JP3615364B2 - 多段圧縮冷凍装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の圧縮手段を用い、冷媒を多段圧縮する多段圧縮冷凍装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来冷蔵庫や空気調和機などに用いられる冷凍装置には、例えば特公平７−３０７４３号公報（Ｆ０４Ｃ２３／００）に示される如く、それぞれロータリー用シリンダとその内部で回転するローラから成る二つの圧縮手段を同一の密閉容器内に収納したロータリー型の圧縮機を用い、各圧縮手段を低段側圧縮手段と高段側圧縮手段として、低段側圧縮手段により一段圧縮した冷媒ガスを高段側圧縮手段に吸い込ませることにより、冷媒を多段圧縮するものが開発されている。
【０００３】
係る多段圧縮冷凍装置によれば、一圧縮当たりのトルク変動を抑制しながら、高圧縮比を得ることができる利点がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、係る従来の多段圧縮冷凍装置において、特に比熱比の高い冷媒を用いた場合、高段側圧縮手段が吸い込む低段側圧縮手段のガス冷媒温度が高くなるため、入力が高くなってしまう問題がある。また、高段側圧縮手段の吐出ガス冷媒温度も高くなるため、潤滑油としてエステル油（例えばＰＯＥ：ポリオールエステル）を用いた場合には、潤滑油が熱による加水分解を起こし、酸とアルコールが生成される。そして、この酸によってスラッジが発生し、キャピラリチューブが詰まる問題が発生すると共に、潤滑特性も劣化する。
【０００５】
更に、冷凍効果も低下するため、効率（成績係数）が悪化する問題もあった。
【０００６】
本発明は、係る従来の技術的課題を解決するために成されたものであり、複数の圧縮手段を用い、冷媒を多段圧縮する多段圧縮冷凍装置において、信頼性を向上させながら、入力の低減と冷凍効果の改善を図り、効率を向上させることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の多段圧縮冷凍装置は、低段側圧縮手段と高段側圧縮手段及びそれらを駆動する電動機を密閉容器内に収納して成り、低段側圧縮手段にて圧縮されて吐出された冷媒を高段側圧縮手段に吸い込ませ、当該高段側圧縮手段にて圧縮して密閉容器内に吐出する圧縮 機と、凝縮器と、一次膨張手段と、気液分離器と、二次膨張手段と、冷却器とを順次環状に接続して冷凍サイクルが構成されているものであり、気液分離器内の液冷媒を二次膨張手段に流し、気液分離器内の飽和ガス冷媒を低段側圧縮手段から吐出された冷媒と共に高段側圧縮手段に吸い込ませると共に、気液分離器内の気液分離温度を−５℃〜＋２５℃の範囲に設定したものである。
【０００８】
本発明によれば、低段側圧縮手段と高段側圧縮手段及びそれらを駆動する電動機を密閉容器内に収納して成り、低段側圧縮手段にて圧縮されて吐出された冷媒を高段側圧縮手段に吸い込ませ、当該高段側圧縮手段にて圧縮して密閉容器内に吐出する圧縮機と、凝縮器と、一次膨張手段と、気液分離器と、二次膨張手段と、冷却器とを順次環状に接続して多段圧縮冷凍装置の冷凍サイクルを構成し、気液分離器内の飽和ガス冷媒を低段側圧縮手段から吐出された冷媒と共に高段側圧縮手段に吸い込ませるようにしたので、冷媒によっては密閉容器内が高温・高圧となる所謂内部高圧式の多段圧縮機を用いた場合にも、一圧縮当たりのトルク変動を抑制しながら、高圧縮比を得ることができるようになると共に、高段側圧縮手段が吸い込むガス冷媒温度を低下させることができるようになり、入力の低減を図ることが可能となる。また、高段側圧縮手段の吐出ガス冷媒温度も低くなるため、潤滑油として例えばエステル油を用いた場合にも、ＰＯＥ問題の発生や潤滑特性の劣化を抑制することができるようになる。
【０００９】
そして、気液分離器内の液冷媒を二次膨張手段に流して冷却器にて蒸発させるようにしているので、冷媒循環量に対する冷凍効果を増大させ、効率の向上を図ることが可能となる。
【００１０】
ここで、低段側圧縮手段の排除容積Ｄ１と高段側圧縮手段の排除容積Ｄ２の比Ｄ２／Ｄ１と成績係数の関係を図４に示す。この図からも明らかな如く、成績係数は排除容積比Ｄ２／Ｄ１の３０％（０．３）付近をピークとした山なりの特性となる。次ぎに、一次膨張手段の絞り量を変更して気液分離器における気液分離温度を変更し、各気液分離温度における図４の曲線のピーク値を図６に示す如く結んで行くと、図５或いは図６に示す如き山なりの特性が得られる。そして、図６中の最下部に示す線は一段圧縮の冷凍装置の成績係数である。
【００１１】
即ち、図５或いは図６は気液分離器における気液分離温度と成績係数の関係を示すものであるが、本発明では気液分離器内の気液分離温度を−５℃〜＋２５℃の範囲に設定しているので、図６からも明らかな如く一段圧縮の冷凍装置に比して成績係数を著しく改善することができるようになるものである。
【００１２】
請求項２の発明の多段圧縮冷凍装置は、上記に加えて低段側圧縮手段の排除容積Ｄ１と高段側圧縮手段の排除容積Ｄ２の比Ｄ２／Ｄ１を、０．３５±０．１の範囲に設定したものである。
【００１３】
図４から明らかな如く成績係数は排除容積比Ｄ２／Ｄ１の３０％付近をピークとした山なりの特性となるが、請求項２の発明によれば上記に加えて、低段側圧縮手段の排除容積Ｄ１と高段側圧縮手段の排除容積Ｄ２の比Ｄ２／Ｄ１を、０．３５±０．１の範囲に設定しているので、一段圧縮の冷凍装置に比して成績係数を一層改善し、効率の向上を図ることができるようになるものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づき本発明の実施形態を詳述する。図１は本発明の多段圧縮冷凍装置Ｒの冷媒回路図、図２は本発明に適用するロータリー型の圧縮機Ｃの縦断側面図である。先ず図２において、１は密閉容器であり、内部の上側に電動機（ブラシレスＤＣモータ）２、下側にこの電動機２で回転駆動される圧縮要素３が収納されている。密閉容器１は予め２分割されたものに電動機２、圧縮要素３を収納した後、高周波溶着などによって密閉されたものである。
【００１５】
電動機２は、密閉容器１の内壁に固定された固定子４と、この固定子４の内側に回転軸６を中心にして回転自在に支持された回転子５とから構成されている。そして、固定子４は回転子５に回転磁界を与える固定子巻線７を備えている。尚、Ｗ１、Ｗ２はそれぞれ回転子５の上面と下面に取り付けられたバランスウエイトである。
【００１６】
圧縮要素３は中間仕切板８で仕切られた第１のロータリー用シリンダ９及び第２のロータリー用シリンダ１０を備えている。各のシリンダ９、１０には回転軸６で回転駆動される偏心部１１、１２が取り付けられており、これら偏心部１１、１２は偏心位置がお互いに１８０度位相がずれている。
【００１７】
１３、１４はそれぞれシリンダ９、１０内を回転する第１のローラ、第２のローラであり、それぞれ偏心部１１、１２の回転でシリンダ内を回る。１５、１６はそれぞれ第１の枠体、第２の枠体であり、第１の枠体１５は中間仕切板８との間にシリンダ９の閉じた圧縮空間を形成させ、第２の枠体１６は同様に中間仕切板８との間にシリンダ１０の閉じた圧縮空間を形成させている。また、第１の枠体１５、第２の枠体１６はそれぞれ回転軸６の下部を回転自在に軸支する軸受部１７、１８を備えている。
【００１８】
上記上側のシリンダ９、偏心部１１、ローラ１３と、シリンダ９内を高圧室及び低圧室に区画するベーン（図示せず）などによって高段側圧縮部５１（高段側圧縮手段）が構成され、下側のシリンダ１０、偏心部１２、ローラ１４と、シリンダ１０内を高圧室及び低圧室に区画するベーン（図示せず）などによって低段側圧縮部５２（低段側圧縮手段）が構成される。
【００１９】
また、低段側圧縮部５２の排除容積をＤ１、高段側圧縮部５１の排除容積をＤ２とすると、これらの排除容積比Ｄ２／Ｄ１は、０．３５±０．１の範囲に設定されている。
【００２０】
１９は吐出マフラーであり、第１の枠体１５を覆うように取り付けられている。シリンダ９と吐出マフラー１９は第１の枠体１５に設けられた図示しない吐出孔にて連通されている。
【００２１】
一方、第２の枠体１６には凹所２１が設けられ、この凹所２１を蓋体２６にて閉塞してボルト２７にて第２の枠体１６と一体にシリンダ１０に固定することにより、内部に膨張型消音器２８を構成している。そして、第２の枠体１６にはシリンダ１０内と凹所２１内とを連通する吐出ポート２９が設けられている。
【００２２】
尚、この第２の枠体１６は密閉容器１内の最下部に位置しており、その周囲は潤滑油が貯留されるオイル溜まり３０とされている。これにより、第２の枠体１６周囲には潤滑油が満たされるかたちとなるので、密閉容器１内の高圧ガスが膨張型消音器２８内に漏れる危険性が無くなり、冷媒循環量の減少による性能の低下を防止できる。
【００２３】
前記吐出ポート２９は密閉容器１外に引き出された配管３１に連通しており、この配管３１は同じく密閉容器１外に設けられた合流器３２内に上方から挿入され、この合流器３２内に開口している。また、この合流器３２下端の出口配管３２Ａはシリンダ９につながる吸入管２３に連通されている。
【００２４】
他方、２２は密閉容器１の上に設けられた吐出管であり、２４はシリンダ１０へつながる吸入管である。また、２５は密閉ターミナルであり、密閉容器１の外部から固定子４の固定子巻線７へ電力を供給するものである（密閉ターミナル２５と固定子巻線７とをつなぐリード線は図示せず）。
【００２５】
次ぎに、図１の冷媒回路において、冷凍装置Ｒを構成する前記圧縮機Ｃの吐出管２２は、配管３６を経て凝縮器３７の入口に接続され、この凝縮器３７の出口には一次膨張手段としてのキャピラリチューブ３８が接続されている。このキャピラリチューブ３８の出口には気液分離器３９の上部が連通接続されると共に、この気液分離器３９の下端には二次膨張手段としてのキャピラリチューブ４１が接続されている。
【００２６】
そして、キャピラリチューブ４１の出口に冷却器４２が接続され、冷却器４２の出口に接続された配管４３は前記圧縮機Ｃの吸入管２４に連通されている。更に、気液分離器３９の上部には分岐管４４が接続され、この分岐管４４は前記合流器３２内に上方から挿入され、内部にて開口されている。
【００２７】
以上によって多段圧縮冷凍装置Ｒの冷凍サイクルが構成される。そして、係る多段圧縮冷凍装置Ｒの冷媒回路内には例えばＲ−１３４ａなどのＨＦＣ冷媒やＨＣ冷媒が所定量封入されるが、実施例ではＲ−１３４ａが冷媒として用いられ、また、潤滑油としてはエステル油が使用されている。
【００２８】
以上の構成で次ぎに動作を説明する。電動機２が駆動されると、低段側圧縮部５２は吸入管２４から冷媒を吸引して圧縮（一段圧縮）し、吐出ポート２９から膨張型消音器２８を経て配管３１に吐出する。配管３１に吐出された一段圧縮ガス冷媒は、合流器３２を経て吸入管２３から高段側圧縮部５１に吸引される。そこで圧縮（二段圧縮）された二段圧縮ガス冷媒は、吐出孔より前記吐出マフラー１９に吐出され、吐出マフラー１９から密閉容器１内に吐出される。
【００２９】
密閉容器１内の吐出された二段圧縮ガス冷媒は、吐出管２２から配管３６に吐出される。そして、凝縮器３７に流入し、そこで放熱して凝縮された後、キャピラリチューブ３８にて減圧される。そして、気液分離器３９に流入し、一部はそこで蒸発する。
【００３０】
これにより、気液分離器３９内底部には液冷媒が貯留され、気液分離器３９内上部には一段膨張した飽和ガス冷媒が溜まることになる。尚、このときの飽和ガス冷媒の温度、即ち、気液分離温度は−５℃〜＋２５℃の範囲となるようにキャピラリチューブ３８の絞り量を選定する。
【００３１】
そして、気液分離器３９内からは液冷媒のみがキャピラリチューブ４１方向に流出し、そこで減圧される。そして、冷却器４２に流入して蒸発する。このときに周囲から熱を奪うことによって冷却器４２は冷却作用を発揮する。そして、冷却器４２を出た低温ガス冷媒は配管４３を経て圧縮機Ｃに帰還し、吸込管２４から低段側圧縮部５２に再び吸い込まれる。
【００３２】
一方、気液分離器３９内上部の飽和ガス冷媒は、分岐管４４に流出し、そこを通って合流器３２に流入する。そこで、低段側圧縮部５２から吐出された一段圧縮ガス冷媒と合流した後、共に吸入管２３から高段側圧縮部５１に吸引され、再び圧縮されることになる。
【００３３】
このように、本発明では圧縮機Ｃの低段側圧縮部５２、高段側圧縮部５１、凝縮器３７、キャピラリチューブ３８、気液分離器３９、キャピラリチューブ４１及び冷却器４２を順次環状に接続して冷凍サイクルを構成し、気液分離器３９内の飽和ガス冷媒を低段側圧縮部５２から吐出された冷媒と共に高段側圧縮部５１に吸い込ませるようにしたので、一段圧縮の冷凍装置に比較して、一圧縮当たりのトルク変動を抑制しながら、高圧縮比を得ることができるようになる。
【００３４】
また、高段側圧縮部５１が吸い込むガス冷媒の温度を低下させることができるようになり、入力の低減を図ることが可能となる。また、高段側圧縮部５１の吐出ガス冷媒の温度も低くなるため、潤滑油としてエステル油を用いた場合にも、ＰＯＥ問題の発生や潤滑特性の劣化を抑制することができるようになる。
【００３５】
そして、気液分離器３９内の液冷媒をキャピラリチューブ４１に流して冷却器４２にて蒸発させるようにしているので、冷媒循環量に対する冷凍効果を増大させ、効率の向上を図ることが可能となる（図３のモリエル線図参照）。
【００３６】
ここで、低段側圧縮部５２の排除容積Ｄ１と高段側圧縮部の排除容積Ｄ２の比Ｄ２／Ｄ１と成績係数の関係をは前記図４に示されており、この図からも明らかな如く、成績係数は排除容積比Ｄ２／Ｄ１の３０％（０．３）付近をピークとした山なりの特性となっている。
【００３７】
次ぎに、キャピラリチューブ３８の絞り量を変更して気液分離器３９における気液分離温度を変更し、各気液分離温度における図４の曲線のピーク値を図６に示す如く結んで行くと、前記図５或いは図６に示す如き山なりの特性が得られる。
【００３８】
即ち、図５或いは図６に示される気液分離器３９における気液分離温度と成績係数の関係を基にして、本発明では前述の如く気液分離器３９内の気液分離温度を−５℃〜＋２５℃の範囲に設定しているので、図６の最下部に示す一段圧縮の冷凍装置の場合に比して成績係数を著しく改善することができるようになる。
【００３９】
また、前記図４からも明らかであるが、成績係数は低段側圧縮部５２と高段側圧縮部５１の排除容積比Ｄ２／Ｄ１の３０％付近をピークとした山なりの特性となる。そして、本発明では係る排除容積比Ｄ２／Ｄ１を、０．３５±０．１の範囲に設定しているので、一段圧縮の冷凍装置に比して成績係数を一層改善し、効率の向上を図ることができるようになる。
【００４０】
尚、実施例では単一の密閉容器内に複数のロータリー用シリンダを備えた圧縮機を用いて、低段側圧縮手段と高段側圧縮手段を構成したが、それに限らず、単シリンダ型の圧縮機を二台用いて低段側圧縮手段と高段側圧縮手段を構成しても良い。また、実施例では二段圧縮式の冷凍装置で説明したが、それに限らず、三段、四段と更に多段に圧縮するものに適用しても本発明は有効である。
【００４１】
【発明の効果】
以上詳述した如く、本発明によれば、低段側圧縮手段と高段側圧縮手段及びそれらを駆動する電動機を密閉容器内に収納して成り、低段側圧縮手段にて圧縮されて吐出された冷媒を高段側圧縮手段に吸い込ませ、当該高段側圧縮手段にて圧縮して密閉容器内に吐出する圧縮機と、凝縮器と、一次膨張手段と、気液分離器と、二次膨張手段と、冷却器とを順次環状に接続して多段圧縮冷凍装置の冷凍サイクルを構成し、気液分離器内の飽和ガス冷媒を低段側圧縮手段から吐出された冷媒と共に高段側圧縮手段に吸い込ませるようにしたので、冷媒によっては密閉容器内が高温・高圧となる所謂内部高圧式の多段圧縮機を用いた場合にも、一圧縮当たりのトルク変動を抑制しながら、高圧縮比を得ることができるようになると共に、高段側圧縮手段が吸い込むガス冷媒温度を低下させることができるようになり、入力の低減を図ることが可能となる。また、高段側圧縮手段の吐出ガス冷媒温度も低くなるため、潤滑油として例えばエステル油を用いた場合にも、ＰＯＥ問題の発生や潤滑特性の劣化を抑制することができるようになる。
【００４２】
そして、気液分離器内の液冷媒を二次膨張手段に流して冷却器にて蒸発させるようにしているので、冷媒循環量に対する冷凍効果を増大させ、効率の向上を図ることが可能となる。
【００４３】
特に、本発明では気液分離器内の気液分離温度を−５℃〜＋２５℃の範囲に設定しているので、一段圧縮の冷凍装置に比して成績係数を著しく改善することができるようになるものである。
【００４４】
更に、請求項２の発明によれば上記に加えて、低段側圧縮手段の排除容積Ｄ１と高段側圧縮手段の排除容積Ｄ２の比Ｄ２／Ｄ１を、０．３５±０．１の範囲に設定しているので、一段圧縮の冷凍装置に比して成績係数を一層改善し、効率の向上を図ることができるようになるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の多段圧縮冷凍装置の冷媒回路図である。
【図２】本発明を適用する圧縮機の縦断側面図である。
【図３】本発明の多段圧縮冷凍装置のモリエル線図である。
【図４】低段側圧縮部（低段側圧縮手段）と高段側圧縮部（高段側圧縮手段）の排除容積比と成績係数の関係を示す図である
【図５】気液分離器における気液分離温度と成績係数の関係を示す図である。
【図６】同じく気液分離器における気液分離温度と成績係数の関係を示すもう一つの図である。
【符号の説明】
Ｃ 圧縮機
Ｒ 多段圧縮冷凍装置
２ 電動機
３ 圧縮要素
９、１０ シリンダ
１３、１４ ローラ
３１ 配管
３２ 合流器
３７ 凝縮器
３８ キャピラリチューブ（一次膨張手段）
３９ 気液分離器
４１ キャピラリチューブ（二次膨張手段）
４２ 冷却器
４４ 分岐管
５１ 高段側圧縮部
５２ 低段側圧縮部

Claims (2)

1. 低段側圧縮手段と高段側圧縮手段及びそれらを駆動する電動機を密閉容器内に収納して成り、前記低段側圧縮手段にて圧縮されて吐出された冷媒を前記高段側圧縮手段に吸い込ませ、当該高段側圧縮手段にて圧縮して前記密閉容器内に吐出する圧縮機と、凝縮器と、一次膨張手段と、気液分離器と、二次膨張手段と、冷却器とを順次環状に接続して冷凍サイクルを構成し、前記気液分離器内の液冷媒を前記二次膨張手段に流すと共に、気液分離器内の飽和ガス冷媒を前記低段側圧縮手段から吐出された冷媒と共に前記高段側圧縮手段に吸い込ませ、且つ、前記気液分離器内の気液分離温度を−５℃〜＋２５℃の範囲に設定したことを特徴とする多段圧縮冷凍装置。
2. 低段側圧縮手段の排除容積Ｄ１と高段側圧縮手段の排除容積Ｄ２の比Ｄ２／Ｄ１を、０．３５±０．１の範囲に設定したことを特徴とする請求項１の多段圧縮冷凍装置。

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