WO2008044456A1 - Rotary expander - Google Patents

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WO2008044456A1
WO2008044456A1 PCT/JP2007/068441 JP2007068441W WO2008044456A1 WO 2008044456 A1 WO2008044456 A1 WO 2008044456A1 JP 2007068441 W JP2007068441 W JP 2007068441W WO 2008044456 A1 WO2008044456 A1 WO 2008044456A1
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working chamber
rotary expander
path
working fluid
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Hiroshi Hasegawa
Takeshi Ogata
Takumi Hikichi
Masanobu Wada
Yasufumi Takahashi
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Panasonic Corporation
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    • F04C18/00—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids
    • F04C18/02—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids of arcuate-engagement type, i.e. with circular translatory movement of co-operating members, each member having the same number of teeth or tooth-equivalents
    • F04C18/0207—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids of arcuate-engagement type, i.e. with circular translatory movement of co-operating members, each member having the same number of teeth or tooth-equivalents both members having co-operating elements in spiral form
    • F04C18/0215—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids of arcuate-engagement type, i.e. with circular translatory movement of co-operating members, each member having the same number of teeth or tooth-equivalents both members having co-operating elements in spiral form where only one member is moving

Definitions

  • the present invention relates to a rotary expander that can be used in an air conditioner or a hot water heater and can be used in a power recovery type refrigeration cycle apparatus.
  • An expander is known as a fluid machine used for the purpose of recovering internal energy when a refrigerant in a refrigeration cycle drops in pressure from high pressure to low pressure with expansion.
  • a power recovery type refrigeration cycle apparatus using a conventional expander will be described.
  • FIG. 7A shows a conventional power recovery type refrigeration cycle apparatus.
  • This refrigeration cycle apparatus is composed of a compressor 1, a gas cooler 2, an expander 3, an evaporator 4, a rotary motor 5, and a shaft 6 directly connecting the compressor 1, the expander 3, and the rotary motor 5.
  • Carbon dioxide is used as the working fluid refrigerant.
  • the refrigerant is compressed to high temperature and high pressure in the compressor 1 and then cooled in the gas cooler 2. Furthermore, the refrigerant is heated by the evaporator 4 after being dropped to a low temperature and a low pressure in the expander 3.
  • the expander 3 collects internal energy when the refrigerant is reduced in pressure from high pressure to low pressure and converts it into the rotational energy of the shaft 6 to be part of the energy that drives the compressor 1. As a result, the dynamic power of the rotary motor 5 is reduced.
  • the compressor 1 and the expander 3 are connected by the shaft 6, and the rotation speed of the compressor 1 and the rotation speed of the expander 3 are equal.
  • the ratio of the specific volume of the suction refrigerant and the specific volume of the refrigerant sucked by the expander 3 or the ratio of the density of the refrigerant sucked by the compressor 1 and the density of the refrigerant sucked by the expander 3 is the ratio of the respective suction volumes.
  • the so-called density ratio is restricted. For this reason, optimal pressure-temperature control cannot be performed, and a reduction in the COP (Coefficient of Performance) of the refrigeration cycle is an issue.
  • a power recovery refrigeration cycle apparatus in which injection is performed is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-150748, and its configuration Is shown in Figure 7B.
  • the refrigerant path is branched into two at the outlet of the gas cooler 2, and the suction path 9A and the injection path 9B are formed!
  • the refrigerant passing through the suction passage 9A passes through the pre-expansion valve 7 and then is sucked into the expander 3.
  • the refrigerant passing through the injection passage 9B passes through the regulating valve 8 and then passes through the regulating valve 8 and the expansion chamber working chamber (not shown). ).
  • control the opening of the pre-expansion valve 7 and the regulating valve 8 to change the specific volume of the refrigerant sucked into the expander 3 and avoid the restriction of the constant density ratio. It is.
  • Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2006-46222 discloses a first-stage rotary expander and a two-stage rotary expander for use in a power recovery refrigeration site apparatus designed to perform injection. It is shown in 8A and Fig. 8B.
  • a throttle valve 13 whose opening degree can be adjusted is provided in the injection path 12 branched from the suction path 11, and the introduction port 15 for the working chamber 16 of the injection path 12 is a cylinder. Is provided on the inner peripheral surface 14.
  • the throttle valve 23 whose opening degree can be adjusted is provided in the injection path 22 branched from the suction path 21, and the working chamber 28 of the injection path 22 is provided.
  • the introduction port 27 is provided at a position in contact with the inner peripheral surface 24a of the first cylinder 24 in a closing member (not shown) that closes the working chamber 28 on the first cylinder 24 side.
  • the piston is When located near the top dead center, the injection passages 12, 22 communicate with the discharge passages 17, 30 via the working chamber 16, or the working chambers 28, 29 and the communication passage 26, and the induction passages 12, 22 The working fluid is blown from the discharge path 17, 30 to the low pressure. Since the expansion energy of the blown working fluid cannot be recovered by the expander, the conventional rotary expander has a problem that efficiency is lowered.
  • the present invention has been made in view of the force and the problem, and an object thereof is to provide a highly efficient expander that prevents blow-through from the injection path to the discharge path.
  • the rotary expander of the present invention forms a cylindrical surface.
  • An operation chamber is formed between a cylinder having an inner peripheral surface and an inner peripheral surface disposed inside the cylinder, and a piston that moves along the inner peripheral surface, and the operation sandwiching the cylinder
  • a closing member that closes the chamber; a suction passage through which the working fluid flows into the working chamber; and an eccentric portion to which the piston is mounted.
  • the working fluid that flows into the working chamber expands to receive a rotational force.
  • a shaft for allowing the working fluid expanded from the working chamber to flow out, and an induction passage for further introducing the working fluid into the working chamber during the expansion process of the working fluid, and the injection passage with respect to the working chamber
  • the introduction port is provided at a position closer to the inner side than the inner circumferential surface of the cylinder in the closing member so that the injection path and the discharge path do not communicate with each other. And said that you are.
  • the working fluid introduced from the injection path into the working chamber is prevented from being blown through to the discharge path having a low pressure. Therefore, according to the present invention, a highly efficient expander can be obtained.
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view of an expander-integrated compressor using a one-stage rotary expander according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 4 is a longitudinal sectional view of an expander-integrated compressor using a two-stage rotary expander according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 5A Cross section along VA-VA section line in Fig. 4
  • FIG. 7A is a diagram showing a conventional power recovery refrigeration cycle apparatus.
  • FIG. 7B A diagram showing a power recovery type refrigeration cycle apparatus configured to perform conventional injection.
  • FIG. 8B Cross section of conventional two-stage rotary expander
  • Embodiment 1 of the present invention will be described below with reference to the drawings.
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view of an expander-integrated compressor using a one-stage rotary expander according to Embodiment 1 of the present invention
  • FIG. 2 is a transverse section taken along the line II-II in FIG. FIG.
  • the expander-integrated compressor includes a vertically long sealed container 31. Inside the hermetic container 31, a scroll-type compression mechanism 40 is disposed at the upper position, a rotary-type expansion mechanism 60 is disposed at the lower position, and a rotary motor 32 including a rotor 32a and a stator 32b is disposed therebetween. These are linked by shaft 33.
  • the expansion mechanism 60, the shaft 33, and pipes 67A to 67C to be described later constitute a one-stage rotary expander according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the compression mechanism 40 and the expansion mechanism 60 are configured separately and are connected by the shaft 33 at the time of assembly.
  • Carbon dioxide is used as a working fluid described later.
  • Oil for lubrication is stored at the bottom of the hermetic container 31, and an oil pump 34 is provided at the lower end of the shaft 33.
  • An oil supply passage 35 for supplying oil to the sliding portions of the expansion mechanism 60 and the compression mechanism 40 is formed inside the shaft 33.
  • the shaft 33 rotates clockwise in FIG. 2. When the shaft 33 rotates, the oil is pumped up by the oil pump 34 and is supplied to each sliding portion via the oil supply path 35. Used for lubrication and sealing and compression mechanism 40 lubrication and sealing.
  • the scroll-type compression mechanism 40 includes a fixed scroll 41, an orbiting scroll 42, an old ring 43, a vehicle bearing 44, a muffler 45, a suction pipe 46, a discharge pipe 47, a force, It is composed of.
  • the orbiting scroll 42 fitted to the eccentric portion 33a provided at the upper end of the shaft 33 and restrained by the Oldham's ring 43 has a spiral wrap 42a mating with the wrap 41a of the fixed scroll 41. However, as the shaft 33 rotates, it turns.
  • the crescent-shaped working chamber 48 1S formed between the wraps 41a and 42a reduces the volume while moving from the outside to the inside, thereby compressing the working fluid sucked from the suction pipe 46 and fixing the fixed scroll 41
  • the air is discharged into the inner space 31a of the sealed container 31 through the inner space 45a of the muffler 45, the flow path 49 provided in the fixed scroll 41 and the bearing member 44 in this order.
  • the discharged working fluid is While staying in the internal space 31a, it is separated from the mixed lubricating oil by gravity or centrifugal force, and then discharged from the discharge pipe 47 to the outside of the sealed container 31.
  • the rotary type expansion mechanism 60 is provided with a cylinder 61, a piston 62 disposed inside the cylinder 61, an upper bearing member 65 disposed above the cylinder 61, and a lower portion of the cylinder 61.
  • a lower bearing member 66 is provided.
  • a disc-shaped eccentric portion 33b that is eccentric by a predetermined amount from the axis of the shaft 33 is provided at the lower portion of the shaft 33.
  • the upper bearing member 65 is fixed to the sealed container 31 and rotatably supports a portion of the shaft 33 in the vicinity of the upper side of the eccentric portion 33b.
  • the lower bearing member 66 is fixed to the upper bearing member 65 via the cylinder 61.
  • the upper bearing member 65 has a flat disk-like shape that has a flat lower surface and partitions the inside of the sealed container 31 up and down, and has a through hole through which the shaft 33 is passed in the center.
  • the upper bearing member 65 is provided with a flow passage at a suitable position for allowing oil separated from the working fluid to flow downward.
  • the lower bearing member 66 has a plate shape having a flat upper surface and lower surface.
  • the cylinder 61 has a cylindrical shape having an inner peripheral surface 61b forming a cylindrical surface, an outer peripheral surface in which a part of the cylindrical surface projects outward, and upper and lower end surfaces parallel to each other.
  • the cylinder 61 is interposed between the upper bearing member 65 and the lower bearing member 66 so that the center of the inner peripheral surface 61b coincides with the axis of the shaft 33, and the upper end surface of the upper bearing member 65 is The lower end surface is in contact with the upper surface of the lower bearing member 66.
  • the piston 62 has a circular ring shape, and is fitted to the eccentric portion 33b of the shaft 33 by fitting so that the piston 62 comes into line contact with the inner peripheral surface 61b of the cylinder 61 and contacts the inner peripheral surface 61b.
  • An arcuate working chamber 69 is formed between them, and it can move along the inner peripheral surface 61b while sliding on the inner peripheral surface 61b while rotating eccentrically inside the cylinder 61.
  • the thickness of the piston 62 is set to be approximately the same as the thickness of the cylinder 61, the upper end surface of the piston 62 slides on the lower surface of the upper bearing member 65, and the lower end surface of the piston 62 is the lower bearing member 66. It is designed to slide on the top surface.
  • the working chamber 69 is closed by the upper bearing member 65 and the lower bearing member 66, and these bearing members 65, 66 are It also serves as a closing member that closes the working chamber 69 with the da 61 interposed therebetween.
  • the thickness of the eccentric portion 33b of the shaft 33 is also set to be approximately the same as the thickness of the cylinder 61, the upper surface of the eccentric portion 33b slides on the lower surface of the upper bearing member 65, and the lower surface of the eccentric portion 33b. Slides on the upper surface of the lower bearing member 66.
  • the cylinder 61 is provided with a groove 61a extending radially outward from the inner peripheral surface 61b at a position where the outer peripheral surface projects outward.
  • a partition member 63 that is fitted in the groove 61a so as to be reciprocally held by the cylinder 61, and a spring 64 that biases the partition member 63.
  • the partition member 63 is brought into contact with the piston 62 by being urged by the spring 64, whereby the working chamber 69 is partitioned into the suction side working chamber 69a and the discharge side working chamber 69b! /,
  • the partition member 63 is brought into contact with the piston 62 by being urged by the spring 64, whereby the working chamber 69 is partitioned into the suction side working chamber 69a and the discharge side working chamber 69b! /,
  • a suction pipe 67A is connected to the upper bearing member 65, and a first passage 65a and a second passage 65b are formed.
  • a 180 ° arc-shaped groove 33c is formed on the upper surface of the eccentric portion 33b.
  • the first passage 65a, the groove 33c and the second passage 65b form an inflow timing mechanism, and the groove 33c communicates with both the first passage 65a and the second passage 65b as the groove 33c rotates together with the shaft 33.
  • the working fluid flows into the suction side working chamber 69a.
  • the opening of the first passage 65a is provided at a position forming 90 ° with the partition member 63 with respect to the shaft center of the shaft 33 on the lower surface of the upper bearing member 65
  • the second passage 65b is A groove shape extending in the reciprocating direction of the partition member 63 is formed at a position near the partition member 63 on the lower surface of the bearing member 65.
  • the groove portion 33c is symmetrical from the axial center of the shaft 33 toward the eccentric direction of the eccentric portion 33c.
  • a discharge pipe 67B is connected to the cylinder 61, and a discharge port 61c is formed. These 67B and 61c constitute a discharge path through which the working fluid flows out from the discharge side working chamber 69b.
  • the opening of the discharge port 61c is on the inner peripheral surface 61b of the cylinder 61. It is provided in the vicinity of the partition member 63.
  • FIG. 3 shows an operation principle diagram of the expansion mechanism 60 at every 90 ° with respect to the rotation angle of the shaft 33. 0.
  • the suction stroke in which the groove 33c communicates simultaneously with the first passage 65a and the second passage 65b starts It flows into the suction side working chamber 69a.
  • the communication between the groove 33c and the second passage 65b is cut off, and the suction stroke ends.
  • the working fluid in the suction side working chamber 69a expands while being depressurized, and the volume of the suction side working chamber 69a increases by 180 ° and 270 °.
  • the shaft 33 receives a rotational force as the working fluid expands.
  • the suction side working chamber 69a communicates with the discharge port 61c, and the expansion stroke ends.
  • the contact point of the piston 62 with respect to the inner peripheral surface 61b of the cylinder 61 passes through the partition member 63, so that the suction side working chamber so far is switched to the discharge side working chamber 69b.
  • a suction side working chamber 69a is newly formed.
  • the expanded working fluid flows out from the discharge port 61c and the discharge stroke is performed.
  • an injection pipe 67C is connected to the upper bearing member 65, and an injection port 65d is formed.
  • These 67C and 65d constitute an injection path for further introducing the working fluid into the suction side working chamber 69a during the expansion process of the working fluid (in the middle of the expansion stroke).
  • the injection pipe 67C is branched from an unillustrated working fluid supply pipe and a suction pipe 67A, and the injection pipe 67C is provided with a throttle valve 68 whose opening degree can be adjusted.
  • the injection port 65d is provided with a backflow prevention valve.
  • the opening of the injection port 65d that is, the introduction port 65c with respect to the suction side working chamber 69a of the injection path is closer to the inside (offset) than the inner peripheral surface 61b of the cylinder 61 on the lower surface of the upper bearing member 65.
  • the introduction port 65c is provided at a position that forms about 55 ° with the partition member 63 with respect to the axis of the shaft 33. For this reason, in the injection path, the introduction port 65c is opened and closed by the moving piston 62. As a result, only the suction side working chamber 69a can be opened. This prevents communication between the injection path and the discharge path.
  • the introduction port 65c is provided immediately before the contact of the piston 62 with the inner peripheral surface 61b of the cylinder 61 is applied to the discharge port 61c (that is, the contact is in the vicinity of the discharge port 61c).
  • the piston 62 is completely closed by the upper end surface of the piston 62, and the contact of the piston 62 with respect to the inner peripheral surface 6 lb is gradually opened after rotating about 90 ° from the partition member 63.
  • the introduction port 65c is closed by the upper end surface of the piston 62 at least from the start to the end of the discharge stroke, and is opened from the end of the intake stroke to the expansion stroke.
  • the injection path is the force that causes the working fluid to flow into the suction-side working chamber 69a via the control valve 8 (throttle valve 68) and the inlet port 65c in the discharge stroke at least in the discharge stroke in this embodiment. Since it is closed, the injection port 65d force, the working fluid force S flowing into the suction side working chamber 69a, and the force that prevents the blowout from the discharge port 61c with a low pressure as it is are controlled.
  • the introduction port 65c is provided at a position slightly shifted in the rotational direction of the shaft 33 from the position of Fig. 3, the flow of the working fluid from the suction passage of the suction side working chamber 69a ⁇ is completed.
  • the inlet 65c can be opened. In this way, it is possible to prevent high-pressure working fluid from entering the dead space of the injection port 65d (the space to the inlet port 65c and the backflow prevention valve).
  • the position of the introduction port 65c need only be within an angle range of 90 ° from the partition member 63 in the rotation direction of the shaft 33 which is not necessarily the position shown in the present embodiment. In such a position, the introduction port 65c can be kept open for a relatively long period in the expansion stroke. A more preferable position of the introduction port 65c is within an angle range of 30 ° or more and 70 ° or less from the partition member 63 in the rotation direction of the shaft 33.
  • an injection port 65d is provided in the lower bearing member 66, and the injection port It is also possible to provide the inlet 65c of the channel in a position closer to the inner side than the inner peripheral surface 61b of the cylinder 61 on the upper surface of the lower bearing member 66.
  • FIG. 4 is a longitudinal sectional view of an expander-integrated compressor using a two-stage rotary expander according to Embodiment 2 of the present invention
  • FIG. 5A is a cross-sectional view taken along the VA—VA sectional line of FIG.
  • FIG. 5B is a cross-sectional view taken along the line VB—VB in FIG.
  • the expander-integrated compressor according to the second embodiment is the same as the expander-integrated compressor according to the first embodiment except that the expander-compressor is a three-stage rotary type. Are given the same reference numerals and their explanation is omitted.
  • the two-stage rotary expansion mechanism 80 includes a first cylinder 81 and a second cylinder 82 that are arranged vertically, a first piston 84 disposed inside the first cylinder 81, and an inner side of the second cylinder 82.
  • the second piston 85 disposed, the intermediate plate 83 disposed between the first cylinder 81 and the second cylinder 82, the upper bearing member 90 disposed above the first cylinder 81, and the second cylinder 82 And a lower bearing member 91 disposed below.
  • a disc-shaped first eccentric portion 33d and a second eccentric portion 33e that are eccentric by a predetermined amount in the same direction from the axis of the shaft 33 are provided at the lower portion of the shaft 33.
  • the upper bearing member 90 is fixed to the sealed container 31 and rotatably supports a portion near the upper side of the first eccentric portion 33d of the shaft 33.
  • the lower bearing member 91 includes the first cylinder 81, the middle plate 83, and the like.
  • a second cylinder 82 to be fixed to the upper bearing member 90 to rotatably support the lower vicinity of the second eccentric portion 33b of the shaft 33.
  • the upper bearing member 90 has a flat disk-like shape that has a flat lower surface and partitions the inside of the sealed container 31 up and down, and has a through hole through which the shaft 33 is passed in the center. Have. Although not shown in the drawing, the upper bearing member 90 is provided with a flow path for flowing down the oil separated from the working fluid in the upper part at an appropriate position.
  • the lower bearing member 91 has a plate shape having a flat upper surface and lower surface.
  • the middle plate 83 has a plate shape having a flat upper surface and a lower surface, and its thickness is set to be approximately the same as the distance between the first eccentric portion 33d and the second eccentric portion 33e. In the center of the middle plate 83, the second eccentric part 33e is passed during assembly. Through-holes are provided.
  • the first cylinder 81 and the second cylinder 82 have inner peripheral surfaces 81b, 82b forming a cylindrical surface, an outer peripheral surface in which a part of the cylindrical surface projects outward, and upper and lower end surfaces parallel to each other. It has a cylindrical shape.
  • the thickness of the second cylinder 82 is set larger than the thickness of the first cylinder 81.
  • the first cylinder 81 is interposed between the upper bearing member 90 and the middle plate 83 so that the center of the inner peripheral surface 81b coincides with the axis of the shaft 33, and the upper end surface is below the upper bearing member 90.
  • the lower end surface is in contact with the upper surface of the intermediate plate 83.
  • the second cylinder 82 is interposed between the intermediate plate 83 and the lower bearing member 91 in a state where the center of the inner peripheral surface 82 b coincides with the axis of the shaft 33, and the upper end surface is the lower surface of the intermediate plate 83. The lower end surface is in contact with the upper surface of the lower bearing member 91.
  • the first piston 84 and the second piston 85 have a circular ring shape, and are fitted to the eccentric portions 33d and 33e of the shaft 33 by fitting, whereby the inner peripheral surface 81b of the first cylinder 81 is obtained. Or, it makes line contact with the inner peripheral surface 82b of the second cylinder 82 to form arcuate working chambers 94, 95 between the inner peripheral surfaces 81b, 82b, and eccentric rotation inside the cylinders 81, 82. Movement, that is, movement along the inner peripheral surface 8 lb, 82b is possible while sliding on the inner peripheral surface 8 lb, 82b.
  • the thicknesses of these pistons 84 and 85 are set to be approximately the same as the thicknesses of the cylinders 81 and 82, and the upper end surfaces of the pistons 84 and 85 slide on the lower surface of the upper bearing member 90 or the middle plate 83, and The lower end surface of the piston 62 slides on the upper surface of the intermediate plate 83 or the lower bearing member 91. That is, the working chamber 94 on the first cylinder 81 side is closed by the upper bearing member 90 and the middle plate 83, and the working chamber 95 on the second cylinder 82 side is closed by the middle plate 83 and the lower bearing member 91.
  • the thickness of the eccentric portions 33d and 33e of the shaft 33 is also set to be approximately the same as the thickness of the cylinders 81 and 82, and the upper surface of the eccentric portions 33d and 33e slides on the lower surface of the upper bearing member 90 or the middle plate 83.
  • the lower surfaces of the eccentric parts 33d and 33e slide on the upper surface of the intermediate plate 83 or the lower bearing member 91.
  • the inner peripheral surfaces 81b and 82b of the first cylinder 81 and the second cylinder 82 have the same diameter, and the first piston 84 and the second piston 85 have the same outer diameter.
  • the second By making the thickness of the Linda 82 larger than the thickness of the first cylinder 81, the volume of the working chamber 95 on the second cylinder 82 side is set larger than the volume of the working chamber 94 on the first cylinder 81 side.
  • the first cylinder 81 and the second cylinder 82 have the same thickness, and the diameter of the inner peripheral surface 82b of the second cylinder 82 is larger than the diameter of the inner peripheral surface 81b of the first cylinder 81.
  • the outer diameter of the second piston 85 may be made smaller than the outer diameter of the first piston 84.
  • the first cylinder 81 and the second cylinder 82 are provided with grooves 81a and 82a extending radially outward from the inner peripheral surfaces 81b and 82b at positions where the outer peripheral surfaces protrude outward.
  • a first partition member 86 and a second partition member 87 which are held in a reciprocating manner by the cylinders 81 and 82 by being fitted in the cylinders 81a and 82a, and a partition member 86 , 87 and springs 88, 89 for urging.
  • An intermediate plate (intermediate closing member) 83 includes a portion near the first partition member 86 of the discharge side working chamber 94b on the first cylinder 81 side and a second partition member 87 of the suction side working chamber 95a on the second cylinder 82 side.
  • a communication passage 83a that communicates with the vicinity is provided, and an expansion chamber is configured by these 94b, 83a, and 95a.
  • a suction pipe 92 is connected to the upper bearing member 90, and a suction port 90a is formed. These 92 and 90a constitute a suction passage through which the working fluid flows into the discharge side working chamber 94a.
  • the opening of the suction port 90a is provided in the vicinity of the first partition member 86 on the lower surface of the upper bearing member 90! /.
  • a discharge pipe 93 is connected to the second cylinder 82, and a discharge port 82c is formed. These 93 and 82c constitute a discharge path through which the working fluid flows out from the discharge side working chamber 95b.
  • the opening of the discharge port 82 c is provided in the vicinity of the second partition member 87 on the inner peripheral surface 82 b of the second cylinder 82.
  • FIG. 6 shows an operation principle diagram of the expansion mechanism 80 at every 90 ° with respect to the rotation angle of the shaft 33. 0 ° (The contact point of the first piston 84 with respect to the inner peripheral surface 81b of the first cylinder 81 is the first partition member. 86), the suction stroke is started, and the working fluid flows from the suction port 90a of the first cylinder 81 into the suction side working chamber 94a. When shaft 33 rotates to 360 °, the suction stroke is completed.
  • the shaft 33 receives rotational force due to expansion of the working fluid.
  • the contact point of the second piston 85 with the inner circumferential surface 82b of the second cylinder 82 passes through the second partition member 87, so that the suction side working chamber on the second cylinder 82 side is operated on the discharge side.
  • the chamber 95b is switched to, and a suction side working chamber 95a is newly formed between the contact point and the second partition member 87.
  • the expanded working fluid is caused to flow out of the discharge port 82c, and a discharge stroke is performed.
  • the lower bearing member 91 is connected to the injection pipe 96 and is formed with an injection port 91b.
  • These 96 and 91b constitute an injection path for further introducing the working fluid into the suction side working chamber 95a on the second cylinder 82 side during the expansion process of the working fluid.
  • the injection pipe 96 is branched from an unillustrated working fluid supply pipe and a suction pipe 92, and the injection pipe 96 is provided with a throttle valve 68 whose opening degree can be adjusted.
  • the injection port 91b is provided with a backflow prevention valve.
  • the opening of the injection port 91b that is, the introduction port 91a with respect to the suction side working chamber 95a of the injection path is closer to the inner side than the inner peripheral surface 82b of the second cylinder 82 on the upper surface of the lower bearing member 91 ( (Offset) position. More specifically, the introduction port 91a is provided at a position that forms about 50 ° with the second partition member 87 with respect to the axis of the shaft 33. For this reason, the injection path can be opened only to the suction side working chamber 95a by opening and closing the introduction port 91a by the moving second piston 85. This Communication between the injection path and the discharge path is prevented.
  • the introduction port 91a is provided immediately before the contact point of the second piston 85 with respect to the inner peripheral surface 82b of the second cylinder 82 is applied to the discharge port 82c (that is, the contact point) Was completely closed by the lower end surface of the second piston 85 when the nozzle reached the vicinity of the discharge port 82c), and the contact point of the second piston 85 with respect to the inner peripheral surface 82b was rotated about 90 ° from the second partition member 87. It will be gradually opened later.
  • the introduction port 91a is closed by the lower end surface of the second piston 85 at least from the start to the end of the discharge stroke, and is opened shortly after the start of the expansion stroke and just before the end. As in FIG.
  • the injection path allows the working fluid to flow into the suction-side working chamber 95a on the second cylinder 82 side via the control valve 8 (throttle valve 68), even though V in this embodiment. Is closed by the second piston 85 at least in the discharge stroke, so that it is possible to prevent the working fluid flowing into the suction side working chamber 95a from the injection port 91b from being blown into the discharge port 82c having a low pressure. S can.
  • the position of the introduction port 91a need only be within an angle range of 90 ° from the second partition member 87 in the rotational direction of the shaft 33 which is not necessarily the position shown in the present embodiment. In such a position, the inlet 91a can be kept open for a relatively long period in the expansion stroke.
  • a more preferable position of the introduction port 91a is within an angle range of 30 ° or more and 70 ° or less from the second partition member 87 in the rotation direction of the shaft 33.
  • the injection path 91a is opened and closed by the moving second piston 85 or the first piston 84 so that the injection path is opened. It suffices if it is provided at a position where it can be opened only in the expansion chamber.
  • the injection port 91b may be provided in the upper closing member 90.
  • the inlet 91 a is provided at a position within an angle range of 90 ° from the first partition member 86 in the rotational direction of the shaft 33 on the lower surface of the upper closing member 90, and is formed by the upper end surface of the first piston 84. To be opened and closed.
  • the injection port 91 b is provided in the lower bearing member 91 as in the present embodiment, the working fluid can be introduced in the latter half of the expansion stroke. Further, since the pressure in the suction side working chamber 95a on the second cylinder 82 side is smaller than the pressure in the discharge side working chamber 94b on the first cylinder 81 side, the introduction port 91a is provided in the upper bearing member 90. However, if the lower bearing member 91 is provided, more working fluid can be introduced into the expansion chamber. Therefore, according to the two-stage rotary expander of the present embodiment, it is possible to secure a wide adjustment range of the injection amount and increase the variable range of the density ratio, and to perform optimum pressure temperature control over a wide range of environmental temperatures. It becomes like this.
  • the adjustment valve 8 is a valve that cannot be controlled in accordance with the rotation cycle of the shaft 33, for example, a throttle valve 68 that only adjusts the opening degree to control the flow rate of the working fluid
  • the adjustment valve 8 Since the valve 8 is always maintained at a constant opening, it was not possible to prevent the working fluid from being blown from the injection ports 65d, 91b to the discharge ports 61c, 82c, but the rotary expander of the present invention If is used, the effect of preventing the working fluid from blowing through is remarkable.
  • the regulating valve 8 is an electromagnetic valve that can be controlled to open and close in accordance with the rotation cycle of the shaft 33, the regulating valve 8 is opened during the suction process or the expansion process, and the regulating valve 8 is closed immediately before the discharge stroke. By performing the control, it is possible to prevent the working fluid from being blown from the injection ports 65d and 91b of the present invention to the discharge ports 61c and 82c.
  • the main object of the present invention is to be applied to an expander of an expander-integrated compressor in which injection is performed in order to avoid the restriction of a constant density ratio, but injection is performed.
  • the present invention can also be applied to a single expander.
  • Embodiments 1 and 2 the description has been given using the expansion mechanism 60, 80 of the rotor piston type, but the expansion mechanism is a one-stage or two-stage structure in which the partition member and the piston are integrally formed. It goes without saying that the same effect can be obtained by replacing the swing type.
  • the expander of the present invention is useful as power recovery means for recovering the expansion energy of the working fluid in the refrigeration cycle.

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Description

明 細 書
ロータ y式膨張機
技術分野
[0001] 本発明は、エアコンや給湯機に利用可能であり、動力回収式の冷凍サイクル装置 に用いることのできる、ロータリ式膨張機に関する。
背景技術
[0002] 冷凍サイクルにおける冷媒が高圧から低圧へと膨張を伴いながら圧力降下する際 の内部エネルギーを回収する目的で用いられる流体機械として膨張機が知られてい る。以下、従来の膨張機を用いた動力回収式冷凍サイクル装置について説明する。
[0003] 図 7Aに、従来の動力回収式冷凍サイクル装置を示す。本冷凍サイクル装置は、圧 縮機 1、ガスクーラ 2、膨張機 3、蒸発器 4、回転電動機 5、および、圧縮機 1と膨張機 3と回転電動機 5を直結するシャフト 6から構成されており、作動流体である冷媒にニ 酸化炭素を用いている。冷媒は、圧縮機 1において高温高圧へと圧縮された後、ガス クーラ 2において冷却される。さらに、冷媒は、膨張機 3において低温低圧へと圧力 降下された後、蒸発器 4で加熱される。膨張機 3は、冷媒が高圧から低圧へと膨張を 伴いながら圧力降下される際の内部エネルギーを回収してシャフト 6の回転エネルギ 一に変換し、圧縮機 1を駆動するエネルギーの一部とすることで、回転電動機 5の動 力を低減する。
[0004] 以上の動力回収式冷凍サイクル装置では、圧縮機 1と膨張機 3がシャフト 6で連結 されており、圧縮機 1の回転数と膨張機 3の回転数は等しいので、圧縮機 1の吸入冷 媒の比容積と膨張機 3の吸入冷媒の比容積との比、あるいは、圧縮機 1の吸入冷媒 の密度と膨張機 3の吸入冷媒の密度との比が、それぞれの吸入容積の比に固定され てしまうという、いわゆる密度比一定の制約が生じる。このため、最適な圧力温度制御 が行えず、冷凍サイクルの COP (Coefficient of Performance)の低下が課題となって いる。
[0005] 上記密度比一定の制約を回避するために、インジェクションを行うようにした動力回 収式冷凍サイクル装置が特開 2004— 150748号公報に開示されており、その構成 を図 7Bに示す。本構成では、ガスクーラ 2の出口で冷媒の経路が 2つに分岐されて、 吸入路 9Aとインジェクション路 9Bとが形成されて!/、る。吸入路 9Aを通る冷媒は予膨 張弁 7を通過した後に膨張機 3に吸入され、インジェクション路 9Bを通る冷媒は調整 弁 8を通過した後に膨張機 3の膨張過程の作動室（図示せず）に導入される。この動 力回収式冷凍サイクル装置は、予膨張弁 7と調整弁 8の開度を制御することで、膨張 機 3に吸入される冷媒の比容積を変化させ、密度比一定の制約を回避しょうとするも のである。
[0006] 特開 2006— 46222号公報に、インジェクションを行うようにした動力回収式冷凍サ イタル装置に用いる 1段ロータリ式膨張機および 2段ロータリ式膨張機が開示されて おり、その構成を図 8A、図 8Bに示す。図 8Aに示す 1段ロータリ式膨張機では、吸入 路 11と枝分かれしたインジェクション路 12に開度調整可能な絞り弁 13が設けられて いるとともに、インジェクション路 12の作動室 16に対する導入口 15がシリンダの内周 面 14に設けられている。また、図 8Bに示す 2段ロータリ式膨張機では、吸入路 21と 枝分かれしたインジェクション路 22に開度調整可能な絞り弁 23が設けられているとと もに、インジェクション路 22の作動室 28に対する導入口 27が、第 1シリンダ 24側の作 動室 28を閉塞する図略の閉塞部材における第 1シリンダ 24の内周面 24aに接する 位置に設けられている。
[0007] しかしながら、上述したようにインジェクション路の導入口がシリンダの内周面や内 周面に接する位置に設けられた従来のロータリ式膨張機では、図 8Aや図 8Bのよう に、ピストンが上死点の近傍に位置するとき、作動室 16、あるいは作動室 28, 29およ び連通路 26を介してインジェクション路 12, 22が吐出路 17, 30に連通し、インジエタ シヨン路 12, 22から圧力の低い吐出路 17, 30へと作動流体の吹き抜けが起こる。吹 き抜けた作動流体の膨張エネルギーは、膨張機で回収することができないために、 従来のロータリ式膨張機では効率が低下するという課題が生じていた。
発明の開示
[0008] 本発明は、力、かる点に鑑みてなされたものであり、インジェクション路から吐出路へ の吹き抜けを防止し、高効率な膨張機を提供することを目的としている。
[0009] 上述した課題を解決するために、本発明のロータリ式膨張機は、円筒面を形成する 内周面を有するシリンダと、前記シリンダの内側に配置されて前記内周面との間に作 動室を形成し、前記内周面に沿って移動するピストンと、前記シリンダを挟んで前記 作動室を閉塞する閉塞部材と、前記作動室に作動流体を流入させる吸入路と、前記 ピストンが装着される偏心部を有し、前記作動室に流入した作動流体が膨張すること により回転力を受けるシャフトと、前記作動室から膨張した作動流体を流出させる吐 出路と、前記作動室に作動流体の膨張過程でさらに作動流体を導入するインジエタ シヨン路と、を備え、前記インジェクション路の前記作動室に対する導入口は、当該ィ ンジェクシヨン路と前記吐出路とが連通することがないように、前記閉塞部材における 前記シリンダの内周面よりも内側に寄った位置に設けられていることを特徴とする。
[0010] 本発明のロータリ式膨張機では、インジェクション路から作動室に導入された作動 流体が圧力の低い吐出路へと吹き抜けることが防止される。従って、本発明によれば 、高効率な膨張機を得ることができる。
図面の簡単な説明
[0011] [図 1]本発明の実施の形態 1に係る 1段ロータリ式膨張機を用いた膨張機一体型圧縮 機の縦断面図
[図 2]図 1の II II断面線における横断面図
[図 3]図 1の膨張機構の動作原理図
[図 4]本発明の実施の形態 2に係る 2段ロータリ式膨張機を用いた膨張機一体型圧縮 機の縦断面図
[図 5A]図 4の VA— VA断面線における横断面図
[図 5B]図 4の VB— VB断面線における横断面図
[図 6]図 4の膨張機構の動作原理図
[図 7A]従来の動力回収式冷凍サイクル装置を示す図
[図 7B]従来のインジェクションを行うようにした動力回収式冷凍サイクル装置を示す 図
[図 8A]従来の 1段ロータリ式膨張機の横断面図
[図 8B]従来の 2段ロータリ式膨張機の横断面図
発明を実施するための最良の形態 [0012] (実施の形態 1)
以下、本発明の実施の形態 1について、図面を参照しながら説明する。
[0013] 図 1は、本発明の実施の形態 1に係る 1段ロータリ式膨張機を用いた膨張機一体型 圧縮機の縦断面図、図 2は、図 1の II II断面線における横断面図である。膨張機一 体型圧縮機は、縦長の密閉容器 31を備えている。この密閉容器 31の内部には、上 側位置にスクロール式の圧縮機構 40、下側位置にロータリ式の膨張機構 60、その 間に回転子 32aと固定子 32bから成る回転電動機 32が配置されており、これらはシ ャフト 33により連結されている。そして、膨張機構 60、シャフト 33、および後述する管 67A〜67Cにより、本発明の実施の形態 1に係る 1段ロータリ式膨張機が構成されて いる。なお、圧縮機構 40と膨張機構 60は別々に構成しておき、組立て時にシャフト 3 3により連結する。また、後述する作動流体としては、二酸化炭素が用いられている。
[0014] 密閉容器 31の底部には、潤滑用のオイルが溜められており、シャフト 33の下端部 には、オイルポンプ 34が設けられている。シャフト 33の内部には、膨張機構 60およ び圧縮機構 40の各摺動部にオイルを供給するための給油路 35が形成されている。 シャフト 33は、図 2において時計回りに回転するようになっており、シャフト 33が回転 すると、オイルポンプ 34によってオイルが汲み上げられて給油路 35を経て各摺動部 に供給され、膨張機構 60の潤滑およびシールならびに圧縮機構 40の潤滑およびシ ールに使用される。
[0015] スクロール式の圧縮機構 40は、固定スクロール 41と、旋回スクロール 42と、オルダ ムリング 43と、車由受咅 ォ 44と、マフラー 45と、吸人管 46と、吐出管 47と力、ら構成され ている。シャフト 33の上端部に設けられた偏心部 33aに嵌合され、かつ、オルダムリ ング 43により自転運動を拘束された旋回スクロール 42は、渦巻き形状のラップ 42a が固定スクロール 41のラップ 41aと嚙み合いながら、シャフト 33の回転に伴って旋回 運動を行う。これにより、ラップ 41a、 42aの間に形成される三日月形状の作動室 48 1S 外側から内側に移動しながら容積を縮小することにより、吸入管 46から吸入され た作動流体が圧縮され、固定スクロール 41の中央部に設けた吐出孔 41bから、マフ ラー 45の内側空間 45a、固定スクロール 41および軸受部材 44に設けた流路 49を順 に経由して、密閉容器 31の内部空間 31aへと吐出される。吐出された作動流体は、 内部空間 31aに滞留する間に、重力や遠心力などにより、混入した潤滑用のオイルと 分離され、その後に吐出管 47から密閉容器 31外へと吐出される。
[0016] ロータリ式の膨張機構 60は、シリンダ 61と、シリンダ 61の内側に配置されたピストン 62と、シリンダ 61の上方に配置された上軸受部材 65と、シリンダ 61の下方に配置さ れた下軸受部材 66とを備えて!/、る。
[0017] シャフト 33の下部には、当該シャフト 33の軸心から所定量偏心した円盤状の偏心 部 33bが設けられている。上軸受部材 65は、密閉容器 31に固定されて、シャフト 33 における偏心部 33bの上側近傍部分を回転可能に支持しており、下軸受部材 66は 、シリンダ 61を介して上軸受部材 65に固定されて、シャフト 33における偏心部 33b の下側近傍部分を回転可能に支持している。具体的には、上軸受部材 65は、フラッ トな下面を有する、密閉容器 31の内部を上下に仕切る略円盤状の形状をなしており 、その中心にシャフト 33を揷通させる揷通穴を有している。なお、図示は省略するが 、上軸受部材 65には、上方で作動流体から分離されたオイルを下方に流下させる流 下路が適所に設けられている。一方、下軸受部材 66は、フラットな上面および下面を 有する板状をなしている。
[0018] シリンダ 61は、円筒面を形成する内周面 61bと、円筒面の一部分が外側に張り出し た外周面と、互いに平行な上下両端面とを有する筒状をなしている。このシリンダ 61 は、内周面 61bの中心がシャフト 33の軸心と合致する状態で上軸受部材 65と下軸 受部材 66との間に介設されていて、上端面が上軸受部材 65の下面に当接し、下端 面が下軸受部材 66の上面に当接している。
[0019] ピストン 62は、円形リング状をなしており、シャフト 33の偏心部 33bに嵌合によって 装着されることにより、シリンダ 61の内周面 61bに線接触して当該内周面 61bとの間 に円弧状の作動室 69を形成するとともに、シリンダ 61の内側で偏心回転運動、すな わち内周面 61b上を摺動しながら当該内周面 61bに沿って移動可能となっている。 このピストン 62の厚みは、シリンダ 61の厚みと同程度に設定されており、ピストン 62 の上端面が上軸受部材 65の下面上を摺動し、かつ、ピストン 62の下端面が下軸受 部材 66の上面上を摺動するようになっている。すなわち、作動室 69は上軸受部材 6 5および下軸受部材 66によって閉塞されており、これらの軸受部材 65, 66は、シリン ダ 61を挟んで作動室 69を閉塞する閉塞部材を兼ねている。なお、シャフト 33の偏心 部 33bの厚みも、シリンダ 61の厚みと同程度に設定されており、偏心部 33bの上面 が上軸受部材 65の下面上を摺動し、かつ、偏心部 33bの下面が下軸受部材 66の上 面上を摺動するようになっている。
[0020] シリンダ 61には、外周面が外側に張り出す位置に内周面 61bから径方向外側に伸 びる溝 61aが設けられている。この溝 61a内には、当該溝 61aに嵌め込まれることに よりシリンダ 61に往復動自在に保持される仕切り部材 63と、仕切り部材 63を付勢す るばね 64とが配設されている。仕切り部材 63は、ばね 64に付勢されることによりビス トン 62に当接させられており、これにより作動室 69が吸入側作動室 69aと吐出側作 動室 69bに仕切られて!/、る。
[0021] 次に、膨張機構 60が作動流体を吸入および吐出するための構成について説明す
[0022] 上軸受部材 65には、吸入管 67Aが接続されているとともに、第 1通路 65aおよび第 2通路 65bが形成されている。一方、偏心部 33bの上面には、 180° 円弧状の溝部 3 3cカ形成されてレヽる。そして、これら 65a, 65b, 33cによって、吸入伹 IJ作動室 69aに 作動流体を流入させる吸入路が構成されている。すなわち、高圧の作動流体は、吸 入管 67Aから第 1通路 65aを経て溝部 33cに流入した後、第 2通路 65bを経て吸入 側作動室 69aに流入する。第 1通路 65aと溝部 33cと第 2通路 65bは流入タイミング 機構を形成しており、シャフト 33と共に溝部 33cが回転するのに伴い、溝部 33cが第 1通路 65aと第 2通路 65bの両方と連通している間だけ、作動流体が吸入側作動室 6 9aに流入する仕組みになっている。より詳しくは、第 1通路 65aの開口は、上軸受部 材 65の下面におけるシャフト 33の軸心に対して仕切り部材 63と 90° をなす位置に 設けられており、第 2通路 65bは、上軸受部材 65の下面における仕切り部材 63の近 傍位置で仕切り部材 63の往復方向に延びる溝状をなしている。溝部 33cは、シャフト 33の軸心から偏心部 33cの偏心方向に向って左右対称となっている。
[0023] シリンダ 61には、吐出管 67Bが接続されているとともに、吐出ポート 61cが形成され ている。そして、これら 67B, 61cによって、吐出側作動室 69bから作動流体を流出さ せる吐出路が構成されている。吐出ポート 61cの開口は、シリンダ 61の内周面 61bに おける仕切り部材 63の近傍に設けられている。
[0024] 図 3に、膨張機構 60の動作原理図をシャフト 33の回転角に関して 90° ごとに示す 。 0。 (シリンダ 61の内周面 61bに対するピストン 62の接点が仕切り部材 63上にある 角度）において、溝部 33cが第 1通路 65aおよび第 2通路 65bと同時に連通する吸入 行程が始まり、高圧の作動流体が吸入側作動室 69aに流入する。 90° を少し過ぎる と、溝部 33cと第 2通路 65bの連通が断たれ、吸入行程が終了する。その後、吸入側 作動室 69aの作動流体は減圧しながら膨張し、 180° 、 270° と吸入側作動室 69a の容積が増加する。このとき、シャフト 33は、作動流体が膨張することにより回転力を 受ける。シャフト 33がー周して 360° に至る直前に、吸入側作動室 69aは吐出ポート 61cと連通し、膨張行程が終了する。その後、 360° において、シリンダ 61の内周面 61bに対するピストン 62の接点が仕切り部材 63を通過することにより、今までの吸入 側作動室は吐出側作動室 69bに切り替わり、接点と仕切り部材 63との間に新たに吸 入側作動室 69aが形成される。その後、 720° までの間、吐出側作動室 69bの容積 が減少するのに伴い、膨張した作動流体が吐出ポート 61cから流出させられて吐出 行程が行われる。
[0025] また、本実施の形態 1では、図 1および図 2に示すように、上軸受部材 65に、インジ ェクシヨン管 67Cが接続されているとともに、インジェクションポート 65dが形成されて いる。そして、これら 67C, 65dによって、吸入側作動室 69aに作動流体の膨張過程 (膨張行程の途中）でさらに作動流体を導入するインジェクション路が構成されている 。インジェクション管 67Cは、図略の作動流体供給管から吸入管 67Aと枝分かれした ものであり、このインジェクション管 67Cには、開度調整可能な絞り弁 68が設けられて いる。なお、図示は省略するが、インジェクションポート 65dには、逆流防止弁が設け られている。
[0026] インジェクションポート 65dの開口、すなわちインジェクション路の吸入側作動室 69 aに対する導入口 65cは、上軸受部材 65の下面におけるシリンダ 61の内周面 61bよ りも内側に寄った (オフセットした)位置に設けられている。より詳しくは、導入口 65c は、シャフト 33の軸心に対して仕切り部材 63と約 55° をなす位置に設けられている 。このため、インジェクション路は、移動するピストン 62によって導入口 65cが開閉さ れることにより、吸入側作動室 69aにのみ開口可能となっている。これにより、インジェ クシヨン路と吐出路とが連通することが防止されている。
[0027] 具体的には、図 3に示すように、導入口 65cは、シリンダ 61の内周面 61bに対する ピストン 62の接点が吐出ポート 61cにかかる直前 (すなわち、当該接点が吐出ポート 61cの近傍に到達した時）にピストン 62の上端面によって完全に閉じられ、内周面 6 lbに対するピストン 62の接点が仕切り部材 63から約 90° 回転した後に徐々に開か れる。このように、導入口 65cは、少なくとも吐出行程開始から終了まではピストン 62 の上端面によって閉じられており、吸入行程の終了間際から膨張行程にかけて開か れている。インジェクション路は、図 7B同様、本実施の形態においても制御弁 8 (絞り 弁 68)を経て吸入側作動室 69aに作動流体を流入させる力、導入口 65cが少なくと も吐出行程においてピストン 62に閉じられていることから、インジェクションポート 65d 力、ら吸入側作動室 69aに流入した作動流体力 S、そのまま圧力の低い吐出ポート 61c と吹さ抜けることを防止すること力でさる。
[0028] 従って、従来の膨張機においては吹き抜けにより動力回収することができなかった 膨張エネルギーを回収することが可能になるので、高効率な膨張機を提供することが でき、膨張機一体型圧縮機を用いた動力回収式冷凍サイクルの効率を向上させるこ と力 Sできる。
[0029] なお、導入口 65cを図 3の位置よりももう少しシャフト 33の回転方向にシフトした位 置に設ければ、吸入側作動室 69a^の吸入路からの作動流体の流入が終了した後 に導入口 65cが開かれるようにすることができる。このようにすれば、インジェクション ポート 65dのデッドスペース（導入口 65c力も逆流防止弁までのスペース）に高圧の 作動流体が入り込むことを抑制することができる。
[0030] また、導入口 65cの位置は、本実施形態で示した位置である必要はなぐシャフト 3 3の回転方向において、仕切り部材 63から 90° の角度範囲内にあればよい。このよ うな位置であれば、膨張行程の内で比較的長い期間、導入口 65cを開いておくこと が可能になる。より好ましい導入口 65cの位置は、シャフト 33の回転方向において、 仕切り部材 63から 30° 以上 70° 以下の角度範囲内である。
[0031] さらに、インジェクションポート 65dを下軸受部材 66に設けるとともに、インジェクショ ン路の導入口 65cを、下軸受部材 66の上面におけるシリンダ 61の内周面 61bよりも 内側に寄った位置に設けることも可能である。
[0032] (実施の形態 2)
以下、本発明の実施の形態 2について、図面を参照しながら説明する。
[0033] 図 4は、本発明の実施の形態 2に係る 2段ロータリ式膨張機を用いた膨張機一体型 圧縮機の縦断面図、図 5Aは、図 4の VA— VA断面線における横断面図、図 5Bは、 図 4の VB— VB断面線における横断面図である。本実施の形態 2の膨張機一体型圧 縮機は、膨張機構力 ¾段ロータリ式であることを除いて、実施の形態 1の膨張機一体 型圧縮機と同じであるため、同一構成部分には同一符号を付してその説明を省略す
[0034] 2段ロータリ式の膨張機構 80は、上下に並ぶ第 1シリンダ 81および第 2シリンダ 82 と、第 1シリンダ 81の内側に配置された第 1ピストン 84と、第 2シリンダ 82の内側に配 置された第 2ピストン 85と、第 1シリンダ 81と第 2シリンダ 82の間に配置された中板 83 と、第 1シリンダ 81の上方に配置された上軸受部材 90と、第 2シリンダ 82の下方に配 置された下軸受部材 91とを備えている。
[0035] シャフト 33の下部には、当該シャフト 33の軸心から同方向に所定量偏心した円盤 状の第 1偏心部 33dおよび第 2偏心部 33eが設けられている。上軸受部材 90は、密 閉容器 31に固定されて、シャフト 33における第 1偏心部 33dの上側近傍部分を回転 可能に支持しており、下軸受部材 91は、第 1シリンダ 81、中板 83、および第 2シリン ダ 82を介して上軸受部材 90に固定されて、シャフト 33における第 2偏心部 33bの下 側近傍部分を回転可能に支持している。具体的には、上軸受部材 90は、フラットな 下面を有する、密閉容器 31の内部を上下に仕切る略円盤状の形状をなしており、そ の中心にシャフト 33を揷通させる揷通穴を有している。なお、図示は省略するが、上 軸受部材 90には、上方で作動流体から分離されたオイルを下方に流下させる流下 路が適所に設けられている。一方、下軸受部材 91は、フラットな上面および下面を有 する板状をなしている。中板 83は、フラットな上面および下面を有する板状をなして いるが、その厚みは、第 1偏心部 33dと第 2偏心部 33eの間の距離と同程度に設定さ れている。なお、中板 83の中央には、組立て時に第 2偏心部 33eを通過させるため の貫通穴が設けられている。
[0036] 第 1シリンダ 81および第 2シリンダ 82は、円筒面を形成する内周面 81b, 82bと、円 筒面の一部分が外側に張り出した外周面と、互いに平行な上下両端面とを有する筒 状をなしている。第 2シリンダ 82の厚みは、第 1シリンダ 81の厚みよりも大きく設定さ れている。第 1シリンダ 81は、内周面 81bの中心がシャフト 33の軸心と合致する状態 で上軸受部材 90と中板 83との間に介設されていて、上端面が上軸受部材 90の下 面に当接し、下端面が中板 83の上面に当接している。第 2シリンダ 82は、内周面 82 bの中心がシャフト 33の軸心と合致する状態で中板 83と下軸受部材 91との間に介 設されていて、上端面が中板 83の下面に当接し、下端面が下軸受部材 91の上面に 当接している。
[0037] 第 1ピストン 84および第 2ピストン 85は、円形リング状をなしており、シャフト 33の偏 心部 33d, 33eに嵌合によって装着されることにより、第 1シリンダ 81の内周面 81bま たは第 2シリンダ 82の内周面 82bに線接触して当該内周面 81b, 82bとの間に円弧 状の作動室 94, 95を形成するとともに、シリンダ 81 , 82の内側で偏心回転運動、す なわち内周面 8 lb, 82b上を摺動しながら当該内周面 8 lb, 82bに沿って移動可能 となっている。これらのピストン 84, 85の厚みは、シリンダ 81 , 82の厚みと同程度に 設定されており、ピストン 84, 85の上端面が上軸受部材 90または中板 83の下面上 を摺動し、かつ、ピストン 62の下端面が中板 83または下軸受部材 91の上面上を摺 動するようになっている。すなわち、第 1シリンダ 81側の作動室 94は上軸受部材 90 および中板 83によって、第 2シリンダ 82側の作動室 95は中板 83および下軸受部材 91によって閉塞されており、これらの軸受部材 90, 91および中板 83は、シリンダ 81 , 82を挟んで作動室 94, 95を閉塞する閉塞部材を兼ねている。なお、シャフト 33の 偏心部 33d, 33eの厚みも、シリンダ 81 , 82の厚みと同程度に設定されており、偏心 部 33d, 33eの上面が上軸受部材 90または中板 83の下面上を摺動し、かつ、偏心 部 33d, 33eの下面が中板 83または下軸受部材 91の上面上を摺動するようになって いる。
[0038] 本実施の形態では、第 1シリンダ 81と第 2シリンダ 82の内周面 81b, 82bの直径を 同じにするとともに第 1ピストン 84と第 2ピストン 85の外径を同じにしておいて、第 2シ リンダ 82の厚みを第 1シリンダ 81の厚みよりも大きくすることで、第 2シリンダ 82側の 作動室 95の容積が第 1シリンダ 81側の作動室 94の容積よりも大きく設定されている 。し力、し、第 1シリンダ 81と第 2シリンダ 82の厚みを同じにしておいて、第 2シリンダ 82 の内周面 82bの直径を第 1シリンダ 81の内周面 81bの直径よりも大きくしたり、第 2ピ ストン 85の外径を第 1ピストン 84の外径よりも小さくしたりしてもよい。
[0039] 第 1シリンダ 81および第 2シリンダ 82には、外周面が外側に張り出す位置に内周面 81b, 82bから径方向外側に伸びる溝 81a, 82aが設けられている。これらの溝 81a, 82a内には、当該?冓 81a, 82aに嵌め込まれることによりシリンダ 81 , 82に往復動自 在に保持される第 1仕切り部材 86および第 2仕切り部材 87と、仕切り部材 86, 87を 付勢するばね 88, 89とが配設されている。仕切り部材 86 , 87は、ばね 88, 89に付 勢されることによりピストン 84, 85に当接させられており、これにより作動室 94, 95が 吸入側作動室 94a, 95aと吐出側作動室 95b, 95bに仕切られている。中板（中間閉 塞部材） 83には、第 1シリンダ 81側の吐出側作動室 94bの第 1仕切り部材 86近傍部 分と第 2シリンダ 82側の吸入側作動室 95aの第 2仕切り部材 87近傍部分とを連通す る連通路 83aが設けられており、これら 94b, 83a, 95aによって膨張室が構成されて いる。
[0040] 次に、膨張機構 80が作動流体を吸入および吐出するための構成について説明す
[0041] 上軸受部材 90には、吸入管 92が接続されているとともに、吸入ポート 90aが形成さ れている。そして、これら 92, 90aによって、吐出側作動室 94aに作動流体を流入さ せる吸入路が構成されている。吸入ポート 90aの開口は、上軸受部材 90の下面にお ける第 1仕切り部材 86の近傍に設けられて!/、る。
[0042] 第 2シリンダ 82には、吐出管 93が接続されているとともに、吐出ポート 82cが形成さ れている。そして、これら 93, 82cによって、吐出側作動室 95bから作動流体を流出 させる吐出路が構成されている。吐出ポート 82cの開口は、第 2シリンダ 82の内周面 82bにおける第 2仕切り部材 87の近傍に設けられている。
[0043] 図 6に、膨張機構 80の動作原理図をシャフト 33の回転角に関して 90° ごとに示す 。 0° (第 1シリンダ 81の内周面 81bに対する第 1ピストン 84の接点が第 1仕切り部材 86上にある角度）において、吸入行程が開始され、第 1シリンダ 81の吸入ポート 90a から吸入側作動室 94aに作動流体が流入する。シャフト 33が 360° まで回転すると、 吸入行程が終了する。 360° において、第 1シリンダ 81の内周面 81bに対する第 1ピ ストン 84の接点が第 1仕切り部材 86を通過することにより、今までの吸入側作動室は 吐出側作動室 94bに切り替わり、接点と第 1仕切り部材 86との間に新たに吸入側作 動室 94aが形成される。こうして、吐出側作動室 94bから連通孔 83aを通じて第 2シリ ンダ 82側の吸入側作動室 95aに作動流体が移動しながら膨張する膨張行程が開始 される。シャフト 33が 720° まで回転すると、第 1シリンダ 81側の吐出側作動室 94b は消滅し、膨張行程が終了する。この間、シャフト 33は、作動流体が膨張することに より回転力を受ける。 720° において、第 2シリンダ 82の内周面 82bに対する第 2ビス トン 85の接点が第 2仕切り部材 87を通過することにより、今までの第 2シリンダ 82側 の吸入側作動室は吐出側作動室 95bに切り替わり、接点と第 2仕切り部材 87との間 に新たに吸入側作動室 95aが形成される。その後、 1080° にかけて吐出側作動室 95bの容積が減少するのに伴い、膨張した作動流体が吐出ポート 82cから流出させ られて吐出行程が行われる。
[0044] また、本実施の形態 2では、下軸受部材 91に、インジェクション管 96が接続されて いるとともに、インジェクションポート 91bが形成されている。そして、これら 96, 91bに よって、第 2シリンダ 82側の吸入側作動室 95aに作動流体の膨張過程でさらに作動 流体を導入するインジェクション路が構成されている。インジェクション管 96は、図略 の作動流体供給管から吸入管 92と枝分かれしたものであり、このインジェクション管 9 6には、開度調整可能な絞り弁 68が設けられている。なお、図示は省略するが、イン ジェクシヨンポート 91bには、逆流防止弁が設けられている。
[0045] インジェクトポート 91bの開口、すなわちインジェクション路の吸入側作動室 95aに 対する導入口 91aは、下軸受部材 91の上面における第 2シリンダ 82の内周面 82bよ りも内側に寄った (オフセットした)位置に設けられている。より詳しくは、導入口 91a は、シャフト 33の軸心に対して第 2仕切り部材 87と約 50° をなす位置に設けられて いる。このため、インジェクション路は、移動する第 2ピストン 85によって導入口 91 aが 開閉されることにより、吸入側作動室 95aにのみ開口可能となっている。これにより、 インジェクション路と吐出路とが連通することが防止されている。
[0046] 具体的には、図 6に示すように、導入口 91aは、第 2シリンダ 82の内周面 82bに対 する第 2ピストン 85の接点が吐出ポート 82cにかかる直前 (すなわち、当該接点が吐 出ポート 82cの近傍に到達した時）に第 2ピストン 85の下端面によって完全に閉じら れ、内周面 82bに対する第 2ピストン 85の接点が第 2仕切り部材 87から約 90° 回転 した後に徐々に開かれる。このように、導入口 91aは、少なくとも吐出行程開始から終 了までは第 2ピストン 85の下端面によって閉じられており、膨張行程の開始後まもなく してから終了間際にかけて開かれている。インジェクション路は、図 7B同様、本実施 の形態にお V、ても制御弁 8 (絞り弁 68)を経て第 2シリンダ 82側の吸入側作動室 95a に作動流体を流入させるが、導入口 91aが少なくとも吐出行程において第 2ピストン 8 5に閉じられていることから、インジェクションポート 91bから吸入側作動室 95aに流入 した作動流体がそのまま圧力の低い吐出ポート 82cへと吹き抜けることを防止するこ と力 Sできる。
[0047] 従って、従来の膨張機においては動力回収することができなかったインジェクション ポート 91bから吐出ポート 82cに吹き抜けていた作動流体の膨張エネルギーを回収 することが可能になるので、高効率な膨張機を提供することができ、膨張機一体型圧 縮機を用いた動力回収式冷凍サイクルの効率を向上させることができる。
[0048] なお、導入口 91aの位置は、本実施形態で示した位置である必要はなぐシャフト 3 3の回転方向において、第 2仕切り部材 87から 90° の角度範囲内にあればよい。こ のような位置であれば、膨張行程の内で比較的長い期間、導入口 91aを開いておく ことが可能になる。より好ましい導入口 91aの位置は、シャフト 33の回転方向におい て、第 2仕切り部材 87から 30° 以上 70° 以下の角度範囲内である。
[0049] また、インジェクション路と吐出路とが連通することがないようにするには、導入口 91 aが、移動する第 2ピストン 85または第 1ピストン 84によって開閉されることによりイン ジェクシヨン路が膨張室にのみ開口可能となる位置に設けられていればよい。例えば 、インジェクションポート 91bを上閉塞部材 90に設けるようにしてもよい。この場合、導 入口 91 aは、上閉塞部材 90の下面における、シャフト 33の回転方向において、第 1 仕切り部材 86から 90° の角度範囲内の位置に設け、第 1ピストン 84の上端面によ つて開閉されるようにする。ただし、本実施の形態のように、インジェクションポート 91 bを下軸受部材 91に設ければ、膨張行程の後半で作動流体を導入できるようになる 。また、第 2シリンダ 82側の吸入側作動室 95a内の圧力は、第 1シリンダ 81側の吐出 側作動室 94b内の圧力よりも小さいために、導入口 91aを上軸受部材 90に設けるよ りも下軸受部材 91に設けた方が、多くの作動流体を膨張室に導入することができる。 従って、本実施の形態の 2段ロータリ式膨張機によれば、インジェクション量の調整範 囲を広く確保して密度比の可変幅を大きくでき、広範囲の環境温度で最適な圧力温 度制御ができるようになる。
[0050] さらに、中板 83にインジェクションポート 91bを設けるとともに、中板 83の上面また は下面に導入口 91aを設けることも可能である力 S、中板 83の厚みを薄く保っために は、本実施の形態のようにする方が好ましい。
[0051] (まとめ）
以上のように、調整弁 8としてシャフト 33の回転周期に合わせて制御ができない弁、 例えば作動流体の流量を制御するための開度調整のみを行う絞り弁 68を用レ、た場 合、調整弁 8は常に一定の開度に保たれているため、インジェクションポート 65d, 91 bから吐出ポート 61c, 82cへの作動流体の吹き抜けを防止することができなかったが 、本発明のロータリ型膨張機を用いれば、作動流体の吹き抜け防止効果が顕著であ る。また、調整弁 8がシャフト 33の回転周期に合わせて開閉制御可能な電磁弁であ る場合には、吸入過程または膨張過程に調整弁 8を開き、吐出行程の直前に調整弁 8を閉じるという制御を行うことにより、本発明のインジェクションポート 65d, 91bから 吐出ポート 61c, 82cへの作動流体の吹き抜けを二重に防止することができる。
[0052] なお、本発明は、密度比一定の制約を回避するためにインジェクションを行うように した膨張機一体型圧縮機の膨張機に適用することを主な目的としているが、インジェ クシヨンを行うようにした単体の膨張機にも適用可能であることは言うまでも無い。
[0053] また、実施の形態 1、 2では、ロータリングピストン式の膨張機構 60, 80を用いて説 明したが、膨張機構を仕切り部材とピストンが一体に構成される 1段または 2段のスゥ イング式のものに置換しても、同様の効果が得られることは言うまでも無い。
産業上の利用可能性 本発明の膨張機は、冷凍サイクルにおける作動流体の膨張エネルギーを回収する 動力回収手段として有用である。

Claims

請求の範囲
[1] 円筒面を形成する内周面を有するシリンダと、
前記シリンダの内側に配置されて前記内周面との間に作動室を形成し、前記内周 面に沿って移動するピストンと、
前記シリンダを挟んで前記作動室を閉塞する閉塞部材と、
前記作動室に作動流体を流入させる吸入路と、
前記ピストンが装着される偏心部を有し、前記作動室に流入した作動流体が膨張 することにより回転力を受けるシャフトと、
前記作動室から膨張した作動流体を流出させる吐出路と、
前記作動室に作動流体の膨張過程でさらに作動流体を導入するインジェクション 路と、を備え、
前記インジヱクシヨン路の前記作動室に対する導入口は、当該インジヱクシヨン路と 前記吐出路とが連通することがないように、前記閉塞部材における前記シリンダの内 周面よりも内側に寄った位置に設けられている、ロータリ式膨張機。
[2] 前記シリンダに保持されて、前記作動室を吸入側作動室と吐出側作動室に仕切る 仕切り部材をさらに備える、請求項 1に記載のロータリ式膨張機。
[3] 前記ロータリ式膨張機は、前記シリンダを 1つ備える 1段ロータリ式膨張機であり、 前記導入口は、移動する前記ピストンによって開閉されることにより前記インジエタ シヨン路が前記吸入側作動室にのみ開口可能となる位置に設けられている、請求項 2に記載のロータリ式膨張機。
[4] 前記導入口の位置は、前記シャフトの回転方向において、前記仕切り部材から 90 ° の角度範囲内にある、請求項 3に記載のロータリ式膨張機。
[5] 前記導入口は、前記吸入側作動室 の前記吸入路からの作動流体の流入が終了 した後に開かれる位置に設けられている、請求項 3に記載のロータリ式膨張機。
[6] 前記ロータリ式膨張機は、前記シリンダとして、第 1シリンダと、第 2シリンダとを備え 、前記閉塞部材として、前記第 1シリンダと前記第 2シリンダの間に配置された中間閉 塞部材と、前記第 1シリンダに対して前記中間閉塞部材と反対側に配置された第 1閉 塞部材と、前記第 2シリンダに対して前記中間閉塞部材と反対側に配置された第 2閉 塞部材とを備える 2段ロータリ式膨張機であり、
前記第 2シリンダ側の作動室の容積は、前記第 1シリンダ側の作動室の容積よりも 大きく設定されており、
前記中間閉塞部材には、前記第 1シリンダ側の吐出側作動室と前記第 2シリンダ側 の吸入側作動室とを連通して膨張室を構成する連通路が設けられており、
前記導入口は、前記ピストンの移動によって開閉されることにより前記インジエタショ ン路が前記膨張室にのみ開口可能となる位置に設けられている、請求項 2に記載の ロータリ式膨張機。
[7] 前記導入口は、前記第 1閉塞部材に設けられており、この導入口の位置は、前記シ ャフトの回転方向において、前記仕切り部材から 90° の角度範囲内にある、請求 項 6に記載のロータリ式膨張機。
[8] 前記導入口は、前記第 2閉塞部材に設けられており、この導入口の位置は、前記シ ャフトの回転方向において、前記仕切り部材から 90° の角度範囲内にある、請求項
6に記載のロータリ式膨張機。
[9] 前記インジェクション路には、開度調整可能な絞り弁が設けられて!/、る、請求項 1に 記載のロータリ式膨張機。
[10] 前記シャフトは、前記作動流体を圧縮する圧縮機構に結合されてレ、る、請求項 1に 記載のロータリ式膨張機。
[11] 前記作動流体は二酸化炭素である、請求項 1に記載のロータリ式膨張機。
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