JPWO2012029203A1 - Expander and refrigeration cycle equipment - Google Patents
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Abstract
均油管と均圧管の設置や、高さ等の設置制約が生じること無く、更にバランスウェイトによる攪拌損失無く、油分離器から供給される高圧の油を用いた各軸受部への給油が可能な回転式の膨張機等を提供する。容器(4)内が、容器(4)を貫通する給油孔(4c)を介して油分離器(26)から高圧の油が供給される第1空間(4a)と、第1空間(4a)よりも低圧雰囲気となる第2空間(4b)とに分割されると共に、第2空間(4b)に、軸(78)に支持されて軸(78)と一体に回転するバランスウェイト(79a、79b)を配置し、軸(78)は、軸(78)を軸方向に貫通し、一端が第1空間(4a)に開口し、他端が第2空間(4b)に開口する油孔(78a)と、油孔(78a)から軸(78)の半径方向に貫通して各軸受部(51c、52d、61c)に連通する各軸受給油孔(78d)とを有し、第1空間(4a)内の油が油孔(78a)の一端から軸受給油孔(78d)を介して各軸受部(51c、52d、61c)に差圧給油される。Installation of oil equalization pipes and pressure equalization pipes, installation restrictions such as height, etc. do not occur, and there is no stirring loss due to balance weight, and oil supply to each bearing part using high-pressure oil supplied from an oil separator is possible A rotary expander is provided. A first space (4a) in which high-pressure oil is supplied from an oil separator (26) through an oil supply hole (4c) penetrating the container (4) inside the container (4), and a first space (4a) The balance weights (79a, 79b) are divided into the second space (4b) having a lower pressure atmosphere, and are supported by the shaft (78) and rotate integrally with the shaft (78) in the second space (4b). ) And the shaft (78) penetrates the shaft (78) in the axial direction, one end opens to the first space (4a), and the other end opens to the second space (4b). ) And each bearing oil supply hole (78d) penetrating in the radial direction of the shaft (78) from the oil hole (78a) and communicating with each bearing portion (51c, 52d, 61c), and the first space (4a ) Oil in each of the bearing portions (51c, 52d, 61c) from one end of the oil hole (78a) through the bearing oil supply hole (78d). It is pressure refueling.
Description
この発明は、膨張過程から動力を回収する膨張機とその膨張機を備えた冷凍サイクル装置に関するものである。 The present invention relates to an expander that recovers power from an expansion process and a refrigeration cycle apparatus including the expander.
冷凍・空調用途の冷凍サイクル装置において、サイクルC.O.P.(Coefficient Of Performance)向上手段として、膨張過程から動力を回収する膨張機が用いられている。動力回収を行う膨張機としては、例えば、冷媒を膨張させる膨張機構と、膨張機構に同軸で連結され、膨張機構にて回収された動力により駆動されるサブ圧縮機構とを容器内に収容した回転式の膨張機がある。この種の膨張機を冷凍サイクルに用いた場合、軸受部や摺動部などの潤滑が必要な部分を有する機器がサイクル中で圧縮機と膨張機の二つになる。したがって、圧縮機だけでなく膨張機構にも給油する必要があり、圧縮機と膨張機の各々で油が枯渇しないように配慮する必要がある。そこで、従来より、膨張機と圧縮機のそれぞれの容器を均圧管で接続すると共に、それぞれの容器の底部に設けた油溜まり同士を均油管で接続し、膨張機と圧縮機の間で油面位置が等しくなるように油面をコントロールするようにした冷凍サイクル装置がある(例えば、特許文献1参照)。 In the refrigeration cycle apparatus for refrigeration and air conditioning, the cycle C.I. O. P. (Coefficient of Performance) As an improvement means, an expander that recovers power from an expansion process is used. As an expander that performs power recovery, for example, a rotation in which a expansion mechanism that expands a refrigerant and a sub-compression mechanism that is coaxially connected to the expansion mechanism and driven by power recovered by the expansion mechanism are accommodated in a container. There is a type of expander. When this type of expander is used in a refrigeration cycle, there are two devices having a portion requiring lubrication, such as a bearing portion and a sliding portion, a compressor and an expander in the cycle. Therefore, it is necessary to supply oil not only to the compressor but also to the expansion mechanism, and consideration must be given so that the oil is not exhausted in each of the compressor and the expander. Therefore, conventionally, each container of the expander and the compressor is connected by a pressure equalizing pipe, and oil reservoirs provided at the bottom of each container are connected by an oil equalizing pipe so that the oil level is between the expander and the compressor. There is a refrigeration cycle apparatus in which the oil level is controlled so that the positions are equal (for example, see Patent Document 1).
また、その他の冷凍サイクル装置として、例えば、高圧側に油分離器を設け、油分離器により分離した高圧の油を、直接、差圧により膨張機の膨張機構と圧縮機構の両方に給油するようにした冷凍サイクル装置がある(例えば、特許文献2参照)。この冷凍サイクル装置では、転がり軸受けを用いた斜板式の膨張機を採用している。 As another refrigeration cycle apparatus, for example, an oil separator is provided on the high pressure side, and high pressure oil separated by the oil separator is directly supplied to both the expansion mechanism and the compression mechanism of the expander by differential pressure. There is a refrigeration cycle apparatus (see, for example, Patent Document 2). This refrigeration cycle apparatus employs a swash plate type expander using a rolling bearing.
また、動力回収を行う回転式の膨張機では、膨張機構とサブ圧縮機構とを連結する軸の一端と他端にそれぞれバランスウェイトを配置し、膨張機構及び圧縮機構をそれぞれ独立して静的且つ動的にバランスさせるようにしている(例えば、特許文献3参照)。また、この種の動力回収を行う膨張機では、膨張機構とサブ圧縮機構とが同軸に一体に構成されているため、両者の回転数を一致させるべく、膨張機構を通過する体積流量の調整が必要である。そこで、特許文献3の冷凍サイクル装置では、膨張機構をバイパスさせて膨張機構入口側の流量を減らしたり、膨張機構に流入させる前に予膨張を行って膨張機構入口の比容積を増やしたりして調整を行うようにしている。 Further, in a rotary expander that recovers power, balance weights are arranged at one end and the other end of a shaft that connects the expansion mechanism and the sub-compression mechanism, respectively, and the expansion mechanism and the compression mechanism are independently static and The balance is dynamically made (see, for example, Patent Document 3). Further, in an expander that performs this type of power recovery, the expansion mechanism and the sub-compression mechanism are integrally formed coaxially, so that the volume flow rate that passes through the expansion mechanism can be adjusted so that the rotational speeds of the expansion mechanism and the sub-compression mechanism coincide with each other. is necessary. Therefore, in the refrigeration cycle device of
特許文献1の冷凍サイクル装置では、膨張機と圧縮機の間で油面位置を等しくする都合上、膨張機を圧縮機とほぼ同等の高さに設置しなければならず、設置位置に制約があった。これに対し、特許文献2の冷凍サイクル装置では、油分離器に貯留した油を差圧により直接供給することから、均油管と均圧管の設置や、高さ等の設置制約は生じない。しかし、特許文献2の冷凍サイクル装置に用いられる膨張機は、転がり軸受けを用いた斜板式の膨張機であり、回転式の膨張機において、均油管と均圧管の設置や、高さ等の設置制約無く、油分離器から供給される高圧の油を用いて軸受部を潤滑する膨張機は未だ提案されていない。 In the refrigeration cycle apparatus of
また、特許文献3の冷凍サイクル装置では、バランスウェイトが設けられているが、バランスウェイトが膨張機の容器内に貯留された油に浸かっていると、バランスウェイトが油を撹拌することによる撹拌損失が生じ、動力ロスが生じるという問題があった。よって、回転式の膨張機の場合、バランスウェイトが油に浸からない配慮が必要である。 Further, in the refrigeration cycle apparatus of
さらに、特許文献3の冷凍サイクル装置では、体積流量の調整を膨張機構のバイパスや予膨張によって行っているが、この方法の場合、バイパス分や予膨張分の流量が、膨張動力を回収できない非回収流量となる。よって、動力回収効果が低下してエネルギー効率が低下するという問題があった。 Further, in the refrigeration cycle apparatus of
この発明はこのような点に鑑みなされたもので、均油管と均圧管の設置や、高さ等の設置制約が生じること無く、更にバランスウェイトによる攪拌損失無く、油分離器から供給される高圧の油を用いた各軸受部への給油が可能な回転式の膨張機を得ることを目的とする。 The present invention has been made in view of the above points, and does not cause installation restrictions such as the installation of oil equalization pipes and pressure equalization pipes, height, and the like, and further, high pressure supplied from the oil separator without agitation loss due to the balance weight. An object of the present invention is to obtain a rotary expander capable of supplying oil to each bearing portion using the above oil.
また、膨張側のバイパスや予膨張に寄らない体積流量調整を行い、エネルギー効率を向上することが可能な冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。 It is another object of the present invention to provide a refrigeration cycle apparatus capable of adjusting the volume flow rate without depending on expansion side bypass or pre-expansion and improving energy efficiency.
この発明の膨張機は、冷媒を膨張させて動力を回収する膨張機構と、膨張機構に軸を介して連結され、膨張機構で回収された動力により冷媒を圧縮する圧縮機構と、膨張機構と圧縮機構とを収容する容器とを備え、容器内は、容器を貫通する給油孔を介して油分離器から高圧の油が供給される第1空間と、第1空間よりも低圧雰囲気となる第2空間とに分割されると共に、第2空間に、軸に支持されて軸と一体に回転するバランスウェイトを配置し、軸は、軸を軸方向に貫通し、一端が第1空間に開口し、他端が第2空間に開口する給油通路と、給油通路から軸の半径方向に貫通し、膨張機構および圧縮機構のそれぞれの軸に対する各軸受部に連通する各軸受給油孔とを有し、第1空間内の油が給油通路の一端から軸受給油孔を介して各軸受部に差圧給油されるものである。 An expander according to the present invention includes an expansion mechanism that recovers power by expanding a refrigerant, a compression mechanism that is coupled to the expansion mechanism via a shaft, and that compresses the refrigerant by the power recovered by the expansion mechanism, and the expansion mechanism and the compression mechanism A container that houses the mechanism, and the inside of the container is a first space in which high-pressure oil is supplied from an oil separator through an oil supply hole that penetrates the container, and a second atmosphere that has a lower-pressure atmosphere than the first space. A balance weight that is divided into a space and is supported by a shaft and rotates integrally with the shaft is arranged in the second space, the shaft penetrates the shaft in the axial direction, and one end opens into the first space, An oil supply passage whose other end opens into the second space, and each bearing oil supply hole that penetrates from the oil supply passage in the radial direction of the shaft and communicates with each bearing portion for each shaft of the expansion mechanism and the compression mechanism, Each bearing is filled with oil from one end of the oil supply passage through the bearing oil supply hole. It is intended to be a differential pressure refuel.
また、この発明の冷凍サイクル装置は、冷媒を圧縮する主圧縮機構と、主圧縮機構を通過した冷媒と冷媒に含まれている油とを分離する油分離器と、主圧縮機構を通過した冷媒を冷却する放熱器と、放熱器を通過した冷媒を膨張させるための膨張機と、膨張機により膨張した冷媒を蒸発させるための蒸発器とを備え、これらが順次配管で接続されて冷媒が循環するように構成され、膨張機を請求項1記載の膨張機構で構成すると共に、蒸発器から主圧縮機構に向かう冷媒の一部を、膨張機の圧縮機構に供給して圧縮した後、主圧縮機構の圧縮途中に供給するようにし、油分離器にて分離した油を、主圧縮機構と蒸発器との間の配管に戻す主油戻し管と、油分離器にて分離した油を、容器の給油孔に送るサブ油戻し管とを有するものである。 The refrigeration cycle apparatus of the present invention includes a main compression mechanism that compresses refrigerant, an oil separator that separates refrigerant that has passed through the main compression mechanism and oil contained in the refrigerant, and refrigerant that has passed through the main compression mechanism. A radiator that cools the refrigerant, an expander that expands the refrigerant that has passed through the radiator, and an evaporator that evaporates the refrigerant expanded by the expander, which are sequentially connected by piping to circulate the refrigerant The expander is configured by the expansion mechanism according to
この発明によれば、均油管と均圧管の設置や、高さ等の設置制約が生じること無く、更にバランスウェイトによる攪拌損失無く、油分離器から供給される高圧の油を用いた各軸受部への給油が可能な回転式の膨張機を得ることができる。
また、エネルギー効率を向上することが可能な冷凍サイクル装置を得ることができる。According to the present invention, each bearing portion using high-pressure oil supplied from the oil separator without installation restrictions such as the installation of oil equalization pipes and pressure equalization pipes, height, and the like, and further without stirring loss due to the balance weight. A rotary expander capable of refueling can be obtained.
Moreover, the refrigeration cycle apparatus which can improve energy efficiency can be obtained.
図1は、この発明の一実施の形態に係る膨張機の概略断面図である。以下の各図において、同一の符号を付したものは、同一のまたはこれに相当するものであり、これは明細書の全文において共通している。さらに、明細書全文に表れている構成要素の形態は、あくまで例示であってこれらの記載に限定されるものではない。 FIG. 1 is a schematic sectional view of an expander according to an embodiment of the present invention. In the following drawings, the same reference numerals denote the same or corresponding parts, which are common throughout the entire specification. Furthermore, the form of the constituent elements appearing in the whole specification is merely an example, and is not limited to these descriptions.
膨張機1は、密閉容器4内に、冷媒を膨張させて動力を回収する膨張機構2と、膨張機構2に軸78を介して連結され、膨張機構2で回収された動力により冷媒を圧縮するサブ圧縮機構3とを有している。密閉容器4の下方には、膨張機構2を構成する膨張固定スクロール51が配置されている。膨張固定スクロール51は、台板51aから上方に渦巻歯51bを立設した構成を有している。また、密閉容器4の上方には、サブ圧縮機構3を構成するサブ圧縮固定スクロール61が配置されている。サブ圧縮固定スクロール61も、台板61aから下方に渦巻歯61bが立設された構成を有している。そして、膨張固定スクロール51とサブ圧縮固定スクロール61との間に揺動スクロール52が配置されている。 The
揺動スクロール52は、台板52aにおいて膨張固定スクロール51と対向する一方の面に、膨張固定スクロール51の渦巻歯51bと噛み合う膨張側渦巻歯52bが立設され、膨張固定スクロール51と共に膨張機構2を構成している。また、揺動スクロール52は、台板52aにおいてサブ圧縮固定スクロール61と対向する他方の面に、サブ圧縮固定スクロール61の渦巻歯61bと噛み合うサブ圧縮側渦巻歯52cが立設され、サブ圧縮固定スクロール61と共にサブ圧縮機構3を構成している。 The
サブ圧縮固定スクロール61、揺動スクロール52および膨張固定スクロール51の中央部には上下方向に軸78が貫通している。軸78は、膨張固定スクロール51およびサブ圧縮固定スクロール61それぞれの中央に形成された膨張側軸受部51cおよびサブ圧縮側軸受部61cによって、回転自由に支持されている。揺動スクロール52は、その中央に形成された揺動軸受部52dが軸78に形成されたクランク(偏心)部によって貫通支持され、揺動運動できるようになっている。また、揺動スクロール52と膨張固定スクロール51の間にはオルダムリング77が配置され、揺動スクロール52の自転を防止し、姿勢を規正している。 A
膨張機1では、軸78が回転して揺動スクロール52が揺動運動を行うことで冷媒の膨張作用および圧縮作用を行っている。すなわち、膨張機構2側では、揺動スクロール52の円軌道に沿った揺動により膨張固定スクロール51との間に中央部から周辺方向に移動しながら容積を大きくする膨張室を形成しており、ここで膨張作用を行う。一方、サブ圧縮機側では、揺動スクロール52の円軌道に沿った揺動によりサブ圧縮固定スクロール61との間に外周部から中心方向に移動しながら容積を小さくする圧縮室を形成しており、ここで圧縮作用を行う。 In the
密閉容器4内は、膨張固定スクロール51の背面側の第1空間4aと、サブ圧縮固定スクロール61の背面側の第2空間4bと、膨張固定スクロール51とサブ圧縮固定スクロール61の間の揺動スクロール運動空間61eとに三分割されている。密閉容器4には第1空間に連通する給油孔4cが貫通形成されており、その給油孔4cに密閉容器4外から接続された給油管37により、後述の油分離器26からの油が第1空間4aに供給されて充満するようになっている。また、密閉容器4には第2空間4bに連通する吸気孔4dが貫通形成されており、その吸気孔4dに密閉容器4外から接続されたサブ圧縮吸入管19により、外部からの冷媒が第2空間4bに供給される。この例では、第2空間4bは、サブ圧縮機構3の吸入圧力雰囲気となっている。サブ圧縮固定スクロール61には、軸方向に貫通するサブ圧縮吸入連通路61dが形成されており、このサブ圧縮吸入連通路61dにより、第2空間4bと揺動スクロール運動空間61eとは連通し、実質同一空間化している。 Inside the sealed container 4, the
軸78は、その内部に軸方向に貫通する給油通路である油孔78aを有し、油孔78aの一端78bは第1空間4aに充満した油に開口し、油孔78aの他端78cは第2空間4bに開口している。また、軸78には油孔78aから半径方向に貫通して形成され、膨張側軸受部51c、揺動軸受部52d、サブ圧縮側軸受部61cへ通じる複数の軸受給油孔78dを有している。また、軸78において第2空間4bに突出している突出部には、軸78と一体に回転するバランスウェイト79a,79bが装着されている。揺動スクロール52と同じ偏心方向のバランスウェイト79bと、反偏心方向のバランスウェイト79aとが互いに隣接しており、揺動スクロール52とバランスウェイト79a,79bの三つで静バランスと動バランスの両方を取るようになっている。 The
図2は、図1の膨張機の別の断面を示す概略断面図である。
サブ圧縮機構3において、サブ圧縮固定スクロール61の台板61aには、サブ圧縮室に連通するサブ圧縮吐出ポート40が軸方向に形成され、サブ圧縮吐出ポート40の吐出側の端部には、サブ圧縮吐出ポート40を開閉する吐出弁32が配置されている。サブ圧縮固定スクロール61の台板61aには更に、吐出弁32が配置された弁スペース33と、弁スペース33から台板61aを半径方向に貫通するサブ圧縮吐出流路61fとが形成されている。サブ圧縮吐出流路61fには、密閉容器4を貫通して挿入されたサブ圧縮吐出管20が接続されている。第1空間4aは上述したようにサブ圧縮機構3の吸入圧力雰囲気となっており、吸入圧力の冷媒はサブ圧縮機構3の圧縮室にて圧縮された後、吐出弁32から吐出され、サブ圧縮吐出流路61fを通過してサブ圧縮吐出管20から密閉容器4外へと吐出される。尚、弁スペース33の第2空間4b側の開口部はプレート34によって閉塞されている。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing another cross section of the expander of FIG.
In the
膨張機構2において、膨張固定スクロール51の台板51aには、膨張室に連通する膨張吸入ポート35と膨張吸入ポート35に連通する膨張吸入流路51dとが形成されている。膨張固定スクロール51の台板51aには更に、密閉容器4を貫通して挿入され、膨張吸入流路51dに連通する膨張吸入管15が接続されている。また、膨張固定スクロール51の台板51aには更に、膨張室に連通する膨張吐出ポート36と膨張吐出ポート36に連通する膨張吐出流路51eとが形成されている。膨張固定スクロール51の台板51aには更に、密閉容器4を貫通して挿入され、膨張吐出流路51eに連通する膨張吐出管16が接続されている。この構成により、膨張機構2では、密閉容器4外から直接冷媒を吸入し、膨張室にて膨張した後、密閉容器4内に吐出されることなく膨張吐出管16から直接密閉容器4外に吐出される。 In the
揺動スクロール52の膨張側渦巻歯52bの中央部歯先には、揺動軸受部52dを囲繞するように偏心シール72aが設けられ、膨張機構2の入口と密閉容器4内とをシールしている。また、揺動スクロール52のサブ圧縮側渦巻歯52cを囲繞して同心シール73が設けられ、その更に外側に偏心シール72bが設けられている。揺動スクロール52の台板52aには、膨張側渦巻歯52bの膨張室形成部分から軸方向に貫通する高圧導入孔52eが形成されており、高圧導入孔52eのサブ圧縮側は、同心シール73と偏心シール72bの間の部分に開口している。この高圧導入孔52eの作用については後述する。 An
図3は、この発明による膨張機を搭載する冷凍サイクル装置を模式的に表すサイクル構成図である。
この冷凍サイクル装置は、モーター6によって駆動される主圧縮機構7を有する主圧縮機5と、油分離器26と、放熱器11と、予膨張弁14と、膨張機1内の膨張機構2と、蒸発器12とが順次配管で接続されている。そして、蒸発器12と主圧縮機構7との間の配管とサブ圧縮機構3のサブ圧縮吸入管19とが配管80で接続され、蒸発器12から主圧縮機構7に向かう冷媒の一部が配管80を経て膨張機1内のサブ圧縮機構3に供給される。更に、サブ圧縮機構3のサブ圧縮吐出管20と主圧縮機構7の圧縮途中の吸入ポートとが逆止弁82を有する配管81で接続され、サブ圧縮機構3によって圧縮された冷媒が、配管81を経て主圧縮機構7の圧縮途中の圧縮室に導入される。FIG. 3 is a cycle configuration diagram schematically showing a refrigeration cycle apparatus equipped with an expander according to the present invention.
This refrigeration cycle apparatus includes a
モーター6に電気が供給されると、主圧縮機5が駆動し、主圧縮機5の主圧縮機構7によって冷媒が昇圧される。そして、昇圧された冷媒から、この冷媒に含まれる油が油分離器26によって分離された後、放熱器11に導入され冷却される。そして、放熱器11によって冷却された高圧の冷媒は、予膨張弁14を経て膨張機1の膨張機構2に送られ、膨張減圧される。予膨張弁14は、起動時など過渡時に膨張機構2側の圧力をコントロールするためのもので、定常時は全開とされ、流量/動力のマッチングに関わらないようになっている。膨張機構2によって減圧された冷媒は、蒸発器12にて加熱された後、再び主圧縮機5の主圧縮機構7に戻る。蒸発器12から主圧縮機5に戻る冷媒の一部は、上述したように配管80を経て膨張機1内のサブ圧縮機構3に供給され、サブ圧縮機構3によって中間圧まで圧縮された後、逆止弁82を有する配管81を経て主圧縮機構7の圧縮途中の圧縮室に導入される。主圧縮機構7では、蒸発器12から流入した冷媒が中間圧まで圧縮され、サブ圧縮機構7から流入した冷媒と合流してその冷媒と共に高圧まで圧縮される。 When electricity is supplied to the motor 6, the
膨張機1において、冷媒が減圧するときに発生する動力を膨張機構2で回収してサブ圧縮機構3が駆動されると、冷凍サイクル装置を循環する冷媒はサブ圧縮機構3と主圧縮機5にw:(1−w)で分流される。本例の冷凍サイクル装置では、主圧縮/サブ圧縮の分流による体積流量調整を行い、膨張機構2側で決まる回転数とサブ圧縮機構3側の回転数を一致させる条件を満たすようにする。膨張機構2を通過する通過流量をGe、サブ圧縮機構3を通過する通過流量をGc、膨張機構入口の冷媒比容積をvexi、サブ圧縮機構入口の冷媒比容積をvs、膨張機構吸入容積をVei、サブ圧縮機構吸入容積をVcs、とすると(1)式を満たす必要がある。 In the
ここで、膨張機構吸入容積/サブ圧縮機構吸入容積=σvEC*とする。そして、重量流量Gc/重量流量Ge=wである。これらの式を用いて上記(1)式を整理すると、wが以下の(2)式となる。よって、wが以下の(2)式を満足するように主圧縮機5の吸入量を調整することにより、膨張機構2とサブ圧縮機構3の入口体積流量の釣り合いを取ることができる。 Here, the expansion mechanism suction volume / sub-compression mechanism suction volume = σvEC *. The weight flow rate Gc / weight flow rate Ge = w. If the above equation (1) is rearranged using these equations, w becomes the following equation (2). Therefore, the inlet volume flow rate of the
上記の膨張機構2とサブ圧縮機構3の入口体積流量の釣り合いに加えて、膨張機構2とサブ圧縮機構3間の動力も釣り合いも必要である。分流比w分の冷媒について、膨張機構2で回収された動力によってサブ圧縮機構3でPlから中間圧Pmまで圧縮され、Pmから高圧Phまでの追加圧縮は(1−w)分と共に主圧縮機構7で行なわれることにより、膨張機構2とサブ圧縮機構3間の動力も釣り合いが取れる。 In addition to the balance of the inlet volume flow rates of the
すなわち、膨張機1の吸入容積比σvEC*が固定で、回収動力は条件に依存して決まっていることに対して、サブ圧縮機構3と主圧縮機5とに分流することで流量のマッチングを図る。そして、サブ圧縮機構3に分流した冷媒を主圧縮機構7で合流してから追加圧縮することで、w分をPlからPhまで昇圧するのに必要な動力と回収動力とのずれを吸収していることになる。尚、図3には予膨張弁14が記載されているが、これは上述したように起動時など過渡時に膨張機構2側の圧力をコントロールするためのもので、定常時は全開で入口体積流量と動力の上記マッチングに関わらないようになっている。 That is, the suction volume ratio σvEC * of the
図4は、図3の冷凍サイクル装置における冷媒の状態量変化を示すモリエル線図である。図4において縦軸(対数)は冷媒圧力P、横軸に比エンタルピhである。
主圧縮機5では冷媒が低圧Plのc1sから高圧Phのc1dまで昇圧される。尚、ここでは冷媒としてCO2を想定しているため圧力Phが臨界圧を超えている。Phまで昇圧された冷媒は放熱器11で冷却されることによって、c1d→exiに変化する。放熱器11出口の冷媒を、膨張弁のように動力を回収しない絞りで減圧した場合には、点exiから比エンタルピ一定で減圧して点exo’に至る。これに対し、膨張機構2で膨張動力を発生しながら減圧した場合には、exi→exoの過程を辿る。この減圧時の比エンタルピの差hexo’−hexoが動力として回収されるエネルギーに相当し、流量w分をサブ圧縮機構3でc2s→c2dまで圧縮するときの動力として利用される。流量w分に関して主圧縮機5に合流後に行なわれる追加圧縮はc2d→c1dで表され、流量(w−1)分の主圧縮機5での圧縮はc1s(=c2s・→c1dで表される。FIG. 4 is a Mollier diagram showing changes in the state quantity of the refrigerant in the refrigeration cycle apparatus of FIG. In FIG. 4, the vertical axis (logarithm) is the refrigerant pressure P, and the horizontal axis is the specific enthalpy h.
In the
このとき、(エンタルピ差hc2s−hexo)×(流量1)相当分が冷凍能力である。また、動力回収されたエネルギー(流量w分のエンタルピ差hc2d−hc2s相当分)を除く、(エンタルピ差hc2d−hc1s)×(流量1−w)+(エンタルピ差hc1d−hc2d)・(流量1)相当分の電気入力が主圧縮機5のモーター6で消費される。よって、この比率(冷凍能力/消費電力)が所謂サイクルC.O.P.となる。動力回収を行なわないときのサイクルc1s→c1d→exi→exo"→c1sと比べると、入力の(エンタルピ差hc2d−hc2s)×(流量w)分と冷凍能力の(エンタルピ差hexo’−hexo)・(流量1)分がC.O.P.向上に寄与している。 At this time, (enthalpy difference hc2s-hexo) × (flow rate 1) equivalent is the refrigerating capacity. Further, the energy recovered from the power (the enthalpy difference hc2d−hc2s equivalent to the flow rate w) is excluded, (enthalpy difference hc2d−hc1s) × (flow
ここで、揺動スクロール52の両面に作用する圧力と高圧導入孔52eについて説明する。サブ圧縮機構3におけるサブ圧縮過程は図4のモリエル線図でc2s→c2d間、膨張機構2における膨張過程はexi→exo間で行われる。したがって、揺動スクロール52の両面に作用する圧力は、サブ圧縮機構3側からよりも膨張機構2側からの方が大きい。このため、渦巻スペックをサブ圧縮機構3側は外径の大きいものに、膨張機構2側はできるだけ外径を抑えたものにして、オルダムリング77を膨張側渦巻外周部に配置している。しかし、通常、膨張機構2側からサブ圧縮機構3側への軸方向ガス荷重(スラスト)により、サブ圧縮側渦巻歯52cの歯先押付力が過大となる。この発明の膨張機1は、回収する膨張動力以外に駆動源を持たないため、過大な押付力は回収動力の浪費或いは運転不能の原因となる。このため、膨張入口側の高圧(モリエル線図上の点exi)を高圧導入孔52eによりサブ圧縮機構3側の面に導いて、サブ圧縮機構3側へのスラスト(=サブ圧縮側渦巻の歯先押付力)を軽減するようにしている。 Here, the pressure acting on both surfaces of the
次に、膨張機への給油経路および油の流れについて説明する。油分離器26には、油分離器26にて分離した油を蒸発器12と主圧縮機5との間の配管へ戻す主油戻し管22aと、油を膨張機1に戻すサブ油戻し管22bとが接続されている。サブ油戻し管22bは一端が油分離器26に、他端が密閉容器4を貫通する給油管37に接続され、油分離器26からの油を給油管37に導いて第2空間4b内に導入させる。 Next, the oil supply path to the expander and the oil flow will be described. The
高圧側に設けられた油分離器26で分離された油は、キャピラリのような抵抗一定の油戻し管で圧縮機の吸入側に戻すのが一般的である。しかし、この実施の形態では、主油戻し管22aに可変絞り27を設け、返油時の抵抗を変更できるようにしている。可変絞り27により、油分離器26から主圧縮機5の吸入側に戻す油量が適正になるように調整される。また、サブ油戻し管22bは一定の抵抗で減圧する管であり、油分離器26で分離された油を一定の抵抗で減圧して膨張機1の第1空間4aに供給する。 The oil separated by the
第1空間4aは、油分離器26からの油が充満して油の圧力雰囲気となっている。一方、第2空間4bは、上述したようにサブ圧縮吸入管19から吸入された冷媒によって吸入圧力雰囲気となっている。第1空間4a内の圧力雰囲気はサブ油戻し管22bの抵抗に依存するものであり、ここでは、油孔78aの一端78bと他端78cとの間に圧力差が生じるようにサブ油戻し管22bの抵抗が設定されている。よって、油孔78aの一端78bと他端78cとの間に生じる圧力差により、第1空間4a内の油が油孔78aの一端78bから吸い込まれ、各軸受給油孔78dから膨張側軸受部51c、サブ圧縮側軸受部61cおよび揺動軸受部52dにそれぞれ差圧給油される。尚、サブ油戻し管22bの抵抗は、油孔78aの一端78bと他端78cの圧力差が、軸78の長さ分の圧力ヘッドとなるように設定されている。 The
膨張側軸受部51c、サブ圧縮側軸受部61cおよび揺動軸受部52dを潤滑した冷媒は、第2空間4bにオーバーフローし、サブ圧縮吸入管19から流入した流量w分の冷媒と共に、サブ圧縮吸入連通路61dを経て揺動スクロール運動空間61eに流入する。揺動スクロール運動空間61eに流入した冷媒は、サブ圧縮機構3によりサブ圧縮され、サブ圧縮吐出管20から主圧縮機構7へ送られる。したがって、揺動スクロール運動空間61eは油リッチな雰囲気となり、この空間内にあるオルダムリング77の爪摺動部にも油が供給される。 The refrigerant that has lubricated the expansion
サブ圧縮された冷媒は、主圧縮機構7で追加圧縮された後吐出され、油分離器26に至る。よって、冷媒中の油も油分離器26に戻る。したがって、油分離器26〜サブ油戻し管22b〜第1空間4a〜各軸受部…揺動スクロール運動空間61e〜サブ圧縮機構3〜追加圧縮機構(主圧縮機構7)〜油分離器26という、膨張機1の給油系が構成されている。 The sub-compressed refrigerant is further compressed by the main compression mechanism 7 and then discharged, and reaches the
膨張機1への給油量は、油分離器26の高圧と蒸発器12出口の低圧との差圧とサブ油戻し管22bの抵抗とによって決まる。したがって、一旦定常状態に入ったら、油分離器26で捕捉される油から膨張機1の給油に用いられる量を除いた分、すなわち主圧縮機5から本来持ち出される油上がり分、を主油戻し管22aから主圧縮機5の吸入側に戻せば良い。主油戻し管22aから主圧縮機5の吸入側に戻す油量の調整は、可変絞り27によって行われる。 The amount of oil supplied to the
以上のように、膨張機1とモーター駆動の主圧縮機5の二ヶ所への給油を、主圧縮機5の吐出側に設けた油分離器26からの返油により行うにあたって、この実施の形態の構成によれば以下の効果を奏する。すなわち、軸78内の油孔78aの一端78bと他端78cとの圧力差により油孔78aおよび軸受給油孔78dを介して各軸受部(膨張側軸受部51c、サブ圧縮側軸受部61cおよび揺動軸受部52d)に差圧給油する構成としたので、主な油貯留部である主圧縮機5の密閉容器内と膨張機1の密閉容器4内の油面を共有するための均油管および均圧管が不要で、また、設置位置の制約が生じない。また、給油ポンプによらない給油が可能である。 As described above, when the oil supply to the two places of the
また、油を充満させる第1空間4a内には、軸78の端部が面している以外にバランスウェイト等の運動する部材が存在しない。よって、軸78内の油孔78aから各軸受部や各摺動部への給油を、充満した油を攪拌することによる損失や、油の抵抗による運動阻害等を付随せずに行うことができ、回収効率が高く安定した動作のサブ圧縮機一体型の膨張機を得ることができる。 In addition, in the
また、サブ圧縮機構3が低圧〜中間圧まで主圧縮機5と並列に圧縮動作を行うことにより、膨張動力回収に伴う流量と動力のマッチングのロスを極小化することができる。 Further, the
また、圧縮側の主圧縮/サブ圧縮の分流による体積流量の調整を行うようにしたので、膨張側のバイパスや予膨張による体積流量調整を行う冷凍サイクル装置に比べてエネルギー効率を向上することが可能であり、引いては省エネにも寄与できる。 In addition, since the volume flow rate is adjusted by the main compression / sub-compression split on the compression side, energy efficiency can be improved compared to a refrigeration cycle apparatus that performs volume flow adjustment by expansion side bypass or pre-expansion. Yes, it can contribute to energy saving.
また、従来の油面コントロールが必要な冷凍サイクル装置では、延長配管で回路が長大になったりしている場合には、主圧縮機、膨張機以外の容器部分で油が滞留したり油の移動に時間がかかったりすることにより、過渡的に油面のバランスが保持できず、主圧縮機、膨張機どちらかの容器内の潤滑油が不足する可能性がある。これに対し、この実施の形態では、主油戻し管22aに設けた可変絞り27により、油分離器26から主圧縮機5の吸入側に戻す油量が適正になるように調整するため、油を安定して供給できる。よって、油が枯渇することを防止でき、潤滑不足による焼き付きを防止できる。その結果、長寿命化を図ることができる。 In addition, in conventional refrigeration cycle equipment that requires oil level control, if the circuit is long due to the extension piping, oil may stay in the container other than the main compressor and expander, or the oil may move. If it takes a long time, the oil level balance cannot be maintained transiently, and there is a possibility that the lubricating oil in either the main compressor or the expander is insufficient. In contrast, in this embodiment, the
また、油分離器26で分離された油が、主圧縮機構7と膨張機1の間で回路を経由せずに、直接主圧縮機5又は膨張機1に供給されるので、冷媒中に油が混在することによる熱交換性能の低下を抑制でき、効率の高い冷凍システムが得られる。 Further, since the oil separated by the
また、冷媒としてはCO2 を用いるため、地球環境を破壊すること無く、上記効果を有する冷凍サイクル装置を得ることができる。 Moreover, since CO2 is used as the refrigerant, a refrigeration cycle apparatus having the above-described effects can be obtained without destroying the global environment.
1 膨張機、2 膨張機構、3 サブ圧縮機構、4 密閉容器、4a 第1空間、4b
第2空間、4c 給油孔、4d 吸気孔、5 主圧縮機、6 モーター、7 主圧縮機構、11 放熱器、12 蒸発器、14 予膨張弁、15 膨張吸入管、16 膨張吐出管、19 サブ圧縮吸入管、20 サブ圧縮吐出管、22a 主油戻し管、22b サブ油戻し管、26 油分離器、27 可変絞り、32 吐出弁、33 弁スペース、34 プレート、35 膨張吸入ポート、36 膨張吐出ポート、37 給油管、40 サブ圧縮吐出ポート、51 膨張固定スクロール、51a 台板、51b 渦巻歯、51c 膨張側軸受部、51d 膨張吸入流路、51e 膨張吐出流路、52 揺動スクロール、52a 台板、52b 膨張側渦巻歯、52c サブ圧縮側渦巻歯、52d 揺動軸受部、52e 高圧導入孔、61 サブ圧縮固定スクロール、61a 台板、61b 渦巻歯、61c サブ圧縮側軸受部、61d サブ圧縮吸入連通路、61e 揺動スクロール運動空間、61f サブ圧縮吐出流路、72a 偏心シール、72b 偏心シール、73 同心シール、77 オルダムリング、78 軸、78a 油孔、78b 一端、78c 他端、78d 軸受給油孔、79a バランスウェイト(反揺動偏心側)、79b バランスウェイト(揺動偏心側)、80 配管、81 配管、82 逆止弁。DESCRIPTION OF
2nd space, 4c Oil supply hole, 4d Intake hole, 5 Main compressor, 6 Motor, 7 Main compression mechanism, 11 Radiator, 12 Evaporator, 14 Pre-expansion valve, 15 Expansion suction pipe, 16 Expansion discharge pipe, 19 Sub Compression suction pipe, 20 sub-compression discharge pipe, 22a main oil return pipe, 22b sub oil return pipe, 26 oil separator, 27 variable throttle, 32 discharge valve, 33 valve space, 34 plate, 35 expansion suction port, 36 expansion discharge Port, 37 Oil supply pipe, 40 Sub compression discharge port, 51 Expansion fixed scroll, 51a Base plate, 51b Spiral tooth, 51c Expansion side bearing part, 51d Expansion suction flow path, 51e Expansion discharge flow path, 52 Swing scroll, 52a table Plate, 52b Expansion side spiral tooth, 52c Sub compression side spiral tooth, 52d Oscillating bearing, 52e High pressure introduction hole, 61 Sub compression fixed scroll, 61a Base plate, 61b Spiral tooth 61c Sub-compression side bearing part, 61d Sub-compression suction communication path, 61e Orbiting scroll motion space, 61f Sub-compression discharge flow path, 72a Eccentric seal, 72b Eccentric seal, 73 Concentric seal, 77 Oldham ring, 78 Shaft, 78a Oil hole 78b one end, 78c other end, 78d bearing oil supply hole, 79a balance weight (anti-oscillation eccentric side), 79b balance weight (oscillation eccentric side), 80 piping, 81 piping, 82 check valve.
Claims (3)
前記膨張機構に軸を介して連結され、前記膨張機構で回収された動力により冷媒を圧縮する圧縮機構と、
前記膨張機構と前記圧縮機構とを収容する容器とを備え、
前記容器内は、前記容器を貫通する給油孔を介して油分離器から高圧の油が供給される第1空間と、前記第1空間よりも低圧雰囲気となる第2空間とに分割されると共に、前記第2空間に、前記軸に支持されて前記軸と一体に回転するバランスウェイトを配置し、
前記軸は、前記軸を軸方向に貫通し、一端が前記第1空間に開口し、他端が前記第2空間に開口する給油通路と、前記給油通路から前記軸の半径方向に貫通し、前記膨張機構および前記圧縮機構のそれぞれの前記軸に対する各軸受部に連通する各軸受給油孔とを有し、
前記第1空間内の油が前記給油通路の前記一端から前記軸受給油孔を介して前記各軸受部に差圧給油されることを特徴とする膨張機。An expansion mechanism for recovering power by expanding the refrigerant;
A compression mechanism coupled to the expansion mechanism via a shaft and compressing the refrigerant by the power recovered by the expansion mechanism;
A container for accommodating the expansion mechanism and the compression mechanism;
The inside of the container is divided into a first space in which high-pressure oil is supplied from an oil separator through an oil supply hole that penetrates the container, and a second space that has a lower pressure atmosphere than the first space. In the second space, a balance weight supported by the shaft and rotating integrally with the shaft is disposed,
The shaft passes through the shaft in the axial direction, one end opens into the first space, the other end opens into the second space, and the shaft extends from the oil supply passage in the radial direction of the shaft. Bearing oil supply holes communicating with the bearing portions for the shafts of the expansion mechanism and the compression mechanism,
The expander according to claim 1, wherein oil in the first space is supplied to each of the bearing portions through the bearing oil supply hole from the one end of the oil supply passage.
前記主圧縮機構を通過した冷媒と前記冷媒に含まれている油とを分離する油分離器と、
前記主圧縮機構を通過した冷媒を冷却する放熱器と、
前記放熱器を通過した冷媒を膨張させるための膨張機と、
膨張機により膨張した冷媒を蒸発させるための蒸発器とを備え、
これらが順次配管で接続されて冷媒が循環するように構成され、
前記膨張機を請求項1記載の膨張機構で構成すると共に、前記蒸発器から前記主圧縮機構に向かう冷媒の一部を、前記膨張機の前記圧縮機構に供給して圧縮した後、前記主圧縮機構の圧縮途中に供給するようにし、
前記油分離器にて分離した油を、前記主圧縮機構と前記蒸発器との間の配管に戻す主油戻し管と、前記油分離器にて分離した油を、前記容器の前記給油孔に送るサブ油戻し管とを有することを特徴とする冷凍サイクル装置。A main compression mechanism for compressing the refrigerant;
An oil separator that separates the refrigerant that has passed through the main compression mechanism and the oil contained in the refrigerant;
A radiator that cools the refrigerant that has passed through the main compression mechanism;
An expander for expanding the refrigerant that has passed through the radiator;
An evaporator for evaporating the refrigerant expanded by the expander,
These are sequentially connected by piping, and the refrigerant is circulated.
The expander is configured by the expansion mechanism according to claim 1, and a part of the refrigerant from the evaporator toward the main compression mechanism is supplied to the compression mechanism of the expander and compressed, and then the main compression Supply it while the mechanism is compressing,
A main oil return pipe that returns oil separated by the oil separator to a pipe between the main compression mechanism and the evaporator, and oil separated by the oil separator is supplied to the oil supply hole of the container. A refrigeration cycle apparatus comprising a sub oil return pipe for feeding.
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