| 【発明の名称】 |
２段圧縮式ロータリコンプレッサ及び２段圧縮冷凍装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】江原 俊行
【氏名】只野 昌也
【氏名】山川 貴志
【氏名】小田 淳志
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| 【要約】 |
【課題】
【解決手段】 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】底部を潤滑オイル溜とする密閉容器内に電動機と、前記電動機の下部に配置され且つ前記電動機により駆動される回転圧縮機構を備え、前記回転圧縮機構は低段圧縮を行う第１圧縮要素と高段圧縮を行う第２圧縮要素を含む、２段圧縮式ロータリコンプレッサにおいて、蒸発温度が−７０℃〜−５０℃の領域で前記低段圧縮の排除容積Ｖ１に対する前記高段圧縮の排除容積Ｖ２の排除容積比（Ｖ２／Ｖ１）を所定範囲内に設定したことを特徴とする、２段圧縮式ロータリコンプレッサ。
【請求項２】前記蒸発温度が−７０℃の場合、前記排除容積比を４０％以下の範囲に設定した、請求項１記載の２段圧縮式ロータリコンプレッサ。
【請求項３】前記蒸発温度が−６０℃の場合、前記排除容積比を５０％以下の範囲に設定した、請求項１記載の２段圧縮式ロータリコンプレッサ。
【請求項４】前記蒸発温度が−５０℃の場合、前記排除容積比を６０％以下の範囲に設定した、請求項１記載の２段圧縮式ロータリコンプレッサ。
【請求項５】低段側圧縮手段及び高段側圧縮手段を含む２段圧縮式ロータリコンプレッサ、凝縮器、第一膨張手段、中間冷却器、第二膨張手段及び主冷却器とから冷凍サイクルを構成し、前記凝縮器から出た冷媒を分流して一方を前記第一膨張手段から中間冷却器に、他方を前記第二膨張手段から主冷却器にそれぞれ流し、前記第二膨張手段に流入する冷媒を前記中間冷却器と熱交換させると共に、前記主冷却器から出た冷媒を前記低段側圧縮手段に吸い込ませ、前記中間冷却器から出た冷媒を前記低段側圧縮手段から吐出された冷媒と共に前記高段側圧縮手段に吸い込ませ、且つ前記主冷却器における蒸発温度を−７０℃〜−５０℃の範囲に設定したことを特徴とする、２段圧縮冷凍装置。
【請求項６】前記低段側圧縮手段の排除容積Ｖ１に対する前記高段側圧縮手段の排除容積Ｖ２の排除容積比（Ｖ２／Ｖ１）を６０％以下の範囲に設定したことを特徴とする、請求項５記載の２段圧縮冷凍装置。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、２段圧縮式ロータリコンプレッサ及び２段圧縮冷凍装置に関し、特にたとえば低段側の圧縮排除容積に対する高段側の圧縮排除容積の排除容積比を特定の所定範囲内に設定することにより極低温における冷凍サイクルの効率を向上せしめることができる、２段圧縮式ロータリコンプレッサ及び２段圧縮冷凍装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、多段圧縮冷凍装置、例えば２段圧縮式ロータリコンプレッサにおいて、低段側の圧縮排除容積に対する高段側の圧縮排除容積の排除容積比は任意に決められている。しかしながら、このコンプレッサにより２段圧縮された冷媒ガス、例えばＨＦＣ冷媒やＨＣ冷媒が、凝縮器、第１キャピラリチューブ、中間冷却器、第２キャピラリ−および主冷却器を含む冷凍サイクルを循環して冷却作用を行う場合、蒸発温度における成績係数（ＣＯＰ＝冷凍能力／コンプレッサ入力）の極大値が一定の排除容積比に在るのではなく、それぞれ異なる排除容積比にあることが理論計算により明らかにされている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】例えば、特開平１１−２２３３９５号公報［Ｆ２５ １／１０］の冷媒回路図に記載の如き回路構成を前提とした２段圧縮冷凍装置においては、中間温度が−１０℃〜＋２５℃の場合における最適排除容積比を規定しているが、これは蒸発温度でいうとー３０℃〜＋５℃を対象としたものである。
【０００４】従って、この従来の技術では、極低温を得るために必要とされる、蒸発温度―７０℃〜―５０℃の範囲を対象として何ら検討はなされていなかった。
【０００５】それゆえに、この発明の主たる目的は、極低温を得るために、排除容積比を特定の所定範囲内に設定することにより各蒸発温度に応じて効率のよい冷凍サイクルを可能とする、２段圧縮式ロータリコンプレッサ及び２段圧縮冷凍装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】この発明は、底部を潤滑オイル溜とする密閉容器内に電動機と、この電動機の下部に配置され且つこの電動機により駆動される回転圧縮機構を備え、この回転圧縮機構は低段圧縮を行う第１圧縮要素と高段圧縮を行う第２圧縮要素を含む、２段圧縮式ロータリコンプレッサにおいて、蒸発温度が−７０℃〜−５０℃の領域で前記低段圧縮の排除容積Ｖ１に対する前記高段圧縮の排除容積Ｖ２の排除容積比（Ｖ２／Ｖ１）を４０％以下の範囲内に設定することを特徴とする、２段圧縮式ロータリコンプレッサである。
【０００７】また、この発明は、低段側圧縮手段及び高段側圧縮手段を含む２段圧縮式ロータリコンプレッサ、凝縮器、第一膨張手段、中間冷却器、第二膨張手段及び主冷却器とから冷凍サイクルを構成し、凝縮器から出た冷媒を分流して一方を第一膨張手段から中間冷却器に、他方を第二膨張手段から主冷却器にそれぞれ流し、第二膨張手段に流入する冷媒を中間冷却器と熱交換させると共に、主冷却器から出た冷媒を低段側圧縮手段に吸い込ませ、中間冷却器から出た冷媒を低段側圧縮手段から吐出された冷媒と共に高段側圧縮手段に吸い込ませ、且つ主冷却器における蒸発温度を−７０℃〜−５０℃の範囲に設定したことを特徴とする、２段圧縮冷凍装置である。
【０００８】
【作用】２段圧縮式ロータリコンプレッサにおいて、排除容積比を４０％以下の範囲に設定した場合には、高段／低段（２段／１段）のＣＯＰ比が、１段圧縮の冷凍サイクルと比べて、例えば、−７０℃蒸発の場合は３８％、−６０℃蒸発の場合は３４％、−５０℃蒸発の場合は３０％といずれも３０％以上向上する。
【０００９】
【発明の効果】この発明によれば、１段圧縮に比べて極低温の場合、約３０〜４０％の成績係数（ＣＯＰ）が向上する冷凍サイクルの実現が可能となる。
【００１０】この発明の上述の目的，その他の目的，特徴および利点は、図面を参照して行う以下の実施例の詳細な説明により一層明らかとなろう。
【００１１】
【実施例】図１において、２段圧縮式ロータリコンプレッサ１０は、鋼板からなる円筒状密閉容器１２、この密閉容器１２内の上部空間に配置される電動機１４、および電動機１４の下部空間に配置され且つこの電動機１４のクランク軸１６により駆動される回転圧縮機構１８を含む。また、密閉容器１２は底部を潤滑オイル溜とし、電動機１４および回転圧縮機構１８を収納する容器本体１２Ａと、この容器本体１２Ａの上部開口を閉塞する蓋体１２Ｂとの２部材で構成されると共に、蓋体１２Ｂには電動機１４に外部電力を供給するターミナル端子（配線は省略）２０を取り付けている。
【００１２】電動機１４は、密閉容器１２の上部空間の内周面に沿って環状に取り付けられたステ−タ２２と、このステ−タ２２の内側に若干の間隙を設けて配置されたロータ２４とからなる。このロータ２４にはその中心を通り鉛直方向に延びる前述のクランク軸１６が固定されている。
【００１３】ステ−タ２２は、リング状の電磁鋼板を積層して形成される積層体２６と、この積層体２６に巻装された複数のコイル２８を有している。ロータ２４もステ−タ２２と同様に電磁鋼板の積層体３０で構成された交流モータである。また、永久磁石を埋設したＤＣモータとすることも可能である。
【００１４】一方、回転圧縮機構１８は、１段目の低段圧縮を行う第１圧縮要素３２、２段目の高段圧縮を行う第２圧縮要素３４、および両圧縮要素３２、３４の間に介在される中間仕切板３６を含む。すなわち、中間仕切板３６と、この中間仕切板３６の上下両側に配置された上下シリンダ３８、４０と、この上下シリンダ３８、４０内をクランク軸１６に設けられ互いに１８０°位相をずらした上下偏心部４２、４４に連結されて偏心回転する上下ローラ４６、４８と、この上下ローラ４６、４８に当接して上下シリンダ３８、４０内をそれぞれ低圧室３８ａ、４０ａと高圧室３８ｂ、４０ｂに区画する上下ベーン５０、５２と、上下シリンダ３８、４０の上下開口を閉塞しクランク軸１６の軸受けを兼用する上部支持部材５４および下部支持部材５６とで構成される。（図２参照）
上部支持部材５４および下部支持部材５６には上下シリンダ３８、４０の各低圧室３８ａ、４０ａおよび各高圧室３８ｂ、４０ｂと適宜連通する吸込通路５５、５７および高圧吐出消音室５８、６０、さらにこの高圧吐出消音室５８、６０と連通する吐出通路５９、６１が一体形成されると共に、各高圧吐出消音室５８、６０の開口面は上部プレート６２と下部プレート６４により閉塞されている。
【００１５】また、図２に示すように上下ベーン５０、５２は、上下シリンダ３８、４０の各シリンダ壁に形成された径方向の案内溝６６、６８に往復摺動可能に配置され且つスプリング７０、７２により上下ローラ４６、４８に常時当接するように付勢されている。そして、上シリンダ３８では１段目の低段圧縮が行われ、下シリンダ４０では上シリンダ３８で圧縮された中間圧の冷媒ガスを吸込んで２段目の高段圧縮が行われる。
【００１６】ところで、上述の２段圧縮式ロータリコンプレッサ１０においては、１段目の低段圧縮を行う第１圧縮要素３２の排除容積Ｖ１に対する２段目の高段圧縮を行う第２圧縮要素の排除容積Ｖ２の比率、つまり、排除容積比（Ｖ２／Ｖ１）を特定の範囲内で設定することにより、極低温、例えば蒸発温度がー７０℃〜―５０℃の理論効率が１段圧縮冷凍サイクルに比較して２段圧縮冷凍サイクルでは、各蒸発温度毎に効率が向上するサイクルが可能となるものである。
【００１７】図３には、蒸発温度、および凝縮温度をパラメータとして冷凍サイクルの理論計算結果に基づく排除容積比（Ｖ２／Ｖ１）と成績係数（ＣＯＰ）およびＣＯＰ比（２段目／１段目）の関係を示す数値が記載されている。
【００１８】また、図４および図５の各（ａ）〜（ｃ）には、図３の数値に基づき各蒸発温度における排除容積比（Ｖ２／Ｖ１）を横軸に、成績係数（ＣＯＰ）とＣＯＰ比（２段／１段）を各縦軸にした特性図が示されている。
【００１９】図３および図５より明らかなように、各蒸発温度における成績係数（ＣＯＰ）の極大値が、−７０℃蒸発の場合は排除容積比を１４〜１７％、―６０℃蒸発の場合は１８〜２５％、−５０℃の場合は２４〜３４％の範囲に設定するとよい。そして、２段圧縮の効果が最も大きく出るＶ２／Ｖ１の範囲は、−７０℃では９〜２２％、−６０℃では１３〜３０％、−５０℃では１９〜３９％となる。
【００２０】また、排除容積比を４０％以下の範囲に設定することにより、理論効率が１段圧縮の冷凍サイクルに比較して、２段圧縮の冷凍サイクルでは、図３および図５より明らかなように、−７０℃蒸発の場合は３８％、−６０℃蒸発の場合は３４％、−５０℃蒸発の場合は３０％の向上が可能となる。
【００２１】１段目の低段圧縮排除容積Ｖ１に対する２段目の高段圧縮排除容積Ｖ２の排除容積比（Ｖ２／Ｖ１）を４０％以下の範囲に設定する方法として、基本的には、第１圧縮要素３２および第２圧縮要素３４を構成する上下ローラ４６、４８の外径と上下偏心部４２、４４の偏心量を変えることにより、排除容積つまり排除容積比を変更する。この方法はバリエーションを増やすにあたり、製造行程の変更が少なくて済む利点がある。この他にも上下シリンダ３８、４０の内径変更、また上下シリンダ３８、４０の高さ（厚さ）の変更などの方法がある。
【００２２】そして、上述の回転圧縮機構１８を構成する上部支持部材５４、上シリンダ３８、中間仕切板３６、下シリンダ４０および下部支持部材５６を、この順に配置して上部プレート６２および下部プレート６４と共に複数本の取付ボルト７４を用いて連結固定している。
【００２３】また、クランク軸１６の下部には軸中心に鉛直方向のオイル穴７６とこのオイル穴７６に横方向の給油孔７８、８０を介して連なる螺旋状給油溝８２、８４を外周面に形成し、上部支持部材５４と下部支持部材５６の軸受けおよび各摺動部に潤滑オイルを供給するようにしている。
【００２４】この実施例において、使用される冷媒としては、例えばＲ−４０４ａ、あるいは同じ蒸発温度帯（−７０℃〜―５０℃）が狙えるＲ−２２、１３４ａ、５０２でも同様な効果が期待できる。また、潤滑オイルとしては、例えば鉱物油（ミネラルオイル）、アルキルベンゼン油、エステル油等の既存のオイルを使用する。
【００２５】また、上下シリンダ３８、４０には上部支持部材５４と下部支持部材５６に形成された吸込通路５５、５７と連通する吸込ポート８６、８８を設け、さらに上部支持部材５４と下部支持部材５６に形成した高圧吐出消音室５８、６０には上下シリンダ３８、４０の各高圧室３８ｂ、４０ｂと適宜連通する吐出ポート８７、８９を設けている。そして、上部支持部材５４と下部支持部材５６に設けた吸込通路５５、５７および吐出通路５９、６１は密閉容器１２に固定される接続管９０、９２、９４、９６を介して密閉容器１２外に位置する冷媒配管９８、１００、１０２、１０４に接続されている。また、冷媒配管１００と１０２の間には取付具１０５により密閉容器１２に保持されるアキュムレータ１０６が接続されている。なお、密閉容器１２の外底面には取付用台座１０８を溶接により固定している。
【００２６】次に、上述の実施例の動作概要について説明する。
【００２７】まず、ターミナル端子２０および配線（図示せず）を介して外部電源より電動機１４のコイル２８に通電すると、ロータ２４が回転しそれに固定されたクランク軸１６が回転する。この回転によりクランク軸１６の上下偏心部４２、４４に連結された上下ローラ４６、４８が上下シリンダ３８、４０内を偏心回転する。これにより、冷媒配管９８、接続管９０、吸込通路５５および吸込ポート８６を経由して、図２に示すように上シリンダ３８の低圧室３８ａに吸入された冷媒ガスは、上ローラ４６と上ベーン５０の動作により１段目の低段圧縮が行われる。そして、高圧室３８ｂより吐出ポート８７を経由して上部支持部材５４の高圧吐出消音室５８に吐出された中間圧の冷媒ガスは、吐出通路５９および接続管９２を通り冷媒配管１００に送出される。
【００２８】その後、この中間圧の冷媒ガスはアキュムレータ１０６から冷媒配管１０２、接続管９４、吸込通路５７および吸込ポート８８を経由して図２に示すように下シリンダ４０の低圧室４０ａに吸入されて、下ローラ４８と下ベーン５２の動作により２段目の高段圧縮が行われる。そして、下シリンダ４０の高圧室４０ｂより吐出ポート８９を経由して下部支持部材５６の吐出消音室６０に吐出された高圧冷媒ガスは、吐出通路６１および接続管９６から冷媒配管１０４を通り冷凍サイクルを構成する外部冷媒回路（図示せず）に送出される。以後同様の経路で冷媒ガスの吸入―低段圧縮（１段目）―吐出―吸入―高段圧縮（２段目）―吐出が繰り返し行われる。
【００２９】また、クランク軸１６の回転により、密閉容器１２の底部に貯溜される潤滑オイル（図示せず）はクランク軸１６のオイル穴７６を上昇し、途中に設けた横方向の給油孔７８、８０より外周面の螺旋状給油溝８２、８４に流出する。これにより、クランク軸１６の軸受けおよび上下ローラ４６、４８と上下偏心部４２、４４の各摺動部に対する給油が良好に行われ、その結果、クランク軸１６および上下偏心部４２，４４は円滑な回転を行うことができる。
【００３０】次に、上述の２段圧縮式ロータリコンプレッサ１０を用いた２段圧縮冷凍装置１１０の冷媒回路構成について説明する。
【００３１】図６において、低段側圧縮作用を行う第１圧縮要素３２及び高段側圧縮作用を行う第２圧縮要素３４を含む２段圧縮式ロータリコンプレッサ１０の吐出管９６は、配管１０４を経て凝縮器１１２の入口に接続され、この凝縮器１１２の出口側は二分し、一方は第一膨張装置としての第一キャピラリチューブ１１４に接続され、他方は分岐管１１６となって中間冷却器１１８内を熱交換的に通過した後、第二膨張装置としての第二キャピラリチューブ１２０に接続されている。
【００３２】そして、第一キャピラリチューブ１１４の出口は中間冷却器１１８に接続される。この中間冷却器１１８の出口側配管１２４は合流器としてのアキュムレータ１０６内に上方から挿入され、内部に開口されている。また、第二キャピラリチューブ１２０の出口に主冷却器１２２が接続され、冷媒配管９８は２段圧縮式ロータリコンプレッサ１０の吸入管９０に連通されている。
【００３３】以上により２段圧縮冷凍装置１１０の冷凍サイクルが構成される。そして、この２段圧縮冷凍装置１１０の冷媒回路内に、実施例ではＲ−１３４ａが冷媒として用いられ、また、潤滑油としてはエステル油が使用されている。
【００３４】次にこの２段圧縮冷凍装置の動作の概要について説明する。電動機を起動して回転圧縮機構を駆動すると、吸入管９０より吸引された冷媒は第１圧縮要素３２で１段圧縮された後、配管１００を経由してアキュムレータ１０６に流入し、ここで中間冷却器１１８から流入する冷媒と合流する。その後、吸入接続管９４より第２圧縮要素に吸引されこので２段目の圧縮が行われ、高温高圧冷媒ガスは吐出管９６より配管１０４を通り密閉容器１２外へ送出される。
【００３５】そして、この冷媒ガスは凝縮器１１２に流入し、ここで放熱して凝縮された後、凝縮器１１２から流出して分流され、一方は第一キャピラリチューブ１１４にて減圧された後、中間冷却器１１８内に流入して蒸発する。このとき周囲から熱を奪うことによって、中間冷却器１１８は冷却作用を発揮する。中間冷却器１１８を出た低温ガス冷媒は出口側配管１２４を通ってアキュムレータ１０６に流入する。ここで、前述した様に第１圧縮要素３２で１段圧縮されて吐出されるガス冷媒と合流した後、第２圧縮要素３４で２段目の圧縮が行われることになる。
【００３６】他方、凝縮器１１２から分岐管１１６に流入した液冷媒は、中間冷却器１１８内を通過する過程で過冷却された後、第二キャピラリチューブ１２０にて減圧されて、主冷却器１２２に流入し、そこで蒸発する。このとき周囲から熱を奪うことによって主冷却器１２２は冷却作用（例えば、−７０℃〜−５０℃の極低温）を発揮する。そして、主冷却器１２２を出た低温ガス冷媒は配管９８を経由して吸入管９０より再度、２段圧縮式ロータリーコンプレッサ１０の第１圧縮要素３２に吸引される。そして、再び１段圧縮及び２段圧縮が行われる。
【００３７】このように、２段圧縮冷凍サイクルにより、コンプレッサ１０における一圧縮当たりのトルク変動を抑制しながら、高圧縮比を得ることができると共に、高段側の第２圧縮要素３４が吸込ガス冷媒温度を低下させることができ、入力の低減を図ることができる。
【００３８】そして、低段側の第１圧縮要素３２の排除容積Ｖ１と、高段側の第２圧縮要素３４の排除容積Ｖ２との容積比（Ｖ２／Ｖ１）を、蒸発温度−７０℃〜−５０℃の領域で６０％以下の範囲内で設定することにより、成績係数のより冷凍サイクルを実現することができる。
【００３９】なお、この発明による２段圧縮式ロータリコンプレッサは、−７０℃〜−５０℃の極低温を必要とするマグロの冷凍保存を行う業務用冷凍庫やバイオ関連、医療用の保冷庫に広く利用される。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００１８８９
【氏名又は名称】三洋電機株式会社
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| 【出願日】 |
平成１１年１１月４日（１９９９．１１．４） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００９０１８１
【弁理士】
【氏名又は名称】山田 義人
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| 【公開番号】 |
特開２００１−１３２６７５（Ｐ２００１−１３２６７５Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年５月１８日（２００１．５．１８） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−３１４０４１ |
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