(57)【要約】【課題】動力回収式の冷凍サイクル装置において、作動流体の膨張エネルギーを効率よく回収する。【解決手段】膨張機は、作動流体を吸入し膨張させる第１流体室３３ａおよび第２流体室３３ｂと、第１流体室３３ａと連通する補助室８１と、容積変更装置８０とを備えている。容積変更装置８０は、補助室８１を、流体が封入された背圧室８２と第１流体室３３ａと連通する可変容積室８３とに仕切るピストン８４と、背圧室８２内に封入された流体の圧力を制御する制御装置１４とを備えている。背圧室８２内の作動流体の圧力を、第１流体室３３ａに吸入される作動流体の圧力より低く、かつ、第２流体室３３ｂから吐出される作動流体の圧力より高い圧力に制御する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷凍サイクル装置に用いられる膨張機であって、
作動流体を流通させる流体室と、
前記流体室の吸入容積を変更自在な容積変更装置と、を備え、
前記容積変更装置は、前記流体室に作動流体を吸入する吸入過程と、吸入した作動流体を膨張させる膨張過程と、膨張後の作動流体を前記流体室の外部へ吐出する吐出過程とからなる１サイクルが行われる間に、前記流体室の容積を増減させる、膨張機。
【請求項２】
前記流体室は、主流体室と、前記主流体室に連通可能に構成された可変容積室とを備え、
前記可変容積室は、前記吸入過程中に容積が増大し、前記膨張過程中または前記吐出過程中に容積が減少して零または最小となる、請求項１に記載の膨張機。
【請求項３】
前記流体室は、主流体室と、前記主流体室に連通可能に構成された可変容積室とを備え、
前記可変容積室は、
前記吸入過程中に前記主流体室と連通状態となって容積が増大し、
前記膨張過程中に、前記主流体室と連通しつつ容積が減少した後、前記主流体室と非連通状態となる以前に容積が零または最小となり、
前記吐出過程中には前記主流体室との非連通状態を維持する、
請求項１に記載の膨張機。
【請求項４】
前記流体室と連通する補助室を備え、
前記容積変更装置は、
前記補助室を、前記可変容積室と流体が封入された背圧室とに仕切るピストンと、
前記背圧室内の圧力を制御する制御装置と、
を備えている、請求項２または３に記載の膨張機。
【請求項５】
前記制御装置は、前記可変容積室の容積が零または最小となる際における前記背圧室内の圧力を、前記流体室に吸入される作動流体の圧力より低く、かつ、前記流体室から吐出される作動流体の圧力より高い圧力に制御する、請求項４に記載の膨張機。
【請求項６】
前記背圧室には、前記流体室に吸入される作動流体の一部が供給される、請求項４または５に記載の膨張機。
【請求項７】
前記補助室には、前記ピストンが所定の位置から前記流体室とは反対側方向へ移動しないように規制するストッパが設けられ、
前記ストッパは、前記ピストンの移動方向に位置調節可能に構成されている、請求項４〜６のいずれか一つに記載の膨張機。
【請求項８】
前記容積変更装置は、前記ピストンを前記流体室方向に付勢する付勢装置を備えている、請求項４〜７のいずれか１つに記載の膨張機。
【請求項９】
前記付勢装置は、前記ピストンの前記背圧室側に設けられたコイルばねである、請求項８に記載の膨張機。
【請求項１０】
前記容積変更装置を複数備えている、請求項１〜９のいずれか１つに記載の膨張機。
【請求項１１】
内周面を有するシリンダと、
前記シリンダ内に偏心した状態で回転自在に配設された筒状のピストンと、を備え、
前記主流体室は、前記シリンダの内周面と前記筒状のピストンの外周面との間に区画されている、請求項２〜１０のいずれか１つに記載の膨張機。
【請求項１２】
平板部材に渦巻状のラップが形成された一対のスクロール部材を備え、
前記一対のスクロール部材は、互いのラップが噛み合わさるように配置され、
前記主流体室は、前記一対のスクロール部材の互いのラップの間に区画されている、請求項２〜１０のいずれか１つに記載の膨張機。
【請求項１３】
前記作動流体は二酸化炭素である、請求項１〜１２のいずれか一つに記載の膨張機。
【請求項１４】
前記作動流体を圧縮する圧縮機と、
請求項１〜１３のいずれか一つに記載の膨張機と、
前記圧縮機と前記膨張機とを連結する回転軸と、を備えた膨張機一体型圧縮機。
【請求項１５】
前記作動流体を圧縮する圧縮機と、
請求項４〜１３のいずれか一つに記載の膨張機と、
前記圧縮機によって圧縮された作動流体を導く第１流路と、
前記第１流路によって導かれた作動流体を放熱させる放熱器と、
前記放熱器から前記膨張機に作動流体を導く第２流路と、
前記膨張機で膨張した作動流体を導く第３流路と、
前記第３流路によって導かれた作動流体を蒸発させる蒸発器と、
前記蒸発器から前記圧縮機に作動流体を導く第４流路と、
を備えた冷凍サイクル装置。
【請求項１６】
請求項１４に記載の膨張機一体型圧縮機と、
前記膨張機一体型圧縮機の前記圧縮機によって圧縮された作動流体を導く第１流路と、
前記第１流路によって導かれた作動流体を放熱させる放熱器と、
前記放熱器から前記膨張機一体型圧縮機の前記膨張機に作動流体を導く第２流路と、
前記膨張機で膨張した作動流体を導く第３流路と、
前記第３流路によって導かれた作動流体を蒸発させる蒸発器と、
前記蒸発器から前記圧縮機に作動流体を導く第４流路と、
を備えた冷凍サイクル装置。
【請求項１７】
前記第１流路を流れる作動流体の圧力を検知する圧力センサを備え、
前記膨張機の前記制御装置は、前記圧力センサが検知する圧力に基づき、前記第１流路を流れる作動流体の圧力が所定の圧力となるように、前記背圧室内の圧力を制御する、請求項１５に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項１８】
前記第１流路を流れる作動流体の温度を検知する温度センサを備え、
前記膨張機の前記制御装置は、前記温度センサが検知する温度に基づき、前記第１流路を流れる作動流体の温度が所定の温度となるように、前記背圧室内の圧力を制御する、請求項１５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、膨張機、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ものである。
【背景技術】
【０００２】
以前より、膨張機において発生する作動流体の膨張エネルギーを回収し、圧縮機において作動流体の圧縮に利用する動力回収式の冷凍サイクル装置が提案されている。また、そのような冷凍サイクル装置として、膨張機と圧縮機とを回転軸で連結した膨張機一体型圧縮機を用いた冷凍サイクル装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
一般に、上述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、圧縮機と、放熱器と、膨張機と、蒸発器とを順次接続する冷媒回路を備えており、この冷媒回路中の圧縮機と膨張機とが回転軸により連結されている。また、回転軸の圧縮機と膨張機との間には、回転軸を回転駆動する電動機が設けられている。作動流体は、圧縮機において中温低圧の状態から高温高圧の状態へと圧縮された後、放熱器において中温高圧状態へと冷却される。そして、膨張機において低温低圧状態へと膨張した後、蒸発器で加熱されて中温低圧状態に戻る。膨張機は、作動流体の膨張エネルギーを回収して回転軸を回転させる回転エネルギーに変換する。この回転エネルギーは圧縮機を駆動する仕事の一部として利用され、その結果、電動機の動力が低減されることとなる。
【０００４】
ここで、圧縮機において圧縮室が流入側から遮断された直後における該圧縮室の容積をＶｃｓ、膨張機において膨張室が流入側から遮断された直後における該膨張室の容積をＶｅｓ、回転軸の回転数をＮとすると、圧縮機の吸入側での作動流体の体積流量は（Ｖｃｓ×Ｎ）となり、膨張機の吸入側での作動流体の体積流量は（Ｖｅｓ×Ｎ）となる。圧縮機での質量流量と膨張機での質量流量とは等しく、この質量流量をＧとすると、圧縮機の吸入側での作動流体の密度は｛Ｇ／（Ｖｃｓ×Ｎ）｝となり、膨張機の吸入側での作動流体の密度は｛Ｇ／（Ｖｅｓ×Ｎ）｝となる。これらの式より、圧縮機の吸入側での作動流体の密度と膨張機の吸入側の作動流体の密度との比（密度比）は、｛Ｇ／（Ｖｃｓ×Ｎ）｝／｛Ｇ／（Ｖｅｓ×Ｎ）｝、すなわち、（Ｖｅｓ／Ｖｃｓ）となり、一定値に拘束される。
【０００５】
上記冷凍サイクル装置のように、圧縮機の吸入側と膨張機の吸入側とにおける作動流体の密度比が一定値に拘束されると、冷凍サイクルの自由な制御が阻害される。具体的には、冷凍サイクル装置は、所定の熱源温度において、高圧側圧力（圧縮機から吐出され膨張機に吸入されるまでの作動流体の圧力）が最適圧力（成績係数ＣＯＰが最大となる圧力）となるように設計されている。一方で、冷凍サイクルの高圧側圧力および低圧側圧力（膨張機から吐出され圧縮機に吸入されるまでの作動流体の圧力）は、冷却対象や放熱対象の温度変化等の運転条件により変化する。そのため、運転条件により圧縮機の吸入側の作動流体の密度と、膨張機の吸入側の作動流体の密度との比は変動する。しかし、上述の冷凍サイクル装置では、密度比が一定値（Ｖｅｓ／Ｖｃｓ）に拘束されるため、作動流体の温度と圧力とを自由に制御できない。そのため、運転条件が所定のものから外れると、膨張機がいわゆる過膨張や膨張不足の状態となり、膨張機において作動流体の膨張エネルギーを効率良く回収できないという問題があった。
【０００６】
また、このような問題は、膨張機一体型圧縮機だけではなく、分離型の圧縮機および膨張機を用いた動力回収式の冷凍サイクル装置においても発生する。分離型の膨張機を用いる場合、作動流体の膨張エネルギーは、膨張機に接続された発電機により回収される。発電機の発電効率は定格回転数から離れるほど低下するため、発電機は定格回転数の近傍で運転することが望ましい。しかし、冷凍サイクルでは、作動流体の循環量や密度が運転条件に応じて変化するため、発電機を定格回転数の近傍に保ち続けることは困難である。このため、分離型の膨張機においても、運転条件が所定のものから外れると、膨張機において作動流体の膨張エネルギーを効率良く回収できないという問題があった。
【０００７】
そこで、膨張機の膨張室に、膨張室と連通する補助室を設け、運転条件に応じて補助室の容積を変更することにより膨張機の容積自体を変更可能とする膨張機が提案されている（例えば、特許文献２参照）。当該膨張機では、運転条件に応じて膨張機の容積を変更することにより、膨張機において作動流体の膨張エネルギーを効率良く回収することとしている。
【特許文献１】特開２００１−１１６３７１号公報
【特許文献２】特開２００６−４６２５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献２に開示された膨張機では、吸入過程、膨張過程、吐出過程からなる１サイクルを行う間、補助室が常に存在する。これにより、膨張過程が終了した後も補助室内の作動流体は排出されずに残留してしまう。そのため、補助室は、以降のサイクルにおいて、実質的には膨張機の容積（吸入容積）を拡大することに寄与せず、デッドボリュームとなる。したがって、上記膨張機では、実質的には作動流体の膨張エネルギーを効率よく回収できないという問題があった。
【０００９】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、動力回収式の冷凍サイクル装置において、作動流体の膨張エネルギーを効率よく回収することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る膨張機は、冷凍サイクル装置に用いられる膨張機であって、作動流体を流通させる流体室と、前記流体室の吸入容積を変更自在な容積変更装置と、を備え、前記容積変更装置は、前記流体室に作動流体を吸入する吸入過程と、吸入した作動流体を膨張させる膨張過程と、膨張後の作動流体を前記流体室の外部へ吐出する吐出過程とからなる１サイクルが行われる間に、前記流体室の容積を増減させるものである。
【００１１】
ここで、吸入容積とは、吸入過程終了時点における流体室の容積をいう。
【００１２】
上記膨張機は、流体室の吸入容積を変更する容積変更装置を備えている。そのため、上記膨張機によれば、流体室の吸入容積を運転条件に応じて変更することにより、作動流体の膨張エネルギーを効率良く回収することができる。加えて、本膨張機は、１サイクルが行われる間に流体室の容積を増減可能に構成されているため、従来の膨張機のようにデッドボリュームを生じさせることなく（またはデッドボリュームを抑えつつ）、流体室の吸入容積の増減が可能となる。
【００１３】
前記流体室は、主流体室と、前記主流体室に連通可能に構成された可変容積室とを備え、前記可変容積室は、前記吸入過程中に容積が増大し、前記膨張過程中または前記吐出過程中に容積が減少して零または最小となることが好ましい。
【００１４】
上記膨張機によれば、吸入過程中に可変容積室の容積が増大することによって、吸入容積が変更される。また、膨張過程中または吐出過程中に容積が減少することによって、デッドボリュームが抑制される。
【００１５】
前記流体室は、主流体室と、前記主流体室に連通可能に構成された可変容積室とを備え、前記可変容積室は、前記吸入過程中に前記主流体室と連通状態となって容積が増大し、前記膨張過程中に、前記主流体室と連通しつつ容積が減少した後、前記主流体室と非連通状態となる以前に容積が零または最小となり、前記吐出過程中には前記主流体室との非連通状態を維持することが好ましい。
【００１６】
上記膨張機によれば、可変容積室は、吸入過程中、可変容積室と流体室とが連通すると発生し、膨張過程中、可変容積室と流体室とが非連通状態となるまでに消滅または最小化する。そのため、可変容積室と流体室とが非連通の状態の際に、可変容積室内に作動流体が残存することを防止することができる。したがって、上記膨張機によれば、従来の膨張機のように、流体室の容積（吸入容積）を運転条件に応じて変更しても、可変容積室内に残存する作動流体によりデッドボリュームとなることがなく、作動流体の膨張エネルギーを効率良く回収することができる。
【００１７】
前記流体室と連通する補助室を備え、前記容積変更装置は、前記補助室を、前記可変容積室と流体が封入された背圧室とに仕切るピストンと、前記背圧室内の圧力を制御する制御装置と、を備えていることが好ましい。
【００１８】
このことにより、簡単な構成により、可変容積室を形成することができる。また、本膨張機によれば、背圧室内の圧力を制御することによって、可変容積室の容積を自動的に増減させることができる。
【００１９】
前記制御装置は、前記可変容積室の容積が零または最小となる際における前記背圧室内の圧力を、前記流体室に吸入される作動流体の圧力より低く、かつ、前記流体室から吐出される作動流体の圧力より高い圧力に制御することが好ましい。
【００２０】
このことにより、容積変更装置は、１サイクルが行われる間に自動的に流体室の容積を変更することが可能となる。また、簡単な構成により、デッドボリュームを生じることなく、流体室の容積（吸入容積）を増加させることができる。
【００２１】
前記背圧室には、前記流体室に吸入される作動流体の一部が供給されることが好ましい。
【００２２】
このことにより、別途新たに流体供給装置を設けることなく、背圧室に流体を供給し、流体室の容積（吸入容積）を増減させることが可能となる。
【００２３】
前記補助室には、前記ピストンが所定の位置から前記流体室とは反対側方向へ移動しないように規制するストッパが設けられ、前記ストッパは、前記ピストンの移動方向に位置調節可能に構成されていることが好ましい。
【００２４】
上記膨張機によれば、ピストンのストローク量を自在に変更することができる。これにより、可変容積室による流体室の容積の追加分を自在に変更することができる。したがって、吸入容積を自由に変更することができる。
【００２５】
前記容積変更装置は、前記ピストンを前記流体室方向に付勢する付勢装置を備えていることが好ましい。
【００２６】
このことにより、弾性体を設けない場合より背圧室内の流体の圧力を下げることが可能となる。
【００２７】
前記付勢装置は、前記ピストンの前記背圧室側に設けられたコイルばねであることが好ましい。
【００２８】
このことにより、簡単な構成によりピストンを付勢することが可能となる。
【００２９】
前記膨張機は、前記容積変更装置を複数備えていることが好ましい。
【００３０】
上記膨張機によれば、例えば、容積変更装置の稼動数を変更することにより、流体室の容積（吸入容積）の増加量を変更することができる。そのため、運転状態に応じて吸入容積を適宜変更することが可能となる。したがって、当該膨張機を組み込んだ冷凍サイクル装置に対して高度な制御を行うことが可能となる。
【００３１】
前記膨張機は、内周面を有するシリンダと、前記シリンダ内に偏心した状態で回転自在に配設された筒状のピストンと、を備え、前記主流体室は、前記シリンダの内周面と前記筒状のピストンの外周面との間に区画されていることが好ましい。
【００３２】
このことにより、デッドボリュームを生じさせることなく、吸入容積の変更が可能なロータリ式の膨張機を提供することができる。
【００３３】
前記膨張機は、平板部材に渦巻状のラップが形成された一対のスクロール部材を備え、前記一対のスクロール部材は、互いのラップが噛み合わさるように配置され、前記主流体室は、前記一対のスクロール部材の互いのラップの間に区画されていることが好ましい。
【００３４】
このことにより、デッドボリュームを生じさせることなく、吸入容積の変更が可能なスクロール式の膨張機を提供することができる。
【００３５】
前記作動流体は二酸化炭素であってもよい。
【００３６】
一般的に、冷凍サイクル装置の作動流体として二酸化炭素を用いた場合、冷凍効率（ＣＯＰ）はフロン等を作動流体としたものに比べ低下する。しかし、上記膨張機によれば、デッドボリュームを生じることなく、流体室の容積（吸入容積）を増減させることができるため、作動流体の膨張エネルギーを効率良く回収することができる。そのため、上記膨張機を用いると、作動流体として二酸化炭素を用いても、冷凍サイクル装置の冷凍効率を高く維持することが可能となる。
【００３７】
本発明に係る膨張機一体型圧縮機は、前記作動流体を圧縮する圧縮機と、前記膨張機と、前記圧縮機と前記膨張機とを連結する回転軸と、を備えたものである。
【００３８】
上記膨張機一体型圧縮機によれば、膨張機の膨張エネルギーを効率よく回収し、圧縮機の圧縮に利用することが可能となる。
【００３９】
本発明に係る冷凍サイクル装置は、前記作動流体を圧縮する圧縮機と、前記膨張機と、前記圧縮機によって圧縮された作動流体を導く第１流路と、前記第１流路によって導かれた作動流体を放熱させる放熱器と、前記放熱器から前記膨張機に作動流体を導く第２流路と、前記膨張機で膨張した作動流体を導く第３流路と、前記第３流路によって導かれた作動流体を蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器から前記圧縮機に作動流体を導く第４流路と、を備えたものである。
【００４０】
上記冷凍サイクル装置によれば、作動流体の膨張エネルギーを効率よく回収することが可能となる。
【００４１】
本発明に係る冷凍サイクル装置は、前記膨張機一体型圧縮機と、前記膨張機一体型圧縮機の前記圧縮機によって圧縮された作動流体を導く第１流路と、前記第１流路によって導かれた作動流体を放熱させる放熱器と、前記放熱器から前記膨張機一体型圧縮機の前記膨張機に作動流体を導く第２流路と、前記膨張機で膨張した作動流体を導く第３流路と、前記第３流路によって導かれた作動流体を蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器から前記圧縮機に作動流体を導く第４流路と、を備えたものである。
【００４２】
上記冷凍サイクル装置によれば、作動流体の膨張エネルギーを効率よく回収することが可能となる。
【００４３】
本発明に係る冷凍サイクル装置は、前記第１流路を流れる作動流体の圧力を検知する圧力センサを備え、前記膨張機の前記制御装置は、前記圧力センサが検知する圧力に基づき、前記第１流路を流れる作動流体の圧力が所定の圧力となるように、前記背圧室内の圧力を制御するものである。
【００４４】
上記冷凍サイクル装置によれば、第１流路を流れる作動流体の圧力を好ましい圧力に保つことが可能となる。これにより、作動流体の膨張エネルギーを効率よく回収することが可能となり、冷凍効率のよい冷凍サイクル装置を提供することができる。
【００４５】
本発明に係る冷凍サイクル装置は、前記第１流路を流れる作動流体の温度を検知する温度センサを備え、前記膨張機の前記制御装置は、前記温度センサが検知する温度に基づき、前記第１流路を流れる作動流体の温度が所定の温度となるように、前記背圧室内の圧力を制御するものである。
【００４６】
上記冷凍サイクル装置によれば、第１流路を流れる作動流体の温度を好ましい温度に保つことが可能となる。これにより、作動流体の膨張エネルギーを効率よく回収することが可能となり、冷凍効率のよい冷凍サイクル装置を提供することができる。
【発明の効果】
【００４７】
以上のように、本発明によれば、動力回収式の冷凍サイクル装置において、作動流体の膨張エネルギーを効率よく回収することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４８】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００４９】
（第１の実施形態）
図１は冷凍サイクル装置の冷媒回路１を示している。冷媒回路１には、圧縮機２と放熱器３と膨張機４と蒸発器５とが順次接続されている。本実施形態の圧縮機２と膨張機４とは回転軸６により連結され、膨張機一体型圧縮機７を構成している。圧縮機２は、吸入管８を介して蒸発器５に接続されるとともに、吐出管９を介して放熱器３に接続されている。膨張機４は、吸入管１０を介して放熱器３に接続されるとともに、吐出管１１を介して蒸発器５に接続されている。また、吸入管１０からは配管１２が分岐しており、配管１２は膨張機４に接続されている。配管１２の中途部には、配管１２内の作動流体の圧力を減ずる減圧弁１３が設けられており、減圧弁１３は制御装置１４により開閉制御される。また、吐出管９には、圧縮機２から吐出された作動流体の圧力を検知する圧力センサ１５が設けられている。圧力センサ１５は、制御装置１４に接続されている。
【００５０】
この冷媒回路１には、高圧部分（圧縮機２から放熱器３を経て膨張機４に至る部分）において超臨界状態となる作動流体が充填されている。本実施形態では、そのような作動流体として二酸化炭素（ＣＯ２）が充填されている。ただし、作動流体の種類は特に限定されるものではない。冷媒回路１の作動流体は、運転時に超臨界状態とならない作動流体（例えばフロン系の作動流体等）であってもよい。
【００５１】
また、膨張機一体型圧縮機７が組み込まれる冷媒回路は、作動流体を一方向にのみ流通させる冷媒回路１に限られない。膨張機一体型圧縮機７は、作動流体の流通方向の変更が可能な冷媒回路に設けられていてもよい。例えば、膨張機一体型圧縮機７は、四方弁等を有することによって暖房運転および冷房運転の可能な冷媒回路に設けられていてもよい。
【００５２】
図２に示すように、膨張機一体型圧縮機７の圧縮機２および膨張機４は、密閉容器５０の内部に収容されている。前述のように、圧縮機２と膨張機４とは回転軸６によって連結されており、圧縮機２と膨張機４との間には電動機２３が設けられている。
【００５３】
まず、膨張機４の構成を説明する。膨張機４は、下軸受４２と第１膨張部３０ａと第２膨張部３０ｂと上軸受４１とを備えている。第１膨張部３０ａは、第２膨張部３０ｂよりも下方に配置されている。また、上軸受４１は、第２膨張部３０ｂの上方に配置され、下軸受４２は、第１膨張部３０ａの下方に配置されている。
【００５４】
図３（ａ）に示すように、第１膨張部３０ａは、ロータリ式の膨張機であり、略円筒状のシリンダ３１ａと、シリンダ３１ａ内に挿入された円筒状のピストン３２ａとを備えている。シリンダ３１ａの内周面とピストン３２ａの外周面との間には、第１流体室３３ａが区画されている。シリンダ３１ａには、第１流体室３３ａと連通する補助室８１が設けられている。また、シリンダ３１ａには、径方向外側向きに延びるベーン溝３４ｃが形成され、このベーン溝３４ｃにはベーン３４ａが摺動可能に挿入されている。また、シリンダ３１ａのベーン３４ａの背面側（径方向外側）には、ベーン溝３４ｃと連通し、径方向外側向きに延びる背面室３４ｈが形成されている。背面室３４ｈには、ベーン３４ａをピストン３２ａに向かって付勢するばね３５ａが設けられている。ベーン３４ａは、第１流体室３３ａを高圧側の流体室Ｈ１と低圧側の流体室Ｌ１とに仕切っている。
【００５５】
図３（ｂ）に示すように、第２膨張部３０ｂは、第１膨張部３０ａとほぼ同様の構成を有している。すなわち、第２膨張部３０ｂもロータリ式の膨張機であり、略円筒状のシリンダ３１ｂと、シリンダ３１ｂ内に挿入された円筒状のピストン３２ｂとを備えている。シリンダ３１ｂの内周面とピストン３２ｂの外周面との間には、第２流体室３３ｂが区画されている。シリンダ３１ｂにも、径方向外側向きに延びるベーン溝３４ｄが形成され、このベーン溝３４ｄにはベーン３４ｂが摺動可能に挿入されている。また、シリンダ３１ｂのベーン３４ｂの背面側には、ベーン溝３４ｄと連通し、径方向外側向きに延びる背面室３４ｉが形成されている。背面室３４ｉには、ベーン３４ｂをピストン３２ｂに向かって付勢するばね３５ｂが設けられている。ベーン３４ｂは、第２流体室３３ｂを高圧側の流体室Ｈ２と低圧側の流体室Ｌ２とに仕切っている。第２流体室３３ｂは、第１流体室３３ａと共に膨張機４の主流体室３３ｃを形成する。
【００５６】
図２に示すように、第１膨張部３０ａと第２膨張部３０ｂとは、仕切板３９によって仕切られている。仕切板３９は、第１膨張部３０ａのシリンダ３１ａおよびピストン３２ａの上方を覆っており、第１流体室３３ａの上側を区画している。また、仕切板３９は、第２膨張部３０ｂのシリンダ３１ｂおよびピストン３２ｂの下方を覆っており、第２流体室３３ｂの下側を区画している。
【００５７】
仕切板３９には、第１流体室３３ａの低圧側の流体室Ｌ１と第２流体室３３ｂの高圧側の流体室Ｈ２とを連通させる連通孔４０が形成されている（図３（ａ），（ｂ）参照）。なお、本実施形態では、第１流体室３３ａの低圧側の流体室Ｌ１と、第２流体室３３ｂの高圧側の流体室Ｈ２とは、連通孔４０を通じて一つの膨張室を形成している。すなわち、高圧の作動流体は、第１流体室３３ａの高圧側の流体室Ｈ１に流入した後、第１流体室３３ａの低圧側の流体室Ｌ１と連通孔４０と第２流体室３３ｂの高圧側の流体室Ｈ２とによって形成される一つの膨張室において回転軸６を回転させながら膨張して低圧になる。そして、作動流体はやがて第２流体室３３ｂの低圧側の流体室Ｌ２から吐出管１１に吐出される。
【００５８】
図２に示すように、第２膨張部３０ｂの上部には、上軸受４１が設けられている。上軸受４１は、第２膨張部３０ｂのシリンダ３１ｂおよびピストン３２ｂの上方を閉塞しており、第２流体室３３ｂの上側を区画している。また、上軸受４１には吐出孔１１ａが形成されている（図３（ｂ）参照）。吐出孔１１ａには吐出管１１の一端が接続されている。一方、第１膨張部３０ａの下部には、下軸受４２が設けられている。下軸受４２は、回転軸６の下端部を支持している。また、下軸受４２は、第１膨張部３０ａのシリンダ３１ａおよびピストン３２ａの下方を閉塞しており、第１流体室３３ａの下側を区画している。また、下軸受４２には吸入孔１０ａが形成されている（図３（ａ）参照）。吸入孔１０ａには吸入管１０の一端が接続されている。
【００５９】
また、図３（ａ）に示すように、膨張機４には、膨張機４内において作動流体を流通させる流体室３７の吸入容積を変更する容積変更装置８０が設けられている。ここで、流体室３７とは、前述の主流体室３３ｃと、後述する可変容積室８３とにより形成される室を指す。容積変更装置８０は、シリンダ３１ａに設けられた補助室８１を流体が封入された背圧室８２と第１流体室３３ａと連通する可変容積室８３とに仕切るピストン８４と、背圧室８２内に封入された流体の圧力を制御する制御装置１４とを備えている。背圧室８２には前述した配管１２が接続されており、放熱器３から流出した作動流体の一部が封入される。背圧室８２内の圧力は、制御装置１４によって制御されるが、具体的な制御については、後述する。
【００６０】
図３（ａ）に示すように、補助室８１の第１流体室３３ａ側端部は、ピストン８４が第１流体室３３ａ内に進入しないように、他端部よりも小径に設計されている。また、ピストン８４の第１流体室３３ａ側端部は、補助室８１の第１流体室３３ａ側端部と隙間なく係合するように同形状に形成されている。
【００６１】
ピストン８４の第１流体室３３ａ側の端面には、第１流体室３３ａ内の圧力が作用し、他方の端面には、背圧室８２内の圧力が作用する。すなわち、補助室８１内におけるピストン８４の位置は、これらの圧力のバランスにより定まる。例えば、第１流体室３３ａ内の圧力が、背圧室８２内の圧力よりも大きい場合には、ピストン８４は第１流体室３３ａと反対側方向（以下、後方と称する）へ移動する。一方、第１流体室３３ａ内の圧力が、背圧室８２内の圧力よりも小さい場合には、ピストン８４は第１流体室３３ａ側方向（以下、前方と称する）へ移動する。そして、ピストン８４は、第１流体室３３ａ内の圧力と背圧室８２内の圧力とが等しい位置、または、補助室８１の前端部若しくは補助室８１の後端部において停止する。そのため、制御装置１４により、背圧室８２内の圧力を調整することにより、可変容積室８３の容積ひいては流体室３７の容積を変更することができる。
【００６２】
次に圧縮機２の構成について説明する。本実施形態では、圧縮機２はスクロール式圧縮機である。なお、圧縮機２の形式等は何ら限定されない。圧縮機２として、例えば、ロータリ式圧縮機等を好適に用いることも可能である。
【００６３】
図２に示すように、圧縮機２は、密閉容器５０に溶接等により接合されている。圧縮機２は、固定スクロール５１と、固定スクロール５１と軸方向に対向する可動スクロール５２と、回転軸６の上端部を支持する軸受５３とを備えている。固定スクロール５１には、渦巻形状（例えばインボリュート形状等）のラップ５４が形成されている。可動スクロール５２には、固定スクロール５１のラップ５４と噛み合うラップ５７が形成されている。これらラップ５４およびラップ５７の間に、渦巻状の圧縮室５８が区画されている。固定スクロール５１の中央部には、吐出孔５５が設けられている。可動スクロール５２の下側には、可動スクロール５２の回転を防止するオルダムリング６０が配置されている。回転軸６の上端部は偏心しており、可動スクロール５２は偏心した回転軸６の上端部に支持されている。そのため、可動スクロール５２は、回転軸６の軸心から偏心した状態で旋回する。
【００６４】
固定スクロール５１の上側には、カバー６２が設けられている。固定スクロール５１および軸受５３の内部には、作動流体を流通させる上下に延びる吐出路６１が形成されている。また、固定スクロール５１および軸受５３の外側には、作動流体を流通させる上下に延びる流通路６３が形成されている。このような構成により、吐出孔５５から吐出された作動流体は、カバー６２内の空間にいったん吐出された後、吐出路６１を通じて圧縮機２の下方に吐出される。そして、圧縮機２の下方の作動流体は、流通路６３を通じて圧縮機２の上方に導かれる。
【００６５】
吸入管８は、密閉容器５０の側部を貫通し、固定スクロール５１に接続されている。これにより、吸入管８は圧縮機２の吸入側に接続されている。吐出管９は、密閉容器５０の上部に接続されている。吐出管９の一端は、密閉容器５０内の圧縮機２の上方の空間に開口している。
【００６６】
電動機２３は、回転軸６の中途部に固定された回転子７１と、回転子７１の外周側に配置された固定子７２とから構成されている。固定子７２は、密閉容器５０の側部の内壁に固定されている。固定子７２は、モータ配線（図示せず）を介して端子（図示せず）に接続されている。この電動機２３によって、回転軸６が駆動される。
【００６７】
次に、膨張機一体型圧縮機７の動作を説明する。本膨張機一体型圧縮機７では、電動機２３が駆動されると、回転軸６が回転する。
【００６８】
圧縮機２の動作について説明する。まず、回転軸６の回転に伴って可動スクロール５２が旋回する。これにより、吸入管８から冷媒が吸入される。吸入された低圧の冷媒は、圧縮室５８で圧縮された後、高圧の冷媒となって吐出孔５５から吐出される。そして、吐出孔５５から吐出された冷媒は、吐出路６１および流通路６３を通じて圧縮機２の上方に導かれ、吐出管９を通じて密閉容器５０の外部に吐出される。
【００６９】
次に、膨張機４の動作について説明する。まず、回転軸６の回転に従って、ピストン３２ａ，３２ｂが旋回する。これにより、吸入管１０から吸入された高圧の冷媒は、吸入孔１０ａを通じて第１流体室３３ａに流入する。第１流体室３３ａに流入した高圧の冷媒は、第１流体室３３ａの低圧側の流体室Ｌ１と連通孔４０と第２流体室３３ｂの高圧側の流体室Ｈ２とによって形成される一つの膨張室内で膨張し、低圧の冷媒となる。その際、作動流体は回転軸６を回転させながら膨張する。この低圧の冷媒は、吐出孔１１ａを通じて吐出管１１に流れ込み、吐出管１１を通じて密閉容器５０の外部に吐出される。以下、図４を用いて１サイクル中の膨張機４および容積変更装置８０の動作について詳細に説明する。
【００７０】
膨張機４は、回転軸６が３回転する間に吸入過程から吐出過程までの１サイクルを行う（吸入過程、膨張過程、吐出過程の順に行う）。なお、説明の便宜上、ピストン３２ａ，３２ｂがシリンダ３１ａ，３１ｂと接した状態の回転角θを、整数ｎ（ｎ＝０，１，２）を用いて、θ＝（０＋３６０ｎ）°と表す。
【００７１】
図４（ａ）に示すように、１周目、まず、θ＝０°からサイクルが開始される。そして、シリンダ３１ａとピストン３２ａとの接点が吸入孔１０ａを通過すると、高圧側の流体室Ｈ１と吸入孔１０ａとが連通し、吸入過程が始まる（図４（ｂ）参照）。
【００７２】
回転軸６がさらに回転すると、シリンダ３１ａとピストン３２ａとの接点が補助室８１を通過する。これにより、補助室８１は高圧側の流体室Ｈ１と連通する（図４（ｄ）参照）。そのため、ピストン８４の第１流体室３３ａ側の端面には、第１流体室３３ａの高圧側の流体室Ｈ１内の圧力が作用する。一方、このとき、ピストン８４の他方の端面には背圧室８２内の圧力が作用する。背圧室８２内には、制御装置１４により、背圧室８２内の圧力が、第１流体室３３ａに吸入される作動流体（高圧側の流体室Ｈ１内の作動流体）の圧力より低く、かつ、第２流体室３３ｂから吐出される作動流体の圧力よりも高くなるように流体が封入されている。そのため、ピストン８４は後方へ移動を開始することとなる。これにより、可変容積室８３が発生し、流体室３７の吸入容積が増加することとなる。
【００７３】
後方へ移動を開始したピストン８４は、高圧側の流体室Ｈ１内の圧力と背圧室８２内の圧力とがバランスする位置において動きを止める。また、ピストン８４が後方へ移動しても、高圧側の流体室Ｈ１内の圧力が背圧室８２内の圧力よりも大きいままである場合、ピストン８４は補助室８１の後端部まで移動する（図示なし）。
【００７４】
高圧側の流体室Ｈ１の容積は、回転角θの増加に伴ってさらに増加する。θ＝３６０°を過ぎて２周目（ｎ＝１）が開始した後、吸入孔１０ａと低圧側の流体室Ｌ１との連通は絶たれ、吸入過程が終了する。それと共に、高圧側の流体室Ｈ１は低圧側の流体室Ｌ１となる（図４（ｂ）参照）。そして、低圧側の流体室Ｌ１は連通孔４０を介して第２流体室３３ｂの高圧側の流体室Ｈ２と連通し、一つの膨張室を形成する。これにより、膨張過程が始まる（図４（ｂ）参照）。
【００７５】
回転軸６がさらに回転すると、第１流体室３３ａの低圧側の流体室Ｌ１の容積は減少する。しかし、シリンダ３１ｂはシリンダ３１ａよりも容積が大きいため（図２参照）、第２流体室３３ｂの高圧側の流体室Ｈ１の容積は、低圧側の流体室Ｌ１の容積の減少割合よりも大きな割合で増加する。これにより、低圧側の流体室Ｌ１と連通孔４０と高圧側の流体室Ｈ２とにより形成される膨張室の容積は増加し、膨張室内の作動流体が膨張する。このようにして、低圧側の流体室Ｌ１と連通孔４０と高圧側の流体室Ｈ２とにより形成される膨張室内の圧力は低下する（図４（ｂ）参照）。
【００７６】
低圧側の流体室Ｌ１と連通孔４０と高圧側の流体室Ｈ２とにより形成される膨張室内の圧力が低下し、背圧室８２内の圧力よりも低くなると、ピストン８４は前方に移動を開始する。これにより、吸入過程の際に発生した可変容積室８３が減少する。回転軸６の回転に伴って上記膨張室内の圧力はますます低下するため、ピストン８４は補助室８１の前端部（以下、上死点と称する）に至るまで前方に移動し続け、やがて可変容積室８３が消滅し、可変容積室８３の容積は零となる（図４（ｃ）参照）。
【００７７】
シリンダ３１ａとピストン３２ａとの接点が補助室８１を通過すると、補助室８１と低圧側の流体室Ｌ１との連通は絶たれる。そして、補助室８１は、次の高圧側の流体室Ｈ１と連通することとなる（図４（ｄ）参照）。
【００７８】
回転軸６がさらに回転し、θ＝７２０°に近づくと、シリンダ３１ａとピストン３２ａとの接点が連通孔４０を通過し、第１流体室３３ａの低圧側の流体室Ｌ１が消滅する。また、このとき、第２膨張部３０ｂでは、シリンダ３１ｂとピストン３２ｂとの接点が吐出孔１１ａを通過する。この時点で膨張過程は終了する。そして、第２流体室３３ｂの高圧側の流体室Ｈ２が吐出孔１１ａと連通し、吐出過程が開始される。
【００７９】
３週目（ｎ＝２）開始のθ＝７２０°において、第２流体室３３ｂの高圧側の流体室Ｈ２は低圧側の流体室Ｌ２となる。そして、さらに回転軸６が回転するにつれて、流体室Ｌ２の容積が減少し、作動流体が吐出孔１１ａから吐出される。やがて、θ＝１０８０°で流体室Ｌ２が消滅し、吐出過程が終了する。
【００８０】
このように、吸入過程中には、可変容積室８３と第１流体室３３ａとが非連通状態から連通状態となると、第１流体室３３ａ内の圧力と背圧室８２内の圧力差により、可変容積室８３の容積は零から増加する。また、膨張過程に移行すると、第１流体室３３ａ内の圧力と背圧室８２内の圧力差により、可変容積室８３の容積は減少し、やがて零となる。そして、可変容積室８３の容積が零となった後、可変容積室８３と第１流体室３３ａとは連通状態から非連通状態となる。
【００８１】
次に、制御装置１４の制御について説明する。
【００８２】
制御装置１４は、可変容積室８３の容積が零となる際における背圧室８２内の圧力を、第１流体室３３ａに吸入される作動流体の圧力より低く、かつ、第２流体室３３ｂから吐出される作動流体の圧力より高い圧力に制御する。また、制御装置１４は、圧力センサ１５からの検出圧力に基づき、圧縮機２から吐出された作動流体の圧力が所定の目標値となるように背圧室８２内の作動流体の圧力を制御する。これにより、制御装置１４によって背圧室８２内の圧力が調整され、ピストン８４が補助室８１内を移動すると共に、補助室８１内におけるピストン８４の下死点（補助室８１内において、第１流体室３３ａと最も離れた位置）が変更される。よって、制御装置１４が背圧室８２内の圧力を制御することにより、ピストン８４のストローク量（上死点と下死点との距離）が変更され、可変容積室８３の最大容積（流体室３７の容積の追加分）が変更されることとなる。
【００８３】
具体的には、検出値が目標値よりも低い場合（圧縮機２の吐出冷媒の圧力が目標値よりも低い場合）、圧縮機２を通過する冷媒の質量流量に対して膨張機４を通過する冷媒の質量流量が相対的に過大となりいわゆる膨張不足となる。そこで、制御装置１４は、背圧室８２内に流体をさらに送り込み、背圧室８２内の圧力を上昇させる。これにより、ピストン８４の下死点は補助室８１の前端側に近づき、ピストンのストローク量が小さくなる。つまり、可変容積室８３の最大容積を小さくして冷媒の吸入量を減少させ、膨張不足を回避する。
【００８４】
一方、検出値が目標値よりも高い場合（圧縮機２の吐出冷媒の圧力が目標値よりも高い場合）、圧縮機２を通過する冷媒の質量流量に対して膨張機４を通過する冷媒の質量流量が相対的に過小となりいわゆる過膨張となる。そこで、制御装置１４は、背圧室８２内から流体を排出し、背圧室８２内の圧力を低下させる。これにより、ピストン８４の下死点は補助室８１の後端側に近づき、ピストンのストローク量が大きくなる。つまり、可変容積室８３の最大容積を大きくして冷媒の吸入量を増加させ、過膨張を回避する。
【００８５】
以上のように、本実施形態に係る膨張機４によれば、容積変更装置８０により、可変容積室８３の容積を増減させて、流体室３７の吸入容積を増減させることができる。これにより、過膨張や不足膨張を回避することができる。そのため、システムの最適な運転が可能となり、システム効率を向上させることができる。
【００８６】
また、本膨張機４によれば、従来のように、膨張機４が１サイクルを行う間、可変容積室８３が常に存在する訳ではなく、１サイクル中に可変容積室８３の容積が増減する。すなわち、本膨張機４の可変容積室８３は、吸入過程中、可変容積室８３と第１流体室３３ａとが連通すると発生し、膨張過程中、可変容積室８３と第１流体室３３ａとが非連通状態となるまでに消滅する。そのため、可変容積室８３と第１流体室３３ａとが非連通の状態の際に、可変容積室８３内に作動流体が残存することを防止することができる。したがって、上記膨張機４によれば、従来の膨張機と異なり、流体室３７の吸入容積を運転条件に応じて変更しても、膨張過程において可変容積室８３が消滅するので、可変容積室８３がデッドボリュームとなることがなく、作動流体の膨張エネルギーを効率良く回収することができる。
【００８７】
なお、本実施形態では、可変容積室８３の容積は、膨張過程中、可変容積室８３と第１流体室３３ａとが非連通状態となるまでに零となることとしている。しかし、本膨張機４によれば、可変容積室８３の容積が零とならない場合であっても、可変容積室８３の容積が最小となることにより、可変容積室８３がデッドボリュームとなることを抑制することができる。したがって、このような場合であっても、作動流体の膨張エネルギーを効率良く回収することができる。
【００８８】
さらに、本膨張機４では、制御装置１４により、可変容積室８３の容積が零となる際における背圧室８２内の圧力は、第１流体室３３ａに吸入される作動流体の圧力より低く、かつ、第２流体室３３ｂから吐出される作動流体の圧力より高い圧力となるように制御される。そのため、可変容積室８３は、背圧室８２と第１流体室３３ａとの差圧により、吸入過程の際に自動的に発生し、膨張過程の際に減少し消滅することとなる。したがって、本膨張機４によれば、簡単な構成により、デッドボリュームを生じることなく、流体室３７の吸入容積を増減させることができる。
【００８９】
また、本膨張機４の背圧室８２には、第１流体室３３ａに吸入される作動流体の一部が供給される。そのため、別途新たに流体供給装置を設けることなく、背圧室８２に流体を供給することができる。なお、図５に示すように、別途新たに流体供給装置９０を設け、背圧室８２に流体を供給することとしてももちろんよい。
【００９０】
さらに、本膨張機４を備える冷媒回路１には、高圧部分（圧縮機２から放熱器３を経て膨張機４に至る部分）において超臨界状態となる二酸化炭素（ＣＯ２）が充填されている。一般的に、冷凍サイクル装置の作動流体として二酸化炭素を用いた場合、冷凍効率（ＣＯＰ）はフロンを作動流体としたものに比べ低下する。しかし、本膨張機４によれば、デッドボリュームを生じることなく、流体室３７の吸入容積を増減させることができるため、作動流体の膨張エネルギーを効率良く回収することができる。したがって、本膨張機４を備えた冷凍サイクル装置によれば、作動流体として二酸化炭素を用いた場合であっても、冷凍効率を高く維持することが可能となる。
【００９１】
本冷凍サイクル装置の制御装置１４は、圧力センサ１５からの検出圧力に基づき、圧縮機２から吐出された作動流体の圧力が所定の目標値となるように、背圧室８２内の作動流体の圧力を制御する。そのため、本冷凍サイクル装置によれば、圧縮機２から吐出された作動流体の圧力を好ましい圧力に保つことが可能となる。これにより、膨張機４の過膨張や不足膨張を防止し、作動流体の膨張エネルギーを効率よく回収することが可能となる。
【００９２】
（第２の実施形態）
第１の実施形態では、膨張機４のピストン８４のストローク量を、圧縮機２から吐出された作動流体の圧力に基づき変動させることとしていた。これに代えて、本実施形態では、膨張機４のピストン８４のストローク量を、圧縮機２から吐出された作動流体の温度に基づき変動させることとしたものである。
【００９３】
具体的には、図６に示すように、吐出管９に、圧力センサ１５の代わりに、圧縮機２から吐出された作動流体の温度を検知する温度センサ１６を設ける。そして、背圧室８２内の圧力を、制御装置１４により、温度センサ１６からの検出圧力に基づき、圧縮機２から吐出された作動流体の温度が所定の目標値となるように制御することとする。
【００９４】
圧縮機２から吐出された作動流体の温度を目標値に保持するように制御すると、当該作動流体の圧力も所定の値に保持される。つまり、冷凍サイクル装置において、圧縮機２の吐出流体の温度を制御することにより、吐出流体の圧力を制御することができる。したがって、本実施形態によっても第１の実施形態と同様の効果を奏することが可能である。
【００９５】
（第３の実施形態）
第１の実施形態では、ピストン８４の下死点（ピストン８４のストローク量）を、背圧室８２内の圧力を制御することにより決定していた。本実施形態では、背圧室８２内の圧力制御ではなく、ピストン８４の移動を規制する規制部材を用いて下死点を決定し、流体室３７の吸入容積を変更するものである。
【００９６】
例えば、図７に示すように、補助室８１内に、ピストン８４の移動を規制する可動式のストッパ８５を設ける。ストッパ８５は、補助室８１内でピストン８４の移動方向に関して位置変更可能に構成する。また、ストッパ８５を駆動する駆動装置８６を設け、制御装置１４によって駆動装置８６を制御する。制御装置１４は、圧力センサ１５からの検出圧力に基づき、圧縮機２から吐出された作動流体の圧力が所定の目標値となるように駆動装置８６の稼働量を制御し、ストッパ８５の位置を変更する。
【００９７】
以上により、本実施形態によっても、上述の効果と同様の効果を得ることができる。また、本形態によれば、ピストン８４の下死点を、第１流体室３３ａと背圧室８２との圧力差により決定するのではなく、ストッパ８５の位置により決定することができる。そのため、可変容積室８３の最大容積を正確に増減させることができる。これにより、流体室３７の吸入容積を正確に増減することができ、作動流体の膨張エネルギーを効率よく回収することが可能となる。
【００９８】
なお、ストッパ８５は、背圧室８２を仕切ることなく、位置変更可能で、ピストン８４の移動を規制できるものであれば、形状や素材等については何ら限定されない。
【００９９】
（第４の実施形態）
第１の実施形態では、ピストン８４の前端面には、第１流体室３３ａ内の圧力が作用し、後端面には背圧室８２内の圧力が作用し、これらの圧力のバランスにより、補助室８１内におけるピストン８４の位置が定まっていた。本実施形態では、図８に示すように、第１の実施形態の構成に加え、背圧室８２内に、ピストン８４を前方に付勢する付勢装置としてのコイルばね８４ａが設けられている。コイルばね８４ａは背圧室８２内に圧縮状態で配置されており、コイルばね８４ａの一端は背圧室８２内に支持され、他端はピストン８４の後端面に支持されている。
【０１００】
このような構成により、ピストン８４の後端面には、背圧室８２内の圧力とコイルばね８４ａの付勢力とが作用することとなる。そのため、第１流体室３３ａ内の圧力と、背圧室８２内の圧力とコイルばね８４ａの付勢力との和とのバランスにより、補助室８１内におけるピストン８４の位置が定まることとなる。例えば、第１流体室３３ａ内の圧力が、背圧室８２内の圧力とコイルばね８４ａの付勢力との和よりも大きい場合には、ピストン８４は後方へ移動する。一方、第１流体室３３ａ内の圧力が、背圧室８２内の圧力とコイルばね８４ａの付勢力との和よりも小さい場合には、ピストン８４は前方へ移動する。そして、ピストン８４は、第１流体室３３ａ内の圧力と、背圧室８２内の圧力とコイルばね８４ａの付勢力との和とが等しい位置、または、補助室８１の前端部若しくは補助室８１の後端部において停止することとなる。
【０１０１】
また、本実施形態に係る制御装置１４は、背圧室８２内の圧力を、可変容積室８３の容積が零となる際における背圧室８２内の圧力とコイルばね８４ａの付勢力との和が、第１流体室３３ａに吸入される作動流体の圧力より低く、かつ、第２流体室３３ｂから吐出される作動流体の圧力より高い圧力となるように制御する。これにより、本実施形態に係る膨張機４によっても、第１の実施形態と同様の効果を奏することができる。また、本膨張機４によれば、コイルばね８４ａ等の弾性体を設けない場合より背圧室８２内の流体の圧力を下げることが可能となる。
【０１０２】
なお、本実施形態では、ピストン８４を付勢する付勢装置として、コイルばね８４ａを用いているが、上記付勢装置は、コイルばね８４ａ以外の弾性体であってもよい。また、上記付勢装置は、弾性体に限らず、例えば静電気力又は磁力等によって付勢力を発生させるものであってもよい。
【０１０３】
（第５の実施形態）
第１の実施形態では、容積変更装置８０は一つだけ設けられていた。図９に示すように、本実施形態に係る膨張機４は、当該容積変更装置８０を複数設けたものである。なお、図９では、内径が異なるため容積が異なる容積変更装置８０を２つ設けた場合を示している。なお、他の構成は第１の実施形態と同様であるので、説明を省略する。
【０１０４】
本実施形態に係る膨張機４によっても、第１の実施形態と同様の効果を奏することができる。また、本実施形態によれば、いずれの容積変更装置８０を用いるかを選択することにより、可変容積室８３の容積の最大値を容易に変更することができる。つまり、流体室３７の吸入容積を容易に変更することができる。
【０１０５】
また、同容積の容積変更装置８０を複数設けることとしてもよい。この場合、稼働させる容積変更装置８０の個数を増減することにより、可変容積室８３の容積の最大値（複数の可変容積室８３の和）を容易に変更することができる。このような形態によれば、流体室３７の吸入容積を変更させる際において、微調節を行うことができるため、制御性を向上させることができる。
【０１０６】
さらに、第１の実施形態のような容積変更装置８０（固定ストローク型）と、第３の実施形態のような容積変更装置８０のように、可動式のストッパ８５により、可変容積室８３の容積の最大値を変更することができる容積変更装置８０（可変ストローク型）と、を組み合わせて用いることももちろん可能である。
【０１０７】
このような場合、まず、可変ストローク型の容積変更装置８０を単独で使用し、背圧室８２内の圧力制御によりピストン８４の下死点を変動させる差圧制御を行う。そして、差圧制御の範囲を超えた場合（例えば、第１流体室３３ａ内の圧力が、背圧室８２内の圧力として想定されている範囲から超えた場合等）、固定ストローク型を稼動させる。そして、再び可変ストロークで制御する。このような形態によれば、差圧制御が可能となる第１流体室３３ａ内の圧力の範囲が広くなり、制御性の向上を図ることができる。
【０１０８】
（第６の実施形態）
第１の実施形態において、補助室８１はシリンダ３１ａ内に側方に延びるように設けられていた。これに対し、本実施形態では、図１０に概念的に示すように、補助室８１はシリンダ３１ａの下方に設けられ、第１流体室３３ａの下側を区画する下軸受４２（図２参照）内に設けられている。また、本実施形態に係る補助室８１は、鉛直方向に延びるように設けられている。なお、その他の構成は第１の実施形態と同様である。
【０１０９】
本実施形態のように、補助室８１をこのように下軸受４２内に鉛直方向延びるように配置しても、第１の実施形態と同様の効果を奏することができる。
【０１１０】
また、本実施形態において、第１流体室３３ａと補助室８１とを連通する連通孔８１ａの径を第１流体室３３ａの最大幅よりも大きく形成する。このように連通孔８１ａを形成すると、連通孔８１ａの一部は常にピストン３２ａの一部と重なることとなる（図１０（ａ）参照）。そのため、本実施形態に係る容積変更装置８０のピストン８４は、連通孔８１ａまで移動すると必ずピストン３２ａに当接し、ピストン３２ａによってそれ以上の移動が規制される（図１０（ｂ）参照）。
【０１１１】
したがって、本実施形態の膨張機４によれば、第１の実施形態のように、補助室８１の第１流体室３３ａ側端部を他端部よりも小径に設計しなくても、ピストン８４が第１流体室３３ａ内に進入することを防止することができる。また、これに伴い、ピストン８４の第１流体室３３ａ側端部を、補助室８１の第１流体室３３ａ側端部と同形状に形成する必要もない。そのため、本実施形態によれば、補助室８１およびピストン８４の加工の手間を省くことができ、容易に製作することができる。
【０１１２】
（第７の実施形態）
第１の実施形態の膨張機４は、上下２段のいわゆるロータリ式の膨張機であった。図１１に示すように、本実施形態に係る膨張機一体型圧縮機７では、当該ロータリ式の膨張機に代えて、スクロール式の膨張機を用いている。
【０１１３】
具体的には、膨張機４は、固定スクロール９１と、固定スクロール９１と軸方向に対向する可動スクロール９２と、を備えている。固定スクロール９１は、平板状の固定鏡板（図示省略）と、固定鏡板の一方の面に設けられた渦巻形状（例えばインボリュート形状等）のラップ９４とを備えている。一方、可動スクロール９２は、平板状の可動鏡板（図示省略）と、可動鏡板の一方の面に設けられ、固定スクロール９１のラップ９４と噛み合うラップ９７と、を備えている。これらラップ９４およびラップ９７の間に、渦巻状の流体室９８が区画されている。
【０１１４】
固定スクロール９１の中央部には、吸入孔９５が設けられている。流体室９８の巻き終わり側の端部には吐出孔９９が設けられている。図示しないが、吸入孔９５は吸入管１０に接続され、吐出孔９９は吐出管１１に接続されている。また、可動スクロール９２は回転軸６（図２参照）の下端部に設けられた偏心部に支持されている。そのため、可動スクロール９２は、回転軸６の軸心から偏心した状態で旋回する。
【０１１５】
また、固定スクロール９１には、連通孔８１ａ，８１ｂが設けられている。また、本実施形態においても、下軸受４２に、第６の実施形態に係る補助室８１と同様の補助室８１が接続されている。また、連通孔８１ａ，８１ｂは、補助室８１と連通可能に接続されている。補助室８１は、第１の実施形態と同様に、吸入過程中、連通孔８１ａ，８１ｂと連通し、膨張過程の終了時にはこれらの連通は解除される。
【０１１６】
このような形態によっても、第１の実施形態と同様に、補助室８１の可変容積室８３の容積を制御することができ、過膨張や不足膨張を回避することができる。また、本実施形態によっても、第１の実施形態に係る冷媒回路１と同様の効果を奏することができる。
【０１１７】
（第８の実施形態）
図１２に示すように、本実施形態に係る冷凍サイクル装置は、図１に示す第１の実施形態に係る冷凍サイクル装置の膨張機一体型圧縮機７に代えて、分離型の圧縮機２ｂと、膨張機４ｂとを用いたものである。なお、膨張機４ｂは、第１の実施形態に係る膨張機４と同様の構成を有するものである。
【０１１８】
本実施形態に係る冷凍サイクル装置の冷媒回路１は、第１の実施形態に係る膨張機一体型圧縮機７に代えて、上述の分離型の圧縮機２ｂおよび膨張機４ｂと、回転軸１７を介して圧縮機２ｂに接続された電動機２３ｂと、回転軸１８を介して膨張機４ｂに接続された発電機１９とを備えている。圧縮機２ｂは、電動機２３ｂにより駆動され、膨張機４ｂでは作動流体の膨張エネルギーが発電機１９により電気エネルギーに変換される。この電気エネルギーは、電動機２３ｂの入力の一部に用いられる。
【０１１９】
ところで、一般的に、発電機１９は、所定の定格回転数で発電効率が最も高くなるように設計されている。そのため、回転軸１８の回転数が定格回転数から離れるほど発電効率が低下する。これにより、発電機１９の回転数は、できるだけ定格回転数に近いものとなるようにすることが好ましい。しかし、冷凍サイクル装置では、運転条件等により作動流体の循環量や密度が変化する。そのため、吸入容積が一定の膨張機では、発電機１９の回転数を定格回転数の付近に保つことは困難である。
【０１２０】
しかし、本実施形態に係る冷凍サイクル装置によれば、第１の実施形態に係る膨張機４と同様の構成を有する膨張機４ｂを用いている。そのため、容積変更装置８０の可変容積室８３の容積を変動させることにより、流体室３７の吸入容積を調整することができる。したがって、本実施形態に係る冷凍サイクル装置によれば、発電機１９の回転数を定格回転数付近に制御することが可能となり、膨張エネルギーを効率よく回収することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【０１２１】
以上説明したように、本発明は、膨張機、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（冷凍装置、空気調和装置、給湯機等）について有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１２２】
【図１】冷凍サイクル装置の冷媒回路図
【図２】第１の実施形態に係る膨張機の縦断面図
【図３】（ａ）は図２のＩＩＩａ−ＩＩＩａ断面図、（ｂ）は図２のＩＩＩｂ−ＩＩＩｂ断面図
【図４】第１の実施形態に係る膨張機の動作図
【図５】変形例に係る冷凍サイクル装置の冷媒回路図
【図６】第２の実施形態に係る冷凍サイクル装置の冷媒回路図
【図７】第３の実施形態に係る膨張機の横断面図
【図８】第４の実施形態に係る膨張機の横断面図
【図９】第５の実施形態に係る膨張機の横断面図
【図１０】（ａ）および（ｂ）は、第６の実施形態に係る膨張機の横断面図
【図１１】（ａ）および（ｂ）は、第７の実施形態に係る膨張機の横断面図
【図１２】第８の実施形態に係る冷凍サイクル装置の冷媒回路図
【符号の説明】
【０１２３】
１              冷媒回路
２              圧縮機
３              放熱器
４              膨張機
５              蒸発器
６              回転軸
７              膨張機一体型圧縮機
８              吸入管（第１流路）
９              吐出管（第２流路）
１０            吸入管（第３流路）
１１            吐出管（第４流路）
１２            配管
１３            減圧弁
１４            制御装置
１５            圧力センサ
１６            温度センサ
３１ａ，３１ｂ  シリンダ
３２ａ，３１ｂ  ピストン（筒状のピストン）
３３ａ          第１の流体室（流体室、主流体室）
３３ｂ          第２の流体室（流体室、主流体室）
３３ｃ          主流体室
８０            容積変更装置
８１            補助室
８２            背圧室
８３            可変容積室（流体室、可変容積室）
８４            ピストン
８５            ストッパ
【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】
2008106668.tif 000008
【図７】
2008106668.tif 000009
【図８】
2008106668.tif 000010
【図９】
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【図１０】
2008106668.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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