JP2023040761A - 圧縮機、および、空気調和装置 - Google Patents

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ちひろ 遠藤
Chihiro Endo
遼介 和田
Ryosuke Wada
裕也 砂原
Yuya Sunahara
洪一 入川
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Abstract

Figure 2023040761000001
【課題】弁本体の破損が抑制される圧縮機を提供する。
【解決手段】圧縮機21は、圧縮機構15と、インジェクション弁93と、インジェクション配管92とを備える。圧縮機構15は、圧縮室40が形成される。インジェクション弁93は、圧縮室40と連通するインジェクション通路84gに配置される。インジェクション配管92は、インジェクション通路84gに冷媒を供給する。インジェクション弁93は、弁本体94と、弁押さえ95と、弁座96とを有する。弁本体94は、第1方向D1に沿って移動可能に配置される。弁押さえ95は、弁本体94のインジェクション配管92側への移動を規制する。弁座96は、弁本体94の圧縮室40側への移動を規制する。弁押さえ95は、弁本体94により開閉される第1孔95aが形成される。弁本体94の第1方向D1の移動量である第1距離Lは、弁本体94の第1方向D1の寸法である第1寸法tより小さい。
【選択図】図5

Description

圧縮機、および、空気調和装置に関する。
特許文献1(特開2016-17464号公報)に記載のように、冷凍サイクルにおける低圧と高圧との間の圧力の冷媒を圧縮室に供給するためのインジェクション通路を有するスクロール圧縮機が知られている。インジェクション通路には、圧縮室の圧力よりもインジェクションされる冷媒の圧力が低い場合にインジェクション通路を閉じるための逆止弁が配置されている。
圧縮室における冷媒の圧縮過程において、逆止弁の弁本体が、弁本体の移動を制限するための部材との衝突を繰り返して、弁本体が破損するおそれがある。
第1観点の圧縮機は、圧縮機構と、インジェクション弁と、インジェクション配管とを備える。圧縮機構は、冷媒が圧縮される圧縮室が形成される。インジェクション弁は、圧縮室と連通するインジェクション通路に配置される。インジェクション配管は、インジェクション通路に冷媒を供給する。インジェクション弁は、弁本体と、弁押さえと、弁座とを有する。弁本体は、第1方向に沿って移動可能に配置される。弁押さえは、弁本体よりもインジェクション配管側に配置され、弁本体のインジェクション配管側への移動を規制する。弁座は、弁本体よりも圧縮室側に配置され、弁本体の圧縮室側への移動を規制する。弁押さえは、弁本体により開閉される第1孔が形成される。弁本体が弁押さえに当たって第1孔を塞ぐ第1状態から、弁本体が弁押さえから離れて弁座に当たる第2状態に移行する際における、弁本体の第1方向の移動量である第1距離は、弁本体の第1方向の寸法である第1寸法より小さい。
この圧縮機では、弁本体の衝撃負荷を低減し、かつ、弁本体の疲労強度を増加させることで、弁本体の破損が抑制され、圧縮機の信頼性が向上する。
第2観点の圧縮機は、第1観点の圧縮機であって、第1距離をLとし、第1寸法をtとする場合、0.2mm≦L<t≦1.8mmの関係式を満たす。
この圧縮機では、弁本体の破損が抑制される。
第3観点の圧縮機は、第1観点または第2観点の圧縮機であって、第1方向に沿って見た場合における弁本体の面積をS1とし、第1方向に沿って見た場合における第1孔の面積をS2とする場合、4.1≦S1/S2≦4.9の関係式を満たす。
この圧縮機では、インジェクション弁のシール性能が適切に確保される。
第4観点の圧縮機は、第1乃至第3観点のいずれか1つの圧縮機であって、弁本体は、ばね鋼で成形される。
この圧縮機では、弁本体の破損が抑制される。
第5観点の圧縮機は、第1乃至第4観点のいずれか1つの圧縮機であって、圧縮機構は、ピストンと、ベーンとを有する。ベーンは、ピストンに接して圧縮室を第1室と第2室とに仕切る。ベーンは、圧縮室で冷媒が圧縮される間、進退可能に保持される。
この圧縮機では、インジェクション弁の前後の圧力差が比較的高くても、弁本体の破損が抑制される。
第6観点の圧縮機は、第1乃至第4観点のいずれか1つの圧縮機であって、圧縮機構は、ベーンと、一対のブッシュとを有する。ベーンは、圧縮室を第1室と第2室とに仕切る。ベーンは、圧縮室で冷媒が圧縮される間、一対のブッシュの間で進退可能に保持される。
この圧縮機では、インジェクション弁の前後の圧力差が比較的高くても、弁本体の破損が抑制される。
第7観点の空気調和装置は、第1乃至第6観点のいずれか1つの圧縮機を備える。
この空気調和装置では、圧縮機のインジェクション弁の破損が抑制されるので、空気調和装置の寿命が向上する。
実施形態の空気調和装置1の概略構成図である。 圧縮機21の縦断面図である。 図2の線分A―Aにおける圧縮機構15の断面図である。 シリンダ84の外観図である。 第1状態におけるインジェクション弁93の構成を示す断面図である。 第2状態におけるインジェクション弁93の構成を示す断面図である。 第1方向D1に沿って見た場合の弁本体94の平面図である。 シリンダ内周面86c側から第1方向D1に沿って見た場合の弁押さえ95の平面図である。 ピストン81が上死点に位置する時の圧縮機構15の断面図である。 ピストン81が吸入孔84bを塞いでいる時の圧縮機構15の断面図である。 ピストン81がインジェクション通路84gを塞いでいる時の圧縮機構15の断面図である。 第1変形例における圧縮機構15の断面図である。
本開示の一実施形態の圧縮機21を備える空気調和装置1について、図面を参照しながら説明する。
(1)空気調和装置
(1-1)全体構成
図1に示されるように、空気調和装置1は、蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行うことによって、建物等の室内の冷房および暖房を行うことが可能な装置である。空気調和装置1は、主として、室外ユニット2と、室内ユニット3と、液冷媒連絡管4と、ガス冷媒連絡管5とを備える。液冷媒連絡管4およびガス冷媒連絡管5は、室外ユニット2と室内ユニット3とを接続する。空気調和装置1の蒸気圧縮式の冷媒回路6は、室外ユニット2と室内ユニット3とが液冷媒連絡管4およびガス冷媒連絡管5を介して接続されることによって構成される。
(1-2)詳細構成
(1-2-1)室内ユニット
室内ユニット3は、室内(居室および天井裏空間等)に設置され、冷媒回路6の一部を構成する。室内ユニット3は、主として、室内熱交換器31を有する。室内熱交換器31は、冷房運転時には冷媒の吸熱器(蒸発器)として機能して室内空気を冷却し、暖房運転時には冷媒の放熱器(凝縮器)として機能して室内空気を加熱する。室内熱交換器31の液側は、液冷媒連絡管4に接続される。室内熱交換器31のガス側は、ガス冷媒連絡管5に接続される。
(1-2-2)室外ユニット
室外ユニット2は、室外(建物の屋上、および、建物の壁面近傍等)に設置され、冷媒回路6の一部を構成する。室外ユニット2は、主として、圧縮機21と、四路切換弁22と、室外熱交換器23と、室外膨張弁24と、アキュムレータ25と、液閉鎖弁26と、ガス閉鎖弁27と、エコノマイザ熱交換器28と、制御部29とを有する。
圧縮機21は、低圧のガス冷媒を圧縮室40で圧縮して高圧のガス冷媒にする。圧縮機21は、圧縮機用モータによって駆動される。圧縮機21は、回転式の圧縮機である。圧縮機21では、室外熱交換器23から室外膨張弁24に向かって流れる冷媒の一部を、冷媒を圧縮している圧縮室40に供給する、中間インジェクションが行われる。
四路切換弁22は、室外ユニット2の内部配管の接続状態を切り替える。空気調和装置1が冷房運転を行う場合、四路切換弁22は、図1の破線で示される接続状態を実現する。空気調和装置1が暖房運転を行う場合、四路切換弁22は、図1の実線で示される接続状態を実現する。
室外熱交換器23は、冷媒回路6を循環する冷媒と、室外空気との熱交換を行う。室外熱交換器23は、冷媒が流れる冷媒流路と、室外空気と接する伝熱フィンとを有する。室外熱交換器23は、冷房運転時には冷媒の放熱器(凝縮器)として機能し、暖房運転時には冷媒の吸熱器(蒸発器)として機能する。
室外膨張弁24は、開度調整が可能な電動弁または電磁弁である。室外膨張弁24は、室外ユニット2の内部配管を流れる冷媒を減圧させる。室外膨張弁24は、室外ユニット2の内部配管を流れる冷媒の流量を制御する。
アキュムレータ25は、圧縮機21の吸入側の配管に設置される。アキュムレータ25は、冷媒回路6を流れる気液混合冷媒を、ガス冷媒と液冷媒とに分離して、液冷媒を貯留する。アキュムレータ25で分離されたガス冷媒は、圧縮機21の吸入ポートに送られる。
液閉鎖弁26およびガス閉鎖弁27は、冷媒流路を遮断することが可能な弁である。液閉鎖弁26は、室内熱交換器31と室外膨張弁24との間に配置される。ガス閉鎖弁27は、室内熱交換器31と四路切換弁22との間に配置される。液閉鎖弁26およびガス閉鎖弁27は、例えば、空気調和装置1の設置時等において、作業者によって開閉される。
エコノマイザ熱交換器28は、室外熱交換器23と室外膨張弁24との間に配置される。エコノマイザ熱交換器28は、室外熱交換器23から室外膨張弁24に向かって流れる冷媒と、エコノマイザ配管90を流れる冷媒との熱交換を行う。エコノマイザ配管90は、冷媒回路6において、エコノマイザ熱交換器28と室外膨張弁24との間から分岐する管である。エコノマイザ配管90には、エコノマイザ弁91が取り付けられている。エコノマイザ配管90を流れる冷媒は、エコノマイザ熱交換器28で熱交換される前に、エコノマイザ弁91により減圧される。
制御部29は、室外ユニット2の構成機器を制御するコンピュータである。制御部29は、主として、演算装置と記憶装置とを備える。演算装置は、例えば、CPUまたはGPUである。演算装置は、記憶装置に記憶されるプログラムを読み出し、このプログラムに従って所定の演算処理を行う。演算装置は、プログラムに従って、演算結果を記憶装置に書き込んだり、記憶装置に記憶される情報を読み出したりする。
(1-2-3)冷媒連絡管
液冷媒連絡管4およびガス冷媒連絡管5は、冷媒回路6を備える空気調和装置1をビル等の設置場所に設置する際に、現地にて施工される冷媒配管である。液冷媒連絡管4およびガス冷媒連絡管5の長さおよび管径は、空気調和装置1の設置場所、および、室外ユニット2と室内ユニット3との組み合わせ等の設置条件に応じて決定される。液冷媒連絡管4を流れる冷媒は、液体であってもよく、気液二相であってもよい。
(1-3)動作
図1を参照しながら、空気調和装置1の冷房運転および暖房運転時の動作について説明する。
(1-3-1)暖房運転
空気調和装置1が暖房運転を行う場合、四路切換弁22は、図1の実線で示される状態に切り換えられる。冷媒回路6において、冷凍サイクルの低圧のガス冷媒は、圧縮機21に吸入され、冷凍サイクルの高圧になるまで圧縮された後に吐出される。圧縮機21から吐出された高圧のガス冷媒は、四路切換弁22、ガス閉鎖弁27およびガス冷媒連絡管5を通じて、室内熱交換器31に送られる。室内熱交換器31に送られた高圧のガス冷媒は、室内熱交換器31において、室内空気と熱交換を行って凝縮して、高圧の液冷媒になる。これにより、室内空気が加熱される。室内熱交換器31で凝縮した液冷媒は、液冷媒連絡管4および液閉鎖弁26を通じて、室外膨張弁24に送られる。室外膨張弁24に送られた冷媒は、室外膨張弁24によって冷凍サイクルの低圧まで減圧される。室外膨張弁24で減圧された低圧の冷媒は、室外熱交換器23に送られる。室外熱交換器23に送られた低圧の冷媒は、室外熱交換器23において、室外空気と熱交換を行って蒸発して、低圧のガス冷媒となる。室外熱交換器23で蒸発した低圧の冷媒は、四路切換弁22およびアキュムレータ25を通じて、再び、圧縮機21に吸入される。
(1-3-2)冷房運転
空気調和装置1が冷房運転を行う場合、四路切換弁22は、図1の破線で示される状態に切り換えられる。冷媒回路6において、冷凍サイクルの低圧のガス冷媒は、圧縮機21に吸入され、冷凍サイクルの高圧になるまで圧縮された後に吐出される。圧縮機21から吐出された高圧のガス冷媒は、四路切換弁22を通じて、室外熱交換器23に送られる。室外熱交換器23に送られた高圧のガス冷媒は、室外熱交換器23において、室外空気と熱交換を行って凝縮して、高圧の液冷媒となる。室外熱交換器23で凝縮した液冷媒は、室外膨張弁24によって冷凍サイクルの低圧まで減圧される。室外膨張弁24で減圧された低圧の冷媒は、液閉鎖弁26および液冷媒連絡管4を通じて、室内熱交換器31に送られる。室内熱交換器31に送られた冷媒は、室内熱交換器31において、室内空気と熱交換を行って蒸発して、低圧のガス冷媒になる。これにより、室内空気は冷却される。室内熱交換器31で蒸発したガス冷媒は、ガス冷媒連絡管5、ガス閉鎖弁27、四路切換弁22およびアキュムレータ25を通じて、再び、圧縮機21に吸入される。
(2)圧縮機
(2-1)全体構成
図2に示されるように、圧縮機21は、主として、ケーシング10と、圧縮機構15と、駆動モータ16と、クランクシャフト17と、吸入管19と、吐出管20と、インジェクション配管92と、インジェクション弁93とを備える。
(2-1-1)ケーシング
ケーシング10は、円筒形の胴部11と、ボウル形の頂部12と、ボウル形の底部13とから構成される。頂部12は、胴部11の上端部と気密状に連結される。底部13は、胴部11の下端部と気密状に連結される。
ケーシング10は、ケーシング10の内部空間および外部空間の圧力および温度の変化によって変形および破損が起こりにくい剛性部材で成形される。ケーシング10は、胴部11の円筒形の軸方向が鉛直方向に沿うように設置される。ケーシング10の内部空間の下部は、潤滑油が貯留される油貯留部10aである。潤滑油は、ケーシング10の内部の摺動部の潤滑性を向上させるために用いられる冷凍機油である。
ケーシング10は、主として、圧縮機構15と、駆動モータ16と、クランクシャフト17とを収容する。圧縮機構15は、クランクシャフト17を介して駆動モータ16と連結される。吸入管19、吐出管20およびインジェクション配管92は、ケーシング10を貫通するように、ケーシング10と気密状に連結される。
(2-1-2)圧縮機構
図2および図3に示されるように、圧縮機構15は、主として、フロントヘッド83と、シリンダ84と、リアヘッド85と、ピストン81と、ブッシュ82とから構成される。フロントヘッド83、シリンダ84およびリアヘッド85は、ボルト等によって一体的に締結される。圧縮機構15の上方の空間は、圧縮機構15によって圧縮された冷媒が吐出される高圧空間HSである。
圧縮機構15は、油貯留部10aに貯留される潤滑油に浸漬される。油貯留部10aの潤滑油は、差圧等によって、圧縮機構15の内部の摺動部に供給される。次に、圧縮機構15の各構成要素について説明する。
(2-1-2-1)シリンダ
図4に示されるように、シリンダ84は、主として、シリンダ孔84aと、吸入孔84bと、吐出切り欠き84cと、ブッシュ収容孔84dと、ベーン収容孔84eと、インジェクション通路84gとを有する。シリンダ84は、フロントヘッド83とリアヘッド85との間に位置する。シリンダ84の上側の端面である第1シリンダ端面86aは、フロントヘッド83の下面と接する。シリンダ84の下側の端面である第2シリンダ端面86bは、リアヘッド85の上面と接する。
シリンダ孔84aは、第1シリンダ端面86aから第2シリンダ端面86bに向かって、鉛直方向にシリンダ84を貫通する円柱状の孔である。シリンダ孔84aは、シリンダ84の内周面であるシリンダ内周面86cによって囲まれる空間である。シリンダ孔84aは、クランクシャフト17の偏心軸部17a、および、ピストン81を収容する。
吸入孔84bは、シリンダ84の外周面であるシリンダ外周面86dからシリンダ内周面86cに向かって、シリンダ84の径方向に沿って貫通する孔である。
吐出切り欠き84cは、シリンダ内周面86cの一部が切り欠かれることによって、鉛直方向にシリンダ84を貫通することなく形成される空間である。吐出切り欠き84cは、第1シリンダ端面86aの側に形成される。
ブッシュ収容孔84dは、鉛直方向にシリンダ84を貫通し、かつ、シリンダ84を鉛直方向に沿って見た場合において吸入孔84bと吐出切り欠き84cとの間に配置される孔である。ブッシュ収容孔84dは、ベーン81bの一部、および、ブッシュ82を収容する。
ベーン収容孔84eは、鉛直方向にシリンダ84を貫通し、かつ、ブッシュ収容孔84dと連通する孔である。ベーン収容孔84eは、ベーン81bの一部を収容する。
インジェクション通路84gは、シリンダ外周面86dからシリンダ内周面86cに向かって、シリンダ84の径方向に沿って貫通する孔である。図3に示されるように、シリンダ84を鉛直方向に沿って見た場合において、ブッシュ収容孔84dは、吸入孔84bとインジェクション通路84gとの間に配置される。インジェクション通路84gには、インジェクション弁93が配置される。インジェクション通路84gは、シリンダ外周面86dの側においてインジェクション配管92と連通し、シリンダ内周面86cの側において圧縮室40と連通している。
(2-1-2-2)ピストン
ピストン81は、シリンダ84のシリンダ孔84aに挿入される略円筒状の部材である。ピストン81の上側の端面は、フロントヘッド83の下面と接する。ピストン81の下側の端面は、リアヘッド85の上面と接する。
ピストン81は、クランクシャフト17の偏心軸部17aに嵌め込まれた状態で、シリンダ84のシリンダ孔84aに挿入される。これにより、ピストン81は、クランクシャフト17の軸回転によって偏心回転して、クランクシャフト17の回転軸17gを中心とする公転運動を行う。ピストン81は、圧縮機構15を上面視した場合に、時計回りに公転する。
ベーン81bは、シリンダ84のブッシュ収容孔84dおよびベーン収容孔84eに収容される。ベーン81bは、ピストン81と一体に形成される。ベーン81bは、ピストン81の径方向外側に突出するように、ピストン81の径方向に沿って延びる。ピストン81が公転することで、ベーン81bは、揺動しながら、その長手方向に沿って進退する。このとき、ブッシュ82は、ブッシュ収容孔84dにおいて回転しながらベーン81bを支持する。
圧縮機構15は、シリンダ84と、ピストン81と、ベーン81bと、フロントヘッド83と、リアヘッド85とによって囲まれる空間である圧縮室40を有する。圧縮室40は、シリンダ孔84aの一部であって、ピストン81の公転に伴い容積が変化することで冷媒が圧縮される空間である。圧縮室40には、油貯留部10aの潤滑油が供給される。
圧縮室40は、ピストン81およびベーン81bによって、吸入孔84bと連通する低圧室40aと、吐出切り欠き84cおよびインジェクション通路84gと連通する高圧室40bとに区画される。図3において、低圧室40aおよび高圧室40bは、シリンダ内周面86cと、ピストン81の外周面であるピストン外周面81cとによって囲まれる領域である。低圧室40aおよび高圧室40bの容積は、ピストン81の位置に応じて変化する。
(2-1-2-3)ブッシュ
ブッシュ82は、一対の略半円柱状の部材である。ブッシュ82は、ベーン81bを挟み込むようにして、シリンダ84のブッシュ収容孔84dに収容される。ブッシュ82は、シリンダ84と摺動可能である。
(2-1-2-4)フロントヘッド
フロントヘッド83は、シリンダ84の第1シリンダ端面86aを覆う部材である。フロントヘッド83は、ボルト等によって、ケーシング10に締結される。フロントヘッド83は、クランクシャフト17を支持するための上部軸受部23aを有する。
フロントヘッド83は、吐出ポート23bを有する。吐出ポート23bは、フロントヘッド83を鉛直方向に貫通する円筒形状の孔である。吐出ポート23bは、鉛直方向下側において、吐出切り欠き84cおよび圧縮室40(高圧室40b)と連通する。吐出ポート23bは、鉛直方向上側において、高圧空間HSと連通する。吐出ポート23bは、圧縮機構15によって圧縮された冷媒を、高圧室40bから高圧空間HSに送るための流路である。
フロントヘッド83の上面には、吐出ポート23bを塞ぐ吐出弁23cが取り付けられる。吐出弁23cは、高圧空間HSから高圧室40bへの冷媒の逆流を防ぐための弁である。吐出弁23cは、吐出ポート23b内部の冷媒の圧力によって上方に持ち上げられる。これにより、吐出ポート23bが開き、吐出ポート23bは、高圧空間HSと連通する。
(2-1-2-5)リアヘッド
リアヘッド85は、シリンダ84の第2シリンダ端面86bを覆う部材である。リアヘッド85は、クランクシャフト17を支持するための下部軸受部25aを有する。シリンダ84のシリンダ孔84aは、フロントヘッド83およびリアヘッド85によって閉塞される。
(2-1-3)駆動モータ
駆動モータ16は、ケーシング10の内部に収容され、圧縮機構15の上方に配置されるブラシレスDCモータである。駆動モータ16は、主として、ケーシング10の内壁面に固定されるステータ51と、ステータ51の内側に回転自在に収容されるロータ52とから構成される。ステータ51とロータ52との間には、エアギャップが設けられる。
ステータ51は、ステータコア61と、ステータコア61の鉛直方向の両端面に取り付けられる一対のインシュレータ62とを有する。ステータコア61は、円筒部と、円筒部の内周面から径方向内側に向かって突出する複数のティース(図示せず)とを有する。ステータコア61のティースは、一対のインシュレータ62と共に、導線が巻き付けられる。これにより、ステータコア61の各ティースには、コイル72aが形成される。
ステータ51の外側面には、ステータ51の上端面から下端面に亘り、かつ、周方向に所定間隔をおいて、切欠形成される複数のコアカット部(図示せず)が設けられる。コアカット部は、胴部11とステータ51との間を鉛直方向に延びるモータ冷却通路を形成する。
ロータ52は、鉛直方向に積層される複数の金属板から構成されるロータコア52aと、ロータコア52aに埋め込まれる複数の磁石52bとを有する。磁石52bは、ロータコア52aの周方向に沿って、等間隔に配置される。ロータ52は、その回転中心を鉛直方向に貫通するクランクシャフト17に連結される。ロータ52は、クランクシャフト17を介して、圧縮機構15と接続される。
(2-1-4)クランク軸
クランクシャフト17は、ケーシング10の内部に収容され、その軸方向が鉛直方向に沿うように配置される。クランクシャフト17は、駆動モータ16のロータ52、および、圧縮機構15のピストン81に連結される。クランクシャフト17は、偏心軸部17aを有する。偏心軸部17aは、シリンダ84のシリンダ孔84aに挿入されるピストン81に連結される。クランクシャフト17の上側の端部は、駆動モータ16のロータ52に連結される。クランクシャフト17は、フロントヘッド83の上部軸受部23a、および、リアヘッド85の下部軸受部25aによって支持される。クランクシャフト17は、回転軸17gを中心として回転する。
(2-1-5)吸入管
吸入管19は、ケーシング10の胴部11を貫通する管である。ケーシング10の内部にある吸入管19の端部は、シリンダ84の吸入孔84bに嵌め込まれる。ケーシング10の外部にある吸入管19の端部は、冷媒回路6に接続される。吸入管19は、冷媒回路6から圧縮機構15に冷媒を供給する。
(2-1-6)吐出管
吐出管20は、ケーシング10の頂部12を貫通する管である。ケーシング10の内部にある吐出管20の端部は、駆動モータ16の上方の空間に位置する。ケーシング10の外部にある吐出管20の端部は、冷媒回路6に接続される。吐出管20は、圧縮機構15によって圧縮された冷媒を冷媒回路6に供給する。
(2-1-7)インジェクション配管
インジェクション配管92は、ケーシング10の胴部11を貫通する管である。ケーシング10の内部にあるインジェクション配管92の端部は、シリンダ84のインジェクション通路84g内に配置されるインジェクション弁93に接続される。ケーシング10の外部にあるインジェクション配管92の端部は、エコノマイザ配管90に接続される。インジェクション配管92は、エコノマイザ配管90内の冷媒を、インジェクション通路84gに供給する。
(2-2)詳細構成
圧縮機21では、冷媒回路6を流れる中間圧の冷媒が、エコノマイザ配管90およびインジェクション配管92を経由して、インジェクション通路84gに供給される。中間圧とは、圧縮機21に吸入される低圧の冷媒の圧力と、圧縮機21から吐出される高圧の冷媒の圧力との間の圧力である。空気調和装置1の能力を向上させるためには、インジェクション通路84gから圧縮室40(高圧室40b)に、十分な量の中間圧の冷媒が供給されることが好ましい。しかし、圧縮室40(高圧室40b)からインジェクション通路84gに向かって冷媒が逆流すると、空気調和装置1の能力が低下するおそれがある。
インジェクション通路84gには、インジェクション弁93が配置される。圧縮室40の圧力が、インジェクション配管92内の中間圧の冷媒の圧力であるインジェクション圧力よりも低い場合に、インジェクション弁93は開く。圧縮室40の圧力が、インジェクション圧力以上の場合に、インジェクション弁93は閉じる。インジェクション弁93が開いている時は、インジェクション通路84gから圧縮室40に向かって中間圧の冷媒が流入することが許可される。インジェクション弁93が閉じている時は、圧縮室40からインジェクション通路84gに向かって圧縮室40内の冷媒が流入することが抑制される。これにより、インジェクション弁93は、圧縮室40からインジェクション通路84gへの冷媒の逆流を抑制する。
図5および図6に示されるように、インジェクション弁93は、主として、弁本体94と、弁押さえ95と、弁座96とを有する。弁押さえ95および弁座96は、インジェクション通路84gに圧入されることにより、シリンダ84に固定されている。インジェクション通路84gが延びる第1方向D1に沿って、弁押さえ95および弁座96は、互いに離れるように配置されている。弁押さえ95と弁座96との間の空間は、弁本体94が第1方向D1に移動可能なように配置される第1空間97である。弁押さえ95は、弁本体94よりもインジェクション配管92側に配置される。弁座96は、弁本体94よりも圧縮室40側に配置される。
インジェクション通路84gは、第1方向D1に沿って内径が異なる円形の孔である。インジェクション通路84gは、シリンダ外周面86d側の端部において最も大きな内径を有し、シリンダ内周面86c側の端部において最も小さな内径を有する。具体的には、インジェクション通路84gの内径は、シリンダ内周面86c側からシリンダ外周面86d側に向かって大きくなっている。
弁本体94は、円形の平板である。弁本体94は、GIN6(日立金属社製のステンレス焼き入れ鋼)等のばね鋼で成形される。図7に示されるように、弁本体94の中央部には、円形の中央孔94aが形成されている。弁本体94は、中央孔94aの周囲に位置する環状の周縁部94bを有する。図7では、周縁部94bは、ハッチングされた領域として示されている。
弁押さえ95は、インジェクション通路84gのシリンダ外周面86d側において圧入される。弁押さえ95は、第1方向D1に沿って外径が異なる形状を有する。弁押さえ95の一部は、シリンダ外周面86dよりも外側に突出している。弁押さえ95には、シリンダ外周面86d側からインジェクション配管92が挿入されている。インジェクション配管92は、弁押さえ95に固定されている。図5および図6に示されるように、インジェクション配管92に取り付けられるOリング92aによって、インジェクション通路84gと高圧空間HSとが隔てられている。
弁押さえ95は、第1孔95aと閉鎖部95bとを有する。第1孔95aは、第1方向D1に沿って弁押さえ95を貫通する。図8に示されるように、シリンダ内周面86c側から第1方向D1に沿って弁押さえ95を見た場合、閉鎖部95bは、弁押さえ95の中央に位置する円形の領域であり、複数の第1孔95aは、閉鎖部95bの周囲に形成されている。図8では、閉鎖部95bは、ハッチングされた領域として示されている。図8に示される弁押さえ95では、12個の第1孔95aが円形に配置される。閉鎖部95bの外径は、弁本体94の中央孔94aの径よりも大きい。第1孔95aの径は、弁本体94の周縁部94bの幅(弁本体94の径方向の寸法)よりも小さい。
弁押さえ95は、弁本体94のインジェクション配管92側への移動を規制する。言い換えると、弁本体94は、インジェクション配管92に向かって第1方向D1に移動する場合、弁押さえ95に当たるまで移動可能である。弁本体94が弁押さえ95に当たっている状態では、弁押さえ95の第1孔95aは、弁本体94の周縁部94bによって塞がれている。このとき、弁本体94の中央孔94aは、弁押さえ95の閉鎖部95bによって塞がれている。弁本体94が弁押さえ95から離れている状態では、弁押さえ95の第1孔95aは、弁本体94の周縁部94bによって塞がれていない。このとき、弁本体94の中央孔94aは、弁押さえ95の閉鎖部95bによって塞がれていない。
このように、弁押さえ95の第1孔95aは、弁本体94により開閉される。具体的には、弁本体94が弁押さえ95に当たっている状態では、弁本体94の中央孔94a、および、弁押さえ95の第1孔95aは塞がれているので、インジェクション弁93は閉じている状態にある。一方、弁本体94が弁押さえ95から離れている状態では、弁本体94の中央孔94a、および、弁押さえ95の第1孔95aは塞がれていないので、インジェクション弁93は開いている状態にある。
弁座96は、インジェクション通路84gのシリンダ内周面86c側において圧入される。弁座96は、第1方向D1に沿って外径がほぼ同じである形状を有する。弁座96は、第2孔96aを有する。第2孔96aは、第1方向D1に沿って弁座96を貫通する。第2孔96aの径は、弁本体94の中央孔94aの径とほぼ同じである。第2孔96aは、インジェクション通路84gを介して、圧縮室40と常に連通している。
弁座96は、弁本体94の圧縮室40側への移動を規制する。言い換えると、弁本体94は、圧縮室40に向かって第1方向D1に移動する場合、弁座96に当たるまで移動可能である。弁本体94が弁座96に当たっている状態では、弁本体94の中央孔94aは、弁座96の第2孔96aと連通している。弁本体94が弁座96に当たっている時、弁本体94は弁押さえ95から離れているので、インジェクション弁93は開いている状態にある。
弁本体94が弁押さえ95に当たって第1孔95aを塞ぐ第1状態(図5)から、弁本体94が弁押さえ95から離れて弁座96に当たる第2状態(図6)に移行する際に、弁本体94は、第1方向D1に沿って移動する。
第1状態では、図5に示されるように、弁本体94の中央孔94a、および、弁押さえ95の第1孔95aが塞がれているので、中央孔94aは、第1孔95aと連通していない。そのため、インジェクション配管92内の冷媒は、第1孔95aおよび中央孔94aを通過して、圧縮室40に流入できない。一方、第2状態では、図6に示されるように、中央孔94aおよび第1孔95aが塞がれていないので、中央孔94aは、第1空間97を介して第1孔95aと連通している。そのため、インジェクション配管92内の冷媒は、第1孔95aおよび中央孔94aを通過して、圧縮室40に流入できる。
以下において、図5および図6に示されるように、第1状態から第2状態に移行する際における、弁本体94の第1方向D1の移動量を第1距離Lと定義し、弁本体94の第1方向D1の寸法を第1寸法tと定義する。
第1距離Lおよび第1寸法tは、次の関係式(I)を満たす。
L<t (I)
図5および図6に示されるように、第1空間97の第1方向D1の寸法を第2寸法sと定義すると、次の関係式(II)および(III)が満たされる。
L<t<s (II)
s=L+t (III)
第1距離Lおよび第1寸法tは、次の関係式(IV)を満たすことが好ましい。
0.2mm≦L<t≦1.8mm (IV)
第1距離Lおよび第1寸法tは、次の関係式(V)を満たすことがより好ましい。
0.6mm≦L<t≦1.0mm (V)
第1距離Lおよび第1寸法tは、次の関係式(VI)を満たすことがより好ましい。
1.2≦t/L≦2.0 (VI)
また、第1方向D1に沿って見た場合における弁本体94の面積を第1面積S1と定義し、第1方向D1に沿って見た場合における弁押さえ95の第1孔95aの面積を第2面積S2と定義する。第1面積S1は、周縁部94bの面積であり、中央孔94aの面積を含まない。第2面積S2は、弁押さえ95の全ての第1孔95aの面積の合計である。中央孔94aおよび第1孔95aの面積とは、第1方向D1に沿って見た場合の面積である。
第1面積S1および第2面積S2は、次の関係式(VII)を満たす。
4.1≦S1/S2≦4.9 (VII)
関係式(VII)は、次の関係式(VIII)と同値である。
4.1≦(i―j)/(n×k)≦4.9 (VIII)
ここで、
i:弁本体94の外径
j:弁本体94の中央孔94aの直径
n:弁押さえ95の第1孔95aの数
k:弁押さえ95の第1孔95aの直径
である(図7および図8)。図8において、nは12である。
第1面積S1および第2面積S2は、変数i,j,n,kを用いて、次の関係式(IX)および(X)のように表せる。
S1=(i/2)×π-(j/2)×π (IX)
S2=n×(k/2)×π (X)
関係式(VII)に、関係式(IX)および(X)を代入することで、関係式(VIII)が導かれる。
(2-3)圧縮機の動作
駆動モータ16が始動すると、クランクシャフト17の偏心軸部17aは、クランクシャフト17の回転軸17gを中心に偏心回転する。これにより、偏心軸部17aに連結されるピストン81は、シリンダ84のシリンダ孔84a内で公転する。ピストン81が公転している間、ピストン外周面81cは、シリンダ内周面86cと接する。ピストン81の公転によって、ベーン81bは、その両側面をブッシュ82に挟まれながら進退する。
ピストン81の公転に伴い、吸入孔84bと連通する圧縮室40(低圧室40a)は、徐々に容積を増加させる。このとき、ケーシング10の外部から吸入管19を経由して、低圧室40aに低圧の冷媒が流入する。ピストン81の公転に伴い、低圧室40aは、吐出切り欠き84cと連通する高圧室40bとなり、高圧室40bは、徐々に容積を減少させて消滅し、その後、新たな低圧室40aが形成される。これにより、吸入管19から吸入孔84bを経由して低圧室40aに流入した低圧の冷媒は、圧縮室40(高圧室40b)で圧縮される。圧縮室40において冷媒が圧縮されている間、ベーン81bは、一対のブッシュの間で進退可能に保持される。
高圧室40bで圧縮された高圧の冷媒は、吐出切り欠き84cおよび吐出ポート23bを経由して、高圧空間HSに吐出される。高圧空間HSに吐出された冷媒は、駆動モータ16のモータ冷却通路を通過して上方に向かって流れた後、吐出管20からケーシング10の外部に吐出される。
圧縮室40において冷媒が圧縮されている間、冷媒回路6を流れる中間圧の冷媒が高圧室40bに供給される中間インジェクションが行われる。中間インジェクションは、インジェクション弁93が開いている状態において、インジェクション通路84gから高圧室40bに中間圧の冷媒が供給されることにより行われる。中間インジェクションは、圧縮室40(高圧室40b)の圧力がインジェクション圧力よりも低い場合に行われ、圧縮室40(高圧室40b)の圧力がインジェクション圧力以上の場合には行われない。
次に説明するように、ピストン81が公転している間、インジェクション弁93は開閉を繰り返す。図9に示されるように、ピストン81が上死点に位置している時、ベーン81b全体が一対のブッシュ82によって支持されている。この時、圧縮室40は、ピストン81によって低圧室40aと高圧室40bとに区画されておらず、圧縮室40は、吸入孔84bおよびインジェクション通路84gの両方と連通している。そのため、圧縮室40は、吸入孔84bから流入する低圧の冷媒で満たされている。圧縮室40の圧力はインジェクション圧力よりも低いので、インジェクション圧力によって弁本体94は弁座96に向かって移動して弁座96に当たる。その結果、インジェクション弁93が開く。
図9に示される状態からピストン81が公転すると、図10に示されるように、ピストン81は、シリンダ内周面86cにおける吸入孔84bの開口を塞ぐ。この時、圧縮室40は、ピストン81によって低圧室40aと高圧室40bとに区画され、高圧室40bは、インジェクション通路84gと連通している。その後、ピストン81がさらに公転して高圧室40bの圧力が上昇すると、高圧室40bの圧力はインジェクション圧力以上になる。これにより、高圧室40bの圧力によって弁本体94は弁押さえ95に向かって移動して弁押さえ95に当たる。その結果、インジェクション弁93が閉じる。
次に、ピストン81がさらに公転すると、図11に示されるように、ピストン81は、シリンダ内周面86cにおけるインジェクション通路84gの開口を塞ぐ。この時、圧縮室40は、ピストン81によって低圧室40aと高圧室40bとに区画され、低圧室40aは、吸入孔84bと連通している。そのため、低圧室40aは、吸入孔84bから流入する低圧の冷媒で満たされている。その後、ピストン81がさらに公転して、低圧室40aがインジェクション通路84gと連通すると、低圧室40aの圧力はインジェクション圧力よりも低いので、インジェクション圧力によって弁本体94は弁座96に向かって移動して弁座96に当たる。その結果、インジェクション弁93が開く。その後、ピストン81がさらに公転すると、図9に示されるように、ピストン81は上死点に位置する。
従って、ピストン81が公転している間、インジェクション弁93は、圧縮室40内の冷媒と、インジェクション配管92内の中間圧の冷媒との間の圧力差によって開閉する。これにより、圧縮機21では、ピストン81が公転している間、インジェクション弁93が閉じている第1状態(図5)から、インジェクション弁93が開いている第2状態(図6)に移行し、第2状態から第1状態に移行することを繰り返す。そのため、圧縮機21が冷媒を圧縮している間、弁本体94は、インジェクション弁93が開く度に弁座96に衝突し、インジェクション弁93が閉じる度に弁押さえ95に衝突する。
(3)特徴
(3-1)
圧縮機21が冷媒を圧縮している間、弁本体94は、弁押さえ95および弁座96との衝突を繰り返す。圧縮機21のような回転式の圧縮機の場合、上述したように、インジェクション弁93は、圧縮室40内の冷媒と、インジェクション配管92内の中間圧の冷媒との間の圧力差によって開く。圧縮室40と連通する吸入孔84b内の冷媒の圧力は、冷媒回路6において最も低い。そのため、回転式の圧縮機の場合、インジェクション弁93を開閉する駆動力となる圧力差が比較的大きいので、弁押さえ95および弁座96と衝突する時の弁本体94の速さが大きくなりやすい。
一方、例えば、スクロール式の圧縮機の場合、冷媒回路において最も低い圧力より高い圧力の冷媒と、中間圧の冷媒との間の圧力差によって弁が開く。そのため、スクロール式の圧縮機において、弁を開閉する駆動力となる圧力差は、回転式の圧縮機よりも小さい傾向があるので、弁の開閉時における弁本体の速さも小さい。弁本体の速さが大きいほど、弁本体が他の部材と衝突する時の衝撃負荷が大きいので、弁本体が破損しやすい。また、中間圧が高くなるほど、弁を開閉する駆動力となる圧力差が大きく、弁本体の速さも大きくなるので、弁本体が破損しやすい。
本実施形態では、圧縮機21が冷媒を圧縮している間の弁本体94の第1方向D1の移動量(第1距離L)は、弁本体94の第1方向D1の寸法(第1寸法t)よりも短い。第1距離Lの上限値が設定されているため、弁本体94の速さが規制され、弁押さえ95および弁座96と当たる時の弁本体94の衝撃負荷が低減される。また、第1寸法tの下限値が設定されているため、弁本体94の厚みを所定値以上確保することができ、弁本体94の疲労強度の低下が抑制される。さらに、第1寸法tと第1距離Lとの比t/Lが大きいほど、弁本体94の移動時に弁本体94が第1方向D1に対して傾くことが抑制される。これにより、弁本体94が弁押さえ95および弁座96と当たる時に、弁本体94に局所的な負荷がかかることが抑制される。従って、本実施形態では、インジェクション弁93を開閉する駆動力となる圧力差が比較的大きくても、弁本体94の破損が抑制され、圧縮機21の信頼性が向上する。また、本実施形態の圧縮機21のような回転式の圧縮機では、スクロール式の圧縮機と比較して、本実施形態のインジェクション弁93のような弁を開閉する駆動力となる圧力差が大きくなりやすいので、弁の破損を抑制して信頼性を向上させる効果が大きい。
(3-2)
圧縮機21では、インジェクション弁93は、第1距離Lおよび第1寸法tが上述の関係式(IV)~(VI)を満たすように設計される。これにより、弁本体94の破損が効果的に抑制される。
(3-3)
圧縮機21では、弁本体94および弁押さえ95は、上述の関係式(VII)および(VIII)が満たされるように設計される。これにより、インジェクション弁93のシール性能が適切に確保される。
(3-4)
圧縮機21では、弁本体94は、ばね鋼で成形される。これにより、弁本体94の破損が効果的に抑制される。
(3-5)
上述のスクロール式の圧縮機では、固定スクロールに対して可動スクロールが公転することで、固定スクロールと可動スクロールとにより形成される圧縮室の容積が減少して、圧縮室内の冷媒が圧縮される。一般に、スクロール式の圧縮機では、低圧の冷媒が高圧の冷媒に圧縮されるまで、固定スクロールに対して可動スクロールは少なくとも2回公転する。そのため、スクロール式の圧縮機に、インジェクション弁93のような弁が設けられている場合、可動スクロールが少なくとも2回公転する度に、弁が1回開閉する。
一方、本実施形態の圧縮機21のような回転式の圧縮機では、ピストン81が1回公転する度に、インジェクション弁93が1回開閉する。従って、回転式の圧縮機は、スクロール式の圧縮機と比較して、インジェクション弁93のような弁が開閉する回数が多くなる傾向がある。従って、本実施形態の圧縮機21のような回転式の圧縮機では、スクロール式の圧縮機と比較して、本実施形態のインジェクション弁93のような弁が破損しやすいので、弁の破損を抑制して信頼性を向上させる効果が大きい。
(3-6)
空気調和装置1は、圧縮機21を備える。圧縮機21の弁本体94の破損が抑制されることにより、空気調和装置1の信頼性が向上する。また、中間インジェクションによって圧縮室40に供給される中間圧の冷媒の量を増加させることにより、空気調和装置1の能力を向上させることができる。
(4)変形例
(4-1)第1変形例
実施形態において、圧縮機21は、回転式の圧縮機である。しかし、インジェクション弁93は、回転式の圧縮機以外の圧縮機にも適用できる。例えば、インジェクション弁93は、スクロール式の圧縮機にも適用できる。
また、圧縮機21が回転式の圧縮機である場合、圧縮機構15の構成は特に限定されない。例えば、圧縮機構15は、ブッシュ82を有さない構成を有してもよい。具体的には、圧縮機構15は、図12に示されるように、ピストン81と、ベーン81bと、スプリング87とを有してもよい。ピストン81およびベーン81bは、互いに別々の部材である。スプリング87は、鉛直方向にシリンダ84を貫通するスプリング収容孔84fに収容される。スプリング87は、シリンダ84のシリンダ孔84a内で公転するピストン81に向かってベーン81bを押し付ける。ベーン81bは、公転するピストン81に接しながら、圧縮室40を低圧室40aと高圧室40bとに仕切る。ベーン81bは、圧縮室40で冷媒が圧縮される間、スプリング収容孔84fによって進退可能に保持される。
(4-2)第2変形例
インジェクション弁93は、弁本体94と弁座96との間に配置される弾性体をさらに有してもよい。弾性体は、例えば、バネである。弾性体は、圧縮室40の圧力が、インジェクション圧力よりも所定の値だけ小さい圧力を超えている場合に、弁本体94を弁押さえ95に押し付けるように構成される。
本変形例では、弾性体により弁本体94が弁押さえ95に向かって押し付けられることにより、弁本体94のチャタリングが抑制される。また、圧縮室40の圧力がインジェクション圧力よりもわずかに小さい場合でも、圧縮室40からインジェクション通路84gに冷媒が逆流することが抑制される。
―むすび―
以上、本開示の実施形態を説明したが、特許請求の範囲に記載された本開示の趣旨および範囲から逸脱することなく、形態や詳細の多様な変更が可能なことが理解されるであろう。
1 :空気調和装置
15 :圧縮機構
21 :圧縮機
40 :圧縮室
40a :低圧室(第1室)
40b :高圧室(第2室)
81 :ピストン
81b :ベーン
82 :一対のブッシュ
84g :インジェクション通路
92 :インジェクション配管
93 :インジェクション弁
94 :弁本体
95 :弁押さえ
95a :第1孔
96 :弁座
D1 :第1方向
特開2016-17464号公報

Claims (7)

  1. 冷媒が圧縮される圧縮室(40)が形成される圧縮機構(15)と、
    前記圧縮室と連通するインジェクション通路(84g)に配置されるインジェクション弁(93)と、
    前記インジェクション通路に冷媒を供給するインジェクション配管(92)と、
    を備え、
    前記インジェクション弁は、
    第1方向(D1)に沿って移動可能に配置される弁本体(94)と、
    前記弁本体よりも前記インジェクション配管側に配置され、前記弁本体の前記インジェクション配管側への移動を規制する弁押さえ(95)と、
    前記弁本体よりも前記圧縮室側に配置され、前記弁本体の前記圧縮室側への移動を規制する弁座(96)と、
    を有し、
    前記弁押さえは、前記弁本体により開閉される第1孔(95a)が形成され、
    前記弁本体が前記弁押さえに当たって前記第1孔を塞ぐ第1状態から、前記弁本体が前記弁押さえから離れて前記弁座に当たる第2状態に移行する際における、前記弁本体の前記第1方向の移動量である第1距離は、前記弁本体の前記第1方向の寸法である第1寸法より小さい、
    圧縮機(21)。
  2. 前記第1距離をLとし、前記第1寸法をtとする場合、0.2mm≦L<t≦1.8mmの関係式を満たす、
    請求項1に記載の圧縮機。
  3. 前記第1方向に沿って見た場合における前記弁本体の面積をS1とし、前記第1方向に沿って見た場合における前記第1孔の面積をS2とする場合、4.1≦S1/S2≦4.9の関係式を満たす、
    請求項1または2に記載の圧縮機。
  4. 前記弁本体は、ばね鋼で成形される、
    請求項1から3のいずれか1項に記載の圧縮機。
  5. 前記圧縮機構は、ピストン(81)と、前記ピストンに接して前記圧縮室を第1室(40a)と第2室(40b)とに仕切るベーン(81b)とを有し、
    前記ベーンは、前記圧縮室で冷媒が圧縮される間、進退可能に保持される、
    請求項1から4のいずれか1項に記載の圧縮機。
  6. 前記圧縮機構は、前記圧縮室を第1室(40a)と第2室(40b)とに仕切るベーン(81b)と、一対のブッシュ(82)とを有し、
    前記ベーンは、前記圧縮室で冷媒が圧縮される間、前記一対のブッシュの間で進退可能に保持される、
    請求項1から4のいずれか1項に記載の圧縮機。
  7. 請求項1から6のいずれか1項に記載の圧縮機を備える、
    空気調和装置(1)。
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