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技術 流体機械および冷凍サイクル装置

出願人 パナソニック株式会社
発明者 松井大長谷川寛高橋康文岡市敦雄咲間文順
出願日 2007年7月30日 (12年11ヶ月経過) 出願番号 2007-197088
公開日 2009年2月12日 (11年4ヶ月経過) 公開番号 2009-030565
状態 特許登録済
技術分野 回転型圧縮機の応用細部 回転型圧縮機の応用細部
主要キーワード 上下同一位置 圧縮膨張機 自由膨張 ピストンロータ 吸入完了 スイング型 内周円 外縁近傍
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課題

従来の膨張機一体型圧縮機は、圧縮機と膨張機が全く別構成で、全体構成が大型化するという課題があった。また、圧縮機のシャフトと膨張機のシャフトを連結する結合部材に対する信頼性にも問題があった。

解決手段

シリンダ105の内周面ピストン107の外周面上軸受部材104と下軸受部材106とで形成される空間で冷媒を圧縮し、ピストン107の内周面と偏心部103aの上端面と上軸受部材104と凸部104aとで形成される空間、およびピストン107の内周面と偏心部103aの下端面と下軸受部材106と凸部106aとで形成される空間で冷媒を膨張させる構成とすることにより、圧縮機と膨張機を同一平面に配置する。

概要

背景

膨張機回収した冷媒膨張エネルギーを、圧縮機で冷媒を圧縮する仕事の一部として利用する動力回収式の冷凍サイクル装置において、圧縮機と膨張機とを一体化した流体機械を用いたものが知られている(例えば、特許文献1参照)。

図9は、従来の流体機械30の構成を示す縦断面図である。図9に示すように、従来の流体機械30は、密閉容器31の内部に2ピストンロータリ式の圧縮機50、電動機45、2段ロータリ式の膨張機60が順に配置され、シャフト40により連結されている。シャフト40は、圧縮機軸受57、膨張機主軸受61、および膨張機副軸受62により軸支されている。

冷凍サイクル装置において、冷媒は、圧縮機50で圧縮され、高温高圧となって吐出される。高温高圧となった冷媒は、冷凍サイクル装置内の放熱器吸入されて放熱し、比較的低温となって吐出される。高圧のまま比較的低温となった冷媒は、膨張機60に吸入されて膨張し、低温低圧となって吐出される。低温低圧となった冷媒は、冷凍サイクル装置内の蒸発器に吸入されて吸熱し、比較的高温となって吐出される。低圧のまま比較的高温となった冷媒は、再び圧縮機50に吸入されて圧縮される。このようにして、冷媒は冷凍サイクル装置内を循環する。

上記冷媒の循環において、膨張機60では、冷媒の膨張エネルギーが回収され、圧縮機50を駆動するためのエネルギーに変換される。したがって、回収された膨張エネルギーが電動機45をアシストするため、冷凍サイクル装置の運転効率を向上させることができる。
特開2005−106046号公報

概要

従来の膨張機一体型圧縮機は、圧縮機と膨張機が全く別構成で、全体構成が大型化するという課題があった。また、圧縮機のシャフトと膨張機のシャフトを連結する結合部材に対する信頼性にも問題があった。シリンダ105の内周面ピストン107の外周面上軸受部材104と下軸受部材106とで形成される空間で冷媒を圧縮し、ピストン107の内周面と偏心部103aの上端面と上軸受部材104と凸部104aとで形成される空間、およびピストン107の内周面と偏心部103aの下端面と下軸受部材106と凸部106aとで形成される空間で冷媒を膨張させる構成とすることにより、圧縮機と膨張機を同一平面に配置する。

目的

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

上軸受部材と、下軸受部材と、前記上軸受部材で上端面を閉塞されるとともに前記下軸受部材で下端面を閉塞されることにより、円筒形状の作動室を内部に形成するシリンダと、前記上軸受部材と前記下軸受部材とで支持されるとともに、前記シリンダを貫くシャフトと、前記シャフトの中心軸に対して偏心して設けられた、外周面が円筒形状である偏心部と、前記作動室に収容され、かつ前記偏心部の外周面に嵌合して、前記作動室を外側作動室と内側作動室とに区画する環状のピストンと、前記外側作動室を高圧側と低圧側に区画する外側ベーンと、前記内側作動室を高圧側と低圧側に区画する内側ベーンと、を備え、前記外側作動室では、前記ピストンの偏心回転に伴って吸入冷媒圧縮され、前記内側作動室では、前記ピストンの偏心回転に伴って吸入冷媒が膨張する、流体機械

請求項2

前記上軸受部材の下面および前記下軸受部材の上面には、環状の凸部をそれぞれ設け、前記凸部には前記内側ベーンを格納する内側ベーン溝を備えている、請求項1に記載の流体機械。

請求項3

前記内側作動室を上下に区画する前記偏心部の軸方向の高さは、前記ピストンの軸方向の高さよりも低く、かつ、前記偏心部の高さ1/2における水平面の位置は、前記ピストンの軸方向の高さ1/2における水平面の位置と一致する、請求項1または2に記載の流体機械。

請求項4

前記偏心部には、前記偏心部の回転に伴い所定の期間のみ内側ベーン溝に給油する給油溝を設けることを特徴とする、請求項1または2に記載の流体機械。

請求項5

前記内側作動室の吸入ポートは前記上軸受部材に設けられ、前記吸入ポートのシャフト側の縁は、前記偏心部の偏心方向が前記外側ベーンと反対側に達した瞬間に、前記ピストンの内周円と一致する仮想円上に設ける、あるいは前記仮想円よりも外側の位置に設ける、請求項1に記載の流体機械。

請求項6

前記内側作動室の吐出ポートは前記上軸受部材に設けられ、前記吐出ポートのシャフト側の縁は、前記偏心部の偏心方向が前記外側ベーンと反対側に達した瞬間に、前記ピストンの内周円と一致する仮想円上に設ける、あるいは前記仮想円よりも外側の位置に設ける、請求項1に記載の流体機械。

請求項7

冷媒を圧縮する圧縮機と、前記シャフトを駆動する電動機と、前記圧縮機で圧縮された冷媒を放熱させる放熱器と、前記放熱器で放熱した冷媒を膨張させる膨張機と、前記膨張機で膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器と、を備え、前記圧縮機および前記膨張機が、請求項1に記載の流体機械からなる冷凍サイクル装置

請求項8

冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された冷媒をさらに圧縮する主圧縮機と、前記主圧縮機で圧縮された冷媒を放熱させる放熱器と、前記放熱器で放熱した冷媒を膨張させる膨張機と、前記膨張機で膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器と、を備え、前記圧縮機および前記膨張機が、請求項1に記載の流体機械からなる冷凍サイクル装置。

請求項9

冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された冷媒をさらに圧縮する主圧縮機と、前記主圧縮機で圧縮された冷媒を放熱させる放熱器と、前記放熱器で放熱した冷媒を膨張させる膨張機と、前記膨張機で膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器と、を備え、前記主圧縮機および前記膨張機が、請求項1に記載の流体機械からなる冷凍サイクル装置。

請求項10

前記冷媒に二酸化炭素を用いることを特徴とする、請求項1〜6のいずれかに記載の流体機械。

技術分野

0001

本発明は、流体機械および冷凍サイクル装置に関する。

背景技術

0002

膨張機回収した冷媒膨張エネルギーを、圧縮機で冷媒を圧縮する仕事の一部として利用する動力回収式の冷凍サイクル装置において、圧縮機と膨張機とを一体化した流体機械を用いたものが知られている(例えば、特許文献1参照)。

0003

図9は、従来の流体機械30の構成を示す縦断面図である。図9に示すように、従来の流体機械30は、密閉容器31の内部に2ピストンロータリ式の圧縮機50、電動機45、2段ロータリ式の膨張機60が順に配置され、シャフト40により連結されている。シャフト40は、圧縮機軸受57、膨張機主軸受61、および膨張機副軸受62により軸支されている。

0004

冷凍サイクル装置において、冷媒は、圧縮機50で圧縮され、高温高圧となって吐出される。高温高圧となった冷媒は、冷凍サイクル装置内の放熱器吸入されて放熱し、比較的低温となって吐出される。高圧のまま比較的低温となった冷媒は、膨張機60に吸入されて膨張し、低温低圧となって吐出される。低温低圧となった冷媒は、冷凍サイクル装置内の蒸発器に吸入されて吸熱し、比較的高温となって吐出される。低圧のまま比較的高温となった冷媒は、再び圧縮機50に吸入されて圧縮される。このようにして、冷媒は冷凍サイクル装置内を循環する。

0005

上記冷媒の循環において、膨張機60では、冷媒の膨張エネルギーが回収され、圧縮機50を駆動するためのエネルギーに変換される。したがって、回収された膨張エネルギーが電動機45をアシストするため、冷凍サイクル装置の運転効率を向上させることができる。
特開2005−106046号公報

発明が解決しようとする課題

0006

しかしながら、従来の流体機械30の内部では、圧縮機50と膨張機60とが、それぞれ別個に異なる平面上に配置されているため、全体構成が大型化し、部品点数が多いという問題があった。また、圧縮機軸受57、膨張機主軸受61、膨張機副軸受62は、圧縮機50と膨張機60の動作安定性の確保や組立ての容易化のために設置されているが、各軸受において大きな摺動損失が発生し、冷凍サイクル装置の効率が高められないという問題があった。さらに、圧縮機50のシャフトと膨張機60のシャフトとを連結する結合部材に対する信頼性にも問題があった。

課題を解決するための手段

0007

上述した課題を解決するために、本発明の流体機械は、上軸受部材と、下軸受部材と、前記上軸受部材で上端面を閉塞されるとともに前記下軸受部材で下端面を閉塞されることにより、円筒形状の作動室を内部に形成するシリンダと、前記上軸受部材と前記下軸受部材とで支持されるとともに、前記シリンダを貫くシャフトと、前記シャフトの中心軸に対して偏心して設けられた、外周面が円筒形状である偏心部と、前記作動室に収容され、かつ前記偏心部の外周面に嵌合して、前記作動室を外側作動室と内側作動室とに区画する環状のピストンと、前記外側作動室を高圧側と低圧側に区画する外側ベーンと、前記内側作動室を高圧側と低圧側に区画する内側ベーンと、を備え、前記外側作動室では、前記ピストンの偏心回転に伴って吸入冷媒が圧縮され、前記内側作動室では、前記ピストンの偏心回転に伴って吸入冷媒が膨張する構成である。

発明の効果

0008

本発明によれば、シリンダの内周面とピストンの外周面との間に形成される作動室で冷媒を圧縮し、ピストンの内周面と上軸受部材または下軸受部材から突起した凸部の外周面との間に形成される作動室で冷媒を膨張させる構成とするため、圧縮機と膨張機とを1つの構成として、流体機械内の同一平面上に配置することができる。これにより、簡潔な構成で、膨張機の膨張エネルギーが、圧縮機の駆動エネルギーとして、電動機をアシストすることができる。

発明を実施するための最良の形態

0009

(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1における流体機械100の構成を示す縦断面図である。図2は、図1のZ−Z線における圧縮膨張機構120の横断面図である。

0010

図1図2に示すように、本実施の形態1における流体機械100は、密閉容器101の内部に、電動機102および圧縮膨張機構120を備え、シャフト103により連結されている。なお、シャフト103は、電動機102と圧縮膨張機構120とに共用されている。

0011

また、密閉容器101には、膨張機吸入管113、圧縮機吸入管114、膨張機吐出管122(図示せず)、圧縮機吐出管119(図示せず)が貫通して設けられている。

0012

電動機102は、ステータ102aとロータ102bとにより構成されている。ステータ102aは密閉容器101に固定され、ロータ102bはシャフト103に固定されている。

0013

圧縮膨張機構120は、上軸受部材104、シリンダ105、下軸受部材106、ピストン107、外側ベーン108、外側ベーン用バネ109、第1内側ベーン110、第2内側ベーン111、第1内側ベーン用バネ112、第2内側ベーン用バネ118、およびシャフト103により構成されており、後述するように、圧縮機と膨張機とが一体化した機構である。

0014

シャフト103は、シリンダ105を貫通し、上軸受部材104および下軸受部材106によって回転可能に支持されている。シャフト103には、中心軸に対して垂直方向に突出する形で、外周面が円筒形状の偏心部103aが設けられている。偏心部103aの外周面には、環状のピストン107が嵌合している。

0015

偏心部103aの軸方向の高さは、ピストン107の軸方向の高さよりも低い。偏心部103aの軸方向の高さ1/2における水平面の位置は、ピストン107の軸方向の高さ1/2における水平面の位置と一致する。言い換えれば、ピストン107の上端面から偏心部103aの上端面までの軸方向の長さと、ピストン107の下端面から偏心部103aの下端面までの軸方向の長さとが一致するように、偏心部103aの軸方向の位置を設定する。これにより、圧縮膨張機構120内の圧縮機側と膨張機側の冷媒の圧力を、シャフト103に対して同一点で作用させることができ、シャフト103の振動を抑えることができる。

0016

ピストン107は、シリンダ105の円筒形状の内部空間に収容されている。シリンダ105には、外側ベーン溝105aが形成されている。外側ベーン溝105aには、外側ベーン108がスライド可能、言い換えれば、長手方向に進退可能に装着されている。外側ベーン108の背面には、外側ベーン用バネ109が配置されている。これにより、外側ベーン108の先端は、ピストン107の外周面に押し付けられる。

0017

上軸受部材104の下面には、環状の凸部104aが形成されている。凸部104aには、ピストン107を介して外側ベーン溝105aと対向する位置に、第1内側ベーン溝104bが形成されている。第1内側ベーン溝104bには、第1内側ベーン110がスライド可能、言い換えれば、長手方向に進退可能に装着されている。第1内側ベーン110の背面には、第1内側ベーン用バネ112が配置されている。これにより、第1内側ベーン110の先端は、ピストン107の内周面に押し付けられる。

0018

また同様に、下軸受部材106の上面には、凸部104aと同じ径の環状の凸部106aが形成されている。図示していないが、凸部106aには、ピストン107を介して外側ベーン溝105aと対向する位置、かつ、偏心部103aを介して第1内側ベーン溝104bと対向する位置に、第2内側ベーン溝106bが形成されている。第2内側ベーン溝106bには、第2内側ベーン111がスライド可能、言い換えれば、長手方向に進退可能に装着されている。第2内側ベーン111の背面には、第2内側ベーン用バネ118が配置されている。これにより、第2内側ベーン111の先端は、ピストン107の内周面に押し付けられる。

0019

シリンダ105、ピストン107、上軸受部材104、および下軸受部材106により、外側作動室、すなわち、冷媒を圧縮するための圧縮機作動室が形成される。圧縮機作動室は、外側ベーン108により、圧縮機吸入側作動室115aと、圧縮機吐出側作動室115bとに区画される。

0020

圧縮機吸入側作動室115aは、シリンダ105に形成されている圧縮機吸入ポート105bを介して、圧縮機吸入管114と連通している。また、圧縮機吐出側作動室115bは、シリンダ105に形成されている圧縮機吐出ポート105cを介して、圧縮機吐出管119(図示せず)と連通している。

0021

圧縮機吐出ポート105cには、圧縮機吐出側作動室115bの圧力が圧縮機吐出管119の圧力よりも高くなった場合に開く吐出バルブ(図示せず)が設置されている。なお、圧縮機吸入ポート105bおよび圧縮機吐出ポート105cは、上軸受部材104もしくは下軸受部材106に形成されてもよい。

0022

ピストン107、偏心部103a、上軸受部材104、および上軸受部材104の凸部104aにより、第1内側作動室、すなわち、冷媒が膨張するための第1膨張機作動室が形成される。第1膨張機作動室は、第1内側ベーン110により、第1膨張機吸入側作動室116aと、第1膨張機吐出側作動室116bとに区画される。

0023

また、ピストン107、偏心部103a、下軸受部材106、および下軸受部材106の凸部106aにより、第2内側作動室、すなわち、冷媒が膨張するための第2膨張機作動室が形成される。第2膨張機作動室は、第2内側ベーン111により、第2膨張機吸入側作動室117a(図示せず)と、第2膨張機吐出側作動室117b(図示せず)とに区画される。

0024

第1膨張機吸入側作動室116aは、上軸受部材104に形成されている第1膨張機吸入ポート104cを介して、膨張機吸入管113と連通している。また、第1膨張機吐出側作動室116bは、上軸受部材104に形成されている第1膨張機吐出ポート104dを介して、膨張機吐出管122(図示せず)と連通している。

0025

また同様に、第2膨張機吸入側作動室117aは、下軸受部材106に形成されている第2膨張機吸入ポート106c(図示せず)を介して、膨張機吸入管113と連通している。また、第2膨張機吐出側作動室117bは、下軸受部材106に形成されている第2膨張機吐出ポート106d(図示せず)を介して、膨張機吐出管122(図示せず)と連通している。

0026

なお、第1膨張機吸入ポート104cと第2膨張機吸入ポート106c、および、第1膨張機吐出ポート104dと第2膨張機吐出ポート106dとは、同一形状であり、軸方向に対して上下同一位置に配置されている。

0027

図3は、本発明の実施の形態1の圧縮膨張機構120において、ピストン107が下死点に達した瞬間の、ピストン107と第1膨張機吸入ポート104cおよび第1膨張機吐出ポート104dとの位置関係を示した図である。以下、第1膨張機吸入ポート104cおよび第1膨張機吐出ポート104dの位置決めについて説明する。第2膨張機吸入ポート106cおよび第2膨張機吐出ポート106dの位置決めについては、第1膨張機吸入ポート104cおよび第1膨張機吐出ポート104dと同じため、省略する。

0028

図3に示すように、第1膨張機吸入ポート104cのシャフト103側の縁a−b、および第1膨張機吐出ポート104dのシャフト103側の縁c−dの位置は、ピストン107が下死点に達した状態を元にして決める。

0029

ピストン107が下死点に達した瞬間において、第1膨張機吸入ポート104cから吸入された高圧の冷媒が、第1膨張機吐出ポート104dにそのまま吐出しないことが望まれる。すなわち、本実施の形態1の圧縮膨張機構120では、第1膨張機吸入ポート104cと、第1膨張機吸入側作動室116aあるいは第1膨張機吐出側作動室116bと、第1膨張機吐出ポート104dとが同時に連通しないように、縁a−bおよび縁c−dの位置を設定する。具体的には、縁a−bおよび縁c−dの位置を、ピストン107が下死点に達した瞬間にピストン107の内周円と一致する仮想円121の円弧A−Bおよび円弧C−D上に設定する、あるいは、仮想円121よりも外側の位置に設定する。

0030

図4は、本発明の実施の形態1における流体機械100を適用した冷凍サイクル概要図である。図4において、150は放熱器であって、例えば、凝縮器もしくはガスクーラである。放熱器150では、圧縮膨張機構120内の圧縮機で圧縮された高温高圧の冷媒が、熱を放出する。160は蒸発器である。蒸発器160では、圧縮膨張機構120内の膨張機で膨張した低温低圧の冷媒が、周囲より熱を吸収する。

0031

図5は、本発明の実施の形態1における圧縮膨張機構120の動作説明図である。図5(A)は、ピストン107が0°または360°回転して上死点に達した状態、図5(B)は、ピストン107が90°回転した状態、図5(C)は、ピストン107が180°回転して下死点に達した状態、図5(D)は、ピストン107が270°回転した状態である。

0032

図5に示すように、本実施の形態1の流体機械100のシャフト103が回転すると、偏心部103aの偏心回転に伴って、ピストン107がシリンダ105内で偏心運動する。これにより、圧縮膨張機構120の内部状態は、図5(A)から順に、図5(B)、図5(C)、図5(D)へと変化する。

0033

圧縮膨張機構120の圧縮機における圧縮機吸入側作動室115aと圧縮機吐出側作動室115bの容積変化は、一般的なロータリ圧縮機の容積変化と同様である。以下、圧縮機吸入側作動室115aと圧縮機吐出側作動室115bの容積変化および圧縮過程について説明する。

0034

図5(A)において、圧縮機吸入側作動室115aの容積はゼロ、圧縮機吐出側作動室115bの容積は最大である。

0035

図5(B)では、圧縮機吸入側作動室115aの容積が徐々に増加して、圧縮機吸入ポート105bから冷媒が吸入される。その一方で、圧縮機吐出側作動室115bの容積は徐々に減少して、冷媒が圧縮される。

0036

図5(C)、図5(D)では、圧縮機吸入側作動室115aの容積が更に増加して、引き続き、圧縮機吸入ポート105bから冷媒が吸入される。その一方で、圧縮機吐出側作動室115bの容積は更に減少して、引き続き、冷媒が圧縮される。このようにして、圧縮機吐出側作動室115b内の冷媒の圧力は徐々に高められるのだが、圧縮機吐出側作動室115bの冷媒の圧力が圧縮機吐出管119の圧力よりも高くなったとき、圧縮機吐出ポート105cに設置された吐出バルブ(図示せず)が開き、圧縮機吐出側作動室115bの冷媒が圧縮機吐出管119に吐出される。

0037

再び図5(A)に戻ると、圧縮機吸入側作動室115aの容積が最大、圧縮機吐出側作動室115bの容積がゼロとなると同時に、圧縮機吸入側作動室115aは圧縮機吐出側作動室115bへと移行する。このようにして、上記容積変化および圧縮過程が繰り返される。

0038

上記圧縮過程を経て、圧縮膨張機構120の圧縮機吐出ポート105cから吐出された高温高圧の冷媒は、図4に示す放熱器150に吸入されて、ほぼ一定の圧力のままで放熱し、比較的低温の状態となる。放熱器150から吐出された冷媒は、再び流体機械100に戻り、膨張機吸入管113を経て、第1膨張機吸入ポート104cおよび第2膨張機吸入ポート106cに至る。第1膨張機吸入ポート104cから第1膨張機吸入側作動室116a、および、第2膨張機吸入ポート106cから第2膨張機吸入側作動室117aに吸入された冷媒は、シャフト103の回転によって図5(A)から図5(D)へと順に変化する過程で膨張する。このとき発生する膨張エネルギーが、シャフト103を回転方向に回すトルクに変換される。

0039

以下、圧縮膨張機構120の膨張機における第1膨張機吸入側作動室116aおよび第1膨張機吐出側作動室116bでの冷媒の膨張過程について説明する。第2膨張機吸入側作動室117aおよび第2膨張機吐出側作動室117bでの冷媒の膨張過程は、第1膨張機吸入側作動室116aおよび第1膨張機吐出側作動室116bと同じため、省略する。

0040

図5(A)において、第1膨張機吸入側作動室116aには、第1膨張機吸入ポート104cから冷媒が吸入される。その一方で、第1膨張機吐出側作動室116bからは、冷媒が第1膨張機吐出ポート104dを介して吐出される。第1膨張機吸入側作動室116aの圧力は吸入圧力であって高く、第1膨張機吐出側作動室116bの圧力は吐出圧力であって低い。すなわち、ピストン107の内周円の第1膨張機吸入側作動室116a側に作用する圧力は高く、ピストン107の内周円の第1膨張機吐出側作動室116b側に作用する圧力は低い。この圧力差により発生する膨張エネルギーが、ピストン107をシャフト103の回転方向に回すトルクに変換される。

0041

図5(B)において、引き続き、第1膨張機吸入側作動室116aには、第1膨張機吸入ポート104cから冷媒が吸入され、第1膨張機吐出側作動室116bからは、冷媒が第1膨張機吐出ポート104dを介して吐出される。第1膨張機吸入ポート104cおよび第1膨張機吐出ポート104dは、ピストン107の上端面により徐々に閉塞される。

0042

図5(C)において、第1膨張機吸入ポート104cと第1膨張機吐出ポート104dとが、ピストン107の上端面により完全に閉塞された状態になる。これは、先述したように、第1膨張機吸入ポート104cのシャフト103側の縁a−bと、第1膨張機吐出ポート104dのシャフト103側の縁c−dとが、図5(C)となった瞬間に、ピストン107の内周円上、あるいはピストン107の内周円よりも外側に位置するためである。この時点で、第1膨張機作動室のほぼ全体に、高圧の冷媒が充填された状態となる。したがって、ピストン107の内周円には、ほぼ一様に同じ吸入圧力が作用するため、膨張エネルギーがほとんど発生せず、ピストン107をシャフト103の回転方向に回すトルクは、ほぼゼロとなる。

0043

図5(D)において、第1膨張機吸入ポート104cと第1膨張機吐出ポート104dとが、ピストン107の回転に伴って徐々に開かれる。

0044

第1膨張機吐出ポート104dから膨張機吐出管122(図示せず)、そして蒸発器160に至るまでの冷媒の状態は、蒸発器160の周囲環境に依存し、一般的に低温低圧である。したがって、第1膨張機吐出側作動室116bに充填された高圧の冷媒は、第1膨張機吐出ポート104dが開いた瞬間、一気自由膨張をし、その圧力を下げる。こうして急激に圧力を下げた冷媒は、シャフト103の回転にしたがって徐々に吐出される一方、第1膨張機吸入側作動室116aには、再び開いた第1膨張機吸入ポート104cから新たな高圧の冷媒が吸入される。

0045

次に、偏心部103aの高さの決定方法について説明する。偏心部103aの高さは、冷凍サイクルの制約にしたがって決めることができる。冷凍サイクルの制約は冷媒ごとに変わるのだが、本実施の形態1では、冷媒を二酸化炭素として説明する。

0046

図6は、本実施の形態1の流体機械100を適用した冷凍サイクルにおける、冷媒として二酸化炭素を用いた時の状態変化を示すモリエル線図である。図6において、1は圧縮機への吸入開始時、2は圧縮機からの吐出開始時、3は膨張機への吸入開始時、4は膨張機からの吐出開始時の、冷媒(二酸化炭素)の状態を表す。

0047

圧縮機への吸入開始時1と膨張機への吸入開始時3に注目すると、冷媒(二酸化炭素)の密度はかなり異なっている。例えば、圧縮機への吸入開始時1の状態を圧力4MPa、温度20℃と設定し、膨張機への吸入開始時3の状態を圧力10MPa、温度20℃と設定すると、冷媒(二酸化炭素)の密度は、それぞれ97.5kg/m3、856kg/m3となり、密度比は約8.8倍にもなる。

0048

本実施の形態1の流体機械100の圧縮膨張機構120における圧縮機と膨張機のピストン107は同じ回転数で回転すること、および、冷凍サイクルを流れる冷媒の質量はどの点でも同じであることを考慮して、圧縮機と膨張機での冷媒の吸入完了時の作動室の容積(吸入容積)をそれぞれVc、Veとすると、上記条件における冷媒の吸入完了時の各作動室の容積関係は(数1)となる。

0049

(数1) Vc=8.8×Ve
すなわち、膨張機の作動室の容積は、圧縮機の作動室の容積のおよそ1/9で良い。また、圧縮機と膨張機での冷媒の吸入完了時の作動室の面積をそれぞれSc、Seとし、圧縮機と膨張機の作動室の高さをそれぞれHc、Heとすると、VcとVeは、(数2)、(数3)のように表すこともできる。

0050

(数2) Vc=Sc×Hc
(数3) Ve=Se×He
上記数式を(数1)に代入して整理すると、(数4)となる。

0051

(数4) He=1/8.8×Sc/Se×Hc
本実施の形態1では、圧縮機の作動室が膨張機の作動室よりも外側にあるため、冷媒の吸入完了時の各作動室の面積関係はSc>Seとなるが、図2に示す大きさで設計すると、面積比Sc/Seは約1.6となる。したがって、概算式は(数5)となる。

0052

(数5) He≒1/8.8×1.6×Hc≒0.18×Hc
したがって、偏心部103aの高さは、0.82Hcとすれば良い。

0053

以上から明らかなように、本実施の形態1の流体機械100では、シリンダ105の内周円と、ピストン107の外周円と、上軸受部材104と、下軸受部材106とで形成される空間で冷媒を圧縮し、ピストン107の内周円と、偏心部103aの上端面と、上軸受部材104と、上軸受部材104の凸部104aとで形成される空間、および、ピストン107の内周円と、偏心部103aの下端面と、下軸受部材106と、下軸受部材106の凸部106aとで形成される空間で冷媒を膨張させる構成とすることにより、圧縮機と膨張機とを同一平面上に配置することができ、膨張機の膨張エネルギーが、圧縮機の駆動エネルギーとして電動機102をアシストするという構成を簡略化することができる。

0054

また、偏心部103aの高さを適切に設定することによって、本実施の形態1の流体機械100を適用した冷凍サイクルの制約を回避することができる。

0055

(実施の形態2)
図7は、本発明の実施の形態2である流体機械200の構成を示す縦断面図である。流体機械200は、密閉容器201、電動機202、主圧縮機210、圧縮膨張機構120、および連結管222を備えている。本実施の形態2では、実施の形態1の圧縮膨張機構120のみを取り出して、一般的に利用されている圧縮機の密閉容器内の下側に収納した構成となっている。図7を用いて、本実施の形態2におけるスクロール型の主圧縮機210について簡単に説明する。なお、本実施の形態2では、主圧縮機210をスクロール型の圧縮機として説明するが、ロータリ型、スイング型などの圧縮機でもよい。

0056

図7に示すように、スクロール型の主圧縮機210は、主圧縮機シャフト211と、旋回スクロール212と、固定スクロール213と、オルダムリング214と、軸受部材215と、マフラー216と、主圧縮機吸入管217と、主圧縮機吐出管218とを備えている。

0057

旋回スクロール212は、主圧縮機シャフト211に形成された主圧縮機シャフト偏心部211aと嵌合し、オルダムリング214により自転運動拘束されている。また、旋回スクロール212には、渦巻き形状ラップ212aが形成されており、同じく固定スクロール213に形成された渦巻き形状のラップ213aと噛み合うことで、三日月形状の主圧縮機作動室219が形成される。

0058

固定スクロール213の中央部には、主圧縮機吐出孔213bが形成され、主圧縮機作動室219と連通している。固定スクロール213の上面には、マフラー216が設けられ、その内部空間216aは、主圧縮機吐出孔213bと連通している。また、固定スクロール213および軸受部材215の外縁近傍には、一連流路220が形成され、一端はマフラー216の内部空間216aに、他端は密閉容器201内の内部空間230にそれぞれ開口している。

0059

主圧縮機シャフト211の下端部には、オイルポンプ221が設置され、密閉容器201の下部に設けられたオイル溜まり240に浸漬している。主圧縮機シャフト211の内部には、主圧縮機210の摺動部分に通ずる主圧縮機シャフト給油路211bが軸方向に延びるように形成されている。

0060

電動機202は、密閉容器201に固定されたステータ202aと、主圧縮機シャフト211に固定されたロータ202bとを含む。主圧縮機シャフト211は、電動機202と主圧縮機210とに共用されている。

0061

圧縮膨張機構120の構成は、実施の形態1と同じであるので、説明は省略する。なお、圧縮膨張機構120の圧縮機吐出管119と主圧縮機吸入管217は、密閉容器201の外部に設けられた連結管222により連結されている。

0062

図8は、本発明の実施の形態2における流体機械200を適用した冷凍サイクルの概要図である。図8において、250は放熱器であって、例えば、凝縮器もしくはガスクーラである。放熱器250では、圧縮膨張機構120内の圧縮機で圧縮された高温高圧の冷媒が、熱を放出する。260は蒸発器である。蒸発器260では、圧縮膨張機構120内の膨張機で膨張した低温低圧の冷媒が、周囲より熱を吸収する。

0063

以下、本実施の形態2における流体機械200の動作、および、冷媒とオイルの流れを説明する。

0064

本実施の形態2における流体機械200の主圧縮機210では、主圧縮機シャフト211の回転に伴って、ラップ212a、213aが旋回運動することにより、主圧縮機作動室219が、外側から内側に移動しながら容積を縮小して、主圧縮機吸入管217から吸入された冷媒を圧縮する。圧縮された高温高圧の冷媒は、固定スクロール213の主圧縮機吐出孔213b、マフラー216の内部空間216a、流路220を順に経由して、密閉容器201の内部空間230に吐出される。

0065

また、主圧縮機シャフト211が回転すると、オイルポンプ221は、オイル溜まり240のオイルを、主圧縮機シャフト給油路211bに送り込む。主圧縮機シャフト給油路211bを通って主圧縮機210に到達したオイルは、旋回スクロール212と主圧縮機シャフト偏心部211aとの摺動面や、旋回スクロール212と固定スクロール213との摺動面を潤滑する。潤滑後のオイルは、軸受部材215に形成されたオイル排出口215aより密閉容器201の内部空間230に流出する。なお、主圧縮機210に到達した一部のオイルは、冷媒と共に主圧縮機吐出孔213bより吐出される。

0066

密閉容器201の内部空間230に吐出された冷媒およびオイルは、内部空間230に滞留する間に、重力遠心力によって分離する。分離した冷媒は、再び上昇して、主圧縮機吐出管218から密閉容器201の外に吐出される。また、分離したオイルは、電動機202を通って、オイル溜まり240へ戻る。

0067

主圧縮機吐出管218より吐出された高温高圧の冷媒は、放熱器250に吸入される。放熱器250に吸入された冷媒は、ほぼ圧力が一定のまま放熱し、比較的低温になって吐出される。吐出された冷媒は、膨張機吸入管113に吸入され、流体機械200の圧縮膨張機構120に戻る。

0068

圧縮膨張機構120内の膨張機に吸入された高圧の冷媒は、第1膨張機吸入ポート104c(図示せず)および第2膨張機吸入ポート106c(図示せず)より、それぞれ、第1膨張機吸入側作動室116aおよび第2膨張機吸入側作動室117a(図示せず)に入り、実施の形態1で述べたメカニズムに基づいて、図2で示すように、ピストン107を反時計回りに回転させながら、シャフト103の回転トルクを発生させる。

0069

圧縮膨張機構120内の膨張機で低温低圧となった冷媒は、第1膨張機吐出ポート104d(図示せず)および第2膨張機吐出ポート106d(図示せず)、膨張機吐出管122(図示せず)を通って、流体機械200から吐出され、蒸発器260に吸入される。蒸発器260に吸入された冷媒は、蒸発器260の雰囲気より熱を吸収して気体となって吐出される。吐出された冷媒は、圧縮機吸入管114に吸入され、流体機械200の圧縮膨張機構120に戻る。

0070

圧縮膨張機構120内の圧縮機に吸入された低圧の冷媒は、圧縮機吸入ポート105b(図示せず)より圧縮機吸入側作動室115aに入る。圧縮機吸入側作動室115aに入った低圧の冷媒は、膨張機が発生させるシャフト103の回転トルクにより圧縮され、昇圧する。この際の圧縮過程は、実施の形態1と全く同じである。昇圧した冷媒は、圧縮機吐出ポート105c(図示せず)、圧縮機吐出管119を通って、密閉容器201の外に吐出される。吐出された冷媒は、密閉容器201の外に設けられた連絡管222を経て、主圧縮機吸入管217に入り、再び主圧縮機210に戻る。

0071

以上から明らかなように、本実施の形態2の流体機械200では、冷凍サイクルの高低圧力差からシャフト103の回転トルクを発生させる膨張機と、膨張機による回転トルクを利用した過給機としての圧縮機とを、同一平面上に配置した圧縮膨張機構120で実現することができ、かつ、主圧縮機210には変更を加えずに、圧縮膨張機構120を主圧縮機210と同一の密閉容器201内の下部に収納するだけで、従来の主圧縮機210の組立工程をほぼそのまま利用することができるという利点を有する。

0072

また、本実施の形態2の流体機械200では、圧縮膨張機構120の圧縮機をいわゆる副圧縮機として利用するため、圧縮機吐出ポート105c付近の温度が、ほぼ第1膨張機吐出ポート104d(図示せず)および第2膨張機吐出ポート106d(図示せず)と同等であり、ピストン107、上軸受部材104、下軸受部材106を介した熱移動を抑制することができるという効果を有する。

0073

本発明の流体機械は、冷凍サイクルにおける冷媒の膨張エネルギーを回収するため、冷凍サイクルの高効率化手段として有用である。

図面の簡単な説明

0074

本発明の実施の形態1における流体機械の縦断面図
図1のZ−Z線における圧縮膨張機構の横断面図
本発明の実施の形態1の圧縮膨張機構において、ピストンが下死点に達した時の、ピストンと第1膨張機吸入ポートおよび第1膨張機吐出ポートとの位置関係を示した図
本発明の実施の形態1における流体機械を適用した冷凍サイクルの概要図
本発明の実施の形態1における圧縮膨張機構の動作説明図
本発明の実施の形態1の流体機械を用いて、冷媒を二酸化炭素とした場合の、冷凍サイクルにおける冷媒の状態遷移
本発明の実施の形態2における流体機械の構成を示す縦断面図
本発明の実施の形態2における流体機械を適用した冷凍サイクル図
従来の流体機械の構成を示す縦断面図

符号の説明

0075

30,100,200流体機械
31,101,201密閉容器
40,103シャフト
45,102,202電動機
50圧縮機
57圧縮機軸受
60膨張機
61 膨張機主軸受
62 膨張機副軸受
102a,202aステータ
102b,202bロータ
103a偏心部
104上軸受部材
104a 上軸受部材の凸部
104b 第1内側ベーン溝
104c 第1膨張機吸入ポート
104d 第1膨張機吐出ポート
105シリンダ
105a 外側ベーン溝
105b圧縮機吸入ポート
105c 圧縮機吐出ポート
106下軸受部材
106a 下軸受部材の凸部
106b 第2内側ベーン溝
106c 第2膨張機吸入ポート
106d 第2膨張機吐出ポート
107ピストン
108 外側ベーン
109 外側ベーン用バネ
110 第1内側ベーン
111 第2内側ベーン
112 第1内側ベーン用バネ
113 膨張機吸入管
114 圧縮機吸入管
115a 圧縮機吸入側作動室
115b 圧縮機吐出側作動室
116a 第1膨張機吸入側作動室
116b 第1膨張機吐出側作動室
117a 第2膨張機吸入側作動室
117b 第2膨張機吐出側作動室
118 第2内側ベーン用バネ
119 圧縮機吐出管
120圧縮膨張機構
121仮想円
122 膨張機吐出管
150,250放熱器
160,260蒸発器
210主圧縮機
211 主圧縮機シャフト
211a 主圧縮機シャフト偏心部
211b 主圧縮機シャフト給油路
212旋回スクロール
212a,213aラップ
213固定スクロール
213b 主圧縮機吐出孔
214オルダムリング
215軸受部材
215aオイル排出口
216マフラー
216a,230 内部空間
217 主圧縮機吸入管
218 主圧縮機吐出管
219 主圧縮機作動室
220流路
221オイルポンプ
222連結管
240オイル溜まり

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