KR101280155B1 - 히트 펌프 장치, 2단 압축기 및 히트 펌프 장치의 운전 방법 - Google Patents

히트 펌프 장치, 2단 압축기 및 히트 펌프 장치의 운전 방법 Download PDF

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Abstract

2단 압축기 및 2단 압축기를 이용한 히트 펌프 장치에 있어서, 부하가 작을 때에 있어서의 효율을 개선하는 것을 목적으로 한다. 히트 펌프 장치는, 2단 압축기(100)와, 제 1 열교환기와, 제 1 팽창기구와, 제 2 열교환기가 배관에 의해 순차적으로 접속된 주냉매 회로를 구비한다. 2단 압축기(100)는, 부하가 소정의 부하보다 높은 경우에는, 저단 압축부(10)와 고단 압축부(30)에서 2단 압축한 냉매를 냉매 회로에 토출한다. 한편, 2단 압축기(100)는, 부하가 소정의 부하보다 낮은 경우에는, 저단 압축부(10)가 압축한 냉매를 고단 압축부(30)에서 압축시키는 일 없이 바이패스하여 주냉매 회로에 토출한다.

Description

히트 펌프 장치, 2단 압축기 및 히트 펌프 장치의 운전 방법{HEAT PUMP DEVICE, TWO-STAGE COMPRESSOR, AND METHOD OF OPERATING HEAT PUMP DEVICE}
본 발명은, 2개의 압축부가 직렬로 접속된 2단 압축기, 및 2단 압축기를 이용한 히트 펌프 장치에 관한 것이다.
저단(低段) 압축부와 고단(高段) 압축부가 직렬로 접속된 2단 압축기에서는, 저단 압축부는, 소정의 압력(도달압력)까지, 히트 펌프 사이클로부터 흡입한 냉매를 압축한다. 이 도달압력은, 저단 압축부의 압축실 용적과 고단 압축부의 압축실 용적의 설정에 의해 결정된다. 고단 압축부는, 저단 압축부에서 압축된 냉매를, 다시 압축한다. 그리고, 고단 압축부에서 압축된 냉매는, 고단 압축부로부터 밀폐 용기의 내부 공간으로 토출되고, 밀폐 용기의 내부 공간으로부터 히트 펌프 사이클로 토출된다.
상기한 바와 같이, 2단 압축기에서는, 저단 압축부의 압축실 용적과 고단 압축부의 압축실 용적의 설정에 의해 저단 압축부에서의 도달압력이 결정된다. 그 때문에, 히트 펌프 사이클의 운전 조건에 따라서는, 저단 압축부만의 압축에 의해 히트 펌프 사이클에 토출하여야 할 토출압까지 압축되어 버리는 과압축 상태가 되는 일이 있다. 과압축 상태가 된 경우, 고단 압축부에서의 압축은 필요 없게 되어, 압축기의 효율이 나빠진다. 여기서, 과압축 상태는, 외기 온도가 높은 경우에 있어서의 난방 운전을 하는 경우 등의 부하가 작은 경우에 발생하기 쉽다. 즉, 과압축 상태는, 부하가 작은 경우에 있어서의 효율의 저하를 일으키는 요인이 된다.
특허문헌1에는, 저단 압축부로부터 고단 압축부로 냉매를 흘리는 연통로와, 고단 압축부의 토출측의 공간을 접속하는 바이패스로(路)를 구비하는 2단 압축기에 관한 기재가 있다. 이 2단 압축기에서는, 과압축 상태가 된 경우, 연통로의 냉매를, 고단 압축부를 바이패스시켜서 고단 압축부의 토출측의 공간으로 흘린다. 이에 의해, 과압축 상태가 된 경우에 있어서의 효율의 개선을 도모하고 있다.
특허문헌2에는, 저단 압축부에서 압축한 냉매의 일부를, 저단 압축부의 흡입측에 되돌리는 릴리스 기구를 구비하는 히트 펌프 장치에 관한 기재가 있다. 이 히트 펌프 장치에서는, 부하가 낮은 경우에, 릴리스 기구를 작동시킴에 의해, 부하가 낮은 경우에 있어서의 압축기의 효율의 개선을 도모하고 있다.
특허문헌1 : 일본 특개평5-133367호 공보 특허문헌2 : 일본 특개평2-11886호 공보
특허문헌1에 기재된 2단 압축기에서는, 저단 압축부에서 토출된 냉매는, 좁고 긴 연통로를 통과한 후, 바이패스로로부터 고단 압축부의 토출측의 공간으로 토출된다. 냉매가 좁고 긴 연통로를 통과함에 의해, 압력 손실이 생긴다. 그 때문에, 일시적인 과압축 상태의 회피에 대해서는 효과가 있는 것이지만, 정상 운전시에 있어서의 과압축 손실을 저감하는 효과는 작다.
특히, 부하가 작을 때는 토출압이 낮은 압력이기 때문에 냉매 가스의 비용적(比容積)이 크고 체적 유량도 크다. 그 때문에, 유로 면적의 부족에 의한 압력 손실이 크다.
특허문헌2에 기재된 히트 펌프 장치에서는, 릴리스 기구를 작동시킴에 의해 저단 압축부의 흡입측과 토출측이 직결되어, 저단 압축부에서 압축한 냉매의 일부가 저단 압축부의 흡입측으로 되돌아온다. 그러나, 릴리스 기구를 작동시킨 경우라도, 저단 압축부에서는, 일정량 이상의 압축이 발생한다. 또한, 저단 압축부를 냉매가 통과함에 의해 냉매가 가열되어, 이른바 프리히트 로스(preheat loss)가 발생한다. 즉, 냉매가 고단 압축부에서 압축되기 전에 가열되어 버림에 의한 로스(프리히트 로스)가 발생한다. 그 때문에, 부하가 낮은 경우에 있어서의 효율 개선의 정도가 작다.
본 발명은, 2단 압축기 및 2단 압축기를 이용한 히트 펌프 장치에 있어서, 부하가 작을 때에 있어서의 효율을 개선하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 관한 히트 펌프 장치는,
압축기와, 제 1 열교환기와, 제 1 팽창기구와, 제 2 열교환기가 배관에 의해 순차적으로 접속된 주냉매 회로를 구비하고,
상기 압축기는,
유입한 냉매를 압축하는 저단 압축부와,
상기 저단 압축부가 압축한 냉매를 다시 압축하는 고단 압축부와,
상기 제 1 열교환기에서 상기 주냉매 회로를 흐르는 냉매와 열교환되는 유체의 온도를 소정의 온도로 하는데 필요한 열량인 필요부하가, 미리 설정된 제 1의 부하보다 높은 경우에는, 상기 저단 압축부와 상기 고단 압축부가 압축한 냉매를 상기 주냉매 회로에 토출하고, 상기 필요부하가 상기 제 1의 부하보다 낮은 경우에는, 상기 저단 압축부가 압축한 냉매를 상기 고단 압축부에서 압축시키는 일 없이 바이패스하여 상기 주냉매 회로에 토출하는 바이패스 기구를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 관한 히트 펌프 장치는, 부하가 낮은 경우에 저단 압축부가 압축한 냉매를 고단 압축부에서 압축시키는 일 없이 바이패스하여 주냉매 회로에 토출한다. 그 때문에, 부하가 낮은 경우에 있어서의 발생하는 과압축 손실을 저감할 수 있다.
도 1은 실시의 형태 1에 관한 2단 압축기(100)의 평면도.
도 2는 도 1에서의 A-A' 단면도.
도 3은 도 2에서의 압축기구부(3) 및 압축기구부(3)의 주위의 확대도.
도 4는 도 1에서의 B-B' 단면도.
도 5는 도 2에서의 C-C' 단면도.
도 6은 도 2에서의 D-D' 단면도.
도 7은 도 2에서의 E-E' 단면도.
도 8은 도 2에서의 F-F' 단면도.
도 9는 인젝션 회로를 갖는 히트 펌프 장치의 회로 구성의 한 예를 도시하는 도면.
도 10은 도 9에 도시하는 히트 펌프 장치의 냉매의 상태에 관한 모리엘 선도(Mollier diagram).
도 11은 실시의 형태 2에 관한 2단 압축기(100)의 구성도.
도 12는 실시의 형태 3에 관한 2단 압축기(100)의 압축기구부(3) 부분의 단면도.
도 13은 저단 베인(13)에 걸리는 힘의 설명도.
도 14는 통상의 트윈 로터리 압축기의 토크 변동을 도시하는 도면.
도 15는 실시의 형태 1에 관한 2단 압축기(100)를 통상 운전한 경우에 있어서의 토크 변동을 도시하는 도면.
도 16은 실시의 형태 1에 관한 2단 압축기(100)를 과압축 릴리프 운전한 경우에 있어서의 토크 변동을 도시하는 도면.
도 17은 실시의 형태 2에 관한 2단 압축기(100)를 고단측 직접 흡입 운전한 경우에 있어서의 토크 변동을 도시하는 도면.
실시의 형태 1
실시의 형태 1에서는, 고단 압축부를 바이패스하는 바이패스구(口)를 갖는 2단 압축기(100)에 관해 설명한다.
도 1은, 실시의 형태 1에 관한 2단 압축기(100)의 평면도이다.
도 2는, 도 1에서의 A-A' 단면도이다. 또한, 도 2에서는, 중간 연결관(51) 부분에 관해서는 a-a' 단면을 도시하고 있다.
도 3은, 도 2에서의 압축기구부(3) 및 압축기구부(3)의 주위의 확대도이다.
도 4는, 도 1에서의 B-B' 단면도이다. 도 5는, 도 2에서의 C-C' 단면도이다.
도 6은, 도 2에서의 D-D' 단면도이다.
도 7은, 도 2에서의 E-E' 단면도이다.
도 8은, 도 2에서의 F-F' 단면도이다.
우선, 2단 압축기(100)의 구성에 관해 설명한다.
도 2에 도시하는 바와 같이, 2단 압축기(100)는, 밀폐 용기(1)의 내부에, 고정자(2a)와 회전자(2b)를 갖는 전동기(2)와, 저단 압축부(10)와 고단 압축부(30)의 2개의 압축부를 구비하는 압축기구부(3)와, 크랭크 샤프트(4)를 구비한다. 또한, 밀폐 용기(1)의 상부에는, 토출관(5)이 감입(嵌入)된다. 또한, 밀폐 용기(1)의 하부는, 윤활유 저장부(6)를 형성하고, 윤활유가 봉입된다.
또한, 2단 압축기(100)는, 밀폐 용기(1)의 외부에, 흡입 머플러(7)를 구비한다. 흡입 머플러(7)는, 흡입관(8)에 의해 밀폐 용기(1) 내의 압축기구부(3)의 저단 압축부(10)와 접속된다.
도 3에 도시하는 바와 같이, 압축기구부(3)의 저단 압축부(10)는, 저단 실린더(11)와, 저단 실린더(11)의 상측을 폐색하는 저단 프레임(14)과, 저단 실린더(11)의 하측을 폐색하는 중간 칸막이판(50)에 의해 저단 압축실(15)을 형성한다. 또한, 저단 압축부(10)는, 저단 압축실(15) 내를 편심 회전하는 저단 롤링 피스톤(12)과, 저단 압축실(15)을 흡입측의 공간과 토출측의 공간으로 구획하는 저단 베인(13)(도 7 참조)을 구비한다. 또한, 저단 압축실(15)의 저단 흡입구(21)에는, 흡입관(8)이 접속되어 있다.
마찬가지로, 고단 압축부(30)는, 고단 실린더(31)와, 고단 실린더(31)의 하측을 폐색하는 고단 프레임(34)과, 고단 실린더(31)의 상측을 폐색하는 중간 칸막이판(50)에 의해, 저단 압축실(15)보다도 용적이 작은 고단 압축실(35)을 형성한다. 고단 압축부(30)는, 고단 압축실(35) 내를 편심 회전하는 고단 롤링 피스톤(32)과, 고단 압축실(35)을 흡입측의 공간과 압축측의 공간으로 구획하는 고단 베인(33)(도 8 참조)을 구비한다.
즉, 2단 압축기(100)는, 로터리형의 2단 압축기이다.
또한, 저단 롤링 피스톤(12)과 고단 롤링 피스톤(32)의 편심 방향은, 약 180도 어긋나 있다(도 7, 8 참조).
또한, 압축기구부(3)는, 저단 프레임(14)과의 사이에 저단 토출 공간(20)을 형성하는 저단 커버(19)(저단 토출부)와, 고단 프레임(34)과의 사이에 고단 토출 공간(40)을 형성하는 고단 커버(39)(고단 토출부)를 구비한다. 또한, 저단 커버(19)의 중간 유출구(22)와 고단 실린더(31)의 고단 흡입구(41)를 접속하는 중간 연결관(51)이 마련되고, 저단 토출 공간(20)과 고단 압축실(35)이 연통하고 있다.
저단 프레임(14)에는, 저단 압축실(15)과 저단 토출 공간(20)을 연통하는 저단 토출구(16)가 형성되어 있다. 저단 토출구(16)에는, 저단 토출 밸브(17)와 저단 밸브 누르개(18)가 리벳(28)에 의해 부착된 리드 밸브가 마련되어 있다(도 6 참조). 마찬가지로, 고단 프레임(34)에는, 고단 압축실(35)과 고단 토출 공간(40)을 연통하는 고단 토출구(36)가 형성되어 있다. 고단 토출구(36)에는, 고단 토출 밸브(37)와 고단 밸브 누르개(38)가 리벳에 의해 부착된 리드 밸브가 마련되어 있다.
또한, 저단 커버(19)에는, 저단 토출 공간(20)과 밀폐 용기(1)의 내부 공간인 토출압 공간(53)을 연통하는 바이패스구(23)가 마련되어 있다. 바이패스구(23)에는, 바이패스 밸브(24)와 바이패스 밸브 누르개(25)가 리벳(29)에 의해 장착된 리드 밸브가 마련되어 있다(도 5 참조). 이들을 바이패스 기구라고 부른다.
또한, 고단 프레임(34)과, 고단 실린더(31)와, 중간 칸막이판(50)과, 저단 실린더(11)와, 저단 프레임(14)과, 저단 커버(19)를 관통하여, 고단 토출 공간(40)과 토출압 공간(53)을 연통하는 토출 유로(52)가 마련되어 있다.
또한, 도 4에 도시하는 바와 같이, 저단 커버(19)에는, 인젝터(60)가 마련된다. 인젝터(60)에는, 인젝션 파이프(61)가 접속된다.
다음에, 2단 압축기(100)의 동작에 관해 설명한다.
전력이 공급되면, 전동기(2)가 동작한다. 전동기(2)와 압축기구부(3)는, 크랭크 샤프트(4)에 의해 접속되어 있고, 전동기(2)에서 발생한 동력이 크랭크 샤프트(4)를 통하여 압축기구부(3)에 전달된다. 구체적으로는, 전력의 공급을 받으면, 전동기(2)의 회전자(2b)가 회전한다. 회전자(2b)가 회전하면, 회전자(2b)에 감삽(嵌揷)된 크랭크 샤프트(4)도 회전한다. 그리고, 크랭크 샤프트(4)가 회전하면, 크랭크 샤프트(4)가 감삽된 저단 롤링 피스톤(12)과 고단 롤링 피스톤(32)이 각각 저단 압축실(15)과 고단 압축실(35)의 내부에서 편심 회전한다. 저단 롤링 피스톤(12)과 고단 롤링 피스톤(32)이 편심 회전함에 의해, 저단 압축부(10)와 고단 압축부(30)에서 냉매가 압축된다.
다음에, 2단 압축기(100)에서의 냉매의 흐름을 설명한다.
우선, 외부로부터 저압의 냉매가 흡입 머플러(7)에 유입한다. 흡입 머플러(7)에 유입한 저압의 냉매는, 흡입관(8)을 통하여 저단 압축실(15)에 흡입된다. 저단 압축실(15)에 흡입된 저압의 냉매는, 저단 압축실(15) 내에서 중간압까지 압축된다. 냉매가 중간압까지 압축되면, 저단 압축실(15) 내의 냉매와 저단 토출 공간(20) 내의 냉매와의 압력차에 의해 저단 토출 밸브(17)가 열리고, 저단 압축실(15) 내의 냉매가 저단 토출구(16)로부터 저단 토출 공간(20)에 토출한다. 여기서, 중간압은, 저단 압축실(15)의 흡입실의 용적과 고단 압축실(35)의 흡입실의 용적과의 비로부터 결정된 압력이다.
저단 토출 공간(20)에 토출된 중간압의 냉매는, 중간 연결관(51)을 통하여 고단 압축실(35)에 흡입된다. 고단 압축실(35)에 흡입된 중간압의 냉매는, 고단 압축실(35) 내에서 토출압까지 압축된다. 냉매가 토출압까지 압축되면, 고단 압축실(35) 내의 냉매와 고단 토출 공간(40) 내의 냉매와의 압력차에 의해 고단 토출 밸브(37)가 열리고, 고단 압축실(35) 내의 냉매가 고단 토출구(36)로부터 고단 토출 공간(40)에 토출한다.
고단 토출 공간(40)에 토출된 토출압의 냉매는, 토출 유로(52)를 통하여 저단 압축부(10)의 상방의 토출압 공간(53)에 토출된다. 그리고, 토출압 공간(53)에 토출된 토출압의 냉매는, 토출관(5)으로부터 외부에 토출된다.
또한, 2단 압축기(100)를 구비하는 히트 펌프 장치에서 인젝션 운전이 되어 있는 경우에는, 도 4에 도시하는 인젝션 파이프(61)로부터 인젝터(60)를 통하여, 인젝션 냉매가 저단 토출 공간(20)에 주입된다. 인젝션 냉매는, 저단 압축실(15)로부터 토출된 중간압의 냉매와 저단 토출 공간(20)에서 혼합되고, 고단 압축부(30)에서 압축된다.
히트 펌프 장치(101)의 부하가 작은 경우 등에, 저단 압축부(10)에 의한 압축만으로, 토출압이 되어 버리는 과압축 상태가 되는 경우가 있다. 즉, 상술한 냉매의 중간압이 필요한 토출압보다 높은 압력이 되어 버리는 경우가 있다.
이 경우, 저단 토출 공간(20)의 냉매와, 토출압 공간(53)의 냉매와의 압력차에 의해, 바이패스 밸브(24)가 열리고, 저단 토출 공간(20)의 냉매가 바이패스구(23)로부터 토출압 공간(53)에 토출된다. 즉, 저단 압축부(10)로부터 저단 토출 공간(20)에 토출된 냉매가, 고단 압축부(30)에서 압축되는 일 없이, 바이패스하여 토출압 공간(53)에 토출된다.
과압축 상태에서는, 저단 압축부(10)에 의한 압축만으로 토출압으로 되어 있기 때문에, 고단 압축부(30)에 의한 압축은 헛되여, 고단 압축부(30)에서 압축을 행하면 효율이 악화한다. 그러나, 2단 압축기(100)에서는, 과압축 상태가 된 경우에, 저단 압축부(10)에서 압축한 냉매를 고단 압축부(30)를 바이패스하여 토출시킨다. 그 때문에, 과압축 상태가 발생한 경우에 있어서의 손실(과압축 손실)을 억제할 수 있다.
특히, 바이패스구(23)는 저단 커버(19)에 마련되어 있다. 그 때문에, 바이패스구(23)로부터 토출압 공간(53)에 토출된 냉매는, 중간 연결관(51)을 통과하는 일 없이, 밀폐 용기(1) 내의 토출압 공간(53)에 토출된다. 즉, 바이패스구(23)로부터 토출압 공간(53)에 토출된 냉매는, 좁고 긴 중간 연결관(51)을 통과함에 의해 압축 손실이 생기는 일 없이, 바이패스구(23)로부터 토출압 공간(53)에 토출된다. 따라서 정상 운전시에 있어서, 효과적으로 과압축 손실을 억제할 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이, 밀폐 용기(1)의 하측은, 윤활유 저장부(6)를 형성하고 있고, 윤활유가 봉입되어 있다. 윤활유는, 압축기구부(3)에서의 기계 부분에 공급되기 위해, 적어도 상측에 배치된 압축부(도 2에서는 저단 압축부(10))까지 잠기는 양이 봉입되어 있다.
일반적인 2단 압축기에서는, 저단 압축부는 고단 압축부의 하측에 마련된다. 그 때문에, 저단 토출 공간은, 저단 압축부의 하측에 마련된다. 즉, 저단 커버는, 저단 압축부의 하측에 마련된다. 따라서 저단 토출 커버는, 윤활유에 잠긴 상태가 된다. 이 경우, 윤활유가 바이패스구(23)로부터 저단 토출 공간에 침입하는 것이나, 바이패스구(23)로부터 냉매를 토출할 때에 윤활유를 말아올려 버려서, 압축기로부터의 윤활유의 유출을 증가시키는 일이 있다. 그 때문에, 저단 커버에 바이패스구를 마련할 수가 없고, 특허문헌1과 같이, 저단 토출 공간과 고단 압축부를 연결하는 좁고 가는 유로에 바이패스구를 마련할 수밖에 없다.
그러나, 2단 압축기(100)에서는, 통상과는 역으로, 저단 압축부(10)를 고단 압축부(30)의 상측에 마련하였다. 그 때문에, 저단 토출 공간(20)은 저단 압축부(10)의 상측에 마련되고, 저단 커버(19)는 윤활유에 잠기는 일이 없는 높이로 할 수 있다. 그 결과, 저단 커버(19)에 바이패스구(23)를 마련할 수 있다.
또한, 중간 연결관(51)이 아니라, 저단 커버(19)에 바이패스구(23)를 마련하였기 때문에, 바이패스 밸브(24)를 간단한 구조의 리드 밸브로 할 수 있다. 그 때문에, 바이패스 밸브(24) 및 바이패스 밸브 누르개(25)를, 저단 토출 밸브(17) 및 저단 밸브 누르개(18)와 동일한 부품으로 하는 것이 가능해진다. 부품을 공통화함에 의해, 비용을 낮게 억제할 수 있다. 또한, 바이패스 밸브(24)의 구조가 간단하게 되기 때문에, 조립에 걸리는 비용을 낮게 억제할 수도 있다.
다음에, 2단 압축기(100)를 구비하는 히트 펌프 장치(101)에 관해 설명한다.
도 9는, 인젝션 회로를 갖는 히트 펌프 장치의 회로 구성의 한 예를 도시하는 도면이다. 도 10은, 도 9에 도시하는 히트 펌프 장치(101)의 냉매의 상태에 관한 모리엘 선도이다. 도 10에서, 횡축은 비(比)엔탈피, 종축은 냉매 압력을 나타낸다.
히트 펌프 장치(101)는, 2단 압축기(100), 열교환기(71)(제 2 열교환기), 제 1 팽창 밸브(72), 레시버(78), 제 3 팽창 밸브(74), 열교환기(76)(제 1 열교환기)를 배관에 의해 순차적으로 접속하는 주냉매 회로를 구비한다. 또한, 히트 펌프 장치(101)는, 레시버(78)와 제 3 팽창 밸브(74)와의 사이에서, 2단 압축기(100)의 인젝션 파이프(61)까지를 배관에 의해 접속하고, 배관의 도중에 제 2 팽창 밸브(75)를 구비하는 인젝션 회로를 구비한다. 또한, 히트 펌프 장치(101)는, 주냉매 회로에서의 냉매와 인젝션 회로에서의 냉매를 열교환시키는 내부 열교환기(73)를 구비한다. 또한, 히트 펌프 장치(101)는, 냉매가 흐르는 방향을 변경하는 4방향 밸브(77)를 구비한다.
우선, 히트 펌프 장치(101)의 난방 운전시의 동작에 관해 설명한다. 난방 운전시에는, 4방향 밸브(77)는 실선 방향으로 설정된다. 그리고, 이 난방 운전이란, 공조에서 사용되는 난방뿐만 아니라, 물에 열을 주어서 온수를 만드는 급탕(給湯)도 포함한다.
2단 압축기(100)에서 고온 고압이 된 기상 냉매(도 10의 점 1)는, 2단 압축기(100)의 토출관(5)으로부터 토출되고, 응축기이며 방열기가 되는 열교환기(71)에서 열교환되어 액화한다(도 10의 점 2). 이 때, 냉매로부터 방열된 열에 의해 공기나 물 등이 데워져서, 난방이나 급탕이 된다.
열교환기(71)에서 액화된 액상 냉매는, 제 1 팽창 밸브(72)(감압 기구)에서 감압되어, 기액 2상 상태가 된다(도 10의 점 3). 제 1 팽창 밸브(72)에서 기액 2상 상태가 된 냉매는, 레시버(78)에서 2단 압축기(100)에 흡입되는 냉매와 열교환되어, 냉각되어 액화된다(도 10의 점 4). 레시버(78)에서 액화된 액상 냉매는, 내부 열교환기(73), 제 3 팽창 밸브(74)측의 주냉매 회로와, 제 2 팽창 밸브(75)측의 인젝션 회로로 분기되어 흐른다.
주냉매 회로를 흐르는 액상 냉매는, 제 2 팽창 밸브(75)에서 감압되고 기액 2상 상태가 된 인젝션 회로를 흐르는 냉매와 내부 열교환기(73)에서 열교환되고, 더욱 냉각된다(도 10의 점 5). 내부 열교환기(73)에서 냉각된 액상 냉매는, 제 3 팽창 밸브(74)(감압 기구)에서 감압되어 기액 2상 상태가 된다(도 10의 점 6). 제 3 팽창 밸브(74)에서 기액 2상 상태가 된 냉매는, 증발기가 되는 열교환기(76)에서 열교환되고, 가열된다(도 10의 점 7). 그리고, 열교환기(76)에서 가열된 냉매는, 레시버(78)에서 더욱 가열되여(도 10의 점 8), 흡입관(8)으로부터 2단 압축기(100)에 흡입된다.
한편, 인젝션 회로를 흐르는 냉매는, 상술한 바와 같이, 제 2 팽창 밸브(75)(감압 기구)에서 감압되고(도 10의 점 9), 내부 열교환기(73)에서 열교환된다(도 10의 점 10). 내부 열교환기(73)에서 열교환된 기액 2상 상태의 냉매(주입 냉매)는, 기액 2상 상태인 채로 2단 압축기(100)의 인젝션 파이프(61)로부터 저단 토출 공간(20)에 유입한다.
2단 압축기(100) 내에서는, 주냉매 회로를 흘러서 흡입관(8)으로부터 흡입된 냉매(도 10의 점 8)가, 저단 압축부(10)에서 중간압까지 압축, 가열된다(도 10의 점 11). 중간압까지 압축, 가열된 저단 토출 공간(20)에 토출된 냉매(도 10의 점 11)와, 주입 냉매(도 10의 점 8)가 합류하여, 온도가 저하된다(도 10의 점 12). 그리고, 온도가 저하된 냉매(도 10의 점 12)가, 다시 고단 압축부(30)에서 압축, 가열되어 고온 고압이 되어, 토출 유로(52)로부터 토출압 공간(53)에 토출된다(도 10의 점 1).
또한, 인젝션 운전을 행하지 않는 경우에는, 제 2 팽창 밸브(75)의 개방도를 전폐로 한다. 즉, 인젝션 운전을 행하는 경우에는, 제 2 팽창 밸브(75)의 개방도가 소정의 개방도보다도 크게 되어 있지만, 인젝션 운전을 행하지 않을 때에는, 제 2 팽창 밸브(75)의 개방도를 소정의 개방도보다 작게 한다. 이에 의해, 2단 압축기(100)의 인젝션 파이프(61)에 냉매가 유입하지 않는다. 즉, 열교환기(71), 제 1 팽창 밸브(72), 레시버(78)를 통과한 냉매의 전부를 흡입관(8)으로부터 2단 압축기(100)에 흡입시킨다.
여기서, 제 2 팽창 밸브(75)의 개방도는, 제어부에 의해 전자 제어에 의해 제어된다. 그리고, 제어부란, 예를 들면, 마이크로 컴퓨터 등이다.
다음에, 히트 펌프 장치(101)의 냉방 운전시의 동작에 관해 설명한다. 냉방 운전시에는, 4방향 밸브(77)는 파선 방향으로 설정된다.
2단 압축기(100)에서 고온 고압이 된 기상 냉매(도 10의 점 1)는, 2단 압축기(100)의 토출관(5)으로부터 토출되고, 응축기이며 방열기가 되는 열교환기(76)에서 열교환되어 액화한다(도 10의 점 2). 열교환기(76)에서 액화된 액상 냉매는, 제 3 팽창 밸브(74)에서 감압되어, 기액 2상 상태가 된다(도 10의 점 3). 제 3 팽창 밸브(74)에서 기액 2상 상태가 된 냉매는, 내부 열교환기(73)에서 열교환되고, 냉각되어 액화된다(도 10의 점 4). 내부 열교환기(73)에서는, 제 3 팽창 밸브(74)에서 기액 2상 상태가 된 냉매와, 내부 열교환기(73)에서 액화된 액상 냉매를 제 2 팽창 밸브(75)에서 감압시켜서 기액 2상 상태가 된 냉매(도 10의 점 9)를 열교환시키고 있다. 내부 열교환기(73)에서 열교환된 액상 냉매(도 10의 점 4)는, 레시버(78)측의 주냉매 회로와, 내부 열교환기(73)측의 인젝션 회로로 분기되어 흐른다.
주냉매 회로를 흐르는 액상 냉매는, 레시버(78)에서 2단 압축기(100)에 흡입된 냉매와 열교환되어, 더욱 냉각된다(도 10의 점 5). 레시버(78)에서 냉각된 액상 냉매는, 제 1 팽창 밸브(72)에서 감압되어 기액 2상 상태가 된다(도 10의 점 6). 제 1 팽창 밸브(72)에서 기액 2상 상태가 된 냉매는, 증발기가 되는 열교환기(71)에서 열교환되어, 가열된다(도 10의 점 7). 이 때, 냉매가 흡열함에 의해 공기나 물 등이 식혀지고, 냉방되거나, 냉수나 얼음을 만들거나, 냉동이 된다.
그리고, 열교환기(71)에서 가열된 냉매는, 레시버(78)에서 다시 가열되어(도 10의 점 8), 흡입관(8)으로부터 2단 압축기(100)에 흡입된다.
한편, 인젝션 회로를 흐르는 냉매는, 상술한 바와 같이, 제 2 팽창 밸브(75)에서 감압되어(도 10의 점 9), 내부 열교환기(73)에서 열교환된다(도 10의 점 10). 내부 열교환기(73)에서 열교환된 기액 2상 상태의 냉매(주입 냉매)는, 기액 2상 상태인 채로 2단 압축기(100)의 인젝션 파이프(61)로부터 저단 토출 공간(20)에 유입한다.
2단 압축기(100) 내에서의 압축 동작에 관해서는, 난방 운전시와 마찬가지이다.
또한, 인젝션 운전을 행하지 않을 때에는, 난방 운전시와 마찬가지로, 제 2 팽창 밸브(75)의 개방도를 전폐로 하여, 2단 압축기(100)의 인젝션 파이프(61)에 냉매가 유입하지 않도록 한다.
또한, 열교환기(71)는, 상술한 바와 같이, 고온 고압이 된 기상 냉매 또는 저온 저압이 된 액상 냉매와 물 등의 액체와의 열교환을 행하는 열교환기라도 좋다. 또한, 열교환기(71)는, 고온 고압이 된 기상 냉매 또는 저온 저압이 된 액상 냉매와 공기 등의 기체와의 열교환을 행하는 열교환기라도 좋다. 즉, 도 9에서 설명한 히트 펌프 장치(101)는, 공조 장치라도 좋고, 급탕 장치라도 좋고, 냉동 장치나 냉장 장치라도 좋다.
여기서, 인젝션 운전을 하는 것은, 부하가 높은 때이다. 부하란, 열교환기(71)에서 주냉매 회로를 흐르는 냉매와 열교환되는 유체의 온도를 소정의 온도로 하는데 필요한 열량인 필요부하이다. 필요부하는, 외기온이나 압축기의 회전수 등을 지표로 하여 헤아릴 수 있다. 여기서는, 도시되지 않는 필요부하 검출부가, 외기온이나 압축기의 회전수 등을 검출하여, 필요부하를 검출하고 있는 것으로 한다.
예를 들면, 난방 운전의 경우라면, 외기온이 소정의 온도(예를 들면, 2℃) 이하인 경우나, 압축기의 회전수가 소정의 주파수(예를 들면, 60Hz) 이상인 경우에, 인젝션 운전한다. 이에 의해, 저(低)외기온시에 있어서의 난방 능력을 높게 할 수 있고, 난방이나 급탕 성능이 좋은 히트 펌프 장치를 얻을 수 있다. 인젝션 운전의 필요가 없는 기타와 같은 경우에는, 난방 운전시라도, 제 2 팽창 밸브(75)의 개방도를 전폐로 하여, 인젝션 운전을 행하지 않는다.
또한, 상술한 바와 같이, 2단 압축기(100)는, 부하가 낮아지고, 과압축 상태가 된다면 바이패스 기구가 작동한다. 그래서, 저단 압축부(10)가 압축한 냉매는, 고단 압축부(30)에서 압축되지 않고 바이패스하여, 토출압 공간(53)으로 토출되고, 토출관(5)으로부터 냉매 회로로 토출된다.
즉, 히트 펌프 장치(101)는, 부하의 높이에 의해, 이하의 (1)부터 (3)의 운전 제어를 행한다.
(1) 부하가 높은 경우(부하가 미리 설정된 제 2의 부하보다 높은 경우)에는, 제 2 팽창 밸브(75)의 개방도를 크고 하여 인젝션 운전을 행한다.
(2) 부하가 중간 정도인 경우(부하가, 제 2의 부하보다 낮고, 제 2의 부하보다 낮게 설정된 제 1의 부하보다 높은 경우)에는, 제 2 팽창 밸브(75)의 개방도를 작게 하여 인젝션 운전을 행하지 않고, 저단 압축부(10)와 고단 압축부(30)에서 2단 압축을 행한다.
(3) 부하가 낮은 경우(부하가 제 1의 부하보다 낮은 경우)에는, 바이패스 밸브(24)가 열려서 고단 압축부(30)를 바이패스시켜서 주로 저단 압축부(10)만으로 압축한다.
이에 의해, 부하가 높은 경우에는, 높은 능력을 발휘하는 운전을 행할 수가 있고, 부하가 낮은 경우에는, 능력을 억제하여 효율적인 운전을 할 수 있다.
실시의 형태 2
실시의 형태 2에서는, 흡입 머플러(7)에 유입한 냉매를, 저단 압축부(10)를 바이패스시켜서 고단 압축부(30)에 흡입시키는 기구를 갖는 2단 압축기(100)에 관해 설명한다.
도 11은, 실시의 형태 2에 관한 2단 압축기(100)의 구성도이다.
실시의 형태 2에 관한 2단 압축기(100)에 관해, 실시의 형태 1에 관한 2단 압축기(100)와 다른 부분만 설명한다.
2단 압축기(100)는, 흡입 머플러(7)와 저단 압축부(10)의 저단 흡입구(21)를 연결하는 흡입관(8)의 도중과, 저단 커버(19)의 중간 유출구(22)와 고단 압축부(30)의 고단 흡입구(41)를 연결하는 중간 연결관(51)의 도중에, 4방향 밸브(54)(전환부)를 구비한다.
4방향 밸브(54)는, 흡입 머플러(7)와 저단 흡입구(21)를 연결함과 함께, 중간 유출구(22)와 고단 흡입구(41)를 연결한 상태(실선으로 도시하는 유로)와, 흡입 머플러(7)와 고단 흡입구(41)를 연결함과 함께, 저단 흡입구(21)와 중간 유출구(22)를 연결한 상태(파선으로 도시하는 유로)를 전환한다. 특히, 4방향 밸브(54)는, 통상 운전시에는, 흡입 머플러(7)와 저단 흡입구(21)를 연결함과 함께, 중간 유출구(22)와 고단 흡입구(41)를 연결한 상태(실선으로 도시하는 유로)로 한다. 한편, 부하가 낮은 경우에는, 흡입 머플러(7)와 고단 흡입구(41)를 연결함과 함께, 저단 흡입구(21)와 중간 유출구(22)를 연결한 상태(파선으로 도시하는 유로)로 한다. 즉, 통상 운전시에는, 흡입 머플러(7)에 유입한 냉매를 저단 압축부(10)에 흡입시키고, 부하가 낮은 경우에는, 흡입 머플러(7)에 유입한 냉매를 저단 압축부(10)에서 압축시키는 일 없이 바이패스시켜서 고단 압축부(30)에 흡입시킨다.
이에 의해, 실시의 형태 2에 관한 2단 압축기(100)는, 부하가 낮고, 저단 압축부(10)와 고단 압축부(30)의 양쪽에서 압축할 필요가 없는 경우에, 고단 압축부(30)만으로 냉매를 압축할 수 있다. 그 때문에, 2단 압축기(100)는, 부하가 낮은 경우에 있어서의 압축기 효율을 좋게 할 수 있다.
또한, 실시의 형태 2에 관한 2단 압축기(100)는, 흡입 머플러(7)에 유입한 냉매를, 저단 압축부(10)를 통과시키는 일 없이 고단 압축부(30)에 직접 흡입시킬 수 있기 때문에, 저단 압축부(10)에 의한 프리히트 로스가 발생하지 않는다.
또한, 전동기의 운전 회전수가 변경 가능한 이른바 인버터식의 압축기에서는, 히트 펌프 장치의 부하 변동에 의해, 전동기의 회전수를 변경함에 의해 냉매 순환량을 조정한다. 즉, 부하가 낮고 냉매 순환량을 적게 하여야 하는 경우에는, 전동기의 회전수를 적게 함에 의해 냉매 순환량을 적게 한다. 한편, 부하가 높고 냉매 순환량이 많아야 하는 경우에는, 전동기의 회전수를 많게 함에 의해 냉매 순환량을 많게 한다.
일반적으로, 전동기의 효율 특성은 정격 회전수에 피크가 되도록 설계되어 있다. 따라서 정격 회전수에 가까운 회전수로 전동기를 운전하는 것이, 압축기 효율의 관점에서는 바람직하다.
실시의 형태 1로 설명한 바와 같이, 2단 압축기(100)는, 부하가 낮은 경우, 바이패스구(23)로부터 냉매를 토출함으로써, 주로 저단 압축부(10)만으로 냉매를 압축하는 것이 가능하다. 또한, 실시의 형태 2에서는, 상술한 바와 같이, 2단 압축기(100)는, 부하가 낮은 경우, 4방향 밸브(54)를 전환함에 의해, 고단 압축부(30)만으로 냉매를 압축하는 것이 가능하다. 즉, 2단 압축기(100)는, 주로 저단 압축부(10)만으로 냉매를 압축하는 것도, 고단 압축부(30)만으로 냉매를 압축하는 것도 가능하다.
여기서, 실시의 형태 1에서 설명한 바와 같이, 고단 압축부(30)의 압축실 용적(고단 압축실(35)의 용적)은 저단 압축부(10)의 압축실 용적(저단 압축실(15)의 용적)보다도 작다. 압축실 용적이 큰 압축기와, 압축실 용적이 작은 압축기로 같은 냉매 순환량으로 하는데는, 압축실 용적이 큰 압축기에서의 전동기의 회전수를, 압축실 용적이 작은 압축기에서의 전동기의 회전수보다도 적게 할 필요가 있다. 즉, 2단 압축기(100)에서 같은 냉매 순환량이라고 하는데는, 고단 압축부(30)만으로 냉매를 압축하는 경우에 비하여, 주로 저단 압축부(10)만으로 냉매를 압축하는 경우에는, 압축실 용적이 큰만큼, 전동기의 회전수를 적게 할 필요가 있다.
그래서, 2단 압축기(100)는, 부하가 낮은 경우, 부하의 낮음의 정도에 의해, 주로 저단 압축부(10)만으로 냉매를 압축하는 운전과, 고단 압축부(30)만으로 냉매를 압축하는 운전을 전환한다. 구체적으로는, 부하의 낮은 정도가 약한 경우, 4방향 밸브(54)는 전환하지 않고, 바이패스 기구를 작동시킴에 의해 주로 저단 압축부(10)만으로 냉매를 압축시킨다. 한편, 부하의 저조의 정도가 강한 경우(즉, 상당히 부하가 낮은 경우), 4방향 밸브(54)를 전환하여, 고단 압축부(30)만으로 냉매를 압축시킨다.
즉, 저단 압축부(10)에서 냉매를 압축한 것에서는, 회전수를 정격 회전수보다도 적게 하여야 하는 경우에, 4방향 밸브(54)를 전환하여 고단 압축부(30)만으로 압축하도록 전환한다. 이에 의해, 전동기의 회전수를 많게 할 수 있고, 전동기의 회전수를 정격 회전수에 가깝게 할 수 있다. 그 결과, 효율을 좋게 할 수 있다.
즉, 실시의 형태 2에 관한 2단 압축기(100)를 구비하는 히트 펌프 장치(101)는, 부하에 응하여 (1)부터 (4)까지의 운전 제어를 행한다.
(1) 부하가 높은 경우(부하가 미리 설정된 제 2의 부하보다 높은 경우)에는, 제 2 팽창 밸브(75)의 개방도를 크고 하여 인젝션 운전을 행한다.
(2) 부하가 중간 정도인 경우(부하가, 제 2의 부하보다 낮고, 제 2의 부하보다 낮게 설정된 제 1의 부하보다 높은 경우)에는, 제 2 팽창 밸브(75)의 개방도를 작게 하여 인젝션 운전을 행하지 않고, 저단 압축부(10)와 고단 압축부(30)에서 2단 압축을 행한다.
(3) 부하가 낮은 경우(부하가, 제 1의 부하보다 낮고, 제 1의 부하보다 낮게 설정된 제 3의 부하보다 높은 경우)에는, 바이패스 밸브(24)를 열어, 고단 압축부(30)를 바이패스시켜서 주로 저단 압축부(10)만으로 압축한다.
(4) 부하가 매우 낮은 경우(부하가 제 3의 부하보다 낮은 경우)에는, 4방향 밸브(54)를 전환하고, 저단 압축부(10)를 바이패스시켜서 흡입 머플러(7)로부터 고단 압축부(30)에 냉매를 흡입시켜서, 고단 압축부(30)만으로 압축한다.
이에 의해, 실시의 형태 2에 관한 2단 압축기(100)를 구비하는 히트 펌프 장치(101)는, 부하가 매우 낮은 경우에 있어서의 효율을 좋게 할 수 있다.
그리고, 4방향 밸브(54)는, 제어부에 의해 전자 제어된다.
실시의 형태 3
실시의 형태 3에서는, 고단 압축부(30)의 흡입 냉매를 저단 압축부(10)의 저단 베인(13)의 저단 배압실(26)에 공급하는 2단 압축기(100)에 관해 설명한다.
도 12는, 실시의 형태 3에 관한 2단 압축기(100)의 압축기구부(3) 부분의 단면도이다.
실시의 형태 3에 관한 2단 압축기(100)에 관해, 실시의 형태 2에 관한 2단 압축기(100)와 다른 부분만 설명한다.
2단 압축기(100)는, 중간 칸막이판(50)을 관통하여, 고단 흡입구(41)로부터 고단 압축실(35)까지의 사이의 고단 흡입 유로(42)와, 저단 압축부(10)의 저단 배압실(26)을 연통하는 압력 도입로(55)를 구비한다.
압력 도입로(55)를 구비함에 의해, 저단 배압실(26)에는 고단 압축실(35)에 흡입된 냉매가 유입한다. 즉, 저단 배압실(26) 내의 압력은, 고단 압축부(30)의 흡입 냉매의 압력과 동일하게 된다.
다음에, 저단 베인(13)에 걸리는 힘에 관해 설명한다.
도 13은, 저단 베인(13)에 걸리는 힘의 설명도이다.
저단 베인(13)에는, 저단 배압실(26)측부터 저단 압축실(15)측을 향하여, 저단 배압실(26) 내의 압력(Pv)과 저단 베인(13)에서의 압력(Pv)이 작용한 부분의 면적(v)과의 곱으로 표시되는 힘(Pv×v)과, 스프링(27)의 힘(Psp)이 걸린다. 즉, 저단 베인(13)에는, 저단 배압실(26)측부터 저단 압축실(15)측을 향하여, 「Pv×v+Psp」의 힘이 걸린다.
한편, 저단 베인(13)에는, 저단 압축실(15)측부터 저단 배압실(26)측을 향하여, 흡입 냉매의 압력(Ps)과 저단 베인(13)에서의 압력(Ps)이 작용하는 부분의 면적(a)과의 곱으로 표시되는 힘(Ps×a)과, 토출 냉매의 압력(Pc)과 저단 베인(13)에서 압력(Pc)이 작용하는 부분의 면적(b)과의 곱으로 표시된 힘(Pc×b)이 걸린다. 또한, 저단 압축실(15)측부터 저단 배압실(26)측을 향하여, 저단 롤링 피스톤(12)이 편심 회전함에 의해 눌려지는 힘(x)(베인 원심력)이 걸린다. 즉, 저단 베인(13)에는, 저단 압축실(15)측부터 저단 배압실(26)측을 향하여, 「(Ps×a)+(Pc×b)+x」의 힘이 걸린다.
즉, 저단 베인(13)에는, Fv=(Pv×v+Psp)-((Ps×a)+(Pc×b)+x)의 힘이 걸리다. 그리고, 면적(v)=면적(a)+면적(b)이다.
4방향 밸브(54)를 도 11의 실선으로 도시하는 유로로 한 경우(통상 운전시)의 저단 베인(13)에 걸리는 힘에 관해 설명한다.
우선, 저단 배압실(26) 내의 압력(Pv)에 관해 설명한다.
통상 운전시에는, 저단 압축부(10)에서 압축되어 저단 토출 공간(20)에 토출된 냉매는, 중간 연결관(51)과 고단 흡입 유로(42)를 통하여 고단 압축부(30)의 고단 압축실(35)에 흡입된다. 고단 흡입 유로(42)를 냉매가 통과할 때, 압력 도입로(55)로부터 저단 배압실(26)에 일부의 냉매가 유입한다. 따라서 저단 배압실(26)에는, 저단 압축부(10)에서 압축된 중간압의 냉매가 유입된다. 또한, 정확하게는, 저단 배압실(26) 내의 냉매의 압력(Pv)은, 저단 압축부(10)로부터 토출된 중간압이 아니고, 중간 연결관(51)을 통과함에 의해, 중간 연결관(51)의 저항의 분만큼 중간압에 가압된 압력이다. 즉, 저단 배압실(26) 내의 냉매의 압력(Pv)은, 중간압보다도 약간 높은 압력이다.
다음에, 저단 압축실(15) 내의 압력에 관해 설명한다.
통상 운전시에는, 저단 압축부(10)에서는 저압의 냉매를 중간압까지 압축한다. 즉, 흡입 냉매의 압력(Ps)이 저압이고, 토출 냉매의 압력(Pc)이 중간압이다.
즉, 통상 운전시에는, 저단 배압실(26) 내의 압력(Pv)(중간압보다도 약간 높은 압력)은, 저단 압축실(15) 내의 압력(Ps)(저압)이나 압력(Pc)(중간 압)보다 높다.
4방향 밸브(54)를 도 11의 파선으로 도시하는 유로로 한 경우(저단 압축부(10)를 바이패스시킨 경우)의 저단 베인(13)에 걸리는 힘에 관해 설명한다.
우선, 저단 배압실(26) 내의 압력(Pv)에 관해 설명한다.
저단 압축부(10)를 바이패스시킨 경우에는, 흡입 머플러(7)에 유입한 냉매가, 저단 압축부(10)를 바이패스하여, 중간 연결관(51)과 고단 흡입 유로(42)를 통하여 고단 압축실(35)에 흡입된다. 고단 흡입 유로(42)를 냉매가 통과할 때, 압력 도입로(55)로부터 저단 배압실(26)에 일부의 냉매가 유입한다. 따라서 저단 배압실(26)에는, 흡입 머플러(7)에 유입한 저압의 냉매가 유입된다. 즉 저단 배압실(26) 내의 압력(Pv)은 저압이다.
다음에, 저단 압축실(15) 내의 압력에 관해 설명한다.
저단 압축부(10)를 바이패스시킨 경우에는, 저단 압축부(10)는 흡입 머플러(7)로부터 냉매를 흡입하지 않고, 저단 압축부(10)에서의 냉매는, 저단 압축실(15)과 저단 토출 공간(20)을 순환한 냉매이다. 따라서 같은 냉매가 반복하여 저단 압축부(10)에서 압축된다. 그러나, 토출압보다 높은 압력이 된 냉매는, 바이패스구(23)로부터 토출압 공간(53)에 토출된다. 따라서 저단 압축실(15) 내의 압력은, 저압부터 토출압까지 변화한다.
즉, 저단 압축부(10)를 바이패스시킨 경우에는, 저단 배압실(26) 내의 압력(Pv)(저압)은, 저단 압축실(15) 내의 압력(Ps)이나 압력(Pc)과 동등, 또는 낮다. 또한, 일시적으로, 저단 배압실(26) 내의 압력(Pv)이 저단 압축실(15) 내의 압력과 동등하게 되는 경우가 있는 것이지만, 곧바로 저단 배압실(26) 내의 압력(Pv)의 쪽이 저단 압축실(15) 내의 압력보다 낮아진다.
그래서, 스프링(27)의 힘(Psp)나 베인 원심력(x)을 조정함에 의해, 통상 운전시에는, 저단 베인(13)에 걸리는 힘(Fv)이 0보다 커지고, 저단 압축부(10)를 바이패스시킨 경우에는, 저단 베인(13)에 걸리는 힘(Fv)이 0보다 작아지도록 할 수 있다. 즉, 통상 운전시에는, 저단 베인(13)에, 저단 배압실(26)측부터 저단 압축실(15)측을 향하여 걸리는 힘이, 저단 압축실(15)측부터 저단 배압실(26)측을 향하여 걸리는 힘보다도 커지도록 한다. 한편, 저단 압축부(10)를 바이패스시킨 경우에는, 저단 베인(13)에, 저단 배압실(26)측부터 저단 압축실(15)측을 향하여 걸리는 힘이, 저단 압축실(15)측부터 저단 배압실(26)측을 향하여 걸리는 힘보다도 작아지도록 한다.
이와 같이 설정함으로써, 통상 운전시에는, 저단 베인(13)은 저단 롤링 피스톤(12)에 꽉 눌린다. 즉, 저단 롤링 피스톤(12)의 공전에 대해, 저단 베인(13)은 높은 추종성을 갖는다. 한편, 저단 압축부(10)를 바이패스시킨 경우에는, 저단 베인(13)은 저단 롤링 피스톤(12)에 꽉 눌리는 일이 거의 없다. 즉, 저단 베인(13)과 저단 롤링 피스톤(12)과의 마찰 손실이 작아진다.
저단 베인(13)과 저단 롤링 피스톤(12)과의 마찰 손실이 작아지기 때문에, 실시의 형태 3에 관한 2단 압축기(100)를 구비하는 히트 펌프 장치(101)는, 부하가 매우 낮은 경우에 있어서의 효율을 보다 좋게 할 수 있다.
실시의 형태 4
실시의 형태 4에서는, 필요 토크에 맞추어서 발생 토크를 제어하는 2단 압축기(100)에 관해 설명한다.
도 14는, 통상의 트윈 로터리 압축기의 토크 변동을 도시하는 도면이다. 그리고, 트윈 로터리 압축기란, 2개의 압축부가 병렬로 동작하는 압축기이다.
도 15는, 실시의 형태 1에 관한 2단 압축기(100)를 통상 운전한 경우에 있어서의 토크 변동을 도시하는 도면이다. 그리고, 통상 운전이란, 흡입 머플러(7)로부터 저단 압축부(10)에 냉매를 흡입시키는 운전으로서, 바이패스 밸브(24)가 닫히고, 바이패스구(23)로부터 냉매가 토출되지 않는 운전이다.
도 16은, 실시의 형태 1에 관한 2단 압축기(100)를 과압축 릴리프 운전한 경우에 있어서의 토크 변동을 도시하는 도면이다. 그리고, 과압축 릴리프 운전이란, 흡입 머플러(7)로부터 저단 압축부(10)에 냉매를 흡입시키는 운전으로서, 바이패스 기구가 작동하여 바이패스구(23)로부터 냉매가 토출되는 운전이다.
도 17은, 실시의 형태 2에 관한 2단 압축기(100)를 고단측 직접 흡입 운전한 경우에 있어서의 토크 변동을 도시하는 도면이다. 그리고, 고단측 직접 흡입 운전이란, 4방향 밸브(54)를 도 11의 파선의 유로로 전환하여, 흡입 머플러(7)로부터 고단 압축부(30)에 흡입시키는 운전이다.
도 14부터 도 17에 도시하는 바와 같이, 트윈 로터리 압축기에 비하여, 2단 압축기에서는, 크랭크 샤프트(4)의 크랭크 각도의 변화에 수반하는 회전 토크 변동이 크다. 크랭크 각도의 변화에 수반하는 회전 토크 변동이 큰 경우, 전동기의 효율이 저하됨과 함께, 진동이 커진다. 특히, 크랭크 각도의 변화에 수반하는 회전 토크 변동이 큰 것에 의한 전동기의 효율의 저하는, 전동기가 저회전수로 운전된 경우, 즉 부하가 작은 경우에 있어서의 효율에 큰 영향을 미친다. 또한, 진동이 커지면, 소음을 일으킴과 함께, 히트 펌프 장치의 배관의 신뢰성을 저하시키는 것에 이어진다.
트윈 로터리 압축기에서는, 동일 압축실 용적의 2개의 압축부가, 롤링 피스톤의 편심 위상을 180도 비켜서 배치되어 있기 때문에, 2개의 압축부에서 서로 토크를 마주 지운다. 그 때문에, 도 14에 도시하는 바와 같이, 트윈 로터리 압축기에서는 크랭크 각도의 변화에 수반하는 토크 변동이 작다.
이에 대해, 2단 압축기(100)에서는, 실시의 형태 1에서 설명한 바와 같이, 저단 압축부(10)의 압축실 용적에 비하여, 고단 압축부(30)의 압축실 용적이 작다. 즉, 저단 압축부(10)와 고단 압축부(30)와의 압축 차가 있다. 그 때문에, 도 15에 도시하는 바와 같이, 트윈 로터리 압축기에 비하여, 2단 압축기(100)는, 크랭크 각도의 변화에 수반하는 회전 토크 변동이 크다. 특히, 저단 압축실(15)로부터 저단 토출 공간(20)에 냉매를 토출하는 타이밍과, 고단 압축실(35)로부터 고단 토출 공간(40)에 냉매를 토출하는 타이밍에서, 회전 토크가 크고 변동한다.
또한, 도 16에 도시하는 바와 같이, 과압축 릴리프 운전한 경우, 도 14에 도시하는 통상 운전시보다도, 크랭크 각도의 변화에 수반하는 회전 토크 변동이 약간 커진다. 이것은, 주로 저단 압축부(10)만으로 압축되기 때문에, 압축부를 1개밖에 갖지 않는 싱글 로터리 압축기에 가까운 거동으로 되기 때문이다. 즉, 2개의 압축부 사이에서 토크의 소거가 거의 없어지기 때문이다.
또한, 도 17에 도시하는 바와 같이, 고단측 직접 흡입 운전한 경우, 도 16에 도시하는 과압축 릴리프 운전한 경우와 마찬가지로 싱글 로터리 압축기에 가까운 거동이 되어, 크랭크 각도의 변화에 수반하는 회전 토크 변동이 커진다.
그래서, 2단 압축기(100)는, 제어부에 의해, 운전에 필요한 토크(부하 토크)인 필요 토크에 맞추어서 토크(출력 토크)가 발생하도록 전동기(2)를 제어한다. 이에 의해, 토크 변동을 작게 억제한다. 여기서, 필요 토크는, 예를 들면, 압축기의 회전수, 전류의 변화, 진동의 변화, 크랭크 각도 등으로부터 판단하는 것이 가능하다.
예를 들면, 제어부는, 압축기의 회전수와 크랭크 각도로부터 필요 토크를 판단한다. 예를 들면, 제어부는, 미리 압축기의 회전수마다, 크랭크 각도 마다에 필요 토크를 기록한 테이블을 메모리에 기억하여 둔다. 제어부는, 운전중, 압축기의 회전수와 크랭크 각도를 검출하고, 검출한 압축기의 회전수와 크랭크 각도에 대응하는 필요 토크를 메모리로부터 판독한다. 그리고, 제어부는 판독한 필요 토크가 발생하도록 전동기(2)를 제어한다. 또한, 압축기의 회전수나 크랭크 각도 등의 여러 지표에 대응하는 필요 토크를 운전중에 학습하는 학습 제어를 행하여, 학습한 결과에 의해 토크 제어를 하여도 좋다.
토크 변동을 작게 억제함에 의해, 압축기의 효율을 더욱 높게 할 수 있음과 함께, 진동을 작게 할 수 있다.
이상을 정리하면 다음과 같이 된다.
2단 압축기(100)는, 저단 압축부(10)를 상측, 고단 압축부(30)를 하측에 배치한 로터리 2단 압축기이고, 저단 압축부(10)의 저단 토출 공간(20)을 구성하는 저단 커버(19)에, 토출압 공간(53)과 연통하는 바이패스구(23)와 바이패스 밸브(24)를 마련한 것을 특징으로 한다.
또한, 2단 압축기(100)는, 흡입 머플러(7)에 접속된 흡입관과, 저단 압축부(10)의 흡입관과, 저단 압축부(10)의 토출관, 고단 압축부(30)의 흡입관을 4방향 밸브(54)에 접속하고, 흡입 머플러(7)에 접속된 흡입관과 고단 압축부(30)의 흡입관을 연통시켜, 흡입 냉매 가스를 저단 압축부(10)를 통하지 않고서 고단 압축부(30)에 직접 흡입하도록 구성한 것을 특징으로 한다.
또한, 2단 압축기(100)는, 저단 압축부(10)의 저단 배압실(26)에 고단 압축부(30)의 흡입 압력을 연통시킨 것을 특징으로 한다.
또한, 2단 압축기(100)는, 회전 토크의 변동에 응한 토크 제어를 실시하는 것을 특징으로 한다.
1 : 밀폐 용기 2 : 전동기
2a : 고정자 2b : 회전자
3 : 압축기구부 4 : 크랭크 샤프트
5 : 토출관 6 : 윤활유 저장부
7 : 흡입 머플러 8 : 흡입관
10 : 저단 압축부 11 : 저단 실린더
12 : 저단 롤링 피스톤 13 : 저단 베인
14 : 저단 프레임 15 : 저단 압축실
16 : 저단 토출구 17 : 저단 토출 밸브
18 : 저단 밸브 누르개 19 : 저단 커버
20 : 저단 토출 공간 21 : 저단 흡입구
22 : 중간 유출구 23 : 바이패스구
24 : 바이패스 밸브 25 : 바이패스 밸브 누르개
26 : 저단 배압실 27 : 스프링
28, 29 : 리벳 30 : 고단 압축부
31 : 고단 실린더 32 : 고단 롤링 피스톤
33 : 고단 베인 34 : 고단 프레임
35 : 고단 압축실 36 : 고단 토출구
37 : 고단 토출 밸브 38 : 고단 밸브 누르개
39 : 고단 커버 40 : 고단 토출 공간
41 : 고단 흡입구 42 : 고단 흡입 유로
46 : 고단 배압실 50 : 중간 칸막이판
51 : 중간 연결관 52 : 토출 유로
53 : 토출압 공간 54 : 4방향 밸브
55 : 압력 도입로 60 : 인젝터
61 : 인젝션 파이프 71 : 열교환기
72 : 제 1 팽창 밸브 73 : 내부 열교환기
74 : 제 3 팽창 밸브 75 : 제 2 팽창 밸브
76 : 열교환기 77 : 4방향 밸브
78 : 레시버 100 : 2단 압축기
101 : 히트 펌프 장치

Claims (15)

  1. 압축기와, 제 1 열교환기와, 제 1 팽창기구와, 제 2 열교환기가 배관에 의해 순차적으로 접속된 주냉매 회로를 구비하고,
    상기 압축기는,
    상기 주냉매 회로로부터 압축실로 흡입한 냉매를 압축하여 토출구로부터 토출하는 저단 압축부와,
    상기 저단 압축부의 상측에 마련된 저단 토출부로서, 상기 저단 압축부가 압축한 냉매가 상기 토출구로부터 토출되는 토출 공간을 형성하는 저단 토출부와,
    상기 저단 토출부가 형성하는 상기 토출 공간에 일단이 접속된 중간 연결관과,
    상기 저단 압축부의 하측에 마련된 고단 압축부로서, 상기 중간 연결관의 타단이 접속되고, 상기 토출 공간에 토출된 냉매를 상기 중간 연결관으로부터 압축실로 흡입하여 압축하는 고단 압축부와,
    상기 저단 압축부와 상기 고단 압축부와 상기 저단 토출부를 수납하는 내부 공간으로서, 상기 고단 압축부가 압축한 냉매가 토출되는 내부 공간을 형성하는 밀폐 용기를 구비하고,
    상기 저단 토출부는, 상기 토출 공간과 상기 밀폐 용기의 상기 내부 공간을 연결하여 바이패스로가 형성되는 것과 함께, 상기 제 1 열교환기에서의 상기 주냉매 회로를 흐르는 냉매와 열교환되는 유체의 온도를 소정의 온도로 하는 데에 필요한 열량인 필요부하가, 미리 설정된 제 1의 부하보다도 낮은 경우에 열리는 개폐 밸브를 상기 바이패스로에 구비하고,
    상기 필요부하가 상기 제 1의 부하보다도 높은 경우에는, 상기 저단 압축부와 상기 고단 압축부가 압축한 냉매가 상기 주냉매 회로로 토출되고, 상기 필요부하가 상기 제 1의 부하보다도 낮은 경우에는, 상기 저단 압축부가 압축한 냉매가 상기 고단 압축부에서 압축되지 않고 바이패스하여 상기 주냉매 회로로 토출되는 것을 특징으로 히트 펌프 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 히트 펌프 장치는, 또한,
    상기 주냉매 회로에서의 상기 제 1 열교환기와 상기 제 1 팽창기구와의 사이에서, 상기 압축기에서의 상기 저단 압축부와 상기 고단 압축부를 연결하는 중간 유로로서, 상기 저단 토출부와 상기 중간 연결관에 의해 형성된 중간 유로에 접속된 인젝션 파이프까지를 배관에 의해 접속하고, 상기 배관의 도중에 제 2 팽창기구가 마련된 인젝션 회로와,
    상기 제 1의 부하보다 높게 설정된 제 2의 부하보다도 상기 필요부하가 높은 경우에는, 상기 인젝션 회로에 마련된 상기 제 2 팽창기구의 개방도를 소정의 개방도 이상으로 넓혀서, 상기 주냉매 회로를 상기 제 1 열교환기로부터 상기 팽창기구를 향하여 흐르는 냉매의 일부가 상기 인젝션 회로를 통하여 상기 인젝션 파이프로부터 상기 압축기의 상기 중간 유로에 주입하도록 제어하는 제어부를 구비하는 것을 특징으로 하는 히트 펌프 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 압축기는, 또한,
    상기 제 1의 부하보다 낮게 설정된 제 3의 부하보다도 상기 필요부하가 낮은 경우에는, 상기 주냉매 회로로부터 유입하는 냉매를, 상기 저단 압축부에서 압축시키는 일 없이 바이패스하여, 상기 고단 압축부에 흡입시키는 전환부를 구비하는 것을 특징으로 하는 히트 펌프 장치.
  4. 흡입구로부터 압축실에 흡입한 냉매를 압축하고 토출구로부터 토출하는 저단 압축부와,
    상기 저단 압축부의 상측에 마련된 저단 토출부로서, 상기 저단 압축부가 압축한 냉매가 상기 토출구로부터 토출되는 토출 공간을 형성하는 저단 토출부와,
    상기 저단 토출부가 형성하는 상기 토출 공간에 일단이 접속된 중간 연결관과,
    상기 저단 압축부의 하측에 마련된 고단 압축부로서, 상기 중간 연결관의 타단이 접속되고, 상기 토출 공간에 토출된 냉매를 상기 중간 연결관으로부터 압축실에 흡입하여 압축하는 고단 압축부와,
    상기 저단 압축부와 상기 고단 압축부와 상기 저단 토출부를 수납하는 내부 공간으로서, 상기 고단 압축부가 압축한 냉매가 토출되는 내부 공간을 형성하는 밀폐 용기를 구비하고,
    상기 저단 토출부는, 상기 토출 공간과 상기 밀폐 용기의 상기 내부 공간을 연결하는 바이패스구이 형성됨과 함께, 상기 토출 공간에서의 냉매의 압력이 상기 내부 공간에서의 냉매의 압력보다 높은 경우에 열리는 개폐 밸브를 상기 바이패스구에 구비한 것을 특징으로 하는 2단 압축기.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 저단 압축부의 상기 토출구에는, 상기 저단 압축부의 상기 압축실에서의 냉매의 압력이 상기 토출 공간에서의 냉매의 압력보다 높아진 경우에 열리는 개폐 밸브가 마련되고,
    상기 저단 압축부의 상기 토출구에 마련된 개폐 밸브와, 상기 저단 토출부의 상기 바이패스구에 마련된 개폐 밸브는 동일 구조인 것을 특징으로 하는 2단 압축기.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 저단 압축부의 상기 토출구에 마련된 개폐 밸브와, 상기 저단 토출부의 상기 바이패스구에 마련된 개폐 밸브는, 모두 리드 밸브인 것을 특징으로 하는 2단 압축기.
  7. 제 4항에 있어서,
    상기 2단 압축기는, 또한,
    외부로부터 냉매가 유입하는 흡입 머플러와,
    상기 흡입 머플러와 상기 저단 압축부의 상기 흡입구를 접속하는 흡입 배관과,
    상기 흡입 머플러에 유입한 냉매를 상기 흡입 배관을 통하여 상기 흡입구로부터 상기 저단 압축부에 흡입시키는 유로와, 상기 흡입 배관의 도중 부분과 상기 중간 연결관의 도중 부분을 접속하여, 상기 흡입 머플러에 유입한 냉매를 상기 저단 압축부에서 압축시키는 일 없이 바이패스하여, 상기 고단 압축부에 흡입시키는 유로를 선택적으로 전환하는 전환부를 구비하는 것을 특징으로 하는 2단 압축기.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 전환부는, 상기 흡입 배관에 의해 상기 흡입 머플러와 상기 저단 압축부의 상기 흡입구를 접속함과 함께, 상기 중간 연결관에 의해 상기 저단 토출부와 상기 고단 압축부의 흡입구를 접속하는 유로와, 상기 흡입 배관의 도중과 상기 중간 연결관의 도중을 접속하여, 상기 흡입 머플러와 상기 고단 압축부의 흡입구를 접속함과 함께, 상기 저단 토출부와 상기 저단 압축부의 상기 흡입구를 접속하는 유로를 선택적으로 전환하는 것을 특징으로 하는 2단 압축기.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 고단 압축부는, 압축실 용적이 상기 저단 압축부보다도 작은 것을 특징으로 하는 2단 압축기.
  10. 제 4항에 있어서,
    상기 저단 압축부는,
    배압실과,
    상기 배압실의 내부의 압력에 의해 가압되어 상기 압축실측으로 돌출하고, 상기 압축실을 상기 흡입구측의 공간과 상기 토출구측의 공간으로 구획하는 베인을 구비하고,
    상기 2단 압축기는, 또한,
    상기 저단 압축부가 구비하는 상기 배압실에 상기 고단 압축부의 상기 압축실에 흡입되는 냉매의 일부를 유입시키는 유입로를 구비하는 것을 특징으로 하는 2단 압축기.
  11. 제 4항에 있어서,
    상기 2단 압축기는, 또한,
    상기 저단 압축부 및 상기 고단 압축부를 동작시키는 전동기와,
    상기 저단 압축부 및 상기 고단 압축부를 동작시키는데 필요할 필요 토오크에 맞추어서 상기 전동기에서 상기 필요 토오크가 발생하도록 상기 전동기의 동작을 제어하는 제어부를 구비하는 것을 특징으로 하는 2단 압축기.
  12. 제 4항에 있어서,
    상기 2단 압축기는, 또한,
    상기 저단 압축부와 상기 고단 압축부를 연결하는 중간 유로로서, 상기 저단 토출부와 상기 중간 연결관에 의해 형성된 중간 유로에 접속된 인젝션 파이프를 구비하는 것을 특징으로 하는 2단 압축기.
  13. 저단 압축부와 고단 압축부가 직렬로 접속된 2단 압축기와, 제 1 열교환기와, 제 1 팽창기구와, 제 2 열교환기가 배관에 의해 순차적으로 접속된 주냉매 회로를 구비하는 히트 펌프 장치의 운전 방법으로서,
    상기 제 1 열교환기에서 상기 주냉매 회로를 흐르는 냉매와 열교환되는 유체의 온도를 소정의 온도로 하는데 필요한 열량인 필요부하가, 미리 설정된 제 1의 부하보다 높은 경우에는, 상기 저단 압축부와 상기 고단 압축부에서 압축한 냉매를 상기 주냉매 회로에 토출하고,
    상기 필요부하가 상기 제 1의 부하보다 낮은 경우에는, 상기 저단 압축부가 압축한 냉매를 상기 고단 압축부에서 압축시키는 일 없이 바이패스하여 상기 주냉매 회로에 토출하고,
    상기 제 1의 부하보다 낮게 설정된 제 3의 부하보다도 상기 필요부하가 낮은 경우에는, 상기 주냉매 회로로부터 유입하는 냉매를, 상기 저단 압축부에서 압축시키는 일 없이 바이패스하여, 압축실 용적이 상기 저단 압축부보다도 작은 상기 고단 압축부에 흡입시키는 것을 특징으로 하는 히트 펌프 장치의 운전 방법.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 히트 펌프 장치는, 또한,
    상기 주냉매 회로에서의 상기 제 1 열교환기와 상기 제 1 팽창기구의 사이로부터, 상기 압축기에서의 상기 저단 압축부와 상기 고단 압축부를 연결하는 중간 유로에 접속된 인젝션 파이프까지를 접속하는 인젝션 회로를 구비하고,
    상기 히트 펌프 장치의 운전 방법은, 또한,
    상기 제 1의 부하보다 높게 설정된 제 2의 부하보다도 상기 필요부하가 높은 경우에는, 상기 주냉매 회로를 상기 제 1 열교환기로부터 상기 팽창기구를 향하여 흐르는 냉매의 일부를 상기 인젝션 회로로부터 상기 중간 유로에 주입하는 것을 특징으로 하는 히트 펌프 장치의 운전 방법.
  15. 삭제
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