JPWO2011135779A1 - 流体機械および冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

流体機械（８Ａ）は、膨張機吸入孔（４ａ）および膨張機吐出孔（４ｂ）を有する膨張機（４）、圧縮機吸入孔（６ａ）および圧縮機吐出孔（６ｂ）を有する圧縮機（６）、ならびに膨張機（４）と圧縮機（６）とを連結するシャフト（８１）を備えている。膨張機吸入孔（４ａ）および圧縮機吸入孔（４ａ）は、シャフト（８１）の回転に伴って開閉される。圧縮機吸入孔（６ａ）が閉じられる期間は、膨張機吸入孔（４ａ）が開かれた状態にあり、膨張機吸入孔（４ａ）が閉じられる期間は、圧縮機吸入孔（６ａ）が開かれた状態にあるとともに圧縮機吐出孔（６ｂ）と連通しない状態に維持される。

Description

本発明は、給湯機または空調機等に用いられる流体機械、およびこの流体機械を用いた冷凍サイクル装置に関する。

従来、膨張機と圧縮機とがシャフトにより連結され、膨張機で膨張する作動流体から回収した動力によって圧縮機を駆動するようにした流体機械が知られている。例えば、特許文献１には、図１２に示すような流体機械１００が開示されている。

図１２に示すように、流体機械１００では、膨張機１１０と圧縮機１２０とがシャフト１０１により連結されている。膨張機１１０および圧縮機１２０は共にロータリ型であり、シャフト１０１は、膨張機１１０用の第１偏心部１０２と、圧縮機１２０用の第２偏心部１０３とを有している。

膨張機１１０は、図１３に示すように、シャフト１０１の第１偏心部１０２と嵌合する膨張機ピストン１１２と、膨張機ピストン１１２を収容する膨張機シリンダ１１１とを有している。そして、膨張機シリンダ１１１の内周面と膨張機ピストン１１２の外周面との間には三日月状の膨張機作動室１１３が形成されている。膨張機作動室１１３は、膨張機仕切り部材１１４により、吸入側と吐出側とに仕切られている。膨張機仕切り部材１１４は、膨張機ピストン１１２と一体になっており、膨張機シリンダ１１１には、膨張機仕切り部材１１４を往復自在に支持する円柱状のシュー１１７が回転可能に設けられている。すなわち、膨張機ピストン１１２は、シュー１１７の中心を支点として該支点からの距離を変化させながら揺動する。

膨張機シリンダ１１１には、膨張機作動室１１３に作動流体を導入する吸入孔１１０ａと膨張機作動室１１３から作動流体を排出する吐出孔１１０ｂとが設けられている。吸入孔１１０ａは、シュー１１７に形成された連通孔１１５および膨張機仕切り部材１１３に形成された連通溝１１６を介して膨張機作動室１１３と所定のタイミングで連通する。すなわち、シュー１１７および膨張機仕切り部材１１３は、シャフト１０１の回転に伴って吸入孔１１０ａを開閉する吸入制御機構を構成する。吸入孔１１０ａが開かれる（膨張機作動室１１３と連通する）タイミングは、膨張機ピストン１１２が膨張機仕切り部材１１４を最も後退させる上死点にあるときから約１４０°回転するまでである。

圧縮機１２０は、図１４に示すように、ころ軸受で構成された、シャフト１０１の第２偏心部１０３と嵌合する圧縮機ピストン１２２と、圧縮機ピストン１２２を収容する圧縮機シリンダ１２１とを有している。そして、圧縮機シリンダ１２１の内周面と圧縮機ピストン１２２の外周面との間には三日月状の圧縮機作動室１２３が形成されている。圧縮機作動室１２３は、圧縮機仕切り部材１２４により、吸入側と吐出側とに仕切られている。圧縮機仕切り部材１１４は、スプリングにより圧縮機ピストン１２２に押圧されている。

圧縮機シリンダ１２１には、圧縮機作動室１２３に作動流体を導入する吸入孔１２０ａが設けられており、圧縮機シリンダ１２１および圧縮機ピストン１２２に隣接する閉塞部材には、圧縮機作動室１１３から作動流体を排出する吐出孔１２０ｂが設けられている。吸入孔１２０ａは、圧縮機シリンダ１２１の内周面に開口しており、圧縮機ピストン１２２における圧縮機シリンダ１２１の内周面上を摺動する摺動点が吸入孔１２０ａ上に位置している間だけ圧縮機ピストン１２２によって閉じられる。

また、特許文献１には、上述した流体機械１００を用いて構築された図１５に示す冷凍サイクル装置２００が開示されている。この冷凍サイクル装置２００は、主圧縮機２１０に吸入される作動流体を流体機械１００の圧縮機１２０で予備的に昇圧するものであり、主圧縮機２１０、放熱器２２０、膨張機１１０、蒸発器２３０および圧縮機１２０が流路によりこの順に接続されて作動流体回路が構成されている。

特開２００４−３２４５９５号公報

流体機械１００は、モータなどの駆動手段を備えておらず、図１５に示すような冷凍サイクル装置２００における作動流体の圧力により自立起動することが想定されている。すなわち、主圧縮機２１０を起動させることにより、高圧の作動流体を膨張機１１０の膨張機作動室１１３の吸入側に流入させる。これにより、膨張機作動室１１３の吸入側と吐出側との間で差圧が生じ、この差圧によりシャフト１０１にトルクが与えられて流体機械１００が起動する。

しかしながら、流体機械１００が、膨張機１１０の吸入孔１１０ａが閉じられている状態で停止している場合には、高圧の作動流体が膨張機作動室１１３に流入できず、シャフト１０１を回転させるトルクが発生しない。

これに対し、本発明の発明者らは、本発明に先立って、起動時に主圧縮機から吐出される高圧の作動流体を流体機械の圧縮機にも導き、圧縮機においてもシャフトにトルクを与えることを考え出した。すなわち、主圧縮機と放熱器または放熱器と膨張機の間の高圧流路と、蒸発器と圧縮機の間の低圧流路とを連絡するバイパス路を設け、起動時に圧縮機の圧縮機作動室の吸入側にも高圧の作動流体を流入させることで圧縮機作動室の吸入側と吐出側との間でも差圧を生じさせる。これにより、圧縮機においてもシャフトにトルクを与えることができる。

しかしながら、特許文献１に開示された流体機械１００に上記の技術を適用しても、依然としてシャフト１０１を回転させるトルクが発生しないことがある。その理由は、次のとおりである。

特許文献１に開示された流体機械１００では、膨張機仕切り部材１１４の位置と圧縮機仕切り部材１２４の位置とがシャフト１０１の軸方向で一致しており、第１偏心部１０２の偏心方向と第２偏心部１０３の偏心方向とが１８０°ずれている。また、圧縮機１２０では、圧縮機ピストン１２１の摺動点が吐出孔１２０ｂを通過し、吸入孔１２０ａに差し掛かるまでは、圧縮機作動室１２３を介して吸入孔１２０ａが吐出孔１２０ｂと連通する。

それ故に、膨張機ピストン１１２が上死点にあるときのシャフト１０１の回転角度を０°とすると、膨張機１１０では、シャフト１０１の回転角度が０°から約１４０°までは膨張機作動室１１３の吸入側に作動流体が流入可能である。一方、圧縮機１２０では、シャフト１０１の回転角度が約１９０°から約２００°までは圧縮機１２０の吸入孔１２０ａが圧縮機ピストン１２２で閉じられるが、それ以外は圧縮機作動室１２３の吸入側に作動流体が流入可能である。

しかしながら、シャフト１０１の回転角度が約１９０°から約２００°までは膨張機吸入孔１１０ａおよび圧縮機吸入孔１２０ａの双方が閉じられ、膨張機１１０と圧縮機１２０のどちらでもシャフト１１０を回転させるトルクを発生させることができない。また、シャフト１０１の回転角度が、圧縮機ピストン１２１の摺動点が吐出孔１２０ｂを通過する約１８０°から、吸入孔１２０ａに差し掛かる約１９０°までは、上述したように吸入孔１２０ａが圧縮機作動室１２３を介して吐出孔１２０ｂに連通し、吸入孔１２０ａから圧縮機作動室１２３に流入した作動流体が吐出孔１２０ｂから排出されてしまう。しかも、このときは、膨張機１１０の吸入孔１１０ａも閉じられている。従って、シャフトの回転角度が約１８０°と約２００°の間にある状態で流体機械１００が停止しているときには、作動流体の圧力によってシャフト１０１を回転させるトルクを発生させることができず、流体機械１００を自立起動させることができない。

本発明は、このような事情に鑑み、どのような状態で停止していても作動流体の圧力により自立起動をすることができる流体機械、およびこの流体機械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。

前記課題を解決するために、本発明は、膨張機吸入孔から吸入した作動流体を膨張させて膨張機吐出孔から吐出することにより、作動流体から動力を回収する膨張機と、圧縮機吸入孔から吸入した作動流体を昇圧して圧縮機吐出孔から吐出する圧縮機と、前記膨張機で回収された動力によって前記圧縮機が駆動されるように、前記膨張機と前記圧縮機とを連結するシャフトと、を備え、前記膨張機吸入孔および前記圧縮機吸入孔は、前記シャフトの回転に伴って開閉され、前記圧縮機吸入孔が閉じられる期間は、前記膨張機吸入孔が開かれた状態にあり、前記膨張機吸入孔が閉じられる期間は、前記圧縮機吸入孔が開かれた状態にあるとともに前記圧縮機吐出孔と連通しない状態に維持される、流体機械を提供する。

また、本発明は、上記の流体機械を用いた冷凍サイクル装置であって、作動流体を圧縮する主圧縮機、圧縮された作動流体を放熱させる放熱器、前記放熱器から流出した作動流体を膨張させる前記膨張機、膨張した作動流体を蒸発させる蒸発器、および前記蒸発器から流出した作動流体を昇圧して前記主圧縮機に供給する前記圧縮機を含む、作動流体を循環させる作動流体回路と、前記作動流体回路における、前記主圧縮機と前記放熱器の間の部分または前記放熱器と前記膨張機の間の部分と、前記蒸発器と前記圧縮機との間の部分と、を連絡するバイパス路と、を備える、冷凍サイクル装置を提供する。

上記の構成によれば、膨張機作動室の吸入側と圧縮機作動室の吸入側のどちらか一方または双方に常に作動流体が流入可能であり、かつ圧縮機作動室では流入した作動流体が圧縮機吐出孔から排出されることが防止されるので、流体機械がどのような状態で停止していても作動流体の圧力により自立起動することができる。

本発明の第１実施形態に係る流体機械を用いた冷凍サイクル装置の構成図 本発明の第１実施形態に係る流体機械の縦断面図 図２のIII−III線断面図 図２のIV−IV線断面図 図２のV−V線断面図 図６Ａ〜６Ｃは、本発明の第１実施形態に係る流体機械の動作原理図 図７Ａ〜７Ｃは、本発明の第１実施形態に係る流体機械の動作原理図 本発明の第２実施形態に係る流体機械の縦断面図 図８のIX−IX線断面図 図１０Ａ〜１０Ｃは、本発明の第２実施形態に係る流体機械の動作原理図 図１１Ａ〜１１Ｃは、本発明の第２実施形態に係る流体機械の動作原理図 従来の流体機械の縦断面図 図１２のＡ−Ａ線断面図 図１２のＢ−Ｂ線断面図 図１２の流体機械を用いた冷凍サイクルの構成図

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

（第１実施形態）
＜冷凍サイクル装置の構成＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る流体機械８Ａを用いた冷凍サイクル装置１の構成図である。この冷凍サイクル装置１は、作動流体（冷媒）を循環させる作動流体回路７を備えている。作動流体回路７は、主圧縮機２、放熱器３、膨張機４、蒸発器５、および副圧縮機としての圧縮機６を含み、これら２〜６が第１〜第５流路（配管）７ａ〜７ｅによってこの順に接続されて構成されている。作動流体としては、例えば、二酸化炭素や代替フロンを用いることができる。

主圧縮機２は、潤滑油を貯溜した１つの密閉容器２ｃ内に、圧縮機構部２ａと圧縮機構部２ａを駆動するモータ２ｂとを有しており、作動流体を高温高圧に圧縮する。主圧縮機２としては、例えば、スクロール式圧縮機やロータリ式圧縮機を用いることができる。主圧縮機２の吐出口は、第１流路７ａを介して放熱器３の入口と接続されている。

放熱器３は、主圧縮機２で圧縮された高温高圧の作動流体を放熱させて冷却する。放熱器３の出口は、第２流路７ｂを介して膨張機４の吸入口と接続されている。

膨張機４は、放熱器３から流出した中温高圧の作動流体を膨張させ、作動流体の膨張エネルギーを機械エネルギーに変換し、これにより作動流体から動力を回収する。本実施形態では、膨張機４がロータリ式膨張機で構成されている（詳細は後述する）。膨張機４の吐出口は、第３流路７ｃを介して蒸発器５の入口と接続されている。

蒸発器５は、膨張機４で膨張した低温低圧の作動流体を加熱して蒸発させる。蒸発器５の出口は、第４流路７ｄを介して圧縮機６の吸入口と接続されている。

圧縮機６は、蒸発器５から流出した中温低圧の作動流体を予備的に昇圧して主圧縮機２に供給する。本実施形態では、圧縮機６がロータリ式圧縮機で構成されている（詳細は後述する）。圧縮機６の吐出口は、第５流路７ｅを介して主圧縮機２の吸入口と接続されている。

膨張機４および圧縮機６は、シャフト８１によって互いに連結された状態で潤滑油を貯溜した１つの密閉容器８０内に配置されており、流体機械８Ａを構成する。すなわち、膨張機４で回収した動力はシャフト８１を介して圧縮機６に伝えられ、これにより圧縮機６が駆動される。

さらに、図１に示す冷凍サイクル装置１は、蒸発器５および圧縮機６を迂回するように作動流体回路７に両端が接続された第１バイパス路９１と、膨張機４および蒸発器５を迂回するように作動流体回路７に両端が接続された第２バイパス路（本発明のバイパス路に相当）９３とを備えている。第１バイパス路９１には、第１バイパス路９１における作動流体の流通を制御する第１バイパス弁９２が設けられており、第２バイパス路９３には、第２バイパス路９３における作動流体の流通を制御する第２バイパス弁９４が設けられている。

第１バイパス路９１は、膨張機４の吐出口から蒸発器５の入口へ作動流体を導く第３流路７ｃと、圧縮機６の吐出口から主圧縮機２の吸入口へ作動流体を導く第５流路７ｅとを連絡している。すなわち、第１バイパス路９１は、膨張機４から吐出された作動流体を、蒸発器５および圧縮機６を迂回して、主圧縮機２に直接吸入させることができる流路である。本実施形態では、第１バイパス弁９２として逆止弁が用いられている。ただし、第１バイパス弁９２はこれに限られることはなく、開閉弁あるいは三方弁を用いてもよい。

第１バイパス弁９２は、第１バイパス路９１における第１バイパス弁９２よりも下流側（出口側）の作動流体の圧力が上流側（入口側）の作動流体の圧力よりも低いときに作動流体が第１バイパス路９１を流通可能にし、その逆のときは作動流体が第１バイパス路９１を流通不能にする。すなわち、圧縮機６の吐出口と主圧縮機２の吸入口との間の第５流路７ｅ内の作動流体の圧力が、膨張機４の吐出口と圧縮機６の吸入口との間の流路（第３流路７ｃ、蒸発器５、第４流路７ｄ）内の作動流体の圧力よりも低いときに、作動流体が第３流路７ｃから第１バイパス路９１を経由して第５流路７ｅに流れ込む。

第２バイパス路９３は、放熱器３の出口から膨張機４の吸入口へ作動流体を導く第２流路７ｂと、蒸発器５の出口から圧縮機６の吸入口へ作動流体を導く第４流路７ｄとを連絡している。すなわち、第２バイパス路９３は、放熱器３から流出した高圧の作動流体を、膨張機４および蒸発器５を迂回して、圧縮機６に直接吸入させることができる流路である。本実施形態では、第２バイパス弁９４として開閉弁が用いられている。ただし、第２バイパス弁９４はこれに限られることはなく、三方弁を用いてもよい。また、第２バイパス路９２は、高圧の作動流体を圧縮機６に直接吸入させることができる流路であればよく、主圧縮機２の吐出口から放熱器３の入口へ作動流体を導く第１流路７ａと第４流路７ｄとを連絡していてもよい。

第２バイパス弁９４は、起動制御中に開放され、これにより、放熱器３から流出した高圧の作動流体は、第２流路７ｂから第２バイパス路９３を経由して第４流路７ｄに流れ込む。

また、図１に示す冷凍サイクル装置１では、第４流路７ｄにおける蒸発器５の出口と第２バイパス路９３の下流端がつながる位置との間に、第４流路７ｄにおける作動流体の流通を制御する圧縮機上流弁７１が設けられている。本実施形態では、圧縮機上流弁７１として開閉弁が用いられている。圧縮機上流弁７１は、起動制御中に閉鎖されることで、蒸発器５から圧縮機６へ作動流体が流れること、および第２バイパス路９３を通じて第４流路７ｄ内に流れ込んだ作動流体が蒸発器５へ流れることを防止する。

第２バイパス弁９４および圧縮機上流弁７１は、図略の制御装置により制御される。また、図示は省略するが、冷凍サイクル装置１には、圧縮機６が起動したことを検出するための起動検出手段が設けられており、圧縮機６が起動したときには起動検出手段から制御装置に検出信号が送信される。このような起動検出手段としては、例えば膨張機４の吐出側の第３流路７ｃに熱電対を設け、第３流路７ｃ内の作動流体温度を測定する方法などを用いることができる。

＜冷凍サイクル装置の動作＞
冷凍サイクル装置１は、まず起動制御を行ってから、定常運転を開始する。冷凍サイクル装置１では、運転待機状態の時（停止時）、作動流体回路７内の作動流体の圧力は略均一である。

起動制御では、まず、第２バイパス弁９４が開放され、圧縮機上流弁７１が閉鎖される。これにより、第２バイパス路９３は開通し、第４流路７ｄは蒸発器５の出口と第２バイパス路９３の下流端との間で閉鎖される。続いて、主圧縮機２が起動され、主圧縮機２に、第５流路７ｅ内の作動流体、および第１バイパス弁９２よりも下流側の第１バイパス路９１内の作動流体が吸入される。

主圧縮機２への作動流体の吸入が開始されると、第５流路７ｅ内の作動流体、および第１バイパス弁９２よりも下流側の第１バイパス路９１内の作動流体の圧力が低下する。これにより、逆止弁である第１バイパス弁９２が開放され、第１バイパス路９１には、膨張機４の吐出口から圧縮機上流弁７１までの流路（第３流路７ｃ、蒸発器５、第４流路７ｄの一部）内の作動流体が流入する。すなわち、膨張機４の吐出口から圧縮機上流弁７１までの流路内の作動流体は、第１バイパス路９内の作動流体および第５流路７ｅ内の作動流体とともに主圧縮機２に吸入されて圧縮され、第１流路７ａに吐出される。その結果、第１バイパス弁９２よりも上流側の第１バイパス路９１内の作動流体、および膨張機４の吐出口から圧縮機上流弁７１までの流路内の作動流体の圧力も低下する。

一方、主圧縮機２に吸入された作動流体が圧縮されて吐出されることで、主圧縮機２の吐出口から膨張機４の吸入口までの流路（第１流路７ａ、放熱器３、第２流路７ｂ）内の作動流体の圧力が上昇する。また、起動制御時には、第２バイパス弁９４が開放、かつ、圧縮機上流弁７１が閉鎖されるので、主圧縮機２の吐出口から膨張機４の吸入口までの流路内の作動流体が、第２バイパス路９３を通じて、第４流路７ｄにおける圧縮機上流弁７１と圧縮機６の吸入口との間の部分にも流入する。これにより、圧縮機上流弁７１から圧縮機６の吸入口までの流路（第４流路７ｄの一部）内の作動流体の圧力が上昇する。

したがって、膨張機４の吸入口側流路（第２流路７ｂ）内の作動流体（高圧）と吐出口側流路（第３流路７ｃ）内の作動流体（低圧）との間、および、圧縮機６の吸入口側流路（第４流路７ｄの一部）内の作動流体（高圧）と吐出口側流路（第５流路７ｅ）内の作動流体（低圧）との間には、それぞれ高低圧力差が生じる。この作動流体の高低圧力差が、膨張機４および圧縮機６にそれぞれ作用して、流体機械８Ａを容易に自立起動させることができる。

圧縮機６が起動したことが上述した起動検出手段により検出されると、第２バイパス弁９４が閉鎖され、圧縮機上流弁７１が開放される。これにより、第２バイパス路９３が閉鎖され、第４流路７ｄが開通する。そして、冷凍サイクル装置１は、起動制御を終了し、作動流体回路７に作動流体を循環させる定常運転に移行する。

定常運転時は、第４流路７ｄ内の作動流体、および第２バイパス弁９４よりも下流側の第２バイパス路９３内の作動流体が圧縮機６に吸入されて昇圧され、第５流路７ｅに吐出される。これにより、第５流路７ｅ内の作動流体の圧力と、第１バイパス弁９２よりも下流側の第１バイパス路９１内の作動流体の圧力とが、膨張機４の吐出口から圧縮機６の吸入口までの流路（第３流路７ｃ、蒸発器５、第４流路７ｄ）内の作動流体の圧力と、第１バイパス弁９２よりも上流側の第１バイパス路９１内の作動流体の圧力よりも高くなり、逆止弁である第１バイパス弁９２が閉鎖される。定常運転中は、第５流路７ｅ内の作動流体、および第１バイパス弁９２よりも下流側の第１バイパス路９１内の作動流体の圧力は、上記と同様に高圧となるため、第１バイパス弁９２は閉鎖状態を維持する。これにより、定常運転中の作動流体は、作動流体回路７を循環する。

＜流体機械の構成＞
次に、流体機械８Ａの構成を詳細に説明する。図２は、流体機械８Ａの縦断面図である。また、図３〜５は、図２のIII−III線〜V−V線に対応する流体機械８Ａの横断面図である。なお、図３〜５では、密閉容器８０を省略している。

流体機械８Ａは、上述したように、膨張機４で回収された動力によって圧縮機６が駆動されるように膨張機４と圧縮機６とがシャフト８１で連結された動力回収システムである。本実施形態では、シャフト８１が鉛直方向に延びていて、膨張機４が密閉容器８０内の下部に配置され、圧縮機６が密閉容器８０内の上部に配置されている。ただし、膨張機４と圧縮機６の位置関係は上下逆になっていてもよいし、シャフト８１が横方向に延びていて、膨張機４と圧縮機６とが横方向に並んでいてもよい。また、密閉容器８０内には、潤滑油が圧縮機６の上方に油面が位置する程度に充填されている。

１）シャフト
シャフト８１は、該シャフト８１の軸心から離れた位置に中心軸を持つ偏心部として、膨張機４用の第１偏心部８１ｂと、圧縮機６用の第２偏心部８１ｃとを有している。シャフト８１には、シャフト８１を軸方向に貫通するとともに第１偏心部８１ｂの外周面および第２偏心部８１ｃの外周面などに開口する給油路８１ａが形成されている。この給油路８１ａを経由して、密閉容器８０内の潤滑油が、膨張機４や圧縮機６の摺動部等に供給される。

２）膨張機
上述したように、本実施形態では、膨張機４がロータリ式膨張機で構成されている。ただし、膨張機４は、ロータリ式膨張機に限定されるわけではなく、スクロール式膨張機や他の形式の膨張機で構成されていてもよい。膨張機４は、膨張機吸入孔４ａから吸入した作動流体を膨張させて膨張機吐出孔４ｂから吐出することにより、作動流体から動力を回収する。

具体的に、膨張機４は、図４に示すように、シャフト８１の第１偏心部８１ｂと嵌合する膨張機ピストン４２と、膨張機ピストン４２を収容する膨張機シリンダ４１とを有している。膨張機シリンダ４１は、中心軸がシャフト８１の軸心と一致する円筒面を形成する内周面を有しており、膨張機ピストン４２は、シャフト８１の回転に伴って膨張機シリンダ４１の内周面に沿って偏心回転運動する。すなわち、膨張機シリンダ４１の内周面と膨張機ピストン４２の外周面との間には三日月状の膨張機作動室４３が形成されている。

膨張機作動室４３は、膨張機仕切り部材４４により、吸入側４３ａと吐出側４３ｂとに仕切られている。吸入側４３ａの膨張機仕切り部材４４と隣接する部分には膨張機吸入孔４ａが開口しており、吐出側４３ｂの膨張機仕切り部材４４と隣接する部分には膨張機吐出孔４ｂが開口している。

膨張機仕切り部材４４は、板状をなしており、膨張機シリンダ４１に設けられた溝４１ａに往復自在に挿入されている。溝４１ａは、シャフト８１の軸心を通る直線上で膨張機作動室４３に開口している。溝４１ａの底部と膨張機仕切り部材４４との間には、膨張機仕切り部材４４を膨張機ピストン４２の外周面に押圧する付勢手段４５が配置されている。

付勢手段４５は、例えば、圧縮コイルばねによって構成することができる。また、付勢手段４５は、膨張機仕切部材４４の後端と溝４１ａの底部との間の背面空間を密閉空間とした所謂ガスばね等であってもよい。勿論、付勢手段４５を、圧縮コイルばねやガスばね等の複数種類のばねにより構成してもよい。なお、膨張機ピストン４２と膨張機仕切部材４４とが一体とされていて、付勢手段４５を有しない構成でも構わない。

また、膨張機４は、図２に示すように、膨張機作動室４３を圧縮機６側から閉塞する第１閉塞部材（内側閉塞部材）４９と、膨張機作動室４３を圧縮機６と反対側から閉塞する第２閉塞部材（外側閉塞部材）４６と、第２閉塞部材４６の下方に配置された軸受部材４７とを有している。

軸受部材４７は、密閉容器８０の内周面に固定されており、シャフト８１の下部を回転可能に支持する。第２閉塞部材４６、膨張機シリンダ４１および第１閉塞部材４９は、軸受部材４７の上にこの順に積層されている。そして、軸受部材４７に、密閉容器８０を貫通する吸入管８２および吐出管８３が接続されている。

第１閉塞部材４９および第２閉塞部材４６は、共にシャフト８１の軸方向に扁平な円盤状をなしており、その中心をシャフト８１が貫通している。本実施形態では、第２閉塞部材４６に膨張機吸入孔４ａが設けられ、第１閉塞部材４９および膨張機シリンダ４１に膨張機吐出孔４ｂが設けられている。

第２閉塞部材４６の下面には、中心がシャフト８１の軸心と一致する円形状の凹部４６ａが設けられており、膨張機吸入孔４ａは、第２閉塞部材４６の上面から凹部４６ａの底面へまっすぐに延びるように第２閉塞部材４６をシャフト８１の軸方向に貫通している。膨張機吸入孔４ａは、凹部４６ａ内の吸入空間、および軸受部材４７に形成された吸入路４７ａを介して吸入管８２と連通している。すなわち、図１に示す第２流路７ｂからの高圧の作動流体は、吸入管８２、吸入路４７ａおよび凹部４６ａ内の吸入空間を介して、膨張機吸入孔４ａから膨張機作動室４３の吸入側４３ａに導かれる。

一方、膨張機吐出孔４ｂは、図４に示すように、膨張機シリンダ４１の内周面に形成された径方向外側に窪む縦溝４１ｂと、第１閉塞部材４９の下面に、縦溝４１ｂと対応する位置から径方向外側に延びるように形成された横溝４９ａとで構成されている。膨張機吐出孔４ｂの外側端は、膨張機シリンダ４１、第２閉塞部材４６および軸受部材４７に跨って延びるように形成された吐出路４ｃを介して吐出管８３と連通している。すなわち、膨張機作動室４３の吐出側４３ｂ内の作動流体は、膨張機吐出孔４ｂ、吐出路４ｃおよび吐出管８３を介して図１に示す第３流路７ｃへ吐出される。

さらに、凹部４６ａ内には、シャフト８１の回転に伴って膨張機吸入孔４ａを開閉する吸入制御機構として、回転板４８が配置されている。この回転板４８は、凹部４６ａの底面に接しながら回転するようにシャフト８１に取り付けられている。

図４に示すように、膨張機吸入孔４ａは、膨張機仕切部材４４の近傍から膨張機シリンダ４１の内周面に沿って円弧状に延びている。回転板４８は、図３に示すように、膨張機吸入孔４ａを遮蔽する大径部４８ａと、膨張機吸入孔４ａを露出させる小径部４８ｂとを有している。

本実施形態では、大径部４８ａおよび小径部４８ｂの角度範囲および位置により、膨張機ピストン４１が上死点から約１４０°回転する間は膨張機吸入孔４ａが部分的にまたは完全に露出し、その他の期間は膨張機吸入孔４ａが大径部４８ａで完全に遮蔽されるように設定されている。ここで、上死点とは、膨張機ピストン４２における膨張機シリンダ４１の内周面上を摺動する摺動点が膨張機仕切り部材４４と一致する位置をいう。

なお、膨張機４の構成は、上下反転可能である。すなわち、第１閉塞部材４９が外側閉塞部材となり、第２閉塞部材４６が内側閉塞部材となるように、第１閉塞部材４９、膨張機シリンダ４１、第２閉塞部材４６、回転板４８および軸受部材４７を下から上にこの順に配置してもよい。この場合、軸受部材４７にはシャフト８１を遊嵌させ、第１閉塞部材４９にシャフト８１の下部を回転可能に支持する機能を持たせてもよい。

３）圧縮機
上述したように、本実施形態では、圧縮機６がロータリ式圧縮機で構成されている。圧縮機６は、圧縮機吸入孔６ａから吸入した作動流体を昇圧して圧縮機吐出孔６ｂから吐出する。

具体的に、圧縮機６は、図５に示すように、シャフト８１の第２偏心部８１ｃと嵌合する圧縮機ピストン６２と、圧縮機ピストン６２を収容する圧縮機シリンダ６１とを有している。圧縮機シリンダ６１は、中心軸がシャフト８１の軸心と一致する円筒面を形成する内周面を有しており、圧縮機ピストン６２は、シャフト８１の回転に伴って圧縮機シリンダ６１の内周面に沿って偏心回転運動する。すなわち、圧縮機シリンダ６１の内周面と圧縮機ピストン６２の外周面との間には三日月状の圧縮機作動室６３が形成されている。

圧縮機作動室６３は、圧縮機仕切り部材６４により、吸入側６３ａと吐出側６３ｂとに仕切られている。吸入側６３ａの圧縮機仕切り部材６４と隣接する部分には圧縮機吸入孔６ａが開口しており、吐出側６３ｂの圧縮機仕切り部材６４と隣接する部分には圧縮機吐出孔６ｂが開口している。

圧縮機仕切り部材６４は、板状をなしており、圧縮機シリンダ６１に設けられた溝６１ａに往復自在に挿入されている。溝６１ａは、シャフト８１の軸心を通る直線上で圧縮機作動室６３に開口している。溝６１ａの底部と圧縮機仕切り部材６４との間には、圧縮機仕切り部材６４を圧縮機ピストン６２の外周面に押圧する付勢手段６５が配置されている。

付勢手段６５は、例えば、圧縮コイルばねによって構成することができる。また、付勢手段６５は、圧縮機仕切部材６４の後端と溝６１ａの底部との間の背面空間を密閉空間とした所謂ガスばね等であってもよい。勿論、付勢手段６５を、圧縮コイルばねやガスばね等の複数種類のばねにより構成してもよい。なお、圧縮機ピストン６２と圧縮機仕切部材６４とが一体とされていて、付勢手段６５を有しない構成でも構わない。

また、圧縮機６は、図２に示すように、圧縮機作動室６３を膨張機４側から閉塞する第１閉塞部材（内側閉塞部材）４９と、圧縮機作動室６３を膨張機４と反対側から閉塞する第２閉塞部材（外側閉塞部材）６６と、第２閉塞部材４６の上方に配置されたカバー部材６７とを有している。すなわち、本実施形態では、膨張機４と圧縮機６が第１閉塞部材４９を共有している。ただし、膨張機４と圧縮機６は、第１閉塞部材を別々に有していてもよい。

第２閉塞部材６６は、シャフト８１の上部を回転可能に支持する軸受部材としての機能も備えている。圧縮機シリンダ６１、第２閉塞部材６６およびカバー部材６７は、第１閉塞部材４９の上にこの順に積層されている。そして、圧縮機シリンダ６１に、密閉容器８０を貫通する吸入管８４が接続されており、第２閉塞部材６６に、密閉容器８０を貫通する吐出管８５が接続されている。

第２閉塞部材６６は、シャフト８１の軸方向に扁平な円盤状をなしており、その中心をシャフト８１が貫通している。カバー部材６７も、シャフト８１の軸方向に扁平な円盤状をなしており、その中心にはシャフト８１の上端部を露出させる開口が設けられている。本実施形態では、圧縮機シリンダ６１に圧縮機吸入孔６ａが設けられ、第２閉塞部材６６に圧縮機吐出孔６ｂが設けられている。

圧縮機吸入孔６ａは、圧縮機シリンダ６１を横向きに貫通しており、圧縮機シリンダ６１の内周面に略円形に開口しているとともに吸入管８４と連通している。すなわち、図１に示す第４流路７ｄからの低圧（起動制御時には高圧）の作動流体は、吸入管８４を介して、圧縮機吸入孔６ａから圧縮機作動室６３の吸入側６３ａに導かれる。

圧縮機吸入孔６ａは、圧縮機シリンダ６１の内周面に開口しているので、シャフトの回転に伴って圧縮機ピストン６２により開閉される。より詳しくは、圧縮機吸入孔６ａは、圧縮機ピストン６２における圧縮機シリンダ６１の内周面上を摺動する摺動点が圧縮機吸入孔６ａ上に位置している間だけ、換言すれば上死点（圧縮機ピストン６２の摺動点が圧縮機仕切り部材６４と一致する位置）を０°としたときに圧縮機ピストン６２が約５°から約１５°回転する間だけ圧縮機ピストン６２によって閉じられる。なお、圧縮機シリンダ６１の内周面と圧縮機ピストン６２の外周面とでは直径が異なるために、圧縮機吸入孔６ａは厳密には圧縮機ピストン６２によって完全に閉じられることはないが、本明細書では、上述したように圧縮機ピストン６２の摺動点が圧縮機吸入孔６ａ上に位置する間は圧縮機吸入孔６ａが閉じられると定義する。

一方、第２閉塞部材６６には、上面に開口し、カバー部材６７で閉塞される吐出室６６ａと、吐出室６６ａから吐出管８５へ至る吐出路６６ｂとが形成されている。圧縮機吐出孔６ｂは、第２閉塞部材６６の下面から吐出室６６ａへまっすぐに延びるように円形断面で第２閉塞部材６６をシャフト８１の軸方向に貫通しており、吐出室６６ａおよび吐出路６６ｂを介して吐出管８５と連通している。すなわち、圧縮機作動室６３の吐出側６３ｂ内の作動流体は、圧縮機吐出孔６ｂ、吐出室６６ａ、吐出路６６ｂおよび吐出管８５を介して図１に示す第５流路７ｅへ吐出される。

本実施形態では、圧縮機吐出孔６ｂが圧縮機シリンダ６１の内周面に横切られる位置に配置されているので、圧縮機ピストン６２の摺動点が圧縮機吐出孔６ｂ上に位置する間だけ、換言すれば上死点を０°としたときに圧縮機ピストン６２が約３４５°から約３５５°回転する間だけ圧縮機吐出孔６ｂが圧縮機ピストン６２によって閉じられる。なお、圧縮機吸入孔６ａと同様に、圧縮機吐出孔６ｂは厳密には圧縮機ピストン６２によって完全に閉じられることはないが、本明細書では、上述したように圧縮機ピストン６２の摺動点が圧縮機吐出孔６ｂ上に位置する間は圧縮機吐出孔６ｂが閉じられると定義する。

また、吐出室６６ａ内には、弾性変形することによって圧縮機作動室６３の吐出側６３ｂの圧力により圧縮機吐出孔６ｂを自動的に開閉する吐出バルブ６８が配置されている。

上記のように、圧縮機吸入孔６ａを形成することによって、圧縮機作動室６３に流入する作動流体の流路抵抗を減少させ、圧縮機６に吸入される作動流体の圧力の低下を抑制することができる。また、上記のように、圧縮機吐出孔６ｂを形成することによって、圧縮機６の構造を単純化でき、圧縮機作動室６３から流出する作動流体の流路抵抗を減少させ、圧縮機６から吐出される作動流体の圧力の低下を抑制することができる。

なお、圧縮機６の構成は、上下反転可能である。すなわち、第１閉塞部材４９が外側閉塞部材となり、第２閉塞部材６６が内側閉塞部材となるように、カバー部材６７、第２閉塞部材６６、圧縮機シリンダ６１および第１閉塞部材４９を下から上にこの順に配置してもよい。この場合、第２閉塞部材６６にはシャフト８１を遊嵌させ、第１閉塞部材４９にシャフト８１の上部を回転可能に支持する機能を持たせてもよい。

４）相互関係
流体機械８Ａは、圧縮機吸入孔６ａが閉じられる期間は、膨張機吸入孔６ａが開かれた状態にあり、膨張機吸入孔６ａが閉じられる期間は、圧縮機吸入孔６ａが開かれた状態にあるとともに圧縮機吐出孔６ｂと連通しない状態に維持されるように構成されている。具体的には、シャフト８１、膨張機４および圧縮機６が、膨張機吸入孔６ａが開かれる期間内に、圧縮機ピストン６２が上死点を通過するように構成されている。

これを実現するには、シャフト８１の回転方向を正としたときの第１偏心部８１ｂの偏心方向に対する第２偏心部８１ｃの偏心方向の位相差をβｃ（ただし、−１８０°＜βｃ≦１８０°）、膨張機仕切り部材４４の位置に対する圧縮機仕切り部材６４の位置の位相差をβｖ（ただし、−１８０°＜βｃ≦１８０°）とし、さらに膨張機吸入孔６ａが開かれる期間のシャフトの回転角度をθｏとしたときに、以下の式１を満足することが好ましい。
０．２５θｏ≦βｖ−βｃ≦０．７５θｏ ・・・ （式１）

本実施形態では、図４および図５に示すように、膨張機仕切り部材４４の位置と圧縮機仕切り部材６４の位置とがシャフト８１の軸方向で一致しており、第２偏心部８１ｃの偏心方向が第１偏心部８１ｂの偏心方向に対して−９０°ずれている。すなわち、βｃ＝−９０°、βｖ＝０°であり、βｖ−βｃ＝９０°である。また、上述したような回転板４８の形状により、θｏ＝約１４０°である。よって、０．２５θｏ≒３５°、０．７５θｏ≒１０５°となり、式１を満足する。

なお、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、第１偏心部８１ｂと第２偏心部８１ｃとが同方向に偏心しており、膨張機仕切り部材４４の位置と圧縮機仕切り部材６４の位置とが式１を満足する範囲内でずれていてもよいし、偏心方向と仕切り部材の位置の双方が式１を満足する範囲内でずれていてもよい。

＜流体機械の動作＞
次に、図６Ａ〜６Ｃおよび図７Ａ〜７Ｃを参照して、定常運転中の流体機械８Ａの動作を説明する。これらの図では、膨張機ピストン４２が上死点に位置しているときのシャフト８１の回転角度θを０°としている。

まず、膨張機４の動作について説明する。図６Ａ〜６Ｃに示すように、θ＝０°からシャフト８１が回転し、それに同期して回転板４８が回転することで、膨張機吸入孔４ａが回転板４８から露出し始め、膨張機吸入孔４ａが開かれる。そして、膨張機吸入孔４ａを通じて膨張機作動室４３の吸入側４３ａに、放熱器３からの高圧の作動流体が吸入される。その後、シャフト８１が約３０°回転したときに膨張機吸入孔４ａが完全に露出する。一方、図７Ａおよび７Ｂに示すように、シャフト８１が約１２５°回転したときに膨張機吸入孔４ａが回転板４８で遮蔽され始め、シャフト８１が約１４０°回転したときに膨張機吸入孔４ａが完全に遮蔽され、膨張機吸入孔４ａが閉じられる。これにより、吸入行程が完了する。

その後、図７Ｃに示すように、シャフト８１の回転に伴って膨張機作動室６３の吸入側６３ａの容積が徐々に増大し、これにより作動流体が膨張し、シャフト８１にトルクが与えられる。そして、このシャフト８１に与えられるトルクは、圧縮機６の動力として利用される。シャフト８１が３６０°回転して膨張機ピストン４２が上死点を通過することにより膨張機作動室４３の吸入側４３ａが吐出側４３ｂに移行し、その後にシャフト８１が一回転することにより膨張後の作動流体が吐出側６３ｂから膨張機吐出孔４ｂを通じて蒸発器５に向けて吐出される。

次に、圧縮機６の動作について説明する。シャフト８１は、膨張機４によって回収された動力によって回転する。このシャフト８１の回転と共に、圧縮機ピストン６２も回転し、圧縮機６が駆動される。

図６Ｃおよび図７Ａに示すように、シャフト８１が約１０５°回転したときに圧縮機吸入孔６ａが開かれ、圧縮機吸作動室６３の吸入側６３ａに圧縮機吸入孔６ａを通じて蒸発器５からの低圧の作動流体が吸入される。そして、圧縮機ピストン６２がさらに回転し、圧縮機吸作動室６３の吸入側６３ａが圧縮機吐出孔６ｂと連通した後に、圧縮機ピストン６２が上死点を通過することにより圧縮機作動室６３の吸入側６３ａが吐出側６３ｂに移行すると、シャフト８１の回転に伴って圧縮機吸作動室６３の吐出側６３ｂの容積が徐々に縮小する。これにより、圧縮機吸作動室６３の吐出側６３ｂ内の作動流体が圧縮されて昇圧される。そして、圧縮機吸作動室６３の吐出側６３ｂ内の作動流体の圧力が吐出室６６ａ内の作動流体の圧力よりも高くなると、吐出側６３ｂ内の作動流体が吐出バルブ６８を押し開き、圧縮機吐出孔６ｂを通じて主圧縮機２に向けて吐出される。

＜本実施形態の作用および効果＞
本実施形態では、上述したように、膨張機吸入孔４ａが開かれる期間はθ＝０°〜約１４０°であり、膨張機吸入孔４ａが閉じられる期間はθ＝約１４０°〜３６０°である。一方、圧縮機吸入孔６ａが閉じられる期間はθ＝約９５°〜約１０５°であり、圧縮機吸入孔６ａが開かれる期間はθ＝０°〜約９５°およびθ＝約１０５〜３６０°である。また、圧縮機吐出孔６ｂが圧縮機作動室６３を介して圧縮機吐出孔６ｂと連通する期間はθ＝約８５°〜約９５°である。すなわち、圧縮機吸入孔６ａが圧縮機作動室６３の吸入側６３ａに連通した後に膨張機吸入孔４ａが閉じられ、圧縮機作動室６３の吸入側６３ａが圧縮機吐出孔６ｂに連通する前に膨張機吸入孔４ａが開かれる。

＜冷凍サイクル装置の動作＞の欄で説明したように、冷凍サイクル装置１の起動時、第２バイパス弁９４が開放され、圧縮機上流弁７１が閉鎖された状態で主圧縮機２が起動されるので、膨張機４の吸入口側流路内の作動流体と吐出口側流路内の作動流体との間、および、圧縮機６の吸入口側流路内の作動流体と吐出口側流路内の作動流体との間には、それぞれ高低圧力差が生じる。換言すれば、流体機械８Ａの吸入管８２を通じた膨張機吸入孔４ａの上流側流路、および吸入管８４を通じた圧縮機吸入孔６ａの上流側流路は、高圧の作動流体で満たされる。

本実施形態では、流体機械８Ａが上記のように構成されているので、冷凍サイクル装置１の起動時に、流体機械８Ａのシャフト８１がどのような角度位置にあっても、膨張機吸入孔４ａあるいは圧縮機吸入孔６ａの少なくともいずれか一方は常に開放されており、膨張機作動室４３の吸入側４３ａあるいは圧縮機作動室６３の吸入側６３ａの少なくともいずれか一方には常に高圧の作動流体が流入する。また、圧縮機吸入孔６ａが圧縮機作動室６３を介して圧縮機吐出孔６３ｂと連通するのは、膨張機吸入孔４ａが開かれた後である。従って、流体機械８Ａがどのような状態で停止していても、膨張機４と圧縮機６の一方または双方でシャフト８１を回転させるトルクを発生させることができ、作動流体の圧力により自立起動することができる。

具体的には、シャフト８１がθ＝０°〜約８５°の範囲内に位置している場合、膨張機吸入孔４ａおよび圧縮機吸入孔６ａが共に開かれており、膨張機作動室４３の吸入側４３ａおよび圧縮機作動室６３の吸入側６３ａに高圧の作動流体が流入するため、膨張機４および圧縮機６でトルクが発生する。

シャフト８１がθ＝約８５°〜約９５°の範囲内に位置している場合、圧縮機吸入孔６ａは開かれているが、圧縮機作動室６３を介して圧縮機吐出孔６ｂと連通していて、作動流体が圧縮機吸入孔６ａから圧縮機吐出孔２６ｂへ吹き抜けてしまうため、圧縮機６ではトルクが発生しない。しかし、膨張機吸入孔４ａは開かれており、膨張機作動室６３の吸入側に高圧の作動流体が流入するため、膨張機４でトルクが発生する。

シャフト８１がθ＝約９５°〜１０５°の範囲内に位置している場合、圧縮機吸入孔６ａは閉じられていて、圧縮機６ではトルクが発生しないが、膨張機吸入孔４ａは開かれており、圧縮機作動室６３の吸入側６３ａに高圧の作動流体が流入するため、圧縮機６でトルクが発生する。

シャフト８１がθ＝約１０５°〜約１４０°の範囲内に位置している場合、膨張機吸入孔４ａおよび圧縮機吸入孔６ａが共に開かれており、膨張機作動室４３の吸入側４３ａおよび圧縮機作動室６３の吸入側６３ａに高圧の作動流体が流入するため、膨張機４および圧縮機６でトルクが発生する。

シャフト８１がθ＝約１４０°〜３６０°の範囲内に位置している場合、膨張機吸入孔４ａは閉じられていて、膨張機４ではトルクが発生しないが、圧縮機吸入孔６ａは開かれており、圧縮機作動室６３の吸入側６３ａに高圧の作動流体が流入するため、圧縮機６でトルクが発生する。

このように、本実施形態では、冷凍サイクル装置１の起動時に、作動流体の圧力のみにより、駆動装置を有しない流体機械８Ａを確実に自立起動させることができ、冷凍サイクル装置１の信頼性を向上させることができる。

（第２実施形態）
次に、図８および図９を参照して、本発明の第２実施形態に係る流体機械８Ｂを説明する。なお、本実施形態では、第１実施形態と同一構成部分には同一符号を付して、その説明を省略する。また、流体機械８Ｂを用いた冷凍サイクル装置は、図１に示す冷凍サイクル装置１と同様であるので、その説明も省略する。

＜流体機械の構成＞
本実施形態の流体機械８Ｂが第１実施形態の流体機械８Ａと異なる点は、吸入管８４が第２閉塞部材６６に接続されている点と、圧縮機６が吐出バルブ６８（図２参照）を備えておらず、流体圧モータ式圧縮機となっている点である。すなわち、圧縮機６は、作動流体の体積を変化させずに作動流体を昇圧する。

具体的には、第２閉塞部材６６には、圧縮機吸入孔６ａが圧縮機作動室６３の吸入側６３ａのみに露出するように設けられており、圧縮機吐出孔６ｂが圧縮機作動室６３の吐出側６３ｂのみに露出するように設けられている。圧縮機吸入孔６ａおよび圧縮機吐出孔６ｂは、共にシャフト８１の軸方向に延びている。また、第２閉塞部材６６には、圧縮機吸入孔６ａの上端と吸入管８４とを連通する吸入路６ｃと、圧縮機吐出孔６ｂの上端と吐出管８５とを連通する吐出路６ｄとが形成されている。

より詳しくは、圧縮機吸入孔６ａおよび圧縮機吐出孔６ｂは、圧縮機仕切り部材６４の近傍から圧縮機シリンダ６１の内周面から徐々に離れるように延びている。そして、圧縮機吸入孔６ａおよび圧縮機吐出孔６ｂの外側辺（圧縮機シリンダ６１の内周面側の辺）は、圧縮機ピストン６２が上死点に位置したときの圧縮機ピストン６２の外周面に一致する円弧状に形成されている。すなわち、圧縮機吸入孔６ａは、圧縮機ピストン６２が上死点に位置した後の短期間だけ圧縮機ピストン６３によって完全に閉じられ、圧縮機吐出孔６ｂは、圧縮機ピストン６２が上死点に位置する前の短期間だけ圧縮機ピストン６３によって完全に閉じられる。

また、本実施形態では、シャフト８１の第１偏心部８１ｂの偏心方向と第２偏心部８２ｂの偏心方向との関係および膨張機仕切り４４の位置と圧縮機仕切り部材６４の位置との関係は、第１実施形態と同じになっている。

なお、圧縮機吸入孔６ａおよび圧縮機吐出孔６ｂは、必ずしも第２閉塞部材６６に設けられている必要はなく、いずれか一方または双方が第１閉塞部材４９に設けられていてもよい。

＜流体機械８Ｂの動作＞
次に、図１０Ａ〜１０Ｃおよび図１１Ａ〜１１Ｃを参照して、定常運転中の流体機械８Ａの動作を説明する。これらの図では、膨張機ピストン４２が上死点に位置しているときのシャフト８１の回転角度θを０°としている。なお、膨張機４の動作は第１実施と同様であるため、その説明は省略する。

図１０Ｃおよび図１１Ａ〜１１Ｃに示すように、圧縮機吸入孔６ａは、シャフト８１が９０°から約９５°回転するまでは圧縮機ピストン６２によって完全に閉じられる。シャフト８１が約９５°回転してからは、圧縮機吸入孔６ａが徐々に開かれ、圧縮機吸作動室６３の吸入側６３ａに圧縮機吸入孔６ａを通じて蒸発器５からの低圧の作動流体が吸入される。その後、図１０Ａおよび１１Ｂに示すように、圧縮機ピストン６２が約３６０°まで回転してからは、圧縮機吸入孔６ａが徐々に閉じられる。シャフト８１が再び９０°まで回転すると、吸入行程が完了し、圧縮機作動室６３の吸入側６３ａが吐出側６３ｂに移行する。シャフト８１が９０°回転してからは、圧縮機吐出孔６ｂが徐々に開かれ、吐出側６３ｂ内の作動流体が圧縮機吐出孔６ｂを通じて主圧縮機２に向けて吐出される。このような圧縮機ピストン６２による作動流体の押し出しにより、作動流体が昇圧される。圧縮機吐出孔６３ｂは、シャフト８１が約３００°回転してから徐々に閉じられ、シャフト８１が約８５°から９０°回転するまでは圧縮機ピストン６２によって完全に閉じられる。

＜本実施形態の作用および効果＞
本実施形態では、上述したように、膨張機吸入孔４ａが開かれる期間はθ＝０°〜約１４０°であり、膨張機吸入孔４ａが閉じられる期間はθ＝約１４０°〜３６０°である。一方、圧縮機吸入孔６ａが閉じられる期間はθ＝９０°〜約９５°であり、圧縮機吸入孔６ａが開かれる期間はθ＝０°〜９０°およびθ＝約９５〜３６０°である。すなわち、圧縮機吸入孔６ａが圧縮機作動室６３の吸入側６３ａに連通した後に膨張機吸入孔４ａが閉じられ、圧縮機吸入孔６ａが閉じられる前に膨張機吸入孔４ａが開かれる。

＜冷凍サイクル装置の動作＞の欄で説明したように、冷凍サイクル装置１の起動時、第２バイパス弁９４が開放され、圧縮機上流弁７１が閉鎖された状態で主圧縮機２が起動されるので、膨張機４の吸入口側流路内の作動流体と吐出口側流路内の作動流体との間、および、圧縮機６の吸入口側流路内の作動流体と吐出口側流路内の作動流体との間には、それぞれ高低圧力差が生じる。換言すれば、流体機械８Ａの吸入管８２を通じた膨張機吸入孔４ａの上流側流路、および吸入管８４を通じた圧縮機吸入孔６ａの上流側流路は、高圧の作動流体で満たされる。

本実施形態では、流体機械８Ａが上記のように構成されているので、冷凍サイクル装置１の起動時に、流体機械８Ａのシャフト８１がどのような角度位置にあっても、膨張機吸入孔４ａあるいは圧縮機吸入孔６ａの少なくともいずれか一方は常に開放されており、膨張機作動室４３の吸入側４３ａあるいは圧縮機作動室６３の吸入側６３ａの少なくともいずれか一方には常に高圧の作動流体が流入する。従って、流体機械８Ａがどのような状態で停止していても、膨張機４と圧縮機６の一方または双方でシャフト８１を回転させるトルクを発生させることができ、作動流体の圧力により自立起動することができる。

具体的には、シャフト８１がθ＝０°〜９０°の範囲内に位置している場合、膨張機吸入孔４ａおよび圧縮機吸入孔６ａが共に開かれており、膨張機作動室４３の吸入側４３ａおよび圧縮機作動室６３の吸入側６３ａに高圧の作動流体が流入するため、膨張機４および圧縮機６でトルクが発生する。

シャフト８１がθ＝９０°〜約９５°の範囲内に位置している場合、圧縮機吸入孔６ａは閉じられていて、圧縮機６ではトルクが発生しないが、膨張機吸入孔４ａは開かれており、圧縮機作動室６３の吸入側６３ａに高圧の作動流体が流入するため、圧縮機６でトルクが発生する。

シャフト８１がθ＝約９５°〜約１４０°の範囲内に位置している場合、膨張機吸入孔４ａおよび圧縮機吸入孔６ａが共に開かれており、膨張機作動室４３の吸入側４３ａおよび圧縮機作動室６３の吸入側６３ａに高圧の作動流体が流入するため、膨張機４および圧縮機６でトルクが発生する。

シャフト８１がθ＝約１４０°〜３６０°の範囲内に位置している場合、膨張機吸入孔４ａは閉じられていて、膨張機４ではトルクが発生しないが、圧縮機吸入孔６ａは開かれており、圧縮機作動室６３の吸入側６３ａに高圧の作動流体が流入するため、圧縮機６でトルクが発生する。

このように、本実施形態では、冷凍サイクル装置１の起動時に、作動流体の圧力のみにより、駆動装置を有しない流体機械８Ａを確実に自立起動させることができ、冷凍サイクル装置１の信頼性を向上させることができる。

（その他の実施形態）
前記実施形態では、回転板４８により、シャフト８１の回転に伴って膨張機吸入孔４ａを開閉する吸入制御機構が構成されていたが、本発明の吸入制御機構はこれに限定されるものではなく、種々の構造のものを採用可能である。例えば、特許文献１に開示された構造の吸入制御機構を採用してもよいし、シャフト８１の第１偏心部８１ｂの上面に円弧溝が設けられ、第１閉塞部材４９の下面に前記円弧溝と膨張機作動室４３の吸入側４３ａとを連通する連通溝が設けられた吸入制御機構を採用してもよい。

本発明は、流体機械の自立起動を確実に実現することができ、この流体機械が動力回収システムとして用いられる冷凍サイクル装置に特に有用である。

Claims (10)

1. 膨張機吸入孔から吸入した作動流体を膨張させて膨張機吐出孔から吐出することにより、作動流体から動力を回収する膨張機と、
   圧縮機吸入孔から吸入した作動流体を昇圧して圧縮機吐出孔から吐出する圧縮機と、
   前記膨張機で回収された動力によって前記圧縮機が駆動されるように、前記膨張機と前記圧縮機とを連結するシャフトと、を備え、
   前記膨張機吸入孔および前記圧縮機吸入孔は、前記シャフトの回転に伴って開閉され、
   前記圧縮機吸入孔が閉じられる期間は、前記膨張機吸入孔が開かれた状態にあり、前記膨張機吸入孔が閉じられる期間は、前記圧縮機吸入孔が開かれた状態にあるとともに前記圧縮機吐出孔と連通しない状態に維持される、
   流体機械。
2. 前記シャフトは、前記膨張機用の第１偏心部と前記圧縮機用の第２偏心部とを有し、
   前記圧縮機は、前記第２偏心部に嵌合する圧縮機ピストンと、前記圧縮機ピストンを収容する圧縮機シリンダと、前記圧縮機ピストンと前記圧縮機シリンダとの間に形成される圧縮機作動室を吸入側と吐出側とに仕切る圧縮機仕切り部材とを含み、
   前記膨張機吸入孔が開かれる期間内に、前記圧縮機ピストンが、該圧縮機ピストンにおける前記圧縮機シリンダの内周面上を摺動する摺動点が前記圧縮機仕切り部材と一致する上死点を通過する、請求項１に記載の流体機械。
3. 前記膨張機は、前記第１偏心部に嵌合する膨張機ピストンと、前記膨張機ピストンを収容する膨張機シリンダと、前記膨張機ピストンと前記膨張機シリンダとの間に形成される膨張機作動室を吸入側と吐出側とに仕切る膨張機仕切り部材とを含み、
   前記シャフトの回転方向を正としたときの前記第１偏心部の偏心方向に対する前記第２偏心部の偏心方向の位相差をβｃ（ただし、−１８０°＜βｃ≦１８０°）、前記膨張機仕切り部材の位置に対する前記圧縮機仕切り部材の位置の位相差をβｖ（ただし、−１８０°＜βｃ≦１８０°）とし、さらに前記膨張機吸入孔が開かれる期間の前記シャフトの回転角度をθｏとしたときに、
   ０．２５θｏ≦βｖ−βｃ≦０．７５θｏを満足する、請求項２に記載の流体機械。
4. 前記圧縮機吸入孔は、前記圧縮機シリンダに設けられていて前記圧縮機シリンダの内周面に開口しており、
   前記圧縮機吸入孔が前記圧縮機作動室の吸入側に連通した後に前記膨張機吸入孔が閉じられ、前記圧縮機作動室の吸入側が前記圧縮機吐出孔に連通する前に前記膨張機吸入孔が開かれる、請求項２または３に記載の流体機械。
5. 前記圧縮機は、前記圧縮機作動室の吐出側の圧力により前記圧縮機吐出孔を開閉する吐出バルブをさらに含む、請求項４に記載の流体機械。
6. 前記圧縮機は、前記圧縮機作動室を前記膨張機側から閉塞する内側閉塞部材と、前記圧縮機作動室を前記膨張機と反対側から閉塞する外側閉塞部材をさらに含み、
   前記圧縮機吸入孔は、前記内側閉塞部材または前記外側閉塞部材に前記圧縮機作動室の吸入側のみに露出するように設けられており、
   前記圧縮機吸入孔が前記圧縮機作動室の吸入側に連通した後に前記膨張機吸入孔が閉じられ、前記圧縮機吸入孔が閉じられる前に前記膨張機吸入孔が開かれる、請求項２または３に記載の流体機械。
7. 前記圧縮機吐出孔は、前記内側閉塞部材または前記外側閉塞部材に前記圧縮機作動室の吐出側のみに露出するように設けられている、請求項６に記載の流体機械。
8. 前記膨張機は、前記シャフトの回転に伴って前記膨張機吸入孔を開閉する吸入制御機構をさらに含む、請求項３に記載の流体機械。
9. 前記膨張機は、前記膨張機作動室を前記圧縮機側から閉塞する内側閉塞部材と、前記膨張機作動室を前記圧縮機と反対側から閉塞する外側閉塞部材をさらに含み、
   前記膨張機吸入孔は、前記内側閉塞部材または前記外側閉塞部材に該内側閉塞部材または該外側閉塞部材を貫通するように設けられており、
   前記吸入制御機構は、前記内側閉塞部材または前記外側閉塞部材の前記膨張機作動室と反対側の面に接しながら回転するように前記シャフトに取り付けられた、前記膨張機吸入孔を遮蔽する大径部および前記膨張機吸入孔を露出させる小径部を有する回転板である、請求項８に記載の流体機械。
10. 請求項１〜９のいずれか一項に記載された流体機械を用いた冷凍サイクル装置であって、
    作動流体を圧縮する主圧縮機、圧縮された作動流体を放熱させる放熱器、前記放熱器から流出した作動流体を膨張させる前記膨張機、膨張した作動流体を蒸発させる蒸発器、および前記蒸発器から流出した作動流体を昇圧して前記主圧縮機に供給する前記圧縮機を含む、作動流体を循環させる作動流体回路と、
    前記作動流体回路における、前記主圧縮機と前記放熱器の間の部分または前記放熱器と前記膨張機の間の部分と、前記蒸発器と前記圧縮機との間の部分と、を連絡するバイパス路と、
    を備える、冷凍サイクル装置。

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