JP2005016742A - Heat pump - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、本発明は、圧縮機のロータ軸と同軸上、一体回転可能に結合されたロータ軸により駆動される膨張機を用いたヒートポンプに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、圧縮機のロータ軸と同軸上、一体回転可能に結合されたロータ軸により駆動される膨張機を用いたヒートポンプは公知である(例えば、特許文献1参照。)。
【0003】
【特許文献1】
特開平8−42930号公報(段落[0025]、図9)
【0004】
特許文献1には、図8に示すように、ヒートポンプ100が開示されており、このヒートポンプ100には、圧縮機101のロータ軸102と同軸上、カップリング103を介して一体回転可能に結合されたロータ軸104により駆動される膨張機105が用いられている。圧縮機101は、その入力軸106がカップリング107を介してモータ108の出力軸109に結合され、このモータ108により駆動される。
【0005】
そして、圧縮機101、凝縮器111、膨張機105及び蒸発器112を含む冷媒の循環流路Iにおいて、圧縮機で圧縮された高圧高温の冷媒ガスは、凝縮器111にて熱を放出し、高圧流体となって凝縮器111から膨張機105へと流れる。この高圧流体は膨張機105にて膨張し、膨張エネルギーを利用してロータ(インペラ)を回転させるとともに、低圧の2相流となり、蒸発器112へと流れる。さらに、この冷媒は、蒸発器112にて熱を吸収して気化し、圧縮機101に戻る。上記膨張エネルギーは膨張機105のロータを介して圧縮機101のロータを回転させるエネルギーの一部として回収され、モータ108の負担を軽減し、蒸発器112から戻ってきた冷媒は圧縮機101にて圧縮され、循環を繰返す。
【0006】
また、特許文献1には、圧縮機101と膨張機105とが一体型ケーシングを用いて形成されたヒートポンプが開示され、なかでも特許文献1の図9には、タービンタイプの膨張機105と、スクリュタイプの圧縮機101とが用いられたヒートポンプが開示されている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
上述したスクリュタイプの圧縮機101は、互いに噛合う雌雄一対のスクリュロータ間とこの一対のスクリュロータを収容するケーシングの内面との間に形成されるガス閉じ込み空間がスクリュロータの回転とともに縮小してゆくことによりガス圧縮する容積型圧縮機の一種である。一方、タービンタイプの膨張機105は、ガスの膨張エネルギーにより回転させられるインペラ、即ちロータを有し、その回転は上記スクリュロータの回転に比して遥かに高速となる。このように、スクリュタイプの圧縮機101とタービンタイプの膨張機105は異なる現象を利用し、構造的にも類似性のない全く異なる装置であり、例えばそれぞれの軸受部等への潤滑油供給機構も別々に設ける必要があり、給油システム全体が複雑になるため、ヒートポンプ自体が大きくなり、故障発生の確率も増大する。
【0008】
このような問題は、膨張機105もスクリュタイプにすることにより解決される。この場合、膨張機105では、上述したスクリュタイプの圧縮機101とは逆に、互いに噛合う雌雄一対のスクリュロータ間とこの一対のスクリュロータを収容するケーシングの内面との間に形成されるガス閉じ込め空間がスクリュロータの回転とともに増大してゆくことによりガス膨張させることになる。
【0009】
この圧縮機101及び膨張機105を一体型ケーシングを用いて形成する場合、圧縮機101のスクリュロータの歯溝空間と膨張機105のスクリュロータの歯溝空間とが連通していると、圧縮機101から膨張機105へ冷媒が漏洩し、凝縮器111を通る冷媒の量が減少し、ヒートポンプ100の性能が低下するという問題が生じる。
本発明は、斯る従来の問題をなくすことを課題としてなされたもので、スクリュタイプの圧縮機及び膨張機を用い、かつ良好な性能を維持することを可能としたヒートポンプを提供しようとするものである。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、第1発明は、油冷式スクリュ圧縮機と、ここで圧縮され、凝縮器で凝縮された冷媒をロータの回転によりガス・液体の2相流にして蒸発器へと送り出す膨張機とを一体型ケーシングを用いて形成するとともに、上記油冷式スクリュ圧縮機の少なくとも一ロータ軸と膨張機の少なくとも一ロータ軸とを一体回転可能に同軸上に配置し、同一駆動部により駆動するヒートポンプにおいて、上記膨張機を上記油冷式スクリュ圧縮機と同様に雌雄一対の互いに噛合うスクリュロータを備えたスクリュタイプとし、上記油冷式スクリュ圧縮機の雄ロータと上記膨張機の雄ロータの各ロータ軸同士を一体回転可能に同軸上に設けるとともに、上記油冷式スクリュ圧縮機の雌ロータと上記膨張機の雌ロータの各ロータ軸同士を一体回転可能に同軸上に設け、上記ケーシングを圧縮機側の圧縮機ケーシング部と膨張機側の膨張機ケーシング部とこの両者間に気密を維持する状態で介在し、この両者を一体的に固定する中間ケーシング部とにより形成し、上記油冷式スクリュ圧縮機のスクリュロータ収容空間と上記膨張機のスクリュロータ収容空間とを遮断する仕切板を設けた構成とした。
【0011】
第2発明は、第1発明の構成に加えて、上記仕切板が、ここを貫通する上記各ロータ軸の周囲に油を供給する油供給孔を備えた構成とした。
【0012】
第3発明は、第2発明の構成に加えて、上記油供給孔のロータ軸側の開口端部と上記各ロータ軸との間の環状空間部に樹脂、または非鉄金属からなる環状部材を介在させた構成とした。
【0013】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態を図面にしたがって説明する。
図1〜7は、本発明に係るヒートポンプ1を示す。図1に示すように、ヒートポンプ1は上記同様に、圧縮機101、凝縮器111、膨張機105、蒸発器112を有するとともに、圧縮機101と凝縮器111との間に油分離回収器113を有し、これらを含む冷媒の循環流路Iを形成している。また、圧縮機101の入力軸106はカップリング107を介してモータ108の出力軸109に一体回転可能に結合されている。さらに、油分離回収器113の下部の油溜り部113Aからは、ここに一旦溜められた油を油冷却器114で冷却した後、圧縮機101内のガス閉じ込み空間に導く油流路IIが設けられている。
【0014】
図2に示すように、圧縮機101は、互いに噛合う雌雄一対のスクリュロータ11,12を有する油冷式スクリュ圧縮機で、膨張機105は互いに噛合う雌雄一対のスクリュロータ13,14を有し、それぞれ一体型ケーシング15内に回転可能に収容されている。
【0015】
さらに詳説すれば、ケーシング15は圧縮機ケーシング部15aと中間ケーシング部15bと膨張機ケーシング部15cとからなっており、スクリュロータ11,12は圧縮機ケーシング部15a内に、スクリュロータ13,14は膨張機ケーシング部15c内にそれぞれ収容され、圧縮機ケーシング部15aと膨張機ケーシング部15cとの間に気密を維持する状態で中間ケーシング部15bが介在している。また、圧縮機101の雄側のスクリュロータ11と膨張機105の雄側のスクリュロータ13とはロータ軸16を共有し、スクリュロータ11の他方に延びたロータ軸17は軸受18により回転可能に支持され、スクリュロータ13の他方に延びたロータ軸19は軸受21により回転可能に支持されている。ロータ軸17はさらにメカニカルシール22を介して圧縮機ケーシング部15aを貫いて延び、上述した入力軸106となっている。さらに、圧縮機101の雌側のスクリュロータ12と膨張機105の雌側のスクリュロータ14とはロータ軸23を共有し、スクリュロータ12の他方に延びたロータ軸24は軸受25により回転可能に支持され、スクリュロータ14の他方に延びたロータ軸26は軸受27により回転可能に支持されている。
【0016】
圧縮機101内のスクリュロータ収容空間と膨張機105内のスクリュロータ収容空間は、ロータ軸16及び23を挟み込む2枚の仕切板31a及び31bにより遮断されている。圧縮機ケーシング部15aと中間ケーシング部15bとの間、中間ケーシング部15bと膨張機ケーシング部15cとの間のそれぞれに隙間が生じないようにするため、ロータ軸方向の寸法については、中間ケーシング15bの方が仕切板31a及び31bよりも大きくなっている。このため、図示する実施形態では、仕切板31a及び31bとスクリュロータ11,12の端面との間には微小な隙間が生じている。
【0017】
また、図3に示すように、圧縮機ケーシング部15aには、圧縮機吸込みポート32、及び圧縮機吐出ポート33、膨張機ケーシング部15cには、膨張機吸込みポート34、及び膨張機吐出ポート35が形成され、それぞれ循環流路Iの一部をなしている。
【0018】
そして、圧縮機吸込みポート32から圧縮機101に吸込まれた冷媒は、圧縮機101のスクリュロータ11,12と圧縮機ケーシング部15aの内面との間に形成されるガス閉じ込み空間にて油流路IIから油供給を受けつつ圧縮され、圧縮機吐出ポート33から油を随伴して油分離回収器113へと吐出される。油分離回収器113では冷媒と油とが分離され、分離された油は一旦油溜り部113Aに溜められ、油が分離された冷媒は凝縮器111へと送り出される。油溜り部113Aの油は、上述したように、油冷却器114が介設された油流路IIにより圧縮機101内のガス閉じ込み空間に導かれ、繰返し循環使用される。一方、冷媒は凝縮器111で凝縮された後、膨張機吸込みポート34から膨張機105のスクリュロータ13、14と膨張機ケーシング部15cの内面との間に形成される空間に閉じ込められ、スクリュロータ13,14の回転とともに膨張させられてガス・液体の2相流となって膨張機吐出ポート35から蒸発器112に至り、ここで熱を吸収して蒸発し、圧縮機101の圧縮機吸込みポート32に戻り、循環を繰返す。
【0019】
冷媒が圧縮機101で圧縮され、膨張機105で膨張させられるとき、圧縮機101のスクリュロータ11,12、及び膨張機105のスクリュロータ13,14のそれぞれに径方向、及び軸方向の力が作用するが、この力はロータ軸17,19,24及び26を介して軸受18,21,25及び27に受止められる。また、ロータ軸17が圧縮機ケーシング部15aを貫通する部分から外部への冷媒の漏洩はメカニカルシール22により防止されている。
【0020】
さらに、圧縮機吐出ポート33と膨張機吸込みポート34、或いは圧縮機101のスクリュロータ収容空間部と膨張機105のスクリュロータ収容空間部とが連通していると、凝縮器111を通る冷媒の量が減少し、ヒートポンプ1の性能が低下するが、ヒートポンプ1では、仕切板31a,31bが設けられており、上記両ポート間、或いは上記両空間の間で冷媒が流動するのを最小限に止めるように形成されている。中間ケーシング部15b内の圧力は約10MPaで、中間ケーシング部15b内を外部から遮断する必要があり、圧縮機ケーシング部15a、膨張機ケーシング部15cのそれぞれに気密に結合された中間ケーシング部15bによりこの内部は完全に外部から遮断されており、この内部から外部への冷媒の漏洩も防止されている。なお、図示する実施形態では、仕切板31a,31bは膨張機ケーシング部15cの端面に固定されているが、圧縮機ケーシング部15aの端面に仕切板31a,31bを固定してもよい。
【0021】
ロータ軸16,23と仕切板31a,31bとの間にはわずかな隙間があり、ここから冷媒が漏洩する可能性があるため、図5及び6に示すように、例えば仕切板31aにロータ軸16,23の外周部に油を供給する油供給孔41を設けるのが好ましい。これにより上記わずかな隙間を油で満たし、この隙間からの油の漏洩を減少させ、ヒートポンプ1の性能の低下を抑制することができる。
【0022】
また、ロータ軸16,23と仕切板31a,31bとの間の隙間は小さい程よいが、これを小さくし過ぎてロータ軸16,23と仕切板31a,31bとが接触することになると、これらが鉄製の場合、接触部が熱により溶け、溶着し、さらに溶着部が剥ぎ取られてゆき、かえって上記隙間が拡大し、ヒートポンプ1の性能低下を招くことになる。このため、図7に示すように、油供給孔41に加えて、油供給孔41のロータ軸側開口端部とロータ軸16,23との間の環状空間部に樹脂(例:フルオロカーボン樹脂)、または非鉄金属(例:ホワイトメタル)からなる環状部材51を介在させるのが好ましい。これにより、上述した溶着、剥ぎ取られ、さらに隙間の拡大という事態の発生は回避され、ヒートポンプ1の性能の低下をより一層確実に防止することができる。
なお、図7では、ロータ軸16のみが示されているが、環状部材51はロータ軸23の外周部にも設けられる。
【0023】
【発明の効果】
以上の説明より明らかなように、第1発明によれば、油冷式スクリュ圧縮機と、ここで圧縮され、凝縮器で凝縮された冷媒をロータの回転によりガス・液体の2相流にして蒸発器へと送り出す膨張機とを一体型ケーシングを用いて形成するとともに、上記油冷式スクリュ圧縮機の少なくとも一ロータ軸と膨張機の少なくとも一ロータ軸とを一体回転可能に同軸上に配置し、同一駆動部により駆動するヒートポンプにおいて、上記膨張機を上記油冷式スクリュ圧縮機と同様に雌雄一対の互いに噛合うスクリュロータを備えたスクリュタイプとし、上記油冷式スクリュ圧縮機の雄ロータと上記膨張機の雄ロータの各ロータ軸同士を一体回転可能に同軸上に設けるとともに、上記油冷式スクリュ圧縮機の雌ロータと上記膨張機の雌ロータの各ロータ軸同士を一体回転可能に同軸上に設け、上記ケーシングを圧縮機側の圧縮機ケーシング部と膨張機側の膨張機ケーシング部とこの両者間に気密を維持する状態で介在し、この両者を一体的に固定する中間ケーシング部とにより形成し、上記油冷式スクリュ圧縮機のスクリュロータ収容空間と上記膨張機のスクリュロータ収容空間とを遮断する仕切板を設けた構成としてある。
このため、圧縮機側から膨張機側への冷媒の漏洩、これによる凝縮器を通る冷媒の量の減少をが最小限に止めることができ、ヒートポンプの性能低下を抑制することが可能になるというの効果を奏する。
【0024】
第2発明によれば、第1発明の構成に加えて、上記仕切板が、ここを貫通する上記各ロータ軸の周囲に油を供給する油供給孔を備えた構成としてある。
このため、第1発明による効果をさらに顕著にすることができるという効果を奏する。
【0025】
第3発明によれば、第2発明の構成に加えて、上記油供給孔のロータ軸側の開口端部と上記各ロータ軸との間の環状空間部に樹脂、または非鉄金属からなる環状部材を介在させた構成としてある。
このため、第2発明による効果をより一層高めることが可能になるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るヒートポンプの全体構成を示す図である。
【図2】図1に示す圧縮機及び膨張機のそれぞれの雌雄一対のスクリュロータの軸心を含む平面で切った状態を示す断面図である。
【図3】図2のIII−III線断面図である。
【図4】図3のIV−IV線断面図である。
【図5】本発明に係る別のヒートポンプの図3に対応する断面図である。
【図6】図5のVI−VI線断面図である。
【図7】本発明に係るさらに別のヒートポンプの仕切板及びこれを貫くロータ軸の部分の拡大断面図である。
【図8】従来のヒートポンプの全体構成を示す図である。
【符号の説明】
1 ヒートポンプ 11,12 スクリュロータ
13,14 スクリュロータ 15 ケーシング
15a 圧縮機ケーシング部 15b 中間ケーシング部
15c 膨張機ケーシング部 16,17 ロータ軸
18 軸受 19 ロータ軸
21 軸受 22 メカニカルシール
23,24 ロータ軸 25 軸受
26 ロータ軸 27 軸受
31a,31b 仕切板 32 圧縮機吸込みポート
33 圧縮機吐出ポート 34 膨張機吸込みポート
35 膨張機吐出ポート 41 油供給孔
51 環状部材 101 圧縮機
105 膨張機 106 入力軸
107 カップリング 108 モータ
109 出力軸 111 凝縮器
112 蒸発器 113 油分離回収器
113A 油溜り部 I 循環流路
II 油流路[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a heat pump using an expander that is driven by a rotor shaft that is coaxially and integrally coupled with a rotor shaft of a compressor.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, a heat pump using an expander that is driven by a rotor shaft that is coupled coaxially with a rotor shaft of a compressor so as to be integrally rotatable is known (for example, see Patent Document 1).
[0003]
[Patent Document 1]
JP-A-8-42930 (paragraph [0025], FIG. 9)
[0004]
Patent Document 1 discloses a
[0005]
In the refrigerant circulation flow path I including the
[0006]
Patent Document 1 discloses a heat pump in which a
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
In the screw-
[0008]
Such a problem is solved by making the expander 105 a screw type. In this case, in the
[0009]
When the
The present invention has been made in order to eliminate such conventional problems, and intends to provide a heat pump that uses a screw-type compressor and an expander and can maintain good performance. It is.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems, the first invention is an oil-cooled screw compressor and a refrigerant compressed here and condensed in a condenser to be converted into a gas / liquid two-phase flow by rotation of a rotor to an evaporator. And the expander to be fed out using an integral casing, and at least one rotor shaft of the oil-cooled screw compressor and at least one rotor shaft of the expander are coaxially arranged so as to be integrally rotatable, and are driven by the same drive In the heat pump driven by the section, the expander is a screw type including a pair of male and female screw rotors that engage with each other like the oil-cooled screw compressor, and the male rotor of the oil-cooled screw compressor and the expander The rotor shafts of the male rotor are coaxially provided so as to be integrally rotatable, and the rotor shafts of the female rotor of the oil-cooled screw compressor and the female rotor of the expander are connected to each other. The casing is rotatably provided on the same axis, and the casing is interposed between the compressor casing portion on the compressor side and the expander casing portion on the expander side in a state of maintaining airtightness therebetween, and the two are fixed integrally. An intermediate casing portion is provided, and a partition plate is provided to block the screw rotor housing space of the oil-cooled screw compressor and the screw rotor housing space of the expander.
[0011]
In the second aspect of the invention, in addition to the structure of the first aspect of the invention, the partition plate includes an oil supply hole for supplying oil around each of the rotor shafts passing through the partition plate.
[0012]
In the third invention, in addition to the structure of the second invention, an annular member made of resin or non-ferrous metal is interposed in the annular space portion between the rotor shaft side opening end of the oil supply hole and each rotor shaft. It was set as the structure made to do.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
1 to 7 show a heat pump 1 according to the present invention. As shown in FIG. 1, the heat pump 1 includes a
[0014]
As shown in FIG. 2, the
[0015]
More specifically, the
[0016]
The screw rotor accommodating space in the
[0017]
3, the
[0018]
The refrigerant sucked into the
[0019]
When the refrigerant is compressed by the
[0020]
Further, when the
[0021]
Since there is a slight gap between the
[0022]
In addition, the smaller the gap between the
In FIG. 7, only the
[0023]
【The invention's effect】
As apparent from the above description, according to the first invention, the oil-cooled screw compressor and the refrigerant compressed here and condensed in the condenser are converted into a two-phase flow of gas and liquid by rotation of the rotor. The expander sent to the evaporator is formed using an integral casing, and at least one rotor shaft of the oil-cooled screw compressor and at least one rotor shaft of the expander are coaxially arranged so as to be integrally rotatable. In the heat pump driven by the same drive unit, the expander is a screw type including a pair of male and female screw rotors that mesh with each other in the same manner as the oil-cooled screw compressor, and the male rotor of the oil-cooled screw compressor The rotor shafts of the male rotor of the expander are coaxially provided so as to be integrally rotatable, and the female rotor of the oil-cooled screw compressor and the rotor of the female rotor of the expander The casings are provided coaxially so that they can rotate together, and the casing is interposed between the compressor casing portion on the compressor side and the expander casing portion on the expander side in a state of maintaining airtightness therebetween, and the two are integrated. And a partition plate that cuts off the screw rotor accommodating space of the oil-cooled screw compressor and the screw rotor accommodating space of the expander.
For this reason, the leakage of the refrigerant from the compressor side to the expander side, and thereby the decrease in the amount of the refrigerant passing through the condenser can be minimized, and the performance deterioration of the heat pump can be suppressed. The effect of.
[0024]
According to the second invention, in addition to the structure of the first invention, the partition plate includes an oil supply hole for supplying oil around each of the rotor shafts penetrating therethrough.
For this reason, there exists an effect that the effect by 1st invention can be made more remarkable.
[0025]
According to the third invention, in addition to the structure of the second invention, an annular member made of resin or non-ferrous metal in the annular space between the rotor shaft side opening end of the oil supply hole and each of the rotor shafts It is the structure which intervened.
For this reason, there exists an effect that the effect by 2nd invention can be improved further.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an overall configuration of a heat pump according to the present invention.
2 is a cross-sectional view showing a state in which the compressor and the expander shown in FIG. 1 are cut along a plane including the axial centers of a pair of male and female screw rotors.
3 is a cross-sectional view taken along line III-III in FIG.
4 is a cross-sectional view taken along the line IV-IV in FIG. 3;
5 is a cross-sectional view corresponding to FIG. 3 of another heat pump according to the present invention.
6 is a cross-sectional view taken along line VI-VI in FIG.
FIG. 7 is an enlarged cross-sectional view of still another heat pump partition plate according to the present invention and a portion of a rotor shaft passing therethrough.
FIG. 8 is a diagram showing an overall configuration of a conventional heat pump.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (3)
上記膨張機を上記油冷式スクリュ圧縮機と同様に雌雄一対の互いに噛合うスクリュロータを備えたスクリュタイプとし、
上記油冷式スクリュ圧縮機の雄ロータと上記膨張機の雄ロータの各ロータ軸同士を一体回転可能に同軸上に設けるとともに、上記スクリュ圧縮機の雌ロータと上記膨張機の雌ロータの各ロータ軸同士を一体回転可能に同軸上に設け、
上記ケーシングを圧縮機側の圧縮機ケーシング部と膨張機側の膨張機ケーシング部とこの両者間に気密を維持する状態で介在し、この両者を一体的に固定する中間ケーシング部とにより形成し、
上記油冷式スクリュ圧縮機のスクリュロータ収容空間と上記膨張機のスクリュロータ収容空間とを遮断する仕切板を設けたことを特徴とするヒートポンプ。An integrated casing is used to form an oil-cooled screw compressor and an expander that sends the refrigerant compressed here and condensed in the condenser into a gas / liquid two-phase flow by rotation of the rotor to the evaporator. And at least one rotor shaft of the oil-cooled screw compressor and at least one rotor shaft of the expander are arranged coaxially so as to be integrally rotatable, and in a heat pump driven by the same drive unit,
Like the oil-cooled screw compressor, the expander is a screw type having a pair of male and female screw rotors engaged with each other,
The respective rotor shafts of the male rotor of the oil-cooled screw compressor and the male rotor of the expander are coaxially provided so as to be integrally rotatable, and the rotor of the female rotor of the screw compressor and the female rotor of the expander The shafts are provided on the same axis so that they can rotate together,
The casing is formed by a compressor casing part on the compressor side, an expander casing part on the expander side, and an intermediate casing part that fixes both of them together while maintaining airtightness between them,
A heat pump, comprising: a partition plate that cuts off a screw rotor housing space of the oil-cooled screw compressor and a screw rotor housing space of the expander.
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