JP2014101842A - ロータリ式膨張機 - Google Patents

Abstract

【課題】複数のロータリ機構部が直列接続されたロータリ式膨張機において、運転効率の低下を抑えつつ、流体室へ流入する潤滑油の削減する。
【解決手段】膨張機（30）の膨張機構（31）は、それぞれがロータリ式流体機械で構成された二つのロータリ機構部（70,80）を備える。膨張機構（31）では、第１ロータリ機構部（70）よりも押しのけ容積が大きい第２ロータリ機構部（80）だけにシールリング（45）が設けられる。シールリング（45）は、第２ピストン（85）の上端面（85a）に形成された凹溝（50）に嵌め込まれ、第２ピストン（85）と中間プレート（63）の隙間をシールする。
【選択図】図２

Description

本発明は、ロータリ式流体機械によって構成されたロータリ式膨張機に関するものである。

特許文献１及び２には、ロータリ式膨張機が開示されている。ロータリ式膨張機は、ロータリ式流体機械で構成されたロータリ機構部を備えている。ロータリ機構部では、両端部が閉塞部材によって閉塞されたシリンダ内に、円筒状のピストンが配置される。シリンダ内の流体室へ高圧の作動流体を導入すると、ピストンが偏心回転し、ピストンに係合する回転軸が回転する。

ロータリ式膨張機では、ロータリ機構部へ潤滑油が供給される。ロータリ機構部へ供給された潤滑油の一部は、ピストンと閉塞部材の隙間を通って流体室へ流入し、作動流体と共に流体室から流出してしまう。そこで、特許文献１及び２に開示されたロータリ式膨張機では、ピストンと閉塞部材の隙間をシールするためのシール部材を設け、流体室へ流入する潤滑油の量を削減している。

また、特許文献１及び２には、複数のロータリ機構部を有するロータリ式膨張機も開示されている。複数のロータリ機構部は、互いに直列接続されている。また、このロータリ式膨張機では、全てのロータリ機構部にシール部材が設けられている。

特開２００５−２６４７４８号公報 特開２００６−３３６５９７号公報

ここで、ピストンと閉塞部材の隙間を通って流体室へ流入する潤滑油の量は、流体室の圧力が低いほど多くなる。このため、複数のロータリ機構部が直列接続されたロータリ式膨張機において、ピストンと閉塞部材の隙間を通って流体室へ流入する潤滑油の量は、上流側のロータリ機構部ほど少なく、高段側のロータリ機構部ほど多くなる。

一方、ピストンと閉塞部材の隙間をシールするためのシール部材を設けると、閉塞部材とシール部材の摩擦、あるいはピストンとシール部材の摩擦に起因する損失が生じる。このため、ピストンと閉塞部材の隙間を通って流体室へ流入する潤滑油の量の多少にかかわらず全てのロータリ機構部にシール部材が設けられる従来のロータリ式膨張機では、シール部材の設置に起因する損失が増加し、運転効率の低下を招くおそれがあった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、複数のロータリ機構部が直列接続されたロータリ式膨張機の効率低下を抑えつつ、ピストンと閉塞部材の隙間を通って流体室へ流入する潤滑油の削減することにある。

第１の発明は、それぞれがロータリ式流体機械を構成する複数のロータリ機構部（70,80）を備え、上記複数のロータリ機構部（70,80）は、押しのけ容積の小さいものから順に直列接続されているロータリ式膨張機を対象とする。そして、上記各ロータリ機構部（70,80）は、シリンダ（71,81）と、該シリンダ（71,81）内に配置されて偏心回転する円筒状のピストン（75,85）と、上記シリンダ（71,81）の端部を閉塞して上記ピストン（75,85）の端面と摺接する閉塞部材（61,62,63）とを備える一方、押しのけ容積が最大のロータリ機構部（80）だけが、上記ピストン（85）と上記閉塞部材（62,63）の隙間をシールするシール部材（45）を更に備えるものである。

第１の発明のロータリ式膨張機（30）では、直列接続された複数のロータリ機構部（70,80）を冷媒等の作動流体が順に通過する。各ロータリ機構部（70,80）のシリンダ（71,81）内へ作動流体が流入すると、ピストン（75,85）が偏心回転する。その際、ピストン（75,85）の端面は、閉塞部材（61,62,63）と摺接する。

第１の発明のロータリ式膨張機（30）では、押しのけ容積の大きいロータリ機構部（70,80）ほど下流側に配置される。押しのけ容積の大きいロータリ機構部（80）ほど、シリンダ（81）内の作動流体の圧力が低くなり、ピストン（85）と閉塞部材（62,63）の隙間を通過する潤滑油の量が多くなる。

そこで、第１の発明のロータリ式膨張機（30）では、押しのけ容積が最大のロータリ機構部（80）だけに、シール部材（45）が設けられる。つまり、シリンダ（81）内の作動流体の圧力が最も低いロータリ機構部（80）だけに、シール部材（45）が設けられる。このシール部材（45）は、ピストン（85）と閉塞部材（62,63）の隙間をシールし、その隙間を通過する潤滑油を削減する。

第２の発明は、上記第１の発明において、上記各ロータリ機構部（70,80）のピストン（75,85）と係合する１本の出力軸（40）を備え、上記出力軸（40）の軸方向に隣り合う二つのシリンダ（71,81）の間には、該二つのシリンダ（71,81）の端部を閉塞する閉塞部材として中間プレート（63）が配置され、押しのけ容積が最大のロータリ機構部（80）が備えるシール部材（45）は、上記中間プレート（63）に対向するピストン（85）の一方の端面（85a）と上記中間プレート（63）の隙間をシールするシール部材（45）だけであるものである。

第２の発明では、複数のロータリ機構部（70,80）が出力軸（40）の軸方向に配置され、ロータリ機構部（70,80）のピストン（75,85）が出力軸（40）と係合する。出力軸（40）の軸方向に隣り合う二つのシリンダ（71,81）の間には、一つの中間プレート（63）が配置される。この中間プレート（63）は、中間プレート（63）を挟んで隣り合う二つのシリンダ（71,81）の端部を閉塞する。押しのけ容積が最大のロータリ機構部（80）には、中間プレート（63）に対向するピストン（85）の一方の端面（85a）と中間プレート（63）の隙間をシールするシール部材（45）は設けられるが、ピストン（85）の他方の端面（85b）とその端面（85b）に対向する閉塞部材（62）の隙間をシールするシール部材（45）は設けられない。

ここで、中間プレート（63）には、中間プレート（63）を挟んで隣り合う二つのシリンダ（71,81）内の流体圧が作用する。押しのけ容積が最大のロータリ機構部（80）のシリンダ（81）内の流体圧は、その上流側に位置するロータリ機構部（70）のシリンダ（71）内の流体圧よりも低い。従って、中間プレート（63）は、押しのけ容積が最大のロータリ機構部（80）のシリンダ（81）側に膨らむように弾性変形し、その結果、押しのけ容積が最大のロータリ機構部（80）のピストン（85）と中間プレート（63）のクリアランスが局所的に小さくなるおそれがある。このため、押しのけ容積が最大のロータリ機構部（80）では、ピストン（85）が中間プレート（63）と接触するのを回避するため、ピストン（85）の端面（85a）と中間プレート（63）のクリアランスを予め大きくしておく必要がある。

しかし、ピストン（85）と中間プレート（63）のクリアランスを大きくすると、ピストン（85）の端面（85a）と中間プレート（63）の隙間を通過する潤滑油の量が増える。そこで、第２の発明では、押しのけ容積が最大のロータリ機構部（80）に設けられるシール部材（45）を、ピストン（85）の一方の端面（85a）と中間プレート（63）の隙間をシールするシール部材（45）だけとしている。

第３の発明は、上記第１の発明において、押しのけ容積が最大のロータリ機構部（80）が備えるシール部材（45）は、該ロータリ機構部（80）のピストン（85）の一方の端面（85a）と該端面（85a）に対向する閉塞部材（63）の隙間をシールするシール部材（45）だけであるものである。

第３の発明において、押しのけ容積が最大のロータリ機構部（80）には、ピストン（85）の一方の端面（85a）とその端面（85a）に対向する閉塞部材（63）の隙間をシールするシール部材（45）は設けられるが、ピストン（85）の他方の端面（85b）とその端面（85b）に対向する閉塞部材（62）の隙間をシールするシール部材は設けられない。

第４の発明は、上記第２又は第３の発明において、上記シール部材（45）は、リング状に形成され、押しのけ容積が最大のロータリ機構部（80）のピストン（85）は、その端面（85a）に上記シール部材（45）を嵌め込むための凹溝（50）が形成されるものである。

第４の発明では、ピストン（85）にシール部材（45）が取り付けられる。押しのけ容積が最大のロータリ機構部（80）では、ピストン（85）の端面（85a）に凹溝（50）が形成され、この凹溝（50）にリング状のシール部材（45）が嵌め込まれる。ピストン（85）に取り付けられたシール部材（45）は、閉塞部材（63）と摺接し、ピストン（85）の端面（85a）と閉塞部材（62,63）の隙間をシールする。

第５の発明は、上記第２又は第３の発明において、上記シール部材（45）は、リング状に形成され、押しのけ容積が最大のロータリ機構部（80）の閉塞部材（63）は、該ロータリ機構部（80）のピストン（85）の端面（85a）に対向する部分に上記シール部材（45）を嵌め込むための凹溝（54）が形成されるものである。

第５の発明では、閉塞部材（63）にシール部材（45）が取り付けられる。押しのけ容積が最大のロータリ機構部（80）では、閉塞部材（63）のうちピストン（85）の端面（85a）に対向する部分に凹溝（54）が形成され、この凹溝（54）にリング状のシール部材（45）が嵌め込まれる。閉塞部材（63）に取り付けられたシール部材（45）は、ピストン（85）の端面と摺接し、ピストン（85）の端面（85a）と閉塞部材（63）の隙間をシールする。

第６の発明は、上記第４又は第５の発明において、押しのけ容積が最大のロータリ機構部（80）のピストン（85）の他方の端面（85b）には、該端面（85b）の内周縁に沿った座ぐり状の凹部（52）が形成され、上記凹部（52）の外周縁の直径が、上記シール部材（45）が嵌り込む凹溝（50,54）の外周縁の直径よりも小さいものである。

ここで、ピストン（85）の一方の端面（85a）にシール部材（45）を嵌め込むための凹溝（50）が形成されている場合、ロータリ機構部（80）へ供給された潤滑油は、この凹溝（50）へも入り込む。そして、ピストン（85）の一方の端面（85a）のうち凹溝（50）の外周縁よりも内側の部分には、潤滑油の圧力が作用する。その結果、ピストン（85）には、ピストン（85）を他方の端面（85b）側へ押す力が作用する。また、ピストン（85）の一方の端面（85a）が閉塞部材（62,63）の凹溝（54）に嵌め込まれたシール部材（45）と摺接する場合、ロータリ機構部（80）へ供給された潤滑油は、この凹溝（54）へも入り込む。この凹溝（54）へ入り込んだ潤滑油の圧力は、シール部材（45）を介してピストン（85）の一方の端面（85a）に作用する。つまり、ピストン（85）の一方の端面（85a）のうち凹溝（54）の外周縁よりも内側の部分には、潤滑油の圧力が作用する。その結果、ピストン（85）には、ピストン（85）を他方の端面（85b）側へ押す力が作用する。

第６の発明において、押しのけ容積が最大のロータリ機構部（80）のピストン（85）は、他方の端面（85b）に凹部（52）が形成される。つまり、ピストン（85）の一方の端面（85a）にシール部材（45）を嵌め込むための凹溝（50）が形成されている場合は、その凹溝（50）が形成された端面（85a）とは逆側の端面（85b）に、凹部（52）が形成される。また、ピストン（85）の一方の端面（85a）が閉塞部材（62,63）に取り付けられたシール部材（45）と摺接する場合は、その端面（85a）とは逆側の端面（85b）に、凹部（52）が形成される。

第６の発明において、ロータリ機構部（80）へ供給された潤滑油は、ピストン（85）の他方の端面（85b）に形成された凹部（52）にも入り込む。このため、ピストン（85）のうち凹部（52）の外周縁よりも内側の部分には、潤滑油の圧力が作用する。その結果、ピストン（85）には、ピストン（85）を一方の端面（85a）側へ押す力が作用する。つまり、ピストン（85）の凹部（52）に入り込んだ潤滑油の圧力は、ピストン（85）を他方の端面（85b）側へ押す力を打ち消す方向に作用する。

また、第６の発明において、ピストン（85）の凹部（52）の外周縁の直径は、シール部材（45）が嵌り込む凹溝（50,54）の外周縁の直径よりも小さい。このため、ピストン（85）を他方の端面（85b）側へ押す力が、ピストン（85）を一方の端面（85a）側へ押す力よりも小さくなる。従って、ピストン（85）の他方の端面（85b）は、その端面（85b）に対向する閉塞部材（62,63）に少しだけ押し付けられた状態となる。

第７の発明は、上記第１〜第６のいずれか一つの発明において、上記複数のロータリ機構部（70,80）のうち互いに接続された二つでは、上流側のロータリ機構部（70）の低圧室（74）と下流側のロータリ機構部（80）の高圧室（83）とが互いに連通して一つの膨張室（66）を形成しているものである。

第７の発明では、互いに接続された二つのロータリ機構部（70,80）によって、一つの膨張室（66）が形成される。上流側のロータリ機構部（70）の低圧室（74）の作動流体は、下流側のロータリ機構部（80）の高圧室（83）へ流入しながら膨張する。

本発明では、押しのけ容積が最大のロータリ機構部（80）（即ち、シリンダ（81）内の作動流体の圧力が最も低いロータリ機構部（80））だけに、シール部材（45）が設けられる。このため、押しのけ容積が最大のロータリ機構部（80）では、ピストン（85）と閉塞部材（62,63）の隙間を通過する潤滑油の量が減少する一方、押しのけ容積が最大のロータリ機構部（80）以外のロータリ機構部（70）では、閉塞部材（61,63）とシール部材（45）の摩擦、あるいはピストン（75）とシール部材（45）の摩擦に起因する損失が生じない。従って、本発明によれば、複数のロータリ機構部（70.80）が直列接続されたロータリ式膨張機（30）の効率低下を抑えつつ、ピストン（75,85）と閉塞部材（61,62,63）の隙間を通過する潤滑油の量を削減することができる。

上記第２の発明では、押しのけ容積が最大のロータリ機構部（80）に、ピストン（85）の一方の端面（85a）と中間プレート（63）の隙間をシールするシール部材（45）だけが設けられる。つまり、ピストン（85）と中間プレート（63）の接触を防ぐには両者のクリアランスを予め大きくしておく必要があるため、ピストン（85）の一方の端面（85a）と中間プレート（63）の隙間をシールするシール部材（45）だけがロータリ機構部（80）に設けられる。従って、この発明によれば、ピストン（85）と中間プレート（63）の接触に起因する両者の摩耗を未然に防ぎつつ、ピストン（85）の一方の端面（85a）と中間プレート（63）の隙間を通過する潤滑油の量を削減できる。

上記第６の発明では、押しのけ容積が最大のロータリ機構部（80）において、ピストン（85）の他方の端面（85b）に凹部（52）が形成される。ピストン（85）の凹部（52）に入り込んだ潤滑油の圧力は、ピストン（85）を他方の端面（85b）側へ押す力を打ち消す方向に作用する。このため、閉塞部材（62,63）と摺接するピストン（85）の他方の端面（85b）に作用する摩擦力を低減でき、その結果、この摩擦力に起因する損失を削減することができる。また、ピストン（85）の他方の端面（85b）は、その端面（85b）に対向する閉塞部材（62）に少しだけ押し付けられた状態となる。このため、ピストン（85）の他方の端面（85b）と閉塞部材（62）の隙間を必要最小限に抑えることができ、この隙間を通過する潤滑油の量を低く抑えることができる。

このように、第６の発明によれば、ピストン（85）に作用する摩擦力に起因する損失を低減しつつ、ピストン（85）の他方の端面（85b）と閉塞部材（62）の隙間を通過する潤滑油の量を削減できる。また、この発明ではピストン（85）の一方の端面（85a）と閉塞部材（63）の隙間が広くなるが、この隙間はシール部材（45）によってシールされる。従って、この発明によれば、ロータリ式膨張機（30）の効率低下を抑えつつ、ピストン（85）と閉塞部材（62,63）の隙間を通過する潤滑油の量を削減することができる。

図１は、実施形態１の空調機の冷媒回路を示す配管系統図である。 図２は、実施形態１の膨張機構を示す膨張機の縦断面図である。 図３は、実施形態１の膨張機構の要部を抜き出して示す平面図である。 図４は、実施形態１の各ロータリ機構部の要部を抜き出して示す横断面図であって、出力軸の回転角９０°毎の状態を示したものである。 図５は、実施形態１の第２ピストンの平面図である。 図６は、実施形態１の第２ピストンの下面図である。 図７は、図５のＡ−Ａ断面を示す拡大断面図である。 図８は、実施形態１のシールリングの平面図である。 図９は、実施形態１のシールリングの要部を示す斜視図である。 図１０は、実施形態１の第２ロータリ機構部の要部を拡大して示す膨張機構の縦断面図である。 図１１は、実施形態１の変形例の膨張機構を示す膨張機の縦断面図である。 図１２は、実施形態２の膨張機構を示す膨張機の縦断面図である。 図１３は、実施形態２の変形例１の膨張機構を示す膨張機の縦断面図である。 図１４は、実施形態２の変形例２の膨張機構を示す膨張機の縦断面図である。 図１５は、その他の実施形態の第１変形例の第２ロータリ機構部の要部を拡大して示す圧縮機構の縦断面図である。 図１６は、その他の実施形態の第２変形例の各ロータリ機構部の要部を抜き出して示す横断面図であって、出力軸の回転角９０°毎の状態を示したものである。

本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下で説明する実施形態および変形例は、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。

《発明の実施形態１》
本発明の実施形態１について説明する。本実施形態は、ロータリ式膨張機（30）を備えた空調機（10）である。

〈空調機の全体構成〉
図１に示すように、本実施形態の空調機（10）は、冷媒回路（11）を備えている。この空調機（10）は、冷媒回路（11）で冷媒を循環させて冷凍サイクルを行う冷凍装置である。冷媒回路（11）には、圧縮機（20）と、膨張機（30）と、室外熱交換器（14）と、室内熱交換器（15）と、第１四方切換弁（12）と、第２四方切換弁（13）とが接続されている。冷媒回路（11）には、冷媒として二酸化炭素（ＣＯ_２）が充填されている。また、冷媒回路（11）には、給油用配管（17）と油戻し用配管（18）とが設けられている。

冷媒回路（11）の構成について説明する。圧縮機（20）は、吐出管（26）が第１四方切換弁（12）の第１のポートに接続され、吸入管（25）が第１四方切換弁（12）の第２のポートに接続されている。膨張機（30）は、流出管（36）が第２四方切換弁（13）の第１のポートに接続され、流入管（35）が第２四方切換弁（13）の第２のポートに接続されている。室外熱交換器（14）は、ガス側端が第１四方切換弁（12）の第３のポートに接続され、液側端が第２四方切換弁（13）の第４のポートに接続されている。室内熱交換器（15）は、液側端が第２四方切換弁（13）の第３のポートに接続され、ガス側端が第１四方切換弁（12）の第４のポートに接続されている。

室外熱交換器（14）は、冷媒を室外空気と熱交換させるための空気熱交換器である。室内熱交換器（15）は、冷媒を室内空気と熱交換させるための空気熱交換器である。第１四方切換弁（12）と第２四方切換弁（13）は、それぞれ、第１のポートと第３のポートが連通し且つ第２のポートと第４のポートが連通する第１状態（図１に実線で示す状態）と、第１のポートと第４のポートが連通し且つ第２のポートと第３のポートが連通する第２状態（図１に破線で示す状態）とに切り換わるように構成されている。

圧縮機（20）は、いわゆる高圧ドームタイプの全密閉型圧縮機である。この圧縮機（20）は、起立した円筒形に形成された圧縮機ケーシング（24）を備えている。圧縮機ケーシング（24）の内部には、圧縮機構（21）と電動機（23）と駆動軸（22）とが収容されている。圧縮機構（21）は、いわゆるロータリ式流体機械を構成している。圧縮機ケーシング（24）内では、圧縮機構（21）の上方に電動機（23）が配置されている。駆動軸（22）は、上下方向へ延びる姿勢で配置され、圧縮機構（21）と電動機（23）を連結している。

圧縮機ケーシング（24）には、吸入管（25）と吐出管（26）が設けられている。吸入管（25）は、圧縮機ケーシング（24）の胴部の下端付近を貫通しており、その終端が圧縮機構（21）へ直に接続されている。吐出管（26）は、圧縮機ケーシング（24）の頂部を貫通しており、その始端が圧縮機ケーシング（24）内における電動機（23）の上側の空間に開口している。圧縮機構（21）は、吸入管（25）から吸い込んだ冷媒を圧縮して圧縮機ケーシング（24）内へ吐出する。

圧縮機ケーシング（24）の底部には、潤滑油としての冷凍機油が貯留されている。本実施形態では、ポリアルキレングリコール（ＰＡＧ）が冷凍機油として用いられる。駆動軸（22）の内部には、図示しないが、その軸方向へ延びる油通路が形成されている。この給油通路（61c）は、駆動軸（22）の下端に開口している。駆動軸（22）の下端は、油溜まり（27）に浸かった状態となっている。圧縮機ケーシング（24）内の冷凍機油は、駆動軸（22）の給油通路（61c）を通じて圧縮機構（21）へ供給される。

膨張機（30）は、起立した円筒形に形成された膨張機ケーシング（34）を備えている。膨張機ケーシング（34）の内部には、膨張機構（31）と発電機（33）とが収容されている。膨張機構（31）は、それぞれがロータリ式流体機械を構成する二つのロータリ機構部（70,80）を備えている。膨張機構（31）の詳細は後述する。膨張機ケーシング（34）内では、膨張機構（31）の上方に発電機（33）が配置されている。膨張機構（31）の出力軸（40）は、上下方向へ延びる姿勢となっており、その上部に発電機（33）が連結されている。

膨張機ケーシング（34）には、流入管（35）と流出管（36）が設けられている。流入管（35）と流出管（36）は、何れも膨張機ケーシング（34）の胴部の下部を貫通している。流入管（35）は、その終端が膨張機構（31）へ直に接続されている。流出管（36）は、その始端が膨張機構（31）へ直に接続されている。膨張機構（31）は、流入管（35）を通って流入した冷媒が膨張し、膨張後の冷媒が流出管（36）へ流出してゆく。つまり、膨張機（30）を通過する冷媒は、膨張機ケーシング（34）の内部空間へは流れ込まずに膨張機構（31）だけを通過する。また、膨張機ケーシング（34）には、給油管（37）が設けられている。給油管（37）は、膨張機ケーシング（34）の胴部を貫通し、その終端が膨張機構（31）へ直に接続されている。

給油用配管（17）は、始端が圧縮機（20）に接続され、終端が膨張機（30）の給油管（37）に接続されている。給油用配管（17）の始端部は、圧縮機ケーシング（24）の底部を貫通し、圧縮機ケーシング（24）の内部空間に開口している。この給油用配管（17）の始端部は、圧縮機ケーシング（24）の底に溜まった冷凍機油に浸かった状態となっており、駆動軸（22）の下端と概ね同じ高さに開口している。一方、給油用配管（17）の終端部は、給油管（37）を介して膨張機ケーシング（34）内の膨張機構（31）に直に接続されている。圧縮機ケーシング（24）の底に溜まった冷凍機油は、給油用配管（17）を通って膨張機構（31）へ供給される。

油戻し用配管（18）は、始端が膨張機（30）に接続され、終端が圧縮機（20）の吸入管（25）と第１四方切換弁（12）を繋ぐ配管に接続されている。油戻し用配管（18）の始端部は、膨張機ケーシング（34）の底部を貫通し、膨張機ケーシング（34）の内部空間に開口している。

〈膨張機の構成〉
膨張機（30）の構成について説明する。ここでは、膨張機構（31）の構成について、図２〜図４を参照しながら詳細に説明する。

図２に示すように、膨張機構（31）の出力軸（40）は、その下端部に２つの偏心部（42,43）が形成されている。２つの偏心部（42,43）は、主軸部（41）よりも大径に形成されており、上側のものが第１偏心部（42）を、下側のものが第２偏心部（43）をそれぞれ構成している。第１偏心部（42）と第２偏心部（43）とは、何れも同じ方向へ偏心している。第２偏心部（43）の外径は、第１偏心部（42）の外径よりも大きい。主軸部（41）の軸心に対する偏心量は、第２偏心部（43）の方が第１偏心部（42）よりも大きい。

出力軸（40）には、軸内油通路（90）が形成されている。軸内油通路（90）は、冷凍機油を流すための通路であって、主通路（94）と、第１導出通路（91）と、第２導出通路（92）と、第３導出通路（93）と、導入通路（95）とを備えている。

主通路（94）は、出力軸（40）のうち膨張機構（31）内に位置する部分に形成されており、主軸部（41）の軸心に沿って延びている。第１導出通路（91）、第２導出通路（92）、第３導出通路（93）、及び導入通路（95）は、それぞれの一端が主軸部（41）に接続している。

第１導出通路（91）は、出力軸（40）の第１偏心部（42）に形成されている。この第１導出通路（91）は、第１偏心部（42）の径方向へ延び、第１偏心部（42）の外周面に開口している。第２導出通路（92）は、出力軸（40）の第２偏心部（43）に形成されている。この第２導出通路（92）は、第２偏心部（43）の径方向へ延び、第２偏心部（43）の外周面に開口している。第３導出通路（93）は、主通路（94）における第２偏心部（43）のすぐ下側に形成されている。この第３導出通路（93）は、主通路（94）の径方向へ延び、主軸部（41）の外周面に開口している。導入通路（95）は、主軸部（41）における第１偏心部（42）のすぐ上側に形成されている。この導入通路（95）は、主軸部（41）の径方向へ延び、主通路（94）の外周面に開口している。

詳しくは後述するが、膨張機構（31）は、いわゆる揺動ピストン型のロータリ式流体機械で構成されたロータリ機構部（70,80）を二つ備えている。この膨張機構（31）には、対になったシリンダ（71,81）及びピストン（75,85）が二組設けられている。また、膨張機構（31）には、フロントヘッド（61）と、中間プレート（63）と、リアヘッド（62）とが設けられている。

膨張機構（31）では、下から上へ向かって順に、リアヘッド（62）と、第２シリンダ（81）と、中間プレート（63）と、第１シリンダ（71）と、フロントヘッド（61）とが積み重なっている。第１シリンダ（71）は、その上側端面がフロントヘッド（61）により閉塞され、その下側端面が中間プレート（63）により閉塞されている。第２シリンダ（81）は、その上側端面が中間プレート（63）により閉塞され、その下側端面がリアヘッド（62）により閉塞されている。膨張機構（31）では、フロントヘッド（61）、中間プレート（63）、及びリアヘッド（62）が閉塞部材を構成している。また、第２シリンダ（81）の内径は第１シリンダ（71）の内径よりも大きく、第２シリンダ（81）の高さは第１シリンダ（71）の高さよりも高い。

出力軸（40）は、積層された状態のフロントヘッド（61）、第１シリンダ（71）、中間プレート（63）、第２シリンダ（81）を貫通している。また、出力軸（40）は、その第１偏心部（42）が第１シリンダ（71）内に位置し、その第２偏心部（43）が第２シリンダ（81）内に位置している。

図３及び図４にも示すように、第１シリンダ（71）内には第１ピストン（75）が、第２シリンダ（81）内には第２ピストン（85）がそれぞれ設けられている。第１ピストン（75）と第２ピストン（85）は、それぞれが短い円筒状に形成されている。第１ピストン（75）の高さは第１シリンダ（71）の高さと概ね等しく、第２ピストン（85）の高さは第２ピストン（85）の高さと概ね等しい。また、第１ピストン（75）の内径は第１偏心部（42）の外径と、第２ピストン（85）の内径は第２偏心部（43）の外径とそれぞれ概ね等しい。第１ピストン（75）には第１偏心部（42）が、第２ピストン（85）には第２偏心部（43）がそれぞれ貫通している。

第２ピストン（85）は、上端面（85a）に凹溝（50）が形成され、下端面（85b）に凹部（52）が形成されている。また、第２ピストン（85）の凹部（61b）には、シールリング（45）が嵌め込まれている。これらの点については、後ほど詳しく説明する。

第１ピストン（75）は、外周面が第１シリンダ（71）の内周面に、上端面（75a）がフロントヘッド（61）に、下端面（75b）が中間プレート（63）にそれぞれ摺接している。第１シリンダ（71）内では、第１シリンダ（71）の内周面と第１ピストン（75）の外周面との間に第１流体室（72）が形成される。一方、第２ピストン（85）は、外周面が第２シリンダ（81）の内周面に、上端面（85a）が中間プレート（63）に、下端面（85b）がリアヘッド（62）にそれぞれ摺接している。第２シリンダ（81）内には、第２シリンダ（81）の内周面と第２ピストン（85）の外周面との間に第２流体室（82）が形成される。

第１ピストン（75）及び第２ピストン（85）のそれぞれには、ブレード（76,86）が１つずつ一体に設けられている。ブレード（76,86）は、ピストン（75,85）の半径方向へ延びる板状に形成されており、ピストン（75,85）の外周面から外側へ突出している。第１ピストン（75）のブレード（76）は第１シリンダ（71）のブッシュ孔（78）に、第２ピストン（85）のブレード（86）は第２シリンダ（81）のブッシュ孔（88）にそれぞれ挿入されている。各シリンダ（71,81）のブッシュ孔（78,88）は、シリンダ（71,81）を厚み方向へ貫通すると共に、シリンダ（71,81）の内周面に開口している。

各シリンダ（71,81）には、一対のブッシュ（77,87）が一組ずつ設けられている。各ブッシュ（77,87）は、内側面が平面となって外側面が円弧面となるように形成された小片である。各シリンダ（71,81）において、一対のブッシュ（77,87）は、ブッシュ孔（78,88）に挿入されてブレード（76,86）を挟み込んだ状態となる。各ブッシュ（77,87）は、その内側面がブレード（76,86）と摺接し、その外側面がシリンダ（71,81）と摺動する。そして、ピストン（75,85）と一体のブレード（76,86）は、ブッシュ（77,87）を介してシリンダ（71,81）に支持され、シリンダ（71,81）に対して回動自在で且つ進退自在となっている。

第１シリンダ（71）内の第１流体室（72）は、第１ピストン（75）と一体の第１ブレード（76）によって仕切られており、図３，図４における第１ブレード（76）の左側が高圧側の第１高圧室（73）となり、その右側が低圧側の第１低圧室（74）となっている。第２シリンダ（81）内の第２流体室（82）は、第２ピストン（85）と一体の第２ブレード（86）によって仕切られており、図３，図４における第２ブレード（86）の左側が高圧側の第２高圧室（83）となり、その右側が低圧側の第２低圧室（84）となっている。

第１シリンダ（71）と第２シリンダ（81）とは、それぞれの周方向におけるブッシュ（77,87）の位置が一致する姿勢で配置されている。言い換えると、第２シリンダ（81）の第１シリンダ（71）に対する配置角度が０°となっている。上述のように、第１偏心部（42）と第２偏心部（43）とは、主軸部（41）の軸心に対して同じ方向へ偏心している。従って、第１ブレード（76）が第１シリンダ（71）の外側へ最も退いた状態になる時期と、第２ブレード（86）が第２シリンダ（81）の外側へ最も退いた状態になる時期とが、一致している。

第１シリンダ（71）には、流入ポート（67）が形成されている。流入ポート（67）は、第１シリンダ（71）の内周面のうち、図３，図４におけるブッシュ（77）のやや左側の箇所に開口している。流入ポート（67）は、第１高圧室（73）と連通可能となっている。図３，図４には図示しないが、流入ポート（67）には、流入管（35）が接続されている。

第２シリンダ（81）には、流出ポート（68）が形成されている。流出ポート（68）は、第２シリンダ（81）の内周面のうち、図３，図４におけるブッシュ（87）のやや右側の箇所に開口している。流出ポート（68）は、第２低圧室（84）と連通可能となっている。図３，図４には図示しないが、流出ポート（68）には、流出管（36）が接続されている。

中間プレート（63）には、連通路（64）が形成されている。この連通路（64）は、中間プレート（63）を厚み方向へ貫通している。中間プレート（63）における第１シリンダ（71）側の面では、図３,４における第１ブレード（76）の右側に連通路（64）の一端が開口している。中間プレート（63）における第２シリンダ（81）側の面では、図３,４における第２ブレード（86）の左側に連通路（64）の他端が開口している。そして、図２に示すように、連通路（64）は、中間プレート（63）の厚み方向に対して斜めに延びており、第１低圧室（74）と第２高圧室（83）とを互いに連通させている。

本実施形態の膨張機構（31）では、第１シリンダ（71）と、そこに設けられたブッシュ（77）と、第１ピストン（75）と、第１ブレード（76）とが、第１ロータリ機構部（70）を構成している。また、この膨張機構（31）では、第２シリンダ（81）と、そこに設けられたブッシュ（87）と、第２ピストン（85）と、第２ブレード（86）とが、第２ロータリ機構部（80）を構成している。中間プレート（63）は、第１シリンダ（71）の端部を閉塞する第１ロータリ機構部（70）の閉塞部材と、第２シリンダ（81）の端部を閉塞する第２ロータリ機構部（80）の閉塞部材とを兼ねている。

上述したように、第２シリンダ（81）は、第１シリンダ（71）よりも内径が大きく、第１シリンダ（71）よりも高さが高い。このため、第２ロータリ機構部（80）に形成された第２流体室（82）の容積は、第１ロータリ機構部（70）に形成された第１流体室（72）の容積よりも大きい。従って、第２ロータリ機構部（80）の押しのけ容積は、第１ロータリ機構部（70）の押しのけ容積よりも大きい。

また、膨張機構（31）では、第１ロータリ機構部（70）の第１低圧室（74）と、第２ロータリ機構部（80）の第２高圧室（83）とは、連通路（64）を介して互いに連通する。そして、第１低圧室（74）と連通路（64）と第２高圧室（83）とによって１つの閉空間が形成され、この閉空間が膨張室（66）となる。

図２に示すように、フロントヘッド（61）は、肉厚の平板状に形成された部分と、その部分の中央部から上方へ突出した筒状の部分とによって構成されている。フロントヘッド（61）の中央部には貫通孔（61a）が形成されており、この貫通孔（61a）に出力軸（40）の主軸部（41）が挿入されている。フロントヘッド（61）は、出力軸（40）の主軸部（41）を回転自在に支持する滑り軸受を構成している。

フロントヘッド（61）は、第１シリンダ（71）の上端部を覆う前面（即ち、図２における下面）に、凹部（61b）が形成されている。この凹部（61b）は、フロントヘッド（61）の前面における貫通孔（61a）の周縁部を全周に亘って掘り下げることによって形成された座ぐり状の窪みである。出力軸（40）の導入通路（95）は、この凹部（61b）に連通している。また、フロントヘッド（61）には、給油通路（61c）が形成されている。給油通路（61c）は、一端がフロントヘッド（61）の外周面に開口し、他端が凹部（61b）に連通している。給油通路（61c）の一端には、給油管（37）が接続されている。

リアヘッド（62）は、肉厚の平板状に形成された部分と、その部分の中央部から下方へ僅かに突出した筒状の部分とによって構成されている。リアヘッド（62）の中央部には貫通孔（61b）が形成されており、この貫通孔（61b）に出力軸（40）の主軸部（41）が挿入されている。リアヘッド（62）は、出力軸（40）の主軸部（41）を回転自在に支持する滑り軸受を構成している。

リアヘッド（62）は、第２シリンダ（81）の下端部を覆う前面（即ち、図２における上面）に、凹部（62b）が形成されている。この凹部（62b）は、リアヘッド（62）の前面における貫通孔（61b）の周縁部を全周に亘って掘り下げることによって形成された座ぐり状の窪みである。出力軸（40）の第３導出通路（93）は、この凹部（62b）に連通している。

図２に示すように、本実施形態の膨張機（30）では、二つのロータリ機構部（70,80）のうち下流側に位置する第２ロータリ機構部（80）だけに、シール部材であるシールリング（45）が設けられている。また、第２ロータリ機構部（80）では、一つのシールリング（45）が第２ピストン（85）に取り付けられている。この点について詳しく説明する。

図５〜図７に示すように、第２ピストン（85）には、凹溝（50）と凹部（52）とが形成されている。凹溝（50）は、第２ピストン（85）の上端面（85a）（即ち、中間プレート（63）と対向する端面）の全周に亘って形成された環状の溝であって、第２ピストン（85）の上端面（85a）に開口している。一方、凹部（52）は、第２ピストン（85）の下端面（85b）（即ち、リアヘッド（62）と対向する端面）の内周縁部を全周に亘って掘り下げることによって形成された座ぐり状の窪みである。凹部（52）の外径φＤoは、凹溝（50）の外径φＤo'よりも小さく、凹溝（50）の内径φＤi'よりも大きい。なお、凹部（52）の外径φＤoを凹溝（50）の内径φＤi'よりも小さくするのが望ましい場合もあり得る。

図８に示すように、シールリング（45）は、断面が矩形の環状に形成された樹脂製の部材である。図９にも示すように、シールリング（45）は、周方向の一箇所で分断されている。シールリング（45）は、一方の端部に第１の合い口部（46a）が形成され、他方の端部に第２の合い口部（46b）が形成されている。これらの合い口部（46a,46b）は、シールリング（45）の直径が変化してもシール機能が確保されるように、互いに重なり合っている。

図１０に示すように、シールリング（45）は、ウェーブワッシャ（48）と共に第２ピストン（85）の凹溝（50）に嵌め込まれている。ウェーブワッシャ（48）は、波打った金属板からなる環状の部材である。シールリング（45）は、その下面が凹溝（50）の底面（51）と密着しないように、ウェーブワッシャ（48）の上に配置されている。また、シールリング（45）の径方向の幅は、凹溝（50）の径方向の幅よりも狭い。なお、図２では、ウェーブワッシャ（48）の図示を省略している。

−運転動作−
上記空調機の動作について説明する。

〈冷房運転〉
冷房運転時には、第１四方切換弁（12）及び第２四方切換弁（13）が第１状態（図１に実線で示す状態）に設定され、冷媒回路（11）で冷媒が循環して蒸気圧縮冷凍サイクルが行われる。この冷媒回路（11）で行われる冷凍サイクルは、その高圧が冷媒である二酸化炭素の臨界圧力よりも高い値に設定されている。

圧縮機（20）では、電動機（23）によって圧縮機構（21）が回転駆動される。圧縮機構（21）は、吸入管（25）から吸い込んだ冷媒を圧縮して圧縮機ケーシング（24）内へ吐出する。圧縮機ケーシング（24）内の高圧冷媒は、吐出管（26）を通って圧縮機（20）から吐出される。圧縮機（20）から吐出された冷媒は、室外熱交換器（14）へ送られて室外空気へ放熱する。室外熱交換器（14）で放熱した高圧冷媒は、膨張機（30）へ流入する。

膨張機（30）では、流入管（35）を通って膨張機構（31）へ流入した高圧冷媒が膨張し、それによって発電機（33）が回転駆動される。発電機（33）で発生した電力は、圧縮機（20）の電動機（23）へ供給される。膨張機構（31）で膨張した冷媒は、流出管（36）を通って膨張機（30）から送り出される。膨張機（30）から送出された冷媒は、室内熱交換器（15）へ送られる。室内熱交換器（15）では、流入した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（15）から出た低圧冷媒は、圧縮機（20）の吸入管（25）へ流入する。

〈暖房運転〉
暖房運転時には、第１四方切換弁（12）及び第２四方切換弁（13）が第２状態（図１に破線で示す状態）に設定され、冷媒回路（11）で冷媒が循環して蒸気圧縮冷凍サイクルが行われる。冷房運転時と同様に、この冷媒回路（11）で行われる冷凍サイクルは、その高圧が冷媒である二酸化炭素の臨界圧力よりも高い値に設定されている。

圧縮機（20）では、電動機（23）によって圧縮機構（21）が回転駆動される。圧縮機構（21）は、吸入管（25）から吸い込んだ冷媒を圧縮して圧縮機ケーシング（24）内へ吐出する。圧縮機ケーシング（24）内の高圧冷媒は、吐出管（26）を通って圧縮機（20）から吐出される。圧縮機（20）から吐出された冷媒は、室内熱交換器（15）へ送られる。室内熱交換器（15）では、流入した冷媒が室内空気へ放熱し、室内空気が加熱される。室内熱交換器（15）で放熱した高圧冷媒は、膨張機（30）へ流入する。

膨張機（30）では、流入管（35）を通って膨張機構（31）へ流入した高圧冷媒が膨張し、それによって発電機（33）が回転駆動される。発電機（33）で発生した電力は、圧縮機（20）の電動機（23）へ供給される。膨張機構（31）で膨張した冷媒は、流出管（36）を通って膨張機（30）から送り出される。膨張機（30）から送出された冷媒は、室外熱交換器（14）へ送られる。室外熱交換器（14）では、流入した冷媒が室外空気から吸熱して蒸発する。室外熱交換器（14）から出た低圧冷媒は、圧縮機（20）の吸入管（25）へ流入する。

〈膨張機構の動作〉
膨張機構（31）の運転動作について、図４を参照しながら説明する。

第１ロータリ機構部（70）の第１高圧室（73）へ超臨界状態の高圧冷媒が流入する過程について説明する。回転角が０°の状態から出力軸（40）が僅かに回転すると、第１ピストン（75）と第１シリンダ（71）の接触位置が流入ポート（67）の開口部を通過し、流入ポート（67）から第１高圧室（73）へ高圧冷媒が流入し始める。その後、出力軸（40）の回転角が９０°,１８０°,２７０°と次第に大きくなるにつれて、第１高圧室（73）へ高圧冷媒が流入してゆく。この第１高圧室（73）への高圧冷媒の流入は、出力軸（40）の回転角が３６０°に達するまで続く。

膨張機構（31）において冷媒が膨張する過程について説明する。回転角が０°の状態から出力軸（40）が僅かに回転すると、第１低圧室（74）と第２高圧室（83）が連通路（64）を介して互いに連通し、第１低圧室（74）から第２高圧室（83）へと冷媒が流入し始める。その後、出力軸（40）の回転角が９０°,１８０°,２７０°と次第に大きくなるにつれ、第１低圧室（74）の容積が次第に減少すると同時に第２高圧室（83）の容積が次第に増加し、結果として膨張室（66）の容積が次第に増加してゆく。この膨張室（66）の容積増加は、出力軸（40）の回転角が３６０°に達する直前まで続く。そして、膨張室（66）の容積が増加する過程で膨張室（66）内の冷媒が膨張し、この冷媒の膨張によって出力軸（40）が回転駆動される。このように、第１低圧室（74）内の冷媒は、連通路（64）を通って第２高圧室（83）へ膨張しながら流入してゆく。

第２ロータリ機構部（80）の第２低圧室（84）から冷媒が流出してゆく過程について説明する。第２低圧室（84）は、出力軸（40）の回転角が０°の時点から流出ポート（68）に連通し始める。つまり、第２低圧室（84）から流出ポート（68）へと冷媒が流出し始める。その後、出力軸（40）の回転角が９０°,１８０°,２７０°と次第に大きくなってゆき、その回転角が３６０°に達するまでの間に亘って、第２低圧室（84）から膨張後の低圧冷媒が流出してゆく。

〈圧縮機構と膨張機構の潤滑〉
圧縮機（20）の圧縮機構（21）と、膨張機（30）の膨張機構（31）とには、圧縮機ケーシング（24）内に貯留された冷凍機油が供給される。圧縮機構（21）と膨張機構（31）とは、供給された冷凍機油によって潤滑される。

圧縮機（20）では、圧縮機ケーシング（24）の内圧が、圧縮機構（21）から吐出された冷媒の圧力とほぼ同じになっている。このため、圧縮機ケーシング（24）の底に溜まった冷凍機油の圧力も、圧縮機構（21）から吐出された冷媒の圧力とほぼ同じになっている。一方、圧縮機構（21）は、吸入管（25）から低圧冷媒を吸入する。従って、圧縮機構（21）には、圧縮機ケーシング（24）の内圧よりも低圧となる部分が存在する。このため、圧縮機ケーシング（24）の底に溜まった冷凍機油は、駆動軸（22）内の油通路を通って圧縮機構（21）へ流入し、圧縮機構（21）の潤滑に利用される。圧縮機構（21）へ供給された冷凍機油は、圧縮された冷媒と共に圧縮機ケーシング（24）内へ吐出され、再び圧縮機ケーシング（24）の底部へ戻ってくる。

冷媒回路（11）を循環する冷媒の圧力は、圧縮機（20）から膨張機（30）へ至るまでの間に幾分低下する。このため、膨張機構（31）を通過する冷媒の圧力は、必然的に圧縮機ケーシング（24）の内圧よりも低くなる。また、膨張機構（31）に形成された流体室（72,82）では冷媒が膨張するため、膨張機構（31）内には膨張機構（31）へ流入する冷媒よりも更に低圧の部分が必ず存在する。このため、圧縮機ケーシング（24）の底に溜まった冷凍機油は、給油用配管（17）を通って膨張機構（31）へ流入する。

図２に示すように、給油用配管（17）から膨張機構（31）へ供給された冷凍機油は、給油管（37）を通ってフロントヘッド（61）の給油通路（61c）へ流入する。給油通路（61c）から凹部（61b）へ流入した冷凍機油は、その一部が滑り軸受を構成するフロントヘッド（61）と主軸部（41）の隙間へ流入し、残りが軸内油通路（90）へ流入する。

軸内油通路（90）では、導入通路（95）を通って主通路（94）へ流入した冷凍機油が、第１導出通路（91）と、第２導出通路（92）と、第３導出通路（93）とに分かれて流入する。第１導出通路（91）へ流入した冷凍機油は、第１ロータリ機構部（70）の潤滑に利用される。第２導出通路（92）へ流入した冷凍機油は、第２ロータリ機構部（80）の潤滑に利用される。第３導出通路（93）へ流入した冷凍機油は、凹部（62b）へ流入し、その後に滑り軸受を構成するリアヘッド（62）と主軸部（41）の隙間へ流入する。

主軸部（41）とフロントヘッド（61）の隙間に流入した冷凍機油と、主軸部（41）とリアヘッド（62）の隙間に流入した冷凍機油とは、主軸部（41）の潤滑に利用され、その後に膨張機構（31）の外部へ流出して膨張機ケーシング（34）の底部に溜まる。膨張機ケーシング（34）の底部に溜まった冷凍機油は、油戻し用配管（18）を通って圧縮機（20）の吸入管（25）へ流入し、冷媒と共に圧縮機構（21）へ吸入される。

〈流体室へ流入する冷凍機油の量〉
上述したように、第１導出通路（91）へ流入した冷凍機油は、第１ロータリ機構部（70）の潤滑に利用される。具体的に、第１導出通路（91）の冷凍機油は、第１偏心部（42）と第１ピストン（75）の隙間へ流入する。また、冷凍機油は、第１ピストン（75）の上端面（75a）とフロントヘッド（61）の隙間と、第１ピストン（75）の下端面（75b）と中間プレート（63）の隙間にも流入する。

ここで、第１シリンダ（71）内の第１高圧室（73）の圧力は、第１導出通路（91）の冷凍機油の圧力と同程度である。このため、フロントヘッド（61）及び中間プレート（63）と第１ピストン（75）の隙間を通って第１高圧室（73）へ流入する冷凍機油の量は、ほんの僅かである。また、出力軸（40）が回転するにつれて、第１シリンダ（71）内の第１低圧室（74）の圧力が低下してゆくが、それと同時に第１低圧室（74）の容積が縮小してゆく（図４を参照）。このため、フロントヘッド（61）及び中間プレート（63）と第１ピストン（75）の隙間を通って第１低圧室（74）へ流入する冷凍機油の量は、それ程多くない。

上述したように、第２導出通路（92）へ流入した冷凍機油は、第２ロータリ機構部（80）の潤滑に利用される。具体的に、第２導出通路（92）の冷凍機油は、第２偏心部（43）と第２ピストン（85）の隙間へ流入する。また、冷凍機油は、第２ピストン（85）の上端面（85a）と中間プレート（63）の隙間と、凹溝（50）とに入り込む。また、冷凍機油は、凹部（52）と、第２ピストン（85）の下端面（85b）とリアヘッド（62）の隙間とに入り込む。

ここで、出力軸（40）が回転するにつれて、第２シリンダ（81）内の第２高圧室（83）の圧力が低下してゆき、それと同時に第２高圧室（83）の容積が拡大してゆく（図４を参照）。また、第２低圧室（84）の圧力は、膨脹後の低圧冷媒の圧力と等しい。このため、シールリング（45）は、内周面に作用する圧力が外周面に作用する圧力よりも高くなる。その結果、シールリング（45）は、その直径が拡大するように変形し、その外周面が凹溝（50）の外周側の壁面に密着する（図１０を参照）。また、シールリング（45）の下面に冷凍機油の圧力が作用するため、シールリング（45）の上面が中間プレート（63）の下面に密着する（図１０を参照）。従って、第２ピストン（85）と中間プレート（63）の隙間がシールリング（45）によってシールされ、この隙間を通って第２高圧室（83）及び第２低圧室（84）へ流れ込む冷凍機油の量が抑えられる。

上述したように、第２ロータリ機構部（80）へ供給された冷凍機油は、第２ピストン（85）の上端面（85a）と中間プレート（63）の隙間と、凹溝（50）とに入り込む。このため、第２ピストン（85）は、凹溝（50）の底面（51）と、上端面（85a）のうち凹溝（50）よりも内側の部分とに、冷凍機油の圧力が作用する。凹溝（50）の底面（51）と、上端面（85a）のうち凹溝（50）よりも内側の部分とに冷凍機油の圧力が作用すると、第２ピストン（85）がリアヘッド（62）側へ押される。

また、第２ロータリ機構部（80）へ供給された冷凍機油は、凹部（52）に入り込む。このため、第２ピストン（85）は、凹部（52）の底面（53）に冷凍機油の圧力が作用する。凹部（52）の底面（53）に冷凍機油の圧力が作用すると、第２ピストン（85）が中間プレート（63）側へ押される。つまり、第２ピストン（85）には、第２ピストン（85）をリアヘッド（62）側へ押す力を相殺する方向の力が作用する。

一方、凹部（52）の外径φＤoは、凹溝（50）の外径φＤo'よりも小さい（図７を参照）。つまり、凹溝（50）の底面（51）の面積Ａ_１と、上端面（85a）のうち凹溝（50）よりも内側の部分の面積Ａ_２の和Ａ_３（＝Ａ_１＋Ａ_２）は、凹部（52）の底面（53）の面積Ａ_４よりも大きくなる（Ａ_４＜Ａ_３）。このため、第２ピストン（85）をリアヘッド（62）側へ押す力が、第２ピストン（85）を中間プレート（63）側へ押す力よりも大きくなり、第２ピストン（85）がリアヘッド（62）に押し付けられる。その結果、第２ピストン（85）の下端面（85b）とリアヘッド（62）の隙間が狭くなり、この隙間を通って第２高圧室（83）及び第２低圧室（84）へ流れ込む冷凍機油の量が抑えられる。

また、第２ピストン（85）をリアヘッド（62）側へ押す力が第２ピストン（85）を中間プレート（63）側へ押す力によって相殺される。このため、第２ピストン（85）の下端面（85b）に作用する面圧はそれ程高くならず、従って、第２ピストン（85）に作用する摩擦力が低く抑えられる。

ここで、中間プレート（63）は、上面に第１高圧室（73）の内圧が作用し、下面に第１低圧室（74）の内圧が作用する。上述したように、第１高圧室（73）には膨張前の高圧冷媒が存在し、第１低圧室（74）には膨脹後の低圧冷媒が存在する。このため、膨張機（30）の作動中は、中間プレート（63）が第２シリンダ（81）側へ膨らむように弾性変形する。

一方、上述したように、第２ピストン（85）は、リアヘッド（62）に軽く押し付けられている。このため、第２ピストン（85）と中間プレート（63）のクリアランスが確保され、膨張機（30）の作動中に中間プレート（63）が弾性変形しても、第２ピストン（85）が中間プレート（63）と接触することはない。また、第２ピストン（85）と中間プレート（63）の隙間は、シールリング（45）によってシールされている。このため、第２ピストン（85）と中間プレート（63）のクリアランスを充分に確保しつつ、第２ピストン（85）と中間プレート（63）の隙間を通って第２高圧室（83）及び第２低圧室（84）へ流れ込む冷凍機油の量が抑えられる。

−実施形態１の効果−
本実施形態の膨張機（30）では、第１ロータリ機構部（70）よりも押しのけ容積が大きい第２ロータリ機構部（80）（即ち、何の対策も講じなければ流体室（82）へ流入する冷凍機油の量が多くなるロータリ機構部（80））だけに、シールリング（45）が設けられる。このため、第２ロータリ機構部（80）では、中間プレート（63）又はリアヘッド（62）と第２ピストン（85）の隙間を通過する冷凍機油の量が減少する一方、第１ロータリ機構部（70）では、フロントヘッド（61）又は中間プレート（63）とシールリング（45）の摩擦に起因する損失が生じない。従って、本実施形態によれば、二つのロータリ機構部（70.80）が直列接続されたロータリ式膨張機（30）の運転効率の低下を抑えつつ、各ロータリ機構部（70.80）の流体室（72,82）へ流入する冷凍機油の量を削減できる。

上述したように、膨張機（30）の作動中には、中間プレート（63）が第２シリンダ（81）側へ膨らむように弾性変形する。そして、第２ピストン（85）と中間プレート（63）の接触を防ぐには両者のクリアランスを広くする必要があるため、何の対策も講じなければ、第２ピストン（85）と中間プレート（63）の隙間を通って第２流体室（82）へ流入する冷凍機油の量が過剰となるおそれがある。一方、第２ピストン（85）はリアヘッド（62）に軽く押し付けられているため、第２ピストン（85）とリアヘッド（62）のクリアランスは非常に狭く保たれる。このため、第２ピストン（85）はリアヘッド（62）の隙間を通過する冷凍機油の量は、シールリング（45）が無くても低く抑えられる。

これに対し、本実施形態の第２ロータリ機構部（80）では、膨張機（30）の作動中に弾性変形する中間プレート（63）側だけにシールリング（45）が設けられる。従って、本実施形態によれば、第２ピストン（85）と中間プレート（63）の隙間を通過する冷凍機油の量をシールリング（45）によって抑えつつ、シールリング（45）を第２ピストン（85）の片側だけに設けることによって、シールリング（45）の設置に起因する損失の増加を最小限に抑えることができる。

−実施形態１の変形例１−
本実施形態の第２ロータリ機構部（80）では、第２ピストン（85）の下端面（85b）に、シールリング（45）を嵌め込むための凹溝（50）が形成されていてもよい。本変形例の凹溝（50）は、第２ピストン（85）の下端面（85b）（即ち、リアヘッド（62）と対向する端面）の全周に亘って形成された環状の溝であって、第２ピストン（85）の下端面（85b）に開口している。この凹溝（50）に嵌め込まれたシールリング（45）は、リアヘッド（62）と摺接し、第２ピストン（85）の下端面（85b）とリアヘッド（62）の隙間をシールする。

また、本変形例の第２ピストン（85）には、上端面（85a）に凹部（52）が形成されていてもよい。本変形例の凹部（52）は、第２ピストン（85）の上端面（85a）（即ち、中間プレート（63）と対向する端面）の内周縁部を全周に亘って掘り下げることによって形成された座ぐり状の窪みである。

−実施形態１の変形例２−
本実施形態の第２ロータリ機構部（80）では、第２ピストン（85）ではなく中間プレート（63）にシールリング（45）が取り付けられていてもよい。

図１１に示すように、本変形例の第２ロータリ機構部（80）では、中間プレート（63）の下面のうち第２ピストン（85）の上端面（85a）と摺接する部分に、凹溝（54）が形成される。この凹溝（54）は、中間プレート（63）の下面に開口する環状の溝である。なお、本実施形態においても、凹部（52）の外径は、凹溝（54）の外径よりも小さい。

シールリング（45）は、ウェーブワッシャ（48）と共に、中間プレート（63）の凹溝（54）に嵌め込まれている。このシールリング（45）は、外周面が凹溝（54）の外周側の壁面と密着し、下面が第２ピストン（85）の上端面（85a）と密着することによって、第２ピストン（85）と中間プレート（63）の隙間をシールする。なお、図１１では、ウェーブワッシャ（48）の図示を省略している。

−実施形態１の変形例３−
本実施形態の第２ロータリ機構部（80）では、第２ピストン（85）ではなくリアヘッド（62）にシールリング（45）が取り付けられていてもよい。

本変形例の第２ロータリ機構部（80）では、リアヘッド（62）の下面のうち第２ピストン（85）の下端面（85b）と摺接する部分に、凹溝（54）が形成される。この凹溝（54）は、リアヘッド（62）の上面に開口する環状の溝である。なお、本変形例の第２ピストン（85）は、下端面（85b）に凹部（52）が形成されていない。つまり、第２ピストン（85）の下端面（85b）は、その全体が平坦面となっている。

また、本変形例の第２ピストン（85）には、上端面（85a）に凹部（52）が形成されていてもよい。本変形例の凹部（52）は、第２ピストン（85）の上端面（85a）（即ち、中間プレート（63）と対向する端面）の内周縁部を全周に亘って掘り下げることによって形成された座ぐり状の窪みである。

《発明の実施形態２》
本発明の実施形態２について説明する。本実施形態は、実施形態１の膨張機（30）において、膨張機構（31）の構成を変更したものである。ここでは、本実施形態の膨張機構（31）について、実施形態１の膨張機構（31）と異なる点を説明する。

図１２に示すように、本実施形態の膨張機構（31）には、二つのシールリング（45）が設けられている。具体的に、本実施形態の第２ピストン（85）は、凹部（52）が省略されると共に、上端面（85a）と下端面（85b）のそれぞれに凹溝（50）が一つずつ形成されている。各凹溝（50）には、シールリング（45）とウェーブワッシャ（48）とが、一つずつ嵌め込まれている。なお、図１２では、ウェーブワッシャ（48）の図示を省略している。

第２ピストン（85）の上端面（85a）の凹溝（50）に嵌め込まれたシールリング（45）は、外周面がこの凹溝（50）の外周側の壁面と密着し、上面が中間プレート（63）と密着することによって、第２ピストン（85）と中間プレート（63）の隙間をシールする。一方、第２ピストン（85）の下端面（85b）の凹溝（50）に嵌め込まれたシールリング（45）は、外周面がこの凹溝（50）の外周側の壁面と密着し、上面が中間プレート（63）と密着することによって、第２ピストン（85）とリアヘッド（62）の隙間をシールする。

−実施形態２の変形例１−
本実施形態の第２ロータリ機構部（80）では、第２ピストン（85）ではなく中間プレート（63）及びリアヘッド（62）にシールリング（45）が取り付けられていてもよい。ここでは、本変形例の第２ロータリ機構部（80）について、図１２に示す第２ロータリ機構部（80）と異なる点を説明する。

図１３に示すように、中間プレート（63）とリアヘッド（62）には、凹溝（54）が一つずつ形成されている。中間プレート（63）では、下面のうち第２ピストン（85）の上端面（85a）と摺接する部分に凹溝（54）が形成される。中間プレート（63）の凹溝（54）は、中間プレート（63）の下面に開口する環状の溝である。リアヘッド（62）では、上面のうち第２ピストン（85）の下端面（85b）と摺接する部分に凹溝（54）が形成される。リアヘッド（62）の凹溝（54）は、リアヘッド（62）の上面に開口する環状の溝である。中間プレート（63）及びリアヘッド（62）の凹溝（54）には、シールリング（45）とウェーブワッシャ（48）とが、一つずつ嵌め込まれている。なお、図１３では、ウェーブワッシャ（48）の図示を省略している。

中間プレート（63）の凹溝（54）に嵌め込まれたシールリング（45）は、外周面がこの凹溝（54）の外周側の壁面と密着し、下面が第２ピストン（85）の上端面（85a）と密着することによって、第２ピストン（85）と中間プレート（63）の隙間をシールする。一方、リアヘッド（62）の凹溝（54）に嵌め込まれたシールリング（45）は、外周面がこの凹溝（54）の外周側の壁面と密着し、上面が第２ピストン（85）の下端面（85b）と密着することによって、第２ピストン（85）とリアヘッド（62）の隙間をシールする。

−実施形態２の変形例２−
本実施形態の第２ロータリ機構部（80）では、第２ピストン（85）とリアヘッド（62）のそれぞれにシールリング（45）が取り付けられていてもよい。ここでは、本変形例の第２ロータリ機構部（80）について、図１２に示す第２ロータリ機構部（80）と異なる点を説明する。

図１４に示すように、本変形例の第２ピストン（85）は、上端面（85a）だけに凹溝（50）が形成され、下端面（85b）に凹溝（50）は形成されない。図１２に示す第２ロータリ機構部（80）と同様に、第２ピストン（85）の上端面（85a）の凹溝（50）にはシールリング（45）とウェーブワッシャ（48）が嵌め込まれ、このシールリング（45）によって第２ピストン（85）と中間プレート（63）の隙間がシールされる。なお、図１４では、ウェーブワッシャ（48）の図示を省略している。

リアヘッド（62）では、上面のうち第２ピストン（85）の下端面（85b）と摺接する部分に凹溝（54）が形成される。リアヘッド（62）の凹溝（54）は、リアヘッド（62）の上面に開口する環状の溝である。リアヘッド（62）の凹溝（54）には、シールリング（45）とウェーブワッシャ（48）とが、一つずつ嵌め込まれている。リアヘッド（62）の凹溝（54）に嵌め込まれたシールリング（45）は、外周面が凹溝（54）の外周側の壁面と密着し、上面が第２ピストン（85）の下端面（85b）と密着することによって、第２ピストン（85）とリアヘッド（62）の隙間をシールする。なお、図１４では、ウェーブワッシャ（48）の図示を省略している。

《その他の実施形態》
−第１変形例−
上記各実施形態とそれらの変形例では、シールリング（45）と金属リング（47）とがシール部材として第２ロータリ機構部（80）に設けられていてもよい。ここでは、本変形例を実施形態１の第２ロータリ機構部（80）に適用したものについて、図１５を参照しながら説明する。

金属リング（47）は、無端の環状に形成された金属製の部材である。金属リング（47）は、断面が矩形である。また、金属リング（47）は、外径が凹溝（50）の外径よりも小さく、内径が凹溝（50）の内径よりも大きい。第２ピストン（85）の凹溝（50）には、ウェーブワッシャ（48）とシールリング（45）と金属リング（47）とが、下から上に向かって順に重なり合った状態で嵌め込まれている。

膨張機（30）の作動中には、シールリング（45）の直径が拡大し、シールリング（45）の外周面が凹溝（50）の外周側の壁面と密着する。また、膨張機（30）の作動中には、シールリング（45）が冷凍機油の圧力を受けて上方へ押し上げられる。このため、シールリング（45）の上面が金属リング（47）の下面と密着し、金属リング（47）の上面が中間プレート（63）の下面と密着する。その結果、第２ピストン（85）と中間プレート（63）の隙間がシールリング（45）及び金属リング（47）によってシールされる。

−第２変形例−
上記各実施形態とそれらの変形例において、各ロータリ機構部（70,80）は、ローリングピストン型のロータリ式流体機械で構成されていてもよい。ここでは、本変形例を実施形態１の膨張機構（31）に適用したものについて、図１６を参照しながら説明する。

図１６に示すように、本変形例の各ロータリ機構部（70,80）では、ブレード（76,86）がピストン（75,85）と別体に形成されている。つまり、本変形例の各ピストン（75,85）は、単純な円環状あるいは円筒状に形成されている。また、本変形例の各シリンダ（71,81）には、ブレード溝（79,89）が１つずつ形成されている。

各ロータリ機構部（70,80）において、ブレード（76,86）は、シリンダ（71,81）のブレード溝（79,89）に、進退自在な状態で設けられている。また、ブレード（76,86）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（75,85）の外周面に押し付けられている。図１６に順次示すように、シリンダ（71,81）内でピストン（75,85）が移動しても、このブレード（76,86）は、ブレード溝（79,89）に沿って同図の上下に移動し、その先端がピストン（75,85）と接した状態に保たれる。そして、ブレード（76,86）の先端をピストン（75,85）の周側面に押し付けることで、各流体室（72,82）がそれぞれ高圧側の高圧室（73,83）と低圧側の低圧室（74,84）に仕切られる。

以上説明したように、本発明は、ロータリ式流体機械によって構成されたロータリ式膨張機について有用である。

30 膨張機
40 出力軸
45 シールリング（シール部材）
50 凹溝
52 凹部
54 凹溝
61 フロントヘッド（閉塞部材）
62 リアヘッド（閉塞部材）
63 中間プレート（閉塞部材）
66 膨張室
70 第１ロータリ機構部
71 第１シリンダ
74 第１低圧室
75 第１ピストン
80 第２ロータリ機構部
81 第２シリンダ
83 第２高圧室
85 第２ピストン
85a 上端面（端面）
85b 下端面（端面)

Claims (7)

1. それぞれがロータリ式流体機械を構成する複数のロータリ機構部（70,80）を備え、
   上記複数のロータリ機構部（70,80）は、押しのけ容積の小さいものから順に直列接続されているロータリ式膨張機であって、
   上記各ロータリ機構部（70,80）は、
   シリンダ（71,81）と、
   該シリンダ（71,81）内に配置されて偏心回転する円筒状のピストン（75,85）と、
   上記シリンダ（71,81）の端部を閉塞して上記ピストン（75,85）の端面と摺接する閉塞部材（61,62,63）とを備える一方、
   押しのけ容積が最大のロータリ機構部（80）だけが、上記ピストン（85）と上記閉塞部材（62,63）の隙間をシールするシール部材（45）を更に備えている
   ことを特徴とするロータリ式膨張機。
2. 請求項１において、
   上記各ロータリ機構部（70,80）のピストン（75,85）と係合する１本の出力軸（40）を備え、
   上記出力軸（40）の軸方向に隣り合う二つのシリンダ（71,81）の間には、該二つのシリンダ（71,81）の端部を閉塞する閉塞部材として中間プレート（63）が配置され、
   押しのけ容積が最大のロータリ機構部（80）が備えるシール部材（45）は、上記中間プレート（63）に対向するピストン（85）の一方の端面（85a）と上記中間プレート（63）の隙間をシールするシール部材（45）だけである
   ことを特徴とするロータリ式膨張機。
3. 請求項１において、
   押しのけ容積が最大のロータリ機構部（80）が備えるシール部材（45）は、該ロータリ機構部（80）のピストン（85）の一方の端面（85a）と該端面（85a）に対向する閉塞部材（63）の隙間をシールするシール部材（45）だけである
   ことを特徴とするロータリ式膨張機。
4. 請求項２又は３において、
   上記シール部材（45）は、リング状に形成され、
   押しのけ容積が最大のロータリ機構部（80）のピストン（85）は、その端面（85a）に上記シール部材（45）を嵌め込むための凹溝（50）が形成されている
   ことを特徴とするロータリ式膨張機。
5. 請求項２又は３において、
   上記シール部材（45）は、リング状に形成され、
   押しのけ容積が最大のロータリ機構部（80）の閉塞部材（63）は、該ロータリ機構部（80）のピストン（85）の端面（85a）に対向する部分に上記シール部材（45）を嵌め込むための凹溝（54）が形成されている
   ことを特徴とするロータリ式膨張機。
6. 請求項４又は５において、
   押しのけ容積が最大のロータリ機構部（80）のピストン（85）の他方の端面（85b）には、該端面（85b）の内周縁に沿った座ぐり状の凹部（52）が形成され、
   上記凹部（52）の外周縁の直径が、上記シール部材（45）が嵌り込む凹溝（50,54）の外周縁の直径よりも小さい
   ことを特徴とするロータリ式膨張機。
7. 請求項１乃至６のいずれか一つにおいて、
   上記複数のロータリ機構部（70,80）のうち互いに接続された二つでは、上流側のロータリ機構部（70）の低圧室（74）と下流側のロータリ機構部（80）の高圧室（83）とが互いに連通して一つの膨張室（66）を形成している
   ことを特徴とするロータリ式膨張機。

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