JP2008057426A - 流体機械及びヒートポンプ装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ケーシング(30)の内部は、駆動モータ(40)によって第1空間(S1)と第2空間(S2)とに仕切られる。潤滑後の油が流出する第1空間(S1)にインバータ装置(60)のSiC素子(62)を配置する。SiC素子(62)の作動熱が、コアカット部(42d)へ流入する油へ付与されることで、油の粘度が低下し、この油がコアカット部(42d)を速やかに流通する。
【選択図】図2
Description
本発明の実施形態1に係るヒートポンプ装置は、室内の冷房と暖房とを切り換えて行う空気調和装置(1)を構成している。図1に示すように、空気調和装置(1)は、冷媒回路(10)を備えている。冷媒回路(10)には、冷媒として二酸化炭素(CO2)が充填されている。この冷媒回路(10)では、冷媒が循環することで蒸気圧縮式の冷凍サイクルが行われる。また、本実施形態の冷媒回路(10)では、冷媒を臨界圧力以上まで圧縮する、いわゆる超臨界サイクルが行われる。
冷媒回路(10)には、圧縮機(20)と室内熱交換器(21)と膨張弁(22)と室外熱交換器(23)と四路切換弁(24)とが接続されている。実施形態1の圧縮機(20)は、ロータリー型の圧縮機であり、本発明の流体機械を構成している。この圧縮機(20)の詳細は後述する。室内熱交換器(21)は、室内に設置されている。室内熱交換器(21)では、冷媒と室内空気との間で熱交換が行われる。室外熱交換器(23)は、室外に設置されている。室外熱交換器(23)では、冷媒と室外空気との間で熱交換が行われる。膨張弁(22)は、冷媒を減圧する減圧手段であり、例えば電子膨張弁で構成されている。四路切換弁(24)は、第1から第4までの4つのポートを備えている。四路切換弁(24)は、第1ポートが圧縮機(20)の吐出側と、第2ポートが室内熱交換器(21)と、第3ポートが圧縮機(20)の吸入側と、第4ポートが室外熱交換器(23)とそれぞれ繋がっている。四路切換弁(24)は、第1ポートと第2ポートとが繋がると同時に第3ポートと第4ポートとが繋がる状態(図1の実線で示す状態)と、第1ポートと第4ポートとが繋がると同時に第2ポートと第3ポートとが繋がる状態(図1の破線で示す状態)とに設定が切り換わるように構成されている。
図2に示すように、圧縮機(20)は、中空で密閉型のケーシング(30)を備えている。ケーシング(30)は、円筒状の胴部(31)と、胴部(31)の上端部に設けられる天板部(32)と、胴部(31)の下端部に設けられる底板部(33)とを備えている。ケーシング(30)では、胴部(31)の下側寄りに吸入管(34)が接続され、天板部(32)に吐出管(35)が接続されている。吐出管(35)は、天板部(32)を上下に貫通しており、その下端部がケーシング(30)の内部空間に開口している。なお、ケーシング(30)は、例えば鉄等の金属材料で構成されている。
圧縮機(20)は、上記駆動モータ(40)を駆動制御するためのインバータ装置(60)を備えている。インバータ装置(60)には、各種の電子部品として、スイッチング素子を構成する炭化シリコン(SiC)素子(62)や、ドライバを構成するシリコン(Si)素子(63)等が実装されている。上記SiC素子(62)は、そのバンドギャップが約2.2〜3.0eVであり、その耐熱温度が約400℃である、ワイドギャップ半導体素子を構成している。一方、Si素子(63)は、そのバンドギャップが約1.1eVであり、その耐熱温度が約120℃である、低耐熱性素子を構成している。つまり、Si素子(63)は、SiC素子(62)よりも耐熱温度が低くなっている。
次に、この空気調和装置(1)の運転動作について説明する。この空気調和装置(1)は、冷房運転と暖房運転とが可能となっている。これらの運転では、インバータ装置(60)により、圧縮機(20)の駆動モータ(40)が駆動されることで、駆動軸(45)が回転する。その結果、圧縮機構(50)では、ピストン(54)の回転に伴い圧縮室の容積が拡縮され、圧縮機構(50)で冷媒の圧縮動作が行われる。
暖房運転では、四路切換弁(24)が図1の実線で示す状態となる。また、膨張弁(22)の開度が適宜調節される。
冷房運転では、四路切換弁(24)が図1の破線で示す状態となる。また、膨張弁(22)の開度が適宜調節される。
次に、圧縮機(20)の各摺動部を潤滑するための油(冷凍機油)の流れについて図2を参照しながら説明する。なお、上述のように、この圧縮機(20)では、CO2が臨界圧力以上まで圧縮されるため、圧縮機構(50)の吐出冷媒の圧力は、例えばHFC冷媒と比較して約3倍以上にもなる。このため、この圧縮機(20)では、圧縮機構(50)のピストン(54)や各軸受け部(56,57)の各摺動部に形成される油膜厚さを充分確保するため、高粘度の冷凍機油を用いるようにしている。具体的には、本実施形態において、冷凍機油としてPAG(ポリアルキレングリコール)を用いている。また、この冷凍機油は、100℃における動粘度が18〜20mm2/secの範囲であり、粘度指数(油の温度による動粘度の変化の割合を表す指標)が150〜200の範囲である。
上記実施形態1では、インバータ装置(60)のSiC素子(62)でコアカット部(42d)へ流入する油を加熱して、油の粘度を低下させるようにしている。このため、上記実施形態1によれば、比較的高粘度の油を用いても、潤滑後の油をコアカット部(42d)を介して速やかに油溜め部(48)へ戻すことができる。従って、油溜め部(48)に回収される油が不足することがなく、圧縮機構(50)の各摺動部を充分に潤滑することができる。また、このようにして油の粘度を低下させることで、コアカット部(42d)の数量の削減、コアカット部(42d)の通路断面の縮小化を図ることができる。
上記実施形態1については、以下のような変形例のような構成としても良い。
図4に示すように、変形例1のインバータ装置(60)は、SiC素子(62)とSi素子(63)とが別体に構成されている。Si素子(63)は、ケーシング(30)の胴部(31)の外壁に基板(61)を介して取り付けられている。また、この変形例1では、上記実施形態1と異なり、Si素子(63)が樹脂カバー(65)で覆われてない。
図5に示すように、変形例2のインバータ装置(60)では、SiC素子(62)がケーシング(30)の外壁に取り付けられている。なお、変形例2では、Si素子(63)が別の箇所に設けられている(図示省略)。
図6に示すように、本発明の実施形態2に係る流体機械は、いわゆる低圧ドーム型のスクロール型圧縮機で構成されている。以下には、上記実施形態と異なる点について説明する。
上記各実施形態については、以下のような構成としてもよい。
10 冷媒回路
20 圧縮機(流体機械)
30 ケーシング
35 吐出管
40 駆動モータ
42a 固定子コア部
42c インシュレータ(絶縁部)
42d カットコア部(油戻し通路)
47 油供給手段(油ポンプ)
48 油溜め部
50 圧縮機構
60 インバータ装置
62 SiC素子(ワイドギャップ半導体素子)
64 放熱フィン
64a 基部
64b フィン部
66 断熱部材
Claims (15)
- 冷媒としてのCO2を臨界圧力以上まで圧縮する圧縮機構(50)と、該圧縮機構(50)を駆動する駆動モータ(40)と、上記圧縮機構(50)及び駆動モータ(40)が収容されると共に内部に冷媒が満たされるケーシング(30)と、該ケーシング(30)内に形成される油溜め部(48)の油を上記圧縮機構(50)へ供給する油供給手段(47)と、該圧縮機構(50)へ供給した後の油を上記油溜め部(48)へ返送するための油戻し通路(42d)とを備えた流体機械であって、
上記駆動モータ(40)を駆動制御すると共にワイドギャップ半導体素子(62)を有するインバータ装置(60)を備え、
上記ワイドギャップ半導体素子(62)で発生した熱が上記油戻し通路(42d)へ流入する油に付与されるように構成されていることを特徴とする流体機械。 - 請求項1において、
上記ワイドギャップ半導体素子(62)は、ケーシング(30)内に配置されていることを特徴とする流体機械。 - 請求項2において、
上記ケーシング(30)内には、上記駆動モータ(40)の上側に第1空間(S1)が形成される一方、駆動モータ(40)の下側に油溜め部(48)を有する第2空間(S2)が形成され、
上記油戻し通路は、上記ケーシング(30)の内壁と上記駆動モータ(40)の固定子コア部(42a)との間に形成されて上記第1空間(S1)と第2空間(S2)とを繋ぐコアカット部(42d)により構成され、
上記ワイドギャップ半導体素子(62)は、上記第1空間(S1)又は上記コアカット部(42d)の上端近傍に配置されていることを特徴とする流体機械。 - 請求項2又は3において、
上記ワイドギャップ半導体素子(62)には、放熱フィン(64)が取り付けられていることを特徴とする流体機械。 - 請求項4において、
上記放熱フィン(64)は、ケーシング(30)の内壁に沿って配置される筒状の基部(64a)と、該基部(64a)の内壁に立設された板状の複数のフィン部(64b)とで構成されていることを特徴とする流体機械。 - 請求項3において、
上記ワイドギャップ半導体素子(62)は、駆動モータ(40)の固定子コア部(42a)の上端部に支持されていることを特徴とする流体機械。 - 請求項6において、
上記駆動モータ(40)の固定子コア部(42a)の上端には、絶縁部(42c)が形成され、
上記ワイドギャップ半導体素子(62)は、絶縁部(42c)の上面に取り付けられていることを特徴とする流体機械。 - 請求項1において、
上記ワイドギャップ半導体素子(62)は、ケーシング(30)の外壁に取り付けられ、
上記ワイドギャップ半導体素子(62)で発生した熱がケーシング(30)を介して上記油戻し通路(42d)へ流入する油に付与されるように構成されていることを特徴とする流体機械。 - 請求項8において、
上記ケーシング(30)内には、上記駆動モータ(40)の上側に第1空間(S1)が形成される一方、駆動モータ(40)の下側に油溜め部(48)を有する第2空間(S2)が形成され、上記油戻し通路は、上記ケーシング(30)の内壁と上記駆動モータ(40)の固定子コア部(42a)との間に形成されて上記第1空間(S1)と第2空間(S2)とを繋ぐコアカット部(42d)により構成され、
上記ワイドギャップ半導体素子(62)は、ケーシング(30)の外壁で、且つ上記第1空間(S1)又は上記コアカット部(42d)の上端近傍と隣接する部位に取り付けられていることを特徴とする流体機械。 - 請求項8又は9において、
上記ワイドギャップ半導体素子(62)を覆う断熱部材(66)を備えていることを特徴とする流体機械。 - 請求項1において、
上記圧縮機構(50)は、ケーシング(30)内に高圧冷媒を吐出するように構成され、
上記ケーシング(30)には、その内部の高圧冷媒を該ケーシング(30)の外部へ流出させる吐出管(35)が接続されていることを特徴とする流体機械。 - 請求項3又は9において、
上記圧縮機構(50)は、ケーシング(30)内に高圧冷媒を吐出するように構成され、
上記ケーシング(30)には、その内部の高圧冷媒を該ケーシング(30)の外部へ流出させる吐出管(35)が上記第1空間(S1)に繋がっていることを特徴とする流体機械。 - 請求項12において、
上記圧縮機構(50)は、上記第2空間(S2)に高圧冷媒を吐出するように構成されていることを特徴とする流体機械。 - 請求項1乃至13のいずれか1つにおいて、
上記ワイドギャップ半導体素子は、SiC素子(62)であることを特徴とする流体機械。 - 冷媒が循環して冷凍サイクルを行う冷媒回路(10)を備えたヒートポンプ装置であって、
上記冷媒回路(10)には、請求項1乃至14のいずれか1つの流体機械(20)が接続されていることを特徴とするヒートポンプ装置。
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