JP4806027B2 - ロータリ式膨張機 - Google Patents

Description

本発明は、エアコンや給湯機に利用可能であり、動力回収式の冷凍サイクル装置に用いることのできる、ロータリ式膨張機に関する。

冷凍サイクルにおける冷媒が高圧から低圧へと膨張を伴いながら圧力降下する際の内部エネルギーを回収する目的で用いられる流体機械として膨張機が知られている。以下、従来の膨張機を用いた動力回収式冷凍サイクル装置について説明する。

図７Ａに、従来の動力回収式冷凍サイクル装置を示す。本冷凍サイクル装置は、圧縮機１、ガスクーラ２、膨張機３、蒸発器４、回転電動機５、および、圧縮機１と膨張機３と回転電動機５を直結するシャフト６から構成されており、作動流体である冷媒に二酸化炭素を用いている。冷媒は、圧縮機１において高温高圧へと圧縮された後、ガスクーラ２において冷却される。さらに、冷媒は、膨張機３において低温低圧へと圧力降下された後、蒸発器４で加熱される。膨張機３は、冷媒が高圧から低圧へと膨張を伴いながら圧力降下される際の内部エネルギーを回収してシャフト６の回転エネルギーに変換し、圧縮機１を駆動するエネルギーの一部とすることで、回転電動機５の動力を低減する。

以上の動力回収式冷凍サイクル装置では、圧縮機１と膨張機３がシャフト６で連結されており、圧縮機１の回転数と膨張機３の回転数は等しいので、圧縮機１の吸入冷媒の比容積と膨張機３の吸入冷媒の比容積との比、あるいは、圧縮機１の吸入冷媒の密度と膨張機３の吸入冷媒の密度との比が、それぞれの吸入容積の比に固定されてしまうという、いわゆる密度比一定の制約が生じる。このため、最適な圧力温度制御が行えず、冷凍サイクルのＣＯＰ（Coefficient of Performance）の低下が課題となっている。

上記密度比一定の制約を回避するために、インジェクションを行うようにした動力回収式冷凍サイクル装置が特開２００４−１５０７４８号公報に開示されており、その構成を図７Ｂに示す。本構成では、ガスクーラ２の出口で冷媒の経路が２つに分岐されて、吸入路９Ａとインジェクション路９Ｂとが形成されている。吸入路９Ａを通る冷媒は予膨張弁７を通過した後に膨張機３に吸入され、インジェクション路９Ｂを通る冷媒は調整弁８を通過した後に膨張機３の膨張過程の作動室（図示せず）に導入される。この動力回収式冷凍サイクル装置は、予膨張弁７と調整弁８の開度を制御することで、膨張機３に吸入される冷媒の比容積を変化させ、密度比一定の制約を回避しようとするものである。

特開２００６−４６２２２号公報に、インジェクションを行うようにした動力回収式冷凍サイクル装置に用いる１段ロータリ式膨張機および２段ロータリ式膨張機が開示されており、その構成を図８Ａ、図８Ｂに示す。図８Ａに示す１段ロータリ式膨張機では、吸入路１１と枝分かれしたインジェクション路１２に開度調整可能な絞り弁１３が設けられているとともに、インジェクション路１２の作動室１６に対する導入口１５がシリンダの内周面１４に設けられている。また、図８Ｂに示す２段ロータリ式膨張機では、吸入路２１と枝分かれしたインジェクション路２２に開度調整可能な絞り弁２３が設けられているとともに、インジェクション路２２の作動室２８に対する導入口２７が、第１シリンダ２４側の作動室２８を閉塞する図略の閉塞部材における第１シリンダ２４の内周面２４ａに接する位置に設けられている。

しかしながら、上述したようにインジェクション路の導入口がシリンダの内周面や内周面に接する位置に設けられた従来のロータリ式膨張機では、図８Ａや図８Ｂのように、ピストンが上死点の近傍に位置するとき、作動室１６、あるいは作動室２８，２９および連通路２６を介してインジェクション路１２，２２が吐出路１７，３０に連通し、インジェクション路１２，２２から圧力の低い吐出路１７，３０へと作動流体の吹き抜けが起こる。吹き抜けた作動流体の膨張エネルギーは、膨張機で回収することができないために、従来のロータリ式膨張機では効率が低下するという課題が生じていた。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、インジェクション路から吐出路への吹き抜けを防止し、高効率な膨張機を提供することを目的としている。

上述した課題を解決するために、本発明のロータリ式膨張機は、円筒面を形成する内周面を有するシリンダと、前記シリンダの内側に配置されて前記内周面との間に作動室を形成し、前記内周面に沿って移動するピストンと、前記シリンダを挟んで前記作動室を閉塞する閉塞部材と、前記作動室に作動流体を流入させる吸入路と、前記ピストンが装着される偏心部を有し、前記作動室に流入した作動流体が膨張することにより回転力を受けるシャフトと、前記作動室から膨張した作動流体を流出させる吐出路と、前記作動室に作動流体の膨張過程でさらに作動流体を導入するインジェクション路と、を備え、前記インジェクション路の前記作動室に対する導入口は、当該インジェクション路と前記吐出路とが連通することがないように、前記閉塞部材における前記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ことを特徴とする。

本発明のロータリ式膨張機では、インジェクション路から作動室に導入された作動流体が圧力の低い吐出路へと吹き抜けることが防止される。従って、本発明によれば、高効率な膨張機を得ることができる。

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施の形態１に係る１段ロータリ式膨張機を用いた膨張機一体型圧縮機の縦断面図、図２は、図１のII−II断面線における横断面図である。膨張機一体型圧縮機は、縦長の密閉容器３１を備えている。この密閉容器３１の内部には、上側位置にスクロール式の圧縮機構４０、下側位置にロータリ式の膨張機構６０、その間に回転子３２ａと固定子３２ｂから成る回転電動機３２が配置されており、これらはシャフト３３により連結されている。そして、膨張機構６０、シャフト３３、および後述する管６７Ａ〜６７Ｃにより、本発明の実施の形態１に係る１段ロータリ式膨張機が構成されている。なお、圧縮機構４０と膨張機構６０は別々に構成しておき、組立て時にシャフト３３により連結する。また、後述する作動流体としては、二酸化炭素が用いられている。

密閉容器３１の底部には、潤滑用のオイルが溜められており、シャフト３３の下端部には、オイルポンプ３４が設けられている。シャフト３３の内部には、膨張機構６０および圧縮機構４０の各摺動部にオイルを供給するための給油路３５が形成されている。シャフト３３は、図２において時計回りに回転するようになっており、シャフト３３が回転すると、オイルポンプ３４によってオイルが汲み上げられて給油路３５を経て各摺動部に供給され、膨張機構６０の潤滑およびシールならびに圧縮機構４０の潤滑およびシールに使用される。

スクロール式の圧縮機構４０は、固定スクロール４１と、旋回スクロール４２と、オルダムリング４３と、軸受部材４４と、マフラー４５と、吸入管４６と、吐出管４７とから構成されている。シャフト３３の上端部に設けられた偏心部３３ａに嵌合され、かつ、オルダムリング４３により自転運動を拘束された旋回スクロール４２は、渦巻き形状のラップ４２ａが固定スクロール４１のラップ４１ａと噛み合いながら、シャフト３３の回転に伴って旋回運動を行う。これにより、ラップ４１ａ、４２ａの間に形成される三日月形状の作動室４８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４６から吸入された作動流体が圧縮され、固定スクロール４１の中央部に設けた吐出孔４１ｂから、マフラー４５の内側空間４５ａ、固定スクロール４１および軸受部材４４に設けた流路４９を順に経由して、密閉容器３１の内部空間３１ａへと吐出される。吐出された作動流体は、内部空間３１ａに滞留する間に、重力や遠心力などにより、混入した潤滑用のオイルと分離され、その後に吐出管４７から密閉容器３１外へと吐出される。

ロータリ式の膨張機構６０は、シリンダ６１と、シリンダ６１の内側に配置されたピストン６２と、シリンダ６１の上方に配置された上軸受部材６５と、シリンダ６１の下方に配置された下軸受部材６６とを備えている。

シャフト３３の下部には、当該シャフト３３の軸心から所定量偏心した円盤状の偏心部３３ｂが設けられている。上軸受部材６５は、密閉容器３１に固定されて、シャフト３３における偏心部３３ｂの上側近傍部分を回転可能に支持しており、下軸受部材６６は、シリンダ６１を介して上軸受部材６５に固定されて、シャフト３３における偏心部３３ｂの下側近傍部分を回転可能に支持している。具体的には、上軸受部材６５は、フラットな下面を有する、密閉容器３１の内部を上下に仕切る略円盤状の形状をなしており、その中心にシャフト３３を挿通させる挿通穴を有している。なお、図示は省略するが、上軸受部材６５には、上方で作動流体から分離されたオイルを下方に流下させる流下路が適所に設けられている。一方、下軸受部材６６は、フラットな上面および下面を有する板状をなしている。

シリンダ６１は、円筒面を形成する内周面６１ｂと、円筒面の一部分が外側に張り出した外周面と、互いに平行な上下両端面とを有する筒状をなしている。このシリンダ６１は、内周面６１ｂの中心がシャフト３３の軸心と合致する状態で上軸受部材６５と下軸受部材６６との間に介設されていて、上端面が上軸受部材６５の下面に当接し、下端面が下軸受部材６６の上面に当接している。

ピストン６２は、円形リング状をなしており、シャフト３３の偏心部３３ｂに嵌合によって装着されることにより、シリンダ６１の内周面６１ｂに線接触して当該内周面６１ｂとの間に円弧状の作動室６９を形成するとともに、シリンダ６１の内側で偏心回転運動、すなわち内周面６１ｂ上を摺動しながら当該内周面６１ｂに沿って移動可能となっている。このピストン６２の厚みは、シリンダ６１の厚みと同程度に設定されており、ピストン６２の上端面が上軸受部材６５の下面上を摺動し、かつ、ピストン６２の下端面が下軸受部材６６の上面上を摺動するようになっている。すなわち、作動室６９は上軸受部材６５および下軸受部材６６によって閉塞されており、これらの軸受部材６５，６６は、シリンダ６１を挟んで作動室６９を閉塞する閉塞部材を兼ねている。なお、シャフト３３の偏心部３３ｂの厚みも、シリンダ６１の厚みと同程度に設定されており、偏心部３３ｂの上面が上軸受部材６５の下面上を摺動し、かつ、偏心部３３ｂの下面が下軸受部材６６の上面上を摺動するようになっている。

シリンダ６１には、外周面が外側に張り出す位置に内周面６１ｂから径方向外側に伸びる溝６１ａが設けられている。この溝６１ａ内には、当該溝６１ａに嵌め込まれることによりシリンダ６１に往復動自在に保持される仕切り部材６３と、仕切り部材６３を付勢するばね６４とが配設されている。仕切り部材６３は、ばね６４に付勢されることによりピストン６２に当接させられており、これにより作動室６９が吸入側作動室６９ａと吐出側作動室６９ｂに仕切られている。

次に、膨張機構６０が作動流体を吸入および吐出するための構成について説明する。

上軸受部材６５には、吸入管６７Ａが接続されているとともに、第１通路６５ａおよび第２通路６５ｂが形成されている。一方、偏心部３３ｂの上面には、１８０°円弧状の溝部３３ｃが形成されている。そして、これら６５ａ，６５ｂ，３３ｃによって、吸入側作動室６９ａに作動流体を流入させる吸入路が構成されている。すなわち、高圧の作動流体は、吸入管６７Ａから第１通路６５ａを経て溝部３３ｃに流入した後、第２通路６５ｂを経て吸入側作動室６９ａに流入する。第１通路６５ａと溝部３３ｃと第２通路６５ｂは流入タイミング機構を形成しており、シャフト３３と共に溝部３３ｃが回転するのに伴い、溝部３３ｃが第１通路６５ａと第２通路６５ｂの両方と連通している間だけ、作動流体が吸入側作動室６９ａに流入する仕組みになっている。より詳しくは、第１通路６５ａの開口は、上軸受部材６５の下面におけるシャフト３３の軸心に対して仕切り部材６３と９０°をなす位置に設けられており、第２通路６５ｂは、上軸受部材６５の下面における仕切り部材６３の近傍位置で仕切り部材６３の往復方向に延びる溝状をなしている。溝部３３ｃは、シャフト３３の軸心から偏心部３３ｃの偏心方向に向って左右対称となっている。

シリンダ６１には、吐出管６７Ｂが接続されているとともに、吐出ポート６１ｃが形成されている。そして、これら６７Ｂ，６１ｃによって、吐出側作動室６９ｂから作動流体を流出させる吐出路が構成されている。吐出ポート６１ｃの開口は、シリンダ６１の内周面６１ｂにおける仕切り部材６３の近傍に設けられている。

図３に、膨張機構６０の動作原理図をシャフト３３の回転角に関して９０°ごとに示す。０°（シリンダ６１の内周面６１ｂに対するピストン６２の接点が仕切り部材６３上にある角度）において、溝部３３ｃが第１通路６５ａおよび第２通路６５ｂと同時に連通する吸入行程が始まり、高圧の作動流体が吸入側作動室６９ａに流入する。９０°を少し過ぎると、溝部３３ｃと第２通路６５ｂの連通が断たれ、吸入行程が終了する。その後、吸入側作動室６９ａの作動流体は減圧しながら膨張し、１８０°、２７０°と吸入側作動室６９ａの容積が増加する。このとき、シャフト３３は、作動流体が膨張することにより回転力を受ける。シャフト３３が一周して３６０°に至る直前に、吸入側作動室６９ａは吐出ポート６１ｃと連通し、膨張行程が終了する。その後、３６０°において、シリンダ６１の内周面６１ｂに対するピストン６２の接点が仕切り部材６３を通過することにより、今までの吸入側作動室は吐出側作動室６９ｂに切り替わり、接点と仕切り部材６３との間に新たに吸入側作動室６９ａが形成される。その後、７２０°までの間、吐出側作動室６９ｂの容積が減少するのに伴い、膨張した作動流体が吐出ポート６１ｃから流出させられて吐出行程が行われる。

また、本実施の形態１では、図１および図２に示すように、上軸受部材６５に、インジェクション管６７Ｃが接続されているとともに、インジェクションポート６５ｄが形成されている。そして、これら６７Ｃ，６５ｄによって、吸入側作動室６９ａに作動流体の膨張過程（膨張行程の途中）でさらに作動流体を導入するインジェクション路が構成されている。インジェクション管６７Ｃは、図略の作動流体供給管から吸入管６７Ａと枝分かれしたものであり、このインジェクション管６７Ｃには、開度調整可能な絞り弁６８が設けられている。なお、図示は省略するが、インジェクションポート６５ｄには、逆流防止弁が設けられている。

インジェクションポート６５ｄの開口、すなわちインジェクション路の吸入側作動室６９ａに対する導入口６５ｃは、上軸受部材６５の下面におけるシリンダ６１の内周面６１ｂよりも内側に寄った（オフセットした）位置に設けられている。より詳しくは、導入口６５ｃは、シャフト３３の軸心に対して仕切り部材６３と約５５°をなす位置に設けられている。このため、インジェクション路は、移動するピストン６２によって導入口６５ｃが開閉されることにより、吸入側作動室６９ａにのみ開口可能となっている。これにより、インジェクション路と吐出路とが連通することが防止されている。

具体的には、図３に示すように、導入口６５ｃは、シリンダ６１の内周面６１ｂに対するピストン６２の接点が吐出ポート６１ｃにかかる直前（すなわち、当該接点が吐出ポート６１ｃの近傍に到達した時）にピストン６２の上端面によって完全に閉じられ、内周面６１ｂに対するピストン６２の接点が仕切り部材６３から約９０°回転した後に徐々に開かれる。このように、導入口６５ｃは、少なくとも吐出行程開始から終了まではピストン６２の上端面によって閉じられており、吸入行程の終了間際から膨張行程にかけて開かれている。インジェクション路は、図７Ｂ同様、本実施の形態においても調整弁８（絞り弁６８）を経て吸入側作動室６９ａに作動流体を流入させるが、導入口６５ｃが少なくとも吐出行程においてピストン６２に閉じられていることから、インジェクションポート６５ｄから吸入側作動室６９ａに流入した作動流体が、そのまま圧力の低い吐出ポート６１ｃへと吹き抜けることを防止することができる。

従って、従来の膨張機においては吹き抜けにより動力回収することができなかった膨張エネルギーを回収することが可能になるので、高効率な膨張機を提供することができ、膨張機一体型圧縮機を用いた動力回収式冷凍サイクルの効率を向上させることができる。

なお、導入口６５ｃを図３の位置よりももう少しシャフト３３の回転方向にシフトした位置に設ければ、吸入側作動室６９ａへの吸入路からの作動流体の流入が終了した後に導入口６５ｃが開かれるようにすることができる。このようにすれば、インジェクションポート６５ｄのデッドスペース（導入口６５ｃから逆流防止弁までのスペース）に高圧の作動流体が入り込むことを抑制することができる。

また、導入口６５ｃの位置は、本実施形態で示した位置である必要はなく、シャフト３３の回転方向において、仕切り部材６３から９０°の角度範囲内にあればよい。このような位置であれば、膨張行程の内で比較的長い期間、導入口６５ｃを開いておくことが可能になる。より好ましい導入口６５ｃの位置は、シャフト３３の回転方向において、仕切り部材６３から３０°以上７０°以下の角度範囲内である。

さらに、インジェクションポート６５ｄを下軸受部材６６に設けるとともに、インジェクション路の導入口６５ｃを、下軸受部材６６の上面におけるシリンダ６１の内周面６１ｂよりも内側に寄った位置に設けることも可能である。

（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２について、図面を参照しながら説明する。

図４は、本発明の実施の形態２に係る２段ロータリ式膨張機を用いた膨張機一体型圧縮機の縦断面図、図５Ａは、図４のVA−VA断面線における横断面図、図５Ｂは、図４のVB−VB断面線における横断面図である。本実施の形態２の膨張機一体型圧縮機は、膨張機構が２段ロータリ式であることを除いて、実施の形態１の膨張機一体型圧縮機と同じであるため、同一構成部分には同一符号を付してその説明を省略する。

２段ロータリ式の膨張機構８０は、上下に並ぶ第１シリンダ８１および第２シリンダ８２と、第１シリンダ８１の内側に配置された第１ピストン８４と、第２シリンダ８２の内側に配置された第２ピストン８５と、第１シリンダ８１と第２シリンダ８２の間に配置された中板８３と、第１シリンダ８１の上方に配置された上軸受部材９０と、第２シリンダ８２の下方に配置された下軸受部材９１とを備えている。

シャフト３３の下部には、当該シャフト３３の軸心から同方向に所定量偏心した円盤状の第１偏心部３３ｄおよび第２偏心部３３ｅが設けられている。上軸受部材９０は、密閉容器３１に固定されて、シャフト３３における第１偏心部３３ｄの上側近傍部分を回転可能に支持しており、下軸受部材９１は、第１シリンダ８１、中板８３、および第２シリンダ８２を介して上軸受部材９０に固定されて、シャフト３３における第２偏心部３３ｂの下側近傍部分を回転可能に支持している。具体的には、上軸受部材９０は、フラットな下面を有する、密閉容器３１の内部を上下に仕切る略円盤状の形状をなしており、その中心にシャフト３３を挿通させる挿通穴を有している。なお、図示は省略するが、上軸受部材９０には、上方で作動流体から分離されたオイルを下方に流下させる流下路が適所に設けられている。一方、下軸受部材９１は、フラットな上面および下面を有する板状をなしている。中板８３は、フラットな上面および下面を有する板状をなしているが、その厚みは、第１偏心部３３ｄと第２偏心部３３ｅの間の距離と同程度に設定されている。なお、中板８３の中央には、組立て時に第２偏心部３３ｅを通過させるための貫通穴が設けられている。

第１シリンダ８１および第２シリンダ８２は、円筒面を形成する内周面８１ｂ，８２ｂと、円筒面の一部分が外側に張り出した外周面と、互いに平行な上下両端面とを有する筒状をなしている。第２シリンダ８２の厚みは、第１シリンダ８１の厚みよりも大きく設定されている。第１シリンダ８１は、内周面８１ｂの中心がシャフト３３の軸心と合致する状態で上軸受部材９０と中板８３との間に介設されていて、上端面が上軸受部材９０の下面に当接し、下端面が中板８３の上面に当接している。第２シリンダ８２は、内周面８２ｂの中心がシャフト３３の軸心と合致する状態で中板８３と下軸受部材９１との間に介設されていて、上端面が中板８３の下面に当接し、下端面が下軸受部材９１の上面に当接している。

第１ピストン８４および第２ピストン８５は、円形リング状をなしており、シャフト３３の偏心部３３ｄ，３３ｅに嵌合によって装着されることにより、第１シリンダ８１の内周面８１ｂまたは第２シリンダ８２の内周面８２ｂに線接触して当該内周面８１ｂ，８２ｂとの間に円弧状の作動室９４，９５を形成するとともに、シリンダ８１，８２の内側で偏心回転運動、すなわち内周面８１ｂ，８２ｂ上を摺動しながら当該内周面８１ｂ，８２ｂに沿って移動可能となっている。これらのピストン８４，８５の厚みは、シリンダ８１，８２の厚みと同程度に設定されており、ピストン８４，８５の上端面が上軸受部材９０または中板８３の下面上を摺動し、かつ、ピストン６２の下端面が中板８３または下軸受部材９１の上面上を摺動するようになっている。すなわち、第１シリンダ８１側の作動室９４は上軸受部材９０および中板８３によって、第２シリンダ８２側の作動室９５は中板８３および下軸受部材９１によって閉塞されており、これらの軸受部材９０，９１および中板８３は、シリンダ８１，８２を挟んで作動室９４，９５を閉塞する閉塞部材を兼ねている。なお、シャフト３３の偏心部３３ｄ，３３ｅの厚みも、シリンダ８１，８２の厚みと同程度に設定されており、偏心部３３ｄ，３３ｅの上面が上軸受部材９０または中板８３の下面上を摺動し、かつ、偏心部３３ｄ，３３ｅの下面が中板８３または下軸受部材９１の上面上を摺動するようになっている。

本実施の形態では、第１シリンダ８１と第２シリンダ８２の内周面８１ｂ，８２ｂの直径を同じにするとともに第１ピストン８４と第２ピストン８５の外径を同じにしておいて、第２シリンダ８２の厚みを第１シリンダ８１の厚みよりも大きくすることで、第２シリンダ８２側の作動室９５の容積が第１シリンダ８１側の作動室９４の容積よりも大きく設定されている。しかし、第１シリンダ８１と第２シリンダ８２の厚みを同じにしておいて、第２シリンダ８２の内周面８２ｂの直径を第１シリンダ８１の内周面８１ｂの直径よりも大きくしたり、第２ピストン８５の外径を第１ピストン８４の外径よりも小さくしたりしてもよい。

第１シリンダ８１および第２シリンダ８２には、外周面が外側に張り出す位置に内周面８１ｂ，８２ｂから径方向外側に伸びる溝８１ａ，８２ａが設けられている。これらの溝８１ａ，８２ａ内には、当該溝８１ａ，８２ａに嵌め込まれることによりシリンダ８１，８２に往復動自在に保持される第１仕切り部材８６および第２仕切り部材８７と、仕切り部材８６，８７を付勢するばね８８，８９とが配設されている。仕切り部材８６，８７は、ばね８８，８９に付勢されることによりピストン８４，８５に当接させられており、これにより作動室９４，９５が吸入側作動室９４ａ，９５ａと吐出側作動室９４ｂ，９５ｂに仕切られている。中板（中間閉塞部材）８３には、第１シリンダ８１側の吐出側作動室９４ｂの第１仕切り部材８６近傍部分と第２シリンダ８２側の吸入側作動室９５ａの第２仕切り部材８７近傍部分とを連通する連通路８３ａが設けられており、これら９４ｂ，８３ａ，９５ａによって膨張室が構成されている。

次に、膨張機構８０が作動流体を吸入および吐出するための構成について説明する。

上軸受部材９０には、吸入管９２が接続されているとともに、吸入ポート９０ａが形成されている。そして、これら９２，９０ａによって、吐出側作動室９４ａに作動流体を流入させる吸入路が構成されている。吸入ポート９０ａの開口は、上軸受部材９０の下面における第１仕切り部材８６の近傍に設けられている。

第２シリンダ８２には、吐出管９３が接続されているとともに、吐出ポート８２ｃが形成されている。そして、これら９３，８２ｃによって、吐出側作動室９５ｂから作動流体を流出させる吐出路が構成されている。吐出ポート８２ｃの開口は、第２シリンダ８２の内周面８２ｂにおける第２仕切り部材８７の近傍に設けられている。

図６に、膨張機構８０の動作原理図をシャフト３３の回転角に関して９０°ごとに示す。０°（第１シリンダ８１の内周面８１ｂに対する第１ピストン８４の接点が第１仕切り部材８６上にある角度）において、吸入行程が開始され、第１シリンダ８１の吸入ポート９０ａから吸入側作動室９４ａに作動流体が流入する。シャフト３３が３６０°まで回転すると、吸入行程が終了する。３６０°において、第１シリンダ８１の内周面８１ｂに対する第１ピストン８４の接点が第１仕切り部材８６を通過することにより、今までの吸入側作動室は吐出側作動室９４ｂに切り替わり、接点と第１仕切り部材８６との間に新たに吸入側作動室９４ａが形成される。こうして、吐出側作動室９４ｂから連通孔８３ａを通じて第２シリンダ８２側の吸入側作動室９５ａに作動流体が移動しながら膨張する膨張行程が開始される。シャフト３３が７２０°まで回転すると、第１シリンダ８１側の吐出側作動室９４ｂは消滅し、膨張行程が終了する。この間、シャフト３３は、作動流体が膨張することにより回転力を受ける。７２０°において、第２シリンダ８２の内周面８２ｂに対する第２ピストン８５の接点が第２仕切り部材８７を通過することにより、今までの第２シリンダ８２側の吸入側作動室は吐出側作動室９５ｂに切り替わり、接点と第２仕切り部材８７との間に新たに吸入側作動室９５ａが形成される。その後、１０８０°にかけて吐出側作動室９５ｂの容積が減少するのに伴い、膨張した作動流体が吐出ポート８２ｃから流出させられて吐出行程が行われる。

また、本実施の形態２では、下軸受部材９１に、インジェクション管９６が接続されているとともに、インジェクションポート９１ｂが形成されている。そして、これら９６，９１ｂによって、第２シリンダ８２側の吸入側作動室９５ａに作動流体の膨張過程でさらに作動流体を導入するインジェクション路が構成されている。インジェクション管９６は、図略の作動流体供給管から吸入管９２と枝分かれしたものであり、このインジェクション管９６には、開度調整可能な絞り弁６８が設けられている。なお、図示は省略するが、インジェクションポート９１ｂには、逆流防止弁が設けられている。

インジェクトポート９１ｂの開口、すなわちインジェクション路の吸入側作動室９５ａに対する導入口９１ａは、下軸受部材９１の上面における第２シリンダ８２の内周面８２ｂよりも内側に寄った（オフセットした）位置に設けられている。より詳しくは、導入口９１ａは、シャフト３３の軸心に対して第２仕切り部材８７と約５０°をなす位置に設けられている。このため、インジェクション路は、移動する第２ピストン８５によって導入口９１ａが開閉されることにより、吸入側作動室９５ａにのみ開口可能となっている。これにより、インジェクション路と吐出路とが連通することが防止されている。

具体的には、図６に示すように、導入口９１ａは、第２シリンダ８２の内周面８２ｂに対する第２ピストン８５の接点が吐出ポート８２ｃにかかる直前（すなわち、当該接点が吐出ポート８２ｃの近傍に到達した時）に第２ピストン８５の下端面によって完全に閉じられ、内周面８２ｂに対する第２ピストン８５の接点が第２仕切り部材８７から約９０°回転した後に徐々に開かれる。このように、導入口９１ａは、少なくとも吐出行程開始から終了までは第２ピストン８５の下端面によって閉じられており、膨張行程の開始後まもなくしてから終了間際にかけて開かれている。インジェクション路は、図７Ｂ同様、本実施の形態においても調整弁８（絞り弁６８）を経て第２シリンダ８２側の吸入側作動室９５ａに作動流体を流入させるが、導入口９１ａが少なくとも吐出行程において第２ピストン８５に閉じられていることから、インジェクションポート９１ｂから吸入側作動室９５ａに流入した作動流体がそのまま圧力の低い吐出ポート８２ｃへと吹き抜けることを防止することができる。

従って、従来の膨張機においては動力回収することができなかったインジェクションポート９１ｂから吐出ポート８２ｃに吹き抜けていた作動流体の膨張エネルギーを回収することが可能になるので、高効率な膨張機を提供することができ、膨張機一体型圧縮機を用いた動力回収式冷凍サイクルの効率を向上させることができる。

なお、導入口９１ａの位置は、本実施形態で示した位置である必要はなく、シャフト３３の回転方向において、第２仕切り部材８７から９０°の角度範囲内にあればよい。このような位置であれば、膨張行程の内で比較的長い期間、導入口９１ａを開いておくことが可能になる。より好ましい導入口９１ａの位置は、シャフト３３の回転方向において、第２仕切り部材８７から３０°以上７０°以下の角度範囲内である。

また、インジェクション路と吐出路とが連通することがないようにするには、導入口９１ａが、移動する第２ピストン８５または第１ピストン８４によって開閉されることによりインジェクション路が膨張室にのみ開口可能となる位置に設けられていればよい。例えば、インジェクションポート９１ｂを上閉塞部材９０に設けるようにしてもよい。この場合、導入口９１ａは、上閉塞部材９０の下面における、シャフト３３の回転方向において、第１仕切り部材８６から−９０°の角度範囲内の位置に設け、第１ピストン８４の上端面によって開閉されるようにする。ただし、本実施の形態のように、インジェクションポート９１ｂを下軸受部材９１に設ければ、膨張行程の後半で作動流体を導入できるようになる。また、第２シリンダ８２側の吸入側作動室９５ａ内の圧力は、第１シリンダ８１側の吐出側作動室９４ｂ内の圧力よりも小さいために、導入口９１ａを上軸受部材９０に設けるよりも下軸受部材９１に設けた方が、多くの作動流体を膨張室に導入することができる。従って、本実施の形態の２段ロータリ式膨張機によれば、インジェクション量の調整範囲を広く確保して密度比の可変幅を大きくでき、広範囲の環境温度で最適な圧力温度制御ができるようになる。

さらに、中板８３にインジェクションポート９１ｂを設けるとともに、中板８３の上面または下面に導入口９１ａを設けることも可能であるが、中板８３の厚みを薄く保つためには、本実施の形態のようにする方が好ましい。

（まとめ）
以上のように、調整弁８としてシャフト３３の回転周期に合わせて制御ができない弁、例えば作動流体の流量を制御するための開度調整のみを行う絞り弁６８を用いた場合、調整弁８は常に一定の開度に保たれているため、インジェクションポート６５ｄ，９１ｂから吐出ポート６１ｃ，８２ｃへの作動流体の吹き抜けを防止することができなかったが、本発明のロータリ型膨張機を用いれば、作動流体の吹き抜け防止効果が顕著である。また、調整弁８がシャフト３３の回転周期に合わせて開閉制御可能な電磁弁である場合には、吸入過程または膨張過程に調整弁８を開き、吐出行程の直前に調整弁８を閉じるという制御を行うことにより、本発明のインジェクションポート６５ｄ，９１ｂから吐出ポート６１ｃ，８２ｃへの作動流体の吹き抜けを二重に防止することができる。

なお、本発明は、密度比一定の制約を回避するためにインジェクションを行うようにした膨張機一体型圧縮機の膨張機に適用することを主な目的としているが、インジェクションを行うようにした単体の膨張機にも適用可能であることは言うまでも無い。

また、実施の形態１、２では、ロータリングピストン式の膨張機構６０，８０を用いて説明したが、膨張機構を仕切り部材とピストンが一体に構成される１段または２段のスウィング式のものに置換しても、同様の効果が得られることは言うまでも無い。

本発明の膨張機は、冷凍サイクルにおける作動流体の膨張エネルギーを回収する動力回収手段として有用である。

本発明の実施の形態１に係る１段ロータリ式膨張機を用いた膨張機一体型圧縮機の縦断面図 図１のII−II断面線における横断面図 図１の膨張機構の動作原理図 本発明の実施の形態２に係る２段ロータリ式膨張機を用いた膨張機一体型圧縮機の縦断面図 図４のVA−VA断面線における横断面図 図４のVB−VB断面線における横断面図 図４の膨張機構の動作原理図 従来の動力回収式冷凍サイクル装置を示す図 従来のインジェクションを行うようにした動力回収式冷凍サイクル装置を示す図 従来の１段ロータリ式膨張機の横断面図 従来の２段ロータリ式膨張機の横断面図

Claims (11)

1. 円筒面を形成する内周面を有するシリンダと、
   前記シリンダの内側に配置されて前記内周面との間に作動室を形成し、前記内周面に沿って移動するピストンと、
   前記シリンダを挟んで前記作動室を閉塞する閉塞部材と、
   前記作動室に作動流体を流入させる吸入路と、
   前記ピストンが装着される偏心部を有し、前記作動室に流入した作動流体が膨張することにより回転力を受けるシャフトと、
   前記作動室から膨張した作動流体を流出させる吐出路と、
   前記作動室に作動流体の膨張過程でさらに作動流体を導入するインジェクション路と、を備え、
   前記インジェクション路の前記作動室に対する導入口は、当該インジェクション路と前記吐出路とが連通することがないように、前記閉塞部材における前記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、ロータリ式膨張機。
2. 前記シリンダに保持されて、前記作動室を吸入側作動室と吐出側作動室に仕切る仕切り部材をさらに備える、請求項１に記載のロータリ式膨張機。
3. 前記ロータリ式膨張機は、前記シリンダを１つ備える１段ロータリ式膨張機であり、
   前記導入口は、移動する前記ピストンによって開閉されることにより前記インジェクション路が前記吸入側作動室にのみ開口可能となる位置に設けられている、請求項２に記載のロータリ式膨張機。
4. 前記導入口の位置は、前記シャフトの回転方向において、前記仕切り部材から９０°の角度範囲内にある、請求項３に記載のロータリ式膨張機。
5. 前記導入口は、前記吸入側作動室への前記吸入路からの作動流体の流入が終了した後に開かれる位置に設けられている、請求項３に記載のロータリ式膨張機。
6. 前記ロータリ式膨張機は、前記シリンダとして、第１シリンダと、第２シリンダとを備え、前記閉塞部材として、前記第１シリンダと前記第２シリンダの間に配置された中間閉塞部材と、前記第１シリンダに対して前記中間閉塞部材と反対側に配置された第１閉塞部材と、前記第２シリンダに対して前記中間閉塞部材と反対側に配置された第２閉塞部材とを備える２段ロータリ式膨張機であり、
   前記第２シリンダ側の作動室の容積は、前記第１シリンダ側の作動室の容積よりも大きく設定されており、
   前記中間閉塞部材には、前記第１シリンダ側の吐出側作動室と前記第２シリンダ側の吸入側作動室とを連通して膨張室を構成する連通路が設けられており、
   前記導入口は、前記ピストンの移動によって開閉されることにより前記インジェクション路が前記膨張室にのみ開口可能となる位置に設けられている、請求項２に記載のロータリ式膨張機。
7. 前記導入口は、前記第１閉塞部材に設けられており、この導入口の位置は、前記シャフトの回転方向において、前記仕切り部材から−９０°の角度範囲内にある、請求項６に記載のロータリ式膨張機。
8. 前記導入口は、前記第２閉塞部材に設けられており、この導入口の位置は、前記シャフトの回転方向において、前記仕切り部材から９０°の角度範囲内にある、請求項６に記載のロータリ式膨張機。
9. 前記インジェクション路には、開度調整可能な絞り弁が設けられている、請求項１に記載のロータリ式膨張機。
10. 前記シャフトは、前記作動流体を圧縮する圧縮機構に結合されている、請求項１に記載のロータリ式膨張機。
11. 前記作動流体は二酸化炭素である、請求項１に記載のロータリ式膨張機。

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