(57)【要約】  均油管と均圧管の設置や、高さ等の設置制約が生じること無く、更にバランスウェイトによる攪拌損失無く、油分離器から供給される高圧の油を用いた各軸受部への給油が可能な回転式の膨張機等を提供する。  容器（４）内が、容器（４）を貫通する給油孔（４ｃ）を介して油分離器（２６）から高圧の油が供給される第１空間（４ａ）と、第１空間（４ａ）よりも低圧雰囲気となる第２空間（４ｂ）とに分割されると共に、第２空間（４ｂ）に、軸（７８）に支持されて軸（７８）と一体に回転するバランスウェイト（７９ａ、７９ｂ）を配置し、軸（７８）は、軸（７８）を軸方向に貫通し、一端が第１空間（４ａ）に開口し、他端が第２空間（４ｂ）に開口する油孔（７８ａ）と、油孔（７８ａ）から軸（７８）の半径方向に貫通して各軸受部（５１ｃ、５２ｄ、６１ｃ）に連通する各軸受給油孔（７８ｄ）とを有し、第１空間（４ａ）内の油が油孔（７８ａ）の一端から軸受給油孔（７８ｄ）を介して各軸受部（５１ｃ、５２ｄ、６１ｃ）に差圧給油される。
2012029203.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を膨張させて動力を回収する膨張機構と、  前記膨張機構に軸を介して連結され、前記膨張機構で回収された動力により冷媒を圧縮する圧縮機構と、  前記膨張機構と前記圧縮機構とを収容する容器とを備え、  前記容器内は、前記容器を貫通する給油孔を介して油分離器から高圧の油が供給される第１空間と、前記第１空間よりも低圧雰囲気となる第２空間とに分割されると共に、前記第２空間に、前記軸に支持されて前記軸と一体に回転するバランスウェイトを配置し、  前記軸は、前記軸を軸方向に貫通し、一端が前記第１空間に開口し、他端が前記第２空間に開口する給油通路と、前記給油通路から前記軸の半径方向に貫通し、前記膨張機構および前記圧縮機構のそれぞれの前記軸に対する各軸受部に連通する各軸受給油孔とを有し、  前記第１空間内の油が前記給油通路の前記一端から前記軸受給油孔を介して前記各軸受部に差圧給油されることを特徴とする膨張機。
【請求項２】
冷媒を圧縮する主圧縮機構と、  前記主圧縮機構を通過した冷媒と前記冷媒に含まれている油とを分離する油分離器と、  前記主圧縮機構を通過した冷媒を冷却する放熱器と、  前記放熱器を通過した冷媒を膨張させるための膨張機と、  膨張機により膨張した冷媒を蒸発させるための蒸発器とを備え、  これらが順次配管で接続されて冷媒が循環するように構成され、  前記膨張機を請求項１記載の膨張機構で構成すると共に、前記蒸発器から前記主圧縮機構に向かう冷媒の一部を、前記膨張機の前記圧縮機構に供給して圧縮した後、前記主圧縮機構の圧縮途中に供給するようにし、  前記油分離器にて分離した油を、前記主圧縮機構と前記蒸発器との間の配管に戻す主油戻し管と、前記油分離器にて分離した油を、前記容器の前記給油孔に送るサブ油戻し管とを有することを特徴とする冷凍サイクル装置。
【請求項３】
前記主油戻し管は可変絞りを有することを特徴とする請求項２記載の冷凍サイクル装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  この発明は、膨張過程から動力を回収する膨張機とその膨張機を備えた冷凍サイクル装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  冷凍・空調用途の冷凍サイクル装置において、サイクルＣ．Ｏ．Ｐ．（Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  Ｏｆ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）向上手段として、膨張過程から動力を回収する膨張機が用いられている。動力回収を行う膨張機としては、例えば、冷媒を膨張させる膨張機構と、膨張機構に同軸で連結され、膨張機構にて回収された動力により駆動されるサブ圧縮機構とを容器内に収容した回転式の膨張機がある。この種の膨張機を冷凍サイクルに用いた場合、軸受部や摺動部などの潤滑が必要な部分を有する機器がサイクル中で圧縮機と膨張機の二つになる。したがって、圧縮機だけでなく膨張機構にも給油する必要があり、圧縮機と膨張機の各々で油が枯渇しないように配慮する必要がある。そこで、従来より、膨張機と圧縮機のそれぞれの容器を均圧管で接続すると共に、それぞれの容器の底部に設けた油溜まり同士を均油管で接続し、膨張機と圧縮機の間で油面位置が等しくなるように油面をコントロールするようにした冷凍サイクル装置がある（例えば、特許文献１参照）。【０００３】  また、その他の冷凍サイクル装置として、例えば、高圧側に油分離器を設け、油分離器により分離した高圧の油を、直接、差圧により膨張機の膨張機構と圧縮機構の両方に給油するようにした冷凍サイクル装置がある（例えば、特許文献２参照）。この冷凍サイクル装置では、転がり軸受けを用いた斜板式の膨張機を採用している。【０００４】  また、動力回収を行う回転式の膨張機では、膨張機構とサブ圧縮機構とを連結する軸の一端と他端にそれぞれバランスウェイトを配置し、膨張機構及び圧縮機構をそれぞれ独立して静的且つ動的にバランスさせるようにしている（例えば、特許文献３参照）。また、この種の動力回収を行う膨張機では、膨張機構とサブ圧縮機構とが同軸に一体に構成されているため、両者の回転数を一致させるべく、膨張機構を通過する体積流量の調整が必要である。そこで、特許文献３の冷凍サイクル装置では、膨張機構をバイパスさせて膨張機構入口側の流量を減らしたり、膨張機構に流入させる前に予膨張を行って膨張機構入口の比容積を増やしたりして調整を行うようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２３２０１２号公報（［００１８］、図１）
【特許文献２】特開２００１−１４１３１５号公報（［００３１］、図１）
【特許文献３】特開２００９−２４５４６号公報（［００２１］、図２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】  特許文献１の冷凍サイクル装置では、膨張機と圧縮機の間で油面位置を等しくする都合上、膨張機を圧縮機とほぼ同等の高さに設置しなければならず、設置位置に制約があった。これに対し、特許文献２の冷凍サイクル装置では、油分離器に貯留した油を差圧により直接供給することから、均油管と均圧管の設置や、高さ等の設置制約は生じない。しかし、特許文献２の冷凍サイクル装置に用いられる膨張機は、転がり軸受けを用いた斜板式の膨張機であり、回転式の膨張機において、均油管と均圧管の設置や、高さ等の設置制約無く、油分離器から供給される高圧の油を用いて軸受部を潤滑する膨張機は未だ提案されていない。【０００７】  また、特許文献３の冷凍サイクル装置では、バランスウェイトが設けられているが、バランスウェイトが膨張機の容器内に貯留された油に浸かっていると、バランスウェイトが油を撹拌することによる撹拌損失が生じ、動力ロスが生じるという問題があった。よって、回転式の膨張機の場合、バランスウェイトが油に浸からない配慮が必要である。【０００８】  さらに、特許文献３の冷凍サイクル装置では、体積流量の調整を膨張機構のバイパスや予膨張によって行っているが、この方法の場合、バイパス分や予膨張分の流量が、膨張動力を回収できない非回収流量となる。よって、動力回収効果が低下してエネルギー効率が低下するという問題があった。【０００９】  この発明はこのような点に鑑みなされたもので、均油管と均圧管の設置や、高さ等の設置制約が生じること無く、更にバランスウェイトによる攪拌損失無く、油分離器から供給される高圧の油を用いた各軸受部への給油が可能な回転式の膨張機を得ることを目的とする。【００１０】  また、膨張側のバイパスや予膨張に寄らない体積流量調整を行い、エネルギー効率を向上することが可能な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】
【００１１】  この発明の膨張機は、冷媒を膨張させて動力を回収する膨張機構と、膨張機構に軸を介して連結され、膨張機構で回収された動力により冷媒を圧縮する圧縮機構と、膨張機構と圧縮機構とを収容する容器とを備え、容器内は、容器を貫通する給油孔を介して油分離器から高圧の油が供給される第１空間と、第１空間よりも低圧雰囲気となる第２空間とに分割されると共に、第２空間に、軸に支持されて軸と一体に回転するバランスウェイトを配置し、軸は、軸を軸方向に貫通し、一端が第１空間に開口し、他端が第２空間に開口する給油通路と、給油通路から軸の半径方向に貫通し、膨張機構および圧縮機構のそれぞれの軸に対する各軸受部に連通する各軸受給油孔とを有し、第１空間内の油が給油通路の一端から軸受給油孔を介して各軸受部に差圧給油されるものである。【００１２】  また、この発明の冷凍サイクル装置は、冷媒を圧縮する主圧縮機構と、主圧縮機構を通過した冷媒と冷媒に含まれている油とを分離する油分離器と、主圧縮機構を通過した冷媒を冷却する放熱器と、放熱器を通過した冷媒を膨張させるための膨張機と、膨張機により膨張した冷媒を蒸発させるための蒸発器とを備え、これらが順次配管で接続されて冷媒が循環するように構成され、膨張機を請求項１記載の膨張機構で構成すると共に、蒸発器から主圧縮機構に向かう冷媒の一部を、膨張機の圧縮機構に供給して圧縮した後、主圧縮機構の圧縮途中に供給するようにし、油分離器にて分離した油を、主圧縮機構と蒸発器との間の配管に戻す主油戻し管と、油分離器にて分離した油を、容器の給油孔に送るサブ油戻し管とを有するものである。
【発明の効果】
【００１３】  この発明によれば、均油管と均圧管の設置や、高さ等の設置制約が生じること無く、更にバランスウェイトによる攪拌損失無く、油分離器から供給される高圧の油を用いた各軸受部への給油が可能な回転式の膨張機を得ることができる。  また、エネルギー効率を向上することが可能な冷凍サイクル装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】この発明の一実施の形態に係る膨張機の概略断面図である。
【図２】図１の膨張機の別の断面を示す概略断面図である。
【図３】図１の膨張機を搭載する冷凍サイクル装置を示す回路構成図である。
【図４】この発明の膨張機を用いた冷凍サイクルにおける冷媒の状態を説明するモリエル線図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】  図１は、この発明の一実施の形態に係る膨張機の概略断面図である。以下の各図において、同一の符号を付したものは、同一のまたはこれに相当するものであり、これは明細書の全文において共通している。さらに、明細書全文に表れている構成要素の形態は、あくまで例示であってこれらの記載に限定されるものではない。
【００１６】  膨張機１は、密閉容器４内に、冷媒を膨張させて動力を回収する膨張機構２と、膨張機構２に軸７８を介して連結され、膨張機構２で回収された動力により冷媒を圧縮するサブ圧縮機構３とを有している。密閉容器４の下方には、膨張機構２を構成する膨張固定スクロール５１が配置されている。膨張固定スクロール５１は、台板５１ａから上方に渦巻歯５１ｂを立設した構成を有している。また、密閉容器４の上方には、サブ圧縮機構３を構成するサブ圧縮固定スクロール６１が配置されている。サブ圧縮固定スクロール６１も、台板６１ａから下方に渦巻歯６１ｂが立設された構成を有している。そして、膨張固定スクロール５１とサブ圧縮固定スクロール６１との間に揺動スクロール５２が配置されている。
【００１７】  揺動スクロール５２は、台板５２ａにおいて膨張固定スクロール５１と対向する一方の面に、膨張固定スクロール５１の渦巻歯５１ｂと噛み合う膨張側渦巻歯５２ｂが立設され、膨張固定スクロール５１と共に膨張機構２を構成している。また、揺動スクロール５２は、台板５２ａにおいてサブ圧縮固定スクロール６１と対向する他方の面に、サブ圧縮固定スクロール６１の渦巻歯６１ｂと噛み合うサブ圧縮側渦巻歯５２ｃが立設され、サブ圧縮固定スクロール６１と共にサブ圧縮機構３を構成している。
【００１８】  サブ圧縮固定スクロール６１、揺動スクロール５２および膨張固定スクロール５１の中央部には上下方向に軸７８が貫通している。軸７８は、膨張固定スクロール５１およびサブ圧縮固定スクロール６１それぞれの中央に形成された膨張側軸受部５１ｃおよびサブ圧縮側軸受部６１ｃによって、回転自由に支持されている。揺動スクロール５２は、その中央に形成された揺動軸受部５２ｄが軸７８に形成されたクランク（偏心）部によって貫通支持され、揺動運動できるようになっている。また、揺動スクロール５２と膨張固定スクロール５１の間にはオルダムリング７７が配置され、揺動スクロール５２の自転を防止し、姿勢を規正している。
【００１９】  膨張機１では、軸７８が回転して揺動スクロール５２が揺動運動を行うことで冷媒の膨張作用および圧縮作用を行っている。すなわち、膨張機構２側では、揺動スクロール５２の円軌道に沿った揺動により膨張固定スクロール５１との間に中央部から周辺方向に移動しながら容積を大きくする膨張室を形成しており、ここで膨張作用を行う。一方、サブ圧縮機側では、揺動スクロール５２の円軌道に沿った揺動によりサブ圧縮固定スクロール６１との間に外周部から中心方向に移動しながら容積を小さくする圧縮室を形成しており、ここで圧縮作用を行う。
【００２０】  密閉容器４内は、膨張固定スクロール５１の背面側の第１空間４ａと、サブ圧縮固定スクロール６１の背面側の第２空間４ｂと、膨張固定スクロール５１とサブ圧縮固定スクロール６１の間の揺動スクロール運動空間６１ｅとに三分割されている。密閉容器４には第１空間に連通する給油孔４ｃが貫通形成されており、その給油孔４ｃに密閉容器４外から接続された給油管３７により、後述の油分離器２６からの油が第１空間４ａに供給されて充満するようになっている。また、密閉容器４には第２空間４ｂに連通する吸気孔４ｄが貫通形成されており、その吸気孔４ｄに密閉容器４外から接続されたサブ圧縮吸入管１９により、外部からの冷媒が第２空間４ｂに供給される。この例では、第２空間４ｂは、サブ圧縮機構３の吸入圧力雰囲気となっている。サブ圧縮固定スクロール６１には、軸方向に貫通するサブ圧縮吸入連通路６１ｄが形成されており、このサブ圧縮吸入連通路６１ｄにより、第２空間４ｂと揺動スクロール運動空間６１ｅとは連通し、実質同一空間化している。
【００２１】  軸７８は、その内部に軸方向に貫通する給油通路である油孔７８ａを有し、油孔７８ａの一端７８ｂは第１空間４ａに充満した油に開口し、油孔７８ａの他端７８ｃは第２空間４ｂに開口している。また、軸７８には油孔７８ａから半径方向に貫通して形成され、膨張側軸受部５１ｃ、揺動軸受部５２ｄ、サブ圧縮側軸受部６１ｃへ通じる複数の軸受給油孔７８ｄを有している。また、軸７８において第２空間４ｂに突出している突出部には、軸７８と一体に回転するバランスウェイト７９ａ，７９ｂが装着されている。揺動スクロール５２と同じ偏心方向のバランスウェイト７９ｂと、反偏心方向のバランスウェイト７９ａとが互いに隣接しており、揺動スクロール５２とバランスウェイト７９ａ，７９ｂの三つで静バランスと動バランスの両方を取るようになっている。
【００２２】  図２は、図１の膨張機の別の断面を示す概略断面図である。  サブ圧縮機構３において、サブ圧縮固定スクロール６１の台板６１ａには、サブ圧縮室に連通するサブ圧縮吐出ポート４０が軸方向に形成され、サブ圧縮吐出ポート４０の吐出側の端部には、サブ圧縮吐出ポート４０を開閉する吐出弁３２が配置されている。サブ圧縮固定スクロール６１の台板６１ａには更に、吐出弁３２が配置された弁スペース３３と、弁スペース３３から台板６１ａを半径方向に貫通するサブ圧縮吐出流路６１ｆとが形成されている。サブ圧縮吐出流路６１ｆには、密閉容器４を貫通して挿入されたサブ圧縮吐出管２０が接続されている。第１空間４ａは上述したようにサブ圧縮機構３の吸入圧力雰囲気となっており、吸入圧力の冷媒はサブ圧縮機構３の圧縮室にて圧縮された後、吐出弁３２から吐出され、サブ圧縮吐出流路６１ｆを通過してサブ圧縮吐出管２０から密閉容器４外へと吐出される。尚、弁スペース３３の第２空間４ｂ側の開口部はプレート３４によって閉塞されている。
【００２３】  膨張機構２において、膨張固定スクロール５１の台板５１ａには、膨張室に連通する膨張吸入ポート３５と膨張吸入ポート３５に連通する膨張吸入流路５１ｄとが形成されている。膨張固定スクロール５１の台板５１ａには更に、密閉容器４を貫通して挿入され、膨張吸入流路５１ｄに連通する膨張吸入管１５が接続されている。また、膨張固定スクロール５１の台板５１ａには更に、膨張室に連通する膨張吐出ポート３６と膨張吐出ポート３６に連通する膨張吐出流路５１ｅとが形成されている。膨張固定スクロール５１の台板５１ａには更に、密閉容器４を貫通して挿入され、膨張吐出流路５１ｅに連通する膨張吐出管１６が接続されている。この構成により、膨張機構２では、密閉容器４外から直接冷媒を吸入し、膨張室にて膨張した後、密閉容器４内に吐出されることなく膨張吐出管１６から直接密閉容器４外に吐出される。
【００２４】  揺動スクロール５２の膨張側渦巻歯５２ｂの中央部歯先には、揺動軸受部５２ｄを囲繞するように偏心シール７２ａが設けられ、膨張機構２の入口と密閉容器４内とをシールしている。また、揺動スクロール５２のサブ圧縮側渦巻歯５２ｃを囲繞して同心シール７３が設けられ、その更に外側に偏心シール７２ｂが設けられている。揺動スクロール５２の台板５２ａには、膨張側渦巻歯５２ｂの膨張室形成部分から軸方向に貫通する高圧導入孔５２ｅが形成されており、高圧導入孔５２ｅのサブ圧縮側は、同心シール７３と偏心シール７２ｂの間の部分に開口している。この高圧導入孔５２ｅの作用については後述する。
【００２５】  図３は、この発明による膨張機を搭載する冷凍サイクル装置を模式的に表すサイクル構成図である。  この冷凍サイクル装置は、モーター６によって駆動される主圧縮機構７を有する主圧縮機５と、油分離器２６と、放熱器１１と、予膨張弁１４と、膨張機１内の膨張機構２と、蒸発器１２とが順次配管で接続されている。そして、蒸発器１２と主圧縮機構７との間の配管とサブ圧縮機構３のサブ圧縮吸入管１９とが配管８０で接続され、蒸発器１２から主圧縮機構７に向かう冷媒の一部が配管８０を経て膨張機１内のサブ圧縮機構３に供給される。更に、サブ圧縮機構３のサブ圧縮吐出管２０と主圧縮機構７の圧縮途中の吸入ポートとが逆止弁８２を有する配管８１で接続され、サブ圧縮機構３によって圧縮された冷媒が、配管８１を経て主圧縮機構７の圧縮途中の圧縮室に導入される。
【００２６】  モーター６に電気が供給されると、主圧縮機５が駆動し、主圧縮機５の主圧縮機構７によって冷媒が昇圧される。そして、昇圧された冷媒から、この冷媒に含まれる油が油分離器２６によって分離された後、放熱器１１に導入され冷却される。そして、放熱器１１によって冷却された高圧の冷媒は、予膨張弁１４を経て膨張機１の膨張機構２に送られ、膨張減圧される。予膨張弁１４は、起動時など過渡時に膨張機構２側の圧力をコントロールするためのもので、定常時は全開とされ、流量/動力のマッチングに関わらないようになっている。膨張機構２によって減圧された冷媒は、蒸発器１２にて加熱された後、再び主圧縮機５の主圧縮機構７に戻る。蒸発器１２から主圧縮機５に戻る冷媒の一部は、上述したように配管８０を経て膨張機１内のサブ圧縮機構３に供給され、サブ圧縮機構３によって中間圧まで圧縮された後、逆止弁８２を有する配管８１を経て主圧縮機構７の圧縮途中の圧縮室に導入される。主圧縮機構７では、蒸発器１２から流入した冷媒が中間圧まで圧縮され、サブ圧縮機構７から流入した冷媒と合流してその冷媒と共に高圧まで圧縮される。
【００２７】  膨張機１において、冷媒が減圧するときに発生する動力を膨張機構２で回収してサブ圧縮機構３が駆動されると、冷凍サイクル装置を循環する冷媒はサブ圧縮機構３と主圧縮機５にｗ：（１−ｗ）で分流される。本例の冷凍サイクル装置では、主圧縮/サブ圧縮の分流による体積流量調整を行い、膨張機構２側で決まる回転数とサブ圧縮機構３側の回転数を一致させる条件を満たすようにする。膨張機構２を通過する通過流量をＧｅ、サブ圧縮機構３を通過する通過流量をＧｃ、膨張機構入口の冷媒比容積をｖeｘｉ、サブ圧縮機構入口の冷媒比容積をｖｓ、膨張機構吸入容積をＶｅｉ、サブ圧縮機構吸入容積をＶｃｓ、とすると（１）式を満たす必要がある。
【００２８】
【数１】
2012029203.tif 000003
【００２９】  ここで、膨張機構吸入容積/サブ圧縮機構吸入容積＝σｖＥＣ＊とする。そして、重量流量Ｇｃ/重量流量Ｇｅ＝ｗである。これらの式を用いて上記（１）式を整理すると、ｗが以下の（２）式となる。よって、ｗが以下の（２）式を満足するように主圧縮機５の吸入量を調整することにより、膨張機構２とサブ圧縮機構３の入口体積流量の釣り合いを取ることができる。
【００３０】
【数２】
2012029203.tif 000004
【００３１】  上記の膨張機構２とサブ圧縮機構３の入口体積流量の釣り合いに加えて、膨張機構２とサブ圧縮機構３間の動力も釣り合いも必要である。分流比ｗ分の冷媒について、膨張機構２で回収された動力によってサブ圧縮機構３でＰｌから中間圧Ｐｍまで圧縮され、Ｐｍから高圧Ｐｈまでの追加圧縮は(１−ｗ)分と共に主圧縮機構７で行なわれることにより、膨張機構２とサブ圧縮機構３間の動力も釣り合いが取れる。
【００３２】  すなわち、膨張機１の吸入容積比σｖＥＣ＊が固定で、回収動力は条件に依存して決まっていることに対して、サブ圧縮機構３と主圧縮機５とに分流することで流量のマッチングを図る。そして、サブ圧縮機構３に分流した冷媒を主圧縮機構７で合流してから追加圧縮することで、ｗ分をＰｌからＰｈまで昇圧するのに必要な動力と回収動力とのずれを吸収していることになる。尚、図３には予膨張弁１４が記載されているが、これは上述したように起動時など過渡時に膨張機構２側の圧力をコントロールするためのもので、定常時は全開で入口体積流量と動力の上記マッチングに関わらないようになっている。
【００３３】  図４は、図３の冷凍サイクル装置における冷媒の状態量変化を示すモリエル線図である。図４において縦軸(対数)は冷媒圧力Ｐ、横軸に比エンタルピｈである。  主圧縮機５では冷媒が低圧Ｐｌのｃ１ｓから高圧Ｐｈのｃ１ｄまで昇圧される。尚、ここでは冷媒としてＣＯ２を想定しているため圧力Ｐｈが臨界圧を超えている。Ｐｈまで昇圧された冷媒は放熱器１１で冷却されることによって、ｃ１ｄ→ｅｘｉに変化する。放熱器１１出口の冷媒を、膨張弁のように動力を回収しない絞りで減圧した場合には、点ｅｘｉから比エンタルピ一定で減圧して点ｅｘｏ’に至る。これに対し、膨張機構２で膨張動力を発生しながら減圧した場合には、ｅｘｉ→ｅｘｏの過程を辿る。この減圧時の比エンタルピの差ｈｅｘｏ’−ｈｅｘｏが動力として回収されるエネルギーに相当し、流量ｗ分をサブ圧縮機構３でｃ２ｓ→ｃ２ｄまで圧縮するときの動力として利用される。流量ｗ分に関して主圧縮機５に合流後に行なわれる追加圧縮はｃ２ｄ→ｃ１ｄで表され、流量(ｗ−１)分の主圧縮機５での圧縮はｃ１ｓ(=ｃ２ｓ・→ｃ１ｄで表される。
【００３４】  このとき、（エンタルピ差ｈｃ２ｓ−ｈｅｘｏ）×（流量１）相当分が冷凍能力である。また、動力回収されたエネルギー（流量ｗ分のエンタルピ差ｈｃ２ｄ−ｈｃ２ｓ相当分）を除く、（エンタルピ差ｈｃ２ｄ−ｈｃ１ｓ）×（流量１−ｗ）+（エンタルピ差ｈｃ１ｄ−ｈｃ２ｄ）・（流量１）相当分の電気入力が主圧縮機５のモーター６で消費される。よって、この比率（冷凍能力/消費電力）が所謂サイクルＣ．Ｏ．Ｐ．となる。動力回収を行なわないときのサイクルｃ１ｓ→ｃ１ｄ→ｅｘｉ→ｅｘｏ"→ｃ１ｓと比べると、入力の（エンタルピ差ｈｃ２ｄ−ｈｃ２ｓ）×（流量ｗ）分と冷凍能力の（エンタルピ差ｈｅｘｏ’−hｅｘｏ）・（流量１）分がＣ．Ｏ．Ｐ．向上に寄与している。
【００３５】  ここで、揺動スクロール５２の両面に作用する圧力と高圧導入孔５２ｅについて説明する。サブ圧縮機構３におけるサブ圧縮過程は図４のモリエル線図でｃ２ｓ→ｃ２ｄ間、膨張機構２における膨張過程はｅｘｉ→ｅｘｏ間で行われる。したがって、揺動スクロール５２の両面に作用する圧力は、サブ圧縮機構３側からよりも膨張機構２側からの方が大きい。このため、渦巻スペックをサブ圧縮機構３側は外径の大きいものに、膨張機構２側はできるだけ外径を抑えたものにして、オルダムリング７７を膨張側渦巻外周部に配置している。しかし、通常、膨張機構２側からサブ圧縮機構３側への軸方向ガス荷重（スラスト）により、サブ圧縮側渦巻歯５２ｃの歯先押付力が過大となる。この発明の膨張機１は、回収する膨張動力以外に駆動源を持たないため、過大な押付力は回収動力の浪費或いは運転不能の原因となる。このため、膨張入口側の高圧（モリエル線図上の点ｅｘｉ）を高圧導入孔５２ｅによりサブ圧縮機構３側の面に導いて、サブ圧縮機構３側へのスラスト（＝サブ圧縮側渦巻の歯先押付力）を軽減するようにしている。
【００３６】  次に、膨張機への給油経路および油の流れについて説明する。油分離器２６には、油分離器２６にて分離した油を蒸発器１２と主圧縮機５との間の配管へ戻す主油戻し管２２ａと、油を膨張機１に戻すサブ油戻し管２２ｂとが接続されている。サブ油戻し管２２ｂは一端が油分離器２６に、他端が密閉容器４を貫通する給油管３７に接続され、油分離器２６からの油を給油管３７に導いて第２空間４ｂ内に導入させる。
【００３７】  高圧側に設けられた油分離器２６で分離された油は、キャピラリのような抵抗一定の油戻し管で圧縮機の吸入側に戻すのが一般的である。しかし、この実施の形態では、主油戻し管２２ａに可変絞り２７を設け、返油時の抵抗を変更できるようにしている。可変絞り２７により、油分離器２６から主圧縮機５の吸入側に戻す油量が適正になるように調整される。また、サブ油戻し管２２ｂは一定の抵抗で減圧する管であり、油分離器２６で分離された油を一定の抵抗で減圧して膨張機１の第１空間４ａに供給する。
【００３８】  第１空間４ａは、油分離器２６からの油が充満して油の圧力雰囲気となっている。一方、第２空間４ｂは、上述したようにサブ圧縮吸入管１９から吸入された冷媒によって吸入圧力雰囲気となっている。第１空間４ａ内の圧力雰囲気はサブ油戻し管２２ｂの抵抗に依存するものであり、ここでは、油孔７８ａの一端７８ｂと他端７８ｃとの間に圧力差が生じるようにサブ油戻し管２２ｂの抵抗が設定されている。よって、油孔７８ａの一端７８ｂと他端７８ｃとの間に生じる圧力差により、第１空間４ａ内の油が油孔７８ａの一端７８ｂから吸い込まれ、各軸受給油孔７８ｄから膨張側軸受部５１ｃ、サブ圧縮側軸受部６１ｃおよび揺動軸受部５２ｄにそれぞれ差圧給油される。尚、サブ油戻し管２２ｂの抵抗は、油孔７８ａの一端７８ｂと他端７８ｃの圧力差が、軸７８の長さ分の圧力ヘッドとなるように設定されている。
【００３９】  膨張側軸受部５１ｃ、サブ圧縮側軸受部６１ｃおよび揺動軸受部５２ｄを潤滑した冷媒は、第２空間４ｂにオーバーフローし、サブ圧縮吸入管１９から流入した流量ｗ分の冷媒と共に、サブ圧縮吸入連通路６１ｄを経て揺動スクロール運動空間６１ｅに流入する。揺動スクロール運動空間６１ｅに流入した冷媒は、サブ圧縮機構３によりサブ圧縮され、サブ圧縮吐出管２０から主圧縮機構７へ送られる。したがって、揺動スクロール運動空間６１ｅは油リッチな雰囲気となり、この空間内にあるオルダムリング７７の爪摺動部にも油が供給される。
【００４０】  サブ圧縮された冷媒は、主圧縮機構７で追加圧縮された後吐出され、油分離器２６に至る。よって、冷媒中の油も油分離器２６に戻る。したがって、油分離器２６〜サブ油戻し管２２ｂ〜第１空間４ａ〜各軸受部…揺動スクロール運動空間６１ｅ〜サブ圧縮機構３〜追加圧縮機構（主圧縮機構７）〜油分離器２６という、膨張機１の給油系が構成されている。
【００４１】  膨張機１への給油量は、油分離器２６の高圧と蒸発器１２出口の低圧との差圧とサブ油戻し管２２ｂの抵抗とによって決まる。したがって、一旦定常状態に入ったら、油分離器２６で捕捉される油から膨張機１の給油に用いられる量を除いた分、すなわち主圧縮機５から本来持ち出される油上がり分、を主油戻し管２２ａから主圧縮機５の吸入側に戻せば良い。主油戻し管２２ａから主圧縮機５の吸入側に戻す油量の調整は、可変絞り２７によって行われる。
【００４２】  以上のように、膨張機１とモーター駆動の主圧縮機５の二ヶ所への給油を、主圧縮機５の吐出側に設けた油分離器２６からの返油により行うにあたって、この実施の形態の構成によれば以下の効果を奏する。すなわち、軸７８内の油孔７８ａの一端７８ｂと他端７８ｃとの圧力差により油孔７８ａおよび軸受給油孔７８ｄを介して各軸受部（膨張側軸受部５１ｃ、サブ圧縮側軸受部６１ｃおよび揺動軸受部５２ｄ）に差圧給油する構成としたので、主な油貯留部である主圧縮機５の密閉容器内と膨張機１の密閉容器４内の油面を共有するための均油管および均圧管が不要で、また、設置位置の制約が生じない。また、給油ポンプによらない給油が可能である。
【００４３】  また、油を充満させる第１空間４ａ内には、軸７８の端部が面している以外にバランスウェイト等の運動する部材が存在しない。よって、軸７８内の油孔７８ａから各軸受部や各摺動部への給油を、充満した油を攪拌することによる損失や、油の抵抗による運動阻害等を付随せずに行うことができ、回収効率が高く安定した動作のサブ圧縮機一体型の膨張機を得ることができる。
【００４４】  また、サブ圧縮機構３が低圧〜中間圧まで主圧縮機５と並列に圧縮動作を行うことにより、膨張動力回収に伴う流量と動力のマッチングのロスを極小化することができる。
【００４５】  また、圧縮側の主圧縮/サブ圧縮の分流による体積流量の調整を行うようにしたので、膨張側のバイパスや予膨張による体積流量調整を行う冷凍サイクル装置に比べてエネルギー効率を向上することが可能であり、引いては省エネにも寄与できる。
【００４６】  また、従来の油面コントロールが必要な冷凍サイクル装置では、延長配管で回路が長大になったりしている場合には、主圧縮機、膨張機以外の容器部分で油が滞留したり油の移動に時間がかかったりすることにより、過渡的に油面のバランスが保持できず、主圧縮機、膨張機どちらかの容器内の潤滑油が不足する可能性がある。これに対し、この実施の形態では、主油戻し管２２ａに設けた可変絞り２７により、油分離器２６から主圧縮機５の吸入側に戻す油量が適正になるように調整するため、油を安定して供給できる。よって、油が枯渇することを防止でき、潤滑不足による焼き付きを防止できる。その結果、長寿命化を図ることができる。
【００４７】  また、油分離器２６で分離された油が、主圧縮機構７と膨張機１の間で回路を経由せずに、直接主圧縮機５又は膨張機１に供給されるので、冷媒中に油が混在することによる熱交換性能の低下を抑制でき、効率の高い冷凍システムが得られる。
【００４８】  また、冷媒としてはＣＯ２  を用いるため、地球環境を破壊すること無く、上記効果を有する冷凍サイクル装置を得ることができる。
【符号の説明】
【００４９】  １  膨張機、２  膨張機構、３  サブ圧縮機構、４  密閉容器、４ａ  第１空間、４ｂ  第２空間、４ｃ  給油孔、４ｄ  吸気孔、５  主圧縮機、６  モーター、７  主圧縮機構、１１  放熱器、１２  蒸発器、１４  予膨張弁、１５  膨張吸入管、１６  膨張吐出管、１９  サブ圧縮吸入管、２０  サブ圧縮吐出管、２２ａ  主油戻し管、２２ｂ  サブ油戻し管、２６  油分離器、２７  可変絞り、３２  吐出弁、３３  弁スペース、３４  プレート、３５  膨張吸入ポート、３６  膨張吐出ポート、３７  給油管、４０  サブ圧縮吐出ポート、５１  膨張固定スクロール、５１ａ  台板、５１ｂ  渦巻歯、５１ｃ  膨張側軸受部、５１ｄ  膨張吸入流路、５１ｅ  膨張吐出流路、５２  揺動スクロール、５２ａ  台板、５２ｂ  膨張側渦巻歯、５２ｃ  サブ圧縮側渦巻歯、５２ｄ  揺動軸受部、５２ｅ  高圧導入孔、６１  サブ圧縮固定スクロール、６１ａ  台板、６１ｂ  渦巻歯、６１ｃ  サブ圧縮側軸受部、６１ｄ  サブ圧縮吸入連通路、６１ｅ  揺動スクロール運動空間、６１ｆ  サブ圧縮吐出流路、７２ａ  偏心シール、７２ｂ  偏心シール、７３  同心シール、７７  オルダムリング、７８  軸、７８ａ  油孔、７８ｂ  一端、７８ｃ  他端、７８ｄ  軸受給油孔、７９ａ  バランスウェイト(反揺動偏心側)、７９ｂ  バランスウェイト(揺動偏心側)、８０  配管、８１  配管、８２  逆止弁。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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