JP2008190377A - 多段圧縮機 - Google Patents

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Abstract

【課題】 インジェクション回路を備え、運転条件によりインジェクション回路をオンオフしても、効率の高い高性能運転を維持することができる多段圧縮機を提供することを目的とする。
【解決手段】 低段側圧縮機構４で圧縮された中間圧冷媒ガスを高段側圧縮機構５に吸入して２段圧縮するとともに、高段側圧縮機構５に吸入される中間圧冷媒ガス中に、中間圧の冷媒をインジェクションするインジェクション回路１５が設けられる多段圧縮機２において、高段側圧縮機構２には、圧縮中の冷媒ガスをその吸入側にバイパスさせる容量制御機構６１が設けられ、インジェクション回路１５には、冷媒のインジェクションをオンオフするオンオフ手段７５が設けられ、容量制御機構６１と、オンオフ手段７５とは、互いに連動して作動される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ハウジング内に、低段側圧縮機構と高段側圧縮機構とが設けられた多段圧縮機に関するものである。
従来から、空調装置に適用される多段圧縮機としては、様々なものが提案されている。その１つとして、密閉ハウジング内の中央部に設置される電動モータの下部に低段側ロータリ圧縮機構を設置し、その圧縮ガスを密閉ハウジング内に吐出し、該中間圧ガスを電動モータの上部に設置される高段側スクロール圧縮機構に吸入して、２段圧縮する多段圧縮機が知られている（例えば、特許文献１参照）。
また、密閉ハウジング内に、電動モータと、低段側および高段側ロータリ圧縮機構とを設置し、低段側ロータリ圧縮機構で圧縮された中間圧ガスを、密閉ハウジング内に設けられた第２密閉室に吐出するとともに、この第２密閉室に冷媒回路側から抽出された中間圧ガスをインジェクションし、この中間圧のインジェクションガスと、低段側ロータリ圧縮機構で圧縮された中間圧ガスとを高段側ロータリ圧縮機構に吸入して、２段圧縮する多段圧縮機が特許文献２により提案されている。
また、Ｒ４１０Ａ冷媒を用い、低段側ロータリ圧縮要素で圧縮された中間圧ガスを、ガス配管を経て高段側ロータリ圧縮要素に吸入させるとともに、該ガス配管中に冷媒回路側から抽出された中間圧ガスをインジェクションし、２段圧縮する多段圧縮機において、低段側圧縮要素と高段側圧縮要素との押しのけ量比を、１：０．６５〜１：０．８５としたものが、特許文献３により提案されている。
さらに、特許文献４には、低段側ロータリ圧縮要素で圧縮されたＣＯ２冷媒ガスの一部を密閉ハウジング内に吐出し、この中間圧のＣＯ２冷媒ガスと前記残りの中間圧ＣＯ２冷媒ガスを、ガス配管を経て高段側ロータリ圧縮要素に吸入させ、２段圧縮する多段圧縮機において、低段側圧縮要素と高段側圧縮要素との容積比を、１：０．５６〜１：０．８としたものが提案されている。
特開平５−８７０７４号公報
特開２０００−５４９７５号公報
特開２００６−１５２８３９号公報
特開２００１−７３９７６号公報
上記特許文献２および３に示されるような、ガスインジェクション回路を併用した２段圧縮機においては、ガスインジェクションによるエコノマイザ効果により、２段圧縮機の高効率化、高能力化を図ることができる。しかし、空調負荷の小さい春、秋等の中間期には、必ずしも高能力を必要としない場合がある。これに対応するため、ガスインジェクション回路に開閉弁等を設け、軽負荷時に開閉弁を閉じてガスインジェクションをオフとすることが考えられる。この場合、特許文献１および４に示される２段圧縮機と同様、ガスインジェクション回路を備えていない２段圧縮機として機能する。
しかしながら、上記特許文献から明らかなように、２段圧縮機においては、ガスインジェクション回路の有無により、各々に適した低段側圧縮要素と高段側圧縮要素の最適な圧縮比が存在する。このため、ガスインジェクション回路を備えた２段圧縮機において、ガスインジェクション回路に開閉弁等を設け、運転条件によりガスインジェクション回路をオンオフした場合、低段側と高段側の圧縮比が変化し、せっかく設定した最適圧縮比が崩れてしまい、効率が落ち、性能低下を来たすこととなる。
これは、ガスインジェクション回路に代え、中間圧の液冷媒をインジェクションする液インジェクション回路を設けた場合についても同様である。
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、インジェクション回路を備え、運転条件によりインジェクション回路をオンオフしても、効率の高い高性能運転を維持することができる多段圧縮機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、ハウジング内に、低段側圧縮機構と高段側圧縮機構とが設けられ、前記低段側圧縮機構で圧縮された中間圧冷媒ガスを前記高段側圧縮機構に吸入して２段圧縮するとともに、前記高段側圧縮機構に吸入される中間圧冷媒ガス中に、冷媒回路から抽出される中間圧の冷媒をインジェクションするインジェクション回路が設けられる多段圧縮機において、前記高段側圧縮機構には、圧縮中の冷媒ガスをその吸入側にバイパスさせる容量制御機構が設けられ、前記インジェクション回路には、冷媒のインジェクションをオンオフするオンオフ手段が設けられ、前記容量制御機構と、前記オンオフ手段とは、互いに連動して作動されることを特徴とする。
インジェクション回路を備えた多段圧縮機では、多段圧縮および冷媒インジェクションによる最大限の効果（高効率、高能力）を得るために、低段側圧縮機構と高段側圧縮機構との圧縮比を、最適値に設定する。一方、春、秋等の中間期には、大きな能力を必要としないため、冷媒インジェクションが不要となる場合がある。そこで、インジェクション回路にオンオフ手段を設けることにより、冷媒インジェクションを必要としない場合には、それをオフにすることができる。しかし、インジェクション回路をオフにすると、高段側圧縮機構では、冷媒インジェクション量に相当する分の容積が余る状態となるため、せっかく圧縮比を最適値に設定しても、それが崩れ、性能の低下を来たすこととなる。
本発明では、高段側圧縮機構に、容量制御機構を設け、この容量制御機構とインジェクション回路のオンオフ手段とを連動して作動させるようにしているため、冷媒インジェクションのオンオフに対応させて、容量制御機構により高段側圧縮機構の見かけの押しのけ量を変更し、各段の圧縮比を調整して中間圧を適正に保つことができる。従って、運転条件に対応して、インジェクション回路をオンオフしても、最適圧縮比が崩れることがなく、効率の高い高性能運転を維持することができる。
なお、本発明の冷媒インジェクションには、中間圧のガス冷媒をインジェクションするガスインジェクション方式、および中間圧の液冷媒をインジェクションする液インジェクション方式の双方が含まれるものとし、それぞれ冷媒回路から中間圧のガス冷媒または液冷媒を抽出して、多段圧縮機にインジェクションするインジェクション回路を設けることによって実現可能である。
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、前記オンオフ手段により前記インジェクション回路がオフとされたとき、前記容量制御機構により高段側圧縮機構の容量が制御されることを特徴とする。
本発明によれば、オンオフ手段によりインジェクション回路がオフとされたとき、容量制御機構により高段側圧縮機構の容量が制御されるため、インジェクション回路がオフとされ、インジェクションされなくなる冷媒量に相当する分、容量制御機構により高段側圧縮機構の見かけの押しのけ量が低下される。これにより、最適圧縮比が維持され、高効率運転を継続することができる。
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、前記容量制御機構は、少なくとも前記オンオフ手段によりインジェクション回路がオフとされたときの容量制御率が、インジェクション回路がオンでフル容量のときと同じ圧力比配分となるように設定されることを特徴とする。
本発明によれば、容量制御機構の少なくともインジェクション回路がオフとされたときの容量制御率が、インジェクション回路がオンでフル容量のときと同じ圧力比配分（低段側の圧力比と高段側の圧力比との比）となるように設定されるため、インジェクション回路のオンオフにかかわらず、低段側圧縮機構と高段側圧縮機構とは、同じ圧力比配分とされる。従って、冷媒インジェクションのオンオフにかかわらず、効率のよい２段圧縮を行うことができる。
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、起動時には、強制的に前記容量制御機構がオン、前記インジェクション回路がオフとされることを特徴とする。
本発明によれば、起動時、強制的に容量制御機構がオン、インジェクション回路がオフとされるため、多段圧縮機を軽負荷状態で起動し、停止中に圧縮機に溜まり込んでいる液冷媒を容量制御運転により徐々に追い出すことができるとともに、インジェクション回路からの液バックを防止することができる。これによって、多段圧縮機を過度な液圧縮運転から保護し、その信頼性を向上させることができる。
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、起動後には、前記容量制御機構がオン、前記インジェクション回路がオンとされる状態を経て、前記容量制御機構がオフ、前記インジェクション回路がオンのフルロード運転に移行されることを特徴とする。
本発明によれば、起動後、容量制御機構がオン、インジェクション回路がオンとされる状態を経て、容量制御機構がオフ、インジェクション回路がオンのフロルード運転に移行されるため、圧縮機に溜まり込んでいた液冷媒を完全に追い出してから、通常の冷媒インジェクションによる高効率、高能力の２段圧縮運転に移行することができる。従って、多段圧縮機の液圧縮運転を確実に防止することができる。
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、液バック運転時には、強制的に前記容量制御機構がオン、前記インジェクション回路がオフとされることを特徴とする。
本発明によれば、液バック運転が検知されたとき、強制的に容量制御機構をオン、インジェクション回路をオフとすることにより、多段圧縮機を低容量、低能力運転に切り替えることができる。これによって、液バック運転を解消し、液圧縮による多段圧縮機のダメージを回避することができる。
なお、液バックの有無は、冷凍サイクルに設けられている低圧圧力センサおよび吸入冷媒温度センサの検出値から吸入冷媒の過熱度を求めることにより検知可能である。
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、前記ハウジングは、前記低段側圧縮機構で圧縮された中間圧冷媒ガスが吐出されるとともに、前記インジェクション回路から中間圧冷媒がインジェクションされ、さらに前記容量制御機構から中間圧冷媒ガスがバイパスされる中間圧ハウジングとされることを特徴とする。
本発明によれば、ハウジングが、低段側圧縮機構から吐出される中間圧冷媒ガスおよびインジェクション回路からインジェクションされる中間圧冷媒ならびに容量制御機構からバイパスされる中間圧冷媒ガスにより、中間圧とされる構成のため、インジェクション回路がオフとされても、その冷媒量に相当する量の中間圧冷媒が容量制御機構からバイパスされる。これにより、ハウジング内を常に適正な中間圧力に保つことができる。従って、中間圧の変動を抑制し、安定した２段圧縮運転を行わせ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、前記高段側圧縮機構は、スクロール圧縮機構とされることを特徴とする。
本発明によれば、高段側圧縮機構が、スクロール圧縮機構とされるため、他のロータリ圧縮機構等と比べ、構造的に容量制御機構が組み込み易く、しかも給油構造を簡素化することができる。従って、低コストでインジェクション回路を備えた多段圧縮機を生産することができる。
本発明によると、冷媒インジェクションのオンオフに対応させて、容量制御機構により高段側圧縮機構の見かけの押しのけ量を変更し、各段の圧縮比を調整して中間圧を適正に保つことができるため、運転条件により、冷媒インジェクションをオンオフしても、最適圧縮比が崩れることがなく、効率の高い高性能運転を維持することができる。
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２を用いて説明する。
図１には、本発明の第１実施形態に係る多段圧縮機２を用いた冷凍サイクル１の構成図が示されている。なお、本実施形態では、ガスインジェクション方式を採用した場合の例について説明する。
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、放熱器７に接続されている。多段圧縮機２から吐出された高温高圧の冷媒ガスは、放熱器７において、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７の下流側には、冷媒配管８および第１減圧弁９を介して気液分離器１０が設けられ、第１減圧弁９で減圧された冷媒を気液分離している。この気液分離器１０の下流側には、冷媒配管１１および第２減圧弁１２を介して蒸発器１３が接続される。
蒸発器１３において、第２減圧弁１２を経て減圧された低温低圧の気液二相冷媒は、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。蒸発器１３で蒸発された冷媒は、蒸発器１３と多段圧縮機２間に接続された吸入配管１４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る。
また、上記気液分離器１０と多段圧縮機２の密閉ハウジング３間には、気液分離器１０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ガスインジェクション回路１５が接続される。
次に、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が設置された構成を有する。この多段圧縮機２は、ガスインジェクション回路１５から中間圧の冷媒ガスがインジェクションされることを前提に、低段側圧縮機構４と高段側圧縮機構５の圧縮比が最適値に設定されるものとする。
上記多段圧縮機２には、吸入配管１４が接続されるアキュームレータ３０が一体に設けられる。また、密閉ハウジング３の中央部には、ステータ３２とロータ３３とからなる電動モータ３１が設けられ、そのロータ３３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。さらに、密閉ハウジング３の底部には、潤滑油３７が所定量封入される。この潤滑油３７は、クランク軸３４の下端部に設けられる公知の容積式給油ポンプ２０により、クランク軸３４の軸線方向に穿設される給油孔２１を介して、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構成される。
上記低段側圧縮機構４は、ロータリ式圧縮機構とされる。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と、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と、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と、吐出キャビティ４５を形成する吐出カバー４６と、図示省略のブレードおよびブレード押えバネ等と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内に吐出される。
密閉ハウジング３内に吐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に接続されているガスインジェクション回路１５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。
上記ガスインジェクション回路１５は、電動モータ３１と高段側圧縮機構５との間において、密閉ハウジング３に接続されている。
上記高段側圧縮機構５は、スクロール式圧縮機構とされる。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と、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と、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と、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と、固定スクロール５２の背面に設けられる吐出弁５７と、固定スクロール５２の背面側に接続され、密閉ハウジング３との間に吐出チャンバ５８を形成するディスチャージカバー５９等と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、上記吐出配管６が接続されており、高温高圧に圧縮された冷媒ガスを圧縮機外へと吐出する。
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内に吐出された中間圧冷媒ガスおよびガスインジェクション回路１５から、密閉ハウジング３内にインジェクションされた中間圧冷媒ガスが、密閉ハウジング３内で混合された後、吸入口６０を経て一対の圧縮室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。この間、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を介して多段圧縮機２の外部へと吐出される。
また、上記高段側スクロール式圧縮機構５には、容量制御機構６１が設けられる。この容量制御機構６１は、圧縮室５４より圧縮途中の中間圧冷媒ガスを抜き出し、それを高段側スクロール式圧縮機構５の吸入側である密閉ハウジング３内にバイパスされるものである。容量制御機構６１は、図２に示されるように、固定スクロール５２の背面とディスチャージカバー５９との間に設けられる容量制御ブロック６２を有する。この容量制御ブロック６２には、固定スクロール５２に設けられるバイパスポート６３が逆止弁６４を介して連通される環状の容量制御室６５が設けられ、この容量制御室６５は、連通孔６６を介してディスチャージカバー５９に形成される環状の連通室６７に連通される。
上記連通室６７には、密閉ハウジング３の外部に取り出されるバイパス管６８の一端が接続される。また、バイパス管６８の他端には、図１に示されるように、密閉ハウジング３の外部において、三方切換弁６９が設けられる。この三方切換弁６９の一方の切換ポートは、バイパス管７０を介して密閉ハウジング３内の中間圧雰囲気中に接続され、他方の切換ポートは、高圧導入管７１を介して多段圧縮機２の吐出管６と接続される。
上記構成によると、三方切換弁６９によって、バイパス管６８が高圧導入管７１に連通された状態では、吐出圧（高圧）が容量制御室６５に導入され、逆止弁６４によりバイパスポート６３が閉じられるため、容量制御機構６１はオフ状態とされる。一方、三方切換弁６９により、バイパス管６８がバイパス管７０に連通された状態では、容量制御室６５が密閉ハウジング３内と同じ中間圧とされるため、圧縮途中の冷媒ガスは、逆止弁６４を押し開いて容量制御室６５内に流出される。この冷媒ガスは、容量制御室６５から圧縮されないまま、連通孔６６、連通室６７、バイパス管６８、三方切換弁６９、バイパス管７０を経て密閉ハウジング３内にバイパスされる。従って、その分圧縮容量が低減される。
上記容量制御機構６１の容量制御率は、バイパスポート６３の位置を適宜選択することによって、任意に設定することが可能である。本実施形態では、ガスインジェクション回路１５がオフとされて、容量制御機構６１が容量制御されるときの容量制御率は、ガスインジェクション回路１５がオンとされている状態、すなわちガスインジェクションされる状態で、容量制御機構６１がオフの状態、すなわちフル容量のときと同じ圧力比配分となるように設定される。つまり、ガスインジェクションのオンオフにかかわらず、低段側圧縮機構４の圧力比と高段側圧縮機構５の圧力比との比が同じとなるように容量制御率を設定する。これにより、ガスインジェクションのオンオフにかかわらず、中間圧を適正に保つことができるようにしている。
さらに、本実施形態では、上記ガスインジェクション回路１５に、電磁開閉弁７５を設け、この電磁開閉弁７５の開閉により、ガスインジェクションをオンオフできるようにしている。電磁開閉弁７５は、制御部７６により、三方切換弁６９の動作と連動して開閉される。制御部７６は、通常の運転条件では、電磁開閉弁７５を開とし、ガスインジェクション回路１５をオン状態にして、ガスインジェクションを行うとともに、三方切換弁６９を高圧導入管７１側に切換え、容量制御機構６１をオフ状態とする。また、外気温度、室内温度、空調負荷、空調運転モード等の入力信号７７に基づき、大きな能力を必要としない条件下では、電磁開閉弁７５を閉とし、ガスインジェクション回路１５によるガスインジェクションをオフ（中止）とするとともに、三方切換弁６９をバイパス管６８とバイパス管７０とが連通される状態に切換え、容量制御機構６１を容量制御状態、すなわち容量制御オンの状態とするよう構成されている。
以下に、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。
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内へと吐出される。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、この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、さらにガスインジェクション回路１５を経て、気液分離器１０により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。
上記の中間圧冷媒ガスは、密閉ハウジング３内で混合され、密閉ハウジング３内に開口されている吸入口６０を経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。これによって、上記の中間圧冷媒ガスは、高圧状態まで圧縮され、吐出弁５７を経て吐出チャンバ５８に吐出される。
吐出チャンバ５８内に吐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、放熱器７に導入される。この冷媒ガスは、放熱器７で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超臨界状態もしくは凝縮液化状態とされる。この冷媒は、冷媒配管８を経て第１減圧弁９により減圧され、気液二相状態とされて気液分離器１０に至り、そこで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、ガスインジェクション回路１５を経て上記の通り密閉ハウジング３内にインジェクションされる。一方、中間圧液冷媒は、冷媒配管１１を経て第２減圧弁１２により再度減圧され、低圧の気液二相冷媒となって蒸発器１３に至る。
蒸発器１３に流入した低圧低温の気液二相冷媒は、蒸発器１３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１４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７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１３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。
この間、多段圧縮機２では、密閉ハウジング３内に充填されている潤滑油３７が、容積式給油ポンプ２０により、給油孔２１を介して低段側ロータリ式圧縮機構４および高段側スクロール式圧縮機構５の所要給油箇所に供給され、両圧縮機構４，５の摺動部を確実に潤滑している。つまり、密閉ハウジング３内の潤滑油３７は、容積式給油ポンプ２０の高い給油能力により、差圧給油が困難な高段側スクロール式圧縮機構５に対しても、確実に給油を行い、低段側および高段側圧縮機構４，５を安定的に潤滑する。
また、暖房または加熱時においては、放熱器７を流れる冷媒に、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、気液分離器９におけるエコノマイザ効果により、冷媒のエンタルピが増大されているため、蒸発器１３で蒸発され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、冷媒を圧縮するのに必要とする動力が、ガスインジェクションによる効果により、大幅に削減されることとなる。
一方、春や秋等の中間期においては、空調負荷が小さいため、大きな空調能力を必要としない場合が生じる。このような運転条件下では、ガスインジェクションによる能力増大が不要となる。制御部７６が、入力信号７７からガスインジェクション不要と判断した場合、電磁開閉弁７５が閉とされ、ガスインジェクション回路１５がオフ状態となり、ガスインジェクションが中止される。同時に、制御部７６は、三方切換弁６９を切換え、バイパス管６８とバイパス管７０とが連通状態とされるため、容量制御機構６１が容量制御状態、すなわちオン状態となり、ガスインジェクションのオフに対応して高圧側スクロール圧縮機構５の押しのけ量を、設定された容量制御率となるよう低減する。こうして、低段側と高段側の圧縮機構の圧縮比を調整して中間圧を適正に保つよう作用する。
従って、以上説明の本実施形態によれば、以下の効果を奏する。
運転条件により、ガスインジェクション回路１５をオンオフした場合、容量制御機構６１が高段側スクロール圧縮機構５の見かけの押しのけ量を変更し、各段の圧縮比を調整して中間圧を適正に保つため、ガスインジェクション回路１５のオンオフにより、最適圧縮比が崩れることがなく、常に、効率の高い高性能運転を行わせることができる。
また、制御部７６により、ガスインジェクション回路１５をオフとする電磁開閉弁７５と容量制御用の三方切換弁６９とを連動させているため、小負荷条件下では、ガスインジェクションのオフと連動して確実に容量制御運転を実施することができる。従って、容量制御による多段圧縮機２の更なる省動力化を図ることができる。
また、密閉ハウジング３の内部は、低段側圧縮機構４から吐出される中間圧冷媒ガスおよびガスインジェクション回路１５からインジェクションされる中間圧冷媒ガス並びに容量制御機構６１からバイパスされる中間圧冷媒ガスにより、中間圧雰囲気とされる構成であり、ガスインジェクションがオフとされた場合、容量制御機構６１からそれに相当する量の中間圧冷媒ガスがバイパスされるため、密閉ハウジング３内を常に適正な中間圧力に保つことができる。従って、密閉ハウジング３内の中間圧変動を抑制し、安定した２段圧縮運転を行わせることができる。
また、高段側圧縮機構を、スクロール圧縮機構５としているため、ロータリ圧縮機構に比べて、構造的に容量制御機構６１が組み込み易く、しかも給油構造を簡素化することができる。従って、ガスインジェクション回路を備えた多段圧縮機を、低コストで生産することができる。
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について、図３を用いて説明する。
本実施形態は、上記第１実施形態に対して、起動時の強制軽負荷運転機能が付加されている点が異なっている。その他の点については、上記第１実施形態と同様であるので、説明は省略する。
本実施形態では、空調負荷等とは関係なく、起動時には、図３に示すように、強制的に容量制御機構６１とガスインジェクション回路１５とをオンオフするものである。
つまり、起動時には、まず、三方切換弁６９をバイパス管６８とバイパス管７０とが連通される状態として、容量制御機構６１をオン状態とするとともに、電磁開閉弁７５を閉として、ガスインジェクション回路１５をオフ状態として起動する。これは、ガスインジェクション回路１５を経て冷凍サイクル１から液冷媒が多段圧縮機２に液バックするのを防止するとともに、停止中に密閉ハウジング３内に溜まり込んでいた液冷媒を徐々に追い出し、過度な液圧縮運転を回避するためである。
上記の容量制御による軽負荷状態での起動運転を設定時間、例えば、十数秒間継続して行い、液冷媒がほぼ追い出され、液バックが発生しない状態としてから、まず、電磁開閉弁７５を開とし、ガスインジェクション回路１５をオンにしてガスインジェクション運転を開始する。この状態で設定時間、例えば、数秒間移行運転を行い、液冷媒を完全に追い出した後、容量制御機構６１をオフとし、容量制御オフ、ガスインジェクションオンのフルロード運転に移行する。
以上構成の本実施形態によれば、起動時に、ガスインジェクション回路１５からの液バックを防止することができるとともに、停止中に多段圧縮機２に溜まり込んでいた液冷媒を完全に追い出してから、通常のガスインジェクションによる高効率、高能力の２段圧縮運転に移行することができる。従って、多段圧縮機２を過度な液圧縮運転から確実に保護し、その信頼性を向上させることができる。
［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態について、図１を用いて説明する。
本実施形態は、上記第１実施形態に対して、液バック運転防止機能が付加されているが異なっている。その他の点については、上記第１実施形態と同様であるので、説明は省略する。
本実施形態は、運転状態により、吸入配管１４から多段圧縮機２に液冷媒が戻る、いわゆる液バック運転となったとき、それを検知して、液バック運転を解消できるようにしたものである。
負荷の急激な変動や能力の過大等によって、多段圧縮機２に液冷媒が戻る場合がある。このような液バック運転は、冷凍サイクル１の吸入配管１４に設けられる低圧圧力センサ７８および吸入冷媒温度センサ７９の検出値から吸入冷媒の過熱度を求めることにより検知することができる。本実施形態では、制御部７６が液バック運転を検知したとき、強制的に容量制御機構６１をオン、ガスインジェクション回路１５をオフとし、多段圧縮機２を低容量、低能力運転に切り替えるものである。
このように、液バック運転時、容量制御機構６１をオン、ガスインジェクション回路１５をオフとして、多段圧縮機２を低容量、低能力運転に切り替えることにより、液バック運転を解消することができる。
従って、液バック運転に伴う液圧縮を防止し、液圧縮による多段圧縮機２のダメージを回避することができる。
［第４実施形態］
次に、本発明の第４実施形態について、図４を用いて説明する。
本実施形態は、上記第１ないし第３実施形態に対して、液インジェクション方式を採用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。
本実施形態では、図１に示す第１実施形態におけるガスインジェクション回路１５に代えて、図４に示すように、減圧弁８６を有する液インジェクション回路８５を設け、該インジェクション回路８５に液インジェクションをオンオフする手段である電磁開閉弁８７を設けた構成とされている。液インジェクション回路８５は、放熱器７の下流側冷媒配管８から直接分岐して設けることができる。この場合、第１減圧弁９は不要であり、気液分離器１０は、気液分離機能を持たないレシーバ（受液器）であってよい。
上記のように、ガスインジェクション回路１５に代えて、液インジェクション回路８５を設けた場合においても、ガスインジェクションの場合と略同様の作用効果が奏される。
特に、液冷媒をインジェクションする場合は、液冷媒による冷却効果を期待することができるため、高圧力比運転時（高能力運転時）における冷媒の吐出ガス温度の低減や電動モータ３１の冷却によるモータ効率の向上等の効果を得ることができる。
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、適宜変更することができる。
例えば、ガスインジェクション方式は、気液分離器を用いる方式に代えて、内部熱交換器を用いる方式を採用してもよい。また、本発明の多段圧縮機は、ＨＦＣ冷媒を用いた冷凍サイクルに限らず、ＣＯ２冷媒を用いた超臨界冷凍サイクル（ＣＯ２サイクル）にも適用できることはもちろんである。
本発明の第１実施形態に係る多段圧縮機を用いた冷凍サイクルの構成図である。 本発明の第１実施形態に係る多段圧縮機の縦断面図である。 本発明の第２実施形態に係る多段圧縮機の運転状態説明図である。 本発明の第４実施形態に係る多段圧縮機を用いた冷凍サイクルの構成図である。
符号の説明
１ 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（ロータリ圧縮機構）
５ 高段側圧縮機構（スクロール圧縮機構）
１５ ガスインジェクション回路
６１ 容量制御機構
６８，７０ バイパス管
６９ 三方切換弁
７５ 電磁開閉弁（オンオフ手段）
７６ 制御部
８５ 液インジェクション回路
８６ 電磁開閉弁（オンオフ手段）

Claims (8)

  1. ハウジング内に、低段側圧縮機構と高段側圧縮機構とが設けられ、前記低段側圧縮機構で圧縮された中間圧冷媒ガスを前記高段側圧縮機構に吸入して２段圧縮するとともに、
    前記高段側圧縮機構に吸入される中間圧冷媒ガス中に、冷媒回路から抽出される中間圧の冷媒をインジェクションするインジェクション回路が設けられる多段圧縮機において、
    前記高段側圧縮機構には、圧縮中の冷媒ガスをその吸入側にバイパスさせる容量制御機構が設けられ、
    前記インジェクション回路には、冷媒のインジェクションをオンオフするオンオフ手段が設けられ、
    前記容量制御機構と、前記オンオフ手段とは、互いに連動して作動されることを特徴とする多段圧縮機。
  2. 前記オンオフ手段により前記インジェクション回路がオフとされたとき、前記容量制御機構により高段側圧縮機構の容量が制御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. 前記容量制御機構は、少なくとも前記オンオフ手段によりインジェクション回路がオフとされたときの容量制御率が、インジェクション回路がオンでフル容量のときと同じ圧力比配分となるように設定されることを特徴とする請求項２に記載の多段圧縮機。
  4. 起動時には、強制的に前記容量制御機構がオン、前記インジェクション回路がオフとさ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. 起動後には、前記容量制御機構がオン、前記インジェクション回路がオンとされる状態を経て、前記容量制御機構がオフ、前記インジェクション回路がオンのフルロード運転に移行されることを特徴とする請求項４に記載の多段圧縮機。
  6. 液バック運転時には、強制的に前記容量制御機構がオン、前記インジェクション回路がオフとされることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の多段圧縮機。
  7. 前記ハウジングは、前記低段側圧縮機構で圧縮された中間圧冷媒ガスが吐出されるとともに、前記インジェクション回路から中間圧冷媒がインジェクションされ、さらに前記容量制御機構から中間圧冷媒ガスがバイパスされる中間圧ハウジングとされることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の多段圧縮機。
  8. 前記高段側圧縮機構は、スクロール圧縮機構とされることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の多段圧縮機。

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