本発明は、2段ロータリ膨張機、膨張機一体型圧縮機および冷凍サイクル装置に関する。
作動流体の膨張エネルギーを膨張機で回収し、その回収したエネルギーを圧縮機の仕事の一部として利用する冷凍サイクル装置が提案されている。そのような冷凍サイクル装置として、膨張機一体型圧縮機を用いた冷凍サイクル装置が知られている(特許文献1参照)。
図28に膨張機一体型圧縮機を用いた従来の冷凍サイクル装置を示す。この冷凍サイクル装置は、圧縮機201(圧縮機構)、放熱器202、膨張機203(膨張機構)および蒸発器204を備えている。これらの機器が配管によって相互に接続されることによって主回路208が構成されている。圧縮機201と膨張機203とはシャフト207によって連結されている。圧縮機201と膨張機203との間には、シャフト207を回転駆動するモータ206が設けられている。圧縮機201、膨張機203、シャフト207およびモータ206によって膨張機一体型圧縮機が構成されている。
この冷凍サイクル装置は、さらに、膨張機203と並列になるように主回路208に接続された副回路209を備えている。副回路209は、放熱器202の出口と膨張機203の入口との間で主回路208から分岐し、膨張機203の出口と蒸発器204の入口との間で主回路208に合流している。主回路208を流れる作動流体は容積式の膨張機203で膨張する。副回路209を流れる作動流体は膨張弁205で膨張する。
作動流体は、圧縮機201によって圧縮される。圧縮された作動流体は、放熱器202に送られ、放熱器202において冷却される。そして、膨張機203または膨張弁205において膨張した後、蒸発器204で加熱される。膨張機203は、作動流体の膨張エネルギーを回収してシャフト207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201を駆動する仕事の一部として利用される。その結果として、モータ206の消費電力が低減する。
膨張弁205が全閉のときの冷凍サイクル装置の動作を説明する。
まず、圧縮機201の吸入容積をVcs、膨張機203の吸入容積をVes、シャフト207の回転数をNとする。このとき、圧縮機201の入口での作動流体の体積流量は(Vcs×N)で表される。膨張機203の入口での作動流体の体積流量は(Ves×N)で表される。副回路209の作動流体の質量流量がゼロであるため、圧縮機201での質量流量と膨張機203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201の入口での作動流体の密度は{G/(Vcs×N)}で表される。膨張機203の入口での作動流体の密度は{G/(Ves×N)}で表される。これらの式より、圧縮機201の入口での作動流体の密度と膨張機203の入口での作動流体の密度との比は、{G/(Vcs×N)}/{G/(Ves×N)}で表される。つまり、シャフト207の回転数によらず、密度比は(Ves/Vcs)で一定である(密度比一定の制約)。
図29にCO2冷凍サイクルのモリエル線図を示す。圧縮機201における圧縮過程はAB、放熱器202における放熱過程はBC、膨張機203における膨張過程はCD、蒸発機204における蒸発過程はDAに相当する。圧縮機201の入口(点A)での作動流体の密度と、膨張機203の入口(点C)での作動流体の密度との比は、(Ves/Vcs)である。点Aでの密度をρ0とすると、点Cでの密度ρcは(Vcs/Ves)ρ0である。圧縮機201の入口(点A)での作動流体の密度ρ0が一定であるとき、膨張機203の入口(点C)での作動流体の状態は、常に、ρc=(Vcs/Ves)ρ0の関係を満たす線に沿って変化する。すなわち、点Cにおける作動流体の温度および圧力を自由に制御できない。冷凍サイクルには、ある熱源温度(例えば外気温)において成績係数(coefficient of performance:COP)が最大となる最適高圧が存在する。そのため、温度と圧力を自由に制御できないと、冷凍サイクル装置を効率よく運転することが困難となる。
密度比一定の制約を回避するための方法は、いくつか提案されている。例えば、図28に示す冷凍サイクル装置では、膨張弁205を開き、作動流体の一部を副回路209に流すことによって密度比一定の制約を回避できる。ただし、この方法では、副回路209を流れる作動流体の膨張エネルギーを回収できず、COPの改善効果が小さくなる問題がある。
また、特許文献2には、膨張室と連通しうる補助室が設けられた膨張機が開示されている。この膨張機によれば、補助室の容積を増減することによって、膨張室の容積を増減可能である。膨張室の容積を増減することによって、膨張機の吸入容積Vesが変化する。これにより、密度比一定の制約を回避できる。ただし、この膨張機においても、補助室に作動流体が残留する問題や補助室の容積を増減するためのピストンのシールの問題がある。
特開2001−116371号公報
特開2006−46257号公報
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、密度比一定の制約を回避でき、かつ効率的な動力回収を行える2段ロータリ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2段ロータリ膨張機を用いた膨張機一体型圧縮機を提供することを目的とする。本発明は、さらに、その膨張機一体型圧縮機を用いた冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。
すなわち、本発明は、
第1シリンダと、
前記第1シリンダ内に回転可能に配置された第1ピストンと、
前記第1シリンダに対して同心状に配置された第2シリンダと、
前記第2シリンダ内に回転可能に配置された第2ピストンと、
前記第1ピストンおよび前記第2ピストンが取り付けられたシャフトと、
前記第1シリンダに形成された第1ベーン溝に摺動可能に設けられ、前記第1シリンダと前記第1ピストンとの間の空間を第1吸入空間と第1吐出空間とに仕切るための第1ベーンと、
前記第2シリンダに形成された第2ベーン溝に摺動可能に設けられ、前記第2シリンダと前記第2ピストンとの間の空間を第2吸入空間と第2吐出空間とに仕切るための第2ベーンと、
前記第1吐出空間と前記第2吸入空間とを連通することによって1つの膨張室を形成するための貫通孔を有するとともに、前記第1シリンダと前記第2シリンダとを隔てている中板と、
前記シャフトが1回転する期間において前記第1ベーンが前記第1ピストンに接している期間をP1、前記第1ベーンが前記第1ピストンから離れている期間をP2としたとき、前記期間P1に対する前記期間P2の比率(P2/P1)を調節しうるように、前記第1ベーンの動きを制御するための可変ベーン機構と、
を備えた、2段ロータリ膨張機を提供する。
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、
作動流体を膨張させるための膨張機構と、
前記圧縮機構と膨張機構とを連結しているシャフトとを含み、
前記膨張機構が上記本発明の2段ロータリ膨張機によって構成されている、膨張機一体型圧縮機を提供する。
さらに他の側面において、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作動流体を冷却するための放熱器と、
前記膨張機一体型圧縮機の前記膨張機構で膨張した作動流体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。
本発明の2段ロータリ膨張機は、第1ベーンの動きを制御するための可変ベーン機構を備えている。可変ベーン機構の働きによって、シャフトが1回転する期間における一部の期間P2で第1ベーンが第1ピストンから離れ、第1吸入空間から第1吐出空間へと作動流体が直接流れ込める。第1ベーンの動きを制御することによって比率(P2/P1)が変化すると、膨張機の吸入容積(体積流量)も変化する。つまり、密度比一定の制約を回避できる。しかも、作動流体の全量から動力回収を行えるので、優れた動力回収効率を達成できる。
ここで、期間P2の最小値はゼロであってもよい。期間P2がゼロのとき、第1ベーンと第1ピストンとが常時接触し、2段ロータリ膨張機の吸入容積が最小となる。すなわち、可変ベーン機構は、
(a)第1ベーンが第1ピストンに常に接している第1モードと、第1ベーンが第1ピストンに接している期間P1および第1ベーンが第1ピストンから離れている期間P2がシャフトの1回転する期間に含まれる第2モードとを相互に切り替え可能となるように、第1ベーンの動きを制御する、または、
(b)第1ベーンが第1ピストンに接している期間P1と、第1ベーンが第1ピストンから離れている期間P2とが、シャフトが1回転する期間に含まれ、かつ期間P1に対する期間P2の比率(P2/P1)を調節しうるように、第1ベーンの動きを制御する。
本発明の2段ロータリ膨張機は、圧縮機構の回転数と膨張機構の回転数とを別々に制御することが困難な膨張機一体型圧縮機の膨張機構として好適に用いることができる。そのような膨張機一体型圧縮機を用いた冷凍サイクル装置によれば、可変ベーン機構を適切に制御することによって効率的な動力回収を行えるので、高いCOPを達成できる。
本発明の第1実施形態にかかる冷凍サイクル装置の構成図
図1に示す膨張機一体型圧縮機の縦断面図
図2に示す膨張機一体型圧縮機のD1−D1横断面図
図2に示す膨張機一体型圧縮機のD2−D2横断面図
吸入容積最小時の可変ベーン機構を示す、図3Aの部分拡大図
図4Aよりも吸入容積が大きいときの可変ベーン機構を示す、図3Aの部分拡大図
吸入容積最小時の膨張機構の動作原理図
図5よりも吸入容積が大きいときの膨張機構の動作原理図
第1ベーンの先端の位置を示す、図5に対応したグラフ
第1ベーンの先端の位置を示す、図6に対応したグラフ
本発明の第2実施形態にかかる冷凍サイクル装置の構成図
本発明の第3実施形態にかかる冷凍サイクル装置の構成図
電動アクチュエータが用いられた可変ベーン機構を示す部分拡大図
図10Aよりも吸入容積が大きいときの可変ベーン機構を示す部分拡大図
本発明の第4実施形態にかかる冷凍サイクル装置の構成図
図11に示す膨張機一体型圧縮機の縦断面図
図12に示す膨張機一体型圧縮機のD3−D3横断面図
図12に示す膨張機一体型圧縮機のD4−D4横断面図
閉じ込め容積最小時の可変ベーン機構を示す、図13Aの部分拡大図
図14Aよりも閉じ込め容積が大きいときの可変ベーン機構を示す、図13Aの部分拡大図
閉じ込め容積最小時の膨張機構の動作原理図
図15よりも閉じ込め容積が大きいときの膨張機構の動作原理図
シャフトの回転角度に対する、第1ベーンの先端の位置を示すグラフ
シャフトの回転角度に対する、作動流体の圧力を示すグラフ
シャフトの回転角度に対する、作動室の容積を示すグラフ
第4実施形態の可変ベーン機構の変形例を示す横断面図
本発明の第5実施形態にかかる冷凍サイクル装置の構成図
電磁気力によって第1ベーンの制動を行う可変ベーン機構を示す部分拡大図
電磁気力によって第1ベーンの制動を行う可変ベーン機構の別例を示す部分拡大図
荷重をかけることによって第1ベーンの制動を行う可変ベーン機構を示す部分拡大図
荷重をかけることによって第1ベーンの制動を行う可変ベーン機構の別例を示す部分拡大図
電動アクチュエータの制御方法を示す図
電動アクチュエータの制御方法を示すタイミング図
本発明の第6実施形態にかかる冷凍サイクル装置の構成図
発電機効率と回転数との関係を示すグラフ
膨張機一体型圧縮機を用いた従来の冷凍サイクル装置の構成図
CO2冷凍サイクルのモリエル線図
以下、添付の図面を参照しつつ本発明のいくつかの実施形態について説明する。
(第1実施形態)
図1に示すように、本実施形態の冷凍サイクル装置200Aは、圧縮機構2、放熱器101、膨張機構3、蒸発器102およびこれらの機器を相互に接続することによって冷媒回路を形成している複数の配管103a〜103dを備えている。圧縮機構2および膨張機構3は、シャフト5によって連結されており、膨張機一体型圧縮機100を構成している。冷凍サイクル装置200Aの基本的な動作は従来技術の欄で説明した通りである。
膨張機一体型圧縮機100の膨張機構3には、可変ベーン機構60が設けられている。可変ベーン機構60は、シャフト5が1回転する間に膨張機構3に吸入される作動流体の体積(体積流量)、言い換えれば、膨張機構3の吸入容積を変化させる機能を有する。冷凍サイクル装置200Aの運転状況に応じて膨張機構3の体積流量を変化させることによって、密度比一定の制約を回避できる。
本実施形態において、膨張機構3の体積流量を変化させる方法として、膨張室に高圧の作動流体を注入する方法が採用されている。すなわち、可変ベーン機構60は、膨張室に作動流体を注入するための機構でありうる。
冷凍サイクル装置200Aは、さらに、可変ベーン機構60のアクチュエータを駆動するための圧力供給回路110を備えている。本実施形態において、この圧力供給回路110は、膨張室に注入するべき作動流体の供給回路ではないことに注意すべきである。圧力供給回路110は、絞り弁104、配管105および微細通路106を含む。圧力供給回路110によって所定圧力に調節された作動流体が可変ベーン機構60に供給される。
配管105は、冷媒回路における放熱器101と膨張機構3との間の部分(配管103b)に接続された一端と、膨張機構3の可変ベーン機構60に接続された他端とを有する。絞り弁104は、開度を調節できる弁(例えば電動膨張弁)であり、配管105上に設けられている。微細通路106によって、配管105における絞り弁104と可変ベーン機構60との間の部分と、冷媒回路における膨張機構3の出口から蒸発器102の入口に至る部分(配管103c)とが接続されている。微細通路106の具体例は、キャピラリである。
図2に示すように、膨張機一体型圧縮機100は、密閉容器1、圧縮機構2、膨張機構3、モータ4およびシャフト5を備えている。圧縮機構2は、密閉容器1内の上側に配置されている。膨張機構3は、密閉容器1内の下側に配置されている。圧縮機構2と膨張機構3との間にモータ4が配置されている。圧縮機構2、モータ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によって互いに連結されている。
モータ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、モータ4によるシャフト5の駆動をアシストする。作動流体の具体例は、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、モータ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内の下側に配置され、膨張機構3が密閉容器1内の上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で圧縮された作動流体で満たされる。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の各摺動部分における潤滑性とシール性と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、モータ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、モータ4の回転子がオイルを撹拌することに基づくモータ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。
スクロール式の圧縮機構2は、旋回スクロール7、固定スクロール8、オルダムリング11、軸受部材10、マフラー16、吸入管13、吐出管15およびリード弁19を備えている。軸受部材10は、溶接や焼き嵌めなどの手法によって密閉容器1に固定されており、シャフト5を支持している。固定スクロール8は、ボルトなどの締結部材によって軸受部材10に固定されている。旋回スクロール7は、固定スクロール8と軸受部材10との間においてシャフト5の偏心軸5aに嵌合されるとともに、自転しないようにオルダムリング11で拘束されている。
旋回スクロール7は、渦巻き形状のラップ7aが固定スクロール8のラップ8aと噛み合いながら、シャフト5の回転に伴って旋回運動を行う。ラップ7aとラップ8aとの間に形成された三日月形状の作動室12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って、吸入管13から吸入された作動流体が圧縮される。圧縮された作動流体は、リード弁19を押し開いて固定スクロール8の中央部に形成された吐出孔8bからマフラー16の内部空間16aに吐出される。作動流体は、さらに、固定スクロール8および軸受部材10を貫通している流路17を経由して密閉容器1の内部空間24に吐出される。その後、作動流体は吐出管15を通じて放熱器101へと送られる。
なお、圧縮機構2は、他の容積式圧縮機構(例えばロータリ圧縮機構)によって構成されていてもよい。
モータ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とを含む。密閉容器1の上部に設けられたターミナル107を通じて電源108からモータ4に電力が供給される(図1参照)。
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。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、多段ロータリ膨張機の構成を有する。具体的に、膨張機構3は、第1シリンダ42と、第1シリンダ42よりも厚みのある第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3Aおよび図3Bに示すように、膨張機構3は、さらに、第1ピストン46(第1ローラ)、第1ベーン48、第1ばね50、第2ピストン47(第2ローラ)、第2ベーン49および第2ばね51を備えている。第1シリンダ42には、可変ベーン機構60が内蔵されている。
図3A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の中で偏心回転する。第1ベーン48は、第1シリンダ42に形成された第1ベーン溝42aに摺動可能に設けられている。第1ベーン48の一端(先端)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(後端)に接しており、第1ベーン48を第1ピストン46に向けて押す。
図3B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の中で偏心回転する。第2ベーン49は、第2シリンダ44に形成された第2ベーン溝44aに摺動可能に設けられている。第2ベーン49の一端は、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の他端に接しており、第2ベーン49を第2ピストン47に向けて押す。
図2に示すように、膨張機構3は、さらに、下軸受部材41および上軸受部材45を備えている。上軸受部材45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材は、上軸受部材45を介して密閉容器1に固定されている。下軸受部材41および中板43は、それぞれ、第1シリンダ42を上下から閉じている。中板43および上軸受部材45は、それぞれ、第2シリンダ44を上下から閉じている。これにより、第1シリンダ42および第2シリンダ44内の各々に作動室が形成されている。下軸受部材41には、第1シリンダ42の作動室に作動流体を吸入させるための吸入ポート42pが形成されている。上軸受部材45には、第2シリンダ44の作動室から作動流体を吐出させるための吐出ポート45qが形成されている。
図3A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および吐出側の作動室55b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3B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および吐出側の作動室56b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。以下において、作動室55a,55b,56a,56bを、それぞれ、第1吸入空間55a、第1吐出空間55b、第2吸入空間56aおよび第2吐出空間56bともいう。
第2シリンダ44における作動室56aおよび作動室56bの合計容積は、第1シリンダ42における作動室55aおよび作動室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を介して連通している。これにより、作動室55bおよび作動室56aが単一の膨張室として機能する。
なお、本実施形態では、作動室56aおよび作動室56bの合計容積を作動室55aおよび作動室55bの合計容積よりも大きくするために、第1シリンダ42の厚みと第2シリンダ44の厚みとを異ならせている。ただし、シリンダの内径やピストンの外径を異ならせる構成も採用できる。また、第2ピストン47および第2ベーン49は、両者が一体化された、いわゆるスイングピストンであってもよい。
図2に示すように、膨張機構3は、さらに、膨張前の作動流体を密閉容器1の外部から直接吸入するための吸入管52と、膨張後の作動流体を密閉容器1の外部に直接吐出するための吐出管53とを備えている。吸入管52は、密閉容器1の外部から第1シリンダ42の作動室55へと作動流体を導くことができるように、下軸受部材41に直接挿入され吸入ポート41pに接続されている。吐出管53は、第2シリンダ44の作動室56から密閉容器1の外部へと作動流体を導くことができるように、上軸受部材45に直接挿入され吐出ポート45qに接続されている。
膨張前の作動流体は、吸入管52および吸入ポート41p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によって形成された膨張室においてシャフト5を回転させながら膨張する。膨張後の作動流体は、作動室56b、吐出ポート45qおよび吐出管53を経て密閉容器1の外部へと導かれる。
図4Aは、吸入容積最小時の可変ベーン機構を拡大して示している。図4Bは、図4Aよりも吸入容積が大きいときの可変ベーン機構を拡大して示している。本明細書では、シャフト5が1回転する期間において第1ベーン48の先端が第1ピストン46に接している期間をP1とし、第1ベーン48の先端が第1ピストン46から離れている期間をP2とする。期間P2では、第1吸入空間55aから第1吐出空間55bへと作動流体が流通しうる。可変ベーン機構60は、期間P1に対する期間P2の比率(P2/P1)を調節しうるように、第1ベーン48の動きを制御する。期間P1の長さおよび期間P2の長さは、それぞれ、角度(単位:deg)で表すことができる。比率(P2/P1)が変化すると、膨張機構3の吸入容積(体積流量)が変化する。つまり、密度比一定の制約を回避できる。熱源温度(例えば外気温)に応じて比率(P2/P1)を調節することによって、動力回収効率を最適化できる。
本実施形態では、期間P2=0、つまり第1ベーン48と第1ピストン46とが常に接している場合に、膨張機構3の吸入容積が最小になる。ただし、期間P2の最小値がゼロよりも大きくてもよい。
図4Aおよび図4Bに示すように、可変ベーン機構60は、ストッパ61およびアクチュエータ62を備えている。ストッパ61は、第1ベーン48の可動範囲を制限する役割を担う。アクチュエータ62は、第1ベーン48の可動範囲が長くなる位置から短くなる位置へとストッパ61を移動させる、またはその逆方向にストッパ61を移動させる役割を担う。ストッパ61をアクチュエータ62で動かすことによって、第1ベーン48のストローク長を機械的に変更できる点で本構成は優れている。また、シャフト5の回転角度に応じてストッパ61を動かす必要がないので、高精度な制御技術をほとんど必要とせず、信頼性も高い。
具体的に、アクチュエータ62は、本体部65と、本体部65が配置された圧力室67と、圧力室67に流体を供給するための通路69とによって構成されている。本体部65は、ストッパ61と連動する部分を含み、第1ベーン溝42aの長手方向に関するストッパ61の位置を流体の圧力に基づいて規定している。このように、本実施形態では、アクチュエータ62として流体圧アクチュエータが用いられている。圧力室67に供給される流体として、冷凍サイクル装置200Aの作動流体が用いられている。作動流体を動力源として用いることによって、圧力室67から第1ベーン溝42aへの作動流体の多少の漏れが許容される。そのため、厳重なシールは不要である。
本体部65は、圧力室67を仕切るように圧力室67に摺動可能に配置されたスライダ63と、スライダ63によって仕切られた圧力室67の一方の部分67bに設けられたばね64とを含む。スライダ63には、ストッパ61が一体化されている。スライダ63によって仕切られた圧力室67の他方の部分67aには、通路69が接続されている。圧力室67および通路69は、第1ベーン溝42aと同様に、第1シリンダ42に形成された空間である。通路69には、図1を参照して説明した圧力供給回路110の配管105が接続されている。配管105および通路69を通じて圧力室67aに供給された作動流体からスライダ63が受ける力と、ばね64からスライダ63が受ける力とに基づいて、第1ベーン溝42aの長手方向に関するストッパ61の位置が決定される。ストッパ61は、スライダ63とともに、第1ベーン溝42aの長手方向に平行な方向に動ける。このような構成によれば、圧力室67a内の圧力調節によって、ストッパ61の位置を自由かつ連続的に変えることができる。つまり、動力回収効率の最適化が容易である。
また、ストッパ61の位置が連続的に変化する構成だけでなく、ストッパ61の位置を段階的に変更できる構成も採用しうる。場合によっては、大きい比率(P2/P1)を有する一方の位置から小さい比率(P2/P1)を有する他方の位置へ、またはその逆にストッパ61の位置が切り替わるだけでもよい。
なお、圧力室67および通路69は、膨張機構3の軸受部材41(図2参照)に形成されていてもよい。つまり、可変ベーン機構60が軸受部材41に内蔵されていてもよい。また、ストッパ61とスライダ63とが別々の部品で構成されていてもよい。その場合、直接はめ合いによってスライダ63とストッパ61とが連結されていてもよいし、他の部材を介してスライダ63とストッパ61とが連結されていてもよい。
第1ベーン48は、ストッパ61を横から受け入れるための凹部48k(切り欠き溝)を有する。流体圧アクチュエータ62の圧力室67は、第1ベーン溝42aに隣接するように第1シリンダ42に形成されている。第1ベーン溝42aと圧力室67との間には、ストッパ61を通すための溝68が形成されている。圧力室67から溝68を経由して第1ベーン溝42aに向かって延びるように、ストッパ61の一端がスライダ63に固定され、ストッパ61の他端が凹部48kに挿入されている。このような構成によれば、第1ベーン48の凹部48kにストッパ61が係合することによって、第1ベーン48の可動範囲を簡単に制限できる。
第1ベーン溝42aの長手方向に関する凹部48kの長さをLc、当該長手方向に関するストッパ61の幅をWs、第1ベーン48の最大ストローク長をTmaxとしたとき、Lc>Ws+Tmaxの関係を満足する。このようにすれば、期間P2=0を選択できる、つまり、第1ベーン48とストッパ61とが干渉するのを回避できるので、吸入容積を幅広く調節できるようになる。
図4Aに示す動作モード(第1モード)では、圧力室67aが高圧の作動流体で満たされ、スライダ63およびストッパ61が下方に押し下げられる。この位置にストッパ61があると、ストッパ61と第1ベーン48とが干渉しないので、第1ベーン48の可動範囲は制限されない。第1ベーン48は最大ストロークTmaxで自由に動作でき、第1ベーン48と第1ピストン46との接触状態が常に保たれる。
他方、図4Bに示す動作モード(第2モード)では、圧力室67aが低圧または中間圧の作動流体で満たされ、スライダ63およびストッパ61が図4Aに示す位置よりも上方の位置へと移動する。具体的には、圧力室67aを満たす作動流体からスライダ63が受ける力と、スライダ63がばね64から受ける力(弾性力)とが釣り合う位置に、スライダ63およびストッパ61が移動する。この位置にストッパ61があると、ストッパ61と第1ベーン48とが干渉するので、第1ベーン48の可動範囲が制限され、第1ベーン48が最下点まで移動できない。第1ベーン48がストッパ61によって動きを拘束されている期間P2において、第1ベーン48は第1ピストン46から離れる。この間、高圧の作動流体で満たされた作動室55a(第1吸入空間)から、中間圧の作動流体で満たされた作動室55b(第1吐出空間)へと高圧の作動流体が直接流れ込む。
圧力室67a内の圧力を変化させると、ストッパ61の位置が変化し、これに伴って期間P2(注入時間)が変化する。圧力室67a内の圧力が低ければ低いほどストッパ61は上方の位置を占有するため、第1ベーン48の可動範囲が短くなる。すると、第1ベーン48が第1ピストン46に接している期間P1が次第に短くなる一方で、期間P2が次第に長くなり、作動室55aから作動室55bにより多くの作動流体が流れ込む。このように、圧力室67a内の圧力を調節することによって、膨張室への作動流体のインジェクション量を調節できる、言い換えれば、膨張機構3の吸入容積を自由に調節できる。
圧力室67a内の圧力は、圧力調節回路110の絞り弁104によって調節されうる。つまり、絞り弁104の開度を調節することによって、ストッパ61の位置を制御できる。絞り弁104の開度を大きくすると、圧力室67a内の圧力が高まり、ストッパ61が下方に移動する。これにより、インジェクション量が少なくなる、もしくはゼロになる。絞り弁104の開度を小さくすると、圧力室67a内の圧力が低くなり、ストッパ61が上方に移動する。これにより、インジェクション量が多くなる。
なお、図1を参照して説明したように、絞り弁104と可変ベーン機構60との間において、微細通路106が配管105と配管103cとを橋渡ししている。そのため、絞り弁104の開度を調節することによって、可変ベーン機構60の圧力室67a内の圧力が冷凍サイクルの高圧と低圧との間で変化しうる。微細通路106を流通する作動流体の量は、動力回収効率に殆ど影響を及ぼさないほど微小である。
次に、図5を参照して、吸入容積最小時の膨張機構3の動作原理を説明する。
図5のステップA1に示すように、第1ピストン46が反時計回りに回転し、吸入ポート41pが開くと、第1吸入空間55aへの作動流体の吸入が始まる(吸入行程)。次に、図5のステップB1およびC1に示すように、第1ピストン46が回転するにつれて、作動流体が第1吸入空間55aにさらに吸入される。図5のステップD1に示すように、第1ピストン46がさらに回転して吸入ポート41pが閉じると、第1吸入空間55aへの作動流体の吸入が完了する。
吸入行程が完了すると、第1吸入空間55aは第1吐出空間55bへと移行する。図3Aおよび図3Bを参照して説明したように、第1吐出空間55bと第2吸入空間56aとは、貫通孔43aを介して連通している。図5のステップA1〜C1に示すように、第1吐出空間55bを満たす作動流体は、第1ピストン46の回転に伴って、貫通孔43aを通じて第2シリンダ44の第2吸入空間56aへと移動する。シャフト5の回転に伴う第2吸入空間56aの容積増加量が第1吐出空間55bの容積減少量を上回るので、作動流体は、第1吐出空間55b、貫通孔43aおよび第2吸入空間56aにおいて膨張する(膨張行程)。第1ピストン46が貫通孔43aを完全に閉鎖すると、第2吸入空間56aへの作動流体の移動および膨張が完了する。
膨張行程が完了すると、図3Bを参照して説明したように、第2吸入空間56aは第2吐出空間56bへと移行する。第2吐出空間56bを満たす作動流体は、吐出ポート45qを通じて外部に吐出され始める(吐出行程)。第2ピストン47がさらに回転して吐出ポート45qが閉じると、第2吐出空間56bから外部への作動流体の吐出が終了する。以上の行程を繰り返すことによって、作動流体が膨張し、膨張エネルギーの回収が行われる。
次に、図6を参照して、図5よりも吸入容積が大きいときの膨張機構3の動作原理を説明する。
図6のステップA2に示すように、第1ピストン46が反時計回りに回転し、吸入ポート41pが開くと、第1吸入空間55aへの作動流体の吸入が始まる(吸入行程)。次に、図6のステップB2に示すように、第1ピストン46がさらに回転すると、第1ベーン48とストッパ61とが干渉し、第1ベーン48の動き(下降)が妨げられる。その結果、第1ベーン48が第1ピストン46から離れ、第1吸入空間55aから第1吐出空間55bへの流路が形成され、高圧の作動流体が第1吐出空間55aから第1吐出空間55bへと流れる。高圧の作動流体は、第1吐出空間55bと連通している第2吸入空間56aにも流れ込む。つまり、膨張室で作動流体が膨張している最中に第1ベーン48が第1ピストン46から離れ、膨張室に膨張前の作動流体が注入される。
図6のステップC2に示すように、第1ピストン46がさらに回転し、第1ベーン48と第1ピストン46とが再接触すると、第1ベーン48によって第1吸入空間55aと第1吐出空間55bとが再び分断され、第1吸入空間55aから第1吐出空間55bへの作動流体の流れが禁止される。図6のステップD2に示すように、第1ピストン46がさらに回転し、吸入ポート41pが閉じると、第1吸入空間55aへの作動流体の吸入が完了する。吸入行程が完了すると、第1吸入空間55aは第1吐出空間55bへと移行する。貫通孔43aを介して第1吐出空間55bと第2吸入空間56aとが連通し、膨張行程が始まる。このようにして、図6のステップA2〜D2の動作を繰り返す。
図7Aは、第1ベーンの先端の位置を示す、図5に対応したグラフである。縦軸は、第1ベーン48の先端の位置を示している。第1ベーン48の先端の位置は、シャフト5の回転軸から第1ベーン48の先端までの距離に対応している。横軸は、第1ピストン46が上死点を占有した瞬間を基準とした、シャフト5の回転角度を示している。具体的には、t0=0°、t1=180°、t2=360°およびt3=540°である。なお、「上死点」とは、ベーンがベーン溝内に最も押し込まれた状態における、ピストンの位置を意味する。「下死点」とは、「上死点」の180°反対側における、ピストンの位置を意味する。
第1ピストン46が上死点を占有する角度t0およびt2において、第1ベーン48の先端は、シャフト5の回転軸から最も遠い上限位置30aにある。第1ピストン46が下死点を占有する角度t1およびt3において、第1ベーン48の先端の位置は、シャフト5の回転軸に最も近い下限位置30bにある。第1ベーン48の先端は、シャフト5の回転と同期して単振動する。
図7Bは、第1ベーンの先端の位置を示す、図6に対応したグラフである。角度t0およびt2において、図5と同様に、第1ベーン48の先端は上限位置30aにある。角度T1において、ストッパ61によって第1ベーン48の下降が妨げられると、第1ベーン48の先端は、上限位置30aと下限位置30bとの間の位置30cを占有する。角度T2において、第1ベーン48と第1ピストン46とが再び接触すると、第1ベーン48の先端は、上限位置30aに向かって変位し始める。第1ベーン48の先端が位置30cに停止している期間P2(=T2−T1およびT4−T3)において、膨張室に作動流体が注入される。インジェクション量は、期間P2の長さ、言い換えれば、期間P1に対する期間P2の比率(P2/P1)に応じて増減する。期間P2の長さは、可変ベーン機構60の圧力室67a内の圧力に応じて変化する。
比率(P2/P1)の範囲は特に限定されないが、例えば0≦P2≦180(単位:deg)、かつ0≦(P2/P1)≦1である。つまり、第1ピストン46が上死点を占有した瞬間のシャフト5の回転角度を0°として、期間P2が90°〜270°の範囲内に収まるように、ストッパ61の位置を調節すればよい。
以上に説明したように、可変ベーン機構60を備えた膨張機構3によれば、第1吸入空間55aに作動流体を吸入するのと同時に、膨張室に作動流体を注入できる。そのため、シャフトが1回転する間に膨張機構3に吸入される作動流体の体積が変化しうる。さらに、絞り弁104の開度を調節することによって、インジェクション量を変えることが可能である。
(第2実施形態)
図8に本発明の第2実施形態にかかる冷凍サイクル装置を示す。本実施形態の冷凍サイクル装置200Bは、圧力供給回路110に変えて、配管103cと可変ベーン機構60とを接続する配管112を備えており、膨張機構3の吐出圧力を可変ベーン機構60の圧力室76aに供給する点で第1実施形態と相違する。なお、以降の実施形態において、同一の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
冷凍サイクル装置200Bによれば、膨張機構3の吐出圧力に応じてストッパ61の位置が変化し、比率(P2/P1)が変化する。膨張機構3の吐出圧力が低ければ低いほどストッパ61が上方に位置する。その結果、第1ピストン46と第1ベーン48とが離れている期間P2が長くなり、インジェクション量が増加する。逆に、膨張機構3の吐出圧力が高ければ高いほどストッパ61が下方に位置する。その結果、第1ピストン46と第1ベーン48とが離れている期間P2が短くなり、インジェクション量が減少する。このように、膨張機構3の吐出圧力に応じてストッパ61の位置が自動的に変化し、インジェクション量が自動的に増減するので、弁の開度調節等を行うことなく高効率な運転を行える。
(第3実施形態)
可変ベーン機構のアクチュエータは、流体圧アクチュエータに限定されない。図9は、可変ベーン機構のアクチュエータとして電動アクチュエータを用いた冷凍サイクル装置の構成図である。この冷凍サイクル装置200Cは、膨張機一体型圧縮機100Cを有する。膨張機一体型圧縮機100Cの膨張機構3には、電動アクチュエータを含む可変ベーン機構60Cが設けられている。可変ベーン機構60Cの電動アクチュエータは、外部コントローラ70に接続されている。外部コントローラによって電動アクチュエータの動作が制御されうる。冷凍サイクル装置200Cによれば、図1を参照して説明した圧力供給回路110を省略できる利点がある。また、電動アクチュエータによれば、ストッパの位置決め精度を高めやすいので、インジェクション量の最適化が容易になる。
図10Aおよび10Bに示すように、可変ベーン機構60Cには、ストッパ610を移動させるためのアクチュエータとして、回転モータ74が用いられている。回転モータ74を駆動することによって、第1ベーン溝42aの長手方向に関するストッパ610の位置が変化するように、回転モータ74とストッパ610とが連結されている。
具体的に、回転モータ74には、外周面に雄ネジが切られた摺動棒75が取り付けられている。第1シリンダ42には、溝68を介して第1ベーン溝42aと連通している溝76が形成されている。溝76の内周面には雌ネジが切られている。ネジ同士が噛み合う形で、溝76に摺動棒75が回転可能に配置されている。ストッパ610は、横断面がT字の形をしている部品によって構成されている。ストッパ610の先端が第1ベーン48の凹部48kに挿入されており、ストッパ610の他端が溝76に収容されている。溝76内において、ストッパ610の他端には、摺動棒75の先端が回転可能に係合している。回転モータ74を駆動すると摺動棒75が回転しながら溝76を前進または後退する。摺動棒75に連れ動く形で、ストッパ610が第1ベーン溝42aの長手方向に平行な方向に動く。ストッパ610の役割および動きは、第1実施形態で説明したストッパ61と基本的に同じである。
図10Aに示すように、回転モータ74を正転させて摺動棒75およびストッパ610を下方に押し下げると、ストッパ610と第1ベーン48とが干渉しない。そのため、第1ベーン48の可動範囲は制限されない。第1ベーン48は最大ストロークTmaxで自由に動作でき、第1ベーン48と第1ピストン46との接触状態が常に保たれる。
他方、図10Bに示すように、回転モータ74を逆転させて摺動棒75およびストッパ610を上方に押し上げると、ストッパ610と第1ベーン48とが干渉する。そのため、第1ベーン48の可動範囲が制限され、第1ベーン48が最下点まで移動できない。第1ベーン48がストッパ610によって動きを拘束されている期間P2において、第1ベーン48が第1ピストン46から離れる。この間、高圧の作動流体で満たされた第1吸入空間55aから、中間圧の作動流体で満たされた第1吐出空間55b(膨張室)へと高圧の作動流体が直接流れ込む。
外部コントローラ70(図9)で回転モータ74の駆動制御を行うことによって、ストッパ610を動かすことができる。ストッパ610を動かすと、第1ベーン48が第1ピストン46から離れている期間P2が変化し、インジェクション量が変化する。ストッパ610を完全にロックできるので、インジェクション量をある一定値に保持しやすい。
なお、回転モータ74に代えてリニアモータを用いてもよい。また、電動アクチュエータとしてソレノイドを用いてもよい。さらに、回転モータ74は、サーボモータやステッピングモータであってもよい。これらのモータによれば、第1ベーン溝42aの長手方向に関するストッパ610の位置を正確に制御できる。また、簡便な位置決め素子を用いて摺動棒75およびストッパ610の位置を検出し、検出結果に基づいて回転モータ74の駆動を制御するようにしてもよい。例えば、リミットスイッチを摺動棒75の長手方向に沿った一または複数の位置に設けるとともに、リミットスイッチの検出信号に基づいて回転モータ74の駆動を制御しうる。
また、膨張機構4の吐出圧力または蒸発器102における作動流体の蒸発温度に基づいて、インジェクション量を制御しうる。圧縮機構2の吐出温度、圧縮機構2の吸入温度および膨張機構3の吸入温度からなる群より選ばれる少なくとも1つの温度に基づいて、インジェクション量を制御してもよい。このことは、他の実施形態にも共通である。
(第4実施形態)
図11に示すように、本実施形態の冷凍サイクル装置400Aの基本構成は、図1を参照して説明した第1実施形態と同じである。冷凍サイクル装置400Aは、可変ベーン機構130を含む膨張機一体型圧縮機300を備えている。本実施形態において、膨張機構3の体積流量を変化させる方法として、膨張室の閉じ込め容積を変化させる方法が採用されている。閉じ込め容積とは、作動流体が膨張し始める時点での膨張室の容積を意味する。すなわち、可変ベーン機構130は、膨張を開始する時点での膨張室の容積を変化させるための容積可変機構でありうる。
冷凍サイクル装置400Aは、さらに、可変ベーン機構130における弁の開度を調節するための圧力供給回路110を備えている。圧力供給回路110の構成は、図1を参照して説明した通りである。
図12、13Aおよび13Bに示すように、膨張機一体型圧縮機300の構成は、膨張機構3に設けられた可変ベーン機構130を除き、図2を参照して説明した膨張機一体型圧縮機100と基本的に同じである。
図14Aは、閉じ込め容積が最小となるように制御されたときの、可変ベーン機構を拡大して示している。図14Bは、図14Aよりも閉じ込め容積が大きくなるように制御されたときの、可変ベーン機構を拡大して示している。本実施形態においても、シャフト5が1回転する期間において第1ベーン48の先端が第1ピストン46に接している期間をP1とし、第1ベーン48の先端が第1ピストン46から離れている期間をP2とする。期間P2では、第1吸入空間55aから第1吐出空間55bへと作動流体が流通しうる。可変ベーン機構130は、期間P1に対する期間P2の比率(P2/P1)を調節しうるように、第1ベーン48の動きを制御する。
本実施形態では、第1ピストン46が上死点に達した時点を期間P2の始点として定めている。そのため、比率(P2/P1)に応じて、第1吐出空間55b、貫通孔43aおよび第2吸入空間56aによって形成された膨張室の閉じ込め容積が変化する。膨張室の閉じ込め容積が変化すると膨張機構3の吸入容積(体積流量)が変化するので、密度比一定の制約を回避できる。熱源温度(例えば外気温)に応じて比率(P2/P1)を調節することによって、動力回収効率を最適化できる。
本実施形態においても、期間P2=0、つまり第1ベーン48と第1ピストン46とが常に接している場合に、閉じ込め容積が最小になる。もちろん、期間P2の最小値がゼロよりも大きくてもよい。
図14Aおよび14Bに示すように、可変ベーン機構130は、オイルチャンバ142、第1オイル通路144、第2オイル通路146、第1弁148、第2弁149および圧力供給通路147を備えている。オイルチャンバ142は、第1ベーン溝42aにオイルを供給することおよび第1ベーン溝42aからオイルを受け取ることが可能となるように、第1ベーン溝42aに連通している。本実施形態では、第1ベーン溝42aの一部がオイルチャンバ142として利用されている。
本実施形態では、密閉容器1内の下側に膨張機構3が配置されており、膨張機構3の周囲がオイルで満たされている。第1オイル通路144がオイル貯まり25に直接に開口している。そのため、第1オイル通路144にオイルを送り込むためのオイルポンプが不要である。
第1オイル通路144を通じて、オイル貯まり25からオイルチャンバ142にオイルが供給されるとともに、オイルチャンバ142からオイル貯まり25へとオイルが排出される。第1弁148は、第1オイル通路144の流通抵抗(流入抵抗および流出抵抗)を増減しうるように第1オイル通路144に設けられている開度調節可能な弁である。第1オイル通路144の流通抵抗を増減することによって、オイルチャンバ142へのオイルの流入速度を調節でき、第1ベーン48の動きを制御できる。シャフト5の回転角度に応じて第1弁148の開度を調節する必要がないので、高精度な制御技術をほとんど必要とせず、信頼性も高い。
具体的に、第1弁148は、弁体151、ばね152および圧力室153を有する。弁体151およびばね152は、圧力室153に配置されている。弁体151の後端面に弾性力が加わるように、弁体151の後方にばね152が配置されている。圧力室153のばね152が配置されている部分には、弁体151の後端面に制御用流体の圧力が加えられるように圧力供給通路147が接続されている。弁体151の後端面には、制御用流体の圧力とばね152の弾性力とが加わる。圧力室153に供給された制御用流体の圧力に応じて、弁体151の位置が決定される。
弁体151の先端側において、弁体151の可動範囲が第1オイル通路144に重なっている。図14Aに示すように、弁体151が最も後退した位置を占有すると、第1オイル通路144の断面積が最大になる。図14Bに示すように、弁体151が最も前進した位置を占有すると、第1オイル通路144の断面積が最小になる。第1オイル通路144の最小の断面積は、例えば、第1オイル通路144の最大の断面積の約半分である。このように、第1弁148は流量調節弁として構成されている。
第1弁148の圧力室153に供給するべき制御用流体として、冷凍サイクル装置400Aの作動流体が用いられている。作動流体を動力源として用いることによって、圧力室153から第1オイル通路144への作動流体の多少の漏れが許容される。そのため、厳重なシールは不要である。
図12および13Aに示すように、本実施形態では、第1ベーン溝42aが軸受部材42および中板43によって閉じられている。そのため、オイルチャンバ142には、第1オイル通路144を通じてのみオイルが供給される。オイルチャンバ142からオイル貯まり25へとオイルを排出するためのオイル通路として、第2オイル通路146が設けられている。第2オイル通路146は、第1オイル通路144とは別の経路でオイルチャンバ142とオイル貯まり25とを連通している。第2オイル通路146には、第2弁149が設けられている。
第2弁149は、弁体155、ばね156および収容室157を有する。弁体155は、第2オイル通路146を閉じる位置と開放する位置とを占有可能である。収容室157にばね156が配置されている。弁体155がスムーズに動けるように、収納室157がオイル貯まり25と連通していてもよい。オイルチャンバ142からオイル貯まり25へとオイルが排出される際において、弁体155はオイルに押されて第2オイル通路146を開放する。逆に、オイル貯まり25からオイルチャンバ142へとオイルが供給される際において、弁体155がばね156から弾性力を受け、第2オイル通路146を閉じる。このように、第2オイル通路146におけるオイルの流通方向が、第2弁149によって、実質的に、オイルチャンバ142からオイル貯まり25へと向かう方向のみに制限されている。すなわち、第2弁149は方向制御弁として構成されている。「実質的…制限されている」とは、不可避的に生ずる僅かな流れまで完全に排除するものではないという趣旨である。
仮に、第2オイル通路146および第2弁149が省略されたとしても、比率(P2/P1)の調節は可能であり、可変ベーン機構130は正常に動作しうる。オイルチャンバ142からオイル貯まり25へとオイルが排出される際には、第1ピストン46によって第1ベーン48が強く押される。そのため、第1オイル通路144の流出抵抗が多少高い場合であっても、オイルの排出に支障は出ない。ただし、高い流出抵抗が原因で圧力損失が増える。また、第1弁148の弁体151が左右に揺れ動くようになり、狙い通りの閉じ込め容積を設定するのが難しくなる。
これに対し、第2オイル通路146が設けられていると、第1オイル通路144および第2オイル通路146の両方を通じてオイルチャンバ142からオイル貯まり25へのオイルの排出が行われる。特に、第2オイル通路146を通って比較的自由にオイル貯まり25にオイルが排出されるので、動力回収効率の向上を期待できる。また、第2オイル通路146に方向制御弁としての第2弁149を設けることによって、第2オイル通路146を通じてオイル貯まり25からオイルチャンバ142にオイルが供給されるのを防止できる。その結果、オイルチャンバ142へのオイルの供給速度を正確に制御できるようになり、閉じ込め容積を調節しやすくなる。
なお、オイルが自由に流通できることを条件として、第1ベーン溝42aから外れた位置にオイルチャンバが形成されていてもよい。例えば、第1ベーン溝42aの後方に連なるようにオイルチャンバが形成されていてもよい。また、第1弁148は、第1オイル通路144の端部に設けられていてもよい。第2弁149は、第2オイル通路146の端部に設けられていてもよい。
図14Aに示す動作モード(第1モード)では、圧力室153が低圧の作動流体で満たされ、第1弁148が全開となる。第1弁148が全開のとき、第1オイル通路144の流通抵抗が小さいので、オイル貯まり25からオイルチャンバ142にオイルがスムーズに供給されうる。そのため、第1ベーン48と第1ピストン46との接触を保つのに十分な荷重が第1ベーン48の後端面に継続的に加わる。第1ベーン48が第1ピストン46に追従でき、第1ベーン48と第1ピストン46との接触状態が常時保たれる。
他方、図14Bに示す動作モード(第2モード)では、圧力室153が高圧または中間圧の作動流体で満たされ、第1弁148の開度が小さくなる。具体的には、圧力室153を満たす作動流体およびばね152から弁体151が受ける力と、弁体151が第1オイル通路144のオイルから受ける力とが釣り合う位置に弁体151が移動する。すると、第1オイル通路144の断面積が第1モード(図14A)のときよりも小さくなる。第1オイル通路144の断面積が小さくなると、オイルチャンバ142へのオイルの急速な流入が妨げられる。すると、オイルチャンバ142へのオイルの流入が第1ベーン48の下降速度に追いつけず、第1ピストン46が上死点を占有した瞬間から所定期間P2が経過するまでの間において、第1ベーン48が第1ピストン46から離れる。この間、第1吸入空間55aから第1吐出空間55bに高圧の作動流体が流入し続ける。期間P2の経過後、第1ベーン48が第1ピストン46に再接触した瞬間に、第1吐出空間55b、貫通孔43aおよび第2吸入空間56aによって膨張室が形成され、作動流体が膨張し始める。
圧力室153内の圧力を変化させると、弁体151の位置が変化し、オイルチャンバ142へのオイルの流入速度が変わる。これに伴って期間P2の長さが変化する。圧力室153内の圧力が高ければ高いほど第1弁148の開度が小さくなる、言い換えれば、第1オイル通路144の断面積が小さくなるので、オイルチャンバ142にオイルが流入しにくくなる。すると、第1ベーン48が第1ピストン46に接している期間P1が次第に短くなる一方で、期間P2が次第に長くなり、膨張室の閉じ込め容積が大きくなる。このように、圧力室153内の圧力を調節することによって、閉じ込め容積を調節できる、言い換えれば、膨張機構3の吸入容積を自由に調節できる。
圧力調節回路110の配管105が可変ベーン機構130の圧力供給通路147に接続されているので、圧力室153内の圧力を圧力調節回路110の絞り弁104によって調節できる。つまり、絞り弁104の開度を調節することによって、第1弁148の開度を制御できる。絞り弁104の開度を大きくすると、圧力室153内の圧力が高まり、第1弁148の開度が小さくなる。これにより、閉じ込め容積が大きくなる。絞り弁104の開度を小さくすると、圧力室153内の圧力が低くなり、第1弁148の開度が大きくなる。これにより、閉じ込め容積が小さくなる。
第1実施形態と同様に、絞り弁104の開度を調節することによって、圧力室153内の圧力が冷凍サイクルの高圧と低圧との間で変化しうる。
次に、膨張機構3の動作原理を説明する。図15のステップA3〜D3に示すように、閉じ込め容積最小時において、膨張機構3は、図5を参照して第1実施形態で説明したのと同じ原理で動作する。
次に、図16を参照して、図15よりも閉じ込め容積が大きいときの膨張機構3の動作原理を説明する。
まず、図16のステップA4は、第1ピストン46が360°回転して、第1吸入空間55aが高圧の作動流体で満たされた状態を示している。次に、図16のステップB4に示すように、第1ピストン46が反時計回りに回転すると、第1ピストン46が第1ベーン48から離れる。第1ピストン46が上死点を占有した瞬間から、第1ベーン48の動きが可変ベーン機構130によって拘束されるためである。第1ピストン46が第1ベーン48から離れると、第1吸入空間55aから第1吐出空間55bへの流路が形成され、高圧の作動流体が第1吐出空間55aから第1吐出空間55bへと直接流れ込む。高圧の作動流体は、第1吐出空間55bと連通している第2吸入空間56aにも流れ込む。つまり、第1ピストン46が第1ベーン48から離れている期間P2において作動流体は膨張せず、吸入行程が継続する。
次に、図16のステップC4に示すように、第1ピストン46がさらに回転し、第1ピストン46が下死点付近に達すると、第1ベーン48が第1ピストン46に追いつき、第1ベーン48と第1ピストン46とが再接触する。第1ベーン48によって第1吸入空間55aと第1吐出空間55bとが分断され、第1吸入空間55aから第1吐出空間55bへの作動流体の流れが遮断される。第1ベーン48と第1ピストン46とが再接触した時点から、作動流体が膨張し始める。
図16のステップD4に示すように、第1ピストン46がさらに回転すると、第1吐出空間55bの容積が次第に減少し、作動流体が膨張しながら第2吸入空間56aに移動する。このようにして、図6のステップA4〜D4の動作を繰り返す。
図17A、17Bおよび17Cは、それぞれ、第1ベーンの先端の位置、膨張機構に吸入された作動流体の圧力、作動室の容積を示すグラフである。各図の横軸は、第1ピストン46が上死点を占有した瞬間を基準角度(=0°)と定義したときのシャフト5の回転角度を示している。
図17Aの縦軸に示された第1ベーン48の先端の位置は、シャフト5の回転軸から第1ベーン48の先端までの距離に対応している。実線は、第1モードでの第1ベーン48の先端の位置を示している。破線は、第2モードでの第1ベーン48の先端の位置を示している。第2モードでは、0°および360°(上死点)で第1ベーン48が第1ピストン46から離れ、180°および540°(下死点)よりも少し前の角度θ1およびθ2で第1ベーン48が第1ピストン46に再接触している。
図17Bも実線が第1モード、破線が第2モードにそれぞれ対応している。第1モード(実線)において、基準角度で膨張機構に吸入され始めた作動流体は、360°から720°の範囲で膨張する。他方、第2モード(破線)では、360°よりも進んだ角度θ2から720°の範囲で作動流体が膨張する。
図17Cの縦軸に示された作動室の容積は、0°から360°の範囲が第1吸入空間55aの容積に対応しており、360°から720°の範囲が第1吐出空間55bと第2吸入空間56aとの合計容積に対応している。第1モードでは、360°で吸入行程が終了し、360°から720°の範囲で膨張行程が行われる。他方、第2モードでは、360°よりも進んだ角度θ2から720°の範囲で膨張行程が行われる。第2モードにおける膨張行程開始時の第1吐出空間55bと第2吸入空間56aとの合計容積V2(閉じ込め容積)は、第1モードにおける同合計容積V1(閉じ込め容積)よりも大きい。
第1モードと第2モードとの間の吸入容積の差ΔVは、吸入行程、膨張行程および吐出行程で構成される1サイクルあたり、(V2−V1)で表される。この容積差ΔVは、期間P2の長さ(言い換えれば比率(P2/P1))に応じて増減する。期間P2の長さは、可変ベーン機構130の圧力室153内の圧力に応じて変化する。比率(P2/P1)の範囲は特に限定されないが、例えば0≦(P2/P1)≦1である。つまり、第1ピストン46が上死点を占有した瞬間のシャフト5の回転角度を0°として、期間P2が0°〜180°の範囲内にあるとよい。なお、本実施形態では、第1ピストン46が上死点を占有した瞬間が期間P2の開始時点である。
以上に説明したように、可変ベーン機構130を備えた膨張機構3によれば、膨張室の閉じ込め容積が可変である。そのため、シャフトが1回転する間に膨張機構3の吸入される作動流体の体積が変化しうる。
(第4実施形態の変形例)
図18は、第4実施形態の変形例を示す横断面図である。本変形例によると、可変ベーン機構130が、第2モードにおける第1ベーン48の下降(シャフト5の回転軸に接近する方向への移動)を補助するための加速ポート159をさらに備えている。加速ポート159の一端は、第1ベーン溝42aの長手方向に沿った所定位置において、第1ベーン溝42aに向かって開口している。加速ポート159の他端は、オイル貯まり25に向かって開口している。第1ベーン48がオイルおよび第1ばね50から受ける荷重によって第1ベーン溝42aから押し出される過程において、第1ベーン48の後端面が加速ポート159の一端の位置を通過すると、加速ポート159を通じてオイル貯まり25から第1ベーン溝42aにオイルが流れ込めるようになる。
つまり、加速ポート159によれば、第1オイル通路144(図14A参照)の断面積を小さく設定した場合であっても、第1ベーン溝42aからの第1ベーン48の突出量がある程度大きくなると、第1ベーン溝42aの後部(オイルチャンバ142)へのオイルの流入抵抗が急激に減る。すると、第1ベーン48が第1ピストン46に向かって強く押し出され、第1ピストン46に速やかに再接触する。
例えば、第1ベーン溝42aの後部(オイルチャンバ142)へのオイルの流入抵抗が非常に大きい場合には、第1ピストン46が下死点に達しても第1ベーン48が第1ピストン46から離れた状態が継続することも考えられる。簡単に言えば、期間P2が180°を超えて継続する可能がある。これに対し、加速ポート159を設けると、第1ピストン46が下死点に達する以前に第1ベーン48と第1ピストン46とを確実に再接触させることが可能となる。その結果として、十分な膨張比を確保できるので、動力回収効率の向上を期待できる。
(第5実施形態)
図19は、第1ベーンの動きを電気的な方法で制御するための可変ベーン機構が用いられた冷凍サイクル装置の構成図である。この冷凍サイクル装置400Bは、膨張機一体型圧縮機300Bを有する。膨張機一体型圧縮機300Bの膨張機構3には、外部コントローラ170に接続された可変ベーン機構130B(,130C,130Dまたは130E)が設けられている。外部コントローラ170によって可変ベーン機構130Bの動作が制御される。冷凍サイクル装置400Bによれば、図11に示す圧力供給回路110を省略できる利点がある。また、可変ベーン機構130Bは、第1ベーン48の動きを電気的な方法で制御するものであるから、閉じ込め容積の最適化が容易になる。
第1ベーン48の動きを電気的な方法で制御するための可変ベーン機構130B〜130Eについて以下に説明する。なお、本実施形態では、第1ベーン溝42aの後部(第1ばね50が配置されている部分)がオイル貯まり25に開口しており、この第1ベーン溝42aの後部にオイル貯まり25からオイルが自由に流れ込める。
図20に示す可変ベーン機構130Bは、コイル174および鉄心172を有する電磁石によって構成されている。コイル174は、第1ベーン48に電磁気力を及ぼすことによって第1ベーン48が第1ピストン46に追従して動くのを妨げる。すなわち、コイル174を励磁すると、鉄心172が磁石として働いて第1ベーン48を引き付ける。これにより、第1ベーン48が第1ピストン46に追従して動くのを妨げることができる。第1ベーン48は、典型的には、鋳鉄や炭素鋼などの磁石に引き付けられる鉄系金属でできているため、電磁石によって第1ベーン48を拘束できる。
コイル174は、第1ベーン溝42aの後方に配置されている。鉄心172はコイル174を貫通しており、その先端部が第1ベーン溝42a内に突出している。第1ベーン48が第1ベーン溝42aに最も押し込まれたときに第1ベーン48が鉄心172に接触するように、第1ベーン溝42aの長手方向に関する鉄心172の長さが定められている。コイル172を励磁するタイミングを外部コントローラ170(図19参照)によって制御できる。第1ピストン46が上死点に達する直前にコイル172への給電を開始する。給電開始タイミングおよび給電終了タイミングを制御することによって、第1ベーン48が第1ピストン46から離れている期間P2の長さ、言い換えれば、膨張機構3の閉じ込め容積を調節できる。
図21に示す可変ベーン機構130Cは、第1ベーン48の周囲に配置されたコイル176によって構成されている。コイル176を励磁すると、第1ベーン48には、コイル176内に引き込まれる方向の力が作用する。つまり、第1ベーン48自身がソレノイドのプランジャとして振舞っている。図20に示す例と同様に、外部コントローラ170によってコイル176を励磁するタイミングを制御でき、これにより、膨張機構3の閉じ込め容積を調節できる。コイル176が第1ベーン48の周囲に配置されているので、スペースが不足する問題も生じにくい。
なお、第4実施形態では、第1ベーン48の動きが上死点付近で鈍くなるだけであるが、図20および21に示す例では、上死点付近で第1ベーン48をロック(一時停止)しうる。第1ベーン48を瞬間的にロックすると、流入断面積(第1ピストン46と第1ベーン48との隙間の広さ)が大きくなるので、圧力損失を低減できる。
図22に示す可変ベーン機構130Dは、第1ベーン溝42aと第1ベーン48との間の摺動摩擦が増えるように第1ベーン48に荷重をかけるための電動アクチュエータによって構成されている。具体的には、コイル181およびプランジャ185を有するソレノイドによって可変ベーン機構130Dが構成されている。
第1シリンダ42には、第1ベーン溝42aの長手方向に略直角に延びるように、溝183が形成されている。この溝183にプランジャ185が配置されている。プランジャ185を取り囲むようにコイル181が配置されている。プランジャ185の先端は、第1ベーン48の側面に対向している。プランジャ185が第1ベーン48に干渉しない位置に退避している状態では、第1ベーン48の動きが可変ベーン機構130Dによって妨げられることはない(第1モード)。他方、プランジャ185が溝183から押し出されるようにコイル181を励磁すると、プランジャ185の先端が第1ベーン48に直角に当たる。これにより、第1ベーン溝42aの内壁に向かう方向の荷重が第1ベーン48の側面に加わり、第1ベーン48が第1ベーン溝42aの長手方向に沿って動きにくくなる。
図23に示す可変ベーン機構130Eは、第1ベーン48に横から荷重をかけるための電動アクチュエータによって構成されている点で図22を参照して説明した可変ベーン機構130Dと共通である。具体的に、可変ベーン機構130Eは、圧電素子186およびその圧電素子186に結び付けられたプランジャ184を有する圧電アクチュエータによって構成されている。
第1シリンダ42には、長手方向に関する第1ベーン溝42aの中間部分に連通するように、溝182が形成されている。プランジャ184の先端が第1ベーン48に対向するように、溝182にプランジャ184および圧電素子186が配置されている。プランジャ184の後端は、圧電素子186に固定されている。圧電素子186の変位がプランジャ184に伝わるように圧電素子186とプランジャ184とが組み合わされている。コイルが圧電素子に代わった点を除き、プランジャ184の作用は図22を参照して説明した通りである。
図22および23に示す例では、可変ベーン機構130D,130Eが第1シリンダ42に内蔵されている。ただし、可変ベーン機構130D,130Eは軸受部材41または中板43に内蔵されていてもよいし、軸受部材41、第1シリンダ42および中板43にまたがって設けられていてもよい。
図20〜23に示す各可変ベーン機構には、適切なタイミングで電流が供給される。具体的には、シャフト5の回転角度に基づいて、コイルまたは圧電素子への給電が制御される。シャフト5の回転角度を検出するために、図24に示すように、シャフト5とともに回転する回転子191と、回転子191の通過を検出しうる位置センサ193とが設けられていてもよい。例えば、シャフト5の偏心部5cの偏心方向と180°反対側に(または偏心方向に一致するように)回転子191を配置する。さらに、第1ピストン46の下死点に対応する位置に位置センサ193を配置する。
上記のような構成によれば、図25に示すように、第1ピストン46が上死点(または下死点)に達したときに、位置センサ193から外部コントローラ170に対してセンサ信号が送られる。外部コントローラ170は、位置センサ193からセンサ信号を取得することに応じて、コイルまたは圧電素子への給電を正確に行える。給電は、第1ピストン46が上死点(=0°)に達するのに若干先立って行ってもよい。そのようにすれば、第1ベーン48の動きを確実に止める、または鈍らせることができる。所望の閉じ込め容積が得られるように、給電期間Δθを制御すればよい。
なお、シャフト5の回転角度(基準位置)を検出するためのセンサは、膨張機構3以外の場所、例えば、圧縮機構2に設けられていてもよい。
(第6実施形態)
本発明は、単体の2段ロータリ膨張機にも適用できる。図26は、そのような2段ロータリ膨張機を用いた動力回収式の冷凍サイクル装置400Cを示している。冷凍サイクル装置400Cは、圧縮機123、放熱器101、膨張機120および蒸発器102を備えている。膨張機120として、先に説明した各膨張機一体型圧縮機から圧縮機構2を省略した構成を有する2段ロータリ膨張機を用いることができる。作動流体の膨張エネルギーは、膨張機120の発電機121によって電気エネルギーに変換され、得られた電気エネルギーが圧縮機123のモータ124に供給される。
圧縮機123の回転数はモータ124によって制御でき、膨張機120の回転数は発電機121によって制御できる。そのため、この冷凍サイクル装置400Cには、密度比一定の制約が本質的に存在しない。ただし、可変ベーン機構を備えた2段ロータリ膨張機を採用することによって、以下の効果が得られる。
図27に、一般的な発電機の効率曲線を示す。発電機は、所定の定格回転数Nr(例えば60Hz)で発電効率が最も高くなるように設計されている。そのため、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。つまり、発電機の回転数は、インバータで制御可能であったとしても、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、冷凍サイクル装置では、作動流体の循環量や密度が変化するため、従来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。これに対し、可変ベーン機構を備えた2段ロータリ膨張機を用いれば、定格回転数Nrを維持しつつ密度比を変化させることができるため、より高効率な動力回収を望める。
本発明は、空調機や給湯機に用いられる冷凍サイクル装置に好適に採用できる。ただし、本発明の適用対象はこれに限定されず、ランキンサイクル装置等の他の装置に広く適用できる。
本発明は、2段ロータリ膨張機、膨張機一体型圧縮機および冷凍サイクル装置に関する。
作動流体の膨張エネルギーを膨張機で回収し、その回収したエネルギーを圧縮機の仕事の一部として利用する冷凍サイクル装置が提案されている。そのような冷凍サイクル装置として、膨張機一体型圧縮機を用いた冷凍サイクル装置が知られている(特許文献1参照)。
図28に膨張機一体型圧縮機を用いた従来の冷凍サイクル装置を示す。この冷凍サイクル装置は、圧縮機201(圧縮機構)、放熱器202、膨張機203(膨張機構)および蒸発器204を備えている。これらの機器が配管によって相互に接続されることによって主回路208が構成されている。圧縮機201と膨張機203とはシャフト207によって連結されている。圧縮機201と膨張機203との間には、シャフト207を回転駆動するモータ206が設けられている。圧縮機201、膨張機203、シャフト207およびモータ206によって膨張機一体型圧縮機が構成されている。
この冷凍サイクル装置は、さらに、膨張機203と並列になるように主回路208に接続された副回路209を備えている。副回路209は、放熱器202の出口と膨張機203の入口との間で主回路208から分岐し、膨張機203の出口と蒸発器204の入口との間で主回路208に合流している。主回路208を流れる作動流体は容積式の膨張機203で膨張する。副回路209を流れる作動流体は膨張弁205で膨張する。
作動流体は、圧縮機201によって圧縮される。圧縮された作動流体は、放熱器202に送られ、放熱器202において冷却される。そして、膨張機203または膨張弁205において膨張した後、蒸発器204で加熱される。膨張機203は、作動流体の膨張エネルギーを回収してシャフト207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201を駆動する仕事の一部として利用される。その結果として、モータ206の消費電力が低減する。
膨張弁205が全閉のときの冷凍サイクル装置の動作を説明する。
まず、圧縮機201の吸入容積をVcs、膨張機203の吸入容積をVes、シャフト207の回転数をNとする。このとき、圧縮機201の入口での作動流体の体積流量は(Vcs×N)で表される。膨張機203の入口での作動流体の体積流量は(Ves×N)で表される。副回路209の作動流体の質量流量がゼロであるため、圧縮機201での質量流量と膨張機203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201の入口での作動流体の密度は{G/(Vcs×N)}で表される。膨張機203の入口での作動流体の密度は{G/(Ves×N)}で表される。これらの式より、圧縮機201の入口での作動流体の密度と膨張機203の入口での作動流体の密度との比は、{G/(Vcs×N)}/{G/(Ves×N)}で表される。つまり、シャフト207の回転数によらず、密度比は(Ves/Vcs)で一定である(密度比一定の制約)。
図29にCO2冷凍サイクルのモリエル線図を示す。圧縮機201における圧縮過程はAB、放熱器202における放熱過程はBC、膨張機203における膨張過程はCD、蒸発機204における蒸発過程はDAに相当する。圧縮機201の入口(点A)での作動流体の密度と、膨張機203の入口(点C)での作動流体の密度との比は、(Ves/Vcs)である。点Aでの密度をρ0とすると、点Cでの密度ρcは(Vcs/Ves)ρ0である。圧縮機201の入口(点A)での作動流体の密度ρ0が一定であるとき、膨張機203の入口(点C)での作動流体の状態は、常に、ρc=(Vcs/Ves)ρ0の関係を満たす線に沿って変化する。すなわち、点Cにおける作動流体の温度および圧力を自由に制御できない。冷凍サイクルには、ある熱源温度(例えば外気温)において成績係数(coefficient of performance:COP)が最大となる最適高圧が存在する。そのため、温度と圧力を自由に制御できないと、冷凍サイクル装置を効率よく運転することが困難となる。
密度比一定の制約を回避するための方法は、いくつか提案されている。例えば、図28に示す冷凍サイクル装置では、膨張弁205を開き、作動流体の一部を副回路209に流すことによって密度比一定の制約を回避できる。ただし、この方法では、副回路209を流れる作動流体の膨張エネルギーを回収できず、COPの改善効果が小さくなる問題がある。
また、特許文献2には、膨張室と連通しうる補助室が設けられた膨張機が開示されている。この膨張機によれば、補助室の容積を増減することによって、膨張室の容積を増減可能である。膨張室の容積を増減することによって、膨張機の吸入容積Vesが変化する。これにより、密度比一定の制約を回避できる。ただし、この膨張機においても、補助室に作動流体が残留する問題や補助室の容積を増減するためのピストンのシールの問題がある。
特開2001−116371号公報
特開2006−46257号公報
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、密度比一定の制約を回避でき、かつ効率的な動力回収を行える2段ロータリ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2段ロータリ膨張機を用いた膨張機一体型圧縮機を提供することを目的とする。本発明は、さらに、その膨張機一体型圧縮機を用いた冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。
すなわち、本発明は、
第1シリンダと、
前記第1シリンダ内に回転可能に配置された第1ピストンと、
前記第1シリンダに対して同心状に配置された第2シリンダと、
前記第2シリンダ内に回転可能に配置された第2ピストンと、
前記第1ピストンおよび前記第2ピストンが取り付けられたシャフトと、
前記第1シリンダに形成された第1ベーン溝に摺動可能に設けられ、前記第1シリンダと前記第1ピストンとの間の空間を第1吸入空間と第1吐出空間とに仕切るための第1ベーンと、
前記第2シリンダに形成された第2ベーン溝に摺動可能に設けられ、前記第2シリンダと前記第2ピストンとの間の空間を第2吸入空間と第2吐出空間とに仕切るための第2ベーンと、
前記第1吐出空間と前記第2吸入空間とを連通することによって1つの膨張室を形成するための貫通孔を有するとともに、前記第1シリンダと前記第2シリンダとを隔てている中板と、
前記シャフトが1回転する期間において前記第1ベーンが前記第1ピストンに接している期間をP1、前記第1ベーンが前記第1ピストンから離れている期間をP2としたとき、前記期間P1に対する前記期間P2の比率(P2/P1)を調節しうるように、前記第1ベーンの動きを制御するための可変ベーン機構と、
を備えた、2段ロータリ膨張機を提供する。
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、
作動流体を膨張させるための膨張機構と、
前記圧縮機構と膨張機構とを連結しているシャフトとを含み、
前記膨張機構が上記本発明の2段ロータリ膨張機によって構成されている、膨張機一体型圧縮機を提供する。
さらに他の側面において、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作動流体を冷却するための放熱器と、
前記膨張機一体型圧縮機の前記膨張機構で膨張した作動流体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。
本発明の2段ロータリ膨張機は、第1ベーンの動きを制御するための可変ベーン機構を備えている。可変ベーン機構の働きによって、シャフトが1回転する期間における一部の期間P2で第1ベーンが第1ピストンから離れ、第1吸入空間から第1吐出空間へと作動流体が直接流れ込める。第1ベーンの動きを制御することによって比率(P2/P1)が変化すると、膨張機の吸入容積(体積流量)も変化する。つまり、密度比一定の制約を回避できる。しかも、作動流体の全量から動力回収を行えるので、優れた動力回収効率を達成できる。
ここで、期間P2の最小値はゼロであってもよい。期間P2がゼロのとき、第1ベーンと第1ピストンとが常時接触し、2段ロータリ膨張機の吸入容積が最小となる。すなわち、可変ベーン機構は、
(a)第1ベーンが第1ピストンに常に接している第1モードと、第1ベーンが第1ピストンに接している期間P1および第1ベーンが第1ピストンから離れている期間P2がシャフトの1回転する期間に含まれる第2モードとを相互に切り替え可能となるように、第1ベーンの動きを制御する、または、
(b)第1ベーンが第1ピストンに接している期間P1と、第1ベーンが第1ピストンから離れている期間P2とが、シャフトが1回転する期間に含まれ、かつ期間P1に対する期間P2の比率(P2/P1)を調節しうるように、第1ベーンの動きを制御する。
本発明の2段ロータリ膨張機は、圧縮機構の回転数と膨張機構の回転数とを別々に制御することが困難な膨張機一体型圧縮機の膨張機構として好適に用いることができる。そのような膨張機一体型圧縮機を用いた冷凍サイクル装置によれば、可変ベーン機構を適切に制御することによって効率的な動力回収を行えるので、高いCOPを達成できる。
本発明の第1実施形態にかかる冷凍サイクル装置の構成図
図1に示す膨張機一体型圧縮機の縦断面図
図2に示す膨張機一体型圧縮機のD1−D1横断面図
図2に示す膨張機一体型圧縮機のD2−D2横断面図
吸入容積最小時の可変ベーン機構を示す、図3Aの部分拡大図
図4Aよりも吸入容積が大きいときの可変ベーン機構を示す、図3Aの部分拡大図
吸入容積最小時の膨張機構の動作原理図
図5よりも吸入容積が大きいときの膨張機構の動作原理図
第1ベーンの先端の位置を示す、図5に対応したグラフ
第1ベーンの先端の位置を示す、図6に対応したグラフ
本発明の第2実施形態にかかる冷凍サイクル装置の構成図
本発明の第3実施形態にかかる冷凍サイクル装置の構成図
電動アクチュエータが用いられた可変ベーン機構を示す部分拡大図
図10Aよりも吸入容積が大きいときの可変ベーン機構を示す部分拡大図
本発明の第4実施形態にかかる冷凍サイクル装置の構成図
図11に示す膨張機一体型圧縮機の縦断面図
図12に示す膨張機一体型圧縮機のD3−D3横断面図
図12に示す膨張機一体型圧縮機のD4−D4横断面図
閉じ込め容積最小時の可変ベーン機構を示す、図13Aの部分拡大図
図14Aよりも閉じ込め容積が大きいときの可変ベーン機構を示す、図13Aの部分拡大図
閉じ込め容積最小時の膨張機構の動作原理図
図15よりも閉じ込め容積が大きいときの膨張機構の動作原理図
シャフトの回転角度に対する、第1ベーンの先端の位置を示すグラフ
シャフトの回転角度に対する、作動流体の圧力を示すグラフ
シャフトの回転角度に対する、作動室の容積を示すグラフ
第4実施形態の可変ベーン機構の変形例を示す横断面図
本発明の第5実施形態にかかる冷凍サイクル装置の構成図
電磁気力によって第1ベーンの制動を行う可変ベーン機構を示す部分拡大図
電磁気力によって第1ベーンの制動を行う可変ベーン機構の別例を示す部分拡大図
荷重をかけることによって第1ベーンの制動を行う可変ベーン機構を示す部分拡大図
荷重をかけることによって第1ベーンの制動を行う可変ベーン機構の別例を示す部分拡大図
電動アクチュエータの制御方法を示す図
電動アクチュエータの制御方法を示すタイミング図
本発明の第6実施形態にかかる冷凍サイクル装置の構成図
発電機効率と回転数との関係を示すグラフ
膨張機一体型圧縮機を用いた従来の冷凍サイクル装置の構成図
CO2冷凍サイクルのモリエル線図
以下、添付の図面を参照しつつ本発明のいくつかの実施形態について説明する。
(第1実施形態)
図1に示すように、本実施形態の冷凍サイクル装置200Aは、圧縮機構2、放熱器101、膨張機構3、蒸発器102およびこれらの機器を相互に接続することによって冷媒回路を形成している複数の配管103a〜103dを備えている。圧縮機構2および膨張機構3は、シャフト5によって連結されており、膨張機一体型圧縮機100を構成している。冷凍サイクル装置200Aの基本的な動作は従来技術の欄で説明した通りである。
膨張機一体型圧縮機100の膨張機構3には、可変ベーン機構60が設けられている。可変ベーン機構60は、シャフト5が1回転する間に膨張機構3に吸入される作動流体の体積(体積流量)、言い換えれば、膨張機構3の吸入容積を変化させる機能を有する。冷凍サイクル装置200Aの運転状況に応じて膨張機構3の体積流量を変化させることによって、密度比一定の制約を回避できる。
本実施形態において、膨張機構3の体積流量を変化させる方法として、膨張室に高圧の作動流体を注入する方法が採用されている。すなわち、可変ベーン機構60は、膨張室に作動流体を注入するための機構でありうる。
冷凍サイクル装置200Aは、さらに、可変ベーン機構60のアクチュエータを駆動するための圧力供給回路110を備えている。本実施形態において、この圧力供給回路110は、膨張室に注入するべき作動流体の供給回路ではないことに注意すべきである。圧力供給回路110は、絞り弁104、配管105および微細通路106を含む。圧力供給回路110によって所定圧力に調節された作動流体が可変ベーン機構60に供給される。
配管105は、冷媒回路における放熱器101と膨張機構3との間の部分(配管103b)に接続された一端と、膨張機構3の可変ベーン機構60に接続された他端とを有する。絞り弁104は、開度を調節できる弁(例えば電動膨張弁)であり、配管105上に設けられている。微細通路106によって、配管105における絞り弁104と可変ベーン機構60との間の部分と、冷媒回路における膨張機構3の出口から蒸発器102の入口に至る部分(配管103c)とが接続されている。微細通路106の具体例は、キャピラリである。
図2に示すように、膨張機一体型圧縮機100は、密閉容器1、圧縮機構2、膨張機構3、モータ4およびシャフト5を備えている。圧縮機構2は、密閉容器1内の上側に配置されている。膨張機構3は、密閉容器1内の下側に配置されている。圧縮機構2と膨張機構3との間にモータ4が配置されている。圧縮機構2、モータ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によって互いに連結されている。
モータ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、モータ4によるシャフト5の駆動をアシストする。作動流体の具体例は、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、モータ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内の下側に配置され、膨張機構3が密閉容器1内の上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で圧縮された作動流体で満たされる。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の各摺動部分における潤滑性とシール性と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、モータ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、モータ4の回転子がオイルを撹拌することに基づくモータ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。
スクロール式の圧縮機構2は、旋回スクロール7、固定スクロール8、オルダムリング11、軸受部材10、マフラー16、吸入管13、吐出管15およびリード弁19を備えている。軸受部材10は、溶接や焼き嵌めなどの手法によって密閉容器1に固定されており、シャフト5を支持している。固定スクロール8は、ボルトなどの締結部材によって軸受部材10に固定されている。旋回スクロール7は、固定スクロール8と軸受部材10との間においてシャフト5の偏心軸5aに嵌合されるとともに、自転しないようにオルダムリング11で拘束されている。
旋回スクロール7は、渦巻き形状のラップ7aが固定スクロール8のラップ8aと噛み合いながら、シャフト5の回転に伴って旋回運動を行う。ラップ7aとラップ8aとの間に形成された三日月形状の作動室12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って、吸入管13から吸入された作動流体が圧縮される。圧縮された作動流体は、リード弁19を押し開いて固定スクロール8の中央部に形成された吐出孔8bからマフラー16の内部空間16aに吐出される。作動流体は、さらに、固定スクロール8および軸受部材10を貫通している流路17を経由して密閉容器1の内部空間24に吐出される。その後、作動流体は吐出管15を通じて放熱器101へと送られる。
なお、圧縮機構2は、他の容積式圧縮機構(例えばロータリ圧縮機構)によって構成されていてもよい。
モータ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とを含む。密閉容器1の上部に設けられたターミナル107を通じて電源108からモータ4に電力が供給される(図1参照)。
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。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、多段ロータリ膨張機の構成を有する。具体的に、膨張機構3は、第1シリンダ42と、第1シリンダ42よりも厚みのある第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3Aおよび図3Bに示すように、膨張機構3は、さらに、第1ピストン46(第1ローラ)、第1ベーン48、第1ばね50、第2ピストン47(第2ローラ)、第2ベーン49および第2ばね51を備えている。第1シリンダ42には、可変ベーン機構60が内蔵されている。
図3A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の中で偏心回転する。第1ベーン48は、第1シリンダ42に形成された第1ベーン溝42aに摺動可能に設けられている。第1ベーン48の一端(先端)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(後端)に接しており、第1ベーン48を第1ピストン46に向けて押す。
図3B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の中で偏心回転する。第2ベーン49は、第2シリンダ44に形成された第2ベーン溝44aに摺動可能に設けられている。第2ベーン49の一端は、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の他端に接しており、第2ベーン49を第2ピストン47に向けて押す。
図2に示すように、膨張機構3は、さらに、下軸受部材41および上軸受部材45を備えている。上軸受部材45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材は、上軸受部材45を介して密閉容器1に固定されている。下軸受部材41および中板43は、それぞれ、第1シリンダ42を上下から閉じている。中板43および上軸受部材45は、それぞれ、第2シリンダ44を上下から閉じている。これにより、第1シリンダ42および第2シリンダ44内の各々に作動室が形成されている。下軸受部材41には、第1シリンダ42の作動室に作動流体を吸入させるための吸入ポート42pが形成されている。上軸受部材45には、第2シリンダ44の作動室から作動流体を吐出させるための吐出ポート45qが形成されている。
図3A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および吐出側の作動室55b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3B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および吐出側の作動室56b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。以下において、作動室55a,55b,56a,56bを、それぞれ、第1吸入空間55a、第1吐出空間55b、第2吸入空間56aおよび第2吐出空間56bともいう。
第2シリンダ44における作動室56aおよび作動室56bの合計容積は、第1シリンダ42における作動室55aおよび作動室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を介して連通している。これにより、作動室55bおよび作動室56aが単一の膨張室として機能する。
なお、本実施形態では、作動室56aおよび作動室56bの合計容積を作動室55aおよび作動室55bの合計容積よりも大きくするために、第1シリンダ42の厚みと第2シリンダ44の厚みとを異ならせている。ただし、シリンダの内径やピストンの外径を異ならせる構成も採用できる。また、第2ピストン47および第2ベーン49は、両者が一体化された、いわゆるスイングピストンであってもよい。
図2に示すように、膨張機構3は、さらに、膨張前の作動流体を密閉容器1の外部から直接吸入するための吸入管52と、膨張後の作動流体を密閉容器1の外部に直接吐出するための吐出管53とを備えている。吸入管52は、密閉容器1の外部から第1シリンダ42の作動室55へと作動流体を導くことができるように、下軸受部材41に直接挿入され吸入ポート41pに接続されている。吐出管53は、第2シリンダ44の作動室56から密閉容器1の外部へと作動流体を導くことができるように、上軸受部材45に直接挿入され吐出ポート45qに接続されている。
膨張前の作動流体は、吸入管52および吸入ポート41p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によって形成された膨張室においてシャフト5を回転させながら膨張する。膨張後の作動流体は、作動室56b、吐出ポート45qおよび吐出管53を経て密閉容器1の外部へと導かれる。
図4Aは、吸入容積最小時の可変ベーン機構を拡大して示している。図4Bは、図4Aよりも吸入容積が大きいときの可変ベーン機構を拡大して示している。本明細書では、シャフト5が1回転する期間において第1ベーン48の先端が第1ピストン46に接している期間をP1とし、第1ベーン48の先端が第1ピストン46から離れている期間をP2とする。期間P2では、第1吸入空間55aから第1吐出空間55bへと作動流体が流通しうる。可変ベーン機構60は、期間P1に対する期間P2の比率(P2/P1)を調節しうるように、第1ベーン48の動きを制御する。期間P1の長さおよび期間P2の長さは、それぞれ、角度(単位:deg)で表すことができる。比率(P2/P1)が変化すると、膨張機構3の吸入容積(体積流量)が変化する。つまり、密度比一定の制約を回避できる。熱源温度(例えば外気温)に応じて比率(P2/P1)を調節することによって、動力回収効率を最適化できる。
本実施形態では、期間P2=0、つまり第1ベーン48と第1ピストン46とが常に接している場合に、膨張機構3の吸入容積が最小になる。ただし、期間P2の最小値がゼロよりも大きくてもよい。
図4Aおよび図4Bに示すように、可変ベーン機構60は、ストッパ61およびアクチュエータ62を備えている。ストッパ61は、第1ベーン48の可動範囲を制限する役割を担う。アクチュエータ62は、第1ベーン48の可動範囲が長くなる位置から短くなる位置へとストッパ61を移動させる、またはその逆方向にストッパ61を移動させる役割を担う。ストッパ61をアクチュエータ62で動かすことによって、第1ベーン48のストローク長を機械的に変更できる点で本構成は優れている。また、シャフト5の回転角度に応じてストッパ61を動かす必要がないので、高精度な制御技術をほとんど必要とせず、信頼性も高い。
具体的に、アクチュエータ62は、本体部65と、本体部65が配置された圧力室67と、圧力室67に流体を供給するための通路69とによって構成されている。本体部65は、ストッパ61と連動する部分を含み、第1ベーン溝42aの長手方向に関するストッパ61の位置を流体の圧力に基づいて規定している。このように、本実施形態では、アクチュエータ62として流体圧アクチュエータが用いられている。圧力室67に供給される流体として、冷凍サイクル装置200Aの作動流体が用いられている。作動流体を動力源として用いることによって、圧力室67から第1ベーン溝42aへの作動流体の多少の漏れが許容される。そのため、厳重なシールは不要である。
本体部65は、圧力室67を仕切るように圧力室67に摺動可能に配置されたスライダ63と、スライダ63によって仕切られた圧力室67の一方の部分67bに設けられたばね64とを含む。スライダ63には、ストッパ61が一体化されている。スライダ63によって仕切られた圧力室67の他方の部分67aには、通路69が接続されている。圧力室67および通路69は、第1ベーン溝42aと同様に、第1シリンダ42に形成された空間である。通路69には、図1を参照して説明した圧力供給回路110の配管105が接続されている。配管105および通路69を通じて圧力室67aに供給された作動流体からスライダ63が受ける力と、ばね64からスライダ63が受ける力とに基づいて、第1ベーン溝42aの長手方向に関するストッパ61の位置が決定される。ストッパ61は、スライダ63とともに、第1ベーン溝42aの長手方向に平行な方向に動ける。このような構成によれば、圧力室67a内の圧力調節によって、ストッパ61の位置を自由かつ連続的に変えることができる。つまり、動力回収効率の最適化が容易である。
また、ストッパ61の位置が連続的に変化する構成だけでなく、ストッパ61の位置を段階的に変更できる構成も採用しうる。場合によっては、大きい比率(P2/P1)を有する一方の位置から小さい比率(P2/P1)を有する他方の位置へ、またはその逆にストッパ61の位置が切り替わるだけでもよい。
なお、圧力室67および通路69は、膨張機構3の軸受部材41(図2参照)に形成されていてもよい。つまり、可変ベーン機構60が軸受部材41に内蔵されていてもよい。また、ストッパ61とスライダ63とが別々の部品で構成されていてもよい。その場合、直接はめ合いによってスライダ63とストッパ61とが連結されていてもよいし、他の部材を介してスライダ63とストッパ61とが連結されていてもよい。
第1ベーン48は、ストッパ61を横から受け入れるための凹部48k(切り欠き溝)を有する。流体圧アクチュエータ62の圧力室67は、第1ベーン溝42aに隣接するように第1シリンダ42に形成されている。第1ベーン溝42aと圧力室67との間には、ストッパ61を通すための溝68が形成されている。圧力室67から溝68を経由して第1ベーン溝42aに向かって延びるように、ストッパ61の一端がスライダ63に固定され、ストッパ61の他端が凹部48kに挿入されている。このような構成によれば、第1ベーン48の凹部48kにストッパ61が係合することによって、第1ベーン48の可動範囲を簡単に制限できる。
第1ベーン溝42aの長手方向に関する凹部48kの長さをLc、当該長手方向に関するストッパ61の幅をWs、第1ベーン48の最大ストローク長をTmaxとしたとき、Lc>Ws+Tmaxの関係を満足する。このようにすれば、期間P2=0を選択できる、つまり、第1ベーン48とストッパ61とが干渉するのを回避できるので、吸入容積を幅広く調節できるようになる。
図4Aに示す動作モード(第1モード)では、圧力室67aが高圧の作動流体で満たされ、スライダ63およびストッパ61が下方に押し下げられる。この位置にストッパ61があると、ストッパ61と第1ベーン48とが干渉しないので、第1ベーン48の可動範囲は制限されない。第1ベーン48は最大ストロークTmaxで自由に動作でき、第1ベーン48と第1ピストン46との接触状態が常に保たれる。
他方、図4Bに示す動作モード(第2モード)では、圧力室67aが低圧または中間圧の作動流体で満たされ、スライダ63およびストッパ61が図4Aに示す位置よりも上方の位置へと移動する。具体的には、圧力室67aを満たす作動流体からスライダ63が受ける力と、スライダ63がばね64から受ける力(弾性力)とが釣り合う位置に、スライダ63およびストッパ61が移動する。この位置にストッパ61があると、ストッパ61と第1ベーン48とが干渉するので、第1ベーン48の可動範囲が制限され、第1ベーン48が最下点まで移動できない。第1ベーン48がストッパ61によって動きを拘束されている期間P2において、第1ベーン48は第1ピストン46から離れる。この間、高圧の作動流体で満たされた作動室55a(第1吸入空間)から、中間圧の作動流体で満たされた作動室55b(第1吐出空間)へと高圧の作動流体が直接流れ込む。
圧力室67a内の圧力を変化させると、ストッパ61の位置が変化し、これに伴って期間P2(注入時間)が変化する。圧力室67a内の圧力が低ければ低いほどストッパ61は上方の位置を占有するため、第1ベーン48の可動範囲が短くなる。すると、第1ベーン48が第1ピストン46に接している期間P1が次第に短くなる一方で、期間P2が次第に長くなり、作動室55aから作動室55bにより多くの作動流体が流れ込む。このように、圧力室67a内の圧力を調節することによって、膨張室への作動流体のインジェクション量を調節できる、言い換えれば、膨張機構3の吸入容積を自由に調節できる。
圧力室67a内の圧力は、圧力調節回路110の絞り弁104によって調節されうる。つまり、絞り弁104の開度を調節することによって、ストッパ61の位置を制御できる。絞り弁104の開度を大きくすると、圧力室67a内の圧力が高まり、ストッパ61が下方に移動する。これにより、インジェクション量が少なくなる、もしくはゼロになる。絞り弁104の開度を小さくすると、圧力室67a内の圧力が低くなり、ストッパ61が上方に移動する。これにより、インジェクション量が多くなる。
なお、図1を参照して説明したように、絞り弁104と可変ベーン機構60との間において、微細通路106が配管105と配管103cとを橋渡ししている。そのため、絞り弁104の開度を調節することによって、可変ベーン機構60の圧力室67a内の圧力が冷凍サイクルの高圧と低圧との間で変化しうる。微細通路106を流通する作動流体の量は、動力回収効率に殆ど影響を及ぼさないほど微小である。
次に、図5を参照して、吸入容積最小時の膨張機構3の動作原理を説明する。
図5のステップA1に示すように、第1ピストン46が反時計回りに回転し、吸入ポート41pが開くと、第1吸入空間55aへの作動流体の吸入が始まる(吸入行程)。次に、図5のステップB1およびC1に示すように、第1ピストン46が回転するにつれて、作動流体が第1吸入空間55aにさらに吸入される。図5のステップD1に示すように、第1ピストン46がさらに回転して吸入ポート41pが閉じると、第1吸入空間55aへの作動流体の吸入が完了する。
吸入行程が完了すると、第1吸入空間55aは第1吐出空間55bへと移行する。図3Aおよび図3Bを参照して説明したように、第1吐出空間55bと第2吸入空間56aとは、貫通孔43aを介して連通している。図5のステップA1〜C1に示すように、第1吐出空間55bを満たす作動流体は、第1ピストン46の回転に伴って、貫通孔43aを通じて第2シリンダ44の第2吸入空間56aへと移動する。シャフト5の回転に伴う第2吸入空間56aの容積増加量が第1吐出空間55bの容積減少量を上回るので、作動流体は、第1吐出空間55b、貫通孔43aおよび第2吸入空間56aにおいて膨張する(膨張行程)。第1ピストン46が貫通孔43aを完全に閉鎖すると、第2吸入空間56aへの作動流体の移動および膨張が完了する。
膨張行程が完了すると、図3Bを参照して説明したように、第2吸入空間56aは第2吐出空間56bへと移行する。第2吐出空間56bを満たす作動流体は、吐出ポート45qを通じて外部に吐出され始める(吐出行程)。第2ピストン47がさらに回転して吐出ポート45qが閉じると、第2吐出空間56bから外部への作動流体の吐出が終了する。以上の行程を繰り返すことによって、作動流体が膨張し、膨張エネルギーの回収が行われる。
次に、図6を参照して、図5よりも吸入容積が大きいときの膨張機構3の動作原理を説明する。
図6のステップA2に示すように、第1ピストン46が反時計回りに回転し、吸入ポート41pが開くと、第1吸入空間55aへの作動流体の吸入が始まる(吸入行程)。次に、図6のステップB2に示すように、第1ピストン46がさらに回転すると、第1ベーン48とストッパ61とが干渉し、第1ベーン48の動き(下降)が妨げられる。その結果、第1ベーン48が第1ピストン46から離れ、第1吸入空間55aから第1吐出空間55bへの流路が形成され、高圧の作動流体が第1吐出空間55aから第1吐出空間55bへと流れる。高圧の作動流体は、第1吐出空間55bと連通している第2吸入空間56aにも流れ込む。つまり、膨張室で作動流体が膨張している最中に第1ベーン48が第1ピストン46から離れ、膨張室に膨張前の作動流体が注入される。
図6のステップC2に示すように、第1ピストン46がさらに回転し、第1ベーン48と第1ピストン46とが再接触すると、第1ベーン48によって第1吸入空間55aと第1吐出空間55bとが再び分断され、第1吸入空間55aから第1吐出空間55bへの作動流体の流れが禁止される。図6のステップD2に示すように、第1ピストン46がさらに回転し、吸入ポート41pが閉じると、第1吸入空間55aへの作動流体の吸入が完了する。吸入行程が完了すると、第1吸入空間55aは第1吐出空間55bへと移行する。貫通孔43aを介して第1吐出空間55bと第2吸入空間56aとが連通し、膨張行程が始まる。このようにして、図6のステップA2〜D2の動作を繰り返す。
図7Aは、第1ベーンの先端の位置を示す、図5に対応したグラフである。縦軸は、第1ベーン48の先端の位置を示している。第1ベーン48の先端の位置は、シャフト5の回転軸から第1ベーン48の先端までの距離に対応している。横軸は、第1ピストン46が上死点を占有した瞬間を基準とした、シャフト5の回転角度を示している。具体的には、t0=0°、t1=180°、t2=360°およびt3=540°である。なお、「上死点」とは、ベーンがベーン溝内に最も押し込まれた状態における、ピストンの位置を意味する。「下死点」とは、「上死点」の180°反対側における、ピストンの位置を意味する。
第1ピストン46が上死点を占有する角度t0およびt2において、第1ベーン48の先端は、シャフト5の回転軸から最も遠い上限位置30aにある。第1ピストン46が下死点を占有する角度t1およびt3において、第1ベーン48の先端の位置は、シャフト5の回転軸に最も近い下限位置30bにある。第1ベーン48の先端は、シャフト5の回転と同期して単振動する。
図7Bは、第1ベーンの先端の位置を示す、図6に対応したグラフである。角度t0およびt2において、図5と同様に、第1ベーン48の先端は上限位置30aにある。角度T1において、ストッパ61によって第1ベーン48の下降が妨げられると、第1ベーン48の先端は、上限位置30aと下限位置30bとの間の位置30cを占有する。角度T2において、第1ベーン48と第1ピストン46とが再び接触すると、第1ベーン48の先端は、上限位置30aに向かって変位し始める。第1ベーン48の先端が位置30cに停止している期間P2(=T2−T1およびT4−T3)において、膨張室に作動流体が注入される。インジェクション量は、期間P2の長さ、言い換えれば、期間P1に対する期間P2の比率(P2/P1)に応じて増減する。期間P2の長さは、可変ベーン機構60の圧力室67a内の圧力に応じて変化する。
比率(P2/P1)の範囲は特に限定されないが、例えば0≦P2≦180(単位:deg)、かつ0≦(P2/P1)≦1である。つまり、第1ピストン46が上死点を占有した瞬間のシャフト5の回転角度を0°として、期間P2が90°〜270°の範囲内に収まるように、ストッパ61の位置を調節すればよい。
以上に説明したように、可変ベーン機構60を備えた膨張機構3によれば、第1吸入空間55aに作動流体を吸入するのと同時に、膨張室に作動流体を注入できる。そのため、シャフトが1回転する間に膨張機構3に吸入される作動流体の体積が変化しうる。さらに、絞り弁104の開度を調節することによって、インジェクション量を変えることが可能である。
(第2実施形態)
図8に本発明の第2実施形態にかかる冷凍サイクル装置を示す。本実施形態の冷凍サイクル装置200Bは、圧力供給回路110に変えて、配管103cと可変ベーン機構60とを接続する配管112を備えており、膨張機構3の吐出圧力を可変ベーン機構60の圧力室76aに供給する点で第1実施形態と相違する。なお、以降の実施形態において、同一の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
冷凍サイクル装置200Bによれば、膨張機構3の吐出圧力に応じてストッパ61の位置が変化し、比率(P2/P1)が変化する。膨張機構3の吐出圧力が低ければ低いほどストッパ61が上方に位置する。その結果、第1ピストン46と第1ベーン48とが離れている期間P2が長くなり、インジェクション量が増加する。逆に、膨張機構3の吐出圧力が高ければ高いほどストッパ61が下方に位置する。その結果、第1ピストン46と第1ベーン48とが離れている期間P2が短くなり、インジェクション量が減少する。このように、膨張機構3の吐出圧力に応じてストッパ61の位置が自動的に変化し、インジェクション量が自動的に増減するので、弁の開度調節等を行うことなく高効率な運転を行える。
(第3実施形態)
可変ベーン機構のアクチュエータは、流体圧アクチュエータに限定されない。図9は、可変ベーン機構のアクチュエータとして電動アクチュエータを用いた冷凍サイクル装置の構成図である。この冷凍サイクル装置200Cは、膨張機一体型圧縮機100Cを有する。膨張機一体型圧縮機100Cの膨張機構3には、電動アクチュエータを含む可変ベーン機構60Cが設けられている。可変ベーン機構60Cの電動アクチュエータは、外部コントローラ70に接続されている。外部コントローラによって電動アクチュエータの動作が制御されうる。冷凍サイクル装置200Cによれば、図1を参照して説明した圧力供給回路110を省略できる利点がある。また、電動アクチュエータによれば、ストッパの位置決め精度を高めやすいので、インジェクション量の最適化が容易になる。
図10Aおよび10Bに示すように、可変ベーン機構60Cには、ストッパ610を移動させるためのアクチュエータとして、回転モータ74が用いられている。回転モータ74を駆動することによって、第1ベーン溝42aの長手方向に関するストッパ610の位置が変化するように、回転モータ74とストッパ610とが連結されている。
具体的に、回転モータ74には、外周面に雄ネジが切られた摺動棒75が取り付けられている。第1シリンダ42には、溝68を介して第1ベーン溝42aと連通している溝76が形成されている。溝76の内周面には雌ネジが切られている。ネジ同士が噛み合う形で、溝76に摺動棒75が回転可能に配置されている。ストッパ610は、横断面がT字の形をしている部品によって構成されている。ストッパ610の先端が第1ベーン48の凹部48kに挿入されており、ストッパ610の他端が溝76に収容されている。溝76内において、ストッパ610の他端には、摺動棒75の先端が回転可能に係合している。回転モータ74を駆動すると摺動棒75が回転しながら溝76を前進または後退する。摺動棒75に連れ動く形で、ストッパ610が第1ベーン溝42aの長手方向に平行な方向に動く。ストッパ610の役割および動きは、第1実施形態で説明したストッパ61と基本的に同じである。
図10Aに示すように、回転モータ74を正転させて摺動棒75およびストッパ610を下方に押し下げると、ストッパ610と第1ベーン48とが干渉しない。そのため、第1ベーン48の可動範囲は制限されない。第1ベーン48は最大ストロークTmaxで自由に動作でき、第1ベーン48と第1ピストン46との接触状態が常に保たれる。
他方、図10Bに示すように、回転モータ74を逆転させて摺動棒75およびストッパ610を上方に押し上げると、ストッパ610と第1ベーン48とが干渉する。そのため、第1ベーン48の可動範囲が制限され、第1ベーン48が最下点まで移動できない。第1ベーン48がストッパ610によって動きを拘束されている期間P2において、第1ベーン48が第1ピストン46から離れる。この間、高圧の作動流体で満たされた第1吸入空間55aから、中間圧の作動流体で満たされた第1吐出空間55b(膨張室)へと高圧の作動流体が直接流れ込む。
外部コントローラ70(図9)で回転モータ74の駆動制御を行うことによって、ストッパ610を動かすことができる。ストッパ610を動かすと、第1ベーン48が第1ピストン46から離れている期間P2が変化し、インジェクション量が変化する。ストッパ610を完全にロックできるので、インジェクション量をある一定値に保持しやすい。
なお、回転モータ74に代えてリニアモータを用いてもよい。また、電動アクチュエータとしてソレノイドを用いてもよい。さらに、回転モータ74は、サーボモータやステッピングモータであってもよい。これらのモータによれば、第1ベーン溝42aの長手方向に関するストッパ610の位置を正確に制御できる。また、簡便な位置決め素子を用いて摺動棒75およびストッパ610の位置を検出し、検出結果に基づいて回転モータ74の駆動を制御するようにしてもよい。例えば、リミットスイッチを摺動棒75の長手方向に沿った一または複数の位置に設けるとともに、リミットスイッチの検出信号に基づいて回転モータ74の駆動を制御しうる。
また、膨張機構4の吐出圧力または蒸発器102における作動流体の蒸発温度に基づいて、インジェクション量を制御しうる。圧縮機構2の吐出温度、圧縮機構2の吸入温度および膨張機構3の吸入温度からなる群より選ばれる少なくとも1つの温度に基づいて、インジェクション量を制御してもよい。このことは、他の実施形態にも共通である。
(第4実施形態)
図11に示すように、本実施形態の冷凍サイクル装置400Aの基本構成は、図1を参照して説明した第1実施形態と同じである。冷凍サイクル装置400Aは、可変ベーン機構130を含む膨張機一体型圧縮機300を備えている。本実施形態において、膨張機構3の体積流量を変化させる方法として、膨張室の閉じ込め容積を変化させる方法が採用されている。閉じ込め容積とは、作動流体が膨張し始める時点での膨張室の容積を意味する。すなわち、可変ベーン機構130は、膨張を開始する時点での膨張室の容積を変化させるための容積可変機構でありうる。
冷凍サイクル装置400Aは、さらに、可変ベーン機構130における弁の開度を調節するための圧力供給回路110を備えている。圧力供給回路110の構成は、図1を参照して説明した通りである。
図12、13Aおよび13Bに示すように、膨張機一体型圧縮機300の構成は、膨張機構3に設けられた可変ベーン機構130を除き、図2を参照して説明した膨張機一体型圧縮機100と基本的に同じである。
図14Aは、閉じ込め容積が最小となるように制御されたときの、可変ベーン機構を拡大して示している。図14Bは、図14Aよりも閉じ込め容積が大きくなるように制御されたときの、可変ベーン機構を拡大して示している。本実施形態においても、シャフト5が1回転する期間において第1ベーン48の先端が第1ピストン46に接している期間をP1とし、第1ベーン48の先端が第1ピストン46から離れている期間をP2とする。期間P2では、第1吸入空間55aから第1吐出空間55bへと作動流体が流通しうる。可変ベーン機構130は、期間P1に対する期間P2の比率(P2/P1)を調節しうるように、第1ベーン48の動きを制御する。
本実施形態では、第1ピストン46が上死点に達した時点を期間P2の始点として定めている。そのため、比率(P2/P1)に応じて、第1吐出空間55b、貫通孔43aおよび第2吸入空間56aによって形成された膨張室の閉じ込め容積が変化する。膨張室の閉じ込め容積が変化すると膨張機構3の吸入容積(体積流量)が変化するので、密度比一定の制約を回避できる。熱源温度(例えば外気温)に応じて比率(P2/P1)を調節することによって、動力回収効率を最適化できる。
本実施形態においても、期間P2=0、つまり第1ベーン48と第1ピストン46とが常に接している場合に、閉じ込め容積が最小になる。もちろん、期間P2の最小値がゼロよりも大きくてもよい。
図14Aおよび14Bに示すように、可変ベーン機構130は、オイルチャンバ142、第1オイル通路144、第2オイル通路146、第1弁148、第2弁149および圧力供給通路147を備えている。オイルチャンバ142は、第1ベーン溝42aにオイルを供給することおよび第1ベーン溝42aからオイルを受け取ることが可能となるように、第1ベーン溝42aに連通している。本実施形態では、第1ベーン溝42aの一部がオイルチャンバ142として利用されている。
本実施形態では、密閉容器1内の下側に膨張機構3が配置されており、膨張機構3の周囲がオイルで満たされている。第1オイル通路144がオイル貯まり25に直接に開口している。そのため、第1オイル通路144にオイルを送り込むためのオイルポンプが不要である。
第1オイル通路144を通じて、オイル貯まり25からオイルチャンバ142にオイルが供給されるとともに、オイルチャンバ142からオイル貯まり25へとオイルが排出される。第1弁148は、第1オイル通路144の流通抵抗(流入抵抗および流出抵抗)を増減しうるように第1オイル通路144に設けられている開度調節可能な弁である。第1オイル通路144の流通抵抗を増減することによって、オイルチャンバ142へのオイルの流入速度を調節でき、第1ベーン48の動きを制御できる。シャフト5の回転角度に応じて第1弁148の開度を調節する必要がないので、高精度な制御技術をほとんど必要とせず、信頼性も高い。
具体的に、第1弁148は、弁体151、ばね152および圧力室153を有する。弁体151およびばね152は、圧力室153に配置されている。弁体151の後端面に弾性力が加わるように、弁体151の後方にばね152が配置されている。圧力室153のばね152が配置されている部分には、弁体151の後端面に制御用流体の圧力が加えられるように圧力供給通路147が接続されている。弁体151の後端面には、制御用流体の圧力とばね152の弾性力とが加わる。圧力室153に供給された制御用流体の圧力に応じて、弁体151の位置が決定される。
弁体151の先端側において、弁体151の可動範囲が第1オイル通路144に重なっている。図14Aに示すように、弁体151が最も後退した位置を占有すると、第1オイル通路144の断面積が最大になる。図14Bに示すように、弁体151が最も前進した位置を占有すると、第1オイル通路144の断面積が最小になる。第1オイル通路144の最小の断面積は、例えば、第1オイル通路144の最大の断面積の約半分である。このように、第1弁148は流量調節弁として構成されている。
第1弁148の圧力室153に供給するべき制御用流体として、冷凍サイクル装置400Aの作動流体が用いられている。作動流体を動力源として用いることによって、圧力室153から第1オイル通路144への作動流体の多少の漏れが許容される。そのため、厳重なシールは不要である。
図12および13Aに示すように、本実施形態では、第1ベーン溝42aが軸受部材42および中板43によって閉じられている。そのため、オイルチャンバ142には、第1オイル通路144を通じてのみオイルが供給される。オイルチャンバ142からオイル貯まり25へとオイルを排出するためのオイル通路として、第2オイル通路146が設けられている。第2オイル通路146は、第1オイル通路144とは別の経路でオイルチャンバ142とオイル貯まり25とを連通している。第2オイル通路146には、第2弁149が設けられている。
第2弁149は、弁体155、ばね156および収容室157を有する。弁体155は、第2オイル通路146を閉じる位置と開放する位置とを占有可能である。収容室157にばね156が配置されている。弁体155がスムーズに動けるように、収納室157がオイル貯まり25と連通していてもよい。オイルチャンバ142からオイル貯まり25へとオイルが排出される際において、弁体155はオイルに押されて第2オイル通路146を開放する。逆に、オイル貯まり25からオイルチャンバ142へとオイルが供給される際において、弁体155がばね156から弾性力を受け、第2オイル通路146を閉じる。このように、第2オイル通路146におけるオイルの流通方向が、第2弁149によって、実質的に、オイルチャンバ142からオイル貯まり25へと向かう方向のみに制限されている。すなわち、第2弁149は方向制御弁として構成されている。「実質的…制限されている」とは、不可避的に生ずる僅かな流れまで完全に排除するものではないという趣旨である。
仮に、第2オイル通路146および第2弁149が省略されたとしても、比率(P2/P1)の調節は可能であり、可変ベーン機構130は正常に動作しうる。オイルチャンバ142からオイル貯まり25へとオイルが排出される際には、第1ピストン46によって第1ベーン48が強く押される。そのため、第1オイル通路144の流出抵抗が多少高い場合であっても、オイルの排出に支障は出ない。ただし、高い流出抵抗が原因で圧力損失が増える。また、第1弁148の弁体151が左右に揺れ動くようになり、狙い通りの閉じ込め容積を設定するのが難しくなる。
これに対し、第2オイル通路146が設けられていると、第1オイル通路144および第2オイル通路146の両方を通じてオイルチャンバ142からオイル貯まり25へのオイルの排出が行われる。特に、第2オイル通路146を通って比較的自由にオイル貯まり25にオイルが排出されるので、動力回収効率の向上を期待できる。また、第2オイル通路146に方向制御弁としての第2弁149を設けることによって、第2オイル通路146を通じてオイル貯まり25からオイルチャンバ142にオイルが供給されるのを防止できる。その結果、オイルチャンバ142へのオイルの供給速度を正確に制御できるようになり、閉じ込め容積を調節しやすくなる。
なお、オイルが自由に流通できることを条件として、第1ベーン溝42aから外れた位置にオイルチャンバが形成されていてもよい。例えば、第1ベーン溝42aの後方に連なるようにオイルチャンバが形成されていてもよい。また、第1弁148は、第1オイル通路144の端部に設けられていてもよい。第2弁149は、第2オイル通路146の端部に設けられていてもよい。
図14Aに示す動作モード(第1モード)では、圧力室153が低圧の作動流体で満たされ、第1弁148が全開となる。第1弁148が全開のとき、第1オイル通路144の流通抵抗が小さいので、オイル貯まり25からオイルチャンバ142にオイルがスムーズに供給されうる。そのため、第1ベーン48と第1ピストン46との接触を保つのに十分な荷重が第1ベーン48の後端面に継続的に加わる。第1ベーン48が第1ピストン46に追従でき、第1ベーン48と第1ピストン46との接触状態が常時保たれる。
他方、図14Bに示す動作モード(第2モード)では、圧力室153が高圧または中間圧の作動流体で満たされ、第1弁148の開度が小さくなる。具体的には、圧力室153を満たす作動流体およびばね152から弁体151が受ける力と、弁体151が第1オイル通路144のオイルから受ける力とが釣り合う位置に弁体151が移動する。すると、第1オイル通路144の断面積が第1モード(図14A)のときよりも小さくなる。第1オイル通路144の断面積が小さくなると、オイルチャンバ142へのオイルの急速な流入が妨げられる。すると、オイルチャンバ142へのオイルの流入が第1ベーン48の下降速度に追いつけず、第1ピストン46が上死点を占有した瞬間から所定期間P2が経過するまでの間において、第1ベーン48が第1ピストン46から離れる。この間、第1吸入空間55aから第1吐出空間55bに高圧の作動流体が流入し続ける。期間P2の経過後、第1ベーン48が第1ピストン46に再接触した瞬間に、第1吐出空間55b、貫通孔43aおよび第2吸入空間56aによって膨張室が形成され、作動流体が膨張し始める。
圧力室153内の圧力を変化させると、弁体151の位置が変化し、オイルチャンバ142へのオイルの流入速度が変わる。これに伴って期間P2の長さが変化する。圧力室153内の圧力が高ければ高いほど第1弁148の開度が小さくなる、言い換えれば、第1オイル通路144の断面積が小さくなるので、オイルチャンバ142にオイルが流入しにくくなる。すると、第1ベーン48が第1ピストン46に接している期間P1が次第に短くなる一方で、期間P2が次第に長くなり、膨張室の閉じ込め容積が大きくなる。このように、圧力室153内の圧力を調節することによって、閉じ込め容積を調節できる、言い換えれば、膨張機構3の吸入容積を自由に調節できる。
圧力調節回路110の配管105が可変ベーン機構130の圧力供給通路147に接続されているので、圧力室153内の圧力を圧力調節回路110の絞り弁104によって調節できる。つまり、絞り弁104の開度を調節することによって、第1弁148の開度を制御できる。絞り弁104の開度を大きくすると、圧力室153内の圧力が高まり、第1弁148の開度が小さくなる。これにより、閉じ込め容積が大きくなる。絞り弁104の開度を小さくすると、圧力室153内の圧力が低くなり、第1弁148の開度が大きくなる。これにより、閉じ込め容積が小さくなる。
第1実施形態と同様に、絞り弁104の開度を調節することによって、圧力室153内の圧力が冷凍サイクルの高圧と低圧との間で変化しうる。
次に、膨張機構3の動作原理を説明する。図15のステップA3〜D3に示すように、閉じ込め容積最小時において、膨張機構3は、図5を参照して第1実施形態で説明したのと同じ原理で動作する。
次に、図16を参照して、図15よりも閉じ込め容積が大きいときの膨張機構3の動作原理を説明する。
まず、図16のステップA4は、第1ピストン46が360°回転して、第1吸入空間55aが高圧の作動流体で満たされた状態を示している。次に、図16のステップB4に示すように、第1ピストン46が反時計回りに回転すると、第1ピストン46が第1ベーン48から離れる。第1ピストン46が上死点を占有した瞬間から、第1ベーン48の動きが可変ベーン機構130によって拘束されるためである。第1ピストン46が第1ベーン48から離れると、第1吸入空間55aから第1吐出空間55bへの流路が形成され、高圧の作動流体が第1吐出空間55aから第1吐出空間55bへと直接流れ込む。高圧の作動流体は、第1吐出空間55bと連通している第2吸入空間56aにも流れ込む。つまり、第1ピストン46が第1ベーン48から離れている期間P2において作動流体は膨張せず、吸入行程が継続する。
次に、図16のステップC4に示すように、第1ピストン46がさらに回転し、第1ピストン46が下死点付近に達すると、第1ベーン48が第1ピストン46に追いつき、第1ベーン48と第1ピストン46とが再接触する。第1ベーン48によって第1吸入空間55aと第1吐出空間55bとが分断され、第1吸入空間55aから第1吐出空間55bへの作動流体の流れが遮断される。第1ベーン48と第1ピストン46とが再接触した時点から、作動流体が膨張し始める。
図16のステップD4に示すように、第1ピストン46がさらに回転すると、第1吐出空間55bの容積が次第に減少し、作動流体が膨張しながら第2吸入空間56aに移動する。このようにして、図6のステップA4〜D4の動作を繰り返す。
図17A、17Bおよび17Cは、それぞれ、第1ベーンの先端の位置、膨張機構に吸入された作動流体の圧力、作動室の容積を示すグラフである。各図の横軸は、第1ピストン46が上死点を占有した瞬間を基準角度(=0°)と定義したときのシャフト5の回転角度を示している。
図17Aの縦軸に示された第1ベーン48の先端の位置は、シャフト5の回転軸から第1ベーン48の先端までの距離に対応している。実線は、第1モードでの第1ベーン48の先端の位置を示している。破線は、第2モードでの第1ベーン48の先端の位置を示している。第2モードでは、0°および360°(上死点)で第1ベーン48が第1ピストン46から離れ、180°および540°(下死点)よりも少し前の角度θ1およびθ2で第1ベーン48が第1ピストン46に再接触している。
図17Bも実線が第1モード、破線が第2モードにそれぞれ対応している。第1モード(実線)において、基準角度で膨張機構に吸入され始めた作動流体は、360°から720°の範囲で膨張する。他方、第2モード(破線)では、360°よりも進んだ角度θ2から720°の範囲で作動流体が膨張する。
図17Cの縦軸に示された作動室の容積は、0°から360°の範囲が第1吸入空間55aの容積に対応しており、360°から720°の範囲が第1吐出空間55bと第2吸入空間56aとの合計容積に対応している。第1モードでは、360°で吸入行程が終了し、360°から720°の範囲で膨張行程が行われる。他方、第2モードでは、360°よりも進んだ角度θ2から720°の範囲で膨張行程が行われる。第2モードにおける膨張行程開始時の第1吐出空間55bと第2吸入空間56aとの合計容積V2(閉じ込め容積)は、第1モードにおける同合計容積V1(閉じ込め容積)よりも大きい。
第1モードと第2モードとの間の吸入容積の差ΔVは、吸入行程、膨張行程および吐出行程で構成される1サイクルあたり、(V2−V1)で表される。この容積差ΔVは、期間P2の長さ(言い換えれば比率(P2/P1))に応じて増減する。期間P2の長さは、可変ベーン機構130の圧力室153内の圧力に応じて変化する。比率(P2/P1)の範囲は特に限定されないが、例えば0≦(P2/P1)≦1である。つまり、第1ピストン46が上死点を占有した瞬間のシャフト5の回転角度を0°として、期間P2が0°〜180°の範囲内にあるとよい。なお、本実施形態では、第1ピストン46が上死点を占有した瞬間が期間P2の開始時点である。
以上に説明したように、可変ベーン機構130を備えた膨張機構3によれば、膨張室の閉じ込め容積が可変である。そのため、シャフトが1回転する間に膨張機構3の吸入される作動流体の体積が変化しうる。
(第4実施形態の変形例)
図18は、第4実施形態の変形例を示す横断面図である。本変形例によると、可変ベーン機構130が、第2モードにおける第1ベーン48の下降(シャフト5の回転軸に接近する方向への移動)を補助するための加速ポート159をさらに備えている。加速ポート159の一端は、第1ベーン溝42aの長手方向に沿った所定位置において、第1ベーン溝42aに向かって開口している。加速ポート159の他端は、オイル貯まり25に向かって開口している。第1ベーン48がオイルおよび第1ばね50から受ける荷重によって第1ベーン溝42aから押し出される過程において、第1ベーン48の後端面が加速ポート159の一端の位置を通過すると、加速ポート159を通じてオイル貯まり25から第1ベーン溝42aにオイルが流れ込めるようになる。
つまり、加速ポート159によれば、第1オイル通路144(図14A参照)の断面積を小さく設定した場合であっても、第1ベーン溝42aからの第1ベーン48の突出量がある程度大きくなると、第1ベーン溝42aの後部(オイルチャンバ142)へのオイルの流入抵抗が急激に減る。すると、第1ベーン48が第1ピストン46に向かって強く押し出され、第1ピストン46に速やかに再接触する。
例えば、第1ベーン溝42aの後部(オイルチャンバ142)へのオイルの流入抵抗が非常に大きい場合には、第1ピストン46が下死点に達しても第1ベーン48が第1ピストン46から離れた状態が継続することも考えられる。簡単に言えば、期間P2が180°を超えて継続する可能がある。これに対し、加速ポート159を設けると、第1ピストン46が下死点に達する以前に第1ベーン48と第1ピストン46とを確実に再接触させることが可能となる。その結果として、十分な膨張比を確保できるので、動力回収効率の向上を期待できる。
(第5実施形態)
図19は、第1ベーンの動きを電気的な方法で制御するための可変ベーン機構が用いられた冷凍サイクル装置の構成図である。この冷凍サイクル装置400Bは、膨張機一体型圧縮機300Bを有する。膨張機一体型圧縮機300Bの膨張機構3には、外部コントローラ170に接続された可変ベーン機構130B(,130C,130Dまたは130E)が設けられている。外部コントローラ170によって可変ベーン機構130Bの動作が制御される。冷凍サイクル装置400Bによれば、図11に示す圧力供給回路110を省略できる利点がある。また、可変ベーン機構130Bは、第1ベーン48の動きを電気的な方法で制御するものであるから、閉じ込め容積の最適化が容易になる。
第1ベーン48の動きを電気的な方法で制御するための可変ベーン機構130B〜130Eについて以下に説明する。なお、本実施形態では、第1ベーン溝42aの後部(第1ばね50が配置されている部分)がオイル貯まり25に開口しており、この第1ベーン溝42aの後部にオイル貯まり25からオイルが自由に流れ込める。
図20に示す可変ベーン機構130Bは、コイル174および鉄心172を有する電磁石によって構成されている。コイル174は、第1ベーン48に電磁気力を及ぼすことによって第1ベーン48が第1ピストン46に追従して動くのを妨げる。すなわち、コイル174を励磁すると、鉄心172が磁石として働いて第1ベーン48を引き付ける。これにより、第1ベーン48が第1ピストン46に追従して動くのを妨げることができる。第1ベーン48は、典型的には、鋳鉄や炭素鋼などの磁石に引き付けられる鉄系金属でできているため、電磁石によって第1ベーン48を拘束できる。
コイル174は、第1ベーン溝42aの後方に配置されている。鉄心172はコイル174を貫通しており、その先端部が第1ベーン溝42a内に突出している。第1ベーン48が第1ベーン溝42aに最も押し込まれたときに第1ベーン48が鉄心172に接触するように、第1ベーン溝42aの長手方向に関する鉄心172の長さが定められている。コイル172を励磁するタイミングを外部コントローラ170(図19参照)によって制御できる。第1ピストン46が上死点に達する直前にコイル172への給電を開始する。給電開始タイミングおよび給電終了タイミングを制御することによって、第1ベーン48が第1ピストン46から離れている期間P2の長さ、言い換えれば、膨張機構3の閉じ込め容積を調節できる。
図21に示す可変ベーン機構130Cは、第1ベーン48の周囲に配置されたコイル176によって構成されている。コイル176を励磁すると、第1ベーン48には、コイル176内に引き込まれる方向の力が作用する。つまり、第1ベーン48自身がソレノイドのプランジャとして振舞っている。図20に示す例と同様に、外部コントローラ170によってコイル176を励磁するタイミングを制御でき、これにより、膨張機構3の閉じ込め容積を調節できる。コイル176が第1ベーン48の周囲に配置されているので、スペースが不足する問題も生じにくい。
なお、第4実施形態では、第1ベーン48の動きが上死点付近で鈍くなるだけであるが、図20および21に示す例では、上死点付近で第1ベーン48をロック(一時停止)しうる。第1ベーン48を瞬間的にロックすると、流入断面積(第1ピストン46と第1ベーン48との隙間の広さ)が大きくなるので、圧力損失を低減できる。
図22に示す可変ベーン機構130Dは、第1ベーン溝42aと第1ベーン48との間の摺動摩擦が増えるように第1ベーン48に荷重をかけるための電動アクチュエータによって構成されている。具体的には、コイル181およびプランジャ185を有するソレノイドによって可変ベーン機構130Dが構成されている。
第1シリンダ42には、第1ベーン溝42aの長手方向に略直角に延びるように、溝183が形成されている。この溝183にプランジャ185が配置されている。プランジャ185を取り囲むようにコイル181が配置されている。プランジャ185の先端は、第1ベーン48の側面に対向している。プランジャ185が第1ベーン48に干渉しない位置に退避している状態では、第1ベーン48の動きが可変ベーン機構130Dによって妨げられることはない(第1モード)。他方、プランジャ185が溝183から押し出されるようにコイル181を励磁すると、プランジャ185の先端が第1ベーン48に直角に当たる。これにより、第1ベーン溝42aの内壁に向かう方向の荷重が第1ベーン48の側面に加わり、第1ベーン48が第1ベーン溝42aの長手方向に沿って動きにくくなる。
図23に示す可変ベーン機構130Eは、第1ベーン48に横から荷重をかけるための電動アクチュエータによって構成されている点で図22を参照して説明した可変ベーン機構130Dと共通である。具体的に、可変ベーン機構130Eは、圧電素子186およびその圧電素子186に結び付けられたプランジャ184を有する圧電アクチュエータによって構成されている。
第1シリンダ42には、長手方向に関する第1ベーン溝42aの中間部分に連通するように、溝182が形成されている。プランジャ184の先端が第1ベーン48に対向するように、溝182にプランジャ184および圧電素子186が配置されている。プランジャ184の後端は、圧電素子186に固定されている。圧電素子186の変位がプランジャ184に伝わるように圧電素子186とプランジャ184とが組み合わされている。コイルが圧電素子に代わった点を除き、プランジャ184の作用は図22を参照して説明した通りである。
図22および23に示す例では、可変ベーン機構130D,130Eが第1シリンダ42に内蔵されている。ただし、可変ベーン機構130D,130Eは軸受部材41または中板43に内蔵されていてもよいし、軸受部材41、第1シリンダ42および中板43にまたがって設けられていてもよい。
図20〜23に示す各可変ベーン機構には、適切なタイミングで電流が供給される。具体的には、シャフト5の回転角度に基づいて、コイルまたは圧電素子への給電が制御される。シャフト5の回転角度を検出するために、図24に示すように、シャフト5とともに回転する回転子191と、回転子191の通過を検出しうる位置センサ193とが設けられていてもよい。例えば、シャフト5の偏心部5cの偏心方向と180°反対側に(または偏心方向に一致するように)回転子191を配置する。さらに、第1ピストン46の下死点に対応する位置に位置センサ193を配置する。
上記のような構成によれば、図25に示すように、第1ピストン46が上死点(または下死点)に達したときに、位置センサ193から外部コントローラ170に対してセンサ信号が送られる。外部コントローラ170は、位置センサ193からセンサ信号を取得することに応じて、コイルまたは圧電素子への給電を正確に行える。給電は、第1ピストン46が上死点(=0°)に達するのに若干先立って行ってもよい。そのようにすれば、第1ベーン48の動きを確実に止める、または鈍らせることができる。所望の閉じ込め容積が得られるように、給電期間Δθを制御すればよい。
なお、シャフト5の回転角度(基準位置)を検出するためのセンサは、膨張機構3以外の場所、例えば、圧縮機構2に設けられていてもよい。
(第6実施形態)
本発明は、単体の2段ロータリ膨張機にも適用できる。図26は、そのような2段ロータリ膨張機を用いた動力回収式の冷凍サイクル装置400Cを示している。冷凍サイクル装置400Cは、圧縮機123、放熱器101、膨張機120および蒸発器102を備えている。膨張機120として、先に説明した各膨張機一体型圧縮機から圧縮機構2を省略した構成を有する2段ロータリ膨張機を用いることができる。作動流体の膨張エネルギーは、膨張機120の発電機121によって電気エネルギーに変換され、得られた電気エネルギーが圧縮機123のモータ124に供給される。
圧縮機123の回転数はモータ124によって制御でき、膨張機120の回転数は発電機121によって制御できる。そのため、この冷凍サイクル装置400Cには、密度比一定の制約が本質的に存在しない。ただし、可変ベーン機構を備えた2段ロータリ膨張機を採用することによって、以下の効果が得られる。
図27に、一般的な発電機の効率曲線を示す。発電機は、所定の定格回転数Nr(例えば60Hz)で発電効率が最も高くなるように設計されている。そのため、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。つまり、発電機の回転数は、インバータで制御可能であったとしても、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、冷凍サイクル装置では、作動流体の循環量や密度が変化するため、従来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。これに対し、可変ベーン機構を備えた2段ロータリ膨張機を用いれば、定格回転数Nrを維持しつつ密度比を変化させることができるため、より高効率な動力回収を望める。
本発明は、空調機や給湯機に用いられる冷凍サイクル装置に好適に採用できる。ただし、本発明の適用対象はこれに限定されず、ランキンサイクル装置等の他の装置に広く適用できる。