JP2007224853A - 冷凍サイクル装置及び膨張機 - Google Patents

Abstract

【課題】運転起動時に膨張機の動力制御を行う必要のない冷凍サイクル装置を提供すること。
【解決手段】圧縮機２、放熱器３、膨張機１、及び蒸発器４を有する冷凍サイクル装置であって、膨張機１が、内部に空間を形成するステータ１０と、ステータ１０内部の空間で回転する円筒状のロータ２０と、ロータ２０を回転駆動するシャフト４０と、ロータ２０に有するベーン溝２１内を摺動するベーン２２と、ロータ２０の端面とステータ１０の端面とを封鎖する端板３０と、ステータ１０とロータ２０との間に形成される膨張空間１１にガスを供給する供給ポート１２と、膨張空間１１からガスを排出する吐出ポート３１とを備え、ロータ２０とシャフト４０とをスプライン結合としたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は、膨張機を備えた冷凍サイクル装置に関する。

現在、冷凍装置の冷媒として二酸化炭素を用いることが検討されているが、エネルギー効率の面から、膨張装置として膨張機を用いることが検討されている。
膨張機と圧縮機とは、構造的には共通するため、従来圧縮機として用いられてきた構造を膨張機として利用することができる。

ところで、冷凍サイクル装置に、従来圧縮機として用いられてきた構造を膨張機として利用する場合、運転時にはメカの温度が低下するため、各部品の熱収縮による隙間の拡大分を考慮して、組立て時に隙間を小さく組み立てるが、冷凍サイクル装置の起動時においては、メカの温度は常温であり、且つシャフトとロータとが連結されているため、加工及び組立て精度を向上させないと、メカ部品同士が接触或いは干渉してうまく動作しない。そのため、起動時には外部動力によって膨張機を動作させる必要がある。
また、圧縮機と膨張機とを比較すると、膨張機の方が軸トルクが小さいにもかかわらず、同一冷凍サイクル装置内では、膨張機の損失割合が相対的に大きくなってしまう。

そこで本発明は、運転起動時に膨張機の動力制御を行う必要のない冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、機械損失の少ない膨張機を用いた冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。

請求項１記載の本発明の冷凍サイクル装置は、圧縮機、放熱器、膨張機、及び蒸発器を有する冷凍サイクル装置であって、前記膨張機が、内部に空間を形成するステータと、前記ステータ内部の前記空間で回転する円筒状のロータと、前記ロータを回転駆動するシャフトと、前記ロータに有するベーン溝内を摺動するベーンと、前記ロータの端面と前記ステータの端面とを封鎖する端板と、前記ステータと前記ロータとの間に形成される膨張空間にガスを供給する供給ポートと、前記膨張空間から前記ガスを排出する吐出ポートとを備え、前記ロータと前記シャフトとをスプライン結合としたことを特徴とする。
請求項２記載の本発明は、請求項１に記載の冷凍サイクル装置において、前記シャフトに対して、前記ロータを軸方向に移動可能に設けたことを特徴とする。
請求項３記載の本発明は、請求項１に記載の冷凍サイクル装置において、前記ステータの内部に形成する前記空間を、平面視で楕円形状とするとともに、前記楕円形状の短径側の対向面に、前記ロータと同心円状の円弧部を形成したことを特徴とする。
請求項４記載の本発明は、請求項３に記載の冷凍サイクル装置において、少なくとも一つの前記ベーンが、前記ロータの動作中に前記円弧部に配置されるように複数の前記ベーンを配置したことを特徴とする。
請求項５記載の本発明は、請求項１に記載の冷凍サイクル装置において、前記供給ポートと前記吐出ポートとを複数組備え、それぞれの前記供給ポートを軸対称に配置するとともに、それぞれの前記吐出ポートを軸対称に配置したことを特徴とする。
請求項６記載の本発明の膨張機は、内部に空間を形成するステータと、前記ステータ内部の前記空間で回転する円筒状のロータと、前記ロータを回転駆動するシャフトと、前記ロータに有するベーン溝内を摺動するベーンと、前記ロータの端面と前記ステータの端面とを封鎖する端板と、前記ステータと前記ロータとの間に形成される膨張空間にガスを供給する供給ポートと、前記膨張空間から前記ガスを排出する吐出ポートとを備え、前記ロータと前記シャフトとをスプライン結合とした膨張機であって、冷凍サイクル装置の減圧手段として用いることを特徴とする。

本発明によれば、機械損失が少なく、運転起動時に動力制御を行う必要がない膨張機を用いて、効率の高い冷凍サイクル装置を実現することができる。

本発明の第１の実施の形態による冷凍サイクル装置は、内部に空間を形成するステータと、ステータ内部の空間で回転する円筒状のロータと、ロータを回転駆動するシャフトと、ロータに有するベーン溝内を摺動するベーンと、ロータの端面とステータの端面とを封鎖する端板と、ステータとロータとの間に形成される膨張空間にガスを供給する供給ポートと、膨張空間からガスを排出する吐出ポートとを備えた膨張機を用い、ロータとシャフトとをスプライン結合としたものである。本実施の形態によれば、ロータとシャフトとの間にはクリアランスを有するため、ステータ内に生じる冷媒圧力差によってロータは容易に回転を始めることができる。また、膨張機内での機械損失を少なくすることで、効率の高い冷凍サイクル装置を実現することができる。
本発明の第２の実施の形態は、第１の実施の形態による冷凍サイクル装置において、シャフトに対して、ロータを軸方向に移動可能に設けたものである。本実施の形態によれば、ロータからシャフトに対するスラスト力が働かないため、膨張機内での機械損失を少なくすることができる。また、ロータが軸方向に移動可能なため、ロータの両端面の圧力バランスをとれば、両端面におけるクリアランスが等しくなり、ロータの端面を通る漏れを最小にできる。
本発明の第３の実施の形態は、第１の実施の形態による冷凍サイクル装置において、ステータの内部に形成する空間を、平面視で楕円形状とするとともに、楕円形状の短径側の対向面に、ロータと同心円状の円弧部を形成したものである。本実施の形態によれば、ロータとシャフトとをスプライン結合としているので、ロータがステータ内部の空間の中心に勝手に調心されるため、円弧部とロータとのクリアランスを小さくすることができる。また、ロータとシャフトとを剛接合した場合では、シャフトの傾きによりロータ外周面が空間の内周面と接触してしまうが、本実施の形態では、ロータとシャフトとをスプライン結合しているので、ロータはシャフトの傾きの影響を受けず、ロータ外周面が空間の内周面と接触しないため、円弧部とロータとのクリアランスを小さくすることができる。また、本実施の形態では、ロータとシャフトとをスプライン結合しているので、ロータは軸方向に移動可能なため、ロータの両端面の圧力バランスをとれば、両端面におけるクリアランスが等しくなり、ロータの端面を通る漏れを最小にできる。このように本実施の形態によれば、ロータのステータに対する摺動摩擦を少なくすることができ、ロータの始動を容易に行うことができ、また膨張機内での機械損失を少なくすることができる。
本発明の第４の実施の形態は、第３の実施の形態による冷凍サイクル装置において、少なくとも一つのベーンが、ロータの動作中に円弧部に配置されるように複数のベーンを配置したものである。本実施の形態によれば、円弧部における冷媒漏れを防止することができる。
本発明の第５の実施の形態は、第１の実施の形態による冷凍サイクル装置において、供給ポートと吐出ポートとを複数組備え、それぞれの供給ポートを軸対称に配置するとともに、それぞれの吐出ポートを軸対称に配置したものである。本実施の形態によれば、ロータには対称に圧力が加わるため、ステータに対してロータを常に適正な位置に保持することができる。
本発明の第６の実施の形態による膨張機は、ロータとシャフトとをスプライン結合とした膨張機であって、冷凍サイクル装置の減圧手段として用いるものである。本実施の形態によれば、ロータとシャフトとの間にはクリアランスを有するため、ステータ内に生じる冷媒圧力差によってロータは容易に回転し始めることができ、冷凍サイクル装置の運転起動時に膨張機の動力制御を行う必要がない。また、機械損失を少なくすることができる。

以下本発明の一実施例による膨張機について説明する。
図１から図４は本実施例による膨張機の要部平面図であり、図１は一つの膨張室の供給完了状態を示す平面図、図２は次の膨張室が供給行程にあることを示す平面図、図３は同膨張室の供給行程終了直前の状態を示す平面図、図４は同膨張室の供給完了状態を示す平面図である。図５は同膨張機の側断面図、図６は同膨張機を用いた冷凍サイクル装置である。

まず本実施例による膨張機の構成について説明する。
図１から図４に示すように本実施例による膨張機１は、内部に空間１０Ａを形成するステータ１０と、ステータ１０の内部の空間１０Ａで回転運動する円筒状のロータ２０とを備えている。ここで、ステータ１０の内部に形成される空間１０Ａは、平面視で楕円形状に形成されるとともに、楕円形状の短径側の対向面には、ロータ２０と同心円状の円弧部１０Ｂを形成している。この円弧部１０Ｂの曲率半径は、楕円形状の短径側の本来の曲率半径よりも小さく、短径側に形成される空間１０Ａとロータ２０との最小隙間には、この円弧部１０Ｂを形成することで所定のクリアランスを確保している。
ステータ１０とロータ２０との間には膨張空間１１を形成している。ロータ２０は、放射状に形成された複数のベーン溝２１を有している。そしてこれらのベーン溝２１には、ベーン溝２１内を摺動する複数のベーン２２が配置されている。
これらのベーン２２は、膨張空間１１を複数の膨張室１１Ａ、１１Ｂに区分している。図においては、１０個のベーン２２によって１０個の膨張室１１Ａ、１１Ｂ・・に区分している。本実施例では、１０個のベーン２２によって、少なくとも一つのベーン２２が、ロータ２０の動作中に円弧部１０Ｂに配置されるように構成されている。
ステータ１０には、これらの膨張室１１Ａ、１１Ｂにガスを供給する供給ポート１２が設けられている。
それぞれの隣り合うベーン２２間には、ロータ側連通路２３が配置されている。このロータ側連通路２３は、ロータ２０の一方の端面に形成した所定長さの溝によって形成され、ベーン溝２１とともに、ロータ２０の中心に対して放射状に配置している。ロータ側連通路２３の長さは、ベーン溝２１の長さよりも短く形成している。

図１から図４に示す吐出ポート３１と端板側連通路３２とは、図５に示す端板３０に設けられている。吐出ポート３１は膨張空間１１からガスを排出する空間である。端板側連通路３２は、所定長さの円弧状の溝によって形成されている。
なお、ロータ２０の中心孔にはシャフト４０が配置され、ロータ２０とシャフト４０とは、スプライン結合されている。なお、本実施例におけるスプライン結合は、ロータ２０とシャフト４０とが、回転方向にのみ係合し、軸方向には自在に摺動可能なものである。従って、シャフト４０のスプライン長さは、ロータ２０のスプライン長さより長く構成され、シャフト４０に対してロータ２０を軸方向に移動可能に設けられていることが好ましい。
なお、本実施例では、供給ポート１２と吐出ポート３１とを２組備え、それぞれの供給ポート１２を対称に配置するとともに、それぞれの吐出ポート３１を対称に配置している。このように、供給ポート１２と吐出ポート３１とを対称に配置することで、それぞれ対向する膨張膨張室１１Ａ、１１Ｂ・・の圧力が等しくなり、ロータ２０とシャフト４０とのクリアランスを均一に生じさせ、ロータ２０とシャフト４０との機械摩擦を少なくすることができる。なお、３組以上の供給ポート１２と吐出ポート３１とを備える場合にも、それぞれの供給ポート１２を軸対称に配置するとともに、それぞれの吐出ポート３１を軸対称に配置することで、ロータ２０とシャフト４０との機械摩擦を少なくすることができる。

図５に示すように、ロータ２０の両端面とステータ１０の両端面とは、一対の端板３０によって封鎖されている。端板側連通路３２は端板３０の端面に形成され、供給ポート１２に導かれるガスが連通する通路３４が端板３０内に形成されている。端板側連通路３２と通路３４とは連通している。端板側連通路３２が形成された端板３０の端面は、ロータ側連通路２３が形成されたロータ２０の端面と対向している。
一方の端板３０には、環状溝３３が形成され、この環状溝３３は、図１から図４に示すベーン溝２１の中心側端部と連通している。この環状溝３３には、高圧ガスや高圧潤滑油が供給され、ベーン２２に対して背圧を付与する。なお、本実施例による膨張機は、ステータ１０内の空間が楕円形状をしており、供給ポート１２と吐出ポート３１とが、対称な位置に設けられている。
図６に示すように、本実施例による膨張機１は、圧縮機２、放熱器３、蒸発器４とともに冷凍サイクル装置を構成している。この冷凍サイクル装置としては二酸化炭素を冷媒として用い、高圧側では超臨界域となるように運転することが好ましい。

次に、本実施例による膨張機の動作について説明する。
本実施例による膨張機は、供給ポート１２から供給したガスを膨張室１１Ａ、１１Ｂにて膨張させて吐出ポート３１から排出する。供給ポート１２から供給されるガスが高圧ガスの場合には、このガスの膨張作用によってロータ２０が回転し、供給ポート１２から供給されるガスを膨張させる場合には、ロータ２０を回転させる。このとき、供給ポート１２が対称に配置されているため、吸入ポート１２から供給されるガスによってロータ２０は、空間１０Ａ内の中心位置にバランスされ、ロータ２０とシャフト４０との間には均等なクリアランスを形成する。従って、ロータ２０は、大きな負荷が加わっていない状態であるため、供給ポート１２からのガス圧によって回転を始める。このように、ステータ１０内に生じる冷媒圧力差によってロータ２０は容易に回転を始めることができる。

図１では、膨張室１１Ａの供給行程が完了した状態を示している。膨張室１１Ａの後端側はベーン２２Ａによって供給ポート１２から隔離されている。このタイミングでロータ側連通路２３Ａは、端板側連通路３２とは連通しない位置に移動している。
一方、図１において、膨張室１１Ａの次の膨張室１１Ｂは、供給ポート１２と連通された状態となっている。また、このタイミングでロータ側連通路２３Ｂは、端板側連通路３２と連通される位置に移動している。この状態では、供給ポート１２からは、供給隙間寸法が十分な間隔を持たないため、供給ポート１２からのガスの導入を十分に行えないが、ロータ側連通路２３Ｂが膨張室１１Ｂに開口することにより、端板側連通路３２からガスが供給される。
図２では、膨張室１１Ｂの供給行程中の状態を示している。膨張室１１Ｂには、供給ポート１２からガスが供給されるとともに、端板側連通路３２と連通しているロータ側連通路２３Ｂからもガスが供給される。
図３では、膨張室１１Ｂでの供給行程終了直前の状態を示している。この状態では、ベーン２２Ｂによって供給ポート１２の膨張室１１Ｂに対する開口面積は狭められてしまい、供給ポート１２と膨張室１１Ｂとの間の供給隙間寸法が十分な間隔を持たないため、供給ポート１２からのガスの導入を十分に行えないが、ロータ側連通路２３Ｂは端板側連通路３２と連通状態にあるため、ロータ側連通路２３Ｂから膨張室１１Ｂにガスが供給される。
図４では、膨張室１１Ｂの供給完了状態を示している。膨張室１１Ｂの後端側はベーン２２Ｂによって供給ポート１２から隔離されている。このタイミングでロータ側連通路２３Ｂも、端板側連通路３２とは連通しない位置に移動している。

以上のように、ロータ２０とシャフト４０との間にはクリアランスを有するため、ステータ１０内に生じる冷媒圧力差によってロータ２０は容易に回転を始めることができる。また、膨張機１内での機械損失を少なくすることで、効率の高い冷凍サイクル装置を実現することができる。
また、楕円形状の短径側の対向面に、ロータ２０と同心円状の円弧部１０Ｂを形成し、ステータ１０とロータ２０とのクリアランスを小さくすることができる。すなわち、ロータ２０とシャフト４０との間にはクリアランスを有するために、ロータ２０がステータ１０内部の空間の中心に勝手に調心され、またロータ２０はシャフト４０の傾きの影響を受けず、ロータ２０外周面が空間１０Ａの内周面と接触しないためである。従って、ステータ１０とロータ２０とのクリアランスを小さくしても、ロータ２０のステータ１０に対する摺動摩擦を少なくすることができ、ロータ２０の始動を容易に行うことができる。また、ロータ２０の両端面の圧力バランスをとれば、両端面におけるクリアランスが等しくなり、ロータ２０の端面を通る漏れを最小にできる。
また、それぞれの膨張室１１は、供給行程において、供給ポート１２以外に、ロータ側連通路２３からガスが供給されるため、供給ポート１２と膨張室１１との間の供給隙間寸法が十分な間隔を持たないタイミングでも十分なガスが供給される。特に供給行程の開始からの所定時間、及び供給行程の終了前における所定時間の内の少なくとも一方の所定時間に、ロータ側連通路２３からガスが供給されるように構成してもよい。
なお、上記実施例では、ベーン溝２１とロータ側連通路２３とを、ロータ２０の中心に対して放射状に設けた場合で説明したが、所定の傾き角度を持たせてもよい。
本実施例による膨張機は、圧縮機、放熱器、凝縮器とともに冷凍サイクルを構成し、放熱器で放熱された高圧冷媒ガスを供給ポート１２から供給し、吐出ポート３１から吐出される低圧冷媒ガスを凝縮器に導くことで、ロータ２０が回転し、回転軸４０から動力を出力することができる。

本実施例の膨張機は、二酸化炭素を冷媒として用いた冷凍サイクル装置を構成する膨張弁の代わりに用いる膨張機として特に有用である。

本発明の一実施例の膨張機における一つの膨張室の供給完了状態を示す平面図 同膨張機における次の膨張室が供給行程にあることを示す平面図 同膨張機における同膨張室の供給行程終了直前の状態を示す平面図 同膨張機における同膨張室の供給完了状態を示す平面図 同膨張機の側断面図 同膨張機を用いた冷凍サイクル装置

符号の説明

１０ ステータ
１１ 膨張空間
２０ ロータ
２１ ベーン溝
２２ ベーン
２３ ロータ側連通路
３０ 端板
３１ 吐出ポート
３２ 端板側連通路

Claims (6)

1. 圧縮機、放熱器、膨張機、及び蒸発器を有する冷凍サイクル装置であって、
   前記膨張機が、内部に空間を形成するステータと、前記ステータ内部の前記空間で回転する円筒状のロータと、前記ロータを回転駆動するシャフトと、前記ロータに有するベーン溝内を摺動するベーンと、前記ロータの端面と前記ステータの端面とを封鎖する端板と、前記ステータと前記ロータとの間に形成される膨張空間にガスを供給する供給ポートと、前記膨張空間から前記ガスを排出する吐出ポートとを備え、前記ロータと前記シャフトとをスプライン結合としたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 前記シャフトに対して、前記ロータを軸方向に移動可能に設けたことを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記ステータの内部に形成する前記空間を、平面視で楕円形状とするとともに、前記楕円形状の短径側の対向面に、前記ロータと同心円状の円弧部を形成したことを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
4. 少なくとも一つの前記ベーンが、前記ロータの動作中に前記円弧部に配置されるように複数の前記ベーンを配置したことを特徴とする請求項３に記載の冷凍サイクル装置。
5. 前記供給ポートと前記吐出ポートとを複数組備え、それぞれの前記供給ポートを軸対称に配置するとともに、それぞれの前記吐出ポートを軸対称に配置したことを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
6. 内部に空間を形成するステータと、前記ステータ内部の前記空間で回転する円筒状のロータと、前記ロータを回転駆動するシャフトと、前記ロータに有するベーン溝内を摺動するベーンと、前記ロータの端面と前記ステータの端面とを封鎖する端板と、前記ステータと前記ロータとの間に形成される膨張空間にガスを供給する供給ポートと、前記膨張空間から前記ガスを排出する吐出ポートとを備え、前記ロータと前記シャフトとをスプライン結合とした膨張機であって、
   冷凍サイクル装置の減圧手段として用いることを特徴とする膨張機。
   

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