JP6584528B2 - 経済的な往復圧縮機 - Google Patents

Description

本開示は、蒸気圧縮システムに関する。より詳細には、本開示は、経済的な往復圧縮機に関する。

（関連出願の相互参照）
２０１５年５月１３日に出願された、「経済的な往復圧縮機」と題された米国特許出願第６２／１６０，８０３号の利益を主張するものであり、その開示はあたかもそのまま記載されるかのように参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

種々の経済的な往復圧縮機が提案されている。一例では、２段のシリンダを順次通過する冷媒の主流及び段間で導入されているエコノマイザ流で段階的な圧縮が行われる。この多段圧縮は、（蒸発器からの冷媒流が２組の弁及び２組のピストン（第１段階と第２段階）を通過する必要があるため）さらなる弁流量の損失と摩擦をもたらす。多段圧縮は、２段のうちの１段だけが圧縮機吸気ポートを介して冷媒を蒸発器から圧縮機に吸入するので冷却能力も制限する。

別の近年の提案は、シリンダのバンクを隔離することを含む。したがって、あるバンクの吸気口が圧縮機の吸気ポートにある一方で、別のバンクの吸気口は圧縮機のエコノマイザポートにあり、両方が圧縮機の排出ポートに排出される。２バンク構成では、上記の関係により、吸入体積流量とエコノマイザ体積流量は約１：１の比になる。２つのバンクが吸気ポートから吸い出される３バンクの状況では、約２：１の比になる。このような吸入流の吸気口とエコノマイザポートの吸気口の低い比率は、作業効率の低下及び容量の減少をもたらすため望ましくない。

本開示の１つの態様は、複数のシリンダを有する第１のシリンダバンクと、シリンダヘッドと、吸気ポートと、排出ポートと、エコノマイザポートとを画定するケースと、それぞれが個別にシリンダの１つに関連付けられた複数のピストンと、クランクシャフト軸を中心に回転するようにケースによって保持され、ピストンに結合されるクランクシャフトとを備える圧縮機を含む。第１のシリンダバンクのシリンダヘッドは、第１の吸引室と、第２の吸引室と、単一の排出室とに分割される。第１のシリンダバンクの第１の吸引室は、吸気ポートに結合される。第１のシリンダバンクの第２の吸引室は、エコノマイザポートに結合される。第１のシリンダバンクの排出室は、排出ポートに結合される。

他の実施形態のいずれかの１つまたは複数の実施形態では、エコノマイザポートは、第１のシリンダヘッド上にある。

他の実施形態のいずれかの１つまたは複数の実施形態では、エコノマイザポート及び排出ポートは、第１のシリンダヘッド上にある。

本開示の別の態様では、ケースが、複数のシリンダを有する第２のシリンダバンク及び、第２のシリンダバンク用のシリンダヘッドをさらに画定する、圧縮機を含む。第２のシリンダバンクのシリンダヘッドは、単一の吸引室と、単一の排出室とに分割される。第２のシリンダバンクの吸引室は、吸気ポートに結合される。第２のシリンダバンクの排出室は、排出ポートに結合される。

他の実施形態のいずれかの１つまたは複数の実施形態では、第１のシリンダバンク及び第２のシリンダバンクは、同一のバルブプレートを有する。

他の実施形態のいずれかの１つまたは複数の実施形態では、第１のシリンダバンクの第１のシリンダ及び第２のシリンダバンクのシリンダが第１の変位を有する。第２の吸引室に関連する第１のシリンダバンクの第２のシリンダは、第１の変位とは異なる第２の変位を有する。

他の実施形態のいずれかの１つまたは複数の実施形態では、第１のシリンダバンクの第１の吸引室及び第２のシリンダバンクの吸引室が、圧縮機のサンプを介して吸気ポートに結合される。

他の実施形態のいずれかの１つまたは複数の実施形態では、ケースは、第３のシリンダバンクを画定する。

他の実施形態のいずれかの１つまたは複数の実施形態では、ケースは、単一の吸引室と単一の排出室に分割されたヘッドを有する第３のシリンダバンクを画定する。

他の実施形態のいずれかの１つまたは複数の実施形態では、第３のシリンダバンクの吸引室が吸気ポートに結合され、第３のバンクの排出室が排出ポートに結合される。

他の実施形態のいずれかの１つまたは複数の実施形態では、第１、第２、及び第３のシリンダバンクが、それぞれ正確に２つのシリンダを有する。

他の実施形態のいずれかの１つまたは複数の実施形態では、第２のシリンダバンクが中央のシリンダバンクである。第１のシリンダバンクの排出室及び第３のシリンダバンクの排出室が、第２のシリンダバンクの排出室を介して排出ポートに結合される。

他の実施形態のいずれかの１つまたは複数の実施形態では、圧縮機を使用する方法は、第１の流れを吸気ポートに通すことと、第２の流れをエコノマイザポートに通すことと、第１の流れを第１のシリンダバンクの第１の吸引室及び第２のシリンダバンクの吸引室へのそれぞれの第１及び第２の分岐流に分割することと、第１の分岐流を第１のシリンダバンクの第１のシリンダを通して第１のシリンダバンクの排出室に通すことと、第２の分岐流を第２のシリンダバンクのシリンダを通して第１のシリンダバンクの排出室に平行に通すことと、第２の流れを第１のシリンダバンクの第２のシリンダを通して第１のシリンダバンクの排出室に通すことと、第１のシリンダバンクの排出室及び第２のシリンダバンクの排出室からの複合流を排出ポートから排出することとを含む。

他の実施形態のいずれかの１つまたは複数の実施形態では、クランクシャフトを回転駆動させるために、電気モーターがクランクシャフトに結合される。

他の実施形態のいずれかの１つまたは複数の実施形態では、第１の吸引室と第２の吸引室との間の第１のシリンダバンクのシリンダヘッドの壁は、第１のシリンダバンクの排出室と第１のシリンダバンクの第１及び第２の吸引室との間の壁と交差する。

他の実施形態のいずれかの１つまたは複数の実施形態では、第１のシリンダバンクのシリンダヘッドの一部が、第１のシリンダバンクの第２の吸引室と第１のシリンダヘッドのバルブプレート内のポートとの連通を遮断し、ポートは圧縮機のサンプと連通する。

他の実施形態のいずれかの１つまたは複数の実施形態では、第１のシリンダバンクのシリンダヘッドの一部は、第１のシリンダバンクの排出室と第１のシリンダバンクの第２の吸引室を分割する別の壁と交差する壁である。

他の実施形態のいずれかの１つまたは複数の実施形態では、システムは、圧縮機を備え、さらに、放熱用熱交換器と、膨張装置と、吸熱用熱交換器と、排出ポートから放熱用熱交換器、膨張装置、及び吸熱用熱交換器を順次通って吸気ポートに戻る冷媒流路と、冷媒流路から分岐してエコノマイザポートに戻るエコノマイザ流路とを備える。

１つまたは複数の実施形態の詳細は、添付の図面及び以下の説明に記載されている。その他の特徴、目的、及び利点は、説明及び図面から、ならびに特許請求の範囲から明らかになるであろう。

蒸気圧縮システムの概略図である。 圧縮機の部分概略垂直断面図である。 従来技術のバルブプレートの平面図である。 ３バンク圧縮機の交差流を示す部分横断概略断面図である。 従来技術のヘッドのガスケットの平面図である。 経済的なヘッドのガスケットの平面図である。 経済的なヘッドの等角図である。 第２の従来技術のヘッドのガスケットの下側の平面図である。 第２の経済的なヘッドのガスケットの下側の平面図である。 第２の経済的なヘッドの等角図である。

様々な図面における同様の参照番号及び名称は同様の要素を示す。

図１は、通常運転モードで再循環主流路２４に沿って冷媒流を駆動する圧縮機２２を有する蒸気圧縮システム２０を示す。圧縮機は、吸気ポート２６及び排出ポート２８を有する。圧縮機は、エコノマイザポート３０をさらに備える。圧縮機は、ポートが形成されている３２として概略的に示されたハウジングを有する。

通常運転モードでは、主冷媒流路２４は、排出ポート２８から下流の第１の熱交換器４０（例えば、放熱用熱交換器として働く凝縮器またはガス冷却器）、膨張装置４２（例えば、電子膨張弁など）、及び第２の熱交換器４４（例えば、放熱用熱交換器として働く蒸発器）を順に進み、吸気ポート２６に戻る。

図１はさらに、接合部５２で主流路２４から分散／分岐し、最終的にエコノマイザポート３０に戻るエコノマイザ流路としての分岐流路５０を示す。例示的なエコノマイザでは、エコノマイザ熱交換器６０は、主流路からエコノマイザ流路に熱を伝達するため互いに熱的と連通している、接合部５２の下流の主流路及びエコノマイザ流路に配置される。このために、エコノマイザ熱交換器６０は、互いに熱交換関係にある主冷媒流路に沿った脚部６２及びエコノマイザ流路に沿った脚部６４を有する。脚部６２は、膨張装置４２の上流にあり、脚部６４は、エコノマイザ流路に沿って膨張装置６６（例えば、電子膨張弁など）の下流にある。別のエコノマイザには、フラッシュ・タンク・エコノマイザが含まれる。

図１は、複数のシリンダをさらに画定するように例示的なハウジング３２を概略的に示す。図示例では、３つのシリンダバンク７０、７２、及び７４がある。各例示的なバンクは、２つのシリンダ、７６と７７、７８と７９、８０と８１を有する。各シリンダは、１つまたは複数の吸気ポートまたは吸引ポート９０及び排出ポートまたは出口ポート９２（例えば、圧縮機全体の吸気ポート２６及び排出ポート２８に追加されたバルブプレート内などの圧縮機内部ポート）を有する。バンクの各ヘッド１００、１０２、１０４は、排出ポートと連通する１つまたは複数の排出室を、吸気ポートと連通する１つまたは複数の吸引室または吸気室から分離する。従来の方法では、第２及び第３のヘッドはそれぞれ、単一の吸引室１２０、１２２及び単一の排出室１２４、１２６を画定する。本発明の圧縮機の再設計の基礎となる基準圧縮機では、第１のバンクは同様の配置を有し得る。例示的な圧縮機の第１のバンク７０のヘッド１００は、その基準排出室１２８を保持するが、単一の吸引室となり得た場所を第１のシリンダ７６の吸気ポートと連通する第１の吸引室１３０と、第２のシリンダ７７の吸気ポートと連通する第２の吸引室１３２とに分割する。これは、基準ヘッドの単一の吸引室になり得た場所を横切る分割壁１３４を追加することによって達成され得る。以下でさらに説明するように、この構成により、第１のバンクの第２のシリンダにはエコノマイザポートを介して送り込まれる一方、圧縮機の残りのシリンダには吸気ポートから送り込まれる。したがって、第２のシリンダ吸引室１３２は、エコノマイザ室と呼ばれることがある。これにより、吸入流とエコノマイザ流の比は約５：１になる。これは、（３バンク圧縮機の）バンク全体が、エコノマイザポートから送り込まれ、２：１の比となる状況とは対照的であり得る。

例示的な基準圧縮機では、圧縮機吸気ポート２６はサンプ１４０と連通し、サンプを介して吸引室と連通している。この連通は、（例えば、シリンダのボアを画定する）シリンダケースを通って外側に延びる１つまたは複数の通路によって提供され得る。この例では、バンクの両端に２つの通路１４２、１４４がある。第１のバンクの再設計では、第２の通路１４４は除去される（例えば、以下に説明するように、その通路の一部分は除去され、他の部分は議論の余地が残っている）。この通路は、シリンダケースを通って、またはエコノマイザポート３０からヘッドに直接延び得る通路１５０と置き換えられる。

例示的な基準圧縮機では、圧縮機排出ポート２８は、通路１６０を介して第２のバンクの排出室１２６に結合される。通路１６０は単にヘッド１０２内にあり得る。第１のバンクの排出室１２８及び第３のバンクの排出室１７６は、それぞれの通路１６２、１６４（交差通路）を介して第２のバンクの排出室１２４に結合される。

圧縮機の例示的なレイアウトは、３つのバンクがクランク軸の周りに円周方向に間隔をおいて配置され、各バンクのシリンダが軸方向に間隔をおいて一般に半径方向外側に面しているＷレイアウトである。例示的な配置は、バンク１２６を３つのバンクの近接するグループの中央に配置する。

図２は、中央縦軸５００を中心に回転するためにケースに保持されたクランクシャフト２０２を駆動するモーター２００を有する圧縮機を示す。例示的な図は、第２のシリンダバンクを通る単純化された垂直断面図である。

図３は、シリンダバンクのうちの１つのバンクのシリンダケースとヘッドとの間に介在するバルブプレート１５２を示す。２つの例示的なシリンダの各々について、吸気ポートは３つの開口部を含み、排出ポートは３つの開口部を含む。開口部は、リードバルブ（図示せず）によって密封され得る。対向する長手方向の端部には、吸引ガスをサンプから吸引室へと外側に通過させる吸引ガスの入口として働き得る通路１４２、１４４のそれぞれに沿ったポート１４３、１４５がある。側端部には、排出機能を果たすポート１５５が存在し得る。ポート１５６は、どのシリンダが関与するかによって、吸引機能または交差機能を果たし得る。図４は、第２の中央のバンクの２つの側面ポートが、交差ポートとして示されている。これらのポートのうちの１つは吸引室に沿っているので、分割カバー１５８が吸引室内に配置されて、第２のバンクの吸入流を分離する。

図５は、基準圧縮機の２つの外側／側面のバンクのヘッドのガスケットを示す。図６は、図７の修正されたヘッドのための修正されたガスケットを示す。中央のバンクから排出される例示的な３バンク圧縮機では、基準ガスケットは、２つの外側／側面のバンクで使用可能な構成を表す。ガスケットはまた、基準圧縮機のヘッドレイアウトの部分的な概略図も提供する（ヘッドの壁に対応するガスケット材料の様々な脚部と、様々な室または通路に対応する脚部間の様々な隙間とを有する）。ガスケットは、ヘッドの側壁２４０に対応する周囲バンド２２０を有する。排出室１２４、１２６は、ガスケットの脚部２３０及びヘッドの対応する壁２５０を介して吸引室１２０、１２２から分離されている。基準吸引室は、図３の２つの吸引ガス入口１４３、１４５（及び外側／側面のバンクの場合は１５５）と位置合わせをする部分を含む。したがって、ガスケットは開口領域を有する。図６は、図５のガスケットの変形例を示しており、対象のシリンダバンクは、経済的なバンク（例えば、上記の例では第１のバンク）に改造される。

例示的な本発明の第１のバンクシリンダのヘッド１００を形成するために、追加の壁１３４及び関連するガスケット脚部２３４（図６）が、分割壁２５０（及び脚部２３０）を側壁２４０（及び周囲バンド２２０）に接合して付加される。さらに、第２のシリンダ７７の吸気ポートと隣接する吸引ガス入口との連通を遮断する必要がある。これは、いくつかの方法のうちの１つまたは複数で行い得る。最初に、隣接する吸引ガス入口１４５は、バルブプレートの再設計で除去され得る。次に、ヘッドは、吸引室１３２と隣接する吸引ガス入口１４５との連通を遮断するために、表面２６０（図７）で簡単に形成（例えば、鋳造）され得る。図６は、この表面を密封する追加のガスケット脚部２５８を示す。

図７は、（エコノマイザ室として機能する）吸引室１３２と連通する鋳造の一部としてのエコノマイザポート３０を有するヘッド鋳造を示す。

別の変形例では、基準の中央のバンクを経済的なバンクに変更することが必要になり得る。図８は、基準の中央のバンクの基準ガスケットを示す。図５のガスケットとほぼ同様に、基準ガスケットは排出流交差ポート／通路１６２または１６４を囲むヘッドの壁を表す部分３２０も含む。

図５と図６のように、図９は図８に対して同様の変形例を示す変更されたガスケットを示す。ガスケット脚部３３４及びヘッド壁部３３６は、脚部２３４及び壁部１３４と同様であり得る。

図１０は、関連する変更された中央のバンクヘッドを示す。基準システムでは、２つの側面のバンクヘッドにはポートがなく、中央のバンクヘッドには排出ポートがある。図７の第１の変形例は、エコノマイザポート３０を有するように側面のバンクヘッドの１つを変更するのに対して、図１０の第２の変形例は、エコノマイザポート３０及び排出ポート２８を有するように中央のバンクヘッドを変更する。

様々な非対称が、上述したような経済的ではない圧縮機の構成を経済的な圧縮機に再設計するため、または既存の経済的ではない圧縮機が経済的になるように再製造するために導入され得る。エコノマイザ流に関連するシリンダの変位は、他のシリンダに対して変更され得る（例えば、エコノマイザ流に関連するシリンダは、他のシリンダよりも小さい直径を有し得る）。軸受荷重の変化に対応するため、連接棒リストピン軸受または他の軸受を経済的な圧縮機用に変更し得る。例えば、変更された圧縮機は、経済的なシリンダのための連接棒リストピン軸受用の流体膜軸受の代わりにニードル軸受を有し得る。

圧縮機及びシステムは、その他の従来の材料及び技術または、まだ開発されていない材料及び技術を使用して製造し得る。

説明及び以下の特許請求の範囲における「第１の」、「第２の」などの使用は、請求項内で区別するだけに使用するものであり、必ずしも相対的または絶対的重要性または時間的順序を示すものではない。同様に、１つの要素の請求項における「第１の」（または同様のもの）の識別は、そのような「第１の」の要素が、別の請求項または本明細書中の「第２の」（または同様のもの）と呼ばれる要素を識別することを排除するものではない。

測定単位が英単位で表され、その後にＳＩまたは他の単位を含む括弧が続く場合、括弧内の単位は変換されたものであり、英単位では表せない精度を意味するものではない。

１つまたは複数の実施形態について説明してきた。それにもかかわらず、様々な変更がなされ得ることが理解されるであろう。例えば、既存の基本システムに適用される場合、そのような構成の詳細またはそれに関連する使用は、特定の実装の詳細に影響し得る。したがって、他の実施形態は、以下の特許請求の範囲内である。

Claims (18)

1. 複数のシリンダ（７６、７７）とシリンダヘッド（１００）とを有する第１のシリンダバンク（７０）と、
   吸気ポート（２６）と、
   排出ポート（２８）と、
   エコノマイザポート（３０）とを画定するケース（３２）と、
   それぞれが個別に前記シリンダの１つに関連付けられた複数のピストンと、クランクシャフト軸を中心に回転するために前記ケースに保持されて前記ピストンに連結されるクランクシャフト（２０２）とを備える、圧縮機（２２）であって、
   前記第１のシリンダバンクのシリンダヘッドが、第１の吸引室（１３０）と、第２の吸引室（１３２）と、単一の排出室（１２８）とに分割され、
   前記第１のシリンダバンクの第１の吸引室が、前記吸気ポートに結合され、
   前記第１のシリンダバンクの第２の吸引室が、前記エコノマイザポートに結合され、
   前記第１のシリンダバンクの排出室が、前記排出ポートに結合される、前記圧縮機（２２）。
2. 前記エコノマイザポートが前記第１のシリンダバンクのシリンダヘッド上にある、請求項１に記載の圧縮機。
3. 前記エコノマイザポート及び前記排出ポートが、前記第１のシリンダバンクのシリンダヘッド上にある、請求項１に記載の圧縮機。
4. 前記ケース（３２）が、
   複数のシリンダ（７８、７９）を有する第２のシリンダバンク（７２）と、
   前記第２のシリンダバンク用のシリンダヘッド（１０２）とをさらに画定し、
   前記第２のシリンダバンク用のシリンダヘッドが、単一の吸引室（１２０）と、単一の排出室（１２４）とに分割され、
   前記第２のシリンダバンクの吸引室が、前記吸気ポートに結合され、
   前記第２のシリンダバンクの排出室が、前記排出ポートに結合される、請求項１に記載の圧縮機。
5. 前記第１のシリンダバンク及び前記第２のシリンダバンクが、同一のバルブプレートを有する、請求項４に記載の圧縮機。
6. 前記第１のシリンダバンクの第１のシリンダ及び前記第２のシリンダバンクの前記シリンダが、第１の変位を有し、
   前記第２の吸引室に関連する前記第１のシリンダバンクの第２のシリンダが、前記第１の変位とは異なる第２の変位を有する、請求項４に記載の圧縮機。
7. 前記第１のシリンダバンクの第１の吸引室及び第２のシリンダバンクの吸引室が、前記圧縮機のサンプ（１４０）を介して前記吸気ポートに結合される、請求項４に記載の圧縮機。
8. 前記ケースが、第３のシリンダバンク（７４）を画定する、請求項４に記載の圧縮機。
9. 前記ケースが、単一の吸引室（１２２）と単一の排出室（１２６）に分割されたヘッド（１０４）を有する第３のシリンダバンク（７４）を画定する、請求項４に記載の圧縮機。
10. 前記第３のシリンダバンクの吸引室が、前記吸気ポートに結合され、
    前記第３のシリンダバンクの排出室が、前記排出ポートに結合される、請求項９に記載の圧縮機。
11. 前記第１、第２、及び第３のシリンダバンクが、それぞれ正確に２つのシリンダを有する、請求項１０に記載の圧縮機。
12. 前記第２のシリンダバンクが、中央シリンダバンクであり、
    前記第１のシリンダバンクの排出室及び第３のシリンダバンクの排出室が、前記第２のシリンダバンクの排出室を介して前記排出ポートに結合される、請求項１０に記載の圧縮機。
13. 請求項４に記載の圧縮機を使用する方法であって、
    第１の流れを前記吸気ポートに通すことと、
    第２の流れを前記エコノマイザポートに通すことと、
    前記第１の流れを前記第１のシリンダバンクの第１の吸引室及び前記第２のシリンダバンクの吸引室へのそれぞれの第１及び第２の分岐流に分割することと、
    前記第１の分岐流を前記第１のシリンダバンクの第１のシリンダを通して前記第１のシリンダバンクの排出室に通すことと、
    前記第２の分岐流を前記第２のシリンダバンクのシリンダを通して前記第１のシリンダバンクの排出室に平行に通すことと、
    前記第２の流れを前記第１のシリンダバンクの第２のシリンダを通して前記第１のシリンダバンクの排出室に通すことと、
    前記第１のシリンダバンクの排出室及び前記第２のシリンダバンクの排出室からの複合流を前記排出ポートから排出することとを含む、前記方法。
14. 前記クランクシャフトの回転を駆動するために前記クランクシャフトに結合された電気モーター（２００）をさらに含む、請求項１に記載の圧縮機。
15. 前記第１の吸引室と前記第２の吸引室との間の前記第１のシリンダバンクのシリンダヘッドの壁（１３４）が、前記第１のシリンダバンクの前記排出室と前記第１のシリンダバンクの前記第１及び第２の吸引室との間の壁（２５０）と交差する、請求項１に記載の圧縮機。
16. 前記第１のシリンダバンクのシリンダヘッドの一部（２６０）が、前記第１のシリンダバンクの第２の吸引室と前記第１のシリンダバンクのシリンダヘッドのバルブプレート内のポートとの連通を遮断し、前記ポートが前記圧縮機のサンプと連通する、請求項１に記載の圧縮機。
17. 前記第１のシリンダバンクのシリンダヘッドの一部（２６０）が、前記第１のシリンダバンクの排出室と前記第１のシリンダバンクの第２の吸引室を分割する別の壁（２５０）と交差する壁である、請求項１６に記載の圧縮機。
18. 請求項１に記載の圧縮機を備えるシステムであって、
    放熱用熱交換器（４０）と、
    膨張装置（４２）と、
    吸熱用熱交換器（４４）と、
    前記排出ポートから前記放熱用熱交換器、膨張装置、吸熱用熱交換器を順次通って前記吸気ポートに戻る冷媒流路（２４）と、
    前記冷媒流路から分岐して前記エコノマイザポートに戻るエコノマイザ流路（５０）とをさらに備える、前記システム。

Images