(57)【要約】【課題】効率的な構造で装置の小型化、低コスト化を図ると共に、作動流体の膨張エネルギを機械エネルギに変換して利用し、ＣＯＰ（成績係数）向上を図る。【解決手段】作動流体の膨張エネルギを機械エネルギに変換する膨張機５とこの膨張機で駆動される副圧縮機６を一つの密閉容器４に収納する。この容器４内に主圧縮機２から吐出した冷媒の一部を分岐させて流入させ、密閉容器内を吐出圧力と同一の高圧に保つ。これにより、潤滑油の粘度を低下させると共に、膨張機及び副圧縮機の摺動部に差圧により十分な量の潤滑油を供給でき、シール性能も向上できる。さらに、密閉容器４は液冷媒を溜めるレシーバタンクとしても兼用される。【選択図】  図１
2004325018.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主圧縮機で圧縮された冷媒を冷却する放熱器、この放熱器からの冷媒を膨張させる膨張手段と、該膨張手段で膨張された冷媒を蒸発させる蒸発器を有する冷凍サイクルにおいて、
前記放熱器から流出した冷媒を分岐させ、その一方の冷媒を減圧膨張させると共にそのときの膨張エネルギを機械エネルギに変換する膨張機と、
前記放熱器下流で分岐された他方の冷媒を減圧膨張させる膨張弁と、
前記膨張機下流側と前記膨張弁下流側を合流させ、前記蒸発器に接続される流路と、
前記膨張機の吸入圧力を制御する前段膨張弁と、
前記膨張機により駆動され、前記蒸発器で蒸発した冷媒を圧縮して前記主圧縮機に供給する副圧縮機と、
前記膨張機と前記副圧縮機を収納すると共に内部に潤滑油を貯溜した密閉容器とを備え、
該密閉容器内を前記主圧縮機の吐出圧力と同一またはほぼ同一の圧力に保つことを特徴とする冷凍サイクル。
【請求項２】
請求項１において、前記主圧縮機から吐出した冷媒の一部を分岐させ、前記膨張機と副圧縮機を収納している密閉容器内に流通させたことを特徴とする冷凍サイクル。
【請求項３】
請求項１において、前記放熱器から流出した冷媒を分岐させ、前記膨張機と前記副圧縮機を収納している一つの密閉容器内に流通させたことを特徴とする冷凍サイクル。
【請求項４】
請求項１において、前記放熱器から流出した冷媒を分岐させ、前記膨張機と前記副圧縮機を収納している密閉容器内に導入して貯留すると共に、この密閉容器の上部側から冷媒を流出させて前記膨張機に導き、該膨張機により前記冷媒を減圧膨張させることを特徴とする冷凍サイクル。
【請求項５】
請求項１〜４の何れかにおいて、前記主圧縮機を、内部が該主圧縮機吸い込み圧力に保たれた密閉容器内に収納すると共に、該密閉容器内部には潤滑油を貯溜し、この潤滑油の油面上部に前記主圧縮機の吸入口を設けたことを特徴とする冷凍サイクル。
【請求項６】
請求項１〜４の何れかにおいて、前記主圧縮機とそのモータを収納して内部に潤滑油を貯留した密閉容器を備え、この主圧縮機密閉容器内を該主圧縮機の吐出圧力に保つと共に、主圧縮機の吐出口を前記モータ下方の前記密閉容器側面に設けたことを特徴とする冷凍サイクル。
【請求項７】
請求項１〜６の何れかにおいて、前記主圧縮機と前記放熱器の間に油分離器を設け、該油分離器で分離された油を、前記膨張機と副圧縮機を収納した前記密閉容器に戻すことを特徴とする冷凍サイクル。
【請求項８】
主圧縮機、放熱器、膨張手段、蒸発器を順次接続して構成された冷凍サイクルにおいて、
前記放熱器から流出した冷媒を分岐させその分岐された冷媒を減圧膨張させると共に膨張エネルギを回転エネルギに変換する膨張機と、
前記放熱器下流で分岐された他方の冷媒を減圧膨張させる膨張弁と、
前記膨張機下流側と前記膨張弁下流側を合流させ、前記蒸発器に接続される流路と、
前記膨張機の吸入圧力を制御する前段膨張弁と、
前記膨張機により駆動され前記蒸発器で蒸発した冷媒を圧縮して前記主圧縮機側に供給するための副圧縮機と、
前記膨張機と前記副圧縮機を収納すると共に内部に潤滑油を貯溜しかつ前記主圧縮機の吐出圧力と同一またはほぼ同一の圧力に保持される密閉容器と
を備えたことを特徴とする冷凍サイクル。
【請求項９】
請求項１〜８の何れかにおいて、前記放熱器下流で分岐された他方の冷媒を減圧膨張させる膨張弁は、放熱器からの高圧冷媒を、前記膨張機で減圧膨張されて吐出された冷媒の圧力と同程度の圧力まで減圧するように制御されるものであることを特徴とする冷凍サイクル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷媒を圧縮膨張させる蒸気圧縮式の冷凍サイクルに関し、特に冷媒の膨張エネルギを機械（回転）エネルギに変換する膨張機を有する冷凍サイクルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の冷凍サイクルにおいて、膨張エネルギを回収できる圧縮・膨張システムとしては、特許文献１や特許文献２に記載のものが知られている。
【０００３】
この特許文献１記載のものは、主圧縮機と膨張機を分離し、膨張機で発生した膨張エネルギを回収する副圧縮機を備えた冷凍サイクルが記載されており、冷凍サイクルの主流回路を流れる主流冷媒を膨張機で膨張させ、そのときの主流冷媒の膨張エネルギを機械エネルギに変換しながら主流冷媒を減圧している。膨張機で発生した機械エネルギにより副圧縮機は駆動される。
【０００４】
特許文献２のものは、冷媒を圧縮する圧縮機構部と、冷媒を膨張させる膨張機構部を電動機を介して接続した軸直結構造とし、圧縮機構部の吸込み側が蒸発器に、吐出側がガスクーラに連通する一方、膨張機構部の吸込み側がガスクーラに、吐出側が蒸発器に連通するようにして冷凍サイクルが構成されている。
【特許文献１】特開２０００−３２９４１６号公報
【特許文献２】特開２００１−１０７８８１号公報
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１においては、主圧縮機、副圧縮機、膨張機を定常的に潤滑する必要があるが、それぞれがサイクル中に別々に存在しているため、圧縮機と膨張機間で油が偏在する可能性があった。また、膨張機の周囲圧力に比べて膨張機の内圧が大きくなり、膨張機内部からのガス漏洩が発生し易い。さらに、周囲圧力が低圧であるために潤滑油への冷媒の溶け込み量が少なく、また低温であるため潤滑油の粘度が大きくなり、高粘度の潤滑油が電動機や圧縮機、膨張機の負荷になってしまう問題があった。また、膨張機や副圧縮機を用いるため、コスト上昇や設置スペースが大きくなる課題もある。
【０００５】
特許文献２においては、特許文献１のような圧縮機、膨張機間の油偏在の問題は改善されるが、主圧縮機と膨張機が近接した配置になるため、室内ユニットと室外ユニットに別れたセパレートタイプの冷凍空調機器とした場合、配管が長くなり、コスト上昇や配管の圧力損失による性能低下の問題がある。また、比較的低温で動作する膨張機が、ガス圧縮作用により高温となった圧縮機及び電動機からの熱影響を受けて加熱されるため、膨張過程のエンタルピ差が減少して膨張機での動力回収が少なくなり、膨張機効率を低下させる課題があった。
【０００６】
本発明の目的は、必要な部品を効率よく配置して装置の小型化、低コスト化を図ることのできる冷凍サイクルを得ることにある。
【０００７】
本発明の他の目的は、作動流体の膨張過程のエネルギを機械エネルギに効率よく変換して利用できる膨張／圧縮システムを構成することにより、ＣＯＰ（成績係数）を向上し、汎用性の高い冷凍サイクルを得ることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、主圧縮機で圧縮された冷媒を冷却する放熱器、この放熱器からの冷媒を膨張させる膨張手段と、該膨張手段で膨張された冷媒を蒸発させる蒸発器を有する冷凍サイクルにおいて、前記放熱器から流出した冷媒を分岐させ、その一方の冷媒を減圧膨張させると共にそのときの膨張エネルギを機械エネルギに変換する膨張機と、前記放熱器下流で分岐された他方の冷媒を減圧膨張させる膨張弁と、前記膨張機下流側と前記膨張弁下流側を合流させ、前記蒸発器に接続される流路と、前記膨張機の吸入圧力を制御する前段膨張弁と、前記膨張機により駆動され、前記蒸発器で蒸発した冷媒を圧縮して前記主圧縮機に供給する副圧縮機と、前記膨張機と前記副圧縮機を収納すると共に内部に潤滑油を貯溜した密閉容器とを備え、該密閉容器内を前記主圧縮機の吐出圧力と同一またはほぼ同一の圧力に保つことを特徴とする。
【０００９】
前記主圧縮機から吐出した冷媒の一部、或いは前記放熱器から流出した冷媒の一部を分岐させ、前記膨張機と副圧縮機を収納している前記密閉容器内に流通させることで、前記密閉容器内を主圧縮機の吐出圧力に保つようにしても良い。
【００１０】
前記放熱器から流出した冷媒を分岐させ、前記膨張機と前記副圧縮機を収納している密閉容器内に導入して貯留すると共に、この密閉容器の上部側から冷媒を流出させて前記膨張機に導き、該膨張機により前記冷媒を減圧膨張させるように構成すれば、前記膨張／圧縮システムの密閉容器を液冷媒或いは液冷媒と混合している潤滑油を溜めるレシーバタンクとしての機能を持たせることができる。
【００１１】
また、前記主圧縮機を、内部が該主圧縮機吸い込み圧力に保たれた密閉容器内に収納すると共に、該密閉容器内部には潤滑油を貯溜し、この潤滑油の油面上部に前記主圧縮機の吸入口を設けることもできる。
【００１２】
さらに、前記主圧縮機とそのモータを収納して内部に潤滑油を貯留した密閉容器を備え、この主圧縮機密閉容器内を該主圧縮機の吐出圧力に保つと共に、主圧縮機の吐出口を前記モータ下方の前記密閉容器側面に設けるようにすることもできる。
【００１３】
前記主圧縮機と前記放熱器の間に油分離器を設け、該油分離器で分離された油を、前記膨張機と副圧縮機を収納した前記密閉容器に戻すようにしても良い。
【００１４】
本発明の他の特徴は、主圧縮機、放熱器、膨張手段、蒸発器を順次接続して構成された冷凍サイクルにおいて、前記放熱器から流出した冷媒を分岐させその分岐された冷媒を減圧膨張させると共に膨張エネルギを回転エネルギに変換する膨張機と、前記放熱器下流で分岐された他方の冷媒を減圧膨張させる膨張弁と、
前記膨張機下流側と前記膨張弁下流側を合流させ、前記蒸発器に接続される流路と、前記膨張機の吸入圧力を制御する前段膨張弁と、前記膨張機により駆動され前記蒸発器で蒸発した冷媒を圧縮して前記主圧縮機側に供給するための副圧縮機と、前記膨張機と前記副圧縮機を収納すると共に内部に潤滑油を貯溜しかつ前記主圧縮機の吐出圧力と同一またはほぼ同一の圧力に保持される密閉容器とを備えたことにある。
【００１５】
上記において、前記放熱器下流で分岐された他方の冷媒を減圧膨張させる膨張弁は、放熱器からの高圧冷媒を、前記膨張機で減圧膨張されて吐出された冷媒の圧力と同程度の圧力まで減圧するように制御される構成にすると良い。
【００１６】
前記膨張機と副圧縮機を収納した密閉容器内を高圧・低温に保つことで、前記膨張機、副圧縮機の摺動部に潤滑油を供給するための差圧を大きくできるから、摺動部への油供給量が増加し、シール性能を向上させることが可能となる。また、前記密閉容器内が高圧となることにより、潤滑油への冷媒の溶け込み量が増加するため、潤滑油の粘度が低下し、膨張機及び副圧縮機の粘性摩擦損失を低減することもできる。
【００１７】
また、膨張機と副圧縮機を収納した前記密閉容器に、レシーバタンクの役割を兼ねさせることが可能となるから、レシーバタンクを不要にできる。
主圧縮機を密閉容器に収納し、この密閉容器内を主圧縮機吸入圧力に保り、主圧縮機吸入口をモータ下方で油面の上部に設ける構成としたものでは、副圧縮機から吐出された潤滑油が、吸入口付近まで上昇すると、冷媒の流れと共に主圧縮機容器から吐出され、放熱器を通過後、副圧縮機を収容した密閉容器に供給されるので、膨張／圧縮システムと主圧縮機間での潤滑油の偏在を防止できる。
【００１８】
主圧縮機密閉容器内を主圧縮機吐出圧力に保つ場合も同様に、主圧縮機吐出口をモータ下方の容器側面に設けるようにしているから、潤滑油が吐出口付近まで上昇すると、冷媒の流れと共に主圧縮機容器から吐出され、放熱器通過後、副圧縮機密閉容器に供給されるから、膨張／圧縮システムと主圧縮機間での潤滑油の偏在を防止することが可能となる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明の第１実施例を示す冷凍サイクルの模式図、図２は冷凍サイクルの作動流体として自然冷媒である二酸化炭素（Ｒ７４４）を使用した場合のモリエル線図、図３はＲ７４４を使用した冷凍サイクルに使用される潤滑油の粘度特性を示す線図である。なお、冷媒としての二酸化炭素は、地球温暖化係数（ＧＷＰ）がフロン系冷媒の数千分の一と小さく地球環境保全の点で優れている。反面、高圧冷媒であり、モリエル線図上の理論的ＣＯＰ（成績係数）が低いという欠点がある。しかし、Ｒ７４４は膨張過程のエネルギ損失がフロン系冷媒に比べて大きいことから、この膨張過程の動力を回収することによりＣＯＰの大幅な改善をできる可能性があり、高効率で信頼性の高い膨張機を備えた冷凍サイクルの開発が冷媒Ｒ７４４システムの実用化の鍵を握ると考えられている。フロン系冷媒のシステムでも改善比率は小さくなるが、ＣＯＰの向上を図ることができる。ここでは、冷媒Ｒ７４４を使用した冷凍サイクルの例を説明する。
【００２０】
図１において、３は電動機（モータ）（Ｍ）、２は主圧縮機（ＭＣ）、５は膨張機（膨張手段）（ＥＸ）、６は副圧縮機（ＳＣ）である。主圧縮機２で圧縮された高温・高圧冷媒（図２モリエル線図上の点Ｃの状態）は、主圧縮機２と電動機３を収納した密閉容器１に吐出され、吐出パイプ１１から放熱器（ガスクーラ）７に供給され、ここで放熱し温度低下（図２の点Ｄ）した後、流入パイプ１２を通って、膨張機５及び副圧縮機６を収容した膨張／圧縮システムの密閉容器４に入り、この容器４内を低温、高圧に保つ。この膨張／圧縮システム密閉容器４から流出パイプ１３を通って吐出された冷媒は、前段膨張弁９を通過して膨張機５の設計圧力比に合うように予膨張される。その後、冷媒は膨張機５に流入パイプ１４を通って入り、膨張動作を行って膨張エネルギを機械エネルギに変換し、流出パイプ１５から低温・低圧の気液二相冷媒（図２の点Ｅ）となって吐出される。膨張機５から吐出された冷媒は、放熱器７下流側で前記流入パイプ１２側から分岐され、膨張弁（膨張手段）１０を通って減圧膨張された冷媒と合流し、蒸発器８に入って吸熱ガス化し、吸入パイプ２６を通って副圧縮機６に吸い込まれ（図２の点Ａ）、この副圧縮機６内で若干昇圧されて吐出パイプ１６から吐出される（図２の点Ｂ）。副圧縮機６から吐出されたガス冷媒は主圧縮機２に戻り再び圧縮されて高温・高圧のガス冷媒となる。以上のサイクルが繰り返されて冷凍作用を行なう。
【００２１】
なお、前記膨張弁１０は、膨張機５をバイパスする回路に取り付けられ、冷凍サイクルの運転条件変化時の流量（圧力）調整等を行う。本実施例では、主圧縮機２で圧縮された高圧の冷媒を膨張／圧縮システム密閉容器４に流通させて密閉容器４内部を高圧に保つことで、潤滑油２９への冷媒の溶け込み量を増加させ、その結果潤滑油２９の粘度を低下させ（図３参照）、膨張機５と副圧縮機６にかかる負荷を低減させることが可能となる。また、密閉容器４には、放熱器７で放熱された冷媒を流通させることにより、主圧縮機側から比較的低温で動作する膨張機５への熱侵入を極力抑えることが可能となる。
【００２２】
図４は図１に示す膨張／圧縮システム密閉容器４内の詳細構造を説明する図、図５は図４に示す膨張機５の動作説明図で、クランク軸回転角ごとの作動流体の流入過程を説明した図である。
【００２３】
膨張／圧縮システムは、冷凍サイクルにおける作動流体の膨張エネルギを機械エネルギに変換する膨張機５と、この変換された機械エネルギにより仕事をする副圧縮機６から構成され、膨張機５と副圧縮機６は積層して配置され、クランク軸１７を介して連結されて、密閉容器４内に収納されている。
【００２４】
膨張機５は、クランク軸１７の軸受を兼ねた下ベア１８と中間仕切り板１９により、シリンダ２０の両端開口部が閉塞されている。シリンダ２０には中央部に円筒状内周面２０ａが形成されている。クランク軸１７にはシリンダ２０の円筒状内周面２０ａにあたる部分に偏心部１７ａが形成されており、この偏心部１７ａは、揺動ピストン２１のローラ部２１ａに圧入された軸受メタル２１ｂ円筒状内周面を摺動回転できるようになっている。
【００２５】
ローラ部２１ａの円筒状外周面には板状のベーン部２１ｃが一体で形成されている。シリンダ２０の円筒状内周面２０ａの外側にはその中心軸と平行な中心軸を持つ円筒孔部２０ｂが形成されており、円筒孔部２０ｂの外側には逃げ孔部２０ｃが形成されている。前記円筒孔部２０ｂは、シリンダ２０の円筒状内周面２０ａと、前記逃げ孔部２０ｃにそれぞれ連通している。揺動ピストン２１のベーン部２１ｃは円筒孔部２０ｂと逃げ孔部２０ｃとに挿入されている。ベーン部２１ｃと円筒孔部２０ｂとの間には、ベーン部２１ｃの平面部に摺動可能に当接する平面部と、円筒孔部２０ｂの円筒面部に摺動可能に当接する円筒面部とを有するシュー２２がベーン部２１ｃを挟み込む形で組込まれている。この結果、ベーン部２１ｃは円筒孔部２０ｂの中心軸を通る往復運動と中心軸廻りの揺動運動を行い、シュー２２は円筒孔部２０ｂ中心軸廻りの揺動運動を行う。ベーン部２１ｃの先端部は逃げ孔部２０ｃの中で運動し、シリンダ２０と干渉することはない。密閉容器４に取り付けられる流入パイプは、シリンダ２０の円筒孔部２０ｂに開口する流入通路２０ｄと接続される。
【００２６】
図５は、クランク軸の回転角が９０°毎のシリンダ２０内における揺動ピストン２１の位置関係を示したもので、揺動ピストン２１のベーン部２１ｃが上死点位置（ベーン部が最もシリンダ２０の外周部に突き出した状態）を回転角θの０°とし、クランク軸１７は時計廻りに回転する。
【００２７】
まず、回転角０°の状態では、（イ）図に示すように、シリンダ２０の流入通路２０ｄとシュー２２の流入孔２２ａとは一部連通しており、シュー２２の流入孔２２ａと揺動ピストン２１のベーン部２１ｃに形成された流入溝２１ｄも連通しているが、この流入溝２１ｄのシリンダ円筒状内周面２０ａ側端部ａはシュー２２により塞がれているため、蒸気圧縮冷凍サイクルの膨張過程入口にある高圧の作動流体はシリンダ２０内への流入を遮断された状態にある。一方、シリンダ２０の流出通路２０ｅはシリンダ２０内に連通しているため、作動流体は膨張過程出口にあたる低圧の圧力状態になっている。
【００２８】
この状態からクランク軸１７が時計廻りに回転すると、（ロ）図に示すように、ベーン部２１ｃがシリンダ２０内に突き出して流入溝２１ｄがシリンダ内との連通を開始するため、高圧の作動流体がシリンダ２０内に流入しはじめ、シリンダ２０内の圧力差によりピストン２１を介してクランク軸１７を時計廻りに回転させ、機械エネルギが発生する。（ロ）図に示す回転角９０°の状態では、シュー２２の揺動によりシリンダ流入通路２０ｄとシュー流入孔２２ａの接続部ｂの流路面積も拡大するため作動流体の流入が促進される。
【００２９】
さらに９０°回転した回転角１８０°の状態（（ハ）図参照）では、シリンダの流入通路２０ｄとシューの流入孔２２ａとは回転角０°の状態と同様に一部連通しているが、ベーン部２１ｃのシリンダ内周面２０ａ側への往復運動により、シュー流入孔２２ａとベーン流入溝２１ｄとは連通が遮断されている。このため、高圧の作動流体の流入が遮断された状態で作動室容積が拡大することから、作動流体は膨張してクランク軸を回転させ、機械エネルギに変換される。
【００３０】
（ニ）図に示す回転角２７０°の状態では、シュー流入孔２２ａとベーン流入溝２１ｄとは連通しはじめるが、シュー２２が回転角９０°の状態とは反対方向に揺動運動するため、シリンダの流入通路２０ｄとシューの流入孔２２ａとは連通が遮断され、このため作動流体はさらに膨張して機械エネルギに変換され続ける。
【００３１】
さらに回転が進むと、シリンダの流出通路２０ｅはシリンダ２０内に連通し、最初の回転角０°の状態になる。以上の動作を繰り返すことにより、作動流体の持つ膨張エネルギが機械エネルギに変換されることになる。
【００３２】
一方、副圧縮機６は、クランク軸１７の軸受を兼ねた上ベア２７と中間仕切り板１９によりシリンダ２３の両端開口部が閉塞されている。シリンダ２３には中央部に円筒状内周面２３ａが形成されている。クランク軸１７には、シリンダ内周面２３ａにあたる部分にもう一方の偏心部１７ｂが形成されており（この偏心部１７ｂは、膨張機５側の偏心部１７ａとは回転位相が１８０°ずれている）、偏心部１７ｂは円筒状ローラ２４の内周面に装着されたころ軸受内に回転可能に挿入されている。ローラ２４の円筒状外周面には板状のベーン２５がベーンスプリング２５ａにより押圧されている。シリンダ内周面２３ａより外側のシリンダ２３には、前記ベーン２５が往復摺動するためのベーン溝、ベーン２５がシリンダ２３と干渉しないように形成された逃げ孔部２３ｂ、及びベーンスプリング２５ａの他端部を装着するスプリング孔部２３ｃが形成されている。
【００３３】
密閉容器４に取り付けられた吸入パイプ２６は、シリンダ２３の吸入通路と接続しており、吸入パイプ２６から吸い込まれた冷媒ガスは、吸入通路を通ってシリンダ２３内に入る。クランク軸１７の回転によって、ローラ２４がシリンダ内周面２３ａに沿って偏心回転運動して移動し、シリンダ内周面２３ａの一部を切り欠く形に形成された吐出切り欠き２３ｅを通り、上ベア２７に形成された吐出ポート２７ａから吐出パイプ１６に吐き出され、外部の冷凍サイクルに流出する。
【００３４】
密閉容器４の底部には、潤滑油２９が貯溜されており、軸受摺動部（クランク軸１７の各軸受部）に強制的に潤滑油を給油するため、クランク軸１７の下端部に給油ピース２８を装着し、クランク軸１７内に形成した給油通路１７ｃを通してクランク軸１７の回転による遠心ポンプ作用で各軸受摺動部に潤滑油を供給するようになっている。本発明では、膨張機５及び副圧縮機６の大部分がこの潤滑油２９中に侵漬された状態とし、主圧縮機２で圧縮された高圧の冷媒を膨張／圧縮システム密閉容器４に流通させ、内部を高圧に保つことで、膨張機５の揺動ピストン２１及び副圧縮機６のローラ２４の両端面から、各摺動部に容易に潤滑油を供給することが可能となる。
【００３５】
次に、主圧縮機及び膨張／圧縮システムでの冷媒と潤滑油の状態について、図１と図６に基づいて説明する。図６の（ａ）図は主圧縮機密閉容器内を主圧縮機吸入圧力に保つ場合の例を、（ｂ）図は主圧縮機密閉容器内を主圧縮機吐出圧力に保つ場合の例を、（ｃ）図は膨張／圧縮システム密閉容器内の冷媒と潤滑油の状態をそれぞれ示したものである。
【００３６】
ガスクーラ７で液化された冷媒を分岐し、流入パイプ１２から膨張／圧縮システム密閉容器４に流入させると、液冷媒３１は潤滑油２９に比べて密度が小さく、混合することなく上部に蓄積する。本実施例では、流出パイプ１３の端を潤滑油２９の油面２９ａの上部に設けることにより、液冷媒３１のみを流出することができる。冷凍サイクルでは、条件によってサイクル中の必要な冷媒量が変化するが、膨張／圧縮システム密閉容器４の液冷媒３１の蓄積量を変化させるため、その液面３１ａを上下させることで、サイクルでの必要な冷媒量を容易に調節することが可能となる。即ち、密閉容器４はレシーバタンクとしての役割を兼ねるため、装置全体としての小型・低コスト化を実現できる。
【００３７】
また、膨張機５の揺動ピストン２１の両端面から差圧によって各摺動部に供給された潤滑油は、冷媒の流れと共に吐出パイプ１５から流出して副圧縮機６に供給され、その潤滑油と、副圧縮機６のローラ２４の両端面から差圧によって供給された潤滑油は吐出パイプ１６から吐き出される。さらに、この潤滑油は吐出パイプ１６から主圧縮機２へ供給され、主圧縮機密閉容器１内に吐出されて蓄積する。以上の過程から、膨張／圧縮システム密閉容器４内に貯溜された潤滑油２９は、次第に主圧縮機密閉容器１内に移動して蓄積され、主圧縮機密閉容器１と膨張／圧縮システム密閉容器４の間で潤滑油が偏在する。特に、膨張／圧縮システム密閉容器４では、潤滑油２９の油面２９ａが上下することに伴い、流出パイプ１３から液冷媒３１と共に、潤滑油２９やガス冷媒が流出してしまう可能性があった。しかし、本実施例では、図６（ａ）に示すように、主圧縮機密閉容器１の内部を主圧縮機２の吸入圧力に保つ場合、密閉容器１と４間で潤滑油の偏在が無い状態での油面３０ａを基準として、その油面３０ａのすぐ上に、主圧縮機の吸入口３２を設置する。これにより、油面３０ａが吸入口３２以上の高さに上昇すると、油は冷媒と共に該吸入口３２から主圧縮機２に吸い込まれ、吐出パイプ１１から流出される。
【００３８】
また、図６（ｂ）に示すように、主圧縮機密閉容器１の内部を主圧縮機２の吐出圧力に保つ場合、密閉容器１と４間で潤滑油の偏在が無い状態での油面３０ａを基準として、その油面３０ａのすぐ上の密閉容器１側面に、吐出パイプ１１を設置する。これにより、油面３０ｂがそれ以上に上昇すると、油は冷媒と共に吐出パイプ１１から流出される。
【００３９】
吐出パイプ１１から流出させた潤滑油は、ガスクーラ７で放熱させた後、流入パイプ１２から再び膨張／圧縮システム密閉容器４に戻される。この結果、密閉容器１，４間での潤滑油の偏在が防止され、膨張／圧縮システム密閉容器４内の潤滑油２９の油面２９ａが上下することも防止でき、密閉容器４のレシーバタンクとしての信頼性を向上することができる。なお、密閉容器１内の潤滑油３０の油面３０ａ，３０ｂを電動機３よりも下方に設定することにより、潤滑油３０による電動機３への負荷を防止できる。
【００４０】
【発明の効果】
本発明によれば、作動流体の膨張過程のエネルギを機械エネルギに効率よく変換して利用できる膨張／圧縮システムを実現できると共に、膨張／圧縮システム密閉容器内を、主圧縮機の吐出圧力と同一またはほぼ同一の高圧力に保つようにしたから、潤滑油の粘度を低下させて膨張機と副圧縮機の摩擦損失を低減することができ、冷凍サイクルのＣＯＰ（成績係数）向上を図れる効果がある。この結果、自然冷媒である二酸化炭素を用いた冷凍空調システム等の実現が可能となる。
【００４１】
また、膨張／圧縮システム密閉容器内に液冷媒を蓄積させてレシーバタンクとしての役割も兼ねさせることにより、小型・低コスト化も実現できる。
【００４２】
さらに、膨張／圧縮システム密閉容器内を高圧に保つことにより、膨張機と副圧縮機のシリンダ内各摺動部に差圧により容易に潤滑油を供給することも可能になる。
【００４３】
また、主圧縮機密閉容器の潤滑油を膨張／圧縮システム密閉容器に戻す構成にすることにより、密閉容器間での均油が可能となり、信頼性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示す冷凍サイクルの模式図である。
【図２】冷凍サイクルの作動流体として二酸化炭素を使用した場合ののモリエル線図である。
【図３】二酸化炭素を使用した冷凍サイクルに使用される潤滑油の粘度特性を示す線図である。
【図４】図１に示す膨張／圧縮システム密閉容器内の詳細構造を説明する縦断面図である。
【図５】図４に示す膨張機の動作説明図である。
【図６】主圧縮機密閉容器、及び膨張／圧縮システム密閉容器内の冷媒と潤滑油の状態を説明する模式図である。
【符号の説明】
１…主圧縮機密閉容器、２…主圧縮機、３…電動機（モータ）、４…膨張／圧縮システム密閉容器、５…膨張機、６…副圧縮機、７…放熱器（ガスクーラ）、８…蒸発器、９…膨張機前段膨張弁、１０…流量調整用膨張弁、１１…吐出パイプ、１２…流入パイプ、１３…流出パイプ、１４…膨張機の流入パイプ、１５…膨張機の吐出パイプ、１６…副圧縮機の吐出パイプ、１７…クランク軸、１７ａ，１７ｂ…偏心部、１７ｃ…給油通路、１８…下ベア、１９…中間仕切り板、２０…膨張機のシリンダ、２０ａ…円筒状内周面（シリンダ内周面）、２０ｂ…円筒孔部、２０ｃ…逃げ孔部、２０ｄ…流入通路、２０ｅ…流出通路、２１…揺動ピストン、２１ａ…ローラ部、２１ｂ…軸受メタル、２１ｃ…ベーン部、２１ｄ…流入溝、２２…シュー、２２ａ…流入孔、２３…副圧縮機のシリンダ、２３ａ…円筒状内周面（シリンダ内周面）、２３ｂ…逃げ孔部、２３ｃ…スプリング孔部、２３ｅ…吐出切り欠き、２４…ローラ、２５…ベーン、２５ａ…ベーンスプリング、２６…副圧縮機の吸入パイプ、２７…上ベア、２８…給油ピース、２９，３０…潤滑油、２９ａ，３０ａ，３０ｂ…油面、３１…液冷媒、３１ａ…液面、３２…主圧縮機の吸入口。
【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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