CN101617123A - 多级压缩机 - Google Patents

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Abstract

一种多级压缩机，作为工作气体而使用CO2，且能够大容量化。本发明的多级压缩机具备：密闭壳体、密闭壳体内设置的多个压缩机构、驱动多个压缩机构的电动机，多个压缩机构的至少一个是涡旋压缩机构，且把包含超临界状态的气体作为工作气体，其中，涡旋压缩机构具备：固定涡形部件，其在端板的一面侧形成螺旋状卷绕部；旋转涡形部件(116)，其在端板(117)的一面侧设置螺旋状卷绕部(118)且使卷绕部(118)与固定涡形部件的卷绕部组合而形成螺旋状压缩室，随着旋转涡形部件(116)的旋转而把导入的工作气体在压缩室内进行压缩，当把旋转涡形部件(116)的端板(117)的厚度设定为Worb、把旋转涡形部件(116)的卷绕部(118)的高度设定为L时，满足L≥Worb。

Description

多级压缩机
技术领域
本发明涉及适用于作为制冷剂气体(工作气体)而使用二氧化碳(CO2)的蒸气压缩式制冷循环的多级压缩机。
背景技术
近年来，按照保护环境的观点，作为蒸气压缩式制冷循环中制冷剂的脱氟利昂对策之一，提案有作为工作气体而使用CO2的蒸气压缩式制冷循环。
在此，CO2的临界温度是约31℃，比现有制冷剂即氟利昂的临界温度低。因此，由于如夏季外部大气温度高时，散热器侧的CO2温度比CO2的临界温度高，所以在散热器出口侧CO2不凝缩。散热器出口侧的状态由压缩机的排出压力和散热器出口侧的CO2温度来决定。由于散热器出口侧的CO2温度由压缩机的散热能力和外部大气温度(不可控制)来决定，所以散热器出口的温度实质上不能控制。因此，散热器出口侧的状态通过控制压缩机的排出压力(散热器出口侧压力)而能够控制。即，如在夏季外部大气温度高时，为了确保足够的冷却能力(热函差)，就需要提高散热器出口侧的压力。因此，在使用CO2的蒸气压缩式制冷循环中，需要把压缩机的运转压力提高到与现有使用氟利昂的制冷循环相比的3～5倍左右。
作为蒸气压缩式制冷循环所使用的压缩机知道有涡旋压缩机。该涡旋压缩机在壳体内具备：固定涡形部件，其在端板的一面侧形成螺旋状卷绕部；旋转涡形部件，其在端板的一面侧设置螺旋状卷绕部且使该螺旋状卷绕部与固定涡形部件的螺旋状卷绕部组合而形成螺旋状压缩室。涡旋压缩机随着旋转涡形部件的旋转而把导入的工作气体在压缩室内进行压缩后排出。
在该涡旋压缩机中，在作为工作气体而使用运转压力高的CO2的情况下，固定涡形部件和旋转涡形部件这两者的端板厚度若比两者螺旋状卷绕部的高度薄，则由于压缩时产生的负载而容易使固定涡形部件和旋转涡形部件这两者的端板弯曲变形。其结果是压缩室的密封性降低，由于泄漏而工作气体从压缩室的排出量减少，或由于泄漏气体被再压缩而引起排出气体的温度上升等，压缩机的性能降低不可避免。
于是专利文献1提案：把固定涡形部件和旋转涡形部件各端板的厚度T1、T2分别设定成比固定涡形部件和旋转涡形部件各螺旋状卷绕部的高度H1、H2的0.9倍还大。根据专利文献1的提案，由于把固定涡形部件和旋转涡形部件各端板的厚度分别设定成比固定涡形部件和旋转涡形部件各螺旋状卷绕部的高度的0.9倍还大，所以即使作为工作气体而使用CO2的涡旋压缩机，也难于由于压缩时产生的负载而使固定涡形部件和旋转涡形部件的各端板产生变形，压缩室的密封性被确保。
专利文献1：特开2000-352387号公报
专利文献1的提案对于作为工作气体而使用CO2的涡旋压缩机的实用化有好处。但专利文献1的提案，即，把固定涡形部件和旋转涡形部件各端板的厚度T1、T2分别设定成比固定涡形部件和旋转涡形部件各螺旋状卷绕部的高度H1、H2的0.9倍还大，是把螺旋状卷绕部的高度降低作为前提。因此，专利文献1的提案被限于适用容量比较小的压缩机。
发明内容
本发明是鉴于这种背景而开发的，目的在于提供一种压缩机，作为工作气体而使用包含超临界状态的气体，典型地是使用CO2，且能够大容量化。
本发明通过把至少包含一个涡旋压缩机的多级压缩机的工作气体设定为包含超临界状态的气体，典型地是设定为CO2来解决上述课题。即本发明不是单独使用涡旋压缩机来从低压压缩到高压，而是例如设置两个压缩机构，一个担任从低压压缩到中间压的压缩，另一个担任从中间压到高压的压缩。由此，由于能够把一个压缩机构的差压缩小，所以作为该压缩机构而使用涡旋压缩机构时，即使提高螺旋状卷绕部的高度，也能够抑制固定涡形部件和旋转涡形部件这两者端板的变形，确保压缩室的密封性。
即，本发明的多级压缩机具备：密闭壳体、在密闭壳体内设置的多个压缩机构、驱动多个压缩机构的电动机，多个压缩机构的至少一个是涡旋压缩机构，且把包含超临界状态的气体作为工作气体，其中，涡旋压缩机构具备：固定涡形部件，其在端板的一面侧形成螺旋状卷绕部；旋转涡形部件，其在端板的一面侧设置螺旋状卷绕部且使该螺旋状卷绕部与固定涡形部件的螺旋状卷绕部组合而形成压缩室，随着旋转涡形部件的旋转而把导入的工作气体在压缩室内进行压缩，当把旋转涡形部件的端板厚度设定为Worb、把旋转涡形部件的螺旋状卷绕部高度设定为L时，满足L≥Worb。
在本发明的多级压缩机中，当把固定涡形部件的端板厚度设定为Wfix时，优选满足Wfix≥L≥Worb。该条件对于防止固定涡形部件的端板变形有好处。
在本发明的多级压缩机中，当把旋转涡形部件的螺旋状卷绕部厚度设定为Tr时，优选满足2≤L/Tr≤7。由此，一边确保排气量一边确保旋转涡形部件的螺旋状卷绕部的强度。
且在本发明的多级压缩机中，当把旋转涡形部件的端板外径设定为Dout、把旋转涡形部件中螺旋状卷绕部的外径设定为Dwrap、把旋转涡形部件背面的支承部的内径设定为Db时，优选满足Dwrap/Dout＜0.7，且Db＜Dwrap。利用该规定而能够更加减少旋转涡形部件的端板变形。
根据本发明，在把多个压缩机构的至少一个设定为是涡旋压缩机构，且在把工作气体设定为CO2的多级压缩机中，当把涡旋压缩机构的旋转涡形部件的端板厚度设定为Worb、把旋转涡形部件的螺旋状卷绕部高度设定为L时，满足L≥Worb。这就意味着能够加高旋转涡形部件(固定涡形部件)的螺旋状卷绕部高度，能够把以CO2作为工作气体的压缩机大容量化。
附图说明
图1是表示本实施例二级压缩机的剖视图；
图2是模式表示旋转涡形部件剖面的图；
图3是模式表示固定涡形部件和旋转涡形部件剖面的图；
图4是模式表示把旋转涡形部件由框架支承的状态的图。
符号说明
100密闭壳体    101旋转活塞型压缩机构        102涡旋型压缩机构
103马达     111固定涡形部件    112端板      113卷绕部
116旋转涡形部件    117端板     118卷绕部    SA密闭空间
具体实施方式
以下按照附图所示的实施例详细说明本发明。
图1是表示本实施例多级压缩机结构的纵剖视图。
图1中，在密闭壳体100内配设旋转活塞型压缩机构101和涡旋型压缩机构102。在旋转活塞型压缩机构101与涡旋型压缩机构102之间配设驱动两个压缩机构101、102的马达(电动机)103。以下更详细地进行说明。
在沿上下方向延伸的圆筒形密闭壳体100内的上部侧收容有涡旋型压缩机构102。在涡旋型压缩机构102的下方收容有马达(电动机)103。在涡旋型压缩机构102与马达103之间配设旋转轴110。该马达103具备：压入密闭壳体100的内周部而被支承的定子103a和配置在定子103a内侧的转子103b。转子103b与旋转轴110被固定在同轴上，其旋转被从旋转轴110输出。
涡旋型压缩机构102具备：整体是铸铁和碳素钢等铁系材料制的固定涡形部件111和与之啮合的铁系材料制的旋转涡形部件116。
固定涡形部件111具备：端板112、在与旋转涡形部件116相对的端板112的内面形成的螺旋状卷绕部113和包围卷绕部113的周壁114。在端板112的中央部设置有排出口115。
旋转涡形部件116具备：端板117和在与固定涡形部件111相对的端板117的内面形成的螺旋状卷绕部118。在与所述内面相对的端板117背面的中央部突出设置有筒状的凸部119。
固定涡形部件111和旋转涡形部件116是使卷绕部113与卷绕部118之间错开180度(规定角度)地相互啮合组装。上下方向被端板112和端板117包围，且被卷绕部113和卷绕部118包围的区域构成用于成立压缩工序的月牙状多个密闭空间SA。
固定涡形部件111和旋转涡形部件116在壳体状的框架120上被配设成使固定涡形部件111在上侧、旋转涡形部件116在下侧。
旋转涡形部件116的端板117的背面被框架120的上面形成的水平的承受面121自由滑动地支承。
旋转轴110的上端贯通框架120而向旋转涡形部件116的端板117中央延伸。该旋转轴110的上端部被框架120的贯通部分设置的轴承122能够自由旋转地支承。该旋转轴110的上端形成有在从旋转轴110的轴心偏心的位置具有轴心的偏心销123。
该偏心销123自由滑动地嵌插在凸部119中。因此，当旋转轴110旋转，旋转涡形部件116就围绕固定涡形部件111的轴心旋转。
在固定涡形部件111的周壁114和与之相对的旋转涡形部件116的端板117之间夹装有容许旋转涡形部件116旋转运动而阻止旋转涡形部件116自转的自转阻止机构，例如十字头环(未图示)。随着利用该十字头环和偏心销123得到的旋转涡形部件116的旋转公转运动，密闭空间SA的容积在逐渐减少。工作气体随着该密闭空间SA容积的减少而被压缩。
在固定涡形部件111的端板112背面形成有以端板112的轴心为中心的大小两个圆筒状凸缘124、125。通过在凸缘124、125的上部配设盖126而在凸缘124、125与盖126之间形成排出腔127。由于排出腔127与排出口115和在密闭壳体100的上部壁连接的排出管129连通，所以向排出腔127内排出的排出气体能够向密闭壳体100外排出。排出口115设置有防止逆流用的止回阀128。
旋转活塞型压缩机构101在气缸130的两侧具备把气缸130夹住的主轴承体131和副轴承体132，利用气缸130所形成的圆形空间而在被主轴承体131和副轴承体132夹住的部分形成气缸室133。在该圆形的气缸室133内配设转子134和把气缸室133间隔成吸入侧和排出侧的板(未图示)。上述转子134经由偏心凸轮部135而与成为马达103输出轴的旋转轴110的一个端部连结，利用马达103产生的驱动力而使转子134在气缸室133内进行偏心旋转。
当把马达103励磁时，马达103的旋转力通过旋转轴110而分别向旋转活塞型压缩机构101和涡旋型压缩机构102传递。
旋转活塞型压缩机构101当接受来自旋转轴110的旋转力时，转子134随着偏心凸轮部135的偏心动作而在气缸室133内进行偏心旋转。由此，工作气体通过吸入管136和气缸室133的吸入口(未图示)而被向气缸室133内吸入，在气缸室133被压缩的工作气体从排出口(未图示)一次被向密闭壳体100内排出。通过旋转活塞型压缩机构101的压缩动作，气体被从低压压缩到中间压(低阶段压缩)。
另一方面，涡旋型压缩机构102当接受来自旋转轴110的旋转力时，偏心销123进行偏心旋转。由此，旋转涡形部件116相对固定涡形部件111而进行公转旋转运动。于是在卷绕部113与卷绕部118之间形成的月牙状密闭空间SA的容积就随着该旋转运动而变化。因此，密闭壳体100内的工作气体通过在框架120与密闭壳体100内周面之间形成的通路137被向密闭空间SA吸入，并随着密闭空间SA容积的减少而被压缩。
成为规定压缩状态的工作气体通过在固定涡形部件111的中央部设置的排出口115、止回阀128、排出腔127和排出管129而被向密闭壳体100外排出。利用涡旋型压缩机构102的压缩动作，则工作气体被从中间压压缩到高压(高阶段压缩)。
本实施例二级压缩机的涡旋型压缩机构102有特点。以下说明该特点。
图2是模式表示旋转涡形部件116剖面的图。
图2中，当把旋转涡形部件116的端板117的厚度设定为Worb、把旋转涡形部件116的卷绕部118的高度(＝固定涡形部件111的卷绕部113的高度)设定为L时，旋转涡形部件116满足L≥Worb的条件。L≥Worb意味着能够加高卷绕部118的高度，因此，本实施例的二级压缩机能够达到大容量化。这样在涡旋型压缩机构102中之所以能够满足L≥Worb的条件，是由于设定为由旋转活塞型压缩机构101和涡旋型压缩机构102构成二级压缩机构，能够缩小各个压缩机构中差压的缘故。且L≥Worb还意味着能够把旋转涡形部件116的端板117的厚度变薄。由于能够把端板117的厚度变薄，所以能够使旋转涡形部件116重量轻，进而对涡旋型压缩机构102的高效率化有好处。
图3是模式表示固定涡形部件111和旋转涡形部件116组合状态的图。
图3中，当把固定涡形部件111的端板112厚度设定为Wfix时，固定涡形部件111和旋转涡形部件116满足Wfix≥L≥Worb的条件。固定涡形部件111的背面被作用有排出压(高压)。因此，在图中，固定涡形部件111的下侧要变形为凸状。但由于固定涡形部件111满足Wfix≥L≥Worb的条件，即，把固定涡形部件111的端板112厚度设定厚，所以涡旋型压缩机构102一边享受大容量化的利益，一边抑制端板112的变形，进而能够减少工作气体的泄漏。
图2中，当把旋转涡形部件116的卷绕部118厚度设定为Tr时，旋转涡形部件116满足2≤L/Tr≤7。L/Tr可以说是表示卷绕部118强度的指标，若L/Tr不到2则排气量不足。另一方面，若L/Tr超过7则卷绕部118的强度不足。即通过满足2≤L/Tr≤7就能够一边确保排气量一边确保卷绕部118的强度。L/Tr更优选3≤L/Tr≤6，最优选3.5≤L/Tr≤5.5。
图4模式表示由框架120支承旋转涡形部件116的状态。图4中，当把旋转涡形部件116的端板117的外径设定为Dout、把旋转涡形部件116中卷绕部118的外径设定为Dwrap、把旋转涡形部件116背面支承部的内径设定为Db时，旋转涡形部件116是Dwrap/Dout＜0.7，且Db＜Dwrap，即，满足Db＜Dwrap＜0.7Dout。Dwrap/Dout＜0.7就意味着形成有卷绕部118的面积小，由此，能够缩小旋转涡形部件116中轴向负载的作用面积。通过减少该轴向负载而能够进一步减少旋转涡形部件116的端板117的变形量。另一方面，通过确保端板117外周部(没形成卷绕部118的部分)的面积而能够以更广阔的面积来支承负载。由此，能够减少轴向表面压力。如本实施例这样把工作气体设定为CO2的情况下，对于减少轴向表面压力特别有效。且通过设定为Db＜Dwrap，使轴向负载的支承点向旋转涡形部件116的中心部靠近，能够进一步减少端板117的变形。
以上说明了本发明的实施例，但本发明并不限定于此，能够广泛地适用于至少具备一个涡旋型压缩机构的多级压缩机。例如能够适用于把涡旋型压缩机构具备两级的压缩机、把涡旋型压缩机构具备在低压侧、把旋转活塞型压缩机构具备在高压侧的压缩机。
本发明对于任何低压壳体、高压壳体、中间压壳体都能够适用。
且本发明对于具有旋转背压结构的涡旋型压缩机构也能够适用。旋转背压结构在旋转涡形部件的背面设置背压室，把比吸入压高的压力(中间压或排出压)的气体向背压室导入，把旋转涡形部件向固定涡形部件侧按压。该具有旋转背压结构的涡旋型压缩机构通过适当地控制向背压室导入的气压，能够把轴向气体力在幅度宽广的范围降低(消除)。因此，能够减少由轴向气体力而引起的端板变形量，能够把端板的厚度减薄。因此，可以适当地把端板的厚度相对变薄的本发明适用于具有旋转背压结构的涡旋型压缩机构。

Claims (5)

1、一种多级压缩机，具备：
密闭壳体、
在所述密闭壳体内设置的多个压缩机构、
驱动多个所述压缩机构的电动机，
多个所述压缩机构的至少一个是涡旋压缩机构，且把包含超临界状态的气体作为工作气体，所述多级压缩机的特征在于，
所述涡旋压缩机构具备：
固定涡形部件，其在端板的一面侧形成螺旋状卷绕部；旋转涡形部件，其在端板的一面侧设置螺旋状卷绕部且使该螺旋状卷绕部与所述固定涡形部件的所述螺旋状卷绕部组合而形成压缩室，随着所述旋转涡形部件的旋转而把导入的所述工作气体在所述压缩室内进行压缩，
当把所述旋转涡形部件的所述端板厚度设定为Worb、把所述旋转涡形部件的所述螺旋状卷绕部高度设定为L时，
满足L≥Worb。
2、如权利要求1所述的多级压缩机，其特征在于，
当把所述固定涡形部件的所述端板厚度设定为Wfix时，
满足Wfix≥L≥Worb。
3、如权利要求1所述的多级压缩机，其特征在于，
当把所述旋转涡形部件的所述螺旋状卷绕部厚度设定为Tr时，
满足2≤L/Tr≤7。
4、如权利要求1所述的多级压缩机，其特征在于，
当把所述旋转涡形部件的所述端板外径设定为Dout、
把所述旋转涡形部件中所述螺旋状卷绕部的外径设定为Dwrap、
把所述旋转涡形部件背面的支承部的内径设定为Db时，
Dwrap/Dout＜0.7，且满足Db＜Dwrap。
5、如权利要求1所述的多级压缩机，其特征在于，所述工作气体是二氧化碳(CO2)。
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