JP5388986B2 - 冷凍装置 - Google Patents

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Description

本発明は、冷凍装置に関する。
特許文献１には、冷凍サイクルの熱機関に含まれる圧縮機を、熱膨張機（エキスパンダ）によって駆動する車両用冷房装置が開示されている。
特許文献１の冷房装置では、エンジンの熱によって熱媒を蒸発させて膨張機を駆動し、膨張機で膨張した熱媒をラジエータで凝縮させてからポンプによってエンジンに環流させるランキンサイクルが構成され、このランキンサイクルの膨張機によって冷凍サイクルの圧縮機を駆動している。
この冷房装置では、冷凍サイクルとランキンサイクルとが同じ熱媒（冷媒）を使用しており、冷凍サイクルの圧縮機が吐出した冷媒は、ランキンサイクルと同じラジエータで凝縮させられ、蒸発器に供給されるようになっている。したがって、冷凍サイクルの凝縮温度（圧力）とランキンサイクルの凝縮温度（圧力）とは同じである。
特開昭５６−４３０１８号公報
特許文献１では、膨張機の回転軸の排気側と圧縮機の回転軸の吸込側とが接続されている。このため、膨張機の排気側および圧縮機の吸込側に、それぞれ、軸封装置を設ける必要がある。
冷凍サイクルおよびランキンサイクルの軸封装置に漏れがあると、熱媒が系外へ漏出し、能力を発揮できなくなってしまう。このため、本発明は、ランキンサイクルの膨張機によって冷凍サイクルの圧縮機を駆動する冷凍装置であって、軸封が不要な冷凍装置を提供することを課題とする。
前記課題を解決するために、本発明による冷却装置は、熱媒を蒸発させる高温蒸発器と、前記高温蒸発器で蒸発した熱媒の膨張力を回転力に変換するスクリュ膨張機と、前記スクリュ膨張機から排気された熱媒が導入される凝縮器と、前記凝縮器において液化された前記熱媒の少なくとも一部分を前記高温蒸発器に供給する循環ポンプと、前記凝縮器において液化された前記熱媒の他の部分を減圧する膨張弁と、前記膨張弁で減圧された冷媒を蒸発させて吸熱する低温蒸発器と、前記スクリュ膨張機によって駆動され、前記低温蒸発器で気化した熱媒を圧縮して前記凝縮器に供給するスクリュ圧縮機とを有し、前記スクリュ膨張機と前記スクリュ圧縮機とは、前記スクリュ膨張機の排気側と前記スクリュ圧縮機の吐出側とが対向するように、それぞれ共通のケーシングの中に形成されたロータ室に雌雄一対のロータを収容して構成され、前記スクリュ膨張機の回転軸の給気側と前記スクリュ圧縮機の回転軸の吸込側とが、前記ケーシングの外部に露出しない密閉構造とされ、前記スクリュ膨張機の回転軸の排気側と前記スクリュ圧縮機の回転軸の吐出側とが、前記ケーシングの内部で接続されているものとする。
この構成によれば、スクリュ膨張機の排気圧力とスクリュ圧縮機の吐出圧力とが等しいので、スクリュ膨張機の排気側およびスクリュ圧縮機の吐出側が連通していても、熱媒の吹き抜けが生じない。このため、本発明の冷凍装置は、スクリュ膨張機の排気側およびスクリュ圧縮機の吐出側に軸封装置を設ける必要なく、構成が簡素であるため、安価で故障が少なく、メンテナンス性も高い。
また、本発明の冷却装置において、前記ケーシングは、前記スクリュ膨張機の排気流路および前記スクリュ圧縮機の吐出流路が合流し、前記凝縮器に接続され、且つ、前記スクリュ膨張機の回転軸の排気側と前記スクリュ圧縮機の回転軸の吐出側とを接続するカップリングを収容する中間空間を画定してもよい。
この構成によれば、スクリュ膨張機およびスクリュ圧縮機の回転軸のカップリングを収容する中間空間が、スクリュ膨張機の排気流路およびスクリュ圧縮機の吐出流路に連通しているので、スクリュ膨張機およびスクリュ圧縮機と中間空間との間で軸周りの吹き抜けが生じない。また、スクリュ膨張機およびスクリュ圧縮機と凝縮器との接続配管が１本で済む。
また、本発明の冷凍装置は、前記中間空間内に、前記スクリュ膨張機の回転力によって発電する発電機を収容してもよい。
この構成によれば、冷凍負荷が小さく、スクリュ膨張機が発生する回転エネルギーがスクリュ圧縮機が消費するエネルギーよりも多い場合に、余剰の回転エネルギーを発電機によって電気エネルギーに変換し、外部で消費または蓄電できる。
前記カップリングは、前記スクリュ圧縮機と前記発電機の間に配置され、前記スクリュ膨張機の回転軸と前記スクリュ圧縮機の回転軸とを切り離し可能な電磁クラッチを含むことを特徴とする請求項３に記載の冷凍装置。
この構成によれば、冷凍負荷がない場合に、スクリュ膨張機を切り離すことによって、スクリュ膨張機が発生する回転エネルギーをすべて発電のために使用することができる。
本発明では、ランキンサイクルのスクリュ膨張機の回転軸の排気側と冷凍サイクルのスクリュ圧縮機の回転軸の吐出側とをケーシング内で接続したので、スクリュ膨張機の排気側およびスクリュ圧縮機の吐出側に軸封装置を設ける必要がなく、簡素で信頼性が高い冷凍装置を提供できる。
本願発明の第１実施形態の冷凍装置の概略構成図である。 図１の冷凍装置のＰ−ｉ線図である。 図１のスクリュ膨張機およびスクリュ圧縮機の簡略断面図である。 本願発明の第２実施形態の冷凍装置の概略構成図である。 本願発明の第３実施形態の冷凍装置の概略構成図である。
これより、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の第１実施形態の冷凍装置１を示す。冷凍装置１は、自動車のエンジン２からランキンサイクル熱機関３によって熱エネルギーを回収して動力に変換し、この動力によって冷凍サイクル熱機関４を駆動して自動車の居室の冷房を行うためのものである。
ランキンサイクル熱機関３と冷凍サイクル熱機関４とは、一部を共用する閉鎖した系であり、熱媒（例えばＲ２４５ｆａ）を封入してなる。ランキンサイクル熱機関３は、エンジンのシリンダブロックに一体形成され、熱媒を蒸発させて気化熱によってシリンダブロックを冷却する高温蒸発器５と、高温蒸発器５で蒸発した熱媒が供給され、熱媒の膨張力を回転力に変換するスクリュ膨張機６と、スクリュ膨張機６から排気された熱媒を冷却して凝縮・液化させる凝縮器７と、凝縮器７で液化した熱媒を加圧して高温蒸発器５に再供給する循環ポンプ８とからなる。凝縮器７は、エンジン２の動力によって駆動されるファンによって外気と熱交換することで熱媒を冷却するようになっている。
冷凍サイクル熱機関４は、ランキンサイクル熱機関３と凝縮器７を共有し、凝縮器７で液化された熱媒を減圧する減圧弁１０と、減圧された熱媒を蒸発させて周囲の空気から吸熱する低温蒸発器１１と、蒸発器１１で気化した熱媒を圧縮して凝縮器に再供給するスクリュ圧縮機１２とからなる。
ランキンサイクル熱機関３のスクリュ膨張機６と冷凍サイクル熱機関４のスクリュ圧縮機１２とは、共通のケーシング１３の内部に構成されている。ケーシング１３の内部において、スクリュ膨張機６の出力である回転軸１４と、スクリュ圧縮機１２の入力である回転軸１５とは、カップリング１６で互いに接続されている。これにより、スクリュ圧縮機１２は、スクリュ膨張機６によって回転駆動され得る。
図２に、ランキンサイクル熱機関３および冷凍サイクル熱機関４のＰ−ｉ線図を示す。図示するように、凝縮器７における熱媒の凝縮温度は５５℃、圧力は０．４Ｍｐａであり、高温蒸発器７における熱媒の蒸発温度は１００℃、圧力は１ＭＰａであり、低温蒸発器１１における熱媒の蒸発温度は５℃、圧力は０．０６ＭＰａである。
図３に、スクリュ膨張機６およびスクリュ圧縮機１２の構成を簡略化して示す。スクリュ膨張機６およびスクリュ圧縮機１２は、それぞれ、共通のケーシング１３の中に形成されたロータ室１７および１８に雌雄一対のロータ１９ａ，１９ｂおよび２０ａ，２０ｂを収容してなる。また、ケーシング１３は、スクリュ膨張機６とスクリュ圧縮機１２との間に、中間空間２１を画定している。中間空間２１は共通流路２２を介して、凝縮器７に接続される。
スクリュ膨張機６の給気流路２３は、ケーシング１３の一方の側端に開口し、スクリュ膨張機６の排気流路２４は、中間空間２１に開口している。また、スクリュ圧縮機１２の吸込流路２５は、ケーシング１３の他端に開口し、スクリュ圧縮機１２の吐出流路２６は、中間空間２１に開口している。このような熱媒の流れ方向を実現するために、スクリュ膨張機６のロータ１９ａ，１９ｂとスクリュ圧縮機１２のロータ２０ａ，２０ｂとは、螺旋状の歯溝の旋回方向が逆になっている。
また、スクリュ膨張機６のオスロータ１９ａの回転軸１４の排気側と、スクリュ圧縮機１２のオスロータ２０ａの回転軸１５の吐出側とは、中間空間２１内に延伸してカップリング１６によって接続されている。
図２に示したように、スクリュ膨張機６の排気圧力と、スクリュ圧縮機１２の吐出圧力とはいずれも０．４ＭＰａで略同じ圧力である。したがって、中間空間２１の圧力も、これらと略同じになる。このため、ロータ室１７と中間空間２１との間、および、ロータ室１８と中間空間２１との間には、軸封装置を設ける必要がない。
図示しないが、スクリュ膨張機６の給気側およびスクリュ圧縮機１２の吸込側も、回転軸をケーシング１３の外部に露出しない密閉構造とすることで軸封装置が不要になっている。
このように、スクリュ膨張機６とスクリュ圧縮機１２とを共通のケーシング１３の中に、スクリュ膨張機６の排気側とスクリュ圧縮機１２の吐出側とを対向させるように構成したことで、スクリュ膨張機６およびスクリュ圧縮機１２は、回転する軸を封止するための構成要素が不要であり、安価で信頼性が高く、メンテナンスも容易である。
図４に、本発明の第２実施形態の冷凍装置１ａを示す。尚、以降の実施形態において、先に説明したものと同じ構成要素には同じ符号を付して、重複する説明を省略する。本実施形態の冷凍装置１ａは、ケーシング１３（中間空間２１）の内部に、発電機２７が配置されている。発電機２７の回転軸２８は、スクリュ膨張機６の回転軸１４およびスクリュ圧縮機１２の回転軸１５と、それぞれ、カップリング１６によって接続されている。
発電機２７が発電した電力は、不図示のケーブルによってケーシング１３の外部に引き出され、自動車のバッテリに蓄電される。勿論、この電力を、バッテリを介さずに他の電気設備が直接消費してもよい。
本実施形態は、ランキンサイクル熱機関３のスクリュ膨張機６において発生し得る回転動力が、冷凍サイクル熱機関４のスクリュ圧縮機１２が消費する回転動力よりも大きい場合、つまり、エンジン２の出力が大きく、エンジン２を冷却する際に回収し得る熱エネルギーが大きい場合に適用され、過剰な回転動力を発電機２７によって電気エネルギーに変換して、利用可能にする。
さらに、図５に、本発明の第３実施形態の冷凍装置１ｂを示す。この冷凍装置１ｂは、発電機２７の回転軸２８とスクリュ圧縮機１２の回転軸１５とを接続するカップリングが電磁クラッチ２９である。
本実施形態では、電磁クラッチ２９を切断することで、スクリュ膨張機６の回転軸１４からスクリュ圧縮機１２の回転軸１５を切り離し、冷凍サイクル熱機関４を休止したまま、ランキンサイクル熱機関３によりエンジン２の排熱を回収し、発電機２７を駆動して電力を発生させられる。このように、本実施形態では、冬場のように冷房負荷が低いときにも、エンジン２の排熱を回収して有効利用できる。
尚、本発明において、カップリング１６は、歯車機構やチェイン−スプロケットなどの他の伝動機構であってもよい。さらに、伝動機構の選択により、発電機２７をスクリュ圧縮機１２と並列に接続することも可能であり、必要に応じて変速を行ってもよい。
１，１ａ，１ｂ…冷凍装置
２…エンジン
３…ランキンサイクル熱機関
４…冷凍サイクル熱機関
５…高温蒸発器
６…スクリュ膨張機
７…凝縮器
８…循環ポンプ
１０…膨張弁
１１…低温蒸発器
１２…スクリュ圧縮機
１３…ケーシング
１４…回転軸（スクリュ膨張機）
１５…回転軸（スクリュ圧縮機）
１６…カップリング
２１…中間空間
２２…共通流路
２３…給気流路（スクリュ膨張機）
２４…排気流路（スクリュ膨張機）
２５…吸込流路（スクリュ圧縮機）
２６…吐出流路（スクリュ圧縮機）
２７…発電機
２９…電磁クラッチ（カップリング）

Claims (4)

  1. 熱媒を蒸発させる高温蒸発器と、
    前記高温蒸発器で蒸発した熱媒の膨張力を回転力に変換するスクリュ膨張機と、
    前記スクリュ膨張機から排気された熱媒が導入される凝縮器と、
    前記凝縮器において液化された前記熱媒の少なくとも一部分を前記高温蒸発器に供給する循環ポンプと、
    前記凝縮器において液化された前記熱媒の他の部分を減圧する膨張弁と、
    前記膨張弁で減圧された冷媒を蒸発させて吸熱する低温蒸発器と、
    前記スクリュ膨張機によって駆動され、前記低温蒸発器で気化した熱媒を圧縮して前記凝縮器に供給するスクリュ圧縮機とを有し、
    前記スクリュ膨張機と前記スクリュ圧縮機とは、前記スクリュ膨張機の排気側と前記スクリュ圧縮機の吐出側とが対向するように、それぞれ共通のケーシングの中に形成されたロータ室に雌雄一対のロータを収容して構成され、
    前記スクリュ膨張機の回転軸の給気側と前記スクリュ圧縮機の回転軸の吸込側とが、前記ケーシングの外部に露出しない密閉構造とされ、
    前記スクリュ膨張機の回転軸の排気側と前記スクリュ圧縮機の回転軸の吐出側とが、前記ケーシングの内部で接続されていることを特徴とする冷凍装置。
  2. 前記ケーシングは、前記スクリュ膨張機の排気流路および前記スクリュ圧縮機の吐出流路が合流し、前記凝縮器に接続され、且つ、前記スクリュ膨張機の回転軸の排気側と前記スクリュ圧縮機の回転軸の吐出側とを接続するカップリングを収容する中間空間を画定することを特徴とする請求項１に記載の冷凍装置。
  3. 前記中間空間内に、前記スクリュ膨張機の回転力によって発電する発電機を収容したことを特徴とする請求項２に記載の冷凍装置。
  4. 前記カップリングは、前記スクリュ圧縮機と前記発電機の間に配置され、前記スクリュ膨張機の回転軸と前記スクリュ圧縮機の回転軸とを切り離し可能な電磁クラッチを含むことを特徴とする請求項３に記載の冷凍装置。
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