JP3617742B2 - スクロールコンプレッサ及び空調装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【技術分野】
本発明は，ガスエンジン駆動のスクロールコンプレッサ及びガスエンジン駆動のスクロールコンプレッサを用いた空調装置に関するものであり，特に広い能力容量の範囲において高い効率を維持することの出来るものに関する。
【０００２】
【従来技術】
空調装置は，図４に示すように，コンプレッサ９１と，コンプレッサ９１により圧縮された高温高圧ガスを放熱，凝縮して高温高圧の液状と化する第１の熱交換器９２と，第１熱交換器９２で生成した高温高圧冷媒液を膨張させ低温低圧液を生成する膨張弁９３と，膨張弁９３で生成した低温低圧液を吸熱，蒸発させ低温低圧の冷媒ガスを生成する第２の熱交換器９４と，第２熱交換器９４にて生成した低温低圧の冷媒ガスを蓄えてコンプレッサ９１に供給するアキュムレータ９５とを有する。
【０００３】
更に，通常は，第１熱交換器９２と膨張弁９３との間に過冷却熱交換部９６が設けられる。同図において，符号９７１は，暖房時の冷媒回路，符号９７２は冷房時の冷媒回路であり，符号９２１は暖房時に用いる絞り機構である。
そして，暖房時には，コンプレッサ９１で圧縮された高温高圧の冷媒ガスは，室内の第１熱交換器９２に供給され，放熱して室内を暖房し凝縮して高温高圧の液状となる。そして，回路９７１を経て絞り機構９２１により高温高圧の気液２相となり，過冷却熱交換部９６にて再び高温高圧の冷媒液となり，膨張弁９３に供給される。
【０００４】
そして，膨張弁９３を経て低温低圧の冷媒液となり，室外の第２熱交換器（エバポレータ）９４により蒸発して低温低圧の冷媒ガスとなり，アキュムレータ９５を経てコンプレッサ９１の吸入側にもどる。
一方，冷房時には，コンプレッサ９１により圧縮された高温高圧の冷媒ガスは，室外の第１熱交換器９２に供給され，外部に放熱し凝縮して高温高圧の冷媒液となる。そして，回路９７２を経て過冷却熱交換部９６に入り，ここで更に冷却された後，膨張弁９３にて低温低圧の冷媒ガスとなり，室内の第２熱交換器（エバポレータ）９４に入り，吸熱蒸発して室内を冷房する。そして，低温低圧の冷媒ガスは，アキュムレータ９５を経て再びコンプレッサ９１に戻る。
【０００５】
コンプレッサ９１には，ロータリーベーンタイプ等の他にスクロールタイプが知られており，スクロールコンプレッサは効率が高く騒音も少ないという利点がある。
また，コンプレッサ９１は，電動機により駆動されるものの他に都市ガスやＬＰガスのガスエンジンにより駆動されるものがある。ガスエンジンにより駆動されるコンプレッサ（所謂ガスヒートポンプまたはＧＨＰ）は，動力（燃料）費が安価であると共に暖房時にエンジン排熱を利用できるのでスピード暖房が可能であるという利点がある。
【０００６】
しかしながら，ガスエンジン駆動のスクロールコンプレッサは，ガスエンジンの可変速度範囲（回転数範囲）が電動機に比べて狭いため，エンジンの速度制御により運転可能な軽負荷の能力レベルが高く，従ってガスエンジンのみにより対応できる負荷範囲が狭いという問題がある。
その為，ガスエンジン駆動のコンプレッサ９１を小負荷で運転する方法として，図５に示すように，コンプレッサ９１からの吐出冷媒の一部をバイパス回路９７５からアキュムレータ９５（又はアキュムレータ９５の上流側もしくは下流側）に戻し，熱交換器に対する入力を低減して軽負荷に対応するという方法が知られている。
【０００７】
即ち，軽負荷の場合には，開閉弁９７６を開路し，第１熱交換器９２に対するコンプレッサ９１の出力を減少させる。しかしながら，この場合，アキュムレータ９５に戻される冷媒ガスは，高温高圧でありエンタルピーが高く，コンプレッサは高エンタルピーの冷媒ガスを圧縮するためコンプレッサの仕事が増大するという問題がある。
そのため，アキュムレータ９５に戻される冷媒のエンタルピーを下げるために，更に，図５の破線で示すように，回路９７８から液状の低エンタルピーの冷媒をアキュムレータ９５に注入してエンタルピーを下げるという方法が提案されている。
【０００８】
一方，空調装置では，室内の熱交換器９２又は９４を複数用いて同一の場所または別々の場所に設置し，所望により必要な場所の熱交換器を作動させ又空調の強弱を調整するマルチユニットタイプのものが，ビル等の他に家庭内においても多く用いられるようになっている。
そして，上記マルチユニットタイプの空調装置においては，作動させる熱交換器の台数によりコンプレッサの負荷容量が大幅に変化する。そのため，コンプレッサは，非常に広範囲の負荷容量の変動に対応可能でなければならない。
【０００９】
【解決しようとする課題】
しかしながら，ガスエンジン駆動のスクロールコンプレッサは，マルチユニットタイプの空調装置のように大幅に負荷容量が低下するものに対しては，前記の方法によって出力を抑制することは甚だ困難であり，また，このとき効率が大幅に低下するという問題がある。
例えば，ガスエンジン駆動のスクロールコンプレッサを用いた場合には，図６に示すように，空調装置のシステムＣＯＰ（Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｏｆ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ），即ち投入熱量に対する有効暖房（発熱）熱量又は有効冷房（吸収）熱量の比は，大幅に低下する。
【００１０】
本発明は，かかる従来の問題点に鑑みてなされたものであり，効率を余り低下させることなく大幅な低負荷運転が可能なガスエンジン駆動のスクロールコンプレッサ及び空調装置を提供しようとするものである。
【００１１】
【課題の解決手段】
本願の請求項１の発明は，固定スクロールと旋回スクロールとにより圧縮室を形成し，旋回スクロールの旋回により吸入口より吸入した冷媒ガスを順次圧縮し吐出口から吐出するガスエンジン駆動のスクロールコンプレッサであって，
上記固定スクロールには，所定の圧縮段階を形成する圧縮室の位置に第１開口部が設けられており，該第１開口部には低圧の第１冷媒ガス流通路が連結されると共に上記第１冷媒ガス流通路には第１開閉手段が設けられており，
前記第１開口部または別個に設けた第２開口部には，高圧の冷媒供給源に連結されると共に中間に第２開閉手段を備えた第２冷媒ガス流通路が連結されており，
コンプレッサ負荷が所定値以下の場合には，上記第２開閉手段を閉路すると共に前記第１開閉手段を開路して前記圧縮室の冷媒ガスを流出させ，コンプレッサ負荷が所定値以上の場合には，上記第１開閉手段を閉路すると共に上記第２開閉手段を開路して上記冷媒供給源から上記圧縮室に高圧冷媒を注入することを特徴とするガスエンジン駆動のスクロールコンプレッサにある。
【００１２】
スクロールコンプレッサにおいては，吸入された冷媒ガスは，閉じた圧縮室を形成し，位置を変え吐出口の側に移行しつつ徐々に圧縮され，やがて吐出口に達する。そして，本発明の装置では，所定の圧縮段階に移行した圧縮室の位置に第１開口部が設けられており，この第１開口部は第１開閉手段を介して第１冷媒ガス流通路に連通可能となっている。
【００１３】
そのため，吐出口に移行する圧縮室と第１開口部とが連通可能な時間帯の間に，冷媒ガスの一部を上記第１冷媒流通路に排出することにより，コンプレッサの負荷に対する出力（冷媒量及び吐出圧）を低減させることができる。そして，排出される冷媒ガスの量は，第１冷媒流通路の背圧と圧縮室の圧力差，第１開口部や第１冷媒流通路の流路の大きさ，第１開閉手段の開路時間等により決まるから，これらの条件の設定と開路時間の制御により調整可能である。
【００１４】
そして，本装置においては，冷媒ガスを最終段階まで圧縮せず圧縮途中の冷媒ガスを排出するからコンプレッサの仕事量は大幅に低減し，効率を低下させずに低負荷に対応することが容易となる。また，排出される冷媒ガスは，最終段階まで圧縮されていないから，エンタルピーが相対的に低く，前記のように空調装置において排出冷媒ガスをアキュムレータ又はアキュムレータ９５の上流もしくは下流側に戻しても，コンプレッサの仕事はそれほど大きくならない。
【００１５】
即ち，従来の軽負荷対応策では，コンプレッサからの吐出冷媒の一部をバイパス回路からアキュムレータ又はアキュムレータの上流又は下流側に戻すため，コンプレッサの仕事量自体は低減せず熱交換器に対する入力だけを抑制する。従って，軽負荷になるに従って効率も大幅に低下するが，本装置においては，コンプレッサの出力自体を抑制するから効率が高く，高エンタルピーの冷媒ガスが還流されることもなくコンプレッサにかかる負担が減少し，容易に軽負荷に対応可能となる。
【００１６】
上記のように，請求項１の発明によれば，効率を余り低下させることなく大幅な低負荷運転が可能なガスエンジン駆動のスクロールコンプレッサを提供することができる。
なお，請求項２記載のように，上記冷媒ガス排出手段は，異なる圧力段階を形成する複数の圧縮室に設けることが出来る。即ち，異なる圧力段階を形成する複数の圧縮室にそれぞれ上記第１開口部を設け，各第１開口部を上記低圧の第１冷媒ガス流通路に連結すると共にそれぞれの流通路に第１開閉手段を設ける。
その結果，異なる冷媒ガス排出手段を開路することにより，排出する冷媒ガスの圧力段階と排出量とを変化させることが可能となる。
【００１７】
上記のごとく，請求項１の発明のコンプレッサにおいては，上記同じ第１開口部又は別個の第２開口部を高圧の冷媒源に連結可能とする。即ち，上記第１開口部または第２の開口部には，高圧の冷媒供給源に連結されると共に中間に第２の開閉手段を備えた第２の冷媒ガス流通路が連結されている。
そして，コンプレッサ負荷が所定値以下の場合には，上記第２開閉手段を閉路すると共に前記第１開閉手段を開路して前記のように圧縮室の冷媒ガスを流出させ低負荷に対応する。
【００１８】
一方，コンプレッサ負荷が所定値以上の場合には，上記第１開閉手段を閉路すると共に上記第２開閉手段を開路して上記冷媒供給源から上記圧縮室に高圧冷媒を注入し，コンプレッサの出力を急速に増大させることが可能となる。そして，上記圧縮室に注入される冷媒のエンタルピーや量は，冷媒供給源の冷媒状況やここと圧縮室との圧力差，開口部や流通路の流路の大きさ，第２開閉手段の開路時間等により決まるから，これらの条件の設定と開路時間の制御によりコンプレッサの出力の調整が可能である。
【００１９】
このように，請求項１の発明のコンプレッサにおいては，軽負荷のみならず高負荷の範囲にも広い範囲に渡って負荷対応が可能である。
また，請求項３記載のように，上記冷媒注入手段は，異なる高圧の冷媒供給源に連結するものを複数設けることができる。これによって，注入する冷媒量の調整範囲即ち負荷能力の変化範囲を広げることができ，制御可能な出力範囲が大幅に増大する。
【００２０】
そして，請求項５記載の空調装置は，上記請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のガスエンジン駆動のコンプレッサを用いた空調装置である。
即ち，上記空調装置は，請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のスクロールコンプレッサと，該コンプレッサにより圧縮された高温高圧ガスを放熱，凝縮することにより高温高圧の液状と化する第１の熱交換器と，該第１熱交換器で生成した高温高圧冷媒液を膨張させ低温低圧液を生成する膨張弁と，該膨張弁で生成した低温低圧液を吸熱，蒸発させ低温低圧の冷媒ガスを生成する第２の熱交換器と，該第２熱交換器にて生成した低温低圧の冷媒ガスを蓄えると共に上記コンプレッサに供給するアキュムレータとを有している。
【００２１】
そして，上記コンプレッサの前記第１の冷媒ガス流通路は，上記アキュムレータ又はアキュムレータの上流又は下流側に連通されており，前記第２の冷媒ガス流通路を備えるものにおいては，上記第２冷媒ガス流通路は，上記第１熱交換器の出力側と上記第２熱交換器の上流側の間の流路に連結する。
その結果，本空調装置は，上記第１の冷媒ガス流路を介して比較的エンタルピーの低い冷媒ガスをアキュムレータ又はアキュムレータの上流又は下流側に還流して軽負荷に対する対応が容易であり，且つ高効率となり，その時のコンプレッサに対する負担も軽減できる。
【００２２】
また，第２の冷媒ガス流通路を備えて第１熱交換器の下流側と上記第２熱交換器の上流側の間の流路から冷媒を圧縮室に注入することにより，コンプレッサの出力アップが可能となる。
上記のように，請求項５の発明によれば，ガスエンジンを駆動源とし，軽負荷の場合にも空調装置の効率が高く，また，マルチユニットタイプのように負荷変動範囲の広いものに対応可能な空調装置を提供することができる。また，請求項４の発明においても，同様の作用効果が得られる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
実施形態例１
本例は，図２に示すように，スクロールコンプレッサ１０と，コンプレッサ１０により圧縮された高温高圧ガスを放熱，凝縮することにより高温高圧の液状と化する第１の熱交換器２１と，第１熱交換器２１で生成した高温高圧冷媒液を膨張させ低温低圧液を生成する膨張弁２３と，膨張弁２３で生成した低温低圧液を吸熱，蒸発させ低温低圧の冷媒ガスを生成する第２の熱交換器２５と，第２熱交換器２５にて生成した低温低圧の冷媒ガスを蓄えると共にコンプレッサ１０に供給するアキュムレータ２６とを有する空調装置１である。
【００２４】
即ち，暖房時には，コンプレッサ１０で圧縮された高温高圧の冷媒ガスは，室内の第１熱交換器２１に供給され，放熱して室内を暖房し凝縮して高温高圧の液状となる。そして，回路３０１を経て絞り機構２１１により高温高圧の気液２相となり，過冷却熱交換部２２にて再び高温高圧の冷媒液となり，膨張弁２３に供給される。
そして，膨張弁２３を経て低温低圧の冷媒液となり，室外の第２熱交換器（エバポレータ）２５により蒸発して低温低圧の冷媒ガスとなり，アキュムレータ２６を経てコンプレッサ１０の吸入側に戻る。
【００２５】
一方，冷房時には，コンプレッサ１０により圧縮された高温高圧の冷媒ガスは，室外の第１熱交換器２１に供給され，外部に放熱し凝縮して高温高圧の冷媒液となる。そして，回路３０２を経て過冷却熱交換部２２に入り，ここで更に冷却された後，膨張弁２３にて低温低圧の冷媒ガスとなり，室内の第２熱交換器（エバポレータ）２５に入り，吸熱蒸発して室内を冷房する。そして，低温低圧の冷媒ガスは，アキュムレータ２６を経て再びコンプレッサ１０に戻る。同図において，符号２１２は一方向弁である。
【００２６】
上記コンプレッサ１０は，図１に示すように，固定スクロール１１と旋回スクロール１２とにより圧縮室１５，１５１〜１５５を形成し，旋回スクロール１２の旋回により吸入口より吸入した冷媒ガスを順次圧縮し吐出口から吐出する，ガスエンジン４１（図２）により駆動されるスクロールコンプレッサである。
そして，図１に示すように，固定スクロール１１には，２０％から５０％の圧縮段階を形成する圧縮室１５の位置に開口部１６が設けられており，開口部１６には低圧の冷媒ガスの流通路１７が連結されると共に，図２に示すように，上記冷媒ガス流通路１７には開閉手段１７１が設けられている。
【００２７】
そして，コンプレッサ１０（空調装置１）の負荷が例えば５０％以下の場合には，開閉手段１７１を開路し上記圧縮室１５の冷媒ガスを流出させ，流通路１７からアキュムレータ２６に還流させる。
そして，本装置１においては，低負荷のときには，コンプレッサ１０は，冷媒ガスを最終段階まで圧縮せず圧縮途中の冷媒ガスを圧縮室１５から排出するからコンプレッサ１０の仕事量は大幅に低減し，効率を低下させずに低負荷に対応することができる。
【００２８】
この時，圧縮室１５から排出される冷媒ガスは，最終段階まで圧縮されていないから，エンタルピーが相対的に低く，アキュムレータ２６に戻しても，コンプレッサ１０に対する負担はそれほど大きくならない。
即ち，図５に示す従来の軽負荷対応策では，コンプレッサからの吐出冷媒の一部をバイパス回路からアキュムレータ又はアキュムレータの上流側に戻すため，コンプレッサの仕事量自体は低減せず熱交換器に対する入力だけを抑制する。従って，軽負荷になるに従ってコンプレッサの効率も大幅に低下するが，本装置１においては，コンプレッサ１０の出力自体を低減させるから効率が高く，また，高エンタルピーの冷媒ガスがコンプレッサ１０に還流されることがなくコンプレッサ１０にかかる仕事が減少する。
上記のように，本例によれば，効率を余り低下させることなく大幅な低負荷運転が可能なガスエンジン駆動の空調装置１を得ることができる。
【００２９】
実施形態例２
本例は，実施形態例１において，コンプレッサ１０には，前記開口部１６と別個に図示しない第２の開口部が設けられており，この第２開口部は，図３に示すように，高圧の冷媒供給源としての過冷却熱交換部２２の下流に連結されると共に中間に第２の開閉手段１８１を備えた第２の冷媒ガス流通路１８が連結されている。
【００３０】
そして，空調装置１の負荷が所定値以下の場合には，第２開閉手段１８１を閉路すると共に第１開閉手段１７１を開路して前記圧縮室１５の冷媒ガスを流出させ，空調装置１の負荷が所定値以上の場合には，第１開閉手段１７１を閉路すると共に第２開閉手段１８１を開路して圧縮室１５に高圧冷媒を注入する。
それ故，本例の空調装置１においては，軽負荷のみならず高負荷の範囲にも迅速に対応でき，広い範囲に渡る負荷変動に高速に適応可能となる。
その他については，実施形態例１と同様である。
【００３１】
【発明の効果】
上記のように，本発明によれば，効率を余り低下させることなく大幅な低負荷運転が可能なガスエンジン駆動のスクロールコンプレッサ及び空調装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態例１のコンプレッサの要部断面図。
【図２】実施形態例１の空調装置のシステム構成図。
【図３】実施形態例２の空調装置のシステム構成図。
【図４】従来の空調装置のシステム構成図。
【図５】ガスエンジン駆動のスクロールコンプレッサを用いた従来の空調装置のシステム構成図。
【図６】ガスエンジン駆動のスクロールコンプレッサを用いた従来の空調装置の負荷率と効率の関係の１例を示した図。
【符号の説明】
１０．．．スクロールコンプレッサ，
１１．．．固定スクロール，
１２．．．旋回スクロール，
１５．．．圧縮室，
１６．．．開口部，
１７．．．冷媒ガス流通路，

Claims (5)

1. 固定スクロールと旋回スクロールとにより圧縮室を形成し，旋回スクロールの旋回により吸入口より吸入した冷媒ガスを順次圧縮し吐出口から吐出するガスエンジン駆動のスクロールコンプレッサであって，
   上記固定スクロールには，所定の圧縮段階を形成する圧縮室の位置に第１開口部が設けられており，該第１開口部には低圧の第１冷媒ガス流通路が連結されると共に上記第１冷媒ガス流通路には第１開閉手段が設けられており，
   前記第１開口部または別個に設けた第２開口部には，高圧の冷媒供給源に連結されると共に中間に第２開閉手段を備えた第２冷媒ガス流通路が連結されており，
   コンプレッサ負荷が所定値以下の場合には，上記第２開閉手段を閉路すると共に前記第１開閉手段を開路して前記圧縮室の冷媒ガスを流出させ，コンプレッサ負荷が所定値以上の場合には，上記第１開閉手段を閉路すると共に上記第２開閉手段を開路して上記冷媒供給源から上記圧縮室に高圧冷媒を注入することを特徴とするガスエンジン駆動のスクロールコンプレッサ。
2. 請求項１において，異なる圧力段階を形成する複数の圧縮室にそれぞれ前記第１開口部が設けられており，各第１開口部は前記低圧の第１冷媒ガス流通路が連結されると共にそれぞれの流通路に第１開閉手段が設けられていることを特徴とするガスエンジン駆動のスクロールコンプレッサ。
3. 請求項１または請求項２において，前記第２開口部は，異なった圧力の高圧の冷媒供給源に連結されると共に中間に前記第２開閉手段を備えた複数の第２冷媒ガス流通路が連結されていることを特徴とするガスエンジン駆動のスクロールコンプレッサ。
4. 固定スクロールと旋回スクロールとにより圧縮室を形成し，旋回スクロールの旋回により吸入口より吸入した冷媒ガスを順次圧縮し吐出口から吐出するよう構成され，上記固定スクロールには，所定の圧縮段階を形成する圧縮室の位置に第１開口部が設けられており，該第１開口部には低圧の第１冷媒ガス流通路が連結されると共に上記第１冷媒ガス流通路には第１開閉手段が設けられており，コンプレッサ負荷が所定値以下の場合には，上記第１開閉手段を開路し上記圧縮室の冷媒ガスを流出させるガスエンジン駆動のスクロールコンプレッサと，
   該コンプレッサにより圧縮された高温高圧ガスを放熱，凝縮することにより高温高圧の液状と化する第１熱交換器と，
   該第１熱交換器で生成した高温高圧冷媒液を膨張させ低温低圧液を生成する膨張弁と，該膨張弁で生成した低温低圧液を吸熱，蒸発させ低温低圧の冷媒ガスを生成する第２熱交換器と，
   該第２熱交換器にて生成した低温低圧の冷媒ガスを蓄えると共に上記コンプレッサに供給するアキュムレータとを有しており，
   上記コンプレッサの前記第１冷媒ガス流通路は，上記アキュムレータ又はアキュムレータの上流もしくは下流側に連通されていることを特徴とする空調装置。
5. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のスクロールコンプレッサと，該コンプレッサにより圧縮された高温高圧ガスを放熱，凝縮することにより高温高圧の液状と化する第１の熱交換器と，該第１熱交換器で生成した高温高圧冷媒液を膨張させ低温低圧液を生成する膨張弁と，該膨張弁で生成した低温低圧液を吸熱，蒸発させ低温低圧の冷媒ガスを生成する第２の熱交換器と，該第２熱交換器にて生成した低温低圧の冷媒ガスを蓄えると共に上記コンプレッサに供給するアキュムレータとを有しており，
   上記コンプレッサの前記第１の冷媒ガス流通路は，上記アキュムレータ又はアキュムレータの上流もしくは下流側に連通されており，
   上記第２冷媒ガス流通路は，上記第１熱交換器の下流側と上記第２熱交換器の上流側の間の流路に連結されていることを特徴とする空調装置。

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