JP2009085189A - Displacement type expander, expander-integrated compressor, and refrigeration cycle equipment - Google Patents
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Abstract
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。 The present invention relates to a positive displacement expander, an expander-integrated compressor, and a refrigeration cycle apparatus.
以前より、膨張機で回収した作動流体の膨張エネルギーを、圧縮機での作動流体の圧縮に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、膨張機と圧縮機とを回転軸で連結した膨張機一体型圧縮機を用いた冷凍サイクル装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。 There has been proposed a power recovery type refrigeration cycle apparatus that utilizes expansion energy of a working fluid recovered by an expander to compress the working fluid by a compressor. As such a refrigeration cycle apparatus, a refrigeration cycle apparatus using an expander-integrated compressor in which an expander and a compressor are connected by a rotating shaft is known (for example, see Patent Document 1).
一般に、膨張機一体型圧縮機を用いた冷凍サイクル装置は、圧縮機と、放熱器と、膨張機と、蒸発器とを順次接続する冷媒回路を備えている。回転軸により連結された圧縮機と膨張機との間には、回転軸を回転駆動する電動機が設けられている。 In general, a refrigeration cycle apparatus using an expander-integrated compressor includes a refrigerant circuit that sequentially connects a compressor, a radiator, an expander, and an evaporator. An electric motor that rotationally drives the rotary shaft is provided between the compressor and the expander connected by the rotary shaft.
冷凍サイクル装置を循環する作動流体は、圧縮機において圧縮されることにより、中温低圧状態から高温高圧状態へと変化した後、放熱器において中温高圧状態へと冷却される。そして、膨張機において膨張することにより、低温低圧状態へと変化した後、蒸発器で加熱されて中温低圧状態に戻り、再び圧縮機に吸入されて上記循環を繰り返す。 The working fluid circulating through the refrigeration cycle apparatus is compressed by the compressor, thereby changing from the medium temperature and low pressure state to the high temperature and high pressure state, and then cooled to the medium temperature and high pressure state by the radiator. And it expands in an expander, and after changing to a low temperature low pressure state, it is heated with an evaporator, returns to a medium temperature low pressure state, is again suck | inhaled by a compressor, and repeats the said circulation.
膨張機では、作動流体の膨張エネルギーを回収して、回転軸を回転させる回転エネルギーに変換する。この回転エネルギーは、圧縮機を駆動する駆動エネルギーの一部としても利用され、その結果、電動機の動力が低減されることとなる。 In the expander, the expansion energy of the working fluid is recovered and converted into rotational energy for rotating the rotating shaft. This rotational energy is also used as a part of driving energy for driving the compressor, and as a result, the power of the electric motor is reduced.
圧縮機において圧縮室が流入側から遮断された直後における圧縮室の容積をVcs、膨張機において膨張室が流入側から遮断された直後における膨張室の容積をVes、回転軸の回転数をNとすると、圧縮機へ吸入される作動流体の体積流量はVcs×N、膨張機へ吸入される作動流体の体積流量はVes×Nとなる。すなわち、圧縮室の容積と作動室の容積とが同一でない限り、圧縮機への作動流体の体積流量と膨張機への作動流体の体積流量とは異なる。 The volume of the compression chamber immediately after the compression chamber is shut off from the inflow side in the compressor is Vcs, the volume of the expansion chamber immediately after the expansion chamber is shut off from the inflow side in the expander is Ves, and the rotation speed of the rotating shaft is N. Then, the volume flow rate of the working fluid sucked into the compressor is Vcs × N, and the volume flow rate of the working fluid sucked into the expander is Ves × N. That is, unless the volume of the compression chamber and the volume of the working chamber are the same, the volume flow rate of the working fluid to the compressor and the volume flow rate of the working fluid to the expander are different.
一方、圧縮機での質量流量と膨張機での質量流量とは等しい。したがって、この質量流量をGとすると、圧縮機へ吸入される作動流体の密度はG/(Vcs×N)、膨張機へ吸入される作動流体の密度はG/(Ves×N)となる。 On the other hand, the mass flow rate in the compressor and the mass flow rate in the expander are equal. Therefore, if this mass flow rate is G, the density of the working fluid sucked into the compressor is G / (Vcs × N), and the density of the working fluid sucked into the expander is G / (Ves × N).
これらの式より、圧縮機へ吸入される作動流体と膨張機へ吸入される作動流体との密度比は、{G/(Vcs×N)}/{G/(Ves×N)}、すなわち、Ves/Vcsとなり、一定値に拘束される。 From these equations, the density ratio between the working fluid sucked into the compressor and the working fluid sucked into the expander is {G / (Vcs × N)} / {G / (Ves × N)}, that is, It becomes Ves / Vcs and is restricted to a constant value.
上記冷凍サイクル装置のように、圧縮機へ吸入される作動流体と膨張機へ吸入される作動流体の密度比が一定値に拘束されると、冷凍サイクル装置の自由な制御が阻害される。具体的には、冷凍サイクル装置は、所定の熱源温度において、高圧側圧力(圧縮機から吐出されて膨張機に吸入されるまでの作動流体の圧力)が最適圧力(成績係数COPが最大となる圧力)となるように設計されている。一方で、冷凍サイクル装置の高圧側圧力および低圧側圧力(膨張機から吐出されて圧縮機に吸入されるまでの作動流体の圧力)は、冷却対象や放熱対象の温度変化等の運転条件により変化する。この運転条件に合わせて、圧縮機へ吸入される作動流体と膨張機へ吸入される作動流体との密度比も変動するのだが、上記冷凍サイクル装置では、密度比が一定値Ves/Vcsに拘束されるため、作動流体の温度と圧力とを自由に制御することができない。そのため、従来の膨張機では、運転条件が所定のものから外れると、膨張機がいわゆる過膨張や膨張不足の状態となり、膨張機において作動流体の膨張エネルギーを効率良く回収することができなかった。 When the density ratio between the working fluid sucked into the compressor and the working fluid sucked into the expander is restricted to a constant value as in the refrigeration cycle apparatus, free control of the refrigeration cycle apparatus is hindered. Specifically, in the refrigeration cycle apparatus, at a predetermined heat source temperature, the high-pressure side pressure (the pressure of the working fluid until it is discharged from the compressor and sucked into the expander) is the optimum pressure (coefficient of performance COP). Pressure). On the other hand, the high-pressure side pressure and the low-pressure side pressure of the refrigeration cycle device (the pressure of the working fluid until it is discharged from the expander and sucked into the compressor) changes depending on the operating conditions such as the temperature change of the cooling target and the heat dissipation target. To do. The density ratio between the working fluid sucked into the compressor and the working fluid sucked into the expander also fluctuates in accordance with the operating conditions. However, in the refrigeration cycle apparatus, the density ratio is restricted to a constant value Ves / Vcs. Therefore, the temperature and pressure of the working fluid cannot be freely controlled. For this reason, in the conventional expander, when the operating condition deviates from a predetermined one, the expander is in a so-called overexpansion or underexpansion state, and the expansion energy of the working fluid cannot be efficiently recovered in the expander.
そこで、膨張機の膨張室に、膨張室と連通する補助室を設け、運転条件に応じて補助室の容積を変更することにより、膨張室の容積自体を変更可能とする膨張機が提案されている(例えば、特許文献2参照)。上記膨張機では、運転条件に応じて膨張室の容積を変更することにより、膨張機において作動流体の膨張エネルギーを効率良く回収することを可能としている。
上記のような膨張機では、補助室の容積を変更することで、膨張機から吐出される作動流体の体積流量Ved×Nには影響を与えることなく、膨張機へ吸入される作動流体の体積流量Ves×Nを変化させることができる。 In the expander as described above, the volume of the working fluid sucked into the expander is not affected by changing the volume of the auxiliary chamber without affecting the volume flow rate Ved × N of the working fluid discharged from the expander. The flow rate Ves × N can be changed.
しかしながら、補助室の容積を変更することで、膨張機へ吸入される作動流体の体積流量Ves×Nを変化させると、膨張機での作動流体の膨張比Ved×N/Ves×N、すなわち、Ved/Vesも変化する。例えば、膨張機へ吸入される作動流体の体積流量Ves×Nを小さくすれば、膨張機から吐出される作動流体の体積流量Ved×Nは常に一定であるため、膨張比Ved/Vesは大きくなり、膨張機内部の膨張した作動流体の吐出圧力Pedが低くなってしまう。 However, if the volume flow rate Ves × N of the working fluid sucked into the expander is changed by changing the volume of the auxiliary chamber, the expansion ratio Ved × N / Ves × N of the working fluid in the expander, that is, Ved / Ves also changes. For example, if the volumetric flow rate Ves × N of the working fluid sucked into the expander is reduced, the volumetric flow rate Ved × N of the working fluid discharged from the expander is always constant, so the expansion ratio Ved / Ves increases. As a result, the discharge pressure Ped of the expanded working fluid inside the expander becomes low.
その結果、上記のような膨張室の容積自体を変更可能とする従来の膨張機でも、冷凍サイクル装置内における低圧側圧力PLowよりも、膨張機内部の膨張した作動流体の吐出圧力Pedの方が低くなってしまうという過膨張現象を発生させ、作動流体の膨張エネルギーを効率良く回収することができなかった。 As a result, even in the conventional expander that can change the volume of the expansion chamber as described above, the discharge pressure Ped of the expanded working fluid inside the expander is higher than the low-pressure side pressure P Low in the refrigeration cycle apparatus. This causes an overexpansion phenomenon in which the expansion of the working fluid cannot be efficiently recovered.
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、動力回収式の冷凍サイクル装置において、作動流体の膨張エネルギーを効率よく回収することにある。 The present invention has been made in view of such points, and an object of the present invention is to efficiently recover expansion energy of a working fluid in a power recovery type refrigeration cycle apparatus.
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室と、前記作動室で膨張した作動流体を吐出する吐出ポートと、前記作動室を通過する作動流体の流量を可変にする流量可変機構と、前記作動室での過膨張を防止する過膨張防止機構とを備えたものである。 The positive displacement expander according to the present invention includes a suction port for sucking a working fluid, a working chamber for expanding the working fluid sucked from the suction port by changing the volume, and a working fluid expanded in the working chamber. A discharge port for discharging the fluid, a flow rate variable mechanism for changing the flow rate of the working fluid passing through the working chamber, and an overexpansion preventing mechanism for preventing overexpansion in the working chamber.
本発明によれば、動力回収式の冷凍サイクル装置において、作動流体の膨張エネルギーを効率よく回収することが可能となる。 According to the present invention, in the power recovery type refrigeration cycle apparatus, it is possible to efficiently recover the expansion energy of the working fluid.
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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1における冷凍サイクル装置200の構成図である。図2は、本発明の実施の形態1における膨張機一体型圧縮機201の縦断面図である。図3(a)は、図2のB−B線における膨張機一体型圧縮機201の横断面図、図3(b)は、図2のA−A線における膨張機一体型圧縮機201の横断面図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a configuration diagram of a
図1に示すように、本実施の形態1における冷凍サイクル装置200は、膨張機一体型圧縮機201と、放熱器202と、蒸発器203とを、配管205により接続することで構成されている。
As shown in FIG. 1, the
膨張機一体型圧縮機201は、密閉容器1の内部に圧縮機構2と、電動機3と、膨張機構4とを上から順に配列してシャフト5で連結し、密閉容器1の底部にオイル貯留部6を設けることで構成されており、電源204から電力供給を受けて作動する。また、膨張機一体型圧縮機201には、吸入配管8、吐出配管9、吐出配管11、および吸入配管12が、密閉容器1を貫通してそれぞれ設けられている。
The expander-integrated
本実施の形態1における冷凍サイクル装置200を循環する作動流体としては、二酸化炭素を使用している。作動流体は、吸入配管8から圧縮機構2に吸入されて圧縮され、密閉容器1の内部空間に吐出される。密閉容器1の内部空間に吐出された作動流体は、吐出配管9から吐出されて放熱器202へ導かれる。放熱器202で熱源に放熱した作動流体は、吸入配管12から膨張機構4に吸入されて膨張する。この際、作動流体の膨張エネルギーが膨張機構4に回収されて、圧縮機構2を駆動する電動機3の動力に重畳される。膨張機構4で膨張した作動流体は、吐出配管11から吐出されて蒸発器203に導かれる。蒸発器203で熱源から吸熱した作動流体は、吸入配管8より再び圧縮機構2へと戻る。
Carbon dioxide is used as the working fluid that circulates in the
以下、本実施の形態1における膨張機一体型圧縮機201の構成を詳しく述べる。
Hereinafter, the configuration of the expander-integrated
図2に示すように、本実施の形態1における圧縮機構2は、主軸受部材15、固定スクロール16、旋回スクロール17、および自転規制機構18を備えた、いわゆるスクロール型の圧縮機構である。
As shown in FIG. 2, the
主軸受部材15は、密閉容器1の内壁に溶接や焼き嵌めなどにより固定され、シャフト5の上端部を軸支している。主軸受部材15の上面には、固定スクロール16がボルト留めされ、さらに固定スクロール16の上端面には、マフラー39が設けられている。
The main bearing
固定スクロール16には、吸入孔16aおよび吐出孔16bが形成され、吸入孔16aは吸入配管8と連通している。吐出孔16bの上端面には、リード弁36が設けられている。固定スクロール16の下面には、旋回スクロール17が噛み合わされて配置されている。これにより、固定スクロール16と旋回スクロール17の間には、圧縮室35が形成される。
The
旋回スクロール17と主軸受部材15との間には、オルダムリングなどによる自転規制機構18を設け、旋回スクロール17の自転を防止して円軌道運動するように案内している。旋回スクロール17は、シャフト5の上端に形成された第1偏心部5aと嵌合されることで、偏心駆動による円軌道運動を行う。
A
吸入配管8より吸入孔16aを介して吸入された作動流体は、圧縮室35がシャフト5の偏心駆動に伴って外縁部から中心部へと移動することにより、圧縮される。圧縮された作動流体は、リード弁36を押し上げ、固定スクロール16の吐出孔16bを介してマフラー39の内部空間へ吐出し、そして密閉容器1の内部空間へと吐出する。
The working fluid sucked from the
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から構成されている。ターミナル14は、密閉容器1の上部を貫通して配置され、電動機3に電源204からの電力を供給している。
The
図2、図3に示すように、本実施の形態1における膨張機構4は、上軸受部材21、第1シリンダ22、中板23、第2シリンダ24、下軸受部材25、第1ローラ26(第1ピストン)、第2ローラ27(第2ピストン)、第1ベーン28、第2ベーン29、第1バネ30、第2バネ31を備えた、いわゆる2段ロータリ型の膨張機構であり、さらに、流量可変機構80、および過膨張防止機構90を備えている。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
上軸受部材21は、密閉容器1の内壁に溶接や焼き嵌めなどにより固定され、シャフト5を回転自在に支持している。上軸受部材21には、吐出配管11と連通する吐出ポート21aと、吸入配管12と連通する吸入ポート21bが形成されている。また、上軸受部材21の外縁近傍には、上下に貫通した切り欠き21dが形成されている。上軸受部材21の下面には、第2シリンダ24および第1シリンダ22が、中板23を介して順に固定されている。
The
第1シリンダ22および第2シリンダ24の内部空間には、第1ローラ26および第2ローラ27がそれぞれ配置されている。第1ローラ26および第2ローラ27は、シャフト5の第2偏心部5bおよび第3偏心部5cにそれぞれ回転自在に嵌合している。なお、第1シリンダ22および第1ローラ26の軸方向の高さは、第2シリンダ24および第2ローラ27の軸方向の高さより低くなるように設定している。
A
第1シリンダ22および第2シリンダ24には、ベーン溝22aおよびベーン溝24aがそれぞれ形成されている。ベーン溝22aおよびベーン溝24aには、第1ベーン28および第2ベーン29が、それぞれスライド自在に配置されている。第1ベーン28および第2ベーン29の背面には、第1バネ30および第2バネ31がそれぞれ設置されている。これにより、第1ベーン28および第2ベーン29を、それぞれ第1ローラ26および第2ローラ27に押し付ける。
A vane groove 22a and a vane groove 24a are formed in the
第1シリンダ22の下面には、下軸受部材25が固定され、シャフト5を回転自在に支持している。下軸受部材25には、吸入孔25aおよび通路空間25bが形成されている。下軸受部材25の下端面には、密閉プレート32が固定されている。
A
膨張機構4は、密閉容器1の底部に設けられたオイル貯留部6に浸漬している。密閉プレート32の下端部には、オイルポンプ34が設置されている。オイル貯留部6のオイルは、シャフト5の内部に設けられた給油経路5dを経て、第1偏心部5a、第2偏心部5b、第3偏心部5cへ供給されて、圧縮機構2と膨張機構4とを潤滑する。潤滑後のオイルは、作動流体よりも密度が高いため、重力により密閉容器1の内部を降下して、再びオイル貯留部6に戻る。この際、圧縮機構2を潤滑したオイルは、上軸受部材21の切り欠き21dを通ってオイル貯留部6に戻る。また同様に、圧縮機構2から吐出された作動流体に含まれるオイルも、密閉容器1の内部を流動する過程で分離されて、上軸受部材21の切り欠き21dを通ってオイル貯留部6に戻る。
The
膨張機構4の内部には、第1シリンダ22、中板23、第1ローラ26、下軸受部材25により、第1作動室37が形成される。第1作動室37は、第1ベーン28により、第1吸入空間37aおよび第1吐出空間37bに区画される。また同様に、第2シリンダ24、中板23、第2ローラ27、上軸受部材21により、第2作動室38が形成される。第2作動室38は、第2ベーン29により、第2吸入空間38aおよび第2吐出空間38bに区画される。
Inside the
中板23には、上下に貫通した連通孔23aが形成されており、第1作動室37の第1吐出空間37bと第2作動室38の第2吸入空間38aとを連通している。これにより、作動流体が膨張する膨張室が形成される。
A communication hole 23 a penetrating vertically is formed in the
第2シリンダ24、中板23、第1シリンダ22には、貫通路24b、23b、22bがそれぞれ形成されて1つの流通路を成しており、上端は上軸受部材21の吸入ポート21bと連通し、下端は通路空間25bと連通している。
The
吸入配管12より上軸受部材21の吸入ポート21bを介して吸入された作動流体は、一連の貫通路24b、23b、22b、下軸受部材25の通路空間25b、吸入孔25aを順に通って、第1作動室37に吸入される。膨張機構4で膨張した作動流体は、上軸受部材21の吐出ポート21aを介して吐出配管11より吐出する。
The working fluid sucked from the
本実施の形態1における流量可変機構80は、補助室81、ピストン84、配管85、背圧制御弁86、および制御装置87により構成されている。補助室81は、第1シリンダ22に設けられ、ピストン84により、背圧室82と可変容積室83とに仕切られている。背圧室82は、密閉容器1を貫通して設けられた、背圧制御弁86を有する配管85により、膨張機構4入口側の配管205と接続されており、放熱器202から吐出された作動流体の一部を封入することができる。背圧室82内に封入された作動流体の圧力は、背圧制御弁86に接続された制御装置87により制御されている。可変容積室83は、第1作動室37に連通している。
The variable
上記構成により、ピストン84の可変容積室83側、すなわち、第1作動室37側の端面には、第1作動室37内の圧力が作用し、ピストン84の背圧室82側の端面には、背圧室82内の圧力が作用する。このように、補助室81内におけるピストン84の位置は、上記圧力のバランスにより定まる。
With the above configuration, the pressure in the first working
例えば、第1作動室37内の圧力が、背圧室82内の圧力よりも大きい場合、ピストン84は、背圧室82側の方向(以下、後方と称する)へ移動する。一方、第1作動室37内の圧力が、背圧室82内の圧力よりも小さい場合、ピストン84は、可変容積室83側の方向(以下、前方と称する)へ移動する。ピストン84は、補助室81の前端部もしくは補助室81の後端部に達すると停止するのだが、第1作動室37内の圧力と背圧室82内の圧力との均衡が取れると、補助室81の前後端部に達していなくとも、その時点で停止する。
For example, when the pressure in the first working
したがって、本実施の形態1における膨張機構4では、背圧室82内の圧力を制御装置87により調整することで、可変容積室83の容積を変更することができる、すなわち、第1作動室37の吸入容積と吐出容積とを変更することができる。
Therefore, in the
本実施の形態1における過膨張防止機構90としては、逆止弁90aを用いており、逆止弁90aは、上軸受部材21に形成された吐出ポート21aの第2シリンダ24側開口部に設けられている。
As the
図4は、本発明の実施の形態1における膨張機構4の動作原理図である。図4を用いて、本発明の実施の形態1における膨張機構4の動作を説明する。
FIG. 4 is an operation principle diagram of the
図4(a)に示すように、第1ローラ26が反時計回りに回転して、吸入孔25aが開口すると、第1作動室37の第1吸入空間37aに作動流体が吸入され始める。図4(b)、(c)に示すように、第1ローラ26が回転するにつれて、作動流体が第1吸入空間37aにさらに吸入される。そして、図4(d)に示すように、第1ローラ26がさらに回転して吸入孔25aを閉鎖し始め、そして、完全に吸入孔25aを閉鎖すると同時に、第1吸入空間37aへの吸入が完了する。
As shown in FIG. 4A, when the
作動流体の吸入が完了すると、第1吸入空間37aは、第1吐出空間37bへと移行し、連通孔23aを介して、第2作動室38の第2吸入空間38aと連通する。そして、膨張機構4は、再び図4(a)〜(d)の動作を繰り返す。
When the suction of the working fluid is completed, the first suction space 37a moves to the first discharge space 37b and communicates with the second suction space 38a of the second working
第1吐出空間37b内の作動流体は、図4(a)、(b)、(c)に示すように、第1ローラ26が回転するにつれて、第2吸入空間38aに移動する。作動流体の膨張は、第1吐出空間37bから第2吸入空間38aへ作動流体が移動する過程で起こる。そして、図4(d)に示すように、第1ローラ26が完全に連通孔23aを閉鎖すると同時に、第2吸入空間38aへの移動が完了し、作動流体の膨張も完了する。
As shown in FIGS. 4A, 4B, and 4C, the working fluid in the first discharge space 37b moves to the second suction space 38a as the
作動流体の膨張が完了すると同時に、第2吸入空間38aは、第2吐出空間38bへと移行する。そして、膨張機構4は、再び図4(a)〜(d)の動作を繰り返す。
Simultaneously with the expansion of the working fluid, the second suction space 38a moves to the second discharge space 38b. And the
図4(a)に示すように、第2ローラ27が反時計回りに回転して、吐出ポート21aが開口すると、第2吐出空間38b内の膨張した作動流体が吐出され始める。図4(b)、(c)に示すように、第2ローラ27が回転するにつれて、作動流体はさらに吐出される。そして、図4(d)に示すように、第2ローラ27がさらに回転して吐出ポート21aを閉鎖し始め、そして、完全に吐出ポート21aを閉鎖すると同時に、第2吐出空間38bからの吐出が完了する。
As shown in FIG. 4A, when the
上記膨張過程において、補助室81内のピストン84は、第1吐出空間37b側へ移動する。そして、作動流体が膨張して低圧となった図4(b)では、補助室81の前端部、すなわち、第1吐出空間37bに面し、可変容積室83(容積v’)が消失する。図4(c)では、補助室81が第1吸入空間37aと連通し、補助室81内のピストン84は、背圧室82と第1吸入空間37aの圧力の関係より、後方へ移動する。これにより、補助室81内には可変容積室83(容積v’)が発生し、第1吸入空間37aに吸入された作動流体が可変容積室83にも流入する。
In the expansion process, the
これにより、本実施の形態1の流量可変機構80を備えた膨張機構4は、第1吸入空間37aに吸入された作動流体が、可変容積室83に流入・流出することで、第1吸入空間37aに吸入される作動流体の体積を可変させることができる。すなわち、本実施の形態1では、第1作動室37の容積Vesに可変容積室83の容積v’を合わせた容積と、第2作動室38の容積Vedとの比が、膨張比Ved/(Ves+v’)となる。
As a result, the
また、上記吐出過程においては、膨張完了時に、第2吐出空間38b内の作動流体の吐出圧力Pedが、膨張機構4出口側の配管205内の圧力、すなわち、冷凍サイクル装置内の低圧側圧力PLowよりも低い場合、吐出ポート21aの第2シリンダ24側開口部に設けられた逆止弁90aは閉じたままで、作動流体は膨張機構4より吐出されない。したがって、第2吐出空間38bでは、第2吐出空間38b内の作動流体の吐出圧力Pedが、冷凍サイクル装置内の低圧側圧力PLowと等しくなるまで作動流体の再圧縮が行われ、過膨張した作動流体の流出による損失を防ぐことができる。
In the above discharge process, when the expansion is completed, the discharge pressure Ped of the working fluid in the second discharge space 38b is the pressure in the
(実施の形態2)
図5(a)は、本発明の実施の形態2におけるインジェクション型の流量可変機構100を用いた膨張機一体型圧縮機301のB−B線における横断面図、図5(b)は、本発明の実施の形態2におけるインジェクション型の流量可変機構100を用いた膨張機一体型圧縮機301のA−A線における横断面図である。なお、上記B−B線およびA−A線とは、図2に記載の膨張機一体型圧縮機201のB−B線およびA−A線と同一箇所を示す。本実施の形態2において、実施の形態1と同様の部分については同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
(Embodiment 2)
FIG. 5A is a cross-sectional view taken along line B-B of the expander-integrated compressor 301 using the injection type variable
図5(b)に示すように、本実施の形態2の流量可変機構100は、インジェクションライン101、流量制御弁102、制御装置103、インジェクションライン通路106、およびインジェクションバルブ107により構成されており、第1吸入空間37aに流入する作動流体量を流量制御弁102と制御装置103とによってコントロールする、いわゆるインジェクション型である点が、実施の形態1と相違する。
As shown in FIG. 5 (b), the flow rate
インジェクションライン101は、密閉容器1を貫通して、第1シリンダ22に設けられたインジェクションライン通路106と、膨張機構4入口側の配管205とに接続されている。これにより、インジェクションライン101には、放熱器202から吐出された作動流体の一部を第1吸入空間37aへ流入させることができる。また、インジェクションライン101には、制御装置103が接続された流量制御弁102を設けており、制御装置103によりインジェクションライン101内へ流入する作動流体量を制御している。インジェクションライン通路106の第1シリンダ22側開口部には、インジェクションバルブ107を設け、インジェクションライン通路106と第1作動室37とを仕切っている。
The
このようなインジェクション型の流量可変機構100を用いた場合でも、実施の形態1と同様、過膨張を回避することができ、ひいては作動流体からエネルギーを効率よく回収することができる。
Even when such an injection type variable
(実施の形態3)
図6(a)は、本発明の実施の形態3における膨張機一体型圧縮機401のB−B線における横断面図、図6(b)は、本発明の実施の形態3における膨張機一体型圧縮機401のA−A線における横断面図である。なお、上記B−B線およびA−A線とは、図2に記載の膨張機一体型圧縮機201のB−B線およびA−A線と同一箇所を示す。本実施の形態3において、実施の形態1、2と同様の部分については同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
(Embodiment 3)
6A is a cross-sectional view taken along line BB of the expander-integrated compressor 401 according to
図6(a)に示すように、本実施の形態3の過膨張防止機構110は、差圧弁111、吐出作動流体通路112、および吐出作動流体ライン113により構成されている点が、実施の形態2と相違する。
As shown in FIG. 6A, the
吐出作動流体ライン113は、密閉容器1を貫通して、第2シリンダ24に設けられた吐出作動流体通路112と、膨張機構4出口側の配管205とに接続されている。これにより、吐出作動流体ライン113には、膨張機構4から吐出された作動流体の一部を流入させることができる。吐出作動流体通路112の第2シリンダ24側開口部には、差圧弁111を設け、吐出作動流体通路112と第2吐出空間38bとを仕切っている。
The discharge working fluid line 113 penetrates the sealed
このような構成にすることにより、膨張過程で第2吐出空間38b内の作動流体の吐出圧力Pedが、冷凍サイクル装置内の低圧側圧力PLowよりも低くなった場合、差圧弁111が開いて、第2吐出空間38bへ膨張機構4から吐出された作動流体を導き、第2吐出空間38b内の作動流体の吐出圧力Pedが、冷凍サイクル装置内の低圧側圧力PLowより大きくなるまで作動流体の再圧縮を行う。
With such a configuration, when the discharge pressure Ped of the working fluid in the second discharge space 38b becomes lower than the low-pressure side pressure P Low in the refrigeration cycle apparatus during the expansion process, the differential pressure valve 111 is opened. The working fluid discharged from the
したがって、過膨張防止機構110を用いた場合でも、実施の形態1、2同様、第2吐出空間38b内の作動流体の吐出圧力Pedの低下を防いで過膨張を回避することができ、作動流体からエネルギーを効率よく回収することができる。また、差圧弁111を用いることで、吐出ポート21aには作動流体の流れを阻害するものが何も無く、スムーズな吐出過程を実現できるため、さらに効率よくエネルギーを回収することができる。
Therefore, even when the
(実施の形態4)
図7(a)は、本発明の実施の形態4における膨張機一体型圧縮機501のB−B線における横断面図、図7(b)は、本発明の実施の形態4における膨張機一体型圧縮機501のA−A線における横断面図である。図8は、本発明の実施の形態4における冷凍サイクル装置500の構成図である。なお、上記B−B線およびA−A線とは、図2に記載の膨張機一体型圧縮機201のB−B線およびA−A線と同一箇所を示す。本実施の形態4において、実施の形態1〜3と同様の部分については同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
(Embodiment 4)
FIG. 7 (a) is a cross-sectional view taken along line BB of the expander-integrated
図7(a)、(b)、および図8に示すように、本実施の形態4は、過膨張防止機構と流量可変機構との作動流体通路を共通化し、第1シリンダ22に設けられた1つの差圧弁で両機能を実現するように構成されている点が、実施の形態3と相違する。
As shown in FIGS. 7A, 7 </ b> B, and 8, in the fourth embodiment, the working fluid passages of the overexpansion prevention mechanism and the flow rate variable mechanism are made common and provided in the
本実施の形態4の流量可変機構および過膨張防止機構は、インジェクションライン101、流量制御弁102、制御装置103、膨張機吐出作動流体弁104、過膨張制御装置105、インジェクションライン通路106、およびインジェクションバルブ107により構成されている。
The flow rate variable mechanism and the overexpansion prevention mechanism according to the fourth embodiment include an
インジェクションライン101の一端は、密閉容器1を貫通して、第1シリンダ22に設けられたインジェクションライン通路106と接続され、他端は分岐して、膨張機構4入口側の配管205と膨張機構4出口側の配管205とにそれぞれ接続されている。
One end of the
膨張機構4入口側の配管205に接続されたインジェクションライン101aには、制御装置103が接続された流量制御弁102を設けている。膨張機構4出口側の配管205に接続されたインジェクションライン101bには、過膨張制御装置105が接続された膨張機吐出作動流体弁104を設けている。インジェクションライン通路106の第1シリンダ22側開口部には、インジェクションバルブ107を設けており、インジェクションライン通路106と第1作動室37とを仕切っている。
The injection line 101a connected to the
このような構成にすることにより、膨張開始時は流量制御弁102を開いて、放熱器202から吐出された作動流体の一部を第1作動室37へ導くことで、第1作動室37内への作動流体の流量を可変することができる。また、十分な作動流体を第1作動室37に導いた後は、流量制御弁102を閉じて、膨張機吐出作動流体弁104を過膨張制御装置105の作用により開けることで、インジェクションライン通路106に膨張機構4から吐出された作動流体を導くことで、インジェクションバルブ107を過膨張防止弁としても機能させることができる。これにより、流量可変機構と過膨張防止機構とを別々に設ける必要がなく、部品点数および加工費の削減が可能となるため、本発明を安価に実現することができる。
With such a configuration, the
したがって、流量可変機構と過膨張防止機構との作動流体通路を共通化し、1つの差圧弁で両機能を兼用した場合でも、実施の形態3と同様、過膨張を回避することができ、ひいては作動流体からエネルギーを効率よく回収することができる。 Therefore, even when the working fluid passages of the variable flow rate mechanism and the overexpansion prevention mechanism are made common and both functions are shared by a single differential pressure valve, overexpansion can be avoided and the operation can be avoided as in the third embodiment. Energy can be efficiently recovered from the fluid.
なお、上記実施の形態1〜4では、圧縮機構2と膨張機構4の間に電動機3を配置しているが、これに限られることはない。電動機3を密閉容器外に配置し、圧縮機構2と膨張機構4とを同じ密閉容器内に配置した膨張機一体型圧縮機、例えば、膨張機構4の回収動力のみで圧縮機構2を駆動させるような装置においても、本発明を適用することができる。
In the first to fourth embodiments, the
また、長手方向を鉛直方向とした密閉容器1の内部に圧縮機構2、膨張機構4を配置しているが、これに限られることはなく、長手方向を水平方向あるいは斜め方向にとり、圧縮機構2、膨張機構4を配置しても、本発明を適用することができる。
In addition, the
また、膨張機一体型圧縮機を一例として用いているが、分離型膨張機であっても本発明を適用することができる。 Moreover, although the expander-integrated compressor is used as an example, the present invention can be applied to a separate expander.
また、2つのシリンダを用いたローリングピストン型の膨張機について述べているが、単シリンダ型のローリングピストン型膨張機、スクロール型膨張機、スライディングベーン型膨張機等の容積型膨張機であれば、メカの形態を問わず、本発明を適用することができる。 In addition, although a rolling piston type expander using two cylinders is described, if it is a positive displacement expander such as a single cylinder type rolling piston type expander, a scroll type expander, a sliding vane type expander, The present invention can be applied regardless of the form of the mechanism.
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。 The present invention is useful for a positive displacement expander, an expander-integrated compressor, and a refrigeration cycle apparatus.
1 密閉容器
2 圧縮機構
3 電動機
4 膨張機構
5 シャフト
5a 第1偏心部
5b 第2偏心部
5c 第3偏心部
5d 給油経路
6 オイル貯留部
8 吸入配管
9 吐出配管
11 吐出配管
12 吸入配管
14 ターミナル
15 主軸受部材
16 固定スクロール
16a 吸入孔
16b 吐出孔
17 旋回スクロール
18 自転規制機構
19 固定子
20 回転子
21 上軸受部材
21a 吐出ポート
21b 吸入ポート
21d 切り欠き
22 第1シリンダ
22a,24a ベーン溝
22b,23b,24b 貫通路
23 中板
23a 連通孔
24 第2シリンダ
25 下軸受部材
25a 吸入孔
25b 通路空間
26 第1ローラ
27 第2ローラ
28 第1ベーン
29 第2ベーン
30 第1バネ
31 第2バネ
32 密閉プレート
34 オイルポンプ
35 圧縮室
36 リード弁
37 第1作動室
37a 第1吸入空間
37b 第1吐出空間
38 第2作動室
38a 第2吸入空間
38b 第2吐出空間
39 マフラー
80 流量可変機構
81 補助室
82 背圧室
83 可変容積室
84 ピストン
85 配管
86 流量制御弁
87 制御装置
90 過膨張防止機構
90a 逆止弁
100 流量可変機構
101,101a,101b インジェクションライン
102 流量制御弁
103 制御装置
104 膨張機吐出作動流体弁
105 過膨張制御装置
106 インジェクションライン通路
107 インジェクションバルブ
110 過膨張防止機構
111 差圧弁
112 吐出作動流体通路
113 吐出作動流体ライン
200,500 冷凍サイクル装置
201,301,401,501 膨張機一体型圧縮機
202 放熱器
203 蒸発器
204 電源
205 配管
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Airtight container 2 Compression mechanism 3 Electric motor 4 Expansion mechanism 5 Shaft 5a 1st eccentric part 5b 2nd eccentric part 5c 3rd eccentric part 5d Oil supply path 6 Oil storage part 8 Intake pipe 9 Discharge pipe 11 Discharge pipe 12 Intake pipe 14 Terminal 15 Main bearing member 16 Fixed scroll 16a Suction hole 16b Discharge hole 17 Orbiting scroll 18 Rotation restricting mechanism 19 Stator 20 Rotor 21 Upper bearing member 21a Discharge port 21b Suction port 21d Notch 22 First cylinder 22a, 24a Vane groove 22b, 23b 24b Through passage 23 Middle plate 23a Communication hole 24 Second cylinder 25 Lower bearing member 25a Suction hole 25b Passage space 26 First roller 27 Second roller 28 First vane 29 Second vane 30 First spring 31 Second spring 32 Sealed Plate 34 Oil pump 35 Compression 36 Reed valve 37 First working chamber 37a First suction space 37b First discharge space 38 Second working chamber 38a Second suction space 38b Second discharge space 39 Muffler 80 Flow rate variable mechanism 81 Auxiliary chamber 82 Back pressure chamber 83 Variable volume chamber 84 Piston 85 Piping 86 Flow control valve 87 Control device 90 Over-expansion prevention mechanism 90a Check valve 100 Flow rate variable mechanism 101, 101a, 101b Injection line 102 Flow control valve 103 Control device 104 Expander discharge working fluid valve 105 Over-expansion control device 106 Injection line passage 107 Injection valve 110 Over-expansion prevention mechanism 111 Differential pressure valve 112 Discharge working fluid passage 113 Discharge working fluid line 200,500 Refrigeration cycle apparatus 201, 301, 401, 501 Expander-integrated compressor 202 Heat radiator 03 evaporator 204 power 205 pipe
Claims (7)
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室と、
前記作動室で膨張した作動流体を吐出する吐出ポートと、
前記作動室を通過する作動流体の流量を可変にする流量可変機構と、
前記作動室での過膨張を防止する過膨張防止機構と、
を備えたことを特徴とする容積型膨張機。 A suction port for sucking the working fluid;
A working chamber for expanding the working fluid sucked from the suction port by changing its volume;
A discharge port for discharging the working fluid expanded in the working chamber;
A flow rate variable mechanism for varying the flow rate of the working fluid passing through the working chamber;
An overexpansion preventing mechanism for preventing overexpansion in the working chamber;
A positive displacement expander characterized by comprising:
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。 An expansion mechanism comprising the positive displacement expander according to any one of claims 1 to 3,
A compression mechanism for compressing the working fluid;
A rotating shaft connecting the expansion mechanism and the compression mechanism;
An expander-integrated compressor equipped with a compressor.
前記入口側配管と前記作動室とを連通させるインジェクション通路と、
前記インジェクション通路に設けられ、インジェクション通路における作動流体の流量を制御するインジェクション弁と、
前記出口側配管と前記作動室とを連通させる吐出作動流体通路と、
前記吐出作動流体通路に設けられ、吐出作動流体通路における作動流体の流れを制御する差圧弁と、
を備えた容積型膨張機。 A suction port for sucking the working fluid; a working chamber for expanding the working fluid sucked from the suction port when the volume changes; a discharge port for discharging the working fluid expanded in the working chamber; and the suction port An expansion mechanism having an inlet side pipe and a discharge side pipe connected to the discharge port;
An injection passage for communicating the inlet-side piping and the working chamber;
An injection valve provided in the injection passage for controlling the flow rate of the working fluid in the injection passage;
A discharge working fluid passage for communicating the outlet-side pipe and the working chamber;
A differential pressure valve provided in the discharge working fluid passage for controlling the flow of the working fluid in the discharge working fluid passage;
A positive displacement expander.
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