(57)【要約】【課題】バイパス管路の削減とバルブ制御の具体化を図り、「密度比＝一定」の運転条件（制約）を排除しつつ、高圧の作動流体から最大限に動力回収を行い、常時高い運転効率を得る膨張機一体型の圧縮機を提供する。【解決手段】圧縮機は、駆動シャフト１４を回転させることにより圧縮室１３に吸入した作動流体を圧縮する圧縮機部１２と、膨張室２５に吸入した作動流体を膨張させることにより動力回収シャフト２６の回転動力を得る膨張機部２０とを備え、吐出室３３の吐出圧力を検知する吐出圧力センサ４８と、吸入孔２７と膨張室２５との連通を制御する電磁弁４０とを設けた構成であって、膨張室２５に導く作動流体の量を、吐出圧力センサ４８により得た吐出圧力と冷凍サイクル効率を最大とするための目標吸入圧力とから求められる目標量にするように、電磁弁４０の開閉タイミングを可変することにより、常時高い運転効率を得ることができる。【選択図】        図１
2008032234.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮室と、駆動シャフトとを有し、前記駆動シャフトを回転させることにより前記圧縮室に吸入した作動流体を圧縮する圧縮機部と、
膨張室と、前記膨張室に膨張機吸入圧力で作動流体を導く吸入孔と、前記膨張室から作動流体を吐出する吐出孔と、前記駆動シャフトに連結された動力回収シャフトとを有し、前記膨張室に吸入した作動流体を膨張させることにより前記動力回収シャフトの回転動力を得る膨張機部とを備える圧縮機であって、
前記吐出孔から吐出される作動流体の膨張機吐出圧力を検知する圧力検知手段と、前記吸入孔に吸入バルブとを設け、
前記吸入孔から前記膨張室に導かれる作動流体の量を、前記圧力検知手段により得る前記膨張機吐出圧力と冷凍サイクル効率を最大とするための目標とする前記膨張機吸入圧力とから求められる目標量にするように、前記吸入バルブの開閉タイミングを可変する構成にしたことを特徴とする圧縮機。
【請求項２】
前記吸入孔に吸入される作動流体の吸入温度を計測する吸入温度センサと、前記吐出孔から吐出される作動流体の吐出温度を計測する吐出温度センサとを設け、
前記吸入温度と前記吐出温度とから目標とする前記膨張機吸入圧力を演算する構成にしたことを特徴とする請求項１に記載の圧縮機。
【請求項３】
前記圧力検知手段を、前記吐出温度センサで計測した前記吐出温度を元に換算して前記膨張機吐出圧力を得る構成にしたことを特徴とする請求項２に記載の圧縮機。
【請求項４】
前記吸入バルブを電磁弁としたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の圧縮機。
【請求項５】
前記吸入バルブを閉から開にする前記開タイミングを前記膨張室の容積が最小となる吸入開始時間とし、前記吸入バルブを開から閉にする前記閉タイミングを前記吸入開始時間から前記膨張室の容積が最大となるまでの間の時間とする制御機能を有する構成にしたことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の圧縮機。
【請求項６】
前記膨張室で膨張するときの作動流体の体積と圧力との関係を保持する作動流体状態保持部を設け、当該作動流体状態保持部が保持する作動流体の体積と圧力との関係を用いて前記目標量を求める構成にしたことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の圧縮機。
【請求項７】
超臨界相から液相あるいは気液二相に膨張する作動流体を用いて運転することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の圧縮機。
【請求項８】
二酸化炭素を主成分とする作動流体を用いて運転することを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載の圧縮機。
【請求項９】
前記吸入バルブの前記開閉タイミングを制御して前記膨張室に導く作動流体の量を冷凍サイクル効率が最大となる前記目標量にすることができる請求項１から請求項８のいずれかに記載の圧縮機を用いたことを特徴とするヒートポンプ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高圧の作動流体を供給して回転動力を発生する膨張機と連結された膨張機一体型の圧縮機に関する。
【背景技術】
【０００２】
図５には、従来の一般的な動力回収式の空気調和装置のシステム構成を示している。図５において、本システムは、凝縮器１０１、蒸発器１０２、圧縮機１０３及び膨張機１０４を含み構成され、作動流体を圧縮する圧縮機１０３と、高圧の作動流体から回転動力を発生させる膨張機１０４とはモータ１０５に対して一軸に連結されている。すなわち、膨張機１０４では、高圧の作動流体が理想的には等エントロピー膨張することにより回転動力を発生させ、直接圧縮機１０３の駆動動力を補助する構成となっている。このように圧縮機１０３と膨張機１０４とを一軸に連結するのは、構造が単純で動力回収ロスが少ないためである。
このような従来の空気調和装置において、作動流体を二酸化炭素とした場合の、冷凍サイクル状態変化の様子を図６に示す。図６のモリエル線図（ｐ−ｈ線図）において、１→２は圧縮機１０３において作動流体を低圧圧力Ｐｌから高圧圧力Ｐｈに圧縮・昇圧する圧縮過程、２→３は凝縮器１０１における等圧放熱過程、３→４は膨張機１０４において作動流体を高圧圧力Ｐｈから低圧圧力Ｐｌに膨張させて動力回収を行う膨張過程、４→１は蒸発器１０２における等圧吸熱過程を示している。
しかし、圧縮機１０３と膨張機１０４とを一軸に連結した上記の構成では、圧縮機１０３と膨張機１０４とが常時同一回転数で回転するため、一定の冷媒循環量でシステムが運転される場合には、作動流体の「密度比＝一定」の運転条件（制約）が発生し、例えば、システムの効率に影響を与える圧縮機１０３の吐出圧力（高圧圧力Ｐｈ）を適切に制御し難いなどの理由から、必ずしも高効率運転が実現できるとは限らない。
そこで、このような「密度比＝一定」の運転条件（制約）を排除するための技術として、特許文献１記載の公知技術がある。図７に、従来の他の空気調和装置のシステム構成を示す。本空気調和装置では、膨張機１０４の吐出管路１１０と吸入管路１１１との間に、両者を連通させるバイパス管路１１２を設け、そのバイパス管路１１２にその通路面積を増減調整する制御弁１０６を設けている。
このような構成の空気調和装置は、以下の動作を行う。
圧縮機１０３の吐出温度の目標値を設定し、次に圧縮機１０３の吐出温度が該目標値になるように、制御弁１０６の開度を制御する。制御弁１０６が閉じる方向に制御されると、バイパス管路１１２を通る作動流体の量が少なくなり、膨張機１０４に入る作動流体の量が増加する。逆に、制御弁１０６が開く方向に制御されると、バイパス管路１１２を通る作動流体の量が多くなり、膨張機１０４に入る作動流体の量が減少する。このように制御弁１０６の開度を制御することによって、膨張機１０４を利用しながら高い運転効率を得るようにシステムの運転条件を自由に定めることができる。
また、「密度比＝一定」の運転条件（制約）を排除するための別の技術として、特許文献２記載の公知技術がある。この技術は、システムの高圧圧力と低圧圧力との比（圧力比）が、膨張機設計の際に想定された圧力比よりも小さくなる運転条件において、作動流体の膨張後の圧力がシステムの低圧圧力より低くなり、動力回収量が低下すること（過膨張による損失）を防止するものである。即ち、膨張機の作動流体流入側から分岐して該膨張機の吸入／膨張過程位置に連通する連絡通路を備え、該連絡通路に作動流体の通過を制御するバルブを設ける構成とし、過膨張が発生する条件になると該バルブを開けて膨張機内に作動流体の一部を流入させ、膨張機に入る作動流体の量を増加させ、膨張後の作動流体の圧力を上昇させている。
【特許文献１】特開２００１−１１６３７１号公報
【特許文献２】特開２００４−１９７６４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記特許文献１の技術では、バイパス管路を通る作動流体に関しては動力回収を行うことができず、高圧の作動流体の持つ潜在的なエネルギーを無条件に破棄することになっていた。また、上記特許文献２の技術では、過膨張の発生を防止しうる構成にはなっているものの、それを実現するためのバルブの具体的な制御方法については記されていない。
【０００４】
したがって本発明は、上記従来の課題を解決するもので、バルブ制御を具体化し、高圧の作動流体から最大限に動力回収を行い、常時高い運転効率を得る膨張機一体型の圧縮機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】
【０００５】
請求項１記載の本発明の圧縮機は、圧縮室と、駆動シャフトとを有し、前記駆動シャフトを回転させることにより前記圧縮室に吸入した作動流体を圧縮する圧縮機部と、膨張室と、前記膨張室に膨張機吸入圧力で作動流体を導く吸入孔と、前記膨張室から作動流体を吐出する吐出孔と、前記駆動シャフトに連結された動力回収シャフトとを有し、前記膨張室に吸入した作動流体を膨張させることにより前記動力回収シャフトの回転動力を得る膨張機部とを備える圧縮機であって、前記吐出孔から吐出される作動流体の膨張機吐出圧力を検知する圧力検知手段と、前記吸入孔に吸入バルブとを設け、前記吸入孔から前記膨張室に導かれる作動流体の量を、前記圧力検知手段により得る前記膨張機吐出圧力と冷凍サイクル効率を最大とするための目標とする前記膨張機吸入圧力とから求められる目標量にするように、前記吸入バルブの開閉タイミングを可変する構成にしたことを特徴とする。
請求項２記載の本発明は、請求項１に記載の圧縮機において、前記吸入孔に吸入される作動流体の吸入温度を計測する吸入温度センサと、前記吐出孔から吐出される作動流体の吐出温度を計測する吐出温度センサとを設け、前記吸入温度と前記吐出温度とから目標とする前記膨張機吸入圧力を演算する構成にしたことを特徴とする。
請求項３記載の本発明は、請求項２に記載の圧縮機において、前記圧力検知手段を、前記吐出温度センサで計測した前記吐出温度を元に換算して前記膨張機吐出圧力を得る構成にしたことを特徴とする。
請求項４記載の本発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の圧縮機において、前記吸入バルブを電磁弁としたことを特徴とする。
請求項５記載の本発明は、請求項１から請求項４のいずれかに記載の圧縮機において、前記吸入バルブを閉から開にする前記開タイミングを前記膨張室の容積が最小となる吸入開始時間とし、前記吸入バルブを開から閉にする前記閉タイミングを前記吸入開始時間から前記膨張室の容積が最大となるまでの間の時間とする制御機能を有する構成にしたことを特徴とする。
請求項６記載の本発明は、請求項１から請求項５のいずれかに記載の圧縮機において、前記膨張室で膨張するときの作動流体の体積と圧力との関係を保持する作動流体状態保持部を設け、当該作動流体状態保持部が保持する作動流体の体積と圧力との関係を用いて前記目標量を求める構成にしたことを特徴とする。
請求項７記載の本発明は、請求項１から請求項６のいずれかに記載の圧縮機において、超臨界相から液相あるいは気液二相に膨張する作動流体を用いて運転することを特徴とする。
請求項８記載の本発明は、請求項１から請求項７のいずれかに記載の圧縮機において、二酸化炭素を主成分とする作動流体を用いて運転することを特徴とする。
請求項９記載の本発明のヒートポンプ装置は、前記吸入バルブの開閉タイミングを制御して前記膨張室に導く作動流体の量を冷凍サイクル効率が最大となる前記目標量にすることができる請求項１から請求項８のいずれかに記載の圧縮機を用いたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明の圧縮機およびそれを用いたヒートポンプ装置によれば、吸入バルブの開閉タイミングを制御して膨張室に導く作動流体の量を高い運転効率となる目標量にすることができるので、バイパス管路の削減とバルブ制御の具体化を図り、「密度比＝一定」の運転条件（制約）を排除しつつ、高圧の作動流体から最大限に動力回収を行い、常時高い運転効率を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明の第１の実施の形態による圧縮機は、圧縮室と、駆動シャフトとを有し、駆動シャフトを回転させることにより圧縮室に吸入した作動流体を圧縮する圧縮機部と、膨張室と、膨張室に膨張機吸入圧力で作動流体を導く吸入孔と、膨張室から作動流体を吐出する吐出孔と、駆動シャフトに連結された動力回収シャフトとを有し、膨張室に吸入した作動流体を膨張させることにより動力回収シャフトの回転動力を得る膨張機部とを備える圧縮機に、吐出孔から吐出される作動流体の膨張機吐出圧力を検知する圧力検知手段と、吸入孔に吸入バルブとを設け、吸入孔から膨張室に導かれる作動流体の量を、圧力検知手段により得る膨張機吐出圧力と冷凍サイクル効率を最大とするための目標とする膨張機吸入圧力とから求められる目標量にするように、吸入バルブの開閉タイミングを可変する構成にしたものである。本実施の形態によれば、作動流体を吸入することができる膨張室の容積を理想的な容積とするように吸入バルブの開閉タイミングを可変することにより、常時高い運転効率を得ることが可能な膨張機一体型の圧縮機を提供する。
本発明の第２の実施の形態は、第１の実施の形態による圧縮機において、吸入孔に吸入される作動流体の吸入温度を計測する吸入温度センサと、吐出孔から吐出される作動流体の吐出温度を計測する吐出温度センサとを設け、吸入温度と吐出温度とから目標とする膨張機吸入圧力を演算する構成にしたものである。本実施の形態によれば、冷凍サイクル効率が最大となる目標吸入圧力を演算で得ることができる。
本発明の第３の実施の形態は、第２の実施の形態による圧縮機において、圧力検知手段を、吐出温度センサで計測した吐出温度を元に換算して膨張機吐出圧力を得る構成にしたものである。本実施の形態によれば、コスト低減に結び付けることができる。
本発明の第４の実施の形態は、第１から第３の実施の形態による圧縮機において、吸入バルブを電磁弁としたものである。本実施の形態によれば、開閉タイミングを容易に計ることができるとともに、不膨張弊害を防止することができる。
本発明の第５の実施の形態は、第１から第４の実施の形態による圧縮機において、吸入バルブを閉から開にする開タイミングを膨張室の容積が最小となる吸入開始時間とし、吸入バルブを開から閉にする閉タイミングを吸入開始時間から膨張室の容積が最大となるまでの間の時間とする制御機能を有する構成にしたものである。本実施の形態によれば、ブレーキロスを最小とすることができるとともに、作動流体が導入される膨張室の容積を理想的な容積とすることができる。
本発明の第６の実施の形態は、第１から第５の実施の形態による圧縮機において、膨張室で膨張するときの作動流体の体積と圧力との関係を保持する作動流体状態保持部を設け、当該作動流体状態保持部が保持する作動流体の体積と圧力との関係を用いて目標量を求める構成にしたものである。本実施の形態によれば、作動流体の体積と圧力との関係を例えば実際的な膨張過程の近似式とすることができ、より高い運転効率を得ることができる。
本発明の第７の実施の形態は、第１から第６の実施の形態による圧縮機において、超臨界相から液相あるいは気液二相に膨張する作動流体を用いて運転するものである。
本発明の第８の実施の形態は、第１から第７の実施の形態による圧縮機において、二酸化炭素を主成分とする作動流体を用いて運転するものである。
本発明の第９の実施の形態によるヒートポンプ装置は、吸入バルブの開閉タイミングを制御して膨張室に導かれる作動流体の量を冷凍サイクル効率が最大となる目標量にすることができる請求項１から請求項８のいずれかに記載の圧縮機を用いたものである。本実施の形態によれば、ヒートポンプ装置の運転効率を常に高いものとすることができる。
【実施例】
【０００８】
図１は本発明による実施例の圧縮機の縦断面図であり、図２は本実施例の圧縮機における膨張機部の横断面図である。図１及び図２には、ロータリーベーン式の圧縮機及び膨張機を示しているが、圧縮機及び膨張機の方式はこれに限るものではなく、ロータリー式、レシプロ式、スクロール式など何でも良い。また、作動流体としては、超臨界相から液相あるいは気液二相に膨張する作動流体、例えば二酸化炭素を主成分とする作動流体を用いる。
図１において、本実施例の圧縮機は、密閉容器１０の内部に、圧縮機部１２と、電動機部１６と、膨張機部２０と、さらに制御部とを備えて構成される。なお、この制御部の配備に関しては密閉容器１０の内部や外部に拘泥するものではない。
そして、圧縮機部１２は、圧縮室１３と駆動シャフト１４とロータ１５とを有し、駆動シャフト１４及びロータ１５を回転させることにより圧縮室１３に吸入した作動流体を低圧から高圧へと圧縮する。また、電動機部１６は、固定子１７と回転子１８とを有し、回転子１８は駆動シャフト１４に固定されている。そして、膨張機部２０は、シリンダ２１とロータ２３と動力回収シャフト２６（以下、シャフト２６）とを有し、作動流体を吸入経路３２及び吸入孔２７を経て吸入し、シリンダ２１及びロータ２３で形成する膨張室としての作動室２５で高圧から低圧に膨張させ、作動室２５から吐出室３３及び吐出経路３４を経て吐出することにより、シャフト２６に回転動力を得る。この回転動力は、シャフト２６から駆動シャフト１４に伝達され、圧縮機部１２の駆動力として回収される。
【０００９】
また、膨張機部２０は、図２において、シリンダ２１と、ロータ２３と、４個のベーン２４と、シャフト２６と、カバー３１と、吸入管３５と、電磁弁４０とを含み構成される。
即ち、シリンダ２１は、筒状の内壁２１ａを有し、その両端には側板２１ｂ，２１ｃ（図１参照）が設けられている。シリンダ２１の内部には、円柱形状のロータ２３が配設されていて、ロータ２３の外周の一部がシリンダ２１の内壁２１ａと小隙間２２を形成している。そして、小隙間２２の基点（接点）で内壁２１ａとロータ２３の外周とが接している。
また、ロータ２３には、９０ｄｅｇのピッチで上下端面に垂直な溝２３ａが４箇所に設けられている。各溝２３ａには、各々のベーン２４が摺動自在に挿入されており、ベーン２４の先端はシリンダ２１の内壁２１ａと接している。
作動室２５は、シリンダ２１の内壁２１ａ、ロータ２３および各々のベーン２４に囲まれた空間２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄ，２５ｅとして形成されている。シャフト２６は、ロータ２３と一体的に形成され、側板２１ｂ，２１ｃに回転自在に軸支持されているとともに、圧縮機部１２の駆動シャフト１４と連結されている。
【００１０】
また、シリンダ２１には、作動室２５に作動流体を流入させる吸入孔２７と、作動室２５から作動流体を流出させる吐出孔２８が設けられている。さらに、膨張室２５（２５ａ）と吸入孔２７との間に電磁弁４０が配設されている。
そして、吐出孔２８の近傍には、シリンダ２１の内壁２１ａの周方向にある範囲で開口させた開口部２８ａが設けられている。この開口部２８ａを設ける範囲は、ベーン２４の枚数をｎとすると、小隙間２２の基点からシャフト２６の矢印で示す回転方向に｛１８０×（１＋１／ｎ）｝ｄｅｇの開始位置２８ｂに始まり、小隙間２２の近傍にある終了位置２８ｃで終わる範囲である。図２における開口部２８ａの開始位置２８ｂは、ベーン２４が４枚なので、２２５ｄｅｇの位置である。
また、シリンダ２１の側方にはカバー３１が備えられており、カバー３１には吸入管３５が挿入され、吸入管３５の内部には吸入孔２７に作動流体を導く吸入経路３２が形成されている。そして、図１に示すように、密閉容器１０の内部には、吐出孔２８から流出した作動流体を一旦蓄える吐出室３３が形成され、密閉容器１０に接合された吐出管３６の内部には、吐出室３３から作動流体を外部へ流出させる吐出経路３４が形成されている。
【００１１】
さらに、制御部の構成について説明する。
制御部は、図１に示すように、吐出圧力センサ４８と、吸入温度センサ５０と、吐出温度センサ５１と、電磁弁制御部６０と、作動流体状態保持部６１とから構成される。
すなわち、電磁弁制御部６０を介して電磁弁４０に通電し、電磁弁４０の開閉を電気的に行うことにより、膨張室２５と吸入孔２７との連通を制御する構成としている。ところで、電磁弁４０は電気的なトラブルを想定して常時開、通電時（制御時）に閉となるものが望ましい。この理由は、電磁弁であれば、弁の開閉制御（開閉タイミングを計ること）が容易に可能であり、また電気的なトラブルが生じても閉じることのない常時開の電磁弁であれば、膨張機として機能しないという不膨張弊害が防止されるからである。
また、吸入温度センサ５０は、吸入経路３２あるいは吸入孔２７の作動流体の温度を膨張機の吸入温度Ｔｂとして計測する。また、吐出圧力センサ４８及び吐出温度センサ５１は、吐出室３３あるいは吐出経路３４の作動流体の圧力及び温度を膨張機の吐出圧力Ｐｃ及び吐出温度Ｔｃとして計測する。なお、温度センサや圧力センサは、作動流体の温度や圧力を計測できるものであれば何でもよい。また、凝縮器（図５参照）と吸入管３５との間で膨張機の吸入温度Ｔｂを計測し、吐出管３６と蒸発器（図５参照）との間で膨張機の吐出圧力Ｐｃ及び吐出温度Ｔｃを計測する構成でも可である。
また、電磁弁制御部６０は、電磁弁４０の開閉を制御する。また、作動流体状態保持部６１は、作動流体が膨張室２５で膨張する際の作動流体の体積と圧力との関係を示すデータや近似式などを保持する部分で、例えば半導体メモリ等を用いて構成されている。なお、作動流体状態保持部６１は電磁弁制御部６０と一体化されている構成でも可である。
【００１２】
次に、以上のような構成の本実施例の圧縮機における膨張機部の動作を、まず、電磁弁４０を常時開とした基本的な場合について説明する。図３は本実施例における電磁弁が常時開時の作動室のＰＶ線図であり、即ち膨張機部２０の作動室２５のＰＶ線図である。なお、本発明の特徴に関わらない圧縮機部の説明は省略する。
作動室２５は小隙間２２の吸入孔２７側の空間２５ａで生成する。その後、ロータ２３の回転に伴い容積を増加しつつ、吸入孔２７から冷凍サイクルの高圧圧力Ｐｈに相当する吸入圧力Ｐｂの作動流体を吸入する過程、すなわち、吸入過程を行う。吸入過程は図３のＡＢに相当する。
作動室２５が空間２５ｂの位置に達すると、吸入孔２７との連通が断たれて密閉空間となり、その後、ロータ２３の回転に伴い容積は増加し、内部の作動流体の圧力が低下してゆく過程、すなわち、膨張過程を行う。膨張過程は図３のＢＣに相当する。
作動室２５は空間２５ｃの位置で容積が最大となる。この時点は図３のＣに相当し、作動室２５の吐出圧力はＰｃとなっている。ここからロータ２３が僅かに回転した瞬間、空間２５ｃに位置する作動室２５は、開口部２８ａを介して吐出孔２８と連通し、作動流体は作動室２５から吐出室３３に押し出される。ここで、Ｃにおける作動室２５の吐出圧力Ｐｃが冷凍サイクルの低圧圧力Ｐｌと等しい場合は、減圧された作動流体がスムーズに排出され、低圧圧力Ｐｌで作動室２５の容積が減少していく。すなわち、図３のＣからＤに移行する吐出過程を行う。
その後、作動室２５は再び吸入孔２７と連通して、図３のＡの状態に戻る。
【００１３】
しかし実際は、冷凍サイクルの低圧圧力Ｐｌが蒸発器（図５参照）での熱交換条件や冷凍サイクルの運転条件等に応じて変動する。上述の膨張機の動作では、作動流体を密閉した瞬間（図２の空間２５ｂ）の容積と、作動流体を吐出する直前（図２の空間２５ｃ）の容積の比、すなわち膨張比が一定であるため、低圧圧力Ｐｌが変動した場合、膨張機の吐出圧力Ｐｃと等しくすることはできない。そこで本実施例では、電磁弁４０を用いて作動室２５に吸入する作動流体の量を変更し、膨張機の吐出圧力Ｐｃと冷凍サイクルの低圧圧力Ｐｌとが等しくなるように制御する動作が行われる。
【００１４】
次に電磁弁４０の開閉動作について説明する。
図４に本実施例における電磁弁４０の開閉タイミングと、吸入過程において作動流体が作動室２５に入る流量の関係を示す。ここで、電磁弁４０が閉から開となる時間を時間Ｔｏｐ、開から閉となる時間を時間Ｔｃｌと表記する。
まず、電磁弁４０は作動室２５が吸入孔２７と連通する直前に開となるように制御される。なお、この時電磁弁４０を閉じたままにしておくと、作動室２５は回転に伴って真空引きを行うことになり、ロータ２３の回転にブレーキをかけるロスが発生するので好ましくない。即ち、電磁弁４０を閉から開にする開タイミング（すなわち時間Ｔｏｐの時点）を、作動室２５の容積が最小となる吸入開始時間とする制御機能を有する構成により、ブレーキロスを最小とすることができる。
次に、時間Ｔｏｐから、作動室２５は吸入孔２７と連通し、作動流体が作動室２５に吸入される。そして、作動室２５が吸入可能な最大容積Ｖｂとなる事前の時間Ｔｃｌに電磁弁４０を閉じる。この結果、作動流体の吸入量は、最大容積Ｖｂより小さい容積Ｖｂ´に吸入される量となる。このように電磁弁４０を閉じる時間Ｔｃｌのタイミングを変えることにより、Ｖｂ´の大きさを可変する。換言すれば、電磁弁４０を開から閉にする閉タイミング（すなわち時間Ｔｃｌの時点）を、吸入開始時間から作動室２５の容積が最大となるまでの間の時間とする制御機能を有する構成により、作動流体の吸入量を可変することができる。
【００１５】
次に電磁弁４０を閉じる時間Ｔｃｌの決定方法について説明する。
作動流体に二酸化炭素を用いた空気調和機を考えた場合、冷凍サイクルの効率と高圧圧力Ｐｈとは、ある高圧圧力でその効率が最大となるような関係を持つ。Ｓ．Ｍ．Ｌｉａｏ氏によると、冷凍サイクル効率が最大となるような高圧圧力（以下、最適圧力Ｐｏｐｔと呼ぶ）は、次式で表現できる。
Ｐｏｐｔ＝（２．７７８−０．０１５７×ｔｅ）ｔｇ＋（０．３８１×ｔｅ−９．３４）
（数式１）
ここで、ｔｅは蒸発器温度（すなわち膨張機の吐出温度Ｔｃに相当する温度）、ｔｇは凝縮器出口温度（すなわち膨張機の吸入温度Ｔｂに相当する温度）であり、それぞれの温度を吐出温度センサ５１と吸入温度センサ５０で計測することができる。そして、数式１を用いて、吸入温度Ｔｂと吐出温度Ｔｃとから目標とする膨張機吸入圧力Ｐｏｐｔを演算することができる。
従って、冷凍サイクルは、高圧圧力Ｐｈ、すなわち高圧圧力Ｐｈに相当する膨張機の吸入圧力Ｐｂが目標膨張機吸入圧力としての最適圧力Ｐｏｐｔとなるように運転することが、空気調和機の冷凍サイクル効率を最大にするので望ましいと言える。
【００１６】
ところで、本実施例の作動流体は、蒸発器温度ｔｅにおいて気液二相状態になっているため、この蒸発器温度ｔｅを元に、当該作動流体の飽和圧力・温度の関係から換算して、冷凍サイクルの低圧圧力Ｐｌ（蒸発器圧力）、すなわち低圧圧力Ｐｌに相当する膨張機の吐出圧力Ｐｃを知ることができる。換言すれば、吐出圧力センサ４８を設けなくても、吐出温度センサ５１で計測した吐出温度Ｔｃを元に換算して膨張機吐出圧力Ｐｃを得る構成にすることができ、コスト低減に結び付けられる。
さらに、膨張機の膨張過程（図３の曲線ＢＣ）の最終状態Ｃ（図３の空間２５ｃ）における作動室２５の容積Ｖｃも設計仕様により既知である。そこで、作動室２５の体積と圧力との関係が分かれば、膨張過程の最終状態Ｃから初期状態Ｂへ逆の状態遷移を辿ることにより、作動流体を吸入する膨張室の目標容積Ｖｂo´を決定することができる。
例えば、作動流体が理想気体で、膨張過程で漏れや摩擦や熱の出入り等がなく、理想的な等エントロピー変化を行うものとすると、作動室２５の体積と圧力の関係は、次式で表される。
ＰＶκ＝（一定）      （数式２）
ただし、κは比熱比である。
この数式２を用いることにより、膨張過程の初期状態Ｂにおいて、吸入圧力Ｐｂを目標とする最適圧力Ｐｏｐｔにするには、最終状態Ｃの低圧圧力Ｐｌ（すなわち検知した吐出圧力Ｐｃ）、作動室容積Ｖｃ（設計仕様により既知）より、次式で表されるＶｂo´が、Ｂにおいて設定すべき目標容積、即ち作動流体の吸入量となる。
Ｖｂo´＝（Ｐｌ／Ｐｏｐｔ）1/κ・Ｖｃ      （数式３）
そして、このＶｂo´を用いて電磁弁４０を閉じる時間Ｔｃｌのタイミングを決定する。
換言すれば、膨張室に導かれる作動流体の量を、膨張機吐出圧力Ｐｃ（すなわち低圧圧力Ｐｌ）と、吸入温度Ｔｂ及び吐出温度Ｔｃから演算した冷凍サイクル効率を最大にする目標膨張機吸入圧力Ｐｏｐｔとから求められる目標量にするように、時間Ｔｃｌを決めることになる。なお、目標容積Ｖｂo´から時間Ｔｃｌを決定する方法の一例は、次のとおりである。基点から最大容積Ｖｂとなる点までの膨張機の回転角度θｂ（設計仕様により既知）に、Ｖｂo´とＶｂ（設計仕様により既知）の比を掛けて、基点から目標容積Ｖｂo´の点までの回転角度θｂoを求める。そして、膨張機の回転数と小隙間２２の基点からの回転角度θｘとを検出し、この回転角度θｘが回転角度θｂoに達した時点を時間Ｔｃｌとし、電磁弁４０の閉タイミングとする。
【００１７】
ところで、実際の膨張過程ＢＣにおいては、作動流体はその膨張するときの体積と圧力との関係が数式２で表される理想気体として扱うことはできず、例えば二酸化炭素では膨張過程で超臨界状態から気液二相状態に遷移する。また、膨張過程ＢＣは、漏れ、摩擦、流体抵抗の影響により理想的な等エントロピー変化にはならない。したがって、実際には、膨張過程における作動流体の体積と圧力との関係は、実験データ、もしくは、実験データから得られる近似式を用いて表現することが望ましく、このような近似式等を用いて目標容積Ｖｂo´を求めることが、理想気体として求める場合と比べて、より高い運転効率を得ることになる。
そして、前述の作動流体状態保持部６１には、上述の作動流体の体積と圧力の関係や、前述の作動流体の飽和圧力・温度の関係を表すデータや近似式などを保持している。言い換えれば、膨張室で膨張するときの作動流体の体積と圧力の関係を保持する作動流体状態保持部６１を設け、この関係を用いて目標容積Ｖｂo´（すなわち冷凍サイクル効率を最大にする目標量）を求める構成であれば、実際に則してより高い運転効率を得ることができる。
【００１８】
以上により、本実施例では、膨張機部の膨張室２５と吸入孔２７との間に電磁弁４０を設置し、冷凍サイクルの低圧圧力Ｐｌを検知し、この低圧圧力Ｐｌに基づいて冷凍サイクルの高圧圧力Ｐｈが冷凍サイクル効率を最大とする最適圧力Ｐｏｐｔとなるように、電磁弁制御部６０で電磁弁４０の開く時間幅（Ｔｃｌ−Ｔｏｐ）を制御して、作動室２５に入る作動流体の流量を調節するので、換言すれば、吸入バルブの開閉タイミングを可変して作動流体を吸入することができる膨張室の容積を理想的な容積とするので、膨張機のロータ２３を圧縮機の駆動シャフトと直結した場合でも、「密度比＝一定」の運転条件（制約）を排除でき、高圧の作動流体から常時最大限に動力回収を行う膨張機一体型の圧縮機を提供することができる。
なお、本実施例の圧縮機をヒートポンプ装置に用いて、圧縮機の吸入バルブの開閉タイミングを制御して、膨張室に導く作動流体の量を冷凍サイクル効率が最大となる目標量にすることにより、ヒートポンプ装置の運転効率を常に高いものとすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００１９】
本発明にかかる圧縮機およびそれを用いたヒートポンプ装置は、膨張機の吸入孔に設置した吸入バルブを開閉し、作動流体の入る膨張機の膨張室体積を制御して、高圧の作動流体から最大限に動力回収を行うので、常時高い運転効率を得ることができ、膨張機一体型の圧縮機やそれを用いたヒートポンプ装置、空気調和装置等に適用される。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明による実施例の圧縮機の縦断面図
【図２】本実施例の圧縮機における膨張機部の横断面図
【図３】本実施例における電磁弁が常時開時の作動室のＰＶ線図
【図４】本実施例における電磁弁の開閉タイミングと作動室に入る作動流体の流量との関係を示した図
【図５】従来の空気調和装置のシステム構成図
【図６】従来の空気調和装置において、作動流体を二酸化炭素とした場合のモリエル線図
【図７】従来の他の空気調和装置のシステム構成図
【符号の説明】
【００２１】
１０  密閉容器
１２  圧縮機部
１３  圧縮室
１４  駆動シャフト
１５，２３  ロータ
１６  電動機部
１７  固定子
１８  回転子
２０  膨張機部
２１  シリンダ
２２  小隙間
２３  ロータ
２４  ベーン
２５  作動室
２６  動力回収シャフト
２７  吸入孔
２８  吐出孔
３１  カバー
３２  吸入経路
３３  吐出室
３４  吐出経路
３５  吸入管
３６  吐出管
４０  電磁弁
４８  吐出圧力センサ
５０  吸入温度センサ
５１  吐出温度センサ
６０  電磁弁制御部
６１  作動流体状態保持部
【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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