスインジェクション回路が接続されることを特徴とする。

本発明によれば、放熱器と減圧弁との間に第１減圧弁を介して接続された第１気液分離器で分離される中間圧冷媒ガスを、第１ガスインジェクション回路を介して密閉ハウジング内にインジェクションすることができる。また、放熱器と第１減圧弁との間に接続された内部熱交換器から分離される、第１気液分離器で分離される中間圧冷媒ガスよりも高圧中間圧冷媒ガスを、第２ガスインジェクション回路を介して高段側圧縮機構の圧縮室内にインジェクションすることができる。これにより、密閉ハウジングおよび高段側圧縮機構の圧縮室に対して、各々適切な圧力の中間圧冷媒ガスを第１および第２ガスインジェクション回路を介して適切量インジェクションし、見かけ上は２段、実質上は３段の多段サイクルを実現することができる。従って、通常の２段冷凍サイクルと比べ、より高い冷凍能力を得ることができるとともに、ＣＯＰ（成績係数）を大幅に向上させることができる。

また、本発明の冷凍サイクルは、上述のいずれかの冷凍サイクルにおいて、前記冷凍サイクルは、高圧側の冷媒圧力が冷媒の臨界圧力以上となる二酸化炭素冷媒を封入した超臨界冷凍サイクルとされることを特徴とする。

本発明によれば、冷凍サイクルが、高圧側の冷媒圧力が冷媒の臨界圧力以上となる二酸化炭素（ＣＯ２）冷媒を封入した超臨界冷凍サイクル（ＣＯ２サイクル）とされても、低段側圧縮機構および高段側圧縮機構での圧縮比を各々小さくできるため、各圧縮機構の耐圧強度を緩和し、それらの製造を容易化することができる。従って、高圧冷媒であるＣＯ２冷媒を使用した超臨界冷凍サイクルに用いて好適な冷凍サイクルとすることができる。また、高段側圧縮機構の圧縮室内に中間圧冷媒ガスと共に油をインジェクションするものでは、高圧でかつ圧力差が大きく、圧縮漏れが生じ易くなるＣＯ２サイクルにおいて、特に油によるシール効果を高め、圧縮機効率を向上させることができる。また、インジェクションされる中間圧冷媒ガスにより圧縮過程で冷媒を冷却することができるため、吐出冷媒ガスの温度上昇を効果的に抑制することができる。

本発明の多段圧縮機によれば、２つの圧縮機構を用いた２段圧縮機でありながら、３段圧縮機並みに機能させることができるため、通常の２段圧縮機より高い圧縮能力が得られるとともに、ＣＯＰ（成績係数）を大幅に向上させることができる。また、密閉ハウジング内が中間圧雰囲気とされるため、各圧縮機構ではそれぞれ圧力差を小さくすることができ、内部漏れを低減し、圧縮機効率を向上させることができる。さらに、密閉ハウジングの耐圧強度を低下させ、コストダウンを図ることができる。
また、本発明の冷凍サイクルによれば、密閉ハウジングおよび高段側圧縮機構の圧縮室に対して、各々適切な圧力の中間圧冷媒ガスを、第１および第２ガスインジェクション回路を介して適切量インジェクションし、見かけ上は２段、実質上は３段の多段サイクルを実現することができるため、通常の２段冷凍サイクルに比べ、より高い冷凍能力を得ることができるとともに、ＣＯＰ（成績係数）を大幅に向上させることができる。

以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態について、図１ないし図４を用いて説明する。
図１には、本発明の第１実施形態にかかる冷凍サイクル１の構成図が示されている。冷凍サイクル１は、１つの密閉ハウジング３内に低段側圧縮機構４と高段側圧縮機構５との２つの圧縮機構が収容設置された多段圧縮機２を有する。この多段圧縮機２の詳細構成については後述する。

多段圧縮機２の高段側圧縮機構５には、吐出配管６が接続されており、吐出配管６の他端は、オイルセパレータ７に接続される。オイルセパレータ７は、多段圧縮機２から吐出される高温高圧の冷媒ガス中に含まれる潤滑油を分離し、その潤滑油を多段圧縮機２に戻す作用をなすものである。オイルセパレータ７に接続された冷媒配管８の他端は、放熱器９に接続されており、該放熱器９において高温高圧の冷媒ガスは、図示省略の放熱器用ファンにより送風される外気と熱交換されて冷却される。放熱器９の下流には、冷媒配管１０および第２減圧弁１１を介して第２気液分離器１２が設けられ、第２減圧弁１１で減圧された冷媒を気液分離している。この第２気液分離器１２の下流には、冷媒配管１３および第１減圧弁１４を介して第１気液分離器１５が設けられ、第１減圧弁１４でさらに減圧された冷媒を気液分離している。

第１気液分離器１５の下流には、冷媒配管１６および減圧弁１７を介して蒸発器１８が接続されており、減圧弁１７を経て減圧された低温低圧の気液二相冷媒は、蒸発器１８で図示省略の蒸発器用ファンにより送風される空気と熱交換され、該空気から吸熱して蒸発ガス化されるようになっている。また、蒸発器１８で蒸発された冷媒は、蒸発器１８と多段圧縮機２間に接続された吸入配管１９を介して多段圧縮機２の低段側圧縮機構４に吸入されるよう構成されている。

上記第１気液分離器１５と多段圧縮機２の密閉ハウジング３間には、第１気液分離器１５で分離された中間圧の冷媒ガスを、密閉ハウジング３内にインジェクションする第１ガスインジェクション回路２０が接続される。また、上記第２気液分離器１２と多段圧縮機２の高段側圧縮機構５における後述の圧縮室５４間には、第２気液分離器１２内で分離された中間圧の冷媒ガスを、該圧縮室５４内にインジェクションする第２ガスインジェクション回路２１が接続される。

上記オイルセパレータ７には、該オイルセパレータ７で分離された潤滑油を多段圧縮機２の密閉ハウジング３および／または吸入配管１９に戻すための主油戻し回路２２，２３が接続される。この主油戻し回路２２，２３には、後述の通り油戻し量を調整する油量調整弁２４が設けられる。また、オイルセパレータ７と第２ガスインジェクション回路２１との間には、該オイルセパレータ７において分離された潤滑油の一部を、第２ガスインジェクション回路２１を介して高段側圧縮機構５の圧縮室５４にインジェクションするための油戻し回路２５が接続される。この油戻し回路２５には、後述の通り油戻し量を調整する油量調整弁２６が設けられる。

次ぎに、上記多段圧縮機２の構成について、図２を参照して説明する。
多段圧縮機２は、密閉ハウジング３内の下方部に低段側圧縮機構４が設置され、上方部に高段側圧縮機構５が設置された構成であり、この多段圧縮機２には、吸入配管１９が接続されるアキュームレータ３０が一体に設けられている。また、密閉ハウジング３の中央部には、ロータ３２とステータ３３とからなる電動モータ３１が設けられ、そのロータ３２には、クランク軸３４が一体的に結合される。クランク軸３４の下端部は、低段側圧縮機構４用のクランク軸３５とされ、上端部は、高段側圧縮機構５用のクランク軸３６とされる。また、密閉ハウジング３の底部には、潤滑油３７が所定量封入され、この潤滑油３７は、クランク軸３４の軸線方向に穿設される図示省略の給油孔を経て、低段側圧縮機構４および高段側圧縮機構５の所要潤滑箇所に給油されるようになっている。

低段側圧縮機構４は、ロータリ式圧縮機構により構成される。このロータリ式圧縮機構４は、シリンダ室４１を有し、密閉ハウジング３に固定設置されるシリンダ本体４０、該シリンダ本体４０の上下に各々設置される上部軸受４２および下部軸受４３、クランク軸３５のクランク部３５Ａに嵌合され、シリンダ室４１内を摺動回転されるロータ４４、吐出キャビティ４５を形成する吐出カバー４６、図示省略のブレードおよびブレード押えバネ等から構成される一般的なロータリ式圧縮機構であってよい。
上記低段側ロータリ式圧縮機構４において、アキュームレータ３０に接続される吸入管４７を介してシリンダ室４１に吸入された冷媒ガスは、ロータ４４の回転によって中間圧まで圧縮された後、吐出キャビティ４５内に吐出され、さらに吐出カバー４６に設けられている吐出口を経て密閉ハウジング３内に吐き出される。

密閉ハウジング３内に吐き出された中間圧の冷媒ガスは、電動モータ３１のエアギャップ等を通って密閉ハウジング３の上部空間に流動し、密閉ハウジング３に接続されている第１ガスインジェクション回路２０から、密閉ハウジング３内にインジェクションされる中間圧冷媒ガスと合流され、高段側圧縮機構５に吸入される。
高段側圧縮機構５は、ロータリ式圧縮機構またはスクロール式圧縮機構により構成されるが、ここでは、スクロール式圧縮機構により構成される場合を例に説明する。
このスクロール式圧縮機構５は、クランク軸３６を支持する軸受５１を有し、密閉ハウジング３に固定設置されるフレーム部材５０、該フレーム部材５０上に支持され、互いに位相をずらして噛み合わせることにより一対の圧縮室５４を形成する固定スクロール５２および旋回スクロール５３、該旋回スクロール５３とクランク軸３６の軸端に設けられるクランクピン３６Ａとを結合し、旋回スクロール５３を旋回駆動するドライブブッシュ５５、旋回スクロール５３と支持フレーム５０間に設けられ、旋回スクロール５３をその自転を阻止しつつ公転旋回させるオルダムリング５６、固定スクロール５２の背面に設けられる吐出弁５７、固定スクロール５２の背面に固定設置され、固定スクロール５２との間に吐出チャンバ５８を形成する吐出カバー５９等から構成される一般的なスクロール式圧縮機構であってよい。

上記高段側スクロール式圧縮機構５において、吐出チャンバ５８には、吐出配管６が接続され、また、圧縮室５４には、第２気液分離器１２からの第２ガスインジェクション回路２１が密閉ハウジング３を貫通して接続される。
この高段側スクロール式圧縮機構５では、低段側のロータリ式圧縮機構４により中間圧まで圧縮され、密閉ハウジング３内に吐き出された中間圧冷媒ガスが、吸入口６０を介して一対の圧縮室５４に吸入される。一対の圧縮室５４は、旋回スクロール５３が公転旋回駆動されることにより、容積が減少されつつ中心側へと移動され、合流して１つの圧縮室５４とされる。この圧縮途中において、圧縮室５４内には、第２ガスインジェクション回路２１を介して第２気液分離器１２で分離された中間圧の冷媒ガスがインジェクションされる。これらの冷媒ガスは、中間圧から高圧（吐出圧力）まで圧縮され、固定スクロール５２の中心部から吐出弁５７を経て吐出チャンバ５８内に吐き出される。この高温高圧の冷媒ガスは、吐出配管６を介して圧縮機外部へと吐出される。

続いて、上記冷凍サイクル１および多段圧縮機２の動作について説明する。なお、ここでは、冷凍サイクル１に通常のＨＦＣ冷媒が封入されている場合について説明する。
多段圧縮機２の低段側ロータリ式圧縮機構４には、アキュームレータ３０から吸入管４７を介して直接シリンダ室４１内に低圧の冷媒ガスが吸入される。この冷媒ガスは、ロータ４４が電動モータ３１およびクランク軸３５を介して回転されることにより、中間圧まで圧縮された後、吐出キャビティ４５に吐出され、さらに、吐出キャビティ４５から吐出カバー４６に設けられている吐出口を経て密閉ハウジング３内に吐き出される。これにより、密閉ハウジング３内は中間圧雰囲気とされ、電動モータ３１および潤滑油３７は、当該中間圧冷媒とほぼ同じ温度とされる。
この中間圧雰囲気の密閉ハウジング３内には、さらに第１ガスインジェクション回路２０を経て第１気液分離器１５で分離された中間圧冷媒ガスがインジェクションされる。

上記の中間圧冷媒ガスは、密閉ハウジング３内に開口されている吸入口６０を介して高段側スクロール式圧縮機構５の圧縮室５４内に吸い込まれる。スクロール式圧縮機構５では、電動モータ３１が駆動され、クランク軸３６、クランクピン３６Ａ、ドライブブッシュ５５を介して旋回スクロール５３が、固定スクロール５２に対して公転旋回駆動されることにより、圧縮作用が行われる。この圧縮過程において、圧縮室５４内には、第２ガスインジェクション回路２１を介して第２気液分離器１２で分離された中間圧の冷媒ガスがインジェクションされ、上記の中間圧冷媒ガスと共に高圧状態まで圧縮された後、吐出弁５７を経て吐出チャンバ５８に吐き出される。

吐出チャンバ５８内に吐き出された高温高圧の冷媒ガスは、吐出チャンバ５８に接続されている吐出配管６を経て多段圧縮機２から吐出され、図１に実線矢印で示すように、オイルセパレータ７に導かれる。オイルセパレータ７では、冷媒ガスに伴われて多段圧縮機２から吐き出された潤滑油が、冷媒ガスから分離される。この潤滑油は、図１中に破線矢印で示されるように、主には主油戻し回路２２,２３を介して多段圧縮機２の密閉ハウジング３および／または吸入配管１９に戻され、多段圧縮機２の潤滑に供される。また、その一部は、油戻し回路２５より第２ガスインジェクション回路２１に戻され、第２ガスインジェクション回路２１より中間圧冷媒ガスに伴われて高圧側スクロール式圧縮機構５の圧縮室５４内にインジェクションされる。この潤滑油は、圧縮室５４の漏れ隙間のシールに供される。

オイルセパレータ７から主油戻し回路２２,２３を介して多段圧縮機２の密閉ハウジング３および／または吸入配管１９に戻される油および油戻し回路２４を介して圧縮室５４にインジェクションされる油の量は、各々の回路に設けられている油量調整弁２４，２６により、多段圧縮機の回転数に応じて相対的に調整される。つまり、多段圧縮機２の回転が高い領域では、主油戻し回路２２,２３より密閉ハウジング３および／または吸入配管１９に戻される油量が相対的に多くされ、その分油戻し回路２５より第２ガスインジェクション回路２１を介して高段側圧縮機構５の圧縮室５４内にインジェクションされる油量が少なくされる。また、多段圧縮機２の回転が低い領域では、主油戻し回路２２,２３より密閉ハウジング３および／または吸入配管１９に戻される油量が相対的に少なくされ、その分油戻し回路２５より第２ガスインジェクション回路２１を介して高段側圧縮機構５の圧縮室５４内にインジェクションされる油量が多くされる。なお、上記の油量は圧縮機回転数に応じて連続的に調整変化させても、あるいは段階的に調整変化させてもよい。

一方、潤滑油が分離された高温高圧の冷媒ガスは、オイルセパレータ７から冷媒配管８を経て放熱器９に至り、放熱器用ファンにより送風される空気と熱交換され、空気側に放熱することにより凝縮液化される。この液冷媒は、冷媒配管１０を経て第２減圧弁１１により減圧された後、第２気液分離器１２に至り、そこで貯留されて中間圧液冷媒と中間圧ガス冷媒とに分離される。分離された中間圧ガス冷媒は、第２ガスインジェクション回路２１を経て高段側スクロール式圧縮機構５の圧縮室５４にインジェクションされ、中間圧液冷媒は、冷媒配管１３を経て第１減圧弁１４により更に減圧された後、第１気液分離器１５に至る。

第１気液分離器１５に貯留された中間圧液冷媒は、中間圧液冷媒と中間圧ガス冷媒とに分離される。この中間圧液冷媒および中間圧ガス冷媒は、第２減圧弁１１および第１減圧弁１４により２回減圧されているため、第２気液分離器１２で分離された中間圧液冷媒および中間圧ガス冷媒よりも低圧となっている。第１気液分離器１５内で分離された中間圧ガス冷媒は、第１ガスインジェクション回路２０を経て多段圧縮機２の密閉ハウジング３内にインジェクションされ、中間圧液冷媒は、冷媒配管１６を経て減圧弁１７により更に減圧された後、蒸発器１８に至る。

蒸発器１８に流入した低圧の気液二相冷媒は、蒸発器１８内を流通する間に蒸発器用ファンにより送風される空気と熱交換され、空気側から吸熱することにより蒸発ガス化される。この低圧冷媒ガスは、吸入配管１９を介して多段圧縮機２に一体に設けられているアキュームレータ３０に至り、ここで液分(油を含む)が分離され、ガス分のみが吸入管４７を介して低段側ロータリ圧縮機構４に吸入され、再び圧縮される。
以上のサイクルが繰り返される間に、放熱器９からの放熱を利用することにより、暖房または加熱を行うことができ、蒸発器１８での吸熱作用を利用することにより、冷房または冷却を行うことができる。

図３に、上記冷凍サイクルのＰ−ｈ線図が示されている。これに基いて冷媒の特性変化を説明する。まず、多段圧縮機２に吸入された低圧の冷媒は、低段側ロータリ式圧縮機構４によりＡ点からＢ点まで圧縮された後、密閉ハウジング３内に吐き出され、第１ガスインジェクション回路２０からインジェクションされる中間圧冷媒ガスと合流してＣ点の状態とされる。この状態で高段側スクロール式圧縮機構５に吸入され、再び圧縮される。この高段側での圧縮過程では、Ｄ点の圧縮段階で第２ガスインジェクション回路２１から中間圧冷媒ガスがインジェクションされることにより、Ｅ点の状態とされた後、Ｆ点まで圧縮される。Ｆ点まで圧縮された高圧冷媒ガスは、放熱器９で冷却されて凝縮液化され、Ｇ点で高圧液冷媒とされる。

上記高圧液冷媒は、第２減圧弁１１によりＨ点まで減圧され、中間圧冷媒となり、第２気液分離器１２内で中間圧ガス冷媒と中間圧液冷媒とに分離される。この中間圧ガス冷媒は、第２ガスインジェクション回路２１を介して圧縮室５４内にインジェクションされ、Ｄ点の冷媒と合流してＥ点の状態とされる。第２気液分離器１２で中間圧ガス冷媒の分離により冷却されてＩ点とされた中間圧液冷媒は、第１減圧弁１４により更に減圧されてＪ点の中間圧冷媒とされる。この中間圧冷媒は、第１気液分離器１５で再び中間圧ガス冷媒と中間圧液冷媒とに分離され、中間圧ガス冷媒は、第１ガスインジェクション回路２０を介して密閉ハウジング３内にインジェクションされ、Ｂ点の冷媒と合流してＣ点の状態とされる。第１気液分離器１５で中間圧ガス冷媒の分離により冷却されてＫ点とされた中間圧液冷媒は、減圧弁１７により三度減圧されてＬ点の低圧気液二相冷媒とされ、蒸発器１８に至る。この低圧二相冷媒は、蒸発器１８で空気から吸熱して蒸発ガス化され、Ａ点に変化して多段圧縮機２に戻る。

この結果、見かけ上は低段側圧縮機構４と高段側圧縮機構５の２つの圧縮機構を持つ２段圧縮機２および該圧縮機２を備えた冷凍サイクル１でありながら、実質上は図３からも理解されるように３段圧縮機のように機能している。これにより、暖房または加熱時においては、放熱器９を流れる冷媒に、２回のガスインジェクションによる中間圧冷媒が加わるため、冷媒循環量が増大され、その分暖房または加熱能力が向上される。また、冷房または冷却時においては、Ｌ点の冷媒は、Ｈ点からＫ点までエンタルピが増大されているため、蒸発器１８で蒸発する冷媒の熱量が多くなり、その分冷房または冷却能力が向上されることとなる。さらに、多段圧縮機２においては、冷媒をＡ点からＦ点まで圧縮するのに必要とする動力が、２回のガスインジェクションによるエコノマイザ効果により、大幅に削減されることとなる。

以上説明の本実施形態によると、以下の効果を奏する。
実際は、２つの圧縮機構を用いた２段圧縮機ないし２段冷凍サイクルでありながら、実質的には、３段圧縮ないし３段冷凍サイクルに近い機能を発揮させることができる。従って、通常の２段圧縮機ないし２段冷凍サイクルと比べて、一段高い圧縮ないし冷凍能力が得られ、図４に示すように、３段圧縮ないし３段冷凍サイクル並みのＣＯＰ（成績係数）を期待することができる。
また、低段側および高段側の各圧縮機構４，５において、それぞれ圧力差を小さくすることができるため、各圧縮機構４，５での内部漏れを低減することができる。従って、その分圧縮機効率を向上させることができる。
さらに、密閉ハウジング３内を中間圧雰囲気とすることができるため、高圧雰囲気のものに比べ、密閉ハウジング３の耐圧強度を低下させることができる。従って、製造を容易化し、コスト低減を図ることができる。

また、第１気液分離器１５および第２気液分離器１２により適切な圧力の中間圧冷媒ガスを抽出して、密閉ハウジング３および高段側圧縮機構５の圧縮室５４内にインジェクションすることができるため、それぞれ適切量の冷媒を確実にインジェクションし、所期の多段サイクルを実現することができる。

また、オイルセパレータ７で分離された油の一部を、油戻し回路２５、第２ガスインジェクション回路２１を介して中間圧冷媒ガスと共に高段側圧縮機構５の圧縮室５４にインジェクションさせて圧縮室５４のシールに供しているため、高段側圧縮機構５での冷媒ガスの圧縮漏れ量を低減させることができる。これにより、更に圧縮機効率を向上させることができる。この際、圧縮室５４へのインジェクション油量と、多段圧縮機２の潤滑に供する油量とを、多段圧縮機２の回転数に応じて相対的に調整するようにしているため、高回転領域では、潤滑に供する油量を多くして潤滑に必要な油量を十分に確保し、また、低回転領域では、インジェクション油量を多くしてシールに必要な油量を十分確保し、油によるシール効果を高めて圧縮漏れをより効果的に低減できるようにしている。従って、潤滑性能およびシール性能の双方を満たすことができる。

また、本実施形態では、低段側圧縮機構４をロータリ式圧縮機構、高段側圧縮機構５をスクロール式圧縮機構としているため、低段側のロータリ式圧縮機構４では、圧力差を小さくし、かつ温度上昇を抑えることができる。従って、潤滑油３７の粘度を高めに維持でき、ロータリ式圧縮機構の弱点である圧縮漏れを抑制することができるとともに、密閉ハウジング３内に設けられる電動モータ３１の温度上昇を抑え、モータ効率の低下を抑制することができる。また、圧縮比を下げ、トルク変動を抑制することができるため、振動を低減することができる。また、高段側のスクロール式圧縮機構５では、容量が低段側で決まるため、スクロール径を小さくでき、圧縮機構をコンパクトにすることができるとともに、旋回スクロール５３に作用するスラスト荷重を小さくし、摩擦ロスを低減することができる。従って、各々の圧縮機構４，５の弱点を補い、特長点を生かすことができる。

なお、本実施形態では、高段側圧縮機構５にスクロール式圧縮機構を用いた例について説明したが、高段側圧縮機構５を低段側と同様のロータリ式圧縮機構により構成してもよく、この場合、高段側ロータリ式圧縮機構においても、低段側と同様の効果を期待することができる。
また、本実施形態では、主油戻し回路２２，２３および油戻し回路２５に各々油量調整弁２４，２６を設けた例について説明したが、この油量調整弁２４，２６に代えて、それぞれ固定絞りと開閉弁の直列回路を複数列ずつ並設した回路を設け、圧縮機回転数に応じて複数の開閉弁を開閉し、固定絞りの大きさによって油戻し量を相対的に調整するようにしてよく、この場合も上記と同様の効果を得ることができる。なお、絞りは、油を中間圧部分に戻すことになるため、吸入側に戻す場合に比較して、小さな絞りで対応することができる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について、図５および図６を用いて説明する。
本実施形態は、上記した第１実施形態に対して、第２気液分離器１２に代えて、内部熱交換器７１を設けた冷凍サイクル７０としている点が異なっている。その他の点については第１実施形態と同様であるので、説明は省略する。
本実施形態にかかる冷凍サイクル７０では、放熱器９の下流側に冷媒配管１０を介して内部熱交換器７１を接続している。この内部熱交換器７１では、冷媒配管１０からバイパス配管７２を介して分流され、第３減圧弁７３により減圧された中間圧冷媒と、冷媒配管１０内を流れる高圧液冷媒とが熱交換される。これにより、高圧液冷媒は過冷却されるとともに、中間圧冷媒は蒸発ガス化され、このガス化冷媒を第２インジェクション回路２１を介して高段側スクロール式圧縮機構５の圧縮室５４にインジェクションするよう構成したものである。

上記冷凍サイクル７０のＰ−ｈ線図が、図６に示されている。この場合、放熱器９で凝縮液化されたＧ点の高圧液冷媒は、一部がバイパス配管７２に分流されて第３減圧弁７３で減圧され、Ｈ’点の中間圧状態とされた後、内部熱交換器７１で蒸発ガス化される。この中間圧ガス冷媒は、第２ガスインジェクション回路２１により圧縮室５４内にインジェクションされ、Ｄ点の冷媒と合流してＥ点の状態となる。一方、主流冷媒は、内部熱交換器７１でＩ’点まで過冷却された後、第１減圧弁１４によりＪ点まで減圧され、第１気液分離器１５に至る。以後は図３に示される第１実施形態の場合と同様である。
従って、本実施形態によっても、上記した第１実施形態の場合と同様の効果を得ることができる。

［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態について、説明する。
上記第１および第２実施形態は、冷媒として一般的なＨＦＣ冷媒を用いた冷凍サイクル１であるのに対して、本実施形態は、上記冷凍サイクル１に、高圧側の冷媒圧力が冷媒の臨界圧力以上となる二酸化炭素（ＣＯ２）冷媒が封入して、超臨界冷凍サイクル（ＣＯ２サイクル）としたものである。
ＨＦＣ冷媒は、オゾン層を破壊しない代替フロンの１つとして現在広範に使用されている。このＨＦＣ冷媒は、オゾン層は破壊しないものの、地球温暖化に対しては影響があるとされている。そこで、上記代替フロンに代わるノンフロン冷媒の１つとして、自然冷媒である二酸化炭素（ＣＯ２）を冷媒としたＣＯ２サイクルが実用に供されている。

ＣＯ２サイクルは、高圧側の冷媒圧力が冷媒の臨界圧力以上となる蒸気圧縮式冷凍サイクルであり、代替フロン冷媒を使用した冷凍サイクルに比べ、高圧圧力、低圧圧力が共に一段と高くなり、約１０倍の高圧圧力が作用することが知られている。このため、冷凍サイクルを構成する機器にも耐圧対策が求められる。上記多段圧縮機２を用いたＣＯ２サイクルでは、低段側圧縮機構４および高段側圧縮機構５の圧縮比を各々小さくすることができる。従って、各圧縮機構４，５の耐圧強度を緩和することができ、その製造を容易化することができる。従って、超臨界冷凍サイクルとして好適な多段冷凍サイクルとすることができる。

また、上記冷凍サイクル１では、高段側圧縮機構５の圧縮室５４に、中間圧冷媒ガスと共に油をインジェクションする回路を有している。このインジェクション油により、高圧でかつ圧力差が大きく、圧縮漏れが生じ易い高段側圧縮機構５において、圧縮室５４のシール効果を高めて圧縮漏れを抑制し、圧縮機効率を向上させることができる。従って、高圧圧力が高いＣＯ２サイクルにおいては、特に有効である。さらに、インジェクションされる中間圧冷媒ガスにより圧縮過程で冷媒を冷却することができるため、吐出冷媒ガスの温度上昇を効果的に抑制することができる。

なお、上記各実施形態において、低段側圧縮機構４および高段側圧縮機構５に用いられるロータリ式圧縮機構は、ローリングピストンタイプあるいはスイングタイプのいずれであってもよい。また、上記冷凍サイクル１は、多段圧縮機２の吐出配管６と吸入配管１８との間に四方切換弁を設けたヒートポンプサイクルとすることができ、このような変形例は、いずれも本発明に包含されるものである。

本発明の第１実施形態に係る冷凍サイクルの構成図である。 図１に示す冷凍サイクルに適用される多段圧縮機の断面図である。 図１に示す冷凍サイクルのＰ−ｈ線図である。 図１に示す冷凍サイクルのＣＯＰと圧縮段数の関係図である。 本発明の第２実施形態に係る冷凍サイクルの構成図である。 図２に示す冷凍サイクルのＰ−ｈ線図である。

符号の説明

１，７０ 冷凍サイクル
２ 多段圧縮機
３ 密閉ハウジング
４ 低段側圧縮機構
５ 高段側圧縮機構
６ 吐出配管
７ オイルセパレータ
９ 放熱器
１１ 第２減圧弁
１２ 第２気液分離器
１４ 第１減圧弁
１５ 第１気液分離器
１７ 減圧弁
１８ 蒸発器
２０ 第１インジェクション回路
２１ 第２インジェクション回路
２２，２３ 主油戻し回路
２４，２６ 油量調整弁
２５ 油戻し回路
７１ 内部熱交換器

Claims (10)

1. 密閉ハウジング内に、低段側圧縮機構と高段側圧縮機構とが収容設置され、
   前記低段側圧縮機構で圧縮された冷媒ガスを前記密閉ハウジング内に吐出し、該密閉ハウジング内の中間圧冷媒ガスを前記高段側圧縮機構に吸入して２段圧縮する多段圧縮機において、
   前記密閉ハウジングには、冷媒回路から抽出される中間圧冷媒ガスを、該密閉ハウジング内にインジェクションする第１ガスインジェクション回路が接続され、
   前記高段側圧縮機構には、前記冷媒回路から抽出される前記中間圧冷媒ガスよりも高圧の中間圧冷媒ガスを、該高段側圧縮機構の圧縮室内にインジェクションする第２ガスインジェクション回路が接続されることを特徴とする多段圧縮機。
2. 前記第１ガスインジェクション回路は、前記冷媒回路の放熱器と蒸発器との間に設けられる第１気液分離器に接続され、
   前記第２ガスインジェクション回路は、前記冷媒回路の前記放熱器と前記第１気液分離器との間に設けられる第２気液分離器に接続されることを特徴とする請求項１に記載の多段圧縮機。
3. 前記第１ガスインジェクション回路は、前記冷媒回路の放熱器と蒸発器との間に設けられる第１気液分離器に接続され、
   前記第２ガスインジェクション回路は、前記冷媒回路の前記放熱器と前記第１気液分離器との間に設けられる内部熱交換器に接続されることを特徴とする請求項１に記載の多段圧縮機。
4. 前記高段側圧縮機構に接続される圧縮機吐出配管には、オイルセパレータが設けられ、
   該オイルセパレータには、該オイルセパレータにより分離された油の一部を、前記第２ガスインジェクション回路に戻す油戻し回路が設けられることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の多段圧縮機。
5. 前記油戻し回路には、圧縮機の回転数に応じて油戻し量を調整可能な油量調整手段が設けられることを特徴とする請求項４に記載の多段圧縮機。
6. 前記油量調整手段は、前記オイルセパレータにより分離され、主油戻し回路より前記多段圧縮機側に戻される油量と、高段側圧縮機構の圧縮室内にインジェクションされる油量とを相対的に調整可能とされていることを特徴とする請求項５に記載の多段圧縮機。
7. 前記低段側圧縮機構は、ロータリ式圧縮機構により構成され、
   前記高段側圧縮機構は、ロータリ式圧縮機構またはスクロール式圧縮機構により構成されることを特徴とする請求項１ないし６に記載の多段圧縮機。
8. 圧縮機と、放熱器と、減圧弁と、蒸発器とが順次接続されて冷媒回路が構成される冷凍サイクルにおいて、
   前記圧縮機として請求項１ないし７のいずれかに記載の多段圧縮機が用いられ、
   前記多段圧縮機の密閉ハウジングには、前記放熱器と前記減圧弁との間に第１減圧弁を介して接続された第１気液分離器で分離される中間圧冷媒ガスを、該密閉ハウジング内にインジェクションする第１ガスインジェクション回路が接続され、
   前記多段圧縮機の高段側圧縮機構には、前記放熱器と前記第１減圧弁との間に第２減圧弁を介して接続された第２気液分離器で分離される中間圧冷媒ガスを、該高段側圧縮機構の圧縮室内にインジェクションする第２ガスインジェクション回路が接続されることを特徴とする冷凍サイクル。
9. 圧縮機と、放熱器と、減圧弁と、蒸発器とが順次接続されて冷媒回路が構成される冷凍サイクルにおいて、
   前記圧縮機として請求項１ないし７のいずれかに記載の多段圧縮機が用いられ、
   前記多段圧縮機の密閉ハウジングには、前記放熱器と前記減圧弁との間に第１減圧弁を介して接続された第１気液分離器で分離される中間圧冷媒ガスを、該密閉ハウジング内にインジェクションする第１ガスインジェクション回路が接続され、
   前記多段圧縮機の高段側圧縮機構には、前記放熱器と前記第１減圧弁との間に接続された内部熱交換器から分離される中間圧冷媒ガスを、該高段側圧縮機構の圧縮室内にインジェクションする第２ガスインジェクション回路が接続されることを特徴とする冷凍サイクル。
10. 前記冷凍サイクルは、高圧側の冷媒圧力が冷媒の臨界圧力以上となる二酸化炭素冷媒を封入した超臨界冷凍サイクルとされることを特徴とする請求項８または９に記載の冷凍サイクル。
    
    

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