KR101096824B1 - 냉동장치 - Google Patents

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마사까즈 오까모또
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다이킨 고교 가부시키가이샤
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Abstract

공조기(10)의 냉매회로(11)에는 압축기(20)와 팽창기(30)가 설치된다. 압축기(20)에서는, 압축기구(21)에서 압축된 냉매가 압축기 케이싱(24) 내부공간으로 토출된다. 압축기(20)에서는, 압축기 케이싱(24)의 바닥에 고인 냉동기유가 압축기구(21)로 공급된다. 압축기 케이싱(24)의 바닥에 고인 냉동기유는 급유용 배관(41)을 통해 팽창기(30)의 팽창기구(31)로 직접 도입된다.
Figure R1020097017340
냉동사이클, 고압 돔, 압축기, 팽창기, 윤활유

Description

냉동장치{REFRIGERATING DEVICE}
본 발명은, 압축기와 팽창기를 구비한 냉동장치에 있어서 팽창기로의 윤활유 공급방식에 관한 것이다.
종래, 냉매회로에서 냉매를 순환시켜 냉동사이클을 수행하는 냉동장치가 알려져 있으며, 공조기 등의 용도로 널리 이용되고 있다. 예컨대 특허문헌 1(일본 특허공개 2000-241033호 공보)에는, 냉매를 압축하는 압축기와, 냉매를 팽창시키는 동력회수용 팽창기를 구비한 냉동장치가 개시되어 있다. 구체적으로 특허문헌 1의 도 1에 기재된 냉동장치에서는 팽창기가 압축기와 하나의 축으로 연결되며, 팽창기에서 얻어진 동력이 압축기의 구동에 이용된다. 또 특허문헌 1의 도 6에 기재된 냉동장치에서는, 압축기에는 전동기가, 팽창기에는 발전기가 각각 연결된다. 이 냉동장치는 압축기가 전동기에 의해 구동되어 냉매를 압축하는 한편, 발전기가 팽창기에 의해 구동되어 전기를 발생시킨다.
팽창기와 압축기를 하나의 축으로 연결한 유체기계는, 예를 들어 특허문헌 2(일본 특허공개 2005-299632호 공보)에 개시되어 있다. 이 특허문헌에 개시된 유체기계에서는, 압축기로서의 압축기구와, 팽창기로서의 팽창기구와, 양자를 연결하는 축이 하나의 케이싱 내에 수용된다. 또 이 유체기계에서는 축 내부에 급유통로 가 형성되며, 케이싱의 바닥부에 고인 윤활유가 급유통로를 통해 압축기구나 팽창기구로 공급된다.
또한 특허문헌 3(일본 특허공개 2005-002832호 공보)에는, 이른바 밀폐형 압축기가 개시되어 있다. 이 밀폐형 압축기에서는 압축기구와 전동기가 하나의 케이싱 내에 수용된다. 또 이 밀폐형 압축기에서는 압축기구의 구동축에 급유통로가 형성되며, 케이싱의 바닥부에 고인 윤활유가 급유통로를 통해 압축기구로 공급된다.
[발명의 개시]
[발명이 해결하고자 하는 과제]
상기 특허문헌 1에 개시된 바와 같은 서로 별개의 압축기와 팽창기가 냉매회로에 접속된 냉동장치에서는, 특허문헌 3에 개시된 바와 같은 밀폐형 압축기를 이용할 수 있다. 이 경우, 압축기에서는 케이싱 내에 고인 윤활유를 이용하여 압축기구의 윤활이 이루어진다.
그런데, 팽창기의 팽창기구는 압축기의 압축기구와 마찬가지로 유체기계로 구성된다. 따라서 팽창기구에 대해서도 압축기구와 마찬가지로 윤활유에 의한 윤활이 필요하다. 그러나, 종래 팽창기의 팽창기구에 대하여 어떤 식으로 윤활유를 공급하는가에 대하여 구체적으로 검토된 일이 없었다.
본 발명은 이러한 점에 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적은, 별개로 형성된 압축기와 팽창기를 구비하는 냉동장치에 있어서, 압축기와 팽창기 각각에 윤활유를 확실하게 공급하며, 냉동장치의 신뢰성을 확보하는 데 있다.
[과제를 해결하기 위한 수단]
제 1 발명은, 압축기(20)와 팽창기(30)가 접속된 냉매회로(11)를 구비하며 이 냉매회로(11)에서 냉매를 순환시켜 냉동사이클을 수행하는 냉동장치를 대상으로 한다. 그리고 상기 압축기(20)는 밀폐용기형의 압축기 케이싱(24)과, 이 압축기 케이싱(24)에 수용됨과 더불어, 흡입한 냉매를 압축하여 이 압축기 케이싱(24) 내로 토출하는 압축기구(21)를 구비하며, 상기 압축기 케이싱(24) 내에 저류된 윤활유를 상기 압축기구(21)로 공급하도록 구성되고, 상기 팽창기(30)는 유입된 냉매를 팽창시켜 동력을 발생시키는 팽창기구(31)와, 이 팽창기구(31)를 수용하는 팽창기 케이싱(34)을 구비하는 한편, 상기 압축기 케이싱(24) 내에 저류된 윤활유를 상기 팽창기구(31)로 공급하기 위한 오일공급통로(41)가 형성되며, 이 오일공급통로(41)를 통해 공급된 윤활유에 의해 상기 팽창기구(31)가 윤활해지는 것이다.
제 1 발명에서는 냉매회로(11) 내를 냉매가 순환함으로써 냉동사이클이 이루어진다. 압축기(20)에서 압축기구(21)는 흡입한 냉매를 압축하며, 압축된 냉매를 압축기 케이싱(24)의 내부공간으로 토출한다. 압축기 케이싱(24)으로부터 토출된 고압냉매는 공기나 물 등 대상물에 방열하며, 그 후 팽창기(30)의 팽창기구(31)로 유입되어 팽창된다. 팽창기구(31)에서는 유입된 고압냉매로부터 동력이 회수된다. 팽창기구(31)에서 팽창된 냉매는 공기나 물 등 대상물로부터 흡열하며, 그 후 압축기(20)의 압축기구(21)로 흡입된다.
제 1 발명의 압축기 케이싱(24)에서는, 그 내압이 압축기구(21)로부터 토출된 직후의 냉매 압력과 동등해짐과 더불어, 그 내부공간에 윤활유가 저류된다. 압축기 케이싱(24) 내에 저류된 윤활유는 압축기구(21)로 공급되어 압축기구(21)의 윤활에 이용된다. 또 압축기 케이싱(24) 내에 저류된 윤활유는 오일공급통로(41)를 통해 팽창기구(31)로도 공급되며, 팽창기구(31)의 윤활에 이용된다.
제 2 발명은, 상기 제 1 발명에서, 일단이 상기 압축기 케이싱(24) 바닥부에 접속되며 타단이 상기 팽창기구(31)에 접속되는 급유용 배관(41)을 구비하고, 이 급유용 배관(41)이 상기 오일공급통로를 형성하는 것이다.
제 2 발명에서는 오일공급통로가 급유용 배관(41)으로 구성된다. 급유용 배관(41)에서는 그 일단에 압축기 케이싱(24) 내의 윤활유가 유입되며, 유입된 윤활유가 그 타단을 향해 흐른다. 급유용 배관(41)을 흐르는 윤활유는 급유용 배관(41)의 타단으로부터 팽창기구(31)로 도입된다.
제 3 발명은, 상기 제 1 또는 제 2 발명에서, 상기 팽창기 케이싱(34) 내에 저류된 윤활유를 상기 압축기(20)로 되돌리기 위한 오일회송통로(42)가 형성되는 것이다.
제 3 발명에서는 냉동장치에 오일회송통로(42)가 형성된다. 팽창기(30)에서 오일공급통로(41)를 통해 팽창기구(31)로 공급된 윤활유는, 일부는 팽창기구(31)를 통과하는 냉매와 함께 팽창기(30)로부터 유출되어 가지만, 나머지는 팽창기구(31)로부터 누출되어 팽창기 케이싱(34) 내로 저류되어 간다. 이 팽창기 케이싱(34) 내에 고인 윤활유는 오일회송통로(42)를 통해 압축기(20)로 회송된다.
제 4 발명은, 상기 제 3 발명에서, 상기 오일회송통로(42)는 윤활유를 상기 압축기구(21)의 흡입측으로 도입하도록 구성되는 것이다.
제 4 발명에서 팽창기 케이싱(34) 내에 고인 윤활유는 오일회송통로(42)를 통해 압축기구(21)의 흡입측으로 유입되며, 저압냉매와 함께 압축기구(21)로 흡입된다. 압축기구(21)에 냉매와 함께 흡입된 윤활유는, 압축된 냉매와 함께 압축기구(21)로부터 압축기 케이싱(24) 내부공간으로 토출된다.
제 5 발명은, 상기 제 1∼제 4 발명 중 어느 하나에서, 상기 오일공급통로(41)를 흐르는 윤활유를, 상기 압축기구(21)로 흡입되는 냉매와 열교환시켜 냉각하기 위한 냉각용 열교환기(46)를 구비하는 것이다.
제 5 발명에서는 냉동장치에 냉각용 열교환기(46)가 설치된다. 냉각용 열교환기(46)에서는 오일공급통로(41)를 흐르는 윤활유와, 상기 압축기구(21)로 흡입되는 냉매가 서로 열교환한다. 압축기구(21)로 흡입되는 냉매는 오일공급통로(41)를 흐르는 윤활유보다 저온이다. 따라서 냉각용 열교환기(46)에서는 오일공급통로(41)를 흐르는 윤활유가 냉각된다.
제 6 발명은, 상기 제 3 또는 제 4 발명에서, 상기 오일공급통로(41)를 흐르는 윤활유를, 상기 오일회송통로(42)를 흐르는 윤활유와 열교환시켜 냉각하기 위한 냉각용 열교환기(47)를 구비하는 것이다.
제 6 발명에서는 냉동장치에 냉각용 열교환기(47)가 설치된다. 냉각용 열교환기(47)에서는 오일공급통로(41)를 흐르는 윤활유와, 상기 오일회송통로(42)를 흐르는 윤활유가 서로 열교환한다. 오일회송통로(42)를 흐르는 윤활유는 오일공급통로(41)를 흐르는 윤활유보다 저온이다. 따라서 냉각용 열교환기(47)에서는 오일공급통로(41)를 흐르는 윤활유가 냉각된다.
제 7 발명은, 상기 제 1∼제 4 발명 중 어느 하나에서, 상기 오일공급통로(41)를 흐르는 윤활유를 실외공기와 열교환시켜 냉각하기 위한 냉각용 열교환기(48)를 구비하는 것이다.
제 7 발명에서는 냉동장치에 냉각용 열교환기(48)가 설치된다. 냉각용 열교환기(48)에서는 오일공급통로(41)를 흐르는 윤활유와 실외공기가 서로 열교환한다. 실외공기는 오일공급통로(41)를 흐르는 윤활유보다 저온이다. 따라서 냉각용 열교환기(48)에서는 오일공급통로(41)를 흐르는 윤활유가 냉각된다.
제 8 발명은, 상기 제 1∼제 7 발명 중 어느 하나에서, 상기 냉매회로(11)에는, 이 냉매회로(11)의 증발기와 상기 팽창기 케이싱(34)의 내부공간을 연통시키는 제 1 흡입측 통로(17)와, 이 팽창기 케이싱(34)의 내부공간과 상기 압축기구(21)의 흡입측을 연통시키는 제 2 흡입측 통로(18)가 형성되며, 상기 팽창기 케이싱(34)은, 상기 제 1 흡입측 통로(17)로부터 유입된 냉매를 가스냉매와 액냉매로 분리하여 가스냉매를 상기 제 2 흡입측 통로(18)로 공급하도록 구성되는 것이다.
제 8 발명에서는 냉매회로(11)에 제 1 흡입측 통로(17)와 제 2 흡입측 통로(18)가 형성된다. 이 냉매회로(11)에서, 증발기로부터 유출된 저압냉매는 제 1 흡입측 통로(17)를 통해 팽창기 케이싱(34)의 내부공간으로 유입된다. 팽창기 케이싱(34)의 내부공간으로 유입된 냉매는 제 2 흡입측 통로(18)를 통해 압축기구(21)로 흡입된다. 즉, 이 발명의 냉매회로(11)에서, 증발기로부터 유출된 냉매는 팽창기 케이싱(34)의 내부공간을 통과한 후 압축기(20)의 압축기구(21)로 흡입된다.
여기서, 냉매회로(11)의 증발기에서는, 유입된 냉매가 완전히 증발되지 않고 일부 냉매가 액냉매인 채 증발기로부터 유출되어 가는 경우가 있다. 이러한 경우에, 증발기로부터 유출되는 액냉매의 양이 많으면, 액냉매가 압축기구(21)로 흡입되어 압축기구(21)의 파손을 초래할 우려가 있다.
이에 반해, 이 제 8 발명에서는 제 1 흡입측 통로(17)로부터 팽창기 케이싱(34) 내부공간으로 기액 2상상태의 냉매가 유입됐다 하더라도 그 냉매는 가스냉매와 액냉매로 분리되며, 가스냉매가 제 2 흡입측 통로(18)를 통해 압축기구(21)로 공급된다. 즉, 이 발명의 팽창기 케이싱(34)은, 이른바 어큐뮬레이터로서 기능한다.
제 9 발명은, 상기 제 8 발명에서 상기 팽창기(30)는, 상기 팽창기 케이싱(34)에 수용되며 상기 팽창기구(31)에 의해 구동되는 발전기(33)를 구비하는 한편, 상기 팽창기 케이싱(34)의 내부공간에서는 상기 발전기(33)의 하측부분으로 상기 제 1 흡입측 통로(17)가 연통되며, 상기 발전기(33)의 상측부분으로 상기 제 2 흡입측 통로(18)가 연통되는 것이다.
제 9 발명에서는 팽창기 케이싱(34) 내에 발전기(33)가 수용된다. 발전기(33)는 팽창기구(31)에 의해 구동되어 전기를 발생시킨다. 이 발명에서, 제 1 흡입측 통로(17)를 통해 팽창기 케이싱(34)의 내부공간으로 유입된 저압냉매는 발전기(33)를 밑에서 위를 향해 통과한 후 제 2 흡입측 통로(18)로 유입된다. 제 1 흡입측 통로(17)로부터 팽창기 케이싱(34)으로 유입하는 냉매가 기액 2상상태인 경우, 가스냉매는 발전기(33)를 통과하여 제 2 흡입측 통로(18)로 유입하는 한편, 액냉매는 발전기(33)에 부착된 후에 팽창기 케이싱(34) 바닥부를 향해 흘러 내려간다.
[발명의 효과]
본 발명에서는, 내압이 압축기구(21)로부터 토출된 직후의 냉매 압력과 동등한 압축기 케이싱(24)에 윤활유를 저류하며, 그 윤활유를 압축기구(21)와 팽창기구(31)의 양쪽으로 공급한다. 즉, 본 발명에서는 냉매회로(11) 내에서 가장 고압이 되는 부분에 윤활유를 저류하며, 그 윤활유를 압축기 케이싱(24)의 내압보다 저압인 부분이 존재하는 압축기구(21)나 팽창기구(31)로 공급한다. 이로써, 윤활유의 공급원이 공급처에 비해 고압이 되며, 압축기구(21)나 팽창기구(31)에 대해 확실하게 윤활유가 공급되게 된다. 따라서 본 발명에 의하면, 압축기구(21)나 팽창기구(31)에 대한 윤활유의 공급량을 확보할 수 있으며, 압축기구(21)나 팽창기구(31)의 시저(seizure) 등 문제를 미연에 방지하여 냉동장치의 신뢰성을 확보할 수 있다.
상기 제 3 발명에서는, 팽창기 케이싱(34) 내에 고인 윤활유가 오일회송통로(42)를 통해 압축기(20)로 회송된다. 냉매회로(11) 내에 존재하는 윤활유의 양은 일정하므로, 팽창기 케이싱(34) 내에 고인 윤활유의 양이 증가하면, 그만큼 압축기 케이싱(24)의 윤활유 저류량이 감소되게 되어, 압축기구(21)나 팽창기구(31)로 윤활유가 충분하게 공급되지 못할 우려가 있다. 이에 반해, 이 발명에서는 팽창기 케이싱(34) 내의 윤활유가 오일회송통로(42)를 통해 압축기구(21)로 회송된다. 따라서 이 발명에 의하면, 압축기 케이싱(24)의 윤활유 저류량을 충분히 확보할 수 있어, 압축기구(21)나 팽창기구(31)로 윤활유를 한층 더 확실하게 공급할 수 있다.
상기 제 4 발명에서는, 팽창기 케이싱(34) 내에 고인 윤활유가 압축기구(21)의 흡입측으로 공급된다. 압축기구(21)의 흡입측은 냉매회로(11) 내에서 가장 저압이 되는 부분이다. 즉, 이 발명에서는 윤활유가 저류되는 팽창기 케이싱(34) 내부공간과 윤활유가 회송되는 곳과의 사이에 확실하게 압력차가 생긴다. 따라서 이 발명에 의하면, 팽창기 케이싱(34) 내에 고인 윤활유를 확실하게 압축기(20)로 회송할 수 있어, 압축기 케이싱(24) 내의 윤활유 저류량을 확보할 수 있다.
여기서, 압축기 케이싱(24)의 내부공간에서는 윤활유와 압축기구(21)로부터 토출된 냉매가 공존한다. 따라서 압축기 케이싱(24) 내에 저류된 윤활유의 온도는 압축기구(21)로부터 토출된 냉매의 온도와 같은 정도로 된다. 압축기구(21)로부터 토출된 직후의 냉매는 냉매회로(11) 내를 순환하는 냉매 중에서 가장 고온이다. 때문에 압축기 케이싱(24) 내에 저류된 고온의 윤활유를 그대로 팽창기구(31)로 공급하면, 팽창기구(31)를 통과하는 냉매가 윤활유에 의해 가열되어, 팽창기구(31)로부터 유출되는 냉매의 엔탈피가 증대된다. 팽창기구(31)로부터 유출되는 냉매의 엔탈피가 증대되면, 팽창 후의 냉매가 공기나 물 등으로부터 흡열하는 열량이 감소되어, 냉동장치의 능력저하를 초래할 우려가 있다.
이에 반해, 상기 제 5, 제 6, 제 7 발명에서는 압축기 케이싱(24)으로부터 유출되어 오일공급통로(41)를 흐르는 윤활유를 냉각용 열교환기(46, 47, 48)에서 냉각한 후 팽창기구(31)로 공급한다. 이로써, 압축기 케이싱(24) 내에 저류된 윤활유를 그대로 팽창기구(31)로 도입하는 경우에 비해, 오일공급통로(41)를 통해 공급된 윤활유로부터, 팽창기구(31)를 통과하는 냉매로 침입하는 열량을 삭감할 수 있다. 따라서 이들 발명에 의하면, 팽창기구(31)로부터 유출되는 냉매의 엔탈피를 낮게 억제할 수 있어, 냉동장치의 능력저하를 억제할 수 있다.
특히 상기 제 5 발명에서는, 압축기구(21)로 흡입되는 냉매(즉, 냉매회로(11) 내를 순환하는 냉매 중에서 가장 저온의 냉매)와 오일공급통로(41)를 흐르는 윤활유를 열교환시킨다. 따라서 이 발명에 의하면, 오일공급통로(41)를 통해 팽창기구(31)로 도입되는 윤활유의 온도를 확실하게 저하시킬 수 있어, 냉동장치의 능력저하를 한층 더 확실하게 억제할 수 있다.
상기 제 8 발명에서 팽창기 케이싱(34)은 압축기(20)로 흡입되는 냉매로부터 액냉매를 분리하기 위한 어큐뮬레이터로도 기능한다. 이로써, 냉매회로(11)에 어큐뮬레이터를 별도 설치할 필요가 없어지며, 냉매회로(11)의 구성부품을 삭감하여 냉동장치 구성을 간단하게 할 수 있다.
상기 제 9 발명에서는 제 1 흡입측 통로(17)로부터 팽창기 케이싱(34)으로 유입된 냉매가 발전기(33)를 통과한 후에 제 2 흡입측 통로(18)로 유입된다. 이로써 제 1 흡입측 통로(17)로부터 팽창기 케이싱(34)으로 유입된 냉매가 기액 2상상태로 되는 경우도, 제 2 흡입측 통로(18)로 유입되는 냉매는 거의 가스냉매만이 된다. 따라서 이 발명에 의하면, 액냉매를 흡입함으로 인한 압축기구(21)의 파손을 확실하게 회피할 수 있어, 압축기(20)의 신뢰성을 확보할 수 있다.
또 이 제 9 발명에서는 발전기(33)를 냉매가 통과하므로, 발전기(33)가 냉매에 의해 냉각된다. 따라서 이 발명에 의하면 발전기(33)의 온도상승을 억제할 수 있어, 발전기(33)의 효율향상을 도모하는 것이 가능해진다.
도 1은, 제 1 실시형태의 공조기 구성을 나타내는 냉매회로도이다.
도 2는, 제 1 실시형태의 팽창기 주요부를 나타내는 개략 종단면도이다.
도 3은, 제 1 실시형태의 팽창기구 주요부 확대도이다.
도 4는, 제 1 실시형태의 팽창기구에 있어서 출력축 회전각 90°마다의 각 회전기구부의 상태를 나타내는 개략 횡단면도이다.
도 5는, 제 1 실시형태의 변형예 1의 공조기 구성을 나타내는 냉매회로도이다.
도 6은, 제 1 실시형태의 변형예 2의 공조기 구성을 나타내는 냉매회로도이다.
도 7은, 제 2 실시형태의 공조기 구성을 나타내는 냉매회로도이다.
도 8은, 제 2 실시형태의 변형예의 공조기 구성을 나타내는 냉매회로도이다.
도 9는, 제 3 실시형태의 팽창기 주요부를 나타내는 개략 종단면도이다.
도 10은, 제 3 실시형태의 팽창기구 상태를 출력축의 회전각 90°마다 나타낸 개략 횡단면도이다.
도 11은, 제 3 실시형태 변형예의 팽창기 주요부를 나타내는 개략 종단면도이다.
[부호의 설명]
10 : 공조기(냉동장치) 11 : 냉매회로
17 : 제 1 배관(제 1 흡입측 통로) 18: 제 2 배관(제 2 흡입측 통로)
20 : 압축기 21 : 압축기구
24 : 압축기 케이싱 30 : 팽창기
31 : 팽창기구 33 : 발전기
34 : 팽창기 케이싱 41 : 급유용 배관(오일공급통로)
42 : 오일회송용 배관(오일회송통로)
46, 47, 48 : 냉각용 열교환기
이하, 본 발명의 실시형태에 대하여 도면에 기초하여 상세하게 설명한다.
[제 1 실시형태]
본 발명의 제 1 실시형태에 대하여 설명한다. 본 실시형태는 본 발명에 관한 냉동장치로 구성된 공조기(10)이다.
<공조기의 전체구성>
도 1에 나타내는 바와 같이 본 실시형태의 공조기(10)는 냉매회로(11)를 구비한다. 이 냉매회로(11)에는 압축기(20), 팽창기(30), 실외열교환기(14), 실내열교환기(15), 제 1 사방밸브(12) 및 제 2 사방밸브(13)가 접속된다. 냉매회로(11)에는 냉매로서 이산화탄소(CO2)가 충전된다. 또 냉매회로(11)에는 급유용 배 관(41), 오일회송용 배관(42) 및 냉각용 열교환기(46)가 배치된다.
냉매회로(11)의 구성에 대하여 설명한다. 압축기(20)는, 토출관(26)이 제 1 사방밸브(12)의 제 1 포트에 접속되며, 흡입관(25)이 제 1 사방밸브(12)의 제 2 포트에 접속된다. 팽창기(30)는, 유출관(36)이 제 2 사방밸브(13)의 제 1 포트에 접속되며, 유입관(35)이 제 2 사방밸브(13)의 제 2 포트에 접속된다. 실외열교환기(14)는, 일단이 제 1 사방밸브(12)의 제 3 포트에 접속되며, 타단이 제 2 사방밸브(13)의 제 4 포트에 접속된다. 실내열교환기(15)는, 일단이 제 2 사방밸브(13)의 제 3 포트에 접속되며, 타단이 제 1 사방밸브(12)의 제 4 포트에 접속된다. 이 냉매회로(11)에서는 압축기(20)의 흡입관(25)과 제 1 사방밸브(12)의 제 2 포트를 잇는 배관이 흡입측 배관(16)을 구성한다.
실외열교환기(14)는 냉매를 실외공기와 열교환시키기 위한 공기열교환기이다. 실내열교환기(15)는 냉매를 실내공기와 열교환시키기 위한 공기열교환기이다. 제 1 사방밸브(12)와 제 2 사방밸브(13)는 각각 제 1 포트와 제 3 포트가 연통하며 제 2 포트와 제 4 포트가 연통하는 제 1 상태(도 1에 실선으로 나타낸 상태)와, 제 1 포트와 제 4 포트가 연통하며 제 2 포트와 제 3 포트가 연통하는 제 2 상태(도 1에 점선으로 나타낸 상태)로 전환되도록 구성된다.
압축기(20)는, 이른바 고압 돔식의 전밀폐형 압축기이다. 이 압축기(20)는 세로로 긴 원통형으로 형성된 압축기 케이싱(24)을 구비한다. 압축기 케이싱(24) 내부에는 압축기구(21)와 전동기(23)와 구동축(22)이 수용된다. 압축기구(21)는, 이른바 회전식 용적형 유체기계를 구성한다. 압축기 케이싱(24) 내에서는 압축기 구(21) 상방에 전동기(23)가 배치된다. 구동축(22)은 상하방향으로 이어지는 자세로 배치되며, 압축기구(21)와 전동기(23)를 연결한다.
압축기 케이싱(24)에는 흡입관(25)과 토출관(26)이 배치된다. 흡입관(25)은 압축기 케이싱(24)의 몸체부 하단 부근을 관통하며, 그 종단이 압축기구(21)에 직접 접속된다. 토출관(26)은 압축기 케이싱(24) 정상(頂上)부를 관통하며, 그 시작단이 압축기 케이싱(24) 내 전동기(23)의 상측공간으로 개구된다. 압축기구(21)는 흡입관(25)으로부터 흡입한 냉매를 압축하여 압축기 케이싱(24) 내로 토출한다.
압축기 케이싱(24) 바닥부에는 윤활유로서의 냉동기유가 저류된다. 본 실시형태에서는, 폴리알킬렌글리콜(PAG)이 냉동기유로서 이용된다. 구동축(22) 내부에는, 도시하지 않으나, 그 축방향으로 이어지는 급유통로가 형성된다. 이 급유통로는 구동축(22) 하단으로 개구된다. 구동축(22)의 하단은 오일팬(27)에 잠긴 상태이다. 압축기 케이싱(24) 내 냉동기유는 구동축(22)의 급유통로를 통해 압축기구(21)로 공급된다.
팽창기(30)는 세로로 긴 원통형으로 형성된 팽창기 케이싱(34)을 구비한다. 팽창기 케이싱(34) 내부에는 팽창기구(31)와 발전기(33)와 출력축(32)이 수용된다. 팽창기구(31)는, 이른바 회전식의 용적형 유체기계를 구성한다. 팽창기구(31)의 상세함은 후술하기로 한다. 팽창기 케이싱(34) 내에서는 팽창기구(31) 하방에 발전기(33)가 배치된다. 출력축(32)은 상하방향으로 이어지는 자세로 배치되며, 팽창기구(31)와 발전기(33)를 연결한다.
팽창기 케이싱(34)에는 유입관(35)과 유출관(36)이 배치된다. 유입관(35)과 유출관(36)은 모두 팽창기 케이싱(34)의 몸체부 상단 부근을 관통한다. 유입관(35)은 그 종단이 팽창기구(31)에 직접 접속된다. 유출관(36)은, 시작단이 팽창기구(31)에 직접 접속된다. 팽창기구(31)는 유입관(35)을 통해 유입된 냉매를 팽창시키며, 팽창 후의 냉매를 유출관(36)으로 송출한다. 즉, 팽창기(30)를 통과하는 냉매는 팽창기 케이싱(34)의 내부공간으로는 유입되지 않고 팽창기구(31)만을 통과한다.
급유용 배관(41)은 시작단이 압축기(20)에 접속되며, 종단이 팽창기(30)에 접속된다. 구체적으로, 급유용 배관(41)의 시작단부는 압축기 케이싱(24)의 바닥부를 관통하며, 압축기 케이싱(24) 내부공간으로 개구된다. 이 급유용 배관(41)의 시작단부는 압축기 케이싱(24)의 바닥에 고인 냉동기유에 잠긴 상태이며, 구동축(22) 하단과 대략 같은 높이에 개구된다. 한편, 급유용 배관(41)의 종단부는 팽창기 케이싱(34) 내 팽창기구(31)에 직접 접속된다. 팽창기구(31)에 대한 급유용 배관(41)의 접속위치에 대해서는 후술하기로 한다. 이 급유용 배관(41)은 오일공급통로를 구성한다. 압축기 케이싱(24) 바닥에 고인 냉동기유는 급유용 배관(41)을 통해 팽창기구(31)로 공급된다.
냉각용 열교환기(46)는 급유용 배관(41)과 흡입측 배관(16)에 접속된다. 이 냉각용 열교환기(46)는 급유용 배관(41)을 흐르는 냉동기유와, 흡입측 배관(16)을 흐르는 냉매를 열교환시킨다.
오일회송용 배관(42)은 시작단이 팽창기(30)에 접속되며, 종단이 흡입측 배관(16)에 접속된다. 구체적으로, 오일회송용 배관(42)의 시작단부는 팽창기 케이 싱(34) 바닥부를 관통하며, 팽창기 케이싱(34) 내부공간으로 개구된다. 이 오일회송용 배관(42)의 시작단부는 팽창기 케이싱(34)의 바닥면 부근으로 개구된다. 한편, 오일회송용 배관(42)의 종단부는 흡입측 배관(16)의 냉각용 열교환기(46) 하류측에 접속된다. 팽창기(30)에서는, 팽창기구(31)로부터 누출된 냉동기유가 팽창기 케이싱(34) 내에 저류된다. 이 팽창기 케이싱(34) 내에 고인 냉동기유는 오일회송용 배관(42)을 통해 흡입측 배관(16)으로 도입되며, 흡입측 배관(16)을 흐르는 냉매와 함께 압축기구(21)로 흡입된다.
<팽창기의 구성>
팽창기(30)의 구성에 대하여 도 2∼도 4를 참조하면서 상세하게 설명한다.
도 2에 나타내는 바와 같이, 출력축(32) 상단부에는 2개의 편심부(79, 89)가 형성된다. 2개의 편심부(79, 89)는 출력축(32)의 주축부(38)보다 큰 지름으로 형성되며, 하측이 제 1 편심부(79)를, 상측이 제 2 편심부(89)를 각각 구성한다. 제 1 편심부(79)와 제 2 편심부(89)는 모두 동일방향으로 편심된다. 제 2 편심부(89)의 바깥지름은 제 1 편심부(79)의 바깥지름보다 크게 형성된다. 주축부(38) 축심에 대한 편심량은, 제 2 편심부(89) 쪽이 제 1 편심부(79)보다 크다.
출력축(32)에는 급유통로(90)가 형성된다. 급유통로(90)는 출력축(32)의 축심을 따라 이어진다. 급유통로(90)의 일단은 출력축(32) 상단면으로 개구된다. 급유통로(90)의 타단은, 직각으로 굴곡되어 출력축(32)의 지름방향으로 이어지며, 출력축(32) 중 제 1 편심부(79)에서 약간 내려간 부분의 외주면으로 개구된다. 급유통로(90)에는 출력축(32)의 지름방향으로 이어지는 분기통로(91, 92)가 2개 형성 된다. 제 1 분기통로(91)는 제 1 편심부(79)의 외주면으로 개구된다. 제 2 분기통로(92)는 제 2 편심부(89)의 외주면으로 개구된다.
팽창기구(31)는, 이른바 요동피스톤형의 회전식 유체기계로 구성된다. 이 팽창기구(31)에는, 한 쌍의 실린더(71, 81) 및 피스톤(75, 85)이 2조 설치된다. 또 팽창기구(31)에는 프론트헤드(61)와, 중간플레이트(63), 리어헤드(62)가 배치된다.
팽창기구(31)에서는, 밑에서 위를 향해 차례로 프론트헤드(61), 제 1 실린더(71), 중간플레이트(63), 제 2 실린더(81), 리어헤드(62), 상부플레이트(65)가 적층된 상태이다. 이 상태에서 제 1 실린더(71)는 그 하측 단면이 프론트헤드(61)로 막히며, 그 상측 단면이 중간플레이트(63)로 막힌다. 한편, 제 2 실린더(81)는 그 하측 단면이 중간플레이트(63)로 막히며, 그 상측 단면이 리어헤드(62)로 막힌다. 또 제 2 실린더(81)의 안지름은 제 1 실린더(71)의 안지름보다 크다.
출력축(32)은, 적층된 상태의 프론트헤드(61), 제 1 실린더(71), 중간플레이트(63), 제 2 실린더(81)를 관통한다. 또 출력축(32)은 제 1 편심부(79)가 제 1 실린더(71) 내에 위치하며, 제 2 편심부(89)가 제 2 실린더(81) 내에 위치한다.
도 3 및 도 4에도 나타내는 바와 같이, 제 1 실린더(71) 내에는 제 1 피스톤(75)이, 제 2 실린더(81) 내에는 제 2 피스톤(85)이 각각 배치된다. 제 1 및 제 2 피스톤(75, 85)은 모두 고리형 또는 원통형으로 형성된다. 제 1 피스톤(75)의 바깥지름과 제 2 피스톤(85)의 바깥지름은 서로 동등하게 구성된다. 제 1 피스톤(75)의 안지름은 제 1 편심부(79)의 바깥지름과, 제 2 피스톤(85)의 안지름은 제 2 편심부(89)의 바깥지름과 각각 대략 동등하게 구성된다. 그리고 제 1 피스톤(75)에는 제 1 편심부(79)가, 제 2 피스톤(85)에는 제 2 편심부(89)가 각각 관통된다.
제 1 피스톤(75)은 외주면이 제 1 실린더(71)의 내주면에, 한쪽 단면이 프론트헤드(61)에, 다른 쪽 단면이 중간플레이트(63)에 각각 미끄럼 접촉한다. 제 1 실린더(71) 내에는 내주면과 제 1 피스톤(75) 외주면과의 사이에 제 1 유체실(72)이 형성된다. 한편, 상기 제 2 피스톤(85)은 그 외주면이 제 2 실린더(81)의 내주면에, 한쪽 단면이 리어헤드(62)에, 다른 쪽 단면이 중간플레이트(63)에 각각 미끄럼 접촉한다. 제 2 실린더(81) 내에는 그 내주면과 제 2 피스톤(85) 외주면과의 사이에 제 2 유체실(82)이 형성된다.
제 1 및 제 2 피스톤(75, 85) 각각에는 블레이드(76, 86)가 1개씩 일체로 형성된다. 블레이드(76, 86)는 피스톤(75, 85)의 반지름방향으로 이어지는 판상으로 형성되며, 피스톤(75, 85)의 외주면에서 바깥쪽으로 돌출된다. 제 1 피스톤(75)의 블레이드(76)는 제 1 실린더(71)의 부시공(78)에, 제 2 피스톤(85)의 블레이드(86)는 제 2 실린더(81)의 부시공(88)으로 각각 삽입된다. 각 실린더(71, 81)의 부시공(78, 88)은 실린더(71, 81)를 두께방향으로 관통하는 동시에, 실린더(71, 81)의 내주면으로 개구된다.
각 실린더(71, 81)에는, 한 쌍의 부시(77, 87)가 1조씩 장착된다. 각 부시(77, 87)는, 내측면이 평면이며 외측면이 원호면이 되도록 형성된 작은 조각이다. 각 실린더(71, 81)에서 한 쌍의 부시(77, 87)는, 부시공(78, 88)으로 삽입되 며, 블레이드(76, 86)를 사이에 둔 상태가 된다. 각 부시(77, 87)는 그 내측면이 블레이드(76, 86)와 미끄럼 접촉하며, 그 외측면이 실린더(71, 81)와 미끄럼 접촉한다. 그리고 피스톤(75, 85)과 일체인 블레이드(76, 86)는 부시(77, 87)를 개재하여 실린더(71, 81)에 지지되며, 실린더(71, 81)에 대해 회전 자유롭게 또 진퇴 자유롭게 구성된다.
제 1 실린더(71) 내의 제 1 유체실(72)은 제 1 피스톤(75)과 일체인 제 1 블레이드(76)로 구획되며, 도 3, 도 4에서 제 1 블레이드(76)의 왼쪽이 고압측 제 1 고압실(73)이 되고, 그 오른쪽이 저압측 제 1 저압실(74)이 된다. 제 2 실린더(81) 내의 제 2 유체실(82)은 제 2 피스톤(85)과 일체인 제 2 블레이드(86)로 구획되며, 도 3, 도 4에서 제 2 블레이드(86)의 왼쪽이 고압측 제 2 고압실(83)이 되고, 그 오른쪽이 저압측 제 2 저압실(84)이 된다.
제 1 실린더(71)와 제 2 실린더(81)는 각각의 둘레방향에 있어서 부시(77, 87)의 위치가 일치하는 자세로 배치된다. 바꾸어 말하면, 제 2 실린더(81)의 제 1 실린더(71)에 대한 배치각도가 0°로 된다. 전술한 바와 같이 제 1 편심부(79)와 제 2 편심부(89)는 주축부(38)의 축심에 대하여 동일방향으로 편심된다. 따라서 제 1 블레이드(76)가 제 1 실린더(71)의 외측으로 가장 후퇴한 상태로 되는 동시에, 제 2 블레이드(86)가 제 2 실린더(81)의 외측으로 가장 후퇴한 상태로 된다.
제 1 실린더(71)에는 유입포트(67)가 형성된다. 유입포트(67)는 제 1 실린더(71)의 내주면 중, 도 3, 도 4에서 부시(77)의 약간 왼쪽 부분으로 개구된다. 유입포트(67)는 제 1 고압실(73)과 연통 가능하게 구성된다. 도시하지 않으나, 유 입포트(67)에는 유입관(35)이 접속된다.
제 2 실린더(81)에는 유출포트(68)가 형성된다. 유출포트(68)는 제 2 실린더(81)의 내주면 중, 도 3, 도 4에서 부시(87)의 약간 오른쪽 부분으로 개구된다. 유출포트(68)는 제 2 저압실(84)과 연통 가능하게 구성된다. 도시하지 않으나, 유출포트(68)에는 유출관(36)이 접속된다.
중간플레이트(63)에는 연통로(64)가 형성된다. 이 연통로(64)는 중간플레이트(63)를 두께방향으로 관통한다. 중간플레이트(63)의 제 1 실린더(71) 쪽 면에서는, 제 1 블레이드(76)의 오른쪽 부분으로 연통로(64)의 일단이 개구된다. 중간플레이트(63)의 제 2 실린더(81) 쪽 면에서는, 제 2 블레이드(86)의 왼쪽 부분으로 연통로(64)의 타단이 개구된다. 그리고 도 3에 나타내는 바와 같이 연통로(64)는, 중간플레이트(63)의 두께방향에 대해 비스듬히 이어지며, 제 1 저압실(74)과 제 2 고압실(83)을 서로 연통시킨다.
전술한 바와 같이, 제 1 회전기구부(70)의 제 1 저압실(74)과 제 2 회전기구부(80)의 제 2 고압실(83)은 연통로(64)를 개재하여 서로 연통된다. 그리고 제 1 저압실(74)과 연통로(64)와 제 2 고압실(83)에 의해 하나의 폐쇄공간이 형성되며, 이 폐쇄공간이 팽창실(66)을 구성한다.
프론트헤드(61)는 그 중앙부가 하방으로 돌출된 형상으로 구성된다. 또 프론트헤드(61) 중앙부에는 관통공이 형성되며, 그 관통공으로 출력축(32)이 삽입된다. 프론트헤드(61)는, 출력축(32)의 제 1 편심부(79) 하측부분을 지지하는 미끄럼 베어링을 구성한다. 프론트헤드(61)에서는, 출력축(32)의 주축부(38)가 삽입되 는 관통공의 하부에 원주 홈이 형성된다. 이 원주 홈은, 출력축(32)의 외주면으로 개구되는 급유통로(90)의 단부와 대향하는 위치에 형성되며, 하측 오일저류실(102)을 구성한다.
리어헤드(62)의 중앙부에는 관통공이 형성되며, 이 관통공으로 출력축(32)의 주축부(38)가 삽입된다. 리어헤드(62)는 출력축(32)의 제 2 편심부(89) 상측부분을 지지하는 미끄럼 베어링을 구성한다.
상부 플레이트(65)는 약간 두꺼운 원판형으로 형성되며, 리어헤드(62) 위에 탑재된다. 상부 플레이트(65)에서는, 그 하면 중앙부에 원형의 오목부가 형성된다. 상부 플레이트(65)는 그 오목부가 출력축(32)의 상단면과 대면하는 위치에 배치된다. 상부 플레이트(65)에는 급유용 배관(41)의 종단이 접속된다. 급유용 배관(41)의 종단은, 상부 플레이트(65)를 상방에서 하방을 향해 관통되며 오목부로 개구된다. 상부 플레이트(65)의 오목부는 급유용 배관(41)으로부터 공급된 냉동기유를 저류하기 위한 상측 오일저류실(101)을 구성한다. 또 상부 플레이트(65)에는 그 하면에 오목 홈(103)이 형성된다. 오목 홈(103)은 상측 오일저류실(101) 주연(周緣)으로부터 상부 플레이트(65) 외주방향으로 이어진다.
팽창기구(31)에서는 리어헤드(62)에 제 1 오일통로(111)가 형성되며, 중간플레이트(63)에 제 2 오일통로(112)가 형성되고, 프론트헤드(61)에 제 3 오일통로(113)가 형성된다. 제 1 오일통로(111)는 리어헤드(62)를 두께방향으로 관통하며, 오목 홈(103)의 종단을 제 2 실린더(81)의 부시공(88)과 연통시킨다. 제 2 오일통로(112)는 중간플레이트(63)를 두께방향으로 관통하며, 제 2 실린더(81)의 부 시공(88)을 제 1 실린더(71)의 부시공(78)과 연통시킨다. 프론트헤드(61)에서 제 3 오일통로(113) 일단은, 프론트헤드(61)의 상면 중 제 1 실린더(71)의 부시공(78)에 임하는 부분으로 개구된다. 또 프론트헤드(61)에서 제 3 오일통로(113) 타단은, 출력축(32)이 삽입되는 관통공의 내주면으로 개구된다.
이상과 같이 구성된 본 실시형태의 팽창기구(31)에서는, 제 1 실린더(71)와, 제 1 실린더(71)에 장착된 부시(77)와, 제 1 피스톤(75)과, 제 1 블레이드(76)가 제 1 회전기구부(70)를 구성한다. 또 제 2 실린더(81)와, 제 2 실린더(81)에 장착된 부시(87)와, 제 2 피스톤(85)과, 제 2 블레이드(86)가 제 2 회전기구부(80)를 구성한다.
-운전동작-
상기 공조기(10)의 동작에 대하여 설명한다.
<냉방운전>
냉방운전 시에는 제 1 사방밸브(12) 및 제 2 사방밸브(13)가 제 1 상태(도 1에 실선으로 나타내는 상태)로 설정되며, 냉매회로(11)에서 냉매가 순환하여 증기압축 냉동사이클이 이루어진다. 이 냉매회로(11)에서 수행되는 냉동사이클은, 그 고압이 냉매인 이산화탄소의 임계압력보다 높은 값으로 설정된다.
압축기(20)에서는 전동기(23)에 의해 압축기구(21)가 회전 구동된다. 압축기구(21)는 흡입관(25)으로부터 흡입한 냉매를 압축하여 압축기 케이싱(24) 내로 토출한다. 압축기 케이싱(24) 내의 고압냉매는 토출관(26)을 통해 압축기(20)로부터 토출된다. 압축기(20)로부터 토출된 냉매는 실외열교환기(14)로 송출되며 실외 공기에 방열한다. 실외열교환기(14)에서 방열한 고압냉매는 팽창기(30)로 유입한다.
팽창기(30)에서는 유입관(35)을 통해 팽창기구(31)로 유입한 고압냉매가 팽창되며, 이로써 발전기(33)가 회전 구동된다. 발전기(33)에서 발생한 전력은 압축기(20)의 전동기(23)로 공급된다. 팽창기구(31)에서 팽창된 냉매는 유출관(36)을 통해 팽창기(30)로부터 송출된다. 팽창기(30)로부터 송출된 냉매는 실내열교환기(15)로 공급된다. 실내열교환기(15)에서는 유입된 냉매가 실내공기로부터 흡열하여 증발하며, 실내공기가 냉각된다. 실내열교환기(15)로부터 유출된 저압냉매는 압축기(20)의 흡입관(25)으로 유입한다.
<난방운전>
난방운전 시에는 제 1 사방밸브(12) 및 제 2 사방밸브(13)가 제 2 상태(도 1에 점선으로 나타내는 상태)로 설정되며, 냉매회로(11)에서 냉매가 순환하여 증기압축 냉동사이클이 이루어진다. 냉방운전 시와 마찬가지로, 이 냉매회로(11)에서 수행되는 냉동사이클은, 그 고압이 냉매인 이산화탄소의 임계압력보다 높은 값으로 설정된다.
압축기(20)에서는 전동기(23)에 의해 압축기구(21)가 회전 구동된다. 압축기구(21)는 흡입관(25)으로부터 흡입한 냉매를 압축하여 압축기 케이싱(24) 내로 토출한다. 압축기 케이싱(24) 내의 고압냉매는 토출관(26)을 통해 압축기(20)로부터 토출된다. 압축기(20)로부터 토출된 냉매는 실내열교환기(15)로 송출된다. 실내열교환기(15)에서는 유입된 냉매가 실내공기에 방열하며, 실내공기가 가열된다. 실내열교환기(15)에서 방열한 고압냉매는 팽창기(30)로 유입한다.
팽창기(30)에서는 유입관(35)을 통해 팽창기구(31)로 유입한 고압냉매가 팽창되며, 이로써 발전기(33)가 회전 구동된다. 발전기(33)에서 발생한 전력은 압축기(20)의 전동기(23)로 공급된다. 팽창기구(31)에서 팽창된 냉매는 유출관(36)을 통해 팽창기(30)로부터 송출된다. 팽창기(30)로부터 송출된 냉매는 실외열교환기(14)로 공급된다. 실내열교환기(14)에서는 유입된 냉매가 실외공기로부터 흡열하여 증발한다. 실외열교환기(14)로부터 유출된 저압냉매는 압축기(20)의 흡입관(25)으로 유입한다.
<압축기 및 팽창기의 윤활동작>
압축기(20)와 팽창기(30)를 냉동기유에 의해 윤활하는 동작에 대하여 설명한다.
압축기(20)에서는, 압축기 케이싱(24)의 내압이, 압축기구(21)로부터 토출된 냉매의 압력과 거의 동등하게 구성된다. 따라서 압축기 케이싱(24) 바닥에 저류된 냉동기유의 압력도, 압축기구(21)로부터 토출된 냉매의 압력과 거의 동등하게 된다. 한편, 압축기구(21)는 흡입관(25)으로부터 저압냉매를 흡입한다. 따라서 압축기구(21)에는 압축기 케이싱(24)의 내압보다 저압이 되는 부분이 존재한다. 이에 따라 압축기 케이싱(24) 바닥에 저류된 냉동기유는, 구동축(22) 내 급유통로(90)를 통해 압축기구(21)로 유입되며, 압축기구(21)의 윤활에 이용된다. 압축기구(21)로 공급된 냉동기유는 압축된 냉매와 함께 압축기 케이싱(24) 내로 토출되며, 다시 압축기 케이싱(24) 바닥부로 돌아온다.
냉매회로(11)를 순환하는 냉매의 압력은 압축기(20)에서 팽창기(30)에 이르는 사이에 약간 저하된다. 따라서 팽창기구(31)를 통과하는 냉매의 압력은 필연적으로 압축기 케이싱(24)의 내압보다 낮아진다. 이에 따라 압축기 케이싱(24) 바닥에 저류된 냉동기유는 급유용 배관(41)을 통해 팽창기구(31)로 유입된다. 이때, 급유용 배관(41)으로 유입한 냉동기유는 냉각용 열교환기(46)에서 흡입측 배관(16) 내 냉매와 열교환하여 냉각되며, 그 후 팽창기구(31)로 유입한다.
팽창기구(31)로 유입된 냉동기유는 팽창기구(31)의 윤활에 이용된다. 그 후 이 냉동기유는 일부가 팽창기구(31)로부터 누출되어 팽창기 케이싱(34) 바닥에 고이며, 나머지는 팽창 후의 냉매와 함께 팽창기(30)로부터 유출된다. 냉매와 함께 팽창기(30)로부터 유출된 냉동기유는 냉매와 함께 냉매회로(11) 내를 흐르며 압축기(20)로 흡입된다. 한편, 팽창기 케이싱(34) 바닥에 고인 냉동기유는 오일회송용 배관(42)을 통해 흡입측 배관(16)으로 유입되며, 냉매와 함께 압축기(20)로 흡입된다. 흡입측 배관(16)을 흐르는 냉매의 압력은 냉매회로(11) 내에서 가장 낮은 것이 된다. 이로써, 팽창기 케이싱(34) 내 냉동기유는 오일회송용 배관(42)을 흘러 흡입측 배관(16)으로 유입된다.
압축기(20)의 압축기구(21)로 냉매와 함께 흡입된 냉동기유는, 압축후의 냉매와 함께 압축기구(21)로부터 압축기 케이싱(24) 내부공간으로 토출되며, 그 후 압축기 케이싱(24) 바닥부로 흘러 내려간다.
<팽창기구의 동작>
팽창기구(31)의 동작에 대하여 도 4를 참조하면서 설명한다.
먼저 제 1 회전기구부(70)의 제 1 고압실(73)로 초임계상태의 고압냉매가 유입하는 과정에 대하여 설명한다. 회전각이 0°인 상태에서 출력축(32)이 약간 회전하면, 제 1 피스톤(75)과 제 1 실린더(71)의 접촉위치가 유입포트(67)의 개구부를 통과하며, 유입포트(67)로부터 제 1 고압실(73)로 고압냉매가 유입되기 시작한다. 그 후 출력축(32)의 회전각이 90°, 180°, 270°로 점점 커짐에 따라 제 1 고압실(73)로 고압냉매가 유입되어 간다. 이 제 1 고압실(73)로의 고압냉매 유입은, 출력축(32)의 회전각이 360。에 달할 때까지 계속된다.
다음에, 팽창기구(31)에서 냉매가 팽창하는 과정에 대해 설명한다. 회전각이 0°인 상태에서 출력축(32)이 약간 회전하면, 제 1 저압실(74)과 제 2 고압실(83)이 연통로(64)를 개재하여 서로 연통되며, 제 1 저압실(74)로부터 제 2 고압실(83)로 냉매가 유입되기 시작한다. 그 후, 출력축(32)의 회전각이 90°, 180°, 270°로 점차 커짐에 따라, 제 1 저압실(74)의 용적이 점점 감소하는 동시에, 제 2 고압실(83)의 용적이 점점 증가하며, 결과적으로 팽창실(66)의 용적이 점점 증가되어간다. 이 팽창실(66)의 용적 증가는, 출력축(32)의 회전각이 360。에 달하기 직전까지 계속된다. 그리고 팽창실(66)의 용적이 증가하는 과정에서 팽창실(66) 내의 냉매가 팽창되며, 이 냉매의 팽창에 의해 출력축(32)이 회전 구동된다. 이와 같이 제 1 저압실(74) 내의 냉매는, 연통로(64)를 통해 제 2 고압실(83)로 팽창되면서 유입되어 간다.
이어서, 제 2 회전기구부(80)의 제 2 저압실(84)로부터 냉매가 유출되어 가는 과정에 대해 설명한다. 제 2 저압실(84)은, 출력축(32)의 회전각이 0。인 시점 에서부터 유출포트(68)로 연통되기 시작한다. 즉, 제 2 저압실(84)로부터 유출포트(68)로 냉매가 유출되기 시작한다. 그 후, 출력축(32)의 회전각이 90°, 180°, 270°로 점차 커져가며, 그 회전각이 360。에 달하는 동안에 걸쳐, 제 2 저압실(84)로부터 팽창 후의 저압냉매가 유출되어 간다.
팽창기구(31)에서는 급유용 배관(41)을 통해 공급된 냉동기유가 상측 오일저류실(101)로 도입된다. 상측 오일저류실(101)로 유입된 냉동기유는, 출력축의 급유통로(90)와, 출력축(32)과 리어헤드(62)의 습동부분과, 오목홈(103)으로 분배된다.
출력축(32)의 급유통로(90)로 유입된 냉동기유는, 일부가 각 분기통로(91, 92)를 통해 편심부(79, 89)와 피스톤(75, 85)의 습동부분으로 공급되며, 나머지가 하측 오일저류실(102)로 유입된다. 하측 오일저류실(102)로 유입된 냉동기유는 출력축(32)과 프론트헤드(61)의 습동부분으로 공급된다.
오목홈(103)으로 유입된 냉동기유는 제 1 오일통로(111)를 지나 제 2 실린더(81)의 부시공(88)으로 유입된다. 이 부시공(88)으로 유입된 냉동기유는, 그 일부가 제 2 실린더(81)와 부시(87)의 습동부분이나, 제 2 블레이드(86)와 부시(87)의 습동부분으로 공급된다. 부시공(88)으로 유입된 냉동기유의 나머지는 제 2 오일통로(112)를 지나 제 1 실린더(71)의 부시공(78)으로 유입된다. 이 부시공(78)으로 유입한 냉동기유는 그 일부가 제 1 실린더(71)와 부시(77)의 습동부분이나, 제 1 블레이드(76)와 부시(77)의 습동부분으로 공급된다. 부시공(78)으로 유입된 냉동기유의 나머지는 제 3 오일통로(113)를 통해 프론트헤드(61)와 출력축(32)의 틈새로 공급된다.
-제 1 실시형태의 효과-
본 실시형태에서는, 내압이 압축기구(21)로부터 토출된 직후의 냉매압력과 동등한 압축기 케이싱(24)에 냉동기유를 저류하며, 그 냉동기유를 압축기구(21)와 팽창기구(31) 양쪽으로 공급한다. 즉, 본 실시형태에서는 냉매회로(11) 내에서 가장 고압인 부분에 냉동기유를 저류하며, 그 냉동기유를 압축기 케이싱(24)의 내압보다 저압인 부분이 존재하는 압축기구(21)나 팽창기구(31)로 공급한다. 이에 따라 냉동기유의 공급원이 공급처에 비해 고압이 되며, 압축기구(21)나 팽창기구(31)에 대하여 확실하게 냉동기유가 공급되게 된다. 따라서 본 실시형태에 의하면, 압축기구(21)나 팽창기구(31)에 대한 냉동기유의 공급량을 확보할 수 있으며, 압축기구(21)나 팽창기구(31)의 시저 등 문제를 미연에 방지하여, 공조기(10)의 신뢰성을 확보할 수 있다.
또 본 실시형태에서는, 팽창기 케이싱(34) 내에 저류된 냉동기유가 오일회송용 배관(42)을 통해 압축기(20)로 회송된다. 냉매회로(11) 내에 존재하는 냉동기유의 양은 일정하므로, 팽창기 케이싱(34) 내에 저류된 냉동기유의 양이 증가하면, 그만큼 압축기 케이싱(24)의 냉동기유 저류량이 감소하게 되며, 압축기구(21)나 팽창기구(31)로 냉동기유가 충분하게 공급되지 않게 될 우려가 있다. 이에 반해, 이 발명에서는 팽창기 케이싱(34) 내 냉동기유가 오일회송용 배관(42)을 통해 압축기구(21)로 회송된다. 따라서 이 본 실시형태에 의하면, 압축기 케이싱(24)의 냉동기유 저류량을 충분히 확보할 수 있으며, 압축기구(21)나 팽창기구(31)로 냉동기유 를 한층 더 확실하게 공급할 수 있다.
또 본 실시형태에서는, 팽창기 케이싱(34) 내에 저류된 냉동기유가 흡입측 배관(16)으로 공급된다. 압축기구(21)의 흡입관(25)에 접속되는 흡입측 배관(16)은 냉매회로(11) 내에서 가장 저압이 되는 부분이다. 즉, 본 실시형태에서는, 냉동기유가 저류되는 팽창기 케이싱(34)의 내부공간과 냉동기유가 회송되는 곳과의 사이에 확실하게 압력차가 생긴다. 따라서 본 실시형태에 의하면, 팽창기 케이싱(34) 내에 저류된 냉동기유를 확실하게 압축기(20)로 되돌릴 수 있으며, 압축기 케이싱(24) 내의 냉동기유 저류량을 확보할 수 있다.
여기서, 압축기 케이싱(24)의 내부공간에서는 냉동기유와 압축기구(21)로부터 토출된 냉매가 공존한다. 따라서 압축기 케이싱(24) 내에 저류된 냉동기유의 온도는 압축기구(21)로부터 토출된 냉매의 온도와 같은 정도로 된다. 한편, 압축기구(21)로부터 토출된 직후의 냉매는 온도가 80℃∼100℃ 정도에 달하는 경우가 있으며, 냉매회로(11) 내를 순환하는 냉매 중에서 가장 고온이다. 때문에 압축기 케이싱(24) 내에 저류된 고온의 냉동기유를 그대로 팽창기구(31)로 공급하면, 팽창기구(31)를 통과하는 0℃∼30℃ 정도의 냉매가 냉동기유에 의해 가열되어, 팽창기구(31)로부터 유출하는 냉매의 엔탈피가 상승한다. 팽창기구(31)로부터 유출하는 냉매의 엔탈피가 상승하면, 실내열교환기(15)나 실외열교환기(14)의 냉매 흡열량이 감소되어, 공조기(10)의 능력저하를 초래할 우려가 있다.
이에 반해 본 실시형태에서는, 압축기 케이싱(24)으로부터 유출되어 급유용 배관(41)을 흐르는 냉동기유를 냉각용 열교환기(46)에서 냉각한 후 팽창기구(31)로 공급한다. 이로써, 압축기 케이싱(24) 내에 저류된 냉동기유를 그대로 팽창기구(31)로 도입하는 경우에 비해, 급유용 배관(41)을 통해 공급된 냉동기유로부터, 팽창기구(31)를 통과하는 냉매로 침입하는 열량을 삭감할 수 있다. 따라서 본 실시형태에 의하면, 팽창기구(31)로부터 유출되는 냉매의 엔탈피를 낮게 억제할 수 있어, 공조기(10)의 냉방능력이나 난방능력의 저하를 억제할 수 있다.
특히 본 실시형태에서는, 압축기구(21)로 흡입되는 냉매(즉, 냉매회로(11) 내를 순환하는 냉매 중에서 가장 저온의 냉매)와 급유용 배관(41)을 흐르는 냉동기유를 냉각용 열교환기(46)에서 서로 열교환시킨다. 따라서 본 실시형태에 의하면, 급유용 배관(41)을 통해 팽창기구(31)로 도입되는 냉동기유의 온도를 확실하게 저하시킬 수 있으며, 공조기(10)의 능력저하를 한층 더 확실하게 억제할 수 있다.
-제 1 실시형태의 변형예 1-
본 실시형태의 공조기(10)에서는, 도 5에 나타내는 바와 같이 급유용 배관(41)과 흡입측 배관(16)에 접속되는 냉각용 열교환기(46)에 추가로, 급유용 배관(41)과 오일회송용 배관(42)에 접속되는 냉각용 열교환기(47)를 설치해도 된다. 이 냉각용 열교환기(47)는 급유용 배관(41)을 흐르는 냉동기유와, 오일회송용 배관(42)을 흐르는 냉매를 열교환시킨다.
전술한 바와 같이, 팽창기구(31)를 통과하는 냉매의 온도는 0℃∼30℃ 정도이다. 때문에 이 팽창기구(31)로부터 누출되어 팽창기 케이싱(34) 내로 고이는 냉동기유의 온도는, 팽창기구(31)를 통과하는 냉매의 온도와 같은 정도의 비교적 낮은 값이 된다. 냉각용 열교환기(47)에서는 압축기 케이싱(24)으로부터 유출되어 급유용 배관(41)을 흐르는 비교적 고온의 냉동기유가, 팽창기 케이싱(34)으로부터 유출되어 오일회송용 배관(42)을 흐르는 비교적 저온인 냉동기유와 열교환한다.
팽창기구(31)로는, 이들 2개의 냉각용 열교환기(46, 47)에서 차례로 냉각된 냉동기유가 도입된다. 급유용 배관(41)을 통해 팽창기구(31)로 도입되는 냉동기유의 온도를 한층 더 낮출 수 있으며, 공조기(10)의 능력저하를 한층 더 확실하게 억제하는 것이 가능해진다.
-제 1 실시형태의 변형예 2-
본 실시형태의 공조기(10)에서는, 도 6에 나타내는 바와 같이 급유용 배관(41)과 흡입측 배관(16)에 접속되는 냉각용 열교환기(46)에 추가로, 급유용 배관(41) 내의 냉동기유를 실외공기와 열교환시키는 냉각용 열교환기(48)를 설치해도 된다. 급유용 배관(41)에서 이 냉각용 열교환기(48)는 급유용 배관(41)과 흡입측 배관(16)에 접속되는 냉각용 열교환기(46)의 상류측에 배치된다.
전술한 바와 같이 압축기구(21)로부터 토출된 직후의 냉매온도는 80℃∼100℃ 정도로 달하며, 압축기 케이싱(24) 내에 저류된 냉동기유의 온도도 그것과 같은 정도로 된다. 한편, 실외공기의 온도는 하기에도 30℃∼40℃ 정도인 것이 통상적이며, 50℃를 초과하는 일은 거의 없다. 즉, 급유용 배관(41)을 흐르는 냉동기유는 실외공기보다 고온이다. 따라서 냉각용 열교환기(48)에서는 급유용 배관(41)을 흐르는 냉동기유가 실외공기에 의해 냉각된다.
팽창기구(31)로는 이들 2개의 냉각용 열교환기(48, 46)에서 차례로 냉각된 냉동기유가 도입된다. 이로써 급유용 배관(41)을 통해 팽창기구(31)로 도입되는 냉동기유의 온도를 한층 낮출 수 있으며, 공조기(10)의 능력저하를 한층 확실하게 억제하는 것이 가능해진다.
[제 2 실시형태]
본 발명의 제 2 실시형태에 대하여 설명한다. 본 실시형태는 팽창기 케이싱(34)에 어큐뮬레이터로서의 기능을 부여한 것이다. 여기서는 본 실시형태의 공조기(10)에 대하여 상기 제 1 실시형태와 다른 점을 설명한다.
도 7에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 냉매회로(11)에서는 흡입측 배관(16)이 제 1 배관(17)과 제 2 배관(18)으로 구성된다.
제 1 배관(17) 일단은 제 1 사방밸브(12)의 제 2 포트에 접속된다. 제 1 배관(17) 타단은 팽창기 케이싱(34)에 접속되며, 팽창기 케이싱(34) 내부공간의 팽창기구(31)와 발전기(33) 사이로 개구된다. 이 제 1 배관(17)은 실내열교환기(15)와 실외열교환기(14) 중 증발기로서 동작하는 쪽과 팽창기 케이싱(34) 내부공간을 연통시키는 제 1 흡입측 통로를 구성한다.
제 2 배관(18) 일단은 팽창기 케이싱(34)에 접속되며, 팽창기 케이싱(34) 내부공간의 팽창기구(31)와 발전기(33) 사이로 개구된다. 제 2 배관(18) 타단은 압축기(20)의 흡입관(25)에 접속된다. 이 제 2 배관(18)은 팽창기 케이싱(34) 내부공간과 압축기(20) 흡입측을 연통시키는 제 2 흡입측 통로를 구성한다. 본 실시형태에서 오일회송용 배관(42)은 제 2 배관(18)의 냉각용 열교환기(46) 상류측에 접속된다.
여기서, 실내열교환기(15)와 실외열교환기(14) 중 증발기로서 동작하는 쪽에 서는, 그곳으로 유입된 냉매가 완전히 증발되지 않고 일부 냉매가 액냉매인 채로 그곳으로부터 유출되는 경우가 있다. 이러한 경우에 열교환기(14, 15)로부터 유출되는 액냉매의 양이 많으면, 액냉매가 압축기구(21)로 흡입되어 압축기구(21)의 파손을 초래할 우려가 있다.
이에 반해, 본 실시형태에서는 제 1 배관(17)으로부터 팽창기 케이싱(34) 내부공간으로 기액 2상상태의 냉매가 유입했다 하더라도, 그 냉매는 팽창기 케이싱(34) 내에서 가스냉매와 액냉매로 분리되며, 가스냉매가 제 2 배관(18)을 통해 압축기구(21)로 공급된다. 이로써 압축기구(21)로 흡입되는 냉매는 거의 가스냉매만으로 된다. 즉, 본 실시형태에 의하면, 팽창기 케이싱(34)을 어큐뮬레이터로도 기능시켜, 어큐뮬레이터를 별도 설치하는 일없이, 액백으로 인한 압축기(20)의 손상을 방지할 수 있다.
-제 2 실시형태의 변형예-
본 실시형태에서는 팽창기 케이싱(34)에서의 제 1 배관(17)의 접속위치를 변경해도 된다.
도 8에 나타내는 바와 같이, 본 변형예의 제 1 배관(17)은 팽창기 케이싱(34) 하부에 접속되며, 팽창기 케이싱(34) 내부공간의 발전기(33) 하측으로 개구된다. 본 변형예에서, 제 1 배관(17)을 통해 팽창기 케이싱(34) 내부공간으로 유입된 냉매는 발전기(33)의 회전자와 고정자의 틈새 등을 밑에서 위를 향해 통과하고, 그 후 제 2 배관(18)으로 유입된다.
냉매가 발전기(33)를 통과할 때, 그 냉매 중의 액냉매는 발전기(33)에 부착 되어 아래쪽으로 흘러 내려가며, 주로 그 냉매 중의 가스냉매가 발전기(33)를 통과하여 제 2 배관(18)에 도달한다. 따라서 본 변형예에 의하면 팽창기 케이싱(34) 내부공간에서 가스냉매와 액냉매를 확실하게 분리할 수 있으며, 액백으로 인한 압축기(20)의 손상을 한층 확실하게 방지할 수 있다.
또 본 변형예에서는 발전기(33)를 냉매가 통과하므로, 발전기(33)가 냉매에 의해 냉각된다. 따라서 본 변형예에 의하면 발전기(33)의 온도상승을 억제할 수 있어, 발전기(33)의 효율향상을 도모하는 것이 가능해진다.
[제 3 실시형태]
본 발명의 제 3 실시형태에 대하여 설명한다. 본 실시형태의 공조기(10)는 상기 제 1 실시형태의 팽창기(30) 구성을 변경한 것이다. 여기서는 본 실시형태의 팽창기(30)에 대하여 상기 제 1 실시형태와 다른 점을 설명한다.
도 9에 나타내는 바와 같이, 출력축(32) 상단부에는 1개의 편심부(59)가 형성된다. 이 편심부(59)는 출력축(32)의 주축부(38)보다 큰 지름으로 형성된다. 출력축(32)에는 급유통로(90)가 형성된다. 급유통로(90)는 출력축(32)의 축심을 따라 이어진다. 급유통로(90) 일단은 출력축(32)의 상단면으로 개구된다. 급유통로(90) 타단은, 직각으로 굴곡되어 출력축(32)의 지름방향으로 이어지며, 출력축(32) 중 편심부(59)에서 약간 내려간 부분의 외주면으로 개구된다. 급유통로(90)에는 출력축(32)의 지름방향으로 이어지는 분기통로(93)가 1개 형성된다. 이 분기통로(93)는 편심부(59)의 외주면으로 개구된다.
팽창기구(31)는, 이른바 요동피스톤형의 회전식 유체기계로 구성된다. 이 팽창기구(31)에는, 프론트헤드(61)와, 실린더(51), 피스톤(55), 리어헤드(62), 및 상부 플레이트(65)가 하나씩 설치된다.
팽창기구(31)에서는, 밑에서 위를 향해 차례로 프론트헤드(61), 실린더(51), 리어헤드(62), 상부 플레이트(65)가 적층된 상태로 구성된다. 이 상태에서 실린더(51)는 그 하측 단면이 프론트헤드(61)로 막히며, 그 상측 단면이 리어헤드(62)로 막힌다.
출력축(32)은, 적층된 상태의 프론트헤드(61), 실린더(51), 리어헤드(62)를 관통한다. 또 출력축(32)은 그 편심부(59)가 실린더(51) 내에 위치한다.
도 10에도 나타내는 바와 같이, 실린더(51) 내에는 피스톤(55)이 배치된다. 이 피스톤(55)은 고리형 또는 원통형으로 형성된다. 피스톤(55)의 안지름은 편심부(59)의 바깥지름과 대략 동등하게 형성된다. 그리고 피스톤(55)에는 출력축(32)의 편심부(59)가 관통된다.
피스톤(55)은 그 외주면이 실린더(51)의 내주면에, 한쪽 단면이 프론트헤드(61)에, 다른 쪽 단면이 리어헤드(62)에 각각 미끄럼 접촉한다. 실린더(51) 내에는, 그 내주면과 피스톤(55) 외주면과의 사이에 유체실(52)이 형성된다.
피스톤(55)에는 블레이드(56)가 일체로 형성된다. 블레이드(56)는 피스톤(55)의 반지름방향으로 이어지는 판상으로 형성되며, 피스톤(55)의 외주면에서 바깥쪽으로 돌출된다. 이 블레이드(56)는 실린더(51)의 부시공(58)으로 삽입된다. 실린더(51)의 부시공(58)은 실린더(51)를 두께방향으로 관통하는 동시에, 실린더(51)의 내주면으로 개구된다.
실린더(51)에는 한 쌍의 부시(57)가 장착된다. 각 부시(57)는, 내측면이 평면이며 외측면이 원호면이 되도록 형성된 작은 조각이다. 실린더(51)에서 한 쌍의 부시(57)는 부시공(58)으로 삽입되며, 블레이드(56)를 사이에 둔 상태로 된다. 부시(57)는 그 내측면이 블레이드(56)와 미끄럼 접촉하며, 그 외측면이 실린더(51)와 미끄럼 접촉한다. 그리고 피스톤(55)과 일체인 블레이드(56)는 부시(57)를 개재하여 실린더(51)에 지지되며, 실린더(51)에 대해 회전 자유롭게 또 진퇴 자유롭게 구성된다.
실린더(51) 내의 유체실(52)은 피스톤(55)과 일체인 블레이드(56)로 구획되며, 도 10에서 블레이드(56)의 왼쪽이 고압측 고압실(53)이 되고, 그 오른쪽이 저압측 저압실(54)이 된다. 프론트헤드(61)에는 유입포트(67)가 형성된다. 유입포트(67)는 프론트헤드(61)의 상면 중 고압실(53)에 임하는 부분으로 개구된다. 또 유입포트(67)의 개구 위치는 실린더(51)의 내주면 근방이며 또 도 10에서 블레이드(56)의 왼쪽 근방에 설정된다. 실린더(51)에는 유출포트(68)가 형성된다. 유출포트(68)는 실린더(51)의 내주면 중, 도 10에서 부시(57)의 약간 오른쪽 부분으로 개구된다. 이 유출포트(68)는 저압실(54)과 연통 가능하게 구성된다.
프론트헤드(61)는 그 중앙부가 하방으로 돌출된 형상으로 구성된다. 또 프론트헤드(61) 중앙부에는 관통공이 형성되며, 이 관통공으로 출력축(32)의 주축부(38)가 삽입된다. 프론트헤드(61)는, 출력축(32)의 편심부(59) 하측부분을 지지하는 미끄럼 베어링을 구성한다. 프론트헤드(61)에서는, 출력축(32)이 삽입되는 관통공의 하부에 원주 홈이 형성된다. 이 원주 홈은, 출력축(32)의 외주면으로 개 구되는 급유통로(90) 단부와 대향하는 위치에 형성되며, 하측 오일저류실(102)을 구성한다. 프론트헤드(61)의 전체형상이나 프론트헤드(61)에 하측 오일저류실(102)이 형성되는 점은 상기 제 1 실시형태와 마찬가지이다.
리어헤드(62)의 중앙부에는 관통공이 형성되며, 이 관통공으로 출력축(32)의 주축부(38)가 삽입된다. 리어헤드(62)는 출력축(32)의 편심부(59) 상측부분을 지지하는 미끄럼 베어링을 구성한다. 또 리어헤드(62)의 상면 중앙부에는 원형의 오목부가 관통공과 동축 상에 형성된다. 이 오목부는 급유용 배관(41)으로부터 공급된 냉동기유를 저류하기 위한 상측 오일저류실(101)을 구성한다. 또한 리어헤드(62) 상면에는 오목 홈(103)이 형성된다. 오목 홈(103)은 상측 오일저류실(101)의 주연으로부터 리어헤드(62) 외주방향으로 이어진다.
상부 플레이트(65)는 약간 두꺼운 원판형으로 형성되며, 리어헤드(62) 위에 탑재된다. 상부 플레이트(65)에는 급유용 배관(41)의 종단이 접속된다. 급유용 배관(41)의 종단은 상부 플레이트(65)를 상방에서 하방을 향해 관통되며 상측 오일저류실(101)로 개구된다.
팽창기구(31)에서는 리어헤드(62)에 제 1 오일통로(121)가 형성되며, 프론트헤드(61)에 제 2 오일통로(122)가 형성된다. 제 1 오일통로(121)는 리어헤드(62)를 두께방향으로 관통하며, 오목 홈(103)의 종단을 실린더(51)의 부시공(58)과 연통시킨다. 프론트헤드(61)에서 제 2 오일통로(122) 일단은, 프론트헤드(61) 상면 중 실린더(51)의 부시공(58)에 임하는 부분으로 개구된다. 또 프론트헤드(61)에서 제 2 오일통로(122) 타단은, 출력축(32)이 삽입되는 관통공의 내주면으로 개구된 다.
-운전동작-
공조기(10)의 냉방운전 및 난방운전이나, 압축기구(21) 및 팽창기구(31)로 냉동기유를 공급하는 동작은 상기 제 1 실시형태의 경우와 마찬가지이다. 여기서는 본 실시형태의 팽창기구(31)가 냉매로부터 동력을 회수하는 동작에 대하여 도 10을 참조하면서 설명하기로 한다.
출력축(32)이 도 10(a)의 상태(회전각이 0°인 상태)에서 도 10의 반시계방향으로 약간 회전하면, 유입포트(67)가 고압실(53)과 연통되며, 유입포트(67)로부터 고압실(53)로 고압냉매가 유입된다. 이때, 저압실(54)은 유출포트(68)와 연통된 상태이며, 저압실(54)의 압력은 냉동사이클의 저압과 대략 동등하다. 따라서 피스톤(55)은 고압실(53)로 유입된 냉매에 의해 눌려 움직이며, 출력축(32)이 도 10의 반시계방향으로 계속 회전한다.
그리고 도 10(b)∼(d)에 차례로 나타내는 바와 같이, 고압실(53)의 용적은 피스톤(55)이 이동함에 따라 확대되는 한편, 저압실(54)의 용적은 피스톤(55)이 이동함에 따라 축소되어 간다. 그 후 피스톤(55)은 도 10(a)의 상태로 복귀되지만, 관성력에 의해 계속 회전하며, 다시 고압실(53)에 유입포트(67)가 연통됨과 동시에, 저압실(54)에 유출포트(68)가 연통되는 상태로 되고, 출력축(32)이 계속 회전 구동된다.
팽창기구(31)에서는 급유용 배관(41)을 통해 공급된 냉동기유가 상측 오일저류실(101)로 도입된다. 상측 오일저류실(101)로 유입된 냉동기유는 출력축(32)의 급유통로(90)와, 출력축(32)과 리어헤드(62)의 습동부분과, 오목 홈(103)으로 분배된다.
출력축(32)의 급유통로(90)로 유입된 냉동기유는, 일부가 분기통로(93)를 통해 편심부(59)와 피스톤(55)의 습동면으로 공급되며, 나머지가 하측 오일저류실(102)로 유입된다. 하측 오일저류실(102)로 유입된 냉동기유는 출력축(32)과 프론트헤드(61)의 습동부분으로 공급된다.
오목 홈(103)으로 유입된 냉동기유는 제 1 오일통로(121)를 통해 실린더(51)의 부시공(58)으로 유입된다. 이 부시공(58)으로 유입된 냉동기유는, 일부가 실린더(51)와 부시(57)의 습동부분이나, 블레이드(56)와 부시(57)의 습동부분으로 공급된다. 부시공(58)으로 유입된 냉동기유의 나머지는 제 2 오일통로(122)를 통해 프론트헤드(61)와 출력축(32)의 틈새로 공급된다.
-제 3 실시형태의 변형예-
본 실시형태에서는 팽창기구(31)의 프론트헤드(61)에 급유용 배관(41)이 접속되어도 된다.
도 11에 나타내는 바와 같이, 본 변형예의 팽창기구(31)에서는 프론트헤드(61)에 대하여 그 지름방향 바깥쪽으로부터 급유용 배관(41)이 접속된다. 이 급유용 배관(41)은 프론트헤드(61)의 제 2 오일통로(122)로 연통된다. 본 변형예의 프론트헤드(61)에서는 출력축(32)의 주축부(38)가 삽입되는 관통공의 상단부에 원주 홈이 형성되며, 이 원주 홈이 하측 오일저류실(102)을 구성한다. 또 이 프론트헤드(61)에서는 제 2 오일통로(122)가 하측 오일저류실(102)로 연통된다.
본 변형예의 출력축(32)에서 급유통로(90) 하단은 출력축(32)의 외주면 중 편심부(59)의 하측 근방으로 개구되며, 하측 오일저류실(102)로 연통된다. 또 이 출력축(32)에는 편심부(59)의 외주면으로 개구되는 분기통로(93) 외에, 또 하나의 분기통로(94)가 형성된다. 이 분기통로(94)는 출력축(32)의 외주면 중 편심부(59)의 상측 근방으로 개구된다.
본 변형예의 팽창기구(31)에서는 급유용 배관(41)을 통해 공급된 냉동기유가 제 2 오일통로(122)로 도입된다. 제 2 오일통로(122)로 유입된 냉동기유는 하측 오일저류실(102)과, 실린더(51)의 부시공(58)으로 분배된다.
하측 오일저류실(102)로 유입된 냉동기유는 출력축(32)의 급유통로(90)와, 출력축(32)과 프론트헤드(61)의 습동부분으로 분배된다. 출력축(32)의 급유통로(90)로 유입된 냉동기유는, 일부가 분기통로(93)를 통해 편심부(59)와 피스톤(55)의 습동부분으로 공급되며, 나머지 일부가 분기통로(94)를 통해 출력축(32)과 리어헤드(62)의 습동부분으로 공급되고, 또 다른 나머지 일부가 상측 오일저류실(101)로 유입된다.
실린더(51)의 부시공(58)으로 유입된 냉동기유는 일부가 실린더(51)와 부시(57)의 습동부분이나, 블레이드(56)와 부시(57)의 습동부분으로 공급된다. 부시공(58)으로 유입된 냉동기유의 나머지는 제 1 오일통로(12)를 통해 상측 오일저류실(101)로 유입된다.
[그 밖의 실시형태]
상기 각 실시형태에서는, 팽창기구(31)가, 이른바 롤링피스톤형의 회전식 유 체기계로 구성되어도 된다. 이 경우, 팽창기구(31)에서는 블레이드(56, 75, 86)가 피스톤(55, 75, 85)과 별개로 형성된다. 그리고 블레이드(56, 75, 86)는 실린더(51, 71, 81)에 대하여 진퇴 자유롭게 지지되며, 그 선단이 피스톤(55, 75, 85)의 외주면에 눌린다.
또 상기 각 실시형태에서는, 팽창기구(31)가 스크롤형의 유체기계로 구성되어도 된다. 이 경우, 팽창기구(31)에서는 고정스크롤과 가동스크롤로 형성된 팽창실 내에서 냉매가 팽창되어, 가동스크롤에 결합되는 출력축이 회전 구동된다.
또한 상기 각 실시형태에서는 냉동장치로 공조기를 구성했으나, 냉동장치로 급탕기를 구성하여, 압축기(20)로부터 토출된 냉매로 물을 가열하여 온수를 생성하도록 해도 된다.
또 상기 제 1 실시형태의 변형예 1에서는, 급유용 배관(41)의 냉동기유를 흡입측 배관(16)의 냉매와 열교환시키는 냉각용 열교환기(46)를 생략하여, 급유용 배관(41)의 냉동기유를 오일회송용 배관(42)의 냉동기유와 열교환시키는 냉각용 열교환기(47)만을 공조기(10)에 설치해도 된다.
또한 상기 제 1 실시형태의 변형예 2에서는, 급유용 배관(41)의 냉동기유를 흡입측 배관(16)의 냉매와 열교환시키는 냉각용 열교환기(46)를 생략하여, 급유용 배관(41)의 냉동기유를 실외공기와 열교환시키는 냉각용 열교환기(48)만을 공조기(10)에 설치해도 된다.
그리고 이상의 실시형태는 본질적으로 바람직한 예시이며, 본 발명, 그 적용물, 또는 그 용도범위의 제한을 의도하는 것은 아니다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 서로 별개로 형성된 압축기와 팽창기를 구비하는 냉동장치에 대하여 유용하다.

Claims (9)

  1. 압축기(20)와 팽창기(30)가 접속된 냉매회로(11)를 구비하며, 이 냉매회로(11)에서 냉매를 순환시켜 냉동사이클을 수행하는 냉동장치에 있어서,
    상기 압축기(20)는, 흡입관(25)이 설치된 밀폐용기형의 압축기 케이싱(24)과, 이 압축기 케이싱(24)에 수용됨과 더불어, 상기 흡입관(25)으로부터 흡입한 냉매를 압축하여 이 압축기 케이싱(24) 내로 토출하는 압축기구(21)를 구비하며, 상기 압축기 케이싱(24) 내에 저류된 윤활유를 상기 압축기구(21)로 공급하도록 구성되고,
    상기 팽창기(30)는,
    유입된 냉매를 팽창시켜 동력을 발생시키는 팽창기구(31)와,
    이 팽창기구(31)를 수용하는 팽창기 케이싱(34)과,
    상기 팽창기 케이싱(34)을 관통하고, 또한 상기 팽창기구(31)에 접속되어 이 팽창기구(31)로 냉매를 도입하는 유입관(35)과,
    상기 팽창기 케이싱(34)을 관통하고, 또한 상기 팽창기구(31)에 접속되어 이 팽창기구(31)로부터 냉매를 도출하는 유출관(36)을 구비하는 한편,
    상기 팽창기 케이싱(34) 내에 고인 윤활유를 상기 압축기(20)의 흡입관(25)으로 도입하기 위한 오일회송용 배관(42)이 마련되어 있고,
    일단이 상기 압축기 케이싱(24)의 바닥부에 접속되고, 타단이 상기 팽창기구(31)에 접속되어, 상기 압축기 케이싱(24) 내에 저류된 윤활유를 상기 팽창기구(31)로 공급하는 급유용 배관(41)이 마련되고,
    상기 팽창기구(31)에서는, 냉매가 팽창하는 유체실(72)에 상기 유입관(35)이 연통하고, 윤활유가 흐르는 오일통로(111, 112, 113)에 상기 급유용 배관(41)이 연통하고 있으며,
    상기 급유용 배관(41)을 통해 공급된 윤활유에 의해 상기 팽창기구(31)가 윤활해지는 것을 특징으로 하는 냉동장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 급유용 배관(41)을 흐르는 윤활유를, 상기 압축기구(21)로 흡입되는 냉매와 열교환시켜 냉각하기 위한 냉각용 열교환기(46)를 구비하는 것을 특징으로 하는 냉동장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 급유용 배관(41)을 흐르는 윤활유를, 상기 오일회송용 배관(42)을 흐르는 윤활유와 열교환시켜 냉각하기 위한 냉각용 열교환기(47)를 구비하는 것을 특징으로 하는 냉동장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 급유용 배관(41)을 흐르는 윤활유를, 실외공기와 열교환시켜 냉각하기 위한 냉각용 열교환기(48)를 구비하는 것을 특징으로 하는 냉동장치.
  8. 청구항 1, 5, 6 및 7 중 어느 하나에 있어서,
    상기 냉매회로(11)에는, 이 냉매회로(11)의 증발기와 상기 팽창기 케이싱(34)의 내부공간을 연통시키는 제 1 흡입측 통로(17)와, 이 팽창기 케이싱(34)의 내부공간과 상기 압축기구(21)의 흡입측을 연통시키는 제 2 흡입측 통로(18)가 형성되며,
    상기 팽창기 케이싱(34)은, 상기 제 1 흡입측 통로(17)로부터 유입된 냉매를 가스냉매와 액냉매로 분리하여 가스냉매를 상기 제 2 흡입측 통로(18)로 공급하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 냉동장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 팽창기(30)는, 상기 팽창기 케이싱(34)에 수용되며 상기 팽창기구(31)에 의해 구동되는 발전기(33)를 구비하는 한편,
    상기 팽창기 케이싱(34)의 내부공간에서는, 상기 발전기(33)의 하측부분으로 상기 제 1 흡입측 통로(17)가 연통되며, 상기 발전기(33)의 상측부분으로 상기 제 2 흡입측 통로(18)가 연통되는 것을 특징으로 하는 냉동장치.
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