JP5328697B2 - 二段圧縮機及びヒートポンプ装置 - Google Patents

Description

この発明は、２つの圧縮部を有する二段圧縮機、及び二段圧縮機を備えるヒートポンプ装置に関する。

ロータリ式の圧縮機では、圧縮部は、冷媒を圧縮室に吸入して圧縮し、吐出口から吐出空間へ吐出する。一般に、吐出口には、圧縮室内の圧力と吐出空間の圧力との圧力差によって開く吐出弁が設けられている。特に、板状の弁の一端が固定され、圧縮室内の圧力が吐出空間の圧力よりも高くなった場合に、圧縮室側から弁が押され、たわんで開くリード弁が、吐出弁として設けられているものが多い。

ここで、吐出口の開口面積や、リード弁がたわむ量であるリフト量は、ロータリ式の圧縮機の効率化を図る上で重要な要素である。
ロータリ式の圧縮機では、吐出口の開口面積が小さいと、圧縮した冷媒が吐出しきれず、再圧縮されてしまい、損失が発生する。一方、吐出口の開口面積が大きいと、冷媒を吐出する際、冷媒が吐出口部分に溜まってしまう。吐出口部分に溜まった冷媒は再圧縮され、損失が発生する。
また、ロータリ式の圧縮機では、リード弁のリフト量が小さいと、圧縮した冷媒を吐出する際、リード弁が抵抗となり、損失が発生する。一方、リード弁のリフト量が大きいと、リード弁が閉じるのが遅いため、一旦吐出された冷媒を吐出口から再吸入してしまう。再吸入された冷媒は再圧縮され、損失が発生する。また、リフト量が大きいと、弁が閉じる際に弁が大きな衝撃を受け、破損してしまう虞がある。

二段圧縮機は、直列に接続された２つの圧縮部（低段圧縮部と高段圧縮部）を備える。ここで、高段圧縮部の排除容積は、低段圧縮部の排除容積よりも小さい。そのため、低段圧縮部に設けられた吐出口の開口面積及びリード弁のリフト量と、高段圧縮部に設けられた吐出口の開口面積及びリード弁のリフト量とが同じである場合、低段圧縮部の方が冷媒の体積流量が多いので、低段圧縮部で損失が発生する。
そこで、ロータリ式の二段圧縮機では、低段圧縮部に設けられた吐出口の開口面積及びリード弁のリフト量と、高段圧縮部に設けられた吐出口の開口面積及びリード弁のリフト量との比を適切に設定する必要がある。この比を適切に設定することにより、圧縮機の効率を改善することができる。

特許文献１には、低段圧縮部の吐出口の面積Ｓ１と高段圧縮部の吐出口の面積Ｓ２との比Ｓ２／Ｓ１を、低段圧縮部の押しのけ量Ｖ１と高段圧縮部の押しのけ量Ｖ２との比Ｖ２／Ｖ１の０．５５〜０．８５倍に設定するとの記載がある。

特許文献２には、低段圧縮部の吐出口に設けられたリード弁のリフト量Ｈ１と、高段圧縮部の吐出口に設けられたリード弁のリフト量Ｈ２とをＨ１＞Ｈ２に設定するとの記載がある。

特開２００３−２９３９７３号公報 特開２００８−２９１６５０号公報

特許文献１や特許文献２には、低段圧縮部と高段圧縮部とにおける吐出口の面積とリード弁のリフト量との一方の設定についてのみ記載されている。しかし、吐出口の面積とリード弁のリフト量との一方のみを適切に設定したとしても、他方が適切に設定されていなければ、圧縮機の効率をよくすることはできない。
この発明は、低段圧縮部における吐出口の面積及びリード弁のリフト量と、高段圧縮部における吐出口の面積とリード弁のリフト量とを適切に設定することで、圧縮機の効率をよくすることを目的とする。

この発明に係る二段圧縮機は、
冷媒を低段圧縮室へ吸入し、吸入した冷媒を圧縮して低段吐出口から吐出する低段圧縮部と、
前記低段圧縮部が圧縮した冷媒が前記低段吐出口から吐出される低段吐出空間を形成する低段吐出部と、
前記低段吐出部が形成する前記低段吐出空間へ吐出された冷媒を中間連結流路を介して高段圧縮室へ吸入し、吸入した冷媒を圧縮して高段吐出口から吐出する高段圧縮部と、
前記高段圧縮部が圧縮した冷媒が前記高段吐出口から吐出される高段吐出空間を形成する高段吐出部と、
前記低段圧縮部の前記低段吐出口に設けられ、前記低段圧縮室における冷媒の圧力が前記低段吐出空間における冷媒の圧力よりも高くなった場合に、前記低段吐出口の開口を塞いだ状態から前記低段吐出空間側へたわんで開く低段吐出弁と、
前記高段圧縮部の前記高段吐出口に設けられ、前記高段圧縮室における冷媒の圧力が前記高段吐出空間における冷媒の圧力よりも高くなった場合に、前記高段吐出口の開口を塞いだ状態から前記高段吐出空間側へたわんで開く高段吐出弁とを備え、
前記低段吐出口の開口面積は、前記高段吐出口の開口面積より大きく、前記高段吐出口の開口面積の２．２５倍以下であり、
前記低段吐出弁がたわんで開いた場合における前記低段吐出口の重心位置と前記低段吐出弁との間の前記低段吐出弁がたわむ方向の距離である前記低段吐出弁のリフト量は、前記高段吐出弁がたわんで開いた場合における前記高段吐出口の重心位置と前記高段吐出弁との間の前記高段吐出弁がたわむ方向の距離である前記高段吐出弁のリフト量の０．４７倍以上２．１倍以下である
ことを特徴とする。

この発明に係る二段圧縮機は、低段圧縮部における吐出口の面積及びリード弁のリフト量と、高段圧縮部における吐出口の面積とリード弁のリフト量とを適切に設定した。これにより、圧縮機の効率をよくすることができる。

実施の形態１に係る二段圧縮機１００の平面図。 図１におけるＡ−Ａ’断面図。 図２における圧縮機構部３及び圧縮機構部３の周囲の拡大図。 図１におけるＢ−Ｂ’断面図。 図２におけるＣ−Ｃ’断面図。 図２におけるＤ−Ｄ’断面図。 低段吐出弁１７が開いた状態における低段吐出口１６付近を示す図。 低段吐出弁１７が閉じた状態における低段吐出口１６付近を示す図。 高段吐出弁３７が開いた状態における高段吐出口３６付近を示す図。 高段吐出弁３７が閉じた状態における高段吐出口３６付近を示す図。 回転数３０ｒｐｓの場合における開口面積及びリフト量と、ＣＯＰ変化率との関係を示す図。 回転数６０ｒｐｓの場合における開口面積及びリフト量と、ＣＯＰ変化率との関係を示す図。 回転数９０ｒｐｓの場合における開口面積及びリフト量と、ＣＯＰ変化率との関係を示す図。 評価結果を示す図。 比Ｓ１／Ｓ２と比Ｈ１／Ｈ２とを最適値に設定した場合におけるＣＯＰの変化率を示す図。 インジェクション回路を有するヒートポンプ装置の回路構成の一例を示す図。 図１６に示すヒートポンプ装置１０１の冷媒の状態についてのモリエル線図。

実施の形態１．
実施の形態１では、高段圧縮部をバイパスするバイパス口を有する二段圧縮機１００について説明する。

図１は、実施の形態１に係る二段圧縮機１００の平面図である。
図２は、図１におけるＡ−Ａ’断面図である。なお、図２では、中間連結管５１部分についてはａ−ａ’断面を示している。
図３は、図２における圧縮機構部３及び圧縮機構部３の周囲の拡大図である。
図４は、図１におけるＢ−Ｂ’断面図である。
図５は、図２におけるＣ−Ｃ’断面図である。
図６は、図２におけるＤ−Ｄ’断面図である。

まず、二段圧縮機１００の構成について説明する。
図２に示すように、二段圧縮機１００は、密閉容器１の内部に、電動機２と、低段圧縮部１０と高段圧縮部３０との２つの圧縮部を備える圧縮機構部３と、クランクシャフト４とを備える。また、密閉容器１の上部には、吐出管５が嵌入される。さらに、密閉容器１の下部は、潤滑油貯蔵部６を形成し、潤滑油が封入される。
また、二段圧縮機１００は、密閉容器１の外部に、吸入マフラ７を備える。吸入マフラ７は、吸入管８により密閉容器１内の圧縮機構部３の低段圧縮部１０と接続される。

図３に示すように、圧縮機構部３の低段圧縮部１０は、低段シリンダ１１と、低段シリンダ１１の上側を閉塞する低段フレーム１４と、低段シリンダ１１の下側を閉塞する中間仕切板５０とにより低段圧縮室１５を形成する。低段圧縮室１５内には、低段ローリングピストン１２が設けられる。また、低段圧縮室１５の低段吸入口２１には、吸入管８が接続されている。
同様に、高段圧縮部３０は、高段シリンダ３１と、高段シリンダ３１の下側を閉塞する高段フレーム３４と、高段シリンダ３１の上側を閉塞する中間仕切板５０とにより、低段圧縮室１５よりも容積の小さい高段圧縮室３５を形成する。高段圧縮室３５内には、高段ローリングピストン３２が設けられる。
つまり、二段圧縮機１００は、ロータリ型の二段圧縮機である。

また、圧縮機構部３は、低段フレーム１４との間に低段吐出空間２０を形成する低段カバー１９（低段吐出部）と、高段フレーム３４との間に高段吐出空間４０を形成する高段カバー３９（高段吐出部）とを備える。また、低段カバー１９の中間流出口２２と高段シリンダ３１の高段吸入口４１とを接続する中間連結管５１が設けられ、低段吐出空間２０と高段圧縮室３５とが連通している。

低段フレーム１４には、低段圧縮室１５と低段吐出空間２０とを連通する低段吐出口１６が形成されている。低段吐出口１６には、低段吐出弁１７と低段弁押え１８とがリベット２８（図５参照）により取り付けられたリード弁が設けられている。同様に、高段フレーム３４には、高段圧縮室３５と高段吐出空間４０とを連通する高段吐出口３６が形成されている。高段吐出口３６には、高段吐出弁３７と高段弁押え３８とがリベット４８（図６参照）により取り付けられたリード弁が設けられている。
また、低段カバー１９には、低段吐出空間２０と密閉容器１の内部空間である吐出圧空間５３とを連通するバイパス口２３が設けられている。バイパス口２３には、バイパス弁２４とバイパス弁押え２５とがリベットにより取り付けられたリード弁が設けられている。

また、高段フレーム３４と、高段シリンダ３１と、中間仕切板５０と、低段シリンダ１１と、低段フレーム１４と、低段カバー１９とを貫通し、高段吐出空間４０と吐出圧空間５３とを連通する吐出流路５２が設けられている。

さらに、図４に示すように、低段カバー１９には、インジェクタ６０が設けられる。インジェクタ６０には、インジェクションパイプ６１が接続される。

次に、二段圧縮機１００の動作について説明する。
電力が供給されると、電動機２が動作する。電動機２と圧縮機構部３とは、クランクシャフト４により接続されており、電動機２で発生した動力がクランクシャフト４を介して圧縮機構部３へ伝達される。そして、クランクシャフト４により、低段ローリングピストン１２と高段ローリングピストン３２とがそれぞれ低段圧縮室１５と高段圧縮室３５との内部で偏芯回転する。低段ローリングピストン１２と高段ローリングピストン３２とが偏芯回転することにより、低段圧縮部１０と高段圧縮部３０とで冷媒が圧縮される。

次に、二段圧縮機１００における冷媒の流れを説明する。
まず、外部から低圧の冷媒が吸入マフラ７へ流入する。吸入マフラ７へ流入した低圧の冷媒は、吸入管８を介して低段圧縮室１５へ吸入される。低段圧縮室１５へ吸入された低圧の冷媒は、低段圧縮室１５内で中間圧まで圧縮される。冷媒が中間圧まで圧縮されると、低段圧縮室１５内の冷媒と低段吐出空間２０内の冷媒との圧力差により低段吐出弁１７が低段吐出空間２０側へたわんで開き、低段圧縮室１５内の冷媒が低段吐出口１６から低段吐出空間２０へ吐出する。ここで、中間圧は、低段圧縮室１５の吸入室の容積と高段圧縮室３５の吸入室の容積との比から決定される圧力である。
低段吐出空間２０へ吐出した中間圧の冷媒は、中間連結管５１を介して高段圧縮室３５へ吸入される。高段圧縮室３５へ吸入された中間圧の冷媒は、高段圧縮室３５内で吐出圧まで圧縮される。冷媒が吐出圧まで圧縮されると、高段圧縮室３５内の冷媒と高段吐出空間４０内の冷媒との圧力差により高段吐出弁３７が高段吐出空間４０側へたわんで開き、高段圧縮室３５内の冷媒が高段吐出口３６から高段吐出空間４０へ吐出する。
高段吐出空間４０へ吐出した吐出圧の冷媒は、吐出流路５２を介して低段圧縮部１０の上方の吐出圧空間５３へ吐出される。そして、吐出圧空間５３へ吐出された吐出圧の冷媒は、吐出管５から外部へ吐出される。
なお、二段圧縮機１００を備えるヒートポンプ装置においてインジェクション運転がされている場合には、図４に示すインジェクションパイプ６１からインジェクタ６０を介して、インジェクション冷媒が低段吐出空間２０へ注入される。インジェクション冷媒は、低段圧縮室１５から吐出された中間圧の冷媒と低段吐出空間２０で混合され、高段圧縮部３０で圧縮される。

ヒートポンプ装置１０１の負荷が小さい場合等に、低段圧縮部１０による圧縮だけで、吐出圧となってしまう過圧縮状態となる場合がある。つまり、上述した冷媒の中間圧が必要な吐出圧より高い圧力となってしまう場合がある。
この場合、低段吐出空間２０の冷媒と、吐出圧空間５３の冷媒との圧力差により、バイパス弁２４が開き、低段吐出空間２０の冷媒がバイパス口２３から吐出圧空間５３へ吐出される。つまり、低段圧縮部１０から低段吐出空間２０へ吐出された冷媒が、高段圧縮部３０で圧縮されることなく、バイパスして吐出圧空間５３へ吐出される。
過圧縮状態では、低段圧縮部１０による圧縮だけで吐出圧となっているため、高段圧縮部３０による圧縮は無駄であり、高段圧縮部３０で圧縮を行うと効率が悪化する。しかし、二段圧縮機１００では、過圧縮状態になった場合に、低段圧縮部１０で圧縮した冷媒を高段圧縮部３０をバイパスして吐出させる。そのため、過圧縮状態が発生した場合における損失（過圧縮損失）を抑制できる。

低段吐出口１６及び低段吐出口１６に設けられたリード弁と、高段吐出口３６及び高段吐出口３６に設けられたリード弁とについて説明する。
図７は、低段吐出弁１７が開いた状態における低段吐出口１６付近を示す図である。図８は、低段吐出弁１７が閉じた状態における低段吐出口１６付近を示す図である。
図９は、高段吐出弁３７が開いた状態における高段吐出口３６付近を示す図である。図１０は、高段吐出弁３７が閉じた状態における高段吐出口３６付近を示す図である。

図７，図８に示すように、低段吐出弁１７と低段弁押え１８とは、一端がリベット２８により低段フレーム１４に固定されている。そして、低段吐出弁１７と低段弁押え１８とは、他端側が低段吐出口１６の低段吐出空間２０側を覆うように設けられている。
低段弁押え１８は、予め低段吐出空間２０側へ所定量たわんで固定されている。一方、低段吐出弁１７は、上述したように、低段圧縮室１５内の冷媒と低段吐出空間２０内の冷媒との圧力差により、たわんで低段吐出口１６を開閉する。低段吐出弁１７がたわむ大きさであるリフト量は、低段弁押え１８により制限される。つまり、低段吐出弁１７のリフト量は、低段弁押え１８により設定される。
ここで、低段弁押え１８により決定される低段吐出弁１７のリフト量はＨ１である。また、低段吐出口１６は円形であり、その半径はＤ１である。つまり、低段吐出口１６の開口面積は、Ｄ１^２×π（＝Ｓ１）である。
また、低段吐出弁１７のリフト量とは、低段吐出弁１７がたわんで開いた状態における低段吐出口１６の中心と低段吐出弁１７との間の距離であって、低段吐出弁１７がたわむ方向であるシャフト４の回転軸方向の距離である（図７参照）。つまり、低段吐出弁１７のリフト量は、低段吐出弁１７が閉じた状態における低段吐出弁１７と低段弁押え１８との間の低段吐出口１６の中心線の長さである（図８参照）。
なお、低段吐出弁１７のリフト量は、低段吐出口１６が円形でない場合には、低段吐出口１６の重心と低段吐出弁１７との間の距離である。

図９，１０に示すように、高段吐出弁３７と高段弁押え３８とは、一端がリベット４８により高段フレーム３４に固定されている。そして、高段吐出弁３７と高段弁押え３８とは、他端側が高段吐出口３６の高段吐出空間４０側を覆うように設けられている。
高段弁押え３８は、予め高段吐出空間４０側へ所定量たわんで固定されている。一方、高段吐出弁３７は、上述したように、高段圧縮室３５内の冷媒と高段吐出空間４０内の冷媒との圧力差により、たわんで高段吐出口３６を開閉する。高段吐出弁３７がたわむ大きさであるリフト量は、高段弁押え３８により制限される。つまり、高段吐出弁３７のリフト量は、高段弁押え３８により設定される。
ここで、高段弁押え３８により決定される高段吐出弁３７のリフト量はＨ２である。また、高段吐出口３６は円形であり、その半径はＤ２である。つまり、高段吐出口３６の開口面積は、Ｄ２^２×π（＝Ｓ２）である。
また、高段吐出弁３７のリフト量とは、高段吐出弁３７がたわんで開いた状態における高段吐出口３６の中心と高段吐出弁３７との間の距離であって、高段吐出弁３７がたわむ方向であるシャフト４の回転軸方向の距離である（図９参照）。つまり、高段吐出弁３７のリフト量は、高段吐出弁３７が閉じた状態における高段吐出弁３７と高段弁押え３８との間の高段吐出口３６の中心線の長さである（図１０参照）。
なお、高段吐出弁３７のリフト量は、高段吐出口３６が円形でない場合には、高段吐出口３６の重心と高段吐出弁３７との間の距離である。

図１１から図１３は、低段吐出口１６と高段吐出口３６との開口面積、及び、低段吐出弁１７と高段吐出弁３７とのリフト量と、圧縮機のＣＯＰ（Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｏｆ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）変化率との関係を示す図である。
具体的には、図１１から図１３は、低段吐出弁１７のリフト量Ｈ１と、高段吐出弁３７のリフト量Ｈ２との比Ｈ１／Ｈ２が１の場合（Ｈ１＝Ｈ２）と、比Ｈ１／Ｈ２が２の場合（Ｈ１＝２×Ｈ２）とについて、低段吐出口１６の開口面積Ｓ１と高段吐出口３６の開口面積Ｓ２との比Ｓ１／Ｓ２を変化させた場合におけるＣＯＰ変化率を表す。特に、図１１から図１３は、それぞれ二段圧縮機１００の回転数を３０ｒｐｓ、６０ｒｐｓ、９０ｒｐｓとした場合を示す。
なお、図１１から図１３において、各プロットは評価点を表し、各線は各評価点から最小二乗法により得られたものである。また、ＣＯＰの変化率は、比Ｈ１／Ｈ２が１で、比Ｓ１／Ｓ２が１の場合のＣＯＰを基準値（１００％）とした場合の変化率を示す。
また、ここでは、インジェクションパイプ６１から冷媒を注入するインジェクション運転を行っていない場合について示している。

図１１から図１３から分かるように、二段圧縮機１００の回転数が少ない場合を除き、リフト量の比Ｈ１／Ｈ２を１とすると、吐出口の開口面積の比Ｓ１／Ｓ２をどれだけ変更したとしても、ＣＯＰを基準値よりも大きく改善することはできない。つまり、低段吐出弁１７のリフト量Ｈ１と高段吐出弁３７のリフト量Ｈ２とを同じにして、低段吐出口１６の開口面積Ｓ１を高段吐出口３６の開口面積Ｓ２よりどれだけ大きくしても、ＣＯＰを基準値よりも大きく改善することはできない。
これは、低段吐出口１６の開口面積Ｓ１を大きくすれば、低段圧縮部１０内の冷媒は吐出され易くなり損失が小さくなるが、一方で低段吐出口１６部分に溜まり再圧縮される冷媒量が多くなり損失が大きくなるためである。
一方、吐出口の開口面積の比Ｓ１／Ｓ２を１とした場合、リフト量の比Ｈ１／Ｈ２をどれだけ変更したとしても、ＣＯＰを基準値よりも大きく改善することはできない。つまり、低段吐出口１６の開口面積Ｓ１と高段吐出口３６の開口面積Ｓ２とを同じにして、低段吐出弁１７のリフト量Ｈ１を高段吐出弁３７のリフト量Ｈ２よりどれだけ大きくしても、ＣＯＰを基準値よりも大きく改善することはできない。
これは、低段吐出弁１７のリフト量Ｈ１を大きくすれば、低段圧縮部１０内の冷媒は吐出され易くなり損失が小さくなるが、一方で低段吐出弁１７のリフト量Ｈ１が大きいと、低段吐出弁１７が閉じるのが遅くなり、再吸入し再圧縮される冷媒量が多くなり損失が大きくなるためである。
つまり、リフト量の比Ｈ１／Ｈ２と、吐出口の開口面積の比Ｓ１／Ｓ２とをバランスよく設定することが必要である。

ここで、図１１から図１３から分かるように、リフト量の比Ｈ１／Ｈ２を２とした場合、吐出口の開口面積の比Ｓ１／Ｓ２が２以下の範囲では概ねの場合において、リフト量の比Ｈ１／Ｈ２を１とした場合よりもＣＯＰが高い。特に、二段圧縮機１００の回転数が多い６０ｒｐｓや９０ｒｐｓの場合には、比Ｈ１／Ｈ２が２の場合は、比Ｈ１／Ｈ２が１の場合よりもＣＯＰが高い。
また、比Ｈ１／Ｈ２が２の場合、比Ｓ１／Ｓ２が１と１．５との中間の値（１．２〜１．３程度）である場合に、最もＣＯＰが高い。

このような評価を繰り返した結果、図１４に示す評価結果が得られた。
図１４に示すように、基準値よりもＣＯＰが高くなるのは、比Ｓ１／Ｓ２が１より大きく２．２５以下であり、比Ｈ１／Ｈ２が１より大きく２．１以下の場合であった。また、よりＣＯＰが高くなるのは、比Ｓ１／Ｓ２が１より大きく１．８以下であり、比Ｈ１／Ｈ２が１．５以上２．１以下の場合であった。さらに、よりＣＯＰが高くなるのは、比Ｓ１／Ｓ２が１より大きく１．３以下であり、比Ｈ１／Ｈ２が１．９以上２．１以下の場合であった。特に、比Ｓ１／Ｓ２が１．２３５であり、比Ｈ１／Ｈ２が２．０７４の場合に最もＣＯＰが高くなる最適値であった。

図１５は、比Ｓ１／Ｓ２と比Ｈ１／Ｈ２とを最適値である１．２３５と２．０７４とに設定した場合におけるＣＯＰの変化率を示す図である。なお、図１５では、ＣＯＰの変化率は、比Ｈ１／Ｈ２が１で、比Ｓ１／Ｓ２が１の場合のＣＯＰを基準値（１００％）とした場合の変化率を示す。
図１５に示すように、比Ｓ１／Ｓ２と比Ｈ１／Ｈ２とを最適値とした場合、概ね二段圧縮機１００の回転数が多くなるほど、基準値に比べＣＯＰが高くなる。したがって、負荷が大きく、二段圧縮機１００を高速回転させなければならない場合に、特に二段圧縮機１００は効率がよいということができる。

また、インジェクション運転を行う場合には、比Ｓ１／Ｓ２を上記の値に設定しつつ、比Ｈ１／Ｈ２が０．４７以上１未満とした場合にＣＯＰが高くなる。これは、インジェクションパイプ６１から冷媒が注入されることにより、低段圧縮部１０側の体積流量よりも、高段圧縮部３０側の体積流量が多くなる場合があるため、高段吐出口３６からの吐出量を多くする必要があることによる。
なお、二段圧縮機１００のように、インジェクション運転可能な圧縮機の場合、インジェクション運転をする場合と、インジェクション運転をしない場合とのどちらの場合に効率がよくなるように比Ｈ１／Ｈ２を設定するかは、その二段圧縮機１００がどの程度インジェクション運転をするかによって決定すればよい。もちろん、インジェクション運転するか否かの制御に応じて、低段弁押え１８や高段弁押え３８のたわみ量を制御可能にしてリフト量Ｈ１，Ｈ２を変更可能にしてもよい。

次に、二段圧縮機１００を備えるヒートポンプ装置１０１について説明する。
図１６は、インジェクション回路を有するヒートポンプ装置の回路構成の一例を示す図である。図１７は、図１６に示すヒートポンプ装置１０１の冷媒の状態についてのモリエル線図である。図１７において、横軸は比エンタルピ、縦軸は冷媒圧力を示す。

ヒートポンプ装置１０１は、二段圧縮機１００、熱交換器７１、第１膨張弁７２、レシーバー７８、第３膨張弁７４、熱交換器７６を配管により順次接続した主冷媒回路を備える。また、ヒートポンプ装置１０１は、レシーバー７８と第３膨張弁７４との間から、二段圧縮機１００のインジェクションパイプ６１までを配管により接続し、配管の途中に第２膨張弁７５を備えるインジェクション回路を備える。また、ヒートポンプ装置１０１は、主冷媒回路における冷媒とインジェクション回路における冷媒とを熱交換させる内部熱交換器７３を備える。さらに、ヒートポンプ装置１０１は、冷媒の流れる向きを変更する四方弁７７を備える。

まず、ヒートポンプ装置１０１の暖房運転時の動作について説明する。暖房運転時には、四方弁７７は実線方向に設定される。なお、この暖房運転とは、空調で使われる暖房だけでなく、水に熱を与えて温水を作る給湯も含む。
二段圧縮機１００で高温高圧となった気相冷媒（図１７の点１）は、二段圧縮機１００の吐出管５から吐出され、凝縮器であり放熱器となる熱交換器７１で熱交換されて液化する（図１７の点２）。このとき、冷媒から放熱された熱により空気や水などが温められ、暖房や給湯がされる。
熱交換器７１で液化された液相冷媒は、第１膨張弁７２（減圧機構）で減圧され、気液二相状態になる（図１７の点３）。第１膨張弁７２で気液二相状態になった冷媒は、レシーバー７８で二段圧縮機１００へ吸入される冷媒と熱交換され、冷却されて液化される（図１７の点４）。レシーバー７８で液化された液相冷媒は、内部熱交換器７３、第３膨張弁７４側の主冷媒回路と、第２膨張弁７５側のインジェクション回路とに分岐して流れる。
主冷媒回路を流れる液相冷媒は、第２膨張弁７５で減圧され気液二相状態となったインジェクション回路を流れる冷媒と内部熱交換器７３で熱交換されて、さらに冷却される（図１７の点５）。内部熱交換器７３で冷却された液相冷媒は、第３膨張弁７４（減圧機構）で減圧されて気液二相状態になる（図１７の点６）。第３膨張弁７４で気液二相状態になった冷媒は、蒸発器となる熱交換器７６で熱交換され、加熱される（図１７の点７）。そして、熱交換器７６で加熱された冷媒は、レシーバー７８でさらに加熱され（図１７の点８）、吸入管８から二段圧縮機１００に吸入される。
一方、インジェクション回路を流れる冷媒は、上述したように、第２膨張弁７５（減圧機構）で減圧されて（図１７の点９）、内部熱交換器７３で熱交換される（図１７の点１０）。内部熱交換器７３で熱交換された気液二相状態の冷媒（インジェクション冷媒）は、気液二相状態のまま二段圧縮機１００のインジェクションパイプ６１から低段吐出空間２０へ流入する。
二段圧縮機１００内では、主冷媒回路を流れ吸入管８から吸入された冷媒（図１７の点８）が、低段圧縮部１０で中間圧まで圧縮、加熱される（図１７の点１１）。中間圧まで圧縮、加熱された低段吐出空間２０へ吐出された冷媒（図１７の点１１）と、インジェクション冷媒（図１７の点８）とが合流して、温度が低下する（図１７の点１２）。そして、温度が低下した冷媒（図１７の点１２）が、さらに高段圧縮部３０で圧縮、加熱され高温高圧となり、吐出流路５２から吐出圧空間５３へ吐出される（図１７の点１）。

なお、インジェクション運転を行わない場合には、第２膨張弁７５の開度を全閉にする。つまり、インジェクション運転を行う場合には、第２膨張弁７５の開度が所定の開度よりも大きくなっているが、インジェクション運転を行わない際には、第２膨張弁７５の開度を所定の開度より小さくする。これにより、二段圧縮機１００のインジェクションパイプ６１へ冷媒が流入しない。つまり、熱交換器７１、第１膨張弁７２、レシーバー７８を通過した冷媒の全てを吸入管８から二段圧縮機１００へ吸入させる。
ここで、第２膨張弁７５の開度は、制御部により電子制御により制御される。なお、制御部とは、例えば、マイクロコンピュータ等である。

次に、ヒートポンプ装置１０１の冷房運転時の動作について説明する。冷房運転時には、四方弁７７は破線方向に設定される。
二段圧縮機１００で高温高圧となった気相冷媒（図１７の点１）は、二段圧縮機１００の吐出管５から吐出され、凝縮器であり放熱器となる熱交換器７６で熱交換されて液化する（図１７の点２）。熱交換器７６で液化された液相冷媒は、第３膨張弁７４で減圧され、気液二相状態になる（図１７の点３）。第３膨張弁７４で気液二相状態になった冷媒は、内部熱交換器７３で熱交換され、冷却され液化される（図１７の点４）。内部熱交換器７３では、第３膨張弁７４で気液二相状態になった冷媒と、内部熱交換器７３で液化された液相冷媒を第２膨張弁７５で減圧させて気液二相状態になった冷媒（図１７の点９）とを熱交換させている。内部熱交換器７３で熱交換された液相冷媒（図１７の点４）は、レシーバー７８側の主冷媒回路と、内部熱交換器７３側のインジェクション回路とに分岐して流れる。
主冷媒回路を流れる液相冷媒は、レシーバー７８で二段圧縮機１００に吸入される冷媒と熱交換されて、さらに冷却される（図１７の点５）。レシーバー７８で冷却された液相冷媒は、第１膨張弁７２で減圧されて気液二相状態になる（図１７の点６）。第１膨張弁７２で気液二相状態になった冷媒は、蒸発器となる熱交換器７１で熱交換され、加熱される（図１７の点７）。このとき、冷媒が吸熱することにより空気や水などが冷やされ、冷房されたり、冷水や氷を作ったり、冷凍がされる。
そして、熱交換器７１で加熱された冷媒は、レシーバー７８でさらに加熱され（図１７の点８）、吸入管８から二段圧縮機１００に吸入される。
一方、インジェクション回路を流れる冷媒は、上述したように、第２膨張弁７５で減圧されて（図１７の点９）、内部熱交換器７３で熱交換される（図１７の点１０）。内部熱交換器７３で熱交換された気液二相状態の冷媒（インジェクション冷媒）は、気液二相状態のまま二段圧縮機１００のインジェクションパイプ６１から低段吐出空間２０へ流入する。
二段圧縮機１００内での圧縮動作については、暖房運転時と同様である。

なお、インジェクション運転を行わない際には、暖房運転時と同様に、第２膨張弁７５の開度を全閉にして、二段圧縮機１００のインジェクションパイプ６１へ冷媒が流入しないようにする。

また、熱交換器７１は、上述したとおり、高温高圧となった気相冷媒又は低温低圧となった液相冷媒と水等の液体との熱交換を行う熱交換器であってもよい。また、熱交換器７１は、高温高圧となった気相冷媒又は低温低圧となった液相冷媒と空気等の気体との熱交換を行う熱交換器であってもよい。つまり、図１６で説明したヒートポンプ装置１０１は、空調装置であってもよいし、給湯装置であってもよいし、冷凍装置や冷蔵装置であってもよい。

ここで、インジェクション運転をするのは、負荷の高いときである。負荷とは、熱交換器７１において主冷媒回路を流れる冷媒と熱交換される流体の温度を所定の温度にするのに必要な熱量である必要負荷である。必要負荷は、外気温や圧縮機の回転数等を指標として計ることができる。ここでは、図示されていない必要負荷検出部が、外気温や圧縮機の回転数等を検出して、必要負荷を検出しているものとする。
例えば、暖房運転の場合であれば、外気温が所定の温度（例えば、２℃）以下の場合や、圧縮機の回転数が所定の周波数（例えば、６０Ｈｚ）以上の場合に、インジェクション運転する。これにより、低外気温時における暖房能力を高くすることができ、暖房や給湯性能のよいヒートポンプ装置が得られる。インジェクション運転の必要がないこの他のような場合には、暖房運転時であっても、第２膨張弁７５の開度を全閉にして、インジェクション運転を行わない。

二段圧縮機１００は、比Ｓ１／Ｓ２と比Ｈ１／Ｈ２とを上記のように設定することにより、効率がよい。したがって、二段圧縮機１００を備えるヒートポンプ装置も効率がよい。

１ 密閉容器、２ 電動機、２ａ 固定子、２ｂ 回転子、３ 圧縮機構部、４ クランクシャフト、５ 吐出管、６ 潤滑油貯蔵部、７ 吸入マフラ、８ 吸入管、１０ 低段圧縮部、１１ 低段シリンダ、１２ 低段ローリングピストン、１３ 低段ベーン、１４ 低段フレーム、１５ 低段圧縮室、１６ 低段吐出口、１７ 低段吐出弁、１８ 低段弁押え、１９ 低段カバー、２０ 低段吐出空間、２１ 低段吸入口、２２ 中間流出口、２３ バイパス口、２４ バイパス弁、２５ バイパス弁押え、２６ 低段背圧室、２７ バネ、２８，２９ リベット、３０ 高段圧縮部、３１ 高段シリンダ、３２ 高段ローリングピストン、３３ 高段ベーン、３４ 高段フレーム、３５ 高段圧縮室、３６ 高段吐出口、３７ 高段吐出弁、３８ 高段弁押え、３９ 高段カバー、４０ 高段吐出空間、４１ 高段吸入口、４２ 高段吸入流路、４６ 高段背圧室、４９ リベット、５０ 中間仕切板、５１ 中間連結管、５２ 吐出流路、５３ 吐出圧空間、５４ 四方弁、５５ 圧力導入路、６０ インジェクタ、６１ インジェクションパイプ、７１ 熱交換器、７２ 第１膨張弁、７３ 内部熱交換器、７４ 第３膨張弁、７５ 第２膨張弁、７６ 熱交換器、７７ 四方弁、７８ レシーバー、１００ 二段圧縮機、１０１ ヒートポンプ装置。

Claims (8)

1. 冷媒を低段圧縮室へ吸入し、吸入した冷媒を圧縮して低段吐出口から吐出する低段圧縮部と、
   前記低段圧縮部が圧縮した冷媒が前記低段吐出口から吐出される低段吐出空間を形成する低段吐出部と、
   前記低段吐出部が形成する前記低段吐出空間へ吐出された冷媒を中間連結流路を介して高段圧縮室へ吸入し、吸入した冷媒を圧縮して高段吐出口から吐出する高段圧縮部と、
   前記高段圧縮部が圧縮した冷媒が前記高段吐出口から吐出される高段吐出空間を形成する高段吐出部と、
   前記低段圧縮部の前記低段吐出口に設けられ、前記低段圧縮室における冷媒の圧力が前記低段吐出空間における冷媒の圧力よりも高くなった場合に、前記低段吐出口の開口を塞いだ状態から前記低段吐出空間側へたわんで開く低段吐出弁と、
   前記高段圧縮部の前記高段吐出口に設けられ、前記高段圧縮室における冷媒の圧力が前記高段吐出空間における冷媒の圧力よりも高くなった場合に、前記高段吐出口の開口を塞いだ状態から前記高段吐出空間側へたわんで開く高段吐出弁とを備え、
   前記低段吐出口の開口面積は、前記高段吐出口の開口面積より大きく、前記高段吐出口の開口面積の２．２５倍以下であり、
   前記低段吐出弁がたわんで開いた場合における前記低段吐出口の重心位置と前記低段吐出弁との間の前記低段吐出弁がたわむ方向の距離である前記低段吐出弁のリフト量は、前記高段吐出弁がたわんで開いた場合における前記高段吐出口の重心位置と前記高段吐出弁との間の前記高段吐出弁がたわむ方向の距離である前記高段吐出弁のリフト量の０．４７倍以上２．１倍以下である
   ことを特徴とする二段圧縮機。
2. 前記低段吐出弁のリフト量は、前記高段吐出弁のリフト量より大きく、前記高段吐出弁のリフト量の２．１倍以下である
   ことを特徴とする請求項１に記載の二段圧縮機。
3. 前記低段吐出口の開口面積は、前記高段吐出口の開口面積の１．８倍以下であり、
   前記低段吐出弁のリフト量は、前記高段吐出弁のリフト量の１．５倍以上である
   ことを特徴とする請求項２に記載の二段圧縮機。
4. 前記低段吐出口の開口面積は、前記高段吐出口の開口面積の１．３倍以下であり、
   前記低段吐出弁のリフト量は、前記高段吐出弁のリフト量の１．９倍以上である
   ことを特徴とする請求項３に記載の二段圧縮機。
5. 前記低段吐出口の開口面積は、前記高段吐出口の開口面積の１．２３５倍であり、
   前記低段吐出弁のリフト量は、前記高段吐出弁のリフト量の２．０７４倍である
   ことを特徴とする請求項４に記載の二段圧縮機。
6. 前記二段圧縮機は、さらに、
   前記低段吐出部又は前記中間連結流路に接続され、外部から冷媒が注入されるインジェクションパイプを備え、
   前記低段吐出弁のリフト量は、前記高段吐出弁のリフト量より小さく、前記高段吐出弁のリフト量の０．４７倍以上である
   ことを特徴とする請求項１に記載の二段圧縮機。
7. 圧縮機と、放熱器と、第１膨張機構と、蒸発器とが配管により順次接続されたヒートポンプ装置であり、
   前記圧縮機は、
   冷媒を低段圧縮室へ吸入し、吸入した冷媒を圧縮して低段吐出口から吐出する低段圧縮部と、
   前記低段圧縮部が圧縮した冷媒が前記低段吐出口から吐出される低段吐出空間を形成する低段吐出部と、
   前記低段吐出部が形成する前記低段吐出空間へ吐出された冷媒を中間連結流路を介して高段圧縮室へ吸入し、吸入した冷媒を圧縮して高段吐出口から吐出する高段圧縮部と、
   前記高段圧縮部が圧縮した冷媒が前記高段吐出口から吐出される高段吐出空間を形成する高段吐出部と、
   前記低段圧縮部の前記低段吐出口に設けられ、前記低段圧縮室における冷媒の圧力が前記低段吐出空間における冷媒の圧力よりも高くなった場合に、前記低段吐出空間側へたわんで開く低段吐出弁と、
   前記高段圧縮部の前記高段吐出口に設けられ、前記高段圧縮室における冷媒の圧力が前記高段吐出空間における冷媒の圧力よりも高くなった場合に、前記低段吐出空間側へたわんで開く高段吐出弁とを備え、
   前記低段吐出口の開口面積は、前記高段吐出口の開口面積より大きく、前記高段吐出口の開口面積の２．２５倍以下であり、
   前記低段吐出弁がたわむ高さであるリフト量は、前記高段吐出弁がたわむ高さであるリフト量の０．４７倍以上２．１倍以下である
   ことを特徴とするヒートポンプ装置。
8. 前記ヒートポンプ装置は、さらに、
   前記放熱器と前記第１膨張機構との間と、前記圧縮機の前記低段吐出部又は前記中間連結流路に接続されたインジェクションパイプとを繋ぎ、第２膨張機構が設けられたインジェクション回路とを備え、
   前記低段吐出弁のリフト量は、前記高段吐出弁のリフト量より小さく、前記高段吐出弁のリフト量の０．４７倍以上である
   ことを特徴とする請求項７に記載のヒートポンプ装置。

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