JP2015014195A - 冷凍サイクル - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明の課題は、吐出ガス温度を下げるために、圧縮室に低温の冷媒をインジェクションする冷凍サイクルにおいて、インジェクションを行わない場合の圧縮機効率の低下を抑制する冷凍サイクルを提供することにある。【解決手段】本発明の冷凍サイクルは、スクロール圧縮機の固定スクロールとインジェクション配管を接続するインジェクションパイプと、インジェクションパイプの流路の開閉を行なう第2のインジェクション弁とを有し、旋回スクロールのラップと固定スクロールのラップが互いにかみ合って圧縮室を形成し、第2のインジェクション弁は、固定スクロールの端板のラップ側に形成される第1の孔と、第1の孔とインジェクションパイプを接続する第2の孔と、第2の孔に位置し、インジェクションパイプの流路の開閉を行なう弁本体と、少なくとも第1の孔に位置する突起部とを有する。【選択図】図5

Description

本発明は、冷凍サイクルに関する。
HFC32(R32)のオゾン破壊係数(ODP)はゼロであり、その地球温暖化係数(GWP)は冷凍サイクル(例えば、空気調和機等)の冷媒として広く使用されているR410Aの約1/3程度である。そのため、このHFC32を冷媒として使用する冷凍サイクルは、環境負荷の低減に寄与することができる。
従来、HFC32を使用した冷媒圧縮機としては、例えば、特許文献1に開示されものが挙げられ、この冷媒圧縮機を搭載する冷凍サイクルは、大掛りな設計変更を必要とせず効率にも優れる。
しかし、HFC32を使用した冷媒圧縮機は、圧縮機効率が同等としてもR22、R410a、R407c等の冷媒を使用するものと比べて吐出ガス温度が高くなる。
そのため、HFC32を使用した従来の冷媒圧縮機は、R22等の冷媒を使用したものよりも、樹脂製部品や機油が劣化し易く、長期信頼性を確保できない問題がある。
この吐出ガス温度が高くなる問題を解決する手段として、圧縮室に中温の冷媒を入れる方法(以下「インジェクション」という。)がある。しかし、ルームエアコンのような幅広い条件で運転される場合、条件によっては、インジェクションを行わない場合もあり、インジェクションの流れをとめる弁が必要となる。このインジェクションの流れを遮断する弁としては、例えば、特許文献1に記載のインジェクション装置がある。
特開平11−107950号公報
インジェクションの流れを遮断する弁には圧縮されない空間、いわゆる隙間容積が存在し、インジェクションを行わない場合に、圧縮機の効率を低下させる要因となる。
そこで、本発明の課題は、吐出ガス温度を下げるために、圧縮室に低温の冷媒をインジェクションする冷凍サイクルにおいて、インジェクションを行わない場合の圧縮機効率の低下を抑制する冷凍サイクルを提供することにある。
本発明の冷凍サイクルは、スクロール圧縮機、凝縮器、減圧装置及び蒸発器を順次配管で接続して冷媒が循環するサイクル流路と、凝縮器と減圧装置の間に位置する配管とスクロール圧縮機を接続するインジェクション配管と、インジェクション配管の流路の開閉を行なう第1のインジェクション弁とを備え、スクロール圧縮機は、端板に立設する渦巻き状のラップを有する旋回スクロールと、端板に立設する渦巻き状のラップを有する固定スクロールと、固定スクロールとインジェクション配管を接続するインジェクションパイプと、インジェクションパイプの流路の開閉を行なう第2のインジェクション弁とを有し、第2のインジェクション弁は、固定スクロールの端板のラップ側に形成される第1の孔と、第1の孔とインジェクションパイプを接続する第2の孔と、第2の孔に位置し、インジェクションパイプの流路の開閉を行なう弁本体と、少なくとも第1の孔に位置する突起部とを有する。
本発明によれば、吐出ガス温度を下げるために、圧縮室へ低温の冷媒をインジェクションする冷凍サイクルにおいて、インジェクションを行わない時の圧縮機効率低下を抑制する冷凍サイクルを提供することができる。
第1実施形態に係る冷凍サイクルである。 第1の実施形態に係るスクロール圧縮機の縦断面図である。 図2のインジェクション弁の拡大図である。 インジェクション弁の弁体である インジェクションを行っている時のインジェクション弁の様子である。 インジェクションを行わない時のインジェクション弁の様子である。 インジェクション孔の位置を固定スクロールのラップ面からみた図である。 インジェクション孔が圧縮室に開口する区間を示した図である。 インジェクションした時の吐出ガス温度の低下量を示した図である。 第2実施形態に係る冷凍サイクルである。 第3実施形態に係るインジェクション弁である。
本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
図1は第1の実施形態に係る冷凍サイクルである。図1に示すように、本実施形態に係る冷凍サイクルは、圧縮機1、凝縮器18、減圧装置19(膨張弁)及び蒸発器20が順次、環状に接続されて冷媒のサイクル流路を構成している。四方弁24は、暖房運転と冷房運転を切り替える弁である。図中の実線は暖房運転時の流路で、破線は冷房運転時の流路となる。本実施形態では実線の暖房運転時のサイクル構成で示している。インジェクション配管30は凝縮器18と減圧装置19の間の配管と圧縮機1とを接続する配管である。インジェクション配管30には第1のインジェクション弁26が設置されている。インジェクションパイプ25cは、インジェクション配管30と圧縮室11を接続している。第1のインジェクション弁26は開閉弁又は膨張弁である。
図2は、第1の実施形態に係るスクロール圧縮機の縦断面図である。図3は、図2のインジェクション弁の拡大図である。
圧縮機1は、旋回スクロール6及び固定スクロール5からなる圧縮機構部3と、圧縮機構部3を駆動する電動機部4と、圧縮機構部3と電動機部4を収納する密閉容器2を備えている。密閉容器2内の上部には圧縮機構部3が、下部には電動機部4が配置されている。そして、密閉容器2の底部には機油13(潤滑油)が貯留されている。
密閉容器2は、円筒状のケース2aに蓋チャンバ2bと底チャンバ2cが上下に溶接されて構成されている。蓋チャンバ2bには吸込管2dと吐出管2eが設けられている。
圧縮機構部3は、固定スクロール5と、旋回スクロール6と、固定スクロール5にボルト等の締結具で締結されて旋回スクロール6を支持するフレーム9と、を備えて構成されている。
固定スクロール5と旋回スクロール6はそれぞれ端板とラップを有し、固定スクロール5に対向して旋回スクロール6が旋回自在に配置され、両者によって、圧縮室11が形成される。
フレーム9は、その外周側が溶接によって密閉容器2の内壁面に固定されており、クランク軸7を回転自在に支持する主軸受9aを備えている。旋回スクロール6の下面側に、クランク軸7の偏心部7bが連結されている。
旋回スクロール6の下面側とフレーム9の間には、オルダムリング12が配置されており、オルダムリング12は旋回スクロール6の下面側に形成された溝とフレーム9に形成された溝に装着されている。このオルダムリング12は、旋回スクロール6を自転することなく、クランク軸7の偏心部7bの偏心回転を受けて公転運動をさせる働きをする。
電動機部4は、ステータ4a及びロータ4bを備えている。ステータ4aは密閉容器2に圧入、溶接等により固定されている。ロータ4bはステータ4a内に回転可能に配置されている。ロータ4bにはクランク軸7が固定されている。
クランク軸7は、主軸7aと偏心部7bとを備えて構成されており、フレーム9に設けた主軸受9aと下軸受17とで支持されている。偏心部7bはクランク軸7の主軸7aに対して偏心して一体に形成されており、旋回スクロール6の背面に設けた旋回軸受6aに嵌合されている。クランク軸7は電動機部4によって駆動され、偏心部7bは主軸7aに対して偏心回転運動し、旋回スクロール6を旋回運動させるようになっている。また、クランク軸7は、主軸受9a、下軸受17及び旋回軸受6aへ機油13を導く給油通路7cが設けられ、電動機部4側の軸端に機油13を吸い上げて給油通路7cに導く給油管7dが装着されている。
ガス冷媒は、電動機部4で駆動されるクランク軸7を介して旋回スクロール6が旋回運動すると、吸込管2dから旋回スクロール6及び固定スクロール5により形成される圧縮室11に導かれる。そして、ガス冷媒は、旋回スクロール6と固定スクロール5との間で中心方向に移動するに従って容積を縮小して圧縮される。圧縮されたガス冷媒は圧縮機1の密閉容器2の内部を循環し、吐出管2eを通って、外部へと流出していく。
この外部に流出していく吐出ガスの温度が高いとき、圧縮機1全体の温度が上昇しており、電動機に使用され樹脂材料や軸受の摺動の信頼性を著しく低下させてしまう。例えば、ルームエアコンに冷媒としてR32を用いた場合、R410Aに対して、吐出ガス温度が最大で30℃近く上昇する。この吐出ガス温度を下げる手段として、圧縮室11に低温の冷媒をインジェクションする方法がある。現在、広く使用されている空気調和機は、年間通じて運転されるため、圧縮機の運転条件はワイドレンジ化されている。R32の場合、高負荷の条件では、電動機の樹脂材料の耐熱温度を上回るので、インジェクションを行い吐出ガス温度を樹脂材料の耐熱温度以下にする必要がある。一方、負荷の小さい条件では、吐出ガス温度は樹脂材料の耐熱温度まで上がらず、インジェクションを行なわずとも吐出ガス温度を樹脂材料の耐熱温度以下にすることができる。インジェクションを行なうことで、吐出ガス温度を下げることはできるが、暖房能力が低下してしまう。すなわち、暖房運転時に吐出ガス温度を下げる必要がない条件では、暖房能力を維持するためにインジェクションを行わないほうが望ましい。
これら二つの事象を両立させるには、インジェクションを遮断する弁が必要となってくる。本実施形態のスクロール圧縮機には、このインジェクションを遮断する第1のインジェクション弁26が設けられている。
しかし、インジェクションを遮断する第1のインジェクション弁26は圧縮機1の外に設置されており、第1のインジェクション弁26と圧縮機1の圧縮室11との間のインジェクション配管30及びインジェクションパイプ25cは圧縮室11に連通したままである。そこで、本実施形態では圧縮機1の中に第2のインジェクション弁25を備えている。
以下、図3を用いて第2のインジェクション弁25について説明する。固定スクロール5の歯底部(端板)5aに第1の孔25aが形成されている。第1の孔25aは、第2の孔25bと連通しており、第2の孔25bの上部には、インジェクションパイプ25cが固定スクロール5に圧入等で取り付けられている。第2の孔25bの中には、弁体の弁本体25dが収納されており、インジェクションを行わない場合は、弁本体25dによりインジェクションを遮断する。
図4はインジェクション弁の弁体である。弁体には、弁本体25及び突起部25eが形成されており、突起部25eが第1の孔25aに挿入される。また、弁本体25dの外周部と弁本体25dの根元にはインジェクション通路25fが設けられており、インジェクション時の冷媒の通路となる。
次に、第2のインジェクション弁25の動作について図5と図6を用いて説明する。図5はインジェクションを行っている時のインジェクション弁の様子である。図6はインジェクションを行わない時のインジェクション弁の様子である。
図2に示すように、インジェクションパイプ25cは、第1のインジェクション弁26を介し高圧で中温の冷媒と連通している。例えば、一般的な冷凍サイクルと言うと、凝縮器で凝縮された後の冷媒である。第1のインジェクション弁26を開くと、高圧で中温の冷媒がインジェクションパイプ25cを通って第2のインジェクション弁25へ流入する。冷媒が流入すると、図5に示すように弁本体25dが押下げられて、第1の孔25a及び第2の孔25b内のインジェクション通路25fを通って圧縮室11に流入する。この中温の冷媒が流入することにより圧縮室11内の冷媒の温度が下がり、その結果、吐出ガス温度が低下する。
第1のインジェクション弁26を閉じると、インジェクションパイプ25c内の圧力が降下し、圧縮室11の圧力によって、図6に示すように弁本体25dが押し上げられる。弁本体25dが押し上げられると弁本体25dの上面がインジェクションパイプ25cと接触し、インジェクションパイプ25cと圧縮室11を遮断する。
このインジェクションを遮断した際、第1の孔25a及び第2の孔25bの空間は、圧縮されない隙間容積となる。この隙間容積は圧縮室11と連通しており、この隙間容積に存在する冷媒は圧縮室11と同じ圧力まで上昇する。しかし、この隙間容積に存在する高圧冷媒は、吐出ガスとして吐き出されず、次に形成される圧縮室11へ流入する。すなわち、無効な動力の増加により圧縮機効率を低下させる原因となる。一方、第1の孔25aを短くすることで、隙間容積を小さくすることも考えられるが、強度を保つために第1の孔25aを短くするにも限界がある。
そこで、本実施形態では、弁体に形成された突起部25eが第1の孔25aの中に挿入される構造とし、隙間容積を小さくしている。すなわち、本実施形態の冷凍サイクルは、第2のインジェクション弁25は、固定スクロール5の端板のラップ側に形成される第1の孔25aと、第1の孔25aとインジェクションパイプ25cを接続する第2の孔25bと、第2の孔25bに位置し、インジェクションパイプ25cの流路の開閉を行なう弁本体25dと、少なくとも第1の孔25aに位置する突起部25eとを有する。本実施形態によれば、無効な動力の増加による圧縮機効率の低下幅を縮小することができる。
本実施形態に係る第1の孔25a、第2の孔25b、弁本体25d及び突起部25eは円柱形状であり、第2の孔25bの直径は第1の孔25aの直径よりも大きく、且つ、弁本体25dの直径は突起部25eの直径よりも大きい。このような形状によれば、隙間容積をより小さくすることができる。
第2のインジェクション弁25は、弁本体25dがインジェクションパイプ25cに接触した状態でも突起部25eが第1の孔25aに挿入されている。弁本体25d及び突起部25eはそれぞれインジェクション通路25f(溝)を有し、インジェクションパイプ25cから第2の孔25b及び第1の孔25aに流れた冷媒はインジェクション通路25fを介して圧縮室11に流入する。言い換えると、弁本体25dと第2の孔25bの間の流路、及び、突起部25eと第1の孔25aの間の流路は、インジェクション通路25f(溝)によって形成される。
次に、インジェクションの動作について説明する。外気温が低く、部屋の温度が低い時、例えば、空気調和機を起動した時、部屋の温度を早く温めるために、圧縮機1の回転速度を上げ、減圧装置19を絞って吐出圧力と吐出ガス温度をあげる。電動機4の樹脂材料の信頼性を確保できる温度Tmax以上になると、第1のインジェクション弁26を開け、インジェクション配管30、インジェクションパイプ25c、第2の孔25b孔及び第1の孔25aを通って、高圧低温の冷媒を圧縮室11にインジェクションし吐出ガス温度を低下させる。その後、部屋の温度が温まり、吐出圧力が下がり吐出ガス温度がTmax以下になると、第1のインジェクション弁26及び第2のインジェクション弁25を閉じて、低温の冷媒の圧縮室11への流入を遮断する。この時、スクロール圧縮機は第1の孔25a及び第2の孔25b孔の隙間容積が小さいので、圧縮機効率の低下を防止することができる。
図7はインジェクション孔の位置を固定スクロールのラップ面からみた図である。図7に固定スクロール5を圧縮室11側からみた第1の孔25aの位置を示す。第1の孔25aは固定スクロール5の歯底部5aの幅中央に形成されており、旋回スクロール6の旋回運動により、旋回外線室11aと旋回内線室11bの両方に開口する。ここで、第1の孔25aの直径は、旋回スクロール5の歯厚よりは小さくなっており、旋回外線室11aと旋回内線室11bが第1の孔25aを介して、連通しないようになっている。
図8は、インジェクション孔が圧縮室に開口する区間を示した図である。図8に、図7で示した第1の孔25aの開口区間を示す。ここで、縦軸は圧力で、横軸はクランク軸の回転角度である。
本実施形態で示したスクロールラップは非対称歯形なので、旋回内線室11bの圧縮開始が旋回外線室11aに対して180deg遅れる。破線でそれぞれの圧縮室11への第1の孔25aの開口区間を示しているが、いずれも、吸込圧力の部屋(吸込室10)には開口せず、吸込完了後の圧縮室11に開口する。
図9は、インジェクションした時の吐出ガス温度の低下量を示した図である。図9に、冷媒としてR32を用いて、図8に示した開口区間で圧縮室11にインジェクションした時の吐出ガス温度を示す。縦軸はR410Aのインジェクションなしの吐出ガス温度を100%としている。条件としては、ルームエアコンで、外気温−15℃、暖房能力8kW相当を想定している。
図9には、ガスをインジェクションした場合と液をインジェクションした場合の二つを記載しているが、ガスはインジェクション量を増やしても、吐出ガス温度がR410Aまで低下しない。逆に、液は冷却効果が大きく、微量なインジェクション量でR410Aの吐出ガス温度と同等になる。液インジェクションは、過剰に圧縮室11に流入すると、吐出ガス温度は下がりすぎて、かえって暖房能力の低下につながる。よって、信頼性をR410Aと同等に保つためには吐出ガス温度としては、R410Aと同等程度が望ましい。しかし、吐出ガス温度がR410Aと同等になるインジェクション量は微量で、このインジェクション量を制御するには、インジェクション弁の通路抵抗を大きくする必要がある。通路抵抗を大きくするには、第1の孔25aの直径を小さくする方法があるが、筆者の検討では、R410Aの吐出ガス温度と同等になるインジェクション量にするには、第1の孔25aの直径を1mm以下にする必要があることがわかっている。1mm以下の孔の加工は、ドリルが細く、ドリルの破損等の問題があり、ルームエアコン用圧縮機のような量産製品には向かない。
このような課題に対し、本実施形態の第2のインジェクション弁25は弁体の突起部25eが第1の孔25aに挿入される構造になっており、通路抵抗を大きくするには、突起部25eと第1の孔25aの隙間と小さく設計すれば良い。例えば、突起部25eの直径を3mmとすると、現在の加工技術であれば直径隙間0.05mm程度で仕上げるのは、十分量産製品として成立する加工精度である。
以上、説明したように、第1実施形態にかかるスクロール圧縮機は、吐出ガス温度を下げるために、圧縮室11に低温の冷媒をインジェクション行うが、インジェクションを遮断した時の第2のインジェクション弁25の隙間容積を最大限小さくできる構成となっているので圧縮機効率の低下を防止できる。更に、液冷媒をインジェクションする場合、第1の孔25aと突起部25eの隙間を小さくすることで、過剰なインジェクションを防止することができる。
なお、本実施形態では、インジェクション配管30を凝縮器18と減圧装置19の間の配管と圧縮機1とを接続する配管とする場合について説明したが、凝縮器18と減圧装置19の間にさらに減圧装置を設け、インジェクション配管30を2つの減圧装置の間の配管と圧縮機1とを接続する配管として構成してもよい。
また、本実施形態では、冷媒としてHFC32を用いる場合について説明したが、吐出ガス温度が高温化し、樹脂製部品や機油が劣化しやすくなる他の冷媒にも適用可能である。
次に、第2実施形態について説明する。図10は、第2実施形態に係る冷凍サイクルである。なお、本実施形態において第1実施形態と同様の構成要素については同じ符号を付して、その詳細な説明は省略する。
第1の実施形態と異なる点は、凝縮器18と減圧装置19の間に気液分離器21を設置し、気液分離器21の上流側に前段減圧装置19aを設けている点である。
気液分離器21には液をインジェクションパイプ25cに流入させる配管に加え、ガスをインジェクションパイプ25cに流入させる配管も設けられている。
吐出ガス温度が電動機の樹脂材料の耐熱温度を上回る高負荷条件では、液インジェクションを行い、圧縮機1の吐出ガス温度を電動機の樹脂材料の耐熱温度以下になるよう制御する。一方、吐出ガス温度がさほど上がらない低負荷条件では、ガスインジェクションを行なう。ガスインジェクションは、蒸発器における冷媒の圧力損失を低減することができるので、本実施形態によれば、圧縮機1の圧縮動力を低減することができる。
次に、第3実施形態について説明する。図11は、第3実施形態に係るインジェクション弁である。なお、本実施形態において第1実施形態と同様の構成要素については同じ符号を付して、その詳細な説明は省略する。
本実施形態の第3のインジェクション弁27は、固定スクロール5に形成された第3の孔27aが円錐台形状をしており、半球形をした弁体27dが、第3の孔27aに収納されている。弁体27dの球面にはインジェクション通路27fが設けられており、インジェクション時の冷媒の通路となる。この構成にすることにより、インジェクションを行わない時の隙間容積を小さくでき、圧縮機効率の低下を抑制することができる。
なお、第3の孔27aの形状である円錐台には、図11に示すような円錐台と直方体からなる形状が含まれる。また、弁体27dの形状である半球形には、半楕円体形状などが含まれる。
1 スクロール圧縮機
2 密閉容器
2a ケース
2b 蓋チャンバ
2c 底チャンバ
2d 吸込管
2e 吐出管
3 圧縮機構部
4 電動機部
5 固定スクロール
6 旋回スクロール
7 クランク軸
9 フレーム
10 吸込室
11 圧縮室
12 オルダムリング
13 機油
17 下軸受
18 凝縮器
19 減圧装置
19a 前段減圧装置
20 蒸発器
21 気液分離器
24 四方弁
25 第2のインジェクション弁
25a 第1の孔
25b 第2の孔
25c インジェクションパイプ
25d 弁本体
25e 突起部
25f インジェクション通路
26 第1のインジェクション弁
27 第3のインジェクション弁
27a 第3の孔
27d 弁体
27f インジェクション通路
30 インジェクション配管

Claims (5)

  1. スクロール圧縮機、凝縮器、減圧装置及び蒸発器を順次配管で接続して冷媒が循環するサイクル流路と、
    前記凝縮器と前記減圧装置の間に位置する配管と前記スクロール圧縮機を接続するインジェクション配管と、
    前記インジェクション配管の流路の開閉を行なう第1のインジェクション弁とを備え、
    前記スクロール圧縮機は、端板に立設する渦巻き状のラップを有する旋回スクロールと、端板に立設する渦巻き状のラップを有する固定スクロールと、前記固定スクロールと前記インジェクション配管を接続するインジェクションパイプと、前記インジェクションパイプの流路の開閉を行なう第2のインジェクション弁とを有し、
    前記第2のインジェクション弁は、前記固定スクロールの端板の前記ラップ側に形成される第1の孔と、前記第1の孔と前記インジェクションパイプを接続する第2の孔と、前記第2の孔に位置し、前記インジェクションパイプの流路の開閉を行なう弁本体と、少なくとも前記第1の孔に位置する突起部とを有する冷凍サイクル。
  2. 前記第1の孔の直径は前記旋回スクロールのラップの厚みより小さいことを特徴とする請求項1に記載の冷凍サイクル。
  3. 前記第2の孔の直径は前記第1の孔の直径よりも大きく、且つ、前記弁本体の直径は前記突起部の直径よりも大きい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。
  4. スクロール圧縮機、凝縮器、減圧装置及び蒸発器を順次配管で接続して冷媒が循環するサイクル流路と、
    前記凝縮器と前記減圧装置の間に位置する配管と前記スクロール圧縮機を接続する第1のインジェクション配管と、
    前記第1のインジェクション配管の流路の開閉を行なう第1のインジェクション弁とを備え、
    前記スクロール圧縮機は、端板に立設する渦巻き状のラップを有する旋回スクロールと、端板に立設する渦巻き状のラップを有する固定スクロールと、前記固定スクロールと前記インジェクション配管を接続するインジェクションパイプと、前記インジェクションパイプの流路の開閉を行なう第2のインジェクション弁とを有し、
    前記旋回スクロールのラップと前記固定スクロールのラップが互いにかみ合って圧縮室を形成し、
    前記第2のインジェクション弁は、前記インジェクションパイプと前記圧縮室を接続する第3の孔と、前記第3の孔に位置し、前記インジェクションパイプの流路の開閉を行なう弁体を有し、
    前記第3の孔は円錐台形状であり、前記弁体は半球形状である冷凍サイクル。
  5. 前記冷媒は、HFC32であり、
    前記スクロール圧縮機から吐出される前記冷媒の温度が所定値以上であるときに前記第1のインジェクション弁及び前記第2のインジェクション弁が開き、
    前記スクロール圧縮機から吐出される前記冷媒の温度が前記所定値より小さいときに前記第1のインジェクション弁及び前記第2のインジェクション弁が閉じることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の冷凍サイクル。
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