JP4775206B2 - Refrigerant circuit with expander - Google Patents
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Description
本発明は、高圧流体の膨張により動力を発生させ、エネルギ回収を行う膨張機を備えた冷媒回路に係わり、より詳細には、エネルギ回収効率低下の原因となる、高圧流体の過膨張現象を防止する構成に関する。 The present invention relates to a refrigerant circuit including an expander that generates power by expanding a high-pressure fluid and recovers energy, and more specifically, prevents an over-expansion phenomenon of a high-pressure fluid that causes a decrease in energy recovery efficiency. Related to the configuration to be performed.
従来の冷凍サイクルは、圧縮機、放熱器、膨張弁、そして吸熱器を順次、接続して構成されている。冷凍サイクルを循環する冷媒は、圧縮機で圧縮されて高温高圧となり、放熱器で冷却された後、膨張弁で断熱膨張し減圧されるようになっている。続いて、吸熱器に流入し、周囲の熱を吸収して加熱された後、前記圧縮機に還流するようになっている。この従来の冷凍サイクルは、図4のモリエル線図上で、A点→B点→C点→D点を辿るサイクルで示されるものであり、従来の膨張弁では、冷媒はC点からD点への点線で示す等エンタルピー変化で減圧するため、高圧の作動流体が持つエネルギーを有効に利用することができなかった。それに対し、膨張弁の代わりに膨張機を用いた冷凍サイクルでは、従来の冷凍サイクルにおいて、膨張弁で等エンタルピー変化で減圧されていた作動流体は、膨張機で高圧から低圧に断熱膨張で減圧しながら、C点からD’点への実線で示す等エントロピ変化を示し、前記吸熱器で吸熱することができるエネルギー、すなわち、冷凍サイクルの低熱源側から吸熱することができるエネルギーをD点→A点からD’点→A点に至る分まで増加させることができるので、冷凍サイクルを高効率化できるようになっている。 The conventional refrigeration cycle is configured by sequentially connecting a compressor, a radiator, an expansion valve, and a heat absorber. The refrigerant circulating in the refrigeration cycle is compressed by a compressor to become high temperature and high pressure, cooled by a radiator, then adiabatically expanded by an expansion valve and depressurized. Subsequently, it flows into the heat absorber, absorbs ambient heat and is heated, and then returns to the compressor. This conventional refrigeration cycle is shown as a cycle that follows point A → B point → C point → D point on the Mollier diagram of FIG. 4. In the conventional expansion valve, the refrigerant is from point C to point D. Since the pressure is reduced by the isoenthalpy change indicated by the dotted line, the energy of the high-pressure working fluid cannot be used effectively. On the other hand, in a refrigeration cycle that uses an expander instead of an expansion valve, the working fluid that has been decompressed by an equal enthalpy change at the expansion valve in the conventional refrigeration cycle is decompressed by adiabatic expansion from high pressure to low pressure by the expander. However, the isentropic change indicated by the solid line from the C point to the D ′ point is shown, and the energy that can be absorbed by the heat absorber, that is, the energy that can be absorbed from the low heat source side of the refrigeration cycle is expressed as D point → A Since the point can be increased from the point D ′ to the point A, the refrigeration cycle can be made highly efficient.
膨張機は、例えば図8で示すように、円筒状の内部空間を有するシリンダ59と、このシリンダ59の内部空間内周面に沿って公転運動を行う偏心ロータ61とを備え、前記シリンダ59と前記偏心ロータ61との間に、上下に摺動運動を行うベーン63により区画されて膨張室62が形成されるようになっている。
For example, as shown in FIG. 8, the expander includes a
前記シリンダ59には、開閉弁69を備え、高圧流体を前記膨張室62に導入する流入ポート64と、高圧流体から膨張し低圧となった流体を外部に導出する流出ポート65とが前記ベーン63に相対向するようにが設けられており、また、前記ベーン63は図示しない押圧手段により押圧されて下端部が常時、前記偏心ロータ61の外周面に摺接し、膨張側と排出側とを区画するようになっている。また、前記偏心ロータ61はクランク軸を介して動力回収シャフト60に接続されており、前記偏心ロータ61が、前記流入ポート64から導入された高圧流体の作用により、前記シリンダ59に対し公転運動を行うと、クランク軸を介して前記動力回収シャフト60が回転運動を行い、この回転運動は、例えば、発電機等の発電に利用されるようになっている。
The
前記偏心ロータ61の公転運動に伴い、前記シリンダ59の内部空間に形成される膨張室62は吸入/膨張側であった部分が随時、排出側に、排出側であった部分が随時吸入/膨張側に順に切り換わり、高圧流体の吸入/膨張作用と排出作用とが同時に並行して行われるようになっている。前記偏心ロータ61の公転運動中に、高圧流体が前記シリンダ59内に供給される吸入過程の角度範囲と、流体の膨張が行われる膨張過程の角度範囲が予め定められており、膨張比(吸入冷媒と排出冷媒の密度比)が一定となるように設定されている。そして、吸入過程の角度範囲で高圧流体をシリンダに導入する一方、残った膨張過程の角度範囲で流体を定められた膨張比で膨張させ、回転動力を回収するようになっている。一方、膨張機が接続された蒸気圧縮式冷凍サイクルでは、冷却対象の温度変化や放熱対象の温度変化により冷凍サイクルの高圧圧力と低圧圧力が変化するので、その圧力比も変動し、それに伴って膨張機の吸入冷媒と排出冷媒の密度もそれぞれ変動する。
As the
膨張機は、設計膨張比で運転が行われているときに最大限の動力回収効率が得られるようになっており、図9(A)は、理想的な運転条件での膨張室の容積変化と圧力変化との関係を示すグラフである。図9(A)に示すように、高圧流体はa点からb点までの間に膨張室内に供給され、b点から膨張を開始する。b点を過ぎると高圧流体の供給が停止するため、圧力が一旦c点まで急激に下がり、その後は膨張しながらd点まで緩やかに圧力が低下する。そして、d点で膨張室のシリンダ容積が最大になった後、排出側になって容積が縮小してe点まで排出される。その後、a点に戻り、次のサイクルの吸入過程が開始される。この図の状態では、d点の圧力は冷凍サイクルの低圧圧力と一致しており、動力回収の効率のよい運転が行われるようになっている。 The expander is designed to obtain the maximum power recovery efficiency when it is operated at the design expansion ratio. FIG. 9A shows the volume change of the expansion chamber under ideal operating conditions. It is a graph which shows the relationship between a pressure change. As shown in FIG. 9A, the high-pressure fluid is supplied into the expansion chamber from the point a to the point b, and starts to expand from the point b. When the point b is passed, the supply of the high-pressure fluid stops, so that the pressure once drops rapidly to the point c, and then gradually decreases to the point d while expanding. Then, after the cylinder volume of the expansion chamber becomes maximum at the point d, the volume is reduced on the discharge side and discharged to the point e. Thereafter, returning to the point a, the inhalation process of the next cycle is started. In the state of this figure, the pressure at the point d coincides with the low pressure of the refrigeration cycle, so that the operation with efficient power recovery is performed.
膨張機を空調機の冷凍サイクルに用いている場合には、冷房運転と暖房運転の切り換えや外気温度の変化などの運転条件の変動により、冷凍サイクルの膨張比が膨張機の設計膨張比と異なる場合が生じる。運転条件の変化により冷凍サイクルの実際の膨張比が、膨張機の設計膨張比よりも小さくなると、膨張室の圧力が冷凍サイクルの低圧側圧力よりも低くなる状態が生じ、所謂、膨張機の膨張室で過膨張現象が発生することとなる。 When an expander is used in the refrigeration cycle of an air conditioner, the expansion ratio of the refrigeration cycle differs from the design expansion ratio of the expander due to changes in operating conditions such as switching between cooling operation and heating operation and changes in outside air temperature. Cases arise. If the actual expansion ratio of the refrigeration cycle becomes smaller than the design expansion ratio of the expander due to changes in operating conditions, a state occurs in which the pressure in the expansion chamber becomes lower than the low-pressure side pressure of the refrigeration cycle, so-called expansion of the expander An over-expansion phenomenon will occur in the chamber.
図9(B)は、膨張室で過膨張現象が発生した際の、膨張室の容積変化と圧力変化との関係を示すグラフであり、冷凍サイクルの低圧側圧力が上昇した状態になっている。この場合、流体はa点からb点までの間でシリンダ内に供給された後、膨張機の設計膨張比に従ってd点まで圧力が低下する。一方、冷凍サイクルの低圧圧力はd点よりも高いd’点になっている。したがって、冷媒は、膨張過程の完了後、排出過程においてd点からd’点まで昇圧された後、e’点になるまで排出され、次のサイクルの吸入過程が開始されることになる。 FIG. 9B is a graph showing the relationship between the volume change of the expansion chamber and the pressure change when the overexpansion phenomenon occurs in the expansion chamber, and the low pressure side pressure of the refrigeration cycle is in an increased state. . In this case, after the fluid is supplied into the cylinder between the points a and b, the pressure decreases to the point d according to the design expansion ratio of the expander. On the other hand, the low pressure of the refrigeration cycle is at a point d 'higher than the point d. Therefore, after the expansion process is completed, the refrigerant is pressurized from the point d to the point d 'in the discharge process, and then discharged until the point e', so that the suction process of the next cycle is started.
図9(B)で示す状態においては、膨張機内では冷媒の排出のために動力の内部消費が行われることになる。つまり、過膨張発生時には、冷媒の膨張エネルギから回収される回収動力は(面積I)−(面積II)分しか得られないことになり、図9(A)で示す運転状態と比較して、回収動力が大幅に減少してしまうことになる。膨張機は、設計膨張比で運転動作が行われているときに最大限の動力回収効率が得られるように設計されており、過膨張現象が発生すると、動力回収効率が大幅に低下してしまうという問題があった。 In the state shown in FIG. 9B, internal consumption of power is performed in the expander for discharging the refrigerant. That is, at the time of occurrence of overexpansion, the recovery power recovered from the expansion energy of the refrigerant can be obtained only by (area I) − (area II). Compared with the operation state shown in FIG. The recovery power will be greatly reduced. The expander is designed to obtain the maximum power recovery efficiency when the operation is performed at the designed expansion ratio. If an overexpansion phenomenon occurs, the power recovery efficiency will be greatly reduced. There was a problem.
冷媒の過膨張現象に対応するため、例えば、図8で示すように、前記流出ポート65と、前記膨張室62の膨張過程中間位置とを結び、開閉機構67aと逆止弁68とを備えた連絡通路67を設け、前記開閉機構67aが前記流出ポート64と前記膨張室62との差圧に応じて開閉するようにした技術が提示されている。前記膨張室62で過膨張が発生し、同膨張室62の圧力が前記流出ポート65の圧力より低くなると、前記開閉機構67aが開放され、前記流出ポート65から前記膨張室62に冷媒が供給され、同膨張室62の圧力を冷媒回路の低圧圧力まで回復させて過膨張現象を抑制するようになっている。また、前記流入ポート64と前記膨張室62とを開閉機構66aを備えた連絡通路66で結ぶ方法もある。(特許文献1参照、但し付与番号は異なる)
よって、前記逆止弁68と前記膨張室62の吐出口までに生じる死容積を極力、小さくするため、前記逆止弁68を前記膨張室62の吐出口に近い所に設けてはいるが、前記逆止弁68と、前記膨張室62の吐出口との間となる、矢印で示すA区間には、前記流入ポート64からの高圧の冷媒が流入してしまい、流入した冷媒は、前記膨張室62での動力回収に寄与しないこととなって、その分、動力回効率が低下ししまうという問題があった。
Therefore, in order to reduce the dead volume generated between the
本発明は、上記問題点に鑑み、エネルギ回収を行う膨張機の膨張室において、冷媒回路の状態変化により、過膨張現象が発生した際、迅速にこれを抑制できるとともに、膨張室に存在するデッドスペースを減少させて、エネルギ回収効率を向上させた冷媒回路を提供することを目的とする。 In view of the above-described problems, the present invention can quickly suppress an overexpansion phenomenon caused by a change in the state of a refrigerant circuit in an expansion chamber of an expander that recovers energy, and can also detect dead that exists in the expansion chamber. It is an object of the present invention to provide a refrigerant circuit that reduces space and improves energy recovery efficiency.
本発明は、上記課題を解決するため、圧縮機と、放熱器と、ケーシング内に膨張室と動力回収シャフトとを備え前記膨張室に流入した作動流体により前記動力回収シャフトの回転動力を得る膨張機と、吸熱器とを順次接続した冷媒回路において、前記冷媒回路の低圧側に油分離器を設けるとともに、同油分離器と前記膨張機との間に油戻し路を設け、前記膨張室の圧力が前記低圧側より低下した際、前記油分離器で分離した潤滑油を、前記油戻し路を介して前記膨張室にインジェクションしてなる構成となっている。 In order to solve the above-described problems, the present invention includes a compressor, a radiator, an expansion chamber and a power recovery shaft in a casing, and expansion that obtains rotational power of the power recovery shaft by a working fluid that flows into the expansion chamber. In the refrigerant circuit in which the compressor and the heat absorber are sequentially connected, an oil separator is provided on the low pressure side of the refrigerant circuit, an oil return path is provided between the oil separator and the expander, and the expansion chamber When the pressure decreases from the low pressure side, the lubricating oil separated by the oil separator is injected into the expansion chamber through the oil return path.
また、油分離器が、前記膨張機と、前記吸熱器との間に設けられる構成となっている。 In addition, an oil separator is provided between the expander and the heat absorber.
また、圧縮機と、放熱器と、ケーシング内に膨張室と動力回収シャフトとを備え前記膨張室に流入した作動流体により前記動力回収シャフトの回転動力を得る膨張機と、吸熱器とを順次接続した冷媒回路において、前記膨張機の下部に油溜り室を設けるとともに、前記冷媒回路の高圧側に、前記油溜り室との間に油戻し路を連通させた油分離器を設け、同油分離器で分離した潤滑油を前記油溜り室に回収してなる構成となっている。 In addition, a compressor, a radiator, an expansion chamber and a power recovery shaft in a casing, an expander that obtains rotational power of the power recovery shaft by working fluid flowing into the expansion chamber, and a heat absorber are sequentially connected. In the refrigerant circuit, an oil reservoir chamber is provided at a lower portion of the expander, and an oil separator having an oil return path communicating with the oil reservoir chamber is provided on the high pressure side of the refrigerant circuit. The lubricating oil separated by the vessel is collected in the oil reservoir chamber.
また、前記油分離器は、前記圧縮機の吐出側に設けられてなる構成となっている。 The oil separator is provided on the discharge side of the compressor.
また、前記油戻し路に、流量調節機構を設けてなる構成となっている。 In addition, a flow rate adjusting mechanism is provided in the oil return path.
本発明によると、請求項1に関わる発明は、冷媒回路の低圧側に油分離器を設けるとともに、同油分離器と前記膨張機との間に油戻し路を設け、前記膨張室の圧力が前記低圧側より低下した際、前記油分離器で分離した潤滑油を、前記油戻し路を介して前記膨張室にインジェクションする構成により、膨張室容積を減少させて、迅速に過膨張発生を抑制することができるようになっている。
According to the present invention, the invention according to
また、請求項2に関わる発明は、油分離器が、冷媒回路の低圧側である、前記膨張機と、前記吸熱器との間に設けられることにより、膨張室の圧力が、低圧側に位置する油分離器内の圧力より低下した際、圧力差により、自動的に前記膨張室に潤滑油をインジェクションすることができるようになっている。
In the invention according to
また、請求項3に関わる発明は、圧縮機と、放熱器と、ケーシング内に膨張室と動力回収シャフトとを備え前記膨張室に流入した作動流体により前記動力回収シャフトの回転動力を得る膨張機と、吸熱器とを順次接続した冷媒回路において、前記膨張機の下部に油溜り室を設けるとともに、前記冷媒回路の高圧側に、前記油溜り室との間に油戻し路を連通させた油分離器を設け、同油分離器で分離した潤滑油を前記油溜り室に回収する構成により、前記膨張室に過膨張が発生した際、前記油溜り室から迅速に膨張室に潤滑油をインジェクションできる一方、油分離器から油溜り室に潤滑油を回収して潤滑油量を一定に保つことができるようになっている。 According to a third aspect of the present invention, there is provided an expander having a compressor, a radiator, an expansion chamber and a power recovery shaft in a casing, and obtaining rotational power of the power recovery shaft by a working fluid flowing into the expansion chamber. And a heat absorber connected sequentially to each other, an oil reservoir chamber is provided at a lower portion of the expander, and an oil return path is communicated with the oil reservoir chamber on the high pressure side of the refrigerant circuit. By providing a separator and collecting the lubricating oil separated by the oil separator in the oil reservoir chamber, when overexpansion occurs in the expansion chamber, the lubricating oil is quickly injected into the expansion chamber from the oil reservoir chamber. On the other hand, the amount of lubricating oil can be kept constant by recovering the lubricating oil from the oil separator to the oil reservoir.
また、請求項4に関わる発明は、前記油分離器は、前記圧縮機の吐出側に設けられることにより、油分離器で分離した潤滑油を、高圧で迅速に前記膨張機の油溜り室に回収できる構成となっている。 According to a fourth aspect of the present invention, the oil separator is provided on the discharge side of the compressor, so that the lubricating oil separated by the oil separator can be quickly put into the oil sump chamber of the expander at high pressure. It can be collected.
また、請求項5に関わる発明は、前記油戻し路に流量調節機構を設けてなる構成により、油分離器から膨張機の油溜り室に回収する潤滑油量を適切にコントロールすることができるようになっている。
Further, the invention according to
以下、本発明の実施の形態を、添付図面に基づいた実施例として詳細に説明する。 DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail as examples based on the attached drawings.
図1は、本発明による第一実施例での冷媒回路であり、図2は、同冷媒回路に備えられた膨張機を示す断面図である。図3は、冷媒の膨張過程を示す断面図であり、図4はモリエル線図である。また、図5は、圧縮機構と膨張機構とが一体となった圧縮膨張機構を示す断面図である。図6は、第二実施例での冷媒回路と、同冷媒回路に備えられた膨張機を示す断面図であり、図7は第二実施例での他の実施例を示す膨張機の断面図である。 FIG. 1 is a refrigerant circuit in a first embodiment according to the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view showing an expander provided in the refrigerant circuit. FIG. 3 is a cross-sectional view showing the expansion process of the refrigerant, and FIG. 4 is a Mollier diagram. FIG. 5 is a cross-sectional view showing a compression / expansion mechanism in which the compression mechanism and the expansion mechanism are integrated. FIG. 6 is a cross-sectional view showing a refrigerant circuit in the second embodiment and an expander provided in the refrigerant circuit, and FIG. 7 is a cross-sectional view of the expander showing another embodiment in the second embodiment. It is.
本発明による冷媒回路1は、図1(A)で示すように、圧縮機2と、放熱器3と、膨張機4と、油分離器5と、吸熱器6とを順次接続するとともに、前記油分離器5と前記膨張機4とを結ぶ第一油戻し路7と、前記油分離器5と前記圧縮機2の吸込側とを結ぶ第二油戻し路8とで構成されている。同冷媒回路1には、例えば、臨界圧力以上で相変化を行う、自然冷媒としての二酸化炭素冷媒が循環するようになっている。前記圧縮機2はスクロール圧縮機、あるいはロータリー圧縮機で構成され、前記放熱器3と、前記吸熱器6とは、平行して並べられた多数のフィンと、同フィンに直交するように配設された蛇行状のチューブとからなる、所謂クロスフィン型のフィン・アンド・チューブ熱交換器で構成されている。
As shown in FIG. 1A, the
前記圧縮機2で圧縮され、高温高圧となった二酸化炭素冷媒は、前記放熱器3に流入し、同放熱器3で熱を放出して冷却される。熱を放出して冷却された冷媒は、前記膨張機4に流入し、同膨張機4内で膨張して低温低圧となる。低温低圧となった冷媒は前記油分離器5を経て前記吸熱器6に流入し、同吸熱器6で熱を吸収して加熱された後、前記圧縮機2に還流するようになっている。また、前記膨張機4内で膨張した冷媒は、膨張するエネルギにより同膨張機4に設けられた、後述する動力回収シャフト12を回転駆動させるようになっている。
The carbon dioxide refrigerant that has been compressed by the
前記油分離器5は、流入してくるガス状冷媒と、同ガス状冷媒に粒子状となって含有される潤滑油とを分離するようになっている。分離された潤滑油は、前記第一油戻し路7により前記膨張機4に還流され、また、前記第二油戻し路8により前記圧縮機2に還流されるようになっている。
The
尚、図1(B)で示す冷媒回路80に油分離器86を設けてもよい。同冷媒回路80は、後述する膨張機一体型圧縮機81と、第一四方弁84と、放熱器82と、第二四方弁85と、吸熱器83とを順次接続して冷媒回路を構成するとともに、前記膨張機一体型圧縮機81と第二四方弁85との間に油分離器86を設けている。また、同油分離器86よりは、前記膨張機一体型圧縮機81の膨張機構部に潤滑油を戻す第一油戻し路87と、圧縮機構部に油を戻す第二油戻し路88とが設けられている。
In addition, you may provide the
前記冷媒回路80では、前記第一四方弁84及び第二四方弁85を切り換えることにより、冷房運転と暖房運転とを行うことが可能となっており、冷房運転の際は、実線の矢印で示す方向に冷媒が流れ、暖房運転の際は破線で示す方向に冷媒が流れるようになっている。前記油分離器86の機能としては、前記冷媒回路1で説明する油分離器4と、同等である。
In the
本願の第一実施例での膨張機4は、図2(A)の上方からの断面図及び図2(B)の側断面図で示すように、上面及び下面が閉塞され、円筒状に形成されたケーシング9と、同ケーシング9内の上部に形成された、上壁と下壁と側壁とを有する円環状のシリンダ10と、同シリンダ10の内部空間に公転運動自在に設けられた偏心ロータ11と、同偏心ロータ11に連結され、前記ケーシング9に回動自在に軸支された動力回収シャフト12とからなっている。
The
前記偏心ロータ11は、前記動力回収シャフト12に形成されたクランク軸11bの外周縁に嵌着され、前記動力回収シャフト12に対し偏心して連結されることにより、外周面一端を前記シリンダ10の内壁面に摺接させながら同シリンダ10の内部空間を公転運動するようになっている。
The
また、前記ケーシング9には、外方に突出してベーン収納部16が形成されている。同ベーン収納部16内には、先端部を前記偏心ロータ11の外周面に当接させ、且つ摺接させる前後進退自在に支持されたベーン17と、同ベーン17の後部と、前後ベーン収納部16の内壁との間に設けられ、前記ベーン17を前記偏心ロータ11の外周面に押圧する押圧手段としてのスプリング18とが設けられている。また、開閉弁14aを備え、高圧の冷媒を導入する流入ポート14と、低圧となった冷媒を外部に流出させる流出ポート15とが前記ケーシング9から突設されており、これら流入ポート14と流出ポート15とは、前記ベーン17に相対向するように配設されている。
The
前記ベーン17の一側と、前記偏心ロータ11の外周面と、前記シリンダ10の内壁面とで囲まれる空間には膨張室13が形成されるようになっており、前記流入ポート14から前記膨張室13に流入した高圧の冷媒は、その高圧の圧力で前記偏心ロータ11を反時計廻りに公転駆動させ、これに連結された前記動力回収シャフト12を回転させるとともに、前記膨張室13の容積が増大するにつれ、容積が膨張し低圧の冷媒となる。膨張し低圧となった冷媒は前記流出ポート15から流出するようになっている。
An
また、前記偏心ロータ11に連結された前記動力回収シャフト12は、例えば、その上部を、発電機等に接続されており、前記偏心ロータ11が、前記シリンダ10に流入する高圧の冷媒が膨張するエネルギにより公転運動し、これに伴い前記動力回収シャフト12が回転駆動されると、これに接続された発電機等が発電作用を行い、これにより、冷媒の膨張エネルギが、無駄に廃棄されることなく有効に利用することができるようになっている。
The
前記動力回収シャフト12には、中心軸に沿って,逆止弁12bを備えた油通路12aが穿設されており、また、前記偏心ロータ11には、前記油通路12aと前記膨張室13とを連通させる、油インジェクション孔11aが水平方向に穿設されている。また、前記ケーシング9の下部には、一端を前記動力回収シャフト12の油通路12aに回動自在に接続し、他端を、前記第一油戻し路7に接続させた、L字状に折曲された油導入パイプ19が設けられている。
The
次に、前記冷媒回路1及び前記膨張機4の動作について説明する。前記膨張機4では、上記したように、前記流入ポート14から前記シリンダ10の内部空間に流入した高温高圧の冷媒は、前記膨張室13で膨張して、前記動力回収シャフト12を回転駆動させながら低温低圧の冷媒となり、前記流出ポート15から流出するようになっている。
Next, operations of the
前記流入ポート14に備えられた開閉弁14aは、前記偏心ロータ11の公転運動に伴って開閉動作を行うようになっており、例えば、前記動力回収シャフト12の近傍に、同動力回収シャフト10の回転角度を検出する,図示しない角度センサを配設し、検出された回転角度を基に前記開閉弁14aの開閉動作を行うようになっている。また、前記動力回収シャフト12にカムを装着し、同カムの動作に伴って前記開閉弁14aの開閉動作を行なってもよい。
The on-off
前記偏心ロータ11の公転運動中に、前記開閉弁14aの開閉動作により高圧冷媒が前記シリンダ10内に供給される吸入過程の角度範囲と、流体の膨張が行われる膨張過程の角度範囲が予め定められている。図3(A)は、前記開閉弁14aが開放され膨張室13に高圧冷媒が流入する過程を示しており、図3(A)の状態より前記偏心ロータ11が矢印で示す方向に回動すると、前記開閉弁14aが閉鎖され、前記膨張室13への冷媒の供給が停止されるようになっている。
During the revolving motion of the
図3(B)は、前記膨張室13に流入した高圧冷媒が、膨張し、前記膨張室13の容積を増大させて前記偏心ロータ11を回動させる状態を示しており、冷媒は膨張することにより、徐々に圧力が低下し、低圧の冷媒へと移行するようになっている。
FIG. 3B shows a state in which the high-pressure refrigerant that has flowed into the
図3(C)は、冷媒が膨張して前記膨張室13の容積が最大となった状態を示しており、膨張することにより、所定の圧力まで低下した冷媒は、前記吐出ポート15から流出していくようになっている。また、この時点で、前記開閉弁14aが開放され、前記流入ポート14から前記シリンダ10内に高圧の冷媒が、再び導入されるようになっている。
FIG. 3C shows a state in which the refrigerant expands and the volume of the
前記圧縮機2では、内部機構を潤滑するために潤滑油溜まりを設けており、冷媒を圧縮する際、潤滑油溜まりの潤滑油が冷媒に混合する現象が生じる。前記圧縮機2で圧縮されて高温高圧となり、また、潤滑油を混合した二酸化炭素冷媒は、前記放熱器3に流入し、熱を放出して冷却される。熱を放出して冷却された冷媒は、前記膨張機4に流入し、同膨張機4内で膨張して、膨張エネルギにより前記動力回収シャフト12を回転駆動させて低温低圧となり、前記油分離器5に流入する。同油分離器5では、冷媒と、これに混合される潤滑油とを分離するようになっている。潤滑油と分離された冷媒は、続いて前記吸熱器6で熱を吸収した後、前記圧縮機2に還流するようになっている。
In the
前記膨張機4の膨張室13で過膨張現象が発生し、膨張室13の圧力が、前記冷媒回路1で低圧側に位置する前記油分離器5内での圧力より低下した場合、前記油分離器5で分離された潤滑油は、前記油分離器5内での圧力が前記膨張室13より高いことにより前記第一油戻し路7を介して前記膨張機4に送出されるようになっている。前記第一油戻し路7に送出された潤滑油は、図2で示すように、前記油導入パイプ19を通り、回転する前記動力回収シャフト12の油通路12a内に吸引されて、同油通路12a内を上昇するようになっている。続いて、潤滑油は前記油インジェクション孔11aから前記膨張室13にインジェクションされるようになっている。これにより、前記膨張室13の容積を減少させて、同膨張室13内の圧力を高めることにより、過膨張発生現象を抑制できる一方、上記したデッドスペースの容積分を前記膨張室13から減少させることにより、効率の良い動力回収運転をすることができるようになっている。また、前記油分離器5で分離された潤滑油の一部は、前記第二油戻し路8を介して前記圧縮機2の潤滑油溜まりに回収されるようになっている。
When an overexpansion phenomenon occurs in the
尚、上記した膨張機4では、前記動力回収シャフト10が回転駆動されると、これに接続された発電機等が発電作用を行い、これにより、冷媒の膨張エネルギが無駄に廃棄されることなく有効に利用することができるようになっているが、図4で示すように、膨張機構と、圧縮機の圧縮機構とを一体化して膨張エネルギを有効利用することもできる。
In the
図5で示す、膨張機一体型圧縮機100は、ケーシング101の内部に、圧縮機構部102と電動機部103及び膨張機構部104を収納している。上記圧縮機構部102は、固定スクロール114と、旋回スクロール115と、フレーム112及び113とからなるスクロール圧縮機を構成しており、吸入ポート116と吐出ポート117とが備えられている。前記電動機部103は、ステータ108と、ロータ109と、主軸105とにより構成されており、同主軸105は、前記膨張機構部104に連結されている。
An expander-integrated
前記膨張機構部104は、シリンダ106と、同シリンダ106内で公転運動する偏心ロータ107とからなり、流入ポート11と流出ポート110とが設けられている。流入ポート11から流入した冷媒により前記偏心ロータ107が回転駆動されると、これに連結された前記主軸105の回転力を付勢するようになっている。
The
このように膨張機一体型圧縮機は、圧縮機と膨張機とを一体化して構成され、前記膨張機構部104の回転駆動力が、前記電動機部103とともに圧縮機構部102を駆動するようになっている。これは、図4のモリエル線図で示す、断熱膨張C点→D’点の過程にて回収した動力分だけ、前記圧縮機構部102を駆動する前記電動機部103のエネルギーを低減することができるようになっており、エネルギ回収効率の向上を図れるようになっている。
Thus, the expander-integrated compressor is configured by integrating the compressor and the expander, and the rotational driving force of the
次に、第二実施例について説明する。第二実施例での冷媒回路20は、図6(A)で示すように、圧縮機21と、油分離器22と、放熱器23と、膨張機24と、吸熱器25とを順次接続するとともに、前記油分離器22と前記膨張機24とを結び、流量調節機構28を備えた第一油戻し路26と、前記油分離器22と前記圧縮機21の吸込側とを結ぶ第二油戻し路27とで構成されている。
Next, a second embodiment will be described. As shown in FIG. 6A, the
第二実施例での膨張機24は、図6(B)の側断面図で示すように、上面及び下面が閉塞され、円筒状に形成されたケーシング29と、同ケーシング29内の上部に形成された膨張機構部30と、下方に形成された油溜り室31と、ケーシング29中央部に、回動自在に軸支された動力回収シャフト35とからなっている。
As shown in the side sectional view of FIG. 6B, the
前記膨張機構部30は、上壁と下壁と側壁とを有し、円筒状の内部空間を有するシリンダ32と、前記動力回収シャフト35のクランク軸外周縁に嵌着されたリング状の偏心ロータ33とからなっている。同偏心ロータ33は外周面一端を前記シリンダ32の内壁面に摺接させながら同シリンダ32の内部空間を公転運動するようになっており、これにより膨張室34が形成されるようになっている。
The
前記ケーシング29の下部に形成された油溜り室31には、潤滑用の油が貯留されており、前記動力回収シャフト35は、下端部が前記油溜り室31の油に浸るように下方に向け延出されるとともに、軸芯には、逆止弁35bを備えた油通路35aが穿設されている。また、前記偏心ロータ33には、前記油通路35aと、前記シリンダ32の内部空間とを連通させる油インジェクション孔33aが穿設されている。前記動力回収シャフト35が回転し始めると、その回転力により前記油溜り室31に貯留された油は前記油通路35aに吸い上げられ、前記偏心ロータ33等の摺動部に供給されるようになっている。また、前記ケーシング29の下部には、前記第一油戻し路26に接続される油導入パイプ36が設けられている。
Lubricating oil is stored in an
次に、動作について説明する。前記圧縮機21で圧縮されて高温高圧となった二酸化炭素冷媒は、前記油分離器22に流入し、冷媒と、潤滑油とに分離されるようになっている。高温高圧の冷媒は前記放熱器23に流入し、熱を放出して冷却され、冷却された冷媒は、前記膨張機24に流入し、同膨張機24内で膨張して、膨張エネルギにより前記動力回収シャフト35を回転駆動させて低温低圧となり、続いて前記吸熱器25で周囲の熱を吸収した後、前記圧縮機21に還流するようになっている。
Next, the operation will be described. The carbon dioxide refrigerant compressed by the
前記油分離器22で分離された潤滑油は、前記第一油戻し路26を介して前記膨張機24の油溜り室31に送出され、これに貯留されるようになっている。この際、前記流量調節機構28により、送出される潤滑油量を適切に調節されるようになっている。前記油溜り室31に貯留された潤滑油は、回転する前記動力回収シャフト35の油通路35aに吸引されて上昇するようになっている。続いて、潤滑油は前記油インジェクション孔33aから前記膨張室34にインジェクションされるようになっており、これにより、前記膨張室34での過膨張発生現象を抑制できる一方、デッドスペースの容積を前記膨張室34から減少させることにより、効率の良い動力回収運転をすることができるようになっている。また、前記油分離器22から潤滑油が供給されることにより、前記油溜り室31は潤滑油不足を招くことなく、常時、適切な潤滑油量を保持できるようになっている。また、前記油分離器22で分離された潤滑油の一部は、前記第二油戻し路27を介して前記圧縮機21の潤滑油溜まりに回収されるようになっている。
The lubricating oil separated by the
次に、第二実施例での他の実施例について説明する。膨張機37は、図7で示すように、シリンダ38と偏心ロータ39とベーン43とで形成される膨張室40に圧力センサ44を設けている。また、流入ポート41に対向する流出ポート42に圧力センサ46を設けており、これら、圧力センサ44及び圧力センサ46は、リード線47により、図示しない制御部に接続されている。
Next, another embodiment of the second embodiment will be described. As shown in FIG. 7, the
前記油分離器27は、前記冷媒回路20で高圧側に配置されているため、前記油分離器22で分離された潤滑油に圧力が掛かり、前記第一油戻し路26を介して常時、前記膨張機24に潤滑油が流れようとする。前記膨張室40に配置された前記圧力センサ44の検出値が、前記流出ポート42に配置された圧力センサ46の検出値より低くなる、所謂過膨張現象が発生すると、前記流入調節機構28が、圧力差に応じて開放され、前記膨張機24に適切な潤滑油量が送出されるようになっている。
Since the
(B)は同冷媒回路に備えられた膨張機を示す側断面図である。
1 冷媒回路
2 圧縮機
3 放熱器
4 膨張機
5 油分離器
6 吸熱器
7 第一油戻し路
8 第二油戻し路
9 ケーシング
10 シリンダ
11 偏心ロータ
11a 油インジェクション孔
12 動力回収シャフト
12a 油通路
13 膨張室
14 流入ポート
14a 開閉弁
15 流出ポート
16 ベーン収納部
17 ベーン
18 スプリング
19 油導入パイプ
20 冷媒回路
21 圧縮機
22 油分離器
23 放熱器
24 膨張機
25 吸熱器
26 第一油戻し路
27 第二油戻し路
28 流量調節機構
29 ケーシング
30 膨張機構部
31 油溜り室
32 シリンダ
33 偏心ロータ
34 膨張室
35 動力回収シャフト
35a 油通路
36 油導入パイプ
Claims (5)
前記冷媒回路の低圧側に油分離器を設けるとともに、同油分離器と前記膨張機との間に油戻し路を設け、前記膨張室の圧力が前記低圧側より低下した際、前記油分離器で分離した潤滑油を、前記油戻し路を介して前記膨張室にインジェクションしてなることを特徴とする膨張機を備えた冷媒回路。 A refrigerant comprising a compressor, a radiator, an expansion chamber and a power recovery shaft in a casing, an expander for obtaining rotational power of the power recovery shaft by a working fluid flowing into the expansion chamber, and a heat absorber In the circuit
An oil separator is provided on the low pressure side of the refrigerant circuit, and an oil return path is provided between the oil separator and the expander. When the pressure in the expansion chamber decreases from the low pressure side, the oil separator A refrigerant circuit provided with an expander, wherein the lubricating oil separated in step (b) is injected into the expansion chamber through the oil return path.
前記膨張機の下部に油溜り室を設けるとともに、前記冷媒回路の高圧側に、前記油溜り室との間に油戻し路を連通させた油分離器を設け、同油分離器で分離した潤滑油を前記油溜り室に回収してなることを特徴とする膨張機を備えた冷媒回路。 A refrigerant comprising a compressor, a radiator, an expansion chamber and a power recovery shaft in a casing, an expander for obtaining rotational power of the power recovery shaft by a working fluid flowing into the expansion chamber, and a heat absorber In the circuit
An oil reservoir chamber is provided at the lower portion of the expander, and an oil separator having an oil return path communicating with the oil reservoir chamber is provided on the high-pressure side of the refrigerant circuit, and lubrication separated by the oil separator is provided. A refrigerant circuit comprising an expander, wherein oil is collected in the oil reservoir.
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