JP2007009756A - ロータリ式膨張機及び流体機械 - Google Patents

Abstract

【課題】吸入容積を変更することのできるロータリ式膨張機及びそれを備えた流体機械を提供する。
【解決手段】ロータリ式膨張機１０３の膨張機構２０は、シリンダ３０と、シリンダ３０の上端を閉塞する第１閉塞部材２１及び第２閉塞部材２２と、シリンダ３０の内部に配置されたピストン３１とを備えている。第１閉塞部材２１には冷媒の導入路４１が形成され、回転軸１５の偏心部１５ａには連通路４２が形成され、第２閉塞部材２２には冷媒の供給路４３が形成されている。導入路４１の下流端の流出口と、連通路４２と、供給路４３の上流端の流入口とが上下方向に重なり合うと、膨張室３２に冷媒が吸入される。膨張機構２０は、第１閉塞部材２１を回転させることによって上記流出口と上記流入口との相対位置を変化させる電動モータ３６を備えている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、流体を膨張させるロータリ式膨張機と、流体を膨張させるロータリ式の膨張機及び流体を圧縮する圧縮機を備えた流体機械とに関するものである。

従来より、例えば冷凍装置等において、ロータリ式の膨張機が用いられている。ロータリ式の膨張機は、シリンダと、シリンダの内部に偏心した状態で配置され、シリンダ内周面に摺接しながら回転（厳密には公転）する筒状のピストンと、ピストンの内部に挿入された偏心部を有する回転軸とを備えている。シリンダ内には、ピストンとシリンダ内周面とによって膨張室が区画される。そして、シリンダ内でピストンが回転することによって、膨張室の容積が変化し、膨張室に対する流体の吸入及び膨張室内における流体の膨張が行われる。

ところで、流体を膨張させるためには、流体をいったん膨張室に吸入した後、吸入口を閉じたうえで膨張室の容積を増大させる必要がある。すなわち、流体を膨張室に吸入する期間、言い換えれば、吸入口を開いている時間をなんらかの手段で設定する必要がある。

下記特許文献１及び２には、流体を膨張室に吸入する期間をピストンの回転位置に基づいて設定する方法が開示されている。特許文献１及び２に開示されたロータリ式膨張機では、シリンダ及び回転軸の偏心部の一端を閉塞するフロントヘッドに、膨張前の冷媒を導入する流入ポートと、膨張室に連通する溝状通路とが形成されている。一方、回転軸の偏心部のフロントヘッド側の面には、流入ポートと溝状通路とを連通させる連通路が形成されている。

上記ロータリ式膨張機では、ピストンが所定範囲の位置にあると、連通路が吸入ポート及び溝状通路と重なり、連通路及び溝状通路を介して吸入ポートと膨張室とが連通する。一方、ピストンが上記所定範囲の位置にないと、連通路が吸入ポート又は溝状通路から離れ、吸入ポートと膨張室との連通が遮断される。したがって、上記ロータリ式膨張機では、冷媒を膨張室に吸入する期間を連通路の位置や大きさに基づいて設定することができる。
特開２００４−４４５６９号公報 特開２００４−１９７６４０号公報

しかしながら、上記ロータリ式膨張機では、冷媒を膨張室に吸入する期間は、連通路の構成により一義的に決まっていた。そのため、膨張機の吸入容積（すなわち、膨張開始時点の膨張室の容積）を変更することはできなかった。

本発明は、か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、吸入容積を変更することのできるロータリ式膨張機及びそれを備えた流体機械を提供することにある。

本発明に係るロータリ式膨張機は、内周面を有するシリンダと、前記シリンダの一端及び他端を閉塞する複数の閉塞部材と、前記シリンダ内に偏心した状態で配置され、前記シリンダの内周面との間に膨張室を区画する筒状のピストンと、前記ピストンの内部に配設され、前記ピストンの回転に従って回転する偏心部を有する回転軸と、前記膨張室を高圧側と低圧側とに仕切る仕切部材と、を備え、前記複数の閉塞部材は、流体を導く導入路と、前記偏心部に対向し且つ前記導入路の流体を流出させる流出口が形成された対向面と、を有する第１の閉塞部材と、前記偏心部に対向し且つ流体を流入させる流入口が形成された対向面と、前記流入口から流入した流体を前記膨張室に供給する供給路と、を有する第２の閉塞部材と、を含み、前記偏心部には、前記流出口と前記流入口とを連通自在に形成され、前記回転軸の回転に伴って、前記流出口と前記流入口とを連通させる連通状態と前記連通を遮断する遮断状態とが切り替えられる連通路が設けられ、前記流出口と前記流入口との相対位置が変化するように前記第１又は第２の閉塞部材を移動させる駆動装置を備えたものである。

上記ロータリ式膨張機では、導入路の流出口と供給路の流入口とが連通する連通状態のときには、導入路から導かれた流体は、連通路及び供給路を通じて膨張室に流入する。一方、流出口と流入口とが連通しない遮断状態のときには、膨張室に対する流体の流入は行われない。そのため、流出口と流入口との相対位置に基づいて、流体を膨張室に吸入する期間が設定される。さらに、上記ロータリ式膨張機では、駆動装置が第１又は第２の閉塞部材を移動させることによって、流出口と流入口との相対位置を変化させることができる。そのため、流体を膨張室に吸入する期間を変化させることができる。したがって、吸入容積を変更することが可能となる。

前記駆動装置は、前記第１又は第２の閉塞部材を前記回転軸周りに回転移動させることが好ましい。

このことにより、第１又は第２の閉塞部材を円滑に移動させやすくなる。

前記駆動装置は、前記第１及び第２の閉塞部材のいずれか一方のみを移動させることが好ましい。

このことにより、第１又は第２の閉塞部材を円滑に移動させやすくなる。

前記第１及び第２の閉塞部材は、いずれも前記偏心部の軸方向の一端側に配置され、前記連通路は、前記偏心部の一端側の面に形成された凹状の溝によって構成されていることが好ましい。

このことにより、連通路は偏心部の片側にのみ形成されるので、導入路から連通路を経て供給路に至る流体の流路長が短くなる。そのため、流体の吸入に際しての圧力損失を抑えることができる。

前記駆動装置は電動モータを備えていることが好ましい。

このことにより、第１又は第２の閉塞部材の移動を制御しやすくなる。また、駆動装置を比較的簡単に実現することができる。また、駆動装置の信頼性を向上させることができる。

前記電動モータの駆動軸に連結されたギアを備え、前記第１又は第２の閉塞部材には、前記ギアと噛み合う歯が形成されていることが好ましい。

上記ロータリ式膨張機では、上記ギア及び歯を介して、電動モータの駆動力が第１又は第２の閉塞部材に伝達される。上記ロータリ式膨張機によれば、電動モータの駆動力を第１又は第２の閉塞部材に伝達するための動力伝達機構を小型化することができ、ひいては膨張機全体の小型化を図ることができる。

前記駆動装置は電動シリンダを備えていてもよい。

このことにより、第１又は第２の閉塞部材の移動を制御しやすくなる。また、駆動装置を比較的簡単に実現することができる。また、駆動装置の信頼性を向上させることができる。

前記回転軸に連結された発電機を備え、前記駆動装置には、前記発電機で生成された電気が供給されることが好ましい。

このことにより、発電機で生成した電気を駆動装置のエネルギー源として有効活用することができ、省エネルギー化を図ることができる。

前記駆動装置は、シリンダと、当該シリンダ内を第１の圧力室と第２の圧力室とに区画するピストンと、前記第１及び第２の圧力室のいずれか一方の圧力室に膨張前の流体を導入すると共に他方の圧力室に膨張後の流体を導入する流体導入通路と、前記第１又は第２の閉塞部材と前記ピストンとを連結する連結部材と、を備えていてもよい。

上記ロータリ式膨張機によれば、膨張前後の流体の圧力差によってピストンが移動し、ピストンの移動に伴って第１又は第２の閉塞部材が移動する。このように、膨張前後の流体の差圧を駆動力として活用するので、第１又は第２の閉塞部材を移動させるためのエネルギー源を別途設ける必要がなくなり、省エネルギー化を図ることができる。

前記ロータリ式膨張機は、運転中に前記駆動装置を作動させるコントローラを備えていてもよい。

上記ロータリ式膨張機によれば、運転中に吸入容積を変更することができ、当該膨張機を組み込んだ流体システム（例えば冷凍装置等）に対して高度な制御を行うことができる。

前記流体は二酸化炭素であってもよい。

本発明に係る流体機械は、前記ロータリ式膨張機と、前記ロータリ式膨張機の回転軸に連結された回転軸を有する圧縮機と、を備えたものである。

上記流体機械では、ロータリ式膨張機と圧縮機とが連結されているので、膨張機の回転数を独立して制御することができない。そのため、回転数を制御しなくても膨張機の吸入容積を変更できるという本発明の効果が顕著に発揮される。

前記ロータリ式膨張機の回転軸と前記圧縮機の回転軸とは同軸状に配置され、前記ロータリ式膨張機及び前記圧縮機を共に収容するケーシングを備えていてもよい。

このことにより、圧縮機と膨張機とが一体化された流体機械において、前述の効果を得ることができる。

以上のように、本発明によれば、吸入容積を変更することのできるロータリ式膨張機及びそれを備えた流体機械を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図１に示すように、冷凍サイクル装置は、圧縮機１０１と放熱器１０２と膨張機１０３と蒸発器１０４とが順に接続されてなる冷媒回路１００を備えている。この冷媒回路１００には、高圧部分（圧縮機１０１から放熱器１０２を経て膨張機１０３に至る部分）において超臨界状態となる冷媒が充填されている。本実施形態では、そのような冷媒として二酸化炭素（ＣＯ_２）が充填されている。ただし、冷媒の種類は特に限定されるものではない。上記冷媒回路１００の冷媒は、運転時に超臨界状態とならない冷媒であってもよい。

また、膨張機１０３が配置された冷媒回路は、冷媒を一方向のみに流通させる冷媒回路１００に限られない。膨張機１０３は、冷媒の流通方向の変更が可能な冷媒回路に設けられていてもよい。例えば、四方弁等を有することによって暖房運転及び冷房運転の可能な冷媒回路に膨張機１０３を設けることも可能である。

上記冷凍サイクル装置には、圧縮機１０１及び膨張機１０３を制御するコントローラ１０６が設けられている。

圧縮機１０１の形式等は何ら限定されない。圧縮機１０１として、例えば、ロータリ式圧縮機、スクロール式圧縮機等を好適に用いることができる。

膨張機１０３は、吸入管１６を介して放熱器１０２と接続されている。また、膨張機１０３は、吐出管１７を介して蒸発器１０４と接続されている。この膨張機１０３には、冷媒の膨張エネルギーによって発電を行う発電機１０５が内蔵されている。ただし、発電機１０５は膨張機１０３の外部に設けられていてもよい。また、発電機１０５は必ずしも必要ではなく、省略することも可能である。

図２に示すように、膨張機１０３はロータリ式膨張機である。膨張機１０３は、密閉容器１１と、密閉容器１１内に収容された発電機１０５及び膨張機構２０とを備えている。吸入管１６は、密閉容器１１の上壁に接続されている。吸入管１６の下流端は、密閉容器１１の内部の空間に開口している。そのため、高圧の冷媒は、吸入管１６から密閉容器１１の内部空間に導入される。密閉容器１１の上壁には、図示しない電気ケーブル等が接続された端子１８が固定されている。

発電機１０５は、密閉容器１１の側壁に固定された固定子１３と、固定子１３の内側に配置された回転子１４とから構成されている。回転子１４の中心部には、回転軸１５が固定されている。回転軸１５は、回転子１４から下方に向かって延びている。膨張機構２０は、回転軸１５の下側に配置されている。密閉容器１１の底部には、潤滑油を貯留する油溜まり１９が形成されている。回転軸１５の下端部は、この油溜まり１９内に配置されている。回転軸１５の下端部には図示しない油ポンプが形成され、回転軸１５の内部又は外周部には、図示しない給油通路が形成されている。回転軸１５が回転すると、油溜まり１９の潤滑油は上記油ポンプによって汲み上げられ、上記給油通路を通じて膨張機構２０の摺動部に供給される。

膨張機構２０は、略円筒状に形成されたシリンダ３０と、シリンダ３０の上端を覆う第１の閉塞部材２１及び第２の閉塞部材２２と、シリンダ３０の下端を覆う第３の閉塞部材２３と、シリンダ３０内に配置されたピストン３１とを備えている。

図４に示すように、シリンダ３０には、吐出口４４ａと、吐出口４４ａから径方向外向きに延びる吐出通路４４とが形成されている。図２に示すように、シリンダ３０には吐出管１７が接続されている。吐出管１７は、密閉容器１１の側壁を貫通しており、吐出通路４４とつながっている。

図４に示すように、ピストン３１は、シリンダ３０よりも径の小さな円筒状に形成され、シリンダ３０内に回転自在に配置されている。なお、ここでいう回転とは、厳密には公転のことであり、ピストン３１自体は自転してもよく、自転しなくてもよい。シリンダ３０の内側には、シリンダ３０の内周面３０ａとピストン３１の外周面３１ａとにより、膨張室３２が区画されている。

シリンダ３０における吐出通路４４の隣には、シリンダ３０の径方向に延びるベーン溝５３と、ベーン溝５３内にスライド自在に配置されたベーン５１と、ベーン５１をピストン３１に向かって付勢するばね５２とが設けられている。ベーン５１は、シリンダ３０からピストン３１に向かって出没自在であり、ピストン３１の外周面３１ａに当接している。このベーン５１は、膨張室３２を高圧側の膨張室３２ａと低圧側の膨張室３２ｂとに仕切っている。なお、吐出通路４４の吐出口４４ａは、低圧側の膨張室３２ｂに開口している。

ピストン３１の内側には、回転軸１５の偏心部１５ａ（図２参照）が挿入されている。偏心部１５ａはピストン３１の内周面に摺接自在に形成され、ピストン３１の回転に従って回転駆動される。すなわち、膨張室３２ａ内で冷媒が膨張すると、冷媒の膨張エネルギーを受けたピストン３１が、シリンダ３０の内周面３０ａと摺接しながらシリンダ３０内を回転移動する。そして、ピストン３１内に挿入された偏心部１５ａもピストン３１と共に回転移動し、その結果、回転軸１５が回転する。

図２に示すように、偏心部１５ａには連通路４２が形成されている。本実施形態では、連通路４２は、偏心部１５ａの上面に形成された略円弧状の溝（図４参照）からなっている。

図２に示すように、第１の閉塞部材２１の上面には、密閉容器１１の内部空間に向かって開口した導入口４１ａが形成されている。第１の閉塞部材２１の下面（偏心部１５ａに対向する対向面）には、流出口４１ｂが形成されている。第１の閉塞部材２１の内部には、導入口４１ａと流出口４１ｂとをつなぐ導入路４１が形成されている。

第２の閉塞部材２２の下面（偏心部１５ａ及びピストン３１に対向する対向面）には、流入口４３ａ及び供給口４３ｂが形成されている。第２の閉塞部材２２の内部には、流入口４３ａと供給口４３ｂとをつなぐ供給路４３が形成されている。

図４に示すように、流入口４３ａは、供給口４３ｂよりも回転軸１５の中心側に配設されている。供給口４３ｂは、低圧側の膨張室３２ａに開口している。詳しくは、供給口４３ｂは、低圧側膨張室３２ａにおけるベーン５１の近傍に形成されている。流入口４３ａと流出口４１ｂとは、径方向にずれた位置に配設されている。ここでは、流出口４１ｂは、流入口４３ａよりも回転軸１５の中心側に設けられている。流入口４３ａ及び流出口４１ｂは、回転するピストン３１が所定位置にあるときに、連通路４２と上下方向に重なる位置に配設されている。したがって、ピストン３１が所定位置（図４に示すように流入口４３ａ及び流出口４１ｂが連通路４２と重なる位置）にあるときには、密閉容器１１内の高圧の冷媒は、導入路４１、連通路４２及び供給路４３を通じて、膨張室３２ａに導入されることになる（図１参照）。

第１の閉塞部材２１は、回転軸１５周りに回転自在に形成されている。一方、第２の閉塞部材２２及び第３の閉塞部材２３は、回転不能に形成されている。図７に示すように、第１の閉塞部材２１の外周面には、歯３７が形成されている。図２に示すように、第１の閉塞部材２１の側方には、電動モータ３６と、電動モータ３６の駆動軸３６ａに取り付けられたギア３５とが配置されている。ギア３５及び電動モータ３６は、密閉容器１１の内壁に固定されたブラケット３５ａによって支持されている。ギア３５と第１の閉塞部材２１の歯３７とは、噛み合っている。このような構成により、コントローラ１０６が電動モータ３６を作動させると、電動モータ３６の駆動力がギア３５及び歯３７を介して第１の閉塞部材２１に伝達され、第１の閉塞部材２１は回転軸１５の周りを回転する。すなわち、電動モータ３６によって第１の閉塞部材２１を回転させることができる。なお、流出口４１ｂは第１の閉塞部材２１に形成されているので、第１の閉塞部材２１が回転すると、流出口４１ｂの位置は変更されることになる。

次に、膨張機１０３の動作について説明する。図２に示すように、吸入管１６から吸入された高圧の冷媒は、いったん密閉容器１１の内部空間に放出される。密閉容器１１内の高圧冷媒は、膨張機構２０の導入口４１ａを通じて導入路４１に導入され、連通路４２及び供給路４３を通じて膨張室３２に吸入される。吸入された高圧冷媒は、膨張室３２内で膨張して低圧の冷媒となる。そして、低圧の冷媒は、吐出通路４４を経て、吐出管１７から吐出される。

上述の高圧冷媒の膨張室３２への吸入は、周期的に行われる。すなわち、図３〜６に順に示すように、ピストン３１が図示の反時計回り方向に１回転する間に、流出口４１ｂと流入口４３ａとは、連通路４２を介して互いに連通される連通状態（図３〜図５参照）と、連通が遮断される遮断状態（図６参照）とに切り替えられる。そのため、ピストン３１が連続的に回転することにより、導入路４１と供給路４３とは、連通状態と遮断状態とを交互に繰り返す。その結果、膨張室３２に対する冷媒の導入は周期的に行われることになる。

連通状態は、回転軸１５の軸方向（本実施形態では上下方向）から見て、流出口４１ｂと連通路４２とが重なるとともに、流入口４３ａと連通路４２とが重なった状態である。そのため、流出口４１ｂ及び流入口４３ａの少なくとも一方が連通路４２と重なっていない場合は、遮断状態となる。ここで、流出口４１ｂと流入口４３ａとの相対位置が定まると、連通状態と遮断状態とが切り替わるときのピストン３１の回転位置は一義的に定まる。そのため、流出口４１ｂと流入口４３ａとの相対位置が決まると、連通状態の期間、すなわち冷媒を膨張室３２に吸入する期間（以下、冷媒吸入期間という）が一義的に定まることになる。

前述したように、本膨張機１０３では、第１の閉塞部材２１を回転させることによって、流入口４３ａに対する流出口４１ｂの相対位置を変更することができる。上述の通り、流出口４１ｂの相対位置が変化すると、冷媒吸入期間も変化する。したがって、本膨張機１０３では、第１の閉塞部材２１の回転量を制御することにより、冷媒吸入期間を調整することができ、吸入容積を調整することができる。

図３〜図６に示すように、流出口４１ｂと流入口４３ａとが回転軸１５の径方向に沿って一直線上に並んでいる場合には、流出口４１ｂ及び流入口４３ａが連通路４２の前端４２ａと重なったとき（図３参照）が連通状態の開始時となり、流出口４１ｂ及び流入口４３ａが連通路４２の後端４２ｂと重なったとき（図５参照）が連通状態の終了時となる。そのため、連通状態の期間は最も長くなる。この場合、冷媒吸入期間を長く保つことができる。

一方、図８に示すように、流出口４１ｂが流入口４３ａから周方向（厳密には、回転軸１５の回転方向と反対の方向）にずれている場合には、流入口４３ａが連通路４２の前端４２ａと重なったとき（図８（ａ）参照）が連通状態の開始時となり、流出口４１ｂが連通路４２の後端４２ｂと重なったとき（図８（ｂ）参照）が連通状態の終了時となる。そのため、連通状態の期間は、上述の場合（図３〜図６）に比べて短くなる。したがって、このような場合には、冷媒吸入期間を短くすることができる。

また、図９に示すように、流入口４３ａに対する流出口４１ｂの周方向のずれ量を更に大きくすると、連通状態の期間は更に短くなる。したがって、冷媒吸入期間を更に短くすることができる。

なお、冷媒吸入期間が短いほど、膨張開始時点（連通状態から遮断状態に切り替わった時点）の低圧側膨張室３２ａの容積は小さくなる。そのため、膨張機構２０の吸入容積は、冷媒吸入期間が短いほど小さくなる。一方、膨張機１０３の膨張比は、冷媒吸入期間が短いほど大きくなる。したがって、吸入容積は、流出口４１ｂと流入口４３ａとが回転軸１５の径方向に一直線上に並んでいるとき（図３〜図６参照）に最大となり、流出口４１ｂのずれ量が大きくなるほど小さくなる。一方、膨張比は、流出口４１ｂと流入口４３ａとが回転軸１５の径方向に一直線上に並んでいるときに最小となり、流出口４１ｂのずれ量が大きくなるほど大きくなる。

なお、吸入容積の最大値及び膨張比の最小値は、適宜に設定することが可能である。すなわち、連通路４２の周方向の長さ等を適宜に設計することにより、冷媒吸入期間の最大値を調整することができ、吸入容積の最大値及び膨張比の最小値を自由に設定することができる。また、流出口４１ｂ、流入口４３ａ、又は供給口４３ｂの位置等を適宜に設計することにより、吸入容積の最小値及び膨張比の最大値も自由に設定することができる。

以上のように、本実施形態によれば、第１の閉塞部材２１を電動モータ３６で回転させることにより、冷媒吸入期間を変更することができるので、冷媒の吸入容積を変更することが可能となる。そのため、第１の閉塞部材２１の回転量を調整することにより、膨張比を制御することができる。

なお、冷媒の吸入容積は、単に流出口４１ｂと流入口４３ａとの相対位置を変化させることによって変更することができる。そのため、流出口４１ｂの相対位置を変化させるにあたっては、必ずしも第１の閉塞部材２１を回転させる必要はなく、回転以外の方法で第１の閉塞部材２１を移動させてもよい。例えば、膨張機構２０の構成を変更し、第１の閉塞部材２１をスライド移動させるようにしてもよい。ただし、本実施形態のように、第１の閉塞部材２１を回転軸１５の周りに回転させることとすれば、第１の閉塞部材２１をより容易かつ円滑に移動させることが可能となる。

また、流出口４１ｂと流入口４３ａとの相対位置を変化させるための構成は、必ずしも第１の閉塞部材２１のみを移動させるものに限定されず、第２の閉塞部材２２のみを移動させる構成、あるいは、第１の閉塞部材２１及び第２の閉塞部材２２の両方を移動させる構成でもよい。ただし、本実施形態のように、一方の閉塞部材のみを移動させることとすれば、構成の簡単化や移動の円滑化等を図ることができる。

本実施形態では、第１の閉塞部材２１及び第２の閉塞部材２２は、いずれも回転軸１５の偏心部１５ａの上方に配置されていた。そして、連通路４２は、偏心部１５ａの片側の面、すなわち上面に形成された溝によって構成されていた。しかし、両閉塞部材２１，２２の位置関係及び連通路４２の形状等は特に限定されない。例えば、第１の閉塞部材２１が偏心部１５ａの上下のいずれか一方に配置され、第２の閉塞部材２２が他方に配置され、連通路４２が偏心部１５ａの上下を貫通する貫通孔で構成されていてもよい。ただし、本実施形態のように、連通路４２を偏心部１５ａの一端側に形成することとすれば、導入路４１から連通路４２を経て供給路４３に至る流路長を短くすることができる。したがって、冷媒の吸入圧力損失をより小さく抑えることができる。

本実施形態では、第１の閉塞部材２１を回転させる駆動装置として、電動モータ３６を用いることとした。そのため、駆動装置を比較的簡単に構成することができる。また、駆動装置の信頼性を向上させることができる。さらに、第１の閉塞部材２１の回転量を簡単かつ正確に制御することができる。

本実施形態では、第１の閉塞部材２１の外周面に歯３７を形成し、当該歯３７とギア３５とにより、電動モータ３６の駆動力を第１の閉塞部材２１に伝達するための動力伝達機構を形成していた。そのため、動力伝達機構を小型化することができ、ひいては膨張機１０３の小型化を図ることができる。

ただし、動力伝達機構は、ギア３５と歯３７とを組み合わせたものに限られず、その他の種々の機構を好適に用いることができる。例えば、図１０に示すように、電動モータ３６の駆動軸３６ａ（あるいは、駆動軸３６ａに取り付けられたプーリ等）と第１の閉塞部材２１とに伝動ベルト３９を巻き掛け、この伝動ベルト３９によって電動モータ３６の駆動力を伝達するようにしてもよい。また、伝動ベルト３９の代わりに、チェーン等を利用することも可能である。

なお、膨張機構２０の吸入容積の変更は、冷凍サイクル装置の運転停止中に行ってもよいが、運転中に行ってもよい。すなわち、冷凍サイクル装置の運転中に、コントローラ１０６によって膨張機構２０の吸入容積を調整し、膨張比を逐次制御するようにしてもよい。このように運転中に吸入容積を変更することとすれば、冷凍サイクル装置に対して高度な制御を行うことが可能となる。冷凍サイクル装置の運転状態に応じて最適又は好適な膨張比を選択することとすれば、運転効率の向上等を図ることができる。

前記発電機１０５で生成された電気は、冷凍サイクル装置の運転に利用してもよい。例えば、発電機１０５で生成された電気を圧縮機１０１に供給してもよい。また、発電機１０５で生成された電気を電動モータ３６に供給してもよい。これにより、省エネルギー化を図ることができる。

（第２の実施形態）
第１の実施形態に係る膨張機１０３は、シリンダを一つ備えているものであった（図２のシリンダ３０参照）。しかし、本発明に係る膨張機は、シリンダを複数備えたものであってもよい。また、本発明に係る膨張機は、圧縮機と一体化されていてもよい。次に、図１１を参照しながら、膨張機と圧縮機とが一体化されてなる流体機械１１０を説明する。

流体機械１１０は、密閉容器１１と、密閉容器１１内に収容された膨張機構２０、電動機１２０、及び圧縮機構６０とを備えている。膨張機構２０、電動機１２０、圧縮機構６０は、上から下に向かって順に配置されている。

圧縮機構６０は、ロータリ式の圧縮機構である。ただし、圧縮機構６０はロータリ式に限られず、例えばスクロール式の圧縮機構等、他の回転式圧縮機構であってもよい。

圧縮機構６０は、略円筒状のシリンダ６１と、シリンダ６１の上端を覆う上側閉塞部材６２と、シリンダ６１の下端を覆う下側閉塞部材６３と、シリンダ６１内に回転自在に配置された円筒状のピストン６４とを備えている。

シリンダ６１の内部には、シリンダ６１の内周面とピストン６４の外周面とによって圧縮室６５が区画されている。図示は省略するが、シリンダ６１には径方向に延びるベーン溝が形成され、このベーン溝には、ピストン６４に当接するベーンと、ベーンをピストン６４に向かって付勢するばねとが設けられている。シリンダ６１の内部には、回転軸７５の偏心部７５ａが摺接自在に挿入されている。回転軸７５が回転すると、ピストン６４はシリンダ６１の内周面と摺接しながらシリンダ６１内を回転移動する。これにより、圧縮室６５の容積が変化し、圧縮室６５内で冷媒が圧縮される。

密閉容器１１の側壁の下側には、低圧冷媒を吸入する吸入管１８ａが接続されている。吸入管１８ａは上側閉塞部材６２に挿入されており、上側閉塞部材６２の内部には、吸入管１８ａと連続する吸入路６６が形成されている。吸入路６６の下流端は、圧縮室６５に開口している。上側閉塞部材６２には、圧縮室６５と密閉容器１１の内部空間とを連通する吐出孔６７が形成されている。密閉容器１１の側壁の上下方向中央部には、吐出管１９ａが接続されている。吐出管１９ａは、密閉容器１１の内部空間に開口している。このような構成により、吸入管１８ａ内の低圧の冷媒は、吸入路６６を通じて圧縮室６５に吸入され、圧縮室６５内で圧縮された後、上記吐出孔を通じて密閉容器１１の内部空間に放出される。そして、密閉容器１１内の高圧の冷媒は、吐出管１９ａから吐出される。

電動機１２０は固定子１２１と回転子１２２とからなり、回転子１２２には回転軸７５が固定されている。回転軸７５は、膨張機構２０の回転軸１５と同軸状に連結されている。そのため、回転軸１５と回転軸７５とは、一体となって回転する。なお、本実施形態では、膨張機構２０の回転軸１５と圧縮機構６０の回転軸７５とを別部材で形成しているが、これら回転軸１５及び回転軸７５を同一部材で一体的に形成してもよい。

本実施形態に係る膨張機構２０は、第１シリンダ３０と、第１シリンダ３０の下方に配置された第２シリンダ８０とを備えている。第１シリンダ３０の上端は、第１閉塞部材２１及び第２閉塞部材２２によって覆われている。第１シリンダ３０の下端と第２シリンダ８０の上端とは、第３閉塞部材２３によって覆われている。言い換えると、第１シリンダ３０と第２シリンダ８０との間には、第３閉塞部材２３が挟み込まれている。第２シリンダ８０の下端は、第４閉塞部材２４によって覆われている。

第１閉塞部材２１の上側には、通路部材８５が固定されている。通路部材８５の内部には吸入路８６が形成されている。密閉容器１１の側壁の上側には、高圧冷媒を吸入する吸入管１６が接続されている。吸入管１６は通路部材８５に挿入され、吸入路８６と連続している。吸入路８６の下流端は、第１閉塞部材２１の導入路４１の上流端につながっている。

第１閉塞部材２１及び第２閉塞部材２２の構成は、第１の実施形態と同様である。本実施形態においても、膨張機構２０には、第１閉塞部材２１を回転させる電動モータ３６等が設けられている。電動モータ３６等はブラケット３５ａによって支持されている。第１シリンダ３０及び第１ピストン３１の構成も、第１の実施形態とほぼ同様である。したがって、それらの説明は省略する。ただし、本実施形態では、第１シリンダ３０に吐出通路４４（図３参照）は設けられていない。本実施形態では、第３閉塞部材２３に、第１シリンダ３０内の膨張室３２と第２シリンダ８０内の膨張室８２とを連通する連通路（図示せず）が設けられている。

回転軸１５には、第１偏心部１５ａ及び第２偏心部１５ｂが形成されている。第１偏心部１５ａは、第１の実施形態の偏心部１５ａと同様の構成を有している。第１偏心部１５ａは、第１ピストン３１の内部に摺接自在に挿入されており、当該ピストン３１から回転駆動力を受ける。第２シリンダ８０の内部には、円筒状の第２ピストン８１が配置されている。この第２ピストン８１の内部には、第２偏心部１５ｂが摺接自在に挿入されており、第２偏心部１５ｂは第２ピストン８１から回転駆動力を受ける。

図示は省略するが、第２シリンダ８０にも、第２ピストン８１の外周面に当接して膨張室８２を高圧側と低圧側とに仕切るベーンと、当該ベーンを第２ピストン８１に向かって付勢するばねとが設けられている。第２シリンダ８０には、膨張後の冷媒を吐出する吐出通路４４が形成されている。吐出管１７は、密閉容器１１の側壁を貫通し、第２シリンダ８０の吐出通路４４に接続されている。

このような構成により、吸入管１６から吸入された高圧の冷媒は、吸入路８６、導入路４１、連通路４２、及び供給路４３を通じて、第１シリンダ３０内の膨張室３２に吸入される。そして、上記冷媒は、第１シリンダ３０内の膨張室３２及び第２シリンダ８０内の膨張室８２で膨張し、低圧の冷媒となる。なお、膨張室３２と膨張室８２とは連通しているので、冷媒の膨張は連続的に行われる。膨張後の低圧の冷媒は、吐出通路４４及び吐出管１７を通じて、外部に吐出される。

本流体機械１１０にあっても、第１閉塞部材２１を回転させることにより、第１シリンダ３０内の膨張室３２の吸入容積を変更することができる。したがって、冷媒の膨張比を制御することができる。

本流体機械１１０では、膨張機構２０の回転軸１５は、圧縮機構６０の回転軸７５と一体となって回転する。そのため、膨張機構２０の回転数と圧縮機構６０の回転数とは常に等しくなり、膨張機構２０の回転数を圧縮機構６０の回転数と別個独立に制御することはできない。しかしながら上述したように、本流体機械１１０では、第１閉塞部材２１を回転させることにより、膨張機構２０の膨張比を制御することができる。したがって、圧縮機構６０の回転数に拘わらず、膨張機構２０の膨張比を自由に制御することができる。

なお、本実施形態では、膨張機構２０が圧縮機構６０の上方に配置されていたが、膨張機構２０は圧縮機構６０の下方に配置されていてもよい。すなわち、密閉容器１１の上側に圧縮機構６０を配置し、下側に膨張機構２０を配置するようにしてもよい。

本実施形態では、回転軸１５及び回転軸７５は上下方向に延び、膨張機構２０、電動機１２０及び圧縮機構６０は、上下方向に並んでいた。しかしながら、密閉容器１１を横置き型に形成してもよい。すなわち、回転軸１５及び回転軸７５を左右方向に配置し、膨張機構２０、電動機１２０及び圧縮機構６０を左右方向に並べてもよい。

（第３の実施形態）
第１及び第２の実施形態では、第１の閉塞部材２１を回転させる駆動装置として、電動モータ３６を用いていた。しかし、駆動装置は電動モータ３６に限られない。第３の実施形態は、第２の実施形態において、駆動装置に変更を加えたものである。

第３の実施形態に係る膨張機構２０は、差圧式の駆動装置９０（図１３参照）を備えている。差圧式駆動装置９０は、冷媒回路１００（図１参照）内の冷媒の圧力差を駆動力として、第１の閉塞部材２１を回転させるものである。図１２及び図１３に示すように、本実施形態では、第１の閉塞部材２１の上面に、上方に突出するレバー９１が設けられている。

駆動装置９０は、シリンダ９７と、シリンダ９７内にスライド自在に配置された板状の第１ピストン９２ａ及び第２ピストン９２ｂとを備えている。第１ピストン９２ａ及び第２ピストン９２ｂは、レバー９１の略回転方向の両側（図１３における上側及び下側）に配置されている。第１ピストン９２ａには、当該第１ピストン９２ａをレバー９１に向かって付勢する補助ばね９６が取り付けられている。

ここで、第１ピストン９２ａ及び第２ピストン９２ｂのレバー９１と接触している面を表面、レバー９１と反対側の面を裏面とすると、シリンダ９７内における第１ピストン９２ａの裏面側には、低圧冷媒を導入する低圧側配管９４が接続されている。シリンダ９７内における第１ピストン９２ａの裏面側には、低圧側の圧力室９８が形成されている。一方、シリンダ９７における第２ピストン９２ｂの裏面側には、高圧冷媒を導入する高圧側配管９３が接続されている。シリンダ９７内における第２ピストン９２ｂの裏面側には、高圧側の圧力室９９が形成されている。

低圧側配管９４及び高圧側配管９３は、それぞれ冷媒回路１００の任意の低圧側部分、高圧側部分に接続することができる。本実施形態では、低圧側配管９４は、密閉容器１１の内部又は外部において、吐出管１７に接続されている。また、高圧側配管９３は、密閉容器１１の内部又は外部において、吸入管１６に接続されている。

高圧側配管９３には、圧力制御機構９５が設けられている。圧力制御機構９５は、高圧側配管９３から高圧側圧力室９９に導入される冷媒の圧力を制御するものである。すなわち、圧力制御機構９５は、高圧側圧力室９９の内部圧力を制御する。

本駆動装置９０では、第２ピストン９２ｂに作用する高圧側圧力室９９の冷媒圧力と、第１ピストン９２ａに作用する低圧側圧力室９８の冷媒圧力及び補助ばね９６の付勢力の合力とのバランスによって、レバー９１は回転駆動力を受ける。すなわち、第２ピストン９２ｂに作用する高圧側圧力室９９の冷媒圧力が上記合力よりも大きい場合は、レバー９１は図１３における反時計回り方向の力を受け、第１の閉塞部材２１は反時計回り方向に回転する。一方、第２ピストン９２ｂに作用する高圧側圧力室９９の冷媒圧力が上記合力よりも小さい場合には、レバー９１は時計回り方向の力を受け、第１の閉塞部材２１は時計回り方向に回転する。このように、レバー９１は、両ピストン９２ａ，９２ｂと当接しており、両ピストン９２ａ，９２ｂと第１の閉塞部材２１とを連結する連結部材として機能する。このようにして、本駆動装置９０では、冷媒の差圧を駆動力として、第１の閉塞部材２１を回転させることができる。

なお、図１２及び図１３では、第１ピストン９２ａ及び第２ピストン９２ｂのストローク量を小さく図示しているが、それらのストローク量を更に大きくしてもよいことはもちろんである。第１ピストン９２ａ及び第２ピストン９２ｂのストローク量を調整することにより、第１の閉塞部材２１の最大回転量を自由に設定することができる。すなわち、膨張機構２０の吸入容積の制御幅を自由に設定することが可能である。

（第４の実施形態）
第４の実施形態も、第１又は第２の実施形態において、第１の閉塞部材２１を回転させる駆動装置に変更を加えたものである。図１４に示すように、本実施形態に係る駆動装置は、電動シリンダ５５を備えている。

電動シリンダ５５のシリンダ軸５６の先端には、アーム５７の一端が回転自在に連結されている。第１の閉塞部材２１には、外周方向に突出するリンクプレート５８が設けられている。このリンクプレート５８は、アーム５７の他端に回転自在に連結されている。すなわち、リンクプレート５８は、アーム５７を介してシリンダ軸５６に連結されている。

本実施形態では、電動シリンダ５５のシリンダ軸５６を伸縮させることにより、第１の閉塞部材２１を回転軸１５周りに回転させることができる。シリンダ軸５６の伸縮量を制御することにより、第１の閉塞部材２１の回転位置を自由に調整することができ、膨張機構２０の吸入容積を制御することができる。

なお、本実施形態では、電動シリンダ５５を用いることとしたが、電動シリンダ５５の代わりに流体圧シリンダ（例えば、空気圧シリンダ、油圧シリンダ等）を用いることも可能である。流体圧シリンダの作動流体として、冷媒回路１００の冷媒を利用することも可能である。

（第５の実施形態）
本発明に係る流体機械は、前記各実施形態だけでなく、他の形態で実施することも可能である。膨張機構の具体的構成は、前記実施形態の構成に限定されるものではない。本発明に係る流体機械は、例えば図１５に示すように、いわゆるスイング式の機構を有していてもよい。

本実施形態では、シリンダ３０の内部には、揺動式のピストン３１ｃが設けられている。回転軸１５の偏心部１５ａは、ピストン３１ｃの内部に挿入されている。ピストン３１ｃには、ブレード３１ｂが一体に設けられている。ブレード３１ｂは、ピストン３１ｃの外周面から外方へ突出しており、膨張室３２を高圧側と低圧側とに仕切っている。

シリンダ３０には、半月状に形成された一対のブッシュ７３が設けられている。これらブッシュ７３は、ブレード３１ｂを挟み込んだ状態で設置され、ブレード３１ｂと摺動する。また、ブッシュ７３は、ブレード３１ｂを挟み込んだ状態でシリンダ３０に対して回動自在に構成されている。したがって、ピストン３１ｃと一体となったブレード３１ｂは、ブッシュ７３を介してシリンダ３０に支持され、シリンダ３０に対して回動自在かつ進退自在となっている。

その他の構成は、前記実施形態と同様であるので、それらの説明は省略する。このような構成であっても、前述の効果を得ることができる。

以上説明したように、本発明は、ロータリ式膨張機、及びロータリ式膨張機を有する流体機械について有用である。

冷凍サイクル装置の冷媒回路図 第１の実施形態に係る膨張機の縦断面図 膨張機構の横断面図（図２のIII−III線断面図） 膨張機構の横断面図 膨張機構の横断面図 膨張機構の横断面図 膨張機構の平面図 （ａ）及び（ｂ）は、第１の閉塞部材を回転させたときの膨張機構の横断面図 （ａ）及び（ｂ）は、第１の閉塞部材を回転させたときの膨張機構の横断面図 変形例に係る膨張機構の平面図 第２の実施形態に係る膨張機の縦断面図 第３の実施形態に係る膨張機構の縦断面図 第３の実施形態に係る膨張機構の平面図 第４の実施形態に係る膨張機構の平面図 第５の実施形態に係る膨張機構の横断面図

符号の説明

１５ 回転軸
１５ａ 偏心部
２１ 第１の閉塞部材
２２ 第２の閉塞部材
２３ 第３の閉塞部材
３０ シリンダ
３１ ピストン
３２ 膨張室
３６ 電動モータ（駆動装置）
４１ 導入路
４１ｂ 流出口
４２ 連通路
４３ 供給路
４３ａ 流入口
５１ ベーン（仕切部材）
１０３ 膨張機

Claims (13)

1. 内周面を有するシリンダと、
   前記シリンダの一端及び他端を閉塞する複数の閉塞部材と、
   前記シリンダ内に偏心した状態で配置され、前記シリンダの内周面との間に膨張室を区画する筒状のピストンと、
   前記ピストンの内部に配設され、前記ピストンの回転に従って回転する偏心部を有する回転軸と、
   前記膨張室を高圧側と低圧側とに仕切る仕切部材と、を備え、
   前記複数の閉塞部材は、
   流体を導く導入路と、前記偏心部に対向し且つ前記導入路の流体を流出させる流出口が形成された対向面と、を有する第１の閉塞部材と、
   前記偏心部に対向し且つ流体を流入させる流入口が形成された対向面と、前記流入口から流入した流体を前記膨張室に供給する供給路と、を有する第２の閉塞部材と、を含み、
   前記偏心部には、前記流出口と前記流入口とを連通自在に形成され、前記回転軸の回転に伴って、前記流出口と前記流入口とを連通させる連通状態と前記連通を遮断する遮断状態とが切り替えられる連通路が設けられ、
   前記流出口と前記流入口との相対位置が変化するように前記第１又は第２の閉塞部材を移動させる駆動装置を備えたロータリ式膨張機。
2. 前記駆動装置は、前記第１又は第２の閉塞部材を前記回転軸周りに回転移動させる、請求項１に記載のロータリ式膨張機。
3. 前記駆動装置は、前記第１及び第２の閉塞部材のいずれか一方のみを移動させる、請求項１又は２に記載のロータリ式膨張機。
4. 前記第１及び第２の閉塞部材は、いずれも前記偏心部の軸方向の一端側に配置され、
   前記連通路は、前記偏心部の一端側の面に形成された凹状の溝によって構成されている、請求項１〜３のいずれか一つに記載のロータリ式膨張機。
5. 前記駆動装置は、電動モータを備えている、請求項１〜４のいずれか一つに記載のロータリ式膨張機。
6. 前記電動モータの駆動軸に連結されたギアを備え、
   前記第１又は第２の閉塞部材には、前記ギアと噛み合う歯が形成されている、請求項５に記載のロータリ式膨張機。
7. 前記駆動装置は、電動シリンダを備えている、請求項１〜４のいずれか一つに記載のロータリ式膨張機。
8. 前記回転軸に連結された発電機を備え、
   前記駆動装置には、前記発電機で生成された電気が供給される、請求項５〜７のいずれか一つに記載のロータリ式膨張機。
9. 前記駆動装置は、シリンダと、当該シリンダ内を第１の圧力室と第２の圧力室とに区画するピストンと、前記第１及び第２の圧力室のいずれか一方の圧力室に膨張前の流体を導入すると共に他方の圧力室に膨張後の流体を導入する流体導入通路と、前記第１又は第２の閉塞部材と前記ピストンとを連結する連結部材と、を備えている請求項１〜４のいずれか一つに記載のロータリ式膨張機。
10. 運転中に前記駆動装置を作動させるコントローラを備えた請求項１〜９のいずれか一つに記載のロータリ式膨張機。
11. 前記流体は二酸化炭素である、請求項１〜１０のいずれか一つに記載のロータリ式膨張機。
12. 請求項１〜１１のいずれか一つに記載のロータリ式膨張機と、
    前記ロータリ式膨張機の回転軸に連結された回転軸を有する圧縮機と、
    を備えた流体機械。
13. 前記ロータリ式膨張機の回転軸と前記圧縮機の回転軸とは同軸状に配置され、
    前記ロータリ式膨張機及び前記圧縮機を共に収容するケーシングを備えている、請求項１２に記載の流体機械。
    

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