JP5553628B2 - 往復動型圧縮機を具えてなるヒートポンプ装置 - Google Patents
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Description
より具体的には往復動型圧縮機において該圧縮機内部での吸入ガスの加熱を抑え、冷凍能力(体積効率)を向上させると共に、冷却水を使用しない往復動型圧縮機を用いた高効率ヒートポンプ装置や冷凍装置を提供できるようにすることを目的とする。
より具体的には、本発明の往復動型圧縮機を具えてなるヒートポンプ装置は、
冷媒循環路にシリンダ上部組立体に吸入弁を介してシリンダと連通する吸入室と、吐出弁を介してシリンダと連通する吐出室とを備えてなる往復動型圧縮機と、凝縮器と、膨張弁及び蒸発器を介設したヒートポンプサイクルを構成してなり、
前記往復動型圧縮機は、吐出ガスを凝縮して得られた冷媒液の一部を受け入れる冷媒液供給口を吐出室又は該吐出室に連通した吐出空間に設け、該冷媒液供給口を介して該吐出室又は吐出空間に冷媒液を受け入れ、冷媒液の蒸発潜熱により該吐出室又は吐出空間を冷却するように構成した往復動型圧縮機であって、
前記ヒートポンプサイクルの凝縮器で凝縮した冷媒液の一部を前記往復動型圧縮機のシリンダ上部組立体に設けられた吐出室又は該吐出室に連通した吐出空間に戻す冷媒液戻し流路を設け、
該冷媒液戻し流路を介して該吐出室又は吐出空間に冷媒液の一部を供給し、冷媒液の蒸発潜熱により該吐出室又は吐出空間を冷却するように構成したものである。
したものである。
このように、冷媒の蒸発潜熱で吐出室又は該吐出室に連通した吐出空間を冷却でき、冷却水等を使用しないため、砂漠地帯など冷却水がない所でも適用できる。そのため、低コストで環境問題も起こらない。
高段圧縮機の該吐出室又は吐出空間に凝縮器で凝縮した熱媒液の一部を供給する場合は、高段圧縮機の該吐出室又は吐出空間と凝縮器は同一圧力であるので、熱媒液戻し流路に例えば液ポンプ等の増圧機を介設する必要がある。
これによって、低段圧縮機及び高段圧縮機の両方の吸入ガスを冷却できる。
これによって、冷媒循環路を凝縮器から膨張弁に向う冷媒液を、該冷媒液熱交換器で低段圧縮機から吐出され冷却された冷媒ガスで冷却するようにしているので、冷凍装置等のヒートポンプ装置の能力を向上できる。
前記冷媒液熱交換器を冷媒液戻し流路又は第2の冷媒液戻し流路の上流側の冷媒循環路に介設し、該冷媒液熱交換器で冷却した冷媒液の一部を冷媒液戻し流路又は第2の冷媒液戻し流路に供給するように構成してもよい。
これによって、該冷媒液熱交換器で冷却された冷媒液を低段圧縮機又は高段圧縮機の該吐出室又は吐出空間に供給できるので、吐出ガスの冷却効果をさらに高める高段圧縮機とができる。
凝縮器で凝縮した冷媒液の一部を往復動型圧縮機のシリンダ上部組立体に設けられた吐出室又は該吐出室に連通した吐出空間に戻す冷媒液戻し流路を設け、該冷媒液戻し流路を介して該吐出室又は吐出空間に冷媒液の一部を供給し、冷媒液の蒸発潜熱により該吐出室又は吐出空間を冷却するように構成したことにより、往復動型圧縮機の吐出室又は該吐出室に連通した吐出空間から吸入室又は該吸入室に連通した吸入空間への伝熱を抑制して、シリンダに吸入される前の吸入ガスの温度上昇と体積膨張を抑え、往復動圧縮機の体積効率の低下を防止できる。これによって、NH3等比熱比の大きな冷媒を用いた場合であっても、ヒートポンプ装置の能力低下を防止できる。また、冷却水等を使用しないため、砂漠地帯など冷却水がない所でも適用でき、低コストで環境汚染も起こらない。
本発明を冷凍装置に適用した第1実施形態を図1〜図3に基づいて説明する。図1は本実施形態に係る(往復動型圧縮機3が単段機の例)冷凍装置の系統図である。
図1において、冷凍装置1は、冷媒としてNH3を用いる冷媒循環路2を備え、該冷媒循環路2に、往復動型圧縮機3と、往復動型圧縮機3の下流側に順に、油分離器4と、凝縮器5と、受液器6と、膨張弁7と、蒸発器8とが介設されて、冷凍サイクルを構成している。
尚、本実施例においては、凝縮器5に空冷凝縮器を、又往復動型圧縮機3の潤滑油の冷却高圧液式又は直膨式オイルクーラー(不図示)を用いることにより冷却水を使用しない往復動型圧縮機の高効率のヒートポンプ装置や冷凍装置が可能となる。
更に本実施例においては、往復動型圧縮機3に対して受液器6の位置を重力方向に上方に高くして液ヘッドをつけることにより、液ポンプ11を省くことも可能である。(下記の他の実施例についても同様である。)
図2において、シリンダ21の内部にピストン22が摺動自在に配置されている。シリンダ21はシリンダ外包体23に装着されている。シリンダ外包体23の上部にはバルブプレート31が配置され、バルブプレート31の開口31aは、シリンダ21の上部開口に合わせて配置されている。バルブプレート31に空洞部が穿設され、該空洞部にリング形をなす板状の吸入弁25とその上方に筍スプリング26が収納されている。
また、本実施形態では、冷媒液の蒸発潜熱と断熱性ガスケット19によって吸入ガスの温度上昇を抑えており、冷却水等を必要としないので、砂漠地帯でも適用可能であり、しかも環境汚染を生じない利点がある。
加えて、シリンダ外包体23で複数のシリンダ21の間に断熱空間iを設けているので、さらに断熱効果を向上させることができる。
次に、本発明の冷凍装置に係る第2実施形態(往復動型圧縮機3a、3bが組合せ二段機及び単機二段機の場合で、二段圧縮一段膨張において受液器6と蒸発器8入口側の膨張器7との間の冷媒経路2aに中間冷却器を用いていない例である。)を図4に基づいて説明する。図4において、本実施形態の冷凍装置は、往復動圧縮機が低段圧縮機3aと高段圧縮機3bとからなる2段圧縮機で構成されている。低段圧縮機3a及び高段圧縮機3bのシリンダ上部組立体の構成は、図2及び図3に示す前記第1実施形態の構成と同一である。
受液器6から出た冷媒液は冷媒循環路2aを通って膨張弁7に至る。膨張弁7で減圧された冷媒液は、蒸発器8で負荷から蒸発潜熱を奪って蒸発し、蒸発した冷媒ガスは、低段圧縮機3aの吸入室305に吸入される。吸入室305に吸入された冷媒ガスは、吸入弁304を介してシリンダ301に吸入され、シリンダ301で圧縮される。
高段圧縮機3bの吸入室305に吸入された冷媒ガスは、高段圧縮機3bのシリンダ301内で圧縮され、吐出室303から冷媒循環路2cに吐出される。冷媒循環路2cに吐出された冷媒ガスは、油分離器4bで潤滑油を分離された後、凝縮器5で放熱して凝縮する。
また、図2及び図3に示すように、低段圧縮機3a及び高段圧縮機3bのシリンダヘッド20には、バルブプレート31とシリンダ外包体23との間に断熱性ガスケット39を介装しているので、断熱性ガスケット39によって吐出室36から吸入室24への熱伝達を抑制できる。
次に本発明に係る冷凍装置の第3実施形態(二段圧縮機3a、3bの一段膨張において中間冷却器61を用いる場合の1で、中間冷却器61は受液器6よりの冷媒液を伝熱管61aを通して膨張弁7及び蒸発器8へ送り、中間冷却器61では冷媒液の膨張はさせていない。)を図5に基づいて説明する。図5において、本実施形態では、受液器6の下流側で冷媒循環路2aに液ガス熱交換器61を介在させ、液ガス熱交換器61に油分離器4aの下流側の冷媒循環路2bを接続している。そして、受液器6から出た冷媒液と油分離器4aの下流側の吐出冷媒ガスとを液ガス熱交換器61で熱交換させ、該吐出冷媒ガスによって該冷媒液を冷却するようにしている。その他の構成は、図4に示す前記第2実施形態と同一である。同一構成の部材又は機器には、第2実施形態と同一の符号を付しており、それらの説明を省略する。
本実施例の高段側往復圧縮機3bについては、ヘッドカバー(吐出室303)内への液インジェクション(噴射ノズル306)を省きヘッドカバーを水冷にしてもよく、又は温度条件により空冷にしてもよい。
次に本発明の冷凍装置に係る第4実施形態(二段圧縮機3a、3bの一段膨張において中間冷却器61を用いる場合の2で、中間冷却器61に関しては第3実施形態と同様な構成である。)を図6に基づいて説明する。図6において、本実施形態では、液ガス熱交換器61の下流側で冷媒出口管路70から分岐路71を分岐させ、分岐路71を低段圧縮機3aの吐出室303に接続している。その他の構成は、前記第3実施形態と同一であるので、同一の部材又は機器の説明を省略する。
分岐路71の末端は低段圧縮機3aの吐出室303内に配設された噴射ノズル306に接続されており、吐出室303の構成も前記第1〜第3実施形態と同一である。
又、本実施例においても、高段側往復圧縮機3bについては、ヘッドカバー(吐出室303)内への液インジェクション(噴射ノズル306)を省きヘッドカバーを水冷にしてもよく、又は温度条件により空冷にしてもよいことは前記実施例と同様である。
次に、本発明の冷凍装置に係る第5実施形態を図7(二段圧縮機3a、3bの一段膨張において中間冷却器81を用いる場合の3で、中間冷却器81内を、膨張弁83により冷媒液を液噴射して強制冷却している。)に基づいて説明する。本実施形態は、図6に示す前記第4実施形態の液ガス熱交換器61を中間冷却器81に置き換えたものであり、中間冷却器81廻り以外の他の構成は第4実施形態と同一である。中間冷却器81では、中間冷却器81の上流側で冷媒循環路2aから分岐する分岐路82を設け、分岐路82に膨張弁83を介設している。
又、中間冷却器81の伝熱管路81aの熱交換された冷媒液は、出口側管路70を介して膨張弁7に導かれる。
又、液ガス熱交換器61の下流側で冷媒出口管路70から分岐路71を分岐させ、分岐路71を低段圧縮機3aの吐出室303に接続している。
次に、本発明の冷凍装置に係る第6実施形態(二段圧縮二段膨張の場合で、本実施例は中間冷却器91を設け、受液器6よりの冷媒液は膨張弁92より、中間冷却器91内の膨張空間91aに噴出され、その下方の液空間に受液した冷媒液を膨張弁7を介して蒸発器8に導かれ、これにより二段膨張が可能となる。)を図8に基づいて説明する。本実施形態は、図5に示す第3実施形態と比べて、第3実施形態の液ガス熱交換器61を中間冷却器91と置き換えたものである。そして、中間冷却器91の上流側の冷媒循環路2aに膨張弁92を介設している。その他の構成は第3実施形態と同一である。
また、図7に示す第5実施形態と比べて、中間冷却器91の内部に配設される伝熱管が不要となり、設備コストを低減することができる。
次に、本発明の冷凍装置に係る第7実施形態を図9に基づいて説明する。図9は、本発明の冷凍装置に組み込まれた往復動型圧縮機のシリンダ上部組立体100を示す。本実施形態の往復動型圧縮機は、2個のシリンダが対になって構成されている。
図9において、シリンダ101の内部にピストン102が摺動自在に配置されている。シリンダ101はシリンダ外包体103に装着されている。シリンダ外包体103の上部にはバルブプレート111が配置され、バルブプレート111の開口111aが、シリンダ101の上部開口と同心上に配置されている。バルブプレート111に空洞部が穿設され、該空洞部にリング形をなす板状の吸入弁105とその上方に筍スプリング106が収納されている。
バルブケージ112には吐出ガス通路116aが穿設されるとともに、バルブケージ112に筍スプリング117が装着され、筍スプリング117の下方に、吐出ガス通路116aに面してリング形をなす板状の吐出弁118が装着されている。
ピストン102が上昇してシリンダ101の吐出ガス圧が大きくなると、吐出ガスg2が吐出弁118を押し上げて吐出ガス通路116aに吐出する。
吐出ガス通路116aから吐出室116に吐出された冷媒ガスg2は、シリンダ外包体103に形成された通路107を通って、冷媒循環路に送られる。通路107は、吸入室104及び吸入ガス通路104aとシリンダ外包体103の隔壁を隔てて隣接配置されている。
ヘッドカバー121の表面には冷却水ジャケット124で被覆されて密閉された冷却水充填空間125を形成している。冷却水ジャケット124に冷却水供給孔124aが設けられ、冷却水供給孔124aから冷却水wが充填される。
通路107は吸入室104及び吸入ガス通路104aとシリンダ外包体103の隔壁を隔てて隣接配置されているが、通路107に噴射ノズル123bで冷媒液を噴霧し、吐出ガスの温度上昇を抑えているので、通路107を通る冷媒ガスによって吸入室104及び吸入ガス通路104aを通る吸入ガスが加温するのを抑えることができる。
本発明の冷凍装置に係る第8実施形態を図10に基づいて説明する。図10において、
本実施形態は、図1〜図3に示す前記第1実施形態と比べて、冷凍装置1の受液器6の下流側で冷媒液を分岐する分岐路9をなくすと共に、単段の往復動型圧縮機3の吐出室303内では、分岐管路9を接続しておらず、かつ噴射ノズル306を装着していない。その他の構成は第1実施形態と同一である。
これによって、シリンダ21に吸入される前の吸入ガスの昇温を抑えることができるので、往復動型圧縮機の体積効率の低下を抑え、冷凍装置1の冷凍能力を維持できる。
次に、本発明の冷凍装置に係る第9実施形態を図12(二段圧縮機3a、3bの一段膨張において中間冷却器81を用いる場合で、中間冷却器81内を、膨張弁83により冷媒液を液噴射して強制冷却しているとともに、受液器6の常温液冷媒を低段圧縮機3aの吐出室303に供給している図である。)に基づいて説明する。本実施形態は、図7に示す前記第5実施形態の中間冷却器81廻り以外の他の構成は第5実施形態と同一である。受液器6出口側の冷媒循環路2aは中間冷却器81を通す経路2aと該経路2aを分岐して中間冷却器81をバイパスする経路2b及び71aが設けられ、受液器6の常温液冷媒を低段圧縮機3aの吐出室303のノズル306に接続している。
特にバルブ等で液封状態において外部から熱侵入があると液膨脹を起こして配管部の弱いところから破壊が生じる恐れがあるが、本実施例では中間冷却器81を通す経路2aと該経路2aを分岐して中間冷却器81をバイパスする経路2b及び71aが設けられて、受液器6の常温液冷媒を低段圧縮機3aの吐出室303に直接導いているので、前記した課題が解決出来る。
そして更に、圧縮機内部での吸入ガスの温度上昇を抑え且つ冷却水を使用しないことも可能とした往復動型圧縮機の高効率のヒートポンプ装置や冷凍装置を得ることが出来る。
Claims (10)
- 冷媒循環路にシリンダ上部組立体に吸入弁を介してシリンダと連通する吸入室と、吐出弁を介してシリンダと連通する吐出室とを備えてなる往復動型圧縮機と、凝縮器と、膨張弁及び蒸発器を介設したヒートポンプサイクルを構成してなり、
前記往復動型圧縮機は、吐出ガスを凝縮して得られた冷媒液の一部を受け入れる冷媒液供給口を吐出室又は該吐出室に連通した吐出空間に設け、該冷媒液供給口を介して該吐出室又は吐出空間に冷媒液を受け入れ、冷媒液の蒸発潜熱により該吐出室又は吐出空間を冷却するように構成した往復動型圧縮機であって、
前記ヒートポンプサイクルの凝縮器で凝縮した冷媒液の一部を前記往復動型圧縮機のシリンダ上部組立体に設けられた吐出室又は該吐出室に連通した吐出空間に戻す冷媒液戻し流路を設け、
該冷媒液戻し流路を介して該吐出室又は吐出空間に冷媒液の一部を供給し、冷媒液の蒸発潜熱により該吐出室又は吐出空間を冷却するように構成したことを特徴とする往復動型圧縮機を具えてなるヒートポンプ装置。 - 前記往復動型圧縮機は、前記吐出室又は吐出空間に冷媒液供給口に連通した噴射ノズルを設け、冷媒液を該噴射ノズルを介して該吐出室又は吐出空間に噴射するように構成した往復動型圧縮機であることを特徴とする請求項1に記載のヒートポンプ装置。
- 前記往復動型圧縮機は、吸入室と吐出室間に断熱材を介装し、吸入室と吐出室間の伝熱を遮断するように構成したことを特徴とする請求項1に記載の往復動型圧縮機を具えてなるヒートポンプ装置。
- 前記往復動型圧縮機のシリンダ上部組立体を、
シリンダを遮蔽し吐出ガス通路を形成すると共に、該吐出ガス通路に吐出弁を設けた遮蔽板と、
該遮蔽板の上方を覆って吐出室を形成したヘッドカバーと、
該遮蔽板の下方に配置されシリンダを内包するとともに吸入弁を内蔵したバルブプレートと、
該バルブプレートの下方に配置され吸入室を形成したシリンダ外包体とで構成するとともに、
バルブプレートとシリンダ外包体との間に板状の断熱性ガスケットを介装し、
バルブプレート及び断熱性ガスケットを拡径してバルブプレート及び断熱性ガスケットの外周端縁部を前記ヘッドカバーとシリンダ外包体の接合部で両側から挟持固定したことを特徴とする請求項1に記載の往復動型圧縮機を具えてなるヒートポンプ装置。 - 前記往復動型圧縮機は、シリンダ外包体が複数のシリンダを内包し、該複数のシリンダで挟まれる領域で断熱性ガスケットとの間に断熱空間を形成されてなることを特徴とする請求項1に記載の往復動型圧縮機を具えてなるヒートポンプ装置。
- 前記往復動型圧縮機が、低段圧縮機と高段圧縮機とからなり、高段圧縮機から吐出され凝縮器で凝縮した冷媒液の一部を低段圧縮機の吐出室又は該吐出室に連通した吐出空間に戻す冷媒液戻し流路を設け、
該冷媒液戻し流路を介して低段圧縮機の該吐出室又は吐出空間に冷媒液の一部を供給するように構成した往復動型圧縮機であることを特徴とする請求項1記載のヒートポンプ装置。 - 前記高段圧縮機から吐出され凝縮器で凝縮した冷媒液の一部を高段圧縮機の前記吐出室又は吐出空間に戻す第2の冷媒液戻し流路を設けると共に、該第2の冷媒液戻し流路に増圧機を介設し、
第2の冷媒液戻し流路を介して高段圧縮機の該吐出室又は吐出空間に冷媒液の一部を供給するように構成したことを特徴とする請求項6に記載のヒートポンプ装置。 - 前記凝縮器と膨張弁間の冷媒循環路に冷媒液熱交換器を介設し、該冷媒液熱交換器に低段圧縮機から吐出した冷媒ガスを高段圧縮機の前記吸入室又は吸入空間に導く冷媒循環路を接続して、凝縮器から出た冷媒液を低段圧縮機から吐出された冷媒ガスで冷却するように構成したことを特徴とする請求項7に記載のヒートポンプ装置。
- 前記凝縮器と膨張弁間の冷媒循環路に冷媒液熱交換器を介設し、該冷媒液熱交換器に低段圧縮機から吐出した冷媒ガスを高段圧縮機の前記吸入室又は吸入空間に導く冷媒循環路を接続して、凝縮器から出た冷媒液を低段圧縮機から吐出された冷媒ガスで冷却するように構成し
前記冷媒液熱交換器を冷媒液戻し流路又は第2の冷媒液戻し流路の上流側の冷媒循環路に介設し、該冷媒液熱交換器で冷却した冷媒液の一部を冷媒液戻し流路又は第2の冷媒液戻し流路に供給するように構成したことを特徴とする請求項6に記載のヒートポンプ装置。 - 前記凝縮器と膨張弁間の冷媒循環路に中間冷却器を介設し、該中間冷却器に低段圧縮機から吐出した冷媒ガスを高段圧縮機の前記吸入室又は吸入空間に導く冷媒循環路を接続し、
該中間冷却器で凝縮器から出た冷媒液の一部を蒸発させることにより、凝縮器から出た他の冷媒液及び低段圧縮機から吐出された冷媒ガスを冷却するように構成したことを特徴とする請求項6に記載のヒートポンプ装置。
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