JP4837094B2 - 冷凍サイクル装置及びそれに用いる流体機械 - Google Patents

Description

本発明は冷凍サイクル装置及びそれに用いる流体機械に関する。

一般的に、冷媒回路は、冷媒を圧縮する圧縮機、冷媒を冷却する放熱器、冷媒を膨張させる膨張弁、及び冷媒を加熱する蒸発器が順次接続されてなる。この冷媒回路における冷凍サイクルでは、膨張弁において冷媒が高圧から低圧へと膨張を伴いながら圧力降下し、その際に内部エネルギーが放出される。このため、冷媒回路の低圧側（蒸発器側）と高圧側（放熱器側）との間の圧力差が大きい場合は、放出される内部エネルギーが比較的大きくなる。従って、冷凍サイクルのエネルギー効率が大幅に低下してしまう。

このような問題に鑑み、膨張時において放出される冷媒の内部エネルギーを回収する技術が種々提案されている。例えば、特開２００６−２６６１７１号公報や文献１（International Refrigeration and Air Conditioning Conference at Purdue, July 17-20, 2006, R169, “BASIC OPERATINGCHARACTERISTICS OF CO2 REFRIGERATION CYCLES WITH EXPANDER-COMPRESSOR UNIT”）には、相互にシャフトにより連結された膨張機構とブロア（副圧縮機構）とにより構成された容積形流体機械を動力回収機構として用いて動力回収を行う冷凍サイクル装置が提案されている。

特開２００６−２６６１７１号公報や文献１に記載された冷凍サイクル装置では、特開２００６−２６６１７１号公報の図６に示すように、容積形流体機械と主圧縮機構とは、それぞれ別個の密閉容器に収納されている。そして、それぞれの密閉容器内には、容積形流体機械や主圧縮機構に供給される冷凍機油が溜められるオイル溜まりが設けられている。

しかしながら、主圧縮機構から冷媒回路に吐出される冷凍機油の量と、容積形流体機械から冷媒回路に吐出される冷凍機油の量とが常に同じであるとは限らない。通常は、主圧縮機構から冷媒回路に吐出される冷凍機油の量と、容積形流体機械から冷媒回路に吐出される冷凍機油の量とのうちの一方が、他方よりも多い。このため、特開２００６−２６６１７１号公報や文献１に記載された冷凍サイクル装置のように、容積形流体機械を収納する密閉容器と、主圧縮機構を収納する密閉容器とのそれぞれに、個別のオイル溜まりを設けた場合、一方のオイル溜まりに溜められた冷凍機油の量と、他方のオイル溜まりに溜められた冷凍機油の量との均衡が崩れる虞がある。つまり、一方の密閉容器では冷凍機油が過剰となり、他方の密閉容器では冷凍機油が不足する可能性がある。そうすると、容積形流体機械や主圧縮機構の潤滑やシールが適切に行われなくなる虞がある。

例えば、文献１には、主圧縮機構と放熱器との間にオイルセパレータを配置し、そのオイルセパレータで回収した冷凍機油を膨張機構−副圧縮機構ユニットが収納された密閉容器に供給することが記載されている。このようにすることで、例えば、膨張機構−副圧縮機構ユニットが収納された密閉容器内に溜められた冷凍機油の量の減少を抑制することができる。

しかしながら、文献１に記載のように、主圧縮機構と放熱器との間にオイルセパレータを設けた場合であっても、膨張機構−副圧縮機構ユニットが収納された密閉容器内のオイル溜まり又は主圧縮機構が収納された密閉容器内のオイル溜まりに溜められた冷凍機油の量の減少を十分に抑制することは困難である。なぜならば、たとえオイルセパレータで回収した冷凍機油を膨張機構−副圧縮機構ユニットが収納された密閉容器内に供給したとしても、膨張機構−副圧縮機構ユニットから冷媒回路に吐出される冷凍機油の量がオイルセパレータで回収される冷凍機油の量を上回っているような場合には、膨張機構−副圧縮機構ユニットが収納された密閉容器内のオイル溜まりに溜められた冷凍機油の量が減少するからである。また、主圧縮機構から冷媒回路に吐出される冷凍機油の量が比較的多い場合には、主圧縮機構が収納された密閉容器内のオイル溜まりに溜められた冷凍機油の量が減少するからである。

本発明は、斯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、圧縮機構及び動力回収機構へのオイルの安定供給を図ることにある。

本発明に係る流体機械は、オイル溜まりが底部に形成される密閉容器と、密閉容器内に配置され、オイル溜まりに溜められたオイルが供給されると共に、作動流体を圧縮する主圧縮機構と、密閉容器内において、オイル溜まりの上方に配置された回転電動機と、回転電動機によって主圧縮機構が駆動されるように、主圧縮機構と回転電動機とを連結する主圧縮機用シャフトと、オイル溜まり内に配置され、作動流体を吸入する吸入行程と、吸入した作動流体を吐出する吐出行程とを行うことにより、作動流体から動力を回収する動力回収機構と、オイル溜まり内に配置され、動力回収機構により駆動され、作動流体を圧縮して主圧縮機構側に吐出する副圧縮機構と、動力回収機構で回収された動力によって副圧縮機構が駆動されるように、動力回収機構と副圧縮機構とを連結する動力回収シャフトと、を備えている。

本発明に係る流体機械では、主圧縮機構、副圧縮機構及び動力回収機構を潤滑するオイルが、密閉容器内のオイル溜まりに一括して溜められている。このため、冷凍機油の過不足の問題が本質的に生じない。このため、主圧縮機構及び動力回収部へオイルを安定的に供給することができる。

本発明に係る冷凍サイクル装置は、上記本発明に係る流体機械を備えている。

本発明によれば、圧縮機構及び動力回収機構へオイルを安定的に供給することができる。

《実施形態》
図１は、本実施形態に係る冷凍サイクル装置１に用いられる流体機械１０Ａの断面図である。図２は、本実施形態に係る冷凍サイクル装置１の構成図である。まず、図２を参照しながら、冷凍サイクル装置１の概略構成について説明する。尚、ここで説明する冷凍サイクル装置１は、本発明を実施した好ましい形態の一例であって、本発明は、下記構成に何ら限定されるものではない。

＜冷凍サイクル装置１の概要構成＞
図２に示すように、冷凍サイクル装置１は、主圧縮機構３と、放熱器４と、動力回収機構５と、蒸発器６と、副圧縮機構２と、を有する冷媒回路９を備えている。冷媒回路９には、主圧縮機構３から放熱器４を経て動力回収機構５に至る高圧側部分において超臨界圧力となる冷媒が充填されている。具体的に、冷媒回路９には二酸化炭素が充填されている。但し、本発明は、この構成に限定されるものではない。例えば、冷媒回路９には、高圧側において超臨界圧力とならない冷媒が充填されていてもよい。具体的に、冷媒回路９には、例えば、フロン系冷媒が充填されていてもよい。

主圧縮機構３は、電動機８（回転電動機）により駆動される。主圧縮機構３は、冷媒回路９内を循環する冷媒を高温高圧に圧縮する。尚、本実施形態では、主圧縮機構３がスクロール型の圧縮機構である例について説明する。但し、本発明において、主圧縮機構３は、スクロール型の圧縮機構に限定されない。本発明において、主圧縮機構３は、例えば、ロータリ型の圧縮機構であってもよい。

放熱器（ガスクーラ）４は、主圧縮機構３に接続されている。放熱器４は、主圧縮機構３により圧縮された冷媒を放熱させる。言い換えれば、放熱器４は、主圧縮機構３により圧縮された冷媒を冷却する。放熱器４により冷却された冷媒は低温高圧になる。

動力回収機構５は、放熱器４に接続されている。本実施形態では、動力回収機構５は、ロータリ型の流体圧モータにより構成されている。具体的に、動力回収機構５は、放熱器４からの冷媒を吸入する行程と、吸入した冷媒を吐出する行程と、を実質的に連続して行う。すなわち、動力回収機構５は、放熱器４によって低温高圧にされた冷媒を吸入し、実質的に体積変化させることなく蒸発器６側に吐出する。ここで、主圧縮機構３から動力回収機構５に至る部分が高圧となっており、動力回収機構５から主圧縮機構３に至る部分が低圧となっている。このため、動力回収機構５に吸入された冷媒は動力回収機構５から吐出されるときに膨張し、低圧となる。尚、本発明において、動力回収機構５は、ロータリ型の流体圧モータに限定されない。動力回収機構５は、ロータリ型以外の流体圧モータであってもよい。また、動力回収機構５は、例えば固有の容積比を有する（容積比が１より大きい）膨張機構であってもよい。

蒸発器６は、動力回収機構５に接続されている。蒸発器６は、動力回収機構５からの冷媒を加熱して蒸発させる。

副圧縮機構２は、蒸発器６と主圧縮機構３との間に配置されている。副圧縮機構２は、動力回収シャフト１２によって動力回収機構５に連結されている。副圧縮機構２は、動力回収機構５により回収された動力により駆動される。この副圧縮機構２によって、蒸発器６側からの冷媒が予備的に昇圧された後に、主圧縮機構３に供給される。本実施形態では、この副圧縮機構２と、動力回収機構５とによって、動力回収ユニット７が構成されている。

尚、副圧縮機構２は、吸入した冷媒を、作動室内において圧縮した後に吐出するものに限定されない。副圧縮機構２は、例えば、蒸発器６からの冷媒を吸入する行程と、吸入した冷媒を主圧縮機構３側に吐出する行程と、を実質的に連続して行う流体圧モータ（ブロアともいう。）であってもよい。つまり、副圧縮機構２は、主圧縮機構３に吸入される冷媒を昇圧できるものであれば特に限定されない。尚、ここでは、副圧縮機構２が流体圧モータにより構成されている例を挙げて説明する。

＜冷凍サイクル装置１の具体的構成＞
（流体機械１０Ａ）
図１及び図２に示すように、流体機械１０Ａは、略円柱状の密閉容器１１と、主圧縮機構３と、電動機８と、動力回収ユニット７とを備えている。密閉容器１１は、筒状の胴シェル１１ａと、上シェル１１ｂと、底シェル１１ｃとを備えている。胴シェル１１ａの上部開口は、蓋状の上シェル１１ｂによって塞がれている。一方、胴シェル１１ａの下部開口は、碗状の底シェル１１ｃによって塞がれている。

密閉容器１１の底部には、冷凍機油が溜められるオイル溜まり１６が形成されている。密閉容器１１における、オイル溜まり１６よりも高い位置には、主圧縮機構３と、電動機８とが配置されている。詳細には、主圧縮機構３がオイル溜まり１６から最も離れて配置されている。電動機８は、主圧縮機構３よりも低い位置に配置されている。オイル溜まり１６内には、動力回収ユニット７が配置されている。動力回収ユニット７のうち、副圧縮機構２が主圧縮機構３寄りに配置されている。つまり、副圧縮機構２が比較的高い位置に配置されている。

（電動機８及び主圧縮機構３の構成）
電動機８は、円筒状の固定子８ｂと、円柱状の回転子８ａとにより構成されている。固定子８ｂは、焼き嵌めにより、密閉容器１１の胴シェル１１ａに対して回転不能に固定されている。回転子８ａは、固定子８ｂの内部に配置されている。回転子８ａは、固定子８ｂに対して回転自在である。回転子８ａの平面視中央には、軸方向に貫通する貫通孔が形成されている。その貫通孔に回転子８ａから上下に延びる主圧縮機用シャフト３８が挿入されて固定されている。この主圧縮機用シャフト３８は、電動機８が駆動されることで回転する。

主圧縮機用シャフト３８の下端部は、胴シェル１１ａに固定された略円盤状の副軸受部材７１に回転自在に支持されている。副軸受部材７１は、オイル溜まり１６内に配置されている。副軸受部材７１には、１又は複数の開口７１ａが形成されており、オイル溜まり１６に溜められた冷凍機油が副軸受部材７１の上下を流動することができるようになっている。副軸受部材７１には、油面を安定させるための油面安定板としての働きもある。

主圧縮機用シャフト３８の下端部には、オイル供給部としてのオイルポンプ７２が配置されている。このオイルポンプ７２によってオイル溜まり１６に溜められた冷凍機油が吸い上げられ、主圧縮機用シャフト３８の内部に形成されたオイル供給孔（図示せず）を介して、主圧縮機構３に冷凍機油が供給される。これにより、主圧縮機構３の潤滑及びシールが図られている。主圧縮機構３に供給された冷凍機油は、回転子８ａと固定子８ｂとの間の隙間などをつたって、再びオイル溜まり１６に戻る。

図１に示すように、主圧縮機構３は、スクロール型の圧縮機構である。主圧縮機構３は、密閉容器１１の胴シェル１１ａに対して固定されている。主圧縮機構３は、固定スクロール３２と、旋回スクロール３３と、オルダムリング３４と、軸受部材３５と、マフラー３６とを備えている。

固定スクロール３２は密閉容器１１の胴シェル１１ａに対して変位不能に取り付けられている。固定スクロール３２の下面には平面視渦巻き状（例えばインボリュート形状等）のラップ３２ａが形成されている。旋回スクロール３３は固定スクロール３２に対向配置されている。旋回スクロール３３の固定スクロール３２に対向する面の中央部にはラップ３２ａとかみ合う平面視渦巻き状（例えばインボリュート形状等）のラップ３３ａが形成されている。これらラップ３２ａとラップ３３ａとの間に三日月状の作動室（圧縮室）３９が区画形成されている。固定スクロール３２には、作動室３９に開口する開口３２ｄが形成されている。この開口３２ｄには、吸入管３２ｃが取り付けられている。吸入管３２ｃは、図２に示すように連絡管７０によって吐出管５１に接続されている。この連絡管７０及び吸入管３２ｃを介して、作動室３９に冷媒が供給される。

旋回スクロール３３の対向表面の周辺部は固定スクロール３２の下側表面周辺部に突出して設けられたスラスト軸受３２ｂに当接して支持されている。

旋回スクロール３３の下面中央部には、回転子８ａから延びる主圧縮機用シャフト３８の上端部に設けられ、主圧縮機用シャフト３８とは異なる中心軸を有する偏心部３８ａが嵌合挿入されて固定されている。また、旋回スクロール３３の下側にはオルダムリング３４が配置されている。このオルダムリング３４は旋回スクロール３３の自転を規制するものである。このオルダムリング３４の機能により、旋回スクロール３３は主圧縮機用シャフト３８の回転に伴って主圧縮機用シャフト３８の中心軸から偏心した状態で旋回運動する。

旋回スクロール３３の旋回運動に伴い、ラップ３２ａとラップ３３ａとの間に形成された作動室３９が外側から内側に移動する。この移動に伴って、作動室３９の容積が縮小される。これにより、吸入管３２ｃから作動室３９に吸入された冷媒が圧縮される。そして、圧縮された冷媒は、固定スクロール３２の中央部に形成された吐出孔３２ｅ及びマフラー３６の内部空間３６ａを経由し、固定スクロール３２及び軸受部材３５を貫通して形成された吐出経路４０から密閉容器１１の内部空間１１ｅへと吐出される。吐出された冷媒は、内部空間１１ｅに一時滞留する。その滞留期間中に冷媒に混入した冷凍機油等が重力や遠心力などにより分離される。そして、冷凍機油等が分離された冷媒は、密閉容器１１の上シェル１１ｂに取り付けられた吐出管１１ｄから冷媒回路９へと吐出される。

（動力回収ユニット７）
図１及び図２に示すように、動力回収ユニット７は、オイル溜まり１６内に配置されている。動力回収ユニット７は、比較的下方に配置された動力回収機構５と、比較的上方に配置された副圧縮機構２とによって構成されている。動力回収機構５と副圧縮機構２とは、動力回収シャフト１２及び第１閉塞部材１５を介して一体に配置されている。動力回収ユニット７は、副圧縮機構２の構成部材である第３閉塞部材１４において、胴シェル１１ａに固定されている。

−動力回収機構５の構成−
図１に示すように、動力回収機構５は、第１閉塞部材１５と、第２閉塞部材１３とを備えている。第１閉塞部材１５と第２閉塞部材１３とは、相互に対向している。第１閉塞部材１５と第２閉塞部材１３との間には、第１シリンダ２２が配置されている。第１シリンダ２２は略円筒形の内部空間を有する。その第１シリンダ２２の内部空間は、第１閉塞部材１５と第２閉塞部材１３とによって閉塞されている。

動力回収シャフト１２は、第１シリンダ２２内を第１シリンダ２２の軸方向に貫通している。動力回収シャフト１２は第１シリンダ２２の中心軸上に配置されている。動力回収シャフト１２は、上記第２閉塞部材１３と、後述する第３閉塞部材１４とによって支持されている。動力回収シャフト１２には、動力回収シャフト１２を軸方向に貫通する給油孔１２ａ（図３及び図４参照）が形成されている。この給油孔１２ａを経由して、密閉容器１１内の冷凍機油が、副圧縮機構２や動力回収機構５の軸受や隙間等に供給される。

第１ピストン２１は、第１シリンダ２２の内周面と第１閉塞部材１５と第２閉塞部材１３とにより区画形成された略円筒形状の内部空間内に配置されている。第１ピストン２１は、動力回収シャフト１２の中心軸に対して偏心した状態で動力回収シャフト１２にはめ込まれている。具体的には、動力回収シャフト１２は、動力回収シャフト１２の中心軸と異なる中心軸を有する偏心部１２ｂを備えている。この偏心部１２ｂに筒状の第１ピストン２１がはめ込まれている。このため、第１ピストン２１は、第１シリンダ２２の中心軸に対して偏心している。従って、第１ピストン２１は、動力回収シャフト１２の回転に伴って偏心回転運動する。

この第１ピストン２１と第１シリンダ２２の内周面と第１閉塞部材１５と第２閉塞部材１３とにより、第１シリンダ２２内に第１作動室２３が区画形成されている（図３も参照）。

図３に示すように、第１シリンダ２２には、第１作動室２３に開口する線条の溝２２ａが形成されている。この線条溝２２ａには、板状の第１仕切部材２４が摺動自在に挿入されている。第１仕切部材２４と線条溝２２ａの底部との間には、付勢手段２５が配置されている。この付勢手段２５によって、第１仕切部材２４は第１ピストン２１の外周面に対して押圧されている。これにより、第１作動室２３は、２つの空間に区画されている。具体的に、第１作動室２３は、高圧側の吸入作動室２３ａと、低圧側の吐出作動室２３ｂとに区画されている。

尚、付勢手段２５は、例えば、ばねによって構成することができる。具体的に、付勢手段２５は、圧縮コイルばねであってもよい。

また、付勢手段２５は、所謂ガスばね等であってもよい。すなわち、第１仕切部材２４が、第１仕切部材２４の背面空間６５の体積を縮小する方向にスライドしたときに、第１仕切部材２４と線条溝２２ａの底部との間の空間内の圧力が、第１作動室２３の圧力よりも高くなるように設定されており、その圧力差により、第１仕切部材２４に対して第１ピストン２１方向への押圧力が作用するようにしてもよい。具体的には、例えば、第１仕切部材２４の背面空間６５を密閉空間として、背面空間６５の体積が第１仕切部材２４により減少したときに第１仕切部材２４に反力が加わるようにしてもよい。勿論、付勢手段２５を、圧縮コイルばねやガスばね等の複数種類のばねにより構成してもよい。尚、第１作動室２３の圧力とは、吸入作動室２３ａの圧力と吐出作動室２３ｂの圧力との平均圧力をいうものとする。

吸入作動室２３ａの第１仕切部材２４と隣接する部分には、図３に示すように、吸入経路２７が開口している。図１に示すように、この吸入経路２７は第１シリンダ２２の下側に位置する第２閉塞部材１３に形成されている。吸入経路２７は吸入管２８と連通している。図２に示す放熱器４からの高圧の冷媒は、吸入管２８及び吸入経路２７を介して吸入作動室２３ａに導かれる。

吸入経路２７の吸入作動室２３ａに対する開口（吸入口）２６は、吸入作動室２３ａの第１仕切部材２４と隣接する部分から吸入作動室２３ａの広がる方向に円弧状に延びる略扇状に形成されている。吸入口２６は、第１ピストン２１が上死点に位置するときにおいてのみ、第１ピストン２１によって完全に閉鎖される。そして、第１ピストン２１が上死点に位置する瞬間を除いた全期間にわたって、吸入口２６の少なくとも一部が吸入作動室２３ａに露出している。具体的には、平面視において、吸入口２６の外側端辺２６ａが、上死点に位置する第１ピストン２１の外周面に沿った円弧状に形成されている。言い換えれば、外側端辺２６ａは、第１ピストン２１の外周面と略同一の半径の円弧状に形成されている。

一方、吐出作動室２３ｂの第１仕切部材２４と隣接する部分には、吐出経路３０が開口している。図１に示すように、この吐出経路３０も、吸入経路２７と同様に、第２閉塞部材１３に形成されている。吐出経路３０は、吐出管３１と連通している。これにより、吐出作動室２３ｂ内の冷媒は、吐出経路３０及び吐出管３１を介して蒸発器６側に吐出される。

吐出経路３０の吐出作動室２３ｂに対する開口（吐出口）２９は、吐出作動室２３ｂの第１仕切部材２４と隣接する部分から吐出作動室２３ｂの広がる方向に円弧状に延びる略扇状に形成されている。吐出口２９は、第１ピストン２１が上死点に位置するときにおいてのみ、第１ピストン２１によって完全に閉鎖される。そして、第１ピストン２１が上死点に位置する瞬間を除いた全期間にわたって、吐出口２９の少なくとも一部が吐出作動室２３ｂに露出している。具体的には、平面視において、第１シリンダ２２の径方向外側に位置する吐出口２９の外側端辺２９ａが、上死点に位置する第１ピストン２１の外周面に沿った円弧状に形成されている。言い換えれば、外側端辺２９ａは、第１ピストン２１の外周面と略同一の半径の円弧状に形成されている。

尚、第１ピストン２１が上死点に位置するときとは、図５（Ｓ１）に示すように、第１仕切部材２４が線条溝２２ａに最大限に押し込まれたときをいう。また、「第１ピストン２１が上死点に位置する瞬間」とは、厳密に第１ピストン２１が上死点に位置している瞬間に限定されるものではなく、第１ピストン２１が上死点に位置しているときを挟んである程度の期間を有するものであってもよい。すなわち、第１ピストン２１が上死点に位置しているときの第１ピストン２１の回転角（θ）を０°とすると、例えば、第１ピストン２１の回転角（θ）が０°±５°以内（又は０°±３°以内）である期間にわたって吸入口２６及び吐出口２９の両方が閉じられるような構成も、吸入経路２７から吐出経路３０へと冷媒が吹き抜けない構成に含まれるものとする。

上記のように吸入経路２７と吐出経路３０とを形成することによって、図５（Ｓ１）に示すように、第１ピストン２１が上死点に位置する瞬間においてのみ吸入口２６と吐出口２９との両方が完全に閉じられる。すなわち、第１作動室２３がひとつとなる瞬間に吸入口２６と吐出口２９との両方が完全に閉じられる。より詳細には、吸入作動室２３ａが吐出経路３０と連通する瞬間まで、吸入作動室２３ａは吸入経路２７と連通している。そして、吸入作動室２３ａが吐出経路３０と連通して吸入作動室２３ａが吐出作動室２３ｂとなった瞬間以降は、吸入口２６が第１ピストン２１によって閉じられる。このため、吸入経路２７から吐出経路３０への冷媒の吹き抜けが抑制される。従って、高効率な動力回収が実現される。

尚、吸入経路２７から吐出経路３０への冷媒の吹き抜けを完全に規制する観点からは、第１ピストン２１が上死点に位置する瞬間において、吸入口２６と吐出口２９との両方が閉じられることが好ましい。但し、第１ピストン２１が上死点に位置する瞬間において、吸入口２６と吐出口２９との一方のみしか閉じられていない場合であっても、吸入口２６が閉じられるタイミングと、吐出口２９が閉じられるタイミングとの差が、動力回収シャフト１２の回転角にして、１０°程度よりも小さければ、吸入経路２７と吐出経路３０との間で実質的に吹き抜けは生じない。つまり、吸入口２６が閉じられるタイミングと、吐出口２９が閉じられるタイミングとの差が、動力回収シャフト１２の回転角にして、１０°程度よりも小さく設定することで、吸入経路２７から吐出経路３０への冷媒の吹き抜けを抑制することができる。

上述のように、吸入作動室２３ａは、常に吸入経路２７と連通している。また、吐出作動室２３ｂは、常に吐出経路３０に連通している。言い換えれば、動力回収機構５において、冷媒を吸入する行程と、吸入した冷媒を吐出する行程とが実質的に連続して行われる。動力回収機構５は、固有の容積比を有さず、吸入容積と吐出容積との比が１である。このため、吸入した冷媒は、実質的に体積変化することなく動力回収機構５を通過する。

−動力回収機構５の動作−
次に、図５を参照しながら動力回収機構５の動作原理について詳細に説明する。図５（Ｓ１）は第１ピストン２１の回転角（θ）が０°、３６０°、７２０°であるときの図である。図５（Ｓ２）は第１ピストン２１の回転角（θ）が９０°、４５０°であるときの図である。図５（Ｓ３）は第１ピストン２１の回転角（θ）が１８０°、５４０°であるときの図である。図５（Ｓ４）は第１ピストン２１の回転角（θ）が２７０°、６３０°であるときの図である。尚、回転角（θ）は、図５において反時計回り方向を正としたときのものである。

図５（Ｓ１）に示すように、第１ピストン２１が上死点に位置するとき（θ＝０°）、吸入口２６及び吐出口２９はいずれも第１ピストン２１によって閉じられている。このため、第１作動室２３は吸入経路２７及び吐出経路３０のいずれにも連通していない孤立した状態にある。

この状態から第１ピストン２１が回転することにより、吸入口２６を介して吸入経路２７に連通する吸入作動室２３ａが形成される。ここで、吸入作動室２３ａは、冷媒回路９の高圧側に接続されている。このため、吸入口２６が開くと、図５（Ｓ２）〜（Ｓ４）に示すように、吸入口２６から流入する高圧の冷媒によって吸入作動室２３ａの容積が増大していく。この吸入作動室２３ａの容積拡大に伴って第１ピストン２１に加わる回転トルクが動力回収シャフト１２の回転駆動力の一部となる。この冷媒の吸入行程は、回転角（θ）が３６０°になるまで、すなわち第１ピストン２１が再び上死点に位置するまで行われる。つまり、冷媒の吸入行程は、吸入作動室２３ａが吐出経路３０と連通する直前まで行われる。

図５（Ｓ１）に示すように、第１ピストン２１が再び上死点に位置した瞬間、本実施形態では、第１ピストン２１によって吸入口２６及び吐出口２９の両方が閉じられる。これにより、第１作動室２３は再び孤立する。

この状態から、第１ピストン２１が回転すると、孤立していた第１作動室２３が吐出口２９を介して吐出経路３０と連通し、吐出作動室２３ｂとなる。ここで、動力回収機構５を境にして蒸発器６側は、主圧縮機構３の働きにより、放熱器４側と比較して低圧となっている。このため、孤立した第１作動室２３が吐出口２９を介して吐出経路３０と連通して吐出作動室２３ｂとなった瞬間に、吐出作動室２３ｂ内の低温高圧の冷媒が低圧側に吸引される。よって、第１作動室２３内の冷媒が膨張する。そして、吐出作動室２３ｂ内の圧力は、冷媒回路９の低圧側の圧力と等しくなる。この冷媒の吐出行程によって、第１ピストン２１に加わる回転トルクも動力回収シャフト１２の回転駆動力の一部となる。すなわち、動力回収シャフト１２は、吸入作動室２３ａへの高圧の冷媒の流入と、吐出行程における冷媒の吸引とによって回転する。そして、この動力回収シャフト１２の回転トルクは、後に詳述するように、副圧縮機構２の動力として利用される。

さらに第１ピストン２１の回転角（θ）が大きくなるに伴って吐出作動室２３ｂ内の冷媒が順次冷媒回路９の低圧側に吐出されていく。そして、図５（Ｓ１）に示すように、第１ピストン２１が再び上死点に位置したとき（θ＝７２０°）吐出作動室２３ｂは消滅する。この吐出行程と同期して、吸入作動室２３ａが再び形成され、次の吸入行程が行われる。以上のように、吸入行程開始から吐出行程終了までの一連の行程は、第１ピストン２１が７２０°回転すると完了する。

−副圧縮機構２の構成−
副圧縮機構２は動力回収シャフト１２により動力回収機構５と連結されている。言い換えれば、動力回収機構５の動力回収シャフト１２は、副圧縮機構２のシャフトを兼ねている。さらに言い換えれば、動力回収機構５のシャフトと副圧縮機構２のシャフトとは、一体に連結されている。

副圧縮機構２の基本的な構成は、上述の動力回収機構５と略同一である。具体的に、副圧縮機構２は、図１に示すように、第１閉塞部材１５と、第３閉塞部材１４とを備えている。第１閉塞部材１５は、副圧縮機構２と動力回収機構５との共通の構成部材である。第１閉塞部材１５と第３閉塞部材１４とは、相互に対向している。具体的には、第３閉塞部材１４は、第１閉塞部材１５の第２閉塞部材１３と対向する面とは反対側の面と対向している。第１閉塞部材１５と第３閉塞部材１４との間には、第２シリンダ４２が配置されている。第２シリンダ４２は略円筒形の内部空間を有する。その第２シリンダ４２の内部空間は、第１閉塞部材１５と第３閉塞部材１４とによって閉塞されている。

動力回収シャフト１２は、第２シリンダ４２内を第２シリンダ４２の軸方向に貫通している。動力回収シャフト１２は第２シリンダ４２の中心軸上に配置されている。第２ピストン４１は、第２シリンダ４２の内周面と第１閉塞部材１５と第３閉塞部材１４とにより区画形成された略円筒形状の内部空間内に配置されている。第２ピストン４１は、動力回収シャフト１２の中心軸に対して偏心した状態で動力回収シャフト１２にはめ込まれている。具体的には、動力回収シャフト１２は、動力回収シャフト１２の中心軸と異なる中心軸を有する偏心部１２ｃを備えている。この偏心部１２ｃに筒状の第２ピストン４１がはめ込まれている。このため、第２ピストン４１は、第２シリンダ４２の中心軸に対して偏心している。従って、第２ピストン４１は、動力回収シャフト１２の回転に伴って偏心回転運動する。

尚、第２ピストン４１が取り付けられた偏心部１２ｃは、第１ピストン２１が取り付けられた偏心部１２ｂと略同一の方向に偏心している。このため、本実施形態では、第１シリンダ２２の中心軸に対する第１ピストン２１の偏心方向と、第２シリンダ４２の中心軸に対する第２ピストン４１の偏心方向とは、相互に略同一である。

この第２ピストン４１と第２シリンダ４２の内周面と第１閉塞部材１５と第３閉塞部材１４とにより、第２シリンダ４２内に第２作動室４３が区画形成されている（図４も参照）。

図４に示すように、第２シリンダ４２には、第２作動室４３に開口する線条の溝４２ａが形成されている。この線条溝４２ａには、板状の第２仕切部材４４が摺動自在に挿入されている。第２仕切部材４４と線条溝４２ａの底部との間には、付勢手段４５が配置されている。この付勢手段４５によって第２仕切部材４４は第２ピストン４１の外周面に対して押しつけられている。これにより、第２作動室４３は、２つの空間に区画されている。具体的に、第２作動室４３は、低圧側の吸入作動室４３ａと、高圧側の吐出作動室４３ｂとに区画されている。

尚、付勢手段４５は、例えば、ばねによって構成することができる。具体的に、付勢手段４５は、圧縮コイルばねであってもよい。

また、付勢手段４５は、所謂ガスばね等であってもよい。すなわち、第２仕切部材４４が背面空間５５の体積を縮小する方向にスライドしたときに、背面空間５５内の圧力が、第２作動室４３の圧力よりも高くなるように設定されており、その背面空間５５と第２作動室４３との間の圧力差により、第２仕切部材４４に対して第２ピストン４１方向への押圧力が作用するようにしてもよい。具体的には、例えば、背面空間５５を密閉空間として、背面空間５５の体積が第２仕切部材４４により減少したときに第２仕切部材４４に反力が加わるようにしてもよい。また、第２仕切部材４４が最も第２ピストン４１寄りに位置するときには背面空間５５が密閉空間ではないものの、第２仕切部材４４がある程度第２ピストン４１から離れたときに背面空間５５が密閉空間となるようにしてもよい。勿論、付勢手段４５を、圧縮コイルばねやガスばね等の複数種類のばねにより構成してもよい。尚、第２作動室４３の圧力とは、吸入作動室４３ａの圧力と吐出作動室４３ｂの圧力との平均圧力をいうものとする。

吸入作動室４３ａの第２仕切部材４４と隣接する部分には、図４に示すように、吸入経路４７が開口している。図１に示すように、この吸入経路４７は第２シリンダ４２の上側に位置する第３閉塞部材１４に形成されている。吸入経路４７は、吸入管４８と連通している。蒸発器６（図２参照）からの冷媒は、吸入管４８及び吸入経路４７を介して吸入作動室４３ａに導かれる。

図４に示すように、吸入経路４７の吸入作動室４３ａに対する開口（吸入口）４６は、吸入作動室４３ａの第２仕切部材４４と隣接する部分から吸入作動室４３ａの広がる方向に円弧状に延びる略扇状に形成されている。吸入口４６は、第２ピストン４１が上死点に位置するときにおいてのみ、第２ピストン４１によって完全に閉鎖される。そして、第２ピストン４１が上死点に位置する瞬間を除いた全期間にわたって、吸入口４６の少なくとも一部が吸入作動室４３ａに露出している。具体的には、平面視において、第２シリンダ４２の径方向外側に位置する吸入口４６の外側端辺４６ａが、上死点に位置する第２ピストン４１の外周面に沿った円弧状に形成されている。言い換えれば、外側端辺４６ａは、第２ピストン４１の外周面と略同一の半径の円弧状に形成されている。

一方、吐出作動室４３ｂの第２仕切部材４４と隣接する部分には、吐出経路５０が開口している。図１に示すように、この吐出経路５０も、吸入経路４７と同様に、第３閉塞部材１４に形成されている。吐出経路５０は、吐出管５１と連通している。これにより、吐出作動室４３ｂ内の冷媒は、吐出経路５０及び吐出管５１を介して主圧縮機構３側に吐出される。主圧縮機構３側に吐出された冷媒は、連絡管７０及び吸入管３２ｃを介して主圧縮機構３に供給される。

吐出経路５０の吐出作動室４３ｂに対する開口（吐出口）４９は、吐出作動室４３ｂの第２仕切部材４４と隣接する部分から吐出作動室４３ｂの広がる方向に円弧状に延びる略扇状に形成されている。吐出口４９は、第２ピストン４１が上死点に位置するときにおいてのみ、第２ピストン４１によって完全に閉鎖される。そして、第２ピストン４１が上死点に位置する瞬間を除いた全期間にわたって、吐出口４９の少なくとも一部が吐出作動室４３ｂに露出している。具体的には、平面視において、第２シリンダ４２の径方向外側に位置する吐出口４９の外側端辺４９ａが、上死点に位置する第２ピストン４１の外周面に沿った円弧状に形成されている。言い換えれば、外側端辺４９ａは、第２ピストン４１の外周面と略同一の半径の円弧状に形成されている。

尚、第２ピストン４１が上死点に位置するときとは、図６（ＳＴ１）に示すように、第２仕切部材４４が線条溝４２ａに最大限に押し込まれたときをいう。また、「第２ピストン４１が上死点に位置する瞬間」とは、厳密に第２ピストン４１が上死点に位置している瞬間に限定されるものではなく、第２ピストン４１が上死点に位置しているときを挟んである程度の期間を有するものであってもよい。すなわち、第２ピストン４１が上死点に位置しているときの第２ピストン４１の回転角（θ）を０°とすると、例えば、第２ピストン４１の回転角（θ）が０°±５°以内（又は０°±３°以内）である期間にわたって吸入口４６及び吐出口４９の両方が閉じられるような構成も、吸入経路４７から吐出経路５０へと冷媒が吹き抜けない構成に含まれるものとする。

上記のように吸入経路４７と吐出経路５０とを形成することによって、図６（ＳＴ１）に示すように、第２ピストン４１が上死点に位置する瞬間においてのみ吸入口４６と吐出口４９との両方が完全に閉じられる。すなわち、第２作動室４３がひとつとなる瞬間に吸入口４６と吐出口４９との両方が完全に閉じられる。より詳細には、吸入作動室４３ａが吐出経路５０と連通する瞬間まで、吸入作動室４３ａは吸入経路４７と連通している。そして、吸入作動室４３ａが吐出経路５０と連通して吸入作動室４３ａが吐出作動室４３ｂとなった瞬間以降は、吸入口４６が第２ピストン４１によって閉じられる。このため、比較的圧力が高い吐出経路５０から、比較的圧力が低い吸入経路４７への冷媒の逆流が抑制される。従って、高効率な過給が実現される。その結果、回収された動力の利用効率が向上する。

尚、吐出経路５０から吸入経路４７への冷媒の逆流を完全に規制する観点からは、第２ピストン４１が上死点に位置する瞬間において、吸入経路４７と吐出経路５０との両方が閉じられることが好ましい。但し、第２ピストン４１が上死点に位置する瞬間において、吸入口４６と吐出口４９との一方のみしか閉じられていない場合であっても、吸入口４６が閉じられるタイミングと、吐出口４９が閉じられるタイミングとの差が、動力回収シャフト１２の回転角にして、１０°程度よりも小さければ、吐出経路５０から吸入経路４７への冷媒の逆流は実質的に生じない。つまり、吸入口４６が閉じられるタイミングと、吐出口４９が閉じられるタイミングとの差が、動力回収シャフト１２の回転角にして、１０°程度よりも小さく設定することで、吐出経路５０から吸入経路４７への冷媒の逆流を抑制することができる。

上述のように吸入作動室４３ａは、常に吸入経路４７と連通している。また、吐出作動室４３ｂは、常に吐出経路５０に連通している。言い換えれば、副圧縮機構２において、冷媒を吸入する行程と、吸入した冷媒を吐出する行程とが実質的に連続して行われる。副圧縮機構２は、固有の容積比を有さず、吸入容積と吐出容積との比が１である。このため、吸入した冷媒は、実質的に体積変化することなく副圧縮機構２を通過する。

−副圧縮機構２の動作−
次に、図６を参照しながら副圧縮機構２の動作原理について詳細に説明する。図６（ＳＴ１）は第２ピストン４１の回転角（θ）が０°、３６０°、７２０°であるときの図である。図６（ＳＴ２）は第２ピストン４１の回転角（θ）が９０°、４５０°であるときの図である。図６（ＳＴ３）は第２ピストン４１の回転角（θ）が１８０°、５４０°であるときの図である。図６（ＳＴ４）は第２ピストン４１の回転角（θ）が２７０°、６３０°であるときの図である。尚、回転角（θ）は、図６において反時計回り方向を正としたときのものである。

上述のように、動力回収シャフト１２は、動力回収機構５によって回収された動力によって回転する。この動力回収シャフト１２の回転と共に、第２ピストン４１も回転し、副圧縮機構２が駆動される。

図６（ＳＴ１）に示すように、第２ピストン４１が上死点に位置するとき（θ＝０°）、吸入口４６及び吐出口４９はいずれも第２ピストン４１によって閉じられている。このため、第２作動室４３は吸入経路４７及び吐出経路５０（図４参照）のいずれにも連通しておらず、第２作動室４３は孤立した状態にある。

この状態から第２ピストン４１が回転することにより、吸入口４６を介して吸入経路４７に連通した吸入作動室４３ａが形成される。第２ピストン４１の回転角（θ）が３６０°になるまで、回転角（θ）が増大するにつれ、吸入作動室４３ａが拡大していく。回転角（θ）が３６０°に達したときに、冷媒の吸入行程が終了する。

回転角（θ）が３６０°に達するまで、吸入作動室４３ａは、常に吸入経路４７と連通している。回転角（θ）が３６０°に達したとき、吸入経路４７は、第２ピストン４１によって閉鎖される。また、回転角（θ）が３６０°のときは、吐出経路５０も閉じられている。すなわち、第２作動室４３は、吸入経路４７と吐出経路５０との両方から隔離され、孤立する。そして、回転角（θ）が３６０°を超えて回転すると、第２作動室４３は、吐出口４９を介して吐出経路５０と連通し、吐出作動室４３ｂになる。そして、第２ピストン４１の回転角（θ）が３６０°からさらに大きくなると、吐出作動室４３ｂの容量が小さくなっていく。それと共に吐出作動室４３ｂから冷媒が主圧縮機構３側に吐出されていく。そして、図６（ＳＴ１）に示すように、第２ピストン４１が再び上死点に位置したとき（θ＝７２０°）、吐出作動室４３ｂは消滅する。この吐出行程にわたって、吐出作動室４３ｂは吐出経路５０に常に連通している。そして、この吐出行程と同期して、吸入作動室４３ａが再び形成され、次の吸入行程が行われる。以上のように、吸入行程開始から吐出行程終了までの一連の行程は、第２ピストン４１が７２０°回転すると完了する。

上述のように、第２作動室４３は、実質的に容量が不変である。かつ、吸入作動室４３ａは吸入経路４７と常に連通している。吐出作動室４３ｂは吐出経路５０と常に連通している。このため、副圧縮機構２の第２作動室４３内においては、冷媒は圧縮も膨張もしない。動力回収シャフト１２が動力回収機構５によって回転し、副圧縮機構２が駆動される分、第２作動室４３の上流側よりも第２作動室４３の下流側の方が高圧になる。言い換えれば、動力回収機構５によって回収された動力で駆動される副圧縮機構２によって、吐出口４９よりも主圧縮機構３側の圧力が吸入口４６よりも蒸発器６側の圧力より高くなる。つまり、副圧縮機構２によって昇圧される。

尚、本実施形態において、上記動力回収機構５の第１ピストン２１が上死点に位置するタイミングと、副圧縮機構２の第２ピストン４１が上死点に位置するタイミングとは相互に略同一となっている。

《冷凍サイクル》
次に、図７を参照しながら、冷凍サイクル装置１における冷凍サイクルについて説明する。図７中に示す点Ｆは臨界点である。Ｆ−Ｌは飽和液線である。Ｆ−Ｇは飽和ガス線である。Ｌ_Pは臨界点Ｆを通る等圧線である。Ｒ_Tは臨界点Ｆを通る等温線である。図７に示すモリエル線図上で、飽和ガス線Ｆ−Ｇより右側で等圧線Ｌ_Pより下の領域は気相である。飽和液線Ｆ−Ｌより左側で等温線Ｒ_Tより下側の領域は液相である。等圧線Ｌ_Pよりも上側で、かつ等温線Ｒ_Tよりも上側の領域は超臨界相である。飽和液線Ｆ−Ｌより右側で飽和ガス線Ｆ−Ｇよりも左側の領域は気液二相である。尚、図７中、ｈ_A、ｈ_B、ｈ_C、ｈ_D、ｈ_Eは、それぞれＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅの各点における冷媒のエンタルピーを示している。

図７中のＡＢＣＤＥの閉ループは、図２で示した動力回収型の冷凍サイクル装置１の冷凍サイクルを示している。ＡＢＣＤＥの閉ループ中のＡ−Ｂは、副圧縮機構による冷媒の状態変化を示している。Ｂ−Ｃは、主圧縮機構３における冷媒の状態変化を示している。Ｃ−Ｄは、放熱器４における冷媒の状態変化を示している。Ｄ−Ｅは、動力回収機構５における冷媒の状態変化を示している。Ｅ−Ａは、蒸発器６における冷媒の状態変化を示している。

主圧縮機構３において、冷媒は低圧の気相（点Ｂ）から高圧の超臨界相（点Ｃ）へと圧縮される。主圧縮機構３で圧縮された冷媒は、放熱器４においての超臨界相（点Ｃ）から液相（点Ｄ）まで冷却される。

その後、冷媒は、動力回収機構５において、飽和液（点Ｓ）を経て低温高圧の液相（点Ｄ）から気液二相（点Ｅ）まで膨張（圧力降下）する。この圧力降下（膨張）の行程において、点Ｄから点Ｓまでは冷媒が非圧縮性の液相であるため、冷媒の比容積はそれほど変化しない。その一方、点Ｓから点Ｅの間は液相から気相への相変化による急激な比容積の変化を伴う圧力降下、すなわち、膨張を伴う圧力降下となる。

動力回収機構５からの冷媒は、蒸発器６において加熱され、蒸発を伴いながら気液二相（点Ｅ）から気相（点Ａ）へと変化する。蒸発器６により加熱された冷媒は、副圧縮機構２にて昇圧され気相（点Ｂ）へと変化する。

《作用及び効果》
以上説明したように、本実施形態では、密閉容器１１内に設けられ、主圧縮機構３に対して供給される冷凍機油が溜められたオイル溜まり１６内に動力回収ユニット７が配置されている。このようにすることで、主圧縮機構３と動力回収ユニット７とに冷凍機油を供給するオイル溜まりをひとつにまとめることができる。

例えば、主圧縮機構３用のオイル溜まりとは別に動力回収ユニット７用のオイル溜まりを設けた場合は、一方のオイル溜まりから冷媒回路９に流出した冷凍機油が他方のオイル溜まりに戻ることとなり、一方のオイル溜まりに溜められた冷凍機油の量が減少してしまう虞がある。そうなると、主圧縮機構３又は動力回収ユニット７の潤滑やシールが十分に行われなくなる虞がある。

それに対して、本実施形態のように、主圧縮機構３及び動力回収ユニット７のオイル溜まりを共通化した場合は、たとえ、冷凍機油がオイル溜まり１６から冷媒回路９に流出したとしても、流出した冷凍機油は、冷媒回路９を廻って再びオイル溜まり１６に戻る。従って、オイル溜まり１６に溜められた冷凍機油の量が減少することを抑制することができる。その結果、主圧縮機構３及び動力回収ユニット７へ冷凍機油を安定的に供給することができる。よって、主圧縮機構３や動力回収ユニット７の摺動部の適切な潤滑により、冷凍サイクル装置１の信頼性の向上が図られる。また、主圧縮機構３や動力回収ユニット７の漏れ隙間を高い確実性でシールすることが可能となるため、冷凍サイクル装置１の運転効率を向上させることができる。

また、本実施形態では、主圧縮機構３からの冷媒は、密閉容器１１内に吐出され、密閉容器１１内において、冷媒から冷凍機油が分離される。分離された冷凍機油は、再びオイル溜まり１６に戻る。このように、冷媒に混入した冷凍機油は、密閉容器１１内にて冷媒から分離されてオイル溜まり１６に戻るため、オイル溜まり１６に溜められた冷凍機油の減少がより効果的に抑制される。その結果、主圧縮機構３及び動力回収ユニット７へ冷凍機油をより安定的に供給することができる。

また、主圧縮機構３により圧縮された冷媒が、密閉容器１１内に一旦吐出される構成とすることで、密閉容器１１内の圧力を比較的高くすることができる。これにより、主圧縮機用シャフト３８内に形成された図示しないオイル供給孔を経由して主圧縮機構３に冷凍機油が供給されやすくなる。また、動力回収ユニット７への冷凍機油の浸透も促進される。その結果、主圧縮機構３及び動力回収ユニット７へ冷凍機油をさらに確実に供給することが可能となる。これにより、冷凍サイクル装置１の信頼性がより向上すると共に、冷凍サイクル装置１の運転効率がさらに向上する。

また、主圧縮機構３及び動力回収ユニット７のオイル溜まりを共通化することで、主圧縮機構３用のオイル溜まりとは別に動力回収ユニット７用のオイル溜まりを設けた場合のように、各オイル溜まりに溜められた冷凍機油の量のバランスをとるための均油管など、特別な機構が不要になる。従って、冷凍サイクル装置１の構成が簡単になると共に、製造コストを低減することができる。

さらに、動力回収ユニット７をオイル溜まり１６内に配置することで、動力回収ユニット７用の別途の密閉容器が不要となる。従って、冷凍サイクル装置１のコンパクト化及び低コスト化を図ることができる。また、動力回収機構５と副圧縮機構２とで第１閉塞部材１５を共通に使用することで、流体機械１０Ａひいては冷凍サイクル装置１のさらなるコンパクト化が図られている。

また、本実施形態のように、動力回収ユニット７をオイル溜まり１６内に配置するのであれば、密閉容器１１の胴シェル１１ａ及び底シェル１１ｃの一方又は両方を変更するのみで足り、主圧縮機構３の設計を変更する必要がない。言い換えれば、主圧縮機構３は、動力回収ユニット７とは関わりなく、自由に設計することができる。従って、高い自由度を実現することができる。また、密閉容器１１の形状を変更するのみで、その他の設計をそれほど変更することなく、本実施形態の構成を採用することができるため、設計コストを削減することができる。また、他の冷凍サイクル装置と部品を共通化することも比較的容易である。その結果、冷凍サイクル装置１のさらなる低コスト化を実現することが可能となる。

また、本実施形態では、主圧縮機構３の主圧縮機用シャフト３８と動力回収ユニット７の動力回収シャフト１２とが別体である。このため、主圧縮機構３及び動力回収ユニット７の設計自由度がより高くなる。その結果、さらなる低コスト化が図られる。

また、この構成によれば、主圧縮機用シャフト３８と動力回収シャフト１２とを、主圧縮機用シャフト３８の軸線と動力回収シャフト１２の軸線とが直線上に位置するように配置する必要がなくなる（例えば、図９も参照）。よって、主圧縮機構３と動力回収ユニット７との配置の自由度も向上する。その結果、流体機械１０Ａの設計自由度が向上する。また、場合によっては、さらなるコンパクト化も可能となる。

より設計自由度を向上する観点からは、本実施形態のように、主圧縮機構３及び電動機８と、動力回収ユニット７とを直接固定せず、動力回収ユニット７を密閉容器１１に固定することが好ましい。そうすることで、動力回収ユニット７や主圧縮機構３と電動機８とのユニットを他の冷凍サイクル装置１と共通化することが、より容易となる。よって、開発コストの低減、製造コストの低減がさらに可能となる。

また、本実施形態では、動力回収ユニット７は、胴シェル１１ａに対して固定されているため、上シェル１１ｂ及び底シェル１１ｃの設計自由度が非常に高くなっている。胴シェル１１ａは、筒状であるため、比較的高さを高くすることは容易である。従って、動力回収ユニット７を胴シェル１１ａに対して固定することで、特に高い設計自由度を実現することができる。

また、動力回収ユニット７を胴シェル１１ａに固定すると共に、主圧縮機構３も胴シェル１１ａに固定するようにすることで、吸入管３２ｃと吐出管５１との間の距離の誤差を小さくすることができる。このため、連絡管７０の取り付けを容易にすることができる。その結果、冷凍サイクル装置１のさらなる低コスト化が実現される。

また、密閉容器１１外に配置された連絡管７０を用いることで、主圧縮機構３や動力回収ユニット７の構成にかかわらず、容易に吸入管３２ｃと吐出管５１とを接続することができる。また、この構成によれば、密閉容器１１内の構成の設計変更が実質的に不要となるため、主圧縮機構３や動力回収ユニット７を他の冷凍サイクル装置１と共通化しやすくなる。

尚、本実施形態では、動力回収機構５により動力が回収される。動力回収機構５で回収された動力は、副圧縮機構２の動力として利用される。このため、高いエネルギー効率が実現されている。具体的に、図７を用いて説明すると、動力回収機構５では、冷媒から（ｈ_D−ｈ_E）に相当するエンタルピー差に相当するエネルギーが動力として回収される。おおよそのところ、この回収されたエンタルピー（ｈ_D−ｈ_E）に、動力回収機構５の効率η_expと副圧縮機構２の効率η_pumpとを乗じて得られるエンタルピーη_exp・η_pump（ｈ_D−ｈ_E）＝（ｈ_B−ｈ_A）に相当するエネルギーが、副圧縮機構２によって冷媒に与えられる。その結果、冷媒は、図７に示す点Ａから点Ｂまで昇圧される。

例えば、副圧縮機構２が配置されていない冷凍サイクル装置では、主圧縮機構３が蒸発器６の出口側の点Ａから放熱器４の入口側の点Ｃまで冷媒を圧縮する。それに対して、動力回収機構５に接続された副圧縮機構２が設けられた本実施形態の冷凍サイクル装置１では、副圧縮機構２から吐出されることによって、冷媒は点Ａから点Ｂまで昇圧される。このため、主圧縮機構３は、冷媒を点Ｂから点Ｃまで圧縮すればよい。従って、主圧縮機構３の仕事量を（ｈ_B−ｈ_A）に相当するエネルギー分だけ減らすことができる。その結果、冷凍サイクル装置１のＣＯＰ（coefficient of performance）を向上させることができる。

尚、冷媒として二酸化炭素を用いた場合は、放熱器４における圧力と、蒸発器６における圧力との差が比較的大きくなる。このため、二酸化炭素を冷媒として用いる場合は、本実施形態のように、放熱器４と蒸発器６との間に動力回収機構５を配置することで、比較的大きなエネルギー回収が可能となり、より高いエネルギー効率を実現することができる。

ところで、例えば、副圧縮機構２を配置せず、動力回収機構５の動力回収シャフト１２を主圧縮機構３に接続することにより、動力回収をすることも考えられる。しかしながら、主圧縮機構３は、動力回収機構５と比較して非常に高温である。このため、主圧縮機構３と動力回収機構５とを接続すると、主圧縮機構３と動力回収機構５との間で熱交換がおこりやすくなる。具体的には、主圧縮機構３の温度が低下してしまう。その結果、冷凍サイクル装置１のＣＯＰが低下する。一方、副圧縮機構２であれば主圧縮機構３ほどは高温ではない。このため、副圧縮機構２と動力回収機構５とを接続した場合は、動力回収機構５と主圧縮機構３とを接続した場合ほど熱交換はおこらない。従って、本実施形態のように、副圧縮機構２を主圧縮機構３とは別個に設けて、副圧縮機構２と動力回収機構５とを接続することで、冷凍サイクル装置１のＣＯＰの低下を抑制することができる。言い換えれば、冷凍サイクル装置１のエネルギー効率を向上させることができる。

また、本実施形態では、副圧縮機構２が比較的高温な主圧縮機構３寄りに配置されており、比較的低温な動力回収機構５は、副圧縮機構２よりも主圧縮機構３から離れた位置に配置されている。従って、主圧縮機構３と動力回収機構５との間の熱交換が効果的に抑制されている。

また、本実施形態では、動力回収ユニット７は、副圧縮機構２において密閉容器１１に固定されている。詳細には、第３閉塞部材１４において密閉容器１１に固定されている。このため、密閉容器１１からの熱は、直接動力回収機構５に伝わらず、副圧縮機構２を介して伝わることとなる。従って、副圧縮機構２が熱抵抗となり、動力回収機構５への密閉容器１１を介しての熱伝導が効果的に抑制される。

尚、動力回収機構５とは異なり、副圧縮機構２は多少温度上昇しても大きな問題はない。主圧縮機構３から副圧縮機構２へ熱移動が生じると、主圧縮機構３において冷媒に付与されるエネルギーがそれだけ低下するものの、副圧縮機構２へ移動した熱量分だけ、副圧縮機構２から吐出される冷媒の温度が上昇する。言い換えれば、主圧縮機構３において冷媒に付与されるエネルギーは減少するものの、副圧縮機構２において冷媒に付与されるエネルギーは増大し、主圧縮機構３に、より高温の冷媒が供給されることとなる。つまり、主圧縮機構３から副圧縮機構２へ熱移動が生じても、主圧縮機構３が冷媒に付与するエネルギーの減少分が、副圧縮機構２が冷媒に付与するエネルギーの増加分によって実質的に相殺されるため、冷凍サイクル装置１のＣＯＰは、それほど低下しない。

また、主圧縮機構３と副圧縮機構２との間に電動機８が配置されている。このため、動力回収機構５が主圧縮機構３からより遠ざけられている。従って、主圧縮機構３と動力回収機構５との間の熱交換がより効果的に抑制されている。

また、本実施形態では、オイルポンプ７２が主圧縮機用シャフト３８の下端部に配置されている。このように構成することで、比較的高温である主圧縮機構３をオイル溜まり１６から遠ざけることができる。その結果、オイル溜まり１６の温度上昇を防止することができる。よって、オイル溜まり１６内に配置された動力回収機構５の温度上昇を抑制することができる。従って、冷凍サイクル装置１のＣＯＰをより向上することができる。

尚、本実施形態では、副圧縮機構２及び動力回収機構５がそれぞれ流体圧モータである例について説明したが、副圧縮機構２及び動力回収機構５のそれぞれが、吸入した冷媒を圧縮又は膨張させる行程を行った後に冷媒を吐出するものであってもよい。すなわち、副圧縮機構２及び動力回収機構５は、それぞれ、固有の容積比を有していてもよい。但し、流体圧モータは、上記圧縮行程が行われる圧縮機構や膨張行程が行われる膨張機構と比較して、シンプルな構成を有する。従って、副圧縮機構２及び動力回収機構５を流体圧モータとすることで、流体機械１０Ａの構成をよりシンプルにすると共に小型化することができる。その結果、冷凍サイクル装置１をよりシンプル化、小型化及び低コスト化することができる。シンプル化、小型化及び低コスト化の観点から、副圧縮機構２及び動力回収機構５は、それぞれロータリ型の流体圧モータであることが特に好ましい。

このように、動力回収ユニット７を小型化することで、オイル溜まり１６の容量を小さくすることも可能となる。それにより、オイル溜まり１６に溜められる冷凍機油の量も少なくすることができる。その結果、オイル溜まり１６の油面の高さをより安定させることができる。よって、主圧縮機構３及び動力回収ユニット７へより確実に冷凍機油を供給することができる。

また、副圧縮機構２及び動力回収機構５のそれぞれを流体圧モータにより構成することによって、動力回収機構５による回収トルクの波形及び副圧縮機構２の負荷トルクの波形の両方を動力回収シャフト１２の回転角３６０°を一周期とした略正弦波状にすることができる。その結果、動力回収シャフト１２が減速せずにスムーズに回転する。よって、エネルギーの回収効率を向上させることができる。また、冷凍サイクル装置１における振動及び騒音の発生を抑制することができる。

具体的に、動力回収機構５の第１ピストン２１が上死点に位置するタイミングと、副圧縮機構２の第２ピストン４１が上死点に位置するタイミングとを同期させることにより、負荷トルクの波形と、回収トルクの波形とを相互にあわせることができる。言い換えれば、動力回収シャフト１２のどのような回転角においても、負荷トルクと回収トルクとの比率が、実質的に一定となる。従って、シャフトの回転速度ムラを抑制することができる。その結果、冷凍サイクル装置１のエネルギー効率をより向上させることができる。また、シャフトの回転速度ムラを抑制できるので、冷凍サイクル装置１の振動及び騒音を抑制することもできる。

より具体的に、本実施形態では、動力回収シャフト１２に対して第１仕切部材２４が配置された方向と、動力回収シャフト１２に対して第２仕切部材４４が配置された方向とを相互に略同一にすると共に、第１ピストン２１の第１シリンダ２２の中心軸に対する偏心方向と、第２ピストン４１の第２シリンダ４２の中心軸に対する偏心方向とも相互に略同一にすることによって、動力回収機構５の第１ピストン２１が上死点に位置するタイミングと、副圧縮機構２の第２ピストン４１が上死点に位置するタイミングとを同期させている。このようにすることによって、流体機械１０Ａの製造が容易になる。

また、第１ピストン２１の第１シリンダ２２の中心軸に対する偏心方向と、第２ピストン４１の第２シリンダ４２の中心軸に対する偏心方向とも相互に略同一にすることによって、動力回収シャフト１２と、その動力回収シャフト１２を軸支する第２閉塞部材１３及び第３閉塞部材１４との間の摩擦力を低減することができる。

詳細には、動力回収機構５の第１ピストン２１には、比較的高圧の吸入作動室２３ａから比較的低圧の吐出作動室２３ｂの方向に向かう差圧力が作用する。同様に、副圧縮機構２の第２ピストン４１には、比較的高圧の吐出作動室４３ｂから比較的低圧の吸入作動室４３ａに向かう差圧力が作用する。これらの差圧力は、偏心部１２ｂ、１２ｃを介して動力回収シャフト１２を押し、動力回収シャフト１２を軸支する第２閉塞部材１３及び第３閉塞部材１４の軸受部に作用する。その結果、動力回収シャフト１２に対して回転阻害力が生じ、動力回収シャフト１２の摩耗、軸受部の摩耗が促進される。それに対して、本実施形態では、第１ピストン２１と第２ピストン４１とで、差圧力の向きが互いに反対方向となっている。このため、第１ピストン２１と第２ピストン４１との間で、差圧力が相殺する。その結果、動力回収シャフト１２と、第２閉塞部材１３及び第３閉塞部材１４との間の摩擦力を低減することができる。よって、動力回収シャフト１２を回転させるために必要な動力を低減することができ、エネルギー回収を向上させることができる。また、動力回収シャフト１２と、第２閉塞部材１３及び第３閉塞部材１４との摩耗も抑制することができる。

《変形例１》
上記実施形態では、動力回収ユニット７が胴シェル１１ａに対して固定されている例について説明した。但し、本発明は、この構成に限定されない。例えば、図８に示すように、底シェル１１ｃを比較的深さの深い碗状に形成し、動力回収ユニット７を底シェル１１ｃに取り付けるようにしてもよい。このようにすることで、主圧縮機構３と電動機８とを胴シェル１１ａに組み付ける一方、動力回収ユニット７を底シェル１１ｃに組み付けた後に、胴シェル１１ａに底シェル１１ｃを取り付けることで、流体機械１０Ｂを組み立てることができる。つまり、動力回収ユニット７と主圧縮機構３及び電動機８とを別ラインで組み立ててストックしておくことも可能となる。

また、本変形例１の構成では、主圧縮機構３及び電動機８が固定された胴シェル１１ａ及び上シェル１１ｂは、他の構成の冷凍サイクル装置と共通に用いることができる。主圧縮機構３及び電動機８が固定された胴シェル１１ａ及び上シェル１１ｂの製造コストを低減することができる。また、設計コストの低減を図ることができる。さらに、本冷凍サイクル装置１に専用の部品の在庫を削減することも可能となる。

《変形例２》
上記実施形態及び変形例１では、動力回収ユニット７を密閉容器１１に固定する例について説明した。但し、本発明は、この構成に限定されない。動力回収ユニット７を密閉容器１１以外の部材に対して固定してもよい。例えば、図９に示す流体機械１０Ｃのように、固定部材８０を介して、副軸受部材７１に固定してもよい。また、動力回収ユニット７を主圧縮機構３に対して固定してもよい。そうすることで、動力回収ユニット７と密閉容器１１との溶接工程等が不要になり、容易且つ安価に動力回収ユニット７を固定することができる。

尚、本変形例２では、図９に示すように、主圧縮機構３の主圧縮機用シャフト３８と動力回収ユニット７の動力回収シャフト１２とが別個に設けられている。このため、主圧縮機用シャフト３８と動力回収シャフト１２とを、主圧縮機用シャフト３８の軸線と動力回収シャフト１２の軸線とが直線上に位置しないように配置することが可能となる。これにより、主圧縮機構３と動力回収ユニット７との配置の自由度及び流体機械１０Ｃの設計自由度が向上されている。

《変形例３》
上記実施形態及び変形例１、２では、オイル供給部としてのオイルポンプ７２を用いて主圧縮機構３に対して冷凍機油を供給する例について説明した。但し、本発明は、この構成に限定されるものではない。例えば、図１０に示す流体機械１０Ｄのように、オイルポンプ７２を設けず、主圧縮機構８１を電動機８よりもオイル溜まり１６寄りに配置し、主圧縮機構８１をオイル溜まり１６に直接浸漬することで、主圧縮機構８１に冷凍機油を供給するようにしてもよい。尚、主圧縮機構８１をオイル溜まり１６に直接浸漬する場合は、主圧縮機構８１をロータリ型の圧縮機構とすることが好ましい。

《その他の変形例》
流体機械１０Ａ〜１０Ｄのコンパクト化の観点から、吸入経路２７、吐出経路３０、吸入経路４７及び吐出経路５０のすべてを第１閉塞部材１５に形成するようにしてもよい。

冷媒回路９には、高圧側において超臨界圧力とならない冷媒が充填されていてもよい。具体的に、冷媒回路９には、例えば、フロン系冷媒が充填されていてもよい。

冷媒回路９が、主圧縮機構３と、放熱器４と、動力回収機構５と、蒸発器６と、副圧縮機構２とにより構成されている例について説明したが、冷媒回路９は、上記構成要素以外の構成要素をさらに有するものであってもよい。

上記実施形態及び変形例では、動力回収機構５及び副圧縮機構２の両方が流体圧モータにより構成されている例について説明した。しかし、本発明はこの構成に限定されない。例えば、動力回収機構５を膨張機構により構成してもよい。副圧縮機構２を作動室において冷媒が圧縮される圧縮機構により構成してもよい。

《本明細書における用語等の定義》
本明細書において、「冷凍機油」には、鉱油のみならず合成油も含まれる。

「流体圧モータ」とは、冷媒を吸入する吸入行程と、冷媒を吐出する吐出行程とを実質的に連続して行うものをいう。具体的に、流体圧モータでは、冷媒の吸入経路と吐出経路とが同時に閉じられる期間が実質的にない。言い換えれば、流体圧モータは、実質的に全期間にわたって冷媒の吸入経路と吐出経路とのうち少なくとも一方が開放されている。ここで、「吸入経路と吐出経路とが同時に閉じられる期間が実質的にない」とは、トルク変動が生じない程度において瞬間的に吸入経路と吐出経路とが同時に閉じられることを含む概念である。

一方、「膨張機構」とは、冷媒を吸入する吸入行程と、吸入した冷媒を膨張させる膨張行程と、膨張した冷媒を吐出する吐出行程とを行うものをいう。つまり、「膨張機構」は、吸入行程終了後、一旦作動室を孤立させ、その孤立した作動室で冷媒を膨張させた後に、作動室から冷媒を吐出するものである。

「圧縮機構」とは、冷媒を吸入する吸入行程と、吸入した冷媒を圧縮させる圧縮行程と、圧縮した冷媒を吐出する吐出行程とを行うものをいう。つまり、「圧縮機構」は、吸入行程終了後、一旦作動室を孤立させ、その孤立した作動室で冷媒を圧縮させた後に、作動室から冷媒を吐出するものである。

本発明の流体機械を備えた冷凍サイクル装置は、給湯機、空気調和装置、暖房装置等に適用できる。

実施形態における流体機械の断面図 実施形態に係る冷凍サイクル装置の構成図 図１におけるIII−III矢視図 図１におけるIV-IV矢視図 動力回収機構の動作原理図 副圧縮機構の動作原理図 冷凍サイクルのモリエル線図 変形例１における流体機械の断面図 変形例２における流体機械の断面図 変形例３における流体機械の断面図

Claims (14)

1. オイル溜まりが底部に形成される密閉容器と、
   前記密閉容器内に配置され、前記オイル溜まりに溜められたオイルが供給されると共に、作動流体を圧縮する主圧縮機構と、
   前記密閉容器内において、前記オイル溜まりの上方に配置された回転電動機と、
   前記回転電動機によって前記主圧縮機構が駆動されるように、前記主圧縮機構と前記回転電動機とを連結する主圧縮機用シャフトと、
   前記オイル溜まり内に配置され、前記作動流体を吸入する吸入行程と、前記吸入した作動流体を吐出する吐出行程とを行うことにより、前記作動流体から動力を回収する動力回収機構と、
   前記オイル溜まり内に配置され、前記動力回収機構により駆動され、前記作動流体を圧縮して前記主圧縮機構側に吐出する副圧縮機構と、
   前記動力回収機構で回収された動力によって前記副圧縮機構が駆動されるように、前記動力回収機構と副圧縮機構とを連結する動力回収シャフトと、
   を備えた流体機械。
2. 請求項１に記載された流体機械において、
   前記動力回収機構は、前記副圧縮機構よりも下方に配置されている流体機械。
3. 請求項１に記載された流体機械において、
   前記主圧縮機用シャフトの下端部に配置され、前記主圧縮機構に対して前記オイルを供給するオイル供給部をさらに備えた流体機械。
4. 請求項１に記載された流体機械において、
   前記主圧縮機構は、前記圧縮した作動流体を前記密閉容器内に吐出する流体機械。
5. 請求項１に記載された流体機械において、
   前記回転電動機は、前記主圧縮機構よりも低い位置に配置されている流体機械。
6. 請求項１に記載された流体機械において、
   前記副圧縮機構は、前記作動流体を吸入する吸入行程と、前記吸入した作動流体を吐出する吐出行程とを行うことにより、前記作動流体を圧縮するものであり、
   前記動力回収機構及び前記副圧縮機構のうちの少なくとも一方は、前記吸入行程と前記吐出行程とを実質的に連続して行う流体圧モータである流体機械。
7. 請求項１に記載された流体機械において、
   前記主圧縮機構の型式及び前記動力回収機構の型式の少なくとも一方は、ロータリ型である流体機械。
8. 請求項１に記載された流体機械において、
   前記副圧縮機構の吐出側と前記主圧縮機構の吸入側とを連絡する連絡管をさらに備え、
   前記連絡管の少なくとも一部は、前記密閉容器外に配置されている流体機械。
9. 請求項１に記載された流体機械において、
   前記動力回収機構と前記副圧縮機構とは動力回収ユニットを構成しており、
   前記動力回収ユニットは、前記密閉容器に対して固定されている流体機械。
10. 請求項９に記載された流体機械において、
    前記密閉容器は、
    筒状の胴シェルと、
    前記胴シェルの上部開口を塞ぐ上シェルと、
    前記胴シェルの下部開口を塞ぐ底シェルと、
    を有し、
    前記動力回収ユニットは、前記胴シェル又は底シェルに対して固定されている流体機械。
11. 請求項９に記載された流体機械において、
    前記動力回収ユニットは、前記副圧縮機構において前記密閉容器に対して固定されている流体機械。
12. 請求項１に記載された流体機械において、
    前記動力回収機構と前記副圧縮機構とは動力回収ユニットを構成しており、
    前記動力回収ユニットは、前記密閉容器とは異なる部材に固定されている流体機械。
13. 請求項１に記載の流体機械を備えた冷凍サイクル装置。
14. 請求項１３に記載された冷凍サイクル装置において、
    前記作動流体は、二酸化炭素である冷凍サイクル装置。

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