JP4875484B2 - 多段圧縮機 - Google Patents
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Description
また、密閉ハウジング内に、電動モータと、低段側および高段側ロータリ圧縮機構とを設置し、低段側ロータリ圧縮機構で圧縮された中間圧ガスを、密閉ハウジング内に設けられた第2密閉室に吐出するとともに、この第2密閉室に冷媒回路側から抽出された中間圧ガスをインジェクションし、この中間圧のインジェクションガスと、低段側ロータリ圧縮機構で圧縮された中間圧ガスとを高段側ロータリ圧縮機構I吸入して、2段圧縮する多段圧縮機が特許文献2により提案されている。
さらに、特許文献4には、低段側ロータリ圧縮要素で圧縮されたCO2冷媒ガスの一部を密閉ハウジング内に吐出し、この中間圧のCO2冷媒ガスと前記残りの中間圧CO2冷媒ガスを、ガス配管を経て高段側ロータリ圧縮要素に吸入させ、2段圧縮する多段圧縮機において、低段側圧縮要素と高段側圧縮要素との容積比を、1:0.56〜1:0.8としたものが提案されている。
特に、CO2サイクルにおいて、低段側圧縮要素から吐出された中間圧ガス中に、冷媒回路から抽出された中間圧の冷媒ガスをインジェクションする方式を採用する場合、その効果は、冷媒特性をも考慮の上、低段側圧縮要素と高段側圧縮要素とを如何なる組み合わせ構成とするかに左右される。しかるに、上記特許文献1ないし4に開示されている技術の組み合わせでは、ガスインジェクション方式を採用したCO2サイクル用多段圧縮機として、所期の圧縮効率や圧縮性能を得ることはできず、課題が残されている。
すなわち、本発明にかかる多段圧縮機は、密閉ハウジング内に、電動モータにより駆動される低段側ロータリ圧縮機構と高段側スクロール圧縮機構とが設置され、前記低段側ロータリ圧縮機構で圧縮されたCO2冷媒ガスを前記密閉ハウジング内に吐出し、該密閉ハウジング内の中間圧の冷媒ガスを前記高段側スクロール圧縮機構が吸入して2段圧縮するCO2サイクル用の多段圧縮機において、前記密閉ハウジングには、冷媒回路から抽出される中間圧のCO2冷媒ガスを、該密閉ハウジング内にインジェクションするガスインジェクション回路が接続されるとともに、前記低段側ロータリ圧縮機構と前記高段側スクロール圧縮機構とは、略等圧力比で、かつ、押しのけ量比が略同等とされることを特徴とする。
[第1実施形態]
以下、本発明の第1実施形態について、図1ないし図4を用いて説明する。
図1には、本発明の第1実施形態に係る多段圧縮機2を用いたCO2サイクル(CO2冷媒を用いた超臨界冷凍サイクル)1の構成図が示されている。CO2サイクル1は、1つの密閉ハウジング3内に低段側圧縮機構4と高段側圧縮機構5との2つの圧縮機構が設置された多段圧縮機2を有する。この多段圧縮機2の詳細構成については後述する。
また、上記気液分離器10と多段圧縮機2の密閉ハウジング3間には、気液分離器10で分離された中間圧の冷媒ガスを、密閉ハウジング3内にインジェクションするガスインジェクション回路15が接続される。
多段圧縮機2は、密閉ハウジング3内の下方部に低段側圧縮機構4が設置され、上方部に高段側圧縮機構5が設置された構成を有する。この多段圧縮機2には、吸入配管14が接続されるアキュームレータ30が一体に設けられる。また、密閉ハウジング3の中央部には、ステータ32とロータ33とからなる電動モータ31が設けられ、そのロータ33には、クランク軸34が一体的に結合される。クランク軸34の下端部は、低段側圧縮機構4用のクランク軸35とされ、上端部は、高段側圧縮機構5用のクランク軸36とされる。また、密閉ハウジング3の底部には、潤滑油37が所定量封入される。この潤滑油37は、クランク軸34の下端部に設けられる後述の容積式給油ポンプ20により、クランク軸34の軸線方向に穿設される給油孔21を介して、低段側圧縮機構4および高段側圧縮機構5の所要潤滑箇所に給油されるようになっている。
この低段側ロータリ式圧縮機構4において、アキュームレータ30に接続される吸入管47を介してシリンダ室41に吸入された冷媒ガスは、ロータ44の回転によって中間圧まで圧縮された後、吐出キャビティ45内に吐出され、さらに吐出カバー46に設けられている吐出口を経て密閉ハウジング3内に吐出される。
上記ガスインジェクション回路15は、電動モータ31と高段側圧縮機構5との間において、密閉ハウジング3に接続されている。
このスクロール式圧縮機構5は、クランク軸36を支持する軸受51を有し、密閉ハウジング3に固定設置されるフレーム部材50と、該フレーム部材50上に支持され、互いに位相をずらして噛み合わせることにより一対の圧縮室54を形成する固定スクロール52および旋回スクロール53と、該旋回スクロール53とクランク軸36の軸端に設けられるクランクピン36Aとを結合し、旋回スクロール53を旋回駆動するドライブブッシュ55と、旋回スクロール53と支持フレーム50間に設けられ、旋回スクロール53をその自転を阻止しつつ公転旋回させるオルダムリング56と、固定スクロール52の背面に設けられる吐出弁57と、固定スクロール52の背面に固定設置され、固定スクロール52との間に吐出チャンバ58を形成する吐出カバー59等とから構成される一般的なスクロール式圧縮機構であってよい。
高段側スクロール式圧縮機構5には、低段側のロータリ式圧縮機構4により中間圧まで圧縮され、密閉ハウジング3内に吐出された中間圧冷媒ガスおよびガスインジェクション回路15から、密閉ハウジング3内にインジェクションされた中間圧冷媒ガスが、密閉ハウジング3内で混合された後、吸入口60を経て一対の圧縮室54に吸入される。一対の圧縮室54は、旋回スクロール53が公転旋回駆動されることにより、容積が減少されつつ中心側へと移動され、合流して1つの圧縮室54とされる。この間、冷媒ガスは、中間圧から高圧(吐出圧力)まで圧縮され、固定スクロール52の中心部から吐出弁57を経て吐出チャンバ58内に吐出される。この高温高圧の冷媒ガスは、吐出配管6を介して多段圧縮機2の外部へと吐出される。
なお、上記容積式給油ポンプ20は、一例にすぎず、ここでは、いかなる構成の容積式給油ポンプを採用してもよい。
低段側のロータリ圧縮機構4と高段側のスクロール圧縮機構5とは、2段圧縮する場合において、最も高い効率が得られるように、圧力比が略等しくなるようにされている。
また、低段側のロータリ圧縮機構4と高段側のスクロール圧縮機構5とは、上記の等圧力比を前提に、その押しのけ量比が略同等となるようにされている。
なお、ここで、押しのけ量比が略同等とは、低段側のロータリ圧縮機構4の押しのけ量V1と高段側のスクロール圧縮機構5の押しのけ量V2との比(V1:V2)が、1:0.8〜1:1であることを意味する。
この中間圧雰囲気の密閉ハウジング3内には、さらにガスインジェクション回路15を経て、気液分離器10により分離された中間圧の冷媒ガスがインジェクションされる。
以上のサイクルが繰り返される間に、放熱器7からの放熱を利用することにより、暖房または加熱を行うことができ、蒸発器13での吸熱作用を利用することにより、冷房または冷却を行うことができる。
しかるに、本実施形態においては、これら特許文献3,4に示されている押しのけ量比に比較して、押しのけ量比を十分高くしているため、所期のガスインジェクション効果を発揮させることが可能となる。
低段側ロータリ圧縮機構4と高段側スクロール圧縮機構5との圧力比を、略等圧力比としているため、最も高い効率で2段圧縮を行わせることができる。
また、低段側と高段側とを等圧力比とした場合、高段側圧縮機構の圧力差が大きくなるが、高段側圧縮機構を、高差圧時の圧縮漏れがロータリ圧縮機構に比べて小さいスクロール圧縮機構としているため、その分圧縮効率を高め、2段圧縮機の性能を可及的に向上させることができる。
また、低段側ロータリ圧縮機構4と高段側スクロール圧縮機構5との押しのけ量比を略同等(1:0.8〜1:1)とし、中間圧冷媒ガスの乾き度が高いCO2冷媒であっても、高段側スクロール圧縮機構5に十分な量の冷媒ガスを吸入させることができるようにしているため、ガスインジェクション効果をいかんなく発揮させ、2段圧縮機の圧縮効率および圧縮性能を十分に向上させることができる。
さらに、本実施形態においては、ガスインジェクション回路15を、電動モータ31と高段側スクロール圧縮機構5との間に接続しているため、インジェクションされた冷媒ガスが、電動モータ31により加熱されるのを抑制することができる。従って、高段側スクロール圧縮機構5の吸入効率を高め、多段圧縮機2の性能を向上させることができる。
次に、本発明の第2実施形態について、図2および図5を用いて説明する。
本実施形態は、上記第1実施形態に対して、ガスインジェクション回路15の接続位置を特定している点が異なっている。その他の点については、第1実施形態と同様であるので、説明は省略する。
上記高段側スクロール圧縮機構5において、所要潤滑箇所を潤滑した潤滑油は、フレーム部材50の凹部に集められ、この凹部から油排出孔65(図2参照)を介して密閉ハウジング3の底部へと滴下されている。ガスインジェクション回路15は、この油排出孔65に対して、図5に示すように、クランク軸34の軸線Pを挟んで180度反対側位置において、密閉ハウジング3に接続される。
また、必要に応じて低段側ロータリ圧縮機構4に油排出孔を設けることができ、この場合も、ガスインジェクション回路15との関係は、上記の通りとされる。
次に、本発明の第3実施形態について、図6を用いて説明する。
本実施形態は、上記第1実施形態に対して、密閉ハウジング3に接続されるガスインジェクション回路15の接続部の構成が異なっている。その他の点については、第1実施形態と同様であるので、説明は省略する。
本実施形態は、図6に示されるように、ガスインジェクション回路15の密閉ハウジング3への接続位置に対向させて、密閉ハウジング3の内部に、ガスインジェクション回路15の開口部を、所定間隔を隔てて覆う遮蔽板66を設けたものである。
従って、潤滑油37が冷媒ガスに混入して圧縮機2の外部へと排出される余計な油上がりを防止することができるとともに、過度に潤滑油が中間圧冷媒ガスに混入することにより、高段側圧縮機構5の体積効率が低下されるのを防止し、多段圧縮機2の高性能化を図ることができる。
次に、本発明の第4実施形態について、図7を用いて説明する。
本実施形態は、上記第1実施形態に対して、密閉ハウジング3に接続されるガスインジェクション回路15の接続部の構成が異なっている。その他の点については、第1実施形態と同様であるので、説明は省略する。
本実施形態は、図7に示されるように、ガスインジェクション回路15を、電動モータ31のステータコイルエンド67と対向する位置において、密閉ハウジング3に接続したものである。
これによって、潤滑油37が冷媒ガスに混入して圧縮機2の外部へと排出される余計な油上がりを防止することができるとともに、過度に潤滑油が中間圧冷媒ガスに混入することにより、高段側圧縮機構5の体積効率が低下されるのを防止し、多段圧縮機2の高性能化を図ることができる。また、インジェクションされる冷媒ガスによって、モータステータ32を冷却することができるため、モータ効率を向上させることができる。
次に、本発明の第5実施形態について、図8を用いて説明する。
本実施形態は、上記第1実施形態に対して、密閉ハウジング3に接続されるガスインジェクション回路15の接続構成が異なっている。その他の点については、第1実施形態と同様であるので、説明は省略する。
本実施形態は、図8に示されるように、ガスインジェクション回路15を、密閉ハウジング3に対して、下方から斜め上方に向けて接続し、インジェクションされた冷媒ガスが高段側スクロール圧縮機構5に向かうようにしたものである。
従って、潤滑油37が冷媒ガスに混入して圧縮機2の外部へと排出される余計な油上がりを防止することができるとともに、過度に潤滑油が中間圧冷媒ガスに混入することにより、高段側圧縮機構5の体積効率が低下されるのを防止し、多段圧縮機2の高性能化を図ることができる。
次に、本発明の第6実施形態について、図9を用いて説明する。
本実施形態は、上記第1実施形態に対して、密閉ハウジング3に接続されるガスインジェクション回路15の接続位置が異なっている。その他の点については、第1実施形態と同様であるので、説明は省略する。
本実施形態は、図9に示されるように、第1実施形態では鎖線で示す位置に接続されていたガスインジェクション回路15を、電動モータ31の下方位置、すなわち、電動モータ31と低段側ロータリ圧縮機構4との間位置において、密閉ハウジング3に接続したものである。
これによって、モータ効率を向上させ、多段圧縮機2を高性能化することができる。
次に、本発明の第7実施形態について、図10を用いて説明する。
本実施形態は、上記した第1および第2実施形態に対して、油排出孔65の構成が異なっている。その他の点については、第1および第2実施形態と同様であるので、説明は省略する。
本実施形態は、図10に示されるように、高段側スクロール圧縮機構5を潤滑した後の潤滑油を、密閉ハウジング3内に排出するための油排出孔65に、排出油を密閉ハウジング3内の油溜めに導く油排出ガイド68を設けたものである。
これによって、潤滑油37が冷媒ガスに混入して圧縮機2の外部へと排出される余計な油上がりを防止することができるとともに、過度に潤滑油が中間圧冷媒ガスに混入することにより、高段側圧縮機構5の体積効率が低下されるのを防止し、多段圧縮機2の高性能化を図ることができる。
なお、油排出ガイドは、低段側ロータリ圧縮機構4に油排出孔を設けた場合にも、同様に設けることができる。
例えば、CO2サイクルは、気液分離器によるインジェクション方式に代えて、内部熱交換器を設け、該内部熱交換器から抽出される中間圧冷媒ガスをインジェクションする方式を採用してもよい。
2 多段圧縮機
3 密閉ハウジング
4 低段側ロータリ圧縮機構(低段側圧縮機構)
5 高段側ロータリ圧縮機構(高段側圧縮機構)
15 ガスインジェクション回路
20 容積式給油ポンプ
21 給油孔
31 電動モータ
34,35,36 クランク軸(駆動軸)
35A, クランク部
36A クランクピン
37 潤滑油
65 油排出孔
66 遮蔽板
67 ステータコイルエンド
68 油排出ガイド
P 駆動軸線
Q 直交線
Claims (11)
- 密閉ハウジング内に、電動モータにより駆動される低段側ロータリ圧縮機構と高段側スクロール圧縮機構とが設置され、前記低段側ロータリ圧縮機構で圧縮されたCO2冷媒ガスを前記密閉ハウジング内に吐出し、該密閉ハウジング内の中間圧の冷媒ガスを前記高段側スクロール圧縮機構が吸入して2段圧縮するCO2サイクル用の多段圧縮機において、
前記密閉ハウジングには、冷媒回路から抽出される中間圧のCO2冷媒ガスを、該密閉ハウジング内にインジェクションするガスインジェクション回路が接続されるとともに、
前記低段側ロータリ圧縮機構と前記高段側スクロール圧縮機構とは、略等圧力比で、かつ、押しのけ量比が略同等とされることを特徴とする多段圧縮機。 - 前記押しのけ量比は、1:0.8〜1:1とされることを特徴とする請求項1に記載の多段圧縮機。
- 前記低段側ロータリ圧縮機構は、前記密閉ハウジングの中央部に設置される前記電動モータの一方側に、該電動モータにより駆動される駆動軸の一端に設けられるクランク部に結合されて設置され、
前記高段側スクロール圧縮機構は、前記電動モータの他方側に、前記駆動軸の他端に設けられるクランクピン部に結合されて設置されることを特徴とする請求項1または2に記載の多段圧縮機。 - 前記低段側ロータリ圧縮機構および前記高段側スクロール圧縮機構は、その駆動軸中に設けられる給油孔を介して、前記密閉ハウジング内に充填されている潤滑油を、所要潤滑箇所に給油する給油ポンプを備え、
該給油ポンプは、容積式給油ポンプとされることを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の多段圧縮機。 - 前記ガスインジェクション回路は、前記圧縮機構を潤滑後の潤滑油が前記密閉ハウジングに排出される油排出孔の位置に対し、前記圧縮機構の駆動軸線を挟み該駆動軸線と直交する線の反対側位置において、前記密閉ハウジングに接続されることを特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載の多段圧縮機。
- 前記密閉ハウジング内には、前記ガスインジェクション回路の前記密閉ハウジング内への開口部に対向させて遮蔽板が設けられることを特徴とする請求項1ないし5のいずれかに記載の多段圧縮機。
- 前記ガスインジェクション回路は、前記電動モータのステータコイルエンドと対向する位置において、前記密閉ハウジング内に接続開口されることを特徴とする請求項1ないし5のいずれかに記載の多段圧縮機。
- 前記ガスインジェクション回路は、前記高段側スクロール圧縮機構に向けて斜めに前記密閉ハウジング内に接続開口されることを特徴とする請求項1ないし5のいずれかに記載の多段圧縮機。
- 前記低段側ロータリ圧縮機構および/または前記高段側スクロール圧縮機構には、所要箇所を潤滑した後の潤滑油を、前記密閉ハウジング内に排出する油排出孔が設けられ、
該油排出孔には、排出油を密閉ハウジング内の油溜めに導く油排出ガイドが設けられることを特徴とする請求項1ないし8に記載の多段圧縮機。 - 前記ガスインジェクション回路は、前記電動モータと前記高段側スクロール圧縮機構との間において、前記密閉ハウジング内に接続開口されることを特徴とする請求項1ないし9のいずれかに記載の多段圧縮機。
- 前記ガスインジェクション回路は、前記電動モータと前記低段側ロータリ圧縮機構との間において、前記密閉ハウジング内に接続開口されることを特徴とする請求項1ないし9のいずれかに記載の多段圧縮機。
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