JP2015190668A - ロータリ圧縮機 - Google Patents

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Abstract

【課題】低外気での暖房運転時に、圧縮機に吸入される冷媒流量を増大させて、暖房能力を高める。【解決手段】冷媒吸入口と冷媒吐出口を有する密閉容器内に、シリンダ内に回転ピストンを収納してなる冷媒圧縮部と上記回転ピストンを駆動する電動機とを備える圧縮機本体と、冷媒吸入口に吸入される冷媒を気液分離するアキュムレータ１２とを含み、アキュムレータ１２と冷媒吸入口とが冷媒吸入管１２４を介して接続されているロータリ圧縮機において、ロータリ圧縮機に冷媒を注入するインジェクション管５０を、アキュムレータ１２の上部からアキュムレータの冷媒ガス空間１２０ａ内で冷媒吸入管１２４の吸込口と対向するように引き込む。【選択図】図３

Description

本発明は、冷凍サイクル装置内に含まれるロータリ圧縮機に関し、さらに詳しく言えば、低外気での暖房運転時に冷媒圧縮部に冷媒をインジェクションして吐出温度を下げる技術に関するものである。
ロータリ圧縮機は、その基本的な構成として、円筒状のシリンダ内に、電動機により駆動される回転ピストン（ロータ）を収納してなる冷媒圧縮部を備えている。これには、通常機種において、冷媒圧縮部が一つのシングルロータ型と、冷媒圧縮部が二つのツィンロータ型とがある。
近年、Ｒ３２等のＨＦＣ冷媒、ＨＦＯ冷媒、ＣＯ２冷媒等の冷媒を用いた冷凍サイクル装置を特に低外気温の寒冷地において暖房機として使用する要望が高まっているが、低外気温の使用環境下では、圧縮比が高い、もしくは吸入圧力の低い運転条件となるため、吐出温度の高い領域で使用される頻度が高い。また、低外気温では、吸入圧力が低いことから、冷媒循環量が少なく暖房能力が不足しやすい、という課題もある。
その対策として、シリンダの圧縮室（作動室）内に液冷媒をインジェクション（注入）して、冷媒の吐出温度を低減させる技術が知られている。この技術によれば、シリンダの圧縮室内に液冷媒をインジェクションすることにより、通常の冷媒吸入量にインジェクション冷媒が加えられるため、その分、凝縮器の冷媒循環量が増大して暖房能力を向上させることができる。
しかしながら、上記の従来技術によると、シリンダ（圧縮室）にインジェクション孔を設けるとともに、圧縮機の密閉容器内にインジェクション管を引き込んでインジェクション孔に接続する必要があり、構造が複雑で加工に手間がかかる、という問題がある。
また、インジェクションオフ時には、そのインジェクション孔の部分がいわゆるデッドボリュームとなり、圧縮効率が低下する、という別の問題もある。さらには、小型の機種においては、シリンダの仕切板の板厚がインジェクション管を接続するには薄すぎることから、インジェクション管を接続できない、という問題もある。
そこで、特許文献１には、アキュムレータから圧縮機の冷媒圧縮部に至る冷媒吸入管の露出しているＬ字状の配管部分にインジェクション管を接続し、冷媒吸入管を介して冷媒圧縮部に液冷媒を注入することが提案されている。
これによれば、シリンダ（圧縮室）にインジェクション孔を設ける必要がないため、インジェクションオフ時の圧縮効率が低下することはない。インジェクション管を冷媒吸入管に接続するだけでよく、加工も容易に行える。また、小型で仕切板の薄い圧縮機にもインジェクション管を接続することができる。
しかしながら、圧縮開始前（圧縮室が蒸発器側からのガス冷媒を吸入している状態、すなわち圧縮室がアキュムレータと連通している状態の時）に液冷媒をインジェクションするため、冷媒循環量を増大させる効果がさほど得られず、暖房能力が不十分となりやすい、という問題を有している。
特開２０１３−２４５８３７号公報（段落〔００４３〕，図１参照）
したがって、本発明の課題は、インジェクション冷媒を冷媒吸入管を介して圧縮機に供給する方式でありながら、低外気温での暖房運転時に、圧縮機に吸入される冷媒流量を増大させて、暖房能力を高めることにある。
上記課題を解決するため、本発明は、冷媒吸入口と冷媒吐出口を有する密閉容器内に、シリンダ内に回転ピストンを収納してなる冷媒圧縮部と上記回転ピストンを駆動する電動機とを備える圧縮機本体と、上記冷媒吸入口に吸入される冷媒を気液分離するアキュムレータとを含み、上記アキュムレータと上記冷媒吸入口とが冷媒吸入管を介して接続されているロータリ圧縮機において、上記冷媒吸入管の吸入口は、上記アキュムレータの内部に開口するように配置され、上記ロータリー圧縮機に冷媒を注入するインジェクション管が、上記アキュムレータの上部から挿入され、上記インジェクション管の吐出口が、上記アキュムレータの冷媒ガス空間内で上記冷媒吸入管の吸込口と対向するように引き込まれていることを特徴としている。
本発明において、上記アキュムレータ内には、フィルタと気液分離板とが上記フィルタを上として配置されており、上記インジェクション管は、上記フィルタと気液分離板とを貫通して上記冷媒ガス空間内にまで延びており、異物が気液分離室内に紛れ込まないようにするため、それらの貫通部分がシール手段により封止されていることが好ましい。
上記シール手段は、好ましくは、上記気液分離板の貫通孔の周りに上記フィルタ側に向けて環状に形成された第１シール部材と、上記第１シール部材内に上記フィルタの厚みよりも狭い隙間をもって嵌合する上記インジェクション管側に固着された筒状の第２シール部材と、上記第１シール部材と上記第２シール部材との間に挟み込まれる上記フィルタの貫通孔の周縁部分とからなり、上記第２シール部材が上記フィルタの貫通孔の周縁部分を伴って上記第１シール部材内に圧入されるとよい。
本発明の好ましい態様によると、上記インジェクション管は、その吐出口側の管端に縮径された第１絞り部を備え、また、上記冷媒吸入管は、上記吸込口に隣接した部位に縮径された第２絞り部を備える。また、上記インジェクション管は、上記冷媒吸入管の上記第２絞り部内にまで入り込んでいることが好ましい。
本発明によれば、インジェクション管をアキュムレータの上部から引き込んで、冷媒ガス空間内で冷媒吸入管の吸込口と対向させ、好ましくはインジェクション管および／または冷媒吸入管に絞り部を形成することにより、インジェクション管から冷媒流が高速で噴出するに伴って、その周囲の静圧が低下し、アキュムレータ内部のガス冷媒が冷媒吸入管に吸い込まれるエジェクタ効果によって、圧縮機内に供給される冷媒流量が増大し、その分、暖房能力が高められる。
本発明の実施形態に係るロータリ圧縮機を一部断面として示す正面図。 （ａ）上記ロータリ圧縮機を含む冷凍サイクルの一例を示す模式図、（ｂ）冷凍サイクルの別の例におけるインジェクション管の配管部分を示す模式図。 上記ロータリ圧縮機が備えるアキュムレータの内部構造を示す模式図。 （ａ）本発明の要部であるエゼクタ効果を発揮する第１の構成例を示す模式的な断面図、（ｂ）その第２の構成例を示す模式的な断面図。 アキュムレータ内でのインジェクション管のシール部を示す模式的な断面図。
次に、図１ないし図６により、本発明の実施形態について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
図１を参照して、この実施形態に係るロータリ圧縮機１０は、基本的な構成として、圧縮機本体１１と、圧縮機本体１１に付設されるアキュムレータ１２とを備え、図２に示す冷媒回路ＲＣ内に組み込まれる。
圧縮機本体１１は、円筒状の容器本体１１１に上蓋１１２ａと下蓋１１２ｂとを被せてなる密閉容器１１０を備え、その内部には、冷媒圧縮部１１５と電動機１１３とが収納されている。
この実施形態において、冷媒圧縮部１１５には、第１冷媒圧縮部１１５ａと第２冷媒圧縮部１１５ｂの上下２段に配置された２つの冷媒圧縮部が含まれ、その各々は、円筒状のシリンダ１１６と、シリンダ１１６内に収納されたロータとしての回転ピストン１１７とから構成されている。
第１冷媒圧縮部１１５ａ側の回転ピストン１１７と、第２冷媒圧縮部１１５ｂ側の回転ピストン１１７は、電動機１１３の回転駆動軸１１３ａに偏心させて固着され、１８０゜の位相をもって回転駆動される。
容器本体１１１の下部に設けられた冷媒吸入口１１９ａ，１１９ｂから冷媒が第１冷媒圧縮部１１５ａと第２冷媒圧縮部１１５ｂとに吸入され、第１冷媒圧縮部１１５ａにより生成された圧縮冷媒は上部マフラ１１８ａを介して密閉容器１１０内に排出され、また、第２冷媒圧縮部１１５ｂにより生成された圧縮冷媒は下部マフラ１１８ｂを介して密閉容器１１０内に排出され、各圧縮冷媒は、上蓋１１２ａに設けられている冷媒吐出管１１４より冷媒回路ＲＣに供給される。
なお、第１冷媒圧縮部１１５ａと第２冷媒圧縮部１１５ｂを区別する必要がない場合には、総称として冷媒圧縮部１１５と言う。同様に、冷媒吸入口１１９ａ，１１９ｂも区別する必要がない場合には、総称として冷媒吸入口１１９と言う。
アキュムレータ１２は、上記密閉容器１１０と同じく、円筒状の容器本体１２１に上蓋１２２ａと下蓋１２２ｂとを被せてなる密閉容器１２０を備えている。この密閉容器１２０は、軸線をほぼ垂直、すなわち縦置きとして、圧縮機本体１１の脇に例えばバンド等の締め付け固定手段を介して付設される。
アキュムレータ１２内には、上蓋１２２ａから後述する冷媒回路ＲＣの冷媒戻り配管１Ｃと、インジェクション管５０（５０ａ，５０ｂ）とが引き込まれている。また、下蓋１１２ｂからは、冷媒圧縮部１１５（１１５ａ，１１５ｂ）の各シリンダ１１６に接続される冷媒吸入管１２４（１２４ａ，１２４ｂ）が引き出されている。
なお、この実施形態では、冷媒圧縮部１１５として、２つの冷媒圧縮部１１５ａ，１１５ｂが設けられ、その各々が個別的に作動するため、各冷媒圧縮部１１５ａ，１１５ｂに対応して２本の冷媒吸入管１２４ａ，１２４ｂが用いられているが、２段圧縮の場合や冷媒圧縮部１１５が一つである場合には、引き出される冷媒吸入管１２４も１本である。なお、２本の冷媒吸入管１２４ａ，１２４ｂを区別する必要がない場合には、総称として冷媒吸入管１２４と言う。
ここで、図２（ａ）により冷媒回路ＲＣについて説明する。この冷媒回路ＲＣには、室外機１と室内機２とが含まれるヒートポンプ式の空気調和機用のもので、室外機１と室内機２は、液側冷媒配管１Ａとガス側冷媒配管１Ｂとにより接続されている。
なお、図２（ａ）において、室内機２は１台であるが、その複数台が液側冷媒配管１Ａとガス側冷媒配管１Ｂとの間に並列的に接続されてもよい。
室外機１には、上記した構成のロータリ圧縮機１０と、四方弁２０と、室外熱交換器３０と、室外送風ファン３０ａと、室外膨張弁３１と、インジェクション管５０とが含まれている。室内機２には、室内熱交換器４０と、室内送風ファン４０ａと、室内膨張弁４１とが含まれている。
暖房運転時には、基本的な動作として、四方弁２０が図２（ａ）の実線図示のように切り替えられ、室外膨張弁３１および室内膨張弁４１は、図示しない制御部により所定の開度に調節される。
圧縮機本体１１にて生成され冷媒吐出管１１４から吐出された高温・高圧のガス冷媒は、四方弁２０およびガス側冷媒配管１Ｂを介して室内熱交換器４０に送られ、室内空気と熱交換を行って冷却され、室内膨張弁４１にて減圧された後、液側冷媒配管１Ａを介して室外機１側に戻され、室外膨張弁３１にて減圧され低圧の気液二相の冷媒となり、室外熱交換器３０で室外空気と熱交換を行って加熱され、蒸発して低圧冷媒となり、四方片２０を経由して冷媒戻り配管１Ｃよりアキュムレータ１２に入り気液分離され、気液分離後のガス冷媒が冷媒吸入管１２４を介して冷媒圧縮部１１５に供給される。このように、暖房運転時には、室内熱交換器４０が凝縮器として作用し、室外熱交換器３０が蒸発器として作用する。
冷房運転時には、基本的な動作として、四方弁２０が図２（ａ）の鎖線図示のように切り替えられ、図示しない制御部により、室外膨張弁３１は全開状態、室内膨張弁４１は所定の開度に調節される。
圧縮機本体１１にて生成され冷媒吐出管１１４から吐出された高温・高圧のガス冷媒は、四方弁２０を経由して室外熱交換器３０に送られ、室外空気と熱交換を行って冷却され液化した高圧の冷媒となり、液側冷媒配管１Ａを介して室内機２に至り、室内膨張弁４１にて減圧されて気液二相状態の冷媒となり、室内熱交換器４０にて室内空気と熱交換して蒸発して低圧のガス冷媒となり、ガス側冷媒配管１Ｂを介して室外機１側に戻され、四方片２０を経由して冷媒戻り配管１Ｃよりアキュムレータ１２に入り気液分離され、気液分離後のガス冷媒が冷媒吸入管１２４を介して冷媒圧縮部１１５に供給される。このように、冷房運転時には、室内熱交換器４０が蒸発器として作用し、室外熱交換器３０が凝縮器として作用する。
図２（ａ）の冷媒回路ＲＣにおいて、インジェクション管５０は、室外膨張弁３１の暖房運転時には上流側、冷房運転時には下流側となる箇所で液側冷媒配管１Ａから分岐され、液側冷媒配管１Ａと熱交換を行うインジェクション用の二重管熱交換器３２を通ってアキュムレータ１２に至る。インジェクション管５０には、インジェクション用の開度調節可能な電磁弁５１と、インジェクション冷媒用の開閉弁５２とが設けられている。
なお、図２（ｂ）に示すように、インジェクション管５０は、圧縮機本体１１と四方弁２０との間の冷媒吐出管１１４に設けられる気液分離器２１から引き出されたものであってもよい。
図３を参照して、アキュムレータ１２内には、冷媒内に含まれている異物を除去する例えば金網等からなるフィルタ１２６と、気液分離板１２７とが設けられている。フィルタ１２６が上で、気液分離板１２７はその下側に配置されている。
冷媒戻り管１Ｃから供給される冷媒は、気液分離板１２７にて気液分離され、液冷媒はアキュムレータ１２内の下部側に冷凍機油を含んだ状態で溜められ、ガス冷媒はその上部側に溜められる。便宜的に液冷媒が溜められる部分を液冷媒貯留部１２０ｂとし、ガス冷媒が貯留される部分を冷媒ガス空間１２０ａとする。
冷媒吸入管１２４ａ，１２４ｂは、アキュムレータ１２内において、下蓋１２２ｂを貫通してほぼ垂直に立ち上がり冷媒ガス空間１２０ａにまで延び、冷媒ガス空間１２０ａ内において冷媒吸入管１２４ａ，１２４ｂのそれぞれの吸入口１２９ａ，１２９ｂが開口している。液冷媒貯留部１２０ｂ内に浸かる冷媒吸入管１２４ａ，１２４ｂの部分には、小径の冷凍機油戻し孔１２５が穿設されている。なお、吸入口１２９ａ，１２９ｂを区別する必要がない場合には、総称として吸入口１２９と言う。
本発明によると、アキュムレータ１２内には、インジェクション管５０ａ，５０ｂが上蓋１２２ａからフィルタ１２６および気液分離板１２７を貫通して、冷媒ガス空間１２０ａ内でインジェクション管５０ａ，５０ｂの吐出口５１ａ，５１ｂが冷媒吸入管１２４の吸込口１２９ａ，１２９ｂと対向するように引き込まれている。
この実施形態では、２本の冷媒吸入管１２４ａ，１２４ｂを備えていることから、これに対応して、インジェクション管５０は、図示しない所定箇所で二股に分岐され、その各インジェクション管５０ａ，５０ｂがアキュムレータ１２内に引き込まれている。なお、インジェクション管５０ａ，５０ｂを区別する必要がない場合には、総称としてインジェクション管５０と言う。同様に、吐出口５１ａ，５１ｂについても区別する必要がない場合には、総称として吐出口５１と言う。
暖房運転時には、室内熱交換器４０にて室内空気と熱交換された冷媒が、室内膨張弁４１で所定の圧力に減圧され、液側冷媒配管１Ａを介して室外機１側に戻されるが、上記開閉弁５２をオン（開）とすることにより、液側冷媒配管１Ａ内の冷媒の一部が、インジェクション用の電磁弁５１にて減圧され、インジェクション用の二重管熱交換器３２を通って液側冷媒配管１Ａと熱交換され、インジェクション管５０の吐出口５１よりアキュムレータ１２内に高速で噴射される。
このように、インジェクション管５０の吐出口５１から冷媒吸入管１２４の吸込口１２９に向けて、インジェクション冷媒が高速で噴射されるため、冷媒吸入管１２４の吸込口周囲の静圧が低下し、アキュムレータ１２内のガス冷媒が冷媒吸入管１２４内に引き込まれる。
このエジェクタ効果により、冷媒圧縮部１１５に吸入される冷媒流量が増大するため、特に、低外気温下での暖房運転時における暖房能力を確保することができる。インジェクション冷媒は、ガス冷媒であってもよいが、液冷媒が好ましい。液冷媒をインジェクションすることにより、圧縮室内が冷却され、吐出温度の上昇が抑えられる。
インジェクション管５０の吐出口５１と冷媒吸入管１２４の吸込口１２９との配置については、エジェクタ効果が得られることを条件として、図４（ａ）に示すように、適度な距離を置いて対向させてもよいし、図４（ｂ）に示すように、インジェクション管５０の吐出口５１側の管端を冷媒吸入管１２４内に挿入してもよい。
いずれの場合においても、エジェクタ効果をより発揮させるには、インジェクション管５０の吐出口５１側の管端に、縮径された絞り部（第１絞り部）１４１を形成してノズル状とすることが好ましい。
また、冷媒吸入管１２４の一部分に、縮径された絞り部（第２絞り部）１４２を設けてもよく、これによれば、絞り部１４２で冷媒の流速が増すことから、冷媒吸入管１２４の吸込口周囲の静圧をより一層低下させることができる。
なお、絞り部１４２を通過後は、断面積の拡大により冷媒の流速が減速し、これに伴って圧力が上昇することから、冷媒圧縮部１１５の吸入圧力が高まり、電動機１１３の圧縮動力の低減にもなる。
上記のように、インジェクション管５０は、フィルタ１２６および気液分離板１２７を貫通して冷媒ガス空間１２０ａにまで引き込まれるが、その貫通部分に隙間があると、そこから異物がアキュムレータ１２の貯留部内に混入するおそれがある。
そこで、この実施形態では、図５に示すようなシール手段１３０にて貫通部分に隙間が生じないようにしている。
このシール手段１３０には、気液分離板１２７の貫通孔の周りにフィルタ１２６側に向けて環状に形成された第１シール部材１３１と、インジェクション管５０側に固着された筒状の第２シール部材１３２と、第１シール部材１３１と第２シール部材１３２との間に挟み込まれるフィルタ１２６の貫通孔の周縁部分１３３とが含まれる。
第１シール部材１３１は、気液分離板１２７にロウ付けされる例えば銅材からなる円筒体であってよいが、加工の容易性からすれぱ、バーリングにより気液分離板１２７に一体に形成された環状の切り起こし片であることが好ましい。
第２シール部材１３２は、インジェクション管５０にロウ付けされる例えば銅材からなる円筒体であってよいが、第１シール部材１３１の内径をφ１，第２シール部材１３２の外径をφ２，フィルタ１２６の厚さをＴとして、第１シール部材１３１の内径φ１と第２シール部材１３２の外径φ２は、（φ１−φ２）＜Ｔとなるように規定される。
このシール手段１３０によれば、第１シール部材１３１と第２シール部材１３２との間にフィルタ１２６の貫通孔の周縁部分１３３を挟んで、第２シール部材１３２を第１シール部材１３１内に圧入することにより、インジェクション管５０の貫通部分の隙間を封止することができる。
１ 室外機
１Ａ 液側冷媒配管
１Ｂ ガス側冷媒配管
１Ｃ 冷媒戻り配管
２ 室内機
１０ ロータリ圧縮機
１１ 圧縮機本体
１１１ 密閉容器
１１３ 電動機
１１４ 冷媒吐出管
１１５（１１５ａ，１１５ｂ） 冷媒圧縮部
１１６ シリンダ
１１７ 回転ピストン
１２ アキュムレータ
１２０ 密閉容器
１２０ａ 冷媒ガス空間
１２０ｂ 液冷媒貯留部
１２４（１２４ａ，１２４ｂ） 冷媒吸入管
１２６ フィルタ
１２７ 気液分離板
１３０ シール手段
１３１ 第１シール部材
１３２ 第２シール部材
１３３ フィルタの周縁部
１４１，１４２ 絞り部
２０ 四方弁
３０ 室外熱交換器
３１ 室外膨張弁
３２ 二重管熱交換器
４０ 室内熱交換器
４１ 室内膨張弁
５０ インジェクション管
５１ インジェクション用膨張弁
５２ インジェクション用開閉弁

Claims (6)

  1. 冷媒吸入口と冷媒吐出口を有する密閉容器内に、シリンダ内に回転ピストンを収納してなる冷媒圧縮部と上記回転ピストンを駆動する電動機とを備える圧縮機本体と、上記冷媒吸入口に吸入される冷媒を気液分離するアキュムレータとを含み、上記アキュムレータと上記冷媒吸入口とが冷媒吸入管を介して接続されているロータリ圧縮機において、
    上記冷媒吸入管の吸入口は、上記アキュムレータの内部に開口するように配置され、上記ロータリー圧縮機に冷媒を注入するインジェクション管が、上記アキュムレータの上部から挿入され、上記インジェクション管の吐出口が、上記アキュムレータの冷媒ガス空間内で上記冷媒吸入管の吸込口と対向するように引き込まれていることを特徴とするロータリ圧縮機。
  2. 上記インジェクション管の吐出口は、上記冷媒吸入管の吸込口の内部にまで入り込んでいることを特徴とする請求項１に記載のロータリ圧縮機。
  3. 上記アキュムレータ内には、フィルタと気液分離板とが上記フィルタを上として配置されており、上記インジェクション管は、上記フィルタと気液分離板とを貫通して上記冷媒ガス空間内にまで延びており、それらの貫通部分がシール手段により封止されていることを特徴とする請求項１または２に記載のロータリ圧縮機。
  4. 上記シール手段が、上記気液分離板の貫通孔の周りに上記フィルタ側に向けて環状に形成された第１シール部材と、上記第１シール部材内に上記フィルタの厚みよりも狭い隙間をもって嵌合する上記インジェクション管側に固着された筒状の第２シール部材と、上記第１シール部材と上記第２シール部材との間に挟み込まれる上記フィルタの貫通孔の周縁部分とからなり、上記第２シール部材が上記フィルタの貫通孔の周縁部分を伴って上記第１シール部材内に圧入されることを特徴とする請求項３に記載のロータリ圧縮機。
  5. 上記インジェクション管は、その吐出口側の管端に縮径された第１絞り部を備えていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のロータリ圧縮機。
  6. 上記冷媒吸入管は、上記吸込口に隣接した部位に縮径された第２絞り部を備えていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載のロータリ圧縮機。
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