JP4930314B2 - 容積型膨張機、膨張機一体型圧縮機、および冷凍サイクル装置 - Google Patents

Description

本発明は、容積型膨張機、膨張機一体型圧縮機、および冷凍サイクル装置に関する。

以前より、膨張機で回収した作動流体の膨張エネルギーを、圧縮機での作動流体の圧縮に利用する動力回収式の冷凍サイクル装置が提案されている。そのような冷凍サイクル装置として、膨張機と圧縮機とを回転軸で連結した膨張機一体型圧縮機を用いた冷凍サイクル装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

一般に、膨張機一体型圧縮機を用いた冷凍サイクル装置は、圧縮機と、放熱器と、膨張機と、蒸発器とを順次接続する冷媒回路を備えている。回転軸により連結された圧縮機と膨張機との間には、回転軸を回転駆動する電動機が設けられている。

冷凍サイクル装置を循環する作動流体は、圧縮機において圧縮されることにより、中温低圧状態から高温高圧状態へと変化した後、放熱器において中温高圧状態へと冷却される。そして、膨張機において膨張することにより、低温低圧状態へと変化した後、蒸発器で加熱されて中温低圧状態に戻り、再び圧縮機に吸入されて上記循環を繰り返す。

膨張機では、作動流体の膨張エネルギーを回収して、回転軸を回転させる回転エネルギーに変換する。この回転エネルギーは、圧縮機を駆動する駆動エネルギーの一部としても利用され、その結果、電動機の動力が低減されることとなる。

圧縮機において圧縮室が流入側から遮断された直後における圧縮室の容積をＶｃｓ、膨張機において膨張室が流入側から遮断された直後における膨張室の容積をＶｅｓ、回転軸の回転数をＮとすると、圧縮機へ吸入される作動流体の体積流量はＶｃｓ×Ｎ、膨張機へ吸入される作動流体の体積流量はＶｅｓ×Ｎとなる。すなわち、圧縮室の容積と作動室の容積とが同一でない限り、圧縮機への作動流体の体積流量と膨張機への作動流体の体積流量とは異なる。

一方、圧縮機での質量流量と膨張機での質量流量とは等しい。したがって、この質量流量をＧとすると、圧縮機へ吸入される作動流体の密度はＧ／（Ｖｃｓ×Ｎ）、膨張機へ吸入される作動流体の密度はＧ／（Ｖｅｓ×Ｎ）となる。

これらの式より、圧縮機へ吸入される作動流体と膨張機へ吸入される作動流体との密度比は、｛Ｇ／（Ｖｃｓ×Ｎ）｝／｛Ｇ／（Ｖｅｓ×Ｎ）｝、すなわち、Ｖｅｓ／Ｖｃｓとなり、一定値に拘束される。

上記冷凍サイクル装置のように、圧縮機へ吸入される作動流体と膨張機へ吸入される作動流体の密度比が一定値に拘束されると、冷凍サイクル装置の自由な制御が阻害される。具体的には、冷凍サイクル装置は、所定の熱源温度において、高圧側圧力（圧縮機から吐出されて膨張機に吸入されるまでの作動流体の圧力）が最適圧力（成績係数ＣＯＰが最大となる圧力）となるように設計されている。一方で、冷凍サイクル装置の高圧側圧力および低圧側圧力（膨張機から吐出されて圧縮機に吸入されるまでの作動流体の圧力）は、冷却対象や放熱対象の温度変化等の運転条件により変化する。この運転条件に合わせて、圧縮機へ吸入される作動流体と膨張機へ吸入される作動流体との密度比も変動するのだが、上記冷凍サイクル装置では、密度比が一定値Ｖｅｓ／Ｖｃｓに拘束されるため、作動流体の温度と圧力とを自由に制御することができない。そのため、従来の膨張機では、運転条件が所定のものから外れると、膨張機がいわゆる過膨張や膨張不足の状態となり、膨張機において作動流体の膨張エネルギーを効率良く回収することができなかった。

そこで、膨張機の膨張室に、膨張室と連通する補助室を設け、運転条件に応じて補助室の容積を変更することにより、膨張室の容積自体を変更可能とする膨張機が提案されている（例えば、特許文献２参照）。上記膨張機では、運転条件に応じて膨張室の容積を変更することにより、膨張機において作動流体の膨張エネルギーを効率良く回収することを可能としている。
特開２００１−１１６３７１号公報 特開２００６−４６２５７号公報

上記のような膨張機では、補助室の容積を変更することで、膨張機から吐出される作動流体の体積流量Ｖｅｄ×Ｎには影響を与えることなく、膨張機へ吸入される作動流体の体積流量Ｖｅｓ×Ｎを変化させることができる。

しかしながら、補助室の容積を変更することで、膨張機へ吸入される作動流体の体積流量Ｖｅｓ×Ｎを変化させると、膨張機での作動流体の膨張比Ｖｅｄ×Ｎ／Ｖｅｓ×Ｎ、すなわち、Ｖｅｄ／Ｖｅｓも変化する。例えば、膨張機へ吸入される作動流体の体積流量Ｖｅｓ×Ｎを小さくすれば、膨張機から吐出される作動流体の体積流量Ｖｅｄ×Ｎは常に一定であるため、膨張比Ｖｅｄ／Ｖｅｓは大きくなり、膨張機内部の膨張した作動流体の吐出圧力Ｐｅｄが低くなってしまう。

その結果、上記のような膨張室の容積自体を変更可能とする従来の膨張機でも、冷凍サイクル装置内における低圧側圧力Ｐ_Ｌｏｗよりも、膨張機内部の膨張した作動流体の吐出圧力Ｐｅｄの方が低くなってしまうという過膨張現象を発生させ、作動流体の膨張エネルギーを効率良く回収することができなかった。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、動力回収式の冷凍サイクル装置において、作動流体の膨張エネルギーを効率よく回収することにある。

本発明に係る容積型膨張機は、作動流体を吸入する吸入ポートと、前記吸入ポートから吸入された作動流体を、容積が変化することによって膨張させる作動室と、前記作動室で膨張した作動流体を吐出する吐出ポートと、前記作動室を通過する作動流体の流量を可変にする流量可変機構と、前記作動室での過膨張を防止する過膨張防止機構とを備え、前記流量可変機構は、前記作動室と連通可能な可変容積室と、前記吸入ポートに供給される膨張前の作動流体を分岐して背圧制御弁で調整後に封入する背圧室とにピストンを介して仕切られ、前記ピストンが前記背圧室内の圧力と前記作動室内の圧力のバランスで移動する可変機構を有しており、吸入過程中には前記作動室と連通状態となって容積が増大し、膨張過程中には前記作動室と連通しつつ容積が減少した後、前記作動室と非連通状態となる以前に容積が消失し、吐出過程中には前記作動室と非連通状態を維持するものである。

本発明によれば、動力回収式の冷凍サイクル装置において、作動流体の膨張エネルギーを効率よく回収することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置２００の構成図である。図２は、本発明の実施の形態１における膨張機一体型圧縮機２０１の縦断面図である。図３（ａ）は、図２のＢ−Ｂ線における膨張機一体型圧縮機２０１の横断面図、図３（ｂ）は、図２のＡ−Ａ線における膨張機一体型圧縮機２０１の横断面図である。

図１に示すように、本実施の形態１における冷凍サイクル装置２００は、膨張機一体型圧縮機２０１と、放熱器２０２と、蒸発器２０３とを、配管２０５により接続することで構成されている。

膨張機一体型圧縮機２０１は、密閉容器１の内部に圧縮機構２と、電動機３と、膨張機構４とを上から順に配列してシャフト５で連結し、密閉容器１の底部にオイル貯留部６を設けることで構成されており、電源２０４から電力供給を受けて作動する。また、膨張機一体型圧縮機２０１には、吸入配管８、吐出配管９、吐出配管１１、および吸入配管１２が、密閉容器１を貫通してそれぞれ設けられている。

本実施の形態１における冷凍サイクル装置２００を循環する作動流体としては、二酸化炭素を使用している。作動流体は、吸入配管８から圧縮機構２に吸入されて圧縮され、密閉容器１の内部空間に吐出される。密閉容器１の内部空間に吐出された作動流体は、吐出配管９から吐出されて放熱器２０２へ導かれる。放熱器２０２で熱源に放熱した作動流体は、吸入配管１２から膨張機構４に吸入されて膨張する。この際、作動流体の膨張エネルギーが膨張機構４に回収されて、圧縮機構２を駆動する電動機３の動力に重畳される。膨張機構４で膨張した作動流体は、吐出配管１１から吐出されて蒸発器２０３に導かれる。蒸発器２０３で熱源から吸熱した作動流体は、吸入配管８より再び圧縮機構２へと戻る。

以下、本実施の形態１における膨張機一体型圧縮機２０１の構成を詳しく述べる。

図２に示すように、本実施の形態１における圧縮機構２は、主軸受部材１５、固定スクロール１６、旋回スクロール１７、および自転規制機構１８を備えた、いわゆるスクロール型の圧縮機構である。

主軸受部材１５は、密閉容器１の内壁に溶接や焼き嵌めなどにより固定され、シャフト５の上端部を軸支している。主軸受部材１５の上面には、固定スクロール１６がボルト留めされ、さらに固定スクロール１６の上端面には、マフラー３９が設けられている。

固定スクロール１６には、吸入孔１６ａおよび吐出孔１６ｂが形成され、吸入孔１６ａは吸入配管８と連通している。吐出孔１６ｂの上端面には、リード弁３６が設けられている。固定スクロール１６の下面には、旋回スクロール１７が噛み合わされて配置されている。これにより、固定スクロール１６と旋回スクロール１７の間には、圧縮室３５が形成される。

旋回スクロール１７と主軸受部材１５との間には、オルダムリングなどによる自転規制機構１８を設け、旋回スクロール１７の自転を防止して円軌道運動するように案内している。旋回スクロール１７は、シャフト５の上端に形成された第１偏心部５ａと嵌合されることで、偏心駆動による円軌道運動を行う。

吸入配管８より吸入孔１６ａを介して吸入された作動流体は、圧縮室３５がシャフト５の偏心駆動に伴って外縁部から中心部へと移動することにより、圧縮される。圧縮された作動流体は、リード弁３６を押し上げ、固定スクロール１６の吐出孔１６ｂを介してマフラー３９の内部空間へ吐出し、そして密閉容器１の内部空間へと吐出する。

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から構成されている。ターミナル１４は、密閉容器１の上部を貫通して配置され、電動機３に電源２０４からの電力を供給している。

図２、図３に示すように、本実施の形態１における膨張機構４は、上軸受部材２１、第１シリンダ２２、中板２３、第２シリンダ２４、下軸受部材２５、第１ローラ２６（第１ピストン）、第２ローラ２７（第２ピストン）、第１ベーン２８、第２ベーン２９、第１バネ３０、第２バネ３１を備えた、いわゆる２段ロータリ型の膨張機構であり、さらに、流量可変機構８０、および過膨張防止機構９０を備えている。

上軸受部材２１は、密閉容器１の内壁に溶接や焼き嵌めなどにより固定され、シャフト５を回転自在に支持している。上軸受部材２１には、吐出配管１１と連通する吐出ポート２１ａと、吸入配管１２と連通する吸入ポート２１ｂが形成されている。また、上軸受部材２１の外縁近傍には、上下に貫通した切り欠き２１ｄが形成されている。上軸受部材２１の下面には、第２シリンダ２４および第１シリンダ２２が、中板２３を介して順に固定されている。

第１シリンダ２２および第２シリンダ２４の内部空間には、第１ローラ２６および第２ローラ２７がそれぞれ配置されている。第１ローラ２６および第２ローラ２７は、シャフト５の第２偏心部５ｂおよび第３偏心部５ｃにそれぞれ回転自在に嵌合している。なお、第１シリンダ２２および第１ローラ２６の軸方向の高さは、第２シリンダ２４および第２ローラ２７の軸方向の高さより低くなるように設定している。

第１シリンダ２２および第２シリンダ２４には、ベーン溝２２ａおよびベーン溝２４ａがそれぞれ形成されている。ベーン溝２２ａおよびベーン溝２４ａには、第１ベーン２８および第２ベーン２９が、それぞれスライド自在に配置されている。第１ベーン２８および第２ベーン２９の背面には、第１バネ３０および第２バネ３１がそれぞれ設置されている。これにより、第１ベーン２８および第２ベーン２９を、それぞれ第１ローラ２６および第２ローラ２７に押し付ける。

第１シリンダ２２の下面には、下軸受部材２５が固定され、シャフト５を回転自在に支持している。下軸受部材２５には、吸入孔２５ａおよび通路空間２５ｂが形成されている。下軸受部材２５の下端面には、密閉プレート３２が固定されている。

膨張機構４は、密閉容器１の底部に設けられたオイル貯留部６に浸漬している。密閉プレート３２の下端部には、オイルポンプ３４が設置されている。オイル貯留部６のオイルは、シャフト５の内部に設けられた給油経路５ｄを経て、第１偏心部５ａ、第２偏心部５ｂ、第３偏心部５ｃへ供給されて、圧縮機構２と膨張機構４とを潤滑する。潤滑後のオイルは、作動流体よりも密度が高いため、重力により密閉容器１の内部を降下して、再びオイル貯留部６に戻る。この際、圧縮機構２を潤滑したオイルは、上軸受部材２１の切り欠き２１ｄを通ってオイル貯留部６に戻る。また同様に、圧縮機構２から吐出された作動流体に含まれるオイルも、密閉容器１の内部を流動する過程で分離されて、上軸受部材２１の切り欠き２１ｄを通ってオイル貯留部６に戻る。

膨張機構４の内部には、第１シリンダ２２、中板２３、第１ローラ２６、下軸受部材２５により、第１作動室３７が形成される。第１作動室３７は、第１ベーン２８により、第１吸入空間３７ａおよび第１吐出空間３７ｂに区画される。また同様に、第２シリンダ２４、中板２３、第２ローラ２７、上軸受部材２１により、第２作動室３８が形成される。第２作動室３８は、第２ベーン２９により、第２吸入空間３８ａおよび第２吐出空間３８ｂに区画される。

中板２３には、上下に貫通した連通孔２３ａが形成されており、第１作動室３７の第１吐出空間３７ｂと第２作動室３８の第２吸入空間３８ａとを連通している。これにより、作動流体が膨張する膨張室が形成される。

第２シリンダ２４、中板２３、第１シリンダ２２には、貫通路２４ｂ、２３ｂ、２２ｂがそれぞれ形成されて１つの流通路を成しており、上端は上軸受部材２１の吸入ポート２１ｂと連通し、下端は通路空間２５ｂと連通している。

吸入配管１２より上軸受部材２１の吸入ポート２１ｂを介して吸入された作動流体は、一連の貫通路２４ｂ、２３ｂ、２２ｂ、下軸受部材２５の通路空間２５ｂ、吸入孔２５ａを順に通って、第１作動室３７に吸入される。膨張機構４で膨張した作動流体は、上軸受部材２１の吐出ポート２１ａを介して吐出配管１１より吐出する。

本実施の形態１における流量可変機構８０は、補助室８１、ピストン８４、配管８５、背圧制御弁８６、および制御装置８７により構成されている。補助室８１は、第１シリンダ２２に設けられ、ピストン８４により、背圧室８２と可変容積室８３とに仕切られている。背圧室８２は、密閉容器１を貫通して設けられた、背圧制御弁８６を有する配管８５により、膨張機構４入口側の配管２０５と接続されており、放熱器２０２から吐出された作動流体の一部を封入することができる。背圧室８２内に封入された作動流体の圧力は、背圧制御弁８６に接続された制御装置８７により制御されている。可変容積室８３は、第１作動室３７に連通している。

上記構成により、ピストン８４の可変容積室８３側、すなわち、第１作動室３７側の端面には、第１作動室３７内の圧力が作用し、ピストン８４の背圧室８２側の端面には、背圧室８２内の圧力が作用する。このように、補助室８１内におけるピストン８４の位置は、上記圧力のバランスにより定まる。

例えば、第１作動室３７内の圧力が、背圧室８２内の圧力よりも大きい場合、ピストン８４は、背圧室８２側の方向（以下、後方と称する）へ移動する。一方、第１作動室３７内の圧力が、背圧室８２内の圧力よりも小さい場合、ピストン８４は、可変容積室８３側の方向（以下、前方と称する）へ移動する。ピストン８４は、補助室８１の前端部もしくは補助室８１の後端部に達すると停止するのだが、第１作動室３７内の圧力と背圧室８２内の圧力との均衡が取れると、補助室８１の前後端部に達していなくとも、その時点で停止する。

したがって、本実施の形態１における膨張機構４では、背圧室８２内の圧力を制御装置８７により調整することで、可変容積室８３の容積を変更することができる、すなわち、第１作動室３７の吸入容積と吐出容積とを変更することができる。

本実施の形態１における過膨張防止機構９０としては、逆止弁９０ａを用いており、逆止弁９０ａは、上軸受部材２１に形成された吐出ポート２１ａの第２シリンダ２４側開口部に設けられている。

図４は、本発明の実施の形態１における膨張機構４の動作原理図である。図４を用いて、本発明の実施の形態１における膨張機構４の動作を説明する。

図４（ａ）に示すように、第１ローラ２６が反時計回りに回転して、吸入孔２５ａが開口すると、第１作動室３７の第１吸入空間３７ａに作動流体が吸入され始める。図４（ｂ）、（ｃ）に示すように、第１ローラ２６が回転するにつれて、作動流体が第１吸入空間３７ａにさらに吸入される。そして、図４（ｄ）に示すように、第１ローラ２６がさらに回転して吸入孔２５ａを閉鎖し始め、そして、完全に吸入孔２５ａを閉鎖すると同時に、第１吸入空間３７ａへの吸入が完了する。

作動流体の吸入が完了すると、第１吸入空間３７ａは、第１吐出空間３７ｂへと移行し、連通孔２３ａを介して、第２作動室３８の第２吸入空間３８ａと連通する。そして、膨張機構４は、再び図４（ａ）〜（ｄ）の動作を繰り返す。

第１吐出空間３７ｂ内の作動流体は、図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、第１ローラ２６が回転するにつれて、第２吸入空間３８ａに移動する。作動流体の膨張は、第１吐出空間３７ｂから第２吸入空間３８ａへ作動流体が移動する過程で起こる。そして、図４（ｄ）に示すように、第１ローラ２６が完全に連通孔２３ａを閉鎖すると同時に、第２吸入空間３８ａへの移動が完了し、作動流体の膨張も完了する。

作動流体の膨張が完了すると同時に、第２吸入空間３８ａは、第２吐出空間３８ｂへと移行する。そして、膨張機構４は、再び図４（ａ）〜（ｄ）の動作を繰り返す。

図４（ａ）に示すように、第２ローラ２７が反時計回りに回転して、吐出ポート２１ａが開口すると、第２吐出空間３８ｂ内の膨張した作動流体が吐出され始める。図４（ｂ）、（ｃ）に示すように、第２ローラ２７が回転するにつれて、作動流体はさらに吐出される。そして、図４（ｄ）に示すように、第２ローラ２７がさらに回転して吐出ポート２１ａを閉鎖し始め、そして、完全に吐出ポート２１ａを閉鎖すると同時に、第２吐出空間３８ｂからの吐出が完了する。

上記膨張過程において、補助室８１内のピストン８４は、第１吐出空間３７ｂ側へ移動する。そして、作動流体が膨張して低圧となった図４（ｂ）では、補助室８１の前端部、すなわち、第１吐出空間３７ｂに面し、可変容積室８３（容積ｖ’）が消失する。図４（ｃ）では、補助室８１が第１吸入空間３７ａと連通し、補助室８１内のピストン８４は、背圧室８２と第１吸入空間３７ａの圧力の関係より、後方へ移動する。これにより、補助室８１内には可変容積室８３（容積ｖ’）が発生し、第１吸入空間３７ａに吸入された作動流体が可変容積室８３にも流入する。

これにより、本実施の形態１の流量可変機構８０を備えた膨張機構４は、第１吸入空間３７ａに吸入された作動流体が、可変容積室８３に流入・流出することで、第１吸入空間３７ａに吸入される作動流体の体積を可変させることができる。すなわち、本実施の形態１では、第１作動室３７の容積Ｖｅｓに可変容積室８３の容積ｖ’を合わせた容積と、第２作動室３８の容積Ｖｅｄとの比が、膨張比Ｖｅｄ／（Ｖｅｓ＋ｖ’）となる。

また、上記吐出過程においては、膨張完了時に、第２吐出空間３８ｂ内の作動流体の吐出圧力Ｐｅｄが、膨張機構４出口側の配管２０５内の圧力、すなわち、冷凍サイクル装置内の低圧側圧力Ｐ_Ｌｏｗよりも低い場合、吐出ポート２１ａの第２シリンダ２４側開口部に設けられた逆止弁９０ａは閉じたままで、作動流体は膨張機構４より吐出されない。したがって、第２吐出空間３８ｂでは、第２吐出空間３８ｂ内の作動流体の吐出圧力Ｐｅｄが、冷凍サイクル装置内の低圧側圧力Ｐ_Ｌｏｗと等しくなるまで作動流体の再圧縮が行われ、過膨張した作動流体の流出による損失を防ぐことができる。

（実施の形態２）
図５（ａ）は、本発明の実施の形態２におけるインジェクション型の流量可変機構１００を用いた膨張機一体型圧縮機３０１のＢ−Ｂ線における横断面図、図５（ｂ）は、本発明の実施の形態２におけるインジェクション型の流量可変機構１００を用いた膨張機一体型圧縮機３０１のＡ−Ａ線における横断面図である。なお、上記Ｂ−Ｂ線およびＡ−Ａ線とは、図２に記載の膨張機一体型圧縮機２０１のＢ−Ｂ線およびＡ−Ａ線と同一箇所を示す。本実施の形態２において、実施の形態１と同様の部分については同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図５（ｂ）に示すように、本実施の形態２の流量可変機構１００は、インジェクションライン１０１、流量制御弁１０２、制御装置１０３、インジェクションライン通路１０６、およびインジェクションバルブ１０７により構成されており、第１吸入空間３７ａに流入する作動流体量を流量制御弁１０２と制御装置１０３とによってコントロールする、いわゆるインジェクション型である点が、実施の形態１と相違する。

インジェクションライン１０１は、密閉容器１を貫通して、第１シリンダ２２に設けられたインジェクションライン通路１０６と、膨張機構４入口側の配管２０５とに接続されている。これにより、インジェクションライン１０１には、放熱器２０２から吐出された作動流体の一部を第１吸入空間３７ａへ流入させることができる。また、インジェクションライン１０１には、制御装置１０３が接続された流量制御弁１０２を設けており、制御装置１０３によりインジェクションライン１０１内へ流入する作動流体量を制御している。インジェクションライン通路１０６の第１シリンダ２２側開口部には、インジェクションバルブ１０７を設け、インジェクションライン通路１０６と第１作動室３７とを仕切っている。

このようなインジェクション型の流量可変機構１００を用いた場合でも、実施の形態１と同様、過膨張を回避することができ、ひいては作動流体からエネルギーを効率よく回収することができる。

（実施の形態３）
図６（ａ）は、本発明の実施の形態３における膨張機一体型圧縮機４０１のＢ−Ｂ線における横断面図、図６（ｂ）は、本発明の実施の形態３における膨張機一体型圧縮機４０１のＡ−Ａ線における横断面図である。なお、上記Ｂ−Ｂ線およびＡ−Ａ線とは、図２に記載の膨張機一体型圧縮機２０１のＢ−Ｂ線およびＡ−Ａ線と同一箇所を示す。本実施の形態３において、実施の形態１、２と同様の部分については同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図６（ａ）に示すように、本実施の形態３の過膨張防止機構１１０は、差圧弁１１１、吐出作動流体通路１１２、および吐出作動流体ライン１１３により構成されている点が、実施の形態２と相違する。

吐出作動流体ライン１１３は、密閉容器１を貫通して、第２シリンダ２４に設けられた吐出作動流体通路１１２と、膨張機構４出口側の配管２０５とに接続されている。これにより、吐出作動流体ライン１１３には、膨張機構４から吐出された作動流体の一部を流入させることができる。吐出作動流体通路１１２の第２シリンダ２４側開口部には、差圧弁１１１を設け、吐出作動流体通路１１２と第２吐出空間３８ｂとを仕切っている。

このような構成にすることにより、膨張過程で第２吐出空間３８ｂ内の作動流体の吐出圧力Ｐｅｄが、冷凍サイクル装置内の低圧側圧力Ｐ_Ｌｏｗよりも低くなった場合、差圧弁１１１が開いて、第２吐出空間３８ｂへ膨張機構４から吐出された作動流体を導き、第２吐出空間３８ｂ内の作動流体の吐出圧力Ｐｅｄが、冷凍サイクル装置内の低圧側圧力Ｐ_Ｌｏｗより大きくなるまで作動流体の再圧縮を行う。

したがって、過膨張防止機構１１０を用いた場合でも、実施の形態１、２同様、第２吐出空間３８ｂ内の作動流体の吐出圧力Ｐｅｄの低下を防いで過膨張を回避することができ、作動流体からエネルギーを効率よく回収することができる。また、差圧弁１１１を用いることで、吐出ポート２１ａには作動流体の流れを阻害するものが何も無く、スムーズな吐出過程を実現できるため、さらに効率よくエネルギーを回収することができる。

（実施の形態４）
図７（ａ）は、本発明の実施の形態４における膨張機一体型圧縮機５０１のＢ−Ｂ線における横断面図、図７（ｂ）は、本発明の実施の形態４における膨張機一体型圧縮機５０１のＡ−Ａ線における横断面図である。図８は、本発明の実施の形態４における冷凍サイクル装置５００の構成図である。なお、上記Ｂ−Ｂ線およびＡ−Ａ線とは、図２に記載の膨張機一体型圧縮機２０１のＢ−Ｂ線およびＡ−Ａ線と同一箇所を示す。本実施の形態４において、実施の形態１〜３と同様の部分については同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図７（ａ）、（ｂ）、および図８に示すように、本実施の形態４は、過膨張防止機構と流量可変機構との作動流体通路を共通化し、第１シリンダ２２に設けられた１つの差圧弁で両機能を実現するように構成されている点が、実施の形態３と相違する。

本実施の形態４の流量可変機構および過膨張防止機構は、インジェクションライン１０１、流量制御弁１０２、制御装置１０３、膨張機吐出作動流体弁１０４、過膨張制御装置１０５、インジェクションライン通路１０６、およびインジェクションバルブ１０７により構成されている。

インジェクションライン１０１の一端は、密閉容器１を貫通して、第１シリンダ２２に設けられたインジェクションライン通路１０６と接続され、他端は分岐して、膨張機構４入口側の配管２０５と膨張機構４出口側の配管２０５とにそれぞれ接続されている。

膨張機構４入口側の配管２０５に接続されたインジェクションライン１０１ａには、制御装置１０３が接続された流量制御弁１０２を設けている。膨張機構４出口側の配管２０５に接続されたインジェクションライン１０１ｂには、過膨張制御装置１０５が接続された膨張機吐出作動流体弁１０４を設けている。インジェクションライン通路１０６の第１シリンダ２２側開口部には、インジェクションバルブ１０７を設けており、インジェクションライン通路１０６と第１作動室３７とを仕切っている。

このような構成にすることにより、膨張開始時は流量制御弁１０２を開いて、放熱器２０２から吐出された作動流体の一部を第１作動室３７へ導くことで、第１作動室３７内への作動流体の流量を可変することができる。また、十分な作動流体を第１作動室３７に導いた後は、流量制御弁１０２を閉じて、膨張機吐出作動流体弁１０４を過膨張制御装置１０５の作用により開けることで、インジェクションライン通路１０６に膨張機構４から吐出された作動流体を導くことで、インジェクションバルブ１０７を過膨張防止弁としても機能させることができる。これにより、流量可変機構と過膨張防止機構とを別々に設ける必要がなく、部品点数および加工費の削減が可能となるため、本発明を安価に実現することができる。

したがって、流量可変機構と過膨張防止機構との作動流体通路を共通化し、１つの差圧弁で両機能を兼用した場合でも、実施の形態３と同様、過膨張を回避することができ、ひいては作動流体からエネルギーを効率よく回収することができる。

なお、上記実施の形態１〜４では、圧縮機構２と膨張機構４の間に電動機３を配置しているが、これに限られることはない。電動機３を密閉容器外に配置し、圧縮機構２と膨張機構４とを同じ密閉容器内に配置した膨張機一体型圧縮機、例えば、膨張機構４の回収動力のみで圧縮機構２を駆動させるような装置においても、本発明を適用することができる。

また、長手方向を鉛直方向とした密閉容器１の内部に圧縮機構２、膨張機構４を配置しているが、これに限られることはなく、長手方向を水平方向あるいは斜め方向にとり、圧縮機構２、膨張機構４を配置しても、本発明を適用することができる。

また、膨張機一体型圧縮機を一例として用いているが、分離型膨張機であっても本発明を適用することができる。

また、２つのシリンダを用いたローリングピストン型の膨張機について述べているが、単シリンダ型のローリングピストン型膨張機、スクロール型膨張機、スライディングベーン型膨張機等の容積型膨張機であれば、メカの形態を問わず、本発明を適用することができる。

本発明は、容積型膨張機、膨張機一体型圧縮機および冷凍サイクル装置について有用である。

本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置の構成図 本発明の実施の形態１における膨張機一体型圧縮機の縦断面図 （ａ）図２のＢ−Ｂ線における膨張機一体型圧縮機の横断面図（ｂ）図２のＡ−Ａ線における膨張機一体型圧縮機の横断面図 本発明の実施の形態１における膨張機構の動作原理図 （ａ）本発明の実施の形態２における膨張機一体型圧縮機のＢ−Ｂ線における横断面図（ｂ）本発明の実施の形態２における膨張機一体型圧縮機のＡ−Ａ線における横断面図 （ａ）本発明の実施の形態３における膨張機一体型圧縮機のＢ−Ｂ線における横断面図（ｂ）本発明の実施の形態３における膨張機一体型圧縮機のＡ−Ａ線における横断面図 （ａ）本発明の実施の形態４における膨張機一体型圧縮機のＢ−Ｂ線における横断面図（ｂ）本発明の実施の形態４における膨張機一体型圧縮機のＡ−Ａ線における横断面図 本発明の実施の形態４における冷凍サイクル装置の構成図

符号の説明

１ 密閉容器
２ 圧縮機構
３ 電動機
４ 膨張機構
５ シャフト
５ａ 第１偏心部
５ｂ 第２偏心部
５ｃ 第３偏心部
５ｄ 給油経路
６ オイル貯留部
８ 吸入配管
９ 吐出配管
１１ 吐出配管
１２ 吸入配管
１４ ターミナル
１５ 主軸受部材
１６ 固定スクロール
１６ａ 吸入孔
１６ｂ 吐出孔
１７ 旋回スクロール
１８ 自転規制機構
１９ 固定子
２０ 回転子
２１ 上軸受部材
２１ａ 吐出ポート
２１ｂ 吸入ポート
２１ｄ 切り欠き
２２ 第１シリンダ
２２ａ，２４ａ ベーン溝
２２ｂ，２３ｂ，２４ｂ 貫通路
２３ 中板
２３ａ 連通孔
２４ 第２シリンダ
２５ 下軸受部材
２５ａ 吸入孔
２５ｂ 通路空間
２６ 第１ローラ
２７ 第２ローラ
２８ 第１ベーン
２９ 第２ベーン
３０ 第１バネ
３１ 第２バネ
３２ 密閉プレート
３４ オイルポンプ
３５ 圧縮室
３６ リード弁
３７ 第１作動室
３７ａ 第１吸入空間
３７ｂ 第１吐出空間
３８ 第２作動室
３８ａ 第２吸入空間
３８ｂ 第２吐出空間
３９ マフラー
８０ 流量可変機構
８１ 補助室
８２ 背圧室
８３ 可変容積室
８４ ピストン
８５ 配管
８６ 流量制御弁
８７ 制御装置
９０ 過膨張防止機構
９０ａ 逆止弁
１００ 流量可変機構
１０１，１０１ａ，１０１ｂ インジェクションライン
１０２ 流量制御弁
１０３ 制御装置
１０４ 膨張機吐出作動流体弁
１０５ 過膨張制御装置
１０６ インジェクションライン通路
１０７ インジェクションバルブ
１１０ 過膨張防止機構
１１１ 差圧弁
１１２ 吐出作動流体通路
１１３ 吐出作動流体ライン
２００，５００ 冷凍サイクル装置
２０１，３０１，４０１，５０１ 膨張機一体型圧縮機
２０２ 放熱器
２０３ 蒸発器
２０４ 電源
２０５ 配管

Claims (3)

1. 作動流体を吸入する吸入ポートと、
   前記吸入ポートから吸入された作動流体を、容積が変化することによって膨張させる作動室と、
   前記作動室で膨張した作動流体を吐出する吐出ポートと、
   前記作動室を通過する作動流体の流量を可変にする流量可変機構と、
   前記作動室での過膨張を防止する過膨張防止機構と、
   を備え、
   前記流量可変機構は、前記作動室と連通可能な可変容積室と、前記吸入ポートに供給される膨張前の作動流体を分岐して背圧制御弁で調整後に封入する背圧室とにピストンを介して仕切られ、前記ピストンが前記背圧室内の圧力と前記作動室内の圧力のバランスで移動する可変機構を有しており、
   吸入過程中には前記作動室と連通状態となって容積が増大し、
   膨張過程中には前記作動室と連通しつつ容積が減少した後、前記作動室と非連通状態となる以前に容積が消失し、
   吐出過程中には前記作動室と非連通状態を維持する、容積型膨張機。
2. 前記過膨張防止機構は、前記作動室の吐出ポートに設けられた逆止弁であって、過膨張した前記作動流体を再圧縮することで過膨張を解消する、請求項１に記載の容積型膨張機。
3. 請求項１、２のいずれかに記載の容積型膨張機からなる膨張機構と、
   作動流体を圧縮する圧縮機構と、
   前記膨張機構と前記圧縮機構とを連結する回転軸と、
   を備えた膨張機一体型圧縮機。

Images