JP6846702B2 - Heat pump device - Google Patents

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Description

本発明は、ヒートポンプ装置に係り、特に、再生可能エネルギーの熱利用技術分野にあって、これにかかわるあらゆる熱源を利用した省エネかつ低環境負荷に好適なヒートポンプ装置に関する。 The present invention relates to a heat pump device, and more particularly to a heat pump device suitable for energy saving and low environmental load using all heat sources related thereto in the field of heat utilization technology of renewable energy.

ヒートポンプは、一般に、温度の低い所から温度の高い所へ熱を移動させる技術のことを指称する。かかる技術的手法は、従来よりいくつか知られているが、主流は、気体の圧縮・膨張と熱交換を組み合わせたもので、一般家庭にみられる冷凍冷蔵庫、エアコン、給湯器等がその応用製品として知られている。
このヒートポンプにあっては、その媒体循環系の内部では、低沸点の冷媒(例えば代替フロンなど)が熱移動媒体として循環する構造となっている。
A heat pump generally refers to a technique for transferring heat from a place where the temperature is low to a place where the temperature is high. Some of these technical methods have been known in the past, but the mainstream is a combination of gas compression / expansion and heat exchange, and its application products include refrigerators and refrigerators, air conditioners, and water heaters found in ordinary households. Known as.
This heat pump has a structure in which a low boiling point refrigerant (for example, CFC substitute) circulates as a heat transfer medium inside the medium circulation system.

この種のヒートポンプは、例えば、暖房時には、低温で液体の冷媒は蒸発器(熱交換器)の場所で、低温の熱源(地中で熱交換された液体)から熱を獲得し、気化する。次に、気化された冷媒は圧縮機で加圧昇温される。そして、この昇温したガス状の冷媒は熱交換器に移動し、そこで外部の水が熱交換されて温水となり室内暖房用として利用される。
そして、熱交換で熱を奪われた冷媒は、ガス状から液化され膨張弁の所で減圧され、再び最初の蒸発器に戻る。
一方、冷房時には、上記暖房時とは逆のサイクルとなり、外部の水が熱交換器で熱交換されて冷水となり、室内冷房用として利用される。
In this type of heat pump, for example, during heating, a low-temperature liquid refrigerant obtains heat from a low-temperature heat source (a liquid that has been heat-exchanged in the ground) at a place of an evaporator (heat exchanger) and vaporizes. Next, the vaporized refrigerant is pressurized and heated by a compressor. Then, the heated gaseous refrigerant moves to a heat exchanger, where the external water is heat-exchanged to become hot water, which is used for indoor heating.
Then, the refrigerant deprived of heat by heat exchange is liquefied from the gaseous state, depressurized at the expansion valve, and returns to the first evaporator again.
On the other hand, during cooling, the cycle is opposite to that during heating, and external water is heat-exchanged by a heat exchanger to become cold water, which is used for indoor cooling.

図15に、従来より知られている蒸気圧縮型のヒートポンプ装置の系統図を示す。
この場合、集熱側の低温熱源001としては、外気005や日射004,地中・地熱003などの再生可能エネルギーや各種廃熱002が用いられる。
そして、この低温熱源001で得られた熱により、蒸発器101部分で、作動媒体である冷媒RVが蒸発気化される。
FIG. 15 shows a system diagram of a conventionally known steam compression type heat pump device.
In this case, as the low-temperature heat source 001 on the heat collecting side, renewable energy such as outside air 005, solar radiation 004, underground / geothermal 003, and various waste heat 002 are used.
Then, the heat obtained from the low-temperature heat source 001 evaporates and vaporizes the refrigerant RV, which is the working medium, in the evaporator 101 portion.

この気化された冷媒(作動媒体)RVは、圧縮機102に導きかれて圧縮され、この圧縮された冷媒RVを熱利用側の高温熱源に集熱温度より高い温度で放熱する凝縮器103に導かれ、ここで圧縮された状態で凝縮される。続いて、この凝縮された冷媒RVは膨張弁104に導かれて膨張減圧され、この膨張減圧され低圧化された冷媒RVは、再び前述した蒸発器101に導かれる。 The vaporized refrigerant (working medium) RV is guided by the compressor 102 to be compressed, and the compressed refrigerant RV is guided to the condenser 103 that dissipates heat to a high-temperature heat source on the heat utilization side at a temperature higher than the heat collection temperature. It is condensed here in a compressed state. Subsequently, the condensed refrigerant RV is guided to the expansion valve 104 to expand and depressurize, and the expanded and decompressed and reduced pressure refrigerant RV is again guided to the above-mentioned evaporator 101.

そして、上記凝縮器103には、熱交換器106が併設され、この熱交換器106を介して媒体RVの熱エネルギーが外部に取り出されるようになっている。符号105は熱媒体ポンプを示し、符号009は熱交換器106で取り出された放熱を示し、符号107は放熱009を有効利用する熱利用系を示す。 A heat exchanger 106 is attached to the condenser 103, and the heat energy of the medium RV is taken out through the heat exchanger 106. Reference numeral 105 indicates a heat medium pump, reference numeral 009 indicates heat dissipation taken out by the heat exchanger 106, and reference numeral 107 indicates a heat utilization system that effectively utilizes the heat dissipation 009.

ここで、上記したヒートポンプ装置は、その小型化のために、圧縮機としては小さな体積流量を処理できる高圧型で容積式の圧縮機102が用いられており、必要な冷媒の重量流量を確保している。 Here, in order to reduce the size of the heat pump device described above, a high-pressure, positive displacement compressor 102 capable of processing a small volumetric flow rate is used as the compressor, and the required weight flow rate of the refrigerant is secured. ing.

一方、図12に示す小型のレシプロ式の圧縮機130は、圧縮された冷媒が所定の圧力になると、シリンダ上部に設置されたばね状の吹き出し弁が開放されて圧縮された冷媒を凝縮器103(図15参照)に送るように機能する。 On the other hand, in the small reciprocating compressor 130 shown in FIG. 12, when the compressed refrigerant reaches a predetermined pressure, the spring-shaped blow-out valve installed on the upper part of the cylinder is opened to compress the compressed refrigerant 103 ( (See FIG. 15).

又、図13に示すロータリー式の圧縮機140は、上記小型のレシプロ式の容積型圧縮機と同様の吹き出し弁の構造を有する。 Further, the rotary compressor 140 shown in FIG. 13 has a blow-out valve structure similar to that of the small reciprocating positive displacement compressor.

更に、図14に示すスクロール式圧縮機150は、冷媒RVが、旋回スクロールと固定スクロールで構成された冷媒圧縮シリンダ部で圧縮され、圧縮された冷媒RVは固定スクロールの中心部の吐き出し穴から放出されて凝縮器103(図15参照)に導かれる。 Further, in the scroll type compressor 150 shown in FIG. 14, the refrigerant RV is compressed by the refrigerant compression cylinder portion composed of the swivel scroll and the fixed scroll, and the compressed refrigerant RV is discharged from the discharge hole at the center of the fixed scroll. It is guided to the condenser 103 (see FIG. 15).

以上説明した各圧縮機は、何れも容積型で、冷媒RVの圧縮の始まりと終わりの容積が設計により決定されるので、冷媒RVの圧縮比が一定である。冷媒RVの圧縮比が圧縮機により一定であると、集熱温度により放熱温度が定まる。 Each of the compressors described above is a positive displacement type, and the volume at which the start and end of compression of the refrigerant RV is determined by design, so that the compression ratio of the refrigerant RV is constant. When the compression ratio of the refrigerant RV is constant by the compressor, the heat dissipation temperature is determined by the heat collection temperature.

これら容積型の蒸気圧縮機を搭載するヒートポンプ装置は、低沸点、高密度の冷媒RVを使用することが多いが、冷媒RVは一般に地球温暖化係数が大きく、これが外界に排出されると地球温暖化を進行させることとなり、好ましい状態ではない。 Heat pump devices equipped with these positive displacement steam compressors often use a low boiling point, high-density refrigerant RV, but the refrigerant RV generally has a large global warming potential, and when it is discharged to the outside world, it warms the world. This is not a preferable state because the conversion will proceed.

ここで、図12に、前述したレシプロ式の容積型圧縮機130の要部を示す。
このレシプロ式の容積型圧縮機130は、駆動電動機の一部である固定子131および回転子132によって発生された動力を、回転軸支持部133によって支持された回転軸134、並びにそれに接続されたディスク135に伝達され、このディスク135は回転運動をする。
Here, FIG. 12 shows a main part of the above-mentioned reciprocating positive displacement compressor 130.
In this reciprocating positive displacement compressor 130, the power generated by the stator 131 and the rotor 132, which are a part of the drive motor, is connected to the rotary shaft 134 supported by the rotary shaft support unit 133 and the rotary shaft 134. It is transmitted to the disk 135, and this disk 135 makes a rotary motion.

ディスク135の中心から半径方向に沿って外側にずれた位置に、ピストンロッド136を接続し、更に、ディスク135とピストンロッド136の接続と反対側のピストンロッド136の端(図13の上端側)に、ピストン137を接続する。ピストンロッド136の両接続端は、スイング型になっていることで、ピストン137はシリンダ138内で上下運動し、作動媒体である冷媒RVの圧縮過程を実現する。 The piston rod 136 is connected at a position offset outward along the radial direction from the center of the disk 135, and the end of the piston rod 136 on the opposite side of the connection between the disk 135 and the piston rod 136 (upper end side in FIG. 13). The piston 137 is connected to. Since both connecting ends of the piston rod 136 are of a swing type, the piston 137 moves up and down in the cylinder 138 to realize a compression process of the refrigerant RV which is an operating medium.

一方、上記作動媒体RVの圧縮過程においては、ピストン137とシリンダ138の境界から前述した作動媒体RVが漏れぬよう、封止部139を備えている。 On the other hand, in the compression process of the operating medium RV, a sealing portion 139 is provided so that the operating medium RV does not leak from the boundary between the piston 137 and the cylinder 138.

ここで、上記回転軸支持部133は、接触型の軸受を使用しており、発熱による焼き付きやフレッティングを抑制するために油で強制潤滑をするか、または、潤滑性のあるグリースを塗布したものが使用されている。 Here, the rotary shaft support portion 133 uses a contact type bearing, and is forcibly lubricated with oil or coated with lubricating grease in order to suppress seizure and fretting due to heat generation. Things are being used.

ここでいう接触型の軸受とは、セラミックや鉄系材料を用いた球状乃至円筒状のものを複数摺動面に設けた転がり軸受、または、平坦形状乃至パッド形状の表面に油膜を形成させる滑り軸受のことをいう。 The contact type bearing referred to here is a rolling bearing in which a plurality of spherical or cylindrical bearings made of ceramic or iron-based material are provided on a plurality of sliding surfaces, or a slide that forms an oil film on a flat or pad-shaped surface. Refers to bearings.

更に、上記固定子131の外周には電動機冷却部130Aが備えており、チラーなど用いた強制的な液体冷却、又は送風機など用いた強制的な空冷がなされている。 Further, an electric motor cooling unit 130A is provided on the outer periphery of the stator 131, and forced liquid cooling using a chiller or the like or forced air cooling using a blower or the like is performed.

次に、ロータリー式で容積型の圧縮機140の概要を、図13に示す。
この図13において、ロータリー式の容積型圧縮機140は、駆動電動機の一部である固定子141および回転子142によって発生された動力を、回転軸支持部143によって支持された回転軸144、並びにそれに接続されたローラー145に伝達され、これによって、ローラー145は回転運動を実行する。
Next, an outline of the rotary type positive displacement compressor 140 is shown in FIG.
In FIG. 13, in the rotary positive displacement compressor 140, the power generated by the stator 141 and the rotor 142, which are a part of the drive motor, is supported by the rotary shaft 144 and the rotary shaft 144, and the rotary shaft 144. It is transmitted to a roller 145 connected to it, whereby the roller 145 performs a rotary motion.

ここで、この圧縮機140における駆動電動機部分のローラー145は回転軸144の中心から偏心して接続されているため、ローラー145が格納されている静止部146の壁面では、隙間が広い部分と狭い部分が混在することになる。 Here, since the roller 145 of the drive motor portion in the compressor 140 is eccentrically connected from the center of the rotating shaft 144, the wall surface of the stationary portion 146 in which the roller 145 is stored has a wide gap and a narrow gap. Will be mixed.

そして、この隙間の狭い部分では、ローラー145が静止部146に作動媒体RVを押し付けることで圧縮され、これにより、圧縮部(圧縮空間)147ができる。同時に、上記隙間が広い部分では、作動媒体RVは圧縮されず、非圧縮部148ができる。そして、このような状態下にあって、圧縮部(圧縮空間)147ができることで、作動媒体RVの圧縮過程が実現する。 Then, in the narrow portion of the gap, the roller 145 is compressed by pressing the working medium RV against the stationary portion 146, whereby the compression portion (compression space) 147 is formed. At the same time, the working medium RV is not compressed in the portion where the gap is wide, and an uncompressed portion 148 is formed. Then, under such a state, the compression process of the working medium RV is realized by forming the compression unit (compression space) 147.

上記作動媒体RVの圧縮過程において、図には示していないが、ローラー145と静止部146の境界からの作動媒体RVの漏れを封止するための漏れ封機構が、別に設置されている。 In the compression process of the working medium RV, although not shown in the figure, a leak sealing mechanism for sealing the leakage of the working medium RV from the boundary between the roller 145 and the stationary portion 146 is separately installed.

ここで、上記回転軸支持部143は、前述した図12のレシプロ式の場合と同様に、接触型の軸受を使用しており、発熱による焼き付きやフレッティングを抑制するために油で強制潤滑をするか、または、潤滑性のあるグリースを塗布したものが使用されている。 Here, the rotating shaft support portion 143 uses a contact type bearing as in the case of the reciprocating type of FIG. 12 described above, and is forcibly lubricated with oil in order to suppress seizure and fretting due to heat generation. Or a product coated with lubricating grease is used.

又、ここでいう接触型の軸受については、前述した図12のレシプロ式の場合と同様に、セラミックや鉄系材料を用いた球状乃至円筒状のものを、複数摺動面に設けた転がり軸受とし、又は平坦形状乃至パッド形状の表面に油膜を形成させる滑り軸受のことを指称する。 Further, as for the contact type bearing referred to here, as in the case of the reciprocating type of FIG. 12 described above, a rolling bearing in which a spherical or cylindrical bearing using a ceramic or iron-based material is provided on a plurality of sliding surfaces. Or, it refers to a slide bearing that forms an oil film on a flat or pad-shaped surface.

更に、上記固定子141についても、その外周には電動機冷却部149が設けられており、チラーなど用いた強制的な液体冷却、又は送風機など用いた強制的な空冷がなされている。 Further, the stator 141 is also provided with an electric motor cooling unit 149 on the outer periphery thereof, and is subjected to forced liquid cooling using a chiller or the like, or forced air cooling using a blower or the like.

図14に、スクロール式の容積型圧縮機150の基本構成の一部を示す。
このスクロール式の容積型圧縮機150は、駆動電動機の一部である固定子151および回転子152によって発生された動力を、回転軸支持部153によって支持された回転軸154,並びにそれに接続された旋回渦巻156に伝達され、これにより旋回渦巻156は固定渦巻157の周りを円運動する。
FIG. 14 shows a part of the basic configuration of the scroll type positive displacement compressor 150.
In this scroll type positive displacement compressor 150, the power generated by the stator 151 and the rotor 152 which are a part of the drive electric motor is connected to the rotary shaft 154 supported by the rotary shaft support portion 153 and the rotary shaft 154 and the rotary shaft 154. It is transmitted to the swirling spiral 156, which causes the swirling spiral 156 to make a circular motion around the fixed swirl 157.

ここで、固定渦巻157は固定されているために、相対的には揺動運動となり、旋回渦巻156と固定渦巻157の間の空間が圧縮部となり、これにより、作動媒体RVの圧縮過程が実現することとなる。 Here, since the fixed spiral 157 is fixed, it is relatively oscillating, and the space between the swirling spiral 156 and the fixed spiral 157 becomes a compression portion, whereby the compression process of the working medium RV is realized. Will be done.

又、旋回渦巻156と固定渦巻157の間には、作動媒体の漏れを抑制するために機械的接触部があり、その接触部の摩耗を抑制するために、潤滑油が使用され、又は耐摩耗性のあるコーティングなどが塗布された状態となっている。 Further, between the swirl spiral 156 and the fixed spiral 157, there is a mechanical contact portion to suppress leakage of the working medium, and a lubricating oil is used or wear resistance is used to suppress wear of the contact portion. It is in a state where a property coating or the like is applied.

上記回転軸支持部153は、接触型の軸受を使用しており、発熱による焼き付きやフレッティングを抑制するために油で強制潤滑をするか、または、潤滑性のあるグリースを塗布したものが使用されている。 The rotary shaft support portion 153 uses a contact type bearing, and is forcibly lubricated with oil or coated with lubricating grease in order to suppress seizure and fretting due to heat generation. Has been done.

ここで、接触型の軸受とは、セラミックや鉄系材料を用いた球状、或いは円筒状のものを複数摺動面に設けた転がり軸受、又は平坦形状、乃至パッド形状の表面に油膜を形成させる滑り軸受のことをいう。 Here, the contact type bearing is a rolling bearing in which a plurality of spherical or cylindrical bearings made of ceramic or iron-based material are provided on a plurality of sliding surfaces, or an oil film is formed on a flat or pad-shaped surface. A slide bearing.

更に、上記固定子151の外周には、電動機冷却部155が備えられており、チラーなど用いた強制的な液体冷却、又は送風機など用いた強制的な空冷が成されるようになっている。 Further, an electric motor cooling unit 155 is provided on the outer periphery of the stator 151 so that forced liquid cooling using a chiller or the like or forced air cooling using a blower or the like is performed.

上述した圧縮機およびこれを利用した冷凍装置の公知例として、下記特許文献1乃至2が知られている。
この内、特許文献1(特開2013−122331号公報)には、冷媒圧縮機構を備えた冷凍装置が、又、特許文献2(特許公報第2809346号公報)には、冷凍機用圧縮機が、それぞれ開示されている。
The following Patent Documents 1 and 2 are known as known examples of the above-mentioned compressor and a refrigerating apparatus using the compressor.
Of these, Patent Document 1 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2013-122331) describes a refrigerating apparatus provided with a refrigerant compression mechanism, and Patent Document 2 (Patent Publication No. 2809346) describes a compressor for a refrigerator. , Each is disclosed.

特開2013−122331号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2013-122331 特許公報第2809346号公報Patent Gazette No. 2809346

上述した従来公知の各蒸気圧縮型のヒートポンプ装置にあって、上記した各圧縮機は、冷媒RVの圧縮比が定容積型で、冷媒RVの圧縮比が一定で、集熱温度が定まると放熱温度が定まり、その結果、集熱温度が変動するときには、所望の温度レベルの熱が得られないという不都合があった。 In each of the conventionally known heat pump devices of the steam compression type described above, in each of the compressors described above, the compression ratio of the refrigerant RV is a constant volume type, the compression ratio of the refrigerant RV is constant, and heat is dissipated when the heat collection temperature is determined. When the temperature is fixed and, as a result, the heat collection temperature fluctuates, there is a disadvantage that heat of a desired temperature level cannot be obtained.

また、上記した蒸気圧縮型の各ヒートポンプ装置にあって、熱源の温度によらず所望の温度レベルの熱を得るためには、圧縮比を変えることのできる圧縮機を必要とするという稼動上の要件があり、また、化石燃料を燃焼して得られるエネルギーから得られた電力や動力を用いた同システムでは、炭酸ガスの排出による地球温暖化問題がある。 Further, in each of the above-mentioned steam compression type heat pump devices, in order to obtain heat at a desired temperature level regardless of the temperature of the heat source, a compressor capable of changing the compression ratio is required in operation. There are requirements, and the system, which uses electricity and power obtained from the energy obtained by burning fossil fuels, has the problem of global warming due to carbon dioxide emissions.

再生可能エネルギーや廃熱を低温熱源として、温度レベルを向上させて放熱してこれを利用するヒートポンプ装置は、通常の外気などのみの環境の温度で集熱するヒートポンプ装置とは異なり、同じ温度レベルの熱を得るために必要な圧縮動力を低減でき、炭酸ガス排出量を低減できる特色を有している。 A heat pump device that uses renewable energy or waste heat as a low-temperature heat source to improve the temperature level and dissipate heat to use it is different from a heat pump device that collects heat at the temperature of an environment such as normal outside air, and has the same temperature level. It has the feature that the compression power required to obtain the heat of the above can be reduced and the amount of carbon dioxide gas emission can be reduced.

しかしながら、この種のヒートポンプ装置は、その作動媒体である冷媒,特にその取り入れた熱を伝達する作動媒体RVは、現在は地球温暖化係数の高いものが多く、これが環境に排出されると地球温暖化に寄与してしまう不具合を有する。 However, in this type of heat pump device, the refrigerant that is the operating medium, especially the operating medium RV that transmits the heat taken in, often has a high global warming potential at present, and when it is discharged to the environment, it warms the world. It has a defect that contributes to global warming.

一方、地球温暖化係数の小さい新しい作動冷媒RVが注目されているが、これら新しい作動媒体RVは低圧・高温域に集中しており、容積型圧縮機の実用能力領域で必要とする作動媒体に適した高密度のものが少なく、容積型圧縮機での活用には限界があった。 On the other hand, new working refrigerants RVs with a small global warming potential are attracting attention, but these new working media RVs are concentrated in the low-pressure and high-temperature regions, and are required as working media in the practical capacity range of positive displacement compressors. There were few suitable high-density ones, and there was a limit to their use in positive displacement compressors.

また、図12に示すレシプロ式容積型圧縮機130における回転軸支持部133、図13に示すロータリー式の容積型圧縮機140における回転軸支持部143、及び図14に示すスクロール式の容積型圧縮機150における回転軸支持部153、の何れにおいても、接触式の軸受を用いていることから、これらの従来技術にあってはそれぞれ接触部に機械損失があり、システム効率が低下するという不都合があった。 Further, the rotary shaft support portion 133 in the reciprocating positive displacement compressor 130 shown in FIG. 12, the rotary shaft support portion 143 in the rotary positive displacement compressor 140 shown in FIG. 13, and the scroll type positive displacement compression shown in FIG. Since contact-type bearings are used in all of the rotating shaft support portions 153 of the machine 150, there is an inconvenience in these conventional techniques that there is a mechanical loss in each of the contact portions and the system efficiency is lowered. there were.

更に、上記した各容積型圧縮機130,140,150の各回転軸支持部133,143,153は、何れも接触して回転しているため、長期的には磨耗し易く又損傷し易いという不都合があり、定期的な点検、並びに回転軸支持部自体の交換の必要性が存在していた。このことは、圧縮機本体の定期的な分解作業を要すことから、メンテナンス費用や連続運転の点で、その保守に手間がかかるという不都合があった。 Further, since the rotating shaft support portions 133, 143, and 153 of the above-mentioned positive displacement compressors 130, 140, and 150 are all in contact with each other and rotate, they are easily worn or damaged in the long term. There was an inconvenience, and there was a need for regular inspections and replacement of the rotating shaft support itself. This has the disadvantage that it takes time and effort to maintain the compressor body in terms of maintenance cost and continuous operation because it requires periodic disassembly work.

更に又、上記回転軸支持部133,143,153にあっては、潤滑油や潤滑性のあるグリースを使用するため、これらの供給装置や供給状況を監視するための制御・監視・保護装置が必要となり、装置構成が複雑化するという課題があった。特に強制的に潤滑油を供給する場合は、給油ポンプが(場合により排油ポンプも)必要となり、更に、温度環境によっては潤滑油の粘性を保つための熱交換器も必要とし、電力消費量の増加につながるという不都合があった。 Furthermore, since the rotating shaft support portions 133, 143, and 153 use lubricating oil and lubricating grease, these supply devices and control / monitoring / protection devices for monitoring the supply status are provided. This is necessary, and there is a problem that the device configuration becomes complicated. Especially when forcibly supplying lubricating oil, a refueling pump (and a drainage pump in some cases) is required, and depending on the temperature environment, a heat exchanger to maintain the viscosity of the lubricating oil is also required, which consumes power. There was an inconvenience that it led to an increase in.

特にこの場合、グリースも温度環境による粘性の変化に対し非常に敏感であり、これが起因して回転軸支持部133,143,153の寿命低下が問題となっていた。
同時に、潤滑油の定期的交換作業、グリースの再充填など、定期的なメンテナンスも問題となっていた。グリースを使用する場合は保護のための監視が難しいため、従って、かなり安全率を高く設定し且つ定期的交換作業を必要とし、定期的メンテナンスの頻度が特に多くなるという不都合があった。
In particular, in this case, the grease is also very sensitive to changes in viscosity due to the temperature environment, which causes a problem of shortening the life of the rotating shaft support portions 133, 143, 153.
At the same time, regular maintenance such as regular replacement of lubricating oil and refilling of grease has also been a problem. When grease is used, it is difficult to monitor it for protection. Therefore, there is a disadvantage that the safety factor is set to be fairly high, regular replacement work is required, and the frequency of regular maintenance is particularly high.

尚、上記潤滑油やグリースは、日時の経過と共に(経年的に)作動媒体側に混入することがあり、これは作動媒体の純度を下げ、作動媒体の性能が低下し、システム効率が低下する原因でもあった。 In addition, the above-mentioned lubricating oil and grease may be mixed into the working medium side with the passage of time (aging), which lowers the purity of the working medium, lowers the performance of the working medium, and lowers the system efficiency. It was also the cause.

また、上記潤滑油やグリースの上記作動媒体への混入を抑制するために封止部を備えることによる、部品点数の増加によるコストアップ、ならび、封止部もまた有限寿命ゆえ、定期点検や定期的交換作業など、圧縮機本体の定期的メンテナンスを要するという問題も生じていた。 In addition, by providing a sealing part to prevent the lubricating oil and grease from being mixed into the working medium, the cost increases due to the increase in the number of parts, and the sealing part also has a finite life, so periodic inspections and periodic inspections are performed. There was also a problem that regular maintenance of the compressor body was required, such as replacement work.

又、スクロール式の容積型圧縮機150における旋回渦巻156と固定渦巻157の間には、作動媒体の漏れを抑制するために機械的接触部があり、その接触部の摩耗を抑制するために、潤滑油を使うが、この潤滑油が上記作動媒体の純度劣化に影響をあたえているという不都合もあった。 Further, in the scroll type positive displacement compressor 150, there is a mechanical contact portion between the swirl spiral 156 and the fixed spiral 157 in order to suppress leakage of the working medium, and in order to suppress wear of the contact portion, Lubricating oil is used, but there is also the inconvenience that this lubricating oil affects the deterioration of the purity of the working medium.

更に、レシプロ式の容積型圧縮機130における封止部139、ロータリー式の容積型圧縮機140の封止部、スクロール式の容積型圧縮機150における旋回渦巻156と固定渦巻157の間に作動媒体の漏れを抑制するために機械的接触部にコーティングを塗布した場合など、何れも、封止部が揺動部と静止部とが接触しており、僅かながら日常的に摩耗が生じていることから、コンタミなど封止部周辺の材料が散乱し、それが作動冷媒に混入し、上記同様、純度劣化の問題にもなっていた。 Further, the sealing portion 139 in the reciprocating positive displacement compressor 130, the sealing portion of the rotary positive displacement compressor 140, and the working medium between the swirling swirl 156 and the fixed swirl 157 in the scrolling positive displacement compressor 150. In all cases, such as when a coating is applied to the mechanical contact part in order to suppress leakage, the sealing part is in contact with the rocking part and the stationary part, causing slight daily wear. Therefore, materials around the sealing portion such as contamination are scattered and mixed with the working refrigerant, which causes a problem of purity deterioration as described above.

更に又、駆動電動機を構成する固定子および回転子には、鉄損や銅損が寄生しており、それらが回転速度や負荷に依存して発熱し、電動機の寿命低下につながる。
このため、上記において電動機冷却部130A,149,155において、チラーや送風機を用いて強制的に冷却を行うが、いずれも動力を要し、電力消費量が増加するという不都合があった。
Furthermore, the stator and rotor that make up the drive motor are parasitic on iron loss and copper loss, which generate heat depending on the rotation speed and load, leading to a reduction in the life of the motor.
Therefore, in the above, the electric motor cooling units 130A, 149, and 155 are forcibly cooled by using a chiller or a blower, but all of them require power and have an inconvenience that power consumption increases.

さらに、上記各圧縮機にあっては、装置構成も複雑化し、制御や監視・保護機能の複雑化し、更に、その継続した冷却動作に際しても、上記各方式にあっては、最も冷却したい回転子132,142,152や、回転軸134,144,154を、電力消費量を増やさずに効果的に冷却することができない、という不都合があった。
(発明の目的)
Further, in each of the above compressors, the device configuration is complicated, the control and monitoring / protection functions are complicated, and even in the continuous cooling operation, in each of the above methods, the rotor to be cooled most is desired. There is a disadvantage that the 132, 142, 152 and the rotating shafts 134, 144, 154 cannot be effectively cooled without increasing the power consumption.
(Purpose of Invention)

本発明は、上記従来例における不都合を改善し、特に省エネルギー化及び耐久性向上を図り、長期にわたって連続運転を可能としたヒートポンプ装置を提供することを、その目的とする。 An object of the present invention is to provide a heat pump device capable of continuous operation for a long period of time by improving the inconvenience in the above-mentioned conventional example, particularly aiming at energy saving and durability improvement.

上記目的を達成するため、本発明に係るヒートポンプ装置は、媒体循環路に順次設置された蒸発器,圧縮機,凝縮器,および膨張弁を有し、前記媒体循環路内を循環する媒体用の低温熱源として再生可能エネルギーや外気を利用する構造のヒートポンプ装置であって、前記圧縮機としてターボ圧縮機を備えているという構成を採っている。そして、前記ターボ圧縮機が備えている羽根車における前記循環媒体の吸込部よりも上流側の前記循環媒体の流路上にあって、前記循環媒体が前記羽根車に吸い込まれるまでの過程で、前記循環媒体の流れの剥離を抑制する円錐状ガイド機構を配備すると共に、前記循環媒体の流れを平滑化する平滑化ガイド機構を、前記ターボ圧縮機内に装備された駆動電動機の固定子の外周部に配備したことを特徴とする。 In order to achieve the above object, the heat pump device according to the present invention has an evaporator, a compressor, a condenser, and an expansion valve sequentially installed in the medium circulation path, and is used for a medium circulating in the medium circulation path. It is a heat pump device having a structure that uses renewable energy and outside air as a low-temperature heat source, and has a configuration in which a turbo compressor is provided as the compressor. Then, in the process of being on the flow path of the circulation medium on the upstream side of the suction portion of the circulation medium in the impeller provided with the turbo compressor until the circulation medium is sucked into the impeller. A conical guide mechanism for suppressing the separation of the flow of the circulating medium is provided, and a smoothing guide mechanism for smoothing the flow of the circulating medium is provided on the outer periphery of the stator of the drive motor mounted in the turbo compressor. It is characterized by being deployed.

また、前記媒体循環路内を循環する冷媒として、オゾン破壊係数及び地球温暖化係数が著しく小さい値の低圧冷媒を用いている。
更に、前記ターボ圧縮機は、その断熱効率が広い作動範囲で高い値に設定された構造のものとし、且つ小型化された省エネルギー構造の分散型としたことを特徴とする。
Further, as the refrigerant circulating in the medium circulation path, a low-pressure refrigerant having a value in which the ozone depletion potential and the global warming potential are remarkably small is used.
Further, the turbo compressor is characterized in that its heat insulating efficiency is set to a high value in a wide operating range and is a distributed type having a miniaturized energy-saving structure.

これにより、本発明にあって、ターボ圧縮機は回転数を種々に変化させることにより、高い断熱効率を保ちながら、広範囲な作動媒体流量と圧縮比を得ることができる。
このため、この特性を備えたターボ圧縮機を搭載する当該蒸気圧縮型のヒートポンプ装置は、広範囲に温度変動する集熱に対して、広範囲な温度レベルと熱量のエネルギーを得ることができる。
Thereby, in the present invention, the turbo compressor can obtain a wide range of working medium flow rate and compression ratio while maintaining high heat insulation efficiency by variously changing the rotation speed.
Therefore, the vapor compression type heat pump device equipped with a turbo compressor having this characteristic can obtain a wide range of temperature levels and a wide amount of energy for heat collection in which the temperature fluctuates over a wide range.

又、ターボ圧縮機は回転数を容積式圧縮機に比べて格段に大きくすることができるので、ヒートポンプ装置の作動範囲で、低圧で密度が小さい作動媒体を用いて大きな重量流量を得ることが可能となる。 In addition, since the turbo compressor can have a significantly higher rotation speed than the positive displacement compressor, it is possible to obtain a large weight flow rate by using a low-pressure, low-density operating medium within the operating range of the heat pump device. It becomes.

昨今、地球温暖化係数の小さい新しい作動冷媒が注目されているが、これら新しい作動媒体は、前述のごとく低圧で蒸気圧が低く、結果密度が小さく容積型圧縮機では活用できなかったが、ターボ圧縮機の採用により活用できることになる。 Recently, new working refrigerants with a small global warming potential have been attracting attention, but as mentioned above, these new working media have low vapor pressure at low pressure, resulting in low density and could not be used in positive displacement compressors, but turbo. It can be utilized by adopting a compressor.

更に、本発明におけるターボ圧縮機は、圧縮仕事をするための羽根車とディフューザと渦巻環を有しており、その羽根車を駆動する駆動電動機が非接触の回転軸支持部で支持された回転軸を有している構成を採っている。 Further, the turbo compressor in the present invention has an impeller, a diffuser, and a spiral ring for performing compression work, and the drive motor for driving the impeller is supported by a non-contact rotating shaft support portion. It has a structure with a shaft.

この場合、作動媒体の流れ方において、上記羽根車が取り付く上記回転軸の反対側を上流側に設け、作動媒体が剥離なく平滑化されて羽根車の吸込口に供給されるための流路形状を持ち、且つ当該流路は駆動電動機の固定子の外側と駆動電動機内部の両方を流れた後に蒸気羽根車の吸込口で合流する構成とし、一方、流体封止部がない構成とした。 In this case, in the flow of the working medium, the opposite side of the rotating shaft to which the impeller is attached is provided on the upstream side, and the working medium is smoothed without peeling and supplied to the suction port of the impeller. The flow path is configured to flow both outside the stator of the drive motor and inside the drive motor and then merge at the suction port of the steam impeller, while having no fluid sealing portion.

このため、上記構成によれば、従来の容積型圧縮機のような接触式回転軸支持部が不要となり、潤滑油や潤滑用グリースは使われない。従って、接触部の機械損失による効率低下、潤滑油乃至潤滑グリースと作動媒体の混合による効率低下、回転軸支持部や潤滑油の定期的交換やメンテナンス、装置構成、制御・監視保護機能の複雑化、電気消費量の増加の問題が解消される。 Therefore, according to the above configuration, the contact type rotary shaft support portion unlike the conventional positive displacement compressor becomes unnecessary, and lubricating oil and lubricating grease are not used. Therefore, efficiency is reduced due to mechanical loss of the contact part, efficiency is reduced due to mixing of lubricating oil or lubricating grease and working medium, periodic replacement and maintenance of the rotating shaft support and lubricating oil, equipment configuration, and control / monitoring protection functions are complicated. , The problem of increased electricity consumption is solved.

更に、本発明によると、作動媒体が剥離なく平滑化されて羽根車の吸込口の供給されることで、羽根車の吸込口における圧力の安定化につながり、ターボ圧縮機としての断熱効率を改善させることができる。 Further, according to the present invention, the working medium is smoothed without peeling and the suction port of the impeller is supplied, which leads to stabilization of the pressure at the suction port of the impeller and improves the heat insulation efficiency as a turbo compressor. Can be made to.

即ち、ターボ圧縮機の断熱効率は、一般に、圧縮機の入口と出口における温度差に対する圧縮仕事量で決まる。作動媒体の流れの中では、圧力がたっている静圧部と、圧力が運動エネルギーに変換された動圧部とが混在している。上記平滑化をすることで動圧部の運動エネルギーを圧力回復させ、羽根車入口における作動媒体すべてを静圧部とみなせることが可能となる。 That is, the heat insulation efficiency of a turbo compressor is generally determined by the amount of compression work with respect to the temperature difference between the inlet and outlet of the compressor. In the flow of the working medium, a static pressure part in which pressure is applied and a dynamic pressure part in which pressure is converted into kinetic energy are mixed. By performing the above smoothing, the kinetic energy of the dynamic pressure portion can be recovered in pressure, and all the working media at the impeller inlet can be regarded as the static pressure portion.

作動媒体を駆動電動機の外側と内部の両方を流すことは、電動機全体の冷却にもつながる。これは、上記ターボ圧縮機の羽根車の吸込力のみで駆動電動機の外側と内部を流れていくため、特に外部からの強制冷却が必要ない。つまり、チラーや送風機などの外部機器が不要となり、装置構成、制御・監視保護機能の複雑化、電気消費量の増加の問題が解消される。更に、駆動電動機の冷却で最も重要視される回転子および回転軸の冷却効果も向上し、駆動電動機の効率低下問題も解消できる。 Flowing the working medium both outside and inside the drive motor also leads to cooling of the entire motor. This does not require forced cooling from the outside because it flows inside and outside the drive motor only by the suction force of the impeller of the turbo compressor. In other words, external devices such as chillers and blowers are no longer required, and the problems of device configuration, complicated control / monitoring protection functions, and increased electricity consumption are solved. Further, the cooling effect of the rotor and the rotating shaft, which is most important in cooling the drive motor, is improved, and the problem of reduced efficiency of the drive motor can be solved.

上記駆動圧縮機の内部を通過した作動媒体が、上記羽根車の吸込口で駆動電動機の外側を流れる作動媒体と合流するように構成したので、流体封止部を不要とし、封止部による部品点数の増加や作動媒体の漏れ、摩耗によるコンタミならび純度劣化問題も解消できる。そして、上記羽根車へ全流量を送り込むことができるため、熱源から投入された全熱量を作動媒体が運搬することが可能となり、システム効率の更なる向上も期待し得る。 Since the working medium that has passed through the inside of the drive compressor is configured to merge with the working medium that flows outside the drive motor at the suction port of the impeller, the fluid sealing part is not required, and the parts by the sealing part are used. It is possible to solve the problems of contamination and purity deterioration due to increase in points, leakage of working medium, and wear. Since the entire flow rate can be sent to the impeller, the working medium can carry the total amount of heat input from the heat source, and further improvement in system efficiency can be expected.

本発明は、以上のように、媒体循環路に順次設置された蒸発器,圧縮機,凝縮器,及び膨張弁を有し且つ循環媒体用の低温熱源として再生可能エネルギーや外気等を利用する構造のヒートポンプ装置であって、前記圧縮機としてターボ圧縮機を装備したので、特に、このターボ圧縮機が有効に機能し、装置全体の省エネルギー化及び耐久性向上を図ることができ、且つ長期にわたっての連続運転が可能となるという従来にない優れたヒートポンプ装置を得ることができる。 As described above, the present invention has a structure having an evaporator, a compressor, a condenser, and an expansion valve sequentially installed in the medium circulation path, and using renewable energy, outside air, or the like as a low-temperature heat source for the circulation medium. Since this heat pump device is equipped with a turbo compressor as the compressor, the turbo compressor functions effectively, energy saving and durability improvement of the entire device can be achieved, and for a long period of time. It is possible to obtain an excellent heat pump device that has never existed before and enables continuous operation.

本発明にかかるヒートポンプ装置の実施形態を示す全体ブロック図である。It is an overall block diagram which shows the embodiment of the heat pump device which concerns on this invention. 図1に開示したヒートポンプ装置の要部を成すターボ圧縮機を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the turbo compressor which forms the main part of the heat pump apparatus disclosed in FIG. 図2に開示したヒートポンプ装置に使用される循環冷媒の特性(温度−圧力特性)を示す線図である。It is a diagram which shows the characteristic (temperature-pressure characteristic) of the circulating refrigerant used in the heat pump apparatus disclosed in FIG. 図2に開示したヒートポンプ装置に使用される循環冷媒の実働特性である圧力比と流量との関係を示す線図である。FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the pressure ratio and the flow rate, which are the actual working characteristics of the circulating refrigerant used in the heat pump device disclosed in FIG. 2. 図2に開示したヒートポンプ装置に装備されるターボ圧縮機の他の一例を示す概略断面図である。It is schematic cross-sectional view which shows another example of the turbo compressor mounted on the heat pump apparatus disclosed in FIG. ヒートポンプ装置の動作時におけるターボ圧縮機内の循環冷媒の流通状態を示す冷媒流通状態説明図である。It is a refrigerant flow state explanatory diagram which shows the flow state of the circulating refrigerant in a turbo compressor at the time of operation of a heat pump apparatus. 図6に開示したヒートポンプ装置の一部を構成する平滑化ガイド機構の一例を示す外観図である。FIG. 6 is an external view showing an example of a smoothing guide mechanism that constitutes a part of the heat pump device disclosed in FIG. 図6に開示したヒートポンプ装置の一部を構成する平滑化ガイド機構の他の一例を示す外観図である。FIG. 6 is an external view showing another example of the smoothing guide mechanism that constitutes a part of the heat pump device disclosed in FIG. 図2に開示したターボ圧縮機の具体例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the specific example of the turbo compressor disclosed in FIG. 図9に開示したターボ圧縮機の変形例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the modification of the turbo compressor disclosed in FIG. 図10に開示したターボ圧縮機の冷媒吐出部における冷媒の吐出部における流動状態を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the flow state in the refrigerant discharge part in the refrigerant discharge part of the turbo compressor disclosed in FIG. 図2に開示したターボ圧縮機の他の例で、レシプロ式容積型圧縮機の概略構成及びその動作の一例を示す説明図である。Another example of the turbo compressor disclosed in FIG. 2 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a reciprocating positive displacement compressor and an example of its operation. 図2に開示したターボ圧縮機の他の例で、ロータリー式容積型圧縮機の概略構成及び動作の一例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows an example of the schematic structure and operation of the rotary type positive displacement compressor in another example of the turbo compressor disclosed in FIG. 図2に開示したターボ圧縮機の他の例で、スクロ−ル式容積型圧縮機の概略構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the schematic structure of the scroll type positive displacement compressor in another example of the turbo compressor disclosed in FIG. ヒートポンプ装置の従来例を示す全体ブロック図である。It is an overall block diagram which shows the conventional example of a heat pump apparatus.

〔第1の実施形態〕
以下、本発明にかかるヒートポンプ装置の第1実施形態を、図面に従って説明する。
図1は、本発明に係るヒートポンプ装置を含むシステムを示すブロック図である。この図1にあって、ヒートポンプ装置は、媒体循環路BR上に順次設置された蒸発器8,圧縮機9,凝縮器11,及び膨張弁12を備えている。
そして、この媒体循環路BR内を循環する媒体用の低温熱源001として、本実施形態では、再生可能エネルギーや外気等を利用する構造となっている。
この内、圧縮機9としては、本実施形態ではターボ圧縮機が使用されている。
[First Embodiment]
Hereinafter, the first embodiment of the heat pump device according to the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram showing a system including a heat pump device according to the present invention. In FIG. 1, the heat pump device includes an evaporator 8, a compressor 9, a condenser 11, and an expansion valve 12 which are sequentially installed on the medium circulation path BR.
Then, as the low-temperature heat source 001 for the medium circulating in the medium circulation path BR, in the present embodiment, the structure is such that renewable energy, outside air, or the like is used.
Of these, as the compressor 9, a turbo compressor is used in the present embodiment.

又、上記媒体循環路BR内を循環する媒体(冷媒)Bとして、本実施形態では、地球にやさしい冷媒を選択するという意味で、オゾン破壊係数及び地球温暖化係数が著しく小さい低圧媒体が用いられている Further, as the medium (refrigerant) B circulating in the medium circulation path BR, in the present embodiment, a low-pressure medium having an extremely small ozone depletion potential and global warming potential is used in the sense of selecting an earth-friendly refrigerant. ing

ここで、ターボ圧縮機9は、本実施形態では、その断熱効率が広い作動範囲で高い値に設定された構造のものとし、且つ小型化された省エネルギー構造の分散型構造のものが使用されている。図2に、ターボ圧縮機9の具体的な構造の一例を示す。 Here, in the present embodiment, the turbo compressor 9 has a structure in which the heat insulating efficiency is set to a high value in a wide operating range, and a miniaturized distributed structure having an energy saving structure is used. There is. FIG. 2 shows an example of a specific structure of the turbo compressor 9.

又、低温熱源001である施設廃熱002,地中熱や地熱003,日射004,或いは外気熱005等の再生可能エネルギーは、図1に示すように蒸発器8で集熱され、ここで、作動媒体である冷媒Bが蒸発してターボ圧縮機9に流入する。
そして、冷媒蒸気は当該ターボ圧縮機9内でモータ部(駆動電動機構部)8により高速駆動されるターボ圧縮機9の翼17に導かれ、ここで圧縮されて当該ターボ圧縮機9から吐出され、凝縮器11に導かれ、ここで熱媒体を加熱し、自らは放熱凝縮して膨張弁12に送られる。この膨張弁12で、冷媒Bは膨張・減圧され、再び前述した蒸発器8に戻る。この過程でヒートポンプサイクルが形成される。
Renewable energy such as facility waste heat 002, geothermal heat 003, solar radiation 004, or outside air heat 005, which is a low-temperature heat source 001, is collected by the evaporator 8 as shown in FIG. The refrigerant B, which is the working medium, evaporates and flows into the turbo compressor 9.
Then, the refrigerant vapor is guided to the blade 17 of the turbo compressor 9 which is driven at high speed by the motor unit (driving electric mechanism unit) 8 in the turbo compressor 9, is compressed here, and is discharged from the turbo compressor 9. , It is guided to the condenser 11, where it heats the heat medium, radiates and condenses itself, and sends it to the expansion valve 12. The expansion valve 12 expands and depressurizes the refrigerant B, and returns to the above-mentioned evaporator 8. A heat pump cycle is formed in this process.

上記放熱で得られた熱は、熱媒体ポンプ13により熱媒体に乗って循環し、熱交換器14を介して放熱され、熱利用系15で空調,給湯等のおよびその他の各種機器の加熱に用いられる。 The heat obtained by the above heat dissipation is circulated on the heat medium by the heat medium pump 13 and radiated through the heat exchanger 14, and is used for heating air conditioning, hot water supply, etc. and other various devices by the heat utilization system 15. Used.

ここで、ターボ圧縮機9を装備したヒートポンプ装置においては、循環する冷媒として、上述したように、本実施形態ではオゾン破壊係数および地球温暖化係数が著しく小さい低圧媒体が用いられている。 Here, in the heat pump device equipped with the turbo compressor 9, as described above, a low-pressure medium having a significantly small ozone depletion potential and global warming potential is used as the circulating refrigerant.

このターボ圧縮機9は、回転数を、毎分数1,000回転の容積式圧縮機に比べて、80,000回転ほどに大きくすることができるので、ヒートポンプ装置の作動範囲で低圧で密度が小さい作動媒体を用いて大きな重量流量を得ることが可能となる。 Since the turbo compressor 9 can increase the rotation speed to about 80,000 rotations as compared with the positive displacement compressor at 1,000 rotations per minute, the density is low at low pressure in the operating range of the heat pump device. It is possible to obtain a large weight flow rate using the working medium.

図3の冷媒の飽和蒸気線図に示す通り、一般空調やカーエアコンに使用されている冷媒(「C001HFC32」や「C002HFC134a」)は地球温暖化係数(GWP)がそれぞれ「677」「1300」と大きいが、新しい作動冷媒(低圧媒体)である次世代冷媒HFO・1234ze(E)C003,次世代冷媒HFO・1234ze(Z)C004、次世代冷媒HFO・1233zd(E)C005などは、地球温暖化係数の値は、それぞれ1以下、1、1と極めて小さい。 As shown in the saturated steam diagram of the refrigerant in FIG. 3, the refrigerants (“C001HFC32” and “C002HFC134a”) used in general air conditioners and car air conditioners have global warming potentials (GWP) of “677” and “1300”, respectively. Although large, new working refrigerants (low pressure mediums) such as next-generation refrigerant HFO / 1234ze (E) C003, next-generation refrigerant HFO / 1234ze (Z) C004, and next-generation refrigerant HFO / 1233zd (E) C005 are global warming. The value of the coefficient is extremely small, 1 or less and 1, 1 respectively.

これらの冷媒は低圧高温媒体域に集中しており、高速回転により大きな体積流量を搬送できるターボ圧縮機9が当該冷媒を圧縮でき、地球温暖かに寄与しないヒートポンプ装置を形成することができる。 These refrigerants are concentrated in the low-pressure high-temperature medium region, and the turbo compressor 9 capable of transporting a large volume flow rate by high-speed rotation can compress the refrigerant, and a heat pump device that does not contribute to global warming can be formed.

図4は、上記したヒートポンプ装置において採用するターボ圧縮機9の作動特性を示す。この図4に示すように、回転数を設計点の75〔%〕〜150〔%〕(D005〜D002)に変化させることにより、最大値の90〔%〕以上の断熱効率D007を保ちながら、作動媒体流量を設計点D001の50〔%〕〜125〔%〕の範囲で、1.25〜3.0の圧縮比を得ることが可能なヒートポンプが形成される。 FIG. 4 shows the operating characteristics of the turbo compressor 9 used in the heat pump device described above. As shown in FIG. 4, by changing the rotation speed to 75 [%] to 150 [%] (D005 to D002) of the design point, the heat insulation efficiency D007 of 90 [%] or more of the maximum value is maintained. A heat pump is formed in which the working medium flow rate is in the range of 50 [%] to 125 [%] of the design point D001, and a compression ratio of 1.25 to 3.0 can be obtained.

これにより、ターボ圧縮機9の断熱効率を広い流量範囲、圧縮機作動範囲で高い値とすることに加え、小型化することにより、省エネルギーを有する分散型装置として使用できることを達成する。 As a result, in addition to making the heat insulation efficiency of the turbo compressor 9 a high value in a wide flow rate range and a compressor operating range, it is possible to achieve that it can be used as an energy-saving distributed device by downsizing.

図5に、ターボ圧縮機の他の具体例を示す。
この図5に示すターボ圧縮機10は、回転軸支持部に磁気軸受を備えたターボ圧縮機本体を正面方向から見た垂直断面における概略断面図である。
このターボ圧縮機10は、基本的な機能は前述した図2のターボ圧縮機9とほぼ同一であるが、内部を形成する構成や組み合わせは用途に応じて多様化されており、図5および以下に説明するものに必ずしも限定されないものとする。
FIG. 5 shows another specific example of the turbo compressor.
The turbo compressor 10 shown in FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of a turbo compressor main body having a magnetic bearing on a rotating shaft support portion in a vertical cross section as viewed from the front direction.
The basic function of this turbo compressor 10 is almost the same as that of the turbo compressor 9 of FIG. 2 described above, but the configurations and combinations forming the inside are diversified according to the application, and FIG. 5 and the following It is not necessarily limited to what is described in.

この図5において、ターボ圧縮機10は、ハウジング53内に、固定子52と、回転子54と、回転軸55と、各磁気軸受56、57、58、59と、流体封止部68とを格納した駆動電動機部50を備えている。又、このターボ圧縮機10は、渦巻環64内に羽根車63と、ディフューザ65を格納した圧縮機構部51を備えている。
磁気軸受56乃至59は、それぞれが磁気の力で回転体全体を理想状態に浮上させて回転させることが可能なように構成されており、回転体と静止体との間に機械的接触部を一切持たない構造となっている。以下、各部を説明する。
In FIG. 5, the turbo compressor 10 has a stator 52, a rotor 54, a rotating shaft 55, magnetic bearings 56, 57, 58, 59, and a fluid sealing portion 68 in a housing 53. It includes a stored drive motor unit 50. Further, the turbo compressor 10 includes an impeller 63 and a compression mechanism section 51 in which the diffuser 65 is housed in the spiral ring 64.
Each of the magnetic bearings 56 to 59 is configured so that the entire rotating body can be floated and rotated in an ideal state by a magnetic force, and a mechanical contact portion is provided between the rotating body and the stationary body. It has a structure that does not have any. Each part will be described below.

[駆動電動機部]
この駆動電動機部50は、上記した圧縮機構部51に圧縮の仕事を回転によりさせるための回転動力部である。回転動力は、固定子52と回転子54に生じる磁場と電流から回転方向に動く力が発生し当該回転子54は回転運動をはじめる。この回転子54の回転速度は、固定子52に印加される電圧と周波数によって決まる。
[Drive motor section]
The drive electric motor unit 50 is a rotational power unit for causing the above-mentioned compression mechanism unit 51 to perform compression work by rotation. As the rotational power, a force that moves in the rotational direction is generated from the magnetic field and the current generated in the stator 52 and the rotor 54, and the rotor 54 starts a rotational movement. The rotation speed of the rotor 54 is determined by the voltage and frequency applied to the stator 52.

上記回転子54には回転軸55が備えられている。この回転軸55は、回転子54の内孔部に連結されるが、回転子54が回転時の遠心力によりその内孔部が遠心方向に変形を起こしても、回転軸55との間に隙間が発生しないように、また、各々の連結位相がずれぬように連結されている。
さらに、後述するアキシャル荷重を保持するためのアキシャルリング60が、回転軸55に装備されている。
The rotor 54 is provided with a rotating shaft 55. The rotating shaft 55 is connected to the inner hole portion of the rotor 54, and even if the inner hole portion of the rotor 54 is deformed in the centrifugal direction due to centrifugal force during rotation, the rotating shaft 55 is still between the rotating shaft 55 and the rotating shaft 55. They are connected so that no gap is generated and the connection phases of each are not shifted.
Further, the rotating shaft 55 is equipped with an axial ring 60 for holding an axial load, which will be described later.

[磁気軸受(ラジアル軸受)]
上記回転子50とアキシャルリング60が備われた回転軸55は、その両端にラジアル磁気軸受56,57を備える。この各ラジアル磁気軸受56,57は、回転をしない固定側が電磁石の構造を採っている。磁場が各ラジアル軸受56,57と回転子54との間に発生し、その磁力で回転子54が浮上するが、磁場による渦電流損失を抑制するために、図示はしていないが、厳密には各磁気軸受部周辺の回転軸55には、珪素鋼板が備われている。各ラジアル軸受56,57は、回転軸55の垂直方向に働く静荷重ならび動荷重を受け、回転体全体が安定して回転運動ができるような回転軸支持部として機能する。
[Magnetic bearing (radial bearing)]
The rotating shaft 55 provided with the rotor 50 and the axial ring 60 is provided with radial magnetic bearings 56 and 57 at both ends thereof. Each of the radial magnetic bearings 56 and 57 has an electromagnet structure on the fixed side that does not rotate. A magnetic field is generated between each of the radial bearings 56 and 57 and the rotor 54, and the rotor 54 floats due to the magnetic force. A silicon steel plate is provided on the rotating shaft 55 around each magnetic bearing portion. Each of the radial bearings 56 and 57 receives a static load and a dynamic load acting in the vertical direction of the rotating shaft 55, and functions as a rotating shaft support portion so that the entire rotating body can stably rotate.

前述したアキシャルリング60の周辺には、アキシャル軸受58,59が配設されている。各アキシャル軸受58,59は、前述した回転軸55に連結される羽根車63が圧縮仕事をした際に、回転軸方向に対し空力的な推力がアキシャル荷重として発生するため、そのアキシャル荷重を受け、回転体全体が正しい磁気浮上位置を保持する機能を有する。この各アキシャル軸受58,59も、上記した各ラジアル軸受56,57と同様に電磁石構造を備えている。 Axial bearings 58 and 59 are arranged around the axial ring 60 described above. Each of the axial bearings 58 and 59 receives the axial load because an aerodynamic thrust is generated as an axial load in the direction of the rotating shaft when the impeller 63 connected to the rotating shaft 55 performs the compression work. , The entire rotating body has the function of maintaining the correct magnetic levitation position. The axial bearings 58 and 59 also have an electromagnet structure like the radial bearings 56 and 57 described above.

上記回転軸55の両端周辺には、タッチダウン軸受61,62が配置されている。各タッチダウン軸受61,62は、非常用として備われたものであり、通常は保持器がなく、無潤滑の転がり軸受を使用しており、磁気浮上中ならび回転中においては、回転軸55並びに総ての回転体とは一切非接触である。 Touchdown bearings 61 and 62 are arranged around both ends of the rotating shaft 55. Each touchdown bearing 61, 62 is provided for emergency use, usually has no cage, uses a non-lubricated rolling bearing, and has a rotating shaft 55 and a rotating shaft during magnetic levitation and rotation. It is completely non-contact with all rotating bodies.

磁気軸受56,57は磁力を発生させるために若干の電気を使用するが、その電源が遮断された場合は、回転軸55を浮上させることができない。また、通常回転運転中に、過回転や過負荷などの非常事態が発生し、磁気軸受が持つ制御範囲を超過した場合、回転子54が静止体に接触する危険性がある。そのような非常事態にのみ、一時的な補助軸受として使用する。
このような事態では回転は停止させるため、停止までの間安全に回転体を保護することを目的としている。
The magnetic bearings 56 and 57 use some electricity to generate a magnetic force, but when the power supply is cut off, the rotating shaft 55 cannot be levitated. Further, if an emergency situation such as over-rotation or overload occurs during normal rotation operation and the control range of the magnetic bearing is exceeded, there is a risk that the rotor 54 comes into contact with the stationary body. Only used as a temporary auxiliary bearing in such emergencies.
Since the rotation is stopped in such a situation, the purpose is to safely protect the rotating body until the rotation is stopped.

尚、各タッチダウン軸受61および62は、転がり軸受に限定せず、無潤滑かつ低摩擦係数のものであれば、他の方法を使用もよい。例えば低摩擦係数で焼き付きにくいコーティングを有したプレーン軸受を使用してもよい。 The touchdown bearings 61 and 62 are not limited to rolling bearings, and other methods may be used as long as they are non-lubricating and have a low coefficient of friction. For example, a plain bearing having a coating having a low friction coefficient and a seizure resistance may be used.

図示をしていないが、上記各ラジアル軸受およびアキシャル軸受にはパルスセンサおよび変位センサが内蔵されており、各センサからの信号をフィードバックさせて浮上ならび回転状態の最適制御を行う。 Although not shown, each of the above radial bearings and axial bearings has a built-in pulse sensor and displacement sensor, and feeds back signals from each sensor to perform optimum control of floating and rotational states.

[冷却機構]
これら回転体全体および回転体周辺静止部品は、ハウジング53内に格納されている。このハウジング53は、回転体ならび周辺機器と共振しないような構造設計がなされており、また、固定子52を冷却するための冷却機構も備わっている。
[Cooling mechanism]
The entire rotating body and the stationary parts around the rotating body are housed in the housing 53. The housing 53 is structurally designed so as not to resonate with the rotating body and peripheral devices, and is also provided with a cooling mechanism for cooling the stator 52.

[圧縮機構部]
上記回転軸55には、羽根車63が取り付けられる。この羽根車63は回転軸55によって回転動力が伝達され回転する。羽根車63は渦巻環64に覆われおり、また羽根車63の吐出側と渦巻環64の入口の間にはディフューザ65が備わっている。
[Compression mechanism]
An impeller 63 is attached to the rotating shaft 55. The impeller 63 rotates by transmitting rotational power by the rotating shaft 55. The impeller 63 is covered with a spiral ring 64, and a diffuser 65 is provided between the discharge side of the impeller 63 and the inlet of the spiral ring 64.

上記回転軸55によって回転する羽根車63は、作動媒体吸入口P016から作動媒体Bを吸込み、羽根車63に設けられた動翼内を作動媒体が通過しながら作動媒体を圧縮していく。
羽根車63の動翼と渦巻環64の内側の境界面にはチップクリアランスと言われる隙間があり、作動媒体が羽根車63の動翼内を通過する際に本隙間からの漏れが圧縮機の断熱効率の低下につながるため本隙間は極力小さくすることが望ましいが、上記各アキシャル軸受でアキシャル方向の浮上位置をフィードバック制御かけることで、本隙間の最適化が可能である。
The impeller 63 rotated by the rotating shaft 55 sucks the operating medium B from the operating medium suction port P016, and compresses the operating medium while the operating medium passes through the rotor blades provided on the impeller 63.
There is a gap called chip clearance at the inner interface between the rotor blade of the impeller 63 and the spiral ring 64, and when the working medium passes through the rotor blade of the impeller 63, leakage from this gap is caused by the compressor. It is desirable to make this gap as small as possible because it leads to a decrease in heat insulation efficiency, but it is possible to optimize this gap by applying feedback control to the floating position in the axial direction on each of the above axial bearings.

羽根車63を通過して圧縮された作動媒体Bは、羽根車63から吐出された後にディフューザ65を通過する。羽根車63によって圧縮された作動媒体Bは流体速度が上昇しており、圧力が静圧部と動圧部が混在している状態になっている。ディフューザ65は、羽根車63から吐出された流体速度の速い作動媒体を減速させ、運動エネルギーに変換されている動圧部の圧力回復を目的としている。その後、圧力回復された作動媒体は渦巻環64を通過し、作動媒体吐出口P017から吐出される。 The working medium B that has passed through the impeller 63 and is compressed passes through the diffuser 65 after being discharged from the impeller 63. The fluid velocity of the working medium B compressed by the impeller 63 is increasing, and the pressure is in a state where the static pressure portion and the dynamic pressure portion are mixed. The diffuser 65 aims to recover the pressure of the dynamic pressure portion converted into kinetic energy by decelerating the working medium having a high fluid velocity discharged from the impeller 63. After that, the pressure-recovered working medium passes through the spiral ring 64 and is discharged from the working medium discharge port P017.

[流体封止機構]
上記羽根車63の吐出部から駆動電動機の間において、圧縮機構部51から駆動電動機部50への作動媒体Bの漏れを抑制するために、流体封止機構67が備わっている。
[Fluid sealing mechanism]
A fluid sealing mechanism 67 is provided between the discharge portion of the impeller 63 and the drive motor in order to suppress leakage of the working medium B from the compression mechanism portion 51 to the drive motor portion 50.

尚、本実施形態では、非接触式の回転軸支持機構として各磁気軸受56,57,58,59を備える構成を例示したが、特にこれに限定されるものではなく、非接触式によって回転軸を支持する他の構成を使用してもよい。例えば、気体、ガスなどを用いた流体軸受を使用してもよい。 In the present embodiment, a configuration including each magnetic bearing 56, 57, 58, 59 as a non-contact type rotary shaft support mechanism has been illustrated, but the present invention is not particularly limited to this, and the non-contact type rotary shaft supports the rotary shaft. Other configurations may be used to support. For example, a fluid bearing using gas, gas, or the like may be used.

(第1の実施形態の効果)
以上のように、上記ターボ圧縮機10では、非接触式の回転軸支持機構として各磁気軸受56乃至59を備えており、潤滑油や潤滑用グリースを使用しない。従って、機械損失をゼロにし、ターボ圧縮機10の機械効率の向上が図ることができる。また、作動媒体Bへの潤滑油や潤滑用グリースなどの混入がなくなり、作動媒体Bの純度劣化も抑制され、これによって、システム効率の向上を図ることができる。
(Effect of the first embodiment)
As described above, the turbo compressor 10 includes each magnetic bearing 56 to 59 as a non-contact type rotary shaft support mechanism, and does not use lubricating oil or lubricating grease. Therefore, the mechanical loss can be reduced to zero and the mechanical efficiency of the turbo compressor 10 can be improved. Further, the lubricating oil and the lubricating grease are not mixed into the working medium B, and the deterioration of the purity of the working medium B is suppressed, whereby the system efficiency can be improved.

更に、軸受交換、潤滑油交換、グリース充填などが不要となり、メンテナンスフリー化することができる。また、潤滑油の供給ポンプや排油ポンプが不要になり、電気消費量の削減、ならび、装置構成、制御・監視保護機能の複雑化を解消できる。さらに、磁気浮上位置のフィードバック制御により、チップクリアランス部の隙間の最適制御が可能となり、圧縮機の断熱効率の向上が図り得る。 Further, bearing replacement, lubricating oil replacement, grease filling, etc. are not required, and maintenance can be made free. In addition, a lubricating oil supply pump and an oil drainage pump are no longer required, which can reduce electricity consumption and eliminate the complexity of equipment configuration and control / monitoring protection functions. Further, the feedback control of the magnetic levitation position enables optimum control of the gap in the chip clearance portion, and can improve the heat insulation efficiency of the compressor.

〔第2の実施形態〕
次に、本発明の第2の実施形態を、図6乃至図8に基づいて説明する。
ここで、前述した第1実施形態と同一の構成部材については同一の符号を用いるものとする。
図6は、本第2の実施形態に組み込まれているターボ圧縮機200を示す。
このターボ圧縮機200は、回転軸支持部に磁気軸受を備え、かつ、作動媒体の流れの剥離を抑制する円錐状ガイド機構203と、流れを平滑化する平滑化ガイド機構(平滑化機構)68とを備えている。この図6は、ターボ圧縮機200の正面方向から見た垂直断面における概略断面図である。
この図6において、Q016は作動媒体吸入口を示し、Q017は作動媒体吐出口を示す。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 6 to 8.
Here, the same reference numerals are used for the same components as those in the first embodiment described above.
FIG. 6 shows a turbo compressor 200 incorporated in the second embodiment.
The turbo compressor 200 includes a conical guide mechanism 203 that has a magnetic bearing on a rotating shaft support portion and suppresses separation of the flow of the working medium, and a smoothing guide mechanism (smoothing mechanism) 68 that smoothes the flow. And have. FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of the turbo compressor 200 in a vertical cross section viewed from the front direction.
In FIG. 6, Q016 indicates an operating medium suction port, and Q017 indicates an operating medium discharge port.

このターボ圧縮機200は、基本構成として前述した第1の実施形態とほぼ同じ構成を備えている。そして、作動媒体Bの流路において、第1の実施形態に対し、反対方向、つまり、駆動電動機側から流れてくるため、羽根車63、および渦巻環64の取り付け向きが、逆向きとなっている。
固定子52の外側に平滑化ガイド機構68が、羽根車63が配置された箇所の逆側の回転軸55近傍に円錐状ガイド機構203が、それぞれ設置されている。
従って、作動媒体Bは、図6の矢印で示すように、駆動電動機側の作動媒体吸込口Q016から吸込まれ、円錐状ガイド機構203の表面と平滑化ガイド機構68を流路として通過し、羽根車63に供給される。以下、各部を説明する。
The turbo compressor 200 has substantially the same configuration as the first embodiment described above as a basic configuration. Then, in the flow path of the operating medium B, since the flow flows from the opposite direction to the first embodiment, that is, from the drive motor side, the mounting directions of the impeller 63 and the spiral ring 64 are opposite to each other. There is.
A smoothing guide mechanism 68 is installed on the outside of the stator 52, and a conical guide mechanism 203 is installed near the rotation shaft 55 on the opposite side of the place where the impeller 63 is arranged.
Therefore, as shown by the arrow in FIG. 6, the working medium B is sucked from the working medium suction port Q016 on the drive motor side, passes through the surface of the conical guide mechanism 203 and the smoothing guide mechanism 68 as a flow path, and the blades. It is supplied to the car 63. Each part will be described below.

[円錐状ガイド機構]
上記駆動電動機側から上記作動媒体Bを吸い込む際、駆動電動機部の形状により、必ずしも滑らかな形状にはなっていない。むしろ、機械的製造のし易さや各種制約条件から、作動媒体Bの流れ方向に対して垂直方向に平たい形状をしている。作動媒体吸込口Q016から吸い込まれた作動媒体Bを流れの剥離なく下流側へ流すよう円錐状ガイド機構203を備え、剥離から生じる二次流れ防止としている。
[Conical guide mechanism]
When the operating medium B is sucked from the drive motor side, the shape is not necessarily smooth due to the shape of the drive motor portion. Rather, it has a flat shape in the direction perpendicular to the flow direction of the working medium B due to the ease of mechanical manufacturing and various constraint conditions. A conical guide mechanism 203 is provided so that the working medium B sucked from the working medium suction port Q016 flows to the downstream side without peeling of the flow, and the secondary flow caused by the peeling is prevented.

[平滑化ガイド機構]
次に、平滑化ガイド機構68について説明する。
上記円錐状ガイド機構203を剥離なく通過した作動媒体Bは、固定子52の外側にハウジングと兼用で備え、上述の通り、羽根車63の吸込み手前にて、作動媒体Bが静圧となるよう平滑化ガイド機構68を流路として通過する。
[Smoothing guide mechanism]
Next, the smoothing guide mechanism 68 will be described.
The working medium B that has passed through the conical guide mechanism 203 without peeling is provided on the outside of the stator 52 as a housing, and as described above, the working medium B becomes static pressure before the suction of the impeller 63. It passes through the smoothing guide mechanism 68 as a flow path.

図7は、上記した平滑化ガイド機構68について、作動媒体Bが平滑化されるための形状の一例を示したものである。この平滑化ガイド機構68は、流路の円周に中心軸に沿った一様なフィン68aを複数備え、各フィン68aの間の空間を作動媒体Bが流路として流れることで、流れの平滑化が可能となる。 FIG. 7 shows an example of the shape of the smoothing guide mechanism 68 described above for smoothing the working medium B. The smoothing guide mechanism 68 includes a plurality of uniform fins 68a along the central axis on the circumference of the flow path, and the working medium B flows through the space between the fins 68a as the flow path to smooth the flow. It becomes possible to change.

図8は、他の平滑化ガイド機構69について、作動媒体Bが平滑化されるための形状の、さらなる別の一例を示したものである。この平滑化ガイド機構69は流路の円周上に一様なハニカム69aを備え、各ハニカム69a内を作動媒体Bが流路として流れることで、流れの平滑化を可能としたものである。 FIG. 8 shows yet another example of the shape of the other smoothing guide mechanism 69 for smoothing the working medium B. The smoothing guide mechanism 69 is provided with uniform honeycombs 69a on the circumference of the flow path, and the working medium B flows as a flow path in each honeycomb 69a to enable smoothing of the flow.

尚、本第2の実施形態では、流れの剥離防止として円錐状ガイド機構203、流れの平滑化としてフィン68aとハニカム69aを形状として設けた場合を例示したが、本発明は必ずしもこれに限定されるものではなく、流れの平滑化という作用効果をもたらすものであれば、他の形状のものを使用してもよい。
その他の構成およびその動作は、前述した第1実施形態と同一となっている。
In the second embodiment, the case where the conical guide mechanism 203 is provided as a shape to prevent the flow from peeling off, and the fins 68a and the honeycomb 69a are provided as shapes to smooth the flow, but the present invention is not necessarily limited to this. Other shapes may be used as long as they do not have the effect of smoothing the flow.
Other configurations and their operations are the same as those in the first embodiment described above.

(第2実施形態の効果)
以上のように、本第2実施形態にあって、ターボ圧縮機200は、非接触式の回転軸支持機構として磁気軸受56乃至59を備えており、そして、作動媒体Bの流れの途上には、羽根車63の上流側に円錐状ガイド機構203と、流れ平滑化ガイド機構68が備えられている。円錐状ガイド機構203は、作動媒体Bを吸い込む際の流れの剥離を防止し、二次流れの発生による損失問題を解消する。平滑化ガイド機構68は、羽根車63の入口手前までに流れの平滑化を行い、動圧部の運動エネルギーを圧力回復させることで、圧縮機の断熱効率改善に寄与する。このため、これらにお各構成要素が有効に機能して前述した目的を十分達成することができる。
(Effect of the second embodiment)
As described above, in the second embodiment, the turbo compressor 200 includes magnetic bearings 56 to 59 as a non-contact type rotary shaft support mechanism, and is in the middle of the flow of the operating medium B. A conical guide mechanism 203 and a flow smoothing guide mechanism 68 are provided on the upstream side of the impeller 63. The conical guide mechanism 203 prevents the flow from peeling off when sucking the working medium B, and solves the loss problem due to the occurrence of the secondary flow. The smoothing guide mechanism 68 smoothes the flow up to the front of the inlet of the impeller 63 and recovers the kinetic energy of the dynamic pressure portion, thereby contributing to the improvement of the heat insulation efficiency of the compressor. Therefore, each component functions effectively in these, and the above-mentioned object can be sufficiently achieved.

また、平滑化ガイド機構68は、固定子52の外側に備わっていることから、結果として固定子52の冷却効果も見込まれ、電動機効率の改善や信頼性および寿命改善にも寄与する。そして、これらすべての機能はターボ圧縮機の内部に備われており、従来、外部に取り付けていた類似圧縮機に対し、機械のシンプル化、外付け不要のセルフ機能として、コストダウンやメンテナンス性にも大きな効果がある。 Further, since the smoothing guide mechanism 68 is provided on the outside of the stator 52, a cooling effect of the stator 52 is expected as a result, which contributes to improvement of motor efficiency, reliability and life. All of these functions are provided inside the turbo compressor, which simplifies the machine and makes it easier to maintain as a self-function that does not require an external device, compared to similar compressors that were conventionally installed externally. Has a great effect.

〔第3の実施形態〕
次に、第3実施形態を、図9乃至図10に基づいて説明する。
まず、図9において、符号300はターボ圧縮機を示す。このターボ圧縮機300は、回転軸支持部に磁気軸受を備え、かつ、作動媒体の流れの剥離を抑制する円錐状ガイド機構303と、流れを平滑化する平滑化ガイド機構318とを備え、更に、円錐状ガイド機構303に貫通孔319を、ならび回転軸305に噴出ノズル320を、それぞれ備えている。
この図9におけるターボ圧縮機300は、その正面方向から見た垂直断面における概略断面図を示す。また、図9において、符号R016は作動媒体吸込口を示し、符号R017は作動媒体吐出口を示す。
[Third Embodiment]
Next, the third embodiment will be described with reference to FIGS. 9 to 10.
First, in FIG. 9, reference numeral 300 indicates a turbo compressor. The turbo compressor 300 is provided with a magnetic bearing on the rotating shaft support portion, and further includes a conical guide mechanism 303 that suppresses the separation of the flow of the working medium, and a smoothing guide mechanism 318 that smoothes the flow. The conical guide mechanism 303 is provided with a through hole 319, and the rotating shaft 305 is provided with a ejection nozzle 320.
The turbo compressor 300 in FIG. 9 shows a schematic cross-sectional view in a vertical cross section seen from the front direction thereof. Further, in FIG. 9, reference numeral R016 indicates an operating medium suction port, and reference numeral R017 indicates an operating medium discharge port.

このターボ圧縮機300は、基本構成として前述した第2実施形態におけるターボ圧縮機200とほぼ同一に形成されている。 The turbo compressor 300 is formed as a basic configuration substantially the same as the turbo compressor 200 in the second embodiment described above.

そして、作動媒体吸込口R016から吸い込まれた作動媒体Bは、円錐ガイド機構303の表面に沿って流れる流路と、円錐ガイド機構303に備えられた貫通穴319の中を流れる流路の二系統に流れが分配される。
また、回転軸305内には、噴出ノズル320が備えられ、貫通穴319の中を流れてきた作動媒体Bは回転軸305内の噴出ノズル320内に、隙間を持った非接触で侵入する。
The working medium B sucked from the working medium suction port R016 has two systems, a flow path that flows along the surface of the conical guide mechanism 303 and a flow path that flows through the through hole 319 provided in the conical guide mechanism 303. The flow is distributed to.
Further, a ejection nozzle 320 is provided in the rotating shaft 305, and the working medium B flowing through the through hole 319 enters the ejecting nozzle 320 in the rotating shaft 305 in a non-contact manner with a gap.

上記噴出ノズル320は、回転軸305に取り付けられた回転子304の手前側で回転軸305の外側に吐出するように穴があり(図示せず)、その穴から噴出ノズル320に侵入した作動冷媒Bが吐出し、更に固定子302と回転子304との隙間であるエアギャップ321内を流れる構成になっている。 The ejection nozzle 320 has a hole (not shown) so as to be discharged to the outside of the rotary shaft 305 on the front side of the rotor 304 attached to the rotary shaft 305, and the working refrigerant that has entered the ejection nozzle 320 from the hole. B is discharged and further flows in the air gap 321 which is a gap between the stator 302 and the rotor 304.

図10は図9に開示したターボ圧縮機300の変形例を示すもので、回転軸355内に備われた噴出ノズル360から作動冷媒Bを吐出させる穴の位置を、回転子304の後ろ側に備え、作動媒体Bは上記エアギャップ321を流れずに、主に回転軸355の中心軸部分に設けられた貫通穴(図示せず)内を流れる構成となっている。 FIG. 10 shows a modification of the turbo compressor 300 disclosed in FIG. 9, in which the position of the hole for discharging the working refrigerant B from the ejection nozzle 360 provided in the rotating shaft 355 is located behind the rotor 304. The working medium B does not flow through the air gap 321 but mainly flows through a through hole (not shown) provided in the central shaft portion of the rotating shaft 355.

尚、本第3実施形態においては、図9と図10に例示した各噴出ノズル320と320Aとを、同時に備えた構成としてもよい。
その他の構成およびその動作は、前述した図6に示す第2実施形態の場合と同一となっている。
In the third embodiment, the ejection nozzles 320 and 320A illustrated in FIGS. 9 and 10 may be provided at the same time.
Other configurations and their operations are the same as in the case of the second embodiment shown in FIG. 6 described above.

[第3実施形態の効果]
以上のように、上気したターボ圧縮機300にあっては、非接触式の回転軸支持機構として各磁気軸受306、307、308、309を備えており、そして、作動媒体Bの流れにおいて、羽根車313の上流側に円錐状ガイド機構303と、平滑化ガイド機構318が備えている。この円錐状ガイド機構303の入力部に形成された貫通穴319内には、作動冷媒吸込口R016から吸い込んだ作動冷媒Bの一部が流れ、回転軸355内に備えられた噴出ノズル320Aを介して固定子302と回転子304との隙間であるエアギャップ321を流れることで、この固定子302と回転子304が持つ鉄損と銅損から生じる発熱を、冷却することができる。特に回転子304の発熱を冷却することは、駆動電動機の信頼性ならび寿命の低下、そして電動機効率の低下として大きな課題であったが、この構成によって解消される。
[Effect of Third Embodiment]
As described above, the turbo compressor 300 that has been revitalized is provided with magnetic bearings 306, 307, 308, and 309 as non-contact type rotary shaft support mechanisms, and in the flow of the working medium B, A conical guide mechanism 303 and a smoothing guide mechanism 318 are provided on the upstream side of the impeller 313. A part of the working refrigerant B sucked from the working refrigerant suction port R016 flows into the through hole 319 formed in the input portion of the conical guide mechanism 303, and passes through the ejection nozzle 320A provided in the rotating shaft 355. By flowing through the air gap 321 which is the gap between the stator 302 and the rotor 304, the heat generated by the iron loss and the copper loss of the stator 302 and the rotor 304 can be cooled. In particular, cooling the heat generated by the rotor 304 has been a major problem in terms of reducing the reliability and life of the drive motor and the efficiency of the motor, but this configuration solves the problem.

又、用途によっては回転軸305を冷却する方が効果的な場合もあり、図10に例示した構成(回転軸355参照)もその場合は有効である。これらすべての機能は、ターボ圧縮機300の内部に備われており、従来外部に取り付けていた類似圧縮機に対し、機械のシンプル化、外付け不要のセルフ機能として、コストダウンやメンテナンス性にも大きな効果がある。 Further, depending on the application, it may be more effective to cool the rotating shaft 305, and the configuration illustrated in FIG. 10 (see the rotating shaft 355) is also effective in that case. All of these functions are provided inside the turbo compressor 300, and compared to similar compressors that were conventionally installed outside, the machine is simplified and self-functions that do not require external installation, resulting in cost reduction and maintainability. It has a great effect.

〔第4の実施形態〕
次に、本発明にかかる第4実施形態を、図11に基づいて説明する。
この図11は、羽根車入口413周辺部の正面方向から見た垂直断面におけるターボ圧縮機400の概略断面図を示す。
[Fourth Embodiment]
Next, a fourth embodiment according to the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 11 shows a schematic cross-sectional view of the turbo compressor 400 in a vertical cross section seen from the front direction of the periphery of the impeller inlet 413.

このターボ圧縮機400は、その基本構成は前述した第3実施形態とほぼ同一である。 この場合、平滑化ガイド機構418を通過して流れる作動媒体Bは、当該平滑化ガイド機構418を通過後は羽根車入口413Aへ向かって流れていく。また、駆動電動機内の回転体を冷却した、噴出ノズルを通過して流れる作動媒体Bは、回転軸455の表面の隙間414を流路とし、そこを流れて羽根車入口413Aへ向かって流れていく。平滑化ガイド機構418を通過して流れる作動媒体Bと、噴出ノズルを通過して流れる作動媒体Bとは、羽根車入口413Aで合流する構成になっている。
その他の構成およびその動作は、前述した第3実施形態の場合と同一となっている。
The basic configuration of the turbo compressor 400 is almost the same as that of the third embodiment described above. In this case, the working medium B flowing through the smoothing guide mechanism 418 flows toward the impeller inlet 413A after passing through the smoothing guide mechanism 418. Further, the working medium B that has cooled the rotating body in the drive motor and flows through the ejection nozzle has a gap 414 on the surface of the rotating shaft 455 as a flow path, and flows through the gap 414 toward the impeller inlet 413A. I will go. The working medium B flowing through the smoothing guide mechanism 418 and the working medium B flowing through the ejection nozzle are configured to meet at the impeller inlet 413A.
Other configurations and their operations are the same as in the case of the third embodiment described above.

[第4実施形態の効果]
以上のように、本第4実施形態において、ターボ圧縮機400にあっては、平滑化ガイド機構418を通過して流れる作動媒体Bと噴出ノズルを通過して流れる作動媒体Bは、羽根車入口413Aで合流する構成になっているため、羽根車413へは、システム内に流れている全流量を供給することを可能とする。これは、熱源から投入された全熱量を作動媒体Bが運搬することが可能となり、システム効率に貢献できる。
さらに、噴出ノズルを通過して流れる作動媒体Bを回転軸455の表面の隙間414を流路とすることで、流体封止機構が不要となり、部品点数の低減、および、メンテナンスフリー化が可能となる。流体封止機構が不要であることは、流体封止機構から発生するコンタミなどの異物が作動媒体に混入することもなくなり、作動媒体の交換などメンテナンスが不要となり、さらに、効率改善も可能となる。
[Effect of Fourth Embodiment]
As described above, in the turbo compressor 400, in the turbo compressor 400, the operating medium B flowing through the smoothing guide mechanism 418 and the operating medium B flowing through the ejection nozzle are the impeller inlets. Since it is configured to merge at 413A, it is possible to supply the entire flow rate flowing in the system to the impeller 413. This makes it possible for the working medium B to carry the total amount of heat input from the heat source, which can contribute to system efficiency.
Further, by using the gap 414 on the surface of the rotating shaft 455 as the flow path for the operating medium B flowing through the ejection nozzle, the fluid sealing mechanism becomes unnecessary, the number of parts can be reduced, and maintenance can be made free. Become. The fact that the fluid sealing mechanism is unnecessary means that foreign substances such as contamination generated from the fluid sealing mechanism are not mixed into the working medium, maintenance such as replacement of the working medium is not required, and efficiency can be improved. ..

本発明にかかるヒートポンプ装置は、上述したように媒体循環路に順次設置された蒸発器,圧縮機,凝縮器,及び膨張弁を有し、且つ循環媒体用の低温熱源として再生可能エネルギーや外気等を利用するヒートポンプにあって、圧縮機としてターボ圧縮機を装備したので、当該ターボ圧縮機が有効に機能して装置全体の省エネルギー化及び耐久性向上を図ることができ、長期間の連続使用が可能となり、特に広範囲の集熱に際し、これに対応して広範囲の温度レベルと熱量のエネルギーを得ることができ、従って、単に家庭用のみならず工場等の広域を対象とした各冷暖房や給湯に有効利用でき、その適用範囲は広い。 The heat pump device according to the present invention has an evaporator, a compressor, a condenser, and an expansion valve sequentially installed in the medium circulation path as described above, and has renewable energy, outside air, etc. as a low-temperature heat source for the circulation medium. Since the heat pump that uses the above is equipped with a turbo compressor as a compressor, the turbo compressor can function effectively to save energy and improve the durability of the entire device, and can be used continuously for a long period of time. It is possible, especially when collecting heat over a wide range, and it is possible to obtain energy with a wide range of temperature levels and heat quantities corresponding to this, and therefore, not only for home use but also for each heating and cooling and hot water supply for a wide area such as factories It can be used effectively and its application range is wide.

1 低温熱源
8 蒸発器
9,10,200,300、300A,400 ターボ圧縮機
11 凝縮器
12 膨張弁
13 熱媒体ポンプ
14 熱交換器
15 熱利用系
17,63,313,413 羽根車(圧縮機翼)
18 駆動電動機部(駆動電動機構)
25,55 回転軸
63,313,413 羽根車
67 流体封止機構
68,318,418 平滑化ガイド機構
203,303 円錐状ガイド機構
BR 媒体循環路
B 作動媒体(循環媒体)
1 Low temperature heat source 8 Evaporator 9, 10, 200, 300, 300A, 400 Turbo compressor 11 Condenser 12 Expansion valve 13 Heat medium pump 14 Heat exchanger 15 Heat utilization system 17, 63, 313, 413 Impeller (compressor) Tsubasa)
18 Drive motor unit (drive electric mechanism)
25,55 Rotating shaft 63,313,413 Impeller 67 Fluid sealing mechanism 68,318,418 Smoothing guide mechanism 203,303 Conical guide mechanism BR Medium circulation path B Operating medium (circulation medium)

Claims (4)

媒体循環路に順次設置された蒸発器,圧縮機,凝縮器,及び膨張弁を有し、前記媒体循環路内を循環する循環媒体用の低温熱源として再生可能エネルギーや外気を利用する構造のヒートポンプ装置であって、
前記圧縮機として、ターボ圧縮機を装備し
前記ターボ圧縮機が備えている羽根車における前記循環媒体の吸込部よりも上流側の前記循環媒体の流路上にあって、
前記循環媒体が前記羽根車に吸い込まれるまでの過程で、前記循環媒体の流れの剥離を抑制する円錐状ガイド機構を配備すると共に、前記循環媒体の流れを平滑化する平滑化ガイド機構を、前記ターボ圧縮機内に装備された駆動電動機の固定子の外周部に配備したことを特徴とするヒートポンプ装置。
A heat pump having an evaporator, a compressor, a condenser, and an expansion valve sequentially installed in the medium circulation path, and using renewable energy or outside air as a low-temperature heat source for the circulation medium circulating in the medium circulation path. It ’s a device,
Equipped with a turbo compressor as the compressor,
On the flow path of the circulation medium on the upstream side of the suction portion of the circulation medium in the impeller provided with the turbo compressor.
In the process until the circulation medium is sucked into the impeller, a conical guide mechanism for suppressing the separation of the flow of the circulation medium is provided, and a smoothing guide mechanism for smoothing the flow of the circulation medium is provided. A heat pump device characterized by being deployed on the outer periphery of the stator of a drive motor installed in a turbo compressor.
請求項に記載のヒートポンプ装置において、
前記駆動電動の回転動力伝達用の回転軸の支持部が、無潤滑かつ非接触の支持機構を装備し、
前記羽根車の静止時及び回転時の圧縮過程を含むすべての動作過程にあって、前記循環媒体が流路を含む前記ターボ圧縮機内に充填された状態又は流動通過する際に、当該循環媒体への異物混入による当該循環媒体の純度劣化を抑制し且つ前記回転軸の支持部の機械的な摩擦損失を抑制することを特徴とするヒートポンプ装置。
In the heat pump device according to claim 1,
Supporting portion of the rotational shaft for rotation power transmission of the drive motor, equipped with a non-lubricated and non-contact of the support mechanism,
In all operating processes including the compression process when the impeller is stationary and rotating, when the circulation medium is filled in the turbo compressor including the flow path or passes through the flow, the circulation medium is supplied to the circulation medium. A heat pump device characterized in that the deterioration of the purity of the circulation medium due to the mixing of foreign matter is suppressed and the mechanical friction loss of the support portion of the rotating shaft is suppressed.
請求項1又は2に記載のヒートポンプ装置において、
前記円錐状ガイド機構に、前記循環媒体分配用の貫通孔を形成し、
この貫通孔を介して、前記循環媒体が前記駆動電動機の内部に供給されることにより、当該駆動電動機の回転子並びにその周辺発熱部が冷却される構造としたことを特徴とするヒートポンプ装置。
In the heat pump device according to claim 1 or 2.
Wherein the conical guide mechanism, a through hole is formed for the circulation medium distribution,
Via the through hole, by which the circulating medium is supplied to the inside of the drive motor, a heat pump apparatus which is characterized in that a structure in which the rotor and its peripheral heating portion of the drive motor is cooled.
請求項に記載のヒートポンプ装置において、
前記貫通孔を介して前記駆動電動機の内部に供給された前記循環媒体は、前記駆動電動機の回転動力伝達用の回転軸とその隣接した静止部品との隙間を介して、前記羽根車の吸込部に向けて流動し且つ前記貫通孔を介さずに流れている前記循環媒体と合流して、前記循環媒体の全流量が前記羽根車に供給される構造とし、これにより、前記回転軸、前記羽根車、又は前記静止部品に流体封止機構を不要としたことを特徴とするヒートポンプ装置。
In the heat pump device according to claim 3,
Wherein the circulating medium supplied to the inside of through holes the driving motor, through the gap of the rotary shaft and its adjacent stationary component for a rotary power transmission of the drive motor, the suction portion of the impeller merges with the circulation medium flowing not through the flow to and the through hole towards, a structure in which the total flow rate of the circulating medium is supplied to the impeller, thereby, the rotary shaft, the vane A heat pump device characterized in that a fluid sealing mechanism is not required for a car or the stationary component.
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