(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動機と該電動機の回転軸により駆動される低段側圧縮手段及び高段側圧縮手段を密閉容器内に収納して成る圧縮機、凝縮器、一次膨張手段、気液分離器、二次膨張手段及び冷却器を順次環状に接続して冷凍サイクルを構成した多段圧縮冷凍装置において、
前記低段側圧縮手段及び高段側圧縮手段は、それぞれシリンダと、前記回転軸の対向する位置に設けられた偏心部により前記両シリンダ内でそれぞれ回転するローラとから構成されると共に、前記低段側圧縮手段の排除容積Ｄ１と高段側圧縮手段の排除容積Ｄ２の比Ｄ２／Ｄ１は、０．３５±０．１の範囲に設定され、
前記高段側圧縮手段から吐出された冷媒を前記凝縮器、一次膨張手段、気液分離器、二次膨張手段及び冷却器に順次流し、前記高段側圧縮手段に吸引させる第一のモードと、前記低段側圧縮手段から吐出された冷媒を前記凝縮器、一次膨張手段、気液分離器、二次膨張手段及び冷却器に順次流し、前記低段側圧縮手段に吸引させる第二のモードと、前記高段側圧縮手段と低段側圧縮手段からそれぞれ吐出された冷媒を前記凝縮器、一次膨張手段、気液分離器、二次膨張手段及び冷却器に順次流し、分流して前記高段側圧縮手段と低段側圧縮手段にそれぞれ吸引させる第三のモードと、前記高段側圧縮手段から吐出された冷媒を前記凝縮器、一次膨張手段、気液分離器に流し、当該気液分離器内の液冷媒を前記二次膨張手段から前記冷却器へと流して前記低段側圧縮手段に吸引させ、更に当該低段側圧縮手段から吐出された冷媒を前記高段側圧縮手段に吸引させると共に、前記気液分離器内の飽和ガス冷媒を前記低段側圧縮手段から吐出された冷媒と共に前記高段側圧縮手段に吸い込ませる第四のモードとを選択的に実行可能としたことを特徴とする多段圧縮冷凍装置。
【請求項２】
低段側圧縮手段、高段側圧縮手段、凝縮器、一次膨張手段、気液分離器、二次膨張手段及び冷却器を順次環状に接続して冷凍サイクルを構成した多段圧縮冷凍装置において、
前記低段側圧縮手段の排除容積Ｄ１と高段側圧縮手段の排除容積Ｄ２の比Ｄ２／Ｄ１を、０．３５±０．１の範囲に設定し、
前記高段側圧縮手段から吐出された冷媒を前記凝縮器、一次膨張手段、気液分離器、二次膨張手段及び冷却器に順次流し、前記高段側圧縮手段に吸引させる第一のモードと、前記低段側圧縮手段から吐出された冷媒を前記凝縮器、一次膨張手段、気液分離器、二次膨張手段及び冷却器に順次流し、前記低段側圧縮手段に吸引させる第二のモードと、前記高段側圧縮手段と低段側圧縮手段からそれぞれ吐出された冷媒を前記凝縮器、一次膨張手段、気液分離器、二次膨張手段及び冷却器に順次流し、分流して前記高段側圧縮手段と低段側圧縮手段にそれぞれ吸引させる第三のモードと、前記高段側圧縮手段から吐出された冷媒を前記凝縮器、一次膨張手段、気液分離器に流し、当該気液分離器内の液冷媒を前記二次膨張手段から前記冷却器へと流して前記低段側圧縮手段に吸引させ、更に当該低段側圧縮手段から吐出された冷媒を前記高段側圧縮手段に吸引させると共に、前記気液分離器内の飽和ガス冷媒を前記低段側圧縮手段から吐出された冷媒と共に前記高段側圧縮手段に吸い込ませる第四のモードとを選択的に実行可能とし、且つ、気液分離器内の気液分離温度を−５℃〜＋２５℃の範囲に設定したことを特徴とする多段圧縮冷凍装置。
【請求項３】
電動機と該電動機の回転軸により駆動される低段側圧縮手段及び高段側圧縮手段を密閉容器内に収納して成る圧縮機、凝縮器、一次膨張手段、気液分離器、二次膨張手段及び冷却器を順次環状に接続して冷凍サイクルを構成した多段圧縮冷凍装置において、
前記気液分離器内の飽和ガス冷媒を前記低段側圧縮手段から吐出された冷媒と共に前記高段側圧縮手段に吸引させるための合流器と、
該合流器からの冷媒を前記高段側圧縮手段に吸引させるか、前記冷却器から出た冷媒を前記高段側圧縮手段に吸引させるか、更に、前記高段側圧縮手段へ冷媒を吸引させるか否かを切り換えるための第一切換電磁弁と、
前記低段側圧縮手段から吐出された冷媒を前記合流器に流入させるか、前記密閉容器内に流通させるかを切り換えるための第二切換電磁弁と、
前記冷却器から出た冷媒を前記低段側圧縮手段に吸引させるか否かを制御する第三電磁弁とを備え、
前記低段側圧縮手段及び高段側圧縮手段は、それぞれシリンダと、前記回転軸の対向する位置に設けられた偏心部により前記両シリンダ内でそれぞれ回転するローラとから構成されており、
前記第一切換電磁弁を前記冷却器から出た冷媒が前記高段側圧縮手段に吸引される状態とし、前記第三電磁弁を閉じることにより、前記高段側圧縮手段から吐出された冷媒を前記凝縮器、一次膨張手段、気液分離器、二次膨張手段及び冷却器に順次流し、前記高段側圧縮手段に吸引させる第一のモードと、
前記第一切換電磁弁を前記高段側圧縮手段に冷媒を吸引させない状態とし、前記第二切換電磁弁を前記低段側圧縮手段から吐出された冷媒が前記密閉容器内に流通される状態とし、且つ、前記第三電磁弁を開くことにより、前記低段側圧縮手段から吐出された冷媒を前記凝縮器、一次膨張手段、気液分離器、二次膨張手段及び冷却器に順次流し、前記低段側圧縮手段に吸引させる第二のモードと、
前記第一切換電磁弁を前記冷却器から出た冷媒が前記高段側圧縮手段に吸引される状態とし、前記第二切換電磁弁を前記低段側圧縮手段から吐出された冷媒が前記密閉容器内に流通される状態とし、且つ、前記第三電磁弁を開くことにより、前記高段側圧縮手段と低段側圧縮手段からそれぞれ吐出された冷媒を前記凝縮器、一次膨張手段、気液分離器、二次膨張手段及び冷却器に順次流し、分流して前記高段側圧縮手段と低段側圧縮手段にそれぞれ吸引させる第三のモードと、
前記第一切換電磁弁を前記合流器からの冷媒が前記高段側圧縮手段に吸引される状態とし、前記第二切換電磁弁を前記低段側圧縮手段から吐出された冷媒が前記合流器に流入する状態とし、且つ、前記第三電磁弁を開くことにより、前記高段側圧縮手段から吐出された冷媒を前記凝縮器、一次膨張手段、気液分離器に流し、当該気液分離器内の液冷媒を前記二次膨張手段から前記冷却器へと流して前記低段側圧縮手段に吸引させ、更に当該低段側圧縮手段から吐出された冷媒を前記高段側圧縮手段に吸引させると共に、前記気液分離器内の飽和ガス冷媒を前記低段側圧縮手段から吐出された冷媒と共に前記高段側圧縮手段に吸い込ませる第四のモードとを選択的に実行可能としたことを特徴とする多段圧縮冷凍装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の圧縮手段を備え、特に低段側圧縮手段と低段側圧縮手段を用いて冷媒を多段圧縮する多段圧縮冷凍装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来冷蔵庫や空気調和機などに用いられる冷凍装置には、例えば特公平７−３０７４３号公報（Ｆ０４Ｃ２３／００）に示される如く、それぞれロータリー用シリンダとその内部で回転するローラから成る二つの圧縮手段を同一の密閉容器内に収納したロータリー型の圧縮機を用い、各圧縮手段を低段側圧縮手段と高段側圧縮手段として、低段側圧縮手段により一段圧縮した冷媒ガスを高段側圧縮手段に吸い込ませることにより、冷媒を多段圧縮するものが開発されている。
【０００３】
係る多段圧縮冷凍装置によれば、一圧縮当たりのトルク変動を抑制しながら、高圧縮比を得ることができる利点がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
機器の設置時のプルダウン中などの過渡的な状態では、多段圧縮させても効率の向上は望めず、却って各圧縮手段それぞれの一段圧縮による運転の方が排除容積が増加して効率的な運転を実現できる。逆に、夜間などの低負荷の状況では多段圧縮する必要も無くなる。
【０００５】
本発明は、係る従来技術の課題を解決するために成されたものであり、複数の圧縮手段を備えた冷凍サイクルにおいて、負荷に応じて的確な運転を選択できる多段圧縮冷凍装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
即ち、本出願の請求項１の発明の多段圧縮冷凍装置は、電動機と該電動機の回転軸により駆動される低段側圧縮手段及び高段側圧縮手段を密閉容器内に収納して成る圧縮機、凝縮器、一次膨張手段、気液分離器、二次膨張手段及び冷却器を順次環状に接続して冷凍サイクルを構成したものであって、低段側圧縮手段及び高段側圧縮手段は、それぞれシリンダと、回転軸の対向する位置に設けられた偏心部により両シリンダ内でそれぞれ回転するローラとから構成されると共に、低段側圧縮手段の排除容積Ｄ１と高段側圧縮手段の排除容積Ｄ２の比Ｄ２／Ｄ１は、０．３５±０．１の範囲に設定され、高段側圧縮手段から吐出された冷媒を凝縮器、一次膨張手段、気液分離器、二次膨張手段及び冷却器に順次流し、高段側圧縮手段に吸引させる第一のモードと、低段側圧縮手段から吐出された冷媒を凝縮器、一次膨張手段、気液分離器、二次膨張手段及び冷却器に順次流し、低段側圧縮手段に吸引させる第二のモードと、高段側圧縮手段と低段側圧縮手段からそれぞれ吐出された冷媒を凝縮器、一次膨張手段、気液分離器、二次膨張手段及び冷却器に順次流し、分流して高段側圧縮手段と低段側圧縮手段にそれぞれ吸引させる第三のモードと、高段側圧縮手段から吐出された冷媒を凝縮器、一次膨張手段、気液分離器に流し、当該気液分離器内の液冷媒を二次膨張手段から冷却器へと流して低段側圧縮手段に吸引させ、更に当該低段側圧縮手段から吐出された冷媒を高段側圧縮手段に吸引させると共に、気液分離器内の飽和ガス冷媒を低段側圧縮手段から吐出された冷媒と共に高段側圧縮手段に吸い込ませる第四のモードとを選択的に実行可能としたものである。
【０００７】
また、請求項２の発明の多段圧縮冷凍装置は、低段側圧縮手段、高段側圧縮手段、凝縮器、一次膨張手段、気液分離器、二次膨張手段及び冷却器を順次環状に接続して冷凍サイクルを構成したものであって、低段側圧縮手段の排除容積Ｄ１と高段側圧縮手段の排除容積Ｄ２の比Ｄ２／Ｄ１を、０．３５±０．１の範囲に設定し、高段側圧縮手段から吐出された冷媒を凝縮器、一次膨張手段、気液分離器、二次膨張手段及び冷却器に順次流し、高段側圧縮手段に吸引させる第一のモードと、低段側圧縮手段から吐出された冷媒を凝縮器、一次膨張手段、気液分離器、二次膨張手段及び冷却器に順次流し、低段側圧縮手段に吸引させる第二のモードと、高段側圧縮手段と低段側圧縮手段からそれぞれ吐出された冷媒を凝縮器、一次膨張手段、気液分離器、二次膨張手段及び冷却器に順次流し、分流して高段側圧縮手段と低段側圧縮手段にそれぞれ吸引させる第三のモードと、高段側圧縮手段から吐出された冷媒を凝縮器、一次膨張手段、気液分離器に流し、当該気液分離器内の液冷媒を二次膨張手段から冷却器へと流して低段側圧縮手段に吸引させ、更に当該低段側圧縮手段から吐出された冷媒を高段側圧縮手段に吸引させると共に、気液分離器内の飽和ガス冷媒を低段側圧縮手段から吐出された冷媒と共に高段側圧縮手段に吸い込ませる第四のモードとを選択的に実行可能とし、且つ、気液分離器内の気液分離温度を−５℃〜＋２５℃の範囲に設定したものである。
【０００８】
また、請求項３の発明の多段圧縮冷凍装置は、電動機と該電動機の回転軸により駆動される低段側圧縮手段及び高段側圧縮手段を密閉容器内に収納して成る圧縮機、凝縮器、一次膨張手段、気液分離器、二次膨張手段及び冷却器を順次環状に接続して冷凍サイクルを構成したものであって、気液分離器内の飽和ガス冷媒を低段側圧縮手段から吐出された冷媒と共に高段側圧縮手段に吸引させるための合流器と、この合流器からの冷媒を高段側圧縮手段に吸引させるか、冷却器から出た冷媒を高段側圧縮手段に吸引させるか、更に、高段側圧縮手段へ冷媒を吸引させるか否かを切り換えるための第一切換電磁弁と、低段側圧縮手段から吐出された冷媒を合流器に流入させるか、密閉容器内に流通させるかを切り換えるための第二切換電磁弁と、冷却器から出た冷媒を低段側圧縮手段に吸引させるか否かを制御する第三電磁弁とを備え、低段側圧縮手段及び高段側圧縮手段は、それぞれシリンダと、回転軸の対向する位置に設けられた偏心部により両シリンダ内でそれぞれ回転するローラとから構成されており、第一切換電磁弁を前記冷却器から出た冷媒が高段側圧縮手段に吸引される状態とし、第三電磁弁を閉じることにより、高段側圧縮手段から吐出された冷媒を凝縮器、一次膨張手段、気液分離器、二次膨張手段及び冷却器に順次流し、高段側圧縮手段に吸引させる第一のモードと、第一切換電磁弁を高段側圧縮手段に冷媒を吸引させない状態とし、第二切換電磁弁を低段側圧縮手段から吐出された冷媒が密閉容器内に流通される状態とし、且つ、第三電磁弁を開くことにより、低段側圧縮手段から吐出された冷媒を凝縮器、一次膨張手段、気液分離器、二次膨張手段及び冷却器に順次流し、低段側圧縮手段に吸引させる第二のモードと、第一切換電磁弁を冷却器から出た冷媒が高段側圧縮手段に吸引される状態とし、第二切換電磁弁を低段側圧縮手段から吐出された冷媒が密閉容器内に流通される状態とし、且つ、第三電磁弁を開くことにより、高段側圧縮手段と低段側圧縮手段からそれぞれ吐出された冷媒を凝縮器、一次膨張手段、気液分離器、二次膨張手段及び冷却器に順次流し、分流して高段側圧縮手段と低段側圧縮手段にそれぞれ吸引させる第三のモードと、第一切換電磁弁を合流器からの冷媒が高段側圧縮手段に吸引される状態とし、第二切換電磁弁を低段側圧縮手段から吐出された冷媒が合流器に流入する状態とし、且つ、第三電磁弁を開くことにより、高段側圧縮手段から吐出された冷媒を凝縮器、一次膨張手段、気液分離器に流し、当該気液分離器内の液冷媒を二次膨張手段から冷却器へと流して低段側圧縮手段に吸引させ、更に当該低段側圧縮手段から吐出された冷媒を高段側圧縮手段に吸引させると共に、気液分離器内の飽和ガス冷媒を低段側圧縮手段から吐出された冷媒と共に高段側圧縮手段に吸い込ませる第四のモードとを選択的に実行可能としたものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づき本発明の実施形態を詳述する。図１は本発明の多段圧縮冷凍装置Ｒの冷媒回路図、図２は本発明に適用するロータリー型の圧縮機Ｃの縦断側面図である。本発明の多段圧縮冷凍装置Ｒの冷媒回路は後述する第一のモードＭ１、第二のモードＭ２、第三のモードＭ３、第四のモードＭ４を運転可能に構成されているが、先ず図２から説明すると、１は密閉容器であり、内部の上側に電動機（ブラシレスＤＣモータ）２、下側にこの電動機２で回転駆動される圧縮要素３が収納されている。密閉容器１は予め２分割されたものに電動機２、圧縮要素３を収納した後、高周波溶着などによって密閉されたものである。
【００１０】
電動機２は、密閉容器１の内壁に固定された固定子４と、この固定子４の内側に回転軸６を中心にして回転自在に支持された回転子５とから構成されている。そして、固定子４は回転子５に回転磁界を与える固定子巻線７を備えている。尚、Ｗ１、Ｗ２はそれぞれ回転子５の上面と下面に取り付けられたバランスウエイトである。
【００１１】
圧縮要素３は中間仕切板８で仕切られた第１のロータリー用シリンダ９及び第２のロータリー用シリンダ１０を備えている。各のシリンダ９、１０には回転軸６で回転駆動される偏心部１１、１２が取り付けられており、これら偏心部１１、１２は偏心位置がお互いに位相を１８０度ずらした位置（即ち、回転軸６の対向する位置）に設けられている。
【００１２】
１３、１４はそれぞれシリンダ９、１０内を回転する第１のローラ、第２のローラであり、それぞれ偏心部１１、１２の回転でシリンダ内を回る。１５、１６はそれぞれ第１の枠体、第２の枠体であり、第１の枠体１５は中間仕切板８との間にシリンダ９の閉じた圧縮空間を形成させ、第２の枠体１６は同様に中間仕切板８との間にシリンダ１０の閉じた圧縮空間を形成させている。また、第１の枠体１５、第２の枠体１６はそれぞれ回転軸６の下部を回転自在に軸支する軸受部１７、１８を備えている。
【００１３】
上記上側のシリンダ９、偏心部１１、ローラ１３と、シリンダ９内を高圧室及び低圧室に区画するベーン（図示せず）などによって高段側圧縮部５１（高段側圧縮手段）が構成され、下側のシリンダ１０、偏心部１２、ローラ１４と、シリンダ１０内を高圧室及び低圧室に区画するベーン（図示せず）などによって低段側圧縮部５２（低段側圧縮手段）が構成される。
【００１４】
また、低段側圧縮部５２の排除容積をＤ１、高段側圧縮部５１の排除容積をＤ２とすると、これらの排除容積比Ｄ２／Ｄ１は、０．３５±０．１の範囲に設定されている。
【００１５】
１９は吐出マフラーであり、第１の枠体１５を覆うように取り付けられている。シリンダ９と吐出マフラー１９は第１の枠体１５に設けられた図示しない吐出孔にて連通されている。
【００１６】
一方、第２の枠体１６には凹所２１が設けられ、この凹所２１を蓋体２６にて閉塞している。そして、蓋体２６をボルト２７にて第２の枠体１６と一体にシリンダ１０に固定することにより、内部に膨張型消音器２８を構成している。そして、第２の枠体１６にはシリンダ１０内と凹所２１内とを連通する吐出ポート２９が設けられている。
【００１７】
尚、この第２の枠体１６は密閉容器１内の最下部に位置しており、その周囲は潤滑油が貯留されるオイル溜まり３０とされている。これにより、第２の枠体１６周囲には潤滑油が満たされるかたちとなるので、密閉容器１内の高圧ガスが膨張型消音器２８内に漏れる危険性が無くなり、冷媒循環量の減少による性能の低下を防止できる。
【００１８】
前記吐出ポート２９は密閉容器１外に引き出された配管３１に連通しており、この配管３１は同じく密閉容器１外に設けられた合流器３２内に上方から挿入され、この合流器３２内に開口している。また、この合流器３２下端の出口配管３２Ａはシリンダ９につながる吸入管２３に連通されている。
【００１９】
他方、２２は密閉容器１の上に設けられた吐出管であり、２４はシリンダ１０へつながる吸込管である。また、２５は密閉ターミナルであり、密閉容器１の外部から固定子４の固定子巻線７へ電力を供給するものである（密閉ターミナル２５と固定子巻線７とをつなぐリード線は図示せず）。
【００２０】
次ぎに、図１の冷媒回路において、冷凍装置Ｒを構成する前記圧縮機Ｃの吐出管２２は、配管３６を経て凝縮器３７の入り口に接続され、この凝縮器３７の出口には一次膨張手段としてのキャピラリチューブ３８が接続されている。このキャピラリチューブ３８の出口には気液分離器３９の上部が連通接続されると共に、この気液分離器３９の下端には二次膨張手段としてのキャピラリチューブ４１が接続されている。
【００２１】
そして、キャピラリチューブ４１の出口に冷却器４２が接続され、冷却器４２の出口に接続された配管４３は前記圧縮機Ｃの吸込管２４に連通されている。更に、気液分離器３９の上部には分岐管４４が接続され、この分岐管４４は前記合流器３２内に上方から挿入され、内部にて開口されている。
【００２２】
また、合流器３２内には第一切換電磁弁４５が設けられ、この第一切換電磁弁４５は出口配管３２Ａの手前に介設されている。そして、この第一切換電磁弁４５には配管４３から分岐した配管４５Ａが接続されている。
【００２３】
更に、配管３１には第二切換電磁弁４６が介設され、この第二切換電磁弁４６に接続された配管４６Ａは密閉容器１内に連通して開口している。また、前記配管４５Ａとの分岐点より下流側の配管４３には第三電磁弁としての電磁弁４７が介設されている。尚、多段圧縮冷凍装置Ｒの冷媒回路内には例えばＲ−１３４ａなどのＨＦＣ冷媒やＨＣ冷媒が所定量封入され、潤滑油はエステル油、エーテル油、ＨＡＢ油、鉱物油などが使用されるが、実施例ではＲ−１３４ａが冷媒として用いられ、また、潤滑油としてはエステル油が使用されているものとする。
【００２４】
前記第一切換電磁弁４５は切り換え動作によって合流器３２からの冷媒を吸入管２３から高段側圧縮部５１に流通・停止できるように構成されると共に、切り換え動作によって冷却器４２を出た冷媒を配管４５Ａを介して吸入管２３から高段側圧縮部５１に流通・停止できるように構成されている。更に、第一切換電磁弁４５は切り換え動作によって合流器３２からの冷媒と冷却器４２からの冷媒を同時に停止することもできるように構成されている。
【００２５】
また、第二切換電磁弁４６は切り換え動作によって低段側圧縮部５２から吐出された冷媒を配管３１から合流器３２に流通・停止できるように構成されると共に、切り換え動作によって低段側圧縮部５２から吐出された冷媒を配管４６Ａを介して、密閉容器１内に流通・停止できるように構成されている。
【００２６】
係る構成の冷媒回路で第一のモードＭ１、第二のモードＭ２、第三のモードＭ３、第四のモードＭ４について説明する。先ず第一のモードＭ１では、第一切換電磁弁４５は合流器３２から冷媒の流入を停止し、冷却器４２から配管４５Ａを介して高段側圧縮部５１に冷媒を流通するように構成されている。また、電磁弁４７は閉じられて冷却器４２から冷媒が低段側圧縮部５２側に流通するのを停止する（図３）。
【００２７】
また、第二のモードＭ２では、電磁弁４７を開いて冷却器４２から冷媒を吸込管２４側に流通すると共に、第二切換電磁弁４６は低段側圧縮部５２から吐出された冷媒が合流器３２に流入するのを停止し、低段側圧縮部５２から吐出された冷媒を配管４６Ａを介して密閉容器１内に流通させる。また、第一切換電磁弁４５は閉じられて合流器３２からの冷媒の流入を停止すると共に、配管４５Ａからの冷媒の流入を停止する（図４）。
【００２８】
また、第三のモードＭ３では、第一切換電磁弁４５は合流器３２から冷媒の流入を停止し、冷却器４２から配管４５Ａを介して高段側圧縮部５１に冷媒を流通すると共に、電磁弁４７は開いて冷却器４２からの冷媒を吸込管２４から低段側圧縮部５２に流通する。また、第二切換電磁弁４６は低段側圧縮部５２から吐出された冷媒が合流器３２に流入するのを停止し、密閉容器１内に流通するように構成されている（図５）。
【００２９】
更に、第四のモードＭ４では、電磁弁４７を開いて冷却器４２からの冷媒を吸込管２４から低段側圧縮部５２に流通させると共に、第二切換電磁弁４６は低段側圧縮部５２から吐出された冷媒を配管３１を介して合流器３２に流通させるように構成されている。また、第一切換電磁弁４５は配管４５Ａからの冷媒の流入を停止し、合流器３２からの冷媒を高段側圧縮部５１に流通する（図６）。
【００３０】
以上の構成で次ぎに各モードＭ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４の動作を説明する。第一のモードＭ１で電動機２が駆動されると、高段側圧縮部５１で圧縮されたガス冷媒は、吐出孔より吐出マフラー１９に吐出され、吐出マフラー１９から密閉容器１内に吐出される。密閉容器１内の吐出された圧縮ガス冷媒は、吐出管２２から配管３６に吐出され、凝縮器３７に流入する。そこで放熱して凝縮された後、キャピラリチューブ３８にて減圧され、気液分離器３９に流入する。
【００３１】
そして、気液分離器３９内からは液冷媒のみがキャピラリチューブ４１に流出し、そこで減圧された後、冷却器４２に流入して蒸発し冷却作用を発揮する。そして、冷却器４２を出た低温冷媒は配管４３、配管４５Ａを経て第一切換電磁弁４５を通過し、吸入管２３から高段側圧縮部５１に吸い込まれる。
【００３２】
即ち、第一のモードＭ１では低段側圧縮部５２を使用せずに、高段側圧縮部５１のみで冷却運転を行なう。これにより、夜間或いは外気温の低い場合、冷却能力を低下させて消費電力を抑制することが可能となる。
【００３３】
また、第二のモードＭ２で電動機２が駆動されると、低段側圧縮部５２で圧縮されたガス冷媒は第二切換電磁弁４６から配管４６Ａに至り、密閉容器１内に吐出される。密閉容器１内の吐出された圧縮ガス冷媒は、吐出管２２から配管３６に吐出され、凝縮器３７に流入する。そこで放熱して凝縮された後、キャピラリチューブ３８にて減圧され、気液分離器３９に流入する。
【００３４】
そして、前述同様気液分離器３９内からは液冷媒のみがキャピラリチューブ４１に流出し、そこで減圧され冷却器４２に流入して蒸発し冷却作用を発揮する。そして、冷却器４２を出た低温冷媒は配管４３、電磁弁４７を経て、吸込管２４から低段側圧縮部５２に再び吸い込まれる。
【００３５】
即ち、第二のモードＭ２では高段側圧縮部５１を使用せずに、低段側圧縮部５２のみで冷却運転を行なっている。これにより、第一のモードＭ１同様に夜間或いは外気温の低い場合、冷却能力を低下させて消費電力を抑制することが可能となる。
【００３６】
また、第三のモードＭ３で電動機２が駆動されると、低段側圧縮部５２で圧縮されたガス冷媒は第二切換電磁弁４６から配管４６Ａにより密閉容器１内に吐出される。一方、高段側圧縮部５１で圧縮されたガス冷媒も、吐出孔より吐出マフラー１９に吐出され、吐出マフラー１９から密閉容器１内に吐出される。
【００３７】
密閉容器１内の吐出されたこれら圧縮ガス冷媒は、吐出管２２から配管３６に吐出され、凝縮器３７に流入する。そこで放熱して凝縮された後、キャピラリチューブ３８にて減圧され、気液分離器３９に流入する。
【００３８】
そして、前述同様気液分離器３９内からは液冷媒のみがキャピラリチューブ４１に流出し、そこで減圧され冷却器４２に流入して蒸発し、冷却作用を発揮する。そして、冷却器４２を出た低温冷媒は分流し、一方は配管４３、電磁弁４７を経て、吸込管２４から低段側圧縮部５２に再び吸い込まれる。
【００３９】
また、冷却器４２を出た低温冷媒の他方は配管４５Ａを経て第一切換電磁弁４５を通り、吸入管２３から高段側圧縮部５１に吸い込まれる。この高段側圧縮部５１から吐出された冷媒は、第二切換電磁弁４６を介して配管４６Ａから密閉容器１内に吐出された低段側圧縮部５２の圧縮ガス冷媒と密閉容器１内で合流し、再び吐出管２２から配管３６に吐出される。
【００４０】
即ち、第三のモードＭ３では低段側圧縮部５２と高段側圧縮部５１の並列運転を行なっている。これにより、プルダウン時や、昼間或いは外気温の高い場合などの高負荷時に、排除容積を増大させ、冷却能力が最大となるようにしている。
【００４１】
また、第四のモードＭ４で電動機２が駆動されると、低段側圧縮部５２は吸込管２４から冷媒を吸引して圧縮（一段圧縮）し、第二切換電磁弁４６を経て配管３１に吐出する。配管３１に吐出された一段圧縮ガス冷媒は、合流器３２、第一切換電磁弁４５を経て吸入管２３から高段側圧縮部５１に吸引される。
【００４２】
そこで圧縮（二段圧縮）された二段圧縮ガス冷媒は、吐出孔より密閉容器１内に吐出される。密閉容器１内の吐出された二段圧縮ガス冷媒は、吐出管２２から配管３６に吐出される。そして、凝縮器３７に流入し、そこで放熱して凝縮された後、キャピラリチューブ３８にて減圧され、気液分離器３９に流入する。尚、このときの飽和ガス冷媒の温度、即ち、気液分離温度は−５℃〜＋２５℃の範囲となるようにキャピラリチューブ３８の絞り量が選定される。
【００４３】
そして、前述同様気液分離器３９内からは液冷媒のみがキャピラリチューブ４１に流出し、そこで減圧され冷却器４２に流入して蒸発し冷却作用を発揮する。そして、冷却器４２を出た低温ガス冷媒は配管４３、電磁弁４７を経て吸込管２４から低段側圧縮部５２に再び吸い込まれる。
【００４４】
また、気液分離器３９内上部の飽和ガス冷媒は、分岐管４４に流出し、そこを通って合流器３２に流入する。そこで、低段側圧縮部５２から吐出された一段圧縮ガス冷媒と合流した後、共に第一切換電磁弁４５を経て吸入管２３から高段側圧縮部５１に吸引され、圧縮される。即ち、第四のモードＭ４では低段側圧縮部５２で圧縮された吐出された冷媒を高段側圧縮部５１で再度圧縮し、一圧縮当たりのトルク変動を抑制しながら、高圧縮比を得られるようになっている。
【００４５】
尚、このときの飽和ガス冷媒の温度、即ち、気液分離温度は−５℃〜＋２５℃の範囲となるようにキャピラリチューブ３８の絞り量が選定される。
【００４６】
そして、気液分離器３９内からは液冷媒のみがキャピラリチューブ４１方向に流出し、そこで減圧され冷却器４２に流入して蒸発する。このときに周囲から熱を奪うことによって冷却器４２は冷却作用を発揮する。そして、冷却器４２を出た低温ガス冷媒は配管４３を経て圧縮機Ｃに帰還し、吸込管２４から低段側圧縮部５２に再び吸い込まれる。
【００４７】
また、気液分離器３９内上部の飽和ガス冷媒は、分岐管４４に流出し、そこを通って合流器３２に流入する。そこで、低段側圧縮部５２から吐出された一段圧縮ガス冷媒と合流した後、共に吸入管２３から高段側圧縮部５１に吸引され、再び圧縮される。即ち、低段側圧縮部５２で圧縮された吐出された冷媒を高段側圧縮部５１で再度圧縮することにより、一圧縮当たりのトルク変動を抑制しながら、高圧縮比を得られるようになっており、これを通常の多段圧縮冷凍装置Ｒとされている。
【００４８】
係る多段圧縮冷凍装置Ｒは圧縮機Ｃの低段側圧縮部５２、高段側圧縮部５１、凝縮器３７、キャピラリチューブ３８、気液分離器３９、キャピラリチューブ４１及び冷却器４２を順次環状に接続して冷凍サイクルが構成され、気液分離器３９内の飽和ガス冷媒を低段側圧縮部５２から吐出された冷媒と共に高段側圧縮部５１に吸い込ませるようにしているので、高段側圧縮部５１が吸い込むガス冷媒の温度を低下させることができるようになり、入力の低減が図られている。また、高段側圧縮部５１の吐出ガス冷媒の温度が低くなるため、潤滑油としてエステル油を用いた場合にも、ＰＯＥ問題の発生や潤滑特性の劣化が抑制されている。
【００４９】
また、気液分離器３９内の液冷媒をキャピラリチューブ４１に流して冷却器４２にて蒸発させているので、冷媒循環量に対する冷凍効果が増大し、図７のモリエル線図に示す如き効率の向上を図ることが可能となる。
【００５０】
ここで、低段側圧縮部５２の排除容積Ｄ１と高段側圧縮部５１の排除容積Ｄ２の比Ｄ２／Ｄ１と成績係数の関係を図８に示しており、成績係数は排除容積比Ｄ２／Ｄ１の３０％（０．３）付近をピークとした山なりの特性はこの図からも明らかである。
【００５１】
次ぎに、キャピラリチューブ３８の絞り量を変更して気液分離器３９における気液分離温度を変更し、各気液分離温度における図８の曲線のピーク値を図１０に示す如く結んで行くと、図９或いは図１０に示す如き山なりの特性となる。
【００５２】
即ち、図９或いは図１０に示される気液分離器３９における気液分離温度と成績係数の関係を基にして、気液分離器３９内の気液分離温度を−５℃〜＋２５℃の範囲に設定すると、図１０の最下部に示す一段圧縮の冷凍装置の場合に比して成績係数は著しく改善される。
【００５３】
このように、多段圧縮冷凍装置Ｒの運転を第一のモードＭ１、第二のモードＭ２、第三のモードＭ３、第四のモードＭ４に切り換えられるように構成しているので、夜間及び外気温の低い時などの低負荷時には第一のモードＭ１或いは第二のモードＭ２とすることにより、消費電力を抑制することが可能になる。
【００５４】
また、多段圧縮冷凍装置Ｒの据え付け後や冷却器４２の除霜後のプルダウン時などの高負荷時には前記第三のモードＭ３とすることにより、冷凍能力を最大として強力且つ迅速な冷却を行なうことが可能となる。更に、第四のモードＭ４を通常運転とすることにより、一圧縮当たりのトルク変動を抑制しながら、高圧縮比を得ることができるので、高段側圧縮部５１が吸い込むガス冷媒温度を低下させ、入力の低減を図ることが可能となると共に、一段圧縮の冷凍装置に比較した成績係数を一層改善し、効率の向上を図ることが可能になる。
【００５５】
【発明の効果】
以上詳述した如く本発明によれば、電動機と該電動機の回転軸により駆動される低段側圧縮手段及び高段側圧縮手段を密閉容器内に収納して成る圧縮機、凝縮器、一次膨張手段、気液分離器、二次膨張手段及び冷却器を順次環状に接続して冷凍サイクルを構成した多段圧縮冷凍装置において、低段側圧縮手段及び高段側圧縮手段は、それぞれシリンダと、回転軸の対向する位置に設けられた偏心部により両シリンダ内でそれぞれ回転するローラとから構成されると共に、低段側圧縮手段の排除容積Ｄ１と高段側圧縮手段の排除容積Ｄ２の比Ｄ２／Ｄ１は、０．３５±０．１の範囲に設定され、高段側圧縮手段から吐出された冷媒を凝縮器、一次膨張手段、気液分離器、二次膨張手段及び冷却器に順次流し、高段側圧縮手段に吸引させる第一のモードと、低段側圧縮手段から吐出された冷媒を凝縮器、一次膨張手段、気液分離器、二次膨張手段及び冷却器に順次流し、低段側圧縮手段に吸引させる第二のモードと、高段側圧縮手段と低段側圧縮手段からそれぞれ吐出された冷媒を凝縮器、一次膨張手段、気液分離器、二次膨張手段及び冷却器に順次流し、分流して高段側圧縮手段と低段側圧縮手段にそれぞれ吸引させる第三のモードと、高段側圧縮手段から吐出された冷媒を凝縮器、一次膨張手段、気液分離器に流し、当該気液分離器内の液冷媒を二次膨張手段から冷却器へと流して低段側圧縮手段に吸引させ、更に当該低段側圧縮手段から吐出された冷媒を高段側圧縮手段に吸引させると共に、気液分離器内の飽和ガス冷媒を低段側圧縮手段から吐出された冷媒と共に高段側圧縮手段に吸い込ませる第四のモードとを選択的に実行可能としたので、通常は前記第四のモードとすることにより、一圧縮当たりのトルク変動を抑制しながら、高圧縮比を得ることができるようになると共に、高段側圧縮手段が吸い込むガス冷媒温度を低下させることができるようになり、入力の低減を図ることが可能となる。また、高段側圧縮手段の吐出ガス冷媒温度も低くなるため、潤滑油として例えばエステル油を用いた場合にも、ＰＯＥ問題の発生や潤滑特性の劣化を抑制することができるようになる。
【００５６】
そして、気液分離器内の液冷媒を二次膨張手段に流して冷却器にて蒸発させるようにしているので、冷媒循環量に対する冷凍効果を増大させ、効率の向上を図ることが可能となる。
【００５７】
また、冷凍装置の据え付け後や冷却器の除霜後のプルダウン時などの高負荷時には前記第三のモードとすることにより、冷凍能力を最大として強力且つ迅速な冷却作用を得ることができるようになると共に、夜間などの低負荷時には前記第一若しくは第二のモードとすることにより、消費電力を抑制することができるようになるものである。特に、低段側圧縮手段及び高段側圧縮手段は、それぞれシリンダと、回転軸の対向する位置に設けられた偏心部により両シリンダ内でそれぞれ回転するローラとから構成されているので、第一のモード或いは第二のモードにおいて高段側圧縮手段若しくは低段側圧縮手段のみが冷媒の圧縮を行う運転状況においてもバランス良い運転を行うことができるようになり、振動や騒音も低く抑えることができるようになる。更に、低段側圧縮手段の排除容積Ｄ１と高段側圧縮手段の排除容積Ｄ２の比Ｄ２／Ｄ１を、０．３５±０．１の範囲に設定したので、特に前記第四のモードにおいて、一段圧縮の冷凍装置に比較した成績係数を一層改善し、効率の向上を図ることができるようになるものである。
【００５８】
請求項２の発明によれば、低段側圧縮手段、高段側圧縮手段、凝縮器、一次膨張手段、気液分離器、二次膨張手段及び冷却器を順次環状に接続して冷凍サイクルを構成した多段圧縮冷凍装置において、低段側圧縮手段の排除容積Ｄ１と高段側圧縮手段の排除容積Ｄ２の比Ｄ２／Ｄ１を、０．３５±０．１の範囲に設定し、高段側圧縮手段から吐出された冷媒を凝縮器、一次膨張手段、気液分離器、二次膨張手段及び冷却器に順次流し、高段側圧縮手段に吸引させる第一のモードと、低段側圧縮手段から吐出された冷媒を凝縮器、一次膨張手段、気液分離器、二次膨張手段及び冷却器に順次流し、低段側圧縮手段に吸引させる第二のモードと、高段側圧縮手段と低段側圧縮手段からそれぞれ吐出された冷媒を凝縮器、一次膨張手段、気液分離器、二次膨張手段及び冷却器に順次流し、分流して高段側圧縮手段と低段側圧縮手段にそれぞれ吸引させる第三のモードと、高段側圧縮手段から吐出された冷媒を凝縮器、一次膨張手段、気液分離器に流し、当該気液分離器内の液冷媒を二次膨張手段から冷却器へと流して低段側圧縮手段に吸引させ、更に当該低段側圧縮手段から吐出された冷媒を高段側圧縮手段に吸引させると共に、気液分離器内の飽和ガス冷媒を低段側圧縮手段から吐出された冷媒と共に高段側圧縮手段に吸い込ませる第四のモードとを選択的に実行可能としたので、通常は前記第四のモードとすることにより、一圧縮当たりのトルク変動を抑制しながら、高圧縮比を得ることができるようになると共に、高段側圧縮手段が吸い込むガス冷媒温度を低下させることができるようになり、入力の低減を図ることが可能となる。また、高段側圧縮手段の吐出ガス冷媒温度も低くなるため、潤滑油として例えばエステル油を用いた場合にも、ＰＯＥ問題の発生や潤滑特性の劣化を抑制することができるようになる。
【００５９】
そして、気液分離器内の液冷媒を二次膨張手段に流して冷却器にて蒸発させるようにしているので、冷媒循環量に対する冷凍効果を増大させ、効率の向上を図ることが可能となる。
【００６０】
また、冷凍装置の据え付け後や冷却器の除霜後のプルダウン時などの高負荷時には前記第三のモードとすることにより、冷凍能力を最大として強力且つ迅速な冷却作用を得ることができるようになると共に、夜間などの低負荷時には前記第一若しくは第二のモードとすることにより、消費電力を抑制することができるようになるものである。
【００６１】
特に、気液分離器内の気液分離温度を−５℃〜＋２５℃の範囲に設定したので、特に前記第四のモードにおいて、一段圧縮の冷凍装置に比較した場合の成績係数を著しく改善することができるようになるものである。更に、低段側圧縮手段の排除容積Ｄ１と高段側圧縮手段の排除容積Ｄ２の比Ｄ２／Ｄ１を、０．３５±０．１の範囲に設定したので、特に前記第四のモードにおいて、一段圧縮の冷凍装置に比較した成績係数を一層改善し、効率の向上を図ることができるようになるものである。
【００６２】
更に、請求項３の発明によれば、電動機と該電動機の回転軸により駆動される低段側圧縮手段及び高段側圧縮手段を密閉容器内に収納して成る圧縮機、凝縮器、一次膨張手段、気液分離器、二次膨張手段及び冷却器を順次環状に接続して冷凍サイクルを構成した多段圧縮冷凍装置において、気液分離器内の飽和ガス冷媒を低段側圧縮手段から吐出された冷媒と共に高段側圧縮手段に吸引させるための合流器と、この合流器からの冷媒を高段側圧縮手段に吸引させるか、冷却器から出た冷媒を高段側圧縮手段に吸引させるか、更に、高段側圧縮手段へ冷媒を吸引させるか否かを切り換えるための第一切換電磁弁と、低段側圧縮手段から吐出された冷媒を合流器に流入させるか、密閉容器内に流通させるかを切り換えるための第二切換電磁弁と、冷却器から出た冷媒を低段側圧縮手段に吸引させるか否かを制御する第三電磁弁とを備え、低段側圧縮手段及び高段側圧縮手段は、それぞれシリンダと、回転軸の対向する位置に設けられた偏心部により両シリンダ内でそれぞれ回転するローラとから構成されており、第一切換電磁弁を前記冷却器から出た冷媒が高段側圧縮手段に吸引される状態とし、第三電磁弁を閉じることにより、高段側圧縮手段から吐出された冷媒を凝縮器、一次膨張手段、気液分離器、二次膨張手段及び冷却器に順次流し、高段側圧縮手段に吸引させる第一のモードと、第一切換電磁弁を高段側圧縮手段に冷媒を吸引させない状態とし、第二切換電磁弁を低段側圧縮手段から吐出された冷媒が密閉容器内に流通される状態とし、且つ、第三電磁弁を開くことにより、低段側圧縮手段から吐出された冷媒を凝縮器、一次膨張手段、気液分離器、二次膨張手段及び冷却器に順次流し、低段側圧縮手段に吸引させる第二のモードと、第一切換電磁弁を冷却器から出た冷媒が高段側圧縮手段に吸引される状態とし、第二切換電磁弁を低段側圧縮手段から吐出された冷媒が密閉容器内に流通される状態とし、且つ、第三電磁弁を開くことにより、高段側圧縮手段と低段側圧縮手段からそれぞれ吐出された冷媒を凝縮器、一次膨張手段、気液分離器、二次膨張手段及び冷却器に順次流し、分流して高段側圧縮手段と低段側圧縮手段にそれぞれ吸引させる第三のモードと、第一切換電磁弁を合流器からの冷媒が高段側圧縮手段に吸引される状態とし、第二切換電磁弁を低段側圧縮手段から吐出された冷媒が合流器に流入する状態とし、且つ、第三電磁弁を開くことにより、高段側圧縮手段から吐出された冷媒を凝縮器、一次膨張手段、気液分離器に流し、当該気液分離器内の液冷媒を二次膨張手段から冷却器へと流して低段側圧縮手段に吸引させ、更に当該低段側圧縮手段から吐出された冷媒を高段側圧縮手段に吸引させると共に、気液分離器内の飽和ガス冷媒を低段側圧縮手段から吐出された冷媒と共に高段側圧縮手段に吸い込ませる第四のモードとを選択的に実行可能としたので、請求項１の発明同様通常は前記第四のモードとすることにより、一圧縮当たりのトルク変動を抑制しながら、高圧縮比を得ることができるようになると共に、高段側圧縮手段が吸い込むガス冷媒温度を低下させることができるようになり、入力の低減を図ることが可能となる。また、高段側圧縮手段の吐出ガス冷媒温度も低くなるため、潤滑油として例えばエステル油を用いた場合にも、ＰＯＥ問題の発生や潤滑特性の劣化を抑制することができるようになる。
【００６３】
そして、気液分離器内の液冷媒を二次膨張手段に流して冷却器にて蒸発させるようにしているので、冷媒循環量に対する冷凍効果を増大させ、効率の向上を図ることが可能となる。また、冷凍装置の据え付け後や冷却器の除霜後のプルダウン時などの高負荷時には前記第三のモードとすることにより、冷凍能力を最大として強力且つ迅速な冷却作用を得ることができるようになると共に、夜間などの低負荷時には前記第一若しくは第二のモードとすることにより、消費電力を抑制することができるようになるものである。特に、低段側圧縮手段及び高段側圧縮手段は、それぞれシリンダと、回転軸の対向する位置に設けられた偏心部により両シリンダ内でそれぞれ回転するローラとから構成されているので、第一のモード或いは第二のモードにおいて高段側圧縮手段若しくは低段側圧縮手段のみが冷媒の圧縮を行う運転状況においてもバランス良い運転を行うことができるようになり、振動や騒音も低く抑えることができるようになる。
【００６４】
特に、気液分離器内の飽和ガス冷媒を低段側圧縮手段から吐出された冷媒と共に高段側圧縮手段に吸引させるための合流器と、この合流器からの冷媒を高段側圧縮手段に吸引させるか、冷却器から出た冷媒を高段側圧縮手段に吸引させるか、更に、高段側圧縮手段へ冷媒を吸引させるか否かを切り換えるための第一切換電磁弁と、低段側圧縮手段から吐出された冷媒を合流器に流入させるか、密閉容器内に流通させるかを切り換えるための第二切換電磁弁と、冷却器から出た冷媒を低段側圧縮手段に吸引させるか否かを制御する第三電磁弁とを設けているので、前記各モードを支障なく円滑に実現することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の多段圧縮冷凍装置の冷媒回路図である。
【図２】図１の圧縮機の縦断側面図である。
【図３】図１の多段圧縮冷凍装置の第一のモードの冷媒の流れを示す冷媒回路図である。
【図４】図１の多段圧縮冷凍装置の第二のモードの冷媒の流れを示す冷媒回路図である。
【図５】図１の多段圧縮冷凍装置の第三のモードの冷媒の流れを示す冷媒回路図である。
【図６】図１の多段圧縮冷凍装置の第四のモードの冷媒の流れを示す冷媒回路図である。
【図７】第四のモードにおける多段圧縮冷凍装置のモリエル線図である。
【図８】低段側圧縮部と高段側圧縮部の排除容積比と成績係数の関係を示す図である。
【図９】気液分離器における気液分離温度と成績係数の関係を示す図である。
【図１０】同じく気液分離器における気液分離温度と成績係数の関係を示すもう一つの図である。
【符号の説明】
Ｃ  圧縮機
Ｒ  多段圧縮冷凍装置
１  密閉容器
２  電動機
３  圧縮要素
９、１０  シリンダ
１３、１４  ローラ
３１  配管
３２  合流器
３７  凝縮器
３８  キャピラリチューブ（一次膨張手段）
３９  気液分離器
４１  キャピラリチューブ（二次膨張手段）
４２  冷却器
４４  分岐管
４５  第一切換電磁弁
４５Ａ  配管
４６  第二切換電磁弁
４６Ａ  配管
４７  電磁弁
５１  高段側圧縮部
５２  低段側圧縮部
【図１】
0003619657.tif 000002
【図２】
0003619657.tif 000003
【図３】
0003619657.tif 000004
【図４】
0003619657.tif 000005
【図５】
0003619657.tif 000006
【図６】
0003619657.tif 000007
【図７】
0003619657.tif 000008
【図８】
0003619657.tif 000009
【図９】
0003619657.tif 000010
【図１０】
0003619657.tif 000011