(57)【要約】  小型で軽量な二元冷凍装置を実現するための二元冷凍装置用圧縮機と該圧縮機を搭載した二元冷凍装置を提供する。本発明に係る圧縮機は、１つの電動機、電動機によって第１の冷媒を圧縮する第１圧縮機構部、電動機によって第１の冷媒とは異なる第２の冷媒を圧縮する第２圧縮機構部、及び第１圧縮機構部と前記第２圧縮機構部とを隔離する隔壁とを備えている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つの電動機と、
前記電動機によって第１の冷媒を圧縮する第１圧縮機構部と、
前記電動機によって第１の冷媒とは異なる第２の冷媒を圧縮する第２圧縮機構部と、
前記第１圧縮機構部と前記第２圧縮機構部とを隔離する隔壁と、を備えた二元冷凍装置用圧縮機。
【請求項２】
前記第１圧縮機構部と前記第２圧縮機構部が１つの筐体に収容され、
前記隔壁は、前記筐体内で前記第１圧縮機構部と前記第２圧縮機構部を隔離する請求項１に記載の二元冷凍装置用圧縮機。
【請求項３】
前記第１圧縮機構部と前記第２圧縮機構部が別々の筐体に収容され、
前記筐体が隔壁として作用する請求項１に記載の二元冷凍装置用圧縮機。
【請求項４】
前記電動機が、大気に開放された状態で前記筐体内に設置された請求項２又は３に記載の二元冷凍装置用圧縮機。
【請求項５】
前記電動機が、ロータシャフトを備え、
前記第１圧縮機構部と前記第２圧縮機構部が、前記ロータシャフト上に隣接して配置され、
前記第１圧縮機構部と前記第２圧縮機構部との間に隔壁と軸シールを有する請求項１〜４に記載の二元冷凍装置用圧縮機。
【請求項６】
前記電動機が、前記電動機を貫通するロータシャフトを備え、
前記第１圧縮機構部と前記第２圧縮機構部が、前記電動機を挟んで対抗するそれぞれの側の前記ロータシャフト上にそれぞれ配置され、
前記第１圧縮機構部及び前記第２圧縮機構部と前記電動機との間に隔壁と軸シールを有する請求項１〜４に記載の二元冷凍装置用圧縮機。
【請求項７】
前記ロータシャフトと、前記第１圧縮機構部及び前記第２圧縮機構部のいずれか一方又は両方との間にギヤを備える請求項１〜６のいずれか一項に記載の二元冷凍装置用圧縮機。
【請求項８】
前記第１の冷媒及び前記第２の冷媒のいずれか一方又は両方に低ＧＷＰ冷媒を使用した請求項１〜７のいずれか一項に記載の二元冷凍装置用圧縮機。
【請求項９】
前記第１の冷媒及び前記第２の冷媒のいずれか一方又は両方に自然冷媒を使用した請求項１〜７のいずれか一項に記載の二元冷凍装置用圧縮機。
【請求項１０】
前記第１の冷媒及び前記第２の冷媒のいずれか一方に低ＧＷＰ冷媒を使用し、他方に自然冷媒を使用した請求項１〜７のいずれか一項に記載の二元冷凍装置用圧縮機。
【請求項１１】
圧縮機と高元側凝縮器と高元側膨張機構とカスケード熱交換器の蒸発器とが順に接続されて冷媒が循環する高元側冷媒回路と、前記圧縮機とカスケード熱交換器の凝縮器と低元側膨張機構と低元側蒸発器とが順に接続されて冷媒が循環する低元側冷媒回路を備えた二元冷凍装置であって、
前記圧縮機が、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の二元冷凍装置用圧縮機を搭載した二元冷凍装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、１つの電動機と２つの圧縮機構部を備え、高元側と低元側の２つの異なる冷媒を用いた冷媒回路とカスケード熱交換器とを有する二元冷凍装置用圧縮機及び該圧縮機を搭載した二元冷凍装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、鮮魚の冷凍などに用いられるマイナス数十度の低温度帯の冷却を行うための装置として、二元冷凍装置が知られている。二元冷凍装置は、高温側冷媒を循環するための高元側冷媒回路と、低温側冷媒を循環するための低元側冷媒回路とを有し、高元側冷媒回路における蒸発器と低元側冷媒回路における凝縮器とを熱交換できるように構成したカスケード熱交換器を有するものである。
この二元冷凍装置は、高元側冷媒回路と低元側冷媒回路のそれぞれに冷媒圧縮機を備えている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第５１１９５１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一般に知られている二元冷凍装置は、高元冷媒回路と低元冷媒回路のそれぞれに冷媒圧縮機を必要としていた。そのため、二元冷凍装置は少なくとも２台の圧縮機を搭載することになり、二元冷凍装置の本体が大きくなるという問題点があった。さらに圧縮機を少なくとも２台搭載するため、質量も重くなるという問題点もあった。【０００５】
その結果、大型で質量の大きい二元冷凍装置を製造後、設置場所まで輸送するには、大量の燃料を消費し、環境負荷が大きくなるという課題があった。さらには、大型化、重量化により、二元冷凍装置の設置スペースを広く確保する必要や、設置場所の基礎の強度を確保しなければならない課題があった。また、圧縮機を少なくとも２台搭載するため、製造コストが高価になるという課題があった。【０００６】
本発明は、前記のような課題を解決するものであり、主たる目的は、小型で軽量かつ安価な二元冷凍装置を実現するための二元冷凍装置用圧縮機と該圧縮機を搭載した二元冷凍装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る二元冷凍装置用圧縮機においては、１つの電動機と、この電動機によって第１の冷媒を圧縮する第１圧縮機構部と、この電動機によって第１の冷媒とは異なる第２の冷媒を圧縮する第２圧縮機構部と、第１圧縮機構部と第２圧縮機構部とを隔離する隔壁と、を備えたものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、二元冷凍装置用圧縮機が１台であるため、従来の二元冷凍装置に比べ、小型化、軽量化が可能となる。この結果、輸送における環境負荷の軽減、設置スペースの省スペース化、基礎工事の簡素化を図ることができる。さらには、安価な二元冷凍装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施の形態１に係る二元冷凍装置用圧縮機を用いた二元冷凍装置の基本的な構成を表す。
【図２】本発明の実施の形態１に係る二元冷凍装置用圧縮機の概略構成図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る二元冷凍装置用圧縮機の他の構成例の概略構成図である。
【図４】本発明の実施の形態２に係る二元冷凍装置用圧縮機の概略構成図である。
【図５】本発明の実施の形態３に係る二元冷凍装置用圧縮機の概略構成図である。
【図６】本発明の実施の形態３に係る二元冷凍装置用圧縮機の他の構成例の概略構成図である。
【図７】本発明の実施の形態３に係る二元冷凍装置用圧縮機の他の構成例の概略構成図である。
【図８】本発明の実施の形態４に係る二次元冷凍装置用圧縮機の概略構成図である。
【図９】本発明の実施の形態４に係る二元冷凍装置用圧縮機の他の構成例の概略構成図である。
【図１０】本発明の実施の形態４に係る二元冷凍装置用圧縮機の他の構成例の概略構成図である。
【図１１】本発明の実施の形態４に係る二元冷凍装置用圧縮機の他の構成例の概略構成図である。
【図１２】本発明の実施の形態４に係る二元冷凍装置用圧縮機の他の構成例の概略構成図である。
【図１３】本発明の実施の形態４に係る二元冷凍装置用圧縮機の他の構成例の概略構成図である。
【図１４】本発明の実施の形態４に係る二元冷凍装置用圧縮機の他の構成例の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態に係る二元冷凍装置用圧縮機について説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。また、この実施の形態の構成要素には、発明の同一性を維持しつつ置換可能かつ置換自明なものが含まれる。また、この実施の形態に記載された複数の変形例は、当業者自明の範囲内にて任意に組み合わせが可能である。
【００１１】
［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１に係る二元冷凍装置用圧縮機を用いた二元冷凍装置の基本的な構成を表す。二元冷凍装置６０は、高元側冷媒回路３２と低元側冷媒回路３４とを有する。
高元側冷媒回路３２は、二元冷凍装置用圧縮機（以下、圧縮機１という）の高元側圧縮機構部２と、高元側凝縮器４０と、高元側膨張機構４３と、高元側蒸発器５３とを配管で接続する。
低元側冷媒回路３４は、圧縮機１の低元側圧縮機構部３と、低元側凝縮器５２と、低元側膨張機構５４と、低元側蒸発器５６とを配管で接続する。高元側蒸発器５３と低元側凝縮器５２は、カスケード熱交換器３６を構成している。
なお、高元側冷媒回路３２で使用する冷媒と低元側冷媒回路３４で使用する冷媒は同一ではない。また、図１に記載の二元冷凍装置６０は基本的な構成であり、二元冷凍装置６０は、受液器、油分離器、アキュムレータなどを備えてもよい。
【００１２】
高元側冷媒回路３２の作用について、説明する。高元側圧縮機構部２によって圧縮された高温・高圧の冷媒ガスは、高元側凝縮器４０に入り水または空気と熱交換を行い、凝縮し、高圧の冷媒液となる。ここで、高元側凝縮器４０は冷却水と熱交換する水冷式、空気と熱交換する空冷式のいずれであっても良い。ここでは冷却水と熱交換している場合を例に示している。高元側凝縮器４０を出た冷媒液は、高元側膨張機構４３によって減圧され、低温・低圧の冷媒液となる。この低温・低圧となった冷媒液は、高元側蒸発器５３へ入る。ここで、低元側の高温・高圧の冷媒ガスと熱交換して気化し、低温・低圧の冷媒ガスとなる。低温・低圧の冷媒ガスは、高元側圧縮機構部２へ吸い込まれる。
【００１３】
低元側冷媒回路３４の作用について、説明する。低元側圧縮機構部３によって圧縮された高温・高圧の冷媒ガスは、低元側凝縮器５２に入り高元側の低温・低圧の冷媒液と熱交換を行い、凝縮し、高圧の冷媒液となる。ここで、低元側凝縮器５２の形式はシェルアンドチューブ式、プレート熱交換器、二重管式熱交換器をはじめ、いずれの形式であっても差し支えない。低元側凝縮器５２を出た冷媒液は、低元側膨張機構５４によって減圧され、低温・低圧の冷媒液となる。この低温・低圧となった冷媒液は、低元側蒸発器５６へ入る。ここで、不凍液（一般に「ブライン」と言われる。）や空気と熱交換して気化し、低温・低圧の冷媒ガスとなる。ここではブラインと熱交換している場合を例に示している。低温・低圧の冷媒ガスは、低元側圧縮機構部３へ吸い込まれる。
【００１４】
図２は、本発明の実施の形態１に係る二元冷凍装置用圧縮機の概略構成図である。
本発明の実施の形態１に係る圧縮機１は、電動機１０１のロータシャフト１０２に低元側圧縮機構部１０３と高元側圧縮機構部１０４を配置している。図２の圧縮機構部の配置は、一般に二段圧縮機と呼ばれる圧縮機と同一である。しかしながら、二段圧縮機は、単一の冷媒で動作し、その機能は、低温・低圧の冷媒ガスを吸い込んだ後、低段圧縮部において圧縮したのち、高段圧縮部が吸込み、高温・高圧の冷媒ガスを吐出するものである。
これに対し圧縮機１は、低元側圧縮機構部１０３と高元側圧縮機構部１０４との間に隔壁１０５と軸シール１０７を備えており、低元冷媒と高元冷媒が混合しない構造となっている。すなわち、隔壁１０５と軸シール１０７とで隔離された低元側圧縮機構部１０３と高元側圧縮機構部１０４はそれぞれ吸込口と吐出口を有し、それぞれ異なる冷媒を吸込み、吐出するものである。
【００１５】
図３は、本発明の実施の形態１に係る二元冷凍装置用圧縮機の他の構成例の概略構成図である。図３の圧縮機１は、電動機１０１の両側のロータシャフトにそれぞれ低元側圧縮機構部１０３と高元側圧縮機構部１０４を配置したものである。隔壁１０５と軸シール１０７が、電動機１０１と高元側圧縮機構部１０４との間に備えられている。電動機１０１は低元側圧縮機構部１０３の冷媒空間の中に配置されているが、高元側圧縮機構部１０４の冷媒空間の中に配置されてもよい。その場合には、隔壁１０５と軸シール１０７が、電動機１０１と低元側圧縮機構部１０３の間に備えられる。
電動機１０１の両側に圧縮機構部を配置することにより、圧縮した高温・高圧の冷媒ガスによって生じる軸方向荷重（スラスト荷重）が相殺され、スラスト軸受の小型化という効果がある。
【００１６】
なお、低元側圧縮機構部１０３と高元側圧縮機構部１０４の配置はそれぞれ逆の位置であってもよい。また、高元側圧縮機構部と低元側圧縮機構部の圧縮方式は、往復動式、回転式、速度式のいずれであってもよく、かつ、高元側圧縮機構部と低元側圧縮機構部が同一であることを必須としない。すなわち、高元側圧縮機構部がスクリュー式、低元側圧縮機構部がレシプロ式であっても本発明の効果が損なわれることはない。これらの態様は以下に説明する他の実施の形態にも当てはまるものである。
【００１７】
本発明の実施の形態１に係る圧縮機１は、低元側圧縮機構部１０３と高元側圧縮機構部１０４が１つの筐体で提供されるため、１台の圧縮機で二元冷凍装置を構成することができる。そのため、小型で軽量かつ安価な二元冷凍装置を実現することができる。
【００１８】
［実施の形態２］
図４は、本発明の実施の形態２に係る二元冷凍装置用圧縮機の概略構成図である。
実施の形態２に係る圧縮機１は、電動機１０１の両側のロータシャフトにそれぞれ高元側圧縮機構部１０４と低元側圧縮機構部１０３をそれぞれ配置したものである。また、隔壁１０５と軸シール１０７が、電動機１０１と高元側圧縮機構部１０４及び低元側圧縮機構部１０３との間にそれぞれ設けられている。
【００１９】
この実施の形態２に係る圧縮機１は、中央に電動機１０１を配置することにより、低元側圧縮機構部１０３と高元側圧縮機構部１０４が隣接しなくなる。そのため、実施の形態２に係る圧縮機１は、実施の形態１に係る圧縮機１よりも軸シール１０７の損耗に起因する高元冷媒と低元冷媒の混合の可能性を抑えることができる。
また、電動機１０１の両側に圧縮機構部を配置することにより、圧縮した高温・高圧の冷媒ガスによって生じる軸方向荷重（スラスト荷重）が相殺され、スラスト軸受の小型化という効果がある。
なお、電動機１０１を収納する電動機室１０８は、電動機冷却効果が大きい低元冷媒空間とすること、電動機材料の低温脆性を回避するために高元冷媒空間とすること、のいずれであっても良い。
【００２０】
［実施の形態３］
図５は、本発明の実施の形態３に係る二元冷凍装置用圧縮機の概略構成図である。
本発明の実施の形態３に係る圧縮機１は、実施の形態２に係る圧縮機１では冷媒空間であった電動機室１０８を、低元冷媒空間、高元冷媒空間のいずれの冷媒空間ともせず、大気開放空間とするものである。すなわち、一般的には「開放型」と呼ばれる構成である。
この構成では、軸シール１０７が損耗により機能しなくなった場合でも、高元冷媒と低元冷媒が直接混合することはない。
【００２１】
図６及び図７は、本発明の実施の形態３に係る二元冷凍装置用圧縮機の他の構成例の概略構成図である。図６の圧縮機１は、実施の形態１に係る圧縮機１では冷媒空間にあった電動機１０１を、大気開放空間に設置するものである。図７の圧縮機１は、実施の形態１に係る圧縮機１では冷媒空間にあった電動機１０１を、大気開放空間に設置するものであり、低元側圧縮機構部１０３と高元側圧縮機構部１０４の各冷媒空間をそれぞれ軸シール１０７で独立した空間としたものである。
【００２２】
［実施の形態４］
図８は、本発明の実施の形態４に係る二次元冷凍装置用圧縮機の概略構成図である。実施の形態４に係る圧縮機１は、本発明の実施の形態１〜３の圧縮機１のいずれかであって、ロータシャフト１０２と低元側圧縮機構部１０３及び高元側圧縮機構部１０４が低元側ギヤ１０９及び高元側ギヤ１１０によって作動連結されるものである。すなわち、低元側ギヤ１０９、高元側ギヤ１１０によって低元側圧縮機構部１０３と高元側圧縮機構部１０４の回転数を変更することができる。低元側ギヤ１０９及び高元側ギヤ１１０によって低元側圧縮機構部１０３と高元側圧縮機構部１０４の回転数が上昇し増速することにより、前記実施の形態１〜３に係る圧縮機１の圧縮能力の向上が可能となる。
【００２３】
図９〜図１４は、本発明の実施の形態４に係る二元冷凍装置用圧縮機の他の構成例の概略構成図である。図９の圧縮機１は、電動機１０１の両側のロータシャフト１０２に低元側圧縮機構部１０３と高元側圧縮機構部１０４を配置する圧縮機１において、低元側ギヤ１０９と高元側ギヤ１１０を電動機室１０８に有するものである。図１０〜図１２の圧縮機１は、大気空間に設置された電動機１０１に低元側ギヤ１０９と高元側ギヤ１１０を作動連結させたものであり、低元側ギヤ１０９と高元側ギヤ１１０が、冷媒空間又は大気空間に設置された一例を表すものである。図１３及び１４の圧縮機１は、隔壁１０５と軸シール１０７が、低元側圧縮機構部１０３と高元側圧縮機構部１０４との間に備えられている圧縮機１において、低元側ギヤ１０９と高元側ギヤ１１０を有する一例を表すものである。
【００２４】
［実施の形態５］
本発明の実施の形態５に係る二次元冷凍装置用圧縮機は、本発明の実施の形態１〜４に係る圧縮機１のいずれかであって、電動機１０１がインバータ１１１（図示せず）で駆動されるものである。インバータ１１１によって電動機１０１の回転数の増減が可能となり、低元側圧縮機構部１０３と高元側圧縮機構部１０４の回転数を変更することができるので、圧縮能力の向上を図ることができる。また、減速運転することにより、機械的に容量制御を行う時に比べ、容量制御時の効率改善を図ることができる。
【００２５】
［実施の形態６］
本発明の実施の形態６に係る二次元冷凍装置用圧縮機は、前記実施の形態１〜５に係る圧縮機１のいずれかであって、高元冷媒及び低元冷媒に地球温暖化係数（ＧＷＰ値）の低い冷媒を用いるものである。昨今の地球環境問題に対応し、ＧＷＰ値の低い冷媒への切替えが進んでいる中、現在、低温用冷媒の主流であるＲ４０４ＡはＧＷＰ値が３，９４３（ＩＰＣＣ第５次レポート計算値）と非常に大きい。例えば、高元冷媒として低ＧＷＰ冷媒であるＨＦＯ冷媒やＲ１２３４ｙｆ（ＧＷＰ値＝１未満：ＩＰＣＣ第５次レポート計算値）を使用し、低元冷媒として二酸化炭素（ＧＷＰ値＝１）を使用すれば、環境負荷の大幅な改善となる。
【００２６】
以上の通り本発明の実施の形態１〜６に係る二次元冷凍装置用圧縮機を示したが、これにより、圧縮機の筐体は１つになる。そして、１つの電動機で高元及び低元側圧縮機構部を駆動するため、圧縮機１台で従来の二元冷凍装置における圧縮機２台分の機能を果たすことができる。このため、冷凍装置本体も小型化、軽量化が可能となり、輸送における環境負荷の低減に貢献できる。また、１つの筐体で圧縮機を構成することになるので、従来の圧縮機２台に比べ、安価に構成することができる。
【符号の説明】
【００２７】
１  圧縮機、２  高元側圧縮機構部、３  低元側圧縮機構部、３２  高元側冷媒回路、３４  低元側冷媒回路、３６  カスケード熱交換器、４０  高元側凝縮器、４３  高元側膨張機構、５２  低元側凝縮器、５３  高元側蒸発器、５４  低元側膨張機構、５６  低元側蒸発器、６０  二元冷凍装置、１０１  電動機、１０２  ロータシャフト、１０３  低元側圧縮機構部、１０４  高元側圧縮機構部、１０５  隔壁、１０７  軸シール、１０８  電動機室、１０９  低元側ギヤ、１１０  高元側ギヤ、１１１  インバータ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2017103988.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
2017103988.tif 000015
【図１４】
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【国際調査報告】
2017103988.tif 000017
2017103988.tif 000018