JP2006097635A - 容積型膨張機 - Google Patents

Abstract

【課題】給油溝を有する回転軸を分割構造にしながらも、その連結部における潤滑油の漏れを防止する。
【解決手段】電動機（40）と一体となった圧縮機構（50）の回転軸（70）と膨張機構（60）の回転軸（80）とには、各給油溝（74,84）が形成されている。両回転軸（70,80）は、互いの軸端に形成された嵌合凸部（85）と嵌合凹部（75）とが嵌まり合って連結されている。そして、嵌合凸部（85）の周面には、シール溝（S）が形成され、該シール溝（S）にＯリング（R）が嵌め込まれている。これにより、嵌合凸部（85）と嵌合凹部（75）との間で潤滑油の漏れが防止される。
【選択図】 図３

Description

本発明は、流体機械に関し、特に、圧縮機と膨張機とが機械的に連結された流体機械に係るものである。

従来より、圧縮機と膨張機とが１つのケーシング内に収納された流体機械が知られている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１の流体機械は、空調機の冷媒回路に用いられている。

上記空調機は、圧縮機と冷却器と膨張機と蒸発器とが配管接続されてなる冷媒回路を備えている。この冷媒回路では、冷媒が循環して蒸気圧縮式冷凍サイクルが行われる。つまり、圧縮機で圧縮された冷媒は、冷却器で冷却され、膨張機で膨張した後、蒸発器で蒸発して再び圧縮機に戻る。そして、上記圧縮機と膨張機とは、電動機の駆動軸を介して連結されている。つまり、上記圧縮機と膨張機とは、１本の回転軸によって接続されている。

この流体機械では、膨張機にて冷媒が膨張することによって動力が発生し、その動力が回転動力として駆動軸を通じて圧縮機に伝達される。これにより、電動機の負荷を削減している。
特開２００３−１７２２４４号公報

しかしながら、上述した従来の流体機械では、圧縮機や膨張機等が１本の回転軸によって連結されているため、組立が困難になるという問題があった。つまり、従来からある圧縮機単体や膨張機単体の組立方法が十分に利用できないため、流体機械全体の組立が煩雑化するという問題があった。

そこで、例えば、電動機と膨張機との間で駆動軸を分割する、つまり連結構造にする方法が考えられる。しかしながら、その場合、駆動軸に形成されている給油溝が連結部を横断することになり、連結部から潤滑油が漏れる恐れが生じるという問題があった。

本発明は、斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、駆動軸を分割構造としながらも、その連結部における潤滑油の漏れを防止することである。

具体的に、第１の発明は、流体を圧縮する圧縮機構（50）と、流体の膨張により回転動力を発生する膨張機構（60）とがケーシング（31）内に収納された流体機械を前提としている。そして、上記圧縮機構（50）の回転軸（70）と膨張機構（60）の回転軸（80）とが連結されている。また、上記各回転軸（70,80）は、互いに連通する給油溝（74,84）がそれぞれ形成され、上記両回転軸（70,80）の連結部間をシールするためのシール機構（S,R）を備えている。

上記の発明では、両回転軸（70,80）が連結されることで、膨張機構（60）で発生した回転動力が圧縮機構（50）へ伝達される。これにより、圧縮機構（50）における負荷トルクが低減される。ところで、上記圧縮機構（50）と膨張機構（60）とは、それぞれ組み上がった状態で連結される。つまり、上記圧縮機構（50）および膨張機構（60）のそれぞれが従来の組立方法で製作され後に、連結される。したがって、上記圧縮機構（50）と膨張機構（60）とを１本の回転軸で連結する場合には、それぞれの従来の組立方法が殆ど使用できないために流体機械全体の組立が煩雑となるが、この組立の煩雑化が防止される。ここで、各回転軸（70,80）の給油溝（74,84）が連結部で連通するが、シール機構（S,R）によってその連結部間がシールされるので、回転軸を分割構造とした場合でも、確実に潤滑油の漏れが防止される。

また、第２の発明は、上記第１の発明において、上記圧縮機構（50）の圧縮行程と膨張機構（60）の膨張行程とが対応する所定の位相関係で上記両回転軸（70,80）を連結させるための位置決め手段（8）を備えている。

上記の発明では、圧縮行程における圧縮トルクおよび膨張行程における回転動力としての膨張トルクは変動する。したがって、圧縮トルクのピーク時に、膨張機構（60）で発生する最大の回転動力を圧縮機構（50）へ伝達することが運転効率の最適化が図られることになる。すなわち、圧縮トルクがピークとなる圧縮機構（50）の回転軸（70）の位相と、膨張トルクがピークとなる膨張機構（60）の回転軸（80）の位相とが一致する所定の位相関係で両回転軸（70,80）が連結されるように位置決め手段（8）を設定すれば、確実に且つ容易に運転効率の最適化が図られる。

また、第３の発明は、上記第２の発明において、上記一方の回転軸（80）の軸端には凸部（85）が形成され、他方の回転軸（70）の軸端には上記凸部（85）が嵌め込まれる凹部（75）が形成されている。一方、上記シール機構（S,R）は、上記凸部（85）および凹部（75）の何れか一方の周面に周方向に亘って形成されたシール溝（S）と、該シール溝（S）に嵌め込まれたシール部材（R）とにより構成されている。

上記の発明では、凸部（85）と凹部（75）とが嵌合することによって両回転軸（70,80）が連結される。したがって、カップリング等の軸継手を用いなくてもよいので、簡易に連結される。これにより、組立工程が簡略化される。また、上記凸部（85）と凹部（75）との間がシール部材（R）によってシールされるので、確実に給油溝（74,84）からの潤滑油の漏れが防止される。

また、第４の発明は、上記第３の発明において、上記凸部（85）に、回転動力を伝達する断面視が多角形状の動力伝達凸部（87）が形成される一方、上記凹部（75）に、上記動力伝達凸部（87）が嵌め込まれる動力伝達凹部（77）が形成されている。そして、上記位置決め手段（8）は、一方の回転軸（70,80）の軸端面における軸中心から偏心して設けられた棒状の位置決めピン（88）と、他方の回転軸（80,70）に形成され、上記位置決めピン（88）が嵌め込まれるピン孔（78）とにより構成されている。

上記の発明では、多角形の動力伝達凸部（87）と動力伝達凹部（77）とが嵌合するので、膨張機構（60）の回転軸（80）が空転することなく、回転動力が確実に圧縮機構（50）の回転軸（70）へ伝達される。つまり、上記動力伝達凸部（87）等は、膨張機構（60）の回転軸（80）が単独で回転するのを防止する、いわゆる廻り止め手段を構成している。また、上記位置決めピン（88）が回転軸（70,80）の軸中心から偏心して設けられているので、位置決めピン（88）とピン孔（78）とが嵌合することにより、常に両回転軸（70,80）が一義的な位相関係で連結されることになる。したがって、上記位置決めピン（88）およびピン孔（78）の形成位置を両回転軸（70,80）が所定の位相関係で連結されるように設定すれば、運転効率の最適化が確実に図られる。

また、第５の発明は、上記第３の発明において、上記位置決め手段（8）が、凸部（85）および凹部（75）の一方の周面に形成されたキー部（8a）と、他方の周面に形成されたキー溝（7a）とにより構成されている。

上記の発明では、キー部（8a）とキー溝（7a）とが嵌合することにより、膨張機構（60）の回転動力が圧縮機構（50）の回転軸（70）へ伝達される。さらに、上記キー部（8a）とキー溝（7a）とが嵌合すると、常に両回転軸（70,80）が一義的な位相関係で連結されることになる。したがって、上記キー部（8a）およびキー溝（7a）の形成位置を両回転軸（70,80）が所定の位相関係で連結されるように設定すれば、運転効率の最適化が確実に図られる。

また、第６の発明は、上記第４または５の発明において、上記圧縮機構（50）に、該圧縮機構（50）を駆動する電動機（40）が圧縮機構（50）の回転軸（70）によって接続されている。

上記の発明では、圧縮機構（50）に電動機（40）が１本の回転軸（70）で連結される。したがって、従来から存在する圧縮機と電動機が一体となった流体機械に対しても、膨張機構（60）が簡易に連結される。

また、第７の発明は、上記第６の発明において、上記凸部（85）の動力伝達凸部（87）と上記凹部（75）の動力伝達凹部（77）に表面硬化処理が施されている。

上記の発明では、表面硬化処理によって動力伝達凸部（87）等の表面の耐面圧が向上する。したがって、両回転軸（70,80）を簡易な構成で連結したにも拘わらず、連結部が損傷することなく、確実に回転動力が伝達される。

また、第８の発明は、上記第６の発明において、冷媒が循環して蒸気圧縮機式冷凍サイクルを行う冷媒回路（20）に用いられる。

上記の発明では、例えば、空調機などの冷媒回路（20）に用いられ、蒸気圧縮式冷凍サイクルの圧縮行程および膨張行程が行われる。

また、第９の発明は、上記第８の発明において、上記冷媒が二酸化炭素である。

上記の発明では、冷媒回路（20）を循環する冷媒に二酸化炭素を用いているので、地球環境に優しい機器および装置を提供することができる。特に、二酸化炭素の場合、臨界圧状態まで圧縮するので、それだけ圧縮トルク（負荷トルク）が大きくなるが、この圧縮トルクが確実に低減される。

したがって、第１の発明によれば、圧縮機構（50）と膨張機構（60）とを双方の回転軸（70,80）同士で連結するようにしたので、つまり、回転軸（70,80）を分割構造としたので、各機器を単独で組み上げた後に連結可能となり、流体機械の組立の簡略化を図ることができる。さらに、給油溝（74,84）を有する両回転軸（70,80）の連結部間をシールするシール機構（S,R）を設けるようにしたので、回転軸を分割構造としたにも拘わらず、給油溝（74,84）からの潤滑油の漏れを防止することができる。この結果、組立コストの低減を図ることができると共に、機器の信頼性を向上させることができる。

また、第２の発明によれば、圧縮機構（50）の圧縮行程と膨張機構（60）の膨張行程とが対応する所定の位相関係で上記両回転軸（70,80）を連結させるための位置決め手段（8）を設けるようにしたので、圧縮トルクのピーク時に膨張機構（60）で発生する最大の回転動力を伝達させることができる。したがって、確実に最適効率で運転を行うことができる。

また、第３の発明によれば、両回転軸（70,80）同士をそれぞれの凸部（85）と凹部（75）とを嵌合することによって連結するようにしたので、カップリング等の軸継手を用いずに、簡易に連結することができる。したがって、組立コストの低減を一層図ることができる。加えて、嵌合した凸部（85）と凹部（75）との間をシール部材（R）によってシールするようにしたので、確実に給油溝（74,84）からの潤滑油の漏れを防止することができる。

また、第４の発明によれば、凸部（85）に断面視が多角形状の動力伝達凸部（87）を設ける一方、凹部（75）に動力伝達凸部（87）が嵌め込まれる動力伝達凹部（77）を設けるようにしたので、膨張機構（60）の回転軸（80）が空転することなく、回転動力を確実に圧縮機構（50）へ伝達することができる。

加えて、上記の発明によれば、位置決め手段（8）を、一方の回転軸（70,80）の軸端面における軸中心から偏心して設けられた棒状の位置決めピン（88）と、他方の回転軸（80,70）に形成され、上記位置決めピン（88）が嵌め込まれるピン孔（78）とにより構成するようにしたので、常に両回転軸（70,80）を一義的な所定の位相関係で連結させることができる。したがって、運転効率の最適化を確実に図ることができる。

また、第５の発明によれば、位置決め手段（8）を、凸部（85）および凹部（75）の一方の周面に形成されたキー部（8a）と、他方の周面に形成されたキー溝（7a）とにより構成するようにしたので、常に両回転軸（70,80）を一義的な所定の位相関係で連結させることができる。したがって、運転効率の最適化を確実に図ることができる。

また、第６の発明によれば、圧縮機構（50）に電動機（40）を１本の回転軸（70）で連結するようにしたので、従来から存在する圧縮機と電動機とが一体となった流体機械に対しても、膨張機構（60）を簡易に連結することができる。これにより、電動機（40）の負荷を低減することができる。

また、第７の発明によれば、動力伝達凸部（87）および動力伝達凹部（77）に表面硬化処理を施すようにしたので、両回転軸（70,80）を簡易な構成で連結したにも拘わらず、連結部が損傷することなく、確実に回転動力を伝達することができる。

また、第８の発明によれば、例えば、空調機などの冷媒回路（20）に用いるようにしたので、装置のコスト低減を図りつつ、信頼性の高い装置を提供することができる。

また、第９の発明によれば、冷媒回路（20）を循環する冷媒に二酸化炭素を用いたため、地球環境に優しい機器および装置を提供することができる。特に、二酸化炭素の場合、臨界圧状態まで圧縮するので、それだけ圧縮機構（50）における負荷トルク（圧縮トルク）が大きくなるが、この負荷トルクを確実に低減することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

《発明の実施形態１》
本発明の実施形態１について説明する。本実施形態の空調機（10）は、本発明に係る流体機械を備えている。

〈空調機の全体構成〉
図１に示すように、上記空調機（10）は、いわゆるセパレート型のものであって、室外機（11）と室内機（13）とを備えている。上記室外機（11）には、室外ファン（12）、室外熱交換器（23）、第１四路切換弁（21）、第２四路切換弁（22）および圧縮膨張ユニット（30）が収納されている。一方、上記室内機（13）には、室内ファン（14）および室内熱交換器（24）が収納されている。上記室外機（11）は屋外に設置され、室内機（13）は屋内に設置されている。また、上記室外機（11）と室内機（13）とは、一対の連絡配管（15,16）で接続されている。尚、上記圧縮膨張ユニット（30）の詳細は後述する。

上記空調機（10）には、冷媒回路（20）が設けられている。この冷媒回路（20）は、圧縮膨張ユニット（30）や室内熱交換器（24）などが接続された閉回路である。また、この冷媒回路（20）は、冷媒として二酸化炭素（ＣＯ₂）が充填され、この冷媒が循環して蒸気圧縮式冷凍サイクルを行うように構成されている。

上記室外熱交換器（23）と室内熱交換器（24）とは、何れもクロスフィン式のフィン・アンド・チューブ型熱交換器により構成されている。上記室外熱交換器（23）では、冷媒回路（20）を循環する冷媒が室外ファン（12）によって取り込まれた室外空気と熱交換する。上記室内熱交換器（24）では、冷媒回路（20）を循環する冷媒が室内ファン（14）によって取り込まれた室内空気と熱交換する。

上記第１四路切換弁（21）は、４つのポートを備えている。この第１四路切換弁（21）は、その第１ポートが圧縮膨張ユニット（30）の吐出管（36）に、第２ポートが連絡配管（15）を介して室内熱交換器（24）の一端であるガス側端部に、第３ポートが室外熱交換器（23）の一端であるガス側端部に、第４ポートが圧縮膨張ユニット（30）の吸入ポート（32）にそれぞれ接続されている。そして、上記第１四路切換弁（21）は、第１ポートと第２ポートとが連通し且つ第３ポートと第４ポートとが連通する状態（図１に実線で示す状態）と、第１ポートと第３ポートとが連通し且つ第２ポートと第４ポートとが連通する状態（図１に破線で示す状態）とに切り換わる。

上記第２四路切換弁（22）は、４つのポートを備えている。この第２四路切換弁（22）は、その第１ポートが圧縮膨張ユニット（30）の流出ポート（35）に、第２ポートが室外熱交換器（23）の他端である液側端部に、第３ポートが連絡配管（16）を介して室内熱交換器（24）の他端である液側端部に、第４ポートが圧縮膨張ユニット（30）の流入ポート（34）にそれぞれ接続されている。そして、上記第２四路切換弁（22）は、第１ポートと第２ポートとが連通し且つ第３ポートと第４ポートとが連通する状態（図１に実線で示す状態）と、第１ポートと第３ポートとが連通し且つ第２ポートと第４ポートとが連通する状態（図１に破線で示す状態）とに切り換わる。

上記冷媒回路（20）は、２つの四路切換弁（21,22）の切換によって冷房運転と暖房運転とに切り換わるように構成されている。つまり、上記２つの四路切換弁（21,22）が共に図１の破線側の状態に切り換わると、冷媒回路（20）は、室外熱交換器（23）がガスクーラ（冷却器）として機能し且つ室内熱交換器（24）が蒸発器として機能する冷房運転で冷媒が循環する。また、上記２つの四路切換弁（21,22）が共に図１の実線側の状態に切り換わると、冷媒回路（20）は、室外熱交換器（23）が蒸発器として機能し且つ室内熱交換器（24）がガスクーラ（冷却器）として機能する暖房運転で冷媒が循環する。

〈圧縮膨張ユニットの構成〉
図２に示すように、上記圧縮膨張ユニット（30）は、本発明に係る流体機械を構成し、縦長で円筒形の密閉容器であるケーシング（31）を備えている。このケーシング（31）の内部には、下から上に向かって順に、圧縮機構（50）と、電動機（40）と、膨張機構（60）とが配設されている。

上記ケーシング（31）には、吐出管（36）が取り付けられている。この吐出管（36）は、電動機（40）と膨張機構（60）との間に配置され、ケーシング（31）の内部空間に連通している。

上記電動機（40）は、ケーシング（31）の長手方向の中央部に配置されている。この電動機（40）は、ステータ（41）とロータ（42）とにより構成されている。上記ステータ（41）は、ケーシング（31）の内面に固定されている。上記ロータ（42）は、ステータ（41）の内側に配置されている。

上記圧縮機構（50）は、揺動ピストン型のロータリ式圧縮機を構成している。この圧縮機構（50）は、シリンダ（51,52）とロータリピストン（57）とを２つずつ備えている。上記圧縮機構（50）では、下から上へ向かって順に、リアヘッド（55）と、第１シリンダ（51）と、中間プレート（56）と、第２シリンダ（52）と、フロントヘッド（54）とが積層された状態となっている。上記第１シリンダ（51）および第２シリンダ（52）の内部には、円筒状のロータリピストン（57）が１つずつ配置されている。このロータリピストン（57）は、図示しないが、側面に平板状のブレードが突設されており、このブレードが揺動ブッシュを介してシリンダ（51,52）に回動自在に且つ進退自在に支持されている。

上記圧縮機構（50）は、回転軸である圧縮回転軸（70）を備えている。この圧縮回転軸（70）は、主軸部（71）を有し、該主軸部（71）の下端側に２つの大径偏心部（72,73）が形成されている。そして、上記主軸部（71）は、積層された状態のリアヘッド（55）、第１シリンダ（51）、中間プレート（56）、第２シリンダ（52）およびフロントヘッド（54）を貫通し、各大径偏心部（72,73）が第１シリンダ（51）と第２シリンダ（52）内とに１つずつ位置している。

上記２つの大径偏心部（72,73）は、主軸部（71）よりも大径に且つ主軸部（71）の軸心よりも偏心して形成されており、下側のものが下側大径偏心部（72）を、上側のものが上側大径偏心部（73）をそれぞれ構成している。そして、上記下側大径偏心部（72）と上側大径偏心部（73）とでは、主軸部（71）の軸心に対する偏心方向が逆になっている。

上記下側大径偏心部（72）は、第１シリンダ（51）内のロータリピストン（57）と係合し、上記上側大径偏心部（73）は、第２シリンダ（52）内のロータリピストン（57）と係合している。上記各ロータリピストン（57,57）は、内周面が大径偏心部（72,73）の外周面と摺接し、外周面がシリンダ（51,52）の内周面と摺接する。そして、上記各ロータリピストン（57,57）の外周面とシリンダ（51,52）の内周面との間に圧縮室（53）が形成される。

上記第１シリンダ（51）および第２シリンダ（52）には、それぞれ吸入ポート（32）が１つずつ形成されている。この各吸入ポート（32）は、シリンダ（51,52）を半径方向に貫通し、終端がシリンダ（51,52）内に開口している。また、上記各吸入ポート（32）は、配管によってケーシング（31）の外部へ延長されている。

上記フロントヘッド（54）およびリアヘッド（55）には、それぞれ吐出ポート（図示せず）が１つずつ形成されている。上記フロントヘッド（54）の吐出ポートは、第２シリンダ（52）内の圧縮室（53）とケーシング（31）の内部空間とを連通させる。上記リアヘッド（55）の吐出ポートは、第１シリンダ（51）内の圧縮室（53）とケーシング（31）の内部空間とを連通させる。また、上記各吐出ポートは、終端にリード弁からなる吐出弁（図示せず）が設けられており、この吐出弁によって開閉される。そして、上記圧縮機構（50）からケーシング（31）の内部空間へ吐出された高圧のガス冷媒は、吐出管（36）を通って圧縮膨張ユニット（30）から送り出される。

上記圧縮回転軸（70）の主軸部（71）は、上端側が電動機（40）のロータ（42）の中心を貫通している。つまり、上記圧縮機構（50）と電動機（40）とは、１本の圧縮回転軸（70）によって機械的に連結されている。したがって、上記圧縮機構（50）は、電動機（40）の回転動力が圧縮回転軸（70）によって伝達されて駆動する。

上記膨張機構（60）は、揺動ピストン型のロータリ式膨張機を構成している。この膨張機構（60）は、フロントヘッド（61）と、リアヘッド（62）と、シリンダ（63）と、ロータリピストン（67）とを備えている。上記膨張機構（60）では、下から上へ向かって順に、フロントヘッド（61）、シリンダ（63）およびリアヘッド（62）が積層された状態となっている。上記シリンダ（63）は、下側端面がフロントヘッド（61）により閉塞され、上側端面がリアヘッド（62）により閉塞されている。上記ロータリピストン（67）は、円環状あるいは円筒状に形成され、閉塞されたシリンダ（63）内に収納されている。そして、上記ロータリピストン（67）は、図示しないが、圧縮機構（50）のそれと同様に、側面に平板状のブレードが突設されており、このブレードが揺動ブッシュを介してシリンダ（63）に回動自在に且つ進退自在に支持されている。

上記膨張機構（60）は、回転軸である膨張回転軸（80）を備えている。この膨張回転軸（80）は、主軸部（81）を有し、該主軸部（81）のやや上端側に大径偏心部（82）が形成されている。そして、上記主軸部（81）は、積層された状態のフロントヘッド（61）、シリンダ（63）およびリアヘッド（62）を貫通し、大径偏心部（82）がシリンダ（63）内に位置している。

上記大径偏心部（82）は、主軸部（81）よりも大径に且つ主軸部（81）の軸心よりも偏心して形成されている。そして、上記大径偏心部（82）は、シリンダ（63）内のロータリピストン（67）と係合している。上記ロータリピストン（67）は、内周面が大径偏心部（82）の外周面と摺接し、外周面がシリンダ（63）の内周面と摺接する。このロータリピストン（67）の外周面とシリンダ（63）の内周面との間には、膨張室（65）が形成される。上記膨張機構（60）では、冷媒が膨張することによって発生した動力が膨張回転軸（80）の回転動力に変換されるようになっている。

上記膨張機構（60）は、リアヘッド（62）に形成された流入ポート（34）と、シリンダ（63）に形成された流出ポート（35）とを備えている。上記流入ポート（34）は、リアヘッド（62）を上下方向に貫通し、終端がシリンダ（63）内の膨張室（65）に開口している。一方、上記流出ポート（35）は、シリンダ（63）を半径方向に貫通し、終端がシリンダ（63）内の膨張室（65）に開口している。また、上記流入ポート（34）および流出ポート（35）は、配管によってケーシング（31）の外部へ延長されている。

上記圧縮機構（50）および電動機（40）と膨張機構（60）とは、圧縮回転軸（70）と膨張回転軸（80）とが連結されて機械的に接続されている（図２のＡ部参照）。つまり、上記圧縮回転軸（70）の主軸部（71）の上端部と膨張回転軸（80）の主軸部（81）の下端部とが連結されている。これにより、膨張回転軸（80）の回転動力が圧縮回転軸（70）を通じて圧縮機構（50）に伝達される。尚、上記両回転軸（70）の連結部の詳細については後述する。

また、上記両回転軸（70,80）の主軸部（71,81）の内部には、互いに連通する給油溝（74,84）が形成されている。この給油溝（74,84）は、各主軸部（71,81）の上端から下端に亘って形成されている。上記ケーシング（31）内の底部には、潤滑油が貯留される油溜りが形成されている。そして、上記圧縮回転軸（70）の主軸部（71）の下端部には、油溜りに浸漬された遠心式の油ポンプ（P）が設けられている。該油ポンプ（P）は、圧縮回転軸（70）の回転により油溜りの潤滑油を汲み上げるように構成されている。上記各主軸部（71,81）の給油溝（74,84）は、油ポンプ（P）によって汲み上げられた潤滑油が圧縮機構（50）や膨張機構（60）の各摺動部に供給されるように形成されている。

図３および図４に示すように、上記両回転軸（70,80）の主軸部（71,81）は、互いに嵌合して連結されている。そして、この連結部には、本発明の特徴として、シール機構（S,R）と位置決め手段（8）とが設けられている。

具体的に、上記膨張回転軸（80）の主軸部（81）の下端部には、嵌合凸部（85）が形成され、上記圧縮回転軸（70）の主軸部（71）の上端部には、上記嵌合凸部（85）が嵌め込まれる嵌合凹部（75）が形成されている。

上記嵌合凸部（85）は、全体が主軸部（81）の外径より小径に形成され、軸方向に突出している。この嵌合凸部（85）は、主軸部（81）に連続する基部（86）と、該基部（86）に連続してなる動力伝達凸部（87）とにより形成されている。上記基部（86）は、断面視が円形に形成されて軸方向に延びている。上記動力伝達凸部（87）は、断面視が正六角形に形成されて軸方向に延びている。

上記嵌合凹部（75）は、全体が主軸部（71）の軸端面（79）から軸方向に凹んで形成されている。この嵌合凹部（75）は、軸端面（79）側から順に、基穴部（76）と、該基穴部（76）に連続してなる動力伝達凹部（77）とで形成されている。上記基穴部（76）は、嵌合凸部（85）の基部（86）がほぼ隙間なく嵌め込まれる形状および大きさに形成されている。一方、上記動力伝達凹部（77）は、嵌合凸部（85）の動力伝達凸部（87）がほぼ隙間なく嵌め込まれる形状および大きさに形成されている。このように、動力伝達凸部（87）および動力伝達凹部（77）は、断面が多角形状に形成されているため、膨張回転軸（80）が空転することなく、確実に膨張回転軸（80）の回転動力を圧縮回転軸（70）に伝達される。すなわち、上記動力伝達凸部（87）等は、各回転軸（70,80）が単独で回転するのを防止する、いわゆる廻り止め手段を構成している。

また、上記動力伝達凸部（87）および動力伝達凹部（77）は、焼き入れ処理等の表面硬化処理が施されている。これにより、動力伝達凸部（87）等の表面の耐面圧が向上するので、両回転軸（70,80）の連結部が損傷することなく、回転動力を確実に伝達することができる。

上記各主軸部（71,81）の給油溝（74,84）の一方は、動力伝達凹部（77）の底面に開口し、他方は動力伝達凸部（87）の端面に開口している。したがって、上記動力伝達凸部（87）と動力伝達凹部（77）とが嵌合することにより、各主軸部（71,81）の給油溝（74,84）同士が接続される。

上記シール機構（S,R）は、嵌合凸部（85）の基部（86）に設けられている。このシール機構（S,R）は、シール溝（S）とＯリング（R）とにより構成されている。上記シール溝（S）は、基部（86）の外周面の周方向に亘って形成され、シール部材であるＯリング（R）が嵌め込まれている。つまり、上記Ｏリング（R）がシール溝（S）と基穴部（76）の内周面とに接触することにより、基部（86）と基穴部（76）との間がシールされる。これにより、給油溝（74,84）同士の接続部より流出した潤滑油が基部（86）と基穴部（76）との間、すなわち両回転軸（70,80）の連結部間から漏れるのを防止することができる。

上記位置決め手段（8）は、膨張回転軸（80）の主軸部（81）に設けられた位置決めピン（88）と、圧縮回転軸（70）の主軸部（71）に設けられたピン孔（78）とで構成されている。

上記位置決めピン（88）は、主軸部（81）の基部（86）が形成される端面である段付き端面（89）に設けられている。この位置決めピン（88）は、円柱形の棒状に形成され、段付き端面（89）に対して主軸部（81）の軸方向に差し込まれている。つまり、上記位置決めピン（88）の略半身が段付き端面（89）から軸方向に突出している。一方、上記ピン孔（78）は、主軸部（71）の軸端面（79）に形成されている。このピン孔（78）は、位置決めピン（88）が嵌め込まれるように形成されている。つまり、上記ピン孔（78）は、断面が位置決めピン（88）とほぼ同じ大きさの円形に形成され、少なくとも位置決めピン（88）の突出した部分が挿入される長さに形成されている。

上記位置決めピン（88）およびピン孔（78）の形成位置は、両回転軸（70,80）が所定の位相関係で連結されるように定められている。この種の流体機械では、圧縮機構（50）における負荷トルクのピーク時に、膨張機構（60）で発生する最大の回転動力を伝達することが最適な運転効率となる。したがって、圧縮行程における圧縮トルクがピークとなる圧縮回転軸（70）の位相と、膨張行程における回転動力としての膨張トルクがピークとなる膨張回転軸（80）の位相とが一致して両回転軸（70,80）が連結されるように位置決めピン（88）およびピン孔（78）が配置されている。

−運転動作−
次に、上記空調機（10）の冷房運転時および暖房運転時の動作を簡単に説明した後、圧縮膨張ユニット（30）の動作について説明する。

〈冷房運転〉
この冷房運転時には、第１四路切換弁（21）および第２四路切換弁（22）が図１に破線で示す状態に切り換えられる。この状態で圧縮膨張ユニット（30）の電動機（40）に通電すると、冷媒回路（20）で冷媒が循環して蒸気圧縮式冷凍サイクルが行われる。

上記圧縮機構（50）で圧縮された高圧冷媒は、吐出管（36）を通って圧縮膨張ユニット（30）から吐出される。この状態で、高圧冷媒の圧力は、その臨界圧力よりも高くなっている。この高圧冷媒は、第１四路切換弁（21）を通って室外熱交換器（23）へ流れ、室外空気へ放熱する。この放熱した高圧冷媒は、第２四路切換弁（22）を通り、流入ポート（34）から膨張機構（60）へ流入して膨張する。この膨張後の低圧冷媒は、流出ポート（35）を通って圧縮膨張ユニット（30）から流出し、第２四路切換弁（22）を通って室内熱交換器（24）へ送られる。この室内熱交換器（24）では、流入した低圧冷媒が室内空気から吸熱して蒸発し、室内空気が冷却される。そして、この蒸発したガス冷媒は、第１四路切換弁（21）を通り、吸入ポート（32）から再び圧縮機構（50）へ吸入されて圧縮される。

〈暖房運転〉
この暖房運転時には、第１四路切換弁（21）および第２四路切換弁（22）が図１に実線で示す状態に切り換えられる。この状態で圧縮膨張ユニット（30）の電動機（40）に通電すると、冷媒回路（20）で冷媒が循環して蒸気圧縮式冷凍サイクルが行われる。

上記圧縮機構（50）で圧縮された高圧冷媒は、吐出管（36）を通って圧縮膨張ユニット（30）から吐出される。この状態で、高圧冷媒の圧力は、その臨界圧力よりも高くなっている。この高圧冷媒は、第１四路切換弁（21）を通って室内熱交換器（24）へ流れ、室内空気へ放熱し、室内空気が加熱される。この放熱した高圧冷媒は、第２四路切換弁（22）を通り、流入ポート（34）から膨張機構（60）へ流入して膨張する。そして、膨張後の低圧冷媒は、流出ポート（35）を通って圧縮膨張ユニット（30）から流出し、第２四路切換弁（22）を通って室外熱交換器（23）へ送られる。この室外熱交換器（23）では、流入した低圧冷媒が室外空気から吸熱して蒸発する。この蒸発したガス冷媒は、第１四路切換弁（21）を通り、吸入ポート（32）から再び圧縮機構（50）へ吸入されて圧縮される。

〈圧縮膨張ユニットの動作〉
上記圧縮機構（50）は、電動機（40）の回転動力が圧縮回転軸（70）によって伝達されて駆動する。一方、上記膨張機構（60）では、高圧冷媒が膨張すると、その内部エネルギが膨張回転軸（80）の回転動力に変換される。この回転動力は、両回転軸（70,80）の動力伝達凸部（87）および動力伝達凹部（77）によって確実に圧縮回転軸（70）へ伝達され、圧縮機構（50）を確実に駆動する。これにより、電動機（40）の動力負荷が低減される。特に、上記圧縮行程における圧縮トルクのピーク時に、膨張行程において発生する最大の回転動力が圧縮機構（50）に伝達されるので、確実に最適な効率で運転が行われる。

また、上記圧縮回転軸（70）が回転すると、油ポンプ（P）によって潤滑油が汲み上げられる。この潤滑油は、圧縮回転軸（70）および膨張回転軸（80）の各給油溝（74,84）を順に流れ、圧縮機構（50）や膨張機構（60）の所定の摺動部へ供給される。その際、両回転軸（70,80）の連結部では、シール機構（S,R）によって潤滑油の漏れが防止されるので、確実に所定の摺動箇所へ潤滑油を供給することができる。

−実施形態１の効果−
以上説明したように、本実施形態１によれば、圧縮機構（50）と膨張機構（60）とを双方の回転軸（70,80）同士で連結するようにしたので、つまり回転軸（70,80）を分割構造としたので、各機器を単独で組み上げた後に連結可能となり、流体機械の組立の簡略化を図ることができる。

さらに、上記両回転軸（70,80）の連結部間をシールするシール機構（S,R）を設けるようにしたので、回転軸を分割構造としたにも拘わらず、給油溝（74,84）からの潤滑油の漏れを防止することができる。この結果、組立コストの低減を図ることができると共に、機器の信頼性を向上させることができる。特に、上記シール機構（S,R）として、嵌合した凸部（85）と凹部（75）との間をシールするＯリング（R）を用いているので、確実に給油溝（74,84）からの潤滑油の漏れを防止することができる。

また、上記圧縮機構（50）の圧縮行程と膨張機構（60）の膨張行程とが対応する所定の位相関係で上記両回転軸（70,80）を連結させるための位置決めピン（88）およびピン孔（78）を設けるようにしたので、圧縮トルクのピーク時に膨張機構（60）で発生する最大の回転動力を伝達させることができる。したがって、確実に最適効率で運転を行うことができる。

また、上記両回転軸（70,80）同士をそれぞれの凸部（85）と凹部（75）とを嵌合することによって連結するようにしたので、カップリング等の軸継手を用いずに、簡易に連結することができる。したがって、組立コストの低減を一層図ることができる。

さらに、上記凸部（85）に断面視が多角形状の動力伝達凸部（87）を設け、上記凹部（75）に動力伝達凸部（87）が嵌め込まれる動力伝達凹部（77）を設けるようにしたので、膨張機構（60）の回転軸（80）が空転することなく、回転動力を確実に圧縮機構（50）へ伝達することができる。

また、圧縮機構（50）に電動機（40）が１本の回転軸（70）で連結するようにしたので、従来から存在する圧縮機と電動機とが一体となった流体機械に対しても、膨張機構（60）を簡易に連結することができる。これにより、電動機（40）の負荷を低減することができる。

また、動力伝達凸部（87）および動力伝達凹部（77）に表面硬化処理を施すようにしたので、両回転軸（70,80）を簡易な構成で連結したにも拘わらず、連結部が損傷することなく、確実に回転動力を伝達することができる。

また、冷媒回路（20）を循環する冷媒に二酸化炭素を用いたため、地球環境に優しい機器および装置を提供することができる。特に、二酸化炭素の場合、臨界圧状態まで圧縮するので、それだけ圧縮機構（50）における負荷トルク（圧縮トルク）が大きくなるが、この負荷トルクを確実に低減することができる。

《発明の実施形態２》
次に、本発明の実施形態２について図５および図６を参照しながら説明する。

本実施形態は、上記実施形態１における嵌合凸部（85）および嵌合凹部（75）の形状を変更したものである。つまり、上記実施形態１が動力伝達凸部（87）および動力伝達凹部（77）の断面形状を正六角形に形成したのに代えて、本実施形態は、断面形状を多角形である長方形に形成したものである。この場合も、膨張回転軸（80）が空転することなく、回転動力を確実に圧縮回転軸（70）に伝達させることができる。また、その断面が単純形状であるため、加工が容易となり、製作コストを低減することができる。その他の構成、作用および効果は実施形態１と同様である。

《発明の実施形態３》
次に、本発明の実施形態３について図７および図８を参照しながら説明する。

本実施形態は、上記実施形態１における動力伝達凸部（87）および動力伝達凹部（77）の形状を変更すると共に、位置決め手段（8）を変更したものである。具体的に、上記動力伝達凸部（87）は、断面が円形の一部から矩形状のキー部（8a）が突設した形状に形成されている。つまり、上記動力伝達凸部（87）は、軸方向に延びる円柱の外周面に長さ方向に亘ってキー部（8）が形成されている。一方、上記動力伝達凹部（77）は、円形の内周面に長さ方向に亘ってキー部（8a）と対応する矩形状のキー溝（7a）が形成されている。したがって、上記キー部（8a）とキー溝（7a）とが嵌合することにより、膨張回転軸（80）が空転することなく、回転動力を確実に圧縮回転軸（70）に伝達させることができる。すなわち、上記キー部（8a）およびキー溝（7a）は、膨張回転軸（80）の空転を防止するいわゆる廻り止め手段を構成している。

さらに、上記キー部（8a）およびキー溝（7a）は、実施形態１における位置決めピン（88）およびピン孔（78）に代わる、位置決め手段（8）をも構成している。つまり、上記キー部（8a）およびキー溝（7a）の形成位置は、実施形態１と同様に、圧縮トルクがピークとなる圧縮回転軸（70）の位相と、膨張トルクがピークとなる膨張回転軸（80）の位相とが一致する所定の位相関係で両回転軸（70,80）が連結されるように定められている。このように、本実施形態では、動力伝達凸部（87）および動力伝達凹部（77）が位置決め手段（8）も兼用するので、別途位置決め手段（8）を加工形成する必要がなくなり、回転軸（70,80）の加工工程を短縮することができる。尚、本実施形態では、キー部（8a）およびキー溝（7a）の断面を矩形状に形成したが、半円形等に形成してもよい。その他の構成、作用および効果は実施形態１と同様である。

《発明の実施形態４》
次に、本発明の実施形態４について図９および図１０を参照しながら説明する。

本実施形態は、上記実施形態３における動力伝達凸部（87）および努力伝達凹部（75）のキー部（8a）およびキー溝（7a）の構成を変更したものである。つまり、本実施形態では、動力伝達凸部（87）側にキー溝（8a）を形成し、動力伝達凹部（77）側にキー部（7a）を形成するようにした。

具体的に、上記動力伝達凸部（87）は、基部（86）と同径の円形の外周面に略半月状のキー溝（8a）が形成されている。つまり、上記動力伝達凸部（87）の断面形状は、円形の一部と１つの直線部とから成っている。このキー溝（8a）は、長さ方向に亘って形成されている。一方、上記動力伝達凹部（77）は、円形の内周面に長さ方向に亘ってキー溝（8a）と対応する略半月状のキー部（7a）が突出して形成されている。そして、本実施形態の場合も、キー溝（8a）およびキー部（7a）が、実施形態３と同様に、膨張回転軸（80）の空転を防止する廻り止め手段を構成すると共に、両回転軸（70,80）を所定の位相関係で連結させるための位置決め手段（8）を構成している。したがって、上記回転軸（70,80）の加工工程を短縮することができる。尚、本実施形態では、キー溝（8a）およびキー部（7a）の断面を略半月状に形成したが、矩形状に形成してもよい。その他の構成、作用および効果は実施形態１と同様である。

《その他の実施形態》
本発明は、上記各実施形態について、以下のような構成としてもよい。

例えば、上記各実施形態において、圧縮回転軸（70）側に嵌合凸部（85）を、膨張回転軸（80）側に嵌合凹部（75）をそれぞれ形成するようにしてもよい。

また、上記各実施形態では、シール機構（S,R）のシール部材としてＯリング（R）を用いるようにしたが、これに限らず、Ｖパッキン等を用いるようにしてもよい。

また、上記圧縮機構（50）および膨張機構（60）をロータリ式機構により構成したが、スクロール式機構であっても本発明を適用することができる。また、上記圧縮機構（50）は１シリンダ式のものであってもよいし、膨張機構（60）は２段膨張式のものであってもよいことは勿論である。

以上説明したように、本発明は、流体の膨張によって動力を発生させる膨張機と圧縮機とが機械的に連結された流体機械として有用である。

実施形態に係る空調機を示す配管系統図である。 実施形態に係る圧縮膨張ユニットを示す縦断面図である。 実施形態１に係る膨張回転軸の連結部を示したものであり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａにおける断面図である。 実施形態１に係る圧縮回転軸の連結部を示したものであり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａにおける断面図である。 実施形態２に係る膨張回転軸の連結部を示したものであり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａにおける断面図である。 実施形態２に係る圧縮回転軸の連結部を示したものであり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａにおける断面図である。 実施形態３に係る膨張回転軸の連結部を示したものであり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａにおける断面図である。 実施形態３に係る圧縮回転軸の連結部を示したものであり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａにおける断面図である。 実施形態４に係る膨張回転軸の連結部を示したものであり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａにおける断面図である。 実施形態４に係る圧縮回転軸の連結部を示したものであり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａにおける断面図である。

符号の説明

20 冷媒回路
30 圧縮膨張ユニット（流体機械）
31 ケーシング
40 電動機
50 ロータリ式圧縮機（圧縮機構）
60 ロータリ式膨張機（膨張機構）
70 圧縮回転軸（回転軸）
74,84 給油溝
75 嵌合凹部（凹部）
77,87 動力伝達凹部、動力伝達凸部
78 ピン孔
80 膨張回転軸（回転軸）
85 嵌合凸部（凸部）
88 位置決めピン
S シール溝
R Ｏリング（シール部材）
8 位置決め手段
7a,8a キー溝、キー部

Claims (9)

1. 流体を圧縮する圧縮機構（50）と、流体の膨張により回転動力を発生する膨張機構（60）とがケーシング（31）内に収納された流体機械であって、
   上記圧縮機構（50）の回転軸（70）と膨張機構（60）の回転軸（80）とが連結され、
   上記各回転軸（70,80）は、互いに連通する給油溝（74,84）がそれぞれ形成され、
   上記両回転軸（70,80）の連結部間をシールするためのシール機構（S,R）を備えている
   ことを特徴とする流体機械。
2. 請求項１において、
   上記圧縮機構（50）の圧縮行程と膨張機構（60）の膨張行程とが対応する所定の位相関係で上記両回転軸（70,80）を連結させるための位置決め手段（8）を備えている
   ことを特徴とする流体機械。
3. 請求項２において、
   上記一方の回転軸（80）の軸端には凸部（85）が形成され、他方の回転軸（70）の軸端には上記凸部（85）が嵌め込まれる凹部（75）が形成される一方、
   上記シール機構（S,R）は、上記凸部（85）および凹部（75）の何れか一方の周面に周方向に亘って形成されたシール溝（S）と、該シール溝（S）に嵌め込まれたシール部材（R）とにより構成されている
   ことを特徴とする流体機械。
4. 請求項３において、
   上記凸部（85）には、回転動力を伝達する断面視が多角形状の動力伝達凸部（87）が形成される一方、上記凹部（75）には、上記動力伝達凸部（87）が嵌め込まれる動力伝達凹部（77）が形成され、
   上記位置決め手段（8）は、一方の回転軸（70,80）の軸端面における軸中心から偏心して設けられた棒状の位置決めピン（88）と、他方の回転軸（80,70）に形成され、上記位置決めピン（88）が嵌め込まれるピン孔（78）とにより構成されている
   ことを特徴とする流体機械。
5. 請求項３において、
   上記位置決め手段（8）は、凸部（85）および凹部（75）の一方の周面に形成されたキー部（8a）と、他方の周面に形成されたキー溝（7a）とにより構成されている
   ことを特徴とする流体機械。
6. 請求項４または５において、
   上記圧縮機構（50）には、該圧縮機構（50）を駆動する電動機（40）が圧縮機構（50）の回転軸（70）によって接続されている
   ことを特徴とする流体機械。
7. 請求項６において、
   上記凸部（85）の動力伝達凸部（87）と上記凹部（75）の動力伝達凹部（77）には、表面硬化処理が施されている
   ことを特徴とする流体機械。
8. 請求項６において、
   冷媒が循環して蒸気圧縮機式冷凍サイクルを行う冷媒回路（20）に用いられる
   ことを特徴とする流体機械。
9. 請求項８において、
   上記冷媒は、二酸化炭素である
   ことを特徴とする流体機械。
   
   

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