WO2009141956A1 - 流体機械および冷凍サイクル装置 - Google Patents

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WO2009141956A1
WO2009141956A1 PCT/JP2009/001706 JP2009001706W WO2009141956A1 WO 2009141956 A1 WO2009141956 A1 WO 2009141956A1 JP 2009001706 W JP2009001706 W JP 2009001706W WO 2009141956 A1 WO2009141956 A1 WO 2009141956A1
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compression mechanism
sealed container
working fluid
compressor
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尾形雄司
長谷川寛
和田賢宣
塩谷優
松元昴
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パナソニック株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a fluid machine used for a water heater, an air conditioner, and the like, and a refrigeration cycle apparatus using the fluid machine.
  • a power recovery type refrigeration cycle apparatus has been proposed in which the power required to drive the compression mechanism is reduced by the recovery amount.
  • an expander-integrated compressor in which an electric motor, a compression mechanism, and an expansion mechanism are connected by a shaft is used.
  • FIG. 8 is a configuration diagram showing the refrigeration cycle apparatus described in Patent Document 1.
  • the refrigeration cycle apparatus using the expander-integrated compressor 220 and the second compressor 230 includes a refrigerant circuit 210 and a controller 250 as control means.
  • a first compression mechanism 221 of the expander-integrated compressor 220 and a second compression mechanism 231 of the second compressor 230 are disposed between the indoor heat exchanger 211 and the outdoor heat exchanger 212. They are arranged in parallel.
  • the first compression mechanism 221 is connected to the electric motor 222 and the expansion mechanism 223 via a shaft
  • the second compression mechanism 231 is connected to the electric motor 232 via a shaft.
  • the controller 250 controls the second compressor 230 so that the high pressure of the refrigeration cycle becomes a predetermined target value. Specifically, if the measured value of the high pressure Ph is higher than the target value, the controller 250 reduces the discharge rate of the second compression mechanism 231 by reducing the rotational speed of the electric motor 232, and conversely, measures the high pressure Ph. If the value is lower than the target value, the rotational speed of the electric motor 232 is increased and the discharge amount of the second compression mechanism 231 is increased.
  • the second compression mechanism 231 can be driven to compensate for the insufficient displacement, and the refrigeration cycle apparatus can keep the COP high. Can continue driving.
  • Patent Document 2 discloses a refrigeration cycle apparatus as shown in FIG.
  • This refrigeration cycle apparatus includes a refrigerant circuit 310 in which two compressors 320 and 330 are arranged in parallel.
  • oil used for lubrication and sealing of the sliding portion of the compression mechanism is stored.
  • the refrigeration cycle apparatus disclosed in Patent Document 2 employs a structure that balances the oil holding amounts of both compressors 320 and 330.
  • an oil separator 311 is provided in the refrigerant discharge side piping of the compressors 320 and 330, and the oil bypass pipe 312 extends from the oil separator 311 to the refrigerant suction side piping of the compressors 320 and 330.
  • the lower portions of the compressors 320 and 330 are connected to each other by an oil equalizing pipe 350, and oil can be distributed between the compressors 320 and 330 through the oil equalizing pipe 350.
  • a pressure sensor 315 is provided in the high-pressure side pipe of the refrigeration cycle.
  • the operating frequency of one compressor 320 is first stepped up by a certain value, and the operating frequency of the other compressor 330 is lowered so that the detected pressure Pd of the pressure sensor 315 does not change until the set time ta elapses. .
  • the operating frequency of one compressor 320 is stepped down by a certain value, and the other compressor is kept so that the detected pressure Pd of the pressure sensor 315 does not change until the set time ta elapses.
  • Increase 330 operating frequency is increased.
  • the set time ta elapses again, the operating frequencies of the compressors 320 and 330 are restored.
  • the above-described step-up and step-down oil equalization operations are repeated.
  • the compressors 320 and 330 are connected to each other by the oil equalizing pipe 350, and when the two compressors 320 and 330 are operated, the operation frequency of the compressors 320 and 330 is alternately increased and decreased, The oil of 330 is efficiently circulated through the oil equalizing pipe 350, and the balance of the oil holding amounts of both the compressors 320 and 330 is maintained.
  • the expander-integrated compressor 230 and the second compressor 230 are connected to each other by an oil equalizing pipe. Even if the oil leveling operation as described in FIG. 2 is performed to balance the oil holding amount, the first compressor 220 and the second compressor 230 are asymmetrical fluid machines, so that the oil leveling effect is sufficient. Cannot be obtained.
  • the expander-integrated compressor 220 includes the expansion mechanism 223 in addition to the first compression mechanism 221 in comparison with the second compressor 230 in which the rotary machine is a single second compression mechanism 231. Large amount.
  • the present invention has been made in view of such points, and an object of the present invention is to provide a highly reliable fluid machine including an expansion mechanism and a plurality of compression mechanisms.
  • the present invention provides a first sealed container in which a first oil reservoir is formed at a bottom, and an internal space above the first oil reservoir is filled with a working fluid, and the first sealed container
  • the first electric motor arranged in the inside, the first compression mechanism arranged in the first sealed container for compressing the working fluid, and the expanding working fluid arranged in the first sealed container for power.
  • a first oil pump that supplies one or both of the first compression mechanism and the expansion mechanism through a first oil supply passage that extends upward from the first oil reservoir provided; and a space in the first sealed container. Partition up and down A first suppression member arranged to prevent the oil in the first oil reservoir from flowing along with the flow of the working fluid in the first sealed container, and a second oil reservoir is formed at the bottom, A second sealed container in which the internal space above the second oil reservoir is filled with a working fluid, a second electric motor disposed in the second sealed container, and an operation disposed in the second sealed container A second compression mechanism for compressing a fluid, wherein the first closed container and the second closed container are connected to each other by piping to be connected in parallel with the first compression mechanism in a working fluid circuit.
  • a second compression mechanism a second shaft connecting the second electric motor and the second compression mechanism, and a second oil provided in the second shaft by sucking oil from the second oil reservoir through a second oil suction port.
  • the second through the oil supply path A second oil pump for supplying to the compression mechanism, and an oil in the second oil reservoir that is arranged so as to partition the space in the second sealed container up and down with the flow of the working fluid in the second sealed container
  • a second restraining member that restrains the fluid from flowing, and a volume of a first effective oil space from the first restraining member to the first oil suction port in the first sealed container is the second sealed
  • a fluid machine that is set to be larger than a volume of a second effective oil space from the second suppressing member to the second oil suction port in the container.
  • the present invention includes a working fluid circuit in which the fluid machine is incorporated, and the first compression mechanism and the second compression mechanism are arranged in parallel in the working fluid circuit.
  • the fluid circuit is provided with a refrigeration cycle device filled with carbon dioxide as a working fluid.
  • the volume of the first effective oil space is set larger than the volume of the second effective oil space, and a sufficient amount of oil is secured above the first oil suction port. become. For this reason, even if both compressors are operated and the oil level of the first oil reservoir is lowered, the oil in the first oil reservoir can be sufficiently supplied to the compression mechanism or the expansion mechanism by the first oil pump. . Therefore, according to the present invention, a highly reliable fluid machine can be realized.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a refrigeration cycle apparatus using a fluid machine according to a first embodiment of the present invention.
  • Longitudinal sectional view of the first compressor of the first embodiment 3A is a cross-sectional view taken along line IIIA-IIIA
  • FIG. 3B is a cross-sectional view taken along line IIIB-IIIB in FIG.
  • Longitudinal sectional view of the second compressor of the first embodiment Oil flow state diagram immediately after startup of the refrigeration cycle apparatus shown in FIG. 6A is a change diagram of the oil flow rate as the operation time elapses in the fluid machine
  • FIG. 6B is a change diagram of the oil surface height as the operation time elapses in the fluid machine.
  • Configuration diagram showing a conventional refrigeration cycle apparatus
  • Configuration diagram showing another conventional refrigeration cycle apparatus The perspective view which shows the compressor and the oil equalizing pipe in the refrigeration cycle apparatus shown in FIG.
  • FIG. 1 shows a refrigeration cycle apparatus using a fluid machine 105 according to a first embodiment of the present invention.
  • This refrigeration cycle apparatus includes a refrigerant circuit (working fluid circuit) 103 in which a fluid machine 105 is incorporated.
  • the refrigerant circuit 103 includes a first compressor (expander-integrated compressor) 101, a second compressor 102, a radiator 4, an evaporator 6, and first to fourth pipes (refrigerant pipes) that connect these devices. 3a to 3d.
  • the first compressor 101 and the second compressor 102 are connected to each other by an oil equalizing pipe 25, and the fluid machine 105 is configured by the first compressor 101, the second compressor 102, and the oil equalizing pipe 25. It is configured.
  • the first discharge pipe 19 of the first compressor 101 and the second discharge pipe 20 of the second compressor 102 radiate heat through the first pipe 3a in which two branch pipes become one main pipe.
  • the radiator 4 is connected to the expansion side suction pipe 21 of the first compressor 101 via the second pipe 3b.
  • the expansion side discharge pipe 22 of the first compressor 101 is connected to the evaporator 6 via the third pipe 3c.
  • the evaporator 6 is connected to the first suction pipe 7 of the first compressor 101 and the second suction pipe 8 of the second compressor 102 via a fourth pipe 3d in which one main pipe becomes two branch pipes. Has been.
  • the 1st compressor 101 has the 1st airtight container 9 which accommodates the 1st compression mechanism 1, the 1st electric motor 11, and the expansion mechanism 5 which were mutually connected by the 1st shaft 23.
  • the second compression mechanism 102 includes a second sealed container 10 that houses the second compression mechanism 2 and the second electric motor 12 that are connected to each other by the second shaft 24.
  • the working fluid (refrigerant) compressed by the first compression mechanism 1 and the working fluid compressed by the second compression mechanism 2 pass through the first discharge pipe 19 and the second discharge pipe 20, respectively, 2 It is discharged out of the sealed container 10.
  • first sealed container 9 and the second sealed container 10 are connected to each other by the first pipe 3 a and the fourth pipe 3 d, so that the first compression mechanism 1 and the second compression mechanism 2 are in the refrigerant circuit 103. They are arranged in parallel. In other words, the first compression mechanism 1 is connected in parallel with the second compression mechanism 2 in the refrigerant circuit 103.
  • the refrigerant circuit 103 is filled with a working fluid that becomes a supercritical state in a high-pressure portion (a portion from the first compression mechanism 1 and the second compression mechanism 2 to the expansion mechanism 5 through the radiator 4).
  • the refrigerant circuit 103 is filled with carbon dioxide (CO 2 ) as such a working fluid.
  • CO 2 carbon dioxide
  • the type of working fluid is not particularly limited.
  • the working fluid may be a working fluid that does not enter a supercritical state during operation (for example, a fluorocarbon working fluid).
  • the refrigerant circuit 103 in which the fluid machine of the present invention is incorporated is not limited to the refrigerant circuit that allows the working fluid to flow only in one direction.
  • the fluid machine of the present invention may be provided in a refrigerant circuit capable of changing the flow direction of the working fluid, for example, provided in a refrigerant circuit capable of switching between heating operation and cooling operation by having a four-way valve or the like. It may be done.
  • the first sealed container 9 has a cylindrical shape extending in the vertical direction with the upper end and the lower end closed.
  • a first oil reservoir 13 is formed at the bottom of the first sealed container 9 by collecting oil, and the internal space above the first oil reservoir 13 of the first sealed container 9 is the first compression mechanism 1. It is filled with the working fluid discharged from.
  • the expansion mechanism 5 is disposed at a lower position in the first sealed container 9 and is immersed in the first oil reservoir 13, and the first compression mechanism 1 is disposed at an upper position in the first sealed container 9.
  • the first shaft 23 extends in the vertical direction across the first compression mechanism 1 and the expansion mechanism 5.
  • the 1st airtight container 9 between the 1st compression mechanism 1 and the expansion mechanism 5, the 1st electric motor 11, the 1st oil flow suppression board (1st suppression member) 17, the 1st oil pump 15, And the heat insulation member 37 is arrange
  • a first oil supply path 23e is formed inside the first shaft 23 and extends upward from the first oil reservoir 13 and guides oil from the first oil pump 15 to the first compression mechanism 1. More specifically, the first shaft 23 is composed of an upper shaft 23 a and a lower shaft 23 b, and these shafts 23 a and 23 b are mutually below by the connecting member 26 at a position slightly lower than the first oil flow suppression plate 17. It is connected.
  • the first oil supply path 23e includes an upper oil path 23c that penetrates the upper shaft 23a in the axial direction, and a lower oil path that extends downward from the upper end surface of the lower shaft 23b and opens to the side surface of the lower shaft 23b. 23d. Further, an expansion mechanism side oil supply passage 23f that guides oil from the lower end surface of the lower shaft 23b to each sliding portion of the expansion mechanism 5 is formed inside the lower shaft 23b.
  • the compression mechanism 1 is fixed to the inner peripheral surface of the first sealed container 9 by welding or the like.
  • the compression mechanism 1 is of a scroll type.
  • the type or the like of the compression mechanism 1 is not limited at all, and for example, a rotary compressor or the like can be used.
  • the compression mechanism 1 includes a fixed scroll 51, a movable scroll 52 facing the fixed scroll 51 in the axial direction, and a bearing member 53 that supports the upper portion of the upper shaft 23a.
  • the fixed scroll 51 and the movable scroll 52 are formed with wraps 51a and 52a that mesh with each other, and a spiral compression chamber 58 is defined between these wraps 51a and 52a.
  • a discharge hole 51 b that is opened and closed by a reed valve 64 is provided at the center of the fixed scroll 51.
  • An Oldham ring 60 that prevents the rotation of the movable scroll 52 is disposed below the movable scroll 52.
  • An eccentric portion is formed at the upper end portion of the upper shaft 23a, and the movable scroll 52 is fitted to the eccentric portion. Therefore, the movable scroll 52 turns in a state of being eccentric from the axis of the upper shaft 23a.
  • the movable scroll 52 is provided with an oil distribution path 52b that guides oil supplied from the first oil supply path 23e to each sliding portion
  • a cover 62 is provided above the fixed scroll 51.
  • a discharge path 61 is formed at a position covered with the cover 62 so as to penetrate up and down.
  • the fixed scroll 51 and the bearing 53 are formed with flow passages 63 penetrating up and down at positions outside the cover 62.
  • the first suction pipe 7 penetrates the side of the first sealed container 9 and is connected to the fixed scroll 51. Thereby, the first suction pipe 7 is connected to the suction side of the first compression mechanism 1.
  • the first discharge pipe 19 passes through the upper part of the first sealed container 9, and the lower end of the first discharge pipe 19 opens into a space above the first compression mechanism 1 in the first sealed container 9. .
  • the first electric motor 11 is composed of a rotor 11a fixed to the middle portion of the upper shaft 23a and a stator 11b arranged on the outer peripheral side of the rotor 11a.
  • the stator 11 b is fixed to the inner peripheral surface of the first sealed container 9.
  • the stator 11b is connected to a terminal 66 through a motor wiring 65.
  • the first compression mechanism 1 is driven by rotating the upper shaft 23 a by the first electric motor 11.
  • the first oil flow suppression plate 17 partitions the space in the first hermetic container 9 vertically, that is, the upper space 9a and the lower space 9b, at a position slightly above the first oil reservoir 13 (when operation is stopped).
  • the first oil flow suppression plate 17 has a disk shape that is flat in the vertical direction and has a diameter substantially the same as the inner diameter of the first sealed container 9, and the peripheral portion is the first sealed container. It is fixed to the inner peripheral surface of 9 by welding or the like.
  • the first oil flow suppression plate 17 prevents the oil in the first oil reservoir 13 from flowing along with the flow of the working fluid in the first sealed container 9.
  • the working fluid that fills the upper space 9 a forms a swirling flow by the rotation of the rotor 11 a of the first electric motor 11, and before the swirling flow reaches the oil surface S 1 of the first oil reservoir 13, 1
  • the oil flow suppression plate 17 is blocked.
  • the oil pump 15, the heat insulating member 37, the expansion mechanism 5, and the like are fixed to the first sealed container 9 via the first oil flow suppression plate 17.
  • a heat-insulating member 37 or an upper bearing member 29 (to be described later) of the expansion mechanism 5 is fixed to the first sealed container 9, and the oil pump 15 and the first oil flow suppression plate 17 are connected to the first sealed container 9 through this.
  • the first oil flow suppression plate 17 has a disk shape having a diameter slightly smaller than the inner diameter of the first closed container 9, and an oil return path to be described next is provided on the first oil flow suppression plate 17. You may be comprised by the clearance gap between a peripheral part and the internal peripheral surface of the 1st airtight container 9. FIG. However, if the first oil flow suppression plate 17 is configured to be directly fixed to the first airtight container 9, the assembly of the device becomes easy.
  • a plurality of through holes 17a are provided in the peripheral edge portion of the first oil flow suppression plate 17, and an oil return path for flowing oil from the upper space 9a to the lower space 9b is configured by these through holes 17a. Yes.
  • the number and shape of the through holes 17a can be selected as appropriate.
  • a through hole 17 b is provided at the center of the first oil flow suppression plate 17.
  • the bearing member 42 which supports the lower part of the upper side shaft 23a is attached to the lower surface of the 1st oil flow suppression board 17 so that it may be fitted by the through-hole 17b.
  • a housing chamber 43 for housing the connecting member 26 is provided on the lower surface of the bearing member 42. Further, an intermediate member 41 is arranged below the bearing member 42 and extends in the vertical direction with a predetermined cross-sectional shape, and the lower shaft 23b passes through the center thereof. The intermediate member 41 closes the housing chamber 43. Has been.
  • the first oil pump 15 is sandwiched between the intermediate member 41 and the heat insulating member 37.
  • the first oil pump 15 is a rotary type.
  • the type or the like of the first oil pump 15 is not limited at all, and for example, a trochoid gear pump can be used.
  • the first oil pump 15 includes a piston 40 that is fitted into an eccentric portion formed on the lower shaft 23 b and moves eccentrically, and a housing (cylinder) 39 that accommodates the piston 40. .
  • a crescent-shaped working chamber 15b is formed between the piston 40 and the housing 39.
  • the working chamber 15b is closed from above by an intermediate member 41 and from below by a heat insulating member 37.
  • the housing 39 is provided with a suction passage 15c that opens the working chamber 15b to the first oil reservoir 13, and an inlet of the suction passage 15c forms a first oil suction port 15a.
  • a guide path 41 a that guides the oil discharged from the oil pump 15 to the inlet of the first oil supply path 23 e is formed on the lower surface of the intermediate member 41.
  • the oil in the first oil reservoir 13 is sucked from the first oil suction port 15a by the first oil pump 15 and then discharged to the guide path 41a.
  • the oil is supplied to the first compression mechanism 1 through the one oil supply path 23e.
  • a portion of the space in the first sealed container 9 that can be filled with oil from the first oil flow suppression plate 17 to the first oil suction port 15a in the vertical direction is defined as a first effective oil space 130.
  • the volume is set to V1. That is, the volume V1 of the first effective oil space 130 is the volume in the first sealed container 9 from the first oil flow suppression plate 17 to the first oil suction port 15a in the vertical direction, and the first sealed container in that region. 9, the occupied volume of the constituent members of the first compressor 101 (in this embodiment, the bearing member 42, the intermediate member 41, and the housing 39 of the oil pump 15) facing the inner peripheral surface 9 is subtracted. Further, the volume of oil actually present in the first effective oil space 130 is assumed to be v1.
  • the heat insulating member 37 partitions the first oil reservoir 13 into an upper layer portion 13a and a lower layer portion 13b and regulates the oil flow between the upper layer portion 13a and the lower layer portion 13b.
  • the heat insulating member 37 has a disk shape that is flat in the vertical direction and has a diameter slightly smaller than the inner diameter of the first airtight container 9, and the inner peripheral surface of the heat insulating member 37 and the first airtight container 9. Oil is slightly allowed to flow through the gap formed between the two.
  • the lower shaft 23b passes through the center of the heat insulating member 37.
  • the heat insulation member 37 what is necessary is just to partition the upper layer part 13a and the lower layer part 13b, and restrict
  • the shape and structure can be selected suitably.
  • the diameter of the heat insulating member 37 may coincide with the inner diameter of the first sealed container 9, and the heat insulating member 37 may be provided with a through hole or a notch from the end surface that allows oil to flow.
  • the heat insulating member 37 may be formed in a hollow shape (for example, a reel shape) by a plurality of parts, and the oil may be temporarily held therein.
  • the expansion mechanism 5 is installed below the heat insulating member 37 with a spacer 38 therebetween.
  • the spacer 38 forms a space filled with oil in the lower layer portion 13 b between the heat insulating member 37 and the expansion mechanism 5.
  • the oil that fills the space secured by the spacer 38 itself acts as a heat insulating material and forms a temperature stratification in the axial direction.
  • the expansion mechanism 5 is of a two-stage rotary type.
  • the type or the like of the expansion mechanism 5 is not limited at all.
  • other types of expanders such as a single-stage rotary expander, a scroll expander, and a sliding vane expander can be used. .
  • the expander 5 includes a closing member 36, a lower bearing member 27, a first expansion portion 28a, an intermediate plate 30, a second expansion portion 28b, and an upper bearing member 29, which are arranged from the bottom to the top. It is arranged in this order.
  • the second inflating portion 28b is higher in height than the first inflating portion 28a.
  • the expansion side suction pipe 21 and the expansion side discharge pipe 22 pass through the side portion of the first sealed container 9 and are connected to the upper bearing member 29.
  • the first expansion portion 28a includes a cylindrical piston 32a that fits in an eccentric portion formed on the lower shaft 23b, and a substantially cylindrical cylinder 31a that accommodates the piston 32a. ing.
  • a first fluid chamber 33a is defined between the inner peripheral surface of the cylinder 31a and the outer peripheral surface of the piston 32a.
  • a vane groove 34c extending radially outward is formed in the cylinder 31a, and the vane 34a is slidably inserted into the vane groove 34c.
  • a back chamber 34h that communicates with the vane groove 34c and extends outward in the radial direction is formed on the back side (radially outside) of the vane 34a of the cylinder 31a.
  • a spring 35a for urging the vane 34a toward the piston 32a is provided in the back chamber 34h.
  • the vane 34a partitions the first fluid chamber 33a into a high pressure side fluid chamber VH1 and a low pressure side fluid chamber VL1.
  • the second inflating portion 28b has substantially the same configuration as the first inflating portion 28a. That is, the second expansion portion 28b includes a cylindrical piston 32b that fits in an eccentric portion formed on the lower shaft 23b, and a substantially cylindrical cylinder 31b that accommodates the piston 32b. A second fluid chamber 33b is defined between the inner peripheral surface of the cylinder 31b and the outer peripheral surface of the piston 32b. Also in the cylinder 31b, a vane groove 34d extending outward in the radial direction is formed, and the vane 34b is slidably inserted into the vane groove 34d.
  • a back chamber 34i that communicates with the vane groove 34d and extends radially outward is formed on the back side of the vane 34b of the cylinder 31b.
  • a spring 35b that urges the vane 34b toward the piston 32b is provided in the back chamber 34i.
  • the vane 34b partitions the second fluid chamber 33b into a high pressure side fluid chamber VH2 and a low pressure side fluid chamber VL2.
  • the lower bearing member 27 supports the lower shaft 23b and closes the first fluid chamber 33a from below.
  • a pre-expansion fluid chamber 27 b communicating with the expansion side suction pipe 21 through the introduction path 31 c is provided, and the pre-expansion fluid chamber 27 b is closed with a closing member 36.
  • the lower bearing member 27 is provided with a suction port 27a through which the working fluid flows from the pre-expansion fluid chamber 27b into the high-pressure side fluid chamber VH1 of the first expansion portion 28a.
  • the middle plate 30 closes the first fluid chamber 33a from above and closes the second fluid chamber 33b from below. Further, the intermediate plate 30 is formed with a communication passage 30a that constitutes an expansion chamber by communicating the low pressure side fluid chamber VL1 of the first expansion portion 28a and the high pressure side fluid chamber VH2 of the second expansion portion 28b.
  • the upper bearing member 29 supports the lower shaft 23b and closes the second fluid chamber 33b from above. Further, the upper bearing member 29 is provided with a discharge port 29a for leading the working fluid from the low pressure side fluid chamber VL2 of the second expansion portion 28b to the expansion side discharge pipe 22.
  • the oil in the upper layer portion 13a of the first oil reservoir 13 is supplied by the first oil pump 15 to the first compression mechanism 1 through the first oil supply path 23e.
  • oil may leak from a slight gap between the connecting member 26 and the upper shaft 23a and the lower shaft 23b at the connecting portion between the upper shaft 23a and the lower shaft 23b. Since the accommodation chamber 43 to be accommodated is closed by the bearing member 42 and the intermediate member 41, oil can be stably supplied to the first compression mechanism 1. Further, after the oil supplied to the first compression mechanism 1 is used for sealing and lubrication between parts, a part of the oil is discharged through the discharge passage 61 together with the working fluid, and the rest lubricates the bearing member 53 and the upper shaft 23a.
  • the oil discharged below the first compression mechanism 1 moves below the first electric motor 11 together with the working fluid.
  • the oil separated from the working fluid by gravity and centrifugal force returns to the first oil reservoir 13 again through the through hole 17 a of the first oil flow suppression plate 17.
  • the oil that has not been separated from the working fluid is guided to the upper side of the first compression mechanism 1 through the flow passage 63 and the like together with the working fluid, and is discharged from the first discharge pipe 19 to the first pipe 3a.
  • oil is supplied to the expansion mechanism 5 by pumping oil from the lower layer portion 13b of the first oil reservoir 13 by the expansion mechanism side oil supply passage 23f provided in the lower shaft 23b.
  • the oil supplied to the expansion mechanism 5 is used for sealing and lubrication between parts.
  • part of the oil flows into the first fluid chamber 33a and the second fluid chamber 33b through the gaps around the pistons 32a and 32b and the vanes 34a and 34b.
  • the inflowed oil is discharged from the expansion side discharge pipe 22 to the third pipe 3c.
  • the second sealed container 10 has a cylindrical shape extending in the vertical direction with the upper end and the lower end closed.
  • the inner diameter of the second sealed container 10 is the same as the inner diameter of the first sealed container 9.
  • a second oil reservoir 14 is formed at the bottom of the first sealed container 10 by storing oil, and the internal space above the second oil reservoir 14 of the second sealed container 10 is the second compression mechanism 2. It is filled with the working fluid discharged from.
  • the second compression mechanism 2 the second electric motor 12, the second oil flow suppression plate (second suppression member) 18, and the second oil pump 16 are arranged in this order from top to bottom.
  • the second shaft 24 extends in the vertical direction across the second compression mechanism 2 and the second oil pump 16.
  • a second oil supply path 24a that penetrates the second shaft 24 in the axial direction and guides oil from the second oil pump 16 to the second compression mechanism 2 is formed.
  • the same compression mechanism as the first compression mechanism 1 is used as the second compression mechanism 2.
  • the second electric motor 12 is the same as the first electric motor 11. Therefore, regarding the configurations of the second compression mechanism 2 and the second electric motor 12, the same members as those of the first compression mechanism 1 and the first electric motor 11 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
  • the second oil flow suppression plate 18 partitions the space in the second hermetic container 10 up and down, that is, the upper space 10a and the lower space 10b, at a position slightly above the second oil reservoir 14 (when operation is stopped).
  • the second oil flow suppression plate 18 has a disk shape that is flat in the vertical direction and has a diameter that is substantially the same as the inner diameter of the second sealed container 10, and the peripheral portion is the second sealed container. 10 is fixed to the inner peripheral surface by welding or the like.
  • the second oil flow suppression plate 18 prevents the oil in the second oil reservoir 14 from flowing along with the flow of the working fluid in the second sealed container 10.
  • the working fluid that fills the upper space 10 a forms a swirling flow by the rotation of the rotor 11 a of the second electric motor 12, and before the swirling flow reaches the oil surface S 2 of the second oil reservoir 14, 2
  • the oil flow suppression plate 18 is blocked.
  • a plurality of through holes 18a are provided in the peripheral portion of the second oil flow suppression plate 18, and an oil return path is formed by these through holes 18a to flow oil from the upper space 10a to the lower space 10b. Yes.
  • the number and shape of the through holes 18a can be selected as appropriate.
  • a through hole 18 b is provided at the center of the second oil flow suppression plate 18.
  • a bearing member 44 that supports the lower portion of the second shaft 24 is attached to the lower surface of the second oil flow suppression plate 18 so as to be fitted into the through hole 18b.
  • the second oil pump 16 of this embodiment includes an oil gear pump 45 and an oil path plate 46.
  • the oil gear pump 45 is disposed in a recess 44 a provided on the lower surface of the bearing member 44, and is attached to the lower end portion of the second shaft 24.
  • the oil path plate 46 is attached to the bearing member 44 so as to close the recess 44a.
  • the oil passage plate 46 has a suction passage 46a that passes through the oil passage plate 46 to introduce oil into the working chamber of the oil gear pump 45, and a discharge that guides oil from the working chamber of the oil gear pump 45 to the second oil supply passage 24a.
  • a path 46b is formed.
  • a funnel-shaped oil strainer 47 is disposed below the oil passage plate 46, and the second oil suction port 16 a is configured by the inlet of the oil strainer 47.
  • the oil strainer 47 can be omitted.
  • the lower end of the suction passage 46a of the oil passage plate 46 constitutes the second oil suction port 16a.
  • the type of the second oil pump 16 is not limited at all, and for example, a rotary pump similar to the first oil pump 15 can be used.
  • a portion of the space in the second sealed container 10 that can be filled with oil from the second oil flow suppression plate 18 to the second oil suction port 16a in the vertical direction is defined as a second effective oil space 140.
  • the volume is set to V2.
  • the volume V2 of the second effective oil space 140 is the volume in the second sealed container 10 from the second oil flow suppression plate 18 to the second oil suction port 16a in the vertical direction, and the second sealed container in that region. 10
  • the occupied volume of the constituent members of the second compressor 102 (in this embodiment, the bearing member 44, the oil passage plate 46 of the oil pump 16, and the strainer 47) facing the inner peripheral surface of the second compressor 102 is subtracted.
  • the volume of oil actually present in the second effective oil space 140 is assumed to be v2.
  • the oil in the second oil reservoir 14 is sucked from the second oil suction port 16a by the second oil pump 16 and then discharged to the second oil supply path 24a, so that the second oil supply path It is supplied to the second compression mechanism 2 through 24a.
  • the subsequent oil flow state is the same as the oil flow state relating to the compression mechanism 1 of the first compressor 101.
  • the first oil flow suppression plate 17 and the second oil flow suppression plate 18 are at substantially the same height with respect to the same horizontal plane and are aligned in the horizontal direction. Further, the first oil reservoir 13 and the second oil reservoir 14 communicate with each other through an oil equalizing pipe 25.
  • the oil equalizing pipe 25 is provided with an oil equalizing pipe valve 25a. By opening and closing the oil equalizing pipe valve 25a, the oil flow between the first oil reservoir 13 and the second oil reservoir 14 is restricted or completely prohibited. You can also.
  • the oil equalizing pipe valve 25a is opened when the operation is stopped, the oil surface S1 of the first oil reservoir 13 and the oil surface S2 of the second oil reservoir 14 are kept on the same horizontal plane. That is, the distance from the lower surface of the first oil flow suppression plate 17 to the oil surface S1 of the first oil reservoir 13 is the same as the distance from the lower surface of the second oil flow suppression plate 18 to the oil surface S2 of the second oil reservoir 14. become.
  • the volume V1 of the first effective oil space 130 in the first sealed container 9 is set larger than the volume V2 of the second effective oil space 140 in the second sealed container 10.
  • the first oil suction port 15a is positioned below the second oil suction port 16a.
  • the fluid machine 105 when the oil surface S1 of the first oil reservoir 13 and the oil surface S2 of the second oil reservoir 14 are maintained on the same horizontal plane by the oil equalizing pipe 25, the fluid machine 105 includes the first effective oil space 130.
  • the volume of the portion below the oil surface S1 of the first oil reservoir 13 is configured to be larger than the volume of the portion above the oil surface S2 of the second oil reservoir 14 in the second effective oil space 130. It is preferable. In this case, even if the oil in the first compressor 101 moves to the second compressor 102 until it fills the second effective oil space 140, the first effective oil space 130, that is, the first oil suction. This is because the oil remains on the upper side of the mouth 15a.
  • FIG. 5 is a diagram showing the oil flow state and oil surface height immediately after startup in the refrigeration cycle apparatus
  • FIG. 7 is a diagram showing the oil flow state and oil surface height during steady operation.
  • 6A is a diagram showing the time from the start of operation to the steady state and the fluctuation of the oil flow rate at each location.
  • FIG. 6B is the time from the start of operation to the steady state and the oil surface at that time. It is a figure showing the change of height.
  • the oil mass flow rate from the first discharge pipe 19 at that time is Fd1
  • the oil mass flow rate from the second discharge pipe 20 is Fd2.
  • the expansion mechanism 5 in the first compressor 101 the oil flows into the expansion mechanism 5 while lubricating and sealing the parts as described above, and then the working fluid flowing into the expansion mechanism 5 and the accompanying fluid.
  • the oil surface S2 of the second oil reservoir 14 rises and the oil surface S1 of the first oil reservoir 13 descends due to the balance of the oil mass flow rate.
  • the oil level rises the working fluid and oil separation space inside the sealed container is reduced, and the distance between the working fluid flow and the oil surface in the lower space of the sealed container is reduced.
  • the oil discharge flow rate Fd1 of the first compressor 101 in which the oil surface S1 tends to decrease decreases with time. Note that the oil flow rate F exp consumed by the expansion mechanism 5 depends only on the rotational speed and is not related to the oil surface height, and is constant regardless of the passage of time.
  • the volume V1 of the first effective oil space 130 of the first compressor 101 is set larger than the volume V2 of the second effective oil space 140 of the second compressor 102. Therefore, even if the oil surface S1 of the first oil reservoir 13 is lowered before the transition to the steady operation state, a sufficient amount of oil can be secured on the upper side of the first oil suction port 15a, which is high. Reliability can be obtained. As another means for solving the above problems, a method of increasing the oil holding amount of each compressor extremely in order to allow an oil imbalance among a plurality of compressors can be considered.
  • the first compressor 101 and the second compressor 102 use the same closed containers 9 and 10 having the same inner diameter, and the first oil flow suppression plate 17 to the first oil suction port 15a.
  • the distance is longer than the distance from the second oil flow suppression plate 18 to the second oil suction port 16a.
  • the volume V1 of the first effective oil space 130 as described above can be set with a relatively simple configuration.
  • the sealed container having the same inner diameter and the same compression mechanism corresponding thereto can be used, it is possible to obtain the effect of reducing the parts cost and the manufacturing cost.
  • the oil reservoir 13 and the oil can be obtained by opening the oil equalizing pipe valve 25a when the operation is stopped.
  • the deviation from the reservoir 14 can be eliminated.
  • the 1st oil flow suppression board 17 and the 2nd oil flow suppression board 18 are located in a line with the horizontal direction, oil surface S1, S2 and the oil flow suppression boards 17 and 18 at the time of oil equalization.
  • the distance between the two compressors 101 and 102 can be the same. Therefore, at the time of oil leveling, the distance from the oil surface S1 of the first oil reservoir 13 to the first oil suction port 15a is longer than the distance from the oil surface S2 of the second oil reservoir 14 to the second oil suction port 16a. Can be ensured, and the reliability can be further improved.
  • the two-stage rotary type expansion mechanism 5 is used.
  • the two-stage rotary type expansion mechanism is more efficient than the single-stage rotary type expansion mechanism, but has a feature that the oil consumption is large.
  • a two-stage rotary expansion mechanism is used, a large amount of oil consumption does not matter, and highly efficient power recovery is performed utilizing the advantages of the two-stage rotary while ensuring high reliability. be able to.
  • CO 2 has a higher specific gravity than other chlorofluorocarbon refrigerants, and has a high effect of stirring oil in a closed container and taking out the oil out of the closed container.
  • the specific gravity of the refrigerant is large. However, high reliability can be ensured.
  • the first compressor 101 and the second compressor 102 have the same rotational speed, but it goes without saying that the same effect can be obtained even at different rotational speeds.
  • the oil leveling pipe 25 when there is no oil leveling pipe 25, the oil level is not changed as shown in FIG. 7 even when stopped, and there is no particular problem, so the oil leveling pipe 25 can be omitted.
  • the oil equalizing pipe 25 is provided, the amount of oil can be balanced between the first compressor 101 and the second compressor 102 when stopped as described above.
  • the 1st compressor 101 of 1st compressor 101 is used. It goes without saying that the same effect can be obtained as long as the volume V1 of the first effective oil space 130 is made larger than the volume V2 of the second effective oil space 140 of the second compressor 102.
  • the bearing member 42 provided integrally with the first oil flow suppression plate 17 as the first suppression member.
  • the 1st effective oil space 130 at the time of using the 1st suppression member with a height difference in a lower surface becomes from the part of the highest position among the lower surfaces of the 1st suppression member to the 1st oil inlet 15a.
  • the bearing member 44 integrally provided on the second oil flow suppression plate 18 as the second suppression member, and when a second suppression member having a height difference on the lower surface is used, A portion from the highest position of the lower surface of the second suppressing member to the second oil suction port 16a becomes the second effective oil space 140.
  • the first oil pump 15 is provided at the lower end of the first shaft 23, and the oil in the first oil reservoir 13 and the first compression mechanism 15 are compressed through the first oil supply path provided in the first shaft. It may be supplied to both of the mechanisms 1.
  • the upper bearing member 29 of the expansion mechanism 5 is positioned above the oil surface S ⁇ b> 1 of the first oil reservoir 13 and is extended to the inner peripheral surface of the first sealed container 9. It is also possible to constitute a restraining member.
  • the oil having a relatively high temperature via the compression mechanism 1 Can be prevented from flowing around the expansion mechanism 5, and heat transfer from the compression mechanism 1 to the expansion mechanism 5 via oil can be suppressed.
  • the same oil reservoir (oil is continuously connected) is used as the oil supply source of the first compression mechanism 1 and the expansion mechanism 5, but the oil reservoir is partitioned by a member or the like, If the oil reservoir for the expansion mechanism 5 is configured not to be exhausted before the oil reservoir for the first compression mechanism 1, the oil reservoir is not continuously connected. Regardless, the same effect can be obtained.
  • the expansion mechanism 5 is arrange
  • the first suppression member may be configured by the bearing member 53 of the compression mechanism 1.
  • the position of the first electric motor 11 is not limited to this, and even when the first compression mechanism 1 and the expansion mechanism 5 exist below the first electric motor 11, the same effect can be obtained.
  • the arrangement of the second compression mechanism 2 and the second electric motor 12 of the second compressor 101 may be upside down.
  • a vertical type in which the first shaft 23 extends in the vertical direction is used as the first compressor 101.
  • the first compression is performed. It goes without saying that the same effect can be obtained if the mechanism 1 and the expansion mechanism 5 share the oil reservoir.
  • the second compressor 102 may be a horizontal type.
  • the fluid machine of the present invention is useful as a means for recovering power by recovering expansion energy of a working fluid in a refrigeration cycle.

Abstract

 第1圧縮機(膨張機一体型圧縮機)と第2圧縮機とを均油管で連結しただけでは、第1圧縮機の潤滑が十分に行われず、信頼性の低下を招くおそれがあった。  第1圧縮機(101)の第1有効オイル空間(130)の容積(V1)を第2圧縮機(102)の第2有効オイル空間(140)の容積(V2)よりも大きくする。これにより、定常運転状態に移行するまでの間に、第1オイル溜り(13)のオイル面(S1)が下降しても、第1圧縮機(101)内にオイルを十分に確保することができ、流体機械として高い信頼性を実現することができる。

Description

流体機械および冷凍サイクル装置
 本発明は、給湯機や空調機等に用いられる流体機械およびこれを用いた冷凍サイクル装置に関する。
 近年、冷凍サイクル装置の更なる高効率化を図る手段として、膨張弁に代えて膨張機構を用い、冷媒(作動流体)が膨張する過程でその圧力エネルギーを膨張機構によって動力の形で回収し、その回収分だけ圧縮機構の駆動に要する電力を低減する動力回収式の冷凍サイクル装置が提案されている。このような冷凍サイクル装置では、電動機、圧縮機構、および膨張機構がシャフトで連結された膨張機一体型圧縮機が用いられる。
 ところで、膨張機一体型圧縮機では、圧縮機構と膨張機構とがシャフトによって連結されているので、運転条件によっては、圧縮機構の押しのけ量が不足したり膨張機構の押しのけ量が不足したりすることがある。そこで、圧縮機構の押しのけ量が不足するような運転条件でも回収動力を確保して冷凍サイクル装置のCOP(Coefficient of Performance)を高く維持できるようにするために、膨張機一体型圧縮機に加え、さらに第2の圧縮機を用いた冷凍サイクル装置も提案されている(例えば、特許文献1参照)。この冷凍サイクル装置では、冷凍サイクルの高圧を所定の目標値となるように第2の圧縮機が運転される。
 図8は、特許文献1に記載された冷凍サイクル装置を示す構成図である。図8に示すように、膨張機一体型圧縮機220および第2の圧縮機230を用いた冷凍サイクル装置は、冷媒回路210と、制御手段であるコントローラ250とを備えている。冷媒回路210中では、室内熱交換器211と室外熱交換器212との間に、膨張機一体型圧縮機220の第1圧縮機構221と第2の圧縮機230の第2圧縮機構231とが並列に配置されている。また、第1圧縮機構221は、電動機222および膨張機構223とシャフトで連結されており、第2圧縮機構231は、電動機232とシャフトで連結されている。
 コントローラ250は、冷凍サイクルの高圧が所定の目標値となるように、第2の圧縮機230の制御を行う。具体的に、このコントローラ250は、高圧Phの測定値が目標値よりも高ければ、電動機232の回転速度を低下させて第2圧縮機構231の吐出量を削減し、逆に、高圧Phの測定値が目標値よりも低ければ、電動機232の回転速度を上昇させて第2圧縮機構231の吐出量を増大させる。
 従って、第1圧縮機構221だけでは押しのけ量が不足するような運転条件においても、第2圧縮機構231を駆動することで押しのけ量の不足分を補うことができ、COPを高く保ちながら冷凍サイクル装置の運転を継続することができる。
 ところで、冷凍サイクル装置の高出力化のために、圧縮機を複数台用いた冷凍サイクル装置もある。例えば、特許文献2には、図9に示すような冷凍サイクル装置が開示されている。この冷凍サイクル装置は、2台の圧縮機320,330が並列に配置された冷媒回路310を備えている。圧縮機320,330の内部には、圧縮機構の摺動部分の潤滑およびシールに使用されるオイルが溜められている。このような冷凍サイクル装置では、双方の圧縮機320,330のオイル保持量の均衡が崩れると、信頼性および効率の面で問題となる。その問題を解決するために、特許文献2に開示された冷凍サイクル装置では、双方の圧縮機320,330のオイル保持量を均衡させる構造が採用されている。
 すなわち、図9に示すように、圧縮機320,330の冷媒吐出側配管には、オイルセパレータ311が設けられ、そのオイルセパレータ311から圧縮機320,330の冷媒吸込側配管にかけてオイルバイパス管312が設けられている。また、図10に示すように、圧縮機320,330の下部同士は、均油管350で相互に連結されており、均油管350を通じて圧縮機320,330同士の間のオイルの流通が可能となっている。さらに、冷凍サイクルの高圧側配管には、圧力センサー315が設けられている。
 そして、圧縮機320,330の2台運転時、均油運転として以下の運転が行われる。
 一方の圧縮機320の運転周波数をまず一定値だけステップアップし、設定時間taが経過するまでの間、圧力センサー315の検出圧力Pdが変化しないように、他方の圧縮機330の運転周波数を下げる。設定時間taが経過したら、一方の圧縮機320の運転周波数を一定値だけステップダウンし、同じく設定時間taが経過するまでの間、圧力センサー315の検出圧力Pdが変化しないように他方の圧縮機330の運転周波数を上げる。こうして、再び設定時間taが経過したら、圧縮機320,330の運転周波数を元に戻す。そして、設定時間tbが経過する毎に、上記ステップアップ、ステップダウンの均油運転を繰り返す。
 このように、圧縮機320,330同士を均油管350で連結するとともに、圧縮機320,330の2台運転時、圧縮機320,330の運転周波数を交互に上下させることにより、圧縮機320,330のオイルが均油管350を通じて効率よく流通し、双方の圧縮機320,330のオイル保持量の均衡が保たれるようになる。
特開2004-212006号公報 特開平1-127865号公報
 しかしながら、図8に示す特許文献1に記載された動力回収式の冷凍サイクル装置に対して、膨張機一体型圧縮機230と第2の圧縮機230とを均油管で相互に連結し、特許文献2に記載されたような均油運転を行ってオイル保持量の均衡を図ろうとしても、第1圧縮機220と第2圧縮機230とは非対称な流体機械であるために十分な均油効果は得られない。すなわち、回転機械が第2圧縮機構231一つである第2圧縮機230に比べ、膨張機一体型圧縮機220は、第1圧縮機構221に加え膨張機構223も備えているためにオイルの利用量が多い。そのため、一定時間毎に運転周波数を交互に上下させたとしても、第1圧縮機220内のオイル保持量が減少してしまい、オイルが圧縮機構または膨張機構の摺動部分に十分に供給されなくなるおそれがある。そうすると、信頼性が低下することになる。
 本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、膨張機構と複数の圧縮機構を備えた信頼性の高い流体機械を提供することにある。
 前記目的を達成するために、本発明は、底部に第1オイル溜りが形成され、前記第1オイル溜りよりも上側の内部空間が作動流体で満たされる第1密閉容器と、前記第1密閉容器内に配置された第1電動機と、前記第1密閉容器内に配置された、作動流体を圧縮する第1圧縮機構と、前記第1密閉容器内に配置された、膨張する作動流体から動力を回収する膨張機構と、前記第1電動機と前記第1圧縮機構と前記膨張機構とを連結する第1シャフトと、前記第1オイル溜りのオイルを第1オイル吸入口から吸い込み、前記第1シャフトに設けられた前記第1オイル溜りよりも上側に延びる第1オイル供給路を通じて前記第1圧縮機構と前記膨張機構の一方または双方に供給する第1オイルポンプと、前記第1密閉容器内の空間を上下に仕切るように配置された、前記第1密閉容器内の作動流体の流動に伴って前記第1オイル溜りのオイルが流動することを抑制する第1抑制部材と、底部に第2オイル溜りが形成され、前記第2オイル溜りよりも上側の内部空間が作動流体で満たされる第2密閉容器と、前記第2密閉容器内に配置された第2電動機と、前記第2密閉容器内に配置された、作動流体を圧縮する第2圧縮機構であって、前記第1密閉容器と前記第2密閉容器とが互いに配管で接続されることにより作動流体回路中で前記第1圧縮機構と並列に接続される第2圧縮機構と、前記第2電動機と前記第2圧縮機構とを連結する第2シャフトと、前記第2オイル溜りのオイルを第2オイル吸入口から吸い込み、前記第2シャフトに設けられた第2オイル供給路を通じて前記第2圧縮機構に供給する第2オイルポンプと、前記第2密閉容器内の空間を上下に仕切るように配置された、前記第2密閉容器内の作動流体の流動に伴って前記第2オイル溜りのオイルが流動することを抑制する第2抑制部材と、を備え、前記第1密閉容器内における前記第1抑制部材から前記第1オイル吸入口までの第1有効オイル空間の容積は、前記第2密閉容器内における前記第2抑制部材から前記第2オイル吸入口までの第2有効オイル空間の容積よりも大きく設定されている、流体機械を提供する。
 また、本発明は、上記の流体機械が組み込まれた作動流体回路を備え、前記作動流体回路中には、前記第1圧縮機構と前記第2圧縮機構とが並列に配置されており、この作動流体回路には、作動流体として二酸化炭素が充填されている、冷凍サイクル装置を提供する。
 上記の構成によれば、第1有効オイル空間の容積が第2有効オイル空間の容積よりも大きく設定されていて、第1オイル吸入口よりも上側には十分な量のオイルが確保されるようになる。このため、双方の圧縮機が運転されて、第1オイル溜りのオイル面が下がったとしても、第1オイル溜りのオイルを第1オイルポンプによって圧縮機構または膨張機構に十分に供給することができる。従って、本発明によれば、信頼性の高い流体機械を実現することができる。
本発明の第1実施形態に係る流体機械を用いた冷凍サイクル装置を示す概略構成図 第1実施形態の第1圧縮機の縦断面図 図3AはIIIA-IIIA線での横断面図、図3Bは図2のIIIB-IIIB線での横断面図 第1実施形態の第2圧縮機の縦断面図 図1に示した冷凍サイクル装置の起動直後におけるオイル流動状態図 図6Aは流体機械における運転時間経過に伴うオイル流量の変化図、図6Bは流体機械における運転時間経過に伴うオイル面高さの変化図 図1に示した冷凍サイクル装置の定常状態におけるオイル流動状態図 従来の冷凍サイクル装置を示す構成図 従来の他の冷凍サイクル装置を示す構成図 図9に示した冷凍サイクル装置における、圧縮機および均油管を示す斜視図
 以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
 (第1実施形態)
 図1は、本発明の第1実施形態に係る流体機械105を用いた冷凍サイクル装置を示している。この冷凍サイクル装置は、流体機械105が組み込まれた冷媒回路(作動流体回路)103を備えている。冷媒回路103は、第1圧縮機(膨張機一体型圧縮機)101、第2圧縮機102、放熱器4、蒸発器6、およびこれらの機器を接続する第1~第4配管(冷媒配管)3a~3dで構成されている。本実施形態では、第1圧縮機101と第2圧縮機102とは、均油管25により互いに連結されており、第1圧縮機101、第2圧縮機102、および均油管25によって流体機械105が構成されている。
 具体的に、第1圧縮機101の第1吐出管19および第2圧縮機102の第2吐出管20は、2本の枝管が1本の本管になる第1配管3aを介して放熱器4に接続されている。放熱器4は、第2配管3bを介して第1圧縮機101の膨張側吸入管21に接続されている。第1圧縮機101の膨張側吐出管22は、第3配管3cを介して蒸発器6に接続されている。蒸発器6は、1本の本管が2本の枝管になる第4配管3dを介して第1圧縮機101の第1吸入管7および第2圧縮機102の第2吸入管8に接続されている。
 第1圧縮機101は、互いに第1シャフト23により連結された第1圧縮機構1、第1電動機11、および膨張機構5を収容する第1密閉容器9を有している。第2圧縮機構102は、互いに第2シャフト24により連結された第2圧縮機構2および第2電動機12を収容する第2密閉容器10を有している。そして、第1圧縮機構1で圧縮された作動流体(冷媒)および第2圧縮機構2で圧縮された作動流体は、それぞれ第1吐出管19および第2吐出管20を通じて第1密閉容器9および第2密閉容器10外に吐出される。第1密閉容器9外に吐出された作動流体と第2密閉容器10外に吐出された作動流体は、第1配管3aを流れる途中で合流し、放熱器4で放熱した後に膨張機構5に導かれる。膨張機構5に導かれた作動流体は、ここで膨張する。このとき、膨張機構5は、膨張する作動流体から動力を回収する。膨張した作動流体は、吸熱器6で吸熱した後に、第4配管3dを流れる途中で分流し、第1圧縮機構1および第2圧縮機構2に導かれる。すなわち、第1密閉容器9と第2密閉容器10とが第1配管3aおよび第4配管3dによって互いに接続されることにより、第1圧縮機構1と第2圧縮機構2とが冷媒回路103中に並列に配置されている。換言すれば、冷媒回路103中では、第1圧縮機構1は第2圧縮機構2と並列に接続されている。
 冷媒回路103には、高圧部分(第1圧縮機構1と第2圧縮機構2から放熱器4を経て膨張機構5に至る部分)において超臨界状態となる作動流体が充填されている。本実施形態では、そのような作動流体として冷媒回路103に二酸化炭素(CO2)が充填されている。ただし、作動流体の種類は特に限定されるものではない。作動流体は、運転時に超臨界状態とならない作動流体(例えばフロン系の作動流体等)であってもよい。
 また、本発明の流体機械が組み込まれる冷媒回路103は、作動流体を一方向にのみ流通させる冷媒回路に限られない。本発明の流体機械は、作動流体の流通方向の変更が可能な冷媒回路に設けられていてもよく、例えば、四方弁等を有することによって暖房運転および冷房運転の切り替えが可能な冷媒回路に設けられていてもよい。
 <第1圧縮機>
 次に、図2を参照して、第1圧縮機101について詳細に説明する。
 第1密閉容器9は、上端部および下端部が塞がれた上下方向に延びる円筒状の形状を有している。第1密閉容器9の底部には、オイルが溜まることにより第1オイル溜り13が形成されており、第1密閉容器9の第1オイル溜り13よりも上側の内部空間は、第1圧縮機構1から吐出された作動流体で満たされている。膨張機構5は、第1密閉容器9内の下側位置に配置されていて第1オイル溜り13中に浸されており、第1圧縮機構1は、第1密閉容器9内の上側位置に配置されている。そして、第1シャフト23は、第1圧縮機構1と膨張機構5に跨って上下方向に延びている。また、第1密閉容器9内には、第1圧縮機構1と膨張機構5との間に、第1電動機11、第1オイル流動抑制板(第1抑制部材)17、第1オイルポンプ15、および断熱部材37が上から下に向かってこの順に配置されている。
 第1シャフト23の内部には、第1オイル溜り13よりも上側に延びて、第1オイルポンプ15からのオイルを第1圧縮機構1に導く第1オイル供給路23eが形成されている。より詳しくは、第1シャフト23は、上側シャフト23aと下側シャフト23bで構成されており、これらのシャフト23a,23bは第1オイル流動抑制板17よりも少し下側位置で連結部材26によって互いに連結されている。そして、第1オイル供給路23eは、上側シャフト23aを軸方向に貫通する上側オイル経路23cと、下側シャフト23bの上端面から下方に延び、下側シャフト23bの側面に開口する下側オイル経路23dとで構成されている。また、下側シャフト23bの内部には、当該下部シャフト23bの下端面から膨張機構5の各摺動部分にオイルを導く膨張機構側オイル供給路23fが形成されている。
 圧縮機構1は、第1密閉容器9の内周面に溶接等により固定されている。本実施形態では、圧縮機構1はスクロール式のものである。ただし、圧縮機構1の形式等は何ら限定されるものではなく、例えばロータリ式圧縮機等を用いることも可能である。
 より詳しくは、圧縮機構1は、固定スクロール51と、固定スクロール51と軸方向に対向する可動スクロール52と、上側シャフト23aの上部を支持する軸受部材53とを備えている。固定スクロール51および可動スクロール52には、互いに噛み合う渦巻形状(例えばインボリュート形状等)のラップ51a,52aが形成されており、これらのラップ51aとラップ52aの間に、渦巻状の圧縮室58が区画されている。固定スクロール51の中央部には、リード弁64により開閉される吐出孔51bが設けられている。可動スクロール52の下側には、可動スクロール52の回転を防止するオルダムリング60が配置されている。上側シャフト23aの上端部には偏心部が形成されており、この偏心部に可動スクロール52が嵌合している。そのため、可動スクロール52は、上側シャフト23aの軸心から偏心した状態で旋回する。また、可動スクロール52には、第1オイル供給路23eから供給されるオイルを各摺動部分に導くオイル分配路52bが設けられている。
 固定スクロール51の上側には、カバー62が設けられている。固定スクロール51および軸受部材53には、カバー62で覆われる位置に、これらを上下に貫通する吐出路61が形成されている。また、固定スクロール51および軸受53には、カバー62の外側の位置に、これらを上下に貫通する流通路63が形成されている。このような構成により、圧縮室58で圧縮された作動流体は、吐出孔51bからカバー62内の空間にいったん吐出された後、吐出路61を通じて第1圧縮機構1の下方に吐出される。そして、第1圧縮機構1の下方の作動流体は、流通路63を通じて第1圧縮機構1の上方に導かれる。
 第1吸入管7は、第1密閉容器9の側部を貫通し、固定スクロール51に接続されている。これにより、第1吸入管7は第1圧縮機構1の吸入側に接続されている。第1吐出管19は、第1密閉容器9の上部を貫通しており、第1吐出管19の下端は、第1密閉容器9内の第1圧縮機構1の上方の空間に開口している。
 第1電動機11は、上側シャフト23aの中途部に固定された回転子11aと、回転子11aの外周側に配置された固定子11bとから構成されている。固定子11bは、第1密閉容器9の内周面に固定されている。固定子11bは、モータ配線65を介して端子66に接続されている。この第1電動機11によって上側シャフト23aが回転させられることにより、第1圧縮機構1が駆動される。
 第1オイル流動抑制板17は、第1オイル溜り13よりも少し上側位置(運転停止時)に、第1密閉容器9内の空間を上下に、すなわち上側空間9aと下側空間9bとに仕切るように配置されている。本実施形態では、第1オイル流動抑制板17は、第1密閉容器9の内径と略同一の直径を有する上下方向に扁平な円盤状の形状を有しており、周縁部が第1密閉容器9の内周面に溶接等で固定されている。そして、第1オイル流動抑制板17によって、第1密閉容器9内の作動流体の流動に伴って第1オイル溜り13のオイルが流動することが抑制されている。具体的には、上側空間9aを満たす作動流体は、第1電動機11の回転子11aの回転によって旋回流を形成するが、この旋回流が第1オイル溜り13のオイル面S1に至る前に第1オイル流動抑制板17で遮られるようになる。
 本実施形態では、第1オイル流動抑制板17を介してオイルポンプ15、断熱部材37、および膨張機構5等が第1密閉容器9に固定されている。ただし、例えば、断熱部材37または膨張機構5の後述する上軸受部材29を第1密閉容器9に固定し、これを介してオイルポンプ15および第1オイル流動抑制板17を第1密閉容器9に固定することも可能である。この場合、第1オイル流動抑制板17は、第1密閉容器9の内径よりも僅かに小さな直径を有する円盤状になっていて、次に説明するオイル戻り路が第1オイル流動抑制板17の周縁部と第1密閉容器9の内周面の間の隙間によって構成されていてもよい。しかし、第1オイル流動抑制板17を第1密閉容器9に直接的に固定する構成であれば、機器の組み付けが容易になる。
 第1オイル流動抑制板17の周縁部には、複数の貫通穴17aが設けられており、これらの貫通穴17aによって上側空間9aから下側空間9bへオイルを流下させるオイル戻り路が構成されている。なお、貫通穴17aの数量および形状は、適宜選定可能である。また、第1オイル流動抑制板17の中心には、貫通孔17bが設けられている。そして、第1オイル流動抑制板17の下面には、貫通穴17bに嵌め込まれるようにして、上側シャフト23aの下部を支持する軸受部材42が取り付けられている。
 軸受部材42の下面には、連結部材26を収容する収容室43が設けられている。さらに、軸受部材42の下側には、所定の断面形状で上下方向に延び、その中心を下側シャフト23bが貫通する中間部材41が配置されており、この中間部材41によって収容室43が閉塞されている。
 第1オイルポンプ15は、中間部材41と断熱部材37とに挟まれている。本実施形態では、第1オイルポンプ15はロータリ式のものである。ただし、第1オイルポンプ15の形式等はなんら限定されるものではなく、例えばトロコイド型のギア式ポンプ等を用いることも可能である。
 具体的に、第1オイルポンプ15は、下側シャフト23bに形成された偏心部に嵌合して偏心運動するピストン40と、このピストン40を収容するハウジング(シリンダ)39とを有している。ピストン40とハウジング39との間には三日月状の作動室15bが形成されており、この作動室15bは、上方から中間部材41で閉塞され、下方から断熱部材37で閉塞されている。ハウジング39には、作動室15bを第1オイル溜り13に開放する吸入路15cが設けられており、この吸入路15cの入口が第1オイル吸入口15aを構成している。また、中間部材41の下面には、オイルポンプ15から吐出されたオイルを第1オイル供給路23eの入口に導く案内路41aが形成されている。このため、第1シャフト23が回転すると、第1オイル溜り13のオイルは、第1オイルポンプ15によって第1オイル吸入口15aから吸い込まれた後に案内路41aに吐出されて、案内路41aおよび第1オイル供給路23eを通じて第1圧縮機構1に供給される。
 ここで、第1密閉容器9内の空間のうち、鉛直方向において第1オイル流動抑制板17から第1オイル吸入口15aまでの、オイルで満たされうる部分を、第1有効オイル空間130と定義し、その容積をV1とする。すなわち、第1有効オイル空間130の容積V1とは、鉛直方向において第1オイル流動抑制板17から第1オイル吸入口15aまでの第1密閉容器9内の容積から、その領域における第1密閉容器9の内周面と対向する第1圧縮機101の構成部材(本実施形態では、軸受部材42、中間部材41、およびオイルポンプ15のハウジング39)の占有体積を引いたものである。また、第1有効オイル空間130内に実際に存在するオイルの容量をv1とする。
 断熱部材37は、第1オイル溜り13を上層部13aと下層部13bとに仕切るとともに上層部13aと下層部13bとの間でのオイルの流通を規制するものである。本実施形態では、断熱部材37は、第1密閉容器9の内径よりも僅かに小さな直径を有する上下方向に扁平な円盤状をなしており、断熱部材37と第1密閉容器9の内周面との間に形成された隙間を通じてオイルの流通が僅かに許容されている。そして、断熱部材37の中心を下側シャフト23bが貫通している。
 なお、断熱部材37としては、上層部13aと下層部13bとを仕切るとともにこれらの間のオイルの流通を制限するものであればよく、その形状および構成は適宜選定可能である。例えば、断熱部材37の直径が第1密閉容器9の内径と一致していて、断熱部材37にオイルの流通を許容する貫通孔または端面からの切り込みが設けられていてもよい。あるいは、断熱部材37が複数の部品によって中空状(例えば、リール状)に形成されていて、その中にオイルが一旦保持されるようになっていてもよい。
 膨張機構5は、断熱部材37の下側に、スペーサ38を隔てて設置されている。このスペーサ38は、断熱部材37と膨張機構5との間に下層部13bのオイルで満たされる空間を形成する。スペーサ38によって確保された空間を満たすオイルは、それ自体が断熱材として働き、軸方向に温度成層を形成する。
 本実施形態では、膨張機構5は2段ロータリ式のものである。ただし、膨張機構5の形式等は何ら限定されるものではなく、例えば、単段のロータリ膨張機、スクロール型膨張機、スライディングベーン型膨張機等の他形式の膨張機を用いることも可能である。
 より詳しくは、膨張機5は、閉塞部材36、下軸受部材27、第1膨張部28a、中板30、第2膨張部28b、および上軸受部材29を備えており、これらは下から上に向ってこの順に配置されている。第2膨張部28bは、第1膨張部28aよりも高さが高くなっている。本実施形態では、膨張側吸入管21および膨張側吐出管22が第1密閉容器9の側部を貫通して上軸受部材29に接続されている。
 図3Aに示すように、第1膨張部28aは、下側シャフト23bに形成された偏心部に嵌合する円筒状のピストン32aと、このピストン32aを収容する略円筒状のシリンダ31aとを備えている。シリンダ31aの内周面とピストン32aの外周面との間には、第1流体室33aが区画されている。また、シリンダ31aには、径方向外側向きに延びるベーン溝34cが形成され、このベーン溝34cにはベーン34aが摺動可能に挿入されている。また、シリンダ31aのベーン34aの背面側(径方向外側)には、ベーン溝34cと連通し、径方向外側向きに延びる背面室34hが形成されている。背面室34h内には、ベーン34aをピストン32aに向かって付勢するばね35aが設けられている。ベーン34aは、第1流体室33aを高圧側流体室VH1と低圧側流体室VL1とに仕切っている。
 図3Bに示すように、第2膨張部28bは、第1膨張部28aとほぼ同様の構成を有している。すなわち、第2膨張部28bは、下側シャフト23bに形成された偏心部に嵌合する円筒状のピストン32bと、このピストン32bを収容する略円筒状のシリンダ31bとを備えている。シリンダ31bの内周面とピストン32bの外周面との間には、第2流体室33bが区画されている。シリンダ31bにも、径方向外側向きに延びるベーン溝34dが形成され、このベーン溝34dにはベーン34bが摺動可能に挿入されている。また、シリンダ31bのベーン34bの背面側には、ベーン溝34dと連通し、径方向外側向きに延びる背面室34iが形成されている。背面室34i内には、ベーン34bをピストン32bに向かって付勢するばね35bが設けられている。ベーン34bは、第2流体室33bを高圧側流体室VH2と低圧側流体室VL2とに仕切っている。
 図2に戻って、下軸受部材27は、下側シャフト23bを支持するとともに、第1流体室33aを下方から閉塞している。この下軸受部材27の下面には、導入路31cを通じて膨張側吸入管21と連通する膨張前流体室27bが設けられており、この膨張前流体室27bが閉塞部材36で閉塞されている。また、下軸受部材27には、膨張前流体室27bから第1膨張部28aの高圧側流体室VH1に作動流体を流入させる吸入ポート27aが設けられている。
 中板30は、第1流体室33aを上方から閉塞し、第2流体室33bを下方から閉塞している。また、中板30には、第1膨張部28aの低圧側流体室VL1と第2膨張部28bの高圧側流体室VH2とを連通して膨張室を構成する連通路30aが形成されている。
 上軸受部材29は、下側シャフト23bを支持するとともに、第2流体室33bを上方から閉塞している。また、上軸受部材29には、第2膨張部28bの低圧側流体室VL2から膨張側吐出管22に作動流体を導出させる吐出ポート29aが設けられている。
 次に、第1圧縮機101内のオイルの循環について説明する。
 第1オイル溜り13の上層部13aのオイルは、第1オイルポンプ15によって第1オイル供給路23eを通じて第1圧縮機構1に供給される。その途中、上側シャフト23aと下側シャフト23bとの連結部分では、連結部材26と上側シャフト23aおよび下側シャフト23bとの間の僅かの隙間からオイルが漏れ出るおそれがあるが、連結部材26を収容する収容室43は軸受部材42と中間部材41とで閉塞されているため、安定して第1圧縮機構1へオイルを供給することができる。さらに、第1圧縮機構1へ供給されたオイルは、部品間のシールおよび潤滑に使用された後、一部は作動流体と共に吐出路61を通じて吐出され、残りは軸受部材53および上側シャフト23aを潤滑しながら回転子11aの上端に流れ落ちる。その後、第1圧縮機構1の下方に排出されたオイルは、作動流体と共に、第1電動機11の下方に移動する。ここで、重力および遠心力により作動流体から分離されたオイルは、第1オイル流動抑制板17の貫通穴17aを通って、再び第1オイル溜り13へと戻る。一方、作動流体から分離されなかったオイルは、作動流体と共に、流通路63等を通って第1圧縮機構1の上方に導かれ、第1吐出管19から第1配管3aに吐出される。
 一方、膨張機構5へのオイルの供給は、下側シャフト23b内に設けられた膨張機構側オイル供給路23fによって第1オイル溜り13の下層部13bからオイルが汲み上げられることにより行われる。膨張機構5へ供給されたオイルは、部品間のシールおよび潤滑に使用される。このとき、オイルの一部はピストン32a,32bおよびベーン34a,34bの周囲の隙間を通って、第1流体室33aおよび第2流体室33b内に流入する。流入したオイルは、膨張側吐出管22から第3配管3cに吐出される。
 <第2圧縮機>
 次に、図4を参照して、第2圧縮機102について詳細に説明する。
 第2密閉容器10は、上端部および下端部が塞がれた上下方向に延びる円筒状の形状を有している。本実施形態では、第2密閉容器10の内径は、第1密閉容器9の内径と同じになっている。第1密閉容器10の底部には、オイルが溜まることにより第2オイル溜り14が形成されており、第2密閉容器10の第2オイル溜り14よりも上側の内部空間は、第2圧縮機構2から吐出された作動流体で満たされている。第2密閉容器10内には、第2圧縮機構2、第2電動機12、第2オイル流動抑制板(第2抑制部材)18、および第2オイルポンプ16が上から下に向かってこの順に配置されている。そして、第2シャフト24は、第2圧縮機構2と第2オイルポンプ16とに跨って上下方向に延びている。
 第2シャフト24の内部には、当該第2シャフト24を軸方向に貫通して、第2オイルポンプ16からのオイルを第2圧縮機構2に導く第2オイル供給路24aが形成されている。
 本実施形態では、第2圧縮機構2として、第1圧縮機構1と同じスクロール式の圧縮機構が用いられている。また、第2電動機12も第1電動機11と同じものである。そこで、第2圧縮機構2および第2電動機12の構成に関しては、第1圧縮機構1および第1電動機11と同部材には同一符号を付し、その説明を省略する。
 第2オイル流動抑制板18は、第2オイル溜り14よりも少し上側位置(運転停止時)に、第2密閉容器10内の空間を上下に、すなわち上側空間10aと下側空間10bとに仕切るように配置されている。本実施形態では、第2オイル流動抑制板18は、第2密閉容器10の内径と略同一の直径を有する上下方向に扁平な円盤状の形状を有しており、周縁部が第2密閉容器10の内周面に溶接等で固定されている。そして、第2オイル流動抑制板18によって、第2密閉容器10内の作動流体の流動に伴って第2オイル溜り14のオイルが流動することが抑制されている。具体的には、上側空間10aを満たす作動流体は、第2電動機12の回転子11aの回転によって旋回流を形成するが、この旋回流が第2オイル溜り14のオイル面S2に至る前に第2オイル流動抑制板18で遮られるようになる。
 第2オイル流動抑制板18の周縁部には、複数の貫通穴18aが設けられており、これらの貫通穴18aによって上側空間10aから下側空間10bへオイルを流下させるオイル戻り路が構成されている。なお、貫通穴18aの数量および形状は、適宜選定可能である。また、第2オイル流動抑制板18の中心には、貫通孔18bが設けられている。そして、第2オイル流動抑制板18の下面には、貫通穴18bに嵌め込まれるようにして、第2シャフト24の下部を支持する軸受部材44が取り付けられている。
 本実施形態の第2オイルポンプ16は、オイルギアポンプ45とオイル経路板46とで構成されている。オイルギアポンプ45は、軸受部材44の下面に設けられた凹部44a内に配置され、第2シャフト24の下端部に取り付けられている。オイル経路板46は、軸受部材44に凹部44aを塞ぐように取り付けられている。オイル経路板46には、当該オイル経路板46を貫通してオイルギアポンプ45の作動室にオイルを導入させる吸入路46aと、オイルギアポンプ45の作動室から第2オイル供給路24aにオイルを導く吐出路46bとが形成されている。
 また、本実施形態では、オイル経路板46の下側に、ロート状のオイルストレーナ47が配置されており、オイルストレーナ47の入口によって第2オイル吸入口16aが構成されている。なお、オイルストレーナ47は省略可能である。この場合、オイル経路板46の吸入路46aの下端が第2オイル吸入口16aを構成することになる。また、第2オイルポンプ16の形式等はなんら限定されるものではなく、例えば第1オイルポンプ15と同様のロータリ式ポンプ等を用いることも可能である。
 ここで、第2密閉容器10内の空間のうち、鉛直方向において第2オイル流動抑制板18から第2オイル吸入口16aまでの、オイルで満たされうる部分を、第2有効オイル空間140と定義し、その容積をV2とする。すなわち、第2有効オイル空間140の容積V2とは、鉛直方向において第2オイル流動抑制板18から第2オイル吸入口16aまでの第2密閉容器10内の容積から、その領域における第2密閉容器10の内周面と対向する第2圧縮機102の構成部材(本実施形態では、軸受部材44、オイルポンプ16のオイル経路板46、およびストレーナ47)の占有体積を引いたものである。また、第2有効オイル空間140内に実際に存在するオイルの容量をv2とする。
 次に、第2圧縮機102内のオイルの循環について説明する。
 第2シャフト24が回転すると、第2オイル溜り14のオイルは、第2オイルポンプ16によって第2オイル吸入口16aから吸い込まれた後に第2オイル供給路24aに吐出されて、第2オイル供給路24aを通じて第2圧縮機構2に供給される。その後のオイルの流動状況は、第1圧縮機101の圧縮機構1に関するオイル流動状況と同じである。
 <第1圧縮機と第2圧縮機との関係>
 次に、第1圧縮機101と第2圧縮機102との関係について説明する。
 第1オイル流動抑制板17と第2オイル流動抑制板18は、同一水平面に対して略同じ高さ位置にあり、水平方向に並んでいる。また、第1オイル溜り13と第2オイル溜り14とは、均油管25を通じて連通している。均油管25には均油管バルブ25aが設けられており、この均油管バルブ25aの開閉によって第1オイル溜り13と第2オイル溜り14との間でのオイルの流通を制限したり完全に禁止したりできるようになっている。そして、運転停止時に均油管バルブ25aが開かれると、第1オイル溜り13のオイル面S1と第2オイル溜り14のオイル面S2とが同一水平面上に保たれるようになる。すなわち、第1オイル流動抑制板17の下面から第1オイル溜り13のオイル面S1までの距離と第2オイル流動抑制板18の下面から第2オイル溜り14のオイル面S2までの距離とが同じになる。
 また、第1密閉容器9内の第1有効オイル空間130の容積V1は、第2密閉容器10内の第2有効オイル空間140の容積V2よりも大きく設定されている。具体的には、第1オイル吸入口15aが第2オイル吸入口16aよりも下側に位置している。
 ここで、流体機械105は、均油管25によって第1オイル溜り13のオイル面S1と第2オイル溜り14のオイル面S2とが同一水平面上に保たれた時に、第1有効オイル空間130のうち第1オイル溜り13のオイル面S1から下側の部分の容積が第2有効オイル空間130のうち第2オイル溜り14のオイル面S2から上側の部分の容積よりも大きくなるように構成されていることが好ましい。このようになっていれば、第1圧縮機101内のオイルが第2有効オイル空間140を満たすまで第2圧縮機102に移動しても、第1有効オイル空間130に、すなわち第1オイル吸入口15aの上側にオイルが残るようになるからである。
 次に、運転時での冷凍サイクル装置全体でのオイル流動状況と、第1圧縮機101の第1オイル溜り13および第2圧縮機102の第2オイル溜り14の各オイル面高さの変動の関係を、図5、図6A、図6B、図7を用いて説明する。図5は、冷凍サイクル装置において起動直後のオイル流動状態とオイル面高さを表した図で、図7は定常運転時のオイル流動状態とオイル面高さを表した図である。また、図6Aは、運転開始から定常状態になるまでの時間と各箇所におけるオイル流量の変動を表した図で、図6Bは、運転開始から定常状態になるまでの時間とそのときのオイル面高さの変化を表した図である。
 図5に示すように、第1圧縮機101と第2圧縮機102からは、吐出された作動流体と共にオイルが第1配管3aへと流出する。その時の第1吐出管19からのオイル質量流量をFd1、第2吐出管20からのオイル質量流量をFd2とする。流出したオイルはその後、第1配管3a内で合流し、その時のオイル質量流量をFhighとすると、Fhigh=Fd1+Fd2の関係となる。一方、第1圧縮機101内の膨張機構5において、前述のとおりオイルは部品間を潤滑およびシールしながら膨張機構5内部へと流入し、その後膨張機構5に流入してくる作動流体とそれと伴流してくるオイルと合流し、膨張側吐出管22から第3配管3cに吐出される。その時の膨張機構5からのオイル質量流量をFexpとし、膨張側吐出管22から吐出されるオイル質量流量をFlowとすると、Flow=Fhigh+Fexpの関係となる。その後、蒸発器6を通って戻ってくるオイルは、第1吸入管7と第2吸入管8とに分流される。その時の第1吸入管7のオイル質量流量をFs1、第2吸入管8の質量流量をFs2とする。ここで、本実施形態の説明において、第1圧縮機101と第2圧縮機102の回転数は同じとし、第4配管3dでオイルが二等分されるとすると、オイル質量流量の関係は、Fs1=Fs2=Flow/2となる。また、運転開始時においては、第1オイル流動抑制板17から第1オイル溜り13のオイル面S1までの距離と第2オイル流動抑制板18から第2オイル溜り14のオイル面S2までの距離が同じであり、同形式の圧縮機構が同回転で運転するので、運転開始時の第1吐出管19からのオイル質量流量Fd1と、第2吐出管20からのオイル質量流量Fd2は、Fd1=Fd2=Fhigh/2の関係にある。
 ここで、Fs2に着目し、上述の関係からFs2をFd2を用いて表すと、
 Fs2=Flow/2=(Fhigh+Fexp)/2=Fd2+Fexp/2
となる。つまりFd2<Fs2となり、この差分(Fexp/2)が第2密閉容器10の内部に残ることになり、最終的には第2有効オイル空間140内のオイル容積v2が増えて第2オイル溜り14のオイル面S2が上昇する。逆に、第1密閉容器9からは前記の差分(Fexp/2)のオイルが流出することになり、最終的には第1有効オイル空間130内のオイル容積v1が減り第1オイル溜り13のオイル面S1が下降する。
 次に定常状態までの過渡時の状況を説明する。前述のように運転開始時はオイル質量流量のバランスにより、第2オイル溜り14のオイル面S2は上昇し、反対に第1オイル溜り13のオイル面S1は下降する。オイル面高さが上昇すると、密閉容器内部での作動流体とオイルの分離空間が縮小し、また密閉容器下部空間での作動流体流れとオイル面との距離が縮まるため、密閉容器からのオイル吐出流量が増加する。すなわちオイル面S2が上昇する傾向にある第2圧縮機102のオイル吐出流量Fd2は時間の経過と共に増加する。反対に、オイル面S1が下降する傾向にある第1圧縮機101のオイル吐出流量Fd1は時間の経過と共に減少する。なお、膨張機構5が消費するオイル流量Fexpは回転数にのみ依存し、オイル面高さとは関連がないため、時間の経過によらず一定である。
 さらに時間が経過し、第2オイル溜り14のオイル面高さが第2オイル流動抑制板18と同じ高さになった時(T=t1、V2=v2)、オイル面S2は第2オイル流動抑制板18を越え、第2密閉容器10下部の作動流体流れに直接影響を受けることになる。そうすると、それ以降のオイル面高さの増加は急激に鈍化し、代わりにオイル吐出流量Fd2が急増する。そして、オイル吐出流量Fd1とオイル吐出流量Fd2の差が、膨張機構5が消費するオイル流量Fexpと等しくなったとき(Fd2-Fd1=Fexp)、オイル面高さの変動は止まり定常状態へと移行する(T=t2)。上記の状態を式で表すと、
 Fs2=(Fhigh+Fexp)/2=(Fd1+Fd2+Fexp)/2=Fd2
であり、第2圧縮機102の吸入オイル流量Fs2と吐出オイル流量Fd2が等しくなり、オイル面高さの変動は停止する。
 以上のように、本実施形態によれば、第1圧縮機101の第1有効オイル空間130の容積V1を第2圧縮機102の第2有効オイル空間140の容積V2よりも大きく設定しているので、定常運転状態に移行するまでの間に、第1オイル溜り13のオイル面S1が下降しても、第1オイル吸入口15aの上側に十分な量のオイルを確保することができ、高い信頼性を得ることができる。なお、上記のような課題解決の別手段として、複数の圧縮機間のオイル不均衡を許容するために各圧縮機のオイル保持量を各々極端に多くする方法も考えられるが、オイル保持量を多くすると圧縮機から吐出されるオイル量が増え、冷凍サイクル装置内の熱交換器内壁に付着し伝熱阻害を引き起こしたり、冷媒配管内の管壁にオイル膜が形成し、管流路面積が減少することで管の圧力損失が増え、膨張機構5で回収できる動力が減少したりすることで冷凍サイクル装置の効率を著しく低下させる要因になるため、好ましい方法とは言えない。
 また、本実施形態によれば、第1圧縮機101と第2圧縮機102に同じ内径の密閉容器9,10を用いており、第1オイル流動抑制板17から第1オイル吸入口15aまでの距離を、第2オイル流動抑制板18から第2オイル吸入口16aまでの距離よりも長くしている。このため、比較的に簡単な構成で、前記のような第1有効オイル空間130の容積V1の設定を行うことができる。しかも、同じ内径の密閉容器とそれに対応する同じ圧縮機構を使用できるため、部品コストの削減および製造コストの削減効果を得ることができる。
 また、本実施形態によれば、第1圧縮機101と第2圧縮機102を、均油管25によって連結しているので、運転停止時に均油管バルブ25aを開放することにより、オイル溜り13とオイル溜り14との偏りを解消することができる。なお、運転時は、必ずしも均油管バルブ25aを閉じておく必要はなく、少し開いておくようにしてもよい。
 また、本実施形態によれば、第1オイル流動抑制板17と第2オイル流動抑制板18とが水平方向に並んでいるので、均油時にオイル面S1,S2とオイル流動抑制板17,18との間の距離を両圧縮機101,102で同じにすることができる。このため、均油時には、第1オイル溜り13のオイル面S1から第1オイル吸入口15aまでの距離を、第2オイル溜り14のオイル面S2から第2オイル吸入口16aまでの距離よりも長く確保することができ、さらに信頼性を向上させることができる。
 また、本実施形態によれば、2段ロータリ式の膨張機構5を用いている。2段ロータリ式の膨張機構は単段ロータリ式膨張機構に比べて高効率ではあるが、一方でオイル消費量が多いという特徴がある。本実施形態では、2段ロータリ式膨張機構を用いてもオイル消費量の多さは問題にはならず、高い信頼性を確保しながら2段ロータリの利点を活かした高効率な動力回収を行うことができる。
 また、本実施形態によれば、作動流体にCO2を使用している。CO2は他のフロン系冷媒に比べて比重が大きく、密閉容器の中でオイルを撹拌し、密閉容器外へオイルを持ち出す効果が高いが、本実施形態によれば、冷媒の比重が大きい場合でも、高い信頼性を確保することができる。
 (変形例)
 前記実施形態では、第1圧縮機101と第2圧縮機102とは同じ回転数としたが、異なる回転数の時にも同様の効果が得られることは言うまでもない。
 また、均油管25がない場合は、停止時においても図7に示すようなオイルが偏った状態が保たれるだけであり、特に問題ないため、均油管25を省略することも可能である。ただし、均油管25を設けておけば、上述したように停止時に第1圧縮機101と第2圧縮機102とでオイル量をバランスさせることができる。
 また、前記実施形態では、第1密閉容器9と第2密閉容器10で内径が同じである構成を主に示したが、内径の異なる密閉容器を用いたとしても、第1圧縮機101の第1有効オイル空間130の容積V1を第2圧縮機102の第2有効オイル空間140の容積V2よりも大きくしさえすれば、同様の効果を得ることは言うまでもない。
 なお、軸受部材42を第1オイル流動抑制板17に一体に設けたものを第1抑制部材として用いることも可能である。このように下面に高低差のある第1抑制部材を用いた場合の第1有効オイル空間130は、第1抑制部材の下面のうち一番高い位置の部分から第1オイル吸入口15aまでとなる。同様に、軸受部材44を第2オイル流動抑制板18に一体に設けたものを第2抑制部材として用いることも可能であり、下面に高低差のある第2抑制部材を用いた場合には、第2抑制部材の下面のうち一番高い位置の部分から第2オイル吸入口16aまでが第2有効オイル空間140となる。
 また、第1オイルポンプ15は、第1シャフト23の下端部に設けられていて、第1オイル溜り13のオイルが第1シャフトに設けられた第1オイル供給路を通じて膨張機構5と第1圧縮機構1の双方に供給されるようになっていてもよい。この場合、膨張機構5の上軸受部材29を第1オイル溜り13のオイル面S1よりも上側に位置させるとともに第1密閉容器9の内周面まで拡張して、この上軸受部材29で第1抑制部材を構成することも可能である。ただし、前記実施形態のように、第1オイルポンプ15および第1オイル吸入口15aが膨張機構5よりも上側に位置していれば、圧縮機構1を経由して比較的に高温となったオイルが膨張機構5の周囲に流れ込むことを抑制することができ、オイルを介した圧縮機構1から膨張機構5への熱移動を抑制することができる。
 さらに、前記実施形態では、第1圧縮機構1と膨張機構5のオイル供給源として同じオイル溜り(オイルが連続的に繋がっている)を用いたが、このオイル溜りが部材等によって区画され、複数のオイル溜りであったとしても、膨張機構5用のオイル溜りが第1圧縮機構1用のオイル溜りより先に枯渇しないような構成であるのならば、オイル溜りが連続的に繋がっているいないにかかわらず、同様の効果を得ることができる。
 また、前記実施形態では、第1圧縮機構1の下に膨張機構5が配置されているが、第1圧縮機1の上方に膨張機構5が存在する場合でも、同様の効果を得ることができるのは言うまでもない。例えば、圧縮機構1が第1密閉容器9内の下側位置に配置される場合、圧縮機構1の軸受部材53で第1抑制部材を構成してもよい。さらには、第1電動機11の位置もこれを問わず、第1電動機11の下に第1圧縮機構1と膨張機構5が存在するような場合でも、同様の効果を得ることができる。
 また、第2圧縮機101の第2圧縮機構2と第2電動機12の配置が上下逆になっていてもよい。
 さらに、本実施形態では、第1圧縮機101として第1シャフト23が鉛直方向に延びる縦型のものを用いたが、第1シャフト23が水平方向に延びる横型のものを用いても第1圧縮機構1と膨張機構5とでオイル溜りを共有するような構成であれば、同様の効果を得ることができることは言うまでもない。同様に、第2圧縮機102も横型のものであってもよい。
 本発明の流体機械は、冷凍サイクルにおける作動流体の膨張エネルギーを回収して動力回収を行う手段として有用である。

Claims (12)

  1.  底部に第1オイル溜りが形成され、前記第1オイル溜りよりも上側の内部空間が作動流体で満たされる第1密閉容器と、
     前記第1密閉容器内に配置された第1電動機と、
     前記第1密閉容器内に配置された、作動流体を圧縮する第1圧縮機構と、
     前記第1密閉容器内に配置された、膨張する作動流体から動力を回収する膨張機構と、
     前記第1電動機と前記第1圧縮機構と前記膨張機構とを連結する第1シャフトと、
     前記第1オイル溜りのオイルを第1オイル吸入口から吸い込み、前記第1シャフトに設けられた前記第1オイル溜りよりも上側に延びる第1オイル供給路を通じて前記第1圧縮機構と前記膨張機構の一方または双方に供給する第1オイルポンプと、
     前記第1密閉容器内の空間を上下に仕切るように配置された、前記第1密閉容器内の作動流体の流動に伴って前記第1オイル溜りのオイルが流動することを抑制する第1抑制部材と、
     底部に第2オイル溜りが形成され、前記第2オイル溜りよりも上側の内部空間が作動流体で満たされる第2密閉容器と、
     前記第2密閉容器内に配置された第2電動機と、
     前記第2密閉容器内に配置された、作動流体を圧縮する第2圧縮機構であって、前記第1密閉容器と前記第2密閉容器とが互いに配管で接続されることにより作動流体回路中で前記第1圧縮機構と並列に接続される第2圧縮機構と、
     前記第2電動機と前記第2圧縮機構とを連結する第2シャフトと、
     前記第2オイル溜りのオイルを第2オイル吸入口から吸い込み、前記第2シャフトに設けられた第2オイル供給路を通じて前記第2圧縮機構に供給する第2オイルポンプと、
     前記第2密閉容器内の空間を上下に仕切るように配置された、前記第2密閉容器内の作動流体の流動に伴って前記第2オイル溜りのオイルが流動することを抑制する第2抑制部材と、を備え、
     前記第1密閉容器内における前記第1抑制部材から前記第1オイル吸入口までの第1有効オイル空間の容積は、前記第2密閉容器内における前記第2抑制部材から前記第2オイル吸入口までの第2有効オイル空間の容積よりも大きく設定されている、流体機械。
  2.  前記第1オイル溜りと前記第2オイル溜りとを連通する均油管をさらに備え、
     前記流体機械は、前記均油管によって前記第1オイル溜りのオイル面と前記第2オイル溜りのオイル面とが同一水平面上に保たれた時に、前記第1有効オイル空間のうち前記第1オイル溜りのオイル面から下側の部分の容積が、前記第2有効オイル空間のうち前記第2オイル溜りのオイル面から上側の部分の容積よりも大きくなるように構成されている、請求項1に記載の流体機械。
  3.  前記第1シャフトおよび前記第2シャフトは、上下方向に延びている、請求項1または2に記載の流体機械。
  4.  前記第1密閉容器および前記第2密閉容器は、上端部および下端部が塞がれた上下方向に延びる円筒状の形状を有していて、前記第1密閉容器の内径は前記第2密閉容器の内径と同じになっており、
     前記第1オイル吸入口は、前記第2オイル吸入口よりも下側に位置している、請求項3に記載の流体機械。
  5.  前記第1抑制部材と前記第2抑制部材は、同一水平面に対して略同じ高さ位置にある、請求項3または4に記載の流体機械。
  6.  前記膨張機構は、前記第1抑制部材よりも下側に配置されており、前記第1圧縮機構および前記第1電動機は、前記第1抑制部材よりも上側に配置されている、請求項3~5のいずれか一項に記載の流体機械。
  7.  前記第1電動機は、前記第1圧縮機構と前記第1抑制部材との間に位置している、請求項6に記載の流体機械。
  8.  前記第1オイルポンプは、前記第1抑制部材と前記膨張機構との間に配置されていて、前記第1オイル吸入口が前記膨張機構よりも上側に位置しており、
     前記第1オイル溜りのオイルは、前記第1オイル供給路を通じて前記第1圧縮機構に供給される、請求項6または7に記載の流体機械。
  9.  前記第1オイルポンプと前記膨張機構との間に配置された、前記第1オイル溜りを上層部と下層部とに仕切るとともに前記上層部と前記下層部との間でのオイルの流通を規制する断熱部材をさらに備える、請求項8に記載の流体機械。
  10.  前記第2圧縮機構、前記第2電動機、前記第2抑制部材、および前記第2オイルポンプは、上から下に向かってこの順に配置されている、請求項3~9のいずれか一項に記載の流体機械。
  11.  前記第1圧縮機構および前記第2圧縮機構はスクロール式であり、前記膨張機構は2段ロータリ式である、請求項1~10のいずれか一項に記載の流体機械。
  12.  請求項1~11のいずれか一項に記載の流体機械が組み込まれた作動流体回路を備え、
     前記作動流体回路中には、前記第1圧縮機構と前記第2圧縮機構とが並列に配置されており、この作動流体回路には、作動流体として二酸化炭素が充填されている、冷凍サイクル装置。
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