JP5233690B2 - 膨張機 - Google Patents

Description

本発明は、冷凍サイクルを行う冷媒回路に接続される膨張機に関するものである。

従来より、冷凍サイクルを行う冷媒回路に接続される膨張機が知られている。この膨張機は、流体機械によって構成され、冷媒回路内の高圧冷媒が持つエネルギを動力として回収するためのものである。膨張機において発生した動力は、冷媒回路の圧縮機を駆動したり、発電機を駆動するために利用される。特許文献１には、この種の膨張機が開示されている。この膨張機は、流体室を形成する膨張機構を備えている。この膨張機構は、容積型流体機械の一種であるロータリ式流体機械によって構成されている。そして、膨張機構では、流体室へ膨張前の高圧冷媒が流入する流入行程と、流体室内で冷媒が膨張する膨張行程と、膨張後の低圧冷媒が流体室から流出する流出工程とが順に行われる。

ここで、冷媒回路における冷媒の循環量は、冷凍サイクルの運転条件によって変化する。このため、冷媒回路に接続される膨張機については、単位時間当たりに膨張機を通過する冷媒の量を変更可能であることが望ましい。そこで、特許文献１に開示された膨張機では、一回の流入行程において膨張機構へ流入する冷媒の体積を変化させることによって、単位時間当たりに膨張機を通過する冷媒の量を可変としている。

具体的に、特許文献１に開示された膨張機では、流体室に連通する補助室が膨張機構に形成されている。そして、この膨張機では、補助室を形成するピストンを移動させて補助室の容積を変更することによって、一回の流入行程において膨張機構へ流入する冷媒の体積を変化させている。
特開２００６−０４６２５７号公報

上述したように、特許文献１に開示された膨張機では、流体室に連通する補助室の容積が変更可能となっている。しかしながら、この膨張機における補助室の容積は、流入行程と膨張行程の何れにおいても同じ値に保たれる（特許文献１の図５を参照）。

つまり、特許文献１に開示された膨張機において、補助室の容積を例えば２ｍｌ(ミリリットル)に設定したり４ｍｌ(ミリリットル)に設定することは可能である。ところが、この膨張機において補助室の容積を例えば２ｍｌに設定した場合には、流入行程と膨張行程の何れにおいても補助室の容積は２ｍｌに保たれる。また、この膨張機において補助室の容積を例えば４ｍｌに設定した場合には、流入行程と膨張行程の何れにおいても補助室の容積は４ｍｌに保たれる。

このように、特許文献１に開示された膨張機では、流入行程と膨張行程の何れにおいても補助室の容積が同じ値に保持される。このため、流入行程において補助室へ流入した高圧冷媒は、その一部は膨張行程中に流体室の内圧が低下するのに伴って補助室から流出してゆくものの、残りの冷媒は膨張行程の終了後も補助室内に残存する。つまり、この膨張機において、補助室の容積は、膨張行程において変化しない死容積となる。そして、流入行程において補助室の内圧を上昇させるのに要するエネルギの全部を膨張行程において回収することは実際には不可能であるため、この膨張機では、いわゆるポンピングロスが生じていた。また、この膨張機では、流入行程において補助室へ流入する冷媒の体積が実際の補助室の容積よりも少なくなるため、一回の流入行程中に膨張機構へ流入する冷媒の体積の調節幅が狭くなるという問題があった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、一回の流入行程において膨張機構へ流入する冷媒の体積を変更可能な膨張機において、いわゆるポンピングロスを低減すると共に、一回の流入行程中に膨張機構へ流入する冷媒の体積の調節幅を拡大することにある。

第１の発明は、冷凍サイクルを行う冷媒回路（20）に接続される膨張機を対象とする。そして、流体室（72）を形成する容積型流体機械により構成されて該流体室（72）内で冷媒が膨張する膨張機構（60）と、上記膨張機構（60）に形成されて上記流体室（72）に連通する補助用空間（91）と、上記流体室（72）へ冷媒が流入する流入行程中の上記補助用空間（91）の容積である流入時容積を変更するための容積変更機構（115）とを備え、上記容積変更機構（115）は、上記流体室（72）において冷媒が膨張する膨張行程中に上記補助用空間（91）の容積を上記流入時容積よりも小さくするように構成されるものである。

第１の発明では、流体室（72）と、流体室（72）に連通する補助用空間（91）とが形成される。膨張機構（60）へ冷媒が流入する流入行程では、流体室（72）と補助用空間（91）へ冷媒が流入する。容積変更機構（115）が流入行程中の補助用空間（91）の容積である流入時容積を変化させると、一回の流入行程で膨張機構（60）へ流入する冷媒の量が変化する。

また、第１の発明において、容積変更機構（115）は、膨張行程中に補助用空間（91）の容積を流入時容積よりも小さくする。従って、膨張行程中には、流体室（72）内の冷媒圧力の低下に伴って補助用空間（91）内の冷媒が流体室（72）へ流出してゆくだけでなく、補助用空間（91）の容積が減少することによっても補助用空間（91）内の冷媒が流体室（72）へ流出してゆく。

また、第１の発明は、上記の構成に加えて、上記容積変更機構（115）は、上記膨張機構（60）に形成されて圧縮性流体によって満たされた駆動用空間（92）と、上記補助用空間（91）と上記駆動用空間（92）とを仕切る移動自在のピストン部材（93）とを備え、上記駆動用空間（92）の内圧を調節することによって上記流入時容積を変更するように構成されるものである。

第１の発明では、膨張機構（60）に駆動用空間（92）が形成され、補助用空間（91）と駆動用空間（92）の間がピストン部材（93）によって仕切られる。駆動用空間（92）は、圧縮性流体によって満たされている。流入行程では、補助用空間（91）へ流入した高圧冷媒によってピストン部材（93）が駆動用空間（92）側へ押され、駆動用空間（92）内の圧縮性流体が圧縮されてゆき、やがてピストン部材（93）が停止する。この状態における補助用空間（91）の容積が流入時容積となる。容積変更機構（115）によって駆動用空間（92）の内圧が変更されると、流入行程中にピストン部材（93）が停止するまでのピストン部材（93）の移動距離が変化し、流入行程中における補助用空間（91）の容積（即ち、流入時容積）が変化する。

また、第１の発明の膨張機（30）において、膨張行程中に流体室（72）内の冷媒圧力が低下すると、ピストン部材（93）は、流入行程中に圧縮された駆動用空間（92）内の流体によって補助用空間（91）側へ押し出される。このため、膨張行程中における補助用空間（91）の容積は、流入時容積よりも小さくなる。

また、第１の発明は、上記の構成に加えて、上記駆動用空間（92）は、圧縮性流体であるガス単相状態または気液二相状態の冷媒によって満たされるものである。

第１の発明では、ガス成分を含む冷媒によって駆動用空間（92）が満たされる。つまり、この発明では、冷媒回路（20）内を循環する冷媒の一部が、駆動用空間（92）を満たすための圧縮性流体として利用される。

また、第１の発明は、上記の構成に加えて、上記容積変更機構（115）は、上記冷媒回路（20）のうち高圧冷媒が流れる部分を上記駆動用空間（92）に連通させる流入側通路（101）と、上記流入側通路（101）に設けられて冷媒を膨張させる流入側絞り機構（103,105）と、上記冷媒回路（20）のうち低圧冷媒が流れる部分を上記駆動用空間（92）に連通させる流出側通路（102）と、上記流出側通路（102）に設けられて冷媒を膨張させる流出側絞り機構（104,106）とを備える一方、上記流入側絞り機構（103,105）と上記流出側絞り機構（104,106）の一方または両方が開度可変の膨張弁によって構成されており、上記容積変更機構（115）は、上記流入側絞り機構（103,105）と上記流出側絞り機構（104,106）の一方または両方を構成する膨張弁の開度を調節することによって、上記駆動用空間（92）の内圧を調節するように構成されるものである。

第１の発明の膨張機（30）では、冷媒回路（20）のうち高圧冷媒が流れる部分（即ち、冷媒回路（20）の高圧部分）から駆動用空間（92）へ向かって冷媒が流入側通路（101）を流れる。流入側通路（101）を流れる冷媒は、流入側絞り機構（103,105）を通過する際に膨脹した後に駆動用空間（92）へ流入する。また、この膨張機（30）では、駆動用空間（92）から冷媒回路（20）のうち低圧冷媒が流れる部分（即ち、冷媒回路（20）の低圧部分）へ向かって冷媒が流出側通路（102）を流れる。流出側通路（102）を流れる冷媒は、流出側絞り機構（104,106）を通過する際に膨脹した後に冷媒回路（20）へ流入する。

第１の発明では、流入側絞り機構（103,105）と流出側絞り機構（104,106）の一方または両方が、開度可変の膨張弁によって構成される。そして、この発明の容積変更機構（115）は、流入側絞り機構（103,105）と流出側絞り機構（104,106）の一方または両方を構成する膨張弁の開度を調節することによって、駆動用空間（92）の内圧を調節する。

第１の発明の膨張機（30）において、冷媒回路（20）の高圧部分から流入側通路（101）へ流入した冷媒は、流入側絞り機構（103,105）を通過する際に膨脹してその圧力が低下し、その後に流出側通路（102）へ流入して流出側絞り機構（104,106）を通過する際に膨脹してその圧力が冷媒回路（20）の低圧部分の圧力にまで低下する。つまり、この膨張機（30）において、“冷媒が流入側絞り機構（103,105）を通過する際の圧力損失”と“冷媒が流出側絞り機構（104,106）を通過する際の圧力損失”の合計値は、冷媒回路（20）の高圧部分と低圧部分の圧力差と実質的に等しくなる。このため、“冷媒が流入側絞り機構（103,105）を通過する際の圧力損失”と“冷媒が流出側絞り機構（104,106）を通過する際の圧力損失”は、その一方を変更すれば他方も変化する。

先ず、第１の発明において、流入側絞り機構（103）が膨張弁によって構成されている場合を仮定する。この場合において、流入側絞り機構（103）を構成する膨張弁の開度を拡大すると、冷媒が流入側絞り機構（103）を通過する際の圧力損失が減少するため、流入側絞り機構（103）の下流に位置する駆動用空間（92）の内圧が上昇する。また、この場合において、流入側絞り機構（103）を構成する膨張弁の開度を縮小すると、冷媒が流入側絞り機構（103）を通過する際の圧力損失が増加するため、流入側絞り機構（103）の下流に位置する駆動用空間（92）の内圧が低下する。

次に、第１の発明において、流出側絞り機構（104）が膨張弁によって構成されている場合を仮定する。この場合において、流出側絞り機構（104）を構成する膨張弁の開度を拡大すると、冷媒が流出側絞り機構（104）を通過する際の圧力損失が減少するため、流出側絞り機構（104）の上流に位置する駆動用空間（92）の内圧が低下する。また、この場合において、流出側絞り機構（104）を構成する膨張弁の開度を縮小すると、冷媒が流出側絞り機構（104）を通過する際の圧力損失が増加するため、流出側絞り機構（104）の上流に位置する駆動用空間（92）の内圧が上昇する。

また、第１の発明は、上記の構成に加えて、上記流入側通路（101）は、上記冷媒回路（20）のうち上記膨張機構（60）の流入側に接続して膨張前の高圧冷媒が流通する部分を上記駆動用空間（92）に連通させるものである。

第１の発明では、冷媒回路（20）のうち膨張機構（60）の流入側に接続して膨張前の高圧冷媒が流通する部分が、流入側通路（101）を介して駆動用空間（92）に連通する。流入側通路（101）へ流入した膨張前の高圧冷媒は、流入側絞り機構（103,105）を通過する際に膨脹して気液二相状態となり、その後に駆動用空間（92）へ流入する。

また、第１の発明は、上記の構成に加えて、上記流入側通路（101）における上記流入側絞り機構（103,105）の下流には、該流入側絞り機構（103,105）を通過した冷媒を加熱してガス化するためのガス化用加熱部（110）が設けられるものである。

第１の発明では、流入側通路（101）にガス化用加熱部（110）が設けられる。流入側通路（101）へ流入した膨張前の高圧冷媒は、流入側絞り機構（103,105）を通過する際に膨脹した後にガス化用加熱部（110）で加熱されて蒸発し、その後に駆動用空間（92）へ流入する。

第２の発明は、上記第１の発明において、上記容積変更機構（115）は、上記駆動用空間（92）の内圧を、上記冷媒回路（20）が行う冷凍サイクルの高圧以下で該冷凍サイクルの低圧以上の値に設定するものである。

第２の発明において、容積変更機構（115）によって調節される駆動用空間（92）の内圧は、その上限値が冷媒回路（20）で行われる冷凍サイクルの高圧となり、その下限値が冷媒回路（20）で行われる冷凍サイクルの低圧となる。

第３の発明は、上記第１又は第２の発明において、上記ピストン部材（93）に対して上記補助用空間（91）向きの力を作用させるための弾性部材（94）を備えるものである。

第３の発明では、弾性部材（94）が、ピストン部材（93）に対して補助用空間（91）向きの力を作用させる。膨張行程中において、ピストン部材（93）は、駆動用空間（92）内の流体と弾性部材（94）の両方から力を受けて補助用空間（91）側へ移動する。

第４の発明は、上記第１の発明において、上記ガス化用加熱部（110）は、上記流入側絞り機構（103,105）を通過した冷媒を、上記膨張機構（60）へ流入する膨張前の高圧冷媒と熱交換させてガス化するように構成されるものである。

第４の発明では、ガス化用加熱部（110）において、流入側絞り機構（103,105）を通過した冷媒が、膨張機構（60）へ流入する膨張前の高圧冷媒と熱交換する。そして、ガス化用加熱部（110）では、流入側絞り機構（103,105）を通過後に駆動用空間（92）へ向かって流れる冷媒が、膨張前の高圧冷媒によって加熱されて蒸発する。

第５の発明は、上記第１〜第４の何れか一つの発明において、上記流出側通路（102）は、上記冷媒回路（20）のうち上記膨張機構（60）の流出側に接続して膨張後の低圧冷媒が流通する部分を上記駆動用空間（92）に連通させるものである。

第５の発明では、冷媒回路（20）のうち膨張機構（60）の流出側に接続して膨張後の低圧冷媒が流通する部分が、流出側通路（102）を介して駆動用空間（92）に連通する。

第６の発明は、上記第１〜第５の何れか一つの発明において、冷媒を圧縮するための流体機械であって上記冷媒回路（20）の圧縮機を構成する圧縮機構（50）と、上記圧縮機構（50）を上記膨張機構（60）と連結する回転軸（40）とを備えるものである。

第６の発明では、膨張機構（60）と圧縮機構（50）が回転軸（40）に連結される。膨張機構（60）において生じた動力は、回転軸（40）によって圧縮機構（50）へ伝達され、圧縮機構（50）を駆動するために利用される。

本発明の膨張機（30）では、容積変更機構（115）が、膨張行程中に補助用空間（91）の容積を流入時容積よりも小さくする。従って、膨張行程中の膨張機（30）では、流体室（72）内の冷媒圧力の低下に伴って補助用空間（91）内の冷媒が流体室（72）へ流出してゆくだけでなく、補助用空間（91）の容積が減少することによっても補助用空間（91）内の冷媒が流体室（72）へ流出してゆく。

このため、本発明の膨張機（30）によれば、流入行程と膨張行程の両方で補助用空間（91）の容積が一定に保持される従来の膨張機に比べ、膨張行程中に補助用空間（91）から流体室（72）へ流出する冷媒の量を増大させることができる。その結果、流入行程において補助用空間（91）の内圧を上昇させるのに要するエネルギのうち膨張行程中に回収できる分を増やすことができ、いわゆるポンピングロスを低減することができる。

また、本発明の膨張機（30）によれば、流入行程と膨張行程の両方で補助用空間（91）の容積が一定に保持される従来の膨張機（30）に比べ、膨張行程中に補助用空間（91）から流体室（72）へ流出する冷媒の量を増大させることができるため、流入行程中に補助用空間（91）へ流入する高圧冷媒の体積と流入時容積の差を縮小できる。その結果、一回の流入行程中に膨張機構（60）へ流入する冷媒の体積の調節範囲の最大値を、流入時容積の調節範囲の最大値に近付けることができ、一回の流入行程中に膨張機構（60）へ流入する冷媒の体積の調節幅を拡大することができる。

また、本発明では、ピストン部材（93）によって補助用空間（91）から仕切られた駆動用空間（92）に圧縮性流体を充填し、この駆動用空間（92）内の流体圧力を容積変更機構（115）で調節することによって、膨張行程中における補助用空間（91）の容積を流入時容積よりも縮小可能で且つ流入時容積を調節可能な膨張機（30）を実現できる。

また、本発明では、冷媒回路（20）内を循環する冷媒の一部を、駆動用空間（92）を満たすための圧縮性流体として利用される。従って、本発明によれば、冷媒回路（20）に必ず充填されている冷媒を、駆動用空間（92）を満たすための圧縮性流体として流用することができ、膨張機（30）の構成の複雑化を抑えることができる。

また、本発明によれば、駆動用空間（92）を満たす圧縮性流体として冷媒回路（20）内の冷媒を利用する場合の膨張機（30）の構成を具体化できる。

また、上記第１，第４の各発明では、膨張機構（60）へ流入しようとする膨張前の高圧冷媒の一部が、流入側通路（101）を通って駆動用空間（92）へ流入する。膨張機構（60）へ向かって流れる膨張前の高圧冷媒は、冷媒回路（20）内に存在する高圧冷媒のうちで最も低温である。従って、これらの各発明によれば、駆動用空間（92）内の冷媒と補助用空間（91）内の冷媒との温度差をできる限り縮小することができ、駆動用空間（92）内の冷媒から補助用空間（91）内の冷媒へ侵入する熱量を低く抑えることができる。

また、上記第１，第４の各発明では、流入側絞り機構（103,105）を通過した冷媒がガス化用加熱部（110）で蒸発してから駆動用空間（92）へ流入する。このため、駆動用空間（92）内の冷媒中のガス成分を増やすことができ、あるいは駆動用空間（92）内の冷媒をガス単相状態とすることができる。その結果、駆動用空間（92）内の冷媒の圧縮性を充分に確保することができ、補助用空間（91）内の冷媒圧力の変化に応じてピストン部材（93）をスムーズに移動させることが可能となる。

上記第２の発明では、容積変更機構（115）による駆動用空間（92）の内圧の調節範囲が、冷媒回路（20）において行われる冷凍サイクルの高圧以下でその低圧以上の範囲に設定される。従って、この発明によれば、高圧冷媒が流入して膨脹する流体室（72）の内圧変化に応じてピストン部材（93）を確実に移動させることが可能となる。

上記第３の発明において、ピストン部材（93）は、補助用空間（91）向きの力を弾性部材（94）から受ける。つまり、膨張行程中において、ピストン部材（93）は、駆動用空間（92）内の流体と弾性部材（94）の両方から力を受けて補助用空間（91）側へ移動する。従って、この発明によれば、膨張行程中にピストン部材（93）を補助用空間（91）側へ確実に移動させることができ、膨張行程中における補助用空間（91）の容積を流入時容積よりも確実に小さくすることができる。

以下、本発明の実施形態と参考技術を図面に基づいて詳細に説明する。

《参考技術１》
参考技術１について説明する。本参考技術は、膨張機である圧縮膨張ユニット（30）を備えた空調機（10）である。

〈空調機の全体構成〉
図１に示すように、上記空調機（10）は、いわゆるセパレート型のものであって、室外機（11）と室内機（13）とを備えている。室外機（11）には、室外ファン（12）、室外熱交換器（23）、第１四路切換弁（21）、第２四路切換弁（22）、及び圧縮膨張ユニット（30）が収納されている。室内機（13）には、室内ファン（14）及び室内熱交換器（24）が収納されている。室外機（11）は屋外に設置され、室内機（13）は屋内に設置されている。また、室外機（11）と室内機（13）とは、一対の連絡配管（15,16）で接続されている。なお、圧縮膨張ユニット（30）の詳細は後述する。

空調機（10）には、冷媒回路（20）が設けられている。この冷媒回路（20）は、圧縮膨張ユニット（30）や室内熱交換器（24）などが接続された閉回路である。また、この冷媒回路（20）には、冷媒として二酸化炭素（ＣＯ_２）が充填されている。

室外熱交換器（23）と室内熱交換器（24）とは、何れも冷媒を空気と熱交換させるためのフィン・アンド・チューブ熱交換器である。室外熱交換器（23）では、冷媒回路（20）を循環する冷媒が室外空気と熱交換する。室内熱交換器（24）では、冷媒回路（20）を循環する冷媒が室内空気と熱交換する。

第１四路切換弁（21）は、４つのポートを備えている。この第１四路切換弁（21）は、その第１のポートが圧縮膨張ユニット（30）の吐出管（36）に、第２のポートが連絡配管（15）を介して室内熱交換器（24）の一端に、第３のポートが室外熱交換器（23）の一端に、第４のポートが圧縮膨張ユニット（30）の吸入ポート（32）にそれぞれ接続されている。そして、第１四路切換弁（21）は、第１のポートと第２のポートとが連通し且つ第３のポートと第４のポートとが連通する状態（図１に実線で示す状態）と、第１のポートと第３のポートとが連通し且つ第２のポートと第４のポートとが連通する状態（図１に破線で示す状態）とに切り換わる。

第２四路切換弁（22）は、４つのポートを備えている。この第２四路切換弁（22）は、その第１のポートが圧縮膨張ユニット（30）の流出ポート（35）に、第２のポートが室外熱交換器（23）の他端に、第３のポートが連絡配管（16）を介して室内熱交換器（24）の他端に、第４のポートが圧縮膨張ユニット（30）の流入ポート（34）にそれぞれ接続されている。そして、第２四路切換弁（22）は、第１のポートと第２のポートとが連通し且つ第３のポートと第４のポートとが連通する状態（図１に実線で示す状態）と、第１のポートと第３のポートとが連通し且つ第２のポートと第４のポートとが連通する状態（図１に破線で示す状態）とに切り換わる。

〈圧縮膨張ユニットの構成〉
図２に示すように、圧縮膨張ユニット（30）は、縦長で円筒形の密閉容器であるケーシング（31）を備えている。このケーシング（31）の内部には、下から上に向かって順に、圧縮機構（50）と、電動機（45）と、膨張機構（60）とが配置されている。

ケーシング（31）には、吐出管（36）が取り付けられている。この吐出管（36）は、電動機（45）と膨張機構（60）の間に配置され、ケーシング（31）の内部空間に連通している。

電動機（45）は、ケーシング（31）の長手方向の中央部に配置されている。この電動機（45）は、ステータ（46）とロータ（47）とにより構成されている。ステータ（46）は、上記ケーシング（31）に固定されている。ロータ（47）は、ステータ（46）の内側に配置されている。また、ロータ（47）には、該ロータ（47）と同軸にシャフト（40）の主軸部（44）が貫通している。

シャフト（40）は、回転軸を構成している。このシャフト（40）では、その下端側に２つの下側偏心部（58,59）が形成され、その上端側に２つの大径偏心部（41,42）が形成されている。

２つの下側偏心部（58,59）は、主軸部（44）よりも大径に形成されており、下側のものが第１下側偏心部（58）を、上側のものが第２下側偏心部（59）をそれぞれ構成している。第１下側偏心部（58）と第２下側偏心部（59）とでは、主軸部（44）の軸心に対する偏心方向が逆になっている。

２つの大径偏心部（41,42）は、主軸部（44）よりも大径に形成されており、下側のものが第１大径偏心部（41）を構成し、上側のものが第２大径偏心部（42）を構成している。第１大径偏心部（41）と第２大径偏心部（42）とは、何れも同じ方向へ偏心している。第２大径偏心部（42）の外径は、第１大径偏心部（41）の外径よりも大きくなっている。また、主軸部（44）の軸心に対する偏心量は、第２大径偏心部（42）の方が第１大径偏心部（41）よりも大きくなっている。

圧縮機構（50）は、揺動ピストン型のロータリ圧縮機を構成している。この圧縮機構（50）は、シリンダ（51,52）とピストン（57）を２つずつ備えている。圧縮機構（50）では、下から上へ向かって順に、リアヘッド（55）と、第１シリンダ（51）と、中間プレート（56）と、第２シリンダ（52）と、フロントヘッド（54）とが積層された状態となっている。

第１及び第２シリンダ（51,52）の内部には、円筒状のピストン（57）が１つずつ配置されている。図示しないが、ピストン（57）の側面には平板状のブレードが突設されており、このブレードは揺動ブッシュを介してシリンダ（51,52）に支持されている。第１シリンダ（51）内のピストン（57）は、シャフト（40）の第１下側偏心部（58）と係合する。一方、第２シリンダ（52）内のピストン（57）は、シャフト（40）の第２下側偏心部（59）と係合する。各ピストン（57,57）は、その内周面が下側偏心部（58,59）の外周面と摺接し、その外周面がシリンダ（51,52）の内周面と摺接する。そして、ピストン（57,57）の外周面とシリンダ（51,52）の内周面との間に圧縮室（53）が形成される。

第１及び第２シリンダ（51,52）には、それぞれ吸入ポート（33）が１つずつ形成されている。各吸入ポート（33）は、シリンダ（51,52）を半径方向に貫通し、その終端がシリンダ（51,52）の内周面に開口している。また、各吸入ポート（33）は、配管によってケーシング（31）の外部へ延長されている。

フロントヘッド（54）及びリアヘッド（55）には、それぞれ吐出ポートが１つずつ形成されている。フロントヘッド（54）の吐出ポートは、第２シリンダ（52）内の圧縮室（53）をケーシング（31）の内部空間と連通させる。リアヘッド（55）の吐出ポートは、第１シリンダ（51）内の圧縮室（53）をケーシング（31）の内部空間と連通させる。また、各吐出ポートは、その終端にリード弁からなる吐出弁が設けられており、この吐出弁によって開閉される。尚、図２において、吐出ポート及び吐出弁の図示は省略する。そして、圧縮機構（50）からケーシング（31）の内部空間へ吐出されたガス冷媒は、吐出管（36）を通って圧縮膨張ユニット（30）から送り出される。

ケーシング（31）の内部空間には、冷凍機油が貯留されている。この冷凍機油は、ケーシング（31）の内部空間の底部に溜まっている。上述したように、ケーシング（31）の内部空間には、圧縮機構（50）において圧縮された高圧ガス冷媒が吐出される。このため、ケーシング（31）内に貯留された冷凍機油の圧力は、圧縮機構（50）から吐出された高圧ガス冷媒の圧力と等しくなる。ケーシング（31）内に貯留された高圧の冷凍機油は、シャフト（40）内に形成された給油通路を通って圧縮機構（50）と膨張機構（60）へ供給される。

膨張機構（60）は、いわゆる揺動ピストン型の流体機械で構成されている。この膨張機構（60）には、対になったシリンダ（71,81）及びピストン（75,85）が二組設けられている。また、膨張機構（60）には、フロントヘッド（61）と、中間プレート（63）と、リアヘッド（62）とが設けられている。

膨張機構（60）では、下から上へ向かって順に、フロントヘッド（61）、第１シリンダ（71）、中間プレート（63）、第２シリンダ（81）、リアヘッド（62）が積層された状態となっている。この状態において、第１シリンダ（71）は、その下側端面がフロントヘッド（61）により閉塞され、その上側端面が中間プレート（63）により閉塞されている。一方、第２シリンダ（81）は、その下側端面が中間プレート（63）により閉塞され、その上側端面がリアヘッド（62）により閉塞されている。また、第２シリンダ（81）の内径は、第１シリンダ（71）の内径よりも大きくなっている。上記シャフト（40）は、積層された状態のフロントヘッド（61）、第１シリンダ（71）、中間プレート（63）、第２シリンダ（81）、及びリアヘッド（62）を貫通している。

図３，図４に示すように、第１シリンダ（71）内には第１ピストン（75）が、第２シリンダ（81）内には第２ピストン（85）がそれぞれ設けられている。第１及び第２ピストン（75,85）は、何れも円環状あるいは円筒状に形成されている。第１ピストン（75）の外径と第２ピストン（85）の外径とは、互いに等しくなっている。そして、第１ピストン（75）には第１大径偏心部（41）が、第２ピストン（85）には第２大径偏心部（42）がそれぞれ貫通している。第１シリンダ（71）内には、その内周面と第１ピストン（75）の外周面との間に第１流体室（72）が形成される。第２シリンダ（81）内には、その内周面と第２ピストン（85）の外周面との間に第２流体室（82）が形成される。

上記第１及び第２ピストン（75,85）のそれぞれには、ブレード（76,86）が１つずつ一体に設けられている。ブレード（76,86）は、ピストン（75,85）の半径方向へ延びる板状に形成されており、ピストン（75,85）の外周面から外側へ突出している。

上記各シリンダ（71,81）には、一対のブッシュ（77,87）が一組ずつ設けられている。各ブッシュ（77,87）は、内側面が平面となって外側面が円弧面となるように形成された小片である。一対のブッシュ（77,87）は、ブレード（76,86）を挟み込んだ状態で設置されている。各ブッシュ（77,87）は、その内側面がブレード（76,86）と、その外側面がシリンダ（71,81）と摺動する。そして、ピストン（75,85）と一体のブレード（76,86）は、ブッシュ（77,87）を介してシリンダ（71,81）に支持され、シリンダ（71,81）に対して回動自在で且つ進退自在となっている。尚、上記第１シリンダ（71）と第２シリンダ（81）とは、それぞれの周方向におけるブッシュ（77,87）の位置が一致する姿勢で配置されている。

第１シリンダ（71）内の第１流体室（72）は、第１ピストン（75）と一体の第１ブレード（76）によって仕切られており、図３，図４における第１ブレード（76）の左側が高圧側の第１高圧室（73）となり、その右側が低圧側の第１低圧室（74）となっている。第２シリンダ（81）内の第２流体室（82）は、第２ピストン（85）と一体の第２ブレード（86）によって仕切られており、図３，図４における第２ブレード（86）の左側が高圧側の第２高圧室（83）となり、その右側が低圧側の第２低圧室（84）となっている。

第１シリンダ（71）には、流入ポート（34）が形成されている。流入ポート（34）は、第１シリンダ（71）の内周面のうち、図３，図４におけるブッシュ（77）のやや左側の箇所に開口している。流入ポート（34）は、第１高圧室（73）と連通可能となっている。一方、上記第２シリンダ（81）には、流出ポート（35）が形成されている。流出ポート（35）は、第２シリンダ（81）の内周面のうち、図３，図４におけるブッシュ（87）のやや右側の箇所に開口している。流出ポート（35）は、第２低圧室（84）と連通可能となっている。

中間プレート（63）には、連通路（64）が形成されている。この連通路（64）は、中間プレート（63）を厚み方向へ貫通している。中間プレート（63）における第１シリンダ（71）側の面では、第１ブレード（76）の右側の箇所に連通路（64）の一端が開口している。中間プレート（63）における第２シリンダ（81）側の面では、第２ブレード（86）の左側の箇所に連通路（64）の他端が開口している。この連通路（64）は、中間プレート（63）の厚み方向に対して斜めに延びており、第１低圧室（74）と第２高圧室（83）とを互いに連通させている。

以上のように構成された上記膨張機構（60）では、第１シリンダ（71）と、そこに設けられたブッシュ（77）と、第１ピストン（75）と、第１ブレード（76）とが第１ロータリ機構部（70）を構成している。また、第２シリンダ（81）と、そこに設けられたブッシュ（87）と、第２ピストン（85）と、第２ブレード（86）とが第２ロータリ機構部（80）を構成している。また、この膨張機構（60）では、第１ロータリ機構部（70）の押しのけ容積（即ち第１流体室（72）の最大容積）に比べて、第２ロータリ機構部（80）の押しのけ容積（即ち第２流体室（82）の最大容積）の方が大きくなっている。

上述のように、上記膨張機構（60）では、第１ブレード（76）が第１シリンダ（71）の外側へ最も退くタイミングと、第２ブレード（86）が第２シリンダ（81）の外側へ最も退くタイミングとが同期している。つまり、第１ロータリ機構部（70）において第１低圧室（74）の容積が減少してゆく過程と、第２ロータリ機構部（80）において第２高圧室（83）の容積が増加してゆく過程とが同期している（図４を参照）。また、上述のように、第１ロータリ機構部（70）の第１低圧室（74）と、第２ロータリ機構部（80）の第２高圧室（83）とは、連通路（64）を介して互いに連通している。そして、第１低圧室（74）と連通路（64）と第２高圧室（83）とによって１つの閉空間が形成され、この閉空間が膨張室（66）を構成する。

図２に示すように、膨張機構（60）では、そのフロントヘッド（61）にシリンダ空間（90）が形成されている。このシリンダ空間（90）は、フロントヘッド（61）の外周面からその中心へ向かって延びる有底の穴によって形成されている。このシリンダ空間（90）を形成する有底の穴は、その断面形状が円形となっており、フロントヘッド（61）の外周面における開口端がケーシング（31）によって塞がれている。

シリンダ空間（90）には、ピストン部材（93）が収容されている。このピストン部材（93）は、やや厚肉の円板状に形成されており、シリンダ空間（90）の軸方向へ移動自在となっている。シリンダ空間（90）は、ピストン部材（93）によって二つの空間に区画されている。ピストン部材（93）によって区画された二つの空間は、シリンダ空間（90）を形成する穴の底面側（図２におけるピストン部材（93）の左側）の空間が補助用空間（91）を構成し、残りの空間が駆動用空間（92）を構成している。

フロントヘッド（61）には、補助用空間（91）を第１ロータリ機構部（70）の第１流体室（72）に連通させるための接続通路（95）が形成されている。この接続通路（95）は、その一端がシリンダ空間（90）を形成する穴の底面付近に開口し、その他端がフロントヘッド（61）の前面（図２における上面）に開口している。図３に示すように、フロントヘッド（61）の前面では、接続通路（95）が、第１シリンダ（71）の内周面に沿った位置に開口している。また、フロントヘッド（61）の前面において、接続通路（95）は、第１ブレード（76）の位置から図３における反時計方向へ約２７０°進んだ位置に開口している。なお、フロントヘッド（61）の前面における接続通路（95）の開口位置は、第１ブレード（76）の位置から図３における反時計方向へ約１８０°進んだ位置から、図３における連通路（64）の開口部の右側近傍の位置までの間に設定されるのが望ましい。

補助用空間（91）には、弾性部材であるコイルばね（94）が収容されている。このコイルばね（94）は、その伸縮方向がシリンダ空間（90）の軸方向に沿う姿勢で補助用空間（91）内に設置されており、その一端がピストン部材（93）に、その他端がケーシング（31）の内周面にそれぞれ当接している。また、コイルばね（94）は、ピストン部材（93）が補助用空間（91）側（図２における左側）へ最も押し込まれた位置にある場合でも、自由長から若干縮められた状態となる。つまり、コイルばね（94）は、ピストン部材（93）に対して、常に補助用空間（91）方向へ押す力を作用させる。

図２に示すように、圧縮膨張ユニット（30）には、冷媒流通配管（100）と、流入側通路を構成する冷媒流入管（101）と、流出側通路を構成する冷媒流出管（102）とが設けられている。

冷媒流通配管（100）は、その一端がケーシング（31）を貫通して駆動用空間（92）に開口している。冷媒流通配管（100）の他端には、冷媒流入管（101）の一端と冷媒流出管（102）の一端とが接続されている。

冷媒流入管（101）の他端は、膨張機構（60）の流入ポート（34）に接続する配管（即ち、膨張機構（60）へ流入する膨張前の高圧冷媒が流れる配管）に接続されている。冷媒流入管（101）には、キャピラリチューブ（105）が設けられている。このキャピラリチューブ（105）は、冷媒流入管（101）を流れる冷媒を膨脹させるための流入側絞り機構を構成している。

冷媒流出管（102）の他端は、膨張機構（60）の流出ポート（35）に接続する配管（即ち、膨張機構（60）から流出した膨張後の低圧冷媒が流れる配管）に接続されている。冷媒流出管（102）には、流出側調節弁（104）が設けられている。この流出側調節弁（104）は、開度可変の電動膨張弁であって、冷媒流出管（102）を流れる冷媒を膨脹させるための流出側絞り機構を構成している。

本参考技術の圧縮膨張ユニット（30）では、ピストン部材（93）と、駆動用空間（92）と、コイルばね（94）と、冷媒流通配管（100）と、冷媒流入管（101）と、キャピラリチューブ（105）と、冷媒流出管（102）と、流出側調節弁（104）とが、補助用空間（91）の容積を変更するための容積変更機構（115）を構成している。そして、駆動用空間（92）には、キャピラリチューブ（105）を通過する際に膨脹して気液二相状態となった冷媒（即ち、ガス成分を含む圧縮性流体）が、冷媒流入管（101）と冷媒流通配管（100）を通じて導入される。

−運転動作−
上記空調機（10）の動作について説明する。ここでは、空調機（10）の冷房運転時及び暖房運転時の動作について説明し、続いて膨張機構（60）の動作について説明する。

〈冷房運転〉
冷房運転時には、第１四路切換弁（21）及び第２四路切換弁（22）が図１に破線で示す状態に切り換えられる。この状態で圧縮膨張ユニット（30）の電動機（45）に通電すると、冷媒回路（20）で冷媒が循環して蒸気圧縮式の冷凍サイクルが行われる。

圧縮機構（50）で圧縮された冷媒は、吐出管（36）を通って圧縮膨張ユニット（30）から吐出される。この状態で、冷媒の圧力は、その臨界圧力よりも高くなっている。この吐出冷媒は、第１四路切換弁（21）を通って室外熱交換器（23）へ送られる。室外熱交換器（23）では、流入した冷媒が室外空気へ放熱する。

室外熱交換器（23）で放熱した冷媒は、第２四路切換弁（22）を通過し、流入ポート（34）を通って圧縮膨張ユニット（30）の膨張機構（60）へ流入する。膨張機構（60）では、高圧冷媒が膨張してシャフト（40）が駆動される。膨張後の低圧冷媒は、流出ポート（35）を通って圧縮膨張ユニット（30）から流出し、第２四路切換弁（22）を通過して室内熱交換器（24）へ送られる。

室内熱交換器（24）では、流入した冷媒が室内空気から吸熱して蒸発し、室内空気が冷却される。室内熱交換器（24）から出た低圧ガス冷媒は、第１四路切換弁（21）を通過し、吸入ポート（32）を通って圧縮膨張ユニット（30）の圧縮機構（50）へ吸入される。圧縮機構（50）は、吸入した冷媒を圧縮して吐出する。

〈暖房運転〉
暖房運転時には、第１四路切換弁（21）及び第２四路切換弁（22）が図１に実線で示す状態に切り換えられる。この状態で圧縮膨張ユニット（30）の電動機（45）に通電すると、冷媒回路（20）で冷媒が循環して蒸気圧縮式の冷凍サイクルが行われる。

圧縮機構（50）で圧縮された冷媒は、吐出管（36）を通って圧縮膨張ユニット（30）から吐出される。この状態で、冷媒の圧力は、その臨界圧力よりも高くなっている。この吐出冷媒は、第１四路切換弁（21）を通過して室内熱交換器（24）へ送られる。室内熱交換器（24）では、流入した冷媒が室内空気へ放熱し、室内空気が加熱される。

室内熱交換器（24）で放熱した冷媒は、第２四路切換弁（22）を通過し、流入ポート（34）を通って圧縮膨張ユニット（30）の膨張機構（60）へ流入する。膨張機構（60）では、高圧冷媒が膨張してシャフト（40）が駆動される。膨張後の低圧冷媒は、流出ポート（35）を通って圧縮膨張ユニット（30）から流出し、第２四路切換弁（22）を通過して室外熱交換器（23）へ送られる。

室外熱交換器（23）では、流入した冷媒が室外空気から吸熱して蒸発する。室外熱交換器（23）から出た低圧ガス冷媒は、第１四路切換弁（21）を通過し、吸入ポート（32）を通って圧縮膨張ユニット（30）の圧縮機構（50）へ吸入される。圧縮機構（50）は、吸入した冷媒を圧縮して吐出する。

〈膨張機構の動作〉
膨張機構（60）の動作について、図４を参照しながら説明する。

先ず、第１ロータリ機構部（70）の第１高圧室（73）へ超臨界状態の高圧冷媒が流入する過程について説明する。

回転角が０°の状態からシャフト（40）が僅かに回転すると、第１ピストン（75）と第１シリンダ（71）の接触位置が流入ポート（34）の開口部を通過し、流入ポート（34）から第１高圧室（73）へ高圧冷媒が流入し始める。その後、シャフト（40）の回転角が９０°,１８０°,２７０°と次第に大きくなるにつれて、第１高圧室（73）へ高圧冷媒が流入してゆく。この第１高圧室（73）への高圧冷媒の流入は、シャフト（40）の回転角が３６０°に達するまで続く。

また、シャフト（40）の回転角が２７０°から３６０°に達するまでの間は、接続通路（95）を介して補助用空間（91）が第１高圧室（73）に連通する。従って、この間は、補助用空間（91）へも高圧冷媒が流入する。補助用空間（91）へ高圧冷媒が流入する過程では、ピストン部材（93）が駆動用空間（92）側へ押し戻されてゆき、補助用空間（91）の容積が次第に拡大すると同時に、駆動用空間（92）内の冷媒が圧縮されて駆動用空間（92）の内圧が上昇してゆく。駆動用空間（92）側へのピストン部材（93）の移動は、ピストン部材（93）が駆動用空間（92）内の冷媒とコイルばね（94）から受ける力（図２における左向きの力）と、ピストン部材（93）が補助用空間（91）内の高圧冷媒から受ける力（図２における右向きの力）とが均衡するまで続く。そして、流入行程中にピストン部材（93）が最も駆動用空間（92）側へ退いた時点における補助用空間（91）の容積が、流入時容積となる。

次に、膨張機構（60）において冷媒が膨張する過程について説明する。

回転角が０°の状態からシャフト（40）が僅かに回転すると、第１低圧室（74）と第２高圧室（83）が連通路（64）を介して互いに連通し、第１低圧室（74）から第２高圧室（83）へと冷媒が流入し始める。その後、シャフト（40）の回転角が９０°,１８０°,２７０°と次第に大きくなるにつれ、第１低圧室（74）の容積が次第に減少すると同時に第２高圧室（83）の容積が次第に増加し、結果として膨張室（66）の容積が次第に増加してゆく。この膨張室（66）の容積増加は、シャフト（40）の回転角が３６０°に達する直前まで続く。

膨張室（66）内の冷媒は、膨張室（66）の容積が増加する過程で圧力降下しながら膨張する。そして、第１高圧室（73）と第１低圧室（74）の内圧差によって第１ピストン（75）が駆動される一方、第２高圧室（83）と第２低圧室（84）の内圧差によって第２ピストン（85）が駆動され、その結果、シャフト（40）が回転駆動される。このように、第１低圧室（74）内の冷媒は、連通路（64）を通って第２高圧室（83）へ膨張しながら流入してゆく。

また、シャフト（40）の回転角が０°から２７０°に至るまでの間は、補助用空間（91）が膨張室（66）を構成する第１低圧室（74）に連通している。膨張行程中に第１低圧室（74）内の冷媒圧力が低下する過程では、第１低圧室（74）に連通する補助用空間（91）内の冷媒圧力も低下してゆく。このため、膨張行程中には、ピストン部材（93）が駆動用空間（92）内の冷媒とコイルばね（94）から受ける力（図２における左向きの力）が、ピストン部材（93）が補助用空間（91）内の冷媒から受ける力（図２における右向きの力）を上回り、ピストン部材（93）が補助用空間（91）側へ押し込まれてゆく。つまり、膨張行程中には、ピストン部材（93）が補助用空間（91）側へ移動してゆく。その結果、流入行程中に補助用空間（91）へ流入した冷媒は、膨張行程中に移動するピストン部材（93）によって第１低圧室（74）へ押し出されてゆき、第１低圧室（74）内で膨脹する。シャフト（40）の回転角が２７０°に達した時点では、ピストン部材（93）が補助用空間（91）へ最も押し込まれた状態となり、補助用空間（91）の容積が実質的にゼロになる。

最後に、第２ロータリ機構部（80）の第２低圧室（84）から冷媒が流出してゆく過程について説明する。

第２低圧室（84）は、シャフト（40）の回転角が０°の時点から流出ポート（35）に連通し始める。つまり、第２低圧室（84）から流出ポート（35）へと冷媒が流出し始める。その後、シャフト（40）の回転角が９０°,１８０°,２７０°と次第に大きくなってゆき、その回転角が３６０°に達するまでの間に亘って、第２低圧室（84）から膨張後の低圧冷媒が流出してゆく。

ここで、上述したように、流入行程中には、ピストン部材（93）が駆動用空間（92）側へ移動して駆動用空間（92）の容積が減少するため、駆動用空間（92）内の冷媒の一部は冷媒流通配管（100）へ流出してゆく。また、膨張行程中には、ピストン部材（93）が補助用空間（91）側へ移動して駆動用空間（92）の容積が増大するため、冷媒流通配管（100）から駆動用空間（92）へ冷媒が流入してくる。しかしながら、圧縮膨張ユニット（30）のシャフト（40）は比較的高速（例えば、毎秒２０〜１００回転）で回転しているため、一回の流入行程や膨張行程に要する時間は極めて短い。このため、ピストン部材（93）の移動に伴って駆動用空間（92）へ出入りする冷媒の量は、極めて僅かである。従って、駆動用空間（92）に冷媒流通配管（100）が連通していても、流入行程中に駆動用空間（92）の容積が減少すれば駆動用空間（92）内の冷媒圧力が上昇し、膨張行程中に駆動用空間（92）の容積が増加すれば駆動用空間（92）内の冷媒圧力が低下する。

〈圧縮膨張ユニットの容積調節動作〉
圧縮膨張ユニット（30）では、流入行程中の補助用空間（91）の容積である流入時容積を変更するために流出側調節弁（104）を操作する動作が行われる。

本参考技術の圧縮膨張ユニット（30）において、冷媒流入管（101）へ流入した膨張前の高圧冷媒は、キャピラリチューブ（105）を通過する際に膨脹してその圧力が低下し、その後に冷媒流出管（102）へ流入して流出側調節弁（104）を通過する際に膨脹してその圧力が膨張機構（60）の流出側の冷媒圧力にまで低下する。つまり、この圧縮膨張ユニット（30）において、“冷媒がキャピラリチューブ（105）を通過する際の圧力損失”と“冷媒が流出側調節弁（104）を通過する際の圧力損失”の合計値は、膨張機構（60）の流入側と流出側の圧力差と実質的に等しくなる。

このため、流出側調節弁（104）の開度が縮小されて流出側調節弁（104）における冷媒の圧力損失が増大すれば、それに伴ってキャピラリチューブ（105）における冷媒の圧力損失が減少し、駆動用空間（92）内の冷媒圧力が上昇する。また、流出側調節弁（104）の開度が拡大されて流出側調節弁（104）における冷媒の圧力損失が減少すれば、それに伴ってキャピラリチューブ（105）における冷媒の圧力損失が増加し、駆動用空間（92）内の冷媒圧力が低下する。

そこで、補助用空間（91）の流入時容積を減少させる場合には、流出側調節弁（104）の開度が縮小される。上述したように、流出側調節弁（104）の開度が小さくなると、駆動用空間（92）内の冷媒圧力が上昇する。流入行程中において、駆動用空間（92）内の冷媒圧力が上昇すると、ピストン部材（93）が駆動用空間（92）内の冷媒とコイルばね（94）から受ける力（図２における左向きの力）と、ピストン部材（93）が補助用空間（91）内の高圧冷媒から受ける力（図２における右向きの力）とが均衡するまでのピストン部材（93）の移動距離が短くなる。その結果、流入行程中にピストン部材（93）が最も駆動用空間（92）側へ退いた時点における補助用空間（91）の容積（即ち、流入時容積）が小さくなる。

また、流出側調節弁（104）を全閉した状態において、駆動用空間（92）内の冷媒圧力は、膨張前の高圧冷媒の圧力と実質的に等しくなる。従って、この状態において、ピストン部材（93）は、コイルばね（94）から受ける力によって補助用空間（91）側へ最も押し込まれた位置に保持され、補助用空間（91）の容積が実質的にゼロとなる。つまり、流出側調節弁（104）を全閉状態に設定すれば、流入行程中における補助用空間（91）の容積（即ち、流入時容積）が実質的にゼロとなる。

一方、補助用空間（91）の流入時容積を増加させる場合には、流出側調節弁（104）の開度が拡大される。上述したように、流出側調節弁（104）の開度が大きくなると、駆動用空間（92）内の冷媒圧力が低下する。流入行程中において、駆動用空間（92）内の冷媒圧力が低下すると、ピストン部材（93）が駆動用空間（92）内の冷媒とコイルばね（94）から受ける力（図２における左向きの力）と、ピストン部材（93）が補助用空間（91）内の高圧冷媒から受ける力（図２における右向きの力）とが均衡するまでのピストン部材（93）の移動距離が長くなる。その結果、流入行程中にピストン部材（93）が最も駆動用空間（92）側へ退いた時点における補助用空間（91）の容積（即ち、流入時容積）が大きくなる。

上述したように、流出側調節弁（104）を全閉した状態では、駆動用空間（92）の内圧が、膨張機構（60）へ流入する膨張前の高圧冷媒の圧力と実質的に同じ値となる。このため、駆動用空間（92）の内圧の調節範囲の上限値は、冷凍サイクルの高圧と実質的に同じ値となる。一方、流出側調節弁（104）を全開した状態でも、冷媒が流出側調節弁（104）を通過する際には若干の圧力損失が生じる。従って、流出側調節弁（104）を全開した状態では、駆動用空間（92）の内圧が、膨張機構（60）から流出した膨張後の低圧冷媒の圧力よりも若干高くなる。このため、駆動用空間（92）の内圧の調節範囲の下限値は、冷凍サイクルの低圧よりも僅かに高い値となる。

補助用空間（91）の容積を変更すると、シャフト（40）が一回転する間に膨張機構（60）へ流入する高圧冷媒の体積が変化する。つまり、本参考技術の膨張機構（60）ではシャフト（40）が一回転する毎に一回の流入行程が行われるため、補助用空間（91）の容積を変更すると、一回の流入行程において膨張機構（60）へ流入する高圧冷媒の体積が変化する。

補助用空間（91）の容積を変更する必要性について、簡単に説明する。

膨張機構（60）から出力される動力が最大となるのは、膨張室（66）の容積が最大となった時点における膨張室（66）内の冷媒圧力が、膨張機構（60）の流出ポート（35）に接続する配管内の冷媒圧力（実質的には冷凍サイクルの低圧）と等しくなっている場合である。ところが、冷媒回路（20）において行われる冷凍サイクルの高圧や低圧の値は、空調機（10）の運転条件（例えば、室外や室内の気温）によって変化する。このため、空調機（10）の運転中において、膨張室（66）の容積が最大となった時点における膨張室（66）内の冷媒圧力は、膨張機構（60）の流出ポート（35）に接続する配管内の冷媒圧力に対して高くなり過ぎたり低くなり過ぎることがある。

膨張機構（60）の運転状態が膨張不足になっている場合は、膨張室（66）の容積が最大となった時点における膨張室（66）内の冷媒圧力が、膨張機構（60）の流出ポート（35）に接続する配管内の冷媒圧力よりも高くなる。この場合は、膨張室（66）内で冷媒の圧力が充分に下がりきっていないのに膨張機構（60）から冷媒が流出してゆくこととなり、膨張機構（60）において発生する動力が少なくなる。そこで、このような場合は、補助用空間（91）の流入時容積を減少させ、一回の流入行程において膨張機構（60）へ流入する高圧冷媒の体積を減少させる。

一方、膨張機構（60）の運転状態が過膨張になっている場合は、膨張室（66）の容積が最大となった時点における膨張室（66）内の冷媒圧力が、膨張機構（60）の流出ポート（35）に接続する配管内の冷媒圧力よりも低くなる。この場合は、膨張室（66）内の冷媒圧力を流出ポート（35）の冷媒圧力よりも低い値にまで引き下げなければならず、膨張室（66）内の冷媒圧力を引き下げるために動力が消費されるため、膨張機構（60）から出力される動力が少なくなる。そこで、このような場合は、補助用空間（91）の流入時容積を増加させ、一回の流入行程において膨張機構（60）へ流入する高圧冷媒の体積を増加させる。

−参考技術１の効果−
本参考技術の圧縮膨張ユニット（30）では、容積変更機構（115）が、膨張行程中に補助用空間（91）の容積を流入時容積よりも小さくする。従って、膨張行程中の膨張機構（60）では、膨張室（66）を形成する第１低圧室（74）内の冷媒圧力の低下に伴って補助用空間（91）内の冷媒が第１低圧室（74）へ流出してゆくだけでなく、補助用空間（91）の容積が減少することによっても補助用空間（91）内の冷媒が第１低圧室（74）へ流出してゆく。

このため、本参考技術の圧縮膨張ユニット（30）によれば、流入行程と膨張行程の両方で補助用空間（91）の容積が一定に保持される従来の膨張機に比べ、膨張行程中に補助用空間（91）から膨張室（66）へ流出する冷媒の量を増大させることができる。その結果、流入行程において補助用空間（91）の内圧を上昇させるのに要するエネルギのうち膨張行程中に回収できる分を増やすことができ、いわゆるポンピングロスを低減することができる。

また、本参考技術の圧縮膨張ユニット（30）によれば、流入行程と膨張行程の両方で補助用空間（91）の容積が一定に保持される従来の膨張機に比べ、膨張行程中に補助用空間（91）から膨張室（66）へ流出する冷媒の量を増大させることができるため、流入行程中に補助用空間（91）へ流入する高圧冷媒の体積と流入時容積の差を縮小できる。その結果、一回の流入行程中に膨張機構（60）へ流入する冷媒の体積の調節範囲の最大値を、流入時容積の調節範囲の最大値に近付けることができ、一回の流入行程中に膨張機構（60）へ流入する冷媒の体積の調節幅を拡大することができる。

また、本参考技術の圧縮膨張ユニット（30）において、ピストン部材（93）は、補助用空間（91）向きの力をコイルばね（94）から受ける。つまり、膨張行程中において、ピストン部材（93）は、駆動用空間（92）内の冷媒とコイルばね（94）の両方から力を受けて補助用空間（91）側へ移動する。従って、本参考技術によれば、膨張行程中にピストン部材（93）を補助用空間（91）側へ確実に移動させることができ、膨張行程中における補助用空間（91）の容積を流入時容積よりも確実に小さくすることができる。

また、本参考技術の圧縮膨張ユニット（30）では、膨張機構（60）へ流入しようとする膨張前の高圧冷媒の一部が、冷媒流入管（101）を通って駆動用空間（92）へ流入する。膨張機構（60）へ向かって流れる膨張前の高圧冷媒は、冷媒回路（20）内に存在する高圧冷媒のうちで最も低温である。従って、本参考技術によれば、駆動用空間（92）内の冷媒と補助用空間（91）内の冷媒との温度差をできる限り縮小することができ、駆動用空間（92）内の冷媒から補助用空間（91）内の冷媒へ侵入する熱量を低く抑えることができる。

《実施形態》
本発明の実施形態について説明する。図５に示すように、本実施形態の圧縮膨張ユニット（30）は、ガス化用加熱部であるガス化用熱交換器（110）を参考技術１の圧縮膨張ユニット（30）に追加したものである。

ガス化用熱交換器（110）は、第１流路（111）と第２流路（112）とを備え、第１流路（111）を流れる流体と第２流路（112）を流れる流体とを熱交換させるように構成されている。ガス化用熱交換器（110）の第１流路（111）は、膨張機構（60）の流入ポート（34）に接続して膨張前の高圧冷媒が流れる配管に配置されている。ガス化用熱交換器（110）の第２流路（112）は、冷媒流入管（101）におけるキャピラリチューブ（105）の下流側に配置されている。

本実施形態の圧縮膨張ユニット（30）において、冷媒流入管（101）へ流入した高圧冷媒は、キャピラリチューブ（105）を通過する際に膨脹して気液二相状態となり、その後にガス化用熱交換器（110）の第２流路（112）へ流入する。ガス化用熱交換器（110）において、第１流路（111）を流れる高圧冷媒は、第２流路（112）を流れる冷媒よりも高温となっている。このため、ガス化用熱交換器（110）では、第２流路（112）を流れる冷媒が第１流路（111）を流れる高圧冷媒によって加熱され、第２流路（112）を流れる冷媒中の液成分が蒸発する。そして、駆動用空間（92）へは、ガス化用熱交換器（110）の第２流路（112）を通過する間にガス成分が増加し、あるいは完全にガス単相状態となった冷媒が供給される。

このように、本実施形態の圧縮膨張ユニット（30）では、駆動用空間（92）内の冷媒に含まれるガス成分を増やすことができ、あるいは駆動用空間（92）内の冷媒をガス単相状態にすることができる。従って、本実施形態によれば、駆動用空間（92）内の冷媒の圧縮性を充分に確保することができ、補助用空間（91）内の冷媒圧力の変化に応じてピストン部材（93）をスムーズに移動させることが可能となる。

《参考技術２》
参考技術２について説明する。本参考技術は、上記参考技術１の空調機（10）において、圧縮膨張ユニット（30）の構成を変更したものである。

図６に示すように、本参考技術の圧縮膨張ユニット（30）では、冷媒流入管（101）の接続位置が上記参考技術１と異なっている。本参考技術の圧縮膨張ユニット（30）のその他の構成は、上記参考技術１と同様である。

具体的に、本参考技術の圧縮膨張ユニット（30）において、冷媒流入管（101）の一端は、圧縮膨張ユニット（30）の吐出管（36）に接続して圧縮機構（50）から吐出された高圧冷媒が流通する配管に接続されている。なお、冷媒流入管（101）の他端が冷媒流通配管（100）に接続される点は、上記参考技術１と同様である。

本参考技術の圧縮膨張ユニット（30）において、冷媒流入管（101）へは、圧縮膨張ユニット（30）から吐出管（36）を通って流出した高圧冷媒の一部が流入する。冷媒流入管（101）へ流入した高圧冷媒は、キャピラリチューブ（105）を通過する際に膨脹して過熱状態のガス冷媒となり、その後に駆動用空間（92）へ流入する。つまり、本参考技術の圧縮膨張ユニット（30）では、駆動用空間（92）内がガス単相状態の冷媒によって満たされる。従って、本参考技術によれば、駆動用空間（92）内の冷媒の圧縮性を充分に確保することができ、補助用空間（91）内の冷媒圧力の変化に応じてピストン部材（93）をスムーズに移動させることが可能となる。

−参考技術２の変形例−
本参考技術の圧縮膨張ユニット（30）では、冷媒流出管（102）の接続位置を変更してもよい。

図７に示すように、本変形例の圧縮膨張ユニット（30）において、冷媒流出管（102）の一端は、圧縮膨張ユニット（30）の吸入ポート（32）に接続して圧縮機構（50）へ吸入される低圧ガス冷媒が流通する配管に接続されている。なお、冷媒流出管（102）の他端が冷媒流通配管（100）に接続される点は、図６に示すものと同様である。そして、本変形例の圧縮膨張ユニット（30）では、冷媒流出管（102）を流れる冷媒が低圧ガス冷媒の流れる配管へ送り出される。

《その他の実施形態》
−第１変形例−
上記の実施形態及び各参考技術の圧縮膨張ユニット（30）では、図８に示すように、キャピラリチューブ（105）に代えて流入側調節弁（103）を冷媒流出管（102）に設け、流出側調節弁（104）に代えてキャピラリチューブ（106）を冷媒流出管（102）に設けてもよい。なお、図８に示す圧縮膨張ユニット（30）は、上記参考技術１の圧縮膨張ユニット（30）に本変形例を適用したものである。

本変形例の圧縮膨張ユニット（30）では、流入側調節弁（103）が流入側絞り機構を構成し、キャピラリチューブ（106）が流出側絞り機構を構成する。流入側調節弁（103）は、開度可変の電動膨張弁である。

図８に示す圧縮膨張ユニット（30）において、補助用空間（91）の流入時容積を減少させる場合には、流入側調節弁（103）の開度が拡大される。流入側調節弁（103）の開度が大きくなると、駆動用空間（92）内の冷媒圧力が上昇する。そして、上記参考技術１について説明した通り、流入行程中に駆動用空間（92）内の冷媒圧力が上昇すると、流入行程中にピストン部材（93）が最も駆動用空間（92）側へ退いた時点における補助用空間（91）の容積（即ち、流入時容積）が小さくなる。

一方、補助用空間（91）の流入時容積を増加させる場合には、流入側調節弁（103）の開度が縮小される。流入側調節弁（103）の開度が小さくなると、駆動用空間（92）内の冷媒圧力が低下する。そして、上記参考技術１について説明した通り、流入行程中に駆動用空間（92）内の冷媒圧力が低下すると、流入行程中にピストン部材（93）が最も駆動用空間（92）側へ退いた時点における補助用空間（91）の容積（即ち、流入時容積）が大きくなる。

また、流入側調節弁（103）を全閉した状態において、駆動用空間（92）内の冷媒圧力は、膨張後の低圧冷媒の圧力と実質的に等しくなる。つまり、この状態において、駆動用空間（92）内の冷媒圧力は、冷凍サイクルの低圧と実質的に等しくなる。

上述したように、流入側調節弁（103）を全閉した状態では、駆動用空間（92）の内圧が、膨張機構（60）から流出した膨張後の低圧冷媒の圧力と実質的に同じ値となる。このため、駆動用空間（92）の内圧の調節範囲の下限値は、冷凍サイクルの低圧と実質的に同じ値となる。一方、流入側調節弁（103）を全開した状態でも、冷媒が流入側調節弁（103）を通過する際には若干の圧力損失が生じる。従って、流入側調節弁（103）を全開した状態では、駆動用空間（92）の内圧が、膨張機構（60）へ流入する膨張前の高圧冷媒の圧力よりも若干低くなる。このため、駆動用空間（92）の内圧の調節範囲の上限値は、冷凍サイクルの高圧よりも僅かに低い値となる。

−第２変形例−
上記の実施形態及び各参考技術の圧縮膨張ユニット（30）では、図９に示すように、キャピラリチューブ（105）に代えて流入側調節弁（103）を冷媒流出管（102）に設けてもよい。なお、図９に示す圧縮膨張ユニット（30）は、上記参考技術１の圧縮膨張ユニット（30）に本変形例を適用したものである。

本変形例の圧縮膨張ユニット（30）では、流入側調節弁（103）が流入側絞り機構を構成し、流出側調節弁（104）が流出側絞り機構を構成する。流入側調節弁（103）は、開度可変の電動膨張弁である。つまり、本変形例では、流入側絞り機構と流出側絞り機構の両方が開度可変の膨張弁によって構成される。

図９に示す圧縮膨張ユニット（30）において、補助用空間（91）の流入時容積を減少させる場合には、流入側調節弁（103）の開度が拡大され、あるいは流出側調節弁（104）の開度が縮小され、その結果、駆動用空間（92）内の冷媒圧力が上昇する。そして、上記参考技術１について説明した通り、流入行程中に駆動用空間（92）内の冷媒圧力が上昇すると、流入行程中にピストン部材（93）が最も駆動用空間（92）側へ退いた時点における補助用空間（91）の容積（即ち、流入時容積）が小さくなる。

また、流出側調節弁（104）を全閉した状態において、駆動用空間（92）内の冷媒圧力は、膨張前の高圧冷媒の圧力と実質的に等しくなる。従って、この状態において、ピストン部材（93）は、コイルばね（94）から受ける力によって補助用空間（91）側へ最も押し込まれた位置に保持され、補助用空間（91）の容積が実質的にゼロとなる。つまり、流出側調節弁（104）を全閉状態に設定すれば、流入行程中における補助用空間（91）の容積（即ち、流入時容積）が実質的にゼロとなる。

一方、補助用空間（91）の流入時容積を増加させる場合には、流入側調節弁（103）の開度が縮小され、あるいは流出側調節弁（104）の開度が拡大され、その結果、駆動用空間（92）内の冷媒圧力が低下する。そして、上記参考技術１について説明した通り、流入行程中に駆動用空間（92）内の冷媒圧力が低下すると、流入行程中にピストン部材（93）が最も駆動用空間（92）側へ退いた時点における補助用空間（91）の容積（即ち、流入時容積）が大きくなる。

また、流入側調節弁（103）を全閉した状態において、駆動用空間（92）内の冷媒圧力は、膨張後の低圧冷媒の圧力と実質的に等しくなる。つまり、この状態において、駆動用空間（92）内の冷媒圧力は、冷凍サイクルの低圧と実質的に等しくなる。

上述したように、流出側調節弁（104）を全閉した状態では、駆動用空間（92）の内圧が、膨張機構（60）へ流入する膨張前の高圧冷媒の圧力と実質的に等しくなる。このため、駆動用空間（92）の内圧の調節範囲の上限値は、冷凍サイクルの高圧と実質的に同じ値となる。また、流入側調節弁（103）を全閉した状態では、駆動用空間（92）の内圧が、膨張機構（60）から流出した膨張後の低圧冷媒の圧力と実質的に等しくなる。このため、駆動用空間（92）の内圧の調節範囲の下限値は、冷凍サイクルの低圧と実質的に同じ値となる。

−第３変形例−
上記の実施形態及び各参考技術では、圧縮膨張ユニット（30）の膨張機構（60）がスクロール型流体機械によって構成されていてもよい。

図１０に示すように、本変形例の膨張機構（60）には、固定スクロール（120）と可動スクロール（122）とが設けられる。固定スクロール（120）には、固定側ラップ（121）が形成されている。可動スクロール（122）には、可動側ラップ（123）が形成されている。固定側ラップ（121）と可動側ラップ（123）は、共に渦巻き壁状に形成されており、互いに噛み合わされて複数の膨張室（66a,66b）を形成している。具体的に、膨張機構（60）では、固定側ラップ（121）の内側面と可動側ラップ（123）の外側面とに挟まれた空間が、流体室としてのＡ室（66a）を構成し、固定側ラップ（121）の外側面と可動側ラップ（123）の内側面とに挟まれた空間が、流体室としてのＢ室（66b）を構成している。

本変形例の膨張機構（60）において、流入ポート（34）と流出ポート（35）は、何れも固定スクロール（120）に形成されている。流入ポート（34）は、固定側ラップ（121）の内周側の端部（巻き始め側の端部）付近に開口しており、最内周側に形成されたＡ室（66a）及びＢ室（66b）と連通可能になっている。流出ポート（35）は、固定側ラップ（121）の外周側の端部（巻き終わり側の端部）付近に開口しており、最外周側に形成されたＡ室（66a）及びＢ室（66b）と連通可能になっている。

本変形例の膨張機構（60）では、例えば固定スクロール（120）にシリンダ空間（90）が形成される。上記の実施形態及び各参考技術と同様に、シリンダ空間（90）は、ピストン部材（93）によって補助用空間（91）と駆動用空間（92）に仕切られている。補助用空間（91）は、第１接続通路（96）を介して最内周側のＡ室（66a）と連通し、第２接続通路（97）を介して最内周側のＢ室（66b）と連通している。

上記の実施形態及び各参考技術と同様に、本変形例の膨張機構（60）では、駆動用空間（92）にコイルばね（94）が収容されており、このコイルばね（94）がピストン部材（93）に対して補助用空間（91）向きの力を作用させる。また、駆動用空間（92）には、冷媒流通配管（100）が接続されている。

本変形例の膨張機構（60）では、上記の実施形態及び各参考技術と同様に、駆動用空間（92）が圧縮性流体であるガス単相状態または気液二相状態の冷媒で満たされている。駆動用空間（92）内の冷媒圧力を調節すると、流入行程中におけるピストン部材（93）の位置が変化し、それに伴って補助用空間（91）の容積が増減する。そして、補助用空間（91）の容積が変化すると、一回の流入行程において膨張機構（60）の流入ポート（34）へ流入する高圧冷媒の体積が変化する。

−第４変形例−
上記の実施形態及び各参考技術では、膨張機構（60）と圧縮機構（50）が一つのケーシング（31）内に収容されているが、膨張機構（60）と圧縮機構（50）は、それぞれ別々のケーシング内に収容されていてもよい。本変形例において、膨張機構（60）は、膨張機構（60）によって駆動される発電機と共に第１のケーシングに収容される。また、圧縮機構（50）は、圧縮機構（50）を駆動する電動機と共に第２のケーシングに収容される。そして、本変形例では、 膨張機構（60）と発電機を第１のケーシングに収容したものが、膨張機を構成する。

なお、以上の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

以上説明したように、本発明は、冷凍サイクルを行う冷媒回路に接続される膨張機について有用である。

参考技術１の空調機の概略構成を示す冷媒回路図である。 参考技術１の圧縮膨張ユニットの概略構成を示す縦断面図である。 参考技術１の各ロータリ機構部の要部を個別に示す横断面図である。 参考技術１の膨張機構におけるシャフトの回転角９０°毎の各ロータリ機構部の状態を示す横断面図である。 実施形態の圧縮膨張ユニットの概略構成を示す縦断面図である。 参考技術２の圧縮膨張ユニットの概略構成を示す縦断面図である。 参考技術２の変形例の圧縮膨張ユニットの概略構成を示す縦断面図である。 その他の実施形態の第１変形例の圧縮膨張ユニットの概略構成を示す縦断面図である。 その他の実施形態の第２変形例の圧縮膨張ユニットの概略構成を示す縦断面図である。 その他の実施形態の第３変形例の圧縮膨張ユニットの概略構成を示す縦断面図である。

20 冷媒回路
30 圧縮膨張ユニット（膨張機）
40 シャフト（回転軸）
50 圧縮機構（圧縮機）
60 膨張機構
66 膨張室
72 第１流体室
91 補助用空間
92 駆動用空間
93 ピストン部材
94 コイルばね（弾性部材）
101 冷媒流入管（流入側通路）
102 冷媒流出管（流出側通路）
103 流入側調節弁（流入側絞り機構）
104 流出側調節弁（流出側絞り機構）
105 キャピラリチューブ（流入側絞り機構）
106 キャピラリチューブ（流出側絞り機構）
110 ガス化用熱交換器（ガス化用加熱部）
115 容量変更機構

Claims (6)

1. 冷凍サイクルを行う冷媒回路（20）に接続される膨張機であって、
   流体室（72）を形成する容積型流体機械により構成されて該流体室（72）内で冷媒が膨張する膨張機構（60）と、
   上記膨張機構（60）に形成されて上記流体室（72）に連通する補助用空間（91）と、
   上記流体室（72）へ冷媒が流入する流入行程中の上記補助用空間（91）の容積である流入時容積を変更するための容積変更機構（115）とを備え、
   上記容積変更機構（115）は、上記流体室（72）において冷媒が膨張する膨張行程中に上記補助用空間（91）の容積を上記流入時容積よりも小さくするように構成され、
   更に、上記容積変更機構（115）は、上記膨張機構（60）に形成されて圧縮性流体によって満たされた駆動用空間（92）と、上記補助用空間（91）と上記駆動用空間（92）とを仕切る移動自在のピストン部材（93）とを備え、上記駆動用空間（92）の内圧を調節することによって上記流入時容積を変更するように構成され、
   上記駆動用空間（92）は、圧縮性流体であるガス単相状態または気液二相状態の冷媒によって満たされ、
   更に、上記容積変更機構（115）は、上記冷媒回路（20）のうち高圧冷媒が流れる部分を上記駆動用空間（92）に連通させる流入側通路（101）と、上記流入側通路（101）に設けられて冷媒を膨張させる流入側絞り機構（103,105）と、上記冷媒回路（20）のうち低圧冷媒が流れる部分を上記駆動用空間（92）に連通させる流出側通路（102）と、上記流出側通路（102）に設けられて冷媒を膨張させる流出側絞り機構（104,106）とを備え、
   上記流入側絞り機構（103,105）と上記流出側絞り機構（104,106）の一方または両方が開度可変の膨張弁によって構成され、
   更に、上記容積変更機構（115）は、上記流入側絞り機構（103,105）と上記流出側絞り機構（104,106）の一方または両方を構成する膨張弁の開度を調節することによって、上記駆動用空間（92）の内圧を調節するように構成され、
   上記流入側通路（101）は、上記冷媒回路（20）のうち上記膨張機構（60）の流入側に接続して膨張前の高圧冷媒が流通する部分を上記駆動用空間（92）に連通させ、
   上記流入側通路（101）における上記流入側絞り機構（103,105）の下流には、該流入側絞り機構（103,105）を通過した冷媒を加熱してガス化するためのガス化用加熱部（110）が設けられている
   ことを特徴とする膨張機。
2. 請求項１において、
   上記容積変更機構（115）は、上記駆動用空間（92）の内圧を、上記冷媒回路（20）が行う冷凍サイクルの高圧以下で該冷凍サイクルの低圧以上の値に設定する
   ことを特徴とする膨張機。
3. 請求項１又は２において、
   上記ピストン部材（93）に対して上記補助用空間（91）向きの力を作用させるための弾性部材（94）を備えている
   ことを特徴とする膨張機。
4. 請求項１において、
   上記ガス化用加熱部（110）は、上記流入側絞り機構（103,105）を通過した冷媒を、上記膨張機構（60）へ流入する膨張前の高圧冷媒と熱交換させてガス化するように構成されている
   ことを特徴とする膨張機。
5. 請求項１乃至４の何れか一つにおいて、
   上記流出側通路（102）は、上記冷媒回路（20）のうち上記膨張機構（60）の流出側に接続して膨張後の低圧冷媒が流通する部分を上記駆動用空間（92）に連通させている
   ことを特徴とする膨張機。
6. 請求項１乃至５の何れか一つにおいて、
   冷媒を圧縮するための流体機械であって上記冷媒回路（20）の圧縮機を構成する圧縮機構（50）と、
   上記圧縮機構（50）を上記膨張機構（60）と連結する回転軸（40）とを備えている
   ことを特徴とする膨張機。

Images