JP2008208758A - 容積型膨張機、膨張機一体型圧縮機、および冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】膨張機一体型圧縮機を備えた冷凍サイクル装置等において、密度比一定の制約を回避するとともに、冷媒の膨張エネルギーの回収効率を広い運転範囲にわたって高く維持する。
【解決手段】冷凍サイクル装置９は、圧縮機構１および膨張機構３を有する膨張機一体型圧縮機１０を備えている。圧縮機構１と放熱器２と膨張機構３と蒸発器４とは、主冷媒回路８０を形成している。膨張機構３には、第１インジェクションポート７２と、第２インジェクションポート７６とが形成されている。第２インジェクションポート７６は、第１インジェクションポート７２と異なるタイミングで冷媒をインジェクションさせる。第１インジェクション通路８１は第１インジェクションポート７２に接続され、第２インジェクション通路８２は第２インジェクションポート７６に接続されている。
【選択図】図５

Description

本発明は、容積型膨張機、膨張機一体型圧縮機、および冷凍サイクル装置に関する。

従来から、冷媒（作動流体）の膨張エネルギーを膨張機で回収し、回収エネルギーを圧縮機の入力の一部等として利用する動力回収式の冷凍サイクル装置が提案されている。そのような冷凍サイクル装置として、例えば、膨張機と圧縮機とを回転軸で連結した流体機械（以下、「膨張機一体型圧縮機」という）を備えた冷凍サイクル装置が知られている（例えば、下記特許文献１参照）。

後述するように、膨張機一体型圧縮機を備えた冷凍サイクル装置においては、圧縮機入口側の冷媒の密度と、膨張機入口側の冷媒の密度との比は、常に一定となる。逆に言うと、膨張機一体型圧縮機を備えた冷凍サイクル装置にあっては、上記密度比が常に一定という制約の下で運転が行われる。そのため、高効率の運転が難しいという課題がある。

そこで、膨張機に対してインジェクション通路を設け、冷媒のインジェクション量を調整することにより、密度比一定の制約を回避するようにした冷凍サイクル装置が提案されている（例えば、下記特許文献２参照）。

図１５を参照しながら、上記従来の冷凍サイクル装置について説明する。この冷凍サイクル装置は、主冷媒回路１０８とインジェクション通路１０９とを備えている。主冷媒回路１０８は、圧縮機１０１、ガスクーラ（放熱器）１０２、膨張機１０３および蒸発器１０４から構成されている。圧縮機１０１と膨張機１０３と回転電動機１０６とは、回転軸１０７によって連結されている。インジェクション通路１０９の上流側は、ガスクーラ１０２と膨張機１０３との間に接続され、インジェクション通路１０９の下流側は、膨張機１０３のインジェクションポート１１３に接続されている。インジェクション通路１０９には、開度調整が自在な弁１０５が設けられている。

圧縮機１０１から吐出された冷媒は、ガスクーラ１０２で冷却された後、主冷媒回路１０８を流れる冷媒とインジェクション通路１０９を流れる冷媒とに分流する。分流した一方の冷媒は、吸入ポート１１１を通じて膨張機１０３に吸入され、膨張機１０３内で膨張する。分流した他方の冷媒は、インジェクション通路１０９の弁１０５で減圧されて膨張し、インジェクションポート１１３を通じて膨張機１０３に吸入される。インジェクションポート１１３から吸入された冷媒は、吸入ポート１１１から吸い込まれた冷媒と合流し、膨張機１０３内で膨張した後、吐出ポート１１２から吐出される。吐出された冷媒は、蒸発器１０４で加熱され、圧縮機１０１に戻る。

ここで、インジェクション通路１０９の弁１０５を全閉状態にした場合を仮定し、上述の密度比一定の制約について説明する。

圧縮機１０１の吸入容積をＶｃｓ、膨張機１０３の吸入容積をＶｅｓとし、回転軸１０７の回転数をＮとすると、圧縮機１０１の入口側における冷媒の体積流量と、膨張機１０３の入口側における冷媒の体積流量とは、それぞれ、（Ｖｃｓ×Ｎ）、（Ｖｅｓ×Ｎ）となる。ここで、インジェクション通路１０９を流れる冷媒の質量流量は零であるため、圧縮機１０１における質量流量と膨張機１０３における質量流量とは等しくなる。この質量流量をＧとすると、圧縮機１０１の入口側の冷媒密度と膨張機１０３の入口側の冷媒密度とは、それぞれの体積流量と質量流量の比から、｛Ｇ／（Ｖｃｓ×Ｎ）｝、｛Ｇ／（Ｖｅｓ×Ｎ）｝となる。これらの式より、圧縮機１０１の入口側の冷媒密度と膨張機１０３の入口側の冷媒密度との比は、｛Ｇ／（Ｖｃｓ×Ｎ）｝／｛Ｇ／（Ｖｅｓ×Ｎ）｝、すなわち、（Ｖｅｓ／Ｖｃｓ）となって一定となる。

図１６に冷凍サイクルのモリエル線図を示す。図中、圧縮機１０１における圧縮過程は線ＡＢ、ガスクーラ１０２における放熱過程は線ＢＣ、膨張機１０３における膨張過程は線ＣＤ、蒸発器１０４における蒸発過程は線ＤＡに相当する。圧縮機１０１の入口側の点Ａと、膨張機１０３の入口側の点Ｃにおける冷媒の密度比は、（Ｖｅｓ／Ｖｃｓ）で一定となるので、点Ａでの作動流体の密度をρ_０とすると、点Ｃでの密度ρｃは（Ｖｃｓ／Ｖｅｓ）ρ_０となる。点Ａの密度が一定であると仮定すると、点Ｃの圧力を増加させる場合、点Ｃはρｃ＝（Ｖｃｓ／Ｖｅｓ）ρ_０の線上を点Ｃ’の方向へと変化することになる。すなわち、点Ｃを等温線（Ｔ＝Ｔｃ）に沿って圧力だけ増加させた点Ｃ”に変化させることは不可能となり、冷凍サイクルの自由な制御が阻害される。冷凍サイクルには、ある熱源温度において成績係数（ＣＯＰ）が最大となる最適高圧が存在するため、温度と圧力を自由に制御できないと、効率の良い運転ができなくなる。

上記密度比一定の制約は、圧縮機１０１における質量流量と膨張機１０３における質量流量とが等しく、かつ、体積流量の比が一定であることに起因している。しかし、この制約は、インジェクション通路１０９の弁１０５を開き、冷媒の一部をインジェクション通路１０９に流すことにより、回避することができる。
特開２００１−１１６３７１号公報 国際公開第２００６／００４０４７号パンフレット

ところが、インジェクション通路１０９を備えた冷凍サイクル装置では、インジェクション通路１０９を流れる冷媒は、弁１０５が全開状態でない限り、弁１０５においてある程度膨張してしまう。そのため、膨張エネルギーの一部が回収できないという課題がある。

図１７は、インジェクション通路１０９を備えた冷凍サイクル装置における膨張機のエネルギー回収効率を説明するためのグラフである。図１７のグラフの横軸は季節を表し、縦軸はエネルギーの回収効率を表す。図１７に示すように、インジェクション通路１０９の弁１０５が全閉または全閉に近い状態となる冬期や、全開または全開に近い状態となる夏期のときには、回収効率は高い。一方、弁１０５がある程度絞られる中間期等においては、回収効率が大幅に低下する。

このように、インジェクション通路を備えた従来の冷凍サイクル装置では、回収効率を向上させることのできる運転範囲が狭かった。そのため、広い運転範囲に渡って回収効率を高め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、作動流体の膨張エネルギーを回収する膨張機等において、広い運転範囲に渡って回収効率を向上させることにある。

本発明に係る容積型膨張機は、作動流体を吸入する吸入ポートと、前記吸入ポートから吸入された作動流体を、容積が変化することによって膨張させる作動流体室と、前記作動流体室で膨張した作動流体を吐出する吐出ポートと、それぞれ前記作動流体室につながり、前記作動流体室における作動流体の膨張過程の異なるタイミングで前記作動流体室に作動流体をインジェクションさせる複数のインジェクションポートと、を備えたものである。

前記容積型膨張機は、前記各インジェクションポートからの作動流体の逆流を防止する逆止弁を備えていることが好ましい。

前記容積型膨張機は、第１シリンダと、前記第１シリンダの一端側を閉塞する第１閉塞部材と、前記第１シリンダの他端側を閉塞する第２閉塞部材と、前記第２閉塞部材によって一端側が閉塞された第２シリンダと、前記第２シリンダの他端側を閉塞する第３閉塞部材と、前記第１シリンダ内に配置され、前記第１閉塞部材および前記第２閉塞部材とともに前記第１シリンダ内に第１作動室を区画し、前記第１シリンダ内で偏心回転運動を行う第１ピストンと、前記第２シリンダ内に配置され、前記第２閉塞部材および前記第３閉塞部材とともに前記第２シリンダ内に第２作動室を区画し、前記第２シリンダ内で偏心回転運動を行う第２ピストンと、を備え、前記第２閉塞部材には、前記第１作動室と前記第２作動室とを連通させる連通孔が形成され、前記作動流体室は、前記第１作動室と前記連通孔と前記第２作動室とによって構成され、前記吸入ポートは、前記第１作動室に連通し、前記吐出ポートは、前記第２作動室に連通し、前記各インジェクションポートは、前記第１作動室に連通していてもよい。

前記各インジェクションポートは、前記第１閉塞部材または前記第２閉塞部材に形成され、前記第１作動室に向かって前記第１シリンダの軸方向に沿って開口していてもよい。

本発明に係る膨張機一体型圧縮機は、前記容積型膨張機からなる膨張機構と、作動流体を圧縮する圧縮機構と、前記膨張機構と前記圧縮機構とを連結する回転軸と、を備えたものである。

本発明に係る冷凍サイクル装置は、圧縮機と、放熱器と、前記容積型膨張機と、蒸発器とが順に環状に接続されてなる主冷媒回路と、前記主冷媒回路における前記放熱器と前記容積型膨張機との間の冷媒を前記複数のインジェクションポートの各々に導く複数のインジェクション通路と、前記各インジェクション通路に設けられた開度調整自在な弁と、を備えたものである。

また、本発明に係る他の冷凍サイクル装置は、前記膨張機一体型圧縮機を備えた冷凍サイクル装置であって、前記圧縮機構と、放熱器と、前記膨張機構と、蒸発器とが順に環状に接続されてなる主冷媒回路と、前記主冷媒回路における前記放熱器と前記膨張機構との間の冷媒を前記複数のインジェクションポートの各々に導く複数のインジェクション通路と、前記各インジェクション通路に設けられた開度調整自在な弁と、を備えているものである。

前記弁は、開度調整自在な電磁弁であることが好ましい。

前記複数のインジェクションポートには、第１インジェクションポートと、第２インジェクションポートとが含まれ、前記インジェクション通路には、開度調整自在な第１の弁を有し、前記第１インジェクションポートに接続された第１インジェクション通路と、開度調整自在な第２の弁を有し、前記第２インジェクションポートに接続された第２インジェクション通路とが含まれ、前記第１インジェクション通路と前記第２インジェクション通路とは、互いに並列に配置されていてもよい。

また、前記複数のインジェクションポートには、第１インジェクションポートと、第２インジェクションポートとが含まれ、前記インジェクション通路には、開度調整自在な第１の弁を有し、前記第１インジェクションポートに接続された第１インジェクション通路と、開度調整自在な第２の弁を有し、前記第２インジェクションポートに接続された第２インジェクション通路とが含まれ、前記第１インジェクション通路と前記第２インジェクション通路とは、互いに直列に配置されていてもよい。

前記冷媒は、二酸化炭素であってもよい。

本発明によれば、膨張機における膨張エネルギーの回収効率を、広い運転範囲に渡って向上させることが可能となる。

＜実施形態１＞
図１および図５に示すように、本実施形態は、膨張機一体型圧縮機１０の膨張機構（容積型膨張機）３に第１および第２のインジェクションポート７２，７６を設けるとともに、それら第１および第２のインジェクションポート７２，７６に、互いに並列に配置された第１および第２のインジェクション通路８１，８２をそれぞれ接続したものである。

《膨張機一体型圧縮機の構成》
図１に示すように、本実施形態に係る膨張機一体型圧縮機１０は、密閉容器１１と、密閉容器１１内の上側に配置されたスクロール式の圧縮機構１と、密閉容器１１内の下側に配置されたロータリ式の膨張機構３とを備えている。圧縮機構１と膨張機構３との間には、回転子６ａおよび固定子６ｂを備えた回転電動機６が配置されている。これら圧縮機構１と回転電動機６の回転子６ａと膨張機構３とは、回転軸７によって連結されている。

《圧縮機構の構成》
圧縮機構１は、固定スクロール２１と、旋回スクロール２２と、オルダムリング２３と、軸受部材２４と、マフラー２５とを備えている。密閉容器１１には、吸入管２６と、吐出管２７とが接続されている。旋回スクロール２２は、回転軸７の偏心軸７ａに嵌合されており、オルダムリング２３によって自転運動を拘束されている。旋回スクロール２２には渦巻形状のラップ２２ａが設けられ、固定スクロール２１にも渦巻形状のラップ２１ａが設けられている。これらラップ２２ａとラップ２１ａとは、互いに噛み合うことにより、横断面が三日月形状の作動室２８を形成している。

旋回スクロール２２のラップ２２ａは、固定スクロール２１のラップ２１ａと噛み合いながら、回転軸７の回転に伴って旋回運動を行う。その結果、ラップ２１ａとラップ２２ａとの間に形成される三日月形状の作動室２８は、半径方向の外側から内側に移動しながら容積を縮小することにより、吸入管２６から吸入された冷媒を圧縮する。圧縮された冷媒は、固定スクロール２１の中央部に形成された吐出孔２１ｂ、マフラー２５の内側空間２５ａ、並びに、固定スクロール２１および軸受部材２４を貫通する流路２９をこの順に経由し、密閉容器１１の内部空間１１ａへと吐出される。内部空間１１ａに吐出された冷媒は、内部空間１１ａに滞留する間に、当該冷媒に混入した潤滑用のオイルを重力や遠心力などによって分離した後、吐出管２７から吐出される。

《膨張機構の構成》
膨張機構３は、第１シリンダ４１と、第１シリンダ４１よりも厚みのある第２シリンダ４２と、これらのシリンダ４１，４２を仕切る中板４３とを備えている。第１シリンダ４１と第２シリンダ４２とは、いずれも円筒状に形成されており、互いの中心が一致するように上下に一直線状に配置されている。

膨張機構３は、さらに、円筒状の第１ピストン４４と、第１ベーン４６と、第１ベーン４６を第１ピストン４４側に付勢する第１ばね４８とを備えている。第１ピストン４４の内部には回転軸７の偏心部７ｂが挿入されており、第１ピストン４４は、偏心部７ｂの回転に伴って、第１シリンダ４１の内部で偏心回転運動する。第１シリンダ４１には、半径方向に延びるベーン溝４１ａ（図２参照）が形成されている。第１ベーン４６は、ベーン溝４１ａに往復動自在に保持されている。第１ベーン４６の一方の端部は第１ピストン４４に接し、第１ベーン４６の他方の端部は第１ばね４８と接している。

また、膨張機構３は、円筒状の第２ピストン４５と、第２ベーン４７と、第２ベーン４７を第２ピストン４５側に付勢する第２ばね４９とを備えている。第２ピストン４５の内部には回転軸７の偏心部７ｃが挿入されており、第２ピストン４５は、偏心部７ｃの回転に伴って、第２シリンダ４２の内部で偏心回転運動する。第２シリンダ４２には、半径方向に延びるベーン溝４２ａ（図３参照）が形成されている。第２ベーン４７は、ベーン溝４２ａに往復動自在に保持されている。第２ベーン４７の一方の端部は第２ピストン４５に接し、第２ベーン４７の他方の端部は第２ばね４９と接している。

膨張機構３は、さらに、第１シリンダ４１と中板４３と第２シリンダ４２とを狭持するように配置された上側端板５０および下側端板５１を備えている。上側端板５０および中板４３は、第１シリンダ４１を上下から狭持し、中板４３および下側端板５１は、第２シリンダ４２を上下から狭持している。これら上側端板５０、中板４３および下側端板５１により、第１シリンダ４１および第２シリンダ４２の内部には、それぞれピストン４４，４５の回転に応じて容積が変化する作動室が形成されている。なお、上側端板５０および下側端板５１は、圧縮機構１の軸受部材２４とともに、回転軸７を回転自在に支持する軸受部材としても機能する。膨張機構３も、圧縮機構１と同様に、マフラー５２を備えている。膨張機構３には、吸入管５３と吐出管５８（図１において図示せず。図５参照）とが接続されている。

図２に示すように、第１シリンダ４１の内側かつ第１ピストン４４の外側には、吸入側の作動室５５ａと吐出側の作動室５５ｂとが形成されている。これら作動室５５ａと作動室５５ｂとは、第１ベーン４６によって仕切られている。図３に示すように、第２シリンダ４２の内側かつ第２ピストン４５の外側にも、吸入側の作動室５６ａと吐出側の作動室５６ｂとが形成されている。これらの作動室５６ａと作動室５６ｂとは、第２ベーン４７によって仕切られている。第２シリンダ４２は第１シリンダ４１よりも厚み（すなわち、上下方向の長さ）が大きいので、第２シリンダ４２における２つの作動室５６ａ，５６ｂの合計容積は、第１シリンダ４１における２つの作動室５５ａ，５５ｂの合計容積よりも大きい。第１シリンダ４１の吐出側の作動室５５ｂと、第２シリンダ４２の吸入側の作動室５６ａとは、中板４３に形成された連通孔４３ａを通じて連通している。これら作動室５５ｂと連通孔４３ａと作動室５６ａとは、一つの作動室として機能する。以下、作動室５５ｂと連通孔４３ａと作動室５６ａとで形成される作動室を、膨張室と称する。

図１および図２に示すように、上側端板５０には、半径方向に延びる吸入路９０と、吸入路９０から作動室５５ａに向かって下向きに開口する吸入ポート７１とが形成されている。吸入路９０の外側端には、吸入管５３が接続されている。これにより、吸入管５３から吸い込まれた冷媒は、吸入路９０および吸入ポート７１を通じて、吸入側の作動室５５ａに供給される。

また、図１および図２に示すように、上側端板５０には、半径方向に延びる第１流路７３と、第１流路７３から第１シリンダ４１内の作動室（すなわち、作動室５５ａまたは作動室５５ｂ）に向かって下向きに開口する第１インジェクションポート７２とが形成されている。第１流路７３の外側端には、第１インジェクション配管７４が接続されている。これにより、第１インジェクション配管７４から吸い込まれた冷媒は、第１流路７３および第１インジェクションポート７２を通じて、第１シリンダ４１内の作動室に供給される。

図２に示すように、上側端板５０にはさらに、半径方向に延びる第２流路７７と、第２流路７７から第１シリンダ４１内の作動室（すなわち、作動室５５ａまたは作動室５５ｂ）に向かって下向きに開口する第２インジェクションポート７６とが形成されている。第２流路７７の外側端には、第２インジェクション配管７５が接続されている。これにより、第２インジェクション配管７５から吸い込まれた冷媒は、第２流路７７および第２インジェクションポート７６を通じて、第１シリンダ４１内の作動室に供給される。

第１インジェクションポート７２および第２インジェクションポート７６は、第１ピストン４４の回転に伴って冷媒をインジェクションさせるが、それぞれ異なるタイミングで冷媒をインジェクションさせるように配設されている。本実施形態では、第１インジェクションポート７２と第２インジェクションポート７６とは、回転軸７の中心を基準として、９０度ずれた位置に形成されている。ただし、第１インジェクションポート７２および第２インジェクションポート７６の位置は、本実施形態の各位置に限定される訳ではなく、それらの位置は自由に設定することが可能である。

第１インジェクションポート７２には、第１吸入弁８２ａが配置されている。第１吸入弁８２ａは、上流側（＝第１流路７３側）の圧力が下流側（第１シリンダ４１の作動室側）の圧力よりも高くなると開く差圧弁である。同様に、第２インジェクションポート７６には、第２吸入弁８２ｂが配置されている。第２吸入弁８２ｂも、上流側（＝第２流路７７側）の圧力が下流側（第１シリンダ４１の作動室側）の圧力よりも高くなると開く差圧弁である。なお、第１吸入弁８２ａおよび第２吸入弁８２ｂは、下流側から上流側への冷媒の逆流を防止する逆止弁としても機能する。第１吸入弁８２ａおよび第２吸入弁８２ｂの具体的構成は何ら限定されず、例えば、図４に示すように、金属製の薄板等を好適に用いることができる。ただし、吸入弁８２ａ，８２ｂは必ずしも必要ではない。すなわち、インジェクションポート７２，７６は、第１シリンダ４１の作動室に向かって常時開口していてもよい。

図１および図３に示すように、下側端板５１には、作動室５６ｂに向かって上向きに開口する吐出ポート５１ａが形成されている。第２シリンダ４２内の吐出側の作動室５６ｂは、吐出ポート５１ａを通じて、マフラー５２の内部空間５２ａに連通している。また、第１シリンダ４１および第２シリンダ４２には、これら第１シリンダ４１および第２シリンダ４２を貫通する流路５７が形成されている。流路５７の下流側は、吐出管５８（図５参照）に接続されている。このような構成により、作動室５６ｂ内の膨張後の冷媒は、吐出ポート５１ａを通じて内部空間５２ａにいったん吐出され、流路５７を経由した後、吐出管５８から吐出される。

《冷凍サイクル装置の構成》
図５に示すように、本実施形態に係る冷凍サイクル装置９は、膨張機一体型圧縮機１０とともに、放熱器（ガスクーラ）２と蒸発器４とを備えている。冷凍サイクル装置９は、膨張機一体型圧縮機１０の圧縮機構１と、放熱器２と、膨張機一体型圧縮機１０の膨張機構３と、蒸発器４とが順に環状に接続されてなる主冷媒回路８０を備えている。また、冷凍サイクル装置９は、第１インジェクション通路８１と、第２インジェクション通路８２と、バイパス通路８３とを備えている。

冷凍サイクル装置９には、冷媒として二酸化炭素が充填されている。本実施形態では、冷媒は、冷媒回路の高圧側（具体的には、圧縮機構１から放熱器２を経て膨張機構３に至る部分）において超臨界状態となる。ただし、冷媒の種類は特に限定される訳ではない。

第１インジェクション通路８１は、主冷媒回路８０の冷媒を膨張機構３の第１インジェクションポート７２に供給する通路である。第１インジェクション通路８１の一端は、放熱器２と膨張機構３の吸入ポート７１との間に接続され、他端は膨張機構３の第１インジェクションポート７２に接続されている。なお、本実施形態では、前述の第１インジェクション配管７４および第１流路７３は、第１インジェクション通路８１の一部をなすものとする。第１インジェクション通路８１には、開度調整自在な電磁弁からなる第１流量調整弁９１が設けられている。

第２インジェクション通路８２は、主冷媒回路８０の冷媒を膨張機構３の第２インジェクションポート７６に供給する通路である。第２インジェクション通路８２の一端は、放熱器２と第１インジェクション通路８１の第１流量調整弁９１との間に接続され、他端は膨張機構３の第２インジェクションポート７６に接続されている。なお、本実施形態では、前述の第２インジェクション配管７５および第２流路７７は、第２インジェクション通路８２の一部をなすものとする。第２インジェクション通路８２にも、開度調整自在な電磁弁からなる第２流量調整弁９２が設けられている。

バイパス通路８３は、放熱器２からの冷媒を、膨張機構３を通過させずに蒸発器４に供給する通路である。すなわち、膨張機構３をバイパスさせる通路である。バイパス通路８３の一端は、第１インジェクション通路８１における第１流量調整弁９１の下流側に接続され、他端は主冷媒回路８０における膨張機構３の吐出管５８と蒸発器４との間に接続されている。バイパス通路８３には、開閉自在な弁９３が設けられている。なお、弁９３は、開度調整が自在な弁であってもよく、開度調整ができない弁であってもよい。

《膨張機構の動作》
次に、図６〜図８を参照しながら、膨張機一体型圧縮機１０の膨張機構３の動作を説明する。図６〜図８には、回転軸７の回転角θが４５°ごとのピストン４４，４５の状態が示されている。ここでは、第１シリンダ４１と第１ピストン４４との接点が第１ベーン４６と接触する位置をいわゆる上死点（θ＝０°）とし、回転軸７の回転方向である時計回り方向を回転角θの正の方向として表示する。膨張機構３は、回転軸７が３回転する間に、吸入過程から吐出過程までの１サイクルを行う。このため、図６〜図８では、回転角θを、整数ｎ（ｎ＝０、１、２）を用いて表現している。

−非インジェクション運転−
始めに、インジェクションを行わない運転（＝非インジェクション運転）について説明する。非インジェクション運転においては、第１インジェクション通路８１の第１流量調整弁９１が全閉状態に設定されるとともに、第２インジェクション通路８２の第２流量調整弁９２も全閉状態に設定される。

まず、ピストン４４，４５の１周目（ｎ＝０）のθ＝０°からサイクルが開始され、θ＝２０°（図示せず）で第１シリンダ４１と第１ピストン４４との接点が吸入ポート７１を通過すると、作動室５５ａと吸入ポート７１とが連通して吸入過程が始まる。

その後、ピストン４４，４５の回転に伴って回転角θが大きくなっていき、回転角θの増加に伴って作動室５５ａの容積が増加する。やがて、第１シリンダ４１と第１ピストン４４との接点が２周目（ｎ＝１）開始のθ＝３６０°を過ぎると、作動室５５ａは作動室５５ｂに変化し、かつ、作動室５５ｂは連通孔４３ａを介して第２シリンダ４２の作動室５６ａと連通し、一つの作動室（＝膨張室）を形成する。回転軸７がさらに回転すると、θ＝３８０°（図示せず）において、第１シリンダ４１と第１ピストン４４との接点が吸入ポート７１を通過し、作動室５５ｂと吸入ポート７１との連通が断たれる。この時点で吸入過程が終了し、膨張過程が始まる。

回転軸７がさらに回転すると、作動室５５ｂの容積は減少するが、前述したように第１シリンダ４１よりも第２シリンダ４２の方が厚み（上下方向長さ）が大きいため、作動室５６ａの容積はそれ以上の割合で増加する。その結果、膨張室（＝作動室５５ｂ＋連通孔４３ａ＋作動室５６ａ）の容積は増加していき、冷媒は膨張する。

回転軸７がさらに回転し、θ＝７００°（図示せず）に至ると、第２シリンダ４２と第２ピストン４５との接点が吐出ポート５１ａを通過し、膨張室（詳しくは、作動室５６ａ）が吐出ポート５１ａと連通する。この時点で、膨張過程は終了し、吐出過程が始まる。

３周目（ｎ＝２）の開始のθ＝７２０°において、第１シリンダ４１の作動室５５ｂは消滅し、第２シリンダ４２の作動室５６ａは作動室５６ｂに変化し、さらに、回転軸７が回転するにつれて、作動室５６ｂの容積が減少し、冷媒が吐出ポート５１ａから吐き出される。その後、θ＝１０８０°で作動室５６ｂが消滅し、吐出過程が終了する。

−第１インジェクション運転−
次に、第１インジェクション通路８１から冷媒をインジェクションさせ、第２インジェクション通路８２から冷媒をインジェクションさせない運転（＝第１インジェクション運転）について説明する。この第１インジェクション運転では、第１インジェクション通路８１の第１流量調整弁９１は全閉以外の所定開度に制御され、第２インジェクション通路８２の第２流量調整弁９２は全閉状態に設定される。

第１インジェクション通路８１では、第１流量調整弁９１によって、冷媒はある程度減圧される。そのため、第１インジェクションポート７２の手前側の冷媒の圧力は、吸入管５３内の冷媒の圧力よりも低くなる。

本運転においても、ピストン４４，４５の１周目（ｎ＝０）のθ＝０°からサイクルが開始され、θ＝２０°（図示せず）で第１シリンダ４１と第１ピストン４４との接点が吸入ポート７１を通過すると、作動室５５ａと吸入ポート７１とが連通して吸入過程（以下、第１吸入過程という）が始まる。

その後、ピストン４４，４５の回転に伴って回転角θが大きくなっていき、θ＝１８０°で第１シリンダ４１と第１ピストン４４との接点が第１インジェクションポート７２を通過する。しかし、第１インジェクションポート７２には吸入弁８２ａが設けられているので、作動室５５ａ内の冷媒圧力が第１流路７３内の冷媒圧力以上である限り、第１インジェクションポート７２から作動室５５ａ内に冷媒がインジェクションされることはない。そのため、作動室５５ａには、吸入ポート７１のみから冷媒が流入し続ける。

θの増加に伴って作動室５５ａの容積が増加し、２周目（ｎ＝１）開始のθ＝３６０°を過ぎると、作動室５５ａは作動室５５ｂに変化し、かつ、作動室５５ｂは連通孔４３ａを介して第２シリンダ４２の作動室５６ａと連通し、一つの作動室（膨張室）を形成する。回転軸７がさらに回転すると、θ＝３８０°（図示せず）において、第１シリンダ４１と第１ピストン４４との接点が吸入ポート７１を通過し、作動室５５ｂと吸入ポート７１との連通が断たれる。この時点で第１吸入過程は終了する。

回転軸７がさらに回転すると、膨張室の容積が増加していき、冷媒は膨張する（以下、この膨張過程を第１膨張過程という）。冷媒は膨張することによって、圧力が低下する。膨張室内の冷媒圧力が第１流路７３の冷媒圧力よりも低くなると、第１インジェクションポート７２の吸入弁８２ａが開き、第１インジェクションポート７２から膨張室（詳しくは、作動室５５ｂ）に冷媒が流入する。これにより、第１膨張過程が終了し、再び吸入過程が始まる。以下では、この吸入過程を第２吸入過程という。

回転軸７がさらに回転し、θ＝５４０°に至ると、第１シリンダ４１と第１ピストン４４との接点が第１インジェクションポート７２を通過し、膨張室と第１インジェクションポート７２との連通が断たれる。これにより、第２吸入過程が終了する。

その後、回転軸７の回転に伴って膨張室内の冷媒が膨張する。以下では、この膨張過程を第２膨張過程という。回転軸７がさらに回転し、θ＝７００°（図示せず）に至ると、第２シリンダ４２と第２ピストン４５との接点が吐出ポート５１ａを通過し、膨張室（詳しくは、作動室５６ａ）が吐出ポート５１ａと連通する。この時点で、第２膨張過程は終了する。

第２膨張過程が終了すると、冷媒の吐出過程が開始される。３周目（ｎ＝２）の開始のθ＝７２０°において、第１シリンダ４１の作動室５５ｂは消滅し、第２シリンダ４２の作動室５６ａは作動室５６ｂに変化し、さらに、回転軸７が回転するにつれて、作動室５６ｂの容積が減少し、冷媒が吐出ポート５１ａから吐き出される。そして、θ＝１０８０°で作動室５６ｂが消滅し、吐出過程が終了する。

−第２インジェクション運転−
次に、第２インジェクション通路８２から冷媒をインジェクションさせる運転（＝第２インジェクション運転）について説明する。なお、第２インジェクション運転では、第２インジェクション通路８２とともに第１インジェクション通路８１から冷媒をインジェクションさせることも可能であるが、以下の説明では、第２インジェクション通路８２から冷媒をインジェクションさせ、第１インジェクション通路８１からは冷媒をインジェクションさせないこととする。したがって、この第２インジェクション運転では、第１インジェクション通路８１の第１流量調整弁９１は全閉状態に設定され、第２インジェクション通路８２の第２流量調整弁９２は全閉以外の所定開度に制御される。

第２流量調整弁９２が所定開度に制御されることにより、第２インジェクション通路８２では、第２流量調整弁９２によって冷媒が減圧される。そのため、第２インジェクションポート７６の手前側の冷媒の圧力は、吸入管５３内の冷媒の圧力よりも低くなる。

本運転においても、ピストン４４，４５の１周目（ｎ＝０）のθ＝０°からサイクルが開始され、θ＝２０°（図示せず）で第１シリンダ４１と第１ピストン４４との接点が吸入ポート７１を通過すると、作動室５５ａと吸入ポート７１とが連通して吸入過程（第１吸入過程）が始まる。

その後、ピストン４４、４５の回転に伴って回転角θが大きくなっていき、θ＝２７０°で第１シリンダ４１と第１ピストン４４との接点が第２インジェクションポート７６を通過する。しかし、第２インジェクションポート７６には吸入弁８２ｂが設けられているので、作動室５５ａ内の冷媒圧力が第２流路７７内の冷媒圧力以上である限り、第２インジェクションポート７６から作動室５５ａ内に冷媒がインジェクションされることはない。そのため、作動室５５ａには、吸入ポート７１のみから冷媒が流入し続ける。

θの増加に伴って作動室５５ａの容積は増加し、２周目（ｎ＝１）開始のθ＝３６０°を過ぎると、作動室５５ａは作動室５５ｂに変化し、かつ、作動室５５ｂは連通孔４３ａを介して第２シリンダ４２の作動室５６ａと連通し、一つの作動室（膨張室）を形成する。回転軸７がさらに回転すると、θ＝３８０°（図示せず）において、第１シリンダ４１と第１ピストン４４との接点が吸入ポート７１を通過し、作動室５５ｂと吸入ポート７１との連通が断たれる。この時点で第１吸入過程は終了する。

回転軸７がさらに回転すると、膨張室の容積が増加していき、冷媒は膨張する。冷媒は膨張することによって、圧力が低下する。そして、膨張室内の冷媒圧力が第２流路７７の冷媒圧力よりも低くなると、第２インジェクションポート７６の吸入弁８２ｂが開き、第２インジェクションポート７６から膨張室（詳しくは、作動室５５ｂ）に冷媒が流入する。これにより、第１膨張過程が終了し、第２吸入過程が始まる。

回転軸７がさらに回転し、θ＝６３０°に至ると、第１シリンダ４１と第１ピストン４４との接点が第２インジェクションポート７６を通過し、膨張室と第２インジェクションポート７６との連通が断たれる。これにより、第２吸入過程が終了する。

その後、回転軸７の回転に伴って膨張室内の冷媒が膨張し、第２膨張過程が行われる。回転軸７がさらに回転し、θ＝７００°（図示せず）に至ると、第２シリンダ４２と第２ピストン４５との接点が吐出ポート５１ａを通過し、膨張室（詳しくは、作動室５６ａ）が吐出ポート５１ａと連通する。この時点で、第２膨張過程は終了する。

第２膨張過程が終了すると、冷媒の吐出過程が開始される。３周目（ｎ＝２）の開始のθ＝７２０°において、第１シリンダ４１の作動室５５ｂは消滅し、第２シリンダ４２の作動室５６ａは作動室５６ｂに変化し、さらに、回転軸７が回転するにつれて、作動室５６ｂの容積が減少し、冷媒が吐出ポート５１ａから吐出される。そして、θ＝１０８０°で作動室５６ｂが消滅し、吐出過程が終了する。

−バイパス運転−
バイパス運転は、放熱器２から流れてきた冷媒の一部を、膨張機構３を通過させずにバイパスさせる運転である。バイパス運転では、開閉弁９３が開かれ、冷媒の一部が膨張機構３を通過せずに開閉弁９３を通過し、開閉弁９３で減圧されてから蒸発器４に供給される。

《回転角と各過程との関係》
図９は、各運転における回転軸７の回転角θと各過程との関係を示している。前述したように、非インジェクション運転においては、吸入過程、膨張過程、および吐出過程がこの順に行われる。一方、第１インジェクション運転および第２インジェクション運転においては、第１吸入過程、第１膨張過程、第２吸入過程、第２膨張過程、および吐出過程がこの順に行われる。

各インジェクション運転において、第１膨張過程の終了時点Ｘは、膨張室（詳しくは、作動室５５ｂ）内の冷媒圧力とインジェクション通路８１，８２の各流路７３，７７内の冷媒圧力とが等しくなった時点であり、これは、インジェクション通路８１，８２における冷媒の減圧量に依存する。言い換えると、インジェクション通路８１，８２の流量調整弁９１，９２の開度、すなわち絞り度合いに依存する。そのため、インジェクション通路８１，８２の流量調整弁９１，９２の開度を調整することによって、第１膨張過程の終了時点Ｘを調整することができる。

ところで、インジェクション通路８１，８２の流量調整弁９１，９２を全開状態から徐々に絞っていくと、流量調整弁９１，９２における冷媒の減圧量が徐々に大きくなっていく。その結果、冷媒の減圧量の分だけ、膨張機構３において回収可能なエネルギーが減少していくことになる。したがって、流量調整弁９１，９２の開度が全開状態から小さくなるにつれて、膨張機構３における回収効率は低下していく。一方、流量調整弁９１，９２を絞ると、インジェクション通路８１，８２を流れる冷媒の質量流量、すなわちインジェクション量は減っていく。そのため、流量調整弁９１，９２をある程度以上絞ると、冷媒の減圧量は大きくなるものの、インジェクション通路８１，８２を流れる冷媒の質量流量が小さくなるため、結果として、流量調整弁９１，９２の開度の減少に伴って回収効率は上昇していく。したがって、図１０（ａ）および（ｂ）に模式的に示すように、膨張機構３のエネルギーの回収効率は、インジェクション通路８１，８２の流量調整弁９１，９２が全閉状態から全開状態に向かうにつれて、いったん減少した後、上昇するような傾向を示す。このように、膨張機構３のエネルギー回収効率は、流量調整弁９１，９２が全閉状態または全開状態に近いときに大きく、全閉状態または全開状態から離れるにつれて小さくなる。

仮に、インジェクション通路が第２インジェクション通路８２の一つだけだとすると、図１０（ｂ）に示すように、全開状態から全閉状態までの広い運転範囲Ｗにわたって、流量調整弁９２を制御する必要がある。そのため、例えば中間期等においては、流量調整弁９２をある程度絞った運転を行わざるを得ず、全閉状態と全開状態との間の回収効率の悪い運転条件で運転しなければならなくなる。

ところが、本実施形態に係る冷凍サイクル装置９は、第１インジェクション通路８１および第２インジェクション通路８２を備えており、インジェクション通路が複数設けられている。そのため、運転範囲Ｗを、第１インジェクション運転を行う第１の運転範囲Ｗ１と、第２インジェクション運転を行う第２の運転範囲Ｗ２とに分けることができる。そして、第１運転範囲Ｗ１では、第１流量調整弁９１が全開状態または全閉状態に近い条件で運転することができ、第２運転範囲Ｗ２では、第２流量調整弁９２が全開状態に近い条件で運転することができる。その結果、第１運転範囲Ｗ１および第２運転範囲Ｗ２の双方でエネルギー回収効率の高い運転を行うことができ、広い運転範囲Ｗに渡って回収効率を高く維持することが可能となる。

図１１は、膨張機構３における回転軸７の回転角θと作動室容積との関係を示している。冷媒は、作動室５５ａ、作動室５５ｂ、作動室５６ａ、作動室５６ｂの順に移動するが、その過程で作動室の容積は正弦波曲線状に変化する。なお、図１１では、説明を簡略化するため、連通孔４３ａの存在は無視している。

《本実施形態の効果》
以上のように、本実施形態によれば、膨張機一体型圧縮機１０の膨張機構３は複数のインジェクションポート７２，７６を備えており、これらインジェクションポート７２，７６には、流量調整弁９１，９２を有するインジェクション通路８１，８２がそれぞれ接続されている。そのため、運転条件に応じて、利用するインジェクション通路８１，８２を適宜切り換えることによって、広い運転範囲に渡って膨張機構３のエネルギー回収効率を高く維持することが可能となる。すなわち、上述したように、運転範囲Ｗを複数の運転範囲Ｗ１，Ｗ２に区切り、それぞれの運転範囲Ｗ１，Ｗ２においてエネルギー回収効率を高めることができるので、全運転範囲Ｗに渡ってエネルギー回収効率を高く維持することが可能となる。

また、本実施形態によれば、インジェクションポート７２，７６には、逆流を防止する吸入弁８２ａ，８２ｂがそれぞれ設けられている。そのため、インジェクションポート７２，７６の外側の流路７３，７７（より詳しくは、インジェクション通路８１，８２における流量調整弁９１，９２とインジェクションポート７２，７６との間の各流路）が死容積となることを防止することができ、エネルギーの回収効率の低下を抑制することができる。

本発明に係る容積式膨張機は、シリンダが一つのロータリ式膨張機であってもよいが、本実施形態では、膨張機構３は、第１シリンダ４１および第２シリンダ４２を有するロータリ式膨張機によって構成されており、第１シリンダ４１内の作動室５５ｂと第２シリンダ４２内の作動室５６ａとが連通孔４３ａを通じて連通している。ところで、シリンダが一つしかないロータリ式膨張機では、ピストンがシリンダ内で一回転する間に、冷媒の吸入過程、膨張過程、および吐出過程を行わなければならない。その際、シリンダ内の作動室に対する冷媒の流入速度は、吸入ポートが開いた後、シリンダ内のピストンの回転に従って徐々に増加するが、吸入過程の終了時に瞬間的に零となり、急激に低下する。このため、吸入ポートにおいて急激な圧力変動が生じ、いわゆる脈動が生じやすい。これに対し、本実施形態によれば、冷媒の吸入過程、膨張過程および吐出過程は、第１シリンダ４１、連通孔４３ａおよび第２シリンダ４２の全体で行われる。また、作動室５５ａに対する冷媒の流入速度は、吸入ポート７１が開いてから、ピストン４４の回転に従って徐々に増加した後、徐々に低下し、零となる。そのため、冷媒の流入速度の急激な変化は抑制される。したがって、本実施形態によれば、冷媒の脈動を抑制することができ、運転の安定化または効率の更なる向上を図ることができる。

また、本実施形態によれば、インジェクションポート７２，７６は、いずれも第１シリンダ４１内の作動室（つまり、作動室５５ａまたは５５ｂ）に向かって開口している。そのため、好適なインジェクション運転を行うことができる。ところで、仮に、インジェクションポート７２，７６が吐出過程中の作動室に向かって開口していると、吐出過程の冷媒圧力は冷凍サイクル内の最低圧力となるので、インジェクションポート７２，７６から吐出ポート５１ａに向かって冷媒がバイパスするおそれがある。しかし、本実施形態では、第１シリンダ４１内の作動室では、吸入過程と膨張過程が行われるが、吐出過程は行われない。そのため、インジェクション運転を安定して行うことができる。なお、常に膨張過程にさらされる連通孔４３ａに向かってインジェクションポート７２，７６を開口させてもよい。この場合も、インジェクション運転を安定して行うことができる。

また、本実施形態によれば、インジェクションポート７２，７６は、第１シリンダ４１の軸方向に沿って開口している。そのため、インジェクションポート７２，７６からの冷媒の流入がより円滑になる。

本実施形態では、容積型膨張機である膨張機構３は、膨張機一体型圧縮機１０の一部として構成され、回転軸７を介して圧縮機構１と連結されている。そのため、膨張機構３の回転数と圧縮機構１の回転数とは、常に一定となる。したがって、前述した密度比一定の制約を避けるため、インジェクション通路を設ける必要性が高い。そのため、本実施形態の効果、すなわち、インジェクションを伴う運転時におけるエネルギー回収効率を向上させるという効果が、より顕著に発揮される。

本実施形態では、インジェクション通路８１，８２の流量調整弁９１，９２は、開度調整自在な電磁弁によって構成されている。そのため、好適な流量調整弁を比較的安価に実現することができる。また、流量調整弁９１，９２を容易に制御することができ、インジェクション運転の制御を容易かつ正確に行うことが可能となる。

図５に示すように、本実施形態によれば、第１インジェクション通路８１と第２インジェクション通路８２とは、互いに並列に配置されている。そのため、各インジェクション通路８１，８２を個別に利用することができ、一方のインジェクション通路に異常が生じた場合には、他方のインジェクション通路を利用することによって、インジェクション運転を実行することができる。例えば、第１インジェクション通路８１の流量調整弁９１に異常が生じたとしても、第２インジェクション通路８２の流量調整弁９２の制御範囲を広げることにより、エネルギー回収効率は低下するものの、全運転範囲Ｗに渡ってインジェクション運転を行うことが可能となる。

本実施形態では、冷媒として二酸化炭素を用いている。冷媒として二酸化炭素を用いると、冷凍サイクルにおける高圧側圧力と低圧側圧力との差が大きくなる。そのため、膨張機構３における動力回収の効果がより顕著となる。

＜実施形態２＞
図１２に示すように、実施形態２は、第１インジェクション通路８１と第２インジェクション通路８２とが互いに直列に配置されているものである。

具体的には、実施形態２では、第１インジェクション通路８１の上流端は、主冷媒回路８０における放熱器２と膨張機構３の吸入ポート７１との間に接続され、第１インジェクション通路８１の下流端は、膨張機構３の第１インジェクションポート７２に接続されている。第２インジェクション通路８２の上流端は、第１インジェクション通路８１における第１流量調整弁９１の下流側に接続され、第２インジェクション通路８２の下流端は、膨張機構３の第２インジェクションポート７６に接続されている。バイパス通路８３の上流側は、第２インジェクション通路８２の第２流量調整弁９２の下流側に接続され、バイパス通路８３の下流側は、主冷媒回路８０における膨張機構３と蒸発器４との間に接続されている。

その他の構成は実施形態１と同様であるので、説明を省略する。

本実施形態においても、膨張機構３へのインジェクションを行わない非インジェクション運転と、第１インジェクションポート７２から冷媒をインジェクションさせる第１インジェクション運転と、第２インジェクションポート７６から冷媒をインジェクションさせる第２インジェクション運転とを実行可能である。また、バイパス運転も可能である。

本実施形態では、非インジェクション運転の際には、第１流量調整弁９１が全閉状態に設定される。第１インジェクション運転の際には、第１流量調整弁９１は全閉以外の所定開度に制御され、第２流量調整弁９２は全閉状態に設定される。第２インジェクション運転の際には、第１流量調整弁９１は開状態（なお、必ずしも全開状態とは限らない）に設定され、第２流量調整弁９２は全閉以外の所定開度に制御される。バイパス運転の際には、第１流量調整弁９１および第２流量調整弁９２の両方が開状態に設定されるとともに、開閉弁９３が開状態に設定される。

本実施形態においても、実施形態１と同様の理由により、広い運転範囲に渡って膨張機構３のエネルギー回収効率を高く維持することが可能となる。

また、本実施形態では、第１インジェクション通路８１と第２インジェクション通路８２とは、互いに直列に配置されている。そのため、第２インジェクションポート７６に供給される冷媒を、第１流量調整弁９１でいったん減圧した後、第２流量調整弁９２で再度減圧することができる。したがって、第２流量調整弁９２に必要とされる減圧量を抑えることができる。よって、第２流量調整弁９２の小型化を図ることができる。

＜実施形態３＞
前記実施形態では、本発明に係る容積型膨張機が膨張機一体型圧縮機１０の膨張機構３を構成するものであったが、本発明に係る容積型膨張機は、膨張機一体型圧縮機１０に組み込まれたものに限定されない。本発明に係る容積型膨張機は、単体で用いられるものであってもよい。

図１３に示すように、実施形態３に係る冷凍サイクル装置９は、分離型の膨張機６３を用いた動力回収式の冷凍サイクル装置である。この冷凍サイクル装置９は、実施形態１に係る冷凍サイクル装置９とほぼ同様の構成を有するが、膨張機一体型圧縮機１０に代えて、互いに分離された圧縮機６１と膨張機６３、回転軸７ｄを介して圧縮機６１に接続された回転電動機６６、および、回転軸７ｅを介して膨張機６３に接続された発電機６７を備えている。なお、実施形態１と同様の部分には同様の符号を付し、その説明は省略する。

膨張機６３には、容積が変わることによって冷媒の吸入、膨張、吐出を行う作動室（図示せず）と、吸入ポート７１と、吐出ポート５１ａと、第１インジェクションポート７２と、第１インジェクションポート７２と異なるタイミングで冷媒をインジェクションする第２インジェクションポート７６とが形成されている。

冷凍サイクル装置９は、圧縮機６１、放熱器２、膨張機６３、および蒸発器４をこの順に環状に接続してなる主冷媒回路８０を備えている。第１インジェクション通路８１の上流端は放熱器２と膨張機６３の吸入ポート７１との間に接続され、その下流端は膨張機６３の第１インジェクションポート７２に接続されている。第１インジェクション通路８１には、実施形態１と同様の第１流量調整弁９１が設けられている。第２インジェクション通路８２の上流端は、第１インジェクション通路８１の第１流量調整弁９１の上流側に接続され、第２インジェクション通路８２の下流端は、膨張機６３の第２インジェクションポート７６に接続されている。

圧縮機６１は回転電動機６６により駆動され、膨張機６３では冷媒の膨張エネルギーが発電機６７によって電気エネルギーに変換される。この電気エネルギーは、回転電動機６６の入力の一部に利用される。

図１４は、一般的な発電機６７の効率曲線を示している。発電機６７は、所定の定格回転数Ｎｒで発電効率が最も高くなるように設計されているため、回転数が定格回転数Ｎｒから離れるほど発電効率が低下する。このため、発電機６７の回転数は、できるだけ定格回転数Ｎｒの近傍とすることが望ましい。

しかし、冷凍サイクルでは、冷媒の循環量や密度が変化するため、インジェクションポートのない膨張機では、定格回転数Ｎｒの近傍だけで運転することが困難である。ところが、本実施形態では、膨張機６３にはインジェクションポート７２，７６が設けられている。そのため、インジェクション運転を行うことによって、発電機６７の回転数を定格回転数Ｎｒに近い値にすることができ、発電効率を向上させることができる。その上、本実施形態によれば、前述したようにインジェクション運転の幅広い運転範囲において、エネルギー回収効率を高めることができる。したがって、発電効率をより一層向上させることが可能となる。

《その他の変形例》
前記各実施形態では、インジェクションポート７２，７６は上側端板５０に形成され、作動室５５ａまたは５５ｂに向かって第１シリンダ４１の軸方向に沿って開口していた。しかし、インジェクションポート７２，７６は上側端板５０以外の部分に形成されていてもよい。また、インジェクションポート７２，７６の開口方向は、第１シリンダ４１の軸方向と平行な方向でなくてもよい。例えば、第１流路７３および第１インジェクションポート７２が第１シリンダ４１に形成され、第１インジェクションポート７２が第１シリンダ４１の内周面において半径方向内向きに開口していてもよい。また、第２流路７７および第２インジェクションポート７６が第１シリンダ４１に形成され、第２インジェクションポート７６が第１シリンダ４１の内周面において半径方向内向きに開口していてもよい。

なお、本発明に係る容積式膨張機は、前記実施形態のようなロータリ式の膨張機に限定される訳ではない。

前記実施形態に係る冷凍サイクル装置９は、冷媒が一方向にのみ流通する装置であったが、本発明に係る冷凍サイクル装置は、冷媒の流通方向が変更可能な装置であってもよい。すなわち、本発明に係る冷凍サイクル装置は、いわゆる可逆運転、例えば冷房運転および暖房運転等が可能な冷凍サイクル装置であってよい。

前記実施形態では、容積式膨張機のインジェクションポートの個数は２個であり、冷凍サイクル装置のインジェクション通路の本数は２本であった。しかし、インジェクションポートは３個以上であってもよく、インジェクション通路は３本以上であってもよい。

前記実施形態では、インジェクションポート７２，７６は第１シリンダ４１内の作動室に向かって開口していたが、複数のインジェクションポートのうちの少なくとも一つが、第２シリンダ４２内の作動室に向かって開口していてもよい。

以上のように、本発明は、容積型膨張機、膨張機一体型圧縮機、および冷凍サイクル装置について有用である。

実施形態に係る膨張機一体型圧縮機の縦断面図 図１のII−II線断面図 図１のIII−III線断面図 吸入弁の構成図 実施形態１に係る冷凍サイクル装置の冷媒回路図 （ａ）〜（ｃ）は膨張機一体型圧縮機の膨張機構の動作原理を示す図 （ａ）〜（ｃ）は膨張機一体型圧縮機の膨張機構の動作原理を示す図 （ａ）〜（ｂ）は膨張機一体型圧縮機の膨張機構の動作原理を示す図 膨張機一体型圧縮機の膨張機構における回転軸の回転角と作動室の各行程との関係を示す図 （ａ）〜（ｃ）はエネルギー回収効率の特性曲線図 膨張機一体型圧縮機の膨張機構における回転軸の回転角と作動室容積との関係を示す図 実施形態２に係る冷凍サイクル装置の冷媒回路図 実施形態３に係る冷凍サイクル装置の冷媒回路図 発電機の回転数と効率との関係を示す図 従来の冷凍サイクル装置の冷媒回路図 冷凍サイクルのモリエル線図 従来の冷凍サイクル装置におけるエネルギー回収効率の特性曲線図

符号の説明

１ 圧縮機構（圧縮機）
２ 放熱器
３ 膨張機構（容積型膨張機）
４ 蒸発器
７ 回転軸
９ 冷凍サイクル装置
１０ 膨張機一体型圧縮機
４１ 第１シリンダ
４２ 第２シリンダ
４３ 中板（第２閉塞部材）
４３ａ 連通孔
４４ 第１ピストン
４５ 第２ピストン
５０ 上側端板（第１閉塞部材）
５１ 下側端板（第３閉塞部材）
５１ａ 吐出ポート
５５ａ，５５ｂ，５６ａ，５６ｂ 作動室（作動流体室）
７１ 吸入ポート
７２ 第１インジェクションポート
７６ 第２インジェクションポート
８０ 主冷媒回路
８１ 第１インジェクション通路
８２ 第２インジェクション通路
８２ａ 第１吸入弁（逆止弁）
８２ｂ 第２吸入弁（逆止弁）
９１ 第１流量調整弁（開度調整自在な弁）
９２ 第２流量調整弁（開度調整自在な弁）

Claims (11)

1. 作動流体を吸入する吸入ポートと、
   前記吸入ポートから吸入された作動流体を、容積が変化することによって膨張させる作動流体室と、
   前記作動流体室で膨張した作動流体を吐出する吐出ポートと、
   それぞれ前記作動流体室につながり、前記作動流体室における作動流体の膨張過程の異なるタイミングで前記作動流体室に作動流体をインジェクションさせる複数のインジェクションポートと、
   を備えた容積型膨張機。
2. 請求項１に記載の容積型膨張機において、
   前記各インジェクションポートからの作動流体の逆流を防止する逆止弁を備えている容積型膨張機。
3. 請求項１に記載の容積型膨張機において、
   第１シリンダと、
   前記第１シリンダの一端側を閉塞する第１閉塞部材と、
   前記第１シリンダの他端側を閉塞する第２閉塞部材と、
   前記第２閉塞部材によって一端側が閉塞された第２シリンダと、
   前記第２シリンダの他端側を閉塞する第３閉塞部材と、
   前記第１シリンダ内に配置され、前記第１閉塞部材および前記第２閉塞部材とともに前記第１シリンダ内に第１作動室を区画し、前記第１シリンダ内で偏心回転運動を行う第１ピストンと、
   前記第２シリンダ内に配置され、前記第２閉塞部材および前記第３閉塞部材とともに前記第２シリンダ内に第２作動室を区画し、前記第２シリンダ内で偏心回転運動を行う第２ピストンと、を備え、
   前記第２閉塞部材には、前記第１作動室と前記第２作動室とを連通させる連通孔が形成され、
   前記作動流体室は、前記第１作動室と前記連通孔と前記第２作動室とによって構成され、
   前記吸入ポートは、前記第１作動室に連通し、
   前記吐出ポートは、前記第２作動室に連通し、
   前記各インジェクションポートは、前記第１作動室に連通している容積型膨張機。
4. 請求項３に記載の容積型膨張機において、
   前記各インジェクションポートは、前記第１閉塞部材または前記第２閉塞部材に形成され、前記第１作動室に向かって前記第１シリンダの軸方向に沿って開口している容積型膨張機。
5. 請求項１〜４のいずれか一つに記載の容積型膨張機からなる膨張機構と、
   作動流体を圧縮する圧縮機構と、
   前記膨張機構と前記圧縮機構とを連結する回転軸と、
   を備えた膨張機一体型圧縮機。
6. 圧縮機と、放熱器と、請求項１〜４のいずれか一つに記載の容積型膨張機と、蒸発器とが順に環状に接続されてなる主冷媒回路と、
   前記主冷媒回路における前記放熱器と前記容積型膨張機との間の冷媒を前記複数のインジェクションポートの各々に導く複数のインジェクション通路と、
   前記各インジェクション通路に設けられた開度調整自在な弁と、
   を備えた冷凍サイクル装置。
7. 請求項５に記載の膨張機一体型圧縮機を備えた冷凍サイクル装置であって、
   前記圧縮機構と、放熱器と、前記膨張機構と、蒸発器とが順に環状に接続されてなる主冷媒回路と、
   前記主冷媒回路における前記放熱器と前記膨張機構との間の冷媒を前記複数のインジェクションポートの各々に導く複数のインジェクション通路と、
   前記各インジェクション通路に設けられた開度調整自在な弁と、
   を備えている冷凍サイクル装置。
8. 請求項６または７に記載の冷凍サイクル装置において、
   前記弁は、開度調整自在な電磁弁である冷凍サイクル装置。
9. 請求項６〜８のいずれか一つに記載の冷凍サイクル装置において、
   前記複数のインジェクションポートには、第１インジェクションポートと、第２インジェクションポートとが含まれ、
   前記インジェクション通路には、
   開度調整自在な第１の弁を有し、前記第１インジェクションポートに接続された第１インジェクション通路と、
   開度調整自在な第２の弁を有し、前記第２インジェクションポートに接続された第２インジェクション通路とが含まれ、
   前記第１インジェクション通路と前記第２インジェクション通路とは、互いに並列に配置されている冷凍サイクル装置。
10. 請求項６〜８のいずれか一つに記載の冷凍サイクル装置において、
    前記複数のインジェクションポートには、第１インジェクションポートと、第２インジェクションポートとが含まれ、
    前記インジェクション通路には、
    開度調整自在な第１の弁を有し、前記第１インジェクションポートに接続された第１インジェクション通路と、
    開度調整自在な第２の弁を有し、前記第２インジェクションポートに接続された第２インジェクション通路とが含まれ、
    前記第１インジェクション通路と前記第２インジェクション通路とは、互いに直列に配置されている冷凍サイクル装置。
11. 請求項６〜１０のいずれか一つに記載の冷凍サイクル装置において、
    前記冷媒は、二酸化炭素である冷凍サイクル装置。
    

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