(57)【要約】【課題】冷凍システムのエクスプレッサ内の軸方向荷重および径方向荷重を低減させる。【解決手段】閉じた冷凍システムのエクスプレッサ２０は、スクリュー型膨張装置１２０およびスクリュー型圧縮機２２０を備えており、スクリュー型膨張装置１２０の吐出口１２０−２およびスクリュー型圧縮機２２０の吸入口２２０−１は、それぞれ、スクリュー型膨張装置のロータ１２１，１２２およびスクリュー型圧縮機のロータ２２１，２２２の第１のそれぞれ反対側に向かう端部に配置されており、スクリュー型膨張装置の吸入口およびスクリュー型圧縮機の吐出口は、それぞれ、ロータ１２１，１２２およびロータ２２１，２２２の第２のそれぞれ反対側に向かう端部に配置されている。【選択図】　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主圧縮機、吐出ライン、凝縮器、エクスプレッサ、蒸発器および吸入ラインを直列に備えているとともに、冷媒が収容された閉回路型冷凍システムであって、
前記エクスプレッサは、一対のロータを備えたスクリュー型膨張装置と、一対のロータを備えたスクリュー型圧縮機と、を備えており、前記スクリュー型膨張装置の各ロータが一対の端部を備えているとともに、前記スクリュー型圧縮機の各ロータが一対の端部を備えており、前記スクリュー型膨張装置の各ロータは、前記スクリュー型圧縮機の前記ロータのうちの対応する一方のロータと共通のシャフトを備えており、
前記スクリュー型膨張装置および前記スクリュー型圧縮機は、それぞれ、吸入口および吐出口を備えており、前記スクリュー型膨張装置の前記吐出口および前記スクリュー型圧縮機の前記吸入口は、それぞれ、前記スクリュー型膨張装置の前記ロータおよび前記スクリュー型圧縮機の前記ロータの第１のそれぞれ反対側に向かう端部に配置されており、
前記スクリュー型膨張装置の前記吐出口は、前記蒸発器と連通しており、
前記冷凍システムは、さらに、蒸発器の圧力にある気相冷媒を前記スクリュー型圧縮機の前記吸入口に供給する手段を備えており、
前記スクリュー型膨張装置の前記吸入口および前記スクリュー型圧縮機の前記吐出口は、それぞれ、前記スクリュー型膨張装置の前記ロータおよび前記スクリュー型圧縮機の前記ロータにおける第２のそれぞれ反対側に向かう端部に配置されており、
前記スクリュー型膨張装置の前記吸入口は、前記凝縮器と連通しており、
前記スクリュー型圧縮機の前記吐出口は、前記吐出ラインと連通していることを特徴とする冷凍システム。
【請求項２】
前記スクリュー型膨張装置の前記ロータが前記スクリュー型圧縮機の前記ロータに対するタイミングギアとして機能するように、前記スクリュー型圧縮機の前記ロータにはクリアランスが設けられていることを特徴とする請求項１記載の冷凍システム。
【請求項３】
分離器を備えており、前記分離器によって、前記冷媒の液相部分と気相部分とが分離され、前記冷媒の少なくとも５％の気相冷媒が前記スクリュー型圧縮機に供給されて前記吐出ラインに移送されることを特徴とする請求項１記載の冷凍システム。
【請求項４】
前記の第１のそれぞれ反対側に向かう端部は、互いに離れた端部であり、前記の第２のそれぞれ反対側に向かう端部は、互いに近接した端部であることを特徴とする請求項１記載の冷凍システム。
【請求項５】
主圧縮機、吐出ライン、凝縮器、エクスプレッサ、蒸発器および吸入ラインを直列に備えているとともに、冷媒が収容された閉回路型冷凍システムであって、
前記エクスプレッサは、一対のロータを備えたスクリュー型膨張装置と、一対のロータを備えたスクリュー型圧縮機と、を備えており、前記スクリュー型膨張装置の各ロータが一対の端部を備えているとともに、前記スクリュー型圧縮機の各ロータが一対の端部を備えており、前記スクリュー型膨張装置の各ロータは、前記スクリュー型圧縮機の前記ロータのうちの対応する一方のロータと共通のシャフトを備えており、
前記スクリュー型膨張装置および前記スクリュー型圧縮機は、それぞれ、吸入口および吐出口を備えており、前記スクリュー型膨張装置の前記吐出口および前記スクリュー型圧縮機の前記吸入口は、それぞれ、前記スクリュー型膨張装置の前記ロータおよび前記スクリュー型圧縮機の前記ロータの第１のそれぞれ反対側に向かう端部に配置されており、
前記冷凍システムは、さらに、分離器を備えており、
前記スクリュー型膨張装置の前記吐出口は、前記分離器を介して、前記スクリュー型圧縮機の前記吸入口および前記蒸発器に連通しており、
前記スクリュー型膨張装置の前記吸入口および前記スクリュー型圧縮機の前記吐出口は、それぞれ、前記スクリュー型膨張装置の前記ロータおよび前記スクリュー型圧縮機の前記ロータの第２のそれぞれ反対側に向かう端部に配置されており、
前記スクリュー型膨張装置の前記吸入口は、前記凝縮器と連通しており、
前記スクリュー型圧縮機の前記吐出口は、前記吐出ラインと連通していることを特徴とする冷凍システム。
【請求項６】
前記スクリュー型膨張装置の前記ロータが前記スクリュー型圧縮機の前記ロータに対するタイミングギアとして機能するように、前記スクリュー型圧縮機の前記ロータにはクリアランスが設けられていることを特徴とする請求項５記載の冷凍システム。
【請求項７】
前記分離器によって、前記冷媒の液相部分と気相部分とが分離され、前記冷媒の少なくとも５％の気相部分が前記スクリュー型圧縮機に供給されて前記吐出ラインに移送されることを特徴とする請求項５記載の冷凍システム。
【請求項８】
前記の第１のそれぞれ反対側に向かう端部は、互いに離れた端部であり、前記の第２のそれぞれ反対側に向かう端部は、互いに近接した端部であることを特徴とする請求項５記載の冷凍システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷凍システムに関し、特に、エクスプレッサにおける軸方向荷重および径方向荷重が低減された冷凍システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
閉回路型冷凍システムは、全て、圧縮機、凝縮器、膨張装置および蒸発器を直列に備えている。膨張装置には、固定オリフィス、キャピラリチューブ、熱式膨張弁および電子式膨張弁、タービン、および膨張装置−圧縮機つまりエクスプレッサ（ｅｘｐｒｅｓｓｏｒ）等がある。各膨張装置において、高圧の液相冷媒が圧力低下しながらフラッシュし、この液相冷媒の少なくとも一部が気体になり、これによって、比容積が増大する。ある種の膨張装置においては、このような増大する容積が、協働する圧縮機への動力供給のために利用され、この圧縮機によって、高圧の気相冷媒がシステムの圧縮機の吐出側に供給され、これによって、システムの容量が増大する。このようなエクスプレッサによる圧縮過程は、電気モータではなくフラッシュする液相冷媒から得られる動力を用いたものであるため、全冷凍効率が、システムの容量の増分と同じ分だけ増大する。
【０００３】
スクリュー型の圧縮機および膨張装置は、本質的に、軸方向および径方向に不均衡な状態にある。単一の低圧側ポートを備えた３ポート型エクスプレッサ（例えば、本願と同一の出願人による米国特許第６，１８５，９５６号に開示されたもの）も、径方向にはまだ均衡されていない。
【０００４】
油無給式膨張装置−圧縮機（つまりエクスプレッサ）ユニットは、相変化を用いた空調システムおよび冷凍システムに利用されるものである。膨張装置は、雄ロータおよび雌ロータの相対角度位置を制御してエクスプレッサにおける協働する圧縮機を駆動する際に、タイミングギヤの組として機能する。膨張装置を通る冷媒の少なくとも７０％が液相部分であり、このような液相部分により強度の流動する液膜が形成され、これによって、雄ロータと雌ロータとが分離されるため、膨張装置をタイミングギヤとして利用することが可能となっている。このように冷媒により潤滑された、膨張装置のロータは、タイミングギアの対を構成する。これは、乾式スクリューコンプレッサにおける一般的なタイミングギアのようなものである。エクスプレッサの圧縮機部分の雄ロータおよび雌ロータには、大きなクリアランスが設けられており、このため、これらは互いに接触しない。このような特徴によって、エクスプレッサの圧縮機部分を、油を供給せずに乾式で運転することができる。このことは、タイミングギアによって一般的な圧縮機を油を供給せずに運転することができることと、同じである。一般的な乾式圧縮機とエクスプレッサにおける２相流スクリュー型膨張装置との違いは、前者は、機械的駆動装置からのトルクを伝達する一般的なギアであるのに対し、後者は、それ自体が膨張装置であることである。エクスプレッサの膨張装置および圧縮機のロータには、油が供給されず、膨張装置のロータは、２相の作動流体の液相部分により潤滑され、流動する液膜によって、膨張装置の雄ロータと雌ロータとが分離される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、エクスプレッサ内部で気体により発生する径方向荷重および軸方向荷重を均衡させることである。
【０００６】
本発明の更なる目的は、ロータの歪みを緩和して、エクスプレッサのロータ間のクリアランスを減少することを可能とすることである。
【０００７】
本発明の他の目的は、エクスプレッサの軸受荷重を低減することである。
【０００８】
本発明の更なる目的は、エクスプレッサの性能を改善することである。
【０００９】
本発明の他の目的は、エクスプレッサの膨張装置のロータを、エクスプレッサの圧縮機のロータに対するタイミングギアとして利用することである。以上の目的および他の目的は、以下で明確となるように、本発明により達成することができる。
【００１０】
基本的には、冷凍システムもしくは空調システムの膨張装置は、エクスプレッサである。このようなエクスプレッサは、ツインスクリュー型膨張装置およびツインスクリュー型圧縮機により構成され、膨張装置のロータがタイミングギアとして機能する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１において、参照数字１０は、冷凍システムもしくは空調システムの全体を示している。システム１０は、直列に、圧縮機１２、吐出ライン１４、凝縮器１６、ライン１８、エクスプレッサ（ｅｘｐｒｅｓｓｏｒ）である膨張装置２０、ライン２２、蒸発器２４および吸入ライン２６を備えており、ここで回路が完了している。図２〜５に示されているように、エクスプレッサ２０は、２対のスクリューロータを備えており、各対の各ロータが他方の対のロータと共通のシャフトに取り付けられている。図１および図２からわかるように、凝縮器１６から流出された高圧の液相冷媒が、ライン１８を介して、エクスプレッサ２０の膨張装置１２０の吸入口１２０−１に供給される。図３および図４に最も明確に示されているように、膨張装置１２０は、一対のスクリューロータ１２１，１２２を備えている。高圧の液相冷媒が膨張装置１２０の吸入口１２０−１に供給されることによって、ロータ１２１，１２２が回転する。ロータ１２１，１２２が回転すると、これらは膨張装置として互いに作用し、トラップ容量の冷媒を減圧してフラッシュさせる。液相から気相への相変化には、エネルギーの移送が必要であるため、液相冷媒の一部がフラッシュする。通常、液相冷媒の１５％がフラッシュするが、適切な条件の下では３０％までフラッシュさせることができる。このように気相および液相が混合された低圧冷媒（公称的には蒸発器の圧力にある）は、膨張装置１２０の吐出口１２０−２から流出し、ライン１３０を介して分離器１４０に流入する。
【００１２】
分離器１４０を、図示されているように膨張装置１４０の内部に配置することも可能であり、膨張装置１４０の外部に配置することも可能である。分離器１４０は、冷媒の液相部分と気相部分とを分離し、気相部分の一部および液相部分を、ライン２２を介して蒸発器２４に供給する。ライン１４１を介して分離器１４０から供給される気相部分は、特定の冷媒、サイクルおよびシステム構成によって決まる。例えば、冷媒番号１３４ａの冷媒を用いる場合に、水冷式冷却器では気相部分が６％となり、空冷式冷却器では気相部分が１０％となる。通常、気相部分は少なくとも５％である。冷媒番号１３４ａの冷媒および水冷式冷却器を用いる場合を想定すると、分離された冷媒の気相部分の一部（６％程度）が、ライン１４１を介して、分離器１４０から圧縮機２２０の吸入口２２０−１に供給される。図３に示されているように、膨張装置１２０のスクリューロータ１２１が回転すると、共通のシャフト１２２−１を介して圧縮機２２０のスクリューロータ２２１の回転が起動される。同様に、膨張装置１２０のスクリューロータ１２２が回転すると、共通のシャフト１２２−１を介して圧縮機２２０のスクリューロータ２２２の回転が起動される。圧縮機２２０のロータ２２１，２２２が膨張装置１２０のロータ１２１，１２２によりそれぞれ駆動され、これによって、圧縮機２２０の吸入口２２０−１に供給される低圧の気相冷媒が、ロータ２２１，２２２の相互作用により圧縮される。公称的に圧縮機１２の吐出圧力にある高圧の気相冷媒が、圧縮機の吐出側２２０−２まで送られ、ライン１５０を介して吐出ライン１４まで移送され、ここで、主圧縮機１２から供給される高圧の気相冷媒と混合される。従って、この場合は、圧縮機１２から吐出される量の１０６％程度の冷媒が凝縮器１６に供給される。
【００１３】
上述したように、スクリューロータ２２１は、スクリューロータ１２１と結合されて、これとともにユニットとして回転し、スクリューロータ２２２は、スクリューロータ１２２と結合されて、これと共にユニットとして回転する。図４および図５を比較すると、膨張装置１２０のロータ１２１，１２２は互いに接触しているのに対して、圧縮機２２０のロータ２２１，２２２にはクリアランス（図５では強調して示されている）が設けられていることがわかる。スクリューロータ２２１，２２２の相互作用は、冷凍産業で利用される油供給型スクリューコンプレッサの方式（つまり一方のスクリューロータが他方のスクリューロータと係合してこれを駆動する方式）では行われないためである。従って、ロータ１２１，１２２の相互作用は、スクリューロータ２２１，２２２に対するタイミングギヤのように行われる。ロータ２２１，２２２は互いに接触しないため、これらを潤滑する必要はない。ロータ１２１，１２２は、主に、液相冷媒の作用を受けるため、通常は潤滑油により得られるシーリング機能および潤滑機能が、液相冷媒により得られる。ロータ２２１，２２２は互いに接触することがないため、これらのロータ形状は、駆動／被駆動の関係を得るためでなく、シーリング機能を得るために設計される。ロータ１２１，１２２のローブ間のクリアランスは、ロータ２２１，２２２よりも小さい。ロータ１２１，１２２は、２相冷媒における液相部分により潤滑され、流動する液膜によりロータ１２１，１２２が分離およびシーリングされる。ロータ１２１，１２２，２２１，２２２のロータ形状は、膨張装置１２０のロータ対の間および圧縮機２２０のロータ対の間に生じるトルクが一方向に向かうように設計される。さらに、膨張装置１２０のロータ１２１，１２２のロータ形状においては、駆動領域（ｄｒｉｖｅ　ｂａｎｄ）の半径が相対的に大きくされており、これによって、ロータ間の接触応力が低減されている。従来のスクリュー型の圧縮機および膨張装置、もしくは従来技術の３ポート型エクスプレッサと比較して、ロータ１２１，１２２，２２１，２２２の歪みが低減され、これによって、先端部のクリアランスを小さくすることができ、性能を改善することができる。
凝縮器１６の圧力は、公称的に、圧縮機１２から吐出される冷媒（これは、吐出ライン１４を介して凝縮器１６に供給される）の圧力と同じである。圧縮機２２０の吐出圧力は、公称的に、圧縮機１２の吐出圧力と同じである。従って、ライン１８を介してポート１２０−１に供給される冷媒の圧力と、吐出ポート２２０−２における冷媒（これは、ライン１５０を介して吐出ライン１４に供給される）の圧力と、は同じである。吸入口１２０−１における圧力および吐出口２２０−２における圧力は、一体化されたロータ１２１，２２１および一体化されたロータ１２２，２２２に対してそれぞれ逆方向に作用するため、均衡される。吐出口１２０−２は、ライン１３０、分離器１４０およびライン１４１を介して吸入口２２０−１と流体的に連通しているため、吐出口１２０−２における圧力と吸入口２２０−１における圧力とは、公称的に同じである。吐出口１２０−２における圧力および吸入口２２０−１における圧力は、一体化されたロータ１２１，２２１および一体化されたロータ１２２，２２２に対してそれぞれ逆方向に作用するため、均衡される。結果として、ロータ１２１，２２１およびロータ１２２，２２２に加わる軸方向荷重は、これらが除去されない場合には、劇的に低減される。
【００１４】
説明および図示されたように吸入口および吐出口を配置することによって、エクスプレッサ２０の膨張装置１２０および圧縮機２２０に加わる、気体による軸方向荷重および径方向荷重が低減される。軸受荷重（ｂｅａｒｉｎｇ　ｌｏａｄｉｎｇ）は、主に、ロータの組が均衡されていないことにより生じるため、上述したように吐出口および吸入口を配置することによって、径方向および軸方向の軸受荷重が低減される。
【００１５】
運転中、圧縮機１２から流出された高温高圧の気相冷媒は、吐出ライン１４を介して凝縮器１６に供給され、ここで凝縮されて液体になり、この液体は、ライン１８を介してエクスプレッサ２０に供給される。この高圧の液相冷媒は、ライン１８を介してツインスクリュー型膨張装置１２０に供給される。膨張装置１２０において、冷媒がフラッシュしながらその圧力を失う一方で、この冷媒により膨張装置１２０のロータ１２１，１２２および圧縮機２２０のツインスクリューロータ２２１，２２２が駆動される。膨張装置１２０からは、気相および液相が混合した低圧の冷媒が吐出され、分離器１４０に送られる。分離器１４０によって、純粋な気相冷媒がライン１４１を介してエクスプレッサ２０の圧縮機に供給されるとともに、液相部分が多い２相混合冷媒流がライン２２を介して蒸発器２４に供給される。蒸発器２４において、液相冷媒が蒸発し、発生した気相冷媒が、吸入ライン２６を介して圧縮機１２に供給され、ここでこのサイクルが完了する。分離器１４０から流出した気相冷媒は、ツインスクリュー型圧縮機２２０の吸入口２２０−１に供給される。膨張装置１２０のロータ１２１は、圧縮機２２０のロータ２２１と一体化されており、これと共にユニットとして動くようになっている。同様に、膨張装置１２０のロータ１２２は、圧縮機２２０のロータ２２２と一体化されており、これと共にユニットとして動くようになっている。従って、吸入口２２０−１に供給される気相冷媒は、協働するロータ２２１，２２２により圧縮され、このように圧縮された気相冷媒（公称的に、圧縮機１２の吐出圧力と同じ圧力にある）は、圧縮機２２０から、吐出口２２０−２およびライン１５０を介してライン１４へと移送され、ここで、凝縮器１６に供給される高温高圧冷媒の量が効果的に増大され、これによって、システム１０の容量が増大される。
【００１６】
図６および図７を参照すると、システム１０’およびエクスプレッサ２０’は、分離器１４０およびライン１３０，１４１が取り除かれている点で、図１〜５に示されたシステム１０およびエクスプレッサ２０とは異なっている。分離器１４０が取り除かれているため、吸入口２２０−１には、蒸発器２４もしくはそのすぐ下流側のライン２６から、ライン１４１’を介して冷媒が供給される。ライン１４１およびライン１４１’は、両方とも、公称的に蒸発器の圧力にある気相冷媒を供給する。分離器１４０およびその機能が取り除かれていること以外は、システム１０，１０’およびエクスプレッサ２０，２０’の動作は、実質的に同じである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の冷凍システムもしくは空調システムを示す概略図。
【図２】図１のシステムのエクスプレッサを示す概略図。
【図３】図２のエクスプレッサのロータの軸線に対して平行に沿った概略図。
【図４】図３の線４−４に沿ってエクスプレッサの膨張装置を示す断面図。
【図５】図３の線５−５に沿ってエクスプレッサの圧縮機を示す断面図。
【図６】本発明の改良を加えた冷凍システムもしくは空調システムを示す概略図。
【図７】図６のシステムのエクスプレッサを示す概略図。
【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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