JP2011202897A - 膨張機及びこの膨張機を用いた冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】膨張機へ給油するための配管構成が簡素となり、蒸発器への油循環量を低減して熱交換性能の低下を抑制できる膨張機及びこの膨張機を用いた冷凍サイクル装置を得る。
【解決手段】スクロール膨張機１は、膨張機構５０の軸受部を潤滑後の油をサブ圧縮機構６０に送る油経路が設けられている。このスクロール膨張機１を用いた冷凍サイクル装置１００は、サブ圧縮機構６０の吐出口が主圧縮機５の圧縮過程に接続されている。また、油分離器２６で分離された油を主圧縮機５の吸入側へ導く主油戻し管２２ａと、油分離器２６で分離された油を膨張機構５０の軸受部に導くサブ油戻し管２２ｂとを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、膨張過程から動力を回収する膨張機及びこの膨張機を用いた冷凍サイクル装置に関する。

冷凍・空調用途の冷凍サイクル装置のサイクルＣ．Ｏ．Ｐ．を向上させる手段として、容積型の膨張機構と圧縮機構を用いて、膨張過程から回収した動力を圧縮動力の一部として利用することがある。このような場合、回収動力が機械損失等に消費されるのを避けるため、膨張機構と圧縮機構とをできるだけ一体化することによりガス圧支持に伴なう動力の目減りを抑えることが望ましい。

膨張機構と圧縮機構とが一体化した膨張機を用いると、膨張機の容器内には膨張前／膨張後，圧縮前／圧縮後のサイクル上離れた４点の状態量が混在することになる。このような膨張機に給油するため、従来の冷凍サイクル装置には、例えば「冷媒５を圧縮する圧縮機２１と，圧縮された冷媒５を冷却する放熱器１６と，放熱器１６を通過した冷媒５を膨張させる膨張機２２と，膨張した冷媒５を蒸発させる蒸発器１７と，これらの間に冷媒５を循環させる冷媒配管１１を有する冷凍空調機１。圧縮機２１と放熱器１６との間には，圧縮機２１を通過した冷媒５とこれに含まれている潤滑油６とを分離するオイル分離器１２が配設してある。オイル分離器１２には，冷媒５から分離された潤滑油６を蒸発器１７と圧縮機２１との間へ戻すオイル戻し管と，潤滑油６を放熱器１６と膨張機２２との間へ送るオイル送り管１４とが配設してある。」（例えば、特許文献１参照）というものが提案されている。

また、特許文献１には、オイル送り管から分岐された分岐管を膨張機の膨張可動部に接続し、膨張可動部へ油を直接供給する構成の冷凍サイクル装置も記載されている。特許文献１に記載の冷凍サイクル装置は、オイル送り管、分岐管及びオイル戻し管のそれぞれに絞りを設け、各々への給油量を調整するようになっている。

特開２００１−１４１３１５号公報（要約、段落００４８，００５７、図１，５，６）

特許文献１に記載の冷凍サイクル装置は、膨張機構、膨張可動部及び圧縮機構への給油バランスを調整するために、３つの絞りを操作する必要がある。更に、特許文献１に記載の冷凍サイクル装置は、膨張機構に供給された油が必ず蒸発器を通過するため、蒸発器の熱交換性能の低下が避けられない。このように、特許文献１に記載の冷凍サイクル装置は、給油系の配管及び調整操作が複雑になるという問題点があり、さらに蒸発器の性能低下を招くという問題点がある。これは、圧縮膨張機が容器内に油を貯留しない斜板式であって、サイクル内で油を貯留できるのが油分離器のみになっていることによる。

本発明は、上述のような課題を少なくとも１つ解決するためになされたものであり、膨張機へ給油するための配管構成が簡素となり、蒸発器への油循環量を低減して熱交換性能の低下を抑制できる膨張機及びこの膨張機を用いた冷凍サイクル装置を得ることを目的とする。

本発明に係る膨張機は、膨張機構及びこの膨張機構で回収された動力によって駆動されるサブ圧縮機構を備え、膨張機構とサブ圧縮機構とが一体となった膨張機において、膨張機構の軸受部を潤滑後の油をサブ圧縮機構に送る油経路が設けられているものである。

また、本発明に係る冷凍サイクル装置は、上記の膨張機、駆動源により駆動され容器内に油を貯留できる主圧縮機、圧縮された冷媒から油を分離する油分離器、油分離器から流出した冷媒が冷却される放熱器、及び膨張機構で減圧された冷媒が加熱される蒸発器を備え、主圧縮機の吸入口及びサブ圧縮機構の吸入口が蒸発器に並列接続され、サブ圧縮機構から吐出された冷媒を駆動源により駆動される追加圧縮機構で追加圧縮する冷凍サイクル装置において、油分離器で分離された油を主圧縮機の吸入側へ導く第１の油戻し経路と、油分離器で分離された油を膨張機構の軸受部に導く第２の油戻し経路とを有するものである。

本発明によれば、膨張動力回収を行なわない冷凍サイクル装置に本発明に係る膨張機を搭載する場合（つまり、膨張動力回収を行なわない冷凍サイクル装置を本発明に係る冷凍サイクル装置に変更する場合）、油分離器で分離された油を膨張機構の軸受部に導く第２の油戻し経路を新たに追加すればよい。このため、従来よりも給油系の回路構成を簡素に形成できる。

また、本発明によれば、膨張機構の軸受部を潤滑後の油をサブ圧縮機構に送る油経路が設けられているので、油分離器で分離された油は、実質的に蒸発器へ供給されない。このため、本発明によれば、蒸発器への油循環量が極小となり、油が流入することにより起こる蒸発器の熱交換性能の低下を抑制することが出来る。

本発明の実施の形態１による冷凍サイクル装置を模式的に表すサイクル構成図である。 本発明の実施の形態１による冷凍サイクル装置における冷媒の状態を説明するモリエル線図である。 本実施の形態１によるスクロール膨張機の概略構成を示す縦断面模式図である。 本発明の実施の形態２による冷凍サイクル装置を模式的に表すサイクル構成図である。 本発明の実施の形態３による冷凍サイクル装置を模式的に表すサイクル構成図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による冷凍サイクル装置を模式的に表すサイクル構成図である。なお、以下の図において、同一の符号を付したものは、同一のまたはこれに相当するものであり、これは明細書の全文において共通している。さらに、明細書全文に表れている構成要素の形態は、あくまで例示であってこれらの記載に限定されるものではない。

図１に示すように、本実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１００は、スクロール膨張機１、主圧縮機５、油分離器２６、冷媒が冷却される放熱器１１、及び冷媒が加熱される蒸発器１２を備えている。スクロール膨張機１は、膨張機構５０及びサブ圧縮機構６０を備えている。膨張機構５０は、膨張過程において動力を回収するものである。サブ圧縮機構６０は、膨張機構５０で回収された動力によって駆動されるものである。また、スクロール膨張機１には、膨張機構５０の軸受部等を潤滑後の油をサブ圧縮機構６０に送るため、本発明の油経路に相当する返油孔３１が設けられている。なお、スクロール膨張機１の詳細については、後述する。
主圧縮機５は、主圧縮機構７及びこの主圧縮機構７に接続されたモーター６を備えている。つまり、主圧縮機５の主圧縮機構７は、モーター６から伝達される駆動力により駆動されるものである。主圧縮機５の主圧縮機構７及びモーター６は容器内に収容され、この容器は油を貯留できる構成となっている。

これら冷凍サイクル装置１００の各構成要素は、次のように冷媒配管で接続され、冷媒回路を構成している。主圧縮機５の吐出口、油分離器２６、放熱器１１、スクロール膨張機１の膨張機構５０及び蒸発器１２は、直列接続されている。また、放熱器１１とスクロール膨張機１の膨張機構５０とを接続する冷媒配管には、予膨張弁１４が設けられている。主圧縮機５の吸入口とスクロール膨張機１のサブ圧縮機構６０の吸入口とは、蒸発器１２に並列接続されている。また、スクロール膨張機１のサブ圧縮機構６０の吐出口は、主圧縮機５の主圧縮機構７の圧縮過程（圧縮途中の圧縮室）に接続されている。サブ圧縮機構６０の吐出口と主圧縮機構７の圧縮過程とを接続するこの配管には、逆止弁８１が設けられている。逆止弁８１は、主圧縮機構７の圧縮過程からサブ圧縮機構６０への冷媒流れを規制するものである。

つまり、本実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１００は、主圧縮機５の主圧縮機構７が本発明の追加圧縮機構を兼ねる構成となっている。主圧縮機構７とは別に追加圧縮機構を設けた例は、実施の形態２及び実施の形態３で後述する。

本実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１００では、上記の冷媒回路を流れる冷媒として、例えば、地球温暖化係数の低い自然冷媒である二酸化炭素を用いている。なお、二酸化炭素以外の冷媒を冷凍サイクル装置１００に用いても勿論よい。ここで、放熱過程において臨界圧力以下で動作する冷媒は放熱過程で凝縮するため、放熱過程に用いられる熱交換器を凝縮器と称する場合がある。本実施の形態１及び以下の実施の形態では、冷媒の種類にかかわらず、放熱過程に用いられる熱交換器を「放熱器」と称することとする。

また、本実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１００は、主油戻し管２２ａ及びサブ油戻し管２２ｂを備えている。主油戻し管２２ａは、油分離器２６で分離された油を主圧縮機５の吸入側へ導く配管であり、本発明の第１の油戻し経路に相当する。サブ油戻し管２２ｂは、油分離器２６で分離された油をスクロール膨張機１の膨張機構５０の軸受部へ導く配管であり、本発明の第２の油戻し経路に相当する。また、主油戻し管２２ａには、本発明の抵抗可変装置に相当する可変絞り２７が設けられている。可変絞り２７の開度を制御することにより、主油戻し管２２ａの返油時の抵抗を変化させることができる。なお、従来のように、可変絞り２７を設けず、キャピラリーのような抵抗一定の油戻し管で主油戻し管２２ａを形成してもよい。

このように構成された冷凍サイクル装置１００は、次のように動作する。
主圧縮機５のモーター６に電気が供給されると、主圧縮機５の主圧縮機構７は、冷媒を低圧Ｐｌから高圧Ｐｈまで圧縮（昇圧）する。高圧Ｐｈに昇圧された冷媒は、油分離器２６に流入する。そして、油分離器２６において、冷媒と冷媒に含まれていた油とに分離される。油分離器２６で分離された冷媒は、放熱器１１に流入して冷却され、スクロール膨張機１の膨張機構５０に流入する。一方、油分離器２６で分離された油は、主油戻し管２２ａを介して主圧縮機５に供給され、サブ油戻し管２２ｂを介してスクロール膨張機１の膨張機構５０の軸受部へ供給される。なお、油分離器２６で分離された油の流れについては、スクロール膨張機１の詳細構造と共に後述する。

スクロール膨張機１の膨張機構５０に流入した冷媒は、低圧Ｐｌに減圧（膨張）されて、スクロール膨張機１の膨張機構５０から流出する。このとき、冷媒の減圧（膨張）過程で発生する動力がスクロール膨張機１の膨張機構５０で回収され、この動力によりスクロール膨張機１のサブ圧縮機構６０が駆動される。
スクロール膨張機１の膨張機構５０から流出した低圧Ｐｌの冷媒は、蒸発器１２で加熱され、蒸発器１２を流出する。

蒸発器１２を流出した冷媒は、スクロール膨張機１のサブ圧縮機構６０と主圧縮機５に分流される。より詳しくは、蒸発器１２を流出した冷媒の全流量を１とした場合、分流比ｗ分の冷媒がスクロール膨張機１のサブ圧縮機構６０に流入し、分流比（１−ｗ）分の冷媒が主圧縮機５に流入する。このとき、膨張機構５０入口の冷媒比容積をｖｅｘｉ、サブ圧縮機構６０入口の冷媒比容積をｖｓ、及び膨張機構５０吸入容積／サブ圧縮機構６０吸入容積比をσｖＥＣ^* とした場合、分流比ｗが｛１／σｖＥＣ^* ×（ｖｅｘｉ／ｖｓ）｝となるように、主圧縮機５の吸入量を調整する。このように主圧縮機５の吸入量を調整することにより、膨張機構５０／サブ圧縮機構６０間の流量は、マッチングが取れる。

スクロール膨張機１のサブ圧縮機構６０に流入した分流比ｗ分の冷媒は、低圧Ｐｌから回収動力に見合う中間圧Ｐｍまで圧縮される。この中間圧Ｐｍに圧縮された冷媒は、主圧縮機５の圧縮過程に流入する。また、主圧縮機５分流比（１−ｗ）分の冷媒は、低圧Ｐｌから高圧Ｐｈまで圧縮される。つまり、スクロール膨張機１のサブ圧縮機構６０に流入した分流比ｗ分の冷媒においては、中間圧Ｐｍから高圧Ｐｈまでの追加圧縮は、主圧縮機５（より詳しくは主圧縮機構７）の圧縮室に戻って、（１−ｗ）分の冷媒と共に行なわれる。このようにスクロール膨張機１のサブ圧縮機構６０に流入した分流比ｗ分の冷媒を圧縮することにより、膨張機構５０／サブ圧縮機構６０間の動力も釣り合いが取れる。

すなわち、スクロール膨張機１は、吸入容積比σｖＥＣ^* が固定で回収動力が条件に依存して決まっていることに対して、主圧縮機５と分流することにより流量のずれを吸収してマッチングを図り、主圧縮機構７に合流後の追加圧縮により動力のずれを吸収してマッチングを図っていることになる。なお、予膨張弁１４は、冷凍サイクル装置１００の過渡時（起動時等）に膨張機構５０側の圧力をコントロールするためのものである。定常時、予膨張弁１４は、全開で流量マッチングに関わらないようになっている。

この冷凍サイクル装置１００の動作状況を、縦軸に冷媒圧力Ｐ、横軸に比エンタルピーｈを示したモリエル線図上に示すと図２のようになる。図２に示すｂ→ｃが、放熱器１１での冷却過程である。本実施の形態１では冷媒として二酸化炭素を想定しているので、高圧Ｐｈが臨界圧を超えている。図２に示すｃ→ｄの膨張過程が、スクロール膨張機１の膨張機構５０での減圧（膨張）過程である。例えば、膨張弁等の動力を回収しない絞りを用いて放熱器１１から流出した冷媒を減圧した場合、冷媒状態はｃ→ｄ’に至る。これに対して、スクロール膨張機１の膨張機構５０を用い、膨張動力を発生させながら放熱器１１流出後の冷媒を減圧すると、冷媒状態はｃ→ｄの過程を辿る。この減圧時の比エンタルピーの差ｄ’−ｄが、動力として回収されるエネルギーに相当し、サブ圧縮機構６０で分流比ｗ分の冷媒をサブ圧縮する時（ａ→ｅ）の動力として利用される。

また、蒸発器１２での蒸発過程はｄ→ａ、主圧縮機５へ合流後に分流比ｗ分の冷媒に対して行なわれる追加圧縮はｅ→ｂ、主圧縮機５で分流比（１−ｗ）分の冷媒に対して行なわれる圧縮はａ→ｂで表される。

図２に示される各点の冷媒の比エンタルピーを「ｈ＋各点」で表すと、｛（エンタルピー差ｈａ−ｈｄ）×（流量１）｝相当分が冷凍能力となる。また、｛（エンタルピー差 ｈｅ−ｈａ）×（流量１−ｗ）＋（エンタルピー差ｈｂ−ｈｅ）×（流量１）｝相当分の電気入力が、主圧縮機５のモーター６で消費される。したがって、これら冷凍能力と消費電力の比率が、所謂サイクルＣ．Ｏ．Ｐ．となる。本実施の形態１の動力回収を行なうサイクル（ａ→ｂ→ｃ→ｄ→ａ）は、動力回収を行なわないときのサイクル（ａ→ｂ→ｃ→ｄ’→ａ）と較べると、入力の｛（エンタルピー差ｈｅ−ｈａ）×（流量ｗ）｝分と冷凍能力の｛（エンタルピー差ｈｄ’−ｈｄ）×（流量１）｝分がＣ．Ｏ．Ｐ．向上に寄与している。

続いて、冷凍サイクル装置１００に用いられるスクロール膨張機１の詳細構成について説明する。
図３は、本実施の形態１によるスクロール膨張機の概略構成を示す縦断面模式図である。以下では、図３に示す方向にしたがってスクロール膨張機１を説明する。
このスクロール膨張機１は、膨張機構５０及びサブ圧縮機構６０を背面合わせの両面スクロール型として一体形成したものである。スクロール膨張機１は、軸７８、揺動スクロール５２、サブ圧縮機構６０を構成するサブ圧縮固定スクロール６１、及び膨張機構５０を構成する膨張固定スクロール５１等から構成されている。これら揺動スクロール５２、サブ圧縮固定スクロール６１及び膨張固定スクロール５１等は、密閉容器２に収容されている。

揺動スクロール５２は、台板の両側面に渦巻歯が形成されたものである。この揺動スクロール５２の右側には、サブ圧縮固定スクロール６１が設けられている。サブ圧縮固定スクロール６１の左側面には渦巻歯が形成されており、サブ圧縮固定スクロール６１の渦巻歯と揺動スクロール５２の右側面側の渦巻歯とが組み合わされるように、サブ圧縮固定スクロール６１は配置されている。サブ圧縮固定スクロール６１の渦巻歯と揺動スクロール５２の右側面側の渦巻歯とが組み合わされることにより、サブ圧縮固定スクロール６１の渦巻歯と揺動スクロール５２の右側面側の渦巻歯との間には、サブ圧縮室が形成される。

揺動スクロール５２の左側には、膨張固定スクロール５１が設けられている。膨張固定スクロール５１の右側面には渦巻歯が形成されており、膨張固定スクロール５１の渦巻歯と揺動スクロール５２の左側面側の渦巻歯とが組み合わされるように、膨張固定スクロール５１は配置されている。膨張固定スクロール５１の渦巻歯と揺動スクロール５２の左側面側の渦巻歯とが組み合わされることにより、膨張固定スクロール５１の渦巻歯と揺動スクロール５２の左側面側の渦巻歯との間には、膨張室が形成される。

軸７８は、揺動スクロール５２の揺動軸受部５２ｂ、サブ圧縮固定スクロール６１のサブ圧縮側軸受部６１ｂ、及び膨張固定スクロール５１の膨張側軸受部５１ｂを貫通して設けられている。より詳しくは、軸７８の軸方向略中心部には偏心軸部７８ａが形成されており、この偏心軸部７８ａは、揺動スクロール５２の略中心部に形成された揺動軸受部５２ｂを貫通している。また、軸７８の偏心軸部７８ａでない部分が、サブ圧縮固定スクロール６１の略中心部に形成されたサブ圧縮側軸受部６１ｂと膨張固定スクロール５１の略中心部に形成された膨張側軸受部５１ｂとに支持されている。

また、軸７８は、その端部がサブ圧縮固定スクロール６１の右側面及び膨張固定スクロール５１の左側面から突出するように設けられている。軸７８のこれら突出部には、サブ圧縮固定スクロール６１側にバランスウェイト７９ａが設けられ、膨張固定スクロール５１側にバランスウェイト７９ｂが設けられている。そして、密閉容器２には、サブ圧縮固定スクロール６１側（軸７８の一方の端部側）に、バランスウェイト７９ａが回転するサブ圧縮側空間６３が形成されている。このサブ圧縮側空間６３は、吸入室６２に連通している。換言すると、サブ圧縮側空間６３は、吸入室６２を介して、サブ圧縮固定スクロール６１と揺動スクロール５２との間に形成されるサブ圧縮室に連通している。また、密閉容器２には、膨張固定スクロール５１側（軸７８の他方の端部側）に、バランスウェイト７９ｂが回転する膨張側空間５３が形成されている。この膨張側空間５３は、膨張固定スクロール５１と揺動スクロール５２との間に形成される膨張室に連通している。これらサブ圧縮側空間６３及び膨張側空間５３は、下部が返油孔３１で連通している。

また、密閉容器２には、膨張吸入管１５、膨張吐出管１６、サブ圧縮吸入管１９及びサブ圧縮吐出管２０が設けられている。膨張吸入管１５は、放熱器１１と接続される配管であり、膨張固定スクロール５１と揺動スクロール５２との間に形成される膨張室に連通している。膨張吐出管１６は、蒸発器１２と接続される配管であり、膨張側空間５３と連通している。サブ圧縮吸入管１９は、蒸発器１２と接続される配管であり、サブ圧縮側空間６３と連通している。サブ圧縮吐出管２０は、主圧縮機５（より詳しくは主圧縮機構７）の圧縮過程に接続される配管であり、サブ圧縮固定スクロール６１と揺動スクロール５２との間に形成されるサブ圧縮室に連通している。

つまり、膨張吸入管１５から膨張機構５０の膨張室に吸入されて減圧・膨張した冷媒は、膨張側空間５３を経て膨張吐出管１６から密閉容器２の外部へ吐出される。また、サブ圧縮吸入管１９からサブ圧縮側空間６３に吸入された冷媒は、サブ圧縮固定スクロール６１と膨張側固定スクロール５１との間に形成された揺動スクロール運動空間（つまり吸入室６２）を経てサブ圧縮機構６０の圧縮室に吸入され、圧縮・昇圧される。そして、圧縮・昇圧された冷媒は、サブ圧縮吐出管２０から密閉容器２の外部へ吐出される。

また、スクロール膨張機１には、揺動スクロール５２の自転を防止し膨張固定スクロール５１との間で姿勢を規正するためのオルダムリング７７が配置されている。このオルダムリング７７は、サブ圧縮固定スクロール６１と膨張側固定スクロール５１との間に形成された揺動スクロール運動空間に配置されている。

上述のように、サブ圧縮過程は図２に示すａ→ｅ間で行なわれ、膨張過程は図２に示すｃ→ｄ間で行なわれる。このため、揺動スクロール５２の両側の面に作用する差圧は、サブ圧縮機構６０側からよりも膨張機構５０側からの方が大きい。このため、渦巻歯のスペックを、サブ圧縮機構６０側は外径の大きいものにし、膨張機構５０側はできるだけ外径を抑えたものにしている。そして、オルダムリング７７を、膨張機構５０側の渦巻歯外周部に配置している。しかしながら、通常、膨張機構５０側からサブ圧縮機構６０側への軸方向ガス荷重（スラスト荷重）により、サブ圧縮機構６０側の渦巻歯先端部にかかる押付力が過大となる。本実施の形態１に係るスクロール膨張機１のサブ圧縮機構６０は、膨張機構５０で回収された膨張動力以外に駆動源を持たないため、この過大な押付力は回収動力の浪費や運転不能の原因となる。そこで、膨張機構５０入口側の高圧（図２の点ｃ）を揺動スクロール５２のサブ圧縮機構６０側の面に導くため、高圧導入孔５２ｅが揺動スクロール５２の台板中央部近傍を貫通するように形成されている。これにより、サブ圧縮機構６０側の渦巻歯先端部にかかる押付力（換言すると、膨張機構５０側からサブ圧縮機構６０側への軸方向ガス荷重）を軽減している。

また、本実施の形態１に係るスクロール膨張機１は、サブ油戻し管２２ｂを介して油分離器２６から供給された油を膨張側軸受部５１ｂに導くため、膨張側固定スクロール５１の台板部分に給油孔３８が形成されている。この給油孔３８は密閉容器２に設けられた給油管３７と連通しており、給油管３７はサブ油戻し管２２ｂに接続されている。

したがって、冷凍サイクル装置１００には以下のような給油系回路が構成され、油分離器２６で分離された油は以下のように流れる。

油分離器２６で分離された油は、主油戻し管２２ａを介して主圧縮機５側に供給され、サブ油戻し管２２ｂを介してスクロール膨張機１の膨張機構５０側へ供給される。このとき、主油戻し管２２ａを介して主圧縮機５に供給される油の量は、可変絞り２７によって制御される。

サブ油戻し管２２ｂを介してスクロール膨張機１の膨張機構５０側へ供給された油は、給油管３７及び給油孔３８を経て、膨張側軸受部５１ｂに直接供給される。この油は、膨張側軸受部５１ｂを潤滑した後、膨張側空間５３とサブ圧縮側空間６３とに分かれて流出する。サブ圧縮側空間６３へ流出する油は、膨張側軸受部５１ｂ、揺動軸受部５２ｂ及びサブ圧縮側軸受部６１ｂの順に流れ、サブ圧縮側空間６３へ流出する。

膨張側空間５３は膨張後の冷媒雰囲気に満たされており、サブ圧縮側空間６３はサブ圧縮前の冷媒雰囲気となっている。ここで、冷凍サイクル装置１００では、膨張後の冷媒が蒸発器１２を経て主圧縮機５とスクロール膨張機１のサブ圧縮機構６０とに分岐されることとなる。このため、膨張後圧力の膨張側空間５３とサブ圧縮前圧力のサブ圧縮側空間６３との間には、蒸発器１２の圧損分の微差圧がある。したがって、この差圧によって、膨張側空間５３に流出した油は、返油孔３１を介してサブ圧縮側空間６３へ送られる。

サブ圧縮側空間６３の下部に貯留された油は、ミスト状となって、この油の上面近傍からサブ圧縮側空間６３へ流入する冷媒（蒸発器１２から流出して分岐された分流比ｗ分の冷媒）に含有される。そして、冷媒に含有された油は、冷媒とともにサブ圧縮機構６０の圧縮室へ吸入される。このため、揺動スクロール運動空間内に配置されたオルダムリング７７の摺動部の雰囲気は油リッチとなる。

サブ圧縮機構６０の圧縮室へ吸入された油は、冷媒と共に、主圧縮機５（より詳しくは主圧縮機構７）の圧縮過程に流入する。その後、この油は、主圧縮機５から吐出され、油分離器２６で再び冷媒と分離される。

したがって、冷凍サイクル装置１００には、油分離器２６→サブ油戻し管２２ｂ→スクロール膨張機１の軸受部…サブ圧縮側空間６３→サブ圧縮機構６０→主圧縮機５（主圧縮機構７）→油分離器２６という、クローズした膨張機の給油系回路が構成されている。

なお、スクロール膨張機１の軸受部への給油量は、高圧の油分離器２６と蒸発器１２前後における低圧との差圧、及びサブ油戻し管２２ｂの抵抗によって決まる。このため、一旦定常状態に入ったら、油分離器２６で捕捉される油量からスクロール膨張機１の軸受部への給油量を除いた分（すなわち、主圧縮機５から本来持ち出される油上がり分）の油を、主油戻し管２２ａから主圧縮機５の吸入側に戻せばよい。したがって、主圧縮機５から本来持ち出される油上がり分以上の油量が主圧縮機５の吸入側に供給され、油分離器２６内の油量が適正に保たれるように、可変絞り２７を制御してやればよい。

以上、このように構成されたスクロール膨張機１においては、膨張動力回収を行なわない冷凍サイクル装置に本実施の形態１に係るスクロール膨張機１を搭載して冷凍サイクル装置１００にする場合、油分離器２６で分離された油を膨張機構５０の膨張側軸受部５１ｂに導くサブ油戻し管２２ｂを新たに追加すればよい。また、冷凍サイクル装置１００においては、主に油を貯留するのは主圧縮機５の容器内となっており、油分離器２６で捕捉し主圧縮機５の吸入側へ戻すべき油の一部を膨張機構５０の膨張側軸受部５１ｂに回す構成となっている。このため、本実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１００は、従来の冷凍サイクル装置（主に油分離器に油を貯留し、給油が必要な回路内各部への給油経路、当該回路内各部からの返油経路及び油量調整手段を備える冷凍サイクル装置）に較べ、給油系の回路構成（給油経路及び返油経路）を簡素に形成できる。

また、本実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１００は、油分離器２６から油分離器に至るまでの給油系の回路構成に、放熱器１１及び蒸発器１２が入っていない。このため、油循環によるこれら熱交換器（放熱器１１及び蒸発器１２）の熱交換性能の低下を可能な限り抑制することができる。

また、本実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１００においては、主に油を貯留するのは主圧縮機５の容器内であり、油分離器２６で捕捉し主圧縮機５の吸入側へ戻すべき油の一部を膨張機構５０の膨張側軸受部５１ｂに回す構成となっており、主油戻し管２２ａに可変絞り２７が設けている。このため、給油系の回路を流れる油量の制御は、可変絞り２７を操作するだけでよい。つまり、可変絞り２７を制御することにより、主油戻し管２２ａから油を戻し過ぎて油分離器２６内の油が枯渇すること、油戻し量が不足して油分離器２６内の油面が上昇すること、放熱器１１への油持ち出しが増えること等を防止できる。したがって、本実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１００は、給油系回路内の油量制御を簡素にできる。

なお、本実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１００に用いられている膨張機構及びサブ圧縮機構はスクロール式のものであるが、膨張機構及びサブ圧縮機構に用いられる圧縮・膨張形式は任意である。本実施の形態１に係る給油系回路を構成することにより、本発明を実施することができる。

また、本実施の形態１に示した主圧縮機５は、複数の圧縮機で構成されていてもよい。本実施の形態１では、これら複数の圧縮機が主圧縮機５と同様の機能を果たす場合、１つの主圧縮機５と称する。

実施の形態２．
実施の形態１では、主圧縮機５の主圧縮機構７が本発明の追加圧縮機構を兼ねる構成とした。これに限らず、主圧縮機構７とは別に追加圧縮機構を設けてもよい。なお、本実施の形態２で特に記述しない項目については実施の形態１と同様とし、以下では実施の形態１との差異点を主に説明する。

図４は、本発明の実施の形態２による冷凍サイクル装置を模式的に表すサイクル構成図である。本実施の形態２に係る冷凍サイクル装置１０１は、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１００の構成に加え、第２圧縮機２３を備えている。第２圧縮機２３は、第２圧縮機構２５及びこの第２圧縮機構２５に接続されたモーター２４を備えている。つまり、第２圧縮機２３の第２圧縮機構２５は、モーター２４から伝達される駆動力により駆動されるものである。第２圧縮機２３の第２圧縮機構２５及びモーター２４は容器内に収容され、この容器は油を貯留できる構成となっている。ここで、第２圧縮機構２５が、本発明の追加圧縮機構に相当する。

第２圧縮機２３が設けられたことにより、スクロール膨張機１のサブ圧縮機構６０の吐出口と主圧縮機５の吐出口とは、第２圧縮機２３の吸入口に並列接続されている。そして、第２圧縮機２３の吐出口が油分離器２６に接続されている。

本実施の形態２に係る冷凍サイクル装置１０１においては、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１００と同様に、蒸発器１２を流出した冷媒は、分流比ｗ分の冷媒がスクロール膨張機１のサブ圧縮機構６０に流入し、分流比（１−ｗ）分の冷媒が主圧縮機５に流入する。しかしながら、本実施の形態２に係る冷凍サイクル装置１０１は、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１００と異なり、スクロール膨張機１のサブ圧縮機構６０から流出した分流比ｗ分の冷媒の追加圧縮を第２圧縮機２３の第２圧縮機構２５で行なう。

つまり、サブ圧縮機構６０から流出した油が主圧縮機構７を経由して油分離器２６に至る冷凍サイクル装置１００（実施の形態１）と異なり、本実施の形態２に係る冷凍サイクル装置１０１は、スクロール膨張機１のサブ圧縮機構６０から流出した油が第２圧縮機２３の容器内の空間に一旦開放され、第２圧縮機構２５に吸入された後に油分離器２６に至る。このため、油分離器２６からサブ油戻し管２２ｂを介してスクロール膨張機１の軸受部に供給された油が油分離器２６へ戻る際、本実施の形態２に係る冷凍サイクル装置１０１は、第２圧縮機２３での油上がりが関与するようになる。しかしながら、定常時における給油系の調整（給油系回路を流れる油量の調整）は、実施の形態１と同様に可変絞り２７によって行うことができる。

以上、このように構成された冷凍サイクル装置１０１においては、モーター駆動の圧縮機を二台用いる分コストはかかるが、分流比ｗの制御とサブ圧縮機構６０の昇圧幅（中間圧Ｐｍ）の制御を独立した圧縮機で行なうことができる。つまり、冷凍サイクル装置１０１は、分流比ｗの制御を主圧縮機５で行うことができ、サブ圧縮機構６０の昇圧幅（中間圧Ｐｍ）を第２圧縮機２３で制御することができる。したがって、冷凍サイクル装置１０１は、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１００が有する効果に加え、制御操作が簡素になるという効果も得ることができる。

なお、本実施の形態２に示した第２圧縮機２３は、複数の圧縮機で構成されていてもよい。本実施の形態２では、これら複数の圧縮機が第２圧縮機２３と同様の機能を果たす場合、１つの第２圧縮機２３と称する。

実施の形態３．
主圧縮機構７とは別に追加圧縮機構を設ける場合、例えば以下のように冷凍サイクル装置を構成してもよい。なお、本実施の形態３で特に記述しない項目については実施の形態１又は実施の形態２と同様とし、以下では実施の形態１及び実施の形態２との差異点を主に説明する。

図５は、本発明の実施の形態３による冷凍サイクル装置を模式的に表すサイクル構成図である。本実施の形態３に係る冷凍サイクル装置１０２は、実施の形態２に係る冷凍サイクル装置１０１と同様に、主圧縮機５及び第２圧縮機２３を備えている。しかしながら、本実施の形態３に係る冷凍サイクル装置１０２は、主圧縮機５、第２圧縮機２３及びスクロール膨張機１のサブ圧縮機構６０の接続構成が、実施の形態２に係る冷凍サイクル装置１０１と異なる。より詳しくは、主圧縮機５の吸入口とスクロール膨張機１のサブ圧縮機構６０の吸入口とが、蒸発器１２に並列接続されている。スクロール膨張機１のサブ圧縮機構６０の吐出口は、第２圧縮機２３の吸入口に接続されている。また、主圧縮機５の吐出口と第２圧縮機２３の吐出口とが油分離器２６に並列接続されている。

したがって、蒸発器１２を流出して分流した分流比（１−ｗ）の冷媒は、主圧縮機５において、低圧Ｐｌから高圧Ｐｈまで圧縮される。一方、蒸発器１２を流出して分流した分流比ｗの冷媒は、スクロール膨張機１のサブ圧縮機構６０において、低圧Ｐｌから中間圧Ｐｍまで圧縮される。そして、中間圧Ｐｍとなった分流比ｗ分の冷媒は、第２圧縮機２３において、中間圧Ｐｍから高圧Ｐｈまで圧縮される。その後、互いに高圧Ｐｈとなった分流比（１−ｗ）の冷媒及び分流比ｗの冷媒は、合流して、油分離器２６に流入する。

つまり、本実施の形態３においては、スクロール膨張機１のサブ圧縮機構６０から流出した分流比ｗ分の冷媒は、この分流比ｗ分の冷媒の追加圧縮専用に設けられた第２圧縮機２３で追加圧縮される。

以上、このように構成された冷凍サイクル装置１０２においては、実施の形態２に係る冷凍サイクル装置１０１と同様、分流比ｗの制御とサブ圧縮機構６０の昇圧幅（中間圧Ｐｍ）の制御を独立した圧縮機で行なうことができる。つまり、冷凍サイクル装置１０２は、分流比ｗの制御を主圧縮機５で行うことができ、サブ圧縮機構６０の昇圧幅（中間圧Ｐｍ）を第２圧縮機２３で制御することができる。したがって、冷凍サイクル装置１０２は、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１００が有する効果に加え、制御操作が簡素になるという効果も得ることができる。

また、本実施の形態３に係る冷凍サイクル装置１０２は、サブ圧縮機構６０の昇圧幅の制御を行う際、サブ圧縮機構６０との関係のみ（分流比ｗ分の冷媒についてのみ）を考慮して第２圧縮機２３を制御すればよい。また、本実施の形態３に係る冷凍サイクル装置１０２では、実施の形態１及び実施の形態２の冷凍サイクル装置に設けられていた逆止弁８１が不要となる。したがって、本実施の形態３に係る冷凍サイクル装置１０２は、第２圧縮機２３の制御に分流比（１−ｗ）の冷媒と分流比ｗの冷媒の合流が関係する実施の形態２よりも、さらにシンプルな制御が可能となる。

また、本実施の形態３に係る冷凍サイクル装置１０２においては、蒸発器１２を流出して分流した分流比（１−ｗ）の冷媒は、主圧縮機５による一段圧縮となる。一方、実施の形態２に係る冷凍サイクル装置１０１は、蒸発器１２を流出した全流量が二段圧縮となる。より詳しくは、実施の形態２に係る冷凍サイクル装置１０１は、分流比ｗ分の冷媒がサブ圧縮機構６０と第２圧縮機２３の二段圧縮となり、分流比（１−ｗ）分の冷媒が主圧縮機５と第２圧縮機２３の二段圧縮となる。したがって、本実施の形態３に係る冷凍サイクル装置１０２は、実施の形態２に係る冷凍サイクル装置１０１に較べ、高効率な冷凍サイクル装置となる。

１ スクロール膨張機、２ 密閉容器、５ 主圧縮機、６ モーター、７ 主圧縮機構、１１ 放熱器、１２ 蒸発器、１４ 予膨張弁、１５ 膨張吸入管、１６ 膨張吐出管、１９ サブ圧縮吸入管、２０ サブ圧縮吐出管、２２ａ 主油戻し管、２２ｂ サブ油戻し管、２３ 第２圧縮機、２４ モーター、２５ 第２圧縮機構、２６ 油分離器、２７ 可変絞り、３１ 返油孔、３７ 給油管、３８ 給油孔、５０ 膨張機構、５１ 膨張固定スクロール、５１ｂ 膨張側軸受部、５２ 揺動スクロール、５２ｂ 揺動軸受部、５２ｅ 高圧導入孔、５３ 膨張側空間、６０ サブ圧縮機構、６１ サブ圧縮固定スクロール、６１ｂ サブ圧縮側軸受部、６２ 吸入室、６３ サブ圧縮側空間、７７ オルダムリング、７８ 軸、７８ａ 偏心軸部、７９ａ，７９ｂ バランスウェイト、８１ 逆止弁、１００〜１０２ 冷凍サイクル装置。

Claims (7)

1. 膨張機構及び該膨張機構で回収された動力によって駆動されるサブ圧縮機構を備え、前記膨張機構と前記サブ圧縮機構とが一体となった膨張機において、
   前記膨張機構の軸受部を潤滑後の油を前記サブ圧縮機構に送る油経路が設けられていることを特徴とする膨張機。
2. 前記膨張機構はスクロール型の膨張機構であり、
   前記サブ圧縮機構はスクロール型の圧縮機構であり、
   前記膨張機構及び前記サブ圧縮機構は、
   前記膨張機構の揺動スクロールと前記サブ圧縮機構の揺動スクロールとが台板を共有する背面合わせの両面スクロール型として一体形成されたことを特徴とする請求項１に記載の膨張機。
3. 前記台板を貫通する軸の両端部側には空間が形成され、これら空間のうちの一方の空間は前記サブ圧縮機構の吸入室と通じており、
   前記油経路は、前記サブ圧縮機構の吸入室と通じる前記空間と、前記サブ圧縮機構の吸入室と通じていない前記空間とを連通していることを特徴とする請求項２に記載の膨張機。
4. 請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の膨張機、駆動源により駆動され容器内に油を貯留できる主圧縮機、圧縮された冷媒から油を分離する油分離器、油分離器から流出した冷媒が冷却される放熱器、及び前記膨張機構で減圧された冷媒が加熱される蒸発器を備え、
   前記主圧縮機の吸入口及び前記サブ圧縮機構の吸入口が前記蒸発器に並列接続され、前記サブ圧縮機構から吐出された冷媒を駆動源により駆動される追加圧縮機構で追加圧縮する冷凍サイクル装置において、
   前記油分離器で分離された油を前記主圧縮機の吸入側へ導く第１の油戻し経路と、
   前記油分離器で分離された油を前記膨張機構の軸受部に導く第２の油戻し経路と、
   を有することを特徴とする冷凍サイクル装置。
5. 前記主圧縮機の圧縮機構が前記追加圧縮機構を兼ねることを特徴とする請求項４に記載の冷凍サイクル装置。
6. 前記第１の油戻し経路に、流路抵抗が可変な抵抗可変装置を設けたことを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の冷凍サイクル装置。
7. 冷媒として二酸化炭素を用いたことを特徴とする請求項４〜請求項６のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。

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