特許 5714479 油冷式２段圧縮機及びヒートポンプ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5714479

(24)【登録日】2015年3月20日

(45)【発行日】2015年5月7日

(54)【発明の名称】油冷式２段圧縮機及びヒートポンプ

(51)【国際特許分類】

   F04C 29/04 20060101AFI20150416BHJP

   F04C 18/16 20060101ALI20150416BHJP

【ＦＩ】

   F04C29/04 B

   F04C18/16 Q

【請求項の数】4

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2011-284072(P2011-284072)

(22)【出願日】2011年12月26日

(65)【公開番号】特開2013-133740(P2013-133740A)

(43)【公開日】2013年7月8日

【審査請求日】2013年9月2日

(73)【特許権者】

【識別番号】000001199

【氏名又は名称】株式会社神戸製鋼所

(74)【代理人】

【識別番号】100081422

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 光雄

(74)【代理人】

【識別番号】100101454

【弁理士】

【氏名又は名称】山田 卓二

(74)【代理人】

【識別番号】100100170

【弁理士】

【氏名又は名称】前田 厚司

(72)【発明者】

【氏名】吉村 省二

(72)【発明者】

【氏名】大上 貴博

【審査官】 山本 崇昭

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２００７／０００８１５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 実開昭６３−１０２９８８（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 実開昭５６−１１８９８８（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 実開平６−２２５８７（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開昭５１−４５３１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開昭６２−７８３８６（ＪＰ，Ｕ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０４Ｃ ２９／０４

Ｆ０４Ｃ １８／１６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

油分離器と、凝縮器と、膨脹弁と、蒸発器と共に介設されて、冷媒を封入した閉じた冷媒循環流路を構成する油冷式２段圧縮機であって、
吸込流路から気体を吸い込んで油と共に圧縮し、中間圧力空間に吐出する第１段圧縮部と、前記中間圧力空間から気体を吸い込んで油と共に圧縮し、吐出流路に吐出する第２段圧縮部とからなり、
前記第１段圧縮部のスクリュロータの一方と前記第２段圧縮部のスクリュロータの一方とが軸心を同じくして設けられ、
前記第１段圧縮部の吸込流路、前記第１段圧縮部の吐出流路、前記中間圧力空間、前記第２段圧縮部の吸込流路、前記第２段圧縮部の吐出流路、及び軸受空間が、前記軸心に沿って順に設けられた油冷式２段圧縮機において、
前記第２段圧縮部の吐出側の軸封構造及び軸受の少なくともいずれかに油を供給する油供給流路と、
前記第２段圧縮部の吐出側の軸封構造及び軸受の少なくともいずれかから前記軸受空間に流出する油を前記第１段圧縮部の圧縮途中の空間である閉じ込み空間に環流させる油環流路とを有することを特徴とする油冷式２段圧縮機。

【請求項2】

前記油環流路は、分岐して前記中間圧力空間にも接続され、前記閉じ込み空間への流路を遮断可能な低圧開閉弁と、前記中間圧力空間への流路を遮断可能な高圧開閉弁とを備え、
さらに、前記油供給流路の圧力が前記油環流路の圧力よりも高い場合には、前記低圧開閉弁を閉じて前記高圧開閉弁を開き、前記油供給流路の圧力が前記油環流路の圧力以下である場合には、前記低圧開閉弁を開いて前記高圧開閉弁を閉じる流路制御装置を有することを特徴とする請求項１に記載の油冷式２段圧縮機。

【請求項3】

前記閉じ込み空間は、圧力が前記吸込流路の圧力の１．１倍になる空間であることを特徴とする請求項１または２に記載の油冷式２段圧縮機。

【請求項4】

請求項１から３のいずれかに記載の油冷式２段圧縮機を有するヒートポンプ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、油冷式２段圧縮機及びヒートポンプに関する。

【背景技術】

【0002】

油冷式圧縮機では、ロータ室内の空間であって、ロータによって吸込流路及び吐出流路から隔離された閉じ込み空間に、ロータの冷却、潤滑、シールのために、油が供給されるほか、軸封部や軸受部に油が供給される。そのため、圧縮機から吐出したガスに油が含まれるだけでなく、軸封部や軸受部からも油が流出する。軸封部等には所定量以上の油を供給することが必要であるため、例えば、特許文献１には、軸封部から流出した油を、当該油の圧力と略等しい圧力を有する圧縮機内の空間に環流させることが記載されている。具体的には、特許文献１に開示の油冷式圧縮機では、吐出側の軸封部から流出する油を、上記の閉じ込み空間に環流させている。

【0003】

しかしながら、圧縮機の用途によっては、吸込圧力と吐出圧力とが独立して変動する場合があり、吐出側の軸封部や軸受部から流出する油の圧力と等しい圧力となる部分を特定できるとは限らない。その場合、吐出側の軸封部や軸受部から流出する油は、吸込流路に環流されるように構成される。

【0004】

圧縮機を用いて冷媒を循環させるヒートポンプ（冷凍機を含む）において、圧縮機の吸込圧力は蒸発器における冷媒の蒸発温度に依存し、圧縮機の吐出圧力は凝縮器における冷媒の凝縮温度に依存する。一般に、ヒートポンプに２段圧縮機を使用する場合、２段目の吐出側の軸封部や軸受部から流出した油は、中間圧力空間、つまり、１段目の圧縮機の吐出流路であって２段目の圧縮機の吸込流路に環流されるようになっている。

【0005】

中間圧力空間の圧力（中間圧力）は、通常、ヒートポンプなどでは、吸込圧力と１段目の圧縮機の圧縮比とによって決定される。したがって、温熱源（又は冷却負荷）と冷熱源（または加熱負荷）の条件によっては、１段目の吸込圧力が上昇し、中間圧力が２段目の吐出圧力よりも高くなる場合がある。すると、従来の２段圧縮機では、２段目の吐出側の軸封部や軸受部を介した油の循環が滞り、軸受等が損傷するという問題が生じる。

【0006】

２段目の吐出側の軸封部や軸受部から流出した油を１段目の吸込流路に環流させれば、油の循環を確保できるが、油の圧力と吸込圧力との差が大きい場合、吸込流路に供給された瞬間に油の圧力が低下し、油に溶け込んでいたガスが遊離（脱気）する。このガスの遊離は、歯溝圧力を上昇させて圧縮機の性能低下を招来する。一般に、ヒートポンプに使用する冷媒は、油に溶け込み易いため、冷媒の脱気による性能低下の問題が顕在化し易い。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】実開平６−２２５８７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

前記問題に鑑みて、本発明は、吸込圧力及び吐出圧力が変動しても油の循環を確保できるとともに性能が低下しない油冷式２段圧縮機及びヒートポンプを提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

前記課題を解決するために、本発明による油冷式２段圧縮機は、油分離器と、凝縮器と、膨脹弁と、蒸発器と共に介設されて、冷媒を封入した閉じた冷媒循環流路を構成する油冷式２段圧縮機であって、吸込流路から気体を吸い込んで油と共に圧縮し、中間圧力空間に吐出する第１段圧縮部と、前記中間圧力空間から気体を吸い込んで油と共に圧縮し、吐出流路に吐出する第２段圧縮部とからなり、前記第１段圧縮部のスクリュロータの一方と前記第２段圧縮部のスクリュロータの一方とが軸心を同じくして設けられ、前記第１段圧縮部の吸込流路、前記第１段圧縮部の吐出流路、前記中間圧力空間、前記第２段圧縮部の吸込流路、前記第２段圧縮部の吐出流路、及び軸受空間が、前記軸心に沿って順に設けられた油冷式２段圧縮機において、前記第２段圧縮部の吐出側の軸封構造及び軸受の少なくともいずれかに油を供給する油供給流路と、前記第２段圧縮部の吐出側の軸封構造及び軸受の少なくともいずれかから前記軸受空間に流出する油を前記第１段圧縮部の圧縮途中の空間である閉じ込み空間に環流させる油環流路とを有するものとする。

【0010】

この構成によれば、吐出圧力の低下にともなって第２段圧縮部の吐出側の軸封構造や軸受から流出する油の圧力が低下しても、中間圧力空間よりもさらに圧力が低い閉じ込み空間に油を環流させるので、油の循環が確保でき、軸受の損傷等を防止できる。また、閉じ込み空間の圧力は吸込圧力よりも高いので、油の圧力に対する圧力差が大きくなりすぎず、吐出圧力が高いときに油に溶け込んだ気体が遊離することによって生じ得る性能低下を抑制できる。

【0011】

また、本発明の油冷式２段圧縮機において、前記油環流路は、分岐して前記中間圧力空間にも接続され、前記閉じ込み空間への流路を遮断可能な低圧開閉弁と、前記中間圧力空間への流路を遮断可能な高圧開閉弁とを備え、さらに、前記油供給流路の圧力が前記油環流路の圧力よりも高い場合には、前記低圧開閉弁を閉じて前記高圧開閉弁を開き、前記油供給流路の圧力が前記油環流路の圧力以下である場合には、前記低圧開閉弁を開いて前記高圧開閉弁を閉じる流路制御装置を有してもよい。

【0012】

この構成によれば、第２段圧縮部の吐出側の軸封構造や軸受から流出する油の圧力が高いときには、より高圧の中間圧力空間に油を環流させるので、油に溶け込んだ気体の遊離による性能低下をさらに抑制できる。また、流出する油の圧力が低いときには、閉じ込み空間に環流させることで、油の循環を確保できる。

【0013】

また、本発明によるヒートポンプは、前記油冷式２段圧縮機を有するものとする。

【0014】

また、Ｒ２４５ｆａを冷媒として冷水及び温水を製造するためのヒートポンプに本発明の油冷式２段圧縮機を適用する場合に予想される条件を勘案すると、前記閉じ込み空間は、圧力が前記吸込流路の圧力の１．１倍になる空間であることが好ましい。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本発明の第１実施形態のヒートポンプの構成図である。

【図2】本発明の第２実施形態のヒートポンプの構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

これより、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。先ず、図に、本発明の第１実施形態であるヒートポンプの構成を示す。本実施形態のヒートポンプ装置は、それ自体も本発明の１つの実施形態である油冷式２段スクリュ圧縮機１と、油分離器２と、凝縮器３と、膨張弁４と、蒸発器５とを介設してなり、冷媒（例えばＲ２４５ｆａ）を封入した閉じた冷媒循環流路６を構成する。

【0017】

油冷式２段スクリュ圧縮機１は、気体である冷媒を圧縮するが、このとき、冷却、潤滑及びシールのために、油を混合して冷媒を圧縮する。油冷式２段スクリュ圧縮機１が吐出した冷媒は、油分離器２に導入され、冷媒と油とが分離される。油分離器２において分離された油は、油冷式２段スクリュ圧縮機１の吐出圧によって、油冷式２段スクリュ圧縮機１に環流される。

【0018】

油分離器２において油が除去された冷媒は、凝縮器３に導入される。凝縮器３は、冷媒と水との間で熱交換を行い、水を加熱して温水を製造する熱交換器である。凝縮器３において、冷媒は凝縮して液体になる。

【0019】

凝縮器３において凝縮した冷媒は、膨張弁４で減圧されて蒸発器５に供給される。蒸発器５は、冷媒と水との間で熱交換を行い、水を冷却して冷水を製造する熱交換器である。蒸発器５において、冷媒は蒸発して気体になる。蒸発器５において、蒸発した冷媒は、油冷式２段スクリュ圧縮機１に再供給される。

【0020】

油冷式２段スクリュ圧縮機１は、ハウジング７の中に第１段圧縮部８と第２段圧縮部９とが形成されている。

【0021】

第１段圧縮部８は、ハウジング７に形成されたロータ室１０に雌雄一対のスクリュロータ１１を収容してなり、冷媒循環流路６に接続されるように形成された吸込流路１２から冷媒を吸い込んで圧縮し、吐出流路１３を介してハウジング７内に形成された中間圧力空間１４に吐出する。スクリュロータ１１は、ロータ室１０内の空間を区分して複数の閉鎖された閉じ込み空間１５を形成し、回転にともなって閉じ込み空間１５の容積を小さくすることにより、冷媒を圧縮する。このとき、第１段圧縮部８は、油とともに冷媒を吸い込んで、ハウジング７及びスクリュロータの冷却、並びに、スクリュロータ１１間及びスクリュロータ１１とロータ室１０の内壁との間のシール及び潤滑を行うようになっている。

【0022】

また、第２段圧縮部９も、第１段圧縮部８と同様に、ハウジング７に形成されたロータ室１６に雌雄一対のスクリュロータ１７を収容してなり、吸込流路１８を介して中間圧力空間１４から冷媒を吸い込んで圧縮し、吐出流路１９を介して冷媒循環流路６に吐出する。第１段圧縮部８のスクリュロータ１１の一方と第２段圧縮部９のスクリュロータ１７の一方とは、その軸がモータ２０の出力軸と一体に接続されている。

【0023】

スクリュロータ１１，１７は、その軸が、軸受２１，２２，２３，２４によって支持されている。中間圧力空間１４は、第１段圧縮部８と第２段圧縮部９とを接続する冷媒の流路であるだけでなく、軸受２２，２３を収容する空間と一体であり、軸受２２，２３に潤滑のための油を供給するための流路でもある。同様に、第１段圧縮部８の吸込側及び第２段圧縮部９の吐出側には、軸受空間２５，２６が形成されている。軸受空間２５，２６は軸受２１，２４を潤滑するための油の流路にもなっている。

【0024】

第２段圧縮部９の吐出側の軸受２４には、潤滑のために、油分離器２から油供給流路２７を介して油が供給されるようになっている。軸受２４を潤滑した油は、軸受空間２６に流出する。油冷式２段スクリュ圧縮機１は、第２段圧縮部９の吐出側の軸受空間２６と、第１段圧縮部５の閉じ込み空間１５とを接続する油環流路２８を備える。尚、油環流路２８が閉じ込み空間１５と接続される位置での閉じ込み空間１５における冷媒の圧力は、吸込流路１２における冷媒の圧力の約１．１倍である。

【0025】

軸受空間２６に流出する油の圧力は、油分離器２からの油の供給圧力、つまり、油冷式２段スクリュ圧縮機１（第２段圧縮部９）の吐出圧力と略同じで、軸受２４における圧力損失分だけ僅かに低い圧力になる。油冷式２段スクリュ圧縮機１の吐出圧力は、凝縮器３における凝縮温度によって決定される。本実施形態において想定される運転条件では、油冷式２段スクリュ圧縮機１の吐出圧力は、０．６１Ｍｐａまで低下する可能性がある。また、油冷式２段スクリュ圧縮機１（第１段圧縮部８）の吸込圧力は、蒸発器５における蒸発温度によって決定される。本実施形態においては、蒸発温度が最高６６℃となることを想定している。この場合、吸込圧力は、０．５４ＭＰａになる。したがって、油環流路２８が接続された第１段圧縮部５の閉じ込み空間１５の圧力は、吐出圧力の最低値である０．６１Ｍｐａと同じであり、油環流路２８を介した油の循環をぎりぎり確保できる。

【0026】

このように、本実施形態では、凝縮器３における凝縮温度が低く、蒸発器５における蒸発温度が高くなっても、油環流路２８を介して軸受空間２６から油を排出して、軸受２４への新たな油の供給を確保できる。また、閉じ込み空間１５は、吸込流路１２よりも圧力が高いため、油環流路２８を介して流入した油の圧力低下が少なくて済む。このため、油の圧力低下にともなって遊離する冷媒の量を少なくし、油冷式２段スクリュ圧縮機１の性能低下を抑制する。

【0027】

続いて、図２に、本発明の第２実施形態のヒートポンプの構成を示す。尚、本実施形態において、第１実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付して、重複する説明を省略する。本実施形態のヒートポンプでは、油環流路２８が分岐して、中間圧力空間１４にも接続されている。そして、油環流路２８は、閉じ込み空間１５への油の流路を遮断可能な低圧開閉弁２９と、中間圧力空間１４への油の流路を遮断可能な高圧開閉弁３０とを備えている。また、本実施形態の、油冷式２段スクリュ圧縮機１は、油分離器３から供給される油の圧力Ｐｄを検出する吐出圧力センサ３１と、中間圧力空間１４の圧力Ｐｍを検出する中間圧力センサ３２と、吐出圧力センサ３１及び中間圧力センサ３２の検出値に応じて低圧開閉弁２９及び高圧開閉弁３０を開閉する流路制御装置３３とを有する。

【0028】

流路制御装置３３は、吐出圧力センサ３１が検出した圧力ｐｄと中間圧力センサ３２が検出した圧力Ｐｍとを比較し、吐出圧力センサ３１の検出した圧力ｐｄが中間圧力センサ３２の検出した圧力Ｐｍよりも高ければ、低圧開閉弁２９を閉鎖して高圧開閉弁３０を開放する一方、吐出圧力センサ３１の検出した圧力ｐｄが中間圧力センサ３２の検出した圧力Ｐｍ以下であれば、低圧開閉弁２９を開放して高圧開閉弁３０を閉鎖する。

【0029】

つまり、本実施形態は、吐出圧Ｐｄが高い場合には、第２段圧縮部９の吐出側の軸受空間２６に流出した油を、第１段圧縮部８の閉じ込み空間１５よりも圧力が高い中間圧力空間１４に環流させる。これにより、油の圧力低下にともなって油から遊離する冷媒の量を少なくし、油冷式２段スクリュ圧縮機１の吐出圧力が高いときの性能低下を小さくしている。また、本実施形態は、吐出圧Ｐｄが低い場合には、第２段圧縮部９の吐出側の軸受空間２６に流出した油を、第１実施形態と同様に、第１段圧縮部８の閉じ込み空間１５に環流させることで、油の循環を確保している。

【0030】

尚、上述の実施形態では、軸受２４から流出する油を油環流路２８を介して閉じ込み空間１５に環流させる例を説明したが、油供給流路２７から供給される油によって軸封を行う軸封構造を有する場合、第２段圧縮部９の吐出側の軸封構造から流出する油を油環流路２８を介して閉じ込み空間１５に環流させてもよい。

【符号の説明】

【0031】

１…油冷式２段スクリュ圧縮機
７…ハウジング
８…第１段圧縮部
９…第２段圧縮部
１０…ロータ室
１１…スクリュロータ
１２…吸込流路
１３…吐出流路
１４…中間圧力空間
１５…閉じ込み空間
１６…ロータ室
１７…スクリュロータ
１８…吸込流路
１９…吐出流路
２１，２２，２３，２４…軸受
２５，２６…軸受空間
２７…油供給流路
２８…油環流路
２９…低圧開閉弁
３０…高圧開閉弁
３１…吐出圧力センサ
３２…中間圧力センサ
３３…流路制御装置

【図1】

【図2】