(57)【要約】【課題】冷媒の膨張特性に合致した膨張容積の増加を実現し動力回収効率の高い膨張機を実現する。【解決手段】３個以上の偏心部３１ａ、３１ｂ、３１ｃを有するシャフト３１と、偏心部３１ａ、３１ｂ、３１ｃのそれぞれに嵌合して偏心回転する３個以上のピストン４１、４２、４３と、内面が円筒形状であるとともに内面の一部がピストン４１、４２、４３と接するように配設された３個以上のシリンダ２１、２２、２３と、各ピストン４１、４２、４３と各シリンダ２１、２２、２３とにより形成される空間を冷媒を吸入する吸入部と冷媒を吐出する吐出部とに仕切る３個以上の仕切部材とを備え、シャフト３１の長手方向に各シリンダ２１、２２、２３を連接し、冷媒が冷媒経路の上流側から下流側に行くにしたがって、各ピストン４１、４２、４３と各シリンダ２１、２２、２３とにより形成される空間を大きくする。【選択図】図１
2008190723.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
３個以上の偏心部を有するシャフトと、
前記偏心部それぞれに嵌合して偏心回転する３個以上のピストンと、
内面が円筒形状であるとともに前記内面の一部が前記ピストンと接するように配設された３個以上のシリンダと、
前記ピストンと前記シリンダとにより形成される各空間を冷媒を吸入する吸入部と前記冷媒を吐出する吐出部とに仕切る３個以上の仕切部材とを備え、
前記シャフトの長手方向に前記シリンダを連接し、
冷媒経路の上流側の前記空間よりも冷媒経路の下流側の前記空間の方が大きくなるよう形成したことを特徴とする膨張機。
【請求項２】
前記シリンダは同一内径を有するとともに前記ピストンは同一外径を有し、冷媒経路の上流側から下流側に行くにしたがって、前記シリンダの円筒高さを大きくすることを特徴とする、
請求項１に記載の膨張機。
【請求項３】
前記シリンダは同一の円筒高さを有するとともに前記ピストンは同一外径を有し、冷媒経路の上流側から下流側に行くにしたがって、前記シリンダの内径を大きくすることを特徴とする、
請求項１に記載の膨張機。
【請求項４】
前記シリンダは同一内径と同一円筒高さを有し、冷媒経路の上流側から下流側に行くにしたがって前記ピストンの外径を小さくしたことを特徴とする、
請求項１に記載の膨張機。
【請求項５】
冷媒経路の最上流側の第１シリンダの吐出部と前記第１シリンダに連接した第２シリンダの吸入部とで形成される膨張室において、前記冷媒を超臨界状態または液状態から飽和液線近傍の気液二相域まで膨張させることを特徴とする、
請求項１から請求項４のいずれかに記載の膨張機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高圧の圧縮性流体により作動して動力を発生させる膨張機に関し、特に冷凍サイクルにおける絞り機構部に置き換えて冷媒の膨張動力を回収する膨張機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から冷凍サイクルに用いられる膨張機として、ロータリ型の膨張機が開示されている（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）。
【０００３】
従来のこのような膨張機の一例を図１２〜図１４に示す。図１３は、図１２のＺ−Ｚ線断面図であり、図１４は膨張機の動作を説明するための説明図である。
【０００４】
図１２、図１３に示すように、膨張機は、密閉容器７０１と、シリンダ７０２と、偏心部７０３ａを有するシャフト７０３と、シリンダ７０２の内側で偏心回転運動をするピストン７０４と、シリンダ７０２に設けられたベーン溝７０２ａと、このベーン溝７０２ａの内部を往復運動するベーン７０５と、ベーンばね７０６と、シャフト７０３を支える上軸受部材７０７および下軸受部材７０８と、冷媒を吸入する吸入管７０９と、冷媒を吐出する吐出管７１０などから構成されている。そして、シリンダ７０２、ピストン７０４、上軸受部材７０７および下軸受部材７０８で囲まれた空間にベーン７０５で仕切られた膨張室７１２が形成されている。上軸受部材７０７には、吸入空間７０７ａと、吸入経路７０７ｂと、吸入経路７０７ｂの膨張室７１２側の開口部となる吸入孔７０７ｃとを備えている。シャフト７０３には、軸方向経路７０３ｂと径方向経路７０３ｃとが備えられている。さらに、シリンダ７０２には膨張室７１２から吐出空間７２０へ冷媒を吐出させる吐出孔７０２ｂがベーン７０５を挟んで吸入孔７０７ｃとは反対側に設けられている。
【０００５】
このような従来の膨張機の動作について説明する。図１２に示すように、高圧の冷媒は吸入管７０９より吸入空間７０７ａ、シャフト７０３の軸方向経路７０３ｂを経てシャフト７０３の径方向経路７０３ｃに流入する。図１３に示すように、シャフト７０３の径方向経路７０３ｃはシャフト７０３の外周面のある範囲のみに開口しており、シャフト７０３の回転に伴って上軸受部材７０７の吸入経路７０７ｂとの間で連通、非連通を繰り返す。径方向経路７０３ｃと吸入経路７０７ｂが連通したときに、冷媒は径方向経路７０３ｃから吸入経路７０７ｂ、吸入孔７０７ｃを経て膨張室７１２に吸入される。
【０００６】
以下、膨張機の動作を図１４（ａ）〜（ｄ）を用い、膨張室７１２に着目して説明する。図１４（ａ）は、吸入行程の開始直前の状態を示している。この状態からシャフト７０３が反時計周りに回転すると、シャフト７０３の径方向経路７０３ｃと上軸受部材７０７の吸入経路７０７ｂとが連通し、膨張室７１２に高圧の冷媒を流入させる吸入行程が開始される。さらに、シャフト７０３が反時計方向に回転した後の図１４（ｂ）の状態では、シャフト７０３の径方向経路７０３ｃと上軸受部材７０７の吸入経路７０７ｂの連通が断たれて吸入行程が終了する。このときの膨張室７１２の容積が膨張機の吸入容積Ｖｓとなる。その後、膨張室７１２に吸入された高圧の冷媒は、膨張室７１２の容積が増す方向にシャフト７０３を回転させながら膨張減圧する膨張行程に入り、図１４（ｃ）の状態を経て図１４（ｄ）の状態となる。この状態は、膨張室７１２が吐出孔７０２ｂと連通する直前の状態であり、このときの膨張室７１２の容積が膨張機の吐出容積Ｖｄとなる。この後、シャフト７０３がわずかに回転すると膨張室７１２は吐出孔７０２ｂと連通して吐出行程が開始される。膨張室７１２の容積が減少するのに伴い、冷媒は吐出孔７０２ｂから吐出空間７２０に吐出される。吐出空間７２０に蓄えられた低圧の冷媒は吐出管７１０から膨張機の外部に吐出される。
【０００７】
すなわち、上記膨張機では、吸入行程から膨張行程への移行はシャフト７０３に設けた径方向経路７０３ｃと膨張室７１２との連通による流入タイミング制御手段の開閉に依存している。
【０００８】
このような膨張機を冷凍サイクルに用いた例が開示され、特にフロン系冷媒よりも温暖化防止に効果的な二酸化炭素を冷媒として使用した例が開示されている（例えば、特許文献４参照）。
【０００９】
図１５は二酸化炭素を冷媒とする冷凍サイクルの概念図であり、図１５（ａ）は通常の冷凍サイクル、図１５（ｂ）は膨張機を利用した冷凍サイクル、図１５（ｃ）はこれらの冷凍サイクルの圧力とエンタルピーとの関係を示すモリエル線図である。
【００１０】
図１５（ａ）に示す通常の冷凍サイクルは、圧縮機８０１、ガスクーラ８０２、膨張弁８０３、蒸発器８０４から構成され、圧縮機８０１はモータなどの駆動要素８０５によって駆動される。この場合のモリエル線図は、図１５（ｃ）のＡ−Ｂ−Ｃ−Ｄに相当する。
【００１１】
一方、図１５（ｂ）に示す膨張機を利用した冷凍サイクルでは、図１５（ａ）の膨張弁８０３の代わりに膨張機８０６を用い、駆動要素８０５を介して膨張機８０６のシャフトを圧縮機８０１のシャフトと直結している。この場合のモリエル線図は、膨張機８０６における冷媒の膨張行程が近似的に断熱膨張であることを考慮すると、図１５（ｃ）のＡ−Ｂ−Ｃ−Ｄ´となる。このような冷凍サイクルの構成とすることにより、膨張機８０６の冷媒の膨張行程において回収した回転動力を用いて、圧縮機８０１の駆動を補助することにより、駆動要素８０５の負荷を軽減することができる。
【００１２】
さらに、蒸発器８０４へ流入する冷媒のエンタルピー差がモリエル線図上のＤ−Ｄ´に相当する部分で増加し、冷凍能力を向上させることができる。図１５（ｃ）において、点Ｒは冷媒である二酸化炭素の臨界点であり、それより圧力の高い超臨界状態で放熱器であるガスクーラ８０２が作動する。ガスクーラ８０２の出口が点Ｃの状態で膨張機８０６に冷媒が流入し、Ｃ−Ｑ´−Ｄ´のように状態変化して冷媒のエンタルピー差Ｄ−Ｄ´分を膨張機８０６で動力回収している。
【特許文献１】特開平８−８２２９６号公報
【特許文献２】特開平８−３３８３５６号公報
【特許文献３】特開２００３−１７２２４４号公報
【特許文献４】特開２００１−１５３０７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
このような従来の膨張機においては、冷媒の吸入完了時、すなわち膨張開始時の吸入容積をＶｓ、吐出開始時、すなわち膨張終了時の吐出容積をＶｄとすると、ＶｓとＶｄはそれぞれ流入タイミング制御手段と吐出孔により決定されて固有の膨張比Ｖｄ／Ｖｓとなる。図１６に図１５（ｃ）の膨張行程Ｃ−Ｄ´における時間に対する圧力および容積の関係を示す。ここでは、冷媒の膨張行程開始時の膨張室の圧力をＰｓ、膨張行程終了時の膨張室の圧力をＰｄとしている。
【００１４】
図１６（ａ）に示すように、従来の膨張機は膨張比（Ｖｄ／Ｖｓ）が一定で、かつその容積増加割合は正弦波状である。冷媒が超臨界状態から膨張する場合の膨張圧力変化は、理想的には図１６（ｂ）の実線に示すように、超臨界状態から飽和液付近までの単相の状態変化をし、その後、気液二相状態へと膨張する。しかしながら、実際には変曲点圧力Ｐｍ付近で破線部に示すような相変化遅れによる圧力低下が発生する。
【００１５】
すなわち、図１５（ｃ）に示すように、超臨界状態の点Ｃから飽和液点Ｑ´までの膨張は単相膨張であるため、その膨張率は１０％以下である。一方、飽和液点Ｑ´から気液二相状態の点Ｄ´までの膨張は、液体から気体と液体を含む気液二相状態へ膨張する複相膨張であるため、膨張率は２００％程度にもなる。したがって、従来のように膨張行程の全領域にわたって同一の膨張率で膨張させようとすると、図１６（ｂ）に示すように、点Ｃから飽和液点Ｑ´までの圧力降下は、点Ｑ´から点Ｄ´までの圧力降下に要する時間の１／２０程度の非常に短い時間で起こる。このため、点Ｑ´から始まる液から気体への相変化において、相変化速度が圧力降下の速度に追い付かず、いわゆる相変化遅れを生じ、図１６（ｂ）の破線に示すような圧力低下をきたす。膨張機の回収動力は、膨張行程での冷媒の圧力と容積の関係を示す線図（ＰＶ線）の面積によって決定されるため、このような相変化遅れが発生する場合には、その圧力低下分だけ回収できる動力が減少するという課題を有していた。
【００１６】
そこで本発明は、上記従来の課題を解決するとともに、簡単な構成で膨張行程における相変化遅れの発生を抑制し、動力回収効率に優れた膨張機を実現することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上述した課題を解決するため、本発明の膨張機は、３個以上の偏心部を有するシャフトと、偏心部それぞれに嵌合して偏心回転する３個以上のピストンと、内面が円筒形状であるとともに内面の一部がピストンと接するように配設された３個以上のシリンダと、ピストンとシリンダとにより形成される各空間を冷媒を吸入する吸入部と冷媒を吐出する吐出部とに仕切る３個以上の仕切部材とを備え、シャフトの長手方向にシリンダを連接し、冷媒経路の上流側の空間よりも冷媒経路の下流側の空間の方が大きくなるよう形成している。
【００１８】
このような構成によれば、冷媒の膨張特性に合致した膨張室の容積増加となり、動力回収効率の高い膨張機を実現できる。
【００１９】
さらに、シリンダは同一内径を有するとともにピストンは同一外径を有し、冷媒経路の上流側から下流側に行くにしたがって、シリンダの円筒高さを大きくしてもよく、簡単な構成で膨張機の膨張室容積を可変とすることができる。
【００２０】
さらに、シリンダは同一の円筒高さを有するとともにピストンは同一外径を有し、冷媒経路の上流側から下流側に行くにしたがって、シリンダの内径を大きくしてもよく、小型の膨張機を実現して容易に膨張機の膨張室容積を可変とすることができる。
【００２１】
さらに、シリンダは同一内径と同一円筒高さを有し、冷媒経路の上流側から下流側に行くにしたがってピストンの外径を小さくしてもよく、容易に膨張機の膨張室容積を可変とすることができる。
【００２２】
さらに、冷媒経路の最上流側の第１シリンダの吐出部と前記第１シリンダに連接した第２シリンダの吸入部とで形成される膨張室において、冷媒を超臨界状態または液状態から飽和液線近傍の気液二相域まで膨張させても良い。
【００２３】
このような構成によれば、冷凍サイクルの冷房運転や暖房運転の切り替えなどにも対応して、単相域での膨張と気体への相変化を伴う膨張とを分離して、相変化遅れによる圧力低下が発生しない膨張機を実現することができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の膨張機によれば、冷媒の膨張特性に合致した膨張室の容積増加を実現し、動力回収効率の高い膨張機を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
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。
【００２６】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における膨張機の縦断面図である。図２は、図１の横断面図であり、図２（ａ）は図１のＡ−Ａ線断面図、図２（ｂ）は図１のＢ−Ｂ線断面図、図２（ｃ）は図１のＣ−Ｃ線断面図を示す。
【００２７】
本発明の実施の形態１の膨張機は、密閉容器１内に、膨張機構部５００と動力回収機構部６００とが配置されており、膨張機構部５００と動力回収機構部６００とはシャフト３１で連結されている。シャフト３１は、密閉容器１に固定されている下軸受８２と上軸受８１とに軸支されており、密閉容器１の下部に貯留する潤滑油１０４をシャフト３１の回転により吸い上げて、上軸受８１や下軸受８２、さらには膨張機構部５００などの摺動部へ給油して潤滑させるように構成している。密閉容器１には、膨張させる冷媒を吸入する吸入管９と、膨張した冷媒を吐出する吐出管１０が設けられている。吸入管９から膨張機構部５００に吸入された冷媒は、膨張機構部５００で膨張した後、吐出管１０から密閉容器１外に吐出され、冷凍サイクルの蒸発器に供給される。また、冷媒としては二酸化炭素を用いている。
【００２８】
膨張機構部５００において冷媒が膨張する際、シャフト３１に回転力を発生させる。シャフト３１に連結された動力回収機構部６００は、ロータ１００とステータ１０１からなる発電モータ１０２を構成してシャフト３１の回転力を電力として回収し、密閉容器１に設けた密閉端子１０３を介して外部へ電力として供給する。
【００２９】
膨張機構部５００は、複数段のシリンダとシリンダ内部で偏心回転する複数のピストンにより構成されている。以下、本実施の形態における膨張機構部５００の構成の詳細をシリンダが３段の場合を例に図１〜図３を用いて説明する。
【００３０】
膨張機構部５００は、下軸受８２の上に第３シリンダ２３、第２中間部材７２、第２シリンダ２２、第１中間部材７１、第１シリンダ２１、上軸受８１が順に積層されて締結されている。また、シャフト３１には、第１シリンダ２１の位置に対応する第１偏心部３１ａ、第２シリンダ２２の位置に対応する第２偏心部３１ｂ、第３シリンダ２３の位置に対応する第３偏心部３１ｃが設けられている。第１偏心部３１ａには第１ピストン４１、第２偏心部３１ｂには第２ピストン４２、また第３偏心部３１ｃには第３ピストン４３が嵌合されている。第１偏心部３１ａ、第２偏心部３１ｂ、第３偏心部３１ｃはシャフト３１の円周方向の同じ位置で、かつシャフト３１の軸心から同一量だけ偏心して設けられている。
【００３１】
本実施の形態では、第１シリンダ２１、第２シリンダ２２、第３シリンダ２３の円筒の内径は同一で、その円筒高さをそれぞれ異ならせることによって、それぞれのシリンダ容積を異ならせている。さらに、それぞれの偏心部に嵌合されたピストンの外径は第１ピストン４１、第２ピストン４２、第３ピストン４３とも同一としている。そのため、各シリンダ容積とピストンとによって形成される空間容積が、各シリンダの円筒高さによって異なるようにしている。したがって、吸入管９から膨張機に吸入された高圧の冷媒は、膨張機構部５００の第１シリンダ２１に吸入されて、その後、第２シリンダ２２、第３シリンダ２３を経由して低圧の冷媒に膨張し、吐出管１０から吐出される。
【００３２】
次に、各シリンダ内の構成についてその詳細を説明する。第１シリンダ２１上部に位置する上軸受８１には、吸入管９と連通する第１吸入孔２１ａが設けられ、図２（ａ）に示すように第１シリンダ２１の円筒内に開口している。また、図１および図３に示すように、第１シリンダ２１の下部に位置する第１中間部材７１には、第１シリンダ２１の円筒内に開口する第１吐出孔２１ｂが設けられている。したがって、第１シリンダ２１は上下両端を上軸受８１と第１中間部材７１とによって挟まれて構成されている。
【００３３】
図２（ａ）に示すように、第１シリンダ２１の円筒内面に、シャフト３１の第１偏心部３１ａに嵌合された第１ピストン４１の外周面の一部が接触するように配置され、シャフト３１の回転によって第１ピストン４１が円筒内面と接触しながら偏心回転するようにしている。さらに、第１吸入孔２１ａと第１吐出孔２１ｂとの間には、第１シリンダ２１の円筒と第１ピストン４１とによって形成される空間を、第１吸入部１２１ａと第１吐出部１２１ｂとに仕切る第１ベーン５１が仕切部材として配置されている。第１ベーン５１は、その先端部が偏心回転する第１ピストン４１の外周面に接しながら、第１ピストン４１の偏心回転に応じて往復動するように、第１シリンダ２１に設けられたベーン溝２１ｄに挿入されてベーンばね６１によって押圧されている。
【００３４】
第２シリンダ２２、第３シリンダ２３の構成も第１シリンダ２１と同様である。図１に示すように、第２シリンダ２２は、その上部に位置する第１中間部材７１と下部に位置する第２中間部材７２とに挟まれて構成されている。図２（ｂ）に示すように、第１中間部材７１に第２吸入孔２２ａが第２シリンダ２２の円筒内に開口して設けられ、第２中間部材７２に第２吐出孔２２ｂが第２シリンダ２２の円筒内に開口して設けられている。したがって、第２吸入孔２２ａは第１シリンダ２１の円筒内に開口する第１吐出孔２１ｂと連通するように、第１中間部材７１に通路が形成されている。第２シリンダ２２の円筒内面には、シャフト３１の第２偏心部３１ｂに嵌合された第２ピストン４２の外周面の一部が接触して設けられ、シャフト３１の回転によって第２ピストン４２が円筒内面と接触しながら偏心回転するようにしている。さらに、第２吸入孔２２ａと第２吐出孔２２ｂとの間には、第２シリンダ２２の円筒と第２ピストン４２とによって形成される空間を、第２吸入部１２２ａと第２吐出部１２２ｂとに仕切る第２ベーン５２が仕切部材として配置されている。第２ベーン５２は、その先端部が偏心回転する第２ピストン４２の外周面に接しながら、第２ピストン４２の偏心回転に応じて往復動するように、第２シリンダ２２に設けられたベーン溝２２ｄに挿入されてベーンばね６２によって押圧されている。
【００３５】
次に、第３シリンダ２３の構成について説明する。図１に示すように、第３シリンダ２３は、その上部に位置する第２中間部材７２と下部に位置する下軸受８２とに挟まれている。第２中間部材７２に第３吸入孔２３ａが第３シリンダ２３の円筒内に開口して設けられ、下軸受８２に第３吐出孔２３ｂが第３シリンダ２３の円筒内に開口して設けられている。したがって、第３吸入孔２３ａは第２シリンダ２２の円筒内に開口する第２吐出孔２２ｂと連通するように、第２中間部材７２に通路が形成されている。さらに、第３吐出孔２３ｂは密閉容器１内の空間に連通し、吐出管１０から外部に吐出される。
【００３６】
図２（ｃ）に示すように、第３シリンダ２３の円筒内面には、シャフト３１の第３偏心部３１ｃに嵌合された第３ピストン４３の外周面の一部が接触して設けられ、シャフト３１の回転によって第３ピストン４３が円筒内面と接触しながら偏心回転するようにしている。さらに、第３吸入孔２３ａと第３吐出孔２３ｂとの間には、第３シリンダ２３の円筒と第３ピストン４３とによって形成される空間を、第３吸入部１２３ａと第３吐出部１２３ｂとに仕切る第３ベーン５３が仕切部材として配置されている。第３ベーン５３は、その先端部が偏心回転する第３ピストン４３の外周面に接しながら、第３ピストン４３の偏心回転に応じて往復動するように、第３シリンダ２３に設けられたベーン溝２３ｄに挿入されてベーンばね６３によって押圧されている。
【００３７】
図３は第１中間部材７１の構成を示す図であり、図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＤ−Ｄ線断面図である。また、図４は第２中間部材７２の構成を示す図であり、図４（ａ）は平面図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＥ−Ｅ線断面図である。
【００３８】
図３に示すように、第１中間部材７１に設けられた第１シリンダ２１側の第１吐出孔２１ｂと第２シリンダ２２側の第２吸入孔２２ａとを接続する第１連通路９０が、第１中間部材７１に斜め方向に形成されている。また、図４に示すように、第２中間部材７２に設けられた第２シリンダ２２側の第２吐出孔２２ｂと第３シリンダ２３側の第３吸入孔２３ａとを接続する第２連通路９１が、第２中間部材７２に斜め方向に形成されている。
【００３９】
以上のように構成した本実施の形態の膨張機の動作を図５、図６を用いて説明する。図５にはシャフト３１の回転角度に対する第１シリンダ２１と第２シリンダ２２における動作状況を示し、図６には同様に第３シリンダ２３における動作状況を示している。また、図７には本発明の実施の形態１の膨張機における膨張特性を示す。図７（ａ）にシャフト３１の回転角度と膨張容積との関係を示し、図７（ｂ）にシャフト３１の回転角度と膨張圧力との関係を示している。
【００４０】
膨張機に吸入された冷媒は、第１シリンダ２１、第２シリンダ２２、第３シリンダ２３の順に冷媒経路を通過する。本実施の形態では、図３に示す第１中間部材７１の第１連通路９０で接続される第１シリンダ２１の第１吐出部１２１ｂと第２シリンダ２２の第２吸入部１２２ａとにより第１膨張室を形成し、さらに、図４に示す第２中間部材７２の第２連通路９１で接続される第２シリンダ２２の第２吐出部１２２ｂと第３シリンダ２３の第３吸入部１２３ａとにより第２膨張室を形成している。
【００４１】
密閉容器１に取付けられた吸入管９から流入してきた二酸化炭素の超臨界状態の高圧冷媒は、上軸受８１に設けられた流入通路（図示せず）を通じて第１吸入孔２１ａより第１シリンダ２１に流入する。シャフト３１が図５（ａ）に示す回転角度０°の位置から反時計周りに回転するとともに第１吸入部１２１ａへの吸入行程が開始され、図５（ｄ）に示す回転角度２７０°の状態を経て１回転し、吸入行程が終了する。このとき、図７に示すように、超臨界状態の冷媒で満たされた第１吐出部１２１ｂは容積Ｖｓ１、吸入圧力Ｐｓである。
【００４２】
その後、第１吐出部１２１ｂの冷媒は、シャフト３１が回転角度３６０°を過ぎると第１吐出孔２１ｂに連通し、第１中間部材７１に設けられた第１連通路９０から第２シリンダ２２側の第２吸入孔２２ａを経て第２吸入部１２２ａへと連通する。第２吸入部１２２ａに吸入された冷媒は、シャフト３１がさらに３６０°回転した後に、第２吐出孔２２ｂに連通し、第２中間部材７２に設けられた第２連通路９１から第３シリンダ２３側の第３吸入孔２３ａを経て第３吸入部１２３ａへと連通する。そして、シャフト３１がさらに３６０°回転することによって、第３吐出部１２３ｂから第３吐出孔２３ｂを経由して吐出される。
【００４３】
なお、本発明の実施の形態１では、第１シリンダ２１の高さを８ｍｍ、第２シリンダ２２の高さを８．８ｍｍ、第３シリンダ２３の高さを２０ｍｍとしている。第１シリンダ２１において吸入が完了した時点での容積をＶｓ１、第２シリンダ２２において吸入が完了した時点での容積をＶｓ２、第３シリンダ２３において吸入が完了した時点での容積をＶｓ３とすると、Ｖｓ１：Ｖｓ２：Ｖｓ３＝１：１．１：２．５となる。したがって、第１膨張室の容積は前述のように第１吐出部１２１ｂと第２吸入部１２２ａの合計であることから、Ｖｓ１からＶｓ２まで膨張する第１膨張室の膨張比（Ｖｓ２／Ｖｓ１）は１．１となる。一方、第２膨張室の容積は第２吐出部１２２ｂと第３吸入部１２３ａの合計であることから、Ｖｓ２からＶｓ３まで膨張する第２膨張室の膨張比（Ｖｓ３／Ｖｓ２）は約２．３となる。通常、二酸化炭素を冷媒とする冷凍サイクルにおいて膨張機を用いる場合、超臨界状態から飽和液を経て気液二相域へと膨張するが、超臨界状態から飽和液までの膨張比は、給湯機やエアコンなど冷凍サイクルの用途や、それらにおける様々な温度条件などを考慮しても、１．１未満である。したがって、このようなシリンダ高さにすることによって、第１膨張室において超臨界流体から飽和液をわずかに超えた気液二相域まで膨張させることができる。
【００４４】
図７（ａ）に示すように、第１吐出部１２１ｂと第２吸入部１２２ａとにより形成される第１膨張室は、容積を増しながらシャフト３１を回転させて膨張減圧する膨張行程に入る。そして、シャフト３１の回転角度７２０°の状態で第１吐出部１２１ｂの容積はゼロになり、第２吐出部１２２ｂの容積Ｖｓ２まで膨張する。このとき、第１膨張室（第２吸入部１２２ａ）の圧力はＰｍとなる。この過程で第１段階の膨張行程が行われる。すなわち、第１膨張室では膨張比がわずか１．１程度の緩やかな膨張を実現することができる。
【００４５】
したがって、二酸化炭素を冷媒として使用した場合に、高圧の超臨界状態から飽和液、あるいは飽和液線を超えた気液二相域まで膨張比の小さい膨張を実現することができる。したがって、気液二相域での相変化速度が圧力降下速度に追い付かないことにより発生する圧力降下を抑制することができる。
【００４６】
第２吐出部１２２ｂの冷媒は、シャフト３１の回転角度が７２０°を過ぎると第２吐出孔２２ｂに連通し、第２中間部材７２に設けられた第２連通路９１を介して第３シリンダ２３の第３吸入孔２３ａから第３シリンダ２３の第３吸入部１２３ａに連通する。そして、第２吐出部１２２ｂと第３吸入部１２３ａとより形成される第２膨張室が図７（ａ）に示すように、容積を増しながらシャフト３１を回転させて膨張減圧する膨張行程に入る。さらに、シャフト３１が１回転した１０８０°の状態では、第２吐出部１２２ｂの容積はゼロになり、第３吐出部１２３ｂの容積Ｖｓ３まで膨張する。このとき、第２膨張室となる第３吸入部１２３ａの圧力はＰｄまで減圧する。この過程で第２段階の膨張行程が行われ、飽和液近傍から気液二相状態への膨張比が約２．３程度の大きな容積膨張が行われて冷媒特性に合った効率の良い膨張が行われる。
【００４７】
その後、冷媒は第３吐出孔２３ｂに通じ、下軸受８２に設けられた排出路（図示せず）を経て密閉容器１内へ吐出され、さらに吐出管１０より外へ吐出される。すなわち、本発明の実施の形態１のように、第１シリンダ２１、第２シリンダ２２、第３シリンダ２３の３段構成の膨張機によれば、膨張機に吸入された冷媒はシャフト３１の１回転目で第１シリンダ２１に吸入され、２回転目で第１膨張室において膨張する。３回転目で第２膨張室において膨張することになり、シャフト３１が３回転することによって膨張機へ吸入された冷媒の膨張行程と吐出行程とが完了することになる。
【００４８】
以上の動作によって明らかなように、本発明は膨張室への吸入タイミング機構などを必要とせず、連続的に膨張機への冷媒の吸入と膨張機からの冷媒の吐出を実現することができ、連続的に安定した膨張動作の可能な膨張機を実現できる。特に、膨張行程を多段階とすることによって、膨張する過程で発生する冷媒の相変化に最適な膨張容積にすることができる。そのため、膨張過程での冷媒の急激な相変化を抑制して、膨張エネルギーを効率的に回収し、動力回収効率の高い膨張機を実現することができる。
【００４９】
さらに、第１膨張室での膨張率を小さくし、高圧の超臨界状態から飽和液、あるいは飽和液線をわずかに超えた気液二相域までの膨張としている。そのため、少なくとも、図１５（ｃ）の点Ｃから点Ｑ´までの膨張率に対する圧力降下が非常に大きい領域を含む領域において圧力降下の速度を抑えることができる。したがって、相変化速度が圧力降下の速度に十分に追い付くことができて相変化遅れによる圧力低下に起因する回収動力の減少を確実に防ぎ、高効率な膨張機を実現することができる。
【００５０】
なお、図１に示すように、本発明の実施の形態１では、冷媒経路が膨張機の上方から下方に向かうように、第１シリンダ２１、第２シリンダ２２、第３シリンダ２３を上方から順に配置している。このような構成によれば、密度の大きな液冷媒が第１中間部材７１に設けた第１連通路９０や第２中間部材７２に設けた第２連通路９１内を重力落下する。密度の大きな液冷媒が膨張機内のデッドスペースとなる各連通路に滞留すると、膨張機の膨張効率を小さくするが、本発明の実施の形態１によればそのような現象を防止し、膨張効率の高い膨張機をより確実に実現することができる。
【００５１】
（実施の形態２）
図８は、本発明の実施の形態２における膨張機の縦断面図である。図９は、図８の断面図であり、図９（ａ）は図８のＡ−Ａ線断面図、図９（ｂ）は図８のＢ−Ｂ線断面図、図９（ｃ）は図８のＣ−Ｃ線断面図を示す。
【００５２】
本発明の実施の形態２における膨張機は、実施の形態１に記載の膨張機と基本構成は同じであり、同一構成要素には同一の符号を付与している。本実施の形態は実施の形態１と以下の点で異なる。
【００５３】
実施の形態１では、各シリンダに形成される容積を、各シリンダの高さを変えることで異ならせていたが、本実施の形態では以下のように各シリンダに形成される容積を異ならせている。
【００５４】
図８、図９に示すように、本実施の形態における膨張機は、第１シリンダ２１、第２シリンダ２２、第３シリンダ２３にそれぞれ設けられた第１ベーン５１、第２ベーン５２、第３ベーン５３の位置、あるいはシャフト３１に設けられた第１偏心部３１ａ、第２偏心部３１ｂ、第３偏心部３１ｃのシャフト３１の円周方向の位置を、実施の形態１と同じにしている。さらに、第１シリンダ２１、第２シリンダ２２、第３シリンダ２３の高さをそれぞれ同じにしている。しかしながら、第１シリンダ２１、第２シリンダ２２、第３シリンダ２３の内径、および第１偏心部３１ａ、第２偏心部３１ｂ、第３偏心部３１ｃのシャフト３１の軸心に対する偏心量、さらには第１ピストン４１、第２ピストン４２、第３ピストン４３の外径寸法などを異ならせ、各シリンダと各ピストンによって形成される容積を異ならせている。
【００５５】
すなわち、実施の形態１と同じように、第１シリンダ２１において吸入が完了した時点での容積をＶｓ１、第２シリンダ２２において吸入が完了した時点での容積をＶｓ２、第３シリンダ２３において吸入が完了した時点での容積をＶｓ３として、Ｖｓ１：Ｖｓ２：Ｖｓ３＝１：１．１：２．５となるように上記の寸法を決定している。
【００５６】
具体的には、本実施の形態では、第１シリンダ２１、第２シリンダ２２、第３シリンダ２３の高さを一定として、第１シリンダ２１の内径Ｄ１と第２シリンダ２２の内径Ｄ２、および第１偏心部３１ａの偏心量Ｅ１と第２偏心部３１ｂの偏心量Ｅ２をそれぞれ同じにし、第２ピストン４２の外径Ｄｐ２を第１ピストン４１の外径Ｄｐ１よりも小さくしている。一方、第３シリンダ２３では、その内径Ｄ３と第３偏心部３１ｃの偏心量Ｅ３、さらには第３ピストン４３の外径Ｄｐ３を、第２シリンダ２２の各構成要素の寸法よりもさらに大きくしている。これらの寸法は、Ｖｓ１：Ｖｓ２：Ｖｓ３＝１：１．１：２．５の比となるように決定している。
【００５７】
また、図１０は本発明の実施の形態２の他の実施例における膨張機の各シリンダの横断面図であり、実施の形態２のより具体的な実施例である。本実施例では、第１シリンダ２１、第２シリンダ２２、第３シリンダ２３の高さを同じにするとともに、第１ピストン４１、第２ピストン４２、第３ピストン４３の外径寸法を同じにし、各シリンダの内径を変えることによって上述の容積がＶｓ１：Ｖｓ２：Ｖｓ３＝１：１．１：２．５の比となるようにしている。具体的には各構成要素は図８、図９と同様であり、各シリンダ高さを同一として、各ピストンの外径をＤｐ１＝Ｄｐ２＝Ｄｐ３とし、各シリンダの内径をＤ１＜Ｄ２＜Ｄ３としている。また、図１０に示すように、同一シャフト３１を用い各ピストンの外径を同じとし各シリンダの内径を変えているため、各偏心部の偏心量をＥ１＜Ｅ２＜Ｅ３としている。
【００５８】
また、図１１は本発明の実施の形態２の他の実施例における膨張機の各シリンダの横断面図である。本実施例では、第１シリンダ２１、第２シリンダ２２、第３シリンダ２３の高さを同じにするとともにそれぞれの内径を同一とし、第１ピストン４１、第２ピストン４２、第３ピストン４３の外径寸法を変えることによって上述の容積がＶｓ１：Ｖｓ２：Ｖｓ３＝１：１．１：２．５の比となるようにしている。具体的には各構成要素は図８、図９と同様であり、各シリンダ高さを同一とし、各シリンダの内径をＤ１＝Ｄ２＝Ｄ３とし、各ピストンの外径をＤｐ１＞Ｄｐ２＞Ｄｐ３としている。また、各偏心部の偏心量Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３は適宜調整しているピストンとシリンダとの最適なクリアランスを確保するように調整している。
【００５９】
このように構成した本実施の形態における膨張機の動作は、実施の形態１と同様であるため、説明は省略する。また、本実施の形態における膨張機の膨張過程における作用は、実施の形態１と同じであるため、同様の効果を発現することは当然であるが、さらに本実施の形態によれば、各シリンダあるいは各ピストンなどを同一の厚み素材から加工することができるため、加工生産性が向上し、さらには、膨張機の全体高さを小さくして小型コンパクトな膨張機を実現することができる。
【００６０】
また、上記の実施の形態１および実施の形態２では、シリンダが３個の場合について説明したが、シリンダが３個に限らないことは当然である。すなわち、シリンダをさらに増加させ、例えば図７に示す第２膨張室をさらに多段階にすることによって、冷媒が膨張する際の冷媒状態により最適な膨張過程を実現することや、超臨界状態から飽和液線までの膨張過程、あるいは飽和液線近傍の膨張過程をさらに細かに制御することも可能である。
【００６１】
また、上記の実施の形態１および実施の形態２では、冷媒を二酸化炭素として説明したが、冷媒をフロンなどとし、液単相から飽和液を経て気液二相へ膨張させる場合に適用しても同様の効果が得られることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明の膨張機は、冷凍サイクルにおける冷媒の膨張エネルギーを回収することで動力回収手段として有用であるとともに、冷凍サイクル以外の圧縮性流体からの動力を回収する手段として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の実施の形態１における膨張機の縦断面図
【図２】本発明の実施の形態１における膨張機の各シリンダの横断面図
【図３】本発明の実施の形態１における膨張機の第１中間部材を示す図
【図４】本発明の実施の形態１における膨張機の第２中間部材を示す図
【図５】本発明の実施の形態１における膨張機の動作を示す第１シリンダと第２シリンダの断面図
【図６】本発明の実施の形態１における膨張機の動作を示す第３シリンダの断面図
【図７】（ａ）本発明の実施の形態１におけるシャフトの回転角度と膨張容積との関係を示す図（ｂ）本発明の実施の形態１におけるシャフトの回転角度と膨張圧力との関係を示す図
【図８】本発明の実施の形態２における膨張機の縦断面図
【図９】本発明の実施の形態２における膨張機の各シリンダの横断面図
【図１０】本発明の実施の形態２の他の実施例における膨張機の各シリンダの横断面図
【図１１】本発明の実施の形態２の他の実施例における膨張機の各シリンダの横断面図
【図１２】従来の膨張機の縦断面図
【図１３】図１２のＺ―Ｚ線断面図
【図１４】従来の膨張機の動作を示すシリンダの断面図
【図１５】（ａ）従来の冷凍サイクルの概念図（ｂ）従来の膨張機を利用した冷凍サイクルの概念図（ｃ）圧力とエンタルピーとの関係を示すモリエル線図
【図１６】従来の膨張機の時間に対する容積と圧力変化を示す特性図
【符号の説明】
【００６４】
１    密閉容器
９    吸入管
１０    吐出管
２１    第１シリンダ
２１ａ    第１吸入孔
２１ｂ    第１吐出孔
２１ｄ，２２ｄ，２３ｄ    ベーン溝
２２    第２シリンダ
２２ａ    第２吸入孔
２２ｂ    第２吐出孔
２３    第３シリンダ
２３ａ    第３吸入孔
２３ｂ    第３吐出孔
３１    シャフト
３１ａ    第１偏心部
３１ｂ    第２偏心部
３１ｃ    第３偏心部
４１    第１ピストン
４２    第２ピストン
４３    第３ピストン
５１    第１ベーン
５２    第２ベーン
５３    第３ベーン
６１，６２，６３    ベーンばね
７１    第１中間部材
７２    第２中間部材
８１    上軸受
８２    下軸受
９０    第１連通路
９１    第２連通路
１００    ロータ
１０１    ステータ
１０２    発電モータ
１０３    密閉端子
１０４    潤滑油
１２１ａ    第１吸入部
１２１ｂ    第１吐出部
１２２ａ    第２吸入部
１２２ｂ    第２吐出部
１２３ａ    第３吸入部
１２３ｂ    第３吐出部
５００    膨張機構部
６００    動力回収機構部
【図１】
2008190723.tif 000003
【図２】
2008190723.tif 000004
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
2008190723.tif 000014
【図１３】
2008190723.tif 000015
【図１４】
2008190723.tif 000016
【図１５】
2008190723.tif 000017
【図１６】
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