JP2012042110A - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】副圧縮機の可動部の過剰な押し付けを防止でき、かつ高圧オイルを利用して膨張機を潤滑できる冷凍サイクル装置を提供する。
【解決手段】主圧縮機を収容する第１密閉容器の内部に形成される第１オイル溜まりと、膨張機３および副圧縮機５を収容する第２密閉容器８０の内部に形成される第２オイル溜まり８１とは、均油管９によって連通している。膨張機３の可動部３４の外側には、第２オイル溜まり８１と連通して第２オイル溜まり８１のオイルで満たされる第１遊隙空間３５が形成されている。副圧縮機５の可動部５４の外側には、第２オイル溜まり８１とは独立した、副圧縮機５が吸入する冷媒の圧力または副圧縮機５が吐出する冷媒の圧力と等しい圧力の流体で満たされる第２遊隙空間５５が形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、冷媒を圧縮および膨張させる冷凍サイクル装置に関し、特に冷媒の膨張エネルギーを機械エネルギーに変換する膨張機を用いた冷凍サイクル装置に関する。

従来、冷媒を膨張させて動力を回収する膨張機と、主圧縮機の上流側で冷媒を予備的に昇圧する副圧縮機を備えた冷凍サイクル装置が知られている。例えば、特許文献１には、図９に示すような冷凍サイクル装置１００が開示されている。

この冷凍サイクル装置１００は、主圧縮機１０１、放熱器１０２、膨張機１０３、蒸発器１０４、および、副圧縮機１０５が流路によりこの順に接続された冷媒回路１２０を備えている。放熱器１０２と膨張機１０３との間には、膨張機１０３の設計圧力比に適合する圧力となるように冷媒を膨張させる膨張弁１２５が設けられている。また、冷媒回路１２０には、膨張弁１２５および膨張機１０３をバイパスする、膨張弁が設けられたバイパス路１３０が接続されている。

副圧縮機１０５は、伝動軸により膨張機１０３と連結されており、膨張機１０３で回収した動力（機械エネルギー）を受けることで駆動される。一般的に、冷凍サイクル装置の動作時の冷媒物性から、膨張機１０３に比べて副圧縮機１０５の設計容積は大きくなり、それに従って各構成要素のサイズも副圧縮機１０５の方が大きくなる。

膨張機１０３と副圧縮機１０５は、密閉容器１１０に収容されている。密閉容器１１０の内部には放熱器１０２から流出する高圧冷媒が導かれる。高圧冷媒は、密閉容器１１０の内部でオイル（潤滑油）と分離された後に、密閉容器１１０から膨張弁１２５に向けて排出される。また、密閉容器１１０の内部には、高圧冷媒と層をなす高圧オイルによってオイル溜り１１１が形成され、このオイル溜まり１１１中に膨張機１０３が浸される。

このように、密閉容器１１０は内部に高圧冷媒および高圧オイルが存在する高圧シェル型であり、この高圧オイルを用いて膨張機１０３および副圧縮機１０５の摺動部へオイルを供給することができる。

一方、図１０に示すように、密閉容器２１０の内部空間に副圧縮機１０５で中圧まで圧縮した冷媒を吐出させる冷凍サイクル装置２００も知られている（例えば、特許文献２参照）。この冷凍サイクル装置２００では、密閉容器２１０の内部に、中圧冷媒と層をなす中圧オイルによってオイル溜り２１１が形成される。

特許第３９９８２４９号公報 特許第４０５５９０２号公報

図９に示す冷凍サイクル装置１００では、密閉容器１１０の内部が高圧雰囲気となるので、膨張機１０３および副圧縮機１０５の両方が高圧雰囲気にさらされる。膨張弁１２５で減圧されるものの依然として高圧の冷媒を膨張させる膨張機１０３では、外部のオイル圧力を利用して摺動部への潤滑が行われる。しかしながら、低圧冷媒を中圧まで圧縮する副圧縮機１０５では、副圧縮機１０５の可動部（ロータリ型流体機械であればベーン、スクロール型流体機械であれば旋回スクロール）が周囲圧力によって他の部分に押し付けられる場合は、内部の作動室圧力と外部の冷媒圧力との圧力差が大きすぎるために、可動部が過剰に押し付けられてしまう。その結果、機械損失が増加することで、効率が著しく低下してしまう課題があった。

一方、図１０に示す冷凍サイクル装置２００では、密閉容器２１０の内部空間は、副圧縮機１０５から吐出される冷媒によって中圧雰囲気となるため、副圧縮機１０５の可動部に対する過剰な押付力の発生は起こらない。しかし、膨張機１０３では、吸入する冷媒の方が外部のオイルよりも圧力が高くなるため、高圧作動部へオイルを供給することができない。このため、潤滑不良が発生することで信頼性が低下したり、またオイルによる膨張機１０３の冷媒シール性が低下することで、効率が低下してしまう課題があった。

本発明は、このような事情に鑑み、副圧縮機の可動部の過剰な押し付けを防止でき、かつ高圧オイルを利用して膨張機を潤滑できる冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。

すなわち、本発明は、冷媒を圧縮する主圧縮機と、前記主圧縮機で圧縮された冷媒を冷却する放熱器と、前記放熱器で冷却された冷媒を膨張させて動力を回収する膨張機と、前記膨張機で膨張した冷媒を加熱する蒸発器と、伝動軸により前記膨張機と連結され、前記蒸発器で加熱された冷媒を前記主圧縮機に吸入される前に昇圧する副圧縮機と、前記主圧縮機を収容し、内部に第１オイル溜まりが形成されるとともにその上側の空間が前記主圧縮機から吐出される冷媒で満たされる第１密閉容器と、前記膨張機および前記副圧縮機を収容し、内部に前記膨張機の少なくとも一部が浸る第２オイル溜まりが形成される第２密閉容器と、前記第１オイル溜まりと前記第２オイル溜まりとを連通するように前記第１密閉容器と前記第２密閉容器とを連結する均油管と、を備え、前記膨張機および前記副圧縮機は、前記伝動軸の径方向に移動可能な可動部であって前記径方向の外向きに開放される端面を持つ可動部をそれぞれ有し、前記伝動軸の径方向において前記膨張機の可動部の外側には、当該可動部の前記端面に面し、前記第２オイル溜まりと連通して前記第２オイル溜まりのオイルで満たされる第１遊隙空間が形成されており、前記伝動軸の径方向において前記副圧縮機の可動部の外側には、当該可動部の前記端面に面し、前記第２オイル溜まりとは独立した、前記副圧縮機が吸入する冷媒の圧力または前記副圧縮機が吐出する冷媒の圧力と等しい圧力の流体で満たされる第２遊隙空間が形成されている、冷凍サイクル装置を提供する。

本発明の冷凍サイクル装置によれば、副圧縮機の可動部には低圧または中圧を作用させることができるので、副圧縮機の可動部の過剰な押し付けを防止することができる。これにより、膨張機で得られた動力をより効率的に副圧縮機に利用することができる。また、膨張機の少なくとも一部が浸る第２オイル溜まりは、第１オイル溜まりとの連通によって主圧縮機から吐出される高圧冷媒と略同じ圧力になるので、高圧オイルを利用して膨張機を潤滑することができる。これにより、高い信頼性を得ることができる。

本発明の第１実施形態に係る冷凍サイクル装置の構成図 図１に示す冷凍サイクル装置に用いられる動力回収機械の模式的な縦断面図 図２のIII−III線に沿った横断面図 図２のIV−IV線に沿った横断面図 変形例の冷凍サイクル装置の構成図 図５に示す冷凍サイクル装置に用いられる動力回収機械の模式的な縦断面図 本発明の第２実施形態に係る冷凍サイクル装置の構成図 図７に示す冷凍サイクル装置に用いられる動力回収機械の模式的な縦断面図 従来の冷凍サイクル装置の構成図 従来の他の冷凍サイクル装置の構成図

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態によって本発明が限定されるものではない。

（第１実施形態）
＜冷凍サイクル装置の構成＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る冷凍サイクル装置１０Ａの構成図である。この冷凍サイクル装置１０Ａは、主圧縮機１、放熱器２、膨張機３、蒸発器４、および、副圧縮機５が流路によりこの順に接続された冷媒回路６を備えている。本実施形態では、膨張機３から蒸発器４に冷媒を導く流路に、気液分離器６１と膨張弁６２が設けられている。冷媒回路６を循環する冷媒としては、例えば、フロン系冷媒や二酸化炭素を用いることができる。

主圧縮機１は、モータ７５によって駆動され、冷媒を高温高圧に圧縮する。主圧縮機１およびモータ７５は第１密閉容器７０に収容されており、これにより圧縮機械７が構成されている。第１密閉容器７０の内部には、主圧縮機１潤滑用のオイルによって第１オイル溜まり７１が形成されている。主圧縮機１は、吐出路（図示せず）を通じて、第１密閉容器７０内の第１オイル溜まり７１の上側の空間７２に、圧縮した冷媒を吐出する。すなわち、空間７２は高温高圧の冷媒で満たされる。空間７２では、高温高圧の冷媒からオイルが分離され、そのオイルが第１オイル溜まり７１に加わる。第１オイル溜まり７１を構成するオイルは、主圧縮機１から吐出された冷媒と層をなすため、その冷媒の圧力と等しい圧力（高圧）を有している。主圧縮機１としては、例えば、スクロール型圧縮機やロータリ型圧縮機を用いることができる。第１密閉容器７０には配管６ａの一端が第１オイル溜まり７１の上側の空間７２に開口するように接続されており、配管６ａの他端は放熱器２の入口に接続されている。すなわち、第１密閉容器７０内の空間７２および配管６ａは、主圧縮機１から放熱器２に冷媒を導く流路を構成する。なお、実際には、配管６ａは、密閉容器に当該密閉容器を貫通する状態で固定される短管部と、この短管部に接合される本管部とからなるが、本明細書では説明の便宜のためにこれらをまとめて配管６ａという。この点は、後述する配管６ｂ，６ｃ，６ｅ，６ｆでも同様である。

放熱器２は、主圧縮機１で圧縮された高温高圧の冷媒を放熱させて冷却する。放熱器２の出口は、配管６ｂを介して膨張機３の吸入路３ａ（図２参照）に接続されている。

膨張機３は、放熱器２から流出した中温高圧の冷媒を膨張させ、冷媒の膨張エネルギーを機械エネルギーに変換し、動力として回収する。膨張機３としては、例えば、スクロール型膨張機やロータリ型膨張機、あるいは、流体圧モータ式膨張機を用いることができる。なお、流体圧モータ式膨張機とは、内部で実質的な膨張工程を行なわずに、冷媒を吸入する工程と吸入した冷媒を吐出する工程とを連続して行うことで、吸入側と吐出側との圧力差によって冷媒を膨張させるとともに冷媒から動力を回収する流体機械である。

膨張機３は副圧縮機５と共に第２密閉容器８０に収容されており、これにより動力回収機械８が構成されている。本実施形態では、膨張機３と副圧縮機５とを連結する伝動軸８５が鉛直方向に延びており、膨張機３は副圧縮機５の下方に位置している。また、詳しくは後述するが、膨張機３と副圧縮機５とは中間閉塞部材８６を共有しており、この中間閉塞部材８６は、第２密閉容器８０の内周面に固定されることにより、第２密閉容器８０内で膨張機３を取り囲む第１空間８２Ａと副圧縮機５を取り囲む第２空間８２Ｂとを隔てる、換言すれば第１空間８２Ａと第２空間８２Ｂとの間を完全に遮断する区画部材として機能する。そして、第１空間８２Ａに膨張機３および副圧縮機５潤滑用のオイルが満たされることにより第２オイル溜まり８１が形成されている。すなわち、膨張機３における中間閉塞部材８６よりも下方の部分が第２オイル溜まり８１に浸っている。また、第２空間８２Ｂの下部には、副圧縮機５潤滑用のオイルによって第３オイル溜まり８３が形成されており、第３オイル溜まり８３の上側の空間８４に副圧縮機５の上部が露出している。

膨張機３の吐出路３ｂ（図２参照）は、配管６ｃを介して気液分離器６１の入口に接続されている。

気液分離器６１は、膨張機３で膨張した低温低圧の冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離する。気液分離器６１の液相側出口は、配管６ｄを介して蒸発器４の入口に接続されている。この配管６ｄには、上述した膨張弁６２が設けられており、膨張弁６２は、気液分離器６１内の圧力を制御する役割を果たす。

蒸発器４は、気液分離器６１で気相冷媒と分離された低温低圧の液相冷媒を加熱して蒸発させる。蒸発器４の出口は、配管６ｅを介して副圧縮機５の吸入路５ａ（図２参照）に接続されている。

副圧縮機５は、蒸発器４から流出した中温低圧の冷媒を、主圧縮機１に吸入される前に昇圧する。副圧縮機５には、膨張機３で回収した動力（機械エネルギー）が伝動軸８５を介して伝えられ、これにより副圧縮機５が駆動する。副圧縮機１０５としては、スクロール型圧縮機やロータリ型圧縮機、あるいは、流体圧モータ式圧縮機を用いることができる。なお、流体圧モータ式圧縮機とは、冷媒を吸入する工程と吸入した冷媒を吐出する工程とを実質的に連続して行うことで、吸入側と吐出側との圧力差によって冷媒を昇圧する流体機械である。なお、この副圧縮機５の吸入容積は、冷凍サイクル装置内の冷媒状態の関係上、膨張機３の吸入容積よりも大きく設計されている。

副圧縮機５は、吐出路３ｂ（図２参照）を通じて、第２密閉容器８０内の第３オイル溜まり８３の上側の空間８４に、昇圧した中温中圧の冷媒を吐出する。すなわち、空間８４は中温中圧の冷媒で満たされる。空間８４では、中温中圧の冷媒からオイルが分離され、そのオイルが第３オイル溜まり８３に加わる。第３オイル溜まり８３を構成するオイルは、副圧縮機５から吐出された冷媒と層をなすため、その冷媒の圧力と等しい圧力（中圧）を有している。

第２密閉容器８０には配管６ｆの一端が第３オイル溜まり８３の上側の空間８４に開口するように接続されており、配管６ｆの他端は主圧縮機１の吸入路（図示せず）に接続されている。すなわち、第２密閉容器８０内の空間８４および配管６ｆは、副圧縮機５から主圧縮機１に冷媒を導く流路を構成する。

また、冷媒回路６には、気液分離器６１で液相冷媒と分離された気相冷媒を、副圧縮機５から主圧縮機１に導かれる冷媒に合流させるガスインジェクション路６ｇが接続されている。具体的には、ガスインジェクション路６ｇの上流端は、気液分離器１０８の気相側出口に接続され、ガスインジェクション路６ｇの下流端は、配管６ｆの中間位置に接続されている。なお、ガスインジェクション路６ｇの下流端は、副圧縮機５から主圧縮機１に冷媒を導く流路であればどこに接続されていてもよく、例えば第２密閉容器８０に接続されていてもよい。また、ガスインジェクション路６ｇには、流量調整弁６３が設けられている。この流量調整弁６３は、定常運定時にインジェクション流量を調整するためのものである。

上述した第１密閉容器７０と第２密閉容器８０とは、均油管９によって連結されている。均油管９は、第１オイル溜まり７１と第２オイル溜まり８１とを連通しており、これにより、第２オイル溜まり８１を構成するオイルは第１オイル溜まり７１を構成するオイルと略同じ圧力（すなわち、主圧縮機１から吐出される冷媒と略同じ圧力）を有している。

＜動力回収機械の構成＞
次に、図２〜４を参照して、動力回収機械８の構成を詳細に説明する。なお、図２は動力回収機械の構造を模式的に表したものであり、ベーンの正確な位置などは図３および図４のとおりである。

本実施形態では、膨張機３として一段ロータリ型膨張機が採用されており、副圧縮機５としてロータリ型圧縮機が採用されている。そして、膨張機３と副圧縮機５とを連結する伝達軸８５は、膨張機３用の下偏心部８５ｂと、副圧縮機５用の上偏心部８５ｃとを有している。

図２および図３に示すように、膨張機３は、円筒状の内周面を有するシリンダ３２と、伝動軸８５の下偏心部８５ｂに嵌合し、シリンダ３２の内側で偏心回転運動するピストン３１とを備えている。シリンダ３２の内周面とピストン３１との間には、三日月状の作動室３３が形成されており、この作動室３３がベーン３４によって上流側３３ａと下流側３３ｂとに仕切られている。また、膨張機３は、作動室３３を伝動軸８５の端部側から（すなわち下方から）閉塞する外側閉塞部材３６と、作動室３３を伝動軸８５の中間側から（すなわち上方から）閉塞する内側閉塞部材として上述した中間閉塞部材８６とを備えている。外側閉塞部材３６は、伝動軸８５の下部を回転可能に支持する軸受部材としても機能する。本実施形態では、外側閉塞部材３６に、配管６ｂから作動室３３の上流側３３ａに冷媒を導く吸入路３ａと、作動室３３の下流側３３ｂから配管６ｃに冷媒を導く吐出路３ｂとが設けられている。さらに、図示は省略するが、膨張機３は、伝動軸８５が一回転するうちの所定のタイミングでのみ吸入路３ａを作動室３３の上流側３３ａと連通させる吸入タイミング機構を備えている。

中間閉塞部材８６は、第２密閉容器８０の内周面と同一の直径の円盤状をなしており、その中心に、伝動軸８５に挿通される貫通孔が形成されている。

シリンダ３２には、径方向内側に開口するベーン溝３２ａが形成されており、このベーン溝３２ａにベーン３４が往復自在に挿入されている。すなわち、ベーン３４は、伝動軸８５の径方向に移動可能であり、伝動軸８５の径方向の外向きに開放される背面を有している。そして、ベーン溝３２ａの底部（ベーン溝３２ａが開口する方向と反対側の端部）によって、ベーン３４の背面に面する第１遊隙空間３５が形成されている。第１遊隙空間３５内には、ベーン３４をピストン３１に押し付けるベーンばね３４ａが配設されている。なお、ピストン３１は、伝動軸８５の周方向には移動可能であるが、伝動軸８５の径方向には移動不能である。

第１遊隙空間３５は、上方からは中間閉塞部材８６によって閉塞されているが、下方では外側閉塞部材３６によって閉塞されていない。このため、第１遊隙空間３５は、第２オイル溜まり８１と連通しており、第２オイル溜まり８１のオイル（すなわち、上述した均油管９の作用により、主圧縮機５が吐出する冷媒の圧力と略同じ圧力のオイル）で満たされている。

図２および図４に示すように、副圧縮機５は、円筒状の内周面を有するシリンダ５２と、伝動軸８５の上偏心部８５ｃに嵌合し、シリンダ５２の内側で偏心回転運動するピストン５１とを備えている。シリンダ５２の内周面とピストン５１との間には、三日月状の作動室５３が形成されており、この作動室５３がベーン５４によって上流側５３ａと下流側５３ｂとに仕切られている。また、副圧縮機５は、作動室５３を伝動軸８５の端部側から（すなわち上方から）閉塞する外側閉塞部材５６と、作動室５３を伝動軸８５の中間側から（すなわち下方から）閉塞する内側閉塞部材として上述した中間閉塞部材８６とを備えている。外側閉塞部材５６は、伝動軸８５の上部を回転可能に支持する軸受部材としても機能する。本実施形態では、シリンダ５２に、配管６ｅから作動室５３の上流側５３ａに冷媒を導く吸入路５ａが設けられており、外側閉塞部材５６に、作動室５３の下流側５３ｂから第２密閉容器８０内の第３オイル溜まり８３の上側の空間８４に冷媒を導く吐出路５ｂが設けられている。吐出路３ｂの出口には、弾性変形することによって逆止弁として機能する吐出弁５７が設けられている。

シリンダ５２には、径方向内側に開口するベーン溝５２ａが形成されており、このベーン溝５２ａにベーン５４が往復自在に挿入されている。すなわち、ベーン５４は、伝動軸８５の径方向に移動可能であり、伝動軸８５の径方向の外向きに開放される背面を有している。そして、ベーン溝５２ａの底部（ベーン溝５２ａが開口する方向と反対側の端部）によって、ベーン５４の背面に面する第２遊隙空間５５が形成されている。第２遊隙空間５５内には、ベーン５４をピストン５１に押し付けるベーンばね５４ａが配設されている。なお、ピストン５１は、伝動軸８５の周方向には移動可能であるが、伝動軸８５の径方向には移動不能である。

第３オイル溜まり８３の油量は、第３オイル溜まり８３の油面がシリンダ５２よりも上方に位置するように設定されている。

第２遊隙空間５５は、下方からは中間閉塞部材８６によって閉塞されているが、上方では外側閉塞部材５６によって閉塞されていない。このため、第２遊隙空間５５は、第３オイル溜まり８３と連通しており、第３オイル溜まり８３のオイル（すなわち、副圧縮機５が吐出する冷媒の圧力と等しい圧力のオイル）で満たされている。

伝動軸８５の内部には、第２オイル溜まり８１のオイルを膨張機３および副圧縮機５に供給するための給油路８５ａが設けられている。給油路８５ａは、伝動軸８５の下端面から軸方向に延びる縦穴と、この縦穴から偏心部８５ｂ，８５ｃの外周面に開口する横穴とから構成されている。なお、図示は省略するが、横穴は、外側閉塞部材３６，５６に対応する位置にも、伝動軸８５の外周面に開口するように形成されている。すなわち、第２オイル溜まり８１のオイルは、給油路８５ａにより、偏心部８５ｂ，８５ｃとピストン３１，５１との間の摺動部、および伝動軸８５と外側閉塞部材３６，５６との間の摺動部に導かれる。それ故に、これらの摺動部は、高圧オイルによって潤滑される。

また、伝動軸８５の上部には、第３オイル溜まり８３の上側の空間８４内に位置するように、慣性力によって伝動軸８５の回転変動を平準化するフライホイール８７が設けられている。本実施形態では、フライホイール８７が伝動軸８５の軸心からずれた位置に重心を有する形状に形成されており、フライホイール８７がバランスウエイトとしても機能する。

次に、膨張機３および副圧縮機５の動作を説明する。

膨張機３では、吸入路３ａを通じて配管６ｂから作動室３３の上流側３３ａに流入した高圧冷媒が、吸入行程を完了後に膨張しながら圧力を下げる。ピストン３１が上死点を通過すると作動室３３の上流側３３ａが下流側３３ｂに移行し、下流側３３ｂ内の低圧冷媒が吐出路３ｂを通じて配管６ｃに流出する。また、ベーン３４の背面に面する第１遊隙空間３５には第１オイル溜り８１の高圧オイルが存在し、この高圧オイルによってベーン３４をピストン３１に押し付けることで、伝動軸８５の回転時にベーン３４がピストン３１から乖離するのを防いでいる。また、第１遊隙空間３５内の高圧オイルの圧力を利用して、ベーン３４とベーン溝３２ａ、外側閉塞部材３６の上面、および中間閉塞部材８６の下面との間の各摺動部にオイルを供給することができる。

副圧縮機５では、吸入路５ａを通じて配管６ｅから作動室５３の上流側５３ａに低圧冷媒が流入する。ピストン５１が上死点を通過すると作動室５３の上流側５３ａが下流側５３ｂに移行し、下流側５３ｂ内の低圧冷媒が圧縮されながら圧力を上げ、中圧冷媒となって吐出路５ｂを通じて空間８４に流出する。また、ベーン５４の背面に面する第２遊隙空間５５には第３オイル溜り８３の中圧オイルが存在し、この中圧オイルによってベーン５４をピストン５１に過剰ではない力で押し付けることで、伝動軸８５の回転時にベーン５４がピストン５１から乖離するのを防いでいる。また、第２遊隙空間５５内の中圧オイルの圧力を利用して、ベーン５４とベーン溝５２ａ、外側閉塞部材５６の下面、および中間閉塞部材８６の上面との間の各摺動部にオイルを供給することができる。

＜冷凍サイクル装置の効果＞
以上のように、本実施形態の冷凍サイクル装置１０Ａでは、副圧縮機５のベーン５４の背面に面する第２遊隙空間５５に、高圧オイルではなく中圧オイルを導くことができるので、高圧オイルを導いた時の過剰なベーン押付力を防止することができる。これにより、摺動損失を低減することができるので、膨張機３で得られた動力をより効率的に副圧縮機５に利用することができる。また、ベーン５４のピストン５１に対する押付力を低減できるので、ベーン押付けによる伝動軸８５のトルク変動の影響を小さくできる。これにより、伝動軸８５の回転変動を抑えることができるので、回転変動に伴う振動および騒音を抑えることができる。また、膨張機３の各摺動部には、第２オイル溜り８１の高圧オイルを導くことができるので、すべての摺動部に対してオイルを差圧給油することができ、摺動部の高い信頼性を確保することができる。

また、伝動軸８５の上部にフライホイール８７が設けられているので、フライホイール８７を気相の中圧冷媒雰囲気下で回転させることができる。これにより回転抵抗を小さくできるので、膨張機３で得られた動力をさらに効率的に副圧縮機５に利用することができる。また、フライホイール８７によって、伝動軸８５の回転変動に伴う振動および騒音をさらに抑えることができる。また、フライホイール８７はバランスウェイトとしても機能するので、第２オイル溜り８１の高圧オイルによって伝動軸８５が鉛直上方向に押し上げられるのを、フライホイール８７の自重によって相殺することができる。これにより、伝動軸８５のスラスト荷重を低減し、膨張機３で得られた動力を特に効率的に副圧縮機５に利用することができる。

なお、本実施形態では、中間閉塞部材８６の周縁が全周に亘って第２密閉容器８０の内周面に直接溶接されているが、本発明の区画部材は、第１空間８２Ａと第２空間８２Ｂとを隔てる構成であればなんでもよく、本実施の形態に限定されるものではない。例えば、第２密閉容器８０の内周面にリング状の区画部材を溶接し、この区画部材に中間閉塞部材８６を固定してもよい。

＜変形例＞
図３は、前記実施形態の変形例の冷凍サイクル装置１０Ｂの構成図であり、図４は、その冷凍サイクル装置１０Ｂに用いられる動力回収機械８の模式的な断面図である。なお、本変形例において、前記実施形態と共通部品については同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。

本変形例の冷凍サイクル装置１０Ｂは、第２密閉容器８０内の副圧縮機５を取り囲む第２空間８２Ｂが低圧雰囲気となり、副圧縮機５で昇圧した中温中圧の冷媒が配管６ｆを通じて第２密閉容器８０の外へ直接吐出される点で、第１実施形態の冷凍サイクル装置１０Ａと相違する。

具体的に、冷凍サイクル装置１０Ｂでは、蒸発器４の下流側の配管６ｅの下流端が、第２密閉容器８０に第３オイル溜まり８３の上側の空間８４に開口するように接続されており、副圧縮機５の吸入路５ａが空間８４に開口している。また、副圧縮機５の吐出路５ｂは、配管６ｆを介して主圧縮機１の吸入路（図示せず）に接続されている。すなわち、配管６ｅおよび第２密閉容器８０内の空間８４は、蒸発器４から副圧縮機５に冷媒を導く流路を構成し、空間８４は、副圧縮機５に吸入される中温低圧の冷媒で満たされる。空間８４では、中温低圧の冷媒からオイルが分離され、そのオイルが第３オイル溜り８３に加わる。第３オイル溜まり８３を構成するオイルは、副圧縮機５に吸入される冷媒と層をなすため、その冷媒の圧力と等しい圧力（低圧）を有している。

以上のように、本変形例の冷凍サイクル装置１０Ｂでは、副圧縮機５のベーン５４の背面に面する第２遊隙空間５５に、高圧オイルではなく低圧オイルを導くことができるので、高圧オイルを導いた時の過剰なベーン押付力を防止することができる。これにより、摺動損失を低減することができるので、膨張機３で得られた動力をより効率的に副圧縮機５に利用することができる。また、ベーン５４のピストン５１に対する押付力を低減できるので、ベーン押付けによる伝動軸８５のトルク変動の影響を小さくできる。これにより、伝動軸８５の回転変動を抑えることができるので、回転変動に伴う振動および騒音を抑えることができる。また、膨張機３の各摺動部には、第２オイル溜り８１の高圧オイルを導くことができるので、すべての摺動部に対してオイルを差圧給油することができ、摺動部の高い信頼性を確保することができる。

ところで、本変形例の冷凍サイクル装置１０Ｂでは、副圧縮機５の作動室５３の下流側５３ｂ内の冷媒の圧力が副圧縮機５の周囲の圧力よりも高くなる。しかし、伝動軸８５とピストン５１との間の摺動部、および伝動軸８５と外側閉塞部材５６との間の摺動部には、伝動軸８５の内部に形成された給油路８５ａを通じて高圧オイルを導くことができるので、これらの摺動部に対してもオイルを差圧給油することができ、摺動部の高い信頼性を確保することができる。

なお、第１実施形態と同様の構成要素に起因する効果は、本変形例の冷凍サイクル装置１０Ｂにおいて同様に得ることができることは言うまでもない。

（第２実施形態）
＜冷凍サイクル装置の構成＞
図７は、本発明の第２実施形態２に係る冷凍サイクル装置１０Ｃの構成図であり、図８は、その冷凍サイクル装置１０Ｃに用いられる動力回収機械８の模式的な断面図である。なお、本実施形態において、第１実施形態と共通部品については同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。

本実施形態の冷凍サイクル装置１０Ｃは、蒸発器４から流出する冷媒が配管６ｅを通じて副圧縮機５に直接吸入され、副圧縮機５で昇圧した冷媒が配管６ｆを通じて第２密閉容器８０の外へ直接吐出される点と、副圧縮機５が第２オイル溜まり８１に浸っている点で、第１実施形態の冷凍サイクル装置１０Ａと相違する。

具体的には、蒸発器４の出口が配管６ｅを介して副圧縮機５の吸入路３ａに接続されており、副圧縮機５の吐出路３ｂが配管６ｆを介して主圧縮機１の吸入路（図示せず）に接続されている。また、中間閉塞部材８６における膨張機３のシリンダ３２および副圧縮機５のシリンダ５２よりも外側の位置に貫通孔８６が設けられており、この貫通孔８６を通じて膨張機３を取り囲む第１空間と副圧縮機５を取り囲む第２空間とが連通している。すなわち、本実施形態では、中間閉塞部材８６が第１実施形態で説明した区画部材としては機能しない。第２オイル溜まり８１の油面は、副圧縮機５のシリンダ５２よりも上方であればどこに位置していてもよい。

副圧縮機５の外側閉塞部材５６は、第２遊隙空間５５を上方から閉塞する形状を有している。すなわち、外側閉塞部材５６、中間閉塞部材３６、およびシリンダ５２は、第２遊隙空間５５を第２オイル溜まり８１から隔離する隔離部材として機能する。

外側閉塞部材５６には、吐出路３ｂから分岐して第２遊隙空間５５につながる導入路５６ａが設けられている。この導入路５６ａによって副圧縮機５から吐出される冷媒が第２遊隙空間５５に導かれ、第２遊隙空間５５が副圧縮機５から吐出される中温中圧の冷媒で満たされる。

中間閉塞部材８６には、副圧縮機５のベーン５４とベーン溝５２ａとの間の摺動部に第２オイル溜り８１の高圧オイルを導く給油路８６ｂが中間閉塞部材８６の下面と上面を結ぶように設けられている。なお、給油路８６ｂは、中間閉塞部材８６の上面にシリンダ５２の外側からベーン５４に向かって延びる溝で構成することも可能である。また、給油路８６ｂは、外側閉塞部材５６に設けられていてもよい。

さらに、本実施形態では、副圧縮機５の外側閉塞部材５６の上面に面する空間を囲むようにカバー（マフラー）８８が被せられている。そして、伝動軸８５には、カバー８８で囲まれる空間８８ａ内に位置するようにフライホイール８７が設けられている。

カバー８８で囲まれる空間８８ａは、外側閉塞部材５６、シリンダ５２、中間閉塞部材８６、シリンダ３２、および外側閉塞部材３６に跨って延びる冷媒通路８９を通じて膨張機３の吸入路３ａと連通している。すなわち、カバー８８で囲まれる空間８８ａ内には、冷媒通路８９によって膨張機３に吸入される冷媒が導かれる。

＜冷凍サイクル装置の効果＞
以上のように、本実施形態の冷凍サイクル装置１０Ｃでは、副圧縮機５のベーン５４の背面に面する第２遊隙空間５５に、高圧オイルではなく中圧冷媒を導くことができるので、高圧オイルを導いた時の過剰なベーン押付力を防止することができる。これにより、摺動損失を低減することができるので、膨張機３で得られた動力をより効率的に副圧縮機５に利用することができる。また、ベーン５４のピストン５１に対する押付力を低減できるので、ベーン押付けによる伝動軸８５のトルク変動の影響を小さくできる。これにより、伝動軸８５の回転変動を抑えることができるので、回転変動に伴う振動および騒音を抑えることができる。また、膨張機３の各摺動部だけでなく、副圧縮機５の各摺動部にも、第２オイル溜り８１の高圧オイルを導くことができるので、すべての摺動部に対してオイルを差圧給油することができ、摺動部の高い信頼性を確保することができる。

なお、第１実施形態と同様の構成要素に起因する効果は、本実施形態の冷凍サイクル装置１０Ｃにおいて同様に得ることができることは言うまでもない。

＜変形例＞
第２遊隙空間５５には、副圧縮機５に吸入される冷媒を導くようにしてもよい。この場合、導入路５６ａを、シリンダ５２および外側閉塞部材５６に、吸入路５ａから分岐して第２遊隙空間５５につながるように設ければよい。これにより、第２遊隙空間５５は副圧縮機５に吸入される中温低圧の冷媒で満たされる。このような構成でも、前記第３実施形態と同様の効果を得ることができる。

また、副圧縮機５の吸入路５ａと吐出路５ｂの一方または双方は、中間閉塞部材８６に設けられていてもよい。この場合には、吐出路５ｂまたは吸入路５ａから分岐して第２遊隙空間５５につながる導入路５６ａを中間閉塞部材８６に設けることもできる。

また、カバー８８で囲まれる空間８８ａ内に、副圧縮機５から吐出される冷媒が導かれる構成を採用することも可能である。この場合には、副圧縮機５から吐出される冷媒の圧力脈動が抑制され、振動および騒音をさらに低減することができる。あるいは、カバー８８で囲まれる空間８８ａ内に、副圧縮機５に吸入される冷媒が導かれてもよい。

（その他の実施形態）
前記実施形態では、膨張機３および副圧縮機５が共にロータリ型の流体機構であったが、膨張機３と副圧縮機５のどちらか一方または双方が、旋回スクロールと固定スクロールとを含むスクロール型の流体機構であってもよい。旋回スクロールは、オルダムリングによって伝動軸の径方向における直交する二方向のみに移動可能に支持される。すなわち、スクロール型の流体機構では、旋回スクロールが本発明の可動部に相当し、旋回スクロールの外周面が本発明の可動部の端面に相当する。また、スクロール型の流体機構では、第２遊隙空間が、旋回スクロールの外周面と第２密閉容器の内周面とで挟まれる環状の空間となる。

このようなスクロール型の流体機械でも、旋回スクロールの周囲の第２遊隙空間の圧力が低く抑えられるので、旋回スクロールの伝動軸の偏心部への過剰な押し付けを防止することができる。さらに、旋回スクロールの固定スクロールと反対側の面が第２遊隙空間と連続する空間に面している場合には、旋回スクロールの固定スクロールへの過剰な押し付けも防止することができる。

さらには、膨張機３としてロータリ型膨張機を用いる場合には、吸入タイミング機構を有する１段ロータリ型膨張機以外にも、吸入タイミング機構を有しない２段ロータリ型膨張機を採用することも可能である。

また、前記実施形態では、膨張機３が副圧縮機５の下方に位置しているが、それらの位置関係は上下逆でもよい。例えば、第１実施形態では、第２オイル溜まり８１が中間閉塞部材８６の上方に形成され、第３オイル溜まり８３の上側の空間８４が中間閉塞部材８６の下面に面していてもよい。ただし、オイルの対流によるオイルを介した熱移動を考慮すると、前記各実施形態のように、比較的に低温となる膨張機３が副圧縮機５の下方に位置していることが好ましい。

また、伝動軸８５が水平方向に延びていて、膨張機３と副圧縮機５が左右に並んでいてもよい。

本発明の冷凍サイクル装置は、膨張機で得られた動力によって駆動する副圧縮機を利用し、ヒートポンプのＣＯＰを向上させる手段として有用である。

１０Ａ〜１０Ｃ 冷凍サイクル装置
１ 主圧縮機
２ 放熱器
３ 膨張機
３１ ピストン
３２ シリンダ
３２ａ ベーン溝
３３ 作動室
３４ ベーン（可動部）
３５ 第１遊隙空間
３６ 外側閉塞部材
４ 蒸発器
５ 副圧縮機
５１ ピストン
５２ シリンダ
５２ａ ベーン溝
５３ 作動室
５４ ベーン（可動部）
５５ 第２遊隙空間
５６ 外側閉塞部材
５６ａ 導入路
７０ 第１密閉容器
７１ 第１オイル溜まり
８０ 第２密閉容器
８１ 第２オイル溜まり
８２Ａ 第１空間
８２Ｂ 第２空間
８３ 第３オイル溜まり
８５ 伝動軸
８５ａ 給油路
８６ 中間閉塞部材（区画部材）
８６ｂ 給油路
８７ フライホイール
８８ カバー
９ 均油管

Claims (13)

1. 冷媒を圧縮する主圧縮機と、
   前記主圧縮機で圧縮された冷媒を冷却する放熱器と、
   前記放熱器で冷却された冷媒を膨張させて動力を回収する膨張機と、
   前記膨張機で膨張した冷媒を加熱する蒸発器と、
   伝動軸により前記膨張機と連結され、前記蒸発器で加熱された冷媒を前記主圧縮機に吸入される前に昇圧する副圧縮機と、
   前記主圧縮機を収容し、内部に第１オイル溜まりが形成されるとともにその上側の空間が前記主圧縮機から吐出される冷媒で満たされる第１密閉容器と、
   前記膨張機および前記副圧縮機を収容し、内部に前記膨張機の少なくとも一部が浸る第２オイル溜まりが形成される第２密閉容器と、
   前記第１オイル溜まりと前記第２オイル溜まりとを連通するように前記第１密閉容器と前記第２密閉容器とを連結する均油管と、を備え、
   前記膨張機および前記副圧縮機は、前記伝動軸の径方向に移動可能な可動部であって前記径方向の外向きに開放される端面を持つ可動部をそれぞれ有し、
   前記伝動軸の径方向において前記膨張機の可動部の外側には、当該可動部の前記端面に面し、前記第２オイル溜まりと連通して前記第２オイル溜まりのオイルで満たされる第１遊隙空間が形成されており、
   前記伝動軸の径方向において前記副圧縮機の可動部の外側には、当該可動部の前記端面に面し、前記第２オイル溜まりとは独立した、前記副圧縮機が吸入する冷媒の圧力または前記副圧縮機が吐出する冷媒の圧力と等しい圧力の流体で満たされる第２遊隙空間が形成されている、
   冷凍サイクル装置。
2. 前記第２密閉容器内には、前記膨張機を取り囲む第１空間と前記副圧縮機を取り囲む第２空間とを隔てる区画部材が設けられており、
   前記第１空間にオイルが満たされることにより前記第２オイル溜まりが形成されており、
   前記第２空間の下部には第３オイル溜まりが形成され、その上側の空間が前記副圧縮機から吐出される冷媒または前記副圧縮機に吸入される冷媒で満たされ、前記第２遊隙空間が前記第３オイル溜まりと連通して前記第３オイル溜まりのオイルで満たされる、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記膨張機および前記副圧縮機は、円筒状の内周面を有するシリンダと、前記シリンダの内側で偏心回転運動するピストンと、前記シリンダの内周面と前記ピストンとの間に形成される作動室を上流側と下流側とに仕切るベーンと、前記作動室を前記伝動軸の端部側から閉塞する外側閉塞部材とをそれぞれ有しているとともに、前記作動室を前記伝動軸の中間側から閉塞する中間閉塞部材を共有しており、
   前記可動部は前記ベーンであり、前記可動部の端面は前記ベーンの背面であり、
   前記中間閉塞部材は、前記第２密閉容器の内周面に固定されており、前記区画部材として機能する、請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
4. 前記伝動軸には、前記第３オイル溜まりの上側の空間内に位置するようにフライホイールが設けられている、請求項２または３に記載の冷凍サイクル装置。
5. 前記副圧縮機は、前記第２オイル溜まりに浸っており、
   前記第２密閉容器内には、前記第２遊隙空間を前記第２オイル溜まりから隔離する隔離部材が設けられており、
   前記隔離部材には、前記副圧縮機に吸入される冷媒または前記副圧縮機から吐出される冷媒を前記第２遊隙空間に導く導入路が設けられている、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
6. 前記膨張機および前記副圧縮機は、円筒状の内周面を有するシリンダと、前記シリンダの内側で偏心回転運動するピストンと、前記シリンダの内周面と前記ピストンとの間に形成される作動室を上流側と下流側とに仕切るベーンと、前記作動室を前記伝動軸の端部側から閉塞する外側閉塞部材とをそれぞれ有しているとともに、前記作動室を前記伝動軸の中間側から閉塞する中間閉塞部材を共有しており、
   前記可動部は前記ベーンであり、前記可動部の端面は前記ベーンの背面であり、
   前記副圧縮機のシリンダには、径方向内側に開口し、前記ベーンが往復自在に挿入されるベーン溝が形成されており、このベーン溝の底部によって前記第２遊隙空間が構成されており、
   前記副圧縮機の外側閉塞部材および前記中間閉塞部材は、前記第２遊隙空間を前記伝動軸の軸方向の両側から閉塞しており、
   前記隔離部材は、前記副圧縮機のシリンダ、前記副圧縮機の外側閉塞部材、および前記中間閉塞部材で構成されている、請求項５に記載の冷凍サイクル装置。
7. 前記中間閉塞部材または前記副圧縮機の外側閉塞部材には、前記ベーンと前記ベーン溝の間の摺動部に前記第２オイル溜まりのオイルを導く給油路が設けられている、請求項６に記載の冷凍サイクル装置。
8. 前記副圧縮機の外側閉塞部材には、当該外側閉塞部材に面する空間を囲むようにカバーが被せられており、
   前記伝動軸には、前記カバーで囲まれる空間内に位置するようにフライホイールが設けられており、
   前記カバーで囲まれる空間内には、前記膨張機に吸入される冷媒、または前記副圧縮機に吸入される冷媒、または前記副圧縮機から吐出される冷媒が導かれる、請求項６または７に記載の冷凍サイクル装置。
9. 前記フライホイールは、バランスウェイトとしても機能する、請求項４または８に記載の冷凍サイクル装置。
10. 前記膨張機の外側閉塞部材および前記副圧縮機の外側閉塞部材は、前記伝動軸を回転可能に支持する、請求項３または６に記載の冷凍サイクル装置。
11. 前記伝動軸は鉛直方向に延びており、前記膨張機は前記副圧縮機の下方に位置している、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
12. 前記伝動軸の内部には、前記第２オイル溜まりのオイルを前記膨張機および前記副圧縮機に供給するための給油路が設けられている、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
13. 前記膨張機から前記蒸発器に冷媒を導く流路に設けられた気液分離器と、
    前記気液分離器で液相冷媒と分離された気相冷媒を、前記副圧縮機から前記主圧縮機に導かれる冷媒に合流させるガスインジェクション路と、をさらに備える、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。

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