JP2012127565A - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮機の広い運転範囲において、圧縮動作における動力損失を低減させた冷凍サイクル装置を得る。
【解決手段】設計圧縮比以上では、ガスインジェクションポートを成績係数向上を目的としたガスインジェクションに利用し、設計圧縮比以下では吐出バイパスポートとして切替利用する。
【選択図】図５

Description

本発明は、冷凍又は空調用途等の冷凍サイクル内で用いられ、ガスインジェクション機能を備えた冷凍サイクル装置に関する。

従来、冷凍サイクルの成績係数（圧縮機入力に対する冷凍能力の比）を高くする目的で、冷凍サイクルに気液分離器を設け、気液分離器で分離された冷媒ガスを圧縮機に送るガスインジェクション配管と、ガスインジェクション配管と圧縮機の吸入配管とを連結するバイパス配管とを設け、運転圧力比に応じてガスインジェクションかバイパスかを切り替える三方弁を設けた例が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

また、ガスインジェクションポートと、過圧縮防止のため圧縮機吐出側へ通じる吐出ガスバイパスポートを設けたスクロール圧縮機において、バイパスポートは固定スクロールの内周側（高圧側）、そして、ガスインジェクションポートは固定スクロールの外周側（低圧側）と圧縮室に開口する範囲を同時にならないように異ならせて、互いの働きを影響し合わないようにした例が開示されている（例えば、特許文献２参照）。

また、高段圧縮機と低段圧縮機とを備えた二段圧縮式冷凍サイクル装置において、気液分離器で分離された冷媒ガスを低段圧縮機の吐出側と高段圧縮機の吸入側を接続する配管に送るガスインジェクション配管と、低段圧縮機の吐出側と高段圧縮機の吐出側とを接続する高段バイパス配管と、高段バイパス配管に付設する逆止弁とを設けている例が開示されている（例えば、特許文献３参照）。

また、圧縮機の圧縮構造の１つに、ケーシング内で１つのスクリューローターに２枚のゲートローターを嵌合させて、ガス冷媒の圧縮を実施するスクリュー圧縮機というものがある。

特許第３５９２５００号公報（第４頁、図１） 特許第３７６４２６１号公報（第４−５頁、図１−２） 特開２００７−１０２８２号公報（第４−５頁、図１）

冷凍サイクルの成績係数を高くする目的で、ガスインジェクション機能を備えた圧縮機において、特許文献１のように低圧縮比条件で、圧縮ガスを吸入側へバイパスさせて過圧縮を防止する場合、圧縮機の吸入側に昇圧したガス冷媒をバイパスさせるので、昇圧してエンタルピーを向上させたガス冷媒を吸入側に無駄に漏らしてしまい、効率が悪くなるという問題点があった。

また、特許文献２のように、ガスインジェクションポートの位置は圧縮室の閉じ込み完了直後から圧縮過程の前半に設け、吐出ガスバイパスポートはある程度圧縮の進んだ後半に設けている。これは、ガスインジェクションポート径の大きさが歯厚で制限されるので、ガスインジェクション差圧の方を大きくして、安定して冷媒ガスを圧縮機へ戻せるようにするためである。しかし、吐出ガスバイパス運転をしない条件においては、吐出ガスバイパスポートの容積部が圧縮途中の圧縮室に連通して昇圧され、再び次に連通する低圧の圧縮室と混合し、圧力変動し、いわゆる再膨張損失が生じる問題がある。

本発明は、上述のような問題を解決するためになされたものであり、圧縮機の広い運転回転数において、圧縮動作における動力損失を低減させた冷凍サイクル装置を得ることを目的とする。

本発明に係る冷凍サイクル装置は、ガス冷媒を圧縮する圧縮室を有し、圧縮過程で圧縮しているガス冷媒を吐出し、あるいは、外部から前記圧縮室にガス冷媒がインジェクションされるガスインジェクションポートを有する圧縮機と、該圧縮機から吐出されたガス冷媒を凝縮する凝縮器と、該凝縮器から流出した冷媒の少なくとも一部を減圧させてガス冷媒とする減圧手段と、該減圧手段から流出した冷媒を膨張させる膨張装置と、該膨張装置によって膨張された冷媒を蒸発させてガス冷媒とし、そのガス冷媒を前記圧縮機に吸入させる蒸発器と、前記減圧手段からガス冷媒が流出する側と、前記ガスインジェクションポートとを連結し、その経路に開閉弁を備えたガスインジェクション経路と、前記開閉弁と前記ガスインジェクションポートとの間の前記ガスインジェクション経路と、前記圧縮機の吐出側とを連通させ、その経路に逆止弁を備えた吐出ガスバイパス経路と、を備え、前記逆止弁は、前記開閉弁と前記ガスインジェクションポートとの間の前記ガスインジェクション経路から前記圧縮機の吐出側への方向のみに冷媒を流通させるものである。

本発明によれば、圧縮機の広い運転範囲において、圧縮動作における動力損失を低減させることのできる冷凍サイクル装置を得ることができる。

本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の冷媒回路図である。 本発明の実施の形態１に係る圧縮機１０１の全体断面図である。 本発明の実施の形態１に係る圧縮機１０１の部分断面図である。 本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の設計圧縮比条件での動作を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の設計圧縮比条件での動作におけるモリエル線図である。 本発明の実施の形態１に係る圧縮機１０１の各圧縮室１１における圧力分布を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る圧縮機１０１の圧縮室１１の設計圧縮比条件におけるＰ−Ｖ線図である。 本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の低圧縮比条件での動作を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る圧縮機１０１の圧縮室１１の低圧縮比条件におけるＰ−Ｖ線図である。 従来のガスインジェクションポート１０８を設けない場合の低圧縮比条件におけるＰ−Ｖ線図である。 本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の別形態での低圧縮比条件におけるＰ−Ｖ線図である。 本発明の実施の形態１に係る圧縮機１０１の各圧縮室１１における圧力分布を示し、かつ、別形態のガスインジェクションポート１０８を示した図である。 本発明の実施の形態１に係る圧縮機１０１の各圧縮室１１における圧力分布を示し、かつ、別形態のガスインジェクションポート１０８を示した図である。 本発明の実施の形態１に係る圧縮機１０１の別形態の部分断面図である。 本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の別形態の冷媒回路図である。 本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の別形態の冷媒回路図である。

実施の形態１．
（冷凍サイクル装置の構成）
図１は、本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の冷媒回路図である。
図１で示されるように、本実施の形態に係る冷凍サイクル装置は、少なくとも、インバーター１００によって駆動される圧縮機１０１、蒸発器１０２、凝縮器１０３、膨張弁１０５、内部熱交換器１０６、内部熱交換用膨張弁１０７、ガスインジェクション配管１０９、開閉弁１１０、吐出ガスバイパス配管１１１及び逆止弁１１２を備えている。これらは、圧縮機１０１、凝縮器１０３、内部熱交換器１０６、膨張弁１０５、蒸発器１０２、そして、圧縮機１０１の順に冷媒配管によって接続され、冷凍サイクル回路を構成してる。また、内部熱交換器１０６は、ガスインジェクション配管１０９によって、圧縮機１０１のガスインジェクションポート１０８に接続されている。このガスインジェクション配管１０９には、開閉弁１１０が設置されている。また、開閉弁１１０のガスインジェクションポート１０８側は、吐出ガスバイパス配管１１１によって、圧縮機１０１の吐出側に接続されている。この吐出ガスバイパス配管１１１には、逆止弁１１２が設置されている。そして、内部熱交換器１０６から冷媒を流出する冷媒配管は、分岐し、内部熱交換用膨張弁１０７を介して、再度、内部熱交換器１０６へ接続され、この内部熱交換器１０６を通ってガスインジェクション配管１０９へ接続されている。

圧縮機１０１は、インバーター１００によって駆動され、吸入した気体冷媒を圧縮し、高温高圧の気体冷媒を吐出するスクリュー圧縮機である。

蒸発器１０２は、外部空気等と内部を流通する冷媒との熱交換を実施し、冷媒を蒸発させる。

凝縮器１０３は、圧縮機１０１から吐出された高温高圧のガス冷媒と外部空気等との熱交換を実施し、ガス冷媒を凝縮させ、低温高圧の液冷媒として流出させる。

膨張弁１０５は、後述するように、内部熱交換器１０６から流出した高圧の液冷媒を膨張させて減圧させる。

内部熱交換器１０６は、後述する設計圧縮比条件での動作においては、熱交換器として機能し、凝縮器１０３から流出した低温高圧の液冷媒と、この凝縮器１０３から流出して分岐し、内部熱交換用膨張弁１０７によって、膨張及び減圧された冷媒との熱交換を実施する。そして、内部熱交換器１０６は、熱交換を実施した内部熱交換用膨張弁１０７からの冷媒をガスインジェクション配管１０９に流出させる。また、内部熱交換器１０６は、後述する低圧縮比条件での動作においては、冷媒を流通させるのみで、その他の機能を有さない。

内部熱交換用膨張弁１０７は、前述のように、設計圧縮比条件での動作において、内部熱交換器１０６から流出して分岐した冷媒を、膨張及び減圧する。

ガスインジェクション配管１０９は、前述のように、内部熱交換器１０６と、圧縮機１０１のガスインジェクションポート１０８とを接続するものである。ガスインジェクション配管１０９は、設計圧縮比条件での動作において、内部熱交換器１０６によって熱交換が実施された内部熱交換用膨張弁１０７からの冷媒を、圧縮機１０１のガスインジェクションポート１０８まで流通させ、圧縮機１０１内に流入させる。

開閉弁１１０は、設計圧縮比条件での動作において、開状態とし、内部熱交換器１０６によって熱交換が実施された内部熱交換用膨張弁１０７からの冷媒に、ガスインジェクション配管１０９内を流通させる。一方、開閉弁１１０は、低圧縮比条件での動作において、閉状態とし、ガスインジェクション配管１０９内を冷媒に流通させないようにする。

吐出ガスバイパス配管１１１は、低圧縮比条件での動作において、圧縮機１０１のガスインジェクションポート１０８から吐出されたガス冷媒を、逆止弁１１２を介して、圧縮機１０１と凝縮器１０３との間の冷媒配管、すなわち、圧縮機１０１の吐出側に送り込むものである。

逆止弁１１２は、低圧縮比条件での動作において、圧縮機１０１のガスインジェクションポート１０８から吐出されたガス冷媒を凝縮器１０３へ向かう方向のみに冷媒を流通させるものである。

なお、図１で示されるように、内部熱交換器１０６から流出した冷媒から分岐した一部の冷媒が内部熱交換用膨張弁１０７によって膨張及び減圧され、再び内部熱交換器１０６へ流入しているものとしているが、これに限定されるものではない。すなわち、凝縮器１０３から流出した後、内部熱交換器１０６に流入する前の冷媒から分岐した一部の冷媒が、内部熱交換用膨張弁１０７によって膨張及び減圧されて冷却されて、内部熱交換器１０６に流入し、その後、ガスインジェクション配管１０９に流出する構成としてもよい。この場合においても、凝縮器１０３から流出した低温高圧の液冷媒と、内部熱交換用膨張弁１０７によって膨張及び減圧された冷媒との熱交換が実施される。

（圧縮機１０１の構造）
図２は、本発明の実施の形態１に係る圧縮機１０１の全体断面図であり、図３は、同圧縮機１０１の部分断面図である。以下、図２及び図３を参照しながら、圧縮機１０１の詳細構造について説明する。

図２及び図３で示されるように、圧縮機１０１は、圧縮機構を収容するケーシング１によって外形が形成され、そのケーシング１内にスクリュー軸９を回転駆動させる電動機８を内蔵している。また、このスクリュー軸９は、高圧側軸受２及び低圧側軸受３によって支持されており、この高圧側軸受２及び低圧側軸受３の軸受によって円滑な回転が実現されている。また、スクリュー軸９上の高圧側軸受２と低圧側軸受３との間には、スクリューローター４が固定されており、このスクリュー軸９の回転に連動して回転する。このスクリューローター４には、螺旋状の複数のスクリュー溝１０が形成されている。また、このスクリュー溝１０には、複数の歯を有する歯車であるゲートローター７の歯が嵌合しており、後述するように、このスクリュー溝１０と、それに勘合しているゲートローター７と、ケーシング１とで圧縮室１１が形成される。このゲートローター７は、スクリューローター４の中心軸に線対称となるように相対して２個設置されている。このうち、図２に記載された圧縮機１０１の紙面下部側に設置されたゲートローター７をゲートローター７ａとし、紙面上部側に設置されたゲートローター７をゲートローター７ｂとする。また、スクリュー軸９の回転に伴うスクリューローター４の回転によって、ゲートローター７の歯が、スクリュー溝１０へ沿うようにして圧縮室１１を小さくする方向（冷媒を圧縮する方向）に移動し、それに伴って、ゲートローター７が回転する。

また、軸受ハウジング５は、高圧側軸受２を内装しており、スクリューローター４の吐出側端部の形状に合わせた端部を形成して、スクリューローター４を近接させ、その一部を収容し、スクリューローター４の回転によって圧縮された高圧の冷媒が、軸受ハウジング５の内側、高圧側軸受２、及びスクリューローター４の吐出側端部によって形成された軸受ハウジング内室６に漏れるのを防止している。ここで、本来、スクリューローター４と軸受ハウジング５との間には、隙間がない方が望ましいが、実際には、スクリューローター４が回転しても軸受ハウジング５と接触して回転が阻害されないだけの隙間が必要となる。そこで、スクリューローター４の吐出側部と軸受ハウジング５との隙間に冷凍機油等の油を注入して高圧シール部１７を形成し、この高圧シール部１７によって、高圧の圧縮室１１から、冷媒が軸受ハウジング内室６に漏れないようにしている。また、スクリューローター４には、スラスト方向（軸方向）に均圧孔１３が設けられており、軸受ハウジング内室がスクリューローター４の低圧側の吸入圧力に均圧され、スクリューローター４のスラスト荷重（軸方向の荷重）を低減している。

圧縮機１０１は、冷媒配管に接続された冷媒の吸入口（図示せず）を有し、この吸入口から吸入された冷媒が、前述の圧縮室１１に送り込まれて圧縮される。また、圧縮室１１がケーシング１の一部を開口して形成された吐出口１４に連通すると、圧縮された冷媒が外部へと吐出される。また、圧縮機１０１には、吐出口１４と別に、ケーシング１の一部を開口して形成されたガスインジェクションポート１０８が形成されており、後述する設計圧縮比条件での動作において、このガスインジェクションポート１０８を介して、吸入圧力と吐出圧力との間の中間圧力となっている状態のガス冷媒が圧縮室１１に吸入される。ここで、ガスインジェクションポート１０８の孔径は、スクリューローター４における隣り合う圧縮室１１を連通させない範囲での最大径（最小歯厚以下）となるように形成している。

なお、前述したようにゲートローター７は、ゲートローター７ａ及びゲートローター７ｂの２つによって構成されるものとしているが、これに限定されるものではなく、いずれか１つであってもよい。

（冷凍サイクル装置の設計圧縮比条件での動作）
図４は、本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の設計圧縮比条件での動作を示す図であり、図５は、同動作におけるモリエル線図である。以下、図４及び図５を参照しながら、本実施の形態に係る冷凍サイクル装置の設計圧縮比条件での動作について説明する。なお、図４中の矢印は冷媒の流れを示し、実線は液冷媒状態、そして、破線はガス冷媒状態又は気液二相冷媒状態であることを示す。また、図４中の（１）〜（９）及び（７’）の数字は、図５における数字に対応している。また、設計圧縮比条件での動作においては、図１における吐出ガスバイパス配管１１１及び逆止弁１１２は機能しないため、図４中では図示していない。そして、制御装置（図示せず）によって、ガスインジェクション配管１０９に設置された開閉弁１１０は開状態とされているものとする。

ここで、設計圧縮比は、例えば、以下の式（ａ）によって算出される。

ｙ＝（Ｖｄｏ／Ｖｓｔ）＾ｎ （ａ）
（ｙ：設計圧縮比、
ｎ：ポリトロープ指数、
Ｖｓｔ：吸入容積（吸入完了時の圧縮室容積）
Ｖｄｏ：吐出容積（吐出口連通時の圧縮室容積））

蒸発器１０２から流出した圧力Ｐｓのガス冷媒（１）は、圧縮機１０１に吸入され、吐出圧力Ｐｄｈまで圧縮される。圧縮機１０１によって圧縮され吐出された高温高圧のガス冷媒（５）は、凝縮器１０３へ流入する。この凝縮器１０３へ流入したガス冷媒は、外部の空気等と熱交換が実施されて凝縮し、液冷媒（６）の状態まで過冷却され、凝縮器１０３から流出する。このとき、凝縮器１０３は、ガス冷媒の凝縮によって放熱する。

凝縮器１０３から流出した高圧の液冷媒（６）は、内部熱交換器１０６へ流入する。この内部熱交換器１０６へ流入した液冷媒は、熱交換が実施されてさらに冷却され、（８）の状態となり、内部熱交換器１０６から流出する。内部熱交換器１０６から流出した液冷媒（８）は、その一部が分岐され、内部熱交換用膨張弁１０７によって中間圧力Ｐｍまで膨張及び減圧され、気液二相冷媒（７）となる。この気液二相冷媒（７）は、再び、内部熱交換器１０６へ流入し、前述の内部熱交換器１０６へ流入した液冷媒（６）から吸熱し、状態（７’）となる。すなわち、内部熱交換器１０６に流入した液冷媒（６）は、この気液二相冷媒（７）から吸熱されることによって、（８）の状態まで過冷却される。この過冷却の増加によって、蒸発器１０２における冷凍効果が向上することになる。

そして、内部熱交換器１０６から流出した気液二相冷媒（７’）は、ガスインジェクション配管１０９を流通し、開閉弁１１０を経由して、圧縮機１０１のガスインジェクションポート１０８から、圧縮機１０１内における圧縮中の圧縮室１１にインジェクションされ、圧縮中のガス冷媒（２）と混合して（３）の状態となる。このとき、圧縮機１０１へインジェクションするガス冷媒、又は、インジェクションのタイミングによって、圧縮動力が変化する。したがって、できるだけ圧縮動力を増加させずに、冷凍能力を大きくすることによって、成績係数を増加させることになり、最適な中間圧力Ｐｍが存在する。

また、内部熱交換器１０６から流出した液冷媒（８）の残りは、膨張弁１０５によって膨張及び減圧され、気液二相冷媒（９）となる。この気液二相冷媒（９）は、蒸発器１０２へ流入し、外部の空気等と熱交換が実施されて蒸発し、ガス冷媒（１）となって蒸発器１０２から流出する。蒸発器１０２から流出したガス冷媒（１）は、再び、圧縮機１０１に吸入され、圧縮される。

（圧縮機１０１の動作）
図６は、本発明の実施の形態１に係る圧縮機１０１の各圧縮室１１における圧力分布を示す図である。以下、図６を参照しながら、上記の冷凍サイクル装置の設計圧縮比条件での動作における圧縮機１０１の圧縮動作について説明する。

電動機８によるスクリュー軸９の回転に伴って、スクリューローター４が回転することによって、吸入側（低圧側）のガス冷媒が、図６の破線で示されるケーシング１、スクリュー溝１０、及びゲートローター７ａによって形成された圧縮室１１に導入される。スクリューローター４が回転するにつれて、圧縮室１１が矢印の方向に進行し、その容積が縮小することによって、圧縮室１１内のガス冷媒が圧縮される。そして、スクリューローター４がある回転角度に達した時点で、圧縮室１１がガスインジェクションポート１０８に連通し、内部熱交換器１０６からのガス冷媒が、圧縮室１１にインジェクションされる。さらに、スクリューローター４の回転によって、インジェクションされた圧縮室１１がガスインジェクションポート１０８を通過し、圧縮室１１内のガス冷媒は、さらに圧縮される。そして、スクリューローター４が、さらにある回転角度に達した時点で、圧縮室１１が吐出口１４に連通し、圧縮されて高温高圧となったガス冷媒が、吐出口１４から吐出される。

このとき、ゲートローター７ａに対して、スクリューローター４の中心軸に線対称となるように配置されたゲートローター７ｂについても、ケーシング１、スクリュー溝１０、及びゲートローター７ｂによって形成される圧縮室１１において、同様の冷媒の圧縮が実施される。

（設計圧縮比条件での動作における圧縮室１１内の圧力変化）
図７は、本発明の実施の形態１に係る圧縮機１０１の圧縮室１１の設計圧縮比条件におけるＰ−Ｖ線図である。図７において、横軸は圧縮室１１の容積、そして、縦軸は圧縮室１１内の圧力を示している。また、図７中の（１）〜（５）の数字は、図４及び図５における数字に対応している。以下、図７を参照しながら、上記の冷凍サイクル装置の設計圧縮比条件での動作における圧縮機１０１の圧縮室１１の圧力変化について説明する。

蒸発器１０２から流出した圧力Ｐｓのガス冷媒（１）は、容積Ｖｓの圧縮室１１に吸入され、圧縮されて状態（２）まで圧力が上昇する。このとき、圧縮室１１はガスインジェクションポート１０８に連通し、内部熱交換器１０６からのガス冷媒が、圧縮室１１にインジェクションされ、圧縮室１１内のガス冷媒は、状態（３）となる。その後、圧縮室１１内のガス冷媒は、さらに容積Ｖ＊まで圧縮され、吐出圧力Ｐｄｈに達して状態（４）から蒸発（５）の間に、吐出口１４から外部に吐出される。このとき、吐出口１４及び吐出経路で動圧損失（図７におけるハッチング部分）が生じ、圧縮室１１内の圧力は吐出圧力Ｐｄｈ以上となる。

なお、上記の冷凍サイクル装置におけるインジェクション動作は、設計圧縮比条件の場合において実施されているが、これに限定されるものではなく、設計圧縮比よりも大きい高圧縮比の場合に実施されるものとしてもよい。この場合、インジェクション動作によって設計圧縮比の場合以上に、成績係数を向上させることができる。

（冷凍サイクル装置の低圧縮比条件での動作）
図８は、本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の低圧縮比条件での動作を示す図である。以下、図８を参照しながら、本実施の形態に係る冷凍サイクル装置の低圧縮比条件での動作について説明する。なお、図８中の矢印は冷媒の流れを示し、実線は液冷媒状態、そして、破線はガス冷媒状態又は気液二相冷媒状態であることを示す。また、低圧縮比条件での動作においては、ガスインジェクションポート１０８は、吐出ガスバイパスポートとして機能し、ガスインジェクションポート１０８から吐出されたガス冷媒は、ガスインジェクション配管１０９を流通して、凝縮器１０３へ流入するので、ガスインジェクション配管１０９のうち、開閉弁１１０とガスインジェクションポート１０８とを接続する部分の冷媒配管は図示していない。そして、制御装置（図示せず）によって、ガスインジェクション配管１０９に設置された開閉弁１１０は閉状態とされているものとする。

ここで、低圧縮比とは、例えば、圧縮機１０１の吐出圧力が、（設計圧力比×吸入圧力）よりも低い場合の圧縮比のことを示す。

蒸発器１０２から流出した圧力Ｐｓ（図９にて後述）のガス冷媒（１）は、圧縮機１０１に吸入され、吐出圧力Ｐｄｌ（図９にて後述）まで圧縮されて、状態（２）となる。このとき、圧縮室１１内のガス冷媒のうち一部が、ガスインジェクションポート１０８から吐出され、状態（３）となる。状態（３）の圧縮室１１内のガス冷媒は、さらに圧縮されて状態（４）となり、状態（４）から状態（５）の間に吐出口１４から外部に吐出される。この吐出口１４から吐出されたガス冷媒は、前述のガスインジェクションポート１０８から吐出されて逆止弁１１２を経由したガス冷媒と合流し、凝縮器１０３へ流入する。この凝縮器１０３へ流入したガス冷媒は、外部の空気等と熱交換が実施されて凝縮し、液冷媒（６）の状態まで過冷却され、凝縮器１０３から流出する。このとき、凝縮器１０３は、ガス冷媒の凝縮によって放熱する。

凝縮器１０３から流出した液冷媒（６）は、内部熱交換器１０６を経由し、膨張弁１０５によって膨張及び減圧され、気液二相冷媒（９）となる。この気液二相冷媒（９）は、蒸発器１０２へ流入し、外部の空気等と熱交換が実施されて蒸発し、ガス冷媒（１）となって蒸発器１０２から流出する。蒸発器１０２から流出したガス冷媒（１）は、再び、圧縮機１０１に吸入され、圧縮される。

（圧縮機１０１の動作）
次に、図６を参照しながら、上記の冷凍サイクル装置の低圧縮比条件での動作における圧縮機１０１の圧縮動作について説明する。

電動機８によるスクリュー軸９の回転に伴って、スクリューローター４が回転することによって、吸入側（低圧側）のガス冷媒が、図６の破線で示されるケーシング１、スクリュー溝１０、及びゲートローター７ａによって形成された圧縮室１１に導入される。ここで、低圧縮比条件での動作においては、冷房負荷が小さく、電動機８はインバーター１００によって、設計圧縮比条件での動作の場合よりも、低回転数で駆動される。スクリューローター４が回転するにつれて、圧縮室１１が矢印の方向に進行し、その容積が縮小することによって、圧縮室１１内のガス冷媒が圧縮される。そして、スクリューローター４がある回転角度に達した時点で、圧縮室１１がガスインジェクションポート１０８に連通する。圧縮室１１内のガス冷媒の圧力は、この時点で吐出圧力Ｐｄｌに達しており、ガスインジェクションポート１０８は吐出ガスバイパスポートとして機能し、圧縮室１１内のガス冷媒の一部は、ガスインジェクションポート１０８から吐出し、吐出ガスバイパス配管１１１における逆止弁１１２を介して、圧縮機１０１の吐出側にバイパスされる。さらに、スクリューローター４の回転によって、圧縮室１１がガスインジェクションポート１０８を通過し、圧縮室１１内のガス冷媒の残りは、さらに圧縮される。そして、スクリューローター４が、さらにある回転角度に達した時点で、圧縮室１１が吐出口１４に連通し、圧縮されたガス冷媒が、吐出口１４から吐出される。吐出口１４から吐出されたガス冷媒は、前述の、バイパスされたガス冷媒と合流する。

このとき、ゲートローター７ａに対して、スクリューローター４の中心軸に線対称となるように配置されたゲートローター７ｂについても、ケーシング１、スクリュー溝１０、及びゲートローター７ｂによって形成される圧縮室１１において、同様の冷媒の圧縮が実施される。

（低圧縮比条件での動作における圧縮室１１内の圧力変化）
図９は、本発明の実施の形態１に係る圧縮機１０１の圧縮室１１の低圧縮比条件におけるＰ−Ｖ線図である。図９において、横軸は圧縮室１１の容積、そして、縦軸は圧縮室１１内の圧力を示している。また、図９中の（１）〜（５）の数字は、図８における数字に対応している。以下、図９を参照しながら、上記の冷凍サイクル装置の低圧縮比条件での動作における圧縮機１０１の圧縮室１１の圧力変化について説明する。

蒸発器１０２から流出した圧力Ｐｓのガス冷媒（１）は、容積Ｖｓの圧縮室１１に吸入され、圧縮されて状態（２）の吐出圧力Ｐｄｌまで圧力が上昇する。このとき、圧縮室１１はガスインジェクションポート１０８に連通し、ガスインジェクションポート１０８は吐出ガスバイパスポートとして機能し、状態（２）から状態（３）の間、圧縮室１１内のガス冷媒の一部は、ガスインジェクションポート１０８から吐出される。その後、圧縮室１１内の残りのガス冷媒は、さらに容積Ｖ＊まで圧縮され、状態（３）から状態（４）の圧力まで上昇し、圧縮室１１が吐出口１４に連通する状態（４）から状態（５）の間に吐出口１４から外部に吐出される。このとき、図９で示される太斜線のハッチング部分は、圧縮室１１が吐出口１４へ連通していないときの無駄な圧縮による動力損失、そして、細斜線のハッチング部分は、吐出口１４及びガスインジェクションポート１０８からガス冷媒が吐出される時の流動抵抗による動力損失である。

ちなみに、図１０は、ガスインジェクションポート１０８を設けない場合の低圧縮比条件におけるＰ−Ｖ線図を示したものであるが、圧縮室１１が吐出口１４に連通する状態（４）まで過剰に圧縮されることにより動力損失が過大となる。これに対し、本実施の形態に係る圧縮機１０１のようにガスインジェクションポート１０８を吐出バイパスとして利用したものにおいては、図９で示される低圧縮比条件での動作における状態（２）〜状態（５）の動力損失を、図１０で示されるガスインジェクションポート１０８を吐出バイパスとして利用しない圧縮機における状態（２）〜状態（４）の動力損失と比較して低減することができ、ガスインジェクションポート１０８における再膨張損失も発生しない。

（実施の形態１の効果）
以上の構成及び動作のように、スクリュー圧縮機である圧縮機１０１にガスインジェクションポート１０８を設けて、設計圧縮比条件以上での動作においてはインジェクション動作を実施し、ガスインジェクションポート１０８による再膨張損失を生じさせることなく能力向上が図れ、低圧縮比条件での動作においては、圧縮機１０１の吐出側にバイパスさせることによって、ガスインジェクションポート１０８を吐出バイパスとして利用しない場合と比較して、ガスインジェクションポート１０８による再膨張損失又は過剰な圧縮による動力損失を大きく低減することができる。また、これによって、高圧縮比から低圧縮比まで、広い運転範囲で性能を向上させることができ、高効率なスクリュー圧縮機を得ることができる。

ここで、空気調和機の年間の運転パターンとして、部分負荷運転（低圧縮比及び低冷媒循環流量）で運転される割合が大きい。すなわち、本実施の形態を空気調和機に適用した場合、吐出バイパス運転（低圧縮比条件）時は、冷媒循環流量が小さく、ガスインジェクションポート１０８で発生する動圧損失も小さいため、特に大きな性能改善効果を得ることができる。

また、スクリュー圧縮機は歯厚が厚くなる部分があり、スクロール圧縮機に比べてガスインジェクションポート１０８の開口径を大きく取れる特長がある。この特長を有効に利用して、開口面積を大きく取ることによって、インジェクション動作時には、圧縮室１１の圧力が比較的高くなるタイミングにインジェクションするようにガスインジェクションポート１０８を設けても小さな差圧で冷媒ガスを圧縮室１１内に送ることができる。

なお、図９で示される低圧縮比条件での動作のように、圧縮室１１がガスインジェクションポート１０８と連通する回転角度を、吐出圧力となる回転角度としたが、これに限定されるものではなく、図９で示される低圧縮比条件での動作よりも早いタイミングで、圧縮室１１がガスインジェクションポート１０８と連通するものとしてもよい。図１１は、この場合の低圧縮比条件における圧縮室１１のＰ−Ｖ線図である。図１１で示されるように低圧縮比条件での動作においては、吐出圧力Ｐｄｌに達する前にガスインジェクションポート１０８が圧縮室１１と連通して状態（２）となり、高圧の吐出圧力Ｐｄｈに保持されたガスインジェクションポート１０８及び逆止弁１１２周辺の容積部が圧縮室１１と混合し、いわゆる再膨張損失が生じる。しかし、その一方で、ガスインジェクションを行う設計圧縮比条件等では、ガスインジェクションの下流側圧力（圧縮室１１の圧力）が低くなるため、ガスインジェクション量が増し、冷凍能力の拡大により、成績係数を向上できる効果がある。

また、図６で示されるガスインジェクションポート１０８は１つ、かつ、円形状のものとしているが、これに限定されるものではなく、例えば、図１２で示されるように、複数のガスインジェクションポート１０８を設けるものとしてもよい。図１２は、例示としてガスインジェクションポート１０８を２つ設けた場合を示している。また、図１３で示されるように、圧縮室１１の長手方向に長い開口径を有するガスインジェクションポート１０８を設けるものとしてもよい。以上の図１２及び図１３で示されるように、ガスインジェクションポート１０８の開口面積を大きく取れるので、ガスインジェクションポート１０８を介したインジェクション動作及びバイパス動作における動力損失を低減することができる。

また、図１で示されるように、吐出ガスバイパス配管１１１に逆止弁１１２を設ける構成としているが、これに限定されるものではなく、図１４で示されるように、逆止弁１１２を圧縮機１０１のケーシング１内部のガスインジェクションポート１０８の近傍に内蔵させるものとしてもよい。これによって、逆止弁１１２周辺の容積部を小さくすることができ、バイパス動作時の再膨張損失を低減できる効果がある。

また、図１で示されるように内部熱交換用膨張弁１０７とは別個に、ガスインジェクション配管１０９に開閉弁１１０を設けて、その開閉動作によってインジェクション動作をするか否かを選択する構成としているが、これに限定されるものではなく、図１５で示されるように、内部熱交換用膨張弁１０７が開閉弁１１０の開閉機能を持たせるものとして、開閉弁１１０を省いた構成としてもよい。これによって、部品点数の削減及びコスト削減を図ることができる。

なお、図２及び図３で示されるように、圧縮機１０１はスクリュー圧縮機としたが、これに限定されるものではなく、例えば、スクロール圧縮機等の異なる圧縮機構を有する圧縮機でもよく、圧縮室における圧縮過程においてガスインジェクションポート１０８に相当するポートを介して、インジェクション動作及びバイパス動作が実施可能とし、圧縮後に吐出口から圧縮されたガス冷媒が吐出されるものであればよい。

さらに、図１においては、凝縮器１０３から流出した冷媒を内部熱交換器１０６によって過冷却する構成を示したが、これに限定されるものではなく、図１６で示されるように、内部熱交換器１０６及び内部熱交換用膨張弁１０７の代わりに、分離器前膨張弁１１３及び気液分離器１１４を備え、凝縮器１０３、分離器前膨張弁１１３、気液分離器１１４、膨張弁１０５、そして、蒸発器１０２の順に直列に接続される構成としてもよい。図１６で示されるように、分離器前膨張弁１１３は、凝縮器１０３から流出した高圧の液冷媒を膨張させて減圧させるものであり、気液分離器１１４は、分離器前膨張弁１１３から流出した冷媒をガス冷媒と液冷媒とに分離するものである。また、気液分離器１１４は、ガスインジェクション配管１０９によって、圧縮機１０１のガスインジェクションポート１０８に接続されており、設計圧縮比条件において、気液分離器１１４内の気体冷媒が、ガスインジェクション配管１０９を介して、ガスインジェクションポート１０８から圧縮機１内に流入する。また、気液分離器１１４内の液体冷媒は、膨張弁１０５を経由して、蒸発器１０２へ送られる。その他の構成及び動作については、図１で示される冷凍サイクル装置と同様である。
このような構成によっても、上記と同様な効果を得ることができる。

１ ケーシング、２ 高圧側軸受、３ 低圧側軸受、４ スクリューローター、５ 軸受ハウジング、６ 軸受ハウジング内室、７、７ａ、７ｂ ゲートローター、８ 電動機、９ スクリュー軸、１０ スクリュー溝、１１ 圧縮室、１３ 均圧孔、１４ 吐出口、１７ 高圧シール部、１００ インバーター、１０１ 圧縮機、１０２ 蒸発器、１０３ 凝縮器、１０５ 膨張弁、１０６ 内部熱交換器、１０７ 内部熱交換用膨張弁、１０８ ガスインジェクションポート、１０９ ガスインジェクション配管、１１０ 開閉弁、１１１ 吐出ガスバイパス配管、１１２ 逆止弁、１１３ 分離器前膨張弁、１１４ 気液分離器。

Claims (11)

1. ガス冷媒を圧縮する圧縮室を有し、圧縮過程で圧縮しているガス冷媒を吐出し、あるいは、外部から前記圧縮室にガス冷媒がインジェクションされるガスインジェクションポートを有する圧縮機と、
   該圧縮機から吐出されたガス冷媒を凝縮する凝縮器と、
   該凝縮器から流出した冷媒の少なくとも一部を減圧させてガス冷媒とする減圧手段と、
   該減圧手段から流出した冷媒を膨張させる膨張装置と、
   該膨張装置によって膨張された冷媒を蒸発させてガス冷媒とし、そのガス冷媒を前記圧縮機に吸入させる蒸発器と、
   前記減圧手段からガス冷媒が流出する側と、前記ガスインジェクションポートとを連結し、その経路に開閉弁を備えたガスインジェクション経路と、
   前記開閉弁と前記ガスインジェクションポートとの間の前記ガスインジェクション経路と、前記圧縮機の吐出側とを連通させ、その経路に逆止弁を備えた吐出ガスバイパス経路と、
   を備え、
   前記逆止弁は、前記開閉弁と前記ガスインジェクションポートとの間の前記ガスインジェクション経路から前記圧縮機の吐出側への方向のみに冷媒を流通させる
   ことを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 前記圧縮機の電動機の回転数を変動させるインバーターを備えた
   ことを特徴とする請求項１記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記開閉弁は、所定圧縮比よりも圧縮比が低い第１圧縮比条件において閉状態とし、前記所定圧縮比よりも圧縮比が高い第２圧縮比条件において開状態とし、
   前記第１圧縮比条件においては、前記圧縮機において圧縮過程のガス冷媒が、前記ガスインジェクションポートから吐出されて前記圧縮機の吐出側に送り込まれ、
   前記第２圧縮比条件においては、前記減圧手段から流出したガス冷媒が、前記ガスインジェクション経路を経由して、前記ガスインジェクションポートから前記圧縮室にインジェクションされる
   ことを特徴とする請求項２記載の冷凍サイクル装置。
4. 前記所定圧縮比は、設計圧縮比である
   ことを特徴とする請求項３記載の冷凍サイクル装置。
5. 前記減圧手段は、前記凝縮器から流出した冷媒を冷却する内部熱交換器、及び、該内部熱交換器へ流入し、あるいは、該内部熱交換器から流出する冷媒から分岐した一部を膨張させる内部熱交換用膨張装置によって構成され、
   前記ガスインジェクション経路は、前記内部熱交換用膨張装置から流出して前記内部熱交換器に流入した冷媒が流出する側と、前記ガスインジェクションポートとを連結した
   ことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
6. 前記開閉弁を備える代わりに、前記内部熱交換用膨張装置が流路の開閉機能を有した
   ことを特徴とする請求項５記載の冷凍サイクル装置。
7. 前記減圧手段は、前記凝縮器から流出した冷媒を膨張させる分離器前膨張装置、及び、該分離器前膨張装置から流出した冷媒をガス冷媒と液冷媒とに分離する気液分離器によって構成され、
   前記ガスインジェクション経路は、前記気液分離器におけるガス冷媒の流出口と、前記ガスインジェクションポートとを連結した
   ことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
8. 前記圧縮機は、
   螺旋状の複数のスクリュー溝が外周側面に形成され、スクリュー軸を中心に回転可能なスクリューローターと、
   前記複数のスクリュー溝に嵌合する複数の歯を有し、前記スクリューローターの回転と共に回転するゲートローターと、
   前記スクリューローターの外周を覆い、前記スクリュー溝及びそれに嵌合する前記ゲートローターの歯と共に前記圧縮室を形成するケーシングと、
   を備えたスクリュー圧縮機である
   ことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
9. 前記ガスインジェクションポートは、前記圧縮室を形成する前記スクリュー溝の長手方向に広い開口径を有した
   ことを特徴とする請求項８記載の冷凍サイクル装置。
10. 前記ガスインジェクションポートは、複数形成された
    ことを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
11. 前記逆止弁は、前記ガスインジェクションポート近傍の前記圧縮機内部に内蔵された
    ことを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。

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