JPWO2007052569A1 - Expander and heat pump using the same - Google Patents
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Abstract
本発明の膨張機は、ロータリ式の流体機構をn個(nは2以上の整数)と、1番目の流体機構41の吸入側空間55aへ作動流体を吸入する第1吸入孔41bと、k番目(kは1からn−1までの整数)の流体機構の吐出側空間55bと(k+1)番目の吸入側空間56aとを結び一つの空間を形成する連通孔43aと、n番目の流体機構の吐出側空間から作動流体を吐出する吐出孔51aとを備えている。1番目の流体機構41の吸入側空間55aとの接続位置が可変であり、当該吸入側空間55aへと作動流体を吸入する、第2吸入孔72fをさらに備える。The expander of the present invention includes n rotary fluid mechanisms (n is an integer of 2 or more), a first suction hole 41b that sucks working fluid into the suction-side space 55a of the first fluid mechanism 41, and k A communication hole 43a connecting the discharge side space 55b of the th (k is an integer from 1 to n-1) fluidic space 55b and the (k + 1) th suction side space 56a to form one space, and the n th fluid mechanism And a discharge hole 51a for discharging the working fluid from the discharge side space. A connection position of the first fluid mechanism 41 with the suction side space 55a is variable, and a second suction hole 72f that sucks the working fluid into the suction side space 55a is further provided.
Description
本発明は、冷凍サイクル装置(ヒートポンプ)に適用される膨張機、さらにこの膨張機を用いたヒートポンプに関するものである。 The present invention relates to an expander applied to a refrigeration cycle apparatus (heat pump), and further to a heat pump using the expander.
作動流体(冷媒)の膨張エネルギーを膨張機で回収し、その回収されたエネルギーを圧縮機の仕事の一部として利用する動力回収式の冷凍サイクルが提案されている。そのような冷凍サイクルとして、例えば、膨張機と圧縮機とをシャフトで連結した流体機械(以下、「膨張機一体型圧縮機」という)を用いた冷凍サイクルが知られている。(特開2001−116371号公報)。 There has been proposed a power recovery type refrigeration cycle in which expansion energy of a working fluid (refrigerant) is recovered by an expander, and the recovered energy is used as part of the work of the compressor. As such a refrigeration cycle, for example, a refrigeration cycle using a fluid machine in which an expander and a compressor are connected by a shaft (hereinafter referred to as an “expander-integrated compressor”) is known. (Japanese Patent Laid-Open No. 2001-116371).
以下、膨張機一体型圧縮機を用いた冷凍サイクルについて説明する。 Hereinafter, a refrigeration cycle using an expander-integrated compressor will be described.
図20に従来の膨張機一体型圧縮機を用いた冷凍サイクルを示す。この冷凍サイクルでは、圧縮機1、ガスクーラ(放熱器)2、膨張機3および蒸発器4から作動流体(冷媒)の主回路8が構成されており、圧縮機1と膨張機3と回転電動機6とは、シャフト7によって連結されて膨張機一体型圧縮機となっている。冷媒回路は、主回路8とともに副回路9を備えており、副回路9は、ガスクーラ2の出口側で主回路8と分岐し、蒸発器4の入口側で主回路8と合流する。主回路8を通過する作動流体は膨張機3において膨張し、副回路9を通過する作動流体は膨張弁5により膨張する。 FIG. 20 shows a refrigeration cycle using a conventional expander-integrated compressor. In this refrigeration cycle, the
作動流体は、圧縮機1において低温低圧から高温高圧へと圧縮された後、ガスクーラ2において低温高圧へと冷却される。そして、膨張機3または膨張弁5において低温低圧(気液二相)へと膨張した後、蒸発器4で加熱されて低温低圧(気相)に戻る。膨張機3は、作動流体の膨張エネルギーを回収してシャフト7の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1を駆動する仕事の一部として利用され、その結果、回転電動機6の動力を低減することができる。 The working fluid is compressed from a low temperature and a low pressure to a high temperature and a high pressure in the
ここで、膨張弁5を全閉とし、副回路9の作動流体の質量流量をゼロとした場合の冷凍サイクルの動作を説明する。 Here, the operation of the refrigeration cycle when the
圧縮機1の吸入容積をVcs、膨張機3の吸入容積をVesとし、シャフト7の回転数をNとすると、圧縮機1の入口側での作動流体の体積流量と膨張機3の入口側での作動流体の体積流量とは、それぞれ、(Vcs×N)、(Ves×N)となる。副回路9の作動流体の質量流量がゼロであるため、圧縮機1での質量流量と膨張機3での質量流量とは等しくなる。この質量流量をGとすると、圧縮機1の入口側での作動流体の密度と膨張機3の入口側での作動流体の密度は、それぞれの体積流量と質量流量の比から、{G/(Vcs×N)}、{G/(Ves×N)}となる。これらの式より、圧縮機1の入口側での作動流体の密度と膨張機3の入口側の作動流体の密度の比は、{G/(Vcs×N)}/{G/(Ves×N)}、すなわち、(Ves/Vcs)となって一定となる。 If the suction volume of the
図21に冷凍サイクルのモリエル線図を示す。図中、圧縮機1における圧縮過程はAB、ガスクーラ2における放熱過程はBC、膨張機3における膨張過程はCD、蒸発機4における蒸発過程はDAに相当する。圧縮機1の入口側の点Aと、膨張機3の入口側の点Cにおける作動流体の密度比は、(Ves/Vcs)で一定となるので、点Aでの作動流体の密度をρ0とすると、点Cでの密度ρcは(Vcs/Ves)ρ0となる。点Aの密度が一定であると仮定すると、点Cの圧力を増加させる場合には、ρc=(Vcs/Ves)ρ0の線上で点Cから点C’の方向へと変化することになる。すなわち、点Cを等温線(T=Tc)に沿って圧力だけ増加させた点C”に変化させることは不可能となり、冷凍サイクルの自由な制御が阻害される。冷凍サイクルには、ある熱源温度において成績係数(COP)が最大となる最適高圧が存在(例えば、特開2002−81766号公報)するため、温度と圧力の自由な制御ができないと、効率の良い運転ができなくなる。FIG. 21 shows a Mollier diagram of the refrigeration cycle. In the figure, the compression process in the
圧縮機1の入口側の密度と膨張機3の入口側の密度の比が一定となる制約は、圧縮機1での質量流量と膨張機3での質量流量が等しく、かつ、体積流量の比が一定であることに起因している。この制約は、膨張弁5を開けて冷媒回路を流れる作動流体の一部を副回路9に流すことにより回避することができる(特開2001−116371号公報)。 The restriction that the ratio of the density on the inlet side of the
従来の膨張機一体型圧縮機を用いた動力回収式のヒートポンプでは、圧縮機と膨張機が同じ回転数であることによって生じる密度比一定の制約を回避するためには、作動流体を、膨張機を設けた主回路とともに、膨張弁を設けた副回路に流さざるを得ない。しかし、これでは、副回路を通過する作動流体の膨張エネルギーを回収できない。 In a power recovery type heat pump using a conventional expander-integrated compressor, in order to avoid the restriction of a constant density ratio caused by the compressor and the expander having the same rotation speed, the working fluid is supplied to the expander. Along with the main circuit provided with the sub-circuit provided with the expansion valve. However, this cannot recover the expansion energy of the working fluid that passes through the subcircuit.
作動流体の膨張エネルギーを効率よく回収できないという課題は、膨張機一体型圧縮機を用いる場合に顕著となるが、圧縮機とシャフトで連結されていない分離型の膨張機を用いる場合にも発生する。分離型の膨張機を用いる場合、作動流体の膨張エネルギーは、膨張機に接続された発電機により回収される。発電機の発電効率は定格回転数から離れるほど低下するため、発電機は定格回転数の近傍で運転することが望ましい。しかし、冷凍サイクルでは、作動流体の循環量や密度が運転条件に応じて変化するため、発電機を定格回転数の近傍のみで運転することは困難である。このため、分離型の膨張機においても、作動流体の膨張エネルギーを効率よく回収することは容易ではない。 The problem that the expansion energy of the working fluid cannot be efficiently recovered becomes prominent when an expander-integrated compressor is used, but also occurs when a separate expander that is not connected to the compressor by a shaft is used. . When a separation type expander is used, the expansion energy of the working fluid is recovered by a generator connected to the expander. Since the power generation efficiency of the generator decreases as it goes away from the rated speed, it is desirable that the generator be operated near the rated speed. However, in the refrigeration cycle, since the circulating amount and density of the working fluid change according to the operating conditions, it is difficult to operate the generator only near the rated speed. For this reason, even in the separation type expander, it is not easy to efficiently recover the expansion energy of the working fluid.
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、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な膨張機を提供することを目的とする。本発明は、さらに、その膨張機を含むヒートポンプを提供することを目的とする。 This invention is made | formed in view of said situation, and it aims at providing the expander which can collect | recover the expansion energy of a working fluid efficiently. It is another object of the present invention to provide a heat pump including the expander.
すなわち、本発明は、
シリンダと、
偏心部を有するシャフトと、
前記偏心部に嵌合し、前記シリンダの内側で偏心回転するピストンと、
前記シリンダと前記ピストンとの間の空間を、吸入側空間と吐出側空間とに仕切るための仕切り部材と、を有するロータリ式の膨張機構をn個(nは2以上の整数)と、
1番目の膨張機構の吸入側空間に作動流体を吸入する第1吸入孔と、
k番目(kは1からn−1までの整数)の膨張機構の吐出側空間と(k+1)番目の膨張機構の吸入側空間とを結び一つの空間を形成する連通孔と、
n番目の膨張機構の吐出側空間から作動流体を吐出する吐出孔と、
前記1番目の膨張機構の吸入側空間との接続位置が可変であり、当該吸入側空間へと作動流体を吸入する第2吸入孔と、
を備えた、膨張機を提供する。That is, the present invention
A cylinder,
A shaft having an eccentric part;
A piston that fits into the eccentric part and rotates eccentrically inside the cylinder;
N rotary expansion mechanisms (n is an integer of 2 or more) having a partition member for partitioning the space between the cylinder and the piston into a suction side space and a discharge side space;
A first suction hole for sucking the working fluid into the suction side space of the first expansion mechanism;
a communication hole that connects the discharge side space of the kth expansion mechanism (k is an integer from 1 to n-1) and the suction side space of the (k + 1) th expansion mechanism to form one space;
a discharge hole for discharging the working fluid from the discharge side space of the nth expansion mechanism;
A connection position with the suction side space of the first expansion mechanism is variable, and a second suction hole for sucking the working fluid into the suction side space;
An expander is provided.
また、本発明は、本発明による膨張機からなる膨張機部と、前記シャフトを介して前記膨張機部に一体に連結されている圧縮機部とを備えた、膨張機一体型圧縮機を提供する。 The present invention also provides an expander-integrated compressor comprising an expander unit comprising the expander according to the present invention and a compressor unit integrally connected to the expander unit via the shaft. To do.
さらに、本発明は、本発明による前記膨張機または前記膨張機一体型流体機械を備えたヒートポンプを提供する。 Furthermore, the present invention provides a heat pump comprising the expander or the expander-integrated fluid machine according to the present invention.
本発明の膨張機では、1番目の膨張機構の吸入側空間と第2吸入孔との接続位置を変更することにより、作動流体の吸入過程から当該作動流体の膨張過程に移行するタイミングを調整し、吸入過程が行われる時間の長さに対する膨張過程が行われる時間の長さの比を制御することができる。このため、本発明によれば、上記(Ves/Vcs)を変更することが可能となり、例えば、膨張機一体型圧縮機を用いた冷凍サイクルにおいて、密度比一定の制約を回避することができる。従って、作動流体の副回路を設けずに作動流体の全量を膨張機に流入させて、作動流体の膨張エネルギーを効率よく回収することができる。 In the expander of the present invention, the timing of transition from the working fluid suction process to the working fluid expansion process is adjusted by changing the connection position between the suction side space of the first expansion mechanism and the second suction hole. The ratio of the length of time during which the expansion process is performed to the length of time during which the inhalation process is performed can be controlled. For this reason, according to the present invention, it is possible to change the above (Ves / Vcs). For example, in a refrigeration cycle using an expander-integrated compressor, it is possible to avoid the restriction of a constant density ratio. Therefore, it is possible to efficiently recover the expansion energy of the working fluid by supplying the entire amount of the working fluid to the expander without providing the subcircuit of the working fluid.
本発明の膨張機を分離型の膨張機として用いると、膨張機に流入する作動流体の量を維持しながら膨張機の回転数を制御できる。このため、膨張機に接続された発電機の回転数を定格回転数の近傍とし、発電機による発電効率を高く維持することが容易となる。 When the expander of the present invention is used as a separation type expander, the rotation speed of the expander can be controlled while maintaining the amount of working fluid flowing into the expander. For this reason, it becomes easy to make the rotation speed of the generator connected to the expander near the rated rotation speed, and to maintain the power generation efficiency by the generator high.
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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態の膨張機一体型圧縮機の構成を示す縦断面図、図2Aは、図1の膨張機一体型圧縮機の膨張機部のD1−D1断面における横断面図、図2Bは、同膨張機部のD2−D2断面における横断面図、図3Aは、同膨張機部の上側端板の固定部の部分切り取り斜視図、図3Bは、同上側端板の可動部の斜視図、図3Cは、同上側端板の固定部と可動部とを一体化した状態を示す部分切り取り斜視図である。(First embodiment)
1 is a longitudinal sectional view showing a configuration of an expander-integrated compressor according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 2A is a cross-sectional view taken along a line D1-D1 of an expander portion of the expander-integrated compressor of FIG. 2B is a cross-sectional view taken along the D2-D2 cross section of the expander unit, FIG. 3A is a partially cutaway perspective view of a fixing portion of an upper end plate of the expander unit, and FIG. 3B is an upper end of the expander unit. FIG. 3C is a partially cutaway perspective view showing a state in which the fixed portion and the movable portion of the upper end plate are integrated.
本実施形態における膨張機一体型圧縮機100は、密閉容器11と、その内部の上側に配置されたスクロール式の圧縮機部20と、その下側に配置された2段ロータリ式の膨張機部40と、圧縮機部20と膨張機部40との間に配置された回転子12aおよび固定子12bを備えた回転電動機12と、圧縮機部20、膨張機部40および回転電動機12を連結するシャフト13と、を備えている。シャフト13は、複数の部分を一軸に連結したものであってもよい。 The expander-integrated
スクロール式の圧縮機部20は、固定スクロール21と、旋回スクロール22と、オルダムリング23と、軸受部材24と、マフラー25と、吸入管26と、吐出管27とを備えている。シャフト13の偏心軸13aに嵌合され、かつ、オルダムリング23により自転運動を拘束された旋回スクロール22は、渦巻き形状のラップ22aが、固定スクロール21のラップ21aと噛み合いながら、シャフト13の回転に伴って旋回運動を行い、ラップ21a,22aの間に形成される三日月形状の作動室28が外側から内側に移動しながら容積を縮小することにより、吸入管26から吸入された作動流体を圧縮する。圧縮された作動流体は、固定スクロール21の中央部に設けた吐出孔21b、マフラー25の内側空間25a、ならびに固定スクロール21および軸受部材24を貫通する流路29をこの順に経由して、密閉容器11の内部空間11aへと吐出される。内側空間11aに吐出された作動流体は、内部空間11aに滞留する間に、混入した潤滑用のオイルを重力や遠心力などにより分離された後、吐出管27から冷凍サイクルへと吐出される。 The scroll-
2段ロータリ式の膨張機部40は、第1シリンダ41と、第1シリンダ41よりも厚みのある第2シリンダ42と、これらシリンダ41,42を仕切る中板43とを備えている。第1シリンダ41と第2シリンダ42とは、互いに同心状の配置である。膨張機部40は、さらに、シャフト13の偏心部13bと嵌合し、第1シリンダ41の中で偏心回転運動する第1ピストン44と、第1シリンダ41のベーン溝に往復動自在に保持され、一方の端部が第1ピストン44に接する第1ベーン46と、第1ベーン46の他方の端部に接し、第1ベーン46を第1ピストン44へと付勢する第1ばね48と、第2シリンダ42は、シャフト13の偏心部13cと嵌合し、第2シリンダ42の中で偏心回転運動する第2ピストン45と、第2シリンダ42のベーン溝に往復動自在に保持され、一方の端部が第2ピストン45に接する第2ベーン47と、第2ベーン47の他方の端部に接し、第2ベーン47を第2ピストン45へと付勢する第2ばね49と、を備えている。 The two-stage
第1シリンダ41、シャフト13、第1ピストン44および第1ベーン46により、第1番目(1段目)の膨張機構が構成される。同様に、第2シリンダ42、シャフト13、第2ピストン45および第2ベーン47により、第2番目(2段目)の膨張機構が構成される。なお、ピストン44,45とベーン46,47とは、一体化されていてもよい(いわゆるスイングピストン)。 The
膨張機部40は、さらに、第1および第2シリンダ41,42ならびに中板43を狭持するように配置された上側端板73および下側端板51を備えている。上側端板73および中板43は第1シリンダ41を上下から狭持し、中板43および下側端板51は第2シリンダ42を上下から狭持する。上側端板73、中板43および下側端板51による狭持により、第1シリンダ41および第2シリンダ42内には、ピストン44,45の回転に応じて容積が変化する作動室が形成される。上側端板73および下側端板51は、各シリンダ41,42を閉塞する閉塞部材であるとともに、圧縮機部20の軸受部材24とともにシャフト13を回転自在に保持する軸受部材としても機能する。膨張機部40も、圧縮機部20と同様、マフラー52と、吸入管53と、吐出管54とを備えている。 The
図2A,図2Bに示すように、第1シリンダ41の内側には、第1ピストン44および第1ベーン46により区画された、吸入側の作動室55a(第1吸入側空間)および吐出側の作動室55b(第1吐出側空間)が、第2シリンダ42の内側には、第2ピストン45および第2ベーン47により区画された、吸入側の作動室56a(第2吸入側空間)および吐出側の作動室56b(第2吐出側空間)がそれぞれ形成される。第2シリンダ42における2つの作動室56a,56bの合計容積は、第1シリンダ41における2つの作動室55a,55bの合計容積よりも大きい。第1シリンダ41の吐出側の作動室55bと、第2シリンダ42の吸入側の作動室56aとは、中板43に設けられた連通孔43aにより連通しており、一つの作動室(膨張室)として機能する。高圧の作動流体は、作動室55aに流入した後、作動室55bと作動室56aから形成される作動室においてシャフト13を回転させながら膨張して低圧になる。 As shown in FIGS. 2A and 2B, inside the
図1に示すように、上側端板73は、固定部71と可動部72とを備えている。図3Aに示すように、固定部71は、可動部72を嵌め合わせるための貫通孔71fを有する。貫通孔71fは、円筒凹面71aと、円筒凹面71aと同じ中心軸70を有し、円筒凹面71aよりも小さな内径を有する円筒凹面71bと、これら円筒凹面71a,71bを接続する段差面71cとによって囲まれている。なお、流体機械(膨張機一体型圧縮機100)を組み立てると、中心軸70はシャフト13の中心軸に一致する。 As shown in FIG. 1, the
固定部71の内部には、吸入管53からの作動流体を作動室55aに導く流入路として、流入路71d(第1流入路)と、流入路71dからの分岐路である流入路71e(第2流入路)とが設けられている。図1および図2Aに示すように、流入路71eに連通する流路として、第1シリンダ41には、流入路41aおよび第1吸入孔41bが設けられており、第1吸入孔41bは、第1シリンダ41内の吸入側の作動室55aに連通している。 Inside the fixed
図3Bに示すように、上側端板73の可動部72は、シャフト13を回転自在に保持するための貫通孔72aを有し、外周面として、固定部71の円筒凹面71aに当接する円筒凸面72bと、固定部71の円筒凹面71bに当接する円筒凸面72cと、これら円筒凸面72b,72cの間において固定部71の段差面71cに当接する段差面72gと、を備えている。上側端板73の可動部72の円筒凸面72cには、この円筒凸面72cを周方向に周回する歯車72eが設けられている。可動部72は、円筒凸面72b上を周方向に沿って周回する流路溝72dと、流路溝72dに接続された第2吸入孔72fとをさらに備えている。図1および図2Aに示すように、第2吸入孔72fは、流路溝72dから第1シリンダ41の作動室55aに向かって軸方向に延び、第1シリンダ41内の吸入側の作動室55aに連通している。 As shown in FIG. 3B, the
図3Cに示すように、固定部71と可動部72とは、固定部71の貫通孔71fに可動部71が回転自在に嵌め込まれて一体化される。固定部71の段差面71cと可動部72の段差面72gとは、互いに当接して、可動部72が固定部71より上側に抜け出るのを防止する。固定部71の下端面と可動部72の下端面とは、同一平面を構成し、この平面が第1シリンダ41の上方の隔壁を構成する。 As shown in FIG. 3C, the fixed
可動部72を回転させると、第2吸入孔72fは、シャフト13の中心軸70との間の距離を一定に保持しながら、中心軸70を回転中心として回転移動する。可動部72の回転は、第1シリンダ41の吸入側の作動室55aにおける第2吸入孔72の位置の相対的変化をもたらす。すなわち、第1吸入孔41bと第1シリンダ41の吸入側の作動室55aとの接続位置が固定されているのに対し、第2吸入孔72fと作動室55aとの接続位置は可変である。後述するように、第2吸入孔72fの接続位置の変更が、膨張機一体型圧縮機における密度比一定の制約の回避を可能とする。 When the
図3A,図3B,図3Cを参照して説明したように、第2吸入孔72fは、作動流体が最初に流入する1番目の流体機構に含まれる第1シリンダ41の端面を閉塞する閉塞部材としての端板73に設けるとよい。簡単な構成で移動可能な第2吸入孔72fを構成できるためである。また、上側端板73のシリンダ41側は平面であるため、端板73を複数の部品で構成しても加工精度を高めることは容易である。 As described with reference to FIGS. 3A, 3B, and 3C, the
また、上記で説明したように、端板73の少なくとも一部を、シャフト13を回転中心とする回転が可能な可動部72とし、可動部72に第2吸入孔72fを設けることが好ましい。第2吸入孔72fの移動範囲を大きく確保することが容易になるためである。 In addition, as described above, it is preferable that at least a part of the
また、本実施形態においては、可動部72がシャフト13を支持する円筒状の軸受面(貫通孔72aの内周面)を含んでいる。したがって、シャフト13を支持するための軸受を別途設ける必要がなく、これにより、部品点数増を抑制することができる。 Further, in the present embodiment, the
また、固定部71は、環状の形態を有し、膨張機部40の外部から可動部72に設けられた第2吸入孔72fへと作動流体を供給する流入路71d(第1流入路)と、流入路71dから分岐し、第1吸入孔41bに作動流体を供給する流入路71e(第2流入路)とが内部に設けられている。このような固定部71に可動部72が回転可能に合体する。2つの流入路71d,71eを固定部71の内部に設けることにより、第2吸入孔72fへ作動流体を導く配管が不要となるので、密閉容器11の内部の省スペース化に有利である。また、固定部71の内部に流入路71d,71eを設けるので、作動流体の漏れの問題が生じにくい。 The fixed
図1に戻って説明を続ける。上側端板73の固定部71には、回転部72の歯車72eと噛み合う歯車75と、歯車75を駆動する回転電動機76(電動アクチュエータ)とがさらに設置されている。歯車72e,75を介して、可動部72は回転電動機76により駆動される。このように、膨張機部40は、可動部72を回転させる駆動機構75,76をさらに備えていてもよい。駆動機構75,76は、密閉容器11の外部に設けられた、可動部72の回転角度を制御する制御器(図示省略)に接続され、この制御器からの制御信号を受けて可動部72を回転させ、作動室55aへの接続位置を制御する。回転電動機76としてステッピングモータやサーボモータを用いると、第2吸入孔72fの位置を高精度に制御することが可能となる。また、可動部72の回転角度を検出する検出器(例えばエンコーダ)を設けてもよい。なお、可動部72の駆動手段として、回転電動機76以外の手段、例えば流体の圧力差を利用するアクチュエータを用いても構わない。 Returning to FIG. 1, the description will be continued. The fixed
吸入管53から膨張機部40に流入した作動流体は、上側端板73の固定部71の流入路71dから二つの経路に分かれて作動室55aに流入する。第1経路は、固定部71内の流入路71d、分岐流入路71e、第1シリンダ41内の流入路41a、第1吸入孔41bを経由する経路である。第2経路は、固定部71内の流入路71d、可動部72の流路溝72d、第2吸入孔72fを経由する経路である。このように、膨張機部40では、吸気管53から最初の作動室55aに、作動室55aとの接続位置が固定された第1吸入孔41bと、作動室55aとの接続位置が可変である第2吸入孔72fとを経由して、作動流体を供給する。これら2つの経路には、開閉可能な電磁弁や差圧弁などの流量制御機構を配置する必要はない。 The working fluid that has flowed into the
第1シリンダ41に吸入された作動流体は、第2シリンダ42を経由し、下側端板51に設けられた吐出孔51a、マフラー52の内部空間52a、第1および第2シリンダ41,42を貫通する流路57、をこの順に経由して吐出管54から冷凍サイクルへと吐出される。なお、吐出孔51aは、第2シリンダ42に設けられていてもよい。 The working fluid sucked into the
図2Bに示すように、下側端板51に設けられた吐出孔51aには、吐出弁74が設置されている。吐出弁74は、例えば金属の薄板から構成され、吐出孔51aをマフラー52の内部空間52a側から塞ぐように配置されている。吐出弁74は、上流側(第2シリンダ42の吐出側の作動室56b側)の圧力が下流側(マフラー52の内部空間52a側)の圧力より高くなると開く差圧弁である。吐出弁74は、膨張機部40における作動流体の過膨張を防止する機能を有する。 As shown in FIG. 2B, a
図4A,図4B,図4Cに、第1吸入孔41bおよび第2吸入孔72fの位置を示す。第2吸入孔72fの位置は、シャフト13を中心とした第1ベーン46の位置を基準とする角度φにより表示して、20°(図4A)、90°(図4B)、180°(図4C)にそれぞれ調整されている。角度φは、正確には、第1ベーン46と第1ピストン44との接点とシャフト13の中心軸70とを結ぶ第1直線80を、中心軸70を中心として、シャフト13の回転方向(図示した例では時計回り)について、第2吸入孔72fとシャフト13の中心軸70とを結ぶ第2直線90にまで回転させるときの角度である。この表記方法に従うと、図示した例では、第1吸入孔41bは20°の位置に固定されている。また、吐出孔51aは、第2シリンダ42における同様の表記において、340°の位置に固定されている。これに対し、第2吸入孔72fの位置は、0°から360°の間で任意に設定できる。 4A, 4B, and 4C show the positions of the
図5Aに、第2吸入孔72fの角度φが90°の場合の第1シリンダ41の動作原理図を、図5Bに、上記に対応する第2シリンダ42の動作原理図をそれぞれ示す。ここでは、シャフト13の回転角θを、第1シリンダ41と第1ピストン44との接点が、第1ベーン46に位置するいわゆる上死点にあるときを0°とし、シャフト13の回転方向である時計回りを正として表示する。 FIG. 5A shows an operation principle diagram of the
θ=0°以降に生成する作動室55aに、θ=20°以降において第1吸入孔41bから作動流体が流入する。θ=90°以降は、第1吸入孔41bおよび第2吸入孔72fから作動室55aに作動流体が流入する。θ=360°を過ぎると、作動室55aは作動室55bに変化し、かつ、連通孔43aを介して第2シリンダ42の作動室56aと連通する。さらにシャフト13が回転すると、θ=380°(図示せず)において、第1シリンダ41と第1ピストン44との接点が第1吸入孔41bを通過し、作動室55bと第1吸入孔41bとの連通が断たれる。従来の2段ロータリ式の膨張機部では、この時点で作動流体の吸入過程が終了する。 The working fluid flows into the working
これに対し、本実施形態の膨張機部40には、第2吸入孔72fが設けられているため、θ=380°に至っても、第2吸入孔72fからの作動流体の流入が継続する。この膨張機部40では、θ=450°になり、第1シリンダ41と第1ピストン44との接点が第2吸入孔72fを通過して作動室55bと第2吸入孔72fとの連通が断たれた時点で、作動流体の吸入過程が終了する。 On the other hand, since the
吸入過程が終了すると、作業流体の膨張過程が開始される。シャフト13がさらに回転すると、作動室55bの容積は減少するが、第1シリンダ41よりも第2シリンダ42のほうが軸方向に高く容積が大きいために、作動室56aの容積はそれ以上の割合で増加する。その結果、シャフト13の回転に伴い、作動室55bと作動室56aの容積の和は増大し、作業流体は膨張する。θ=700°(図示せず)に至ると、第2シリンダ42と第2ピストン45の接点が吐出孔51aを通過し、作動室56aが吐出孔51aと連通する。この時点で、膨張過程は終了する。 When the suction process is completed, the working fluid expansion process is started. When the
膨張過程が終了すると、作業流体の吐出過程が開始される。θ=720°において、作動室55bは消滅、作動室56aは作動室56bに変化し、さらに、シャフト13が回転するにつれて、作動室56bの容積が減少し、作動流体が吐出孔51aから吐き出される。θ=1080°で作動室56bは消滅し、吐出過程が終了する。 When the expansion process is finished, the discharge process of the working fluid is started. At θ = 720 °, the working
図6Aに、シャフト13の回転角θと、吸入から吐出に至る各過程の移行時点との関係を、第2吸入孔72fの角度φが20°,90°,180°の場合について示す。上記説明から明らかなように、吸入過程が終了するシャフト13の回転角θは、第1シリンダ41と第1ピストン44との接点が2回目に第2吸入孔72fを通過する際の角度となる。この角度は、θ=(360+φ)と表すことができる。従って、第2吸入孔72fの角度φが大きくなるにつれて、吸入過程から膨張過程へと移行するタイミングが遅くなり、吸入過程が長くなって膨張過程が短くなる。すなわち、吸入過程が行われる時間の長さに対する膨張過程が行われる時間の長さの比が小さくなる。 FIG. 6A shows the relationship between the rotation angle θ of the
図6Bに、シャフト13の回転角θと作動室容積との関係を示す。作動流体は、作動室55a、作動室55b、作動室56a、作動室56bの順に移動するが、その過程で作動室の容積は正弦波曲線状に変化する。図中の縦軸に、第2吸入孔72fの角度φが20°,90°,180°の場合の吸入過程終了時の作動室の容積である吸入容積Vesφと、吐出過程開始時の作動室の容積である吐出容積Vedを示す。φの増加とともに吸入容積Vesφは増加するが、φによらず吐出容積Vedは一定である。 FIG. 6B shows the relationship between the rotation angle θ of the
以上のように、本実施形態では、従来の2段ロータリ式の膨張機部40に設けられていた固定された第1吸入孔41bに加え、移動可能な第2吸入孔72fを設けることにより、作動室55a,55b,56a,56bの吸入過程終了時の容積である吸入容積Vesφを可変とした。これにより、圧縮機部20と膨張機部40の入口側の作動流体の密度比(Vcs/Vesφ)を制御することが可能となる。 As described above, in this embodiment, in addition to the fixed
図7に、本実施形態の膨張機一体型圧縮機を用いた冷凍サイクルのモリエル線図を例示する。密度比を変化させることができるため、2段ロータリ式の膨張機部40の入口側の状態に相当する点Cを、等温線(図示した例ではT=35℃)に沿って圧力だけを変化させ、点C´または点C″に移動させることが可能となる。こうして、2段ロータリ式の膨張機部40の入口側の温度と圧力が自由に制御できるようになり、従来の膨張機一体型圧縮機を用いた冷凍サイクルでは不可能であった、効率の良い冷凍サイクルの運転が可能となる。 In FIG. 7, the Mollier diagram of the refrigerating cycle using the expander integrated compressor of this embodiment is illustrated. Since the density ratio can be changed, only the pressure is changed along the isotherm (T = 35 ° C. in the illustrated example) at the point C corresponding to the state on the inlet side of the two-stage
特に、本実施形態のように、シャフト13の軸を中心に回転が可能である可動部72に第2吸入孔72fを形成し、角度φを0°から360°まで調整可能とすると、制御の幅が大きいため、冷凍サイクルの効率を図りやすい。 In particular, as in the present embodiment, when the
次に、吐出孔51aに吐出弁74を設けたことによる効果について説明する。図8に作動室の容積と圧力の関係(PV線図)を示す。図中の記号の添え字φは第2吸入孔72fの角度φである。点Pφは膨張過程の開始、点Sφは膨張過程の終了、点Tは吐出過程の開始を表す。なお、二酸化炭素を作動流体とする冷凍サイクルを想定しているため、膨張過程の途中で相変化に起因する曲点Qφが示されている。 Next, the effect obtained by providing the
吐出容積Vedが一定であるため、第2吸入孔72fの移動に伴って吸入容積Vesφが大きくなるにつれて、膨張過程の前後における容積比(=Ved/Vesφ)が小さくなり、膨張過程終了時の圧力Sφが高くなる。このため、例えば、第2吸入孔72fの角度φの範囲を20°から180°の範囲で制御する場合、最大角度180°を選択した場合の膨張過程終了時の圧力S180が冷凍サイクルの低圧側圧力Pedより低くなるように設定し、不足膨張が生じないように設計することが望ましい。不足膨張が生じると、作動流体の圧力差によるエネルギーの一部が回収できなくなるためである。Since the discharge volume Ved is constant, the volume ratio (= Ved / Vesφ) before and after the expansion process decreases as the suction volume Vesφ increases with the movement of the
このように設計すると、少なくとも角度φを180°以下に設定した場合に、過膨張が生じる。過膨張とは、圧力Pedφが冷凍サイクルの低圧側圧力Pedよりも低くなる現象である。過膨張が発生すると、吐出過程において、吐出孔51aから、作動室56b内よりも圧力が高いマフラー52の内部空間52aに作動流体を押出すために、過膨張損失が発生する。過膨張損失の大きさは、図8における三角形RφSφTの面積により示すことができる。 With this design, overexpansion occurs at least when the angle φ is set to 180 ° or less. Overexpansion is a phenomenon in which the pressure Pedφ is lower than the low pressure side pressure Ped of the refrigeration cycle. When the overexpansion occurs, an overexpansion loss is generated in the discharge process because the working fluid is pushed out from the
しかし、吐出孔51aに吐出弁74を設けておくと、作動室56bで過膨張CφDφが生じた場合は、吐出過程において再圧縮が行われる。吐出過程において、作動室56bは、シャフト13の回転とともに容積が小さくなる。吐出孔51aに吐出弁74を配置しておくと、過膨張により低下した作動室56bの圧力が冷凍サイクルの低圧側圧力Pdに等しくなるまで吐出弁74が開かないため、作動流体が作動室5bで再圧縮される。こうして、吐出弁74を配置しておけば、過膨張損失を防ぐことができる。 However, if the
以下、本実施形態の膨張機一体型圧縮機のその他の特徴を説明する。 Hereinafter, other features of the expander-integrated compressor of the present embodiment will be described.
本実施形態では、第2吸入孔72fを設けた上側端板73の可動部72を、シャフト13を中心として、シャフト13の回転方向と同じ方向に回転可能とするとよい。シャフト13と可動部72との間の摩擦力により、小さい動力で可動部72を回転させることができるためである。これによれば、回転電動機76を小型化し、密閉容器11の内部に収納することが容易となる。 In the present embodiment, it is preferable that the
本実施形態では、可動部72が360°回転すれば元の位置に戻ってくる。このため、常に同じ方向にだけ可動部72を回転駆動すればよく、回転電動機76の制御が簡単である。シャフト13と可動部72との間の摩擦力が回転駆動の妨げになることもない。 In this embodiment, if the
本実施形態では、膨張機部40の吸入容積Vesφを可変としたことにより、膨張機を用いない冷凍サイクルに用いる通常の構造を有する圧縮機部20とした。圧縮機部20については、通常の構造をそのまま用いることができるため、開発コストを削減できる。 In this embodiment, since the suction volume Vesφ of the
本実施形態の膨張機一体型圧縮機を用いると、冷凍サイクルの作動流体の循環量を圧縮機部20の回転数で制御しつつ、膨張機部40は圧縮機部20と同一回転数で回転させながら、運転条件に応じて吸入容積Vesφを調整することができる。従って、圧縮機部20と膨張機部40の冷凍サイクルの制御上の役割分担が可能であり、膨張機一体型圧縮機を用いた冷凍サイクルの制御アルゴリズムも容易になる。 When the expander-integrated compressor of the present embodiment is used, the
本実施形態の膨張機一体型圧縮機に用いる作動流体の種類に制限はないが、二酸化炭素が適している。膨張機による動力回収の効果がより顕著となるためである。このため、作動流体を二酸化炭素とすると、密度比一定を回避することによる高効率化の効果も顕著になる。 Although there is no restriction | limiting in the kind of working fluid used for the expander integrated compressor of this embodiment, Carbon dioxide is suitable. This is because the effect of power recovery by the expander becomes more prominent. For this reason, when the working fluid is carbon dioxide, the effect of increasing the efficiency by avoiding the constant density ratio becomes remarkable.
なお、本実施形態では、第1吸入孔41bとともに移動可能な第2吸入孔72fを設けたが、移動可能な吸入孔の数は2以上あってもよく、この場合は、最も下流側の位置に配置される吸入孔により、吸入容積Vesφが定まる。また、本実施形態では、膨張機部40を2段としたが、3段以上の場合でも、1段目のシリンダに対して移動可能な第2吸入孔を設けることにより、上記と同様の効果を得ることができる。 In the present embodiment, the second suction holes 72f that are movable together with the first suction holes 41b are provided. However, the number of movable suction holes may be two or more, and in this case, the most downstream position is provided. The suction volume Vesφ is determined by the suction hole arranged at the bottom. Further, in this embodiment, the
次に、図9Aに、本実施形態の膨張機一体型圧縮機を用いた動力回収式のヒートポンプの構成を示す。図9Aに示すヒートポンプは、膨張機一体型圧縮機100、ガスクーラ(放熱器)2、蒸発器4およびそれらを互いに接続する管体88(冷媒管)を含む。図20に示す従来例においては、膨張機3に並列接続された副回路9が不可欠であったが、本実施形態の膨張機一体型圧縮機を用いたヒートポンプでは、そうした副回路が本質的には不要である。ただし、他の目的、例えば、ヒートポンプの起動および停止を安定して行う目的で、副回路を設けてもよい。 Next, FIG. 9A shows a configuration of a power recovery type heat pump using the expander-integrated compressor of the present embodiment. The heat pump shown in FIG. 9A includes an expander-integrated
さらに、本実施形態の膨張機部40は、単体で用いても、すなわち、圧縮機と分離した膨張機として用いてもよい。図9Bに、分離型の膨張機を用いた動力回収式のヒートポンプの構成を示す。この装置は、圧縮機81、ガスクーラ(放熱器)82、膨張機83および蒸発器84を備え、さらに圧縮機81、ガスクーラ82、膨張機83および蒸発器84をこの順に接続するとともに作動流体が循環する管体88(冷媒管)を備えている。膨張機83は、図1等で説明した膨張機部40を含む。このヒートポンプでは、膨張機83で得た作動流体の膨張エネルギーは発電機86により電気エネルギーに変換され、圧縮機81を回転させる回転電動機85の入力の一部に用いられる。 Furthermore, the
図10に、一般的な発電機86の効率曲線を示す。発電機86は、所定の定格回転数Nrで発電効率が最も高くなるように設計されているため、回転数が定格回転数から離れるほど発電効率が低下する。このため、発電機86の回転数は、できるだけ定格回転数Nrの近傍とすることが望ましい。しかし、冷凍サイクルでは、作動流体の循環量や密度が変化するため、吸入容積Vesが一定の膨張機では定格回転数Nrの近傍だけで運転することが困難である。第1の実施形態の膨張機部40を膨張機83として用いれば、吸入容積Vesφの調整により回転数を定格回転数Nrの近傍に制御することが可能となる。 FIG. 10 shows an efficiency curve of a
(第2の実施形態)
先の実施形態でも触れたように、膨張機の吸入容積を変化させるための第2吸入孔の位置は、流体の圧力差を利用するアクチュエータによっても変化させることができる。流体の圧力差を利用するアクチュエータによれば、高温高圧下といった過酷な環境下での信頼性が高い。また、膨張機で膨張させるべき作動流体を、上記アクチュエータの動力源にそのまま利用できるという利点がある。本実施形態では、そのようなアクチュエータを含む吸入容積可変型の膨張機について説明する。なお、本実施形態において、第1実施形態で説明したものと同一部品には、同一符号を使用する。(Second Embodiment)
As mentioned in the previous embodiment, the position of the second suction hole for changing the suction volume of the expander can also be changed by an actuator that uses the pressure difference of the fluid. According to the actuator using the pressure difference of the fluid, the reliability is high under a severe environment such as high temperature and high pressure. Further, there is an advantage that the working fluid to be expanded by the expander can be used as it is for the power source of the actuator. In the present embodiment, a variable suction volume expander including such an actuator will be described. In the present embodiment, the same reference numerals are used for the same components as those described in the first embodiment.
図11は、第2実施形態における膨張機の縦断面図である。図11に示すように、膨張機303はロータリ式膨張機である。膨張機303は、密閉容器11、密閉容器11内に配置された発電機86および、発電機86に接続された膨張機部400を備えている。膨張機部400は、ポート部材412b(可動部材)、ポート部材412bを収容するハウジング413およびアクチュエータ406を含む。 FIG. 11 is a longitudinal sectional view of an expander according to the second embodiment. As shown in FIG. 11, the
ポート部材412bは、1番目の膨張機構のシリンダ41(第1シリンダ)を閉塞し、シャフト13を回転中心としてシャフト13とは独立して回転可能である。ポート部材412bには、追加の第2吸入孔412cが設けられている。アクチュエータ406は、動力源として流体の圧力差を利用した流体圧アクチュエータであり、高圧流体と低圧流体との差圧に基づく大きさの回転力をポート部材412bに与える。中心軸線O周りにおけるポート部材412bの回転角度を切り替えると、第2吸入孔412cの位置が変化する。これにより、膨張機部400において、作動流体の吸入過程から膨張過程に移行するタイミングが変化し、吸入過程が行われる時間の長さに対する膨張過程が行われる時間の長さの比が変化する。 The
アクチュエータ406の動力源である高圧流体および低圧流体として、当該膨張機303で膨張させるべき作動流体を用いることができる。このようにすれば、アクチュエータ406を動作させるための流体を別途準備する必要がなくなる。また、異種の流体同士の混合を防ぐ厳重なシール構造が不要である。アクチュエータ406の動力源として作動流体を用いるための機構は、以下の説明によって明らかにされる。 The working fluid to be expanded by the
本実施形態においては、シャフト13の中心軸線Oと平行な方向において、アクチュエータ406、ポート部材412bおよび1番目の膨張機構のシリンダ41(第1シリンダ)が、この順番かつ同心状に並んで配置されている。このような配置とすれば、アクチュエータ406およびポート部材412bを新たに設けることによる寸法拡大を極力抑制することが可能であるため、小型の膨張機303に好都合である。 In the present embodiment, the
以下、膨張機303の各部分について個別に説明する。
発電機86は、密閉容器11の側壁に固定された固定子86bと、固定子86bの内側に配置された回転子86aとを備えている。回転子86aの中心部には、シャフト13が固定されている。シャフト13は、回転子13aから下方に向かって延び、膨張機部400に共用されている。Hereinafter, each part of the
The
密閉容器11の底部には、潤滑油を貯留する油溜まり405が形成されている。シャフト13の下端部は、この油溜まり405内に配置されている。シャフト13の下端部には図示しない油ポンプが形成され、シャフト13の内部および/または外周部には、図示しない給油通路が形成されている。シャフト13が回転すると、油溜まり405の潤滑油は上記油ポンプによって汲み上げられ、上記給油通路を通じて膨張機部400の各摺動部に供給される。 An
膨張機部400の基本構造および作動流体を膨張させる仕組みは、第1実施形態で説明した通りであるから、ここでは省略する。なお、軸受部材としての上側端板424と第1シリンダ41との間に、第2吸入孔412cの位置を変化させるためのアクチュエータ406およびポート部材412bが配置されている点、および第1シリンダ41の端面がポート部材412bによって閉塞されている点については、本実施形態と第1実施形態とで相違する。 Since the basic structure of the
以下、ポート部材412bおよびアクチュエータ406について詳しく説明する。ポート部材412bは、中心部にシャフト13を貫通させる孔が形成された略円板状をなし、外形が第1シリンダ41と略一致するハウジング413の内部に配置されている。ハウジング413の内径と、ポート部材412bの外径とは略等しく、径方向へのポート部材412bの変位はハウジング413によって規制される。ただし、ポート部材412bは、ハウジング413の内部をスムーズに回転できるようになっている。ポート部材412bには、アクチュエータ406のピストン430と重なり合わない位置において、軸方向の上下に貫通するように第2吸入孔412cが形成されている。ポート部材412bが回転することにより、第2吸入孔412cがシャフト13の回転方向に移動する。 Hereinafter, the
図12Aは、図11に示す膨張機のD3−D3断面図である。図12Aに示すように、アクチュエータ406は、ポート部材駆動用偏心部412a、ポート部材駆動用ピストン430、ポート部材駆動用シリンダ432、ポート部材駆動用ベーン433、ポート部材駆動用ばね434、吸入管53および制御圧管435を備えている。ポート部材駆動用シリンダ432の中心部にシャフト13が位置している。 12A is a cross-sectional view of the expander shown in FIG. 11 taken along the line D3-D3. As shown in FIG. 12A, the
以下の説明において、アクチュエータ406の各部品に関し、簡略の目的で「ポート部材駆動用」の文言を省略する。 In the following description, the term “port member driving” is omitted for the sake of brevity regarding each component of the
図12Aに示すように、偏心部412aは、シャフト13に対して偏心しており、シリンダ432の内部に配置されている。シリンダ432の上側は上側端板424(図11参照)により閉塞されている。ピストン430は、シリンダ432との間に圧力室431(431a,431b)を形成するように、偏心部412aに嵌め合わされている。偏心部412aおよびピストン430は、シャフト13の中心軸線Oに対して偏心した状態を保ちながら、シリンダ432内を回転(詳細には偏心揺動)する。偏心部412aにはシャフト13が貫通する貫通孔が形成されている。偏心部412aとシャフト13とは接合されておらず、互いに独立して回転できる。 As shown in FIG. 12A, the
ベーン433は、先端がピストン430に接するように、シリンダ432に設けられたベーン溝に往復動自在に保持されている。ばね434は、ベーン433をピストン430に向けて付勢している。 The
シリンダ432の内部に形成された圧力室431a,431bは、ベーン433によって、第1圧力室431aと第2圧力室431bとの二つの空間に分離されている。また、シリンダ432には、高圧側流入孔450と低圧側流入孔451とが設けられている。これら高圧側流入孔450と低圧側流入孔451とは、周方向に所定角度離れており、それぞれ、シリンダ432の内外を貫いている。第1圧力室431aには、高圧側流入孔450を介して吸入管53が接続されている。吸入管53は、膨張前の高圧の作動流体を第1圧力室431aに供給する。第2圧力室431bには、低圧側流入孔451を介して制御圧管435が接続されている。制御圧管435は、第1圧力室431a側に供給される作動流体よりも低い圧力の作動流体を第2圧力室431bに供給する。第1圧力室431aと第2圧力室431bとの差圧は、ピストン430に回転力を与える。作動流体の差圧から回転力を受けたピストン430は、偏心部412aおよびポート部材412bを回転させる。 The
また、シリンダ432には、吸入管53から上側端板424を通り、シリンダ432、ハウジング413、第1シリンダ41を経由して通り第1シリンダ41の作動室55aへと作動流体を吸入させるための吸入通路437が形成されている。 Also, the
すなわち、本実施形態の膨張機303における膨張機部400は、第1シリンダ41に形成された第1吸入孔41bに接続し、その第1シリンダ41に作動流体(冷媒)を送るための吸入経路437と、その吸入経路437から分岐した分岐経路としての高圧側流入孔450とを含む。アクチュエータ406の高圧室431aと高圧側流入孔450とが接続され、高圧側流入孔450を通じてアクチュエータ406に供給される高圧の作動流体が、アクチュエータ406を駆動するための高圧流体として利用されている。さらに、ポート部材412bに設けられた第2吸入孔412cの一端がアクチュエータ406の高圧室431aに接続するように、アクチュエータ406とポート部材412bとが上下に隣接して配置されており、高圧流体としてアクチュエータ406に供給された作動流体が、ポート部材412bに設けられた第2吸入孔412cを通じて第1シリンダ41における作動室55a(図2A参照)に供給される。 That is, the
このようにすれば、アクチュエータ406を動作させるための流体を別途準備する必要がなくなる。異種の流体同士の混合を防ぐ厳重なシール構造が不要であるとともに、異種の流体同士が混ざることによって冷凍サイクルの特性が変化するといった不具合も生じない。また、膨張機303で使用する作動流体をアクチュエータ406の動力源とすることにより、外部から電力等のエネルギーを供給せずに済むため、作動流体の膨張エネルギーの回収効率向上に有利である。 In this way, it is not necessary to separately prepare a fluid for operating the
また、シリンダ432の内周面上には、シャフト13の中心軸線Oに向かって凸形状を有する第1ストップ436aと第2ストップ436bとが、周方向に所定角度離れて設けられている。これらストップ436a,436bは、ピストン430が、作動流体の圧力差(作動流体(冷媒)が二酸化炭素の場合、定格運転時には、高圧側は約10MPa超、低圧側は約3〜5MPaの圧力となる)により回転するときの可動範囲(中心軸線O周りの回転角)を制限する。これにより、ポート部材412bは、所定角度(例えば約180°)の範囲内での回転運動だけが許容されるようになる。 On the inner peripheral surface of the
なお、アクチュエータ406のピストン430の回転中心は、シャフト13の回転中心と一致していてもよい。ただし、本実施形態のようにピストン430が偏心回転する構造を採用すれば、ポート部材412bを上下に貫通する第2吸入孔412cの形成スペースを余裕で確保することができ、膨張機の小型化にも有利である。 Note that the rotation center of the
図12Bは、図1に示す膨張機303のD4−D4断面図である。図12Bに示すように、ポート部材412bには、回転ばね439(付勢手段)が取り付けられている。回転ばね439は、ポート部材412bに内蔵されていると好ましい。回転ばね439は、ポート部材412bと、ハウジング413(またはシリンダ432)とに介在しており、ポート部材412b、偏心部412aおよびピストン430を常時所定の回転方向に付勢する。図12Aに示すように、本実施形態では、第1圧力室431aを高圧側、第2圧力室431bを低圧側とするため、回転ばね439の付勢方向を、第1圧力室431aの容積が減少する方向、すなわち、第2吸入孔412cの位置が第1吸入孔41b(図2A参照)に近づく方向に設定している。このような回転ばね439の働きにより、ストップ436a,436bによって定められる可動範囲内において、ポート部材412bの位置を連続的に変化させることができるようになる。また、第1圧力室431aに供給する作動流体が高圧、第2圧力室431bに供給する作動流体が低圧という関係のもとで、ポート部材412bを正逆両方向に回転させることが可能となる。 12B is a cross-sectional view taken along line D4-D4 of the
もちろん、回転ばね439を設けない場合であっても、第1圧力室431aに供給する作動流体の圧力と、第2圧力室431bに供給する作動流体の圧力との大小関係を逆転させれば、ポート部材412bを正逆両方向に回転させることができる。ストップ436a,436bを設けることにより、ポート部材412bの回転範囲を制限することもできる。ただし、そのような構成においては、膨張機303で使用する作動流体をアクチュエータ406の動力源に利用することが難しくなるし、構造の複雑化を招く。したがって、本実施形態のようにするのが好ましい。 Of course, even if the
さらに、上記のような回転ばね439によれば、シリンダ432内でピストン430が占有する位置に応じて、ピストン430に与える回転力の大きさが変化する。第1圧力室431aに供給する高圧の作動流体と、第2圧力室431bに供給する低圧の作動流体との差圧が偏心部412aおよびピストン430に与える正方向(または逆方向)の回転力と、回転ばね439による反発力、すなわち、ポート部材412bに与えられる逆方向(または正方向)の回転力とが均衡することにより、所定の回転角上にポート部材412bが位置決めされる。このようにすれば、アクチュエータ406の第1圧力室431aに供給する作動流体と、第2圧力室431bに供給する作動流体との差圧を調整することにより、ポート部材412bを自在に変位させる制御が可能になる。つまり、膨張機303の運転状況に応じて最適な位置に第2吸入孔412cを合わせることが可能になる。 Further, according to the
上述したように、高圧の作動流体は吸入管53から吸入通路437を通り、第1シリンダ41に設けた第1吸入孔41bから作動室55a(図2A参照)に流入する。その経路とは別に、高圧の作業流体は、吸入管53から分岐した高圧側流入孔450を経由してシリンダ432内部の第1圧力室431aに流入し、ポート部材412bに設けられた第2吸入孔412cを経由して作動室55aに流入する。ポート部材412bが回転することにより、第2吸入孔412cの位置が変化するため、第1シリンダ41への作動流体の吸入容積が変化する。 As described above, the high-pressure working fluid flows from the
また、本実施形態では、ポート部材駆動用偏心部412aとポート部材412bとが、中心軸線Oに平行な上下方向で連結または一体化されている。図11および図12Bに示すように、ポート部材412bは、略円板状の形態を有し、一方の主面で第1シリンダ41を閉塞するとともに、他方の主面側でポート部材駆動用偏心部412aと連結(または一体化して)してポート部材駆動用シリンダ432を閉塞している。第1シリンダ41から遠い側に位置する部分がポート部材駆動用偏心部412aであり、第1シリンダ41に近い側に位置する部分がポート部材412bとなっている。このようにすれば、アクチュエータ406からポート部材412bへの動力伝達機構を省略でき、部位品点数増の抑制および構造の単純化に資するとともに、ひいては信頼性の高い膨張機303を提供できるようになる。なお、ポート部材駆動用偏心部412a自体にポート部材駆動用ピストン430の役割を兼務させることができるので、その場合には、ポート部材412bはポート部材駆動用ピストン430と一体化された部品として構成することができる。 In this embodiment, the port member driving
第1吸入孔41bと第2吸入孔412cとの位置関係については、図4A,図4B,図4Cで説明した通りである。 The positional relationship between the
また、第1シリンダ41および第2シリンダ42の動作原理については、図5A,図5Bで説明した通りである。 Further, the operation principle of the
また、シャフト13の回転角θと、吸入から吐出に至る各過程の移行時点との関係については、図6Aで説明した通りである。 The relationship between the rotation angle θ of the
また、シャフト13の回転角θと作動室容積との関係については、図6Bで説明した通りである。 Further, the relationship between the rotation angle θ of the
次に、アクチュエータ406の制御圧管435に供給する作動流体の圧力を制御するための圧力調整器について説明する。図13に示すヒートポンプ300は、圧縮機81と、ガスクーラ82と、図11で説明した膨張機303と、蒸発器84と、圧力調整器500Aとを備えている。圧力調整器500Aは、膨張機303のアクチュエータ406に供給するべき高圧流体と低圧流体との差圧を調整する。このような圧力調整器500Aを設けることにより、アクチュエータ406の動作を膨張機303の外部から制御することが可能となる。なお、図13の例においては、圧力調整器500Aを膨張機303の外部に設置するようにしているが、膨張機303の内部に設置することも可能である。 Next, a pressure regulator for controlling the pressure of the working fluid supplied to the
圧力調整器500Aは、膨張機303の吸入管53に一端が接続される第1圧力管501と、膨張機303の制御圧管435に一端が接続される第2圧力管502と、膨張機303の吐出管54に一端が接続される第3圧力管503と、それら圧力管501,502,503の他端が接続される中空のハウジング513とを備えている。つまり、放熱器302の出口配管が、第1圧力管501と膨張機303の吸入管53とに分岐している。また、膨張機303の吐出管54と第3圧力管503とが合流して蒸発器304の入口配管になっている。ハウジング513の内部は、第1圧力調整室504と、第2圧力調整室505と、第3圧力調整室506との3つの圧力調整室に区画されている。第1圧力調整室504には、第1圧力管501が接続されている。第2圧力調整室505には、第2圧力管502が接続されている。第3圧力調整室506には、第3圧力管503が接続されている。 The
第3圧力調整室506には弾性体507(ばね)が配置されている。第2圧力調整室505と第3圧力調整室506との間には、両圧力調整室を仕切るとともに、一端が弾性体507に接続されたピストン508が配置されている。ピストン508は、第2圧力調整室505と第3圧力調整室506との間で進退可能となっている。ピストン508には、第2圧力調整室505と第3圧力調整室506とを連通する微細流路514が形成されている。第1圧力調整室504と第2圧力調整室505との間には、両圧力調整室間を流れる作動流体の量を調整する弁509が設けられている。弁509には連結軸512の一端が接続されている。連結軸512の他端は、鉄芯511に接続されている。鉄芯511の周りにはコイル510が配置されている。鉄芯511とコイル510は、プランジャ型ソレノイドを構成している。 An elastic body 507 (spring) is disposed in the third
圧力調整器500Aにおいて、第1圧力調整室504は、冷媒回路の高圧側の圧力に等しく、第3圧力調整室506は、冷媒回路の低圧側の圧力に等しい。また、圧力調整器500Aにより制御される第2圧力調整室505の圧力は、膨張機303の制御圧管435に供給され、膨張機部400の吸入容積を変更することに使用される。 In the
図13のような構成において、連結軸512には、弾性体507の弾性復帰力と、第2圧力調整室505と第3圧力調整室506との圧力差による圧力と、コイル510に流す電流により与えられる駆動力とが加わる。これらの力が釣り合うような位置に連結軸512が静止する。コイル510に流す電流を変化させることにより、第2圧力調整室505の圧力を制御することができる。 In the configuration as shown in FIG. 13, the connecting
すなわち、圧力調整器500Aは、膨張機部400の第1吸入孔41bに送られるべき高圧の作動流体の一部を取得し、取得した作動流体を減圧することによってアクチュエータ406の第2圧力室431bに供給する低圧の作動流体を作り出す。そして、作動流体の減圧の度合いを調整することによって、ポート部材駆動用シリンダ432内に形成された第2圧力室431bの圧力を制御し、中心軸線O周りにおけるポート部材412bおよびポート部材412bに設けられた第2吸入孔412cの位置を制御する。このようにすれば、第2吸入孔412cの位置の制御を容易かつ正確に行える。 That is, the
このように、ヒートポンプ300は、膨張機部400の第1吸入孔41bに作動流体を送るための主配管(吸入管53)に一端が接続され、他端が圧力調整器500Aに接続され、膨張させるべき高圧の作動流体の一部を圧力調整器500Aの第1圧力調整室504に供給する第1圧力管501と、圧力調整器500Aの第2圧力調整室505に一端が接続され、他端がアクチュエータ406(詳しくは制御圧管435)に接続され、圧力調整器500Aで減圧されて低圧となった作動流体をアクチュエータ406の低圧室431b(図14参照)に供給する第2圧力管502と、を備えている。 Thus, the
圧力調整器500の作用について説明する。例えば、膨張機303(膨張機部400)の吸入容積を増加させたい場合、コイル510に流れる電流を増加させる。すると、鉄芯511に働く弾性体507方向の力が増大し、弾性体507を縮めるとともに弁509が第1圧力調整室504と第2圧力調整室505との通路を狭める。それにより、第2圧力調整室505の圧力が低下して第3圧力調整室506の圧力に近づく。これに伴い、制御圧管435内の圧力と吸入管53内の圧力との差圧が増大する。ポート部材駆動用ピストン430およびポート部材駆動用偏心部412aは、第2圧力室431bの容積が減少する方向に回転する。第2吸入孔412cは、例えば、図4Cの位置に到来する。この結果、図5A,図5Bにおいて説明した原理に従い膨張機303の吸入時間が長くなり吸入容積が増大する。 The operation of the pressure regulator 500 will be described. For example, when it is desired to increase the suction volume of the expander 303 (expander unit 400), the current flowing through the
逆に、膨張機303(膨張機部400)の吸入容積を低減させたい場合、コイル510に流れる電流を減少させる。すると、鉄芯511に働く弾性体507方向の力が減少し、弾性体507の長さが伸びるとともに弁509が第1圧力調整室504と第2圧力調整室505との通路を広げる。それにより、第2圧力調整室505の圧力が増大して第1圧力調整室504の圧力に近づく。これに伴い、制御圧管435内の圧力と吸入管53内の圧力との差圧が減少する。ポート部材駆動用ピストン430およびポート部材駆動用偏心部412aは、第2圧力室431bの容積が増大する方向に回転する。第2吸入孔412cは、例えば、図4Aの位置に到来する。この結果、図5A,図5Bにおいて説明した原理に従い膨張機303の吸入時間が短くなり吸入容積が減少する。 Conversely, when it is desired to reduce the suction volume of the expander 303 (expander unit 400), the current flowing through the
また、図15に示すような構成の圧力調整器を採用することも可能である。まず、図14に示すごとく、アクチュエータ406’において、制御圧管435と吸入管53とをバイパスする微細な通路440を設けておく。図15に示すごとく、圧力調整器500Bは、ハウジング515、コイル510、鉄芯511、連結軸512、ピストン516および弾性体507(ばね)を備える。ハウジング515の内部は、2つの圧力調整室520,521に仕切られている。両圧力調整室520,521の間には、両調整室間を流れる作動流体の量を調整する弁509が配置されている。コイル510および鉄芯511は、プランジャ型ソレノイドを構成する。弾性体507は、ピストン516を介して弁509を開放する方向に付勢する。他方、コイル510に電流を流すと、鉄芯511は連結軸512を介して弁509を閉鎖する方向に付勢する。すなわち、コイル510に流す電流を制御することにより、弁509の開度を制御することができる。弁509の開度に応じて、制御圧管435が接続する圧力調整室521の圧力を変化させることができる。 It is also possible to employ a pressure regulator configured as shown in FIG. First, as shown in FIG. 14, a
なお、図13および図15の例では、作動流体を常時少しずつ流して制御圧力を保つ必要があるので、どうしても膨張エネルギーの回収効率は落ちる。そこで、図16Aに示すような構成で制御圧力を作るようにすれば、膨張エネルギーの回収効率をいっそう高めることが可能である。 In the examples of FIGS. 13 and 15, it is necessary to keep the control pressure by constantly flowing the working fluid little by little, and the recovery efficiency of the expansion energy is inevitably lowered. Therefore, if the control pressure is made with the configuration shown in FIG. 16A, the recovery efficiency of the expansion energy can be further increased.
図16Aに示す圧力調整器500Cは、内部が第1圧力調整室561と、第2圧力調整室562と、第3圧力調整室563との3つの圧力調整室に仕切られたハウジング560を備えている。第1圧力調整室561には、膨張前の作動流体が流通する第1圧力管501が接続されている。第2圧力調整室562には、この第2圧力調整室562と、膨張機303におけるアクチュエータ406の第2圧力室431b(図12A参照)とを連通する第2圧力管502が接続されている。第3圧力調整室563には、膨張後の作動流体が流通する第3圧力管503が接続されている。第1圧力調整室561と第2圧力調整室562との間には第1弁580が配置されている。第1弁580は、コイル570、鉄芯573、弾性体584(ばね)および連結軸576によって構成されたプランジャ型ソレノイドを駆動することによって開閉を制御できる。第1弁580を開放することにより、高圧の作動流体を第2圧力調整室562に送り込むことができる。他方、第2圧力調整室562と第3圧力調整室563との間には第2弁581が配置されている。第1弁580と同様に、第2弁581は、コイル571、鉄芯574、弾性体585(ばね)および連結軸577によって構成されたプランジャ型ソレノイドによって開閉を制御できる。第2弁581を開放することにより、第2圧力調整室562から第3圧力調整室563に作動流体を送り込むことができる。すなわち、2つ(複数)の弁580,581の開閉を制御することによって、膨張前の作動流体が持つ圧力と、膨張後の作動流体が持つ圧力との間の制御圧力を作り出し、第2圧力調整室562内、ひいてはアクチュエータ406の第2圧力室431b内をその作り出した制御圧力に保持することが可能となる。第2圧力調整室562の圧力が所望の圧力よりも高い場合には第1弁580を閉じて第2弁581を開く一方、所望の圧力よりも低い場合には第1弁580を開いて第2弁581を閉じる。 A
また、図16Bのブロック図に示すように、圧力調整器500Cは、第2圧力調整室562内の圧力を検出する圧力センサ590と、その圧力センサ590の検出結果に基づいて弁580,581の開閉を制御するコントローラ591を備えていてもよい。圧力センサ590については、膨張機303におけるアクチュエータ406の第2圧力室431b内に配置するようにしてもよい。コントローラ591は、圧力センサ590からのセンサ信号を取得し、目標とする圧力値と現在の圧力値との差分を算出する。算出した差分が予め定めた許容範囲内に無い場合には、その差分が小さくなるように第1弁580および第2弁581の開閉を制御する。具体的には、現在の圧力値が目標とする圧力値よりも小さい場合には、第1弁580側のソレノイドを一定時間駆動して、一定量の高圧作動流体が第1圧力調整室561から第2圧力調整室562に流れ込むようにする。逆に、現在の圧力値が目標とする圧力値よりも大きい場合には、第2弁581側のソレノイドを一定時間駆動して、第2圧力調整室562から第3圧力調整室563に作動流体を移動させる。 Further, as shown in the block diagram of FIG. 16B, the
このような処理を繰り返し行うことにより、第2圧力調整室562の圧力を迅速かつ正確に所望の圧力に調整することが可能となる。第1弁580および第2弁581を開閉するソレノイド(コイル570,571)に常時電流を流す必要が無いため、圧力調整器500Cの電力消費を抑制することでき、作動流体の膨張エネルギーの回収効率向上に有利である。また、圧力センサ590からの入力を定期的に監視するようなプログラムをコントローラ591に組み込んでおけば、作動流体の不可避的な漏れ等によって圧力変動が生じたとしても、第2圧力調整室562内の圧力を所望の圧力に自動的に回復させることが可能となる。 By repeatedly performing such processing, the pressure in the second
(第3の実施形態)
第2実施形態に示す膨張機の特徴は、第1実施形態で説明したように、膨張機部と圧縮機部とがシャフトを介して一体化されている膨張機一体型圧縮機に好適に採用することができる。図17は、そのような膨張機一体型圧縮機の縦断面図である。(Third embodiment)
As described in the first embodiment, the features of the expander shown in the second embodiment are suitably used for an expander-integrated compressor in which the expander unit and the compressor unit are integrated via a shaft. can do. FIG. 17 is a longitudinal sectional view of such an expander-integrated compressor.
膨張機一体型圧縮機700は、密閉容器11と、密閉容器11の内部の上側に配置されたスクロール式の圧縮機部20と、密閉容器11の内部の下側に配置された2段ロータリ式の膨張機部400と、圧縮機部20と膨張機部400との間に配置された回転電動機12と、それら圧縮機部20、膨張機部400および回転電動機12に共用のシャフト13と、を備えている。回転電動機12がシャフト13を回転駆動することにより、圧縮機部20が作動する。この膨張機一体型圧縮機700においては、作動流体(冷媒)が膨張機部400で膨張する際にシャフト13に与える回転力を、圧縮機部20の補助動力として利用するようになっている。作動流体の膨張エネルギーをいったん電気エネルギーに変換することなく、圧縮機部20に直接伝達するので、高いエネルギー回収効率を見込める。 The expander-integrated
第2実施形態で説明したように、膨張機部400は、吸入容積を変更するための第2吸入孔412cが設けられたポート部材412bと、ポート部材412bを回転変位させるためのアクチュエータ406とを備えている。ポート部材412bおよびアクチュエータ406の構造および機能については、第2実施形態で説明した通りである。 As described in the second embodiment, the
また、圧縮機部20および膨張機部400の基本構造や動作原理についても、第1実施形態で説明した通りである。 Further, the basic structure and operation principle of the
図17の膨張機一体型圧縮機700によれば、制御圧管435により与えられる作動流体と、吸入管53により与えられる作動流体との圧力差によってアクチュエータ406を駆動し、ポート部材412bの位置(中心軸線O周りの回転角)を変更することができる。ポート部材412bの位置を制御することにより、膨張機部400の吸入容積を自由に制御することが可能となる。このような膨張機一体型圧縮機700を使用したヒートポンプによれば、バイパス回路を設けることなく、膨張機部400を流れる作動流体の流量を自由に制御することが可能となり、ひいては高効率のヒートポンプシステムを実現できるようになる。 According to the expander-integrated
(第4の実施形態)
第2実施形態の膨張機に組み込んだアクチュエータは、膨張機または膨張機一体型圧縮機に好適に採用できるものであるが、別の用途の回転アクチュエータとして構成することができる。(Fourth embodiment)
The actuator incorporated in the expander of the second embodiment can be suitably employed in the expander or the expander-integrated compressor, but can be configured as a rotary actuator for another application.
図18は、第4の実施形態にかかる回転アクチュエータの縦断面図である。図19は、図18のD5−D5断面図である。図18および図19に示すごとく、回転アクチュエータ800は、シリンダ806と、シリンダ806の内外を貫くシャフト801と、シリンダ806内を偏心揺動してシャフト801を回転させるピストン807と、シリンダ806とピストン807との間に形成された圧力室808を第1圧力室808aと第2圧力室808bとに仕切るベーン812と、を備えている。 FIG. 18 is a longitudinal sectional view of a rotary actuator according to the fourth embodiment. 19 is a cross-sectional view taken along the line D5-D5 of FIG. As shown in FIGS. 18 and 19, the
シャフト801は、その中間部で半径方向外向きに膨出する偏心部802を有するとともに、一端部が上側端板803を貫き、他端部が下側端板804を貫いている。下側端板804の下部には閉塞部材805が配置されている。上側端板803および/または閉塞部材805は、シャフト801のための軸受を含むものであってもよい。シャフト801の偏心部802は、シリンダ806の内部に配置されているとともに、リング状のピストン807が嵌め合わされている。 The
また、回転アクチュエータ800は、ベーン812と、ばね809と、吸入管810と、制御圧管811とを備えている。ベーン812は、先端がピストン807に接するように、シリンダ806に設けられたベーン溝に往復動自在に保持されている。ばね809は、ベーン812をピストン807に向けて付勢している。シリンダ806の上方を塞ぐ上側端板803には、第1圧力室808aにつながる第1流入孔820と、第2圧力室808bにつながる第2流入孔821とが形成されている。第1圧力室808aには、第1流入孔820を介して吸入管810が接続されている。第2圧力室808bには、第2流入孔821を介して制御圧管811が接続されている。第1圧力室808aに流入させる第1の流体と、第2圧力室808bに流入させる第2の流体との圧力差によりピストン807に力が加わり、偏心部802、ひいてはシャフト801全体が回転する。また、シリンダ806の内周面上には、周方向に所定角度離れて第1ストップ813aと、第2ストップ813bとが形成されている。これらのストップ813a,813bは、ピストン807が、作業流体の圧力差により回転するときの回転範囲を制限する。 The
なお、本実施形態では、シャフト801の回転に反発力を与える弾性体を設けていないが、第2実施形態で説明したような弾性体(回転ばね439:図12B参照)を設けるようにしてもよい。そのようにすれば、第1圧力室808aに流入させる第1の流体と、第2圧力室808bに流入させる第2の流体との差圧調整によって、シャフト801の回転角を制御することが可能となる。なお、第1の流体と第2の流体とは、同種の流体であってもよいし、異種の流体であってもよい。そのような流体として、例えば、油圧回路のオイル、冷媒回路の冷媒または空気圧回路の空気を利用することが可能である。 In this embodiment, an elastic body that gives a repulsive force to the rotation of the
以上説明したとおり、本発明の膨張機は、冷凍サイクルにおける作動流体の膨張エネルギーを回収する効率の良い手段を提供し、特に膨張機一体型圧縮機を用いるヒートポンプの高効率化を実現するものとして、多大な利用価値を有する。 As described above, the expander of the present invention provides an efficient means for recovering the expansion energy of the working fluid in the refrigeration cycle, and in particular, achieves high efficiency of the heat pump using the expander-integrated compressor. , Has great utility value.
本発明は、冷凍サイクル装置(ヒートポンプ)に適用される膨張機、さらにこの膨張機を用いたヒートポンプに関するものである。 The present invention relates to an expander applied to a refrigeration cycle apparatus (heat pump), and further to a heat pump using the expander.
作動流体(冷媒)の膨張エネルギーを膨張機で回収し、その回収されたエネルギーを圧縮機の仕事の一部として利用する動力回収式の冷凍サイクルが提案されている。そのような冷凍サイクルとして、例えば、膨張機と圧縮機とをシャフトで連結した流体機械(以下、「膨張機一体型圧縮機」という)を用いた冷凍サイクルが知られている(特開2001−116371号公報)。 There has been proposed a power recovery type refrigeration cycle in which expansion energy of a working fluid (refrigerant) is recovered by an expander, and the recovered energy is used as part of the work of the compressor. As such a refrigeration cycle, for example, a refrigeration cycle using a fluid machine in which an expander and a compressor are connected by a shaft (hereinafter referred to as an “expander-integrated compressor”) is known (Japanese Patent Laid-Open No. 2001-2001). 116371).
以下、膨張機一体型圧縮機を用いた冷凍サイクルについて説明する。 Hereinafter, a refrigeration cycle using an expander-integrated compressor will be described.
図20に従来の膨張機一体型圧縮機を用いた冷凍サイクルを示す。この冷凍サイクルでは、圧縮機1、ガスクーラ(放熱器)2、膨張機3および蒸発器4から作動流体(冷媒)の主回路8が構成されており、圧縮機1と膨張機3と回転電動機6とは、シャフト7によって連結されて膨張機一体型圧縮機となっている。冷媒回路は、主回路8とともに副回路9を備えており、副回路9は、ガスクーラ2の出口側で主回路8と分岐し、蒸発器4の入口側で主回路8と合流する。主回路8を通過する作動流体は膨張機3において膨張し、副回路9を通過する作動流体は膨張弁5により膨張する。
FIG. 20 shows a refrigeration cycle using a conventional expander-integrated compressor. In this refrigeration cycle, the
作動流体は、圧縮機1において低温低圧から高温高圧へと圧縮された後、ガスクーラ2において低温高圧へと冷却される。そして、膨張機3または膨張弁5において低温低圧(気液二相)へと膨張した後、蒸発器4で加熱されて低温低圧(気相)に戻る。膨張機3は、作動流体の膨張エネルギーを回収してシャフト7の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1を駆動する仕事の一部として利用され、その結果、回転電動機6の動力を低減することができる。
The working fluid is compressed from a low temperature and a low pressure to a high temperature and a high pressure in the
ここで、膨張弁5を全閉とし、副回路9の作動流体の質量流量をゼロとした場合の冷凍サイクルの動作を説明する。
Here, the operation of the refrigeration cycle when the
圧縮機1の吸入容積をVcs、膨張機3の吸入容積をVesとし、シャフト7の回転数をNとすると、圧縮機1の入口側での作動流体の体積流量と膨張機3の入口側での作動流体の体積流量とは、それぞれ、(Vcs×N)、(Ves×N)となる。副回路9の作動流体の質量流量がゼロであるため、圧縮機1での質量流量と膨張機3での質量流量とは等しくなる。この質量流量をGとすると、圧縮機1の入口側での作動流体の密度と膨張機3の入口側での作動流体の密度は、それぞれの体積流量と質量流量の比から、{G/(Vcs×N)}、{G/(Ves×N)}となる。これらの式より、圧縮機1の入口側での作動流体の密度と膨張機3の入口側の作動流体の密度の比は、{G/(Vcs×N)}/{G/(Ves×N)}、すなわち、(Ves/Vcs)となって一定となる。
If the suction volume of the
図21に冷凍サイクルのモリエル線図を示す。図中、圧縮機1における圧縮過程はAB、ガスクーラ2における放熱過程はBC、膨張機3における膨張過程はCD、蒸発機4における蒸発過程はDAに相当する。圧縮機1の入口側の点Aと、膨張機3の入口側の点Cにおける作動流体の密度比は、(Ves/Vcs)で一定となるので、点Aでの作動流体の密度をρ0とすると、点Cでの密度ρcは(Vcs/Ves)ρ0となる。点Aの密度が一定であると仮定すると、点Cの圧力を増加させる場合には、ρc=(Vcs/Ves)ρ0の線上で点Cから点C’の方向へと変化することになる。すなわち、点Cを等温線(T=Tc)に沿って圧力だけ増加させた点C”に変化させることは不可能となり、冷凍サイクルの自由な制御が阻害される。冷凍サイクルには、ある熱源温度において成績係数(COP)が最大となる最適高圧が存在(例えば、特開2002−81766号公報)するため、温度と圧力の自由な制御ができないと、効率の良い運転ができなくなる。
FIG. 21 shows a Mollier diagram of the refrigeration cycle. In the figure, the compression process in the
圧縮機1の入口側の密度と膨張機3の入口側の密度の比が一定となる制約は、圧縮機1での質量流量と膨張機3での質量流量が等しく、かつ、体積流量の比が一定であることに起因している。この制約は、膨張弁5を開けて冷媒回路を流れる作動流体の一部を副回路9に流すことにより回避することができる(特開2001−116371号公報)。
The restriction that the ratio of the density on the inlet side of the
従来の膨張機一体型圧縮機を用いた動力回収式のヒートポンプでは、圧縮機と膨張機が同じ回転数であることによって生じる密度比一定の制約を回避するためには、作動流体を、膨張機を設けた主回路とともに、膨張弁を設けた副回路に流さざるを得ない。しかし、これでは、副回路を通過する作動流体の膨張エネルギーを回収できない。 In a power recovery type heat pump using a conventional expander-integrated compressor, in order to avoid the restriction of a constant density ratio caused by the compressor and the expander having the same rotation speed, the working fluid is supplied to the expander. Along with the main circuit provided with the sub-circuit provided with the expansion valve. However, this cannot recover the expansion energy of the working fluid that passes through the subcircuit.
作動流体の膨張エネルギーを効率よく回収できないという課題は、膨張機一体型圧縮機を用いる場合に顕著となるが、圧縮機とシャフトで連結されていない分離型の膨張機を用いる場合にも発生する。分離型の膨張機を用いる場合、作動流体の膨張エネルギーは、膨張機に接続された発電機により回収される。発電機の発電効率は定格回転数から離れるほど低下するため、発電機は定格回転数の近傍で運転することが望ましい。しかし、冷凍サイクルでは、作動流体の循環量や密度が運転条件に応じて変化するため、発電機を定格回転数の近傍のみで運転することは困難である。このため、分離型の膨張機においても、作動流体の膨張エネルギーを効率よく回収することは容易ではない。 The problem that the expansion energy of the working fluid cannot be efficiently recovered becomes prominent when an expander-integrated compressor is used, but also occurs when a separate expander that is not connected to the compressor by a shaft is used. . When a separation type expander is used, the expansion energy of the working fluid is recovered by a generator connected to the expander. Since the power generation efficiency of the generator decreases as it goes away from the rated speed, it is desirable that the generator be operated near the rated speed. However, in the refrigeration cycle, since the circulating amount and density of the working fluid change according to the operating conditions, it is difficult to operate the generator only near the rated speed. For this reason, even in the separation type expander, it is not easy to efficiently recover the expansion energy of the working fluid.
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、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な膨張機を提供することを目的とする。本発明は、さらに、その膨張機を含むヒートポンプを提供することを目的とする。 This invention is made | formed in view of said situation, and it aims at providing the expander which can collect | recover the expansion energy of a working fluid efficiently. It is another object of the present invention to provide a heat pump including the expander.
すなわち、本発明は、
シリンダと、
偏心部を有するシャフトと、
前記偏心部に嵌合し、前記シリンダの内側で偏心回転するピストンと、
前記シリンダと前記ピストンとの間の空間を、吸入側空間と吐出側空間とに仕切るための仕切り部材と、を有するロータリ式の膨張機構をn個(nは2以上の整数)と、
1番目の膨張機構の吸入側空間に作動流体を吸入する第1吸入孔と、
k番目(kは1からn−1までの整数)の膨張機構の吐出側空間と(k+1)番目の膨張機構の吸入側空間とを結び一つの空間を形成する連通孔と、
n番目の膨張機構の吐出側空間から作動流体を吐出する吐出孔と、
前記1番目の膨張機構の吸入側空間との接続位置が可変であり、当該吸入側空間へと作動流体を吸入する第2吸入孔と、
を備えた、膨張機を提供する。
That is, the present invention
A cylinder,
A shaft having an eccentric part;
A piston that fits into the eccentric part and rotates eccentrically inside the cylinder;
N rotary expansion mechanisms (n is an integer of 2 or more) having a partition member for partitioning the space between the cylinder and the piston into a suction side space and a discharge side space;
A first suction hole for sucking the working fluid into the suction side space of the first expansion mechanism;
a communication hole that connects the discharge side space of the kth expansion mechanism (k is an integer from 1 to n-1) and the suction side space of the (k + 1) th expansion mechanism to form one space;
a discharge hole for discharging the working fluid from the discharge side space of the nth expansion mechanism;
A connection position with the suction side space of the first expansion mechanism is variable, and a second suction hole for sucking the working fluid into the suction side space;
An expander is provided.
また、本発明は、本発明による膨張機からなる膨張機部と、前記シャフトを介して前記膨張機部に一体に連結されている圧縮機部とを備えた、膨張機一体型圧縮機を提供する。 The present invention also provides an expander-integrated compressor comprising an expander unit comprising the expander according to the present invention and a compressor unit integrally connected to the expander unit via the shaft. To do.
さらに、本発明は、本発明による前記膨張機または前記膨張機一体型流体機械を備えたヒートポンプを提供する。 Furthermore, the present invention provides a heat pump comprising the expander or the expander-integrated fluid machine according to the present invention.
本発明の膨張機では、1番目の膨張機構の吸入側空間と第2吸入孔との接続位置を変更することにより、作動流体の吸入過程から当該作動流体の膨張過程に移行するタイミングを調整し、吸入過程が行われる時間の長さに対する膨張過程が行われる時間の長さの比を制御することができる。このため、本発明によれば、上記(Ves/Vcs)を変更することが可能となり、例えば、膨張機一体型圧縮機を用いた冷凍サイクルにおいて、密度比一定の制約を回避することができる。従って、作動流体の副回路を設けずに作動流体の全量を膨張機に流入させて、作動流体の膨張エネルギーを効率よく回収することができる。 In the expander of the present invention, the timing of transition from the working fluid suction process to the working fluid expansion process is adjusted by changing the connection position between the suction side space of the first expansion mechanism and the second suction hole. The ratio of the length of time during which the expansion process is performed to the length of time during which the inhalation process is performed can be controlled. For this reason, according to the present invention, it is possible to change the above (Ves / Vcs). For example, in a refrigeration cycle using an expander-integrated compressor, it is possible to avoid the restriction of a constant density ratio. Therefore, it is possible to efficiently recover the expansion energy of the working fluid by supplying the entire amount of the working fluid to the expander without providing the subcircuit of the working fluid.
本発明の膨張機を分離型の膨張機として用いると、膨張機に流入する作動流体の量を維持しながら膨張機の回転数を制御できる。このため、膨張機に接続された発電機の回転数を定格回転数の近傍とし、発電機による発電効率を高く維持することが容易となる。 When the expander of the present invention is used as a separation type expander, the rotation speed of the expander can be controlled while maintaining the amount of working fluid flowing into the expander. For this reason, it becomes easy to make the rotation speed of the generator connected to the expander near the rated rotation speed, and to maintain the power generation efficiency by the generator high.
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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態の膨張機一体型圧縮機の構成を示す縦断面図、図2Aは、図1の膨張機一体型圧縮機の膨張機部のD1−D1断面における横断面図、図2Bは、同膨張機部のD2−D2断面における横断面図、図3Aは、同膨張機部の上側端板の固定部の部分切り取り斜視図、図3Bは、同上側端板の可動部の斜視図、図3Cは、同上側端板の固定部と可動部とを一体化した状態を示す部分切り取り斜視図である。
(First embodiment)
1 is a longitudinal sectional view showing a configuration of an expander-integrated compressor according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 2A is a cross-sectional view taken along a line D1-D1 of an expander portion of the expander-integrated compressor of FIG. 2B is a cross-sectional view taken along the D2-D2 cross section of the expander unit, FIG. 3A is a partially cutaway perspective view of a fixing portion of an upper end plate of the expander unit, and FIG. 3B is an upper end of the expander unit. FIG. 3C is a partially cutaway perspective view showing a state in which the fixed portion and the movable portion of the upper end plate are integrated.
本実施形態における膨張機一体型圧縮機100は、密閉容器11と、その内部の上側に配置されたスクロール式の圧縮機部20と、その下側に配置された2段ロータリ式の膨張機部40と、圧縮機部20と膨張機部40との間に配置された回転子12aおよび固定子12bを備えた回転電動機12と、圧縮機部20、膨張機部40および回転電動機12を連結するシャフト13と、を備えている。シャフト13は、複数の部分を一軸に連結したものであってもよい。
The expander-integrated
スクロール式の圧縮機部20は、固定スクロール21と、旋回スクロール22と、オルダムリング23と、軸受部材24と、マフラー25と、吸入管26と、吐出管27とを備えている。シャフト13の偏心軸13aに嵌合され、かつ、オルダムリング23により自転運動を拘束された旋回スクロール22は、渦巻き形状のラップ22aが、固定スクロール21のラップ21aと噛み合いながら、シャフト13の回転に伴って旋回運動を行い、ラップ21a,22aの間に形成される三日月形状の作動室28が外側から内側に移動しながら容積を縮小することにより、吸入管26から吸入された作動流体を圧縮する。圧縮された作動流体は、固定スクロール21の中央部に設けた吐出孔21b、マフラー25の内側空間25a、ならびに固定スクロール21および軸受部材24を貫通する流路29をこの順に経由して、密閉容器11の内部空間11aへと吐出される。内側空間11aに吐出された作動流体は、内部空間11aに滞留する間に、混入した潤滑用のオイルを重力や遠心力などにより分離された後、吐出管27から冷凍サイクルへと吐出される。
The scroll-
2段ロータリ式の膨張機部40は、第1シリンダ41と、第1シリンダ41よりも厚みのある第2シリンダ42と、これらシリンダ41,42を仕切る中板43とを備えている。第1シリンダ41と第2シリンダ42とは、互いに同心状の配置である。膨張機部40は、さらに、シャフト13の偏心部13bと嵌合し、第1シリンダ41の中で偏心回転運動する第1ピストン44と、第1シリンダ41のベーン溝に往復動自在に保持され、一方の端部が第1ピストン44に接する第1ベーン46と、第1ベーン46の他方の端部に接し、第1ベーン46を第1ピストン44へと付勢する第1ばね48と、第2シリンダ42は、シャフト13の偏心部13cと嵌合し、第2シリンダ42の中で偏心回転運動する第2ピストン45と、第2シリンダ42のベーン溝に往復動自在に保持され、一方の端部が第2ピストン45に接する第2ベーン47と、第2ベーン47の他方の端部に接し、第2ベーン47を第2ピストン45へと付勢する第2ばね49と、を備えている。
The two-stage
第1シリンダ41、シャフト13、第1ピストン44および第1ベーン46により、第1番目(1段目)の膨張機構が構成される。同様に、第2シリンダ42、シャフト13、第2ピストン45および第2ベーン47により、第2番目(2段目)の膨張機構が構成される。なお、ピストン44,45とベーン46,47とは、一体化されていてもよい(いわゆるスイングピストン)。
The
膨張機部40は、さらに、第1および第2シリンダ41,42ならびに中板43を狭持するように配置された上側端板73および下側端板51を備えている。上側端板73および中板43は第1シリンダ41を上下から狭持し、中板43および下側端板51は第2シリンダ42を上下から狭持する。上側端板73、中板43および下側端板51による狭持により、第1シリンダ41および第2シリンダ42内には、ピストン44,45の回転に応じて容積が変化する作動室が形成される。上側端板73および下側端板51は、各シリンダ41,42を閉塞する閉塞部材であるとともに、圧縮機部20の軸受部材24とともにシャフト13を回転自在に保持する軸受部材としても機能する。膨張機部40も、圧縮機部20と同様、マフラー52と、吸入管53と、吐出管54とを備えている。
The
図2A,図2Bに示すように、第1シリンダ41の内側には、第1ピストン44および第1ベーン46により区画された、吸入側の作動室55a(第1吸入側空間)および吐出側の作動室55b(第1吐出側空間)が、第2シリンダ42の内側には、第2ピストン45および第2ベーン47により区画された、吸入側の作動室56a(第2吸入側空間)および吐出側の作動室56b(第2吐出側空間)がそれぞれ形成される。第2シリンダ42における2つの作動室56a,56bの合計容積は、第1シリンダ41における2つの作動室55a,55bの合計容積よりも大きい。第1シリンダ41の吐出側の作動室55bと、第2シリンダ42の吸入側の作動室56aとは、中板43に設けられた連通孔43aにより連通しており、一つの作動室(膨張室)として機能する。高圧の作動流体は、作動室55aに流入した後、作動室55bと作動室56aから形成される作動室においてシャフト13を回転させながら膨張して低圧になる。
As shown in FIGS. 2A and 2B, inside the
図1に示すように、上側端板73は、固定部71と可動部72とを備えている。図3Aに示すように、固定部71は、可動部72を嵌め合わせるための貫通孔71fを有する。貫通孔71fは、円筒凹面71aと、円筒凹面71aと同じ中心軸70を有し、円筒凹面71aよりも小さな内径を有する円筒凹面71bと、これら円筒凹面71a,71bを接続する段差面71cとによって囲まれている。なお、流体機械(膨張機一体型圧縮機100)を組み立てると、中心軸70はシャフト13の中心軸に一致する。
As shown in FIG. 1, the
固定部71の内部には、吸入管53からの作動流体を作動室55aに導く流入路として、流入路71d(第1流入路)と、流入路71dからの分岐路である流入路71e(第2流入路)とが設けられている。図1および図2Aに示すように、流入路71eに連通する流路として、第1シリンダ41には、流入路41aおよび第1吸入孔41bが設けられており、第1吸入孔41bは、第1シリンダ41内の吸入側の作動室55aに連通している。
Inside the fixed
図3Bに示すように、上側端板73の可動部72は、シャフト13を回転自在に保持するための貫通孔72aを有し、外周面として、固定部71の円筒凹面71aに当接する円筒凸面72bと、固定部71の円筒凹面71bに当接する円筒凸面72cと、これら円筒凸面72b,72cの間において固定部71の段差面71cに当接する段差面72gと、を備えている。上側端板73の可動部72の円筒凸面72cには、この円筒凸面72cを周方向に周回する歯車72eが設けられている。可動部72は、円筒凸面72b上を周方向に沿って周回する流路溝72dと、流路溝72dに接続された第2吸入孔72fとをさらに備えている。図1および図2Aに示すように、第2吸入孔72fは、流路溝72dから第1シリンダ41の作動室55aに向かって軸方向に延び、第1シリンダ41内の吸入側の作動室55aに連通している。
As shown in FIG. 3B, the
図3Cに示すように、固定部71と可動部72とは、固定部71の貫通孔71fに可動部71が回転自在に嵌め込まれて一体化される。固定部71の段差面71cと可動部72の段差面72gとは、互いに当接して、可動部72が固定部71より上側に抜け出るのを防止する。固定部71の下端面と可動部72の下端面とは、同一平面を構成し、この平面が第1シリンダ41の上方の隔壁を構成する。
As shown in FIG. 3C, the fixed
可動部72を回転させると、第2吸入孔72fは、シャフト13の中心軸70との間の距離を一定に保持しながら、中心軸70を回転中心として回転移動する。可動部72の回転は、第1シリンダ41の吸入側の作動室55aにおける第2吸入孔72の位置の相対的変化をもたらす。すなわち、第1吸入孔41bと第1シリンダ41の吸入側の作動室55aとの接続位置が固定されているのに対し、第2吸入孔72fと作動室55aとの接続位置は可変である。後述するように、第2吸入孔72fの接続位置の変更が、膨張機一体型圧縮機における密度比一定の制約の回避を可能とする。
When the
図3A,図3B,図3Cを参照して説明したように、第2吸入孔72fは、作動流体が最初に流入する1番目の流体機構に含まれる第1シリンダ41の端面を閉塞する閉塞部材としての端板73に設けるとよい。簡単な構成で移動可能な第2吸入孔72fを構成できるためである。また、上側端板73のシリンダ41側は平面であるため、端板73を複数の部品で構成しても加工精度を高めることは容易である。
As described with reference to FIGS. 3A, 3B, and 3C, the
また、上記で説明したように、端板73の少なくとも一部を、シャフト13を回転中心とする回転が可能な可動部72とし、可動部72に第2吸入孔72fを設けることが好ましい。第2吸入孔72fの移動範囲を大きく確保することが容易になるためである。
In addition, as described above, it is preferable that at least a part of the
また、本実施形態においては、可動部72がシャフト13を支持する円筒状の軸受面(貫通孔72aの内周面)を含んでいる。したがって、シャフト13を支持するための軸受を別途設ける必要がなく、これにより、部品点数増を抑制することができる。
Further, in the present embodiment, the
また、固定部71は、環状の形態を有し、膨張機部40の外部から可動部72に設けられた第2吸入孔72fへと作動流体を供給する流入路71d(第1流入路)と、流入路71dから分岐し、第1吸入孔41bに作動流体を供給する流入路71e(第2流入路)とが内部に設けられている。このような固定部71に可動部72が回転可能に合体する。2つの流入路71d,71eを固定部71の内部に設けることにより、第2吸入孔72fへ作動流体を導く配管が不要となるので、密閉容器11の内部の省スペース化に有利である。また、固定部71の内部に流入路71d,71eを設けるので、作動流体の漏れの問題が生じにくい。
The fixed
図1に戻って説明を続ける。上側端板73の固定部71には、回転部72の歯車72eと噛み合う歯車75と、歯車75を駆動する回転電動機76(電動アクチュエータ)とがさらに設置されている。歯車72e,75を介して、可動部72は回転電動機76により駆動される。このように、膨張機部40は、可動部72を回転させる駆動機構75,76をさらに備えていてもよい。駆動機構75,76は、密閉容器11の外部に設けられた、可動部72の回転角度を制御する制御器(図示省略)に接続され、この制御器からの制御信号を受けて可動部72を回転させ、作動室55aへの接続位置を制御する。回転電動機76としてステッピングモータやサーボモータを用いると、第2吸入孔72fの位置を高精度に制御することが可能となる。また、可動部72の回転角度を検出する検出器(例えばエンコーダ)を設けてもよい。なお、可動部72の駆動手段として、回転電動機76以外の手段、例えば流体の圧力差を利用するアクチュエータを用いても構わない。
Returning to FIG. 1, the description will be continued. The fixed
吸入管53から膨張機部40に流入した作動流体は、上側端板73の固定部71の流入路71dから二つの経路に分かれて作動室55aに流入する。第1経路は、固定部71内の流入路71d、分岐流入路71e、第1シリンダ41内の流入路41a、第1吸入孔41bを経由する経路である。第2経路は、固定部71内の流入路71d、可動部72の流路溝72d、第2吸入孔72fを経由する経路である。このように、膨張機部40では、吸気管53から最初の作動室55aに、作動室55aとの接続位置が固定された第1吸入孔41bと、作動室55aとの接続位置が可変である第2吸入孔72fとを経由して、作動流体を供給する。これら2つの経路には、開閉可能な電磁弁や差圧弁などの流量制御機構を配置する必要はない。
The working fluid that has flowed into the
第1シリンダ41に吸入された作動流体は、第2シリンダ42を経由し、下側端板51に設けられた吐出孔51a、マフラー52の内部空間52a、第1および第2シリンダ41,42を貫通する流路57、をこの順に経由して吐出管54から冷凍サイクルへと吐出される。なお、吐出孔51aは、第2シリンダ42に設けられていてもよい。
The working fluid sucked into the
図2Bに示すように、下側端板51に設けられた吐出孔51aには、吐出弁74が設置されている。吐出弁74は、例えば金属の薄板から構成され、吐出孔51aをマフラー52の内部空間52a側から塞ぐように配置されている。吐出弁74は、上流側(第2シリンダ42の吐出側の作動室56b側)の圧力が下流側(マフラー52の内部空間52a側)の圧力より高くなると開く差圧弁である。吐出弁74は、膨張機部40における作動流体の過膨張を防止する機能を有する。
As shown in FIG. 2B, a
図4A,図4B,図4Cに、第1吸入孔41bおよび第2吸入孔72fの位置を示す。第2吸入孔72fの位置は、シャフト13を中心とした第1ベーン46の位置を基準とする角度φにより表示して、20°(図4A)、90°(図4B)、180°(図4C)にそれぞれ調整されている。角度φは、正確には、第1ベーン46と第1ピストン44との接点とシャフト13の中心軸70とを結ぶ第1直線80を、中心軸70を中心として、シャフト13の回転方向(図示した例では時計回り)について、第2吸入孔72fとシャフト13の中心軸70とを結ぶ第2直線90にまで回転させるときの角度である。この表記方法に従うと、図示した例では、第1吸入孔41bは20°の位置に固定されている。また、吐出孔51aは、第2シリンダ42における同様の表記において、340°の位置に固定されている。これに対し、第2吸入孔72fの位置は、0°から360°の間で任意に設定できる。
4A, 4B, and 4C show the positions of the
図5Aに、第2吸入孔72fの角度φが90°の場合の第1シリンダ41の動作原理図を、図5Bに、上記に対応する第2シリンダ42の動作原理図をそれぞれ示す。ここでは、シャフト13の回転角θを、第1シリンダ41と第1ピストン44との接点が、第1ベーン46に位置するいわゆる上死点にあるときを0°とし、シャフト13の回転方向である時計回りを正として表示する。
FIG. 5A shows an operation principle diagram of the
θ=0°以降に生成する作動室55aに、θ=20°以降において第1吸入孔41bから作動流体が流入する。θ=90°以降は、第1吸入孔41bおよび第2吸入孔72fから作動室55aに作動流体が流入する。θ=360°を過ぎると、作動室55aは作動室55bに変化し、かつ、連通孔43aを介して第2シリンダ42の作動室56aと連通する。さらにシャフト13が回転すると、θ=380°(図示せず)において、第1シリンダ41と第1ピストン44との接点が第1吸入孔41bを通過し、作動室55bと第1吸入孔41bとの連通が断たれる。従来の2段ロータリ式の膨張機部では、この時点で作動流体の吸入過程が終了する。
The working fluid flows into the working
これに対し、本実施形態の膨張機部40には、第2吸入孔72fが設けられているため、θ=380°に至っても、第2吸入孔72fからの作動流体の流入が継続する。この膨張機部40では、θ=450°になり、第1シリンダ41と第1ピストン44との接点が第2吸入孔72fを通過して作動室55bと第2吸入孔72fとの連通が断たれた時点で、作動流体の吸入過程が終了する。
On the other hand, since the
吸入過程が終了すると、作業流体の膨張過程が開始される。シャフト13がさらに回転すると、作動室55bの容積は減少するが、第1シリンダ41よりも第2シリンダ42のほうが軸方向に高く容積が大きいために、作動室56aの容積はそれ以上の割合で増加する。その結果、シャフト13の回転に伴い、作動室55bと作動室56aの容積の和は増大し、作業流体は膨張する。θ=700°(図示せず)に至ると、第2シリンダ42と第2ピストン45の接点が吐出孔51aを通過し、作動室56aが吐出孔51aと連通する。この時点で、膨張過程は終了する。
When the suction process is completed, the working fluid expansion process is started. When the
膨張過程が終了すると、作業流体の吐出過程が開始される。θ=720°において、作動室55bは消滅、作動室56aは作動室56bに変化し、さらに、シャフト13が回転するにつれて、作動室56bの容積が減少し、作動流体が吐出孔51aから吐き出される。θ=1080°で作動室56bは消滅し、吐出過程が終了する。
When the expansion process is finished, the discharge process of the working fluid is started. At θ = 720 °, the working
図6Aに、シャフト13の回転角θと、吸入から吐出に至る各過程の移行時点との関係を、第2吸入孔72fの角度φが20°,90°,180°の場合について示す。上記説明から明らかなように、吸入過程が終了するシャフト13の回転角θは、第1シリンダ41と第1ピストン44との接点が2回目に第2吸入孔72fを通過する際の角度となる。この角度は、θ=(360+φ)と表すことができる。従って、第2吸入孔72fの角度φが大きくなるにつれて、吸入過程から膨張過程へと移行するタイミングが遅くなり、吸入過程が長くなって膨張過程が短くなる。すなわち、吸入過程が行われる時間の長さに対する膨張過程が行われる時間の長さの比が小さくなる。
FIG. 6A shows the relationship between the rotation angle θ of the
図6Bに、シャフト13の回転角θと作動室容積との関係を示す。作動流体は、作動室55a、作動室55b、作動室56a、作動室56bの順に移動するが、その過程で作動室の容積は正弦波曲線状に変化する。図中の縦軸に、第2吸入孔72fの角度φが20°,90°,180°の場合の吸入過程終了時の作動室の容積である吸入容積Vesφと、吐出過程開始時の作動室の容積である吐出容積Vedを示す。φの増加とともに吸入容積Vesφは増加するが、φによらず吐出容積Vedは一定である。
FIG. 6B shows the relationship between the rotation angle θ of the
以上のように、本実施形態では、従来の2段ロータリ式の膨張機部40に設けられていた固定された第1吸入孔41bに加え、移動可能な第2吸入孔72fを設けることにより、作動室55a,55b,56a,56bの吸入過程終了時の容積である吸入容積Vesφを可変とした。これにより、圧縮機部20と膨張機部40の入口側の作動流体の密度比(Vcs/Vesφ)を制御することが可能となる。
As described above, in this embodiment, in addition to the fixed
図7に、本実施形態の膨張機一体型圧縮機を用いた冷凍サイクルのモリエル線図を例示する。密度比を変化させることができるため、2段ロータリ式の膨張機部40の入口側の状態に相当する点Cを、等温線(図示した例ではT=35℃)に沿って圧力だけを変化させ、点C´または点C″に移動させることが可能となる。こうして、2段ロータリ式の膨張機部40の入口側の温度と圧力が自由に制御できるようになり、従来の膨張機一体型圧縮機を用いた冷凍サイクルでは不可能であった、効率の良い冷凍サイクルの運転が可能となる。
In FIG. 7, the Mollier diagram of the refrigerating cycle using the expander integrated compressor of this embodiment is illustrated. Since the density ratio can be changed, only the pressure is changed along the isotherm (T = 35 ° C. in the illustrated example) at the point C corresponding to the state on the inlet side of the two-stage
特に、本実施形態のように、シャフト13の軸を中心に回転が可能である可動部72に第2吸入孔72fを形成し、角度φを0°から360°まで調整可能とすると、制御の幅が大きいため、冷凍サイクルの効率を図りやすい。
In particular, as in the present embodiment, when the
次に、吐出孔51aに吐出弁74を設けたことによる効果について説明する。図8に作動室の容積と圧力の関係(PV線図)を示す。図中の記号の添え字φは第2吸入孔72fの角度φである。点Pφは膨張過程の開始、点Sφは膨張過程の終了、点Tは吐出過程の開始を表す。なお、二酸化炭素を作動流体とする冷凍サイクルを想定しているため、膨張過程の途中で相変化に起因する曲点Qφが示されている。
Next, the effect obtained by providing the
吐出容積Vedが一定であるため、第2吸入孔72fの移動に伴って吸入容積Vesφが大きくなるにつれて、膨張過程の前後における容積比(=Ved/Vesφ)が小さくなり、膨張過程終了時の圧力Sφが高くなる。このため、例えば、第2吸入孔72fの角度φの範囲を20°から180°の範囲で制御する場合、最大角度180°を選択した場合の膨張過程終了時の圧力S180が冷凍サイクルの低圧側圧力Pedより低くなるように設定し、不足膨張が生じないように設計することが望ましい。不足膨張が生じると、作動流体の圧力差によるエネルギーの一部が回収できなくなるためである。
Since the discharge volume Ved is constant, the volume ratio (= Ved / Vesφ) before and after the expansion process decreases as the suction volume Vesφ increases with the movement of the
このように設計すると、少なくとも角度φを180°以下に設定した場合に、過膨張が生じる。過膨張とは、圧力Pedφが冷凍サイクルの低圧側圧力Pedよりも低くなる現象である。過膨張が発生すると、吐出過程において、吐出孔51aから、作動室56b内よりも圧力が高いマフラー52の内部空間52aに作動流体を押出すために、過膨張損失が発生する。過膨張損失の大きさは、図8における三角形RφSφTの面積により示すことができる。
With this design, overexpansion occurs at least when the angle φ is set to 180 ° or less. Overexpansion is a phenomenon in which the pressure Pedφ is lower than the low pressure side pressure Ped of the refrigeration cycle. When the overexpansion occurs, an overexpansion loss is generated in the discharge process because the working fluid is pushed out from the
しかし、吐出孔51aに吐出弁74を設けておくと、作動室56bで過膨張CφDφが生じた場合は、吐出過程において再圧縮が行われる。吐出過程において、作動室56bは、シャフト13の回転とともに容積が小さくなる。吐出孔51aに吐出弁74を配置しておくと、過膨張により低下した作動室56bの圧力が冷凍サイクルの低圧側圧力Pdに等しくなるまで吐出弁74が開かないため、作動流体が作動室5bで再圧縮される。こうして、吐出弁74を配置しておけば、過膨張損失を防ぐことができる。
However, if the
以下、本実施形態の膨張機一体型圧縮機のその他の特徴を説明する。 Hereinafter, other features of the expander-integrated compressor of the present embodiment will be described.
本実施形態では、第2吸入孔72fを設けた上側端板73の可動部72を、シャフト13を中心として、シャフト13の回転方向と同じ方向に回転可能とするとよい。シャフト13と可動部72との間の摩擦力により、小さい動力で可動部72を回転させることができるためである。これによれば、回転電動機76を小型化し、密閉容器11の内部に収納することが容易となる。
In the present embodiment, it is preferable that the
本実施形態では、可動部72が360°回転すれば元の位置に戻ってくる。このため、常に同じ方向にだけ可動部72を回転駆動すればよく、回転電動機76の制御が簡単である。シャフト13と可動部72との間の摩擦力が回転駆動の妨げになることもない。
In this embodiment, if the
本実施形態では、膨張機部40の吸入容積Vesφを可変としたことにより、膨張機を用いない冷凍サイクルに用いる通常の構造を有する圧縮機部20とした。圧縮機部20については、通常の構造をそのまま用いることができるため、開発コストを削減できる。
In this embodiment, since the suction volume Vesφ of the
本実施形態の膨張機一体型圧縮機を用いると、冷凍サイクルの作動流体の循環量を圧縮機部20の回転数で制御しつつ、膨張機部40は圧縮機部20と同一回転数で回転させながら、運転条件に応じて吸入容積Vesφを調整することができる。従って、圧縮機部20と膨張機部40の冷凍サイクルの制御上の役割分担が可能であり、膨張機一体型圧縮機を用いた冷凍サイクルの制御アルゴリズムも容易になる。
When the expander-integrated compressor of the present embodiment is used, the
本実施形態の膨張機一体型圧縮機に用いる作動流体の種類に制限はないが、二酸化炭素が適している。膨張機による動力回収の効果がより顕著となるためである。このため、作動流体を二酸化炭素とすると、密度比一定を回避することによる高効率化の効果も顕著になる。 Although there is no restriction | limiting in the kind of working fluid used for the expander integrated compressor of this embodiment, Carbon dioxide is suitable. This is because the effect of power recovery by the expander becomes more prominent. For this reason, when the working fluid is carbon dioxide, the effect of increasing the efficiency by avoiding the constant density ratio becomes remarkable.
なお、本実施形態では、第1吸入孔41bとともに移動可能な第2吸入孔72fを設けたが、移動可能な吸入孔の数は2以上あってもよく、この場合は、最も下流側の位置に配置される吸入孔により、吸入容積Vesφが定まる。また、本実施形態では、膨張機部40を2段としたが、3段以上の場合でも、1段目のシリンダに対して移動可能な第2吸入孔を設けることにより、上記と同様の効果を得ることができる。
In the present embodiment, the second suction holes 72f that are movable together with the first suction holes 41b are provided. However, the number of movable suction holes may be two or more, and in this case, the most downstream position is provided. The suction volume Vesφ is determined by the suction hole arranged at the bottom. Further, in this embodiment, the
次に、図9Aに、本実施形態の膨張機一体型圧縮機を用いた動力回収式のヒートポンプの構成を示す。図9Aに示すヒートポンプは、膨張機一体型圧縮機100、ガスクーラ(放熱器)2、蒸発器4およびそれらを互いに接続する管体88(冷媒管)を含む。図20に示す従来例においては、膨張機3に並列接続された副回路9が不可欠であったが、本実施形態の膨張機一体型圧縮機を用いたヒートポンプでは、そうした副回路が本質的には不要である。ただし、他の目的、例えば、ヒートポンプの起動および停止を安定して行う目的で、副回路を設けてもよい。
Next, FIG. 9A shows a configuration of a power recovery type heat pump using the expander-integrated compressor of the present embodiment. The heat pump shown in FIG. 9A includes an expander-integrated
さらに、本実施形態の膨張機部40は、単体で用いても、すなわち、圧縮機と分離した膨張機として用いてもよい。図9Bに、分離型の膨張機を用いた動力回収式のヒートポンプの構成を示す。この装置は、圧縮機81、ガスクーラ(放熱器)82、膨張機83および蒸発器84を備え、さらに圧縮機81、ガスクーラ82、膨張機83および蒸発器84をこの順に接続するとともに作動流体が循環する管体88(冷媒管)を備えている。膨張機83は、図1等で説明した膨張機部40を含む。このヒートポンプでは、膨張機83で得た作動流体の膨張エネルギーは発電機86により電気エネルギーに変換され、圧縮機81を回転させる回転電動機85の入力の一部に用いられる。
Furthermore, the
図10に、一般的な発電機86の効率曲線を示す。発電機86は、所定の定格回転数Nrで発電効率が最も高くなるように設計されているため、回転数が定格回転数から離れるほど発電効率が低下する。このため、発電機86の回転数は、できるだけ定格回転数Nrの近傍とすることが望ましい。しかし、冷凍サイクルでは、作動流体の循環量や密度が変化するため、吸入容積Vesが一定の膨張機では定格回転数Nrの近傍だけで運転することが困難である。第1の実施形態の膨張機部40を膨張機83として用いれば、吸入容積Vesφの調整により回転数を定格回転数Nrの近傍に制御することが可能となる。
FIG. 10 shows an efficiency curve of a
(第2の実施形態)
先の実施形態でも触れたように、膨張機の吸入容積を変化させるための第2吸入孔の位置は、流体の圧力差を利用するアクチュエータによっても変化させることができる。流体の圧力差を利用するアクチュエータによれば、高温高圧下といった過酷な環境下での信頼性が高い。また、膨張機で膨張させるべき作動流体を、上記アクチュエータの動力源にそのまま利用できるという利点がある。本実施形態では、そのようなアクチュエータを含む吸入容積可変型の膨張機について説明する。なお、本実施形態において、第1実施形態で説明したものと同一部品には、同一符号を使用する。
(Second Embodiment)
As mentioned in the previous embodiment, the position of the second suction hole for changing the suction volume of the expander can also be changed by an actuator that uses the pressure difference of the fluid. According to the actuator using the pressure difference of the fluid, the reliability is high under a severe environment such as high temperature and high pressure. Further, there is an advantage that the working fluid to be expanded by the expander can be used as it is for the power source of the actuator. In the present embodiment, a variable suction volume expander including such an actuator will be described. In the present embodiment, the same reference numerals are used for the same components as those described in the first embodiment.
図11は、第2実施形態における膨張機の縦断面図である。図11に示すように、膨張機303はロータリ式膨張機である。膨張機303は、密閉容器11、密閉容器11内に配置された発電機86および、発電機86に接続された膨張機部400を備えている。膨張機部400は、ポート部材412b(可動部材)、ポート部材412bを収容するハウジング413およびアクチュエータ406を含む。
FIG. 11 is a longitudinal sectional view of an expander according to the second embodiment. As shown in FIG. 11, the
ポート部材412bは、1番目の膨張機構のシリンダ41(第1シリンダ)を閉塞し、シャフト13を回転中心としてシャフト13とは独立して回転可能である。ポート部材412bには、追加の第2吸入孔412cが設けられている。アクチュエータ406は、動力源として流体の圧力差を利用した流体圧アクチュエータであり、高圧流体と低圧流体との差圧に基づく大きさの回転力をポート部材412bに与える。中心軸線O周りにおけるポート部材412bの回転角度を切り替えると、第2吸入孔412cの位置が変化する。これにより、膨張機部400において、作動流体の吸入過程から膨張過程に移行するタイミングが変化し、吸入過程が行われる時間の長さに対する膨張過程が行われる時間の長さの比が変化する。
The
アクチュエータ406の動力源である高圧流体および低圧流体として、当該膨張機303で膨張させるべき作動流体を用いることができる。このようにすれば、アクチュエータ406を動作させるための流体を別途準備する必要がなくなる。また、異種の流体同士の混合を防ぐ厳重なシール構造が不要である。アクチュエータ406の動力源として作動流体を用いるための機構は、以下の説明によって明らかにされる。
The working fluid to be expanded by the
本実施形態においては、シャフト13の中心軸線Oと平行な方向において、アクチュエータ406、ポート部材412bおよび1番目の膨張機構のシリンダ41(第1シリンダ)が、この順番かつ同心状に並んで配置されている。このような配置とすれば、アクチュエータ406およびポート部材412bを新たに設けることによる寸法拡大を極力抑制することが可能であるため、小型の膨張機303に好都合である。
In the present embodiment, the
以下、膨張機303の各部分について個別に説明する。
発電機86は、密閉容器11の側壁に固定された固定子86bと、固定子86bの内側に配置された回転子86aとを備えている。回転子86aの中心部には、シャフト13が固定されている。シャフト13は、回転子13aから下方に向かって延び、膨張機部400に共用されている。
Hereinafter, each part of the
The
密閉容器11の底部には、潤滑油を貯留する油溜まり405が形成されている。シャフト13の下端部は、この油溜まり405内に配置されている。シャフト13の下端部には図示しない油ポンプが形成され、シャフト13の内部および/または外周部には、図示しない給油通路が形成されている。シャフト13が回転すると、油溜まり405の潤滑油は上記油ポンプによって汲み上げられ、上記給油通路を通じて膨張機部400の各摺動部に供給される。
An
膨張機部400の基本構造および作動流体を膨張させる仕組みは、第1実施形態で説明した通りであるから、ここでは省略する。なお、軸受部材としての上側端板424と第1シリンダ41との間に、第2吸入孔412cの位置を変化させるためのアクチュエータ406およびポート部材412bが配置されている点、および第1シリンダ41の端面がポート部材412bによって閉塞されている点については、本実施形態と第1実施形態とで相違する。
Since the basic structure of the
以下、ポート部材412bおよびアクチュエータ406について詳しく説明する。ポート部材412bは、中心部にシャフト13を貫通させる孔が形成された略円板状をなし、外形が第1シリンダ41と略一致するハウジング413の内部に配置されている。ハウジング413の内径と、ポート部材412bの外径とは略等しく、径方向へのポート部材412bの変位はハウジング413によって規制される。ただし、ポート部材412bは、ハウジング413の内部をスムーズに回転できるようになっている。ポート部材412bには、アクチュエータ406のピストン430と重なり合わない位置において、軸方向の上下に貫通するように第2吸入孔412cが形成されている。ポート部材412bが回転することにより、第2吸入孔412cがシャフト13の回転方向に移動する。
Hereinafter, the
図12Aは、図11に示す膨張機のD3−D3断面図である。図12Aに示すように、アクチュエータ406は、ポート部材駆動用偏心部412a、ポート部材駆動用ピストン430、ポート部材駆動用シリンダ432、ポート部材駆動用ベーン433、ポート部材駆動用ばね434、吸入管53および制御圧管435を備えている。ポート部材駆動用シリンダ432の中心部にシャフト13が位置している。
12A is a cross-sectional view of the expander shown in FIG. 11 taken along the line D3-D3. As shown in FIG. 12A, the
以下の説明において、アクチュエータ406の各部品に関し、簡略の目的で「ポート部材駆動用」の文言を省略する。
In the following description, the term “port member driving” is omitted for the sake of brevity regarding each component of the
図12Aに示すように、偏心部412aは、シャフト13に対して偏心しており、シリンダ432の内部に配置されている。シリンダ432の上側は上側端板424(図11参照)により閉塞されている。ピストン430は、シリンダ432との間に圧力室431(431a,431b)を形成するように、偏心部412aに嵌め合わされている。偏心部412aおよびピストン430は、シャフト13の中心軸線Oに対して偏心した状態を保ちながら、シリンダ432内を回転(詳細には偏心揺動)する。偏心部412aにはシャフト13が貫通する貫通孔が形成されている。偏心部412aとシャフト13とは接合されておらず、互いに独立して回転できる。
As shown in FIG. 12A, the
ベーン433は、先端がピストン430に接するように、シリンダ432に設けられたベーン溝に往復動自在に保持されている。ばね434は、ベーン433をピストン430に向けて付勢している。
The
シリンダ432の内部に形成された圧力室431a,431bは、ベーン433によって、第1圧力室431aと第2圧力室431bとの二つの空間に分離されている。また、シリンダ432には、高圧側流入孔450と低圧側流入孔451とが設けられている。これら高圧側流入孔450と低圧側流入孔451とは、周方向に所定角度離れており、それぞれ、シリンダ432の内外を貫いている。第1圧力室431aには、高圧側流入孔450を介して吸入管53が接続されている。吸入管53は、膨張前の高圧の作動流体を第1圧力室431aに供給する。第2圧力室431bには、低圧側流入孔451を介して制御圧管435が接続されている。制御圧管435は、第1圧力室431a側に供給される作動流体よりも低い圧力の作動流体を第2圧力室431bに供給する。第1圧力室431aと第2圧力室431bとの差圧は、ピストン430に回転力を与える。作動流体の差圧から回転力を受けたピストン430は、偏心部412aおよびポート部材412bを回転させる。
The
また、シリンダ432には、吸入管53から上側端板424を通り、シリンダ432、ハウジング413、第1シリンダ41を経由して通り第1シリンダ41の作動室55aへと作動流体を吸入させるための吸入通路437が形成されている。
Also, the
すなわち、本実施形態の膨張機303における膨張機部400は、第1シリンダ41に形成された第1吸入孔41bに接続し、その第1シリンダ41に作動流体(冷媒)を送るための吸入経路437と、その吸入経路437から分岐した分岐経路としての高圧側流入孔450とを含む。アクチュエータ406の高圧室431aと高圧側流入孔450とが接続され、高圧側流入孔450を通じてアクチュエータ406に供給される高圧の作動流体が、アクチュエータ406を駆動するための高圧流体として利用されている。さらに、ポート部材412bに設けられた第2吸入孔412cの一端がアクチュエータ406の高圧室431aに接続するように、アクチュエータ406とポート部材412bとが上下に隣接して配置されており、高圧流体としてアクチュエータ406に供給された作動流体が、ポート部材412bに設けられた第2吸入孔412cを通じて第1シリンダ41における作動室55a(図2A参照)に供給される。
That is, the
このようにすれば、アクチュエータ406を動作させるための流体を別途準備する必要がなくなる。異種の流体同士の混合を防ぐ厳重なシール構造が不要であるとともに、異種の流体同士が混ざることによって冷凍サイクルの特性が変化するといった不具合も生じない。また、膨張機303で使用する作動流体をアクチュエータ406の動力源とすることにより、外部から電力等のエネルギーを供給せずに済むため、作動流体の膨張エネルギーの回収効率向上に有利である。
In this way, it is not necessary to separately prepare a fluid for operating the
また、シリンダ432の内周面上には、シャフト13の中心軸線Oに向かって凸形状を有する第1ストッパ436aと第2ストッパ436bとが、周方向に所定角度離れて設けられている。これらストッパ436a,436bは、ピストン430が、作動流体の圧力差(作動流体(冷媒)が二酸化炭素の場合、定格運転時には、高圧側は約10MPa超、低圧側は約3〜5MPaの圧力となる)により回転するときの可動範囲(中心軸線O周りの回転角)を制限する。これにより、ポート部材412bは、所定角度(例えば約180°)の範囲内での回転運動だけが許容されるようになる。
Further, on the inner peripheral surface of the
なお、アクチュエータ406のピストン430の回転中心は、シャフト13の回転中心と一致していてもよい。ただし、本実施形態のようにピストン430が偏心回転する構造を採用すれば、ポート部材412bを上下に貫通する第2吸入孔412cの形成スペースを余裕で確保することができ、膨張機の小型化にも有利である。
Note that the rotation center of the
図12Bは、図1に示す膨張機303のD4−D4断面図である。図12Bに示すように、ポート部材412bには、回転ばね439(付勢手段)が取り付けられている。回転ばね439は、ポート部材412bに内蔵されていると好ましい。回転ばね439は、ポート部材412bと、ハウジング413(またはシリンダ432)とに介在しており、ポート部材412b、偏心部412aおよびピストン430を常時所定の回転方向に付勢する。図12Aに示すように、本実施形態では、第1圧力室431aを高圧側、第2圧力室431bを低圧側とするため、回転ばね439の付勢方向を、第1圧力室431aの容積が減少する方向、すなわち、第2吸入孔412cの位置が第1吸入孔41b(図2A参照)に近づく方向に設定している。このような回転ばね439の働きにより、ストッパ436a,436bによって定められる可動範囲内において、ポート部材412bの位置を連続的に変化させることができるようになる。また、第1圧力室431aに供給する作動流体が高圧、第2圧力室431bに供給する作動流体が低圧という関係のもとで、ポート部材412bを正逆両方向に回転させることが可能となる。
12B is a cross-sectional view taken along line D4-D4 of the
もちろん、回転ばね439を設けない場合であっても、第1圧力室431aに供給する作動流体の圧力と、第2圧力室431bに供給する作動流体の圧力との大小関係を逆転させれば、ポート部材412bを正逆両方向に回転させることができる。ストッパ436a,436bを設けることにより、ポート部材412bの回転範囲を制限することもできる。ただし、そのような構成においては、膨張機303で使用する作動流体をアクチュエータ406の動力源に利用することが難しくなるし、構造の複雑化を招く。したがって、本実施形態のようにするのが好ましい。
Of course, even if the
さらに、上記のような回転ばね439によれば、シリンダ432内でピストン430が占有する位置に応じて、ピストン430に与える回転力の大きさが変化する。第1圧力室431aに供給する高圧の作動流体と、第2圧力室431bに供給する低圧の作動流体との差圧が偏心部412aおよびピストン430に与える正方向(または逆方向)の回転力と、回転ばね439による反発力、すなわち、ポート部材412bに与えられる逆方向(または正方向)の回転力とが均衡することにより、所定の回転角上にポート部材412bが位置決めされる。このようにすれば、アクチュエータ406の第1圧力室431aに供給する作動流体と、第2圧力室431bに供給する作動流体との差圧を調整することにより、ポート部材412bを自在に変位させる制御が可能になる。つまり、膨張機303の運転状況に応じて最適な位置に第2吸入孔412cを合わせることが可能になる。
Further, according to the
上述したように、高圧の作動流体は吸入管53から吸入通路437を通り、第1シリンダ41に設けた第1吸入孔41bから作動室55a(図2A参照)に流入する。その経路とは別に、高圧の作業流体は、吸入管53から分岐した高圧側流入孔450を経由してシリンダ432内部の第1圧力室431aに流入し、ポート部材412bに設けられた第2吸入孔412cを経由して作動室55aに流入する。ポート部材412bが回転することにより、第2吸入孔412cの位置が変化するため、第1シリンダ41への作動流体の吸入容積が変化する。
As described above, the high-pressure working fluid flows from the
また、本実施形態では、ポート部材駆動用偏心部412aとポート部材412bとが、中心軸線Oに平行な上下方向で連結または一体化されている。図11および図12Bに示すように、ポート部材412bは、略円板状の形態を有し、一方の主面で第1シリンダ41を閉塞するとともに、他方の主面側でポート部材駆動用偏心部412aと連結(または一体化して)してポート部材駆動用シリンダ432を閉塞している。第1シリンダ41から遠い側に位置する部分がポート部材駆動用偏心部412aであり、第1シリンダ41に近い側に位置する部分がポート部材412bとなっている。このようにすれば、アクチュエータ406からポート部材412bへの動力伝達機構を省略でき、部位品点数増の抑制および構造の単純化に資するとともに、ひいては信頼性の高い膨張機303を提供できるようになる。なお、ポート部材駆動用偏心部412a自体にポート部材駆動用ピストン430の役割を兼務させることができるので、その場合には、ポート部材412bはポート部材駆動用ピストン430と一体化された部品として構成することができる。
In this embodiment, the port member driving
第1吸入孔41bと第2吸入孔412cとの位置関係については、図4A,図4B,図4Cで説明した通りである。
The positional relationship between the
また、第1シリンダ41および第2シリンダ42の動作原理については、図5A,図5Bで説明した通りである。
Further, the operation principle of the
また、シャフト13の回転角θと、吸入から吐出に至る各過程の移行時点との関係については、図6Aで説明した通りである。
The relationship between the rotation angle θ of the
また、シャフト13の回転角θと作動室容積との関係については、図6Bで説明した通りである。
Further, the relationship between the rotation angle θ of the
次に、アクチュエータ406の制御圧管435に供給する作動流体の圧力を制御するための圧力調整器について説明する。図13に示すヒートポンプ300は、圧縮機81と、ガスクーラ82と、図11で説明した膨張機303と、蒸発器84と、圧力調整器500Aとを備えている。圧力調整器500Aは、膨張機303のアクチュエータ406に供給するべき高圧流体と低圧流体との差圧を調整する。このような圧力調整器500Aを設けることにより、アクチュエータ406の動作を膨張機303の外部から制御することが可能となる。なお、図13の例においては、圧力調整器500Aを膨張機303の外部に設置するようにしているが、膨張機303の内部に設置することも可能である。
Next, a pressure regulator for controlling the pressure of the working fluid supplied to the
圧力調整器500Aは、膨張機303の吸入管53に一端が接続される第1圧力管501と、膨張機303の制御圧管435に一端が接続される第2圧力管502と、膨張機303の吐出管54に一端が接続される第3圧力管503と、それら圧力管501,502,503の他端が接続される中空のハウジング513とを備えている。つまり、放熱器302の出口配管が、第1圧力管501と膨張機303の吸入管53とに分岐している。また、膨張機303の吐出管54と第3圧力管503とが合流して蒸発器304の入口配管になっている。ハウジング513の内部は、第1圧力調整室504と、第2圧力調整室505と、第3圧力調整室506との3つの圧力調整室に区画されている。第1圧力調整室504には、第1圧力管501が接続されている。第2圧力調整室505には、第2圧力管502が接続されている。第3圧力調整室506には、第3圧力管503が接続されている。
The
第3圧力調整室506には弾性体507(ばね)が配置されている。第2圧力調整室505と第3圧力調整室506との間には、両圧力調整室を仕切るとともに、一端が弾性体507に接続されたピストン508が配置されている。ピストン508は、第2圧力調整室505と第3圧力調整室506との間で進退可能となっている。ピストン508には、第2圧力調整室505と第3圧力調整室506とを連通する微細流路514が形成されている。第1圧力調整室504と第2圧力調整室505との間には、両圧力調整室間を流れる作動流体の量を調整する弁509が設けられている。弁509には連結軸512の一端が接続されている。連結軸512の他端は、鉄芯511に接続されている。鉄芯511の周りにはコイル510が配置されている。鉄芯511とコイル510は、プランジャ型ソレノイドを構成している。
An elastic body 507 (spring) is disposed in the third
圧力調整器500Aにおいて、第1圧力調整室504は、冷媒回路の高圧側の圧力に等しく、第3圧力調整室506は、冷媒回路の低圧側の圧力に等しい。また、圧力調整器500Aにより制御される第2圧力調整室505の圧力は、膨張機303の制御圧管435に供給され、膨張機部400の吸入容積を変更することに使用される。
In the
図13のような構成において、連結軸512には、弾性体507の弾性復帰力と、第2圧力調整室505と第3圧力調整室506との圧力差による圧力と、コイル510に流す電流により与えられる駆動力とが加わる。これらの力が釣り合うような位置に連結軸512が静止する。コイル510に流す電流を変化させることにより、第2圧力調整室505の圧力を制御することができる。
In the configuration as shown in FIG. 13, the connecting
すなわち、圧力調整器500Aは、膨張機部400の第1吸入孔41bに送られるべき高圧の作動流体の一部を取得し、取得した作動流体を減圧することによってアクチュエータ406の第2圧力室431bに供給する低圧の作動流体を作り出す。そして、作動流体の減圧の度合いを調整することによって、ポート部材駆動用シリンダ432内に形成された第2圧力室431bの圧力を制御し、中心軸線O周りにおけるポート部材412bおよびポート部材412bに設けられた第2吸入孔412cの位置を制御する。このようにすれば、第2吸入孔412cの位置の制御を容易かつ正確に行える。
That is, the
このように、ヒートポンプ300は、膨張機部400の第1吸入孔41bに作動流体を送るための主配管(吸入管53)に一端が接続され、他端が圧力調整器500Aに接続され、膨張させるべき高圧の作動流体の一部を圧力調整器500Aの第1圧力調整室504に供給する第1圧力管501と、圧力調整器500Aの第2圧力調整室505に一端が接続され、他端がアクチュエータ406(詳しくは制御圧管435)に接続され、圧力調整器500Aで減圧されて低圧となった作動流体をアクチュエータ406の低圧室431b(図14参照)に供給する第2圧力管502と、を備えている。
Thus, the
圧力調整器500の作用について説明する。例えば、膨張機303(膨張機部400)の吸入容積を増加させたい場合、コイル510に流れる電流を増加させる。すると、鉄芯511に働く弾性体507方向の力が増大し、弾性体507を縮めるとともに弁509が第1圧力調整室504と第2圧力調整室505との通路を狭める。それにより、第2圧力調整室505の圧力が低下して第3圧力調整室506の圧力に近づく。これに伴い、制御圧管435内の圧力と吸入管53内の圧力との差圧が増大する。ポート部材駆動用ピストン430およびポート部材駆動用偏心部412aは、第2圧力室431bの容積が減少する方向に回転する。第2吸入孔412cは、例えば、図4Cの位置に到来する。この結果、図5A,図5Bにおいて説明した原理に従い膨張機303の吸入時間が長くなり吸入容積が増大する。
The operation of the pressure regulator 500 will be described. For example, when it is desired to increase the suction volume of the expander 303 (expander unit 400), the current flowing through the
逆に、膨張機303(膨張機部400)の吸入容積を低減させたい場合、コイル510に流れる電流を減少させる。すると、鉄芯511に働く弾性体507方向の力が減少し、弾性体507の長さが伸びるとともに弁509が第1圧力調整室504と第2圧力調整室505との通路を広げる。それにより、第2圧力調整室505の圧力が増大して第1圧力調整室504の圧力に近づく。これに伴い、制御圧管435内の圧力と吸入管53内の圧力との差圧が減少する。ポート部材駆動用ピストン430およびポート部材駆動用偏心部412aは、第2圧力室431bの容積が増大する方向に回転する。第2吸入孔412cは、例えば、図4Aの位置に到来する。この結果、図5A,図5Bにおいて説明した原理に従い膨張機303の吸入時間が短くなり吸入容積が減少する。
Conversely, when it is desired to reduce the suction volume of the expander 303 (expander unit 400), the current flowing through the
また、図15に示すような構成の圧力調整器を採用することも可能である。まず、図14に示すごとく、アクチュエータ406’において、制御圧管435と吸入管53とをバイパスする微細な通路440を設けておく。図15に示すごとく、圧力調整器500Bは、ハウジング515、コイル510、鉄芯511、連結軸512、ピストン516および弾性体507(ばね)を備える。ハウジング515の内部は、2つの圧力調整室520,521に仕切られている。両圧力調整室520,521の間には、両調整室間を流れる作動流体の量を調整する弁509が配置されている。コイル510および鉄芯511は、プランジャ型ソレノイドを構成する。弾性体507は、ピストン516を介して弁509を開放する方向に付勢する。他方、コイル510に電流を流すと、鉄芯511は連結軸512を介して弁509を閉鎖する方向に付勢する。すなわち、コイル510に流す電流を制御することにより、弁509の開度を制御することができる。弁509の開度に応じて、制御圧管435が接続する圧力調整室521の圧力を変化させることができる。
It is also possible to employ a pressure regulator configured as shown in FIG. First, as shown in FIG. 14, a
なお、図13および図15の例では、作動流体を常時少しずつ流して制御圧力を保つ必要があるので、どうしても膨張エネルギーの回収効率は落ちる。そこで、図16Aに示すような構成で制御圧力を作るようにすれば、膨張エネルギーの回収効率をいっそう高めることが可能である。 In the examples of FIGS. 13 and 15, it is necessary to keep the control pressure by constantly flowing the working fluid little by little, and the recovery efficiency of the expansion energy is inevitably lowered. Therefore, if the control pressure is made with the configuration shown in FIG. 16A, the recovery efficiency of the expansion energy can be further increased.
図16Aに示す圧力調整器500Cは、内部が第1圧力調整室561と、第2圧力調整室562と、第3圧力調整室563との3つの圧力調整室に仕切られたハウジング560を備えている。第1圧力調整室561には、膨張前の作動流体が流通する第1圧力管501が接続されている。第2圧力調整室562には、この第2圧力調整室562と、膨張機303におけるアクチュエータ406の第2圧力室431b(図12A参照)とを連通する第2圧力管502が接続されている。第3圧力調整室563には、膨張後の作動流体が流通する第3圧力管503が接続されている。第1圧力調整室561と第2圧力調整室562との間には第1弁580が配置されている。第1弁580は、コイル570、鉄芯573、弾性体584(ばね)および連結軸576によって構成されたプランジャ型ソレノイドを駆動することによって開閉を制御できる。第1弁580を開放することにより、高圧の作動流体を第2圧力調整室562に送り込むことができる。他方、第2圧力調整室562と第3圧力調整室563との間には第2弁581が配置されている。第1弁580と同様に、第2弁581は、コイル571、鉄芯574、弾性体585(ばね)および連結軸577によって構成されたプランジャ型ソレノイドによって開閉を制御できる。第2弁581を開放することにより、第2圧力調整室562から第3圧力調整室563に作動流体を送り込むことができる。すなわち、2つ(複数)の弁580,581の開閉を制御することによって、膨張前の作動流体が持つ圧力と、膨張後の作動流体が持つ圧力との間の制御圧力を作り出し、第2圧力調整室562内、ひいてはアクチュエータ406の第2圧力室431b内をその作り出した制御圧力に保持することが可能となる。第2圧力調整室562の圧力が所望の圧力よりも高い場合には第1弁580を閉じて第2弁581を開く一方、所望の圧力よりも低い場合には第1弁580を開いて第2弁581を閉じる。
A
また、図16Bのブロック図に示すように、圧力調整器500Cは、第2圧力調整室562内の圧力を検出する圧力センサ590と、その圧力センサ590の検出結果に基づいて弁580,581の開閉を制御するコントローラ591を備えていてもよい。圧力センサ590については、膨張機303におけるアクチュエータ406の第2圧力室431b内に配置するようにしてもよい。コントローラ591は、圧力センサ590からのセンサ信号を取得し、目標とする圧力値と現在の圧力値との差分を算出する。算出した差分が予め定めた許容範囲内に無い場合には、その差分が小さくなるように第1弁580および第2弁581の開閉を制御する。具体的には、現在の圧力値が目標とする圧力値よりも小さい場合には、第1弁580側のソレノイドを一定時間駆動して、一定量の高圧作動流体が第1圧力調整室561から第2圧力調整室562に流れ込むようにする。逆に、現在の圧力値が目標とする圧力値よりも大きい場合には、第2弁581側のソレノイドを一定時間駆動して、第2圧力調整室562から第3圧力調整室563に作動流体を移動させる。
Further, as shown in the block diagram of FIG. 16B, the
このような処理を繰り返し行うことにより、第2圧力調整室562の圧力を迅速かつ正確に所望の圧力に調整することが可能となる。第1弁580および第2弁581を開閉するソレノイド(コイル570,571)に常時電流を流す必要が無いため、圧力調整器500Cの電力消費を抑制することでき、作動流体の膨張エネルギーの回収効率向上に有利である。また、圧力センサ590からの入力を定期的に監視するようなプログラムをコントローラ591に組み込んでおけば、作動流体の不可避的な漏れ等によって圧力変動が生じたとしても、第2圧力調整室562内の圧力を所望の圧力に自動的に回復させることが可能となる。
By repeatedly performing such processing, the pressure in the second
(第3の実施形態)
第2実施形態に示す膨張機の特徴は、第1実施形態で説明したように、膨張機部と圧縮機部とがシャフトを介して一体化されている膨張機一体型圧縮機に好適に採用することができる。図17は、そのような膨張機一体型圧縮機の縦断面図である。
(Third embodiment)
As described in the first embodiment, the features of the expander shown in the second embodiment are suitably used for an expander-integrated compressor in which the expander unit and the compressor unit are integrated via a shaft. can do. FIG. 17 is a longitudinal sectional view of such an expander-integrated compressor.
膨張機一体型圧縮機700は、密閉容器11と、密閉容器11の内部の上側に配置されたスクロール式の圧縮機部20と、密閉容器11の内部の下側に配置された2段ロータリ式の膨張機部400と、圧縮機部20と膨張機部400との間に配置された回転電動機12と、それら圧縮機部20、膨張機部400および回転電動機12に共用のシャフト13と、を備えている。回転電動機12がシャフト13を回転駆動することにより、圧縮機部20が作動する。この膨張機一体型圧縮機700においては、作動流体(冷媒)が膨張機部400で膨張する際にシャフト13に与える回転力を、圧縮機部20の補助動力として利用するようになっている。作動流体の膨張エネルギーをいったん電気エネルギーに変換することなく、圧縮機部20に直接伝達するので、高いエネルギー回収効率を見込める。
The expander-integrated
第2実施形態で説明したように、膨張機部400は、吸入容積を変更するための第2吸入孔412cが設けられたポート部材412bと、ポート部材412bを回転変位させるためのアクチュエータ406とを備えている。ポート部材412bおよびアクチュエータ406の構造および機能については、第2実施形態で説明した通りである。
As described in the second embodiment, the
また、圧縮機部20および膨張機部400の基本構造や動作原理についても、第1実施形態で説明した通りである。
Further, the basic structure and operation principle of the
図17の膨張機一体型圧縮機700によれば、制御圧管435により与えられる作動流体と、吸入管53により与えられる作動流体との圧力差によってアクチュエータ406を駆動し、ポート部材412bの位置(中心軸線O周りの回転角)を変更することができる。ポート部材412bの位置を制御することにより、膨張機部400の吸入容積を自由に制御することが可能となる。このような膨張機一体型圧縮機700を使用したヒートポンプによれば、バイパス回路を設けることなく、膨張機部400を流れる作動流体の流量を自由に制御することが可能となり、ひいては高効率のヒートポンプシステムを実現できるようになる。
According to the expander-integrated
(第4の実施形態)
第2実施形態の膨張機に組み込んだアクチュエータは、膨張機または膨張機一体型圧縮機に好適に採用できるものであるが、別の用途の回転アクチュエータとして構成することができる。
(Fourth embodiment)
The actuator incorporated in the expander of the second embodiment can be suitably employed in the expander or the expander-integrated compressor, but can be configured as a rotary actuator for another application.
図18は、第4の実施形態にかかる回転アクチュエータの縦断面図である。図19は、図18のD5−D5断面図である。図18および図19に示すごとく、回転アクチュエータ800は、シリンダ806と、シリンダ806の内外を貫くシャフト801と、シリンダ806内を偏心揺動してシャフト801を回転させるピストン807と、シリンダ806とピストン807との間に形成された圧力室808を第1圧力室808aと第2圧力室808bとに仕切るベーン812と、を備えている。
FIG. 18 is a longitudinal sectional view of a rotary actuator according to the fourth embodiment. 19 is a cross-sectional view taken along the line D5-D5 of FIG. As shown in FIGS. 18 and 19, the
シャフト801は、その中間部で半径方向外向きに膨出する偏心部802を有するとともに、一端部が上側端板803を貫き、他端部が下側端板804を貫いている。下側端板804の下部には閉塞部材805が配置されている。上側端板803および/または閉塞部材805は、シャフト801のための軸受を含むものであってもよい。シャフト801の偏心部802は、シリンダ806の内部に配置されているとともに、リング状のピストン807が嵌め合わされている。
The
また、回転アクチュエータ800は、ベーン812と、ばね809と、吸入管810と、制御圧管811とを備えている。ベーン812は、先端がピストン807に接するように、シリンダ806に設けられたベーン溝に往復動自在に保持されている。ばね809は、ベーン812をピストン807に向けて付勢している。シリンダ806の上方を塞ぐ上側端板803には、第1圧力室808aにつながる第1流入孔820と、第2圧力室808bにつながる第2流入孔821とが形成されている。第1圧力室808aには、第1流入孔820を介して吸入管810が接続されている。第2圧力室808bには、第2流入孔821を介して制御圧管811が接続されている。第1圧力室808aに流入させる第1の流体と、第2圧力室808bに流入させる第2の流体との圧力差によりピストン807に力が加わり、偏心部802、ひいてはシャフト801全体が回転する。また、シリンダ806の内周面上には、周方向に所定角度離れて第1ストッパ813aと、第2ストッパ813bとが形成されている。これらのストッパ813a,813bは、ピストン807が、作業流体の圧力差により回転するときの回転範囲を制限する。
The
なお、本実施形態では、シャフト801の回転に反発力を与える弾性体を設けていないが、第2実施形態で説明したような弾性体(回転ばね439:図12B参照)を設けるようにしてもよい。そのようにすれば、第1圧力室808aに流入させる第1の流体と、第2圧力室808bに流入させる第2の流体との差圧調整によって、シャフト801の回転角を制御することが可能となる。なお、第1の流体と第2の流体とは、同種の流体であってもよいし、異種の流体であってもよい。そのような流体として、例えば、油圧回路のオイル、冷媒回路の冷媒または空気圧回路の空気を利用することが可能である。
In this embodiment, an elastic body that gives a repulsive force to the rotation of the
以上説明したとおり、本発明の膨張機は、冷凍サイクルにおける作動流体の膨張エネルギーを回収する効率の良い手段を提供し、特に膨張機一体型圧縮機を用いるヒートポンプの高効率化を実現するものとして、多大な利用価値を有する。 As described above, the expander of the present invention provides an efficient means for recovering the expansion energy of the working fluid in the refrigeration cycle, and in particular, achieves high efficiency of the heat pump using the expander-integrated compressor. , Has great utility value.
Claims (25)
偏心部を有するシャフトと、
前記偏心部に嵌合し、前記シリンダの内側で偏心回転するピストンと、
前記シリンダと前記ピストンとの間の空間を、吸入側空間と吐出側空間とに仕切るための仕切り部材と、を有するロータリ式の膨張機構をn個(nは2以上の整数)と、
1番目の膨張機構の吸入側空間に作動流体を吸入する第1吸入孔と、
k番目(kは1からn−1までの整数)の膨張機構の吐出側空間と(k+1)番目の膨張機構の吸入側空間とを結び一つの空間を形成する連通孔と、
n番目の膨張機構の吐出側空間から作動流体を吐出する吐出孔と、
前記1番目の膨張機構の吸入側空間との接続位置が可変であり、当該吸入側空間へと作動流体を吸入する第2吸入孔と、
を備えた、膨張機。A cylinder,
A shaft having an eccentric part;
A piston that fits into the eccentric part and rotates eccentrically inside the cylinder;
N rotary expansion mechanisms (n is an integer of 2 or more) having a partition member for partitioning the space between the cylinder and the piston into a suction side space and a discharge side space;
A first suction hole for sucking the working fluid into the suction side space of the first expansion mechanism;
a communication hole that connects the discharge side space of the kth expansion mechanism (k is an integer from 1 to n-1) and the suction side space of the (k + 1) th expansion mechanism to form one space;
a discharge hole for discharging the working fluid from the discharge side space of the nth expansion mechanism;
A connection position with the suction side space of the first expansion mechanism is variable, and a second suction hole for sucking the working fluid into the suction side space;
With an expander.
前記1番目の膨張機構の前記シリンダに前記第1吸入孔が設けられ、前記中板に前記連通孔が設けられ、前記n番目の膨張機構の前記シリンダおよび/またはそのシリンダを閉塞する閉塞部材に前記吐出孔が設けられている、請求項1に記載の膨張機。An intermediate plate disposed between the cylinder of the k-th expansion mechanism and the cylinder of the (k + 1) -th expansion mechanism;
The cylinder of the first expansion mechanism is provided with the first suction hole, the intermediate plate is provided with the communication hole, and the cylinder of the nth expansion mechanism and / or a closing member for closing the cylinder are provided. The expander according to claim 1, wherein the discharge hole is provided.
前記閉塞部材に前記第2吸入孔が設けられている、請求項1に記載の膨張機。A closing member for closing the end face of the cylinder of the first expansion mechanism;
The expander according to claim 1, wherein the second suction hole is provided in the closing member.
前記可動部に前記第2吸入孔が設けられている、請求項3に記載の膨張機。The closing member includes a movable part capable of rotating around the shaft as a rotation center,
The expander according to claim 3, wherein the second suction hole is provided in the movable part.
高圧流体と低圧流体との差圧に基づく大きさの回転力を前記可動部材に与えるアクチュエータと、をさらに備え、
前記可動部材に前記第2吸入孔が設けられている、請求項1に記載の膨張機。A movable member that closes the cylinder of the first expansion mechanism and is rotatable independently of the shaft around the shaft;
An actuator that applies a rotational force of a magnitude based on a differential pressure between the high-pressure fluid and the low-pressure fluid to the movable member,
The expander according to claim 1, wherein the movable member is provided with the second suction hole.
前記吸入経路から分岐した分岐経路と、をさらに備え、
前記アクチュエータの高圧室と前記分岐経路とが接続され、前記分岐経路を通じて前記アクチュエータに供給される高圧の作動流体が前記高圧流体として利用され、
さらに、前記第2吸入孔の一端が前記アクチュエータの前記高圧室に接続するように、前記アクチュエータと前記可動部材とが隣接して配置され、
前記高圧流体として前記アクチュエータに供給された作動流体が、前記可動部材に設けられた前記第2吸入孔を通じて前記1番目の流体機構の前記吸入側空間に供給される、請求項12に記載の膨張機。A suction path connected to the first suction hole for sending a working fluid to the cylinder of the first expansion mechanism;
A branch path branched from the inhalation path,
The high-pressure chamber of the actuator and the branch path are connected, and a high-pressure working fluid supplied to the actuator through the branch path is used as the high-pressure fluid.
Further, the actuator and the movable member are arranged adjacent to each other so that one end of the second suction hole is connected to the high pressure chamber of the actuator,
The expansion according to claim 12, wherein the working fluid supplied to the actuator as the high-pressure fluid is supplied to the suction side space of the first fluid mechanism through the second suction hole provided in the movable member. Machine.
可動部材駆動用シリンダと、
前記可動部材駆動用シリンダとの間に圧力室を形成するとともに、前記可動部材駆動用シリンダ内を偏心揺動することにより前記可動部材を回転させる可動部材駆動用ピストンと、
前記圧力室を、前記高圧流体を流入させる高圧室と、前記低圧流体を流入させる低圧室とに仕切る可動部材駆動用仕切り部材と、
を含む、請求項12に記載の膨張機。The actuator is
A movable member driving cylinder;
A movable member driving piston for rotating the movable member by forming a pressure chamber between the movable member driving cylinder and eccentrically swinging in the movable member driving cylinder;
A movable member driving partition member that divides the pressure chamber into a high pressure chamber into which the high pressure fluid flows and a low pressure chamber into which the low pressure fluid flows;
The expander of claim 12, comprising:
前記高圧流体と前記低圧流体との差圧が前記可動部材駆動用ピストンに与える正方向の回転力と、前記付勢手段が前記可動部材に与える逆方向の回転力とを均衡させることにより、前記シャフトの中心軸線周りにおける前記可動部材の位置が制御される、請求項19に記載の膨張機。The biasing means is configured so that the magnitude of the rotational force applied to the movable member changes according to the position occupied by the movable member around the central axis of the shaft,
By balancing the forward rotational force applied to the movable member drive piston by the differential pressure between the high pressure fluid and the low pressure fluid, and the reverse rotational force applied to the movable member by the biasing means, The expander of claim 19, wherein the position of the movable member about the central axis of the shaft is controlled.
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