(57)【要約】【課題】  膨張室で過膨張現象が発生し、膨張室と吐出空間に圧力差が生じた際は、その変化に細かい対応が可能であるとともに、動作の安定した圧力比制御手段を有する膨張機を提供することを目的とする。【解決手段】  シリンダ７の上壁７ａに、第一開閉弁２５を備えたメインポート２２と、開口部に拡開するディフューザ部２４を備え、第二開閉弁２６を備えたサブポート２３とからなる流入ポート１１を設け、膨張室で過膨張が発生した際は、冷媒を流入させるポートをメインポート２２からサブポート２３に切換え、前記ディフューザ部２４で冷媒圧力を昇圧させ、膨張室の圧力を回復させる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケーシング内に、流入した冷媒を膨張させる膨張室と、同膨張室で冷媒の膨張する圧力により回転駆動される動力回収シャフトとを備えた膨張機において、
前記膨張室の上流側、あるいは下流側に昇圧手段を設け、前記膨張室の上流側と下流側との圧力差が所定範囲外となった際、前記膨張室に流入する冷媒、あるいは前記膨張室から流出する冷媒の圧力を前記昇圧手段により昇圧させることを特徴とする膨張機。
【請求項２】
前記昇圧手段が、ボリュートポンプからなることを特徴とする請求項１に記載の膨張機。
【請求項３】
圧縮機と、放熱器と、膨張機と、吸熱器とを順次接続してなる冷媒回路において、
前記放熱器と前記膨張機とを接続する冷媒流路、あるいは前記膨張機と前記吸熱器とを接続する冷媒流路にメイン開閉弁を設けるとともに、サブ開閉弁と昇圧手段とを備えたバイパス路を設け、前記膨張機の上流側と下流側との圧力差が所定範囲外となった際、前記メイン開閉弁を閉じ、前記サブ開閉弁を開放するよう切換てなることを特徴とする冷媒回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮性流体により回転動力を得る膨張機及びこれを備えた冷媒回路に係わり、より詳細には、過膨張現象を昇圧手段により抑制してエネルギ回収効率を向上させる構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の膨張機は、例えば図８（Ａ）及び図８（Ｂ）の断面図で示すように、流入管５１と流出管５２とを接続したケーシング５０内に、内部空間を有する円筒形状のシリンダ５３と、クランク部５５ａを有するシャフト５４と、同クランク部５５ａに嵌合されてシリンダ５３の内部空間で偏心回転運動する偏心ロータ５５と、先端を偏心ロータ５５の外周面に摺接させながらベーン溝の内部を往復運動するベーン５８と、同ベーン５８を押圧するスプリング５９とから構成されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
前記シリンダ５３の内部空間には、偏心ロータ５５とベーン５８によって区画される膨張室６１が形成されるようになっている。シャフト５４に形成された吸入経路５６から膨張室に流入した高圧流体は、膨張することにより前記偏心ロータ５５を回転駆動させ、膨張し低圧となった流体は吐出孔５７を介して前記流出管５２から外部に流出するようになっている。また、前記吸入経路５６はシャフト５４に設けられており、同シャフト５４の回転に伴い、高圧流体を貯留した高圧室６２との間で連通、非連通を繰り返し、膨張室６１に流入する流体の流入タイミング制御手段となっている。
【０００４】
前記シリンダ５３の前記吐出孔５７に臨む外周面には切欠き部が形成され、同切欠き部には、リード弁と弁止めからなる差圧弁６０が設けられている。同差圧弁６０は、膨張室６１の圧力が吐出空間６３の圧力よりも低ければ閉じ、膨張室６１の圧力が吐出空間６３の圧力よりも高くなれば開くように構成されており、膨張行程の開始時と終了時の圧力比を可変とする圧力比制御手段として作用するようになっている。これにより、吐出空間６３の圧力が変化した場合でも、膨張行程終了時の膨張室６１の圧力と吐出空間６３の圧力を常に一致させることを可能としている。
【０００５】
上記した構成により、前記シリンダ５３内の膨張室で、流体の圧力が所定値以下に低下し、エネルギ回収効率が低下する過膨張現象が発生した際は、前記差圧弁６０が閉じられ、膨張室６１を密閉空間とすることにより圧力を回復させ、過膨張現象を抑制するようになっている。
【０００６】
しかしながら、前記差圧弁６０は膨張室６１と吐出空間６３の圧力差により作動することにより圧力差に応じて弁の開閉が連続的に繰り返される場合があり、その場合は冷媒の流れに脈動を生じやすく動作が不安定になる虞があった。
【特許文献１】特開２００５−２４０５６１号（８頁、図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記問題点に鑑み、膨張室で過膨張現象が発生し、膨張室と吐出空間に圧力差が生じた際は、脈動を生じることなく、動作の安定した圧力比制御手段を有する膨張機及びこれを備えた冷媒回路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】
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するため、ケーシング内に、流入した冷媒を膨張させる膨張室と、同膨張室で冷媒の膨張する圧力により回転駆動される動力回収シャフトとを備えた膨張機において、前記膨張室の上流側、あるいは下流側に昇圧手段を設け、前記膨張室の上流側と下流側との圧力差が所定範囲外となった際、前記膨張室に流入する冷媒、あるいは前記膨張室から流出する冷媒の圧力を前記昇圧手段により昇圧させる構成となっている。
【０００９】
また、前記昇圧手段が、ボリュートポンプからなる構成となっている。
【００１０】
また、圧縮機と、放熱器と、膨張機と、吸熱器とを順次接続してなる冷媒回路において、前記放熱器と前記膨張機とを接続する冷媒流路、あるいは前記膨張機と前記吸熱器とを接続する冷媒流路にメイン開閉弁を設けるとともに、サブ開閉弁と昇圧手段とを備えたバイパス路を設け、前記膨張機の上流側と下流側との圧力差が所定範囲外となった際、前記メイン開閉弁を閉じ、前記サブ開閉弁を開放するよう切換てなる構成となっている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によると、シリンダの上壁に、メインポートと、ディフューザ部を備えたサブポートとからなる流入ポートを設け、膨張室で過膨張が発生した際は、膨張室に冷媒を流入させるポートをメインポートからサブポートに切換え、前記ディフューザ部で冷媒圧力を昇圧させることにより、膨張室の圧力を回復させて過膨張現象を抑制でき、また、広い範囲で膨張比を確保できるようになっている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面に基づいた実施例として詳細に説明する。
【実施例１】
【００１３】
図１は本発明による膨張機を用いた冷媒回路の説明図であり、図２は本発明による膨張機の第一実施例を示す、後述する動力回収シャフト８に垂直な面で切断した断面図である。図３（Ａ）は動力回収シャフト８に平行な面で切断した断面図であり、図３（Ｂ）はその要部断面図である。図４及び図５はディフューザの効果を示す説明図であり、図６は第二実施例での断面図である。
【００１４】
本発明による膨張機４を備えた冷媒回路１は、図１で示すように、圧縮機２と、放熱器３と、膨張機４と、吸熱器５とを順次接続して構成されており、同冷媒回路１には、例えば、自然冷媒としての二酸化炭素冷媒が循環するようになっている。前記圧縮機２はスクロール圧縮機、あるいはロータリー圧縮機で構成され、前記放熱器３と、前記吸熱器５とは、平行して並べられた多数のフィンと、同フィンに直交するように配設された蛇行状のチューブとからなる、所謂クロスフィン型のフィン・アンド・チューブ熱交換器で構成されている。
【００１５】
前記圧縮機２で圧縮され、高温高圧となった二酸化炭素冷媒は、前記放熱器３に流入し、同放熱器３で熱を放出する。熱を放出した冷媒は、前記膨張機４に流入し、同膨張機４内で膨張して低温低圧となる。低温低圧となった冷媒は前記吸熱器５で熱を吸収した後、前記圧縮機２に還流するようになっている。ここで、前記膨張機４内で膨張した冷媒は、膨張するエネルギにより同膨張機４に設けられた、後述する動力回収シャフト８を回転駆動させるようになっている。
【００１６】
本願の第一実施例での膨張機４は、図２の後述する動力回収シャフト８に垂直な面で切断した断面図及び図３の動力回収シャフト８に平行な面で切断した断面図で示すように、上面及び下面が閉塞され、円筒状に形成されたケーシング６と、同ケーシング６内の上部に形成され、高圧状態の冷媒を一時的に貯留する高圧室１２と、中央部に形成された膨張機構部４ａと、ケーシング６中央部に、回動自在に軸支された動力回収シャフト８とからなっている。
【００１７】
前記膨張機構部４ａは、図２で示すように、高圧側膨張室１３ａ及び低圧側膨張室１３ｂを形成するシリンダ７と、前記動力回収シャフト８に形成されたクランク軸１０と、同クランク軸１０の外周縁に嵌着されたリング状の偏心ロータ９とからなっている。同偏心ロータ９は前記クランク軸１０により前記動力回収シャフト８に対し偏心して軸支されることにより、外周面一端を前記シリンダ７の内壁面に摺接させながら公転運動するようになっている。また、前記シリンダ７には、メイン流入口１９とサブ流入口２０が開口するとともに、流出口２１が開口しており、前記メイン流入口１９あるいはサブ流入口２０から流入した高圧の冷媒は、膨張して前記偏心ロータ９を回動させることにより低圧となり、前記流出口２１から流出していくようになっている。
【００１８】
前記ケーシング６には、外方に突出してベーン収納部１６が形成されている。同ベーン収納部１６内には、先端部を前記偏心ロータ９の外周面に当接させ、且つ摺接させる前後進退自在に支持されたベーン１７と、同ベーン１７の後部と、前記ベーン収納部１６の内壁面との間に設けられ、前記ベーン１７を前記偏心ロータ９の外周面に押圧する押圧手段としてのスプリング１８とが設けられている。
【００１９】
前記ベーン１７と、前記偏心ロータ９の外周面と、前記シリンダ７の内壁面とで囲まれる空間には前記高圧側膨張室１３ａ及び前記低圧側膨張室１３ｂが形成されるようになっている。前記高圧側膨張室１３ａは、高圧の冷媒が流入することにより、暫時、容積を増加させ前記動力回収シャフト８を回動させる膨張室であり、前記低圧側膨張室１３ｂは、容積が増加したことにより、充填された冷媒が低圧状態となった膨張室である。同低圧側膨張室１３ｂで低圧となった冷媒は、暫時、前記流出口２１から流出していくようになっている。このように、前記シリンダ７内には、前記ベーン１７を挟んで、高圧側膨張室１３ａと低圧側膨張室１３ｂとが連続的に形成されるようになっている。また、偏心ロータ９に連結された前記動力回収シャフト８は、例えば、その一端を、発電機等に接続されており、前記高圧側膨張室１３ａが流入する高圧冷媒により容積を増大させることにより、前記偏心ロータ９が公転運動し、これに伴い前記動力回収シャフト８が回転駆動されると、同動力回収シャフト８に接続された発電機等が発電作用を行い、これにより、冷媒の膨張エネルギが無駄に廃棄されることなく有効に利用することができるようになっている。
【００２０】
前記シリンダ７は、図３で示すように、円盤状に形成された上壁７ａ及び下壁７ｂと、円筒状の側壁７ｃとからなり、前記上壁７ａには前記高圧室１２から前記高圧側膨張室１３ａに高圧の冷媒を流入させる流入ポート１１が形成されている。同流入ポート１１は、図３（Ｂ）の拡大図で示すように、第一開閉弁２５を備え、前記高圧側膨張室１３ａにメイン流入口１９を開口したメインポート２２と、第二開閉弁２６を備えたサブポート２３とからなっている。
【００２１】
また、前記ケーシング６の上部には、前記高圧室１２に高圧の冷媒を導入する流入管１４が接続され、また、ケーシング６の下部には、流出管１５が接続されており、同流出管１５は、一端を前記シリンダ７の低圧側膨張室１３ｂに前記流出口２１として開口し、他端を前記ケーシング６の外部に導出したＬ字状に形成されている。
【００２２】
前記サブポート２３は、前記高圧側膨張室１３ａに開口したサブ流出口２０の近傍が、開口部に向かい断面積が次第に増加するディフューザ部２４として形成されている。前記サブポート２３に流入した冷媒は、図４で示すように、前記ディフューザ部２４のａ点からｂ点を通過する間に、流速がＶ１からＶ２低下する一方、圧力がＰ１からＰ２に増加するようになっている。
【００２３】
前記メインポート２２に備えられた第一開閉弁２５及び前記サブポート２３に備えられた第二開閉弁２６は、前記偏心ロータ９の公転運動に応じて開閉動作を行うようになっており、例えば、前記動力回収シャフト８の近傍に、同動力回収シャフト８の回転角度を検出する、図示しない角度センサを配設し、検出された回転角度を基に開閉動作を行うようになっている。これら第一開閉弁２５あるいは前記第二開閉弁２６が開放された際、前記高圧側膨張室１３ａに所定の吸込容積の冷媒が導入され、吸込工程が終了すると、これら第一開閉弁２５及び前記第二開閉弁２６閉塞されるようになっており、開放動作と閉塞動作とが連続して行われるようになっている。また、前記第一開閉弁２５及び前記第二開閉弁２６は、いずれか一方が、開放、閉塞動作を行っている間は、他方は常時閉塞されるようになっており、通常時、前記高圧室１２からの冷媒は前記メインポート２２を介して前記第一開閉弁２５を通り、前記高圧側膨張室１３ａに導入されるようになっており、その間、前記第二開閉弁２６は閉塞されるようになっている。
【００２４】
前記ケーシング６に接続された前記流入管１４には、図３（Ａ）で示すように、流入する冷媒の圧力を検出する流入側圧力センサ２８が付設され、前記流出管１５には、膨張し低圧となった冷媒の圧力を検出する流出側圧力センサ２９が付設されており、これらは、信号線２８ａ及び信号線２９ａにより制御部２７に接続されるようになっている。また、同制御部２７は、信号線３０により前記第一開閉弁２６及び前記第二開閉弁２５に接続されて、これらの動作を制御するようになっている。
【００２５】
前記流入側圧力センサ２８の検出値と、前記流出側圧力センサ２９の検出値との差が、設計した所定膨張比の範囲内であれば、前記制御部２７は、第一開閉弁２５を開放させる一方、前記第二開閉弁２６を閉塞させるようになっている。これにより前記高圧室１２の冷媒は前記メインポート２２を介して前記高圧側膨張室１３ａに導入されるようになっている。しかしながら、検出値の差が、設計した所定膨張比の範囲外となった場合は、前記制御部２７を前記信号線３０を介して信号を送出し、前記第一開閉弁２５を閉塞する一方、前記第二開閉弁２６を動作させるようになっている。これにより前記高圧室１２の冷媒は、前記サブポート２３を通り、前記ディフューザ部２４により圧力が上昇した状態で、前記高圧側膨張室１３ａに導入されるようになっている。
【００２６】
次に、動作について説明する。通常時、前記流入管１４と前記高圧室１２とを介し、前記メインポート２２から前記高圧側膨張室１３ａに流入した高圧の冷媒は、その圧力で前記偏心ロータ９を公転駆動させ、これに連結された前記動力回収シャフト８を回転させるとともに、膨張容積が増大するにつれ、低圧の冷媒となる。膨張し低圧となった冷媒は前記流出管１５から流出するようになっている。
【００２７】
前記冷媒回路１での動作環境等の変化により、流入する冷媒の圧力が異常に低下し、所謂、過膨張現象が発生した際は、前記流出管１５の吐出圧力が低くなり前記流出側圧力センサ２９の圧力検出値が低下する。上記したように、前記制御部２７は前記流入側圧力センサ２８の検出値と、前記流出側圧力センサ２９の検出値との差が、設計した所定膨張比の範囲外となった場合は、前記信号線３０を介して信号を送出し、前記第一開閉弁２５を閉塞する一方、前記第二開閉弁２６を開放させるようになっている。これにより、前記高圧室１２の冷媒は、前記サブポート２３を通り、前記ディフューザ部２４を通り、前記高圧側膨張室１３ａに導入されるようになっている。図４で示すように、ディフューザ部２４を通過する冷媒は、ａ点からｂ点にかけて流速はＶ１からＶ２に低下するが、圧力はＰ１からＰ２に上昇するようになっており、圧力が上昇した冷媒が流入することにより、前記高圧側膨張室１３ａ及び前記低圧側膨張室１３ｂの圧力を回復させ、過膨張現象を抑制することができるようになっている。過膨張現象が抑制され、前記流入側圧力センサ２８の検出値と、前記流出側圧力センサ２９の検出値との差が、設計した所定膨張比の範囲となった場合は、前記第一開閉弁２５と前記第二開閉弁２６とは切替られるようになっている。
【００２８】
上記したディフューザ機構は、開閉動作を行う弁機構を有しないため、弁機構が頻繁に動作することによる脈動現象が生じにくく、安定した動作を得られるようになっており、また、可動部を必要としないため、装置の信頼性を向上させることができるようになっている。また、必要に応じては、ディフューザの開度調整機構を設ければ、過膨張現象に的確に対応することが可能となっている。図５のサイクル線図で示すように、前記膨張機４では通常時、実線で示す膨張比一定で運転が行われると、エネルギ回収効率及びＣＯＰ（成績係数）が最大となるが、過膨張現象が発生した際は、図５で示すように、流入側圧力Ｐ１が点線で示すＰ１’まで低下したり、あるいは、流出側圧力Ｐ２が点線で示すＰ２まで低下してしまい、エネルギ回収効率及びＣＯＰがそれに伴い低下してしまう。その際、前記サブポート２３に備えられたディフューザ部２４により、流入側圧力を昇圧させることにより、過膨張現象を的確に防止することができるようになっている。あるいは後述する第四実施例で示すように、低圧側圧力を回復させても過膨張現象に対応することができるようになっている。
【実施例２】
【００２９】
次に、第二実施例について説明する。第二実施例で示す膨張機３１は、図６で示すように、ケーシング６内の構造は第一実施例と、ほぼ同様である。前記ケーシング６には、第一開閉弁３６を備えたメインポート３４が接続され、また、同メインポート３４からは、第二開閉弁３７を備えたサブポート３５が分岐されており、同サブポート３５は、吐出口を高圧室１２に開口したボリュートポンプ３８に接続されている。
【００３０】
前記メインポート３４には流入する冷媒の圧力を検出する流入側圧力センサ２８が付設され、流出管１５には、膨張し低圧となった冷媒の圧力を検出する流出側圧力センサ２９が付設されており、これらは、信号線２８ａ及び信号線２９ａにより制御部２７に接続されるようになっている。また、同制御部２７は、信号線３６ａにより前記第一開閉弁３６及び前記第二開閉弁３７の動作を制御するようになっている。また、信号線３８ａにより、前記ボリュートポンプ３８の始動、停止を制御するようになっている。
【００３１】
次に、動作について説明する。第一実施例と同様に、過膨張現象が発生した際は、前記流出側圧力センサ２９の圧力検出値が低下する。前記制御部２７は前記流入側圧力センサ２８の検出値と、前記流出側圧力センサ２９の検出値との差が、設計した所定膨張比の範囲外となった場合は、前記信号線３６ａを介して信号を送出し、前記第一開閉弁３６を閉塞する一方、前記第二開閉弁３７を開放するようになっている。また、信号線３８ａにより前記ボリュートポンプ３８を始動させるようになっている。
【００３２】
前記メインポート３４からの冷媒は、前記第一開閉弁３６が閉塞されることにより、前記サブポート３５に流入する。続いて同冷媒は前記ボリュートポンプ３８の回転により圧力が上昇した状態で、前記高圧室１２に流入するようになっている。昇圧した冷媒は続いて、連続的に開閉動作を継続する開閉弁３３を介して高圧側膨張室１３ａに導入されるようになっている。昇圧した冷媒は、前記高圧側膨張室１３ａ及び前記低圧側膨張室１３ｂの圧力を回復させ、過膨張現象を抑制するようになっている。
【００３３】
前記制御部２７により前記ボリュートポンプ３８の回転数を制御し、前記サブポート３５から前記高圧室１２に流入する冷媒圧力をコントロールすることにより、適正な流入圧力を確保することができ、過膨張現象に対して、より的確に対応するようになっている。
【００３４】
次に、第三実施例について説明する。第三実施例は図７（Ａ）で示すように、圧縮機２と放熱器３と膨張機４と吸熱器５とを順次接続して冷媒回路を構成するとともに、前記膨張機４の高圧室１２の流入側に、メイン開閉弁４０を備えた前記放熱器３からの配管を接続し、更に、同配管から分岐し、サブ開閉弁４１とディフューザ部４２を備えたバイパス管３９を接続している。過膨張現象が発生した際は、前記メイン開閉弁４０を閉じ、前記サブ開閉弁４１を開放するように切換え、前記ディフューザ部４２を備えたバイパス管３９から冷媒を前記高圧室１２に導入することにより、実施例１と同等の効果を得ることができるようになっている。
【００３５】
次に、第四実施例について説明する。第四実施例は図７（Ｂ）で示すように、圧縮機２と放熱器３と膨張機４と吸熱器５とを順次接続して冷媒回路を構成するとともに、前記膨張機４と吸熱器５とをメイン開閉弁４０を備えた配管で接続し、更に同配管から分岐し、サブ開閉弁４１とディフューザ部４２を備えたバイパス管３９を吸熱器５に接続している。膨張機４で過膨張現象が発生し、膨張機４の流出側圧力が低下した際は、第三実施例で前述したように前記ディフューザ部４２を備えたバイパス管３９に冷媒流路を切換えるようになっている。これにより図５のサイクル図で述べたように、流出側圧力を上昇させることにより過膨張現象を抑制するようになっている。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明による膨張機を用いた冷媒回路である。
【図２】本発明による膨張機の第一実施例を示す、動力回収シャフトに垂直な面で切断した断面図である。
【図３】（Ａ）は膨張機の第一実施例を示す動力回収シャフトに平行な面で切断した断面図である。
【００３７】
（Ｂ）はその要部断面図である。
【図４】ノズルの効果を示す図である。
【図５】ノズルの効果を示すサイクル線図である。
【図６】第二実施例での膨張機を示す断面図である。
【図７】（Ａ）は第三実施例を示す冷媒回路の説明図である。
【００３８】
（Ｂ）は第四実施例を示す冷媒回路の説明図である。
【図８】（Ａ）は従来の膨張機の、動力回収シャフトに垂直な面で切断した断面図である。
【００３９】
（Ｂ）は動力回収シャフトに平行な面で切断した断面図である。
【符号の説明】
【００４０】
１  冷媒回路
２  圧縮機
３  放熱器
４  膨張機
４ａ  膨張機構部
５  吸熱器
６  ケーシング
７  シリンダ
７ａ  上壁
７ｂ  下壁
７ｃ  側壁
８  動力回収シャフト
９  偏心ロータ
１０  クランク軸
１１  流入ポート
１２  高圧室
１３ａ  高圧側膨張室
１３ｂ  低圧側膨張室
１４  流入管
１５  流出管
１６  ベーン収納部
１７  ベーン
１８  スプリング
１９  メイン流入口
２０  サブ流入口
２１  流出口
２２  メインポート
２３  サブポート
２４  ディフューザ部
２５  第一開閉弁
２６  第二開閉弁
２７  制御部
２８  流入側圧力センサ
２８ａ  信号線
２９  流出側圧力センサ
２９ａ  信号線
３０  信号線
３１  膨張機
３２  流入ポート
３３  開閉弁
３４  メインポート
３５  サブポート
３６  第一開閉弁
３６ａ  信号線
３７  第二開閉弁
３８  ボリュートポンプ
３８ａ  信号線
３９  バイパス管
４０  メイン開閉弁
４１  サブ開閉弁
４２  ディフューザ部
【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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