JP4974851B2 - 冷凍空調装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷媒に二酸化炭素を用いた冷凍空調装置に関し、特にモータなどで駆動される主圧縮機とは別に、膨張機と同軸一体に構成して膨張過程の冷媒から回収される機械的エネルギーを動力として利用して駆動される補助圧縮機を備えた冷凍空調装置に関するものである。

冷凍空調装置においては、自然冷媒である二酸化炭素を冷媒として適用することが進められており、さらに効率の向上を目的として、膨張過程の冷媒から機械的エネルギーを回収する膨張機の導入が検討されている。そして、圧縮機と膨張機とを同軸一体に構成することで、膨張機の膨張過程の冷媒から回収された機械的エネルギーを効果的に圧縮機の動力として利用できることから、モータなどで駆動される主圧縮機とは別に、膨張機と同軸一体に構成された圧縮機を補助圧縮機として導入することが検討されている。

従来の冷凍空調装置は、二酸化炭素の冷媒を、モータで駆動する主圧縮機、放熱器、膨張機、および吸熱器に順次循環する冷媒管路を有し、補助圧縮機を吸熱器と圧縮機との間の冷媒管路に設け、補助圧縮機の回転駆動軸と膨張機の回転出力軸とを連係して構成し、膨張機で回収した動力で補助圧縮機を駆動して、モータで駆動する主圧縮機の動力の低減を図り、高率の高い冷凍空調装置を実現していた（例えば、特許文献１参照）。

また、従来のスクロール型流体装置は、可動スクロールの片側に第１固定スクロールを配して圧縮手段を構成し、可動スクロールの他の片側に第２固定スクロールを配して膨張手段を構成して。可動スクロールのスラスト方向がバランスするようにし、機械的損失を低減して、小型、高効率を実現していた（例えば、特許文献２参照）。

このことから、従来のスクロール型流体装置の構成を、従来の冷凍空調装置における補助圧縮機と膨張機とに適用すれば、冷凍空調装置のさらなる高効率化が可能となる。

特開２００３−３０７３５８号公報 特公平０７−０３７８５７号公報

しかしながら、従来の冷凍空調装置の補助圧縮機と膨張機とに従来のスクロール型流体装置の構成を適用した場合、運転条件によっては、膨張機の起動時に、補助圧縮機と膨張機との間に発生する圧力によって、可動スクロールを第１固定スクロール又は第２固定スクロールに押し付けるスラスト荷重が大きくなり、摺動抵抗が増加し、膨張機の入口と出口との間に圧力差が生じても、起動できないという事態が発生する。

この発明は、上述のような問題を解決するためになされたものであり、起動時に生じる摺動抵抗の増大を抑え、膨張機を安定して、確実に起動できる冷凍空調装置を得ることを目的としている。

この発明の冷凍空調装置は、モータによって駆動される主圧縮機と、上記主圧縮機で圧縮された高圧の冷媒を冷却する放熱器と、上記放熱器で冷却された冷媒を膨張減圧して動力を回収する膨張機と、上記主圧縮機の高段側に配設され、上記膨張機の主軸に連結して駆動されて冷媒の二段圧縮を行う補助圧縮機と、上記膨張機により減圧された冷媒を加熱する蒸発器と、上記補助圧縮機を迂回する補助圧縮機バイパス管に設けられたバイパス弁と、上記膨張機に並列に接続された膨張機バイパス管に設けられた膨張弁と、を備えている。上記膨張機と上記補助圧縮機とは、揺動スクロール、上記揺動スクロールの一面側に配置された圧縮側固定スクロール、上記揺動スクロールの他面側に配置された膨張側固定スクロール、および上記圧縮側固定スクロールと上記膨張側固定スクロールとに軸支され、上記揺動スクロールを揺動自在に支持する上記主軸を備え、上記揺動スクロールと上記膨張側固定スクロールとにより構成され、上記放熱器で冷却された冷媒を膨張減圧して動力を回収し、上記膨張機として機能する膨張機構、および上記揺動スクロールと上記圧縮側固定スクロールとにより構成され、上記膨張機構で回収した動力により上記主圧縮機で圧縮された冷媒を圧縮し、上記補助圧縮機として機能する補助圧縮機構を有するスクロール型流体装置で構成されている。そして、膨張側開閉弁が上記膨張機バイパス管と並列の上記膨張機の下流側配管に設けられている。

この発明によれば、補助圧縮機を主圧縮機の高段側に配設し、膨張側開閉弁が膨張機バイパス管と並列の膨張機の下流側配管に設けられているので、膨張側開閉弁を閉じた状態で、モータに給電して主圧縮機を駆動して冷媒を循環させると、補助圧縮機の吸入側および吐出側が高圧となり、膨張機の吸入側および吐出側も高圧となる。そこで、揺動スクロールには、動作圧力差に起因するスラスト荷重は作用しない。この状態で、膨張側開閉弁を開けることで、摺動抵抗が極めて小さい状態で膨張機の起動が行われ、膨張機は、安定して、確実に起動される。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る冷凍空調装置の冷媒回路構成図、図２はこの発明の実施の形態１に係る冷凍空調装置に適用されるスクロール型流体装置を示す縦断面図である。

図１において、冷凍空調装置は、モータ２によって駆動される主圧縮機１と、高圧の冷媒を冷却する放熱器３と、放熱器３で冷却された冷媒を膨張減圧して動力を取り出す膨張機４と、主圧縮機１の高段側に配設され、膨張機４の主軸５に連結されて駆動されて冷媒の二段圧縮を行う補助圧縮機６と、膨張機４により減圧された冷媒を加熱する蒸発器７と、補助圧縮機６を迂回する補助圧縮機バイパス管８に設けられたバイパス弁９と、膨張機４の下流側に設けられた膨張側開閉弁１０と、膨張機４および膨張側開閉弁１０に並列に接続された膨張機バイパス管１１に設けられた膨張弁１２と、を備えている。ここで、膨張機４と補助圧縮機６とは、スクロール式の圧縮・膨張機構を採用するスクロール型流体装置２０により構成されている。

つぎに、スクロール型流体装置２０の構成について図２を参照しつつ説明する。
スクロール型流体装置２０の密閉容器２１内の下方には、膨張機４を構成する膨張機構２２が設置されており、膨張機構２２の上方には、補助圧縮機６を構成する補助圧縮機構２３が設置されている。膨張機構２２は、台板４１ａの上面に渦巻歯４１ｃを形成した固定スクロール４１（膨張側固定スクロール）と、台板４３ａの下面に渦巻歯４３ｃを形成した揺動スクロール４３とからなる。固定スクロール４１の渦巻歯４１ｃと揺動スクロール４３の渦巻歯４３ｃとは、逆の巻き方向で、咬合するように配置されている。また、補助圧縮機構２３は、台板４２ａの下面に渦巻歯４２ｃを形成した固定スクロール４２（圧縮側固定スクロール）と、台板４３ａの上面に渦巻歯４３ｄを形成した揺動スクロール４３とからなる。固定スクロール４２の渦巻歯４２ｃと揺動スクロール４３の渦巻歯４３ｄとは、逆の巻き方向で、咬合するように配置されている。

ここで、補助圧縮機構２３の渦巻歯４２ｃ，４３ｄは、膨張機構２２の渦巻歯４１ｃ、４３ｃと同じ巻き方向で、揺動スクロール４３が揺動したときに、一方で圧縮、他方で膨張できるようになっている。

主軸５は、膨張機構２２の固定スクロール４１および補助圧縮機構２３の固定スクロール４２それぞれの中央に形成された軸受部４１ｂ，４２ｂによって、回転自由に両持ち支持されている。スリーブ（図示せず）が主軸５の軸受部４１ｂに対応する部分に同軸に外嵌状態に嵌め込まれている。スライダ３５が揺動スクロール４３の中央に穿設された揺動軸受部４３ｂに内嵌状態に嵌め込まれている。そして、主軸５の中央部に形成された偏心軸部５ａが、スライダ３５に穿設された軸嵌入孔３６に嵌入されている。これにより、スライダ３５の外径中心と主軸５の軸心との間の距離が変動可能で、スライダ３５が揺動スクロール４３に作用するガス圧による力で揺動半径が大きくなる方向に移動する可変半径クランク機構を構成し、揺動スクロール４３が揺動運動できる。

膨張機構２２の外周であって密閉容器２１の側面には、冷媒を吸入する膨張吸入管２５および膨張した冷媒を吐出する膨張吐出管２６が設置され、膨張側開閉弁１０が膨張吐出管２６に配設されている。そして、膨張吸入管２５が放熱器３の吐出側に接続され、膨張吐出管２６が蒸発器７の吸入側に接続される。一方、補助圧縮機構２３の上方であって密閉容器２１の上面には、冷媒を吸入する補助圧縮吸入管２９が設置されており、補助圧縮機構２３の外周であって密閉容器２１の側面には、圧縮した冷媒を吐出する補助圧縮吐出管３０が設置されている。そして、補助圧縮吸入管２９が主圧縮機１の吐出側に接続され、補助圧縮吐出管３０が放熱器３の吸入側に接続される。

補助圧縮機構２３においては、固定スクロール４２および揺動スクロール４３それぞれの渦巻歯４２ｃ，４３ｄの先端には、固定スクロール４２の渦巻歯４２ｃと揺動スクロール４３の渦巻歯４３ｄとで形成される補助圧縮室２３ａを仕切るチップシール３１が装着されている。また、揺動スクロール４３における固定スクロール４２に対向する面であって渦巻歯４３ｃの外周には、揺動スクロール４３と固定スクロール４２とをシールする外周シール３２が設けられている。

また、揺動スクロール４３の固定スクロール４１，４２に対向する面であって揺動軸受部４３ｂの外周には、揺動スクロール４３と固定スクロール４１，４２とをそれぞれシールする内周シール３３が設けられている。膨張機構２２においては、固定スクロール４１および揺動スクロール４３それぞれの渦巻歯４１ｃ，４３ｃの先端には、固定スクロール４１の渦巻歯４１ｃと揺動スクロール４３の渦巻歯４３ｃとで形成される膨張室２２ａを仕切るチップシール３１が装着されている。

揺動スクロール４３は、補助圧縮機構２３に設けたオルダムリング３４によって、自転を規正される。また、揺動スクロール４３が揺動運動することによって発生する遠心力を相殺するために、上および下バランサ３７ａ，３７ｂが主軸５の両端側に取り付けられている。主軸５の下端には、油ポンプ３８が取り付けられ、密閉容器２１の下部空間の底部に貯留されている潤滑油３９を主軸５内に形成された油孔（図示せず）を介して各軸受部に供給する。

つぎに、このように構成されたスクロール型流体装置２０の動作について説明する。
まず、膨張機構２２においては、冷却された高圧の冷媒が、膨張吸入管２５から固定スクロール４１の渦巻歯４１ｃと揺動スクロール４３の渦巻歯４３ｃとで形成される膨張室２２ａの内周側に導入される。そして、揺動スクロール４３の揺動により、冷媒は、膨張室２２ａ内を外周側に漸次移動して膨張減圧される。減圧された冷媒は、膨張室２２ａの外周側から膨張吐出管２６を通って吐出される。この冷媒の膨張過程で補助圧縮に必要な動力が回収される。

一方、補助圧縮機構２３においては、冷媒が、補助圧縮吸入管２９から固定スクロール４２の渦巻歯４２ｃと揺動スクロール４３の渦巻歯４３ｄとで形成される補助圧縮室２３ａの外周側に導入される。そして、揺動スクロール４３の揺動により、冷媒は、補助圧縮室２３ａ内を内周側に漸次移動して圧縮昇圧される。昇圧された冷媒は、補助圧縮室２３ａの内周側から吐出弁２４、および補助圧縮吐出管３０を通って吐出される。

つぎに、このように構成された冷凍空調装置の動作について説明する。
この冷凍空調装置では、補助圧縮機６が二段圧縮の高段側に配設されているので、定常運転時には、補助圧縮機６では、吸入側が中間圧、吐出側が高圧となる。一方、膨張機４では、吸入側が高圧、吐出側が低圧となる。補助圧縮機６と膨張機４との動作圧力がこのように異なることから、図３に示されるように、スラスト荷重が揺動スクロール４３を軸方向に固定スクロール４１側に押圧するように作用する。これにより、揺動スクロール４３の揺動時の摺動抵抗が大きくなる。さらに、運転条件により、補助圧縮機６および膨張機４の動作圧力が変化し、揺動スクロール４３に作用するスラスト荷重も変化する。

この冷凍空調装置では、補助圧縮機バイパス管８に設けられたバイパス弁９を開き、膨張機バイパス管１１に設けられた膨張弁１２を全開とし、かつ膨張側開閉弁１０を閉じた状態として、モータ２に給電し、主圧縮機１を駆動し、冷媒を循環させる。この状態で、膨張弁１２の開度を絞ることで、冷媒回路中に高低圧力差が生じ、主圧縮機１から吐出された高圧の冷媒は補助圧縮機バイパス管８を通り、放熱器３に送り込まれ、冷却される。冷却された冷媒が膨張機バイパス管１１を通り、膨張弁１２を通って減圧される。そして、減圧された冷媒が蒸発器７に送り込まれ、加熱される。加熱された冷媒が主圧縮機１に送り込まれる。

この時、膨張側開閉弁１０が閉じられているので、膨張機４の吸入側および吐出側が高圧となる。また、補助圧縮機６の吸入側および吐出側も、高圧となる。そこで、運転条件によらず、揺動スクロール４３には、動作圧力差に起因するスラスト荷重は作用しない。つまり、揺動スクロール４３が固定スクロール４１側、あるいは固定スクロール４２側に押し付けられることに起因する摺動抵抗は極めて小さい。この状態で、膨張側開閉弁１０を開けることで、膨張機４が安定して確実に起動される。

膨張機４が起動すると、揺動スクロール４３が揺動し、放熱器３で冷却された冷媒が膨張吸入管２５を通り膨張室２２ａに送り込まれる。膨張室２２ａに送り込まれた冷媒は、揺動スクロール４３の揺動により膨張室２２ａ内で膨張減圧され、膨張吐出管２６から吐出される。ついで、補助圧縮機バイパス管８に設けられたバイパス弁９を閉じると、主圧縮機１で圧縮された冷媒が、補助圧縮吸入管２９を通り補助圧縮室２３ａに送り込まれる。補助圧縮室２３ａに送り込まれた冷媒は、この揺動スクロール４３の揺動により補助圧縮室２３ａ内で圧縮昇圧され、補助圧縮吐出管３０から吐出されて、放熱器３に送り込まれる。

そして、補助圧縮機６による昇圧動作により定常運転に移行すると、補助圧縮機６の吸入圧力である主圧縮機１の吐出圧力が下がる。これにより、モータ２に必要な電力が減少し、冷凍空調装置の効率を高めることができる。また、定常運転時、膨張弁１２の開度が操作され、膨張機４の通過流量を調整する。
なお、冷媒に二酸化炭素を用いると、動作圧力が高圧となるため、揺動スクロール４３に作用するスラスト荷重が増大するので、膨張機４の起動に膨張側開閉弁１０を用いることの効果が高くなる。

この実施の形態１によれば、揺動スクロール４３を一対の固定スクロール４１，４２間に配置し、該揺動スクロール４３を一対の固定スクロール４１，４２に軸支された主軸５により揺動自在に支持して構成されたスクロール型流体装置２０を用いている。そして、スクロール型流体装置２０における揺動スクロール４３と固定スクロール４１とにより構成される膨張機構２２を膨張機４として機能させ、揺動スクロール４３と固定スクロール４２とにより構成される補助圧縮機構２３を補助圧縮機６として機能させているので、小型、高効率の冷凍空調装置を実現できる。

さらに、補助圧縮機構２３を主圧縮機１の高段側に配置し、膨張側開閉弁１０を膨張機構２２の下流側に配置しているので、動作圧力差に起因するスラスト荷重が揺動スクロール４３に作用しない状態を構築できる。つまり、バイパス弁９を開、膨張弁１２を全開、かつ膨張側開閉弁１０を閉の状態で、主圧縮機１を駆動して冷媒を循環させると、動作圧力差に起因するスラスト荷重が揺動スクロール４３に作用しない状態となる。この状態で、膨張弁１２の操作により該膨張弁１２の前後に圧力差を生じさせた後、膨張側開閉弁１０を開けることで、揺動スクロール４３と固定スクロール４１，４２との間の摺動抵抗が極めて小さい状態で膨張機構２２を起動できるので、膨張機構２２を安定して確実に起動させることができる。

実施の形態２．
図４はこの発明の実施の形態２に係る冷凍空調装置の冷媒回路構成図である。
図４において、補助圧縮機６は、主圧縮機１の低段側に配設され、膨張側開閉弁１０が膨張機バイパス管１１と並列の膨張機４の上流側配管に設けられている。
なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。

この冷凍空調装置では、補助圧縮機６が二段圧縮の低段側に配設されているので、定常運転時には、補助圧縮機６では、吸入側が低圧、吐出側が中間圧となる。一方、膨張機４では、吸入側が高圧、吐出側が低圧となる。
そして、補助圧縮機バイパス管８に設けられたバイパス弁９を開き、膨張機バイパス管１１に設けられた膨張弁１２を全開とし、かつ膨張側開閉弁１０を閉じた状態として、モータ２に給電し、主圧縮機１を駆動し、冷媒を循環させる。この状態で、膨張弁１２の開度を絞ることで、冷媒回路中に高低圧力差が生じ、主圧縮機１から吐出された高圧の冷媒は、放熱器３に送り込まれ、冷却される。冷却された冷媒が膨張機バイパス管１１を通り、膨張弁１２を通って減圧される。そして、減圧された冷媒が蒸発器７に送り込まれ、加熱される。加熱された冷媒が補助圧縮機バイパス管８を通り、主圧縮機１に送り込まれる。

この時、膨張側開閉弁１０が閉じられているので、膨張機４の吸入側および吐出側が低圧となる。また、補助圧縮機６の吸入側および吐出側も、低圧となる。そこで、運転条件によらず、揺動スクロール４３には、動作圧力差に起因するスラスト荷重は作用しない。この状態で、膨張側開閉弁１０を開けることで、揺動スクロール４３と固定スクロール４１，４２との間の摺動抵抗が極めて小さい状態で膨張機構２２が起動され、膨張機４が安定して確実に起動される。

膨張機４が起動すると、揺動スクロール４３が揺動し、放熱器３で冷却された冷媒が膨張吸入管２５を通り膨張室２２ａに送り込まれる。膨張室２２ａに送り込まれた冷媒は、揺動スクロール４３の揺動により膨張室２２ａ内で膨張減圧され、膨張吐出管２６から吐出される。ついで、補助圧縮機バイパス管８に設けられたバイパス弁９を閉じると、蒸発器７で加熱された冷媒が、補助圧縮吸入管２９を通り補助圧縮室２３ａに送り込まれる。補助圧縮室２３ａに送り込まれた冷媒は、この揺動スクロール４３の揺動により補助圧縮室２３ａ内で圧縮昇圧され、補助圧縮吐出管３０から吐出されて、主圧縮機１に送り込まれる。

そして、補助圧縮機６による昇圧動作により定常運転に移行すると、補助圧縮機６の吐出圧力である主圧縮機１の吸入圧力が上がる。これにより、モータ２に必要な電力が減少し、冷凍空調装置の高率を高めることができる。また、定常運転時、膨張弁１２の開度が操作され、膨張機４の通過流量を調整する。
従って、この実施の形態２においても、上記実施の形態１と同様の効果が得られる。

この発明の実施の形態１に係る冷凍空調装置の冷媒回路構成図である。 この発明の実施の形態１に係る冷凍空調装置に適用されるスクロール型流体装置を示す縦断面図である。 この発明の実施の形態１に係る冷凍空調装置に適用されるスクロール型流体装置における定常運転時の揺動スクロールに作用するスラスト荷重を模式的に示す図である。 この発明の実施の形態２に係る冷凍空調装置の冷媒回路構成図である。

符号の説明

１ 主圧縮機、２ モータ、３ 放熱器、４ 膨張機、５ 主軸、６ 補助圧縮機、７ 蒸発機、８ 補助圧縮機バイパス管、９ バイパス弁、１０ 膨張側開閉弁、１１ 膨張機バイパス管、１２ 膨張弁、２０ スクロール型流体装置、２２ 膨張機構、２３ 補助圧縮機構、４１，４２ 固定スクロール、４３ 揺動スクロール。

Claims (4)

1. モータによって駆動される主圧縮機と、上記主圧縮機で圧縮された高圧の冷媒を冷却する放熱器と、上記放熱器で冷却された冷媒を膨張減圧して動力を回収する膨張機と、上記主圧縮機の高段側に配設され、上記膨張機の主軸に連結して駆動されて冷媒の二段圧縮を行う補助圧縮機と、上記膨張機により減圧された冷媒を加熱する蒸発器と、上記補助圧縮機を迂回する補助圧縮機バイパス管に設けられたバイパス弁と、上記膨張機に並列に接続された膨張機バイパス管に設けられた膨張弁と、を備えた冷凍空調装置において、
   上記膨張機と上記補助圧縮機とが、揺動スクロール、上記揺動スクロールの一面側に配置された圧縮側固定スクロール、上記揺動スクロールの他面側に配置された膨張側固定スクロール、および上記圧縮側固定スクロールと上記膨張側固定スクロールとに軸支され、上記揺動スクロールを揺動自在に支持する上記主軸を備え、上記揺動スクロールと上記膨張側固定スクロールとにより構成され、上記放熱器で冷却された冷媒を膨張減圧して動力を回収し、上記膨張機として機能する膨張機構、および上記揺動スクロールと上記圧縮側固定スクロールとにより構成され、上記膨張機構で回収した動力により上記主圧縮機で圧縮された冷媒を圧縮し、上記補助圧縮機として機能する補助圧縮機構を有するスクロール型流体装置で構成され、
   膨張側開閉弁が上記膨張機バイパス管と並列の上記膨張機の下流側配管に設けられていることを特徴とする冷凍空調装置。
2. モータによって駆動される主圧縮機と、上記主圧縮機で圧縮された高圧の冷媒を冷却する放熱器と、上記放熱器で冷却された冷媒を膨張減圧して動力を回収する膨張機と、上記主圧縮機の低段側に配設され、上記膨張機の主軸に連結して駆動されて冷媒の二段圧縮を行う補助圧縮機と、上記膨張機により減圧された冷媒を加熱する蒸発器と、上記補助圧縮機を迂回する補助圧縮機バイパス管に設けられたバイパス弁と、上記膨張機に並列に接続された膨張機バイパス管に設けられた膨張弁と、を備えた冷凍空調装置において、
   上記膨張機と上記補助圧縮機とが、揺動スクロール、上記揺動スクロールの一面側に配置された圧縮側固定スクロール、上記揺動スクロールの他面側に配置された膨張側固定スクロール、および上記圧縮側固定スクロールと上記膨張側固定スクロールとに軸支され、上記揺動スクロールを揺動自在に支持する上記主軸を備え、上記揺動スクロールと上記膨張側固定スクロールとにより構成され、上記放熱器で冷却された冷媒を膨張減圧して動力を回収し、上記膨張機として機能する膨張機構、および上記揺動スクロールと上記圧縮側固定スクロールとにより構成され、上記膨張機構で回収した動力により上記主圧縮機に吸入される冷媒を圧縮し、上記補助圧縮機として機能する補助圧縮機構を有するスクロール型流体装置で構成され、
   膨張側開閉弁が上記膨張機バイパス管と並列の上記膨張機の上流側配管に設けられていることを特徴とする冷凍空調装置。
3. 上記バイパス弁を開、上記膨張弁を全開、かつ上記膨張側開閉弁を閉の状態で、上記主圧縮機を駆動して冷媒を循環させ、上記膨張弁の操作により該膨張弁の前後に圧力差を生じさせた後、上記膨張側開閉弁を開けて、上記膨張機を起動させることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の冷凍空調装置。
4. 上記冷媒が二酸化炭素であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の冷凍空調装置。

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