JP5296065B2 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷凍サイクル装置に関する。

一般的に、冷凍サイクル装置の冷媒回路は、圧縮機、放熱器、膨張弁および蒸発器が順に接続された構成を有している。冷媒は、膨張弁において高圧から低圧へと膨張を伴いながら変化し、その際に、内部エネルギーを放出する。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くなればなるほど、放出される内部エネルギーが大きくなるため、冷凍サイクルのエネルギー効率は低下する。このような問題に鑑み、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。

図８は、特開２００４−３２４５９５号公報および国際公開２００８／０５０６５４号公報に開示されている、従来の冷凍サイクル装置５０１の構成図である。冷凍サイクル装置５０１は、放熱器５０２、動力回収手段５０３（膨張機）、蒸発器５０４、容積型ブロワ５０５（副圧縮機）および主圧縮機５０６が順に接続されてなる冷媒回路を備えている。流体機械５０７は、動力回収手段５０３、容積型ブロワ５０５、シャフト５０８およびこれらを収容する密閉容器５０９を備えている。動力回収手段５０３で回収された動力が容積型ブロワ５０５に伝達されるように、動力回収手段５０３および容積型ブロワ５０５がシャフト５０８で互いに連結されている。動力回収手段５０３で冷媒から放出された内部エネルギーの一部は、シャフト５０８のトルクに変換されて容積型ブロワ５０５に伝達され、容積型ブロワ５０５を駆動するための動力として利用される。容積型ブロワ５０５は、主圧縮機５０６に吸入される前の冷媒を予備的に昇圧する。

特開２００４−３２４５９５号公報には、流体機械５０７の起動（自立起動）について、次のように記載されている。主圧縮機５０６を起動すると、最初に、容積型ブロワ５０５の吐出管内に負圧が発生する。すると、シャフト５０８を回転させるトルクが発生する。次いで、動力回収手段５０３の吸入管内に正力が発生し、これにより、動力回収手段５０３が回転する。

しかし、電動機によって起動力を受ける主圧縮機５０６とは異なり、流体機械５０７は、容積型ブロワ５０５の吐出管内の負圧あるいは動力回収手段５０３の吸入管内の正圧からしか起動力を受けない。そのため、十分な起動力を確保できない可能性がある。

流体機械５０７の具体例は、国際公開２００８／０５０６５４号公報に開示されている。図９は、国際公開２００８／０５０６５４号公報に開示された流体機械における動力回収手段の断面図である。動力回収手段５０３は、シリンダ５１０、ピストン５１３およびベーン５１１を備えている。冷媒は、吸入管５１４を通じて作動室５１５に流入し、シャフト５０８の回転に伴って、吐出管５１６を通じて動力回収手段５０３の外部に流出する。この動力回収手段５０３によると、ピストン５１３が吸入口５１７に重なって停止した場合、次回の起動時に、吸入管５１４内に発生した正圧で端板（シリンダ５１０を閉じている部材）に向けてピストン５１３が押される。つまり、起動時におけるピストン５１３と端板との間の摩擦が比較的大きい。そのため、ピストン５１３を回転させるのに余計なトルクが必要となる。このことは、流体機械５０７の円滑な起動にとって好ましくない。

特開２００４−３２４５９５号公報 国際公開２００８／０５０６５４号公報

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、円滑な起動を行なうのに適した流体機械を提供することにある。さらに、本発明は、その流体機械を用いた冷凍サイクル装置を提供する。

すなわち、本発明は、
冷媒が循環する冷媒回路を備えた冷凍サイクル装置であって、
前記冷媒回路は、
作動流体から動力を回収する動力回収機構と、前記回収された動力で駆動される副圧縮機と、前記回収された動力が前記動力回収機構から前記副圧縮機に伝達されるように、前記動力回収機構と前記副圧縮機とを連結しているシャフトと、前記動力回収機構、前記副圧縮機および前記シャフトを収容している密閉容器と、を備え、前記動力回収機構と前記副圧縮機とが前記シャフトの軸方向に隣接して前記密閉容器内に配置されている流体機械と、
前記流体機械における前記副圧縮機で予備圧縮された冷媒をさらに圧縮する主圧縮機と、
前記主圧縮機により圧縮された冷媒を冷却する放熱器と、
前記流体機械における前記動力回収機構から吐出された冷媒を蒸発させる蒸発器と、を有し、
前記動力回収機構は、
（a1）第１閉塞部材と、
（b1）前記第１閉塞部材に対向する第２閉塞部材と、
（c1）前記シャフトの一部を周方向に囲んでいるとともに、前記第１閉塞部材と前記第２閉塞部材とにより両端が閉塞されたシリンダと、
（d1）前記シリンダ内において前記シャフトに取り付けられ、自身の外周面と前記シリンダの内周面との間に作動室を形成するピストンと、
（e1）前記作動室を高圧側の作動室と低圧側の作動室とに仕切る仕切部材と、
（f1）前記ピストンの回転に伴って開閉して前記高圧側の作動室に作動流体が流入するように、前記第１閉塞部材に設けられた第１吸入口と、
（g1）前記ピストンの回転に伴って開閉して前記高圧側の作動室に作動流体が流入するように、前記シャフトの軸方向に関して前記第１吸入口と向かい合う位置であって前記第２閉塞部材に設けられた第２吸入口と、
当該動力回収機構の外部から、前記第１吸入口および前記第２吸入口のそれぞれを経て、前記高圧側の作動室へと作動流体を供給するための吸入経路と、を含み、
前記吸入経路が、（i）前記第２閉塞部材の外周面から前記シャフトの中心に向かって延びている共通吸入経路と、（ii）前記共通吸入経路から前記第１吸入口を経て前記高圧側の作動室へと作動流体を供給しうるように、前記共通吸入経路から分岐するとともに前記シリンダを前記軸方向に貫いて前記第１吸入口に至る第１吸入経路と、（iii）前記共通吸入経路から前記第２吸入口を経て前記高圧側の作動室へと作動流体を供給しうるように、前記シャフトの径方向に関して前記第１吸入経路よりも内側において前記共通吸入経路から分岐するとともに前記軸方向に延びて前記第２吸入口に至る第２吸入経路と、を含む、冷凍サイクル装置を提供する。

上記本発明によれば、動力回収機構が、第１吸入口と、第１吸入口と向かい合う位置に設けられた第２吸入口とを備えている。そのため、吸入管内に生じた正圧が、第１および第２吸入口を通じて、ピストンの上面および下面の両方に作用する。つまり、ピストンを閉塞部材に向けて押す力が相殺される。したがって、本発明によれば、円滑な起動を行なうのに適した流体機械を提供できる。場合によっては、電動機などの補助駆動装置の助けも不要である。

本発明の一実施形態に係る冷凍サイクル装置の構成図 図１に示す流体機械の縦断面図 図２Ａの切断角度とは別の切断角度での、流体機械の縦断面図 動力回収機構に設けられた吸入経路の拡大断面図 図２に示す流体機械のＤ１−Ｄ１線に沿った横断面図 動力回収機構の動作原理図 図２に示す流体機械のＤ２−Ｄ２線に沿った横断面図 副圧縮機の動作原理図 従来の冷凍サイクル装置の構成図 従来の膨張機の横断面図

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。ただし、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。

本実施形態では、その特性上、通常は非圧縮性の作動流体に対してのみ用いられる流体圧モータを、圧縮性の冷媒を作動流体として用いる冷凍サイクル装置の動力回収機構および副圧縮機として使用している。これにより、冷凍サイクル装置の運転のエネルギー効率を向上している。

本明細書において、「流体圧モータ」とは、吸入側の作動流体（典型的には冷媒）の圧力と吐出側の作動流体の圧力との間の圧力差によって回転し、吸入した作動流体を体積変化させることなく吐出行程を開始するモータをいう。吸入側の作動流体の圧力とは、流体圧モータに吸入されるべき作動流体の圧力を意味する。吐出側の作動流体の圧力とは、流体圧モータから吐出された作動流体の圧力を意味する。詳細には、流体圧モータは、吐出行程の開始までは、作動流体を体積変化させないモータをいう。なお、吐出行程の開始後、換言すれば、流体圧モータの内部が吐出経路と連通した後は、流体圧モータの内部が減圧または昇圧され、作動流体が膨張する、または圧縮される。

本明細書で開示する技術は、二酸化炭素などの高圧側で超臨界状態となる冷媒を用いる冷凍サイクル装置に特に有効なものである。高圧側で超臨界状態となる冷媒を用いた場合、放熱器の出口における冷媒の密度と蒸発器の入口における冷媒の密度との比で表される冷媒の膨張率は非常に小さい。この種の冷媒が膨張時に放出するエネルギーは、圧力降下に基づいて放出される内部エネルギーが大部分を占める。比容積の増加に基づいて放出される内部エネルギーは僅かであり、それは、場合によっては過膨張損失よりも小さくなる。したがって、比容積の増加に基づいて放出される内部エネルギーの回収をあえて断念し、過膨張損失の発生を防止できる構成を採用した方が、放出される内部エネルギーの全量の回収を試みた構成よりもエネルギー回収効率の面で有利となりうる。

また、本実施形態では、動力回収機構および副圧縮機として使用する流体圧モータは、冷媒を吸入する吸入行程と、その吸入した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である。具体的には、吸入口と吐出口とが同時に閉じられる期間が実質的にない、すなわち、実質的に全期間にわたって吸入口と吐出口とのうち少なくとも一方が開く。

このため、圧力脈動の発生が抑制される。したがって、吸入経路を構成する吸入管等の冷凍サイクル装置の構成部材の破損、トルク変動による流体圧モータの回転の不安定化、振動および騒音の発生、といった問題が表面化しにくい。なお、「吸入口と吐出口とが同時に閉じられる期間が実質的にない」とは、流体圧モータのトルク変動が生じない程度において瞬間的に吸入口と吐出口とが同時に閉じられることを含む概念である。

さらに、冷媒回路は、下記の如く、動力回収機構から吐出された冷媒の少なくとも一部が気相となるように構成されている。冷媒の一部が気相となって圧縮性を獲得することにより、間欠的な冷媒吐出によって生じる吐出流速の変動に起因する水撃力が緩和される。この結果、動力回収機構のスムーズな起動が可能になるとともに、振動および騒音も低減できる。

以下、本実施形態に係る冷凍サイクル装置について、図１〜７を参照しながら詳細に説明する。

図１に示すように、冷凍サイクル装置１０１は、主圧縮機１０３と、放熱器１０４と、動力回収機構１０５と、蒸発器１０６と、副圧縮機１０２と、を有する冷媒回路１０９を備えている。冷媒回路１０９には、作動流体として、二酸化炭素やハイドロフルオロカーボン等の冷媒が充填されている。二酸化炭素のように冷凍サイクルの高圧側で超臨界状態となる冷媒を使用する場合に、本発明が特に優れた効果を発揮する。

主圧縮機１０３は、圧縮機構１０３ａ（圧縮機本体）と、圧縮機構１０３ａに接続された電動機１０８と、圧縮機構１０３ａおよび電動機１０８を収納する密閉容器１６０と、を備えている。圧縮機構１０３ａは、電動機１０８により駆動される。圧縮機構１０３ａは、冷媒回路１０９内を循環する冷媒を高温高圧に圧縮する。主圧縮機１０３として、スクロール圧縮機やロータリ圧縮機のような容積型圧縮機を使用できる。

放熱器１０４は、主圧縮機１０３に接続されている。放熱器１０４は、主圧縮機１０３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１０４は冷媒を冷却する。放熱器１０４により冷却された冷媒は中温高圧になる。

動力回収機構１０５は、放熱器１０４に接続されている。動力回収機構１０５は、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１０５は、放熱器１０４からの冷媒を吸入する行程と、その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１０５は、放熱器１０４で中温高圧に変化した冷媒を吸入し、実質的に体積変化させることなく蒸発器１０６側に吐出する。ここで、主圧縮機１０３により、動力回収機構１０５を挟んで放熱器１０４側が比較的高圧となっており、蒸発器１０６側が比較的低圧となっている。このため、動力回収機構１０５に吸入された冷媒は動力回収機構１０５から吐出されるときに膨張し、低圧となる。

蒸発器１０６は、動力回収機構１０５に接続されている。蒸発器１０６は、動力回収機構１０５からの冷媒を加熱して蒸発させる。

副圧縮機１０２は、冷媒回路１０９において、蒸発器１０６と主圧縮機１０３との間に配置されている。副圧縮機１０２は、シャフト１２によって動力回収機構１０５に連結されている。副圧縮機１０２は、動力回収機構１０５により回収された動力により駆動される。副圧縮機１０２は、動力回収機構１０５と同様に流体圧モータにより構成されている。副圧縮機１０２は、蒸発器１０６からの冷媒を吸入する行程と、その吸入した冷媒を主圧縮機１０３側に吐出する行程と、を実質的に連続して行う。副圧縮機１０２は、蒸発器１０６からの冷媒を吸入し、実質的に体積変化させることなく主圧縮機１０３側に吐出する。蒸発器１０６からの冷媒は、副圧縮機１０２から吐出されることによって予備的に圧縮される。予備的に圧縮された冷媒は主圧縮機１０３によってさらに圧縮されて再び高温高圧となる。

冷凍サイクル装置１０１は、また、バイパス回路１０７ａを備えている。バイパス回路１０７ａは、副圧縮機１０２を迂回しているとともに、蒸発器１０６の出口と主圧縮機１０３の入口とを接続している。バイパス回路１０７ａにはバイパス弁１０７ｂが設けられている。通常の運転時には、副圧縮機１０２による過給効果（予備圧縮効果）が得られるように、バイパス弁１０７ｂは閉じられている。冷凍サイクル装置１０１の起動時に、バイパス弁１０７ｂを開く。バイパス弁１０７ｂを開くと、動力回収機構１０５の入口と出口との間に比較的大きい圧力差を生じさせることができる。その結果、冷凍サイクル装置１０１を円滑に起動しやすくなる。

図２Ａに示すように、動力回収機構１０５（第１流体機構）と副圧縮機１０２（第２流体機構）とは、ひとつの流体機械１１０を構成している。流体機械１１０は、冷凍機油により満たされた密閉容器１１１を有している。動力回収機構１０５と副圧縮機１０２とは、この密閉容器１１１内に配置されている。これにより、冷凍サイクル装置１０１のコンパクト化が図られている。

流体機械１１０には、バランスウエイト１５２が設けられている。具体的には、シャフト１２の各端部に、バランスウエイト１５２がそれぞれ取り付けられている。バランスウエイト１５２は、シャフト１２の中心軸周りの重量ばらつきを低減する役割を担う。密閉容器１１１には、均油管１６３の一端が接続されている。この均油管１６３の他端は、主圧縮機１０３の密閉容器１６０に接続されている。本実施形態において、流体機械１１０は電動機を有していない。

（動力回収機構１０５の構成）
動力回収機構１０５は、密閉容器１１１内の下部に配置されている。本実施形態では、動力回収機構１０５がロータリ式の流体圧モータによって構成されている例について説明する。ただし、動力回収機構１０５がロータリ式の流体圧モータに限定されるわけではない。動力回収機構１０５が固有の容積比を有する膨張機、例えば、ロータリ膨張機やスクロール膨張機で構成されていてもよい。

動力回収機構１０５は、第１閉塞部材１１５と、第２閉塞部材１１３とを備えている。第１閉塞部材１１５と第２閉塞部材１１３とは、相互に対向している。第１閉塞部材１１５と第２閉塞部材１１３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１１５と第２閉塞部材１１３とによって閉塞されている。第１閉塞部材１１５および第２閉塞部材１１３は、それぞれ、第１シリンダ２２の上下に位置している。

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。第１シリンダ２２は、シャフト１２の一部を周方向に囲んでいる。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。シャフト１２は、第２閉塞部材１１３と、後述する第３閉塞部材１１４とによって支持されている。シャフト１２には、シャフト１２を軸方向に貫通する給油孔１２ａが形成されている。この給油孔１２ａを経由して、密閉容器１１１内の冷凍機油が、副圧縮機１０２や動力回収機構１０５の軸受や隙間等に供給される。なお、シャフト１２は、単一の部品で構成されていてもよいし、複数の部品で構成されていてもよい。

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１１５と第２閉塞部材１１３とにより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、シャフト１２の中心軸に対して偏心した状態でシャフト１２に取り付けられている。具体的には、シャフト１２は、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。したがって、第１ピストン２１は、シャフト１２の回転に伴って偏心回転する。

第１ピストン２１の外周面と第１シリンダ２２の内周面と第１閉塞部材１１５と第２閉塞部材１１３とにより、第１シリンダ２２内に第１作動室２３が形成されている（図４も参照）。第１作動室２３は、第１ピストン２１がシャフト１２と共に回転しても容積が実質的に不変である。

図４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の外周面に向けて押しつけられている。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。

なお、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の背面空間の体積を縮小する方向にスライドしたときに、その背面空間内の圧力が、第１作動室２３の圧力よりも高くなり、その圧力差によって第１仕切部材２４が第１ピストン２１に向かって押されるようにしてもよい。例えば、第１仕切部材２４の背面空間を密閉空間とし、背面空間の体積が第１仕切部材２４の後退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。なお、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。背面空間とは、第１仕切部材２４の後端と線条溝２２ａの底部との間に形成される空間をいう。

図２Ａに示すように、第１閉塞部材１１５には、第１ピストン２１の回転に伴って開閉して吸入作動室２３ａに冷媒が流入するように、第１吸入口２６が設けられている。同様に、第２閉塞部材１１３には、第１ピストン２１の回転に伴って開閉して吸入作動室２３ａに冷媒が流入するように、シャフト１２の軸方向に関して第１吸入口２６と向かい合う位置に第２吸入口２７が設けられている。つまり、動力回収機構１０５は、２つの吸入口２６および２７を備えている。第１ピストン２１が吸入口２６および２７に重なって停止しても、次の起動時において、第１ピストン２１の上面および下面の両方に正圧が作用する。これにより、第１ピストン２１が閉塞部材１１５または１１３に向けて強く押されるのを回避でき、ひいては冷凍サイクル装置１０１の円滑な起動が可能となる。さらに、通常の運転時においても、第１ピストン２１の上面および下面の両方に冷媒の圧力が作用する。そのため、第１ピストン２１と閉塞部材１１５または１１３との間の摺動損失が低減し、動力回収機構１０５の効率が改善する。

具体的に、動力回収機構１０５は、当該動力回収機構１０５の外部（放熱器１０４）から、第１吸入口２６および第２吸入口２７のそれぞれを経て、吸入作動室２３ａへと冷媒を供給するための吸入経路５３を含む。この吸入経路５３は、共通吸入経路４０、第１吸入経路５１および第２吸入経路５２で構成されている。第１吸入経路５１の終端に第１吸入口２６が位置し、第２吸入経路５２の終端に第２吸入口２７が位置している。また、動力回収機構１０５は、密閉容器１１１の外部から吸入経路５３に冷媒を導く吸入管２８を備えている。

共通吸入経路４０は、第２閉塞部材１１３に形成されており、第２閉塞部材１１３の外周面からシャフト１２の中心に向かって延びている太い経路である。この共通吸入経路４０に、吸入管２８が直接に接続されている。第１吸入経路５１は、共通吸入経路４０から第１吸入口２６を経て吸入作動室２３ａへと冷媒を供給しうるように、共通吸入経路４０から分岐するとともに第１シリンダ２２を軸方向に貫いて第１吸入口２６に至っている。第２吸入経路５２は、共通吸入経路４０から第２吸入口２７を経て吸入作動室２３ａへと冷媒を供給しうるように、シャフト１２の径方向に関して第１吸入経路５１よりも内側において共通吸入経路４０から分岐するとともに軸方向に延びて第２吸入口２７に至っている。このような構造によれば、吸入管２８の本数を増やすことなく、２つの吸入口２６および２７を設けることができる。

詳細には、第１吸入経路５１は、第２閉塞部材１１３に形成された部分と、第１シリンダ２２に形成された部分と、第１閉塞部材１１５に形成された部分とを含む。軸方向に関して、第１吸入経路５１は、作動室２３の下側から上側に回り込んでいる。つまり、第１吸入経路５１は、かぎ形の断面プロファイルを示している。

なお、第１吸入経路５１の長さを第２吸入経路５２の長さに等しくするために、共通吸入経路４０を第１シリンダ２２に設ける構成も考えられる。しかし、作動室２３の容積が小さい場合には、第１シリンダ２２の肉厚も薄いため、共通吸入経路４０を第１シリンダ２２内に設けることができない。このような場合に、本実施形態の構成が有効である。このことは、後述する吐出経路にも当てはまる。

次に、図２Ｂに示すように、第１閉塞部材１１５には、第１ピストン２１の回転に伴って開閉して吐出作動室２３ｂから冷媒が流出するように、第１吐出口２９（第１流出口）が設けられている。同様に、第２閉塞部材１１３には、第１ピストン２１の回転に伴って開閉して吐出作動室２３ｂから冷媒が流出するように、軸方向に関して第１吐出口２９と向かい合う位置に第２吐出口３０（第２流出口）が設けられている。つまり、動力回収機構１０５は、２つの吐出口２９および３０を備えている。第１ピストン２１が吐出口２９および３０に重なって停止しても、次の起動時において、第１ピストン２１の上面および下面の両方に負圧が作用する。これにより、第１ピストン２１が閉塞部材１１５または１１３に向けて強く引き付けられるのを回避できるので、冷凍サイクル装置１０１を円滑に起動しやすくなる。さらに、通常の運転時においても、第１ピストン２１の上面および下面の両方に冷媒の圧力が作用する。そのため、第１ピストン２１と閉塞部材１１５または１１３との間の摺動損失が低減し、動力回収機構１０５の効率が改善する。

具体的に、動力回収機構１０５は、吐出作動室２３ｂから当該動力回収機構１０５の外部（蒸発器１０６）へと、第１吐出口２９および第２吐出口３０のそれぞれを経て、冷媒を導くための吐出経路５８を含む。この吐出経路５８は、共通吐出経路５５と、第１吐出経路５６および第２吐出経路５７で構成されている。第１吐出経路５６の始端に第１吐出口２９が位置し、第２吐出経路５７の始端に第２吐出口３０が位置している。また、動力回収機構１０５は、吐出経路５８から密閉容器１１１の外部に冷媒を導く吐出管３１を備えている。冷凍サイクル装置１０１の起動時において、バイパス弁１０７ｂを開いて主圧縮機１０３を作動させると、吐出経路５８内に負圧が発生する。

共通吐出経路５５は、第２閉塞部材１１３に形成されており、第２閉塞部材１１３の外周面からシャフト１２の中心に向かって延びている太い経路である。この共通吐出経路５５に、吐出管３１が直接に接続されている。第１吐出経路５６は、吐出作動室２３ｂから第１吐出口２９を経て共通吐出経路５５へと冷媒を導くように、第１吐出口２９から外向きに延びるとともに第１シリンダ２２を軸方向に貫いて共通吐出経路５５に合流している。第２吐出経路５７は、吐出作動室２３ｂから第２吐出口３０を経て共通吐出経路５５へと冷媒を導くように、第２吐出口３０から軸方向に延びるとともにシャフト１２の径方向に関して第１吐出経路５６よりも内側において共通吐出経路５５に合流している。このような構造によれば、吐出管３１の本数を増やすことなく、２つの吐出口２９および３０を設けることができる。

詳細には、第１吐出経路５６は、第１閉塞部材１１５に形成された部分と、第１シリンダ２２に形成された部分と、第２閉塞部材１１３に形成された部分とを含み、作動室２３の上側から下側に回り込んでいる。つまり、第１吐出経路５６は、かぎ形の断面プロファイルを示している。

図４に示すように、第１仕切部材２４に隣接している領域において、吸入経路５３が吸入作動室２３ａに向かって開口している。詳細には、図２Ａを参照して説明した第１吸入経路５１および第２吸入経路５２が、それぞれ、吸入作動室２３ａに向かって開口している。

第２吸入口２７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。第２吸入口２７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、第２吸入口２７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、第２吸入口２７の外側端辺２７ａ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２７ａ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。なお、「外側端辺」とは、シャフト５の径方向の外側に位置している端辺を意味する。「上死点」とは、ベーンがベーン溝内に最も奥まで押し込まれた状態における、ピストンの位置を意味する。

図４に示されていないが、第１吸入口２６は、第２吸入口２７の開口形状と同じ開口形状を有している。さらに、第１吸入口２６は、第２吸入口２７の開口面積に等しい開口面積を有する。このような構成によれば、第１ピストン２１の上面に作用する力で、下面に作用する力を効果的に相殺できる。

第１吸入口２６から吸入作動室２３ａに流入する冷媒の圧力は、第２吸入口２７から吸入作動室２３ａに流入する冷媒の圧力に略等しい。そのため、軸方向に関して、第１吸入口２６と第２吸入口２７とが完全に重なり合う場合には、第１ピストン２１と第１吸入口２６との重なり面積が、第１ピストン２１と第２吸入口２７との重なり面積に等しくなる。そのため、第１ピストン２１の上面に作用する力が、下面に作用する力に等しくなる（力＝圧力×面積）。つまり、第１ピストン２１の厚さ方向（軸方向）に作用する力を相殺する効果が最も高くなる。

なお、第１吸入経路５１は第２吸入経路５２よりも長いので、両者の断面積が等しい場合には、第１吸入経路５１での圧力損失が、第２吸入経路５２での圧力損失を上回る。そのため、軸方向に関して、第１吸入口２６と第２吸入口２７とが完全に重なり合っていたとしても、圧力損失の大小の影響により、第１ピストン２１の上面に作用する力が、厳密には、下面に作用する力に等しくならない。

図３に示すように、本実施形態では、第１吸入経路５１が、第２吸入経路５２の断面積よりも大きい断面積を有している。この構成によれば、第１吸入経路５１での圧力損失を抑えることができるので、第１ピストン２１の上面に作用する力と、下面に作用する力とをより等しくする効果がある。その結果、第１ピストン２１の厚さ方向に作用する力を相殺する効果が高まる。

各吸入経路の断面の形状に特に限定はないが、典型的には、各吸入経路は円形の断面を有している。第１吸入経路５１および第２吸入経路５２の端に設けられた浅い座ぐりによって、図４に示す形状を有する第１吸入口２６および第２吸入口２７が形成されている。こうした構成は、吐出経路や吐出口にも採用可能であり、さらに、副圧縮機１０２にも採用できる。

図４に示すように、第１仕切部材２４に隣接している領域において、吐出経路５８が吐出作動室２３ｂに向かって開口している。詳細には、図２Ｂを参照して説明した第１吐出経路５６および第２吐出経路５７が、それぞれ、吐出作動室２３ｂに向かって開口している。

第２吐出口３０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。第２吐出口３０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、第２吐出口３０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２吐出口３０の外側端辺３０ａ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３０ａ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。

図４に示されていないが、第１吐出口２９は、第２吐出口３０の開口形状と同じ開口形状を有している。さらに、第１吐出口２９は、第２吐出口３０の開口面積に等しい開口面積を有する。このような構成によれば、第１ピストン２１の上面に作用する力（吸引力）で、下面に作用する力（吸引力）を効果的に相殺できる。

第１吐出口２９から吐出経路５８に吐出された冷媒の圧力は、第２吐出口３０から吐出経路５８に吐出された冷媒の圧力に略等しい。そのため、軸方向に関して、第１吐出口２９と第２吐出口３０とが完全に重なり合う場合には、第１ピストン２１と第１吐出口２９との重なり面積が、第１ピストン２１と第２吐出口３０との重なり面積に等しくなる。そのため、第１ピストン２１の上面に作用する力が、下面に作用する力に等しくなる（力＝圧力×面積）。つまり、第１ピストン２１の厚さ方向（軸方向）に作用する力を相殺する効果が最も高くなる。

図３を参照して説明した第１吸入経路５１および第２吸入経路５２と同様に、第１吐出経路５６が、第２吐出経路５７の断面積よりも大きい断面積を有していてもよい。この構成によれば、第１吐出経路５６での圧力損失を抑えることができるので、第１ピストン２１の上面に作用する力と、下面に作用する力とをより等しくする効果がある。

ところで、第１ピストン２１に作用する力を相殺する効果は、複数の吸入口２６および２７を設けた場合と、複数の吐出口２９および３０を設けた場合とで、独立して得られる。しかし、吸入経路５３における冷媒の圧力は、吐出経路５８における冷媒の圧力よりも遥かに高い。例えば、二酸化炭素を冷媒として用いた場合、吸入経路５３内の圧力と吐出経路５８内の圧力との差は、数ＭＰａにも達する。このことを考慮すると、吸入口２６および２７の組み合わせによって得られる効果は、吐出口２９および３０の組み合わせによって得られる効果よりも高い。

図５は、動力回収機構１０５の動作原理図であり、ＳＴ１〜ＳＴ４までの４つの状態の図が示されている。

第１ピストン２１が回転し、吸入口２６および２７が開くと、図５（ＳＴ２〜ＳＴ４）に示すように、吸入口２６および２７から流入する高圧の冷媒によって吸入作動室２３ａの容積が徐々に増える。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シャフト１２の回転駆動力の一部となる。軸方向に関して、第１吸入口２６が第２吸入口２７に重なっている場合には、両吸入口２６および２７の開閉タイミングも一致する。同様に、軸方向に関して、第１吐出口２９が第２吐出口３０に重なっている場合には、両吐出口２９および３０の開閉タイミングも一致する。

動力回収機構１０５からみて蒸発器１０６側は、放熱器１０４側よりも低圧である。吐出作動室２３ｂ内の低温高圧の冷媒は蒸発器１０６側に吸引され、吐出作動室２３ｂから吐出経路５８へと吐出される。吐出作動室２３ｂと吐出経路５８とが連通し、吐出行程が始まると、冷媒の比容積が急増する。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シャフト１２の回転駆動力の一部となる。すなわち、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１０２の動力として利用される。

吸入作動室２３ａは、常に吸入経路５３と連通している。また、吐出作動室２３ｂは、常に吐出経路５８に連通している。言い換えれば、動力回収機構１０５において、冷媒を吸入する行程と、その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。このため、吸入された冷媒は、実質的に体積変化することなく動力回収機構１０５を通過する。

図５の左上図（ＳＴ１）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２７と吐出口３０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２７と吐出口３０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５８と連通する瞬間まで、吸入作動室２３ａは吸入経路５３と連通している。そして、吸入作動室２３ａが吐出経路５８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、第１ピストン２１によって吐出作動室２３ｂが吸入経路５３から隔離される。このため、吸入経路５３から吐出経路５８への冷媒の吹き抜けが抑制される。したがって、高効率な動力回収が実現される。

吸入経路５３から吐出経路５８への冷媒の吹き抜けを完全に禁止する観点からは、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２７と吐出口３０との両方が閉じられることが好ましい。ただし、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２７と吐出口３０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２７が閉じられるタイミングと、吐出口３０が閉じられるタイミングとの差が、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５３と吐出経路５８との間で実質的に吹き抜けは生じない。つまり、吸入口２７が閉じられるタイミングと、吐出口３０が閉じられるタイミングとの差が、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５３から吐出経路５８への冷媒の吹き抜けを抑制できる。

冷媒の吹き抜けを防ぐ観点から、吸入口２６および２７の開閉タイミングが一致し、吐出口２９および３０の開閉タイミングも一致していることが好ましい。

（副圧縮機１０２の構成）
図２Ａに示すように、副圧縮機１０２は、密閉容器１１１内において、動力回収機構１０５よりも上方に配置されている。このように比較的高温の副圧縮機１０２を、比較的低温の動力回収機構１０５よりも上方に配置することにより、副圧縮機１０２と動力回収機構１０５との間の熱交換を抑制できる。ただし、副圧縮機１０２を動力回収機構１０５よりも下方に配置してもよい。

副圧縮機１０２はシャフト１２により動力回収機構１０５と連結されている。本実施形態では、副圧縮機１０２がロータリ式の流体圧モータによって構成されている例について説明する。ただし、副圧縮機１０２はロータリ式の流体圧モータに限定されるわけではない。副圧縮機１０２が固有の容積比を有する圧縮機、例えば、ロータリ圧縮機やスクロール圧縮機で構成されていてもよい。

副圧縮機１０２の基本的な構成は、上述の動力回収機構１０５と略同一である。具体的に、副圧縮機１０２は、図２Ａに示すように、下閉塞部材としての第１閉塞部材１１５と、上閉塞部材としての第３閉塞部材１１４とを備えている。動力回収機構１０５の第１閉塞部材１１５を副圧縮機１０２の下閉塞部材として共用するように、動力回収機構１０５と副圧縮機１０２とが軸方向に隣接して密閉容器１１１内に配置されている。このような構成によれば、部品点数を少なくできるとともに、流体機械１１０のコンパクト化に有利である。

第１閉塞部材１１５と第３閉塞部材１１４とは、相互に対向している。具体的には、第３閉塞部材１１４は、第１閉塞部材１１５の第２閉塞部材１１３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１１５と第３閉塞部材１１４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１１５と第３閉塞部材１１４とによって閉塞されている。第３閉塞部材１１４および第１閉塞部材１１５は、それぞれ、第２シリンダ４２の上下に位置している。

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。第２シリンダ４２は、シャフト１２の一部を周方向に囲んでいる。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１１５と第３閉塞部材１１４とにより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、シャフト１２の中心軸に対して偏心した状態でシャフト１２に取り付けられている。具体的には、シャフト１２は、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。したがって、第２ピストン４１は、シャフト１２の回転に伴って偏心回転する。

なお、偏心部１２ｃは、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。「略同一」とは、完全に同一である場合だけでなく、±２〜３°程度の誤差がある場合も含むという趣旨である。

第２ピストン４１の外周面と第２シリンダ４２の内周面と第１閉塞部材１１５と第３閉塞部材１１４とにより、第２シリンダ４２内に第２作動室４３が形成されている（図６も参照）。第２作動室４３は、第２ピストン４１がシャフト１２と共に回転しても容積が実質的に不変である。

図６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の外周面に向け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。

なお、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、前述した付勢手段２５と同様に、圧縮コイルばねであってもよいし、所謂ガスばねであってもよい。

図２Ｂに示すように、第１閉塞部材１１５には、第２ピストン４１の回転に伴って開閉して吐出作動室４３ｂから冷媒が流出するように、第１吐出口４９（下吐出口）が設けられている。同様に、第３閉塞部材１１４には、第２ピストン４１の回転に伴って開閉して吐出作動室４３ｂから冷媒が流出するように、軸方向に関して第１吐出口４９と向かい合う位置に第２吐出口５０（上吐出口）が設けられている。つまり、副圧縮機１０２は、２つの吐出口４９および５０を備えている。第２ピストン４１が吐出口４９および５０に重なって停止しても、次の起動時において、第２ピストン４１の上面および下面の両方に負圧が作用する。これにより、第２ピストン４１が閉塞部材１１５または１１４に向けて強く引き付けられるのを回避できるので、冷凍サイクル装置１０１を円滑に起動しやすくなる。さらに、通常の運転時においても、第２ピストン４１の上面および下面の両方に冷媒の圧力が作用する。そのため、第２ピストン４１と閉塞部材１１５または１１４との間の摺動損失が低減し、副圧縮機１０２の効率が改善する。

具体的に、副圧縮機１０２は、吐出作動室４３ｂから当該副圧縮機１０２の外部（主圧縮機１０３）へと、第１吐出口４９および第２吐出口５０のそれぞれを経て、冷媒を導くための吐出経路６８を含む。この吐出経路６８は、共通吐出経路６５と、第１吐出経路６６および第２吐出経路６７で構成されている。第１吐出経路６６の始端に第１吐出口４９が位置し、第２吐出経路６７の始端に第２吐出口５０が位置している。また、副圧縮機１０２は、吐出経路６８から密閉容器１１１の外部に冷媒を導く吐出管１５１を備えている。冷凍サイクル装置１０１の起動時において、バイパス弁１０７ｂを開いて主圧縮機１０３を作動させると、吐出経路６８内に負圧が発生する。

共通吐出経路６５は、第３閉塞部材１１４に形成されており、第３閉塞部材１１４の外周面からシャフト１２の中心に向かって延びている太い経路である。この共通吐出経路６５に、吐出管１５１が直接に接続されている。第１吐出経路６６は、吐出作動室４３ｂから第１吐出口４９を経て共通吐出経路６５へと冷媒を導くように、第１吐出口４９から外向きに延びるとともに第２シリンダ４２を軸方向に貫いて共通吐出経路６５に合流している。第２吐出経路６７は、吐出作動室４３ｂから第２吐出口５０を経て共通吐出経路６５へと冷媒を導くように、第２吐出口５０から軸方向に延びるとともにシャフト１２の径方向に関して第１吐出経路６６よりも内側において共通吐出経路６５に合流している。このような構造によれば、吐出管１５１の本数を増やすことなく、２つの吐出口４９および５０を設けることができる。

詳細には、第１吐出経路６６は、第１閉塞部材１１５に形成された部分と、第２シリンダ４２に形成された部分と、第３閉塞部材１１４に形成された部分とを含み、作動室４３の下側から上側に回り込んでいる。つまり、第１吐出経路６６は、かぎ形の断面プロファイルを示している。

次に、図２Ａに示すように、第１閉塞部材１１５には、第２ピストン４１の回転に伴って開閉して吸入作動室４３ａに冷媒が流入するように、第１吸入口４６（下吸入口）が設けられている。同様に、第３閉塞部材１１４には、第２ピストン４１の回転に伴って開閉して吸入作動室４３ａに冷媒が流入するように、シャフト１２の軸方向に関して第１吸入口４６と向かい合う位置に第２吸入口４７（上吸入口）が設けられている。つまり、副圧縮機１０２は、２つの吸入口４６および４７を備えている。第２ピストン４１が吸入口４６および４７に重なって停止しても、次の起動時において、第２ピストン４１の上面および下面の両方に負圧が作用する。これにより、第２ピストン４１が閉塞部材１１５または１１４に向けて強く引き付けられるのを回避できるので、冷凍サイクル装置１０１を円滑に起動しやすくなる。さらに、通常の運転時においても、第２ピストン４１の上面および下面の両方に冷媒の圧力が作用する。そのため、第２ピストン４１と閉塞部材１１５または１１４との間の摺動損失が低減し、副圧縮機１０２の効率が改善する。

具体的に、副圧縮機１０２は、当該副圧縮機１０２の外部（蒸発器１０６）から、第１吸入口４６および第２吸入口４７のそれぞれを経て、吸入作動室４３ａへと冷媒を供給するための吸入経路６３を含む。この吸入経路６３は、共通吸入経路６０、第１吸入経路６１および第２吸入経路６２で構成されている。第１吸入経路６１の終端に第１吸入口４６が位置し、第２吸入経路６２の終端に第２吸入口４７が位置している。また、副圧縮機１０２は、密閉容器１１１の外部から吸入経路６３に冷媒を導く吸入管４８を備えている。冷凍サイクル装置１０１の起動時において、バイパス弁１０７ｂを開いて主圧縮機１０３を作動させると、吸入経路６３内にも負圧が発生する。つまり、バイパス弁１０７ｂを開いた状態では、吸入経路６３内の圧力は、吐出経路６８内の圧力に等しい。

共通吸入経路６０は、第３閉塞部材１１４に形成されており、第３閉塞部材１１４の外周面からシャフト１２の中心に向かって延びている太い経路である。この共通吸入経路６０に、吸入管４８が直接に接続されている。第１吸入経路６１は、共通吸入経路６０から第１吸入口４６を経て吸入作動室４３ａへと冷媒を供給しうるように、共通吸入経路６０から分岐するとともに第２シリンダ４２を軸方向に貫いて第１吸入口４６に至っている。第２吸入経路６２は、共通吸入経路６０から第２吸入口４７を経て吸入作動室４３ａへと冷媒を供給しうるように、シャフト１２の径方向に関して第１吸入経路６１よりも内側において共通吸入経路６０から分岐するとともに軸方向に延びて第２吸入口４７に至っている。このような構造によれば、吸入管４８の本数を増やすことなく、２つの吸入口４６および４７を設けることができる。

詳細には、第１吸入経路６１は、第３閉塞部材１１４に形成された部分と、第２シリンダ４２に形成された部分と、第１閉塞部材１１５に形成された部分とを含む。軸方向に関して、第１吸入経路６１は、作動室４３の上側から下側に回り込んでいる。つまり、第１吸入経路６１は、かぎ形の断面プロファイルを示している。

図６に示すように、第２仕切部材４４に隣接している領域において、吸入経路６３が吸入作動室４３ａに向かって開口している。詳細には、図２Ａを参照して説明した第１吸入経路６１および第２吸入経路６２が、それぞれ、吸入作動室４３ａに向かって開口している。

第１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。第１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、第１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１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。

図６に示されていないが、第２吸入口４７は、第１吸入口４６の開口形状と同じ開口形状を有している。さらに、第１吸入口４６は、第２吸入口４７の開口面積に等しい開口面積を有する。このような構成によれば、第２ピストン４１の上面に作用する力で、下面に作用する力を効果的に相殺できる。

第１吸入口４６から吸入作動室４３ａに流入する冷媒の圧力は、第２吸入口４７から吸入作動室４３ａに流入する冷媒の圧力に略等しい。そのため、軸方向に関して、第１吸入口４６と第２吸入口４７とが完全に重なり合う場合には、第２ピストン４１と第１吸入口４６との重なり面積が、第２ピストン４１と第２吸入口４７との重なり面積に等しくなる。そのため、第２ピストン４１の上面に作用する力が、下面に作用する力に等しくなる（力＝圧力×面積）。つまり、第２ピストン４１の厚さ方向（軸方向）に作用する力を相殺する効果が最も高くなる。

図６に示すように、第２仕切部材４４に隣接している領域において、吐出経路６８が吐出作動室４３ｂに向かって開口している。詳細には、図２Ｂを参照して説明した第１吐出経路６６および第２吐出経路６７が、それぞれ、吐出作動室４３ｂに向かって開口している。

第１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。第１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、第１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１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。

図６に示されていないが、第２吐出口５０は、第１吐出口４９の開口形状と同じ開口形状を有している。つまり、第１吐出口４９は、第２吐出口５０の開口面積に等しい開口面積を有する。このような構成によれば、第２ピストン４１の上面に作用する力で、下面に作用する力を効果的に相殺できる。

第１吐出口４９から吐出経路６８に吐出された冷媒の圧力は、第２吐出口５０から吐出経路６８に吐出された冷媒の圧力に略等しい。そのため、軸方向に関して、第１吐出口４９と第２吐出口５０とが完全に重なり合う場合には、第２ピストン４１と第１吐出口４９との重なり面積が、第２ピストン４１と第２吐出口５０との重なり面積に等しくなる。そのため、第２ピストン４１の上面に作用する力が、下面に作用する力に等しくなる（力＝圧力×面積）。つまり、第２ピストン４１の厚さ方向（軸方向）に作用する力を相殺する効果が最も高くなる。

図６に示すように、吐出経路６８は、連通経路１５６を介して背面空間１５５に接続されている。具体的に、本実施形態において、この連通経路１５６は、第２仕切部材４４がシャフト１２の中心軸に最も接近したときには背面空間１５５に連通している。連通経路１５６は、第２仕切部材４４が、シャフト１２の中心軸からある程度離れると、第２仕切部材４４によって塞がれるようになっている。つまり、シャフト１２の中心軸に最も接近した前進位置から、シャフト１２の中心軸から最も離間した後退位置へと第２仕切部材４４がスライドする期間において、連通経路１５６が開状態から閉状態へと変化し、背面空間１５５が連通経路１５６と連通した開放空間から、連通経路１５６から遮断された密閉空間へと変化する。このため、第２仕切部材４４によって連通経路１５６が塞がれ、背面空間１５５が密閉空間になった後は、背面空間１５５はガスばねとして第２仕切部材４４を第２ピストン４１に向けて押す。

なお、図３を参照して説明した動力回収機構１０５の吸入経路５１および５２の構成を、副圧縮機１０２にも採用できる。すなわち、副圧縮機１０２において、第１吸入経路６１が、第２吸入経路６２の断面積よりも大きい断面積を有していてもよい。さらに、第１吐出経路６６が、第２吐出経路６７の断面積よりも大きい断面積を有していてもよい。こうした構成によれば、第１吸入経路６１や第１吐出経路６６での圧力損失を抑えることができるので、第２ピストン４１の上面に作用する力と、下面に作用する力とをより等しくする効果がある。

第２ピストン４１に作用する力を相殺する効果は、複数の吸入口４６および４７を設けた場合と、複数の吐出口４９および５０を設けた場合とで、独立して得られる。しかし、吐出口４９および５０の組み合わせによって得られる効果は、吸入口４６および４７の組み合わせによって得られる効果よりも高い。その理由は、以下の通りである。まず、冷凍サイクル装置１０１の起動時において、吸入経路６３および吐出経路６８内の圧力は、一時的に等しくなる。なぜなら、起動時にバイパス弁１０７ｂを開くからである（図１参照）。他方、冷凍サイクル装置１０１の起動後はバイパス弁１０７ｂを閉じるので、吐出経路６８内の圧力が、吸入経路６３内の圧力よりも高くなる。したがって、吐出口４９および５０の組み合わせによれば、冷凍サイクル装置１０１の通常の運転時における摺動損失をより効果的に低減できる。

次に、図７を参照しながら副圧縮機１０２の動作原理について詳細に説明する。図７には、Ｔ１〜Ｔ４までの４つの状態の図が示されている。副圧縮機１０２の動作原理は、動力回収機構１０５の動作原理と概ね同じである。

シャフト１２は、動力回収機構１０５によって回収された動力によって回転する。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１０２が駆動される。軸方向に関して、第１吸入口４６が第２吸入口４７に重なっている場合には、両吸入口４６および４７の開閉タイミングも一致する。同様に、軸方向に関して、第１吐出口４９が第２吐出口５０に重なっている場合には、両吐出口４９および５０の開閉タイミングも一致する。

第２作動室４３は、実質的に容積が不変である。吸入作動室４３ａは吸入経路６３と常に連通している。吐出作動室４３ｂは吐出経路６８と常に連通している。このため、副圧縮機１０２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。シャフト１２が動力回収機構１０５によって回転し、副圧縮機１０２が駆動されると、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１０５によって回収された動力で駆動される副圧縮機１０２によって、吐出口４９および５０よりも主圧縮機１０３側の圧力が、吸入口４６および４７よりも蒸発器１０６側の圧力より高くなる。つまり、副圧縮機１０２によって昇圧される。

吸入作動室４３ａは、常に吸入経路６３と連通している。また、吐出作動室４３ｂは、常に吐出経路６８に連通している。言い換えれば、副圧縮機１０２において、冷媒を吸入する行程と、その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。このため、吸入された冷媒は、実質的に体積変化することなく副圧縮機１０２を通過する。

なお、本実施形態において、第１ピストン２１が上死点に位置するタイミングは、第２ピストン４１が上死点に位置するタイミングに略一致している。

図７の左上図（Ｔ１）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が吐出口４９と連通する瞬間まで、吸入作動室４３ａは吸入経路６３と連通している。そして、吸入作動室４３ａが吐出経路６８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、第２ピストン４１によって吐出作動室４３ｂが吸入経路６３から隔離される。このため、比較的圧力が高い吐出経路６８から、比較的圧力が低い吸入経路６３への冷媒の逆流が抑制される。したがって、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。

なお、吐出経路６８から吸入経路６３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６３と吐出経路６８との両方が閉じられることが好ましい。ただし、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、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６８から吸入経路６３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、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６８から吸入経路６３への冷媒の逆流を抑制できる。

冷媒の吹き抜けを防ぐ観点から、吸入口４６および４７の開閉タイミングが一致し、吐出口４９および５０の開閉タイミングも一致していることが好ましい。

本発明は、給湯機、冷暖房エアコン等の冷凍サイクル装置に有用である。

Claims (14)

1. 冷媒が循環する冷媒回路を備えた冷凍サイクル装置であって、
   前記冷媒回路は、
   作動流体から動力を回収する動力回収機構と、前記動力回収機構よりも上方に配置されるとともに前記回収された動力で駆動される副圧縮機と、前記回収された動力が前記動力回収機構から前記副圧縮機に伝達されるように、前記動力回収機構と前記副圧縮機とを連結しているシャフトと、前記動力回収機構、前記副圧縮機および前記シャフトを収容している密閉容器と、を備え、前記動力回収機構と前記副圧縮機とが前記シャフトの軸方向に隣接して前記密閉容器内に配置されている流体機械と、
   前記流体機械における前記副圧縮機で予備圧縮された冷媒をさらに圧縮する主圧縮機と、
   前記主圧縮機により圧縮された冷媒を冷却する放熱器と、
   前記流体機械における前記動力回収機構から吐出された冷媒を蒸発させる蒸発器と、を有し、
   前記動力回収機構は、
   （a1）第１閉塞部材と、
   （b1）前記第１閉塞部材よりも前記副圧縮機から離れているとともに、前記第１閉塞部材に対向する第２閉塞部材と、
   （c1）前記シャフトの一部を周方向に囲んでいるとともに、前記第１閉塞部材と前記第２閉塞部材とにより両端が閉塞されたシリンダと、
   （d1）前記シリンダ内において前記シャフトに取り付けられ、自身の外周面と前記シリンダの内周面との間に作動室を形成するピストンと、
   （e1）前記作動室を高圧側の作動室と低圧側の作動室とに仕切る仕切部材と、
   （f1）前記ピストンの回転に伴って開閉して前記高圧側の作動室に作動流体が流入するように、前記第１閉塞部材に設けられた第１吸入口と、
   （g1）前記ピストンの回転に伴って開閉して前記高圧側の作動室に作動流体が流入するように、前記シャフトの軸方向に関して前記第１吸入口と向かい合う位置であって前記第２閉塞部材に設けられた第２吸入口と、
   当該動力回収機構の外部から、前記第１吸入口および前記第２吸入口のそれぞれを経て、前記高圧側の作動室へと作動流体を供給するための吸入経路と、を含み、
   前記吸入経路が、（i）前記第２閉塞部材の外周面から前記シャフトの中心に向かって延びている共通吸入経路と、（ii）前記共通吸入経路から前記第１吸入口を経て前記高圧側の作動室へと作動流体を供給しうるように、前記共通吸入経路から分岐するとともに前記シリンダを前記軸方向に貫いて前記第１吸入口に至る第１吸入経路と、（iii）前記共通吸入経路から前記第２吸入口を経て前記高圧側の作動室へと作動流体を供給しうるように、前記シャフトの径方向に関して前記第１吸入経路よりも内側において前記共通吸入経路から分岐するとともに前記軸方向に延びて前記第２吸入口に至る第２吸入経路と、を含み、
   前記共通吸入経路が前記第２閉塞部材に設けられており、前記第１吸入経路および前記第２吸入経路のそれぞれが前記第２閉塞部材の内部で前記共通吸入経路から分岐している、冷凍サイクル装置。
2. 前記第１吸入経路は、前記シリンダを前記軸方向に貫いて前記第１閉塞部材に至った後、前記第１閉塞部材の内部を前記シャフトの中心に向かって延び、さらに、前記第１吸入口に向かって前記軸方向に延びて前記第１吸入口に至っており、かぎ形の断面プロファイルを有する、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記動力回収機構が、さらに、
   （h1）前記ピストンの回転に伴って開閉して前記低圧側の作動室から作動流体が流出するように、前記第１閉塞部材に設けられた第１吐出口と、
   （i1）前記ピストンの回転に伴って開閉して前記低圧側の作動室から作動流体が流出するように、前記軸方向に関して前記第１吐出口と向かい合う位置であって前記第２閉塞部材に設けられた第２吐出口と、
   前記低圧側の作動室から当該動力回収機構の外部へと、前記第１吐出口および前記第２吐出口のそれぞれを経て、冷媒を導くための吐出経路と、を含み、
   前記吐出経路は、（i）前記第２閉塞部材の外周面から前記シャフトの中心に向かって延びている共通吐出経路と、（ii）前記低圧側の作動室から前記第１吐出口を経て前記共通吐出経路へと冷媒を導くように、前記第１吐出口から外向きに延びるとともに前記第１シリンダを前記軸方向に貫いて前記共通吐出経路に合流している第１吐出経路と、（iii）前記低圧側の作動室から前記第２吐出口を経て前記共通吐出経路へと冷媒を導くように、前記第２吐出口から前記軸方向に延びるとともに前記シャフトの径方向に関して前記第１吐出経路よりも内側において前記共通吐出経路に合流している第２吐出経路と、を含む、請求項１または２に記載の冷凍サイクル装置。
4. 前記第１吐出経路は、前記第１閉塞部材の内部を前記第１吐出口から前記軸方向に延びた後、前記第１閉塞部材の内部を前記シャフトの径方向の外向きに延び、さらに、前記第１シリンダを前記軸方向に貫いて前記共通吐出経路に合流しており、かぎ形の断面プロファイルを有する、請求項３に記載の冷凍サイクル装置。
5. 前記第１吐出口が、前記第２吐出口の開口形状と同じ開口形状を有する、請求項３または４に記載の冷凍サイクル装置。
6. 前記第１吐出口が、前記第２吐出口の開口面積に等しい開口面積を有する、請求項３〜５のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
7. 前記第１吸入口が、前記第２吸入口の開口形状と同じ開口形状、および前記第２吸入口の開口面積に等しい開口面積を有し、
   前記第１吸入口の開閉タイミングが、前記第２吸入口の開閉タイミングに一致している、請求項１〜６のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
8. 前記第１吸入経路が、前記第２吸入経路の断面積よりも大きい断面積を有する、請求項１〜７のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
9. 前記副圧縮機が、
   （a2）前記下閉塞部材と、
   （b2）前記下閉塞部材に対向する上閉塞部材と、
   （c2）前記シャフトの一部を周方向に囲んでいるとともに、前記下閉塞部材と前記上閉塞部材とにより両端が閉塞された第２シリンダと、
   （d2）前記第２シリンダ内において前記シャフトに取り付けられ、自身の外周面と前記第２シリンダの内周面との間に作動室を形成する第２ピストンと、
   （e2）前記作動室を低圧側の作動室と高圧側の作動室とに仕切る第２仕切部材と、
   （f2）前記第２ピストンの回転に伴って開閉して前記低圧側の作動室に作動流体が流入するように、前記下閉塞部材に設けられた第１吸入口と、
   （g2）前記第２ピストンの回転に伴って開閉して前記低圧側の作動室に作動流体が流入するように、前記シャフトの軸方向に関して前記第１吸入口と向かい合う位置であって前記上閉塞部材に設けられた第２吸入口とを含む、請求項１〜８のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
10. 前記副圧縮機が、さらに、
    （h2）前記第２ピストンの回転に伴って開閉して前記高圧側の作動室から作動流体が流出するように、前記下閉塞部材に設けられた第１吐出口と、
    （i2）前記第２ピストンの回転に伴って開閉して前記高圧側の作動室から作動流体が流出するように、前記軸方向に関して前記第１吐出口と向かい合う位置であって前記上閉塞部材に設けられた第２吐出口を含む、請求項９に記載の冷凍サイクル装置。
11. 前記動力回収機構の前記第１閉塞部材が前記副圧縮機の前記下閉塞部材として共用されている、請求項９または１０に記載の冷凍サイクル装置。
12. 前記第１吸入口および前記第２吸入口は、それぞれ、前記ピストンが上死点に位置するときにおいてのみ、前記ピストンによって閉鎖され、前記ピストンが上死点に位置する瞬間を除いた全期間にわたって、前記第１吸入口の少なくとも一部および前記第２吸入口の少なくとも一部が、それぞれ、前記高圧側の作動室に露出している、請求項７に記載の冷凍サイクル装置。
13. 前記副圧縮機を迂回しているとともに、前記蒸発器の出口と前記主圧縮機の入口とを接続しているバイパス回路と、
    前記バイパス回路に設けられ、当該冷凍サイクル装置の起動時に開くバイパス弁と、をさらに備え、
    前記動力回収機構が、さらに、
    （h1）前記ピストンの回転に伴って開閉して前記低圧側の作動室から作動流体が流出するように、前記第１閉塞部材に設けられた第１吐出口と、
    （i1）前記ピストンの回転に伴って開閉して前記低圧側の作動室から作動流体が流出するように、前記軸方向に関して前記第１吐出口と向かい合う位置であって前記第２閉塞部材に設けられた第２吐出口を含む、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
14. 前記第１吐出口が、前記第２吐出口の開口形状と同じ開口形状、および前記第２吐出口の開口面積に等しい開口面積を有し、
    前記第１吐出口の開閉タイミングが、前記第２吐出口の開閉タイミングに一致しており、
    前記第１吐出口および前記第２吐出口は、それぞれ、前記ピストンが上死点に位置するときにおいてのみ、前記ピストンによって閉鎖され、前記ピストンが上死点に位置する瞬間を除いた全期間にわたって、前記第１吐出口の少なくとも一部および前記第２吐出口の少なくとも一部が、それぞれ、前記高圧側の作動室に露出している、請求項１３に記載の冷凍サイクル装置。
    

Images