JP4617764B2 - 膨張機 - Google Patents

Description

本発明は、膨張機に関し、特に、膨張機室の容積構造に係るものである。

従来より、高圧流体の膨張により動力を発生させる膨張機には、ロータリ式膨張機などの容積型膨張機がある（例えば特許文献１参照）。この膨張機は、蒸気圧縮式冷凍サイクルの膨張行程を行うために用いられている（例えば特許文献２参照）。

上記膨張機は、シリンダと、シリンダ内を公転するピストンとを備えている。シリンダとピストンとの間の作動室は、吸入膨張室と排出室とに区画されている。そして、ピストンの公転に伴って、作動室は吸入膨張室から排出室に、また、排出室から吸入膨張室に順に切り換わる。このように、冷媒の吸入膨張と排出とが同時に並行して行われる。

上記膨張機では、ピストンの１回転中に高圧冷媒がシリンダ内に供給される吸入行程の角度範囲と、冷媒の膨張が行われる膨張行程の角度範囲が予め定められている。つまり、この種の膨張機では、一般に膨張比（吸入冷媒と排出冷媒の密度比）が一定になっている。そして、吸入行程の角度範囲で高圧冷媒をシリンダに導入する一方、残った膨張行程の角度範囲で冷媒を定められた膨張比で膨張させ、回転動力を回収する。
特開平８−３３８３５６号公報 特開２００１−１１６３７１号公報

しかしながら、従来の容積型膨張機は固有の膨張比に固定されていた。一方、上記膨張機が用いられる蒸気圧縮式冷凍サイクルでは、冷却対象の温度変化や放熱（加熱）対象の温度変化により該冷凍サイクルの高圧圧力と低圧圧力が変化する。そして、高圧圧力と低圧圧力の比（圧力比）も変動し、それに伴って膨張機の吸入冷媒と排出冷媒の密度もそれぞれ変動する。したがって、この場合は、冷凍サイクルが上記膨張機とは異なる膨張比で運転されることになり、その結果、運転効率が低下するという問題があった。

例えば、蒸気圧縮式冷凍サイクルの圧力比が小さくなる運転条件では、圧縮機の入口における冷媒密度と膨張機の入口における冷媒密度の比が小さくなる。ところが、圧縮機と膨張機が共に容積型の流体機械あって互いに１本の軸で連結されている場合がある。この場合、圧縮機を通過する冷媒の体積流量と膨張機を通過する冷媒の体積流量との比は、常に一定で変化しない。このため、蒸気圧縮式冷凍サイクルの圧力比が小さくなると、圧縮機を通過する冷媒の質量流量に対して膨張機を通過する冷媒の質量流量が相対的に過小となり、いわゆる過膨張の状態に陥ってしまう。

これに対し、上記特許文献２の装置では、膨張機と並列にバイパス通路を設け、このバイパス通路には流量制御弁を設けている。そして、蒸気圧縮式冷凍サイクルの圧力比が小さくなる運転条件では、膨張機へ送られてきた冷媒の一部をバイパス通路へ流し、膨張機とバイパス通路の両方で冷媒を流すようにしている。しかし、このようにすると、膨張機を通らずにバイパス通路を流れる冷媒が膨張仕事をしないために、膨張機による回収動力が減ってしまい、運転効率が低下する。

また逆に、蒸気圧縮式冷凍サイクルの圧力比が大きくなる運転条件では、圧縮機の入口における冷媒密度と膨張機の入口における冷媒密度の比が大きくなる。その際、圧縮機を通過する冷媒の体積流量と膨張機を通過する冷媒の体積流量との比が、常に一定で変化しないと、膨張機の膨張比が小さくなり、膨張不足が生ずる。

本発明は、斯かる点に鑑みてなされたものであり、冷媒の過膨張及び膨張不足を回避することを目的とする。

図４に示すように、第１の発明は、超臨界冷凍サイクルの冷媒回路（20）に用いられる容積型の膨張機であって、膨張機室（72）の容積を変更するための容積変更手段（90）を備え、上記容積変更手段（90）は、上記膨張機室（72）に連通し且つ該膨張機室（72）の所定位置の一部に開口する補助室（93）を備えている。

第２の発明は、超臨界冷凍サイクルの冷媒回路（20）に用いられる容積型の膨張機であって、膨張機室（72）の容積を変更するための容積変更手段（90）を備え、上記容積変更手段（90）は、膨張機室（72）に連通する補助室（93）と、該補助室（93）と膨張機室（72）との間に設けられた開閉機構（96）とを備えている。

第３の発明は、超臨界冷凍サイクルの冷媒回路（20）に用いられる容積型の膨張機であって、膨張機室（72）の容積を変更するための容積変更手段（90）を備え、上記容積変更手段（90）は、膨張機室（72）に連通する補助室（93）と、該補助室（93）と膨張機室（72）との間に設けられた流量調節機構（96）とを備えている。

第４の発明は、第１の発明において、上記膨張機室（72）を構成する膨張機構（60）が、シリンダ（71，81）内にロータ（75，85）が収納された第１ロータリ機構（70）及び第２ロータリ機構（80）を備えた構成としている。そして、上記第１ロータリ機構（70）の膨張機室（72）と第２ロータリ機構（80）の膨張機室（82）とが１つの作動室（66）を構成するように連通する一方、上記第１ロータリ機構（70）の膨張機室（72）が第２ロータリ機構（80）の膨張機室（82）より小さく構成されている。加えて、上記容積変更手段（90）が、第１ロータリ機構（70）の膨張機室（72）に連通するように設けられている。

第５の発明は、第１の発明において、上記膨張機室（130）を構成する膨張機構（60）は、鏡板に渦巻状のラップ（111，121）が形成された１対のスクロール部材（110，120）を備えた構成としている。そして、両スクロール部材（110，120）のラップ（111，121）を互いに噛合させ、少なくとも１対の膨張機室（130）を構成するスクロール機構（100）で構成されている。加えて、上記容積変更手段（90）が、膨張機室（130）に連通するように設けられている。

第６の発明は、第１の発明において、上記膨張機室（72）を構成する膨張機構（60）が、冷媒回路（20）に設けられる圧縮機構（50）に接続されている構成としている。

第７の発明は、第１の発明において、冷媒回路（20）の冷媒がＣＯ2である構成としている。

−作用−
上記第１の発明では、例えば、蒸気圧縮式冷凍サイクルの圧力比が小さくなる運転条件において、圧縮機構（50）の入口における冷媒密度と膨張機構（60）の入口における冷媒密度の比が小さくなる。この場合、膨張機室（73）の容積が一定であると、圧縮機構（50）を通過する冷媒の質量流量に対して膨張機構（60）を通過する冷媒の質量流量が相対的に過小となる。この結果、過膨張が生ずる。そこで、容積変更手段（90）の補助室（93）の容積を大きくし、過膨張を回避する。

例えば、容積変更手段（90）の補助室（93）の容積を大きくする。

また、第２の発明では、容積変更手段（90）の開閉機構（96）を開口させ、補助室（93）の容積を利用する。また、第３の発明では、容積変更手段（90）の流量調節機構（96）を調節し、補助室（93）の容積を大きくする。

一方、例えば、蒸気圧縮式冷凍サイクルの圧力比が大きくなる運転条件において、圧縮機構（50）の入口における冷媒密度と膨張機構（60）の入口における冷媒密度の比が大きくなる。この場合、膨張機室（73）の容積が一定であると、膨張機構（60）の膨張比が小さくなる。この結果、膨張不足が生ずる。そこで、容積変更手段（90）の補助室（93）の容積を小さくし、膨張不足を回避する。

例えば、第１の発明では、容積変更手段（90）の補助室（93）の容積を小さくする。

また、第２の発明では、容積変更手段（90）の開閉機構（96）を閉鎖し、補助室（93）の容積を利用しない。また、第３の発明では、容積変更手段（90）の流量調節機構（96）を調節し、補助室（93）の容積を小さくする。

また、第４の発明では、膨張機室（73）を２つのロータリ機構（70，80）で構成し、この膨張機室（73）の容積を容積変更手段（90）で増減する。

また、第５の発明では、膨張機室（130）をスクロール機構（100）で構成し、この膨張機室（130）の容積を容積変更手段（90）で増減する。

また、第６の発明では、膨張機構（60）の冷媒の圧力エネルギを利用して圧縮機構（50）を駆動する。

また、第７の発明では、冷媒回路をＣＯ2冷媒が循環して冷凍サイクルを行う。

以上のように、本発明によれば、膨張機室（72）の容積を増減する容積変更機構（90）を設けるようにしたために、補助室（93）の容積を増減することによって、冷媒の過膨張を回避することができると共に、冷媒の膨張不足を確実に回避することができる。この結果、運転効率の向上を図ることができる。

また、上記容積変更機構（90）は、補助室（93）の容積を変更するようにしたために、膨張機室（72）の容積を正確に増減することができると共に、簡単な構成でもって膨張機室（72）の容積を増減することができる。

また、第２の発明によれば、上記容積変更機構（90）は、補助室（93）を開閉機構（96）によって開閉するようにしたために、膨張機室（72）の容積を簡易に増減することができる。

また、第３の発明によれば、上記容積変更機構（90）は、補助室（93）の容積を流量調節機構（96）によって調整するようにしたために、膨張機室（72）の容積を流量で増減することができる。

また、第４の発明によれば、上記膨張機構（60）が２つのロータリ機構（70，80）を備えるようにしたため、高圧の流体室（73）と膨張室（66）を確実に区画形成することができることから、冷媒膨張を確実に行わせることができる。

また、第５の発明によれば、上記膨張機構（60）がスクロール機構（100）を備えるようにしたため、スクロール機構（100）で冷媒を膨張させることができる。

また、第６の発明によれば、膨張機構（60）と圧縮機構（50）とを連結するようにしたために、冷媒の圧力エネルギを確実に動力に回収することができるので、運転効率の向上を図ることができる。

また、第７の発明によれば、冷媒にＣＯ2を用いているので、環境に適した冷媒回路（20）を構成することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

〈発明の実施形態１〉
−全体構成−
図１に示すように、本実施形態の空調機（10）は、いわゆるセパレート型空調機であって、室外機（11）と室内機（13）とを備えている。室外機（11）には、室外ファン（12）、室外熱交換器（23）、第１四路切換弁（21）、第２四路切換弁（22）及び圧縮膨張ユニット（30）が収納されている。室内機（13）には、室内ファン（14）及び室内熱交換器（24）が収納されている。室外機（11）と室内機（13）とは、一対の連絡配管（15，16）で接続されている。

上記空調機（10）の冷媒回路（20）は、圧縮膨張ユニット（30）や室内熱交換器（24）などが接続された閉回路である。この冷媒回路（20）は、冷媒として二酸化炭素（ＣＯ2）が充填され、超臨界冷凍サイクル（臨界温度以上の蒸気圧領域を含む冷凍サイクル）を行うように構成されている。

上記室外熱交換器（23）では、冷媒回路（20）の冷媒が室外空気と熱交換し、室内熱交換器（24）では、冷媒回路（20）の冷媒が室内空気と熱交換する。

上記第１四路切換弁（21）は、第１のポートが圧縮膨張ユニット（30）の吐出管（36）に、第２のポートが連絡配管（15）を介して室内熱交換器（24）の一端に、第３のポートが室外熱交換器（23）の一端に、第４のポートが圧縮膨張ユニット（30）の吸入管（32）にそれぞれ接続されている。そして、第１四路切換弁（21）は、第１のポートと第２のポートとが連通し且つ第３のポートと第４のポートとが連通する状態（図１に実線で示す状態）と、第１のポートと第３のポートとが連通し且つ第２のポートと第４のポートとが連通する状態（図１に破線で示す状態）とに切り換わる。

上記第２四路切換弁（22）は、第１のポートが圧縮膨張ユニット（30）の流出ポート（35）に、第２のポートが室外熱交換器（23）の他端に、第３のポートが連絡配管（16）を介して室内熱交換器（24）の他端に、第４のポートが圧縮膨張ユニット（30）の流入ポート（34）にそれぞれ接続されている。そして、第２四路切換弁（22）は、第１のポートと第２のポートとが連通し且つ第３のポートと第４のポートとが連通する状態（図１に実線で示す状態）と、第１のポートと第３のポートとが連通し且つ第２のポートと第４のポートとが連通する状態（図１に破線で示す状態）とに切り換わる。

−圧縮膨張ユニットの構成−
図２に示すように、上記圧縮膨張ユニット（30）のケーシング（31）は、縦長円筒形の密閉容器に構成されている。このケーシング（31）の内部には、下から上に向かって圧縮機構（50）と電動機（45）と膨張機構（60）とが順に配置されている。

上記ケーシング（31）には、吐出管（36）が取り付けられている。この吐出管（36）は、電動機（45）と膨張機構（60）の間に接続され、ケーシング（31）の内部空間に連通している。

上記電動機（45）は、ケーシング（31）の長手方向の中央部に配置されている。この電動機（45）のステータ（46）は、ケーシング（31）に固定され、ロータ（47）は、シャフト（40）の主軸部（44）が貫通している。上記シャフト（40）は、回転軸を構成し、下端部に２つの下側偏心部（58，59）が形成され、上端部に２つの上側偏心部（41，42）が形成されている。

上記両下側偏心部（58，59）は、主軸部（44）よりも大径に形成され、下側の第１下側偏心部（58）と上側の第２下側偏心部（59）とは、主軸部（44）の軸心に対する偏心方向が逆になっている。

上記両上側偏心部（41，42）は、主軸部（44）よりも大径に形成され、下側の第１上側偏心部（41）と上側の第２上側偏心部（42）とは、何れも同じ方向へ偏心している。第２上側偏心部（42）の外径は、第１上側偏心部（41）の外径より、また、第２上側偏心部（42）の偏心量が第１上側偏心部（41）の偏心量よりも大きい。

上記圧縮機構（50）は、揺動ピストン型のロータリ圧縮機を構成している。この圧縮機構（50）は、シリンダ（51，52）とピストン（57）とを２つずつ備えている。圧縮機構（50）では、下から上へ向かって、リアヘッド（55）と第１シリンダ（51）と中間プレート（56）と第２シリンダ（52）とフロントヘッド（54）とが積層されている。

上記第１及び第２シリンダ（51，52）の内部には、円筒状のピストン（57）がそれぞれ配置されている。該ピストン（57）は、図示しないが、平板状のブレードが突出し、このブレードは揺動ブッシュを介してシリンダ（51，52）に支持されている。第１シリンダ（51）内のピストン（57）は、シャフト（40）の第１下側偏心部（58）が挿入され、第２シリンダ（52）内のピストン（57）は、シャフト（40）の第２下側偏心部（59）が挿入されている。そして、ピストン（57，57）の外周面とシリンダ（51，52）の内周面との間に圧縮室（53，53）が形成される。

上記第１及び第２シリンダ（51，52）には、それぞれ吸入ポート（33）が形成されている。各吸入ポート（33）は、吸入管（32）によってケーシング（31）の外部へ延長されている。

上記フロントヘッド（54）及びリアヘッド（55）には、図示しないが、それぞれ吐出ポートが形成されている。フロントヘッド（54）の吐出ポートは、第２シリンダ（52）内の圧縮室（53）をケーシング（31）の内部空間に連通させている。リアヘッド（55）の吐出ポートは、第１シリンダ（51）内の圧縮室（53）をケーシング（31）の内部空間に連通させている。また、各吐出ポートは、図示しないが、吐出弁が設けられている。そして、圧縮機構（50）からケーシング（31）の内部空間へ吐出されたガス冷媒は、吐出管（36）を通って圧縮膨張ユニット（30）から送り出される。

上記膨張機構（60）は、いわゆる揺動ピストン型の流体機械であって、シリンダ（71，81）及びピストン（75，85）を２組備えている。上記膨張機構（60）は、下から上へ向かって、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）リアヘッド（62）が積層されている。第１シリンダ（71）の下側端面はフロントヘッド（61）により閉塞され、上側端面は中間プレート（63）により閉塞されている。一方、第２シリンダ（81）の下側端面は中間プレート（63）により閉塞され、上側端面はリアヘッド（62）により閉塞されている。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なっている。

上記シャフト（40）は、膨張機構（60）を貫通している。また、図３〜図５に示すように、第１及び第２ピストン（75，85）は、何れも円筒状に形成されてロータを構成している。第１ピストン（75）の外径と第２ピストン（85）の外径とは等しく、第１ピストン（75）には第１上側偏心部（41）が、第２ピストン（85）には第２上側偏心部（42）がそれぞれ貫通している。

上記第１シリンダ（71）内には、その内周面と第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シリンダ（81）内には、その内周面と第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。

上記第１及び第２ピストン（75，85）のそれぞれには、ブレード（76，86）が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、ピストン（75，85）の外周面から外側へ突出している。

上記各シリンダ（71，81）には、一対のブッシュ（77，87）が設けられている。一対のブッシュ（77，87）は、ブレード（76，86）を挟み込んだ状態で設置されている。そして、上記ブレード（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。

上記第１シリンダ（71）内の第１流体室（72）は、膨張機室を構成し、第１ブレード（76）によって仕切られ、図４における第１ブレード（76）の左側が第１高圧室（73）となり、その右側が第１低圧室（74）となる。第２シリンダ（81）内の第２流体室（82）は、膨張機室を構成し、第２ブレード（86）によって仕切られ、図４における第２ブレード（86）の左側が第２高圧室（83）となり、その右側が第２低圧室（84）となる。

上記第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）の位置が一致する状態で配置されている。つまり、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のと同時に、第２ブレード（86）も第２シリンダ（81）の外側へ最も退いた状態になる。

上記第１シリンダ（71）には、流入ポート（34）が形成されている。流入ポート（34）は、第１シリンダ（71）の内周面であって、図３及び図４におけるブッシュ（77）より左側に開口し、第１高圧室（73）（第１流体室（72）の高圧側）に連通している。一方、上記第２シリンダ（81）には、流出ポート（35）が形成されている。流出ポート（35）は、第２シリンダ（81）の内周面であって、図３及び図４におけるブッシュ（87）のより右側に開口している。流出ポート（35）は、第２低圧室（84）（第２流体室（82）の低圧側）に連通している。

上記中間プレート（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）を厚み方向に貫通している。上記連通路（64）の一端は、第１ブレード（76）の右側に開口し、他端は、第２ブレード（86）の左側に開口している。そして、図３に示すように、連通路（64）は、第１低圧室（74）と第２高圧室（83）とを互いに連通している。

以上のように構成された本実施形態の膨張機構（60）では、第１シリンダ（71）とブッシュ（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（70）を構成している。また、第２シリンダ（81）とブッシュ（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（80）を構成している。

上記膨張機構（60）は、第１ロータリ機構（70）において第１低圧室（74）の容積が減少する行程と、第２ロータリ機構（80）において第２高圧室（83）の容積が増加する行程とが同期している（図５参照）。また、上記第１ロータリ機構（70）の第１低圧室（74）と、第２ロータリ機構（80）の第２高圧室（83）とは、連通路（64）を介して互いに連通している。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１つの作動室である膨張室（66）を構成する。

この点について詳述すると、第１ブレード（76）が第１シリンダ（71）の外周側へ最も退いた状態におけるシャフト（40）の回転角を０°とする。また、ここでは、第１流体室（72）の最大容積が３ｃｃであり、第２流体室（82）の最大容積が１０ｃｃであるとする。

シャフト（40）の回転角が０°の時点では、第１低圧室（74）の容積が最大値である３ｃｃとなり、第２高圧室（83）の容積が最小値である０ｃｃとなる。第１低圧室（74）の容積は、シャフト（40）が回転するにしたがって減少し、回転角が３６０°に達した時点で最小値の０ｃｃとなる。一方、第２高圧室（83）の容積は、シャフト（40）が回転するにしたがって増加し、回転角が３６０°に達した時点で最大値の１０ｃｃとなる。

連通路（64）の容積を無視すると、ある回転角における膨張室（66）の容積は、その回転角における第１低圧室（74）の容積と第２高圧室（83）の容積とを足し合わせた値となる。つまり、膨張室（66）の容積は、シャフト（40）の回転角が０°の時点で最小値の３ｃｃとなり、シャフト（40）が回転するにつれて次第に増加し、その回転角が３６０°に達した時点で最大値の１０ｃｃとなる。

一方、本発明の特徴として、第１ロータリ機構（70）には、膨張機室である第１流体室（72）の容積を変更するための容積変更機構（90）が設けられている。該容積変更機構（90）は、補助シリンダ（91）と、該補助シリンダ（91）に収納された直動式の補助ピストン（92）とを備えて容積変更手段を構成している。上記補助シリンダ（91）の内部は、第１流体室（72）に連通する補助室（93）を構成し、上記補助ピストン（92）は、補助シリンダ（91）の内部に往復直線移動自在に収納され、補助室（93）の容積を変更するように構成されている。

上記補助シリンダ（91）は、第１ロータリ機構（70）の第１シリンダ（71）に形成されている。そして、上記補助シリンダ（91）の一端は、図５に示すように、第１ロータリ機構（70）の第１ピストン（75）が２７０°回転した位置の第１シリンダ（71）の内周面に開口している。つまり、上記補助室（93）は、吸入室となる第１高圧室（73）（第１流体室（72）の高圧側）に連通し、冷媒の吸入容積が増大するように構成されている。そして、その後、第１ピストン（75）及び第２ピストン（85）の回転に伴って、上記補助室（93）は、第１低圧室（74）と連通路（64）と第２高圧室（83）とで構成される膨張室（66）に連通するように構成されている。尚、上記第１シリンダ（71）の内周面における補助シリンダ（91）の開口位置は、第１ピストン（75）が１８０°〜３６０°回転する範囲であればよい。

また、上記補助ピストン（92）は、冷媒の過膨張又は膨張不足が生ずる場合、補助室（93）の容積を増減するように移動する。上記補助ピストン（92）は、補助シリンダ（91）の開口端に最も前進した状態において、第１シリンダ（71）の内周面にほぼ一致し、補助室（93）の容積は実質的に零となる。一方、上記補助ピストン（92）は、補助シリンダ（91）の閉塞端に最も後退した状態において、第１シリンダ（71）の内周面より離れ、補助室（93）の容積が最大となる。そして、上記補助ピストン（92）は、図示しないが、運転条件等に対応して補助シリンダ（91）内の位置が制御される。

そこで、冷媒の過膨張が生ずる場合、次の通りである。例えば、蒸気圧縮式冷凍サイクルの圧力比が小さくなる運転条件では、圧縮機構（50）の入口における冷媒密度と膨張機構（60）の入口における冷媒密度の比が小さくなる。この場合、第１高圧室（73）の容積が一定であると、圧縮機構（50）を通過する冷媒の質量流量に対して膨張機構（60）を通過する冷媒の質量流量が相対的に過小となる。この結果、過膨張が生ずる。

この場合、上記補助ピストン（92）は、後退して補助室（93）の容積を増大し、第１流体室（72）に流入する冷媒の質量流量を増大させる。

一方、膨張不足が生ずる場合、次の通りである。つまり、例えば、蒸気圧縮式冷凍サイクルの圧力比が大きくなる運転条件では、圧縮機構（50）の入口における冷媒密度と膨張機構（60）の入口における冷媒密度の比が大きくなる。この場合、第１高圧室（73）の容積が一定であると、膨張機構（60）の膨張比が小さくなる。この結果、膨張不足が生ずる。

この場合、上記補助ピストン（92）は、前進して補助室（93）の容積を減少し、第１流体室（72）に流入する冷媒の質量流量を少なくし、膨張室（66）での膨張比を大きくする。

−運転動作−
上記空調機（10）の動作について説明する。
（１）冷房運転
冷房運転時には、第１四路切換弁（21）及び第２四路切換弁（22）が図１に破線で示す状態に切り換えられる。先ず、圧縮機構（50）で圧縮された冷媒は、吐出管（36）から吐出される。この吐出冷媒は、第１四路切換弁（21）を通り、室外熱交換器（23）で室外空気へ放熱する。

この放熱した冷媒は、第２四路切換弁（22）を通過し、圧縮膨張ユニット（30）の膨張機構（60）に流入する。膨張機構（60）では、高圧冷媒が膨張し、その内部エネルギがシャフト（40）の回転動力に変換される。膨張後の低圧冷媒は、流出ポート（35）から流出し、第２四路切換弁（22）を通過して室内熱交換器（24）へ送られる。

上記室内熱交換器（24）では、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（24）から出た低圧ガス冷媒は、第１四路切換弁（21）を通過し、圧縮膨張ユニット（30）の圧縮機構（50）へ吸入される。圧縮機構（50）は、吸入した冷媒を圧縮して吐出する。
（２）暖房運転
暖房運転時には、第１四路切換弁（21）及び第２四路切換弁（22）が図１に実線で示す状態に切り換えられる。先ず、圧縮機構（50）で圧縮された冷媒は、吐出管（36）から吐出される。この吐出冷媒は、第１四路切換弁（21）を通り、室内熱交換器（24）へ送られる。室内熱交換器（24）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。

上記室内熱交換器（24）で放熱した冷媒は、第２四路切換弁（22）を通過し、圧縮膨張ユニット（30）の膨張機構（60）へ流入する。膨張機構（60）では、高圧冷媒が膨張し、その内部エネルギがシャフト（40）の回転動力に変換される。膨張後の低圧冷媒は、流出ポート（35）から流出し、第２四路切換弁（22）を通過して室外熱交換器（23）へ送られる。

上記室外熱交換器（23）では、冷媒が室外空気から吸熱して蒸発する。その後、低圧ガス冷媒は、第１四路切換弁（21）を通過し、圧縮膨張ユニット（30）の圧縮機構（50）へ吸入される。圧縮機構（50）は、吸入した冷媒を圧縮して吐出する。
（３）膨張機構（60）部の動作
次に、膨張機構（60）の動作について説明する。

先ず、第１ロータリ機構（70）の第１高圧室（73）へ超臨界状態の高圧冷媒が流入する行程について、図５に基づき説明する。回転角が０°の状態からシャフト（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（34）を通過し、流入ポート（34）から第１高圧室（73）へ高圧冷媒が流入し始める。その後、シャフト（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）へ高圧冷媒が流入する。この第１高圧室（73）への高圧冷媒の流入は、シャフト（40）の回転角が３６０°に達するまで続く。

次に、膨張機構（60）において冷媒が膨張する行程について、図５に基づき説明する。回転角が０°の状態からシャフト（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）に冷媒が流入し始める。その後、シャフト（40）の回転角が９０°,１８０°,２７０°と次第に大きくなるにしたがって、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する。この膨張室（66）の容積増加は、シャフト（40）の回転角が３６０°に達する直前まで続く。この膨張室（66）の容積が増加する行程で膨張室（66）内の冷媒が膨張し、この冷媒の膨張によってシャフト（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する。

冷媒が膨張する行程において、膨張室（66）内における冷媒圧力は、シャフト（40）の回転角が大きくなるにしたがって低下する。具体的に、第１低圧室（74）を満たす超臨界状態の冷媒は、シャフト（40）の回転角が約５５°に達するまでの間に急激に圧力低下し、飽和液の状態となる。その後、膨張室（66）内の冷媒は、その一部が蒸発しながら緩やかに圧力低下する。

続いて、第２ロータリ機構（80）の第２低圧室（84）から冷媒が流出してゆく行程について説明する。第２低圧室（84）は、シャフト（40）の回転角が０°の時点から流出ポート（35）に連通し始める。つまり、第２低圧室（84）から流出ポート（35）へ冷媒が流出し始める。その後、シャフト（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する。
（４）容積変更機構（90）の動作
次に、容積変更機構（90）の動作について説明する。尚、上記補助ピストン（92）は、補助シリンダ（91）内の所定位置に制御され、補助室（93）が所定の容積に設定されているものとして説明する。

先ず、第１ロータリ機構（70）において、回転角が０°の状態から３６０°に達するまでシャフト（40）が回転する間に、第１高圧室（73）に高圧冷媒の流入する。この吸入行程において、第１高圧室（73）に補助室（93）が開口するので、冷媒の流入量が増大する。

続いて、回転角が０°の状態からシャフト（40）が回転すると、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、シャフト（40）の回転に伴って膨張室（66）の容積が次第に増加する。この膨張行程において、補助室（93）の冷媒も膨張することになり、膨張する冷媒量が増大する。

その後、第２ロータリ機構（80）の第２低圧室（84）から冷媒が流出することになり、その際、補助室（93）の冷媒も第２低圧室（84）から流出ポート（35）に流出する。

具体的に、冷媒の過膨張が生ずる場合、蒸気圧縮式冷凍サイクルの圧力比が小さくなる運転条件において、圧縮機構（50）の入口における冷媒密度と膨張機構（60）の入口における冷媒密度の比が小さくなる。この場合、図６の実線Ａに示すように、第１高圧室（73）の容積が一定であると、圧縮機構（50）を通過する冷媒の質量流量に対して膨張機構（60）を通過する冷媒の質量流量が相対的に過小となる。この結果、図６のＢ部分に示すように、過膨張が生ずる。そこで、補助ピストン（92）を補助シリンダ（91）に後退させ、補助室（93）の容積を大きくする。この結果、図６の鎖線Ｃに示すように、過膨張が回避される。

一方、膨張不足が生ずる場合、蒸気圧縮式冷凍サイクルの圧力比が大きくなる運転条件において、圧縮機構（50）の入口における冷媒密度と膨張機構（60）の入口における冷媒密度の比が大きくなる。この場合、図７の実線Ｄに示すように、第１高圧室（73）の容積が一定であると、膨張機構（60）の膨張比が小さくなる。この結果、図７のＥ部分に示すように、膨張不足が生ずる。そこで、補助ピストン（92）を補助シリンダ（91）に前進させ、補助室（93）の容積を小さくする。この結果、図７の鎖線Ｆに示すように、膨張不足が回避される。

−実施例１−
図８及び図９は、温暖地向け（冬季に外気があまり下がらない地域）の空調機（10）に適用した場合である。

この空調機（10）は、図８に示すように、冬季に外気温度が０℃付近での運転条件を設計点とする。そして、冬季の場合、吸入容積としては第１高圧室（73）のみを使用し、補助室（93）は使用しない。この場合、図８（Ｂ）に示すように、実際の運転条件の膨張比と設計点の膨張比とが一致し、過不足は生じない。

一方、夏期の場合、図９（Ｂ）破線に示すように、圧縮機構（50）を通過する冷媒の質量流量に対して膨張機構（60）を通過する冷媒の質量流量が相対的に過小となる。したがって、補助室（93）の容積を零とすると、過膨張が生ずる。そこで、図９（Ａ）に示すように、補助室（93）の容積を大きくし、冷媒の吸入量を増大して運転し、図９（Ｂ）実線に示すように、過膨張を回避する。

また、上記補助室（93）の容積は、冬季の固定吸入量を１とすると、夏期は、ほぼ２倍の容積が必要となる。したがって、補助室（93）の容積は、第１高圧室（73）の容積と同じとする。例えば、第１高圧室（73）の容積が２ccの場合、補助室（93）の容積も２ccとなる。

−実施例２−
図１０〜図１２は、寒冷地向け（外気温度が−１０℃で使用する可能性がある地域）の空調機（10）に適用した場合である。

この空調機（10）は、図１０に示すように、冬季に外気温度が０℃付近での運転条件において、補助室（93）の容積の３０％を使用した状態を設計点とする。そして、この冬季の場合、吸入容積としては第１高圧室（73）と補助室（93）の容積の３０％を使用する。この場合、図１０（Ｂ）に示すように、実際の運転条件の膨張比と設計点の膨張比とが一致し、過不足は生じない。

一方、夏期の場合、図１１（Ｂ）破線に示すように、圧縮機構（50）を通過する冷媒の質量流量に対して膨張機構（60）を通過する冷媒の質量流量が相対的に過小となる。したがって、補助室（93）の容積を３０％とすると、過膨張が生ずる。そこで、図１０（Ａ）に示すように、補助室（93）の容積を最大とし、冷媒の吸入量を増大して運転し、図１０（Ｂ）実線に示すように、過膨張を回避する。

また、厳冬季の場合、図１１（Ｂ）破線に示すように、圧縮機構（50）を通過する冷媒の質量流量に対して膨張機構（60）を通過する冷媒の質量流量が相対的に過大となる。したがって、補助室（93）の容積を３０％とすると、膨張不足が生ずる。そこで、図１１（Ａ）に示すように、補助室（93）の容積を零とし、冷媒の吸入量を減少して運転し、図１１（Ｂ）実線に示すように、膨張不足を回避する。

また、上記補助室（93）の容積は、次の通りである。設計点における容積が小さいので、夏期に必要となる補助室（93）の容積は、第１高圧室（73）の容積の１．６倍程度とする。

−実施形態１の効果−
以上のように、本実施形態によれば、第１ロータリ機構（70）の第１流体室（72）の容積を増減する容積変更機構（90）を設けるようにしたために、補助室（93）の容積を増減することによって、冷媒の過膨張を回避することができると共に、冷媒の膨張不足を確実に回避することができる。この結果、運転効率の向上を図ることができる。

また、上記容積変更機構（90）は、補助室（93）の容積を補助ピストン（92）によって調整するようにしたために、第１流体室（72）の容積を正確に増減することができると共に、簡単な構成でもって第１流体室（72）の容積を増減することができる。

また、上記膨張機構（60）が２つのロータリ機構（70，80）を備えるようにしたため、第１高圧室（73）と膨張室（66）を確実に区画形成することができることから、冷媒膨張を確実に行わせることができる。

また、上記膨張機構（60）と圧縮機構（50）とを連結するようにしたために、冷媒の圧力エネルギを確実に動力として回収することができるので、運転効率の向上を図ることができる。

また、冷媒にＣＯ2を用いているので、環境に適した冷媒回路（20）を構成することができる。

〈発明の実施形態２〉
次に、本発明の実施形態２を図面に基づいて詳細に説明する。

図１３〜図１８示すように、本実施形態は、前実施形態１が膨張機構（60）を２つのロータリ機構（70、80）で構成したのに代えて、膨張機構（60）をスクロール機構（100）で構成したものである。

具体的に、上記スクロール機構（100）は、ケーシング（31）のフレーム（図示省略）に固定された固定スクロール（110）と、上記フレームにオルダムリングを介して保持された可動スクロール（120）とを備えている。

上記固定スクロール（110）は、スクロール部材を構成し、平板状の固定鏡板（図示省略）と、該固定鏡板に立設された渦巻状の固定ラップ（111）とを備えている。一方、上記可動スクロール（120）は、スクロール部材を構成し、平板状の可動鏡板（図示省略）と、該可動鏡板に立設された渦巻状の可動ラップ（121）とを備えている。固定スクロール（110）の固定ラップ（111）と可動スクロール（120）の可動ラップ（121）が互いに噛み合って複数の流体室（130）が形成されている。

上記固定スクロール（110）には、流入ポート（101）と流出ポート（102）が形成されると共に、補助ポート（103）が２つ形成されている。流入ポート（101）は、固定ラップ（111）の巻き始め側端部の近傍に開口している。この流入ポート（101）は、室内熱交換器（24）又は室外熱交換器（23）に連通する。流出ポート（102）は、固定ラップ（111）の巻き終わり側端部の近傍に開口している。この流出ポート（102）は、室外熱交換器（23）又は室内熱交換器（24）に連通する。

上記複数の流体室（130）は、膨張機室を構成し、固定ラップ（111）の内側面と可動ラップ（121）の外側面とに挟まれた空間が、第１の流体室（130）としてのＡ室（131）を構成している。また、固定ラップ（111）の外側面と可動ラップ（121）の内側面とに挟まれた空間が、第２の流体室（130）としてのＢ室（132）を構成している。

上記２つの補助ポート（103）は、可動スクロール（120）が固定スクロール（110）に対して１８０°公転すると、流体室（130）に連通し始め、吸入行程を終了した後（０°）、膨張行程の途中である可動スクロール（120）が固定スクロール（110）に対して１８０°公転するまでＡ室（131）及びＢ室（132）に連通するように構成されている。

上記２つの補助ポート（103）は、実施形態の容積変更機構（90）の補助室（93）に連通している。つまり、上記容積変更機構（90）は、２つの補助ポート（103）を介して膨張機室であるＡ室（131）及びＢ室（132）の容積を変更するように構成されている。その他の構成は、実施形態１と同様である。

−運転動作−
次に、上記スクロール機構（100）の膨張動作について説明する。

先ず、流入ポート（101）（46）から導入する高圧冷媒は、固定側ラップ（62）の巻き始め近傍と可動側ラップ（67）の巻き始め近傍に挟まれた１つの流体室（130）に流入する。つまり、高圧冷媒は、流入ポート（101）から吸入行程の流体室（130）に導入される。

そこで、図１３において、固定ラップ（111）の巻き始め側端部が可動ラップ（121）の内側面に接すると同時に可動ラップ（121）の巻き始め側端部が固定ラップ（111）の内側面に接する状態を基準の０°としている。

この０°の状態において、Ａ室（131）とＢ室（132）とが閉じ切られて吸入行程が終了し、補助室（93）にも補助ポート（103）を介して高圧冷媒が流入している。

続いて、可動スクロール（120）が公転し、可動スクロール（120）の公転角度が６０°（図１４参照）、１２０°（図１５参照）を経て１８０°（図１６参照）になるまで、膨張行程が行われ、Ａ室（131）及びＢ室（132）において冷媒が膨張する。その際、補助室（93）の冷媒も膨張する。

その後、可動スクロール（120）の公転角度が１８０°を越えると、図１７に示すように、補助ポート（103）は、吸入行程の流体室（130）に連通する一方、Ａ室（131）及びＢ室（132）において冷媒が膨張する。

更に、可動スクロール（120）が公転し、可動スクロール（120）の公転角度が２４０°（図１７参照）、３００°（図１８参照）を経て０°（図１３参照）まで、Ａ室（131）及びＢ室（132）において冷媒が膨張する一方、補助室（93）には冷媒が導入される。そして、０°において、Ａ室（131）及びＢ室（132）は、流出ポート（102）に連通し、流出行程が開始される。

そして、上記補助室（93）においては、実施形態１と同様に、Ａ室（131）及びＢ室（132）の容積が増減制御され、冷媒の過膨張と膨張不足とが回避される。その他の作用は、実施形態１と同様である。

−実施形態２の効果−
したがって、本実施形態によれば、スクロール機構（100）においても膨張機室である流体室（130）の容積を変更することができるので、冷媒の過膨張と膨張不足とを確実に回避することができる。その他の効果は、実施形態１と同様である。

〈発明の実施形態３〉
次に、本発明の実施形態３を図面に基づいて詳細に説明する。

図に１９示すように、本実施形態は、実施形態１が容積変更機構（90）に補助ピストン（92）を用いたのに代えて、容積変更機構（90）に補助弁（96）を用いたものである。

具体的に、本実施形態の容積変更機構（90）は、補助タンク（94）が補助通路（95）を介して第１ロータリ機構（70）の第１高圧室（73）に連通している。そして、上記補助通路（95）には、補助弁（96）が設けられている。そして、上記補助タンク（94）の内部は、補助室（93）に構成され、第１流体室（72）の容量を増減するように構成されている。一方、上記補助弁（96）は、開閉手段である開閉弁で構成され、補助室（93）を第１流体室（72）に連通する状態と、遮断する状態とに制御している。

したがって、本実施形態では、第１流体室（72）の容量は、補助弁（96）が開口して補助室（93）の容積分が増加した状態と、補助弁（96）が閉鎖されて補助室（93）の容積分が零の状態と変化することになる。

尚、上記補助弁（96）は、開閉弁に代えて、流量調節手段である流量調節弁で構成するようにしてもよい。この場合、補助弁（96）の開度によって補助室（93）への冷媒流入量が変化し、実質的に補助室（93）の容量が連続的又は複数段階に変化することになる。この結果、第１流体室（72）の容量が流量によって増減することになる。その他の構成、作用及び効果は実施形態１と同様である。

〈その他の実施形態〉
上記各実施形態は、膨張機構（60）としてロータリ機構（70，80）又はスクロール機構（100）を適用したが、本発明はこられらに限られるものではなく、要するに本発明は、膨張機室の容量を増減できるものであればよい。

以上説明したように、本発明は、冷媒を膨張させる膨張機について有用である。

実施形態１における空調機の配管系統図である。 実施形態１における圧縮膨張ユニットの概略断面図である。 実施形態１における膨張機構の要部拡大図である。 実施形態１における膨張機構の各ロータリ機構を個別に示す断面図である。 実施形態１の膨張機構におけるシャフトの回転角９０°毎の各ロータリ機構の状態を示す断面図である。 過膨張の運転状態を示す膨張機構の押しのけ量と圧力との関係を示すグラフである。 膨張不足の運転状態を示す膨張機構の押しのけ量と圧力との関係を示すグラフである。 （Ａ）は、実施例１の設計点の運転状態を示す第１ロータリ機構の断面図、（Ｂ）は、圧力とシリンダ容積との関係を示す図である。 （Ａ）は、実施例１の過膨張回避の運転状態を示す第１ロータリ機構の断面図、（Ｂ）は、圧力とシリンダ容積との関係を示す図である。 （Ａ）は、実施例２の設計点の運転状態を示す第１ロータリ機構の断面図、（Ｂ）は、圧力とシリンダ容積との関係を示す図である。 （Ａ）は、実施例２の過膨張回避の運転状態を示す第１ロータリ機構の断面図、（Ｂ）は、圧力とシリンダ容積との関係を示す図である。 （Ａ）は、実施例２の膨張不足回避の運転状態を示す第１ロータリ機構の断面図、（Ｂ）は、圧力とシリンダ容積との関係を示す図である。 実施形態２における０°のスクロール機構の断面図である。 実施形態２における６０°のスクロール機構の断面図である。 実施形態２における１２０°のスクロール機構の断面図である。 実施形態２における１８０°のスクロール機構の断面図である。 実施形態２における２４０°のスクロール機構の断面図である。 実施形態２における３００°のスクロール機構の断面図である。 実施形態３における膨張機構の各ロータリ機構を個別に示す断面図である。

10 空調機
20 冷媒回路
30 圧縮膨張ユニット
50 圧縮機構
60 膨張機構
66 膨張室
70，80 ロータリ機構
71，81 シリンダ
72，82 流体室
73，83 高圧室
74，84 低圧室
75，85 ピストン（ロータ）
90 容積変更機構（容積変更手段）
91 補助シリンダ
92 補助ピストン
93 補助室
94 補助タンク
95 補助通路
96 補助弁
100 スクロール機構
103 補助ポート
110 固定スクロール（スクロール部材）
111 固定ラップ
120 可動スクロール（スクロール部材）
121 可動ラップ
130 流体室

Claims (7)

1. 超臨界冷凍サイクルの冷媒回路（20）に用いられる容積型の膨張機であって、
   膨張機室（72）の容積を変更するための容積変更手段（90）を備え、
   上記容積変更手段（90）は、上記膨張機室（72）に連通し且つ該膨張機室（72）の所定位置の一部に開口する補助室（93）を備えている
   ことを特徴とする膨張機。
2. 超臨界冷凍サイクルの冷媒回路（20）に用いられる容積型の膨張機であって、
   膨張機室（72）の容積を変更するための容積変更手段（90）を備え、
   上記容積変更手段（90）は、膨張機室（72）に連通する補助室（93）と、該補助室（93）と膨張機室（72）との間に設けられた開閉機構（96）とを備えている
   ことを特徴とする膨張機。
3. 超臨界冷凍サイクルの冷媒回路（20）に用いられる容積型の膨張機であって、
   膨張機室（72）の容積を変更するための容積変更手段（90）を備え、
   上記容積変更手段（90）は、膨張機室（72）に連通する補助室（93）と、該補助室（93）と膨張機室（72）との間に設けられた流量調節機構（96）とを備えている
   ことを特徴とする膨張機。
4. 請求項１において、
   上記膨張機室（72）を構成する膨張機構（60）は、シリンダ（71，81）内にロータ（75，85）が収納された第１ロータリ機構（70）及び第２ロータリ機構（80）を備え、
   上記第１ロータリ機構（70）の膨張機室（72）と第２ロータリ機構（80）の膨張機室（82）とが１つの作動室（66）を構成するように連通する一方、上記第１ロータリ機構（70）の膨張機室（72）が第２ロータリ機構（80）の膨張機室（82）より小さく構成され、
   上記容積変更手段（90）は、第１ロータリ機構（70）の膨張機室（72）に連通するように設けられている
   ことを特徴とする膨張機。
5. 請求項１において、
   上記膨張機室（130）を構成する膨張機構（60）は、鏡板に渦巻状のラップ（111，121）が形成された１対のスクロール部材（110，120）を備え、両スクロール部材（110，120）のラップ（111，121）を互いに噛合させ、少なくとも１対の膨張機室（130）を構成するスクロール機構（100）で構成され、
   上記容積変更手段（90）は、膨張機室（130）に連通するように設けられている
   ことを特徴とする膨張機。
6. 請求項１において、
   上記膨張機室（72）を構成する膨張機構（60）は、冷媒回路（20）に設けられる圧縮機構（50）に接続されている
   ことを特徴とする膨張機。
7. 請求項１において、
   冷媒回路（20）の冷媒は、ＣＯ2である
   ことを特徴とする膨張機。

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