JP2020067186A - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮室内部に連通するインジェクション孔を備え、ピストンの旋回運動によりインジェクション孔が開閉する機構を有するロータリ圧縮機を搭載する冷凍サイクル装置において、圧力比が小さい部分負荷条件で圧縮室からインジェクション孔に逆流が生じないようにインジェクション孔を設置することで生じる、定格条件での圧縮室に供給される中間圧冷媒量の不足を抑制すること。【解決手段】インジェクション孔１２７を所定の領域に設置し、かつ、インジェクション流路１２８に逆止弁１１８を設置することで、定格負荷条件でも部分負荷条件でも、十分な量の中間圧冷媒が圧縮室１２９に供給される。【選択図】図３

Description

本発明は、圧縮室内部に連通するインジェクション孔を備え、ピストンの旋回運動によりインジェクション孔が開閉する機構を有するロータリ圧縮機を搭載する冷凍サイクル装置に関するものである。

従来から、シリンダの内部に連通するインジェクション孔を備え、ピストンの旋回運動によりインジェクション孔が開閉する機構を有するロータリ圧縮機が提案され、空調用途に用いられている（特許文献１参照）。

図９に特許文献１に記載のロータリ圧縮機の圧縮機構部の横断面図を示す。ロータリ圧縮機においてシリンダ１１の内部に連通するインジェクション孔１２を備え、ピストン１３の旋回運動によりピストン１３の端面によってインジェクション孔１２が開閉するように構成されている。

また、図１０に特許文献１に記載の構成におけるインジェクション孔が開いているときの横断面図を示す。

図１０において、インジェクション孔１２がシリンダ１１の内部空間と連通する間に、インジェクション孔１２から中間圧のインジェクション冷媒を圧縮室１４に供給することが可能となる。

また、図１１に特許文献１に記載の構成におけるインジェクション孔が閉じ切るときの横断面図を示す。ここで、インジェクション孔１２の位置は、圧縮室１４の圧力がインジェクション圧力と等しくなるピストン位置でインジェクション孔１２がピストン１３の端面によって閉となる位置に構成される。

これにより、圧縮室１４の圧力がインジェクション圧力よりも高くなるときにインジェクション孔１２が開となっていることで生じる圧縮室１４からインジェクション通路１５への冷媒の逆流を防止している。

一般的に、空調用途に用いる冷凍サイクル装置において、圧縮機が吸入する冷媒の圧力と吐出する冷媒の圧力との圧力比が最も小さくなるのはいわゆる冷房部分負荷条件であり、ピストン１３の回転角が最も小さい状態で圧縮室１４の圧力がインジェクション圧力に到達し、ここで、インジェクション圧力は圧縮機が吸入する冷媒の圧力Ｐｓｕｃｔと吐出する圧力Ｐｄｉｓｃｈの中間の圧力（Ｐｓｕｃｔ＋Ｐｄｉｓｃｈ）／２であると仮定して、シリンダ１１とピストン１３とで囲まれてできるシリンダ１１の内部容積Ｖｓｕｃｔに対する圧縮室１４の圧力がインジェクション圧力に到達するときの圧縮室１４の容積Ｖｃｏｍｐを算出すると、Ｖｃｏｍｐ／Ｖｓｕｃｔ＝０．８９程度となる。

したがって、特許文献１に記載の構成においては、冷房部分負荷条件においても圧縮室１４の冷媒がインジェクション孔１２を通じてインジェクション流路１５に逆流するのを防止するために、Ｖｃｏｍｐ／Ｖｓｕｃｔ＞０．８９の状態でピストン１３の端面によってインジェクション孔１２が完全に閉となる位置にインジェクション孔１２を設置している。

特開２０１７−０６７０２６号公報

一般的に、空調用途に用いる冷凍サイクル装置において、冷房定格負荷条件や暖房負荷条件では圧力比が大きくなることから圧縮機から吐出する冷媒の温度が冷房部分負荷条件のときと比較して高くなるため、吐出冷媒の温度が過昇となることでモーター効率が低下したり圧縮機を構成する絶縁紙や冷凍機油等の有機材料の劣化が進行したりするのを防止するために、比較的低い温度で圧縮機１４に流入するインジェクション冷媒によって吐出する冷媒の温度を低減する必要がある。すなわち、圧縮機が吸入する吸入冷媒量に対するインジェクション冷媒量の比率を冷房部分負荷条件のときの比率よりも高くする必要がある。

従来技術に記載の構成においては、圧縮室１４の冷媒がインジェクション孔１２を通じてインジェクション流路１５に逆流するのを防止するために、Ｖｃｏｍｐ／Ｖｓｕｃｔ＞０．８９の状態でピストン１３の端面によってインジェクション孔１２が完全に閉となる位置にインジェクション孔１２を設置している。

これにより、冷房定格負荷条件や暖房負荷条件で圧縮機が吸入する冷媒の圧力と吐出する冷媒の圧力との圧力比が冷房部分負荷条件と比較して大きくなる運転状態では、ピストン１３の回転角が小さく、圧縮室１４の圧力がインジェクション圧力に到達していない状態、すなわち逆流が発生しない状態でインジェクション孔１２が閉となる。

したがって、冷房定格負荷条件や暖房負荷条件で圧力比が大きくなる運転状態においても、吸入冷媒量に対するインジェクション孔１２から圧縮室１４に供給されるインジェクション冷媒量の比率は、冷房部分負荷条件における比率とほぼ同等となるため、冷房定格負荷条件や暖房負荷条件で圧縮機から吐出する冷媒の温度を十分に低減できず、吐出冷媒の温度が過昇となることでモーター効率が低下したり圧縮機を構成する絶縁紙や冷凍機油等の有機材料の劣化が進行したりする。

本発明は、上記課題を解決するものであり、冷房定格負荷条件や暖房負荷条件でピストン１３の回転角が小さい状態でインジェクション孔１２が閉となるのを防止し、吸入冷媒量に対するインジェクション冷媒量の比率を冷房部分負荷条件のときの比率よりも高くすることを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の冷凍サイクル装置は、圧縮機と凝縮器と冷媒流量調整弁と蒸発器とが冷媒配管で順に接続されて冷凍回路を構成した冷凍サイクル装置であって、冷凍回路は、凝縮器と蒸発器とを接続する冷媒配管に配置された第一分岐部と、第一分岐部と圧縮機とを接続するインジェクション配管とを備え、圧縮機は、冷媒を吸入および圧縮する内部空間を有するシリンダと、シリンダの内部空間を閉じる上側端面と下側端面と、シリンダの内部と接触しながら偏芯回転するピストンと、ピストンの偏芯回転を支えるシャフトと、シャフトを支える上軸受および下軸受と、先端がピストンと接触しておりシリンダの内部空間を吸入室と圧縮室とに分けるベーンと、吸入室に接続された吸入ポートと、圧縮室に接続された吐出ポートと、少なくとも上側端面または下側端面のいずれかにピストンの偏芯回転に伴うピストンの端面のスライドによって開閉するインジェクション孔と、インジェクション孔とインジェクション配管とを接続するインジェクション流路とを備え、インジェクション孔は、シャフトの中心軸とベーンの先端とを含む仮想平面でシリンダの内部空間を２つに分けたときにできる吐出ポートを備える側の領域に収ま
る位置に設置されており、かつ、インジェクション孔は、ピストンとシリンダの内部との接点とピストンとベーンとの接点が重なるときを上死点とするとき、上死点のときにピストンによって完全に閉となる位置に設置されており、かつ、インジェクション孔は、上死点のときの吸入室の容積をＶｓｕｃｔとし、ピストンの偏芯回転によって変化する圧縮室の容積をＶｃｏｍｐとするとき、Ｖｃｏｍｐ／Ｖｓｕｃｔ＝０．８となる位置にピストンがあるときに少なくとも孔の一部が開となる位置に設置されており、冷凍回路は、インジェクション孔と第一分岐部との間に圧縮室から第一分岐部へ冷媒が流れるのを阻止する逆止弁を備える冷凍サイクル装置である。

一般的に、空調機器においてロータリ圧縮機を用いて冷媒を圧縮する場合、圧縮比が最も小さくなるのは冷房部分負荷条件である。例えば冷媒としてＲ３２を用いて、外気温２９℃、室温２７℃で冷房部分負荷運転を行うとき、冷媒と空気との温度差は５ｄｅｇ程度と仮定すると、蒸発温度２２℃、凝縮温度３４℃であり、圧力換算すると、低圧１．５６ＭＰａ、高圧２．１４ＭＰａとなる。圧縮機吸入冷媒の過熱度を３ｄｅｇとすると、吸入冷媒のκ値は１．５８となる。したがって、圧縮過程に注入する中間圧冷媒の圧力を１．８５ＭＰａとすると、圧縮室の圧力が中間圧１．８５ＭＰａと等しくなるときの圧縮室容積Ｖ１は吸込容積Ｖｓｕｃｔに対して０．８９のときである。冷媒の種類や熱交換器の性能の違いによって、Ｖｓｕｃｔに対する中間圧と等しくなる圧縮室容積Ｖ１の比率は異なるが、概ね０．８〜０．９２の範囲となる。

本構成においては、圧縮室の容積Ｖｃｏｍｐが、Ｖｃｏｍｐ／Ｖｓｕｃｔ＝０．８となる位置にピストンがあるときに少なくとも孔の一部が開となる位置にインジェクション孔を備えているため、圧縮室の容積Ｖｃｏｍｐがピストンが上死点の位置にあるときの吸入室の容積Ｖｓｕｃｔに対して０．８９より大きいときは圧縮室圧力＜中間圧となり、中間圧冷媒が圧縮室に注入される。また、本構成においては、インジェクション流路に逆止弁を備えているため、圧縮室の容積がピストンが上死点の位置にあるときの吸入室の容積Ｖｓｕｃｔに対して０．８９より小さくなってからインジェクション孔が完全に閉じるまでの圧縮室圧力＞中間圧となる区間では、逆止弁によって圧縮室の冷媒がインジェクション流路へ逆流するのを防止できる。

同様に、冷房定格負荷運転を行うときは、圧縮室の圧力が中間圧と等しくなるときの圧縮室容積Ｖ２は吸込容積Ｖｓｕｃｔに対して０．５以下となるのが一般的である。

本構成においては、圧縮室容積Ｖｃｏｍｐが、Ｖｃｏｍｐ／Ｖｓｕｃｔ＝０．８となる位置にピストンがあるときに少なくとも孔の一部が開となる位置にインジェクション孔を備えているため、冷房部分負荷条件に適合させるために吸込容積Ｖｓｕｃｔに対して圧縮室の容積ＶｃｏｍｐがＶｃｏｍｐ／Ｖｓｕｃｔ＝０．８９となる位置にピストンがあるときにインジェクション孔が完全に閉じるように設計されたものと比較して、長い時間インジェクション孔が開いているため、より長い時間にわたって中間圧冷媒が圧縮室に注入される。

本発明の冷凍サイクル装置では、冷房部分負荷条件では、圧縮室圧力＜中間圧のときにインジェクション冷媒を圧縮室に注入し、圧縮室圧力＞中間圧のときは逆止弁によって圧縮室の冷媒がインジェクション流路へ逆流するのを防止できるので、十分なインジェクション量が得られる。また、冷房定格負荷条件では、従来のインジェクション孔位置よりも長時間インジェクション孔が開いているため、吸入冷媒量に対するインジェクション冷媒量の比率を高くすることが可能となる。

したがって、冷房部分負荷条件で圧縮室に供給されるインジェクション冷媒量が減少す
ることなく、冷房定格負荷条件での吸入冷媒量に対するインジェクション冷媒量の比率を冷房部分負荷条件での比率と比較して高くすることができるので、比較的低い温度で圧縮室に流入するインジェクション冷媒によって圧縮機から吐出する冷媒の温度を低減し、吐出冷媒の温度過昇を抑制するので、モーター効率が低下したり圧縮機を構成する絶縁紙や冷凍機油等の有機材料の劣化が進行したりするのを抑制することができる。

本発明の実施の形態１における冷凍サイクル構成図 本発明の実施の形態１の構成におけるロータリ圧縮機１１１の圧縮機構部の縦断面図 本発明の実施の形態１の図２のＡ−Ａ’面におけるロータリ圧縮機１１１の圧縮機構部の横断面図 本発明の実施の形態１の構成におけるピストン１２３が上死点にあるときの横断面図 本発明の実施の形態１の構成における圧縮室１２９が圧縮過程にあるときの横断面図 本発明の実施の形態１の構成におけるインジェクション孔１２７の設置領域を示す横断面図 本発明の実施の形態２の構成における圧縮室１２９が圧縮過程にあるときの横断面図 本発明の実施の形態２の構成におけるインジェクション孔１２７の設置領域を示す横断面図 特許文献１に記載の構成におけるロータリ圧縮機の圧縮機構部の横断面図 特許文献１に記載の構成におけるインジェクション孔が開いているときの横断面図 特許文献１に記載の構成におけるインジェクション孔が閉じ切るときの横断面図

第１の発明は、圧縮機と凝縮器と冷媒流量調整弁と蒸発器とが冷媒配管で順に接続されて冷凍回路を構成した冷凍サイクル装置であって、前記冷凍回路は、前記凝縮器と前記蒸発器とを接続する前記冷媒配管に配置された第一分岐部と、前記第一分岐部と前記圧縮機とを接続するインジェクション配管とを備え、前記圧縮機は、冷媒を吸入および圧縮する内部空間を有するシリンダと、前記シリンダの内部空間を閉じる上側端面と下側端面と、前記シリンダの内部と接触しながら偏芯回転するピストンと、前記ピストンの偏芯回転を支えるシャフトと、前記シャフトを支える上軸受および下軸受と、先端が前記ピストンと接触しており前記シリンダの内部空間を吸入室と圧縮室とに分けるベーンと、前記吸入室に接続された吸入ポートと、前記圧縮室に接続された吐出ポートと、少なくとも前記上側端面または前記下側端面のいずれかに前記ピストンの偏芯回転に伴う前記ピストンの端面のスライドによって開閉するインジェクション孔と、前記インジェクション孔と前記インジェクション配管とを接続するインジェクション流路とを備え、前記インジェクション孔は、前記シャフトの中心軸と前記ベーンの先端とを含む仮想平面で前記シリンダの内部空間を２つに分けたときにできる前記吐出ポートを備える側の領域に収まる位置に設置されており、かつ、前記インジェクション孔は、前記ピストンと前記シリンダの内部との接点と前記ピストンと前記ベーンとの接点が重なるときを上死点とするとき、上死点のときに前記ピストンによって完全に閉となる位置に設置されており、かつ、前記インジェクション孔は、上死点のときの前記吸入室の容積をＶｓｕｃｔとし、前記ピストンの偏芯回転によって変化する前記圧縮室の容積をＶｃｏｍｐとするとき、Ｖｃｏｍｐ／Ｖｓｕｃｔ＝０．８となる位置に前記ピストンがあるときに少なくとも孔の一部が開となる位置に設置されており、前記冷凍回路は、前記インジェクション孔と前記第一分岐部との間に前記圧縮
室から前記第一分岐部へ冷媒が流れるのを阻止する逆止弁を備える冷凍サイクル装置である。

一般的に、空調機器においてロータリ圧縮機を用いて冷媒を圧縮する場合、圧縮比が最も小さくなるのは冷房部分負荷条件である。例えば冷媒としてＲ３２を用いて、外気温２９℃、室温２７℃で冷房部分負荷運転を行うとき、冷媒と空気との温度差は５ｄｅｇ程度と仮定すると、蒸発温度２２℃、凝縮温度３４℃であり、圧力換算すると、低圧１．５６ＭＰａ、高圧２．１４ＭＰａとなる。圧縮機吸入冷媒の過熱度を３ｄｅｇとすると、吸入冷媒のκ値は１．５８となる。したがって、圧縮過程に注入する中間圧冷媒の圧力を１．８５ＭＰａとすると、圧縮室の圧力が中間圧１．８５ＭＰａと等しくなるときの圧縮室容積Ｖ１は吸込容積Ｖｓｕｃｔに対して０．８９のときである。冷媒の種類や熱交換器の性能の違いによって、冷房部分負荷条件におけるＶｓｕｃｔに対する中間圧と等しくなる圧縮室容積Ｖ１の比率は異なるが、概ね０．８〜０．９２の範囲となる。

本構成においては、圧縮室の容積Ｖｃｏｍｐが、Ｖｃｏｍｐ／Ｖｓｕｃｔ＝０．８となる位置にピストンがあるときに少なくとも孔の一部が開となる位置にインジェクション孔を備えているため、圧縮室の容積Ｖｃｏｍｐがピストンが上死点の位置にあるときの吸入室の容積Ｖｓｕｃｔに対して０．８９より大きいときは圧縮室圧力＜中間圧となり、中間圧冷媒が圧縮室に注入される。また、本構成においては、インジェクション流路に逆止弁を備えているため、圧縮室の容積がピストンが上死点の位置にあるときの吸入室の容積Ｖｓｕｃｔに対して０．８９より小さくなってからインジェクション孔が完全に閉じるまでの圧縮室圧力＞中間圧となる区間では、逆止弁によって圧縮室の冷媒がインジェクション流路へ逆流するのを防止できる。

同様に、冷房定格負荷運転を行うときは、圧縮室の圧力が中間圧と等しくなるときの圧縮室容積Ｖ２は吸込容積Ｖｓｕｃｔに対して０．５以下となるのが一般的である。

本構成においては、圧縮室の容積Ｖｃｏｍｐが、Ｖｃｏｍｐ／Ｖｓｕｃｔ＝０．８となる位置にピストンがあるときに少なくとも孔の一部が開となる位置にインジェクション孔を備えているため、圧縮室の容積Ｖｃｏｍｐがピストンが上死点の位置にあるときの吸入室の容積Ｖｓｕｃｔに対して０．８９より大きいときは圧縮室圧力＜中間圧となり、中間圧冷媒が圧縮室に注入される。また、本構成においては、インジェクション流路に逆止弁を備えているため、圧縮室の容積がピストンが上死点の位置にあるときの吸入室の容積Ｖｓｕｃｔに対して０．８９より小さくなってからインジェクション孔が完全に閉じるまでの圧縮室圧力＞中間圧となる区間では、逆止弁によって圧縮室の冷媒がインジェクション流路へ逆流するのを防止できる。

同様に、冷房定格負荷運転を行うときは、圧縮室の圧力が中間圧と等しくなるときの圧縮室容積Ｖ２は吸込容積Ｖｓｕｃｔに対して０．５以下となるのが一般的である。

本構成においては、圧縮室容積Ｖｃｏｍｐが、Ｖｃｏｍｐ／Ｖｓｕｃｔ＝０．８となる位置にピストンがあるときに少なくとも孔の一部が開となる位置にインジェクション孔を備えているため、冷房部分負荷条件に適合させるために吸込容積Ｖｓｕｃｔに対して圧縮室の容積ＶｃｏｍｐがＶｃｏｍｐ／Ｖｓｕｃｔ＝０．８９となる位置にピストンがあるときにインジェクション孔が完全に閉じるように設計されたものと比較して、長い時間インジェクション孔が開いているため、より長い時間にわたって中間圧冷媒が圧縮室に注入される。

よって、本発明の冷凍サイクル装置では、冷房部分負荷条件では、圧縮室圧力＜中間圧のときにインジェクション冷媒を圧縮室に注入し、圧縮室圧力＞中間圧のときは逆止弁に
よって圧縮室の冷媒がインジェクション流路へ逆流するのを防止できるので、十分なインジェクション量が得られる。また、冷房定格負荷条件では、従来のインジェクション孔位置よりも長時間インジェクション孔が開いているため、吸入冷媒量に対するインジェクション冷媒量の比率を高くすることが可能となる。

したがって、冷房部分負荷条件で圧縮室に供給されるインジェクション冷媒量が減少することなく、冷房定格負荷条件での吸入冷媒量に対するインジェクション冷媒量の比率を冷房部分負荷条件での比率と比較して高くすることができるので、比較的低い温度で圧縮室に流入するインジェクション冷媒によって圧縮機から吐出する冷媒の温度を低減し、吐出冷媒の温度過昇を抑制するので、モーター効率が低下したり圧縮機を構成する絶縁紙や冷凍機油等の有機材料の劣化が進行したりするのを抑制することができる。

第２の発明は、第１の発明の冷凍サイクル装置において、インジェクション孔はＶｃｏｍｐ／Ｖｓｕｃｔ＝０．２１となる位置にピストンがあるときに、ピストンよって完全に閉となる位置に設置されている、冷凍サイクル装置である。

一般的に、空調機器においてロータリ圧縮機を用いて冷媒を圧縮する場合、圧縮比が最も大きくなるのは暖房極低温条件である。例えば冷媒としてＲ３２を用いて、外気温−２５℃、室温２７℃で暖房極低温運転を行うとき、冷媒と空気との温度差は５ｄｅｇ程度と仮定すると、蒸発温度−３０℃、凝縮温度 ３２℃であり、圧力換算すると、低圧０．２７ＭＰａ、高圧２．０３ＭＰａとなる。圧縮機吸入冷媒の過熱度を５ｄｅｇとすると、吸入冷媒のκ値は１．３５となる。したがって、圧縮過程に供給する中間圧冷媒の圧力を１．１５ＭＰａとすると、圧縮室の圧力が中間圧１．１５ＭＰａと等しくなるときの圧縮室容積Ｖ２は吸込容積Ｖｓｕｃｔに対して０．３４のときである。

冷媒の種類や熱交換器の性能の違いによって、暖房極低温条件においてＶｓｕｃｔに対する中間圧と等しくなる圧縮室容積Ｖ２の比率は異なるが、概ね０．２１〜０．３６の範囲となる。

すなわち空調機器においてＶｓｕｃｔに対する圧縮室の容積の比率が０．２１より小さくなるときは、いずれの運転条件においても圧縮室圧力＞中間圧となり、圧縮室の冷媒がインジェクション流路へ逆流する状態となるため、逆止弁が閉となる動作が発生する。一般的に、逆止弁が閉になると、再び圧縮室圧力＜中間圧でインジェクション孔が開となり、インジェクション冷媒がインジェクション流路から圧縮室に流入する際に、逆止弁が開となる動作に僅かに時間を要するために圧縮室に供給されるインジェクション冷媒の量が微減する。ただし、逆止弁が閉から開になる動作に要する時間ロスによるインジェクション量の低下量は、圧縮室からインジェクション流路への逆流によるインジェクション量の低下量と比較して少ない。

本構成においては、圧縮室の容積Ｖｃｏｍｐが、Ｖｃｏｍｐ／Ｖｓｕｃｔ＝０．２１となる位置にピストンがあるときに、インジェクション孔が完全に閉となる位置にインジェクション孔を備えているため、圧縮室の容積ＶｃｏｍｐがＶｓｕｃｔに対して０．２１より小さくなり、暖房極低温条件において圧縮室圧力＞中間圧となるとき、インジェクション孔が閉じているため、圧縮室の冷媒がインジェクション流路へ逆流するのを防止するために設置された逆止弁においてインジェクション流路を閉にする動作を防止できる。

よって、本発明の冷凍サイクル装置では、暖房極低温条件において、圧縮室圧力＞中間圧となるときに、インジェクション孔の一部または全部が開となっていることを防ぎ、圧縮室の冷媒がインジェクション流路へ逆流するのを防止するために逆止弁が動作するのを防止できるので、十分なインジェクション量が得られる。したがって、暖房極低温条件で
も、比較的低い温度で圧縮室に流入するインジェクション冷媒によって圧縮機から吐出する冷媒の温度を低減し、吐出冷媒の温度が過昇するのを抑制するので、モーター効率が低下したり圧縮機を構成する絶縁紙や冷凍機油等の有機材料の劣化が進行したりするのを抑制することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施形態によって、本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１に本発明の実施の形態１における冷凍サイクル構成図を示す。図１の冷凍サイクル構成図は、室外空調ユニット１台に対し、室内空調ユニットが１台接続した構成となっている。なお、冷凍サイクル構成に関しては、図１に示したものに限定されない。例えば、室外空調ユニットは２台以上、室内空調ユニットも２台以上、並列に接続可能である。

室外空調ユニット１０１において、ロータリ圧縮機１１１は冷媒を圧縮する圧縮機である。四方弁１１２は冷房運転時と暖房運転時の冷媒流れ方向を切り替える弁である。暖房運転時は四方弁１１２の実線に沿って冷媒が流れ、冷房運転時は四方弁１１２の破線に沿って冷媒が流れる。第１圧力調整弁１１４は冷凍サイクルの圧力を調整する圧力調整弁である。室外熱交換器１１５は周囲の空気と空調用冷媒とが熱交換する熱交換器であり、一般的には、フィン＆チューブ型やマイクロチューブ型の熱交換器が利用される。インジェクション配管１１６は冷凍サイクルから冷媒の一部をロータリ圧縮機１１１に供給する冷媒配管である。

室内空調ユニット１０２において、室内熱交換器１１３は周囲の空気と冷凍サイクルを流れる冷媒とが熱交換する熱交換器であり、一般的には、フィン＆チューブ型やマイクロチューブ型の熱交換器が利用される。第２圧力調整弁１１７は冷凍サイクルの圧力を調整する圧力調整弁である。逆止弁１１８はインジェクション配管１１６の冷媒の流れを調整する弁である。

図２に本発明の実施の形態１の構成におけるロータリ圧縮機１１１の圧縮機構部の縦断面図を示す。

図２において、シリンダ１２１は冷媒を吸入し圧縮する内部空間を有している。上軸受１３１はシリンダ１２１の上部に設置されておりシリンダ１２１の上側端面であり、上軸受１３１はシャフト１２２を支えるベアリングとして機能している。下軸受１３２はシリンダ１２１の下部に設置されておりシリンダ１２１の下側端面であり、下軸受１３２はシャフト１２２を支えるベアリングとして機能している。また、シリンダ１２１の内部と接触しながら偏芯回転するピストン１２３と、ピストン１２３の偏芯回転を支えるシャフト１２２とを備えている。圧縮室１２９はシリンダ１２１の内部においてピストン１２３が偏芯回転することで冷媒を圧縮する空間である。

吐出ポート１２６は冷媒をシリンダ１２１の外部に吐き出す孔であり、吐出バルブ１３３は吐出ポート１２６から吐出する冷媒流路に設置されており、圧縮室１２９の冷媒の圧力がシェル１３０の内部の圧力より高い圧力となったときに開く。また、ピストン端面１２３ｂはピストン１２３のピストン端面である。

また、インジェクション孔１２７はシリンダ１２１の内部と連通する孔であり、インジェクション流路１２８はインジェクション配管１１６からインジェクション孔１２７に連通する冷媒流路である。シェル１３０はロータリ圧縮機１１１の圧縮機構部を収納している。

また、逆止弁１１８は、インジェクション配管１１６を流れる冷媒の流路を開閉する機構を備えており、インジェクション配管１１６の冷媒圧力がインジェクション流路１２８の冷媒圧力より高いときは開となり逆止弁１１８を冷媒が流通し、インジェクション配管１１６の冷媒圧力がインジェクション流路１２８の冷媒圧力より低いときは閉となり逆止弁１１８を冷媒が流通しない。

図３に本発明の実施の形態１におけるロータリ圧縮機１１１の圧縮機構部の横断面図を示す（図２のＡ−Ａ’面）。

シャフト１２２は偏芯部１２２ａを備え、シャフト１２２が旋回運動することでシャフト１２２の偏芯部１２２ａによってピストン１２３がシリンダ１２１の内壁面１２１ａに沿って旋回運動する。また、ベーン１２４はピストン１２３の旋回運動に伴ってピストン１２３のピストン外周面１２３ａに接するようにシリンダ１２１の溝１２１ｂで往復運動し、ピストン１２３と接触してシリンダ１２１の内部空間を吸入室と圧縮室とに分けている。また、吸入ポート１２５は冷媒をシリンダ１２１の内部に供給する孔である。

図４に本発明の実施の形態１の構成におけるピストン１２３が上死点にあるときの横断面図を示す。図４において、ピストン１２３とシリンダ１２１の内壁面１２１ａとの接点と、ピストン１２３とベーン１２４との接点とが重なるときを上死点とするとき、ピストン上死点の位置のピストン端面１２３ｃは、ピストン１２３が上死点の位置にあるときのピストン１２３のピストン端面領域である。

また、シャフト中心軸１２２ｂはシャフト１２２が旋回運動するときの中心軸であり、シリンダ中心面１２１ｃはシャフト中心軸１２２ｂとベーン１２４の先端とを含む仮想平面である。

図５に本発明の実施の形態１の構成における圧縮室１２９が圧縮過程にあるときの横断面図を示す。

ピストン０．８の位置のピストン端面１２３ｄは、ピストン１２３が上死点の位置にあるときの吸込容積をＶｓｕｃｔとし、圧縮室１２９の容積をＶｃｏｍｐとするとき、Ｖｃｏｍｐ／Ｖｓｕｃｔ＝０．８となる位置にピストン１２３があるときのピストン１２３のピストン端面領域である。

図６に本発明の実施の形態１の構成におけるインジェクション孔１２７の設置領域を示す。

インジェクション孔１２７は、シリンダ１２１の内部空間をシリンダ中心面１２１ｃで分けたときに吐出ポート１２６が設置されているほうの領域に収まる位置に設置されており、かつ、インジェクション孔１２７は、ピストン上死点の位置のピストン端面１２３ｃによって完全に閉となる位置に設置されており、かつ、インジェクション孔１２７は、ピストン０．８の位置のピストン端面１２３ｄに対して少なくとも孔の一部が開となる位置に設置されている。

次に、本実施の形態１におけるロータリ圧縮機１１１の動作を説明する。

まず、シリンダ１２１の内部において、シリンダ１２１、ピストン１２３、ベーン１２４、上軸受１３１、下軸受１３２とで囲まれ、吸入ポート１２５と接する空間に、吸入ポート１２５から低圧の吸入冷媒が供給される。次に、シリンダ１２１の内部において、１
２９はシリンダ１２１、ピストン１２３、ベーン１２４、上軸受１３１、下軸受１３２とで囲まれ、吐出ポート１２６と接する圧縮室であり、圧縮室１２９の冷媒はピストン１２３が旋回運動することで圧縮され、圧縮室１２９の冷媒の圧力がシェル１３０の内部の圧力より高くなると、吐出バルブ１３３が開き高圧に圧縮された冷媒が吐出ポート１２６から吐出される。

ピストン１２３が旋回運動する過程において、ピストン端面１２３ｂの移動によって、インジェクション孔１２７は開いたり閉じたりする。インジェクション孔１２７が開いているときは、インジェクション冷媒がインジェクション配管１１６およびインジェクション流路１２８を通ってインジェクション孔１２７から圧縮室１２９に供給されて圧縮室１２９の冷媒と合流する。一方、インジェクション孔１２７が閉じているときは、インジェクション孔１２７から圧縮室１２９にインジェクション冷媒が供給されない。

次に、本実施の形態１における冷凍サイクルの動作を説明する。

図１において、暖房運転時は、四方弁１１２における冷媒の流れが実線に沿うように四方弁１１２の流路を設定する。したがって、ロータリ圧縮機１１１で圧縮されて高圧になった冷媒はロータリ圧縮機１１１から吐出され、四方弁１１２を経て室外空調ユニット１０１から出た後、室内空調ユニット１０２に入る。室内空調ユニット１０２に入った冷媒は室内熱交換器１１３で周囲の空気に熱を放出して凝縮し、高圧の過冷却液状態となって、第２圧力調整弁１１７に流入する。第２圧力調整弁１１７で中間圧力まで減圧された冷媒は、室内空調ユニット１０２から出た後、室外空調ユニット１０１に戻る。

室外空調ユニット１０１に戻った冷媒の一部はインジェクション配管１１６に流入し、残りの冷媒は第１圧力調整弁１１４に流入する。第１圧力調整弁１１４に流れた冷媒は、第１圧力調整弁１１４で減圧され低圧の気液二相状態の冷媒となった後、室外熱交換器１１５で周囲の空気から熱を奪われて蒸発し、低圧の過熱ガス状態となって四方弁１１２を経てロータリ圧縮機１１１に吸入される。インジェクション配管１１６に流入した冷媒は、インジェクション流路１２８およびインジェクション孔接続流路１２８ｂを流れ、インジェクション孔１２７から圧縮室１２９に供給される。

一方、冷房運転時は四方弁１１２における冷媒の流れが破線に沿うように四方弁１１２の流路を設定する。したがって、ロータリ圧縮機１１１で圧縮されて高圧になった冷媒はロータリ圧縮機１１１から吐出され、四方弁１１２を経て室外熱交換器１１５で周囲の空気に熱を放出して凝縮し、高圧の過冷却液状態となって室外熱交換器１１５から出た後、第１圧力調整弁１１４で減圧されて中間圧力となる。第１圧力調整弁１１４から出た中間圧力の冷媒の一部はインジェクション配管１１６に流入し、残りの冷媒は室外空調ユニット１０１から出た後、室内空調ユニット１０２に入る。

室内空調ユニット１０２に入った冷媒は第２圧力調整弁１１７に流入する。第２圧力調整弁１１７に流入した冷媒は低圧の気液二相状態の冷媒となった後、室内熱交換器１１３に流入する。室内熱交換器１１３に流入した冷媒は室内熱交換器１１３で周囲の空気から熱を奪って蒸発し、低圧の過熱ガス状態となって室内空調ユニット１０２から出た後、室外空調ユニット１０１に戻る。室外空調ユニット１０１に戻った冷媒は四方弁１１２を経てロータリ圧縮機１１１に吸入される。

インジェクション配管１１６に流入した冷媒は、インジェクション流路１２８およびインジェクション孔接続流路１２８ｂを流れ、インジェクション孔１２７から圧縮室１２９に供給される。

一般的に、空調機器において圧縮機を用いて冷媒を圧縮する場合、ロータリ圧縮機１１１の圧縮比が最も小さくなるのは外気温度が低く、室内温度が高い状態で冷房運転を行う、いわゆる冷房部分負荷条件のときである。例えば冷媒としてＲ３２を用いて、外気敦２９℃、室温２７℃で冷房部分負荷運転を行うとき、冷媒と空気との温度差は５ｄｅｇ程度と仮定すると、蒸発温度２２℃、凝縮温度３４℃であり、圧力換算すると、低圧１．５６ＭＰａ、高圧２．１４ＭＰａとなる。圧縮機吸入冷媒の過熱度を３ｄｅｇとすると、吸入冷媒のκ値は１．５８となる。したがって、圧縮過程に注入する中間圧冷媒の圧力を低圧と高圧を二等分した圧力１．８５ＭＰａとすると、圧縮室の圧力が中間圧１．８５ＭＰａと等しくなるときの圧縮室容積Ｖ１は吸込容積Ｖｓｕｃｔに対して０．８９のときである。

冷媒の種類や熱交換器の性能の違いによって、Ｖｓｕｃｔに対する中間圧と等しくなる圧縮室容積Ｖ１の比率は異なるが、冷媒としてＲ３２、Ｒ４１０Ａ、Ｒ４０７Ｃ等を使用する場合、概ね０．８〜０．９２の範囲となる。

本構成においては、圧縮室容積Ｖｃｏｍｐが、Ｖｃｏｍｐ／Ｖｓｕｃｔ＝０．８となる位置（ピストン０．８の位置）にピストン１２３があるときに、インジェクション孔１２７の少なくとも孔の一部が開となる位置にインジェクション孔１２７を備えているため、圧縮室容積Ｖｃｏｍｐが吸込容積Ｖｓｕｃｔに対して０．８９より大きいときは圧縮室圧力＜中間圧となり、中間圧冷媒が圧縮室１２９に注入される。また、本構成においては、インジェクション流路１２８に逆止弁１１８を備えているため、圧縮室容積Ｖｃｏｍｐが吸込容積Ｖｓｕｃｔに対して０．８９より小さくなってからインジェクション孔１２７が完全に閉じるまでの圧縮室圧力＞中間圧となる区間では、逆止弁１１８によって圧縮室１２９の冷媒がインジェクション流路１２８へ逆流するのを防止できる。

同様に、冷房定格負荷運転を行うとき、圧縮室１２９の圧力が中間圧と等しくなるときの圧縮室容積Ｖ２は吸込容積Ｖｓｕｃｔに対して０．５以下となる。

本構成においては、圧縮室容積Ｖｃｏｍｐが、Ｖｃｏｍｐ／Ｖｓｕｃｔ＝０．８となる位置で、インジェクション孔１２７の少なくとも孔の一部が開となる位置にインジェクション孔１２７を備えているため、冷房部分負荷条件において圧縮室１２９の冷媒がインジェクション流路１２８へ逆流するのを防止するためにＶｃｏｍｐ／Ｖｓｕｃｔ＝０．８９となる位置にピストン１２３があるときにインジェクション孔１２７が完全に閉じる構成のインジェクション機構と比較して、長い時間インジェクション孔１２７が開いているため、より長い時間にわたって中間圧冷媒が圧縮室１２９に注入される。

以上の記述から明らかなように、本発明の冷凍サイクル装置に搭載のロータリ圧縮機１１１は、冷房部分負荷条件では、圧縮室圧力＜中間圧のときに注入し、圧縮室圧力＞中間圧のときは逆止弁１１８によって圧縮室１２９の冷媒がインジェクション流路１２８へ逆流するのを防止できるので、十分なインジェクション量が得られる。

また、冷房定格負荷条件では、従来のインジェクション機構よりも長時間インジェクション孔１２７が開いているため、より多くの中間圧冷媒を圧縮室１２９に供給可能となる。

したがって、冷房部分負荷条件で、圧縮室１２９に十分な量のインジェクション冷媒を供給できるのに加えて、冷房定格負荷条件では、吸入ポート１２５から吸入する冷媒量に対するインジェクション孔１２７から圧縮室１２９に供給するインジェクション冷媒量の比率を、冷房部分負荷条件における比率と比較して高くすることができるので、比較的低い温度で圧縮室１２９に流入するインジェクション冷媒によってロータリ圧縮機１１１か
ら吐出する冷媒の温度を低減し、圧力比が大きく吐出冷媒の温度が高くなりやすい冷房定格負荷条件で吐出冷媒の温度が過昇するのを抑制するので、モーター効率が低下したりロータリ圧縮機１１１を構成する絶縁紙や冷凍機油等の有機材料の劣化が進行したりするのを抑制することができる。

なお、インジェクション孔１２７の孔が完全に閉となるピストン１２３の位置における圧縮室容積が小さいほどインジェクション孔１２７が圧縮室１２９と連通している時間が長くなるため、冷房定格負荷条件や暖房負荷条件における圧縮室１２９へのインジェクション冷媒の供給量を増やせる一方で、冷房部分負荷条件においては、逆止弁１１８によって圧縮室１２９からインジェクション流路１２８への逆流を防止する時間が長くなり、インジェクション孔１２７が圧縮室１２９と連通している間にインジェクション孔１２７と逆止弁１１８との間の空間の圧力は中間圧より高い圧縮室圧力まで上昇し、インジェクション孔１２７が完全に閉じた後に再び開となることで中間圧以下の圧力状態のシリンダ内に供給され再膨張する。再膨張しない場合と比較して再膨張分の圧縮機動力が増加し、インジェクション孔１２７と逆止弁１１８との間の空間の容積が大きいほど再膨張による圧縮機動力の増加量も大きくなる。したがって、冷房部分負荷条件における再膨張による圧縮機動力の増加を抑制しつつ、冷房定格負荷条件や暖房負荷条件における圧縮室１２９へのインジェクション冷媒の供給量を大きくするようにインジェクション孔１２７の設置位置を決定するのが好ましい。

なお、インジェクション孔１２７から逆止弁１１８までの空間によって生じる再膨張の影響を小さくするために、インジェクション孔１２７から逆止弁１１８までの空間の容積はできるだけ小さくなるように逆止弁１１８を設置することが好ましい。

（実施の形態２）
図７に本発明の実施の形態２の構成における圧縮室１２９が圧縮過程にあるときの横断面図を示す。

ピストン０．２１の位置のピストン端面１２３ｅは、ピストン１２３が上死点の位置にあるときの吸込容積をＶｓｕｃｔとし、圧縮室１２９の容積をＶｃｏｍｐとするとき、Ｖｃｏｍｐ／Ｖｓｕｃｔ＝０．２１となる位置（ピストン０．２１の位置）にピストン１２３があるときのピストン１２３の端面領域である。

図８に本発明の実施の形態２の構成におけるインジェクション孔の設置領域を示す。

インジェクション孔１２７は、シリンダ１２１の内側のシリンダ中心面１２１ｃで分けられる吐出ポート１２６が設置されているほうの領域に収まる位置に設置されており、かつ、インジェクション孔１２７は、ピストン上死点の位置のピストン端面１２３ｃによって完全に閉となる位置に設置されており、かつ、インジェクション孔１２７は、ピストン０．８の位置のピストン端面１２３ｄに対して少なくとも孔の一部が開となる位置に設置されており、かつ、インジェクション孔１２７は、ピストン０．２１の位置のピストン端面１２３ｅによって完全に閉となる位置に設置されている。

一般的に、空調機器において圧縮機を用いて冷媒を圧縮する場合、圧縮比が最も大きくなるのは暖房極低温条件である。例えば冷媒としてＲ３２を用いて、外気温−２５℃、室温２７℃で暖房極低温運転を行うとき、冷媒と空気との温度差は５ｄｅｇ程度と仮定すると、蒸発温度−３０℃、凝縮温度３２℃であり、圧力換算すると、低圧０．２７ＭＰａ、高圧２．０３ＭＰａとなる。圧縮機吸入冷媒の過熱度を５ｄｅｇとすると、吸入冷媒のκ値は１．３５となる。したがって、圧縮過程にＩＮＪする中間圧冷媒の圧力を１．１５ＭＰａとすると、圧縮室の圧力が中間圧１．１５ＭＰａと等しくなるときの圧縮室容積Ｖ２
は吸込容積Ｖｓｕｃｔに対して０．３４のときである。

冷媒の種類や熱交換器の性能の違いによって、Ｖｓｕｃｔに対する中間圧と等しくなる圧縮室容積Ｖ２の比率は異なるが、冷媒としてＲ３２、Ｒ４１０Ａ、Ｒ４０７Ｃ等を使用する場合、概ね０．２１〜０．３６の範囲となる。

すなわち空調機器においてＶｓｕｃｔに対する圧縮室の容積の比率が０．２１より小さくなるときは、いずれの運転条件においても圧縮室圧力＞中間圧となり、圧縮室の冷媒がインジェクション流路へ逆流する状態となるため、逆止弁が閉となる動作が発生する。一般的に、逆止弁が閉になると、再び圧縮室圧力＜中間圧でインジェクション孔が開となり、インジェクション冷媒がインジェクション流路から圧縮室に流入する際に、逆止弁が開となる動作に僅かに時間を要するために圧縮室に供給されるインジェクション冷媒の量が微減する。ただし、逆止弁が閉から開になる動作に要する時間ロスによるインジェクション量の低下量は、圧縮室からインジェクション流路への逆流によるインジェクション量の低下量と比較して少ない。

本構成においては、圧縮室の容積Ｖｃｏｍｐが、Ｖｃｏｍｐ／Ｖｓｕｃｔ＝０．２１となる位置にピストンがあるときに、インジェクション孔が完全に閉となる位置にインジェクション孔を備えているため、圧縮室の容積ＶｃｏｍｐがＶｓｕｃｔに対して０．２１より小さくなり、暖房極低温条件において圧縮室圧力＞中間圧となるとき、インジェクション孔が閉じているため、圧縮室の冷媒がインジェクション流路へ逆流するのを防止するために設置された逆止弁においてインジェクション流路を閉にする動作を防止できる。

以上の記述から明らかなように、本発明の冷凍サイクル装置に搭載のロータリ圧縮機１１１は、暖房極低温条件において、圧縮室圧力＞中間圧となるときに、インジェクション孔の一部または全部が開となっていることを防ぎ、圧縮室の冷媒がインジェクション流路へ逆流するのを防止するために逆止弁が動作するのを防止できるので、十分なインジェクション量が得られる。したがって、暖房極低温条件でも、比較的低い温度で圧縮室に流入するインジェクション冷媒によって圧縮機から吐出する冷媒の温度を低減し、吐出冷媒の温度が過昇するのを抑制するので、モーター効率が低下したり圧縮機を構成する絶縁紙や冷凍機油等の有機材料の劣化が進行したりするのを抑制することができる。

本発明は、圧縮機としてロータリ圧縮機１１１を用い、ピストン１２３の旋回運動によってインジェクション孔１２７を開閉する機構において圧縮過程に中間圧の冷媒を注入する機構において、ロータリ圧縮機１１１の吸込圧力と吐出圧力との圧力比が小さい場合には圧縮室１２９からインジェクション配管１１６へ冷媒の逆流が生じるのを防止し、圧力比が大きい場合にはインジェクション孔１２７が開となる時間が長くなる。したがって、冷房部分負荷条件で、圧縮室１２９に十分な量のインジェクション冷媒を供給できるのに加えて、冷房定格負荷条件では、吸入ポート１２５から吸入する冷媒量に対するインジェクション孔１２７から圧縮室１２９に供給するインジェクション冷媒量の比率を、冷房部分負荷条件における比率と比較して高くすることができるので、比較的低い温度で圧縮室１２９に流入するインジェクション冷媒によってロータリ圧縮機１１１から吐出する冷媒の温度を低減し、吐出冷媒の温度が過昇するのを抑制するので、モーター効率が低下したりロータリ圧縮機１１１を構成する絶縁紙や冷凍機油等の有機材料の劣化が進行したりするのを抑制することができるものとして好適に利用することができる。

１０１ 室外空調ユニット
１０２ 室内空調ユニット
１１１ ロータリ圧縮機
１１２ 四方弁
１１３ 室内熱交換器
１１４ 第１圧力調整弁
１１５ 室外熱交換器
１１６ インジェクション配管
１１７ 第２圧力調整弁
１１８ 逆止弁
１２１ シリンダ
１２１ａ 内壁面
１２１ｂ 溝
１２１ｃ シリンダ中心面
１２２ シャフト
１２２ａ 偏芯部
１２２ｂ シャフト中心軸
１２３ ピストン
１２３ａ ピストン外周面
１２３ｂ ピストン端面
１２３ｃ ピストン上死点の位置のピストン端面
１２３ｄ ピストン０．８の位置のピストン端面
１２３ｅ ピストン０．２１の位置のピストン端面
１２４ ベーン
１２５ 吸入ポート
１２６ 吐出ポート
１２７ インジェクション孔
１２８ インジェクション流路
１２９ 圧縮室
１３０ シェル
１３１ 上軸受
１３２ 下軸受
１３３ 吐出バルブ

Claims (2)

1. 圧縮機と凝縮器と冷媒流量調整弁と蒸発器とが冷媒配管で順に接続されて冷凍回路を構成した冷凍サイクル装置であって、前記冷凍回路は、前記凝縮器と前記蒸発器とを接続する前記冷媒配管に配置された第一分岐部と、前記第一分岐部と前記圧縮機とを接続するインジェクション配管とを備え、前記圧縮機は、冷媒を吸入および圧縮する内部空間を有するシリンダと、前記シリンダの内部空間を閉じる上側端面と下側端面と、前記シリンダの内部と接触しながら偏芯回転するピストンと、前記ピストンの偏芯回転を支えるシャフトと、前記シャフトを支える上軸受および下軸受と、先端が前記ピストンと接触しており前記シリンダの内部空間を吸入室と圧縮室とに分けるベーンと、前記吸入室に接続された吸入ポートと、前記圧縮室に接続された吐出ポートと、少なくとも前記上側端面または前記下側端面のいずれかに前記ピストンの偏芯回転に伴う前記ピストンの端面のスライドによって開閉するインジェクション孔と、前記インジェクション孔と前記インジェクション配管とを接続するインジェクション流路とを備え、前記インジェクション孔は、前記シャフトの中心軸と前記ベーンの先端とを含む仮想平面で前記シリンダの内部空間を２つに分けたときにできる前記吐出ポートを備える側の領域に収まる位置に設置されており、かつ、前記インジェクション孔は、前記ピストンと前記シリンダの内部との接点と前記ピストンと前記ベーンとの接点が重なるときを上死点とするとき、上死点のときに前記ピストンによって完全に閉となる位置に設置されており、かつ、前記インジェクション孔は、上死点のときの前記吸入室の容積をＶｓｕｃｔとし、前記ピストンの偏芯回転によって変化する前記圧縮室の容積をＶｃｏｍｐとするとき、Ｖｃｏｍｐ／Ｖｓｕｃｔ＝０．８となる位置に前記ピストンがあるときに少なくとも孔の一部が開となる位置に設置されており、前記冷凍回路は、前記インジェクション孔と前記第一分岐部との間に前記圧縮室から前記第一分岐部へ冷媒が流れるのを阻止する逆止弁を備える冷凍サイクル装置。
2. 前記インジェクション孔は、Ｖｃｏｍｐ／Ｖｓｕｃｔ＝０．２１となる位置に前記ピストンがあるときに、前記ピストンによって完全に閉となる位置に設置されている、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。