JP4837049B2 - 流体機械および冷凍サイクル装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷凍空調機や給湯機等に適用される冷凍サイクル装置に関し、さらに、冷凍サイクル装置に好適に用いることができる流体機械に関する。

冷凍サイクル装置を構成する流体機械として、図７に示すように、冷媒を圧縮する圧縮機構４０２と、冷媒が減圧膨張する際の膨張エネルギーを機械力に変換する膨張機構４０４とを一体化した流体機械４１９が知られている（特開昭６２−７７５６２号公報）。膨張機構４０４で得られた機械力をシャフト４０５によって圧縮機構４０２に供給することにより、冷凍サイクル装置の効率が向上する。

圧縮機構４０２は、冷媒を断熱圧縮するので、圧縮機構４０２の構成要素の温度は、冷媒の温度上昇とともに上がる。他方、膨張機構４０４は、放熱器にて冷却された冷媒を吸入し、吸入した冷媒を断熱膨張させるので、膨張機構４０４の構成要素は、冷媒の温度低下とともに温度が下がる。したがって、図７に示すように、圧縮機構４０２と膨張機構４０４とを単純に一体化すると、圧縮機構４０２の熱が膨張機構４０４に移動し、膨張機構４０４が加熱され、圧縮機構４０２が冷却される。この場合、図８Ａのモリエル線図に矢印を用いて示すように、理論サイクルと比較して、実質サイクルは、圧縮機構４０２から吐出される冷媒のエンタルピーが減少し、放熱器での加熱能力が低下したものとなる。また、膨張機構４０４から吐出される冷媒のエンタルピーが増加し、蒸発器での冷凍能力が低下する。

特に、給湯機の場合は、貯湯水の設定温度まで水を放熱器で加熱する必要があるため、圧縮機構からの吐出冷媒の温度は、貯湯水の設定温度より必ず高くなければならない。しかしながら、圧縮機構と膨張機構との間で熱的な短絡が起きると、圧縮機構の吐出冷媒の温度が低下するため、水の加熱が不十分になり、貯湯水の温度も設定温度より低くなる。この熱短絡によって生ずる圧縮機構の吐出冷媒の温度低下を補う方法として、図８Ｂに示す吐出温度制御理論サイクルのように、圧縮機構の吐出冷媒の圧力を上昇させる方法がある。すなわち、冷媒をやや過剰に圧縮することによって、吐出冷媒の温度を上昇させる。そうすれば、図８Ｂに示す吐出温度制御実質サイクルのように、熱短絡による加熱能力の低下を補償することができる。しかしながら、この方法では、圧縮機構が余分な仕事を行うことになるので、電動機の消費電力が増大し、膨張機構で動力回収を行う意義が損なわれる。

こうした課題を解決するため、図９に示すように、密閉容器５０１の内部を蒸発器から圧縮機構５０２に導かれる低圧冷媒で満たし、圧縮機構５０２と膨張機構５０４とを離して配置する構成がある（特開２００５−２６４８２９号公報）。

また、図１０に示すように、密閉容器６０１の内部を、低圧側６５２と高圧側６５１に区画するとともに、膨張機構６０２を低圧側６５２に、圧縮機構６０４を高圧側６５１に設け、低圧側６５２には圧縮機構６０４の吸入冷媒を導き、高圧側６５１には圧縮機構６０４の吐出冷媒を導く構成がある（特開２００６−１０５５６４号公報）。

図９に示す構成によれば、膨張機構５０４の周囲が圧縮機構５０２の吸入冷媒で満たされるため、密閉容器５０１の内部の冷媒から膨張機構５０４への熱移動を抑制することができる。圧縮機構５０２とその吸入冷媒との間でも熱の移動が起こるが、圧縮機構５０２から熱を受け取った冷媒が圧縮機構５０２で圧縮され、圧縮機構５０２自身を加熱するため、圧縮機構５０２の吐出冷媒の温度は低下しない。

しかしながら、密閉容器５０１の内部を低圧の冷媒で満たす構成では、圧縮機構５０２の吐出冷媒が吐出配管５０９から直接に冷凍サイクル（冷媒回路）へと吐出されてしまう。そのため、密閉容器５０１の内部を圧縮機構５０２の吐出冷媒で満たす構成と比較して、冷凍サイクルへのオイルの吐出量が増加してしまう。吐出されたオイルは、冷媒配管に付着して圧力損失を増加させたり、放熱器や蒸発器の能力を低下させたりする。

一方、図１０に示す構成によれば、圧縮機構６０４の吐出冷媒は、いったん密閉容器６０１の高圧側６５１に開放されて、その後、放熱器に向けて高圧側６５１の吐出配管６０９から吐出される。密閉容器６０１の内部で圧縮機構６０４の吐出冷媒からオイルが分離されるので、圧縮機構６０４の吐出冷媒が多量のオイルを伴って冷凍サイクルを循環することを防止できる。

しかしながら、図１０に示す流体機械は、密閉容器６０１の内部を低圧側６５２と高圧側６５１に仕切る構成をとっているため、膨張機構６０２と圧縮機構６０４とを連結するシャフト６０５が仕切部６５０を貫通する必要がある。この場合、シャフト６０５と仕切部６５０とのクリアランスからの冷媒漏れを防止するメカニカルシールが必須となり、摺動損失の増加が懸念される。

本発明の目的は、サイクルへのオイルの吐出量（循環量）を低減でき、かつ機械損失を増加させることなく圧縮機構から膨張機構への熱移動を抑制することが可能な流体機械を提供することにある。

すなわち、本発明は、
作動流体を圧縮する圧縮機構と、
作動流体を膨張させるとともに、膨張する作動流体から動力を回収する膨張機構と、
圧縮機構と膨張機構とを連結し、膨張機構が回収した動力を圧縮機構に伝達するシャフトと、
圧縮機構、シャフトおよび膨張機構を収容するとともに、圧縮機構で圧縮された作動流体が内部に吐出される密閉容器とを備え、
膨張機構は、シャフトに取り付けられたローラと、ローラが内部に配置されたシリンダと、膨張させるべき作動流体を当該膨張機構に導くための吸入配管とを含むロータリ膨張機構であり、
シリンダには、吸入配管の流路面積よりも大きい流路面積を有する貫通孔が、シャフトの軸方向に延びるように、当該シリンダ内の膨張室と当該シリンダの外周面との間に設けられ、
吸入配管を通じて貫通孔に流入した作動流体が、軸方向の第１側から第２側に向かって流通した後で膨張室への吸入孔から膨張室に吸入されるように、吸入配管、貫通孔および吸入孔が作動流体の流通方向に沿ってこの順で並んでいる、流体機械を提供する。

他の側面において、本発明は、
作動流体を圧縮する圧縮機構と、
作動流体を膨張させるとともに、膨張する作動流体から動力を回収する膨張機構と、
圧縮機構と膨張機構とを連結し、膨張機構が回収した動力を圧縮機構に伝達するシャフトと、
圧縮機構、シャフトおよび膨張機構を収容するとともに、圧縮機構で圧縮された作動流体が内部に吐出される密閉容器とを備え、
膨張機構は、シャフトに取り付けられたローラと、ローラが内部に配置されたシリンダと、ローラとシリンダとの間に形成された膨張室に作動流体を導く吸入配管とを含むロータリ膨張機構であり、
シリンダには、シャフトの軸方向に延びる複数の貫通孔が膨張室と当該シリンダの外周面との間に設けられ、
膨張機構は、さらに、吸入配管と複数の貫通孔とを中継し、作動流体が吸入配管から複数の貫通孔の各々に導かれるように軸方向の第１側に設けられた分岐経路と、複数の貫通孔と膨張室への吸入孔とを中継し、作動流体が複数の貫通孔の各々を流通した後に合流して吸入孔から膨張室に吸入されるように軸方向の第２側に設けられた合流経路とを含む、流体機械を提供する。

さらに、他の側面において、本発明は、
作動流体を圧縮する圧縮機構と、
作動流体を膨張させるとともに、膨張する作動流体から動力を回収する膨張機構と、
圧縮機構と膨張機構とを連結し、膨張機構が回収した動力を圧縮機構に伝達するシャフトと、
圧縮機構、シャフトおよび膨張機構を収容するとともに、圧縮機構で圧縮された作動流体が内部に吐出される密閉容器と、
膨張機構の周囲に配置されたジャケットとを備え、
ジャケットにより、膨張機構を取り囲むように、膨張機構に吸入されるべき作動流体を流通させるための空間が形成されている、流体機械を提供する。

上記本発明の流体機械の第１において、吸入配管を通じてシリンダの貫通孔に導かれた作動流体は、貫通孔を軸方向の第１側から第２側へと流通した後で、吸入孔から膨張室へと吸入される。貫通孔は、膨張室とシリンダの外周面との間に設けられている。膨張室の周囲に貫通孔を設けることにより、貫通孔を設けない場合に比べてシリンダの熱抵抗が大きくなるので、シリンダの周囲から膨張室への熱移動が抑制される。すなわち、圧縮機構から膨張機構への熱移動が抑制される。

密閉容器の内部には高温高圧の作動流体が吐出され、膨張機構の周囲も高圧雰囲気となるので、貫通孔を単なる空洞とした場合には、シリンダの耐圧の問題が出てくると考えられる。ところが、本発明では、膨張前の低温高圧の作動流体が貫通孔を流通するので、シリンダが外圧によって変形するといった問題も生じない。さらに、貫通孔の流路面積が、吸入配管の流路面積よりも大きいことから、作動流体は、貫通孔内で流速を落とす形となる。すると、貫通孔が設けられている部分における作動流体側の熱伝達率が低下するので、熱移動の抑制効果がより一層高まる。

さらに、膨張前の作動流体が貫通孔を流通する過程で受熱して温度上昇することから、膨張過程における理論回収動力が増加し、膨張機構で回収可能な動力の絶対値が大きくなる。すなわち、本発明の流体機械を冷凍サイクル装置に使用した場合の冷凍サイクル性能を向上させることができる。

さらに、本発明の流体機械は、圧縮後の作動流体が密閉容器の内部に吐出される、いわゆる高圧シェル型である。したがって、圧縮機構で圧縮された作動流体に混入しているオイルを、密閉容器の内部において、作動流体から十分に分離することができる。

さらに、本発明によれば、密閉容器の内部を高圧側と低圧側とに仕切る必要性がない。したがって、密閉容器の内部を高圧側と低圧側とに仕切る従来例（図１０参照）のように、冷媒の漏れを防止するメカニカルシールなどの特別な構造をシャフトの周囲に設ける必要性がなく、機械損失の増大の問題も生じない。

また、本発明の流体機械の第２によれば、シリンダには、複数の貫通孔が設けられる。分岐経路を経由して吸入配管から複数の貫通孔に導かれた作動流体は、複数の貫通孔を第１側から第２側へと流通した後で合流経路において合流し、膨張室に吸入される。膨張室の周囲に複数の貫通孔を設けることにより、貫通孔を設けない場合に比べてシリンダの熱抵抗が大きくなるので、シリンダの周囲から膨張室への熱移動が抑制される。この場合、吸入配管の流路面積と貫通孔の流路面積の大小は問わない。

また、本発明の流体機械の第３によれば、膨張機構の周囲に配置されたジャケットにより、膨張機構を取り囲むように、膨張機構に吸入されるべき作動流体を流通させるための空間が形成される。膨張前の作動流体が流通するこの空間の熱抵抗は、膨張機構の構成要素の熱抵抗よりも大きい。したがって、膨張機構の周囲から膨張室への熱移動を抑制する効果、すなわち、圧縮機構から膨張機構への熱移動を抑制する効果が得られる。

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。

（第１実施形態）
図１は、本発明の実施形態にかかる冷凍サイクル装置の構成図である。図２は、図１に示す冷凍サイクル装置に適用された流体機械の縦断面図である。図３Ａは、図２に示す流体機械のＢ−Ｂ断面図であり、図３ＢはＡ−Ａ断面図である。

図１に示すように、冷凍サイクル装置１００は、流体機械２０１（膨張機一体型圧縮機）と、放熱器１０２と、蒸発器１０３と、これらを相互に接続して冷媒が循環する主冷媒回路を形成する複数の冷媒配管１０５とを備えている。作動流体としての冷媒は、例えば、二酸化炭素またはハイドロフルオロカーボンである。

流体機械２０１は、冷媒を圧縮する圧縮機構２と、電動機３と、冷媒を膨張させる膨張機構４と、シャフト５と、これらの構成要素を収容する密閉容器１とを含む。圧縮機構２、電動機３および膨張機構４は、シャフト５で連結されており、密閉容器１の内部において上からこの順番で配列している。膨張機構４は冷媒から動力を回収する。膨張機構４による回収動力がシャフト５を介して圧縮機構２を駆動する電動機３の動力に重畳される。密閉容器１の底部は、圧縮機構２および膨張機構４の各摺動部を潤滑するためのオイルを貯留するオイル貯留部６として利用されている。

流体機械２０１は、さらに、膨張機構４の吸入冷媒を流通させるための冷媒通過空間７を備えている。冷媒通過空間７は、密閉容器１の内部空間とは区画された空間であり、膨張機構４の膨張室と密閉容器１の内部空間との間に形成されている。膨張機構４の吸入冷媒が流通する冷媒通過空間７の熱抵抗は、膨張機構４の構成要素（例えばシリンダ）の熱抵抗よりも大きい。したがって、冷媒通過空間７は、圧縮機構２の吐出冷媒およびオイル貯留部６に貯留されたオイルから膨張機構４の膨張室への熱移動を抑制する効果を奏する。圧縮機構２の吐出冷媒およびオイル貯留部６に貯留されたオイルが失う熱量も相対的に低減される。つまり、冷媒通過空間７の存在により、圧縮機構２から膨張機構４への熱移動が抑制されている。

流体機械２０１の構成を詳しく説明する。

密閉容器１は、圧縮機構２および膨張機構４の周囲を圧縮機構２の吐出冷媒の圧力に等しい圧力に保持する。すなわち、流体機械２０１は、いわゆる高圧シェル型である。圧縮機構２で圧縮された冷媒は、いったん密閉容器１の内部に吐出されて、その後、密閉容器１から放熱器１０２に向けて吐出配管９から吐出される。密閉容器１の内部で圧縮機構２の吐出冷媒からオイルを十分に分離することができるので、オイルが冷媒配管１０５に付着して圧力損失を増加させたり、放熱器１０２や蒸発器１０３の熱交換性能を低下させたりする問題が生じにくくなる。

図２に示すように、オイル貯留部６に貯められたオイルは、シャフト５の下部に設置されたオイルポンプ３４に吸入され、シャフト５の内部の給油経路を経て圧縮機構２および膨張機構４の各摺動部に供給される。オイルは、冷媒よりも密度が高いため、密閉容器１の内部を重力によって沈降して膨張機構４の上軸受２１の切り欠き２１ｄから再びオイル貯留部６に戻る。圧縮機構２の吐出冷媒が伴うオイルも密閉容器１の内部で分離されて、オイル貯留部６に戻る。

圧縮機構２は、主軸受１５、固定スクロール１６、旋回スクロール１７およびオルダムリングのような自転規制機構１８を含む、いわゆるスクロール型機構である。シャフト５を支持する主軸受１５は、密閉容器１の内壁に溶接や焼き嵌めなどの方法で固定されている。主軸受１５の上部には、固定スクロール１６がボルト止めされ、この固定スクロール１６と主軸受１５との間に、固定スクロール１６と噛み合う旋回スクロール１７が配置されている。旋回スクロール１７の自転を防止する自転規制機構１８は、旋回スクロール１７と主軸受１５との間に設けられている。シャフト５の上端に設けられた主軸部５ａにて旋回スクロール１７を偏心駆動することにより、旋回スクロール１７が円軌道運動する。

密閉容器１の上部には、電動機３に商用電源１０４からの電力を供給するためのターミナル１４が密閉容器１を貫通する形で配置されている。電動機３は、密閉容器１に固定された固定子１９と、シャフト５に固定された回転子２０とを含み、圧縮機構２と膨張機構４の間に配置されている。

膨張機構４は、シャフト５に取り付けられたローラ２６，２７（ピストン）と、ローラ２６，２７が内部に配置されたシリンダ２２，２４と、ローラ２６，２７とシリンダ２２，２４との間に形成された膨張室３７，３８を吸入側と吐出側とに仕切るベーン２８，２９（図３Ａ，図３Ｂ参照）と、シリンダ２２，２４のベーン溝に配置されたバネ３０，３１と、膨張させるべき冷媒を当該膨張機構４に導くための吸入配管１２と、膨張後の冷媒を当該膨張機構４から密閉容器１の外部へと吐出させる吐出配管１１と、軸受２１，２５と、密閉プレート３２とを含む２段ロータリ膨張機構である。膨張機構４の周囲は、オイル貯留部６に貯められたオイルで満たされている。

シャフト５は、上軸受２１および下軸受２５によって回転可能に支持されている。本実施形態においては、圧縮機構側の第１部分と、その第１部分に同軸に連結された膨張機構側の第２部分と含むシャフト５が用いられている。ただし、単一の部材からなるシャフトを用いてもよい。

上軸受２１は、密閉容器１の内壁に固定されている。上軸受２１の内部には、密閉容器１の内壁に接する部分からシャフト５に向かって延びるように、吸入経路２１ｃと吐出経路２１ａとが設けられている。吸入配管１２から吸入経路２１ｃに膨張前の冷媒が導かれ、吐出経路２１ａから吐出配管１１に膨張後の冷媒が導かれるように、上軸受２１に吸入配管１２および吐出配管１１が直接に接続されている。上軸受２１の下部には、第２シリンダ２４が固定されている。第２シリンダ２４の膨張室３８には、上軸受２１内の吐出経路２１ａの一端が面している。第２シリンダ２４の下部には中板２３が固定されており、その中板２３の下部に第１シリンダ２２が固定されている。さらに、第１シリンダ２２の下部に下軸受２５が固定されている。下軸受２５は、第１シリンダ２２の膨張室３７への冷媒の吸入経路である吸入孔２５ａを有する。さらに、下軸受２５の下部を覆うように、下軸受２５に密閉プレート３２が固定されている。

図３Ｂに示すように、第１ローラ２６は、第１シリンダ２２内に配置されており、シャフト５の第１偏心部５ｂに回転可能に嵌合している。図３Ａに示すように、第２ローラ２７は、第２シリンダ２４内に配置されており、シャフト５の第２偏心部５ｃに回転可能に嵌合している。第１ベーン２８は、第１シリンダ２２に形成された第１ベーン溝２２ａにスライド可能に配置されている。第２ベーン２９は、第２シリンダ２４に形成された第２ベーン溝２４ａにスライド可能に配置されている。第１バネ３０は、一端が第１シリンダ２２に接触し他端が第１ベーン２８に接触して第１ベーン２８を第１ローラ２６に押し付ける。第２バネ３１は、一端が第２シリンダ２４に接触し他端が第２ベーン２９に接触して第２ベーン２９を第２ローラ２７に押し付ける。シリンダ２２，２４とローラ２６，２７との間に形成された膨張室３７，３８は、ベーン２８，２９によって２つの部屋に仕切られている。

なお、本実施形態では、ベーン２８，２９の先端がローラ２６，２７に摺動可能に接している回転ピストン型と呼ばれるロータリ機構を採用しているが、ローラとベーンとが一体化されている揺動ピストン型と呼ばれるロータリ機構も本発明に好適に採用できる。

図１で説明した冷媒通過空間７は、本実施形態において、膨張機構４に含まれている。具体的には、図２に示すように、上軸受２１に設けられた凹部２１ｂ、貫通孔３０および下軸受２５に設けられた凹部２５ｃにより、冷媒通過空間７が構成されている。貫通孔３０は、第２シリンダ２４に設けられた貫通孔２４ｂと、中板２３に設けられた貫通孔２３ｂと、第１シリンダ２２に設けられた貫通孔２２ｂと、下軸受２５に設けられた貫通孔２５ｂとが、シャフト５の軸方向に連なることによって構成されている。言い換えれば、貫通孔３０は、第２シリンダ２４、中板２３、第１シリンダ２２および下軸受２５を上下方向に貫いており、軸方向の第１側（上側）で上軸受２１の凹部２１ｂにつながり、第２側（下側）で下軸受２５の凹部２５ｃにつながっている。

また、吸入配管１２を通じて貫通孔３０に流入した冷媒が、軸方向の第１側から第２側に向かって流通した後で吸入孔２５ａから膨張室３７，３８に吸入されるように、吸入配管１２、貫通孔３０および吸入孔２５ａが冷媒の流通方向に沿ってこの順で並んでいる。本実施形態においては、軸方向の第１側が上側、第２側が下側となっているが、第１側が下側、第２側が上側であってもよい。

膨張室３７，３８の周囲に貫通孔３０を設けることにより、シリンダ２２，２４の熱抵抗が大きくなるので、シリンダ２２，２４の周囲から膨張室３７，３８への熱移動を抑制する効果が得られる。さらに、貫通孔３０の流路面積は、吸入配管１２の流路面積よりも大きく、膨張室３７，３８への吸入孔２５ａの開口面積よりも大きい。したがって、吸入配管１２を通って貫通孔３０に導かれた冷媒の流速は、吸入配管１２における流速よりも遅くなる。すると、貫通孔３０が設けられている部分における冷媒側の熱伝達率が低下するので、熱移動の抑制効果が十分に発揮される。なお、貫通孔３０の流路面積は、軸方向に直交する方向の断面積を意味し、吸入配管１２の流路面積は、配管の長さ方向に直交する方向の断面積を意味する。

図３Ａ，図３Ｂに示すように、貫通孔３０は、貫通孔３０の流路面積の合計が吸入配管１２の流路面積および吸入孔２５ａの開口面積よりも大きくなるように、シリンダ２２，２４の複数箇所に設けられているとよい。より具体的に、貫通孔３０は、膨張室３７，３８を周方向に取り囲むように、シリンダ２２，２４の外周面と膨張室３７，３８との間の複数箇所に概ね等角度間隔で設けられている。このようにすれば、シリンダ２２，２４の強度を十分に保ちつつ、膨張機構４の周囲のオイルから膨張室３７，３８内の冷媒への熱移動を抑制する効果を得ることが可能である。これらの貫通孔３０は、シリンダ２２，２４を製造するための金型によって形成されるものであってもよいし、切削、研削、研磨等の機械加工によって形成されるものであってもよい。

なお、図４に示すように、例えば円弧状の貫通孔３０ａを１つのみシリンダ２２，２４に設けるようにしてもよい。

図２に示すように、上軸受２１において、凹部２１ｂは、第２シリンダ２４に接する部分に設けられている。この凹部２１ｂには、吸入経路２１ｃを介して吸入配管１２が接続している。このように、上軸受２１の凹部２１ｂは、吸入配管１２と複数の貫通孔３０とを中継し、冷媒が吸入配管１２から複数の貫通孔３０の各々に導かれるようにシャフト５の軸方向の第１側（図２では上側）に設けられた分岐経路として機能する。言い換えれば、そのような分岐経路を膨張機構４が有している。分岐経路としての凹部２１ｂの働きにより、複数の貫通孔３０の全てに、膨張機構４の吸入冷媒を行き渡らせることが可能である。

このように、膨張機構４は、第２シリンダ２４を第１側において閉塞する第１閉塞部材としての上軸受２１を含み、分岐経路として機能する凹部２１ｂが上軸受２１に設けられ、凹部２１ｂに冷媒を供給しうるように上軸受２１に吸入配管１２が接続されている。したがって、従来のロータリ膨張機構と比べても部品点数の増加がなく、生産コストが高騰する恐れもない。

また、分岐経路が、上軸受２１の第２シリンダ２４と接する側の部分に設けられた凹部２１ｂによって構成され、複数の貫通孔３０の各々が上軸受２１の凹部２１ｂに面している。これにより、複数の貫通孔３０の全てに、膨張機構４の吸入冷媒を行き渡らせることが可能となる。なお、上軸受２１の凹部２１ｂは、複数の貫通孔３０の全てに冷媒を送り込むことができればよく、形状や寸法は特に限定されない。本実施形態において、上軸受２１の凹部２１ｂの形状は、複数の貫通孔３０の配置に沿った環状である。

一方、下軸受２５は、シャフト５を支持する中心部２５１と、密閉プレート３２が固定される堤状の外周部２５５と、中心部２５１と外周部２５５との間の部分であって、第１シリンダ２２に接する側とは反対側において中心部２５１および外周部２５５よりも厚みが減じられた薄肉部２５３とで構成されている。薄肉部２５３に膨張室３７への吸入孔２５ａが設けられている。さらに、円板状の密閉プレート３２によって下軸受２５が覆われ、薄肉部２５３に基づく環状の凹部２５ｃが形成されている。

下軸受２５の凹部２５ｃは、第１シリンダ２２に接する側とは反対側にあり、凹部２５ｃと第１シリンダ２２の膨張室３７とが吸入孔２５ａによって接続されている。さらに、凹部２５ｃは、複数の貫通孔３０と吸入孔２５ａとを中継し、複数の貫通孔３０の各々を流通した冷媒が当該部分で合流して吸入孔２５ａから膨張室３７に吸入されるように軸方向の第２側（図２では下側）に設けられた合流経路として機能する。言い換えれば、そのような合流経路を膨張機構４が有している。合流経路としての凹部２５ｃの働きにより、複数の貫通孔３０を流通した冷媒を膨張室３７にスムーズに送り込むことが可能である。

このように、膨張機構４は、第１シリンダ２２を第２側（軸方向の下側）において閉塞する第２閉塞部材としての下軸受２５を含む。そして、膨張室３７への吸入孔２５ａおよび合流経路として機能する凹部２５ｃが、その下軸受２５に設けられている。したがって、従来のロータリ膨張機構と比べても部品点数の増加がなく、生産コストが高騰する恐れもない。さらに、上軸受２１の凹部２１ｂおよび下軸受２５の凹部２５ｃにより、膨張機構４の吸入冷媒が複数の貫通孔３０をスムーズに流通し、その後、吸入孔２５ａから膨張室３７にスムーズに吸入されうる。そのため、冷凍サイクル装置１００の運転時には、特定の貫通孔に冷媒が滞留するような現象が起こりにくい。

なお、図２に示すように、下軸受２５の薄肉部２５３における吸入孔２５ａの位置は、吸入配管１２の位置からシャフト５の周囲を約１８０度回転した位置に定められている。このような配置によれば、吸入配管１２から上軸受２１の内部に導かれた冷媒は、１８０度反対側に回り込んでから吸入孔２５ａに入ることになるので、複数の貫通孔３０を流通する冷媒の量を均一化することが可能となる。

次に、流体機械２０１の動作について説明する。

ターミナル１４から電力を電動機３へ供給すると、固定子１９と回転子２０の間に回転動力が発生し、シャフト５によって圧縮機構２が駆動される。これにより、固定スクロール１６と旋回スクロール１７との間に形成されている圧縮室３５が外周部から中央部に移動しながら縮小する。この圧縮室３５の容積変化を利用して、密閉容器１の外に通じている吸入配管８および固定スクロール１６の外周部の吸入口１６ａから冷媒が吸入および圧縮される。所定圧力以上になった冷媒は、固定スクロール１６の中央部の吐出口１６ｂからリード弁３６を押し開いて密閉容器１の内部に吐出される。

密閉容器１の内部に吐出された高圧の冷媒は、電動機３の熱を吸収しながら吐出配管９を経て外部の放熱器１０２（図１参照）に向かう。そして、放熱器１０２で冷却された冷媒は、吸入配管１２から膨張機構４に吸入される。冷媒は、冷媒通過空間７を軸方向に沿って上から下に流通し、吸入孔２５ａから第１シリンダ２２の膨張室３７に吸入される。

図３Ｂに示すように、膨張機構４には、下軸受２５、第１シリンダ２２、第１ローラ２６および中板２３によって囲まれた空間である第１膨張室３７が形成される。第１膨張室３７は、第１ベーン２８によって吸入側と吐出側との２つの部屋に仕切られている。図３Ａに示すように、中板２３を挟んで第１膨張室３７の反対側には、中板２３、第２シリンダ２４、第２ローラ２７および上軸受２１によって囲まれた空間である第２膨張室３８が形成される。第２膨張室３８も第２ベーン２９によって吸入側と吐出側との２つの部屋に仕切られている。第１膨張室３７の吐出側の部分と、第２膨張室３８の吸入側の部分とが、中板２３に設けられた連通孔２３ａで１つにつながっている。連通孔２３ａは、第１膨張室３７側から見れば、第１ベーン２８を挟んで吸入孔２５ａの反対側に位置し、第２膨張室３８側から見れば、第２ベーン２９を挟んで吐出経路２１ａの反対側に位置する。

冷媒通過空間７を流通した高圧の冷媒が吸入孔２５ａに流入すると、第１ローラ２６が押されてシャフト５が回転し、吸入孔２５ａが面する第１膨張室３７の吸入側の部分の容積が増加する。第１ローラ２６が偏心回転運動して所定の吸入容積まで冷媒が吸入されると、第１膨張室３７の吸入側の部分と吸入孔２５ａとの連通が絶たれる。代わりに、第１膨張室３７の吐出側の部分が連通孔２３ａと連通し、連通孔２３ａを介して第１膨張室３７の吐出側の部分と第２膨張室３８の吸入側の部分とが１つにつながる。さらにシャフト５が回転すると、第１膨張室３７の吐出側の部分の容積が減少し、それと同時に、より気筒容積の大きな第２膨張室３８の吸入側の部分の容積が増加し始め、第１膨張室３７から第２膨張室３８へと冷媒が膨張しながら移動する。

さらに、シャフト５が回転して第２ローラ２７が偏心回転運動を続けると、第２膨張室３８の冷媒の圧力は、蒸発器１０３を流通する冷媒の圧力（要するに冷凍サイクルの低圧）まで低下する。この後、さらなるシャフト５の回転によって第２膨張室３８の容積が減少して、冷媒が吐出経路２１ａを経て吐出配管１１から蒸発器１０３に向けて吐出される。膨張機構４で断熱膨張してシャフト５に対して仕事をした冷媒は、蒸発器１０３で加熱され、圧縮機構２の吸入配管８に戻る。

上記の動作過程において、放熱器１０２から膨張機構４に向かって流れる冷媒（膨張機構４の吸入冷媒）は、冷媒通過空間７を通過した後に、膨張室３７に吸入される。膨張機構４の吸入冷媒は、凹部２１ｂ，２５ｃおよび貫通孔３０によって構成される冷媒通過空間７を流通する過程で、密閉容器１の内部の冷媒およびオイルから熱を受け取る。膨張室３７，３８の周囲に貫通孔３０を設けることにより、シリンダ２２，２４の熱抵抗が大きくなるので、このような貫通孔３０が無い場合に比べて、シリンダ２２，２４の周囲から膨張室３７，３８への熱移動が抑制される。また、凹部２１ｂ，２５ｃを設けることにより、軸受２１，２５の熱抵抗も大きくなる。

次に、本実施形態の流体機構２０１のその他の特徴について説明する。本実施形態によれば、冷媒通過空間７は、密閉容器１の内部の空間から隔離され、シャフト５が冷媒通過空間７に面していない（露出していない）。したがって、冷媒通過空間７を流通する冷媒がシャフト５の周囲から漏れる問題が本質的に存在しない。ゆえに、メカニカルシールのようなシール構造をシャフト５の周囲に設ける必要がなく、そのようなシール構造によって機械損失が増加するといった問題も発生しない。

また、膨張機構４の周囲がオイル貯留部６に貯められたオイルで満たされるように、圧縮機構２、電動機３および膨張機構４が上からこの順番で密閉容器１の内部に配置されている。油面は、第２シリンダ２４の上端面と下端面との間に位置している。オイルの粘度は冷媒の粘度よりも高いので、オイル貯留部６に貯められたオイルの対流は、圧縮機構２や電動機３の周囲を満たす冷媒の対流ほどには激しくならない。さらに、オイルによるシール効果により、部品間の隙間を通って膨張機構４の内部へ漏れ込む高温冷媒の量も低減される。したがって、膨張機構４への熱移動を一層低減することが可能である。

ただし、圧縮機構２の位置と膨張機構４の位置が逆、すなわち、密閉容器１の上部に膨張機構４が配置され、下部に圧縮機構２が配置されていてもよい。さらに、シャフト５の軸方向が鉛直方向に平行となる配置も必須というわけではなく、例えば、シャフトの軸方向が水平方向に平行、または鉛直方向および水平方向から傾いた斜め方向に平行となるように、密閉容器の内部に圧縮機構および膨張機構が配置されていてもよい。

また、冷媒通過空間７の流路面積は、吸入配管１２の流路面積よりも大である。言い換えれば、軸方向と直交する横断面に表れる複数の貫通孔３０の合計面積が、吸入配管１２の断面積よりも大きい。この場合、冷媒通過空間７における冷媒の流通速度が、吸入配管１２における冷媒の流通速度よりも遅くなるので、安定して膨張機構４に冷媒を供給可能となる。また、流速低下に基づく熱伝達率の低下により、断熱効果がいっそう高まる。さらに、冷媒通路空間７のマフラー効果により、膨張機構４の吸入過程で発生する水撃現象による圧力脈動や騒音を低減する効果も得られる。より好ましくは、複数の貫通孔３０の各々の流路面積が、吸入配管１２の流路面積および吸入孔２５ａの開口面積よりも大となっていることである。この場合、上述の効果がより高まる。

（第２実施形態）
図５は、図１の冷凍サイクル装置１００に好適に採用できる他の流体機械の縦断面図である。図５に示すように、本実施形態の流体機械２０２の基本的な構成は、第１実施形態で説明した流体機械の構成と共通である。

本実施形態と先の第１実施形態との相違点は、冷媒通過空間７の形態にある。本実施形態では、膨張機構４０の吸入冷媒を流通させるための冷媒通過空間７が、膨張機構４０の周囲に配置されたジャケットによって形成されている。そのようなジャケットの例が、膨張機構４０の周囲に巻き付けられた配管３９であり、配管３９の内部が冷媒通過空間７として利用される。本実施形態によれば、膨張機構４０に配管３９を巻き付けているだけなので安価である。このような配管３９として、熱交換器用の内面溝付き管を好適に用いることができる。

図５に示すように、配管３９は、隣り合うもの同士が接するように膨張機構４０に螺旋状に巻き付けられている。さらに、配管３９は、膨張させるべき作動流体を膨張機構４０に導くための吸入配管１２に兼用されており、一端が密閉容器１の外部へと延び、他端が膨張機構４に接続されている。このようにすれば、配管３９の継ぎ目を省略することが可能なので、膨張機構４０に配管３９を密に巻き付けることができる。また、冷媒通過空間７を構成する配管３９を、吸入配管１２に兼用するので部品点数増の問題も招来しにくい。

図５に示すように、配管３９の他端は、第１シリンダ２２を閉塞する閉塞部材としての下軸受２５に接続されている。下軸受２５には、第１シリンダ２２に接する側とは反対側に、環状の凹部２５ｃが設けられている。下軸受２５が密閉プレート３２に覆われることにより、凹部２５ｃに基づく空間が形成されている。凹部２５ｃに基づく空間は、冷媒通過空間７の一部である。下軸受２５の配管３９が接続されている部分には、凹部２５ｃに基づく空間に冷媒を供給できるように、吸入経路２５ｄが設けられている。配管３９の内部を流通した冷媒は、下軸受２５の吸入経路２５ｄと、下軸受２５の凹部２５ｃに基づく空間とを経由して、吸入孔２５ａから第１シリンダ２２の膨張室３７に吸入される。

膨張機構４０の吸入冷媒は、配管３９を流通する過程で密閉容器１の内部の冷媒およびオイルから熱を受け取る。膨張前の冷媒が流通する配管３９の熱抵抗は、膨張機構４０の構成要素（例えばシリンダ２２，２４）の熱抵抗よりも大きい。したがって、膨張機構４０の周囲から膨張室３７，３８への熱移動を抑制する効果、すなわち、圧縮機構２から膨張機構４０への熱移動を抑制する効果が得られる。

また、配管３９は、膨張機構４０の第２シリンダ２４、中板２３および第１シリンダ２２にこの順番で巻き付けられている。そして、軸方向では配管３９同士が接し、径方向ではシリンダ２２，２４と配管３９とが接している。つまり、配管３９は、長さを最大限に稼ぐことができるようにシリンダ２２，２４に密に巻き付けられている。このようにすれば、密閉容器１の内部の冷媒やオイルから膨張機構４０への熱移動を抑制する効果が高まる。なお、本実施形態では配管３９を一重巻きとしているが、複数回巻き付けてもよい。さらに、シリンダの外周面に浅い溝を形成し、その溝に沿って配管３９を配置するようにしてもよい。

（第３実施形態）
図６は、図１の冷凍サイクル装置１００に好適に採用できる他の流体機械の縦断面図である。図６に示すように、本実施形態の流体機械２０３の基本的な構成は、第１実施形態で説明した流体機械の構成と共通である。

本実施形態の流体機械２０３における膨張機構４０は、シャフト５に取り付けられたローラ２６，２７と、ローラ２６，２７が内部に配置されたシリンダ２２，２４と、膨張させるべき冷媒を当該膨張機構４に導くための吸入配管１２とを含むロータリ膨張機構である。ロータリ膨張機構の基本構成は、第１実施形態で説明した通りである。

また、第２実施形態で説明したように、膨張機構４０の吸入冷媒を流通させるための冷媒通過空間７が、膨張機構４０の周囲に配置されたジャケットによって形成されている。本実施形態において、そのようなジャケットが、シリンダ２２，２４を覆うカバー部材４２で構成されている。カバー部材４２は、当該カバー部材４２とシリンダ２２，２４との間に冷媒通過空間７が形成されるように、シリンダ２２，２４の外周面をシャフト５の軸方向の上側（第１側）から下側（第２側）に渡って覆っている。

さらに、カバー部材４２の端部は、冷媒通過空間７に密閉容器１の内部の冷媒やオイルが入り込むことができないように、上軸受２１および密閉プレート３２に溶接やロウ付けなどの方法で固定されている。そして、カバー部材４２の内側の冷媒通過空間７に膨張機構４０の吸入冷媒を供給しうるように、吸入配管１２がカバー部材４２の内外を貫通している。

本実施形態によっても、他の実施形態と同様に、密閉容器１の内部の冷媒やオイルから膨張機構４０への熱移動を抑制することができる。

本発明にかかる冷凍サイクル装置の構成図 本発明の第１実施形態にかかる流体機械の縦断面図 図２に示す流体機械のＢ−Ｂ横断面図 図２に示す流体機械のＡ−Ａ横断面図 貫通孔の他の形態を示す横断面図 本発明の第２実施形態にかかる流体機械の縦断面図 本発明の第３実施形態にかかる流体機械の縦断面図 従来の流体機械の模式図 従来の冷凍サイクル装置の問題点を示すモリエル線図 図８Ａに続くモリエル線図 他の従来の流体機械の模式図 さらに他の従来の流体機械の模式図

Claims (13)

1. 作動流体を圧縮する圧縮機構と、
   作動流体を膨張させるとともに、膨張する作動流体から動力を回収する膨張機構と、
   前記圧縮機構と前記膨張機構とを連結し、前記膨張機構が回収した動力を前記圧縮機構に伝達するシャフトと、
   前記圧縮機構、前記シャフトおよび前記膨張機構を収容するとともに、前記圧縮機構で圧縮された作動流体が内部に吐出される密閉容器とを備え、
   前記膨張機構は、前記シャフトに取り付けられたローラと、前記ローラが内部に配置されたシリンダと、膨張させるべき作動流体を当該膨張機構に導くための吸入配管とを含むロータリ膨張機構であり、
   前記シリンダには、前記吸入配管の流路面積よりも大きい流路面積を有する貫通孔が、前記シャフトの軸方向に延びるように、当該シリンダ内の膨張室と当該シリンダの外周面との間に設けられ、
   前記吸入配管を通じて前記貫通孔に流入した作動流体が、前記軸方向の第１側から第２側に向かって流通した後で前記膨張室への吸入孔から前記膨張室に吸入されるように、前記吸入配管、前記貫通孔および前記吸入孔が作動流体の流通方向に沿ってこの順で並んでいる、流体機械。
2. 前記貫通孔の流路面積の合計が前記吸入配管の流路面積よりも大きくなるように、前記貫通孔が前記シリンダの複数箇所に設けられている、請求項１記載の流体機械。
3. 前記複数の貫通孔が、前記膨張室を周方向に取り囲むように設けられている、請求項２記載の流体機械。
4. 前記膨張機構は、さらに、前記吸入配管と前記複数の貫通孔とを中継し、作動流体が前記吸入配管から前記複数の貫通孔の各々に導かれるように前記軸方向の第１側に設けられた分岐経路と、前記複数の貫通孔と前記吸入孔とを中継し、作動流体が前記複数の貫通孔の各々を流通した後に合流して前記吸入孔から前記膨張室に吸入されるように前記軸方向の第２側に設けられた合流経路とを含む、請求項２記載の流体機械。
5. 前記膨張機構が、さらに、前記シリンダを前記第１側において閉塞する第１閉塞部材を含み、前記第１閉塞部材に前記分岐経路が設けられ、前記分岐経路に作動流体を供給しうるように前記第１閉塞部材に前記吸入配管が接続されている、請求項４記載の流体機械。
6. 前記分岐経路が、前記第１閉塞部材の前記シリンダと接する側の部分に設けられた凹部によって構成され、前記複数の貫通孔の各々が前記第１閉塞部材の前記凹部に面している、請求項５記載の流体機械。
7. 前記膨張機構が、さらに、前記シリンダを前記第２側において閉塞する第２閉塞部材を含み、前記吸入孔および前記合流経路が前記第２閉塞部材に設けられている、請求項４記載の流体機械。
8. 前記複数の貫通孔の各々の流路面積が、前記吸入配管の流路面積よりも大である、請求項２記載の流体機械。
9. 作動流体を圧縮する圧縮機構と、
   作動流体を膨張させるとともに、膨張する作動流体から動力を回収する膨張機構と、
   前記圧縮機構と前記膨張機構とを連結し、前記膨張機構が回収した動力を前記圧縮機構に伝達するシャフトと、
   前記圧縮機構、前記シャフトおよび前記膨張機構を収容するとともに、前記圧縮機構で圧縮された作動流体が内部に吐出される密閉容器とを備え、
   前記膨張機構は、前記シャフトに取り付けられたローラと、前記ローラが内部に配置されたシリンダと、前記ローラと前記シリンダとの間に形成された膨張室に作動流体を導く吸入配管とを含むロータリ膨張機構であり、
   前記シリンダには、前記シャフトの軸方向に延びる複数の貫通孔が前記膨張室と当該シリンダの外周面との間に設けられ、
   前記膨張機構は、さらに、前記吸入配管と前記複数の貫通孔とを中継し、作動流体が前記吸入配管から前記複数の貫通孔の各々に導かれるように前記軸方向の第１側に設けられた分岐経路と、前記複数の貫通孔と前記膨張室への吸入孔とを中継し、作動流体が前記複数の貫通孔の各々を流通した後に合流して前記吸入孔から前記膨張室に吸入されるように前記軸方向の第２側に設けられた合流経路とを含む、流体機械。
10. 作動流体を圧縮する圧縮機構と、
    作動流体を膨張させるとともに、膨張する作動流体から動力を回収する膨張機構と、
    前記圧縮機構と前記膨張機構とを連結し、前記膨張機構が回収した動力を前記圧縮機構に伝達するシャフトと、
    前記圧縮機構、前記シャフトおよび前記膨張機構を収容するとともに、前記圧縮機構で圧縮された作動流体が内部に吐出される密閉容器と、
    前記膨張機構の周囲に配置されたジャケットとを備え、
    前記ジャケットにより、前記膨張機構を取り囲むように、前記膨張機構に吸入されるべき作動流体を流通させるための空間が形成されている、流体機械。
11. 前記ジャケットは、内部が前記空間として利用されるとともに、隣り合うもの同士が接するように前記膨張機構に螺旋状に巻き付けられた配管を含み、
    前記配管は、膨張させるべき作動流体を前記膨張機構に導くための吸入配管に兼用されており、一端が前記密閉容器の外部へと延び、他端が前記膨張機構に接続されている、請求項１０記載の流体機械。
12. 前記膨張機構は、前記シャフトに取り付けられたローラと、前記ローラが内部に配置されたシリンダと、膨張させるべき作動流体を当該膨張機構に導くための吸入配管とを含むロータリ膨張機構であり、
    前記ジャケットは、当該ジャケットと前記シリンダとの間に前記空間が形成されるように、前記シリンダの外周面を前記シャフトの軸方向の第１側から第２側に渡って覆うカバー部材を含む、請求項１０記載の流体機械。
13. 請求項１、請求項９または請求項１０記載の流体機械を含む、冷凍サイクル装置。

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