(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
密閉容器の内部に独立した第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圧縮室に導く第１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圧縮室と前記第１連通路とを連通させる、を選択的に切換える切換弁と、
を備え、
前記圧縮機は、
前記第１圧縮室で圧縮された冷媒が吐出される吐出空間と、
前記圧縮機の内部に位置し、前記吐出空間と前記密閉容器とを連通する第２連通路と、
前記第２連通路中に設けられた逆止弁と、
を有し、
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圧縮室と前記第１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、
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
特徴とする冷凍サイクル装置。
【請求項２】
前記第２吸入経路は、前記切換弁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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【請求項６】
請求項１に記載の冷凍サイクル装置が備える圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。【０００３】
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。【０００４】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３７１８９６４号公報
【特許文献２】特許第４７１９４３２号公報
【発明の概要】
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】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】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】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】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】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】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。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
（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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
このときの冷媒の流れについて具体的に説明する。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
このときの冷媒の流れについて具体的に説明する。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
次に、冷媒とオイルの分離について説明する。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
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。
【符号の説明】
【００６７】
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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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