(57)【要約】  膨張機一体型圧縮機１００は、作動流体を圧縮するための圧縮機構２と、作動流体を膨張させるための膨張機構３と、圧縮機構２と膨張機構３とを連結しているシャフト５とを備えている。膨張機構３は、可変ベーン機構６０を備えている。シャフト５が１回転する期間において第１ベーン４８が第１ピストン４６に接している期間をＰ1、第１ベーン４８が第１ピストン４６から離れている期間をＰ2としたとき、可変ベーン機構６０は、期間Ｐ1に対する期間Ｐ2の比率（Ｐ2／Ｐ1）を調節しうるように、第１ベーン４８の動きを制御する。
2009141993.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１シリンダと、
前記第１シリンダ内に回転可能に配置された第１ピストンと、
前記第１シリンダに対して同心状に配置された第２シリンダと、
前記第２シリンダ内に回転可能に配置された第２ピストンと、
前記第１ピストンおよび前記第２ピストンが取り付けられたシャフトと、
前記第１シリンダに形成された第１ベーン溝に摺動可能に設けられ、前記第１シリンダと前記第１ピストンとの間の空間を第１吸入空間と第１吐出空間とに仕切るための第１ベーンと、
前記第２シリンダに形成された第２ベーン溝に摺動可能に設けられ、前記第２シリンダと前記第２ピストンとの間の空間を第２吸入空間と第２吐出空間とに仕切るための第２ベーンと、
前記第１吐出空間と前記第２吸入空間とを連通することによって１つの膨張室を形成するための貫通孔を有するとともに、前記第１シリンダと前記第２シリンダとを隔てている中板と、
前記シャフトが１回転する期間において前記第１ベーンが前記第１ピストンに接している期間をＰ1、前記第１ベーンが前記第１ピストンから離れている期間をＰ2としたとき、前記期間Ｐ1に対する前記期間Ｐ2の比率（Ｐ2／Ｐ1）を調節しうるように、前記第１ベーンの動きを制御するための可変ベーン機構と、
を備えた、２段ロータリ膨張機。
【請求項２】
前記膨張室で作動流体が膨張している最中に前記第１ベーンが前記第１ピストンから離れ、前記膨張室に膨張前の作動流体が注入される、請求項１に記載の２段ロータリ膨張機。
【請求項３】
前記可変ベーン機構が、
前記第１ベーンの可動範囲を制限するためのストッパと、
前記第１ベーンの可動範囲が長くなる位置から短くなる位置へと前記ストッパを移動させる、またはその逆方向に前記ストッパを移動させるためのアクチュエータと、
を含む、請求項１または２に記載の２段ロータリ膨張機。
【請求項４】
前記アクチュエータが流体圧アクチュエータであり、
前記流体圧アクチュエータが、
前記ストッパと連動する部分を含み、前記第１ベーン溝の長手方向に関する前記ストッパの位置を流体の圧力に基づいて規定している本体部と、
前記本体部が配置された圧力室と、
前記流体を前記圧力室に供給するための通路と、
を含む、請求項３に記載の２段ロータリ膨張機。
【請求項５】
前記本体部が、前記圧力室を仕切るように前記圧力室に摺動可能に配置されたスライダと、前記スライダによって仕切られた前記圧力室の一方の部分に設けられたばねとを含み、
前記スライダに前記ストッパが一体化または連結されており、
前記スライダによって仕切られた前記圧力室の他方の部分に前記通路が接続され、
前記通路を通じて供給された前記流体から前記スライダが受ける力と、前記ばねから前記スライダが受ける力とに基づいて、前記第１ベーン溝の長手方向に関する前記ストッパの位置が決定される、請求項４に記載の２段ロータリ膨張機。
【請求項６】
前記第１ベーンが、前記ストッパを受け入れるための凹部を有し、
前記流体圧アクチュエータの前記圧力室が、前記第１ベーン溝に隣接して形成されており、
前記圧力室から前記第１ベーン溝に向かって延びるように、前記ストッパの一端が前記スライダに固定され、前記ストッパの他端が前記凹部に挿入されている、請求項４または５に記載の２段ロータリ膨張機。
【請求項７】
前記アクチュエータが電動アクチュエータであり、
前記電動アクチュエータを駆動することによって、前記第１ベーン溝の長手方向に関する前記ストッパの位置が変化するように、前記電動アクチュエータと前記ストッパとが連結されている、請求項３に記載の２段ロータリ膨張機。
【請求項８】
前記第１ピストンが上死点に達した時点を前記期間Ｐ2の始点としたとき、
前記可変ベーン機構は、前記比率（Ｐ2／Ｐ1）を変化させることによって前記膨張室の閉じ込め容積を調節しうるように、前記第１ベーンの動きを制御する、請求項１に記載の２段ロータリ膨張機。
【請求項９】
前記可変ベーン機構は、前記第１ベーンが前記第１ピストンに追従して動くのを妨げるように構成されている、請求項８に記載の２段ロータリ膨張機。
【請求項１０】
前記２段ロータリ膨張機が、潤滑用のオイルを貯めるためのオイル貯まりをさらに備え、
前記可変ベーン機構が、
前記第１ベーン溝にオイルを供給することおよび前記第１ベーン溝からオイルを受け取ることが可能となるように、前記第１ベーン溝に連通しているオイルチャンバと、
前記オイル貯まりから前記オイルチャンバにオイルを供給するため、および前記オイルチャンバから前記オイル貯まりへとオイルを排出するためのオイル通路と、
前記オイル通路の流通抵抗を増減しうるように前記オイル通路に設けられた開度調節可能な弁と、
を含む、請求項８または９に記載の２段ロータリ膨張機。
【請求項１１】
前記オイル通路が、前記開度調節可能な弁が設けられた第１オイル通路と、前記第１オイル通路とは別の経路で前記オイルチャンバと前記オイル貯まりとを連通している第２オイル通路とを含み、
前記可変ベーン機構が、さらに、前記第２オイル通路に設けられた第２弁を含み、
前記第２オイル通路におけるオイルの流通方向が、前記第２弁によって、実質的に、前記オイルチャンバから前記オイル貯まりへと向かう方向のみに制限されている、請求項１０に記載の２段ロータリ膨張機。
【請求項１２】
前記可変ベーン機構が、前記第１ベーンに電磁気力を及ぼすことによって前記第１ベーンが前記第１ピストンに追従して動くのを妨げるためのコイルを含み、
前記コイルに電流を流すタイミングを外部から制御可能である、請求項８または９に記載の２段ロータリ膨張機。
【請求項１３】
前記可変ベーン機構が、前記第１ベーン溝と前記第１ベーンとの間の摺動摩擦が増えるように前記第１ベーンに荷重をかけるための電動アクチュエータを含み、
前記電動アクチュエータの駆動制御を外部から行うことが可能である、請求項８または９に記載の２段ロータリ膨張機。
【請求項１４】
前記電動アクチュエータが、コイルおよびプランジャを有するソレノイド、または、圧電素子および前記圧電素子に結び付けられたプランジャを有する圧電アクチュエータである、請求項１３に記載の２段ロータリ膨張機。
【請求項１５】
前記シャフトの回転角度に基づいて、前記コイルまたは前記圧電素子への給電が制御される、請求項１２または１４に記載の２段ロータリ膨張機。
【請求項１６】
作動流体を圧縮するための圧縮機構と、
作動流体を膨張させるための膨張機構と、
前記圧縮機構と前記膨張機構とを連結しているシャフトとを含み、
前記膨張機構が請求項１〜１５のいずれか１項に記載の２段ロータリ膨張機によって構成されている、膨張機一体型圧縮機。
【請求項１７】
請求項１６に記載の膨張機一体型圧縮機と、
前記膨張機一体型圧縮機の前記圧縮機構で圧縮された作動流体を冷却するための放熱器と、
前記膨張機一体型圧縮機の前記膨張機構で膨張した作動流体を蒸発させるための蒸発器と、
を備えた、冷凍サイクル装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２段ロータリ膨張機、膨張機一体型圧縮機および冷凍サイクル装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
作動流体の膨張エネルギーを膨張機で回収し、その回収したエネルギーを圧縮機の仕事の一部として利用する冷凍サイクル装置が提案されている。そのような冷凍サイクル装置として、膨張機一体型圧縮機を用いた冷凍サイクル装置が知られている（特許文献１参照）。【０００３】
図２８に膨張機一体型圧縮機を用いた従来の冷凍サイクル装置を示す。この冷凍サイクル装置は、圧縮機２０１（圧縮機構）、放熱器２０２、膨張機２０３（膨張機構）および蒸発器２０４を備えている。これらの機器が配管によって相互に接続されることによって主回路２０８が構成されている。圧縮機２０１と膨張機２０３とはシャフト２０７によって連結されている。圧縮機２０１と膨張機２０３との間には、シャフト２０７を回転駆動するモータ２０６が設けられている。圧縮機２０１、膨張機２０３、シャフト２０７およびモータ２０６によって膨張機一体型圧縮機が構成されている。【０００４】
この冷凍サイクル装置は、さらに、膨張機２０３と並列になるように主回路２０８に接続された副回路２０９を備えている。副回路２０９は、放熱器２０２の出口と膨張機２０３の入口との間で主回路２０８から分岐し、膨張機２０３の出口と蒸発器２０４の入口との間で主回路２０８に合流している。主回路２０８を流れる作動流体は容積式の膨張機２０３で膨張する。副回路２０９を流れる作動流体は膨張弁２０５で膨張する。【０００５】
作動流体は、圧縮機２０１によって圧縮される。圧縮された作動流体は、放熱器２０２に送られ、放熱器２０２において冷却される。そして、膨張機２０３または膨張弁２０５において膨張した後、蒸発器２０４で加熱される。膨張機２０３は、作動流体の膨張エネルギーを回収してシャフト２０７の回転エネルギーに変換する。この回転エネルギーは圧縮機２０１を駆動する仕事の一部として利用される。その結果として、モータ２０６の消費電力が低減する。【０００６】
膨張弁２０５が全閉のときの冷凍サイクル装置の動作を説明する。【０００７】
まず、圧縮機２０１の吸入容積をＶｃｓ、膨張機２０３の吸入容積をＶｅｓ、シャフト２０７の回転数をＮとする。このとき、圧縮機２０１の入口での作動流体の体積流量は（Ｖｃｓ×Ｎ）で表される。膨張機２０３の入口での作動流体の体積流量は（Ｖｅｓ×Ｎ）で表される。副回路２０９の作動流体の質量流量がゼロであるため、圧縮機２０１での質量流量と膨張機２０３での質量流量とは等しくなる。この質量流量をＧとすると、圧縮機２０１の入口での作動流体の密度は｛Ｇ／（Ｖｃｓ×Ｎ）｝で表される。膨張機２０３の入口での作動流体の密度は｛Ｇ／（Ｖｅｓ×Ｎ）｝で表される。これらの式より、圧縮機２０１の入口での作動流体の密度と膨張機２０３の入口での作動流体の密度との比は、｛Ｇ／（Ｖｃｓ×Ｎ）｝／｛Ｇ／（Ｖｅｓ×Ｎ）｝で表される。つまり、シャフト２０７の回転数によらず、密度比は（Ｖｅｓ／Ｖｃｓ）で一定である（密度比一定の制約）。【０００８】
図２９にＣＯ2冷凍サイクルのモリエル線図を示す。圧縮機２０１における圧縮過程はＡＢ、放熱器２０２における放熱過程はＢＣ、膨張機２０３における膨張過程はＣＤ、蒸発機２０４における蒸発過程はＤＡに相当する。圧縮機２０１の入口（点Ａ）での作動流体の密度と、膨張機２０３の入口（点Ｃ）での作動流体の密度との比は、（Ｖｅｓ／Ｖｃｓ）である。点Ａでの密度をρ0とすると、点Ｃでの密度ρcは（Ｖｃｓ／Ｖｅｓ）ρ0である。圧縮機２０１の入口（点Ａ）での作動流体の密度ρ0が一定であるとき、膨張機２０３の入口（点Ｃ）での作動流体の状態は、常に、ρc＝（Ｖｃｓ／Ｖｅｓ）ρ0の関係を満たす線に沿って変化する。すなわち、点Ｃにおける作動流体の温度および圧力を自由に制御できない。冷凍サイクルには、ある熱源温度（例えば外気温）において成績係数（coefficient of performance:ＣＯＰ）が最大となる最適高圧が存在する。そのため、温度と圧力を自由に制御できないと、冷凍サイクル装置を効率よく運転することが困難となる。【０００９】
密度比一定の制約を回避するための方法は、いくつか提案されている。例えば、図２８に示す冷凍サイクル装置では、膨張弁２０５を開き、作動流体の一部を副回路２０９に流すことによって密度比一定の制約を回避できる。ただし、この方法では、副回路２０９を流れる作動流体の膨張エネルギーを回収できず、ＣＯＰの改善効果が小さくなる問題がある。【００１０】
また、特許文献２には、膨張室と連通しうる補助室が設けられた膨張機が開示されている。この膨張機によれば、補助室の容積を増減することによって、膨張室の容積を増減可能である。膨張室の容積を増減することによって、膨張機の吸入容積Ｖｅｓが変化する。これにより、密度比一定の制約を回避できる。ただし、この膨張機においても、補助室に作動流体が残留する問題や補助室の容積を増減するためのピストンのシールの問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００１−１１６３７１号公報
【特許文献２】特開２００６−４６２５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、密度比一定の制約を回避でき、かつ効率的な動力回収を行える２段ロータリ膨張機を提供することを目的とする。本発明は、さらに、その２段ロータリ膨張機を用いた膨張機一体型圧縮機を提供することを目的とする。本発明は、さらに、その膨張機一体型圧縮機を用いた冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
すなわち、本発明は、
第１シリンダと、
前記第１シリンダ内に回転可能に配置された第１ピストンと、
前記第１シリンダに対して同心状に配置された第２シリンダと、
前記第２シリンダ内に回転可能に配置された第２ピストンと、
前記第１ピストンおよび前記第２ピストンが取り付けられたシャフトと、
前記第１シリンダに形成された第１ベーン溝に摺動可能に設けられ、前記第１シリンダと前記第１ピストンとの間の空間を第１吸入空間と第１吐出空間とに仕切るための第１ベーンと、
前記第２シリンダに形成された第２ベーン溝に摺動可能に設けられ、前記第２シリンダと前記第２ピストンとの間の空間を第２吸入空間と第２吐出空間とに仕切るための第２ベーンと、
前記第１吐出空間と前記第２吸入空間とを連通することによって１つの膨張室を形成するための貫通孔を有するとともに、前記第１シリンダと前記第２シリンダとを隔てている中板と、
前記シャフトが１回転する期間において前記第１ベーンが前記第１ピストンに接している期間をＰ1、前記第１ベーンが前記第１ピストンから離れている期間をＰ2としたとき、前記期間Ｐ1に対する前記期間Ｐ2の比率（Ｐ2／Ｐ1）を調節しうるように、前記第１ベーンの動きを制御するための可変ベーン機構と、
を備えた、２段ロータリ膨張機を提供する。【００１４】
他の側面において、本発明は、
作動流体を圧縮するための圧縮機構と、
作動流体を膨張させるための膨張機構と、
前記圧縮機構と膨張機構とを連結しているシャフトとを含み、
前記膨張機構が上記本発明の２段ロータリ膨張機によって構成されている、膨張機一体型圧縮機を提供する。【００１５】
さらに他の側面において、本発明は、
上記本発明の膨張機一体型圧縮機と、
前記膨張機一体型圧縮機の前記圧縮機構で圧縮された作動流体を冷却するための放熱器と、
前記膨張機一体型圧縮機の前記膨張機構で膨張した作動流体を蒸発させるための蒸発器と、
を備えた、冷凍サイクル装置を提供する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の２段ロータリ膨張機は、第１ベーンの動きを制御するための可変ベーン機構を備えている。可変ベーン機構の働きによって、シャフトが１回転する期間における一部の期間Ｐ2で第１ベーンが第１ピストンから離れ、第１吸入空間から第１吐出空間へと作動流体が直接流れ込める。第１ベーンの動きを制御することによって比率（Ｐ2／Ｐ1）が変化すると、膨張機の吸入容積（体積流量）も変化する。つまり、密度比一定の制約を回避できる。しかも、作動流体の全量から動力回収を行えるので、優れた動力回収効率を達成できる。【００１７】
ここで、期間Ｐ2の最小値はゼロであってもよい。期間Ｐ2がゼロのとき、第１ベーンと第１ピストンとが常時接触し、２段ロータリ膨張機の吸入容積が最小となる。すなわち、可変ベーン機構は、
（ａ）第１ベーンが第１ピストンに常に接している第１モードと、第１ベーンが第１ピストンに接している期間Ｐ1および第１ベーンが第１ピストンから離れている期間Ｐ2がシャフトの１回転する期間に含まれる第２モードとを相互に切り替え可能となるように、第１ベーンの動きを制御する、または、
（ｂ）第１ベーンが第１ピストンに接している期間Ｐ1と、第１ベーンが第１ピストンから離れている期間Ｐ2とが、シャフトが１回転する期間に含まれ、かつ期間Ｐ1に対する期間Ｐ2の比率（Ｐ2／Ｐ1）を調節しうるように、第１ベーンの動きを制御する。【００１８】
本発明の２段ロータリ膨張機は、圧縮機構の回転数と膨張機構の回転数とを別々に制御することが困難な膨張機一体型圧縮機の膨張機構として好適に用いることができる。そのような膨張機一体型圧縮機を用いた冷凍サイクル装置によれば、可変ベーン機構を適切に制御することによって効率的な動力回収を行えるので、高いＣＯＰを達成できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１実施形態にかかる冷凍サイクル装置の構成図
【図２】図１に示す膨張機一体型圧縮機の縦断面図
【図３Ａ】図２に示す膨張機一体型圧縮機のＤ１−Ｄ１横断面図
【図３Ｂ】図２に示す膨張機一体型圧縮機のＤ２−Ｄ２横断面図
【図４Ａ】吸入容積最小時の可変ベーン機構を示す、図３Ａの部分拡大図
【図４Ｂ】図４Ａよりも吸入容積が大きいときの可変ベーン機構を示す、図３Ａの部分拡大図
【図５】吸入容積最小時の膨張機構の動作原理図
【図６】図５よりも吸入容積が大きいときの膨張機構の動作原理図
【図７Ａ】第１ベーンの先端の位置を示す、図５に対応したグラフ
【図７Ｂ】第１ベーンの先端の位置を示す、図６に対応したグラフ
【図８】本発明の第２実施形態にかかる冷凍サイクル装置の構成図
【図９】本発明の第３実施形態にかかる冷凍サイクル装置の構成図
【図１０Ａ】電動アクチュエータが用いられた可変ベーン機構を示す部分拡大図
【図１０Ｂ】図１０Ａよりも吸入容積が大きいときの可変ベーン機構を示す部分拡大図
【図１１】本発明の第４実施形態にかかる冷凍サイクル装置の構成図
【図１２】図１１に示す膨張機一体型圧縮機の縦断面図
【図１３Ａ】図１２に示す膨張機一体型圧縮機のＤ３−Ｄ３横断面図
【図１３Ｂ】図１２に示す膨張機一体型圧縮機のＤ４−Ｄ４横断面図
【図１４Ａ】閉じ込め容積最小時の可変ベーン機構を示す、図１３Ａの部分拡大図
【図１４Ｂ】図１４Ａよりも閉じ込め容積が大きいときの可変ベーン機構を示す、図１３Ａの部分拡大図
【図１５】閉じ込め容積最小時の膨張機構の動作原理図
【図１６】図１５よりも閉じ込め容積が大きいときの膨張機構の動作原理図
【図１７Ａ】シャフトの回転角度に対する、第１ベーンの先端の位置を示すグラフ
【図１７Ｂ】シャフトの回転角度に対する、作動流体の圧力を示すグラフ
【図１７Ｃ】シャフトの回転角度に対する、作動室の容積を示すグラフ
【図１８】第４実施形態の可変ベーン機構の変形例を示す横断面図
【図１９】本発明の第５実施形態にかかる冷凍サイクル装置の構成図
【図２０】電磁気力によって第１ベーンの制動を行う可変ベーン機構を示す部分拡大図
【図２１】電磁気力によって第１ベーンの制動を行う可変ベーン機構の別例を示す部分拡大図
【図２２】荷重をかけることによって第１ベーンの制動を行う可変ベーン機構を示す部分拡大図
【図２３】荷重をかけることによって第１ベーンの制動を行う可変ベーン機構の別例を示す部分拡大図
【図２４】電動アクチュエータの制御方法を示す図
【図２５】電動アクチュエータの制御方法を示すタイミング図
【図２６】本発明の第６実施形態にかかる冷凍サイクル装置の構成図
【図２７】発電機効率と回転数との関係を示すグラフ
【図２８】膨張機一体型圧縮機を用いた従来の冷凍サイクル装置の構成図
【図２９】ＣＯ2冷凍サイクルのモリエル線図
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、添付の図面を参照しつつ本発明のいくつかの実施形態について説明する。
【００２１】
（第１実施形態）
図１に示すように、本実施形態の冷凍サイクル装置２００Ａは、圧縮機構２、放熱器１０１、膨張機構３、蒸発器１０２およびこれらの機器を相互に接続することによって冷媒回路を形成している複数の配管１０３ａ〜１０３ｄを備えている。圧縮機構２および膨張機構３は、シャフト５によって連結されており、膨張機一体型圧縮機１００を構成している。冷凍サイクル装置２００Ａの基本的な動作は従来技術の欄で説明した通りである。
【００２２】
膨張機一体型圧縮機１００の膨張機構３には、可変ベーン機構６０が設けられている。可変ベーン機構６０は、シャフト５が１回転する間に膨張機構３に吸入される作動流体の体積（体積流量）、言い換えれば、膨張機構３の吸入容積を変化させる機能を有する。冷凍サイクル装置２００Ａの運転状況に応じて膨張機構３の体積流量を変化させることによって、密度比一定の制約を回避できる。
【００２３】
本実施形態において、膨張機構３の体積流量を変化させる方法として、膨張室に高圧の作動流体を注入する方法が採用されている。すなわち、可変ベーン機構６０は、膨張室に作動流体を注入するための機構でありうる。
【００２４】
冷凍サイクル装置２００Ａは、さらに、可変ベーン機構６０のアクチュエータを駆動するための圧力供給回路１１０を備えている。本実施形態において、この圧力供給回路１１０は、膨張室に注入するべき作動流体の供給回路ではないことに注意すべきである。圧力供給回路１１０は、絞り弁１０４、配管１０５および微細通路１０６を含む。圧力供給回路１１０によって所定圧力に調節された作動流体が可変ベーン機構６０に供給される。
【００２５】
配管１０５は、冷媒回路における放熱器１０１と膨張機構３との間の部分（配管１０３ｂ）に接続された一端と、膨張機構３の可変ベーン機構６０に接続された他端とを有する。絞り弁１０４は、開度を調節できる弁（例えば電動膨張弁）であり、配管１０５上に設けられている。微細通路１０６によって、配管１０５における絞り弁１０４と可変ベーン機構６０との間の部分と、冷媒回路における膨張機構３の出口から蒸発器１０２の入口に至る部分（配管１０３ｃ）とが接続されている。微細通路１０６の具体例は、キャピラリである。
【００２６】
図２に示すように、膨張機一体型圧縮機１００は、密閉容器１、圧縮機構２、膨張機構３、モータ４およびシャフト５を備えている。圧縮機構２は、密閉容器１内の上側に配置されている。膨張機構３は、密閉容器１内の下側に配置されている。圧縮機構２と膨張機構３との間にモータ４が配置されている。圧縮機構２、モータ４および膨張機構３は、動力伝達がなされるようにシャフト５によって互いに連結されている。
【００２７】
モータ４がシャフト５を駆動することによって、圧縮機構２が作動する。膨張機構３は、膨張する作動流体から動力を回収してシャフト５に与え、モータ４によるシャフト５の駆動をアシストする。作動流体の具体例は、二酸化炭素やハイドロフルオロカーボンなどの冷媒である。
【００２８】
本実施形態では、シャフト５の軸方向が垂直方向に一致するように、圧縮機構２、モータ４および膨張機構３の配置が定められている。ただし、圧縮機構２と膨張機構３との位置関係は、本実施形態と逆であってもよい。すなわち、圧縮機構２が密閉容器１内の下側に配置され、膨張機構３が密閉容器１内の上側に配置されていてもよい。
【００２９】
密閉容器１は、各構成要素を収容するための内部空間２４を有する。密閉容器１の内部空間２４は、圧縮機構２で圧縮された作動流体で満たされる。密閉容器１の底部はオイル貯まり２５として利用されている。オイルは、圧縮機構２および膨張機構３の各摺動部分における潤滑性とシール性とを確保するために使用される。オイル貯まり２５のオイル量は、モータ４よりも下に油面が位置するように規定されている。これにより、モータ４の回転子がオイルを撹拌することに基づくモータ効率の低下や冷媒回路へのオイル吐出量の増大を防止できる。
【００３０】
スクロール式の圧縮機構２は、旋回スクロール７、固定スクロール８、オルダムリング１１、軸受部材１０、マフラー１６、吸入管１３、吐出管１５およびリード弁１９を備えている。軸受部材１０は、溶接や焼き嵌めなどの手法によって密閉容器１に固定されており、シャフト５を支持している。固定スクロール８は、ボルトなどの締結部材によって軸受部材１０に固定されている。旋回スクロール７は、固定スクロール８と軸受部材１０との間においてシャフト５の偏心軸５ａに嵌合されるとともに、自転しないようにオルダムリング１１で拘束されている。
【００３１】
旋回スクロール７は、渦巻き形状のラップ７ａが固定スクロール８のラップ８ａと噛み合いながら、シャフト５の回転に伴って旋回運動を行う。ラップ７ａとラップ８ａとの間に形成された三日月形状の作動室１２が外側から内側に移動しながら容積を縮小することによって、吸入管１３から吸入された作動流体が圧縮される。圧縮された作動流体は、リード弁１９を押し開いて固定スクロール８の中央部に形成された吐出孔８ｂからマフラー１６の内部空間１６ａに吐出される。作動流体は、さらに、固定スクロール８および軸受部材１０を貫通している流路１７を経由して密閉容器１の内部空間２４に吐出される。その後、作動流体は吐出管１５を通じて放熱器１０１へと送られる。
【００３２】
なお、圧縮機構２は、他の容積式圧縮機構（例えばロータリ圧縮機構）によって構成されていてもよい。
【００３３】
モータ４は、密閉容器１に固定された固定子２１と、シャフト５に固定された回転子２２とを含む。密閉容器１の上部に設けられたターミナル１０７を通じて電源１０８からモータ４に電力が供給される（図１参照）。
【００３４】
シャフト５は、単一の部品で作られていてもよいし、複数の部品を組み合わせる（連結する）ことによって作られていてもよい。シャフト５が複数の部品の組み合わせでできていると、組立、特に圧縮機構２と膨張機構３との調心が容易になる。
【００３５】
膨張機構３は、多段ロータリ膨張機の構成を有する。具体的に、膨張機構３は、第１シリンダ４２と、第１シリンダ４２よりも厚みのある第２シリンダ４４と、第１シリンダ４２と第２シリンダ４４とを仕切っている中板４３とを備えている。第１シリンダ４２および第２シリンダ４４は、互いに同心状に配置されている。図３Ａおよび図３Ｂに示すように、膨張機構３は、さらに、第１ピストン４６（第１ローラ）、第１ベーン４８、第１ばね５０、第２ピストン４７（第２ローラ）、第２ベーン４９および第２ばね５１を備えている。第１シリンダ４２には、可変ベーン機構６０が内蔵されている。
【００３６】
図３Ａに示すように、第１ピストン４６は、シャフト５の偏心部５ｃに嵌合しており、第１シリンダ４２の中で偏心回転する。第１ベーン４８は、第１シリンダ４２に形成された第１ベーン溝４２ａに摺動可能に設けられている。第１ベーン４８の一端（先端）は、第１ピストン４６に接している。第１ばね５０は、第１ベーン４８の他端（後端）に接しており、第１ベーン４８を第１ピストン４６に向けて押す。
【００３７】
図３Ｂに示すように、第２ピストン４７は、シャフト５の偏心部５ｄに嵌合しており、第２シリンダ４４の中で偏心回転する。第２ベーン４９は、第２シリンダ４４に形成された第２ベーン溝４４ａに摺動可能に設けられている。第２ベーン４９の一端は、第２ピストン４７に接している。第２ばね５１は、第２ベーン４９の他端に接しており、第２ベーン４９を第２ピストン４７に向けて押す。
【００３８】
図２に示すように、膨張機構３は、さらに、下軸受部材４１および上軸受部材４５を備えている。上軸受部材４５は、密閉容器１に隙間無く嵌め合わされている。シリンダや中板等の部材は、上軸受部材４５を介して密閉容器１に固定されている。下軸受部材４１および中板４３は、それぞれ、第１シリンダ４２を上下から閉じている。中板４３および上軸受部材４５は、それぞれ、第２シリンダ４４を上下から閉じている。これにより、第１シリンダ４２および第２シリンダ４４内の各々に作動室が形成されている。下軸受部材４１には、第１シリンダ４２の作動室に作動流体を吸入させるための吸入ポート４２ｐが形成されている。上軸受部材４５には、第２シリンダ４４の作動室から作動流体を吐出させるための吐出ポート４５ｑが形成されている。
【００３９】
図３Ａに示すように、第１シリンダ４２の内側には、吸入側の作動室５５ａおよび吐出側の作動室５５ｂが形成されている。作動室５５ａと作動室５５ｂとは、第１ピストン４６および第１ベーン４８によって区画されている。図３Ｂに示すように、第２シリンダ４４の内側には、吸入側の作動室５６ａおよび吐出側の作動室５６ｂが形成されている。作動室５６ａと作動室５６ｂとは、第２ピストン４７および第２ベーン４９により区画されている。以下において、作動室５５ａ，５５ｂ，５６ａ，５６ｂを、それぞれ、第１吸入空間５５ａ、第１吐出空間５５ｂ、第２吸入空間５６ａおよび第２吐出空間５６ｂともいう。
【００４０】
第２シリンダ４４における作動室５６ａおよび作動室５６ｂの合計容積は、第１シリンダ４２における作動室５５ａおよび作動室５５ｂの合計容積よりも大きい。第１シリンダ４２の吐出側の作動室５５ｂと、第２シリンダ４４の吸入側の作動室５６ａとが、中板４３に形成された貫通孔４３ａを介して連通している。これにより、作動室５５ｂおよび作動室５６ａが単一の膨張室として機能する。
【００４１】
なお、本実施形態では、作動室５６ａおよび作動室５６ｂの合計容積を作動室５５ａおよび作動室５５ｂの合計容積よりも大きくするために、第１シリンダ４２の厚みと第２シリンダ４４の厚みとを異ならせている。ただし、シリンダの内径やピストンの外径を異ならせる構成も採用できる。また、第２ピストン４７および第２ベーン４９は、両者が一体化された、いわゆるスイングピストンであってもよい。
【００４２】
図２に示すように、膨張機構３は、さらに、膨張前の作動流体を密閉容器１の外部から直接吸入するための吸入管５２と、膨張後の作動流体を密閉容器１の外部に直接吐出するための吐出管５３とを備えている。吸入管５２は、密閉容器１の外部から第１シリンダ４２の作動室５５へと作動流体を導くことができるように、下軸受部材４１に直接挿入され吸入ポート４１ｐに接続されている。吐出管５３は、第２シリンダ４４の作動室５６から密閉容器１の外部へと作動流体を導くことができるように、上軸受部材４５に直接挿入され吐出ポート４５ｑに接続されている。
【００４３】
膨張前の作動流体は、吸入管５２および吸入ポート４１ｐを経て第１シリンダ４２の作動室５５ａに流入する。第１シリンダ４２の作動室５５ａに流入した作動流体は、シャフト５の回転に応じて作動室５５ｂに移り、作動室５５ｂ、貫通孔４３ａおよび作動室５６ａによって形成された膨張室においてシャフト５を回転させながら膨張する。膨張後の作動流体は、作動室５６ｂ、吐出ポート４５ｑおよび吐出管５３を経て密閉容器１の外部へと導かれる。
【００４４】
図４Ａは、吸入容積最小時の可変ベーン機構を拡大して示している。図４Ｂは、図４Ａよりも吸入容積が大きいときの可変ベーン機構を拡大して示している。本明細書では、シャフト５が１回転する期間において第１ベーン４８の先端が第１ピストン４６に接している期間をＰ1とし、第１ベーン４８の先端が第１ピストン４６から離れている期間をＰ2とする。期間Ｐ2では、第１吸入空間５５ａから第１吐出空間５５ｂへと作動流体が流通しうる。可変ベーン機構６０は、期間Ｐ1に対する期間Ｐ2の比率（Ｐ2／Ｐ1）を調節しうるように、第１ベーン４８の動きを制御する。期間Ｐ1の長さおよび期間Ｐ2の長さは、それぞれ、角度（単位：deg）で表すことができる。比率（Ｐ2／Ｐ1）が変化すると、膨張機構３の吸入容積（体積流量）が変化する。つまり、密度比一定の制約を回避できる。熱源温度（例えば外気温）に応じて比率（Ｐ2／Ｐ1）を調節することによって、動力回収効率を最適化できる。
【００４５】
本実施形態では、期間Ｐ2＝０、つまり第１ベーン４８と第１ピストン４６とが常に接している場合に、膨張機構３の吸入容積が最小になる。ただし、期間Ｐ2の最小値がゼロよりも大きくてもよい。
【００４６】
図４Ａおよび図４Ｂに示すように、可変ベーン機構６０は、ストッパ６１およびアクチュエータ６２を備えている。ストッパ６１は、第１ベーン４８の可動範囲を制限する役割を担う。アクチュエータ６２は、第１ベーン４８の可動範囲が長くなる位置から短くなる位置へとストッパ６１を移動させる、またはその逆方向にストッパ６１を移動させる役割を担う。ストッパ６１をアクチュエータ６２で動かすことによって、第１ベーン４８のストローク長を機械的に変更できる点で本構成は優れている。また、シャフト５の回転角度に応じてストッパ６１を動かす必要がないので、高精度な制御技術をほとんど必要とせず、信頼性も高い。
【００４７】
具体的に、アクチュエータ６２は、本体部６５と、本体部６５が配置された圧力室６７と、圧力室６７に流体を供給するための通路６９とによって構成されている。本体部６５は、ストッパ６１と連動する部分を含み、第１ベーン溝４２ａの長手方向に関するストッパ６１の位置を流体の圧力に基づいて規定している。このように、本実施形態では、アクチュエータ６２として流体圧アクチュエータが用いられている。圧力室６７に供給される流体として、冷凍サイクル装置２００Ａの作動流体が用いられている。作動流体を動力源として用いることによって、圧力室６７から第１ベーン溝４２ａへの作動流体の多少の漏れが許容される。そのため、厳重なシールは不要である。
【００４８】
本体部６５は、圧力室６７を仕切るように圧力室６７に摺動可能に配置されたスライダ６３と、スライダ６３によって仕切られた圧力室６７の一方の部分６７ｂに設けられたばね６４とを含む。スライダ６３には、ストッパ６１が一体化されている。スライダ６３によって仕切られた圧力室６７の他方の部分６７ａには、通路６９が接続されている。圧力室６７および通路６９は、第１ベーン溝４２ａと同様に、第１シリンダ４２に形成された空間である。通路６９には、図１を参照して説明した圧力供給回路１１０の配管１０５が接続されている。配管１０５および通路６９を通じて圧力室６７ａに供給された作動流体からスライダ６３が受ける力と、ばね６４からスライダ６３が受ける力とに基づいて、第１ベーン溝４２ａの長手方向に関するストッパ６１の位置が決定される。ストッパ６１は、スライダ６３とともに、第１ベーン溝４２ａの長手方向に平行な方向に動ける。このような構成によれば、圧力室６７ａ内の圧力調節によって、ストッパ６１の位置を自由かつ連続的に変えることができる。つまり、動力回収効率の最適化が容易である。
【００４９】
また、ストッパ６１の位置が連続的に変化する構成だけでなく、ストッパ６１の位置を段階的に変更できる構成も採用しうる。場合によっては、大きい比率（Ｐ2／Ｐ1）を有する一方の位置から小さい比率（Ｐ2／Ｐ1）を有する他方の位置へ、またはその逆にストッパ６１の位置が切り替わるだけでもよい。
【００５０】
なお、圧力室６７および通路６９は、膨張機構３の軸受部材４１（図２参照）に形成されていてもよい。つまり、可変ベーン機構６０が軸受部材４１に内蔵されていてもよい。また、ストッパ６１とスライダ６３とが別々の部品で構成されていてもよい。その場合、直接はめ合いによってスライダ６３とストッパ６１とが連結されていてもよいし、他の部材を介してスライダ６３とストッパ６１とが連結されていてもよい。
【００５１】
第１ベーン４８は、ストッパ６１を横から受け入れるための凹部４８ｋ（切り欠き溝）を有する。流体圧アクチュエータ６２の圧力室６７は、第１ベーン溝４２ａに隣接するように第１シリンダ４２に形成されている。第１ベーン溝４２ａと圧力室６７との間には、ストッパ６１を通すための溝６８が形成されている。圧力室６７から溝６８を経由して第１ベーン溝４２ａに向かって延びるように、ストッパ６１の一端がスライダ６３に固定され、ストッパ６１の他端が凹部４８ｋに挿入されている。このような構成によれば、第１ベーン４８の凹部４８ｋにストッパ６１が係合することによって、第１ベーン４８の可動範囲を簡単に制限できる。
【００５２】
第１ベーン溝４２ａの長手方向に関する凹部４８ｋの長さをＬc、当該長手方向に関するストッパ６１の幅をＷs、第１ベーン４８の最大ストローク長をＴmaxとしたとき、Ｌc＞Ｗs＋Ｔmaxの関係を満足する。このようにすれば、期間Ｐ2＝０を選択できる、つまり、第１ベーン４８とストッパ６１とが干渉するのを回避できるので、吸入容積を幅広く調節できるようになる。
【００５３】
図４Ａに示す動作モード（第１モード）では、圧力室６７ａが高圧の作動流体で満たされ、スライダ６３およびストッパ６１が下方に押し下げられる。この位置にストッパ６１があると、ストッパ６１と第１ベーン４８とが干渉しないので、第１ベーン４８の可動範囲は制限されない。第１ベーン４８は最大ストロークＴmaxで自由に動作でき、第１ベーン４８と第１ピストン４６との接触状態が常に保たれる。
【００５４】
他方、図４Ｂに示す動作モード（第２モード）では、圧力室６７ａが低圧または中間圧の作動流体で満たされ、スライダ６３およびストッパ６１が図４Ａに示す位置よりも上方の位置へと移動する。具体的には、圧力室６７ａを満たす作動流体からスライダ６３が受ける力と、スライダ６３がばね６４から受ける力（弾性力）とが釣り合う位置に、スライダ６３およびストッパ６１が移動する。この位置にストッパ６１があると、ストッパ６１と第１ベーン４８とが干渉するので、第１ベーン４８の可動範囲が制限され、第１ベーン４８が最下点まで移動できない。第１ベーン４８がストッパ６１によって動きを拘束されている期間Ｐ2において、第１ベーン４８は第１ピストン４６から離れる。この間、高圧の作動流体で満たされた作動室５５ａ（第１吸入空間）から、中間圧の作動流体で満たされた作動室５５ｂ（第１吐出空間）へと高圧の作動流体が直接流れ込む。
【００５５】
圧力室６７ａ内の圧力を変化させると、ストッパ６１の位置が変化し、これに伴って期間Ｐ2（注入時間）が変化する。圧力室６７ａ内の圧力が低ければ低いほどストッパ６１は上方の位置を占有するため、第１ベーン４８の可動範囲が短くなる。すると、第１ベーン４８が第１ピストン４６に接している期間Ｐ1が次第に短くなる一方で、期間Ｐ2が次第に長くなり、作動室５５ａから作動室５５ｂにより多くの作動流体が流れ込む。このように、圧力室６７ａ内の圧力を調節することによって、膨張室への作動流体のインジェクション量を調節できる、言い換えれば、膨張機構３の吸入容積を自由に調節できる。
【００５６】
圧力室６７ａ内の圧力は、圧力調節回路１１０の絞り弁１０４によって調節されうる。つまり、絞り弁１０４の開度を調節することによって、ストッパ６１の位置を制御できる。絞り弁１０４の開度を大きくすると、圧力室６７ａ内の圧力が高まり、ストッパ６１が下方に移動する。これにより、インジェクション量が少なくなる、もしくはゼロになる。絞り弁１０４の開度を小さくすると、圧力室６７ａ内の圧力が低くなり、ストッパ６１が上方に移動する。これにより、インジェクション量が多くなる。
【００５７】
なお、図１を参照して説明したように、絞り弁１０４と可変ベーン機構６０との間において、微細通路１０６が配管１０５と配管１０３ｃとを橋渡ししている。そのため、絞り弁１０４の開度を調節することによって、可変ベーン機構６０の圧力室６７ａ内の圧力が冷凍サイクルの高圧と低圧との間で変化しうる。微細通路１０６を流通する作動流体の量は、動力回収効率に殆ど影響を及ぼさないほど微小である。
【００５８】
次に、図５を参照して、吸入容積最小時の膨張機構３の動作原理を説明する。
【００５９】
図５のステップＡ1に示すように、第１ピストン４６が反時計回りに回転し、吸入ポート４１ｐが開くと、第１吸入空間５５ａへの作動流体の吸入が始まる（吸入行程）。次に、図５のステップＢ1およびＣ1に示すように、第１ピストン４６が回転するにつれて、作動流体が第１吸入空間５５ａにさらに吸入される。図５のステップＤ1に示すように、第１ピストン４６がさらに回転して吸入ポート４１ｐが閉じると、第１吸入空間５５ａへの作動流体の吸入が完了する。
【００６０】
吸入行程が完了すると、第１吸入空間５５ａは第１吐出空間５５ｂへと移行する。図３Ａおよび図３Ｂを参照して説明したように、第１吐出空間５５ｂと第２吸入空間５６ａとは、貫通孔４３ａを介して連通している。図５のステップＡ1〜Ｃ1に示すように、第１吐出空間５５ｂを満たす作動流体は、第１ピストン４６の回転に伴って、貫通孔４３ａを通じて第２シリンダ４４の第２吸入空間５６ａへと移動する。シャフト５の回転に伴う第２吸入空間５６ａの容積増加量が第１吐出空間５５ｂの容積減少量を上回るので、作動流体は、第１吐出空間５５ｂ、貫通孔４３ａおよび第２吸入空間５６ａにおいて膨張する（膨張行程）。第１ピストン４６が貫通孔４３ａを完全に閉鎖すると、第２吸入空間５６ａへの作動流体の移動および膨張が完了する。
【００６１】
膨張行程が完了すると、図３Ｂを参照して説明したように、第２吸入空間５６ａは第２吐出空間５６ｂへと移行する。第２吐出空間５６ｂを満たす作動流体は、吐出ポート４５ｑを通じて外部に吐出され始める（吐出行程）。第２ピストン４７がさらに回転して吐出ポート４５ｑが閉じると、第２吐出空間５６ｂから外部への作動流体の吐出が終了する。以上の行程を繰り返すことによって、作動流体が膨張し、膨張エネルギーの回収が行われる。
【００６２】
次に、図６を参照して、図５よりも吸入容積が大きいときの膨張機構３の動作原理を説明する。
【００６３】
図６のステップＡ2に示すように、第１ピストン４６が反時計回りに回転し、吸入ポート４１ｐが開くと、第１吸入空間５５ａへの作動流体の吸入が始まる（吸入行程）。次に、図６のステップＢ2に示すように、第１ピストン４６がさらに回転すると、第１ベーン４８とストッパ６１とが干渉し、第１ベーン４８の動き（下降）が妨げられる。その結果、第１ベーン４８が第１ピストン４６から離れ、第１吸入空間５５ａから第１吐出空間５５ｂへの流路が形成され、高圧の作動流体が第１吐出空間５５ａから第１吐出空間５５ｂへと流れる。高圧の作動流体は、第１吐出空間５５ｂと連通している第２吸入空間５６ａにも流れ込む。つまり、膨張室で作動流体が膨張している最中に第１ベーン４８が第１ピストン４６から離れ、膨張室に膨張前の作動流体が注入される。
【００６４】
図６のステップＣ2に示すように、第１ピストン４６がさらに回転し、第１ベーン４８と第１ピストン４６とが再接触すると、第１ベーン４８によって第１吸入空間５５ａと第１吐出空間５５ｂとが再び分断され、第１吸入空間５５ａから第１吐出空間５５ｂへの作動流体の流れが禁止される。図６のステップＤ2に示すように、第１ピストン４６がさらに回転し、吸入ポート４１ｐが閉じると、第１吸入空間５５ａへの作動流体の吸入が完了する。吸入行程が完了すると、第１吸入空間５５ａは第１吐出空間５５ｂへと移行する。貫通孔４３ａを介して第１吐出空間５５ｂと第２吸入空間５６ａとが連通し、膨張行程が始まる。このようにして、図６のステップＡ2〜Ｄ2の動作を繰り返す。
【００６５】
図７Ａは、第１ベーンの先端の位置を示す、図５に対応したグラフである。縦軸は、第１ベーン４８の先端の位置を示している。第１ベーン４８の先端の位置は、シャフト５の回転軸から第１ベーン４８の先端までの距離に対応している。横軸は、第１ピストン４６が上死点を占有した瞬間を基準とした、シャフト５の回転角度を示している。具体的には、ｔ0＝０°、ｔ1＝１８０°、ｔ2＝３６０°およびｔ3＝５４０°である。なお、「上死点」とは、ベーンがベーン溝内に最も押し込まれた状態における、ピストンの位置を意味する。「下死点」とは、「上死点」の１８０°反対側における、ピストンの位置を意味する。
【００６６】
第１ピストン４６が上死点を占有する角度ｔ0およびｔ2において、第１ベーン４８の先端は、シャフト５の回転軸から最も遠い上限位置３０ａにある。第１ピストン４６が下死点を占有する角度ｔ1およびｔ3において、第１ベーン４８の先端の位置は、シャフト５の回転軸に最も近い下限位置３０ｂにある。第１ベーン４８の先端は、シャフト５の回転と同期して単振動する。
【００６７】
図７Ｂは、第１ベーンの先端の位置を示す、図６に対応したグラフである。角度ｔ0およびｔ2において、図５と同様に、第１ベーン４８の先端は上限位置３０ａにある。角度Ｔ1において、ストッパ６１によって第１ベーン４８の下降が妨げられると、第１ベーン４８の先端は、上限位置３０ａと下限位置３０ｂとの間の位置３０ｃを占有する。角度Ｔ2において、第１ベーン４８と第１ピストン４６とが再び接触すると、第１ベーン４８の先端は、上限位置３０ａに向かって変位し始める。第１ベーン４８の先端が位置３０ｃに停止している期間Ｐ2（＝Ｔ2−Ｔ1およびＴ4−Ｔ3）において、膨張室に作動流体が注入される。インジェクション量は、期間Ｐ2の長さ、言い換えれば、期間Ｐ1に対する期間Ｐ2の比率（Ｐ2／Ｐ1）に応じて増減する。期間Ｐ2の長さは、可変ベーン機構６０の圧力室６７ａ内の圧力に応じて変化する。
【００６８】
比率（Ｐ2／Ｐ1）の範囲は特に限定されないが、例えば０≦Ｐ2≦１８０（単位：deg）、かつ０≦（Ｐ2／Ｐ1）≦１である。つまり、第１ピストン４６が上死点を占有した瞬間のシャフト５の回転角度を０°として、期間Ｐ2が９０°〜２７０°の範囲内に収まるように、ストッパ６１の位置を調節すればよい。
【００６９】
以上に説明したように、可変ベーン機構６０を備えた膨張機構３によれば、第１吸入空間５５ａに作動流体を吸入するのと同時に、膨張室に作動流体を注入できる。そのため、シャフトが１回転する間に膨張機構３に吸入される作動流体の体積が変化しうる。さらに、絞り弁１０４の開度を調節することによって、インジェクション量を変えることが可能である。
【００７０】
（第２実施形態）
図８に本発明の第２実施形態にかかる冷凍サイクル装置を示す。本実施形態の冷凍サイクル装置２００Ｂは、圧力供給回路１１０に変えて、配管１０３ｃと可変ベーン機構６０とを接続する配管１１２を備えており、膨張機構３の吐出圧力を可変ベーン機構６０の圧力室７６ａに供給する点で第１実施形態と相違する。なお、以降の実施形態において、同一の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００７１】
冷凍サイクル装置２００Ｂによれば、膨張機構３の吐出圧力に応じてストッパ６１の位置が変化し、比率（Ｐ2／Ｐ1）が変化する。膨張機構３の吐出圧力が低ければ低いほどストッパ６１が上方に位置する。その結果、第１ピストン４６と第１ベーン４８とが離れている期間Ｐ2が長くなり、インジェクション量が増加する。逆に、膨張機構３の吐出圧力が高ければ高いほどストッパ６１が下方に位置する。その結果、第１ピストン４６と第１ベーン４８とが離れている期間Ｐ2が短くなり、インジェクション量が減少する。このように、膨張機構３の吐出圧力に応じてストッパ６１の位置が自動的に変化し、インジェクション量が自動的に増減するので、弁の開度調節等を行うことなく高効率な運転を行える。
【００７２】
（第３実施形態）
可変ベーン機構のアクチュエータは、流体圧アクチュエータに限定されない。図９は、可変ベーン機構のアクチュエータとして電動アクチュエータを用いた冷凍サイクル装置の構成図である。この冷凍サイクル装置２００Ｃは、膨張機一体型圧縮機１００Ｃを有する。膨張機一体型圧縮機１００Ｃの膨張機構３には、電動アクチュエータを含む可変ベーン機構６０Ｃが設けられている。可変ベーン機構６０Ｃの電動アクチュエータは、外部コントローラ７０に接続されている。外部コントローラによって電動アクチュエータの動作が制御されうる。冷凍サイクル装置２００Ｃによれば、図１を参照して説明した圧力供給回路１１０を省略できる利点がある。また、電動アクチュエータによれば、ストッパの位置決め精度を高めやすいので、インジェクション量の最適化が容易になる。
【００７３】
図１０Ａおよび１０Ｂに示すように、可変ベーン機構６０Ｃには、ストッパ６１０を移動させるためのアクチュエータとして、回転モータ７４が用いられている。回転モータ７４を駆動することによって、第１ベーン溝４２ａの長手方向に関するストッパ６１０の位置が変化するように、回転モータ７４とストッパ６１０とが連結されている。
【００７４】
具体的に、回転モータ７４には、外周面に雄ネジが切られた摺動棒７５が取り付けられている。第１シリンダ４２には、溝６８を介して第１ベーン溝４２ａと連通している溝７６が形成されている。溝７６の内周面には雌ネジが切られている。ネジ同士が噛み合う形で、溝７６に摺動棒７５が回転可能に配置されている。ストッパ６１０は、横断面がＴ字の形をしている部品によって構成されている。ストッパ６１０の先端が第１ベーン４８の凹部４８ｋに挿入されており、ストッパ６１０の他端が溝７６に収容されている。溝７６内において、ストッパ６１０の他端には、摺動棒７５の先端が回転可能に係合している。回転モータ７４を駆動すると摺動棒７５が回転しながら溝７６を前進または後退する。摺動棒７５に連れ動く形で、ストッパ６１０が第１ベーン溝４２ａの長手方向に平行な方向に動く。ストッパ６１０の役割および動きは、第１実施形態で説明したストッパ６１と基本的に同じである。
【００７５】
図１０Ａに示すように、回転モータ７４を正転させて摺動棒７５およびストッパ６１０を下方に押し下げると、ストッパ６１０と第１ベーン４８とが干渉しない。そのため、第１ベーン４８の可動範囲は制限されない。第１ベーン４８は最大ストロークＴmaxで自由に動作でき、第１ベーン４８と第１ピストン４６との接触状態が常に保たれる。
【００７６】
他方、図１０Ｂに示すように、回転モータ７４を逆転させて摺動棒７５およびストッパ６１０を上方に押し上げると、ストッパ６１０と第１ベーン４８とが干渉する。そのため、第１ベーン４８の可動範囲が制限され、第１ベーン４８が最下点まで移動できない。第１ベーン４８がストッパ６１０によって動きを拘束されている期間Ｐ2において、第１ベーン４８が第１ピストン４６から離れる。この間、高圧の作動流体で満たされた第１吸入空間５５ａから、中間圧の作動流体で満たされた第１吐出空間５５ｂ（膨張室）へと高圧の作動流体が直接流れ込む。
【００７７】
外部コントローラ７０（図９）で回転モータ７４の駆動制御を行うことによって、ストッパ６１０を動かすことができる。ストッパ６１０を動かすと、第１ベーン４８が第１ピストン４６から離れている期間Ｐ2が変化し、インジェクション量が変化する。ストッパ６１０を完全にロックできるので、インジェクション量をある一定値に保持しやすい。
【００７８】
なお、回転モータ７４に代えてリニアモータを用いてもよい。また、電動アクチュエータとしてソレノイドを用いてもよい。さらに、回転モータ７４は、サーボモータやステッピングモータであってもよい。これらのモータによれば、第１ベーン溝４２ａの長手方向に関するストッパ６１０の位置を正確に制御できる。また、簡便な位置決め素子を用いて摺動棒７５およびストッパ６１０の位置を検出し、検出結果に基づいて回転モータ７４の駆動を制御するようにしてもよい。例えば、リミットスイッチを摺動棒７５の長手方向に沿った一または複数の位置に設けるとともに、リミットスイッチの検出信号に基づいて回転モータ７４の駆動を制御しうる。
【００７９】
また、膨張機構４の吐出圧力または蒸発器１０２における作動流体の蒸発温度に基づいて、インジェクション量を制御しうる。圧縮機構２の吐出温度、圧縮機構２の吸入温度および膨張機構３の吸入温度からなる群より選ばれる少なくとも１つの温度に基づいて、インジェクション量を制御してもよい。このことは、他の実施形態にも共通である。
【００８０】
（第４実施形態）
図１１に示すように、本実施形態の冷凍サイクル装置４００Ａの基本構成は、図１を参照して説明した第１実施形態と同じである。冷凍サイクル装置４００Ａは、可変ベーン機構１３０を含む膨張機一体型圧縮機３００を備えている。本実施形態において、膨張機構３の体積流量を変化させる方法として、膨張室の閉じ込め容積を変化させる方法が採用されている。閉じ込め容積とは、作動流体が膨張し始める時点での膨張室の容積を意味する。すなわち、可変ベーン機構１３０は、膨張を開始する時点での膨張室の容積を変化させるための容積可変機構でありうる。
【００８１】
冷凍サイクル装置４００Ａは、さらに、可変ベーン機構１３０における弁の開度を調節するための圧力供給回路１１０を備えている。圧力供給回路１１０の構成は、図１を参照して説明した通りである。
【００８２】
図１２、１３Ａおよび１３Ｂに示すように、膨張機一体型圧縮機３００の構成は、膨張機構３に設けられた可変ベーン機構１３０を除き、図２を参照して説明した膨張機一体型圧縮機１００と基本的に同じである。
【００８３】
図１４Ａは、閉じ込め容積が最小となるように制御されたときの、可変ベーン機構を拡大して示している。図１４Ｂは、図１４Ａよりも閉じ込め容積が大きくなるように制御されたときの、可変ベーン機構を拡大して示している。本実施形態においても、シャフト５が１回転する期間において第１ベーン４８の先端が第１ピストン４６に接している期間をＰ1とし、第１ベーン４８の先端が第１ピストン４６から離れている期間をＰ2とする。期間Ｐ2では、第１吸入空間５５ａから第１吐出空間５５ｂへと作動流体が流通しうる。可変ベーン機構１３０は、期間Ｐ1に対する期間Ｐ2の比率（Ｐ2／Ｐ1）を調節しうるように、第１ベーン４８の動きを制御する。
【００８４】
本実施形態では、第１ピストン４６が上死点に達した時点を期間Ｐ2の始点として定めている。そのため、比率（Ｐ2／Ｐ1）に応じて、第１吐出空間５５ｂ、貫通孔４３ａおよび第２吸入空間５６ａによって形成された膨張室の閉じ込め容積が変化する。膨張室の閉じ込め容積が変化すると膨張機構３の吸入容積（体積流量）が変化するので、密度比一定の制約を回避できる。熱源温度（例えば外気温）に応じて比率（Ｐ2／Ｐ1）を調節することによって、動力回収効率を最適化できる。
【００８５】
本実施形態においても、期間Ｐ2＝０、つまり第１ベーン４８と第１ピストン４６とが常に接している場合に、閉じ込め容積が最小になる。もちろん、期間Ｐ2の最小値がゼロよりも大きくてもよい。
【００８６】
図１４Ａおよび１４Ｂに示すように、可変ベーン機構１３０は、オイルチャンバ１４２、第１オイル通路１４４、第２オイル通路１４６、第１弁１４８、第２弁１４９および圧力供給通路１４７を備えている。オイルチャンバ１４２は、第１ベーン溝４２ａにオイルを供給することおよび第１ベーン溝４２ａからオイルを受け取ることが可能となるように、第１ベーン溝４２ａに連通している。本実施形態では、第１ベーン溝４２ａの一部がオイルチャンバ１４２として利用されている。
【００８７】
本実施形態では、密閉容器１内の下側に膨張機構３が配置されており、膨張機構３の周囲がオイルで満たされている。第１オイル通路１４４がオイル貯まり２５に直接に開口している。そのため、第１オイル通路１４４にオイルを送り込むためのオイルポンプが不要である。
【００８８】
第１オイル通路１４４を通じて、オイル貯まり２５からオイルチャンバ１４２にオイルが供給されるとともに、オイルチャンバ１４２からオイル貯まり２５へとオイルが排出される。第１弁１４８は、第１オイル通路１４４の流通抵抗（流入抵抗および流出抵抗）を増減しうるように第１オイル通路１４４に設けられている開度調節可能な弁である。第１オイル通路１４４の流通抵抗を増減することによって、オイルチャンバ１４２へのオイルの流入速度を調節でき、第１ベーン４８の動きを制御できる。シャフト５の回転角度に応じて第１弁１４８の開度を調節する必要がないので、高精度な制御技術をほとんど必要とせず、信頼性も高い。
【００８９】
具体的に、第１弁１４８は、弁体１５１、ばね１５２および圧力室１５３を有する。弁体１５１およびばね１５２は、圧力室１５３に配置されている。弁体１５１の後端面に弾性力が加わるように、弁体１５１の後方にばね１５２が配置されている。圧力室１５３のばね１５２が配置されている部分には、弁体１５１の後端面に制御用流体の圧力が加えられるように圧力供給通路１４７が接続されている。弁体１５１の後端面には、制御用流体の圧力とばね１５２の弾性力とが加わる。圧力室１５３に供給された制御用流体の圧力に応じて、弁体１５１の位置が決定される。
【００９０】
弁体１５１の先端側において、弁体１５１の可動範囲が第１オイル通路１４４に重なっている。図１４Ａに示すように、弁体１５１が最も後退した位置を占有すると、第１オイル通路１４４の断面積が最大になる。図１４Ｂに示すように、弁体１５１が最も前進した位置を占有すると、第１オイル通路１４４の断面積が最小になる。第１オイル通路１４４の最小の断面積は、例えば、第１オイル通路１４４の最大の断面積の約半分である。このように、第１弁１４８は流量調節弁として構成されている。
【００９１】
第１弁１４８の圧力室１５３に供給するべき制御用流体として、冷凍サイクル装置４００Ａの作動流体が用いられている。作動流体を動力源として用いることによって、圧力室１５３から第１オイル通路１４４への作動流体の多少の漏れが許容される。そのため、厳重なシールは不要である。
【００９２】
図１２および１３Ａに示すように、本実施形態では、第１ベーン溝４２ａが軸受部材４２および中板４３によって閉じられている。そのため、オイルチャンバ１４２には、第１オイル通路１４４を通じてのみオイルが供給される。オイルチャンバ１４２からオイル貯まり２５へとオイルを排出するためのオイル通路として、第２オイル通路１４６が設けられている。第２オイル通路１４６は、第１オイル通路１４４とは別の経路でオイルチャンバ１４２とオイル貯まり２５とを連通している。第２オイル通路１４６には、第２弁１４９が設けられている。
【００９３】
第２弁１４９は、弁体１５５、ばね１５６および収容室１５７を有する。弁体１５５は、第２オイル通路１４６を閉じる位置と開放する位置とを占有可能である。収容室１５７にばね１５６が配置されている。弁体１５５がスムーズに動けるように、収納室１５７がオイル貯まり２５と連通していてもよい。オイルチャンバ１４２からオイル貯まり２５へとオイルが排出される際において、弁体１５５はオイルに押されて第２オイル通路１４６を開放する。逆に、オイル貯まり２５からオイルチャンバ１４２へとオイルが供給される際において、弁体１５５がばね１５６から弾性力を受け、第２オイル通路１４６を閉じる。このように、第２オイル通路１４６におけるオイルの流通方向が、第２弁１４９によって、実質的に、オイルチャンバ１４２からオイル貯まり２５へと向かう方向のみに制限されている。すなわち、第２弁１４９は方向制御弁として構成されている。「実質的…制限されている」とは、不可避的に生ずる僅かな流れまで完全に排除するものではないという趣旨である。
【００９４】
仮に、第２オイル通路１４６および第２弁１４９が省略されたとしても、比率（Ｐ2／Ｐ1）の調節は可能であり、可変ベーン機構１３０は正常に動作しうる。オイルチャンバ１４２からオイル貯まり２５へとオイルが排出される際には、第１ピストン４６によって第１ベーン４８が強く押される。そのため、第１オイル通路１４４の流出抵抗が多少高い場合であっても、オイルの排出に支障は出ない。ただし、高い流出抵抗が原因で圧力損失が増える。また、第１弁１４８の弁体１５１が左右に揺れ動くようになり、狙い通りの閉じ込め容積を設定するのが難しくなる。
【００９５】
これに対し、第２オイル通路１４６が設けられていると、第１オイル通路１４４および第２オイル通路１４６の両方を通じてオイルチャンバ１４２からオイル貯まり２５へのオイルの排出が行われる。特に、第２オイル通路１４６を通って比較的自由にオイル貯まり２５にオイルが排出されるので、動力回収効率の向上を期待できる。また、第２オイル通路１４６に方向制御弁としての第２弁１４９を設けることによって、第２オイル通路１４６を通じてオイル貯まり２５からオイルチャンバ１４２にオイルが供給されるのを防止できる。その結果、オイルチャンバ１４２へのオイルの供給速度を正確に制御できるようになり、閉じ込め容積を調節しやすくなる。
【００９６】
なお、オイルが自由に流通できることを条件として、第１ベーン溝４２ａから外れた位置にオイルチャンバが形成されていてもよい。例えば、第１ベーン溝４２ａの後方に連なるようにオイルチャンバが形成されていてもよい。また、第１弁１４８は、第１オイル通路１４４の端部に設けられていてもよい。第２弁１４９は、第２オイル通路１４６の端部に設けられていてもよい。
【００９７】
図１４Ａに示す動作モード（第１モード）では、圧力室１５３が低圧の作動流体で満たされ、第１弁１４８が全開となる。第１弁１４８が全開のとき、第１オイル通路１４４の流通抵抗が小さいので、オイル貯まり２５からオイルチャンバ１４２にオイルがスムーズに供給されうる。そのため、第１ベーン４８と第１ピストン４６との接触を保つのに十分な荷重が第１ベーン４８の後端面に継続的に加わる。第１ベーン４８が第１ピストン４６に追従でき、第１ベーン４８と第１ピストン４６との接触状態が常時保たれる。
【００９８】
他方、図１４Ｂに示す動作モード（第２モード）では、圧力室１５３が高圧または中間圧の作動流体で満たされ、第１弁１４８の開度が小さくなる。具体的には、圧力室１５３を満たす作動流体およびばね１５２から弁体１５１が受ける力と、弁体１５１が第１オイル通路１４４のオイルから受ける力とが釣り合う位置に弁体１５１が移動する。すると、第１オイル通路１４４の断面積が第１モード（図１４Ａ）のときよりも小さくなる。第１オイル通路１４４の断面積が小さくなると、オイルチャンバ１４２へのオイルの急速な流入が妨げられる。すると、オイルチャンバ１４２へのオイルの流入が第１ベーン４８の下降速度に追いつけず、第１ピストン４６が上死点を占有した瞬間から所定期間Ｐ2が経過するまでの間において、第１ベーン４８が第１ピストン４６から離れる。この間、第１吸入空間５５ａから第１吐出空間５５ｂに高圧の作動流体が流入し続ける。期間Ｐ2の経過後、第１ベーン４８が第１ピストン４６に再接触した瞬間に、第１吐出空間５５ｂ、貫通孔４３ａおよび第２吸入空間５６ａによって膨張室が形成され、作動流体が膨張し始める。
【００９９】
圧力室１５３内の圧力を変化させると、弁体１５１の位置が変化し、オイルチャンバ１４２へのオイルの流入速度が変わる。これに伴って期間Ｐ2の長さが変化する。圧力室１５３内の圧力が高ければ高いほど第１弁１４８の開度が小さくなる、言い換えれば、第１オイル通路１４４の断面積が小さくなるので、オイルチャンバ１４２にオイルが流入しにくくなる。すると、第１ベーン４８が第１ピストン４６に接している期間Ｐ1が次第に短くなる一方で、期間Ｐ2が次第に長くなり、膨張室の閉じ込め容積が大きくなる。このように、圧力室１５３内の圧力を調節することによって、閉じ込め容積を調節できる、言い換えれば、膨張機構３の吸入容積を自由に調節できる。
【０１００】
圧力調節回路１１０の配管１０５が可変ベーン機構１３０の圧力供給通路１４７に接続されているので、圧力室１５３内の圧力を圧力調節回路１１０の絞り弁１０４によって調節できる。つまり、絞り弁１０４の開度を調節することによって、第１弁１４８の開度を制御できる。絞り弁１０４の開度を大きくすると、圧力室１５３内の圧力が高まり、第１弁１４８の開度が小さくなる。これにより、閉じ込め容積が大きくなる。絞り弁１０４の開度を小さくすると、圧力室１５３内の圧力が低くなり、第１弁１４８の開度が大きくなる。これにより、閉じ込め容積が小さくなる。
【０１０１】
第１実施形態と同様に、絞り弁１０４の開度を調節することによって、圧力室１５３内の圧力が冷凍サイクルの高圧と低圧との間で変化しうる。
【０１０２】
次に、膨張機構３の動作原理を説明する。図１５のステップＡ3〜Ｄ3に示すように、閉じ込め容積最小時において、膨張機構３は、図５を参照して第１実施形態で説明したのと同じ原理で動作する。
【０１０３】
次に、図１６を参照して、図１５よりも閉じ込め容積が大きいときの膨張機構３の動作原理を説明する。
【０１０４】
まず、図１６のステップＡ4は、第１ピストン４６が３６０°回転して、第１吸入空間５５ａが高圧の作動流体で満たされた状態を示している。次に、図１６のステップＢ4に示すように、第１ピストン４６が反時計回りに回転すると、第１ピストン４６が第１ベーン４８から離れる。第１ピストン４６が上死点を占有した瞬間から、第１ベーン４８の動きが可変ベーン機構１３０によって拘束されるためである。第１ピストン４６が第１ベーン４８から離れると、第１吸入空間５５ａから第１吐出空間５５ｂへの流路が形成され、高圧の作動流体が第１吐出空間５５ａから第１吐出空間５５ｂへと直接流れ込む。高圧の作動流体は、第１吐出空間５５ｂと連通している第２吸入空間５６ａにも流れ込む。つまり、第１ピストン４６が第１ベーン４８から離れている期間Ｐ2において作動流体は膨張せず、吸入行程が継続する。
【０１０５】
次に、図１６のステップＣ4に示すように、第１ピストン４６がさらに回転し、第１ピストン４６が下死点付近に達すると、第１ベーン４８が第１ピストン４６に追いつき、第１ベーン４８と第１ピストン４６とが再接触する。第１ベーン４８によって第１吸入空間５５ａと第１吐出空間５５ｂとが分断され、第１吸入空間５５ａから第１吐出空間５５ｂへの作動流体の流れが遮断される。第１ベーン４８と第１ピストン４６とが再接触した時点から、作動流体が膨張し始める。
【０１０６】
図１６のステップＤ4に示すように、第１ピストン４６がさらに回転すると、第１吐出空間５５ｂの容積が次第に減少し、作動流体が膨張しながら第２吸入空間５６ａに移動する。このようにして、図６のステップＡ4〜Ｄ4の動作を繰り返す。
【０１０７】
図１７Ａ、１７Ｂおよび１７Ｃは、それぞれ、第１ベーンの先端の位置、膨張機構に吸入された作動流体の圧力、作動室の容積を示すグラフである。各図の横軸は、第１ピストン４６が上死点を占有した瞬間を基準角度（＝０°）と定義したときのシャフト５の回転角度を示している。
【０１０８】
図１７Ａの縦軸に示された第１ベーン４８の先端の位置は、シャフト５の回転軸から第１ベーン４８の先端までの距離に対応している。実線は、第１モードでの第１ベーン４８の先端の位置を示している。破線は、第２モードでの第１ベーン４８の先端の位置を示している。第２モードでは、０°および３６０°（上死点）で第１ベーン４８が第１ピストン４６から離れ、１８０°および５４０°（下死点）よりも少し前の角度θ1およびθ2で第１ベーン４８が第１ピストン４６に再接触している。
【０１０９】
図１７Ｂも実線が第１モード、破線が第２モードにそれぞれ対応している。第１モード（実線）において、基準角度で膨張機構に吸入され始めた作動流体は、３６０°から７２０°の範囲で膨張する。他方、第２モード（破線）では、３６０°よりも進んだ角度θ2から７２０°の範囲で作動流体が膨張する。
【０１１０】
図１７Ｃの縦軸に示された作動室の容積は、０°から３６０°の範囲が第１吸入空間５５ａの容積に対応しており、３６０°から７２０°の範囲が第１吐出空間５５ｂと第２吸入空間５６ａとの合計容積に対応している。第１モードでは、３６０°で吸入行程が終了し、３６０°から７２０°の範囲で膨張行程が行われる。他方、第２モードでは、３６０°よりも進んだ角度θ2から７２０°の範囲で膨張行程が行われる。第２モードにおける膨張行程開始時の第１吐出空間５５ｂと第２吸入空間５６ａとの合計容積Ｖ2（閉じ込め容積）は、第１モードにおける同合計容積Ｖ1（閉じ込め容積）よりも大きい。
【０１１１】
第１モードと第２モードとの間の吸入容積の差ΔＶは、吸入行程、膨張行程および吐出行程で構成される１サイクルあたり、（Ｖ2−Ｖ1）で表される。この容積差ΔＶは、期間Ｐ2の長さ（言い換えれば比率（Ｐ2／Ｐ1））に応じて増減する。期間Ｐ2の長さは、可変ベーン機構１３０の圧力室１５３内の圧力に応じて変化する。比率（Ｐ2／Ｐ1）の範囲は特に限定されないが、例えば０≦（Ｐ2／Ｐ1）≦１である。つまり、第１ピストン４６が上死点を占有した瞬間のシャフト５の回転角度を０°として、期間Ｐ2が０°〜１８０°の範囲内にあるとよい。なお、本実施形態では、第１ピストン４６が上死点を占有した瞬間が期間Ｐ2の開始時点である。
【０１１２】
以上に説明したように、可変ベーン機構１３０を備えた膨張機構３によれば、膨張室の閉じ込め容積が可変である。そのため、シャフトが１回転する間に膨張機構３の吸入される作動流体の体積が変化しうる。
【０１１３】
（第４実施形態の変形例）
図１８は、第４実施形態の変形例を示す横断面図である。本変形例によると、可変ベーン機構１３０が、第２モードにおける第１ベーン４８の下降（シャフト５の回転軸に接近する方向への移動）を補助するための加速ポート１５９をさらに備えている。加速ポート１５９の一端は、第１ベーン溝４２ａの長手方向に沿った所定位置において、第１ベーン溝４２ａに向かって開口している。加速ポート１５９の他端は、オイル貯まり２５に向かって開口している。第１ベーン４８がオイルおよび第１ばね５０から受ける荷重によって第１ベーン溝４２ａから押し出される過程において、第１ベーン４８の後端面が加速ポート１５９の一端の位置を通過すると、加速ポート１５９を通じてオイル貯まり２５から第１ベーン溝４２ａにオイルが流れ込めるようになる。
【０１１４】
つまり、加速ポート１５９によれば、第１オイル通路１４４（図１４Ａ参照）の断面積を小さく設定した場合であっても、第１ベーン溝４２ａからの第１ベーン４８の突出量がある程度大きくなると、第１ベーン溝４２ａの後部（オイルチャンバ１４２）へのオイルの流入抵抗が急激に減る。すると、第１ベーン４８が第１ピストン４６に向かって強く押し出され、第１ピストン４６に速やかに再接触する。
【０１１５】
例えば、第１ベーン溝４２ａの後部（オイルチャンバ１４２）へのオイルの流入抵抗が非常に大きい場合には、第１ピストン４６が下死点に達しても第１ベーン４８が第１ピストン４６から離れた状態が継続することも考えられる。簡単に言えば、期間Ｐ2が１８０°を超えて継続する可能がある。これに対し、加速ポート１５９を設けると、第１ピストン４６が下死点に達する以前に第１ベーン４８と第１ピストン４６とを確実に再接触させることが可能となる。その結果として、十分な膨張比を確保できるので、動力回収効率の向上を期待できる。
【０１１６】
（第５実施形態）
図１９は、第１ベーンの動きを電気的な方法で制御するための可変ベーン機構が用いられた冷凍サイクル装置の構成図である。この冷凍サイクル装置４００Ｂは、膨張機一体型圧縮機３００Ｂを有する。膨張機一体型圧縮機３００Ｂの膨張機構３には、外部コントローラ１７０に接続された可変ベーン機構１３０Ｂ（，１３０Ｃ，１３０Ｄまたは１３０Ｅ）が設けられている。外部コントローラ１７０によって可変ベーン機構１３０Ｂの動作が制御される。冷凍サイクル装置４００Ｂによれば、図１１に示す圧力供給回路１１０を省略できる利点がある。また、可変ベーン機構１３０Ｂは、第１ベーン４８の動きを電気的な方法で制御するものであるから、閉じ込め容積の最適化が容易になる。
【０１１７】
第１ベーン４８の動きを電気的な方法で制御するための可変ベーン機構１３０Ｂ〜１３０Ｅについて以下に説明する。なお、本実施形態では、第１ベーン溝４２ａの後部（第１ばね５０が配置されている部分）がオイル貯まり２５に開口しており、この第１ベーン溝４２ａの後部にオイル貯まり２５からオイルが自由に流れ込める。
【０１１８】
図２０に示す可変ベーン機構１３０Ｂは、コイル１７４および鉄心１７２を有する電磁石によって構成されている。コイル１７４は、第１ベーン４８に電磁気力を及ぼすことによって第１ベーン４８が第１ピストン４６に追従して動くのを妨げる。すなわち、コイル１７４を励磁すると、鉄心１７２が磁石として働いて第１ベーン４８を引き付ける。これにより、第１ベーン４８が第１ピストン４６に追従して動くのを妨げることができる。第１ベーン４８は、典型的には、鋳鉄や炭素鋼などの磁石に引き付けられる鉄系金属でできているため、電磁石によって第１ベーン４８を拘束できる。
【０１１９】
コイル１７４は、第１ベーン溝４２ａの後方に配置されている。鉄心１７２はコイル１７４を貫通しており、その先端部が第１ベーン溝４２ａ内に突出している。第１ベーン４８が第１ベーン溝４２ａに最も押し込まれたときに第１ベーン４８が鉄心１７２に接触するように、第１ベーン溝４２ａの長手方向に関する鉄心１７２の長さが定められている。コイル１７２を励磁するタイミングを外部コントローラ１７０（図１９参照）によって制御できる。第１ピストン４６が上死点に達する直前にコイル１７２への給電を開始する。給電開始タイミングおよび給電終了タイミングを制御することによって、第１ベーン４８が第１ピストン４６から離れている期間Ｐ2の長さ、言い換えれば、膨張機構３の閉じ込め容積を調節できる。
【０１２０】
図２１に示す可変ベーン機構１３０Ｃは、第１ベーン４８の周囲に配置されたコイル１７６によって構成されている。コイル１７６を励磁すると、第１ベーン４８には、コイル１７６内に引き込まれる方向の力が作用する。つまり、第１ベーン４８自身がソレノイドのプランジャとして振舞っている。図２０に示す例と同様に、外部コントローラ１７０によってコイル１７６を励磁するタイミングを制御でき、これにより、膨張機構３の閉じ込め容積を調節できる。コイル１７６が第１ベーン４８の周囲に配置されているので、スペースが不足する問題も生じにくい。
【０１２１】
なお、第４実施形態では、第１ベーン４８の動きが上死点付近で鈍くなるだけであるが、図２０および２１に示す例では、上死点付近で第１ベーン４８をロック（一時停止）しうる。第１ベーン４８を瞬間的にロックすると、流入断面積（第１ピストン４６と第１ベーン４８との隙間の広さ）が大きくなるので、圧力損失を低減できる。
【０１２２】
図２２に示す可変ベーン機構１３０Ｄは、第１ベーン溝４２ａと第１ベーン４８との間の摺動摩擦が増えるように第１ベーン４８に荷重をかけるための電動アクチュエータによって構成されている。具体的には、コイル１８１およびプランジャ１８５を有するソレノイドによって可変ベーン機構１３０Ｄが構成されている。
【０１２３】
第１シリンダ４２には、第１ベーン溝４２ａの長手方向に略直角に延びるように、溝１８３が形成されている。この溝１８３にプランジャ１８５が配置されている。プランジャ１８５を取り囲むようにコイル１８１が配置されている。プランジャ１８５の先端は、第１ベーン４８の側面に対向している。プランジャ１８５が第１ベーン４８に干渉しない位置に退避している状態では、第１ベーン４８の動きが可変ベーン機構１３０Ｄによって妨げられることはない（第１モード）。他方、プランジャ１８５が溝１８３から押し出されるようにコイル１８１を励磁すると、プランジャ１８５の先端が第１ベーン４８に直角に当たる。これにより、第１ベーン溝４２ａの内壁に向かう方向の荷重が第１ベーン４８の側面に加わり、第１ベーン４８が第１ベーン溝４２ａの長手方向に沿って動きにくくなる。
【０１２４】
図２３に示す可変ベーン機構１３０Ｅは、第１ベーン４８に横から荷重をかけるための電動アクチュエータによって構成されている点で図２２を参照して説明した可変ベーン機構１３０Ｄと共通である。具体的に、可変ベーン機構１３０Ｅは、圧電素子１８６およびその圧電素子１８６に結び付けられたプランジャ１８４を有する圧電アクチュエータによって構成されている。
【０１２５】
第１シリンダ４２には、長手方向に関する第１ベーン溝４２ａの中間部分に連通するように、溝１８２が形成されている。プランジャ１８４の先端が第１ベーン４８に対向するように、溝１８２にプランジャ１８４および圧電素子１８６が配置されている。プランジャ１８４の後端は、圧電素子１８６に固定されている。圧電素子１８６の変位がプランジャ１８４に伝わるように圧電素子１８６とプランジャ１８４とが組み合わされている。コイルが圧電素子に代わった点を除き、プランジャ１８４の作用は図２２を参照して説明した通りである。
【０１２６】
図２２および２３に示す例では、可変ベーン機構１３０Ｄ，１３０Ｅが第１シリンダ４２に内蔵されている。ただし、可変ベーン機構１３０Ｄ，１３０Ｅは軸受部材４１または中板４３に内蔵されていてもよいし、軸受部材４１、第１シリンダ４２および中板４３にまたがって設けられていてもよい。
【０１２７】
図２０〜２３に示す各可変ベーン機構には、適切なタイミングで電流が供給される。具体的には、シャフト５の回転角度に基づいて、コイルまたは圧電素子への給電が制御される。シャフト５の回転角度を検出するために、図２４に示すように、シャフト５とともに回転する回転子１９１と、回転子１９１の通過を検出しうる位置センサ１９３とが設けられていてもよい。例えば、シャフト５の偏心部５ｃの偏心方向と１８０°反対側に（または偏心方向に一致するように）回転子１９１を配置する。さらに、第１ピストン４６の下死点に対応する位置に位置センサ１９３を配置する。
【０１２８】
上記のような構成によれば、図２５に示すように、第１ピストン４６が上死点（または下死点）に達したときに、位置センサ１９３から外部コントローラ１７０に対してセンサ信号が送られる。外部コントローラ１７０は、位置センサ１９３からセンサ信号を取得することに応じて、コイルまたは圧電素子への給電を正確に行える。給電は、第１ピストン４６が上死点（＝０°）に達するのに若干先立って行ってもよい。そのようにすれば、第１ベーン４８の動きを確実に止める、または鈍らせることができる。所望の閉じ込め容積が得られるように、給電期間Δθを制御すればよい。
【０１２９】
なお、シャフト５の回転角度（基準位置）を検出するためのセンサは、膨張機構３以外の場所、例えば、圧縮機構２に設けられていてもよい。
【０１３０】
（第６実施形態）
本発明は、単体の２段ロータリ膨張機にも適用できる。図２６は、そのような２段ロータリ膨張機を用いた動力回収式の冷凍サイクル装置４００Ｃを示している。冷凍サイクル装置４００Ｃは、圧縮機１２３、放熱器１０１、膨張機１２０および蒸発器１０２を備えている。膨張機１２０として、先に説明した各膨張機一体型圧縮機から圧縮機構２を省略した構成を有する２段ロータリ膨張機を用いることができる。作動流体の膨張エネルギーは、膨張機１２０の発電機１２１によって電気エネルギーに変換され、得られた電気エネルギーが圧縮機１２３のモータ１２４に供給される。
【０１３１】
圧縮機１２３の回転数はモータ１２４によって制御でき、膨張機１２０の回転数は発電機１２１によって制御できる。そのため、この冷凍サイクル装置４００Ｃには、密度比一定の制約が本質的に存在しない。ただし、可変ベーン機構を備えた２段ロータリ膨張機を採用することによって、以下の効果が得られる。
【０１３２】
図２７に、一般的な発電機の効率曲線を示す。発電機は、所定の定格回転数Ｎｒ（例えば６０Ｈｚ）で発電効率が最も高くなるように設計されている。そのため、回転数が定格回転数から離れるほど発電効率が低下する。つまり、発電機の回転数は、インバータで制御可能であったとしても、できるだけ定格回転数Ｎｒの近傍とすることが望ましい。しかし、冷凍サイクル装置では、作動流体の循環量や密度が変化するため、従来の膨張機では定格回転数Ｎｒの近傍だけで運転することが困難である。これに対し、可変ベーン機構を備えた２段ロータリ膨張機を用いれば、定格回転数Ｎｒを維持しつつ密度比を変化させることができるため、より高効率な動力回収を望める。
【産業上の利用可能性】
【０１３３】
本発明は、空調機や給湯機に用いられる冷凍サイクル装置に好適に採用できる。ただし、本発明の適用対象はこれに限定されず、ランキンサイクル装置等の他の装置に広く適用できる。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１７Ｃ】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【手続補正書】
【提出日】平成22年11月11日(2010.11.11)
【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、２段ロータリ膨張機、膨張機一体型圧縮機および冷凍サイクル装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
作動流体の膨張エネルギーを膨張機で回収し、その回収したエネルギーを圧縮機の仕事の一部として利用する冷凍サイクル装置が提案されている。そのような冷凍サイクル装置として、膨張機一体型圧縮機を用いた冷凍サイクル装置が知られている（特許文献１参照）。
【０００３】
図２８に膨張機一体型圧縮機を用いた従来の冷凍サイクル装置を示す。この冷凍サイクル装置は、圧縮機２０１（圧縮機構）、放熱器２０２、膨張機２０３（膨張機構）および蒸発器２０４を備えている。これらの機器が配管によって相互に接続されることによって主回路２０８が構成されている。圧縮機２０１と膨張機２０３とはシャフト２０７によって連結されている。圧縮機２０１と膨張機２０３との間には、シャフト２０７を回転駆動するモータ２０６が設けられている。圧縮機２０１、膨張機２０３、シャフト２０７およびモータ２０６によって膨張機一体型圧縮機が構成されている。
【０００４】
この冷凍サイクル装置は、さらに、膨張機２０３と並列になるように主回路２０８に接続された副回路２０９を備えている。副回路２０９は、放熱器２０２の出口と膨張機２０３の入口との間で主回路２０８から分岐し、膨張機２０３の出口と蒸発器２０４の入口との間で主回路２０８に合流している。主回路２０８を流れる作動流体は容積式の膨張機２０３で膨張する。副回路２０９を流れる作動流体は膨張弁２０５で膨張する。
【０００５】
作動流体は、圧縮機２０１によって圧縮される。圧縮された作動流体は、放熱器２０２に送られ、放熱器２０２において冷却される。そして、膨張機２０３または膨張弁２０５において膨張した後、蒸発器２０４で加熱される。膨張機２０３は、作動流体の膨張エネルギーを回収してシャフト２０７の回転エネルギーに変換する。この回転エネルギーは圧縮機２０１を駆動する仕事の一部として利用される。その結果として、モータ２０６の消費電力が低減する。
【０００６】
膨張弁２０５が全閉のときの冷凍サイクル装置の動作を説明する。
【０００７】
まず、圧縮機２０１の吸入容積をＶｃｓ、膨張機２０３の吸入容積をＶｅｓ、シャフト２０７の回転数をＮとする。このとき、圧縮機２０１の入口での作動流体の体積流量は（Ｖｃｓ×Ｎ）で表される。膨張機２０３の入口での作動流体の体積流量は（Ｖｅｓ×Ｎ）で表される。副回路２０９の作動流体の質量流量がゼロであるため、圧縮機２０１での質量流量と膨張機２０３での質量流量とは等しくなる。この質量流量をＧとすると、圧縮機２０１の入口での作動流体の密度は｛Ｇ／（Ｖｃｓ×Ｎ）｝で表される。膨張機２０３の入口での作動流体の密度は｛Ｇ／（Ｖｅｓ×Ｎ）｝で表される。これらの式より、圧縮機２０１の入口での作動流体の密度と膨張機２０３の入口での作動流体の密度との比は、｛Ｇ／（Ｖｃｓ×Ｎ）｝／｛Ｇ／（Ｖｅｓ×Ｎ）｝で表される。つまり、シャフト２０７の回転数によらず、密度比は（Ｖｅｓ／Ｖｃｓ）で一定である（密度比一定の制約）。
【０００８】
図２９にＣＯ2冷凍サイクルのモリエル線図を示す。圧縮機２０１における圧縮過程はＡＢ、放熱器２０２における放熱過程はＢＣ、膨張機２０３における膨張過程はＣＤ、蒸発機２０４における蒸発過程はＤＡに相当する。圧縮機２０１の入口（点Ａ）での作動流体の密度と、膨張機２０３の入口（点Ｃ）での作動流体の密度との比は、（Ｖｅｓ／Ｖｃｓ）である。点Ａでの密度をρ0とすると、点Ｃでの密度ρcは（Ｖｃｓ／Ｖｅｓ）ρ0である。圧縮機２０１の入口（点Ａ）での作動流体の密度ρ0が一定であるとき、膨張機２０３の入口（点Ｃ）での作動流体の状態は、常に、ρc＝（Ｖｃｓ／Ｖｅｓ）ρ0の関係を満たす線に沿って変化する。すなわち、点Ｃにおける作動流体の温度および圧力を自由に制御できない。冷凍サイクルには、ある熱源温度（例えば外気温）において成績係数（coefficient of performance:ＣＯＰ）が最大となる最適高圧が存在する。そのため、温度と圧力を自由に制御できないと、冷凍サイクル装置を効率よく運転することが困難となる。
【０００９】
密度比一定の制約を回避するための方法は、いくつか提案されている。例えば、図２８に示す冷凍サイクル装置では、膨張弁２０５を開き、作動流体の一部を副回路２０９に流すことによって密度比一定の制約を回避できる。ただし、この方法では、副回路２０９を流れる作動流体の膨張エネルギーを回収できず、ＣＯＰの改善効果が小さくなる問題がある。
【００１０】
また、特許文献２には、膨張室と連通しうる補助室が設けられた膨張機が開示されている。この膨張機によれば、補助室の容積を増減することによって、膨張室の容積を増減可能である。膨張室の容積を増減することによって、膨張機の吸入容積Ｖｅｓが変化する。これにより、密度比一定の制約を回避できる。ただし、この膨張機においても、補助室に作動流体が残留する問題や補助室の容積を増減するためのピストンのシールの問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００１−１１６３７１号公報
【特許文献２】特開２００６−４６２５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、密度比一定の制約を回避でき、かつ効率的な動力回収を行える２段ロータリ膨張機を提供することを目的とする。本発明は、さらに、その２段ロータリ膨張機を用いた膨張機一体型圧縮機を提供することを目的とする。本発明は、さらに、その膨張機一体型圧縮機を用いた冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
すなわち、本発明は、
第１シリンダと、
前記第１シリンダ内に回転可能に配置された第１ピストンと、
前記第１シリンダに対して同心状に配置された第２シリンダと、
前記第２シリンダ内に回転可能に配置された第２ピストンと、
前記第１ピストンおよび前記第２ピストンが取り付けられたシャフトと、
前記第１シリンダに形成された第１ベーン溝に摺動可能に設けられ、前記第１シリンダと前記第１ピストンとの間の空間を第１吸入空間と第１吐出空間とに仕切るための第１ベーンと、
前記第２シリンダに形成された第２ベーン溝に摺動可能に設けられ、前記第２シリンダと前記第２ピストンとの間の空間を第２吸入空間と第２吐出空間とに仕切るための第２ベーンと、
前記第１吐出空間と前記第２吸入空間とを連通することによって１つの膨張室を形成するための貫通孔を有するとともに、前記第１シリンダと前記第２シリンダとを隔てている中板と、
前記シャフトが１回転する期間において前記第１ベーンが前記第１ピストンに接している期間をＰ1、前記第１ベーンが前記第１ピストンから離れている期間をＰ2としたとき、前記期間Ｐ1に対する前記期間Ｐ2の比率（Ｐ2／Ｐ1）を調節しうるように、前記第１ベーンの動きを制御するための可変ベーン機構と、
を備えた、２段ロータリ膨張機を提供する。
【００１４】
他の側面において、本発明は、
作動流体を圧縮するための圧縮機構と、
作動流体を膨張させるための膨張機構と、
前記圧縮機構と膨張機構とを連結しているシャフトとを含み、
前記膨張機構が上記本発明の２段ロータリ膨張機によって構成されている、膨張機一体型圧縮機を提供する。
【００１５】
さらに他の側面において、本発明は、
上記本発明の膨張機一体型圧縮機と、
前記膨張機一体型圧縮機の前記圧縮機構で圧縮された作動流体を冷却するための放熱器と、
前記膨張機一体型圧縮機の前記膨張機構で膨張した作動流体を蒸発させるための蒸発器と、
を備えた、冷凍サイクル装置を提供する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の２段ロータリ膨張機は、第１ベーンの動きを制御するための可変ベーン機構を備えている。可変ベーン機構の働きによって、シャフトが１回転する期間における一部の期間Ｐ2で第１ベーンが第１ピストンから離れ、第１吸入空間から第１吐出空間へと作動流体が直接流れ込める。第１ベーンの動きを制御することによって比率（Ｐ2／Ｐ1）が変化すると、膨張機の吸入容積（体積流量）も変化する。つまり、密度比一定の制約を回避できる。しかも、作動流体の全量から動力回収を行えるので、優れた動力回収効率を達成できる。
【００１７】
ここで、期間Ｐ2の最小値はゼロであってもよい。期間Ｐ2がゼロのとき、第１ベーンと第１ピストンとが常時接触し、２段ロータリ膨張機の吸入容積が最小となる。すなわち、可変ベーン機構は、
（ａ）第１ベーンが第１ピストンに常に接している第１モードと、第１ベーンが第１ピストンに接している期間Ｐ1および第１ベーンが第１ピストンから離れている期間Ｐ2がシャフトの１回転する期間に含まれる第２モードとを相互に切り替え可能となるように、第１ベーンの動きを制御する、または、
（ｂ）第１ベーンが第１ピストンに接している期間Ｐ1と、第１ベーンが第１ピストンから離れている期間Ｐ2とが、シャフトが１回転する期間に含まれ、かつ期間Ｐ1に対する期間Ｐ2の比率（Ｐ2／Ｐ1）を調節しうるように、第１ベーンの動きを制御する。
【００１８】
本発明の２段ロータリ膨張機は、圧縮機構の回転数と膨張機構の回転数とを別々に制御することが困難な膨張機一体型圧縮機の膨張機構として好適に用いることができる。そのような膨張機一体型圧縮機を用いた冷凍サイクル装置によれば、可変ベーン機構を適切に制御することによって効率的な動力回収を行えるので、高いＣＯＰを達成できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１実施形態にかかる冷凍サイクル装置の構成図
【図２】図１に示す膨張機一体型圧縮機の縦断面図
【図３Ａ】図２に示す膨張機一体型圧縮機のＤ１−Ｄ１横断面図
【図３Ｂ】図２に示す膨張機一体型圧縮機のＤ２−Ｄ２横断面図
【図４Ａ】吸入容積最小時の可変ベーン機構を示す、図３Ａの部分拡大図
【図４Ｂ】図４Ａよりも吸入容積が大きいときの可変ベーン機構を示す、図３Ａの部分拡大図
【図５】吸入容積最小時の膨張機構の動作原理図
【図６】図５よりも吸入容積が大きいときの膨張機構の動作原理図
【図７Ａ】第１ベーンの先端の位置を示す、図５に対応したグラフ
【図７Ｂ】第１ベーンの先端の位置を示す、図６に対応したグラフ
【図８】本発明の第２実施形態にかかる冷凍サイクル装置の構成図
【図９】本発明の第３実施形態にかかる冷凍サイクル装置の構成図
【図１０Ａ】電動アクチュエータが用いられた可変ベーン機構を示す部分拡大図
【図１０Ｂ】図１０Ａよりも吸入容積が大きいときの可変ベーン機構を示す部分拡大図
【図１１】本発明の第４実施形態にかかる冷凍サイクル装置の構成図
【図１２】図１１に示す膨張機一体型圧縮機の縦断面図
【図１３Ａ】図１２に示す膨張機一体型圧縮機のＤ３−Ｄ３横断面図
【図１３Ｂ】図１２に示す膨張機一体型圧縮機のＤ４−Ｄ４横断面図
【図１４Ａ】閉じ込め容積最小時の可変ベーン機構を示す、図１３Ａの部分拡大図
【図１４Ｂ】図１４Ａよりも閉じ込め容積が大きいときの可変ベーン機構を示す、図１３Ａの部分拡大図
【図１５】閉じ込め容積最小時の膨張機構の動作原理図
【図１６】図１５よりも閉じ込め容積が大きいときの膨張機構の動作原理図
【図１７Ａ】シャフトの回転角度に対する、第１ベーンの先端の位置を示すグラフ
【図１７Ｂ】シャフトの回転角度に対する、作動流体の圧力を示すグラフ
【図１７Ｃ】シャフトの回転角度に対する、作動室の容積を示すグラフ
【図１８】第４実施形態の可変ベーン機構の変形例を示す横断面図
【図１９】本発明の第５実施形態にかかる冷凍サイクル装置の構成図
【図２０】電磁気力によって第１ベーンの制動を行う可変ベーン機構を示す部分拡大図
【図２１】電磁気力によって第１ベーンの制動を行う可変ベーン機構の別例を示す部分拡大図
【図２２】荷重をかけることによって第１ベーンの制動を行う可変ベーン機構を示す部分拡大図
【図２３】荷重をかけることによって第１ベーンの制動を行う可変ベーン機構の別例を示す部分拡大図
【図２４】電動アクチュエータの制御方法を示す図
【図２５】電動アクチュエータの制御方法を示すタイミング図
【図２６】本発明の第６実施形態にかかる冷凍サイクル装置の構成図
【図２７】発電機効率と回転数との関係を示すグラフ
【図２８】膨張機一体型圧縮機を用いた従来の冷凍サイクル装置の構成図
【図２９】ＣＯ2冷凍サイクルのモリエル線図
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、添付の図面を参照しつつ本発明のいくつかの実施形態について説明する。
【００２１】
（第１実施形態）
図１に示すように、本実施形態の冷凍サイクル装置２００Ａは、圧縮機構２、放熱器１０１、膨張機構３、蒸発器１０２およびこれらの機器を相互に接続することによって冷媒回路を形成している複数の配管１０３ａ〜１０３ｄを備えている。圧縮機構２および膨張機構３は、シャフト５によって連結されており、膨張機一体型圧縮機１００を構成している。冷凍サイクル装置２００Ａの基本的な動作は従来技術の欄で説明した通りである。
【００２２】
膨張機一体型圧縮機１００の膨張機構３には、可変ベーン機構６０が設けられている。可変ベーン機構６０は、シャフト５が１回転する間に膨張機構３に吸入される作動流体の体積（体積流量）、言い換えれば、膨張機構３の吸入容積を変化させる機能を有する。冷凍サイクル装置２００Ａの運転状況に応じて膨張機構３の体積流量を変化させることによって、密度比一定の制約を回避できる。
【００２３】
本実施形態において、膨張機構３の体積流量を変化させる方法として、膨張室に高圧の作動流体を注入する方法が採用されている。すなわち、可変ベーン機構６０は、膨張室に作動流体を注入するための機構でありうる。
【００２４】
冷凍サイクル装置２００Ａは、さらに、可変ベーン機構６０のアクチュエータを駆動するための圧力供給回路１１０を備えている。本実施形態において、この圧力供給回路１１０は、膨張室に注入するべき作動流体の供給回路ではないことに注意すべきである。圧力供給回路１１０は、絞り弁１０４、配管１０５および微細通路１０６を含む。圧力供給回路１１０によって所定圧力に調節された作動流体が可変ベーン機構６０に供給される。
【００２５】
配管１０５は、冷媒回路における放熱器１０１と膨張機構３との間の部分（配管１０３ｂ）に接続された一端と、膨張機構３の可変ベーン機構６０に接続された他端とを有する。絞り弁１０４は、開度を調節できる弁（例えば電動膨張弁）であり、配管１０５上に設けられている。微細通路１０６によって、配管１０５における絞り弁１０４と可変ベーン機構６０との間の部分と、冷媒回路における膨張機構３の出口から蒸発器１０２の入口に至る部分（配管１０３ｃ）とが接続されている。微細通路１０６の具体例は、キャピラリである。
【００２６】
図２に示すように、膨張機一体型圧縮機１００は、密閉容器１、圧縮機構２、膨張機構３、モータ４およびシャフト５を備えている。圧縮機構２は、密閉容器１内の上側に配置されている。膨張機構３は、密閉容器１内の下側に配置されている。圧縮機構２と膨張機構３との間にモータ４が配置されている。圧縮機構２、モータ４および膨張機構３は、動力伝達がなされるようにシャフト５によって互いに連結されている。
【００２７】
モータ４がシャフト５を駆動することによって、圧縮機構２が作動する。膨張機構３は、膨張する作動流体から動力を回収してシャフト５に与え、モータ４によるシャフト５の駆動をアシストする。作動流体の具体例は、二酸化炭素やハイドロフルオロカーボンなどの冷媒である。
【００２８】
本実施形態では、シャフト５の軸方向が垂直方向に一致するように、圧縮機構２、モータ４および膨張機構３の配置が定められている。ただし、圧縮機構２と膨張機構３との位置関係は、本実施形態と逆であってもよい。すなわち、圧縮機構２が密閉容器１内の下側に配置され、膨張機構３が密閉容器１内の上側に配置されていてもよい。
【００２９】
密閉容器１は、各構成要素を収容するための内部空間２４を有する。密閉容器１の内部空間２４は、圧縮機構２で圧縮された作動流体で満たされる。密閉容器１の底部はオイル貯まり２５として利用されている。オイルは、圧縮機構２および膨張機構３の各摺動部分における潤滑性とシール性とを確保するために使用される。オイル貯まり２５のオイル量は、モータ４よりも下に油面が位置するように規定されている。これにより、モータ４の回転子がオイルを撹拌することに基づくモータ効率の低下や冷媒回路へのオイル吐出量の増大を防止できる。
【００３０】
スクロール式の圧縮機構２は、旋回スクロール７、固定スクロール８、オルダムリング１１、軸受部材１０、マフラー１６、吸入管１３、吐出管１５およびリード弁１９を備えている。軸受部材１０は、溶接や焼き嵌めなどの手法によって密閉容器１に固定されており、シャフト５を支持している。固定スクロール８は、ボルトなどの締結部材によって軸受部材１０に固定されている。旋回スクロール７は、固定スクロール８と軸受部材１０との間においてシャフト５の偏心軸５ａに嵌合されるとともに、自転しないようにオルダムリング１１で拘束されている。
【００３１】
旋回スクロール７は、渦巻き形状のラップ７ａが固定スクロール８のラップ８ａと噛み合いながら、シャフト５の回転に伴って旋回運動を行う。ラップ７ａとラップ８ａとの間に形成された三日月形状の作動室１２が外側から内側に移動しながら容積を縮小することによって、吸入管１３から吸入された作動流体が圧縮される。圧縮された作動流体は、リード弁１９を押し開いて固定スクロール８の中央部に形成された吐出孔８ｂからマフラー１６の内部空間１６ａに吐出される。作動流体は、さらに、固定スクロール８および軸受部材１０を貫通している流路１７を経由して密閉容器１の内部空間２４に吐出される。その後、作動流体は吐出管１５を通じて放熱器１０１へと送られる。
【００３２】
なお、圧縮機構２は、他の容積式圧縮機構（例えばロータリ圧縮機構）によって構成されていてもよい。
【００３３】
モータ４は、密閉容器１に固定された固定子２１と、シャフト５に固定された回転子２２とを含む。密閉容器１の上部に設けられたターミナル１０７を通じて電源１０８からモータ４に電力が供給される（図１参照）。
【００３４】
シャフト５は、単一の部品で作られていてもよいし、複数の部品を組み合わせる（連結する）ことによって作られていてもよい。シャフト５が複数の部品の組み合わせでできていると、組立、特に圧縮機構２と膨張機構３との調心が容易になる。
【００３５】
膨張機構３は、多段ロータリ膨張機の構成を有する。具体的に、膨張機構３は、第１シリンダ４２と、第１シリンダ４２よりも厚みのある第２シリンダ４４と、第１シリンダ４２と第２シリンダ４４とを仕切っている中板４３とを備えている。第１シリンダ４２および第２シリンダ４４は、互いに同心状に配置されている。図３Ａおよび図３Ｂに示すように、膨張機構３は、さらに、第１ピストン４６（第１ローラ）、第１ベーン４８、第１ばね５０、第２ピストン４７（第２ローラ）、第２ベーン４９および第２ばね５１を備えている。第１シリンダ４２には、可変ベーン機構６０が内蔵されている。
【００３６】
図３Ａに示すように、第１ピストン４６は、シャフト５の偏心部５ｃに嵌合しており、第１シリンダ４２の中で偏心回転する。第１ベーン４８は、第１シリンダ４２に形成された第１ベーン溝４２ａに摺動可能に設けられている。第１ベーン４８の一端（先端）は、第１ピストン４６に接している。第１ばね５０は、第１ベーン４８の他端（後端）に接しており、第１ベーン４８を第１ピストン４６に向けて押す。
【００３７】
図３Ｂに示すように、第２ピストン４７は、シャフト５の偏心部５ｄに嵌合しており、第２シリンダ４４の中で偏心回転する。第２ベーン４９は、第２シリンダ４４に形成された第２ベーン溝４４ａに摺動可能に設けられている。第２ベーン４９の一端は、第２ピストン４７に接している。第２ばね５１は、第２ベーン４９の他端に接しており、第２ベーン４９を第２ピストン４７に向けて押す。
【００３８】
図２に示すように、膨張機構３は、さらに、下軸受部材４１および上軸受部材４５を備えている。上軸受部材４５は、密閉容器１に隙間無く嵌め合わされている。シリンダや中板等の部材は、上軸受部材４５を介して密閉容器１に固定されている。下軸受部材４１および中板４３は、それぞれ、第１シリンダ４２を上下から閉じている。中板４３および上軸受部材４５は、それぞれ、第２シリンダ４４を上下から閉じている。これにより、第１シリンダ４２および第２シリンダ４４内の各々に作動室が形成されている。下軸受部材４１には、第１シリンダ４２の作動室に作動流体を吸入させるための吸入ポート４２ｐが形成されている。上軸受部材４５には、第２シリンダ４４の作動室から作動流体を吐出させるための吐出ポート４５ｑが形成されている。
【００３９】
図３Ａに示すように、第１シリンダ４２の内側には、吸入側の作動室５５ａおよび吐出側の作動室５５ｂが形成されている。作動室５５ａと作動室５５ｂとは、第１ピストン４６および第１ベーン４８によって区画されている。図３Ｂに示すように、第２シリンダ４４の内側には、吸入側の作動室５６ａおよび吐出側の作動室５６ｂが形成されている。作動室５６ａと作動室５６ｂとは、第２ピストン４７および第２ベーン４９により区画されている。以下において、作動室５５ａ，５５ｂ，５６ａ，５６ｂを、それぞれ、第１吸入空間５５ａ、第１吐出空間５５ｂ、第２吸入空間５６ａおよび第２吐出空間５６ｂともいう。
【００４０】
第２シリンダ４４における作動室５６ａおよび作動室５６ｂの合計容積は、第１シリンダ４２における作動室５５ａおよび作動室５５ｂの合計容積よりも大きい。第１シリンダ４２の吐出側の作動室５５ｂと、第２シリンダ４４の吸入側の作動室５６ａとが、中板４３に形成された貫通孔４３ａを介して連通している。これにより、作動室５５ｂおよび作動室５６ａが単一の膨張室として機能する。
【００４１】
なお、本実施形態では、作動室５６ａおよび作動室５６ｂの合計容積を作動室５５ａおよび作動室５５ｂの合計容積よりも大きくするために、第１シリンダ４２の厚みと第２シリンダ４４の厚みとを異ならせている。ただし、シリンダの内径やピストンの外径を異ならせる構成も採用できる。また、第２ピストン４７および第２ベーン４９は、両者が一体化された、いわゆるスイングピストンであってもよい。
【００４２】
図２に示すように、膨張機構３は、さらに、膨張前の作動流体を密閉容器１の外部から直接吸入するための吸入管５２と、膨張後の作動流体を密閉容器１の外部に直接吐出するための吐出管５３とを備えている。吸入管５２は、密閉容器１の外部から第１シリンダ４２の作動室５５へと作動流体を導くことができるように、下軸受部材４１に直接挿入され吸入ポート４１ｐに接続されている。吐出管５３は、第２シリンダ４４の作動室５６から密閉容器１の外部へと作動流体を導くことができるように、上軸受部材４５に直接挿入され吐出ポート４５ｑに接続されている。
【００４３】
膨張前の作動流体は、吸入管５２および吸入ポート４１ｐを経て第１シリンダ４２の作動室５５ａに流入する。第１シリンダ４２の作動室５５ａに流入した作動流体は、シャフト５の回転に応じて作動室５５ｂに移り、作動室５５ｂ、貫通孔４３ａおよび作動室５６ａによって形成された膨張室においてシャフト５を回転させながら膨張する。膨張後の作動流体は、作動室５６ｂ、吐出ポート４５ｑおよび吐出管５３を経て密閉容器１の外部へと導かれる。
【００４４】
図４Ａは、吸入容積最小時の可変ベーン機構を拡大して示している。図４Ｂは、図４Ａよりも吸入容積が大きいときの可変ベーン機構を拡大して示している。本明細書では、シャフト５が１回転する期間において第１ベーン４８の先端が第１ピストン４６に接している期間をＰ1とし、第１ベーン４８の先端が第１ピストン４６から離れている期間をＰ2とする。期間Ｐ2では、第１吸入空間５５ａから第１吐出空間５５ｂへと作動流体が流通しうる。可変ベーン機構６０は、期間Ｐ1に対する期間Ｐ2の比率（Ｐ2／Ｐ1）を調節しうるように、第１ベーン４８の動きを制御する。期間Ｐ1の長さおよび期間Ｐ2の長さは、それぞれ、角度（単位：deg）で表すことができる。比率（Ｐ2／Ｐ1）が変化すると、膨張機構３の吸入容積（体積流量）が変化する。つまり、密度比一定の制約を回避できる。熱源温度（例えば外気温）に応じて比率（Ｐ2／Ｐ1）を調節することによって、動力回収効率を最適化できる。
【００４５】
本実施形態では、期間Ｐ2＝０、つまり第１ベーン４８と第１ピストン４６とが常に接している場合に、膨張機構３の吸入容積が最小になる。ただし、期間Ｐ2の最小値がゼロよりも大きくてもよい。
【００４６】
図４Ａおよび図４Ｂに示すように、可変ベーン機構６０は、ストッパ６１およびアクチュエータ６２を備えている。ストッパ６１は、第１ベーン４８の可動範囲を制限する役割を担う。アクチュエータ６２は、第１ベーン４８の可動範囲が長くなる位置から短くなる位置へとストッパ６１を移動させる、またはその逆方向にストッパ６１を移動させる役割を担う。ストッパ６１をアクチュエータ６２で動かすことによって、第１ベーン４８のストローク長を機械的に変更できる点で本構成は優れている。また、シャフト５の回転角度に応じてストッパ６１を動かす必要がないので、高精度な制御技術をほとんど必要とせず、信頼性も高い。
【００４７】
具体的に、アクチュエータ６２は、本体部６５と、本体部６５が配置された圧力室６７と、圧力室６７に流体を供給するための通路６９とによって構成されている。本体部６５は、ストッパ６１と連動する部分を含み、第１ベーン溝４２ａの長手方向に関するストッパ６１の位置を流体の圧力に基づいて規定している。このように、本実施形態では、アクチュエータ６２として流体圧アクチュエータが用いられている。圧力室６７に供給される流体として、冷凍サイクル装置２００Ａの作動流体が用いられている。作動流体を動力源として用いることによって、圧力室６７から第１ベーン溝４２ａへの作動流体の多少の漏れが許容される。そのため、厳重なシールは不要である。
【００４８】
本体部６５は、圧力室６７を仕切るように圧力室６７に摺動可能に配置されたスライダ６３と、スライダ６３によって仕切られた圧力室６７の一方の部分６７ｂに設けられたばね６４とを含む。スライダ６３には、ストッパ６１が一体化されている。スライダ６３によって仕切られた圧力室６７の他方の部分６７ａには、通路６９が接続されている。圧力室６７および通路６９は、第１ベーン溝４２ａと同様に、第１シリンダ４２に形成された空間である。通路６９には、図１を参照して説明した圧力供給回路１１０の配管１０５が接続されている。配管１０５および通路６９を通じて圧力室６７ａに供給された作動流体からスライダ６３が受ける力と、ばね６４からスライダ６３が受ける力とに基づいて、第１ベーン溝４２ａの長手方向に関するストッパ６１の位置が決定される。ストッパ６１は、スライダ６３とともに、第１ベーン溝４２ａの長手方向に平行な方向に動ける。このような構成によれば、圧力室６７ａ内の圧力調節によって、ストッパ６１の位置を自由かつ連続的に変えることができる。つまり、動力回収効率の最適化が容易である。
【００４９】
また、ストッパ６１の位置が連続的に変化する構成だけでなく、ストッパ６１の位置を段階的に変更できる構成も採用しうる。場合によっては、大きい比率（Ｐ2／Ｐ1）を有する一方の位置から小さい比率（Ｐ2／Ｐ1）を有する他方の位置へ、またはその逆にストッパ６１の位置が切り替わるだけでもよい。
【００５０】
なお、圧力室６７および通路６９は、膨張機構３の軸受部材４１（図２参照）に形成されていてもよい。つまり、可変ベーン機構６０が軸受部材４１に内蔵されていてもよい。また、ストッパ６１とスライダ６３とが別々の部品で構成されていてもよい。その場合、直接はめ合いによってスライダ６３とストッパ６１とが連結されていてもよいし、他の部材を介してスライダ６３とストッパ６１とが連結されていてもよい。
【００５１】
第１ベーン４８は、ストッパ６１を横から受け入れるための凹部４８ｋ（切り欠き溝）を有する。流体圧アクチュエータ６２の圧力室６７は、第１ベーン溝４２ａに隣接するように第１シリンダ４２に形成されている。第１ベーン溝４２ａと圧力室６７との間には、ストッパ６１を通すための溝６８が形成されている。圧力室６７から溝６８を経由して第１ベーン溝４２ａに向かって延びるように、ストッパ６１の一端がスライダ６３に固定され、ストッパ６１の他端が凹部４８ｋに挿入されている。このような構成によれば、第１ベーン４８の凹部４８ｋにストッパ６１が係合することによって、第１ベーン４８の可動範囲を簡単に制限できる。
【００５２】
第１ベーン溝４２ａの長手方向に関する凹部４８ｋの長さをＬc、当該長手方向に関するストッパ６１の幅をＷs、第１ベーン４８の最大ストローク長をＴmaxとしたとき、Ｌc＞Ｗs＋Ｔmaxの関係を満足する。このようにすれば、期間Ｐ2＝０を選択できる、つまり、第１ベーン４８とストッパ６１とが干渉するのを回避できるので、吸入容積を幅広く調節できるようになる。
【００５３】
図４Ａに示す動作モード（第１モード）では、圧力室６７ａが高圧の作動流体で満たされ、スライダ６３およびストッパ６１が下方に押し下げられる。この位置にストッパ６１があると、ストッパ６１と第１ベーン４８とが干渉しないので、第１ベーン４８の可動範囲は制限されない。第１ベーン４８は最大ストロークＴmaxで自由に動作でき、第１ベーン４８と第１ピストン４６との接触状態が常に保たれる。
【００５４】
他方、図４Ｂに示す動作モード（第２モード）では、圧力室６７ａが低圧または中間圧の作動流体で満たされ、スライダ６３およびストッパ６１が図４Ａに示す位置よりも上方の位置へと移動する。具体的には、圧力室６７ａを満たす作動流体からスライダ６３が受ける力と、スライダ６３がばね６４から受ける力（弾性力）とが釣り合う位置に、スライダ６３およびストッパ６１が移動する。この位置にストッパ６１があると、ストッパ６１と第１ベーン４８とが干渉するので、第１ベーン４８の可動範囲が制限され、第１ベーン４８が最下点まで移動できない。第１ベーン４８がストッパ６１によって動きを拘束されている期間Ｐ2において、第１ベーン４８は第１ピストン４６から離れる。この間、高圧の作動流体で満たされた作動室５５ａ（第１吸入空間）から、中間圧の作動流体で満たされた作動室５５ｂ（第１吐出空間）へと高圧の作動流体が直接流れ込む。
【００５５】
圧力室６７ａ内の圧力を変化させると、ストッパ６１の位置が変化し、これに伴って期間Ｐ2（注入時間）が変化する。圧力室６７ａ内の圧力が低ければ低いほどストッパ６１は上方の位置を占有するため、第１ベーン４８の可動範囲が短くなる。すると、第１ベーン４８が第１ピストン４６に接している期間Ｐ1が次第に短くなる一方で、期間Ｐ2が次第に長くなり、作動室５５ａから作動室５５ｂにより多くの作動流体が流れ込む。このように、圧力室６７ａ内の圧力を調節することによって、膨張室への作動流体のインジェクション量を調節できる、言い換えれば、膨張機構３の吸入容積を自由に調節できる。
【００５６】
圧力室６７ａ内の圧力は、圧力調節回路１１０の絞り弁１０４によって調節されうる。つまり、絞り弁１０４の開度を調節することによって、ストッパ６１の位置を制御できる。絞り弁１０４の開度を大きくすると、圧力室６７ａ内の圧力が高まり、ストッパ６１が下方に移動する。これにより、インジェクション量が少なくなる、もしくはゼロになる。絞り弁１０４の開度を小さくすると、圧力室６７ａ内の圧力が低くなり、ストッパ６１が上方に移動する。これにより、インジェクション量が多くなる。
【００５７】
なお、図１を参照して説明したように、絞り弁１０４と可変ベーン機構６０との間において、微細通路１０６が配管１０５と配管１０３ｃとを橋渡ししている。そのため、絞り弁１０４の開度を調節することによって、可変ベーン機構６０の圧力室６７ａ内の圧力が冷凍サイクルの高圧と低圧との間で変化しうる。微細通路１０６を流通する作動流体の量は、動力回収効率に殆ど影響を及ぼさないほど微小である。
【００５８】
次に、図５を参照して、吸入容積最小時の膨張機構３の動作原理を説明する。
【００５９】
図５のステップＡ1に示すように、第１ピストン４６が反時計回りに回転し、吸入ポート４１ｐが開くと、第１吸入空間５５ａへの作動流体の吸入が始まる（吸入行程）。次に、図５のステップＢ1およびＣ1に示すように、第１ピストン４６が回転するにつれて、作動流体が第１吸入空間５５ａにさらに吸入される。図５のステップＤ1に示すように、第１ピストン４６がさらに回転して吸入ポート４１ｐが閉じると、第１吸入空間５５ａへの作動流体の吸入が完了する。
【００６０】
吸入行程が完了すると、第１吸入空間５５ａは第１吐出空間５５ｂへと移行する。図３Ａおよび図３Ｂを参照して説明したように、第１吐出空間５５ｂと第２吸入空間５６ａとは、貫通孔４３ａを介して連通している。図５のステップＡ1〜Ｃ1に示すように、第１吐出空間５５ｂを満たす作動流体は、第１ピストン４６の回転に伴って、貫通孔４３ａを通じて第２シリンダ４４の第２吸入空間５６ａへと移動する。シャフト５の回転に伴う第２吸入空間５６ａの容積増加量が第１吐出空間５５ｂの容積減少量を上回るので、作動流体は、第１吐出空間５５ｂ、貫通孔４３ａおよび第２吸入空間５６ａにおいて膨張する（膨張行程）。第１ピストン４６が貫通孔４３ａを完全に閉鎖すると、第２吸入空間５６ａへの作動流体の移動および膨張が完了する。
【００６１】
膨張行程が完了すると、図３Ｂを参照して説明したように、第２吸入空間５６ａは第２吐出空間５６ｂへと移行する。第２吐出空間５６ｂを満たす作動流体は、吐出ポート４５ｑを通じて外部に吐出され始める（吐出行程）。第２ピストン４７がさらに回転して吐出ポート４５ｑが閉じると、第２吐出空間５６ｂから外部への作動流体の吐出が終了する。以上の行程を繰り返すことによって、作動流体が膨張し、膨張エネルギーの回収が行われる。
【００６２】
次に、図６を参照して、図５よりも吸入容積が大きいときの膨張機構３の動作原理を説明する。
【００６３】
図６のステップＡ2に示すように、第１ピストン４６が反時計回りに回転し、吸入ポート４１ｐが開くと、第１吸入空間５５ａへの作動流体の吸入が始まる（吸入行程）。次に、図６のステップＢ2に示すように、第１ピストン４６がさらに回転すると、第１ベーン４８とストッパ６１とが干渉し、第１ベーン４８の動き（下降）が妨げられる。その結果、第１ベーン４８が第１ピストン４６から離れ、第１吸入空間５５ａから第１吐出空間５５ｂへの流路が形成され、高圧の作動流体が第１吐出空間５５ａから第１吐出空間５５ｂへと流れる。高圧の作動流体は、第１吐出空間５５ｂと連通している第２吸入空間５６ａにも流れ込む。つまり、膨張室で作動流体が膨張している最中に第１ベーン４８が第１ピストン４６から離れ、膨張室に膨張前の作動流体が注入される。
【００６４】
図６のステップＣ2に示すように、第１ピストン４６がさらに回転し、第１ベーン４８と第１ピストン４６とが再接触すると、第１ベーン４８によって第１吸入空間５５ａと第１吐出空間５５ｂとが再び分断され、第１吸入空間５５ａから第１吐出空間５５ｂへの作動流体の流れが禁止される。図６のステップＤ2に示すように、第１ピストン４６がさらに回転し、吸入ポート４１ｐが閉じると、第１吸入空間５５ａへの作動流体の吸入が完了する。吸入行程が完了すると、第１吸入空間５５ａは第１吐出空間５５ｂへと移行する。貫通孔４３ａを介して第１吐出空間５５ｂと第２吸入空間５６ａとが連通し、膨張行程が始まる。このようにして、図６のステップＡ2〜Ｄ2の動作を繰り返す。
【００６５】
図７Ａは、第１ベーンの先端の位置を示す、図５に対応したグラフである。縦軸は、第１ベーン４８の先端の位置を示している。第１ベーン４８の先端の位置は、シャフト５の回転軸から第１ベーン４８の先端までの距離に対応している。横軸は、第１ピストン４６が上死点を占有した瞬間を基準とした、シャフト５の回転角度を示している。具体的には、ｔ0＝０°、ｔ1＝１８０°、ｔ2＝３６０°およびｔ3＝５４０°である。なお、「上死点」とは、ベーンがベーン溝内に最も押し込まれた状態における、ピストンの位置を意味する。「下死点」とは、「上死点」の１８０°反対側における、ピストンの位置を意味する。
【００６６】
第１ピストン４６が上死点を占有する角度ｔ0およびｔ2において、第１ベーン４８の先端は、シャフト５の回転軸から最も遠い上限位置３０ａにある。第１ピストン４６が下死点を占有する角度ｔ1およびｔ3において、第１ベーン４８の先端の位置は、シャフト５の回転軸に最も近い下限位置３０ｂにある。第１ベーン４８の先端は、シャフト５の回転と同期して単振動する。
【００６７】
図７Ｂは、第１ベーンの先端の位置を示す、図６に対応したグラフである。角度ｔ0およびｔ2において、図５と同様に、第１ベーン４８の先端は上限位置３０ａにある。角度Ｔ1において、ストッパ６１によって第１ベーン４８の下降が妨げられると、第１ベーン４８の先端は、上限位置３０ａと下限位置３０ｂとの間の位置３０ｃを占有する。角度Ｔ2において、第１ベーン４８と第１ピストン４６とが再び接触すると、第１ベーン４８の先端は、上限位置３０ａに向かって変位し始める。第１ベーン４８の先端が位置３０ｃに停止している期間Ｐ2（＝Ｔ2−Ｔ1およびＴ4−Ｔ3）において、膨張室に作動流体が注入される。インジェクション量は、期間Ｐ2の長さ、言い換えれば、期間Ｐ1に対する期間Ｐ2の比率（Ｐ2／Ｐ1）に応じて増減する。期間Ｐ2の長さは、可変ベーン機構６０の圧力室６７ａ内の圧力に応じて変化する。
【００６８】
比率（Ｐ2／Ｐ1）の範囲は特に限定されないが、例えば０≦Ｐ2≦１８０（単位：deg）、かつ０≦（Ｐ2／Ｐ1）≦１である。つまり、第１ピストン４６が上死点を占有した瞬間のシャフト５の回転角度を０°として、期間Ｐ2が９０°〜２７０°の範囲内に収まるように、ストッパ６１の位置を調節すればよい。
【００６９】
以上に説明したように、可変ベーン機構６０を備えた膨張機構３によれば、第１吸入空間５５ａに作動流体を吸入するのと同時に、膨張室に作動流体を注入できる。そのため、シャフトが１回転する間に膨張機構３に吸入される作動流体の体積が変化しうる。さらに、絞り弁１０４の開度を調節することによって、インジェクション量を変えることが可能である。
【００７０】
（第２実施形態）
図８に本発明の第２実施形態にかかる冷凍サイクル装置を示す。本実施形態の冷凍サイクル装置２００Ｂは、圧力供給回路１１０に変えて、配管１０３ｃと可変ベーン機構６０とを接続する配管１１２を備えており、膨張機構３の吐出圧力を可変ベーン機構６０の圧力室７６ａに供給する点で第１実施形態と相違する。なお、以降の実施形態において、同一の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００７１】
冷凍サイクル装置２００Ｂによれば、膨張機構３の吐出圧力に応じてストッパ６１の位置が変化し、比率（Ｐ2／Ｐ1）が変化する。膨張機構３の吐出圧力が低ければ低いほどストッパ６１が上方に位置する。その結果、第１ピストン４６と第１ベーン４８とが離れている期間Ｐ2が長くなり、インジェクション量が増加する。逆に、膨張機構３の吐出圧力が高ければ高いほどストッパ６１が下方に位置する。その結果、第１ピストン４６と第１ベーン４８とが離れている期間Ｐ2が短くなり、インジェクション量が減少する。このように、膨張機構３の吐出圧力に応じてストッパ６１の位置が自動的に変化し、インジェクション量が自動的に増減するので、弁の開度調節等を行うことなく高効率な運転を行える。
【００７２】
（第３実施形態）
可変ベーン機構のアクチュエータは、流体圧アクチュエータに限定されない。図９は、可変ベーン機構のアクチュエータとして電動アクチュエータを用いた冷凍サイクル装置の構成図である。この冷凍サイクル装置２００Ｃは、膨張機一体型圧縮機１００Ｃを有する。膨張機一体型圧縮機１００Ｃの膨張機構３には、電動アクチュエータを含む可変ベーン機構６０Ｃが設けられている。可変ベーン機構６０Ｃの電動アクチュエータは、外部コントローラ７０に接続されている。外部コントローラによって電動アクチュエータの動作が制御されうる。冷凍サイクル装置２００Ｃによれば、図１を参照して説明した圧力供給回路１１０を省略できる利点がある。また、電動アクチュエータによれば、ストッパの位置決め精度を高めやすいので、インジェクション量の最適化が容易になる。
【００７３】
図１０Ａおよび１０Ｂに示すように、可変ベーン機構６０Ｃには、ストッパ６１０を移動させるためのアクチュエータとして、回転モータ７４が用いられている。回転モータ７４を駆動することによって、第１ベーン溝４２ａの長手方向に関するストッパ６１０の位置が変化するように、回転モータ７４とストッパ６１０とが連結されている。
【００７４】
具体的に、回転モータ７４には、外周面に雄ネジが切られた摺動棒７５が取り付けられている。第１シリンダ４２には、溝６８を介して第１ベーン溝４２ａと連通している溝７６が形成されている。溝７６の内周面には雌ネジが切られている。ネジ同士が噛み合う形で、溝７６に摺動棒７５が回転可能に配置されている。ストッパ６１０は、横断面がＴ字の形をしている部品によって構成されている。ストッパ６１０の先端が第１ベーン４８の凹部４８ｋに挿入されており、ストッパ６１０の他端が溝７６に収容されている。溝７６内において、ストッパ６１０の他端には、摺動棒７５の先端が回転可能に係合している。回転モータ７４を駆動すると摺動棒７５が回転しながら溝７６を前進または後退する。摺動棒７５に連れ動く形で、ストッパ６１０が第１ベーン溝４２ａの長手方向に平行な方向に動く。ストッパ６１０の役割および動きは、第１実施形態で説明したストッパ６１と基本的に同じである。
【００７５】
図１０Ａに示すように、回転モータ７４を正転させて摺動棒７５およびストッパ６１０を下方に押し下げると、ストッパ６１０と第１ベーン４８とが干渉しない。そのため、第１ベーン４８の可動範囲は制限されない。第１ベーン４８は最大ストロークＴmaxで自由に動作でき、第１ベーン４８と第１ピストン４６との接触状態が常に保たれる。
【００７６】
他方、図１０Ｂに示すように、回転モータ７４を逆転させて摺動棒７５およびストッパ６１０を上方に押し上げると、ストッパ６１０と第１ベーン４８とが干渉する。そのため、第１ベーン４８の可動範囲が制限され、第１ベーン４８が最下点まで移動できない。第１ベーン４８がストッパ６１０によって動きを拘束されている期間Ｐ2において、第１ベーン４８が第１ピストン４６から離れる。この間、高圧の作動流体で満たされた第１吸入空間５５ａから、中間圧の作動流体で満たされた第１吐出空間５５ｂ（膨張室）へと高圧の作動流体が直接流れ込む。
【００７７】
外部コントローラ７０（図９）で回転モータ７４の駆動制御を行うことによって、ストッパ６１０を動かすことができる。ストッパ６１０を動かすと、第１ベーン４８が第１ピストン４６から離れている期間Ｐ2が変化し、インジェクション量が変化する。ストッパ６１０を完全にロックできるので、インジェクション量をある一定値に保持しやすい。
【００７８】
なお、回転モータ７４に代えてリニアモータを用いてもよい。また、電動アクチュエータとしてソレノイドを用いてもよい。さらに、回転モータ７４は、サーボモータやステッピングモータであってもよい。これらのモータによれば、第１ベーン溝４２ａの長手方向に関するストッパ６１０の位置を正確に制御できる。また、簡便な位置決め素子を用いて摺動棒７５およびストッパ６１０の位置を検出し、検出結果に基づいて回転モータ７４の駆動を制御するようにしてもよい。例えば、リミットスイッチを摺動棒７５の長手方向に沿った一または複数の位置に設けるとともに、リミットスイッチの検出信号に基づいて回転モータ７４の駆動を制御しうる。
【００７９】
また、膨張機構４の吐出圧力または蒸発器１０２における作動流体の蒸発温度に基づいて、インジェクション量を制御しうる。圧縮機構２の吐出温度、圧縮機構２の吸入温度および膨張機構３の吸入温度からなる群より選ばれる少なくとも１つの温度に基づいて、インジェクション量を制御してもよい。このことは、他の実施形態にも共通である。
【００８０】
（第４実施形態）
図１１に示すように、本実施形態の冷凍サイクル装置４００Ａの基本構成は、図１を参照して説明した第１実施形態と同じである。冷凍サイクル装置４００Ａは、可変ベーン機構１３０を含む膨張機一体型圧縮機３００を備えている。本実施形態において、膨張機構３の体積流量を変化させる方法として、膨張室の閉じ込め容積を変化させる方法が採用されている。閉じ込め容積とは、作動流体が膨張し始める時点での膨張室の容積を意味する。すなわち、可変ベーン機構１３０は、膨張を開始する時点での膨張室の容積を変化させるための容積可変機構でありうる。
【００８１】
冷凍サイクル装置４００Ａは、さらに、可変ベーン機構１３０における弁の開度を調節するための圧力供給回路１１０を備えている。圧力供給回路１１０の構成は、図１を参照して説明した通りである。
【００８２】
図１２、１３Ａおよび１３Ｂに示すように、膨張機一体型圧縮機３００の構成は、膨張機構３に設けられた可変ベーン機構１３０を除き、図２を参照して説明した膨張機一体型圧縮機１００と基本的に同じである。
【００８３】
図１４Ａは、閉じ込め容積が最小となるように制御されたときの、可変ベーン機構を拡大して示している。図１４Ｂは、図１４Ａよりも閉じ込め容積が大きくなるように制御されたときの、可変ベーン機構を拡大して示している。本実施形態においても、シャフト５が１回転する期間において第１ベーン４８の先端が第１ピストン４６に接している期間をＰ1とし、第１ベーン４８の先端が第１ピストン４６から離れている期間をＰ2とする。期間Ｐ2では、第１吸入空間５５ａから第１吐出空間５５ｂへと作動流体が流通しうる。可変ベーン機構１３０は、期間Ｐ1に対する期間Ｐ2の比率（Ｐ2／Ｐ1）を調節しうるように、第１ベーン４８の動きを制御する。
【００８４】
本実施形態では、第１ピストン４６が上死点に達した時点を期間Ｐ2の始点として定めている。そのため、比率（Ｐ2／Ｐ1）に応じて、第１吐出空間５５ｂ、貫通孔４３ａおよび第２吸入空間５６ａによって形成された膨張室の閉じ込め容積が変化する。膨張室の閉じ込め容積が変化すると膨張機構３の吸入容積（体積流量）が変化するので、密度比一定の制約を回避できる。熱源温度（例えば外気温）に応じて比率（Ｐ2／Ｐ1）を調節することによって、動力回収効率を最適化できる。
【００８５】
本実施形態においても、期間Ｐ2＝０、つまり第１ベーン４８と第１ピストン４６とが常に接している場合に、閉じ込め容積が最小になる。もちろん、期間Ｐ2の最小値がゼロよりも大きくてもよい。
【００８６】
図１４Ａおよび１４Ｂに示すように、可変ベーン機構１３０は、オイルチャンバ１４２、第１オイル通路１４４、第２オイル通路１４６、第１弁１４８、第２弁１４９および圧力供給通路１４７を備えている。オイルチャンバ１４２は、第１ベーン溝４２ａにオイルを供給することおよび第１ベーン溝４２ａからオイルを受け取ることが可能となるように、第１ベーン溝４２ａに連通している。本実施形態では、第１ベーン溝４２ａの一部がオイルチャンバ１４２として利用されている。
【００８７】
本実施形態では、密閉容器１内の下側に膨張機構３が配置されており、膨張機構３の周囲がオイルで満たされている。第１オイル通路１４４がオイル貯まり２５に直接に開口している。そのため、第１オイル通路１４４にオイルを送り込むためのオイルポンプが不要である。
【００８８】
第１オイル通路１４４を通じて、オイル貯まり２５からオイルチャンバ１４２にオイルが供給されるとともに、オイルチャンバ１４２からオイル貯まり２５へとオイルが排出される。第１弁１４８は、第１オイル通路１４４の流通抵抗（流入抵抗および流出抵抗）を増減しうるように第１オイル通路１４４に設けられている開度調節可能な弁である。第１オイル通路１４４の流通抵抗を増減することによって、オイルチャンバ１４２へのオイルの流入速度を調節でき、第１ベーン４８の動きを制御できる。シャフト５の回転角度に応じて第１弁１４８の開度を調節する必要がないので、高精度な制御技術をほとんど必要とせず、信頼性も高い。
【００８９】
具体的に、第１弁１４８は、弁体１５１、ばね１５２および圧力室１５３を有する。弁体１５１およびばね１５２は、圧力室１５３に配置されている。弁体１５１の後端面に弾性力が加わるように、弁体１５１の後方にばね１５２が配置されている。圧力室１５３のばね１５２が配置されている部分には、弁体１５１の後端面に制御用流体の圧力が加えられるように圧力供給通路１４７が接続されている。弁体１５１の後端面には、制御用流体の圧力とばね１５２の弾性力とが加わる。圧力室１５３に供給された制御用流体の圧力に応じて、弁体１５１の位置が決定される。
【００９０】
弁体１５１の先端側において、弁体１５１の可動範囲が第１オイル通路１４４に重なっている。図１４Ａに示すように、弁体１５１が最も後退した位置を占有すると、第１オイル通路１４４の断面積が最大になる。図１４Ｂに示すように、弁体１５１が最も前進した位置を占有すると、第１オイル通路１４４の断面積が最小になる。第１オイル通路１４４の最小の断面積は、例えば、第１オイル通路１４４の最大の断面積の約半分である。このように、第１弁１４８は流量調節弁として構成されている。
【００９１】
第１弁１４８の圧力室１５３に供給するべき制御用流体として、冷凍サイクル装置４００Ａの作動流体が用いられている。作動流体を動力源として用いることによって、圧力室１５３から第１オイル通路１４４への作動流体の多少の漏れが許容される。そのため、厳重なシールは不要である。
【００９２】
図１２および１３Ａに示すように、本実施形態では、第１ベーン溝４２ａが軸受部材４２および中板４３によって閉じられている。そのため、オイルチャンバ１４２には、第１オイル通路１４４を通じてのみオイルが供給される。オイルチャンバ１４２からオイル貯まり２５へとオイルを排出するためのオイル通路として、第２オイル通路１４６が設けられている。第２オイル通路１４６は、第１オイル通路１４４とは別の経路でオイルチャンバ１４２とオイル貯まり２５とを連通している。第２オイル通路１４６には、第２弁１４９が設けられている。
【００９３】
第２弁１４９は、弁体１５５、ばね１５６および収容室１５７を有する。弁体１５５は、第２オイル通路１４６を閉じる位置と開放する位置とを占有可能である。収容室１５７にばね１５６が配置されている。弁体１５５がスムーズに動けるように、収納室１５７がオイル貯まり２５と連通していてもよい。オイルチャンバ１４２からオイル貯まり２５へとオイルが排出される際において、弁体１５５はオイルに押されて第２オイル通路１４６を開放する。逆に、オイル貯まり２５からオイルチャンバ１４２へとオイルが供給される際において、弁体１５５がばね１５６から弾性力を受け、第２オイル通路１４６を閉じる。このように、第２オイル通路１４６におけるオイルの流通方向が、第２弁１４９によって、実質的に、オイルチャンバ１４２からオイル貯まり２５へと向かう方向のみに制限されている。すなわち、第２弁１４９は方向制御弁として構成されている。「実質的…制限されている」とは、不可避的に生ずる僅かな流れまで完全に排除するものではないという趣旨である。
【００９４】
仮に、第２オイル通路１４６および第２弁１４９が省略されたとしても、比率（Ｐ2／Ｐ1）の調節は可能であり、可変ベーン機構１３０は正常に動作しうる。オイルチャンバ１４２からオイル貯まり２５へとオイルが排出される際には、第１ピストン４６によって第１ベーン４８が強く押される。そのため、第１オイル通路１４４の流出抵抗が多少高い場合であっても、オイルの排出に支障は出ない。ただし、高い流出抵抗が原因で圧力損失が増える。また、第１弁１４８の弁体１５１が左右に揺れ動くようになり、狙い通りの閉じ込め容積を設定するのが難しくなる。
【００９５】
これに対し、第２オイル通路１４６が設けられていると、第１オイル通路１４４および第２オイル通路１４６の両方を通じてオイルチャンバ１４２からオイル貯まり２５へのオイルの排出が行われる。特に、第２オイル通路１４６を通って比較的自由にオイル貯まり２５にオイルが排出されるので、動力回収効率の向上を期待できる。また、第２オイル通路１４６に方向制御弁としての第２弁１４９を設けることによって、第２オイル通路１４６を通じてオイル貯まり２５からオイルチャンバ１４２にオイルが供給されるのを防止できる。その結果、オイルチャンバ１４２へのオイルの供給速度を正確に制御できるようになり、閉じ込め容積を調節しやすくなる。
【００９６】
なお、オイルが自由に流通できることを条件として、第１ベーン溝４２ａから外れた位置にオイルチャンバが形成されていてもよい。例えば、第１ベーン溝４２ａの後方に連なるようにオイルチャンバが形成されていてもよい。また、第１弁１４８は、第１オイル通路１４４の端部に設けられていてもよい。第２弁１４９は、第２オイル通路１４６の端部に設けられていてもよい。
【００９７】
図１４Ａに示す動作モード（第１モード）では、圧力室１５３が低圧の作動流体で満たされ、第１弁１４８が全開となる。第１弁１４８が全開のとき、第１オイル通路１４４の流通抵抗が小さいので、オイル貯まり２５からオイルチャンバ１４２にオイルがスムーズに供給されうる。そのため、第１ベーン４８と第１ピストン４６との接触を保つのに十分な荷重が第１ベーン４８の後端面に継続的に加わる。第１ベーン４８が第１ピストン４６に追従でき、第１ベーン４８と第１ピストン４６との接触状態が常時保たれる。
【００９８】
他方、図１４Ｂに示す動作モード（第２モード）では、圧力室１５３が高圧または中間圧の作動流体で満たされ、第１弁１４８の開度が小さくなる。具体的には、圧力室１５３を満たす作動流体およびばね１５２から弁体１５１が受ける力と、弁体１５１が第１オイル通路１４４のオイルから受ける力とが釣り合う位置に弁体１５１が移動する。すると、第１オイル通路１４４の断面積が第１モード（図１４Ａ）のときよりも小さくなる。第１オイル通路１４４の断面積が小さくなると、オイルチャンバ１４２へのオイルの急速な流入が妨げられる。すると、オイルチャンバ１４２へのオイルの流入が第１ベーン４８の下降速度に追いつけず、第１ピストン４６が上死点を占有した瞬間から所定期間Ｐ2が経過するまでの間において、第１ベーン４８が第１ピストン４６から離れる。この間、第１吸入空間５５ａから第１吐出空間５５ｂに高圧の作動流体が流入し続ける。期間Ｐ2の経過後、第１ベーン４８が第１ピストン４６に再接触した瞬間に、第１吐出空間５５ｂ、貫通孔４３ａおよび第２吸入空間５６ａによって膨張室が形成され、作動流体が膨張し始める。
【００９９】
圧力室１５３内の圧力を変化させると、弁体１５１の位置が変化し、オイルチャンバ１４２へのオイルの流入速度が変わる。これに伴って期間Ｐ2の長さが変化する。圧力室１５３内の圧力が高ければ高いほど第１弁１４８の開度が小さくなる、言い換えれば、第１オイル通路１４４の断面積が小さくなるので、オイルチャンバ１４２にオイルが流入しにくくなる。すると、第１ベーン４８が第１ピストン４６に接している期間Ｐ1が次第に短くなる一方で、期間Ｐ2が次第に長くなり、膨張室の閉じ込め容積が大きくなる。このように、圧力室１５３内の圧力を調節することによって、閉じ込め容積を調節できる、言い換えれば、膨張機構３の吸入容積を自由に調節できる。
【０１００】
圧力調節回路１１０の配管１０５が可変ベーン機構１３０の圧力供給通路１４７に接続されているので、圧力室１５３内の圧力を圧力調節回路１１０の絞り弁１０４によって調節できる。つまり、絞り弁１０４の開度を調節することによって、第１弁１４８の開度を制御できる。絞り弁１０４の開度を大きくすると、圧力室１５３内の圧力が高まり、第１弁１４８の開度が小さくなる。これにより、閉じ込め容積が大きくなる。絞り弁１０４の開度を小さくすると、圧力室１５３内の圧力が低くなり、第１弁１４８の開度が大きくなる。これにより、閉じ込め容積が小さくなる。
【０１０１】
第１実施形態と同様に、絞り弁１０４の開度を調節することによって、圧力室１５３内の圧力が冷凍サイクルの高圧と低圧との間で変化しうる。
【０１０２】
次に、膨張機構３の動作原理を説明する。図１５のステップＡ3〜Ｄ3に示すように、閉じ込め容積最小時において、膨張機構３は、図５を参照して第１実施形態で説明したのと同じ原理で動作する。
【０１０３】
次に、図１６を参照して、図１５よりも閉じ込め容積が大きいときの膨張機構３の動作原理を説明する。
【０１０４】
まず、図１６のステップＡ4は、第１ピストン４６が３６０°回転して、第１吸入空間５５ａが高圧の作動流体で満たされた状態を示している。次に、図１６のステップＢ4に示すように、第１ピストン４６が反時計回りに回転すると、第１ピストン４６が第１ベーン４８から離れる。第１ピストン４６が上死点を占有した瞬間から、第１ベーン４８の動きが可変ベーン機構１３０によって拘束されるためである。第１ピストン４６が第１ベーン４８から離れると、第１吸入空間５５ａから第１吐出空間５５ｂへの流路が形成され、高圧の作動流体が第１吐出空間５５ａから第１吐出空間５５ｂへと直接流れ込む。高圧の作動流体は、第１吐出空間５５ｂと連通している第２吸入空間５６ａにも流れ込む。つまり、第１ピストン４６が第１ベーン４８から離れている期間Ｐ2において作動流体は膨張せず、吸入行程が継続する。
【０１０５】
次に、図１６のステップＣ4に示すように、第１ピストン４６がさらに回転し、第１ピストン４６が下死点付近に達すると、第１ベーン４８が第１ピストン４６に追いつき、第１ベーン４８と第１ピストン４６とが再接触する。第１ベーン４８によって第１吸入空間５５ａと第１吐出空間５５ｂとが分断され、第１吸入空間５５ａから第１吐出空間５５ｂへの作動流体の流れが遮断される。第１ベーン４８と第１ピストン４６とが再接触した時点から、作動流体が膨張し始める。
【０１０６】
図１６のステップＤ4に示すように、第１ピストン４６がさらに回転すると、第１吐出空間５５ｂの容積が次第に減少し、作動流体が膨張しながら第２吸入空間５６ａに移動する。このようにして、図６のステップＡ4〜Ｄ4の動作を繰り返す。
【０１０７】
図１７Ａ、１７Ｂおよび１７Ｃは、それぞれ、第１ベーンの先端の位置、膨張機構に吸入された作動流体の圧力、作動室の容積を示すグラフである。各図の横軸は、第１ピストン４６が上死点を占有した瞬間を基準角度（＝０°）と定義したときのシャフト５の回転角度を示している。
【０１０８】
図１７Ａの縦軸に示された第１ベーン４８の先端の位置は、シャフト５の回転軸から第１ベーン４８の先端までの距離に対応している。実線は、第１モードでの第１ベーン４８の先端の位置を示している。破線は、第２モードでの第１ベーン４８の先端の位置を示している。第２モードでは、０°および３６０°（上死点）で第１ベーン４８が第１ピストン４６から離れ、１８０°および５４０°（下死点）よりも少し前の角度θ1およびθ2で第１ベーン４８が第１ピストン４６に再接触している。
【０１０９】
図１７Ｂも実線が第１モード、破線が第２モードにそれぞれ対応している。第１モード（実線）において、基準角度で膨張機構に吸入され始めた作動流体は、３６０°から７２０°の範囲で膨張する。他方、第２モード（破線）では、３６０°よりも進んだ角度θ2から７２０°の範囲で作動流体が膨張する。
【０１１０】
図１７Ｃの縦軸に示された作動室の容積は、０°から３６０°の範囲が第１吸入空間５５ａの容積に対応しており、３６０°から７２０°の範囲が第１吐出空間５５ｂと第２吸入空間５６ａとの合計容積に対応している。第１モードでは、３６０°で吸入行程が終了し、３６０°から７２０°の範囲で膨張行程が行われる。他方、第２モードでは、３６０°よりも進んだ角度θ2から７２０°の範囲で膨張行程が行われる。第２モードにおける膨張行程開始時の第１吐出空間５５ｂと第２吸入空間５６ａとの合計容積Ｖ2（閉じ込め容積）は、第１モードにおける同合計容積Ｖ1（閉じ込め容積）よりも大きい。
【０１１１】
第１モードと第２モードとの間の吸入容積の差ΔＶは、吸入行程、膨張行程および吐出行程で構成される１サイクルあたり、（Ｖ2−Ｖ1）で表される。この容積差ΔＶは、期間Ｐ2の長さ（言い換えれば比率（Ｐ2／Ｐ1））に応じて増減する。期間Ｐ2の長さは、可変ベーン機構１３０の圧力室１５３内の圧力に応じて変化する。比率（Ｐ2／Ｐ1）の範囲は特に限定されないが、例えば０≦（Ｐ2／Ｐ1）≦１である。つまり、第１ピストン４６が上死点を占有した瞬間のシャフト５の回転角度を０°として、期間Ｐ2が０°〜１８０°の範囲内にあるとよい。なお、本実施形態では、第１ピストン４６が上死点を占有した瞬間が期間Ｐ2の開始時点である。
【０１１２】
以上に説明したように、可変ベーン機構１３０を備えた膨張機構３によれば、膨張室の閉じ込め容積が可変である。そのため、シャフトが１回転する間に膨張機構３の吸入される作動流体の体積が変化しうる。
【０１１３】
（第４実施形態の変形例）
図１８は、第４実施形態の変形例を示す横断面図である。本変形例によると、可変ベーン機構１３０が、第２モードにおける第１ベーン４８の下降（シャフト５の回転軸に接近する方向への移動）を補助するための加速ポート１５９をさらに備えている。加速ポート１５９の一端は、第１ベーン溝４２ａの長手方向に沿った所定位置において、第１ベーン溝４２ａに向かって開口している。加速ポート１５９の他端は、オイル貯まり２５に向かって開口している。第１ベーン４８がオイルおよび第１ばね５０から受ける荷重によって第１ベーン溝４２ａから押し出される過程において、第１ベーン４８の後端面が加速ポート１５９の一端の位置を通過すると、加速ポート１５９を通じてオイル貯まり２５から第１ベーン溝４２ａにオイルが流れ込めるようになる。
【０１１４】
つまり、加速ポート１５９によれば、第１オイル通路１４４（図１４Ａ参照）の断面積を小さく設定した場合であっても、第１ベーン溝４２ａからの第１ベーン４８の突出量がある程度大きくなると、第１ベーン溝４２ａの後部（オイルチャンバ１４２）へのオイルの流入抵抗が急激に減る。すると、第１ベーン４８が第１ピストン４６に向かって強く押し出され、第１ピストン４６に速やかに再接触する。
【０１１５】
例えば、第１ベーン溝４２ａの後部（オイルチャンバ１４２）へのオイルの流入抵抗が非常に大きい場合には、第１ピストン４６が下死点に達しても第１ベーン４８が第１ピストン４６から離れた状態が継続することも考えられる。簡単に言えば、期間Ｐ2が１８０°を超えて継続する可能がある。これに対し、加速ポート１５９を設けると、第１ピストン４６が下死点に達する以前に第１ベーン４８と第１ピストン４６とを確実に再接触させることが可能となる。その結果として、十分な膨張比を確保できるので、動力回収効率の向上を期待できる。
【０１１６】
（第５実施形態）
図１９は、第１ベーンの動きを電気的な方法で制御するための可変ベーン機構が用いられた冷凍サイクル装置の構成図である。この冷凍サイクル装置４００Ｂは、膨張機一体型圧縮機３００Ｂを有する。膨張機一体型圧縮機３００Ｂの膨張機構３には、外部コントローラ１７０に接続された可変ベーン機構１３０Ｂ（，１３０Ｃ，１３０Ｄまたは１３０Ｅ）が設けられている。外部コントローラ１７０によって可変ベーン機構１３０Ｂの動作が制御される。冷凍サイクル装置４００Ｂによれば、図１１に示す圧力供給回路１１０を省略できる利点がある。また、可変ベーン機構１３０Ｂは、第１ベーン４８の動きを電気的な方法で制御するものであるから、閉じ込め容積の最適化が容易になる。
【０１１７】
第１ベーン４８の動きを電気的な方法で制御するための可変ベーン機構１３０Ｂ〜１３０Ｅについて以下に説明する。なお、本実施形態では、第１ベーン溝４２ａの後部（第１ばね５０が配置されている部分）がオイル貯まり２５に開口しており、この第１ベーン溝４２ａの後部にオイル貯まり２５からオイルが自由に流れ込める。
【０１１８】
図２０に示す可変ベーン機構１３０Ｂは、コイル１７４および鉄心１７２を有する電磁石によって構成されている。コイル１７４は、第１ベーン４８に電磁気力を及ぼすことによって第１ベーン４８が第１ピストン４６に追従して動くのを妨げる。すなわち、コイル１７４を励磁すると、鉄心１７２が磁石として働いて第１ベーン４８を引き付ける。これにより、第１ベーン４８が第１ピストン４６に追従して動くのを妨げることができる。第１ベーン４８は、典型的には、鋳鉄や炭素鋼などの磁石に引き付けられる鉄系金属でできているため、電磁石によって第１ベーン４８を拘束できる。
【０１１９】
コイル１７４は、第１ベーン溝４２ａの後方に配置されている。鉄心１７２はコイル１７４を貫通しており、その先端部が第１ベーン溝４２ａ内に突出している。第１ベーン４８が第１ベーン溝４２ａに最も押し込まれたときに第１ベーン４８が鉄心１７２に接触するように、第１ベーン溝４２ａの長手方向に関する鉄心１７２の長さが定められている。コイル１７２を励磁するタイミングを外部コントローラ１７０（図１９参照）によって制御できる。第１ピストン４６が上死点に達する直前にコイル１７２への給電を開始する。給電開始タイミングおよび給電終了タイミングを制御することによって、第１ベーン４８が第１ピストン４６から離れている期間Ｐ2の長さ、言い換えれば、膨張機構３の閉じ込め容積を調節できる。
【０１２０】
図２１に示す可変ベーン機構１３０Ｃは、第１ベーン４８の周囲に配置されたコイル１７６によって構成されている。コイル１７６を励磁すると、第１ベーン４８には、コイル１７６内に引き込まれる方向の力が作用する。つまり、第１ベーン４８自身がソレノイドのプランジャとして振舞っている。図２０に示す例と同様に、外部コントローラ１７０によってコイル１７６を励磁するタイミングを制御でき、これにより、膨張機構３の閉じ込め容積を調節できる。コイル１７６が第１ベーン４８の周囲に配置されているので、スペースが不足する問題も生じにくい。
【０１２１】
なお、第４実施形態では、第１ベーン４８の動きが上死点付近で鈍くなるだけであるが、図２０および２１に示す例では、上死点付近で第１ベーン４８をロック（一時停止）しうる。第１ベーン４８を瞬間的にロックすると、流入断面積（第１ピストン４６と第１ベーン４８との隙間の広さ）が大きくなるので、圧力損失を低減できる。
【０１２２】
図２２に示す可変ベーン機構１３０Ｄは、第１ベーン溝４２ａと第１ベーン４８との間の摺動摩擦が増えるように第１ベーン４８に荷重をかけるための電動アクチュエータによって構成されている。具体的には、コイル１８１およびプランジャ１８５を有するソレノイドによって可変ベーン機構１３０Ｄが構成されている。
【０１２３】
第１シリンダ４２には、第１ベーン溝４２ａの長手方向に略直角に延びるように、溝１８３が形成されている。この溝１８３にプランジャ１８５が配置されている。プランジャ１８５を取り囲むようにコイル１８１が配置されている。プランジャ１８５の先端は、第１ベーン４８の側面に対向している。プランジャ１８５が第１ベーン４８に干渉しない位置に退避している状態では、第１ベーン４８の動きが可変ベーン機構１３０Ｄによって妨げられることはない（第１モード）。他方、プランジャ１８５が溝１８３から押し出されるようにコイル１８１を励磁すると、プランジャ１８５の先端が第１ベーン４８に直角に当たる。これにより、第１ベーン溝４２ａの内壁に向かう方向の荷重が第１ベーン４８の側面に加わり、第１ベーン４８が第１ベーン溝４２ａの長手方向に沿って動きにくくなる。
【０１２４】
図２３に示す可変ベーン機構１３０Ｅは、第１ベーン４８に横から荷重をかけるための電動アクチュエータによって構成されている点で図２２を参照して説明した可変ベーン機構１３０Ｄと共通である。具体的に、可変ベーン機構１３０Ｅは、圧電素子１８６およびその圧電素子１８６に結び付けられたプランジャ１８４を有する圧電アクチュエータによって構成されている。
【０１２５】
第１シリンダ４２には、長手方向に関する第１ベーン溝４２ａの中間部分に連通するように、溝１８２が形成されている。プランジャ１８４の先端が第１ベーン４８に対向するように、溝１８２にプランジャ１８４および圧電素子１８６が配置されている。プランジャ１８４の後端は、圧電素子１８６に固定されている。圧電素子１８６の変位がプランジャ１８４に伝わるように圧電素子１８６とプランジャ１８４とが組み合わされている。コイルが圧電素子に代わった点を除き、プランジャ１８４の作用は図２２を参照して説明した通りである。
【０１２６】
図２２および２３に示す例では、可変ベーン機構１３０Ｄ，１３０Ｅが第１シリンダ４２に内蔵されている。ただし、可変ベーン機構１３０Ｄ，１３０Ｅは軸受部材４１または中板４３に内蔵されていてもよいし、軸受部材４１、第１シリンダ４２および中板４３にまたがって設けられていてもよい。
【０１２７】
図２０〜２３に示す各可変ベーン機構には、適切なタイミングで電流が供給される。具体的には、シャフト５の回転角度に基づいて、コイルまたは圧電素子への給電が制御される。シャフト５の回転角度を検出するために、図２４に示すように、シャフト５とともに回転する回転子１９１と、回転子１９１の通過を検出しうる位置センサ１９３とが設けられていてもよい。例えば、シャフト５の偏心部５ｃの偏心方向と１８０°反対側に（または偏心方向に一致するように）回転子１９１を配置する。さらに、第１ピストン４６の下死点に対応する位置に位置センサ１９３を配置する。
【０１２８】
上記のような構成によれば、図２５に示すように、第１ピストン４６が上死点（または下死点）に達したときに、位置センサ１９３から外部コントローラ１７０に対してセンサ信号が送られる。外部コントローラ１７０は、位置センサ１９３からセンサ信号を取得することに応じて、コイルまたは圧電素子への給電を正確に行える。給電は、第１ピストン４６が上死点（＝０°）に達するのに若干先立って行ってもよい。そのようにすれば、第１ベーン４８の動きを確実に止める、または鈍らせることができる。所望の閉じ込め容積が得られるように、給電期間Δθを制御すればよい。
【０１２９】
なお、シャフト５の回転角度（基準位置）を検出するためのセンサは、膨張機構３以外の場所、例えば、圧縮機構２に設けられていてもよい。
【０１３０】
（第６実施形態）
本発明は、単体の２段ロータリ膨張機にも適用できる。図２６は、そのような２段ロータリ膨張機を用いた動力回収式の冷凍サイクル装置４００Ｃを示している。冷凍サイクル装置４００Ｃは、圧縮機１２３、放熱器１０１、膨張機１２０および蒸発器１０２を備えている。膨張機１２０として、先に説明した各膨張機一体型圧縮機から圧縮機構２を省略した構成を有する２段ロータリ膨張機を用いることができる。作動流体の膨張エネルギーは、膨張機１２０の発電機１２１によって電気エネルギーに変換され、得られた電気エネルギーが圧縮機１２３のモータ１２４に供給される。
【０１３１】
圧縮機１２３の回転数はモータ１２４によって制御でき、膨張機１２０の回転数は発電機１２１によって制御できる。そのため、この冷凍サイクル装置４００Ｃには、密度比一定の制約が本質的に存在しない。ただし、可変ベーン機構を備えた２段ロータリ膨張機を採用することによって、以下の効果が得られる。
【０１３２】
図２７に、一般的な発電機の効率曲線を示す。発電機は、所定の定格回転数Ｎｒ（例えば６０Ｈｚ）で発電効率が最も高くなるように設計されている。そのため、回転数が定格回転数から離れるほど発電効率が低下する。つまり、発電機の回転数は、インバータで制御可能であったとしても、できるだけ定格回転数Ｎｒの近傍とすることが望ましい。しかし、冷凍サイクル装置では、作動流体の循環量や密度が変化するため、従来の膨張機では定格回転数Ｎｒの近傍だけで運転することが困難である。これに対し、可変ベーン機構を備えた２段ロータリ膨張機を用いれば、定格回転数Ｎｒを維持しつつ密度比を変化させることができるため、より高効率な動力回収を望める。
【産業上の利用可能性】
【０１３３】
本発明は、空調機や給湯機に用いられる冷凍サイクル装置に好適に採用できる。ただし、本発明の適用対象はこれに限定されず、ランキンサイクル装置等の他の装置に広く適用できる。
【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】
第１シリンダと、
前記第１シリンダ内に回転可能に配置された第１ピストンと、
前記第１シリンダに対して同心状に配置された第２シリンダと、
前記第２シリンダ内に回転可能に配置された第２ピストンと、
前記第１ピストンおよび前記第２ピストンが取り付けられたシャフトと、
前記第１シリンダに形成された第１ベーン溝に摺動可能に設けられ、前記第１シリンダと前記第１ピストンとの間の空間を第１吸入空間と第１吐出空間とに仕切るための第１ベーンと、
前記第２シリンダに形成された第２ベーン溝に摺動可能に設けられ、前記第２シリンダと前記第２ピストンとの間の空間を第２吸入空間と第２吐出空間とに仕切るための第２ベーンと、
前記第１吐出空間と前記第２吸入空間とを連通することによって１つの膨張室を形成するための貫通孔を有するとともに、前記第１シリンダと前記第２シリンダとを隔てている中板と、
前記シャフトが１回転する期間において前記第１ベーンが前記第１ピストンに接している期間をＰ1、前記第１ベーンが前記第１ピストンから離れている期間をＰ2としたとき、前記期間Ｐ1に対する前記期間Ｐ2の比率（Ｐ2／Ｐ1）を調節しうるように、前記第１ベーンの動きを制御するための可変ベーン機構と、
を備えた、２段ロータリ膨張機。
【請求項２】
前記膨張室で作動流体が膨張している最中に前記第１ベーンが前記第１ピストンから離れ、前記膨張室に膨張前の作動流体が注入される、請求項１に記載の２段ロータリ膨張機。
【請求項３】
前記可変ベーン機構が、
前記第１ベーンの可動範囲を制限するためのストッパと、
前記第１ベーンの可動範囲が長くなる位置から短くなる位置へと前記ストッパを移動させる、またはその逆方向に前記ストッパを移動させるためのアクチュエータと、
を含む、請求項１または２に記載の２段ロータリ膨張機。
【請求項４】
前記アクチュエータが流体圧アクチュエータであり、
前記流体圧アクチュエータが、
前記ストッパと連動する部分を含み、前記第１ベーン溝の長手方向に関する前記ストッパの位置を流体の圧力に基づいて規定している本体部と、
前記本体部が配置された圧力室と、
前記流体を前記圧力室に供給するための通路と、
を含む、請求項３に記載の２段ロータリ膨張機。
【請求項５】
前記本体部が、前記圧力室を仕切るように前記圧力室に摺動可能に配置されたスライダと、前記スライダによって仕切られた前記圧力室の一方の部分に設けられたばねとを含み、
前記スライダに前記ストッパが一体化または連結されており、
前記スライダによって仕切られた前記圧力室の他方の部分に前記通路が接続され、
前記通路を通じて供給された前記流体から前記スライダが受ける力と、前記ばねから前記スライダが受ける力とに基づいて、前記第１ベーン溝の長手方向に関する前記ストッパの位置が決定される、請求項４に記載の２段ロータリ膨張機。
【請求項６】
前記第１ベーンが、前記ストッパを受け入れるための凹部を有し、
前記流体圧アクチュエータの前記圧力室が、前記第１ベーン溝に隣接して形成されており、
前記圧力室から前記第１ベーン溝に向かって延びるように、前記ストッパの一端が前記スライダに固定され、前記ストッパの他端が前記凹部に挿入されている、請求項４または５に記載の２段ロータリ膨張機。
【請求項７】
前記アクチュエータが電動アクチュエータであり、
前記電動アクチュエータを駆動することによって、前記第１ベーン溝の長手方向に関する前記ストッパの位置が変化するように、前記電動アクチュエータと前記ストッパとが連結されている、請求項３に記載の２段ロータリ膨張機。
【請求項８】
前記第１ピストンが上死点に達した時点を前記期間Ｐ2の始点としたとき、
前記可変ベーン機構は、前記比率（Ｐ2／Ｐ1）を変化させることによって前記膨張室の閉じ込め容積を調節しうるように、前記第１ベーンの動きを制御する、請求項１に記載の２段ロータリ膨張機。
【請求項９】
前記可変ベーン機構は、前記第１ベーンが前記第１ピストンに追従して動くのを妨げるように構成されている、請求項８に記載の２段ロータリ膨張機。
【請求項１０】
前記２段ロータリ膨張機が、潤滑用のオイルを貯めるためのオイル貯まりをさらに備え、
前記可変ベーン機構が、
前記第１ベーン溝にオイルを供給することおよび前記第１ベーン溝からオイルを受け取ることが可能となるように、前記第１ベーン溝に連通しているオイルチャンバと、
前記オイル貯まりから前記オイルチャンバにオイルを供給するため、および前記オイルチャンバから前記オイル貯まりへとオイルを排出するためのオイル通路と、
前記オイル通路の流通抵抗を増減しうるように前記オイル通路に設けられた開度調節可能な弁と、
を含む、請求項８または９に記載の２段ロータリ膨張機。
【請求項１１】
前記オイル通路が、前記開度調節可能な弁が設けられた第１オイル通路と、前記第１オイル通路とは別の経路で前記オイルチャンバと前記オイル貯まりとを連通している第２オイル通路とを含み、
前記可変ベーン機構が、さらに、前記第２オイル通路に設けられた第２弁を含み、
前記第２オイル通路におけるオイルの流通方向が、前記第２弁によって、実質的に、前記オイルチャンバから前記オイル貯まりへと向かう方向のみに制限されている、請求項１０に記載の２段ロータリ膨張機。
【請求項１２】
前記可変ベーン機構が、前記第１ベーンに電磁気力を及ぼすことによって前記第１ベーンが前記第１ピストンに追従して動くのを妨げるためのコイルを含み、
前記コイルに電流を流すタイミングを外部から制御可能である、請求項８または９に記載の２段ロータリ膨張機。
【請求項１３】
前記可変ベーン機構が、前記第１ベーン溝と前記第１ベーンとの間の摺動摩擦が増えるように前記第１ベーンに荷重をかけるための電動アクチュエータを含み、
前記電動アクチュエータの駆動制御を外部から行うことが可能である、請求項８または９に記載の２段ロータリ膨張機。
【請求項１４】
前記電動アクチュエータが、コイルおよびプランジャを有するソレノイド、または、圧電素子および前記圧電素子に結び付けられたプランジャを有する圧電アクチュエータである、請求項１３に記載の２段ロータリ膨張機。
【請求項１５】
前記シャフトの回転角度に基づいて、前記コイルまたは前記圧電素子への給電が制御される、請求項１２または１４に記載の２段ロータリ膨張機。
【請求項１６】
作動流体を圧縮するための圧縮機構と、
作動流体を膨張させるための膨張機構と、
前記圧縮機構と前記膨張機構とを連結しているシャフトとを含み、
前記膨張機構が請求項１〜１５のいずれか１項に記載の２段ロータリ膨張機によって構成されている、膨張機一体型圧縮機。
【請求項１７】
請求項１６に記載の膨張機一体型圧縮機と、
前記膨張機一体型圧縮機の前記圧縮機構で圧縮された作動流体を冷却するための放熱器と、
前記膨張機一体型圧縮機の前記膨張機構で膨張した作動流体を蒸発させるための蒸発器と、
を備えた、冷凍サイクル装置。
【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３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
2009141993.tif 000044
【図４Ｂ】
2009141993.tif 000045
【図５】
2009141993.tif 000046
【図６】
2009141993.tif 000047
【図７Ａ】
2009141993.tif 000048
【図７Ｂ】
2009141993.tif 000049
【図８】
2009141993.tif 000050
【図９】
2009141993.tif 000051
【図１０Ａ】
2009141993.tif 000052
【図１０Ｂ】
2009141993.tif 000053
【図１１】
2009141993.tif 000054
【図１２】
2009141993.tif 000055
【図１３Ａ】
2009141993.tif 000056
【図１３Ｂ】
2009141993.tif 000057
【図１４Ａ】
2009141993.tif 000058
【図１４Ｂ】
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【図１５】
2009141993.tif 000060
【図１６】
2009141993.tif 000061
【図１７Ａ】
2009141993.tif 000062
【図１７Ｂ】
2009141993.tif 000063
【図１７Ｃ】
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【図１８】
2009141993.tif 000065
【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【国際調査報告】
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