JP2007113447A - 膨張機一体型圧縮機及び冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】膨張機を用いた動力回収式の冷凍サイクルにおいて、差圧による熱交換器の保護、制御性の向上、省スペース性を目的とする膨張機一体型圧縮機を提供する。
【解決手段】ロータリ式の膨張機３の上側端板５１内部に、膨張後の低圧流体が吐出管５４へと導かれる流路５１ｂと、前記流路５１ｂと分岐して膨張部外部の圧縮後の高圧流体が存在する密閉容器４１の内部空間４１ａへと導かれる連通路８を備えている。また、連通路８の出口である上側端板５１の密閉容器４１ａ内部側には、連通路８を開閉するような開閉手段９を備え、前記開閉手段９を開けることで前記連通路８を連通し、均圧する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、流体を膨張させる膨張機と流体を圧縮する圧縮機を備えた膨張機一体型圧縮機及び冷凍サイクル装置に関するものである。

冷媒の膨張エネルギーを膨張機で回収し、圧縮機で冷媒を圧縮する仕事の一部として利用する動力回収式の冷凍サイクルとして、膨張機一体型圧縮機を用いたものが知られている。（例えば、特許文献１、２を参照）。

従来の膨張機一体型圧縮機を用いた冷凍サイクルについて説明する。図１０に従来特許文献１と同じ構成の膨張機一体型圧縮機を用いた冷凍サイクルを示す。この冷凍サイクルは圧縮機１、ガスクーラ２、膨張機３、蒸発器４、電動モータ５、および、圧縮機１と膨張機３と電動モータ５を直結するシャフト６と、膨張機吸入菅１１と膨張機吐出管１２との間をバイパスするバイパス回路３１とその流量を調節する膨張弁３０から構成されている。冷媒は、圧縮機１において常温低圧から高温高圧へと圧縮された後、ガスクーラ２において常温高圧へと冷却される。そして、膨張機３および膨張弁３０において低温低圧へと膨張した後、蒸発器４で常温まで加熱される。図１１に特許文献２と同じ構成の膨張機一体型圧縮機を用いた冷凍サイクルを示す。特許文献２は特許文献１のバイパス回路３１と膨張弁３０がない構成となっている。

このような冷凍サイクルシステムにおいて、膨張機３では、冷媒の膨張エネルギーを回収してシャフト６の回転エネルギーに変換し、圧縮機１を駆動する仕事の一部をとして利用することで、電動モータ５の動力を低減し、サイクルの高効率運転を実現していた。

図１２には、このような冷凍サイクル装置の作動の一例として、高圧冷媒である二酸化炭素を冷媒として用いたモリエル線図を示しているが、このサイクルでは、圧縮機出口（点Ｄ）からガスクーラ２によって冷却された冷媒（点Ａ）が膨張機３に流入し、これを前記膨張機３において等エントロピー膨張によって膨張させる。この場合、蒸発器入口「点Ｂ」と、従来のように膨張弁によって「点Ａ」から等エンタルピー膨張させた場合における蒸発器入口「点Ｅ」との間のエンタルピー量「ha」だけ、冷凍システム側に回収される。その結果、圧縮機には、その必要入力「hb」から前記回収動力「ha」を差し引いた値「hb-ha」だけを実際に入力すればよく、圧縮機入力の低減分だけ冷凍サイクルの高効率運転が実現されるものである。

しかし、特許文献１によれば、図１０に示すように、膨張機の吸入管１１と吐出管１２との間にバイパス回路３１を設置した冷凍サイクルにおいて、起動時では、膨張機３における動力回収効果よりも、機械的損失のほうが大きくなるため、膨張弁３０を全開にして差圧を解消していた。
特開２００１−１１６３７１号公報 特開２０００−２４９４１１号公報

しかしながら、図１１に示すようなバイパス回路のない動力回収式の冷凍サイクル装置では、膨張エネルギーの一部を膨張機で回収できるため高効率であり、バイパス回路と膨張弁がないため、省スペースで構成できるという長所があったが、膨張弁がないため、起動時では、膨張機における動力回収効果よりも、機械的損失のほうが大きくなり、効率の高い運転ができなかった。また、冷凍サイクル装置を運転後に停止すると、圧縮機吐出部から膨張機吸入部までを構成する高圧部と、膨張機吐出部から圧縮機吸入部までを構成する低圧部では差圧が残る。差圧が存在すると、電動モータにかかる負荷トルクが大きくなり圧縮機を起動することができない、低圧側に存在する液冷媒が外気温度の上昇などにより膨張し、蒸発器に非常に高い圧力がかかり熱交換器を破壊するという恐れがあった。つまり、差圧が存在すると、起動時では、機械的損失により運転効率が低下する、圧縮機が起動できないという効率と制御性の課題と、停止時では、熱交換器を破壊するという安全性の課題を有していた。

この差圧の問題を解決するには、図１０に示すバイパス回路とバイパス回路上に膨張弁を設けた構成とすれば、膨張弁を開にすることで差圧を解消することが可能である。しかし、図１０の構成では、システムの構成が大きくなるという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、膨張機一体型圧縮機を用いた動力回収式の冷凍サイクルにおいて、高圧部と低圧部を膨張機一体型圧縮機の密閉容器内部で均圧することにより、起動時では、機械的損失の低減による効率の向上と電動モータの起動トルク低減による起動特性を向上し、停止時では、低圧冷媒の膨張によって、高圧力が熱交換器にかかるために発生する熱交換器の破壊から守り、また、膨張機一体型圧縮機内部に連通路と開閉手段を設けることによってバイパス回路や弁などをとり回す必要がなくなるため、効率と制御性の向上、安全性の向上、省スペース性を実現した膨張機一体型圧縮機とそれを用いた冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。

本発明に係る膨張機一体型圧縮機は、容積式の膨張機と、容積式の圧縮機と、前記膨張機と前記圧縮機とを一軸で連結した電動モータを密閉容器内に収納し、
前記密閉容器において、前記圧縮機吐出部である高圧部と、前記膨張機吐出部または前記圧縮機吸入部である低圧部とを連通するための連通路を有し、
前記連通路には開閉可能な手段を設けたものである。

上記膨張機一体型圧縮機では、前記高圧部と前記低圧部を連通させないときには、高圧部と低圧部の圧力差は維持するが、連通させることにより、高圧部から低圧部へと冷媒が流入し、前記高圧部と前記低圧部を均圧することが可能となる。

前記膨張機一体型圧縮機では、前記連通路を膨張機に設ける。

このことにより、前記膨張機内で高圧部と低圧部を均圧することができる。

前記膨張機一体型圧縮機では、前記連通路を圧縮機に設ける。

このことにより、前記圧縮機内で高圧部と低圧部を均圧することができる。

前記膨張機は、膨張室へ流入する流体の容積を変更可能な手段を設ける。

このことにより、冷媒の体積流量を可変にできるバイパス回路を用いずに冷凍サイクルを循環する体積流量を変化させることができ、高効率で、省スペースな膨張機一体型圧縮機を実現できる。

前記膨張機は、円筒形のシリンダと、偏心軸を有するシャフトと、前記偏心軸に嵌合し、前記シリンダの内側で偏心回転するピストンと、前記シリンダと前記ピストンの間の空間を、吸入側空間と吐出側空間に仕切る仕切り部材で構成されたロータリ式の流体機構をｎ個（ｎは２以上の整数）備えたロータリ式膨張機で、前記ロータリ式膨張機のシリンダの端面を閉塞する端板の少なくとも一部が回転可能な可動部とし、前記可動部には前記シリンダへの吸入口と前記連通路を設けてもよい。

このことにより、前記第２の吸入孔により前記膨張機の吸入容積を可変にし、バイパス回路を用いずに冷凍サイクルを循環する冷媒の質量流量を変化させることができ、高効率化を実現できる。また、前記可動部と、固定部で前記開閉手段を構成し、前記可動部に設けた連通路を連通することができ、装置の簡略化を実現できる。

前記圧縮機は、圧縮室へ流入する流体の吸入容積を変更可能な手段を設けていてもよい。

このことにより、バイパス回路を用いずに冷凍サイクルを循環する冷媒の体積流量を変化させることができ、バイパス用の配管が不要となり、省スペースな膨張機一体型圧縮機を実現できる。

前記冷凍サイクル装置は、前記膨張機一体型圧縮機と、ガスクーラと、蒸発器と、
を有し、前記圧縮機からの吐出冷媒が、前記ガスクーラ、前記膨張機、前記蒸発器の順に循環する。

このことにより、省スペースで高効率な冷凍サイクル装置が実現できる。

前記電動モータの停止時には、前記開閉手段により前記連通路を連通するように設定する。

このことにより、停止時において高圧部と低圧部を均圧し、熱交換器の保護と、起動特性の向上を実現できる。

本発明の膨張機一体型圧縮機によれば、膨張機を用いた動力回収式の冷凍サイクルにおいて、膨張機一体型圧縮機の密閉容器の内部に設けられた連通路を連通することによって高圧部と低圧部を均圧することができ、停止時には、低圧冷媒の膨張によって、高圧力が熱交換器にかかるために発生する熱交換器の破壊から守り、また、起動時には、電動モータの起動トルクを小さくすることで、起動特性を向上することができる。さらに、連通路と開閉手段を膨張機一体型圧縮機の密閉容器の内部に設けることにより、省スペース性を実現できる。

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、本実施形態における冷凍サイクル装置の冷媒回路図を示す。冷凍サイクル装置は、圧縮機１とガスクーラ２と膨張機３と蒸発器４とが順に接続されてなる冷媒回路１０を備え、圧縮機１と膨張機３とを電動モータ５に対して一軸に連結し、矢印は冷媒の流れる方向を表している。また、圧縮機１の吐出部と膨張機３の吐出部を連通する連通路８と、その連通路８を開閉する開閉手段９を備えている。本実施形態では、このような開閉手段に、ボールバルブを使用している。ただし、開閉手段９は特に限定されるものではなく、差圧の調節できる膨張弁であっても、開閉のみの電磁弁でもよい。この冷媒回路１０には、高圧部分（圧縮機１からガスクーラ２を経て膨張機３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。前記冷媒回路１０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。

次に、本実施形態における冷凍サイクルに用いる膨張機一体型圧縮機について説明する。図２に膨張機一体型圧縮機の縦断面図を示す。密閉容器４１の内部の上側にはスクロール式の圧縮機１、下側には２段ロータリ式の膨張機３、その間には、回転子２１と固定子２２から成る電動モータ５が配置されており、これらはシャフト結合部３２により連結されている。

ただし、圧縮機１及び膨張機３の形式は他の回転式圧縮機であってもよい。例えば、ロータリ式、スクロール式、マルチベーン式を好適に用いることができる。さらに、圧縮機１、膨張機３、電動モータ５の配置関係は何ら限定されない。

図２に示すように、スクロール式の圧縮機１は、固定スクロール７４と、旋回スクロール７３と、オルダムリング７５と、軸受部材７７と、マフラー７９と、吸入管７１と、吐出管７２とから構成されている。旋回スクロール７３は、圧縮機シャフト７６の偏心軸に嵌合され、かつ、オルダムリング７５により自転運動を拘束されている。また、旋回スクロール７３は、渦巻き形状のラップ７３ａを有し、固定スクロール７４はラップ７４ａを有しており、ラップ７３ａとラップ７４ａは互いに噛み合っている。旋回スクロール７３は、シャフト７６の回転に伴い旋回運動を行い、ラップ７３ａ、７４ａの間に形成される三日月形状の作動室８０が外側から内側に移動しながら容積を縮小することで、吸入管７１から吸入された作動流体を圧縮し、固定スクロール７４の中央部に設けた吐出孔７２ａと固定スクロール７４および軸受部材７７に設けた流路７２ｂから、マフラー７９の内側空間７９ａを経由して密閉容器４１の内部空間４１ａへと吐出する。作動流体は、内部空間４１ａに滞留する間に、混入した潤滑用のオイルを重力や遠心力などにより分離された後、吐出管７２から冷凍サイクルへと吐出される。

図２において、２段ロータリ式の膨張機３は、第１のシリンダ４２、第１のシリンダ４２よりも厚みのある第２のシリンダ４３、および、これらを仕切る中板５７を有し、膨張機シャフト４４の偏心部４４ａと嵌合している第１のピストン４５は、第１のシリンダ４２の中で偏心回転運動し、シャフト４４の偏心部４４aと嵌合している第２のピストン４６は、第２のシリンダ４３の中で偏心回転運動する。第１のベーン４７（図９に記載）は、第１のシリンダ４２のベーン溝４２ａ（図９に記載）に往復動自在に保持され、先端が第１のピストン４５に接し、第２のベーン（図示せず）は第２のシリンダ４３のベーン溝４３ａ（図示せず）に往復動自在に保持され、先端が第２のピストン４６に接する。第１のベーン４７を押す第１のばね４９（図９にまた記載）はベーン溝４２ａに、第２のベーン４８を押す第２のばね（図示せず）はベーン溝４３ａに格納され、吸入管５３と、吐出管５４とから構成された上側端板５１とマフラー５８と接する下側端板５２は、シャフト４４を支える軸受を備えている。第１のシリンダ４２の吐出側と、第２のシリンダ４３の吸入側は、中板５７に設けた連通孔５７ａにより連通しており、一つの作動室として機能する。高圧の作動流体は吸入管５３から上側端板５１に設けた吸入孔５１ａから第１のシリンダ４２の作動室に流入した後、第２のシリンダ４３の作動室とから形成される作動室にて膨張してシャフト４４を回転させて低圧になった後、下側端板５２を経てマフラー５８の内部空間５２ｃに一旦吐出され、吐出流路５２ｂを経て吐出管５４から冷凍サイクルへと吐出される。ここで、下側端板５２の吐出孔５２ａには、吐出弁５９を設けている。吐出弁５９は金属の薄板であり、吐出孔５２ａをマフラー５８の内部空間５２ｃ側から塞ぐように設置されており、吐出弁５９の上流側の圧力が下流側の圧力より高くなると開く差圧弁となっている。

図２において、２段ロータリ膨張機３の上側端板５１の内部に、膨張後の低圧冷媒が吐出管５４へと導かれる吐出流路５１ｂと、前記吐出流路５１ｂと分岐して膨張部外部の圧縮後の高圧冷媒が存在する密閉容器４１の内部空間４１ａへと導かれる連通路８を備えている。また、連通路８の出口である上側端板５１の内部空間４１ａ側には、連通路８を開閉するような開閉手段９を備えている。この開閉手段９を閉じたときは、冷媒は吐出流路５１ｂを経て吐出管５４から冷凍サイクルへと吐出され、連通路８には流れないが、開閉手段９が開いているときは、吐出流路５１ｂと密閉容器の内部空間４１ａが連通する。このような構成により、膨張後の低圧部と圧縮直後の高圧部が連通することができる。

以上のように、本実施形態によれば、膨張機３の上側端板５１に設けた連通路８と、開閉手段９により、高低圧を均圧することが可能となる。

なお、本実施の形態において、連通路８と開閉手段９を膨張機３の上側端板５１に設けた。しかし、膨張機３は圧縮機吐出後の高圧冷媒が存在する密閉容器４１の内部空間４１ａに存在するため、連通路８は、膨張後の低圧冷媒と密閉容器内部空間４１ａに存在する高圧冷媒とを連通するように形成できれば、連通路８と開閉手段９は密閉容器４１の内部のどこに設置してもよい。つまり、連通路８は上側端板５１の吐出流路５１ｂから分岐するのではなく、第１のシリンダ４２の吐出流露４２ｂ、中板５７の吐出流路５７ｂ、第２のシリンダ４３の吐出流路４３ｂのいずれから分岐してもよく、また、下側端板５２、マフラー５８についてはどこに設けてもよい。また、開閉手段９は上側端板の内部空間４１ａ側に設けるのではなく、第１のシリンダ４２、中板５７、第２のシリンダ４３、下側端板５２、マフラー５８のどこに設けてもよい。

また、本実施の形態において、前記連通路８によって膨張機吐出部の低圧部と、圧縮機吐出後の高圧部とを連通させるのは、電動モータ５の停止時である。図３に電動モータ５の速度と開閉手段９の開閉タイミングを示す。電動モータ５が定速状態から減速し、停止した状態になると開閉手段９を‘開’とし、連通路８を連通させる。また、加速時には連通路８を‘閉’とし、連通させない。しかし、定速状態から停止状態への遷移時（減速時）、停止状態から定速状態への遷移時（加速時）において連通路８を連通させてもよいし、停止時に連通路８を常時連通させなくてもよい。

また、図１に示した冷媒回路１０は、冷媒を一方向のみに流通させる冷媒回路１０に限られない。膨張機一体型圧縮機は、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、図４に示すように、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一体型圧縮機を設けることも可能である。
（第２の実施形態）
第１の実施形態にかかる連通路８と開閉手段９は、膨張機３に設置するものであった。しかし、本発明にかかる連通路８と開閉手段９は、圧縮機１に設置してもよい。以下図面に基づいて詳細に説明する。

図５に本実施形態における冷凍サイクル装置の冷媒回路図を示す。冷凍サイクル装置は、圧縮機１とガスクーラ２と膨張機３と蒸発器４とが順に接続されてなる冷媒回路１０を備え、圧縮機１と膨張機３とを電動モータ５に対して一軸に連結している。また、圧縮機１の吸入部と圧縮機１の吐出部を連通する連通路８と、その連通路８を開閉する開閉手段９を備えている。図２において図１と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。

図６に本実施の形態の膨張機一体型圧縮機断面を示す。図６に示すように、電動モータ５、スクロール式の圧縮機１、および、２段ロータリ式の膨張機３は、図２を用いて説明した第一の実施の形態とほぼ同様の構成である。同一部品については同一番号を使用し、第１の実施の形態と同一の構成及び作用の説明を省略する。

図６において、スクロール式の圧縮機１の固定スクロール７４に、圧縮前の低圧流体が作動室へと導かれる吸入流路７１ｂと、前記吸入流路７１ｂと分岐して圧縮部外部の高圧流体が存在する密閉容器４１の内部空間４１ａへと導かれる連通路８を備えている。また、連通路８の出口である固定スクロール７４には、連通路８を開閉するような開閉手段９を備えている。この開閉手段９が閉じているときは、吸入流路７１ｂを経て吸入孔７１ａから作動室８０へ流入し、開いているときは、吸入流路７１ｂと密閉容器の内部空間４１ａが連通する。このような構成により、圧縮前の低圧部と圧縮直後の高圧部が連通することになる。

以上のように、本実施形態によれば、圧縮機の固定スクロール７４に設けた連通路８と、開閉手段９により、高低圧を均圧することができる。

なお、本実施の形態において、連通路８と開閉手段９として圧縮機の固定スクロール７４に設けたが、圧縮機１において圧縮前の低圧流体が作動室８０へと導かれる流路と、分岐して圧縮部外部の圧縮直後の高圧流体が存在する膨張機一体型圧縮機の密閉容器４１の内部空間４１ａとの間に連通路８と開閉手段９が形成されれば、密閉容器４１の内部のどこに設置してもよい。つまり、連通路８は固定スクロール７４から分岐するのではなく、軸受部材７７から分岐してもよい。また、開閉手段９も同様に軸受部材７７に設けてもよい。
（第３の実施形態）
第１の実施形態にかかる連通路８と開閉手段９は、膨張機３に設置するものであった。しかし、本発明にかかる連通路８と開閉手段９は、容積可変機構を持つ膨張機３に設けてもよい。

冷凍サイクル装置については、図１と同様の構成となるため説明は省略する。

次に、冷凍サイクルに用いる膨張機一体型圧縮機について説明する。図７に、本実施形態における膨張機一体型圧縮機の縦断面図を示す。本実施の形態では、２段ロータリ式の膨張機３には上側端板固定部６１と上側端板可動部６２を備えている。また、電動モータ５、スクロール式の圧縮機１、および、２段ロータリ式の膨張機３は、図２を用いて説明した第一の実施の形態と同様の構成である。同一部品については同一番号を使用し、第１の実施の形態と同一の構成及び作用の説明を省略する。

図８（ａ）は、図７の膨張機一体型圧縮機における膨張機３の上側端板固定部６１の斜視図、図８（ｂ）は、図７の膨張機一体型圧縮機における膨張機３の上側端板可動部６２の斜視図、図８（ｃ）は図７の膨張機一体型圧縮機における膨張機３の上側端板固定部６１と可動部６２を組んだ状態の斜視図である。

図８（ａ）に示すように、固定部６１は、内側にシャフト４４と同じ中心軸の円筒面６１ａ、および、円筒面６１ａよりも小さな内径の円筒面６１ｂと、その間の段差部６１ｃを有する。また、吸入管５３からの作動流体が導かれる流入路６１ｄと、そこから縦方向に分岐した流入路６１ｅと、円筒面６１ａと吐出流路６１ｇを固定部６１の内部で連通する連通路６１ｆを備える。また、流入経路６１ｅと連通する流路として、図９に示すように、第１のシリンダ４２には、流入経路４２ｃ、および、流入経路４２ｃと連通した第１吸入孔４２ｄを設けている。また、円筒面には膨張機の吐出流体が流れる吐出流路４２ｂを有する。

図８（ｂ）に示すように、可動部６２は、内側にシャフト４４が嵌合するシャフト孔６２ａを有し、外側には、固定部６１の円筒面６１ａに嵌合する円柱面６２ｂ、および、固定部６１の円筒面６１ｂに嵌合する円柱面６２ｃを有し、円柱面６２ｂには円周方向の流路溝６２ｄをシャフト４４の回転方向に１８０度備えている。また、可動部６２の上面には上面流入孔６２ｅを設け、連通路６２ｆと連通し、円柱面６２ｃには円周方向に歯車６２ａを備え、流路溝６２ｄから下側方向へ向けて第２吸入孔６２ｇを有する。

図８（ｃ）に示すように、固定部６１と可動部６２は嵌合し、固定部６１の内側で可動部６２は回転可能に支持されている。そして、可動部６２を回転させることにより、シャフト４４を中心に第２吸入孔６２ｇと連通路６２ｆを回転させることができる。このとき、固定部６１の段差６１ｃと可動部６２の円筒部６２ｂ、６２ｃの間の段差（図示せず）が接触することにより、可動部６２が固定部６１から上側に抜け出るのを防止している。また、固定部６１の下端面と可動部６２の下端面は、同一平面を構成している。また、上側端板固定部６１には、可動部６２に設けられた歯車６２ａと噛み合う歯車６５（図７に示す）と、それを駆動する回転電動機６３（図７に示す）を備えており、回転電動機６３により上側端板可動部６２をシャフト４４の軸まわりに回転させることができる。

本実施形態における上側端板可動部６１と固定部６２は以下に示すように２つの機能を備える。１つ目の機能は、吸入管５３から２段ロータリ膨張機３に流入した作動流体を、上側端板固定部６１の流入経路６１ｄから２つの経路に分けて上作動室５５に流入させる吸入容積可変機構である。第１の経路は、流入経路６１ｄから流入経路６１ｅ、第１のシリンダ４２の流入経路４２ｃ、第１吸入孔４２ｄを経る経路であり、第２の経路は、流入経路６１ｄから可動部６２の流路溝６２ｄ、第２吸入孔６２ｇを経る経路である。つまり、この第２吸入孔の位置を制御し変化させることで、上作動室５５へ流入する作動流体の吸入容積を変化させることができる。２つ目の機能は、連通路６２ｆの位置を上側端板固定部６１の吐出流路６１ｇの位置と一致させると、連通路６２ｆと吐出流路６１ｇが連通し、一致させないと連通しないという開閉手段である。これらの２つの機能は、可動部６２の回転位置によって使い分けることができる。本実施形態においては、前記２つの機能は同時に利用することができないが、同時に利用できるような構成でもよい。例えば、第２吸入孔６２ｇと連通路６２ｆの配置を変えることにより対応することができる。以下に可動部６２の位置とその機能ついて説明する。

図９（ａ１）、（ｂ１）、（ｃ１）は図７の膨張機一体型圧縮機の膨張機のＤ１−Ｄ１における断面図、図９（ａ２）、（ｂ２）、（ｃ２）は図７の膨張機一体型圧縮機の膨張機のＤ２−Ｄ２における断面図を示す。ここでは、第１吸入孔４２ｄと第２吸入孔６２ｇ、また、上端板上面吸入孔６２ｅと連通路６２ｆの位置と機能の関係を示す。

本実施形態において、図９（ａ２）、（ｂ２）、（ｃ２）に示すように、第２吸入孔６２ｇと連通路６２ｆはシャフトを中心として１８０°の位置に配置する。第１吸入孔４２ｄの位置は、シャフト４４を中心にベーン４７の位置を基準として２０ｄｅｇに固定されているのに対し、第２吸入孔６２ｇの位置は外部から変化させることが可能である。図９（ａ１）、（ａ２）は、シャフト４４を中心にベーン４７の位置を基準とした第２吸入孔６２ｇの回転角φが２０ｄｅｇの場合、（ｂ１）、（ｂ２）は９０ｄｅｇの場合、（ｃ１）、（ｃ２）は１８０ｄｅｇの場合を示している。なお、第２吸入孔６２ｇの回転角φは０ｄｅｇから３６０ｄｅｇまで自在に変えることができることは言うまでも無い。

次に、上側端板可動部６２の位置を制御することによって、容積可変機構とする場合と、差圧を解消するための均圧装置とする場合について、第２吸入孔６２ｇと連通路６２ｆの位置の関係を詳細に説明する。

まず、１つめの機能である容積可変機構について説明する。上側端板可動部６２の位置を制御して、第２吸入孔６２ｇの位置φを２０ｄｅｇにすると図９（ａ１）、（ａ２）となる。第２吸入孔６２ｇは第１吸入孔４２ｄと同じ位置にあるため、吸入容積は第１吸入孔４２ｄのみの時と同じになる。このとき、上端板上面吸入孔６２ｅと連通路６２ｆは連通していない。また、第２吸入孔６２ｇの位置φを９０ｄｅｇとすると図９（ｂ１）、（ｂ２）となる。第２吸入孔６２ｇの位置φは第１吸入孔４２ｄよりも角度が大きいため、吸入時間が長くなり、吸入容積は図９（ａ１）、（ａ２）のときよりも大きくなる。このとき、上端板上面吸入孔６２ｅと連通路６２ｆは先ほどと同様に連通していない。

次に、２つめの機能である容積可変機構について説明する。第２吸入孔６２ｇの位置φを１８０ｄｅｇとすると図９（ｃ１）、（ｃ２）となる。このとき連通路６２ｆと固定部６１の吐出流路６１ｇは連通し、高低圧の差圧を解消することができる。つまり、可動部６２と固定部６１の位置を制御することにより開閉手段９を実現することができる。

以上のように、本実施形態によれば、膨張機の上側端板可動部６２に連通路８と開閉手段９を備え、前記可動部６２の位置を制御することにより、吸入容積を可変にすることができる容積可変機構と、高圧部と低圧部の差圧を解消する均圧機能を一つの機構で実現することができる。これにより、新たな装置を必要とせず、従来の膨張機一体型圧縮機を用いた冷凍サイクルでは不可能であった均圧が可能となる。

なお、本実施の形態において、連通路８と開閉手段９として膨張機の上側端板固定部６１と可動部６２を利用したが、容積可変を実現するための可動部と固定部で開閉手段９を構成すれば、上側端板に限定せずに膨張機のどこに連通路８と開閉手段９を設置してもよい。さらに、容積可変機構を有する圧縮機の可動部と固定部で開閉手段９と連通路８を構成すれば、膨張機に限定せずに圧縮機に設置してもよい。

以上で説明したように、本発明は、膨張機一体型圧縮機を有する動力回収型冷凍サイクル装置として、例えば、エアコン、給湯器において有用である。

本発明の第１の実施の形態における冷凍サイクル装置の冷媒回路図 本発明の第１の実施の形態における膨張機一体型圧縮機の縦断面図 第１の実施の形態において、電動モータ５の速度と開閉手段９の開閉タイミングを示す図 四方弁を用いた本発明第１の実施の形態における冷凍サイクル装置の冷媒回路図 本発明第２の実施の形態における冷凍サイクル装置の冷媒回路図 本発明第２の実施の形態における膨張機一体型圧縮機の縦断面図 本発明第３の実施の形態における膨張機一体型圧縮機の縦断面図 （ａ）図７における膨張機の上側端板固定部の斜視図 （ｂ）図７における膨張機の上側端板可動部の斜視図 （ｃ）図７における膨張機の上側端板の斜視図 （ａ１）（ａ２）φ＝２０ｄｅｇにおける図７の膨張機一体型圧縮機の膨張機のＤ１−Ｄ１断面の拡大横断面とＤ２−Ｄ２断面の拡大横断面図 （ｂ１）（ｂ２）φ＝９０ｄｅｇにおける図７の膨張機一体型圧縮機の膨張機のＤ１−Ｄ１断面の拡大横断面とＤ２−Ｄ２断面の拡大横断面図 （ｃ１）（ｃ２）φ＝１８０ｄｅｇにおける図７の膨張機一体型圧縮機の膨張機のＤ１−Ｄ１断面の拡大横断面とＤ２−Ｄ２断面の拡大横断面図 バイパス回路を用いた従来の膨張機一体型圧縮機を用いた冷凍サイクルの図 バイパス回路を用いない従来の膨張機一体型圧縮機を用いた冷凍サイクルの図 膨張機一体型圧縮機を用いた動力回収型冷凍サイクルのモリエル線図

符号の説明

１ 圧縮機
２ ガスクーラ
３ 膨張機
４ 蒸発器
５ 電動モータ
６ シャフト
７ 膨張機一体型圧縮機
８ 連通路
９ 開閉手段
１０ 冷媒回路
１１ 吸入菅
１２ 吐出管
３０ 膨張弁
３１ バイパス回路
３２ シャフト結合部
３４ オイル溜り
６３ 回転電動機
６４ 第１吸入孔
６５ 歯車

Claims (8)

1. 容積式の膨張機と、容積式の圧縮機と、前記膨張機と前記圧縮機とを一軸で連結した電動モータを密閉容器内に収納し、
   前記密閉容器において、前記圧縮機吐出部である高圧部と、前記膨張機吐出部または前記圧縮機吸入部である低圧部とを連通するための連通路を有し、
   前記連通路には開閉可能な開閉手段を設けた膨張機一体型圧縮機。
2. 前記連通路は、前記膨張機内に設けた請求項１に記載の膨張機一体型圧縮機。
3. 前記連通路は、前記圧縮機内に設けた請求項１に記載の膨張機一体型圧縮機。
4. 前記膨張機は、膨張室へ流入する流体の吸入容積を変更可能な容積可変手段を設けた請求項２から３のいずれかに記載の膨張機一体型圧縮機。
5. 前記膨張機は、円筒形のシリンダと、偏心軸を有するシャフトと、前記偏心軸に嵌合し、前記シリンダの内側で偏心回転するピストンと、前記シリンダと前記ピストンの間の空間を、吸入側空間と吐出側空間に仕切る仕切り部材で構成されたロータリ式の流体機構をｎ個（ｎは２以上の整数）備えたロータリ式膨張機であり、前記ロータリ式膨張機のシリンダの端面を閉塞する端板の少なくとも一部が回転可能な可動部とし、前記可動部には前記シリンダへの吸入口と前記連通路を設けた、請求項２に記載の膨張機一体型圧縮機。
6. 前記圧縮機は、圧縮室へ流入する流体の吸入容積を変更可能な容積可変手段を設けた請求項２から請求項３のいずれかに記載の膨張機一体型圧縮機。
7. 請求項１から請求項６のいずれかに記載の前記膨張機一体型圧縮機と、ガスクーラと、蒸発器とを有し、
   前記圧縮機からの吐出冷媒が、前記ガスクーラ、前記膨張機、前記蒸発器の順に循環する冷凍サイクル装置
8. 前記冷凍サイクル装置停止時には、前記電動モータを停止し、前記開閉手段により前記連通路を連通するように設定した請求項１から請求項７のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。

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