(57)【要約】【課題】シャフト間で大きなトルクを伝達する軸継手の異常摩耗を抑え、軸継手の信頼性を高めた流体機械を提供することを目的とする。【解決手段】フライホイール５１の端面の円周上には、複数の係合突起５１ａが形成されるとともに、フランジ５２にはこれに対応する係合穴５２ａが形成され、係合突起５１ａが係合穴５２ａに係合されることで、動力回収シャフト３５のトルクを駆動シャフト２１に伝達する。このような構成によれば、膨張機３０で発生するトルク変動は、フライホイール５１で平準化されるとともに、径の大きなフライホイール５１が動力回収シャフト３５の軸継手５０を構成しているため、軸継手５０の係合突起５１ａや係合穴５２ａの係合部にかかる応力が小さいので、係合部での摩耗の発生が抑えられ、高い信頼性が得られる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を膨張させて得た動力を回収する動力回収シャフトを備えた膨張機と、
前記冷媒を圧縮する駆動シャフトを備えた圧縮機と、
前記駆動シャフトにトルクを与える電動機と、
前記駆動シャフトおよび前記動力回収シャフトを連結する軸継手と
を備えた流体機械であって、
前記軸継手は、
第１の係合部を有する、前記動力回収シャフトに固定されたフライホイールと、
前記第１の係合部と係合する第２の係合部を有する、前記駆動シャフトに固定されたフランジと
で構成され、
前記第１の係合部および前記第２の係合部は、前記駆動シャフトの外周面よりも外側に配置されている流体機械。
【請求項２】
前記フライホイールにバランスウェイトを備えた請求項１に記載の流体機械。
【請求項３】
前記フライホイールにバランスホールを備えた請求項１に記載の流体機械。
【請求項４】
前記駆動シャフトおよび前記動力回収シャフトの軸芯に潤滑油を通す油穴を形成するとともに、前記フライホイールと前記フランジとの間に前記油穴を囲むようにＯリングを配置した請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の流体機械。
【請求項５】
前記フランジの表面または前記フライホイールの表面に凹凸を設けた請求項４に記載の流体機械。
【請求項６】
前記フライホイールを前記電動機より下方に配置するとともに、前記フライホイールの外径を前記電動機のコイルエンド内径より大きくした請求項５に記載の流体機械。
【請求項７】
前記フライホイールおよび前記フランジを非磁性体とした請求項６に記載の流体機械。
【請求項８】
前記電動機のロータが前記フランジを兼ねる請求項６に記載の流体機械。
【請求項９】
前記フライホイールおよび前記フランジの少なくとも一方を弾性体とした請求項７に記載の流体機械。
【請求項１０】
前記冷媒として二酸化炭素を用いた請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の流体機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体機械に関し、特に同期して回転する２本のシャフトを連結する軸継手を備えた流体機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
同期して回転する２本のシャフトを連結する軸継手を備えた流体機械の例としては、動力回収シャフトを備え冷媒を膨張させる膨張機と、駆動シャフトを備え冷媒を圧縮する圧縮機とを連結した膨張機一体型圧縮機がある。
【０００３】
このような膨張機一体型圧縮機は、圧縮機が電動機により駆動シャフトにトルクを与えられ、冷媒を高圧に圧縮して冷凍サイクル回路に吐出し、膨張機が冷凍サイクル回路から高圧の冷媒を吸入して膨張仕事をすることで動力回収シャフトを回転させる。そして動力回収シャフトと、駆動シャフトとは軸継手により連結されており、動力回収シャフトのトルクを駆動シャフトに伝達することにより、動力を回収する構成になっている。
【０００４】
膨張機では、液相からその容積が大きく変化する気液二相への相変化を伴う膨張過程があるため、膨張機の動力回収シャフトのトルク変動は大きい。そこで従来の膨張機一体型圧縮機では、膨張機の動力回収シャフトのトルク変動の平準化を図るために、フライホイールを動力回収シャフト、あるいは駆動シャフトに取り付ける例が示されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１では、フライホイールを配置する位置として、軸継手の反対側の動力回収シャフト端部に設ける場合、軸継手と反対側の駆動シャフト端部に設ける場合、あるいは圧縮機と膨張機とをつなぐ軸継手に設ける場合の例が示されている。
【特許文献１】特開平９−２５０４７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら従来の流体機械である膨張機一体型圧縮機は、膨張機で発生するトルク変動をフライホイールで平準化を図ってはいるものの、全く均一にできるわけではなく、相変化時の大きなトルクが動力回収シャフトから、軸継手に加わる場合があった。その場合、軸継手で異常摩耗が発生して軸継手が損傷し、流体機械の信頼性を確保できないという課題があった。
【０００６】
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、動力回収シャフトと駆動シャフトとの間でトルクを伝達する軸継手の異常摩耗を抑え、軸継手の信頼性を高めた流体機械を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の流体機械は、冷媒を膨張させて得た動力を回収する動力回収シャフトを備えた膨張機と、冷媒を圧縮する駆動シャフトを備えた圧縮機と、駆動シャフトにトルクを与える電動機と、駆動シャフトおよび動力回収シャフトを連結する軸継手とを備えた流体機械であって、軸継手は、第１の係合部を有する、動力回収シャフトに固定されたフライホイールと、第１の係合部と係合する第２の係合部を有する、駆動シャフトに固定されたフランジとで構成され、第１の係合部および第２の係合部は、駆動シャフトの外周面よりも外側に配置されている。
【０００８】
このような構成によれば、膨張機で発生するトルク変動をフライホイールで平準化できる。さらに、フライホイールとフランジとの係合部が駆動シャフトの外周面よりも外側にあるため、駆動シャフトと動力回収シャフトを直接連結する場合と比べて、軸継手にかかる力が小さくなり、軸継手での摩耗の発生が抑えられ、信頼性の高い流体機械を実現できる。
【０００９】
また、本発明の流体機械のフライホイールにバランスウェイトを備えてもよい。このような構成によれば、バランスウェイトが回転バランスをとることで振動を低減し、軸継手の信頼性をより高めることができる。
【００１０】
また、本発明の流体機械のフライホイールにバランスホールを備えてもよい。このような構成によれば、バランスホールが回転バランスをとることで振動を低減し、軸継手の信頼性をより高めることができる。
【００１１】
また、本発明の流体機械の駆動シャフトおよび動力回収シャフトの軸芯に、潤滑油を通す油穴を形成するとともに、フライホイールとフランジとの間に油穴を囲むようにＯリングを配置してもよい。
【００１２】
このような構成とすることで、フライホイールとフランジとの間の潤滑油は、Ｏリングより外側に出ることを抑制されるため、シャフト間の油もれを低減することができる。
【００１３】
また、本発明の流体機械のフランジの表面またはフライホイールの表面に凹凸を設けてもよい。
【００１４】
このような凹凸を設けた表面が回転することで、旋回流が生じ、冷媒とオイルとの比重差で、冷媒とオイルとが分離される。その結果、オイルが冷媒に混入して冷凍サイクル内を循環する量が減り、圧縮機、膨張機で潤滑油不足を起こすことがない。
【００１５】
また、本発明の流体機械のフライホイールを電動機より下方に配置するとともに、フライホイールの外径を電動機のコイルエンド内径より大きくしてもよい。
【００１６】
このような構成により、オイル溜めに溜まっているオイルを巻き上げることを防ぎ、オイルが冷凍サイクルに混入されることを防止できる。
【００１７】
また、本発明の流体機械のフライホイールおよびフランジを非磁性体としてもよい。このような構成により、電動機の磁界の乱れを防止することができる。
【００１８】
また、本発明の流体機械の電動機のロータがフランジを兼ねてもよい。このような構成により、フランジが不要となるため、より軸継手の構成を簡素化でき、堅固なロータを用いることで、軸継手の強度の向上を図れる。
【００１９】
また、本発明の流体機械のフライホイールおよびフランジの少なくとも一方を弾性体としてもよい。このような構成により、トルク変動をより吸収することができ軸継手の信頼性を高めることができる。
【００２０】
また、本発明の流体機械の冷媒として二酸化炭素を用いてもよい。二酸化炭素を冷媒とした流体機械の膨張機は膨張時の圧力差が大きく、トルク変動も大きいが、上述の構成の流体機械では、軸継手での摩耗が抑えられ、信頼性の高い流体機械となる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、膨張機で発生するトルク変動をフライホイールで平準化するとともに、フライホイールとフランジとの係合部が駆動シャフトの外周面よりも外側にあるため、軸継手での摩耗の発生が抑えられ、信頼性の高い流体機械を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２３】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態における流体機械の膨張機一体型圧縮機の縦断面図である。図１に示すように膨張機一体型圧縮機１０は、密閉容器１１内の上部に圧縮機２０が、下部に膨張機３０が、中央部に電動機８０が配置されている。密閉容器１１の外周部には、圧縮機２０に冷媒を吸入する圧縮機吸入管１２、および冷媒を吐出する圧縮機吐出管１３と、膨張機３０に冷媒を吸入する膨張機吸入管１４、および冷媒を吐出する膨張機吐出管１５が設けられている。
【００２４】
電動機８０は、密閉容器１１に固定されたステータ８１とロータ８２とで構成され、ロータ８２には、圧縮機２０を回転駆動させ、冷媒を圧縮するための駆動シャフト２１が焼きばめにより嵌合固定されている。ステータ８１には、密閉容器１１に設けられた端子８３から配線８４が接続され、ロータ８２を回転する電力が供給される。ステータ８１の両端はコイルエンド部８５を有している。
【００２５】
圧縮機２０は、スクロール式圧縮機で、密閉容器１１に固定された軸受部材２２と、固定スクロール２３とで形成した圧縮室２４内に、旋回スクロール２５を旋回自在に設けた構成となっている。圧縮室２４には、冷媒の吸入部２６と吐出部２７とが設けられ、吸入部２６と吐出部２７とは、それぞれ密閉容器１１に設けられた圧縮機吸入管１２と、圧縮機吐出管１３とに連通している。軸受部材２２には、電動機８０と共用されている駆動シャフト２１が回転自在に軸支されており、駆動シャフト２１の偏心部２１ａには、旋回スクロール２５が回転自在に嵌合されている。そして、駆動シャフト２１の内部には、潤滑油４２を通す第１油穴２１ｂが貫通形成されている。また旋回スクロール２５は、自転運動を防止するオルダムリング２８によって支持されている。
【００２６】
膨張機３０は、ロータリ式膨張機で、本発明の第１の実施の形態では、密閉容器１１に固定された上軸受部材３１、シリンダ３２、下軸受部材３３を順に重ね合わせた構成となっている。シリンダ３２の内壁に接して、それぞれの内径より小さい外径をもつピストン３４が回転自在に設けられている。また上軸受部材３１、シリンダ３２、下軸受部材３３、ピストン３４で膨張室３６を形成している。上軸受部材３１および下軸受部材３３には、動力回収シャフト３５が回転自在に軸支されており、動力回収シャフト３５の偏心部３５ａには、ピストン３４が回転自在に嵌合されている。
【００２７】
動力回収シャフト３５の下部には、給油ポンプ４１が取り付けられ、密閉容器１１の底部に貯留した潤滑油４２を、動力回収シャフト３５の内部に貫通された第２油穴３５ｂを介して、膨張機３０のピストン３４に給油している。また給油ポンプ４１は、駆動シャフト２１の内部に貫通された第１油穴２１ｂを介して、圧縮機２０のオルダムリング２８等の摺動部に給油する構成になっている。そして駆動シャフト２１と、動力回収シャフト３５とは、軸継手５０によって連結されている。
【００２８】
軸継手５０は、動力回収シャフト３５に嵌合固定されたフライホイール５１と、駆動シャフト２１に嵌合固定されたフランジ５２とで構成されている。
【００２９】
次に、本発明の第１の実施の形態における膨張機一体型圧縮機の動作について説明する。電動機８０を駆動して駆動シャフト２１を回転させ、駆動シャフト２１の偏心部２１ａを偏心回転させると、旋回スクロール２５は、固定スクロール２３に接する旋回運動をする。旋回スクロール２５の旋回運動により、圧縮機吸入管１２を経て吸入部２６から吸入された冷媒は、圧縮室２４内において圧縮された後、吐出部２７を経て圧縮機吐出管１３から吐出される。圧縮機吐出管１３から吐出された高圧の冷媒は、図示していない放熱器等を経由して、膨張機３０の膨張機吸入管１４から膨張機３０内の膨張室３６に吸入される。
【００３０】
膨張室３６に吸入された冷媒は、ピストン３４を作動させて膨張仕事をし、これに嵌合している偏心部３５ａを介して、動力回収シャフト３５にトルクを発生する。動力回収シャフト３５に発生したトルクは、動力回収シャフト３５を経由し、軸継手５０を介して圧縮機２０の駆動シャフト２１に伝えられ、補助動力として回収される。膨張機３０の膨張機吐出管１５から吐出された低圧の冷媒は、図示していない蒸発器等で外気から熱を吸収し、ふたたび圧縮機２０の圧縮機吸入管１２から取り込まれる。
【００３１】
図２（ａ）は、本発明の第１の実施の形態における膨張機一体型圧縮機のフライホイールの平面図であり、図２（ｂ）は、フランジを含む図２（ａ）におけるＡ−Ａ線断面図である。また図２（ａ）は、図２（ｂ）のＢ−Ｂ線方向から見た図である。
【００３２】
動力回収シャフト３５には、フライホイール５１が焼きばめによって嵌合固定されている。同様に駆動シャフト２１には、フランジ５２がフライホイール５１に対向して配置され、焼きばめによって嵌合固定されている。フライホイール５１の端面の円周上には、第１の係合部として複数の係合突起５１ａが形成されるとともに、フランジ５２には、第２の係合部として第１の係合部に対応する係合穴５２ａが形成されている。そして、係合突起５１ａが係合穴５２ａに係合されることで、動力回収シャフト３５のトルクを駆動シャフト２１に伝達する。また、フライホイール５１には、バランスウェイト５１ｃが設けられている。
【００３３】
このような構成により、膨張機３０で発生するトルク変動は、フライホイール５１で平準化される。また、フライホイール５１とフランジ５２との係合部が駆動シャフト２１の外周面よりも外側にあるため、軸継手５０の係合突起５１ａや係合穴５２ａの係合部にかかる力が小さくなるので、係合部での摩耗の発生が抑えられ、軸継手５０が損傷することもなくなる。
【００３４】
またフライホイール５１、フランジ５２には第１油穴２１ｂ、第２油穴３５ｂを囲むように円周状の溝５１ｂ、５２ｂが形成され、溝５１ｂ、５２ｂ内にはＯリング５３が配置されて、シャフト間の油もれを防止している。
【００３５】
さらにフランジ５２およびフライホイール５１の表面には、凹凸部５４が形成され、ロータ８２の隙間を通って膨張機一体型圧縮機１０の上方から下方へ降りてくる冷媒に含まれるオイルを冷媒と分離している。すなわち、凹凸部５４を備えたフランジ５２およびフライホイール５１が回転すると、旋回流が発生し、比重の大きなオイルが遠心力で膨張機一体型圧縮機１０の容器内に飛ばされ、冷媒と分離する。その結果、オイルが冷媒に混入して冷凍サイクル内を循環する量が減り、圧縮機、膨張機で潤滑油不足を起こすことがない。
【００３６】
また、フライホイール５１およびフランジ５２は、非磁性体材料で形成されており、電動機８０の磁界を乱すことがない。
【００３７】
また、フライホイール５１およびフランジ５２の少なくとも一方を弾性体とすることで、トルク変動を、より吸収することができ、軸継手５０の信頼性を高めることができる。
【００３８】
また図１に示すように、フライホイール５１の外径は、電動機８０のコイルエンド部８５の内径より大きくしてあり、密閉容器１１の底部に貯留した潤滑油４２の巻き上げを防止することができる。
【００３９】
図３（ａ）は、本発明の第１の実施の形態の膨張機一体型圧縮機のバランスウェイトを設けたフライホイールの斜視図、図３（ｂ）は同実施の形態の膨張機一体型圧縮機のバランスホールを設けたフライホイールの斜視図である。
【００４０】
図３（ａ）に示すように、フライホイール５１には、バランスウェイト５１ｃが、動力回収シャフト３５に対して偏心部３５ａと反対方向に設けられている。その結果、フライホイール５１を含む動力回収シャフト３５は、回転バランスがとれ、フライホイール５１の振動が低減するので、軸継手５０の信頼性をより高めることができる。また、フライホイール５１の表面には、凹凸部５４が形成されている。
【００４１】
また図３（ｂ）に示すように、フライホイール５１の一部を除去したバランスホール５１ｄを設けることで、回転バランスを補正してもよい。すなわち、フライホイール５１にバランスホール５１ｄを、動力回収シャフト３５に対して偏心部３５ａと同じ方向に設けている。その結果、フライホイール５１を含む動力回収シャフト３５は、回転バランスがとれ、フライホイール５１の振動が低減し、軸継手５０の信頼性をより高めることができる。また、フライホイール５１の表面にも、凹凸部５４が形成されている。
【００４２】
（第２の実施の形態）
図４は、本発明の第２の実施の形態の膨張機一体型圧縮機の電動機付近の縦断面図である。図４において、図１と同じ構成要素については同じ符号を用い、その説明は省略する。
【００４３】
本発明の第２の実施の形態が、第１の実施の形態と異なる点は、第１の実施の形態の軸継手が、動力回収シャフトに嵌合固定されたフライホイールと、駆動シャフトに嵌合固定されたフランジとから構成されていたのに対し、第２の実施の形態の軸継手は、動力回収シャフトに嵌合固定されたフライホイールと、駆動シャフトに嵌合固定された電動機のロータとから構成されていることである。すなわち、本発明の第２の実施の形態では、電動機のロータが、駆動シャフト側の軸継手を兼用している構成となっている。
【００４４】
図４において、フライホイール５１は、動力回収シャフト３５に焼きばめによって嵌合固定されている。電動機のロータ８２は、駆動シャフト２１に焼きばめによって嵌合固定されている。フライホイール５１の端面の円周上には、複数の係合突起５１ａが設けられ、ロータ８２には、これに対応する係合穴８２ａが形成されている。そして、係合突起５１ａが、係合穴８２ａに係合されることで動力回収シャフト３５のトルクを、駆動シャフト２１に伝達する構成となっている。
【００４５】
フライホイール５１、ロータ８２には円周状の溝５１ｂ、８２ｂが形成され、溝５１ｂ、８２ｂ内には第１油穴２１ｂ、第２油穴３５ｂを囲むようにＯリング５３が配置され、シャフト間の油もれを防止している。駆動シャフトに固定するフランジの代わりに、構造的により堅固なロータを用いることで、軸継手の強度の向上を図れるとともに、軸継手の構造を簡素化することができる。
【００４６】
また、本発明の実施の形態では、冷媒として二酸化炭素を用いている。二酸化炭素を冷媒とした冷凍サイクルは高低圧差が大きく、膨張機により多くの動力を回収することができるが、その分トルク変動も大きい。従って、冷媒に二酸化炭素を用いたとき、本発明による軸継手の摩耗の発生を抑える効果が大きくなり、動力回収効率が高くかつ信頼性の高い流体機械を実現できる。
【００４７】
なお、本発明の実施の形態では、膨張機が下部に、圧縮機が上部に位置する例で説明したが、この逆の膨張機が上部に、圧縮機が下部に位置する場合であっても、フライホイールを膨張機側に設けることで、同様の効果を発揮できる。
【００４８】
また、本発明の実施の形態では、フライホイールとフランジの固定は、係合突起と係合穴の例で説明したが、フライホイールとフランジをボルト締めしてもよいし、圧入により固定するようにしてもよい。
【００４９】
このように本発明によれば、膨張機で発生するトルク変動をフライホイールで平準化するとともに、フライホイールとフランジとの係合部が駆動シャフトの外周面よりも外側にあるため、軸継手での摩耗の発生が抑えられ、信頼性が高い流体機械を実現できる。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明にかかる流体機械は、軸継手での摩耗の発生が抑えられ、軸継手を有する膨張機一体型圧縮機等の用途に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の第１の実施の形態における流体機械の膨張機一体型圧縮機の縦断面図
【図２】（ａ）同実施の形態における膨張機一体型圧縮機のフライホイールの平面図（ｂ）フランジを含む図２（ａ）のＡ−Ａ線断面図
【図３】（ａ）同実施の形態の膨張機一体型圧縮機のバランスウェイトを設けたフライホイールの斜視図（ｂ）同実施の形態の膨張機一体型圧縮機のバランスホールを設けたフライホイールの斜視図
【図４】本発明の第２の実施の形態の膨張機一体型圧縮機の電動機付近の縦断面図
【符号の説明】
【００５２】
１０    膨張機一体型圧縮機
１１    密閉容器
１２    圧縮機吸入管
１３    圧縮機吐出管
１４    膨張機吸入管
１５    膨張機吐出管
２０    圧縮機
２１    駆動シャフト
２１ａ，３５ａ    偏心部
２１ｂ    第１油穴
２２    軸受部材
２３    固定スクロール
２４    圧縮室
２５    旋回スクロール
２６    吸入部
２７    吐出部
２８    オルダムリング
３０    膨張機
３１    上軸受部材
３２    シリンダ
３３    下軸受部材
３４    ピストン
３５    動力回収シャフト
３５ｂ    第２油穴
３６    膨張室
４１    給油ポンプ
４２    潤滑油
５０    軸継手
５１    フライホイール
５１ａ    係合突起（第１の係合部）
５１ｂ，５２ｂ，８２ｂ    溝
５１ｃ    バランスウェイト
５１ｄ    バランスホール
５２    フランジ
５２ａ，８２ａ    係合穴（第２の係合部）
５３    Ｏリング
５４    凹凸部
８０    電動機
８１    ステータ
８２    ロータ
８３    端子
８４    配線
８５    コイルエンド部
【図１】
2007218098.tif 000003
【図２】
2007218098.tif 000004
【図３】
2007218098.tif 000005
【図４】
2007218098.tif 000006