JPWO2009096167A1 - 膨張機一体型圧縮機およびそれを用いた冷凍サイクル装置 - Google Patents

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Abstract

膨張機一体型圧縮機（１００Ａ）は、圧縮機構（２）、膨張機構（３）、シャフト（５）、オイルポンプ（６）および給油量調節機構（３０）を備えている。圧縮機構（２）および膨張機構（３）は、動力伝達がなされるようにシャフト（５）によって連結されている。圧縮機構（２）および膨張機構（３）は、密閉容器（１）内において、上下に配列している。オイルポンプ（６）は、シャフト（５）の下部に設けられている。シャフト（５）の内部には、軸方向に延びるように給油路（２９）が形成されている。給油量調節機構（３０）は、オイルポンプ（６）によって膨張機構（３）に供給されるオイルの量を調節する。

Description

本発明は、膨張機一体型圧縮機およびそれを用いた冷凍サイクル装置に関する。
昨今、資源問題や地球温暖化問題の深刻化を受けて、給湯機や空調機に応用される冷凍サイクル装置の省エネルギー化に関する研究開発が活発に行われている。例えば、従来の冷凍サイクル装置は、膨張弁で冷媒を膨張させる仕組みになっているが、膨張弁に代えて容積式の膨張機を採用することにより、冷媒の膨張エネルギーを回収して圧縮機の補助動力に利用する試みがある。冷媒の膨張エネルギーの回収および利用により、理論的には２０％前後、実機でも１０％前後の省電力化が期待できる。そのような試みを実現する流体機械として、特開２００５−２９９６３２号公報に開示されているような流体機械（膨張機一体型圧縮機）の開発が急ピッチで進められている。
図１１は、代表的な膨張機一体型圧縮機の縦断面図である。膨張機一体型圧縮機２００は、２段ロータリ型の圧縮機構１２１、電動機１２２、２段ロータリ型の膨張機構１２３およびこれらを収容している密閉容器１２０を備えている。圧縮機構１２１、電動機１２２および膨張機構１２３は、シャフト１２４により連結されている。
密閉容器１２０の底部は、オイル（冷凍機用潤滑油）を貯留するためのオイル貯まり１２５になっている。オイル貯まり１２５に貯まっているオイルを汲み上げるために、シャフト１２４の下端部にはオイルポンプ１２６が取り付けられている。オイルポンプ１２６によって汲み上げられたオイルは、シャフト１２４内に形成された給油路１２７を経由して、圧縮機構１２１および膨張機構１２３に供給される。これにより、圧縮機構１２１および膨張機構１２３の各摺動部分における潤滑性とシール性を確保することができる。
また、膨張機構１２３の上部には、オイル戻し管１２８が配置されている。オイル戻し管１２８は、一端がシャフト１２４内に形成された給油路１２７に連通し、他端が膨張機構１２３の下方に向かって開口している。通常、膨張機構１２３の信頼性確保のため、オイルは過剰に供給される。余剰のオイルは、オイル戻し管１２８を経由してオイル貯まり１２５に戻る。
圧縮機構１２１と膨張機構１２３を共通の密閉容器１２０内に配置することにより、圧縮機構１２１および膨張機構１２３の両者をオイル貯まり１２５に貯められたオイルで潤滑できる利点がある。
図１１に示す膨張機一体型圧縮機２００によれば、オイル貯まり１２５から汲み上げられたオイルは、高温の圧縮機構１２１を通過するため、圧縮機構１２１によって加熱される。圧縮機構１２１によって加熱されたオイルは、電動機１２２によってさらに加熱され、膨張機構１２３に到達する。膨張機構１２３に到達したオイルは、低温の膨張機構１２３において冷却されたのち、オイル戻し管１２８を経由して、膨張機構１２３の下方に排出される。膨張機構１２３やオイル戻し管１２８から排出されたオイルは、電動機１２２の側面を通過する際に再び加熱され、さらに圧縮機構１２１の側面を通過する際にも加熱されて密閉容器１２０のオイル貯まり１２５に戻る。
以上のように、オイルが圧縮機構１２１と膨張機構１２３との間を循環することによって、圧縮機構１２１から膨張機構１２３への熱移動が起こる。このような熱の移動により、圧縮機構１２１から吐出された冷媒の温度が低下し、膨張機構１２３から吐出された冷媒の温度が上昇する。このことは、空調機で考えると、暖房時の室内加熱能力の低下または冷房時の室内冷却能力の低下を意味する。
サイクル効率を向上させるためには、上述の熱移動を極力少なくすることが重要である。特に、システムを高出力で運転する場合には、膨張機一体型圧縮機の回転数も高くなるので、オイルポンプ１２６による送油量、ひいてはオイルによって移動する熱量も大きくなる。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、圧縮機構から膨張機構への熱移動を抑制することを目的とする。
すなわち、本発明は、
作動流体を圧縮するための圧縮機構と、
作動流体から動力を回収するための膨張機構と、
前記膨張機構で回収された動力が前記圧縮機構に伝達されるように前記圧縮機構と前記膨張機構とを連結しているシャフトと、
前記圧縮機構および前記膨張機構が上下に配列するように前記圧縮機構、前記膨張機構および前記シャフトを収容しており、底部がオイル貯まりとして利用され、圧縮後の作動流体で内部空間が満たされる密閉容器と、
前記シャフトの下部に設けられたオイルポンプと、
前記オイルポンプによって前記オイル貯まりのオイルを前記密閉容器内の上側に位置している前記圧縮機構または前記膨張機構に供給するために、軸方向に延びるように前記シャフトの内部に形成された給油路と、
前記密閉容器内の上側に位置している前記圧縮機構または前記膨張機構よりも下方に設けられ、前記給油路を通じて前記密閉容器内の上側に位置している前記圧縮機構または前記膨張機構に供給されるオイルの量を調節するための給油量調節機構と、
を備えた、膨張機一体型圧縮機を提供する。
他の側面において、本発明は、
上記本発明の膨張機一体型圧縮機と、
前記膨張機一体型圧縮機の前記圧縮機構で圧縮された冷媒を放熱させるための放熱器と、
前記膨張機一体型圧縮機の前記膨張機構で膨張した冷媒を蒸発させるための蒸発器と、
を備えた、冷凍サイクル装置を提供する。
さらに他の側面において、本発明は、
作動流体を圧縮するための圧縮機構と、
作動流体から動力を回収するための膨張機構と、
前記膨張機構で回収された動力が前記圧縮機構に伝達されるように前記圧縮機構と前記膨張機構とを連結しているシャフトと、
前記圧縮機構、前記膨張機構および前記シャフトを収容しており、底部がオイル貯まりとして利用され、圧縮後の作動流体で内部空間が満たされる密閉容器と、
前記シャフトの端部に設けられたオイルポンプと、
前記オイルポンプによって前記オイル貯まりのオイルを前記シャフトの軸方向に関して前記オイルポンプから見て遠い側に位置している前記圧縮機構または前記膨張機構に供給するために、軸方向に延びるように前記シャフトの内部に形成された給油路と、
前記圧縮機構または前記膨張機構に前記給油路を通じて供給されるオイルの量を調節するための給油量調節機構と、
を備えた、膨張機一体型圧縮機を提供する。
上記本発明の膨張機一体型圧縮機によれば、給油量調節機構が設けられているので、シャフトの回転数によらず、適正な量のオイルが圧縮機構または膨張機構に供給されうる。この結果、オイルの循環に基づく圧縮機構から膨張機構への熱移動を抑制できる。
本発明の第１実施形態にかかる膨張機一体型圧縮機の縦断面図 膨張機構のIIA-IIA横断面図 膨張機構のIIB-IIB横断面図 図１の部分拡大図 給油量調節機構の変形例を示す図 本発明の第２実施形態にかかる膨張機一体型圧縮機の縦断面図 図５の部分拡大図 本発明の第３実施形態にかかる膨張機一体型圧縮機の縦断面図 図７の部分拡大図 本発明の第４実施形態にかかる膨張機一体型圧縮機の縦断面図 膨張機一体型圧縮機を用いた冷凍サイクル装置の構成図 従来の膨張機一体型圧縮機の縦断面図
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態にかかる膨張機一体型圧縮機の縦断面図である。膨張機一体型圧縮機１００Ａは、密閉容器１、圧縮機構２、膨張機構３、電動機４、シャフト５、オイルポンプ６および給油量調節機構３０を備えている。圧縮機構２は、密閉容器１内の下側に配置されている。膨張機構３は、密閉容器１内の上側に配置されている。圧縮機構２と膨張機構３との間に電動機４が配置されている。圧縮機構２、電動機４および膨張機構３は、動力伝達がなされるようにシャフト５によって連結されている。オイルポンプ６はシャフト５の下部に設けられている。給油量調節機構３０は、膨張機構３に供給されるオイルの量を調節するためのものである。本実施形態では、給油量調節機構３０として、調節弁（典型的にはニードル弁）が採用されている。
電動機４がシャフト５を駆動することによって、圧縮機構２が作動する。膨張機構３は、膨張する作動流体から動力を回収してシャフト５に与え、電動機４によるシャフト５の駆動をアシストする。作動流体は、例えば、二酸化炭素やハイドロフルオロカーボンなどの冷媒である。
本実施形態では、シャフト５の軸方向が垂直方向に一致するように、圧縮機構２、電動機４および膨張機構３の配置が定められている。ただし、圧縮機構２と膨張機構３との位置関係は、本実施形態と逆であってもよい。すなわち、圧縮機構２が密閉容器１内の上側に配置され、膨張機構３が密閉容器１内の下側に配置されていてもよい。
密閉容器１は、各構成要素を収容するための内部空間２４を有する。密閉容器１の内部空間２４は、圧縮機構２で圧縮された冷媒で満たされる。密閉容器１の底部はオイル貯まり２５として利用されている。オイルは、圧縮機構２および膨張機構３の摺動部分における潤滑性とシール性を確保するために使用される。オイル貯まり２５のオイル量は、電動機４よりも下に油面が位置するように規定されている。これにより、電動機４の回転子がオイルを撹拌することに基づく電動機効率の低下や冷媒回路へのオイル吐出量の増大を防止できる。膨張機一体型圧縮機１００Ａの動作時において、圧縮機構２が高温となるので、オイル貯まり２５に貯められたオイルの温度も高くなる。
圧縮機構２は、シリンダ１７，１８と、ピストン７，８と、軸受部材１０，１１とを有しており、従来の２段ロータリ圧縮機と同じ構造のものである。シリンダ１７に吸入管１３が接続され、シリンダ１８に吸入管１４が接続されている。吸入管１３および吸入管１４を通じて、各シリンダ１７，１８内に形成された圧縮室１９，２０に冷媒が導かれる。圧縮室１９，２０で圧縮された冷媒は、密閉容器１の内部空間２４に吐出される。電動機４と膨張機構３との間に開口部が位置するように、密閉容器１に吐出管１５が接続されている。内部空間２４に吐出された冷媒は、電動機４の周囲を上方に向かって流れ、吐出管１５から密閉容器１の外部の流路に導かれる。この際、重力や遠心力の影響で冷媒とオイルとが分離されうる。
本実施形態では、圧縮機構２として、ロータリ型流体機構が採用されている。「ロータリ型」には、ベーンがピストンの外周面を摺動するローリングピストン型やベーンがシリンダの内周面を摺動するスライディングベーン型だけでなく、ピストンとベーンとが一体化されているスイングピストン型が含まれる。さらに、圧縮機構２の型式は、ロータリ型に限定されない。圧縮機構２として、スクロール型、往復型、スクリュー型等の他の型式の流体機構を採用してもよい。このことは、後述する膨張機構３についても同様である。
電動機４は、密閉容器１に固定された固定子２１と、シャフト５に固定された回転子２２とを備えている。密閉容器１の上部に設けられたターミナル（図示省略）を介して電動機４に電力が供給される。
シャフト５の内部には、膨張機構３の摺動部分に通ずる給油路２９が軸方向に延びるように形成されている。シャフト５の内部に給油路２９を形成することによって、部品点数の増加やレイアウトの問題が新たに生じないので好適である。オイルは、給油路２９を通じて膨張機構３の摺動部分に供給される。
本実施形態において、給油路２９は、シャフト５の上端面に開口していない。このようにすれば、図１１で説明した従来例のように、オイルが膨張機構３の上部に流れ出ない。これにより、オイルが膨張機構３によって冷却されにくくなる。言い換えれば、圧縮機構２から膨張機構３への熱移動をより効果的に抑制することが可能となる。ただし、給油路２９がシャフト５の上端面に開口していてもよい。
シャフト５は、単一の部品で作られていてもよいし、複数の部品を組み合わせる（連結する）ことによって作られていてもよい。具体的には、シャフト５が、圧縮機構２側の第１シャフトと、膨張機構３側の第２シャフトとを含んでいてもよい。第１シャフトと第２シャフトとは、嵌め合わせによって直接連結されていてもよいし、他の部品（連結器）を介して連結されていてもよい。シャフト５が複数の部品の組み合わせでできていると、組立、特に圧縮機構２と膨張機構３との調心が容易になる。
膨張機構３は、第１シリンダ４２と、第１シリンダ４２の内径よりも大きい内径を有する第２シリンダ４４と、第１シリンダ４２と第２シリンダ４４とを仕切っている中板４３とを備えている。第１シリンダ４２および第２シリンダ４４は、互いに同心状に配置されている。図２Ａおよび図２Ｂに示すように、膨張機構３は、さらに、第１ピストン４６、第１ベーン４８、第１ばね５０、第２ピストン４７、第２ベーン４９および第２ばね５１を備えている。
図２Ａに示すように、第１ピストン４６は、シャフト５の偏心部５ｃに嵌合しており、第１シリンダ４２の中で偏心回転運動する。第１ベーン４８は、第１シリンダ４２に形成されたベーン溝４２ａに往復動自在に保持されている。第１ベーン４８の一端部は、第１ピストン４６に接している。第１ばね５０は、第１ベーン４８の他端部に接しており、第１ベーン４８を第１ピストン４６に向けて付勢する。
図２Ｂに示すように、第２ピストン４７は、シャフト５の偏心部５ｄに嵌合しており、第２シリンダ４４の中で偏心回転運動する。第２ベーン４９は、第２シリンダ４４に形成されたベーン溝４４ａに往復動自在に保持されている。第２ベーン４９の一端部は、第２ピストン４７に接している。第２ばね５１は、第２ベーン４９の他端部に接しており、第２ベーン４９を第２ピストン４７に向けて付勢する。
膨張機構３は、さらに、軸受部材４５および軸受部材４１を備えている。軸受部材４１は、密閉容器１に隙間無く嵌め合わされている。シリンダや中板等の部品は、軸受部材４１を介して密閉容器１に固定されている。軸受部材４１および中板４３は第１シリンダ４２を上下から挟持し、中板４３および軸受部材４５は第２シリンダ４４を上下から挟持する。軸受部材４５、中板４３および軸受部材４１による挟持により、第１シリンダ４２および第２シリンダ４４内に作動室５５，５６がそれぞれ形成されている。
図２Ａに示すように、第１シリンダ４２の内側には、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）が形成されている。作動室５５ａと作動室５５ｂとは、第１ピストン４６および第１ベーン４８によって区画されている。図２Ｂに示すように、第２シリンダ４４の内側には、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）が形成されている。作動室５６ａと作動室５６ｂとは、第２ピストン４７および第２ベーン４９により区画されている。第２シリンダ４４における２つの作動室５６ａ，５６ｂの合計容積は、第１シリンダ４２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４２の吐出側の作動室５５ｂと、第２シリンダ４４の吸入側の作動室５６ａとが、中板４３に形成された貫通孔４３ａを介してつながることによって、作動室５５ｂおよび作動室５６ａが一つの作動室（膨張室）として機能する。
なお、作動室５６ａ，５６ｂの合計容積を作動室５５ａ，５５ｂの合計容積よりも大きくする方法として、第１シリンダ４２の内径と第２シリンダ４４の内径を異ならせる方法だけでなく、シリンダ４２，４４の厚みやピストン４６，４７の外径を適切に設定する方法を採用してもよい。
また、膨張機構３は、膨張前の冷媒を密閉容器１の外部の流路から直接吸入するための吸入路としての吸入管５２と、膨張後の冷媒を密閉容器１の外部の流路に直接吐出するための吐出路としての吐出管５３とを備えている。具体的に、吸入管５２は、密閉容器１の外部の流路から第１シリンダ４２の作動室５５へと冷媒を導くことができるように、第１シリンダ４２に直接挿入されている。吐出管５３は、第２シリンダ４４の作動室５６から密閉容器１の外部の流路へと冷媒を導くことができるように、第２シリンダ４４に直接挿入されている。吸入管５２が軸受部材４１に挿入され、吐出管５３が軸受部材４５に挿入されていてもよい。
膨張前の冷媒は、吸入管５２を経て第１シリンダ４２の作動室５５ａに流入する。第１シリンダ４２の作動室５５ａに流入した作動流体は、シャフト５の回転に応じて作動室５５ｂに移り、作動室５５ｂ、貫通孔４３ａおよび作動室５６ａからなる膨張室においてシャフト５を回転させながら膨張して低圧になる。膨張後の冷媒は、作動室５６ｂおよび吐出管５３を経て密閉容器１の外部へと導かれる。
オイルポンプ６が設けられている位置は、シャフト５の下部である。具体的には、シャフト５の下部における給油路２９にオイルポンプ６が配置されている。給油路２９にオイルポンプ６を配置することによって、給油管を別途設ける必要がなくなる。
オイルポンプ６は、シャフト５から動力を与えられて動作する。本実施形態では、オイルポンプ６として、速度型ポンプ（タービン型ポンプ）が採用されている。具体的に、オイルポンプ６は、ポンプ羽根６ａおよび羽根留め６ｂを有する。ポンプ羽根６ａは、羽根留め６ｂによってシャフト５に固定されている。ポンプ羽根６ａがシャフト５とともに回転することによって、オイルが上方に圧送される。一般には、オイルポンプ６の回転数がシャフト５の回転数に等しいので、シャフト５の回転数が増大するにつれて、オイルポンプ６の送出容積および送出圧力が増大する。ただし、オイルポンプ６の送出圧力が増大するにつれて給油量調節機構３０の効力が強くなるため、シャフト５の回転数に比例した量のオイルが膨張機構３に供給されるわけではない。
なお、オイルポンプの種類は速度型ポンプに限定されず、容積型ポンプを用いてもよい。容積型ポンプとしては、ロータリ型のオイルポンプやトロコイドポンプ（日本オイルポンプ社の登録商標）が挙げられる。ただし、本実施形態における給油量調節機構３０との相性は、容積型ポンプよりも速度型ポンプの方がよい。本実施形態では、後述する第２および第３実施形態のようなオイルの逃げ道が無いからである。
給油量調節機構３０は、給油路２９を通じて膨張機構３に供給されるオイルの量がシャフト５の回転数の増大に追従するのを妨げる構造を含む。先に説明したように、オイルの循環に基づく圧縮機構２から膨張機構３への熱移動を極力小さくすることが、膨張機一体型圧縮機１００Ａを用いた冷凍サイクル装置（図１０参照）の効率向上にとって重要である。シャフト５の回転数が増大すると、オイルポンプ６の送出容積および送出圧力も増大する傾向を示すが、給油量調節機構３０の働きによって、オイルの過剰供給が防止される。場合によっては、シャフト５の回転数によらず、膨張機構３への給油量をほぼ一定に維持しうる。この結果、オイルの循環に基づく圧縮機構２から膨張機構３への熱移動を抑制することが可能となる。
本実施形態において、給油量調節機構３０は給油路２９内に設けられている。そのため、給油量調節機構３０のための専用のスペースを確保せずに済む。給油量調節機構３０を設けるべき位置は、密閉容器１内の上側に位置している膨張機構３よりも下方であればよい。典型的には、シャフト５の軸方向に関して圧縮機構２の作動室２０と電動機４との間に給油量調節機構３０が設けられている。
図３は、図１の部分拡大図である。図３に示すように、給油量調節機構３０は、弁座３１、ニードル３２（弁体）、ばね３３およびニードル止め３４を備えている。弁座３１は、膨張機構３に近づくほど内径が縮小するオリフィスの形状を有している。弁座３１に向かい合うように、ニードル３２が配置されている。ニードル３２は円錐状の先端部を有している。弁座３１とニードル３２との間にオイルが流通できる隙間が形成されるように、弁座３１とニードル３２との間にばね３３が配置されている。給油路２９におけるオイルの圧力変動に応じて、ばね３３が伸縮することによって、弁座３１とニードル３２との隙間の広さが調節されうる。ニードル３２を挟んで弁座３１の反対側に、ニードル３２の可動範囲を規定するニードル止め３４が配置されている。なお、弁座３１またはニードル止め３４がシャフト５の一部によって形成されていてもよい。
給油量調節機構３０によれば、膨張機構３に送られるべきオイルが給油路２９を流れ、ニードル３２の背面に当たる。その後、オイルは、ニードル３２の周囲を通過して弁座３１に向かって流れる。ニードル３２の背面にオイルが当たることによって、ニードル３２が弁座３１に向かってオイルの流量に応じた力で押される。また、ニードル３２は、ばね３３の変位に比例した力で押し返される。すなわち、弁座３１とニードル３２との隙間の広さ（隙間の断面積）はオイルの流量に応じて変化する。シャフト５の回転数の増大に応じてオイルポンプ６の送油能力が高まる一方で、弁座３１とニードル３２との隙間が狭まることによってオイルの流れに対する抵抗が増大する。結果として、オイルの供給量が制限（適正化）される。
シャフト５が高回転数となった場合でも、給油量調節機構３０の働きによって、膨張機構３に必要以上のオイルが供給されない。言い換えれば、膨張機構３に適正な量のオイルが供給されうる。この結果、オイルの循環に基づく圧縮機構２から膨張機構３への熱移動を抑制できる。また、膨張機構３にオイルが過剰供給されないので、膨張機構３において、作動流体にオイルが多量に混入するのを防ぐことができる。そのため、蒸発器１０２（図１０参照）にオイルが過剰に流入することに基づく熱交換効率の著しい低下を防ぐことができる。なお、図４に示すように、給油路２９に弁座３１を設けるだけでも、給油量を適正化する効果が得られる。つまり、給油路２９にオリフィスを設けるだけでも、オイル流量の増加に伴ってオリフィスでの圧力損失も増大するため、膨張機構３にオイルが過剰供給されることを抑制できる。
本実施形態では、給油路２９のオイルを膨張機構３にのみ供給しているが、給油路２９のオイルを圧縮機構２に供給してもよい。
（第２実施形態）
図５は、本発明の第２実施形態にかかる膨張機一体型圧縮機の縦断面図である。図５に示すように、本実施形態の膨張機一体型圧縮機１００Ｂと、第１実施形態の膨張機一体型圧縮機１００Ａとの主な相違点は、給油量調節機構にある。図１に示す実施形態と共通の部材には共通の符号を付し、説明を省略することとする。
図６は、図５の部分拡大図である。本実施形態では、給油路２９から径方向に分岐してシャフト５の外周面に開口している分岐通路２９ｓがシャフト５に形成されている。そして、給油量調節機構６０が、その分岐通路２９ｓ内に設けられている。このようにすれば、シャフト５の外部から給油量調節機構６０の取り付けが可能なので、第１実施形態よりも組み立てが容易である。また、分岐通路２９ｓがオイルの逃げ道として振る舞うので、オイルポンプが容積型ポンプの場合にも好適である。
図６に示すように、給油量調節機構６０は、弁座６１、ニードル６２、ばね６３およびニードル止め６４を備えている。弁座６１は、給油路２９に近づくほど内径が縮小するオリフィスの形状を有しており、分岐通路２９ｓにおける給油路２９に面する部分に配置されている。弁座６１に向かい合うように、円錐状のニードル６２が配置されている。ニードル６２は、弁座６１に接近する方向および弁座６１から離れる方向（シャフト５の径方向）に変位可能である。ニードル止め６４は、分岐通路２９ｓにおけるシャフト５の外部に面する部分に配置されている。ニードル止め６４によってニードル６２の可動範囲が規定されている。ばね６３は、ニードル６２とニードル止め６４との間に配置されている。
軸受部材１０は、シャフト５を支持する軸受部１０ａを有する。軸受部１０ａは、分岐通路２９ｓが形成されている位置でシャフト５の外周面を覆っている。軸受部１０ａの内周面には、環状のチャンバー６７が形成されている。分岐通路２９ｓはチャンバー６７に向かって開口している。軸受部１０ａには、さらに、当該軸受部１０ａを径方向に貫通するように、チャンバー６７と密閉容器１の内部空間２４とを結ぶオイル排出路６６が形成されている。分岐通路２９ｓ、チャンバー６７およびオイル排出路６６によって、給油路２９から密閉容器１の内部空間２４へとオイルが流通しうる。
給油路２９の内圧が所定圧力よりも小さい場合、給油量調節機構６０は閉状態となる。閉状態とは、弁座６１にニードル６２が嵌ることによって分岐通路２９ｓが塞がれた状態のことである。閉状態では、分岐通路２９ｓをオイルが流通できない。一方、シャフト５の回転数が増大することによって給油路２９の内圧が所定圧力よりも高くなると、給油量調節機構６０は開状態となる。開状態とは、ニードル６２が弁座６１から離れることによって弁座６１とニードル６２との間に隙間が生じた状態のことである。開状態になれば、分岐通路２９ｓをオイルが流通できる。
給油路２９の内圧が所定圧力よりも高くなると、ニードル６２を押しのけながら弁座６１を通じて分岐通路２９ｓにオイルが入ってくる。オイルがニードル６２を押しのける力は、給油路２９の内圧に比例する。給油路２９内のオイル等（詳細にはオイルの圧力および遠心力）によってニードル６２に加わる外向きの荷重が、給油量調節機構６０が閉状態のときにばね６３がニードル６２を押す力を上回ることを条件として、給油量調節機構６０が閉状態から開状態へと切り替わる。
すなわち、シャフト５の回転数が増大し、給油路２９に必要以上のオイルが送り込まれた場合、給油路２９の内圧が上昇することによって給油量調節機構６０が開状態になる。給油量調節機構６０が開状態になると、給油路２９を流通するオイルの一部が分岐通路２９ｓを通じてシャフト５の外部に導かれる。シャフト５の外部に出たオイルは、軸受部材１０の軸受部１０ａに形成されたチャンバー６７およびオイル排出路６６を通じて、密閉容器１の内部空間２４に放出される。この結果、膨張機構３への給油量が適正化される。このように、本実施形態では、給油量調節機構６０がリリーフ弁で構成されている。
また、本実施形態では、分岐通路２９ｓを通じてシャフト５の外部にオイルを逃がすようになっている。そのため、給油量調節機構６０が開状態となった場合、給油路２９におけるオイルの流量は、給油量調節機構６０が設けられている位置の前後で差が生ずる。具体的には、給油量調節機構６０とオイルポンプ６との間で流量が多くなり、膨張機構３と給油量調節機構６０との間で流量が少なくなる。オイルの流量の多い部分が膨張機構３から離れている方が、オイルの循環に基づく圧縮機構２から膨張機構３への熱移動を抑制する観点から好ましい。したがって、電動機４と圧縮機構２との間において、シャフト５に分岐通路２９ｓが形成されているのが望ましい。
（第３実施形態）
図７は、本発明の第３実施形態にかかる膨張機一体型圧縮機の縦断面図である。図７に示すように、本実施形態の膨張機一体型圧縮機１００Ｃと、第１実施形態の膨張機一体型圧縮機１００Ａ（図１）との主な相違点は、給油量調節機構にある。
図８は、図７の部分拡大図である。本実施形態では、給油路２９から径方向に分岐してシャフト５の外周面に開口している分岐通路２９ｔがシャフト５に形成されている。そして、余分なオイルが分岐通路２９ｔを通じて密閉容器１の内部空間２４に導かれるように、給油量調節機構７０がシャフト５の外部に設けられている。給油量調節機構７０がシャフト５の外部にあるので、先の２つの実施形態よりも給油量調節機構７０のために広いスペースを確保できる。
オイルの逃げ道として、シャフト５に分岐通路２９ｔが形成されている点に関して、本実施形態は第２実施形態と共通である。他方、給油量調節機構７０がシャフト５とともに回転しない点で、本実施形態は第２実施形態と相違する。分岐通路２９ｔがオイルの逃げ道として振る舞うので、オイルポンプが容積型ポンプの場合にも好適である。
図８に示すように、本実施形態において、給油量調節機構７０は、軸受部材１０の内部に設けられている。軸受部材１０は、シャフト５を支持する軸受部１０ａを有する。軸受部１０ａは、分岐通路２９ｔが形成されている位置でシャフト５の外周面を覆っている。軸受部１０ａの内周面には、環状のチャンバー７７が形成されている。分岐通路２９ｔはチャンバー７７に向かって開口している。軸受部１０ａには、さらに、チャンバー７７と密閉容器１の内部空間２４とを結ぶ通路としてのオイル排出路７６が形成されている。そして、このオイル排出路７６に給油量調節機構７０が設けられている。
給油量調節機構７０は、弁座７１、弁体７２、ばね７３および弁体止め７４を備えている。オイル排出路７６は、オイルの流通方向に沿う方向の断面がＴ字形の部分を含み、そのＴ字形の部分に弁座７１が配置されている。弁座７１に向かい合うように、球の形状を有する弁体７２が配置されている。弁体止め７４は、弁体７２を挟んで弁座７１の反対側に配置されている。弁体止め７４によって弁体７２の可動範囲が規定されている。ばね７３は、弁体７２と弁体止め７４との間に配置されている。なお、給油量調節機構７０の構造は、第２実施形態と同じであってもよい。
給油路２９の内圧が所定圧力よりも小さい場合、給油量調節機構７０は閉状態となる。閉状態とは、弁座７１に弁体７２が嵌ることによってオイル排出路７６が塞がれた状態のことである。閉状態では、オイル排出路７６をオイルが流通できない。一方、シャフト５の回転数が増大することによって給油路２９の内圧が所定圧力よりも高くなると、給油量調節機構７０は開状態となる。開状態とは、弁体７２が弁座７１から離れることによって弁座７１と弁体７２との間に隙間が生じた状態のことである。開状態になれば、オイル排出路７６をオイルが流通できる。
給油路２９の内圧が所定圧力よりも高くなると、弁体７２がオイルによって押しのけられ、オイル排出路７６が開通する。オイルが弁体７２を押しのける力は、給油路２９の内圧に比例する。給油路２９内のオイルによって弁体７２に加わる荷重が、給油量調節機構７０が閉状態のときにばね７３が弁体７２を押す力を上回ることを条件として、給油量調節機構７０が閉状態から開状態へと切り替わる。
すなわち、シャフト５の回転数が増大し、給油路２９に必要以上のオイルが送り込まれた場合、給油路２９の内圧が上昇することによって給油量調節機構７０が開状態になる。給油量調節機構７０が開状態になると、給油路２９を流通するオイルの一部が分岐通路２９ｔを通じてシャフト５の外部に導かれる。シャフト５の外部に出たオイルは、軸受部材１０の軸受部１０ａに形成されたチャンバー７７およびオイル排出路７６を通じて、密閉容器１の内部空間２４に放出される。この結果、膨張機構３への給油量が適正化される。このように、本実施形態においても、給油量調節機構７０がリリーフ弁で構成されている。
なお、給油量調節機構７０は、オイル排出路７６の出口に配置されていてもよいし、チャンバー７７に配置されていてもよい。
また、本実施形態においても、分岐通路２９ｔを通じてシャフト５の外部にオイルを逃がすようになっている。そのため、電動機４と密閉容器１内の下側に位置している圧縮機構２との間において、シャフト５に分岐通路２９ｔが形成されているのが望ましい。
（第４実施形態）
図９に示すように、本実施形態の膨張機一体型圧縮機１００Ｄは、シャフト５の軸方向が水平方向に平行である。密閉容器１の長手方向に沿ってオイル貯まり２５が形成されている。膨張機構３と電動機４との間には隔壁２７が設けられている。隔壁２７は、内部空間２４を膨張機構３側の空間と圧縮機構２側の空間とに仕切っている。圧縮機構２側の空間には電動機４も配置されている。この隔壁２７にも圧縮機構２および電動機４から膨張機構３への熱移動を抑制する機能がある。隔壁２７は、オイルの流通を許容する通路２７ｈを有する。
シャフト５の端部には、容積型のオイルポンプ２６が設けられている。シャフト５の軸方向に沿って、オイルポンプ２６、膨張機構３、電動機４および圧縮機構２がこの順番で並んでいる。給油量調節機構６０は、図６を参照して第３実施形態で説明したものと同一である。オイル貯まり２５のオイルを吸入できるように、オイルポンプ２６のノズル２６ｋがオイル貯まり２５に向かって延びている。オイルポンプ２６に吸入されたオイルは、シャフト５の軸方向に関してオイルポンプ２６から見て遠い側に位置している圧縮機構２に給油路２９を通じて供給される。本実施形態では、オイルポンプ２６からのオイルがオイルポンプ２６から見て近い側に位置している膨張機構３にも供給される。給油量調節機構６０を通じて給油路２９から排出されたオイルは、膨張機構３側の空間に戻る。
先に説明した実施形態と同様に、給油量調節機構６０によってオイルの過剰供給が防止される。これにより、圧縮機構２から膨張機構３への熱移動が抑制される。なお、図９に示す例では、膨張機構３側にオイルポンプ２６が設けられているが、圧縮機構２側にオイルポンプ２６が設けられていてもよい。また、給油量調節機構６０に代えて、給油量調節機構３０（第１実施形態）や給油量調節機構７０（第３実施形態）を設けてもよい。
本発明の膨張機一体型圧縮機は、例えば、空気調和装置、給湯装置、乾燥機または冷凍冷蔵庫のための冷凍サイクル装置（ヒートポンプ）に好適に採用できる。図１０に示すように、冷凍サイクル装置１１０は、膨張機一体型圧縮機１００Ａ（，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄ）と、圧縮機構２で圧縮された冷媒を放熱させるための放熱器１０１と、膨張機構３で膨張した冷媒を蒸発させるための蒸発器１１４とを備えている。圧縮機構２、放熱器１０１、膨張機構３および蒸発器１０２が配管によって接続され、冷媒回路が形成されている。
例えば、冷凍サイクル装置１１０が空気調和装置に適用される場合、圧縮機構２から膨張機構３への熱移動を抑制することにより、暖房運転時における圧縮機構２の吐出温度の低下による暖房能力の低下、冷房運転時における膨張機構３の吐出温度の上昇による冷房能力の低下を防ぐことができる。結果として、空気調和装置の成績係数が向上する。
本発明は、膨張機一体型圧縮機およびそれを用いた冷凍サイクル装置に関する。
昨今、資源問題や地球温暖化問題の深刻化を受けて、給湯機や空調機に応用される冷凍サイクル装置の省エネルギー化に関する研究開発が活発に行われている。例えば、従来の冷凍サイクル装置は、膨張弁で冷媒を膨張させる仕組みになっているが、膨張弁に代えて容積式の膨張機を採用することにより、冷媒の膨張エネルギーを回収して圧縮機の補助動力に利用する試みがある。冷媒の膨張エネルギーの回収および利用により、理論的には２０％前後、実機でも１０％前後の省電力化が期待できる。そのような試みを実現する流体機械として、特開２００５−２９９６３２号公報に開示されているような流体機械（膨張機一体型圧縮機）の開発が急ピッチで進められている。
図１１は、代表的な膨張機一体型圧縮機の縦断面図である。膨張機一体型圧縮機２００は、２段ロータリ型の圧縮機構１２１、電動機１２２、２段ロータリ型の膨張機構１２３およびこれらを収容している密閉容器１２０を備えている。圧縮機構１２１、電動機１２２および膨張機構１２３は、シャフト１２４により連結されている。
密閉容器１２０の底部は、オイル（冷凍機用潤滑油）を貯留するためのオイル貯まり１２５になっている。オイル貯まり１２５に貯まっているオイルを汲み上げるために、シャフト１２４の下端部にはオイルポンプ１２６が取り付けられている。オイルポンプ１２６によって汲み上げられたオイルは、シャフト１２４内に形成された給油路１２７を経由して、圧縮機構１２１および膨張機構１２３に供給される。これにより、圧縮機構１２１および膨張機構１２３の各摺動部分における潤滑性とシール性を確保することができる。
また、膨張機構１２３の上部には、オイル戻し管１２８が配置されている。オイル戻し管１２８は、一端がシャフト１２４内に形成された給油路１２７に連通し、他端が膨張機構１２３の下方に向かって開口している。通常、膨張機構１２３の信頼性確保のため、オイルは過剰に供給される。余剰のオイルは、オイル戻し管１２８を経由してオイル貯まり１２５に戻る。
圧縮機構１２１と膨張機構１２３を共通の密閉容器１２０内に配置することにより、圧縮機構１２１および膨張機構１２３の両者をオイル貯まり１２５に貯められたオイルで潤滑できる利点がある。
特開２００５−２９９６３２号公報
図１１に示す膨張機一体型圧縮機２００によれば、オイル貯まり１２５から汲み上げられたオイルは、高温の圧縮機構１２１を通過するため、圧縮機構１２１によって加熱される。圧縮機構１２１によって加熱されたオイルは、電動機１２２によってさらに加熱され、膨張機構１２３に到達する。膨張機構１２３に到達したオイルは、低温の膨張機構１２３において冷却されたのち、オイル戻し管１２８を経由して、膨張機構１２３の下方に排出される。膨張機構１２３やオイル戻し管１２８から排出されたオイルは、電動機１２２の側面を通過する際に再び加熱され、さらに圧縮機構１２１の側面を通過する際にも加熱されて密閉容器１２０のオイル貯まり１２５に戻る。
以上のように、オイルが圧縮機構１２１と膨張機構１２３との間を循環することによって、圧縮機構１２１から膨張機構１２３への熱移動が起こる。このような熱の移動により、圧縮機構１２１から吐出された冷媒の温度が低下し、膨張機構１２３から吐出された冷媒の温度が上昇する。このことは、空調機で考えると、暖房時の室内加熱能力の低下または冷房時の室内冷却能力の低下を意味する。
サイクル効率を向上させるためには、上述の熱移動を極力少なくすることが重要である。特に、システムを高出力で運転する場合には、膨張機一体型圧縮機の回転数も高くなるので、オイルポンプ１２６による送油量、ひいてはオイルによって移動する熱量も大きくなる。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、圧縮機構から膨張機構への熱移動を抑制することを目的とする。
すなわち、本発明は、
作動流体を圧縮するための圧縮機構と、
作動流体から動力を回収するための膨張機構と、
前記膨張機構で回収された動力が前記圧縮機構に伝達されるように前記圧縮機構と前記膨張機構とを連結しているシャフトと、
前記圧縮機構および前記膨張機構が上下に配列するように前記圧縮機構、前記膨張機構および前記シャフトを収容しており、底部がオイル貯まりとして利用され、圧縮後の作動流体で内部空間が満たされる密閉容器と、
前記シャフトの下部に設けられたオイルポンプと、
前記オイルポンプによって前記オイル貯まりのオイルを前記密閉容器内の上側に位置している前記圧縮機構または前記膨張機構に供給するために、軸方向に延びるように前記シャフトの内部に形成された給油路と、
前記密閉容器内の上側に位置している前記圧縮機構または前記膨張機構よりも下方に設けられ、前記給油路を通じて前記密閉容器内の上側に位置している前記圧縮機構または前記膨張機構に供給されるオイルの量を調節するための給油量調節機構と、
を備えた、膨張機一体型圧縮機を提供する。
他の側面において、本発明は、
上記本発明の膨張機一体型圧縮機と、
前記膨張機一体型圧縮機の前記圧縮機構で圧縮された冷媒を放熱させるための放熱器と、
前記膨張機一体型圧縮機の前記膨張機構で膨張した冷媒を蒸発させるための蒸発器と、
を備えた、冷凍サイクル装置を提供する。
さらに他の側面において、本発明は、
作動流体を圧縮するための圧縮機構と、
作動流体から動力を回収するための膨張機構と、
前記膨張機構で回収された動力が前記圧縮機構に伝達されるように前記圧縮機構と前記膨張機構とを連結しているシャフトと、
前記圧縮機構、前記膨張機構および前記シャフトを収容しており、底部がオイル貯まりとして利用され、圧縮後の作動流体で内部空間が満たされる密閉容器と、
前記シャフトの端部に設けられたオイルポンプと、
前記オイルポンプによって前記オイル貯まりのオイルを前記シャフトの軸方向に関して前記オイルポンプから見て遠い側に位置している前記圧縮機構または前記膨張機構に供給するために、軸方向に延びるように前記シャフトの内部に形成された給油路と、
前記圧縮機構または前記膨張機構に前記給油路を通じて供給されるオイルの量を調節するための給油量調節機構と、
を備えた、膨張機一体型圧縮機を提供する。
上記本発明の膨張機一体型圧縮機によれば、給油量調節機構が設けられているので、シャフトの回転数によらず、適正な量のオイルが圧縮機構または膨張機構に供給されうる。この結果、オイルの循環に基づく圧縮機構から膨張機構への熱移動を抑制できる。
本発明の第１実施形態にかかる膨張機一体型圧縮機の縦断面図 膨張機構のIIA-IIA横断面図 膨張機構のIIB-IIB横断面図 図１の部分拡大図 給油量調節機構の変形例を示す図 本発明の第２実施形態にかかる膨張機一体型圧縮機の縦断面図 図５の部分拡大図 本発明の第３実施形態にかかる膨張機一体型圧縮機の縦断面図 図７の部分拡大図 本発明の第４実施形態にかかる膨張機一体型圧縮機の縦断面図 膨張機一体型圧縮機を用いた冷凍サイクル装置の構成図 従来の膨張機一体型圧縮機の縦断面図
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態にかかる膨張機一体型圧縮機の縦断面図である。膨張機一体型圧縮機１００Ａは、密閉容器１、圧縮機構２、膨張機構３、電動機４、シャフト５、オイルポンプ６および給油量調節機構３０を備えている。圧縮機構２は、密閉容器１内の下側に配置されている。膨張機構３は、密閉容器１内の上側に配置されている。圧縮機構２と膨張機構３との間に電動機４が配置されている。圧縮機構２、電動機４および膨張機構３は、動力伝達がなされるようにシャフト５によって連結されている。オイルポンプ６はシャフト５の下部に設けられている。給油量調節機構３０は、膨張機構３に供給されるオイルの量を調節するためのものである。本実施形態では、給油量調節機構３０として、調節弁（典型的にはニードル弁）が採用されている。
電動機４がシャフト５を駆動することによって、圧縮機構２が作動する。膨張機構３は、膨張する作動流体から動力を回収してシャフト５に与え、電動機４によるシャフト５の駆動をアシストする。作動流体は、例えば、二酸化炭素やハイドロフルオロカーボンなどの冷媒である。
本実施形態では、シャフト５の軸方向が垂直方向に一致するように、圧縮機構２、電動機４および膨張機構３の配置が定められている。ただし、圧縮機構２と膨張機構３との位置関係は、本実施形態と逆であってもよい。すなわち、圧縮機構２が密閉容器１内の上側に配置され、膨張機構３が密閉容器１内の下側に配置されていてもよい。
密閉容器１は、各構成要素を収容するための内部空間２４を有する。密閉容器１の内部空間２４は、圧縮機構２で圧縮された冷媒で満たされる。密閉容器１の底部はオイル貯まり２５として利用されている。オイルは、圧縮機構２および膨張機構３の摺動部分における潤滑性とシール性を確保するために使用される。オイル貯まり２５のオイル量は、電動機４よりも下に油面が位置するように規定されている。これにより、電動機４の回転子がオイルを撹拌することに基づく電動機効率の低下や冷媒回路へのオイル吐出量の増大を防止できる。膨張機一体型圧縮機１００Ａの動作時において、圧縮機構２が高温となるので、オイル貯まり２５に貯められたオイルの温度も高くなる。
圧縮機構２は、シリンダ１７，１８と、ピストン７，８と、軸受部材１０，１１とを有しており、従来の２段ロータリ圧縮機と同じ構造のものである。シリンダ１７に吸入管１３が接続され、シリンダ１８に吸入管１４が接続されている。吸入管１３および吸入管１４を通じて、各シリンダ１７，１８内に形成された圧縮室１９，２０に冷媒が導かれる。圧縮室１９，２０で圧縮された冷媒は、密閉容器１の内部空間２４に吐出される。電動機４と膨張機構３との間に開口部が位置するように、密閉容器１に吐出管１５が接続されている。内部空間２４に吐出された冷媒は、電動機４の周囲を上方に向かって流れ、吐出管１５から密閉容器１の外部の流路に導かれる。この際、重力や遠心力の影響で冷媒とオイルとが分離されうる。
本実施形態では、圧縮機構２として、ロータリ型流体機構が採用されている。「ロータリ型」には、ベーンがピストンの外周面を摺動するローリングピストン型やベーンがシリンダの内周面を摺動するスライディングベーン型だけでなく、ピストンとベーンとが一体化されているスイングピストン型が含まれる。さらに、圧縮機構２の型式は、ロータリ型に限定されない。圧縮機構２として、スクロール型、往復型、スクリュー型等の他の型式の流体機構を採用してもよい。このことは、後述する膨張機構３についても同様である。
電動機４は、密閉容器１に固定された固定子２１と、シャフト５に固定された回転子２２とを備えている。密閉容器１の上部に設けられたターミナル（図示省略）を介して電動機４に電力が供給される。
シャフト５の内部には、膨張機構３の摺動部分に通ずる給油路２９が軸方向に延びるように形成されている。シャフト５の内部に給油路２９を形成することによって、部品点数の増加やレイアウトの問題が新たに生じないので好適である。オイルは、給油路２９を通じて膨張機構３の摺動部分に供給される。
本実施形態において、給油路２９は、シャフト５の上端面に開口していない。このようにすれば、図１１で説明した従来例のように、オイルが膨張機構３の上部に流れ出ない。これにより、オイルが膨張機構３によって冷却されにくくなる。言い換えれば、圧縮機構２から膨張機構３への熱移動をより効果的に抑制することが可能となる。ただし、給油路２９がシャフト５の上端面に開口していてもよい。
シャフト５は、単一の部品で作られていてもよいし、複数の部品を組み合わせる（連結する）ことによって作られていてもよい。具体的には、シャフト５が、圧縮機構２側の第１シャフトと、膨張機構３側の第２シャフトとを含んでいてもよい。第１シャフトと第２シャフトとは、嵌め合わせによって直接連結されていてもよいし、他の部品（連結器）を介して連結されていてもよい。シャフト５が複数の部品の組み合わせでできていると、組立、特に圧縮機構２と膨張機構３との調心が容易になる。
膨張機構３は、第１シリンダ４２と、第１シリンダ４２の内径よりも大きい内径を有する第２シリンダ４４と、第１シリンダ４２と第２シリンダ４４とを仕切っている中板４３とを備えている。第１シリンダ４２および第２シリンダ４４は、互いに同心状に配置されている。図２Ａおよび図２Ｂに示すように、膨張機構３は、さらに、第１ピストン４６、第１ベーン４８、第１ばね５０、第２ピストン４７、第２ベーン４９および第２ばね５１を備えている。
図２Ａに示すように、第１ピストン４６は、シャフト５の偏心部５ｃに嵌合しており、第１シリンダ４２の中で偏心回転運動する。第１ベーン４８は、第１シリンダ４２に形成されたベーン溝４２ａに往復動自在に保持されている。第１ベーン４８の一端部は、第１ピストン４６に接している。第１ばね５０は、第１ベーン４８の他端部に接しており、第１ベーン４８を第１ピストン４６に向けて付勢する。
図２Ｂに示すように、第２ピストン４７は、シャフト５の偏心部５ｄに嵌合しており、第２シリンダ４４の中で偏心回転運動する。第２ベーン４９は、第２シリンダ４４に形成されたベーン溝４４ａに往復動自在に保持されている。第２ベーン４９の一端部は、第２ピストン４７に接している。第２ばね５１は、第２ベーン４９の他端部に接しており、第２ベーン４９を第２ピストン４７に向けて付勢する。
膨張機構３は、さらに、軸受部材４５および軸受部材４１を備えている。軸受部材４１は、密閉容器１に隙間無く嵌め合わされている。シリンダや中板等の部品は、軸受部材４１を介して密閉容器１に固定されている。軸受部材４１および中板４３は第１シリンダ４２を上下から挟持し、中板４３および軸受部材４５は第２シリンダ４４を上下から挟持する。軸受部材４５、中板４３および軸受部材４１による挟持により、第１シリンダ４２および第２シリンダ４４内に作動室５５，５６がそれぞれ形成されている。
図２Ａに示すように、第１シリンダ４２の内側には、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）が形成されている。作動室５５ａと作動室５５ｂとは、第１ピストン４６および第１ベーン４８によって区画されている。図２Ｂに示すように、第２シリンダ４４の内側には、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）が形成されている。作動室５６ａと作動室５６ｂとは、第２ピストン４７および第２ベーン４９により区画されている。第２シリンダ４４における２つの作動室５６ａ，５６ｂの合計容積は、第１シリンダ４２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４２の吐出側の作動室５５ｂと、第２シリンダ４４の吸入側の作動室５６ａとが、中板４３に形成された貫通孔４３ａを介してつながることによって、作動室５５ｂおよび作動室５６ａが一つの作動室（膨張室）として機能する。
なお、作動室５６ａ，５６ｂの合計容積を作動室５５ａ，５５ｂの合計容積よりも大きくする方法として、第１シリンダ４２の内径と第２シリンダ４４の内径を異ならせる方法だけでなく、シリンダ４２，４４の厚みやピストン４６，４７の外径を適切に設定する方法を採用してもよい。
また、膨張機構３は、膨張前の冷媒を密閉容器１の外部の流路から直接吸入するための吸入路としての吸入管５２と、膨張後の冷媒を密閉容器１の外部の流路に直接吐出するための吐出路としての吐出管５３とを備えている。具体的に、吸入管５２は、密閉容器１の外部の流路から第１シリンダ４２の作動室５５へと冷媒を導くことができるように、第１シリンダ４２に直接挿入されている。吐出管５３は、第２シリンダ４４の作動室５６から密閉容器１の外部の流路へと冷媒を導くことができるように、第２シリンダ４４に直接挿入されている。吸入管５２が軸受部材４１に挿入され、吐出管５３が軸受部材４５に挿入されていてもよい。
膨張前の冷媒は、吸入管５２を経て第１シリンダ４２の作動室５５ａに流入する。第１シリンダ４２の作動室５５ａに流入した作動流体は、シャフト５の回転に応じて作動室５５ｂに移り、作動室５５ｂ、貫通孔４３ａおよび作動室５６ａからなる膨張室においてシャフト５を回転させながら膨張して低圧になる。膨張後の冷媒は、作動室５６ｂおよび吐出管５３を経て密閉容器１の外部へと導かれる。
オイルポンプ６が設けられている位置は、シャフト５の下部である。具体的には、シャフト５の下部における給油路２９にオイルポンプ６が配置されている。給油路２９にオイルポンプ６を配置することによって、給油管を別途設ける必要がなくなる。
オイルポンプ６は、シャフト５から動力を与えられて動作する。本実施形態では、オイルポンプ６として、速度型ポンプ（タービン型ポンプ）が採用されている。具体的に、オイルポンプ６は、ポンプ羽根６ａおよび羽根留め６ｂを有する。ポンプ羽根６ａは、羽根留め６ｂによってシャフト５に固定されている。ポンプ羽根６ａがシャフト５とともに回転することによって、オイルが上方に圧送される。一般には、オイルポンプ６の回転数がシャフト５の回転数に等しいので、シャフト５の回転数が増大するにつれて、オイルポンプ６の送出容積および送出圧力が増大する。ただし、オイルポンプ６の送出圧力が増大するにつれて給油量調節機構３０の効力が強くなるため、シャフト５の回転数に比例した量のオイルが膨張機構３に供給されるわけではない。
なお、オイルポンプの種類は速度型ポンプに限定されず、容積型ポンプを用いてもよい。容積型ポンプとしては、ロータリ型のオイルポンプやトロコイドポンプ（日本オイルポンプ社の登録商標）が挙げられる。ただし、本実施形態における給油量調節機構３０との相性は、容積型ポンプよりも速度型ポンプの方がよい。本実施形態では、後述する第２および第３実施形態のようなオイルの逃げ道が無いからである。
給油量調節機構３０は、給油路２９を通じて膨張機構３に供給されるオイルの量がシャフト５の回転数の増大に追従するのを妨げる構造を含む。先に説明したように、オイルの循環に基づく圧縮機構２から膨張機構３への熱移動を極力小さくすることが、膨張機一体型圧縮機１００Ａを用いた冷凍サイクル装置（図１０参照）の効率向上にとって重要である。シャフト５の回転数が増大すると、オイルポンプ６の送出容積および送出圧力も増大する傾向を示すが、給油量調節機構３０の働きによって、オイルの過剰供給が防止される。場合によっては、シャフト５の回転数によらず、膨張機構３への給油量をほぼ一定に維持しうる。この結果、オイルの循環に基づく圧縮機構２から膨張機構３への熱移動を抑制することが可能となる。
本実施形態において、給油量調節機構３０は給油路２９内に設けられている。そのため、給油量調節機構３０のための専用のスペースを確保せずに済む。給油量調節機構３０を設けるべき位置は、密閉容器１内の上側に位置している膨張機構３よりも下方であればよい。典型的には、シャフト５の軸方向に関して圧縮機構２の作動室２０と電動機４との間に給油量調節機構３０が設けられている。
図３は、図１の部分拡大図である。図３に示すように、給油量調節機構３０は、弁座３１、ニードル３２（弁体）、ばね３３およびニードル止め３４を備えている。弁座３１は、膨張機構３に近づくほど内径が縮小するオリフィスの形状を有している。弁座３１に向かい合うように、ニードル３２が配置されている。ニードル３２は円錐状の先端部を有している。弁座３１とニードル３２との間にオイルが流通できる隙間が形成されるように、弁座３１とニードル３２との間にばね３３が配置されている。給油路２９におけるオイルの圧力変動に応じて、ばね３３が伸縮することによって、弁座３１とニードル３２との隙間の広さが調節されうる。ニードル３２を挟んで弁座３１の反対側に、ニードル３２の可動範囲を規定するニードル止め３４が配置されている。なお、弁座３１またはニードル止め３４がシャフト５の一部によって形成されていてもよい。
給油量調節機構３０によれば、膨張機構３に送られるべきオイルが給油路２９を流れ、ニードル３２の背面に当たる。その後、オイルは、ニードル３２の周囲を通過して弁座３１に向かって流れる。ニードル３２の背面にオイルが当たることによって、ニードル３２が弁座３１に向かってオイルの流量に応じた力で押される。また、ニードル３２は、ばね３３の変位に比例した力で押し返される。すなわち、弁座３１とニードル３２との隙間の広さ（隙間の断面積）はオイルの流量に応じて変化する。シャフト５の回転数の増大に応じてオイルポンプ６の送油能力が高まる一方で、弁座３１とニードル３２との隙間が狭まることによってオイルの流れに対する抵抗が増大する。結果として、オイルの供給量が制限（適正化）される。
シャフト５が高回転数となった場合でも、給油量調節機構３０の働きによって、膨張機構３に必要以上のオイルが供給されない。言い換えれば、膨張機構３に適正な量のオイルが供給されうる。この結果、オイルの循環に基づく圧縮機構２から膨張機構３への熱移動を抑制できる。また、膨張機構３にオイルが過剰供給されないので、膨張機構３において、作動流体にオイルが多量に混入するのを防ぐことができる。そのため、蒸発器１０２（図１０参照）にオイルが過剰に流入することに基づく熱交換効率の著しい低下を防ぐことができる。なお、図４に示すように、給油路２９に弁座３１を設けるだけでも、給油量を適正化する効果が得られる。つまり、給油路２９にオリフィスを設けるだけでも、オイル流量の増加に伴ってオリフィスでの圧力損失も増大するため、膨張機構３にオイルが過剰供給されることを抑制できる。
本実施形態では、給油路２９のオイルを膨張機構３にのみ供給しているが、給油路２９のオイルを圧縮機構２に供給してもよい。
（第２実施形態）
図５は、本発明の第２実施形態にかかる膨張機一体型圧縮機の縦断面図である。図５に示すように、本実施形態の膨張機一体型圧縮機１００Ｂと、第１実施形態の膨張機一体型圧縮機１００Ａとの主な相違点は、給油量調節機構にある。図１に示す実施形態と共通の部材には共通の符号を付し、説明を省略することとする。
図６は、図５の部分拡大図である。本実施形態では、給油路２９から径方向に分岐してシャフト５の外周面に開口している分岐通路２９ｓがシャフト５に形成されている。そして、給油量調節機構６０が、その分岐通路２９ｓ内に設けられている。このようにすれば、シャフト５の外部から給油量調節機構６０の取り付けが可能なので、第１実施形態よりも組み立てが容易である。また、分岐通路２９ｓがオイルの逃げ道として振る舞うので、オイルポンプが容積型ポンプの場合にも好適である。
図６に示すように、給油量調節機構６０は、弁座６１、ニードル６２、ばね６３およびニードル止め６４を備えている。弁座６１は、給油路２９に近づくほど内径が縮小するオリフィスの形状を有しており、分岐通路２９ｓにおける給油路２９に面する部分に配置されている。弁座６１に向かい合うように、円錐状のニードル６２が配置されている。ニードル６２は、弁座６１に接近する方向および弁座６１から離れる方向（シャフト５の径方向）に変位可能である。ニードル止め６４は、分岐通路２９ｓにおけるシャフト５の外部に面する部分に配置されている。ニードル止め６４によってニードル６２の可動範囲が規定されている。ばね６３は、ニードル６２とニードル止め６４との間に配置されている。
軸受部材１０は、シャフト５を支持する軸受部１０ａを有する。軸受部１０ａは、分岐通路２９ｓが形成されている位置でシャフト５の外周面を覆っている。軸受部１０ａの内周面には、環状のチャンバー６７が形成されている。分岐通路２９ｓはチャンバー６７に向かって開口している。軸受部１０ａには、さらに、当該軸受部１０ａを径方向に貫通するように、チャンバー６７と密閉容器１の内部空間２４とを結ぶオイル排出路６６が形成されている。分岐通路２９ｓ、チャンバー６７およびオイル排出路６６によって、給油路２９から密閉容器１の内部空間２４へとオイルが流通しうる。
給油路２９の内圧が所定圧力よりも小さい場合、給油量調節機構６０は閉状態となる。閉状態とは、弁座６１にニードル６２が嵌ることによって分岐通路２９ｓが塞がれた状態のことである。閉状態では、分岐通路２９ｓをオイルが流通できない。一方、シャフト５の回転数が増大することによって給油路２９の内圧が所定圧力よりも高くなると、給油量調節機構６０は開状態となる。開状態とは、ニードル６２が弁座６１から離れることによって弁座６１とニードル６２との間に隙間が生じた状態のことである。開状態になれば、分岐通路２９ｓをオイルが流通できる。
給油路２９の内圧が所定圧力よりも高くなると、ニードル６２を押しのけながら弁座６１を通じて分岐通路２９ｓにオイルが入ってくる。オイルがニードル６２を押しのける力は、給油路２９の内圧に比例する。給油路２９内のオイル等（詳細にはオイルの圧力および遠心力）によってニードル６２に加わる外向きの荷重が、給油量調節機構６０が閉状態のときにばね６３がニードル６２を押す力を上回ることを条件として、給油量調節機構６０が閉状態から開状態へと切り替わる。
すなわち、シャフト５の回転数が増大し、給油路２９に必要以上のオイルが送り込まれた場合、給油路２９の内圧が上昇することによって給油量調節機構６０が開状態になる。給油量調節機構６０が開状態になると、給油路２９を流通するオイルの一部が分岐通路２９ｓを通じてシャフト５の外部に導かれる。シャフト５の外部に出たオイルは、軸受部材１０の軸受部１０ａに形成されたチャンバー６７およびオイル排出路６６を通じて、密閉容器１の内部空間２４に放出される。この結果、膨張機構３への給油量が適正化される。このように、本実施形態では、給油量調節機構６０がリリーフ弁で構成されている。
また、本実施形態では、分岐通路２９ｓを通じてシャフト５の外部にオイルを逃がすようになっている。そのため、給油量調節機構６０が開状態となった場合、給油路２９におけるオイルの流量は、給油量調節機構６０が設けられている位置の前後で差が生ずる。具体的には、給油量調節機構６０とオイルポンプ６との間で流量が多くなり、膨張機構３と給油量調節機構６０との間で流量が少なくなる。オイルの流量の多い部分が膨張機構３から離れている方が、オイルの循環に基づく圧縮機構２から膨張機構３への熱移動を抑制する観点から好ましい。したがって、電動機４と圧縮機構２との間において、シャフト５に分岐通路２９ｓが形成されているのが望ましい。
（第３実施形態）
図７は、本発明の第３実施形態にかかる膨張機一体型圧縮機の縦断面図である。図７に示すように、本実施形態の膨張機一体型圧縮機１００Ｃと、第１実施形態の膨張機一体型圧縮機１００Ａ（図１）との主な相違点は、給油量調節機構にある。
図８は、図７の部分拡大図である。本実施形態では、給油路２９から径方向に分岐してシャフト５の外周面に開口している分岐通路２９ｔがシャフト５に形成されている。そして、余分なオイルが分岐通路２９ｔを通じて密閉容器１の内部空間２４に導かれるように、給油量調節機構７０がシャフト５の外部に設けられている。給油量調節機構７０がシャフト５の外部にあるので、先の２つの実施形態よりも給油量調節機構７０のために広いスペースを確保できる。
オイルの逃げ道として、シャフト５に分岐通路２９ｔが形成されている点に関して、本実施形態は第２実施形態と共通である。他方、給油量調節機構７０がシャフト５とともに回転しない点で、本実施形態は第２実施形態と相違する。分岐通路２９ｔがオイルの逃げ道として振る舞うので、オイルポンプが容積型ポンプの場合にも好適である。
図８に示すように、本実施形態において、給油量調節機構７０は、軸受部材１０の内部に設けられている。軸受部材１０は、シャフト５を支持する軸受部１０ａを有する。軸受部１０ａは、分岐通路２９ｔが形成されている位置でシャフト５の外周面を覆っている。軸受部１０ａの内周面には、環状のチャンバー７７が形成されている。分岐通路２９ｔはチャンバー７７に向かって開口している。軸受部１０ａには、さらに、チャンバー７７と密閉容器１の内部空間２４とを結ぶ通路としてのオイル排出路７６が形成されている。そして、このオイル排出路７６に給油量調節機構７０が設けられている。
給油量調節機構７０は、弁座７１、弁体７２、ばね７３および弁体止め７４を備えている。オイル排出路７６は、オイルの流通方向に沿う方向の断面がＴ字形の部分を含み、そのＴ字形の部分に弁座７１が配置されている。弁座７１に向かい合うように、球の形状を有する弁体７２が配置されている。弁体止め７４は、弁体７２を挟んで弁座７１の反対側に配置されている。弁体止め７４によって弁体７２の可動範囲が規定されている。ばね７３は、弁体７２と弁体止め７４との間に配置されている。なお、給油量調節機構７０の構造は、第２実施形態と同じであってもよい。
給油路２９の内圧が所定圧力よりも小さい場合、給油量調節機構７０は閉状態となる。閉状態とは、弁座７１に弁体７２が嵌ることによってオイル排出路７６が塞がれた状態のことである。閉状態では、オイル排出路７６をオイルが流通できない。一方、シャフト５の回転数が増大することによって給油路２９の内圧が所定圧力よりも高くなると、給油量調節機構７０は開状態となる。開状態とは、弁体７２が弁座７１から離れることによって弁座７１と弁体７２との間に隙間が生じた状態のことである。開状態になれば、オイル排出路７６をオイルが流通できる。
給油路２９の内圧が所定圧力よりも高くなると、弁体７２がオイルによって押しのけられ、オイル排出路７６が開通する。オイルが弁体７２を押しのける力は、給油路２９の内圧に比例する。給油路２９内のオイルによって弁体７２に加わる荷重が、給油量調節機構７０が閉状態のときにばね７３が弁体７２を押す力を上回ることを条件として、給油量調節機構７０が閉状態から開状態へと切り替わる。
すなわち、シャフト５の回転数が増大し、給油路２９に必要以上のオイルが送り込まれた場合、給油路２９の内圧が上昇することによって給油量調節機構７０が開状態になる。給油量調節機構７０が開状態になると、給油路２９を流通するオイルの一部が分岐通路２９ｔを通じてシャフト５の外部に導かれる。シャフト５の外部に出たオイルは、軸受部材１０の軸受部１０ａに形成されたチャンバー７７およびオイル排出路７６を通じて、密閉容器１の内部空間２４に放出される。この結果、膨張機構３への給油量が適正化される。このように、本実施形態においても、給油量調節機構７０がリリーフ弁で構成されている。
なお、給油量調節機構７０は、オイル排出路７６の出口に配置されていてもよいし、チャンバー７７に配置されていてもよい。
また、本実施形態においても、分岐通路２９ｔを通じてシャフト５の外部にオイルを逃がすようになっている。そのため、電動機４と密閉容器１内の下側に位置している圧縮機構２との間において、シャフト５に分岐通路２９ｔが形成されているのが望ましい。
（第４実施形態）
図９に示すように、本実施形態の膨張機一体型圧縮機１００Ｄは、シャフト５の軸方向が水平方向に平行である。密閉容器１の長手方向に沿ってオイル貯まり２５が形成されている。膨張機構３と電動機４との間には隔壁２７が設けられている。隔壁２７は、内部空間２４を膨張機構３側の空間と圧縮機構２側の空間とに仕切っている。圧縮機構２側の空間には電動機４も配置されている。この隔壁２７にも圧縮機構２および電動機４から膨張機構３への熱移動を抑制する機能がある。隔壁２７は、オイルの流通を許容する通路２７ｈを有する。
シャフト５の端部には、容積型のオイルポンプ２６が設けられている。シャフト５の軸方向に沿って、オイルポンプ２６、膨張機構３、電動機４および圧縮機構２がこの順番で並んでいる。給油量調節機構６０は、図６を参照して第３実施形態で説明したものと同一である。オイル貯まり２５のオイルを吸入できるように、オイルポンプ２６のノズル２６ｋがオイル貯まり２５に向かって延びている。オイルポンプ２６に吸入されたオイルは、シャフト５の軸方向に関してオイルポンプ２６から見て遠い側に位置している圧縮機構２に給油路２９を通じて供給される。本実施形態では、オイルポンプ２６からのオイルがオイルポンプ２６から見て近い側に位置している膨張機構３にも供給される。給油量調節機構６０を通じて給油路２９から排出されたオイルは、膨張機構３側の空間に戻る。
先に説明した実施形態と同様に、給油量調節機構６０によってオイルの過剰供給が防止される。これにより、圧縮機構２から膨張機構３への熱移動が抑制される。なお、図９に示す例では、膨張機構３側にオイルポンプ２６が設けられているが、圧縮機構２側にオイルポンプ２６が設けられていてもよい。また、給油量調節機構６０に代えて、給油量調節機構３０（第１実施形態）や給油量調節機構７０（第３実施形態）を設けてもよい。
本発明の膨張機一体型圧縮機は、例えば、空気調和装置、給湯装置、乾燥機または冷凍冷蔵庫のための冷凍サイクル装置（ヒートポンプ）に好適に採用できる。図１０に示すように、冷凍サイクル装置１１０は、膨張機一体型圧縮機１００Ａ（，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄ）と、圧縮機構２で圧縮された冷媒を放熱させるための放熱器１０１と、膨張機構３で膨張した冷媒を蒸発させるための蒸発器１１４とを備えている。圧縮機構２、放熱器１０１、膨張機構３および蒸発器１０２が配管によって接続され、冷媒回路が形成されている。
例えば、冷凍サイクル装置１１０が空気調和装置に適用される場合、圧縮機構２から膨張機構３への熱移動を抑制することにより、暖房運転時における圧縮機構２の吐出温度の低下による暖房能力の低下、冷房運転時における膨張機構３の吐出温度の上昇による冷房能力の低下を防ぐことができる。結果として、空気調和装置の成績係数が向上する。

Claims (13)

  1. 作動流体を圧縮するための圧縮機構と、
    作動流体から動力を回収するための膨張機構と、
    前記膨張機構で回収された動力が前記圧縮機構に伝達されるように前記圧縮機構と前記膨張機構とを連結しているシャフトと、
    前記圧縮機構および前記膨張機構が上下に配列するように前記圧縮機構、前記膨張機構および前記シャフトを収容しており、底部がオイル貯まりとして利用され、圧縮後の作動流体で内部空間が満たされる密閉容器と、
    前記シャフトの下部に設けられたオイルポンプと、
    前記オイルポンプによって前記オイル貯まりのオイルを前記密閉容器内の上側に位置している前記圧縮機構または前記膨張機構に供給するために、軸方向に延びるように前記シャフトの内部に形成された給油路と、
    前記密閉容器内の上側に位置している前記圧縮機構または前記膨張機構よりも下方に設けられ、前記給油路を通じて前記密閉容器内の上側に位置している前記圧縮機構または前記膨張機構に供給されるオイルの量を調節するための給油量調節機構と、
    を備えた、膨張機一体型圧縮機。
  2. 前記給油路から径方向に分岐して前記シャフトの外周面に開口している分岐通路が前記シャフトに形成され、
    前記給油量調節機構が、前記分岐通路内に設けられている、請求項１に記載の膨張機一体型圧縮機。
  3. 前記圧縮機構と前記膨張機構との間に配置され、前記シャフトを駆動するための電動機をさらに備え、
    前記電動機と、前記密閉容器内の下側に位置している前記圧縮機構または前記膨張機構との間において、前記シャフトに前記分岐通路が形成されている、請求項２に記載の膨張機一体型圧縮機。
  4. 前記給油量調節機構は、前記給油路を通じて前記圧縮機構または前記膨張機構に供給されるオイルの量が前記シャフトの回転数の増大に追従するのを妨げる構造を含む、請求項１に記載の膨張機一体型圧縮機。
  5. 前記給油量調節機構が、オリフィス、ニードル弁またはリリーフ弁を含む、請求項１に記載の膨張機一体型圧縮機。
  6. 前記給油量調節機構が、前記給油路内に設けられている、請求項１に記載の膨張機一体型圧縮機。
  7. 前記給油路から径方向に分岐して前記シャフトの外周面に開口している分岐通路が前記シャフトに形成され、
    オイルが前記分岐通路を通じて前記密閉容器の内部空間に導かれるように、前記給油量調節機構が前記シャフトの外部に設けられている、請求項１に記載の膨張機一体型圧縮機。
  8. 前記給油量調節機構は、弁座と、前記弁座に向かい合う位置に配置された弁体と、前記給油路におけるオイルの圧力変動に応じて伸縮することによって前記弁座と前記弁体との隙間の広さを調節するためのバネとを含む、請求項１に記載の膨張機一体型圧縮機。
  9. 前記弁体の形状が球状である、請求項８に記載の膨張機一体型圧縮機。
  10. 前記分岐通路が形成されている位置で前記シャフトに面するように設けられたチャンバーをさらに備え、
    前記給油量調節機構が前記チャンバー内またはそのチャンバーと前記密閉容器の内部空間と結ぶ経路上に配置されている、請求項７に記載の膨張機一体型圧縮機。
  11. 前記オイルポンプが速度型ポンプである、請求項１に記載の膨張機一体型圧縮機。
  12. 請求項１に記載の膨張機一体型圧縮機と、
    前記膨張機一体型圧縮機の前記圧縮機構で圧縮された冷媒を放熱させるための放熱器と、
    前記膨張機一体型圧縮機の前記膨張機構で膨張した冷媒を蒸発させるための蒸発器と、
    を備えた、冷凍サイクル装置。
  13. 作動流体を圧縮するための圧縮機構と、
    作動流体から動力を回収するための膨張機構と、
    前記膨張機構で回収された動力が前記圧縮機構に伝達されるように前記圧縮機構と前記膨張機構とを連結しているシャフトと、
    前記圧縮機構、前記膨張機構および前記シャフトを収容しており、底部がオイル貯まりとして利用され、圧縮後の作動流体で内部空間が満たされる密閉容器と、
    前記シャフトの端部に設けられたオイルポンプと、
    前記オイルポンプによって前記オイル貯まりのオイルを前記シャフトの軸方向に関して前記オイルポンプから見て遠い側に位置している前記圧縮機構または前記膨張機構に供給するために、軸方向に延びるように前記シャフトの内部に形成された給油路と、
    前記圧縮機構または前記膨張機構に前記給油路を通じて供給されるオイルの量を調節するための給油量調節機構と、
    を備えた、膨張機一体型圧縮機。
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