JP5383802B2 - 蒸気圧縮サイクル装置 - Google Patents

Description

この発明は、例えば、空調機、ヒートポンプ式給湯機、冷凍冷蔵庫等に適用される蒸気圧縮サイクル装置に関する。

空調機、ヒートポンプ式給湯機、冷凍冷蔵庫等では、蒸気圧縮式冷凍サイクルとヒートポンプサイクルとを含む蒸気圧縮サイクルが広く用いられている。
近年、地球温暖化防止を図る観点から、一層の省エネルギー化、高効率化の要望が高まり、エコノマイザ手段を用いた二段圧縮インジェクションサイクルが注目され、より多様な用途やより広い地域に普及促進されている。

非特許文献１には、寒冷地対応のＣＯ２ヒートポンプ給湯機において、二段ロータリ圧縮機を用いた二段圧縮インジェクションサイクルについての記載がある。
特に、非特許文献１には、二段圧縮インジェクションサイクルを、外気温の低い条件でヒートポンプ給湯運転する場合には、以下の（１）（２）の課題があることについての記載がある。
（１）圧縮機から吐出される冷媒の温度が異常に上昇する。
（２）圧縮機の吸入側の圧力Ｐｓと吐出側の圧力Ｐｄとした場合の圧縮比（Ｐｄ／Ｐｓ）が高くなり、さらに高段側の圧縮部に圧縮比が偏るため圧縮機効率が低下する。
そして、非特許文献１には、外気温の低い条件でヒートポンプ給湯運転する場合に圧縮機の中間連結部にガス（ガス気味に）インジェクションすると以下の（Ａ）（Ｂ）の効果が得られることについての記載がある。
（Ａ）圧縮機吐出温度の上昇が抑制される。
（Ｂ）中間圧が上昇し、低段側の圧縮部と高段側の圧縮部との圧縮比のバランスが改善されるため、圧縮機の効率が改善される。

また、特許文献１には、アンローダ機構により運転容量が調節される圧縮機を用いた二段圧縮インジェクションサイクルであって、圧縮機の中間連結部にインジェクションする回路として、エコノマイザ手段を備えた第１バイパス路と、エコノマイザ手段をバイパスする第２バイパス路とが設けられた二段圧縮インジェクションサイクルについての記載がある。
特に、特許文献１には、圧縮機の最低容量時に容量を低減すべき指令信号が出力されたとき、あるいは、圧縮機吐出管温度が所定の設定値以上のときに、第２バイパス路を流れてインジェクションされるよう切替えることについての記載がある。

特開平３−６７９５８号公報

２００６年度日本冷凍空調学会年次大会 講演論文（Ｃ３０９−１），「寒冷地対応ＣＯ２ ヒートポンプ給湯用二段ロータリ圧縮機」

非特許文献１には、二段圧縮機を用いた二段圧縮インジェクションサイクルにおいて、高圧縮比運転時にガス（ガス気味に）インジェクションすることの効果について記載されている。しかし、非特許文献１には、液（ガス気味に）インジェクションする効果については記載されていない。

また、特許文献１には、アンローダ式の容量制御可能な圧縮機において、吐出温度が急上昇した場合の対策として液インジェクションを利用する方法が記載されている。しかし、特許文献１には、一般的な容積式圧縮機において、液インジェクションを利用することについては記載されていない。

一般的な容積式の二段圧縮機は、予め排除容積の決められた２つの圧縮部が中間連結部により直列により接続されている。つまり、一般的な容積式の二段圧縮機は、低圧の冷媒を中間圧まで圧縮する低段圧縮部と、中間圧の冷媒を高圧まで圧縮する高段圧縮部とが中間連結部により直列に連結されており、低段排除容積と高段排除容積との比率が予め決まっている。
一般的な容積式の二段圧縮機を用いた二段圧縮インジェクションサイクルは、低圧縮比から高圧縮比までの広い圧縮機比範囲で稼動される。しかし、広い運転範囲で圧縮機の信頼性と効率が急激に低下しないように設計することは難しい。特に、低圧縮比の条件において低段圧縮部と高段圧縮部との圧縮比のバランスを改善することが難しい。
なお、一般的な容積式の二段圧縮機では、低段圧縮部と高段圧縮部との圧縮比のバランスを改善することが、圧縮機効率と信頼性の観点で重要である。

この発明は、容積式の圧縮機を用いた蒸気圧縮サイクルにおいて、高効率と高信頼性を確保することを目的とする。

この発明に係る蒸気圧縮サイクル装置は、
予め排除容積が決定された圧縮部を有する圧縮機と、凝縮器と、主減圧機構と、蒸発器とを順次接続した主冷媒回路と、
前記主冷媒回路の前記凝縮器と前記主減圧機構との間で分配された冷媒を、前記圧縮機において冷媒が中間圧となる中間圧部へ注入するように接続したインジェクション回路であって、所定の乾き度よりも乾き度の高い乾き冷媒を前記中間圧部へ注入するための第１流路と、前記所定の乾き度よりも乾き度の低い湿り冷媒を前記中間圧部へ注入するための第２流路とに分岐したインジェクション回路と、
前記インジェクション回路へ分配された冷媒を、前記第１流路と前記第２流路とのいずれの流路を介して前記中間圧部へ注入させるかを選択的に切り替える切替部と、
前記中間圧部における冷媒の圧力が所定の圧力よりも高い場合に、前記第２流路を介して前記中間圧部へ注入させるように前記切替部を制御する制御部と
を備えることを特徴とする。

この発明に係る蒸気圧縮サイクル装置によれば、圧縮機の低段側の圧縮部と高段側の圧縮部との圧縮比バランスを改善でき、蒸気圧縮サイクル装置の高効率と高信頼性を確保することができる。

実施の形態１に係る蒸気圧縮冷凍サイクルの構成図。 実施の形態２に係る蒸気圧縮冷凍サイクルの構成図。 実施の形態３に係る蒸気圧縮冷凍サイクルの構成図。 実施の形態４に係る蒸気圧縮冷凍サイクルの構成図。 実施の形態５に係る蒸気圧縮冷凍サイクルの構成図。

以下、図に基づき、この発明の実施の形態について説明する。
以下の説明において、ガス冷媒（乾き冷媒）とは、乾き度１のガス冷媒だけでなく、例えば乾き度０．５以上のいわゆるガス気味の冷媒をも含む。また、液冷媒（湿り冷媒）とは、乾き度０の液冷媒だけでなく、例えば乾き度０．５未満（特に０．２以下あるいは０．１以下が望ましい）のいわゆる液気味の冷媒をも含む。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る蒸気圧縮サイクル装置の構成図である。なお、図１において、破線矢印は、冷媒の流れを示す。
実施の形態１に係る蒸気圧縮サイクル装置は、凝縮器６を室外機側に、蒸発器８を冷却利用側（室内機側）に配置し、蒸気圧縮冷凍サイクルを利用した冷凍冷蔵装置、あるいは、冷房専用空調機である。

図１に示すように、蒸気圧縮サイクル装置は、二段圧縮機１０と、凝縮器６と、主減圧機構７と、蒸発器８とを順次接続した主冷媒回路９を備える。
二段圧縮機１０は、予め排除容積が決定された２つの圧縮部が中間連結部３（中間圧部）により直列に接続され密閉シェル４内に配置されている。つまり、二段圧縮機１０は、吸入マフラ５を介して低圧の冷媒を吸入し、吸入した低圧の冷媒を中間圧まで圧縮する低段圧縮部１と、中間圧の冷媒を高圧まで圧縮する高段圧縮部２とが中間連結部３により直列に連結された圧縮機である。

また、蒸気圧縮サイクル装置は、主冷媒回路９の凝縮器６と主減圧機構７との間の分岐点１７で分配された液冷媒を、主減圧機構７及び蒸発器８をバイパスして、二段圧縮機１０の中間連結部３へ注入するように接続したインジェクション回路１１を備える。
インジェクション回路１１には、インジェクション減圧回路１２とＨＩＣ熱交換器１３とが順次接続される。インジェクション減圧回路１２は、分岐点１７で分配された液冷媒を減圧する。ＨＩＣ熱交換器１３は、主冷媒回路９の凝縮器６と主減圧機構７との間を流れる液冷媒と、分岐点１７で分配されインジェクション減圧回路１２で減圧された液冷媒とを熱交換する。つまり、ＨＩＣ熱交換器１３は、インジェクション減圧回路１２による冷媒の減圧効果に基づき冷凍能力を増大させるエコノマイザである。そして、ＨＩＣ熱交換器１３で熱交換された結果、分岐点１７で分配されインジェクション減圧回路１２で減圧された液冷媒はガス冷媒となり、中間連結部３へ注入される。
すなわち、蒸気圧縮サイクル装置は、エコノマイザサイクルを構成する。

また、インジェクション回路１１には、四方弁１４（切替部）が接続される。四方弁１４は、インジェクション減圧回路１２で減圧された液冷媒を、ＨＩＣ熱交換器１３を経由して中間連結部３へ注入するか、ＨＩＣ熱交換器１３を経由せずに中間連結部３へ注入するかを切替える。つまり、上記説明では、分岐点１７で分配され、インジェクション減圧回路１２で減圧された冷媒は、ＨＩＣ熱交換器１３を経由して中間連結部３へ注入されるとした。しかし、四方弁１４を切替えることにより、分岐点１７で分配され、インジェクション減圧回路１２で減圧された冷媒を、ＨＩＣ熱交換器１３を経由させずに中間連結部３へ注入することができる。
すなわち、四方弁１４は、インジェクション減圧回路１２で減圧された液冷媒を、ＨＩＣ熱交換器１３でガス冷媒にして中間連結部３へ注入するか、液冷媒のまま中間連結部３へ注入するかを切替える。ここで、四方弁１４によって切替えられる２つの流路のうち、ＨＩＣ熱交換器１３を経由する流路（図１において、四方弁１４の実線部及びＨＩＣ熱交換器１３を経由する流路）を第１流路１５と呼び、ＨＩＣ熱交換器１３を経由しない流路（図１において、四方弁１４の破線部）を第２流路１６と呼ぶ。つまり、インジェクション回路１１は、この第１流路１５と第２流路１６との２つの流路に分岐している。

また、蒸気圧縮サイクル装置は、中間連結部３の冷媒の圧力（中間圧Ｐｍ）を検出する圧力センサ２０ｍと、二段圧縮機１０の吸入側の冷媒の圧力（吸入圧Ｐｓ）を検出する圧力センサ２０ｓと、二段圧縮機１０の吐出側の冷媒の圧力（吐出圧Ｐｄ）を検出する圧力センサ２０ｄとを備える。
圧力センサ２０ｍは、インジェクション減圧回路１２と中間連結部３との間における圧力を検出する。圧力センサ２０ｓは、蒸発器８と吸入マフラ５との間における圧力を検出する。圧力センサ２０ｄは、二段圧縮機１０と凝縮器６との間における圧力を検出する。
なお、ここでは、圧力センサ２０ｍ、圧力センサ２０ｓ、圧力センサ２０ｄにより、各部の圧力を検出するものとして説明するが、ＨＩＣ熱交換器１３、蒸発器８、凝縮器６で熱交換する冷媒の温度を測定し、使用する冷媒の物性値から圧力を推定し、中間圧Ｐｍ、吸入圧Ｐｓ、吐出圧Ｐｄを求めてもよい。

また、蒸気圧縮サイクル装置は、四方弁１４の切り替えを制御する制御部３０を備える。
次に、制御部３０による四方弁１４の切り替え制御について説明する。

一般的に、二段圧縮機は、中間圧Ｐｍが最適値（Ｐｓ×Ｐｄ）^０．５に等しいとき、低段圧縮部１の圧縮比（Ｐｍ／Ｐｓ）と高段圧縮部２の圧縮比（Ｐｄ／Ｐｍ）とが等しくなる。そして、このとき、低段圧縮部１と高段圧縮部２との圧縮比のバランスがよく、圧縮機効率がほぼ最大となる。
蒸気圧縮サイクル装置では、室内と室外の温度差が大きい場合、すなわち、圧縮比（Ｐｄ／Ｐｓ）が大きい場合、中間連結部３へガス冷媒を注入するエコノマイザを用いる。そのため、圧縮比（Ｐｄ／Ｐｓ）が大きい場合において、中間連結部３へガス冷媒を注入した場合に、中間圧Ｐｍが上昇して最適値に近づくように、排除容積比（高段圧縮部２の排除容積Ｖ２／低段圧縮部１の排除容積Ｖ１）を設計する。つまり、そのような排除容積比となるように、低段圧縮部１と高段圧縮部２との排除容積を設計する。
しかし、この排除容積比のままで、室内と室外の温度差が小さい場合、すなわち、圧縮比（Ｐｄ／Ｐｓ）が小さい場合、低段側に圧縮が偏ってしまう。
そこで、制御部３０は、以下に示す制御基準例１〜３に該当する場合には、四方弁１４を切り替えて中間連結部３へ液冷媒を注入することにより、中間圧Ｐｍを下げる。これにより、低段側に圧縮が偏ることを防止する。

＜制御基準例１＞
圧力センサ２０ｍ，２０ｓ，２０ｄにより検出した中間圧Ｐｍ、吸入圧Ｐｓ、吐出圧Ｐｄが、
Ｐｍ＞（Ｐｓ×Ｐｄ）^０．５
の関係の場合。
なお、上記基本式「Ｐｍ＞（Ｐｓ×Ｐｄ）^０．５」は、所定の補正値ａ，ｂにより、「Ｐｍ＞ａ（（Ｐｓ×Ｐｄ）^０．５）＋ｂ」と補正される場合もある。

圧縮比（Ｐｄ／Ｐｓ）が小さい場合、低段側に圧縮比が偏り、高段と低段の圧縮比のバランスが悪い状態となるため、圧縮機効率が低下する。そこで、四方弁１４を切替えて、第２流路１６から液冷媒を注入することにより、中間圧Ｐｍを下げる。これにより、圧縮比を最適値に近づけて、圧縮機効率を改善する。

＜制御基準例２＞
圧力センサ２０ｍ，２０ｄにより検出した中間圧Ｐｍ、吐出圧Ｐｄが、
Ｐｍ≧Ｐｄ
の関係の場合。
なお、上記基本式「Ｐｍ≧Ｐｄ」は、所定の補正値ａ，ｂにより、「Ｐｍ＞ａ（Ｐｄ）＋ｂ」と補正される場合もある。

圧縮比（Ｐｄ／Ｐｓ）が小さい場合、低段側圧縮だけで吐出圧Ｐｄに達して、中間圧Ｐｍが吐出圧Ｐｄよりも高くなる状態が起こり得る。この状態では、高段圧縮部２では有効な圧縮仕事をしないため、圧縮機損失のみが増加し圧縮機効率が低下する。
特に、二段圧縮機としてローリングピストン方式等の圧縮機を用いた場合には、高段圧縮部２のシリンダ内では過圧縮と、ベーンがローリングピストンから離れてしまうベーン跳びを繰り返す不安定な状態となる。その結果、圧縮機効率が著しく低下する。さらに、ベーンが、ローリングピストンと離脱して、ローリングピストンへ衝突することを繰り返すチャタリング現象により、圧縮機の耐久性の低下と騒音発生の原因になる。
そこで、四方弁１４を切替えて、第２流路１６から液冷媒を注入することにより、中間圧Ｐｍを下げる。中間圧Ｐｍが下がる分、圧縮機が安定動作可能な運転範囲を広げることができ、信頼性が向上できる。
なお、制御基準例２に基づく制御を行う場合には、吸入圧Ｐｓを検出する必要はない。したがって、制御基準例２に基づく制御のみを行う場合には、蒸気圧縮サイクル装置は圧力センサ２０ｓを備える必要はない。

＜制御基準例３＞
圧力センサ２０ｓ，２０ｄにより検出した吸入圧Ｐｓ、吐出圧Ｐｄが、
Ｐｄ≦Ｐｓ×（Ｖ１／Ｖ２）^ｎｓ（＝Ｐｍ＿ｉ）
（Ｖ１：低段圧縮部１の排除容積，Ｖ２：高段圧縮部２の排除容積，ｎｓ：冷媒の等エントロピ指数）
の関係の場合。
なお、上記基本式「Ｐｄ≦Ｐｓ×（Ｖ１／Ｖ２）^ｎｓ」は、所定の補正値ａ，ｂにより、「Ｐｍ＞ａ（Ｐｓ×（Ｖ１／Ｖ２）^ｎｓ）＋ｂ」と補正される場合もある。

インジェクション回路１１から中間連結部３へ冷媒を注入しない場合、理想的な中間圧Ｐｍ＿ｉは、Ｐｓ／（Ｖ２／Ｖ１）^ｎｓから求めることができる。理想的な中間圧Ｐｍ＿ｉが吐出圧Ｐｄよりも高くなる場合には、制御基準例２の場合と同様の状態が発生する虞がある。
そこで、この場合にも、四方弁１４を切替えて、第２流路１６から液冷媒を注入することにより、中間圧Ｐｍを下げる。中間圧Ｐｍが下がる分、圧縮機が安定動作可能な運転範囲を広げることができ、信頼性が向上する効果が得られる。
なお、制御基準例３に基づく制御を行う場合には、中間圧Ｐｍを検出する必要はない。したがって、制御基準例３に基づく制御のみを行う場合には、蒸気圧縮サイクル装置は圧力センサ２０ｍを備える必要はない。

また、蒸気圧縮サイクル装置は、中間連結部３と二段圧縮機１０の吐出側とを接続し、二段圧縮機１０の吐出側から中間連結部３側へ冷媒が流れることを防ぐ逆止弁１８が設けられた逆止弁回路１９を備える。
中間圧Ｐｍが吐出圧Ｐｄよりも高くなると（Ｐｍ≧Ｐｄ）、制御基準例２で説明したように、圧縮機効率の著しい低下と、圧縮機の耐久性の低下とを引き起こす。そこで、中間圧Ｐｍが吐出圧Ｐｄよりも高くなった場合に、逆止弁回路１９へ冷媒を流す。つまり、高段圧縮部２をバイパスして、中間連結部３から二段圧縮機１０の吐出側へ冷媒を流す。これにより、高段圧縮部２による過圧縮等の圧縮機損失が改善される。また、高段圧縮部２における圧縮動作が不安定になることを抑制でき、信頼性の向上を図ることができる。

以上のように、実施の形態１に係る蒸気圧縮サイクル装置は、高効率運転時、及び、高圧縮比運転時には、インジェクション回路１１から中間連結部３へガス冷媒を注入する。一方、実施の形態１に係る蒸気圧縮サイクル装置は、圧縮比が小さい場合には、インジェクション回路１１から中間連結部３へ液冷媒を注入するように切替える。これにより、圧縮比が小さい場合には、中間圧Ｐｍを下げる効果が得られ、低段圧縮部１と高段圧縮部２との圧縮比のバランスが改善される。その結果、圧縮比が小さい場合であっても、圧縮機が高効率に安定して動作する運転範囲を広げることができ、蒸気圧縮冷凍サイクル装置のＣＯＰ（Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｏｆ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）と信頼性とが向上する。

実施の形態２．
図２は、実施の形態２に係る蒸気圧縮サイクル装置の構成図である。なお、図２において、実線矢印は、冷媒の流れを示す。
実施の形態２に係る蒸気圧縮サイクル装置について、実施の形態１に係る蒸気圧縮サイクル装置と異なる部分のみ説明する。

実施の形態１に係る蒸気圧縮サイクル装置は、凝縮器６を室外機側に、蒸発器８を冷却利用側（室内機側）に配置し、蒸気圧縮冷凍サイクルを利用した冷凍冷蔵装置、あるいは、冷房専用空調機であった。これに対して、実施の形態２に係る蒸気圧縮サイクル装置は、凝縮器６を加熱利用側（室内機側）に、蒸発器８を室外機側に配置し、蒸気圧縮冷凍サイクルを利用した給湯・加熱装置、あるいは、暖房専用空調機である。

また、実施の形態１に係る蒸気圧縮サイクル装置は、圧力センサ２０ｍ，２０ｓ，２０ｄを備え、各部の圧力を検出し、検出した圧力に基づき制御部３０が四方弁１４の切り替え制御をした。
これに対して、実施の形態２に係る蒸気圧縮サイクル装置は、ＨＩＣ熱交換器１３における冷媒の温度を測定する温度センサ２１ｈと、蒸発器８における冷媒の温度を測定する温度センサ２１ｅと、凝縮器６における冷媒の温度を測定する温度センサ２１ｃを備える。なお、温度センサ２１ｈは、インジェクション回路１１側を流れる冷媒の温度を測定する。制御部３０は、温度センサ２１ｈ，ｅ，ｃにより測定した温度と、冷媒の物性値から、それぞれ中間圧Ｐｍ、吸入圧Ｐｓ、吐出圧Ｐｄを推定する。そして、制御部３０は、推定した中間圧Ｐｍ、吸入圧Ｐｓ、吐出圧Ｐｄに基づき、実施の形態１と同様に、四方弁１４の切り替え制御を行う。

以上のように構成した実施の形態２に係る蒸気圧縮サイクル装置においても、実施の形態１に係る蒸気圧縮サイクル装置と同様の効果を得ることができる。

実施の形態３．
図３は、実施の形態３に係る蒸気圧縮サイクル装置の構成図である。なお、図３において、破線矢印は冷房運転時における冷媒の流れを示し、実線矢印は暖房運転時における冷媒の流れを示す。
実施の形態３に係る蒸気圧縮サイクル装置について、実施の形態１に係る蒸気圧縮サイクル装置と異なる部分のみ説明する。

実施の形態１に係る蒸気圧縮サイクル装置は、凝縮器６を室外機側に、蒸発器８を冷却利用側（室内機側）に配置し、蒸気圧縮冷凍サイクルを利用した冷凍冷蔵装置、あるいは、冷房専用空調機であった。これに対して、実施の形態３に係る蒸気圧縮サイクル装置は、冷暖切り替え可能な空気調和等に用いることを想定した蒸気圧縮冷凍サイクルである。
そのため、実施の形態３に係る蒸気圧縮サイクル装置は、室外側熱交換器２６、室内側熱交換器２８と冷暖を切替えるための四方弁２４を備える。四方弁２４は、暖房用途の場合には、実線で示した暖房用回路２４ａに切替えられ、冷房用途の場合は破線で示した冷房用回路２４ｂに切替えられる。

また、実施の形態３に係る蒸気圧縮サイクル装置は、主冷媒回路９に２つの減圧機構２７，２９と、熱回収型レシーバー２５とを備える。
熱回収型レシーバー２５は、２つの減圧機構の間に接続されるとともに、二段圧縮機１０の吸入側に接続される。
２つの減圧機構のうち１つの減圧機構は、室内側熱交換器２８と熱回収型レシーバー２５の間に設けられた第１主減圧機構２７であり、もう１つの減圧機構は、室外側熱交換器２６とＨＩＣ熱交換器１３の間に設けられた第２主減圧機構２９である。そして、暖房用途の場合は第１主減圧機構２７、第２主減圧機構２９の順に２段膨張を行い、冷房用途の場合は第２主減圧機構２９、第１主減圧機構２７の順に２段膨張を行う。
高圧側の凝縮器の熱は、ＨＩＣ熱交換器１３、または、熱回収型レシーバー２５で回収されるので、サブクールを大きくとることができる。さらに、熱回収型レシーバー２５で回収した熱により、二段圧縮機１０の吸入側のスーパヒートを大きくとることができる。したがって、実施の形態３に係る蒸気圧縮サイクル装置は、暖房運転に有利な回路となっている。

なお、実施の形態３に係る蒸気圧縮サイクル装置における制御部３０は、実施の形態１に係る蒸気圧縮サイクル装置における制御部３０と同様の四方弁１４の切り替え制御を行う。

以上のように構成した実施の形態３に係る蒸気圧縮サイクル装置においても、実施の形態１に係る蒸気圧縮サイクル装置と同様の効果を得ることができる。

実施の形態４．
図４は、実施の形態４に係る蒸気圧縮サイクル装置の構成図である。なお、図４において、破線矢印は冷媒の流れを示す。
実施の形態４に係る蒸気圧縮サイクル装置について、実施の形態１に係る蒸気圧縮サイクル装置と異なる部分のみ説明する。

実施の形態１に係る蒸気圧縮サイクル装置は、エコノマイザとしてＨＩＣ熱交換器１３を用いた。これに対して、実施の形態４に係る蒸気圧縮サイクル装置は、エコノマイザとして気液分離器２３を用いる。

実施の形態４に係る蒸気圧縮サイクル装置において、インジェクション回路１１では、分岐点１７で分配された冷媒をインジェクション減圧回路１２で減圧した後、気液分離器２３で気液分離する。
ここで、圧縮比（Ｐｄ／Ｐｓ）が大きい場合、分離されたガス冷媒を第１流路１５を経由して中間連結部３へ注入する。また、分離された液冷媒は、中間連結部３へ注入されることなく、合流点２２で主冷媒回路９へ合流する。
一方、圧縮比（Ｐｄ／Ｐｓ）が小さい場合、特に実施の形態１で説明した制御基準例１〜３を満たす場合には、分離された液冷媒を第２流路１６を経由して中間連結部３へ注入する。また、分離されたガス冷媒は、中間連結部３へ注入されることなく、合流点２２で主冷媒回路９へ合流する。

以上のように構成した実施の形態４に係る蒸気圧縮サイクル装置においても、実施の形態１に係る蒸気圧縮サイクル装置と同様の効果を得ることができる。

実施の形態５．
図５は、実施の形態５に係る蒸気圧縮サイクル装置の構成図である。なお、図５において、破線矢印は冷媒の流れを示す。
実施の形態５に係る蒸気圧縮サイクル装置について、実施の形態４に係る蒸気圧縮サイクル装置と異なる部分のみ説明する。

実施の形態４に係る蒸気圧縮サイクル装置は、実施の形態１と同様に、冷却用途専用に用いることを想定した二段圧縮二段膨張式蒸気圧縮サイクルであった。これに対して、実施の形態５に係る蒸気圧縮サイクル装置は、冷却用途専用に用いることを想定した二段圧縮一段膨張式蒸気圧縮サイクルである。

ここで、圧縮比（Ｐｄ／Ｐｓ）が大きい場合、凝縮器６で凝縮された液冷媒は、第２主減圧機構２９で減圧され、四方弁１４を経由して気液分離器２３へ入る。気液分離器２３で気液分離された冷媒のうち、ガス冷媒は第１流路１５を経由して中間連結部３へ注入される。また、分離された冷媒のうち、液冷媒は、主冷媒回路９へ流れ、第１主減圧機構２７でさらに減圧された後、蒸発器８で蒸発される。
一方、圧縮比（Ｐｄ／Ｐｓ）が小さい場合、特に実施の形態１で説明した制御基準例１〜３を満たす場合には、凝縮器６で凝縮された液冷媒は、第２主減圧機構２９で減圧され、四方弁１４から第２流路１６を経由して中間連結部３へ注入される。

以上のように構成した実施の形態５に係る蒸気圧縮サイクル装置においても、実施の形態１に係る蒸気圧縮サイクル装置と同様の効果を得ることができる。

なお、以上の実施の形態では、低段圧縮部１と高段圧縮部２とを中間連結部３で直列に接続した二段圧縮機を用いた蒸気圧縮サイクル装置について説明した。しかし、中間圧部へ冷媒を注入することにより低段側と高段側との排除容積比率が予め決定されている容積式圧縮機であれば、二段圧縮機でなくても同様の効果を得ることができる。例えば、往復式圧縮機、ロータリ式圧縮機、スクロール式圧縮機、スクリュー式圧縮機等の容積式圧縮機を用いても同様の効果が得られる。特に、ローリングピストン式二段ロータリ圧縮機を用いた場合には、ベーン跳びを抑える効果が得られるので、大きな効果を得ることができる。

以上の実施の形態をまとめると次のようになる。
以上の実施の形態に係る蒸気圧縮サイクル装置は、低圧の冷媒を中間圧まで圧縮する低段圧縮部と、中間圧の冷媒を高圧まで圧縮する高段圧縮部とを中間圧部で直列に連結して、低段排除容積と高段排除容積との比率が組込まれる圧縮機を、凝縮器、主減圧機構及び蒸発器と順次接続してなる主冷媒回路を形成し、前記主冷媒回路の凝縮器と主減圧機構との間で分配される液冷媒の一部が前記主減圧機構及び蒸発器をバイパスして、前記圧縮機の中間圧部に注入するよう接続した第１インジェクション回路（第１流路１５）と、前記第１インジェクション回路を流れる冷媒の減圧効果により冷房能力及び暖房能力を増大させるエコノマイザ手段を備えた蒸気圧縮サイクル装置において、
前記第１インジェクション回路のエコノマイザ手段をバイパスして前記主冷媒回路の液冷媒の一部を前記圧縮機の中間圧部に流入させる第２インジェクション回路（第２流路１６）と、前記第１インジェクション回路側と前記第２インジェクション回路側とに選択的に切替える手段を備え、前記中間圧部、前記第１インジェクション回路及び前記第２インジェクション回路を構成する配管のうちでバイパス減圧機構から中間圧部に至る部位に圧力センサを設置し、検知した出力により前記中間圧部の圧力が所定の設定圧力以上であるときに前記液冷媒の一部が第２インジェクション回路側を流れるように前記切替える手段を制御することを特徴とする。

また、前記圧力センサにより検出した前記中間圧部の圧力Ｐｍと、前記圧縮機の吸入側及び吐出側に圧力センサを取り付けて検出した吸入圧Ｐｓ、吐出圧Ｐｄが、
Ｐｍ＞（Ｐｓ×Ｐｄ）^０．５
の関係が成り立つとき、前記液冷媒の一部が第２インジェクション回路側に流れるように、前記切替える手段、及び、制御機能を備えたことを特徴とする。

さらに、前記圧力センサにより検出した前記中間圧部の圧力Ｐｍと、前記圧縮機の吐出側に圧力センサを取り付けて検出した吐出圧Ｐｄが、
Ｐｍ≧Ｐｄ
の関係が成り立つとき、前記液冷媒の一部が第２インジェクション回路側に流れるように、前記切替える手段、及び、制御機能を備えたことを特徴とする。

また、さらに、以上の実施の形態に係る蒸気圧縮サイクル装置は、低圧の冷媒を中間圧まで圧縮する低段圧縮部と、中間圧の冷媒を高圧まで圧縮する高段圧縮部とを中間圧部で直列に連結して、低段排除容積と高段排除容積との比率が組込まれる圧縮機を、凝縮器、主減圧機構及び蒸発器と順次接続してなる主冷媒回路を形成し、前記主冷媒回路の凝縮器と主減圧機構との間で分配される液冷媒の一部が前記主減圧機構及び蒸発器をバイパスして、前記圧縮機の中間圧部に注入するよう接続する第１インジェクション回路（第１流路１５）と、前記第１インジェクション回路を流れる冷媒の減圧効果により冷房能力及び暖房能力を増大させるエコノマイザ手段を備えた蒸気圧縮サイクル装置において、
前記第１インジェクション回路のエコノマイザ手段をバイパスして前記主冷媒回路の液冷媒を前記圧縮機の中間圧部に流通させる第２インジェクション回路（第２流路１６）と、前記主冷媒回路の前記液冷媒の一部を前記圧縮機の中間圧部にバイパスさせる経路を第１インジェクション回路側と第２インジェクション回路側とに選択的に切替える手段を備え、前記圧縮機の吸入側及び吐出側に圧力センサを取り付けて、検出した吸入圧Ｐｓ、吐出圧Ｐｄが
Ｐｄ≦Ｐｓ×（Ｖ１／Ｖ２）^ｎｓ
の関係が成り立つとき、前記液冷媒の一部が第２インジェクション回路側に流れるように、前記切替える手段、及び、制御機能を備えたことを特徴とする。

また、前記切替える手段は四方弁であることを特徴とする。

さらに、前記低段圧縮機構と前記高段圧縮機構は、それぞれのシリンダ内を偏心回転するロータと、前記ロータに押し付けられたベーンにより前記シリンダ内を区画して圧縮室を形成し、冷媒を圧縮するローリングピストン式二段ロータリ圧縮機であることを特徴とする。

また、さらに、前記圧縮機の中間圧部と高段吐出部との間をバイパスする回路に逆止弁を設けたことを特徴とする。

１ 低段圧縮部、２ 高段圧縮部、３ 中間連結部、４ 密閉シェル、５ 吸入マフラ、６ 凝縮器、７ 主減圧機構、８ 蒸発器、９ 主冷媒回路、１０ 二段圧縮機、１１ インジェクション回路、１２ インジェクション減圧回路、１３ ＨＩＣ熱交換器、１４ 四方弁、１５ 第１流路、１６ 第２流路、１７ 分岐点、１８ 逆止弁、１９ 逆止弁回路、２０ 圧力センサ、２１ 温度センサ、２３ 気液分離器、２４ 四方弁、２４ａ 暖房用回路、２４ｂ 冷房用回路、２５ 熱回収型レシーバー、２６ 室外側熱交換器、２７ 第１主減圧機構、２８ 室内側熱交換器、２９ 第２主減圧機構、３０ 制御部。

Claims (8)

1. 吸入圧Ｐｓの冷媒を所定の排除容積分吸入し中間圧Ｐｍまで圧縮する低段圧縮部と中間圧Ｐｍの冷媒を所定の排除容積分吸入し吐出圧Ｐｄまで圧縮する高段圧縮部とを直列に接続し二段階に圧縮する圧縮機と、凝縮器と、主減圧機構と、蒸発器とを順次接続した主冷媒回路と、
   前記主冷媒回路の前記凝縮器と前記主減圧機構との間で分配された冷媒を、前記圧縮機において冷媒が中間圧となる中間圧部へ注入するように接続したインジェクション回路であって、所定の乾き度よりも乾き度の高い乾き冷媒を前記中間圧部へ注入するための第１流路と、前記所定の乾き度よりも乾き度の低い湿り冷媒を前記中間圧部へ注入するための第２流路とに分岐したインジェクション回路と、
   前記インジェクション回路へ分配された冷媒を、前記第１流路と前記第２流路とのいずれの流路を介して前記中間圧部へ注入させるかを選択的に切り替える切替部と、
   前記中間圧部における冷媒の圧力が所定の圧力よりも高い場合に、前記第２流路を介して前記中間圧部へ注入させるように前記切替部を制御して前記中間圧を下げる制御部と
   を備えることを特徴とする蒸気圧縮サイクル装置。
2. 前記制御部は、前記中間圧部の冷媒の圧力Ｐｍと、前記圧縮機の吸入側の冷媒の圧力Ｐｓと、前記圧縮機の吐出側の冷媒の圧力Ｐｄとが、Ｐｍ＞（Ｐｓ×Ｐｄ）０．５である場合に、前記第２流路へ冷媒が流れるように前記切替部を制御する
   ことを特徴とする請求項１に記載の蒸気圧縮サイクル装置。
3. 前記制御部は、前記中間圧部の冷媒の圧力Ｐｍと、前記圧縮機の吐出側の冷媒の圧力Ｐｄとが、Ｐｍ≧Ｐｄである場合に、前記第２流路へ冷媒が流れるように前記切替部を制御する
   ことを特徴とする請求項１に記載の蒸気圧縮サイクル装置。
4. 吸入圧Ｐｓの冷媒を所定の排除容積分吸入し中間圧Ｐｍまで圧縮する低段圧縮部と中間圧Ｐｍの冷媒を所定の排除容積分吸入し吐出圧Ｐｄまで圧縮する高段圧縮部とを直列に接続し二段階に圧縮する圧縮機と、凝縮器と、主減圧機構と、蒸発器とを順次接続した主冷媒回路と、
   前記主冷媒回路の前記凝縮器と前記主減圧機構との間で分配された冷媒を、前記圧縮機において冷媒が中間圧となる中間圧部へ注入するように接続したインジェクション回路であって、所定の乾き度よりも乾き度の高い乾き冷媒を前記中間圧部へ注入するための第１流路と、前記所定の乾き度よりも乾き度の低い湿り冷媒を前記中間圧部へ注入するための第２流路とに分岐したインジェクション回路と、
   前記インジェクション回路へ分配された冷媒を、前記第１流路と前記第２流路とのいずれの流路を介して前記中間圧部へ注入させるかを選択的に切り替える切替部と、
   ２つの圧縮部のうち低段側の圧縮部の排除容積をＶ１、高段側の圧縮部の排除容積をＶ２とし、冷媒の等エントロピ指数をｎｓとした場合に、前記圧縮機の吸入側の冷媒の圧力Ｐｓと、前記圧縮機の吐出側の冷媒の圧力Ｐｄとが、Ｐｄ≦Ｐｓ／（Ｖ２／Ｖ１）ｎｓである場合に、前記第２流路へ冷媒が流れるように前記切替部を制御する制御部と
   を備えることを特徴とする蒸気圧縮サイクル装置。
5. 前記切替部は、四方弁である
   ことを特徴とする請求項１又は４に記載の蒸気圧縮サイクル装置。
6. 前記蒸気圧縮サイクル装置は、さらに
   前記中間圧部と前記圧縮機の吐出側とを接続し、前記圧縮機の吐出側から前記中間圧部側へ冷媒が流れることを防ぐ逆止弁を有する逆止弁回路
   を備えることを特徴とする請求項１又は４に記載の蒸気圧縮サイクル装置。
7. 前記制御部は、前記第２流路を介して前記湿り冷媒を前記中間圧部へ注入させることにより、前記中間圧部の冷媒の圧力Ｐｍを、前記圧縮機の吸入側の冷媒の圧力Ｐｓと、前記圧縮機の吐出側の冷媒の圧力Ｐｄとから計算される（Ｐｓ×Ｐｄ）０．５に近づける
   ことを特徴とする請求項１又は４に記載の蒸気圧縮サイクル装置。
8. 前記圧縮機は、前記低段圧縮部と前記高段圧縮部とが、それぞれのシリンダ内を偏心回転するロータと、前記ロータに押し付けられたベーンにより前記シリンダ内を区画して圧縮室を形成し、冷媒を圧縮するローリングピストン式二段ロータリ圧縮機である
   ことを特徴とする請求項１又は４に記載の蒸気圧縮サイクル装置。

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