WO2011155176A1 - 圧縮機 - Google Patents

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裕文 吉田
飯田 登
信吾 大八木
啓晶 中井
健 苅野
竜一 大野
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    • F04C2250/102Geometry of the inlet or outlet of the outlet

Definitions

  • the present invention relates to room air conditioners, refrigerators, other air conditioners, and heat pumps that use a refrigerant mainly composed of carbon containing no chlorine atoms and a low global warming potential and a hydrofluoroolefin having a double bond between carbons as a working refrigerant.
  • the present invention relates to a compressor that can be incorporated in a refrigeration cycle such as a water heater.
  • Patent Document 1 discloses a refrigerant mainly containing hydrofluoroolefins that do not contain chlorine atoms and have a low global warming potential and a double bond between carbons.
  • the refrigerant has the property of being easily decomposed at a high temperature, and it is necessary to suppress the temperature rise.
  • the first is a temperature increase due to adiabatic compression, which is a theoretically inevitable temperature increase.
  • the second is an increase in temperature due to power loss, which is generally referred to as compression loss, such as pressure loss, leakage, heat reception, etc., generated during the compression of refrigerant gas.
  • compression loss such as pressure loss, leakage, heat reception, etc.
  • mechanical loss such as frictional heat generated in each sliding portion.
  • each sliding portion of the compression mechanism portion is made of a nonmetal, Temperature rise due to direct contact is suppressed.
  • a DLC-Si coating is applied to the surface of the vane 102 at the outer periphery of the piston 101 and the tip 102a of the vane 102. This is a solution by reducing the third mechanical loss of the above temperature rise factors.
  • Patent Document 2 focuses on the mechanical loss that is the third cause of the refrigerant temperature increase, and the temperature by reducing the second compression loss that is the cause of the refrigerant temperature increase. There is no disclosure about the rise suppression.
  • the present invention solves the above-mentioned conventional problems, and achieves high reliability by suppressing the temperature rise of the refrigerant gas discharged from the compression mechanism by reducing the compression loss and preventing the refrigerant from being decomposed due to high temperature. It aims at providing the compressor which can be performed.
  • the compressor of the present invention operates a single refrigerant composed of a refrigerant based on hydrofluoroolefin having a double bond between carbon or a mixed refrigerant including this refrigerant.
  • Compressor having a compression mechanism portion disposed in a closed container, used as a refrigerant, and provided with a discharge port for discharging the working refrigerant compressed by the compression mechanism portion to a high pressure to the outside of the compression mechanism portion
  • the axial length L of the discharge port is smaller than the thickness H of the member provided with the discharge port.
  • the length of the discharge port in the flow path direction is shortened, pressure loss is reduced, and it is possible to suppress an increase in the temperature of the refrigerant by suppressing an unnecessary pressure increase in the compression mechanism, Since the volume of the discharge port filled with the high-pressure refrigerant gas can be further reduced, re-expansion, It is also possible to suppress the temperature rise of the refrigerant due to compression.
  • the compressor of the present invention contributes to prevention of ozone layer destruction and prevention of global warming by using a refrigerant composed of carbon and a hydrofluoroolefin having a double bond between carbons, and this refrigerant decomposes at a high temperature. Therefore, by shortening the length of the discharge port in the flow path direction, the discharge loss can be reduced and the temperature rise of the discharged refrigerant gas can be suppressed.
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a compressor according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a front view of the upper bearing in the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the upper bearing in the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a discharge port loss breakdown graph according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 5 is a discharge port total loss graph in a limited range in the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a graph showing a total discharge port loss in a wide range according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a front view of the lower bearing in the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a sectional view of the lower bearing according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a front view of a compression mechanism in a conventional compressor.
  • the first invention uses a single refrigerant composed of a refrigerant having a base component of carbon and a hydrofluoroolefin having a double bond between the carbons or a mixed refrigerant containing the refrigerant as a working refrigerant, and a compression mechanism in the sealed container.
  • the compressor is provided with a discharge port that discharges the working refrigerant that has been compressed by the compression mechanism to a high pressure to the outside of the compression mechanism, and the axial length of the discharge port
  • L By setting L to be smaller than the thickness H of the member provided with the discharge port, the length of the discharge port in the flow path direction is shortened, pressure loss is reduced, and unnecessary pressure rise in the compression mechanism is suppressed.
  • the volume of the discharge port filled with the high-pressure refrigerant gas can be reduced at the same time, so that the high pressure in the discharge port remaining after the end of the discharge in the compression mechanism section can be reduced. Re-expansion by suppressing the backflow of the low-pressure side compression chamber medium gas, but may also increase in temperature of the refrigerant by recompression suppressed.
  • the compression mechanism portion forms a compression chamber by sandwiching the cylinder, the rolling piston, and the vane between the upper bearing and the lower bearing, and the rotation of the drive shaft is accompanied.
  • the rotary system that performs the compression operation by rotating the rolling piston has a long track record as a refrigerant compressor that has been used in the past, and the structure is simple and low-cost, and the refrigerant in actual use
  • the third aspect of the invention relates to a refrigerant mixed with a hydrofluoroolefin having a double bond between carbon and carbon as a base component, particularly in the compressor of the first or second aspect of the invention.
  • a working refrigerant By using as a working refrigerant, the pressure loss is smaller than when using a single hydrofluoroolefin refrigerant, which has a smaller refrigerant density and more pressure loss than hydrofluorocarbon refrigerant, and suppresses temperature rise at the discharge port.
  • the decomposition of the refrigerant is suppressed and the pressure drop in the pipeline system is reduced to improve the cycle efficiency.
  • a mixed refrigerant in which the hydrofluoroolefin is tetrafluoropropene (HFO1234yf), the hydrofluorocarbon is difluoromethane (HFC32), and the working refrigerant is Using HFO1234yf with a very low global warming potential GWP as a base component to contribute to the prevention of global warming, and by mixing HFC32 with very high cycle efficiency, higher cycle efficiency than when using HFO1234yf alone Can be realized.
  • the mixed refrigerant is a working refrigerant, wherein the hydrofluoroolefin is tetrafluoropropene (HFO1234yf) and the hydrofluorocarbon is pentafluoroethane (HFC125). It is possible to contribute to the prevention of global warming using HFO1234yf having a very low global warming potential GWP as a base component, and to reduce the risk of slight flammability of HFO1234yf by mixing with nonflammable HFC125.
  • HFO1234yf tetrafluoropropene
  • HFC125 pentafluoroethane
  • the sixth invention is particularly designed for the R410A refrigerant in the compressor of any one of the first to fifth inventions, where D / L is in the range of 3 to 8, where D is the diameter of the discharge port. Maintaining the same level of deformation distortion due to the pressure difference around the discharge port of the compressed compressor, while preventing damage to the member provided with the discharge port, the flow direction length of the discharge port is shortened and pressure loss It is possible to reduce the volume of the discharge port filled with the high-pressure refrigerant gas at the same time as the temperature of the refrigerant can be suppressed by suppressing an unnecessary pressure increase in the compression mechanism, and the compression can be reduced.
  • Vdp / Vs is in the range of 0.0009 to 0.015.
  • (Embodiment 1) 1 is a longitudinal sectional view of a supercharged compressor according to Embodiment 1 of the present invention.
  • an electric element 2 is accommodated in a sealed container 1.
  • the compression mechanism unit 4 is driven by the vertical drive shaft 3 of the electric element 2.
  • the compression mechanism unit 4 is configured to perform a compression operation by forming a compression chamber 9 by sandwiching a cylinder 5 and a rolling piston 6 and vanes between an upper bearing 7 and a lower bearing 8.
  • the cylinder 5 houses a crankshaft eccentric portion 10 integrally formed with the drive shaft 3, and a rolling piston 6 is rotatably mounted on the crankshaft eccentric portion 10.
  • the cylinder 5 is provided with a vane (not shown) in contact with the rolling piston 6 to partition the compression chamber 9 and the suction chamber 11.
  • the cylinder 5 is provided with a suction port 12 that communicates with the suction chamber 11.
  • an accumulator 13 is connected to the suction port 12, and the refrigerant is separated into gas and liquid before the refrigerant gas is directly sucked into the compressor.
  • the sucked low-pressure refrigerant gas is compressed by gradually reducing the volume of the compression chamber 9 and is discharged into the internal space of the sealed container 1 through a discharge port (see FIG. 3) 14 provided in the upper bearing 7.
  • FIG. 2 is a front view of the upper bearing 7, and the discharge port 14 is provided with a discharge check valve 15 so that the compressed high-pressure refrigerant gas does not flow backward.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the upper bearing 7 cut in the longitudinal direction of the discharge check valve 15.
  • the discharge check valve 15 includes a flapper valve 15 a that opens and closes the discharge port 14 and a valve stop 15 b that restrains a lift when the flapper valve 15 a is open, and is fixed to the upper bearing 7 with a bolt 16.
  • the axial length L of the discharge port 14, that is, the thickness of the upper bearing 7 at the place where the discharge check valve 15 is attached, is set smaller than the thickness H of the other part in contact with the compression chamber 9. .
  • the discharge port 14 side of the flapper valve 15a is filled with the refrigerant gas having the pressure of the compression chamber 9, and the opposite side of the discharge port 14 is in the refrigerant gas atmosphere having the discharge pressure Pd determined by the refrigeration cycle.
  • the drive shaft 3 rotates and the compression operation proceeds, the pressure inside the compression chamber 9 and the discharge port 14 reaches the discharge pressure Pd, and becomes a slightly higher pressure, thereby causing a pressure difference between the front and back of the flapper valve 15a.
  • the flapper valve 15a is opened and the refrigerant gas is discharged to the outside of the compression mechanism unit 4.
  • Unnecessary power is used to increase the overall pressure at the discharge port 14 and the discharge check valve 15 by adding a plus-alpha pressure increase to open the flapper valve 15a and a pressure increase in the compression chamber 9 due to pressure loss. Therefore, it is a loss, and is called a discharge loss here.
  • the flapper valve 15a is closed, but the compressed high-pressure refrigerant gas remains in the discharge port 14.
  • the drive shaft 3 further rotates and the discharge port 14 opens to the next compression chamber 9 filled with the refrigerant gas having the suction pressure Ps
  • the refrigerant gas in the discharge port 14 expands again to almost become the suction pressure Ps. After that, it is compressed again by the compression operation, and unnecessary power due to re-expansion and re-compression is also a loss, which is called a re-compression loss here.
  • hydrofluoroolefins represented by HFO1234yf which do not contain chlorine and have a double bond between carbon and carbon, have zero ozone depletion potential ODP and very low global warming potential GWP, preventing ozone depletion It has the advantage of greatly contributing to the prevention of global warming and is therefore being used in various refrigeration cycles.
  • its molecular bond is unstable and has the disadvantage of being easily decomposed at high temperatures.
  • the length of the discharge port 14 in the flow path direction can be shortened, and the amount of residual high-pressure refrigerant gas at the discharge port 14 can be suppressed to reduce the recompression loss.
  • the length of the discharge port 14 in the flow path direction may be shortened.
  • the thickness H of the upper bearing 7 is reduced for that purpose, the upper bearing 7 is deformed due to the pressure difference between the front and back surfaces, and the upper bearing 7 and the rolling piston 6 come into sliding contact with each other, thereby impairing performance and reliability.
  • the thickness L around the discharge port 14 and the discharge check valve 15 is reduced as in the first embodiment so that the rigidity of the entire upper bearing 7 is not impaired, the discharge loss and the recompression loss are reduced. It is possible to reduce the risk of decomposition of the refrigerant.
  • the maximum strain ⁇ max is proportional to the pressure difference and is also proportional to the square of the aspect ratio D / L between the diameter D of the discharge port 14 and the axial length L.
  • the pressure of the refrigerant of the present application is approximately 0.4 times lower, so that the maximum distortion ⁇ max around the discharge port of the conventional compressor designed for the R410A refrigerant can be allowed.
  • the aspect ratio D / L of the discharge port 14 is about 1.6 times.
  • the aspect ratio D / L of the discharge port of the conventional compressor designed for the R410A refrigerant is approximately 2 to 5, while the efficiency and reliability of the compressor are both achieved within this range.
  • the efficiency by minimizing the pressure loss and recompression loss at the discharge port 14 is set by setting the aspect ratio D / L of the discharge port 14 to 3 to 8, which is about 1.6 times the aspect ratio. Improvement and prevention of damage around the discharge port 14 of the upper bearing 7 due to the pressure difference can be realized, and it is possible to achieve both efficiency and reliability of the compressor.
  • FIG. 4 shows the ratio of each loss of the discharge port 14 to the total compressor input when the stroke volume Vs is 30 cc, the axial length L of the discharge port 14 is 1.8 mm, and the diameter D of the discharge port 14 is changed. It is a graph.
  • the operating conditions of the compressor are the most frequent intermediate cooling conditions for air conditioners.
  • the horizontal axis represents the ratio between the internal volume Vdp of the discharge port 14 and the stroke volume Vs, and the recompression loss when the high-pressure refrigerant in the internal volume Vdp is re-expanded into the low-pressure side compression chamber and recompressed.
  • discharge loss The power loss due to the pressure increase in the compression chamber due to the pressure loss when the refrigerant gas passes through the discharge port 14, and the total loss that is the sum of these recompression loss and discharge loss are plotted. .
  • FIG. 5 shows the range extracted from the total loss of FIG.
  • FIG. 5 shows the total loss when the axial length L of the discharge port 14 is 1.8 mm, but is a graph when the axial length L is changed while maintaining the aspect ratio D / L at 3 to 8.
  • Is shown in FIG. FIG. 6 shows the total loss at the discharge port 14 when the diameter D and the axial length L of the discharge port 14 are variously changed within the appropriate aspect ratio D / L of the discharge port 14. It can be seen that the total loss has a local minimum.
  • Vdp / Vs has a minimum point of approximately 0.0025, and in the range below that, a sudden increase in total loss is observed due to an increase in discharge loss. It is desirable that the ratio of the total loss at the discharge port 14 with respect to the total compressor input defined on the vertical axis is 2% or less as a range in which the total loss does not suddenly change and the total loss can be minimized at the same time. At that time, the range of Vdp / Vs is approximately 0.0009 to 0.015.
  • the rolling piston type rotary compressor has been described as an example.
  • a rotary compressor such as a swing vane type or a rotary vane type, or another compression type compression such as a reciprocating compressor or a scroll compressor is used. It is natural that the same effect can be obtained with the machine.
  • a single refrigerant based on a hydrofluoroolefin having a double bond between carbon and carbon represented by HFO1234yf, or another refrigerant such as hydrofluorocarbon or natural refrigerant is used. Even if a mixed refrigerant mixture is used, the risk of decomposition of the refrigerant remains, so the same effect can be obtained.
  • a refrigerant mixed with hydrofluoroolefin as a base component and hydrofluorocarbon having no double bond can be used as a working refrigerant.
  • a mixed refrigerant in which the hydrofluoroolefin is tetrafluoropropene (HFO1234yf) and the hydrofluorocarbon is difluoromethane (HFC32) or pentafluoroethane (HFC125) can be used as the working refrigerant.
  • the optimum range of the aspect ratio D / L and Vdp / Vs of the discharge port 14 varies depending on the pressure and density of the refrigerant used.
  • the pressure of the R410A refrigerant decreases as the proportion of hydrofluoroolefin decreases. Therefore, the optimum range of the aspect ratio D / L and Vdp / Vs of the discharge port 14 also approaches that of the R410A refrigerant. That is, the higher the ratio of hydrofluoroolefin, the more the invention of the present application can contribute to prevention of ozone layer destruction and prevention of global warming.
  • the aspect ratio D / L and Vdp / Vs of the discharge port 14 are set to the optimum ranges.
  • FIG. 7 is a front view of the lower bearing 8 provided with the discharge check valve 15, and FIG. 8 is a cross-sectional view of the lower bearing 8 cut in the longitudinal direction of the discharge check valve 15.
  • the discharge check valve 15 includes a flapper valve 15 a that opens and closes the discharge port 14 and a valve stop 15 b that restrains a lift when the flapper valve 15 a is open, and is fixed to the upper bearing 7 with a bolt 16.
  • the second embodiment has a configuration in which the discharge check valve 15 is moved to the lower bearing 8 with respect to the first embodiment, and the same effect as the first embodiment can be obtained.
  • the compressor according to the present invention contributes to prevention of ozone layer destruction and prevention of global warming by using a refrigerant based on a hydrofluoroolefin having a double bond between carbon and carbon.
  • a refrigerant based on a hydrofluoroolefin having a double bond between carbon and carbon By shortening the length of the discharge port in the flow path direction so that this refrigerant does not decompose at high temperatures, discharge loss can be reduced and temperature rise of the discharged refrigerant gas can be suppressed, and a double bond is formed between carbon and carbon.
  • the present invention can also be applied to uses such as air conditioners, heat pump hot water heaters, refrigerators, and dehumidifiers that use hydrofluoroolefin refrigerants.

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Abstract

 炭素と炭素間に2重結合を有するハイドロフルオロオレフィンをベース成分とした冷媒からなる単一冷媒またはこの冷媒を含む混合冷媒を作動冷媒として使用し、吐出ポート14の軸方向長さLを、吐出ポート14が設けられた部材の厚みHよりも小さくすることにより、吐出ポート14の流路方向長さが短くなって圧力損失が低減され、圧縮機構部4での不要な圧力上昇を抑えることで冷媒の温度上昇を抑制することが可能であると同時に、高圧冷媒ガスで満たされた吐出ポート14の容積をより小さくできるため、圧縮機構部4で吐出終了後に残った吐出ポート14内の高圧冷媒ガスの低圧側圧縮室9への逆流量を抑えることで再膨張、再圧縮による冷媒の温度上昇も抑制することが可能である。

Description

圧縮機
 本発明は、塩素原子を含まず地球温暖化係数の低い炭素と炭素間に2重結合を有するハイドロフルオロオレフィンを主体とした冷媒を作動冷媒としたルームエアコン、冷蔵庫、その他の空気調和装置、ヒートポンプ給湯機等の冷凍サイクルに組み込まれることが可能な圧縮機に関するものである。
 従来の冷凍装置では作動冷媒としてオゾン層破壊係数ゼロのHFC(ハイドロフルオロカーボン)系に移行してきているが、このHFC系冷媒は一方では地球温暖化係数が非常に高いため近年問題になってきている。そこで、特許文献1では、塩素原子を含まず地球温暖化係数の低い炭素と炭素間に2重結合を有するハイドロフルオロオレフィンを主体とした冷媒が開示されている。
 しかしながら、上記冷媒は高温で分解しやすいという性質があり、温度上昇を抑える必要がある。
 圧縮機構部内での冷媒の温度上昇の要因としては主に以下の3つが挙げられる。一つ目は断熱圧縮による温度上昇であり、理論上避けられない温度上昇である。二つ目は冷媒ガスの圧縮過程で生じる圧力損失や漏れ、受熱等、一般的に圧縮損失と言われる動力損失による温度上昇である。三つ目は各摺動部で生じる摩擦熱等、一般的に機械損失と言われる動力損失による温度上昇である。
 高温で分解しやすいという課題を解決するため、図9に示す特許文献2のロータリ圧縮機では、圧縮機構部の各摺動部の少なくとも一方の表面を非金属で構成することで、金属同士の直接接触による温度上昇を抑制している。例えば、ピストン101の外周とベーン102の先端102aにおいては、ベーン102の表面にDLC-Siコーティングを施している。これは上記温度上昇要因のうちの三つ目の機械損失を低減することによる解決策である。
特開平4-110388号公報 特開2009-299649号公報
 しかしながら、前記特許文献2の従来の構成は、上述した冷媒温度上昇要因の三つ目である機械損失に着目したものであり、冷媒温度上昇要因の二つ目の圧縮損失を低減することによる温度上昇抑制については何ら開示されていない。
 本発明は、前記従来の課題を解決するもので、圧縮損失を低減することで圧縮機構部から吐出された冷媒ガスの温度上昇を抑制して高温による冷媒分解を防止した、高信頼性を実現できる圧縮機を提供することを目的とする。
 前記従来の課題を解決するために、本発明の圧縮機は、炭素と炭素間に2重結合を有するハイドロフルオロオレフィンをベース成分とした冷媒からなる単一冷媒またはこの冷媒を含む混合冷媒を作動冷媒として使用し、密閉容器内に圧縮機構部を配し、圧縮機構部で圧縮されて高圧となった作動冷媒を圧縮機構部の外部へ排出する吐出ポートが圧縮機構部に設けられた圧縮機であって、吐出ポートの軸方向長さLは、前記吐出ポートが設けられた部材の厚みHよりも小さいことを特徴とするものである。
 この構成により、吐出ポートの流路方向長さが短くなって圧力損失が低減され、圧縮機構部での不要な圧力上昇を抑えることで冷媒の温度上昇を抑制することが可能であると同時に、高圧冷媒ガスで満たされた吐出ポートの容積をより小さくできるため、圧縮機構部で吐出終了後に残った吐出ポート内の高圧冷媒ガスの低圧側圧縮室への逆流量を抑えることで再膨張、再圧縮による冷媒の温度上昇も抑制することが可能である。
 本発明の圧縮機は、炭素と炭素間に2重結合を有するハイドロフルオロオレフィンをベース成分とした冷媒を用いることでオゾン層破壊防止と地球温暖化防止に寄与しながら、この冷媒が高温で分解しないように吐出ポートの流路方向長さを短縮することで吐出損失を低減して吐出冷媒ガスの温度上昇を抑制することができる。
図1は本発明の実施の形態1における圧縮機の縦断面図 図2は本発明の実施の形態1における上軸受の正面図 図3は本発明の実施の形態1における上軸受の断面図 図4は本発明の実施の形態1における吐出ポート損失内訳グラフ 図5は本発明の実施の形態1における限定範囲での吐出ポート総損失グラフ 図6は本発明の実施の形態1における広範囲での吐出ポート総損失グラフ 図7は本発明の実施の形態2における下軸受の正面図 図8は本発明の実施の形態2における下軸受の断面図 図9は従来の圧縮機における圧縮機構部正面図
 第1の発明は、炭素と炭素間に2重結合を有するハイドロフルオロオレフィンをベース成分とした冷媒からなる単一冷媒またはその冷媒を含む混合冷媒を作動冷媒として使用し、密閉容器内に圧縮機構部を配し、圧縮機構部で圧縮されて高圧となった作動冷媒を圧縮機構部の外部へ排出する吐出ポートが圧縮機構部に設けられた圧縮機であって、吐出ポートの軸方向長さLを、吐出ポートが設けられた部材の厚みHよりも小さく設定することにより、吐出ポートの流路方向長さが短くなって圧力損失が低減され、圧縮機構部での不要な圧力上昇を抑えることで冷媒の温度上昇を抑制することが可能であると同時に、高圧冷媒ガスで満たされた吐出ポートの容積をより小さくできるため、圧縮機構部で吐出終了後に残った吐出ポート内の高圧冷媒ガスの低圧側圧縮室への逆流量を抑えることで再膨張、再圧縮による冷媒の温度上昇も抑制することが可能である。
 第2の発明は、特に、第1の発明の圧縮機において、圧縮機構部が、シリンダとローリングピストン、ベーンを上軸受と下軸受で挟み込むことで圧縮室を形成し、駆動軸の回転に伴ってローリングピストンが回転することで圧縮動作を行うロータリ方式であることにより、従来使用されてきた冷媒用圧縮機として長年の実績があり、構造はシンプルで低コストであるとともに、実使用時の冷媒密度がHFC410AやHFC22よりも小さく行程容積を比較的大きくする必要があるという課題への対応が容易であるという利点もあり、高信頼性で低コストな圧縮機を提供することができる。
 第3の発明は、特に、第1または第2の発明の圧縮機において、炭素と炭素間に2重結合を有するハイドロフルオロオレフィンをベース成分とし、2重結合を有しないハイドロフルオロカーボンと混合した冷媒を作動冷媒とすることにより、ハイドロフルオロカーボン冷媒よりも冷媒密度が小さく圧力損失が生じやすいハイドロフルオロオレフィン冷媒を単一で使用する場合よりも圧力損失が小さくなり、吐出ポートでの温度上昇を抑制して冷媒の分解を抑えるとともに、管路系での圧力降下が縮小されてサイクル効率が向上する。
 第4の発明は、特に、第3の発明の圧縮機において、ハイドロフルオロオレフィンをテトラフルオロプロペン(HFO1234yf)とし、ハイドロフルオロカーボンをジフルオロメタン(HFC32)とした、混合冷媒を作動冷媒とすることにより、非常に低い地球温暖化係数GWPを持つHFO1234yfをベース成分として地球温暖化防止に貢献するとともに、非常に高いサイクル効率を持つHFC32を混合することでHFO1234yfを単一で使用する場合よりも高いサイクル効率を実現することが可能である。
 第5の発明は、特に、第3の発明の圧縮機において、ハイドロフルオロオレフィンをテトラフルオロプロペン(HFO1234yf)とし、ハイドロフルオロカーボンをペンタフルオロエタン(HFC125)とした、混合冷媒を作動冷媒とすることにより、非常に低い地球温暖化係数GWPを持つHFO1234yfをベース成分として地球温暖化防止に貢献するとともに、不燃性のHFC125との混合によってHFO1234yfが持つ微燃性というリスクを低減することが可能である。
 第6の発明は、特に、第1~5のいずれかの発明の圧縮機において、吐出ポートの直径をDとすると、D/Lを3から8の範囲とすることにより、R410A冷媒用に設計された圧縮機の吐出ポート周りの圧力差による変形歪みと同等レベルを維持して、吐出ポートが設けられた部材の損傷を防止しながら、吐出ポートの流路方向長さが短くなって圧力損失が低減され、圧縮機構部での不要な圧力上昇を抑えることで冷媒の温度上昇を抑制することが可能であると同時に、高圧冷媒ガスで満たされた吐出ポートの容積をより小さくできるため、圧縮機構部で吐出終了後に残った吐出ポート内の高圧冷媒ガスの低圧側圧縮室への逆流量を抑えることで再膨張、再圧縮による冷媒の温度上昇も抑制することが可能である。
 第7の発明は、特に、第6の発明の圧縮機において、圧縮機構部の行程容積をVs、吐出ポートの容積をVdpとすると、Vdp/Vsを0.0009から0.015の範囲とすることにより、吐出ポートで生じる損失を最小化して冷媒温度上昇による分解リスクも最小化し、圧縮機効率を最大化することが可能である。
 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。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
 (実施の形態1)
 図1は、本発明の実施の形態1における過給式圧縮機の縦断面図である。
 図1において、密閉容器1内に電動要素2が収納されている。電動要素2の鉛直方向の駆動軸3で圧縮機構部4が駆動されるようになっている。この圧縮機構部4はシリンダ5とローリングピストン6、ベーンを上軸受7と下軸受8で挟み込むことで圧縮室9を形成して圧縮動作を行うように構成されている。シリンダ5内には、駆動軸3と一体的に構成されたクランク軸偏芯部10が収納されており、このクランク軸偏芯部10にローリングピストン6が回転自在に装着されている。シリンダ5には、図示されていないベーンがローリングピストン6に当接して設けられ、圧縮室9と吸入室11とを仕切っている。シリンダ5には、吸入室11と連通する吸入口12が設けられている。
 また、圧縮機の液圧縮を防止するため、吸入口12にはアキュームレータ13が接続されており、圧縮機に冷媒ガスを直接吸入する前に冷媒を気液分離している。
 電動要素2が付勢され、その駆動軸3が回転すると、クランク軸偏芯部10がシリンダ5内において偏芯回転し、ローリングピストン6が図示しないベーンに当接しながら回転運動し、冷媒ガスの吸入、圧縮が繰り返される。シリンダ5にはアキュームレータ13の上端の冷媒ガス導入管から吸入された低圧冷媒が、アキュームレータ13により気液分離され、完全な低圧冷媒ガスとなり、吸入口12を通って吸入室11へと吸入される。
 吸入された低圧冷媒ガスは圧縮室9の容積が徐々に縮小されることによって圧縮され、上軸受7に設けられた吐出ポート(図3参照)14を通って密閉容器1の内部空間に吐出される。
 図2は上軸受7の正面図であり、吐出ポート14には圧縮された高圧冷媒ガスが逆流しないように吐出逆止弁15が設けられている。
 図3は上軸受7を吐出逆止弁15の長手方向に切断した断面図である。吐出逆止弁15は吐出ポート14を開閉させるフラッパーバルブ15aと、フラッパーバルブ15aが開いているときのリフトを拘束するバルブストップ15bとから構成され、ボルト16で上軸受7に固定されている。
 吐出ポート14の軸方向長さL、すなわち吐出逆止弁15が取り付けられている場所での上軸受7の厚みは、圧縮室9に接するそれ以外の部分の厚みHよりも小さく設定されている。
 以上のように構成された圧縮機について、以下その動作、作用を説明する。
 フラッパーバルブ15aの吐出ポート14側は圧縮室9の圧力の冷媒ガスで満たされ、吐出ポート14の反対側は冷凍サイクルで決定される吐出圧力Pdの冷媒ガス雰囲気にある。駆動軸3が回転して圧縮動作が進むと、圧縮室9および吐出ポート14内部の圧力が吐出圧力Pdに到達し、それよりも若干高めの圧力になることでフラッパーバルブ15a表裏の圧力差でフラッパーバルブ15aが開いて冷媒ガスが圧縮機構部4の外部へ吐出される。
 圧縮済みの冷媒ガスが吐出されている間は圧力損失によって圧縮室9の圧力よりも吐出ポート14出口付近の圧力は低くなるため、吐出ポート14の出口圧力を吐出圧力Pdとするためには圧縮室9の圧力が吐出圧力9よりも高めにならざるを得ない。
 フラッパーバルブ15aを開くためのプラスアルファの圧力上昇と、圧力損失による圧縮室9の圧力上昇を加えた、吐出ポート14および吐出逆止弁15での全体の圧力上昇には不要な動力が用いられるため損失となっており、ここでは吐出損失と呼ぶ。
 吐出行程終了後、フラッパーバルブ15aは閉じるが、吐出ポート14内には圧縮済みの高圧冷媒ガスが残留している。駆動軸3がさらに回転して吐出ポート14が吸入圧力Psの冷媒ガスで満たされた次の圧縮室9に開口すると、吐出ポート14内の冷媒ガスは再び膨張して概ね吸入圧力Psとなる。その後圧縮動作によって再度圧縮されることになり、再膨張と再圧縮による不要な動力も損失であり、ここでは再圧縮損失と呼ぶ。
 上述の吐出損失と再圧縮損失はそのほとんどが冷媒ガスに熱として移動するため、圧縮機構部4から吐出後の高圧冷媒ガスの温度はその分高くなる。
 一方、HFO1234yfに代表される、塩素を含まず炭素と炭素間に2重結合を有するハイドロフルオロオレフィンはオゾン層破壊係数ODPがゼロでかつ、地球温暖化係数GWPが非常に低く、オゾン層破壊防止と地球温暖化防止に大きく貢献できるという利点があるため、様々な冷凍サイクルで用いられようとしている。しかし、その分子結合は不安定で、高温で分解しやすいという欠点も併せ持っている。
 すなわち、吐出損失や再圧縮損失が大きくなればなるほど冷媒ガスの温度は上昇し、高温となって分解してしまうというリスクが存在する。
 吐出ポート14での圧力損失を抑えて吐出損失を低減するには吐出ポート14の流路方向の長さを短くすればよいし、吐出ポート14の残留高圧冷媒ガスの量を抑えて再圧縮損失を低減するにも同様に吐出ポート14の流路方向長さを短くすればよい。
 しかし、そのために上軸受7の厚みHを縮小すれば、上軸受7の表裏圧力差によって変形し、上軸受7とローリングピストン6とが接触摺動して性能と信頼性を損なうことになる。
 そこで、本実施の形態1のように吐出ポート14と吐出逆止弁15の周りの厚みLだけを縮小し、上軸受7全体の剛性を損なわないように構成すれば、吐出損失と再圧縮損失を低減して冷媒の分解というリスクを回避することが可能である。
 また、吐出ポート14周囲の厚みがLの部位は、厚みがHの他の部位よりも薄いため、特に表裏圧力差による歪みが大きくなる。その最大歪みσmaxは圧力差に比例するとともに、吐出ポート14の直径Dと軸方向長さLとの縦横比D/Lの二乗にも比例する。
 R410A冷媒と本願の冷媒とを比較すると、本願の冷媒は圧力が概ね0.4倍に低下することから、R410A冷媒用に設計された従来の圧縮機の吐出ポート周りの最大歪みσmaxまで許容できる吐出ポート14の縦横比D/Lは約1.6倍となる。
 R410A冷媒用に設計された従来の圧縮機の吐出ポートの縦横比D/Lは概ね2~5であり、この範囲内で圧縮機の効率と信頼性の両立が図られているのに対し、本願の冷媒を用いた場合、吐出ポート14の縦横比D/Lをその約1.6倍の3~8に設定することで、吐出ポート14での圧力損失と再圧縮損失の最小化による効率向上と圧力差による上軸受7の吐出ポート14周りの損傷防止を実現でき、圧縮機の効率と信頼性の両立を図ることが可能である。
 吐出ポート14での損失、すなわち圧縮に必要な動力に加えて余分に与えられた動力はそのほとんどが冷媒の温度上昇や騒音として消費されるため、冷媒の温度上昇による分解を抑制することと吐出ポート14での損失を低減することとはほぼ同義である。
 図4は行程容積Vsを30cc、吐出ポート14の軸方向長さLを1.8mmとして吐出ポート14の直径Dを変化させたときの吐出ポート14の各損失の圧縮機総入力に占める割合のグラフである。圧縮機の運転条件はエアーコンディショナーで最も頻度の高い冷房中間条件である。横軸には吐出ポート14の内部容積Vdpと行程容積Vsとの比をとり、その内部容積Vdp内の高圧冷媒が低圧側の圧縮室に再膨張し、再圧縮されたときの再圧縮損失と、吐出ポート14を冷媒ガスが通過する際の圧力損失による圧縮室内圧力上昇に伴う動力損失(ここでは吐出損失という)、およびそれら再圧縮損失と吐出損失の合計である総損失をプロットしている。
 なお、エアーコンディショナー以外のヒートポンプ式給湯機や冷凍冷蔵庫、除湿機等でも概ねの傾向は同一であり、圧縮機の応用範囲や運転条件によって限定されるものではない。
 図4からも分かるとおり、Vdp/Vsが小さく(直径Dが小さく)なるに従い、圧力損失による吐出損失が増大する一方、再圧縮損失は減少していき、総損失は極小点を持つ。この極小点で吐出ポート14での損失は最小、すなわち冷媒の温度上昇が最小となる。
 前述のとおり、吐出ポート14の縦横比D/Lは3~8が適正であり、図4の総損失からその範囲を抽出したものを図5に示す。図5は吐出ポート14の軸方向長さLが1.8mmの場合の総損失であるが、縦横比D/Lを3~8に保ったまま軸方向長さLを変化させたときのグラフを図6に示す。図6はすなわち、吐出ポート14の適正な縦横比D/Lのなかで、吐出ポート14の直径Dと軸方向長さLを様々に変化させたときの吐出ポート14での総損失であり、その総損失は極小点を持つことが分かる。
 図6において、Vdp/Vsが概ね0.0025に極小点があり、それ以下の範囲において、吐出損失の増大による急激な総損失の増加が見られる。この総損失の急変がなく、同時に総損失を最小限にできる範囲として、縦軸に定義された圧縮機総入力に対する吐出ポート14での総損失の割合を2%以下とすることが望ましい。そのとき、Vdp/Vsの範囲は概ね0.0009から0.015である。
 なお、本実施の形態1ではローリングピストン式ロータリ圧縮機を一例として説明したが、スウィングベーン式やロータリーベーン式等のロータリ圧縮機や、レシプロ圧縮機やスクロール圧縮機等の他の圧縮方式の圧縮機でも同様の効果が得られることは当然である。
 作動冷媒としては、HFO1234yfに代表される炭素と炭素間に2重結合を有するハイドロフルオロオレフィンをベース成分とした単一冷媒、あるいは、この冷媒に、それ以外の冷媒、例えばハイドロフルオロカーボンや自然冷媒を混合した混合冷媒を用いても冷媒の分解というリスクは残るため、同様の効果が得られる。
 あるいは、ハイドロフルオロオレフィンをベース成分とし、2重結合を有しないハイドロフルオロカーボンと混合した冷媒を作動冷媒として使用することもできる。さらに、ハイドロフルオロオレフィンをテトラフルオロプロペン(HFO1234yf)とし、ハイドロフルオロカーボンをジフルオロメタン(HFC32)あるいはペンタフルオロエタン(HFC125)とした混合冷媒を作動冷媒として使用することもできる。
 しかしながら、吐出ポート14の縦横比D/LとVdp/Vsの最適範囲は使用する冷媒の圧力と密度によって変わり、上記混合冷媒の場合、ハイドロフルオロオレフィンの割合が小さくなるにしたがってR410A冷媒の圧力に近付くため、吐出ポート14の縦横比D/LとVdp/Vsの最適範囲もR410A冷媒のものに近付く。すなわち、本願の発明はハイドロフルオロオレフィンの割合が大きければ大きいほど、オゾン層破壊防止と地球温暖化防止により貢献できると同時に、吐出ポート14の縦横比D/LとVdp/Vsを最適範囲とすることで温度上昇による冷媒分解を抑制する効果がより大きくなる。
 (実施の形態2)
 図7は吐出逆止弁15が設けられた下軸受8の正面図、図8は下軸受8を吐出逆止弁15の長手方向に切断した断面図である。吐出逆止弁15は吐出ポート14を開閉させるフラッパーバルブ15aと、フラッパーバルブ15aが開いているときのリフトを拘束するバルブストップ15bとから構成され、ボルト16で上軸受7に固定されている。
 本実施の形態2は、実施の形態1に対して吐出逆止弁15が下軸受8に移動した構成となっており、実施の形態1と同様の効果が得られる。
 さらに、下軸受8は密閉容器1の下部に貯留されたオイルに浸漬しているため、吐出逆止弁15で発生する騒音がオイルによって減衰し、圧縮機外部へ出にくいことから、低騒音の圧縮機を提供することが可能である。
 以上のように、本発明にかかる圧縮機は、炭素と炭素間に2重結合を有するハイドロフルオロオレフィンをベース成分とした冷媒を用いることでオゾン層破壊防止と地球温暖化防止に寄与しながら、この冷媒が高温で分解しないように吐出ポートの流路方向長さを短縮することで吐出損失を低減して吐出冷媒ガスの温度上昇を抑制することができ、炭素と炭素間に2重結合を有するハイドロフルオロオレフィン系冷媒を用いたエアーコンディショナーやヒートポンプ式給湯機、冷凍冷蔵庫、除湿機などの用途にも適用できる。
 1 密閉容器
 2 電動要素
 3 駆動軸
 4 圧縮機構部
 5 シリンダ
 6 ローリングピストン
 7 上軸受
 8 下軸受
 9 圧縮室
 10 クランク軸偏芯部
 11 吸入室
 12 吸入口
 13 アキュームレータ
 14 吐出ポート
 15 吐出逆止弁
 15a フラッパーバルブ
 15b バルブストップ
 16 ボルト

Claims (7)

  1.  炭素と炭素間に2重結合を有するハイドロフルオロオレフィンをベース成分とした冷媒からなる単一冷媒または前記冷媒を含む混合冷媒を作動冷媒として使用し、密閉容器内に圧縮機構部を配し、前記圧縮機構部で圧縮されて高圧となった前記作動冷媒を前記圧縮機構部の外部へ排出する吐出ポートが前記圧縮機構部に設けられた圧縮機であって、
     前記吐出ポートの軸方向長さLは、前記吐出ポートが設けられた部材の厚みHよりも小さいことを特徴とする圧縮機。
  2.  前記圧縮機構部が、シリンダとローリングピストン、ベーンを上軸受と下軸受で挟み込むことで圧縮室を形成し、駆動軸の回転に伴って前記ローリングピストンが回転することで圧縮動作を行うロータリ方式である請求項1記載の圧縮機。
  3.  炭素と炭素間に2重結合を有するハイドロフルオロオレフィンをベース成分とし、2重結合を有しないハイドロフルオロカーボンと混合した冷媒を作動冷媒としたことを特徴とする請求項1または2に記載の圧縮機。
  4.  ハイドロフルオロオレフィンをテトラフルオロプロペン(HFO1234yf)とし、ハイドロフルオロカーボンをジフルオロメタン(HFC32)とした、混合冷媒を作動冷媒としたことを特徴とする請求項3記載の圧縮機。
  5.  ハイドロフルオロオレフィンをテトラフルオロプロペン(HFO1234yf)とし、ハイドロフルオロカーボンをペンタフルオロエタン(HFC125)とした、混合冷媒を作動冷媒としたことを特徴とする請求項3記載の圧縮機。
  6.  前記吐出ポートの直径をDとすると、D/Lは3から8の範囲である請求項1~5のいずれかに記載の圧縮機。
  7.  前記圧縮機構部の行程容積をVs、前記吐出ポートの容積をVdpとすると、Vdp/Vsは0.0009から0.015の範囲である請求項6記載の圧縮機。
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