JP2009133319A - Displacement type expansion machine and fluid machine - Google Patents

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Masakazu Okamoto
昌和 岡本
Katsumi Hokotani
克己 鉾谷
Eiji Kumakura
英二 熊倉
Tetsuya Okamoto
哲也 岡本
Michio Moriwaki
道雄 森脇
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Daikin Industries Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To suppress the deterioration of the efficiency of recovering power under a condition in which an actual expansion ratio is smaller than a design expansion ratio, when a displacement type expansion machine 60 is used for a vapor compressing type refrigerating cycle and the like. <P>SOLUTION: A communicating passage 72 is provided, which branches off from an inflow port 37 to an expansion chamber 62 and communicates with a suction/expansion process position of the expansion chamber 62. A part of high-pressure fluid on an inflow side to the expansion chamber 62 can be introduced to the expansion chamber 62. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、高圧流体が膨張することにより動力を発生させる膨張機構を備えた容積型膨張機と、この膨張機を備えた流体機械とに関するものである。   The present invention relates to a positive displacement expander including an expansion mechanism that generates power when a high-pressure fluid expands, and a fluid machine including the expander.

従来より、高圧流体の膨張により動力を発生させる膨張機として、例えばロータリ式膨張機などの容積型膨張機が知られている(例えば特許文献1参照)。この膨張機は、蒸気圧縮式冷凍サイクルの膨張行程を行うのに用いることができる(例えば特許文献2参照)。   Conventionally, as an expander that generates power by expanding a high-pressure fluid, a positive displacement expander such as a rotary expander is known (see, for example, Patent Document 1). This expander can be used to perform an expansion stroke of a vapor compression refrigeration cycle (see, for example, Patent Document 2).

上記膨張機は、シリンダと、このシリンダの内周面に沿って公転するピストンとを備え、シリンダとピストンとの間に形成される膨張室が吸入/膨張側と排出側とに区画されている。そして、ピストンの公転動作に伴って、膨張室は吸入/膨張側であった部分が排出側に、排出側であった部分が吸入/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。   The expander includes a cylinder and a piston that revolves along the inner peripheral surface of the cylinder, and an expansion chamber formed between the cylinder and the piston is partitioned into a suction / expansion side and a discharge side. . As the piston revolves, the portion of the expansion chamber that is on the suction / expansion side is switched to the discharge side, and the portion that is on the discharge side is switched to the suction / expansion side in turn. The discharging action is performed simultaneously in parallel.

上記膨張機では、ピストンの1回転中に高圧流体がシリンダ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。つまり、この種の膨張機では、一般に膨張比(吸入冷媒と排出冷媒の密度比)が一定になっている。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。
特開平8−338356号公報 特開2001−116371号公報
In the expander, the angle range of the suction process in which the high-pressure fluid is supplied into the cylinder during one rotation of the piston and the angle range of the expansion process in which the fluid is expanded are determined in advance. That is, in this type of expander, the expansion ratio (density ratio between the intake refrigerant and the exhaust refrigerant) is generally constant. The high pressure fluid is introduced into the cylinder in the angular range of the suction process, while the fluid is expanded at a predetermined expansion ratio in the remaining angular range of the expansion process, and the rotational power is recovered.
JP-A-8-338356 JP 2001-116371 A

このように、容積型膨張機は固有の膨張比を有している。一方、上記膨張機が用いられる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(加熱)対象の温度変化により該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。したがって、この場合は、冷凍サイクルが上記膨張機とは異なる膨張比で運転されることになり、その結果、運転効率が低下してしまう。   Thus, the positive displacement expander has a specific expansion ratio. On the other hand, in the vapor compression refrigeration cycle in which the above expander is used, the high pressure and low pressure of the refrigeration cycle change due to the temperature change of the object to be cooled and the temperature change of the object of heat dissipation (heating). Accordingly, the density of the refrigerant sucked and discharged from the expander also varies. Therefore, in this case, the refrigeration cycle is operated at an expansion ratio different from that of the expander, and as a result, the operation efficiency is lowered.

例えば、蒸気圧縮式冷凍サイクルの圧力比が小さくなる条件、言い換えると膨張比が小さくなる条件では、同じ回転数において圧縮機から吐出される冷媒量は増加する。しかし、膨張機では、膨張比に関わらず、同じ回転数の場合はほぼ同じ量の冷媒が流れる。そのため、実際の膨張比が設計膨張比よりも小さくなる条件では、圧縮機からの冷媒量に比べて膨張機に流せる冷媒量が少なくなる。   For example, under the condition where the pressure ratio of the vapor compression refrigeration cycle is reduced, in other words, when the expansion ratio is reduced, the amount of refrigerant discharged from the compressor increases at the same rotational speed. However, in the expander, almost the same amount of refrigerant flows at the same rotation speed regardless of the expansion ratio. Therefore, under the condition that the actual expansion ratio is smaller than the design expansion ratio, the amount of refrigerant that can be passed through the expander is smaller than the amount of refrigerant from the compressor.

これに対し、上記特許文献2の装置では、膨張機と並列にバイパス通路が設けられており、このバイパス通路には流量制御弁が設けられている。したがって、この装置では、膨張比が小さくなる条件において、冷媒の一部をバイパス通路に流すことで、冷凍サイクルの圧縮行程側と膨張行程側とで冷媒流量を合わせることが可能である。しかし、このようにすると、膨張機を通らない冷媒が膨張仕事をしないために、膨張機による回収動力が減ってしまい、運転効率が低下することになる。   On the other hand, in the device disclosed in Patent Document 2, a bypass passage is provided in parallel with the expander, and a flow rate control valve is provided in the bypass passage. Therefore, in this apparatus, it is possible to match the refrigerant flow rates on the compression stroke side and the expansion stroke side of the refrigeration cycle by flowing a part of the refrigerant through the bypass passage under the condition that the expansion ratio is small. However, if it does in this way, since the refrigerant | coolant which does not pass through an expander does not carry out an expansion | swelling work, the collection | recovery motive power by an expander will reduce and operating efficiency will fall.

また、設計膨張比よりも低膨張比の条件では、膨張室内で過膨張が発生し、これにより効率が低下する問題もある。そこで、この点について説明する。   Further, under the condition of a lower expansion ratio than the design expansion ratio, there is a problem that overexpansion occurs in the expansion chamber, thereby reducing efficiency. Therefore, this point will be described.

一般に、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構成されている。図12は、高圧圧力が超臨界圧力となる二酸化炭素冷媒の場合の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。図示するように、非圧縮性流体に近い特性の高圧流体は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するとe点まで排出される。その後は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いる。   Generally, an expander is configured to obtain the maximum power recovery efficiency when an operation is performed at a design expansion ratio. FIG. 12 is a graph showing the relationship between the volume change of the expansion chamber and the pressure change under ideal operating conditions in the case of a carbon dioxide refrigerant whose high pressure becomes supercritical pressure. As shown in the figure, a high-pressure fluid having characteristics close to that of an incompressible fluid is supplied into the expansion chamber between points a and b, and starts expanding from point b. When the point b is passed, the supply of the high-pressure fluid stops, so that the pressure once drops rapidly to the point c, and then gradually decreases to the point d while expanding. Then, after the cylinder volume of the expansion chamber becomes maximum at the point d, when the volume is reduced on the discharge side, it is discharged to the point e. Thereafter, the process returns to point a, and the inhalation process of the next cycle is started. In the state of this figure, the pressure at the point d coincides with the low pressure of the refrigeration cycle.

一方、上記膨張機を空調機に用いている場合には、上述したように、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、冷凍サイクルの実際の膨張比が該サイクルの設計膨張比ないし膨張機の固有膨張比を外れることがある。特に、冷凍サイクルの実際の膨張比が設計膨張比よりも小さくなると、膨張室の内圧が冷凍サイクルの低圧圧力よりも低くなり、膨張機の内部で過膨張が発生する状態になってしまうことがある。   On the other hand, when the expander is used in an air conditioner, as described above, the actual expansion ratio of the refrigeration cycle is changed due to fluctuations in operating conditions such as switching between cooling operation and heating operation and changes in outside air temperature. The design expansion ratio of the cycle or the inherent expansion ratio of the expander may be exceeded. In particular, if the actual expansion ratio of the refrigeration cycle is smaller than the design expansion ratio, the internal pressure of the expansion chamber becomes lower than the low pressure of the refrigeration cycle, and overexpansion may occur in the expander. is there.

図13はこのとき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圧力が図12の例よりも上昇した状態を示している。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、膨張機の固有膨張比に従って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、膨張過程の完了後、排出過程において冷媒がd点からd’点まで昇圧され、さらにe’点まで排出されて、次のサイクルの吸入過程が開始されることになる。   FIG. 13 is a graph showing the relationship between the volume change of the expansion chamber and the pressure change at this time, and shows a state where the low-pressure pressure in the refrigeration cycle is higher than in the example of FIG. In this case, after the fluid is supplied into the cylinder between the points a and b, the pressure is reduced to the point d according to the natural expansion ratio of the expander. On the other hand, the low pressure of the refrigeration cycle is at a point d 'higher than the point d. Therefore, after the expansion process is completed, the refrigerant is pressurized from the point d to the point d 'in the discharge process, and further discharged to the point e', so that the suction process of the next cycle is started.

このような状況において、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、回収動力は図13で示す(面積I)−(面積II)分しか得られないことになり、図12の運転条件と比べて回収動力が大幅に減少してしまう。   In such a situation, internal consumption of power is performed in the expander for discharging the refrigerant. That is, at the time of occurrence of overexpansion, the recovered power can be obtained only for (area I) − (area II) shown in FIG. 13, and the recovered power is greatly reduced compared to the operating conditions of FIG.

本発明は、このような問題点に鑑みて創案されたものであり、その目的は、膨張比が小さくなる条件でも膨張機での動力回収を行えるようにするとともに、過膨張を解消できるようにして、運転効率が低下するのを防止することである。   The present invention was devised in view of such problems, and an object of the present invention is to enable recovery of power in the expander even under conditions where the expansion ratio is small, and to eliminate overexpansion. This is to prevent the operating efficiency from being lowered.

本発明は、膨張室(62)への流体流入側から分岐して該膨張室(62)の吸入/膨張過程位置に連通する連絡通路(72)を設け、この連絡通路(72)から膨張室(62)へ、流入側の高圧流体を導入できるようにしたものである。   The present invention provides a communication passage (72) that branches from the fluid inflow side to the expansion chamber (62) and communicates with the suction / expansion process position of the expansion chamber (62), and from the communication passage (72) to the expansion chamber. In (62), the high-pressure fluid on the inflow side can be introduced.

具体的に、第1の発明は、膨張室(62)に供給された高圧流体が膨張することにより動力が発生する膨張機構(60)を備えた容積型膨張機を前提としている。そして、この膨張機は、上記膨張室(62)の流体流入側から分岐して該膨張室(62)の吸入/膨張過程の初期の位置に連通する連絡通路(72)を備え、該連絡通路(72)に、流体の流量を連続的に調整可能な流通制御機構(73)が設けられている。 Specifically, the first invention is premised on a positive displacement expander including an expansion mechanism (60) that generates power when the high-pressure fluid supplied to the expansion chamber (62) expands. The expander includes a communication passage (72) that branches from the fluid inflow side of the expansion chamber (62) and communicates with an initial position in the suction / expansion process of the expansion chamber (62). (72) is provided with a flow control mechanism (73) capable of continuously adjusting the flow rate of the fluid .

この第1の発明では、例えば冷凍サイクルの膨張比と膨張機の固有膨張比とが一致しているときには、流通制御機構(73)を開かず、連絡通路(72)を閉じた状態とする。このときは、設計膨張比で運転が行われるため、膨張機での動力回収が効率よく行われる。 In the first aspect of the invention, for example, when the expansion ratio of the refrigeration cycle and the inherent expansion ratio of the expander coincide with each other, the flow control mechanism (73) is not opened and the communication passage (72) is closed. At this time, since the operation is performed at the design expansion ratio, power recovery by the expander is efficiently performed.

一方、運転条件の変化に伴って実際の膨張比が設計膨張比よりも小さくなると、流通制御機構(73)を開いて運転を行う。この場合、冷媒は、流量調整を行いながら膨張機を流れる状態となる。したがって、回転数を変えなくてもすべての冷媒を膨張機に流すことが可能になり、従来は膨張機をバイパスしていた冷媒が膨張機で膨張仕事を行うため、動力の回収効率が向上する。 On the other hand, when the actual expansion ratio becomes smaller than the design expansion ratio with the change of the operating conditions, the flow control mechanism (73) is opened to operate. In this case, the refrigerant flows through the expander while adjusting the flow rate. Therefore, it is possible to flow all the refrigerant to the expander without changing the rotation speed, and the refrigerant that has bypassed the expander performs expansion work in the expander, so that the power recovery efficiency is improved. .

また、この発明では、膨張室(62)で過膨張が生じる状態において、流通制御機構(73)を開くことにより過膨張の状態も解消できる。つまり、過膨張が生じるときは、膨張室(62)内の圧力が流体流出側よりも低くなっているが、流体流入側から膨張室(62)へ高圧流体を補助的に導入することで、膨張室(62)の圧力を流体流出側の圧力まで高めることができる。したがって、この発明では、図13の面積IIに示した動力消費が行われなくなり、図14や図15に示すように、冷媒が膨張過程においてd’点まで徐々に膨張する運転状態になる。このことにより、過膨張時に動力回収効率が低下するのも防止できる。 Further, in the present invention, in the state where overexpansion occurs in the expansion chamber (62), the state of overexpansion can be eliminated by opening the flow control mechanism (73) . That is, when overexpansion occurs, the pressure in the expansion chamber (62) is lower than the fluid outflow side, but by introducing a high-pressure fluid from the fluid inflow side to the expansion chamber (62) as an auxiliary, The pressure in the expansion chamber (62) can be increased to the pressure on the fluid outflow side. Therefore, in the present invention, the power consumption shown in the area II of FIG. 13 is not performed, and as shown in FIG. 14 and FIG. 15, the operation state is reached in which the refrigerant gradually expands to the point d ′ in the expansion process. This can also prevent the power recovery efficiency from being reduced during overexpansion .

また、第1の発明では、冷凍サイクルの膨張比と膨張機の固有膨張比とが一致しているときには流通制御機構(73)を閉鎖して運転を行う。一方、蒸気圧縮式冷凍サイクルの膨張比が小さくなる条件において、従来であれば冷媒に膨張機をバイパスさせる場合でも、流通制御機構(73)の開度を調整して冷媒を流量調整し、その冷媒を膨張機に導入することが可能となる。これにより、膨張機で冷媒の膨張仕事が行われる。また、膨張室(62)で過膨張が生じる状態においても、流通制御機構(73)を開くことにより高圧側の流体を膨張室(62)に導入し、その圧力を上昇させることができるので、過膨張の状態を解消できる。 In the first invention, when the expansion ratio of the refrigeration cycle and the expansion ratio of the expander coincide with each other, the flow control mechanism (73) is closed and the operation is performed. On the other hand, under the condition that the expansion ratio of the vapor compression refrigeration cycle is small, even if the refrigerant is bypassed by an expander conventionally, the flow rate of the refrigerant is adjusted by adjusting the opening of the flow control mechanism (73), It becomes possible to introduce the refrigerant into the expander. Thereby, the expansion | swelling work of a refrigerant | coolant is performed with an expander. Even in the state where overexpansion occurs in the expansion chamber (62), the fluid on the high pressure side can be introduced into the expansion chamber (62) by opening the flow control mechanism (73), and the pressure can be increased. The state of overexpansion can be eliminated.

また、第2の発明は、第1の発明の容積型膨張機において、膨張機構(60)が蒸気圧縮式冷凍サイクルの膨張行程を行うように構成されていることを特徴としている。 According to a second aspect of the present invention, in the positive displacement expander of the first aspect, the expansion mechanism (60) is configured to perform an expansion stroke of a vapor compression refrigeration cycle.

蒸気圧縮式冷凍サイクルでは、上述したように運転条件によって高圧圧力や低圧圧力が変動し、それによって実際の膨張比も変化する。したがって、膨張比が小さくなる条件で、従来の膨張機では冷媒のバイパスにより動力回収効率が低下するのに対して、この発明の膨張機を用いると効率低下を効果的に抑えられる。   In the vapor compression refrigeration cycle, as described above, the high pressure and the low pressure vary depending on the operating conditions, and the actual expansion ratio changes accordingly. Therefore, under the condition that the expansion ratio is small, in the conventional expander, the power recovery efficiency is reduced by bypassing the refrigerant, whereas when the expander of the present invention is used, the efficiency decrease can be effectively suppressed.

また、現在一般によく使用されている冷媒(例えばR410A)について、暖房時に膨張比が約4、冷房時に約3となる例を想定すると、暖房時に適正な膨張比を選定した場合は冷房時には過膨張が生じる。また、実際の運転時で冷房負荷の小さいときなどは、さらに過膨張が発生しやすくなる。これに対して、この第2の発明では、流入側の流体を連絡通路(72)から膨張室(62)へ補助的に導入することにより、過膨張の状態を効果的に解消することができる。 Assuming an example in which an expansion ratio is approximately 4 during heating and approximately 3 during cooling for a refrigerant that is currently commonly used (for example, R410A), when an appropriate expansion ratio is selected during heating, overexpansion occurs during cooling. Occurs. In addition, overexpansion is more likely to occur when the cooling load is small during actual operation. On the other hand, in the second aspect of the present invention, the overexpanded state can be effectively eliminated by supplementarily introducing the fluid on the inflow side from the communication passage (72) into the expansion chamber (62). .

また、第3の発明は、第1または2の発明の容積型膨張機において、膨張機構(60)が、高圧圧力が超臨界圧となる蒸気圧縮式冷凍サイクルの膨張行程を行うように構成されていることを特徴としている。 The third invention is the positive displacement expander of the first or second invention , wherein the expansion mechanism (60) performs an expansion stroke of a vapor compression refrigeration cycle in which the high pressure becomes a supercritical pressure. It is characterized by having.

冷媒にCO などを用いて行う超臨界サイクルでは、例えば膨張比が暖房時に約3、冷房時に約2となり、冷房時の動力損失が、現在一般に使用されている冷媒を用いた冷凍サイクルよりも大きくなる。これに対して、流入側の流体を連絡通路(72)から膨張室(62)に補助的に導入すると、動力損失を効果的に低減できる。 In a supercritical cycle using CO 2 or the like as a refrigerant, for example, the expansion ratio is about 3 at the time of heating and about 2 at the time of cooling, and the power loss at the time of cooling is lower than that of a refrigeration cycle using a refrigerant that is currently used generally growing. On the other hand, if the fluid on the inflow side is supplementarily introduced from the communication passage (72) into the expansion chamber (62), power loss can be effectively reduced.

また、第4の発明は、第1から第3の何れか1の発明の容積型膨張機において、膨張機構(60)が回転式の膨張機構であり、流体の膨張により回転動力を回収するように構成されていることを特徴としている。回転式の膨張機構(60)としては、揺動ピストン式、ローリングピストン式、あるいはスクロール式などの膨張機構(60)を採用することができる。 According to a fourth aspect of the present invention, in the positive displacement expander of any one of the first to third aspects, the expansion mechanism (60) is a rotary expansion mechanism, and the rotational power is recovered by the expansion of the fluid. It is characterized by being configured. As the rotary expansion mechanism (60), an expansion mechanism (60) such as a swing piston type, a rolling piston type, or a scroll type can be adopted.

また、第5の発明は、ケーシング(31)内に、容積型膨張機(60)と、電動機(40)と、上記容積型膨張機(60)及び電動機(40)により駆動されて流体を圧縮する圧縮機(50)とを備えた流体機械であって、容積型膨張機(60)が、第4の発明の容積型膨張機により構成されていることを特徴としている。 Further, the fifth aspect of the invention compresses fluid in the casing (31) by being driven by the positive displacement expander (60), the electric motor (40), and the positive displacement expander (60) and the electric motor (40). The positive displacement expander (60) is constituted by the positive displacement expander according to the fourth aspect of the present invention .

この発明では、圧縮機(50)と膨張機(60)が一体になった流体機械において、圧縮機(50)と膨張機(60)が一般に同じ回転数で回転するため、低膨張比の条件で動力回収の効率が低下しやすいのに対して、冷媒を膨張機(60)に導入することにより、動力回収効率を特に効果的に高められる。   In the present invention, in the fluid machine in which the compressor (50) and the expander (60) are integrated, the compressor (50) and the expander (60) generally rotate at the same rotational speed. In contrast, the efficiency of power recovery tends to be reduced, but the power recovery efficiency can be particularly effectively increased by introducing the refrigerant into the expander (60).

第1の発明によれば、流体流入側から該膨張室(62)内に流体を補助的に導入することができるため、従来は高圧流体(冷媒)が膨張機構(60)をバイパスする状態としていた低膨張比の条件で、膨張機構(60)に流体を導入できる。これにより、高圧流体に膨張仕事を常に行わせることが可能となり、動力回収効率が向上する。   According to the first invention, since the fluid can be supplementarily introduced into the expansion chamber (62) from the fluid inflow side, conventionally, the high-pressure fluid (refrigerant) bypasses the expansion mechanism (60). The fluid can be introduced into the expansion mechanism (60) under the condition of the low expansion ratio. As a result, the high-pressure fluid can always perform expansion work, and the power recovery efficiency is improved.

また、過膨張が発生する条件のときに膨張機構(60)に冷媒を導入すると、過膨張を解消できる。したがって、図13の面積IIで表される動力損失をなくし、図14,図15に示すように確実に動力回収をすることができる。このように、過膨張が発生する運転条件において、動力回収効率を高めることも可能となる。   Further, if the refrigerant is introduced into the expansion mechanism (60) under the condition that the overexpansion occurs, the overexpansion can be eliminated. Therefore, the power loss represented by the area II in FIG. 13 can be eliminated, and the power can be reliably recovered as shown in FIGS. In this way, power recovery efficiency can be increased under operating conditions in which overexpansion occurs.

また、連絡通路(72)に流体の流量を連続的に調整可能な流通制御機構(73)を設けることにより、蒸気圧縮式冷凍サイクルの膨張比が小さくなり、従来であれば冷媒を膨張機に流さずにバイパスさせる場合に、冷媒を膨張機に流すことが可能となるので、確実に動力回収の効率を高められる。また、過膨張も確実に防止できる。 Also, by providing a flow control mechanism (73) capable of continuously adjusting the flow rate of fluid in the communication passage (72), the expansion ratio of the vapor compression refrigeration cycle is reduced. When bypassing without flowing, the refrigerant can flow to the expander, so that the efficiency of power recovery can be reliably increased. Moreover, overexpansion can be reliably prevented.

第2の発明によれば、蒸気圧縮式冷凍サイクルの膨張行程を行うのに本発明の膨張機を用いるようにしている。したがって、蒸気圧縮式冷凍サイクルにおいては運転条件が変化しやすく、低膨張比のときに膨張機において動力回収の効率が低下しやすいのに対して、その効率低下を効果的に防止できる。 According to the second invention , the expander of the present invention is used to perform the expansion stroke of the vapor compression refrigeration cycle. Therefore, in the vapor compression refrigeration cycle, the operating conditions are likely to change, and the efficiency of power recovery in the expander tends to decrease when the expansion ratio is low, but the efficiency reduction can be effectively prevented.

また、第3の発明によれば、本発明の膨張機を超臨界サイクルに用いるようにしているため、該超臨界サイクルにおける動力損失が特に大きいのに対して、該損失をより効果的に抑えることが可能となる。 According to the third invention , since the expander of the present invention is used for the supercritical cycle, the power loss in the supercritical cycle is particularly large, but the loss is more effectively suppressed. It becomes possible.

また、第4の発明によれば、揺動ピストン式、ローリングピストン式、あるいはスクロール式などで代表される回転式の膨張機構(60)を備えた膨張機において、過膨張を抑えることにより、回転動力の回収効率を高めることができる。 According to the fourth aspect of the present invention , in the expander equipped with a rotary expansion mechanism (60) represented by a swing piston type, a rolling piston type, or a scroll type, the rotation is suppressed by suppressing overexpansion. Power recovery efficiency can be increased.

また、第5の発明によれば、ケーシング(31)内に容積型膨張機(60)と電動機(40)と圧縮機(50)とを備えた流体機械で、膨張機(60)の回収動力を電動機(40)とともに圧縮機(50)の駆動動力に用いる場合に、膨張機(60)による動力回収効率を高められるので、電動機(40)による圧縮機(50)への駆動入力を抑え、効率的な運転をすることが可能となる。 According to the fifth aspect of the present invention , in the fluid machine having the positive displacement expander (60), the electric motor (40), and the compressor (50) in the casing (31), the recovered power of the expander (60) is obtained. Can be used together with the electric motor (40) for the driving power of the compressor (50), the power recovery efficiency of the expander (60) can be increased, so the driving input to the compressor (50) by the electric motor (40) can be suppressed, It becomes possible to operate efficiently.

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

〈発明の実施形態1〉
この実施形態1は、本発明の流体機械を用いて空調機(10)を構成したものである。
<Embodiment 1>
In the first embodiment, an air conditioner (10) is configured using the fluid machine of the present invention.

《空調機の全体構成》
図1に示すように、上記空調機(10)は、いわゆるセパレート型のものであって、室外機(11)と室内機(13)とを備えている。室外機(11)には、室外ファン(12)、室外熱交換器(23)、第1四路切換弁(21)、第2四路切換弁(22)、及び圧縮・膨張ユニット(30)が収納されている。室内機(13)には、室内ファン(14)及び室内熱交換器(24)が収納されている。そして、室外機(11)は屋外に設置され、室内機(13)は屋内に設置されている。また、室外機(11)と室内機(13)とは、一対の連絡配管(15,16)で接続されている。尚、圧縮・膨張ユニット(30)の詳細は後述する。
<Overall configuration of air conditioner>
As shown in FIG. 1, the air conditioner (10) is of a so-called separate type, and includes an outdoor unit (11) and an indoor unit (13). The outdoor unit (11) includes an outdoor fan (12), an outdoor heat exchanger (23), a first four-way switching valve (21), a second four-way switching valve (22), and a compression / expansion unit (30). Is stored. The indoor unit (13) houses an indoor fan (14) and an indoor heat exchanger (24). The outdoor unit (11) is installed outdoors, and the indoor unit (13) is installed indoors. The outdoor unit (11) and the indoor unit (13) are connected by a pair of connecting pipes (15, 16). Details of the compression / expansion unit (30) will be described later.

上記空調機(10)には、冷媒回路(20)が設けられている。この冷媒回路(20)は、圧縮・膨張ユニット(30)や室内熱交換器(24)などが接続された閉回路である。また、この冷媒回路(20)には、冷媒として二酸化炭素(CO)が充填されている。 The air conditioner (10) is provided with a refrigerant circuit (20). The refrigerant circuit (20) is a closed circuit to which a compression / expansion unit (30), an indoor heat exchanger (24), and the like are connected. The refrigerant circuit (20) is filled with carbon dioxide (CO 2 ) as a refrigerant.

上記室外熱交換器(23)と室内熱交換器(24)とは、何れも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。室外熱交換器(23)では、冷媒回路(20)を循環する冷媒が室外空気と熱交換する。室内熱交換器(24)では、冷媒回路(20)を循環する冷媒が室内空気と熱交換する。   Both the outdoor heat exchanger (23) and the indoor heat exchanger (24) are cross fin type fin-and-tube heat exchangers. In the outdoor heat exchanger (23), the refrigerant circulating in the refrigerant circuit (20) exchanges heat with outdoor air. In the indoor heat exchanger (24), the refrigerant circulating in the refrigerant circuit (20) exchanges heat with room air.

上記第1四路切換弁(21)は、4つのポートを備えている。この第1四路切換弁(21)は、その第1のポートが圧縮・膨張ユニット(30)の吐出ポート(35)と配管接続され、第2のポートが連絡配管(15)を介して室内熱交換器(24)の一端と配管接続され、第3のポートが室外熱交換器(23)の一端と配管接続され、第4のポートが圧縮・膨張ユニット(30)の吸入ポート(34)と配管接続されている。そして、第1四路切換弁(21)は、第1のポートと第2のポートとが連通し且つ第3のポートと第4のポートとが連通する状態(図1に実線で示す状態)と、第1のポートと第3のポートとが連通し且つ第2のポートと第4のポートとが連通する状態(図1に破線で示す状態)とに切り換わる。   The first four-way selector valve (21) has four ports. The first four-way switching valve (21) has a first port connected to the discharge port (35) of the compression / expansion unit (30) and a second port connected to the interior via the connection pipe (15). One end of the heat exchanger (24) is piped, the third port is piped to one end of the outdoor heat exchanger (23), and the fourth port is the suction port (34) of the compression / expansion unit (30) And piping connected. The first four-way switching valve (21) is in a state where the first port and the second port communicate with each other and the third port and the fourth port communicate with each other (a state indicated by a solid line in FIG. 1). Then, the first port and the third port communicate with each other and the second port and the fourth port communicate with each other (state indicated by a broken line in FIG. 1).

上記第2四路切換弁(22)は、4つのポートを備えている。この第2四路切換弁(22)は、その第1のポートが圧縮・膨張ユニット(30)の流出ポート(37)と配管接続され、第2のポートが室外熱交換器(23)の他端と配管接続され、第3のポートが連絡配管(16)を介して室内熱交換器(24)の他端と配管接続され、第4のポートが圧縮・膨張ユニット(30)の流入ポート(36)と配管接続されている。そして、第2四路切換弁(22)は、第1のポートと第2のポートとが連通し且つ第3のポートと第4のポートとが連通する状態(図1に実線で示す状態)と、第1のポートと第3のポートとが連通し且つ第2のポートと第4のポートとが連通する状態(図1に破線で示す状態)とに切り換わる。   The second four-way selector valve (22) has four ports. The second four-way selector valve (22) has a first port connected to the outflow port (37) of the compression / expansion unit (30) and a second port other than the outdoor heat exchanger (23). The third port is connected to the other end of the indoor heat exchanger (24) via the connecting pipe (16), and the fourth port is connected to the inlet port (30) of the compression / expansion unit (30). 36) and pipe connected. The second four-way selector valve (22) is in a state where the first port and the second port communicate with each other and the third port and the fourth port communicate with each other (a state indicated by a solid line in FIG. 1). Then, the first port and the third port communicate with each other and the second port and the fourth port communicate with each other (state indicated by a broken line in FIG. 1).

《圧縮・膨張ユニットの構成》
図2に示すように、圧縮・膨張ユニット(30)は、本発明の流体機械を構成している。この圧縮・膨張ユニット(30)では、横長で円筒形の密閉容器であるケーシング(31)の内部に、圧縮機構部(50)、膨張機構部(60)、及び電動機(40)が収納されている。また、このケーシング(31)内では、図2における左から右に向かって、圧縮機構部(50)、電動機(40)、膨張機構部(60)の順で配置されている。尚、図2を参照しながらの説明で用いる「右」「左」は、それぞれ同図における「右」「左」を意味する。
<Configuration of compression / expansion unit>
As shown in FIG. 2, the compression / expansion unit (30) constitutes the fluid machine of the present invention. In this compression / expansion unit (30), a compression mechanism part (50), an expansion mechanism part (60), and an electric motor (40) are housed in a casing (31) which is a horizontally long and cylindrical sealed container. Yes. In the casing (31), the compression mechanism (50), the electric motor (40), and the expansion mechanism (60) are arranged in this order from left to right in FIG. Note that “right” and “left” used in the description with reference to FIG. 2 mean “right” and “left” in FIG.

上記電動機(40)は、ケーシング(31)の長手方向の中央部に配置されている。この電動機(40)は、ステータ(41)とロータ(42)とにより構成されている。ステータ(41)は、上記ケーシング(31)に固定されている。ロータ(42)は、ステータ(41)の内側に配置されている。また、ロータ(42)には、該ロータ(42)と同軸にシャフト(45)の主軸部(48)が貫通している。   The said electric motor (40) is arrange | positioned in the center part of the longitudinal direction of a casing (31). The electric motor (40) includes a stator (41) and a rotor (42). The stator (41) is fixed to the casing (31). The rotor (42) is disposed inside the stator (41). The main shaft portion (48) of the shaft (45) passes through the rotor (42) coaxially with the rotor (42).

上記シャフト(45)は、その右端側に大径偏心部(46)が形成され、その左端側に小径偏心部(47)が形成されている。大径偏心部(46)は、主軸部(48)よりも大径に形成され、主軸部(48)の軸心から所定量だけ偏心している。一方、小径偏心部(47)は、主軸部(48)よりも小径に形成され、主軸部(48)の軸心から所定量だけ偏心している。そして、このシャフト(45)は、回転軸を構成している。   The shaft (45) has a large-diameter eccentric part (46) formed on the right end side thereof and a small-diameter eccentric part (47) formed on the left end side thereof. The large-diameter eccentric part (46) is formed to have a larger diameter than the main shaft part (48), and is eccentric from the axis of the main shaft part (48) by a predetermined amount. On the other hand, the small-diameter eccentric portion (47) is formed with a smaller diameter than the main shaft portion (48), and is eccentric from the shaft center of the main shaft portion (48) by a predetermined amount. And this shaft (45) comprises the rotating shaft.

上記シャフト(45)には、図示しないが、油ポンプが連結されている。また、上記ケーシング(31)の底部には、潤滑油が貯留されている。この潤滑油は、油ポンプによって汲み上げられ、圧縮機構部(50)や膨張機構部(60)へ供給されて潤滑に利用される。   Although not shown, an oil pump is connected to the shaft (45). Lubricating oil is stored at the bottom of the casing (31). This lubricating oil is pumped up by an oil pump, supplied to the compression mechanism (50) and the expansion mechanism (60), and used for lubrication.

上記圧縮機構部(50)は、いわゆるスクロール圧縮機を構成している。この圧縮機構部(50)は、固定スクロール(51)と、可動スクロール(54)と、フレーム(57)とを備えている。また、圧縮機構部(50)には、吸入ポート(34)と吐出ポート(35)とが設けられている。   The said compression mechanism part (50) comprises what is called a scroll compressor. The compression mechanism (50) includes a fixed scroll (51), a movable scroll (54), and a frame (57). The compression mechanism (50) is provided with a suction port (34) and a discharge port (35).

上記固定スクロール(51)では、鏡板(52)に渦巻き状の固定側ラップ(53)が突設されている。この固定スクロール(51)の鏡板(52)は、ケーシング(31)に固定されている。一方、上記可動スクロール(54)では、板状の鏡板(55)に渦巻き状の可動側ラップ(56)が突設されている。固定スクロール(51)と可動スクロール(54)とは、互いに対向する姿勢で配置されている。そして、固定側ラップ(53)と可動側ラップ(56)が噛み合うことにより、圧縮室(59)が区画される。   In the fixed scroll (51), a spiral fixed-side wrap (53) projects from the end plate (52). The end plate (52) of the fixed scroll (51) is fixed to the casing (31). On the other hand, in the movable scroll (54), a spiral movable side wrap (56) projects from a plate-shaped end plate (55). The fixed scroll (51) and the movable scroll (54) are disposed so as to face each other. The compression chamber (59) is defined by the meshing of the fixed wrap (53) and the movable wrap (56).

上記吸入ポート(34)は、その一端が固定側ラップ(53)及び可動側ラップ(56)の外周側に接続されている。一方、上記吐出ポート(35)は、固定スクロール(51)の鏡板(52)の中央部に接続され、その一端が圧縮室(59)に開口している。   One end of the suction port (34) is connected to the outer peripheral side of the fixed side wrap (53) and the movable side wrap (56). On the other hand, the discharge port (35) is connected to the center of the end plate (52) of the fixed scroll (51), and one end thereof opens to the compression chamber (59).

上記可動スクロール(54)の鏡板(55)は、その右側面の中央部に突出部分が形成されており、この突出部分にシャフト(45)の小径偏心部(47)が挿入されている。また、上記可動スクロール(54)は、オルダムリング(58)を介してフレーム(57)に支持されている。このオルダムリング(58)は、可動スクロール(54)の自転を規制するためのものである。そして、可動スクロール(54)は、自転することなく、所定の旋回半径で公転する。この可動スクロール(54)の旋回半径は、小径偏心部(47)の偏心量と同じである。   The end plate (55) of the movable scroll (54) has a protruding portion formed at the center of the right side surface, and the small diameter eccentric portion (47) of the shaft (45) is inserted into the protruding portion. The movable scroll (54) is supported by the frame (57) via an Oldham ring (58). The Oldham ring (58) is for regulating the rotation of the movable scroll (54). The movable scroll (54) revolves at a predetermined turning radius without rotating. The turning radius of the movable scroll (54) is the same as the amount of eccentricity of the small diameter eccentric portion (47).

上記膨張機構部(60)は、いわゆる揺動ピストン型の膨張機構であって、本発明の容積型膨張機を構成している。この膨張機構部(60)は、シリンダ(61)と、フロントヘッド(63)と、リアヘッド(64)と、ピストン(65)とを備えている。また、膨張機構部(60)には、流入ポート(36)と流出ポート(37)とが設けられている。   The expansion mechanism section (60) is a so-called oscillating piston type expansion mechanism and constitutes a positive displacement expander of the present invention. The expansion mechanism (60) includes a cylinder (61), a front head (63), a rear head (64), and a piston (65). The expansion mechanism (60) is provided with an inflow port (36) and an outflow port (37).

上記シリンダ(61)は、その左側端面がフロントヘッド(63)により閉塞され、その右側端面がリアヘッド(64)により閉塞されている。つまり、フロントヘッド(63)とリアヘッド(64)は、それぞれが閉塞部材を構成している。   The cylinder (61) has its left end face closed by the front head (63) and its right end face closed by the rear head (64). That is, the front head (63) and the rear head (64) each constitute a closing member.

上記ピストン(65)は、両端がフロントヘッド(63)とリアヘッド(64)で閉塞されたシリンダ(61)の内部に収納されている。そして、図4に示すように、シリンダ(61)内に膨張室(62)が形成されるとともに、ピストン(65)の外周面がシリンダ(61)の内周面に実質的に摺接するようになっている。   The piston (65) is housed in a cylinder (61) whose both ends are closed by a front head (63) and a rear head (64). As shown in FIG. 4, the expansion chamber (62) is formed in the cylinder (61), and the outer peripheral surface of the piston (65) is substantially in sliding contact with the inner peripheral surface of the cylinder (61). It has become.

図4(a)に示すように、上記ピストン(65)は、円環状あるいは円筒状に形成されている。ピストン(65)の内径は、大径偏心部(46)の外径と概ね等しくなっている。そして、シャフト(45)の大径偏心部(46)がピストン(65)を貫通するように設けられ、ピストン(65)の内周面と大径偏心部(46)の外周面がほぼ全面に亘って摺接する。   As shown in FIG. 4A, the piston (65) is formed in an annular shape or a cylindrical shape. The inner diameter of the piston (65) is substantially equal to the outer diameter of the large-diameter eccentric part (46). The large-diameter eccentric portion (46) of the shaft (45) is provided so as to penetrate the piston (65), and the inner peripheral surface of the piston (65) and the outer peripheral surface of the large-diameter eccentric portion (46) are almost the entire surface. Slid over.

また、上記ピストン(65)には、ブレード(66)が一体に設けられている。このブレード(66)は、板状に形成されており、ピストン(65)の外周面から外側へ突出している。シリンダ(61)の内周面とピストン(65)の外周面に挟まれた膨張室(62)は、このブレード(66)によって高圧側(吸入/膨張側)と低圧側(排出側)とに仕切られる。   The piston (65) is integrally provided with a blade (66). The blade (66) is formed in a plate shape and protrudes outward from the outer peripheral surface of the piston (65). The expansion chamber (62) sandwiched between the inner peripheral surface of the cylinder (61) and the outer peripheral surface of the piston (65) is divided into a high pressure side (suction / expansion side) and a low pressure side (discharge side) by the blade (66). Partitioned.

上記シリンダ(61)には、一対のブッシュ(67)が設けられている。各ブッシュ(67)は、それぞれが半月状に形成されている。このブッシュ(67)は、ブレード(66)を挟み込んだ状態で設置され、ブレード(66)と摺動する。また、ブッシュ(67)は、ブレード(66)を挟んだ状態でシリンダ(61)に対して回動自在となっている。   The cylinder (61) is provided with a pair of bushes (67). Each bush (67) is formed in a half-moon shape. The bush (67) is installed with the blade (66) sandwiched therebetween, and slides with the blade (66). The bush (67) is rotatable with respect to the cylinder (61) with the blade (66) interposed therebetween.

図4に示すように、上記流入ポート(36)は、フロントヘッド(63)に形成されており、導入通路を構成している。流入ポート(36)の終端は、フロントヘッド(63)の内側面において、流入ポート(36)が直接に膨張室(62)と連通することのない位置に開口している。具体的に、流入ポート(36)の終端は、フロントヘッド(63)の内側面のうち大径偏心部(46)の端面と摺接する部分において、同図(a)における主軸部(48)の軸心のやや左上の位置に開口している。   As shown in FIG. 4, the inflow port (36) is formed in the front head (63) and constitutes an introduction passage. The terminal end of the inflow port (36) opens at a position where the inflow port (36) does not directly communicate with the expansion chamber (62) on the inner surface of the front head (63). Specifically, the end of the inflow port (36) is the portion of the inner surface of the front head (63) that is in sliding contact with the end surface of the large-diameter eccentric portion (46), and the main shaft portion (48) in FIG. It opens at a slightly upper left position of the axis.

フロントヘッド(63)には、溝状通路(69)も形成されている。図4(b)に示すように、この溝状通路(69)は、フロントヘッド(63)をその内側面側から掘り下げることにより、フロントヘッド(63)の内側面に開口する凹溝状に形成されている。   A groove-like passage (69) is also formed in the front head (63). As shown in FIG. 4 (b), the groove-like passage (69) is formed in a concave groove shape opened on the inner surface of the front head (63) by digging the front head (63) from the inner surface. Has been.

フロントヘッド(63)の内側面における溝状通路(69)の開口部分は、図4(a)において上下に細長い長方形状となっている。溝状通路(69)は、同図(a)における主軸部(48)の軸心よりも左側に位置している。また、この溝状通路(69)は、同図(a)における上端がシリンダ(61)の内周面よりも僅かに内側に位置すると共に、同図(a)における下端がフロントヘッド(63)の内側面のうち大径偏心部(46)の端面と摺接する部分に位置している。そして、この溝状通路(69)は、膨張室(62)と連通可能になっている。   The opening portion of the groove-like passageway (69) on the inner side surface of the front head (63) has a rectangular shape that is elongated vertically in FIG. The groove-like passage (69) is located on the left side of the axis of the main shaft portion (48) in FIG. Further, the groove-like passage (69) has an upper end in the same figure (a) located slightly inside the inner peripheral surface of the cylinder (61) and a lower end in the same figure (a) as the front head (63). It is located in the part which slidably contacts with the end surface of a large diameter eccentric part (46) among the inner surfaces. The groove-like passage (69) can communicate with the expansion chamber (62).

シャフト(45)の大径偏心部(46)には、連通路(70)が形成されている。図4(b)に示すように、この連通路(70)は、大径偏心部(46)をその端面側から掘り下げることにより、フロントヘッド(63)に向き合った大径偏心部(46)の端面に開口する凹溝状に形成されている。   A communication path (70) is formed in the large-diameter eccentric part (46) of the shaft (45). As shown in FIG. 4 (b), the communication path (70) has a large diameter eccentric portion (46) facing the front head (63) by digging the large diameter eccentric portion (46) from the end face side. It is formed in the shape of a concave groove that opens to the end face.

また、図4(a)に示すように、連通路(70)は、大径偏心部(46)の外周に沿って延びる円弧状に形成されている。更に、連通路(70)におけるその周長方向の中央は、主軸部(48)の軸心と大径偏心部(46)の軸心を結んだ線上であって、大径偏心部(46)の軸心に対して主軸部(48)の軸心とは反対側に位置している。そして、シャフト(45)が回転すると、それに伴って大径偏心部(46)の連通路(70)も移動し、この連通路(70)を介して流入ポート(36)と溝状通路(69)が間欠的に連通する。   Moreover, as shown to Fig.4 (a), the communicating path (70) is formed in the circular arc shape extended along the outer periphery of a large diameter eccentric part (46). Furthermore, the center in the circumferential direction of the communication path (70) is a line connecting the axis of the main shaft (48) and the axis of the large-diameter eccentric portion (46), and the large-diameter eccentric portion (46). It is located on the opposite side of the shaft center of the main shaft portion (48) with respect to the shaft center. When the shaft (45) rotates, the communication path (70) of the large-diameter eccentric part (46) also moves accordingly, and the inflow port (36) and the groove-shaped path (69) are moved through this communication path (70). ) Intermittently communicate.

図4(a)に示すように、上記流出ポート(37)は、シリンダ(61)に形成されている。この流出ポート(37)の始端は、膨張室(62)に臨むシリンダ(61)の内周面に開口している。また、流出ポート(37)の始端は、同図(a)におけるブレード(66)の右側近傍に開口している。   As shown in FIG. 4A, the outflow port (37) is formed in the cylinder (61). The starting end of the outflow port (37) opens to the inner peripheral surface of the cylinder (61) facing the expansion chamber (62). Further, the starting end of the outflow port (37) is opened near the right side of the blade (66) in FIG.

そして、本発明の特徴として、上記膨張機構部(60)には、膨張室(62)の流体流入側である流入ポート(36)から分岐して該膨張室(62)の吸入/膨張過程位置に連通する連絡通路として、連絡管(72)が設けられている。この連絡管(72)には、該連絡管(72)を流れる冷媒の流通/停止の切り換えや流量調整を行う流通制御機構(73)が設けられている。   As a feature of the present invention, the expansion mechanism section (60) branches from the inflow port (36) on the fluid inflow side of the expansion chamber (62) to the suction / expansion process position of the expansion chamber (62). A communication pipe (72) is provided as a communication passage communicating with the. The communication pipe (72) is provided with a flow control mechanism (73) for switching the flow / stop of the refrigerant flowing through the communication pipe (72) and adjusting the flow rate.

上記連絡管(72)は、図4(a)におけるブレード(66)の左側近傍に接続されている。具体的には、上記連絡管(72)は、シャフト(45)の回転中心を基準としてブッシュ(67)の回動中心のある位置を0°とすると、図4(a)において反時計回り方向へ約20°〜30°の位置において、シリンダ(61)に接続されている。また、上記開閉機構(73)は、開度調整可能な電動弁(インジェクション弁)により構成されている。この電動弁(73)の開度を調整すると、上記連絡管(72)を流れる冷媒の流量を調整することが可能である。また、該電動弁(73)を閉鎖すると、連絡管(72)に冷媒を流さない状態にすることができる。   The connecting pipe (72) is connected to the vicinity of the left side of the blade (66) in FIG. Specifically, the connecting pipe (72) is counterclockwise in FIG. 4 (a) when the position of the rotation center of the bush (67) is 0 ° with respect to the rotation center of the shaft (45). At a position of about 20 ° to 30 °, the cylinder (61) is connected. The opening / closing mechanism (73) is constituted by an electric valve (injection valve) whose opening degree can be adjusted. By adjusting the opening degree of the motor-operated valve (73), it is possible to adjust the flow rate of the refrigerant flowing through the communication pipe (72). Further, when the motor-operated valve (73) is closed, the refrigerant can be prevented from flowing through the communication pipe (72).

本実施形態1の空調機(10)には、一般に冷媒回路(20)に設けられる高圧圧力センサ(74a)及び低圧圧力センサ(74b)に加えて、膨張室(62)の圧力を検出する過膨張圧力センサ(74c)が設けられている。また、この空調機(10)の制御手段(74)は、これらのセンサ(74a,74b,74c)により検出される圧力に基づいて、上記電動弁(73)を制御できるようになっている。   In the air conditioner (10) of the first embodiment, in addition to the high pressure sensor (74a) and the low pressure sensor (74b) that are generally provided in the refrigerant circuit (20), an excess pressure that detects the pressure in the expansion chamber (62) is detected. An expansion pressure sensor (74c) is provided. The control means (74) of the air conditioner (10) can control the motor-operated valve (73) based on the pressure detected by these sensors (74a, 74b, 74c).

−運転動作−
上記空調機(10)の動作について説明する。ここでは、空調機(10)の冷房運転時及び暖房運転時の動作について説明し、続いて膨張機構部(60)の動作について説明する。
-Driving action-
The operation of the air conditioner (10) will be described. Here, the operation during the cooling operation and the heating operation of the air conditioner (10) will be described, and then the operation of the expansion mechanism section (60) will be described.

《冷房運転》
冷房運転時には、第1四路切換弁(21)及び第2四路切換弁(22)が図1に破線で示す状態に切り換えられる。この状態で圧縮・膨張ユニット(30)の電動機(40)に通電すると、冷媒回路(20)で冷媒が循環して蒸気圧縮式の冷凍サイクルが行われる。
《Cooling operation》
During the cooling operation, the first four-way switching valve (21) and the second four-way switching valve (22) are switched to the state indicated by the broken line in FIG. When the electric motor (40) of the compression / expansion unit (30) is energized in this state, the refrigerant circulates in the refrigerant circuit (20), and a vapor compression refrigeration cycle is performed.

圧縮機構部(50)で圧縮された冷媒は、吐出ポート(35)を通って圧縮・膨張ユニット(30)から吐出される。この状態で、冷媒の圧力は、その臨界圧力よりも高くなっている。この吐出冷媒は、第1四路切換弁(21)を通って室外熱交換器(23)へ送られる。室外熱交換器(23)では、流入した冷媒が室外ファン(12)により送られる室外空気と熱交換する。この熱交換により、冷媒が室外空気に対して放熱する。   The refrigerant compressed by the compression mechanism (50) is discharged from the compression / expansion unit (30) through the discharge port (35). In this state, the refrigerant pressure is higher than the critical pressure. This discharged refrigerant is sent to the outdoor heat exchanger (23) through the first four-way switching valve (21). In the outdoor heat exchanger (23), the refrigerant flowing in exchanges heat with outdoor air sent by the outdoor fan (12). By this heat exchange, the refrigerant dissipates heat to the outdoor air.

室外熱交換器(23)で放熱した冷媒は、第2四路切換弁(22)を通過し、流入ポート(36)を通って圧縮・膨張ユニット(30)の膨張機構部(60)へ流入する。膨張機構部(60)では、高圧冷媒が膨張し、その内部エネルギがシャフト(45)の回転動力に変換される。膨張後の低圧冷媒は、流出ポート(37)を通って圧縮・膨張ユニット(30)から流出し、第2四路切換弁(22)を通過して室内熱交換器(24)へ送られる。   The refrigerant radiated by the outdoor heat exchanger (23) passes through the second four-way switching valve (22) and flows into the expansion mechanism (60) of the compression / expansion unit (30) through the inflow port (36). To do. In the expansion mechanism (60), the high-pressure refrigerant expands, and its internal energy is converted into rotational power of the shaft (45). The low-pressure refrigerant after expansion flows out from the compression / expansion unit (30) through the outflow port (37), passes through the second four-way switching valve (22), and is sent to the indoor heat exchanger (24).

室内熱交換器(24)では、流入した冷媒が室内ファン(14)により送られる室内空気と熱交換する。この熱交換により、冷媒が室内空気から吸熱して蒸発し、室内空気が冷却される。室内熱交換器(24)から出た低圧ガス冷媒は、第1四路切換弁(21)を通過し、吸入ポート(34)を通って圧縮・膨張ユニット(30)の圧縮機構部(50)へ吸入される。圧縮機構部(50)は、吸入した冷媒を圧縮して吐出する。   In the indoor heat exchanger (24), the refrigerant flowing in exchanges heat with the indoor air sent by the indoor fan (14). By this heat exchange, the refrigerant absorbs heat from the room air and evaporates, thereby cooling the room air. The low-pressure gas refrigerant coming out of the indoor heat exchanger (24) passes through the first four-way switching valve (21), passes through the suction port (34), and the compression mechanism (50) of the compression / expansion unit (30). Inhaled. The compression mechanism (50) compresses and discharges the sucked refrigerant.

《暖房運転》
暖房運転時には、第1四路切換弁(21)及び第2四路切換弁(22)が図1に実線で示す状態に切り換えられる。この状態で圧縮・膨張ユニット(30)の電動機(40)に通電すると、冷媒回路(20)で冷媒が循環して蒸気圧縮式の冷凍サイクルが行われる。
《Heating operation》
During the heating operation, the first four-way switching valve (21) and the second four-way switching valve (22) are switched to the state shown by the solid line in FIG. When the electric motor (40) of the compression / expansion unit (30) is energized in this state, the refrigerant circulates in the refrigerant circuit (20), and a vapor compression refrigeration cycle is performed.

圧縮機構部(50)で圧縮された冷媒は、吐出ポート(35)を通って圧縮・膨張ユニット(30)から吐出される。この状態で、冷媒の圧力は、その臨界圧力よりも高くなっている。この吐出冷媒は、第1四路切換弁(21)を通過して室内熱交換器(24)へ送られる。室内熱交換器(24)では、流入した冷媒が室内空気と熱交換する。この熱交換により、冷媒が室内空気へ放熱し、室内空気が加熱される。   The refrigerant compressed by the compression mechanism (50) is discharged from the compression / expansion unit (30) through the discharge port (35). In this state, the refrigerant pressure is higher than the critical pressure. The discharged refrigerant passes through the first four-way switching valve (21) and is sent to the indoor heat exchanger (24). In the indoor heat exchanger (24), the refrigerant flowing in exchanges heat with room air. By this heat exchange, the refrigerant dissipates heat to the room air, and the room air is heated.

室内熱交換器(24)で放熱した冷媒は、第2四路切換弁(22)を通過し、流入ポート(36)を通って圧縮・膨張ユニット(30)の膨張機構部(60)へ流入する。膨張機構部(60)では、高圧冷媒が膨張し、その内部エネルギがシャフト(45)の回転動力に変換される。膨張後の低圧冷媒は、流出ポート(37)を通って圧縮・膨張ユニット(30)から流出し、第2四路切換弁(22)を通過して室外熱交換器(23)へ送られる。   The refrigerant radiated by the indoor heat exchanger (24) passes through the second four-way switching valve (22) and flows into the expansion mechanism (60) of the compression / expansion unit (30) through the inflow port (36). To do. In the expansion mechanism (60), the high-pressure refrigerant expands, and its internal energy is converted into rotational power of the shaft (45). The low-pressure refrigerant after expansion flows out from the compression / expansion unit (30) through the outflow port (37), passes through the second four-way switching valve (22), and is sent to the outdoor heat exchanger (23).

室外熱交換器(23)では、流入した冷媒が室外空気と熱交換を行い、冷媒が室外空気から吸熱して蒸発する。室外熱交換器(23)から出た低圧ガス冷媒は、第1四路切換弁(21)を通過し、吸入ポート(34)を通って圧縮・膨張ユニット(30)の圧縮機構部(50)へ吸入される。圧縮機構部(50)は、吸入した冷媒を圧縮して吐出する。   In the outdoor heat exchanger (23), the refrigerant flowing in exchanges heat with the outdoor air, and the refrigerant absorbs heat from the outdoor air and evaporates. The low-pressure gas refrigerant discharged from the outdoor heat exchanger (23) passes through the first four-way switching valve (21), passes through the suction port (34), and the compression mechanism (50) of the compression / expansion unit (30). Inhaled. The compression mechanism (50) compresses and discharges the sucked refrigerant.

《膨張機構部の動作》
膨張機構部(60)の動作について、図3〜図11を参照しながら説明する。尚、図3は、大径偏心部(46)の中心軸に対して垂直な膨張機構部(60)の断面をシャフト(45)の回転角度45°毎に示したものである。また、図4〜図11の各図において、(a)は図3における回転角度毎に膨張機構部(60)の断面を拡大図示したものであり、(b)は大径偏心部(46)の中心軸に沿った膨張機構部(60)の断面を模式的に示したものである。尚、図4〜図11の各図において、(b)では主軸部(48)の断面の図示を省略している。
<Operation of expansion mechanism>
The operation of the expansion mechanism section (60) will be described with reference to FIGS. FIG. 3 shows a cross section of the expansion mechanism portion (60) perpendicular to the central axis of the large-diameter eccentric portion (46) at every rotation angle of 45 ° of the shaft (45). 4 to 11, (a) is an enlarged view of the cross section of the expansion mechanism (60) for each rotation angle in FIG. 3, and (b) is a large-diameter eccentric part (46). 2 schematically shows a cross section of the expansion mechanism section (60) along the central axis. 4 to 11, the cross section of the main shaft portion (48) is not shown in (b).

膨張室(62)へ高圧冷媒を導入すると、シャフト(45)が図3〜図11の各図における反時計方向へ回転する。   When high-pressure refrigerant is introduced into the expansion chamber (62), the shaft (45) rotates counterclockwise in each of FIGS.

シャフト(45)の回転角度が0°の時点では、図3,図4に示すように、流入ポート(36)の終端が大径偏心部(46)の端面で覆われている。つまり、流入ポート(36)は、大径偏心部(46)によって塞がれた状態となっている。大径偏心部(46)の連通路(70)は、溝状通路(69)のみに連通している。溝状通路(69)は、ピストン(65)と大径偏心部(46)の端面によって覆われており、膨張室(62)に連通しない状態となっている。膨張室(62)は、流出ポート(37)に連通することにより、その全体が低圧側となっている。この時点において、膨張室(62)は流入ポート(36)から遮断された状態となっており、高圧冷媒は膨張室(62)へ流入しない。   When the rotation angle of the shaft (45) is 0 °, the end of the inflow port (36) is covered with the end face of the large-diameter eccentric part (46) as shown in FIGS. That is, the inflow port (36) is closed by the large-diameter eccentric portion (46). The communication path (70) of the large-diameter eccentric part (46) communicates only with the groove-shaped path (69). The groove-like passage (69) is covered with the end face of the piston (65) and the large-diameter eccentric portion (46), and is not in communication with the expansion chamber (62). The expansion chamber (62) is communicated with the outflow port (37), so that the whole is on the low pressure side. At this time, the expansion chamber (62) is in a state of being blocked from the inflow port (36), and the high-pressure refrigerant does not flow into the expansion chamber (62).

シャフト(45)の回転角度が45°の時点では、図3,図5に示すように、流入ポート(36)が大径偏心部(46)の連通路(70)に連通した状態となる。この連通路(70)は、溝状通路(69)にも連通している。溝状通路(69)は、図3や図5(a)における上端部分がピストン(65)の端面から外れた状態となり、膨張室(62)の高圧側と連通する。この時点において、膨張室(62)が連通路(70)及び溝状通路(69)を介して流入ポート(36)に連通された状態となっており、高圧冷媒が膨張室(62)の高圧側へ流入する。つまり、膨張室(62)への高圧冷媒の導入は、シャフト(45)の回転角度が0°から45°に至るまでの間に開始される。   When the rotation angle of the shaft (45) is 45 °, the inflow port (36) communicates with the communication path (70) of the large-diameter eccentric part (46) as shown in FIGS. The communication path (70) also communicates with the groove-shaped path (69). The groove-like passage (69) is in a state in which the upper end portion in FIG. 3 or FIG. At this point, the expansion chamber (62) is in communication with the inflow port (36) via the communication passage (70) and the groove-like passage (69), and the high-pressure refrigerant is in the high pressure of the expansion chamber (62). To the side. In other words, the introduction of the high-pressure refrigerant into the expansion chamber (62) is started when the rotation angle of the shaft (45) reaches 0 ° to 45 °.

シャフト(45)の回転角度が90°の時点では、図3,図6に示すように、依然、膨張室(62)が連通路(70)及び溝状通路(69)を介して流入ポート(36)に連通された状態となっている。このため、シャフト(45)の回転角度が45°から90°に至るまでの間は、膨張室(62)の高圧側へ高圧冷媒が流入し続ける。   When the rotation angle of the shaft (45) is 90 °, as shown in FIGS. 3 and 6, the expansion chamber (62) still remains in the inflow port (70) and the groove-like passage (69) through the inflow port (70). 36). Therefore, the high-pressure refrigerant continues to flow into the high-pressure side of the expansion chamber (62) until the rotation angle of the shaft (45) reaches 45 ° to 90 °.

シャフト(45)の回転角度が135°の時点では、図3,図7に示すように、大径偏心部(46)の連通路(70)が溝状通路(69)及び流入ポート(36)の両方から外れた状態となる。この時点において、膨張室(62)は流入ポート(36)から遮断された状態となっており、高圧冷媒は膨張室(62)へ流入しない。したがって、膨張室(62)への高圧冷媒の導入は、シャフト(45)の回転角度が90°から135°に至るまでの間に終了する。   When the rotation angle of the shaft (45) is 135 °, as shown in FIGS. 3 and 7, the communication path (70) of the large-diameter eccentric part (46) becomes the groove-shaped path (69) and the inflow port (36). It will be in a state that is out of both. At this time, the expansion chamber (62) is in a state of being blocked from the inflow port (36), and the high-pressure refrigerant does not flow into the expansion chamber (62). Therefore, the introduction of the high-pressure refrigerant into the expansion chamber (62) is completed until the rotation angle of the shaft (45) reaches 90 ° to 135 °.

膨張室(62)への高圧冷媒の導入が終了した後は、膨張室(62)の高圧側が閉空間となり、そこへ流入した冷媒が膨張する。つまり、図3や図8〜図11の各図に示すように、シャフト(45)が回転して膨張室(62)における高圧側の容積が増大してゆく。また、その間、流出ポート(37)に連通する膨張室(62)の低圧側からは、膨張後の低圧冷媒が流出ポート(37)を通じて排出され続ける。   After the introduction of the high-pressure refrigerant into the expansion chamber (62) is completed, the high-pressure side of the expansion chamber (62) becomes a closed space, and the refrigerant flowing into the expansion chamber (62) expands. That is, as shown in FIGS. 3 and 8 to 11, the shaft (45) rotates and the volume on the high pressure side in the expansion chamber (62) increases. Meanwhile, the low-pressure refrigerant after expansion continues to be discharged through the outflow port (37) from the low pressure side of the expansion chamber (62) communicating with the outflow port (37).

膨張室(62)における冷媒の膨張は、シャフト(45)の回転角度が315°から360°に至るまでの間において、ピストン(65)におけるシリンダ(61)との接触部分が流出ポート(37)に達するまで続く。そして、ピストン(65)におけるシリンダ(61)との接触部分が流出ポート(37)を横切ると、膨張室(62)が流出ポート(37)と連通され、膨張した冷媒の排出が開始される。   The expansion of the refrigerant in the expansion chamber (62) is such that the contact portion of the piston (65) with the cylinder (61) is in the outflow port (37) during the rotation angle of the shaft (45) from 315 ° to 360 °. Continue until you reach. When the portion of the piston (65) that contacts the cylinder (61) crosses the outflow port (37), the expansion chamber (62) is communicated with the outflow port (37), and the discharge of the expanded refrigerant is started.

ここで、冷凍サイクルの理想的な動作が行われていて、膨張室(62)において過膨張が発生していない場合は、電動弁(73)を閉鎖した状態とする。このときは、膨張室(62)の容積変化と圧力変化との関係は、図12のグラフに示す状態となる。つまり、高圧流体はa点からb点までの間に膨張室(62)内に供給された後、b点から膨張が開始する。膨張室(62)は高圧流体の導入が停止すると圧力が一旦c点へ急激に下がり、その後の膨張によりd点まで緩やかに圧力が低下していく。そして、該膨張室(62)で排出過程が行われた後、a点に戻って次の吸入過程が開始される。このとき、吸入冷媒と排出冷媒の密度比は設計膨張比であり、動力回収効率のよい運転が行われる。   Here, when the ideal operation of the refrigeration cycle is performed and no excessive expansion occurs in the expansion chamber (62), the motor-operated valve (73) is closed. At this time, the relationship between the volume change of the expansion chamber (62) and the pressure change is as shown in the graph of FIG. That is, after the high-pressure fluid is supplied into the expansion chamber (62) from the point a to the point b, the expansion starts from the point b. In the expansion chamber (62), when the introduction of the high-pressure fluid stops, the pressure once suddenly drops to the point c, and the pressure gradually decreases to the point d due to the subsequent expansion. Then, after the discharge process is performed in the expansion chamber (62), the process returns to the point a and the next suction process is started. At this time, the density ratio between the intake refrigerant and the exhaust refrigerant is the design expansion ratio, and operation with good power recovery efficiency is performed.

一方、上記冷媒回路(20)では、冷房運転と暖房運転の切り換え、あるいは外気温度の変化などにより、高圧圧力や低圧圧力が設計圧力を外れることがある。このような場合、上記制御手段(74)は、上記センサ(74a,74b,74c)により検出される圧力に基づいて以下のような運転制御を行う。   On the other hand, in the refrigerant circuit (20), the high pressure and the low pressure may deviate from the design pressure due to switching between the cooling operation and the heating operation or a change in the outside air temperature. In such a case, the control means (74) performs the following operation control based on the pressure detected by the sensors (74a, 74b, 74c).

例えば、運転条件の変化により低圧圧力が上昇するなどして、実際の膨張比が設計膨張比よりも小さくなることがある。このような条件では、一般に、同じ回転数での圧縮機構部(50)からの吐出冷媒量が増加する一方、膨張機構部(60)では、同じ回転数ではほぼ同じ冷媒量が流れるため、圧縮機構部(50)からの冷媒量に比べて膨張機構部(60)の冷媒量が少なくなる。本実施形態では、このようなとき、電動弁(73)の開度を調整すると、該電動弁(73)で必要な量の冷媒を常に膨張機構部(60)に導入できるので、圧縮機構部(50)と膨張機構部(60)の流量が同じになるように調整することができる。こうすることにより、従来は膨張機構部(60)をバイパスして膨張仕事を行わない冷媒により効率が低下していたのに対し、運転効率を改善できる。   For example, the actual expansion ratio may be smaller than the design expansion ratio because the low-pressure pressure increases due to a change in operating conditions. Under such conditions, the amount of refrigerant discharged from the compression mechanism section (50) at the same rotational speed generally increases, while the expansion mechanism section (60) flows at substantially the same amount of refrigerant at the same rotational speed. The refrigerant quantity of the expansion mechanism part (60) is smaller than the refrigerant quantity from the mechanism part (50). In this embodiment, in such a case, if the opening degree of the motor-operated valve (73) is adjusted, an amount of refrigerant necessary for the motor-operated valve (73) can always be introduced into the expansion mechanism section (60). (50) and the expansion mechanism (60) can be adjusted to have the same flow rate. By doing so, the efficiency has been lowered by the refrigerant that does not perform the expansion work by bypassing the expansion mechanism section (60) in the past, but the operation efficiency can be improved.

電動弁(73)の開度調整を行う運転の状態を図15に示している。この場合、冷媒はa点からb’点への吸入過程を終えた後、d’点まで徐々に膨張する。冷媒はさらにe’点まで排出され、その後膨張室(62)では次の吸入過程が開始される。この運転状態ではa点、b’点、d’点、及びe’点で囲まれた面積Iにおいて膨張仕事が行われるので、効率のよい運転を行うことができる。   FIG. 15 shows an operation state in which the opening degree of the electric valve (73) is adjusted. In this case, the refrigerant gradually expands to the point d ′ after completing the suction process from the point a to the point b ′. The refrigerant is further discharged to the point e ', and then the next suction process is started in the expansion chamber (62). In this operating state, since the expansion work is performed in the area I surrounded by the points a, b ', d', and e ', efficient operation can be performed.

また、この実施形態1では、低圧圧力が上昇して実際の膨張比が設計膨張比よりも小さくなり、膨張室(62)が流出ポート(37)より低い圧力になる条件でも、過膨張を防止することができる。つまり、膨張室(62)で過膨張が生じる条件になると、電動弁(73)を所定開度に開き、高圧冷媒の一部を連絡管(72)から膨張室(62)内に導入する。これにより、膨張室(62)の圧力を冷凍サイクルの低圧圧力まで上昇させ、過膨張を解消することができる。したがって、上記電動弁(73)を設けない場合は、図13において過膨張の領域を示す面積IIにおいて動力が消費され、膨張機構部(60)の動力回収効率が大幅に低下するのに対して、図15に示すように図13の面積IIに示した動力消費が行われなくなる。したがって、面積IIの分の回収効率低下を防止できる。   Further, in the first embodiment, the low pressure is increased so that the actual expansion ratio becomes smaller than the design expansion ratio, and overexpansion is prevented even under the condition that the expansion chamber (62) is at a lower pressure than the outflow port (37). can do. That is, when the condition for causing overexpansion in the expansion chamber (62) is reached, the motor-operated valve (73) is opened to a predetermined opening, and a part of the high-pressure refrigerant is introduced into the expansion chamber (62) from the connecting pipe (72). Thereby, the pressure of an expansion chamber (62) can be raised to the low pressure of a refrigerating cycle, and overexpansion can be eliminated. Therefore, when the motor-operated valve (73) is not provided, the power is consumed in the area II indicating the overexpansion region in FIG. 13, and the power recovery efficiency of the expansion mechanism section (60) is greatly reduced. As shown in FIG. 15, the power consumption shown in the area II of FIG. 13 is not performed. Therefore, it is possible to prevent the recovery efficiency from being reduced by the area II.

−実施形態1の効果−
以上説明したように、この実施形態1によれば、膨張室(62)の流体流入側である流入ポート(37)から分岐して該膨張室(62)の吸入/膨張過程内の位置へ連通する連絡管(72)を設け、膨張比の小さい運転条件において電動弁(73)の開度を調整し、圧縮機(50)の流量と膨張機(60)の流量を同じにできるようにしている。このことにより、従来は冷媒に膨張機(60)をバイパスさせていたような条件でも膨張機(60)での動力回収を行うことが可能となり、効率のよい運転を行うことができる。
-Effect of Embodiment 1-
As described above, according to the first embodiment, the expansion chamber (62) branches from the inflow port (37) on the fluid inflow side and communicates with the position in the suction / expansion process of the expansion chamber (62). A connecting pipe (72) that adjusts the opening of the motorized valve (73) under operating conditions with a small expansion ratio so that the flow rate of the compressor (50) and the flow rate of the expander (60) can be the same. Yes. This makes it possible to recover power in the expander (60) even under conditions where the expander (60) has been bypassed by the refrigerant in the past, and an efficient operation can be performed.

また、この実施形態1では、過膨張が発生する条件では電動弁(73)を開いて連絡管(72)を開通できるので、膨張室(62)の圧力を上昇させることにより過膨張の状態を解消できる。したがって、過膨張の発生する条件で冷媒を排出させるのに動力を消費することがなくなり、膨張機構部(60)による動力回収効率が向上する。そして、動力回収効率が向上するため、圧縮機構部(50)への無駄な入力を抑え、効率のよい運転を行うことが可能となる。   In the first embodiment, the motor-operated valve (73) can be opened and the connecting pipe (72) can be opened under conditions where overexpansion occurs. Therefore, the state of overexpansion is increased by increasing the pressure in the expansion chamber (62). Can be resolved. Therefore, power is not consumed to discharge the refrigerant under conditions where overexpansion occurs, and power recovery efficiency by the expansion mechanism section (60) is improved. And since power recovery efficiency improves, it becomes possible to suppress useless input to a compression mechanism part (50), and to perform efficient driving | operation.

また、上記構成では、連絡管(72)を膨張室(62)に、上記吸入/膨張過程内の位置のうち、特に該過程の初期の位置(シャフト(45)の回転角度で約20°〜30°の位置)において接続しているので、高圧冷媒を膨張室(62)へ導入することが必要な運転条件において、吸入/膨張過程中の該膨張室(62)に高圧冷媒の一部をほとんど常時導入することができる。   Further, in the above configuration, the connecting pipe (72) is connected to the expansion chamber (62), and among the positions in the suction / expansion process, in particular, the initial position of the process (the rotation angle of the shaft (45) is about 20 ° to about 20 °). 30 ° position), in the operating conditions where it is necessary to introduce the high-pressure refrigerant into the expansion chamber (62), a part of the high-pressure refrigerant is put into the expansion chamber (62) during the suction / expansion process. Can be introduced almost always.

また、この実施形態1では、冷媒である二酸化炭素(CO)を超臨界状態まで圧縮して行う蒸気圧縮式冷凍サイクルにおいて、例えば暖房運転を基準とする設計をした場合に冷房運転を行うと過膨張が生じやすいのに対して、その過膨張の発生を効果的に防止できる。 Further, in Embodiment 1, in a vapor compression refrigeration cycle that is performed by compressing carbon dioxide (CO 2 ) that is a refrigerant to a supercritical state, for example, when the cooling operation is performed when the design is based on the heating operation. While over-expansion tends to occur, the occurrence of over-expansion can be effectively prevented.

〈発明の実施形態2
本発明の実施形態2は、上記実施形態1において膨張機構部(60)の構成を変更したものである。具体的には、上記実施形態1の膨張機構部(60)が揺動ピストン型に構成されているのに対し、本実施形態の膨張機構部(60)は、ローリングピストン型に構成されている。ここでは、本実施形態の膨張機構部(60)について、上記実施形態1と異なる点を説明する。
< Embodiment 2 of the Invention>
Embodiment 2 of the present invention is obtained by changing the configuration of the expansion mechanism (60) in the first embodiment. Specifically, the expansion mechanism part (60) of the first embodiment is configured as a swinging piston type, whereas the expansion mechanism part (60) of the present embodiment is configured as a rolling piston type. . Here, the difference from the first embodiment will be described regarding the expansion mechanism section (60) of the present embodiment.

図16に示すように、本実施形態において、ブレード(66)は、ピストン(65)と別体に形成されている。つまり、本実施形態のピストン(65)は、単純な円環状あるいは円筒状に形成されている。また、本実施形態のシリンダ(61)には、ブレード溝(68)が形成されている。 As shown in FIG. 16 , in this embodiment, the blade (66) is formed separately from the piston (65). That is, the piston (65) of this embodiment is formed in a simple annular shape or a cylindrical shape. Further, a blade groove (68) is formed in the cylinder (61) of the present embodiment.

上記ブレード(66)は、シリンダ(61)のブレード溝(68)に、進退自在な状態で設けられている。また、ブレード(66)は、図外のバネによって付勢され、その先端(図16における下端)がピストン(65)の外周面に押し付けられている。図17に順次示すように、シリンダ(61)内でピストン(65)が移動しても、このブレード(66)は、ブレード溝(68)に沿って同図の上下に移動し、その先端がピストン(65)と接した状態に保たれる。そして、ブレード(66)の先端をピストン(65)の周側面に押し付けることで、膨張室(62)が高圧側と低圧側に仕切られる。 The blade (66) is provided in the blade groove (68) of the cylinder (61) so as to freely advance and retract. The blade (66) is urged by a spring (not shown), and the tip (lower end in FIG. 16 ) is pressed against the outer peripheral surface of the piston (65). As shown in FIG. 17 , even if the piston (65) moves in the cylinder (61), the blade (66) moves up and down in the figure along the blade groove (68). It is kept in contact with the piston (65). The expansion chamber (62) is partitioned into a high pressure side and a low pressure side by pressing the tip of the blade (66) against the peripheral side surface of the piston (65).

この実施形態2においても、流入ポート(36)と膨張室(62)の吸入/膨張過程内の位置とが連絡管(72)により接続され、連絡管(72)には電動弁(73)が設けられている。したがって、低膨張比条件で流入ポート(36)側の冷媒の一部を補助的に膨張室(62)内に導入できるので、上記各実施形態と同様に動力回収効率を高められるとともに、過膨張を解消することも可能となる。 Also in the second embodiment , the inflow port (36) and the position of the expansion chamber (62) in the suction / expansion process are connected by the connecting pipe (72), and the motor-operated valve (73) is connected to the connecting pipe (72). Is provided. Therefore, a part of the refrigerant on the inflow port (36) side can be supplementarily introduced into the expansion chamber (62) under the low expansion ratio condition, so that the power recovery efficiency can be improved and the overexpansion can be performed as in the above embodiments. Can also be eliminated.

〈発明のその他の実施の形態〉
本発明は、上記実施形態について、以下のような構成としてもよい。
<Other Embodiments of Invention>
The present invention may be configured as follows with respect to the above embodiment.

例えば、上記実施形態1では、膨張機構部(60)のフロントヘッド(63)側に流入ポート(36)を形成した例について説明したが、流入ポート(36)はリアヘッド(64)側に設けてもよい。また、この実施形態では、高圧冷媒を膨張室(62)に導入するために、シャフト(45)に設けた大径偏心部(46)の端面の連通路(70)と、フロントヘッド(63)の内面に設けた溝状通路(69)とを介して、流入ポート(36)と膨張室(62)とを連通させるようにしているが、このような構成も適宜変更してもよい。 For example, in the first embodiment , the example in which the inflow port (36) is formed on the front head (63) side of the expansion mechanism (60) has been described. However, the inflow port (36) is provided on the rear head (64) side. Also good. In this embodiment, in order to introduce the high-pressure refrigerant into the expansion chamber (62), the communication path (70) on the end surface of the large-diameter eccentric part (46) provided in the shaft (45), and the front head (63) The inflow port (36) and the expansion chamber (62) are communicated with each other via a groove-like passage (69) provided on the inner surface, but such a configuration may be changed as appropriate.

また、上記各実施形態では揺動ピストン型の膨張機構とローリングピストン型の膨張機構に本発明を適用した例について説明したが、本発明はスクロール型の膨張機構に適用することも可能である。   In each of the above-described embodiments, the example in which the present invention is applied to the swing piston type expansion mechanism and the rolling piston type expansion mechanism has been described. However, the present invention can also be applied to a scroll type expansion mechanism.

また、上記各実施形態では、膨張機構部(60)と圧縮機構部(50)と電動機(40)とを1つのケーシング(31)内に備えた圧縮・膨張ユニット(30)について説明したが、本発明は、圧縮機と別体に形成した膨張機に適用してもよい。   In the above embodiments, the compression / expansion unit (30) including the expansion mechanism (60), the compression mechanism (50), and the electric motor (40) in one casing (31) has been described. The present invention may be applied to an expander formed separately from the compressor.

要するに、本発明では、膨張機構(60)の流体流入側から分岐して膨張室(62)の吸入/膨張過程位置に連通する連絡通路(72)を設け、この連絡通路(72)を所定の条件において開くことが可能な構成にしている限り、その他の構成は適宜変更してもよい。   In short, in the present invention, a communication passage (72) branched from the fluid inflow side of the expansion mechanism (60) and communicating with the suction / expansion process position of the expansion chamber (62) is provided. Other configurations may be appropriately changed as long as the configuration can be opened under conditions.

なお、以上の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。   In addition, the above embodiment is an essentially preferable illustration, Comprising: It does not intend restrict | limiting the range of this invention, its application thing, or its use.

以上説明したように、本発明は、高圧流体が膨張することにより動力を発生させる膨張機構を備えた容積型膨張機と、この膨張機を備えた流体機械について有用である。   As described above, the present invention is useful for a positive displacement expander including an expansion mechanism that generates power when a high-pressure fluid expands, and a fluid machine including the expander.

実施形態1における空調機の配管系統図である。It is a piping system diagram of the air conditioner in Embodiment 1. 実施形態1における圧縮・膨張ユニットの概略断面図である。2 is a schematic cross-sectional view of a compression / expansion unit according to Embodiment 1. FIG. 膨張機構部の動作を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows operation | movement of an expansion mechanism part. シャフトの回転角度0°又は360°での実施形態1における膨張機構部の要部を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the principal part of the expansion mechanism part in Embodiment 1 in the rotation angle 0 degree or 360 degrees of a shaft. シャフトの回転角度45°での実施形態1における膨張機構部の要部を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the principal part of the expansion mechanism part in Embodiment 1 in the rotation angle of 45 degrees of a shaft. シャフトの回転角度90°での実施形態1における膨張機構部の要部を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the principal part of the expansion mechanism part in Embodiment 1 in the rotation angle of 90 degrees of a shaft. シャフトの回転角度135°での実施形態1における膨張機構部の要部を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the principal part of the expansion mechanism part in Embodiment 1 in the rotation angle 135 degrees of a shaft. シャフトの回転角度180°での実施形態1における膨張機構部の要部を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the principal part of the expansion mechanism part in Embodiment 1 in the rotation angle of a shaft of 180 degrees. シャフトの回転角度225°での実施形態1における膨張機構部の要部を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the principal part of the expansion mechanism part in Embodiment 1 in the rotation angle of 225 degrees of a shaft. シャフトの回転角度270°での実施形態1における膨張機構部の要部を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the principal part of the expansion mechanism part in Embodiment 1 in the rotation angle of 270 degrees of a shaft. シャフトの回転角度315°での実施形態1における膨張機構部の要部を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the principal part of the expansion mechanism part in Embodiment 1 in the rotation angle of 315 degrees of a shaft. 設計圧力での運転条件での膨張室の容積と圧力との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the volume of an expansion chamber and the pressure on the driving | running condition at design pressure. 低膨張比条件での膨張室の容積と圧力との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the volume of an expansion chamber and pressure under low expansion ratio conditions. 低膨張比対策時の膨張室の容積と圧力との関係を示す第1のグラフである。It is a 1st graph which shows the relationship between the volume of an expansion chamber at the time of a low expansion ratio countermeasure, and a pressure. 低膨張比対策時の膨張室の容積と圧力との関係を示す第2のグラフである。It is a 2nd graph which shows the relationship between the volume of an expansion chamber at the time of a low expansion ratio countermeasure, and a pressure. 実施形態2における膨張機構部の要部を示す概略断面図である。6 is a schematic cross-sectional view showing a main part of an expansion mechanism in Embodiment 2. FIG. 膨張機構部の動作を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows operation | movement of an expansion mechanism part.

10 空調機
20 冷媒回路
30 圧縮・膨張ユニット(流体機械)
31 ケーシング
40 電動機
50 圧縮機
60 膨張機構(容積型膨張機)
61 シリンダ(構成部材)
62 膨張室
72 連絡管(連絡通路)
73 電動弁(流通制御機構)
10 Air conditioner
20 Refrigerant circuit
30 Compression / expansion unit (fluid machinery)
31 Casing
40 electric motor
50 compressor
60 Expansion mechanism (positive displacement expander)
61 Cylinder (component)
62 Expansion chamber
72 Connection pipe (communication passage)
73 Motorized valve (distribution control mechanism)

Claims (8)

膨張室(62)に供給された高圧流体が膨張することにより動力が発生する膨張機構(60)を備えた容積型膨張機であって、
上記膨張室(62)の流体流入側から分岐して該膨張室(62)の吸入/膨張過程の初期の位置に連通する連絡通路(72)を備え、
該連絡通路(72)に流通制御機構(73,75,76)が設けられていることを特徴とする容積型膨張機。
A positive displacement expander including an expansion mechanism (60) that generates power by expanding a high-pressure fluid supplied to an expansion chamber (62),
A communication passage (72) branched from the fluid inflow side of the expansion chamber (62) and communicating with an initial position of the expansion / expansion process of the expansion chamber (62);
A positive displacement expander characterized in that a flow control mechanism (73, 75, 76) is provided in the communication passage (72).
請求項1に記載の容積型膨張機において、
流通制御機構(73,75,76)が、開度調整可能なインジェクション弁(73)により構成されていることを特徴とする容積型膨張機。
The positive displacement expander according to claim 1,
A positive displacement expander characterized in that the flow control mechanism (73, 75, 76) includes an injection valve (73) whose opening degree can be adjusted.
請求項1に記載の容積型膨張機において、
流通制御機構(73,75,76)は、開閉可能な電磁弁(75)により構成されていることを特徴とする容積型膨張機。
The positive displacement expander according to claim 1,
The positive displacement expander characterized in that the flow control mechanism (73, 75, 76) is configured by an electromagnetic valve (75) that can be opened and closed.
請求項1に記載の容積型膨張機において、
流通制御機構(73,75,76)は、膨張室(62)の膨張過程中間位置における流体の圧力が流体流出側の圧力に対して所定値よりも低下すると開口する差圧弁(76)により構成されていることを特徴とする容積型膨張機。
The positive displacement expander according to claim 1,
The flow control mechanism (73, 75, 76) is composed of a differential pressure valve (76) that opens when the fluid pressure at the intermediate position of the expansion chamber (62) falls below a predetermined value with respect to the pressure on the fluid outflow side. A positive displacement expander characterized by being made.
請求項1から4のいずれか1に記載の容積型膨張機において、
膨張機構(60)が蒸気圧縮式冷凍サイクルの膨張行程を行うように構成されていることを特徴とする容積型膨張機。
The positive displacement expander according to any one of claims 1 to 4,
A positive displacement expander characterized in that the expansion mechanism (60) is configured to perform an expansion stroke of a vapor compression refrigeration cycle.
請求項1から4のいずれか1に記載の容積型膨張機において、
膨張機構(60)は、高圧圧力が超臨界圧となる蒸気圧縮式冷凍サイクルの膨張行程を行うように構成されていることを特徴とする容積型膨張機。
The positive displacement expander according to any one of claims 1 to 4,
The expansion mechanism (60) is configured to perform an expansion stroke of a vapor compression refrigeration cycle in which a high pressure becomes a supercritical pressure.
請求項1から6のいずれか1に記載の容積型膨張機において、
膨張機構(60)が回転式の膨張機構であり、
流体の膨張により回転動力を回収するように構成されていることを特徴とする容積型膨張機。
The positive displacement expander according to any one of claims 1 to 6,
The expansion mechanism (60) is a rotary expansion mechanism,
A positive displacement expander configured to recover rotational power by expansion of a fluid.
ケーシング(31)内に、容積型膨張機(60)と、電動機(40)と、上記容積型膨張機(60)及び電動機(40)により駆動されて流体を圧縮する圧縮機(50)とを備えた流体機械であって、
容積型膨張機(60)が、請求項7に記載の容積型膨張機により構成されていることを特徴とする流体機械。
In the casing (31), a positive displacement expander (60), an electric motor (40), and a compressor (50) driven by the positive displacement expander (60) and the electric motor (40) to compress fluid. A fluid machine comprising:
8. A fluid machine, wherein the positive displacement expander (60) comprises the positive displacement expander according to claim 7.
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