以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
実施形態の給湯機(1)は、常温の水から温水を生成するものである。この給湯機(1)は、冷媒回路(70)とコントローラ(60)とを備えている。この冷媒回路(70)には、図1に示すように、二段圧縮機(10)と温水熱交換器(71)と膨張弁(72)と熱源側熱交換器(73)とエコノマイザ熱交換器(74)と中間冷却熱交換器(75)とインジェクション弁(76)と内部熱交換器(77)とが接続されている。この冷媒回路(70)には二酸化炭素が封入され、この二酸化炭素が冷媒回路(70)内を循環することによって二段圧縮式の冷凍サイクルを行うように構成されている。また、二段圧縮機(10)には、本発明の特徴である低減機構(4)が設けられている。
〈二段圧縮機〉
図1、図2に示すように、二段圧縮機(10)は、1つの回転軸(23)で互いに連結された圧縮機構(20)及び電動機(50)がケーシング(11)内に収容された、いわゆる全密閉型で構成されている。圧縮機構(20)が電動機(50)の下側に配置されている。
ケーシング(11)は、両端を閉塞した円筒状の胴部(12)を備えている。この胴部(12)の上部には高段側の吐出管(17)が貫通固定されている。また、この胴部(12)の下部には、高段側の吸入管(16)、低段側の吐出管(15)及び低段側の吸入管(14)が貫通固定されている。
上記低段側の吸入管(14)には上記冷媒回路(70)の吸入配管(81)が接続されている。また、上記低段側の吐出管(15)と上記高段側の吸入管(16)との間には上記冷媒回路(70)の中間配管(82)が接続されている。また、上記高段側の吐出管(17)には上記冷媒回路(70)の吐出配管(83)が接続されている。また、上記中間配管(82)から分岐して上記吸入配管(81)の途中に接続される戻し配管(84)が上記冷媒回路(70)に設けられている。この戻し配管(84)には調整弁(4)が設けられている。この調整弁(4)が低減機構を構成する。この調整弁(4)の弁開度は、上記コントローラ(60)の指示によって必要に応じて変更される。
回転軸(23)は、主軸部(24)と低段側及び高段側の偏心部(25,26)とを有している。この低段側及び高段側の偏心部(25,26)は、所定の間隔を空けて軸方向に並んでいる。本実施形態では、高段側の偏心部(26)が主軸部(24)の中央寄りに設けられ、低段側の偏心部(25)が主軸部(24)の下端寄りの位置に設けられている。各偏心部(25,26)は、主軸部(24)よりも大径の円柱状に形成され、それぞれ軸心が主軸部(24)の軸心に対して偏心している。これらの偏心部(25,26)に係る偏心方向は互いに180°ずれている。
電動機(50)は、ステータ(50a)及びロータ(50b)を備えている。ステータ(50a)は、胴部(12)の内面に固定されている。一方、ロータ(50b)は、ステータ(50a)の内側に配置され、回転軸(23)の主軸部(24)に連結されている。
圧縮機構(20)は、高段側圧縮部(40)と低段側圧縮部(30)とミドルプレート(51)とが一体的に組み込まれて構成されている。圧縮機構(20)では、軸方向の上側から下側へ向かって、高段側圧縮部(40)、ミドルプレート(51)、低段側圧縮部(30)の順に積層されている。
図2、図3に示すように、高段側圧縮部(40)は、高段側シリンダ(41)と高段側ピストン(42)と高段側ブレード(43)と高段側揺動ブッシュ(44)とを有している。また、高段側圧縮部(40)には、高段側吸入ポート(16a)及び高段側吐出ポート(17a)が設けられている。
高段側シリンダ(41)は、鏡板部(41a)と外側シリンダ部(41b)と内側シリンダ部(41c)とを備えている。上記鏡板部(41a)の中央部には軸受部(41d)が形成され、この軸受部(41d)に上記回転軸(23)の主軸部(24)が摺動自在に支持されている。また、外側シリンダ部(41b)及び内側シリンダ部(41c)は、共に筒状に形成され、上記鏡板部(41a)から下方へ突出するように延びている。外側シリンダ部(41b)の内側に内側シリンダ部(41c)が位置し、外側シリンダ部(41b)及び内側シリンダ部(41c)は回転軸(23)の軸心と同軸となっている。
高段側ピストン(42)は、鏡板部(42a)と環状ピストン部(42b)と筒状の軸受部(42c)とを備えている。筒状の軸受部(42c)は鏡板部(42a)の径方向内側部位に突設している。この軸受部(42c)が回転軸(23)の高段側偏心部(26)に内嵌した状態で、上述した内側シリンダ部(41c)の内側に収容されている。また、環状ピストン部(42b)は、円環の一部分が分断されたC型形状に形成され、上述した外側シリンダ部(41b)及び内側シリンダ部(41c)の間に収容されている。
高段側ブレード(43)は、上記外側シリンダ部(41b)から上記内側シリンダ部(41c)に亘って、高段側シリンダ(41)の径方向へ延びるように設けられている。この高段側ブレード(43)は、上述した環状ピストン部(42b)及び外側シリンダ部(41b)の間に区画された外側圧縮室(S11)と、環状ピストン部(42b)及び内側シリンダ部(41c)の間に区画された内側圧縮室(S12)とを、更に高圧室(S11H,S12H)と低圧室(S11L,S12L)とに区画するものである。
高段側揺動ブッシュ(44)は、環状ピストン部(42b)の分断箇所に設けられている。この高段側揺動ブッシュ(44)は、共に断面形状が略半円形で同一形状の2つのブッシュで構成されている。この2つのブッシュの対向面の間に、高段側ブレード(43)が進退自在に挟まれている。この高段側揺動ブッシュ(44)は、高段側ブレード(43)を挟み込んだ状態において、高段側ピストン(42)に対して揺動可能に形成されている。
高段側吸入ポート(16a)は、上記高段側シリンダ(41)における鏡板部(41a)の内部に形成されている。この高段側吸入ポート(16a)は、上記鏡板部(41a)の外周面から径方向内方へ延びている。この高段側吸入ポート(16a)の一端は、上述した外側圧縮室(S11)及び内側圧縮室(S12)の低圧室(S11L,S12L)に連通し、他端は上記ケーシング(11)の高段側の吸入管(16)に接続されている。
高段側吐出ポート(17a)は、上記高段側シリンダ(41)における鏡板部(41a)の内部に形成されている。この高段側吐出ポート(17a)は、上記鏡板部(41a)の上面から下方へ向かって延びている。この高段側吐出ポート(17a)の一端は、上述した外側圧縮室(S11)及び内側圧縮室(S12)の高圧室(S11H,S12H)に連通し、他端はケーシング(11)内に開口している。また、高段側吐出ポート(17a)と外側圧縮室(S11)との連通部(46)には外側吐出弁(46a)が設けられ、高段側吐出ポート(17a)と内側圧縮室(S12)との連通部(47)には内側吐出弁(47a)が設けられている。これらの吐出弁(46a,47a)は、高圧室(S11H,S12H)とケーシング(11)内との差圧が設定値に達すると開くように構成されている。
この高段側圧縮部(40)では、高段側ピストン(42)が高段側シリンダ(41)に対して偏心回転運動を行う。この偏心回転運動では、環状ピストン部(42b)の外周面と外側シリンダ部(41b)の内周面とが実質的に1点で摺接し、その摺接点と位相が180°ずれた位置において環状ピストン部(42b)の内周面と内側シリンダ部(41c)の外周面とが実質的に1点で摺接する。
次に、図9を用いて、上記低段側圧縮部(30)を説明する。尚、図9に示されたアンロードポート(3)は、本実施形態には設けられておらず、このアンロードポート(3)が設けられているのは、後述する本実施形態の変形例の場合である。
図2、図9に示すように、低段側圧縮部(30)は、低段側シリンダ(31)と低段側ピストン(32)と低段側ブレード(33)と低段側揺動ブッシュ(34)とを有している。また、低段側圧縮部(30)には、低段側吸入ポート(14a)及び低段側吐出ポート(15a)が設けられている。
低段側シリンダ(31)は、鏡板部(31a)と外側シリンダ部(31b)と内側シリンダ部(31c)とを備えている。上記鏡板部(31a)の中央部には軸受部(31d)が形成され、この軸受部(31d)に上記回転軸(23)の主軸部(24)が摺動自在に支持されている。また、外側シリンダ部(31b)及び内側シリンダ部(31c)は、共に筒状に形成され、上記鏡板部(31a)から上方へ突出するように延びている。外側シリンダ部(31b)の内側に内側シリンダ部(31c)が位置し、外側シリンダ部(31b)及び内側シリンダ部(31c)は回転軸(23)の軸心と同軸となっている。
低段側ピストン(32)は、鏡板部(32a)と環状ピストン部(32b)と筒状の軸受部(32c)とを備えている。筒状の軸受部(32c)は鏡板部(32a)の径方向内側部位に突設している。この軸受部(32c)が回転軸(23)の低段側偏心部(25)に内嵌した状態で、上述した内側シリンダ部(31c)の内側に収容されている。また、環状ピストン部(32b)は、円環の一部分が分断されたC型形状に形成され、上述した外側シリンダ部(31b)及び内側シリンダ部(31c)の間に収容されている。
低段側ブレード(33)は、上記外側シリンダ部(31b)の内周面から上記内側シリンダ部(31c)の外周面に亘って、低段側シリンダ(31)の径方向へ延びるように設けられている。この低段側ブレード(33)は、上述した環状ピストン部(32b)及び外側シリンダ部(31b)の間に区画された外側圧縮室(S13)と、環状ピストン部(32b)及び内側シリンダ部(31c)の間に区画された内側圧縮室(S14)とを、更に高圧室(S13H,S14H)と低圧室(S13L,S14L)とに区画するものである。
低段側揺動ブッシュ(34)は、環状ピストン部(32b)の分断箇所に設けられている。この低段側揺動ブッシュ(34)は、共に断面形状が略半円形で同一形状の2つのブッシュで構成されている。この2つのブッシュの対向面の間に、低段側ブレード(33)が進退自在に挟まれている。この低段側揺動ブッシュ(34)は、低段側ブレード(33)を挟み込んだ状態において、低段側ピストン(32)に対して揺動可能に形成されている。
低段側吸入ポート(14a)は、上記低段側シリンダ(31)における鏡板部(31a)の内部に形成されている。この低段側吸入ポート(14a)は、上記鏡板部(31a)の外周面から径方向内方へ延びている。この低段側吸入ポート(14a)の一端は、上述した外側圧縮室(S13)及び内側圧縮室(S14)の低圧室(S13L,S14L)に連通し、他端は上記ケーシング(11)の低段側の吸入管(14)に接続されている。
低段側吐出ポート(15a)は、上記低段側シリンダ(31)における鏡板部(31a)の内部に形成されている。この低段側吐出ポート(15a)は、上記鏡板部(31a)の外周面から径方向内方へ延びている。この低段側吐出ポート(15a)の一端は、上述した外側圧縮室(S13)及び内側圧縮室(S14)の高圧室(S13H,S14H)に連通し、他端は上記ケーシング(11)の低段側の吐出管(15)に接続されている。
また、低段側吐出ポート(15a)と外側圧縮室(S13)との連通部(36)には外側吐出弁(36a)が設けられ、低段側吐出ポート(15a)と内側圧縮室(S14)との連通部(37)には内側吐出弁(37a)が設けられている。これらの吐出弁(36a,37a)は、高圧室(S13H,S14H)と低段側吐出ポート(15a)内との差圧が設定値に達すると開くように構成されている。
この低段側圧縮部(30)では、低段側ピストン(32)が低段側シリンダ(31)に対して偏心回転運動を行う。この偏心回転運動では、環状ピストン部(32b)の外周面と外側シリンダ部(31b)の内周面とが実質的に1点で摺接し、その摺接点と位相が180°ずれた位置において環状ピストン部(32b)の内周面と内側シリンダ部(31c)の外周面とが実質的に1点で摺接する。
また、二段圧縮機(10)の容積比(高段側圧縮部に係る圧縮室の吸入容積/低段側圧縮部に係る圧縮室の吸入容積)は0.7から0.9の間で設定されている。本実施形態では、0.8に設定されている。ここで、高段側圧縮部(40)に係る圧縮室容積は、外側圧縮室(S11)及び内側圧縮室(S12)を合算したものであり、低段側圧縮部(30)に係る圧縮室容積は、外側圧縮室(S13)及び内側圧縮室(S14)を合算したものである。
本実施形態では、低段側圧縮部(30)に係る外側圧縮室(S13)及び内側圧縮室(S14)へ冷媒が同時に吸入されて圧縮された後に、その圧縮した冷媒が高段側圧縮部(40)に係る外側圧縮室(S11)及び内側圧縮室(S12)へ交互に吸入されてさらに圧縮された後に吐出される。
〈温水熱交換器〉
上記温水熱交換器(71)は、例えばプレート式熱交換器で構成される。この温水熱交換器(71)は冷媒流路(71a)及び水流路(71b)を有し、上記冷媒流路(71a)の冷媒で上記水流路(71b)を流れる水を加熱して温水にするように構成されている。この水流路(71b)は温水回路(80)に連通し、この温水回路(80)を通じて温水が対象機器(図示なし)へ供給される。
上記温水熱交換器(71)の入口には、上記吐出配管(83)が接続されている。また、上記温水熱交換器(71)の出口から延びる冷媒配管は2つに分岐して、一方が上記エコノマイザ熱交換器(74)に係る高温流路(74b)の入口に接続され、他方が上記インジェクション弁(76)を介して上記エコノマイザ熱交換器(74)に係る低温流路(74a)の入口に接続されている。
〈エコノマイザ熱交換器とインジェクション弁〉
上記インジェクション弁(76)は、上記温水熱交換器(71)を流出した後の冷媒の一部を減圧して上記高段側圧縮部(40)の吸入側へインジェクションするものである。このインジェクション弁(76)の開度は、上記コントローラ(60)の指示で必要に応じて変更される。このインジェクション弁(76)の開度を大きくすると、上記高段側圧縮部(40)の吸入側へインジェクションされる冷媒の量が増え、このインジェクション弁(76)の開度を小さくすると、上記高段側圧縮部(40)の吸入側へインジェクションされる冷媒の量が減る。
上記エコノマイザ熱交換器(74)は、例えばプレート式熱交換器で構成される。このエコノマイザ熱交換器(74)は高温流路(74b)及び低温流路(74a)を有し、各流路(74a,74b)を流れる流体同士が熱交換するように構成されている。この高温流路(74b)の出口から延びる冷媒配管が上記内部熱交換器(77)に係る高温流路(77b)の入口に接続されている。上記エコノマイザ熱交換器(74)の低温流路(74a)の出口から延びる冷媒配管は上記中間配管(82)の途中に接続されている。尚、この冷媒配管及び上記中間配管(82)の接続部分は、上記中間配管(82)及び上記戻し配管(84)の接続部分よりも上流側に位置している。
このエコノマイザ熱交換器(74)では、上記インジェクション弁(76)の開度が大きくなると該エコノマイザ熱交換器(74)の熱交換量が大きくなって高温流路(74b)を流通する冷媒の過冷却度が大きくなる。また、上記インジェクション弁(76)の開度が小さくなると該エコノマイザ熱交換器(74)の熱交換量が小さくなって高温流路(74b)を流通する冷媒の過冷却度が小さくなる。
〈内部熱交換器と中間冷却熱交換器と熱源側熱交換器〉
上記内部熱交換器(77)及び上記中間冷却熱交換器(75)は、例えばプレート式熱交換器で構成される。これらの熱交換器(77,75)は高温流路(77b,75b)及び低温流路(77a,75a)を有し、高温流路(77b,75b)及び低温流路(77a,75a)を流れる流体同士が熱交換して、高温流路(77b,75b)の流体が冷却されて低温流路(77a,75a)の流体が加熱される。
また、上記熱源側熱交換器(73)は、いわゆるクロスフィン型のフィン・アンド・チューブ熱交換器により構成されている。この熱源側熱交換器(73)の近傍には、該熱源側熱交換器(73)へ室外空気を供給する送風ファン(78)が設けられている。この熱源側熱交換器(73)では、送風ファン(78)の室外空気と該熱源側熱交換器(73)を流通する冷媒との間で熱交換が行われる。
上記中間冷却熱交換器(75)に係る高温流路(75b)は上記中間配管(82)に連通している。この中間冷却熱交換器(75)と中間配管(82)との連通部分は、上記中間配管(82)及び上記戻し配管(84)の接続部分よりも上流側に位置している。また、上記中間冷却熱交換器(75)に係る低温流路(75a)は、温水回路(80)に連通している。
上記内部熱交換器(77)に係る高温流路(77b)の出口から延びる冷媒配管は上記膨張弁(72)を介して上記熱源側熱交換器(73)に係る冷媒流路の入口に接続されている。また、上記内部熱交換器(77)に係る低温流路(77a)の入口から延びる冷媒配管は上記熱源側熱交換器(73)に係る冷媒流路の出口に接続されている。上記内部熱交換器(77)に係る低温流路の出口は吸入配管(81)に接続されている。
〈コントローラ〉
上記コントローラ(60)は、上記給湯機(1)の運転を制御するものである。このコントローラ(60)には、上記給湯機(1)に設けられた圧力センサや温度センサが電気的に接続されている。これらのセンサの入力値に応じて、二段圧縮機(10)や膨張弁(72)等のアクチュエータの動作指令を行う。このコントローラ(60)が行う制御動作の1つとして、上記給湯機(1)の運転動作を加熱運転と再加熱運転とに切り換える切換動作がある。
−運転動作−
上記冷媒回路(70)では、上記温水熱交換器(71)が放熱器として機能し、上記熱源側熱交換器(73)が蒸発器として機能することによって、冷凍サイクルが行われる。
上記二段圧縮機(10)の高段側圧縮部(40)から吐出された高圧の冷媒(図1の点d)は、上記温水熱交換器(71)へ送られる。この温水熱交換器(71)で高圧の冷媒が温水回路(80)の温水へ放熱する。この放熱で温水が加熱される。
温水熱交換器(71)を流出した冷媒(図1の点d1)は2つに分流し、一方の冷媒が上記エコノマイザ熱交換器(74)の高温流路(74b)へ流入し、他方の冷媒が上記インジェクション弁(76)で減圧されて中間圧の冷媒(図1の点c3)となった後で、上記エコノマイザ熱交換器(74)の低温流路(74a)へ流入して両方の冷媒が熱交換する。この熱交換によって低温流路(74a)側の冷媒は蒸発し、高温流路(74b)側の冷媒は冷却される。
上記エコノマイザ熱交換器(74)で冷却された冷媒(図1の点d2)は上記内部熱交換器(77)でさらに冷却された後(図1の点e)で、上記膨張弁(72)によって所定の圧力まで減圧されて低圧の冷媒(図1の点f)となる。この低圧の冷媒は、上記熱源側熱交換器(73)で室外空気から吸熱して蒸発した後(図1の点f1)で、上記内部熱交換器(77)でさらに蒸発し、または加熱される。そして、この内部熱交換器(77)で蒸発し、または加熱された冷媒(図1の点a)が、上記二段圧縮機(10)の低段側圧縮部(30)へ吸入される。
上記低段側圧縮部(30)に吸入された低圧の冷媒は、該低段側圧縮部(30)で圧縮されて中間圧の冷媒(図1の点b)となった後で上記中間冷却熱交換器(75)へ送られる。この中間冷却熱交換器(75)で中間圧の冷媒が上記温水回路(80)の温水に対して放熱した後に、上記エコノマイザ熱交換器(74)の低温流路(74a)で加熱された中間圧の冷媒と合流する。つまり、上記温水回路(80)の水は、上記温水熱交換器(71)と上記中間冷却熱交換器(75)との両方で加熱するように構成されている。
この合流した中間圧の冷媒(図1の点c)が上記二段圧縮機(10)の高段側圧縮部(40)へ吸入されて、該高段側圧縮部(40)で臨界圧力を超えて圧縮されて高圧の冷媒となった後、該高段側圧縮部(40)から再び吐出される。このように、上記冷媒回路(70)内を冷媒が循環することによって超臨界の冷凍サイクルが行われ、上記温水熱交換器(71)で温水が生成される。
〈加熱運転及び再加熱運転の切換制御〉
加熱運転及び再加熱運転の切換制御は、上記コントローラ(60)の指令で行われる。上記コントローラ(60)には入水温度センサ(65)が電気的に接続されている。上記コントローラ(60)では、この入水温度センサ(65)の検出値が所定値以下の場合には給湯機(1)の運転を加熱運転に設定して、所定値よりも大きい場合には給湯機(1)の運転を再加熱運転を選択する。
上記給湯機(1)の運転が加熱運転に設定された場合、図6に示す冷凍サイクルを行う。尚、図6と図1の符号は一致している。また、二段圧縮機(10)は、図4(A)に示すサイクルを行う。
この加熱運転では、上記戻し配管(84)の調整弁(4)が全閉に設定される。また、上記インジェクション弁(76)の開度は、所定範囲内で調整される。この所定範囲は、再加熱運転の開度範囲よりも小さく設定されている。尚、上記インジェクション弁(76)の開度は、入水温度センサ(65)の検出値に比例して変化するようにしてもよい。
ここで、図4(A)において、上記インジェクション弁(76)が全閉のときの1回転あたりの圧縮仕事量が面積ABF’Gであり、上記インジェクション弁(76)が所定量だけ開いたときの1回転あたりの圧縮仕事量が面積ABCEFGである。上記インジェクション弁(76)を所定量だけ開くことにより、高段側圧縮部(40)の1回転あたりの圧縮仕事量は、面積CEFF’の分だけ増加する。
この加熱運転では、入水温度が低い分だけ再加熱運転に比べて温水の加熱量が大きい。このことから、上記冷媒回路(70)の循環量を上記再加熱運転時に比べて大きくしなければならない。上記加熱運転時の二段圧縮機(10)の運転回転数は、上記再加熱運転時の運転回転数よりも高く設定される。上記再加熱運転よりも上記加熱運転の方が加熱量が大きくなるからである。また、この加熱運転では、再加熱運転時に比べてインジェクション率が少ないので、再加熱運転時に比べて冷媒回路(70)の中間圧力が低く、1回転あたりの圧縮仕事量も小さい。したがって、この加熱運転は、再加熱運転に比べて低トルク高消費電力運転である。
ここで、インジェクション率とは、冷媒回路(70)を循環する冷媒量、具体的には吐出配管(83)から温水熱交換器(71)に向かう(図1の点dを通過する)冷媒量、に対するインジェクションの循環量(図1の点c2を通過する冷媒量)の比率のことをいう。
一方、上記給湯機(1)の運転が再加熱運転に設定された場合、二段圧縮機(10)は、図5(B)に示すサイクルを行う。この再加熱運転では、上記戻し配管(84)の調整弁(4)が適宜に調整される。尚、この調整弁(4)の開度は、入水温度センサ(65)の検出値に比例して変化するようにしてもよい。また、上記インジェクション弁(76)の開度は、所定範囲内で調整される。この所定範囲は、加熱運転の開度範囲よりも大きく設定されている。
ここで、インジェクション弁(76)の開度を加熱運転時よりも大きくした場合を図4(B)を用いて説明し、インジェクション弁(76)の開度を加熱運転時よりも大きくしつつ調整弁(4)の開度を適宜調整する場合を図5を用いて説明する。
図4(B)において、インジェクション弁(76)の開度を加熱運転時よりも大きくすることにより、この場合の1回転あたりの圧縮仕事量が面積ABC1E1F1Gとなる。これを加熱運転時と比較すると、面積HE1F1Fの分の1回転あたりの圧縮仕事量が増えて、面積CEHC1の分の1回転あたりの圧縮仕事量が減り、トータルとして加熱運転時よりも再加熱運転の圧縮仕事量が増える。この再加熱運転では、加熱運転に比べて入水温度が高い分だけ温水の加熱量が少なくてすみ、二段圧縮機(10)の運転回転数は低く設定される。したがって、この再加熱運転は、加熱運転に比べて高トルク低消費電力運転である。
本実施形態では、上記戻し配管(84)の調整弁(4)が適宜に調整されることにより、二段圧縮機(10)の圧縮仕事量を低減することができる。
具体的には、図5(B)に示すように、調整弁(4)を調整した場合の1回転あたりの圧縮仕事量は面積A3B3C3E3F3G2となる。尚、図5(A)は調整弁(4)が全閉でインジェクション弁(76)の開度を加熱運転時よりも大きくしただけの場合である。この場合の1回転あたりの圧縮仕事量はA2B2C2E2F2G2となる。尚、図5(A)と図5(B)の符号は一致している。
このように、調整弁(4)を開くと、上記低段側圧縮部(30)で圧縮した後の冷媒の一部を該低段側圧縮部(30)の吸入側へ戻すとともに、残りの冷媒を上記高段側圧縮部(40)へ吸入させることができる。この結果、上記低段側圧縮部(30)の実質的な冷媒吐出量が低下し、図5(B)からわかるように、上記冷媒回路(70)の中間圧力が下がる。また、この冷媒吐出量の低下によって上記冷媒回路(70)の循環量が少なくなると、該冷媒回路(70)に接続された熱源側熱交換器(73)の圧力損失が低下し、冷凍サイクルの低圧圧力が上がる。これにより、上記調整弁(4)を作動させた場合(図5(B))において、上記調整弁(4)が全閉の場合(図5(A))に比べて、二段圧縮機(10)の圧縮仕事量を低減することができる。
−実施形態の効果−
上記実施形態によれば、上記再加熱運転時に、上記調整弁(4)で上記低段側圧縮部(30)の冷媒吐出量を低下させることによって、上記冷媒回路(70)の中間圧力を下げるとともに冷媒回路(70)の低圧圧力を上げることができる。これにより、上記調整弁(4)を全閉にした場合に比べて、二段圧縮機(10)の圧縮仕事量を減らすことができ、上記二段圧縮機(10)の圧縮トルクを小さくしながら再加熱運転を行うことができる。
上記実施形態によれば、上記調整弁(4)を上記低段側圧縮部(30)の外側に配置させることができ、該低段側圧縮部(30)の内部構造を変更することなく、上記再加熱運転時の二段圧縮機(10)の圧縮トルクを小さくすることができる。
上記実施形態によれば、上記再加熱運転は入水温度が高いので、温水熱交換器(71)の冷媒入口温度も上記加熱運転より高い方が望ましい。上記調整弁(4)を作動させると、冷媒回路(70)の中間圧力が下がり冷媒回路(70)の低圧圧力が上がるので、低段側圧縮部(30)よりも高段側圧縮部(40)の圧縮仕事量を増やすことができ、温水熱交換器(71)の冷媒入口温度を高くすることができる。
−実施形態の変形例−
図7から図12に示す実施形態の変形例では、低減機構が、上記低段側圧縮部(30)に設けられたアンロードポート(3)を開閉する開閉弁(4)で構成されている。以下、上記実施形態と同じ部分については説明を省略して、異なる部分のみ説明する。
上記開閉弁(4)は、上記低段側シリンダ(31)の鏡板部(31a)に形成された凹陥状のアンロードポート(3)内に上下方向に移動自在に収容されている(図11を参照)。このアンロードポート(3)は、図9に示すように、外側シリンダ部(31b)及び内側シリンダ部(31c)の間に開口している。本変形例では、上記外側圧縮室(S13)が最大容積のときの回転軸の回転角を0°とすると(図10(A)を参照)、このアンロードポート(3)が、上記回転角の100°の位置に設けられている。尚、アンロードポート(3)は、100°に限定されず、100°から130°の間でもよい。この位置にアンロードポート(3)を設けることにより、低段側圧縮室(S13,S14)に係る圧縮開始時の容積を約20%減らすことが可能となる。この容積低減については詳しく後述する。
このアンロードポート(3)の径を上記環状ピストン部(32b)の端面に係る環状部分の径方向幅よりも大きくすることにより、アンロードポート(3)を通じて環状ピストン部(32b)の両側にある外側圧縮室(S13)及び内側圧縮室(S14)を連通させることが可能となる。
本変形例では、アンロードポート(3)の径が、外側シリンダ部(31b)の内周面と内側シリンダ部(31c)の外周面との間の幅と略同じである。また、この開閉弁(4)の下面とアンロードポート(3)の底面との間には弾性バネ(6)が取り付けられている。この弾性バネ(6)は、上記開閉弁(4)を上記アンロードポート(3)の底面側へ付勢している。
また、図8に示すように、上記冷媒回路(70)には三路切換弁(5)が取り付けられている。この三路切換弁(5)は3つのポートを有し、第1ポートと第2ポートとが繋がって第3ポートが閉じる高圧状態と、第1ポートと第3ポートとが繋がって第2ポートが閉じる低圧状態とに切換可能に構成されている。この三路切換弁(5)の切換動作は、上記コントローラ(60)の指令によって行われる。上記第1ポートから延びる第1導入通路(7a)が上記アンロードポート(3)の底面に開口している。第2ポートから延びる高圧通路(7b)が上記二段圧縮機(10)の吐出配管(83)に連通し、第3ポートから延びる低圧通路(7c)が上記二段圧縮機(10)の吸入配管(81)に連通している。
この変形例では、加熱運転のときに上記三路切換弁(5)を高圧状態に設定する。すると、図11(A)に示すように、上記三路切換弁(5)の第2ポートと第1ポートとが連通して上記冷媒回路(70)の高圧圧力が上記アンロードポート(3)内の開閉弁(4)の下側に作用し、該開閉弁(4)が上側へ押し上げられて、上記開閉弁(4)が、上記アンロードポート(3)内に設けられたストッパーと当接する。これにより、このアンロードポート(3)の開口面が閉じられ、又は開閉弁(4)と環状ピストン部(32b)との隙間が小さくなって外側圧縮室(S13)及び内側圧縮室(S14)は実質的に非連通状態となる。
一方、再加熱運転のときに、上記三路切換弁(5)を低圧状態に設定する。すると、図11(B)に示すように、上記三路切換弁(5)の第1ポートと第3ポートとが連通して上記アンロードポート(3)内の圧力が下がり、上記弾性バネ(6)によって上記開閉弁(4)が下側へ戻されて、上記開閉弁(4)の上端面と上記環状ピストン部(32b)の先端面とが離反する。これにより、上記アンロードポート(3)の開口面上において、環状ピストン部(32b)の両側面が内側シリンダ部(31c)の側面及び外側シリンダ部(31b)の側面から離反した位置にあるとき、外側圧縮室(S13)及び内側圧縮室(S14)が連通する。
上記開閉弁(4)が下がっているときの、低段側圧縮部(30)の運転動作について詳しく説明する。
回転軸(23)が図の矢印の方向に回転して図10(B)〜図10(H)の状態へ変化するのに伴って該高圧室(S13H)の容積が縮小し、この高圧室(S13H)の圧力が所定圧力に達すると、外側吐出弁(36a)が開いて、外側の連通部(36)から低段側吐出ポート(15a)を通じて高圧室(S13H)の冷媒が吐出される。
ここで、回転軸(23)の回転角が0°から100°までの間、上記アンロードポート(3)の開口面上において、環状ピストン部(32b)の両側面が内側シリンダ部(31c)及び外側シリンダ部(31b)から離反した状態になるため、上記アンロードポート(3)は、外側圧縮室(S13)の高圧室(S13H)及び内側圧縮室(S14)の低圧室(S14L)の両方に開口した状態となる。このとき、上記回転軸(23)の回転が進んでも、外側圧縮室(S13)の高圧室(S13H)で冷媒の圧縮が始まらず、該高圧室(S13H)の冷媒の一部は内側圧縮室(S14)の低圧室(S14L)へ吸入されるのみである。
そして、回転軸(23)の回転角が100°を過ぎると、環状ピストン部(32b)と外側シリンダ部(31b)との摺接点が上記アンロードポート(3)を過ぎて、上記アンロードポート(3)は、外側圧縮室(S13)の高圧室(S13H)に開口せず内側圧縮室(S14)の低圧室(S14L)に開口した状態となる。このとき、外側圧縮室(S13)の高圧室(S13H)と内側圧縮室(S14)の低圧室(S14L)とが非連通となって、外側圧縮室(S13)の高圧室(S13H)で圧縮が開始される。
このように、外側圧縮室(S13)に係る圧縮開始時の容積を小さくすることによって、外側圧縮室(S13)から吐出される冷媒の量を低減している。尚、この圧縮開始時の容積(以下、吸込み容積という。)は、外側圧縮室(S13)の最大容積の約0.8倍になっている。
一方、低段側圧縮部(30)の内側圧縮室(S14)では、図10(E)の状態で低圧室(S14L)の容積が最大となり高圧室(S14H)となって、ここから回転軸(23)が図の矢印の方向に回転して図10(F)〜図10(D)の状態へ変化するのに伴って該高圧室(S14H)の容積が縮小し、この高圧室(S14H)の圧力が所定圧力に達すると、内側吐出弁(37a)が開いて、内側の連通部(37)から低段側吐出ポート(15a)を通じて高圧室(S14H)の冷媒が吐出される。
ここで、回転軸(23)の回転角が180°から280°までの間、上記アンロードポート(3)の開口面上において、環状ピストン部(32b)の両側面が内側シリンダ部(31c)及び外側シリンダ部(31b)から離反した状態になるため、上記アンロードポート(3)は、外側圧縮室(S13)の低圧室(S13L)及び内側圧縮室(S14)の高圧室(S14H)の両方に開口した状態となる。
このとき、このアンロードポート(3)を通じて外側圧縮室(S13)の低圧室(S13L)と内側圧縮室(S14)の高圧室(S14H)とが連通状態となる。この連通状態の間、回転軸(23)の回転が進んでも、内側圧縮室(S14)の高圧室(S14H)で冷媒の圧縮が始まらず、該高圧室(S14H)の冷媒の一部は外側圧縮室(S13)の低圧室(S13L)へ吸入されるのみである。
そして、回転軸(23)の回転角が280°を過ぎると、環状ピストン部(32b)と内側シリンダ部(31c)との摺接点が上記アンロードポート(3)を過ぎて、上記アンロードポート(3)は、内側圧縮室(S14)の高圧室(S14H)に開口せず外側圧縮室(S13)の低圧室(S13L)に開口した状態となる。
このとき、内側圧縮室(S14)の高圧室(S14H)と上記外側圧縮室(S13)の低圧室(S13L)とが非連通となって、内側圧縮室(S14)の高圧室(S14H)で圧縮が開始される。このように、内側圧縮室(S14)の吸込み容積を小さくすることによって、内側圧縮室(S14)から吐出される冷媒の量を低減している。尚、この吸込み容積は、内側圧縮室(S14)の最大容積の0.8倍になっている。
以上より、上記開閉弁(4)を設けることにより、上記再加熱運転時に、低段側圧縮部(30)の圧縮室(S13,S14)の吸込み容積を、該圧縮室(S13,S14)の最大容積の0.8倍に低減することができる。
次に、上記開閉弁(4)が開のときの運転動作を、図7、図12に基いて説明する。図7は、上記開閉弁(4)が開のときの再加熱運転時の冷凍サイクルを示す。図12(A)は、上記開閉弁(4)が閉の場合のサイクルを示し、図12(B)は、上記開閉弁(4)が開の場合のサイクルを示している。尚、図12(A)と図12(B)との符号は対応している。また、図12の横軸は、低段側圧縮部(30)の圧縮室の最大容積を1としている。
図7からわかるように、上記開閉弁(4)が開の場合、該開閉弁(4)が閉の場合(図6を参照)に比べて、冷媒回路(70)の中間圧力が下がる。また、図12において、上記開閉弁(4)が開くと、低段側圧縮部(30)の吸込み容積が1.0から0.8となり、低段側圧縮部(30)と高段側圧縮部(40)の吸込み容積が同じ値になっている。
このように、低段側圧縮部(30)の吸込み容積を減少させることにより、図12(B)に示すように、二段圧縮機(10)の1回転あたりの圧縮仕事量が、面積A4B4C4E4F4G4から面積A5B5C5E5F5G4へ減少する。これは、上記低段側圧縮部(30)の実質的な冷媒吐出量の低下により、上記冷媒回路(70)の中間圧力が下がり、且つ、この冷媒吐出量の低下によって上記冷媒回路(70)の循環量が少なって上記熱源側熱交換器(73)の圧力損失が低下し、上記冷媒回路(70)の低圧圧力が上がるからである。
これにより、上記低段側圧縮部(30)から上記高段側圧縮部(40)へ吐出される実質的な冷媒の量を低下させることができ、上記再加熱運転時の二段圧縮機(10)の圧縮トルクを小さくすることができる。
《その他の実施形態》
上記実施形態については、以下のような構成としてもよい。
上記実施形態では、上記温水熱交換器(71)の入水温度に基いて、加熱運転と再加熱運転とを切り換えていたが、これに限定されず、例えば、上記温水熱交換器(71)の冷媒温度や上記冷媒回路(70)の圧力に基いて運転状態を切り換えてもよい。この場合であっても、本発明と同様の効果を得ることができる。
また、上記実施形態では、給湯機に用いられる二段圧縮機に低減機構を設けて再加熱運転時の圧縮トルクを低減したが、これに限定されず、給湯機能の他に空調機能を備えた空調給湯機に用いられる二段圧縮機に低減機構を設けて再加熱運転時の圧縮トルクを低減してもよい。この空調給湯機において、空調運転条件で最適設計された二段圧縮機であっても、本発明の低減機構を用いることによって、低段側圧縮部(30)の冷媒吐出量を低減することにより、再加熱運転時の圧縮トルクが低減される。
また、上記実施形態の変形例では、上記開閉弁(4)で上記低段側圧縮部(30)の吸込み容積を低減させて、再加熱運転時の圧縮トルクを低減させていたが、これに限定されず、例えば、圧縮した一部の冷媒のみを高段側圧縮部(40)へ吸入するようにし、残りの未圧縮のまま吐出した冷媒を低段側圧縮部(30)へ再吸入させるように構成されていてもよい。
具体的には、上記低段側圧縮部(30)の低段側吐出ポート(15a)を、外側吐出弁(36a)に対応する外側吐出ポートと、内側吐出弁(37a)に対応する内側吐出ポートとに隔離してそれぞれの吐出ポートから吐き出されたガスが直接合流しないように構成し、低段側圧縮部(30)の外側圧縮室(S13)で圧縮された冷媒を高段側圧縮部(40)の吸入側へ向かわせて、低段側圧縮部(30)の内側圧縮室(S14)でほとんど圧縮されずに吐出された冷媒を低段側圧縮部(30)の吸入側へ再吸入させるようにしてもよい。このように構成しても、再加熱運転時の圧縮トルクを低減させることが可能である。
なお、以上の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。