(57)【要約】【課題】本発明は、非常に高い圧力に圧縮する必要がある二酸化炭素等の自然作動媒体を用いた圧縮式ヒートポンプシステムにおいても、コンプレッサ２の本体２３内の非常に高圧な自然作動媒体Ｘが駆動軸２１と本体２３との間から大気等に流出することを良好に抑制することができるコンプレッサ２を実現することを目的とする。【解決手段】駆動軸２１と本体２３との間の軸空間２９に複数の軸シール部Ｓ１，Ｓ２を駆動軸２１に沿って並設すると共に、軸空間２９の複数の軸シール部Ｓ１，Ｓ２の間に形成された封止流体空間２８に封止流体Ｙを供給すると共に、封止流体空間２８の圧力を被圧縮流体Ｘの吐出圧力より低く且つ本体２３外の圧力より高い設定圧力に設定する封止流体供給手段Ａを備える。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
本体内に収容された圧縮回転子の回転駆動により被圧縮流体を圧縮可能に構成され、前記圧縮回転子の駆動軸の一端部が外部回転駆動源に連結される連結部として前記本体外に露出されているコンプレッサであって、
前記駆動軸と前記本体との間の軸空間に複数の軸シール部を前記駆動軸に沿って並設すると共に、
前記軸空間の前記複数の軸シール部の間に形成された封止流体空間に封止流体を供給すると共に、前記封止流体空間の圧力を前記被圧縮流体の吐出圧力より低く且つ前記本体外の圧力より高い設定圧力に設定する封止流体供給手段を備えたコンプレッサ。
【請求項２】
前記封止流体供給手段が、前記外部回転駆動源の回転駆動力の一部を利用して、前記封止流体空間に供給される前記封止流体を圧縮する圧縮手段を備えて構成されている請求項１に記載のコンプレッサ。
【請求項３】
前記被圧縮流体が二酸化炭素である請求項１又は２に記載のコンプレッサ。
【請求項４】
圧縮式ヒートポンプにおける作動媒体を前記被圧縮流体として圧縮するコンプレッサとして、請求項１から３の何れか１項のコンプレッサを備えた圧縮式ヒートポンプシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、本体内に収容された圧縮回転子の回転駆動により被圧縮流体を圧縮可能に構成され、前記圧縮回転子の駆動軸の一端部が外部回転駆動源に連結される連結部として前記本体外に露出されているコンプレッサ及びそれを備えた圧縮式ヒートポンプシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の作動媒体としてフロン等の人工作動媒体を用いる圧縮式ヒートポンプシステムは、気相状態の作動媒体をコンプレッサで圧縮した後に放熱器で放熱して冷却して液相状態とし、冷却後の作動媒体液を膨張弁で減圧した後に吸熱器で蒸発させて大気から蒸発潜熱を奪い気相状態とするように構成されており、上記フロン等の人工作動媒体を気相状態と液相状態との間で変化させる際の吸熱・放熱を利用して、上記吸熱器から放熱器側に熱を強制的に移動させるように構成されている。
【０００３】
また、近年、オゾン層保護や地球温暖化防止の観点から、圧縮式ヒートポンプシステムの作動媒体として、フロンのような人工作動媒体ではなく、二酸化炭素のような自然作動媒体の適用が注目されており、このような二酸化炭素を作動媒体として適用した圧縮式ヒートポンプシステムが実用化されている。
【０００４】
かかる自然作動媒体としての二酸化炭素の臨界点温度は、上記フロン等の人工作動媒体よりも低いので、例えば夏季等の外気温が高いときには、放熱器での二酸化炭素の温度が二酸化炭素の臨界点温度よりも高くなり、放熱器において、二酸化炭素が液相状態とならないことがある。
従って、二酸化炭素等の自然作動媒体を用いた圧縮式ヒートポンプシステムでは、十分な能力を発揮するために、コンプレッサの動作圧（作動媒体の吐出圧力）を１０ＭＰａ程度と極めて高く設定する場合がある。
【０００５】
一方、圧縮式ヒートポンプシステムのコンプレッサの回転駆動源を、外部に設置されたエンジン等の外部回転駆動源とする場合には、当該コンプレッサを、圧縮用の圧縮回転子を回転させるための駆動軸の連結部が本体外に露出した外部駆動型のコンプレッサとして構成する必要があり、その駆動軸と本体との間には、本体内の圧縮回転子側から駆動軸に沿って作動媒体が外部に流出することを防止するための公知のメカニカルシール等の軸シール部が設けられる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
フロン等の人工作動媒体を用いる圧縮式ヒートポンプシステムでは、動作圧が３ＭＰａ程度と比較的低いので、前述の軸シール部を設けることで作動媒体の流出を容易に抑制することができるが、二酸化炭素等の自然作動媒体を用いる圧縮式ヒートポンプシステムでは、動作圧が１０ＭＰａ程度と極めて高いので、前述の軸シール部を単に設けるだけでは作動媒体が外部に流出することを十分に抑制するのは困難である。
【０００７】
従って、本発明は、上記の事情に鑑みて、非常に高い圧力に圧縮する必要がある二酸化炭素等の自然作動媒体を用いた圧縮式ヒートポンプシステムにおいても、コンプレッサ本体内の非常に高圧な自然作動媒体が駆動軸とコンプレッサ本体との間から大気等に流出することを良好に抑制することができるコンプレッサを実現することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するための本発明に係るコンプレッサの第一特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請求項１に記載した如く、本体内に収容された圧縮回転子の回転駆動により被圧縮流体を圧縮可能に構成され、前記圧縮回転子の駆動軸の一端部が外部回転駆動源に連結される連結部として前記本体外に露出されているコンプレッサであって、
前記駆動軸と前記本体との間の軸空間に複数の軸シール部を前記駆動軸に沿って並設すると共に、
前記軸空間の前記複数の軸シール部の間に形成された封止流体空間に封止流体を供給すると共に、前記封止流体空間の圧力を前記被圧縮流体の吐出圧力より低く且つ前記本体外の圧力より高い設定圧力に設定する封止流体供給手段を備えた点にある。
【０００９】
即ち、上記第一特徴構成のコンプレッサによれば、上記封止流体供給手段を設けることで、上記駆動軸に沿って上記封止流体空間よりも圧縮回転子側に配置されたメカニカルシール等の軸シール部においては、圧縮回転子側に存在する最も高い吐出圧力の被圧縮流体が、その吐出圧力より低く且つ例えば大気圧等の本体外圧力より高い設定圧力の封止流体が供給された封止流体空間に流出することを抑制するものであればよい。更に、上記駆動軸に沿って上記封止流体空間よりも連結部側に配置されたメカニカルシール等の軸シール部においては、上記設定圧力の封止流体が、その設定圧力より低い大気圧等である本体外に流出することを抑制するものであればよい。従って、上記各軸シール部を、上記被圧縮流体の吐出圧力と本体外の圧力との差圧よりも十分に小さい差圧下において、被圧縮流体及び封止流体の流出を抑制するような簡単な構成のものとしながら、例えば被圧縮流体の吐出圧力を非常に高いものとしても、各軸シール部における上記差圧が小さいため、被圧縮流体及び封止流体の流出を各軸シール部において十分に抑制することができる。
【００１０】
従って、二酸化炭素等の自然作動媒体を用いた圧縮式ヒートポンプシステム用のコンプレッサとして利用しても、本体内の高圧な被圧縮流体である作動媒体が駆動軸と本体との間から大気等に流出することを良好に抑制することができるコンプレッサを実現することができる。
【００１１】
また、若干量の封止流体が、上記封止流体空間から、上記駆動軸に沿って上記封止流体空間よりも連結部側の軸シール部を介して本体外に流出する可能性があるため、上記封止流体としては大気に流出しても問題のない流体であることが好ましく、例えば、空気、窒素、水等を封止流体として使用することが好ましい。
【００１２】
本発明に係るコンプレッサの第二特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請求項２に記載した如く、上記第一特徴構成に加えて、前記封止流体供給手段が、前記外部回転駆動源の回転駆動力の一部を利用して、前記封止流体空間に供給される前記封止流体を圧縮する圧縮手段を備えて構成されている点にある。
【００１３】
即ち、上記第二特徴構成のコンプレッサによれば、上記封止流体供給手段は、上記圧縮手段により上記エンジン等の外部駆動源の動力の一部を利用して圧縮した封止流体を封止流体空間に供給することで、上記封止流体空間の圧力を、常に、大気圧等の本体外の圧力より高い設定圧力に維持することができ、駆動軸に沿って上記封止流体空間よりも圧縮回転子側の軸シール部における差圧を常に小さいものに維持して、被圧縮流体の封止流体空間への流出を良好に抑制することができる。
また、上記圧縮手段を設けることで、上記封止流体を蓄圧して保管する蓄圧部を設ける必要がなく、また、上記設定圧力の封止流体の補充の手間を省くことができる。
【００１４】
本発明に係るコンプレッサの第三特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請求項３に記載した如く、上記第一乃至第二特徴構成に加えて、前記被圧縮流体が二酸化炭素である点にある。
【００１５】
即ち、上記第三特徴構成のコンプレッサによれば、上記被圧縮流体としての二酸化炭素を圧縮するように構成しても、上記封止流体供給手段により、上記二酸化炭素が駆動軸を沿って本体外に流出することを良好に抑制することができ、吐出圧力を非常に高く設定することができる。
【００１６】
この目的を達成するための本発明に係る圧縮式ヒートポンプシステムの特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請求項４に記載した如く、圧縮式ヒートポンプにおける作動媒体を前記被圧縮流体として圧縮するコンプレッサとして、上記第一乃至第三特徴構成のコンプレッサを備えた点にある。
【００１７】
即ち、上記特徴構成の圧縮式ヒートポンプシステムによれば、非常に高い圧力に圧縮する必要がある二酸化炭素等の自然作動媒体を用いも、上記コンプレッサの封止流体供給手段によりコンプレッサの本体内の被圧縮流体である自然作動媒体が本体外に流出すること良好に抑制することができる圧縮式ヒートポンプシステムを実現することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。
図１に示す圧縮式ヒートポンプシステム１００は、公知の如く、作動媒体Ｘが、コンプレッサ２，２０、放熱器３、膨張弁４、吸熱器５を記載順に循環する構成とされており、吸熱器５において作動媒体Ｘが吸熱し、放熱器３において作動媒体Ｘが放熱する。
【００１９】
ここで、吸熱器５における吸熱対象としては、大気を想定しており、吸熱器５には気−液熱交換器が採用される。また、放熱器３における加熱対象は、給湯用の湯水であり、放熱器３には液−液熱交換器が採用される。
【００２０】
作動媒体Ｘは、自然作動媒体としての二酸化炭素である。
各機器での状態について説明すると、吸熱器５からコンプレッサ２，２０へ接続された管材で構成される作動媒体流路７においては、温度が４℃程度且つ圧力が４ＭＰａ程度の作動媒体Ｘが流通し、コンプレッサ２，２０から放熱器３へ接続された管材で構成される作動媒体流路８においては、温度が８０℃程度且つ圧力が９．０〜１０ＭＰａ程度の作動媒体Ｘが流通し、放熱器３から膨張弁４へ接続された管材で構成される作動媒体流路９においては、温度が４℃程度且つ圧力が９．０〜１０ＭＰａ程度の作動媒体Ｘが流通し、膨張弁４から吸熱器５に接続された管材で構成される作動媒体流路１０においては、温度が４℃程度且つ圧力が４ＭＰａ程度の作動媒体Ｘが流通するように、コンプレッサ２，２０の動作圧（作動媒体Ｘの吐出圧力）及び膨張弁４の設定差圧等が設定されている。
【００２１】
〔第一実施形態〕
次に、図１に示す圧縮式ヒートポンプシステム１００に設けられる第一実施形態のコンプレッサ２の構成を図２に基づいて説明する。
第一実施形態のコンプレッサ２は、本体２３内の圧縮室２６に収容された圧縮回転子２５の回転駆動により、作動媒体流路７から圧縮室２６に供給された二酸化炭素である作動媒体Ｘを被圧縮流体として圧縮して作動媒体流路８側に吐出するベーンロータリーコンプレッサとして構成されている。
【００２２】
また、圧縮回転子２５の駆動軸２１の一端部が、外部回転駆動源としてのエンジン５０の駆動軸５１の連結部５２にベルト１２を介して連結される連結部２２として本体２３外に露出されており、上記コンプレッサ２の駆動軸２１が、外部に設置されたエンジン５０の駆動力により回転駆動する。
【００２３】
また、コンプレッサ２の駆動軸２１と本体２３との間の筒状の軸空間２９には、第１軸シール部Ｓ１と第２軸シール部Ｓ２とが、駆動軸２１に沿って、上記圧縮回転子２５側から連結部２２に渡って記載の順に、並設されている。
【００２４】
第１軸シール部Ｓ１及び第２軸シール部Ｓ２の夫々は、駆動軸２の軸方向に沿って摺動可能に上記軸空間２９に内挿されたシールリング３１，３５と、駆動軸２１に固設されて駆動軸２１と共に回転駆動し、当該シールリング３１，３５のシール端面３１ａ，３５ａに摺接するメインティングリング３２，３６と、上記シールリング３１，３５を上記メインティングリング３２，３６側に付勢するスプリング３０，３４とを備えた公知のメカニカルシールとして構成されている。
【００２５】
コンプレッサ２の駆動軸２１と本体２３との間の筒状の軸空間２９は、上記のように第１軸シール部Ｓ１及び第２軸シール部Ｓ２とを設けることにより、圧縮室２６から上記第１軸シール部Ｓ１のシール端面３１ａまでの第１空間２７と、上記第１軸シール部Ｓ１のシール端面３１ａから第２軸シール部Ｓ２のシール端面３５ａまでの第２空間２８とに区画されることになる。
【００２６】
上記第１空間２７には、圧縮室２６で圧縮された作動媒体Ｘが軸受部等を介して流出し、その第１空間２７の圧力は、例えば９．０〜１０ＭＰａ程度の作動媒体Ｘの吐出圧力となると考えられ、そのままでは、その作動媒体Ｘが上記第２空間２８を介して外部（大気）に流出する恐れがある。
【００２７】
そこで、コンプレッサ２は、作動媒体Ｘとは異なり、大気に漏洩しても問題がない空気又は窒素等の封止流体Ｙを高圧状態で貯留するタンク４０を備え、更に、そのタンク４０に貯留された封止流体Ｙを管材で構成される封止流体流路３８を介して封止流体空間としての第２空間２８に供給すると共に、第２空間２８側の圧力が、作動媒体Ｘの吐出圧力、即ち第１空間２７の圧力より低く、且つ、本体２３外の圧力、即ち大気圧より高い設定圧力となるように、タンク４０から第２空間２８に供給される封止流体Ｙの圧力を調整する圧力調整弁３９とを備える。
【００２８】
即ち、上記タンク４０及び封止流体流路３８及び圧力調整弁３９は、封止流体空間としての第２空間２８に封止流体Ｙを供給すると共に、第２空間２８圧力を上記設定圧力に設定する封止流体供給手段Ａとして機能する。
【００２９】
そして、上記封止流体供給手段Ａを備えることで、第１軸シール部Ｓ１は、吐出圧力となる第１空間２７の作動媒体Ｘが、その吐出圧力より低く且つ例えば大気圧等の本体外圧力より高い設定圧力の第２空間２８に流出することを抑制する程度のメカニカルシールであればよい。更に、第２軸シール部Ｓ２は、設定圧力となる第２空間２８の封止流体Ｙが、その設定圧力より低い大気圧等の本体２３外に流出することを抑制する程度のメカニカルシールであればよい。従って、上記各軸シール部Ｓ１，Ｓ２を、コンプレッサ２の動作圧と本体２３外の大気圧等との差圧よりも十分に小さい差圧下において、作動媒体Ｘ及び封止流体Ｙの流出を抑制するような簡単な構成のものとしながら、例えば作動媒体Ｘの吐出圧力を９．０〜１０ＭＰａ程度の非常に高いものとしても、各軸シール部Ｓ１，Ｓ２において、上記差圧が小さいため、作動媒体Ｘ及び封止流体Ｙの流出を十分に抑制することができる。
【００３０】
更に、上記封止流体Ｙは、空気又は窒素等であるため、第２空間２８から第２軸シール部Ｓ２を介して若干量が大気に流出しても問題がない。従って、第２空間２８の圧力である設定圧力は、第１軸シール部Ｓ１において上記第１空間２７から第２空間２８への作動媒体Ｘの流出が良好に阻止できるように、動作圧力との圧力差が小さくなるように、高めに設定することが好ましい。
【００３１】
尚、本実施形態において、コンプレッサ２を停止しているときには、第２空間２８の圧力を設定圧力から大気圧程度に低下させるために、圧力調整弁３９を強制的に閉弁して、第２空間２８への封止流体Ｙの供給を停止することが好ましい。
【００３２】
〔第二実施形態〕
次に、図１に示す圧縮式ヒートポンプシステム１００に設けられる第二実施形態のコンプレッサ２０の構成を図３に基づいて説明する。
第二実施形態のコンプレッサ２０は、上記第一実施形態のコンプレッサ２と同様の構成については、同じ符号を付すと共に、詳細な説明を割愛するが、第一実施形態のコンプレッサ２と同様のベーンロータリーコンプレッサとして構成されており、更に、上記コンプレッサ２の駆動軸２１がエンジン５０の駆動力により回転駆動する。
【００３３】
また、コンプレッサ２０の駆動軸２１と本体２３との間の筒状の軸空間２９には、第１軸シール部Ｓ１と第２軸シール部Ｓ２とが、駆動軸２１に沿って、上記圧縮回転子２５側から連結部２２に渡って記載の順に、並設されており、第１軸シール部Ｓ１及び第２軸シール部Ｓ２の夫々は、メカニカルシールとして構成されている。
【００３４】
コンプレッサ２０の駆動軸２１と本体２３との間の筒状の軸空間２９は、上記のように第１軸シール部Ｓ１及び第２軸シール部Ｓ２とを設けることにより、第１空間２７と第２空間２８とに区画されることになる。
【００３５】
本実施形態のコンプレッサ２０は、本体２３に内蔵され、本体２３外から封止流体流路４１を介して封止流体Ｙである空気を取込み、取込んだ封止流体Ｙを圧縮した後に、封止流体流路４４を介して封止流体空間としての第２空間２８に供給する圧縮手段Ｂと、第２空間２８の圧力が上記設定圧力となるように、第２空間２８側の圧力が設定圧力より高くなったときに開弁して第２空間２８から封止流体流路４５を介して本体２３外に封止流体Ｙを放出する圧力調整弁４６とを備える。そして、上記圧縮手段Ｂ及び封止流体流路４１，４４，４５及び圧力調整弁４６が、封止流体空間としての第２空間２８に封止流体Ｙを供給すると共に、第２空間２８圧力を上記設定圧力に設定する封止流体供給手段Ａとして機能する。
【００３６】
また、上記圧縮手段Ｂは、本体２３内の圧縮室４３に収容され駆動軸２１に連結された圧縮回転子４２の回転駆動により、封止流体流路４１から圧縮室４３に供給された空気である封止流体Ｙを圧縮して封止流体流路４４側に吐出するベーンロータリーコンプレッサとして構成され、駆動軸２１に伝達されるエンジン５０の回転駆動力の一部を利用して、第２空間２８に供給される封止流体Ｙを圧縮するように構成されている。
【００３７】
上記のように圧縮手段Ｂを設けることで、第一実施形態のように、封止流体Ｙを蓄圧して保管するタンク４０を設ける必要がなく、また、上記設定圧力の封止流体Ｙの補充の手間を省くことができる。
また、このような圧縮手段Ｂにより、エンジン５０の回転駆動力の一部を用いて第２空間２８に供給される封止流体Ｙを圧縮するので、エンジン５０及びコンプレッサ２０を停止したときには、第２空間２８の圧力を設定圧力から低下させることができる。
尚、本実施形態において、圧縮手段Ｂを本体２３に内蔵したが、別に、本体２３外部に設置され、上記エンジン５０の駆動軸５１にベルト等を介して連結され駆動する圧縮機により圧縮手段Ｂを構成しても構わない。
【００３８】
〔別実施形態〕
上記第一及び第二実施形態において、第２空間２８の圧力を設定圧力に設定するために、流路内の圧力変動により開閉し、流路内の圧力を設定圧力とする圧力調整弁３９，４６を用いたが、圧力調整弁３９，４６の代わりに、制御装置等からの制御信号により開閉可能な制御弁を備え、第２空間２８の圧力を検出する圧力センサの検出結果に基づいて制御弁をフィードバック制御して、第２空間２８の圧力を設定圧力に設定しても構わない。
【００３９】
上記実施形態において、作動媒体Ｘを二酸化炭素としたが、別に、本発明において利用される作動媒体は通常のヒートポンプシステムで利用される作動媒体であればよく、更に、作動媒体Ｘとして、エタン、キセノン、亜酸化窒素等を利用することもできる。
【００４０】
上記実施形態において、コンプレッサ２，２０を、１つの圧縮室２６において作動媒体Ｘを圧縮する所謂一段型のコンプレッサとしたが、別に、コンプレッサ２，２０を複数の圧縮室において作動媒体Ｘを圧縮する多段方のコンプレッサとして構成しても構わない。
【図面の簡単な説明】
【図１】圧縮式ヒートポンプの構成を示す図
【図２】第一実施形態のコンプレッサの構成を示す図
【図３】第二実施形態のコンプレッサの構成を示す図
【符号の説明】
２，２０：コンプレッサ
３：放熱器
４：膨張弁
５：吸熱器
７，８，９，１０：作動媒体流路
２１：駆動軸
２２：連結部
２３：本体
２５：圧縮回転子
２６：圧縮室
２７：第１空間
２８：第２空間（封止流体空間）
２９：軸空間
３８：封止流体流路
３９：圧力調整弁
４０：タンク
４１，４４，４５：封止流体流路
４２：圧縮回転子
４３：圧縮室
４６：圧力調整弁
５０：エンジン
１００：圧縮式ヒートポンプシステム
Ａ：封止流体供給手段
Ｂ：圧縮手段
Ｓ１：第１軸シール部
Ｓ２：第２軸シール部
Ｘ：作動媒体
Ｙ：封止流体
【図１】
2004162645.tif 000003
【図２】
2004162645.tif 000004
【図３】
2004162645.tif 000005