JP4706622B2

JP4706622B2 - 膨張機

Info

Publication number: JP4706622B2
Application number: JP2006310183A
Authority: JP
Inventors: 淳櫻木; クマールドットオシット; 勝志谷口
Original assignee: Fujitsu General Ltd
Current assignee: Fujitsu General Ltd
Priority date: 2006-11-16
Filing date: 2006-11-16
Publication date: 2011-06-22
Anticipated expiration: 2026-11-16
Also published as: JP2008127995A

Description

本発明は、高圧流体の膨張により動力を発生させ、エネルギ回収を行う膨張機に係わり、より詳細には、エネルギ回収効率低下の原因となる、高圧流体の過膨張現象を防止する構成に関する。

従来の膨張機は、例えば図６で示すように、シリンダ７０と、同シリンダ７０内を公転運動する偏心ロータ７１と、同偏心ロータ７１が連結された動力回収シャフト７２とから構成されている。前記偏心ロータ７１には半径方向へ延びるブレード７３が一体に設けられており、前記シリンダ７０には、前記ブレード７３を摺動自在に支持するとともに、回動可能な一対のブッシュ７４が設けられている。また、前記シリンダ７０には、高圧流体を同シリンダ７０内に導入する流入ポート７５と、膨張し低圧となった流体を前記シリンダ７０外に導出する流出ポート７６とが設けられている。また、前記シリンダ７０には、同シリンダ７０内の容積を変更するための容積変更機構が設けられており、同容積変更機構は、補助シリンダ７８と、同補助シリンダ７８内に前後摺動自在に収納されたピストン７９とからなっている。

前記流入ポート７５から導入された高圧流体は、前記シリンダ７０の内壁面と、前記偏心ロータ７１と前記ブレード７３とで区画される膨張室７７に流入し、同膨張室７７で膨張することにより前記偏心ロータ７１を公転運動させるようになっている。続いて、膨張室７７で膨張し、低圧となった流体は前記流出ポート７６から外部に導出されるようになっている。

膨張機を空調機の冷凍サイクルに用いている場合には、冷房運転と暖房運転の切り換えや外気温度の変化などの運転条件の変動により、冷凍サイクルの膨張比が膨張機の設計膨張比と異なる場合が生じる。運転条件の変化により冷凍サイクルの実際の膨張比が、膨張機の設計膨張比よりも小さくなると、前記膨張室７７の圧力が冷凍サイクルの低圧側圧力よりも低くなる状態が生じ、所謂、膨張機の膨張室で過膨張現象が発生し、動力回収効率が低下してしまうこととなる。

前記ピストン７９は、前記膨張室７７で、流体の過膨張現象あるいは張不足現象が生ずる場合、前記補助シリンダ７８の容積を増減するように移動するようになっている。前記ピストン７９は、補助シリンダ７８の開口端に最も前進した状態において、前記シリンダ７０の内周面にほぼ一致し、前記補助シリンダ７８の容積は実質的に零となる。一方、前記ピストン７９が補助シリンダ７８の閉塞端に最も後退した状態においては、前記補助シリンダ７８の容積が最大となる。そして、前記ピストン７９は、運転条件等に対応して補助シリンダ７８内での位置が、適宜制御されるようになっている。

前記補助シリンダ７８により、前記膨張室７７の容積を適宜増減させることにより、同膨張室７７で過膨張現象あるいは膨張不足現象が生じたとしても、流入する流体流量を調節することにより、これらの現象を防止あるいは抑制することができるようになっている。

しかしながら、前記補助シリンダ７８内で前記ピストン７９を適宜、駆動させるには、駆動機構がやや複雑となり、コストアップの要因となる虞があり、また、膨張機のサイズが駆動機構の組み込みのため、大型化してしまうというような問題点があった。
特開２００６−４６２５７号（７頁、図４）

本発明は、上記問題点に鑑み、補助シリンダあるいは補助膨張室の容積を可変させる可変機構を簡素化して、コストの低減が図れるとともに、小型化が可能な膨張機を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、ケーシング内に、膨張室を形成したシリンダと、前記膨張室に流入した流体が膨張することにより回動する動力回収シャフトとを備えた膨張機において、前記ケーシングに、前記膨張室に連通する副膨張室を設け、同副膨張室に充填された潤滑油量により、膨張容積を可変するようにした構成となっている。

また、ケーシング内に、流入ポートと流出ポートとに接続され、膨張室を形成したシリンダと、前記膨張室に流入した流体が膨張することにより回動する動力回収シャフトとを備えた膨張機において、前記流出ポートを気液分離器に接続する一方、前記ケーシング内に前記気液分離器と接続される一方、前記膨張室に連通した副膨張室を設け、同副膨張室に充填した液相冷媒量により、膨張容積を可変するようにした構成となっている。

本発明によると、ケーシング内に潤滑油を貯留した油溜り室を設け、膨張室に、同膨張室に連通し、前記油溜り室から潤滑油を吸引あるいは同油溜り室に排出する油吸入、排出機構を接続した副膨張室を設け、同副膨張室に潤滑油を充填させて膨張容積を可変させることができるようになっている。

以下、本発明の実施の形態を、添付図面に基づいた実施例として詳細に説明する。

図１は本発明による膨張機を用いた冷媒回路である。図２は本発明による膨張機の第一実施例を示す、上方から見た断面図であり、図３は側断面図である。図４は冷媒回路の他の応用例であり、図５はこれに用いられる膨張機の第二実施例での断面図である。

本発明による膨張機４を備えた冷媒回路１は、図１で示すように、圧縮機２と、放熱器３と、膨張機４と、吸熱器５とを順次接続して構成されており、同冷媒回路１には、例えば、自然冷媒としての二酸化炭素冷媒が循環するようになっている。前記圧縮機２はスクロール圧縮機、あるいはロータリー圧縮機で構成され、前記放熱器３と、前記吸熱器５とは、平行して並べられた多数のフィンと、同フィンに直交するように配設された蛇行状のチューブとからなる、所謂クロスフィン型のフィン・アンド・チューブ熱交換器で構成されている。

前記圧縮機２で圧縮され、高温高圧となった二酸化炭素冷媒は、前記放熱器３に流入し、同放熱器３で熱を放出する。熱を放出した冷媒は、前記膨張機４に流入し、同膨張機４内で膨張して低温低圧となる。低温低圧となった冷媒は前記吸熱器５で熱を吸収した後、前記圧縮機２に還流するようになっている。ここで、前記膨張機４内で膨張した冷媒は、膨張するエネルギにより同膨張機４に設けられた、後述する動力回収シャフト１０を回転駆動させるようになっている。

本願の第一実施例での膨張機４は、図２の、上方から見た断面図及び図３の側断面図で示すように、上面及び下面が閉塞され、円筒状に形成されたケーシング６と、同ケーシング６内の上部に形成された膨張機構部４ａと、下部に形成され潤滑油２２を貯留した油溜り室４ｂと、ケーシング６中央部に、回動自在に軸支された動力回収シャフト９とからなっている。

前記膨張機構部４ａは、円盤状に形成された上壁７ａ及び下壁７ｂと、これらを上下に連結する側壁７ｃとからなり、円筒状の内部空間を有するシリンダ７と、前記動力回収シャフト９に形成されたクランク軸１０と、同クランク軸１０の外周縁に嵌着されたリング状の偏心ロータ８とからなっている。同偏心ロータ８は前記クランク軸１０により前記動力回収シャフト９に対し偏心して軸支されることにより、外周面一端を前記シリンダ７の内壁面に摺接させながら同シリンダ７の内部空間を公転運動するようになっている。

また、前記ケーシング６には、図２で示すように、外方に突出してベーン収納部１５が形成されている。同ベーン収納部１５内には、先端部を前記偏心ロータ８の外周面に当接させ、且つ摺接させる前後進退自在に支持されたベーン１６と、同ベーン１６の後部と、前記ベーン収納部１５の内壁面との間に設けられ、前記ベーン１６を前記偏心ロータ８の外周面に押圧する押圧手段としてのスプリング１７とが設けられている。また、開閉弁１２を備え、高圧の冷媒を導入する流入ポート１１が前記ケーシング６から突設されている。前記シリンダ７の下壁７ｂには、一端を流出口１４として内部空間に開口し、他端を前記ケーシング６の外部に導出したＬ字状の流出ポート１８が支持されており、これら流入ポート１１と流出ポート１８とは、前記ベーン１６を挟んで相対向するように配設されている。

前記流入ポート１１に備えられた開閉弁１２は、前記偏心ロータ８の公転運動に応じて開閉動作を行うようになっており、例えば、前記動力回収シャフト９の近傍に、同動力回収シャフト９の回転角度を検出する、図示しない角度センサを配設し、検出された回転角度を基に前記開閉弁１２の開閉動作を行うようになっている。また、前記動力回収シャフト９にカムを装着し、同カムの回転動作に伴って前記開閉弁１２の開閉動作を行なうこともできる。

前記流入ポート１１から流入した高圧の冷媒は、その高圧の圧力で前記偏心ロータ８を反時計廻りに公転駆動させ、これに連結された前記動力回収シャフト９を回転させるとともに、後述する高圧側膨張室１３ａの容積が増大するにつれ、冷媒の容積が膨張して低圧状態の冷媒となる。膨張し低圧となった冷媒は前記流出ポート１８から流出していくようになっている。

前記ベーン１６と、前記偏心ロータ８の外周面と、前記シリンダ７の内壁面とで囲まれる空間には高圧側膨張室１３ａ及び低圧側膨張室１３ｂが形成されるようになっている。前記高圧側膨張室１３ａは、高圧の冷媒が流入することにより、暫時、容積を増加させ前記動力回収シャフト９を回動させる膨張室であり、前記低圧側膨張室１３ｂは、容積が増加したことにより、充填された冷媒が低圧状態となった膨張室である。同低圧側膨張室１３ｂで低圧となった冷媒は、暫時、前記流出ポート１４から流出していくようになっている。このように、前記シリンダ７内には、前記ベーン１６を挟んで、高圧側膨張室１３ａと低圧側膨張室１３ｂとが連続的に形成されるようになっている。また、偏心ロータ８に連結された前記動力回収シャフト９は、例えば、その一端を、発電機等に接続されており、前記膨張室１３が流入する高圧冷媒により容積を増大させることにより、前記偏心ロータ８が公転運動し、これに伴い前記動力回収シャフト９が回転駆動されると、同動力回収シャフト９に接続された発電機等が発電作用を行い、これにより、冷媒の膨張エネルギが無駄に廃棄されることなく有効に利用することができるようになっている。

前記シリンダ７の下壁７ｂには、図３で示すように、前記高圧側膨張室１３ａに連通する副膨張室１９が設けられており、同副膨張室１９は前記下壁７ｂから下方に垂下する円筒状に形成されている。その下端部には、油吸入パイプ２１が接続されており、同油吸入パイプ２１下端の吸入口は、前記油溜り室４ｂに貯留された潤滑油２２に浸るようになっている。また、その中央部には、潤滑油２２を吸入パイプ２１に吸引あるいは、前記油溜り室４ｂに排出する油吸入、排出機構２０が設けられている。

前記副膨張室１９には、通常時、中間位置まで潤滑油が充填されており、前記油吸入、排出機構２０が、前記油溜り室４ｂから潤滑油を吸引し、前記副膨張室１９に送出すると、油面が上昇することにより、送出した潤滑油量に応じて前記副膨張室１９の容積が減少し、また、潤滑油を前記油溜り室４ｂに排出すると、油面が下降し、前記副膨張室１９の容積が増大するようになっている。

前記流入ポート１１には、流入してくる高圧の冷媒の圧力を検出する流入側圧力センサ２３が配置され、前記流出ポート１８には、前記低圧側膨張室１３ｂで膨張し低圧となった冷媒の圧力を検出する流出側圧力センサ２４が配置されている。これら流入側圧力センサ２３及び流出側圧力センサ２４は、点線で示すように、信号線により制御部２５に接続されており、検出された圧力値は信号線により前記制御部２５に夫々、送出されるようになっている。また、同制御部２５と前記油吸入、排出機構２０とは信号線により接続されており、制御部２５からの制御信号により前記油吸入、排出機構２０は駆動されるようになっている。

前記流入ポート１１側での冷媒圧力検出値をＰ１とし、前記流出ポート１８側での冷媒圧力検出値をＰ２とすると、Ｐ１とＰ２との圧力差が所定の範囲内であれば、前記制御部２５は前記低圧側膨張室１３ｂにおける膨張比は正常な範囲であると判定するが、前記高圧側膨張室１３ａ、あるいは低圧側膨張室１３ｂで過膨張現象が発生し、前記流出ポート１８側での冷媒圧力検出値Ｐ２が急激に低下し、Ｐ１とＰ２との圧力差が所定の範囲を越えた場合には、前記制御部２５は前記油吸入、排出機構２０に制御信号を送出して、前記油溜り室４ｂから潤滑油を吸引させるようになっている。吸引された潤滑油は、前記副膨張室１９に送出され、同副膨張室１９の空間容積を減少させるようになっている。

前記副膨張室１９の空間容積が減少すると、これに連通された前記高圧側膨張室１３ａとの合計値である膨張容積が減少し、これにより、冷媒の圧力が上昇して過膨張現象が抑えられるようになっている。

前記高圧側膨張室１３ａで冷媒の膨張不足が生じた場合には、前記流入ポート１１側での冷媒圧力検出値をＰ１と、前記流出ポート１８側での冷媒圧力検出値をＰ２との圧力差が所定範囲内より小さくなる。この場合には、前記制御部２５は前記油吸入、排出機構２０に制御信号を送出して、前記副膨張室１９に充填されている潤滑油を、前記油溜り室４ｂに排出させ油面が下降することにより前記副膨張室１９の空間容積を増大させるようになっている。これにより、副膨張室１９の容積と、これに連通された前記高圧側膨張室１３Ａの合計値である膨張容積が増大し、これにより、冷媒の圧力が低下して膨張不足現象を抑えることができるようになっている。

次に、第二実施例について説明する。第二実施例での冷媒回路は、図４で示すように、圧縮機２と、放熱器３と、膨張機２６と、気液分離器２７と、吸熱器６とを順次接続するとともに、前記気液分離器２７と前記膨張機２６との間に、液相冷媒戻し路２８を設けている。前記気液分離器２７は、流入してくる気液混合冷媒を、気相状態の冷媒と液相状態の冷媒とに分離するようになっており、分離された液相状態の冷媒は、前記液相冷媒戻し路２８を介して前記膨張機２６に還流されるようになっている。

第二実施例での膨張機２６の構造は、第一実施例での膨張機４の構造とほぼ同等であり、図５で示すように、ケーシング６と、シリンダ７と、偏心ロータ８と、ケーシング６中央部に回動自在に軸支された動力回収シャフト９とからなっている。前記シリンダ８の下壁７ｂには、一端をシリンダ７の内部空間に開口し、他端を気液分離器２７に接続した流出ポート１８が設けられている。

前記シリンダ７の下壁７ｂには、高圧側膨張室１３ａに連通する副膨張室１９が設けられており、その下端部には、前記液相冷媒戻し路２８の一端が接続され、他端は前記気液分離器２７に接続されている。また、同液相冷媒戻し路２８の前記副膨張室１９近傍には、前記気液分離器２７から液相冷媒を吸引する液相冷媒吸引機構２９が設けられている。

前記流入ポート１１には、流入してくる高圧の冷媒の圧力を検出する流入側圧力センサ２３が配置され、前記流出ポート１８には、膨張し低圧となった冷媒の圧力を検出する流出側圧力センサ２４が配置されている。これら流入側圧力センサ２３及び流出側圧力センサ２４は、点線で示すように、信号線により制御部２５に接続されており、検出された圧力値は信号線により前記制御部２５に夫々、送出されるようになっている。また、同制御部２５と前記液相冷媒吸引機構２９とは信号線により接続されており、制御部２５からの制御信号により前記液相冷媒吸引機構２９は駆動されるようになっている。

前記流入ポート１１側での冷媒圧力検出値Ｐ１と、前記流出ポート１８側での冷媒圧力検出値Ｐ２との圧力差が所定の範囲内であれば、前記制御部２５は前記前記高圧側膨張室１３ａでの冷媒の膨張比は正常な範囲であると判定するが、過膨張現象が発生し、Ｐ１とＰ２との圧力差が所定の範囲を越えた場合には、前記制御部２５は前記液相冷媒吸引機構２９に制御信号を送出して、前記気液分離器２７から液相冷媒を吸引させ、これを前記副膨張室１９に送出させるようになっている。

前記副膨張室１に液相冷媒が充填され、容積が減少すると、これに連通された前記高圧側膨張室１３ａの容積との合計値である膨張容積が減少し、これにより、冷媒の圧力が上昇して過膨張現象から正常な状態に回復することができるようになっている。また、前記副膨張室１９に、非圧縮性の潤滑油を液封することにより、動力回収運転に寄与しない、所謂、死容積を極力減少させることができるとともに、簡素な構成で過膨張現象を防止することのできる膨張機となっている。

本発明による膨張機を用いた冷媒回路である。本発明による膨張機の第一実施例を示す上方から見た断面図である。本発明による膨張機の第一実施例を示す側断面図である。冷媒回路の他の応用例である。膨張機の第二実施例を示す断面図である。従来の膨張機を示す断面図である。

符号の説明

１冷媒回路
２圧縮機
３放熱器
４膨張機
４ａ膨張機構部
４ｂ油溜り室
５吸熱器
６ケーシング
７シリンダ
７ａ上壁
７ｂ下壁
７ｃ側壁
８偏心ロータ
９動力回収シャフト
１０クランク軸
１１流入ポート
１２開閉弁
１３ａ高圧側膨張室
１３ｂ低圧側膨張室
１４流出口
１５ベーン収納部
１６ベーン
１７スプリング
１８流出ポート
１９副膨張室
２０油吸入、排出機構
２１油吸入パイプ
２２潤滑油
２３流入側圧力センサ
２４流出側圧力センサ
２５制御部
２６膨張機
２７気液分離器
２８液相冷媒戻し路
２９液相冷媒吸引機構

Claims

ケーシング内に、膨張室を形成したシリンダと、前記膨張室に流入した流体が膨張することにより回動する動力回収シャフトとを備えた膨張機において、
前記ケーシングに、前記膨張室に連通する副膨張室を設け、同副膨張室に充填された潤滑油量により、膨張容積を可変するようにしたことを特徴とする膨張機。
ケーシング内に、流入ポートと流出ポートとに接続され、膨張室を形成したシリンダと、前記膨張室に流入した流体が膨張することにより回動する動力回収シャフトとを備えた膨張機において、
前記流出ポートを気液分離器に接続する一方、前記ケーシング内に前記気液分離器と接続される一方、前記膨張室に連通した副膨張室を設け、同副膨張室に充填した液相冷媒量により、膨張容積を可変するようにしたことを特徴とする膨張機。