(57)【要約】【課題】スクリュタイプの圧縮機及び膨張機を用い、良好な性能を維持することを可能としたヒートポンプを提供する。【解決手段】ヒートポンプにおいて、膨張機１０５をスクリュ圧縮機１０１と同様に雌雄一対の互いに噛合うスクリュロータ１３，１４を備えたスクリュタイプとし、スクリュ圧縮機１０１の雄ロータ１１と膨張機の雄ロータ１３のロータ軸を共有させるともに、スクリュ圧縮機１０１の雌ロータ１２と膨張機１０５の雌ロータ１４のロータ軸を共有させ、ケーシング１５を圧縮機側の圧縮機ケーシング部１５ａと膨張機側の膨張機ケーシング部１５ｃとこの両者間に気密を維持する状態で介在し、この両者を一体的に固定する中間ケーシング部１５ｃとにより形成し、スクリュ圧縮機１０１のスクリュロータ収容空間と膨張機１０５のスクリュロータ収容空間とを遮断する仕切板３１ａ，３１ｂを設けた構成としてある。【選択図】  図２
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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、
上記ケーシングを圧縮機側の圧縮機ケーシング部と膨張機側の膨張機ケーシング部とこの両者間に気密を維持する状態で介在し、この両者を一体的に固定する中間ケーシング部とにより形成し、
上記油冷式スクリュ圧縮機のスクリュロータ収容空間と上記膨張機のスクリュロータ収容空間とを遮断する仕切板を設けたことを特徴とするヒートポンプ。
【請求項２】
上記仕切板が、ここを貫通する上記各ロータ軸の周囲に油を供給する油供給孔を備えたことを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ。
【請求項３】
上記油供給孔のロータ軸側の開口端部と上記各ロータ軸との間の環状空間部に樹脂、または非鉄金属からなる環状部材を介在させたことを特徴とする請求項２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、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８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を一体型ケーシングを用いて形成する場合、圧縮機１０１のスクリュロータの歯溝空間と膨張機１０５のスクリュロータの歯溝空間とが連通していると、圧縮機１０１から膨張機１０５へ冷媒が漏洩し、凝縮器１１１を通る冷媒の量が減少し、ヒートポンプ１００の性能が低下する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、かつ良好な性能を維持する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。
【００１０】
【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、上記ケーシングを圧縮機側の圧縮機ケーシング部と膨張機側の膨張機ケーシング部とこの両者間に気密を維持する状態で介在し、この両者を一体的に固定する中間ケーシング部とにより形成し、上記油冷式スクリュ圧縮機のスクリュロータ収容空間と上記膨張機のスクリュロータ収容空間とを遮断する仕切板を設けた構成とした。
【００１１】
第２発明は、第１発明の構成に加えて、上記仕切板が、ここを貫通する上記各ロータ軸の周囲に油を供給する油供給孔を備えた構成とした。
【００１２】
第３発明は、第２発明の構成に加えて、上記油供給孔のロータ軸側の開口端部と上記各ロータ軸との間の環状空間部に樹脂、または非鉄金属からなる環状部材を介在させた構成とした。
【００１３】
【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１〜７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。
【００１４】
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。
【００１５】
さらに詳説すれば、ケーシング１５は圧縮機ケーシング部１５ａと中間ケーシング部１５ｂと膨張機ケーシング部１５ｃとからなっており、スクリュロータ１１，１２は圧縮機ケーシング部１５ａ内に、スクリュロータ１３，１４は膨張機ケーシング部１５ｃ内にそれぞれ収容され、圧縮機ケーシング部１５ａと膨張機ケーシング部１５ｃとの間に気密を維持する状態で中間ケーシング部１５ｂが介在している。また、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を介して圧縮機ケーシング部１５ａを貫いて延び、上述した入力軸１０６となっている。さらに、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】
圧縮機１０１内のスクリュロータ収容空間と膨張機１０５内のスクリュロータ収容空間は、ロータ軸１６及び２３を挟み込む２枚の仕切板３１ａ及び３１ｂにより遮断されている。圧縮機ケーシング部１５ａと中間ケーシング部１５ｂとの間、中間ケーシング部１５ｂと膨張機ケーシング部１５ｃとの間のそれぞれに隙間が生じないようにするため、ロータ軸方向の寸法については、中間ケーシング１５ｂの方が仕切板３１ａ及び３１ｂよりも大きくなっている。このため、図示する実施形態では、仕切板３１ａ及び３１ｂとスクリュロータ１１，１２の端面との間には微小な隙間が生じている。
【００１７】
また、図３に示すように、圧縮機ケーシング部１５ａには、圧縮機吸込みポート３２、及び圧縮機吐出ポート３３、膨張機ケーシング部１５ｃには、膨張機吸込みポート３４、及び膨張機吐出ポート３５が形成され、それぞれ循環流路Ｉの一部をなしている。
【００１８】
そして、圧縮機吸込みポート３２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と圧縮機ケーシング部１５ａ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３３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３４から膨張機１０５のスクリュロータ１３、１４と膨張機ケーシング部１５ｃ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３５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３２に戻り、循環を繰返す。
【００１９】
冷媒が圧縮機１０１で圧縮され、膨張機１０５で膨張させられるとき、圧縮機１０１のスクリュロータ１１，１２、及び膨張機１０５のスクリュロータ１３，１４のそれぞれに径方向、及び軸方向の力が作用するが、この力はロータ軸１７，１９，２４及び２６を介して軸受１８，２１，２５及び２７に受止められる。また、ロータ軸１７が圧縮機ケーシング部１５ａを貫通する部分から外部への冷媒の漏洩はメカニカルシール２２により防止されている。
【００２０】
さらに、圧縮機吐出ポート３３と膨張機吸込みポート３４、或いは圧縮機１０１のスクリュロータ収容空間部と膨張機１０５のスクリュロータ収容空間部とが連通していると、凝縮器１１１を通る冷媒の量が減少し、ヒートポンプ１の性能が低下するが、ヒートポンプ１では、仕切板３１ａ，３１ｂが設けられており、上記両ポート間、或いは上記両空間の間で冷媒が流動するのを最小限に止めるように形成されている。中間ケーシング部１５ｂ内の圧力は約１０ＭＰａで、中間ケーシング部１５ｂ内を外部から遮断する必要があり、圧縮機ケーシング部１５ａ、膨張機ケーシング部１５ｃのそれぞれに気密に結合された中間ケーシング部１５ｂによりこの内部は完全に外部から遮断されており、この内部から外部への冷媒の漏洩も防止されている。なお、図示する実施形態では、仕切板３１ａ，３１ｂは膨張機ケーシング部１５ｃの端面に固定されているが、圧縮機ケーシング部１５ａの端面に仕切板３１ａ，３１ｂを固定してもよい。
【００２１】
ロータ軸１６，２３と仕切板３１ａ，３１ｂとの間にはわずかな隙間があり、ここから冷媒が漏洩する可能性があるため、図５及び６に示すように、例えば仕切板３１ａにロータ軸１６，２３の外周部に油を供給する油供給孔４１を設けるのが好ましい。これにより上記わずかな隙間を油で満たし、この隙間からの油の漏洩を減少させ、ヒートポンプ１の性能の低下を抑制することができる。
【００２２】
また、ロータ軸１６，２３と仕切板３１ａ，３１ｂとの間の隙間は小さい程よいが、これを小さくし過ぎてロータ軸１６，２３と仕切板３１ａ，３１ｂとが接触することになると、これらが鉄製の場合、接触部が熱により溶け、溶着し、さらに溶着部が剥ぎ取られてゆき、かえって上記隙間が拡大し、ヒートポンプ１の性能低下を招くことになる。このため、図７に示すように、油供給孔４１に加えて、油供給孔４１のロータ軸側開口端部とロータ軸１６，２３との間の環状空間部に樹脂（例：フルオロカーボン樹脂）、または非鉄金属（例：ホワイトメタル）からなる環状部材５１を介在させるのが好ましい。これにより、上述した溶着、剥ぎ取られ、さらに隙間の拡大という事態の発生は回避され、ヒートポンプ１の性能の低下をより一層確実に防止することができる。
なお、図７では、ロータ軸１６のみが示されているが、環状部材５１はロータ軸２３の外周部にも設けられる。
【００２３】
【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、上記ケーシングを圧縮機側の圧縮機ケーシング部と膨張機側の膨張機ケーシング部とこの両者間に気密を維持する状態で介在し、この両者を一体的に固定する中間ケーシング部とにより形成し、上記油冷式スクリュ圧縮機のスクリュロータ収容空間と上記膨張機のスクリュロータ収容空間とを遮断する仕切板を設けた構成としてある。
このため、圧縮機側から膨張機側への冷媒の漏洩、これによる凝縮器を通る冷媒の量の減少をが最小限に止めることができ、ヒートポンプの性能低下を抑制することが可能になるというの効果を奏する。
【００２４】
第２発明によれば、第１発明の構成に加えて、上記仕切板が、ここを貫通する上記各ロータ軸の周囲に油を供給する油供給孔を備えた構成としてある。
このため、第１発明による効果をさらに顕著にすることができるという効果を奏する。
【００２５】
第３発明によれば、第２発明の構成に加えて、上記油供給孔のロータ軸側の開口端部と上記各ロータ軸との間の環状空間部に樹脂、または非鉄金属からなる環状部材を介在させた構成としてある。
このため、第２発明による効果をより一層高めることが可能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】本発明に係る別のヒートポンプの図３に対応する断面図である。
【図６】図５のＶＩ−ＶＩ線断面図である。
【図７】本発明に係るさらに別のヒートポンプの仕切板及びこれを貫くロータ軸の部分の拡大断面図である。
【図８】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
１３，１４  スクリュロータ      １５  ケーシング
１５ａ  圧縮機ケーシング部      １５ｂ  中間ケーシング部
１５ｃ  膨張機ケーシング部      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
３１ａ，３１ｂ  仕切板          ３２  圧縮機吸込みポート
３３  圧縮機吐出ポート          ３４  膨張機吸込みポート
３５  膨張機吐出ポート          ４１  油供給孔
５１  環状部材                  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                Ｉ    循環流路
ＩＩ  油流路
【図１】
2005016742.tif 000003
【図２】
2005016742.tif 000004
【図３】
2005016742.tif 000005
【図４】
2005016742.tif 000006
【図５】
2005016742.tif 000007
【図６】
2005016742.tif 000008
【図７】
2005016742.tif 000009
【図８】
2005016742.tif 000010