JP5534401B2

JP5534401B2 - 流体機械及び冷凍サイクル装置

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Publication number: JP5534401B2
Application number: JP2009236877A
Authority: JP
Inventors: 卓也平山
Original assignee: Toshiba Carrier Corp
Current assignee: Carrier Japan Corp
Priority date: 2009-10-14
Filing date: 2009-10-14
Publication date: 2014-07-02
Anticipated expiration: 2029-10-14
Also published as: JP2011085035A

Description

本発明は流体機械に関し、特に構造が簡単で摺動によるエネルギー損失が少なく、低振動、低騒音の膨張機及び圧縮機を備えた流体機械及び冷凍サイクル装置に関する。

例えば、従来の膨張機及び圧縮機を備えた流体機械は、両端面を閉塞部材により閉塞されたシリンダを貫通する回転軸と、回転軸の偏心部に嵌合されシリンダ内に収納されることによりシリンダ内に膨張室を形成するロータと、回転軸の副偏心部に嵌合された公転部材とを備えている。公転部材と一方の閉塞部材とは対向する平面が接して摺動するように配置され、回転軸の回転に伴って公転部材が公転したときの特定のタイミングで、公転部材に形成された開口と閉塞部材に形成された吸入口とが連通され、膨張室内で膨張し、膨張して低圧となった後に吐出される（特許文献１）。

また、特許文献２に記載された流体機械の膨張機は、両端面を閉塞部材により閉塞されたシリンダと、シリンダを貫通する回転軸と、回転軸の偏心部に嵌合されシリンダ内に収納されることによりシリンダ内に膨張室を形成するロータと、偏心部に形成された連通路を備えている。偏心部は、連通路が形成された面が一方の閉塞部材の面に接して摺動するように配置され、回転軸の回転角が所定の範囲である間だけ、閉塞部材に形成された導入通路やロータの連通路を介して膨張室内で膨張し、低圧となった後に吐出される（特許文献２）。

特開２００１−１５３０７７特開２００４−４４５６９

特許文献１に記載された流体機械の膨張機は、回転軸に副偏心部を設ける必要があり、さらに、副偏心部に嵌合された公転部材の自転を防止するためのオルダム機構を設ける必要があり、構造が複雑になって低コスト化を図ることが困難である。また、公転部材が閉塞部材と面接触した状態で公転しているため、その摺動部分でのエネルギー損失は大きくなっている。

特許文献２に記載された流体機械の膨張機では、偏心部に連通路を形成するためには、偏心部の偏心量を大きくする必要があり、設計的に制約が大きくなっている。
前記いずれの流体機械も膨張機と圧縮機が離れて設けられており、偏心部の回転による振動、騒音が大きくなっている。

本発明の特徴は、膨張機と圧縮機を備えた流体機械において、内周面を有する膨張機シリンダと、前記膨張機シリンダ内に膨張機側偏心部を有し、前記膨張機シリンダ内を貫通して設けられた回転軸と、前記膨張機シリンダの一端面を閉塞する仕切板と、前記膨張機シリンダの他端面を閉塞する閉塞部材と、によって形成された膨張室と、前記回転軸の膨張機偏心部に嵌合され、前記膨張機シリンダの内周面に接して前記膨張室内を公転するローラと、前記ローラの公転に対応して往復運動し、前記膨張室内を高圧ガス流入側と低圧ガス吐出側とに２分するブレードを有する膨張機と、内周面を有し、前記仕切板の他端面に設けられた圧縮機シリンダと、前記圧縮機シリンダ内に圧縮機側偏心部を有し、貫通して設けられた前記回転軸と、前記圧縮機シリンダの他端面を閉塞する閉塞部材と、前記仕切板と、によって形成された圧縮室と、前記回転軸の偏心部に嵌合され、前記圧縮機シリンダの内周面に接して前記圧縮室内を公転するローラと、前記ローラの公転に対応して往復運動し、前記圧縮室内を低圧ガス流入側と高圧ガス吐出側とに２分する圧縮機ブレードとを有する圧縮機と、前記膨張室への高圧冷媒の流入を断続させる規制手段とを備え、前記規制手段は膨張用吸込ガスを導入する通路を前記圧縮機ブレードの往復運動により開閉する流体機械とである。
前記流体機械と、圧縮機と、膨張機と、を備えた冷凍サイクル装置である。

本発明は構造が簡単化され、運転時における部材間の摺動によるエネルギー損失と振動及び騒音を低減する圧縮機と膨張機を備えた流体機械及び、この流体機械備えた冷凍サイクル装置を提供することが出来る。

本発明の一実施形態の流体機械を示す縦断面図である。図１に組み込まれる圧縮機の要部斜視図である。図１の流体機械における圧縮機と膨張機の動作図である。本発明の第２実施形態の流体機械における圧縮機と膨張機の動作図である。本発明の流体機械を用いた冷凍サイクル装置の冷凍サイクル図である。

以下、本発明の一実施の形態を図面を用いて説明する。

図１に示す流体機械１は冷凍サイクル装置の一部として用いられるもので、電動機２と、圧縮機３と、膨張機４と、これらの電動機２と圧縮機３と膨張機４とを収納するケース５とを備えている。ケース５には圧縮機３で圧縮された高温・高圧の冷媒を吐出する吐出管６と、冷凍サイクル装置の凝縮器３３（図５参照）で放熱された高圧冷媒を、圧縮機シリンダ１０に設けられた膨張用吸込ガス導入通路２２を通し、膨張機４に流入させる流入管７と、膨張機４で膨張された冷媒を吐出する吐出管８と、冷凍サイクル装置の蒸発器３４で吸熱された低圧冷媒が圧縮機３に向けて流入する流入管９とが設けられている。

電動機２は、回転軸１２に固定されたロータ１３と、ケース５の内壁面に固定支持されたステータ１４とを有し、ステータ１４に電流が流れることで、ロータ１３を介して前記回転軸１２に回転動力が与えられるようになっている。

圧縮機３は圧縮機シリンダ１０と、閉塞部材としての上軸受１５、仕切板１９と、回転軸１２及び回転軸１２に一体形成された圧縮機側偏心部１２ａと、圧縮機ローラ２０と、圧縮機ブレード１６と、規制手段１７（図３参照）を有している。
尚、図２に前記圧縮機シリンダ１０を示す。

圧縮機３は、圧縮機シリンダ１０と、圧縮機シリンダ１０の上下端面に設けられた上軸受１５及び仕切板１９によって形成された圧縮室１８内に、圧縮機ローラ２０と回転軸１２の圧縮機偏心部１２ａが設けられるとともに、前記回転軸１２が前記圧縮機シリンダ１０を貫通している。圧縮機３を貫通した回転軸１２は前記上軸受１５と下軸受２１とにより回転自在に支持されている。
圧縮機シリンダ１０には膨張機４へ高圧の冷媒を導入するための膨張用吸込ガス導入通路２２が形成されており、前記膨張用吸込ガス導入通路２２は、仕切板に形成された仕切板ガス導入通路２９及び流入管７と連通している。

前記膨張用吸込ガス導入通路２２は、圧縮機シリンダ１０の下端面に形成された溝と、この溝を覆う仕切板１９とからなり、圧縮機シリンダ１０に形成された圧縮機ブレード１６が往復運動する圧縮機ブレード溝２６と交差して設けられている。
圧縮機ブレード１６には往復運動により前記膨張用吸込ガス導入通路２２を開閉する連通路２５が形成されており、高圧冷媒の流入を断続させる規制手段１７（図３参照）となっている。

膨張機４は膨張機シリンダ１１と閉塞部材としての仕切板１９、下軸受２１と、回転軸１２、膨張機ローラ２３と膨張機ブレード２８を有している。

膨張機シリンダ１１は略円筒状に形成されて内周面１１ａを有しており、膨張機シリンダ１１の上側の端面が仕切板１９で閉塞され、膨張機シリンダ１１の下側の端面が下軸受２１で閉塞され、膨張機シリンダ１１における仕切板１９と下軸受２１で閉塞された領域が膨張室２４となっている。

回転軸１２は、膨張機シリンダ１１と仕切板１９と、下軸受２１とを貫通して設けられており、回転軸１２における膨張室２４内に位置する部分に膨張機側偏心部１２ｂが形成され、この膨張機側偏心部１２ｂに膨張機ローラ２３が回転可能に嵌合されている。膨張機ローラ２３は回転軸１２の回転に伴い膨張機シリンダ１１の内周面１１ａに接しながら膨張室２４内を公転する。

膨張機ブレード２８は、膨張機シリンダ１１に形成された膨張機ブレード溝３１内に摺動可能に収容され、摺動方向の一端を膨張機ローラ２３の外周面に当接するように、スプリング２７により押圧付勢され、膨張機ローラ２３の公転に対応して膨張機ブレード溝３１内を往復移動する。膨張機ブレード２８が膨張機ローラ２３の外周面に当接されることにより、膨張室２４は膨張機ローラ２３と膨張機ブレード２８とにより二分され、一方は、流入管７と圧縮機シリンダ１０に形成された膨張用吸込ガス導入通路２２と、仕切板１９に形成された仕切板ガス導入通路２９を経由した高圧冷媒が流入する流入側膨張室２４ａ（図３参照）と連通しており、他方は、吐出側膨張室２４ｂと吐出通路３０と吐出管８とが連通している。

前記回転軸１２の圧縮機側偏心部１２ａと膨張機側偏心部１２ｂの偏心方向は位相差が設けられ、前記圧縮機ブレード１６と前記膨張機ブレード２８は同一の摺動方向に設けられている。
前記位相差は圧縮機ブレード１６と膨張機ブレード２８の位置及び膨張機ガス流入量と膨張機ガス流入のタイミングにより決定するものであり、本実施例では圧縮機偏心部１２ａの偏心方向に対して膨張機偏心部１２ｂの偏心方向を回転軸１２の反回転方向に９０°ずらして設ける。

このような構成において、膨張機２の膨張動作を図３に基づいて説明する。尚、図３（ａ）ないし図３（ｅ）の上側に圧縮室１８、下側に膨張室２４の横断面図を示し、回転軸１２が９０°回転する毎の様子を示す。回転軸１２は矢印方向に回転し、圧縮機ローラ２０，２３はその回転方向と同じ方向に公転する。

膨張機偏心部１２ｂの偏心方向が膨張機ブレード２８の摺動方向と一致し、膨張機ブレード２８が膨張室２４から最も後退するときの回転軸１２の回転角度を０°として、図３（ａ）に示すように回転軸１２の回転角度が略０°（３６０°）になったとき、圧縮機ブレード１６が圧縮室１８に入り込む方向に移動し、圧縮機ブレード１６により遮断されていた膨張用吸込ガス導入通路２２は連通路２５を介して連通開始状態となり、高圧冷媒が流入管７、膨張用吸込ガス導入通路２２、仕切板ガス導入通路２９を経由して膨張室２４に流入可能となる。

回転軸１２が図３（ａ）の位置から回転し図３（ｂ）に示すように回転軸１２の回転角度が略９０°となったときには、膨張用吸込ガス導入通路２２は連通路２５を介して連通状態が維持される。また、このとき圧縮機ブレード１６は圧縮室方向に最も移動した状態となり、連通路２５での膨張用吸込ガスの通路断面積は最大となる。

回転軸１２が回転し図３（ｃ）に示すように、回転軸１２の回転角度が１８０°となったときには、膨張用吸込ガス導入通路２２は圧縮機ブレード１６により遮断され、高圧の冷媒が膨張室に供給されることはない。このときに流入側膨張室２４ａの高圧冷媒の膨張が開始する。

回転軸１２が回転し図３（ｄ）に示すように、回転軸１２の回転角度が２７０°となったときには、膨張用吸込ガス導入通路２２は圧縮機ブレード１６による遮断状態が維持される。また、このとき圧縮機ブレード１６は反圧縮室方向に最も移動した状態となる。

回転軸１２が回転し図３（ｅ）に示すように、回転軸１２の回転角度が３６０°となり、図３（ａ）と同様の状態になる。膨張用吸込ガス導入通路２２は連通路２５を介して連通状態となる。また、このときには、流入側膨張室２４ａが吐出側膨張質２４ｂに替わり、膨張後の低圧の冷媒が収容されている吐出側膨張室２４ｂが吐出通路３０に連通され吐出通路３０と吐出管８を経由して低圧冷媒の吐出が開始する。

ここで、この圧縮機３と膨張機４は、圧縮機ローラ２０、膨張機ローラ２３の外周面に圧縮機ブレード１６、膨張機ブレード２８の一端を当接させ、圧縮機ローラ２０、膨張機ローラ２３の公転に伴って圧縮機ブレード１６、膨張機ブレード２８を摺動させ、さらに、圧縮機ブレード１６の往復移動動作によって流入側膨張室２４ａへの高圧冷媒の流入を断続させる構成であるため、膨張機の構造を簡単化することが出来る。
また、膨張機４の運転時において、背景技術に記載の副偏心部がなく、部材間の摺動によるエネルギー損失を低減することが出来る。ケース５内部下方には潤滑油３２が封入してあり、膨張機４が潤滑油面３２ａより低い位置に設けられているため、膨張機４の潤滑性が高い。
本流体機械の膨張機は高圧冷媒の膨張エネルギーの一部を動力として回収するものであり、圧縮室１８と膨張室２４の容積では圧縮室１８が大きく、膨張機側偏心部１２ｂよりも圧縮機側偏心部１２ａの偏心重量が大きい。このために回転軸１２に回転アンバランスが生じ、この回転アンバランスを相殺するために電動機部のロータ１３の上下にバランスウェイトを設ける。圧縮機３を電動機２と膨張機４の間に設けることで、前記バランスウェイトの重量を小さくすることができる。

次に本発明の第２の実施形態に係る流体機械ついて、図面に基いて説明する。なお、流体機械の構成は下記の構成を除いて図１ないし図３で説明した実施例１同一であり、同一符号を付して説明は省略する。第２の実施形態に係る流体機械は、回転軸１２の圧縮機側偏心部１２ａと回転軸１２の膨張機側偏心部１２ｂの偏心方向は１８０°の位相差で形成されており、膨張機ブレード２８は圧縮機ブレード１６に対して回転軸１２軸心を中心に回転方向とは逆方向に９０°回転した位置に設けられている。このような構成において、膨張機２の膨張動作を図４に示す。回転軸１２は矢印方向に回転し、圧縮機ローラ２０、膨張機ローラ２３はその回転方向と同じ方向に公転し、回転に伴う高圧ガス流入の規制手段とタイミングは実施例１と同様である。

図４（ａ）ないし図４（ｅ）に圧縮機３と膨張機４のローラ回転角度の関係を示す。上側に圧縮室１８、下側に膨張室２４の横断面図を示し、回転軸１２の回転角が９０°回転する毎の様子を示す。

膨張機偏心部１２ｂの偏心方が膨張機ブレード２８の摺動方向と一致し、膨張機ブレード２８が膨張室２４から最も後退するときの回転軸１２の回転角度を０°として、図４（ａ）に示すように回転軸１２の回転角度が略０°（３６０°）になったとき、圧縮機ブレード１６が圧縮室１８に入り込む方向に移動し、圧縮機ブレード１６により遮断されていた膨張用吸込ガス導入通路２２は連通路部２５を介して連通状態となり、高圧の冷媒が仕切板ガス導入通路２９を経由して膨張室２４に流入可能となる
。

図４（ｂ）に示すように、回転軸１２が図４（ａ）の状態から回転し回転軸１２の回転角度が略９０°となったときには、膨張用吸込ガス導入通路２２は連通路部２５を介して連通状態が維持される。また、このとき圧縮機ブレード１６の圧縮室方向に移動しきった状態となり、連通路２５での高圧冷媒の流路断面積は最大となる。

図４（ｃ）に示すように、回転軸１２の回転角度が１８０°となったときには、膨張用吸込ガス導入通路２２は圧縮機ブレード１６により遮断され、高圧の冷媒が膨張室に供給されることはない。このときに高圧冷媒の膨張が開始する。

図４（ｄ）に示すように、回転軸１２の回転角度が２７０°となったときには、膨張用吸込ガス導入通路２２はブレード１６による遮断状態が維持される。また、このとき圧縮機ブレード１６は反圧縮室方向に移動しきった状態となる。

図４（ｅ）に示すように、回転軸１２の回転角度が３６０°となり、図４−ａと同様の状態になる。膨張用吸込ガス導入通路２２は連通路２５を介して連通状態となる。また、このときには、膨張後の低圧の冷媒が収容されている吐出側膨張室２４ｂが吐出通路３０に連通され、吐出通路３０と吐出管８を経由して低圧冷媒の吐出が開始する。

本実施例では前記実施例１の効果に加え、圧縮機側偏心部１２ａ、膨張機側偏心部１２ｂの偏心方向の位相差を１８０°とし、偏心部の偏心回転による回転アンバランス力が相殺され、低振動、低騒音化を図ることができる。

なお、前記実施例１及び実施例２においては、圧縮機ブレード１６と圧縮機ローラ２０及び膨張機ローラ２３と膨張機ブレード２８の少なくとも一方を一体形成または一体的に形成したスイングタイプとしても良い。

図５に前記実施例１及び実施例２の流体機械１を用いた冷凍サイクル装置の冷凍サイクルの概念図を示す。
図５に示すように、本発明に係る冷凍サイクル装置は、流体機械１の圧縮機３の吐出管６と、凝縮器３３と、膨張機４の流入管７、膨張機４の吐出管８と、蒸発器３４と、流体機械の圧縮機部の流入管９と、を順次接続してなる。

１…流体機械、２…電動機、３…圧縮機、４…膨張機、５…ケース、６…吐出管、７…流入管、８…吐出管、９…流入管、１０…圧縮機シリンダ、１１…膨張機シリンダ、１２…回転軸、１３…ロータ、１４…ステータ、１５…上軸受、１６…圧縮機ブレード、１７…規制手段、１８…圧縮室、１９…仕切板、２０…圧縮機ローラ、２１…下軸受、２２…膨張用吸込ガス導入路、２３…膨張機ローラ、２４…膨張室、２５…連通路、２６…圧縮機ブレード溝、２７…スプリング、２８…膨張機ブレード、２９…仕切板ガス導入路、３０…吐出通路、３１…膨張機ブレード溝、３２…潤滑油、３３…凝縮器、３４…蒸発器

Claims

内周面を有する膨張機シリンダと、前記膨張機シリンダ内に膨張機側偏心部を有し、前記膨張機シリンダ内を貫通して設けられた回転軸と、前記膨張機シリンダの一端面を閉塞する仕切板と、前記膨張機シリンダの他端面を閉塞する閉塞部材と、によって形成された膨張室と、前記回転軸の膨張機側偏心部に嵌合され、前記膨張機シリンダの内周面に接して前記膨張室内を公転するローラと、前記ローラの公転に対応して往復運動し、前記膨張室内を高圧ガス流入側と低圧ガス吐出側とに２分するブレードを有する膨張機と、
内周面を有し、前記仕切板の他端面に設けられた圧縮機シリンダと、前記圧縮機シリンダ内に圧縮機側偏心部を有し、貫通して設けられた前記回転軸と、前記圧縮機シリンダの他端面を閉塞する閉塞部材と、前記仕切板と、によって形成された圧縮室と、前記回転軸の圧縮機側偏心部に嵌合され、前記圧縮機シリンダの内周面に接して前記圧縮室内を公転するローラと、前記ローラの公転に対応して往復運動し、前記圧縮室内を低圧ガス流入側と高圧ガス吐出側とに２分する圧縮機ブレードとを有する圧縮機と、
前記膨張室への高圧冷媒の流入を断続させる規制手段を備え、
前記規制手段は膨張用吸込ガスを導入する通路を前記圧縮機ブレードの往復運動により開閉することを特徴とする流体機械。
前記規制手段は前記圧縮機シリンダに形成された圧縮機ブレード溝と交差する膨張用吸込ガス導入通路と、前記圧縮機ブレードに設けられ、この圧縮機ブレードが所定の摺動範囲を摺動するときに前記膨張用吸込ガス導入通路を連通状態とする連通路部を備えた請求項１に記載の流体機械。
前記連通路部は前記圧縮機ブレードが前記圧縮室内に最も入り込んだ場合において、前記連通状態の連通面積が最大となる位置に設けられたことを特徴とする請求項２に記載の流体機械。
前記膨張用吸込ガス導入通路は、前記圧縮機シリンダの前記仕切板側の端面に形成された凹状の溝を前記仕切板で覆うことにより形成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか記載の流体機械。
前記回転軸に設けられた圧縮機側偏心部と膨張機側偏心部が１８０°の位相差で設けられ、圧縮機シリンダが膨張機シリンダに対して回転軸の回転方向に９０°回転して設けられた請求項１ないし４のいずれか記載の流体機械。
前記回転軸を駆動させる電動機部と前記膨張機と前期圧縮機を収納し、前記電動機と前記膨張機の間に前記圧縮機を設けたことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか記載の流体機械。
請求項１ないし６のいずれか記載の流体機械と、凝縮器と、蒸発器と、を備えた冷凍サイクル装置。