JP2008116153A - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】膨張機構と圧縮機構との間の熱移動を低減することが可能な冷凍サイクル装置を提供する。
【解決手段】冷凍サイクル装置１００は、流体機械２０１と、放熱器１０２と、蒸発器１０３とを含む。流体機械２０１は、圧縮機構２と、膨張機構４と、圧縮機構２および膨張機構４を収容する高圧シェル型の密閉容器１と、膨張機構４の膨張室と密閉容器１の内部空間との間に冷媒通過空間７を形成する熱交換構造１０７とを含む。圧縮機構２の吸入冷媒が冷媒通過空間７を通過することにより、その冷媒と、密閉容器１の内部を満たす圧縮機構２の吐出冷媒および／または密閉容器１内に貯留された潤滑用のオイルとが熱交換する。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷凍空調機や給湯機に適用される冷凍サイクル装置に関する。

冷凍サイクル装置を構成する流体機械として、図７に示すように、冷媒を圧縮する圧縮機構４０２と、冷媒が減圧膨張する際の膨張エネルギーを機械エネルギーに変換する膨張機構４０４とを一体化した膨張機一体型圧縮機４００が知られている（特許文献１）。膨張機構４０４で変換された機械エネルギーをシャフト４０５によって圧縮機構４０２に供することにより、冷凍サイクル装置の効率が向上する。

圧縮機構４０２は、冷媒を断熱圧縮するので、圧縮機構４０２を構成する部材は、冷媒の温度上昇とともに温度が上がる。他方、膨張機構４０４は、放熱器にて冷却された冷媒を吸入し、吸入した冷媒を断熱膨張させるので、膨張機構４０４を構成する部材は、冷媒の温度低下とともに温度が下がる。したがって、特許文献１に記載のように、圧縮機構４０２と膨張機構４０４とを単純に一体化すると、圧縮機構４０２の熱が膨張機構４０４に移動し、膨張機構４０４が加熱され、圧縮機構４０２が冷却される。この場合、図８Ａのモリエル線図に矢印を用いて示すように、理論サイクルと比較して、実質サイクルは、圧縮機構４０２から吐出される冷媒のエンタルピーが低下し、放熱器での加熱能力が低下したものとなる。また、膨張機構４０４から吐出される冷媒のエンタルピーが増加し、蒸発器での冷凍能力が低下する。放熱器や蒸発器の能力の低下は、冷凍サイクル装置の効率の低下を意味するので好ましくない。

特に、給湯機の場合は、貯湯水の設定温度まで水を放熱器で加熱する必要があるため、加熱に用いられる圧縮機構からの吐出冷媒の温度は、貯湯水の設定温度より必ず高くなければならない。しかしながら、圧縮機構と膨張機構との間で熱的な短絡が起きると、圧縮機構の吐出冷媒の温度が低下するため、水の加熱が不十分になり、貯湯水の温度も設定温度より低くなる。この熱短絡によって生ずる圧縮機構の吐出冷媒の温度低下を補うために、図８Ｂのモリエル線図の一点鎖線で示す吐出温度制御理論サイクルのように、圧縮機構の吐出冷媒圧力を上昇させる方法がある。すなわち、冷媒をやや過剰に圧縮することによって、吐出冷媒の温度を上昇させる。そうすれば、二点鎖線で示す吐出温度制御実質サイクルのように、熱短絡による加熱能力の低下分を補償することができる。しかしながら、この方法では、圧縮機構が余分な仕事を行うことになるので、電動機の消費電力が増大し、膨張機構で動力回収を行う意義が損なわれる。

こうした課題を解決するため、図９に示すように、密閉容器５０１の内部を蒸発器から圧縮機構５０２に導かれる低圧冷媒で満たし、圧縮機構５０２と膨張機構５０４とを離して配置する構成がある（特許文献２）。

また、図１０に示すように、密閉容器６０１の内部を、低圧側６５２と高圧側６５１に区画して、膨張機構６０２を低圧側６５２に、圧縮機構６０４を高圧側６５１に設けて、低圧側６５２には圧縮機構６０４の吸入冷媒を導き、高圧側６５１には圧縮機構６０４の吐出冷媒を導く構成がある（特許文献３）。

図９に示す構成によれば、膨張機構５０４の周囲が圧縮機構５０２の吸入冷媒で満たされるため、膨張機構５０４と密閉容器５０１の内部の冷媒との熱移動を低減することができる。圧縮機構５０２とその吸入冷媒との間でも熱の移動が起こるが、圧縮機構５０２から熱を受け取った冷媒が圧縮機構５０２で圧縮され、圧縮機構５０２自身を加熱するため、圧縮機構５０２の吐出冷媒の温度は低下しない。よって、膨張機構５０４と圧縮機構５０２との間で起きる熱移動を低減することができる。

しかしながら、密閉容器５０１の内部を低圧の冷媒で満たす構成では、圧縮機構５０２の吐出冷媒が吐出配管５０９から直接に冷凍サイクルへと吐出されてしまう。そのため、密閉容器５０１の内部を圧縮機構５０２の吐出冷媒で満たす構成と比較して、冷凍サイクルへのオイルの吐出量が増加してしまう。吐出されたオイルは、冷媒配管に付着して圧力損失を増加させたり、放熱器や蒸発器の能力を低下させたりする。

一方、図１０に示す構成によれば、圧縮機構６０４の吐出冷媒は、いったん密閉容器６０１の高圧側６５１に開放されて、その後、放熱器に向けて高圧側６５１の吐出配管６０９から吐出される。したがって、密閉容器６０１の内部で圧縮機構６０４の吐出冷媒からオイルが分離され、圧縮機構６０４の吐出冷媒が多量のオイルを伴って冷凍サイクルを循環することはない。

しかしながら、密閉容器６０１の内部を低圧側６５２と高圧側６５１に仕切る構成をとっているため、膨張機構６０２と圧縮機構６０４とを連結するシャフト６０５が仕切部６５０を貫通する必要がある。この場合、シャフト６０５と仕切部６５０とのクリアランスからの冷媒漏れを防止するメカニカルシールが必須となり、摺動損失の増加が懸念される。
特開昭６２−７７５６２号公報 特開２００５−２６４８２９号公報 特開２００６−１０５５６４号公報

こうした事情に鑑み、本発明は、密閉容器の内部に圧縮機構の吐出冷媒を開放して、冷凍サイクルへのオイルの吐出量（循環量）を抑制するとともに、機械損失を増加させることなく膨張機構と圧縮機構との間の熱移動を低減することが可能な冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。

すなわち、本発明は、
冷媒を放熱させる放熱器と、
冷媒を蒸発させる蒸発器と、
放熱器に送るべき冷媒を圧縮する圧縮機構と、放熱器で放熱した冷媒を膨張させて蒸発器に向けて吐出する膨張機構と、圧縮機構および膨張機構を収容するとともに、圧縮機構で圧縮された冷媒が内部に吐出される密閉容器と、圧縮機構の吸入冷媒が流通可能な空間であって、圧縮機構の吐出冷媒および密閉容器の内部に貯留された潤滑用のオイルの少なくとも一方と圧縮機構の吸入冷媒とを熱交換させるための冷媒通過空間を、膨張機構の膨張室と密閉容器の内部空間との間に形成する熱交換構造とを含む流体機械と、
を備えた、冷凍サイクル装置を提供する。

上記本発明の冷凍サイクル装置によれば、密閉容器の内部空間と膨張機構の膨張室との間に形成された冷媒通過空間を圧縮機構の吸入冷媒が流通する。密閉容器の内部には圧縮機構で圧縮された冷媒が吐出されるので、（i）圧縮機構の吐出冷媒および／または密閉容器内に貯留されたオイルから冷媒通過空間を流通する圧縮機構の吸入冷媒へと熱が移動した後で、（ii）その吸入冷媒から膨張室内の冷媒への熱移動が生じることになる。通常、圧縮機構の吸入冷媒の温度は低く、膨張機構を構成する部材の温度に近い。また、圧縮機構の吸入冷媒は常に圧縮機構に向かって流れている。したがって、膨張機構の周囲は安定した低温で維持され、上記（i）の熱移動は比較的活発におこるが、上記（ii）の熱移動は緩やかとなる。この結果、圧縮機構の吐出冷媒から膨張室内の冷媒への熱移動、言い換えれば、圧縮機構と膨張機構との間の熱移動が抑制ないし緩和され、ひいては冷凍サイクル装置の効率が高まる。

さらに、本発明の冷凍サイクル装置で用いられる流体機械は、圧縮機構の吐出冷媒がいったん密閉容器の内部空間に開放されて、その後、密閉容器から放熱器に向けて吐出される、いわゆる高圧シェル型である。したがって、圧縮機構の吐出冷媒からオイルを十分に分離することができる。

また、圧縮機構の吸入冷媒が流通する冷媒通過空間は、密閉容器の内部空間と膨張機構の膨張室との間に形成されていればよく、シャフトから離れて形成されうる。言いかえれば、冷媒通過空間は、当該空間にシャフトが面さないように膨張機構の周囲に形成されうる。密閉容器内を高圧側と低圧側とに仕切る必要性も特にない。これらのことから、密閉容器の内部を高圧側と低圧側とに仕切る従来例（図１０参照）のように、冷媒の漏れを防止するメカニカルシールなどの特別な構造をシャフトの周囲に設ける必要性がなく、機械損失の増大の問題も生じない。

以下、添付の図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態の冷凍サイクル装置の構成図である。図２Ａは、図１に示す冷凍サイクル装置に適用された膨張機一体型圧縮機の縦断面図である。図３Ａは、図２Ａに示す膨張機一体型圧縮機のＢ−Ｂ断面図であり、図３ＢはＡ−Ａ断面図である。

図１に示すように、冷凍サイクル装置１００Ａは、膨張機一体型圧縮機２０１（流体機械）と、放熱器１０２と、蒸発器１０３と、これらを相互に接続して冷媒が循環する主冷媒回路を形成する複数の冷媒配管１０５とを備えている。

商用電源１０４から電力供給を受けて作動する膨張機一体型圧縮機２０１は、冷媒を圧縮する圧縮機構２と、電動機３と、冷媒を膨張させる膨張機構４と、これらの要素を収容する密閉容器１とを含む。圧縮機構２、電動機３および膨張機構４は、シャフト５で連結されており、密閉容器１の内部において上からこの順番で配列している。膨張機構４によって冷媒の膨張エネルギーが回収され、シャフト５を介して圧縮機構２を駆動する電動機３の動力に重畳される。密閉容器１の底部は、圧縮機構２および膨張機構４の各摺動部を潤滑するためのオイルを貯留するオイル貯留部６として利用されている。

膨張機一体型圧縮機２０１は、さらに、圧縮機構２の吸入冷媒が流通可能な冷媒通過空間７（図１中の斜線部）を膨張機構４の膨張室と密閉容器１の内部空間との間に形成する熱交換構造１０７を含む。冷媒通過空間７は、密閉容器１の内部空間および膨張機構４の膨張室とは物理的に区画された空間である。圧縮機構２の吸入冷媒は、冷媒通過空間７において、密閉容器１の内部を満たす高温高圧の冷媒（圧縮機構２の吐出冷媒）および／またはオイル貯留部６に貯留されたオイルと熱交換する。すなわち、熱交換構造１０７は、密閉容器１の内部を満たす冷媒および／またはオイルから膨張機構４の膨張室内の冷媒への熱移動を抑制ないし緩和する。

密閉容器１は、圧縮機構２および膨張機構４の周囲を圧縮機構２の吐出冷媒の圧力に等しい圧力に保持する。すなわち、膨張機一体型圧縮機２０１は、いわゆる高圧シェル型である。圧縮機構２の吐出冷媒は、いったん密閉容器１の内部に開放されて、その後、密閉容器１から放熱器１０２に向けて吐出配管９から吐出される。これにより、密閉容器１の内部で圧縮機構２の吐出冷媒からオイルを十分に分離することができるので、冷凍サイクルに吐出されたオイルが、冷媒配管１０５に付着して圧力損失を増加させたり、放熱器１０２や蒸発器１０３の熱交換性能を低下させたりすることがない。

圧縮機構２は、吸入配管８から冷媒を吸入し、吸入した冷媒を圧縮した後、密閉容器１の内部に冷媒を吐出する。密閉容器１の内部を満たす高温高圧の冷媒は、吐出配管９から吐出されて放熱器１０２へ導かれる。放熱器１０２で加熱対象、例えば空気や水に放熱した冷媒は、吸入配管１０から膨張機構４に吸入される。膨張機構４に吸入された冷媒は、膨張時に仕事を行うことで動力を回収される。膨張機構４で膨張した低温低圧の冷媒は、吐出配管１１から吐出されて蒸発器１０３に導かれる。蒸発器１０３で熱源、例えば空気から吸熱した冷媒は、蒸発器１０３と圧縮機構２との間に設けられた熱交換構造１０７の冷媒通過空間７に吸入配管１２を通じて導かれ、膨張機構４の膨張室の周囲を通過ないし循環した後、吐出配管１３から吐出され再び圧縮機構２の吸入配管８へと戻る。

吸入配管８，１０，１２および吐出配管９，１１，１３は、ぞれぞれ、図１に示す冷媒配管１０５の一部である。

膨張機一体型圧縮機２０１の構成を詳しく説明する。図２Ａに示すごとく、圧縮機構２は、シャフト５、主軸受１５、固定スクロール１６、旋回スクロール１７およびオルダムリングのような自転規制機構１８を含む、いわゆるスクロール型である。シャフト５を支持する主軸受１５は、密閉容器１の内壁に溶接や焼き嵌めなどの方法で固定されている。主軸受１５の上部には、固定スクロール１６がボルト止めされ、この固定スクロール１６と主軸受１５との間に、固定スクロール１６と噛み合う旋回スクロール１７が配置されている。旋回スクロール１７の自転を防止する自転規制機構１８は、旋回スクロール１７と主軸受１５との間に設けられている。シャフト５の上端に設けられた主軸部５ａにて旋回スクロール１７を偏心駆動することにより、旋回スクロール１７が円軌道運動する。

密閉容器１の上部には、電動機３に商用電源１０４からの電力を供給するためのターミナル１４が密閉容器１を貫通する形で配置されている。電動機３は、密閉容器１に固定された固定子１９と、シャフト５に固定された回転子２０とを含み、圧縮機構２と膨張機構４の間に配置されている。

図２Ａ、図３Ａおよび図３Ｂに示すごとく、膨張機構４は、シャフト５、下軸受２５、第１シリンダ２２、中板２３、第２シリンダ２４、上軸受２１、第１ローラ２６、第２ローラ２７、第１ベーン２８、第２ベーン２９、第１バネ３０および第２バネ３１を含む、いわゆる２段ロータリ型の構成になっている。シャフト５は、本実施形態のように、圧縮機構２側の第１部分と、その第１部分に同軸に連結された膨張機構４側の第２部分と含むものであってもよいし、単一の部材からなるものであってもよい。

シャフト５は、上軸受２１および下軸受２５によって回転可能に支持されている。第２シリンダ２４は、上軸受２１の下部に固定されている。第２シリンダ２４には、上軸受２１に接続された吐出配管１１に膨張後の冷媒を導く吐出経路２１ａが面している。第２シリンダ２４の下部には中板２３が固定されており、その中板２３の下部に第１シリンダ２２が固定されている。さらに、第１シリンダ２２の下部に下軸受２５が固定されている。下軸受２５は、第１シリンダ２２への冷媒の吸入経路である吸入孔２５ａと、吸入孔２５ａにつながる凹部２５ｂとを有する。さらに、下軸受２５の下部には、密閉プレート３２が固定されており、下軸受２５の凹部２５ｂとともに膨張機構４の吸入マフラー３３を形成している。また、膨張機構４の吸入マフラー３３には、下軸受２５に接続された吸入配管１０から冷媒が供給される。

第１ローラ２６は、第１シリンダ２２内に配置されており、シャフト５の第１偏心部５ｂに回転可能に嵌合している。第２ローラ２７は、第２シリンダ２４内に配置されており、シャフト５の第２偏心部５ｃに回転可能に嵌合している。第１ベーン２８は、第１シリンダ２２に形成された第１ベーン溝２２ａにスライド可能に配置されている。第２ベーン２９は、第２シリンダ２４に形成された第２ベーン溝２４ａにスライド可能に配置されている。第１バネ３０は、一端が第１シリンダ２２に接触し他端が第１ベーン２８に接触して第１ベーン２８を第１ローラ２６に押し付ける。第２バネ３１は、一端が第２シリンダ２４に接触し他端が第２ベーン２９に接触して第２ベーン２９を第２ローラ２７に押し付ける。

シリンダ２２，２４とローラ２６，２７との間に形成された膨張室３７，３８は、シリンダ２２，２４のベーン溝２２ａ，２４ａに配置されたベーン２８，２９によって２つの部屋に仕切られている。本実施形態では、ロータリ型の中でも特に回転ピストン型と呼ばれる機構を採用しているが、ローラとベーンとが一体化されている揺動ピストン型と呼ばれる機構も好適に採用できる。回転ピストン型や揺動ピストン型の機構は、膨張室（作動室）からの冷媒漏れを防ぐために、ベーンとベーン溝との隙間にオイルを供給する必要がある。本実施形態においては、上記隙間にオイルが供給されるように、シリンダ２２，２４の周囲をオイルで満たしている。

このように、膨張機構４は、シリンダ２２，２４、シリンダ２２，２４内に配置されたローラ２６，２７（ピストン）およびシリンダ２２，２４に形成されたベーン溝２２ａ，２４ａに配置されシリンダ２２，２４とローラ２６，２７との間に形成された膨張室３７，３８を２つの部屋に仕切るベーン２８，２９（仕切部材）を含む、回転ピストン型または揺動ピストン型であり、ベーン溝２２ａ，２４ａにオイルが供給されるようにシリンダ２２，２４の周囲がオイルで満たされている。

また、膨張機構４の膨張室３７，３８を形成する部材である第１シリンダ２２、第２シリンダ２４、上軸受２１および下軸受２５は、冷媒通過空間７を膨張室３７，３８の周囲に形成する熱交換構造１０７に兼用されている。すなわち、熱交換構造１０７が膨張機構４に含まれている。膨張機構４のシリンダ２２，２４や軸受２１，２５を熱交換構造１０７に兼用することにより、部品点数およびコストの増加を防ぐことができる。

より具体的には、シリンダ２２，２４の上下端面を貫くように当該シリンダ２２，２４に設けられた貫通孔２２ｂ，２４ｂによって冷媒通過空間７を構成することができる。図２Ａに示すごとく、本実施形態では、上軸受２１の下面に設けられた環状溝２１ｂと、第２シリンダ２４の上下端面を連通する複数の貫通孔２４ｂと、中板２３の上下端面を連通する複数の貫通孔２３ｂと、第１シリンダ２２の上下端面を連通する複数の貫通孔２２ｂと、下軸受２５の上面に設けられた環状溝２５ｃとから冷媒通過空間７が構成されている。このようにすれば、熱交換構造１０７を含むにも関わらず、膨張機構４の設計を従来品とほとんど変えずに済む。

図３Ａ，図３Ｂに示すごとく、シリンダ２２，２４には、ベーン溝２２ａ，２４ａの形成されている部分を避けるようにして、膨張室３７，３８の周りに概ね等角度間隔で貫通孔２２ｂ，２４ｂが設けられている。このようにすれば、膨張室３７，３８を周方向に取り囲むように冷媒通過空間７が形成され、膨張室３７，３８の周囲の温度分布を均一化できるので、熱移動を緩和する効果を得るのに有利であるとともに、シリンダ２２ａ，２４ａの強度低下の問題も招来しにくい。また、製造容易性の観点から、シリンダ２２，２４をシャフト５の軸方向と平行な方向に貫くように、貫通孔２２ｂ，２４ｂが設けられていることが望ましい。このような貫通孔２２ｂ，２４ｂは、シリンダ２２，２４を製造するための金型によって形成されるものであってもよいし、切削、研削、研磨等の加工によって形成されるものであってもよい。

また、本実施形態では、第１シリンダ２２の下端面を閉塞する下軸受２５と、第２シリンダ２４の上端面を閉塞する上軸受２１も熱交換構造１０７を構成する部材として利用されている。これらの軸受２１，２５に設けられた環状溝２１ｂ，２５ｃが、シリンダ２２，２４に設けられた貫通孔２２ｂ，２４ｂにつらなって冷媒通過空間７を構成している。また、密閉容器１の内外を貫く吸入配管１２が上軸受２１、具体的には上軸受２１に設けられた吸入経路２１ｃに接続され、当該上軸受２１が冷媒通過空間７への冷媒の入口として利用されている。同様に、密閉容器１の内外を貫く吐出配管１３が下軸受２５、具体的には下軸受２５に設けられた吐出経路２５ｄに接続され、当該下軸受２５が冷媒通過空間７からの冷媒の出口として利用されている。

冷媒通過空間７には、上軸受２１に設けた環状溝２１ｂと吸入配管１２とを結ぶ吸入経路２１ｃを経由して、蒸発器１０３から吐出された冷媒が流入する。冷媒通過空間７を流通した冷媒は、下軸受２５に設けた環状溝２５ｃと吐出配管１３とを結ぶ吐出経路２５ｄを経由して、圧縮機構２へ向かって流出する。

なお、シリンダ２２，２４の外周部分に吸入配管１２や吐出配管１３を直接接続する実施形態も考え得るが、シリンダ２２，２４の上下に隣接して配置された軸受２１，２５を冷媒通過空間７の出入り口に利用することで、軸受２１，２５を介した熱移動も抑制できる利点がある。また、軸受２１，２５の環状溝２１ｂ，２５ｃにより、シリンダ２２，２４の複数の貫通孔２２ｂ，２４ｂのそれぞれに均等に冷媒を送り込むことが可能となる。

次に、膨張機一体型圧縮機２０１におけるオイルの作用について説明する。

密閉容器１の底部がオイル貯留部６として利用されているので、膨張機構４の周囲は、オイルで満たされる。膨張機構４の下部にはオイルポンプ３４が設置されており、シャフト５の内部に設けた給油路を経て主軸部５ａ、第１偏心部５ｂおよび第２偏心部５ｃにオイルが供給され、圧縮機構２および膨張機構４を潤滑する。潤滑後のオイルは、冷媒よりも密度が高いため、密閉容器１の内部を重力によって沈降して上軸受２１の切り欠き２１ｄから再びオイル貯留部６に戻る。また、圧縮機構２の吐出冷媒に随伴するオイルも密閉容器１の内部で分離されて、オイル貯留部６に戻る。

次に、膨張機一体型圧縮機２０１の動作について説明する。

ターミナル１４から電力を電動機３へ供給すると、固定子１９と回転子２０の間に回転動力が発生し、シャフト５によって圧縮機構２が駆動される。これにより、固定スクロール１６と旋回スクロール１７との間に形成されている圧縮室３５が外周部から中央部に移動しながら縮小する。この圧縮室３５の容積変化を利用して、密閉容器１の外に通じている吸入配管８および固定スクロール１６の外周部の吸入口１６ａから冷媒が吸入および圧縮される。所定圧力以上になった冷媒は、固定スクロール１６の中央部の吐出口１６ｂからリード弁３６を押し開いて密閉容器１の内部に吐出される。

密閉容器１の内部に吐出された高圧の冷媒は、電動機３の発熱を吸収しながら吐出配管９を経て外部の放熱器１０２（図１参照）に向かう。そして、放熱器１０２で冷却された冷媒は、吸入配管１０を経て膨張機構４に吸入される。

図３Ａ，図３Ｂに示すごとく、膨張機構４には、下軸受２５、第１シリンダ２２、第１ローラ２６および中板２３によって囲まれた空間である第１膨張室３７が形成される。第１膨張室３７は、第１ベーン２８によって吸入側と吐出側との２つの部屋に仕切られている。また、中板２３を挟んで第１膨張室３７の反対側には、中板２３、第２シリンダ２４、第２ローラ２７および上軸受２１によって囲まれた空間である第２膨張室３８が形成される。第２膨張室３８も第２ベーン２９によって吸入側と吐出側との２つの部屋に仕切られている。吸入孔２５ａと連通しない吐出側の第１膨張室３７と、吐出経路２１ａと連通しない吸入側の第２膨張室３８とは、中板２３に設けられた連通孔２３ａで１つにつながっている。連通孔２３ａは、第１膨張室３７側から見れば、第１ベーン２８を挟んで吸入孔２５ａの反対側に位置し、第２膨張室３８側から見れば、第２ベーン２９を挟んで吐出経路２１ａの反対側に位置する。

高圧の冷媒が吸入配管１０に導かれて吸入孔２５ａに流入すると、第１ローラ２６が押されてシャフト５が回転し、その吸入孔２５ａと連通する吸入側の第１膨張室３７の容積が増加する。第１ローラ２６が偏心回転運動して所定の吸入容積まで冷媒が吸入されると、吸入側の第１膨張室３７と吸入孔２５ａとの連通が絶たれ、代わりに吐出側の第１膨張室３７が連通孔２３ａと連通し、連通孔２３ａを介して吐出側の第１膨張室３７と吸入側の第２膨張室３８とが１つにつながる。さらにシャフト５が回転すると、吐出側の第１膨張室３７の容積が減少し、それと同時に、より気筒容積の大きな第２膨張室３８の吸入側の容積が増加し始め、第１膨張室３７から第２膨張室３８へと冷媒が膨張しながら移動する。

さらにシャフト５が回転して第２ローラ２７が偏心回転運動を続けると、第２膨張室３８の冷媒の圧力は、蒸発器１０３を流通する冷媒の圧力（要するに冷凍サイクルの低圧）まで低下する。この後、さらなるシャフト５の回転によって第２膨張室３８の容積が減少して、冷媒が吐出経路２１ａを経て吐出配管１１から蒸発器１０３に向けて吐出される。膨張機構４で断熱膨張してシャフト５に対して仕事をした冷媒は、蒸発器１０３で加熱され、冷媒通過空間７を経由して圧縮機構２の吸入配管８に戻る。

このように、膨張機構４で回収される動力は、シャフト５によって圧縮機構２を駆動する電動機３の動力に重畳され、電動機３への供給電力を低減する。

上記の動作の過程で、圧縮機構２は圧縮過程の冷媒とともに温度上昇し、膨張機構４は膨張過程の冷媒とともに温度低下する。例えば、二酸化炭素を冷媒として用いる給湯機用冷凍サイクル装置では、圧縮後の冷媒の温度が９０℃前後、膨張後の冷媒の温度が５℃前後となる。密閉容器１の内部は、圧縮機構２から吐出される高温の冷媒で充たされるので、温度の高い圧縮機構２を潤滑してオイル貯留部６に戻るオイルの温度は必然的に高くなる。オイル貯留部６に戻ったオイルは、低温の膨張機構４に接触して冷却される。また、密閉容器１の内部を満たす高温の冷媒から膨張機構４を構成する上軸受２１にも熱移動が起こる。

図８Ａ，図８Ｂで説明したように、密閉容器１内のオイルや冷媒を媒介して生ずる上記のような熱移動は、冷凍サイクルの効率を低下させ、膨張機構４を用いて動力回収を行う意義を損なう。

一方、本実施形態の冷凍サイクル装置１００Ａでは、蒸発器１０３から吐出された冷媒が、膨張機構４の周囲に設けられた冷媒通過空間７を経由して圧縮機構２に吸入される。このようにすると、密閉容器１の内部の高温の冷媒やオイルから冷媒通過空間７を流通する圧縮機構２の低温の吸入冷媒へと熱が移動した後で、冷媒通過空間７を流通する圧縮機構２の低温の吸入冷媒から膨張室３７，３８内の冷媒への熱移動が生じる。

蒸発器１０３から吐出された冷媒は、通常、膨張直後の冷媒の温度よりも高い。しかしながら、蒸発器１０３から吐出された冷媒と膨張直後の冷媒との温度差は、圧縮機構２の吐出冷媒と吸入冷媒との温度差に比べて十分に小さい。したがって、密閉容器１の内部を満たす冷媒やオイルから冷媒通過空間７を流通する冷媒へ移動する熱量に比べ、冷媒通過空間７を流通する冷媒から膨張室３７，３８内の冷媒に移動する熱量は十分に小さい。圧縮機構２の吸入冷媒は、常に冷媒通過空間７を流れているため、冷媒通過空間７の冷媒の温度は安定した低温で維持され、冷媒通過空間７を流通する圧縮機構２の吸入冷媒から膨張機構４の膨張室３７，３８内の冷媒への熱移動は起こりにくい。つまり、圧縮機構２から膨張機構４への熱移動が抑制される。

結果的に、図６のモリエル線図に示すように、冷媒通過空間７を流通する冷媒（圧縮機構２の吸入冷媒）のエンタルピーがΔＨ増加するので、圧縮機構２の吐出冷媒のエンタルピーがΔｈ減少したとしても、圧縮機構２の吐出冷媒の温度は目標値を満足する。

冷媒通過空間７を流通する冷媒は、密閉容器１の内部の冷媒やオイルから受熱して温度が高くなるので、これにともなって密度が低くなる。圧縮機構２の吸入冷媒の密度が低くなると、質量流量を維持するために電動機３の回転数を増加させる必要性が生じ、消費電力も増加する。しかしながら、サイクル全体のエネルギー収支は、過圧縮をともなう従来の吐出温度制御サイクル（図８Ｂ参照）に比べ、本実施形態の方が有利でありうる。

また、高圧シェル型の流体機械２０１（膨張機一体型圧縮機２０１）の採用により、オイル分離器などの別の手段を講ずることなく、図９に示す低圧シェル型の流体機械に存在するオイル分離の問題を解決することができる。

さらに、本実施形態によれば、シャフト５が冷媒通過空間７に面していないので（露出していない）、冷媒通過空間７を流通する冷媒がシャフト５の周囲から漏れる問題が本質的に存在しない。そのため、メカニカルシールのようなシール構造をシャフト５の周囲に設ける必要がなく、そのようなシール構造によって機械損失が増加するといった問題も招来しない。

また、本実施形態では、熱交換構造１０７に設けられた冷媒通過空間７の入口と出口との鉛直方向の位置関係が、膨張機構４の膨張室３７，３８の入口と出口との鉛直方向の位置関係と逆になっている。図２Ａに示すように、膨張機構４は、後段の第２シリンダ２４が圧縮機構２に近い側となるように、第１シリンダ２２と第２シリンダ２４の位置関係が定められている。したがって、膨張室３７，３８の入口と出口との鉛直方向の位置関係は、入口（吸入孔２５ａ）が鉛直下方、出口（吐出経路２１ａ）が鉛直上方となる。これに対し、冷媒通過空間７の入口と出口との鉛直方向の位置関係は、上軸受２１に設けられた入口（吸入経路２１ｃ）が鉛直上方、下軸受２５に設けられた出口（吐出経路２５ｄ）が鉛直下方となる。

膨張機構４において、冷媒は、第１シリンダ２２の膨張室３７および第２シリンダ２４の膨張室３８をこの順番で移動しながら膨張するので、第２シリンダ２４は第１シリンダ２２よりも低温となる。したがって、第２シリンダ２４側に冷媒通過空間７の入口を設定し、第１シリンダ２２側に冷媒通過空間７の出口を設定することにより、鉛直方向に関する膨張室３７，３８の温度勾配と、鉛直方向に関する冷媒通過空間７の温度勾配と一致させることができる。これにより、冷媒通過空間７を流通する冷媒から膨張室３７，３８内の冷媒への熱移動をより効果的に抑制することが可能となる。

また、図２Ｂに示すレイアウトも好適に採用することができる。図２Ｂに示す膨張機一体型圧縮機２０２の膨張機構４０は、前段の第１シリンダ２２が圧縮機構２に近い側となるように、第１シリンダ２２と第２シリンダ２４の位置関係が定められている。つまり、図２Ｂの例は、図２Ａの例とシリンダ２２，２４の上下が逆になっている。したがって、上軸受２１に設けられた経路２１ａが膨張室３７への入口となり、下軸受２５に設けられた孔２５ａが膨張室３８からの出口となる。密閉容器１の上部に圧縮機構２、下部に膨張機構４０が配置されている点や、密閉容器１の下部がオイルを貯留するオイル貯留部６として利用されることにより膨張機構４０の周囲がオイルで満たされている点は、図２Ａの例と図２Ｂの例とで共通である。

膨張機構４０の膨張室３８，３９の入口と出口との位置関係が上記のように定められている場合、膨張室３７，３８の温度勾配と、冷媒通過空間７の温度勾配とを一致させるために、下軸受２５に設けられた経路２５ｄを冷媒通過空間７への入口（吸入経路）として利用し、上軸受２１に設けられた経路２１ｃを冷媒通過空間７からの出口（吐出経路）として利用することができる。すなわち、冷媒通過空間７に案内された冷媒が、膨張機構４０の周囲を満たすオイルの液面に接近する方向である鉛直上方向へ向かって流れるように、冷媒通過空間７の入口および出口が設けられる。オイル貯留部６に貯められたオイルは、油面側が高温となる温度勾配を有する。したがって、図２Ｂのレイアウトによれば、膨張機構４０における膨張室３７，３８の温度勾配と、冷媒通過空間７の温度勾配と、オイル貯留部６の温度勾配とが、鉛直方向に関して一致する。このようにすれば、オイル貯留部６のオイルから冷媒通過空間７を流通する冷媒への熱移動も抑制することができるので、膨張機構４０の膨張室３７，３８内の冷媒への熱移動をいっそう抑制することが可能となる。また、冷媒通過空間７には気相の冷媒が流通するので、鉛直上方に向かって通路が形成されていても、冷媒が滞留する恐れがない。

なお、本実施形態では、密閉容器１の上部に圧縮機構２を配置し、下部に膨張機構４を配置するレイアウトを採用しているが、もちろん、この逆であってもよい。

（第２実施形態）
図４は、図１の冷凍サイクル装置１００Ａに好適に採用できる他の例の膨張機一体型圧縮機の縦断面図である。図４に示すように、本実施形態の膨張機一体型圧縮機３０１は、第１実施形態で説明したものと概ね同様の構成である。同一機能部品については同一の符号を適用し、説明を省略する。

本実施形態と先の第１実施形態との相違点は、熱交換構造１０７（図１参照）を構成する部材と、膨張機構４’を構成する部材とが別であり、膨張機構４’に熱交換構造１０７が含まれていない点である。本実施形態では、熱交換構造１０７が膨張機構４’の周囲に巻き付けた配管３９からなり、配管３０の内部が冷媒通過空間７として利用される。本実施形態によれば、膨張機構４’に配管３９を巻き付けているだけなので安価である。このような配管３９として、例えば、熱交換器用の内面溝付き管を好適に用いることができる。

蒸発器１０３から吐出された冷媒は、膨張機構４’の周囲に巻き付けられた配管３９（冷媒通過空間７）を流通した後、圧縮機構２に吸入される。密閉容器１の内部の高温の冷媒やオイルから配管３９を流通する圧縮機構２の低温の吸入冷媒へと一度熱が移動した後で、配管３９を流通する冷媒から膨張機構４’への熱移動が生じる。圧縮機構２の吸入冷媒は、常に配管３９を流れているため、配管３９を流通する冷媒の温度は安定した低温で維持され、配管３９を流通する圧縮機構２の吸入冷媒から膨張室３７，３８内の冷媒への熱移動は起こりにくい。結果として、圧縮機構２から膨張機構４への熱移動が抑制され、該熱移動に基づく効率の低下を食い止めることができる。こうした効果は、第１実施形態で説明した通りである。

本実施形態において、配管３９は、上軸受２１の下面近傍に設けられた吸入配管１２に一端が接続され、下軸受２５の近傍に設けられた吐出配管１３に他端が接続されている。もちろん、吸入配管１２および吐出配管１３が配管３９の一部であってもよい。さらに、配管３９は、膨張機構４’の第２シリンダ２４、中板２３および第１シリンダ２２にこの順番で巻き付けられている。つまり、第１実施形態と同様の効果を得るために、配管３９は、膨張室３７，３８の温度勾配と、配管３９の内部（冷媒通過空間７）の温度勾配とが鉛直方向に関して一致するように、膨張機構４に巻き付けられている。もちろん、図２Ｂで説明した関係を満たすようにしてもよい。

また、軸方向では配管３９同士が接し、径方向ではシリンダ２２，２４と配管３９とが接している。つまり、配管３９は、距離を最大限に稼ぐことができるようにシリンダ２２，２４に密に巻き付けられている。これにより、配管３９の周囲のオイルから配管３９を流通する冷媒への熱移動が十分に行われる。ただし、わずかに残っている隙間からベーン溝２２ａ，２４ａ（図３Ａ，図３Ｂ参照）へオイルが浸入できるようになっている。なお、本実施形態では配管３９を一重巻きとしているが、複数回巻き付けてもよい。また、シリンダの外周面に浅い溝を形成し、その溝に沿って配管３９を配置するようにしてもよい。

また、本実施形態の配管３９は、断面が円形であるが、断面が非円形の配管や配管に準ずる部材を使用してもよい。例えば、内周部と外周部との間に空間（冷媒通過空間７）を有する２重構造の部材を、熱交換構造１０７を構成する部材として、シリンダ２２，２４に嵌め合わせてもよい。つまり、熱交換構造１０７は、膨張機構４’の周囲を覆うジャケットによって構成することができ、配管３９はそのようなジャケットの１つの例にすぎない。

（第３実施形態）
図５は、第３実施形態の冷凍サイクル装置の概略図である。図５に示すように、本実施形態の冷凍サイクル装置１００Ｂは、蒸発器１０３と圧縮機構２を直接接続するバイパス回路を設けた点で、第１実施形態の冷凍サイクル装置１００Ａと相違する。

すなわち、本実施形態の冷凍サイクル装置１００Ｂは、圧縮機構２、放熱器１０２、膨張機構４、蒸発器１０３および熱交換構造１０７をこの順番で接続し、冷媒が循環する主冷媒回路を形成する主配管１０５と、熱交換構造１０７をバイパスして蒸発器１０３と圧縮機構２とを接続するように、主冷媒回路から分岐するバイパス回路を形成する副配管４０と、副配管４０によるバイパス回路上に設けられ、バイパス回路を流れる冷媒の流量を調節するための弁４１とを備えている。

蒸発器１０３から吐出された冷媒は、膨張機構４の膨張室の周囲に設けられた冷媒通過空間７を流通した後、圧縮機構２に吸入される。その一方で、蒸発器１０３から吐出された冷媒の一部は、副配管４０によるバイパス回路を流通して蒸発器１０３から圧縮機構２に直接吸入される。冷媒通過空間７を流通する冷媒量を制御することにより、圧縮機構２の吸入冷媒のエンタルピーを制御できるので、圧縮機構２の吐出冷媒の温度を容易に所望の値とすることができる。また、圧縮機構２の吸入冷媒が冷媒通過空間７において必要以上に加熱されることを防止することができる。すなわち、弁４１の開度を調節してバイパス回路４０を流れる冷媒量を制御することにより、不必要な冷媒加熱を防止することができ、圧縮機構２の効率を最適化することが可能となる。

第１実施形態の冷凍サイクル装置の構成図 図１の冷凍サイクル装置に用いられた膨張機一体型圧縮機の縦断面図 他の好適な膨張機一体型圧縮機の縦断面図 図２Ａに示す膨張機一体型圧縮機のＢ−Ｂ断面図 図２Ａに示す膨張機一体型圧縮機のＡ−Ａ断面図 第２実施形態の膨張機一体型圧縮機の縦断面図 第３実施形態の冷凍サイクル装置の構成図 本発明の効果を説明するモリエル線図 従来の冷凍サイクル装置に用いられた膨張機一体型圧縮機の縦断面図 従来の冷凍サイクル装置の問題点を示すモリエル線図 図８Ａに続くモリエル線図 従来の冷凍サイクル装置に用いられた膨張機一体型圧縮機の縦断面図 従来の冷凍サイクル装置に用いられた他の膨張機一体型圧縮機の縦断面図

符号の説明

１ 密閉容器
２ 圧縮機構
４，４’，４０ 膨張機構
５ シャフト
６ オイル貯留部
７ 冷媒通過空間
１２ 吸入配管
１３ 吐出配管
２１ 上軸受
２１ｂ，２５ｃ 環状溝
２１ｃ 吸入経路，吐出経路
２２ 第１シリンダ
２２ａ 第１ベーン溝
２２ｂ，２４ｂ 貫通孔
２４ 第２シリンダ
２４ａ 第２ベーン溝
２５ 下軸受
２５ｄ 吐出経路，吸入経路
２６ 第１ローラ
２７ 第２ローラ
２８ 第１ベーン
２９ 第２ベーン
３７ 第１膨張室
３８ 第２膨張室
３９ 配管
４０ 副配管
４１ 弁
１００Ａ，１００Ｂ 冷凍サイクル装置
１０２ 放熱器
１０３ 蒸発器
１０５ 主配管
１０７ 熱交換構造
２０１，２０２，３０１ 膨張機一体型圧縮機

Claims (12)

1. 冷媒を放熱させる放熱器と、
   冷媒を蒸発させる蒸発器と、
   前記放熱器に送るべき冷媒を圧縮する圧縮機構と、前記放熱器で放熱した冷媒を膨張させて前記蒸発器に向けて吐出する膨張機構と、前記圧縮機構および前記膨張機構を収容するとともに、前記圧縮機構で圧縮された冷媒が内部に吐出される密閉容器と、前記圧縮機構の吸入冷媒が流通可能な空間であって、前記圧縮機構の吐出冷媒および前記密閉容器の内部に貯留された潤滑用のオイルの少なくとも一方と前記圧縮機構の吸入冷媒とを熱交換させるための冷媒通過空間を、前記膨張機構の膨張室と前記密閉容器の内部空間との間に形成する熱交換構造とを含む流体機械と、
   を備えた、冷凍サイクル装置。
2. 前記熱交換構造が前記膨張機構に含まれている、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記膨張機構の前記膨張室を形成する部材に設けられた貫通孔によって前記冷媒通過空間が構成されている、請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
4. 前記部材がシリンダであり、
   前記膨張機構が前記シリンダの端面を閉塞する閉塞部材をさらに含み、前記閉塞部材に設けられた溝および／または孔が前記シリンダに設けられた前記貫通孔につらなって前記冷媒通過空間を構成するとともに、前記閉塞部材に前記密閉容器の内外を貫く配管が接続され、前記閉塞部材が前記冷媒通過空間の出入り口として利用されている、請求項３に記載の冷凍サイクル装置。
5. 前記熱交換構造が前記膨張機構の周囲に配置されたジャケットによって構成されている、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
6. 前記ジャケットが前記膨張機構の周囲に巻き付けられた配管を含む、請求項５に記載の冷凍サイクル装置。
7. 前記膨張機構は、シリンダ、前記シリンダ内に配置されたピストンおよび前記シリンダに形成された溝に配置され前記シリンダと前記ピストンとの間に形成された前記膨張室を２つの部屋に仕切る仕切部材を含む、回転ピストン型または揺動ピストン型であり、前記溝に前記オイルが供給されるように前記シリンダの周囲が前記オイルで満たされている、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
8. 前記熱交換構造が前記膨張機構に含まれ、前記シリンダの上下端面を貫くように前記シリンダに設けられた貫通孔によって前記冷媒通過空間が構成されている、請求項７に記載の冷凍サイクル装置。
9. 前記熱交換構造が前記膨張機構の周囲に配置されたジャケットによって構成されている、請求項７に記載の冷凍サイクル装置。
10. 前記熱交換構造に設けられた前記冷媒通過空間の入口と出口との鉛直方向の位置関係が、前記膨張機構の前記膨張室の入口と出口との鉛直方向の位置関係と逆になっている、請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
11. 前記密閉容器の上部に前記圧縮機構、下部に前記膨張機構が配置されており、
    前記密閉容器の底部が前記オイルを貯留するオイル貯留部として利用されることにより前記膨張機構の周囲が前記オイルで満たされ、
    前記熱交換構造には、前記冷媒通過空間に案内された冷媒が前記膨張機構の周囲を満たす前記オイルの液面に接近する方向である鉛直上方向へ向かって流れるように、前記冷媒通過空間の前記入口および出口が設けられている、請求項１０に記載の冷凍サイクル装置。
12. 前記圧縮機構、前記放熱器、前記膨張機構、前記蒸発器および前記熱交換構造をこの順番で接続し、冷媒が循環する主冷媒回路を形成する主配管と、
    前記熱交換構造をバイパスして前記蒸発器と前記圧縮機構とを接続するように、前記主冷媒回路から分岐するバイパス回路を形成する副配管と、
    前記バイパス回路上に設けられ、前記バイパス回路を流れる冷媒の流量を調節するための弁とをさらに備えた請求項１ないし請求項１１のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。

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