KR20070041773A - 용적형 팽창기 및 유체기계 - Google Patents

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Abstract

팽창실(62)을 갖는 팽창기구(60)에, 이 팽창실(62)로부터 연락통로(72) 쪽으로의 유체 유출을 억제하는 역류방지기구(80)를 구성시킴으로써, 유통제어기구(73, 75, 76)를 폐쇄한 상태의 운전 시에 팽창실(62)의 사(死)용적을 저감할 수 있도록 한다.
팽창기구, 유체기계, 동력회수, 역류방지기구, 연락통로(바이패스관), 과팽창 손실, 사용적(dead volume)

Description

용적형 팽창기 및 유체기계 {DISPLACEMENT TYPE EXPANSION MACHINE AND FLUID MACHINE}
본 발명은, 고압유체가 팽창됨으로써 동력을 발생시키는 팽창기구를 구비한 용적형 팽창기와, 이 팽창기를 구비한 유체기계에 관한 것이다.
종래, 고압유체의 팽창에 의해 동력을 발생시키는 팽창기로서, 예를 들어 회전식 팽창기 등의 용적형 팽창기가 알려져 있다(예를 들어 특허문헌1; 일특개평 8-338356호 공보 참조). 이와 같은 팽창기는, 증기압축식 냉동주기의 팽창행정에 이용된다(예를 들어 특허문헌2; 일특개 2001-116371호 공보 참조).
상기 팽창기는 실린더와, 이 실린더의 내주면을 따라 공전하는 피스톤을 구비하며, 실린더와 피스톤 사이에 형성되는 팽창실이 흡입/팽창측과 배출측으로 구획된다. 그리고 피스톤의 공전동작에 따라, 팽창실은 흡입/팽창측이었던 부분이 배출측으로, 배출측이었던 부분이 흡입/팽창측으로 순차 전환되어, 고압유체의 흡입/팽창작용과 배출작용이 동시에 병행으로 이루어진다. 이상과 같이 하여 이 팽창기는, 유체의 팽창에 의해 발생하는 회전동력을 회수하고, 이 회전동력을 예를 들어 압축기의 구동소스로서 이용하도록 한다.
여기서 상기 팽창기는, 흡입유체와 배출유체의 밀도비인 팽창비가 설계팽창 비로서 미리 정해진다. 이 설계팽창비는, 팽창기가 이용되는 증기압축식 냉동주기의 고압압력과 저압압력의 압력비에 기초하여 결정된다.
그러나 실제 운전에서는, 냉각대상의 온도나 방열(가열)대상의 온도가 변화하므로, 상기 냉동주기의 압력비가 설계 시에 상정한 값보다 작아지는 경우가 있다. 구체적으로, 예를 들어 증기압축식 냉동주기의 저압압력이 상승해버릴 경우, 설계팽창비로 팽창된 유체의 압력(이하, 팽창압력이라 칭함)이 상기 저압압력보다 낮아져버리는 경우가 있다. 이 경우 팽창기에서는, 유체를 지나치게 팽창시키게 되어, 일단 상기 팽창압력까지 저하된 유체를 상기 저압압력까지 승압시킨 후 배출하게 된다. 따라서, 이 팽창기에 의해 지나치게 팽창된 만큼의 워크량, 또 승압된 유체를 배출하기 위한 여분의 동력을 낭비해버리게 된다. 따라서 종래, 이와 같은 이유로 생기는 과팽창손실을 저감할 수 있는 팽창기가 요구되었다. 이와 같은 문제를 해결하기 위해 본원 출원인은, 팽창실의 유입측 유체(고압유체)의 일부를 팽창실의 흡입/팽창과정 위치로 우회시키는 팽창기를 고안했다. 구체적으로 이 팽창기는, 팽창실로의 유체유입 측으로부터 분기하여 팽창실의 흡입/팽창과정 위치로 연통하는 연락통로를 구비한다. 또 연락통로에는, 이 연락통로를 우회시키는 고압유체의 유량을 조정하는 유통제어기구로서 전동밸브가 배치된다.
이상의 구성을 갖는 팽창기에 있어서, 예를 들어 전술한 바와 같이 냉동주기의 저압압력이 팽창기의 팽창압력보다 높을 경우, 전동밸브를 소정 개방도로 개방시켜 고압유체를 연락통로를 통해 팽창실의 흡입/팽창과정 위치로 우회시키도록 한다. 그리고 팽창기의 팽창압력을 상기 저압압력에 가까워지도록 승압시킴으로써, 전술한 과팽창손실을 저감할 수 있도록 했다(특허문헌3; 일특개 2004-197640호 공보 참조).
[발명의 개시]
[발명이 해결하고자 하는 과제]
그런데, 전술한 바와 같이 과팽창손실을 저감하도록 한 팽창기에서, 냉동주기의 저압압력과 팽창기의 팽창압력이 거의 같을 경우에는, 전동밸브를 전폐 상태로 하고, 통상의 팽창운전을 행하도록 한다. 여기서 전동밸브를 전폐 상태로 한 경우, 연락통로에서의 전동밸브에서 팽창실까지의 공간이 팽창실과 연통하는 사(死)용적이 되어버리고, 그 결과 이 팽창기의 동력회수 효율이 저하된다는 문제가 있다.
이 점에 대해 도 13 및 도 14를 참조하면서 상세히 설명한다. 도 13은, 전술한 바와 같은 사용적이 없는 이상적인 조건에서의 팽창실 용적변화와 압력변화의 관계를 나타낸 그래프이다. 이 그래프는, 피팽창유체로서 임계압력보다 고압의 CO2를 냉매로 이용한 경우를 나타낸 것이다.
우선 도 13의 a점에서 b점까지 팽창실 용적이 커지면, 고압유체가 팽창실 내로 공급된다. 다음으로 b점을 지나면, 고압유체의 공급이 정지됨과 동시에 고압유체의 팽창이 개시된다. 팽창실 내의 고압유체는, 그 압력이 c점까지 급격히 저하되어 포화상태가 된다. 그 후 이 유체는, 그 일부가 증발하여 기액 2상 상태로 되고, 그 압력이 d점까지 완만하게 저하된다. 그리고 d점에서 팽창실의 실린더용적이 최대로 된 후, 이 팽창실이 배출측에 이르면, 팽창실의 실린더용적이 e점까지 축소되어 저압유체가 팽창실로부터 배출된다. 그 후 a점으로 돌아와 다시 고압유체가 팽창실로 공급된다.
이에 반해, 연락통로에서의 전동밸브와 팽창실 사이의 공간이 사용적이 되는 경우, 도 14에 나타낸 바와 같이, b점에서 고압유체의 팽창이 개시되면, 고압유체가 상기 사용적의 양만큼 팽창되게 된다. 때문에 b점의 유체가 d점에 이르기까지의 유체 압력은 b점→c'점→d점과 같이 저하되어, 전술한 이상적 조건에서의 b점→c점→d점과 같은 압력 저하의 움직임보다 낮은 거동으로 팽창한다. 따라서 이 팽창기에서의 유체 팽창에 의해 얻어지는 동력회수량, 즉 S1의 면적은, 이상적 조건의 팽창기보다 S2 면적만큼 적어진다. 그러므로 이 팽창기의 동력회수 효율이 저하되어버린다.
본 발명은, 이러한 문제점에 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적은 연락통로 및 유통제어기구를 구비한 용적형 압축기에 있어서, 연락통로에 형성되는 팽창실의 사용적에 기인하는 동력회수 효율의 저하를 억제하는 것이다.
[과제를 해결하기 위한 수단]
본 발명은, 팽창실을 갖는 팽창기구에, 이 팽창실로부터 연락통로 쪽으로의 유체 유출을 억제하는 역류방지기구를 구성시키도록 한 것이다.
구체적으로 제 1 발명은, 고압유체가 팽창실(62)에서 팽창되어 동력이 발생하는 팽창기구(60)와, 팽창실(62)의 유체유입 측에서 분기하여 이 팽창실(62)의 흡입/팽창과정 위치로 연통되는 연락통로(72)와, 이 연락통로(72)에 배치되어 유체유량을 조정하는 유통제어기구(73, 75, 76)를 구비한 용적형 팽창기를 전제로 한다. 그리고 이 용적형 팽창기는, 상기 팽창기구(60)에, 팽창실(62)로부터 연락통로(72) 쪽으로의 유체 유출을 방지하는 역류방지기구(80)가 배치되는 것을 특징으로 하는 것이다. 여기서 "역류방지기구"는, 팽창실(62)에서 연락통로(72) 쪽으로의 유체 유출을 방지하는 것이나, 이 유체의 흐름과 역방향, 즉 연락통로(72)에서 팽창실(62) 쪽으로의 유체 유입을 허용하는 것이기도 하다.
상기 제 1 발명에서는, 예를 들어 팽창기구(60)에서 팽창되어 팽창실(62)에서 배출되기 직전의 유체압력(팽창압력)이 냉동주기의 저압압력보다 작을 경우, 유통제어기구(73, 75, 76)를 개방 상태로 할 수 있다. 이와 같이 유통제어기구(73, 75, 76)를 개방 상태로 하면, 유체유입측에서 분기하여 연락통로(72)를 흐르는 고압유체가 흡입/팽창과정 위치로 도입된다. 그 결과 팽창실(62) 내의 팽창압력이 승압된다. 따라서 팽창실(62)의 팽창압력과 냉동주기의 저압압력과의 차가 작아져, 전술한 과팽창손실이 저감된다.
한편, 예를 들어 팽창실(62)의 팽창압력과 냉동주기의 저압압력이 거의 같을 경우, 유통제어기구(73, 75, 76)를 폐쇄 상태로 할 수 있다. 이 경우, 유체유입측의 고압유체는 연락통로(72)로 분기하지 않고 팽창실(62)의 흡입측으로 직접 도입된다. 그리고 팽창기구(60)는 통상운전에 의한 유체의 팽창을 행한다.
여기서 본 발명에서는 팽창기구(60)에, 팽창실(62)에서 연락통로(72) 쪽으로의 유체 유출을 방지하는 역류방지기구(80)를 배치한다. 따라서 가령 유통제어기구(73, 75, 76)가 전폐인 상태에서도, 연락통로(72) 중 이 유통제어기구(73, 75, 76)와 팽창실(62) 사이의 공간으로 팽창실(62) 내의 유체가 흘러드는 것을 방지할 수 있다. 그러므로 연락통로(72) 내 공간의 일부가 팽창실(62)의 사용적이 되는 것을 억제할 수 있다.
제 2 발명은 제 1 발명의 용적형 팽창기에 있어서, 역류방지기구(80)가 유통제어기구를 겸하는 것을 특징으로 하는 것이다.
상기 제 2 발명에서는, 역류방지기구(80)에 유통제어기구의 기능이 구비된다. 즉 역류방지기구(80)를 개방 상태로 함으로써 연락통로(72)에서 팽창실(62)로의 고압유체 도입을 행할 수 있는 한편, 역류방지기구(80)를 전폐 상태로 함으로써, 연락통로(72)에서 팽창실(62)로의 고압유체 도입을 정지할 수 있는 동시에 팽창실(62)에서 연락통로(72) 쪽으로의 유체 유출을 방지할 수 있다.
제 3 발명은 제 1 발명의 용적형 팽창기에 있어서, 역류방지기구(80)가 연락통로(72)에서의 상기 유통제어기구(73, 75, 76)보다 팽창실(62) 쪽으로 배치되는 것을 특징으로 하는 것이다. 여기서 연락통로(72)에 배치되는 역류방지기구(80)는, 팽창실(62)에 가까울수록 바람직하다.
상기 제 3 발명에서는 제 2 발명과 달리, 역류방지기구(80)와 유통제어기구(73, 75, 76)가 별도로 배치된다. 여기서 역류방지기구(80)는, 연락통로(72)에서의 유통제어기구(73, 75, 76)보다 팽창실(62) 쪽으로 배치되므로, 종래의 팽창기에서는 연락통로에 형성되는 사용적이 유통제어기구에서 팽창실까지의 공간임에 반해, 본 발명의 팽창기에서는, 상기 사용적이 역류방지기구(80)에서 팽창실(62)까지의 공간이다. 이로써 연락통로(72)에 형성되는 사용적을 종래의 팽창기보다 작게 할 수 있다.
제 4 발명은 제 3 발명의 용적형 팽창기에 있어서, 역류방지기구(80)가 역지밸브로 구성되는 것을 특징으로 하는 것이다.
상기 제 4 발명에서는, 역류방지기구(80)로서 역지밸브가 구성된다. 그리고 이 역지밸브에 의해, 팽창실(62)에서 연락통로(72) 쪽으로의 유체 유출이 방지된다.
제 5 발명은 제 1 내지 제 4 발명 중 어느 한 발명의 용적형 팽창기에 있어서, 유통제어기구(73, 75, 76)가 개방도 조정 가능한 전동밸브(73)로 구성되는 것을 특징으로 하는 것이다.
상기 제 5 발명에서는, 전동밸브(73)의 개방도가 조정됨으로써, 연락통로(72)를 통해 팽창실(62)로 우회되는 고압유체의 유량이 소정유량으로 조정된다. 여기서 전동밸브(73)가 전폐된 상태에서는, 역류방지기구(80)에 의해 팽창실(62)로부터 연락통로(72) 쪽으로의 유체 유출이 저지된다. 따라서 연락통로(72)에서, 상기 전동밸브(73)와 팽창실(62) 사이의 공간이 사용적이 되어버리는 것을 회피할 수 있다.
제 6 발명은 제 1 내지 제 4 발명 중 어느 한 발명의 용적형 팽창기에 있어서, 유통제어기구(73, 75, 76)가 개폐 가능한 전자(電磁) 개폐밸브(75)로 구성되는 것을 특징으로 하는 것이다.
상기 제 6 발명에서는, 전자개폐밸브(75)의 개폐 타이밍이 제어됨으로써, 연락통로(72)를 통해 팽창실(62)로 우회되는 고압유체의 유량이 소정유량으로 조정된다. 여기서 전자개폐밸브(75)가 전폐된 상태에서는, 역류방지기구(80)에 의해 팽창실(62)로부터 연락통로(72) 쪽으로의 유체 유출이 저지된다. 따라서 연락통로(72)에서, 상기 전자개폐밸브(75)와 팽창실(62) 사이의 공간이 사용적이 되어버리는 것이 회피된다.
제 7 발명은 제 1 내지 제 4 발명 중 어느 한 발명의 용적형 팽창기에 있어서, 유통제어기구(73, 75, 76)는 팽창실(62) 팽창과정에서의 유체 압력과 유체유출측 압력의 차압이 소정값보다 커지면 개구되는 차압밸브(76)로 구성되는 것을 특징으로 하는 것이다.
상기 제 7 발명에서는, 팽창실(62) 팽창과정에서의 유체 압력과 유체유출측 압력의 차압을 검지하고, 이 차압이 소정값보다 커지면 차압밸브(76)가 개구된다. 그 결과 연락통로(72)를 통해 고압유체가 팽창실(62)로 도입된다. 따라서 상기 팽창과정에서의 유체압력을 유체유출측 압력까지 근사시킬 수 있다. 그러므로 이 팽창기구(60)에서의 과팽창손실을 저감할 수 있다.
한편, 팽창실(62) 팽창과정에서의 유체 압력과 유체유출측 압력의 차압이 소정값보다 작을 경우에는, 차압밸브(76)가 차단된다. 그 결과 연락통로(72)를 통해 행해지는 팽창실(62)로의 고압유체 공급이 정지된다. 여기서 차압밸브(76)가 전폐된 상태에서는, 역류방지기구(80)에 의해 팽창실(62)로부터 연락통로(72) 쪽으로의 유체 유출이 저지된다. 따라서 연락통로(72)에서, 상기 차압밸브(76)와 팽창실(62) 사이의 공간이 사용적이 되어버리는 것이 회피된다.
제 8 발명은 제 1 내지 제 7 발명 중 어느 한 발명의 용적형 팽창기에 있어서, 팽창기구(60)가 증기압축식 냉동주기의 팽창행정을 행하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 것이다.
상기 제 8 발명에서는, 증기압축식 냉동주기의 팽창행정을 행하는 용적형 팽창기에 있어서, 팽창실(62)로부터 연락통로(72) 쪽으로의 유체 유출이, 역류방지기구(80)에 의해 방지된다.
제 9 발명은 제 1 내지 제 7 발명 중 어느 한 발명의 용적형 팽창기에 있어서, 팽창기구(60)는 고압압력이 초임계압이 되는 증기압축식 냉동주기의 팽창행정을 행하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 것이다.
상기 제 9 발명에서는, 고압압력이 임계압력보다 커지는, 이른바 초임계주기의 팽창행정을 행하는 용적형 팽창기에 있어서, 팽창실(62)로부터 연락통로(72) 쪽으로의 유체 유출이, 역류방지기구(80)에 의해 방지된다.
제 10 발명은 제 9 발명의 용적형 팽창기에 있어서, 팽창기구(60)가 CO2냉매를 이용하는 증기압축식 냉동주기의 팽창행정을 행하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 것이다.
상기 제 10 발명에서는, CO2를 냉매로 이용하여 초임계주기의 팽창행정을 행하는 용적형 팽창기에 있어서, 팽창실(62)로부터 연락통로(72) 쪽으로의 유체 유출이, 역류방지기구(80)에 의해 방지된다.
제 11 발명은 제 1 내지 제 10 발명 중 어느 한 발명의 용적형 팽창기에 있어서, 팽창기구(60)가 회전식 팽창기구이며, 유체의 팽창으로 회전동력을 회수하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 것이다. 여기서 "회전식 팽창기구"는, 스윙식, 회전식, 스크롤식 등의 유체기계로 구성된 팽창기구를 의미하는 것이다.
상기 제 11발명에서는, 회전식 팽창기구를 갖는 용적형 팽창기에 있어서, 팽창실(62)로부터 연락통로(72) 쪽으로의 유체 유출이, 역류방지기구(80)에 의해 방지된다.
제 12 발명은 케이싱 내에, 용적형 팽창기(60)와, 전동기(40)와, 상기 용적형 팽창기(60) 및 전동기(40)로 구동되어 유체를 압축시키는 압축기(50)를 구비한 유체기계를 전제로 한다. 그리고 이 유체기계는, 용적형 팽창기(60)가, 제 1 내지 제 11 발명 중 어느 한 발명의 용적형 팽창기로 구성되는 것을 특징으로 하는 것이다.
상기 제 12 발명에서는, 제 1 내지 제 11 발명의 용적형 팽창기(60)의 회전동력 및 전동기(40)의 회전동력이 압축기(50)로 전달되어 압축기(50)가 구동된다.
[발명의 효과]
상기 제 1 발명에 의하면, 유통제어기구(73, 75, 76)가 전폐 상태로 되어 팽창기에서 통상운전이 이루어질 때, 팽창실(62)로부터 연락통로(72) 쪽으로의 유체 유출을 역류방지기구(80)에 의해 방지하도록 한다. 따라서 연락통로(72)의 일부가 팽창실(62)의 사용적이 돼버리는 것을 억제할 수 있다. 이로써, 예를 들어 도 14에 나타낸 바와 같이, 팽창과정에서의 유체압력이 b→c'→d와 같이 저하돼는 결과, 이 팽창기에서 얻어지는 회수동력이 S1 면적까지 저감되는 것을 억제할 수 있다. 따라서 이 팽창기에 의해 도 13에 나타낸 바와 같은 이상적인 상태에 가까운 유체의 팽창을 행할 수 있어, 이 팽창기에서 얻어지는 동력회수 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 제 2 발명에 의하면, 역류방지기구(80)가 유통제어기구의 기능을 구비하게 한다. 따라서 역류방지기구(80)에 의해 연락통로(72)로부터 팽창실(62)의 흡입/팽창과정 위치로의 우회유량을 조정할 수 있음과 더불어, 팽창실(62)로부터 연락통로(72) 쪽으로의 유체 유출을 방지할 수 있다. 따라서 이 팽창기의 부품 수를 줄일 수 있다.
상기 제 3 발명에 의하면, 연락통로(72)에서의 유통제어기구(73, 75, 76)보다 팽창실(62) 쪽으로 역류방지기구(80)를 배치함으로써, 연락통로(72)의 사용적을 확실하게 축소할 수 있도록 한다. 또 역류방지기구(80)를 유통제어기구(73, 75, 76)보다 팽창실(62) 쪽으로 배치함으로써, 상기 유통제어기구(73, 75, 76)를 연락통로(72)의 어떠한 위치에 배치해도, 연락통로(72)의 사용적이 커지는 일은 없다. 따라서 예를 들어 연락통로(72)가 팽창기구(60) 내부에 형성되어 팽창실(62)과 연통된 경우에, 팽창기구(60) 외부에 위치하는 연락통로(72)의 부위에 상기 유통제어기구(73, 75, 76)를 배치할 수도 있다. 이와 같이 하면, 비교적 복잡한 구조가 되기 쉬운 유통제어기구(73, 75, 76)의 교환이나 보수점검을 용이하게 할 수 있다.
상기 제 4 발명에 의하면, 역류방지기구(80)로서 역지밸브를 이용하도록 한다. 따라서 간소한 구조에 의해 팽창실(62)로부터 연락통로(72) 쪽으로의 유체 유출을 억제할 수 있음과 더불어, 연락통로(72)의 일부가 팽창실(62)의 사용적이 돼버리는 것을 효과적으로 억제할 수 있다.
상기 제 5 발명에 의하면, 유통제어기구(73, 75, 76)를 전동밸브(73)로 구성함으로써, 연락통로(72)에서의 고압유체 우회량을 용이하게 조정할 수 있도록 한다. 이로써 이 팽창기가 냉동주기의 팽창행정에 이용될 경우, 냉동주기의 저압압력이 팽창실(62)의 팽창압력보다 낮아질 때, 소정 유량의 고압유체를 연락통로(72)로부터 팽창실(62)로 도입하여, 상기 팽창압력을 냉동주기의 저압압력에 근사시킬 수 있다. 따라서 이 팽창기의 동력회수 효율을 한층 향상시킬 수 있다.
상기 제 6 발명에 의하면, 유통제어기구(73, 75, 76)를 전자개폐밸브(75)로 구성하고, 이 전자개폐밸브(75)의 개폐 타이밍을 바꿈으로써, 고압유체의 우회량을 용이하게 조정할 수 있도록 한다. 이로써 유통제어기구를 비교적 단순한 구조로 구성할 수 있음과 더불어, 제 5 발명과 마찬가지의 작용효과를 얻을 수 있다.
상기 제 7 발명에 의하면, 팽창실(62)의 팽창행정에서의 유체 압력과 유체유출측 압력의 차압이 소정값보다 커지는 경우에, 차압밸브(76)를 개구시킴으로써, 고압유체를 연락통로(72)로부터 팽창실(62)로 도입할 수 있도록 한다. 그리고 상기 팽창과정에서의 유체 압력과 유체유출측 압력을 근사시킬 수 있도록 한다. 이로써 예를 들어 이 팽창기가 냉동주기의 팽창행정에 이용될 경우, 팽창실(62)의 팽창압력과 냉동주기의 저압압력을 거의 같은 압력으로 할 수 있다. 따라서 이 팽창기의 과팽창손실을 확실하게 저감할 수 있어 동력회수 효율의 향상을 도모할 수 있다.
상기 제 8 발명에 의하면, 본 발명의 팽창기를 증기압축식 냉동주기의 팽창행정에 이용하도록 한다. 따라서 상기 압축식 냉동주기에서의 팽창기 과팽창손실을 효과적으로 저감할 수 있다. 또 연락통로(72)에서의 사용적을 역류방지기구(80)에 의해 확실하게 작게 할 수 있어, 상기 증기압축식 냉동주기의 팽창행정에서 얻어지는 동력을 효과적으로 회수할 수 있다.
상기 제 9 발명에 의하면, 본 발명의 팽창기를 초임계주기의 팽창행정에 이용하도록 한다. 그런데, 초임계주기의 팽창행정에서는, 팽창기로 유입되는 냉매의 압력이 비교적 높으므로, 팽창실(62)의 사용적에 기인하여 동력 회수량이 저하되기 쉬워진다. 한편 본 발명에서는, 이와 같은 팽창실(62)의 사용적을 최대한 저감하도록 하므로, 이 팽창기의 동력회수 효율을 효과적으로 향상시킬 수 있다.
상기 제 10 발명에 의하면 본 발명의 팽창기를, CO2냉매를 이용한 초임계주기의 팽창행정에 이용하도록 한다. 따라서 제 9 발명에서 전술한 작용효과를 얻을 수 있다.
상기 제 11 발명에 의하면, 본 발명의 팽창기를 스윙식, 회전식, 스크롤식 등으로 대표되는 회전식 팽창기에 적용한다. 이로써 이 회전식 팽창기에 의한 유체의 팽창으로 얻어지는 회전동력 회수 효율의 향상을 도모할 수 있다.
상기 제 12 발명에 의하면, 본 발명의 용적형 팽창기(60)를 압축기(50), 전동기(40)를 구비한 유체기계에 적용한다. 따라서 용적형 팽창기(60)의 동력회수 효율을 향상시킴으로써, 전동기(40)가 부담하는 상기 압축기(50)의 동력을 저감하면서 이 압축기(50)를 효율적으로 구동시킬 수 있다. 또 이 유체기계의 용적형 팽창기(60)를 증기압축식 냉동주기의 팽창행정에 이용하는 한편, 이 유체기계의 압축기(50)를 압축행정에 이용함으로써, 절전성이 우수한 냉동주기를 행할 수 있다.
도 1은 제 1 실시형태에서 공조기의 배관계통도이다.
도 2는 제 1 실시형태에서 압축/팽창유닛의 개략단면도이다.
도 3은 팽창기구의 동작을 나타낸 개략단면도이다.
도 4는 축 회전각도 0도 또는 360도에서의, 제 1 실시형태에서 팽창기구의 주요부를 나타낸 개략단면도이다.
도 5는 축 회전각도 45도에서의, 제 1 실시형태 팽창기구의 주요부를 나타낸 개략단면도이다.
도 6은 축 회전각도 90도에서의, 제 1 실시형태 팽창기구의 주요부를 나타낸 개략단면도이다.
도 7은 축 회전각도 135도에서의, 제 1 실시형태 팽창기구의 주요부를 나타낸 개략단면도이다.
도 8은 축 회전각도 180도에서의, 제 1 실시형태 팽창기구의 주요부를 나타낸 개략단면도이다.
도 9는 축 회전각도 225도에서의, 제 1 실시형태 팽창기구의 주요부를 나타낸 개략단면도이다.
도 10은 축 회전각도 270도에서의, 제 1 실시형태 팽창기구의 주요부를 나타낸 개략단면도이다.
도 11은 축 회전각도 315도에서의, 제 1 실시형태 팽창기구의 주요부를 나타낸 개략단면도이다.
도 12는 제 1 실시형태 역류방지기구의 주요부 확대단면도이다. 설계압력 운전조건에서의 팽창실 용적과 압력 관계를 나타낸 그래프이다.
도 13은 이상적 상태에서의 팽창실 용적과 압력 관계를 나타낸 그래프이다.
도 14는 연락통로에 사용적이 형성된 경우의 팽창실 용적과 압력 관계를 나타낸 그래프이다.
도 15는 제 2 실시형태에서 팽창기구의 주요부를 나타낸 개략단면도이다.
도 16은 제 3 실시형태에서 팽창기구의 주요부를 나타낸 개략단면도이다.
도 17은 제 3 실시형태에서 차압밸브의 구조와 동작을 나타낸 개략단면도이다.
도 18은 제 4 실시형태에서 팽창기구의 주요부를 나타낸 개략단면도이다.
도 19는 제 4 실시형태에서 팽창기구의 동작을 나타낸 개략단면도이다.
도 20은 제 5 실시형태에서 팽창기구의 주요부를 나타낸 개략단면도이다.
도 21은 제 5 실시형태에서 팽창기구의 내부구조를 나타낸 개략단면도이다.
도 22는 제 5 실시형태에서 팽창기구의 동작을 나타낸 개략단면도이다.
도 23은 제 6 실시형태에서 팽창기구의 주요부를 나타낸 개략단면도이다.
도 24는 제 6 실시형태에서 팽창기구의 내부를 나타낸 개략단면도이다.
도 25는 제 6 실시형태에서 팽창기구의 동작을 나타낸 개략단면도이다.
도 26은 그 밖의 실시형태에서 역류방지기구의 제 1 예를 나타낸 개략단면도 이다.
도 27은 그 밖의 실시형태에서 역류방지기구의 제 2 예를 나타낸 개략단면도이다.
도 28은 그 밖의 실시형태에서 역류방지기구의 제 3 예를 나타낸 개략단면도이다.
[부호의 설명]
10 : 공조기 20 : 냉매회로
30 : 압축/팽창유닛(유체기계) 31 : 케이싱
40 : 전동기 50 : 압축기
60 : 팽창기구(용적형 팽창기) 61 : 실린더
62 : 팽창실 72 : 연락관(연락통로)
73 : 전동밸브(유통제어기구) 75 : 전자밸브(유통제어기구)
76 : 차압밸브(유통제어기구) 80 : 역지밸브(역류방지기구)
이하 본 발명의 실시형태를 도면에 기초하여 상세히 설명한다.
[제 1 실시형태]
제 1 실시형태는 본 발명의 유체기계를 이용하여 공조기(10)를 구성한 것이다.
<공조기의 전체 구성>
도 1에 나타낸 바와 같이 상기 공조기(10)는 이른바 분리형 공조기이며, 옥 외에 설치되는 실외기(11)와, 옥내에 설치되는 실내기(13)를 구비한다. 실외기(11)에는, 실외 팬(12), 실외열교환기(23), 제 1 십자전환밸브(21), 제 2 십자전환밸브(22), 및 압축/팽창유닛(30)이 수납된다. 한편 실내기(13)에는, 실내 팬(14) 및 실내열교환기(24)가 수납된다. 그리고 상기 실외기(11)와 상기 실내기(13)는, 한 쌍의 연락배관(15, 16)으로 접속된다.
상기 공조기(10)에는 냉매회로(20)가 구성된다. 이 냉매회로(20)는, 압축/팽창유닛(30)이나 실내열교환기(24) 등이 접속된 폐쇄회로이다. 또 이 냉매회로(20)에는 냉매로서 이산화탄소(CO2)가 충전된다.
상기 실외열교환기(23)와 실내열교환기(24)는, 모두 크로스 핀형의 핀-튜브 열교환기로 구성된다. 실외열교환기(23)에서는, 냉매회로(20)를 순환하는 냉매가 실외공기와 열교환한다. 실내열교환기(24)에서는, 냉매회로(20)를 순환하는 냉매가 실내공기와 열교환한다.
상기 제 1 십자전환밸브(21)는 4개의 포트를 구비한다. 이 제 1 십자전환밸브(21)는, 제 1 포트가 압축/팽창유닛(30)의 토출포트(35)와 배관 접속되며, 제 2 포트가 연락배관(15)을 개재하고 실내열교환기(24)의 한끝과 배관 접속되고, 제 3 포트가 실외열교환기(23)의 한끝과 배관 접속되며, 제 4 포트가 압축/팽창유닛(30)의 흡입포트(34)와 배관 접속된다. 그리고 제 1 십자전환밸브(21)는, 제 1 포트와 제 2 포트가 연통되며 제 3 포트와 제 4 포트가 연통되는 상태(도 1에 실선으로 나타낸 상태)와, 제 1 포트와 제 3 포트가 연통되며 제 2 포트와 제 4 포트가 연통되 는 상태(도 1에 파선으로 나타낸 상태)로 전환 가능하게 구성된다.
상기 제 2 십자전환밸브(22)는 4개의 포트를 구비한다. 이 제 2 십자전환밸브(22)는, 제 1 포트가 압축/팽창유닛(30)의 유출포트(37)와 배관 접속되며, 제 2 포트가 실외열교환기(23)의 다른 끝과 배관 접속되고, 제 3 포트가 연락배관(16)을 개재하고 실내열교환기(24)의 다른 끝과 배관 접속되며, 제 4 포트가 압축/팽창유닛(30)의 유입포트(36)와 배관 접속된다. 그리고 제 2 십자전환밸브(22)는, 제 1 포트와 제 2 포트가 연통되며 제 3 포트와 제 4 포트가 연통되는 상태(도 1에 실선으로 나타낸 상태)와, 제 1 포트와 제 3 포트가 연통되며 제 2 포트와 제 4 포트가 연통되는 상태(도 1에 파선으로 나타낸 상태)로 전환 가능하게 구성된다.
<압축/팽창유닛의 구성>
도 2에 나타낸 바와 같이 압축/팽창유닛(30)은, 본 발명의 유체기계를 구성한다. 이 압축/팽창유닛(30)은, 옆으로 길고 원통형의 밀폐용기인 케이싱(31) 내부에, 압축기구(50), 팽창기구(60), 및 전동기(40)를 수납한다. 또 이 케이싱(31) 내에서는, 도 2의 왼쪽에서 오른쪽을 향해, 압축기구(50), 전동기(40), 팽창기구(60)의 순으로 배치된다. 여기서 도 2를 참조하면서 이하의 설명에서 사용하는 "좌" "우"는, 각각 도 2에서의 좌, 우를 의미한다.
상기 전동기(40)는, 케이싱(31)의 긴 쪽 방향 중앙부에 배치된다. 이 전동기(40)는 고정자(41)와 회전자(42)로 구성된다. 고정자(41)는 상기 케이싱(31)에 고정된다. 회전자(42)는 고정자(41) 안쪽에 배치된다. 또 회전자(42)에는, 이 회전자(42)와 동축으로 축(45)의 주축부(48)가 관통한다.
상기 축(45)은, 그 우단측에 대경편심부(46)가 형성되고, 그 좌단측에 소경편심부(47)가 형성된다. 대경편심부(46)는 주축부(48)보다 큰 지름으로 형성되며, 주축부(48)의 축심에서 소정량만큼 편심된다. 한편 소경편심부(47)는 주축부(48)보다 작은 지름으로 형성되며, 주축부(48)의 축심에서 소정량만큼 편심된다. 그리고 이 축(45)은 회전축을 구성한다.
상기 축(45)에는, 도시하지 않으나 오일펌프가 연결된다. 또 상기 케이싱(31) 저부에는 윤활유가 저류된다. 이 윤활유는, 오일펌프로 퍼 올려지며 압축기구(50)나 팽창기구(60)로 공급되어 윤활에 이용된다.
상기 압축기구(50)는, 이른바 스크롤압축기를 구성한다. 이 압축기구(50)는 고정스크롤(51)과, 가동스크롤(54)과, 프레임(57)을 구비한다. 또 압축기구(50)에는 전술한 흡입포트(34)와 토출포트(35)가 형성된다.
상기 고정스크롤(51)에는, 거울판(52)에 소용돌이 형상의 고정측 랩(53)이 돌출 형성된다. 이 고정스크롤(51)의 거울판(52)은 케이싱(31)에 고정된다. 한편 상기 가동스크롤(54)에는, 판상의 거울판(55)에 소용돌이 형상의 가동측 랩(56)이 돌출 형성된다. 고정스크롤(51)과 가동스크롤(54)은 서로 대향 자세로 배치된다. 그리고 고정측 랩(53)과 가동측 랩(56)이 맞물림으로써 압축실(59)이 구획된다.
상기 흡입포트(34)는, 그 한끝이 고정측 랩(53) 및 가동측 랩(56)의 외주 쪽에 접속된다. 한편 상기 토출포트(35)는, 고정스크롤(51)의 거울판(52) 중앙부에 접속되며, 그 한끝이 압축실(59)로 개구된다.
상기 가동스크롤(54)의 거울판(55)은, 그 오른쪽 면 중앙부에 돌출부분이 형 성되며, 이 돌출부분에 축(45)의 소경편심부(47)가 삽입된다. 또 상기 가동스크롤(54)은, 올덤 링(58)을 개재하고 프레임(57)에 지지된다. 이 올덤 링(58)은 가동스크롤(54)의 자전을 규제하기 위한 것이다. 그리고 가동스크롤(54)은, 자전하는 일없이 소정의 선회반경으로 공전한다. 이 가동스크롤(54)의 선회반경은, 소경편심부(47)의 편심량과 같다.
상기 팽창기구(60)는, 이른바 요동피스톤형의 팽창기구이며, 본 발명의 용적형 팽창기를 구성한다. 이 팽창기구(60)는, 실린더(61)와, 프론트헤드(63), 리어헤드(64), 및 피스톤(65)을 구비한다. 또 팽창기구(60)에는 전술한 유입포트(36)와 유출포트(37)가 형성된다.
상기 실린더(61)는, 그 좌측단 면이 프론트헤드(63)로 막히며, 그 우측단 면이 리어헤드(64)로 막힌다. 즉 프론트헤드(63)와 리어헤드(64)는 각각이 폐색부재를 구성한다.
상기 피스톤(65)은, 양단이 프론트헤드(63)와 리어헤드(64)로 막힌 실린더(61) 내부에 수납된다. 그리고 도 4에 나타낸 바와 같이, 실린더(61) 내에 팽창실(62)이 형성됨과 더불어, 피스톤(65) 외주면이 실린더(61) 내주면과 실질적으로 미끄럼 접촉하도록 구성된다.
도 4의 (A)에 나타낸 바와 같이, 상기 피스톤(65)은 고리형 혹은 원통형으로 형성된다. 피스톤(65)의 안지름은, 대경편심부(46)의 외경과 대략 같다. 그리고 축(45)의 대경편심부(46)가 피스톤(65)을 관통하도록 구성되며, 피스톤(65)의 내주면과 대경편심부(46)의 외주면이 거의 전면에 걸쳐 미끄럼 접촉한다.
또 상기 피스톤(65)에는 블레이드(66)가 일체로 구성된다. 이 블레이드(66)는 판상으로 형성되며, 피스톤(65) 외주면에서 바깥쪽으로 돌출된다. 실린더(61)의 내주면과 피스톤(65) 외주면 사이에 개재된 팽창실(62)은, 이 블레이드(66)에 의해 고압측(흡입/팽창 쪽)과 저압측(배출 쪽)으로 구획된다.
상기 실린더(61)에는 한 쌍의 부시(67)가 배치된다. 각 부시(67)는 각각이 반달모양으로 형성된다. 이 부시(67)는, 블레이드(66)가 끼워진 상태로 설치되어 블레이드(66)와 미끄럼운동 한다. 또 부시(67)는, 블레이드(66)를 끼운 상태로 실린더(61)에 대해 회동 자유롭게 구성된다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 상기 유입포트(36)는 프론트헤드(63)에 형성되며, 도입통로를 구성한다. 유입포트(36)의 종단은 프론트헤드(63) 내측면에서, 유입포트(36)가 직접 팽창실(62)과 연통되는 일없는 위치로 개구된다. 구체적으로 유입포트(36)의 종단은, 프론트헤드(63) 내측면 중 대경편심부(46)의 끝단 면과 미끄럼 접촉하는 부분에서, 도 4(A)에서 주축부(48) 축심의 약간 왼쪽 위의 위치로 개구된다.
프론트헤드(63)에는 홈 형상 통로(69)도 형성된다. 도 4(B)에 나타낸 바와 같이, 이 홈 형상 통로(69)는 프론트헤드(63)를 그 내측면 쪽에서 파 내려감으로써, 프론트헤드(63) 내측면으로 개구되는 오목 홈 형상으로 형성된다.
프론트헤드(63) 내측면에서 홈 형상 통로(69)의 개구부분은, 도 4(A)에서 상하로 가늘고 긴 장방형으로 구성된다. 홈 형상 통로(69)는, 도 4(A)의 주축부(48) 축심보다 왼쪽에 위치한다. 또 이 홈 형상 통로(69)는, 도 4(A)의 상단이 실린 더(61) 내주면보다 약간 안쪽에 위치함과 더불어, 도 4(A)의 하단이 프론트헤드(63) 내측면 중 대경편심부(46) 끝단 면과 미끄럼 접촉하는 부분에 위치한다. 그리고 이 홈 형상 통로(69)는, 팽창실(62)과 연통 가능하게 구성된다.
축(45)의 대경편심부(46)에는 연통로(70)가 형성된다. 도 4(B)에 나타낸 바와 같이 이 연통로(70)는, 대경편심부(46)를 그 단면 쪽에서 파 내려감으로써, 프론트헤드(63)와 대향하는 대경편심부(46)의 단면에 개구된 오목 홈 형상으로 형성된다.
또 도 4(A)에 나타낸 바와 같이 연통로(70)는, 대경편심부(46)의 외주를 따라 이어지는 원호형으로 형성된다. 또한 연통로(70)에서 그 둘레길이 방향의 중앙은, 주축부(48) 축심과 대경편심부(46)의 축심을 맺는 선상이며, 대경편심부(46)의 축심에 대해 주축부(48)의 축심과는 반대쪽에 위치한다. 그리고 축(45)이 회전하면, 이에 따라 대경편심부(46)의 연통로(70)로 이동하고, 이 연통로(70)를 통해 유입포트(36)와 홈 형상 통로(69)가 간헐적으로 연통된다.
도 4(A)에 나타낸 바와 같이, 상기 유출포트(37)는 실린더(61)에 형성된다. 이 유출포트(37)의 시작단은, 팽창실(62)에 면하는 실린더(61)의 내주면에 개구된다. 또 유출포트(37)의 시작단은, 도 4(A)에서의 블레이드(66) 우측 근방으로 개구된다.
또한 상기 팽창기구(60)에는, 팽창실(62)의 유체 유입측인 유입포트(36)에서 분기하여 이 팽창실(62)의 흡입/팽창과정 위치로 연통하는 연락통로로서, 연락관(72)이 배치된다. 이 연락관(72)에는, 이 연락관(72)을 흐르는 냉매의 유통/정 지 전환이나 유량조정을 행하는 유통제어기구(73)와, 팽창실(62)에서 연락관(72) 쪽으로의 유체 유출을 방지하는 역류방지기구(80)가 배치된다.
상기 연락관(72)은, 도 4(A)의 블레이드(66) 좌측 근방에 접속된다. 구체적으로 상기 연락관(72)은, 축(45)의 회전중심을 기준으로 하여 부시(67)의 회동중심인 위치를 0도로 하면, 도 4(A)에서 역 시계방향으로 약 20도∼30도 위치에서 실린더(61) 내로 일부가 관통하여 접속된다.
상기 유통제어기구(73)는, 상기 연락관(72) 중 실린더(61) 외부에 위치하는 부위에 배치된다. 이 유통제어기구(73)는, 개방도 조정 가능한 전동밸브(주입밸브)로 구성된다. 그리고 전동밸브(73)는 그 개방도를 조정함으로써, 상기 연락관(72)을 흐르는 냉매의 유량 조정이 가능하게 구성된다.
상기 역류방지기구는 역지밸브(80)로 구성된다. 이 역지밸브(80)는, 연락관(72) 중 실린더(61) 내부에 위치하는 부위에 배치된다. 그리고 역지밸브(80)는 전동밸브(73)보다 팽창실(62) 쪽이며, 또 이 팽창실(62) 근방에 배치된다.
보다 구체적으로 역지밸브(80)는, 도 12에 나타낸 바와 같이 지지대(81), 코일스프링(82), 밸브체(83), 및 밸브좌(84)로 구성된다. 지지대(81)는, 연락관(72) 내벽에 고정 지지된다. 이 지지대(81)에는 복수의 유통공(85)이 형성된다. 코일스프링(82)은, 그 한끝이 상기 지지대(81)에서 팽창실(62) 반대쪽 면에 지지되는 한편, 그 다른 끝에 상기 밸브체(83)가 지지된다. 밸브체(83)는 대략 반구형 내지 사다리꼴 원주형으로 형성된 보울 형태의 밸브체로 구성된다. 밸브좌(84)는, 밸브체(83)의 선단부 근방에 위치하도록 연락관(72)에 고정 지지된다. 이 밸브좌(84) 에는, 상기 코일스프링(82)의 힘을 받는 밸브체(83)가 접촉 가능하게 구성된다. 이상의 구성으로 역지밸브(80)는, 연락관(72)에서 팽창실(62) 쪽으로의 유체 흐름을 허용하는 한편, 팽창실(62)에서 연락관(72)쪽으로의 유체 흐름을 금지하도록 구성된다.
도 4에 나타낸 바와 같이 본 제 1 실시형태의 공조기(10)에는, 일반적으로 냉매회로(20)에 구성되는 고압 압력센서(74a) 및 저압 압력센서(74b)에 추가로, 팽창실(62)의 압력을 검출하는 과팽창 압력센서(74c)가 배치된다. 또 이 공조기(10)의 제어수단(74)은, 이들 센서(74a, 74b, 74c)에 의해 검출되는 압력에 기초하여, 상기 전동밸브(73)를 제어할 수 있도록 구성된다.
-운전동작-
상기 공조기(10)의 동작에 대해 설명한다. 여기서는 공조기(10)의 냉방운전 시 및 난방운전 시의 동작에 대해 설명하고, 계속해서 팽창기구(60)의 동작에 대해 설명한다.
<냉방운전>
냉방운전 시에는, 제 1 십자전환밸브(21) 및 제 2 십자전환밸브(22)가 도 1에 파선으로 나타낸 상태로 전환된다. 이 상태에서 압축/팽창유닛(30)의 전동기(40)가 통전되면, 냉매회로(20)에서 CO2냉매가 순환하여 증기압축식 냉동주기(초임계주기)가 이루어진다.
압축기구(50)에서 압축된 냉매는, 토출포트(35)를 통해 압축/팽창유닛(30)에 서 토출된다. 이 상태에서 냉매의 압력은 그 임계압력보다 높아진다. 이 토출냉매는, 제 1 십자전환밸브(21)를 통해 실외열교환기(23)로 공급된다. 실외열교환기(23)에서는, 유입된 냉매가 실외 팬(12)에 의해 공급되는 실외공기와 열교환한다. 이 열교환으로 냉매가 실외공기에 방열한다.
실외열교환기(23)에서 방열한 냉매는 제 2 십자전환밸브(22)를 통과하고, 유입포트(36)를 지나 압축/팽창유닛(30)의 팽창기구(60)로 유입된다. 팽창기구(60)에서는 고압냉매가 팽창되어, 그 내부에너지가 축(45)의 회전동력으로 변환된다. 팽창 후의 저압냉매는, 유출포트(37)를 통해 압축/팽창유닛(30)에서 유출되고, 제 2 십자전환밸브(22)를 통과하여 실내열교환기(24)로 공급된다.
실내열교환기(24)에서는, 유입된 냉매가 실내 팬(14)에 의해 공급되는 실내공기와 열교환한다. 이 열교환에 의해 냉매가 실내공기로부터 흡열하여 증발되고 실내공기가 냉각된다. 실내열교환기(24)에서 나온 저압가스냉매는, 제 1 십자전환밸브(21)를 통과하고 흡입포트(34)를 지나 압축/팽창유닛(30)의 압축기구(50)로 흡입된다. 압축기구(50)는 흡입된 냉매를 압축시켜 토출한다.
<난방운전>
난방운전 시에는, 제 1 십자전환밸브(21) 및 제 2 십자전환밸브(22)가 도 1에 실선으로 나타낸 상태로 전환된다. 이 상태에서 압축/팽창유닛(30)의 전동기(40)가 통전되면, 냉매회로(20)에서 CO2냉매가 순환하여 증기압축식 냉동주기(초임계주기)가 이루어진다.
압축기구(50)에서 압축된 냉매는, 토출포트(35)를 통해 압축/팽창유닛(30)에서 토출된다. 이 상태에서 냉매의 압력은 그 임계압력보다 높아진다. 이 토출냉매는, 제 1 십자전환밸브(21)를 통과하여 실내열교환기(24)로 공급된다. 실내열교환기(24)에서는, 유입된 냉매가 실내공기와 열교환한다. 이 열교환으로 냉매가 실내공기에 방열하여 실내공기가 가열된다.
실내열교환기(24)에서 방열한 냉매는 제 2 십자전환밸브(22)를 통과하고, 유입포트(36)를 지나 압축/팽창유닛(30)의 팽창기구(60)로 유입된다. 팽창기구(60)에서는 고압냉매가 팽창되어, 그 내부에너지가 축(45)의 회전동력으로 변환된다. 팽창 후의 저압냉매는, 유출포트(37)를 통해 압축/팽창유닛(30)에서 유출되고, 제 2 십자전환밸브(22)를 통과하여 실외열교환기(23)로 공급된다.
실외열교환기(23)에서는, 유입된 냉매가 실외공기와 열교환하여, 냉매가 실외공기로부터 흡열하여 증발된다. 실외열교환기(23)에서 유출된 저압가스냉매는, 제 1 십자전환밸브(21)를 통과하고 흡입포트(34)를 지나 압축/팽창유닛(30)의 압축기구(50)로 흡입된다. 압축기구(50)는 흡입된 냉매를 압축시켜 토출한다.
<팽창기구의 동작>
다음으로 팽창기구(60)의 동작에 대해 도 3∼도 11을 참조하면서 설명한다. 여기서 도 3은, 대경편심부(46)의 중심축에 대해 수직인 팽창기구(60)의 단면을 축(45) 회전각도 45도마다 나타낸 것이다. 또 도 4∼도 11의 각 도에 있어서, (A)는 도 3에서의 회전각도별로 팽창기구(60)의 단면을 확대 도시한 것이며, (B)는 대경편심부(46)의 중심축을 따른 팽창기구(60) 단면을 모식적으로 나타낸 것이다. 그리고 도 4∼도 11의 각 도에 있어서, (B)에서는 주축부(48)의 단면 도시를 생략한다.
팽창실(62)로 고압냉매가 도입되면, 축(45)이 도 3∼도 11의 각 도에서의 역 시계방향으로 회전한다.
축(45)의 회전각도가 0도인 시점에서는, 도 3, 도 4에 나타낸 바와 같이 유입포트(36)의 종단이 대경편심부(46)의 끝단 면으로 피복된다. 즉 유입포트(36)는, 대경편심부(46)에 의해 막힌 상태가 된다. 한편, 대경편심부(46)의 연통로(70)는 홈 형상 통로(69)로만 연통되는 상태가 된다. 이 홈 형상 통로(69)는, 피스톤(65)과 대경편심부(46) 단면으로 피복되어 팽창실(62)로 연통되지 않는 상태이다. 또 팽창실(62)은, 유출포트(37)로 연통됨으로써 그 전체가 저압측이 된다. 이 시점에서 팽창실(62)은 유입포트(36)로부터 차단된 상태이며, 고압냉매는 팽창실(62)로 유입되지 않는다.
축(45)의 회전각도가 45도인 시점에서는, 도 3, 도 5에 나타낸 바와 같이 유입포트(36)가 대경편심부(46)의 연통로(70)로 연통된 상태가 된다. 이 연통로(70)는, 홈 형상 통로(69)로도 연통된다. 홈 형상 통로(69)는, 도 3이나 도 5(A)에서의 상단부분이 피스톤(65) 단면에서 벗어난 상태가 되어, 팽창실(62)의 고압측과 연통된다. 이 시점에서, 팽창실(62)이 연통로(70) 및 홈 형상 통로(69)를 통해 유입포트(36)로 연통된 상태가 되어, 고압냉매가 팽창실(62)의 고압측으로 유입된다. 즉, 팽창실(62)로의 고압냉매 도입은, 축(45) 회전각도가 0도에서 45에 이르는 사이에 개시된다.
축(45)의 회전각도가 90도인 시점에서는, 도 3, 도 6에 나타낸 바와 같이 여전히 팽창실(62)이 연통로(70) 및 홈 형상 통로(69)를 통해 유입포트(36)로 연통된 상태이다. 이로써 축(45)의 회전각도가 45도에서 90도에 이르는 동안, 팽창실(62)의 고압측으로 고압냉매가 계속 유입된다.
축(45)의 회전각도가 135도인 시점에서는, 도 3, 도 7에 나타낸 바와 같이 대경편심부(46)의 연통로(70)가 홈 형상 통로(69) 및 유입포트(36) 양쪽에서 벗어난 상태가 된다. 이 시점에서 팽창실(62)은 유입포트(36)로부터 차단된 상태가 되어, 고압냉매는 팽창실(62)로 유입되지 않는다. 따라서 팽창실(62)로의 고압냉매 도입은, 축(45)의 회전각도가 90도에서 135도에 이르는 사이에 종료된다.
팽창실(62)로의 고압냉매 도입이 종료된 후는, 팽창실(62)의 고압측이 폐쇄공간이 되어 그리로 유입된 냉매가 팽창된다. 즉, 도 3이나 도 8 내지 도 11의 각 도에 나타낸 바와 같이, 축(45)이 회전하여 팽창실(62)의 고압측 용적이 증대해간다. 또 그 사이, 유출포트(37)로 연통되는 팽창실(62)의 저압측으로부터는, 팽창 후의 저압냉매가 유출포트(37)를 통해 계속 배출된다.
팽창실(62)에서의 냉매 팽창은, 축(45)의 회전각도가 315도에서 360도에 이르는 동안, 피스톤(65)에서 실린더(61)와의 접촉부분이 유출포트(37)에 달할 때까지 계속된다. 그리고 피스톤(65)에서 실린더(61)와의 접촉부분이 유출포트(37)를 가로지르면, 팽창실(62)이 유출포트(37)로 연통되고 팽창된 냉매의 배출이 개시된다.
이상과 같은 팽창기구(60)의 동작 시에 있어서, 상기 냉매회로(20)의 냉방운 전과 난방운전의 전환, 혹은 외기온도의 변화 등으로 냉동주기의 저압압력이 상승하는 경우가 있다. 이와 같은 조건하에서는, 팽창실(62)에서 팽창된 냉매의 압력(도 11의 (A)에서의 저압냉매 압력)이, 냉동주기의 저압압력보다 작아져 저압냉매의 배출 시에 과팽창손실이 발생해버린다. 그래서 본 실시형태의 팽창기구(60)에서는, 상기 제어수단(74)이 상기 센서(74a, 74b, 74c)로 검출된 압력에 기초하여 이하와 같은 운전제어를 행한다.
구체적으로, 예를 들어 저압 압력센서(74b)와 과팽창 압력센서(74c)의 차압이 소정값보다 커지면, 연락관(72)의 전동밸브(73)가 소정 개방도로 개방된다. 그 결과, 유입포트(36)에서 분기된 고압냉매가 연락관(72)을 유통한다. 그리고 전동밸브(73)를 통과한 고압냉매가 역지밸브(80)에 다다른다.
고압냉매가 역지밸브(80)에 다다르면, 도 12의 (A)에 나타낸 바와 같이 역지밸브(80)의 밸브체(81)가 이 고압냉매에 의해 팽창실(62) 쪽으로 눌린다. 그 결과 밸브좌(84)로부터 밸브체(81)가 떨어져 양자 사이를 고압냉매가 통과한다. 그리고 고압냉매는, 지지대(81)의 유통공(85)을 통과한 후 팽창실(62) 내로 도입된다. 그 결과 팽창실(62)의 냉매압력이 상승한다. 이로써 팽창실(62)에서 팽창된 냉매의 압력과 냉동주기의 저압압력이 거의 같아져 전술한 바와 같은 과팽창손실이 저감된다.
한편, 냉매회로(20)에서 이상적 상태의 냉동주기가 이루어질 경우에는, 연락관(72)에서 팽창실(62)로의 고압냉매 주입을 행할 필요 없이, 팽창기구(60)는 통상의 운전을 행한다. 따라서 이 상태에서는 연락관(72)의 전동밸브(73)가 전폐 상태 가 된다. 그 결과 역지밸브(80)의 밸브체(83)에는, 유입포트(36) 쪽으로부터의 고압냉매 압력이 작용하지 않고, 밸브체(83)는 도 12의 (B)에 나타낸 바와 같이 코일스프링(82)의 누르는 힘에 의해 밸브좌(84)에 눌린 상태가 된다. 따라서 팽창기구(60)의 통상운전 시에는, 팽창실(62)에서 연락관(72) 쪽으로의 냉매 유출이 역지밸브(80)에 의해 억제된다.
-제 1 실시형태의 효과-
이상 설명한 바와 같이 상기 제 1 실시형태에 의하면, 팽창실(62)에서 과팽창이 발생하는 조건에 있어서, 연락관(72)의 전동밸브(73)를 소정 개방도로 개방함으로써, 유입포트(37)에서 분기하는 고압냉매를 연락관(72)에서 팽창실(62)로 도입하도록 한다. 이로써 팽창실(62)에서 팽창되는 냉매의 압력을 승압시켜 과팽창을 해소할 수 있다. 따라서 이 팽창기의 동력회수 효율을 향상시킬 수 있다.
한편, 팽창기구(60)에서 이상적인 팽창이 이루어져 전동밸브(73)를 폐쇄하고 운전할 때는, 역지밸브(80)가 팽창실(62)에서 연락관(72) 쪽으로의 냉매 유출을 방지하도록 한다. 이로써 연락관(72)에서의 전동밸브(73)로부터 팽창실(62) 사이의 용적이 팽창실(62)의 사용적이 되는 결과, 도 14에 나타낸 바와 같이 팽창행정에서의 냉매압력이 저하되는 것을 억제할 수 있다. 따라서 종래와 같이 연락관(72)에 역지밸브(80)를 배치하지 않는 경우에는 동력회수량이 도 14의 S1 면적이 되는데 반해, 본 발명과 같이 연락관(72)에 역지밸브(80)를 배치함으로써 동력회수량을 도 14의 S1+S2 면적으로 할 수 있다. 즉 본 발명의 팽창기에서는, 전동밸브(73)를 전폐 상태로 한 통상운전 시에, 역지밸브(80)에 의해 전술한 사용적을 억제하도록 하 므로, 이와 같은 통상운전 시의 동력회수 효율을 향상시킬 수 있다.
또 상기 제 1 실시형태에서는, 역지밸브(80)를 실린더(61)의 내부에 위치하는 연락관(72)에, 또 팽창실(62) 근방에 배치한다. 따라서 연락관(72)의 사용적을 최대한 억제할 수 있다. 또한 상기 제 1 실시형태에서는, 전동밸브(73)를 실린더(61) 외부에 위치하는 연락관(72)에 배치한다. 따라서 비교적 구조가 복잡해지는 전동밸브(73)를 팽창기구(60) 외부에서 용이하게 교환, 보수 점검할 수 있다.
그리고 상기 제 1 실시형태에서는, 팽창기구(60)를 초임계주기의 팽창행정에 이용하도록 한다. 그런데 초임계주기의 팽창행정에서는, 팽창기로 유입되는 냉매의 압력이 비교적 높으므로, 팽창실(62)의 사용적에 기인하여 동력 회수량이 저하되기 쉬워진다. 한편 본 실시형태에서는, 이와 같은 팽창실(62)의 사용적을 역지밸브(80)로 최대한 저감하도록 하므로, 이 팽창기의 동력회수 효율을 효과적으로 향상시킬 수 있다.
[제 2 실시형태]
본 발명의 제 2 실시형태는 제 1 실시형태의 유체기계에 있어서, 도 15에 나타낸 바와 같이 팽창기구(60)의 연락관(72)에, 전동밸브(73)가 아닌 개폐 가능한 전자(電磁)밸브(75)를 배치한 예이다. 또 상기 제어수단(74)은, 팽창실(62)에서 과팽창이 발생하는 조건에서 상기 전자밸브(75)를 소정 타이밍으로 개폐시키도록 구성된다. 이 제 2 실시형태에서 그 밖의 부분은 상기 역류방지기구도 포함하여 제 1 실시형태와 마찬가지로 구성된다.
이 제 2 실시형태에서, 과팽창이 발생했을 때는 연락관(72)의 전자밸브(75) 를 소정 타이밍으로 개방시킴으로써, 팽창실(62)의 냉매 압력을 상승시켜 과팽창 상태를 해소할 수 있다. 또 본 제 2 실시형태에서도, 전자밸브(75)가 전폐 상태인 통상운전 시에, 팽창실(62)에서 연락관(72)으로의 냉매 유출을 역지밸브(80)로 방지할 수 있다. 따라서 본 실시형태에서도, 팽창실(62)의 사용적에 기인하는 동력회수 효율의 저하를 억제할 수 있다.
[제 3 실시형태]
본 발명의 제 3 실시형태는 도 16에 나타낸 바와 같이, 연락관(72)에 배치하는 유통제어기구로서, 제 1 실시형태의 전동밸브(73)나 제 2 실시형태의 전자밸브(75) 대신 차압밸브(76)를 이용한 것이다. 이 차압밸브(76)는, 팽창밸브(62)의 팽창과정 중간위치의 유체압력과 유체 유출 쪽 압력에 소정의 차압이 발생했을 때 동작하는 것이며, 이들 압력이 이 차압밸브(76)에 직접 작용한다. 또 제 3 실시형태에서도, 전술한 바와 마찬가지로 하여 역류방지기구인 역지밸브(80)가 연락관(72)에 배치된다.
상기 차압밸브(76)는 도 17에 나타낸 바와 같이, 상기 연락관(72)의 경로 중에 고정된 밸브케이스(91)와, 밸브케이스(91) 내에 가동으로 배치된 밸브체(92)와, 밸브체(92)를 한 방향으로 누르는 스프링(93)(도 17의 (B) 참조)으로 구성된다. 밸브케이스(91)는, 상기 밸브체(92)를 미끄럼 가능하게 유지하는 수납 오목부(91a)가 형성된 중공(中空) 부재이며, 이 수납 오목부(91a)로 연통되는 4개의 포트를 구비한다. 상기 밸브체(92)는, 상기 연락관(72)을 폐쇄하는 폐쇄위치(도 17의 (A)위치)와, 이 연락관(72)을 개방하는 개방위치(도 17의 (B)위치)로 변위 가능하며, 상 기 스프링(93)에 의해 개방위치에서 폐쇄위치로 눌린다.
상기 연락관(72)은, 상기 밸브케이스(91)의 밸브체(92) 이동방향과 교차하는 방향으로 상기 밸브케이스(91)에 고정된다. 밸브체(92)는, 밸브케이스(91)의 수납 오목부(91a)에 끼워지며, 상기 폐쇄위치와 개방위치로 미끄럼 가능하게 형성된다. 또 밸브체(92)는, 개방위치에서 상기 연락관(72)을 개구시키고, 폐쇄위치에서 이 연락관(72)을 폐쇄시키는 연통공(92a)을 갖는다.
상기 밸브케이스(91)에는, 팽창실(62)의 팽창과정 중간위치로 연통되는 제 1 연통관(95)과, 유체 유출측인 유출포트(37)로 연통되는 제 2 연통관(96)이 접속된다. 제 1 연통관(95)은 스프링(93) 반대쪽 단부, 즉 밸브체(92)의 개방위치 쪽 단부에서, 상기 밸브케이스(91)에 접속되어, 팽창실(62)로부터의 압력(P1)을 밸브체(92)에 부여한다. 제 2 연통관(96)은, 스프링(93) 쪽 단부, 즉 밸브체(92)의 폐쇄위치 쪽 단부에서, 상기 밸브케이스(91)에 접속되어, 유체 유출측으로부터의 압력(P2)(냉동주기의 저압압력)을 밸브체(92)에 부여한다. 이로써, 팽창실(62) 압력보다 유체 유출측 압력이 상승하여, 양 압력(P1, P2) 사이에 소정값보다 큰 차압이 생겼을 때는 상기 차압밸브(76)가 동작한다.
이 제 3 실시형태에서, 예를 들어 냉동주기의 저압인 유출포트(37) 압력(P2)이 팽창실(62)의 압력(P1)보다 커지며, 양 압력(P1, P2)의 차가 소정값보다 커지면 차압밸브(76)가 개구된다. 따라서 유입측 냉매의 일부가 연락관(72)을 통해 팽창실(62)로 도입된다. 그 결과 팽창실(62) 압력이 승압되어 과팽창이 해소된다.
한편, 팽창기구(60)가 이상적 상태로 운전을 행할 경우, 팽창기구(60)의 유 출포트(37)와 팽창실(62) 사이에서 실질적으로 차압은 발생하지 않으며, 차압밸브(76)는 폐쇄된 상태가 된다. 여기서 제 3 실시형태에서도, 도 16에 나타낸 바와 같이 역류방지기구인 역지밸브(80)가 팽창실(62)에서 연락관(72)으로의 냉매 유출을 방지한다. 따라서 팽창실(62)의 사용적을 축소시킬 수 있어, 동력회수 효율이 높은 운전을 행할 수 있다.
[제 4 실시형태]
본 발명의 제 4 실시형태는, 상기 제 1 실시형태에서 팽창기구(60)의 구성을 변경한 것이다. 구체적으로는, 상기 제 1 실시형태의 팽창기구(60)가 요동 피스톤형으로 구성된 것에 반해, 본 실시형태의 팽창기구(60)는, 롤링 피스톤형으로 구성된다. 여기서는, 본 실시형태의 팽창기구(60)에 대해, 상기 제 1 실시형태와 다른 점을 설명한다.
도 18에 나타낸 바와 같이 본 실시형태에 있어서, 블레이드(66)는 피스톤(65)과 별체로 형성된다. 즉 본 실시형태의 피스톤(65)은, 단순한 고리형 혹은 원통형으로 형성된다. 또 본 실시형태의 실린더(61)에는, 블레이드 홈(68)이 형성된다.
상기 블레이드(66)는, 실린더(61)의 블레이드 홈(68)에 진퇴 자유로운 상태로 배치된다. 또 블레이드(66)는 도면 밖의 스프링 힘을 받아, 그 선단(도 18에서의 하단)이 피스톤(65)의 외주면으로 밀린다. 그리고 도 19(역류방지기구(80)의 도시 생략)에 순차 도시한 바와 같이, 실린더(61) 내에서 피스톤(65)이 이동해도, 이 블레이드(66)는 블레이드 홈(68)을 따라 도 19의 상하로 이동하여, 그 선단이 피스톤(65)과 접한 상태로 유지된다. 또 블레이드(66) 선단을 피스톤(65)의 둘레 쪽 면으로 밀어붙임으로써 팽창실(62)이 고압측과 저압측으로 구획된다.
이 제 4 실시형태에서도, 유입포트(36)와, 흡입/팽창과정 중의 팽창실(62) 위치가, 연락관(72)으로 접속되며 연락관(72)에는 전동밸브(73)가 배치된다. 따라서 팽창기구(60)의 과팽창 시에는, 유입포트(36) 쪽의 냉매 일부를 팽창실(62) 내로 도입할 수 있으므로 상기 과팽창을 해소할 수 있다.
또한 이 제 4 실시형태에서도, 연락관(72)의 전동밸브(73)보다 팽창실(62) 쪽으로 역류방지기구인 역지밸브(80)가 배치된다. 따라서 전동밸브(73)가 전폐 상태인 통상운전 시에, 팽창실(62)로부터 연락관(72) 쪽으로의 냉매 유출을 방지할 수 있어, 팽창실(62)의 사용적을 축소시킬 수 있다. 따라서 이 팽창기구(60)의 동력회수 효율을 향상시킬 수 있다.
[제 5 실시형태]
본 발명의 제 5 실시형태는 상기 제 1 실시형태의 팽창기구(60) 구성을 변경한 것이다. 구체적으로는, 상기 제 1 실시형태의 팽창기구(60)가 요동피스톤형으로 구성되는데 반해, 본 실시형태의 팽창기구(60)는 스크롤형으로 구성된다. 또 상기 제 1 실시형태의 유체기계가 도 2에 나타낸 바와 같이, 좌우방향으로 긴 이른바 횡형식인데 반해, 본 실시형태의 유체기계는, 제 1 실시형태의 유체기계를 90도 회전시킨(도 2에서 역 시계방향으로 90도 회전시킨) 상태인, 상하방향으로 긴 이른바 종형식이다. 여기서는 본 실시형태의 팽창기구(60)에 대해 상기 제 1 실시형태와 다른 점을 설명한다. 또 도 20을 참조하면서 이하의 설명에서 사용하는 "상" " 하"는 각각 도 20에서의 상, 하를 의미한다.
도 20에 나타낸 바와 같이 팽창기구(60)는, 케이싱(31)으로 고정된 상부프레임(131)과, 상부프레임(131)에 고정된 고정스크롤(132)과, 상부프레임(131)에 올덤 링(133)을 개재하고 유지된 가동스크롤(134)을 구비한다.
고정스크롤(132)은, 평판형의 고정측 경판(鏡板)부(135)와, 이 고정측 경판부(135)의 전면(도 20에서의 하면)에 입설된 소용돌이 형상의 고정측 랩(136)을 구비한다. 한편 가동스크롤(134)은, 평판형의 가동측 경판부(137)와, 이 가동측 경판부(137)의 전면(도 20에서의 상면)에 입설된 소용돌이 형상의 가동측 랩(138)을 구비한다. 팽창기구(60)에서는, 고정스크롤(132)의 고정측 랩(136)과 가동스크롤(134)의 가동측 랩(138)이 서로 맞물림으로써 복수의 유체실(팽창실)(62a, 62b)이 형성된다(도 21 참조). 구체적으로, 고정측 랩(136)의 내측 면과 가동측 랩(138)의 외측 면 사이에 개재된 공간이, 제 1 팽창실로서의 A실(62a)을 구성한다. 한편 고정측 랩(136)의 외측 면과 가동측 랩(138)의 내측 면 사이에 개재된 공간이, 제 2 팽창실로서의 B실(62b)을 구성한다.
도 20에 나타낸 바와 같이 축(45)에서는, 그 상단에 스크롤연결부(118)가 형성된다. 이 스크롤연결부(118)에는, 축(45)의 회전중심에서 편심된 위치에 연결공(119)이 형성된다. 가동스크롤(134)에서는, 가동측 경판부(137)의 배면(도 20에서의 하면)에 연결축(139)이 돌출 형성된다. 이 연결축(139)은 스크롤연결부(118)의 연결공(119)에 회전 자유롭게 지지된다. 또 축(45)의 스크롤연결부(118)는, 상부프레임(131)에 회전 자유롭게 지지된다.
또 고정스크롤(132)에는 유입포트(36)와 유출포트(37)가 형성된다. 유입포트(36)는, 고정측 경판부(135)를 두께방향으로 관통하며, 그 하단이 고정측 랩(136)이 감기기 시작하는 쪽 단부의 내측 면 근방으로 개구된다. 유출포트(37)는, 고정측 평판부를 두께방향으로 관통하며, 그 하단이 고정측 랩(136)의 감김이 끝나는 쪽 단부 근방으로 개구된다.
또 고정스크롤(132)에는, 상기 유입포트(36)에서 분기하여 상기 팽창실(62)로 연통되는 연락관(연락통로)(72)이 접속된다. 구체적으로 연락관(72)은, 유입포트(36)에서 분기하는 주 연락관(72)과, 이 주 연락관(72)에서 다시 둘로 분기하는 2개의 연락관(72a, 72b)으로 구성된다
둘로 분기되는 연락관(72a, 72b)은, 고정측 경판부(135)를 두께방향으로 관통한다. 이 2개의 연락관(72a, 72b) 중, 상기 A실(62a)과 연통하는 연락관이 A실용 연락관(72a)을 구성하고, 상기 B실(62b)과 연통하는 연락관이 B실용 연락관(72b)을 구성한다. 그리고 고정측 경판부(135) 전면(前面)에서는, 고정측 랩(136)을 따라 그 감기기 시작하는 단에서 약 360도 진행한 위치의 외측 면 근방에 B실용 연락관(72b)이, 여기서 다시 고정측 랩(136)을 따라 약 180도 진행한 위치의 내측 면 근방에 A실용 연락관(72a)이 각각 개구된다.
또 상기 주 연락관(72)에는, 유입포트(36)에서 상기 팽창실(62)로의 고압냉매 유량을 조정하는 유통제어기구로서 전동밸브(73)가 배치된다. 또한 A실용 연락관(72a) 및 B실용 연락관(72b)에서의 팽창실(62) 근방에는, 각 연락관(72a, 72b)보다 큰 지름의 공간이 각각 형성된다. 그리고 이들 공간에는 역류방지기구로서 역 지밸브(80)가 각각 배치된다. 이 역지밸브(80)는, 이른바 리드밸브로 구성되며, 연락관(72)으로부터 팽창실(62a, 62b)로의 냉매 유통을 허용하는 한편, 팽창실(62a, 62b)로부터 연락관(72)으로의 냉매 유통을 금지하도록 구성된다. 즉 양 역지밸브(80)는, 팽창실(62a, 62b)에서 연락관(72) 쪽으로의 냉매 유출을 방지하도록 구성된다.
<팽창기구의 동작>
다음으로, 팽창기구(60) 동작에 대해 도 20 및 도 22를 참조하면서 설명한다. 도 22에서는, 고정측 랩(136)이 감기기 시작하는 쪽 단부가 가동측 랩(138)의 내측 면에 접하는 동시에 가동측 랩(138)이 감기기 시작하는 쪽 단부가 고정측 랩(136)의 내측 면에 접하는 상태를, 기준인 0도로 한다.
유입포트(36)로 도입된 고압냉매는, 고정측 랩(136)이 감기기 시작하는 근방과 가동측 랩(138)이 감기기 시작하는 근방에 개재된 1개의 공간으로 유입되며, 이에 따라 가동스크롤(134)이 공전한다. 가동스크롤(134)의 공전각도가 360도가 되면, A실(62a)과 B실(62b)과 유입포트(36)로부터 차단된 폐쇄공간이 되어, A실(62a) 및 B실(62b)로의 고압냉매 유입이 종료된다.
그 후, A실(62a) 및 B실(62b)의 내부에서는 냉매가 팽창되어가고, 그에 따라 가동스크롤(134)이 공전한다. A실(62a) 및 B실(62b)의 용적은, 가동스크롤(134)이 이동함에 따라 커져간다. 그리고 B실(62b)은, 가동스크롤(134)의 공전각도가 840도에서 900도에 이르는 도중에 유출포트(37)로 연통되며, 그 후는 B실(62b) 내의 냉매가 유출포트(37)로 송출되어간다. 한편 A실(62a)은, 가동스크롤(134)의 공전 각도가 1020도에서 1080도에 이르는 도중에 유출포트(37)로 연통되고, 그 후는 A실(62a) 내의 냉매가 유출포트(37)로 송출되어간다.
이상과 같은 팽창기구(60)에 있어서, 팽창실(62a, 62b)이 과팽창일 경우에는, 도 20에 나타낸 주 연락관(72)의 전동밸브(73)가 소정 개방도로 개방된다. 그 결과 유입포트(36)에서 주 연락관(72)으로 분기된 고압냉매가 A실용 연락관(72a)을 통해 A실(62a)로 도입되는 동시에 B실용 연락관(72b)을 통해 B실(62b)로 도입된다. 그리고 양 팽창실(62a, 62b)에서 팽창되는 냉매가 승압되어 팽창실(62)의 과팽창이 해소된다.
한편, 팽창기구(60)에서 통상운전이 이루어질 경우에는, 전동밸브(73)가 전폐 상태가 된다. 여기서 A실용 연락관(72a) 및 B실용 연락관(72b)에는 역지밸브(80)가 각각 배치된다. 따라서 A실(62a) 및 B실(62b)의 냉매가 연락관(72) 쪽으로 유출되어버리는 것이 방지된다. 이로써 연락관(72)에서의 전동밸브(73)로부터 A실(62a)까지의 공간, 더불어 연락관(72)에서의 전동밸브(73)로부터 B실(62b)까지의 공간이 각 팽창실(62a, 62b)의 사용적이 되는 것이 억제된다. 따라서 제 5 실시형태에서도, 사용적에 기인하는 팽창실 내의 압력저하를 억제할 수 있어, 이 용적형 팽창기의 동력회수 효율을 향상시킬 수 있다.
[제 6 실시형태]
본 발명의 제 6 실시형태는, 상기 제 1 실시형태에서 팽창기구(60)의 구성을 변경한 것이다. 구체적으로는, 상기 제 1 실시형태의 팽창기구(60)가 1단의 요동피스톤형으로 구성된 것에 반해, 본 실시형태의 팽창기구(60)는 2단의 요동피스톤 형으로 구성된다. 또 상기 제 1 실시형태의 유체기계가, 도 2에 나타낸 바와 같이 좌우방향으로 긴 이른바 횡형식인데 반해, 본 실시형태의 유체기계는, 제 1 실시형태의 유체기계를 90도 회전시킨(도 2에서 역 시계방향으로 90도 회전시킨) 상태인, 상하방향으로 긴 이른바 종형식이다. 여기서는 본 실시형태의 팽창기구(60)에 대해 상기 제 1 실시형태와 다른 점을 설명한다. 또 도 23을 참조하면서 이하의 설명에서 사용하는 "상" "하"는 각각 도 23에서의 상, 하를 의미한다.
압축/팽창유닛(30)의 축(45)에는, 그 상단 쪽에 2개의 대경편심부(46a, 46b)가 형성된다. 각 대경편심부(46a, 46b)는, 주축부(48)보다 큰 지름으로 형성된다. 상하로 나열된 2개의 대경편심부(46a, 46b) 중, 아래쪽이 제 1 대경편심부(46a)를 구성하고, 위쪽이 제 2 대경편심부(46b)를 구성한다. 제 1 대경편심부(46a)와 제 2 대경편심부(46b)는, 모두 같은 방향으로 편심된다. 제 2 대경편심부(46b)의 바깥지름은, 제 1 대경편심부(46a)의 바깥지름보다 크다. 또 주축부(48)의 축심에 대한 편심량은, 제 2 대경편심부(46b) 쪽이 제 1 대경편심부(46a)보다 크다.
팽창기구(60)는, 이른바 2단식 요동피스톤형의 유체기계이다. 이 팽창기구(60)에는, 쌍을 이룬 실린더(61a, 61b) 및 피스톤(65a, 65b)이 2조 구성된다. 또 팽창기구(60)에는, 프론트헤드(63)와, 중간플레이트(101), 및 리어헤드(64)가 배치된다.
상기 팽창기구(60)에서는 도 23의 밑에서 위를 향해 차례로, 프론트헤드(63), 제 1 실린더(61a), 중간플레이트(101), 제 2 실린더(61b), 리어헤드(64)가 적층된 상태로 구성된다. 이 상태에서 제 1 실린더(61a)는, 그 하측단면이 프론트 헤드(63)로 막히며, 그 상측단면이 중간플레이트(101)로 막힌다. 한편 제 2 실린더(61b)는 그 하측단면이 중간플레이트(101)로 막히며, 그 상측단면이 리어헤드(64)로 막힌다. 또 제 2 실린더(61b)의 안지름은 제 1 실린더(61a)의 안지름보다 크다. 그리고 제 2 실린더(61b) 상하방향의 두께는, 제 1 실린더(61a)의 두께보다 크다.
상기 축(45)은, 적층된 상태의 프론트헤드(63), 제 1 실린더(61a), 중간플레이트(101), 제 2 실린더(61b), 및 리어헤드(64)를 관통한다. 또 축(45)은 그 제 1 대경편심부(46a)가 제 1 실린더(61a) 내에 위치하며, 그 제 2 대경편심부(46b)가 제 2 실린더(61b) 내에 위치한다.
도 24 및 도 25에 나타낸 바와 같이, 제 1 실린더(61a) 내에는 제 1 피스톤(65a)이, 제 2 실린더(61b) 내에는 제 2 피스톤(65b)이 각각 배치된다. 제 1 및 제 2 피스톤(65a, 65b)은 모두 고리형 또는 원통형으로 형성된다. 제 1 피스톤(65a)의 바깥지름과 제 2 피스톤(65b)의 바깥지름은 서로 같다. 제 1 피스톤(65a)의 안지름은 제 1 대경편심부(46a)의 바깥지름과, 제 2 피스톤(65b)의 안지름은 제 2 대경편심부(46b)의 바깥지름과 각각 거의 같다. 그리고 제 1 피스톤(65a)에는 제 1 대경편심부(46a)가, 제 2 피스톤(65b)에는 제 2 대경편심부(46b)가 각각 관통한다.
상기 제 1 피스톤(65a)은, 그 외주 면이 제 1 실린더(61a)의 내주 면에, 한쪽 단면이 프론트헤드(63)에, 다른 쪽 단면이 중간플레이트(101)에 각각 미끄럼 접촉한다. 제 1 실린더(61a) 내에는, 그 내주 면과 제 1 피스톤(65a)의 외주 면 사 이에 팽창실의 일부인 제 1 유체실(62a)이 형성된다.
한편 제 2 피스톤(65b)은, 그 외주 면이 제 2 실린더(61b)의 내주 면에, 한쪽 단면이 리어헤드(64)에, 다른 쪽 단면이 중간플레이트(101)에 각각 미끄럼 접촉한다. 제 2 실린더(61b) 내에는, 그 내주 면과 제 2 피스톤(65b)의 외주 면 사이에 팽창실의 일부인 제 2 유체실(62b)이 형성된다.
상기 제 1 및 제 2 피스톤(65a, 65b) 각각에는, 블레이드(66a, 66b)가 1개씩 일체로 배치된다. 블레이드(66a, 66b)는, 피스톤(65a, 65b)의 반경방향으로 이어지는 판상으로 형성되며, 피스톤(65a, 65b) 외주 면에서 바깥쪽으로 돌출된다.
상기 각 실린더(61a, 61b)에는, 한 쌍의 부시(67a, 67b)가 1조씩 배치된다. 각 부시(67a, 67b)는, 내측 면이 평면이고 외측 면이 원호면이 되도록 형성된 작은 조각이다. 한 쌍의 부시(67a, 67b)는 블레이드(66a, 66b)를 개재한 상태로 설치된다. 각 부시(67a, 67b)는, 그 내측 면이 블레이드(66a, 66b)와 미끄럼 운동하고, 그 외측 면이 실린더(61a, 61b)와 미끄럼 운동한다. 그리고 피스톤(65a, 65b)과 일체인 블레이드(66a, 66b)는, 부시(67a, 67b)를 개재하고 실린더(61a, 61b)에 지지되며, 실린더(61a, 61b)에 대해 회동 자유롭고 진퇴 자유롭게 구성된다.
제 1 실린더(61a) 내의 제 1 유체실(62a)은, 제 1 피스톤(65a)과 일체인 제 1 블레이드(66a)로 구획되며, 도 25에서의 제 1 블레이드(66a) 왼쪽이 고압측의 제 1 고압실(102a)이 되고, 그 오른쪽이 저압측의 제 1 저압실(103a)이 된다. 제 2 실린더(61b) 내의 제 2 유체실(62b)은, 제 2 피스톤(65b)과 일체인 제 2 블레이드(66b)로 구획되며, 도 25에서의 제 2 블레이드(66b) 왼쪽이 고압측의 제 2 고압 실(102b)이 되고, 그 오른쪽이 저압측의 제 2 저압실(103b)이 된다.
도 23에 나타낸 바와 같이 상기 제 1 실린더(61a)에는, 유입포트(36)가 접속된다. 이 유입포트(36)는 프론트헤드(63)에 형성되며 도입통로를 구성한다. 이 유입포트(36)의 종단은, 제 1 실린더(61a)의 내주 면 중, 도 24에서 부시(67a)의 약간 왼쪽으로 개구된다. 그리고 유입포트(36)는, 제 1 고압실(102a)(즉 제 1 유체실(62a)의 고압측)과 연통 가능하게 구성된다. 한편 상기 제 2 실린더(61b)에는 유출포트(37)가 형성된다. 유출포트(37)는 제 2 실린더(61b)의 내주 면 중, 도 24에서 부시(67b)의 약간 오른쪽으로 개구된다. 그리고 유출포트(37)는, 제 2 저압실(103b)(즉 제 2 유체실(62b)의 저압측)과 연통 가능하게 구성된다.
상기 중간플레이트(101)에는 연통로(70)가 형성된다. 이 연통로(70)는 중간플레이트(101)를 관통하도록 형성된다. 중간플레이트(101)의 제 1 실린더(61a) 쪽 면에는, 제 1 블레이드(66a)의 오른쪽 개소로 연통로(70)의 한끝이 개구된다. 중간플레이트(101)의 제 2 실린더(62b) 쪽 면에는, 제 2 블레이드(66b)의 왼쪽 개소로 연통로(70)의 다른 끝이 개구된다. 그리고 연통로(70)는, 도시하지 않으나 중간플레이트(101)의 두께방향에 대해 경사져 이어지며, 제 1 저압실(103a)(즉 제 1 유체실(62a)의 저압측)과 제 2 고압실(102b)(즉 제 2 유체실(62b)의 고압측) 양쪽으로 연통 가능하게 구성된다.
또한 제 1 실린더(61a)에는, 도 23 및 도 24에 나타낸 바와 같은 연락관(72)이 접속된다. 연락관(72)은, 유입포트(36)에서 분기되어 팽창실의 일부인 제 1 유체실(62a)과 연통된다. 이 연락관(72)은, 프론트헤드(63) 내부에 형성되며, 케이 싱(31) 외주에서 축(45)을 향해 이어진 후 위쪽으로 굴곡되어, 그 종단 개구가 제 1 실린더(61a) 내부와 면한다. 이 연락관(72)의 개구는, 제 1 실린더(61a)의 상기 연통로(70) 한쪽 개구 근방에 위치한다.
또 이 연락관(72)에는, 상기 실시형태와 마찬가지로 유통제어기구로서의 전동밸브(73)와, 역류방지기구로서의 역지밸브(80)가 배치된다. 전동밸브(73)는, 그 개방도를 조정함으로써, 상기 연락관(72)보다 제 1 유체실(62a)로 도입되는 냉매의 유량 조정이 가능하게 구성된다. 한편 역지밸브(80)는, 연락관(72)의 제 1 실린더(61a) 근방에서, 이 연락관(72)이 굴곡된 부분에 배치된다. 그리고 역지밸브(80)는, 팽창실의 일부인 제 1 유체실(62a)에서 연락관(72) 쪽으로의 냉매 유출을 방지하도록 구성된다.
<팽창기구의 동작>
다음으로 제 6 실시형태의 팽창기구(60) 동작에 대해 설명한다.
우선, 제 1 실린더(61a)의 제 1 고압실(102a)로 고압냉매가 유입되는 과정에 대해 도 25를 참조하면서 설명한다. 여기서 도 25에서는, 연락관(72), 전동밸브(73), 및 역지밸브(80)의 도시를 생략한다.
회전각이 0도인 상태에서 축(45)이 약간 회전하면, 제 1 피스톤(65a)과 제 1 실린더(61a)의 접촉위치가 유입포트(36) 개구부를 통과하고, 유입포트(36)에서 제 1 고압실(102a)로 고압냉매가 유입되기 시작한다. 그 후, 축(45)의 회전각이 90도, 180도, 270도로 점차 커짐에 따라, 제 1 고압실(102a)로 고압냉매가 유입되어간다. 이 제 1 고압실(102a)로의 고압냉매 유입은, 축(45)의 회전각이 360도에 달 할 때까지 계속된다.
다음으로, 팽창기구(60)에서 냉매가 팽창되는 과정에 대해, 도 25를 참조하면서 설명한다. 회전각이 0도인 상태에서 축(45)이 약간 회전하면, 제 1 저압실(103a)과 제 2 고압실(102b) 양쪽이 연통로(70)와 연통상태가 되어, 제 1 저압실(103a)에서 제 2 고압실(102b)로 냉매가 유입되기 시작한다. 그 후 축(45)의 회전각이 90도, 180도, 270도로 점차 커짐에 따라, 제 1 저압실(103a)의 용적이 점차 감소되는 동시에 제 2 고압실(102b)의 용적이 점차 증가하여, 결과적으로 팽창실(62)의 용적이 점차 증가해간다. 이 팽창실(62)의 용적 증가는, 축(45)의 회전각이 360도에 달할 때까지 계속된다. 그리고 팽창실(62)의 용적이 증가되는 과정에서 팽창실(62) 내의 냉매가 팽창되며, 이 냉매의 팽창에 의해 축(45)이 회전 구동된다. 이와 같이 제 1 저압실(103a) 내의 냉매는, 연통로(70)를 통해 제 2 고압실(102b)로 팽창되면서 유입되어간다.
이어서 제 2 실린더(61b)의 제 2 저압실(103b)로부터 냉매가 유출되어가는 과정에 대해, 도 25를 참조하면서 설명한다. 제 2 저압실(103b)은, 축(45)의 회전각이 0도인 시점에서 유출포트(37)로 연통되기 시작한다. 즉 제 2 저압실(103b)로부터 유출포트(37)로 냉매가 유출되기 시작한다. 그 후 축(45)의 회전각이 90도, 180도, 270도로 점차 커져가고, 그 회전각이 360도에 달하는 동안에 걸쳐, 제 2 저압실(103b)로부터 팽창 후의 저압냉매가 유출되어간다.
이상과 같은 팽창기구(60)에서 팽창실(62)이 과팽창일 경우에는, 도 24 연락관(72)의 전동밸브(73)가 소정 개방도로 개방된다. 그 결과, 유입포트(36)에서 연 락관(72)으로 분기된 고압냉매가 제 1 실린더(61a)의 제 1 저압실(103a)로 도입된다. 그리고 제 1 저압실(103a)로부터 제 2 고압실(102b)에서 팽창된 냉매가 승압되어 팽창실(62)의 과팽창이 해소된다.
한편, 팽창기구(60)에서 통상운전이 이루어지는 경우에는, 전동밸브(73)가 전폐 상태가 된다. 여기서 상기 실시형태와 마찬가지로 연락관(72)에는 역지밸브(80)가 배치된다. 따라서 제 1 유체실(62a)에서 연락관(72) 쪽으로 냉매가 유출되는 것이 방지된다. 이로써 연락관(72)의 전동밸브(73)에서 제 1 유체실(62a)까지의 공간이 팽창실(62)의 사용적이 돼버리는 것이 억제된다. 따라서 제 6 실시형태에서도, 사용적에 기인하는 팽창실(62) 내의 압력 저하를 억제할 수 있어, 이 용적형 팽창기의 동력회수 효율을 향상시킬 수 있다.
[그 밖의 실시형태]
본 발명은 상기 실시형태에 대해, 다음과 같은 구성으로 해도 된다.
상기 각 실시형태에서는, 팽창기구(60)와 압축기구(50)와 전동기(40)를 1개의 케이싱(31) 내에 구비한 압축/팽창유닛(30)에 대해 설명했으나, 본 발명은 압축기와 별도로 형성한 팽창기에 적용해도 된다.
또 상기 제 1 실시형태에서는, 역류방지기구(80)로서 도 12에 나타낸 바와 같은 역지밸브를 배치하도록 했다. 그러나, 역류방지기구(80)로서 예를 들어 제 5 실시형태와 마찬가지로 도 26에 나타낸 바와 같은 리드밸브로 된 역지밸브를 이용하도록 해도 된다. 또 예를 들어, 연락관(72)을 프론트헤드나 리어헤드에 형성하는 경우에는, 제 6 실시형태와 마찬가지로 도 27에 나타낸 바와 같은 역지밸브를 이용하도록 해도 된다. 이상과 같이, 역류방지기구(80)의 구성은, 팽창기구(60)나 연락관(72)의 형상에 따라 어떠한 구성으로 해도 된다.
또 상기 실시형태에서는, 유통제어기구(73, 75, 76)와 역류방지기구(80)를 별도 개체로 구성했다. 그러나 역류방지기구(80)는, 유통제어기구를 겸하도록 구성해도 된다. 구체적으로는 예를 들어 도 28에 나타낸 바와 같이, 연락통로(72)의 팽창실(62) 근방에서, 제 1 실시형태의 역지밸브 대신 전동밸브(80)를 배치하는 한편, 도 4에 나타낸 바와 같은 전동밸브(73)를 생략한 구성으로 해도 된다. 이 구성에서는, 역류방지기구(80)로서의 전동밸브 개방도가 소정 개방도로 개방됨으로써, 연락관(72)에서 팽창실(62)로의 냉매량을 조정하여 과팽창을 해소할 수 있다. 한편, 역류방지기구(80)로서의 전동밸브를 차단함으로써, 연락관(72)에서 팽창실(62)로의 냉매 공급이 정지되어 통상의 운전이 이루어진다. 여기서 역류방지기구(80)로서의 전동밸브가 폐쇄된 경우에는, 팽창실(62)에서 연락관(72)으로의 냉매 유출이 방지되므로, 팽창실(62)의 사용적을 효과적으로 감소시킬 수 있다. 따라서 이러한 형태에서도, 사용적에 기인하는 동력회수 효율의 저하를 억제할 수 있다. 또 이 구성에서는, 하나의 부품에 의해 유통제어기구와 역류방지기구 쌍방의 기능을 얻을 수 있으므로, 이 팽창기구(60)의 부품 수를 줄일 수 있다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명은, 고압유체가 팽창됨으로써 동력을 발생시키는 팽창기구를 구비한 용적형 팽창기와, 이 팽창기를 구비한 유체기구에 대해 유용하다.

Claims (12)

  1. 고압유체가 팽창실에서 팽창되어 동력이 발생하는 팽창기구와, 팽창실의 유체유입측에서 분기하여 이 팽창실의 흡입/팽창과정 위치로 연통되는 연락통로와, 이 연락통로에 배치되어 유체유량을 조정하는 유통제어기구를 구비한 용적형 팽창기에 있어서,
    상기 팽창기구에는, 팽창실로부터 연락통로 쪽으로의 유체 유출을 방지하는 역류방지기구가 배치되는 것을 특징으로 하는 용적형 팽창기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    역류방지기구는, 유통제어기구를 겸하는 것을 특징으로 하는 용적형 팽창기.
  3. 청구항 1에 있어서,
    역류방지기구는, 연락통로에서의 상기 유통제어기구보다 팽창실 쪽으로 배치되는 것을 특징으로 하는 용적형 팽창기.
  4. 청구항 3에 있어서,
    역류방지기구가 역지밸브로 구성되는 것을 특징으로 하는 용적형 팽창기.
  5. 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서,
    유통제어기구는, 개방도 조정 가능한 전동밸브로 구성되는 것을 특징으로 하는 용적형 팽창기.
  6. 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서,
    유통제어기구는, 개폐 가능한 전자(電磁) 개폐밸브로 구성되는 것을 특징으로 하는 용적형 팽창기.
  7. 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서,
    유통제어기구는, 팽창실 팽창과정에서의 유체 압력과 유체유출측 압력의 차압이 소정값보다 커지면 개구되는 차압밸브로 구성되는 것을 특징으로 하는 용적형 팽창기.
  8. 청구항 1 내지 7 중 어느 한 항에 있어서,
    팽창기구가 증기압축식 냉동주기의 팽창행정을 행하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 용적형 팽창기.
  9. 청구항 1 내지 7 중 어느 한 항에 있어서,
    팽창기구는, 고압압력이 초임계압이 되는 증기압축식 냉동주기의 팽창행정을 행하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 용적형 팽창기.
  10. 청구항 9에 있어서,
    팽창기구는, CO2를 냉매로 이용하는 증기압축식 냉동주기의 팽창행정을 행하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 용적형 팽창기.
  11. 청구항 1 내지 10 중 어느 한 항에 있어서,
    팽창기구가 회전식 팽창기구이며,
    유체의 팽창으로 회전동력을 회수하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 용적형 팽창기.
  12. 케이싱 내에, 용적형 팽창기와, 전동기와, 상기 용적형 팽창기 및 전동기로 구동되어 유체를 압축시키는 압축기를 구비한 유체기계이며,
    용적형 팽창기가, 청구항 1 내지 11 중 어느 한 항 기재의 용적형 팽창기로 구성되는 것을 특징으로 하는 유체기계.
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