JP2008151018A - Rotary type two-stage compressor - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、密閉容器内に電動要素と、この電動要素により駆動される圧縮要素とを設けたロータリ式2段圧縮機に関するものである。 The present invention relates to a rotary two-stage compressor in which an electric element and a compression element driven by the electric element are provided in an airtight container.
近年、冷媒による地球環境破壊が問題視され、HFC冷媒(HFC134a、HFC125、HFC32、HFC143a等、及びこれらの混合冷媒)などの代替フロンやCO2、アンモニア、HC冷媒(ハイドロカーボン:イソブタン、プロパン、エタン等)などの自然冷媒が使用され始めている。 In recent years, the destruction of the global environment due to refrigerants has been regarded as a problem. Etc.) and other natural refrigerants are beginning to be used.
代替フロンや自然冷媒を用いたヒートポンプ式給湯機などの冷媒回路装置に適用する圧縮機、とりわけCO2冷媒用圧縮機では、作動圧力が高くなることから内部中間圧2段圧縮機が適用されているものがある(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、前記特許文献1のような内部中間圧2段圧縮機では、2段圧縮方式を取ることにより、圧縮要素のベーン先端の摩耗耐力は広い範囲で確保することができるが、寒冷地対応においては、高圧縮比運転となり圧縮機の高段側の差圧が大きくなるため、高段側の圧縮要素のベーン先端摩耗耐力を確保し難くなるという課題がある。
However, in the internal intermediate pressure two-stage compressor as in
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、高差圧、高速回転となる寒冷地用途においても、ベーンへの高価なコーティング等の手段を用いずにベーン先端摺動部の信頼性を確保できるロータリ式2段圧縮機を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and even in cold districts where high differential pressure and high speed rotation are used, the vane tip slides without using an expensive coating means or the like on the vane. An object of the present invention is to provide a rotary two-stage compressor capable of ensuring the reliability of the part.
この発明に係るロータリ式2段圧縮機は、密閉容器内に電動要素と、この電動要素により回転軸を介して駆動される、低段圧縮要素と高段圧縮要素とを有し、密閉容器内が中間圧となるロータリ式2段圧縮機において、高段圧縮要素に設けられ、背面に吐出圧力が作用し、少なくとも先端部に窒化処理が施された、径方向に摺動する高段ベーンを備え、ロータリ式2段圧縮機がヒートポンプ式給湯機に搭載されて、外気温が−10℃以下の寒冷地において運転される場合に、高段圧縮要素の高圧と中間圧との差圧×回転数(MPa・rps)が630以下となるように運転することを特徴とする。 A rotary two-stage compressor according to the present invention includes an electric element in a sealed container, and a low-stage compression element and a high-stage compression element that are driven by the electric element via a rotating shaft. In the rotary type two-stage compressor in which the intermediate pressure becomes an intermediate pressure, a high-stage vane that is provided in a high-stage compression element, discharge pressure acts on the back surface, and at least the tip is subjected to nitriding treatment, slides in the radial direction. When the rotary two-stage compressor is installed in a heat pump water heater and is operated in a cold area where the outside air temperature is -10 ° C or lower, the differential pressure between the high pressure and the intermediate pressure of the high-stage compression element × rotation The operation is performed such that the number (MPa · rps) is 630 or less.
この発明に係るロータリ式2段圧縮機は、ヒートポンプ式給湯機に搭載されて、外気温が−10℃以下の寒冷地において運転される場合に、高段圧縮要素の高圧と中間圧との差圧×回転数(MPa・rps)が630以下となるように運転することにより、ベーンへの高価なコーティング等の手段を用いずにベーン先端摺動部の信頼性を確保できる。 The rotary type two-stage compressor according to the present invention is mounted on a heat pump type hot water heater and is operated in a cold region where the outside air temperature is -10 ° C. or lower, and the difference between the high pressure and the intermediate pressure of the high stage compression element. By operating so that the pressure x rotational speed (MPa · rps) is 630 or less, the reliability of the vane tip sliding portion can be secured without using expensive means such as coating on the vane.
実施の形態1.
図1乃至図11は実施の形態1を示す図で、図1はヒートポンプ式給湯機の給湯ユニット100の内部正面図、図2はヒートポンプ式給湯機の冷媒回路1及び水回路8を示す図、図3は圧縮機2の縦断面図、図4はヒートポンプ式給湯機の外気温と動作圧力との関係図、図5はヒートポンプ式給湯機の外気温と高段差圧及び低段差圧との関係図、図6はヒートポンプ式給湯機の外気温と回転数比との関係図、図7はヒートポンプ式給湯機の外気温と(高段差圧×回転数)との関係図、図8は高段圧縮要素12bの構成図、図9は高段圧縮要素12bに窒化ベーンを使用したときの高段ベーン19b先端摩耗速度を示す図、図10は高段ベーン19b先端摩耗速度と回転数との関係図、図11は圧縮機押しのけ量と給湯加熱能力との関係図である。
1 to 11 are
本実施の形態は、ヒートポンプ式給湯機のロータリ式2段圧縮機10に関するものであるが、先ずヒートポンプ式給湯機について簡単に触れる。
The present embodiment relates to a rotary two-
図1にヒートポンプ式給湯機の給湯ユニット100の一実施例を示す。ガスクーラ3(温水用熱交換器)が、中間ベース28より下の、ヒートポンプ式給湯機の給湯ユニット100の下部に設置される。
FIG. 1 shows an embodiment of a hot
蒸発器5(空気用熱交換器)、及び送風機7(プロペラファン)を有する空気熱交換室24と、この空気熱交換室24の側部に設けられ、冷媒回路の圧縮機2、及びヒートポンプ式給湯機の給湯ユニット100の運転を制御する電気品26等を有する機械室27とを中間ベース28の上に設置している。
An air
図2に示す冷媒回路1において、冷媒として臨界温度の低いCO2冷媒を使用している。圧縮機2は、内蔵する同期電動機、誘導電動機等の電動機(図示せず)により駆動され、吸入冷媒を一般使用条件で臨界圧力以上まで圧縮し吐出する。ガスクーラ3は、圧縮機2より吐出された高圧のガス冷媒と、水回路8の給湯用水とを熱交換する。
In the
ガスクーラ3を出た高圧低温の冷媒は、膨張弁4を通過して蒸発器5へ流入する。蒸発器5から流出した低圧冷媒は、圧縮機2へ戻る。
The high-pressure and low-temperature refrigerant that has exited the
水回路8では、水循環用のポンプ9が、貯湯タンク(図示せず)と接続され、貯湯タンクの底部からガスクーラ3(水配管側)を通った後、貯湯タンクの天部に向けて水を循環させる。
In the
圧縮機2は、ロータリ式2段圧縮機である。その構成を図3により説明する。密閉容器10a内に、電動要素11と、この電動要素11で回転軸18を介して駆動される圧縮要素12を設ける。電動要素11が密閉容器10a内の上部に、圧縮要素12が密閉容器10a内の下部に位置する。
The
圧縮要素12は、低段圧縮要素12aと、高段圧縮要素12bとで構成され、低段圧縮要素12aと高段圧縮要素12bとの間は、中間仕切板17で仕切られている。
The
低段圧縮要素12aは、低段シリンダ13a、低段軸受14a、低段シリンダ13aの圧縮室に連通する低段吸入管15aなどを備える。
The low-
低段圧縮要素12aでは、図示しない冷凍サイクルの低圧側に接続される低段吸入管15aから低圧の冷媒ガスを低段シリンダ13aに吸入し、回転式の圧縮機構部(公知のものであるから詳しい説明はしない)で圧縮し、密閉容器10a内に吐出する。従って、密閉容器10a内は中間圧になる。
In the low-
中間圧の密閉容器1aから低段吐出管16aから一旦密閉容器10a外に出て、図示しない中間圧接続管を通って高段吸入管15bに入る。高段圧縮要素12bでは、低段圧縮要素12aと同じ回転式の圧縮機構により中間圧の冷媒ガスを高圧に圧縮し、高段吐出管16bから図示しない冷凍サイクルの高圧側に出る。
The intermediate-pressure sealed container 1a exits the sealed
図4はヒートポンプ式給湯機の外気温と動作圧力との関係図である。図4の中間圧は、高段圧縮要素12bと低段圧縮要素12aとのストロークボリューム比が0.65の場合である。図4に示すように、外気温が低くなると、高段圧縮要素12bでの高圧と中間圧との差圧が大きくなる傾向があることが解る。低段圧縮要素12aの吐出圧(中間圧)は、高段圧縮要素12bと低段圧縮要素12aとの行程容積比(ストロークボリューム比)で決定されるので、圧縮比が大きくなると高段圧縮要素12bの圧縮比が一方的に拡大される。
FIG. 4 is a relationship diagram between the outside air temperature and the operating pressure of the heat pump type hot water heater. The intermediate pressure in FIG. 4 is when the stroke volume ratio between the high-
図5に示すように、外気温が−10℃以下となる寒冷地用途では、高段圧縮要素12bの高圧と中間圧との差圧が大きくなり、例えば、6MPaを超える場合がある。
As shown in FIG. 5, in a cold district application where the outside air temperature is −10 ° C. or lower, the differential pressure between the high pressure and the intermediate pressure of the high-
ヒートポンプ式給湯機では、給湯能力確保のため、外気温が低くなると、圧縮機2の回転数が高くなる傾向がある。図5は、外気温が20℃のときの回転数を基準として、外気温が変化したときの回転数比を示している。外気温が−10℃以下となる寒冷地用途では、回転数比が大きくなり、例えば、−10℃では、回転数比が1.5を超える。
In the heat pump type water heater, when the outside air temperature is lowered to ensure the hot water supply capacity, the rotational speed of the
一般的に、機械部品の摺動の厳しさはPV値で表される。ここで、
P:面圧(圧縮要素で言えば、高圧と低圧との差圧で代表される)
V:摺動速度(圧縮機2の回転数増加に伴い大きくなる)
この他に温度も影響がある。−10℃以下となる寒冷地用途では、吐出温度は高温となり、条件的にさらに厳しくなる。
In general, the severity of sliding of machine parts is represented by a PV value. here,
P: Surface pressure (represented by the differential pressure between high pressure and low pressure in terms of compression elements)
V: sliding speed (increased as the number of rotations of the
In addition, temperature has an effect. In a cold district application of −10 ° C. or lower, the discharge temperature becomes high, and the conditions become more severe.
機械部品の摺動の厳しさを表すPV値は、高段圧縮要素12bでは、高段差圧(高圧と中間圧との差)×回転数で代表される。図7は高段圧縮要素12bの高段差圧×回転数と外気温との関係図で、外気温が低くなるほど大きくなることを示している。特に、−10℃以下となる寒冷地用途では、急激に増大する。
In the high-
図8は高段圧縮要素12bの構成図である。高段シリンダ13b内には、回転軸18の偏心部に嵌合した高段ローリングピストン20bと、背面に吐出圧力が作用し、径方向に摺動する高段ベーン19bとを備え、それらにより圧縮室を形成している。この高段圧縮要素12bの摺動部の中で、最も厳しい摺動条件になる部分は、高段ベーン19bの背圧が吐出圧力であるため、高段ベーン19b先端と高段ローリングピストン20bとの接触部である。
FIG. 8 is a configuration diagram of the high-
高段ベーン19bに窒化処理を行い、差圧(高圧と中間圧との差)×回転数(MPa・rps)と高段ベーン19b先端摩耗速度との関係を調べた。ここで、窒化処理とは、表面硬化熱処理の化学的表面硬化法で、鋼の表面から窒素を拡散侵入させ鋼の表面を硬くすることである。この窒化処理により高段ベーン19bの表面の硬さをマイクロビッカース硬さで1000〜1600とすることで、耐摩耗性が窒化未処理のものに比べて向上する。なおこの時の高段ベーン19b表面の窒化層は、0.02〜0.10mmである。 The high stage vane 19b was subjected to nitriding treatment, and the relationship between the differential pressure (difference between high pressure and intermediate pressure) × rotational speed (MPa · rps) and the high stage vane 19b tip wear rate was examined. Here, the nitriding treatment is a chemical surface hardening method of surface hardening heat treatment, in which nitrogen is diffused and penetrated from the steel surface to harden the steel surface. By this nitriding treatment, the hardness of the surface of the high stage vane 19b is set to 1000 to 1600 in terms of micro Vickers hardness, so that the wear resistance is improved as compared with the non-nitriding treatment. At this time, the nitride layer on the surface of the high stage vane 19b is 0.02 to 0.10 mm.
高段ベーン19bに窒化処理を行い、差圧(高圧と中間圧との差)×回転数(MPa・rps)と高段ベーン19b先端摩耗速度との関係を調べた結果を図9に示す。図9に示すように、差圧×回転数が630付近までは高段ベーン19b先端摩耗速度は大きな変化はないが、630付近を超えると急激に摩耗速度が増大することが解る。尚、高段ベーン19bに窒化処理は、少なくとも高段ベーン19bの先端に施せばよい。 FIG. 9 shows the result of nitriding the high stage vane 19b and examining the relationship between differential pressure (difference between high pressure and intermediate pressure) × rotational speed (MPa · rps) and tip wear rate of the high stage vane 19b. As shown in FIG. 9, the wear rate of the tip of the high stage vane 19b does not change greatly until the differential pressure × the number of rotations is around 630, but it is understood that the wear rate increases rapidly when the pressure exceeds about 630. Note that nitriding treatment may be performed on the high stage vane 19b at least at the tip of the high stage vane 19b.
差圧×回転数(MPa・rps)を630以下にする一つの方法が、外気温が−10℃以下となる条件において、圧縮機2の回転数を100rps以下にすることである。これは、図10に示すように、回転数が100rps付近より、急激に高段ベーン19b先端の摩耗が増加するからである。
One method of setting the differential pressure × the number of revolutions (MPa · rps) to 630 or less is to set the number of revolutions of the
図11は、回転数が100rpsでの圧縮機2の押しのけ量(cm3)と、給湯加熱能力(KW)との関係を計算で求めた結果を示す。条件は、外気温が−20℃、体積効率85%で計算している。図11より、押しのけ量をV、加熱能力をQとすると、
押しのけ量V≒加熱能力Q×0.87 (1)
の関係があることが解る。
FIG. 11 shows the result of calculating the relationship between the displacement (cm 3 ) of the
Displacement amount V ≒ Heating capacity Q x 0.87 (1)
It is understood that there is a relationship.
外気温が−10℃以下となる条件において、圧縮機2の回転数を100rps以下にすると、高段ベーン19b先端の摩耗を抑制できるが、ヒートポンプ式給湯機の能力が低下するので、圧縮機2の押しのけ量Vを大きくする。押しのけ量Vと加熱能力Qとは、(1)式の関係があるので、
押しのけ量V>加熱能力Q×0.87 (2)
となるように設定する。これにより、圧縮機2の回転数を100rps以下にしても、ヒートポンプ式給湯機の外気温が−10℃以下の寒冷地条件での加熱能力Qを確保できる。
If the rotation speed of the
Displacement amount V> Heating capacity Q × 0.87 (2)
Set to be. Thereby, even if it sets the rotation speed of the
ヒートポンプ式給湯機は電力を利用して沸き上げを行うので、通常、深夜電力を利用して深夜時間帯(23:00〜7:00)に沸き上げを行う。しかし、外気温が−10℃以下の寒冷地条件において、高段圧縮要素の高圧と中間圧との差圧×回転数(MPa・rps)を630以下で運転すると、この深夜時間帯で沸き上げが不十分の場合がある。この不足分は、深夜時間帯以外の運転で補う必要がある。また4:00〜6:00頃の未明から明け方にかけては外気温が極めて低いため、その時間帯の運転を避けるようにすれば、その避けた時間帯の分を補う必要もある。そこで、外気温が−10℃以下の寒冷地条件において、深夜時間帯(23:00〜7:00)以外の運転比率を20%以上とする。それにより、外気温が−10℃以下の寒冷地条件において、高段圧縮要素の高圧と中間圧との差圧×回転数(MPa・rps)を630以下で運転しても、沸き上げることができる。 Since a heat pump type hot water heater performs boiling using electric power, it is normally heated using late-night power during midnight hours (23: 00 to 7:00). However, when the outside air temperature is -10 ° C or less, if the differential pressure between the high pressure and the intermediate pressure of the high-stage compression element and the rotation speed (MPa rps) are operated at 630 or less, it is heated up in this midnight time zone. May be insufficient. This shortage needs to be compensated by driving outside midnight. Also, since the outside air temperature is extremely low from about 40:00 to 6:00 from early morning to dawn, it is necessary to compensate for the avoided time zone if operation is avoided in that time zone. Therefore, in cold district conditions where the outside air temperature is −10 ° C. or less, the operation ratio other than the late-night time zone (23: 0 to 7:00) is set to 20% or more. As a result, even if the outside temperature is −10 ° C. or less and the cold region is operated at a differential pressure between the high pressure of the high-stage compression element and the intermediate pressure × rotational speed (MPa · rps) at 630 or less, it can be heated up. it can.
以上のように、高段ベーン19bに窒化処理を行い、差圧(高圧と中間圧との差)×回転数(MPa・rps)を630以内となるように運転することにより、外気温が−10℃以下になる寒冷地においても、高価なコーティング等の手段を用いずに高段ベーン19b先端の摩耗を抑制できる。コーティングとは、例えば、物理蒸着法、化学蒸着法、又はプラズマ化学蒸着法によって形成された金属化合物、或いはアモルファスカーボンである。 As described above, nitriding treatment is performed on the high stage vane 19b, and the operation is performed so that the differential pressure (difference between the high pressure and the intermediate pressure) × the rotation speed (MPa · rps) is within 630. Even in a cold region where the temperature is 10 ° C. or lower, wear at the tip of the high-stage vane 19b can be suppressed without using expensive means such as coating. The coating is, for example, a metal compound formed by physical vapor deposition, chemical vapor deposition, or plasma chemical vapor deposition, or amorphous carbon.
1 冷媒回路、2 圧縮機、3 ガスクーラ、4a 第1の膨張弁、4b 第2の膨張弁、5 蒸発器、6 内部熱交換器、7 送風機、8 水回路、9 ポンプ、10a 密閉容器、11 電動要素、12 圧縮要素、12a 低段圧縮要素、12b 高段圧縮要素、13a 低段シリンダ、13b 高段シリンダ、14a 低段軸受、14b 高段軸受、15a 低段吸入管、15b 高段吸入管、16a 低段吐出管、16b 高段吐出管、17 中間仕切板、18 回転軸、24 空気熱交換室、26 電気品、27 機械室、28 中間ベース、100 ヒートポンプ式給湯機の給湯ユニット。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記高段圧縮要素に設けられ、背面に吐出圧力が作用し、少なくとも先端部に窒化処理が施された、径方向に摺動する高段ベーンを備え、
当該ロータリ式2段圧縮機がヒートポンプ式給湯機に搭載されて、外気温が−10℃以下の寒冷地において運転される場合に、前記高段圧縮要素の高圧と中間圧との差圧×回転数(MPa・rps)が630以下となるように運転することを特徴とするロータリ式2段圧縮機。 A rotary two-stage compressor having an electric element in a hermetic container and a low-stage compression element and a high-stage compression element driven by the electric element via a rotating shaft, wherein the inside of the hermetic container has an intermediate pressure In
A high-stage vane that is provided in the high-stage compression element, has a discharge pressure acting on the back surface, and is subjected to nitriding treatment at least at the tip, and slides in the radial direction,
When the rotary type two-stage compressor is mounted on a heat pump type water heater and is operated in a cold region where the outside air temperature is -10 ° C. or lower, the differential pressure between the high pressure and the intermediate pressure of the high-stage compression element × rotation A rotary two-stage compressor that is operated so that the number (MPa · rps) is 630 or less.
押しのけ量V>加熱能力Q×0.87
となるように設定することを特徴とする請求項1又は請求項2記載のロータリ式2段圧縮機。 The total displacement V (cm 3 ) of the low-stage compression element and the high-stage compression element is relative to the heating capacity Q (KW) in a cold district condition where the outside temperature of the heat pump water heater is −10 ° C. or less. ,
Displacement amount V> Heating capacity Q × 0.87
The rotary two-stage compressor according to claim 1, wherein the rotary type two-stage compressor is set to be
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