(57)【要約】    【課題】  ロータリ形２段圧縮機の中間圧にガス冷媒をインジェクションするサイクルの効率向上を図る。    【解決手段】  低圧圧縮要素２０ａの吐出側であって高圧圧縮要素２０ｂの吸入側の中間空間３２に発生する圧力脈動の波長をλとした場合、ロータリ式２段圧縮機１の中間空間３２とインジェクション配管１７の接合部からの配管距離Ｌが、Ｌ＝｛（２ｎ−１）／４±１／８｝λ  （ｎ＝１，２，３…）となる位置にインジェクション配管１７の流路断面積を縮小する断面積縮小部３４を設ける。これにより、ＣＯＰを向上させることができる。    【選択図】  図３
2006177595.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
低圧用圧縮要素から吐出された冷媒が中間空間を介して高圧用圧縮要素に吸入され外部に吐出する２段圧縮器と、この２段圧縮機に接続された凝縮器と、この凝縮器からの冷媒を減圧する第１の減圧機構と、この第１の減圧機構に接続された気液分離器と、この気液分離器に接続された第２の減圧機構と、一方がこの第２の減圧機構に接続され他方が前記２段圧縮機に接続された蒸発器と、前記気液分離器と前記中間空間とを接続するインジェクション配管とを備えた空気調和機において、前記中間空間から前記インジェクション配管上の下式で表される距離Ｌの位置に、前記中間空間からのこの距離Ｌの位置に至る前記インジェクション配管の断面積よりも小さな断面積を有する流路断面積縮小部を備えた空気調和機。
Ｌ＝｛（２ｎ−１）／４±１／８｝λ  （ｎ＝１，２，３…）
【請求項２】
低圧用圧縮要素から吐出された冷媒が中間空間を介して高圧用圧縮要素に吸入され外部に吐出する２段圧縮器と、この２段圧縮機に接続された凝縮器と、この凝縮器からの冷媒を減圧する第１の減圧機構と、この第１の減圧機構に接続された気液分離器と、この気液分離器に接続された第２の減圧機構と、一方がこの第２の減圧機構に接続され他方が前記２段圧縮機に接続された蒸発器と、前記気液分離器と前記中間空間とを接続するインジェクション配管とを備えた空気調和機において、前記中間空間から前記インジェクション配管上の下式で表される距離Ｌの位置に、前記中間空間からのこの距離Ｌの位置に至る前記インジェクション配管の断面積よりも小さな断面積を有する流路断面積縮小部を備えた空気調和機。
Ｌ＝｛（２ｎ−１）／４±１／１６｝λ  （ｎ＝１，２，３…）
【請求項３】
請求項１もしくは請求項２において、前記流路断面積縮小部は前記中間空間からの前記距離Ｌの位置に至る前記インジェクション配管の断面積よりも小さな断面積を有し、前記インジェクション配管を開閉する電動弁である空気調和機。
【請求項４】
請求項１もしくは請求項２において、前記距離Ｌに至るインジェクション配管は、直管部が鉛直方向となるように蛇行させた配管で構成され、前記２段圧縮機の周囲を囲むカバーの内側に固定した空気調和機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷凍サイクルを備えた空気調和機に関する。
【背景技術】
【０００２】
冷凍サイクルの効率向上を図る手段の１つとして、インジェクションサイクルが知られている。特許文献１には、低段（低圧側）圧縮要素の吐出側と高段（高圧側）圧縮要素の吸入側とを連通路（中間通路）を介して直列接続した２段圧縮機構を用いたロータリ式２段圧縮機を用いたインジェクションサイクルが開示されている。すなわち、２段冷媒圧縮機、凝縮器、第１膨張装置、気液分離器、第２膨張装置、蒸発器とを順次配管接続し、気液分離器と２段圧縮機の連通路（中間通路）の途中とをインジェクション通路で接続したインジェクションサイクルが記載されている。
【０００３】
そして、低圧圧縮要素機構から排出される冷媒ガス体積と高圧圧縮要素機構の吸入シリンダ容積との間で生じる過不足によって、両圧縮要素の間を連通する中間通路には圧力脈動が発生し、中間通路の冷媒ガスが気液分離器に逆流して正常な冷凍サイクル運転ができなくなるという問題に対して、インジェクション通路の途中に気液分離器から連通路へのみの流体流入を許容する逆止弁装置を配置する技術が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開平５−１３３３６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
インジェクションサイクルの効率を向上させるためには、圧縮機へのインジェクション圧力を適正に保つことが重要である。ロータリ式２段圧縮機を用いてインジェクションを行う場合、低圧側圧縮要素と高圧側圧縮要素の連通路にインジェクションを行う。しかし、特許文献１に記載されたロータリ式２段圧縮機を用いた場合にインジェクションによるサイクル効率向上の効果が十分に得られる場合と、得られない場合があるということが判明した。
【０００６】
本発明の目的は、上述の問題点に鑑みて、インジェクションサイクルの効率向上を図ることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的は、低圧用圧縮要素から吐出された冷媒が中間空間を介して高圧用圧縮要素に吸入され外部に吐出する２段圧縮器と、この２段圧縮機に接続された凝縮器と、この凝縮器からの冷媒を減圧する第１の減圧機構と、この第１の減圧機構に接続された気液分離器と、この気液分離器に接続された第２の減圧機構と、一方がこの第２の減圧機構に接続され他方が前記２段圧縮機に接続された蒸発器と、前記気液分離器と前記中間空間とを接続するインジェクション配管とを備えた空気調和機において、前記中間空間から前記インジェクション配管上の下式で表される距離Ｌの位置に、前記中間空間からのこの距離Ｌの位置に至る前記インジェクション配管の断面積よりも小さな断面積を有する流路断面積縮小部を備えた空気調和機とすることにより達成される。
【０００８】
Ｌ＝｛（２ｎ−１）／４±１／８｝λ  （ｎ＝１，２，３…）
また、特に距離Ｌを、
Ｌ＝｛（２ｎ−１）／４±１／１６｝λ  （ｎ＝１，２，３…）
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、インジェクションサイクルの効率向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の実施例を図を用いて説明する。まず図１を用いて本実施例に係るロータリ式２段圧縮機について説明する。
【００１１】
圧縮機１は、底部２１と蓋部１２と胴部２２からなる密閉容器１３を備える。密閉容器１３内部の上方には、ステータ７とロータ８を有する電動機１４が設けられている。電動機１４に連結された回転軸２は、２つの偏心部５を備えて、主軸受９と副軸受１９に軸支されている。その回転軸２に対して電動機１４側から順に、端板部９ａを備えた主軸受９、高圧用圧縮要素２０b、中間仕切板１５、低圧用圧縮要素２０a及び端板部１９ａを備えた副軸受１９が積層され、ボルト等の締結要素(図示せず)で一体化されている。
【００１２】
端板部９ａは、胴部２２の内壁に溶接によって固定されて、主軸受９を支持している。端板部１９ａは、副軸受１９に支持されている。なお、本実施例は端板部１９ａをボルト等で固定されているが、胴部２２に溶接で固定されても構わない。
【００１３】
各圧縮要素２０ａと２０ｂは、次のように構成されている。低圧圧縮要素２０ａは、副軸受１９と、円筒状のシリンダ１０ａと、偏心部５ａの外周に嵌め合わされた円筒状のローラ１１と、中間仕切板１５とで圧縮室２３ａは構成される。また、高圧圧縮要素２０ｂは、主軸受９と、円筒状のシリンダ１０ｂと、偏心部５ｂの外周に嵌め合わされた円筒状のローラ１１と、中間仕切板１５とで圧縮室２３ｂは構成される。それらの圧縮室２３ａ、２３ｂは、コイルバネのような付勢力付与手段に連結された平板状のベーン１８が、偏心部５ａ、５ｂの偏心運動に合わせて回転するローラ１１ａ、１１ｂの外周上を接触しながら進退運動することにより、圧縮室２３ａ、２３ｂを圧縮空間と吸込み空間に分割する。
【００１４】
圧縮要素２０は、偏心部５が偏心回転することでローラ１１を駆動する。図１に示すように偏心部５aと偏心部５bは位相が180°異なり、圧縮要素２０ａ、２０ｂの圧縮工程の位相差は180°である。すなわち２つの圧縮要素の圧縮工程は逆位相となっている。
【００１５】
作動流体であるガス冷媒の流れを、図１の矢印で表す。配管３１を通って供給される低圧Psのガス冷媒は、配管３１と接続する吸入口２５aより低圧用圧縮要素２０a内に吸入され、ローラ１１aが偏心回転することにより中間圧Pmまで圧縮される。圧縮室２３ａ内の圧力が予め設定された圧力になると開口する吐出弁２８aが中間圧Pmで開口すると、中間圧Pmとなったガス冷媒が、吐出口２６aと連通する吐出空間３３に吐出される。この吐出空間３３は、副軸受19とカバー３５とにより密閉容器１３内の密閉空間２９と隔離された空間であり、その内部圧力は基本的には中間圧Pmとなる。中間流路30は吐出空間３３と吸入口２５bを連通する流路である。吐出空間３３と中間流路３０、及び吸入口２５bからなる一つの連通した空間は、密閉容器１３と隔てられ内部圧力が中間圧Pmの中間空間３２（図１中、点線で囲われている部分）である。したがって、吐出弁２８ａが開口した吐出口２６ａから吐出された圧力Ｐｍのガス冷媒は、吐出空間３３に吐出された後、中間流路３０を通って、高圧圧力要素２０ｂの圧力室２３ｂと連通する吸入口２５ｂに至る。
【００１６】
次に、中間流路３０を通過して吸入口２５bより高圧用圧縮要素２０b内に吸入された中間圧Pmのガス冷媒は、ローラ１１bが公転することにより高圧Pdまで圧縮される。圧縮室２３ｂ内の圧力が予め設定された圧力になると開口する吐出弁２８ｂが高圧Pdで開口すると、ガス冷媒は吐出口２６bから密閉容器１３の内部空間である密閉空間２９に吐出される。この密閉空間２９に吐出されたガス冷媒は、電動機１４の隙間を通過して吐出管２７より吐出される。また、図示しない気液分離器によって分離された気体冷媒はインジェクション配管１７を介して中間空間３２に注入される。
【００１７】
次にインジェクションサイクルを有する冷凍サイクルの構成を図２に示す。尚、図１と同一符号は同一構成を示す。尚、冷房運転と暖房運転を切替える４方弁は図示していない。従って、凝縮器３は、冷房運転時は室外熱交換器であり、暖房運転時は室内熱交換器となる。また、蒸発器１６は、冷房運転時は室内機であり、暖房運転時は室外熱交換器となる。
【００１８】
ロータリ式２段圧縮機1から吐出された高圧Pdの冷媒ガスは、凝縮器３で凝縮した後、第一の膨張機構４ａで膨張し、中間圧Pmまで圧力が減圧される。この減圧された冷媒ガスは、気液分離器６で気体と液体に分離される。分離された液冷媒は、気液分離器６の下流にある第２の膨張機構４ｂでさらに低圧Psまで減圧された後、蒸発器１６で蒸発してガス冷媒となる。低圧Psのガス冷媒は吸入口２５aより低圧用圧縮要素２０a内に吸入され、偏心部５aに嵌め合わされたローラ１１aが公転することにより中間圧Pmまで圧縮され、中間空間３２へ吐出される。
【００１９】
中間空間３２のガス冷媒は、気液分離器６と中間流路３０とが連通したインジェクション配管１７から導かれる中間圧Pmのガス冷媒と混合する。その後吸入口２５bより高圧用圧縮要素２０b内に吸入された中間圧Pmのガス冷媒は、偏心部５bに嵌め合わされたローラ１１bが公転することにより高圧力Pdまで圧縮されて、吐出管２７より吐出される。
【００２０】
このようなインジェクションサイクルは、蒸発器１６において伝熱性能の低いガス冷媒をバイパスするため、低圧側圧縮要素２０aへの余分な循環流量を減少して圧縮仕事を低減し、空気調和機の成績係数COPを向上する。
【００２１】
さて、このようにロータリ式２段圧縮機を用いたガスインジェクションサイクルでは、COPが向上したり低下したりする現象を生ずることが判明した。
【００２２】
図３に中間空間３２とインジェクション配管１７の接合部から電動弁３４までの距離ＬとサイクルのＣＯＰとの関係を表した実験結果を示す。図３に示されているように、サイクルＣＯＰは、配管距離Ｌに応じて周期的にピークを持っており、このピークは圧力脈動が共振をおこす配管長にほぼ等しくなっている。
【００２３】
この結果から、中間空間３２とインジェクション配管１７の接合部から電動弁３４までの距離LをCOPが向上する距離とすることにより、COPの向上を図ることができることを意味する。
【００２４】
本実施例では、圧力波（圧力脈動）の波長をλとした場合に、距離Lが｛（２ｎ−１）／４±１／８｝λ  （ｎ＝１，２，３…）となる位置に電動弁３４を設置することで、圧力脈動による共振現象を利用して、サイクルＣＯＰを平均以上に高めることができる。
【００２５】
また、配管距離Ｌが長くなると、配管の圧力損失によりインジェクション流量が減少することとなり、サイクルＣＯＰは低下する。したがってｎ＝１の場合が最も望ましいといえる。さらに、距離Lを｛（２ｎ−１）／４±１／１６｝λ  （ｎ＝１，２，３…）とすることで、ＣＯＰの高い領域を狙うことができる。特に、１／４λに対して、±１／１６λの範囲内とすることで、特に高い効果を得ることができる。
【００２６】
上記のような効果を奏する理由について考察する。まず原因についてであるが、中間空間３２における圧力脈動が影響しているであろうと推察される。すなわち、ロータリ式２段圧縮機１の中間空間３２では、低圧側圧縮要素２０ａからの吐出冷媒により高圧となった後、高圧側圧縮要素２０ｂにより吸入されるため、徐々に圧力が低下し、圧縮機の回転数に応じた周期で圧力脈動が生じる。低圧側圧縮要素２０ａの吐出工程が終了した段階で、低圧側圧縮要素２０ａと中間空間３２は遮断され、高圧側圧縮要素２０ｂは位相が１８０度ずれているため、この段階では吸込過程にある。この段階における中間空間３２に高圧側圧縮要素２０ｂの体積を加えた体積は最小であるので、この段階の中間空間３２の圧力は最も高くなる。さらに位相が進むと、高圧側圧縮要素２０ｂの吸入工程が進み体積が増すため、中間空間３２の圧力はローラ１１ｂが公転するにつれて低下する。この圧力脈動がインジェクション配管内にも伝播し、インジェクション効果に影響を与えていると考えている。
【００２７】
次に、電動弁３４の設置位置を適正にするとＣＯＰが向上する理由を考察する。インジェクション配管１７の途中に設けられた電動弁３４は、中間空間３２側のインジェクション配管１７よりも断面積の小さいものとなっている。中間空間３２における圧力脈動の圧力波は、インジェクション配管１７よりも断面積が小さい電動弁３４にて反射され、中間空間３２との間の配管内に定常波が生成される。このため、圧力脈動によるインジェクション冷媒の過給効果が現れるのではないかと考えている。
【００２８】
ところで、このような圧力脈動は、中間空間３２の容積を増大させることである程度抑制することができるが、十分に平滑化する場合には機器が大型になってしまう。また、中間空間３２からインジェクション配管１７への冷媒の逆流を防止するために逆止弁をインジェクション回路に設けても圧力脈動を抑制する効果をえることができなかった。
【００２９】
本実施例においては、インジェクション配管１７内に伝播した圧力波がインジェクション配管１７内に固定端を有する定常波となる反射波生じさせる流路断面積縮小部、本実施例では電動弁３４、を設けたので、インジェクション流体の慣性効果を利用して安定した性能を確保することが可能となる。
【００３０】
流路断面積縮小部を設ける位置としては、前述のように、インジェクションされる流体の音速を圧縮機の回転数で除した値をλとした場合に、ロータリ式２段圧縮機１の中間空間３２とインジェクション配管１７の接合部からの配管距離Ｌを、Ｌ＝｛（２ｎ−１）／４±１／８｝λ（ｎ＝１，２，３…）となる位置にインジェクション配管の流路断面積縮小部を設ける。これにより共振現象を利用して配管内圧力脈動によるインジェクション流体の慣性過給効果を大きくすることができる。したがって、インジェクションされる流体の流量を増加せしめ、インジェクションによる効果を高めることができるので、インジェクションサイクルのＣＯＰを向上させることができる。
【００３１】
ところで、インジェクション配管１７における圧力損失が大きい場合には、気液分離器６の圧力が高くなり、気液分離器６における乾き度が低下し、冷媒ガスの割合が減少するので、インジェクション流量が低下する。このため、サイクルとしての効率が低下する。そこで、配管距離Ｌを上記条件においてｎ＝１となる｛１／４±１／８｝λとする。これにより前述の如く、インジェクション配管を長くすることによる圧力損失の増加を低減でき、効率の低下を抑制することができる。なお、前述の如く、配管距離Ｌを｛１／４±１／１６｝λとすることで、効率向上効果の最も高い領域で使用することができる。
【００３２】
また流路断面積縮小部を、インジェクション回路の開閉が可能であり、かつ開の状態における流路断面積がインジェクション配管の断面積よりも小さい電動弁３４とした。この場合、インジェクション回路の開閉を行う電動弁と断面積変更手段を同一の部品で兼ねることができるので、部品点数を削減することが可能となり、また設計の自由度を拡大させることができる。この距離Ｌ部分に設けた流路断面積縮小部を、距離Ｌまでの配管径より距離Ｌから気液分離器６までの配管径を小さくしても良い。さらに、距離Ｌ部の配管を潰しても良いし、別ピースの断面積の小さい配管を接続しても良い。さらに、電動弁でなくても断面積が小さくなるのであればいかなる弁であっても良い。また、電動弁３４を開閉弁である２方弁としても、膨張弁としても良い。
【００３３】
また、本実施例では、インジェクション配管１７を２つの並列な経路１７ａおよび１７ｂから構成しており、各経路に配置された電動弁３４ａおよび３４ｂの一方のみを開とすることで、これらの経路を切り替えることが可能な構成となっている。さらに、各電動弁３４ａと３４ｂは中間空間３２とインジェクション配管１７の接合部からの距離が異なる位置に配置されている。圧縮機の回転数によって最適なインジェクション配管長は変わるが、本実施例ではインジェクション配管の２つの経路１７ａ、１７ｂを電動弁３４ａと３４ｂを用いて切り替えることによって、高いインジェクション効果が得られる。例えば、通常暖房運転は冷房運転よりも能力が必要とされる分、圧縮機の回転数が高くなる。従って、冷房運転時は電動弁３４ａを、暖房運転時は電動弁３４ｂを用いることでより効果を高めることができる。また、本実施例と同様に、インジェクション配管１７を２つの経路で構成し、各々の配管径を変えることで同様の効果を得るとしても良い。
【００３４】
またインジェクション配管１７は、内径２．０ｍｍから７．０ｍｍの範囲であることが望ましい。すなわち、配管径が細すぎる場合にはインジェクション流体の圧力損失が大きくなり、前述のようにサイクルとしての効率は低下することになる。一方、配管径が太すぎる場合には脈動の振幅が小さくなり、脈動による過給効果が小さくなってしまうため、適切な配管径とすることが望ましい。本実施例では、インジェクション配管１７の内径を概ね５．０ｍｍとしているため、インジェクションによる効果を利用して性能を向上させることができる。
【００３５】
図４に室外ユニット内への配管設置方法を示す。また図５は図４を上から見た場合の圧縮機カバーとの関係を示す。図４に示すように、インジェクション配管１７の直管部が鉛直方向となるように蛇行させ、図５に示すように圧縮機の周囲に巻いてあるカバーとカバーの間に配管をはさみこむことで、新たな固定具等を用いることなく、配管を容易に固定しつつ、振動等による配管の破損を防止することができる。また、インジェクション配管はカバーおよび周囲の空気と熱交換することになるが、カバーの内側は通常、インジェクションされる冷媒よりも高温となっているので、負荷変動等により過渡的に液冷媒がインジェクション配管へ流入した場合であっても、カバー内で圧縮機からの入熱により液冷媒を蒸発させることができる。このため、常にインジェクション冷媒をガス化しておくことが可能となるので、液冷媒がインジェクションされることによる液圧縮など圧縮機の信頼性を低下させ得る問題を回避できることとなり、信頼性も向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の一実施例におけるロータリ式２段圧縮機の縦断面図である。
【図２】本発明の一実施例における空気調和機のサイクル構成図である。
【図３】配管距離とサイクルＣＯＰの関係を示す図である。
【図４】インジェクション配管の設置方法を示す図である。
【図５】図４を上から見た場合の圧縮機カバーとインジェクション配管の関係を示す図である。
【符号の説明】
【００３７】
１…圧縮機、３…凝縮機、４…膨張器、６…気液分離器、１７…インジェクション配管、３４…電動弁、３２…中間空間、４０…圧縮機カバー。
【図１】
2006177595.tif 000003
【図２】
2006177595.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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