(57)【要約】【課題】スクリュタイプの圧縮機、膨張機を用い、膨張機で焼き付きを起こさないヒートポンプを提供する。【解決手段】油冷式スクリュ圧縮機１０１と、凝縮器１１１で凝縮された冷媒をロータの回転によりガス・液体の２相流にして蒸発器１１２へと送り出す膨張機１０５とを一体型ケーシング１５を用いて形成し、圧縮機１０１の少なくとも一ロータ軸と膨張機１０５の少なくとも一ロータ軸とを一体回転可能に同軸上に配置し、モータ１０８により駆動するヒートポンプ１において、膨張機１０５をスクリュ圧縮機１０１と同様、雌雄一対のスクリュロータを備えたスクリュタイプとし、圧縮機１０１、膨張機１０５の雄ロータの各ロータ軸同士を一体回転可能に同軸上に設け、圧縮機１０１、膨張機１０５の雌ロータの各ロータ軸同士を一体回転可能に同軸上に設け、膨張機１０５の両ロータを互いに接触することがない歯形を有する形状に形成してある。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
油冷式スクリュ圧縮機と、ここで圧縮され、凝縮器で凝縮された冷媒をロータの回転によりガス・液体の２相流にして蒸発器へと送り出す膨張機とを一体型ケーシングを用いて形成するとともに、上記油冷式スクリュ圧縮機の少なくとも一ロータ軸と膨張機の少なくとも一ロータ軸とを一体回転可能に同軸上に配置し、同一駆動部により駆動するヒートポンプにおいて、
上記膨張機を上記油冷式スクリュ圧縮機と同様に雌雄一対の互いに噛合うスクリュロータを備えたスクリュタイプとし、
上記油冷式スクリュ圧縮機の雄ロータと上記膨張機の雄ロータの各ロータ軸同士を一体回転可能に同軸上に設けるとともに、上記油冷式スクリュ圧縮機の雌ロータと上記膨張機の雌ロータの各ロータ軸同士を一体回転可能に同軸上に設け、上記膨張機の雄ロータと雌ロータとを互いに接触することがない歯形を有する形状に形成したことを特徴とするヒートポンプ。
【請求項２】
上記油冷式スクリュ圧縮機の雄ロータと雌ロータの軸直角断面において、互いに接触することがある各ロータの接触部の雄ロータ側、或いは雌ロータ側、或いは両者を削り取った歯形形状の軸直角断面を有する雄ロータと雌ロータとを上記膨張機の雌雄一対のスクリュロータとして採用したことを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧縮機のロータ軸と同軸上、一体回転可能に結合されたロータ軸により駆動される膨張機を用いたヒートポンプに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、圧縮機のロータ軸と同軸上、一体回転可能に結合されたロータ軸により駆動される膨張機を用いたヒートポンプは公知である（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平８−４２９３０号公報（段落［００２５］、図９）
【０００４】
特許文献１には、図１０に示すように、ヒートポンプ１００が開示されており、このヒートポンプ１００には、圧縮機１０１のロータ軸１０２と同軸上、カップリング１０３を介して一体回転可能に結合されたロータ軸１０４により駆動される膨張機１０５が用いられている。圧縮機１０１は、その入力軸１０６がカップリング１０７を介してモータ１０８の出力軸１０９に結合され、このモータ１０８により駆動される。
【０００５】
そして、圧縮機１０１、凝縮器１１１、膨張機１０５及び蒸発器１１２を含む冷媒の循環流路Ｉにおいて、圧縮機で圧縮された高圧高温の冷媒ガスは、凝縮器１１１にて熱を放出し、高圧流体となって凝縮器１１１から膨張機１０５へと流れる。この高圧流体は膨張機１０５にて膨張し、膨張エネルギーを利用してロータ（インペラ）を回転させるとともに、低圧の２相流となり、蒸発器１１２へと流れる。さらに、この冷媒は、蒸発器１１２にて熱を吸収して気化し、圧縮機１０１に戻る。上記膨張エネルギーは膨張機１０５のロータを介して圧縮機１０１のロータを回転させるエネルギーの一部として回収され、モータ１０８の負担を軽減し、蒸発器１１２から戻ってきた冷媒は圧縮機１０１にて圧縮され、循環を繰返す。
【０００６】
また、特許文献１には、圧縮機１０１と膨張機１０５とが一体型ケーシングを用いて形成されたヒートポンプが開示され、なかでも特許文献１の図９には、タービンタイプの膨張機１０５と、スクリュタイプの圧縮機１０１とが用いられたヒートポンプが開示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述したスクリュタイプの圧縮機１０１は、互いに噛合う雌雄一対のスクリュロータ間とこの一対のスクリュロータを収容するケーシングの内面との間に形成されるガス閉じ込み空間がスクリュロータの回転とともに縮小してゆくことによりガス圧縮する容積型圧縮機の一種である。一方、タービンタイプの膨張機１０５は、ガスの膨張エネルギーにより回転させられるインペラ、即ちロータを有し、その回転は上記スクリュロータの回転に比して遥かに高速となる。このように、スクリュタイプの圧縮機１０１とタービンタイプの膨張機１０５は異なる現象を利用し、構造的にも類似性のない全く異なる装置であり、例えばそれぞれの軸受部等への潤滑油供給機構も別々に設ける必要があり、給油システム全体が複雑になるため、ヒートポンプ自体が大きくなり、故障発生の確率も増大する。
【０００８】
このような問題は、膨張機１０５もスクリュタイプにすることにより解決される。この場合、膨張機１０５では、上述したスクリュタイプの圧縮機１０１とは逆に、互いに噛合う雌雄一対のスクリュロータ間とこの一対のスクリュロータを収容するケーシングの内面との間に形成されるガス閉じ込め空間がスクリュロータの回転とともに増大してゆくことによりガス膨張させることになる。
【０００９】
この圧縮機１０１及び膨張機１０５における互いに噛合う雌雄一対のスクリュロータについては、後述するように、駆動側のスクリュロータ、例えば雄ロータの歯面が従動側のスクリュロータ、例えば雌ロータの歯面に接触し、雄ロータから雌ロータに回転させる力が伝達され、一対の歯車のように、両歯面間で滑りを生じながら互いに同期回転する。
【００１０】
また、ヒートポンプ１００に用いられるスクリュタイプの圧縮機１０１は油冷式であるのが一般であり、この場合、圧縮機１０１の上記ガス閉じ込め空間には潤滑油が供給され、雌雄ロータの上記歯面の接触部での潤滑をしつつ圧縮機１０１から圧縮された冷媒は潤滑油を伴って吐出される。そして、図１０には示されていないが、圧縮機１０１と凝縮器１１１との間には油分離回収器が設けられ、ここで潤滑油が冷媒から分離、回収され、図示しない油冷却器を介して再度上記ガス閉じ込め空間に導かれ、繰返し循環させられる。一方、上記油分離回収器で油分離された冷媒は、凝縮器１１１を経て、スクリュタイプの膨張機１０５を通過する。
【００１１】
ところが、この膨張機１０５に導かれる冷媒は油分離されたもので、潤滑油を随伴しておらず、膨張機１０５における雌雄ロータの歯面の接触部で同一金属同士が高速で直接擦れ合い、焼き付きを起こすという問題が生じる。
本発明は、斯る従来の問題をなくすことを課題としてなされたもので、スクリュタイプの圧縮機及び膨張機を用い、かつ膨張機にて焼き付きを起こさないことを可能としたヒートポンプを提供しようとするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、第１発明は、油冷式スクリュ圧縮機と、ここで圧縮され、凝縮器で凝縮された冷媒をロータの回転によりガス・液体の２相流にして蒸発器へと送り出す膨張機とを一体型ケーシングを用いて形成するとともに、上記油冷式スクリュ圧縮機の少なくとも一ロータ軸と膨張機の少なくとも一ロータ軸とを一体回転可能に同軸上に配置し、同一駆動部により駆動するヒートポンプにおいて、上記膨張機を上記油冷式スクリュ圧縮機と同様に雌雄一対の互いに噛合うスクリュロータを備えたスクリュタイプとし、上記油冷式スクリュ圧縮機の雄ロータと上記膨張機の雄ロータの各ロータ軸同士を一体回転可能に同軸上に設けるとともに、上記油冷式スクリュ圧縮機の雌ロータと上記膨張機の雌ロータの各ロータ軸同士を一体回転可能に同軸上に設け、上記膨張機の雄ロータと雌ロータとを互いに接触することがない歯形を有する形状に形成した構成とした。
【００１３】
第２発明は、第１発明の構成に加えて、上記油冷式スクリュ圧縮機の雄ロータと雌ロータの軸直角断面において、互いに接触することがある各ロータの接触部の雄ロータ側、或いは雌ロータ側、或いは両者を削り取った歯形形状の軸直角断面を有する雄ロータと雌ロータとを上記膨張機の雌雄一対のスクリュロータとして採用した構成とした。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態を図面にしたがって説明する。
図１〜８は、本発明に係るヒートポンプ１を示す。図１に示すように、ヒートポンプ１は上記同様に、圧縮機１０１、凝縮器１１１、膨張機１０５、蒸発器１１２を有するとともに、圧縮機１０１と凝縮器１１１との間に油分離回収器１１３を有し、これらを含む冷媒の循環流路Ｉを形成している。また、圧縮機１０１の入力軸１０６はカップリング１０７を介してモータ１０８の出力軸１０９に一体回転可能に結合されている。さらに、油分離回収器１１３の下部の油溜り部１１３Ａからは、ここに一旦溜められた油を油冷却器１１４で冷却した後、圧縮機１０１内のガス閉じ込み空間に導く油流路ＩＩが設けられている。
【００１５】
図２に示すように、圧縮機１０１は、互いに噛合う雌雄一対のスクリュロータ１１，１２を有する油冷式スクリュ圧縮機で、膨張機１０５は互いに噛合う雌雄一対のスクリュロータ１３，１４を有し、それぞれ一体型ケーシング１５内に回転可能に収容されている。さらに詳説すれば、圧縮機１０１の雄側のスクリュロータ１１と膨張機１０５の雄側のスクリュロータ１３とはロータ軸１６を共有し、スクリュロータ１１の他方に延びたロータ軸１７は軸受１８により回転可能に支持され、スクリュロータ１３の他方に延びたロータ軸１９は軸受２１により回転可能に支持されている。ロータ軸１７はさらにメカニカルシール２２を介してケーシング１５を貫いて延び、上述した入力軸１０６となっている。また、圧縮機１０１の雌側のスクリュロータ１２と膨張機１０５の雌側のスクリュロータ１４とはロータ軸２３を共有し、スクリュロータ１２の他方に延びたロータ軸２４は軸受２５により回転可能に支持され、スクリュロータ１４の他方に延びたロータ軸２６は軸受２７により回転可能に支持されている。
【００１６】
図３に示すように、ケーシング１５の圧縮機側には、圧縮機吸込みポート３１、及び圧縮機吐出ポート３２、ケーシング１５の膨張機側には、膨張機吸込みポート３３、及び膨張機吐出ポート３４が形成され、それぞれ循環流路Ｉの一部をなしている。
【００１７】
そして、圧縮機吸込みポート３１から圧縮機１０１に吸込まれた冷媒は、圧縮機１０１のスクリュロータ１１，１２とケーシング１５の内面との間に形成されるガス閉じ込み空間にて油流路ＩＩから油供給を受けつつ圧縮され、圧縮機吐出ポート３２から油を随伴して油分離回収器１１３へと吐出される。油分離回収器１１３では冷媒と油とが分離され、分離された油は一旦油溜り部１１３Ａに溜められ、油が分離された冷媒は凝縮器１１１へと送り出される。油溜り部１１３Ａの油は、上述したように、油冷却器１１４が介設された油流路ＩＩにより圧縮機１０１内のガス閉じ込み空間に導かれ、繰返し循環使用される。一方、冷媒は凝縮器１１１で凝縮された後、膨張機吸込みポート３３から膨張機１０５のスクリュロータ１３、１４とケーシング１５の内面との間に形成される空間に閉じ込められ、スクリュロータ１３，１４の回転とともに膨張させられてガス・液体の２相流となって膨張機吐出ポート３４から蒸発器１１２に至り、ここで熱を吸収して蒸発し、圧縮機１０１の圧縮機吸込みポート３１に戻り、循環を繰返す。
【００１８】
油冷式の圧縮機１０１の場合、そのスクリュロータ１１，１２は、図４に示すように噛合い、雄側のスクリュロータ１１の歯１１Ａにより雌側のスクリュロータ１２の歯１２Ａを押すようにしてスクリュロータ１１からスクリュロータ１２に回転する力を伝達し、互いに同期回転する。この両スクリュロータ１１，１２の噛合い部を拡大すれば、図５に示すように、圧縮機１０１が定常運転を継続しているときは、歯１１Ａの駆動側歯面と歯１２Ａの追従側歯面とがごく短い接触部Ｘで力の伝達が行われている。これに対して、例えば、圧縮機１０１を停止させた場合、ガス圧によりスクリュロータ１１，１２が逆回転することがあり、その場合、図６に示すように、歯１２Ａの隣りの歯の駆動側歯面と歯１１Ａの追従側歯面とが接触部Ｙとがぶつかり合う。しかしながら、圧縮機１０１のスクリュロータ１１，１２には、油流路ＩＩから給油により上記噛合い部の潤滑がなされているため、両ロータの歯面同士が接触しても問題はない。換言すれば、上記油冷式の圧縮機１０１では、油潤滑されているため、上記歯面同士を接触させて使用することが前提となっている。なお、図５及び６において、Ｏ１はスクリュロータ１１の回転中心、Ｏ２はスクリュロータ１２の回転中心を示している。
【００１９】
ところが、膨張機１０５の場合、油分離された冷媒が流入し、スクリュロータ１３，１４間には潤滑作用のある油は存在しないため、スクリュロータ１３，１４の歯面同士が接触すると問題が生じる。即ち、歯面同士の接触により焼き付きが起こる。そこで、膨張機１０５のスクリュロータ１３，１４については、歯面同士が接触することがない形状に形成されている。具体的には、例えば、軸直角断面において、図５中の接触部Ｘに相当する部分と図６中の接触部Ｙに相当する部分を削り取った形状の歯形形状を有するようにスクリュロータ１３，１４は形成されている。この削り取った形状にするのは、雄側のスクリュロータ１３のみでもよく、雌側のスクリュロータ１４のみでもよく、両ロータ共でもよい。図７は、一例として、上記削り取った形状に形成された雄側のスクリュロータ１３を採用した膨張機１０５を示し、その噛合い部を拡大した図８は図５に対応し、同じく図９は図６に対応している。また、図８及び９中、Ｃ１で示す部分が図５における接触部Ｘに対応し、Ｃ２で示す部分が図６における接触部Ｙに対応し、スクリュロータ１３は，軸直角断面において、Ｃ１、Ｃ２で示す部分が削り取られた状態の歯形形状を有し、これら以外ではスクリュロータ１１と同一形状に形成されている。従って、スクリュロータ１３をスクリュロータ１１と同一工程で加工した後、Ｃ１，Ｃ２で示す部分を削り取ればよい。なお、図７及び８において、Ｏ３はスクリュロータ１３の回転中心，Ｏ４はスクリュロータ１４の回転中心を示している。
【００２０】
このように、膨張機１０５のスクリュロータ１３は、Ｃ１、Ｃ２で示す部分が削り取られた軸直角断面形状を有するため、圧縮機１０１のスクリュロータ１２と同一の軸直角断面形状を有する雌側のスクリュロータ１４と接触することはなく、膨張機１０５において焼き付きを起こすことはない。
なお、スクリュロータ１３，１４同士の接触をなくすために、上述した接触部Ｘ，Ｙを削り取った形状にする以外に、例えばスクリュロータ１３，１４のいずれか一方、或いは両者の歯の肉厚が小さくなるように形成してもよく、或いはスクリュロータ１３，１４のいずれか一方、或いは両者の外形を若干縮小するように形成してもよい。
【００２１】
【発明の効果】
以上の説明より明らかなように、第１発明によれば、油冷式スクリュ圧縮機と、ここで圧縮され、凝縮器で凝縮された冷媒をロータの回転によりガス・液体の２相流にして蒸発器へと送り出す膨張機とを一体型ケーシングを用いて形成するとともに、上記油冷式スクリュ圧縮機の少なくとも一ロータ軸と膨張機の少なくとも一ロータ軸とを一体回転可能に同軸上に配置し、同一駆動部により駆動するヒートポンプにおいて、上記膨張機を上記油冷式スクリュ圧縮機と同様に雌雄一対の互いに噛合うスクリュロータを備えたスクリュタイプとし、上記油冷式スクリュ圧縮機の雄ロータと上記膨張機の雄ロータの各ロータ軸同士を一体回転可能に同軸上に設けるとともに、上記油冷式スクリュ圧縮機の雌ロータと上記膨張機の雌ロータの各ロータ軸同士を一体回転可能に同軸上に設け、上記膨張機の雄ロータと雌ロータとを互いに接触することがない歯形を有する形状に形成した構成としてある。
このため、膨張機において、焼き付きを起こすことはなくなるという効果を奏する。
【００２２】
第２発明によれば、第１発明の構成に加えて、上記油冷式スクリュ圧縮機の雄ロータと雌ロータの軸直角断面において、互いに接触することがある各ロータの接触部の雄ロータ側、或いは雌ロータ側、或いは両者を削り取った歯形形状の軸直角断面を有する雄ロータと雌ロータとを上記膨張弁の雌雄一対のスクリュロータとして採用した構成としてある。
このため、第１発明による効果に加えて、膨張機のスクリュロータの製造が容易になるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るヒートポンプの全体構成を示す図である。
【図２】図１に示す圧縮機及び膨張機のそれぞれの雌雄一対のスクリュロータの軸心を含む平面で切った状態を示す断面図である。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。
【図４】図３のＩＶ−ＩＶ線断面図である。
【図５】図４に示す噛合い部を拡大した部分断面図である。
【図６】図４に示す噛合い部を拡大した別の状態における部分断面図である。
【図７】図３のＶＩＩ−ＶＩＩ線断面図である。
【図８】図７に示す噛合い部を拡大した部分断面図である。
【図９】図７に示す噛合い部を拡大した別の状態における部分断面図である。
【図１０】従来のヒートポンプの全体構成を示す図である。
【符号の説明】
１  ヒートポンプ                １１，１２  スクリュロータ
１１Ａ，１２Ａ  歯              １３，１４  スクリュロータ
１５  ケーシング                １６，１７  ロータ軸
１８  軸受                      １９  ロータ軸
２１  軸受                      ２２  メカニカルシール
２３，２４  ロータ軸            ２５  軸受
２６  ロータ軸                  ２７  軸受
３１  圧縮機吸込みポート        ３２  圧縮機吐出ポート
３３  膨張機吸込みポート        ３４  膨張機吐出ポート
１０１  圧縮機                  １０５  膨張機
１０６  入力軸                  １０７  カップリング
１０８  モータ                  １０９  出力軸
１１１  凝縮器                  １１２  蒸発器
１１３  油分離回収器            １１３Ａ  油溜り部
１１４  油冷却器                Ｉ    循環流路
ＩＩ  油流路                      Ｏ１，Ｏ２，Ｏ３，Ｏ４  回転中心
Ｘ，Ｙ  接触部
【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】
2005016320.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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