JP2012137207A - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】状況に応じて運転モードを実行することで、高効率な運転を広い範囲に渡って維持できる冷凍サイクル装置を提供する。
【解決手段】冷凍サイクル装置１００は、第１流量調整装置７、第２流量調整装置８、及び、開閉装置１０を制御することによって実行される、インジェクション運転モード、容量制御運転モード、通常運転モード、及び、吸入管インジェクション運転モード、を備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧縮途中過程の圧縮室に冷媒を過給（注入）可能にした圧縮機を冷凍サイクルの一要素として搭載した冷凍サイクル装置に関するものである。

冷凍サイクル途中の気液分離されたガス流体を圧縮室にインジェクション可能に構成され、低負荷運転時の効率を向上させることを目的とした冷凍サイクル装置が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。この冷凍サイクル装置に搭載されるインジェクション装置は、インジェクション経路の遮断、遮断解除を切り替える切替弁を制御して、インジェクション経路を開放、遮断するようになっている。つまり、切替弁を制御することで、インジェクション経路を開いてインジェクションを実行するインジェクション状態と、インジェクション経路の上流側を閉じてインジェクションを遮断するインジェクション遮断状態と、が切り替えられる。このインジェクション装置は、更にインジェクション遮断状態時において、インジェクション経路の下流側を圧縮室への吸込み経路に通じさせる。

特許文献１に記載の構成では、高負荷運転時にはインジェクション状態に切り替え、圧縮室へ冷媒の過給を行ない冷媒循環量を増大することで高負荷運転を高効率にできることになる。また、低負荷運転時にはインジェクション遮断状態に切り替え、インジェクションによる過給をなくすのに併せて圧縮室での冷媒の一部をインジェクション経路の下流側を通じて圧縮機の吸込み経路にバイパスさせて、圧縮室の容積はそのままでそれより小さな容積に対する冷媒循環量に抑えるようにしているので、低負荷運転時も高効率に運転できることになる。

特開平１１−１０７９６８号公報（第３、４頁、図１等）

特許文献１に記載の技術は、インジェクション運転（インジェクション状態時の運転）と、容量制御運転（インジェクション遮断状態時の運転）と、の２つの運転のみの切り替えができるようになっている。しかしながら、特許文献１に記載の技術には、インジェクション運転もしないし、容量制御運転もしない場合の運転については一切開示も示唆もされていない。また、インジェクション運転時におけるインジェクション流量の調整についても一切開示も示唆もされていない。

さらに近年、地球温暖化対策への取り組みの強化が進み、地球温暖化係数（ＧＷＰ）の低い冷媒への移行が検討されている。そして、従来と同等以上の高効率と低ＧＷＰとを両立させるためには、各冷媒に応じた対応が必要になる。現在、家庭用や業務用空調機に使用されているＲ４１０Ａ冷媒を代替する冷媒として検討されているのが、Ｒ３２やＨＦＯ１２３４ｙｆなどのフロン系低ＧＷＰ冷媒や、プロパンなどの炭化水素系自然冷媒である。これらのような冷媒で従来と同等以上の冷凍能力や暖房能力あるいは効率を得るためには、冷媒の圧縮率を幅広くとる必要がある。また、吐出温度が増加しやすい冷媒を用いる場合は、吐出温度の過昇を抑制するためにインジェクション運転が有効となる。

特許文献１に記載の技術においては、インジェクション運転と、容量制御運転の２つの運転しかできないため、近年の要求に対応することができない。また、特許文献１に記載の技術においては、何らの言及もないため、インジェクションの流量調整やインジェクション圧力調整をどのようにするのかが分からない。そのため、ある一定の条件でのみでしか高効率運転ができなくなってしまう。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、状況に応じて運転モードを実行することで、高効率な運転を広い範囲に渡って維持できる冷凍サイクル装置を提供することを目的としている。

本発明に係る冷凍サイクル装置は、冷媒を圧縮して吐出する圧縮機、前記圧縮機から吐出された冷媒と熱媒体とで熱交換する放熱器、前記放熱器から流出した冷媒を減圧する減圧機構、及び、前記減圧機構で減圧された冷媒と熱媒体とで熱交換する蒸発器を配管接続した冷凍サイクルと、前記放熱器と前記減圧機構との間における配管と前記圧縮機における圧縮途中過程の圧縮室とを接続するインジェクション回路と、前記圧縮機の吸入管と前記インジェクション回路とを接続するバイパス回路と、前記インジェクション回路の前記バイパス回路を接続した接続点より前記放熱器側に設置された第１流量調整装置と、前記インジェクション回路の前記バイパス回路を接続した接続点より前記圧縮機側に設置された第２流量調整装置と、前記バイパス回路に設置された開閉装置と、を有し、前記第１流量調整装置、前記第２流量調整装置、及び、前記開閉装置を制御することによって実行されるインジェクション運転モード、容量制御運転モード、通常運転モード、及び、吸入管インジェクション運転モード、を備え、前記インジェクション運転モードは、前記冷凍サイクルに冷媒を循環させるとともに、前記インジェクション回路を介して前記圧縮機における圧縮途中過程の圧縮室に冷媒を注入することで実行され、前記容量制御運転モードは、前記冷凍サイクルに冷媒を循環させるとともに、前記インジェクション回路のうち前記第２流量調整装置が設置され、前記圧縮機における圧縮途中過程の圧縮室に接続しているインジェクション回路及びバイパス回路を介し、前記圧縮機における圧縮途中過程の圧縮室から前記圧縮機の吸入管に冷媒を導通させることで実行され、前記通常運転モードは、前記インジェクション回路及び前記バイパス回路を利用せず、前記冷凍サイクルに冷媒を循環させることで実行され、前記吸入管インジェクション運転モードは、前記冷凍サイクルに冷媒を循環させるとともに、前記インジェクション回路のうち前記第１流量調整装置が設置され、前記放熱器と前記減圧機構との間における配管に接続しているインジェクション回路及び前記バイパス回路を介し、前記圧縮機の吸入側に冷媒を注入することで実行されるものである。

本発明に係る冷凍サイクル装置によれば、インジェクション可能な圧縮機、インジェクション回路、バイパス回路、第１流量調整装置、第２流量調整装置、開閉装置を設け、第１流量調整装置、第２流量調整装置、開閉装置を制御することによって実行される４つの運転モードを備えたので、高効率な運転を広い範囲に渡って維持することが可能になる。

本発明の実施の形態に係る冷凍サイクル装置の冷媒回路構成を概略化して示す回路構成図である。 本発明の実施の形態に係る冷凍サイクル装置に搭載される圧縮機の構成例を示す概略図である。 本発明の実施の形態に係る冷凍サイクル装置のインジェクション運転モード時のサイクル状態を示す回路構成図である。 本発明の実施の形態に係る冷凍サイクル装置の容量制御運転モード時のサイクル状態を示す回路構成図である。 本発明の実施の形態に係る冷凍サイクル装置の通常運転モード時のサイクル状態を示す回路構成図である。 本発明の実施の形態に係る冷凍サイクル装置の吸入管インジェクション運転モード時のサイクル状態を示す回路構成図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る冷凍サイクル装置１００の冷媒回路構成を概略化して示す回路構成図である。図２は、圧縮機１の構成例を示す概略図である。図１及び図２に基づいて、冷凍サイクル装置１００の構成及び動作について説明する。なお、図１を含め、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。また、図１を含め、以下の図面において、同一の符号を付したものは、同一又はこれに相当するものであり、このことは明細書の全文において共通することとする。さらに、明細書全文に表わされている構成要素の形態は、あくまでも例示であって、これらの記載に限定されるものではない。

実施の形態に係る冷凍サイクル装置１００は、たとえば冷蔵庫や冷凍庫、自動販売機、空気調和装置、ショーケース、ヒートポンプ給湯機等に利用されるものである。この冷凍サイクル装置１００は、冷凍サイクルの基本的な構成要素である圧縮機１、凝縮器（放熱器）２、減圧機構３及び蒸発器４を備え、これらを配管５で接続して順に冷媒を循環させるようになっている。配管５は、圧縮機１と凝縮器２とを接続する配管５ａ、凝縮器２と減圧機構３とを接続する配管５ｂ、減圧機構３と蒸発器４とを接続する配管５ｃ、及び、蒸発器４と圧縮機１とを接続する配管５ｄで構成されている。

また、圧縮機１からの吐出冷媒が導通する吐出管１ａは配管５ａに、圧縮機１への吸入冷媒が導通する吸入管１ｂは配管５ｄに、圧縮機１の圧縮途中過程の圧縮室に過給（注入）される冷媒が導通するインジェクション管１ｃは配管５ｂのインジェクション回路６に、それぞれ接続されている。つまり、配管５ｂとインジェクション管１ｃとは、インジェクション回路６によって接続されている。さらに、冷凍サイクル装置１００には、圧縮機１の吸入側とインジェクション回路６とを接続するバイパス回路９が設けられている。なお、吐出管１ａ、吸入管１ｂ、及び、インジェクション管１ｃは、それぞれ独立して圧縮機１に接続されている。また、圧縮機１は、ロータリ方式、スクリュー方式、レシプロ方式、スクロール方式の内、どれを選択してもよい。

圧縮機１は、吸入管１ｂ及びインジェクション管１ｃから吸入される冷媒を圧縮して高温・高圧の状態にし、吐出管１ａから吐出するものである。この圧縮機１は、インジェクション管１ｃを流れる冷媒が圧縮機１内の圧縮室内にインジェクション（注入）可能な構造となっている。圧縮機１は、たとえばインバーターにより回転数が制御可能な容量制御タイプで構成する。凝縮器２は、圧縮機１からの吐出冷媒と空気や水等の熱媒体との間で熱交換を行なって冷媒を凝縮液化するものである。減圧機構３は、凝縮器２から流出した冷媒を減圧して膨張させるものである。減圧機構３は、たとえば開度が可変に制御可能な電子式膨張弁等で構成するとよい。蒸発器４は、減圧機構３で減圧された冷媒と空気や水等の熱媒体との間で熱交換を行なって冷媒を蒸発ガス化するものである。

インジェクション回路６には、配管５ｂ側から第１流量調整装置７、第２流量調整装置８が設置されている。第１流量調整装置７及び第２流量調整装置８は、共に開度が０〜１００％まで調整することができるもの（たとえば、電磁式膨張弁等）で構成され、冷媒流量の調整はもちろんのこと、減圧調整や開閉弁の役目も果たすことができる。なお、以下の説明において、バイパス回路９を接続した位置より第１流量調整装置７が設置されている側のインジェクション回路６を第１インジェクション回路６ａと、バイパス回路９を接続した位置より第２流量調整装置８が設置されている側のインジェクション回路６を第２インジェクション回路６ｂと、それぞれ称するものとする。さらに、バイパス回路９には、開閉装置１０が設置されている。開閉装置１０は、バイパス回路９を電磁式に開閉できるようなもの（たとえば、電磁弁等）で構成するとよい。

冷凍サイクル装置１００には、全体を統括制御できるようなマイクロコンピュータ等で構成された制御装置（図示せず）が搭載されている。この制御装置は、圧縮機１の駆動周波数制御、減圧機構３の開度制御、第１流量調整装置７の開度制御、第２流量調整装置８の開度制御、開閉装置１０の開閉制御等を行なう機能を有している。制御装置は、これらアクチュエーター（たとえば圧縮機１や減圧機構３、第１流量調整装置７、第２流量調整装置８、開閉装置１０等）を制御して、以下で説明する各運転を実行するようになっている。

なお、吐出管１ａと凝縮器２に接続される配管５ａの途中に圧縮機１から吐出される冷媒と冷凍機油とを分離する油分離器を設置するとよい。ただし、冷凍サイクル装置１００においては、油分離器の有無で大きな影響がないことから、説明および記載は省略する。また、蒸発器４と吸入管１ｂに接続される配管５ｄの内、バイパス回路９と蒸発器４側の途中に、圧縮機１へ液冷媒が直接吸入されるのを防ぐための気液分離機を設置するとよい。ただし、冷凍サイクル装置１００においては、気液分離機の有無で大きな影響がないことから、説明および記載は省略する。さらに、凝縮しない冷媒もしくは凝縮する冷媒でも凝縮させない運転においては、凝縮器２はガスクーラーの役割を果たすことは言うまでもない。

冷凍サイクル装置１００の基本的な運転時における冷媒の流れを説明する。
圧縮機１で圧縮された高温高圧のガス冷媒は、凝縮器２に流入し、凝縮器２に供給される熱媒体との熱交換により放熱することで高圧液冷媒となり、凝縮器２から流出する。凝縮器２から流出した高圧液冷媒は、減圧機構３に流入し、減圧されて低圧二相冷媒又は低圧液冷媒となる。減圧機構３から流出した低圧の冷媒は、蒸発器４に流入し、蒸発器４に供給された熱媒体との熱交換により蒸発することで低圧ガス冷媒となり、蒸発器４から流出する。蒸発器４から流出した低圧ガス冷媒は、再度圧縮機１に吸入される。

ここで、図２に基づいて圧縮機１の具体的な構成例を説明する。図２では、スクロールの形状にて圧縮率が決定するスクロール方式を使用した圧縮機を例に図示している。上述したように、圧縮機１は、冷凍サイクルを循環する冷媒を吸入し、その冷媒を圧縮して高温高圧の状態として吐出させるものである。なお、上述したように、圧縮機１の方式を特に限定するものではない。

圧縮機１は、密閉容器（シェル）２２内に圧縮機構部５０及び電動機６０を収納している。密閉容器２２には、配管５ｄと接続され冷媒を密閉容器２２内に取り込む吸入管１ｂと、配管５ａと接続され冷媒を密閉容器２２外に吐き出す吐出管１ａと、が接続されている。また、密閉容器２２には、圧縮途中過程の圧縮室２３に冷媒を取り込むインジェクション管１ｃが接続されている。このインジェクション管１ｃはインジェクションポート２４に接続される。圧縮機構部５０が密閉容器２２の上側に配置され、電動機６０が密閉容器２２の下側（低圧空間）に配置されている。この密閉容器２２の底部は、冷凍機油を貯留する油溜め１９となっている。さらに、密閉容器２２には、フレーム１３が上部に、電動機ステーター２１が中間部に、サブフレーム１６が下部に、それぞれ固定支持されている。

圧縮機構部５０は、電動機６０により駆動され、吸入管１ｂから吸入した冷媒ガスを圧縮して密閉容器２２内の吐出空間３３に排出する機能を有している。この圧縮機構部５０は、固定スクロール１１と、揺動スクロール１２と、で概略構成されている。なお、吐出空間３３は、圧縮機１内部の上方空間に形成されており、高圧空間となっている。そして、吐出空間３３に排出された冷媒ガスは、吐出空間３３に連通している吐出管１ａから圧縮機１の外部、つまり配管５ａに吐出されることになる。

固定スクロール１１は、密閉容器２２内に固定支持されているフレーム１３に図示省略のボルト等によって固定されている。また、固定スクロール１１は、鏡板１１ａと、鏡板１１ａの一方の面（たとえば紙面下側の面）に立設されたインボリュート曲線形状の渦巻状突起であるラップ部１１ｂと、を有している。さらに、固定スクロール１１の中央部には、圧縮され、高圧となった冷媒ガスを吐出する吐出ポート１１ｃが形成されている。

揺動スクロール１２は、固定スクロール１１に対して自転運動することなく公転旋回運動を行なうようになっている。揺動スクロール１２は、鏡板１２ａと、鏡板１２ａの一方の面（紙面上側の面）に立設されたインボリュート曲線形状の渦巻状突起であるラップ部１２ｂと、を有している。また、揺動スクロール１２のラップ部１２ｂの形成面とは反対側の面（以下、スラスト面と称する）の略中心部には、中空円筒形状の揺動スクロールボス部１２ｃが形成されている。この揺動スクロールボス部１２ｃには、後述する回転主軸１４の上端に設けられた偏心ピン部１４ａが嵌入（係合）される。

そして、固定スクロール１１と揺動スクロール１２とは、ラップ部１１ｂとラップ部１２ｂとを互いに噛み合わせ、密閉容器２２内に装着される。そして、ラップ部１１ｂとラップ部１２ｂとの間には、相対的に容積が変化する圧縮室２３が形成される。なお、揺動スクロール１２と固定スクロール１１との間には、揺動スクロール１２の偏心旋回運動中における自転運動を阻止するためのオルダムリング１５が配設されている。このオルダムリング１５は、揺動スクロール１２の自転運動を阻止するとともに、公転旋回運動を可能とする機能を果たすようになっている。

電動機６０は、圧縮機構部５０で冷媒ガスを圧縮するために、圧縮機構部５０を構成する揺動スクロール１２を駆動する機能を果たすようになっている。つまり、電動機６０が回転主軸１４を介して揺動スクロール１２を駆動することによって、圧縮機構部５０で冷媒ガスを圧縮するようになっているのである。電動機６０は、回転主軸１４に固定された電動機ローター２０と、密閉容器２２に固着保持された電動機ステーター２１と、で概略構成されている。電動機ローター２０は、回転主軸１４に固定され、電動機ステーター２１への通電が開始することにより回転駆動し、回転主軸１４を回転させるようになっている。また、電動機ステーター２１の外周面は焼き嵌め等により密閉容器２２に固着支持されている。

回転主軸１４は、作用するガス荷重に対し、許容撓み量を確保できる剛性をもち、切削性が良好であって、低コスト化できる材料を選定して構成するとよい。回転主軸１４の上端部は、揺動スクロール１２の揺動スクロールボス部１２ｃと回転自在に嵌合する偏心ピン部１４ａが形成されている。また、回転主軸１４の内部には、油溜め１９に貯留してある冷凍機油の流路となる給油流路１４ｂが形成されている。そうすれば、油溜め１９に溜まっている冷凍機油を、回転主軸１４の回転に伴って吸い上げ、圧縮機構部５０に給油することが可能になる。

フレーム１３は、密閉容器２２の内周面に外周面が焼き嵌めや溶接等によって固着され、固定スクロール１１を支持するとともに、中心部に形成された貫通孔を介して回転主軸１４を回転可能に支持するものである。この貫通穴には、回転主軸１４を回転自在に支持する主軸受３６が設けられている。このフレーム１３は、密閉容器２２内の上方に設置され、回転主軸１４の上方部分を支持している。

サブフレーム１６は、密閉容器２２の内周面に外周面が焼き嵌めや溶接等によって固着され、中心部に形成された貫通孔を介して回転主軸１４を回転可能に支持するものである。この貫通穴には、回転主軸１４を回転自在に支持させるためボールベアリング１７が圧入固定されている。このサブフレーム１６は、密閉容器２２内の下方に設置され、回転主軸１４の下方部分を支持している。また、サブフレーム１６には、容積型のオイルポンプ１８が備わっており、回転主軸１４により駆動される。つまり、回転主軸１４の回転によって駆動されたオイルポンプ１８によって、油溜め１９内に貯留されている冷凍機油が給油流路１４ｂに吸い上げられ、圧縮機構部５０や各軸受に給油されることになる。

圧縮機１の動作を簡単に説明する。
電動機ステーター２１に電源が印加されると、電動機ローター２０は、電動機ステーター２１が発生する回転磁界からの回転力を受けて回転する。それに伴って、電動機ローター２０に固定され、フレーム１３の主軸受及びサブフレーム１６のボールベアリング１７に支持された回転主軸１４が回転駆動する。なお、電源には５０Ｈｚや６０Ｈｚの一般商用電源が使用されるが、冷媒循環量を可変するため、駆動回転数を６００ｒｐｍ〜１００００ｒｐｍの範囲で駆動できるようにインバーター電源も使用されている。

回転主軸１４の回転運動は、回転主軸１４の偏心ピン部１４ａ及び揺動スクロールボス部１２ｃを介し揺動スクロール１２に伝わる。このとき、揺動スクロール１２は、オルダムリング１５により自転が規制され、公転運動する。つまり、オルダムリング１５は、オルダムリング１５のキー部（図示せず）を収容する揺動スクロール１２のオルダム溝（図示せず）とフレーム１３のオルダム溝（図示せず）内でキー部が往復運動することにより揺動スクロール１２の自転を抑制し、揺動運動を可能にしている。

電動機６０の駆動に伴い、配管５ｄを流れている冷媒が、吸入管１ｂから密閉容器２２に吸入され、揺動スクロール１２のラップ部１２ｂと固定スクロール１１のラップ部１１ｂにより形成される外周側の圧縮室２３に取り込まれる。圧縮室２３内に取り込まれた冷媒は、揺動スクロール１２の揺動運動により揺動スクロール１２の中心へ移動し、さらに体積が縮小されることにより圧縮される。このとき、スクロールのラップ部形状により圧縮率が幾何学的に決定される。また、中心へ移動する途中の圧縮過程の圧縮室２３にインジェクションポート２４が配設されており、このインジェクションポート２４にインジェクション管１ｃが接続される。

吸入管１ｂから吸入された冷媒、インジェクションポート２４を介して過給された冷媒は、徐々に圧縮され、高圧の状態となって固定スクロール１１の鏡板１１ａに形成されている吐出ポート１１ｃを通り、吐出弁２５を押し開けて、密閉容器２２の上方に形成される吐出空間３３を経由してから吐出管１ａを流れ、圧縮機１の外部へと流出される。なお、圧縮された高圧状態の冷媒は、吐出管１ａから密閉容器２２外部に流出され、冷凍サイクルを循環することになる。

以上のような一連の動作の中で、摺動部や軸受に冷凍機油が給油される。たとえば、ラップ部１２ｂとラップ部１１ｂや、ラップ部１１ｂの先端面に配設されたシール２６と鏡板１２ａのラップ部側の歯底面、ラップ部１２ｂの先端面に配設されたシール２６と鏡板１１ａのラップ部側の歯底面、鏡板１２ａのラップ部を形成側とは反対側の背面に設けたオルダム溝及びオルダムリング１５のキー部、フレーム１３の主軸受の近傍に設けたオルダム溝及びオルダムリング１５のキー部、鏡板１２ａのラップ部を形成側とは反対側の背面中央に設けられた揺動軸受（スラスト軸受）、フレーム１３の中央に設けられたフレーム軸受などに冷凍機油が給油される。

また、これら摺動部は、高温になるため密閉容器２２内に吸入された比較的温度の低い冷媒と同雰囲気になっており、冷却されている。また、この密閉容器２２内に吸入された比較的温度の低い冷媒は、電動機ローター２０や電動機ステーター２１を冷却する効果もあり、冷媒回路から冷媒を取り込む吸入管１ｂは、フレーム１３と電動機ステーター２１のそれぞれの近傍になるように設計するとよい。

冷凍サイクル装置１００には、一般的に使用されているオゾン層破壊係数がゼロであるＨＦＣ冷媒であるＲ４１０ＡやＲ４０７Ｃ、Ｒ４０４Ａ等を冷媒として使用することができる。最近では、地球温暖化係数の小さいＲ３２、それを含む混合冷媒を使用してもよい。Ｒ３２や二酸化炭素（ＣＯ₂ ）を冷媒として使用する場合、Ｒ４１０ＡやＲ４０７Ｃ、Ｒ４０４Ａに比較して、圧縮機１から吐出される冷媒の温度が高く、冷媒回路中でシール材として使用される樹脂や冷凍機油が劣化する可能性があるため、冷凍サイクル装置１００によればインジェクション機構を用いて吐出温度を下げることができる。

インジェクション機構は、圧縮工程における圧縮途中の圧縮室２３内に高圧で温度の低い、つまり凝縮器２にて冷やされた液冷媒もしくはガス冷媒をインジェクションさせることで、圧縮途中のガス温度を下げる効果がある。それと同時に、高圧で密度の高い冷媒をインジェクションさせることは、圧縮室２３内の質量を増大させ、圧縮機１の冷媒量を増加させることにもなる。

また、近年、フロン系低ＧＷＰ冷媒と呼ばれているＨＦＯ１２３４ｙｆやＨＦＯ１２３４ｚｅ、ＨＦＯ１２４３ｚｆなどの組成中に炭素の二重結合を有するハロゲン化炭化水素や、自然冷媒であるプロパンやプロピレンなどの炭化水素、若しくはそれらを含む混合物を冷媒として使用する場合、冷媒循環量を大きくする必要があり、大容量の圧縮機での対応となる。大容量の圧縮機では、負荷が小さくて済む運転、つまり冷媒循環量の小さな運転をする時には、駆動回転数を下げることで可能となるが、各軸受での最低限必要な潤滑油を供給できる限界までしか駆動回転数を下げることができない。そのため、圧縮室２３の途中と圧縮機１の吸入管１ｂ側へバイパスする以下で詳述する容量制御運転は、冷媒循環量を小さくするためには有効である。

ここから冷凍サイクル装置１００が実行する運転モードについて詳しく説明する。冷凍サイクル装置１００は、インジェクション運転モード、容量制御運転モード、通常運転モード、吸入管インジェクション運転モードを条件に応じて選択し、実行できるようになっている。図３は、冷凍サイクル装置１００のインジェクション運転モード時のサイクル状態を示す回路構成図である。図４は、冷凍サイクル装置１００の容量制御運転モード時のサイクル状態を示す回路構成図である。図５は、冷凍サイクル装置１００の通常運転モード時のサイクル状態を示す回路構成図である。図６は、冷凍サイクル装置１００の吸入管インジェクション運転モード時のサイクル状態を示す回路構成図である。なお、図３〜図６において、冷媒を導通させない配管を破線で表している。

図３に示すインジェクション運転モード時、制御装置は、開閉装置１０を閉じ、バイパス回路９を閉塞する。つまり、制御装置は、バイパス回路９に冷媒を導通させないようにしてインジェクション運転モードを実行する。インジェクション運転モード時では、凝縮器２から流出した比較的冷たい高圧の冷媒が、減圧機構３に流入する冷媒と、インジェクション回路６に流入する冷媒と、に分流される。インジェクション回路６に流入した冷媒は、インジェクション回路６を通って、圧縮機１に接続されているインジェクション管１ｃを経て、圧縮機１のインジェクションポート２４から圧縮中間過程の圧縮室２３に過給される。

このとき、インジェクション回路６に設置されている第１流量調整装置７及び第２流量調整装置８は共に開くように制御されている。そして、第１流量調整装置７及び第２流量調整装置８の一方で高圧冷媒の圧力を調整し、他方でインジェクション量を調整している。インジェクション量を調整する時の一つの目安としては、圧縮機１の吐出管１ａの温度をセンシングして、冷媒回路中でシール材として使用される樹脂や冷凍機油の劣化を防ぐことができる許容温度、たとえば１００〜１５０℃を超えないように調整するとよい。また、インジェクションする冷媒の温度を調整するために、インジェクション回路６を流れる冷媒と冷凍サイクル回路内のどこかと熱交換させてサイクル効率を向上させるという手段をとることも可能である。

図４に示す容量制御運転モード時、制御装置は、第１流量調整装置７を閉じ、第１インジェクション回路６ａを閉塞する。また、制御装置は、第２流量調整装置８を全開とし、開閉装置１０を開くことで、第２インジェクション回路６ｂとバイパス回路９とを使用して容量制御回路を形成する。つまり、制御装置は、第１インジェクション回路６ａに冷媒を導通させず、インジェクション管１ｃを介して圧縮途中の冷媒をバイパス回路９に流入させるようにして容量制御運転モードを実行する。

容量制御運転モードでは、圧縮機１内の圧縮室２３に取り込まれた冷媒ガスを、インジェクションポート２４を経て圧縮機１外の吸入管１ｂと均圧することで圧縮室２３がインジェクションポート２４と連通している間、圧縮をできなくなるようにしている。つまり、圧縮機１の冷媒圧縮動作を、インジェクションポート２４よりもスクロールの中心部側で行なうようにすることで容量制御運転モードを実現している。

このとき、第２インジェクション回路６ｂとバイパス回路９との圧力損失は極力小さくする必要がある。第２インジェクション回路６ｂとバイパス回路９との圧力損失が大きいと、バイパス回路９を流れる冷媒の抵抗が大きくなり、期待しているバイパス量を得ることができなくなってしまうからである。こうなると、バイパス回路９の圧力を上昇させてしまうことになり、冷凍サイクル上で冷凍に寄与しない冷媒を圧縮する余分な動力の浪費を招き、冷凍サイクルの効率を下げてしまうことになる。

このような事態を避けるために、第２インジェクション回路６ｂとバイパス回路９との距離を極力短く構成するとよい。そのため、バイパス回路９とインジェクション回路６との接続点は、なるべく第２流量調整装置８に近接させた位置にすることが望ましい。同様に、バイパス回路９と配管５ｄとの接続点も、なるべく吸入管１ｂに近接させた位置にすることが望ましい。

また、第２流量調整装置８の開度を大きくとれるものを第２流量調整装置８として選択することで、第２流量調整装置８を通過する冷媒の圧力損失を小さくすることができる。この場合、第２インジェクション回路６ｂとバイパス回路９との間と、冷凍サイクル回路中のどこかと熱交換することは、圧縮機１の吸入冷媒温度を上昇させてしまう可能性があるため避ける必要がある。それは、圧縮機１の吸入冷媒温度が上昇すると、吸入冷媒密度が下がってしまい、冷凍サイクルの効率を下げてしまうからである。

図５に示すインジェクション運転モード時、制御装置は、第１流量調整装置７及び第２流量調整装置８を共に閉じ、開閉装置１０も閉じ、インジェクション回路６及びバイパス回路９を閉塞する。つまり、制御装置は、インジェクション回路６及びバイパス回路９に冷媒を導通させないようにして通常運転モードを実行する。換言すれば、通常運転モードとは、インジェクション運転モードも容量制御運転モードも行わない、上述した基本的な運転モードのことである。

通常運転モードでは、インジェクション回路６もバイパス回路９も持たない冷媒回路と同じであり、非常にシンプルで、かつ高効率な運転が実現できる。また、インジェクション回路６やバイパス回路９とは別に、冷凍サイクル回路内のどこかの配管５ａ、配管５ｂ、配管５ｃ、配管５ｄの内を流れる冷媒を利用し、熱交換させてサイクル効率を向上させる手段をとることも可能である。

図６に示す吸入管インジェクション運転モード時、制御装置は、第１流量調整装置７を開き、第２流量調整装置８は閉じ、第２インジェクション回路６ｂを閉塞する。また、制御装置は、開閉装置１０を開き、第１インジェクション回路６ａとバイパス回路９とを使用して吸入管インジェクション回路を形成する。つまり、制御装置は、第２インジェクション回路６ｂに冷媒を導通させず、第１インジェクション回路６ａ及びバイパス回路９を介して凝縮器２流出後の冷媒を圧縮機１の吸入管１ｂに流入させるようにして吸入管インジェクション運転モードを実行する。

吸入管インジェクション運転モード時では、凝縮器２から流出した比較的冷たい高圧の冷媒が減圧機構３に流入する冷媒と、インジェクション回路６に流入する冷媒と、に分流される。インジェクション回路６に流入した冷媒は、第１インジェクション回路６ａ及びバイパス回路９を通して、圧縮機１に接続されている吸入管１ｂを経て、圧縮機１の密閉容器２２に過給される。このとき、第１流量調整装置７によって、冷媒の圧力及び流量が調整され、インジェクション量を調整している。

インジェクション量を調整する時の一つの目安としては、圧縮機１の密閉容器２２の表面温度をセンシングして、モーター（電動機６０）の絶縁材として使用される樹脂や冷凍機油の劣化を防ぐことができる許容温度、たとえば８０〜１４０℃を超えないように調整するとよい。また、インジェクションする冷媒の温度を調整するために、第１インジェクション回路６ａを流れる冷媒と冷凍サイクル回路内のどこかと熱交換させてサイクル効率を向上させるという手段をとることも可能である。

次に、冷凍サイクル装置１００が実行する上記の各運転モードの切り替えの一例について説明する。
（１）通常運転モード
冷凍サイクル装置１００では、冷凍サイクル装置１００の起動時を含め、通常、通常運転モードで運転が実行される。

（２）インジェクション運転モード
高圧力差運転が必要となる条件のとき、たとえば冷蔵・冷凍や暖房・給湯運転時に運転されるモードである。このような条件のときは、比較的低圧圧力が低くなり、冷媒循環量が少なくなる。このとき、冷凍サイクル装置１００では、冷媒循環量を多くするために圧縮機１の駆動回転数が大きくなり、また高圧縮比運転のために吐出温度が高くなる。そこで、冷凍サイクル装置１００は、インジェクション運転モードを選択し、実行する。

インジェクション運転モードでは、圧縮機１からの吐出冷媒温度が１００〜１５０℃を超えないようにするため、圧縮過程途中の圧縮室２３に密度が高く、温度の低い冷媒を過給する。こうすることで、吐出温度と冷媒循環量を最適に調整することができる。なお、圧縮機１からの吐出冷媒温度は、吐出管１ａの近傍に取り付けた温度センサー（図示せず）等で検知すればよい。

（３）容量制御運転モード
要求される負荷が非常に小さい（要求される負荷が予め設定されている所定値よりも小さい）条件のとき、たとえば１台の室外機に対し複数台の室内機が接続されるマルチ空調機等において、室内機が１台のみ運転されるようなときに運転されるモードである。このような条件のときは、圧縮比が低くなり、比較的低圧圧力が高くなり、冷媒循環量が多くなる。このとき、冷凍サイクル装置１００では、冷媒循環量を少なくするために圧縮機１の駆動回転数が小さくなる。ただし、圧縮機１の各軸受での最低限必要な潤滑油を供給できる限界までしか圧縮機１の駆動回転数を小さくすることができない。また、それを避けるため圧縮機１を停止すると、起動するまでの時間を多く要したり、起動時の消費電力が大きかったりすることでなるべく運転を継続する必要がある。

そこで、冷凍サイクル装置１００では、容量制御運転モードを選択し、実行する。容量制御運転モードを選択することによって、圧縮室２３の途中から冷媒を圧縮することになり、負荷が非常に小さい条件のときにも圧縮機１の運転を継続しつつ冷媒循環量を少なくすることができることになる。

（４）吸入管インジェクション運転モード
高圧力差運転が必要となり、かつ冷媒循環量が非常に少ない（冷媒循環量が予め設定されている所定値よりも少ない）条件のとき、たとえば１台の室外機に対し複数台の室内機が接続されるマルチ空調機等において、室内機が１台のみ暖房運転されるようなときに運転されるモードである。このような条件のときは、負荷は高くなり、比較的低圧圧力が低くなり、冷媒循環量が少なくなる。このとき、冷凍サイクル装置１００では、圧縮機１の駆動回転数は小さいままであるが、高負荷運転のためにモーター温度が高くなる。しかし、冷媒循環量が小さいため、モーターを効率的に冷却することができない。

そこで、冷凍サイクル装置１００は、吸入管インジェクション運転モードを選択し、実行する。吸入管インジェクション運転モードを選択することによって、密度が高く、温度の低い冷媒を吸入管１ｂにインジェクションすることができ、モーター周辺の温度をモーターの絶縁材として使用される樹脂や冷凍機油の劣化を防ぐことができる許容温度、たとえば８０〜１４０℃を超えないように調整することが可能となる。

以上のように、本発明の実施の形態に係る冷凍サイクル装置１００によれば、インジェクション可能な圧縮機１、インジェクション回路６、バイパス回路９、第１流量調整装置７、第２流量調整装置８、開閉装置１０を設けたことによって４つの運転モードを条件に応じて選択し、実行できるので、高効率な運転を広い範囲に渡って維持することが可能になる。つまり、冷凍サイクル装置１００によれば、さまざまな負荷に対応した最適な運転状態を容易に得ることができる。

また、圧縮機１をインバーター制御が可能なインバーター圧縮機で構成すれば、運転負荷範囲はさらに広がるため、冷凍サイクル装置１００の奏する効果をより高めることができる。さらに、圧縮機１の構造を低圧容器タイプにすれば、吸入管インジェクション運転モード時において、低圧空間に配設されているモーターを冷却することができ、高効率、長寿命の圧縮機１を得ることができ、引いては高効率、長寿命な冷凍サイクル装置１００を得られる。

ところで、スクロール圧縮機で圧縮機１を構成した場合について説明したが、その他の方式の圧縮機、たとえばロータリ圧縮機、スクリュー圧縮機、レシプロ圧縮機で圧縮機１を構成する場合についても利用できることは、言うまでもない。また、第１流量調整装置７及び第２流量調整装置８は、インジェクション回路６を流れる冷媒流量を調整できるものであればよく、種類を特に限定するものでない。たとえばステッピングモーター駆動式で冷媒流量を制御できるような弁装置で第１流量調整装置及び第２流量調整装置８を構成するとよい。なお、第１流量調整装置７及び第２流量調整装置８に同種の装置を使用してもよく、異なる装置を使用してもよい。

また、開閉装置１０は、バイパス回路９が開閉できるようなものであればよく、種類を特に限定するものではない。たとえば二方弁や減圧機構等で開閉装置１０を構成するとよい。さらに、冷媒の温度や圧力、外気温、密閉容器２２の温度等を検知可能な温度センサーや圧力センサーを設置しておき、それらの情報に基づいて制御装置が運転モードを選択可能にしておくとよい。

加えて、Ｒ３２などのフロン系低ＧＷＰ冷媒の場合、吐出温度が従来の冷媒に比較して高くなるため、冷凍サイクル内に使用されるシール材、摺動部材や冷凍機油の温度劣化防止のためや摺動クリアランスの確保のため吐出温度が上昇しすぎないようにする必要があるが、冷凍サイクル装置１００によれば、インジェクション運転モードを備えているので圧縮室２３内に冷たい冷媒を過給することができ、吐出温度の過昇が抑制できる。

また、ＨＦＯ１２３４ｙｆなどのフロン系低ＧＷＰ冷媒や、プロパンなどの炭化水素系自然冷媒を使用される場合、従来と同等以上の冷凍能力や暖房能力、あるいは効率を得るためには、冷媒の圧縮率を幅広くとる必要があり、さらには大きな冷媒循環量が必要になるが、冷凍サイクル装置１００によれば、容量制御運転モードを備えているので、圧力損失の低減を図ることが可能になる。

１ 圧縮機、１ａ 吐出管、１ｂ 吸入管、１ｃ インジェクション管、２ 凝縮器、３ 減圧機構、４ 蒸発器、５ 配管、５ａ 配管、５ｂ 配管、５ｃ 配管、５ｄ 配管、６ インジェクション回路、６ａ 第１インジェクション回路、６ｂ 第２インジェクション回路、７ 第１流量調整装置、８ 第２流量調整装置、９ バイパス回路、１０ 開閉装置、１１ 固定スクロール、１１ａ 鏡板、１１ｂ ラップ部、１１ｃ 吐出ポート、１２ 揺動スクロール、１２ａ 鏡板、１２ｂ ラップ部、１２ｃ 揺動スクロールボス部、１３ フレーム、１４ 回転主軸、１４ａ 偏心ピン部、１４ｂ 給油流路、１５ オルダムリング、１６ サブフレーム、１７ ボールベアリング、１８ オイルポンプ、１９ 油溜め、２０ 電動機ローター、２１ 電動機ステーター、２２ 密閉容器、２３ 圧縮室、２４ インジェクションポート、２５ 吐出弁、２６ シール、３３ 吐出空間、３６ 主軸受、５０ 圧縮機構部、６０ 電動機、１００ 冷凍サイクル装置。

Claims (7)

1. 冷媒を圧縮して吐出する圧縮機、前記圧縮機から吐出された冷媒と熱媒体とで熱交換する放熱器、前記放熱器から流出した冷媒を減圧する減圧機構、及び、前記減圧機構で減圧された冷媒と熱媒体とで熱交換する蒸発器を配管接続した冷凍サイクルと、
   前記放熱器と前記減圧機構との間における配管と前記圧縮機における圧縮途中過程の圧縮室とを接続するインジェクション回路と、
   前記圧縮機の吸入管と前記インジェクション回路とを接続するバイパス回路と、
   前記インジェクション回路の前記バイパス回路を接続した接続点より前記放熱器側に設置された第１流量調整装置と、
   前記インジェクション回路の前記バイパス回路を接続した接続点より前記圧縮機側に設置された第２流量調整装置と、
   前記バイパス回路に設置された開閉装置と、を有し、
   前記第１流量調整装置、前記第２流量調整装置、及び、前記開閉装置を制御することによって実行されるインジェクション運転モード、容量制御運転モード、通常運転モード、及び、吸入管インジェクション運転モード、を備え、
   前記インジェクション運転モードは、
   前記冷凍サイクルに冷媒を循環させるとともに、前記インジェクション回路を介して前記圧縮機における圧縮途中過程の圧縮室に冷媒を注入することで実行され、
   前記容量制御運転モードは、
   前記冷凍サイクルに冷媒を循環させるとともに、前記インジェクション回路のうち前記第２流量調整装置が設置され、前記圧縮機における圧縮途中過程の圧縮室に接続しているインジェクション回路及びバイパス回路を介し、前記圧縮機における圧縮途中過程の圧縮室から前記圧縮機の吸入管に冷媒を導通させることで実行され、
   前記通常運転モードは、
   前記インジェクション回路及び前記バイパス回路を利用せず、前記冷凍サイクルに冷媒を循環させることで実行され、
   前記吸入管インジェクション運転モードは、
   前記冷凍サイクルに冷媒を循環させるとともに、前記インジェクション回路のうち前記第１流量調整装置が設置され、前記放熱器と前記減圧機構との間における配管に接続しているインジェクション回路及び前記バイパス回路を介し、前記圧縮機の吸入側に冷媒を注入することで実行される
   ことを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 高圧力差運転が必要となるとき前記インジェクション運転モードが実行され、
   要求される負荷が予め設定されている所定値よりも小さいとき前記容量制御運転モードが実行され、
   高圧力差運転が必要となり、冷媒循環量が予め設定されている所定値よりも少ないとき前記吸入管インジェクション運転モードが実行され、
   それ以外のとき前記通常運転モードが実行される
   ことを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記インジェクション回路のうち前記第２流量調整装置が設置され、前記圧縮機における圧縮途中過程の圧縮室に接続しているインジェクション回路の圧力損失を、前記インジェクション回路のうち前記第１流量調整装置が設置され、前記放熱器と前記減圧機構との間における配管に接続しているインジェクション回路の圧力損失よりも小さくしている
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の冷凍サイクル装置。
4. 前記インジェクション回路と前記バイパス回路との接続点を前記第２流量調整弁に近接させ、前記バイパス回路と前記圧縮機の吸入側の接続点を前記圧縮機の吸入管に近接させることで、
   前記インジェクション回路のうち前記第２流量調整装置が設置され、前記圧縮機における圧縮途中過程の圧縮室に接続しているインジェクション回路の圧力損失を、前記インジェクション回路のうち前記第１流量調整装置が設置され、前記放熱器と前記減圧機構との間における配管に接続しているインジェクション回路の圧力損失よりも小さくしている
   ことを特徴とする請求項３に記載の冷凍サイクル装置。
5. 前記圧縮機を低圧容器型のスクロール圧縮機で構成した
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
6. 前記圧縮機をインバーター制御が可能なインバーター圧縮機で構成した
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
7. 前記冷媒には、フロン系低ＧＷＰ冷媒もしくは炭化水素系自然冷媒を使用している
   ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。

Images