JP5306478B2 - Heat pump device, two-stage compressor, and operation method of heat pump device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、2つの圧縮部が直列に接続された二段圧縮機、及び二段圧縮機を用いたヒートポンプ装置に関する。 The present invention relates to a two-stage compressor in which two compression units are connected in series, and a heat pump apparatus using the two-stage compressor.
低段圧縮部と高段圧縮部とが直列に接続された二段圧縮機では、低段圧縮部は、所定の圧力(到達圧力)まで、ヒートポンプサイクルから吸入した冷媒を圧縮する。この到達圧力は、低段圧縮部の圧縮室容積と高段圧縮部の圧縮室容積との設定により決定される。高段圧縮部は、低段圧縮部で圧縮された冷媒を、さらに圧縮する。そして、高段圧縮部で圧縮された冷媒は、高段圧縮部から密閉容器の内部空間へ吐出され、密閉容器の内部空間からヒートポンプサイクルへ吐出される。
上記の通り、二段圧縮機では、低段圧縮部の圧縮室容積と高段圧縮部の圧縮室容積との設定により低段圧縮部における到達圧力が決定される。そのため、ヒートポンプサイクルの運転条件によっては、低段圧縮部のみの圧縮によりヒートポンプサイクルへ吐出すべき吐出圧まで圧縮されてしまう過圧縮状態となることがある。過圧縮状態となった場合、高段圧縮部での圧縮仕事は無駄になり、圧縮機の効率が悪くなる。ここで、過圧縮状態は、外気温度が高い場合において暖房運転をする場合等の負荷の小さい場合に発生し易い。つまり、過圧縮状態は、負荷の小さい場合における効率の低下を引き起こす要因となる。In a two-stage compressor in which a low-stage compression section and a high-stage compression section are connected in series, the low-stage compression section compresses the refrigerant sucked from the heat pump cycle up to a predetermined pressure (attainment pressure). This ultimate pressure is determined by setting the compression chamber volume of the low-stage compression unit and the compression chamber volume of the high-stage compression unit. The high stage compression unit further compresses the refrigerant compressed by the low stage compression unit. And the refrigerant | coolant compressed by the high stage compression part is discharged from the high stage compression part to the internal space of an airtight container, and is discharged from the internal space of an airtight container to a heat pump cycle.
As described above, in the two-stage compressor, the ultimate pressure in the low-stage compression section is determined by setting the compression chamber volume of the low-stage compression section and the compression chamber volume of the high-stage compression section. Therefore, depending on the operating conditions of the heat pump cycle, there may be an over-compressed state in which only the low-stage compression portion is compressed to the discharge pressure to be discharged to the heat pump cycle. In the overcompressed state, the compression work in the high-stage compression unit is wasted, and the efficiency of the compressor is deteriorated. Here, the overcompressed state is likely to occur when the load is small, such as when heating operation is performed when the outside air temperature is high. That is, the overcompressed state is a factor that causes a decrease in efficiency when the load is small.
特許文献1には、低段圧縮部から高段圧縮部へ冷媒を流す連通路と、高段圧縮部の吐出側の空間とを接続するバイパス路を備える二段圧縮機についての記載がある。この二段圧縮機では、過圧縮状態となった場合、連通路の冷媒を、高段圧縮部をバイパスさせて高段圧縮部の吐出側の空間へ流す。これにより、過圧縮状態となった場合における効率の改善を図っている。
特許文献2には、低段圧縮部で圧縮した冷媒の一部を、低段圧縮部の吸入側へ戻すレリース機構を備えるヒートポンプ装置についての記載がある。このヒートポンプ装置では、負荷が低い場合に、レリース機構を作動させることにより、負荷が低い場合における圧縮機の効率の改善を図っている。
特許文献1に記載された二段圧縮機では、低段圧縮部から吐出された冷媒は、狭く長い連通路を通過した後、バイパス路から高段圧縮部の吐出側の空間へ吐出される。冷媒が狭く長い連通路を通過することにより、圧力損失が生じる。そのため、一時的な過圧縮状態の回避に対しては効果があるものの、定常運転時における過圧縮損失を低減する効果は小さい。
特に、負荷の小さい時は吐出圧が低い圧力のため冷媒ガスの比容積が大きく体積流量も大きい。そのため、流路面積の不足による圧力損失が大きい。In the two-stage compressor described in
In particular, when the load is small, the discharge pressure is low, so the specific volume of the refrigerant gas is large and the volume flow rate is large. Therefore, the pressure loss due to the shortage of the channel area is large.
特許文献2に記載されたヒートポンプ装置では、レリース機構を作動させることにより低段圧縮部の吸入側と吐出側が直結され、低段圧縮部で圧縮した冷媒の一部が低段圧縮部の吸入側へ戻る。しかし、レリース機構を作動させた場合であっても、低段圧縮部では、一定量以上の圧縮仕事が発生する。また、低段圧縮部を冷媒が通過することにより冷媒が加熱され、いわゆるプレヒートロスが発生する。つまり、冷媒が高段圧縮部で圧縮される前に加熱されてしまうことによるロス(プレヒートロス)が発生する。そのため、負荷が低い場合における効率改善の度合いが小さい。
In the heat pump device described in
この発明は、二段圧縮機及び二段圧縮機を用いたヒートポンプ装置において、負荷の小さい時における効率を改善することを目的とする。 An object of the present invention is to improve efficiency when a load is small in a two-stage compressor and a heat pump device using the two-stage compressor.
この発明に係るヒートポンプ装置は、
圧縮機と、第1熱交換器と、第1膨張機構と、第2熱交換器とが配管により順次接続された主冷媒回路を備え、
前記圧縮機は、
流入した冷媒を圧縮する低段圧縮部と、
前記低段圧縮部が圧縮した冷媒をさらに圧縮する高段圧縮部と、
前記第1熱交換器において前記主冷媒回路を流れる冷媒と熱交換される流体の温度を所定の温度にするのに必要な熱量である必要負荷が、予め設定された第1の負荷よりも高い場合には、前記低段圧縮部と前記高段圧縮部とが圧縮した冷媒を前記主冷媒回路へ吐出し、前記必要負荷が前記第1の負荷よりも低い場合には、前記低段圧縮部が圧縮した冷媒を前記高段圧縮部に圧縮させることなくバイパスして前記主冷媒回路へ吐出するバイパス機構と
を備えることを特徴とする。The heat pump device according to this invention is
A main refrigerant circuit in which a compressor, a first heat exchanger, a first expansion mechanism, and a second heat exchanger are sequentially connected by piping;
The compressor is
A low-stage compression unit that compresses the refrigerant flowing in;
A high stage compression section for further compressing the refrigerant compressed by the low stage compression section;
In the first heat exchanger, a required load that is an amount of heat necessary to bring the temperature of the fluid that exchanges heat with the refrigerant flowing through the main refrigerant circuit to a predetermined temperature is higher than the preset first load. In this case, the refrigerant compressed by the low-stage compression unit and the high-stage compression unit is discharged to the main refrigerant circuit, and when the necessary load is lower than the first load, the low-stage compression unit And a bypass mechanism that bypasses the compressed refrigerant without being compressed by the high-stage compression section and discharges the refrigerant to the main refrigerant circuit.
この発明に係るヒートポンプ装置は、負荷が低い場合に低段圧縮部が圧縮した冷媒を高段圧縮部に圧縮させることなくバイパスして主冷媒回路へ吐出する。そのため、負荷が低い場合において発生する過圧縮損失を低減することができる。 In the heat pump device according to the present invention, when the load is low, the refrigerant compressed by the low stage compression unit is bypassed without being compressed by the high stage compression unit and discharged to the main refrigerant circuit. Therefore, it is possible to reduce the overcompression loss that occurs when the load is low.
実施の形態1.
実施の形態1では、高段圧縮部をバイパスするバイパス口を有する二段圧縮機100について説明する。
In the first embodiment, a two-
図1は、実施の形態1に係る二段圧縮機100の平面図である。
図2は、図1におけるA−A’断面図である。なお、図2では、中間連結管51部分についてはa−a’断面を示している。
図3は、図2における圧縮機構部3及び圧縮機構部3の周囲の拡大図である。
図4は、図1におけるB−B’断面図である。 図5は、図2におけるC−C’断面図である。
図6は、図2におけるD−D’断面図である。
図7は、図2におけるE−E’断面図である。
図8は、図2におけるF−F’断面図である。FIG. 1 is a plan view of a two-
FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ in FIG. In FIG. 2, the aa ′ cross section is shown for the intermediate connecting
FIG. 3 is an enlarged view of the
4 is a cross-sectional view taken along the line BB ′ in FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the line CC ′ in FIG.
6 is a cross-sectional view taken along the line DD ′ in FIG.
7 is a cross-sectional view taken along line EE ′ in FIG.
8 is a cross-sectional view taken along the line FF ′ in FIG.
まず、二段圧縮機100の構成について説明する。
図2に示すように、二段圧縮機100は、密閉容器1の内部に、固定子2aと回転子2bとを有する電動機2と、低段圧縮部10と高段圧縮部30との2つの圧縮部を備える圧縮機構部3と、クランクシャフト4とを備える。また、密閉容器1の上部には、吐出管5が嵌入される。さらに、密閉容器1の下部は、潤滑油貯蔵部6を形成し、潤滑油が封入される。
また、二段圧縮機100は、密閉容器1の外部に、吸入マフラ7を備える。吸入マフラ7は、吸入管8により密閉容器1内の圧縮機構部3の低段圧縮部10と接続される。First, the configuration of the two-
As shown in FIG. 2, the two-
The two-
図3に示すように、圧縮機構部3の低段圧縮部10は、低段シリンダ11と、低段シリンダ11の上側を閉塞する低段フレーム14と、低段シリンダ11の下側を閉塞する中間仕切板50とにより低段圧縮室15を形成する。また、低段圧縮部10は、低段圧縮室15内を偏芯回転する低段ローリングピストン12と、低段圧縮室15を吸入側の空間と吐出側の空間とに区切る低段ベーン13(図7参照)を備える。また、低段圧縮室15の低段吸入口21には、吸入管8が接続されている。
同様に、高段圧縮部30は、高段シリンダ31と、高段シリンダ31の下側を閉塞する高段フレーム34と、高段シリンダ31の上側を閉塞する中間仕切板50とにより、低段圧縮室15よりも容積の小さい高段圧縮室35を形成する。高段圧縮部30は、高段圧縮室35内を偏芯回転する高段ローリングピストン32と、高段圧縮室35を吸入側の空間と圧縮側の空間とに区切る高段ベーン33(図8参照)を備える。
つまり、二段圧縮機100は、ロータリ型の二段圧縮機である。
なお、低段ローリングピストン12と高段ローリングピストン32との偏芯方向は、約180度ずれている(図7,8参照)。As shown in FIG. 3, the low-
Similarly, the high
That is, the two-
The eccentric directions of the low-
また、圧縮機構部3は、低段フレーム14との間に低段吐出空間20を形成する低段カバー19(低段吐出部)と、高段フレーム34との間に高段吐出空間40を形成する高段カバー39(高段吐出部)とを備える。また、低段カバー19の中間流出口22と高段シリンダ31の高段吸入口41とを接続する中間連結管51が設けられ、低段吐出空間20と高段圧縮室35とが連通している。
低段フレーム14には、低段圧縮室15と低段吐出空間20とを連通する低段吐出口16が形成されている。低段吐出口16には、低段吐出弁17と低段弁押え18とがリベット28により取り付けられたリード弁が設けられている(図6参照)。同様に、高段フレーム34には、高段圧縮室35と高段吐出空間40とを連通する高段吐出口36が形成されている。高段吐出口36には、高段吐出弁37と高段弁押え38とがリベットにより取り付けられたリード弁が設けられている。
また、低段カバー19には、低段吐出空間20と密閉容器1の内部空間である吐出圧空間53とを連通するバイパス口23が設けられている。バイパス口23には、バイパス弁24とバイパス弁押え25とがリベット29により取り付けられたリード弁が設けられている(図5参照)。これらをバイパス機構と呼ぶ。
また、高段フレーム34と、高段シリンダ31と、中間仕切板50と、低段シリンダ11と、低段フレーム14と、低段カバー19とを貫通し、高段吐出空間40と吐出圧空間53とを連通する吐出流路52が設けられている。Further, the
A low-
Further, the low-
The
さらに、図4に示すように、低段カバー19には、インジェクタ60が設けられる。インジェクタ60には、インジェクションパイプ61が接続される。
Further, as shown in FIG. 4, the low-
次に、二段圧縮機100の動作について説明する。
電力が供給されると、電動機2が動作する。電動機2と圧縮機構部3とは、クランクシャフト4により接続されており、電動機2で発生した動力がクランクシャフト4を介して圧縮機構部3へ伝達される。具体的には、電力の供給を受けると、電動機2の回転子2bが回転する。回転子2bが回転すると、回転子2bに嵌挿されたクランクシャフト4も回転する。そして、クランクシャフト4が回転すると、クランクシャフト4が嵌挿された低段ローリングピストン12と高段ローリングピストン32とがそれぞれ低段圧縮室15と高段圧縮室35と内部で偏芯回転する。低段ローリングピストン12と高段ローリングピストン32とが偏芯回転することにより、低段圧縮部10と高段圧縮部30とで冷媒が圧縮される。Next, the operation of the two-
When electric power is supplied, the
次に、二段圧縮機100における冷媒の流れを説明する。
まず、外部から低圧の冷媒が吸入マフラ7へ流入する。吸入マフラ7へ流入した低圧の冷媒は、吸入管8を介して低段圧縮室15へ吸入される。低段圧縮室15へ吸入された低圧の冷媒は、低段圧縮室15内で中間圧まで圧縮される。冷媒が中間圧まで圧縮されると、低段圧縮室15内の冷媒と低段吐出空間20内の冷媒との圧力差により低段吐出弁17が開き、低段圧縮室15内の冷媒が低段吐出口16から低段吐出空間20へ吐出する。ここで、中間圧は、低段圧縮室15の吸入室の容積と高段圧縮室35の吸入室の容積との比から決定される圧力である。
低段吐出空間20へ吐出した中間圧の冷媒は、中間連結管51を介して高段圧縮室35へ吸入される。高段圧縮室35へ吸入された中間圧の冷媒は、高段圧縮室35内で吐出圧まで圧縮される。冷媒が吐出圧まで圧縮されると、高段圧縮室35内の冷媒と高段吐出空間40内の冷媒との圧力差により高段吐出弁37が開き、高段圧縮室35内の冷媒が高段吐出口36から高段吐出空間40へ吐出する。
高段吐出空間40へ吐出した吐出圧の冷媒は、吐出流路52を介して低段圧縮部10の上方の吐出圧空間53へ吐出される。そして、吐出圧空間53へ吐出された吐出圧の冷媒は、吐出管5から外部へ吐出される。
なお、二段圧縮機100を備えるヒートポンプ装置においてインジェクション運転がされている場合には、図4に示すインジェクションパイプ61からインジェクタ60を介して、インジェクション冷媒が低段吐出空間20へ注入される。インジェクション冷媒は、低段圧縮室15から吐出された中間圧の冷媒と低段吐出空間20で混合され、高段圧縮部30で圧縮される。Next, the refrigerant flow in the two-
First, a low-pressure refrigerant flows into the
The intermediate pressure refrigerant discharged to the low
The refrigerant having the discharge pressure discharged to the high
In addition, when the injection operation is performed in the heat pump apparatus including the two-
ヒートポンプ装置101の負荷が小さい場合等に、低段圧縮部10による圧縮だけで、吐出圧となってしまう過圧縮状態となる場合がある。つまり、上述した冷媒の中間圧が必要な吐出圧より高い圧力となってしまう場合がある。
この場合、低段吐出空間20の冷媒と、吐出圧空間53の冷媒との圧力差により、バイパス弁24が開き、低段吐出空間20の冷媒がバイパス口23から吐出圧空間53へ吐出される。つまり、低段圧縮部10から低段吐出空間20へ吐出された冷媒が、高段圧縮部30で圧縮されることなく、バイパスして吐出圧空間53へ吐出される。
過圧縮状態では、低段圧縮部10による圧縮だけで吐出圧となっているため、高段圧縮部30による圧縮は無駄であり、高段圧縮部30で圧縮を行うと効率が悪化する。しかし、二段圧縮機100では、過圧縮状態になった場合に、低段圧縮部10で圧縮した冷媒を高段圧縮部30をバイパスして吐出させる。そのため、過圧縮状態が発生した場合における損失(過圧縮損失)を抑制できる。When the load of the
In this case, the
In the overcompressed state, only the compression by the low-
特に、バイパス口23は低段カバー19に設けられている。そのため、バイパス口23から吐出圧空間53へ吐出される冷媒は、中間連結管51を通ることなく、密閉容器1内の吐出圧空間53へ吐出される。つまり、バイパス口23から吐出圧空間53へ吐出される冷媒は、狭く長い中間連結管51を通ることで圧縮損失が生じることなく、バイパス口23から吐出圧空間53へ吐出される。したがって、定常運転時において、効果的に過圧縮損失を抑制できる。
In particular, the
なお、上述したように、密閉容器1の下側は、潤滑油貯蔵部6を形成しており、潤滑油が封入されている。潤滑油は、圧縮機構部3における機械部分へ供給されるため、少なくとも上側に配置された圧縮部(図2では低段圧縮部10)まで浸る量が封入されている。
一般的な二段圧縮機では、低段圧縮部は高段圧縮部の下側に設けられる。そのため、低段吐出空間は、低段圧縮部の下側に設けられる。つまり、低段カバーは、低段圧縮部の下側に設けられる。したがって、低段吐出カバーは、潤滑油に浸った状態になる。この場合、潤滑油がバイパス口23から低段吐出空間へ侵入することや、バイパス口23から冷媒を吐出する際に潤滑油を巻き上げてしまい、圧縮機からの潤滑油の流出を増加させることがある。そのため、低段カバーにバイパス口を設けることはできず、特許文献1のように、低段吐出空間と高段圧縮部とを繋ぐ狭く細い流路にバイパス口を設けるしかない。
しかし、二段圧縮機100では、通常とは逆に、低段圧縮部10を高段圧縮部30の上側に設けた。そのため、低段吐出空間20は低段圧縮部10の上側に設けられ、低段カバー19は潤滑油に浸ることのない高さとすることができる。その結果、低段カバー19にバイパス口23を設けることができる。In addition, as mentioned above, the lower side of the
In a general two-stage compressor, the low-stage compression unit is provided below the high-stage compression unit. Therefore, the low stage discharge space is provided below the low stage compression section. That is, the low stage cover is provided below the low stage compression unit. Accordingly, the low-stage discharge cover is immersed in the lubricating oil. In this case, the lubricating oil may enter the low-stage discharge space from the
However, in the two-
また、中間連結管51ではなく、低段カバー19にバイパス口23を設けたため、バイパス弁24を簡単な構造のリード弁とすることができる。そのため、バイパス弁24及びバイパス弁押え25を、低段吐出弁17及び低段弁押え18と同一の部品とすることが可能となる。部品を共通化することにより、コストを低く抑えることができる。また、バイパス弁24の構造が簡単となるため、組み立てにかかるコストを低く抑えることもできる。
Further, since the
次に、二段圧縮機100を備えるヒートポンプ装置101について説明する。
図9は、インジェクション回路を有するヒートポンプ装置の回路構成の一例を示す図である。図10は、図9に示すヒートポンプ装置101の冷媒の状態についてのモリエル線図である。図10において、横軸は比エンタルピ、縦軸は冷媒圧力を示す。Next, the
FIG. 9 is a diagram illustrating an example of a circuit configuration of a heat pump apparatus having an injection circuit. FIG. 10 is a Mollier diagram of the refrigerant state of the
ヒートポンプ装置101は、二段圧縮機100、熱交換器71(第2熱交換器)、第1膨張弁72、レシーバー78、第3膨張弁74、熱交換器76(第1熱交換器)を配管により順次接続した主冷媒回路を備える。また、ヒートポンプ装置101は、レシーバー78と第3膨張弁74との間から、二段圧縮機100のインジェクションパイプ61までを配管により接続し、配管の途中に第2膨張弁75を備えるインジェクション回路を備える。また、ヒートポンプ装置101は、主冷媒回路における冷媒とインジェクション回路における冷媒とを熱交換させる内部熱交換器73を備える。さらに、ヒートポンプ装置101は、冷媒の流れる向きを変更する四方弁77を備える。
The
まず、ヒートポンプ装置101の暖房運転時の動作について説明する。暖房運転時には、四方弁77は実線方向に設定される。なお、この暖房運転とは、空調で使われる暖房だけでなく、水に熱を与えて温水を作る給湯も含む。
二段圧縮機100で高温高圧となった気相冷媒(図10の点1)は、二段圧縮機100の吐出管5から吐出され、凝縮器であり放熱器となる熱交換器71で熱交換されて液化する(図10の点2)。このとき、冷媒から放熱された熱により空気や水などが温められ、暖房や給湯がされる。
熱交換器71で液化された液相冷媒は、第1膨張弁72(減圧機構)で減圧され、気液二相状態になる(図10の点3)。第1膨張弁72で気液二相状態になった冷媒は、レシーバー78で二段圧縮機100へ吸入される冷媒と熱交換され、冷却されて液化される(図10の点4)。レシーバー78で液化された液相冷媒は、内部熱交換器73、第3膨張弁74側の主冷媒回路と、第2膨張弁75側のインジェクション回路とに分岐して流れる。
主冷媒回路を流れる液相冷媒は、第2膨張弁75で減圧され気液二相状態となったインジェクション回路を流れる冷媒と内部熱交換器73で熱交換されて、さらに冷却される(図10の点5)。内部熱交換器73で冷却された液相冷媒は、第3膨張弁74(減圧機構)で減圧されて気液二相状態になる(図10の点6)。第3膨張弁74で気液二相状態になった冷媒は、蒸発器となる熱交換器76で熱交換され、加熱される(図10の点7)。そして、熱交換器76で加熱された冷媒は、レシーバー78でさらに加熱され(図10の点8)、吸入管8から二段圧縮機100に吸入される。
一方、インジェクション回路を流れる冷媒は、上述したように、第2膨張弁75(減圧機構)で減圧されて(図10の点9)、内部熱交換器73で熱交換される(図10の点10)。内部熱交換器73で熱交換された気液二相状態の冷媒(インジェクション冷媒)は、気液二相状態のまま二段圧縮機100のインジェクションパイプ61から低段吐出空間20へ流入する。
二段圧縮機100内では、主冷媒回路を流れ吸入管8から吸入された冷媒(図10の点8)が、低段圧縮部10で中間圧まで圧縮、加熱される(図10の点11)。中間圧まで圧縮、加熱された低段吐出空間20へ吐出された冷媒(図10の点11)と、インジェクション冷媒(図10の点8)とが合流して、温度が低下する(図10の点12)。そして、温度が低下した冷媒(図10の点12)が、さらに高段圧縮部30で圧縮、加熱され高温高圧となり、吐出流路52から吐出圧空間53へ吐出される(図10の点1)。First, the operation | movement at the time of the heating operation of the
The gas-phase refrigerant (
The liquid-phase refrigerant liquefied by the
The liquid-phase refrigerant flowing through the main refrigerant circuit is heat-exchanged by the
On the other hand, as described above, the refrigerant flowing through the injection circuit is decompressed by the second expansion valve 75 (decompression mechanism) (
In the two-
なお、インジェクション運転を行わない場合には、第2膨張弁75の開度を全閉にする。つまり、インジェクション運転を行う場合には、第2膨張弁75の開度が所定の開度よりも大きくなっているが、インジェクション運転を行わない際には、第2膨張弁75の開度を所定の開度より小さくする。これにより、二段圧縮機100のインジェクションパイプ61へ冷媒が流入しない。つまり、熱交換器71、第1膨張弁72、レシーバー78を通過した冷媒の全てを吸入管8から二段圧縮機100へ吸入させる。
ここで、第2膨張弁75の開度は、制御部により電子制御により制御される。なお、制御部とは、例えば、マイクロコンピュータ等である。When the injection operation is not performed, the opening of the
Here, the opening degree of the
次に、ヒートポンプ装置101の冷房運転時の動作について説明する。冷房運転時には、四方弁77は破線方向に設定される。
二段圧縮機100で高温高圧となった気相冷媒(図10の点1)は、二段圧縮機100の吐出管5から吐出され、凝縮器であり放熱器となる熱交換器76で熱交換されて液化する(図10の点2)。熱交換器76で液化された液相冷媒は、第3膨張弁74で減圧され、気液二相状態になる(図10の点3)。第3膨張弁74で気液二相状態になった冷媒は、内部熱交換器73で熱交換され、冷却され液化される(図10の点4)。内部熱交換器73では、第3膨張弁74で気液二相状態になった冷媒と、内部熱交換器73で液化された液相冷媒を第2膨張弁75で減圧させて気液二相状態になった冷媒(図10の点9)とを熱交換させている。内部熱交換器73で熱交換された液相冷媒(図10の点4)は、レシーバー78側の主冷媒回路と、内部熱交換器73側のインジェクション回路とに分岐して流れる。
主冷媒回路を流れる液相冷媒は、レシーバー78で二段圧縮機100に吸入される冷媒と熱交換されて、さらに冷却される(図10の点5)。レシーバー78で冷却された液相冷媒は、第1膨張弁72で減圧されて気液二相状態になる(図10の点6)。第1膨張弁72で気液二相状態になった冷媒は、蒸発器となる熱交換器71で熱交換され、加熱される(図10の点7)。このとき、冷媒が吸熱することにより空気や水などが冷やされ、冷房やされたり、冷水や氷を作ったり、冷凍がされる。
そして、熱交換器71で加熱された冷媒は、レシーバー78でさらに加熱され(図10の点8)、吸入管8から二段圧縮機100に吸入される。
一方、インジェクション回路を流れる冷媒は、上述したように、第2膨張弁75で減圧されて(図10の点9)、内部熱交換器73で熱交換される(図10の点10)。内部熱交換器73で熱交換された気液二相状態の冷媒(インジェクション冷媒)は、気液二相状態のまま二段圧縮機100のインジェクションパイプ61から低段吐出空間20へ流入する。
二段圧縮機100内での圧縮動作については、暖房運転時と同様である。Next, the operation | movement at the time of the cooling operation of the
The gas-phase refrigerant (
The liquid-phase refrigerant flowing through the main refrigerant circuit is heat-exchanged with the refrigerant sucked into the two-
Then, the refrigerant heated by the
On the other hand, as described above, the refrigerant flowing through the injection circuit is decompressed by the second expansion valve 75 (
The compression operation in the two-
なお、インジェクション運転を行わない際には、暖房運転時と同様に、第2膨張弁75の開度を全閉にして、二段圧縮機100のインジェクションパイプ61へ冷媒が流入しないようにする。
When the injection operation is not performed, the opening of the
また、熱交換器71は、上述したとおり、高温高圧となった気相冷媒又は低温低圧となった液相冷媒と水等の液体との熱交換を行う熱交換器であってもよい。また、熱交換器71は、高温高圧となった気相冷媒又は低温低圧となった液相冷媒と空気等の気体との熱交換を行う熱交換器であってもよい。つまり、図9で説明したヒートポンプ装置101は、空調装置であってもよいし、給湯装置であってもよいし、冷凍装置や冷蔵装置であってもよい。
Further, as described above, the
ここで、インジェクション運転をするのは、負荷の高いときである。負荷とは、熱交換器71において主冷媒回路を流れる冷媒と熱交換される流体の温度を所定の温度にするのに必要な熱量である必要負荷である。必要負荷は、外気温や圧縮機の回転数等を指標として計ることができる。ここでは、図示されていない必要負荷検出部が、外気温や圧縮機の回転数等を検出して、必要負荷を検出しているものとする。
例えば、暖房運転の場合であれば、外気温が所定の温度(例えば、2℃)以下の場合や、圧縮機の回転数が所定の周波数(例えば、60Hz)以上の場合に、インジェクション運転する。これにより、低外気温時における暖房能力を高くすることができ、暖房や給湯性能のよいヒートポンプ装置が得られる。インジェクション運転の必要がないこの他のような場合には、暖房運転時であっても、第2膨張弁75の開度を全閉にして、インジェクション運転を行わない。Here, the injection operation is performed when the load is high. The load is a necessary load that is an amount of heat necessary to bring the temperature of the fluid that exchanges heat with the refrigerant flowing through the main refrigerant circuit in the
For example, in the case of heating operation, the injection operation is performed when the outside air temperature is equal to or lower than a predetermined temperature (for example, 2 ° C.) or when the rotational speed of the compressor is equal to or higher than a predetermined frequency (for example, 60 Hz). Thereby, the heating capability at the time of low outside temperature can be made high, and the heat pump apparatus with a good heating and hot water supply performance is obtained. In other cases where the injection operation is not necessary, the opening of the
また、上述したように、二段圧縮機100は、負荷が低くなり、過圧縮状態となるとバイパス機構が作動する。すると、低段圧縮部10が圧縮した冷媒は、高段圧縮部30に圧縮されることなくバイパスして、吐出圧空間53へ吐出され、吐出管5から冷媒回路へ吐出する。
Moreover, as above-mentioned, as for the two-
つまり、ヒートポンプ装置101は、負荷の高さに応じて、以下の(1)から(3)の運転制御を行う。
(1)負荷が高い場合(負荷が予め設定された第2の負荷よりも高い場合)には、第2膨張弁75の開度を大きくしてインジェクション運転を行う。
(2)負荷が中程度の場合(負荷が、第2の負荷よりも低く、第2の負荷より低く設定された第1の負荷よりも高い場合)には、第2膨張弁75の開度を小さくしてインジェクション運転を行わず、低段圧縮部10と高段圧縮部30とで二段圧縮を行う。
(3)負荷が低い場合(負荷が第1の負荷よりも低い場合)には、バイパス弁24が開いて高段圧縮部30をバイパスさせて主に低段圧縮部10のみで圧縮する。
これにより、負荷の高い場合には、高い能力を発揮する運転を行うことができ、負荷が低い場合には、能力を抑えて効率的な運転をすることができる。That is, the
(1) When the load is high (when the load is higher than a preset second load), the opening of the
(2) When the load is medium (when the load is lower than the second load and higher than the first load set lower than the second load), the opening of the
(3) When the load is low (when the load is lower than the first load), the
As a result, when the load is high, it is possible to perform an operation that exhibits a high capacity, and when the load is low, it is possible to perform an efficient operation while suppressing the capacity.
実施の形態2.
実施の形態2では、吸入マフラ7へ流入した冷媒を、低段圧縮部10をバイパスさせて高段圧縮部30へ吸入させる機構を有する二段圧縮機100について説明する。
In the second embodiment, a description will be given of a two-
図11は、実施の形態2に係る二段圧縮機100の構成図である。
実施の形態2に係る二段圧縮機100について、実施の形態1に係る二段圧縮機100と異なる部分のみ説明する。
二段圧縮機100は、吸入マフラ7と低段圧縮部10の低段吸入口21とを繋ぐ吸入管8の途中と、低段カバー19の中間流出口22と高段圧縮部30の高段吸入口41とを繋ぐ中間連結管51の途中とに、四方弁54(切替部)を備える。
四方弁54は、吸入マフラ7と低段吸入口21とを繋ぐとともに、中間流出口22と高段吸入口41とを繋いだ状態(実線で示す流路)と、吸入マフラ7と高段吸入口41とを繋ぐとともに、低段吸入口21と中間流出口22とを繋いだ状態(破線で示す流路)とを切り替える。特に、四方弁54は、通常運転時には、吸入マフラ7と低段吸入口21とを繋ぐとともに、中間流出口22と高段吸入口41とを繋いだ状態(実線で示す流路)にする。一方、負荷の低い場合には、吸入マフラ7と高段吸入口41とを繋ぐとともに、低段吸入口21と中間流出口22とを繋いだ状態(破線で示す流路)にする。つまり、通常運転時には、吸入マフラ7へ流入した冷媒を低段圧縮部10へ吸入させ、負荷が低い場合には、吸入マフラ7へ流入した冷媒を低段圧縮部10に圧縮させることなくバイパスさせて高段圧縮部30へ吸入させる。FIG. 11 is a configuration diagram of the two-
Only the difference between the two-
The two-
The four-
これにより、実施の形態2に係る二段圧縮機100は、負荷が低く、低段圧縮部10と高段圧縮部30との両方で圧縮する必要がない場合に、高段圧縮部30のみで冷媒を圧縮することができる。そのため、二段圧縮機100は、負荷が低い場合における圧縮機効率をよくすることができる。
また、実施の形態2に係る二段圧縮機100は、吸入マフラ7へ流入した冷媒を、低段圧縮部10を通過させることなく高段圧縮部30に直接吸入させることができるため、低段圧縮部10によるプレヒートロスが発生しない。As a result, the two-
Further, since the two-
なお、電動機の運転回転数が変更可能ないわゆるインバータ式の圧縮機では、ヒートポンプ装置の負荷変動に応じ、電動機の回転数を変更することにより冷媒循環量を調整する。つまり、負荷が低く冷媒循環量を少なくしなければならない場合には、電動機の回転数を少なくすることにより冷媒循環量を少なくする。一方、負荷が高く冷媒循環量が多くなければならない場合には、電動機の回転数を多くすることにより冷媒循環量を多くする。
一般に、電動機の効率特性は定格回転数にピークとなるように設計されている。したがって、定格回転数に近い回転数で電動機を運転することが、圧縮機効率の観点からは望ましい。In the so-called inverter type compressor in which the operating rotational speed of the electric motor can be changed, the refrigerant circulation amount is adjusted by changing the rotational speed of the electric motor according to the load fluctuation of the heat pump device. That is, when the load is low and the refrigerant circulation amount must be reduced, the refrigerant circulation amount is reduced by reducing the number of revolutions of the electric motor. On the other hand, when the load is high and the refrigerant circulation amount must be large, the refrigerant circulation amount is increased by increasing the number of revolutions of the electric motor.
In general, the efficiency characteristics of an electric motor are designed to reach a peak at the rated rotational speed. Therefore, it is desirable from the viewpoint of compressor efficiency to operate the electric motor at a rotational speed close to the rated rotational speed.
実施の形態1で説明したように、二段圧縮機100は、負荷が低い場合、バイパス口23から冷媒を吐出することで、主に低段圧縮部10のみで冷媒を圧縮することが可能である。また、実施の形態2では、上述したように、二段圧縮機100は、負荷が低い場合、四方弁54を切り替えることにより、高段圧縮部30のみで冷媒を圧縮することが可能である。つまり、二段圧縮機100は、主に低段圧縮部10のみで冷媒を圧縮することも、高段圧縮部30のみで冷媒を圧縮することも可能である。
ここで、実施の形態1で説明したように、高段圧縮部30の圧縮室容積(高段圧縮室35の容積)は低段圧縮部10の圧縮室容積(低段圧縮室15の容積)よりも小さい。圧縮室容積が大きい圧縮機と、圧縮室容積が小さい圧縮機とで同じ冷媒循環量とするには、圧縮室容積が大きい圧縮機における電動機の回転数を、圧縮室容積が小さい圧縮機における電動機の回転数よりも少なくする必要がある。つまり、二段圧縮機100において同じ冷媒循環量とするには、高段圧縮部30のみで冷媒を圧縮する場合に比べ、主に低段圧縮部10のみで冷媒を圧縮する場合には、圧縮室容積が大きい分、電動機の回転数を少なくする必要がある。
そこで、二段圧縮機100は、負荷が低い場合、負荷の低さの程度に応じて、主に低段圧縮部10のみで冷媒を圧縮する運転と、高段圧縮部30のみで冷媒を圧縮する運転とを切り替える。具体的には、負荷の低さの程度が弱い場合、四方弁54は切り替えず、バイパス機構を作動させることにより主に低段圧縮部10のみで冷媒を圧縮させる。一方、負荷の低さの程度が強い場合(つまり、非常に負荷が低い場合)、四方弁54を切り替えて、高段圧縮部30のみで冷媒を圧縮させる。
つまり、低段圧縮部10で冷媒を圧縮したのでは、回転数を定格回転数よりも少なくしなければならない場合に、四方弁54を切り替えて高段圧縮部30のみで圧縮するように切り替える。これにより、電動機の回転数を多くすることができ、電動機の回転数を定格回転数に近づけることができる。その結果、効率をよくすることができる。As described in the first embodiment, when the load is low, the two-
Here, as described in the first embodiment, the compression chamber volume of the high-stage compression unit 30 (volume of the high-stage compression chamber 35) is the compression chamber volume of the low-stage compression unit 10 (volume of the low-stage compression chamber 15). Smaller than. In order to obtain the same refrigerant circulation amount in a compressor having a large compression chamber volume and a compressor having a small compression chamber volume, the number of revolutions of the motor in the compressor having a large compression chamber volume is set to the electric motor in the compressor having a small compression chamber volume. It is necessary to make it less than the number of rotations. That is, in order to obtain the same refrigerant circulation amount in the two-
Therefore, when the load is low, the two-
That is, when the refrigerant is compressed by the low-
すなわち、実施の形態2に係る二段圧縮機100を備えるヒートポンプ装置101は、負荷に応じて(1)から(4)までの運転制御を行う。
(1)負荷が高い場合(負荷が予め設定された第2の負荷よりも高い場合)には、第2膨張弁75の開度を大きくしてインジェクション運転を行う。
(2)負荷が中程度の場合(負荷が、第2の負荷よりも低く、第2の負荷よりも低く設定された第1の負荷よりも高い場合)には、第2膨張弁75の開度を小さくしてインジェクション運転を行わず、低段圧縮部10と高段圧縮部30とで二段圧縮を行う。
(3)負荷が低い場合(負荷が、第1の負荷よりも低く、第1の負荷よりも低く設定された第3の負荷よりも高い場合)には、バイパス弁24が開いて高段圧縮部30をバイパスさせて主に低段圧縮部10のみで圧縮する。
(4)負荷が非常に低い場合(負荷が第3の負荷よりも低い場合)には、四方弁54を切り替えて、低段圧縮部10をバイパスさせて吸入マフラ7から高段圧縮部30へ冷媒を吸入させ、高段圧縮部30のみで圧縮する。That is, the
(1) When the load is high (when the load is higher than a preset second load), the opening of the
(2) When the load is medium (when the load is lower than the second load and higher than the first load set lower than the second load), the
(3) When the load is low (when the load is lower than the first load and higher than the third load set lower than the first load), the
(4) When the load is very low (when the load is lower than the third load), the four-
これにより、実施の形態2に係る二段圧縮機100を備えるヒートポンプ装置101は、負荷が非常に低い場合における効率をよくすることができる。
なお、四方弁54は、制御部により電子制御される。Thereby, the
The four-
実施の形態3.
実施の形態3では、高段圧縮部30の吸入冷媒を低段圧縮部10の低段ベーン13の低段背圧室26へ供給する二段圧縮機100について説明する。
In the third embodiment, a description will be given of a two-
図12は、実施の形態3に係る二段圧縮機100の圧縮機構部3部分の断面図である。
実施の形態3に係る二段圧縮機100について、実施の形態2に係る二段圧縮機100と異なる部分のみ説明する。
二段圧縮機100は、中間仕切板50を貫通して、高段吸入口41から高段圧縮室35までの間の高段吸入流路42と、低段圧縮部10の低段背圧室26とを連通する圧力導入路55を備える。
圧力導入路55を備えることにより、低段背圧室26へは高段圧縮室35へ吸入される冷媒が流入する。つまり、低段背圧室26内の圧力は、高段圧縮部30の吸入冷媒の圧力と同一となる。FIG. 12 is a cross-sectional view of the
Only the parts different from the two-
The two-
By providing the
次に、低段ベーン13にかかる力について説明する。
図13は、低段ベーン13にかかる力の説明図である。
低段ベーン13には、低段背圧室26側から低段圧縮室15側へ向かって、低段背圧室26内の圧力Pvと低段ベーン13において圧力Pvが作用する部分の面積vとの積で表される力(Pv×v)と、バネ27の力Pspとがかかる。つまり、低段ベーン13には、低段背圧室26側から低段圧縮室15側へ向かって、「Pv×v+Psp」の力がかかる。
一方、低段ベーン13には、低段圧縮室15側から低段背圧室26側へ向かって、吸入冷媒の圧力Psと低段ベーン13において圧力Psが作用する部分の面積aとの積で表される力(Ps×a)と、吐出冷媒の圧力Pcと低段ベーン13において圧力Pcが作用する部分の面積bとの積で表される力(Pc×b)とがかかる。さらに、低段圧縮室15側から低段背圧室26側へ向かって、低段ローリングピストン12が偏芯回転することにより押される力x(ベーン遠心力)とがかかる。つまり、低段ベーン13には、低段圧縮室15側から低段背圧室26側へ向かって、「(Ps×a)+(Pc×b)+x」の力がかかる。
すなわち、低段ベーン13には、Fv=(Pv×v+Psp)−((Ps×a)+(Pc×b)+x)の力がかかる。なお、面積v=面積a+面積bである。Next, the force applied to the
FIG. 13 is an explanatory diagram of the force applied to the
In the
On the other hand, in the
That is, a force of Fv = (Pv × v + Psp) − ((Ps × a) + (Pc × b) + x) is applied to the
四方弁54を図11の実線で示す流路とした場合(通常運転時)の低段ベーン13にかかる力について説明する。
まず、低段背圧室26内の圧力Pvについて説明する。
通常運転時には、低段圧縮部10で圧縮され低段吐出空間20へ吐出された冷媒は、中間連結管51と高段吸入流路42とを介して高段圧縮部30の高段圧縮室35へ吸入される。高段吸入流路42を冷媒が通過する際、圧力導入路55から低段背圧室26へ一部の冷媒が流入する。したがって、低段背圧室26へは、低段圧縮部10で圧縮された中間圧の冷媒が流入する。なお、正確には、低段背圧室26内の冷媒の圧力Pvは、低段圧縮部10から吐出された中間圧ではなく、中間連結管51を通ることにより、中間連結管51の抵抗の分だけ中間圧に加圧された圧力である。つまり、低段背圧室26内の冷媒の圧力Pvは、中間圧よりも若干高い圧力である。
次に、低段圧縮室15内の圧力について説明する。
通常運転時には、低段圧縮部10では低圧の冷媒を中間圧まで圧縮する。つまり、吸入冷媒の圧力Psが低圧であり、吐出冷媒の圧力Pcが中間圧である。
つまり、通常運転時には、低段背圧室26内の圧力Pv(中間圧よりも若干高い圧力)は、低段圧縮室15内の圧力Ps(低圧)や圧力Pc(中間圧)よりも高い。A description will be given of the force applied to the
First, the pressure Pv in the low stage back
During normal operation, the refrigerant compressed by the low-
Next, the pressure in the low-
During normal operation, the low-
That is, during normal operation, the pressure Pv in the low-stage back pressure chamber 26 (pressure slightly higher than the intermediate pressure) is higher than the pressure Ps (low pressure) and pressure Pc (intermediate pressure) in the low-
四方弁54を図11の破線で示す流路とした場合(低段圧縮部10をバイパスさせた場合)の低段ベーン13にかかる力について説明する。
まず、低段背圧室26内の圧力Pvについて説明する。
低段圧縮部10をバイパスさせた場合には、吸入マフラ7へ流入した冷媒が、低段圧縮部10をバイパスして、中間連結管51と高段吸入流路42とを介して高段圧縮室35へ吸入される。高段吸入流路42を冷媒が通過する際、圧力導入路55から低段背圧室26へ一部の冷媒が流入する。したがって、低段背圧室26へは、吸入マフラ7へ流入した低圧の冷媒が流入する。つまり低段背圧室26内の圧力Pvは低圧である。
次に、低段圧縮室15内の圧力について説明する。
低段圧縮部10をバイパスさせた場合には、低段圧縮部10は吸入マフラ7から冷媒を吸入せず、低段圧縮部10における冷媒は、低段圧縮室15と低段吐出空間20とを循環する冷媒である。したがって、同じ冷媒が繰り返し低段圧縮部10で圧縮される。しかし、吐出圧よりも高い圧力となった冷媒は、バイパス口23から吐出圧空間53へ吐出される。したがって、低段圧縮室15内の圧力は、低圧から吐出圧まで変化する。
つまり、低段圧縮部10をバイパスさせた場合には、低段背圧室26内の圧力Pv(低圧)は、低段圧縮室15内の圧力Psや圧力Pcと同等、あるいは低い。なお、一時的に、低段背圧室26内の圧力Pvが低段圧縮室15内の圧力と同等になる場合があるものの、すぐに低段背圧室26内の圧力Pvの方が低段圧縮室15内の圧力よりも低くなる。The force applied to the
First, the pressure Pv in the low stage back
When the low-
Next, the pressure in the low-
When the low-
That is, when the low-
そこで、バネ27の力Pspやベーン遠心力xを調整することにより、通常運転時には、低段ベーン13にかかる力Fvが0より大きくなり、低段圧縮部10をバイパスさせた場合には、低段ベーン13にかかる力Fvが0より小さくなるようにできる。つまり、通常運転時には、低段ベーン13に、低段背圧室26側から低段圧縮室15側へ向かってかかる力が、低段圧縮室15側から低段背圧室26側へ向かってかかる力よりも大きくなるようにする。一方、低段圧縮部10をバイパスさせた場合には、低段ベーン13に、低段背圧室26側から低段圧縮室15側へ向かってかかる力が、低段圧縮室15側から低段背圧室26側へ向かってかかる力よりも小さくなるようにする。
このように設定することで、通常運転時には、低段ベーン13は低段ローリングピストン12へ押し付けられる。つまり、低段ローリングピストン12の公転に対して、低段ベーン13は高い追従性を持つ。一方、低段圧縮部10をバイパスさせた場合には、低段ベーン13は低段ローリングピストン12へ押し付けられることがほとんどない。つまり、低段ベーン13と低段ローリングピストン12との摩擦損失が小さくなる。Therefore, by adjusting the force Psp of the
By setting in this way, the
低段ベーン13と低段ローリングピストン12との摩擦損失が小さくなるため、実施の形態3に係る二段圧縮機100を備えるヒートポンプ装置101は、負荷が非常に低い場合における効率をよりよくすることができる。
Since the friction loss between the low-
実施の形態4.
実施の形態4では、必要トルクに合わせて発生トルクを制御する二段圧縮機100について説明する。
In the fourth embodiment, a two-
図14は、通常のツインロータリ圧縮機のトルク変動を示す図である。なお、ツインロータリ圧縮機とは、2つの圧縮部が並列に動作する圧縮機である。
図15は、実施の形態1に係る二段圧縮機100を通常運転した場合におけるトルク変動を示す図である。なお、通常運転とは、吸入マフラ7から低段圧縮部10へ冷媒を吸入させる運転であって、バイパス弁24が閉じ、バイパス口23から冷媒が吐出されない運転である。
図16は、実施の形態1に係る二段圧縮機100を過圧縮リリーフ運転した場合におけるトルク変動を示す図である。なお、過圧縮リリーフ運転とは、吸入マフラ7から低段圧縮部10へ冷媒を吸入させる運転であって、バイパス機構が作動してバイパス口23から冷媒が吐出される運転である。
図17は、実施の形態2に係る二段圧縮機100を高段側直接吸入運転した場合におけるトルク変動を示す図である。なお、高段側直接吸入運転とは、四方弁54を図11の破線の流路に切り替え、吸入マフラ7から高段圧縮部30へ吸入させる運転である。FIG. 14 is a diagram showing torque fluctuation of a normal twin rotary compressor. The twin rotary compressor is a compressor in which two compression units operate in parallel.
FIG. 15 is a diagram illustrating torque fluctuation when the two-
FIG. 16 is a diagram showing torque fluctuations when the two-
FIG. 17 is a diagram showing torque fluctuations when the two-
図14から図17に示すように、ツインロータリ圧縮機に比べ、二段圧縮機においては、クランクシャフト4のクランク角度の変化に伴う回転トルク変動が大きい。クランク角度の変化に伴う回転トルク変動が大きい場合、電動機の効率が低下するとともに、振動が大きくなる。特に、クランク角度の変化に伴う回転トルク変動が大きいことによる電動機の効率の低下は、電動機が低回転数で運転される場合、つまり負荷が小さい場合における効率に大きな影響を及ぼす。また、振動が大きくなると、騒音を引き起こすとともに、ヒートポンプ装置の配管の信頼性を低下させることにつながる。
As shown in FIGS. 14 to 17, in the two-stage compressor, fluctuations in rotational torque accompanying changes in the crank angle of the
ツインロータリ圧縮機では、同一圧縮室容積の2つの圧縮部が、ローリングピストンの偏芯位相を180度ずらして配置されているため、2つの圧縮部で互いにトルクを打ち消し合う。そのため、図14に示すように、ツインロータリ圧縮機ではクランク角度の変化に伴うトルク変動が小さい。
これに対して、二段圧縮機100では、実施の形態1で説明したように、低段圧縮部10の圧縮室容積に比べ、高段圧縮部30の圧縮室容積が小さい。つまり、低段圧縮部10と高段圧縮部30との圧縮仕事には差がある。そのため、図15に示すように、ツインロータリ圧縮機に比べ、二段圧縮機100は、クランク角度の変化に伴う回転トルク変動が大きい。特に、低段圧縮室15から低段吐出空間20へ冷媒を吐出するタイミングと、高段圧縮室35から高段吐出空間40へ冷媒を吐出するタイミングとにおいて、回転トルクが大きく変動する。
また、図16に示すように、過圧縮リリーフ運転した場合、図14に示す通常運転時よりも、クランク角度の変化に伴う回転トルク変動が若干大きくなる。これは、主に低段圧縮部10のみで圧縮されるため、圧縮部を1つしか有さないシングルロータリ圧縮機に近い挙動となるためである。つまり、2つの圧縮部間でトルクの打ち消しがほとんどなくなるためである。
さらに、図17に示すように、高段側直接吸入運転した場合、図16に示す過圧縮リリーフ運転した場合と同様にシングルロータリ圧縮機に近い挙動となり、クランク角度の変化に伴う回転トルク変動が大きくなる。In the twin rotary compressor, the two compression parts having the same compression chamber volume are arranged with the eccentric phase of the rolling piston shifted by 180 degrees, so the torques cancel each other out. Therefore, as shown in FIG. 14, in the twin rotary compressor, the torque fluctuation accompanying the change in the crank angle is small.
On the other hand, in the two-
Further, as shown in FIG. 16, when the overcompression relief operation is performed, the rotational torque fluctuation accompanying the change of the crank angle becomes slightly larger than that in the normal operation shown in FIG. This is because the compression is mainly performed only by the low-
Further, as shown in FIG. 17, when the high-stage direct suction operation is performed, the behavior is similar to that of the single rotary compressor as in the case of the overcompression relief operation shown in FIG. growing.
そこで、二段圧縮機100は、制御部により、運転に必要なトルク(負荷トルク)である必要トルクに合わせてトルク(出力トルク)が発生するように電動機2を制御する。これにより、トルク変動を小さく抑える。ここで、必要トルクは、例えば、圧縮機の回転数、電流の変化、振動の変化、クランク角度等から判断することが可能である。
例えば、制御部は、圧縮機の回転数とクランク角度とから必要トルクを判断する。例えば、制御部は、予め圧縮機の回転数毎、クランク角度毎に必要トルクを記録したテーブルをメモリに記憶しておく。制御部は、運転中、圧縮機の回転数とクランク角度とを検出し、検出した圧縮機の回転数とクランク角度とに対応する必要トルクをメモリから読み出す。そして、制御部は読み出した必要トルクが発生するように電動機2を制御する。また、圧縮機の回転数やクランク角度等の諸指標に対応する必要トルクを運転中に学習する学習制御を行い、学習した結果に従いトルク制御をしてもよい。Therefore, in the two-
For example, the control unit determines the necessary torque from the rotation speed of the compressor and the crank angle. For example, the control unit stores in advance a table in which necessary torque is recorded for each rotation speed and crank angle of the compressor in a memory. During operation, the control unit detects the rotational speed and the crank angle of the compressor, and reads out the necessary torque corresponding to the detected rotational speed and crank angle of the compressor from the memory. And a control part controls the
トルク変動を小さく抑えることにより、圧縮機の効率をさらに高くすることができるとともに、振動を小さくすることができる。 By suppressing the torque fluctuation to be small, the efficiency of the compressor can be further increased and vibration can be reduced.
以上をまとめると次のようになる。
二段圧縮機100は、低段圧縮部10を上側、高段圧縮部30を下側に配置したロータリ二段圧縮機であり、低段圧縮部10の低段吐出空間20を構成する低段カバー19に、吐出圧空間53と連通するバイパス口23とバイパス弁24とを設置したことを特徴とする。The above is summarized as follows.
The two-
また、二段圧縮機100は、吸入マフラ7に接続された吸入管と、低段圧縮部10の吸入管と、低段圧縮部10の吐出管、高段圧縮部30の吸入管を四方弁54にて接続し、吸入マフラ7に接続された吸入管と高段圧縮部30の吸入管を連通させ、吸入冷媒ガスを低段圧縮部10を介さず高段圧縮部30に直接吸入するように構成したことを特徴とする。
Further, the two-
さらに、二段圧縮機100は、低段圧縮部10の低段背圧室26に高段圧縮部30の吸入圧力を連通させたことを特徴とする。
Further, the two-
また、さらに、二段圧縮機100は、回転トルクの変動に応じたトルク制御を実施することを特徴とする。
Furthermore, the two-
1 密閉容器、2 電動機、2a 固定子、2b 回転子、3 圧縮機構部、4 クランクシャフト、5 吐出管、6 潤滑油貯蔵部、7 吸入マフラ、8 吸入管、10 低段圧縮部、11 低段シリンダ、12 低段ローリングピストン、13 低段ベーン、14 低段フレーム、15 低段圧縮室、16 低段吐出口、17 低段吐出弁、18 低段弁押え、19 低段カバー、20 低段吐出空間、21 低段吸入口、22 中間流出口、23 バイパス口、24 バイパス弁、25 バイパス弁押え、26 低段背圧室、27 バネ、28,29 リベット、30 高段圧縮部、31 高段シリンダ、32 高段ローリングピストン、33 高段ベーン、34 高段フレーム、35 高段圧縮室、36 高段吐出口、37 高段吐出弁、38 高段弁押え、39 高段カバー、40 高段吐出空間、41 高段吸入口、42 高段吸入流路、46 高段背圧室、50 中間仕切板、51 中間連結管、52 吐出流路、53 吐出圧空間、54 四方弁、55 圧力導入路、60 インジェクタ、61 インジェクションパイプ、71 熱交換器、72 第1膨張弁、73 内部熱交換器、74 第3膨張弁、75 第2膨張弁、76 熱交換器、77 四方弁、78 レシーバー、100 二段圧縮機、101 ヒートポンプ装置。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Airtight container, 2 Electric motor, 2a Stator, 2b Rotor, 3 Compression mechanism part, 4 Crankshaft, 5 Discharge pipe, 6 Lubricating oil storage part, 7 Intake muffler, 8 Intake pipe, 10 Low stage compression part, 11 Low Stage cylinder, 12 Low stage rolling piston, 13 Low stage vane, 14 Low stage frame, 15 Low stage compression chamber, 16 Low stage discharge port, 17 Low stage discharge valve, 18 Low stage valve presser, 19 Low stage cover, 20 Low Stage discharge space, 21 Low stage suction port, 22 Intermediate outlet, 23 Bypass port, 24 Bypass valve, 25 Bypass valve presser, 26 Low stage back pressure chamber, 27 Spring, 28, 29 Rivet, 30 High stage compression section, 31 High stage cylinder, 32 High stage rolling piston, 33 High stage vane, 34 High stage frame, 35 High stage compression chamber, 36 High stage discharge port, 37 High stage discharge valve, 38 High stage valve presser, 3 9 High-stage cover, 40 High-stage discharge space, 41 High-stage suction port, 42 High-stage suction flow path, 46 High-stage back pressure chamber, 50 Intermediate partition plate, 51 Intermediate connection pipe, 52 Discharge flow path, 53 Discharge pressure space 54 Four-way valve, 55 Pressure introduction path, 60 Injector, 61 Injection pipe, 71 Heat exchanger, 72 First expansion valve, 73 Internal heat exchanger, 74 Third expansion valve, 75 Second expansion valve, 76 Heat exchanger 77 Four-way valve, 78 Receiver, 100 Two-stage compressor, 101 Heat pump device.
Claims (14)
前記圧縮機は、
前記主冷媒回路から圧縮室へ吸入した冷媒を圧縮して吐出口から吐出する低段圧縮部と、
前記低段圧縮部の上側に設けられた低段吐出部であって、前記低段圧縮部が圧縮した冷媒が前記吐出口から吐出される吐出空間を形成する低段吐出部と、
前記低段吐出部が形成する前記吐出空間に一端が接続された中間連結管と、
前記低段圧縮部の下側に設けられた高段圧縮部であって、前記中間連結管の他端が接続され、前記吐出空間に吐出された冷媒を前記中間連結管から圧縮室へ吸入して圧縮する高段圧縮部と、
前記低段圧縮部と前記高段圧縮部と前記低段吐出部とを収納する内部空間であって、前記高段圧縮部が圧縮した冷媒が吐出される内部空間を形成する密閉容器とを備え、
前記低段吐出部は、前記吐出空間と前記密閉容器の前記内部空間とを繋ぐバイパス口が形成されるとともに、前記第1熱交換器において前記主冷媒回路を流れる冷媒と熱交換される流体の温度を所定の温度にするのに必要な熱量である必要負荷が、予め設定された第1の負荷よりも低い場合に開く開閉弁を前記バイパス口に備え、
前記必要負荷が前記第1の負荷よりも高い場合には、前記低段圧縮部と前記高段圧縮部とが圧縮した冷媒が前記主冷媒回路へ吐出され、前記必要負荷が前記第1の負荷よりも低い場合には、前記低段圧縮部が圧縮した冷媒が前記高段圧縮部に圧縮させることなくバイパスして前記主冷媒回路へ吐出される
ことを特徴とするヒートポンプ装置。 A main refrigerant circuit in which a compressor, a first heat exchanger, a first expansion mechanism, and a second heat exchanger are sequentially connected by piping;
The compressor is
A low-stage compression section that compresses the refrigerant sucked into the compression chamber from the main refrigerant circuit and discharges the refrigerant from the discharge port;
A low-stage discharge unit provided on the upper side of the low-stage compression unit, the low-stage discharge unit forming a discharge space in which the refrigerant compressed by the low-stage compression unit is discharged from the discharge port;
An intermediate connecting pipe having one end connected to the discharge space formed by the low-stage discharge unit;
A high-stage compression section provided below the low-stage compression section, the other end of the intermediate connection pipe being connected, and the refrigerant discharged into the discharge space being sucked into the compression chamber from the intermediate connection pipe A high-stage compression section that compresses
An internal space that houses the low-stage compression section, the high-stage compression section, and the low-stage discharge section, and includes a sealed container that forms an internal space in which the refrigerant compressed by the high-stage compression section is discharged. ,
The low-stage discharge part is formed with a bypass port that connects the discharge space and the internal space of the sealed container, and in the first heat exchanger, the low-stage discharge part is configured to exchange heat with the refrigerant flowing through the main refrigerant circuit. The bypass port is provided with an on-off valve that opens when the required load, which is the amount of heat necessary to bring the temperature to a predetermined temperature, is lower than the first load set in advance,
When the necessary load is higher than the first load, the refrigerant compressed by the low-stage compression unit and the high-stage compression unit is discharged to the main refrigerant circuit, and the necessary load is the first load. The heat pump device, wherein the refrigerant compressed by the low-stage compression unit is bypassed and discharged to the main refrigerant circuit without being compressed by the high-stage compression unit .
前記主冷媒回路における前記第1熱交換器と前記第1膨張機構との間から、前記圧縮機における前記低段圧縮部と前記高段圧縮部とを繋ぐ中間流路であって、前記低段吐出部と前記中間連結管とによって形成された中間流路に接続されたインジェクションパイプまでを配管により接続し、前記配管の途中に第2膨張機構が設けられたインジェクション回路と、
前記第1の負荷よりも高く設定された第2の負荷よりも前記必要負荷が高い場合には、前記インジェクション回路に設けられた前記第2膨張機構の開度を所定の開度以上に広げて、前記主冷媒回路を前記第1熱交換器から前記膨張機構へ向かって流れる冷媒の一部が前記インジェクション回路を介して前記インジェクションパイプから前記圧縮機の前記中間流路へ注入するように制御する制御部と
を備えることを特徴とする請求項1に記載のヒートポンプ装置。 The heat pump device further includes:
Said main from between the first heat exchanger the first expansion mechanism in the refrigerant circuit, an intermediate flow path connecting said in the compressor and low-stage compressing section and the high-stage compressing section, the low-stage An injection circuit in which a pipe is connected to an injection pipe connected to an intermediate flow path formed by a discharge portion and the intermediate connecting pipe, and a second expansion mechanism is provided in the middle of the pipe;
When the required load is higher than the second load set higher than the first load, the opening of the second expansion mechanism provided in the injection circuit is widened to a predetermined opening or more. The main refrigerant circuit is controlled so that a part of the refrigerant flowing from the first heat exchanger toward the expansion mechanism is injected from the injection pipe into the intermediate flow path of the compressor via the injection circuit. The heat pump device according to claim 1, further comprising a control unit.
前記第1の負荷よりも低く設定された第3の負荷よりも前記必要負荷が低い場合には、前記主冷媒回路から流入する冷媒を、前記低段圧縮部に圧縮させることなくバイパスして、前記高段圧縮部に吸入させる切替部
を備えることを特徴とする請求項1に記載のヒートポンプ装置。 The compressor further includes:
When the required load is lower than the third load set lower than the first load, bypass the refrigerant flowing from the main refrigerant circuit without compressing the low-stage compression unit, The heat pump apparatus according to claim 1, further comprising a switching unit that causes the high-stage compression unit to inhale.
前記低段圧縮部の上側に設けられた低段吐出部であって、前記低段圧縮部が圧縮した冷媒が前記吐出口から吐出される吐出空間を形成する低段吐出部と、
前記低段吐出部が形成する前記吐出空間に一端が接続された中間連結管と、
前記低段圧縮部の下側に設けられた高段圧縮部であって、前記中間連結管の他端が接続され、前記吐出空間に吐出された冷媒を前記中間連結管から圧縮室へ吸入して圧縮する高段圧縮部と、
前記低段圧縮部と前記高段圧縮部と前記低段吐出部とを収納する内部空間であって、前記高段圧縮部が圧縮した冷媒が吐出される内部空間を形成する密閉容器とを備え、
前記低段吐出部は、前記吐出空間と前記密閉容器の前記内部空間とを繋ぐバイパス口が形成されるとともに、前記吐出空間における冷媒の圧力が前記内部空間における冷媒の圧力よりも高い場合に開く開閉弁を前記バイパス口に備えた
ことを特徴とする二段圧縮機。 A low-stage compression section that compresses the refrigerant sucked into the compression chamber from the suction port and discharges the refrigerant from the discharge port;
A low-stage discharge unit provided on the upper side of the low-stage compression unit, the low-stage discharge unit forming a discharge space in which the refrigerant compressed by the low-stage compression unit is discharged from the discharge port;
An intermediate connecting pipe having one end connected to the discharge space formed by the low-stage discharge unit;
A high-stage compression section provided below the low-stage compression section, the other end of the intermediate connection pipe being connected, and the refrigerant discharged into the discharge space being sucked into the compression chamber from the intermediate connection pipe A high-stage compression section that compresses
An internal space that houses the low-stage compression section, the high-stage compression section, and the low-stage discharge section, and includes a sealed container that forms an internal space in which the refrigerant compressed by the high-stage compression section is discharged. ,
The low-stage discharge portion is formed when a bypass port that connects the discharge space and the internal space of the sealed container is formed and the pressure of the refrigerant in the discharge space is higher than the pressure of the refrigerant in the internal space. A two-stage compressor comprising an on-off valve at the bypass port.
前記低段圧縮部の前記吐出口に設けられた開閉弁と、前記低段吐出部の前記バイパス口に設けられた開閉弁とは同一構造である
ことを特徴とする請求項4に記載の二段圧縮機。 The discharge port of the low-stage compression unit is provided with an on-off valve that opens when the pressure of the refrigerant in the compression chamber of the low-stage compression unit becomes higher than the pressure of the refrigerant in the discharge space,
Wherein the low-stage compressing section of the discharge port provided opening and closing valve, according the to claim 4 is the low-stage discharge portion of the bypass port is provided opening and closing valve, characterized in that the same structure two Stage compressor.
ことを特徴とする請求項5に記載の二段圧縮機。 The on-off valve provided in the discharge port of the low-stage compressing section, said the low-stage discharge portion of the provided in the bypass opening and closing valve, in claim 5, characterized in that both a reed valve The two-stage compressor described.
外部から冷媒が流入する吸入マフラと、
前記吸入マフラと前記低段圧縮部の前記吸入口とを接続する吸入配管と、
前記吸入マフラに流入した冷媒を前記吸入配管を介して前記吸入口から前記低段圧縮部へ吸入させる流路と、前記吸入配管の途中部分と前記中間連結管の途中部分とを接続して、前記吸入マフラに流入した冷媒を前記低段圧縮部に圧縮させることなくバイパスして、前記高段圧縮部へ吸入させる流路とを選択的に切り替える切替部と
を備えることを特徴とする請求項4に記載の二段圧縮機。 The two-stage compressor further includes:
A suction muffler into which refrigerant flows from the outside;
A suction pipe connecting the suction muffler and the suction port of the low-stage compression unit;
A flow path through which the refrigerant flowing into the suction muffler is sucked from the suction port to the low-stage compression section through the suction pipe, and a middle part of the suction pipe and a middle part of the intermediate connecting pipe are connected; A switching unit that bypasses the refrigerant flowing into the suction muffler without being compressed by the low-stage compression unit and selectively switches the flow path to be sucked into the high-stage compression unit. 4. The two-stage compressor according to 4 .
ことを特徴とする請求項7に記載の二段圧縮機。 The switching unit connects the suction muffler and the suction port of the low-stage compression unit through the suction pipe, and connects the low-stage discharge unit and the suction port of the high-stage compression unit through the intermediate connection pipe. A flow path that connects the middle of the suction pipe and the middle of the intermediate connecting pipe to connect the suction muffler and the suction port of the high-stage compression section, and the low-stage discharge section and the low-stage The two-stage compressor according to claim 7 , wherein the flow path connecting the suction port of the compression unit is selectively switched.
ことを特徴とする請求項7に記載の二段圧縮機。 The two-stage compressor according to claim 7 , wherein the high-stage compression section has a compression chamber volume smaller than that of the low-stage compression section.
背圧室と、
前記背圧室の内部の圧力により押圧されて前記圧縮室側へ突出し、前記圧縮室を前記吸入口側の空間と前記吐出口側の空間とに仕切るベーンとを備え、
前記二段圧縮機は、さらに、
前記低段圧縮部が備える前記背圧室へ前記高段圧縮部の前記圧縮室へ吸入される冷媒の一部を流入させる流入路
を備えることを特徴とする請求項4に記載の二段圧縮機。 The low-stage compression unit is
Back pressure chamber,
A vane that is pressed by the pressure inside the back pressure chamber and protrudes toward the compression chamber, and divides the compression chamber into a space on the suction port side and a space on the discharge port side;
The two-stage compressor further includes:
5. The two-stage compression according to claim 4 , further comprising an inflow path through which a part of the refrigerant sucked into the compression chamber of the high-stage compression section flows into the back pressure chamber included in the low-stage compression section. Machine.
前記低段圧縮部及び前記高段圧縮部を動作させる電動機と、
前記低段圧縮部及び前記高段圧縮部を動作させるのに必要な必要トルクに合わせて、前記電動機で前記必要トルクが発生するように前記電動機の動作を制御する制御部と
を備えることを特徴とする請求項4に記載の二段圧縮機。 The two-stage compressor further includes:
An electric motor for operating the low-stage compression unit and the high-stage compression unit;
And a control unit that controls the operation of the electric motor so that the required torque is generated by the electric motor in accordance with the necessary torque required to operate the low-stage compression unit and the high-stage compression unit. The two-stage compressor according to claim 4 .
前記低段圧縮部と前記高段圧縮部とを繋ぐ中間流路であって、前記低段吐出部と前記中間連結管とによって形成された中間流路に接続されたインジェクションパイプAn injection pipe connected to an intermediate flow path connecting the low-stage compression section and the high-stage compression section and formed by the low-stage discharge section and the intermediate connection pipe
を備えることを特徴とする請求項4に記載の二段圧縮機。The two-stage compressor according to claim 4, comprising:
前記第1熱交換器において前記主冷媒回路を流れる冷媒と熱交換される流体の温度を所定の温度にするのに必要な熱量である必要負荷が、予め設定された第1の負荷よりも高い場合には、前記低段圧縮部と前記高段圧縮部とで圧縮した冷媒を前記主冷媒回路へ吐出し、
前記必要負荷が前記第1の負荷よりも低い場合には、前記低段圧縮部が圧縮した冷媒を前記高段圧縮部に圧縮させることなくバイパスして前記主冷媒回路へ吐出し、
前記第1の負荷よりも低く設定された第3の負荷よりも前記必要負荷が低い場合には、前記主冷媒回路から流入する冷媒を、前記低段圧縮部に圧縮させることなくバイパスして、圧縮室容積が前記低段圧縮部よりも小さい前記高段圧縮部に吸入させる
ことを特徴とするヒートポンプ装置の運転方法。 A main refrigerant in which a two-stage compressor in which a low-stage compressor and a high-stage compressor are connected in series, a first heat exchanger, a first expansion mechanism, and a second heat exchanger are sequentially connected by piping. It is an operation method of a heat pump device including a circuit,
In the first heat exchanger, a required load that is an amount of heat necessary to bring the temperature of the fluid that exchanges heat with the refrigerant flowing through the main refrigerant circuit to a predetermined temperature is higher than the preset first load. In this case, the refrigerant compressed by the low-stage compression unit and the high-stage compression unit is discharged to the main refrigerant circuit,
Wherein when required load is lower than said first load, and discharge the bypassing without the low-stage compression section for compressing the refrigerant compressed in the high stage compression portion to the main refrigerant circuit,
When the required load is lower than the third load set lower than the first load, bypass the refrigerant flowing from the main refrigerant circuit without compressing the low-stage compression unit, The operation method of the heat pump apparatus, wherein the high-stage compression section having a compression chamber volume smaller than the low-stage compression section is sucked .
前記主冷媒回路における前記第1熱交換器と前記第1膨張機構との間から、前記圧縮機における前記低段圧縮部と前記高段圧縮部とを繋ぐ中間流路に接続されたインジェクションパイプまでを接続したインジェクション回路を備え、
前記ヒートポンプ装置の運転方法は、さらに、
前記第1の負荷よりも高く設定された第2の負荷よりも前記必要負荷が高い場合には、前記主冷媒回路を前記第1熱交換器から前記膨張機構へ向かって流れる冷媒の一部を前記インジェクション回路から前記中間流路へ注入する
ことを特徴とする請求項13に記載のヒートポンプ装置の運転方法。 The heat pump device further includes:
From between the first heat exchanger in the main refrigerant circuit and the first expansion mechanism to an injection pipe connected to an intermediate flow path connecting the low-stage compression section and the high-stage compression section in the compressor Equipped with an injection circuit
The operation method of the heat pump device further includes:
When the required load is higher than the second load set higher than the first load, a part of the refrigerant flowing through the main refrigerant circuit from the first heat exchanger toward the expansion mechanism is removed. The operation method of the heat pump device according to claim 13, wherein injection is performed from the injection circuit to the intermediate flow path.
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