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ヒートポンプ給湯機用アキュームレータレス高効率CO2スクロール圧縮機の開発

CO[sub]2[/sub]スクロール圧縮機と開発した要素技術

図1 CO2スクロール圧縮機と開発した要素技術

液冷媒リリース機構

図2 液冷媒リリース機構

圧縮機始動時の圧力変化特性

図3 圧縮機始動時の圧力変化特性

1.概要

 CO2冷媒を使用するヒートポンプ給湯機は,CO2排出量の削減効果と省エネ特性から,近年急速に普及が進んでいる.ヒートポンプの心臓部である圧縮機は,冷媒を圧縮してサイクルに送り出す役割を果たし,サイクルCOP(成績係数)と信頼性に大きな影響を及ぼす.一般的に,庄縮機の吸入側にアキュームレータを設けて,圧縮機が液冷媒を吸込むのを防止しているが,CO2ヒートポンプでは過渡期に圧縮機への液戻りが多いので,信頼性上アキュームレータが不可欠であった.

 今回,サイクル性能と騒音特性の向上を目指し,いくつかの信頼性向上技術を開発することにより,業界で始めてアキュームレータレスCO2圧縮機を実現した.併せて,CO2に対応した高効率化要素技術を開発し,本圧縮機に採用している.

 この度開発した独自のCO2スクロール圧縮機を搭載することにより,省エネ,低騒音,省スペースなどの特徴を有するCO2ヒートポンプ給湯機を実現することができた.

2.技術の内容

 開発したCO2スクロール圧縮機の全体構成と,アキュームレータレス化および高効率化を実現した要素技術を図1に示す.

2.1 アキュームレータレス化技術
 アキュームレータを取り外すと,サイクルから圧縮機に戻った液冷媒が圧縮室に直接吸い込まれる.液状態のCO2はオイルを洗浄する力が強く,しゅう動部が損傷する.そこで,①液冷媒リリース機構,②CO2対応旋回スクロール支持機構,③急速給油機構などの新技術を開発することにより,信頼性上の課題を解決した.

 ここでは,図2に示す液冷媒リリース機構について詳しく説明する.低外気温条件での始動時には,多量の液冷媒が圧縮機に戻るが,この時の圧力変化特性を図3に示す.アキュームレータがある場合は,吐出圧力が緩やかに上昇するのに対し,アキュームレータがない場合は,吐出圧力が急激に上昇する.上昇した圧力によって,旋回スクロールは固定スクロールに強く押し付けられてしゅう動するので,旋回スクロールの渦巻底面が摩耗するという現象が発生した.そこで,渦巻の巻終部付近(圧縮開始部)の適切な位置に,液冷媒を排出するリリース機構を新たに設けた.この機構により,圧縮室に直接液冷媒が吸込まれた場合でも,吐出圧力の急激な上昇が抑制されて,旋回スクロールの渦巻底面で摩耗が発生せず,良好なしゅう動が確保されるようになった.

2.2 高効率化技術
 CO2圧縮機で高効率化を実現するためには,圧縮室内の漏れ損失を低減することが重要なポイントである.本圧縮機は高圧型シェルを採用しているので,高圧のオイルを圧縮室内へ注入することが可能である.オイル注入量を増やすと漏れ損失は減少するが,一方オイルが持ち込む熱量が増加するので,注入量には最適値が存在する.CO2冷媒におけるオイル注入特性が空調用冷媒(R410A)の場合とは異なることを見出し,その最適化を図ることによって,圧縮機効率の向上を実現した.

3.まとめ

 この度開発したCO2スクロール圧縮機は,アキュームレータレス化と高効率化を併せて実現し,これによって,①圧縮機騒音の4dB(A)低減,②圧縮機占有容積の40%低減を達成するとともに,③ヒートポンプ給湯機の高性能化(定格COP4.21)に貢献している.

 本研究の成果に対して、日本機械学会は、2005年、澤井 清(松下電器産業(株))、飯田 登(松下電器産業(株))、森本 敬(松下電器産業(株))、二上義幸(松下電器産業(株))、鶸田 晃(松下電器産業(株))に日本機械学会賞(技術)を贈った。

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アキュームレータ、スクロール圧縮機、CO2冷媒、騒音低減、COP、給湯、ヒートポンプ、圧縮機、冷媒、省エネルギー
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