JP2008075531A - 膨張機を備えた冷媒回路 - Google Patents

Abstract

【課題】 冷媒回路の状態変化により、過膨張現象が発生した際、迅速にこれを抑制できるとともに、膨張室に存在するデッドスペースを減少させて、エネルギ回収効率を向上させた冷媒回路を提供することを目的とする。
【解決手段】 圧縮機２、放熱器３、ケーシング９に膨張室１３と動力回収シャフト１２とを備え前記膨張室１３に流入した作動流体により前記動力回収シャフト１２の回転動力を得る膨張機４、吸熱器６とを順次接続した冷媒回路１において、前記冷媒回路１の低圧側に油分離器５を設けるとともに、同油分離器５と前記膨張機４との間に第一油戻し路７を設け、前記膨張室１３の圧力が前記低圧側より低下した際、前記油分離器５で分離した潤滑油を、前記第一油戻し路７を介して前記膨張室１３にインジェクションする。
【選択図】図１

Description

本発明は、高圧流体の膨張により動力を発生させ、エネルギ回収を行う膨張機を備えた冷媒回路に係わり、より詳細には、エネルギ回収効率低下の原因となる、高圧流体の過膨張現象を防止する構成に関する。

従来の冷凍サイクルは、圧縮機、放熱器、膨張弁、そして吸熱器を順次、接続して構成されている。冷凍サイクルを循環する冷媒は、圧縮機で圧縮されて高温高圧となり、放熱器で冷却された後、膨張弁で断熱膨張し減圧されるようになっている。続いて、吸熱器に流入し、周囲の熱を吸収して加熱された後、前記圧縮機に還流するようになっている。この従来の冷凍サイクルは、図４のモリエル線図上で、Ａ点→Ｂ点→Ｃ点→Ｄ点を辿るサイクルで示されるものであり、従来の膨張弁では、冷媒はＣ点からＤ点への点線で示す等エンタルピー変化で減圧するため、高圧の作動流体が持つエネルギーを有効に利用することができなかった。それに対し、膨張弁の代わりに膨張機を用いた冷凍サイクルでは、従来の冷凍サイクルにおいて、膨張弁で等エンタルピー変化で減圧されていた作動流体は、膨張機で高圧から低圧に断熱膨張で減圧しながら、Ｃ点からＤ’点への実線で示す等エントロピ変化を示し、前記吸熱器で吸熱することができるエネルギー、すなわち、冷凍サイクルの低熱源側から吸熱することができるエネルギーをＤ点→Ａ点からＤ’点→Ａ点に至る分まで増加させることができるので、冷凍サイクルを高効率化できるようになっている。

膨張機は、例えば図８で示すように、円筒状の内部空間を有するシリンダ５９と、このシリンダ５９の内部空間内周面に沿って公転運動を行う偏心ロータ６１とを備え、前記シリンダ５９と前記偏心ロータ６１との間に、上下に摺動運動を行うベーン６３により区画されて膨張室６２が形成されるようになっている。

前記シリンダ５９には、開閉弁６９を備え、高圧流体を前記膨張室６２に導入する流入ポート６４と、高圧流体から膨張し低圧となった流体を外部に導出する流出ポート６５とが前記ベーン６３に相対向するようにが設けられており、また、前記ベーン６３は図示しない押圧手段により押圧されて下端部が常時、前記偏心ロータ６１の外周面に摺接し、膨張側と排出側とを区画するようになっている。また、前記偏心ロータ６１はクランク軸を介して動力回収シャフト６０に接続されており、前記偏心ロータ６１が、前記流入ポート６４から導入された高圧流体の作用により、前記シリンダ５９に対し公転運動を行うと、クランク軸を介して前記動力回収シャフト６０が回転運動を行い、この回転運動は、例えば、発電機等の発電に利用されるようになっている。

前記偏心ロータ６１の公転運動に伴い、前記シリンダ５９の内部空間に形成される膨張室６２は吸入／膨張側であった部分が随時、排出側に、排出側であった部分が随時吸入／膨張側に順に切り換わり、高圧流体の吸入／膨張作用と排出作用とが同時に並行して行われるようになっている。前記偏心ロータ６１の公転運動中に、高圧流体が前記シリンダ５９内に供給される吸入過程の角度範囲と、流体の膨張が行われる膨張過程の角度範囲が予め定められており、膨張比（吸入冷媒と排出冷媒の密度比）が一定となるように設定されている。そして、吸入過程の角度範囲で高圧流体をシリンダに導入する一方、残った膨張過程の角度範囲で流体を定められた膨張比で膨張させ、回転動力を回収するようになっている。一方、膨張機が接続された蒸気圧縮式冷凍サイクルでは、冷却対象の温度変化や放熱対象の温度変化により冷凍サイクルの高圧圧力と低圧圧力が変化するので、その圧力比も変動し、それに伴って膨張機の吸入冷媒と排出冷媒の密度もそれぞれ変動する。

膨張機は、設計膨張比で運転が行われているときに最大限の動力回収効率が得られるようになっており、図９（Ａ）は、理想的な運転条件での膨張室の容積変化と圧力変化との関係を示すグラフである。図９（Ａ）に示すように、高圧流体はａ点からｂ点までの間に膨張室内に供給され、ｂ点から膨張を開始する。ｂ点を過ぎると高圧流体の供給が停止するため、圧力が一旦ｃ点まで急激に下がり、その後は膨張しながらｄ点まで緩やかに圧力が低下する。そして、ｄ点で膨張室のシリンダ容積が最大になった後、排出側になって容積が縮小してｅ点まで排出される。その後、ａ点に戻り、次のサイクルの吸入過程が開始される。この図の状態では、ｄ点の圧力は冷凍サイクルの低圧圧力と一致しており、動力回収の効率のよい運転が行われるようになっている。

膨張機を空調機の冷凍サイクルに用いている場合には、冷房運転と暖房運転の切り換えや外気温度の変化などの運転条件の変動により、冷凍サイクルの膨張比が膨張機の設計膨張比と異なる場合が生じる。運転条件の変化により冷凍サイクルの実際の膨張比が、膨張機の設計膨張比よりも小さくなると、膨張室の圧力が冷凍サイクルの低圧側圧力よりも低くなる状態が生じ、所謂、膨張機の膨張室で過膨張現象が発生することとなる。

図９（Ｂ）は、膨張室で過膨張現象が発生した際の、膨張室の容積変化と圧力変化との関係を示すグラフであり、冷凍サイクルの低圧側圧力が上昇した状態になっている。この場合、流体はａ点からｂ点までの間でシリンダ内に供給された後、膨張機の設計膨張比に従ってｄ点まで圧力が低下する。一方、冷凍サイクルの低圧圧力はｄ点よりも高いｄ’点になっている。したがって、冷媒は、膨張過程の完了後、排出過程においてｄ点からｄ’点まで昇圧された後、ｅ’点になるまで排出され、次のサイクルの吸入過程が開始されることになる。

図９（Ｂ）で示す状態においては、膨張機内では冷媒の排出のために動力の内部消費が行われることになる。つまり、過膨張発生時には、冷媒の膨張エネルギから回収される回収動力は（面積Ｉ）−（面積ＩＩ）分しか得られないことになり、図９（Ａ）で示す運転状態と比較して、回収動力が大幅に減少してしまうことになる。膨張機は、設計膨張比で運転動作が行われているときに最大限の動力回収効率が得られるように設計されており、過膨張現象が発生すると、動力回収効率が大幅に低下してしまうという問題があった。

冷媒の過膨張現象に対応するため、例えば、図８で示すように、前記流出ポート６５と、前記膨張室６２の膨張過程中間位置とを結び、開閉機構６７ａと逆止弁６８とを備えた連絡通路６７を設け、前記開閉機構６７ａが前記流出ポート６４と前記膨張室６２との差圧に応じて開閉するようにした技術が提示されている。前記膨張室６２で過膨張が発生し、同膨張室６２の圧力が前記流出ポート６５の圧力より低くなると、前記開閉機構６７ａが開放され、前記流出ポート６５から前記膨張室６２に冷媒が供給され、同膨張室６２の圧力を冷媒回路の低圧圧力まで回復させて過膨張現象を抑制するようになっている。また、前記流入ポート６４と前記膨張室６２とを開閉機構６６ａを備えた連絡通路６６で結ぶ方法もある。（特許文献１参照、但し付与番号は異なる）
よって、前記逆止弁６８と前記膨張室６２の吐出口までに生じる死容積を極力、小さくするため、前記逆止弁６８を前記膨張室６２の吐出口に近い所に設けてはいるが、前記逆止弁６８と、前記膨張室６２の吐出口との間となる、矢印で示すＡ区間には、前記流入ポート６４からの高圧の冷媒が流入してしまい、流入した冷媒は、前記膨張室６２での動力回収に寄与しないこととなって、その分、動力回効率が低下ししまうという問題があった。
特開２００４−１９０５５９号（７頁、図４）

本発明は、上記問題点に鑑み、エネルギ回収を行う膨張機の膨張室において、冷媒回路の状態変化により、過膨張現象が発生した際、迅速にこれを抑制できるとともに、膨張室に存在するデッドスペースを減少させて、エネルギ回収効率を向上させた冷媒回路を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、圧縮機と、放熱器と、ケーシング内に膨張室と動力回収シャフトとを備え前記膨張室に流入した作動流体により前記動力回収シャフトの回転動力を得る膨張機と、吸熱器とを順次接続した冷媒回路において、前記冷媒回路の低圧側に油分離器を設けるとともに、同油分離器と前記膨張機との間に油戻し路を設け、前記膨張室の圧力が前記低圧側より低下した際、前記油分離器で分離した潤滑油を、前記油戻し路を介して前記膨張室にインジェクションしてなる構成となっている。

また、油分離器が、前記膨張機と、前記吸熱器との間に設けられる構成となっている。

また、圧縮機と、放熱器と、ケーシング内に膨張室と動力回収シャフトとを備え前記膨張室に流入した作動流体により前記動力回収シャフトの回転動力を得る膨張機と、吸熱器とを順次接続した冷媒回路において、前記膨張機の下部に油溜り室を設けるとともに、前記冷媒回路の高圧側に、前記油溜り室との間に油戻し路を連通させた油分離器を設け、同油分離器で分離した潤滑油を前記油溜り室に回収してなる構成となっている。

また、前記油分離器は、前記圧縮機の吐出側に設けられてなる構成となっている。

また、前記油戻し路に、流量調節機構を設けてなる構成となっている。

本発明によると、請求項１に関わる発明は、冷媒回路の低圧側に油分離器を設けるとともに、同油分離器と前記膨張機との間に油戻し路を設け、前記膨張室の圧力が前記低圧側より低下した際、前記油分離器で分離した潤滑油を、前記油戻し路を介して前記膨張室にインジェクションする構成により、膨張室容積を減少させて、迅速に過膨張発生を抑制することができるようになっている。

また、請求項２に関わる発明は、油分離器が、冷媒回路の低圧側である、前記膨張機と、前記吸熱器との間に設けられることにより、膨張室の圧力が、低圧側に位置する油分離器内の圧力より低下した際、圧力差により、自動的に前記膨張室に潤滑油をインジェクションすることができるようになっている。

また、請求項３に関わる発明は、圧縮機と、放熱器と、ケーシング内に膨張室と動力回収シャフトとを備え前記膨張室に流入した作動流体により前記動力回収シャフトの回転動力を得る膨張機と、吸熱器とを順次接続した冷媒回路において、前記膨張機の下部に油溜り室を設けるとともに、前記冷媒回路の高圧側に、前記油溜り室との間に油戻し路を連通させた油分離器を設け、同油分離器で分離した潤滑油を前記油溜り室に回収する構成により、前記膨張室に過膨張が発生した際、前記油溜り室から迅速に膨張室に潤滑油をインジェクションできる一方、油分離器から油溜り室に潤滑油を回収して潤滑油量を一定に保つことができるようになっている。

また、請求項４に関わる発明は、前記油分離器は、前記圧縮機の吐出側に設けられることにより、油分離器で分離した潤滑油を、高圧で迅速に前記膨張機の油溜り室に回収できる構成となっている。

また、請求項５に関わる発明は、前記油戻し路に流量調節機構を設けてなる構成により、油分離器から膨張機の油溜り室に回収する潤滑油量を適切にコントロールすることができるようになっている。

以下、本発明の実施の形態を、添付図面に基づいた実施例として詳細に説明する。

図１は、本発明による第一実施例での冷媒回路であり、図２は、同冷媒回路に備えられた膨張機を示す断面図である。図３は、冷媒の膨張過程を示す断面図であり、図４はモリエル線図である。また、図５は、圧縮機構と膨張機構とが一体となった圧縮膨張機構を示す断面図である。図６は、第二実施例での冷媒回路と、同冷媒回路に備えられた膨張機を示す断面図であり、図７は第二実施例での他の実施例を示す膨張機の断面図である。

本発明による冷媒回路１は、図１（Ａ）で示すように、圧縮機２と、放熱器３と、膨張機４と、油分離器５と、吸熱器６とを順次接続するとともに、前記油分離器５と前記膨張機４とを結ぶ第一油戻し路７と、前記油分離器５と前記圧縮機２の吸込側とを結ぶ第二油戻し路８とで構成されている。同冷媒回路１には、例えば、臨界圧力以上で相変化を行う、自然冷媒としての二酸化炭素冷媒が循環するようになっている。前記圧縮機２はスクロール圧縮機、あるいはロータリー圧縮機で構成され、前記放熱器３と、前記吸熱器６とは、平行して並べられた多数のフィンと、同フィンに直交するように配設された蛇行状のチューブとからなる、所謂クロスフィン型のフィン・アンド・チューブ熱交換器で構成されている。

前記圧縮機２で圧縮され、高温高圧となった二酸化炭素冷媒は、前記放熱器３に流入し、同放熱器３で熱を放出して冷却される。熱を放出して冷却された冷媒は、前記膨張機４に流入し、同膨張機４内で膨張して低温低圧となる。低温低圧となった冷媒は前記油分離器５を経て前記吸熱器６に流入し、同吸熱器６で熱を吸収して加熱された後、前記圧縮機２に還流するようになっている。また、前記膨張機４内で膨張した冷媒は、膨張するエネルギにより同膨張機４に設けられた、後述する動力回収シャフト１２を回転駆動させるようになっている。

前記油分離器５は、流入してくるガス状冷媒と、同ガス状冷媒に粒子状となって含有される潤滑油とを分離するようになっている。分離された潤滑油は、前記第一油戻し路７により前記膨張機４に還流され、また、前記第二油戻し路８により前記圧縮機２に還流されるようになっている。

尚、図１（Ｂ）で示す冷媒回路８０に油分離器８６を設けてもよい。同冷媒回路８０は、後述する膨張機一体型圧縮機８１と、第一四方弁８４と、放熱器８２と、第二四方弁８５と、吸熱器８３とを順次接続して冷媒回路を構成するとともに、前記膨張機一体型圧縮機８１と第二四方弁８５との間に油分離器８６を設けている。また、同油分離器８６よりは、前記膨張機一体型圧縮機８１の膨張機構部に潤滑油を戻す第一油戻し路８７と、圧縮機構部に油を戻す第二油戻し路８８とが設けられている。

前記冷媒回路８０では、前記第一四方弁８４及び第二四方弁８５を切り換えることにより、冷房運転と暖房運転とを行うことが可能となっており、冷房運転の際は、実線の矢印で示す方向に冷媒が流れ、暖房運転の際は破線で示す方向に冷媒が流れるようになっている。前記油分離器８６の機能としては、前記冷媒回路１で説明する油分離器４と、同等である。

本願の第一実施例での膨張機４は、図２（Ａ）の上方からの断面図及び図２（Ｂ）の側断面図で示すように、上面及び下面が閉塞され、円筒状に形成されたケーシング９と、同ケーシング９内の上部に形成された、上壁と下壁と側壁とを有する円環状のシリンダ１０と、同シリンダ１０の内部空間に公転運動自在に設けられた偏心ロータ１１と、同偏心ロータ１１に連結され、前記ケーシング９に回動自在に軸支された動力回収シャフト１２とからなっている。

前記偏心ロータ１１は、前記動力回収シャフト１２に形成されたクランク軸１１ｂの外周縁に嵌着され、前記動力回収シャフト１２に対し偏心して連結されることにより、外周面一端を前記シリンダ１０の内壁面に摺接させながら同シリンダ１０の内部空間を公転運動するようになっている。

また、前記ケーシング９には、外方に突出してベーン収納部１６が形成されている。同ベーン収納部１６内には、先端部を前記偏心ロータ１１の外周面に当接させ、且つ摺接させる前後進退自在に支持されたベーン１７と、同ベーン１７の後部と、前後ベーン収納部１６の内壁との間に設けられ、前記ベーン１７を前記偏心ロータ１１の外周面に押圧する押圧手段としてのスプリング１８とが設けられている。また、開閉弁１４ａを備え、高圧の冷媒を導入する流入ポート１４と、低圧となった冷媒を外部に流出させる流出ポート１５とが前記ケーシング９から突設されており、これら流入ポート１４と流出ポート１５とは、前記ベーン１７に相対向するように配設されている。

前記ベーン１７の一側と、前記偏心ロータ１１の外周面と、前記シリンダ１０の内壁面とで囲まれる空間には膨張室１３が形成されるようになっており、前記流入ポート１４から前記膨張室１３に流入した高圧の冷媒は、その高圧の圧力で前記偏心ロータ１１を反時計廻りに公転駆動させ、これに連結された前記動力回収シャフト１２を回転させるとともに、前記膨張室１３の容積が増大するにつれ、容積が膨張し低圧の冷媒となる。膨張し低圧となった冷媒は前記流出ポート１５から流出するようになっている。

また、前記偏心ロータ１１に連結された前記動力回収シャフト１２は、例えば、その上部を、発電機等に接続されており、前記偏心ロータ１１が、前記シリンダ１０に流入する高圧の冷媒が膨張するエネルギにより公転運動し、これに伴い前記動力回収シャフト１２が回転駆動されると、これに接続された発電機等が発電作用を行い、これにより、冷媒の膨張エネルギが、無駄に廃棄されることなく有効に利用することができるようになっている。

前記動力回収シャフト１２には、中心軸に沿って，逆止弁１２ｂを備えた油通路１２ａが穿設されており、また、前記偏心ロータ１１には、前記油通路１２ａと前記膨張室１３とを連通させる、油インジェクション孔１１ａが水平方向に穿設されている。また、前記ケーシング９の下部には、一端を前記動力回収シャフト１２の油通路１２ａに回動自在に接続し、他端を、前記第一油戻し路７に接続させた、Ｌ字状に折曲された油導入パイプ１９が設けられている。

次に、前記冷媒回路１及び前記膨張機４の動作について説明する。前記膨張機４では、上記したように、前記流入ポート１４から前記シリンダ１０の内部空間に流入した高温高圧の冷媒は、前記膨張室１３で膨張して、前記動力回収シャフト１２を回転駆動させながら低温低圧の冷媒となり、前記流出ポート１５から流出するようになっている。

前記流入ポート１４に備えられた開閉弁１４ａは、前記偏心ロータ１１の公転運動に伴って開閉動作を行うようになっており、例えば、前記動力回収シャフト１２の近傍に、同動力回収シャフト１０の回転角度を検出する，図示しない角度センサを配設し、検出された回転角度を基に前記開閉弁１４ａの開閉動作を行うようになっている。また、前記動力回収シャフト１２にカムを装着し、同カムの動作に伴って前記開閉弁１４ａの開閉動作を行なってもよい。

前記偏心ロータ１１の公転運動中に、前記開閉弁１４ａの開閉動作により高圧冷媒が前記シリンダ１０内に供給される吸入過程の角度範囲と、流体の膨張が行われる膨張過程の角度範囲が予め定められている。図３（Ａ）は、前記開閉弁１４ａが開放され膨張室１３に高圧冷媒が流入する過程を示しており、図３（Ａ）の状態より前記偏心ロータ１１が矢印で示す方向に回動すると、前記開閉弁１４ａが閉鎖され、前記膨張室１３への冷媒の供給が停止されるようになっている。

図３（Ｂ）は、前記膨張室１３に流入した高圧冷媒が、膨張し、前記膨張室１３の容積を増大させて前記偏心ロータ１１を回動させる状態を示しており、冷媒は膨張することにより、徐々に圧力が低下し、低圧の冷媒へと移行するようになっている。

図３（Ｃ）は、冷媒が膨張して前記膨張室１３の容積が最大となった状態を示しており、膨張することにより、所定の圧力まで低下した冷媒は、前記吐出ポート１５から流出していくようになっている。また、この時点で、前記開閉弁１４ａが開放され、前記流入ポート１４から前記シリンダ１０内に高圧の冷媒が、再び導入されるようになっている。

前記圧縮機２では、内部機構を潤滑するために潤滑油溜まりを設けており、冷媒を圧縮する際、潤滑油溜まりの潤滑油が冷媒に混合する現象が生じる。前記圧縮機２で圧縮されて高温高圧となり、また、潤滑油を混合した二酸化炭素冷媒は、前記放熱器３に流入し、熱を放出して冷却される。熱を放出して冷却された冷媒は、前記膨張機４に流入し、同膨張機４内で膨張して、膨張エネルギにより前記動力回収シャフト１２を回転駆動させて低温低圧となり、前記油分離器５に流入する。同油分離器５では、冷媒と、これに混合される潤滑油とを分離するようになっている。潤滑油と分離された冷媒は、続いて前記吸熱器６で熱を吸収した後、前記圧縮機２に還流するようになっている。

前記膨張機４の膨張室１３で過膨張現象が発生し、膨張室１３の圧力が、前記冷媒回路１で低圧側に位置する前記油分離器５内での圧力より低下した場合、前記油分離器５で分離された潤滑油は、前記油分離器５内での圧力が前記膨張室１３より高いことにより前記第一油戻し路７を介して前記膨張機４に送出されるようになっている。前記第一油戻し路７に送出された潤滑油は、図２で示すように、前記油導入パイプ１９を通り、回転する前記動力回収シャフト１２の油通路１２ａ内に吸引されて、同油通路１２ａ内を上昇するようになっている。続いて、潤滑油は前記油インジェクション孔１１ａから前記膨張室１３にインジェクションされるようになっている。これにより、前記膨張室１３の容積を減少させて、同膨張室１３内の圧力を高めることにより、過膨張発生現象を抑制できる一方、上記したデッドスペースの容積分を前記膨張室１３から減少させることにより、効率の良い動力回収運転をすることができるようになっている。また、前記油分離器５で分離された潤滑油の一部は、前記第二油戻し路８を介して前記圧縮機２の潤滑油溜まりに回収されるようになっている。

尚、上記した膨張機４では、前記動力回収シャフト１０が回転駆動されると、これに接続された発電機等が発電作用を行い、これにより、冷媒の膨張エネルギが無駄に廃棄されることなく有効に利用することができるようになっているが、図４で示すように、膨張機構と、圧縮機の圧縮機構とを一体化して膨張エネルギを有効利用することもできる。

図５で示す、膨張機一体型圧縮機１００は、ケーシング１０１の内部に、圧縮機構部１０２と電動機部１０３及び膨張機構部１０４を収納している。上記圧縮機構部１０２は、固定スクロール１１４と、旋回スクロール１１５と、フレーム１１２及び１１３とからなるスクロール圧縮機を構成しており、吸入ポート１１６と吐出ポート１１７とが備えられている。前記電動機部１０３は、ステータ１０８と、ロータ１０９と、主軸１０５とにより構成されており、同主軸１０５は、前記膨張機構部１０４に連結されている。

前記膨張機構部１０４は、シリンダ１０６と、同シリンダ１０６内で公転運動する偏心ロータ１０７とからなり、流入ポート１１と流出ポート１１０とが設けられている。流入ポート１１から流入した冷媒により前記偏心ロータ１０７が回転駆動されると、これに連結された前記主軸１０５の回転力を付勢するようになっている。

このように膨張機一体型圧縮機は、圧縮機と膨張機とを一体化して構成され、前記膨張機構部１０４の回転駆動力が、前記電動機部１０３とともに圧縮機構部１０２を駆動するようになっている。これは、図４のモリエル線図で示す、断熱膨張Ｃ点→Ｄ’点の過程にて回収した動力分だけ、前記圧縮機構部１０２を駆動する前記電動機部１０３のエネルギーを低減することができるようになっており、エネルギ回収効率の向上を図れるようになっている。

次に、第二実施例について説明する。第二実施例での冷媒回路２０は、図６（Ａ）で示すように、圧縮機２１と、油分離器２２と、放熱器２３と、膨張機２４と、吸熱器２５とを順次接続するとともに、前記油分離器２２と前記膨張機２４とを結び、流量調節機構２８を備えた第一油戻し路２６と、前記油分離器２２と前記圧縮機２１の吸込側とを結ぶ第二油戻し路２７とで構成されている。

第二実施例での膨張機２４は、図６（Ｂ）の側断面図で示すように、上面及び下面が閉塞され、円筒状に形成されたケーシング２９と、同ケーシング２９内の上部に形成された膨張機構部３０と、下方に形成された油溜り室３１と、ケーシング２９中央部に、回動自在に軸支された動力回収シャフト３５とからなっている。

前記膨張機構部３０は、上壁と下壁と側壁とを有し、円筒状の内部空間を有するシリンダ３２と、前記動力回収シャフト３５のクランク軸外周縁に嵌着されたリング状の偏心ロータ３３とからなっている。同偏心ロータ３３は外周面一端を前記シリンダ３２の内壁面に摺接させながら同シリンダ３２の内部空間を公転運動するようになっており、これにより膨張室３４が形成されるようになっている。

前記ケーシング２９の下部に形成された油溜り室３１には、潤滑用の油が貯留されており、前記動力回収シャフト３５は、下端部が前記油溜り室３１の油に浸るように下方に向け延出されるとともに、軸芯には、逆止弁３５ｂを備えた油通路３５ａが穿設されている。また、前記偏心ロータ３３には、前記油通路３５ａと、前記シリンダ３２の内部空間とを連通させる油インジェクション孔３３ａが穿設されている。前記動力回収シャフト３５が回転し始めると、その回転力により前記油溜り室３１に貯留された油は前記油通路３５ａに吸い上げられ、前記偏心ロータ３３等の摺動部に供給されるようになっている。また、前記ケーシング２９の下部には、前記第一油戻し路２６に接続される油導入パイプ３６が設けられている。

次に、動作について説明する。前記圧縮機２１で圧縮されて高温高圧となった二酸化炭素冷媒は、前記油分離器２２に流入し、冷媒と、潤滑油とに分離されるようになっている。高温高圧の冷媒は前記放熱器２３に流入し、熱を放出して冷却され、冷却された冷媒は、前記膨張機２４に流入し、同膨張機２４内で膨張して、膨張エネルギにより前記動力回収シャフト３５を回転駆動させて低温低圧となり、続いて前記吸熱器２５で周囲の熱を吸収した後、前記圧縮機２１に還流するようになっている。

前記油分離器２２で分離された潤滑油は、前記第一油戻し路２６を介して前記膨張機２４の油溜り室３１に送出され、これに貯留されるようになっている。この際、前記流量調節機構２８により、送出される潤滑油量を適切に調節されるようになっている。前記油溜り室３１に貯留された潤滑油は、回転する前記動力回収シャフト３５の油通路３５ａに吸引されて上昇するようになっている。続いて、潤滑油は前記油インジェクション孔３３ａから前記膨張室３４にインジェクションされるようになっており、これにより、前記膨張室３４での過膨張発生現象を抑制できる一方、デッドスペースの容積を前記膨張室３４から減少させることにより、効率の良い動力回収運転をすることができるようになっている。また、前記油分離器２２から潤滑油が供給されることにより、前記油溜り室３１は潤滑油不足を招くことなく、常時、適切な潤滑油量を保持できるようになっている。また、前記油分離器２２で分離された潤滑油の一部は、前記第二油戻し路２７を介して前記圧縮機２１の潤滑油溜まりに回収されるようになっている。

次に、第二実施例での他の実施例について説明する。膨張機３７は、図７で示すように、シリンダ３８と偏心ロータ３９とベーン４３とで形成される膨張室４０に圧力センサ４４を設けている。また、流入ポート４１に対向する流出ポート４２に圧力センサ４６を設けており、これら、圧力センサ４４及び圧力センサ４６は、リード線４７により、図示しない制御部に接続されている。

前記油分離器２７は、前記冷媒回路２０で高圧側に配置されているため、前記油分離器２２で分離された潤滑油に圧力が掛かり、前記第一油戻し路２６を介して常時、前記膨張機２４に潤滑油が流れようとする。前記膨張室４０に配置された前記圧力センサ４４の検出値が、前記流出ポート４２に配置された圧力センサ４６の検出値より低くなる、所謂過膨張現象が発生すると、前記流入調節機構２８が、圧力差に応じて開放され、前記膨張機２４に適切な潤滑油量が送出されるようになっている。

本発明による第一実施例での冷媒回路である。 （Ａ）は同冷媒回路に備えられた膨張機を示す上方からの断面図である （Ｂ）は側断面図である。 膨張機での冷媒の膨張過程を示す断面図である。 膨張機での冷凍サイクルを示すモリエル線図である。 圧縮機構と膨張機構とが一体となった圧縮膨張ユニットを示す断面図である。 （Ａ）は第二実施例での冷媒回路である。

（Ｂ）は同冷媒回路に備えられた膨張機を示す側断面図である。
第二実施例での他の実施例を示す膨張機の断面図である。 従来の膨張機の一例を示す断面図である （Ａ）及び（Ｂ）は、膨張室での圧力と容積の変化を示す説明図である。

符号の説明

１ 冷媒回路
２ 圧縮機
３ 放熱器
４ 膨張機
５ 油分離器
６ 吸熱器
７ 第一油戻し路
８ 第二油戻し路
９ ケーシング
１０ シリンダ
１１ 偏心ロータ
１１ａ 油インジェクション孔
１２ 動力回収シャフト
１２ａ 油通路
１３ 膨張室
１４ 流入ポート
１４ａ 開閉弁
１５ 流出ポート
１６ ベーン収納部
１７ ベーン
１８ スプリング
１９ 油導入パイプ
２０ 冷媒回路
２１ 圧縮機
２２ 油分離器
２３ 放熱器
２４ 膨張機
２５ 吸熱器
２６ 第一油戻し路
２７ 第二油戻し路
２８ 流量調節機構
２９ ケーシング
３０ 膨張機構部
３１ 油溜り室
３２ シリンダ
３３ 偏心ロータ
３４ 膨張室
３５ 動力回収シャフト
３５ａ 油通路
３６ 油導入パイプ

Claims (5)

1. 圧縮機と、放熱器と、ケーシング内に膨張室と動力回収シャフトとを備え前記膨張室に流入した作動流体により前記動力回収シャフトの回転動力を得る膨張機と、吸熱器とを順次接続した冷媒回路において、
   前記冷媒回路の低圧側に油分離器を設けるとともに、同油分離器と前記膨張機との間に油戻し路を設け、前記膨張室の圧力が前記低圧側より低下した際、前記油分離器で分離した潤滑油を、前記油戻し路を介して前記膨張室にインジェクションしてなることを特徴とする膨張機を備えた冷媒回路。
2. 前記油分離器が、前記膨張機と、前記吸熱器との間に設けられることを特徴とする請求項１に記載の膨張機を備えた冷媒回路。
3. 圧縮機と、放熱器と、ケーシング内に膨張室と動力回収シャフトとを備え前記膨張室に流入した作動流体により前記動力回収シャフトの回転動力を得る膨張機と、吸熱器とを順次接続した冷媒回路において、
   前記膨張機の下部に油溜り室を設けるとともに、前記冷媒回路の高圧側に、前記油溜り室との間に油戻し路を連通させた油分離器を設け、同油分離器で分離した潤滑油を前記油溜り室に回収してなることを特徴とする膨張機を備えた冷媒回路。
4. 前記油分離器は、前記圧縮機の吐出側に設けられてなることを特徴とする請求項３に記載の膨張機を備えた冷媒回路。
5. 前記油戻し路に、流量調節機構を設けてなることを特徴とする請求項３、または請求項４に記載の膨張機を備えた冷媒回路。

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