(57)【要約】【課題】膨張機構が圧縮機構に対して負荷となることがなく、運転効率の高い膨張機一体型圧縮機およびそれ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。【解決手段】膨張機構４には、膨張機構４の吸入配管４２から冷媒が吸入される吸入部、冷媒を膨張させる第１膨張室４３と第２膨張室４４、膨張機構４の吐出配管４５から膨張した冷媒を吐出させる吐出部を備えている。そして、吸入部と吐出部とを連通する第１連通路５２、第２膨張室４４と吐出部とを連通する第２連通路５４が設けられている。第１連通路５２には、吐出部から吸入部への方向のみ冷媒を通す第１逆止弁５１が、第２連通路５４には、吐出部から第２膨張室４４への方向のみ冷媒を通す第２逆止弁５３が設けられている。【選択図】図１
2008038642.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動機によって回転動力を与えられるシャフトにより冷媒を圧縮する圧縮機構と、圧縮された冷媒を膨張させて機械エネルギーを動力回収する膨張機構と、を有する膨張機一体型圧縮機であって、
前記膨張機構が、
前記冷媒を吸入する吸入部と、
前記吸入部に吸入した前記冷媒を膨張させる膨張室と、
前記膨張室で膨張させた前記冷媒を吐出する吐出部と、
前記吸入部と前記吐出部との間に設けられた第１連通路と、
前記膨張室と前記吐出部との間に設けられた第２連通路と、
前記第１連通路に設けられ、前記吐出部の圧力が前記吸入部の圧力より高いときは前記吐出部と前記吸入部とを連通させ、前記吐出部の圧力が前記吸入部の圧力より低いときは前記吐出部と前記吸入部との連通を遮断する、第１圧力制御部と、
前記第２連通路に設けられ、前記吐出部の圧力が前記膨張室の圧力より高いときは前記吐出部と前記膨張室とを連通させ、前記吐出部の圧力が前記吸入部の圧力より低いときは前記吐出部と前記膨張室との連通を遮断する、第２圧力制御部と、を備えている、
膨張機一体型圧縮機。
【請求項２】
前記第１圧力制御部および前記第２圧力制御部は、それぞれ、第１逆止弁および第２逆止弁である、請求項１に記載の膨張機一体型圧縮機。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の前記膨張機一体型圧縮機の前記圧縮機構と、前記圧縮機構で圧縮された前記冷媒を放熱させる放熱器と、前記膨張機一体型圧縮機の前記膨張機構と、前記膨張機構で膨張された前記冷媒を蒸発させる蒸発器と、を順に前記冷媒が循環する冷媒循環経路で接続するとともに、
前記放熱器と前記膨張機構との間および前記膨張機構と前記蒸発器との間にそれぞれ設けた前記冷媒循環経路の第１分岐部と第２分岐部とから分岐した前記膨張機構と並列に膨張弁を有する冷媒バイパス経路を備えた冷凍サイクル装置であって、
前記第１分岐部から前記第２分岐部にかけて前記冷媒循環経路か前記冷媒バイパス経路かのどちらかに前記冷媒の経路を切り替える切替弁と、
前記膨張機構での動力回収量と前記膨張機構での損失量との大小関係を判定する判定手段と、
前記判定手段の判定結果から前記膨張機構での前記動力回収量が前記膨張機構での前記損失量を上回る場合に前記冷媒の経路を前記膨張機構の側に切り替える制御手段と、
を備えた冷凍サイクル装置。
【請求項４】
前記切替弁は、前記第１分岐部と前記第２分岐部の少なくともいずれか一方に設けた三方弁である、請求項３に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項５】
前記切替弁は、前記第１分岐部と前記第２分岐部の少なくともいずれか一方と、前記膨張機構との間および前記膨張弁との間の前記冷媒の経路にそれぞれ設けた第１開閉弁と第２開閉弁で構成される請求項３に記載の冷凍サイクル装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷媒の膨張により動力を回収する膨張機構を備えた膨張機一体型圧縮機およびそれを用いた冷凍サイクル装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
冷凍サイクルの高効率化を目的として、冷媒の膨張エネルギーを膨張機構で回収し、その回収されたエネルギーを圧縮機構の機械エネルギーとして利用する動力回収式の冷凍サイクルが提案されている。このような動力回収式の冷凍サイクルでは、膨張機構と圧縮機構とをシャフトで連結した膨張機一体型圧縮機を用いる技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
特許文献１にも述べられているように、膨張機一体型圧縮機を用いた冷凍サイクルでは、圧縮機構を通る冷媒の質量循環量と、膨張機構を通る冷媒の質量循環量とは等しい。そのため、膨張機一体型圧縮機を用いた冷凍サイクルは、膨張機構の冷媒の吸入密度と、圧縮機構の冷媒の吸入密度との比が、設計時に決定される膨張機構の吸入容積と圧縮機構の吸入容積の比に等しくなる、いわゆる密度比一定の条件下で運転される。その結果、膨張機一体型圧縮機を用いた冷凍サイクルは、常に高効率な運転条件で運転されるわけでなく、蒸発器における冷媒の蒸発温度の低下に伴い、モリエル線図上で冷凍サイクルの形状は、横長四角状から縦長四角状へと変化し、運転効率が低下することが示されている。
【０００４】
このような問題に対して、特許文献１の膨張機一体型圧縮機を備えた冷凍サイクルは、膨張機構にバイパス管路を設け、密度比一定の制約を回避している。すなわち、膨張機構を通る冷媒循環量を冷媒温度等の条件に対応させて増減調整できるようにし、冷凍サイクルの運転条件が常に高い運転効率を確保できるようにしている。
【０００５】
図９は、特許文献１の膨張機一体型圧縮機を備えた動力回収式空気調和装置３００のシステム構成図である。図９の動力回収式空気調和装置３００は、膨張機３０４の吐出管路３２３と吸込管路３２４との間にバイパス管路３１１を設け、バイパス管路３１１の通路面積を制御弁３１２によって増減調整する。このような構成により、制御弁３１２によって膨張機３０４を通る冷媒循環量が調整され、密度比一定という冷凍サイクル運転上の制約を解消し、冷凍サイクルの運転条件は常に高い運転効率を確保できるとしている。
【特許文献１】特開２００１−１１６３７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、このようなバイパス管路を設けた膨張機一体型圧縮機では、バイパス管路にも冷媒が流れるため、膨張機構を通過する冷媒循環量は少なくなり、膨張機構での動力回収量は減少する。そして、放熱器の熱源温度が低くなって膨張機構が吸入する冷媒の温度が低下すれば、モリエル線図上で等エンタルピー曲線が垂直に近くなり、理論上の動力回収量が小さくなり、実際の動力回収量も低下する。
【０００７】
また、膨張機構の摺動部では摩擦による機械損失が生じるが、上記のように冷媒循環量が低下した場合や、放熱器の熱源温度が低下した場合に、機械損失が動力回収量を上回ることがある。このような場合には、圧縮機構の動力を補助して入力を低減させる目的で設けた膨張機構が、圧縮機構に対する負荷になってしまうという課題があった。
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、膨張機構での動力回収量が一定値以下になる場合に、膨張機構が圧縮機構の負荷になることを防止して、運転効率の高い膨張機一体型圧縮機およびそれ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】
【０００９】
本発明は、電動機が回転動力を与えるシャフトの回転により冷媒を圧縮させる圧縮機構、冷媒を膨張させて膨張エネルギーを機械エネルギーとして動力回収する膨張機構、を有する膨張機一体型圧縮機であって、膨張機構が、冷媒を吸入する吸入部と、吸入部に吸入した冷媒を膨張させる膨張室と、膨張室で膨張させた冷媒を吐出する吐出部と、吸入部と前記吐出部との間に設けられた第１連通路と、膨張室と吐出部との間に設けられた第２連通路と、第１連通路に設けられ、吐出部の圧力が吸入部の圧力より高いときは吐出部と吸入部とを連通させ、吐出部の圧力が吸入部の圧力より低いときは吐出部と吸入部との連通を遮断する、第１圧力制御部と、第２連通路に設けられ、吐出部の圧力が膨張室の圧力より高いときは吐出部と膨張室とを連通させ、吐出部の圧力が吸入部の圧力より低いときは吐出部と膨張室との連通を遮断する、第２圧力制御部と、を備えている。
【００１０】
このような構成とすることにより、膨張機構の吸入部より吐出部の冷媒の圧力が高くなった場合に、第１連通路によって吐出部と吸入部とが連通する。また、膨張機構の膨張室より吐出部の冷媒の圧力が高くなった場合に、第２連通路によって吐出部と膨張室とが連通する。そのため、膨張機構の仕切られた各空間の間に圧力差が生じることはなく、膨張機一体型圧縮機のシャフトに逆向きの力が加わることがないので、膨張機構が圧縮機構に対して負荷となることがなく、膨張機一体型圧縮機は運転効率の高いものとなる。また、膨張機構の仕切られた各空間の間に圧力差が生じてシャフトを軸受に押し付ける力が働くこともないので、摺動部での損失も低減できる。
【００１１】
また本発明の膨張機一体型圧縮機の第１圧力制御部および第２圧力制御部は、それぞれ第１逆止弁および第２逆止弁であってもよい。
【００１２】
このように第１連通路には第１逆止弁、第２連通路には第２逆止弁を設けるという、簡単な構成で、それぞれ吐出部から吸入部へ、吐出部から膨張室へ、吸入部より吐出部の冷媒の圧力が高くなったときにのみ連通させることができる。
【００１３】
さらに本発明は、上述の膨張機一体型圧縮機の圧縮機構と、圧縮機構で圧縮された冷媒を放熱させる放熱器と、膨張機一体型圧縮機の膨張機構と、膨張機構で膨張された冷媒を蒸発させる蒸発器とを順に冷媒が循環する冷媒循環経路で接続するとともに、放熱器と膨張機構との間および膨張機構と蒸発器との間にそれぞれ設けた冷媒循環経路の第１分岐部と第２分岐部とから分岐した膨張機構と並列に膨張弁を有する冷媒バイパス経路を備えた冷凍サイクル装置であって、第１分岐部から第２分岐部にかけて冷媒循環経路か冷媒バイパス経路かのどちらかに冷媒の経路を切り替える切替弁と、膨張機構での動力回収量と膨張機構での損失量との大小関係を判定する判定手段と、判定手段の判定結果から膨張機構での動力回収量が膨張機構での損失量を上回る場合に冷媒の経路を膨張機構の側に切り替える制御手段とを備えた構成とすることである。
【００１４】
このような構成とすることで、膨張機構での動力回収量が、損失量以下のときは、冷媒の経路から膨張機構が切り離され、膨張弁で膨張させる冷媒バイパス経路が選択される。冷媒の経路から膨張機構が切り離されるため、膨張機構の吸入部と吐出部の冷媒圧力の関係が逆転し、第１圧力制御部と第２圧力制御部によって膨張機構の内部の圧力が均一になる。そのため、膨張機一体型圧縮機のシャフトに逆向きの力が加わることがないので、膨張機構が圧縮機構に対して負荷となることがなく、また、膨張機構の仕切られた各空間の間に圧力差が生じてシャフトを軸受に押し付ける力が働くこともないので、摺動部での損失も低減できる。こ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は運転効率の高いものとなる。
【００１５】
また本発明の冷凍サイクル装置の切替弁は、第１分岐部と第２分岐部の少なくともいずれか一方に設けた三方弁であってもよい。
【００１６】
このように切替弁を三方弁とすると、三方弁を設ける箇所は１箇所でよく、制御も容易となる。
【００１７】
また本発明の冷凍サイクル装置の切替弁は、第１分岐部と第２分岐部の少なくともいずれか一方と、膨張機構との間および膨張弁との間の冷媒の経路にそれぞれ設けた第１開閉弁と第２開閉弁で構成されてもよい。
【００１８】
このように切替弁を安価な開閉弁とすると、冷凍サイクル装置のコストアップも防止できる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の膨張機一体型圧縮機およびそれを用いた冷凍サイクル装置によれば、膨張機構での動力回収量が膨張機構での損失量を下回った場合には、膨張機構を切り離して、第１圧力制御部および第２圧力制御部の作用により、膨張機構内の圧力を均一化することができる。
【００２０】
したがって、膨張機構が圧縮機構に対して負荷となることが抑制され、運転効率の高いものとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２２】
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における膨張機一体型圧縮機１０１の縦断面図である。図２（ａ）（ｂ）は、それぞれ図１に示した膨張機一体型圧縮機のＡ−Ａ断面図、Ｂ−Ｂ断面図である。また図１は、図２のＣ−Ｃ断面を示している。図３は、本発明の第１の実施の形態における膨張機構４のピストンの位相角をベーンの位置を基準にして位相角０°から２７０°までの動作を表す略図である。図４は、本発明の第１の実施の形態における膨張機構４のピストンの位相角をベーンの位置を基準にして位相角３６０°から６３０°までの動作を表す略図である。図５は、本発明の第１の実施の形態における膨張機構４のピストンの位相角をベーンの位置を基準にして位相角７２０°から９９０°までの動作を表す略図である。図６は、本発明の第１の実施の形態における膨張機構４のピストンの位相角をベーンの位置を基準にして位相角１０８０°の動作を表す略図である。図７は、本発明の第１の実施の形態における膨張機一体型圧縮機を用いた冷凍サイクル装置１００の構成図である。
【００２３】
図１に示すように、膨張機一体型圧縮機１０１は、密閉容器１の内部に圧縮機構２と、電動機３と、膨張機構４とを順番に上から配列して、シャフト５で連結し、密閉容器１の底部にオイル貯留部６を設けて構成される。冷媒の膨張エネルギーを膨張機構４にて回収し、圧縮機構２を駆動する電動機３の動力に重畳する仕組みである。
【００２４】
密閉容器１の底部は、オイルを貯留するオイル貯留部６になっている。したがって、膨張機構４の周囲は、オイルで満たされる。膨張機構４の下部には、オイルポンプ７が設置されている。密閉容器１の上部には、電動機３に電力を供給するためのターミナル１１が密閉容器１を貫通する形で配置されている。
【００２５】
圧縮機構２は、いわゆるスクロール型であって、密閉容器１の内壁に溶接や焼き嵌めなどして固定したシャフト５の主軸受部材１２と、この主軸受部材１２の上にボルト止めされた固定スクロール１３との間に、固定スクロール１３と噛み合う旋回スクロール１４を挟み込んで構成されている。さらに、旋回スクロール１４と主軸受部材１２との間に、旋回スクロール１４の自転を防止して円軌道運動させるように案内するオルダムリングなどによる自転規制機構１５を設けて、シャフト５の上端にある主軸部５ａにて旋回スクロール１４を偏心駆動することにより円軌道運動させる。
【００２６】
電動機３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。
【００２７】
膨張機構４は、上軸受部材９、第１シリンダ３２、中板３３、第２シリンダ３４、下軸受部材３５、第１ローラ３６（第１ピストン）、第２ローラ３７（第２ピストン）、第１ベーン３８、第２ベーン３９、第１バネ４０および第２バネ４１を備えており、いわゆる２段ロータリ型の構成になっている。シャフト５は、上軸受部材９および下軸受部材３５によって回転自在に支持されている。
【００２８】
第２シリンダ３４には、ベーン溝３４ａが形成されている。また、第２シリンダ３４は、上軸受部材９の下部に固定されており、上軸受部材９に接続される吐出配管４５へ吐出する冷媒を導く吐出経路９ａと連通している。第２シリンダ３４の下部には、中板３３が固定されており、その中板３３の下部に第１シリンダ３２が固定されている。第１シリンダ３２には、ベーン溝３２ａが形成されている。
【００２９】
第１シリンダ３２の下部に固定された下軸受部材３５は、第１シリンダ３２への冷媒の吸入経路である吸入孔３５ａを有し、下軸受部材３５の下面には凹部３５ｂを有する。さらに、下軸受部材３５の下部には、密閉プレート４８が固定されて、凹部３５ｂとともに膨張機構４の吸入マフラー４６を形成する。また膨張機構４の吸入マフラー４６に吸入される冷媒は、上軸受部材９に接続された吸入配管４２から、下軸受部材３５および第１シリンダ３２、中板３３、第２シリンダ３４、上軸受部材９に形成された吸入経路４７を経て供給される。
【００３０】
第１ローラ３６は、第１シリンダ３２内に配置されており、シャフト５の第１偏心部５ｂに回転自在に嵌合している。第２ローラ３７は、第２シリンダ３４内に配置されており、シャフト５の第２偏心部５ｃに回転自在に嵌合している。
【００３１】
第１ベーン３８は、第１シリンダ３２のベーン溝３２ａにスライド自在に配置されている。第２ベーン３９は、第２シリンダ３４のベーン溝３４ａにスライド自在に配置されている。第１バネ４０は、一端が第１シリンダ３２に接触し他端が第１ベーン３８に接触して、第１ベーン３８を第１ローラ３６に押し付けている。第２バネ４１は、一端が第２シリンダ３４に接触し他端が第２ベーン３９に接触して、第２ベーン３９を第２ローラ３７に押し付けている。
【００３２】
また、吐出経路９ａと吐出経路９ａに連通する側の第２膨張室４４とを含む吐出部の冷媒の圧力が、吸入経路４７と吸入孔３５ａと吸入孔３５ａに連通する側の第１膨張室４３とを含む吸入部の冷媒の圧力より高くなったときに、吐出部から吸入部へ連通させる第１逆止弁５１で構成される第１圧力制御部を設けた第１連通路５２を備えている。また、吐出部の冷媒の圧力が、連通孔３３ａに連通する側の第１膨張室４３と第２膨張室４４との冷媒の圧力より高くなったときに、吐出部から連通孔３３ａに連通する側の第１膨張室４３と第２膨張室４４へ連通させる第２逆止弁５３で構成される第２圧力制御部を設けた第２連通路５４を備えている。
【００３３】
つぎに、本発明の膨張機一体型圧縮機１０１の動作について説明する。
【００３４】
ターミナル１１から電力を電動機３へ供給すると、固定子２１と回転子２２の間に回転動力が発生し、シャフト５によって圧縮機構２が駆動される。これにより、固定スクロール１３と旋回スクロール１４との間に形成している圧縮室１６が外周側から中央部に移動しながら小さくなる。圧縮室１６の容積変化を利用して、密閉容器１の外に通じた吸入配管１７および固定スクロール１３の外周部の吸入口１３ａから冷媒を吸入して圧縮していき所定圧以上になった冷媒は固定スクロール１３の中央部の吐出口１３ｂからリード弁１８を押し開いて密閉容器１の内部に吐出される。
【００３５】
密閉容器１の内部に吐出された高圧の冷媒は、電動機３の発熱を吸収しながら吐出配管１９を経て密閉容器外部の放熱器１０２に向かう。そして、放熱器１０２で冷却され、吸入配管４２から膨張機構４に吸入される。
【００３６】
膨張機構４には、下軸受部材３５、第１シリンダ３２、第１ベーン３８、第１ローラ３６、および中板３３によって２つの第１膨張室４３が形成される。また、中板３３、第２シリンダ３４、第２ベーン３９、第２ローラ３７、および上軸受部材９によって２つの第２膨張室４４が形成される。吸入孔３５ａと連通しない方の第１膨張室４３と、吐出経路９ａと連通しない方の第２膨張室４４とは中板３３に形成されている連通孔３３ａでつながっている。つまり、連通孔３３ａは、第１膨張室４３においては、第１ベーン３８を挟んで吸入孔３５ａの反対側に位置し、第２膨張室４４においては、第２ベーン３９を挟んで吐出経路９ａの反対側に位置している。
【００３７】
膨張機構４の動作を、冷媒の流れに沿って、順に説明する。
【００３８】
図３に示すように、位相角度０°では、第１ピストン３６と第２ピストン３７が連通孔３３ａの両端を閉じており、第１膨張室４３は吸入孔３５ａと連通して放熱器１０２から導かれる高圧の冷媒で満たされている。また、第２膨張室４４は吐出経路９ａと連通して蒸発器１０３に導かれる低圧の冷媒で満たされている。そして、第１ピストン３６、第２ピストン３７とも反時計方向に回転を始め高圧な冷媒の吸入過程が始まる。
【００３９】
位相角度９０°、１８０°、２７０°と第１ピストン３６、第２ピストン３７の回転が進むにつれて、高圧の冷媒が、吸入孔３５ａに連通する側の第１膨張室４３に吸入されていく。
【００４０】
図４に示すように、位相角度が３６０°になると、第１膨張室４３は高圧の冷媒で満たされる。その後、吸入孔３５ａとの連通が第１ピストン３６によって遮られる時点で高圧の冷媒の吸入が止まり、その吸入が停止した時点より、連通孔３３ａに連通する側の第１膨張室４３と第２膨張室４４とに吸入孔３５ａから吸入した高圧の冷媒が閉じ込められ吸入過程から膨張過程に移行する。
【００４１】
位相角度４５０°、５４０°、６３０°と位相が進むとともに、連通孔３３ａに連通する側の第１膨張室４３と第２膨張室４４に閉じ込められた高圧の冷媒が、容積の拡大に伴って膨張して減圧されていく。
【００４２】
位相角度が６３０°から７２０°の間になると、連通孔３３ａによってつながった第１膨張室４３と第２膨張室４４で構成される膨張空間が、吐出経路９ａに連通して、吐出経路９ａを経て膨張、減圧された冷媒が吐出され始める吐出過程となる。
【００４３】
図５の位相角度７２０°、８１０°、９００°、９９０°に示すように、吐出経路９ａと連通する側の第２膨張室４４の冷媒は、第２ピストン３７の回転とともに、吐出経路９ａと吐出配管４５を経て蒸発器１０３へと押し出される。
【００４４】
図６の位相角度１０８０°に示すように、この時点で吐出経路９ａに連通する側の第２膨張室４４は容積をゼロにして吐出過程を完了する。
【００４５】
このように、膨張機構４において、吸入配管４２から取り込まれた高圧の冷媒は、吸入、膨張、吐出という一連の過程で、第１ピストン３６と第２ピストン３７とによって膨張仕事を行うことで、第１ピストン３６、第２ピストン３７を介してシャフト５に動力を伝える。膨張仕事を終え、低圧になった冷媒は、吐出経路９ａを経由して、吐出配管４５から吐出される、という動作を繰り返す。
【００４６】
通常の運転時には、吸入配管４２から高圧の冷媒が供給されて、吐出配管４５の側に膨張仕事を終えた低圧の冷媒が送り出される。この場合、吸入配管４２の側（吸入部側）よりも吐出配管４５の側（吐出部側）の圧力が低いため、第１逆止弁５１と第２逆止弁５３とが吐出経路側に押圧される。そのため、第１連通路５２、第２連通路５４が塞がれるため、冷媒が膨張機構４をバイパスして流れ出ることはない。
【００４７】
しかし、吸入配管４２の側もしくは吐出配管４５の側が塞がれるなどして、吐出配管４５の側（吐出部側）が吸入配管４２の側（吸入部側）よりも高圧になるような場合には、第１逆止弁５１と第２逆止弁５３とが吸入経路側に押圧される。そのため、第１連通路５２と第２連通路５４とが開き、吸入部と吐出部とが連通し、膨張機構４の内部が均圧される。その結果、シャフト５に逆向きの力が加わることはないため、膨張機構４が圧縮機構２に対して負荷となることがなく、膨張機一体型圧縮機１０１は運転効率の高いものとなる。さらに、膨張機構４の第１膨張室４３と第２膨張室４４の仕切られた各空間の間に圧力差が生じてシャフト５を軸受に押し付ける力が働くこともないので、摺動部での損失も低減できる。
【００４８】
図７は、本発明の実施の形態１の膨張機一体型圧縮機１０１を用いた冷凍サイクル装置１００の構成図である。冷凍サイクル装置１００は、冷媒として二酸化炭素を用い、冷媒の膨張に伴うエネルギーを膨張機構４により動力として回収し、高効率運転を図っている。
【００４９】
冷凍サイクル装置１００は、膨張機一体型圧縮機１０１の圧縮機構２、放熱器１０２、膨張機一体型圧縮機１０１の膨張機構４、および蒸発器１０３を順に冷媒が循環するよう冷媒循環経路１５０で接続された装置である。放熱器１０２と蒸発器１０３との間の冷媒循環経路１５０に、膨張機構４と並列に、膨張弁１０６を有する冷媒バイパス経路１６０が設けられている。
【００５０】
さらに、冷媒循環経路１５０の放熱器１０２から膨張機構４への経路中の分岐箇所には、分岐部１０４が、膨張機構４から蒸発器１０３への経路中の分岐箇所には、切替弁として、三方弁１０５が設けられている。
【００５１】
また、冷凍サイクル装置１００には、膨張機一体型圧縮機１０１に供給される電力量、または電流値を検知する入力検知手段１０７と、制御手段１０８と、電動機３に電力を供給する電源１０９とが備えられている。
【００５２】
圧縮機構２の吸入配管１７から吸入された冷媒は、圧縮機構２で高温、高圧に圧縮される。そして、吐出配管１９から吐出された冷媒は、放熱器１０２で放熱され、分岐部１０４を通り、膨張機構４の吸入配管４２から膨張機構４で膨張される。膨張された冷媒は、膨張機構の吐出配管４５より吐出され、三方弁１０５を通って、蒸発器１０３で周囲より熱を奪って蒸発する。そして冷媒は、再び圧縮機構２の吸入配管１７から吸入されて、冷凍サイクルを繰り返す。
【００５３】
制御手段１０８（判定手段としての機能を含む）は、入力検知手段１０７で検知された電力量、または電流値から推定される膨張機構４での動力回収量と、膨張機構４での摺動による損失量とを比較し、大小関係を判定する。そして、制御手段１０８は、動力回収量が摺動による損失量より大きいときは、三方弁１０５により冷媒を冷媒循環経路１５０に流し、冷媒バイパス経路１６０には流さないようにする。すなわち、三方弁１０５で冷媒バイパス経路１６０側流路を閉じるため、放熱器１０２を出た冷媒は、分岐部１０４で膨張弁１０６の方には流れず、膨張機構４の方へ流れる。
【００５４】
また、動力回収量が摺動による損失量以下のときは、三方弁１０５により冷媒を冷媒バイパス経路１６０に流し、冷媒循環経路１５０には流さないようにする。このとき、三方弁１０５によって膨張機構４の吐出配管４５の側が塞がれてしまうが、圧縮機構２を駆動するシャフト５の回転によって膨張機構４は、吐出配管４５の側に冷媒を送り出し続ける。そのため、吐出配管４５を含む吐出部の冷媒の圧力が上昇して、膨張過程の連通孔３３ａに連通する側の第１膨張室４３と第２膨張室４４や、吸入経路４７と吸入孔３５ａと吸入孔３５ａに連通する側の第１膨張室４３とを含む吸入部の冷媒の圧力を超える。したがって、第１逆止弁５１と第２逆止弁５３とが作動して、吐出部と吸入部、それに膨張過程の連通孔３３ａに連通する側の第１膨張室４３と第２膨張室４４が均圧される。
【００５５】
なお本発明の実施の形態では、三方弁１０５を、膨張機構４から蒸発器１０３への経路中の分岐箇所に設ける例を示したが、三方弁１０５と分岐部１０４との位置を置き換えても、同様の機能を発揮することができる。
【００５６】
なお本発明の実施の形態では、制御手段１０８は、入力検知手段１０７で検知された電力量、または電流値から推定される膨張機構４での動力回収量と、膨張機構４での摺動による損失量とを比較するが、具体的には、冷媒循環経路１５０と冷媒バイパス経路１６０とにそれぞれ冷媒を流した場合の電動機３への電力供給量もしくは電流値を比較することで比較判定することができる。すなわち、膨張機構４が圧縮機構２に対して負荷になる場合には、その分電動機３で発生させるべき動力が増加して、電力を多く消費することになる。その場合、冷媒バイパス経路１６０に冷媒を流すことで、消費電力量が低下する。このような関係は、放熱器１０２や蒸発器１０３の熱源環境によって変化するので、熱源環境条件毎の判別結果を記録して、データベースを作成し、そのデータベースを元に、冷凍サイクル装置１００の運転時に単位時間毎の熱源環境条件の確認を行い、制御手段１０８により三方弁１０５を制御させてもよい。
【００５７】
（実施の形態２）
図８は、本発明の第２の実施の形態における膨張機一体型圧縮機１０１を用いた冷凍サイクル装置２００の構成図である。本発明の実施の形態２と実施の形態１との冷凍サイクル装置の異なる点は、切替弁に開閉弁を用いた点のみであり、同じ要素には同じ番号を付している。
【００５８】
冷凍サイクル装置２００には、冷媒循環経路２５０から冷媒バイパス経路２６０を分岐させる分岐部２０４、２０５を設け、冷媒循環経路２５０のうち、膨張機一体型圧縮機１０１の膨張機構４と、分岐部２０５との間の経路に第１の開閉弁２０６を配置している。また冷凍サイクル装置２００は、冷媒バイパス経路２６０のうち、膨張弁２０８と、分岐部２０５との間の経路に第２の開閉弁２０７を配置している。
【００５９】
ここで膨張機構４での動力回収量が、摺動による損失量より大きいと、制御手段２１０は、第１の開閉弁２０６を開き、第２の開閉弁２０７を閉じている。そして、膨張機構４での動力回収量が摺動による損失量より小さいか等しくなると、第１の開閉弁２０６を閉じ、第２の開閉弁２０７を開き、膨張弁２０８で冷媒を膨張させるようにする。
【００６０】
このとき、膨張機構４の吸入配管４２の側には高圧の冷媒が、吐出配管４５の側には低圧の冷媒が残るが、シャフト５の回転とともに吸入配管４２の側の冷媒は、吐出配管４５から吐出される。ここで、第１の開閉弁２０６は閉じているため、膨張機構４が吐出した冷媒によって、吐出配管４５の側が、吸入配管４２の側より圧力が高くなってしまうが、第１逆支弁５１と第２逆支弁５３の作用によって、膨張機構４の内部の圧力を等しくすることで、膨張機構４が圧縮機構２に対して負荷とならないようにできる。
【００６１】
このように安価な開閉弁２０６、２０７を用いても、膨張機一体型圧縮機１０１を用いた冷凍サイクル装置２００は、膨張機構４での動力回収量が低下する条件でも膨張機構４が圧縮機構２に対して負荷とならず、高い運転効率を保つことができ、冷凍サイクル装置２００のコストアップも防止できる。
【００６２】
なお、本発明の実施の形態では、第１の開閉弁２０６を、膨張機構４と、分岐部２０５との間の経路に設ける例を示したが、分岐部２０４と膨張機構４との間の経路に設けてもよい。また、第２の開閉弁２０７も、分岐部２０４と膨張弁２０８との間の経路に設けても、同様の機能を発揮することができる。
【００６３】
また、本発明の実施の形態１、２では、逆止弁を用いて膨張機構の吐出部、吸入部、膨張室の冷媒圧力を均一に保つ例を示したが、逆止弁の代わりに電磁弁を用い、吐出部、吸入部、膨張室に圧力センサを設け、それらからの信号によって電磁弁を開閉してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明の膨張機一体型圧縮機およびそれを用いた冷凍サイクル装置によれば、膨張機の動力回収量が一定値以下となっても、高い運転効率を得ることができ、空気調和装置、給湯装置等の冷凍サイクル装置に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の第１の実施の形態における膨張機一体型圧縮機の縦断面図
【図２】（ａ）図１に示した膨張機一体型圧縮機のＡ−Ａ断面図（ｂ）図１に示した膨張機一体型圧縮機のＢ−Ｂ断面図
【図３】本発明の第１の実施の形態における膨張機構のピストンの位相角をベーンの位置を基準にして位相角０°から２７０°までの動作を表す略図
【図４】本発明の第１の実施の形態における膨張機構のピストンの位相角をベーンの位置を基準にして位相角３６０°から６３０°までの動作を表す略図
【図５】本発明の第１の実施の形態における膨張機構のピストンの位相角をベーンの位置を基準にして位相角７２０°から９９０°までの動作を表す略図
【図６】本発明の第１の実施の形態における膨張機構のピストンの位相角をベーンの位置を基準にして位相角１０８０°の動作を表す略図
【図７】本発明の第１の実施の形態における膨張機一体型圧縮機を用いた冷凍サイクル装置の構成図
【図８】本発明の第２の実施の形態における膨張機一体型圧縮機を用いた冷凍サイクル装置の構成図
【図９】従来の膨張機一体型圧縮機を備えた動力回収式空気調和装置のシステム構成図
【符号の説明】
【００６６】
１    密閉容器
２    圧縮機構
３    電動機
４    膨張機構
５    シャフト
５ａ    主軸部
５ｂ    第１偏心部
５ｃ    第２偏心部
６    オイル貯留部
７    オイルポンプ
９    上軸受部材
９ａ    吐出経路
１１    ターミナル
１２    主軸受部材
１３    固定スクロール
１３ａ    吸入口
１３ｂ    吐出口
１４    旋回スクロール
１５    自転規制機構
１６    圧縮室
１７    吸入配管
１８    リード弁
１９    吐出配管
２１    固定子
２２    回転子
３２    第１シリンダ
３２ａ    ベーン溝
３３    中板
３３ａ    連通孔
３４    第２シリンダ
３４ａ    ベーン溝
３５    下軸受部材
３５ａ    吸入孔
３５ｂ    凹部
３６    第１ローラ（第１ピストン）
３７    第２ローラ（第２ピストン）
３８    第１ベーン
３９    第２ベーン
４０    第１バネ
４１    第２バネ
４２    吸入配管
４３    第１膨張室
４４    第２膨張室
４５    吐出配管
４６    吸入マフラー
４７    吸入経路
４８    密閉プレート
５１    第１逆支弁
５２    第１連通路
５３    第２逆支弁
５４    第２連通路
１００，２００    冷凍サイクル装置
１０１    膨張機一体型圧縮機
１０２，２０２    放熱器
１０３，２０３    蒸発器
１０４，２０４，２０５    分岐部
１０５    三方弁
１０６，２０８    膨張弁
１０７    入力検知手段
１０８，２１０    制御手段
１０９，２１１    電源
１５０，２５０    冷媒循環経路
１６０，２６０    冷媒バイパス経路
２０６    第１の開閉弁
２０７    第２の開閉弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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