JP2004360611A

JP2004360611A - 容積形機械及びそれを用いた冷凍装置

Info

Publication number: JP2004360611A
Application number: JP2003161488A
Authority: JP
Inventors: Isao Hayase; 功早瀬; Hirokatsu Kosokabe; 弘勝香曽我部; Kazuhiro Endo; 和広遠藤; Kenji Tojo; 健司東條
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2003-06-06
Filing date: 2003-06-06
Publication date: 2004-12-24

Abstract

【課題】膨張容積比が過大であっても過膨張を抑制でき、膨張機が無駄な動力を消費するのを防止し、膨張機の回収動力減少を抑制する。また、シンプルな構造で信頼性も高く、広い運転圧力条件で高い効率を実現する。
【解決手段】膨張機部分を有する容積形機械の前記膨張機部分の作動室７と、吐出側（吐出圧空間１８や吐出配管１１）とを、吐出側から作動室方向への作動流体の流れのみを許容する差圧作動弁１５を介して連通させる。これにより、作動室の圧力が作動流体の膨張により吐出側の圧力よりも低下した場合、差圧作動弁を介して作動室に吐出側の作動流体が供給される。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、容積形膨張機や容積形圧縮機などの容積形機械、及び該容積形機械を用いた冷凍機や空調機などの冷凍サイクルをもつ冷凍装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の容積形機械としての容積形膨張機は、一般に高圧の作動流体の吸入容積でその作動流体が膨張した後の最大容積を割った膨張容積比が大きすぎて、吸入圧力（高圧）と吐出圧力（低圧）で表わされる運転圧力条件に適合しない場合には、膨張後の作動流体圧力が吐出圧力よりも低下し、次の吐出行程開始時に吐出室（吐出通路）から逆流が生じて膨張機として発生する動力が低下する。これを防止するため、従来は、特許文献１の図４に記載の容積形膨張機のように、運転圧力条件に膨張機の膨張容積比を適合させるため、膨張容積比を変化させることができる構造とし、圧力条件を検知して膨張容積比を制御していた。
なおこの他に容積形機械の従来例として特許文献２に記載のものもある。
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−１６５５１３号公報（図４）
【特許文献２】特開平９−７２２７５号公報
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術では、容積形膨張機の膨張容積比を可変にするために機構・構造が複雑となり、更にその膨張容積比を適切な値に制御するためのセンサーや制御回路・アクチュエータ等が必要となる。このため、コストの増大や信頼性も低下しやすいという課題があった。
【０００４】
本発明の目的は、構造を簡素化して製品コストの増大を最小限に抑制でき、且つ信頼性も高く、しかも広い運転圧力条件の範囲で高い効率を実現できる容積形機械を得ることにある。
【０００５】
また、本発明の他の目的は、従来の冷凍サイクルで膨張弁等の絞り部で失われていたエネルギーを、容積形膨張機を使用して広い運転圧力条件の範囲で効率良く回収でき、高効率が得られる冷凍装置を得ることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の第１の特徴は、周期的に容積の増減を繰り返す作動室を有し、容積が増大している期間中の初期の一部期間に、該作動室に高圧の作動流体を導入し、その後高圧の作動流体源である吸入側（吸入室や吸入通路側）と遮断して密閉し、前記作動室の容積増大により作動流体を膨張させ、次に作動室容積が減少して、膨張して圧力の低下した作動流体を吐出側（吐出室や吐出通路側）に排出するように構成した容積形機械において、前記作動室と前記吐出側とを、吐出側から作動室方向への作動流体の流れのみを許容する差圧作動弁を介して連通させ、前記作動室の圧力が作動流体の膨張により前記吐出側の圧力よりも低下した場合、前記差圧作動弁を介して前記作動室に作動流体が供給される構造としたことにある。
【０００７】
ここで、前記容積形機械は、シリンダブロックの内周円筒面に案内されて往復運動と該往復運動方向の軸線回りに揺動運動を行なうピストン部、及び該ピストン部の往復運動方向と直角方向で互いに反対側に突出した２つのアーム部を備える往復動部材と、該往復動部材を介して対向するように同軸上に配置され且つ互いに逆方向に回転する２つの出力軸と、該２つの出力軸のそれぞれに設けられ、出力軸から半径方向に偏位した位置で前記往復動部材の２つのアーム部をそれぞれ軸受部材を介して揺動可能に連結する出力アーム部とを備え、前記往復動部材の往復動により、前記アーム部及び出力アーム部を介して前記２つの出力軸を逆方向に回転させる構成にすると良い。
【０００８】
また、前記容積形機械は、前記ピストン部の端面とシリンダブロックにより形成された作動室を備え、前記往復動部材が往復運動に伴って軸線回りの揺動運動を行なうことを利用して、前記作動空間の容積が増大している期間の初期の一部期間に、前記吸入側から前記作動室内に高圧の作動流体を導入し、該作動室の容積が減少している期間に、膨張して圧力の低下した作動流体を前記吐出側に排出する構成にすると良い。
【０００９】
ここで、前記往復動部材の両端部側をピストン部とし、前記作動室を往復動部材の両端部側にそれぞれ形成するようにすると良い。
【００１０】
本発明の第２の特徴は、シリンダブロックの内周円筒面に案内されて往復運動と該往復運動方向の軸線回りに揺動運動を行なう２つのピストン部、及び該ピストン部の往復運動方向と直角方向で互いに反対側に突出した２つの第１アーム部を備える往復動部材と、該往復動部材を介して対向するように同軸上に配置され且つ互いに逆方向に回転する２つの回転軸と、該２つの回転軸のそれぞれに設けられ、各回転軸から半径方向に偏位した位置で前記往復動部材の２つの第１アーム部をそれぞれ軸受部材を介して揺動可能に連結する第２アーム部と、前記往復動部材の両端部側をピストン部とし、これらのそれぞれのピストン部とそれぞれに対応するシリンダ内周面とで形成された２つの作動室とを備え、前記作動室の一方は、前記２つの回転軸の互いに逆方向の回転により容積を変化させて作動流体の圧縮を行なう容積形圧縮部として機能させ、前記作動室の他方は、高圧の作動流体が供給されて膨張させることにより容積が変化されて前記２つの回転軸を互いに逆方向に回転させる容積形膨張部として機能させる構成とした容積形機械にある。
【００１１】
前記容積形膨張部は、前記往復動部材が往復運動に伴って軸線回りの揺動運動を行なうことを利用して、前記作動空間の容積が増大している期間の初期の一部期間に、前記吸入側から前記作動室内に高圧の作動流体を導入し、該作動室の容積が減少している期間に、膨張して圧力の低下した作動流体を前記吐出側に排出すると良い。
【００１２】
本発明の第３の特徴は、低圧の冷媒ガスを圧縮する圧縮手段と、圧縮されて高温高圧になった冷媒ガスから熱を放熱する冷却手段と、冷却された高圧冷媒を減圧するための膨張手段と、減圧された後に液冷媒部分を蒸発させるための加熱手段と、それらを連結して冷凍サイクルを形成する配管とを備え、且つ前記膨張手段の少なくとも一部に、上記特徴の少なくとも何れかを有する容積形機械を使用した冷凍装置にある。
【００１３】
【発明の実施の形態】
従来の膨張弁などの代りに膨張機を組込んだ冷凍サイクルなどにおいては、例えば、膨張機の吸入圧力と吐出圧力がバランスした状態から運転を開始することがあり、運転開始後の一定期間は膨張機の膨張容積比が過大となって過膨張が発生し、膨張機による動力回収効果が十分に得られない。
【００１４】
本発明は、容積形膨張機の作動室と吐出側（吐出室または吐出通路側）とを、吐出側から作動室方向への作動流体の流れのみを許容する差圧作動弁を介して連通する、という単純な手段により前記課題を解決したものである。これによって、膨張容積比が過大であっても吐出側の作動流体を導入することによって過膨張を抑制し、膨張機が無駄な動力を消費するのを防止したものである。
【００１５】
以下、本発明の具体的実施例を図１ないし図９により説明する。
図１ないし図５は本発明の第１実施例である容積形膨張機を示すもので、図１は容積形膨張機の全体縦断面図、図２，図３，図４，図５はそれぞれ図１におけるＥ−Ｅ断面図、Ｆ−Ｆ断面図、Ｇ−Ｇ断面図、Ｈ−Ｈ断面図である。往復動部材１はその両端部側に設けられた２つのピストン部１ａを、それぞれシリンダブロック２の２つの内周円筒面（シリンダ内周面）２ａにより案内支持され、往復運動と該往復運動方向軸線回りの回転（揺動）を行なえるように構成されている。往復動部材１には、その往復運動方向と直角方向で互いに反対側に突出した２つの円筒状のアーム部（第１アーム部）１ｂが挿入され、ピン１ｃにより固定されている。前記２つのアーム部１ｂはそれぞれ球面ブッシュ３の内周円筒面に回転自在に挿入されている。２つの球面ブッシュ３の外周球面部は、それぞれ出力軸（回転軸）４に設けられた出力アーム部（第２アーム部）４ａに設けられ、且つ出力軸４から半径方向に偏位した位置で球面対偶により支持されている。
【００１６】
その結果、往復動部材の２つのアーム部１ｂと２つの出力軸４とは相対的な回転と互いの相対的な傾斜方向変化が可能の状態で、出力軸４の回転軸から偏位した位置で連結されている。出力軸４の出力アーム部４ａの径方向反対側には釣合い質量４ｂが設けられている。また、２つの出力軸４はそれぞれ軸受フレーム５の軸受部５ａにより回転支持されている。左右２つの軸受フレーム５はそれらの軸受部５ａの中心軸が互いに同軸上に配置されるように、それぞれシリンダブロック２にボルトにより固定されている。シリンダブロック２に形成された上下２つの内周円筒面（シリンダ内周面）２ａの中心軸どうしも互いに同軸であり、更にこの中心軸は、シリンダブロック２に固定された軸受フレーム５の軸受部中心軸とは、互いに直角になっている。
【００１７】
シリンダブロック２に形成された２つの内周円筒面２ａの開口端は、それぞれボルトで固定されたシリンダヘッド６により閉塞されており、往復動部材のピストン部１ａとシリンダブロックの内周円筒面２ａとシリンダヘッド６とにより囲まれた作動室７がそれぞれ形成されている。往復動部材１のピストン部１ａには作動室７への連絡通路１ｄが形成されており、その連絡通路１ｄはピストン側面の円筒面に形成された２つの開口部に連通している。シリンダブロック２にはそれぞれ内周円筒面２ａに開口する吸入ポート２ｂと吐出ポート２ｃがそれぞれ形成されており、吸入ポート２ｂは吐出ポート２ｃに比べて小さくなっている。吸入ポート２ｂ及び吐出ポート２ｃの反内周円筒面側開口部は、シリンダブロックにボルト等で固定されたカバー８及びカバー９により閉塞されている。吸入ポート２ｂの開口部を閉塞するカバー８には容積形膨張機外部からの吸入配管１０が接続されており、高圧の作動流体が吸入ポート２ｂに供給され、ここを高圧の作動流体空間としている。吐出ポート２ｃの開口部を閉塞するカバー９には容積形膨張機外部に延長される吐出配管１１が接続されており、吐出ポート２ｃを低圧の作動流体空間として、減圧された作動流体は吐出配管１１から排出される構成となっている。
【００１８】
左右の軸受フレーム５には、それぞれ出力軸４の負荷となる発電機１２のステータ部１２ａがボルトで固定され、左右の出力軸４には、それぞれ軸受部５ａを挟んで出力アーム部４ａの反対側に、発電機１２のロータ部１２ｂが固定されている。ロータ部１２ｂには前述の釣合い質量４ｂと逆方向でより小さな遠心力を発生する釣合い質量１３が取付けられている。ステータ部１２ａとロータ部１２ｂとで構成される左右２つの発電機１２は同じもので、互いに対向するように発電機カバー１４内に組込まれ、左右の２つの出力軸４により互いに逆方向に回転駆動される。例えば、図１の右方向から見て、右側の発電機は時計方向に、左側の発電機は反時計方向に回転駆動されるようになっている。なお、左右２つの軸受フレーム５は、シリンダブロック２に、発電機カバー１４と共に、固定ボルトにより共締めして固定されている。
【００１９】
シリンダヘッド６には流入ポート６ａが形成されており、ここに差圧によって作動する差圧作動弁１５が組込まれている。差圧作動弁１５はバネ１６により流入ポート６ａを閉塞する力が通常与えられている。これらの部品を囲むようにシリンダヘッドカバー１７がシリンダヘッド６と共締めでシリンダブロック２に固定されており、シリンダヘッド６とシリンダヘッドカバー１７により吐出圧空間１８が形成されている。吐出圧空間１８は、吐出配管１１に連絡配管１９を介して連通されており、その空間の圧力は常に吐出圧（低圧）になっている。差圧作動弁１５は作動室７の圧力が、吐出圧空間１８の圧力、即ち吐出圧よりも低下した場合、流入ポート６ａが開口し、吐出圧空間１８の作動流体が作動室７に導入される。
【００２０】
上記構成としたことにより、左右の出力軸４が互いに逆方向に回転駆動されると、出力軸４の回転軸から半径方向に偏位した位置にある左右２つの球面ブッシュ３の球中心は、図１の上下方向には同位相で往復運動し、図１の紙面垂直方向には互いに逆位相で往復運動する。このため、球面ブッシュ３により左右のアーム部１ｂに支持されている往復動部材１は、前記特許文献２の図８にも示す様に、上下に往復運動を行ないながらその往復運動方向軸線回りの揺動を繰り返す。この時、往復動部材１のピストン部１ａに形成された連絡通路１ｄのピストン側面開口部は、球面ブッシュ３の中心と出力軸４との変位量に対して倍のストロークで上下に往復運動行なうが、その揺動方向のストロークは、ピストン外径を、左右の球面ブッシュの中心間距離で割った比率に縮小される。すなわち、連絡通路１ｄのピストン側面開口部は、出力軸４の軸方向から観た時、図２〜図５に示すような楕円軌跡２０を描く運動を行なう。
【００２１】
図２〜図５には、それぞれの断面内に吸入ポート２ｂあるいは吐出ポート２ｃの位置が記載されており、それらに対向した位置にあるピストン部１ａの連絡通路１ｄの前記開口部位置を破線で示し、その楕円軌跡２０を一点鎖線にて示している。更に、前記の方向に各出力軸４が回転する時の連絡通路１ｄ開口部の運動方向を矢印で示す。図２における連絡通路１ｄの開口部とその楕円軌跡２０および吐出ポート２ｃの位置関係は、図１の上部作動室７の容積が減少から増大に転ずる時点で、それまでの連絡通路１ｄによる吐出ポート２ｃと作動室７との導通状態が遮断されたことを示している。図３における連絡通路１ｄの開口部とその楕円軌跡２０および吸入ポート２ｂの位置関係は、上部作動室７の容積が減少から増大に転ずる時点で今後は連絡通路１ｄにより吸入ポート２ｂと作動室７との導通状態が確保されることを示している。図４における連絡通路１ｄの開口部とその楕円軌跡２０および吸入ポート２ｂの位置関係からは、図１の下部作動室７がそれまでどおり吸入ポート２ｂとも吐出ポート２ｃとも遮断された密閉状態で容積を増大から減少に転ずることになるが、図５における連絡通路１ｄの開口部とその楕円軌跡２０および吐出ポート２ｃの位置関係より、下部作動室７の容積が増大から減少に転ずる時点で、今後は連絡通路１ｄにより吐出ポート２ｃと作動室７との導通状態が確保されることを示している。
【００２２】
以上の構成により、まず、作動室７はその容積が増大する吸入行程の初期のみピストン部１ａの連絡通路１ｄを介して吸入ポート２ｂと導通して高圧の作動流体を吸入する。吸入行程の最後の方では、作動室７は吸入・吐出の両ポートと遮断された密閉空間となり、容積を増大させて内部の作動流体を膨張させる。吐出ポート２ｃは十分大きく、作動室７はその容積が減少する吐出行程の全期間でピストン部１ａの連絡通路１ｄを介して吐出ポート２ｃと導通し、膨張して低圧となった作動流体を吐出する。この結果、作動室７と吸入・吐出の両ポート２ｂ、２ｃとの導通・遮断は他のバルブ開閉用の可動部品を用いずに実現できる。
【００２３】
更に、本実施例では、起動直後のように吸入圧力（膨張機では高圧）と吐出圧力（膨張機では低圧）の圧力差が小さい状態で運転している場合に、膨張機の膨張容積比が過大となって過膨張が発生し、作動室７の圧力が吐出圧よりも低下しようとしても、差圧作動弁１５により吐出圧空間１８から作動流体を導入し、吐出圧よりも低下するのを自動的に抑制する機能を持っている。
【００２４】
上記の作動室７の圧力が吐出圧よりも低下しようとするのを自動的に抑制する機能が本発明の本質部分である。図６は本発明を適用していない容積形膨張機の一例で、これと本発明を適用した図１の場合とで、容積形膨張機の作動室内部の指圧線図がどう異なるかを図７に比較して示す。なお、図６において、図１と同一符号を付した部分は同一或いは相当する部分を示し、また２１は作動室である。
【００２５】
図７の横軸は作動室７あるいは２１の容積であり、縦軸はその圧力である。圧力記号の添え字ｓ、ｄはそれぞれ「吸入」、「吐出」を示すが、膨張機内の圧力という意味で更に添え字ｅを付してある。図６の容積形膨張機では図１におけるシリンダヘッド６の流入ポート６ａ、差圧作動弁１５、バネ１６、シリンダヘッドカバー１７、吐出圧空間１８、連絡配管１９などが設けられておらず、起動直後のように吸入圧力Ｐｓｅと吐出圧力Ｐｄｅの圧力差が小さい状態で運転している場合の指圧線図は、図７において▲１▼→▲２▼→▲３▼→▲４▼′→▲４▼→▲３▼→▲５▼→▲１▼の経路を辿る。すなわち、Ｖｓｅの膨張開始容積まで吸入圧力Ｐｓｅの作動流体を吸入した後、作動室２１の圧力は吐出圧Ｐｄｅよりも低いＰｄｅ′まで膨張により低下し、その後吐出ポート２ｃと導通することによって急激に吐出圧Ｐｄｅまで上昇し、以後その圧力で吐出される。この場合、膨張機として▲１▼−▲２▼−▲３▼−▲５▼−▲１▼で囲まれた面積に対応するＷ１の仕事を出力として取り出せる反面、▲３▼−▲４▼′−▲４▼−▲３▼で囲まれた面積に対応するＷ２の仕事を消費しなければならず、実質的に取り出せる動力が減少してしまう。
【００２６】
一方、図１〜５に示した本実施例の場合、同一の運転圧力条件でもその指圧線図は、図７において▲１▼→▲２▼→▲３▼→▲４▼→▲３▼→▲５▼→▲１▼と異なった経路を辿る。すなわち、圧力がＰｄｅで容積がＶ３である▲３▼の状態までは同一の経路であるが、それ以降作動室７の容積増大によって更に圧力が大きく低下しようとしても差圧作動弁１５が開口して吐出圧室１８の作動流体を導入するので、図６の容積形膨張機の場合に比べて作動室７の圧力低下は抑制される。図７の上記経路は、差圧作動弁１５に予圧を与えるバネ１６の力と通路抵抗が限りなく小さい理想的な場合を示したものとしており、▲３▼→▲４▼の経路での作動室圧力低下はゼロに近く、圧力はほぼＰｄｅを維持している。指圧線図の経路が▲４▼に達した後は容積が減少に転じて吐出行程となり、吐出ポート２ｃと導通するので▲４▼→▲３▼→▲５▼の経路でも作動室圧力はほぼＰｄｅとなり、特に▲３▼→▲４▼→▲３▼の経路部分ではほぼ同じ経路を往復する事になる。このため、図６の容積形膨張機の指圧線図における経路部分▲３▼−▲４▼′−▲４▼−▲３▼のように大きな面積にならず、膨張機の目的に反してＷ２のような仕事を消費することはないので、▲１▼−▲２▼−▲３▼−▲５▼−▲１▼で囲まれた面積に対応するＷ１の仕事を出力としてほぼ取り出すことができる。即ち、本実施例によれば、膨張機としての効率を向上させることができる。
【００２７】
また、図１〜５に示した本実施例によれば、作動室７の行程容積を変化させるような複雑な機構が不要であり、またその制御のためのセンサー・電子回路・アクチュエータ等も必要としない簡素な構造で上記の膨張機としての効率向上を実現できる。
【００２８】
図８は本発明の第２実施例を示すもので、この実施例は容積形膨張部と容積形圧縮部を備えるものである。この実施例においては、冷媒を作動流体としており、図８における下部の作動室７は図１と同様な構成の膨張機として機能し、図４及び図５と同様に、作動室７は往復動部材２３の連絡通路２３ｅを介して、シリンダブロック２４に形成した膨張機部の吸入ポート２４ｃ及び吐出ポート２４ｄと交互に導通する。一方、上部には往復動部材２３のピストン部２３ａ、シリンダブロック２４の内周円筒面２４ａ及びシリンダヘッド２５により囲まれた作動室２６が形成され、この作動室２６は圧縮機として機能する。ピストン部２３ａには圧縮機部の吸入ポート２３ｄが形成され、更に、吸入バルブプレート２７がリベット２８により装着されている。リベット２８は吸入バルブプレート２７がピストン部２３ａの上端面から浮き上がれるように拘束しており、吸入行程において吸入ポート２３ｄから作動室２６への冷媒ガスの流入を可能にしている。シリンダブロック２４には圧縮機部の吸入配管２９が連結されており、本実施例の膨張・圧縮機内部はピストン部２３ａの背面に至るまで圧縮機の吸入圧力となって、前記の吸入ポート２３ｄと吸入配管２９とが連通されている。シリンダヘッド２５には吐出ポート２５ａが形成されており、吐出バルブプレート３０と吐出バルブ押え３１がボルト（図示せず）により固定されている。シリンダヘッド２５は、吐出空間３２を取囲む吐出室カバー３３と共にボルトによりシリンダブロック２４に固定されている。吐出室カバー３３には吐出配管３４が連結されている。この結果、往復動部材２３が往復運動を行なうと作動室２６は圧縮機として機能する。
【００２９】
図８の容積形機械は、軸動力を発生するエンジンである容積形膨張機部分と駆動軸から供給された動力を消費するマシンである容積形圧縮機部分の両方を有し、圧縮機部分のピストン部２３ａの直径は膨張機部分のピストン部２３ｂの直径よりも大きく、全体としては動力を消費するマシンとして機能する。したがって駆動軸３５はステータ部３６ａとロータ部３６ｂからなるモータ３６により回転駆動されるが、その理論的な必要動力は、上部の容積形圧縮機部分のみを駆動する場合に比べて下部の容積形膨張機部分が発生する動力の分だけ小さくて良い。本実施例における膨張機部分は、前記第１実施例における膨張機の２気筒中の１気筒分を組込んだものであるが、簡素な構造で、広い運転圧力条件の範囲で高い効率を実現できるという第１実施例と同様の効果を有する。
【００３０】
図９は図８に示した膨張・圧縮機を、冷凍・空調機器を構成する冷凍サイクルに組込んだ場合の冷凍装置としての実施例を示すサイクル構成図である。中央の膨張・圧縮機（容積形機械）３８は図８に示した膨張・圧縮機と同様のものである。図中の太線はサイクル配管３９であり、太線上の矢印が内部の冷媒の流れ方向を示す。一般的な冷媒および運転条件下では、膨張・圧縮機３８の圧縮機部分で加圧されて高温高圧になった冷媒ガスは吐出配管３４から吐出され、サイクル配管３９を経て凝縮器４０に入り放熱して凝縮し、高圧の液冷媒となる。この高圧液冷媒の一部は、次にサイクル配管３９を経て、膨張機の吸入配管１０から膨張・圧縮機３８の膨張機部分に流入し、そこで減圧されながら一部がガス化して全体の容積を増大させ低圧の気液２相状態で吐出配管１１から流出する。その後、サイクル配管３９を経て蒸発器４１に至る。凝縮器４０から出た高圧液冷媒の他のものは、上記膨張機を経由する経路に対して並列に設けたサイクル配管経路を経由する構成となっており、該経路に設けられた膨張手段４２により減圧され、一部がガス化して低圧の気液２相状態でサイクル配管３９を経て蒸発器４１に至る。膨張手段４２は、従来の冷凍サイクルにおける膨張弁やキャピラリーチューブなどと同様の絞りによるものであり、膨張機のように膨張過程で外部に機械的な仕事をして動力を回収できる構造のものではない。蒸発器４１では、前記２つの経路を経由して流入する気液２相の冷媒の液部分が吸熱して蒸発し、全体が低圧ガスとなってサイクル配管３９を経由して圧縮機の吸入配管２９から膨張・圧縮機３８の内部に流入する。膨張・圧縮機３８の内部に流入した冷媒ガスは、圧縮機部分で加圧されて高温高圧になり、再び吐出配管３４から吐出され、冷媒循環の閉ループが構成される。
【００３１】
なお、従来技術の冷凍サイクル構成は、図９において、凝縮器４０から蒸発器４１に至る２系統の冷媒経路の一方である膨張・圧縮機３８の膨張機部分を経由する経路がなく、冷媒の全量が絞りによる膨張手段４２を通過するようになっているものである。従来技術では、凝縮器から出た高圧液冷媒の全量が膨張手段４２のような絞りを通過するので、その際に圧損としてエネルギーを失い、更にその失われたエネルギーが熱となって冷媒に吸収されるため、蒸発器４１において吸熱する能力すなわち冷凍能力が低下する問題があった。これに対し、膨張・圧縮機を組込んだ冷凍サイクルを持つ本実施例の冷凍装置では、従来、絞り部の圧損として熱になっていた高圧液冷媒の上記エネルギーの一部を、圧縮機部分と一体となった膨張機部分において機械的なエネルギーとして動力回収でき、圧縮機部分に供給しなければならない動力を低減できるという効果がある。特に本実施例では、圧縮機部分の作動室２６の圧力と膨張機部分の作動室７の圧力が、一体となった往復動部材２３のピストン部２３ａとピストン部２３ｂに作用するため、それらの圧力による往復動部材２３への作用力の一部が荷重の段階で互いに打ち消し合い、往復動部材２３のアーム部２３ｃと球面ブッシュ３との摺動荷重や駆動軸３５と軸受部５ａとの摺動荷重を低減させ、機械摩擦損失を低減できる効果もある。更に、膨張機部分で回収した動力の分だけ、冷凍サイクルにおける冷凍能力を回復できる（従来技術に対して冷凍能力が増大する）という効果がある。
【００３２】
このように、膨張・圧縮機を組込んだ冷凍サイクルによる本実施例の冷凍装置（冷凍・空調機器）では、より小さな動力でより大きな冷凍能力を得ることができ、冷凍装置の効率向上を図れる効果がある。特に、本実施例における膨張・圧縮機の膨張機部分の効果から、冷凍装置としての効率向上が、広い運転圧力条件で、且つ簡素な構造で実現できるという効果がある。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、作動室の圧力が作動流体の膨張により前記吐出側の圧力よりも低下した場合、差圧作動弁を介して作動室に作動流体が供給される構造としたので、運転圧力条件が変化してもその広い範囲で高い効率を維持できる容積形の膨張機を信頼性が高く且つ簡素な構造で実現できる効果がある。
【００３４】
また、本発明によれば、冷凍サイクルを構成する膨張手段の少なくとも一部に、上記本発明の容積形機械を組込んで、その膨張機部分で動力回収を行なうことにより、従来の冷凍サイクルで膨張弁等の絞り部で失われていたエネルギーを、容積形膨張機を使用して広い運転圧力条件の範囲で効率良く回収でき、高効率が得られると共に、低コスト、高信頼性を同時に実現できる冷凍装置（冷凍空調機器）が得られる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示す容積形機械の縦断面図。
【図２】図１におけるＥ−Ｅ断面図。
【図３】図１におけるＦ−Ｆ断面図。
【図４】図１におけるＧ−Ｇ断面図。
【図５】図１におけるＨ−Ｈ断面図。
【図６】本発明を適用していない容積形膨張機の一例を示す縦断面図。
【図７】図１と図６に示す膨張機の作動室内部の指圧線図を比較して示す線図。
【図８】本発明の第２実施例を示す容積形機械の縦断面図。
【図９】図８に示す容積形機械を冷凍装置に組み込んだ本発明の実施例を説明する冷凍サイクル構成図。
【符号の説明】
１，２３…往復動部材、１ａ，２３ａ，２３ｂ…ピストン部、１ｂ，２３ｃ…アーム部（第１アーム部）、１ｃ…ピン、１ｄ，２３ｅ…連絡通路、２，２４…シリンダブロック、２ａ，２４ａ，２４ｂ…内周円筒面（シリンダ内周面）、２ｂ，２３ｄ，２４ｃ…吸入ポート、２ｃ，２４ｄ，２５ａ…吐出ポート、３…球面ブッシュ、４…出力軸、４ａ…出力アーム部（第２アーム部）、４ｂ，３５ｂ…釣合い質量、５…軸受フレーム、５ａ…軸受部、６，２２，２５…シリンダヘッド、６ａ…流入ポート、７，２１，２６…作動室、８…カバー、９…カバー、１０…吸入配管、１１…吐出配管、１２…発電機、１２ａ…ステータ部、１２ｂ…ロータ部、１３…釣合い質量、１４…発電機カバー、１５…差圧作動弁、１６…バネ、１７…シリンダヘッドカバー、１８…吐出圧空間、１９…連絡配管、２０…楕円軌跡、２７…吸入バルブプレート、２８…リベット、２９…吸入配管、３０…吐出バルブプレート、３１…吐出バルブ押え、３２…吐出空間、３３…吐出室カバー、３４…吐出配管、３５…駆動軸、３５ａ…駆動アーム部（第２アーム部）、３６…モータ、３６ａ…ステータ部、３６ｂ…ロータ部、３７…モータカバー、３８…膨張・圧縮機、３９…サイクル配管、４０…凝縮器、４１…蒸発器、４２…膨張手段。

Claims

周期的に容積の増減を繰り返す作動室を有し、容積が増大している期間中の初期の一部期間に、該作動室に高圧の作動流体を導入し、その後高圧の作動流体源である吸入側（吸入室や吸入通路側）と遮断して密閉し、前記作動室の容積増大により作動流体を膨張させ、次に作動室容積が減少して、膨張して圧力の低下した作動流体を吐出側（吐出室や吐出通路側）に排出するように構成した容積形機械において、
前記作動室と前記吐出側とを、吐出側から作動室方向への作動流体の流れのみを許容する差圧作動弁を介して連通させ、前記作動室の圧力が作動流体の膨張により前記吐出側の圧力よりも低下した場合、前記差圧作動弁を介して前記作動室に作動流体が供給される構造としたことを特徴とする容積形機械。
請求項１において、前記容積形機械は、
シリンダブロックの内周円筒面に案内されて往復運動と該往復運動方向の軸線回りに揺動運動を行なうピストン部、及び該ピストン部の往復運動方向と直角方向で互いに反対側に突出した２つのアーム部を備える往復動部材と、
該往復動部材を介して対向するように同軸上に配置され且つ互いに逆方向に回転する２つの出力軸と、
該２つの出力軸のそれぞれに設けられ、出力軸から半径方向に偏位した位置で前記往復動部材の２つのアーム部をそれぞれ軸受部材を介して揺動可能に連結する出力アーム部とを備え、
前記往復動部材の往復動により、前記アーム部及び出力アーム部を介して前記２つの出力軸を逆方向に回転させることを特徴とする容積形機械。
請求項２において、前記容積形機械は、
前記ピストン部の端面とシリンダブロックにより形成された作動室を備え、
前記往復動部材が往復運動に伴って軸線回りの揺動運動を行なうことを利用して、前記作動空間の容積が増大している期間の初期の一部期間に、前記吸入側から前記作動室内に高圧の作動流体を導入し、該作動室の容積が減少している期間に、膨張して圧力の低下した作動流体を前記吐出側に排出することを特徴とする容積形機械。
請求項３において、前記往復動部材の両端部側をピストン部とし、前記作動室を往復動部材の両端部側にそれぞれ形成したことを特徴とする容積形機械。
シリンダブロックの内周円筒面に案内されて往復運動と該往復運動方向の軸線回りに揺動運動を行なう２つのピストン部、及び該ピストン部の往復運動方向と直角方向で互いに反対側に突出した２つの第１アーム部を備える往復動部材と、
該往復動部材を介して対向するように同軸上に配置され且つ互いに逆方向に回転する２つの回転軸と、
該２つの回転軸のそれぞれに設けられ、各回転軸から半径方向に偏位した位置で前記往復動部材の２つの第１アーム部をそれぞれ軸受部材を介して揺動可能に連結する第２アーム部と、
前記往復動部材の両端部側をピストン部とし、これらのそれぞれのピストン部とそれぞれに対応するシリンダ内周面とで形成された２つの作動室とを備え、
前記作動室の一方は、前記２つの回転軸の互いに逆方向の回転により容積を変化させて作動流体の圧縮を行なう容積形圧縮部として機能させ、
前記作動室の他方は、高圧の作動流体が供給されて膨張させることにより容積が変化されて前記２つの回転軸を互いに逆方向に回転させる容積形膨張部として機能させる構成としたことを特徴とする容積形機械。
請求項５において、前記容積形膨張部は、前記往復動部材が往復運動に伴って軸線回りの揺動運動を行なうことを利用して、前記作動空間の容積が増大している期間の初期の一部期間に、前記吸入側から前記作動室内に高圧の作動流体を導入し、該作動室の容積が減少している期間に、膨張して圧力の低下した作動流体を前記吐出側に排出することを特徴とする容積形機械。
低圧の冷媒ガスを圧縮する圧縮手段と、圧縮されて高温高圧になった冷媒ガスから熱を放熱する冷却手段と、冷却された高圧冷媒を減圧するための膨張手段と、減圧された後に液冷媒部分を蒸発させるための加熱手段と、それらを連結して冷凍サイクルを形成する配管とを備え、且つ前記膨張手段の少なくとも一部に、請求項１〜６の何れかに記載の容積形機械を使用したことを特徴とする冷凍装置。