JP2012057568A - ロータリ圧縮機及び冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】単段のロータリ圧縮機にも低コストで導入できるインジェクション技術を提供する。
【解決手段】ロータリ圧縮機は、シリンダ１、ピストン２、インジェクション流路１４、インジェクション弁１５及びインジェクションポート１４ｐを有する。シリンダ１とピストン２との間には、吸入作動室及び圧縮−吐出作動室を含む作動室７が形成されている。インジェクション弁１５は、弁体３５を有し、弁体３５が作動室７の外に向かってピストン２に押されたときに開き、弁体３５が作動室７の中に突出したときに閉じるように構成されている。インジェクションポート１４ｐは、インジェクション弁１５が閉じる瞬間におけるシリンダ１とピストン２との接点から見て圧縮−吐出作動室側に設けられている。
【選択図】図２

Description

本発明は、ロータリ圧縮機及びそれを用いた冷凍サイクル装置に関する。本発明は、特に、冷凍サイクル装置の効率及び加熱能力の向上に寄与するインジェクション技術に関するものである。

当業者に知られているように、中間圧を有する気相の冷媒を圧縮機にインジェクションすると、冷凍サイクル装置の効率が向上する。図８は、特許文献１に記載された冷凍サイクル装置の構成図である。

図８に示すように、冷凍サイクル装置３００は、圧縮機３０１、放熱器３０２、第１膨張弁３０３、気液分離器３０４、第２膨張弁３０５、蒸発器３０６及びインジェクション管３０７を備えている。圧縮機３０１は、１段目のロータリ機構３０１ａと２段目のロータリ機構３０１ｂとで構成されている。インジェクション管３０７は、１段目のロータリ機構３０１ａで圧縮した冷媒を２段目のロータリ機構３０１ｂに移すための流路３０８に接続されている。

冷媒は、高温高圧の状態となるように圧縮機３０１で圧縮される。圧縮された冷媒は、放熱器３０２で冷却された後、第１膨張弁３０３によって減圧され、気液分離器３０４に流入する。気液分離器３０４において、冷媒は、気相の冷媒と液相の冷媒とに分離される。気相の冷媒は、インジェクション管３０７に流入する。液相の冷媒は、第２膨張弁３０５でさらに減圧され、蒸発器３０６に流入する。冷媒は、蒸発器３０６で加熱されて気化し、圧縮機３０１に吸入される。圧縮機３０１に吸入された冷媒は、１段目のロータリ機構３０１ａで中間圧まで圧縮される。中間圧まで圧縮された冷媒は、インジェクション管３０７からの気相の冷媒と混合される。混合された冷媒は、２段目のロータリ機構３０１ｂで更に圧縮される。

特開２００６−１７７２２８号公報

図８に示す圧縮機３０１によれば、１段目のロータリ機構３０１ａに吸入ポートが設けられ、２段目のロータリ機構３０１ｂに吐出ポートが設けられている。流路３０８は、基本的に、吸入ポート及び吐出ポートの両方から隔離されている。従って、インジェクションのタイミングを制御するための機構は不要である。

これに対し、１段のシリンダで冷媒を低圧から高圧まで圧縮するように構成されたロータリ圧縮機にインジェクション技術を適用するのは容易でない。具体的には、インジェクションポートから吸入ポートに冷媒が吹き抜けたり、作動室からインジェクションポートに冷媒が逆流したりするのを防止するために、インジェクションのタイミングを制御する弁が必要となる。ロータリ圧縮機は、通常、数十Ｈｚで運転される。このような回転数に同期して弁を開閉するのは非常に難しい。仮に可能であってとしても、弁の動作を電気的に制御する装置が必要になったり、部品点数が増加したりしてコストの高騰を免れない。また、ロータリ圧縮機の信頼性の低下も懸念される。

こうした事情に鑑み、本発明は、単段のロータリ圧縮機にも低コストで導入でき、尚且つロータリ圧縮機の信頼性も確保できるインジェクション技術を提供することを目的とする。

すなわち、本発明は、
シリンダと、
自身の外周面と前記シリンダの内周面との間に作動室が形成されるように前記シリンダの内部に配置されたピストンと、
前記作動室を吸入作動室と圧縮−吐出作動室とに仕切るベーンと、
圧縮行程の途中で前記圧縮−吐出作動室に作動流体を追加で供給するインジェクション流路と、
前記作動室の中と前記作動室の外との間を往復できる弁体を有し、前記弁体が前記作動室の外に向かって前記ピストンに押されたときに開き、前記弁体が前記作動室の中に突出したときに閉じるように構成されたインジェクション弁と、
前記インジェクション弁が閉じる瞬間における前記シリンダの前記内周面と前記ピストンの前記外周面との接点から見て前記圧縮−吐出作動室側に設けられ、前記インジェクション弁が開いたときに前記インジェクション流路を通じて前記圧縮−吐出作動室に作動流体が流入できるように前記作動室に向かって開口しているインジェクションポートと、
を備えた、ロータリ圧縮機を提供する。

他の側面において、本発明は、
上記本発明のロータリ圧縮機と、
前記ロータリ圧縮機で圧縮された作動流体を冷却する放熱器と、
前記放熱器で冷却された作動流体を膨張させる膨張機構と、
前記膨張機構で膨張した作動流体を蒸発させる蒸発器と、
前記放熱器の出口側の流路から分岐しているとともに、前記放熱器から流出した作動流体の一部を前記ロータリ圧縮機の前記インジェクション流路に導く分岐流路と、
を備えた、冷凍サイクル装置を提供する。

本発明のロータリ圧縮機によれば、インジェクション弁が開いたときにインジェクション流路を通じて圧縮−吐出作動室に作動流体が流入できる。弁体が作動室の外に向かってピストンに押されたときにインジェクション弁が開く。弁体が作動室の中に突出したときにインジェクション弁が閉じる。つまり、弁体及びピストンが一種のカム機構を構成している。このような構成によれば、インジェクション弁を電気的に制御する必要がない。

さらに、インジェクション弁が閉じる瞬間におけるシリンダの内周面とピストンの外周面との接点から見て圧縮−吐出作動室側にインジェクションポートが設けられている。このような位置にインジェクションポートが設けられていると、吸入作動室を通じて、インジェクションポートから吸入ポートへと作動流体が吹き抜けることを極力防止できる。

従って、本発明によるインジェクション技術は、単段のロータリ圧縮機にも低コストで導入できる。電気的な制御を特に必要としないので、ロータリ圧縮機の信頼性も確保できる。

本発明の冷凍サイクル装置は、上記本発明のロータリ圧縮機を備えているので、インジェクション技術の採用に伴うコストの増加を極力抑えることができる。インジェクション技術の導入により、特に、外気温が低いときの効率及び加熱能力を改善できる。

本発明の実施形態に係る冷凍サイクル装置の構成図 図１に示す冷凍サイクル装置に用いられたロータリ圧縮機の縦断面図 図２に示すロータリ圧縮機のＺ−Ｚ線に沿った横断面図 図３の部分拡大図 インジェクション弁が閉じる瞬間におけるシリンダの内周面とピストンの外周面との接点と、インジェクションポートとの位置関係を示す概略図 インジェクション開始の瞬間における横断面図 シリンダとピストンとの接点がステムの先端と一致した瞬間における横断面図 インジェクション終了の瞬間における横断面図 図２に示すロータリ圧縮機のＰＶ線図 変形例に係る２段ロータリ圧縮機の縦断面図 従来の冷凍サイクル装置の構成図

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本実施形態に係る冷凍サイクル装置の構成図である。冷凍サイクル装置１００は、ロータリ圧縮機１０２、放熱器１０４、第１膨張機構１０６、気液分離器１０８、第２膨張機構１１０及び蒸発器１１２を備えている。これらの構成要素は、冷媒回路１０を形成するように、流路１０ａ〜１０ｄによって上記の順番に環状に接続されている。流路１０ａ〜１０ｄは、典型的には、冷媒配管で構成されている。冷媒回路１０には、作動流体として、ハイドロフルオロカーボン、二酸化炭素等の冷媒が充填されている。

冷凍サイクル装置１００は、さらに、分岐流路１０ｊを備えている。分岐流路１０ｊは、気液分離器１０８に接続された一端とロータリ圧縮機１０２に接続された他端とを有し、気液分離器１０８で分離された気相の冷媒をロータリ圧縮機１０２に直接に導く。分岐流路１０ｊは、典型的には、冷媒配管で構成されている。分岐流路１０ｊに減圧弁が設けられていてもよい。分岐流路１０ｊにアキュームレータが設けられていてもよい。

冷媒回路１０には、冷媒の流れ方向を切り替えることができる切り替え機構として、四方弁が設けられていてもよい。

ロータリ圧縮機１０２は、冷媒を高温高圧に圧縮するための機器である。蒸発器１１２から流出した冷媒がロータリ圧縮機１０２に導かれるように、流路１０ｄによって蒸発器１１２がロータリ圧縮機１０２に接続されている。また、気液分離器１０８で分離された気相の冷媒がロータリ圧縮機１０２に導かれるように、分岐流路１０ｊによって気液分離器１０８がロータリ圧縮機１０２に接続されている。

放熱器１０４は、典型的には、空気−冷媒熱交換器又は水−冷媒熱交換器で構成されている。蒸発器１１２は、典型的には、空気−冷媒熱交換器で構成されている。

第１膨張機構１０６及び第２膨張機構１１０は、それぞれ、放熱器１０４で冷却された冷媒及び気液分離器１０８で分離された液相の冷媒を膨張させるための機器である。第１膨張機構１０６及び第２膨張機構１１０は、典型的には、膨張弁で構成されている。好適な膨張弁として、開度を変更できる弁、例えば電動膨張弁が挙げられる。第１膨張機構１０６は、放熱器１０４と気液分離器１０８との間の流路１０ｂ上に設けられている。第２膨張機構１１０は、気液分離器１０８と蒸発器１１２との間の流路１０ｃ上に設けられている。膨張機構１０６及び１１０は、それぞれ、冷媒から動力を回収できる容積型膨張機で構成されていてもよい。

気液分離器１０８は、第１膨張機構１０６で膨張した冷媒を気相の冷媒と液相の冷媒とに分離する。気液分離器１０８には、第１膨張機構１０６で膨張した冷媒の入口、液相の冷媒の出口及び気相の冷媒の出口が設けられている。気液分離器１０８で分離された気相の冷媒をロータリ圧縮機１０２に導くように、気相の冷媒の出口に分岐流路１０ｊの一端が接続されている。

冷媒回路１０には、アキュームレータ、内部熱交換器等の他の機器が設けられていてもよい。

（ロータリ圧縮機の構成）
図２は、図１に示す冷凍サイクル装置に使用されたロータリ圧縮機の縦断面図である。ロータリ圧縮機１０２は、密閉容器１１、モータ１３、圧縮機構２１及びシャフト３を備えている。圧縮機構２１は、密閉容器１１の下部に配置されている。モータ１３は、密閉容器１１の内部において、圧縮機構２１の上方に配置されている。シャフト３によって、圧縮機構２１とモータ１３とが連結されている。密閉容器１１の底部には、潤滑油を保持するための油溜り２２が形成されている。

密閉容器１１の上部には、吐出管１２が設けられている。吐出管１２は、密閉容器１１の上部を貫通しているとともに、密閉容器１１の内部空間２４に向かって開口している。吐出管１２は、圧縮機構２１で圧縮された冷媒を密閉容器１１の外部に導く吐出流路としての役割を担う。つまり、吐出管１２は、図１に示す流路１０ａの一部を構成している。ロータリ圧縮機１０２の動作時において、密閉容器１１の内部空間２４は、圧縮された冷媒で満たされる。つまり、ロータリ圧縮機１０２は、高圧シェル型の圧縮機である。高圧シェル型のロータリ圧縮機１０２によれば、冷媒でモータ１３を冷却できるのでモータ効率の向上を期待できる。冷媒がモータ１３で加熱されると、冷凍サイクル装置１００の加熱能力も向上する。

圧縮機構２１は、冷媒を圧縮するようにモータ１３によって動かされる。図２及び図３に示すように、圧縮機構２１は、シリンダ１、ピストン２、主軸受５（上軸受）、副軸受６（下軸受）、ベーン８、インジェクション流路１４及びインジェクション弁１５を有する。

シャフト３は、半径方向の外向きに突出した偏心部３ａ（偏心軸）を有する。ピストン２は、シリンダ１の内部に配置されている。シリンダ１の内部において、シャフト３の偏心部３ａにピストン２が取り付けられている。シリンダ１及びピストン２は、それぞれ、円筒状の内周面１ａ及び円筒状の外周面２ａを有し、内周面１ａと外周面２ａとの間に三日月形状の作動室７が形成されている。シリンダ１には、ベーン溝８ａが形成されている。ベーン溝８ａには、作動室７を吸入作動室７ａと圧縮−吐出作動室７ｂとに仕切るベーン８（ブレード）が摺動可能に配置されている。ベーン溝８ａには、さらに、ベーン８をピストン２に向けて押すバネ８ｂが配置されている。

なお、ピストン２はベーン８に一体化されていてもよい。すなわち、ピストン２及びベーン８が単一の部品（いわゆるスイングピストン）によって構成されていてもよい。

主軸受５及び副軸受６は、それぞれ、シリンダ１の上側端面及びシリンダ１の下側端面を閉じている。主軸受５には、圧縮するべき冷媒を吸入作動室７ａに導く吸入ポート２７と、圧縮された冷媒を圧縮−吐出作動室７ｂから密閉容器１１の内部空間２４に導く吐出ポート２９とが形成されている。吸入ポート２７及び吐出ポート２９は、それぞれ、ベーン８の近傍に位置している。吐出ポート２９には冷媒の逆流を防ぐ吐出弁（図示省略）が設けられている。

モータ１３は、ステータ１３ａ及びロータ１３ｂで構成されている。ステータ１３ａは、密閉容器１１の内壁に固定されている。ロータ１３ｂは、シャフト３に固定されており、かつシャフト３とともに回転する。シャフト３が回転すると、ピストン２もシリンダ１の中で回転する。

本実施形態において、インジェクション流路１４の少なくとも一部がシリンダ１の内周面１ａと外周面１ｂとの間においてシリンダ１の内部に形成されている。具体的に、インジェクション流路１４は、シリンダ１の内部及び主軸受５の内部に形成されている。このような構成によれば、インジェクション流路１４のための特別な部品が不要である。

図２に示すように、インジェクション流路１４は、主軸受５の内部に形成された部分１４ａと、シリンダ１を上端面側から下端面側へと縦に貫通している部分１４ｂと、シリンダ１の下端面に形成された部分１４ｃとを含む。部分１４ａには、密閉容器１１の側部を貫通して主軸受５に嵌められたインジェクション管１７が接続されている。部分１４ｂの途中にインジェクション弁１５が設けられている。部分１４ｃは、副軸受６によって閉じられており、作動室７に向かって延びている。部分１４ｃの端部が、インジェクションポート１４ｐとして機能する。インジェクション管１７は、図１に示す分岐流路１０ｊの一部を構成している。インジェクション管１７及びインジェクション流路１４を通じて、圧縮行程の途中で圧縮−吐出作動室７ｂに気相の冷媒が追加で供給される。

（ロータリ圧縮機の動作）
本明細書では、ベーン８の位置をシャフト３の回転方向に沿った「０度」の位置と定義する。言い換えれば、ベーン８がピストン２によってベーン溝８ａに最大限押し込まれた瞬間におけるシャフト３の回転角度を「０度」と定義する。

シャフト３が回転すると、吸入ポート２７を通じて、圧縮するべき冷媒が吸入作動室７ａに流入する。シャフト３の回転角度が３６０度に達したとき、すなわち、シャフト３が１回転したときに、吸入作動室７ａは最大の容積を有する。シャフト３の回転角度が３６０度を超えると、新たな吸入作動室７ａが生じる一方、それ以前の吸入作動室７ａは圧縮−吐出作動室７ｂに変化する。シャフト３の回転に伴って圧縮−吐出作動室７ｂの容積が減少し、これにより、冷媒が圧縮−吐出作動室７ｂで圧縮される。冷媒の圧力が吐出圧力に達すると吐出ポート２９に設けられた吐出弁が開き、圧縮された冷媒が圧縮−吐出作動室７ｂから密閉容器１１の内部空間２４に吐出される。圧縮された冷媒は、内部空間２４及び吐出管１２を通じて、冷媒回路１０へと導かれる。シャフト３の回転角度が７２０度に達すると圧縮−吐出作動室７ｂは消滅する。

（インジェクション弁の構成）
図４Ａに示すように、インジェクション弁１５は、弁溝３４、弁体３５、弁バネ３６（弾性部材）、ガイド溝３７及び蓋３８で構成されている。弁体３５は、作動室７の中と作動室７の外との間を往復できる。具体的に、弁体３５は、ピストン２に押されたときに作動室７から退き、ピストン２から離れたときに作動室７の中に突出する。インジェクション弁１５は、弁体３５が作動室７の外に向かってピストン２に押されたときに開き、弁体３５が作動室７の中に突出したときに閉じるように構成されている。インジェクション弁１５が開くと、冷媒は、インジェクション流路１４を通って、インジェクション管１７から作動室７へと流れることができる。インジェクション弁１５が閉じると、インジェクション流路１４も遮断される。

本実施形態によれば、弁体３５及びピストン２が一種のカム機構を構成している。弁体３５及びピストン２で構成されたカム機構は、簡素な構造を有しているとともに、インジェクションのタイミングを正確に制御する。従って、本実施形態によれば、低コスト及び優れた信頼性を両立できる。

弁溝３４は、シリンダ１の内部において、インジェクション流路１４と交差する位置に形成されている。弁体３５は、弁溝３４に進退可能に配置されている。このような構成によれば、弁体３５の往復動作だけで、インジェクション流路１４を開通したり閉鎖したりすることができる。

弁バネ３６は、弁体３５を作動室７に向けて押すように弁溝３４に配置されている。弁溝３４は、シリンダ１の外側から蓋３８によって閉じられている。ガイド溝３７は、弁溝３４よりも小さい孔であって、弁溝３４から作動室７に貫通している。

弁体３５は、ピストン２の円筒状の外周面２ａによって押されるように、シリンダ１の半径方向に沿って作動室７の中から外へと延びている。このような構成によれば、弁体３５を滑らかに動かすことができる。また、弁体３５とピストン２との摺動部分の摩耗を低減できる。もちろん、弁体３５がピストン２の上端面によって主軸受５の内部に押し込まれる又は弁体３５がピストン２の下端面によって副軸受６の内部に押し込まれるようにインジェクション弁１５が構成されていてもよい。

本実施形態において、弁体３５は、ステム３５ａ及びシャッタ３５ｂを含む。ステム３５ａ及びシャッタ３５ｂは、一体に構成されている。ステム３５ａは、棒の形状を有し、ガイド溝３７に通されている。ステム３５ａの先端が作動室７に突き出ている。シャッタ３５ａは、ステム３５ａよりも太い部分であり、冷媒がインジェクション流路１４を流れることを許容する開放位置と、冷媒がインジェクション流路１４を流れることを禁止する閉鎖位置とを往復できるように、弁溝３４に収められている。弁体３５（詳細にはシャッタ３５ａ）は、進退方向に沿って当該弁体３５を貫通している孔３５ｃを有する。冷媒は、孔３５ｃを通じて、インジェクション流路１４から弁溝３４へと、又は弁溝３４からインジェクション流路１４へと移動できる。すなわち、孔３５ｃは、弁溝３４が空気バネとして機能することを防止し、弁体３５のスムーズな動きに寄与する。

弁体３５が弁バネ３６に押されて作動室７に最大限突き出ているとき、インジェクション流路１４は弁体３５に遮られている。つまり、インジェクション弁１５は閉じている。このとき、冷媒はインジェクション流路１４を流れることができない。シャフト３が回転してシリンダ１とピストン２の接点がステム３５ａの近傍まで移動すると、ピストン２によってステム３５ａが半径方向の外向きに押される。すると、弁体３５が弁溝３４の中を移動し、インジェクション流路１４を冷媒が流れることができる状態になる。つまり、インジェクション弁１５が開く。

シャフト３の偏心部３ａの偏心量をＥ、シリンダ１の内周面１ａからの弁体３５（詳細にはステム３５ａ）の突出長さをＬとしたとき、弁体３５がピストン２に押されていない状態において、Ｌ≦０．４Ｅを満足することが望ましい。このような構成によれば、ピストン２が弁体３５を押し始めた瞬間の接触圧を小さくできるので、弁体３５及びピストン２の摩耗を防止できる。このことは、ロータリ圧縮機１００の信頼性の向上に寄与する。なお、「偏心量Ｅ」は、シャフト３の回転軸から、偏心部３ａの軸心までの距離を意味する。

また、インジェクション流路１４（詳細には部分１４ｂ）の内径をＤとしたとき、Ｄ≦Ｌを満足するように、シリンダ１の内周面１ａからの弁体３５の突出長さＬを設定してもよい。このような構成によれば、インジェクション弁１５における圧力損失を抑制できる。

本実施形態では、シリンダ１の内周面１ａにインジェクションポート１４ｐが形成されている。インジェクションポート１４ｐは、インジェクション弁１５が開いたときにインジェクション流路１４を通じて圧縮−吐出作動室７ｂに冷媒が流入できるように作動室７に向かって開口している。具体的に、インジェクションポート１４ｐは、インジェクション弁１５が閉じる瞬間におけるシリンダ１の内周面１ａとピストン２の外周面２ａとの接点４から見て、圧縮−吐出作動室７ｂ側に設けられている。好ましくは、図４Ｂに示すように、インジェクション弁１５が閉じる瞬間における接点４から見て、圧縮−吐出作動室７ｂ側にインジェクションポート１４ｐの全部が位置していることである。このような構成によれば、吸入作動室７ａを通じて、インジェクションポート１４ｐから吸入ポート２７に中間圧の冷媒が吹き抜けることを防止できる。

具体的には、インジェクション弁１５が閉じる瞬間における内周面１ａと外周面２ａとの接点４から見て、シャフト３の回転角度で０〜２０度の範囲にインジェクションポート１４ｐを設けることができる。圧縮−吐出作動室７ｂの圧力がインジェクション圧力（気液分離器１０８で分離された気相の冷媒の圧力）を上回った後においてもインジェクションポート１４ｐが圧縮−吐出作動室７ｂに面している場合、インジェクション弁１５の僅かな隙間を通ってインジェクション管１７に圧縮冷媒が漏れる可能性がある。インジェクションポート１４ｐの位置を上記の範囲に制限することにより、インジェクション管１７に圧縮冷媒が漏れる可能性のある期間を極力短くできる。

ロータリ圧縮機１００によれば、シャフト３が３６０度回転する間に圧縮行程及び吐出行程が行われる。例えば、シャフト３が１８０度回転する期間で圧縮行程が行われ、残りの１８０度で吐出行程が行われる。インジェクション圧力は、例えば、冷凍サイクルの高低圧差の１０〜１５％の圧力を冷凍サイクルの低圧に加えた圧力に等しい。従って、設計上の余裕を考慮して、インジェクション弁１５が閉じる瞬間における接点４から見て、圧縮行程が行われる角度の１０〜１５％以内、例えば２０度以内にインジェクションポート１４ｐを設けることが妥当である。

インジェクションポート１４ｐ及び弁体３５の位置は、次の手順に従って決定できる。まず、インジェクションポート１４ｐの位置を決める。圧縮−吐出作動室７ｂの容積Ｖは、吸入容積Ｖ₀（閉じ込め容積）、基準位置からのシャフト３の回転角度θを用いて下記式（１）で表される。

Ｖ＝（Ｖ₀／２）×（１＋cos（θ／２））・・・（１）

また、圧縮−吐出作動室７ｂの圧力Ｐ及び容積Ｖは、吸入圧力Ｐ_S、吸入容積Ｖ₀、ポリトロープ指数κを用いて、下記式（２）で表される。

Ｐ_SＶ₀ ^κ＝ＰＶ^κ・・・（２）

式（２）に式（１）を代入すると、下記式（３）を導くことができる。

θ＝２arccos｛２×（Ｐ_S／Ｐ）^1/κ−１｝・・・（３）

すなわち、圧縮−吐出作動室７ｂの圧力Ｐがインジェクション圧力Ｐ_injに等しくなる角度θ_injは、下記式（４）で表される。

θ_inj＝２arccos｛２×（Ｐ_S／Ｐ_inj）^1/κ−１｝・・・（４）

インジェクションポート１４ｐは、圧縮−吐出作動室７ｂの圧力Ｐがインジェクション圧力Ｐ_injに等しくなる位置、すなわち、角度θ_injの位置に設けられていることが望ましい。また、その角度θ_injまでシャフト３が回転したときにインジェクション弁１５が閉じることが望ましい。従って、冷凍サイクルの吸入圧力Ｐ_S及びインジェクション圧力Ｐ_injからインジェクションポート１４ｐの凡その位置（角度θ_inj）を決定することができる。

次に、インジェクションポート１４ｐの位置から弁体３５（ステム３５ａ）の位置を決定する。まず、弁体３５を（θ_inj／２）よりも小さい角度に設けることはできない。弁体３５が（θ_inj／２）よりも小さい角度に位置していると、吸入作動室７ａに冷媒がインジェクションされるからである。他方、ステム３５ａのリフト量（ストローク量）を適切に確保し、インジェクションに伴う圧力損失を抑制する観点から、弁体３５は（３θ_inj／４）よりも小さい角度に設けられていることが好ましい。このように、弁体３５は、インジェクションポート１４ｐが設けられている角度θ_injを基準として、（θ_inj／２）〜（３θ_inj／４）の範囲に設けることができる。

一例において、弁体３５（ステム３５ａ）の位置は、０度の位置（ベーン８の位置）から見て、シャフト３の回転角度で６０〜１２０度の範囲に設定しうる。

本実施形態では、インジェクション弁１５が閉じる瞬間における接点４に重なる位置にインジェクションポート１４ｐが設けられている。詳細には、図４Ｂに示すように、インジェクション弁１５が閉じる瞬間に接点４がインジェクションポート１４ｐを通過し始める。インジェクション弁１５が閉じたとき、接点４は、シャフト３の回転方向に沿ったインジェクションポート１４ｐの２つのエッジのうち、接点４に先に接する側のエッジに重なっている。このような構成によれば、インジェクション管１７に圧縮冷媒が漏れる可能性のある期間を最も短くできる。さらに、インジェクション流路１４の長さを短くできるので、インジェクション流路１４に起因した死容積を最小限に抑えることができる。

別の観点において、インジェクションポート１４ｐが形成された角度位置に接点４が到達したときに、半径方向への弁体３５（ステム３５ａ）の押し込み量がゼロとなるように、インジェクションポート１４ｐの位置及びシリンダ１の内周面１ａからの弁体３５の突出量（ステム３５ａの長さ）が調整されている。言い換えれば、圧縮−吐出作動室７ｂ内の圧力がインジェクション流路１４内の圧力に達したときに、インジェクション流路１４から圧縮−吐出作動室７ｂへの冷媒の流入が遮断されるように、インジェクションポート１４ｐの位置及びシリンダ１の内周面１ａからの弁体３５の突出量が調整されている。このような構成によれば、上記したように、インジェクション管１７への圧縮冷媒の漏れ及び死容積の増大を防止できる。

なお、インジェクション管１７の中の冷媒は、中間圧を有する気相の冷媒である。従って、インジェクション管１７から吸入作動室７ａに冷媒が多少漏れたとしても、そのことは、気液分離器１０４の分離効率が若干低下したことと等価である。つまり、中間圧を有する冷媒が吸入作動室７ａに多少漏れたとしても、特段の不具合は生じず、本実施形態の冷凍サイクル装置１００は、インジェクションを行わない冷凍サイクル装置の効率よりも確実に高い効率を発揮する。

（インジェクション弁の動作）
インジェクション弁１５の動作をさらに詳しく説明する。シャフト３の回転角度が０度のとき、弁体３５はピストン２と接触しておらず、インジェクション弁１５は閉じている。シャフト３が回転すると、シリンダ１とピストン２との接点４もシャフト３の回転方向に移動する。

図５Ａに示す位置で、弁体３５の先端（ステム３５ａ）がピストン２の外周面２ａに接触する。シャフト３がさらに回転すると、弁体３５は、ピストン２によって半径方向の外向きに押され、弁溝３４及びガイド溝３７の中を作動室７から退く方向に移動する。詳細には、ステム３５ａがピストン２に押されたときに、ステム３５ａが作動室７の中から作動室７の外へと移動してシャッタ３５ｂが閉鎖位置から開放位置へと移動する。これにより、インジェクション弁１５が開く。インジェクション弁１５が開くと、インジェクション管１７、インジェクション流路１４及びインジェクションポート１４ｐを通じて、気相の冷媒が圧縮−吐出作動室７ｂに流入できる。

図５Ｂに示すように、接点４が弁体３５の先端に一致したとき、弁体３５はシリンダ１の内周面１ａの位置まで押し込まれている。このとき、インジェクション弁１５は最も開いた状態（全開）となる。

シャフト３がさらに回転すると、弁体３５の押し込み量が徐々に減少し、これに伴って、インジェクイション弁１５の開度も徐々に減少する。詳細には、ピストン２がステム３５ａから離れるときに、ステム３５ａが作動室７の外から作動室７の中へと移動してシャッタ３５ｂが開放位置から閉鎖位置へと移動する。図５Ｃに示すように、接点４がインジェクションポート１４ｐの位置に到達するのと同時に、弁体３５の押し込み量がゼロになる。このとき、インジェクション弁１５が閉じる。これ以降、シャフト３が次に弁体３５を押し始めるまでインジェクション弁１５は閉じた状態を維持する。

弁体３５がピストン２に接触している期間は、シャフト３の回転角度で表して、例えば６０〜１２０度である。この期間の長さは、圧縮−吐出作動室７ｂに冷媒をインジェクションする期間の長さに概ね対応しており、作動室７への弁体３５の突出長さで調整されうる。

図６は、図２に示すロータリ圧縮機のＰＶ線図である。横軸は作動室７の容積、縦軸は作動室７の圧力を示している。線ＡＢが吸入行程、線ＢＣＤＥが圧縮行程、線ＥＦが吐出行程に対応している。

吸入行程は点Ａで始まる。点Ａにおいて、シャフト３の回転角度は０度であり、吸入作動室７ａの容積はゼロである。シャフト３の回転に伴って吸入作動室７ａの容積が増加し、吸入行程が終了する時点（点Ｂ）まで吸入圧力Ｐｓを有する冷媒が吸入作動室７ａに流入する。吸入行程でインジェクションポート１４ｐが吸入作動室７ａに面していたとしても、インジェクション弁１５が閉じているので、インジェクション管１７の冷媒は吸入作動室７ａへ流入しない。

シャフト３の回転角度が３６０度に達すると、吸入行程が終了し、圧縮行程が始まる（点Ｂ）。点Ｂにおいて、吸入作動室７ａは圧縮−吐出作動室７ｂに変化する。その後、シャフト３の回転に伴って圧縮−吐出作動室７ｂの容積が減少し、冷媒は圧縮−吐出作動室７ｂで圧縮される。

図５Ａに示す状態までシャフト３が回転すると、インジェクション弁１５が開き始める。これにより、インジェクション管１７、インジェクション流路１４及びインジェクションポート１４ｐを通じて、中間圧Ｐｍを有する冷媒が圧縮−吐出作動室７ｂに流入し始める（点Ｃ）。

図５Ｃに示す状態までシャフト３が回転すると、インジェクション弁１５が閉じる。これにより、インジェクション管１７から圧縮−吐出作動室７ｂへの冷媒の流入が終了する。同時に、圧縮−吐出作動室７ｂはインジェクションポート１４ｐから切り離される。このとき、圧縮−吐出作動室７ｂの圧力は中間圧Ｐｍに概ね等しい。

その後、冷媒は圧縮−吐出作動室７ｂで圧縮される。圧縮冷媒の圧力が吐出圧力Ｐｄに達すると吐出行程が始まる（点Ｅ）。シャフト３の回転角度が７２０度となる時点（点Ｆ）で吐出行程が終了する。

（その他）
本実施形態によれば、従来のロータリ圧縮機にインジェクション流路１４、インジェクションポート１４ｐ及びインジェクション弁１５を追加するだけで、所望の目的を達成できる。そのため、部品コストを抑えることができるとともに、従来の生産設備をそのまま使用できる。

また、本実施形態のロータリ圧縮機１００は、シリンダ１及びピストン２を含む圧縮機構２１を１つのみ備えた１ピストン方式である。つまり、本発明によれば、１ピストン方式のロータリ圧縮機にインジェクション技術を容易に導入できる。

（変形例）
図７は、変形例に係るロータリ圧縮機の縦断面図である。ロータリ圧縮機２０２は、図１を参照して説明したロータリ圧縮機１０２に他の１つの圧縮機構（第２圧縮機構５１）を追加した構造を有する。すなわち、ロータリ圧縮機２０２は、第１圧縮機構２１及び第２圧縮機構５１備えた２ピストン方式である。

第１圧縮機構２１は、図１等を参照して説明した圧縮機構２１である。図１等を参照して説明したシリンダ１及びピストン２をそれぞれ第１ピストン１及び第２ピストン２と定義したとき、第２圧縮機構５１は、第２シリンダ４１及び第２ピストン４２を備えている。第２シリンダ４１は、第１シリンダ１に対して同心状に配置されている。第２ピストン４２は、シャフト３の偏心部３ｂに取り付けられているとともに、自身の外周面と第２シリンダ４１の内周面との間に第２作動室４７が形成されるように第２シリンダ４１内に配置されている。第１圧縮機構２１と第２圧縮機構５１との間には、中板５３が設けられている。冷媒は、第１圧縮機構２１又は第２圧縮機構５１で低圧から高圧まで圧縮される。

第２ピストン４２の位相は、第１ピストン２の位相に対して１８０度ずれている。これにより、振動及び騒音を低減できる。インジェクション流路１４、インジェクション弁１５及びインジェクションポート１４ｐは、第１圧縮機構２１にのみ設けられている。ただし、第１圧縮機構２１だけでなく、第２圧縮機構５１にも第１圧縮機構２１と同じインジェクション流路、インジェクション弁及びインジェクションポートが設けられていてもよい。

本発明の冷凍サイクル装置は、給湯機、温水暖房装置及び空気調和装置等に利用できる。

１ シリンダ
１ａ シリンダの内周面
１ｂ シリンダの外周面
２ ピストン
２ａ ピストンの外周面
３ シャフト
４ 接点
７ 作動室
７ａ 吸入作動室
７ｂ 圧縮−吐出作動室
８ ベーン
１０ｊ 分岐流路
１４ インジェクション流路
１４ｐ インジェクションポート
１５ インジェクション弁
２１ 圧縮機構
２５ 弁体
１００ 冷凍サイクル装置
１０２ ロータリ圧縮機
１０４ 放熱器
１０６ 第１膨張機構
１０８ 気液分離器
１１０ 第２膨張機構
１１２ 蒸発器

Claims (11)

1. シリンダと、
   自身の外周面と前記シリンダの内周面との間に作動室が形成されるように前記シリンダの内部に配置されたピストンと、
   前記作動室を吸入作動室と圧縮−吐出作動室とに仕切るベーンと、
   圧縮行程の途中で前記圧縮−吐出作動室に作動流体を追加で供給するインジェクション流路と、
   前記作動室の中と前記作動室の外との間を往復できる弁体を有し、前記弁体が前記作動室の外に向かって前記ピストンに押されたときに開き、前記弁体が前記作動室の中に突出したときに閉じるように構成されたインジェクション弁と、
   前記インジェクション弁が閉じる瞬間における前記シリンダの前記内周面と前記ピストンの前記外周面との接点から見て前記圧縮−吐出作動室側に設けられ、前記インジェクション弁が開いたときに前記インジェクション流路を通じて前記圧縮−吐出作動室に作動流体が流入できるように前記作動室に向かって開口しているインジェクションポートと、
   を備えた、ロータリ圧縮機。
2. 前記ピストンが取り付けられたシャフトをさらに備え、
   前記インジェクション弁が閉じる瞬間における前記接点から見て、前記シャフトの回転角度で０〜２０度の範囲に前記インジェクションポートが設けられている、請求項１に記載のロータリ圧縮機。
3. 前記インジェクション弁が閉じる瞬間における前記接点に重なる位置に前記インジェクションポートが設けられている、請求項１又は２に記載のロータリ圧縮機。
4. 前記インジェクションポートは、前記圧縮−吐出作動室内の圧力が前記インジェクション流路内の圧力に達したときに、前記インジェクション流路から前記圧縮−吐出作動室への作動流体の流入が遮断される位置に設けられている、請求項１に記載のロータリ圧縮機。
5. 前記インジェクション流路の少なくとも一部が前記シリンダの前記内周面と前記シリンダの外周面との間において前記シリンダの内部に形成されており、
   前記インジェクション弁は、前記シリンダの内部において前記インジェクション流路と交差する位置に形成された弁溝をさらに有し、
   前記弁溝に前記弁体が進退可能に配置されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載のロータリ圧縮機。
6. 前記弁体は、前記ピストンの円筒状の外周面によって押されるように、前記シリンダの半径方向に沿って前記作動室の中から外へと延びている、請求項１〜５のいずれか１項に記載のロータリ圧縮機。
7. 前記弁体は、前記作動室に突き出たステムと、前記ステムと一体に構成され、作動流体が前記インジェクション流路を流れることを許容する開放位置と、作動流体が前記インジェクション流路を流れることを禁止する閉鎖位置とを往復できるシャッタとを含み、
   前記ステムが前記ピストンに押されたときに、前記ステムが前記作動室の中から前記作動室の外へと移動して前記シャッタが前記閉鎖位置から前記開放位置へと移動し、前記ピストンが前記ステムから離れるときに、前記ステムが前記作動室の外から前記作動室の中へと移動して前記シャッタが前記開放位置から前記閉鎖位置へと移動する、請求項１〜６のいずれか１項に記載のロータリ圧縮機。
8. 当該ロータリ圧縮機は、前記シリンダ及び前記ピストンを含む圧縮機構を１つのみ備えた１ピストン方式である、請求項１〜７のいずれか１項に記載のロータリ圧縮機。
9. 前記シリンダを第１シリンダ、前記ピストンを第１ピストンと定義したとき、
   当該ロータリ圧縮機は、さらに、
   前記第１シリンダに対して同心状に配置された第２シリンダと、
   自身の外周面と前記第２シリンダの内周面との間に第２作動室が形成されるように前記第２シリンダ内に配置された第２ピストンとを備え、
   当該ロータリ圧縮機は、前記第１シリンダ及び前記第１ピストンを含む第１圧縮機構と、前記第２シリンダ及び前記第２ピストンを含む第２圧縮機構とを備えた、２ピストン方式である、請求項１〜７のいずれか１項に記載のロータリ圧縮機。
10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載のロータリ圧縮機と、
    前記ロータリ圧縮機で圧縮された作動流体を冷却する放熱器と、
    前記放熱器で冷却された作動流体を膨張させる膨張機構と、
    前記膨張機構で膨張した作動流体を蒸発させる蒸発器と、
    前記放熱器の出口側の流路から分岐しているとともに、前記放熱器から流出した作動流体の一部を前記ロータリ圧縮機の前記インジェクション流路に導く分岐流路と、
    を備えた、冷凍サイクル装置。
11. 前記膨張機構で膨張した作動流体を気相の作動流体と液相の作動流体とに分離する気液分離器をさらに備え、
    前記分岐流路は、前記気液分離器で分離された気相の作動流体を前記ロータリ圧縮機の前記インジェクション流路に導くように、前記気液分離器の気相の作動流体の出口に接続されている、請求項１０に記載の冷凍サイクル装置。

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