JP4382151B2 - ２段ロータリ式膨張機、膨張機一体型圧縮機および冷凍サイクル装置 - Google Patents

２段ロータリ式膨張機、膨張機一体型圧縮機および冷凍サイクル装置 Download PDF

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Description

本発明は、２段ロータリ式膨張機、２段ロータリ式の膨張機構を有する膨張機一体型圧縮機、および冷凍サイクル装置に関する。
従来から、作動流体の膨張エネルギーを膨張機で回収し、回収されたエネルギーを圧縮機の入力の一部等として利用する動力回収式の冷凍サイクル装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
また、膨張機の一種として、シリンダと、シリンダ内で偏心回転運動を行うピストンとを備え、これらシリンダとピストンとの間に、ピストンの偏心回転運動に伴って容積が変化する作動室が形成されたロータリ式膨張機が知られている。ロータリ式膨張機では、ピストンの偏心回転運動によって、吸入孔から作動室に作動流体を吸入する吸入過程と、作動室内で作動流体が膨張する膨張過程と、吐出孔を通じて作動流体を吐出する吐出過程とが順に行われる。吸入過程では、吸入孔と作動室とが連通した状態で作動室の容積が増加する。膨張過程では、吸入孔および吐出孔が作動室と連通しない状態で作動室の容積が増加する。吐出過程では、作動室と吐出孔とが連通した状態で作動室の容積が減少する。
ところで、シリンダが一つしかないいわゆる単段式のロータリ式膨張機の場合、ピストンがシリンダ内で一回転する間に、上記吸入過程、膨張過程および吐出過程が行われなければならない。その際、作動室に対する作動流体の流入速度は、吸入孔が開いた後、シリンダ内のピストンの回転に従って徐々に増加するが、吸入過程の終了時に瞬間的に零となり、急激に低下する。このため、吸入孔において作動流体の急激な圧力変動、いわゆる脈動が生じやすい。
そこで、シリンダおよびピストンを２組備えた２段ロータリ式膨張機が提案されている（例えば、特許文献２参照）。特許文献２に開示された２段ロータリ式膨張機は、第１シリンダおよび第２シリンダを備え、第１シリンダ内の下流側の作動室と第２シリンダ内の上流側の作動室とが連通路を介してつながっている。そして、作動流体の吸入過程、膨張過程および吐出過程は、第１シリンダ内、連通路および第２シリンダ内の全体で行われる。特許文献２の記載によれば、この２段ロータリ式膨張機では、作動室に対する作動流体の流入速度は、吸入孔が開いてから、第１シリンダ内のピストンの回転に従って徐々に増加した後、徐々に低下し、零となる。そのため、作動流体の流入速度の急激な変化が抑制され、作動流体の脈動を抑制することができると考えられていた。
特開２００１−１１６３７１号公報 特開２００５−１０６０４６号公報
ところが、本願発明者は、鋭意研究の結果、この種の２段ロータリ式膨張機であっても、作動流体の吸い込みに際して、依然として脈動が発生することを見出した。
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、２段ロータリ式膨張機、または２段ロータリ式の膨張機構を有する装置等において、作動流体の吸い込みに際しての脈動をより一層抑制することにある。
本発明に係る２段ロータリ式膨張機は、第１シリンダと、前記第１シリンダの一端側を閉塞する第１閉塞部材と、前記第１シリンダの他端側を閉塞する中間閉塞部材と、前記中間閉塞部材によって一端側が閉塞された第２シリンダと、前記第２シリンダの他端側を閉塞する第２閉塞部材と、前記第１シリンダ内に配置され、前記第１閉塞部材および前記中間閉塞部材とともに前記第１シリンダ内に第１作動室を区画し、前記第１シリンダ内で偏心回転運動を行う第１ピストンと、前記第２シリンダ内に配置され、前記中間閉塞部材および前記第２閉塞部材とともに前記第２シリンダ内に第２作動室を区画し、前記第２シリンダ内で偏心回転運動を行う第２ピストンと、前記第１作動室を上流側第１作動室と下流側第１作動室とに仕切る第１仕切部材と、前記第２作動室を上流側第２作動室と下流側第２作動室とに仕切る第２仕切部材と、前記上流側第１作動室に臨む吸入孔と、前記中間閉塞部材に形成され、一端が前記下流側第１作動室に臨み、他端が前記上流側第２作動室に臨む連通路と、前記下流側第２作動室に臨む吐出孔と、を備え、前記連通路の一端は、前記吸入孔と前記連通路の一端とがつながらないように、前記第１シリンダの内周面よりも内側に寄った位置に設けられている、ものである。
前記連通路の一端は、前記連通路の一端が前記第１ピストンによって閉じられてから前記第１シリンダと前記第１ピストンとの接点が前記吸入孔を通過するまでの間、前記第１ピストンによって塞がれていることが好ましい。
また、前記連通路の一端は、前記第１シリンダの内周面に沿う方向に延びる略楕円状をなしていてもよい。
前記吸入孔は、前記第１シリンダに形成されていてもよい。
また、前記吸入孔は、前記第１閉塞部材または前記中間閉塞部材に形成されていてもよい。
また、前記吸入孔は、前記第１シリンダおよび前記第１閉塞部材にまたがって形成され、あるいは、前記第１シリンダおよび前記中間閉塞部材にまたがって形成されていてもよい。
本発明に係る膨張機一体型圧縮機は、前記ロータリ式膨張機からなる膨張機構と、作動流体を圧縮する圧縮機構と、前記膨張機構と前記圧縮機構とを連結する回転軸と、前記膨張機構と前記圧縮機構と前記回転軸とを収容する密閉容器と、を備えたものである。
前記回転軸は、前記圧縮機構に取り付けられた第１回転軸と、前記第１回転軸に結合され、前記膨張機構に取り付けられた第２回転軸とを有していてもよい。
本発明に係る冷凍サイクル装置は、前記ロータリ式膨張機を備えたものである。
また、本発明に係る冷凍サイクル装置は、前記膨張機一体型圧縮機を備えたものである。
前記冷凍サイクル装置には、作動流体として二酸化炭素が充填されていてもよい。
本発明によれば、２段ロータリ式膨張機、または２段ロータリ式の膨張機構を有する装置等において、作動流体の吸い込みに際しての脈動を抑制することができる。
実施形態に係る膨張機一体型圧縮機の縦断面図 図１のII−II線断面図 図１のIII−III線断面図 実施形態１に係る冷凍サイクル装置の冷媒回路図 膨張機一体型圧縮機の膨張機構の動作原理を示す図 膨張機一体型圧縮機の膨張機構の動作原理を示す図 膨張機一体型圧縮機の膨張機構の動作原理を示す図 膨張機一体型圧縮機の膨張機構の動作原理を示す図 膨張機一体型圧縮機の膨張機構の動作原理を示す図 膨張機一体型圧縮機の膨張機構の動作原理を示す図 膨張機一体型圧縮機の膨張機構の動作原理を示す図 膨張機一体型圧縮機の膨張機構の動作原理を示す図 実施形態１に係る膨張機構の一部の縦断面図 実施形態１に係る膨張機構の一部の横断面図 膨張機一体型圧縮機の膨張機構における回転軸の回転角と作動室の各行程との関係を示す図 膨張機一体型圧縮機の膨張機構における回転軸の回転角と作動室容積との関係を示す図 実施形態２に係る膨張機構の一部の縦断面図 実施形態２に係る膨張機構の一部の横断面図 実施形態３に係る膨張機構の一部の縦断面図 実施形態３に係る膨張機構の一部の横断面図 作動室内の閉塞空間を説明する図 作動室内の閉塞空間を説明する図 変形例に係る膨張機構の一部の縦断面図 変形例に係る膨張機構の一部の縦断面図 変形例に係る膨張機構の一部の縦断面図 変形例に係る冷凍サイクル装置の冷媒回路図
《各実施形態の概要》
本願発明者は、鋭意研究の結果、２段ロータリ式膨張機における作動流体の吸込み時の脈動は、主に以下の原因によって生じることを見出した。すなわち、２段ロータリ式膨張機には、第１シリンダ内の下流側の作動室と第２シリンダ内の上流側の作動室とを連通させる連通路が設けられており、この連通路も作動室の一部として機能する。ところが、連通路はピストンによっていわば瞬間的に開閉されるので、連通路が瞬間的に開かれると、作動室の容積がステップ状に増加する。連通路内の圧力は直前に行われた膨張過程によって低くなっているので、作動流体の吸入過程において連通路が瞬間的に開かれると、作動流体が吸入孔から作動室に急激に流れ込む。その結果、膨張機内における作動流体の圧力が急激に変化し、脈動が生じることとなる。
そこで、以下に説明する各実施形態では、吸入過程の間は連通路を閉じ、吸入過程の終了時点またはその後に連通路を開くようにした。以下、本発明の実施形態について詳述する。なお、以下の各実施形態では、作動流体を冷媒と称する。
＜実施形態１＞
《膨張機一体型圧縮機の構成》
図１に示すように、本実施形態に係る膨張機一体型圧縮機１０は、密閉容器１１と、密閉容器１１内の上側に配置されたスクロール式の圧縮機構１と、密閉容器１１内の下側に配置された２段ロータリ式の膨張機構３とを備えている。圧縮機構１と膨張機構３との間には、回転子６ａおよび固定子６ｂを備えた回転電動機６が配置されている。これら圧縮機構１と回転電動機６の回転子６ａと膨張機構３とは、回転軸７によって連結されている。
《圧縮機構の構成》
圧縮機構１は、固定スクロール２１と、旋回スクロール２２と、オルダムリング２３と、軸受部材２４と、マフラー２５とを備えている。密閉容器１１には、吸入管２６と、吐出管２７とが接続されている。旋回スクロール２２は、回転軸７の偏心軸７ａに嵌合されており、オルダムリング２３によって自転運動を拘束されている。旋回スクロール２２には渦巻形状のラップ２２ａが設けられ、固定スクロール２１にも渦巻形状のラップ２１ａが設けられている。これらラップ２２ａとラップ２１ａとは、互いに噛み合うことにより、横断面が三日月形状の作動室２８を形成している。
旋回スクロール２２のラップ２２ａは、固定スクロール２１のラップ２１ａと噛み合いながら、回転軸７の回転に伴って旋回運動を行う。その結果、ラップ２１ａとラップ２２ａとの間に形成される三日月形状の作動室２８は、半径方向の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２６から吸入された冷媒を圧縮する。圧縮された冷媒は、固定スクロール２１の中央部に形成された吐出孔２１ｂ、マフラー２５の内側空間２５ａ、並びに、固定スクロール２１および軸受部材２４を貫通する流路２９をこの順に経由し、密閉容器１１の内部空間１１ａへと吐出される。内部空間１１ａに吐出された冷媒は、内部空間１１ａに滞留する間に当該冷媒に混入した潤滑用のオイルが重力や遠心力などによって分離された後、吐出管２７から吐出される。
《膨張機構の構成》
膨張機構３は、第１シリンダ４１と、第１シリンダ４１よりも厚みのある第２シリンダ４２と、これらのシリンダ４１，４２を仕切る中板（中間閉塞部材）４３とを備えている。第１シリンダ４１と第２シリンダ４２とは、いずれも円筒面を形成する内周面を有する筒状に形成されており、互いの内周面の中心が一致するように上下に一直線状に配置されている。
膨張機構３は、さらに、円筒状の第１ピストン４４と、第１ベーン（第１仕切部材）４６と、第１ベーン４６を第１ピストン４４側に付勢する第１ばね４８とを備えている。第１ピストン４４の内部には回転軸７の偏心部７ｂが挿入されており、第１ピストン４４は、偏心部７ｂの回転に伴って、第１シリンダ４１の内部で偏心回転運動する。第１シリンダ４１には、半径方向に延びるベーン溝４１ａ（図２参照）が形成されている。第１ベーン４６は、ベーン溝４１ａに往復動自在に保持されている。第１ベーン４６の一方の端部は第１ピストン４４に接し、第１ベーン４６の他方の端部は第１ばね４８と接している。
また、膨張機構３は、円筒状の第２ピストン４５と、第２ベーン（第２仕切部材）４７と、第２ベーン４７を第２ピストン４５側に付勢する第２ばね４９とを備えている。第２ピストン４５の内部には回転軸７の偏心部７ｃが挿入されており、第２ピストン４５は、偏心部７ｃの回転に伴って、第２シリンダ４２の内部で偏心回転運動する。第２シリンダ４２には、半径方向に延びるベーン溝４２ａ（図３参照）が形成されている。第２ベーン４７は、ベーン溝４２ａに往復動自在に保持されている。第２ベーン４７の一方の端部は第２ピストン４５に接し、第２ベーン４７の他方の端部は第２ばね４９と接している。
膨張機構３は、さらに、第１シリンダ４１と中板４３と第２シリンダ４２とを狭持するように配置された上側端板（第１閉塞部材）５０および下側端板（第２閉塞部材）５１を備えている。上側端板５０および中板４３は、第１シリンダ４１を上下から狭持し、中板４３および下側端板５１は、第２シリンダ４２を上下から狭持している。すなわち、上側端板５０は第１シリンダ４１の上端側（一端側）を閉塞し、中板４３は第１シリンダ４１の下端側（他端側）および第２シリンダ４２の上端側（一端側）を閉塞し、下側端板５１は第２シリンダの下端側（他端側）を閉塞している。そして、上側端板５０および中板４３ならびに第１シリンダ４１内に配置された第１ピストン４１によって第１シリンダ４１内に第１作動室が区画され、中板４３および下側端板５１ならびに第２シリンダ４２内に配置された第２ピストンによって第２シリンダ４２内に第２作動室が区画されている。なお、上側端板５０および下側端板５１は、圧縮機構１の軸受部材２４とともに、回転軸７を回転自在に支持する軸受部材としても機能する。膨張機構３も、圧縮機構１と同様に、マフラー５２を備えている。膨張機構３には、吸入管５３と吐出管５８（図１において図示せず。図２参照）とが接続されている。
図２に示すように、第１シリンダ４１の内側かつ第１ピストン４４の外側には、上流側第１作動室５５ａと下流側第１作動室５５ｂとが形成されている。これらの作動室５５ａ，５５ｂは、前記の第１作動室が第１ベーン４６によって仕切られることにより構成されている。図３に示すように、第２シリンダ４２の内側かつ第２ピストン４５の外側にも、上流側第２作動室５６ａと下流側第２作動室５６ｂとが形成されている。これらの作動室５６ａ，５６ｂは、前記の第２作動室が第２ベーン４７によって仕切られることにより構成されている。第２シリンダ４２は第１シリンダ４１よりも厚み（すなわち、上下方向の長さ）が大きいので、第２シリンダ４２における２つの作動室５６ａ、５６ｂの合計容積は、第１シリンダ４１における２つの作動室５５ａ、５５ｂの合計容積よりも大きい。
図１に示すように、上側端板５０には、半径方向内向きに延びてから下向きに曲がる吸入路９０が形成されている。吸入路９０の半径方向外側端には、吸入管５３が接続されている。図２に示すように、第１シリンダ４１の内周面には、半径方向外向きに凹んだ縦溝からなる吸入孔７１が形成されている。吸入孔７１は、第１シリンダ４１内の上流側第１作動室５５ａに向かって半径方向内向きに開口しており、上流側第１作動室５５ａに臨んでいる。吸入孔７１は、吸入路９０の下流端に位置しており、吸入路９０と連続している。これにより、吸入管５３から吸い込まれた冷媒は、吸入路９０を流れた後、吸入孔７１を通じて作動室５５ａに供給される。
図１に示すように、中板４３には連通路４３ａが形成されている。連通路４３ａの一端（上流側開口）は、第１シリンダ４１の下流側第１作動室５５ｂに臨み（図２参照）、連通路４３ａの他端（下流側開口）は、第２シリンダ４２の上流側第２作動室５６ａに臨んでいる（図３参照）。これにより、第１シリンダ４１の下流側第１作動室５５ｂと、第２シリンダ４２の上流側第２作動室５６ａとは、連通路４３ａを通じて連通している。これら下流側第１作動室５５ｂと連通路４３ａと上流側第２作動室５６ａとは、一つの作動室として機能する。以下、下流側第１作動室５５ｂと連通路４３ａと上流側第２作動室５６ａとで形成される作動室を、膨張室と称する。
本実施形態の膨張機構３は、吸入孔７１と連通路４３ａの一端とがつながらない状態が保たれる構造を有している。詳細は後述するが、連通路４３ａの一端は、第１シリンダ４１の内周面よりも内側に寄った位置に設けられていて、吸入孔７１と連通していない状態の下流側第１作動室５５ｂのみと連通するように第１ピストン４４によって開閉される。本実施形態では、冷媒の吸入過程、膨張過程および吐出過程は、第１シリンダ４１内の作動室５５ａ，５５ｂと、連通路４３ａと、第２シリンダ４２内の作動室５６ａ，５６ｂとの全体で行われるが、連通路４３ａでは吸入過程は行われず、膨張過程の一部が行われる。
図３に示すように、下側端板５１には、下流側第２作動室５６ｂに向かって上向きに開口して下流側第２作動室５６ｂに臨む吐出孔５１ａが形成されている。第２シリンダ４２内の下流側第２作動室５６ｂは、吐出孔５１ａを通じて、マフラー５２の内部空間５２ａ（図１参照）に連通している。また、第１シリンダ４１および第２シリンダ４２には、これら第１シリンダ４１および第２シリンダ４２を貫通する流路５７が形成されている。流路５７の下流側は、吐出管５８に接続されている。このような構成により、下流側第２作動室５６ｂ内の膨張後の冷媒は、吐出孔５１ａを通じて内部空間５２ａにいったん吐出され、流路５７を経由した後、吐出管５８から吐出される。
図３に示すように、下側端板５１に設けられた吐出孔５１ａには、吐出弁８２ａが配置されている。吐出弁８２ａは、例えば金属の薄板から構成され、吐出孔５１ａをマフラー５２の内部空間５２ａ側から塞ぐように配置されている。吐出弁８２ａは、上流側（第２シリンダ４２の下流側第２作動室５６ｂ側）の圧力が下流側（マフラー５２の内部空間５２ａ側）の圧力より高くなると開く差圧弁である。吐出弁８２ａは、膨張機構３における冷媒の過膨張を防止する機能を有する。ただし、吐出弁８２ａは必ずしも必要ではなく、吐出弁８２ａを省略することも可能である。
図１に示すように、本実施形態では、回転軸７は、圧縮機構１側の回転軸７ｆと、膨張機構３側の回転軸７ｇとによって形成されている。これら回転軸７ｆと回転軸７ｇとは、結合部７ｈにおいて結合されている。なお、結合部７ｈの構成は何ら限定されないが、例えば、スプライン、セレーション等を好適に利用することができる。
《冷凍サイクル装置の構成》
図４に示すように、本実施形態に係る冷凍サイクル装置９は、膨張機一体型圧縮機１０とともに、放熱器（ガスクーラ）２と蒸発器４とを備えている。冷凍サイクル装置９は、膨張機一体型圧縮機１０の圧縮機構１と、放熱器２と、膨張機一体型圧縮機１０の膨張機構３と、蒸発器４とが順に環状に接続されてなる主冷媒回路８０を備えている。また、冷凍サイクル装置９は、バイパス通路８３を備えている。バイパス通路８３は、放熱器２からの冷媒を、膨張機構３を通過させずに蒸発器４に供給する通路である。バイパス通路８３には、開閉自在な弁９３が設けられている。なお、弁９３には、開度調整自在な電磁弁等を好適に用いることができる。
冷凍サイクル装置９には、冷媒として二酸化炭素が充填されている。本実施形態では、冷媒は、冷媒回路の高圧側（具体的には、圧縮機構１から放熱器２を経て膨張機構３に至る部分）において超臨界状態となる。ただし、冷媒の種類は特に限定される訳ではない。
《膨張機構の動作》
次に、図５Ａ〜図７Ｂを参照しながら、膨張機一体型圧縮機１０の膨張機構３の動作を説明する。図５Ａ〜図７Ｂには、回転軸７の回転角θが４５°ごとのピストン４４，４５の状態が示されている。ここでは、第１シリンダ４１と第１ピストン４４との接点が第１ベーン４６と接触する位置をいわゆる上死点（θ＝０°）とし、回転軸７の回転方向である時計回り方向を回転角θの正の方向として表示する。膨張機構３は、回転軸７が３回転する間に、吸入過程から吐出過程までの１サイクルを行う。このため、図５Ａ〜図７Ｂでは、回転角θを、整数ｎ（ｎ＝０、１、２）を用いて表現している。
まず、ピストン４４，４５の１周目（ｎ＝０）のθ＝０°からサイクルが開始され、θ＝１０°（図示せず）で第１シリンダ４１と第１ピストン４４との接点が吸入孔７１の円周方向の一端７１ａ（図８Ｂ参照）を通過すると、上流側第１作動室５５ａと吸入孔７１とが連通して吸入過程が始まる。図８Ｂに示すように、ピストン４４，４５がさらに回転し、θ＝３０°となると、第１シリンダ４１と第１ピストン４４との接点が吸入孔７１の円周方向の他端７１ｂを通過し、吸入孔７１は全開状態となる。
このように、吸入孔７１は円周方向の長さを有しているので、厳密には、ピストン４４の回転に伴って徐々に開放される。しかし、ピストン４４は高速で回転するので、事実上、吸入孔７１は瞬間的に開放される。以下では説明を簡単にするため、特に断らない限り、第１シリンダ４１と第１ピストン４４との接点が吸入孔７１の円周方向の中央（θ＝２０°）を通過したときに、吸入孔７１が閉状態から開状態に瞬間的に変化するものとする。連通路４３ａおよび吐出孔５１ａについても同様とする。
吸入過程が開始された後、ピストン４４，４５の回転に伴って回転角θが大きくなっていき、回転角θの増加に伴って上流側第１作動室５５ａの容積が増加する。やがて、第１シリンダ４１と第１ピストン４４との接点が２周目（ｎ＝１）開始のθ＝３６０°を過ぎると、上流側第１作動室５５ａは下流側第１作動室５５ｂに変化する。
回転軸７がさらに回転すると、θ＝３８０°（正確にはθ＝３９０°）において、第１シリンダ４１と第１ピストン４４との接点が吸入孔７１を通過し、下流側第１作動室５５ｂと吸入孔７１との連通が断たれる。この時点で吸入過程が終了し、膨張過程が始まる。
このように、本実施形態では、吸入孔７１がθ＝２０°の位置に形成されており、ピストン４４の回転方向における吸入孔７１と第１ベーン４６との位置が僅かにずれている。そのため、上流側第１作動室５５ａが下流側第１作動室５５ｂに変化した後であっても、吸入孔７１が閉じられるまでは、吸入過程が継続する。すなわち、仕切部材である第１ベーン４６を境として上流側の作動室５５ａと下流側の作動室５５ｂとを規定した場合、若干の間ではあるが、下流側の作動室５５ｂに冷媒が吸入される期間が存在する。そこで、本明細書では、上流側の作動室５５ａおよび下流側の作動室５５ｂのうち、吸入孔７１と連通する作動室を「吸入側第１作動室」と称し、吸入孔７１と連通しない作動室を「吐出側第１作動室」と称することとする。なお、仮に、ピストン４４の回転方向における第１ベーン４６と吸入孔７１との位置が同一であれば、上流側第１作動室５５ａと吸入側第１作動室とは一致し、下流側第１作動室５５ｂと吐出側第１作動室とは一致することになる。
前述したように、本実施形態では、連通路４３ａの一端は、第１シリンダ４１の内周面よりも内側に寄った位置に設けられていて、吸入孔７１と連通していない状態の下流側第１作動室５５ｂのみと連通するように第１ピストン４４によって開閉されるようになっている。具体的には、連通路４３ａの一端は、第１シリンダ４１の内周面に沿って延びる略楕円状をなしている。そして、連通路４３ａの一端は、例えば、回転軸７の回転角θが３０°を過ぎてから徐々に開かれ、回転角θが１２０°となったときに完全に開かれる。また、連通路４３ａの一端は、例えば、回転軸７の回転角θが２１０°を過ぎてから徐々に閉じられ、回転角θが３３０°となったときに完全に閉じられる。換言すれば、連通路４３ａの一端は、第１シリンダ４１と第１ピストン４４との接点が当該一端に接近した時から吸入孔７１を通過するまでの間は塞がれるようになっている。このため、連通路４３ａの一端は、上流側第１作動室５５ａだけでなく吸入孔７１が連通している状態の下流側第１作動室５５ｂと連通することがなく、吸入孔７１と連通路４３ａの一端とがつながらない状態が保たれる。
なお、連通路４３ａの一端が開閉する角度は上述した角度に限定されるものではない。すなわち連通路４３ａの一端は、吸入過程の間は吸入孔７１が連通する上流側第１作動室５５ａまたは下流側第１作動室５５ｂと非連通状態となり、吸入孔７１と下流側第１作動室５５ｂとの連通が断たれる吸入過程の終了時点またはその後に、下流側第１作動室５５ｂと連通する位置に形成されていればよい。
第１シリンダ４１と第１ピストン４４との接点が吸入孔７１を通過した瞬間またはその後に、連通路４３ａが下流側第１作動室５５ｂと連通すると、下流側第１作動室５５ｂは連通路４３ａを介して第２シリンダ４２の上流側第２作動室５６ａと連通し、一つの作動室（＝膨張室）を形成する。
回転軸７がさらに回転すると、下流側第１作動室５５ｂの容積は減少するが、前述したように第１シリンダ４１よりも第２シリンダ４２の方が厚み（上下方向長さ）が大きいため、上流側第２作動室５６ａの容積はそれ以上の割合で増加する。その結果、膨張室（＝下流側第１作動室５５ｂ＋連通路４３ａ＋上流側第２作動室５６ａ）の容積は増加していき、冷媒は膨張する。
回転軸７がさらに回転し、θ＝７００°（図示せず）に至ると、第２シリンダ４２と第２ピストン４５との接点が吐出孔５１ａを通過し、膨張室（詳しくは、作動室５６ａ）が吐出孔５１ａと連通する。この時点で、膨張過程は終了し、吐出過程が始まる。
３周目（ｎ＝２）の開始のθ＝７２０°において、第１シリンダ４１の下流側第１作動室５５ｂは消滅し、第２シリンダ４２の上流側第２作動室５６ａは下流側第２作動室５６ｂに変化し、さらに、回転軸７が回転するにつれて、下流側第２作動室５６ｂの容積が減少し、冷媒が吐出孔５１ａから吐き出される。その後、θ＝１０８０°で下流側第２作動室５６ｂが消滅し、吐出過程が終了する。
《回転角と作動室容積との関係》
図９は、回転軸７の回転角θと各過程との関係を表している。図１０は、回転軸７の回転角θと作動室容積との関係を表している。図１０に示すように、吸入過程においては、作動室容積は正弦波曲線状に連続的に増加していく。一方、吸入過程の終了とともに、下流側第１作動室５５ｂと連通路４３ａとが連通し、連通路４３ａも作動室の一部となるので、吸入過程終了直後には、作動室容積はステップ状に増加する（Ｖ1→Ｖ2）。つまり、連通路４３ａの容積ΔＶの分だけ、作動室容積が非連続的に増加する。その後は、作動室５６ａの増加とともに、作動室容積は再び連続的に増加していく。そして、吐出過程においては、連通路４３ａと上流側第２作動室５６ａとの連通状態が解除された時に（例えば、θ＝７４０°）、作動室容積は連通路４３ａの容積ΔＶの分だけステップ状に減少し（Ｖ4→Ｖ3）、その後に作動室容積は正弦波曲線状に減少していく。
《本実施形態の効果》
以上のように、本実施形態によれば、第１シリンダ４１と第２シリンダ４２とを有する２段ロータリ式の膨張機構３において、第１シリンダ４１の下流側第１作動室５５ｂと第２シリンダ４２の上流側第２作動室５６ａとを連通させる連通路４３ａが、吸入過程の間は吸入孔７１が連通する上流側第１作動室５５ａまたは下流側第１作動室５５ｂと連通せず、吸入過程終了時点またはその後に下流側第１作動室５５ｂと連通するようになっている。そのため、吸入過程の最中に作動室容積がステップ状に増加することを避けることができる。したがって、吸入動作が不連続となることを防止することができ、冷媒流れの急激な乱れを抑制することができる。その結果、吸入時の冷媒の脈動を抑制することが可能となる。
ここで、連通路４３ａの一端は、例えば円形状をなしていてもよい。ただし、本実施形態のように、連通路４３ａの一端が第１シリンダ４１の内周面に沿う方向に延びる略楕円状をなしていれば、連通路４３ａが第１ピストン４４で完全に閉じられた直後に発生する閉塞空間を少なくすることができるため、閉塞空間での冷媒の圧縮損失やそれに伴うベーン飛びを防止することができる。
本実施形態に係る膨張機一体型圧縮機１０では、圧縮機構１に取り付けられた第１回転軸７ｆと、膨張機構３に取り付けられた第２回転軸７ｇとは、直線状に並べられ、互いに結合されている。そのため、結合部７ｈにおいて、第１回転軸７ｆと第２回転軸７ｇとの間に、若干のガタが生じる場合がある。したがって、吸入時に冷媒の脈動が生じると、第２回転軸７ｇにトルク変動が生じ、第１回転軸７ｆひいては圧縮機構１に悪影響を及ぼすおそれがある。例えば、結合部７ｈにおいて若干の衝撃が発生し、回転軸７の動作が不安定になるおそれがある。しかし、本実施形態によれば、吸入時の冷媒の脈動が抑制されるので、回転軸７の動作を安定化させることができる。そのため、膨張機構３および圧縮機構１の動作を安定化させることができ、それらの信頼性を向上させることができる。
なお、本実施形態のように、回転軸７を圧縮機構１側の第１回転軸７ｆと膨張機構３側の第２回転軸７ｇとで形成することにより、圧縮機構１および膨張機構３の密閉容器１１への組立が容易になる。
また、本実施形態では、膨張機構３の吸入孔７１は、第１シリンダ４１の内周面の縦溝によって形成されている。すなわち、吸入孔７１は、第１シリンダ４１に形成されている。そのため、吸入孔７１の開口面積を大きくすることができる。すなわち、吸入孔７１が第１シリンダ４１に形成されている場合、吸入孔７１の上下方向長さを、第１シリンダ４１の上下方向長さとほぼ等しい長さにまで伸ばすことができる。そのため、吸入孔７１の開口面積を大きくすることが可能となる。したがって、吸入時の冷媒の圧力損失を低減させることができる。
本実施形態では、冷媒として二酸化炭素を用いている。冷媒として二酸化炭素を用いると、冷凍サイクルにおける高圧側圧力と低圧側圧力との差が大きくなる。そのため、膨張機構３における動力回収の効果がより顕著となる。また、冷凍サイクルにおける高圧側圧力と低圧側圧力との差が大きいと、吸入時の冷媒脈動の影響がより大きくなる。したがって、脈動を抑制するという本実施形態の効果がより顕著に発揮される。
＜実施形態２＞
実施形態２は、実施形態１において、膨張機構３の吸入孔７１に変更を加えたものである。吸入孔７１以外は実施形態１と同様であるので、それらの説明は省略する。
図１１Ａおよび図１１Ｂに示すように、実施形態２では、膨張機構３の吸入孔７１は、上側端板５０に形成されている。すなわち、実施形態２では、上側端板５０に形成された吸入路９０の下流端が第１シリンダ４１内の作動室に臨んでおり、この吸入路９０の下流端（図１１Ａにおける下端）が吸入孔７１となっている。吸入孔７１は、第１シリンダ４１内の作動室に向かって下向きに開口している。
本実施形態においても、連通路４３ａは、吸入過程の間は吸入孔７１が連通する上流側第１作動室５５ａまたは下流側第１作動室５５ｂと非連通状態となり、吸入過程の終了時点またはその後に下流側第１作動室５５ｂと連通するように形成されている。したがって、実施形態１とほぼ同様の効果を得ることができる。
ところで、図１３Ａに示すように、吸入孔７１が第１シリンダ４１に形成されていると、吸入孔７１が閉じられるときの回転角θが大きくなり、その分だけ連通路４３ａの一端を第１シリンダ４１の内周面から半径方向内側に離した位置に形成する必要がある。その結果、連通路４３ａの一端が閉じられたときに下流側第１作動室５５ｂに残る空間、すなわち閉塞空間Ｄｓが大きくなってしまう。この閉塞空間Ｄｓはいわゆるデッドボリュームとなり、膨張機構３の効率を低下させる要因となる。これに対し、本実施形態では、吸入孔７１が上側端板５０に形成されているので、回転軸７の回転角θが３６０°（上死点）またはその近傍にあるときに、連通路４３ａの一端を閉じることができる（図１１Ｂ参照）。また、上死点またはその近傍において、吸入孔７１を開くことができる。そのため、閉塞空間を縮小または削減することが可能となる。その結果、膨張機構３の効率を向上させることができる。また、冷媒の吸入がより円滑になり、回転軸７のトルク変動も小さく抑えることができる。
なお、本実施形態の場合、吸入孔７１の位置を図１１Ｂに示す位置からさらに半径方向内側に寄せれば、連通路４３ａの一端を第１シリンダ４１の内周面に接する位置に設けても、吸入孔７１と連通路４３ａの一端とがつながらない状態が保たれるようにすることは可能である。
＜実施形態３＞
実施形態３も、実施形態１において、膨張機構３の吸入孔７１に変更を加えたものである。吸入孔７１以外は実施形態１と同様であるので、それらの説明は省略する。
図１２Ａおよび図１２Ｂに示すように、実施形態３では、膨張機構３の吸入孔７１は、第１シリンダ４１および上側端板５０にまたがって形成されている。すなわち、実施形態３では、吸入孔７１は、第１シリンダ４１の内周面に形成された縦溝からなる孔７１ｄと、上側端板５０に形成された孔７１ｃとによって形成されている。孔７１ｄは、第１シリンダ４１内の作動室に向かって半径方向内向きに開口しており、孔７１ｃは、第１シリンダ４１内の作動室に向かって下向きに開口している。
本実施形態においても、連通路４３ａは、吸入過程の間は作動室５５ａ，５５ｂと非連通状態となり、吸入過程の終了時点またはその後に作動室５５ｂと連通するように形成されている。したがって、実施形態１とほぼ同様の効果を得ることができる。
また、本実施形態では、吸入孔７１の一部は第１シリンダ４１に形成され、吸入孔７１の他部は上側端板５０に形成されている。そのため、吸入孔７１の開口面積を大きくすることができるとともに、閉塞空間Ｄｓ’（図１３Ｂ参照）を小さく抑えることができる。したがって、吸入冷媒の圧力損失の低減と膨張機構３の効率向上とを両立させることができる。
《その他の変形例》
前記各実施形態では、吸入路９０は上側端板５０に形成されていた。しかし、図１４に示すように、実施形態１において、吸入路９０が中板４３に形成されていてもよい。また、図１５に示すように、実施形態２において、吸入路９０が中板４３に形成されていてもよい。この場合、吸入孔７１は中板４３に形成され、第１シリンダ４１内の作動室に向かって上向きに開口する。また、図１６に示すように、実施形態３において、吸入路９０が中板４３に形成されていてもよい。この場合、吸入孔７１は第１シリンダ４１および中板４３にまたがって形成されることになる。
前記各実施形態では、ロータリ式膨張機は、膨張機一体型圧縮機１０に組み込まれた膨張機構３であった。ロータリ式膨張機は、回転軸７を介して圧縮機構１と連結されていた。しかし、本発明に係るロータリ式膨張機は、圧縮機から分離されていてもよく、圧縮機と連結されていなくてもよい。例えば、図１７に示すように、冷凍サイクル装置９は、分離型の圧縮機６１と、分離型のロータリ式膨張機６３とを備えていてもよい。なお、ロータリ式膨張機６３の膨張機構は、前記実施形態の膨張機構３と同様である。この冷凍サイクル装置９は、実施形態１に係る冷凍サイクル装置９とほぼ同様の構成を有するが、膨張機一体型圧縮機１０に代えて、互いに分離された圧縮機６１と膨張機６３、回転軸７ｄを介して圧縮機６１に接続された回転電動機６６、および、回転軸７ｅを介して膨張機６３に接続された発電機６７を備えている。圧縮機６１は回転電動機６６により駆動され、膨張機６３では冷媒の膨張エネルギーが発電機６７によって電気エネルギーに変換される。この電気エネルギーは、回転電動機６６の入力の一部に利用される。
以上のように、本発明は、２段ロータリ式膨張機、膨張機一体型圧縮機および冷凍サイクル装置について有用である。

Claims (11)

  1. 第１シリンダと、
    前記第１シリンダの一端側を閉塞する第１閉塞部材と、
    前記第１シリンダの他端側を閉塞する中間閉塞部材と、
    前記中間閉塞部材によって一端側が閉塞された第２シリンダと、
    前記第２シリンダの他端側を閉塞する第２閉塞部材と、
    前記第１シリンダ内に配置され、前記第１閉塞部材および前記中間閉塞部材とともに前記第１シリンダ内に第１作動室を区画し、前記第１シリンダ内で偏心回転運動を行う第１ピストンと、
    前記第２シリンダ内に配置され、前記中間閉塞部材および前記第２閉塞部材とともに前記第２シリンダ内に第２作動室を区画し、前記第２シリンダ内で偏心回転運動を行う第２ピストンと、
    前記第１作動室を上流側第１作動室と下流側第１作動室とに仕切る第１仕切部材と、
    前記第２作動室を上流側第２作動室と下流側第２作動室とに仕切る第２仕切部材と、
    前記上流側第１作動室に臨む吸入孔と、
    前記中間閉塞部材に形成され、一端が前記下流側第１作動室に臨み、他端が前記上流側第２作動室に臨む連通路と、
    前記下流側第２作動室に臨む吐出孔と、を備え、
    前記連通路の一端は、前記吸入孔と前記連通路の一端とがつながらないように、前記第１シリンダの内周面よりも内側に寄った位置に設けられている、２段ロータリ式膨張機。
  2. 請求項１に記載の２段ロータリ式膨張機において、
    前記連通路の一端は、前記連通路の一端が前記第１ピストンによって閉じられてから前記第１シリンダと前記第１ピストンとの接点が前記吸入孔を通過するまでの間、前記第１ピストンによって塞がれている、２段ロータリ式膨張機。
  3. 請求項２に記載の２段ロータリ式膨張機において、
    前記連通路の一端は、前記第１シリンダの内周面に沿う方向に延びる略楕円状をなしている２段ロータリ式膨張機。
  4. 請求項１に記載の２段ロータリ式膨張機において、
    前記吸入孔は、前記第１シリンダに形成されている２段ロータリ式膨張機。
  5. 請求項１に記載の２段ロータリ式膨張機において、
    前記吸入孔は、前記第１閉塞部材または前記中間閉塞部材に形成されている２段ロータリ式膨張機。
  6. 請求項１に記載の２段ロータリ式膨張機において、
    前記吸入孔は、前記第１シリンダおよび前記第１閉塞部材にまたがって形成され、あるいは、前記第１シリンダおよび前記中間閉塞部材にまたがって形成されている２段ロータリ式膨張機。
  7. 請求項１に記載の２段ロータリ式膨張機からなる膨張機構と、
    作動流体を圧縮する圧縮機構と、
    前記膨張機構と前記圧縮機構とを連結する回転軸と、
    前記膨張機構と前記圧縮機構と前記回転軸とを収容する密閉容器と、
    を備えた膨張機一体型圧縮機。
  8. 請求項７に記載の膨張機一体型圧縮機において、
    前記回転軸は、前記圧縮機構に取り付けられた第１回転軸と、前記第１回転軸に結合され、前記膨張機構に取り付けられた第２回転軸とを有している膨張機一体型圧縮機。
  9. 請求項１に記載の２段ロータリ式膨張機を備えた冷凍サイクル装置。
  10. 請求項７に記載の膨張機一体型圧縮機を備えた冷凍サイクル装置。
  11. 請求項９に記載の冷凍サイクル装置において、
    作動流体として、二酸化炭素が充填されている冷凍サイクル装置。
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