JP6176782B2 - 多段圧縮機及び冷凍サイクル装置 - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、多段圧縮機及び冷凍サイクル装置に関する。
従来、低段圧縮要素と高段圧縮要素とこれらの圧縮要素を仕切る仕切板とを密閉ケース内に収容し、作動流体である低圧のガス冷媒を低段圧縮要素へ供給して中間圧に圧縮し、中間圧に圧縮したガス冷媒を高段圧縮要素へ供給して高圧のガス冷媒に圧縮するようにした多段圧縮機が知られており、例えば、下記特許文献１に記載されている。
特許４７１９４３２号公報
しかしながら、特許文献１に記載された多段圧縮機では、低段圧縮要素で圧縮された中間圧のガス冷媒を高段圧縮要素に供給する手段として、低段圧縮要素の側面側と高段圧縮要素の側面側とを接続して密閉ケースの外側に配管したパイプを用いている。
このため、密閉ケースとパイプとを溶接する必要があり、多段圧縮機の製造に手間がかかるとともに製造コストがアップしている。また、低圧のガス冷媒を低段圧縮要素へ供給するパイプと、低段圧縮要素と高段圧縮要素とを接続するパイプとが干渉しないようにするため、二つのパイプの配管位置が制約を受けるという問題がある。
本発明の実施形態の目的は、低段圧縮要素で圧縮された中間圧のガス冷媒をパイプを用いることなく高段圧縮要素に供給できるとともに、作動流体が高段圧縮要素へ吸込まれる場合の吸込み損失を小さくすることができる多段圧縮機及びこの多段圧縮機を含む冷凍サイクル装置を提供することである。
実施形態の多段圧縮機は、電動機部とこの電動機部に連結された回転軸により駆動される圧縮機構部とが密閉ケース内に収容され、前記圧縮機構部が、低圧の作動流体を中間圧に圧縮する低段圧縮要素と、前記低段圧縮要素で圧縮された中間圧の前記作動流体を高圧に圧縮する高段圧縮要素と、これらの低段圧縮要素と高段圧縮要素との間を仕切る仕切板とを有する多段圧縮機において、前記仕切板は、前記回転軸の軸方向に複数に分割された分割仕切板を連結して形成され、前記仕切板の内部に前記低段圧縮要素で圧縮された中間圧の前記作動流体が導かれる仕切板内中間圧空間が形成され、前記高段圧縮要素に対向する前記仕切板の端面に前記仕切板内中間圧空間内の前記作動流体を前記高段圧縮要素に吸入させる吸入ポートが形成され、前記圧縮機構部の両側に回転軸を軸支する軸受が設けられ、前記低段圧縮要素側に位置する一方の前記軸受に前記仕切板内中間圧空間に連通された軸受内中間圧空間が形成され、前記低段圧縮要素で圧縮された中間圧の前記作動流体を前記軸受内中間圧空間内に吐出させる吐出弁装置が前記一方の軸受に設けられていることを特徴とする。
第１の実施形態における、断面で示した多段圧縮機を含む冷凍サイクル装置の構成図である。 第２の実施形態における、断面で示した多段圧縮機を含む冷凍サイクル装置の構成図である。 第３の実施形態における、断面で示した多段圧縮機を含む冷凍サイクル装置の構成図である。
（第１の実施形態）
第１の実施形態について、図１に基づいて説明する。図１に示す冷凍サイクル装置１は、圧縮機本体２と第１アキュムレータ３とを有して作動流体であるガス冷媒を圧縮する多段圧縮機４と、圧縮機本体２に接続されて圧縮機本体２から吐出された高圧のガス冷媒を凝縮して液冷媒にする凝縮器５と、凝縮器５に接続されて液冷媒を減圧する膨張装置６と、膨張装置６と第１アキュムレータ３との間に接続されて液冷媒を蒸発させる蒸発器７とを有している。第１アキュムレータ３と圧縮機本体２とは、ガス冷媒を後述する低段圧縮要素に導く吸込管８により接続されている。
圧縮機本体２は、円筒状に形成された密閉ケース９を有し、密閉ケース９内には、上部側に位置する電動機部１０と、下部側に位置する圧縮機構部１１とが収容されている。これらの電動機部１０と圧縮機構部１１とは、上下方向の中心線回りに回転する回転軸１２を介して連結されている。
電動機部１０は、圧縮機構部１１を駆動する部分であり、回転軸１２に固定された回転子１３と、密閉ケース９に固定されて回転子１３を囲む位置に配置された固定子１４とを有している。回転子１３には永久磁石（図示せず）が設けられ、固定子１４には通電用のコイル（図示せず）が巻かれている。
回転軸１２における圧縮機構部１１を挟んだ上下両側の位置には、回転軸１２を回転可能に軸支する主軸受１５と副軸受１６とが設けられている。
圧縮機構部１１は、ガス冷媒を圧縮する部分であり、低圧のガス冷媒を中間圧に圧縮する低段圧縮要素１７と、低段圧縮要素１７で圧縮された中間圧のガス冷媒を高圧に圧縮する高段圧縮要素１８とを有し、これらの低段圧縮要素１７と高段圧縮要素１８との間は仕切板１９により仕切られている。
低段圧縮要素１７は、第１シリンダ２０ａを有し、この第１シリンダ２０ａの下端側が副軸受１６により閉塞され、第１シリンダ２０ａの上端側が仕切板１９により閉塞されている。第１シリンダ２０ａ内には、第１シリンダ２０ａの上下両端を仕切板１９と副軸受１６とにより閉塞された第１シリンダ室２１ａが形成されている。第１シリンダ室２１ａ及び後述する第２シリンダ室には回転軸１２が貫通されており、回転軸１２における第１シリンダ室２１ａ内に位置する部分に第１偏心部２２ａが形成され、第１偏心部２２ａには第１ローラ２３ａが嵌合されている。第１ローラ２３ａは、回転軸１２の回転時にその外周面を第１シリンダ２０ａの内周面に線接触させながら偏心回転するように配置されている。低段圧縮要素１７は、これらの第１シリンダ２０ａ、第１偏心部２２ａ、第１ローラ２３ａ、第１シリンダ室２１ａ内を二つの空間（吸込室と圧縮室）に仕切るブレード(図示せず)等により構成されている。
高段圧縮要素１８の基本的な構成は、上述した低段圧縮要素１７と同じであり、第２シリンダ２０ｂを有し、この第２シリンダ２０ｂの下端側が仕切板１９により閉塞され、第２シリンダ２０ｂの上端側が主軸受１５により閉塞されている。第２シリンダ２０ｂ内には、第２シリンダ２０ｂの上下両端を主軸受１５と仕切板１９とにより閉塞された第２シリンダ室２１ｂが形成されている。第２シリンダ室２１ｂには回転軸１２が貫通されており、回転軸１２における第２シリンダ室２１ｂ内に位置する部分に第２偏心部２２ｂが形成され、第２偏心部２２ｂには第２ローラ２３ｂが嵌合されている。第２ローラ２３ｂは、回転軸１２の回転時にその外周面を第２シリンダ２０ｂの内周面に線接触させながら偏心回転するように配置されている。高段圧縮要素１８は、これらの第２シリンダ２０ｂ、第２偏心部２２ｂ、第２ローラ２３ｂ、第２シリンダ室２１ｂ内を二つの空間（吸込室と
圧縮室）に仕切るブレード(図示せず）等により構成されている。また、主軸受１５には
、高段圧縮要素１８において圧縮されたガス冷媒を吐出させる吐出弁装置２４と、吐出弁装置２４を覆う位置に配置されて吐出弁装置２４からガス冷媒が吐出される略カップ状のマフラ２５とが取付けられている。マフラ２５には、マフラ２５内に吐出されたガス冷媒を密閉ケース９内に流入させる連通孔２６が形成されている。
仕切板１９は、回転軸１２の軸方向に二つに分割された分割仕切板１９ａ、１９ｂを連結して形成され、仕切板１９の内部には仕切板内中間圧空間２７が形成されている。この仕切板内中間圧空間２７は、一方の分割仕切板１９ａを平板状に形成するとともに、他方の分割仕切板１９ｂに凹状の凹み部を形成し、二つの分割仕切板１９ａ、１９ｂを連結することにより形成されている。なお、各分割仕切板１９ａ、１９ｂの両方に凹状の凹み部を形成し、二つの分割仕切板１９ａ、１９ｂを連結してそれらの凹み部を合わせることにより仕切板内中間圧空間２７を形成してもよい。さらに、仕切板１９は、回転軸１２の軸方向に複数に分割して形成すればよく、三つ以上に分割して形成してもよい。
また、仕切板１９には、低段圧縮要素１７で圧縮された中間圧のガス冷媒を仕切板内中間圧空間２７内に吐出させる吐出弁装置２８が設けられている。さらに、高段圧縮要素１８に対向する仕切板１９の端面には、仕切板内中間圧空間２７内のガス冷媒を高段圧縮要素１８の第２シリンダ室２１ｂに吸入させる吸入ポート２９が形成されている。高段圧縮要素１８の第２シリンダ２０ｂには、吸入ポート２９と第２シリンダ室２１ｂとを連通させる切欠き３０が形成されている。
このような構成において、この多段圧縮機４においては、電動機部１０に通電することにより回転軸１２が中心線回りに回転し、回転軸１２の回転により圧縮機構部１１が駆動される。
圧縮機構部１１が駆動されると、第１アキュムレータ３において気液分離された低圧のガス冷媒が吸込管８を経由して低段圧縮要素１７の第１シリンダ室２１ａ内に導かれる。第１シリンダ室２１ａ内に導かれた低圧のガス冷媒は低段圧縮要素１７において圧縮され、圧縮されたガス冷媒が所定の中間圧になると吐出弁装置２８が開弁され、中間圧のガス冷媒が仕切板内中間圧空間２７内に吐出される。
仕切板内中間圧空間２７内に吐出された中間圧のガス冷媒は、第２ローラ２３ｂの回転に伴い吸入ポート２９と切欠き３０とを経由して高段圧縮要素１８の第２シリンダ室２１ｂ内に流入し、高段圧縮要素１８において圧縮され、高圧のガス冷媒となる。
高段圧縮要素１８において圧縮されたガス冷媒が所定の高圧になると、吐出弁装置２４が開弁され、高圧のガス冷媒がマフラ２５内に吐出される。マフラ２５内に吐出された高圧のガス冷媒は、連通孔２６から密閉ケース９内に流入する。
密閉ケース９内に流入した高圧のガス冷媒は、凝縮器５、膨張装置６、蒸発器７を循環し、低圧のガス冷媒となって再び低段圧縮要素１７の第１シリンダ室２１ａ内に導かれる。
仕切板１９は、回転軸１２の軸方向に二つに分割された分割仕切板１９ａ、１９ｂを連結して形成されている。このため、仕切板１９への仕切板内中間圧空間２７の形成を容易に行うことができる。さらに、仕切板１９に吐出弁装置２８を設ける作業は、二つの分割仕切板１９ａ、１９ｂを連結する前に行うことができ、仕切板１９に吐出弁装置２８を設ける作業を容易に行うことができる。
また、仕切板内中間圧空間２７と高段圧縮要素１８の第２シリンダ室２１ｂとは、仕切板１９の端面に形成された吸入ポート２９と第２シリンダ２０ｂに形成された切欠き３０とを介して連通されているため、仕切板内中間圧空間２７から第２シリンダ室２１ｂまでの流路長さを短くすることができ、中間圧のガス冷媒が仕切板内中間圧空間２７から高段圧縮要素１８へ吸込まれる場合の吸込み損失を少なくすることができる。
また、仕切板１９に設けられた吐出弁装置２８は、低段圧縮要素１７と高段圧縮要素１８との間に挟まれて位置するため、吐出弁装置２８の開閉時に発生する音を低段圧縮要素と１７と高段圧縮要素１８とにより遮音することができ、多段圧縮機４から発生する騒音を低減させることができる。
また、低段圧縮要素１７の第１シリンダ室２１ａと高段圧縮要素１８の第２シリンダ室２１ｂとを連通するためのパイプを設ける必要がなく、多段圧縮機４の製造を容易にすることができるとともに製造コストを下げることができる。
（第２の実施形態）
第２の実施形態について、図２に基づいて説明する。なお、第１の実施形態で説明した構成要素と同じ構成要素には同じ符号を付け、重複する説明は省略する。
第２の実施形態の多段圧縮機４Ａの基本的な構成は、第１の実施形態の多段圧縮機４と同じであり、多段圧縮機４Ａと多段圧縮機４との異なる点は、仕切板１９に仕切板内中間圧空間２７が形成されるとともに、副軸受１６に軸受内中間圧空間３１が形成されている点である。
軸受内中間圧空間３１は、副軸受１６の外周部にリング状の外周壁３２を形成し、この外周壁３２の端部に閉塞板３３を固定することにより形成されている。なお、リング状の外周壁３２を形成する代わりに、閉塞板３３をマフラ２５と同様に略カップ状に形成することにより軸受内中間圧空間３１を形成してもよい。
仕切板内中間圧空間２７と軸受内中間圧空間３１とは、第１シリンダ２０ａに形成された貫通路３４により連通されている。
副軸受１６には、低段圧縮要素１７で圧縮された中間圧のガス冷媒を軸受内中間圧空間３１内に吐出させる吐出弁装置３５が設けられている。
このような構成において、第２の実施形態の多段圧縮機４Ａでは、低段圧縮要素１７において圧縮されたガス冷媒が所定の中間圧になると吐出弁装置３５が開弁され、中間圧のガス冷媒が軸受内中間圧空間３１内に吐出され、吐出されたガス冷媒は貫通路３４を介して仕切板内中間圧空間２７に導かれ、軸受内中間圧空間３１と仕切板内中間圧空間２７とに充満される。軸受内中間圧空間３１と仕切板内中間圧空間２７とに充満された中間圧のガス冷媒は、第２ローラ２３ｂの回転に伴い吸入ポート２９と切欠き３０とを経由して高段圧縮要素１８の第２シリンダ室２１ｂ内に流入し、高段圧縮要素１８において圧縮され、高圧のガス冷媒となる。
この多段圧縮機４Ａでは、仕切板内中間圧空間２７と軸受内中間圧空間３１とが形成され、中間圧空間の容積が大きくなっているため、低段圧縮要素１７からのガス冷媒の吐出脈動や、高段圧縮要素１８へのガス冷媒の吸込脈動を抑制することができる。
（第３の実施形態）
第３の実施形態について、図３に基づいて説明する。なお、第１又は第２の実施形態で
説明した構成要素と同じ構成要素には同じ符号を付け、重複する説明は省略する。
第３の実施形態の多段圧縮機４Ｂの基本的な構成は、第２の実施形態の多段圧縮機４Ａと同じであり、多段圧縮機４Ｂと多段圧縮機４Ａとの異なる点は、低段圧縮要素１７で圧縮された中間圧のガス冷媒を軸受内中間圧空間３１内に吐出させる吐出弁装置３５が副軸受１６に設けられるとともに、低段圧縮要素１７で圧縮された中間圧のガス冷媒を仕切板内中間圧空間２７内に吐出させる吐出弁装置２８が仕切板１９に設けられている点である。
さらに、膨張装置６と蒸発器７との間に、第２アキュムレータ４１と２つ目の膨張装置４２とが設けられている。第２アキュムレータ４１と軸受内中間圧空間３１との間には、第２アキュムレータ４１で気液分離されたガス冷媒を軸受内中間圧空間３１を介して仕切板内中間圧空間２７内に導くインジェクション管４３が設けられている。なお、第２アキュムレータ４１で気液分離されたガス冷媒の圧力は、低段圧縮要素１７で圧縮された中間圧と略同じ圧力とされている。また、インジェクション管４３は仕切板１９に接続するようにしてもよい。
インジェクション管４３は、第１アキュムレータ３の外周部に固定され、このインジェクション管４３と吸込管８とは、圧縮機構部１１に対し、密閉ケース９の外周面の法線方向から接続されるとともに、同一の鉛直線上に上下に位置して接続されている。
このような構成において、この多段圧縮機４Ｂでは、低段圧縮要素１７において圧縮されたガス冷媒が所定の中間圧になると吐出弁装置２８、３５が開弁され、中間圧のガス冷媒が仕切板内中間圧空間２７内と軸受内中間圧空間３１内とに吐出される。吐出された中間圧のガス冷媒は、第２ローラ２３ｂの回転に伴い吸入ポート２９と切欠き３０とを経由して高段圧縮要素１８の第２シリンダ室２１ｂ内に流入し、高段圧縮要素１８において圧縮され、高圧のガス冷媒となる。
この多段圧縮機４Ｂでは、低段圧縮要素１７からの中間圧のガス冷媒の吐出が、低段圧縮要素１７の両端側に位置する二つの吐出弁装置２８、３５から行われる。このため、各吐出弁装置２８、３５からのガス冷媒の吐出量が少なくなり、ガス冷媒が吐出弁装置２８、３５を通過する際の抵抗損失が小さくなり、多段圧縮機４Ｂの圧縮性能を高めることができる。
また、この多段圧縮機４Ｂでは、第２アキュムレータ４１が設けられ、第２アキュムレータ４１で気液分離された中間圧のガス冷媒をインジェクション管４３を介して軸受内中間圧空間３１内に導くことにより、多段圧縮機４Ｂの圧縮性能を高めることができる。
インジェクション管４３と吸込管８とは、圧縮機構部１１に対し、密閉ケース９の外周面の法線方向から接続されるとともに、同一の鉛直線上に上下に位置して接続されているため、これらのインジェクション管４３と吸込管８との接続箇所を自動溶接することが可能となり、多段圧縮機４Ｂの製造性を向上させることができる。
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
１…冷凍サイクル装置、４…多段圧縮機、４Ａ…多段圧縮機、４Ｂ…多段圧縮機、５…凝縮器、６…膨張装置、７…蒸発器、８…吸込管、９…密閉ケース、１０…電動機部、１１…圧縮機構部、１２…回転軸、１５…主軸受（軸受）、１６…副軸受（軸受）、１７…低段圧縮要素、１８…高段圧縮要素、１９…仕切板、１９ａ…分割仕切板、１９ｂ…分割仕切板、２７…仕切板内中間圧空間、２８…吐出弁装置、２９…吸入ポート、３１…軸受内中間圧空間、３５…吐出弁装置、４１…第２アキュムレータ、４３…インジェクション管

Claims (4)

  1. 電動機部とこの電動機部に連結された回転軸により駆動される圧縮機構部とが密閉ケース内に収容され、前記圧縮機構部が、低圧の作動流体を中間圧に圧縮する低段圧縮要素と、前記低段圧縮要素で圧縮された中間圧の前記作動流体を高圧に圧縮する高段圧縮要素と、これらの低段圧縮要素と高段圧縮要素との間を仕切る仕切板とを有する多段圧縮機において、
    前記仕切板は、前記回転軸の軸方向に複数に分割された分割仕切板を連結して形成され、前記仕切板の内部に前記低段圧縮要素で圧縮された中間圧の前記作動流体が導かれる仕切板内中間圧空間が形成され、前記高段圧縮要素に対向する前記仕切板の端面に前記仕切板内中間圧空間内の前記作動流体を前記高段圧縮要素に吸入させる吸入ポートが形成され、
    前記圧縮機構部の両側に回転軸を軸支する軸受が設けられ、前記低段圧縮要素側に位置する一方の前記軸受に前記仕切板内中間圧空間に連通された軸受内中間圧空間が形成され、前記低段圧縮要素で圧縮された中間圧の前記作動流体を前記軸受内中間圧空間内に吐出させる吐出弁装置が前記一方の軸受に設けられていることを特徴とする多段圧縮機。
  2. 前記低段圧縮要素で圧縮された中間圧の前記作動流体を前記仕切板内中間圧空間内に吐出させる吐出弁装置が前記仕切板に設けられていることを特徴とする請求項１記載の多段圧縮機。
  3. 低圧の作動流体を前記低段圧縮要素に導く吸込管と、
    中間圧の作動流体を前記仕切板内中間圧空間に導くインジェクション管と、
    が設けられ、
    前記吸込管と前記インジェクション管とは前記圧縮機構部に対し、前記密閉ケースの外周面の法線方向から接続されるとともに、同一の鉛直線上に位置して接続されていることを特徴とする請求項１又は２記載の多段圧縮機。
  4. 請求項１ないし３のいずれか一項に記載の多段圧縮機と、前記多段圧縮機に接続される凝縮器と、前記凝縮器に接続される膨張装置と、前記膨張装置と前記多段圧縮機との間に接続される蒸発器とを備えることを特徴とする冷凍サイクル装置。
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