冷凍サイクル装置
【課題】高い効率（ＣＯＰ）を発揮しうる冷凍サイクル装置を提供する。
【解決手段】冷凍サイクル装置１００は、容積制御圧縮機１０１、第１熱交換器１０３、膨張機構１０４、第２熱交換器１０５、流路１０ｆ（吸入経路）、容積制御経路１１１及びインジェクション経路１２１を備えている。容積制御経路１１１は、容積制御圧縮機１０１のバイパス吐出口１６から流路１０ｆに冷媒を導くようにバイパス吐出口１６に接続され、当該冷凍サイクル装置１００の負荷が小さいときに開通し、負荷が大きいときに閉鎖される。インジェクション経路１２１は、容積制御経路１１１が開通しているときに、液相の成分を含んだ冷媒を流路１０ｆに導くように構成されている。
【解決手段】冷凍サイクル装置１００は、容積制御圧縮機１０１、第１熱交換器１０３、膨張機構１０４、第２熱交換器１０５、流路１０ｆ（吸入経路）、容積制御経路１１１及びインジェクション経路１２１を備えている。容積制御経路１１１は、容積制御圧縮機１０１のバイパス吐出口１６から流路１０ｆに冷媒を導くようにバイパス吐出口１６に接続され、当該冷凍サイクル装置１００の負荷が小さいときに開通し、負荷が大きいときに閉鎖される。インジェクション経路１２１は、容積制御経路１１１が開通しているときに、液相の成分を含んだ冷媒を流路１０ｆに導くように構成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷凍サイクル装置に関する。本発明は、特に、容積制御圧縮機を備えた冷凍サイクル装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
吸入容積（排除容積）を変更できる容積制御圧縮機は従来から知られている。圧縮機の容積制御技術は、インバータが広く普及する以前に活発に検討されていたが、高性能のインバータが安価に入手できるようになってからというもの、容積制御技術の重要性は一時的に低下していた。昨今、更なる省エネルギー化を推進するために、圧縮機の容積制御技術が再び脚光を浴び始めている。図６を参照して、容積制御技術の一例を紹介する。
【０００３】
図６は、特許文献１に記載された空気調和装置の構成図である。空気調和装置６００は、容積制御圧縮機６２２、四方弁６２３、室外熱交換器６２４、膨張手段６２５、室内熱交換器６４１、アキュームレータ６２１、バイパス配管６８８、流路切替弁６９０、吸入配管６２８及び吐出配管６３０を備えている。容積制御圧縮機６２２とバイパス配管６８８との接続部には、バイパス吐出弁（図示省略）が設けられている。
【０００４】
空調負荷が小さいとき、流路切替弁６９０によってバイパス配管６８８が吸入配管６２８に接続される。これにより、吸入冷媒の一部がバイパス配管６８８を経て吸入配管６２８に戻され、低容積での運転が可能となる。他方、空調負荷が大きいとき、流路切替弁６９０によってバイパス配管６８８が吐出配管６３０に接続される。このとき、バイパス吐出弁は、吐出圧力の冷媒で閉じられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２４０６９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図６を参照して説明した容積制御を採用する場合、次のような問題が生ずることが予測される。低容積での運転を行う場合、冷媒の一部は、高温の圧縮室及びバイパス配管を通じて、吸入配管に戻される。吸入配管に戻された冷媒の過熱度は比較的高い。高すぎる過熱度を有する冷媒は、吸入配管において、蒸発器から到来した冷媒と混ざる。その結果、高い過熱度を持った冷媒が容積制御圧縮機に吸入される。つまり、吸入冷媒が希薄になり、単位質量の冷媒を圧縮するために必要な動力が増加する。結果として、冷凍サイクル装置の成績係数（ＣＯＰ：coefficient of performance）が低下する。
【０００７】
本発明は、このような課題を解決するもので、高い効率（ＣＯＰ）を発揮しうる冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
すなわち、本発明は、
圧縮室と、前記圧縮室に開口しているバイパス吐出口と、前記バイパス吐出口を開閉するバイパス吐出弁とを有し、前記圧縮室に吸入された冷媒が吸入圧力を維持しつつ前記バイパス吐出口を通じて前記圧縮室から吐出されることによって吸入容積を変更できるように構成された容積制御圧縮機と、
前記圧縮機で圧縮された冷媒を冷却する放熱器と、
前記放熱器で冷却された冷媒を膨張させる膨張機構と、
前記膨張機構で膨張した冷媒を加熱する蒸発器と、
圧縮するべき冷媒を前記蒸発器から前記圧縮機に導く吸入経路と、
前記バイパス吐出口から前記吸入経路に冷媒を導くように前記バイパス吐出口に接続され、当該冷凍サイクル装置の負荷が小さいときに開通し、前記負荷が大きいときに閉鎖される容積制御経路と、
前記容積制御経路が開通しているときに、液相の成分を含んだ冷媒を前記吸入経路に導くインジェクション経路と、
を備えた、冷凍サイクル装置を提供する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の冷凍サイクル装置は、容積制御経路が開通しているときに、液相の成分を含んだ冷媒を吸入経路に導くインジェクション経路を備えている。液相の成分を含んだ冷媒は、容積制御経路を通じてバイパス吐出口から吸入経路に供給された冷媒に混ざる。従って、圧縮機に吸入されるべき冷媒（吸入冷媒）の過熱度を適正な過熱度まで下げることができる。これにより、容積制御圧縮機の圧縮動力の増加を防止できる。その結果、冷凍サイクルの成績係数（ＣＯＰ）が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態に係る冷凍サイクル装置の構成図
【図２】図１に示す冷凍サイクル装置に使用された容積制御圧縮機の概略横断面図
【図３】変形例１に係る冷凍サイクル装置の構成図
【図４】変形例２に係る冷凍サイクル装置の構成図
【図５】変形例３に係る冷凍サイクル装置の構成図
【図６】従来の空気調和装置の構成図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。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。
【００１２】
図１に示すように、本実施形態の冷凍サイクル装置１００は、容積制御圧縮機１０１、第１四方弁１０２、第１熱交換器１０３、膨張機構１０４、第２熱交換器１０５及びアキュームレータ１０６を備えている。これらの構成要素は、冷媒回路を形成するように流路１０ａ〜１０ｇによって互いに接続されている。流路１０ａ〜１０ｇは、それぞれ、冷媒配管で構成されている。
【００１３】
第１熱交換器１０３は、圧縮機１０１で圧縮された冷媒を冷却する放熱器又は膨張機構１０４で膨張した冷媒を加熱する蒸発器である。第２熱交換器１０５は、第１熱交換器１０３が放熱器のときに蒸発器であり、第１熱交換器１０３が蒸発器のときに放熱器である。膨張機構１０４は、放熱器で冷却された冷媒を膨張させる機能を有し、典型的には膨張弁で構成されている。膨張機構１０４は、冷媒の膨張エネルギーを回収できる容積式の膨張機で構成されていてもよい。
【００１４】
圧縮機１０１は、密閉型圧縮機であり、密閉容器１、モータ２及び圧縮機構３を備えている。モータ２及び圧縮機構３は、密閉容器１の中に配置されている。密閉容器１は、圧縮機構３で圧縮された冷媒を保持しうる内部空間２８を有する。すなわち、圧縮機１０１は、いわゆる高圧シェル型の圧縮機である。圧縮機構３は、シャフト４によってモータ２に接続されている。圧縮機構３は、容積式の流体機構であり、冷媒を圧縮するようにモータ２によって動かされる。
【００１５】
図２に示すように、圧縮機構３は、吸入口２７、吐出口２９、圧縮室２５、圧縮室２５に開口しているバイパス吐出口１６及びバイパス吐出口１６を開閉するバイパス吐出弁３５を備えている。高容積モードで圧縮機１０１を運転するとき、吸入口２７から圧縮室２５に吸入された冷媒の全量が圧縮室２５で圧縮され、吐出口２９を通じて密閉容器１の内部空間２８に吐出される。他方、低容積モードで圧縮機１０１を運転するとき、吸入口２７から圧縮室２５に吸入された冷媒の一部がバイパス吐出弁３５を押し開いてバイパス吐出口１６を通じて圧縮室２５から吐出される。高容積モードと低容積モードとを切り替えることによって、圧縮機１０１の吸入容積が変更される。
【００１６】
詳細には、低容積モードで圧縮機１０１を運転するとき、吸入口２７から圧縮室２５に吸入された冷媒の一部が吸入圧力を維持しつつ（実質的に圧縮されることなく）、バイパス吐出口１６を通じて圧縮室２５から吐出される。吸入口２７から圧縮室２５に吸入された冷媒の残部が圧縮室２５で圧縮され、吐出口２９を通じて圧縮室２５から吐出される。バイパス吐出口１６を通じて圧縮室２５から吐出された冷媒は、後述するように、吸入経路としての流路１０ｆに戻される。従って、圧縮機１０１によって不要な圧縮仕事が行われない。
【００１７】
バイパス吐出弁３５は、リード３６及び弁止め３７を含むリード弁で構成されている。リード３６及び弁止め３７は、ネジ、ボルト等の固定部品３８によってシリンダ５に固定されている。バイパス吐出弁３５は、リード３６の表面と裏面との間の圧力差によって開閉する。本明細書で説明するいくつかの吐出弁は、いずれも、リード弁で構成されうる。
【００１８】
また、圧縮機構３は、シリンダ５、ピストン８、ベーン９及びバネ１０を備えている。シリンダ５の上部及び下部には、それぞれ、シリンダ５を閉じるように上軸受及び下軸受が配置されている（図示省略）。シリンダ５の内部に圧縮室２５が形成されるように、シャフト４の偏心部４ａに嵌め合わされたピストン８がシリンダ５の内部に配置されている。シリンダ５には、ベーン溝２４が形成されている。ベーン溝２４には、ピストン８の外周面に接する先端を有するベーン９が収納されている。バネ１０は、ベーン９をピストン８に向かって押すようにベーン溝２４に配置されている。シリンダ５とピストン８との間の圧縮室２５はベーン９によって仕切られ、これにより、吸入室２５ａ及び圧縮−吐出室２５ｂが形成されている。圧縮するべき冷媒は、流路１０ｇ及び吸入口２７を通じて圧縮室２５（吸入室２５ａ）に導かれる。圧縮された冷媒は、吐出口２９を通じて、圧縮室２５（圧縮−吐出室２５ｂ）から密閉容器１の内部空間２８に導かれる。吐出口２９には、図示しない吐出弁が設けられている。なお、ベーン９は、ピストン８に一体化されていてもよい。すなわち、ピストン８及びベーン９がいわゆるスイングピストンで構成されていてもよい。
【００１９】
本実施形態では、低容積モードでの吸入容積が高容積モードでの吸入容積の１／２となるようにバイパス吐出口１６の位置が定められている。ただし、バイパス吐出口１６の位置は限定されず、低容積モードで必要とされる吸入容積に応じて定められる。また、２以上のバイパス吐出口１６が設けられていてもよい。この場合、複数の吸入容積の中から選ばれる１つの吸入容積にて圧縮機１０１を運転できる。
【００２０】
本実施形態では、圧縮機１０１がロータリ圧縮機であるが、吸入容積を変更できる限りにおいて圧縮機１０１の型式は特に限定されない。特許文献１（特開２００８−２４０６９９号公報）に記載されたスクロール圧縮機、レシプロ圧縮機等の他の型式の圧縮機を使用できる。また、本発明者らが特願２０１１−１１７７７８号で開示するように、吸入容積を変更できる２段ロータリ圧縮機にも本発明を適用できる。
【００２１】
図１に示すように、流路１０ａは、圧縮機１０１で圧縮された冷媒を圧縮室２５から放熱器（第１熱交換器１０３又は第２熱交換器１０５）に導く吐出経路を形成している。流路１０ｆ、アキュームレータ１０６及び流路１０ｇは、圧縮するべき冷媒を蒸発器（第１熱交換器１０３又は第２熱交換器１０５）から圧縮室２５に導く吸入経路を形成している。
【００２２】
冷凍サイクル装置１００は、さらに、容積制御経路１１１、第２四方弁１１２、高圧導入経路１１４、インジェクション経路１２１、インジェクション制御弁１２３及び制御装置１１７を備えている。
【００２３】
容積制御経路１１１は、上流部分１１３及び下流部分１１５を含み、バイパス吐出口１６から流路１０ｆ（吸入経路）に冷媒を導く役割を担う。上流部分１１３は、圧縮機１０１のバイパス吐出口１６に接続された一端部と、第２四方弁１１２に接続された他端部とを有する。下流部分１１５は、第２四方弁１１２に接続された一端部と、吸入経路としての流路１０ｆに接続された他端部とを有する。第２四方弁１１２は、圧縮機１０１の吐出圧力及び圧縮機１０１の吸入圧力のいずれかを制御圧力として容積制御経路１１１の上流部分１１３に供給する流路切替部である。高圧導入経路１１４は、第２四方弁１１２に接続された一端部と、流路１０ａに接続された他端部とを有する。インジェクション経路１２１は、容積制御経路１１１が開通しているときに、液相の成分を含んだ冷媒を吸入経路としての流路１０ｆに導く経路である。経路１１１，１１４及び１２１は、それぞれ、冷媒配管で構成されうる。
【００２４】
本実施形態では、１つの接続口が封鎖された第２四方弁１１２を流路切替部として使用して、吸入経路としての流路１０ｆに接続された容積制御経路１１１における冷媒の流れを制御している。しかし、圧縮機１０１のバイパス吐出口１６から吸入経路に冷媒を導くようにバイパス吐出口１６に接続され、冷凍サイクル装置１００の負荷が小さいときに開通し、負荷が大きいときに閉鎖される限りにおいて、容積制御経路の構成は限定されない。
【００２５】
制御装置１１７は、冷凍サイクル装置１００の負荷に応じて圧縮機１０１の吸入容積が増加又は減少するように第２四方弁１１２を制御する。具体的に、制御装置１１７は、負荷が小さい場合には、容積制御経路１１１が開通するように第２四方弁１１２を制御し、負荷が大きい場合には、容積制御経路１１１が閉鎖されるように第２四方弁１１２を制御する。詳細には、制御装置１１７は、負荷が小さい場合には、容積制御経路１１１において、上流部分１１３と下流部分１１５とが連通するように第２四方弁１１２を制御し、負荷が大きい場合には、容積制御経路１１１の上流部分１１３に高圧導入経路１１４が接続されるように第２四方弁１１２を制御する。制御装置１１７は、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）で構成されうる。制御装置１１７は、圧縮機１０１のモータ２を制御する駆動回路を含んでいてもよい。
【００２６】
次に、冷凍サイクル装置１００の運転を説明する。
【００２７】
圧縮機１０１のモータ２を始動すると、圧縮機１０１は、流路１０ｇ（吸入経路）を通じて低圧のガス冷媒を吸入し、圧縮する。高圧のガス冷媒は、密閉容器１の内部空間２８に吐出され、密閉容器１の内部空間２８、流路１０ａ、第１四方弁１０２及び流路１０ｂを経て、第１熱交換器１０３（放熱器）へと導かれる。第１熱交換器１０３において、冷媒は冷却され、凝縮する。高圧の液冷媒は、流路１０ｃを通じて、第１熱交換器１０３から膨張機構１０４に導かれ、膨張機構１０４の働きによって減圧される。気液二相の冷媒は、流路１０ｄを通じて、膨張機構１０４から第２熱交換器１０５（蒸発器）に導かれ、第２熱交換器１０５で加熱され、蒸発する。ガス冷媒は、流路１０ｅ、第１四方弁１０２、流路１０ｆ、アキュームレータ１０６及び流路１０ｇを通じて、圧縮機１０１に再び吸入される。
【００２８】
圧縮機１０１は、吐出圧力及び吸入圧力を利用して吸入容積を変更するように構成されている。高圧導入経路１１４が容積制御経路１１１の上流部分１１３に連通するように第２四方弁１１２が維持されているとき、容積制御経路１１１の上流部分１１３には圧縮機１０１の吐出圧力が供給される。この場合、バイパス吐出弁３５は閉じられるので、圧縮機１０１は相対的に大きい吸入容積で運転される（高容積モード）。
【００２９】
冷凍サイクル装置１００の負荷が減少すると、インバータによって圧縮機１０１のモータ２の回転数が減らされる。これにより、冷凍サイクル装置１００の能力が減少し、効率的な運転が行われる。しかし、負荷がさらに減少すると、モータ２の回転数が下限値に到達し、それ以上の能力追従が困難になる。
【００３０】
より低い能力での運転が必要な場合、制御装置１１７は、容積制御経路１１１が流路１０ｆに連通するように第２四方弁１１２を切り替える。容積制御経路１１１の上流部分１１３が高圧導入経路１１４から切り離され、容積制御経路１１１が開通する。すなわち、上流部分１１３と下流部分１１５とが連通する。その結果、容積制御経路１１１の上流部分１１３には圧縮機１０１の吸入圧力が供給される。バイパス吐出弁３５には、圧縮機１０１の吸入圧力が作用する。この場合、圧縮室２５の容積減少時に圧縮室２５内の冷媒がピストン８によって押しのけられることに伴い、バイパス吐出弁３５が開く。バイパス吐出弁３５が開いてバイパス吐出口１６と圧縮室２５とが連通している期間において、圧縮室２５に吸入された冷媒は、容積制御経路１１１の上流部分１１３、第２四方弁１１２及び容積制御経路１１１の下流部分１１５を通じて、流路１０ｆに戻される。すなわち、圧縮機１０１は相対的に小さい吸入容積で運転される（低容積モード）。
【００３１】
圧縮機１０１の回転数が一定であると仮定すると、低容積モードでの圧縮機１０１からの冷媒吐出量は、高容積モードでの冷媒吐出量よりも少ない。従って、運転モードを高容積モードと低容積モードとの間で切り替えることによって、能力追従可能な範囲、特に下限値が拡大する。
【００３２】
インジェクション経路１２１は、流路１０ｄを流路１０ｆに接続するように構成されている。流路１０ｄは、膨張機構１０４と第２熱交換器１０５とを接続している流路である。流路１０ｆは、第１四方弁１０２とアキュームレータ１０６とを接続している流路である。インジェクション経路１２１には、流路１０ｄに比較的近い位置にインジェクション制御弁１２３が設けられている。
【００３３】
圧縮機１０１が低容積モードで動作しているとき、容積制御経路１１１を通じて、圧縮機１０１から流路１０ｆに高い過熱度のガス冷媒が戻され、アキュームレータ１０６に流入する。高容積モードから低容積モードへの切り替えに伴って、制御装置１１７は、インジェクション制御弁１２３を開くための制御を実行する。インジェクション制御弁１２３を開くと、インジェックション経路１２１を通じて、液相の成分を含んだ冷媒（気液二相冷媒）が流路１０ｆに導かれる。これにより、アキュームレータ１０６の内部において、液冷媒が高い過熱度のガス冷媒に接触して気化し、蒸発潜熱によって高い過熱度のガス冷媒を適正な過熱度まで冷却する。結果として、容積制御圧縮機１０１の圧縮動力の増加を防止できる。冷凍サイクル装置１００の成績係数（ＣＯＰ）も向上する。なお、低容積モードから高容積モードへの切り替えに伴って、制御装置１１７は、インジェクション制御弁１２３を閉じるための制御を実行する。
【００３４】
本実施形態によれば、インジェクション制御弁１２３を使用して、インジェクション経路１２１を通じて流路１０ｆに導かれる冷媒の量（液インジェクション量）を調節することができる。つまり、圧縮機１０１に吸入されるべき冷媒（吸入冷媒）の過熱度を比較的自由に調節できる。インジェクション制御弁１２３は、開度を変更できる弁、例えば、電動膨張弁であることが好ましい。制御装置１１７は、吸入冷媒の過熱度が適切な温度範囲内に収まるように、インジェクション制御弁１２３の開度を制御する。「適切な温度範囲」は、例えば、飽和蒸気温度から＋２℃〜＋５℃の範囲である。なお、吸入冷媒の過熱度は、圧縮機１０１の吸入経路である流路１０ｇの温度を計測したり、圧縮機１０１の吐出温度（吐出冷媒の温度）から推定したりすることができる。当業者に知られているように、吸入冷媒の過熱度は、吐出温度、蒸発温度及び凝縮温度から推定することができる。従って、冷凍サイクル装置１００は、吐出温度を計測する吐出温度センサ、蒸発温度を計測する蒸発温度センサ、及び凝縮温度を測定する凝縮温度センサを備えていてもよい。各センサによって計測された温度を用いて、制御装置１１７によって吸入冷媒の過熱度が特定される。
【００３５】
また、制御装置１１７は、吸入冷媒の過熱度が高すぎる場合には、インジェクション経路１２１を通じて流路１０ｆ（吸入経路）に導かれる冷媒の量が増加するようにインジェクション制御弁１２３を制御する。つまり、インジェクション制御弁１２３の開度を拡大する。他方、制御装置１１７は、吸入冷媒の過熱度が低すぎる場合には、インジェクション経路１２１を通じて流路１０ｆ（吸入経路）に導かれる冷媒の量が減少するようにインジェクション制御弁１２３を制御する。つまり、インジェクション制御弁１２３の開度を縮小する。このようにすれば、圧縮機１０１の圧縮動力の増加を防止できることはもとより、より多くの液冷媒を蒸発器に供給できるので、冷凍サイクル装置１００の能力の低下を抑制できる。
【００３６】
本実施形態において、容積制御経路１１１は、アキュームレータ１０６の上流側で吸入経路（流路１０ｆ）に接続されている。インジェクション経路１２１は、アキュームレータ１０６の上流側で吸入経路（流路１０ｆ）に接続されている。ただし、容積制御経路１１１がアキュームレータ１０６に接続されていてもよい。インジェクション経路１２１がアキュームレータ１０６に接続されていてもよい。どのような組み合わせの構成を採用したとしても、ガス冷媒及び液冷媒がアキュームレータ１０６の中で混ざるので、過熱度を下げる効果を得ることができる。さらに、アキュームレータ１０６は省略可能である。アキュームレータ１０６が省略されていたとしても、ガス冷媒と液冷媒とが混ざって過熱度を下げる効果は得られる。例えば、スクロール圧縮機を用いた冷凍サイクル装置にはアキュームレータが設けられていないことが多い。
【００３７】
本実施形態において、インジェクション経路１２１は、蒸発器（第１熱交換器１０３又は第２熱交換器１０５）をバイパスすることによって液相の成分を含んだ冷媒が吸入経路（流路１０ｆ）に導かれるように流路１０ｄに接続されている。ただし、液相の成分を含んだ冷媒を吸入経路に供給できる限りにおいて、インジェクション経路１２１の始端部の位置は特に限定されない。例えば、インジェクション経路１２１は、流路１０ｃに接続されていてもよい。つまり、インジェクション経路１２１は、高圧経路及び低圧経路のどちらに接続されていてもよい。ここで、高圧経路は、放熱器（第１熱交換器１０３又は第２熱交換器１０５）で冷却された冷媒を膨張機構１０４へと導く経路である。低圧経路は、膨張機構１０４で膨張した冷媒を蒸発器（第１熱交換器１０３又は第２熱交換器１０５）に導く経路である。さらに、インジェクション経路１２１は、高圧経路及び低圧経路の両方に接続されていてもよい。この場合、高圧経路に接続された部分（第１分岐部分）と低圧経路に接続された部分（第２分岐部分）とのそれぞれにインジェクション制御弁１２３が設けられていてもよい。液冷媒を吸入経路に供給する観点において、インジェクション経路１２１の始端部が高圧経路に接続されていることが好ましい。なお、冷凍サイクル装置１００を空気調和装置に適用した場合、流路１０ｃ及び１０ｄにおける冷媒の状態は、冷房時と暖房時とで逆転する。
【００３８】
（変形例１）
図３に示すように、変形例１に係る冷凍サイクル装置２００は、インジェクション制御弁１２３に代えて、インジェクション経路１２１に設けられた固定絞り機構１２５を備えている。固定絞り機構１２５は、典型的には、キャピラリーチューブ１２５である。以下、先の実施形態又は変形例と後の実施形態又は変形例とで共通する構成要素には同一の参照符号を付し、その説明を省略する。
【００３９】
キャピラリーチューブ１２５は、圧縮機１０１の吸入冷媒の過熱度を２℃以上に保持しうる量の冷媒（液相の成分）をインジェクション経路１２１に流すように構成されている。詳細には、冷凍サイクル装置１００の全ての運転条件において、圧縮機１０１の吸入冷媒の過熱度を２℃以上に保持しうる量の冷媒（液相の成分）がインジェクション経路１２１を通じて吸入経路に供給されるように、キャピラリーチューブ１２５の内径及び長さが調節されている。低容積モードにおけるモータ２の回転数の下限値は設計で決められている（例えば、１０Ｈｚ）。このとき、容積制御経路１１１の冷媒の流量が最も少ない。つまり、冷凍サイクル装置２００が最も低い能力で運転されているときに２℃以上の過熱度が確保されるようにキャピラリーチューブ１２５を設計する。そのようにすれば、全ての運転条件において、吸入冷媒が湿り蒸気となることを回避できる。高容積モードにおいても気液二相冷媒が流路１０ｆに供給されるものの、その量は僅かである。従って、高容積モードにおいて、吸入冷媒が湿り蒸気となるおそれはない。
【００４０】
変形例１によれば、図１を参照して説明したインジェクション制御弁１２３を安価なキャピラリーチューブ１２５で代替することができる。そのため、コストを抑制しながら、高い成績係数（ＣＯＰ）を発揮しうる冷凍サイクル装置２００を提供できる。
【００４１】
（変形例２）
図４に示すように、変形例２に係る冷凍サイクル装置３００は、流路１０ｃ及び流路１０ｄの両方に接続されたインジェクション経路１２１と、２つのキャピラリーチューブ１２５とを備えている点で変形例１に係る冷凍サイクル装置２００と相違する。つまり、インジェクション経路１２１は、高圧経路及び低圧経路から選ばれる一方に接続された第１分岐部分１２１ａと、高圧経路及び低圧経路から選ばれる他方に接続された第２分岐部分１２１ｂとを含む。高圧経路は、放熱器で冷却された冷媒を膨張機構１０４へと導く経路である。低圧経路は、膨張機構１０４で膨張した冷媒を蒸発器に導く経路である。第１分岐部分１２１ａ及び第２分岐部分１２１ｂのそれぞれにキャピラリーチューブ１２５が設けられている。
【００４２】
変形例１で説明したように、詳細には、冷凍サイクル装置３００の全ての運転条件において、圧縮機１０１の吸入冷媒の過熱度を２℃以上に保持しうる量の冷媒（液相の成分）がインジェクション経路１２１を通じて吸入経路に供給されるように、各キャピラリーチューブ１２５の内径及び長さが調節されている。
【００４３】
変形例２によれば、第１四方弁１０２で冷媒の流れ方向を切り替えた場合において、２つのキャピラリーチューブ１２５の一方が高圧経路に接続され、他方が低圧経路に接続される。低圧経路に接続されたキャピラリーチューブ１２５には殆ど冷媒が流れず、高圧経路に接続されたキャピラリーチューブ１２５には液相の成分を含んだ冷媒が流れる。そのため、第１四方弁１０２で冷房と暖房を切り替えた場合において、冷房時に高圧経路に接続されるべきキャピラリーチューブ１２５と、暖房時に高圧経路に接続されるべきキャピラリーチューブ１２５とが相違する。従って、各運転に適したインジェクション量が達成されるようにキャピラリーチューブ１２５を設計できる。すなわち、圧縮機１０１の吸入冷媒の過熱度を成績係数（ＣＯＰ）の観点で望ましい範囲に設定できるため、高い成績係数（ＣＯＰ）を発揮しうる冷凍サイクル装置３００を提供できる。
【００４４】
（変形例３）
図５に示すように、変形例３に係る冷凍サイクル装置４００は、変形例２に係る冷凍サイクル装置３００の構成に加え、インジェクション経路１２１に設けられたインジェクション開閉弁１２７をさらに備えている。
【００４５】
図５において、インジェクション経路１２１は、キャピラリーチューブ１２５（固定絞り機構）から見てインジェクション経路１２１の下流側に位置している。つまり、インジェクション開閉弁１２７は、キャピラリーチューブ１２５よりも流路１０ｆの近くに位置している。この構成によれば、１つのインジェクション開閉弁１２７でインジェクション経路１２１の開閉を切り替えることができる。ただし、インジェクション開閉弁１２７の位置は特に限定されない。インジェクション開閉弁１２７は、キャピラリーチューブ１２５よりも流路１０ｃ又は１０ｄの近くに位置していてもよい。この場合、第１分岐部分１２１ａ及び第２分岐部分１２１ｂのそれぞれにインジェクション開閉弁１２７を設けることができる。２つのインジェクション開閉弁１２７が必要になるものの、キャピラリーチューブ１２５に冷媒が滞留することを防止できる。
【００４６】
インジェクション開閉弁１２７は、例えば、流路を開閉する機能を有する電磁弁で構成されている。制御装置１１７によって、インジェクション開閉弁１２７を制御し、これにより、インジェクション経路１２１の開閉を切り替えることができる。インジェクション開閉弁１２７は、冷媒を膨張させる機能を持っていてもよいし、持っていなくてもよい。
【００４７】
冷凍サイクル装置４００が高容積モードで運転されているとき、流路１０ｆに液冷媒を供給する必要はない。制御装置１１７によってインジェクション開閉弁１２７を閉じることで、高容積モードでは必要のない液冷媒の短絡を防止できる。低容積モードでの運転条件に特化する形で、圧縮機１０１の吸入冷媒の過熱度が適正な値になるようにキャピラリーチューブ１２５を設計できる。そのため、吸入冷媒の過熱度を成績係数（ＣＯＰ）の観点で望ましい範囲に調節できる。その結果、高い成績係数（ＣＯＰ）を発揮しうる冷凍サイクル装置４００を提供できる。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明の冷凍サイクル装置は、空調機、冷凍機、暖房機、給湯機等に有用である。
【符号の説明】
【００４９】
１ 密閉容器
２ モータ
３ 圧縮機構
４ シャフト
１０ａ〜１０ｇ 流路（吸入経路、吐出経路）
１６ バイパス吐出口
２５ 圧縮室
２７ 吸入口
２８ 密閉容器の内部空間
２９ 吐出口
３５ バイパス吐出弁
１００，２００，３００，４００ 冷凍サイクル装置
１０１ 圧縮機
１０３ 第１熱交換器
１０４ 膨張機構
１０５ 第２熱交換器
１１２ 第２四方弁（流路切替部）
１０１ 容積制御圧縮機
１１１ 容積制御経路
１１３ 容積制御経路の上流部分
１１４ 高圧導入経路
１１５ 容積制御経路の下流部分
１１７ 制御装置
１２１ インジェクション経路
１２３ インジェクション制御弁
１２５ キャピラリーチューブ
１２７ インジェクション開閉弁
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷凍サイクル装置に関する。本発明は、特に、容積制御圧縮機を備えた冷凍サイクル装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
吸入容積（排除容積）を変更できる容積制御圧縮機は従来から知られている。圧縮機の容積制御技術は、インバータが広く普及する以前に活発に検討されていたが、高性能のインバータが安価に入手できるようになってからというもの、容積制御技術の重要性は一時的に低下していた。昨今、更なる省エネルギー化を推進するために、圧縮機の容積制御技術が再び脚光を浴び始めている。図６を参照して、容積制御技術の一例を紹介する。
【０００３】
図６は、特許文献１に記載された空気調和装置の構成図である。空気調和装置６００は、容積制御圧縮機６２２、四方弁６２３、室外熱交換器６２４、膨張手段６２５、室内熱交換器６４１、アキュームレータ６２１、バイパス配管６８８、流路切替弁６９０、吸入配管６２８及び吐出配管６３０を備えている。容積制御圧縮機６２２とバイパス配管６８８との接続部には、バイパス吐出弁（図示省略）が設けられている。
【０００４】
空調負荷が小さいとき、流路切替弁６９０によってバイパス配管６８８が吸入配管６２８に接続される。これにより、吸入冷媒の一部がバイパス配管６８８を経て吸入配管６２８に戻され、低容積での運転が可能となる。他方、空調負荷が大きいとき、流路切替弁６９０によってバイパス配管６８８が吐出配管６３０に接続される。このとき、バイパス吐出弁は、吐出圧力の冷媒で閉じられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２４０６９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図６を参照して説明した容積制御を採用する場合、次のような問題が生ずることが予測される。低容積での運転を行う場合、冷媒の一部は、高温の圧縮室及びバイパス配管を通じて、吸入配管に戻される。吸入配管に戻された冷媒の過熱度は比較的高い。高すぎる過熱度を有する冷媒は、吸入配管において、蒸発器から到来した冷媒と混ざる。その結果、高い過熱度を持った冷媒が容積制御圧縮機に吸入される。つまり、吸入冷媒が希薄になり、単位質量の冷媒を圧縮するために必要な動力が増加する。結果として、冷凍サイクル装置の成績係数（ＣＯＰ：coefficient of performance）が低下する。
【０００７】
本発明は、このような課題を解決するもので、高い効率（ＣＯＰ）を発揮しうる冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
すなわち、本発明は、
圧縮室と、前記圧縮室に開口しているバイパス吐出口と、前記バイパス吐出口を開閉するバイパス吐出弁とを有し、前記圧縮室に吸入された冷媒が吸入圧力を維持しつつ前記バイパス吐出口を通じて前記圧縮室から吐出されることによって吸入容積を変更できるように構成された容積制御圧縮機と、
前記圧縮機で圧縮された冷媒を冷却する放熱器と、
前記放熱器で冷却された冷媒を膨張させる膨張機構と、
前記膨張機構で膨張した冷媒を加熱する蒸発器と、
圧縮するべき冷媒を前記蒸発器から前記圧縮機に導く吸入経路と、
前記バイパス吐出口から前記吸入経路に冷媒を導くように前記バイパス吐出口に接続され、当該冷凍サイクル装置の負荷が小さいときに開通し、前記負荷が大きいときに閉鎖される容積制御経路と、
前記容積制御経路が開通しているときに、液相の成分を含んだ冷媒を前記吸入経路に導くインジェクション経路と、
を備えた、冷凍サイクル装置を提供する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の冷凍サイクル装置は、容積制御経路が開通しているときに、液相の成分を含んだ冷媒を吸入経路に導くインジェクション経路を備えている。液相の成分を含んだ冷媒は、容積制御経路を通じてバイパス吐出口から吸入経路に供給された冷媒に混ざる。従って、圧縮機に吸入されるべき冷媒（吸入冷媒）の過熱度を適正な過熱度まで下げることができる。これにより、容積制御圧縮機の圧縮動力の増加を防止できる。その結果、冷凍サイクルの成績係数（ＣＯＰ）が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態に係る冷凍サイクル装置の構成図
【図２】図１に示す冷凍サイクル装置に使用された容積制御圧縮機の概略横断面図
【図３】変形例１に係る冷凍サイクル装置の構成図
【図４】変形例２に係る冷凍サイクル装置の構成図
【図５】変形例３に係る冷凍サイクル装置の構成図
【図６】従来の空気調和装置の構成図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。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。
【００１２】
図１に示すように、本実施形態の冷凍サイクル装置１００は、容積制御圧縮機１０１、第１四方弁１０２、第１熱交換器１０３、膨張機構１０４、第２熱交換器１０５及びアキュームレータ１０６を備えている。これらの構成要素は、冷媒回路を形成するように流路１０ａ〜１０ｇによって互いに接続されている。流路１０ａ〜１０ｇは、それぞれ、冷媒配管で構成されている。
【００１３】
第１熱交換器１０３は、圧縮機１０１で圧縮された冷媒を冷却する放熱器又は膨張機構１０４で膨張した冷媒を加熱する蒸発器である。第２熱交換器１０５は、第１熱交換器１０３が放熱器のときに蒸発器であり、第１熱交換器１０３が蒸発器のときに放熱器である。膨張機構１０４は、放熱器で冷却された冷媒を膨張させる機能を有し、典型的には膨張弁で構成されている。膨張機構１０４は、冷媒の膨張エネルギーを回収できる容積式の膨張機で構成されていてもよい。
【００１４】
圧縮機１０１は、密閉型圧縮機であり、密閉容器１、モータ２及び圧縮機構３を備えている。モータ２及び圧縮機構３は、密閉容器１の中に配置されている。密閉容器１は、圧縮機構３で圧縮された冷媒を保持しうる内部空間２８を有する。すなわち、圧縮機１０１は、いわゆる高圧シェル型の圧縮機である。圧縮機構３は、シャフト４によってモータ２に接続されている。圧縮機構３は、容積式の流体機構であり、冷媒を圧縮するようにモータ２によって動かされる。
【００１５】
図２に示すように、圧縮機構３は、吸入口２７、吐出口２９、圧縮室２５、圧縮室２５に開口しているバイパス吐出口１６及びバイパス吐出口１６を開閉するバイパス吐出弁３５を備えている。高容積モードで圧縮機１０１を運転するとき、吸入口２７から圧縮室２５に吸入された冷媒の全量が圧縮室２５で圧縮され、吐出口２９を通じて密閉容器１の内部空間２８に吐出される。他方、低容積モードで圧縮機１０１を運転するとき、吸入口２７から圧縮室２５に吸入された冷媒の一部がバイパス吐出弁３５を押し開いてバイパス吐出口１６を通じて圧縮室２５から吐出される。高容積モードと低容積モードとを切り替えることによって、圧縮機１０１の吸入容積が変更される。
【００１６】
詳細には、低容積モードで圧縮機１０１を運転するとき、吸入口２７から圧縮室２５に吸入された冷媒の一部が吸入圧力を維持しつつ（実質的に圧縮されることなく）、バイパス吐出口１６を通じて圧縮室２５から吐出される。吸入口２７から圧縮室２５に吸入された冷媒の残部が圧縮室２５で圧縮され、吐出口２９を通じて圧縮室２５から吐出される。バイパス吐出口１６を通じて圧縮室２５から吐出された冷媒は、後述するように、吸入経路としての流路１０ｆに戻される。従って、圧縮機１０１によって不要な圧縮仕事が行われない。
【００１７】
バイパス吐出弁３５は、リード３６及び弁止め３７を含むリード弁で構成されている。リード３６及び弁止め３７は、ネジ、ボルト等の固定部品３８によってシリンダ５に固定されている。バイパス吐出弁３５は、リード３６の表面と裏面との間の圧力差によって開閉する。本明細書で説明するいくつかの吐出弁は、いずれも、リード弁で構成されうる。
【００１８】
また、圧縮機構３は、シリンダ５、ピストン８、ベーン９及びバネ１０を備えている。シリンダ５の上部及び下部には、それぞれ、シリンダ５を閉じるように上軸受及び下軸受が配置されている（図示省略）。シリンダ５の内部に圧縮室２５が形成されるように、シャフト４の偏心部４ａに嵌め合わされたピストン８がシリンダ５の内部に配置されている。シリンダ５には、ベーン溝２４が形成されている。ベーン溝２４には、ピストン８の外周面に接する先端を有するベーン９が収納されている。バネ１０は、ベーン９をピストン８に向かって押すようにベーン溝２４に配置されている。シリンダ５とピストン８との間の圧縮室２５はベーン９によって仕切られ、これにより、吸入室２５ａ及び圧縮−吐出室２５ｂが形成されている。圧縮するべき冷媒は、流路１０ｇ及び吸入口２７を通じて圧縮室２５（吸入室２５ａ）に導かれる。圧縮された冷媒は、吐出口２９を通じて、圧縮室２５（圧縮−吐出室２５ｂ）から密閉容器１の内部空間２８に導かれる。吐出口２９には、図示しない吐出弁が設けられている。なお、ベーン９は、ピストン８に一体化されていてもよい。すなわち、ピストン８及びベーン９がいわゆるスイングピストンで構成されていてもよい。
【００１９】
本実施形態では、低容積モードでの吸入容積が高容積モードでの吸入容積の１／２となるようにバイパス吐出口１６の位置が定められている。ただし、バイパス吐出口１６の位置は限定されず、低容積モードで必要とされる吸入容積に応じて定められる。また、２以上のバイパス吐出口１６が設けられていてもよい。この場合、複数の吸入容積の中から選ばれる１つの吸入容積にて圧縮機１０１を運転できる。
【００２０】
本実施形態では、圧縮機１０１がロータリ圧縮機であるが、吸入容積を変更できる限りにおいて圧縮機１０１の型式は特に限定されない。特許文献１（特開２００８−２４０６９９号公報）に記載されたスクロール圧縮機、レシプロ圧縮機等の他の型式の圧縮機を使用できる。また、本発明者らが特願２０１１−１１７７７８号で開示するように、吸入容積を変更できる２段ロータリ圧縮機にも本発明を適用できる。
【００２１】
図１に示すように、流路１０ａは、圧縮機１０１で圧縮された冷媒を圧縮室２５から放熱器（第１熱交換器１０３又は第２熱交換器１０５）に導く吐出経路を形成している。流路１０ｆ、アキュームレータ１０６及び流路１０ｇは、圧縮するべき冷媒を蒸発器（第１熱交換器１０３又は第２熱交換器１０５）から圧縮室２５に導く吸入経路を形成している。
【００２２】
冷凍サイクル装置１００は、さらに、容積制御経路１１１、第２四方弁１１２、高圧導入経路１１４、インジェクション経路１２１、インジェクション制御弁１２３及び制御装置１１７を備えている。
【００２３】
容積制御経路１１１は、上流部分１１３及び下流部分１１５を含み、バイパス吐出口１６から流路１０ｆ（吸入経路）に冷媒を導く役割を担う。上流部分１１３は、圧縮機１０１のバイパス吐出口１６に接続された一端部と、第２四方弁１１２に接続された他端部とを有する。下流部分１１５は、第２四方弁１１２に接続された一端部と、吸入経路としての流路１０ｆに接続された他端部とを有する。第２四方弁１１２は、圧縮機１０１の吐出圧力及び圧縮機１０１の吸入圧力のいずれかを制御圧力として容積制御経路１１１の上流部分１１３に供給する流路切替部である。高圧導入経路１１４は、第２四方弁１１２に接続された一端部と、流路１０ａに接続された他端部とを有する。インジェクション経路１２１は、容積制御経路１１１が開通しているときに、液相の成分を含んだ冷媒を吸入経路としての流路１０ｆに導く経路である。経路１１１，１１４及び１２１は、それぞれ、冷媒配管で構成されうる。
【００２４】
本実施形態では、１つの接続口が封鎖された第２四方弁１１２を流路切替部として使用して、吸入経路としての流路１０ｆに接続された容積制御経路１１１における冷媒の流れを制御している。しかし、圧縮機１０１のバイパス吐出口１６から吸入経路に冷媒を導くようにバイパス吐出口１６に接続され、冷凍サイクル装置１００の負荷が小さいときに開通し、負荷が大きいときに閉鎖される限りにおいて、容積制御経路の構成は限定されない。
【００２５】
制御装置１１７は、冷凍サイクル装置１００の負荷に応じて圧縮機１０１の吸入容積が増加又は減少するように第２四方弁１１２を制御する。具体的に、制御装置１１７は、負荷が小さい場合には、容積制御経路１１１が開通するように第２四方弁１１２を制御し、負荷が大きい場合には、容積制御経路１１１が閉鎖されるように第２四方弁１１２を制御する。詳細には、制御装置１１７は、負荷が小さい場合には、容積制御経路１１１において、上流部分１１３と下流部分１１５とが連通するように第２四方弁１１２を制御し、負荷が大きい場合には、容積制御経路１１１の上流部分１１３に高圧導入経路１１４が接続されるように第２四方弁１１２を制御する。制御装置１１７は、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）で構成されうる。制御装置１１７は、圧縮機１０１のモータ２を制御する駆動回路を含んでいてもよい。
【００２６】
次に、冷凍サイクル装置１００の運転を説明する。
【００２７】
圧縮機１０１のモータ２を始動すると、圧縮機１０１は、流路１０ｇ（吸入経路）を通じて低圧のガス冷媒を吸入し、圧縮する。高圧のガス冷媒は、密閉容器１の内部空間２８に吐出され、密閉容器１の内部空間２８、流路１０ａ、第１四方弁１０２及び流路１０ｂを経て、第１熱交換器１０３（放熱器）へと導かれる。第１熱交換器１０３において、冷媒は冷却され、凝縮する。高圧の液冷媒は、流路１０ｃを通じて、第１熱交換器１０３から膨張機構１０４に導かれ、膨張機構１０４の働きによって減圧される。気液二相の冷媒は、流路１０ｄを通じて、膨張機構１０４から第２熱交換器１０５（蒸発器）に導かれ、第２熱交換器１０５で加熱され、蒸発する。ガス冷媒は、流路１０ｅ、第１四方弁１０２、流路１０ｆ、アキュームレータ１０６及び流路１０ｇを通じて、圧縮機１０１に再び吸入される。
【００２８】
圧縮機１０１は、吐出圧力及び吸入圧力を利用して吸入容積を変更するように構成されている。高圧導入経路１１４が容積制御経路１１１の上流部分１１３に連通するように第２四方弁１１２が維持されているとき、容積制御経路１１１の上流部分１１３には圧縮機１０１の吐出圧力が供給される。この場合、バイパス吐出弁３５は閉じられるので、圧縮機１０１は相対的に大きい吸入容積で運転される（高容積モード）。
【００２９】
冷凍サイクル装置１００の負荷が減少すると、インバータによって圧縮機１０１のモータ２の回転数が減らされる。これにより、冷凍サイクル装置１００の能力が減少し、効率的な運転が行われる。しかし、負荷がさらに減少すると、モータ２の回転数が下限値に到達し、それ以上の能力追従が困難になる。
【００３０】
より低い能力での運転が必要な場合、制御装置１１７は、容積制御経路１１１が流路１０ｆに連通するように第２四方弁１１２を切り替える。容積制御経路１１１の上流部分１１３が高圧導入経路１１４から切り離され、容積制御経路１１１が開通する。すなわち、上流部分１１３と下流部分１１５とが連通する。その結果、容積制御経路１１１の上流部分１１３には圧縮機１０１の吸入圧力が供給される。バイパス吐出弁３５には、圧縮機１０１の吸入圧力が作用する。この場合、圧縮室２５の容積減少時に圧縮室２５内の冷媒がピストン８によって押しのけられることに伴い、バイパス吐出弁３５が開く。バイパス吐出弁３５が開いてバイパス吐出口１６と圧縮室２５とが連通している期間において、圧縮室２５に吸入された冷媒は、容積制御経路１１１の上流部分１１３、第２四方弁１１２及び容積制御経路１１１の下流部分１１５を通じて、流路１０ｆに戻される。すなわち、圧縮機１０１は相対的に小さい吸入容積で運転される（低容積モード）。
【００３１】
圧縮機１０１の回転数が一定であると仮定すると、低容積モードでの圧縮機１０１からの冷媒吐出量は、高容積モードでの冷媒吐出量よりも少ない。従って、運転モードを高容積モードと低容積モードとの間で切り替えることによって、能力追従可能な範囲、特に下限値が拡大する。
【００３２】
インジェクション経路１２１は、流路１０ｄを流路１０ｆに接続するように構成されている。流路１０ｄは、膨張機構１０４と第２熱交換器１０５とを接続している流路である。流路１０ｆは、第１四方弁１０２とアキュームレータ１０６とを接続している流路である。インジェクション経路１２１には、流路１０ｄに比較的近い位置にインジェクション制御弁１２３が設けられている。
【００３３】
圧縮機１０１が低容積モードで動作しているとき、容積制御経路１１１を通じて、圧縮機１０１から流路１０ｆに高い過熱度のガス冷媒が戻され、アキュームレータ１０６に流入する。高容積モードから低容積モードへの切り替えに伴って、制御装置１１７は、インジェクション制御弁１２３を開くための制御を実行する。インジェクション制御弁１２３を開くと、インジェックション経路１２１を通じて、液相の成分を含んだ冷媒（気液二相冷媒）が流路１０ｆに導かれる。これにより、アキュームレータ１０６の内部において、液冷媒が高い過熱度のガス冷媒に接触して気化し、蒸発潜熱によって高い過熱度のガス冷媒を適正な過熱度まで冷却する。結果として、容積制御圧縮機１０１の圧縮動力の増加を防止できる。冷凍サイクル装置１００の成績係数（ＣＯＰ）も向上する。なお、低容積モードから高容積モードへの切り替えに伴って、制御装置１１７は、インジェクション制御弁１２３を閉じるための制御を実行する。
【００３４】
本実施形態によれば、インジェクション制御弁１２３を使用して、インジェクション経路１２１を通じて流路１０ｆに導かれる冷媒の量（液インジェクション量）を調節することができる。つまり、圧縮機１０１に吸入されるべき冷媒（吸入冷媒）の過熱度を比較的自由に調節できる。インジェクション制御弁１２３は、開度を変更できる弁、例えば、電動膨張弁であることが好ましい。制御装置１１７は、吸入冷媒の過熱度が適切な温度範囲内に収まるように、インジェクション制御弁１２３の開度を制御する。「適切な温度範囲」は、例えば、飽和蒸気温度から＋２℃〜＋５℃の範囲である。なお、吸入冷媒の過熱度は、圧縮機１０１の吸入経路である流路１０ｇの温度を計測したり、圧縮機１０１の吐出温度（吐出冷媒の温度）から推定したりすることができる。当業者に知られているように、吸入冷媒の過熱度は、吐出温度、蒸発温度及び凝縮温度から推定することができる。従って、冷凍サイクル装置１００は、吐出温度を計測する吐出温度センサ、蒸発温度を計測する蒸発温度センサ、及び凝縮温度を測定する凝縮温度センサを備えていてもよい。各センサによって計測された温度を用いて、制御装置１１７によって吸入冷媒の過熱度が特定される。
【００３５】
また、制御装置１１７は、吸入冷媒の過熱度が高すぎる場合には、インジェクション経路１２１を通じて流路１０ｆ（吸入経路）に導かれる冷媒の量が増加するようにインジェクション制御弁１２３を制御する。つまり、インジェクション制御弁１２３の開度を拡大する。他方、制御装置１１７は、吸入冷媒の過熱度が低すぎる場合には、インジェクション経路１２１を通じて流路１０ｆ（吸入経路）に導かれる冷媒の量が減少するようにインジェクション制御弁１２３を制御する。つまり、インジェクション制御弁１２３の開度を縮小する。このようにすれば、圧縮機１０１の圧縮動力の増加を防止できることはもとより、より多くの液冷媒を蒸発器に供給できるので、冷凍サイクル装置１００の能力の低下を抑制できる。
【００３６】
本実施形態において、容積制御経路１１１は、アキュームレータ１０６の上流側で吸入経路（流路１０ｆ）に接続されている。インジェクション経路１２１は、アキュームレータ１０６の上流側で吸入経路（流路１０ｆ）に接続されている。ただし、容積制御経路１１１がアキュームレータ１０６に接続されていてもよい。インジェクション経路１２１がアキュームレータ１０６に接続されていてもよい。どのような組み合わせの構成を採用したとしても、ガス冷媒及び液冷媒がアキュームレータ１０６の中で混ざるので、過熱度を下げる効果を得ることができる。さらに、アキュームレータ１０６は省略可能である。アキュームレータ１０６が省略されていたとしても、ガス冷媒と液冷媒とが混ざって過熱度を下げる効果は得られる。例えば、スクロール圧縮機を用いた冷凍サイクル装置にはアキュームレータが設けられていないことが多い。
【００３７】
本実施形態において、インジェクション経路１２１は、蒸発器（第１熱交換器１０３又は第２熱交換器１０５）をバイパスすることによって液相の成分を含んだ冷媒が吸入経路（流路１０ｆ）に導かれるように流路１０ｄに接続されている。ただし、液相の成分を含んだ冷媒を吸入経路に供給できる限りにおいて、インジェクション経路１２１の始端部の位置は特に限定されない。例えば、インジェクション経路１２１は、流路１０ｃに接続されていてもよい。つまり、インジェクション経路１２１は、高圧経路及び低圧経路のどちらに接続されていてもよい。ここで、高圧経路は、放熱器（第１熱交換器１０３又は第２熱交換器１０５）で冷却された冷媒を膨張機構１０４へと導く経路である。低圧経路は、膨張機構１０４で膨張した冷媒を蒸発器（第１熱交換器１０３又は第２熱交換器１０５）に導く経路である。さらに、インジェクション経路１２１は、高圧経路及び低圧経路の両方に接続されていてもよい。この場合、高圧経路に接続された部分（第１分岐部分）と低圧経路に接続された部分（第２分岐部分）とのそれぞれにインジェクション制御弁１２３が設けられていてもよい。液冷媒を吸入経路に供給する観点において、インジェクション経路１２１の始端部が高圧経路に接続されていることが好ましい。なお、冷凍サイクル装置１００を空気調和装置に適用した場合、流路１０ｃ及び１０ｄにおける冷媒の状態は、冷房時と暖房時とで逆転する。
【００３８】
（変形例１）
図３に示すように、変形例１に係る冷凍サイクル装置２００は、インジェクション制御弁１２３に代えて、インジェクション経路１２１に設けられた固定絞り機構１２５を備えている。固定絞り機構１２５は、典型的には、キャピラリーチューブ１２５である。以下、先の実施形態又は変形例と後の実施形態又は変形例とで共通する構成要素には同一の参照符号を付し、その説明を省略する。
【００３９】
キャピラリーチューブ１２５は、圧縮機１０１の吸入冷媒の過熱度を２℃以上に保持しうる量の冷媒（液相の成分）をインジェクション経路１２１に流すように構成されている。詳細には、冷凍サイクル装置１００の全ての運転条件において、圧縮機１０１の吸入冷媒の過熱度を２℃以上に保持しうる量の冷媒（液相の成分）がインジェクション経路１２１を通じて吸入経路に供給されるように、キャピラリーチューブ１２５の内径及び長さが調節されている。低容積モードにおけるモータ２の回転数の下限値は設計で決められている（例えば、１０Ｈｚ）。このとき、容積制御経路１１１の冷媒の流量が最も少ない。つまり、冷凍サイクル装置２００が最も低い能力で運転されているときに２℃以上の過熱度が確保されるようにキャピラリーチューブ１２５を設計する。そのようにすれば、全ての運転条件において、吸入冷媒が湿り蒸気となることを回避できる。高容積モードにおいても気液二相冷媒が流路１０ｆに供給されるものの、その量は僅かである。従って、高容積モードにおいて、吸入冷媒が湿り蒸気となるおそれはない。
【００４０】
変形例１によれば、図１を参照して説明したインジェクション制御弁１２３を安価なキャピラリーチューブ１２５で代替することができる。そのため、コストを抑制しながら、高い成績係数（ＣＯＰ）を発揮しうる冷凍サイクル装置２００を提供できる。
【００４１】
（変形例２）
図４に示すように、変形例２に係る冷凍サイクル装置３００は、流路１０ｃ及び流路１０ｄの両方に接続されたインジェクション経路１２１と、２つのキャピラリーチューブ１２５とを備えている点で変形例１に係る冷凍サイクル装置２００と相違する。つまり、インジェクション経路１２１は、高圧経路及び低圧経路から選ばれる一方に接続された第１分岐部分１２１ａと、高圧経路及び低圧経路から選ばれる他方に接続された第２分岐部分１２１ｂとを含む。高圧経路は、放熱器で冷却された冷媒を膨張機構１０４へと導く経路である。低圧経路は、膨張機構１０４で膨張した冷媒を蒸発器に導く経路である。第１分岐部分１２１ａ及び第２分岐部分１２１ｂのそれぞれにキャピラリーチューブ１２５が設けられている。
【００４２】
変形例１で説明したように、詳細には、冷凍サイクル装置３００の全ての運転条件において、圧縮機１０１の吸入冷媒の過熱度を２℃以上に保持しうる量の冷媒（液相の成分）がインジェクション経路１２１を通じて吸入経路に供給されるように、各キャピラリーチューブ１２５の内径及び長さが調節されている。
【００４３】
変形例２によれば、第１四方弁１０２で冷媒の流れ方向を切り替えた場合において、２つのキャピラリーチューブ１２５の一方が高圧経路に接続され、他方が低圧経路に接続される。低圧経路に接続されたキャピラリーチューブ１２５には殆ど冷媒が流れず、高圧経路に接続されたキャピラリーチューブ１２５には液相の成分を含んだ冷媒が流れる。そのため、第１四方弁１０２で冷房と暖房を切り替えた場合において、冷房時に高圧経路に接続されるべきキャピラリーチューブ１２５と、暖房時に高圧経路に接続されるべきキャピラリーチューブ１２５とが相違する。従って、各運転に適したインジェクション量が達成されるようにキャピラリーチューブ１２５を設計できる。すなわち、圧縮機１０１の吸入冷媒の過熱度を成績係数（ＣＯＰ）の観点で望ましい範囲に設定できるため、高い成績係数（ＣＯＰ）を発揮しうる冷凍サイクル装置３００を提供できる。
【００４４】
（変形例３）
図５に示すように、変形例３に係る冷凍サイクル装置４００は、変形例２に係る冷凍サイクル装置３００の構成に加え、インジェクション経路１２１に設けられたインジェクション開閉弁１２７をさらに備えている。
【００４５】
図５において、インジェクション経路１２１は、キャピラリーチューブ１２５（固定絞り機構）から見てインジェクション経路１２１の下流側に位置している。つまり、インジェクション開閉弁１２７は、キャピラリーチューブ１２５よりも流路１０ｆの近くに位置している。この構成によれば、１つのインジェクション開閉弁１２７でインジェクション経路１２１の開閉を切り替えることができる。ただし、インジェクション開閉弁１２７の位置は特に限定されない。インジェクション開閉弁１２７は、キャピラリーチューブ１２５よりも流路１０ｃ又は１０ｄの近くに位置していてもよい。この場合、第１分岐部分１２１ａ及び第２分岐部分１２１ｂのそれぞれにインジェクション開閉弁１２７を設けることができる。２つのインジェクション開閉弁１２７が必要になるものの、キャピラリーチューブ１２５に冷媒が滞留することを防止できる。
【００４６】
インジェクション開閉弁１２７は、例えば、流路を開閉する機能を有する電磁弁で構成されている。制御装置１１７によって、インジェクション開閉弁１２７を制御し、これにより、インジェクション経路１２１の開閉を切り替えることができる。インジェクション開閉弁１２７は、冷媒を膨張させる機能を持っていてもよいし、持っていなくてもよい。
【００４７】
冷凍サイクル装置４００が高容積モードで運転されているとき、流路１０ｆに液冷媒を供給する必要はない。制御装置１１７によってインジェクション開閉弁１２７を閉じることで、高容積モードでは必要のない液冷媒の短絡を防止できる。低容積モードでの運転条件に特化する形で、圧縮機１０１の吸入冷媒の過熱度が適正な値になるようにキャピラリーチューブ１２５を設計できる。そのため、吸入冷媒の過熱度を成績係数（ＣＯＰ）の観点で望ましい範囲に調節できる。その結果、高い成績係数（ＣＯＰ）を発揮しうる冷凍サイクル装置４００を提供できる。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明の冷凍サイクル装置は、空調機、冷凍機、暖房機、給湯機等に有用である。
【符号の説明】
【００４９】
１ 密閉容器
２ モータ
３ 圧縮機構
４ シャフト
１０ａ〜１０ｇ 流路（吸入経路、吐出経路）
１６ バイパス吐出口
２５ 圧縮室
２７ 吸入口
２８ 密閉容器の内部空間
２９ 吐出口
３５ バイパス吐出弁
１００，２００，３００，４００ 冷凍サイクル装置
１０１ 圧縮機
１０３ 第１熱交換器
１０４ 膨張機構
１０５ 第２熱交換器
１１２ 第２四方弁（流路切替部）
１０１ 容積制御圧縮機
１１１ 容積制御経路
１１３ 容積制御経路の上流部分
１１４ 高圧導入経路
１１５ 容積制御経路の下流部分
１１７ 制御装置
１２１ インジェクション経路
１２３ インジェクション制御弁
１２５ キャピラリーチューブ
１２７ インジェクション開閉弁
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮室と、前記圧縮室に開口しているバイパス吐出口と、前記バイパス吐出口を開閉するバイパス吐出弁とを有し、前記圧縮室に吸入された冷媒が吸入圧力を維持しつつ前記バイパス吐出口を通じて前記圧縮室から吐出されることによって吸入容積を変更できるように構成された容積制御圧縮機と、
前記圧縮機で圧縮された冷媒を冷却する放熱器と、
前記放熱器で冷却された冷媒を膨張させる膨張機構と、
前記膨張機構で膨張した冷媒を加熱する蒸発器と、
圧縮するべき冷媒を前記蒸発器から前記圧縮機に導く吸入経路と、
前記バイパス吐出口から前記吸入経路に冷媒を導くように前記バイパス吐出口に接続され、当該冷凍サイクル装置の負荷が小さいときに開通し、前記負荷が大きいときに閉鎖される容積制御経路と、
前記容積制御経路が開通しているときに、液相の成分を含んだ冷媒を前記吸入経路に導くインジェクション経路と、
を備えた、冷凍サイクル装置。
【請求項２】
前記インジェクション経路に設けられ、前記インジェクション経路を通じて前記吸入経路に導かれる冷媒の量を調節するインジェクション制御弁をさらに備えた、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項３】
前記圧縮機に吸入されるべき冷媒の過熱度が高すぎる場合には、前記インジェクション経路を通じて前記吸入経路に導かれる冷媒の量が増加するように前記インジェクション制御弁を制御し、前記圧縮機に吸入されるべき冷媒の過熱度が低すぎる場合には、前記インジェクション経路を通じて前記吸入経路に導かれる冷媒の量が減少するように前記インジェクション制御弁を制御する制御装置をさらに備えた、請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項４】
前記インジェクション経路に設けられた固定絞り機構をさらに備えた、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項５】
前記固定絞り機構は、前記圧縮機に吸入されるべき冷媒の過熱度を２℃以上に保持しうる量の前記液相の成分を前記インジェクション経路に流すように構成されている、請求項４に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項６】
前記インジェクション経路に設けられたインジェクション開閉弁をさらに備えた、請求項５に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項７】
前記吸入経路に設けられたアキュームレータをさらに備え、
前記容積制御経路が、前記アキュームレータの上流側で前記吸入経路に接続されている、又は前記アキュームレータに接続されており、
前記インジェクション経路が、前記アキュームレータの上流側で前記吸入経路に接続されている、又は前記アキュームレータに接続されている、請求項１〜６のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項８】
前記放熱器で冷却された冷媒を前記膨張機構へと導く高圧経路と、
前記膨張機構で膨張した冷媒を前記蒸発器に導く低圧経路と、
をさらに備え、
前記インジェクション経路は、前記蒸発器をバイパスすることによって液相の成分を含んだ冷媒が前記吸入経路に導かれるように前記高圧経路及び前記低圧経路から選ばれる少なくとも１つに接続されている、請求項１〜７のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項１】
圧縮室と、前記圧縮室に開口しているバイパス吐出口と、前記バイパス吐出口を開閉するバイパス吐出弁とを有し、前記圧縮室に吸入された冷媒が吸入圧力を維持しつつ前記バイパス吐出口を通じて前記圧縮室から吐出されることによって吸入容積を変更できるように構成された容積制御圧縮機と、
前記圧縮機で圧縮された冷媒を冷却する放熱器と、
前記放熱器で冷却された冷媒を膨張させる膨張機構と、
前記膨張機構で膨張した冷媒を加熱する蒸発器と、
圧縮するべき冷媒を前記蒸発器から前記圧縮機に導く吸入経路と、
前記バイパス吐出口から前記吸入経路に冷媒を導くように前記バイパス吐出口に接続され、当該冷凍サイクル装置の負荷が小さいときに開通し、前記負荷が大きいときに閉鎖される容積制御経路と、
前記容積制御経路が開通しているときに、液相の成分を含んだ冷媒を前記吸入経路に導くインジェクション経路と、
を備えた、冷凍サイクル装置。
【請求項２】
前記インジェクション経路に設けられ、前記インジェクション経路を通じて前記吸入経路に導かれる冷媒の量を調節するインジェクション制御弁をさらに備えた、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項３】
前記圧縮機に吸入されるべき冷媒の過熱度が高すぎる場合には、前記インジェクション経路を通じて前記吸入経路に導かれる冷媒の量が増加するように前記インジェクション制御弁を制御し、前記圧縮機に吸入されるべき冷媒の過熱度が低すぎる場合には、前記インジェクション経路を通じて前記吸入経路に導かれる冷媒の量が減少するように前記インジェクション制御弁を制御する制御装置をさらに備えた、請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項４】
前記インジェクション経路に設けられた固定絞り機構をさらに備えた、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項５】
前記固定絞り機構は、前記圧縮機に吸入されるべき冷媒の過熱度を２℃以上に保持しうる量の前記液相の成分を前記インジェクション経路に流すように構成されている、請求項４に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項６】
前記インジェクション経路に設けられたインジェクション開閉弁をさらに備えた、請求項５に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項７】
前記吸入経路に設けられたアキュームレータをさらに備え、
前記容積制御経路が、前記アキュームレータの上流側で前記吸入経路に接続されている、又は前記アキュームレータに接続されており、
前記インジェクション経路が、前記アキュームレータの上流側で前記吸入経路に接続されている、又は前記アキュームレータに接続されている、請求項１〜６のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項８】
前記放熱器で冷却された冷媒を前記膨張機構へと導く高圧経路と、
前記膨張機構で膨張した冷媒を前記蒸発器に導く低圧経路と、
をさらに備え、
前記インジェクション経路は、前記蒸発器をバイパスすることによって液相の成分を含んだ冷媒が前記吸入経路に導かれるように前記高圧経路及び前記低圧経路から選ばれる少なくとも１つに接続されている、請求項１〜７のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１３−９６６０２（Ｐ２０１３−９６６０２Ａ）
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２３７７６３（Ｐ２０１１−２３７７６３）
【出願日】平成２３年１０月２８日（２０１１．１０．２８）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月２８日（２０１１．１０．２８）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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