JP4077029B2 - 膨張機および膨張機一体型圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、流体を膨張させる膨張機に関する。本発明は、さらに、流体を圧縮する圧縮機構と流体を膨張させる膨張機構とがシャフトで連結された一体構造を持つ膨張機一体型圧縮機に関する。

圧縮、放熱、膨張、蒸発という冷媒の冷凍サイクルを利用した装置、いわゆる冷凍サイクル装置は、空気調和機や給湯機など、幅広い分野で使用されている。この種の冷凍サイクル装置に適用される膨張機一体型圧縮機として、冷媒が減圧膨張する際の膨張エネルギーを機械エネルギーに変換して回収する膨張機構と、冷媒を圧縮する圧縮機構とをシャフトで連結するとともに、膨張機構で回収した機械エネルギーを圧縮機構に供給することにより、冷凍サイクルの効率向上を図るものがある（特開昭６２−７７５６２号公報）。

圧縮機構は冷媒を断熱圧縮するので、圧縮機構を構成する部材の温度は、冷媒の温度とともに上昇する。他方、膨張機構には放熱器で冷却された冷媒が流入し、冷媒が断熱膨張するので、膨張機構を構成する部材の温度は、冷媒の温度とともに低下する。したがって、特開昭６２−７７５６２号公報に記載されているように、圧縮機構と膨張機構とを単純に一体化しただけでは、圧縮機構側の熱が膨張機構側に移動してしまう。こうした熱の移動は、膨張機構において意図しない冷媒の加熱が起こること、および圧縮機構において意図しない冷媒の冷却が起こることを意味し、ひいては冷凍サイクルの効率低下を招く。

この問題を解決するべく、圧縮機構と膨張機構との間に断熱部材を設け、圧縮機構から膨張機構への熱の移動を阻害するという提案がある（特開２００１−１６５０４０号公報）。さらに、図１０に示すように、密閉容器１０１の内部に圧縮機構１０２、電動機１０３および膨張機構１０４を下からこの順番で配置するとともに、膨張機構１０４の表面に周囲の冷媒からの伝熱を阻害する断熱部材１０５を設けるという提案もある（特許３６７４６２５号公報）。

ところで、膨張機一体型圧縮機の圧縮機構や膨張機構に好適な型式として、スクロール型やロータリ型が挙げられる。例えば、図１１に示す膨張機一体型圧縮機２００のように、密閉容器２０１の内部にスクロール型の圧縮機構２０２と、電動機２０３と、ロータリ型の膨張機構２０４とを上からこの順番で配置することができる。密閉容器２０１の内部を圧縮機構２０２から吐出された冷媒で満たす高温高圧型の構成を採用する場合には、密閉容器２０１の底部がオイル貯まりとなり、膨張機構２０４の周囲が高温のオイルで満たされる。

膨張機構２０４の周囲が高温のオイルで満たされているので、膨張機構２０４とオイルとの間で熱の移動が起こり、膨張機構２０４が加熱され、オイルが冷却される。このオイルは、上に配置された圧縮機構２０２を潤滑するとともに、旋回スクロール２０７に背圧をかけるために使用され、それらの過程で圧縮機構２０２を冷却する。この結果、先に説明したように、オイルを介した熱の移動による冷凍サイクルの効率低下が問題となる。

特開２００１−１６５０４０号公報や特許３６７４６２５号公報に記載されているような断熱部材を使用することも考えられるが、ロータリ型の機構は、冷媒漏れ、特にベーンからの冷媒漏れを防止するため、あるいは各摺動部分の潤滑を容易化するために、周囲がオイルで満たされていることが好ましい。したがって、図１１とは逆のレイアウト、すなわち、スクロール型の圧縮機構２０２が下、ロータリ型の膨張機構２０４が上というレイアウトは、本質的に採用しにくい。仮に、そうしたレイアウトを採用できたとしても、今度は一転して、冷媒漏れや潤滑不良の問題が表面化する。

そこで本発明は、膨張機構をオイルに漬けて使用する場合であっても、オイルから膨張機構への熱の移動を抑制することにより、冷凍サイクル装置の性能を向上させることが可能な膨張機および膨張機一体型圧縮機を提供することを目的とする。

すなわち、本発明は、
底部がオイル貯留部として利用される密閉容器と、
周囲がオイルで満たされるように密閉容器内に配置された膨張機構と、
油面よりも上に位置するように密閉容器内に配置された圧縮機構と、
圧縮機構と膨張機構とを連結するシャフトと、
密閉容器と膨張機構との間のオイルを貯留するべき空間を、膨張機構との間の空間である内側貯留空間と、密閉容器との間の空間である外側貯留空間とに仕切り、内側貯留空間を満たすオイルの流動を、外側貯留空間を満たすオイルの流動よりも抑制する、膨張機構の周囲に配置されたオイル流動抑制部材と、
を備えた膨張機一体型圧縮機を提供する。

他の側面において、本発明は、
底部がオイル貯留部として利用される密閉容器と、
周囲がオイルで満たされるように密閉容器内に配置された膨張機構と、
密閉容器と膨張機構との間のオイルを貯留するべき空間を、膨張機構との間の空間である内側貯留空間と、密閉容器との間の空間である外側貯留空間とに仕切り、内側貯留空間を満たすオイルの流動を、外側貯留空間を満たすオイルの流動よりも抑制する、膨張機構の周囲に配置されたオイル流動抑制部材と、
を備えた膨張機を提供する。

一般に、流体から固体への熱伝達率は、流体の流速が速いほど大きい。したがって、オイルから膨張機構への伝熱を抑制するには、オイルの流動を抑制すればよい。上記本発明の膨張機一体型圧縮機によれば、オイル流動抑制部材により、オイル流動抑制部材と膨張機構との間の空間（内側貯留空間）を満たすオイルの流動が抑制されるため、高温のオイルから低温の膨張機構への熱の移動を減ずることができる。すなわち、オイルから膨張機構への熱流束が低下し、オイルによる膨張機構の加熱、さらには圧縮機構の冷却が防止される。したがって、本発明の膨張機一体型圧縮機を冷凍サイクル装置に用いると、膨張後の冷媒のエンタルピー増加が防止されて優れた冷凍能力が発揮されるとともに、圧縮後の冷媒のエンタルピー減少が防止されて優れた加熱能力が発揮され、ひいては高いＣＯＰ（coefficient of performance）を持つ冷凍サイクル装置を実現可能となる。

こうした効果は、単独の膨張機においても同様に得られる。

以下、添付の図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。
図１に示すごとく、膨張機一体型圧縮機７０は、密閉容器１、密閉容器１内に配置された容積式の圧縮機構２、同じく密閉容器１内に配置された容積式の膨張機構４、一端が圧縮機構２に接続し他端が膨張機構４に接続してそれら圧縮機構２と膨張機構４を連結するシャフト５、および、圧縮機構２と膨張機構４との間に配置されてシャフト５を回転駆動する電動機３を備えている。密閉容器１の上部には、電動機３に電力を供給するためのターミナル９が取り付けられている。膨張機構４は、冷媒（作動流体）が膨張する際の膨張力をトルクに変換してシャフト５に与え、電動機３によるシャフト５の回転駆動をアシストする。すなわち、冷媒の膨張エネルギーを膨張機構４にて回収し、圧縮機構２を駆動する電動機３の動力に重畳する仕組みである。

密閉容器１の底部は、各機構２，４を潤滑およびシールするオイル６０（冷凍機油）が貯留されたオイル貯留部６として利用されている。シャフト５の軸方向が鉛直方向と平行、かつオイル貯留部６が下となるように密閉容器１の姿勢を定めると、密閉容器１の内部には、圧縮機構２、電動機３および膨張機構４がこの順番に上から配列する。したがって、膨張機構４の周囲はオイル６０で満たされる。換言すれば、膨張機構４の周囲を満たすために十分な量のオイル６０が、オイル貯留部６に貯留されている。

膨張機構４の周囲には、オイル流動抑制部材５０が配置されている。このオイル流動抑制部材５０により、密閉容器１と膨張機構４との間のオイル６０を貯留するべき空間が、オイル流動抑制部材５０と膨張機構４との間の空間である内側貯留空間５５ａと、オイル流動抑制部材５０と密閉容器１との間の空間である外側貯留空間５５ｂとに仕切られ、これにより、内側貯留空間５５ａを満たすオイル６０の流動が、外側貯留空間５５ｂを満たすオイル６０の流動よりも抑制されている。膨張機構４の周囲を満たすオイル６０の流動を抑制できれば、オイル６０から膨張機構４への熱伝達率を低減でき、オイル６０から膨張機構４への伝熱を抑制することができる。

オイル流動抑制部材５０は、膨張機構４の外形に沿った形状を有する筒状部５２を含み、その筒状部５２が膨張機構４を周方向に取り囲むことにより、内側貯留空間５５ａと外側貯留空間５５ｂとが形成されている。オイル流動抑制部材５０がこのような筒状部５２を含むものであれば、膨張機構４の周囲３６０°を包囲することができるので、内側貯留空間５５ａと外側貯留空間５５ｂとを確実に仕切ることが可能である。

具体的には、膨張機構４の外形に沿った有底筒状の形態を有する容器（カップ）によって流動抑制部材５０が構成されている。底部５１があることにより、内側貯留空間５５ａで冷却されたオイル６０が下から逃げていくことを防止できる。また、このような有底筒状の容器からなる流動抑制部材５０であれば、膨張機構４への取り付けが非常に簡単に行える。ただし、オイル流動抑制部材５０が有底筒状の容器であることは必須ではない。後述する第２実施形態で説明するように、底部を有さない円筒状のオイル流動抑制部材も好適に採用できる。また、本実施形態において筒状部５２は、シャフト５の軸方向に直交する水平方向の断面が円形を示す円筒状であるが、円筒状以外の形状、例えば、上記水平方向の断面が方形を示す角筒状とすることも可能である。

圧縮機構２および膨張機構４について簡単に説明する。

スクロール型の圧縮機構２は、旋回スクロール７と、固定スクロール８と、オルダムリング１１と、軸受部材１０と、マフラー１６と、吸入管１３と、吐出管１５とを備えている。シャフト５の偏心軸５ａに嵌合され、かつ、オルダムリング１１により自転運動を拘束された旋回スクロール７は、渦巻き形状のラップ７ａが、固定スクロール８のラップ８ａと噛み合いながら、シャフト５の回転に伴って旋回運動を行い、ラップ７ａ，８ａの間に形成される三日月形状の作動室１２が外側から内側に移動しながら容積を縮小することにより、吸入管１３から吸入された冷媒を圧縮する。圧縮された冷媒は、リード弁１４を押し開き、固定スクロール８の中央部に形成された吐出孔８ｂ、マフラー１６の内部空間１６ａ、ならびに固定スクロール８および軸受部材１０を貫通する流路１７をこの順に経由して、密閉容器１の内部空間２４に吐出される。シャフト５の給油路２９を通ってこの圧縮機構２に到達したオイル６０は、旋回スクロール７と偏心軸５ａとの摺動面や、旋回スクロール７と固定スクロール８との摺動面を潤滑する。密閉容器１の内部空間２４に吐出された冷媒は、その内部空間２４に滞留する間に、重力や遠心力によってオイル６０と分離され、その後、吐出管１５からガスクーラに向けて吐出される。

シャフト５を介して圧縮機構２を駆動する電動機３は、密閉容器１に固定された固定子２１と、シャフト５に固定された回転子２２とを含む。密閉容器１の上部に配置されたターミナル９から電動機３に電力が供給される。電動機３は、同期機および誘導機のいずれであってもよく、圧縮機構２から吐出された冷媒や冷媒に混入しているオイル６０によって冷却される。

シャフト５は、本実施形態のように互いに連結された複数の部品をからなっていてもよいし、連結部を持たない単一の部品からなっていてもよい。シャフト５の内部には、圧縮機構２および膨張機構４にオイル６０を供給するための給油路２９が軸方向に延びるように形成されている。シャフト５の下端部には、オイルポンプ２７が取り付けられている。オイル流動抑制部材５０の底部５１には、貫通孔５６が形成されており、オイルポンプ２７は、その貫通孔５６を通じてオイル６０を給油路２９に送り込む。また、オイル流動抑制部材５０の底部５１の貫通孔５６からシャフト５の下端部を突出させ、その突出した下端部にオイルポンプ２７を取り付けるようにしてもよい。

図２Ａおよび図２Ｂに膨張機構４の断面図を示す。図１、図２Ａおよび図２Ｂに示すごとく、２段ロータリ型の膨張機構４は、密閉プレート４８、下軸受部材３５、第１シリンダ３２、中板３３、第２シリンダ３４、第２マフラー４９、上軸受部材３１、第１ローラ３６（第１ピストン）、第２ローラ３７（第２ピストン）、第１ベーン３８、第２ベーン３９、第１バネ４０および第２バネ４１を備えている。

図１に示すごとく、第１シリンダ３２は、シャフト５を支持する密閉プレート４８の上部に下軸受部材３５を介して固定されている。第１シリンダ３２の上部には、中板３３が固定されており、その中板３３の上部に第２シリンダ３４が固定されている。第１ローラ３６は、第１シリンダ３２内に配置されており、回転可能な状態でシャフト５の第１偏心部５ｂに嵌合している。第２ローラ３７は、第２シリンダ３４内に配置されており、回転可能な状態でシャフト５の第２偏心部５ｃに嵌合している。図２Ｂに示すごとく、第１ベーン３８は、第１シリンダ３２に形成されたベーン溝３２ａにスライド可能な状態で配置されている。図２Ａに示すごとく、第２ベーン３９は、第２シリンダ３４のベーン溝３４ａにスライド可能な状態で配置されている。第１ベーン３８は、第１バネ４０によって第１ローラ３６に押し付けられ、第１シリンダ３２と第１ローラ３６との間の空間４３を吸入側空間４３ａと吐出側空間４３ｂとに仕切る。第２ベーン３９は、第２バネ４１によって第２ローラ３７に押し付けられ、第２シリンダ３４と第２ローラ３７との間の空間４４を吸入側空間４４ａと吐出側空間４４ｂとに仕切る。中板３３には、第１シリンダ３２の吐出側空間４３ｂと、第２シリンダ３４の吸入側空間４４ａとを連通して、両空間４３ｂ，４４ａによる膨張室を形成する連通孔３３ａが設けられている。

吸入管４２から膨張機構４に吸入された冷媒は、下軸受部材３５に形成された吸入孔３５ａを経由して、第１シリンダ３２の吸入側空間４３ａに案内される。第１シリンダ３２の吸入側空間４３ａは、シャフト５の回転にともなって、吸入孔３５ａとの連通が遮断され、吐出側空間４３ｂへと変化する。シャフト５がさらに回転すると、第１シリンダ３２の吐出側空間４３ｂに移動した冷媒は、中板３３の連通孔３３ａを経由して、第２シリンダ３４の吸入側空間４４ａに案内される。シャフト５がさらに回転すると、第２シリンダ３４の吸入側空間４４ａの容積が増加し、第１シリンダ３２の吐出側空間４３ｂの容積が減少するが、第２シリンダ３４の吸入側空間４４ａの容積増加量が、第１シリンダ３２の吐出側空間４３ｂの容積減少量よりも大きいので、冷媒は膨張する。そしてこの際、冷媒の膨張力がシャフト５に加わるので、電動機３の負荷が軽減される。シャフト５がさらに回転すると、第１シリンダ３２の吐出側空間４３ｂと第２シリンダ３４の吸入側空間４４ａとの連通が遮断され、第２シリンダ３４の吸入側空間４４ａは、吐出側空間４４ｂへと変化する。第２シリンダ３４の吐出側空間４４ｂに移動した冷媒は、第２マフラー４９に形成された吐出孔４９ａを経由して、吐出管４５から吐出される。

ロータリ型の膨張機構４は、その構造上、シリンダ内の空間を２つに仕切るベーンの潤滑が不可欠となるが、膨張機構４がオイルに直接漬かっている場合には、ベーンが配置されているベーン溝の後端を密閉容器内に露出させるという極めて単純な方法により、ベーンを潤滑することができる。本実施形態においても、そのような方法でベーン３８，３９の潤滑を行っている。

圧縮機構および膨張機構の少なくとも一方にロータリ型を採用し、そのロータリ型の機構がオイルに漬からないレイアウトを採用する場合（例えば図１０の構成）、ベーンの潤滑は少々厄介である。まず、ロータリ型の機構の要潤滑部品のうち、ピストンとシリンダは、シャフトの内部に形成された給油路を使えば比較的簡単に潤滑できる。しかしながら、ベーンに関してはそうはいかない。ベーンはシャフトから離れているので、シャフトの給油路からオイルを直接供給することができず、シャフトの上端部から吐出させたオイルをベーン溝に送り込むための何らかの工夫が必須となる。そのような工夫は、例えば、シリンダの外側に給油管を別途設けることであり、部品点数の増加や構造の複雑化を免れない。

これに対し、スクロール型の機構の場合にはそうした工夫が本質的に不要であり、潤滑が必要な全ての部分に比較的簡単にオイルを行き渡らせることが可能である。このような諸事情を鑑みると、ロータリ型の機構がオイルに漬かり、スクロール型の機構が油面よりも上に位置するというレイアウトは、最も優れたレイアウトの１つであるといえる。本実施形態は、そのようなレイアウトを実現するべく、圧縮機構２をスクロール型、膨張機構４をロータリ型とし、そのロータリ型の膨張機構４の周囲がオイル６０で満たされるように、シャフト５の軸方向に沿って、圧縮機構２、電動機３および膨張機構４をこの順番で配置している。

次に、オイル流動抑制部材５０について詳しく説明する。

図１に示すごとく、オイル流動抑制部材５０は、筒状部５２および底部５１を有する容器からなるとともに、シャフト５の下端側から膨張機構４に覆い被さるように、ボルトやネジのような締結部品５４を用いて膨張機構４に固定されている。本実施形態では、膨張機構４にオイル流動抑制部材５０を直接固定しているが、密閉容器１側にオイル流動抑制部材５０を固定することによっても、膨張機構４とオイル流動抑制部材５０との相対位置決めを適切に行なうことが可能である。

オイル流動抑制部材５０によって仕切られた内側貯留空間５５ａおよび外側貯留空間５５ｂのいずれの空間もオイル６０で満たされるが、内側貯留空間５５ａを満たすオイル６０は、膨張機構４によって冷却される。そのため、内側貯留空間５５ａを満たすオイル６０の平均温度は、外側貯留空間５５ｂを満たすオイル６０の平均温度よりも低くなる。

オイル流動抑制部材５０は、内側貯留空間５５ａを満たすオイル６０の体積が、外側貯留空間５５ｂを満たすオイル６０の体積よりも小さくなるように、その形状、寸法および取り付け位置が定められている。言い換えれば、内側貯留空間５５ａの容積は、外側貯留空間５５ｂの容積よりも小さい。内側貯留空間５５ａを満たすオイル６０は、膨張機構４のベーン３８，３９の潤滑およびシールに使用されるだけなので、少量で足りる。他方、オイルポンプ２７に吸い込まれてシャフト５の給油路２９に送られるオイル６０の量は相当多いので、外側貯留空間５５ｂを満たすオイル６０の量は大きい方が好ましい。

オイル流動抑制部材５０の形状や寸法は、膨張機構４の設計に左右されるが、図３の部分拡大図に示すごとく、シャフト５の半径方向に関する内側貯留空間５５ａの平均幅ｄ１よりも、外側貯留空間５５ｂの平均幅ｄ２を大きくすることが好ましい。このようにすれば、内側貯留空間５５ａを満たすオイル６０の体積を、内側貯留空間５５ａを満たすオイル６０の体積よりも十分に小さくすることができる。

また、図１に示すごとく、オイル流動抑制部材５０の底部５１には、貫通孔５６が形成されている。その貫通孔５６を通じてシャフト５の下端部から給油路２９にオイル６０を送り込むことが可能となっている。給油路２９に送り込まれるオイル６０は、外側貯留空間５５ｂを満たしている画分である。また、貫通孔５６の周囲において、底部５１と膨張機構４との隙間は、リング状の封止材５７によって封止されている。これにより、貫通孔５６を通じた内側貯留空間５５ａと外側貯留空間５５ｂとの間のオイル６０の流通が禁止されている。すなわち、封止材５７は、内側貯留空間５５ａを満たす低温のオイル６０と、外側貯留空間５５ｂを満たす高温のオイル６０とが、貫通孔５６を通じて混合することを防止する。この結果、内側貯留空間５５ａには比較的低温のオイル６０が滞留し続けることになり、オイル６０から膨張機構４への熱の移動が抑制される。

また、図３の部分拡大図に示すごとく、オイル流動抑制部材５０は、底部５１の反対側に位置する開口部５２ｇが、膨張機構４の外周面および上軸受部材３１の下面３１ｑの双方から離間している。すなわち、オイル流動抑制部材５０の開口端面５０ｆと、上軸受部材３１の下面３１ｑとの間に、若干の空間（隙間ＳＨ１）が確保されるように、筒状部５２の高さ調整が行われている。筒状部５２の上側の端部５２ｇ（開口部５２ｇ）よりも上に形成されたその隙間ＳＨ１を経由して、外側貯留空間５５ｂから内側貯留空間５５ａにオイル６０が流入可能となっている。このようにすれば、ベーン３８，３９とベーン溝３２ａ，３４ａとの間から膨張機構４の内部に漏れ込む分だけ、つまり、必要最小限のオイル６０だけが外側貯留空間５５ｂから内側貯留空間５５ａに供給されるので、オイル６０の無駄な移動を食い止めることができる。

また、上記隙間ＳＨ１は、オイル流動抑制部材５０の開口部５２ｇの全周囲にわたって形成されている。したがって、３６０°どの角度からでも内側貯留空間５５ａにオイル６０が流入可能である。一見すると、オイル６０が内側貯留空間５５ａに流入できる区間を制限する方が好ましいとも考えられる。しかしながら、隙間ＳＨ１はあまり広くないので、オイル６０が流入できる区間を制限すると、内側貯留空間５５ａにオイル６０が勢いよく流れ込んでしまい、流動を抑制する効果が薄れてしまう。本実施形態のように、３６０°全周囲から緩やかにオイル６０が内側貯留空間５５ａに流れ込んだ方が、内側貯留空間５５ａを満たすオイル６０の流動を抑制する効果は高く、流速増大にともなう熱伝達率の増大をより効果的に食い止めることができる。

また、図１および図３に示すごとく、本実施形態の膨張機一体型圧縮機７０は、シャフト５の給油路２９を通じて外側貯留空間５５ｂから圧縮機構２へと供給され、その圧縮機構２の潤滑を行った後のオイル６０、給油路２９の上端部から溢れ出た余剰のオイル６０、および圧縮後の冷媒から分離されたオイル６０を、オイル６０の自重により外側貯留空間５５ｂに戻すオイル戻し通路３１ａを備えている。オイル戻し通路３１ａを流通するオイル６０が外側貯留空間５５ｂに進むようになっているので、内側貯留空間５５ａを満たすオイル６０は、上から戻ってくるオイル６０と直接混ざりにくく、撹拌作用をうけにくい。

本実施形態では、そのようなオイル戻し通路３１ａとして、上軸受部材３１に形成された複数のオイル戻し孔３１ａを採用している。上軸受部材３１は、電動機３と膨張機構４との間において、密閉容器１に隙間無く固定されており、上軸受部材３１の上下の空間を連通する通路は、実質的にオイル戻し孔３１ａのみとなっている。

オイル戻し孔３１ａとオイル流動抑制部材５０の位置関係は重要である。なぜなら、このオイル戻し孔３１ａを流通するオイル６０が、最初に内側貯留空間５５ａに案内されるか、外側貯留空間５５ｂに案内されるかによって、オイル６０から膨張機構４への熱の移動を抑制する効果に差異が生ずるからである。つまり、図２Ａおよび図２Ｂの横断面図に示すごとく、オイル戻し孔３１ａが、外側貯留空間５５ｂに向かって開口している場合には、内側貯留空間５５ａに比較的高温のオイル６０がまっすぐ流れ落ちてくることを回避できるとともに、内側貯留空間５５ａを満たすオイル６０の流動が小さく保たれる。

より詳しくいえば、シャフト５の軸方向に平行な下方向に、オイル戻し孔３１ａの下側の開口を投影したとき、その開口の投影像の全部が、オイル流動抑制部材５０の開口端面５０ｆの外縁と密閉容器１の内周面との間に位置することである。

また、オイル流動抑制部材５０の筒状部５２には、膨張機構４と向かい合う内周面側に、膨張機構４の外周面に向かって凸のスペーサ部５３が設けられている。スペーサ部５３は、オイル流動抑制部材５０と膨張機構４との密着を阻止し、膨張機構４の周囲全体に内側貯留空間５５ａを確保する。内側貯留空間５５ａは、スペーサ部５３の突出高さで規定される広さを持つことになる。本実施形態では、筒状部５２とスペーサ部５３とが一体形成されているが、オイル流動抑制部材５０を構成する容器とは別体のスペーサ部を用いることも可能である。

図２Ａおよび図２Ｂに示すごとく、スペーサ部５３は、膨張機構４に接する側に位置する先端部が、膨張機構４に接する側とは反対側に位置する基端部よりも幅狭である。具体的には、膨張機構４に接する表面が、膨張機構４に向かって凸の曲面になっている。このような曲面は、例えば、アール面である。このような形状のスペーサ部５３は、膨張機構４に点または線で接触する傾向を示す。すると、オイル流動抑制部材５０自身による伝熱経路が狭くなり、オイル流動抑制部材５０と膨張機構４との接触境界での熱抵抗を高くすることができる。上記接触境界の熱抵抗が高ければ、外側貯留空間５５ｂを満たすオイル６０から膨張機構４へと、オイル流動抑制部材５０を通って熱が移動することを抑制できる。

また、図３に示すごとく、オイル流動抑制部材５０の筒状部５２には、シャフト５の軸方向に関して、膨張機構４の要潤滑部品であるベーン３８，３９が配置されている位置よりも上側端５０ｆ（開口端面５０ｆ）から近い位置に、内側貯留空間５５ａと外側貯留空間５５ｂとの間のオイル６０の流通を許容する通路５８が形成されている。本実施形態においては、そのような通路５８として給油孔５８を採用している。より詳しく説明すると、給油孔５８は、膨張機構４の２つのシリンダ３２，３４のうち、圧縮機構２に近い側のシリンダ３４（第２シリンダ）の下面よりも上方に形成されている。このような位置に給油孔５８を設けておくと、万が一、油面６０ｐが、オイル流動抑制部材５０の開口端面５０ｆを下回った場合でも、給油孔５８から内側貯留空間５５ａにオイルが供給され、膨張機構４のベーン３８，３９とベーン溝３２ａ，３４ａを確実に潤滑することができる。なお、給油孔５８に代えて、開口端面５０ｆから底部５１に向かって延びるスリットをオイル流動抑制部材５０の筒状部５２に形成してもよい。

給油孔５８は、シャフト５の中心に向かってまっすぐ穿孔されたものであってもよいが、図４の模式図に示すように向きが調整されていることが好ましい。その理由は、以下の通りである。密閉容器１の内部空間２４は、上軸受部材３１によって一応上下に仕切られた形になってはいるものの、電動機４が巻き起こす旋回流の影響がオイル戻し孔３１ａを通じて、オイル貯留部６に貯留されているオイル６０にも及ぶ。つまり、オイル貯留部６のオイル６０は、電動機４の回転子２２と同一の回転方向に流動する傾向を示す。この傾向は、オイル流動抑制部材５０によって仕切られた外側貯留空間５５ｂを満たすオイル６０に特に顕著であり、内側貯留空間５５ａを満たすオイル６０がこうした傾向をなるべく示さない方がよい。したがって、図４に示すごとく、外側貯留空間５５ｂから内側貯留空間５５ａに向かって給油孔５８を流通するオイル６０に、電動機４の回転子２２の回転方向とは逆の回転方向の流れを生じさせるように、給油孔５８の向きが調整されていることが好ましい。

例えば、外側貯留空間５５ｂを満たすオイル６０が、シャフト５を中心に上から見て右回りの流れＥＦを形成している場合、給油孔５８は、シャフト５の中心Ｏに近い内側の開口端５８ａよりも外側の開口端５８ｂが上から見て右回りにずれているのがよい。すなわち、オイルの流れＥＦの回転方向における下流側に外側の開口端５８ｂが位置し、上流側に内側の開口端５８ａが位置する。２つの開口端５８ａ，５８ｂがこのような位置関係になっていると、給油孔５８を通って外側貯留空間５５ｂから内側貯留空間５５ａに向かうオイル６０は、外側貯留空間５５ｂに形成されたオイルの流れＥＦとは、いったん逆向きに流れることを要する。これにより、外側貯留空間５５ｂのオイルの流れＥＦの影響が内側貯留空間５５ａに及びにくくなる。

また、オイル流動抑制部材５０を構成する有底筒状の容器は、断熱性を向上させるための構造を含むものであることが好ましい。具体的には、図５の断面模式図に示すような中空断熱構造を採用することができる。内側容器６２と外側容器６３との間の隙間ＳＨ２は、当該オイル流動抑制部材５０を通じた外側貯留空間５５ｂから内側貯留空間５５への熱貫流量を小さくし、オイル６０を媒介とした膨張機構４の加熱および圧縮機構２の冷却の防止に寄与する。こうした中空断熱構造は、別々に作製した内側容器６２と外側容器６３との複数の容器を合体させることによって得ることができる。このようにすれば、１回の射出成形やプレス成形では作り出すことのできない複雑な形状にも対応可能である。

なお、本実施形態では、底部を有する円筒状の容器をオイル流動抑制部材５０として用いているが、例えば、深さが連続的または段階的に変化するすり鉢状の容器等、膨張機構４の外形に合わせて形状が種々調整された容器を使用することが好ましい。

オイル流動抑制部材５０を構成する有底筒状の容器は、樹脂、金属またはセラミック、もしくはこれらの組み合わせによって構成することができる。

好適な樹脂としては、フッ素樹脂（例えばポリテトラフルオロエチレン）、ポリイミド系樹脂（ＰＩ）、ポリアミド樹脂（ＰＡ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）を例示することができる。より好ましくは、多孔質の樹脂を用いることである。多孔質の樹脂は、熱伝導率が金属に比べて低く、内部に形成された多数の空隙により、優れた断熱性能を発揮する。

好適な金属としては、ステンレスやアルミニウムを例示することができる。これらの材料は、経年劣化による腐食や変形の問題がなく、信頼性に優れる。具体的には、鋼材やアルミ材をプレス成形することにより、オイル流動抑制部材５０を作製することができる。プレス成形が生産性に優れる方法であることや、上記した材料が加工容易かつ安価であることを考慮すると、オイル流動抑制部材５０を金属製とする選択は賢明である。

好適なセラミックとしては、アルミナセラミック、窒化ケイ素セラミック、窒化アルミニウムセラミック等、各種工業製品に利用されている種類のものを例示することができる。この種のセラミックは、樹脂や金属に比べて成形性に難があると考えられるが、耐久性や断熱性という観点からは推奨される材料である。一般に、セラミックの熱伝導率は、金属のそれと比べて小さい。したがって、耐久性や断熱性を重視するならば、オイル流動抑制部材５０をセラミック製とすることも視野に入れてもよい。

図８に、本実施形態の膨張機一体型圧縮機を用いた冷凍サイクル装置を示す。冷凍サイクル装置９６は、膨張機一体型圧縮機７０、放熱器９１および蒸発器９２を備えている。この冷凍サイクル装置９６の運転時において、圧縮機構２は、圧縮過程の冷媒とともに温度上昇し、膨張機構４は、膨張過程の冷媒とともに温度低下する。密閉容器１の内部は、圧縮機構２から吐出される高温の冷媒で満たされるので、オイル貯留部６に貯留されるオイル６０の温度も上昇する。

しかしながら、オイル流動抑制部材５０によって内側貯留空間５５ａと外側貯留空間５５ｂとが区画されているので、内側貯留空間５５ａを満たすオイル６０は、膨張機構４により冷却されて温度が低下する。温度が低下したオイル６０は、外側貯留空間５５ｂを満たす高温のオイル６０よりも密度が大きいため、オイル流動抑制部材５０の底部５１から溜まっていき、最終的には内側貯留空間５５ａのオイル６０は大部分が低温になる。

つまり、オイル流動抑制部材５０を設けることで、膨張機構４の周囲を満たすオイル６０が、外側貯留空間５５ｂを満たす高温のオイル６０と混ざることなく低温になるため、膨張機構４がオイル６０によって加熱されることを防止できる。この結果、膨張機構４から吐出される冷媒のエンタルピー上昇が抑制され、膨張機一体型圧縮機７０を用いた冷凍サイクル装置９６の冷凍能力が高まる。また、膨張機構４によって冷却された内側貯留空間５５ａのオイル６０が、外側貯留空間５５ｂのオイル６０と混ざりにくいので、外側貯留空間５５ｂのオイル６０が比較的高温に維持され、この高温のオイル６０で潤滑される圧縮機構２が冷却されることを防止できる。この結果、圧縮機構２から吐出される冷媒のエンタルピー低下が抑制され、膨張機一体型圧縮機７０を用いた冷凍サイクル装置９６の加熱能力が高まる。

（第２実施形態）
先に触れたように、膨張機構４の周囲を満たすオイルの流動を抑制するオイル流動抑制部材に底部が必須というわけではない。図６に示す膨張機一体型圧縮機７００は、実質的に筒状部５２０とスペーサ部５３だけで構成されたオイル流動抑制部材５００を備えている。ただし、筒状部５２０の下端が密閉容器１の底部に隙間無く接している、つまり、筒状部５２０が密閉容器１の底部に固定されているので、筒状部５２０の下側をオイル６０が流通することはできないようになっている。

本実施形態では、シャフト５の下端が内側貯留空間５５ａに露出することになる。そこで、シャフト５の下端部に取り付けられたオイルポンプ２７が外側貯留空間５５ｂを満たすオイル６０を吸入できるように、オイルポンプ２７と外側貯留空間５５ｂとを結ぶ給油管６１を設けている。これにより、第１実施形態と同様、内側貯留空間５５ａを満たすオイル６０の流動が抑制される。

（第３実施形態）
第１実施形態では、膨張機一体型圧縮機７０の膨張機構４にオイル流動抑制部材５０を取り付けた例を説明したが、同様の構成を単独の膨張機にも採用できる。図７に示す本実施形態の膨張機８０は、密閉容器８１、密閉容器８１内に配置された発電機３０、および発電機３０とシャフト８５で連結されるとともに周囲がオイルで満たされるように密閉容器８１内に配置された膨張機構４を備えている。膨張機構４には、オイル流動抑制部材５０が取り付けられている。膨張機構４およびオイル流動抑制部材５０の構成は、第１実施形態と同一である。冷媒が膨張する際の膨張エネルギーは膨張機構４によって回収され、発電機３０により電力に変換される。発電機３０で生成した電力は、ターミナル８２から密閉容器８１の外部に取り出すことができる。膨張機構４にオイル流動抑制部材５０を取り付けることで、高温のオイル６０による膨張機構４の加熱が防止される。こうした効果については、第１実施形態で説明した通りである。

図９に、本実施形態の膨張機を用いた冷凍サイクル装置を示す。冷凍サイクル装置９７は、圧縮機９０、放熱器９１、膨張機８０および蒸発器９２を備える。圧縮機９０と膨張機８０は、それぞれ専用の密閉容器を有する。

一般的な冷凍サイクル装置においては、冷媒にオイルが混入することが知られているが、圧縮機構２で冷媒に混入するオイルの量と、膨張機構４で冷媒に混入するオイルの量は、必ずしも一致しない。第１実施形態の膨張機一体型圧縮機７０を用いた冷凍サイクル装置９６は、圧縮機構２と膨張機構４に使用するオイルが兼用なので、オイルの収支を考慮する必要がない。

これに対し、図９に示す冷凍サイクル装置９７のように、圧縮機９０と膨張機８０が独立している場合には、オイルの収支を考慮する必要がある。具体的には、圧縮機９０と膨張機８０とでオイル量をバランスさせるために、圧縮機９０と膨張機８０とを均油管８４で接続する。この均油管８４は、一端が膨張機８０の密閉容器８１のオイル貯留部６（図７参照）に開口し、他端が圧縮機９０の密閉容器のオイル貯留部（図示省略）に開口するように、それら圧縮機９０および膨張機８０に取り付けられる。さらに、圧縮機９０と膨張機８０とを均圧管８３で接続し、圧縮機９０の内部の雰囲気と、膨張機８０の内部の雰囲気とを等しくすることが、圧縮機９０内と膨張機８０内の油面を安定させる上で望ましい。

以上、本発明の膨張機一体型圧縮機および膨張機は、例えば、空気調和機、給湯機、各種乾燥機または冷凍冷蔵庫に用いられる冷凍サイクル装置に好適に採用できる。

本発明の第１実施形態にかかる膨張機一体型圧縮機の縦断面図 図１のＡ−Ａ横断面図 図１のＢ−Ｂ横断面図 図１の部分拡大図 オイル流動抑制部材の給油孔による作用を説明する模式図 オイル流動抑制部材を構成する容器の他の例の縦断面図 第２実施形態にかかる膨張機一体型圧縮機の縦断面図 本発明の第３実施形態にかかる膨張機の縦断面図 本発明の膨張機一体型圧縮機を用いた冷凍サイクル装置のブロック図 本発明の膨張機を用いた冷凍サイクル装置のブロック図 従来の膨張機一体型圧縮機の縦断面図 従来の他の膨張機一体型圧縮機の縦断面図

Claims (19)

1. 底部がオイル貯留部として利用される密閉容器と、
   周囲がオイルで満たされるように前記密閉容器内に配置された膨張機構と、
   前記密閉容器と前記膨張機構との間のオイルを貯留するべき空間を、前記膨張機構との間の空間である内側貯留空間と、前記密閉容器との間の空間である外側貯留空間とに仕切り、前記内側貯留空間を満たすオイルの流動を、前記外側貯留空間を満たすオイルの流動よりも抑制する、前記膨張機構の周囲に配置されたオイル流動抑制部材と、
   を備えた膨張機。
2. 底部がオイル貯留部として利用される密閉容器と、
   周囲がオイルで満たされるように前記密閉容器内に配置された膨張機構と、
   油面よりも上に位置するように前記密閉容器内に配置された圧縮機構と、
   前記圧縮機構と前記膨張機構とを連結するシャフトと、
   前記密閉容器と前記膨張機構との間のオイルを貯留するべき空間を、前記膨張機構との間の空間である内側貯留空間と、前記密閉容器との間の空間である外側貯留空間とに仕切り、前記内側貯留空間を満たすオイルの流動を、前記外側貯留空間を満たすオイルの流動よりも抑制する、前記膨張機構の周囲に配置されたオイル流動抑制部材と、
   を備えた膨張機一体型圧縮機。
3. 前記シャフトの内部に形成された給油路を通じて前記外側貯留空間から前記圧縮機構へと供給され、前記圧縮機構の潤滑を行った後のオイルを、オイルの自重により前記外側貯留空間に戻すオイル戻し通路をさらに備えた、請求項２記載の膨張機一体型圧縮機。
4. 前記膨張機構と前記圧縮機構との間に配置され、前記シャフトを回転駆動する電動機をさらに備え、
   前記オイル戻し通路は、前記密閉容器内における、前記電動機と前記膨張機構との間に形成されるとともに、前記外側貯留空間に向かって開口している、請求項３記載の膨張機一体型圧縮機。
5. 前記オイル流動抑制部材は、前記膨張機構の外形に沿った形状を有する筒状部を含み、その筒状部が前記膨張機構を取り囲むことにより、前記内側貯留空間と前記外側貯留空間とが形成されている、請求項２記載の膨張機一体型圧縮機。
6. 前記内側貯留空間を満たすオイルの体積が、前記外側貯留空間を満たすオイルの体積よりも小さくなるように、前記筒状部の形状、寸法および取り付け位置が定められている、請求項５記載の膨張機一体型圧縮機。
7. 前記シャフトの軸方向に平行な方向を上下方向としたときの、前記筒状部の上側の端部よりも上に形成された隙間を経由して、前記内側貯留空間にオイルが流入可能となっている、請求項５記載の膨張機一体型圧縮機。
8. 前記オイル流動抑制部材は、前記膨張機構の外形に沿った形状を有する有底筒状の容器を含み、前記筒状部が前記容器の一部を構成する、請求項５記載の膨張機一体型圧縮機。
9. 前記シャフトの内部には前記圧縮機構にオイルを供給するための給油路が軸方向に延びるように形成され、
   前記容器の底部には貫通孔が形成されており、その貫通孔を通じて前記シャフトの下端部から前記給油路に前記外側貯留空間を満たすオイルが送り込まれる一方、
   前記貫通孔の周囲において、前記容器の底部と前記膨張機構との隙間が封止されることにより、前記貫通孔を通じた前記内側貯留空間と前記外側貯留空間との間のオイルの流通が禁止されている、請求項８記載の膨張機一体型圧縮機。
10. 前記オイル流動抑制部材は、前記筒状部と前記膨張機構との密着を阻止して前記内側貯留空間を確保するスペーサ部をさらに含む、請求項５記載の膨張機一体型圧縮機。
11. 前記スペーサ部は、前記膨張機構に接する側に位置する先端部が、前記膨張機構に接する側とは反対側に位置する基端部よりも幅狭である、請求項１０記載の膨張機一体型圧縮機。
12. 前記シャフトの軸方向に平行な方向を上下方向としたとき、
    前記筒状部には、前記膨張機構の要潤滑部品が配置されている位置よりも当該筒状部の上側端に近い位置に、前記内側貯留空間と前記外側貯留空間との間のオイルの流通を許容する通路が形成されている、請求項５記載の膨張機一体型圧縮機。
13. 前記通路は、前記外側貯留空間から前記内側貯留空間に向かって当該通路を流通するオイルに、前記電動機の回転子の回転方向とは逆の回転方向の流れを生じさせる、請求項１２記載の膨張機一体型圧縮機。
14. 前記有底筒状の容器が樹脂によって構成されている、請求項８記載の膨張機一体型圧縮機。
15. 前記有底筒状の容器が金属によって構成されている、請求項８記載の膨張機一体型圧縮機。
16. 前記有底筒状の容器がセラミックによって構成されている、請求項８記載の膨張機一体型圧縮機。
17. 前記有底筒状の容器は、断熱性を向上させるための構造を含む、請求項８記載の膨張機一体型圧縮機。
18. 前記断熱性を向上させるための構造が中空断熱構造である、請求項１７記載の膨張機一体型圧縮機。
19. 前記膨張機構と前記圧縮機構との間に配置され、前記シャフトを回転駆動する電動機をさらに備え、
    前記圧縮機構がスクロール型であり、前記膨張機構がロータリ型であり、
    前記膨張機構の周囲がオイルで満たされるように、前記シャフトの軸方向に沿って、前記圧縮機構、前記電動機および前記膨張機構がこの順番で配置されている、請求項２記載の膨張機一体型圧縮機。

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