JP2007239574A - 膨張機一体型圧縮機および冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高温高圧雰囲気の密閉容器内に設置された従来の圧縮機に膨張機を連結する場合、膨張機を圧縮機の下側、すなわち密閉容器下部に溜まる潤滑油プール内あるいは近接する位置に配置することで、圧縮機に供給する潤滑油の一部を膨張機に供給することが可能となるが、潤滑油の循環により、圧縮機１０２と膨張機１０３との間で、お互いの温度が均一化するように熱が移動し、サイクル効率が低下する。
【解決手段】圧縮機１０２側の空間２０２と膨張機１０３側の空間とを隔てる中板２１１の潤滑油連通路２１２近傍に、冷却水路２２０を設け、潤滑油を冷却する。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷凍冷蔵庫や空調機等の冷凍サイクルに用いられる冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮された冷媒の膨張エネルギーを回収する膨張機とを軸で連結した膨張機一体型圧縮機、およびこの膨張機一体型圧縮機を有する冷凍サイクル装置に関する。

近年、冷凍サイクル装置の冷媒が膨張する際の膨張エネルギーを回収し、サイクル効率を向上させるべく、膨張機の開発が進められている。容積型膨張機を冷凍サイクル装置に利用する場合、膨張機の回転軸を容積型圧縮機の回転軸と同一軸を形成するように連結させて、膨張機が圧縮機の駆動動力を補助する構成、すなわち、膨張機一体型圧縮機とすると、膨張機が回収した膨張エネルギーを、発電機などを介さずに、直接、圧縮機に伝えるので、回収エネルギーのロスを抑制することができる（例えば、特許文献１参照）。

膨張機一体型圧縮機においては、膨張機側にも安定した潤滑油供給が必要となるが、圧縮機の潤滑油供給機構をそのまま使うことで対処可能である。例えば、高温高圧雰囲気の密閉容器内に設置された、スクロール圧縮機等の従来の圧縮機に膨張機を連結する場合、膨張機を圧縮機の下側、すなわち密閉容器下部に溜まる潤滑油プール内あるいは近接する位置に配置することで、圧縮機に供給する潤滑油の一部を膨張機に供給することができる。上記の構成では、従来の圧縮機側の構成をあまり変更せずに、膨張機の潤滑性、隙間シール性を確保しつつ膨張機を連結させることができる。

以下、図を用いて従来の膨張機一体型圧縮機の構成、および動作を詳細に説明する。図８には、上記膨張機一体型圧縮機を組み込んだ冷凍サイクル装置のシステム構成を示している。図８において、膨張機一体型圧縮機１００と凝縮器１１０と蒸発器１２０とは、配管によって接続されている。膨張機一体型圧縮機１００は、冷媒を圧縮する圧縮機１０２と、高圧の冷媒から回転動力を発生させる膨張機１０３と、圧縮機１０２を駆動するモータ１０５と、モータ１０５を挟んで圧縮機１０２と膨張機１０３とを連結する回転軸１０４とを、備えている。

膨張機１０３では、高圧冷媒の等エントロピー膨張により回転動力が発生し、発電機などを介することなく、直接、圧縮機１０２の駆動動力を補助する。潤滑油プール１０８は、圧縮機１０２の吐出冷媒に含まれる潤滑油が、モータ１０５の回転に伴って密閉容器１０１内部を旋回しながら遠心力で分離され、さらにその重みで密閉容器１０１の底に落下し、溜まることにより形成される。回転軸１０４の下部には潤滑油ポンプ１０６が設けられ、また、回転軸１０４の内部には、潤滑油が流れる潤滑油供給穴１０７が軸方向に形成されている。潤滑油ポンプ１０６によって潤滑油プール１０８から汲み揚げられた潤滑油は、潤滑油供給穴１０７を経由して、膨張機１０３、圧縮機１０２の順に供給される。

このようなシステム構成の冷凍サイクル装置において、冷媒を二酸化炭素とした場合の、理想的なサイクル状態変化の様子を図９のモリエル線図（ｐ−ｈ線図）示す。図９において、１→２は圧縮機１０２において二酸化炭素を低圧圧力Ｐｌから高圧圧力Ｐｈに圧縮・昇圧する圧縮過程で、圧縮機から吐出された二酸化炭素は超臨界となっている。２→３は凝縮器１１０における等圧放熱過程で、二酸化炭素は超臨界のまま温度が下がる。ここで、点２と点３との間のエンタルピ差が二酸化炭素の単位循環量あたりの放熱量である。３→４は膨張機１０３において冷媒を高圧圧力Ｐｈから低圧圧力Ｐｌに膨張させ動力回収を行う膨張過程で、二酸化炭素の状態は超臨界から気液二相へと変化する。４→１は蒸発器１２０における等圧吸熱過程で、二酸化炭素は気液二相のまま、圧力、温度とも一定で気相の割合（渇き度）のみが増大する。ここで、点１と点４との間のエンタルピ差が二酸化炭素の単位循環量あたりの吸熱量である。冷媒二酸化炭素の温度は、圧縮機１０２出口では高温（８０℃〜１００℃）、膨張機１０３出口では低温（０℃〜１０℃）となる。
特開２００５−１０６０４６号公報

しかしながら、上記の構成の膨張機一体型圧縮機１００では、高温の冷媒を吐出する圧縮機１０２と低温の冷媒が作動する膨張機１０３との間で、熱交換が行われてしまう。

その理由を以下に説明する。まず、潤滑油を含んだ高温の冷媒が、圧縮機１０２から吐出されて密閉容器１０１内を循環する過程で潤滑油が分離される。分離された潤滑油は、重力下方向に移動し、密閉容器１０１の下部に高温の潤滑油プール１０８を形成する。

潤滑油ポンプ１０６および潤滑油供給穴１０７を経由して膨張機１０３に供給される高温の潤滑油は、膨張機１０３内の低温の冷媒を加熱する。そのため、膨張機１０３の吐出冷媒の渇き度が増大する。また、膨張機１０３を通過する潤滑油は、膨張機１０３によって熱を奪われ、温度が低下する。冷却された潤滑油の一部は、さらに潤滑油供給穴１０７内を上昇して圧縮機に到達するが、膨張機によって冷却された潤滑油は圧縮機１０２内の冷媒よりも低温であるため、圧縮機１０２の吐出冷媒の温度が低下する。

以上のような、密閉容器１０１内部における潤滑油の循環により、圧縮機１０２と膨張機１０３との間で、お互いの温度を均一化するように熱が移動する。

この結果、冷媒を二酸化炭素とした場合のサイクルにおける状態変化の実際の様子は図１０のモリエル線図（ｐ−ｈ線図）のようになる。まず、圧縮機出口の状態２‘は、理想の状態２よりも左側に移動し、凝縮器１１０における二酸化炭素の単位循環量あたりの放熱量は、点２’と点３との間のエンタルピ差となり低下する。同様に、膨張機出口の状態４‘は、理想の状態４よりも右側に移動し、蒸発器１２０における二酸化炭素の単位循環量あたりの吸熱量は点４’と点１との間のエンタルピ差となり低下する。

以上のように、従来の高圧密閉容器型圧縮機の下側に膨張機を設置すると、圧縮機と膨張機との相互の熱交換により、冷凍サイクルとしてのシステム効率が低下するという問題がある。

上述した課題を解決するために、本発明にかかる膨張機一体型圧縮機は、回転軸と、回転軸の上部に設置されて作動流体を圧縮する圧縮機構と、回転軸の下部に設置されて作動流体を膨張させる膨張機構と、回転軸と圧縮機構部と膨張機構部とを収容した密閉容器と、膨張機構の内部または近傍に設置されて膨張機構を冷却する膨張機構冷却部とを備えている。

また、本発明にかかる冷凍サイクル装置は、上記の膨張機一体型圧縮機と、放熱器と、蒸発器とから構成され、膨張機一体型圧縮機に設置された冷却流路には、放熱器と熱交換する水の一部または全てを流すことを特徴とする。

本発明によれば、膨張機一体型圧縮機の膨張機の周りに高温の潤滑油プールが存在する場合であっても、膨張機が存在する部位を冷却することにより、潤滑油プールからの受熱による膨張機出口の冷媒の渇き度増大を抑制することができる。そのため、蒸発器における冷媒の単位循環量あたりの吸熱量低下を抑制することができる。

併せて、膨張機が存在する部位の冷却のための低温源として凝縮器に入力する水を利用することにより、潤滑油プールから受熱した熱を有効利用することで、システムの放熱効率の低下を軽減することができる。

以上により、高効率な冷凍サイクル装置を提供することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本実施の形態に係る膨張機一体型圧縮機を給湯用途に利用した場合の構成図である。図１の膨張機一体型圧縮機１００において、中板２１１、潤滑油連通路２１２、冷却水路２２０以外の構成は図８と同じであるため、それらの説明は省略する。

中板２１１は、密閉容器１０１内において、圧縮機１０２と膨張機１０３との共通の回転軸１０４の軸半径方向のふらつきを防止する軸受の役割を果すとともに、圧縮機１０２側の空間２０２と、膨張機１０３側の空間２０３とを隔てる役割も持つ。潤滑油連通路２１２は、中板２１１に設けられ、圧縮機１０２側の空間２０２と、膨張機１０３側とを空間２０３とを連通させる。冷却水路２２０は、水等の冷却用流体が流れる流路であり、中板２１１内に潤滑油連通路２１２を取り巻くように設けられている。

さらに、給湯用途に用いられる図１のサイクルにおいて、２５０は冷水入力管であり、凝縮器１１０において冷媒と熱交換する水を供給する配管である。２６０は温水出力管であり、凝縮器１１０で冷媒と熱交換し温められた温水が流れる配管である。また２７０、２８０は、それぞれ、冷水入力管２５０から膨張機一体型圧縮機１００の冷却水路２２０に冷水を供給する、冷却水入力管、冷却水出力管である。

例えば二酸化炭素を冷媒とする場合、図１で示す構成のサイクルにおいて、圧縮機１０２の吐出温度は８０℃〜１００℃である。また膨張機１０３では、二酸化炭素の吸入温度は２０℃〜４０℃、吐出温度は０℃〜１０℃である。従って、潤滑油が潤滑油供給穴１０７を通る際に、少なくとも６０℃程度温度を低下させることが望ましい。従って、潤滑油供給穴１０７と冷却水路２２０との間には十分な伝熱面積を設け、さらに冷却水路２２０を通る水量も適切に設定する必要がある。以下、冷却水路２２０等、具体的な潤滑油冷却方法について説明する。

図２は中板２１１の一例であり、冷却水路２２０を設けた水路形成材２２０ａが、潤滑油連通路２０２近傍に中板２１１の側面から取り付けてある。水路形成材２２０ａは、例えば、図３に示すような形状をしており、外部にはテーパねじを切っており、中板２１１にテーパねじで締め付けることにより冷却水の漏れを防止できる。なお、冷却水路２２０は、他にも、中板２１１を多層構成に、各層の表面に、潤滑油連通路２０２近傍を取り巻くように形成する構成としてもよい。

潤滑油を十分に冷却するためには、例えば図４の構成を利用する。すなわち、冷水入力管２５０に流量を調節できる冷水量調節バルブ２３０を、潤滑油ポンプ１０６近傍に温度計測器２４０を設ける。温度計測器２４０の出力が設定温度よりも低い場合は、冷水流量を絞る方向に、また、温度計測器２４０の出力が設定温度よりも低い場合は、冷水流量を絞る方向に冷水量調節バルブ２３０を制御する。

次に、冷媒を二酸化炭素とし、本実施の形態の膨張機一体型圧縮機を給湯用途に利用した場合の動作について述べる。

膨張機一体型圧縮機１００が稼動している状態において、圧縮機１０２は潤滑油を含んだ冷媒を吐出する。この吐出冷媒中の潤滑油は、モータ１０５の回転に伴って密閉容器１０１内部を旋回して遠心力により分離され、自らの重みで落下し、潤滑油連通路２１２を通過して密閉容器１０１の底に落ち、潤滑油プール１０８を形成する。このとき、潤滑油連通路２１２周囲の冷却水路２２０を流れる冷水により、潤滑油は冷却される。そのため、潤滑油プール１０８は、潤滑油を冷却しない場合と比較して、温度が低下する。潤滑油プール１０８は潤滑油の供給源であり、潤滑油は、回転軸１０４の下部に取り付けられた潤滑油ポンプ１０６により汲み上げられ、回転軸１０４内部に設けられた潤滑油供給穴１０７を通って、膨張機１０３、圧縮機１０２の順に供給される。

本実施の形態の膨張機一体型圧縮機１００を適用した場合、サイクル中の二酸化炭素の状態変化は図５に示すようになる。まず、潤滑油プール１０８から最初に潤滑油が供給される膨張機１０３では、潤滑油が十分に冷却されていれば、内部の冷媒を加熱することはほとんどない。従って、膨張機１０３の吐出二酸化炭素の状態は、潤滑油からの受熱がない理想状態（図５の点４）となる。

次に、膨張機１０３を潤滑せずに潤滑油供給穴１０７に残った潤滑油は、そのまま潤滑油供給穴１０７内を昇り圧縮機１０２を潤滑する。この時潤滑油は、圧縮機１０２の吐出二酸化炭素の温度を下げる。圧縮機１０２の吐出二酸化炭素の状態は、図５の点２‘に示すように、温度低下のない理想状態よりもエンタルピが下がる。従って、凝縮器における二酸化炭素の単位循環量あたりの放熱量は低下してしまうことになる。二酸化炭素の循環量を同じとすると、冷水入力管２５０の凝縮器出口温度は理想状態よりも下がり、水が受熱できる熱量は減少することになる。

しかしながら、本実施の形態のサイクル構成では、潤滑油から奪った熱を有効利用する構成としている。すなわち、冷水入力管２５０の凝縮器入口側で分岐した冷水が冷却水入力管２７０、冷却水路２２０を通って潤滑油の熱を奪い、冷却水出力管２８０を経由して冷水出力管２６０と合流する。冷却水路２２０で潤滑油から奪う熱量は、二酸化炭素の単位循環量あたり、潤滑油からの受熱がある場合（図５の４‘）と潤滑油からの受熱がない状態（図５の点４）とのエンタルピ差に相当する。従って、冷水出力管２６０出口側で、サイクルから取り出せる熱量の減少を抑制することができる。

なお、本実施の形態では、膨張機一体型圧縮機を適用したヒートポンプシステムについて、主に給湯に利用した場合を説明したが、冷凍空調に利用しても高効率な吸熱サイクルを実現することができる。すなわち、潤滑油プール１０８は十分に冷却されているため、ここから供給される潤滑油が膨張機１０３内の冷媒を加熱することはほとんどない。例えば冷媒が二酸化炭素の場合、潤滑油からの受熱がない理想状態（図５の点４）となり、二酸化炭素の単位循環量あたりの吸熱量（点１と点４との間のエンタルピ差）が低下することなく、高効率な吸熱サイクルを実現することができる。

なお、本実施の形態では、潤滑油を冷却するために、中板２１１に冷却水路２２０を設ける構成としたが、これに限るものではない。

（第２の実施形態）
図６は、本実施形態に係る膨張機一体型圧縮機を含む冷凍サイクル装置である。図６では、膨張機一体型圧縮機１００の側面で膨張機１０３が存在する部位、もしくは膨張機一体型圧縮機１００の底面に、冷水入力管２５０の一部を巻きつけて冷却水路２２０を形成した構成である。

本構成により、潤滑油プール１０８の温度を下げる作用を得られる。

（第３の実施形態）
図７は、本実施形態に係る膨張機一体型圧縮機を含む冷凍サイクル装置である。図７では、膨張機一体型圧縮機１００の側面から潤滑油プール１０８内を貫通するように冷却水路２２０を設けた構成である。

本構成により、潤滑油プール１０８の温度を下げる作用を得られる。

本発明の膨張機一体型圧縮機は、冷凍サイクルにおける冷媒の膨張エネルギーを回収するため、冷凍サイクルの高効率化手段として有用である。

第１の実施形態に係る膨張機一体型圧縮機が組み込まれた冷凍サイクル装置の構成図 第１の実施形態に係る膨張機一体型圧縮機の中板の平面図 第１の実施形態に係る膨張機一体型圧縮機の水路形成材の立体図 第１の実施形態に係る膨張機一体型圧縮機が組み込まれた冷凍サイクル装置の構成図 第１の実施形態に係る膨張機一体型圧縮機が組み込まれた冷凍サイクル装置のモリエル線図 第２の実施形態に係る膨張機一体型圧縮機が組み込まれた冷凍サイクル装置の構成図 第３の実施形態に係る膨張機一体型圧縮機が組み込まれた冷凍サイクル装置の構成図 従来の膨張機一体型圧縮機を適用した冷凍サイクル装置の構成図 潤滑油による受熱のない理想的な状態におけるモリエル線図 従来の膨張機一体型圧縮機を適用した場合のモリエル線図

符号の説明

１００ 膨張機一体型圧縮機
１０１ 密閉容器
１０２ 圧縮機
１０３ 膨張機
１０４ 回転軸
１０５ ロータ
１０６ 潤滑油ポンプ
１０７ 潤滑油給油穴
１０８ 潤滑油プール
１１０ 凝縮器
１２０ 蒸発器
２０２ 圧縮機側の空間
２０３ 膨張機側の空間
２１１ 中板
２１２ 潤滑油連通路
２２０ 冷却水路
２３０ 温度計測器
２５０ 冷水入力管
２６０ 温水出力管
２７０ 冷却水入力管
２８０ 冷却水出力管

Claims (9)

1. 回転軸と、
   前記回転軸の上部に設置されて作動流体を圧縮する圧縮機構と、
   前記回転軸の下部に設置されて作動流体を膨張させる膨張機構と、
   前記回転軸、前記圧縮機構、前記膨張機構を収容する密閉容器と、
   前記膨張機構の内部または近傍に設置されて前記膨張機構を冷却する膨張機構冷却部と、
   を備えた膨張機一体型圧縮機。
2. 前記膨張機構冷却部が、
   潤滑油を通過させるための連通孔が形成されるとともに、前記密閉容器内に設置されて前記圧縮機構と前記膨張機構とを空間的に分離する分離板と、
   前記連通孔の周辺に設置された冷却流路と、
   を有する請求項１に記載の膨張機一体型圧縮機。
3. 前記膨張機構冷却部が、前記密閉容器の外周面かつ側面に設置された冷却流路を有する、請求項１に記載の膨張機一体型圧縮機。
4. 前記膨張機構冷却部が、前記密閉容器の外周面かつ底面に設置された冷却流路を有する、請求項１に記載の膨張機一体型圧縮機。
5. 前記膨張機構冷却部が、前記密閉容器を貫通する冷却流路を有する、請求項１に記載の膨張機一体型圧縮機。
6. 前記冷却流路に水が満たされている、請求項１から５のいずれかに記載の膨張機一体型圧縮機。
7. 請求項２から５のいずれかに記載の膨張機一体型圧縮機、放熱器、蒸発器を含む冷凍サイクル装置において、
   前記冷却流路には、前記放熱器と熱交換する水の一部または全てを流すことを特徴とする冷凍サイクル装置。
8. 前記冷却流路を流れる水は、前記放熱器の出口で、前記放熱器にて熱交換した水と合流することを特徴とする、請求項７に記載の冷凍サイクル装置。
9. 前記作動流体に二酸化炭素を用いることを特徴とする、請求項１から６のいずれかに記載の膨張機一体型圧縮機。