JP2008151018A - ロータリ式２段圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】高差圧、高速回転となる寒冷地用途においても、ベーンへの高価なコーティング等の手段を用いずにベーン先端摺動部の信頼性を確保できるロータリ式２段圧縮機を提供することを目的とする。
【解決手段】密閉容器内に電動要素と、この電動要素により回転軸を介して駆動される、低段圧縮要素と高段圧縮要素とを有し、密閉容器内が中間圧となるロータリ式２段圧縮機において、高段圧縮要素に設けられ、背面に吐出圧力が作用し、少なくとも先端部に窒化処理が施された、径方向に摺動する高段ベーンを備え、ロータリ式２段圧縮機がヒートポンプ式給湯機に搭載されて、外気温が−１０℃以下の寒冷地において運転される場合に、高段圧縮要素の高圧と中間圧との差圧×回転数（ＭＰａ・ｒｐｓ）が６３０以下となるように運転することを特徴とする。
【選択図】図９

Description

この発明は、密閉容器内に電動要素と、この電動要素により駆動される圧縮要素とを設けたロータリ式２段圧縮機に関するものである。

近年、冷媒による地球環境破壊が問題視され、ＨＦＣ冷媒（ＨＦＣ１３４ａ、ＨＦＣ１２５、ＨＦＣ３２、ＨＦＣ１４３ａ等、及びこれらの混合冷媒）などの代替フロンやＣＯ２、アンモニア、ＨＣ冷媒（ハイドロカーボン：イソブタン、プロパン、エタン等）などの自然冷媒が使用され始めている。

代替フロンや自然冷媒を用いたヒートポンプ式給湯機などの冷媒回路装置に適用する圧縮機、とりわけＣＯ２冷媒用圧縮機では、作動圧力が高くなることから内部中間圧２段圧縮機が適用されているものがある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−８９４７２号公報

しかしながら、前記特許文献１のような内部中間圧２段圧縮機では、２段圧縮方式を取ることにより、圧縮要素のベーン先端の摩耗耐力は広い範囲で確保することができるが、寒冷地対応においては、高圧縮比運転となり圧縮機の高段側の差圧が大きくなるため、高段側の圧縮要素のベーン先端摩耗耐力を確保し難くなるという課題がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、高差圧、高速回転となる寒冷地用途においても、ベーンへの高価なコーティング等の手段を用いずにベーン先端摺動部の信頼性を確保できるロータリ式２段圧縮機を提供することを目的とする。

この発明に係るロータリ式２段圧縮機は、密閉容器内に電動要素と、この電動要素により回転軸を介して駆動される、低段圧縮要素と高段圧縮要素とを有し、密閉容器内が中間圧となるロータリ式２段圧縮機において、高段圧縮要素に設けられ、背面に吐出圧力が作用し、少なくとも先端部に窒化処理が施された、径方向に摺動する高段ベーンを備え、ロータリ式２段圧縮機がヒートポンプ式給湯機に搭載されて、外気温が−１０℃以下の寒冷地において運転される場合に、高段圧縮要素の高圧と中間圧との差圧×回転数（ＭＰａ・ｒｐｓ）が６３０以下となるように運転することを特徴とする。

この発明に係るロータリ式２段圧縮機は、ヒートポンプ式給湯機に搭載されて、外気温が−１０℃以下の寒冷地において運転される場合に、高段圧縮要素の高圧と中間圧との差圧×回転数（ＭＰａ・ｒｐｓ）が６３０以下となるように運転することにより、ベーンへの高価なコーティング等の手段を用いずにベーン先端摺動部の信頼性を確保できる。

実施の形態１．
図１乃至図１１は実施の形態１を示す図で、図１はヒートポンプ式給湯機の給湯ユニット１００の内部正面図、図２はヒートポンプ式給湯機の冷媒回路１及び水回路８を示す図、図３は圧縮機２の縦断面図、図４はヒートポンプ式給湯機の外気温と動作圧力との関係図、図５はヒートポンプ式給湯機の外気温と高段差圧及び低段差圧との関係図、図６はヒートポンプ式給湯機の外気温と回転数比との関係図、図７はヒートポンプ式給湯機の外気温と（高段差圧×回転数）との関係図、図８は高段圧縮要素１２ｂの構成図、図９は高段圧縮要素１２ｂに窒化ベーンを使用したときの高段ベーン１９ｂ先端摩耗速度を示す図、図１０は高段ベーン１９ｂ先端摩耗速度と回転数との関係図、図１１は圧縮機押しのけ量と給湯加熱能力との関係図である。

本実施の形態は、ヒートポンプ式給湯機のロータリ式２段圧縮機１０に関するものであるが、先ずヒートポンプ式給湯機について簡単に触れる。

図１にヒートポンプ式給湯機の給湯ユニット１００の一実施例を示す。ガスクーラ３（温水用熱交換器）が、中間ベース２８より下の、ヒートポンプ式給湯機の給湯ユニット１００の下部に設置される。

蒸発器５（空気用熱交換器）、及び送風機７（プロペラファン）を有する空気熱交換室２４と、この空気熱交換室２４の側部に設けられ、冷媒回路の圧縮機２、及びヒートポンプ式給湯機の給湯ユニット１００の運転を制御する電気品２６等を有する機械室２７とを中間ベース２８の上に設置している。

図２に示す冷媒回路１において、冷媒として臨界温度の低いＣＯ_２冷媒を使用している。圧縮機２は、内蔵する同期電動機、誘導電動機等の電動機（図示せず）により駆動され、吸入冷媒を一般使用条件で臨界圧力以上まで圧縮し吐出する。ガスクーラ３は、圧縮機２より吐出された高圧のガス冷媒と、水回路８の給湯用水とを熱交換する。

ガスクーラ３を出た高圧低温の冷媒は、膨張弁４を通過して蒸発器５へ流入する。蒸発器５から流出した低圧冷媒は、圧縮機２へ戻る。

水回路８では、水循環用のポンプ９が、貯湯タンク（図示せず）と接続され、貯湯タンクの底部からガスクーラ３（水配管側）を通った後、貯湯タンクの天部に向けて水を循環させる。

圧縮機２は、ロータリ式２段圧縮機である。その構成を図３により説明する。密閉容器１０ａ内に、電動要素１１と、この電動要素１１で回転軸１８を介して駆動される圧縮要素１２を設ける。電動要素１１が密閉容器１０ａ内の上部に、圧縮要素１２が密閉容器１０ａ内の下部に位置する。

圧縮要素１２は、低段圧縮要素１２ａと、高段圧縮要素１２ｂとで構成され、低段圧縮要素１２ａと高段圧縮要素１２ｂとの間は、中間仕切板１７で仕切られている。

低段圧縮要素１２ａは、低段シリンダ１３ａ、低段軸受１４ａ、低段シリンダ１３ａの圧縮室に連通する低段吸入管１５ａなどを備える。

低段圧縮要素１２ａでは、図示しない冷凍サイクルの低圧側に接続される低段吸入管１５ａから低圧の冷媒ガスを低段シリンダ１３ａに吸入し、回転式の圧縮機構部（公知のものであるから詳しい説明はしない）で圧縮し、密閉容器１０ａ内に吐出する。従って、密閉容器１０ａ内は中間圧になる。

中間圧の密閉容器１ａから低段吐出管１６ａから一旦密閉容器１０ａ外に出て、図示しない中間圧接続管を通って高段吸入管１５ｂに入る。高段圧縮要素１２ｂでは、低段圧縮要素１２ａと同じ回転式の圧縮機構により中間圧の冷媒ガスを高圧に圧縮し、高段吐出管１６ｂから図示しない冷凍サイクルの高圧側に出る。

図４はヒートポンプ式給湯機の外気温と動作圧力との関係図である。図４の中間圧は、高段圧縮要素１２ｂと低段圧縮要素１２ａとのストロークボリューム比が０．６５の場合である。図４に示すように、外気温が低くなると、高段圧縮要素１２ｂでの高圧と中間圧との差圧が大きくなる傾向があることが解る。低段圧縮要素１２ａの吐出圧（中間圧）は、高段圧縮要素１２ｂと低段圧縮要素１２ａとの行程容積比（ストロークボリューム比）で決定されるので、圧縮比が大きくなると高段圧縮要素１２ｂの圧縮比が一方的に拡大される。

図５に示すように、外気温が−１０℃以下となる寒冷地用途では、高段圧縮要素１２ｂの高圧と中間圧との差圧が大きくなり、例えば、６ＭＰａを超える場合がある。

ヒートポンプ式給湯機では、給湯能力確保のため、外気温が低くなると、圧縮機２の回転数が高くなる傾向がある。図５は、外気温が２０℃のときの回転数を基準として、外気温が変化したときの回転数比を示している。外気温が−１０℃以下となる寒冷地用途では、回転数比が大きくなり、例えば、−１０℃では、回転数比が１．５を超える。

一般的に、機械部品の摺動の厳しさはＰＶ値で表される。ここで、
Ｐ：面圧（圧縮要素で言えば、高圧と低圧との差圧で代表される）
Ｖ：摺動速度（圧縮機２の回転数増加に伴い大きくなる）
この他に温度も影響がある。−１０℃以下となる寒冷地用途では、吐出温度は高温となり、条件的にさらに厳しくなる。

機械部品の摺動の厳しさを表すＰＶ値は、高段圧縮要素１２ｂでは、高段差圧（高圧と中間圧との差）×回転数で代表される。図７は高段圧縮要素１２ｂの高段差圧×回転数と外気温との関係図で、外気温が低くなるほど大きくなることを示している。特に、−１０℃以下となる寒冷地用途では、急激に増大する。

図８は高段圧縮要素１２ｂの構成図である。高段シリンダ１３ｂ内には、回転軸１８の偏心部に嵌合した高段ローリングピストン２０ｂと、背面に吐出圧力が作用し、径方向に摺動する高段ベーン１９ｂとを備え、それらにより圧縮室を形成している。この高段圧縮要素１２ｂの摺動部の中で、最も厳しい摺動条件になる部分は、高段ベーン１９ｂの背圧が吐出圧力であるため、高段ベーン１９ｂ先端と高段ローリングピストン２０ｂとの接触部である。

高段ベーン１９ｂに窒化処理を行い、差圧（高圧と中間圧との差）×回転数（ＭＰａ・ｒｐｓ）と高段ベーン１９ｂ先端摩耗速度との関係を調べた。ここで、窒化処理とは、表面硬化熱処理の化学的表面硬化法で、鋼の表面から窒素を拡散侵入させ鋼の表面を硬くすることである。この窒化処理により高段ベーン１９ｂの表面の硬さをマイクロビッカース硬さで１０００〜１６００とすることで、耐摩耗性が窒化未処理のものに比べて向上する。なおこの時の高段ベーン１９ｂ表面の窒化層は、０．０２〜０．１０ｍｍである。

高段ベーン１９ｂに窒化処理を行い、差圧（高圧と中間圧との差）×回転数（ＭＰａ・ｒｐｓ）と高段ベーン１９ｂ先端摩耗速度との関係を調べた結果を図９に示す。図９に示すように、差圧×回転数が６３０付近までは高段ベーン１９ｂ先端摩耗速度は大きな変化はないが、６３０付近を超えると急激に摩耗速度が増大することが解る。尚、高段ベーン１９ｂに窒化処理は、少なくとも高段ベーン１９ｂの先端に施せばよい。

差圧×回転数（ＭＰａ・ｒｐｓ）を６３０以下にする一つの方法が、外気温が−１０℃以下となる条件において、圧縮機２の回転数を１００ｒｐｓ以下にすることである。これは、図１０に示すように、回転数が１００ｒｐｓ付近より、急激に高段ベーン１９ｂ先端の摩耗が増加するからである。

図１１は、回転数が１００ｒｐｓでの圧縮機２の押しのけ量（ｃｍ^３）と、給湯加熱能力（ＫＷ）との関係を計算で求めた結果を示す。条件は、外気温が−２０℃、体積効率８５％で計算している。図１１より、押しのけ量をＶ、加熱能力をＱとすると、
押しのけ量Ｖ≒加熱能力Ｑ×０．８７ （１）
の関係があることが解る。

外気温が−１０℃以下となる条件において、圧縮機２の回転数を１００ｒｐｓ以下にすると、高段ベーン１９ｂ先端の摩耗を抑制できるが、ヒートポンプ式給湯機の能力が低下するので、圧縮機２の押しのけ量Ｖを大きくする。押しのけ量Ｖと加熱能力Ｑとは、（１）式の関係があるので、
押しのけ量Ｖ＞加熱能力Ｑ×０．８７ （２）
となるように設定する。これにより、圧縮機２の回転数を１００ｒｐｓ以下にしても、ヒートポンプ式給湯機の外気温が−１０℃以下の寒冷地条件での加熱能力Ｑを確保できる。

ヒートポンプ式給湯機は電力を利用して沸き上げを行うので、通常、深夜電力を利用して深夜時間帯（２３：００〜７：００）に沸き上げを行う。しかし、外気温が−１０℃以下の寒冷地条件において、高段圧縮要素の高圧と中間圧との差圧×回転数（ＭＰａ・ｒｐｓ）を６３０以下で運転すると、この深夜時間帯で沸き上げが不十分の場合がある。この不足分は、深夜時間帯以外の運転で補う必要がある。また４：００〜６：００頃の未明から明け方にかけては外気温が極めて低いため、その時間帯の運転を避けるようにすれば、その避けた時間帯の分を補う必要もある。そこで、外気温が−１０℃以下の寒冷地条件において、深夜時間帯（２３：００〜７：００）以外の運転比率を２０％以上とする。それにより、外気温が−１０℃以下の寒冷地条件において、高段圧縮要素の高圧と中間圧との差圧×回転数（ＭＰａ・ｒｐｓ）を６３０以下で運転しても、沸き上げることができる。

以上のように、高段ベーン１９ｂに窒化処理を行い、差圧（高圧と中間圧との差）×回転数（ＭＰａ・ｒｐｓ）を６３０以内となるように運転することにより、外気温が−１０℃以下になる寒冷地においても、高価なコーティング等の手段を用いずに高段ベーン１９ｂ先端の摩耗を抑制できる。コーティングとは、例えば、物理蒸着法、化学蒸着法、又はプラズマ化学蒸着法によって形成された金属化合物、或いはアモルファスカーボンである。

実施の形態１を示す図で、ヒートポンプ式給湯機の給湯ユニット１００の内部正面図。 実施の形態１を示す図で、ヒートポンプ式給湯機の冷媒回路１及び水回路８を示す図。 実施の形態１を示す図で、圧縮機２の縦断面図。 実施の形態１を示す図で、ヒートポンプ式給湯機の外気温と動作圧力との関係図。 実施の形態１を示す図で、ヒートポンプ式給湯機の外気温と高段差圧及び低段差圧との関係図。 実施の形態１を示す図で、ヒートポンプ式給湯機の外気温と回転数比との関係図。 実施の形態１を示す図で、ヒートポンプ式給湯機の外気温と（高段差圧×回転数）との関係図。 実施の形態１を示す図で、高段圧縮要素１２ｂの構成図。 実施の形態１を示す図で、高段圧縮要素１２ｂに窒化ベーンを使用したときの高段ベーン１９ｂ先端摩耗速度を示す図内部中間圧２段圧縮機１の縦断面図。 実施の形態１を示す図で、高段ベーン１９ｂ先端摩耗速度と回転数との関係図。 実施の形態１を示す図で、圧縮機押しのけ量と給湯加熱能力との関係図。

符号の説明

１ 冷媒回路、２ 圧縮機、３ ガスクーラ、４ａ 第１の膨張弁、４ｂ 第２の膨張弁、５ 蒸発器、６ 内部熱交換器、７ 送風機、８ 水回路、９ ポンプ、１０ａ 密閉容器、１１ 電動要素、１２ 圧縮要素、１２ａ 低段圧縮要素、１２ｂ 高段圧縮要素、１３ａ 低段シリンダ、１３ｂ 高段シリンダ、１４ａ 低段軸受、１４ｂ 高段軸受、１５ａ 低段吸入管、１５ｂ 高段吸入管、１６ａ 低段吐出管、１６ｂ 高段吐出管、１７ 中間仕切板、１８ 回転軸、２４ 空気熱交換室、２６ 電気品、２７ 機械室、２８ 中間ベース、１００ ヒートポンプ式給湯機の給湯ユニット。

Claims (4)

1. 密閉容器内に電動要素と、この電動要素により回転軸を介して駆動される、低段圧縮要素と高段圧縮要素とを有し、前記密閉容器内が中間圧となるロータリ式２段圧縮機において、
   前記高段圧縮要素に設けられ、背面に吐出圧力が作用し、少なくとも先端部に窒化処理が施された、径方向に摺動する高段ベーンを備え、
   当該ロータリ式２段圧縮機がヒートポンプ式給湯機に搭載されて、外気温が−１０℃以下の寒冷地において運転される場合に、前記高段圧縮要素の高圧と中間圧との差圧×回転数（ＭＰａ・ｒｐｓ）が６３０以下となるように運転することを特徴とするロータリ式２段圧縮機。
2. 前記外気温が−１０℃以下の条件において、回転数が１００ｒｐｓ以下で運転することを特徴とする請求項１記載のロータリ式２段圧縮機。
3. 前記低段圧縮要素と前記高段圧縮要素との合計の押しのけ量Ｖ（ｃｍ^３）は、ヒートポンプ式給湯機の外気温が−１０℃以下の寒冷地条件での加熱能力Ｑ（ＫＷ）に対し、
   押しのけ量Ｖ＞加熱能力Ｑ×０．８７
   となるように設定することを特徴とする請求項１又は請求項２記載のロータリ式２段圧縮機。
4. 前記外気温が−１０℃以下の寒冷地条件において、深夜時間帯（２３：００〜７：００）以外の運転比率を２０％以上とすることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のロータリ式２段圧縮機。

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