JP2007017040A - 膨張機およびその膨張機を用いた冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】膨張機での動力回収量の低減を少なくし、冷凍サイクル装置の運転効率を高くした膨張機およびその膨張機を用いた冷凍サイクル装置を得ること。
【解決手段】第１シリンダ２７、第２シリンダ２８、第３シリンダ２９は、縦方向の高さを変えて容積の小さいものから順に配置されている。また、第１シリンダ２７には冷媒を吸入する第１冷媒吸入管３０、第２シリンダ２８には第２冷媒吸入管３１が、第３シリンダ２９には冷媒を吐出する第１冷媒吐出管３２が貫通している。そして、第２冷媒吸入管３１には電磁開閉弁３４が備えられている。
【選択図】図１

Description

本発明は複数のシリンダを備えた膨張機およびその膨張機を用いた冷凍サイクル装置に関する。

近年、冷凍サイクル装置のさらなる高効率化を図る手段として、その冷凍サイクル装置に膨張機を用い、冷媒が膨張する過程での圧力エネルギーを電力または動力の形で回収する動力回収システムが提案されている。このような動力回収システムの例として、圧縮機と膨張機とを同一軸で連結し、膨張機で回収した電力または動力を圧縮機への入力に利用して、圧縮機を駆動する入力量を減らす方法がある。

冷凍サイクル装置ではサイクル中のどのポイントにおいても、冷媒の質量流量は一定である。従って、膨張機に流入する冷媒の体積流量をＶｅ、膨張機に流入する冷媒の密度をＤｅ、圧縮機に流入する冷媒の体積流量をＶｃ、圧縮機に流入する冷媒の密度をＤｃとすると、質量流量一定の条件から（数１）となる。

これにより、（数２）を表すことができる。

ここで、圧縮室および膨張室での冷媒の漏れが僅かであり、影響が無いと仮定すると、Ｖｃ、Ｖｅが表すものは以下の通りである。

Ｖｃ＝圧縮機吸入容積×回転数
Ｖｅ＝膨張機吸入容積×回転数
圧縮機と膨張機とは同一軸に連結されているため、回転数は等しい。従って、Ｖｃ／Ｖｅの値は、機器によって定まる定数となる。つまり、このような冷凍サイクル装置では、Ｄｅ／Ｄｃの比（以降、「密度比」と呼ぶ）が一定値の運転となる。

ところが、冷凍サイクル装置ではこのような密度比が一定の下で、温度条件等の負荷状況が変化すると、冷凍サイクル装置の運転効率が低下する。

そこで、冷凍サイクル装置を高効率に運転できるようにするため、密度比が一定という制約条件をなくす方法が提案されている。これは、膨張機を通る冷媒の体積流量を可変にするバイパス管を設けることで、膨張機と圧縮機とを通る冷媒の質量流量一定の条件がなくなるため、密度比が一定という制約条件がなくなり、冷凍サイクル装置は運転効率の高い運転を選択できる（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−１１６３７１号公報

しかしながら、バイパス管を通る冷媒は膨張機を通らないため、当然ながらその冷媒の圧力エネルギーは動力として回収できない。そのため、バイパス管を通過させる冷媒量が大きくなるにしたがって、動力を十分に回収できなくなるという課題があった。

そこで本発明は、膨張機での動力回収量の低減を少なくし、冷凍サイクル装置の運転効率を高くした膨張機およびその膨張機を用いた冷凍サイクル装置を得ることを目的とする。

本発明の膨張機は、３個以上の偏心部を有するシャフトと、偏心部それぞれに嵌合して偏心回転する３個以上のピストンと、内面が円筒形状であるとともに、内面の一部がピストンと接するように配設され、容積の小さいものから順に配置された３個以上のシリンダと、シリンダとピストンとにより形成される空間を冷媒を吸入する吸入部と冷媒を吐出する吐出部とに仕切る仕切部材とを備え、シャフトの長手方向に３個以上のシリンダを接続するとともに３個以上のシリンダのうち、容積の小さい側の少なくとも２個のシリンダの吸入部に冷媒の冷媒吸入経路を接続し、冷媒吸入経路を切り替えることにより冷媒を吸入するシリンダを切り替える吸入切替手段を備えている。

このような構成の膨張機とすれば、膨張機で冷媒を吸入するシリンダを選択できるため、膨張機へ吸入される冷媒の容積である膨張機吸入容積を可変にすることができ、吸入する冷媒の容積と吐出する冷媒の容積の比である膨張容積比も可変にして高い効率で運転できる膨張機を実現できる。

また、本発明の膨張機は、容積の大きい側の少なくとも２個のシリンダの吐出部に、冷媒を吐出する冷媒吐出経路を接続し、冷媒吐出経路を切り替えることにより冷媒を吐出するシリンダを切り替える吐出切替手段を備えた構成としてもよい。

このような構成の膨張機とすれば、吸入するシリンダと吐出するシリンダの両方を選択できるため、膨張容積比を可変にする範囲がさらに広がり、より最適な膨張が可能な膨張機を実現できる。

また、本発明の膨張機の吸入切替手段または吐出切替手段は電磁開閉弁とすることが望ましく、応答性に優れ、他の電気制御と一括した制御を行うことができる。

また、本発明の冷凍サイクル装置は、冷媒が二酸化炭素であり、上記の膨張機と、膨張機で膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器と、蒸発器で蒸発した冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮機で圧縮した冷媒を放熱する放熱器とを備えた構成である。

このような構成の冷凍サイクル装置とすれば、冷媒に二酸化炭素を用いるので膨張機前後での圧力差が大きくなり、動力回収量もより大きくなる。また、このような膨張機を用いると膨張機吸入容積を可変にできるため、膨張機で吸入する冷媒の密度と圧縮機で吸入する冷媒の密度の比、すなわち密度比が一定の下での運転という制約条件がなくなる。そのため、冷凍サイクル装置を高効率に運転する条件を選択できる。さらに、膨張容積比も可変にできるため、膨張機で過剰に膨張させたり、膨張不足による動力回収量が低減することもない。

また、本発明の冷凍サイクル装置は、圧縮機が圧縮機を回転駆動するためのシャフトを有し、圧縮機のシャフトと膨張機のシャフトとを直結して駆動する構成としてもよい。

このような構成の冷凍サイクル装置とすれば、圧縮機と膨張機を直結しても密度比一定という制約条件をなくすことができるので、冷凍サイクル装置を高効率に運転することができる。

また、本発明の冷凍サイクル装置は、放熱器または蒸発器の冷媒温度を計測して膨張機で吐出する冷媒量と膨張機で吸入する冷媒量との比を計算し、吸入切替手段または吐出切替手段を制御する制御装置を備えた構成としてもよい。

このような構成の冷凍サイクル装置によれば、膨張機前後の冷媒状態から必要な冷媒量に合わせて適正な冷媒の膨張を行うことができるため、冷媒の膨張不足や過膨張による膨張損失が生じることなく、効率の高い冷凍サイクル装置を実現することができる。

本発明の膨張機およびその膨張機を用いた冷凍サイクル装置によれば、膨張機吸入容積および膨張容積比を可変にでき、より最適な膨張が可能な膨張機とそれを用いた効率の高い冷凍サイクル装置を実現することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１の膨張機であるロータリ型膨張機の断面図、図２は図１の要部拡大図、図３（ａ）〜図３（ｃ）はそれぞれ図２のＡ−Ａ線断面図、Ｂ−Ｂ線断面図、Ｃ−Ｃ線断面図、図４（ａ）、図４（ｂ）はそれぞれ図２のＤ−Ｄ線断面図、Ｅ−Ｅ線断面図である。

図１に示すように、膨張機１０は、密閉容器１１内にシャフト１２を中心として、膨張機構部１３と、シャフト１２を回転させる駆動手段として密閉容器１１に固定された固定子１４と、固定子１４の内側に配置された回転子１５とを備えた回転電動機１６を備えている。そして、シャフト１２は、上軸受１７を備えた上軸受部材１８と、下軸受１９を備えた下軸受部材２０とで支持されている。

膨張機構部１３の詳細な構成を以下に説明する。シャフト１２は第１偏心部２１、第２偏心部２２、第３偏心部２３を備え、第１偏心部２１には第１ピストン２４、第２偏心部２２には第２ピストン２５、および第３偏心部２３には第３ピストン２６が嵌合されている。さらに、第１ピストン２４を含むように第１シリンダ２７、第２ピストン２５を含むように第２シリンダ２８、第３ピストン２６を含むように第３シリンダ２９が備えられている。すなわち、第１シリンダ２７、第２シリンダ２８、第３シリンダ２９は、内面が円筒形状であるとともに、内面の一部がそれぞれ第１ピストン２４、第２ピストン２５、第３ピストン２６の外側の面の一部と接するように配設されている。そして、第１シリンダ２７、第２シリンダ２８、第３シリンダ２９は、図１、図２に示すように、シャフト１２の長手方向の高さを変えて、容積の小さいものから順に配置されている。

また、容積の小さい側の第１シリンダ２７、第２シリンダ２８にはそれぞれ、冷媒を吸入する冷媒吸入経路となる第１冷媒吸入管３０、第２冷媒吸入管３１が、第３シリンダ２９には冷媒を吐出する冷媒吐出経路となる第１冷媒吐出管３２が貫通している。そして、第２冷媒吸入管３１には、吸入切替手段として電磁開閉弁３４が備えられている。この電磁開閉弁３４は、応答性がよく、また、膨張機１０に接続される発電機または電動機の電気制御と一括した制御を行え、制御が複雑になることはない。

また、第１シリンダ２７と第２シリンダ２８との間には第１中間部材３５が、第２シリンダ２８と第３シリンダ２９との間には第２中間部材３６が備えられている。

図３（ｃ）に示すように、第１シリンダ２７と第１ピストン２４とにより形成される空間を、冷媒を吸入する第１吸入部３７と冷媒を吐出する第１吐出部３８に仕切る仕切部材として、第１ベーン３９を備えている。同様に、図３（ｂ）に示すように、第２シリンダ２８と第２ピストン２５とにより形成される空間を、冷媒を吸入する第２吸入部４０と冷媒を吐出する第２吐出部４１に仕切る仕切部材として、第２ベーン４２を備えている。同様に、図３（ａ）に示すように、第３シリンダ２９と第３ピストン２６とにより形成される空間を、冷媒を吸入する第３吸入部４３と冷媒を吐出する第３吐出部４４に仕切る仕切部材として、第３ベーン４５を備えている。なお、本実施の形態では、図３に示すように、第１ピストン２４、第２ピストン２５、第３ピストン２６がそれぞれ第１シリンダ２７、第２シリンダ２８、第３シリンダ２９に接する位置は同じになるよう配置されている。

また、第１シリンダ２７には第１ベーン３９を第１ピストン２４に押し付ける第１ベーンばね４６が設けられている。同様に、第２シリンダ２８には第２ベーン４２を第２ピストン２５に押し付ける第２ベーンばね４７が設けられている。同様に、第３シリンダ２９には第３ベーン４５を第３ピストン２６に押し付ける第３ベーンばね４８が設けられている。さらに、第１シリンダ２７と第２シリンダ２８を連通させる第１連通路４９、第２シリンダ２８と第３シリンダ２９を連通させる第２連通路５０が設けられている。

図４（ａ）は第２中間部材３６の断面図で、第２連通路５０が貫通している。これは図３（ａ）、図３（ｂ）に示すように、第３シリンダ２９の第３吸入部４３と、第２シリンダ２８の第２吐出部４１とを接続する。同様に、図４（ｂ）は第１中間部材３５の断面図で、第１連通路４９が貫通している。これは図３（ｂ）、図３（ｃ）に示すように、第２シリンダ２８の第２吸入部４０と、第１シリンダ２７の第１吐出部３８とを接続する。

ここで一つの膨張室が、第１連通路４９を介して第１吐出部３８と第２吸入部４０とで形成され、もう一つの膨張室が、第２連通路５０を介して第２吐出部４１と第３吸入部４３とで形成される。

図５は、第１連通路４９および第２連通路５０の中心で切断し、斜め上方から見た膨張機構部１３の斜視図である。図５では、第１吐出部３８と第２吸入部４０とは第１連通路４９で、第２吐出部４１と第３吸入部４３とは第２連通路５０で、それぞれ連通されている状態を示している。また図５に示すように、第１連通路４９は第１中間部材３５内で第１ベーン３９と第２ベーン４２とに対して斜め方向に、第２連通路５０は第２中間部材３６内で第２ベーン４２と第３ベーン４５とに対して斜め方向に設けられている。また、第１冷媒吸入管３０が第１ベーン３９近傍に、第２冷媒吸入管３１が第２ベーン４２近傍に、第１冷媒吐出管３２が第３ベーン４５近傍に設けられている。

以上のように構成された本実施の形態の膨張機の動作を説明する。まず、図１で電磁開閉弁３４が閉じられている場合、すなわち冷媒が第１シリンダ２７から吸入し、第３シリンダ２９から吐出される場合について説明する。

図３（ｃ）に示すように、高圧の冷媒は、第１冷媒吸入管３０から第１シリンダ２７の第１吸入部３７に吸入される。図３（ａ）、図３（ｂ）にも示すように、第１ピストン２４、第２ピストン２５、第３ピストン２６は、それぞれ第１偏心部２１、第２偏心部２２、第３偏心部２３に嵌合されてシャフト１２を中心として偏心回転する。シャフト１２の回転に伴い、冷媒は第１シリンダ２７の第１吐出部３８から第１連通路４９を経由して第２シリンダ２８の第２吸入部４０に吐出・吸入される。その際冷媒は、第１吐出部３８と第２吸入部４０とで形成される膨張室の容積が増加することにより膨張し、その圧力を低下させる。さらに、冷媒は第２シリンダ２８の第２吐出部４１から第２連通路５０を経由して第３シリンダ２９の第３吸入部４３に吐出・吸入される。そして冷媒は、第２吐出部４１と第３吸入部４３とで形成される膨張室の容積が増加することによりさらに膨張し、その圧力を低下させる。その後冷媒は、第３シリンダ２９の第３吐出部４４に接続された第１冷媒吐出管３２から吐出される。

なお、第１冷媒吸入管３０には必ずしも吸入切替手段を設ける必要はなく、電磁開閉弁３４が開いているときに、一部の冷媒を第１冷媒吸入管３０、第１シリンダ２７を通り第２シリンダ２８に吸入するようにしてもよい。第１シリンダ２７の第１吸入部３７には、第１冷媒吸入管３０が接続されているため、第１吸入部３７の圧力は第１冷媒吸入管３０の圧力と等しい。また第１シリンダ２７の第１吐出部３８は、第１連通路４９を介して第２シリンダ２８の第２吸入部４０と連通しているため、第１吐出部３８の圧力は第２吸入部４０の圧力と等しい。そのため、第２吸入部４０の圧力は第２冷媒吸入管３１の圧力、すなわち第１冷媒吸入管３０の圧力と等しくなる。その結果、第１シリンダ２７の第１吸入部３７と第１吐出部３８との圧力は等しくなり、第１シリンダ２７は冷媒の経路となる。

次に、シャフト１２の回転に伴う第１ピストン２４、第２ピストン２５、第３ピストン２６の動作を、冷媒の流れとともに詳細に説明する。図６〜図１４は本発明の実施の形態１における膨張機の動作図で、それぞれ第１ピストン２４、第２ピストン２５、第３ピストン２６を反時計方向に１２０°ずつ回転させた時の状態を示す。また、図６〜図１４の各図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ第３ピストン２６、第２ピストン２５、第１ピストン２４の動作を示す。なお、図６〜図１４も電磁開閉弁３４が閉じられている場合として説明する。

図６は、それぞれ第１ピストン２４、第２ピストン２５、第３ピストン２６が第１シリンダ２７の第１吸入部３７に第１タイミングの冷媒５１の吸入を始めてから、１２０°反時計方向に回転させたときの状態を示す。図６（ｃ）に示すように、第１冷媒吸入管３０から第１吸入部３７に第１タイミングの冷媒５１が吸入されている状態を示す。

図７は、図６よりそれぞれ第１ピストン２４、第２ピストン２５、第３ピストン２６を反時計方向に１２０°回転させたときの状態を示す。図７（ｃ）に示すように、第１吸入部３７は、その容積を増加させ、第１タイミングの冷媒５１が流入を続けている状態を示す。

図８は、図７よりそれぞれ第１ピストン２４、第２ピストン２５、第３ピストン２６を反時計方向に１２０°回転させ、第１シリンダ２７に第１タイミングの冷媒５１の吸入を始めてから１回転、すなわち３６０°回転させたときの状態を示す。図８（ｃ）に示すように、第１吐出部３８の容積が最大になるとともに、第１タイミングの冷媒５１は、第１連通路４９より吐出を始める。また、第２タイミングの冷媒５２が、第１冷媒吸入管３０から第１吸入部３７に吸入を始める。そして、図８（ｂ）に示すように、第２シリンダ２８の第２吸入部４０に第１連通路４９から第１タイミングの冷媒５１の吸入が始まる。

図９は、図８よりそれぞれ第１ピストン２４、第２ピストン２５、第３ピストン２６を反時計方向に１２０°回転させ、第１シリンダ２７に第１タイミングの冷媒５１の吸入を始めてから３６０°＋１２０°、すなわち４８０°回転させたときの状態を示す。図９（ｃ）、図９（ｂ）に示すように、第１吐出部３８の第１タイミングの冷媒５１は第１ピストン２４の回転とともに、第１連通路４９から第２シリンダ２８の第２吸入部４０に吐出される。ここで第１吐出部３８の容積は減少するが、第２吸入部４０の容積は増加し、第１吐出部３８と第２吸入部４０とからなる膨張室の容積は増加する。これは、第２シリンダ２８の容積は第１シリンダ２７の容積より大きくしてあるため、第２吸入部４０の容積の増加が、第１吐出部３８の容積の減少を上回るからである。また、図９（ｃ）に示すように、第１吸入部３７に第２タイミングの冷媒５２の吸入が引き続き行なわれている状態を示す。

図１０は、図９よりそれぞれ第１ピストン２４、第２ピストン２５、第３ピストン２６を反時計方向に１２０°回転させ、第１シリンダ２７に冷媒の吸入を始めてから３６０°＋２４０°、すなわち６００°回転させたときの状態を示す。図１０（ｃ）、図１０（ｂ）に示すように、第１吐出部３８の第１タイミングの冷媒５１は、第２シリンダ２８の第２吸入部４０にさらに吐出・吸入を続け、膨張室の容積の増加に伴い膨張し、その圧力を低下させる。さらに、図１０（ｃ）に示すように第１吸入部３７は、その容積を増加させ、第２タイミングの冷媒５２は流入を続ける。

図１１は、図１０よりそれぞれ第１ピストン２４、第２ピストン２５、第３ピストン２６を反時計方向に１２０°回転させ、第１シリンダ２７に第１タイミングの冷媒５１の吸入を始めてから２回転、すなわち７２０°回転させたときの状態を示す。図１１（ａ）〜図１１（ｃ）に示すように、第１タイミングの冷媒５１は、第２吐出部４１から第２連通路５０を介し、第３吸入部４３への吐出が始まる。同様に、第２タイミングの冷媒５２は、第１吐出部３８から第１連通路４９を介し、第２吸入部４０への吐出が始まる。また、図１１（ｃ）に示すように、第１冷媒吸入管３０から第３タイミングの冷媒５３が第１シリンダ２７の第１吸入部３７に吸入を始める。

図１２は、図１１よりそれぞれ第１ピストン２４、第２ピストン２５、第３ピストン２６を反時計方向に１２０°回転させ、第１シリンダ２７に第１タイミングの冷媒５１の吸入を始めてから７２０°＋１２０°、すなわち８４０°回転させたときの状態を示す。図１２（ｂ）、図１２（ａ）に示すように、第２吐出部４１の第１タイミングの冷媒５１は第２ピストン２５の回転とともに、第２連通路５０から第３シリンダ２９の第３吸入部４３に吐出される。ここで第３シリンダ２９の容積は、第２シリンダ２８の容積より大きくしてあるため、第２吐出部４１と第３吸入部４３とからなる膨張室の容積は増加するから、第１タイミングの冷媒５１は膨張し、その圧力を低下させる。同様に、第１ピストン２４の回転とともに、第１吐出部３８と第２吸入部４０とからなる膨張室の容積は増加するから、第２タイミングの冷媒５２は膨張し、その圧力を低下させる。また、図１２（ｃ）に示すように、第１シリンダ２７の第１吸入部３７には第３タイミングの冷媒５３の吸入が続いている。

図１３は、図１２よりそれぞれ第１ピストン２４、第２ピストン２５、第３ピストン２６を反時計方向に１２０°回転させ、第１シリンダ２７に第１タイミングの冷媒５１の吸入を始めてから７２０°＋２４０°、すなわち９６０°回転させたときの状態を示す。図１３（ａ）〜図１３（ｃ）に示すように、第２吐出部４１の第１タイミングの冷媒５１はさらに吐出を続け、第３シリンダ２９の第３吸入部４３に、第１吐出部３８の第２タイミングの冷媒５２はさらに吐出を続け、第２シリンダ２８の第２吸入部４０に吐出・吸入される。このとき、第１タイミングの冷媒５１と第２タイミングの冷媒５２とは、それぞれ膨張し、その圧力を低下させる。また、図１３（ｃ）に示すように、第１シリンダ２７の第１吸入部３７には第３タイミングの冷媒５３の吸入が続いている。

図１４は、図１３よりそれぞれ第１ピストン２４、第２ピストン２５、第３ピストン２６を反時計方向に１２０°回転させ、第１シリンダ２７に第１タイミングの冷媒５１の吸入を始めてから３回転、すなわち１０８０°回転させたときの状態を示す。図１４（ａ）〜図１４（ｃ）に示すように、第１タイミングの冷媒５１は第３吐出部４４から第１冷媒吐出管３２へ、第２タイミングの冷媒５２は第２吐出部４１から第２連通路５０を介して第３吸入部４３へ、第３タイミングの冷媒５３は第１吐出部３８から第１連通路４９を介して第２吸入部４０への吐出が始まる。以降、このような冷媒の吸入・吐出を各シリンダで繰り返し、冷媒を膨張させる。

このように、電磁開閉弁３４が閉じられている場合は、冷媒を吸入するシリンダとして、第１シリンダ２７を選択した場合である。この時の膨張機吸入容積は第１シリンダ２７の第１吸入部３７の最大容積であり、第１吐出部３８の容積がゼロの状態のときである。

また、電磁開閉弁３４が開けられている場合の冷媒の動作は、第２シリンダ２８の第２吸入部４０に第１タイミングの冷媒５１が流入した図９以降と同じである。この時は冷媒を吸入するシリンダとして、第２シリンダ２８を選択した場合で、膨張機吸入容積は第２シリンダ２８の第２吸入部４０の最大容積であり、第２吐出部４１の容積がゼロの状態のときである。

次に、本実施の形態の膨張機の冷媒を吸入するシリンダを、冷房時と暖房時とで切り替えることで、冷凍サイクルを冷房時も暖房時も高効率に運転できることを説明する。

図１５は本発明の実施の形態１の膨張機を含む冷暖房用空気調和装置の構成図である。冷暖房用空気調和装置１００は、冷媒として二酸化炭素（ＣＯ_２）が充填されていて、膨張機１０と圧縮機１０１とが電動機１０２を介して同一軸１０３で直結されるとともに、室外側熱交換器１０４、室内側熱交換器１０５、四方弁１０６、１０７を備えている。

冷暖房用空気調和装置１００を冷房装置として使用する場合は、ＣＯ_２を圧縮機１０１で昇温・昇圧させ、四方弁１０６内の冷房経路１０８（破線）に流し、室外側熱交換器１０４で放熱させ、四方弁１０７内の冷房経路１０８（破線）に流す。そして、ＣＯ_２は膨張機１０で膨張させられて低圧となり、再び四方弁１０７内の冷房経路１０８（破線）に流され、室内側熱交換器１０５で蒸発し、四方弁１０６内の冷房経路１０８（破線）に流され、圧縮機１０１に戻される。この場合は、室外側熱交換器１０４を放熱器、室内側熱交換器１０５を蒸発器として使用する。

また、冷暖房用空気調和装置１００を暖房装置として使用する場合は、ＣＯ_２を四方弁１０６、１０７内の暖房経路１０９（実線）に流す。すなわち、ＣＯ_２を圧縮機１０１で昇温・昇圧させ、四方弁１０６を通し、室内側熱交換器１０５で放熱させ、四方弁１０７を通す。そして、ＣＯ_２を膨張機１０で膨張させて低圧にし、再び四方弁１０７を通して室外側熱交換器１０４で蒸発させ、四方弁１０６を通し、圧縮機１０１に戻す。この場合は、室外側熱交換器１０４を蒸発器、室内側熱交換器１０５を放熱器として使用する。

冷暖房用空気調和装置１００を冷房装置として使用する場合、例えば、ＣＯ_２の圧縮機１０１での吸入圧力、吸入密度をそれぞれ４．５ＭＰａ、１１７ｋｇ／ｍ^３とし、膨張機１０での吸入圧力、吸入密度をそれぞれ１０ＭＰａ、７１３ｋｇ／ｍ^３とすると、膨張機１０と圧縮機１０１とで吸入する冷媒の密度比は（数３）となる。

従って、圧縮機体積効率＝膨張機体積効率のときの冷房装置としては、膨張機１０の膨張機吸入容積を圧縮機１０１の圧縮機吸入容積の１／６．１となるように、膨張機１０の容積を選択する。

また、冷暖房用空気調和装置１００を暖房装置として使用する場合、例えば、ＣＯ_２の圧縮機１０１での吸入圧力、吸入密度をそれぞれ３．５ＭＰａ、８７ｋｇ／ｍ^３とし、膨張機１０での吸入圧力、吸入密度をそれぞれ１０ＭＰａ、８５６ｋｇ／ｍ^３とすると、膨張機１０と圧縮機１０１とで吸入する冷媒の密度比は（数４）となる。

従って、圧縮機体積効率＝膨張機体積効率のときの暖房装置としては、膨張機１０の膨張機吸入容積を圧縮機１０１の圧縮機吸入容積１／９．８となるように、膨張機１０の容積を選択する。

圧縮機１０１の圧縮機吸入容積は一定であるから、冷暖房用空気調和装置１００を冷房装置として使用する場合は、膨張機１０の膨張機吸入容積を圧縮機１０１の圧縮機吸入容積の１／６．１とした第２シリンダ２８からＣＯ_２を吸入させる。また、冷暖房用空気調和装置１００を暖房装置として使用する場合は、膨張機１０の膨張機吸入容積を圧縮機１０１の圧縮機吸入容積の１／９．８とした第１シリンダ２７からＣＯ_２を吸入させる。

このように、本発明の実施の形態１の膨張機を含む冷暖房用空気調和装置は、膨張機吸入容積を選択できるため、密度比一定の制約がなくなり、冷房運転条件と暖房運転条件とのそれぞれを、最適な運転条件とすることが可能となる。

なお、冷媒をＣＯ_２とする冷凍サイクル装置では、膨張機を通過する冷媒の高低圧差が大きいため、動力回収量が大きくなり効果的である。

次に、本実施の形態の膨張機と圧縮機とを同一軸で直結しない冷凍サイクル装置を説明する。図１６は、本発明の実施の形態１の膨張機を含む他の冷凍サイクル装置であるヒートポンプ式給湯器の構成図で、図１５の冷暖房用空気調和装置と異なる点は、膨張機と圧縮機とを同一軸で直結することなく分離している点である。すなわち、ヒートポンプ式給湯器１１０では、膨張機１０が発電機１１１と接続され、圧縮機１０１は電動機１１２と接続されている。また、冷媒としてＣＯ_２が充填されていて、ＣＯ_２は圧縮機１０１、放熱器１１３、膨張機１０、蒸発器１１４を循環している。ここで、膨張機１０で回収される圧力エネルギーは発電機１１１で電気エネルギーに変えられ、電動機１１２等の駆動エネルギーとして使われる。

このようなヒートポンプ式給湯器１１０では、ＣＯ_２は蒸発器１１４で大気より熱を奪って蒸発し、放熱器１１３で放熱して給湯タンク１１５の水を加温する。ここで、膨張機１０は一定の回転数で回転し、発電機１１１の周波数を一定に保持した方が発電機１１１の発電効率を高くできる。図１７は発電効率と発電機周波数の関係を示すが、この図面に示すように、発電機１１１は６０Ｈｚ前後の周波数帯で発電効率が高くなる。

本実施の形態の膨張機１０を用いれば、ヒートポンプ式給湯器１１０で給湯負荷等の変動により、冷凍サイクルの冷媒の循環量が変動しても膨張機１０で膨張機吸入容積を選択できるため、膨張機１０をほぼ一定の回転数で回転させることができる。そのため、発電機１１１の周波数もほぼ一定に保たれ、発電機１１１の発電効率を低下させることはない。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２の膨張機は、容積の大きい側の少なくとも２個のシリンダの吐出部に、冷媒吐出経路である冷媒吐出管を備え、吐出切替手段として電磁開閉弁を設けたことを除いて、実施の形態１と同様な構成である。同一機能部品については同一符号を使用し、同一の構成および作用の説明は省くことにする。

図１８は本発明の実施の形態２の膨張機６０のシリンダの断面図、図１９は図１８のＧ−Ｏ−Ｇ線断面図である。図１８、図１９に示すように、第２シリンダ２８を貫通して冷媒吐出経路となる第２冷媒吐出管６１が第２吐出部４１に、第３シリンダ２９を貫通して冷媒吐出経路となる第１冷媒吐出管３２が第３吐出部４４にそれぞれ接続されている。また、第２冷媒吐出管６１には吐出切替手段として電磁開閉弁６４が設けられている。ここで第１冷媒吐出管３２には、必ずしも吐出切替手段を設ける必要はなく、電磁開閉弁６４が開いているときに、一部の冷媒を第３シリンダ２９、第１冷媒吐出管３２を通り吐出するようにしてもよい。

このような構成の膨張機６０では、それぞれ冷媒吸入管と冷媒吐出管に備えられた電磁開閉弁６４の開閉により、吸入する冷媒の容積と吐出する冷媒の容積の比である膨張容積比を可変にする範囲が広がる。すなわち、本実施の形態の膨張機では、吐出切替手段を備えることにより、吸入切替手段のみを備える場合に比べて膨張容積比のとりうる条件がさらに１条件増える。これは膨張機１０のように、第１冷媒吐出管３２が第３シリンダ２９に接続され、吸入切替手段のみを備える場合、膨張容積比のとりうる条件は、第１シリンダ２７から吸入し第３シリンダ２９から吐出する、第２シリンダ２８から吸入し第３シリンダ２９から吐出する、の２条件であった。ところが、膨張機６０のように吐出切替手段を備えることで、膨張容積比のとりうる条件はさらに、第１シリンダ２７から吸入し第２シリンダ２８から吐出する、の１条件が増える。そして、この膨張機６０を用いた冷凍サイクル装置では、必要以上に冷媒を膨張させたり、膨張させるのに必要な冷媒量の不足による膨張損失で膨張機での動力回収量が低減するのを防止することができる。この具体的な例を以下に示す。

図２０は本発明の実施の形態２の膨張機を用いた冷凍サイクル装置である冷房装置の構成図である。図１６のヒートポンプ式給湯装置と同じ機能を有する部品には同一符号を使用し、同一の構成および作用の説明は省くことにする。

冷房装置１２０は圧縮機１０１、室外熱交換器１２１、膨張機６０、室内熱交換器１２２を主な構成部品としている。また、圧縮機１０１には電動機１１２が接続され、膨張機６０には発電機１１１が接続されている。さらに、室内熱交換器１２２には冷媒温度を計測するサーミスタ温度計１２３が備えられている。そして、サーミスタ温度計１２３は制御装置１２４に接続され、制御装置１２４は膨張機６０に接続されている。

ここで、室内熱交換器１２２を制御すべき温度は、冷房負荷によって変化する。例えば、外気温が高くなる等、冷房負荷を増加させる要因があって室内温度が上がると、室内熱交換器１２２の蒸発温度を下げなければならない。本実施の形態の膨張機６０を用いた冷房装置では、室内熱交換器１２２の冷媒温度をサーミスタ温度計１２３で検知している。そして、サーミスタ温度計１２３で検知した温度信号は制御装置１２４に送られ、制御装置１２４は目標とする膨張容積比を計算する。上述の冷房負荷が増加した場合は、制御装置１２４は膨張機６０に目標とする膨張容積比に上げる指示を出す。

例えば、冷房負荷が増加する前には、膨張機６０は第２シリンダ２８から冷媒を吸入し、第３シリンダ２９から冷媒を吐出させていたとする。冷房負荷が増加すると、制御装置１２４は目標とする膨張容積比を計算し、その膨張容積比となる、例えば第１シリンダ２７から冷媒を吸入し、第３シリンダ２９から冷媒を吐出させるようにする。その結果、膨張させる冷媒を不足させることがなくなるため、膨張不足による膨張損失を生じることがない。また逆に、冷房負荷を減少させる要因があって室内温度が下がり、室内熱交換器１２２の温度を上げなければならないときは、制御装置１２４は膨張容積比を下げる指示を出す。その結果、膨張機６０は必要以上に冷媒を膨張させる過膨張による膨張損失を生じることもない。

このように、本実施の形態の膨張機を用いると、膨張容積比を可変にする範囲が広がる。また、本実施の形態の膨張機を用いた冷房装置では、冷媒の膨張不足や過膨張による膨張損失が生じることはない。

なお、本実施の形態の膨張機を用いた冷房装置では、蒸発器である室内熱交換器の冷媒温度を計測して制御する方法を示したが、蒸発器の冷媒圧力を計測してもよい。また、目標とする容積膨張比を計算するための計測箇所は蒸発器のみに限定されるものでなく、膨張機に接続される放熱器の冷媒温度あるいは冷媒圧力も計測して目標とする容積膨張比を計算すれば、さらに精度の高い容積膨張比となる。また、冷媒の膨張不足や過膨張による膨張損失を防止できるのは、冷房装置に限定されることなく、このような容積膨張比を可変にできる膨張機を用いた冷凍サイクル装置に適用できる。

また、実施の形態１および実施の形態２ではロータリ式の膨張機で説明したが、仕切部材がブレードであるスイング式の膨張機であってもシリンダを切り替える吸入切替手段により、容易に膨張機の容積を変えることができ、冷凍サイクル装置で効率の高い運転条件で運転できる。

また、実施の形態１では、シリンダの容積を異ならせるために、シャフトの長手方向におけるシリンダの高さを異ならせたが、その内径を異ならせてもよい。

また、膨張機の冷媒を吸入するシリンダを切り替える吸入切替手段として、スプール弁を用いてもよい。スプール弁は弁前後の圧力差で駆動し、膨張機の吸入部に吸入した冷媒の圧力に応じて弁の開閉度合を制御することもできる。

また、実施の形態１および実施の形態２では冷媒吸入管をシリンダの吸入部に接続する構成を示したが、シリンダの吸入部と連通する連通路に冷媒吸入管を接続する構成としてもよい。

本発明にかかる膨張機は、膨張機吸入容積および膨張容積比を可変にできるため、膨張機での動力回収量を大きくすることができるとともに、冷凍サイクル装置を高効率な運転条件で運転でき、空気調和装置等として有用である。

本発明の実施の形態１の膨張機の断面図 図１の膨張機の要部拡大図 （ａ）図２の膨張機のＡ−Ａ線断面図（ｂ）図２の膨張機のＢ−Ｂ線断面図（ｃ）図２の膨張機のＣ−Ｃ線断面図 （ａ）図２の膨張機のＤ−Ｄ線断面図（ｂ）図２の膨張機のＥ−Ｅ線断面図 本発明の実施の形態１の膨張機の膨張機構部の斜視図 本発明の実施の形態１の膨張機の動作図 本発明の実施の形態１の膨張機の動作図 本発明の実施の形態１の膨張機の動作図 本発明の実施の形態１の膨張機の動作図 本発明の実施の形態１の膨張機の動作図 本発明の実施の形態１の膨張機の動作図 本発明の実施の形態１の膨張機の動作図 本発明の実施の形態１の膨張機の動作図 本発明の実施の形態１の膨張機の動作図 本発明の実施の形態１の膨張機を含む冷暖房用空気調和装置の構成図 本発明の実施の形態１の膨張機を含むヒートポンプ式給湯器の構成図 発電機の発電効率と発電機の周波数の関係を示す図 本発明の実施の形態２の膨張機のシリンダの断面図 図１８の膨張機のＧ−Ｏ−Ｇ線断面図 本発明の実施の形態２の膨張機を含む冷房装置の構成図

符号の説明

１０，６０ 膨張機
１１ 密閉容器
１２ シャフト
１３ 膨張機構部
１４ 固定子
１５ 回転子
１６ 回転電動機
１７ 上軸受
１８ 上軸受部材
１９ 下軸受
２０ 下軸受部材
２１ 第１偏心部
２２ 第２偏心部
２３ 第３偏心部
２４ 第１ピストン
２５ 第２ピストン
２６ 第３ピストン
２７ 第１シリンダ
２８ 第２シリンダ
２９ 第３シリンダ
３０ 第１冷媒吸入管
３１ 第２冷媒吸入管
３２ 第１冷媒吐出管
３４，６４ 電磁開閉弁
３５ 第１中間部材
３６ 第２中間部材
３７ 第１吸入部
３８ 第１吐出部
３９ 第１ベーン
４０ 第２吸入部
４１ 第２吐出部
４２ 第２ベーン
４３ 第３吸入部
４４ 第３吐出部
４５ 第３ベーン
４６ 第１ベーンばね
４７ 第２ベーンばね
４８ 第３ベーンばね
４９ 第１連通路
５０ 第２連通路
５１ 第１タイミングの冷媒
５２ 第２タイミングの冷媒
５３ 第３タイミングの冷媒
６１ 第２冷媒吐出管
１００ 冷暖房用空気調和装置
１０１ 圧縮機
１０２，１１２ 電動機
１０３ 同一軸
１０４ 室外側熱交換器
１０５ 室内側熱交換器
１０６，１０７ 四方弁
１０８ 冷房経路
１０９ 暖房経路
１１０ ヒートポンプ式給湯器
１１１ 発電機
１１３ 放熱器
１１４ 蒸発器
１１５ 給湯タンク
１２０ 冷房装置
１２１ 室外熱交換器
１２２ 室内熱交換器
１２３ サーミスタ温度計
１２４ 制御装置

Claims (6)

1. ３個以上の偏心部を有するシャフトと、
   前記偏心部それぞれに嵌合して偏心回転する３個以上のピストンと、
   内面が円筒形状であるとともに、前記内面の一部が前記ピストンと接するように配設され、容積の小さいものから順に配置された３個以上のシリンダと、
   前記シリンダと前記ピストンとにより形成される空間を冷媒を吸入する吸入部と前記冷媒を吐出する吐出部とに仕切る仕切部材とを備え、
   前記シャフトの長手方向に前記３個以上のシリンダを接続するとともに、前記３個以上のシリンダのうち、容積の小さい側の少なくとも２個のシリンダの吸入部に前記冷媒の冷媒吸入経路を接続し、前記冷媒吸入経路を切り替えることにより前記冷媒を吸入するシリンダを切り替える吸入切替手段を備えたことを特徴とする膨張機。
2. 容積の大きい側の少なくとも２個のシリンダの吐出部に、前記冷媒を吐出する冷媒吐出経路を接続し、前記冷媒吐出経路を切り替えることにより前記冷媒を吐出するシリンダを切り替える吐出切替手段を備えたことを特徴とする、
   請求項１記載の膨張機。
3. 前記吸入切替手段または前記吐出切替手段が電磁開閉弁であることを特徴とする、
   請求項２記載の膨張機。
4. 前記冷媒が二酸化炭素である請求項１〜３のいずれかに記載の膨張機と、
   前記膨張機で膨張した前記冷媒を蒸発させる蒸発器と、
   前記蒸発器で蒸発した前記冷媒を圧縮する圧縮機と、
   前記圧縮機で圧縮した前記冷媒を放熱する放熱器と
   を備えた冷凍サイクル装置。
5. 前記圧縮機は前記圧縮機を回転駆動するためのシャフトを有し、前記圧縮機のシャフトと前記膨張機のシャフトとを直結して駆動すること特徴とする、
   請求項４記載の冷凍サイクル装置。
6. 前記放熱器または前記蒸発器の冷媒温度を計測して前記膨張機で吐出する冷媒量と前記膨張機で吸入する冷媒量との比を計算し、前記吸入切替手段または前記吐出切替手段を制御する制御装置を備えたことを特徴とする、
   請求項４記載の冷凍サイクル装置。

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