JP2012042111A - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の膨張機と副圧縮機の機能をシンプルな構造で実現でき、かつ、低圧作動部における可動部の過剰な押し付けを防止するとともに高圧オイルを利用して高圧作動部を潤滑できる冷凍サイクル装置を提供する。
【解決手段】容積型流体機械３は、上流側ロータリ機構４Ａおよび下流側ロータリ機構４Ｂを有し、冷媒を膨張および過膨張させた後に再圧縮する。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、容積型流体機械３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。上流側ロータリ機構４Ａのベーン４７Ａの外側には、第２オイル溜まり８１と連通する第１遊隙空間４９Ａが形成されている。下流側ロータリ機構４Ｂのベーン４７Ｂの外側には、第２オイル溜まり８１とは独立した第２遊隙空間４９Ｂ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する。

従来、冷媒を膨張させて動力を回収する膨張機と、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１１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、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１２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１１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１２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。

さらに、冷凍サイクル装置１００，２００は、膨張機１０３および副圧縮機１０５という、それぞれが冷媒を吸入して吐出する２つの容積型流体機械を必要とする。そのため、膨張弁を用いた通常の冷凍サイクル装置と比較してコスト高となりがちである。

本発明は、このような事情に鑑み、従来の膨張機と副圧縮機の機能をシンプルな構造で実現でき、かつ、低圧作動部における可動部の過剰な押し付けを防止するとともに高圧オイルを利用して高圧作動部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、冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された冷媒を冷却する放熱器と、伝動軸により互いに連結された上流側ロータリ機構および下流側ロータリ機構を含み、前記放熱器で冷却された冷媒を第１の圧力まで膨張させた後に第２の圧力まで過膨張させ、過膨張した冷媒をインジェクションポートから導入される前記第２の圧力を有する冷媒と共に前記第１の圧力まで再圧縮する容積型流体機械と、前記容積型流体機械から吐出された冷媒を加熱する第１蒸発器と、前記放熱器から前記容積型流体機械に冷媒を導く流路から分岐して、前記放熱器で冷却された冷媒を膨張弁で前記第２の圧力まで膨張させ、さらに第２蒸発器で加熱した後に前記インジェクションポートに供給するインジェクション路と、前記圧縮機を収容し、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、前記容積型流体機械を収容し、内部に少なくとも前記上流側ロータリ機構が浸る第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、前記上流側ロータリ機構および前記下流側ロータリ機構は、前記伝動軸の径方向の外向きに開放される背面を持つベーンをそれぞれ有し、前記伝動軸の径方向において前記上流側ロータリ機構のベーンの外側には、当該ベーンの背面に面し、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下流側ロータリ機構のベーンの外側には、当該ベーンの背面に面し、前記第２オイル溜まりとは独立した、前記第１の圧力または前記第２２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。

上記の構成によれば、２段ロータリ型の容積型流体機械では、膨張および過膨張する冷媒から動力を回収し、この回収した動力を利用して冷媒を再圧縮することができる。このため、従来の膨張機と副圧縮機の機能をシンプルな構造で実現できる。

また、低圧作動部である下流側ロータリ機構のベーンには第１圧力（中圧）または第２圧力（低圧）を作用させることができるので、ベーンの過剰な押し付けを防止することができる。これにより、膨張および過膨張する冷媒から得られた動力をより効率的に再圧縮に利用することができる。また、高圧側作動部である上流側ロータリ機構が浸る第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上流側ロータリ機構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 伝動軸の回転角度と作動室の容積との関係を示すグラフ 伝動軸の回転角度と作動室の圧力との関係を示すグラフ 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 本発明の第３実施形態に係る冷凍サイクル装置の構成図 図９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、圧縮機１、放熱器２、容積型流体機械３、および、第１蒸発器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。また、冷媒回路６には、放熱器２からの冷媒を、膨張弁６１および第２蒸発器５０を経由した後に容積型流体機械３に導くインジェクション路６０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。

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。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、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。圧縮機１は、吐出ポート（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、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。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、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〜６ｅ，６ｇでも同様である。

放熱器２は、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を介して容積型流体機械３の吸入ポート３ａ（図２参照）に接続されている。

容積型流体機械３は、詳しくは後述するが、伝動軸３５により互いに連結された上流側ロータリ機構４Ａおよび下流側ロータリ機構４Ｂを含む２段ロータリ型の流体機械である。容積型流体機械３は、図５および図６に示すように、伝動軸３５が３回転する間の１回転ごとに、吸入行程、膨張・過膨張・インジェクション行程、再圧縮・吐出行程を行う。吸入行程では、容積型流体機械３は、放熱器２から流出した中温高圧の冷媒を吐出ポート３ｂを通じて吸入する。膨張・過膨張・インジェクション行程の前半では、容積型流体機械３は、吸入した中温高圧の冷媒を、第１の圧力Ｐ１（中圧）まで膨張させた後に、第２の圧力Ｐ２（低圧）まで過膨張させ、これにより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・過膨張・インジェクション行程の後半では、容積型流体機械３は、後述するインジェクションポート３ｃから第２の圧力Ｐ２を有する冷媒を導入し（インジェクション）、この冷媒を過膨張した冷媒に混合する。再圧縮・吐出行程では、容積型流体機械３は、膨張および過膨張する冷媒から回収した動力を利用して、混合された冷媒を第１の圧力Ｐ１まで再圧縮した後に、吐出ポート３ｂを通じて吐出する。ここで、上流側ロータリ機構４Ａ内の作動室４３（図２参照）の容積Ｖ１と下流側ロータリ機構４Ｂ内の作動室４６（図２参照）の容積Ｖ２の比は、膨張・過膨張・インジェクション行程においてインジェクションが行われないと仮定したときに冷媒が第２の圧力Ｐ２よりも十分に小さな圧力まで減圧し得るように、容積型流体機械３の吸入冷媒と吐出冷媒の密度の関係から決まる密度比よりも十分に大きく設計すればよい。

インジェクション路６０は、配管６ｂ（すなわち、放熱器２から容積型流体機械３に冷媒を導く流路）から分岐して、放熱器２から流出した中温高圧の冷媒を低温低圧の冷媒にした後に中温低圧の冷媒にしてインジェクションポート３ｃに供給する。具体的に、インジェクション路６０は、一端が配管６ｂの途中に接続され、他端が第２蒸発器５０の入口に接続された配管６ｆと、配管６ｆの途中に設けられた膨張弁６１と、第２蒸発器５０と、一端が第２蒸発器５０の出口に接続され、他端が容積型流体機械３のインジェクションポート３ｃに接続された配管６ｇとで構成されている。そして、膨張弁６１は、放熱器２から流出した中温高圧の冷媒を第２の圧力Ｐ２まで膨張させ、第２蒸発器５０は、膨張弁６１で膨張した低温低圧の冷媒を加熱して蒸発させる。

容積型流体機械３は第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、伝動軸３５が鉛直方向に延びており、上流側ロータリ機構４Ａは下流側ロータリ機構４Ｂの下方に位置している。また、容積型流体機械３は、図２に示すように、上流側ロータリ機構４Ａと下流側ロータリ機構４Ｂの間に配設された中間閉塞部材３１と、上流側ロータリ機構４Ａの下方に配設された第１閉塞部材３２と、下流側ロータリ機構４Ｂの上方に配設された第２閉塞部材３３とを有している。

中間閉塞部材３１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内で容積型流体機械３を上流側ロータリ機構４Ａ側から取り囲む第１空間８２Ａと容積型流体機械３を下流側ロータリ機構４Ｂ側から取り囲む第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に上流側ロータリ機構４Ａおよび下流側ロータリ機構４Ｂ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、上流側ロータリ機構４Ａ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、下流側ロータリ機構４Ｂ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に第２閉塞部材３３の上部が露出している。

図１に戻って、容積型流体機械３の吐出ポート３ｂ（図２参照）は、配管６ｃを介して第１蒸発器５の入口に接続されている。

第１蒸発器５は、容積型流体機械３から吐出された低温中圧の冷媒を加熱して蒸発させる。第１蒸発器５の出口には配管６ｄの一端が接続されており、配管６ｄの他端は第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いる。また、第２密閉容器８０には配管６ｅ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６ｅの他端は圧縮機１の吸入ポート（図示せず）に接続されている。すなわち、配管６ｄ、第２密閉容器８０内の空間８４、および配管６ｅは、第１蒸発器５から圧縮機１に冷媒を導く流路を構成する。そして、空間８４は、第１蒸発器５から流出した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、第１蒸発器５から流出し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、すなわち第１の圧力Ｐ１）を有している。

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、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。

＜容積型流体機械の構成＞
次に、図２〜４を参照して、容積型流体機械３の構成を詳細に説明する。なお、図２は容積型流体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。

上流側ロータリ機構４Ａと下流側ロータリ機構４Ｂとを連結する伝達軸３５は、上流側ロータリ機構４Ａ用の下偏心部３５ｂと、下流側ロータリ機構４Ｂ用の上偏心部３５ｃとを有している。中間閉塞部材３１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３５に挿通される貫通孔が形成されている。

図２および図３に示すように、上流側ロータリ機構４Ａは、円筒状の内周面を有するシリンダ４２と、伝動軸３５の下偏心部３５ｂに嵌合し、シリンダ４２の内側で偏心回転運動するピストン４１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４３が形成されており、この作動室４３がベーン４７Ａによって上流側４３ａと下流側４３ｂとに仕切られている。

中間閉塞部材３１および第１閉塞部材３２は、伝動軸８５の軸方向の両側から作動室４３を閉塞している。第１閉塞部材３２は、伝動軸３５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、第１閉塞部材３２に、配管６ｂから作動室４３の上流側４３ａに冷媒を導く吸入ポート３ａが設けられている。ただし、吸入ポート３ａは、シリンダ４２に設けられていてもよいし、中間閉塞部材３１に設けられていてもよい。

シリンダ４２には、径方向内側に開口するベーン溝４２ａが形成されており、このベーン溝４２ａにベーン４７Ａが往復自在に挿入されている。すなわち、ベーン４７Ａは、伝動軸３５の径方向に移動可能であり、伝動軸３５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４２ａの底部（ベーン溝４２ａが開口する方向と反対側の端部）によって、ベーン４７Ａの背面に面する第１遊隙空間４９Ａが形成されている。第１遊隙空間４９Ａ内には、ベーン４７Ａをピストン４１に押し付けるベーンばね４８Ａが配設されている。

第１遊隙空間４９Ａは、上方からは中間閉塞部材３１によって閉塞されているが、下方では第１閉塞部材３２によって閉塞されていない。このため、第１遊隙空間４９Ａ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、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、下流側ロータリ機構４Ｂは、円筒状の内周面を有するシリンダ４５と、伝動軸３５の下偏心部３５ｃに嵌合し、シリンダ４５の内側で偏心回転運動するピストン４４とを備えている。シリンダ４５の内周面とピストン４４との間には、三日月状の作動室４６が形成されており、この作動室４６がベーン４７Ｂによって上流側４６ａと下流側４６ｂとに仕切られている。

中間閉塞部材３１には、上流側ロータリ機構４Ａの作動室４３の下流側４３ｂと下流側ロータリ機構４Ｂの作動室４６の上流側４６ａとを連通する連通ポート３１ａが設けられている。作動室４３の下流側４３ｂ、連通ポート３１ａ、および作動室４６の上流側４６ａは、冷媒を膨張および過膨張させる膨張室を構成する。

中間閉塞部材３１および第２閉塞部材３３は、伝動軸３５の軸方向の両側から作動室４６を閉塞している。第２閉塞部材３３は、伝動軸３５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、第２閉塞部材３３に、配管６ｇから作動室４６の上流側４６ａに冷媒を導くインジェクションポート３ｃと、作動室３３の下流側３３ｂから配管６ｃに冷媒を導く吐出ポート３ｂとが設けられている。ただし、インジェクションポート３ｃと吐出ポート３ｂの一方または双方は、シリンダ４５に設けられていてもよいし、中間閉塞部材３１に設けられていてもよい。インジェクションポート３ｃ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インジェクション弁３４Ａが設けられており、吐出ポート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３４Ｂが設けられている。なお、第２閉塞部材３３には吐出弁３４Ｂを収容する吐出室３３ａが設けられているが、この吐出室３３ａは図略のキャップによって配管６ｃのみと連通するように閉塞されている。

シリンダ４５には、径方向内側に開口するベーン溝４５ａが形成されており、このベーン溝４５ａにベーン４７Ｂが往復自在に挿入されている。すなわち、ベーン４７Ｂは、伝動軸３５の径方向に移動可能であり、伝動軸３５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４５ａの底部（ベーン溝４５ａが開口する方向と反対側の端部）によって、ベーン４７Ｂの背面に面する第２遊隙空間４９Ｂが形成されている。第２遊隙空間４９Ｂ内には、ベーン４７Ｂをピストン４４に押し付けるベーンばね４８Ｂが配設されている。

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４５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４９Ｂは、下方からは中間閉塞部材３１によって閉塞されているが、上方では第２閉塞部材３３によって閉塞されていない。このため、第２遊隙空間４９Ｂ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、第１蒸発器５から流出する冷媒の圧力（第１の圧力Ｐ１）と等しい圧力のオイル）で満たされている。

伝動軸３５の内部には、第２オイル溜まり８１のオイルを上流側ロータリ機構４Ａおよび下流側ロータリ機構４Ｂに供給するための給油路３５ａが設けられている。給油路３５ａは、伝動軸３５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３５ｂ，３５ｃ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、第１閉塞部材３２および第２閉塞部材３３に対応する位置にも、伝動軸３５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３５ａにより、偏心部３５ｂ，３５ｃとピストン４１，４４との間の摺動部、および伝動軸３５と第１閉塞部材３２および第２閉塞部材３３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３５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３５の回転変動を平準化するフライホイール３６が設けられている。本実施形態では、フライホイール３６が伝動軸３５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３６がバランスウエイトとしても機能する。

次に、容積型流体機械３の動作を説明する。

上流側ロータリ機構４Ａでは、吸入ポート３ａを通じて配管６ｂから作動室４３の上流側４３ａに高圧冷媒が流入する。ピストン４１が上死点を通過すると作動室４３の上流側４３ａが下流側４３ｂに移行し、下流側４３ｂ内の高圧冷媒が膨張および減圧しながら連通ポート３１ａに流出する。また、ベーン４７Ａの背面に面する第１遊隙空間４９Ａ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４７Ａをピストン４１に押し付けることで、伝動軸３５の回転時にベーン４７Ａがピストン４１から乖離するのを防いでいる。また、第１遊隙空間４９Ａ内の高圧オイルの圧力を利用して、ベーン４７Ａとベーン溝４２ａ、第１閉塞部材３２の上面、および中間閉塞部材３１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。

下流側ロータリ機構４Ｂでは、連通ポート３１ａから作動室４６の上流側４６ａに冷媒が膨張および減圧しながら流入する。上流側４６ａ内の冷媒の圧力が第２の圧力Ｐ２になると、インジェクション弁３４Ａが開き、インジェクションポート３ｃを通じて配管６ｇから作動室４６の上流側４６ａに低圧冷媒が流入する。ピストン４４が上死点を通過すると作動室４６の上流側４６ａが下流側４６ｂに移行し、下流側４６ｂ内の低圧冷媒が再圧縮される。下流側４６ｂ内の冷媒の圧力が第１の圧力Ｐ１になると、吐出弁３４Ｂが開き、中圧冷媒が吐出ポート３ｂを通じて配管６ｃに流出する。また、ベーン５４の背面に面する第２遊隙空間４９Ｂ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４７Ｂをピストン４４に過剰ではない力で押し付けることで、伝動軸３５の回転時にベーン４７Ｂがピストン４４から乖離するのを防いでいる。また、第２遊隙空間４９Ｂ内の中圧オイルの圧力を利用して、ベーン４７Ｂとベーン溝４５ａ、第２閉塞部材３３の下面、および中間閉塞部材３１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。

なお、本実施形態では吐出ポート３ｂの出口に吐出弁３４Ｂが設けられているが、吐出弁３４Ｂはなくても、圧力差を利用して冷媒を再圧縮することは可能である。

＜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、膨張および過膨張する冷媒から動力を回収し、この回収した動力を利用して冷媒を再圧縮することができる。このため、従来の膨張機と副圧縮機の機能をシンプルな構造で実現できる。

また、低圧作動部である下流側ロータリ機構４Ｂのベーン４７Ｂの背面に面する第２遊隙空間４９Ｂ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、膨張および過膨張する冷媒から得られた動力をより効率的に再圧縮に利用することができる。また、ベーン４７Ｂのピストン４４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３５のトルク変動の影響を小さくできる。これにより、伝動軸３５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、高圧作動部である上流側ロータリ機構４Ａ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３５の上部にフライホイール３６が設けられているので、フライホイール３６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、膨張および過膨張する冷媒から得られた動力をさらに効率的に再圧縮に利用することができる。また、フライホイール３６によって、伝動軸３５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３６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３５が鉛直上方向に押し上げられるのを、フライホイール３６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３５のスラスト荷重を低減し、膨張および過膨張する冷媒から得られた動力を特に効率的に再圧縮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３１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３１を固定してもよい。

＜変形例＞
図示は省略するが、第１蒸発器５の出口と圧縮機１の吸入ポート（図示せず）とを配管で直接接続した上で、第１蒸発器５の上流側の配管６ｃの上流端を第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するとともに、容積型流体機械３の吐出ポート３ｂを空間８４に開口させてもよい。この場合、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には、容積型流体機械３から低温中圧の冷媒が吐出される。このようにしても、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

（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実施形態の冷凍サイクル装置１０Ｂの構成図であり、図８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、本実施形態において、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。

本実施形態の冷凍サイクル装置１０Ｂは、第１蒸発器５から流出した冷媒が圧縮機１に直接吸入される点と、第２密閉容器８０内の容積型流体機械３を下流側ロータリ機構４Ｂ側から取り囲む第２空間８２Ｂが低圧雰囲気となり、インジェクションポート３ｃが第２密閉容器８０内の第３オイル溜まり８３の上側の空間８４を介して配管６ｇと連通する点で、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、第１蒸発器５の出口は、配管６ｈを介して圧縮機１の吸入ポート（図示せず）に接続されている。また、第２蒸発器５０の下流側の配管６ｇ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、容積型流体機械３のインジェクションポート３ｃが空間８４に開口している。すなわち、配管６ｆ、膨張弁６１、第２蒸発器５０、配管６ｇおよび第２密閉容器８０内の空間８４は、容積型流体機械３のインジェクションポート３ｃに第２の圧力Ｐ２（低圧）を有する冷媒を導くインジェクション路６０を構成し、空間８４は、第２蒸発器５０から流出した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、第２蒸発器５０から流出した冷媒と層をなすため、その冷媒の圧力と等しい圧力（低圧、すなわち第２の圧力Ｐ２）を有している。

＜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１０Ｂでは、低圧作動部である下流側ロータリ機構４Ｂのベーン４７Ｂの背面に面する第２遊隙空間４９Ｂ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、膨張および過膨張する冷媒から得られた動力をより効率的に再圧縮に利用することができる。また、ベーン４７Ｂのピストン４６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３５のトルク変動の影響を小さくできる。これにより、伝動軸３５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、高圧作動部である上流側ロータリ機構４Ａ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、本実施形態の冷凍サイクル装置１０Ｂでは、下流側ロータリ機構４Ｂの作動室４６内の冷媒の圧力が下流側ロータリ機構４Ｂの周囲の圧力以上になる。しかし、伝動軸３５とピストン４６との間の摺動部、および伝動軸３５と第２閉塞部材３３との間の摺動部には、伝動軸３５の内部に形成された給油路３５ａ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、本実施形態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。

＜変形例＞
図１と同様にインジェクション路６０を構成する配管６ｇの下流端をインジェクションポート３ｃに直接接続した上で、第２蒸発器５０の上流側の配管６ｆを膨張弁６１の下流側で二分割し、その間に第２密閉容器３０内の第３オイル溜まり８３の上側の空間８４を介在させてもよい。この場合、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は、膨張弁６１で膨張した低温低圧の冷媒で満たされる。このようにしても、第２実施形態と同様の効果を得ることができる。

（第３実施形態）
＜冷凍サイクル装置の構成＞
図９は、本発明の第３実施形態に係る冷凍サイクル装置１０Ｃの構成図であり、図１０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、第１蒸発器５から流出した冷媒が圧縮機１に直接吸入される点と、下流側ロータリ機構４Ｂ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、第１蒸発器５の出口が配管６ｈを介して圧縮機１の吸入ポート（図示せず）に接続されている。また、中間閉塞部材３１における上流側ロータリ機構４Ａのシリンダ４２および下流側ロータリ機構４Ｂのシリンダ４５よりも外側の位置に貫通孔３１ｂが設けられており、この貫通孔３１ｂを通じて容積型流体機械３を上流側ロータリ機構４Ａ側から取り囲む第１空間と容積型流体機械３を下流側ロータリ機構４Ｂ側から取り囲む第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３１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、下流側ロータリ機構４Ｂのシリンダ４５よりも上方であればどこに位置していてもよい。

下流側ロータリ機構４Ｂの上方に位置する第２閉塞部材３２は、第２遊隙空間４９Ｂを上方から閉塞する形状を有している。すなわち、第２閉塞部材３２、中間閉塞部材３１、およびシリンダ４５は、第２遊隙空間４９Ａ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。

第２閉塞部材３２には、吐出ポート３ｂから分岐して第２遊隙空間４９Ｂにつながる導入路３７が設けられている。この導入路３７によって吐出ポート３ｂを通じて吐出される冷媒が第２遊隙空間４９Ｂに導かれ、第２遊隙空間４９Ｂが容積型流体機械３から吐出される低温中圧の冷媒で満たされる。

中間閉塞部材３１には、下流側ロータリ機構４Ｂのベーン４７Ｂとベーン溝４５ａ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３１ｃが中間閉塞部材３１の下面と上面を結ぶように設けられている。なお、給油路３１ｃは、中間閉塞部材３１の上面にシリンダ４５の外側からベーン４７Ａ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３１ｃは、第２閉塞部材３２に設けられていてもよい。

さらに、本実施形態では、第２閉塞部材３２の上面に面する空間を囲むようにカバー（マフラー）３８が被せられている。そして、伝動軸３５には、カバー３８で囲まれる空間３８ａ内に位置するようにフライホイール３６が設けられている。

カバー３８で囲まれる空間３８ａは、第２閉塞部材３３に設けられた冷媒通路３９を通じてインジェクションポート３ｃと連通している。すなわち、カバー３８で囲まれる空間３８ａ内には、冷媒通路３９によって第２蒸発器５０から流出した第２の圧力Ｐ２を有する冷媒が導かれる。

＜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、低圧作動部である下流側ロータリ機構４Ｂのベーン４７Ｂの背面に面する第２遊隙空間４９Ｂ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、膨張および過膨張する冷媒から得られた動力をより効率的に再圧縮に利用することができる。また、ベーン４７Ａのピストン４４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３５のトルク変動の影響を小さくできる。これにより、伝動軸３５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、高圧側作動部である上流側ロータリ機構４Ａの各摺動部だけでなく、下流側ロータリ機構４Ｂ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４９Ｂには、インジェクションポート３ｃに供給される第２の圧力Ｐ２（低圧）を有する冷媒（すなわち、インジェクションされる冷媒）を導くようにしてもよい。この場合、導入路３７を、第２閉塞部材３３に、インジェクションポート３ｃから分岐して第２遊隙空間４９Ｂ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４９Ｂは第２蒸発器５０から流出した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、吐出ポート３ｂとインジェクションポート３ｃの一方または双方は、中間閉塞部材３１に設けられていてもよい。この場合には、吐出ポート３ｂまたはインジェクションポート３ｃから分岐して第２遊隙空間４９Ｂにつながる導入路３７を中間閉塞部材３１に設けることもできる。

また、カバー３８で囲まれる空間３８ａ内に、容積型流体機械３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、容積型流体機械３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３８で囲まれる空間３８ａ内に、容積型流体機械３に吸入される高圧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、上流側ロータリ機構４Ａが下流側ロータリ機構４Ｂ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３１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３１の下面に面していてもよい。

また、伝動軸３５が水平方向に延びていて、上流側ロータリ機構４Ａと下流側ロータリ機構４Ｂ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 圧縮機
２ 放熱器
３ 容積型流体機械
３ｃ インジェクションポート
３１ 中間閉塞部材
３１ｃ 給油路
３２ 第１閉塞部材
３３ 第２閉塞部材
３５ 伝動軸
３５ａ 給油路
３６ フライホイール
３７ 導入路
３８ カバー
４Ａ 上流側ロータリ機構
４Ｂ 下流側ロータリ機構
４１，４４ ピストン
４２，４５ シリンダ
４２ａ，４５ａ ベーン溝
４３，４６ 作動室
４７Ａ，４７Ｂ ベーン
４９Ａ 第１遊隙空間
４６Ｂ 第２遊隙空間
５ 第１蒸発器
５０ 第２蒸発器
６０ インジェクション路
６１ 膨張弁
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
９ 均油管

Claims (12)

1. 冷媒を圧縮する圧縮機と、
   前記圧縮機で圧縮された冷媒を冷却する放熱器と、
   伝動軸により互いに連結された上流側ロータリ機構および下流側ロータリ機構を含み、前記放熱器で冷却された冷媒を第１の圧力まで膨張させた後に第２の圧力まで過膨張させ、過膨張した冷媒をインジェクションポートから導入される前記第２の圧力を有する冷媒と共に前記第１の圧力まで再圧縮する容積型流体機械と、
   前記容積型流体機械から吐出された冷媒を加熱する第１蒸発器と、
   前記放熱器から前記容積型流体機械に冷媒を導く流路から分岐して、前記放熱器で冷却された冷媒を膨張弁で前記第２の圧力まで膨張させ、さらに第２蒸発器で加熱した後に前記インジェクションポートに供給するインジェクション路と、
   前記圧縮機を収容し、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、
   前記容積型流体機械を収容し、内部に少なくとも前記上流側ロータリ機構が浸る第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、
   前記上流側ロータリ機構および前記下流側ロータリ機構は、前記伝動軸の径方向の外向きに開放される背面を持つベーンをそれぞれ有し、
   前記伝動軸の径方向において前記上流側ロータリ機構のベーンの外側には、当該ベーンの背面に面し、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下流側ロータリ機構のベーンの外側には、当該ベーンの背面に面し、前記第２オイル溜まりとは独立した、前記第１の圧力または前記第２２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、前記容積側流体機械を前記上流側ロータリ機構側から取り囲む第１空間と前記容積型流体機械を前記下流側ロータリ機構側から取り囲む第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第１の圧力を有する冷媒または前記第２の圧力を有する冷媒で満たされ、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. 前記上流側ロータリ機構および前記下流側ロータリ機構は、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をそれぞれ有しており、前記ベーンは、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っており、
   前記容積型流体機械は、前記上流側ロータリ機構と前記下流側ロータリ機構の間で前記上流側ロータリ機構の前記作動室および前記下流側ロータリ機構の前記作動室を閉塞する中間閉塞部材と、前記上流側ロータリ機構の前記作動室を前記中間閉塞部材と反対側から閉塞する第１閉塞部材と、前記下流側ロータリ機構の前記作動室を前記中間閉塞部材と反対側から閉塞する第２閉塞部材と、をさらに含み、
   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. 前記下流側ロータリ機構は、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、前記容積型流体機械から吐出される冷媒または前記容積型流体機械にインジェクション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. 前記上流側ロータリ機構および前記下流側ロータリ機構は、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をそれぞれ有しており、前記ベーンは、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っており、
   前記容積型流体機械は、前記上流側ロータリ機構と前記下流側ロータリ機構の間で前記上流側ロータリ機構の前記作動室および前記下流側ロータリ機構の前記作動室を閉塞する中間閉塞部材と、前記上流側ロータリ機構の前記作動室を前記中間閉塞部材と反対側から閉塞する第１閉塞部材と、前記下流側ロータリ機構の前記作動室を前記中間閉塞部材と反対側から閉塞する第２閉塞部材と、をさらに含み、
   前記下流側ロータリ機構のシリンダには、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、
   前記中間閉塞部材および前記第２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、前記下流側ロータリ機構のシリンダ、前記中間閉塞部材、および前記第２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第２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. 前記第２閉塞部材には、当該第２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、前記第１の圧力を有する冷媒または前記第２の圧力を有する冷媒が導かれる、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. 前記第１閉塞部材および前記第２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、前記上流側ロータリ機構は前記下流側ロータリ機構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上流側ロータリ機構および前記下流側ロータリ機構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。

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