(57)【要約】  圧縮機（２２）と動力回収機（２４）の間に副圧縮機（２３）を設置し、副圧縮機（２３）で予備的に圧縮した後の冷媒を圧縮機（２２）に流入させる。副圧縮機（２３）と動力回収機（２４）はほぼ同じ温度となるため、これらの間に熱移動は殆ど生じない。また、高温の圧縮機（２２）と低温の副圧縮機（２３）の間では熱移動が生じるが、圧縮機（２２）からの熱が副圧縮機（２３）の冷媒を加熱しても、副圧縮機（２３）からの吐出冷媒は圧縮機（２２）へと送られるため、副圧縮機（２３）の温度上昇は殆ど生じない。
2009136488.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
密閉容器と、
前記密閉容器内に配置された、固定子と回転子からなる回転電動機と、
前記密閉容器内に配置された、冷媒を圧縮して前記密閉容器内に吐出する圧縮機と、
前記密閉容器内に配置された、冷媒を吸入して吐出することにより冷媒から動力を回収する動力回収機と、
前記回転電動機、前記圧縮機および前記動力回収機に共有される、鉛直方向に延びるシャフトと、
前記圧縮機と前記動力回収機の間に配置され、前記シャフトの回転により冷媒を昇圧して前記圧縮機に送る副圧縮機と、
を備える、流体機械。
【請求項２】
前記圧縮機は、前記動力回収機の上方に位置する、請求項１に記載の流体機械。
【請求項３】
前記密閉容器の底部には油溜りが形成され、前記副圧縮機と前記動力回収機は前記油溜り内に配置され、前記圧縮機は前記油溜りよりも上方に位置している、請求項２に記載の流体機械。
【請求項４】
前記回転電動機は前記圧縮機と前記油溜りの間に配置されている、請求項３に記載の流体機械。
【請求項５】
前記圧縮機へ前記油溜りの油を供給する油ポンプをさらに備え、前記油ポンプは、前記副圧縮機よりも上方に位置する、請求項３または４に記載の流体機械。
【請求項６】
前記副圧縮機と前記油ポンプとの間には、前記副圧縮機に吸入される直前の冷媒、あるいは、前記副圧縮機から吐出された直後の冷媒のいずれかが満たされる空間が設けられている、請求項５に記載の流体機械。
【請求項７】
前記圧縮機がスクロール式である、請求項１〜６のいずれか一項に記載の流体機械。
【請求項８】
前記副圧縮機および前記動力回収機が共にロータリ式である、請求項１〜７のいずれか一項に記載の流体機械。
【請求項９】
前記動力回収機が流体圧モータである、請求項８に記載の流体機械。
【請求項１０】
前記冷媒が二酸化炭素である、請求項１〜９のいずれか一項に記載の流体機械。
【請求項１１】
前記圧縮機の吸入容積に対する前記副圧縮機の吸入容積の比率が１．２以下である、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の流体機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、動力回収型冷凍サイクル装置に用いるための、圧縮機と動力回収機とを一体化した流体機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、冷媒が膨張する際に発生する圧力エネルギーを、膨張機で運動エネルギーとして回収し、圧縮機を駆動するエネルギーの一部として用いる、いわゆる、動力回収型冷凍サイクル装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。【０００３】
図１０は、圧縮機と膨張機とを一体構成した従来の流体機械１０の縦断面図である。図１０に示すように、従来の流体機械１０は、密閉容器８の内部に、圧縮機１と、回転電動機７と、膨張機３とを上方から順に配置し、共有のシャフト６により連結することで構成されている。【０００４】
図１１は、従来の流体機械１０を用いた動力回収型冷凍サイクル装置３００の構成図である。図１１に示すように、従来の動力回収型冷凍サイクル装置３００は、流体機械１０、第１熱交換器２、第２熱交換器４、および、圧縮機１と第１熱交換器２と膨張機３と第２熱交換器４とを順に接続する冷媒管５により構成されている。【０００５】
従来の動力回収型冷凍サイクル装置３００において、冷媒は、圧縮機１で圧縮されて低圧から高温高圧となり、第１熱交換器２で冷却されて放熱する。第１熱交換器２で中温高圧となった冷媒は、膨張機３で膨張して高圧から低温低圧となり、第２熱交換器４で加熱されて蒸発する。第２熱交換器４で中温低圧となった冷媒は、再び圧縮機１へと戻り、上記循環を繰り返す。膨張機３は、冷媒が膨張する際に発生する圧力エネルギーを、シャフト６を介して回転電動機７と共に圧縮機１を駆動するエネルギーに変換する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第２００７／０００８５４号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記従来の流体機械１０では、密閉容器８の内部に、圧縮機１と膨張機３とが近接して配置されているため、高温の圧縮機１から低温の膨張機３へと熱移動が生じる。その結果、第１熱交換器２や第２熱交換器４の熱交換量が減り、動力回収型冷凍サイクル装置３００のＣＯＰ（Coefficient of Performance）が低下するという課題が生じていた。【０００８】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、動力回収型冷凍サイクル装置のＣＯＰの低下を防止するために圧縮機から動力回収機への熱移動を大幅に低減できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した課題を解決するために、本発明の流体機械は、密閉容器と、前記密閉容器内に配置された、固定子と回転子からなる回転電動機と、前記密閉容器内に配置された、冷媒を圧縮して前記密閉容器内に吐出する圧縮機と、前記密閉容器内に配置された、冷媒を吸入して吐出することにより冷媒から動力を回収する動力回収機と、前記回転電動機、前記圧縮機および前記動力回収機に共有される、鉛直方向に延びるシャフトと、前記圧縮機と前記動力回収機の間に配置され、前記シャフトの回転により冷媒を昇圧して前記圧縮機に送る副圧縮機と、を備えている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の流体機械によれば、圧縮機と動力回収機との間に副圧縮機を設置したことで、温度上昇が僅かな副圧縮機と低温の動力回収機とはほぼ同じ温度となるため、副圧縮機と動力回収機との間に熱移動は殆ど生じない。また、高温の圧縮機と低温の副圧縮機との間では熱移動が生じるが、圧縮機からの熱が副圧縮機で圧縮される冷媒を加熱しても、副圧縮機からの吐出冷媒は圧縮機へと送られるため、副圧縮機の温度上昇は殆ど生じない。しかも、圧縮機から副圧縮機へ伝わった熱は冷媒によって再び圧縮機へ戻されるため、圧縮行程内で熱循環が行われるだけとなる。【００１１】
したがって、本発明の流体機械を用いて動力回収型冷凍サイクル装置を構成すれば、高温の圧縮機から低温の動力回収機への熱移動を大幅に低減することが可能となり、動力回収型冷凍サイクル装置のＣＯＰを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態１に係る流体機械の縦断面図
【図２】図２Ａは図１のIIＡ−IIＡ線における副圧縮機の横断面図、図２Ｂは図１のIIＢ−IIＢ線における膨張機の横断面図、図２Ｃは図１のIIＣ−IIＣ線における膨張機の横断面図
【図３】図１に示す流体機械を用いた動力回収型冷凍サイクル装置の構成図
【図４】図３に示す冷凍サイクル装置のモリエル線図
【図５】本発明の実施の形態２に係る流体機械の縦断面図
【図６】図５のVI−VI線における流体圧モータの横断面図
【図７】本発明の実施の形態１における膨張機、および、本発明の実施の形態２における流体圧モータのＰＶ線図
【図８】変形例１の流体機械の縦断面図
【図９】図９Ａは変形例２の流体機械の概念図、図９Ｂは変形例３の流体機械の概念図
【図１０】従来の流体機械の縦断面図
【図１１】図１０に示す流体機械を用いた動力回収型冷凍サイクル装置の構成図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明の実施の形態においては、冷媒として二酸化炭素を用いたヒートポンプに本発明を適用した例を説明する。また、従来例と同一構成要素については同一符号を用い、説明を省略する。
【００１４】
（実施の形態１）
＜流体機械２１の構成＞
図１は、本発明の実施の形態１に係る流体機械２１の縦断面図である。図２Ａは、図１のIIＡ−IIＡ線における副圧縮機２３の横断面図、図２Ｂは、図１のIIＢ−IIＢ線における動力回収機である膨張機２４の横断面図、図２Ｃは、図１のIIＣ−IIＣ線における膨張機２４の横断面図である。
【００１５】
図１に示すように、本実施の形態１における流体機械２１は、縦長円筒状の密閉容器８を備えている。密閉容器８の内部には、スクロール式の圧縮機２２と、固定子７ａと回転子７ｂからなる回転電動機７と、ロータリ式の副圧縮機２３と、２段ロータリ式の膨張機２４が上から順に配置されている。圧縮機２２、回転電動機７、副圧縮機２３および膨張機２４は、鉛直方向に延びるシャフト６により一軸に連結されている。換言すれば、圧縮機２２、回転電動機７、副圧縮機２３および膨張機２４はシャフト６を共有している。
【００１６】
密閉容器８の底部には、油溜り３４が形成されている。なお、本実施の形態１における油溜り３４の油面３４ａは、後述する油ポンプ３５よりも上方かつ回転電動機７よりも下方に位置しており、副圧縮機２３および膨張機２４は油溜り３４の中に浸っている。密閉容器８の上部には、圧縮機２２から密閉容器８内に吐出された冷媒を密閉容器８外に排出するための吐出管４７が設けられている。密閉容器８の側部には、圧縮機２２用の吸入管４６、副圧縮機２３用の吐出管５９と吸入管６３、および、膨張機２４用の吸入管８１と吐出管８３が、それぞれ密閉容器８を貫通して配設されている。圧縮機２２用の吸入管４６と副圧縮機２３用の吐出管５９とは、冷媒管２９により接続されている。
【００１７】
シャフト６は、主シャフト３１と副シャフト３２とを、継手３３により接続して一体化させたものである。主シャフト３１は、上軸受部材４４および下軸受部材３６により軸支され、その上端部には偏心部３１ｂが備えられている。主シャフト３１の内部には給油路３１ａが形成され、この給油路３１ａは副圧縮機２３よりも上側に設けられた油ポンプ３５と連通している。副シャフト３２は、上軸受部材５４および下軸受部材７８により軸支され、中間には偏心部３２ａ，３２ｂ，３２ｃが備えられている。副シャフト３２の内部には、副シャフト３２の下端面で油溜り３４に開口する給油路３２ｄが形成されている。
【００１８】
スクロール式の圧縮機２２は、回転電動機７と共有する主シャフト３１、固定スクロール４１、旋回スクロール４２、オルダムリング４３、および、マフラー４５により構成されている。
【００１９】
固定スクロール４１は、密閉容器８の内周面に固定され、その上面にはマフラー４５が設置されている。上軸受部材４４は、旋回スクロール４２を挟んで固定スクロール４１の下面に固定されている。固定スクロール４１の下面には渦巻き形状のラップ４１ａが、その中央部には吐出孔４１ｃが、それぞれ形成されている。旋回スクロール４２の上面にも同様に、渦巻き形状のラップ４２ａが形成されている。旋回スクロール４２は、ラップ４２ａが固定スクロール４１のラップ４１ａと噛み合うように、固定スクロール４１と対向配置されている。これにより、ラップ４１ａとラップ４２ａとの間には、三日月形状の作動室４８が形成される。また、旋回スクロール４２の下面は、主シャフト３１の偏心部３１ｂに嵌合しており、その周縁部と上軸受部材４４との間には、旋回スクロール４２の自転運動を拘束するためのオルダムリング４３が配置されている。
【００２０】
旋回スクロール４２が、主シャフト３１の回転に伴って旋回運動すると、三日月形状の作動室４８は、外側から内側に移動しながら容積を縮小する。これにより、吸入管４６から吸入された冷媒が圧縮される。圧縮された冷媒は、固定スクロール４１の吐出孔４１ｃからマフラー４５の内部空間、固定スクロール４１および上軸受部材４４を貫通するそれらの周縁部に設けられた流路４９を通じて、密閉容器８の内部空間へと吐出される。
【００２１】
上記内部空間に吐出された冷媒は、潤滑用の油が混入したまま回転電動機７の下側へと降下する。そして、冷媒は、重力や遠心力などにより油と分離した後、密閉容器８の内部空間を上昇して、吐出管４７から外部へと吐出される。
【００２２】
本実施形態では、油ポンプ３５としてトロコイドポンプが用いられている。油溜り３４の油は、油ポンプ３５により主シャフト３１の給油路３１ａを通じて圧縮機２２へ供給されて、圧縮機２２の摺動部の潤滑と隙間のシールを行う。その後、圧縮機２２から排出された油は、上記内部空間へと落下し、冷媒と共に回転電動機７の下側に降下する。そして、油は、重力や遠心力などにより冷媒と分離した後、油溜り３４へと戻る。
【００２３】
油ポンプ３５の上側では、密閉容器８の内径と同一の直径を有する略円盤状の下軸受部材３６が密閉容器８の内周面に固定されている。そして、下軸受部材３６の下面に油ポンプ３５が固定されている。なお、下軸受部材３６には、油を流通させるための貫通孔３６ａが適所に設けられている。
【００２４】
継手３３の下側では、密閉容器８の内径と同一の直径を有する略円盤状の上軸受部材５４が密閉容器８の内周面に固定されている。上軸受部材５４の周縁部には、上軸受部材５４を貫通する連絡通路５４ａが設けられている。この連絡通路５４ａによって、上軸受部材５４を挟んだ油溜り３４の上側部分と下側部分との間での油の往来が許容されており、それらの間での油量調節が自動的に行われる。上軸受部材５４の下面には、下軸受部材７８が副圧縮機２３および膨張機２４を挟んで固定されている。
【００２５】
ロータリ式の副圧縮機２３は、図２Ａに示すように、副シャフト３２、シリンダ５１、ピストン５２、ベーン５３、ばね６２、および、吐出弁６１（図１参照）により構成されている。ここで、吐出弁６１は必須の構成要素ではない。本実施形態のように吐出弁６１がある場合は、後述するように副圧縮機２３の内部で冷媒が圧縮され、吐出弁６１がない場合は、副圧縮機２３が強制的に冷媒を吐出することにより副圧縮機２３の外部で冷媒が圧縮される。このように、いずれの場合も冷媒が副圧縮機２３によって昇圧される。
【００２６】
シリンダ５１の内側には、ピストン５２が配置されている。ピストン５２は、副シャフト３２の偏心部３２ａと嵌合し、副シャフト３２の回転に伴って偏心回転する。シリンダ５１およびピストン５２の上方には、それらの上端面に接するように上軸受部材５４が設置され、シリンダ５１およびピストン５２の下方には、それらの下端面に接するように第１中板５５が設置されている。これにより、副圧縮機２３の内部には、三日月状の空間５７が形成される。
【００２７】
また、シリンダ５１には、ベーン溝５１ａが設けられ、その内部にはベーン５３が挿入されている。ベーン５３の背面には、ばね６２が設置され、ベーン５３の先端がピストン５２の外周面に接するように構成されている。これにより、上記三日月状の空間５７が、吸入側作動室５７ａと吐出側作動室５７ｂとに区画されている。
【００２８】
本実施の形態１においては、上軸受部材５４の上側に、上軸受部材５４よりも少し小さな直径を有する円盤状の吐出カバー５６が設置されている。これにより、副圧縮機２３と油ポンプ３５との間に、副圧縮機２３の上側を覆う吐出空間５６ａが形成されている。具体的には、上軸受部材５４の上面には、副シャフト３２の周りを一周する環状の窪みが設けられており、この窪みが吐出カバー５６で閉塞されることにより、吐出空間５６ａが形成されている。吐出空間５６ａは、副圧縮機２３から吐出された直後の冷媒で満たされる。また、吐出空間５６ａは吐出管５９と連通しており、いったん吐出空間５６ａに吐出された冷媒は吐出管５９を通じて外部へ排出される。なお、理由は後述するが、吐出空間５６ａは、密閉容器８の径方向断面積において、出来るだけ大きな面積を占めることが望ましい。
【００２９】
シリンダ５１および上軸受部材５４には、吸入管６３から吸入側作動室５７ａへ至る吸入孔５８が形成され、吸入孔５８を通じてシリンダ５１に接続された吸入管６３から吸入側作動室５７ａへ冷媒が吸入される。また、上軸受部材５４には、上軸受部材５４を貫通する吐出孔６０が形成され、吐出孔６０を通じて吐出側作動室５７ｂから吐出空間５６ａへ冷媒が吐出される。吐出孔６０の上部には、圧力設定用の吐出弁６１が設置され、この吐出弁６１によって冷媒の流れが制御される。
【００３０】
ピストン５２が、副シャフト３２の回転に伴って偏心回転運動すると、吸入孔５８が吸入側作動室５７ａと連通することで吸入管６３より冷媒が吸入されていくと共に、吸入側作動室５７ａの容積が拡大していく。副シャフト３２が１周すると、吸入側作動室５７ａは吐出側作動室５７ｂに移行し、吐出孔６０と連通する。さらなる副シャフト３２の回転に伴って、吐出側作動室５７ｂの容積が減少していくことで、冷媒は圧縮される。圧縮された冷媒の圧力が所定の圧力に達すると、吐出弁６１の変形により吐出孔６０が開き、冷媒が吐出空間５６ａへと流入する。これにより、吐出空間５６ａを満たしていた冷媒が吐出管５９に押し出される。
【００３１】
吐出空間５６ａは、圧縮機２２側から膨張機２４側へ移動する熱を冷媒によって積極的に回収するために、それらの間にある伝熱部材（本実施形態では吐出カバー５６および上軸受部材５４）に冷媒を大きな面積で接触させる役割を果たす。このように、冷媒と伝熱部材との接触面積を大きくすることにより、吐出空間５６ａを通過する冷媒によって圧縮機２２側から膨張機２４側へ移動する熱を効率的に回収することができる。また、このような吐出空間５６ａを設けることにより、圧縮機２２と副圧縮機２３との間で優れた断熱効果を得ることができる。
【００３２】
なお、熱伝達効率を高める観点から、吐出空間５６ａ内では、全域に亘って吐出管５６に向かう冷媒の流れが形成されることが好ましい。このような観点からは、吐出管５９の位置と吐出孔６０の位置とはなるべく離れていることが好ましい。これを実現するために、吐出管５９と吐出孔６０とが副シャフト３２を挟んで反対の位置にあることが好ましい。
【００３３】
ところで、密閉容器８には、圧縮機２２および回転電動機７の固定子７ａが接している。このため、密閉容器８を伝熱経路として、膨張機２４用の吸入管８１および吐出管８３を流通する冷媒に熱が伝わったり、膨張機２４の周囲の油に熱が伝わったりする。これを抑制するためには、密閉容器８に接する上軸受部材５４およびこれに接する吐出カバー５６を密閉容器８よりも熱伝導率の大きい材料で構成して、密閉容器８を伝わる熱を吐出空間５６ａに積極的に導くようにしてもよい。一般に、密閉容器８は、炭素鋼や鋳鉄のような鉄系材料で構成される。この場合、上軸受部材５４および吐出カバー５６を構成する材料として、例えば真鍮のような銅系材料またはジュラルミンのようなアルミニウム系材料を用いることができる。このようにすれば、吐出空間５６ａでの冷媒による熱回収効果をさらに高めることができる。
【００３４】
２段ロータリ式の膨張機２４は、図２Ｂおよび図２Ｃに示すように、副圧縮機２３と共有する副シャフト３２、第１シリンダ７１、第２シリンダ７２、第１ピストン７３、第２ピストン７４、第１ベーン７５、第２ベーン７６、第２中板７７、第１ばね８５、および、第２ばね８６により構成されている。
【００３５】
第１シリンダ７１および第２シリンダ７２の内側には、第１ピストン７３および第２ピストン７４が、それぞれ配置されている。第１ピストン７３および第２ピストン７４は、副シャフト３２の偏心部３２ｂおよび３２ｃとそれぞれ嵌合し、副シャフト３２の回転に伴って偏心回転する。第１シリンダ７１および第１ピストン７３の上方には、それらの上端面に接するように第１中板５５が設置され、第２シリンダ７２および第２ピストン７４の下方には、それらの下端面に接するように下軸受部材７８が設置されている。第１シリンダ７１および第１ピストン７３と、第２シリンダ７２および第２ピストン７４の間には、第１シリンダ７１および第１ピストン７３の下端面ならびに第２シリンダ７２および第２ピストン７４の上端面に接するように第２中板７７が設置されている。これにより、膨張機２４の内部には、三日月状の第１空間７９および第２空間８０が、第２中板７７を介して形成される。
【００３６】
また、第１シリンダ７１および第２シリンダ７２には、それぞれ、第１ベーン溝７１ａおよび第２ベーン溝７２ａが設けられ、その内部には第１ベーン７５および第２ベーン７６が挿入されている。第１ベーン７５および第２ベーン７６の背面には、それぞれ、第１ばね８５および第２ばね８６が設けられ、第１ベーン７５および第２ベーン７６の先端が第１ピストン７３および第２ピストン７４の外周面に接するように構成されている。これにより、上記三日月状の第１空間７９および第２空間８０が、第１吸入側作動室７９ａと第１吐出側作動室７９ｂ、および、第２吸入側作動室８０ａと第２吐出側作動室８０ｂに区画されている。なお、本実施の形態１においては、第２空間８０の容積、すなわち、第２吸入側作動室８０ａと第２吐出側作動室８０ｂとの合計の容積が、第１空間７９の容積、すなわち、第１吸入側作動室７９ａと第１吐出側作動室７９ｂとの合計の容積よりも大きくなるように形成されており、これらの容積の比が膨張による冷媒の比容積の増加分に相当する。
【００３７】
第１中板５５および第１シリンダ７１には、吸入管８１から第１吸入側作動室７９ａへ至る吸入孔８２が形成され、第１中板５５に接続された吸入管８１から第１吸入側作動室７９ａへ冷媒が吸入される。第２シリンダ７２および下軸受部材７８には、第２吐出側作動室８０ｂから吐出管８３へ至る吐出孔８４が形成され、第２吐出側作動室８０ｂから下軸受部材７８に接続された吐出管８３へ冷媒が吐出される。第２中板７７には、第１吐出側作動室７９ｂと第２吸入側作動室８０ａとを連通する連通孔７７ａが形成されており、これらによって一つの膨張室が構成されている。
【００３８】
第１ピストン７３が、副シャフト３２の回転に伴って偏心回転運動すると、吸入孔８２が第１吸入側作動室７９ａと連通することで吸入管８１より冷媒が吸入されていくと共に、第１吸入側作動室７９ａの容積が拡大していく。副シャフト３２が一周すると、第１吸入側作動室７９ａは第１吐出側作動室７９ｂに移行し、連通孔７７ａを介して第２吸入側作動室８０ａと連通する。さらなる副シャフト３２の回転に伴って、第１吐出側作動室７９ｂの容積が減少していくと共に、連通孔７７ａにより連通した第２吸入側作動室８０ａの容積が増加していくことで、冷媒は膨張する。そして、副シャフト３２が再び一周すると、第１吐出側作動室７９ｂは消滅すると共に連通孔７７ａが閉鎖され、第２吸入側作動室８０ａは第２吐出側作動室８０ｂに移行する。さらなる副シャフト３２の回転に伴って、第２吐出側作動室８０ｂの容積は減少していくと共に、冷媒は吐出孔８４を介して吐出管８３から外部へ吐出される。
【００３９】
＜動力回収型冷凍サイクル装置１００の概略構成＞
図３は、本発明の実施の形態１における流体機械２１を用いた動力回収型冷凍サイクル装置１００の構成図である。図３に示すように、本実施の形態１に係る動力回収型冷凍サイクル装置１００は、流体機械２１、第１熱交換器２、第２熱交換器４、および、冷媒管２９により構成されている。冷媒管２９は、圧縮機２２、第１熱交換器２、膨張機２４、第２熱交換器４、および、副圧縮機２３の順になるよう、各構成要素を接続している。
【００４０】
本実施の形態１では、冷媒管２９に、高圧側（圧縮機２２から第１熱交換器２を経て膨張機２４に至る部分）において超臨界状態となる冷媒（具体的には、二酸化炭素）が充填されている例について説明する。なお、本発明において、冷媒は高圧側において超臨界状態となるものに限定されることはなく、高圧側において超臨界状態とならない冷媒（例えば、フロン系冷媒等）であってもよい。
【００４１】
冷媒は、圧縮機２２において、中温低圧から高温高圧に圧縮された後、第１熱交換器２において、外部との熱交換により冷却されて中温高圧となる。そして、膨張機２４において、中温高圧から低温低圧へと膨張した後、第２熱交換器４において、外部との熱交換により加熱されて中温低圧となる。その後、副圧縮機２３において、中温低圧から中間圧まで圧縮された後、再び圧縮機２２に戻る。膨張機２４では、冷媒が膨張する際に発生する膨張圧力エネルギーを、回転電動機７と共に、シャフト６を介して圧縮機２２と副圧縮機２３とを駆動するエネルギーに変換する。
【００４２】
＜流体機械２１の温度分布＞
図４は、本発明の実施の形態１に係る動力回収型冷凍サイクル装置１００のモリエル線図である。図４における点Ａ−点Ｂは、副圧縮機２３による圧縮過程、点Ｂ−点Ｃは、主圧縮機２２による圧縮過程、点Ｃ−点Ｄは、第１熱交換器２による放熱過程、点Ｄ−点Ｅは、膨張機２４による膨張過程、点Ｅ−点Ａは、第２熱交換器４による蒸発過程を示している。それぞれの過程における仕事量、熱交換量、動力回収量は、各点におけるエンタルピーの差から求めることができる。
【００４３】
図４において、ｈＡは副圧縮機２３の入口におけるエンタルピー、ｈＢは副圧縮機２３の出口におけるエンタルピー、ｈＣは圧縮機２２の出口におけるエンタルピー、ｈＤは膨張機２４の入口におけるエンタルピーおよびｈＥは膨張機２４の出口におけるエンタルピーを示している。
【００４４】
また、図４における破線ＴＤは、膨張機２４の吸入側の状態を示す点Ｄにおける温度、破線ＴＥは、膨張機２４の吐出側の状態を示す点Ｅにおける温度、破線ＴＣは、圧縮機２２の吐出側の状態を示す点Ｃにおける温度であり、それぞれの温度における等温線を示している。
【００４５】
図４から分かるように、破線ＴＤと破線ＴＥとは比較的近い温度であり、破線ＴＣに比べて低い温度となる。具体的な例として、給湯機などに用いるヒートポンプの場合、破線ＴＣは約１００℃、破線ＴＤは約２５℃、破線ＴＥは約５℃である。副圧縮機２３の入口側の温度である点Ａの温度は、破線ＴＥより若干高いだけであり、この温度差を本実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１００では「過熱度」と定義する。冷凍サイクル装置の運転条件にもよるが、通常の過熱度は約５℃であり、圧縮機の圧縮仕事を減らす観点から、一般的に、過熱度は小さいほど望ましい。
【００４６】
また、副圧縮機２３の出口側の温度である点Ｂの温度は、破線ＴＤに比較的近いことがわかる。特に、副圧縮機２３の圧縮比、すなわち、圧縮機２２の吸入容積に対する副圧縮機２３の吸入容積の比率が１．２の場合、点Ａから点Ｂへの温度上昇を約２０℃に抑えることができ、これは破線ＴＤと破線ＴＥの温度差とほぼ同じである。また、点Ａの温度が破線ＴＥとほぼ同じであることを考慮すると、副圧縮機２３の圧縮比を１．２以下とすることが、副圧縮機２３と膨張機２４との温度差を無くす一つの指標となる。
【００４７】
なお、副圧縮機２３の圧縮比ｒは、副圧縮機２３の吸入容積Ｖ′と、圧縮機２２の吸入容積Ｖと、冷媒の断熱指数κとを用いて、以下に示す式（数１）により計算できる。実際には、冷媒の断熱指数κが１．１〜１．２程度であることから、κ≒１と近似させても大差は無く、副圧縮機２３の吸入容積Ｖ′と圧縮機２２の吸入容積Ｖの比率にほぼ相当する。
（数１）  ｒ＝（Ｖ′／Ｖ）κ
【００４８】
＜流体機械２１内部での熱の流れ＞
圧縮機２２からの吐出冷媒は、前述のように、一旦、密閉容器８の内部空間へ吐出されるため、密閉容器８内の油溜り３４の油面３４ａよりも上方の冷媒温度は、点Ｃが示す高い温度（約１００℃）となる。これにより、油溜り３４の油面３４ａ近傍は、密閉容器８の内部空間に滞留する高温の冷媒と接していること、および、高温の圧縮機２２を潤滑した後に冷媒と分離して落下してきた高温の油に覆われることにより、温度が高い。
【００４９】
一方、油溜り３４内に配置された副圧縮機２３の温度は、点Ａ−点Ｂの温度となり、さらにその下方に配置された膨張機２４の温度は、点Ｄ−点Ｅの温度となる。副圧縮機２３の圧縮比を１．２以下とした場合、点Ｄ、点Ｅ、点Ａ、点Ｂの温度は約５℃〜２５℃の範囲内で比較的近く、点Ｃの温度に比べて大幅に低いことは前述した通りである。これにより、油溜り３４の副圧縮機２３近傍は、副圧縮機２３の内部温度の影響を受けて、温度が低下する。特に、本実施の形態１では、副圧縮機２３の上側を覆う吐出空間５６ａを設けているため、油溜り３４の吐出カバー５６に接する油は、吐出空間５６ａ内の冷媒温度に相当する点Ｂの温度近くまで、さらに冷やされる。また、油溜り３４の副圧縮機２３より下方に滞留する油は、副圧縮機２３と膨張機２４の温度が比較的近いため、副圧縮機２３近傍とほぼ同じ温度となる。
【００５０】
このように、油溜り３４には、油面３４ａから副圧縮機２３上の吐出カバー５６までの間で、点Ｃの温度から点Ｂの温度までの温度成層が形成され、副圧縮機２３と膨張機２４との間で、熱移動の生じない、ほぼ一定温度の温度層が形成される。
【００５１】
上記温度成層を介して、圧縮機２２と副圧縮機２３との間では、熱移動が生じる。すなわち、圧縮機２２から密閉容器８内へ吐出された高温の冷媒は、油溜り３４に放熱することで温度が低下する。温度が低下した冷媒は、密閉容器８内を上昇して、吐出管４７より第１熱交換器２へと吐出される。その後、膨張機２４、第２熱交換器４を通過した冷媒は、副圧縮機２３へ吸入される。副圧縮機２３において、冷媒は、圧縮されること、および、油溜り３４から吸熱することで、温度が上昇する。温度が上昇した冷媒は、吐出管５９から冷媒管２９へと吐出され、直ちに吸入管４６から圧縮機２２へと吸入される。圧縮機２２において、冷媒は、油溜り３４から吸熱した熱を伴って圧縮機へ吸入されるため、圧縮後の冷媒の温度は、油溜り３４から吸熱した熱を伴わない場合と比較して、上昇する。圧縮機２２での温度上昇分は、温度成層を介しての冷媒による圧縮機２２から副圧縮機２３への熱移動により、キャンセルされる。
【００５２】
このように、圧縮機２２と副圧縮機２３の間では、油溜り３４の温度成層と、副圧縮機２３から圧縮機２２への直接的な冷媒の流れにより、熱循環が生じる。したがって、圧縮機２２と副圧縮機２３との間には、大きな温度差があるにも関わらず、実質的に熱移動が無い状態を実現することができる。
【００５３】
＜流体機械２１の構成による効果＞
以上のように、本実施の形態１における流体機械２１では、圧縮機２３と膨張機２４との間に副圧縮機２３を配置したことにより、圧縮機２２から副圧縮機２３への熱移動は、熱循環により実質的に生じず、また同時に、副圧縮機２３から膨張機２４への熱移動も、温度がほぼ同じであるため生じない。したがって、圧縮機２２から膨張機２４への熱移動を抑制することが可能である。特に、密閉容器８の内部に、圧縮機２２と副圧縮機２３と膨張機２４とを鉛直方向に並べて配置した場合、油ポンプ３５により、底部の油溜り３４から最上部の圧縮機２２へと油を供給させるため、鉛直方向の油の循環により、上記各構成要素間での熱移動がより顕著になる。このような場合でも、膨張機２４による動力回収の効果を得ながら、第１熱交換器２および第２熱交換器４での熱交換量を確保することができるので、効率の良いヒートポンプを実現することができる。
【００５４】
また、圧縮機２２を膨張機２４の上方とし、これらの間に副圧縮機２３を配置したことにより、密閉容器８の内部において、上方が高温、下方が低温となり、自然対流による熱移動を防止することができる。したがって、副圧縮機２３を用いた熱移動抑制の効果をより顕著にすることができる。
【００５５】
また、密閉容器８底部の油溜り３４内に副圧縮機２３を配置したことにより、圧縮機２２からの熱を、副圧縮機２３が冷媒よりも熱伝達率が高い油を介して、効率的に吸収することができる。したがって、副圧縮機２３を用いた熱移動抑制の効果をより顕著にすることができる。
【００５６】
また、圧縮機２２を回転電動機７よりも上方に位置させたことにより、圧縮機２２と副圧縮機２３との距離を大きく取ることができるので、副圧縮機２３を用いた熱移動抑制の効果をより顕著にすることができる。
【００５７】
また、圧縮機２２へ潤滑用油を供給する油ポンプ３５を、副圧縮機２３よりも上方に配置することにより、圧縮機２２を潤滑する高温の油を副圧縮機２３よりも上方で循環させることができる。したがって、強制対流により圧縮機２２の熱が膨張機２４に熱が伝わることを防止することができ、副圧縮機２３を用いた熱移動抑制の効果をより顕著にすることができる。
【００５８】
また、圧縮機２２をスクロール式とすることにより、回転電動機７よりも上側に圧縮機２２を配置しても、油の潤滑を容易に行うことができるので、熱移動抑制の効果と圧縮機２２の信頼性とを両立させることができる。
【００５９】
また、副圧縮機２３の上に、副圧縮機２３の上側を覆う吐出空間５６ａを設け、密閉容器８の径方向断面において吐出空間５６ａが覆う割合を大きくし、副圧縮機２３からの吐出冷媒で満たしたことにより、上側の圧縮機２２から下側へ流れてくる熱を吐出空間５６ａで効率良く吸収することができる。したがって、副圧縮機２３上に吐出空間５６ａが無い場合と比較して、熱移動抑制の効果をより顕著にすることができる。
【００６０】
なお、吐出空間５６ａが少なくとも副圧縮機２３の上側の一部を覆っていれば効果を発揮すること、および、吐出空間５６ａの代わりに、副圧縮機２３に吸入される直前の冷媒で満たされた吸入空間を設けても、同様の効果を得ることができることは言うまでも無い。副圧縮機２３と油ポンプ３５との間に吸入空間を設けるには、吸入管６３を上軸受部材５６に接続するとともに、吐出管５９をシリンダ５１に接続すればよい。
【００６１】
また、副圧縮機２３を１段ロータリ式、および、膨張機２４を２段ロータリ式というように、いずれもロータリ式を採用したことにより、副圧縮機２３と膨張機２４のシリンダをあたかも３段ロータリ式としてシンプルに構成することが可能である。したがって、副圧縮機２３を設けたことによる大型化、コスト増加を防止することができる。また、副圧縮機２３を油溜り３４に浸す構成を容易にすることができる。
【００６２】
また、冷媒を二酸化炭素としたことにより、フロンに比べて膨張機２４による動力回収効果を大きくさせることができる。また、圧縮機２２からの吐出冷媒の温度が高く、圧縮機２２から膨張機２４への熱移動量が多くなっても、副圧縮機２３により、熱移動抑制の効果がより顕著になる。
【００６３】
また、副圧縮機２３の圧縮比、すなわち、圧縮機２２の吸入容積に対する副圧縮機２３の吸入容積の比率を１．２以下とすることにより、副圧縮機２３の温度と膨張機２４の温度とをより近づけて温度差をほぼなくすことができるので、副圧縮機２３による熱移動量抑制の効果がより顕著になる。
【００６４】
なお、副圧縮機２３の圧縮比が１．２を上回っても、副圧縮機２３による熱移動量抑制の効果が無くなる訳ではなく、いかなる圧縮比であっても、圧縮機２２よりも副圧縮機２３の温度の方が低いので、熱移動量抑制の効果を得ることができることは言うまでも無い。
【００６５】
（実施の形態２）
＜流体機械１２１の構成＞
図５は、本発明の実施の形態２における流体機械１２１の縦断面図である。図６は、図５のVI−VI線における流体圧モータ１２４の横断面図である。本発明の実施の形態２における流体機械１２１は、冷媒を吸入して吐出することにより冷媒から動力を回収する動力回収機として膨張機２４の代わりにロータリ式の流体圧モータ１２４を用いたこと以外は、実施の形態１と同様の構成である。また、本発明の実施の形態２に係る動力回収型冷凍サイクル装置２００も、実施の形態１と同様の構成である。したがって、実施の形態１と同様の構成に関しては同じ符号を使用し、説明を省略する。
【００６６】
図５および図６に示すように、本実施の形態２における流体機械１２１では、密閉容器８の内部に、スクロール式の圧縮機２２と、固定子７ａと回転子７ｂからなる回転電動機７と、ロータリ式の副圧縮機２３と、ロータリ式の流体圧モータ１２４が上から順に配置されているとともに、これらがシャフト６により一軸に連結されている。
【００６７】
密閉容器８の底部には、油溜り３４が形成されている。なお、本実施の形態２における油溜り３４の油面３４ａは、実施の形態１と同様に油ポンプ３５よりも上方に位置しており、副圧縮機２３および流体圧モータ１２４は油溜り３４の中に浸っている。密閉容器８の上部には、圧縮機２２から密閉容器８内に吐出された冷媒を密閉容器８外に排出するための吐出管４７が設けられている。密閉容器８の側部には、圧縮機２２用の吸入管４６、副圧縮機２３用の吐出管５９と吸入管６３、および、流体圧モータ１２４用の吸入管（図示せず）と吐出管１８３が、それぞれ密閉容器８を貫通して配設されている。圧縮機２２用の吸入管４６と副圧縮機２３用の吐出管５９とは、冷媒管２９により接続されている。
【００６８】
シャフト６は、主シャフト３１と副シャフト１３２とを、継手３３により接続して一体化させたものである。主シャフト３１は、上軸受部材４４および下軸受部材３６により軸支され、その上端部には偏心部３１ｂが備えられている。主シャフト３１の内部には、給油路３１ａが形成され、この給油路３１ａは主シャフト３１の下部に設けられた油ポンプ３５と連通している。副シャフト１３２は、上軸受部材５４および下軸受部材１７８により軸支され、中間には偏心部１３２ａ，１３２ｂが備えられている。副シャフト１３２の内部には、副シャフト１３２の下端面で油溜り３４に開口する給油路１３２ｄが形成されている。
【００６９】
ロータリ式の流体圧モータ１２４は、副圧縮機２３と共有する副シャフト１３２、シリンダ１７１、ピストン１７３、ベーン１７５、および、ばね１６２により構成されている。
【００７０】
シリンダ１７１の内側には、ピストン１７３が配置されている。ピストン１７３は、副シャフト１３２の偏心部１３２ｂと嵌合し、副シャフト１３２の回転に伴って偏心回転する。シリンダ１７１およびピストン１７３の上方には、それらの上端面に接するように第１中板５５が設置され、シリンダ１７１およびピストン１７３の下方には、それらの下端面に接するように下軸受部材１７８が設置されている。これにより、流体圧モータ１２４の内部には、三日月状の空間１７９が形成される。
【００７１】
また、シリンダ１７１には、ベーン溝１７１ａが設けられ、その内部にはベーン１７５が挿入されている。ベーン１７５の背面には、ばね１６２が設けられ、ベーン１７５の先端がピストン１７３の外周面に接するように構成されている。これにより、上記三日月状の空間１７９が、吸入側作動室１７９ａと吐出側作動室１７９ｂとに区画されている。
【００７２】
本実施の形態２における流体圧モータ１２４は、基本的なロータリ式機構の構成は副圧縮機２３と同様であるが、吸入孔１８２および吐出孔１８４の形状が異なる。以下、吸入孔１８２および吐出孔１８４について、詳細に説明する。
【００７３】
吸入孔１８２および吐出孔１８４は、下軸受部材１７８にのみ形成されている。吸入孔１８２および吐出孔１８４の形状は、それらの輪郭の一部が、ピストン１７３が上死点に位置する時に、ピストン１７３の外周面の輪郭と略重なるように形成されている。これにより、吸入孔１８２および吐出孔１８４は、ピストン１７３が上死点に位置する瞬間、あるいは、その前後の極短い区間において、ピストン１７３によって完全に閉塞され、それ以外は少なくともそれらの一部が開口した状態になる。したがって、ピストン１７３が上死点に位置する瞬間を除いて、吸入側作動室１７９ａは吸入孔１８２と、吐出側作動室１７９ｂは吐出孔１８４と常に連通し、かつ、吸入孔１８２から吐出孔１８４へは、ベーン１７５により、直接冷媒が吹き抜けることを防止している。そして、高圧の吸入側作動室１７９ａと低圧の吐出側作動室１７９ｂとの圧力差により副シャフト１３２に回転力が付与され、これにより動力が回収される。なお、冷媒は、吸入側作動室１７９ａが吐出側作動室１７９ｂに移行して吐出側作動室１７９ｂが吐出孔１８４に連通した時に、減圧して膨張する。
【００７４】
＜流体機械１２１の作用・効果＞
図７は、本実施の形態２における流体圧モータ１２４、および、実施の形態１における膨張機２４のＰＶ線図である。
【００７５】
図７に示すように、膨張機２４の膨張過程は、点Ｄ−点Ｓ−点Ｅで表され、その回収動力は、面積ＧＤＳＥＩＨに相当する。もし、冷凍サイクルの圧力比が、膨張機２４の膨張比と適合しない場合は、面積ＥＪＫに相当する過膨張損失が発生する。それに対し、流体圧モータ１２４は、膨張過程が存在せず、その回収動力は、面積ＧＤＩＨに相当し、膨張機２４よりも回収動力が少ない。しかしながら、冷媒に二酸化炭素を用いた場合、面積ＤＳＥＩに相当する冷媒の膨張による膨張機２４での回収動力は、膨張機２４での回収動力全体に比べて非常に少ない。また、膨張機２４において過膨張損失が生じると、過膨張損失は回収動力と相殺、あるいは、膨張による回収動力を上回ってしまう。
【００７６】
したがって、冷凍サイクルの様々な運転条件を考慮すれば、流体圧モータ１２４を用いても、膨張機２４と同等の動力回収効果を得ることが可能であり、かつ、流体圧モータ１２４は、膨張機２４と比べて構成が非常にシンプルである。また、流体圧モータ１２４は、副圧縮機２３とあたかも２段ロータリ式の圧縮機のようなシンプルな構成で一体に形成することができるので、副圧縮機２３を用いた熱移動抑制を行いながら、さらなる低コスト化、および、コンパクト化を達成することができる。
【００７７】
《変形例》
上記実施の形態では、スクロール式の圧縮機２２を用いた例について説明したが、上記構成に限定されるものではない。例えば、図８に示すように、流体機械２２１として、密閉容器８の内部に、回転電動機７よりも下側に、ロータリ式の圧縮機２２２と、ロータリ式の副圧縮機２２３と、ロータリ式の膨張機２２４とを上から順に配置して、一体化させても良い。
【００７８】
また、上記実施の形態では、密閉容器８の内部に、上側から圧縮機２２、回転電動機７、副圧縮機２３、膨張機２４（または流体圧モータ１２４）の順に配置したが、上記構成に限定されるものではない。例えば、図９Ａに示すように、上側から膨張機２４（または流体圧モータ１２４）、回転電動機７、副圧縮機２３、圧縮機２２の順に並べても良い。あるいは、図９Ｂに示すように、上側から膨張機２４（または流体圧モータ１２４）、副圧縮機２３、回転電動機７、圧縮機２２の順に並べても良い。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
本発明における流体機械は、動力回収型冷凍サイクル装置に有用である。
【図１】
2009136488.tif 000003
【図２】
2009136488.tif 000004
【図３】
2009136488.tif 000005
【図４】
2009136488.tif 000006
【図５】
2009136488.tif 000007
【図６】
2009136488.tif 000008
【図７】
2009136488.tif 000009
【図８】
2009136488.tif 000010
【図９】
2009136488.tif 000011
【図１０】
2009136488.tif 000012
【図１１】
2009136488.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成21年12月25日(2009.12.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、動力回収型冷凍サイクル装置に用いるための、圧縮機と動力回収機とを一体化した流体機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、冷媒が膨張する際に発生する圧力エネルギーを、膨張機で運動エネルギーとして回収し、圧縮機を駆動するエネルギーの一部として用いる、いわゆる、動力回収型冷凍サイクル装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図１０は、圧縮機と膨張機とを一体構成した従来の流体機械１０の縦断面図である。図１０に示すように、従来の流体機械１０は、密閉容器８の内部に、圧縮機１と、回転電動機７と、膨張機３とを上方から順に配置し、共有のシャフト６により連結することで構成されている。
【０００４】
図１１は、従来の流体機械１０を用いた動力回収型冷凍サイクル装置３００の構成図である。図１１に示すように、従来の動力回収型冷凍サイクル装置３００は、流体機械１０、第１熱交換器２、第２熱交換器４、および、圧縮機１と第１熱交換器２と膨張機３と第２熱交換器４とを順に接続する冷媒管５により構成されている。
【０００５】
従来の動力回収型冷凍サイクル装置３００において、冷媒は、圧縮機１で圧縮されて低圧から高温高圧となり、第１熱交換器２で冷却されて放熱する。第１熱交換器２で中温高圧となった冷媒は、膨張機３で膨張して高圧から低温低圧となり、第２熱交換器４で加熱されて蒸発する。第２熱交換器４で中温低圧となった冷媒は、再び圧縮機１へと戻り、上記循環を繰り返す。膨張機３は、冷媒が膨張する際に発生する圧力エネルギーを、シャフト６を介して回転電動機７と共に圧縮機１を駆動するエネルギーに変換する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第２００７／０００８５４号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記従来の流体機械１０では、密閉容器８の内部に、圧縮機１と膨張機３とが近接して配置されているため、高温の圧縮機１から低温の膨張機３へと熱移動が生じる。その結果、第１熱交換器２や第２熱交換器４の熱交換量が減り、動力回収型冷凍サイクル装置３００のＣＯＰ（Coefficient of Performance）が低下するという課題が生じていた。
【０００８】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、動力回収型冷凍サイクル装置のＣＯＰの低下を防止するために圧縮機から動力回収機への熱移動を大幅に低減できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した課題を解決するために、本発明の流体機械は、密閉容器と、前記密閉容器内に配置された、固定子と回転子からなる回転電動機と、前記密閉容器内に配置された、冷媒を圧縮して前記密閉容器内に吐出する圧縮機と、前記密閉容器内に配置された、冷媒を吸入して吐出することにより冷媒から動力を回収する動力回収機と、前記回転電動機、前記圧縮機および前記動力回収機に共有される、鉛直方向に延びるシャフトと、前記圧縮機と前記動力回収機の間に配置され、前記シャフトの回転により冷媒を昇圧して前記圧縮機に送る副圧縮機と、を備えている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の流体機械によれば、圧縮機と動力回収機との間に副圧縮機を設置したことで、温度上昇が僅かな副圧縮機と低温の動力回収機とはほぼ同じ温度となるため、副圧縮機と動力回収機との間に熱移動は殆ど生じない。また、高温の圧縮機と低温の副圧縮機との間では熱移動が生じるが、圧縮機からの熱が副圧縮機で圧縮される冷媒を加熱しても、副圧縮機からの吐出冷媒は圧縮機へと送られるため、副圧縮機の温度上昇は殆ど生じない。しかも、圧縮機から副圧縮機へ伝わった熱は冷媒によって再び圧縮機へ戻されるため、圧縮行程内で熱循環が行われるだけとなる。
【００１１】
したがって、本発明の流体機械を用いて動力回収型冷凍サイクル装置を構成すれば、高温の圧縮機から低温の動力回収機への熱移動を大幅に低減することが可能となり、動力回収型冷凍サイクル装置のＣＯＰを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態１に係る流体機械の縦断面図
【図２】図２Ａは図１のIIＡ−IIＡ線における副圧縮機の横断面図、図２Ｂは図１のIIＢ−IIＢ線における膨張機の横断面図、図２Ｃは図１のIIＣ−IIＣ線における膨張機の横断面図
【図３】図１に示す流体機械を用いた動力回収型冷凍サイクル装置の構成図
【図４】図３に示す冷凍サイクル装置のモリエル線図
【図５】本発明の実施の形態２に係る流体機械の縦断面図
【図６】図５のVI−VI線における流体圧モータの横断面図
【図７】本発明の実施の形態１における膨張機、および、本発明の実施の形態２における流体圧モータのＰＶ線図
【図８】変形例１の流体機械の縦断面図
【図９】図９Ａは変形例２の流体機械の概念図、図９Ｂは変形例３の流体機械の概念図
【図１０】従来の流体機械の縦断面図
【図１１】図１０に示す流体機械を用いた動力回収型冷凍サイクル装置の構成図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明の実施の形態においては、冷媒として二酸化炭素を用いたヒートポンプに本発明を適用した例を説明する。また、従来例と同一構成要素については同一符号を用い、説明を省略する。
【００１４】
（実施の形態１）
＜流体機械２１の構成＞
図１は、本発明の実施の形態１に係る流体機械２１の縦断面図である。図２Ａは、図１のIIＡ−IIＡ線における副圧縮機２３の横断面図、図２Ｂは、図１のIIＢ−IIＢ線における動力回収機である膨張機２４の横断面図、図２Ｃは、図１のIIＣ−IIＣ線における膨張機２４の横断面図である。
【００１５】
図１に示すように、本実施の形態１における流体機械２１は、縦長円筒状の密閉容器８を備えている。密閉容器８の内部には、スクロール式の圧縮機２２と、固定子７ａと回転子７ｂからなる回転電動機７と、ロータリ式の副圧縮機２３と、２段ロータリ式の膨張機２４が上から順に配置されている。圧縮機２２、回転電動機７、副圧縮機２３および膨張機２４は、鉛直方向に延びるシャフト６により一軸に連結されている。換言すれば、圧縮機２２、回転電動機７、副圧縮機２３および膨張機２４はシャフト６を共有している。
【００１６】
密閉容器８の底部には、油溜り３４が形成されている。なお、本実施の形態１における油溜り３４の油面３４ａは、後述する油ポンプ３５よりも上方かつ回転電動機７よりも下方に位置しており、副圧縮機２３および膨張機２４は油溜り３４の中に浸っている。密閉容器８の上部には、圧縮機２２から密閉容器８内に吐出された冷媒を密閉容器８外に排出するための吐出管４７が設けられている。密閉容器８の側部には、圧縮機２２用の吸入管４６、副圧縮機２３用の吐出管５９と吸入管６３、および、膨張機２４用の吸入管８１と吐出管８３が、それぞれ密閉容器８を貫通して配設されている。圧縮機２２用の吸入管４６と副圧縮機２３用の吐出管５９とは、冷媒管２９により接続されている。
【００１７】
シャフト６は、主シャフト３１と副シャフト３２とを、継手３３により接続して一体化させたものである。主シャフト３１は、上軸受部材４４および下軸受部材３６により軸支され、その上端部には偏心部３１ｂが備えられている。主シャフト３１の内部には給油路３１ａが形成され、この給油路３１ａは副圧縮機２３よりも上側に設けられた油ポンプ３５と連通している。副シャフト３２は、上軸受部材５４および下軸受部材７８により軸支され、中間には偏心部３２ａ，３２ｂ，３２ｃが備えられている。副シャフト３２の内部には、副シャフト３２の下端面で油溜り３４に開口する給油路３２ｄが形成されている。
【００１８】
スクロール式の圧縮機２２は、回転電動機７と共有する主シャフト３１、固定スクロール４１、旋回スクロール４２、オルダムリング４３、および、マフラー４５により構成されている。
【００１９】
固定スクロール４１は、密閉容器８の内周面に固定され、その上面にはマフラー４５が設置されている。上軸受部材４４は、旋回スクロール４２を挟んで固定スクロール４１の下面に固定されている。固定スクロール４１の下面には渦巻き形状のラップ４１ａが、その中央部には吐出孔４１ｃが、それぞれ形成されている。旋回スクロール４２の上面にも同様に、渦巻き形状のラップ４２ａが形成されている。旋回スクロール４２は、ラップ４２ａが固定スクロール４１のラップ４１ａと噛み合うように、固定スクロール４１と対向配置されている。これにより、ラップ４１ａとラップ４２ａとの間には、三日月形状の作動室４８が形成される。また、旋回スクロール４２の下面は、主シャフト３１の偏心部３１ｂに嵌合しており、その周縁部と上軸受部材４４との間には、旋回スクロール４２の自転運動を拘束するためのオルダムリング４３が配置されている。
【００２０】
旋回スクロール４２が、主シャフト３１の回転に伴って旋回運動すると、三日月形状の作動室４８は、外側から内側に移動しながら容積を縮小する。これにより、吸入管４６から吸入された冷媒が圧縮される。圧縮された冷媒は、固定スクロール４１の吐出孔４１ｃからマフラー４５の内部空間、固定スクロール４１および上軸受部材４４を貫通するそれらの周縁部に設けられた流路４９を通じて、密閉容器８の内部空間へと吐出される。
【００２１】
上記内部空間に吐出された冷媒は、潤滑用の油が混入したまま回転電動機７の下側へと降下する。そして、冷媒は、重力や遠心力などにより油と分離した後、密閉容器８の内部空間を上昇して、吐出管４７から外部へと吐出される。
【００２２】
本実施形態では、油ポンプ３５としてトロコイドポンプが用いられている。油溜り３４の油は、油ポンプ３５により主シャフト３１の給油路３１ａを通じて圧縮機２２へ供給されて、圧縮機２２の摺動部の潤滑と隙間のシールを行う。その後、圧縮機２２から排出された油は、上記内部空間へと落下し、冷媒と共に回転電動機７の下側に降下する。そして、油は、重力や遠心力などにより冷媒と分離した後、油溜り３４へと戻る。
【００２３】
油ポンプ３５の上側では、密閉容器８の内径と同一の直径を有する略円盤状の下軸受部材３６が密閉容器８の内周面に固定されている。そして、下軸受部材３６の下面に油ポンプ３５が固定されている。なお、下軸受部材３６には、油を流通させるための貫通孔３６ａが適所に設けられている。
【００２４】
継手３３の下側では、密閉容器８の内径と同一の直径を有する略円盤状の上軸受部材５４が密閉容器８の内周面に固定されている。上軸受部材５４の周縁部には、上軸受部材５４を貫通する連絡通路５４ａが設けられている。この連絡通路５４ａによって、上軸受部材５４を挟んだ油溜り３４の上側部分と下側部分との間での油の往来が許容されており、それらの間での油量調節が自動的に行われる。上軸受部材５４の下面には、下軸受部材７８が副圧縮機２３および膨張機２４を挟んで固定されている。
【００２５】
ロータリ式の副圧縮機２３は、図２Ａに示すように、副シャフト３２、シリンダ５１、ピストン５２、ベーン５３、ばね６２、および、吐出弁６１（図１参照）により構成されている。ここで、吐出弁６１は必須の構成要素ではない。本実施形態のように吐出弁６１がある場合は、後述するように副圧縮機２３の内部で冷媒が圧縮され、吐出弁６１がない場合は、副圧縮機２３が強制的に冷媒を吐出することにより副圧縮機２３の外部で冷媒が圧縮される。このように、いずれの場合も冷媒が副圧縮機２３によって昇圧される。
【００２６】
シリンダ５１の内側には、ピストン５２が配置されている。ピストン５２は、副シャフト３２の偏心部３２ａと嵌合し、副シャフト３２の回転に伴って偏心回転する。シリンダ５１およびピストン５２の上方には、それらの上端面に接するように上軸受部材５４が設置され、シリンダ５１およびピストン５２の下方には、それらの下端面に接するように第１中板５５が設置されている。これにより、副圧縮機２３の内部には、三日月状の空間５７が形成される。
【００２７】
また、シリンダ５１には、ベーン溝５１ａが設けられ、その内部にはベーン５３が挿入されている。ベーン５３の背面には、ばね６２が設置され、ベーン５３の先端がピストン５２の外周面に接するように構成されている。これにより、上記三日月状の空間５７が、吸入側作動室５７ａと吐出側作動室５７ｂとに区画されている。
【００２８】
本実施の形態１においては、上軸受部材５４の上側に、上軸受部材５４よりも少し小さな直径を有する円盤状の吐出カバー５６が設置されている。これにより、副圧縮機２３と油ポンプ３５との間に、副圧縮機２３の上側を覆う吐出空間５６ａが形成されている。具体的には、上軸受部材５４の上面には、副シャフト３２の周りを一周する環状の窪みが設けられており、この窪みが吐出カバー５６で閉塞されることにより、吐出空間５６ａが形成されている。吐出空間５６ａは、副圧縮機２３から吐出された直後の冷媒で満たされる。また、吐出空間５６ａは吐出管５９と連通しており、いったん吐出空間５６ａに吐出された冷媒は吐出管５９を通じて外部へ排出される。なお、理由は後述するが、吐出空間５６ａは、密閉容器８の径方向断面積において、出来るだけ大きな面積を占めることが望ましい。
【００２９】
シリンダ５１および上軸受部材５４には、吸入管６３から吸入側作動室５７ａへ至る吸入孔５８が形成され、吸入孔５８を通じてシリンダ５１に接続された吸入管６３から吸入側作動室５７ａへ冷媒が吸入される。また、上軸受部材５４には、上軸受部材５４を貫通する吐出孔６０が形成され、吐出孔６０を通じて吐出側作動室５７ｂから吐出空間５６ａへ冷媒が吐出される。吐出孔６０の上部には、圧力設定用の吐出弁６１が設置され、この吐出弁６１によって冷媒の流れが制御される。
【００３０】
ピストン５２が、副シャフト３２の回転に伴って偏心回転運動すると、吸入孔５８が吸入側作動室５７ａと連通することで吸入管６３より冷媒が吸入されていくと共に、吸入側作動室５７ａの容積が拡大していく。副シャフト３２が１周すると、吸入側作動室５７ａは吐出側作動室５７ｂに移行し、吐出孔６０と連通する。さらなる副シャフト３２の回転に伴って、吐出側作動室５７ｂの容積が減少していくことで、冷媒は圧縮される。圧縮された冷媒の圧力が所定の圧力に達すると、吐出弁６１の変形により吐出孔６０が開き、冷媒が吐出空間５６ａへと流入する。これにより、吐出空間５６ａを満たしていた冷媒が吐出管５９に押し出される。
【００３１】
吐出空間５６ａは、圧縮機２２側から膨張機２４側へ移動する熱を冷媒によって積極的に回収するために、それらの間にある伝熱部材（本実施形態では吐出カバー５６および上軸受部材５４）に冷媒を大きな面積で接触させる役割を果たす。このように、冷媒と伝熱部材との接触面積を大きくすることにより、吐出空間５６ａを通過する冷媒によって圧縮機２２側から膨張機２４側へ移動する熱を効率的に回収することができる。また、このような吐出空間５６ａを設けることにより、圧縮機２２と副圧縮機２３との間で優れた断熱効果を得ることができる。
【００３２】
なお、熱伝達効率を高める観点から、吐出空間５６ａ内では、全域に亘って吐出管５６に向かう冷媒の流れが形成されることが好ましい。このような観点からは、吐出管５９の位置と吐出孔６０の位置とはなるべく離れていることが好ましい。これを実現するために、吐出管５９と吐出孔６０とが副シャフト３２を挟んで反対の位置にあることが好ましい。
【００３３】
ところで、密閉容器８には、圧縮機２２および回転電動機７の固定子７ａが接している。このため、密閉容器８を伝熱経路として、膨張機２４用の吸入管８１および吐出管８３を流通する冷媒に熱が伝わったり、膨張機２４の周囲の油に熱が伝わったりする。これを抑制するためには、密閉容器８に接する上軸受部材５４およびこれに接する吐出カバー５６を密閉容器８よりも熱伝導率の大きい材料で構成して、密閉容器８を伝わる熱を吐出空間５６ａに積極的に導くようにしてもよい。一般に、密閉容器８は、炭素鋼や鋳鉄のような鉄系材料で構成される。この場合、上軸受部材５４および吐出カバー５６を構成する材料として、例えば真鍮のような銅系材料またはジュラルミンのようなアルミニウム系材料を用いることができる。このようにすれば、吐出空間５６ａでの冷媒による熱回収効果をさらに高めることができる。
【００３４】
２段ロータリ式の膨張機２４は、図２Ｂおよび図２Ｃに示すように、副圧縮機２３と共有する副シャフト３２、第１シリンダ７１、第２シリンダ７２、第１ピストン７３、第２ピストン７４、第１ベーン７５、第２ベーン７６、第２中板７７、第１ばね８５、および、第２ばね８６により構成されている。
【００３５】
第１シリンダ７１および第２シリンダ７２の内側には、第１ピストン７３および第２ピストン７４が、それぞれ配置されている。第１ピストン７３および第２ピストン７４は、副シャフト３２の偏心部３２ｂおよび３２ｃとそれぞれ嵌合し、副シャフト３２の回転に伴って偏心回転する。第１シリンダ７１および第１ピストン７３の上方には、それらの上端面に接するように第１中板５５が設置され、第２シリンダ７２および第２ピストン７４の下方には、それらの下端面に接するように下軸受部材７８が設置されている。第１シリンダ７１および第１ピストン７３と、第２シリンダ７２および第２ピストン７４の間には、第１シリンダ７１および第１ピストン７３の下端面ならびに第２シリンダ７２および第２ピストン７４の上端面に接するように第２中板７７が設置されている。これにより、膨張機２４の内部には、三日月状の第１空間７９および第２空間８０が、第２中板７７を介して形成される。
【００３６】
また、第１シリンダ７１および第２シリンダ７２には、それぞれ、第１ベーン溝７１ａおよび第２ベーン溝７２ａが設けられ、その内部には第１ベーン７５および第２ベーン７６が挿入されている。第１ベーン７５および第２ベーン７６の背面には、それぞれ、第１ばね８５および第２ばね８６が設けられ、第１ベーン７５および第２ベーン７６の先端が第１ピストン７３および第２ピストン７４の外周面に接するように構成されている。これにより、上記三日月状の第１空間７９および第２空間８０が、第１吸入側作動室７９ａと第１吐出側作動室７９ｂ、および、第２吸入側作動室８０ａと第２吐出側作動室８０ｂに区画されている。なお、本実施の形態１においては、第２空間８０の容積、すなわち、第２吸入側作動室８０ａと第２吐出側作動室８０ｂとの合計の容積が、第１空間７９の容積、すなわち、第１吸入側作動室７９ａと第１吐出側作動室７９ｂとの合計の容積よりも大きくなるように形成されており、これらの容積の比が膨張による冷媒の比容積の増加分に相当する。
【００３７】
第１中板５５および第１シリンダ７１には、吸入管８１から第１吸入側作動室７９ａへ至る吸入孔８２が形成され、第１中板５５に接続された吸入管８１から第１吸入側作動室７９ａへ冷媒が吸入される。第２シリンダ７２および下軸受部材７８には、第２吐出側作動室８０ｂから吐出管８３へ至る吐出孔８４が形成され、第２吐出側作動室８０ｂから下軸受部材７８に接続された吐出管８３へ冷媒が吐出される。第２中板７７には、第１吐出側作動室７９ｂと第２吸入側作動室８０ａとを連通する連通孔７７ａが形成されており、これらによって一つの膨張室が構成されている。
【００３８】
第１ピストン７３が、副シャフト３２の回転に伴って偏心回転運動すると、吸入孔８２が第１吸入側作動室７９ａと連通することで吸入管８１より冷媒が吸入されていくと共に、第１吸入側作動室７９ａの容積が拡大していく。副シャフト３２が一周すると、第１吸入側作動室７９ａは第１吐出側作動室７９ｂに移行し、連通孔７７ａを介して第２吸入側作動室８０ａと連通する。さらなる副シャフト３２の回転に伴って、第１吐出側作動室７９ｂの容積が減少していくと共に、連通孔７７ａにより連通した第２吸入側作動室８０ａの容積が増加していくことで、冷媒は膨張する。そして、副シャフト３２が再び一周すると、第１吐出側作動室７９ｂは消滅すると共に連通孔７７ａが閉鎖され、第２吸入側作動室８０ａは第２吐出側作動室８０ｂに移行する。さらなる副シャフト３２の回転に伴って、第２吐出側作動室８０ｂの容積は減少していくと共に、冷媒は吐出孔８４を介して吐出管８３から外部へ吐出される。
【００３９】
＜動力回収型冷凍サイクル装置１００の概略構成＞
図３は、本発明の実施の形態１における流体機械２１を用いた動力回収型冷凍サイクル装置１００の構成図である。図３に示すように、本実施の形態１に係る動力回収型冷凍サイクル装置１００は、流体機械２１、第１熱交換器２、第２熱交換器４、および、冷媒管２９により構成されている。冷媒管２９は、圧縮機２２、第１熱交換器２、膨張機２４、第２熱交換器４、および、副圧縮機２３の順になるよう、各構成要素を接続している。
【００４０】
本実施の形態１では、冷媒管２９に、高圧側（圧縮機２２から第１熱交換器２を経て膨張機２４に至る部分）において超臨界状態となる冷媒（具体的には、二酸化炭素）が充填されている例について説明する。なお、本発明において、冷媒は高圧側において超臨界状態となるものに限定されることはなく、高圧側において超臨界状態とならない冷媒（例えば、フロン系冷媒等）であってもよい。
【００４１】
冷媒は、圧縮機２２において、中温低圧から高温高圧に圧縮された後、第１熱交換器２において、外部との熱交換により冷却されて中温高圧となる。そして、膨張機２４において、中温高圧から低温低圧へと膨張した後、第２熱交換器４において、外部との熱交換により加熱されて中温低圧となる。その後、副圧縮機２３において、中温低圧から中間圧まで圧縮された後、再び圧縮機２２に戻る。膨張機２４では、冷媒が膨張する際に発生する膨張圧力エネルギーを、回転電動機７と共に、シャフト６を介して圧縮機２２と副圧縮機２３とを駆動するエネルギーに変換する。
【００４２】
＜流体機械２１の温度分布＞
図４は、本発明の実施の形態１に係る動力回収型冷凍サイクル装置１００のモリエル線図である。図４における点Ａ−点Ｂは、副圧縮機２３による圧縮過程、点Ｂ−点Ｃは、主圧縮機２２による圧縮過程、点Ｃ−点Ｄは、第１熱交換器２による放熱過程、点Ｄ−点Ｅは、膨張機２４による膨張過程、点Ｅ−点Ａは、第２熱交換器４による蒸発過程を示している。それぞれの過程における仕事量、熱交換量、動力回収量は、各点におけるエンタルピーの差から求めることができる。
【００４３】
図４において、ｈAは副圧縮機２３の入口におけるエンタルピー、ｈBは副圧縮機２３の出口におけるエンタルピー、ｈCは圧縮機２２の出口におけるエンタルピー、ｈDは膨張機２４の入口におけるエンタルピーおよびｈEは膨張機２４の出口におけるエンタルピーを示している。
【００４４】
また、図４における破線ＴDは、膨張機２４の吸入側の状態を示す点Ｄにおける温度、破線ＴEは、膨張機２４の吐出側の状態を示す点Ｅにおける温度、破線ＴCは、圧縮機２２の吐出側の状態を示す点Ｃにおける温度であり、それぞれの温度における等温線を示している。
【００４５】
図４から分かるように、破線ＴDと破線ＴEとは比較的近い温度であり、破線ＴCに比べて低い温度となる。具体的な例として、給湯機などに用いるヒートポンプの場合、破線ＴCは約１００℃、破線ＴDは約２５℃、破線ＴEは約５℃である。副圧縮機２３の入口側の温度である点Ａの温度は、破線ＴEより若干高いだけであり、この温度差を本実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１００では「過熱度」と定義する。冷凍サイクル装置の運転条件にもよるが、通常の過熱度は約５℃であり、圧縮機の圧縮仕事を減らす観点から、一般的に、過熱度は小さいほど望ましい。
【００４６】
また、副圧縮機２３の出口側の温度である点Ｂの温度は、破線ＴDに比較的近いことがわかる。特に、副圧縮機２３の圧縮比、すなわち、圧縮機２２の吸入容積に対する副圧縮機２３の吸入容積の比率が１．２の場合、点Ａから点Ｂへの温度上昇を約２０℃に抑えることができ、これは破線ＴDと破線ＴEの温度差とほぼ同じである。また、点Ａの温度が破線ＴEとほぼ同じであることを考慮すると、副圧縮機２３の圧縮比を１．２以下とすることが、副圧縮機２３と膨張機２４との温度差を無くす一つの指標となる。
【００４７】
なお、副圧縮機２３の圧縮比ｒは、副圧縮機２３の吸入容積Ｖ′と、圧縮機２２の吸入容積Ｖと、冷媒の断熱指数κとを用いて、以下に示す式（数１）により計算できる。実際には、冷媒の断熱指数κが１．１〜１．２程度であることから、κ≒１と近似させても大差は無く、副圧縮機２３の吸入容積Ｖ′と圧縮機２２の吸入容積Ｖの比率にほぼ相当する。
（数１）  ｒ＝（Ｖ′／Ｖ）κ
【００４８】
＜流体機械２１内部での熱の流れ＞
圧縮機２２からの吐出冷媒は、前述のように、一旦、密閉容器８の内部空間へ吐出されるため、密閉容器８内の油溜り３４の油面３４ａよりも上方の冷媒温度は、点Ｃが示す高い温度（約１００℃）となる。これにより、油溜り３４の油面３４ａ近傍は、密閉容器８の内部空間に滞留する高温の冷媒と接していること、および、高温の圧縮機２２を潤滑した後に冷媒と分離して落下してきた高温の油に覆われることにより、温度が高い。
【００４９】
一方、油溜り３４内に配置された副圧縮機２３の温度は、点Ａ−点Ｂの温度となり、さらにその下方に配置された膨張機２４の温度は、点Ｄ−点Ｅの温度となる。副圧縮機２３の圧縮比を１．２以下とした場合、点Ｄ、点Ｅ、点Ａ、点Ｂの温度は約５℃〜２５℃の範囲内で比較的近く、点Ｃの温度に比べて大幅に低いことは前述した通りである。これにより、油溜り３４の副圧縮機２３近傍は、副圧縮機２３の内部温度の影響を受けて、温度が低下する。特に、本実施の形態１では、副圧縮機２３の上側を覆う吐出空間５６ａを設けているため、油溜り３４の吐出カバー５６に接する油は、吐出空間５６ａ内の冷媒温度に相当する点Ｂの温度近くまで、さらに冷やされる。また、油溜り３４の副圧縮機２３より下方に滞留する油は、副圧縮機２３と膨張機２４の温度が比較的近いため、副圧縮機２３近傍とほぼ同じ温度となる。
【００５０】
このように、油溜り３４には、油面３４ａから副圧縮機２３上の吐出カバー５６までの間で、点Ｃの温度から点Ｂの温度までの温度成層が形成され、副圧縮機２３と膨張機２４との間で、熱移動の生じない、ほぼ一定温度の温度層が形成される。
【００５１】
上記温度成層を介して、圧縮機２２と副圧縮機２３との間では、熱移動が生じる。すなわち、圧縮機２２から密閉容器８内へ吐出された高温の冷媒は、油溜り３４に放熱することで温度が低下する。温度が低下した冷媒は、密閉容器８内を上昇して、吐出管４７より第１熱交換器２へと吐出される。その後、膨張機２４、第２熱交換器４を通過した冷媒は、副圧縮機２３へ吸入される。副圧縮機２３において、冷媒は、圧縮されること、および、油溜り３４から吸熱することで、温度が上昇する。温度が上昇した冷媒は、吐出管５９から冷媒管２９へと吐出され、直ちに吸入管４６から圧縮機２２へと吸入される。圧縮機２２において、冷媒は、油溜り３４から吸熱した熱を伴って圧縮機へ吸入されるため、圧縮後の冷媒の温度は、油溜り３４から吸熱した熱を伴わない場合と比較して、上昇する。圧縮機２２での温度上昇分は、温度成層を介しての冷媒による圧縮機２２から副圧縮機２３への熱移動により、キャンセルされる。
【００５２】
このように、圧縮機２２と副圧縮機２３の間では、油溜り３４の温度成層と、副圧縮機２３から圧縮機２２への直接的な冷媒の流れにより、熱循環が生じる。したがって、圧縮機２２と副圧縮機２３との間には、大きな温度差があるにも関わらず、実質的に熱移動が無い状態を実現することができる。
【００５３】
＜流体機械２１の構成による効果＞
以上のように、本実施の形態１における流体機械２１では、圧縮機２２と膨張機２４との間に副圧縮機２３を配置したことにより、圧縮機２２から副圧縮機２３への熱移動は、熱循環により実質的に生じず、また同時に、副圧縮機２３から膨張機２４への熱移動も、温度がほぼ同じであるため生じない。したがって、圧縮機２２から膨張機２４への熱移動を抑制することが可能である。特に、密閉容器８の内部に、圧縮機２２と副圧縮機２３と膨張機２４とを鉛直方向に並べて配置した場合、油ポンプ３５により、底部の油溜り３４から最上部の圧縮機２２へと油を供給させるため、鉛直方向の油の循環により、上記各構成要素間での熱移動がより顕著になる。このような場合でも、膨張機２４による動力回収の効果を得ながら、第１熱交換器２および第２熱交換器４での熱交換量を確保することができるので、効率の良いヒートポンプを実現することができる。
【００５４】
また、圧縮機２２を膨張機２４の上方とし、これらの間に副圧縮機２３を配置したことにより、密閉容器８の内部において、上方が高温、下方が低温となり、自然対流による熱移動を防止することができる。したがって、副圧縮機２３を用いた熱移動抑制の効果をより顕著にすることができる。
【００５５】
また、密閉容器８底部の油溜り３４内に副圧縮機２３を配置したことにより、圧縮機２２からの熱を、副圧縮機２３が冷媒よりも熱伝達率が高い油を介して、効率的に吸収することができる。したがって、副圧縮機２３を用いた熱移動抑制の効果をより顕著にすることができる。
【００５６】
また、圧縮機２２を回転電動機７よりも上方に位置させたことにより、圧縮機２２と副圧縮機２３との距離を大きく取ることができるので、副圧縮機２３を用いた熱移動抑制の効果をより顕著にすることができる。
【００５７】
また、圧縮機２２へ潤滑用油を供給する油ポンプ３５を、副圧縮機２３よりも上方に配置することにより、圧縮機２２を潤滑する高温の油を副圧縮機２３よりも上方で循環させることができる。したがって、強制対流により圧縮機２２の熱が膨張機２４に熱が伝わることを防止することができ、副圧縮機２３を用いた熱移動抑制の効果をより顕著にすることができる。
【００５８】
また、圧縮機２２をスクロール式とすることにより、回転電動機７よりも上側に圧縮機２２を配置しても、油の潤滑を容易に行うことができるので、熱移動抑制の効果と圧縮機２２の信頼性とを両立させることができる。
【００５９】
また、副圧縮機２３の上に、副圧縮機２３の上側を覆う吐出空間５６ａを設け、密閉容器８の径方向断面において吐出空間５６ａが覆う割合を大きくし、副圧縮機２３からの吐出冷媒で満たしたことにより、上側の圧縮機２２から下側へ流れてくる熱を吐出空間５６ａで効率良く吸収することができる。したがって、副圧縮機２３上に吐出空間５６ａが無い場合と比較して、熱移動抑制の効果をより顕著にすることができる。
【００６０】
なお、吐出空間５６ａが少なくとも副圧縮機２３の上側の一部を覆っていれば効果を発揮すること、および、吐出空間５６ａの代わりに、副圧縮機２３に吸入される直前の冷媒で満たされた吸入空間を設けても、同様の効果を得ることができることは言うまでも無い。副圧縮機２３と油ポンプ３５との間に吸入空間を設けるには、吸入管６３を上軸受部材５６に接続するとともに、吐出管５９をシリンダ５１に接続すればよい。
【００６１】
また、副圧縮機２３を１段ロータリ式、および、膨張機２４を２段ロータリ式というように、いずれもロータリ式を採用したことにより、副圧縮機２３と膨張機２４のシリンダをあたかも３段ロータリ式としてシンプルに構成することが可能である。したがって、副圧縮機２３を設けたことによる大型化、コスト増加を防止することができる。また、副圧縮機２３を油溜り３４に浸す構成を容易にすることができる。
【００６２】
また、冷媒を二酸化炭素としたことにより、フロンに比べて膨張機２４による動力回収効果を大きくさせることができる。また、圧縮機２２からの吐出冷媒の温度が高く、圧縮機２２から膨張機２４への熱移動量が多くなっても、副圧縮機２３により、熱移動抑制の効果がより顕著になる。
【００６３】
また、副圧縮機２３の圧縮比、すなわち、圧縮機２２の吸入容積に対する副圧縮機２３の吸入容積の比率を１．２以下とすることにより、副圧縮機２３の温度と膨張機２４の温度とをより近づけて温度差をほぼなくすことができるので、副圧縮機２３による熱移動量抑制の効果がより顕著になる。
【００６４】
なお、副圧縮機２３の圧縮比が１．２を上回っても、副圧縮機２３による熱移動量抑制の効果が無くなる訳ではなく、いかなる圧縮比であっても、圧縮機２２よりも副圧縮機２３の温度の方が低いので、熱移動量抑制の効果を得ることができることは言うまでも無い。
【００６５】
（実施の形態２）
＜流体機械１２１の構成＞
図５は、本発明の実施の形態２における流体機械１２１の縦断面図である。図６は、図５のVI−VI線における流体圧モータ１２４の横断面図である。本発明の実施の形態２における流体機械１２１は、冷媒を吸入して吐出することにより冷媒から動力を回収する動力回収機として膨張機２４の代わりにロータリ式の流体圧モータ１２４を用いたこと以外は、実施の形態１と同様の構成である。また、本発明の実施の形態２に係る動力回収型冷凍サイクル装置２００も、実施の形態１と同様の構成である。したがって、実施の形態１と同様の構成に関しては同じ符号を使用し、説明を省略する。
【００６６】
図５および図６に示すように、本実施の形態２における流体機械１２１では、密閉容器８の内部に、スクロール式の圧縮機２２と、固定子７ａと回転子７ｂからなる回転電動機７と、ロータリ式の副圧縮機２３と、ロータリ式の流体圧モータ１２４が上から順に配置されているとともに、これらがシャフト６により一軸に連結されている。
【００６７】
密閉容器８の底部には、油溜り３４が形成されている。なお、本実施の形態２における油溜り３４の油面３４ａは、実施の形態１と同様に油ポンプ３５よりも上方に位置しており、副圧縮機２３および流体圧モータ１２４は油溜り３４の中に浸っている。密閉容器８の上部には、圧縮機２２から密閉容器８内に吐出された冷媒を密閉容器８外に排出するための吐出管４７が設けられている。密閉容器８の側部には、圧縮機２２用の吸入管４６、副圧縮機２３用の吐出管５９と吸入管６３、および、流体圧モータ１２４用の吸入管（図示せず）と吐出管１８３が、それぞれ密閉容器８を貫通して配設されている。圧縮機２２用の吸入管４６と副圧縮機２３用の吐出管５９とは、冷媒管２９により接続されている。
【００６８】
シャフト６は、主シャフト３１と副シャフト１３２とを、継手３３により接続して一体化させたものである。主シャフト３１は、上軸受部材４４および下軸受部材３６により軸支され、その上端部には偏心部３１ｂが備えられている。主シャフト３１の内部には、給油路３１ａが形成され、この給油路３１ａは主シャフト３１の下部に設けられた油ポンプ３５と連通している。副シャフト１３２は、上軸受部材５４および下軸受部材１７８により軸支され、中間には偏心部１３２ａ，１３２ｂが備えられている。副シャフト１３２の内部には、副シャフト１３２の下端面で油溜り３４に開口する給油路１３２ｄが形成されている。
【００６９】
ロータリ式の流体圧モータ１２４は、副圧縮機２３と共有する副シャフト１３２、シリンダ１７１、ピストン１７３、ベーン１７５、および、ばね１６２により構成されている。
【００７０】
シリンダ１７１の内側には、ピストン１７３が配置されている。ピストン１７３は、副シャフト１３２の偏心部１３２ｂと嵌合し、副シャフト１３２の回転に伴って偏心回転する。シリンダ１７１およびピストン１７３の上方には、それらの上端面に接するように第１中板５５が設置され、シリンダ１７１およびピストン１７３の下方には、それらの下端面に接するように下軸受部材１７８が設置されている。これにより、流体圧モータ１２４の内部には、三日月状の空間１７９が形成される。
【００７１】
また、シリンダ１７１には、ベーン溝１７１ａが設けられ、その内部にはベーン１７５が挿入されている。ベーン１７５の背面には、ばね１６２が設けられ、ベーン１７５の先端がピストン１７３の外周面に接するように構成されている。これにより、上記三日月状の空間１７９が、吸入側作動室１７９ａと吐出側作動室１７９ｂとに区画されている。
【００７２】
本実施の形態２における流体圧モータ１２４は、基本的なロータリ式機構の構成は副圧縮機２３と同様であるが、吸入孔１８２および吐出孔１８４の形状が異なる。以下、吸入孔１８２および吐出孔１８４について、詳細に説明する。
【００７３】
吸入孔１８２および吐出孔１８４は、下軸受部材１７８にのみ形成されている。吸入孔１８２および吐出孔１８４の形状は、それらの輪郭の一部が、ピストン１７３が上死点に位置する時に、ピストン１７３の外周面の輪郭と略重なるように形成されている。これにより、吸入孔１８２および吐出孔１８４は、ピストン１７３が上死点に位置する瞬間、あるいは、その前後の極短い区間において、ピストン１７３によって完全に閉塞され、それ以外は少なくともそれらの一部が開口した状態になる。したがって、ピストン１７３が上死点に位置する瞬間を除いて、吸入側作動室１７９ａは吸入孔１８２と、吐出側作動室１７９ｂは吐出孔１８４と常に連通し、かつ、吸入孔１８２から吐出孔１８４へは、ベーン１７５により、直接冷媒が吹き抜けることを防止している。そして、高圧の吸入側作動室１７９ａと低圧の吐出側作動室１７９ｂとの圧力差により副シャフト１３２に回転力が付与され、これにより動力が回収される。なお、冷媒は、吸入側作動室１７９ａが吐出側作動室１７９ｂに移行して吐出側作動室１７９ｂが吐出孔１８４に連通した時に、減圧して膨張する。
【００７４】
＜流体機械１２１の作用・効果＞
図７は、本実施の形態２における流体圧モータ１２４、および、実施の形態１における膨張機２４のＰＶ線図である。
【００７５】
図７に示すように、膨張機２４の膨張過程は、点Ｄ−点Ｓ−点Ｅで表され、その回収動力は、面積ＧＤＳＥＩＨに相当する。もし、冷凍サイクルの圧力比が、膨張機２４の膨張比と適合しない場合は、面積ＥＪＫに相当する過膨張損失が発生する。それに対し、流体圧モータ１２４は、膨張過程が存在せず、その回収動力は、面積ＧＤＩＨに相当し、膨張機２４よりも回収動力が少ない。しかしながら、冷媒に二酸化炭素を用いた場合、面積ＤＳＥＩに相当する冷媒の膨張による膨張機２４での回収動力は、膨張機２４での回収動力全体に比べて非常に少ない。また、膨張機２４において過膨張損失が生じると、過膨張損失は回収動力と相殺、あるいは、膨張による回収動力を上回ってしまう。
【００７６】
したがって、冷凍サイクルの様々な運転条件を考慮すれば、流体圧モータ１２４を用いても、膨張機２４と同等の動力回収効果を得ることが可能であり、かつ、流体圧モータ１２４は、膨張機２４と比べて構成が非常にシンプルである。また、流体圧モータ１２４は、副圧縮機２３とあたかも２段ロータリ式の圧縮機のようなシンプルな構成で一体に形成することができるので、副圧縮機２３を用いた熱移動抑制を行いながら、さらなる低コスト化、および、コンパクト化を達成することができる。
【００７７】
《変形例》
上記実施の形態では、スクロール式の圧縮機２２を用いた例について説明したが、上記構成に限定されるものではない。例えば、図８に示すように、流体機械２２１として、密閉容器８の内部に、回転電動機７よりも下側に、ロータリ式の圧縮機２２２と、ロータリ式の副圧縮機２２３と、ロータリ式の膨張機２２４とを上から順に配置して、一体化させても良い。
【００７８】
また、上記実施の形態では、密閉容器８の内部に、上側から圧縮機２２、回転電動機７、副圧縮機２３、膨張機２４（または流体圧モータ１２４）の順に配置したが、上記構成に限定されるものではない。例えば、図９Ａに示すように、上側から膨張機２４（または流体圧モータ１２４）、回転電動機７、副圧縮機２３、圧縮機２２の順に並べても良い。あるいは、図９Ｂに示すように、上側から膨張機２４（または流体圧モータ１２４）、副圧縮機２３、回転電動機７、圧縮機２２の順に並べても良い。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
本発明における流体機械は、動力回収型冷凍サイクル装置に有用である。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
密閉容器と、
前記密閉容器内に配置された、固定子と回転子からなる回転電動機と、
前記密閉容器内に配置された、冷媒を圧縮して前記密閉容器内に吐出する圧縮機と、
前記密閉容器内に配置された、冷媒を吸入して吐出することにより冷媒から動力を回収する動力回収機と、
前記回転電動機、前記圧縮機および前記動力回収機に共有される、鉛直方向に延びるシャフトと、
前記圧縮機と前記動力回収機の間に配置され、前記シャフトの回転により冷媒を昇圧して前記圧縮機に送る副圧縮機と、
を備える、流体機械。
【請求項２】
前記圧縮機は、前記動力回収機の上方に位置する、請求項１に記載の流体機械。
【請求項３】
前記密閉容器の底部には油溜りが形成され、前記副圧縮機と前記動力回収機は前記油溜り内に配置され、前記圧縮機は前記油溜りよりも上方に位置している、請求項２に記載の流体機械。
【請求項４】
前記回転電動機は前記圧縮機と前記油溜りの間に配置されている、請求項３に記載の流体機械。
【請求項５】
前記圧縮機へ前記油溜りの油を供給する油ポンプをさらに備え、前記油ポンプは、前記副圧縮機よりも上方に位置する、請求項３または４に記載の流体機械。
【請求項６】
前記副圧縮機と前記油ポンプとの間には、前記副圧縮機に吸入される直前の冷媒、あるいは、前記副圧縮機から吐出された直後の冷媒のいずれかが満たされる空間が設けられている、請求項５に記載の流体機械。
【請求項７】
前記圧縮機がスクロール式である、請求項１〜６のいずれか一項に記載の流体機械。
【請求項８】
前記副圧縮機および前記動力回収機が共にロータリ式である、請求項１〜７のいずれか一項に記載の流体機械。
【請求項９】
前記動力回収機が流体圧モータである、請求項８に記載の流体機械。
【請求項１０】
前記冷媒が二酸化炭素である、請求項１〜９のいずれか一項に記載の流体機械。
【請求項１１】
前記圧縮機の吸入容積に対する前記副圧縮機の吸入容積の比率が１．２以下である、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の流体機械。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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