CN101089395A - 容积式流体机械 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种容积式流体机械，具有：由固定涡旋体及旋转涡旋体形成工作室的涡旋型膨胀机部；以及具有划分由缸体、辊及封闭板形成的空间的滑片部的旋转柱塞型压缩机部，以与固定涡旋体中央部的流入口连通的工作室的容积为最大的转动位置为限界，使旋转涡旋体的转动位置在从该转动位置至－45度为止的范围内。本发明的具有膨胀机部和压缩机部的流体机械不使用辅助电动机就能够实现稳定的起动。

Description

容积式流体机械
技术领域
本发明涉及容积式流体机械，尤其涉及在制冷循环中具有使制冷剂膨胀及压缩的功能的流体机械。
背景技术
一直以来，例如作为与制冷循环连接使用的流体机械，已知有具备膨胀机部和压缩机部的流体机械。
例如，现公开有以下技术：在同一容器内分别收纳旋转柱塞型的膨胀机部和压缩机部，并且用同轴结合膨胀机部和压缩机部的主轴，使用流入膨胀机部的制冷剂的膨胀能驱动主轴转动，由此驱动压缩机部(参照专利文献1：特开平8-82296号公报)。
这样，通过在制冷循环的膨胀过程中回收动力并在压缩过程中利用，能够提高制冷循环的COP。
然而，专利文献1的流体机械通过在膨胀机部和压缩机部之间设置辅助电动机，并且辅助电动机和膨胀机部及压缩机部的主轴相互连结而构成。对于这些主轴，其相位差设成膨胀机部的产生最大转矩时的转动位置与压缩机部的产生最大负荷转矩时的转动位置一致。
这样，在专利文献1中，由于在流体机械起动时辅助电动机对主轴施加转矩，因此能够充分确保流体机械的起动转矩。
可是，在这样将辅助电动机收纳在容器内的构成的场合下，流体机械的构造变得复杂化，从而存在例如制造成本增加，并且使得装置自身大型化的问题。
与此相反，在不具备辅助电动机等动力源的流体机械的场合下，若不能使膨胀机部产生超过膨胀机部及压缩机部的负荷转矩(静摩擦力)的大小的起动转矩，则不能起动流体机械。
发明内容
本发明以在具有膨胀机部和压缩机部的流体机械中，不使用辅助电动机就实现稳定的起动作为其解决课题。
本发明的流体机械在容器内收纳膨胀机部和压缩机部，使流入膨胀机部的流体膨胀而驱动膨胀机部，利用该驱动力驱动压缩机部。
在此，膨胀机部为涡旋型膨胀机部，具备：通过涡旋状的叶片分别直立在板材上而形成，并且通过相互啮合形成多个工作室的固定涡旋体及旋转涡旋体；在固定涡旋体的中央部开口的流体的流入口；在固定涡旋体的外周部开口的流体的流出口；以及与旋转涡旋体连结的第一偏心轴部，压缩机部为旋转柱塞型压缩机部，具备：缸体；封闭该缸体两端的封闭板；在缸体的内侧偏心转动的圆筒状辊；与该辊的外周面接触并划分由缸体、辊及封闭板形成的空间的滑片部；对该滑片部加力而按压辊的弹簧；以及与辊连结的第二偏心轴部。
将这种流体机械的膨胀机部例如在与制冷循环的压缩机的下游一侧连接而起动压缩机的场合下，高压制冷剂通过固定涡旋体的中央的流入口流入最内周的工作室。这时因为膨胀机部的排出口侧的工作室其压力比流入口侧的工作室的压力低，所以由该压力差，自主轴的转动中心向径向的力发挥作用，使得旋转涡旋体产生转矩。
在此，与流入口连通的工作室当其容积为最大时，由制冷剂所产生的径向的力最有效地发挥作用。但是，工作室的容积随旋转涡旋体的公转而变化，容积刚成为最大后迅速减小。为此，旋转涡旋体的转动位置设定在与流入口连通的工作室的容积为最大的转动位置，并且以该位置为限界在从此到-45度为止的范围内，从而能够在膨胀机部产生最大或接近最大的转矩。
另一方面，压缩机部例如连接在膨胀机部的排出口一侧和压缩机的吸入口一侧之间。因此，对于压缩机部，与在缸体内由滑片划分的吸入口侧的工作室相比，排出口侧的工作室的压力低。即，从吸入口流入缸体内的制冷剂伴随工作室间的压力差，使辊移动至吸入口侧的工作室为最大容积的位置，这时在主轴上产生转矩。该膨胀机部和压缩机部所产生的起动转矩的转动方向一致。
因此，通过对膨胀机部的第一偏心轴部和压缩机部的第二偏心轴部设定规定的相位差，能够从膨胀机部和压缩机部同时获得起动转矩。但是，为了利用该起动转矩而起动主轴，需要旋转涡旋体和辊总是静止于这些起动转矩超过膨胀机部和压缩机部的负荷转矩(静摩擦力)的位置上。
在此，本发明的特征在于，着眼于在压缩机部中辊由滑片部的按压力总是静止于弹簧的全长总为最大的转动位置上，在第一偏心轴部与第二偏心轴部之间设定相位差，使得相对弹簧最大伸长时的辊的转动位置，旋转涡旋体的转动位置以与流入口连通的工作室的容积为最大的转动位置为限界在从该转动位置到-45度为止的范围内。
根据上述方案，由于在流体机械停止时，能够使第一偏心轴部和第二偏心轴部的转动位置大致相同，因此在起动时，能够使膨胀机部和压缩机部所产生的起动转矩大致为最大而获得该起动转矩，并且即使不使用辅助电动机也能够实现稳定的起动。
附图说明
图1是适用本发明而成的流体机械的剖视图。
图2是具备适用本发明而成的流体机械的制冷循环的示意图。
图3是具备适用本发明而成的流体机械的制冷循环的莫里尔图。
图4是适用本发明而成的流体机械的膨胀机部及压缩机部的横剖视图。
图5是适用本发明而成的流体机械的对应每一曲轴转角的膨胀机部及压缩机部的动作图。
图中：
1-膨胀机部，3-压缩机部，5-固定涡旋体，7-旋转涡旋体，13-吸入口，21-曲轴，21a-膨胀机偏心轴，21b-压缩机偏心轴，31-缸体，33-辊，35-滑片，43-弹簧。
具体实施方式
以下，基于附图说明本发明实施方式。图1是适用本发明而成的流体机械的剖视图。图2是具备适用本发明而成的流体机械的制冷循环的示意图。图3是具备适用本发明而成的流体机械的制冷循环的莫里尔图。图4是适用本发明而成的流体机械的膨胀机部及压缩机部的横剖视图。图5是适用本发明而成的流体机械的对应每一曲轴转角的膨胀机部及压缩机部的动作图。
本实施方式的制冷循环作为工作流体(以下，适当地简称为制冷剂)使用二氧化碳(R744)。作为制冷剂的二氧化碳(R744)其地球变暖化系数(GWP)为氟利昂类制冷剂的数千分之一，因此在保护地球环境方面具有优越性。另一方面，虽然存在着高压制冷剂的莫里尔图上的理论COP(制冷系数)较低的缺点，但是由于R744在膨胀过程的能量损失比氟利昂类制冷剂大，因此通过回收该膨胀过程的动力，能够大幅度地改善COP。
本实施方式的流体机械，将涡旋型的膨胀机部1和旋转柱塞型的压缩机部3收纳在同一密闭容器9内，膨胀机部1和压缩机部3通过同轴结合各自的驱动轴(主轴)，回收在膨胀机部1中制冷剂膨胀时产生的动力而驱动压缩机部3，成为作压缩功的膨胀/压缩机。
就膨胀机部1而言，以彼此相对的姿势配置使涡旋状的卷板(ラツプ)分别直立在圆板状的镶板上而形成的固定涡旋体5和旋转涡旋体7，通过使固定涡旋体5和旋转涡旋体7啮合，在它们之间形成多个工作室。固定涡旋体5固定在固定于密闭容器9上的框架11上。
在固定涡旋体5的中央部上开口的吸入口13中穿孔设置流入管15，另一方面，在固定涡旋体5的外周部上开口的排出口17中穿孔设置流出管19。在旋转涡旋体7上，在与卷板相反一侧的面的中央形成有轴承23。在该轴承23上滑动自如地嵌入膨胀机偏心轴21a，该膨胀机偏心轴21a连结在可以中心轴L1为中心转动的曲轴21的一端上，旋转涡旋体7支撑在膨胀机偏心轴21a上。由此，旋转涡旋体7相对于固定涡旋体5以中心轴L1为中心以规定的偏心量公转运动，使工作室向外周一侧移动，并且使工作室的容积扩大。还有，旋转涡旋体7由欧氏联轴器(オルダムリング)25限制其公转运动。
压缩机部3包括：具有圆筒内周面的缸体31；封闭缸体31的两端面的端板27及框架11；在缸体31内进行偏心运动的圆筒状的辊33；使端面与辊33的外周面接触且在形成于缸体31上的槽37内进行往复运动，将由缸体31和辊33形成的空间分割成吸进室39和压缩室41的板状滑片35；以及设置在滑片35的后端且在辊33的外周面上按压滑片35的弹簧43。另外，在辊33上转动自如地嵌入连结于曲轴21的另一端的压缩机偏心轴21b。
在缸体31上形成有制冷剂的吸进口45和排出口47，在吸进口45上穿孔设置吸进管49，另一方面，在排出口47上连接排出阀51及排出管53。
这样，膨胀机部1的旋转涡旋体7和压缩机部3的辊33通过膨胀机偏心轴21a、压缩机偏心轴21b及曲轴21以规定的转角连结。
下面，说明工作流体流入上述流体机械时的动作。
首先，当高压工作流体通过膨胀机部1的流入管15流入形成于最内周的工作室时，通过工作流体的减压膨胀旋转涡旋体7以中心轴L1为中心公转运动。通过该旋转涡旋体7的公转运动，工作室容积扩大且向外周一侧移动，从而以减压状态从流出管19流出。另外，若旋转涡旋体7做公转运动，则将膨胀机偏心轴21a作为一端的曲轴21转动。
另一方面，在配置于曲轴21的另一端侧的压缩机部3中，若轴21由膨胀机部1而曲转动，则通过压缩机偏心轴21b辊33在缸体31内做偏心转动。伴随辊33的偏心转动，滑片35在被弹簧43按压在辊33的外周面上的同时在槽37内做往复运动。
在缸体31内由滑片35划分的两个工作室、即吸进室39和压缩室41伴随辊33的偏心转动容积发生变化。若低压工作流体通过吸进管49被吸进吸进室39内，则吸进室39伴随容积的减少被压缩至规定压力。被压缩的工作流体通过排出阀51从排出管53向外部排出。
本实施方式的流体机械，利用在膨胀机部1中工作流体膨胀时产生的膨胀能驱动压缩机部3，由于在该驱动的压缩机部3中使工作流体压缩，因此不使用电动机等就能够使工作流体膨胀、压缩。
接下来，用图2及图3说明具备上述流体机械的制冷循环的构成及动作。
用制冷剂配管分别连接压缩装置61、散热器(气体冷却器)63、流体机械65、蒸发器67和膨胀阀69构成本实施方式的制冷循环。在密闭容器内收纳主压缩机71和电动机73构成压缩装置61。在流体机械65的膨胀机部1和压缩机部3(也称为副压缩机)之间连接有蒸发器67。膨胀阀69配设在使连接膨胀机部1和蒸发器67的路径成为旁通的旁通路径上。还有，膨胀阀69除了在进行循环运转条件变化时的流量(压力)调整等以外处于关闭状态。
在主压缩机71中，压缩的高温、高压制冷剂(图3中的C点的状态)从压缩装置61的排出口排出，通过散热器63后因散热而降温后(图3中的D点)，通过流入管15进入流体机械65的膨胀机部1中。流入膨胀机部1中的制冷剂在膨胀过程中膨胀能变换成机械能而驱动压缩机部3，成为低温、低压的气液二相制冷剂(图3中的E点)从流出管19排出。
从膨胀机部1排出的制冷剂进入蒸发器67内因吸热而气化后，通过吸入管49被吸入到流体机械65的压缩机部3中(图3中的A点)。流入压缩机部3中的制冷剂被少许升压，通过排出管53排出(图3中的B点)。从压缩机部3排出的气体制冷剂返回到主压缩机71中再次被压缩，成为高温、高压的气体制冷剂。重复以上的循环发挥制冷作用。
在这样将本实施方式的流体机械65用于制冷循环的场合下，由于膨胀机部1的膨胀能作为动力回收，并且能够将该回收的动力作为压缩机部3的驱动源利用在压缩阶段的一部分(图3的AB之间)，因此相应于上述所利用的动力的量能够减小主压缩机71中的作功量，从而能够提高制冷循环的COP。
再有，虽然在本实施方式中，作为制冷循环的制冷剂使用二氧化碳，但是即使使用氟利昂类的制冷剂，虽然没有二氧化碳的改进比率那么高，但能够实现提高COP。
接着，说明上述制冷循环的起动时的动作。
在制冷循环即将起动之前，循环内的压力为大致一定的平衡压力，从该压力上平衡的状态开始主压缩机71的运转，以起动制冷循环。
首先，在主压缩机71运转开始的同时关闭膨胀阀69。由此，随主压缩机71转数的上升主压缩机71的吸进侧压力下降，排出侧压力上升。而且，压力上升的高压制冷剂经由散热器63，通过流入管15到达膨胀机部1的最内周的工作室(图4的71a)。这时由于在最内周的工作室周围的工作室维持停止时的平衡压力不变，因此由工作室间的压力差，在旋转涡旋体7上产生对曲轴21的中心轴L1的径向力，从而产生转矩。
当该起动时的转矩(起动转矩)超过流体机械65的膨胀机部1或压缩机部3的各个滑动部上的静摩擦力时，曲轴21开始转动。这里，按照静止时的旋转涡旋体7的转动位置决定工作室的大小，特别是与吸入口13连通的最内周的工作室71a其容积越大，制冷剂在径向作用的力就越大，其结果，起动转矩增加。为此，最内周的工作室71a与吸入口13连通并且为了产生超过各个滑动部的静摩擦力所需充分的起动转矩，需要在静止时确保规定的容积。
另一方面，随主压缩机71的吸进侧压力下降，流体机械65的压缩机部3的压缩室41和与其连通的空间的压力下降。这时，由于压缩机部3的吸进室39维持停止时的平衡压力不变，因此在吸进室39和压缩室41的两工作室之间产生压力差。由该压力差，若辊33移动到吸进室39的容积成为最大的转动位置，则与此同时在曲轴21上产生转矩。由于该转矩的作用方向与膨胀机部1的转动方向相同，从而流体机械65的起动时的转矩增加。
这样，本制冷循环的流体机械65，若在起动时旋转涡旋体7及辊33停止在规定的转动位置上，则从各膨胀机部1及压缩机部3分别产生起动转矩。即，流体机械65在其停止时为了下次起动时，需要使旋转涡旋体7及辊33总是静止于起动转矩超过静摩擦力的位置上。为此，在本实施方式中，为了规定膨胀机部1和压缩机部3之间的转角，规定了膨胀机偏心轴21a及压缩机偏心轴21b的相对曲轴21的中心轴L1的转动相位。
在此，着眼于流体机械65停止时的压缩机部3，压缩机部3的辊33通过滑片35总是受到由弹簧43引起的按压力。因此，若流体机械65停止，则辊33通过弹簧43的按压移动至弹簧全长为最大的转动位置(滑片下止点)上停止。即，辊33停止在吸进室39和压缩室41为大致相同容积的位置上。因此，当若辊33从滑片下止点的位置使制冷循环起动，则由于压缩机部3的排出侧压力下降，在吸进室39和压缩室41之间产生压力差，辊33移动至吸进室39的容积为最大的转动位置上，因此能够在该辊33移动时得到起动转矩。
由以上内容可知，在本实施方式中，压缩机部3规定旋转涡旋体7的转动位置，使得在成为滑片下止点的辊33的转动位置上时，通过膨胀机部1产生的转矩为最大，具体来讲，确定膨胀机偏心轴21a的转动位置，使得与膨胀机部1的流入口连通的最内周的工作室71a的容积为最大。
在图5中表示了对应每一曲轴转角的旋转涡旋体7和滑片位置及起动转矩的关系的一个例子，在膨胀机部1中，与吸入口13连通的最内周的工作室71a的容积越大则起动转矩就越大，与此相应地流体机械变得容易起动。因此在本实施方式的流体机械中，相对曲轴21的中心轴L1以规定的相位配置膨胀机偏心轴21a及压缩机偏心轴21b，使得与膨胀机部1的吸入口13连通的最内周的工作室71a的容积为最大时的曲轴转角与压缩机部3成为滑片下止点时的曲轴转角一致。由此旋转涡旋体7在流体机械65停止时一定停止在与吸入口13连通的最内周的工作室71a的容积为最大的转动位置上，在主压缩机71起动后，高压制冷剂流入与吸入口13连通的最内周的工作室，从而能够得到膨胀机部1所能产生的最大起动转矩。
另外，一般来讲，虽然涡旋型膨胀机部的最内周的工作室71a在从开始连通吸入口13到关闭工作室为止之间连续增加容积，但由于在刚刚紧闭工作室后，最内周的工作室还向形成于内周一侧的工作室移动，所以容积迅速减小。因此，若停止时的旋转涡旋体7的转动位置相对因辊33的按压而产生的弹簧长度最大的位置产生偏移，则存在处于工作室刚刚紧闭后的状态的危险。在这种场合处于膨胀机部1产生的起动转矩为最小的状态，从而存在不能驱动流体机械的危险。
为了防止上述情况的发生，旋转涡旋体7的停止时的转动位置(曲轴转角)比工作室紧闭的转动位置稍向前方偏移较好，例如，对于滑片下止点，将与膨胀机部1的吸入口13连通的工作室的容积为最大的转动位置作为限界，优选将膨胀机偏心轴21a配置在从该转动位置到-45度为止的角度范围内。由此，即使停止时的曲轴21的转动位置偏离滑片下止点，也能防止起动转矩的下降，从而能够进行稳定的起动。
如上所述，根据本实施方式的流体机械，由于膨胀机部1具备涡旋型膨胀机，压缩机部3具备旋转柱塞型旋转压缩机，利用弹簧43借助于滑片35对旋转柱塞型压缩机部的辊33加力，能够使停止时的曲轴21的转动位置总是大致相同，并且能够在该转动位置使由膨胀机部1产生的起动转矩大致为最大，因此，例如即使不设置辅助电动机，也总是能够实现稳定的起动，从而能够提高制冷循环的可靠性，并且能够实现高效的膨胀能回收。另外，由于在流体机械上不需要特别设置辅助电动机等的起动机构，因此能够对降低设备的成本做出贡献。

Claims (3)

1.一种容积式流体机械，在容器内收纳膨胀机部和压缩机部，在上述膨胀机部使流体膨胀而驱动上述膨胀机部，通过该膨胀机部的驱动力驱动上述压缩机部，其特征在于，
上述膨胀机部为涡旋型膨胀机部，具备：通过涡旋状的叶片分别直立在板材上而形成，并且通过相互啮合形成多个工作室的固定涡旋体及旋转涡旋体；在上述固定涡旋体的中央部开口的上述流体的流入口；在上述固定涡旋体的外周部开口的上述流体的流出口；以及与上述旋转涡旋体连结的第一偏心轴部，
上述压缩机部为旋转柱塞型压缩机部，具备：缸体；封闭该缸体两端的封闭板；在上述缸体的内侧偏心转动的圆筒状辊；与上述辊的外周面接触并划分由上述缸体、上述辊及上述封闭板形成的空间的滑片部；对上述滑片部加力而按压上述辊的弹簧；以及与上述辊连结的第二偏心轴部，
上述第一偏心轴部与上述第二偏心轴部连结在主轴上，在上述第一偏心轴部与上述第二偏心轴部之间设定相位差，使得相对上述弹簧最大伸长时的上述辊的转动位置，上述旋转涡旋体的转动位置以与上述流入口连通的上述工作室的容积为最大的转动位置为限界在从该转动位置到-45度为止的范围内。
2.如权利要求1所述的容积式流体机械，其特征在于，
设定上述第一偏心轴部与上述第二偏心轴部的相位差，使得相对上述弹簧最大伸长时的上述辊的转动位置，上述旋转涡旋体的转动位置成为与上述流入口连通的上述工作室的容积为最大的转动位置。
3.如权利要求1或2所述的容积式流体机械，其特征在于，
上述流体为二氧化碳。
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