WO2016113785A1 - 冷凍サイクル装置及びそれに用いられる圧縮機 - Google Patents

冷凍サイクル装置及びそれに用いられる圧縮機 Download PDF

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WO2016113785A1
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compression
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refrigeration cycle
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啓晶 中井
淳 作田
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パナソニックＩｐマネジメント株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a refrigeration cycle apparatus and a compressor used therefor.
  • FIG. 6 is a diagram showing a refrigeration cycle composed of a compressor 101, a condenser 102, an evaporator 103, a pressure reducer 104, an injection pipe 105, and a gas-liquid separator.
  • the gas-liquid separator 106 is used to separate the gas phase component and the liquid phase component of the intermediate pressure refrigerant and perform gas injection.
  • BACKGROUND ART Conventionally, a refrigeration cycle apparatus has been proposed in which a gas refrigerant at an intermediate pressure is injected into a compressor for the purpose of power consumption reduction and capacity improvement of a refrigeration cycle.
  • Patent Document 1 includes a backflow suppression unit that suppresses the backflow of the gas refrigerant in the compression chamber when the gas refrigerant taken out of the gas-liquid separator 106 is injected into the compression chamber during compression.
  • a rotary compressor is disclosed.
  • Patent Document 2 discloses a rotary type two-stage compressor which performs gas injection to an intermediate pressure region of two-stage compression.
  • Patent No. 3718964 gazette Patent No. 4719432
  • the present invention solves the above problems, and adopts a single-stage compression system that exhibits high efficiency performance during normal use, and switches to a two-stage compression system injection operation during high-load operation such as at low external temperature.
  • a cycle device This realizes a refrigeration cycle apparatus that exhibits high performance.
  • the refrigeration cycle apparatus is a compressor having a first compression chamber and a second compression chamber that are independent inside, a condenser, a decompressor, an evaporator, and an intermediate decompressed by the decompressor. And a first suction path for guiding a low pressure refrigerant from the evaporator to the first compression chamber, and a second suction path for guiding the low pressure refrigerant from the evaporator to the second compression chamber. . Furthermore, the communication passage for guiding the refrigerant of the intermediate pressure compressed in the first compression chamber to the second compression chamber, and the second compression chamber and the evaporator are communicated, or the second compression chamber and the communication passage are communicated.
  • a switching element for selectively switching between The injection path leads the intermediate pressure refrigerant to the second compression chamber.
  • the refrigerant is independently compressed in the first compression chamber and the second compression chamber, and when the second compression chamber and the communication passage are in communication, The refrigerant compressed in the first compression chamber is further compressed in the second compression chamber.
  • the injection effect is achieved by a two-stage injection operation in which no pulsation occurs in the injection pipe under operating conditions where the pressure difference is large, such as operation at low ambient temperature. It is possible to demonstrate the high heating capacity utilized. Furthermore, at the time of low load and low differential pressure operation, high efficiency operation with reduced power consumption can be achieved by performing single-stage compression of both compression chambers from low pressure to high pressure.
  • FIG. 1 is a view showing a compressor and a refrigeration cycle during single-stage compression operation in a refrigeration cycle according to the present invention.
  • FIG. 2 is a view showing a compressor and a refrigeration cycle during a two-stage compression operation in the refrigeration cycle according to the present invention.
  • FIG. 3 is an enlarged view of a compression mechanism portion constituting a refrigeration cycle according to the present invention.
  • FIG. 4 is a plan view of the compression chamber of the rotary compressor constituting the refrigeration cycle according to the present invention.
  • FIG. 5 is a view showing the relationship between the compression chamber volume ratio and the injection rate in the refrigeration cycle according to the present invention.
  • FIG. 6 is a diagram showing an injection refrigeration cycle using a conventional gas-liquid separator.
  • a compressor, a condenser, a decompressor, an evaporator, and an intermediate pressure decompressed by the decompressor each of which includes a first compression chamber and a second compression chamber independent of each other.
  • An injection path for introducing the refrigerant, a first suction path for leading the low pressure refrigerant from the evaporator to the first compression chamber, and a second suction path for leading the low pressure refrigerant from the evaporator to the second compression chamber are provided.
  • the communication passage for guiding the refrigerant of the intermediate pressure compressed in the first compression chamber to the second compression chamber, and the second compression chamber and the evaporator are communicated, or the second compression chamber and the communication passage are communicated.
  • the injection path leads the intermediate pressure refrigerant to the second compression chamber.
  • a second aspect is the refrigeration cycle apparatus according to the first aspect, wherein the second suction path has a connection with the injection path downstream of the switching element.
  • the superheated refrigerant compressed in the first compression chamber is mixed with the intermediate pressure refrigerant having a small degree of superheat from the injection pipe until it is introduced to the second compression chamber. It will be done. Therefore, since the degree of superheat of the refrigerant introduced to the second compression chamber can be reduced, the compression efficiency of the second compression chamber can be improved.
  • the pressure of the refrigerant flowing through the injection pipe can be substantially reduced, and the injection pipe can be used as a bypass circuit for the refrigerant passing through the evaporator, and the refrigerant flows through the evaporator Gas refrigerant can be reduced. Therefore, the efficiency improvement effect of the evaporator can be obtained, and the refrigeration cycle efficiency and the capacity can be improved.
  • a third aspect is the refrigeration cycle apparatus according to the first aspect, wherein the volume of the first compression chamber and the volume of the second compression chamber are equal volumes.
  • the volume ratio may be configured to be approximately equal, and a difference of about ⁇ 10% may occur.
  • a fourth aspect is the refrigeration cycle apparatus according to the first aspect, wherein the compressor has two eccentric shafts provided on the shaft and performing eccentric rotation, and the two eccentric shafts are 180 degrees out of phase with each other. There is.
  • the two compression mechanisms can be configured without shifting the center of gravity of the rotating member with respect to the shaft axial direction, so that it is possible to suppress the vibration of the compressor. Further, since the sharing ratio of the compression power becomes the same, the compression operation can be performed efficiently. Note that “displaced by 180 degrees” also includes “displaced by about 180 degrees”.
  • a fifth aspect is the refrigeration cycle apparatus according to the second aspect, wherein the second suction path has an upward slope portion between the connection portion and the second compression chamber.
  • the superheated gas refrigerant at an intermediate pressure introduced from the first compression chamber is preferentially introduced to the second compression chamber.
  • the liquid component refrigerant having a large specific gravity is evaporated by heat exchange with the superheated gas refrigerant without being introduced to the second compression chamber. Therefore, the lubrication of the compressor can be kept good and the two-stage compression operation can be performed efficiently.
  • a 6th aspect performs the inverter operation which changes the rotation speed of a compressor arbitrarily in the refrigerating-cycle apparatus which concerns on a 1st aspect.
  • a seventh aspect is a compressor used in any one of the first to sixth refrigeration cycle devices.
  • FIG. 1 is a refrigeration cycle diagram during single-stage compression operation according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a refrigeration cycle diagram during two-stage compression operation according to the embodiment.
  • FIG. 3 is an enlarged view of a compression mechanism unit according to the embodiment.
  • FIG. 4 is a plan view of the compression chamber of the rotary compression mechanism according to the same embodiment.
  • the refrigeration cycle apparatus of the present embodiment includes a compressor 1, a condenser 2, an evaporator 3, a pressure reducer 4, an injection pipe 5, and a gas-liquid separator 6.
  • the compressor 1 main body includes a motor 12, a first compression mechanism 20 constituting a first compression chamber 21, a second compression mechanism 30 constituting a second compression chamber 31, and a shaft 13 in a sealed container 11. .
  • the motor 12 is disposed above the first compression mechanism 20 and the second compression mechanism 30.
  • the first compression mechanism 20, the second compression mechanism 30, and the motor 12 are connected to the shaft 13.
  • a terminal 14 for supplying electric power to the motor 12 is provided on the upper part of the closed container 11. At the bottom of the closed container 11, an oil storage portion 15 for holding lubricating oil is formed.
  • the compressor body has a so-called hermetic compressor structure.
  • the first compression mechanism 20 and the second compression mechanism 30 are positive displacement fluid mechanisms.
  • the first compression mechanism 20 is configured by a first cylinder 25, a first piston 26, a first vane 27, a first spring 29, a first frame 60, and a partition plate 40.
  • the first piston 26 is disposed inside the first cylinder 25.
  • the first piston 26 is fitted to a first eccentric shaft 13 a of the shaft 13.
  • a first compression chamber 21 is formed between the outer peripheral surface of the first piston 26 and the inner peripheral surface of the first cylinder 25.
  • a first vane groove 28 is formed in the first cylinder 25.
  • a first vane 27 and a first spring 29 are accommodated in the first vane groove 28.
  • the tip of the first vane 27 is in contact with the outer peripheral surface of the first piston.
  • the first vane 27 is pushed toward the first piston 26 by the first spring 29.
  • the first frame 60 is disposed on the lower surface of the first cylinder 25, and the partition plate 40 is disposed on the upper surface of the first cylinder 25.
  • the first cylinder 25 is sandwiched between the first frame 60 and the partition plate 40.
  • the first compression chamber 21 is partitioned by the first vanes 27 to form a first suction chamber and a first compression-discharge chamber.
  • the second compression mechanism 30 includes a second cylinder 35, a second piston 36, a second vane (not shown), a second spring (not shown), a second frame 70, and a partition plate 40.
  • the second cylinder 35 is disposed concentrically with the first cylinder 25.
  • the second piston 36 is disposed inside the second cylinder 35.
  • the second piston 36 is fitted to a second eccentric shaft (not shown) of the shaft 13.
  • a second compression chamber 31 is formed between the outer peripheral surface of the second piston 36 and the inner peripheral surface of the second cylinder 35.
  • a second vane groove is formed in the second cylinder 35.
  • the second vane and the second spring are accommodated in the second vane groove.
  • the tip of the second vane contacts the outer circumferential surface of the second piston.
  • the second vane is pushed towards the second piston 36 by the second spring.
  • the second frame 70 is disposed on the upper surface of the second cylinder 35, and the partition plate 40 is disposed on the lower surface of the second cylinder 35.
  • the second cylinder 35 is sandwiched between the second frame 70 and the partition plate 40.
  • the second compression chamber 31 is partitioned by the second vanes to form a second suction chamber and a second compression-discharge chamber.
  • eccentric direction of the first eccentric shaft 13a is offset by 180 degrees from the eccentric direction of the second eccentric shaft. That is, the phase of the first piston 26 is 180 degrees out of phase with the phase of the second piston 36 and the rotation angle of the shaft 13.
  • the first frame 60 is provided with a first discharge space 24 into which the refrigerant compressed in the first compression chamber 21 is discharged.
  • the refrigerant (working fluid) compressed in the first compression chamber 21 is led to the first suction chamber 21 a of the first compression chamber 21 through the first suction passage 96.
  • the refrigerant discharged from the first compression-discharge chamber 21 b of the first compression chamber 21 flows out from the first discharge hole 22 formed in the first frame 60 into the first discharge space 24.
  • the first discharge hole 22 is provided with a first check valve 23.
  • the first check valve 23 blocks the flow of the refrigerant from the first discharge space 24 to the first compression chamber 21.
  • a single-stage compression communication passage 91 and a single-stage compression discharge hole 92 are formed between the first discharge space 24 and the sealed container 11.
  • the single-stage compression discharge hole 92 is formed in the second frame 70.
  • the first discharge space 24 and the inside of the sealed container 11 are in communication with each other by the single-stage compression communication passage 91 and the single-stage compression discharge hole 92.
  • the single-stage compression discharge hole 92 is provided with a third check valve 93.
  • the third check valve 93 blocks the flow of the refrigerant from the inside of the sealed container 11 to the first discharge space 24.
  • the refrigerant compressed in the second compression chamber 31 is led to a second suction chamber (not shown) of the second compression chamber 31 through the second suction passage 97.
  • the refrigerant discharged from the second compression-discharge chamber (not shown) of the second compression chamber 31 is led to the inside of the sealed container 11 through the second discharge hole 32.
  • the second discharge holes 32 are formed in the second frame 70.
  • the second discharge hole 32 is provided with a second check valve 33.
  • the second check valve 33 blocks the flow of the refrigerant from the inside of the sealed container 11 to the second compression chamber 31.
  • the two-stage compression communication passage 94 connects the first discharge space 24 and the switching valve 95 (control element), and depending on the state of the switching valve 95, may communicate with the second suction passage 97 (FIG. 2) or blockade. ( Figure 1).
  • the discharge path 90 penetrates the upper portion of the closed container 11.
  • the discharge path 90 leads the compressed refrigerant to the outside of the closed container 11.
  • the discharge path 90 is connected to the condenser 2 to supply the condenser 2 with a high pressure refrigerant.
  • the first suction passage 96 (the first connection pipe 53) connects the first compression mechanism 20 and the accumulator 50, and guides the refrigerant to be compressed from the accumulator 50 to the first compression chamber 21 of the first compression mechanism 20.
  • the second suction passage 97 connects the second compression mechanism 30 and the switching valve 95 as a control element.
  • the switching valve 95 is connected to one end of the second suction passage 97, one end of the second connection pipe 54 connected to the accumulator 50, and one end of the two-stage compression communication passage 94.
  • the switching valve 95 selectively causes either one of the second connection pipe 54 and the two-stage compression communication passage 94 to communicate with the second suction passage 97 and blocks the passage from the other. In other words, the switching valve 95 selectively switches the communication between the second compression chamber 31 and the evaporator 3 or the communication between the second compression chamber 31 and the two-stage compression communication passage 94.
  • the injection pipe 5 is connected on a second suction passage 97 connecting the second compression mechanism 30 and the switching valve 95.
  • the second suction passage 97 has a connection portion 80 to the injection pipe 5 downstream of the switching valve 95.
  • the second suction path 97 combines the gas refrigerant led from the gas-liquid separator 6 through the injection pipe 5 and the refrigerant led from the switching valve 95 and leads it to the second compression mechanism 30.
  • the second suction path 97 has an upslope portion 97 a between the connection portion 80 of the injection pipe 5 and the second compression mechanism 30.
  • the liquid reservoir portion 97 b may be provided so that the liquid refrigerant exchanges heat with the overheated gas refrigerant and evaporates.
  • the refrigerant condensed in the condenser 2 is decompressed by the decompressor 4.
  • the gas-liquid separator 6 separates a part of evaporated gas refrigerant and liquid refrigerant.
  • the separated liquid refrigerant further passes through the pressure reducer 4 and is introduced to the evaporator 3 as a low pressure refrigerant.
  • the gas refrigerant separated in the gas-liquid separator 6 passes through the injection pipe 5 and merges with the refrigerant led from any one of the second connection pipe 54 and the two-stage compression communication path 94 in the second suction passage 97. And is guided to the second compression mechanism 30.
  • a back flow in the injection pipe 5 does not occur, but a means for providing the closing valve or the throttle valve in the injection pipe 5 and adjusting and stopping the injection pressure is provided. It may be provided.
  • the refrigerant decompressed to a low pressure by the decompressor 4 is led to the evaporator 3, and the liquid refrigerant is evaporated by heat exchange and discharged as a gas refrigerant.
  • the discharged refrigerant is guided to the accumulator 50 and taken in including the liquid refrigerant which has not been evaporated in the evaporator 3.
  • the accumulator 50 includes an accumulation container 51, an introduction pipe 52, a first connection pipe 53, and a second connection pipe 54.
  • the storage container 51 has an internal space capable of holding liquid refrigerant and gas refrigerant.
  • the introduction pipe 52 is provided at the top of the storage container 51.
  • the inlet pipe 52 is connected to the evaporator 3 to supply a low pressure refrigerant.
  • the first connection pipe 53 and the second connection pipe 54 penetrate the bottom of the storage container 51 and are open to the internal space of the storage container 51.
  • Another member such as a baffle may be provided inside the storage container 51 so that the liquid refrigerant does not flow from the introduction pipe 52 into the first connection pipe 53 and the second connection pipe 54.
  • the first connection pipe 53 and the second connection pipe may be directly connected to the introduction pipe 52.
  • a refrigeration cycle in which single compression operation is simultaneously performed by two compression mechanisms using switching valve 95 and a refrigeration cycle in which two compressions are performed by two compression mechanisms with injection of intermediate pressure. It is possible to switch the operation. The details will be described below.
  • the switching valve 95 connects the second suction passage 97 and the second connection pipe 54.
  • the second suction passage 97 and the two-stage compression communication passage 94 are shut off.
  • the first compression mechanism 20 and the second compression mechanism 30 are connected to the accumulator 50, the first compression mechanism 20 and the second compression mechanism 30 are connected in parallel.
  • the refrigerant drawn from the first suction passage 96 is compressed by the first compression mechanism 20 and is discharged to the first discharge space 24 through the first discharge holes 22.
  • the two-stage compression communication passage 94 communicating with the first discharge space 24 is shut off by the switching valve 95. For this reason, the pressure in the first discharge space 24 increases until it becomes the same as the inside of the sealed container 11.
  • the refrigerant discharged into the first discharge space 24 passes through the single-stage compression communication passage 91 and the single-stage compression discharge hole 92, opens the third check valve 93, and is discharged into the sealed container 11. Ru.
  • the second suction passage 97 is connected to the accumulator 50 via the switching valve 95, the refrigerant drawn from the second suction passage 97 is compressed by the second compression mechanism 30, It is discharged into the inside of the closed container 11 through the discharge hole 32.
  • the refrigerant compressed by each of the first compression mechanism 20 and the second compression mechanism 30 merges inside the closed container 11 and is led to the outside of the closed container 11 through the discharge path 90.
  • the suction volume during the single-stage compression operation is V1 + V2 when expressed using the suction volume V1 of the first compression mechanism 20 and the suction volume V2 of the second compression mechanism 30.
  • V1 and V2 are approximately equal, the work load of the two compression mechanisms is equalized, and highly efficient compression operation is enabled.
  • the injection pipe 5 since the injection pipe 5 is connected to the second suction path 97, the injection pipe 5 can be used as a bypass path for the evaporator 3. That is, by adjusting the pressure reducer 4, the pressure of the gas-liquid separator 6 is reduced to a low pressure, and only the gas refrigerant having no latent heat is bypassed from the injection pipe 5 to the second compression mechanism 30.
  • the second suction passage 97 and the two-stage compression communication passage 94 are connected by the switching valve 95, and the second suction passage 97 and the second connection pipe 54 are shut off.
  • the first suction passage is connected to the accumulator 50, the first compression mechanism 20 and the second compression mechanism 30 are connected in series.
  • the refrigerant drawn from the first suction passage 96 is compressed by the first compression mechanism 20 and is discharged to the first discharge space 24 through the first discharge holes 22.
  • the two-stage compression communication passage 94 communicating with the first discharge space 24 is connected to the second suction passage 97 via the switching valve 95. Therefore, the refrigerant discharged to the first discharge space 24 joins the refrigerant led from the injection pipe 5 in the second suction passage 97 and is compressed by the second compression mechanism 30.
  • the refrigerant compressed by the second compression mechanism 30 is discharged to the inside of the sealed container 11 through the second discharge holes 32.
  • the pressure in the first discharge space 24 is an intermediate pressure lower than the discharge pressure of the second compression mechanism 30.
  • the third check valve 93 is closed by the pressure difference between the first discharge space 24 and the inside of the sealed container 11. As a result, all the refrigerant compressed by the first compression mechanism 20 flows into the second compression mechanism 30. Furthermore, the refrigerant compressed by the second compression mechanism 30 is discharged to the inside of the sealed container 11, and is led to the outside of the sealed container through the discharge path 90.
  • the ratio of refrigerant gas and liquid refrigerant separated by the gas-liquid separator is such that the larger the pressure difference between the high pressure and the low pressure of the refrigeration cycle, the more gas components.
  • the first cylinder 25 and the second cylinder are required to perform the two-stage compression operation. It is preferred to design the height of 35 differently.
  • the suction volume V1 of the first compression mechanism 20 is configured to be larger than the suction volume V2 of the second compression mechanism 30.
  • the suction volume V1 of the first compression mechanism 20 and the suction volume V2 of the second compression mechanism 30 are set to limit the two-stage compression operation to a high differential pressure condition where the injection gas can sufficiently ensure. It is possible to configure approximately equally.
  • the heights of the first cylinder 25 and the second cylinder 35 can be made the same, and accordingly, the shapes and heights of the first piston 26 and the second piston 36 can be made the same.
  • the shapes and heights of the first eccentric shaft 13a and the second eccentric shaft can be made identical.
  • volume ratio of the second compression mechanism 30 can be configured to be larger than that of the conventional two-stage compressor dedicated machine, it is possible to cope with refrigeration cycle operation with a higher injection rate during high differential pressure operation. Therefore, the ability improvement effect in low ambient temperature driving can be exhibited significantly. This point will be described in detail below.
  • the volume of the second compression chamber is configured to be smaller than the volume of the first compression chamber, in consideration of having to operate without injection at the time of low load operation, It was necessary to maintain the two-stage compression operation.
  • the graph shown in FIG. 5 shows that the volume ratio of the second compression chamber to the volume of the first compression chamber and the gas in the refrigerant cycle in the refrigeration cycle can pass through the injection pipe, assuming that the outside air temperature is minus 30.degree.
  • the maximum ratio of injection refrigerant (referred to as the injection rate) is shown.
  • the volume ratio of the second compression mechanism 30 can be configured larger than that of the conventional two-stage compressor dedicated device in which the volume ratio of the second compression chamber is configured smaller, and the injection rate can be increased. Therefore, the injection effect at low ambient temperature can be exhibited more greatly, and high performance can be realized.
  • the oil reservoir 15 is provided in the closed container. ing. This is to prevent refrigerant leakage during lubrication and compression of each sliding portion of the compression mechanism.
  • the compressor 1 used in the refrigeration cycle apparatus according to the present embodiment also has an oil storage portion 15 in order to prevent refrigerant leakage during lubrication and compression of each sliding portion of the compression mechanism.
  • a part of the oil introduced into the compression mechanism portion is mixed with the refrigerant during compression, and the refrigerant and the oil are discharged together into the closed container 11.
  • the mixed fluid of the refrigerant and the oil discharged into the inside of the closed container 11 moves near the motor 12 or in the inside of the closed container 11 to the upper part, the oil having a specific gravity larger than that of the refrigerant It is separated.
  • the separated oil returns to the oil storage unit 15 inside the closed container 11.
  • the compressor according to this embodiment of the high pressure type capable of separating oil and refrigerant in the sealed container 11 by the above-described operation reduces the amount of oil guided to the outside of the sealed container 11 through the discharge path 90.
  • the efficiency of the condenser 2 and the evaporator 3 is not reduced. As a result, it is possible to provide a refrigeration cycle apparatus that can be operated with high efficiency.
  • the present embodiment in both the single-stage compression operation and the two-stage injection compression, all the refrigerant is discharged to the inside of the closed container 11 and then passes through the discharge path 90 to form the closed container. It is led to the outside of 11. As a result, since the refrigerant can be discharged to the outside of the closed container 11 after the refrigerant and the oil are sufficiently separated in the closed container 11, the efficiency of the condenser 2 or the evaporator 3 is not reduced. Furthermore, since it is possible to reduce the carry-out of the oil to the outside of the sealed container 11, it is possible to stably secure the oil of the oil storage portion 15 and to prevent galling and abnormal wear of the components of the compression mechanism portion.
  • the first compression mechanism 20 is disposed on the side far from the motor 12, and the second compression mechanism 30 is disposed on the side close to the motor 12. That is, the motor 12, the second compression mechanism 30, and the first compression mechanism 20 are arranged in order along the axial direction of the shaft 13.
  • the first discharge space 24 can be widely configured without interference with the motor 12 or the like, and the refrigerant pulsation in the first discharge space 24 can be achieved. A large reduction effect can be obtained.
  • pressure pulsation can be further reduced in the second suction passage 97 to which the injection pipe 5 is connected, and vibration and noise of the refrigerant pipe can be reduced.
  • the first vanes 27 and the second vanes may be integrated with the first piston 26 and the second piston 36. That is, it may be configured by a so-called swing type piston. Further, the first piston 26 and the first vane 27 may be jointed with the second piston 36 and the second vane.
  • first compression mechanism 20 and the second compression mechanism 30 do not use a rotary compression method, and other volumetric compression mechanisms such as a scroll compression system and a screw compression system, non-volume compression mechanisms such as a turbo type, and their different compressions. It is possible to obtain the effects of the present invention even in a configuration (not shown) combining methods.
  • the motor 12 is composed of a stator 12a and a rotor 12b.
  • the stator 12 a is fixed to the inner peripheral surface of the sealed container 11.
  • the rotor 12 b is fixed to the shaft 13 and rotates with the shaft 13.
  • the motor 12 moves the first piston 26 and the second piston 36 inside the first cylinder 25 and the second cylinder 35.
  • a motor capable of changing the number of rotations such as an IPMSM (Interior Permanent Magnet Synchronous Motor) and an SPMSM (Surface Permanent Magnet Synchronous Motor) can be used.
  • the controller 8 controls the inverter 7 to adjust the number of rotations of the motor 12, that is, the number of rotations of the compressor 1.
  • a DSP Digital Signal Processor
  • a / D conversion circuit an input / output circuit, an arithmetic circuit, a storage device and the like can be used.
  • the present invention is useful for a refrigeration cycle apparatus that can be used for electric appliances such as a hot water heater, an air conditioner, and a water heater in which the evaporator is used in a low temperature environment.

Abstract

　本発明に係る冷凍サイクル装置は、第１圧縮室及び第２圧縮室を備えた圧縮機と、凝縮器と、減圧器と、蒸発器と、中間圧の冷媒を導くインジェクション経路と、第１圧縮室で圧縮された中間圧の冷媒を前記第２圧縮室に導く連通路と、第２圧縮室と蒸発器とを連通させる、もしくは、第２圧縮室と連通路とを連通させる、を選択的に切換える切換要素とを備えている。インジェクション経路は、中間圧の冷媒を第２圧縮室に導く。第２圧縮室と蒸発器とが連通しているときには単段圧縮運転を行い、第２圧縮室と連通路とが連通しているときには、２段圧縮運転を行う。

Description

冷凍サイクル装置及びそれに用いられる圧縮機
　本発明は、冷凍サイクル装置及びそれに用いられる圧縮機に関する。
　図６は、圧縮機１０１、凝縮器１０２、蒸発器１０３、減圧器１０４、インジェンクション管１０５、および気液分離器１０６から構成される冷凍サイクルを示す図である。この冷凍サイクルでは、気液分離器１０６を用いて、中間圧力冷媒の気相成分と液相成分を分離し、ガスインジェクションを行う。従来から、冷凍サイクルの消費電力削減や能力向上などを目的として、中間圧力のガス冷媒を圧縮機にインジェクションする冷凍サイクル装置が提案されている。例えば、特許文献１には、気液分離器１０６から取り出されたガス冷媒が圧縮途中の圧縮室にインジェクションされる際に、圧縮室内のガス冷媒が逆流することを抑制する逆流抑制手段を備えたロータリ圧縮機が開示されている。また、特許文献２には、２段圧縮の中間圧力領域に対して、ガスインジェクションを行うロータリ式２段圧縮機が開示されている。
　しかし、特許文献１のように、圧縮途中の圧縮室に対してガスインジェクションを行った場合、圧縮室の圧力が運転周波数の周期で低圧から高圧まで大きく変動しているため、以下に示す課題が生じる。すなわち、インジェクション管出口の圧力がインジェクションガス圧力よりも上回った際に、圧縮室内の冷媒がインジェクションポートから逆流するおそれがある。この課題に対して、逆流を防止するための逆止弁を設けるなどの対策が特許文献１には開示されているが、逆止弁は本来のインジェクションの流れを阻害する要因になりうる。また、逆流自体は抑制されたとしても、変動する圧縮室へのインジェクションは断続的となり、インジェクション管内の冷媒圧力の脈動が大きく、騒音や振動が課題となる。
　一方、特許文献２のように、２段圧縮の中間圧領域にインジェクションを行う場合、安定した圧力領域に対してインジェクションを行うため、上記のような課題は解消され、連続的に安定した量のガスインジェクションを行うことが可能となる。２段圧縮方式は低圧と高圧の圧力差が大きい運転条件においては、圧力差に伴う冷媒漏れなどが単段圧縮方式に比べ少なくなり、高効率な性能を発揮できる。しかしながら、圧力差が小さい低負荷の運転条件においては、摺動ロスなどにより、２段圧縮方式は単段圧縮方式に比べて効率が低下してしまう課題がある。また、実質的な圧縮機吸入容積が低圧冷媒を吸入する側の圧縮室容積分に限定されるため、インジェクション効果が小さい低差圧の運転条件において所望の冷凍または暖房能力を発揮するためには、圧縮機の大型化が必要となる。
特許第３７１８９６４号公報 特許第４７１９４３２号公報
　本発明は上記課題を解決するものであり、常用時は高効率性能を発揮する単段圧縮方式を採用しつつ、低外気温時などの高負荷運転時には２段圧縮方式のインジェクション運転に切換える冷凍サイクル装置を提供する。これにより、高い能力を発揮する冷凍サイクル装置を実現する。
　すなわち、本発明に係る冷凍サイクル装置は、内部に独立した第１圧縮室及び第２圧縮室を備えた圧縮機と、凝縮器と、減圧器と、蒸発器と、減圧器で減圧された中間圧の冷媒を導くインジェクション経路と、蒸発器から低圧の冷媒を第１圧縮室に導く第１吸入経路と、蒸発器から低圧の冷媒を第２圧縮室に導く第２吸入経路とを備えている。さらに、第１圧縮室で圧縮された中間圧の冷媒を第２圧縮室に導く連通路と、第２圧縮室と蒸発器とを連通させる、もしくは、第２圧縮室と連通路とを連通させる、を選択的に切換える切換要素と、を備えている。インジェクション経路は、中間圧の冷媒を第２圧縮室に導く。第２圧縮室と蒸発器とが連通しているときには、第１圧縮室および第２圧縮室にて、それぞれ単独で冷媒が圧縮され、第２圧縮室と連通路とが連通しているときには、第１圧縮室で圧縮された冷媒が、さらに第２圧縮室で圧縮される。
　これにより、中間圧のガス冷媒をインジェクションする冷凍サイクル装置として、低外気温時の運転など圧力差が大きい運転条件においては、インジェクション管の脈動が生じない構成となる２段インジェクション運転によりインジェクション効果を活用した高い暖房能力を発揮することができる。さらに、低負荷・低差圧運転時においては、２つの圧縮室が共に低圧から高圧まで単段圧縮することにより、消費電力を抑制した高効率運転が可能となる。
図１は、本発明に係る冷凍サイクルにおいて、単段圧縮運転時の圧縮機および冷凍サイクルを示す図である。 図２は、本発明に係る冷凍サイクルにおいて、２段圧縮運転時の圧縮機および冷凍サイクルを示す図である。 図３は、本発明に係る冷凍サイクルを構成する圧縮機構部の拡大図である。 図４は、本発明に係る冷凍サイクルを構成するロータリ圧縮機の圧縮室の平面図である。 図５は、本発明に係る冷凍サイクルにおいて、圧縮室容積比とインジェクション率との関係を示す図である。 図６は、従来の気液分離器を用いたインジェクション冷凍サイクルを示す図である。
　本開示の第１の態様は、内部に独立した第１圧縮室及び第２圧縮室を備えた圧縮機と、凝縮器と、減圧器と、蒸発器と、減圧器で減圧された中間圧の冷媒を導くインジェクション経路と、蒸発器から低圧の冷媒を第１圧縮室に導く第１吸入経路と、蒸発器から低圧の冷媒を第２圧縮室に導く第２吸入経路とを備えている。さらに、第１圧縮室で圧縮された中間圧の冷媒を第２圧縮室に導く連通路と、第２圧縮室と蒸発器とを連通させる、もしくは、第２圧縮室と連通路とを連通させる、を選択的に切換える切換要素とを備えている。インジェクション経路は、中間圧の冷媒を第２圧縮室に導く。第２圧縮室と蒸発器とが連通しているときには、第１圧縮室および第２圧縮室にて、それぞれ単独で冷媒が圧縮され、第２圧縮室と連通路とが連通しているときには、第１圧縮室で圧縮された冷媒が、さらに第２圧縮室で圧縮される。
　これにより、低外気温時の運転など圧力差が大きい運転条件においては、インジェクション管の脈動が生じない構成となる２段インジェクション運転により、インジェクション効果を活用した高い暖房能力を発揮することができる。そして、低負荷・低差圧運転時においては、２つの圧縮室が共に低圧から高圧まで単段圧縮することにより、消費電力を抑制した高効率運転が可能となる。
　第２の態様は、第１の態様に係る冷凍サイクル装置において、第２吸入経路は、切換要素の下流側にインジェクション経路との接続部を有する。
　これにより、２段圧縮運転を行う際には、第１圧縮室で圧縮された過熱冷媒は、第２圧縮室に導かれるまでの間に、インジェクション管からの過熱度の小さい中間圧冷媒と混合されることになる。したがって、第２圧縮室に導かれる冷媒の過熱度を低減することができるため、第２圧縮室の圧縮効率を向上させることができる。また、単段圧縮運転を行う際には、インジェクション管を流れる冷媒の圧力を実質的に低圧状態とし、蒸発器を通る冷媒のバイパス回路としてインジェクション管を活用することが可能となり、蒸発器を流れるガス冷媒を削減できる。したがって、蒸発器の効率向上効果が得られ、冷凍サイクル効率ならびに能力向上が可能となる。
　第３の態様は、第１の態様に係る冷凍サイクル装置において、第１圧縮室の容積と、第２圧縮室の容積とは、等しい容積である。なお、容積比率に関しては概ね等しく構成されていればよく、±１０％程度の差が生じてもよい。
　これにより、シャフト偏心軸やピストンなどの偏心回転系部品の大きさや重量を同じにすることができ、安価に圧縮機を製造することが可能となる。
　第４の態様は、第１の態様に係る冷凍サイクル装置において、圧縮機は、シャフトに設けられ、偏心回転を行う２つの偏心軸を有し、２つの偏心軸は、位相が１８０度ずれている。
　これにより、シャフト軸方向に対して回転部材の重心をずらすことなく２つの圧縮機構を構成することが可能となるため、圧縮機の振動を抑制することが可能となる。また、圧縮動力の分担率が同じになるため、効率よく圧縮動作を行うことが可能となる。なお、「１８０度ずれている」とは、「略１８０度ずれている」場合も含む。
　第５の態様は、第２の態様に係る冷凍サイクル装置において、第２吸入経路は、接続部と第２圧縮室との間に上り勾配部を有する。
　これにより、２段インジェクション運転を行う際にインジェクション管から液冷媒が流入したとしても、第１圧縮室から導かれた中間圧の過熱ガス冷媒が優先的に第２圧縮室に導かれる。比重が大きい液成分の冷媒は、第２圧縮室に導かれることなく過熱ガス冷媒との熱交換で蒸発される。したがって、圧縮機の潤滑を良好に保つことができるとともに効率良く２段圧縮動作を行うことができる。
　第６の態様は、第１の態様に係る冷凍サイクル装置において、圧縮機の回転数を任意に変更するインバータ運転を行う。
　これにより、小能力から大能力まで幅広い能力帯に対して連続的に高効率運転できるとともに、低外気温時においては、インジェクション効果と高速運転を組み合わせた大能力運転が実現できる。
　第７の態様は、第１から第６のいずれか１つの冷凍サイクル装置に用いられる圧縮機である。
　以下、本発明の実施形態について、図を用いて詳細に説明する。なお、以下の実施形態によって本発明が限定されるものではない。
　（実施の形態１）
　図１は、本発明の一実施形態に係る単段圧縮運転時の冷凍サイクル図である。図２は、同実施形態に係る２段圧縮運転時の冷凍サイクル図である。図３は、同実施形態に係る圧縮機構部の拡大図である。図４は、同実施形態に係るロータリ圧縮機構の圧縮室の平面図である。
　図１、２に示すように、本実施形態の冷凍サイクル装置は、圧縮機１、凝縮器２、蒸発器３、減圧器４、インジェクション管５および気液分離器６を備えている。
　圧縮機１本体は、密閉容器１１内に、モータ１２、第１圧縮室２１を構成する第１圧縮機構２０、第２圧縮室３１を構成する第２圧縮機構３０、及びシャフト１３を備えている。モータ１２は、第１圧縮機構２０及び第２圧縮機構３０の上方に配置されている。第１圧縮機構２０、第２圧縮機構３０、及びモータ１２は、シャフト１３に連結されている。密閉容器１１の上部には、モータ１２に電力を供給する端子１４が設けられている。密閉容器１１の底部には、潤滑油を保持するための貯油部１５が形成されている。圧縮機本体は、いわゆる密閉型圧縮機の構造を有する。
　第１圧縮機構２０及び第２圧縮機構３０は、容積式の流体機構である。
　第１圧縮機構２０は、第１シリンダ２５、第１ピストン２６、第１ベーン２７、第１バネ２９、第１フレーム６０、および仕切り板４０で構成されている。第１ピストン２６は、第１シリンダ２５の内部に配置されている。第１ピストン２６は、シャフト１３の第１偏心軸１３ａに嵌め合わされている。第１ピストン２６の外周面と第１シリンダ２５の内周面との間には、第１圧縮室２１が形成されている。第１シリンダ２５には、第１ベーン溝２８が形成されている。第１ベーン溝２８には、第１ベーン２７と第１バネ２９が収納されている。第１ベーン２７の先端は、第１ピストンの外周面に接する。第１ベーン２７は、第１バネ２９によって第１ピストン２６に向かって押される。
　第１フレーム６０は第１シリンダ２５の下面に配置され、仕切り板４０は第１シリンダ２５の上面に配置される。第１シリンダ２５は、第１フレーム６０と仕切り板４０で挟み込まれる。第１圧縮室２１は、第１ベーン２７によって仕切られることで、第１吸入室と第１圧縮－吐出室が形成される。
　第２圧縮機構３０は、第２シリンダ３５、第２ピストン３６、第２ベーン（図示省略）、第２バネ（図示省略）、第２フレーム７０、および仕切り板４０で構成されている。第２シリンダ３５は、第１シリンダ２５に対して同心状に配置されている。第２ピストン３６は第２シリンダ３５の内部に配置される。第２ピストン３６は、シャフト１３の第２偏心軸（図示省略）に嵌め合わされている。第２ピストン３６の外周面と第２シリンダ３５の内周面との間には第２圧縮室３１が形成されている。第２シリンダ３５には、第２ベーン溝が形成されている。第２ベーン溝には、第２ベーンと第２バネが収納されている。第２ベーンの先端は、第２ピストンの外周面に接する。第２ベーンは、第２バネによって第２ピストン３６に向かって押される。第２フレーム７０は第２シリンダ３５の上面に配置され、仕切り板４０は第２シリンダ３５の下面に配置される。第２シリンダ３５は、第２フレーム７０と仕切り板４０で挟み込まれる。第２圧縮室３１は、第２ベーンによって仕切られることで、第２吸入室と第２圧縮－吐出室が形成される。
　また、第１偏心軸１３ａの偏心方向は、第２偏心軸の偏心方向と１８０度ずれている。つまり、第１ピストン２６の位相が第２ピストン３６の位相とシャフト１３の回転角度で１８０度ずれている。
　また、第１フレーム６０には、第１圧縮室２１で圧縮された冷媒が吐出される第１吐出空間２４が設けられている。第１圧縮室２１で圧縮される冷媒（作動流体）は、第１吸入経路９６を通じて第１圧縮室２１の第１吸入室２１ａに導かれる。第１圧縮室２１の第１圧縮－吐出室２１ｂから吐出される冷媒は、第１フレーム６０に形成された第１吐出孔２２から第１吐出空間２４に流出する。
　また、第１吐出孔２２には、第１逆止弁２３が設けられている。第１逆止弁２３は、第１吐出空間２４から第１圧縮室２１への冷媒の流れを阻止している。また、第１吐出空間２４と密閉容器１１との間には単段圧縮連通路９１及び単段圧縮吐出孔９２が形成されている。単段圧縮吐出孔９２は第２フレーム７０に形成されている。単段圧縮連通路９１及び単段圧縮吐出孔９２によって、第１吐出空間２４と密閉容器１１の内部とが連通されている。また、単段圧縮吐出孔９２には、第３逆止弁９３が設けられている。第３逆止弁９３は、密閉容器１１の内部から第１吐出空間２４への冷媒の流れを阻止している。
　また、第２圧縮室３１で圧縮される冷媒は、第２吸入経路９７を通じて第２圧縮室３１の第２吸入室（図示省略）に導かれる。第２圧縮室３１の第２圧縮－吐出室（図示省略）から吐出される冷媒は、第２吐出孔３２から密閉容器１１の内部に導かれる。第２吐出孔３２は、第２フレーム７０に形成されている。第２吐出孔３２には、第２逆止弁３３が設けられている。第２逆止弁３３は、密閉容器１１の内部から第２圧縮室３１への冷媒の流れを阻止している。
　２段圧縮連通路９４は、第１吐出空間２４と切換弁９５（制御要素）とを接続しており、切換弁９５の状態によって、第２吸入経路９７と連通したり（図２）、閉塞されたり（図１）する。
　吐出経路９０は、密閉容器１１の上部を貫通している。吐出経路９０は、圧縮された冷媒を密閉容器１１の外部に導く。吐出経路９０は凝縮器２に接続されて、凝縮器２に高圧の冷媒を供給する。
　第１吸入経路９６（第１接続管５３）は、第１圧縮機構２０とアキュームレータ５０とを接続し、圧縮する冷媒をアキュームレータ５０から第１圧縮機構２０の第１圧縮室２１に導く。
　第２吸入経路９７は、第２圧縮機構３０と制御要素としての切換弁９５を接続する。切換弁９５には、第２吸入経路９７の一端と、アキュームレータ５０に接続される第２接続管５４の一端と、２段圧縮連通路９４の一端とが接続されている。切換弁９５は、第２接続管５４および２段圧縮連通路９４のいずれか一方と第２吸入経路９７とを選択的に連通させて、他方との経路を遮断する。換言すると、切換弁９５は、第２圧縮室３１と蒸発器３とを連通させる、もしくは、第２圧縮室３１と２段圧縮連通路９４とを連通させる、を選択的に切り替える。
　インジェクション管５は、第２圧縮機構３０と切換弁９５を接続する第２吸入経路９７上に接続されている。第２吸入経路９７は、切換弁９５の下流側にインジェクション管５との接続部８０を備えている。第２吸入経路９７は、気液分離器６からインジェクション管５を通って導いたガス冷媒と切換弁９５から導いた冷媒を合流させて第２圧縮機構３０へと導く。第２吸入経路９７は、インジェクション管５の接続部８０と第２圧縮機構３０との間に、上り勾配部９７ａを有している。これにより、合流した冷媒が液成分を含む湿り冷媒であった場合に、比重の軽いガス冷媒が優先的に第２圧縮機構３０へと導かれる。また、液冷媒が過熱ガス冷媒と熱交換を行って蒸発するように液溜め部９７ｂを設けてもよい。
　凝縮器２の中で凝縮した冷媒は、減圧器４で減圧される。気液分離器６は、一部の蒸発したガス冷媒と液冷媒とを分離する。分離された液冷媒は、更に減圧器４を通り、低圧冷媒となって蒸発器３へと導かれる。一方、気液分離器６で分離されたガス冷媒は、インジェクション管５を通り、第２吸入経路９７において、第２接続管５４および２段圧縮連通路９４のいずれか一方から導かれる冷媒と合流して、第２圧縮機構３０へと導かれる。本発明では、安定した圧力領域に対してインジェクションガスを導入するため、インジェクション管５での逆流は生じないが、インジェクション管５に閉塞弁や絞り弁を設け、インジェクション圧力を調整、停止する手段を設けても良い。
　蒸発器３には、減圧器４にて低圧まで減圧した冷媒が導かれ、熱交換によって液冷媒が蒸発し、ガス冷媒となって排出される。排出された冷媒はアキュームレータ５０へと導かれ、蒸発器３において蒸発しきらなかった液冷媒も含めて取り込む。
　アキュームレータ５０は、蓄積容器５１、導入管５２、第１接続管５３、および第２接続管５４で構成されている。蓄積容器５１は、液冷媒及びガス冷媒を保持できる内部空間を有する。導入管５２は蓄積容器５１の上部に設けられている。導入管５２は、蒸発器３と接続されて低圧の冷媒が供給される。第１接続管５３および第２接続管５４は、蓄積容器５１の底部を貫通して、蓄積容器５１の内部空間に開放されている。なお、導入管５２から第１接続管５３及び第２接続管５４に液冷媒が流れ込まないように、バッフル等の他の部材が蓄積容器５１の内部に設けられていてもよい。また、圧縮機１の形態によっては、第１接続管５３及び第２接続管は導入管５２と直接接続されていてもよい。
　本実施の形態によれば、切換弁９５を用いて、２つの圧縮機構で同時に単段圧縮運転を行う冷凍サイクル動作と、中間圧のインジェクションを伴い２つの圧縮機構で２段圧縮を行う冷凍サイクル動作の切換えが可能となる。以下、具体的に説明する。
　まず、高圧と低圧の圧力差が小さい低差圧時に単段圧縮運転をする場合について説明する。
　図１に示すように、切換弁９５によって、第２吸入経路９７と第２接続管５４とが接続される。一方、第２吸入経路９７と２段圧縮連通路９４とは遮断される。この場合、第１圧縮機構２０および第２圧縮機構３０はアキュームレータ５０に接続されるために、第１圧縮機構２０と第２圧縮機構３０は並列に接続される。
　このときの冷媒の流れについて具体的に説明する。
　第１吸入経路９６から吸入された冷媒は、第１圧縮機構２０によって圧縮され、第１吐出孔２２を通って、第１吐出空間２４に吐出される。一方、第１吐出空間２４と連通する２段圧縮連通路９４は、切換弁９５により遮断されている。このため、第１吐出空間２４内の圧力は、密閉容器１１の内部と同じになるまで高まる。その結果、第１吐出空間２４に吐出された冷媒は、単段圧縮連通路９１と単段圧縮吐出孔９２とを通り、第３逆止弁９３を開いて、密閉容器１１の内部へ吐出される。また、第２吸入経路９７は、切換弁９５を経由して、アキュームレータ５０と接続されているために、第２吸入経路９７から吸入された冷媒は、第２圧縮機構３０によって圧縮され、第２吐出孔３２を通って、密閉容器１１の内部に吐出される。ここで、第１圧縮機構２０及び第２圧縮機構３０のそれぞれで圧縮された冷媒は、密閉容器１１の内部で合流し、吐出経路９０を通って、密閉容器１１の外部に導かれる。
　ここで、単段圧縮運転時の吸入容積は、第１圧縮機構２０の吸入容積Ｖ１と第２圧縮機構３０の吸入容積Ｖ２を用いて表すと、Ｖ１＋Ｖ２となる。本実施形態においては、Ｖ１とＶ２をほぼ等しく構成することで、２つの圧縮機構の仕事負担を均等化し、高効率な圧縮動作を可能としている。また、インジェクション管５を第２吸入経路９７に接続しているため、インジェクション管５を蒸発器３のバイパス経路として活用することが可能となる。つまり、減圧器４の調整により、気液分離器６の圧力を低圧まで低下させ、潜熱を有さないガス冷媒のみをインジェクション管５から第２圧縮機構３０へバイパスさせる。これにより、本来、蒸発器３へと導く必要のある液冷媒を優先的に蒸発器３に送り込むことが可能となり、蒸発器３での圧力損失低減効果によって更なる高効率運転を行うことも可能となる。
　次に、高圧と低圧の圧力差が大きい高差圧時に２段インジェクション圧縮運転をする場合について説明する。
　図２に示すように、切換弁９５によって、第２吸入経路９７と２段圧縮連通路９４とが接続され、第２吸入経路９７と第２接続管５４とは遮断される。この場合、第１吸入経路のみがアキュームレータ５０に接続されるために、第１圧縮機構２０及び第２圧縮機構３０は直列に接続される。
　このときの冷媒の流れについて具体的に説明する。
　第１吸入経路９６から吸入された冷媒は、第１圧縮機構２０によって圧縮され、第１吐出孔２２を通って、第１吐出空間２４に吐出される。ここで、第１吐出空間２４と連通する２段圧縮連通路９４は、切換弁９５を経由して、第２吸入経路９７と接続されている。よって、第１吐出空間２４に吐出された冷媒は、第２吸入経路９７においてインジェクション管５から導かれた冷媒と合流し、第２圧縮機構３０によって圧縮される。第２圧縮機構３０によって圧縮された冷媒は、第２吐出孔３２を通って、密閉容器１１の内部に吐出される。ここでは、第１圧縮機構２０及び第２圧縮機構３０は、直列に接続されているために、第１吐出空間２４内の圧力は、第２圧縮機構３０の吐出圧力より低い中間圧力となる。よって、第１吐出空間２４と密閉容器１１の内部の圧力差によって、第３逆止弁９３は閉じられる。結果、第１圧縮機構２０によって圧縮された冷媒は、すべて第２圧縮機構３０に流入する。更に、第２圧縮機構３０で圧縮された冷媒は、密閉容器１１の内部に吐出され、吐出経路９０を通って、密閉容器の外部に導かれる。
　気液分離器で分離される冷媒のガスおよび液冷媒の比率は、冷凍サイクルの高圧と低圧の圧力差が大きいほどガス成分が多くなる。従来から提案されている２段圧縮専用機の場合、圧力差が小さい低負荷条件においてはガスインジェクション冷媒を十分に確保できないため、２段圧縮動作を行うには予め第１シリンダ２５と第２シリンダ３５の高さを異なるように設計することが好ましい。これより、第１圧縮機構２０の吸入容積Ｖ１を第２圧縮機構３０の吸入容積Ｖ２よりも大きく構成する。しかしながら、本実施の形態においては、２段圧縮動作をインジェクションガスが十分に確保できる高差圧条件に限定するため、第１圧縮機構２０の吸入容積Ｖ１と第２圧縮機構３０の吸入容積Ｖ２をほぼ等しく構成することが可能となる。
　これにより、第１シリンダ２５と第２シリンダ３５の高さを同一にし、それに伴って、第１ピストン２６及び第２ピストン３６の形状および高さを同一にすることができる。同様に、第１偏心軸１３ａ及び第２偏心軸の形状および高さを同一にすることができる。その結果、第１偏心軸１３ａ、第２偏心軸の位相を１８０度ずらすことで、回転部材の重心をシャフト軸心からずらすことなく２つの圧縮機構を構成することが可能となり、低速から高速まで低振動を実現できる。
　さらに、従来の２段圧縮専用機に比べて、第２圧縮機構３０の容積比率を大きく構成できることで、高差圧運転時に、より高いインジェクション率の冷凍サイクル運転に対応可能となる。したがって、低外気温運転での能力向上効果を大きく発揮することができる。この点について、以下詳細に説明する。
　従来の２段圧縮専用機の場合、低負荷運転時にインジェクションを伴わずに運転しなければいけないことも考慮して、第２圧縮室の容積を第１圧縮室の容積に比べて小さく構成し、２段圧縮動作を維持する必要があった。図５に示すグラフは、外気温度がマイナス３０℃を想定した際に、第１圧縮室の容積に対する第２圧縮室の容積比と、冷凍サイクル中の冷媒の内、インジェクション管を通過可能なガスインジェクション冷媒の最大比率（インジェクション率と称す）を示している。第２圧縮室の容積比率を小さく構成する従来の２段圧縮専用機に対して、本発明の構成では第２圧縮機構３０の容積比率を大きく構成でき、インジェクション率を高めることが可能となる。したがって、低外気温時のインジェクション効果をより大きく発揮し、高い能力を実現することが可能となる。
　次に、冷媒とオイルの分離について説明する。
　一般的に、密閉容器１１の内部に一旦冷媒を吐出した後に、吐出経路９０を通って、密閉容器１１の外部に導かれる高圧タイプの圧縮機については、貯油部１５を密閉容器内に有している。圧縮機構の各摺動部の潤滑や圧縮途中の冷媒漏れを防ぐためである。本実施形態における冷凍サイクル装置に用いられる圧縮機１についても、圧縮機構の各摺動部の潤滑や圧縮途中の冷媒漏れを防ぐために、貯油部１５を有している。
　圧縮機構部に導入されたオイルの一部は、圧縮途中で冷媒と混合され、冷媒とオイルが密閉容器１１の内部に一緒に吐出される。密閉容器１１の内部に吐出された冷媒とオイルの混合流体は、モータ１２付近や密閉容器１１の内部を上部へ移動する際に、冷媒よりも比重が大きいオイルが、遠心力や重力によって冷媒から分離される。分離されたオイルは、密閉容器１１の内部で貯油部１５へと戻る。以上の作用によって、密閉容器１１内でオイルと冷媒を分離できる高圧タイプの本実施形態に係る圧縮機は、吐出経路９０を通って、密閉容器１１の外部に導かれるオイルの量を少なくすることができるため、凝縮器２や蒸発器３の効率を低下させることがない。結果、高い効率で運転できる冷凍サイクル装置を提供することができる。
　本実施形態によれば、単段圧縮運転時及び２段インジェクション圧縮時のどちらの運転においても、すべての冷媒は、密閉容器１１の内部に吐出されてから、吐出経路９０を通って、密閉容器１１の外部に導かれる。結果、密閉容器１１の内部で冷媒とオイルを十分に分離した後に、密閉容器１１の外へと冷媒を吐出することができるので、凝縮器２や蒸発器３の効率を低下させることがない。さらに、密閉容器１１外へのオイルの持ち出しを少なくすることができるので、貯油部１５のオイルを安定的に確保し、圧縮機構部の部品同士のカジリや異常摩耗を防ぐことができる。
　なお、本実施形態では、第１圧縮機構２０がモータ１２から遠い側に配置され、第２圧縮機構３０がモータ１２に近い側に配置されている。すなわち、シャフト１３の軸方向に沿って、モータ１２、第２圧縮機構３０、第１圧縮機構２０が順番に並んでいる。この順番に構成することによって、図１及び図２に示すように、第１吐出空間２４をモータ１２などとの干渉がなく、広く構成することが可能となり、第１吐出空間２４での冷媒脈動低減効果を大きく得ることができる。これにより、インジェクション管５が接続される第２吸入経路９７において圧力脈動を更に小さくでき、冷媒配管の振動や騒音を低減することが可能となる。
　なお、第１ベーン２７及び第２ベーンは、第１ピストン２６及び第２ピストン３６に一体化されていてもよい。すなわち、いわゆるスイング式ピストンで構成されていてもよい。また、第１ピストン２６及び第１ベーン２７と、第２ピストン３６及び第２ベーンとをジョイントさせる構成でもよい。
　また、第１圧縮機構２０と第２圧縮機構３０にロータリ圧縮方式を用いず、スクロール圧縮方式やスクリュー圧縮方式などその他の容積型圧縮機構、ターボ型などの非容積型圧縮機構、およびそれら異なる圧縮方式を組み合わせる構成（図示せず）でも本発明の効果を得ることが可能である。
　モータ１２は、ステータ１２ａ及びロータ１２ｂで構成されている。ステータ１２ａは密閉容器１１の内周面に固定されている。ロータ１２ｂは、シャフト１３に固定されており、かつシャフト１３とともに回転する。モータ１２により、第１シリンダ２５及び第２シリンダ３５の内部で第１ピストン２６及び第２ピストン３６が動かされる。モータ１２として、ＩＰＭＳＭ（Ｉｎｔｅｒｉｏｒ　Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　Ｍａｇｎｅｔ　Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　Ｍｏｔｏｒ）及びＳＰＭＳＭ（Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　Ｍａｇｎｅｔ　Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　Ｍｏｔｏｒ）などの回転数を変更可能なモータを使用できる。
　制御部８は、インバータ７を制御してモータ１２の回転数、すなわち、圧縮機１の回転数を調整する。制御部８として、Ａ／Ｄ変換回路、入出力回路、演算回路、記憶装置等を含むＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｓｉｇｎａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）を使用できる。
　本発明は、蒸発器が低温環境下で使用される温水暖房装置、空気調和装置、給湯器などの電気製品に利用できる冷凍サイクル装置に有用である。
　１　圧縮機
　２　凝縮器
　３　蒸発器
　４　減圧器
　５　インジェクション管
　６　気液分離器
　７　インバータ
　８　制御部
　１１　密閉容器
　１２　モータ
　１２ａ　ステータ
　１２ｂ　ロータ
　１３　シャフト
　１３ａ　第１偏心軸
　１３ｂ　第２偏心軸
　１４　端子
　１５　貯油部
　２０　第１圧縮機構
　２１　第１圧縮室
　２１ａ　第１吸入室
　２１ｂ　第１圧縮－吐出室
　２２　第１吐出孔
　２３　第１逆止弁
　２４　第１吐出空間
　２５　第１シリンダ
　２６　第１ピストン
　２７　第１ベーン
　２８　第１ベーン溝
　２９　第１バネ
　３０　第２圧縮機構
　３１　第２圧縮室
　３２　第２吐出孔
　３３　第２逆止弁
　３５　第２シリンダ
　３６　第２ピストン
　３８　第２ベーン溝
　４０　仕切り板
　５０　アキュームレータ
　５１　蓄積容器
　５２　導入管
　５３　第１接続管
　５４　第２接続管
　６０　第１フレーム
　７０　第２フレーム
　８０　接続部
　９０　吐出経路
　９１　単段圧縮連通路
　９２　単段圧縮吐出孔
　９３　第３逆止弁
　９４　２段圧縮連通路
　９５　切換弁（制御要素）
　９６　第１吸入経路
　９７　第２吸入経路
　９７ａ　上り勾配部
　９７ｂ　液溜め部

Claims (7)

  1. 内部に独立した第１圧縮室及び第２圧縮室を備えた圧縮機と、凝縮器と、減圧器と、蒸発器と、
    前記減圧器で減圧された中間圧の冷媒を導くインジェクション経路と、
    前記蒸発器から低圧の冷媒を前記第１圧縮室に導く第１吸入経路と、
    前記蒸発器から低圧の冷媒を前記第２圧縮室に導く第２吸入経路と、
    前記第１圧縮室で圧縮された中間圧の冷媒を前記第２圧縮室に導く連通路と、
    前記第２圧縮室と前記蒸発器とを連通させる、もしくは、前記第２圧縮室と前記連通路とを連通させる、を選択的に切換える切換要素と、
    を備え、
    前記インジェクション経路は、前記中間圧の冷媒を前記第２圧縮室に導き、
    前記第２圧縮室と前記蒸発器とが連通しているときには、前記第１圧縮室および前記第２圧縮室にて、それぞれ単独で前記冷媒が圧縮され、
    前記第２圧縮室と前記連通路とが連通しているときには、前記第１圧縮室で圧縮された冷媒が、さらに前記第２圧縮室で圧縮されることを特徴とする冷凍サイクル装置。
  2. 前記第２吸入経路は、前記切換要素の下流側に前記インジェクション経路との接続部を有することを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
  3. 前記第１圧縮室の容積と、前記第２圧縮室の容積とは、等しい容積であることを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
  4. 前記圧縮機は、シャフトに設けられ、偏心回転を行う２つの偏心軸を有し、前記２つの偏心軸は、位相が１８０度ずれていることを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
  5. 前記第２吸入経路は、前記接続部と前記第２圧縮室との間に、上り勾配部を有することを特徴とする請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
  6. 前記圧縮機の回転数を任意に変更するインバータ運転を行うことを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
  7. 請求項１から６のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置が備える圧縮機。
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