(57)【要約】【課題】超臨界サイクルの冷凍空調装置において、従来は圧縮機と膨張機を直結していたので、圧縮機側と膨張機側の流量マッチングの難しさに加えて、圧縮機構部と膨張機構部の圧力が高圧と低圧の組合せとなりシールする差圧が大きいために摺動損失が増大するか、或は等圧のために油貯留量の調整に差圧を利用できないかであった。【解決手段】第１圧縮機に直列に接続され二段圧縮を構成する圧縮機構部と動力回収を行う膨張機構部とを同一の密閉容器に収納し、圧縮機構部を中間圧雰囲気とすることにより、膨張機構部と圧縮機構部の間でシールによる損失を抑制しながら差圧による油移動を行い、高段側圧縮機から低段側圧縮機の吸入側への油戻し管により、油貯留量のバランスを可能とする。【選択図】        図１
2004251528.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動機によって駆動される第１圧縮機と、前記第１圧縮機で圧縮された高圧の冷媒ガスを冷却するガスクーラと、前記ガスクーラによって冷却された冷媒ガスを減圧することにより動力を回収する膨張機構部と、前記膨張機構部により減圧された冷媒を加熱する蒸発器と、前記膨張機構部と同一の密閉容器に内設され前記膨張機構部の回収動力により駆動される第２圧縮機とを備え、前記第１圧縮機と第２圧縮機は冷媒配管により直列に接続されるとともに、前記密閉容器内の第２圧縮機が内設された空間は二段圧縮の中間圧力で満たされるようにしたことを特徴とする冷凍空調装置。
【請求項２】
前記第２圧縮機は前記第１圧縮機による圧縮後の冷媒を圧縮し、前記密閉容器内の膨張機構部が内設された空間は高圧雰囲気となるように構成したことを特徴とする請求項１記載の冷凍空調装置。
【請求項３】
前記第１圧縮機は前記第２圧縮機による圧縮後の冷媒を圧縮し、前記密閉容器内の膨張機機構部が内設された空間は低圧雰囲気となるように構成したことを特徴とする請求項１記載の冷凍空調装置。
【請求項４】
冷媒として二酸化炭素を用いたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の冷凍空調装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、二酸化炭素など超臨界となる冷媒を用いた冷凍サイクルによる冷凍空調装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の密閉形膨張機内蔵圧縮機では、密閉容器７に一本の駆動軸８により互いに動力伝達を受ける膨張機構部９と圧縮機構部１０を収納し、この圧縮機構部１０はモータ１１によって駆動され、圧縮吸入管１８から吸入した冷媒ガスを圧縮し、吐出ポート１９より密閉容器７内に吐出する。そして、密閉容器の上部に設けた圧縮吐出管２０から流出して冷媒回路の凝縮器を経た冷媒は膨張吸入管１６から吸入され、膨張機用シリンダ１２内で減圧・膨張して膨張吐出管１７から吐出し、冷媒回路の蒸発器を経て圧縮吸入管１８に戻る。冷媒が膨張機構部９を通過するときの膨張過程で発生した動力は駆動軸８を介して圧縮機構部１０側の圧縮動力の一部として回収され、モータ１１の出力が軽減されるものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、第２の従来の膨張機内蔵圧縮機では、密閉容器７の下部に圧縮機構部１０、上部には膨張機構部９を配設し、これらの間の中央部にモータ１１が配置され、モータの駆動軸８の下端部が圧縮機構部１０に連結され、上端部が膨張機構部９に連結されている。密閉容器の上部に設けた膨張吸入管１６から冷媒が吸入され、スクロール式の膨張機構部９内で膨張し、膨張吐出管１７から吐出される冷媒の膨張過程からの回収動力は、駆動軸８を介してモータ１１による圧縮機構部１０の駆動動力の一部として用いられるものがある（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
また、第３の従来例として、ランキンサイクル駆動空調システム用膨張機内蔵圧縮機において、密閉容器７内の右側に膨張機構部９が、左側に圧縮機構部１０がそれぞれ配置され、冷凍サイクルを構成する圧縮機構部１０の吐出ガスとランキンサイクルを構成する膨張機構部９の吐出ガスが密閉容器ケース７に吐出される一流体方式となっている。膨張吸入管１６から吸入されたランキンサイクル側の高圧冷媒ガスは、膨張機構部９で減圧された後、密閉容器７内に吐出される。減圧の過程で回収された膨張動力が駆動軸８及び継手６５、圧縮機構部の駆動軸６３を介して圧縮機構部１０を駆動し、圧縮吸入管１８から吸入された冷凍サイクル側の低圧冷媒ガスを圧縮する。そして、圧縮された冷媒ガスは密閉容器７内で膨張機構部９で膨張後の冷媒ガスと合流し、吐出管１７からランキンサイクル側と冷凍サイクル側それぞれの回路へ分岐されるようになっている（例えば、特許文献３参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開昭５９−２５０９７号公報（第２頁、第７図）
【特許文献２】
特開２００１−１０７８８１号公報（第３−４頁、第１図）
【特許文献３】
特開平９−２５０４７４号公報（第２−３頁、第１図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述第３の従来例は、膨張機構部９が図６に示すランキンサイクルの膨張過程、圧縮機構部１０が図６に示す冷凍サイクルの圧縮過程に用いられ、膨張後と圧縮後の冷媒ガスの状態量が同じとなる所謂一流体方式に対応しているので、密閉容器７内を一つの空間として用いることが可能である。なお、図６は縦軸に圧力、横軸にエンタルピとしたモリエル線図に、圧縮、凝縮、膨張、蒸発の各過程を示すものである。
【０００７】
これに対して、ランキンサイクルではなく冷凍サイクルにおける膨張過程で回収した動力を圧縮過程の圧縮動力の一部として利用する場合、圧縮後と膨張前が共に高圧、或いは膨張後と圧縮前が共に低圧、であっても状態量は異なるのでこれを一流体として密閉容器内で合流させて用いることはできない。
【０００８】
また、上述第２の従来例では、密閉容器の内部は膨張機構部側空間が膨張機の吐出すなはち低圧雰囲気で、モータ及び圧縮機構部のある側が圧縮機の吐出すなはち高圧雰囲気となっている。  このため膨張機構部を保持するフレームを貫通する駆動軸には、差圧による軸方向の力が作用するとともに、軸受の微小なすきまを介して高低圧をシールすることになる。
【０００９】
また、上述第１の従来例では、密閉容器内は圧縮機構部の吐出圧雰囲気となっており、駆動軸に軸方向力が作用することはないが、可動部品である駆動軸及びローリングピストンの微小すきまで高低圧をシールする必要がある。
【００１０】
さらに、密閉容器内が高圧で圧縮機構部の可動部品の微小すきまで高低圧をシールしなければならないという状況は、通常のローリングピストン式の冷媒圧縮機でも同様であるが、二酸化炭素など超臨界となる作動冷媒の場合は差圧が大きくなるため、圧縮機であれば二段圧縮で密閉容器内を中間圧雰囲気にするなど、差圧を小さく抑える工夫をすることが必要である。
【００１１】
以上のように、冷凍サイクルの膨張過程から動力を回収し圧縮過程の動力の一部として利用するような膨張機においては、膨張機構部と圧縮機構部の間で駆動軸などによる動力の伝達を行ないながら、作動冷媒の圧力または状態量の異なる空間を隔離しなければならない。
【００１２】
本発明は、かかる課題を解消するためになされたもので、膨張機構部と圧縮機構部を一つの密閉容器に収めた膨張機において、膨張側と圧縮側との差圧をシールすることによる摺動等の損失を低く抑えながら、膨張機構部と圧縮機構部を確実に分離する膨張機内蔵圧縮機を用いた冷凍空調装置を得ることを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
この発明に係わる冷凍空調装置は、電動機によって駆動される第１圧縮機と、第１圧縮機で圧縮された高圧の冷媒ガスを冷却するガスクーラと、ガスクーラによって冷却された冷媒ガスを減圧することにより動力を回収する膨張機構部と、膨張機構部により減圧された冷媒を加熱する蒸発器と、膨張機構部と同一の密閉容器に内設され膨張機構部の回収動力により駆動される第２圧縮機とを備え、第１圧縮機と第２圧縮機は冷媒配管により直列に接続されるとともに、密閉容器内の第２圧縮機が内設された空間は二段圧縮の中間圧力で満たされるように構成したものである。
【００１４】
また、第２圧縮機は第１圧縮機による圧縮後の冷媒を圧縮し、密閉容器内の膨張機構部が内設された空間は高圧雰囲気となるように構成したものである。
【００１５】
また、第１圧縮機は第２圧縮機による圧縮後の冷媒を圧縮し、密閉容器内の膨張機機構部が内設された空間は低圧雰囲気となるように構成したものである。
【００１６】
また、冷媒として二酸化炭素を用いたものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下この発明の実施の形態１について説明する。  図１は本発明に係る冷凍空調装置に用いる動力回収ができる膨張機の断面図で、この膨張機により回収する動力で駆動する圧縮機構部を二段圧縮の高段側となる第２圧縮機として用いるものである。  図１の膨張機１は、密閉容器７内部の左側に膨張機構部９、もう一方の右側に第２圧縮機となる圧縮機構部１０を内設し、それぞれを駆動軸６３で連結して回転動力を伝達する構成となっている。図において、密閉容器７内で膨張側フレーム３３に固定された膨張機構部９側の密閉容器７内空間に膨張吸入管１６より吸入された高圧の冷媒ガスは、固定スクロール１２、揺動スクロール１５よりなる膨張機構部９で減圧され、膨張後の冷媒は膨張吐出管１７から直接蒸発器へ排出される。
【００１８】
冷媒の膨張過程において回収された動力は、膨張機構部９側の揺動スクロール１５に固定した膨張側駆動軸８と、この膨張側駆動軸８の回転を圧縮側駆動軸６３に伝達する継手６５から圧縮側駆動軸６３を介して圧縮側フレーム２４に固定された圧縮機構部１０側の揺動スクロール２３に伝えられる。冷媒配管で接続された後述する第１圧縮機９９で圧縮された後、密閉容器７の圧縮機構側に設けられた圧縮吸入管１８から密閉容器内部に流入した高圧凝縮と低圧蒸発の間にある中間圧の冷媒ガスは、上記膨張機構部９における膨張過程による回収動力により、圧縮側の揺動スクロール２３と固定スクロール１２との相互動作による高段の圧縮行程が行われ、圧縮機構部１０から密閉容器７内に流出することなく直接圧縮吐出管２０から直接ガスクーラへ排出される構成である。
【００１９】
上記のように構成された膨張機では一つの密閉容器７内の空間が、膨張側フレーム３３を有した膨張機構部９側は高圧冷媒の状態、一方、継手６５および圧縮側駆動軸６３から圧縮機構部１０側は中間圧冷媒の状態となり、膨張側フレーム３３にある膨張側駆動軸８の軸受け保持部に設けたシール部材６４が高圧／中間圧間の差圧をシールする。  膨張過程における回収動力は作動冷媒のガスクーラと蒸発器間における高低圧間の全圧縮動力に対する割合としては大きくない（１／３以下）ので、この二段圧縮における中間圧は高圧に近い中間圧となり、密閉容器７内の膨張機構部側と圧縮機構部側との間をシールしなければならない差圧は小さくなる。しかし、前述のように圧縮吐出管２０から吐出後、ガスクーラを通過して膨張吸入管１６に流入する過程のなかで、冷媒はこのガスクーラ前後で過熱ガスから過冷却域の液または超臨界状態へと状態量が異なっているので確実に冷媒を分離しなければならない。
【００２０】
膨張機構部９側の容器内空間と圧縮機構部１０側の容器内空間の隔離に関しては、前述の第２の従来例のように駆動軸／フレーム間のすべり軸受すきまによりシールするという方法も考えられるが、非接触シールの場合はある程度の漏れを許容しなければならない。  これに対して図１に示す形態では、膨張側フレーム３３と膨張側駆動軸８間の接触式のシール部材６４により確実にシールすることが可能であるが摺動ロスが生じるので、これが過大とならないようにシールする差圧をできるだけ小さくすことが必要であり、本発明の動力回収できる膨張機ではシール前後を高圧と中間圧になるようにしているので、圧縮機構部側と膨張機構部側とを確実にシールしながら、このシールに伴う摺動損失を少なくすることができ、動力回収効率の良い高性能のＣＯ２冷媒を用いた超臨界サイクルによる冷凍空調装置を得ることができる。
【００２１】
このような構成の膨張機を用いた冷凍空調装置の冷媒回路を図２に示す。図２（ａ）は冷房運転を示し、超臨界となる二酸化炭素の冷媒を用い、低圧（Ｐｌ）の冷媒はモータにより駆動される低段側の第１圧縮機９９で圧縮されて中間圧（Ｐｈ−ΔＰ）となり、その後、第１圧縮機９９に直列に配管接続された膨張機１内設の高段側となる圧縮機構部１０に吸入・圧縮され、高圧（Ｐｈ）のガス状態で四方弁９２を経て凝縮行程を行ないガスクーラとなる室外機熱交換器９８に至る。このガスクーラで冷却された冷媒は、膨張機１の膨張機構部９で減圧する過程で動力回収され、圧縮機構部１０におけるガス圧縮動力を供給する。この膨張機構部９で減圧されて低圧（Ｐｌ）となった冷媒は、蒸発器となる室内機熱交換器９７で加熱され、その後、四方弁９２、アキュムレータ９３を経て再び低段側の第１圧縮機９９に戻り、冷凍サイクルを形成する。
【００２２】
このとき、第１圧縮機９９の形式（スクロール圧縮、ロータリー圧縮等）及び密閉容器内が吸入圧であるか吐出圧であるかは問わないが、この実施の形態では高段側の第２圧縮機となる膨張機１内設の圧縮機構部１０での密閉容器７内空間は、第１圧縮機９９吐出側の中間圧雰囲気（Ｐｈ−Δ）としている。  潤滑が必要な第１圧縮機９９と膨張機１に内設の圧縮機構部１０および膨張機構部９の３ヶ所に潤滑油を保持し、図１に示す膨張側フレーム３３に設けられ密閉容器７内の膨張側空間と圧縮側空間を繋ぐ微小孔７０と油戻し毛細管７１により密閉容器７内に貯留される潤滑油量をバランスさせる。第１圧縮機９９と膨張機１に内設した圧縮機構部１０に関しては必要レベルの油持出しを許容し、膨張機構部９入口の空間部分で油循環率極小化を図ることができる。膨張機構部９側から微小孔７０を介して圧縮機構部１０側へ、圧縮機構部１０側からアキュムレータ９３と第１圧縮機９９間の冷媒配管へ油戻し毛細管７１を用いて、それぞれ潤滑油（冷凍機油）を戻すことにより、上流の貯留部の冷凍機油が下流の貯留部へ移動してしまうのを避けることができる。
【００２３】
この形態の膨張機は膨張機構部が一つの１ＷＡＹ（一方向）の構成なので、図２（ｂ）に示す暖房運転時は膨張機１による動力回収を行なわない。図２（ｂ）において、膨張機１の圧縮機構部１０側の容器から四方弁９２へ接続するシェル吐出管２０に設けたバイパス弁９４を開いて、第１圧縮機９９から膨張機１に吸入された冷媒ガスが圧縮機構部１０で圧縮されずに素通りしてシェル吐出管２０から四方弁９２を介してガスクーラとなる室内機熱交換器９７を経て、室内機熱交換器９７と室外機熱交換器９８とを接続して膨張機１をバイパスする配管に設けた膨張弁９６で減圧されるように構成されている。膨張弁９６にて減圧された後の冷媒は蒸発器である室外機熱交換器９８で加熱後、四方弁９２，アキュムレータ９３を経て第１圧縮機９９へ戻る。
【００２４】
上述の暖房運転では膨張機１に内設の圧縮機構部１０では圧縮を行なわないので、第１圧縮機９９にて低圧（Ｐｌ）から高圧（Ｐｈ）までの圧縮を行ない、圧縮機構部１０側の密閉容器７内空間の圧力はＰｈとなる。そして、室外機熱交換器９８と膨張機１に内設の膨張機構部９側を接続する配管に膨張機１から室外機熱交換器９８への流れを止める逆止弁９５があるため、膨張機１の膨張機構部９側の密閉容器７内空間も高圧（Ｐｈ）状態となり、膨張機１内では差圧シールおよび油戻し共に機能せずその必要もなくなる。  膨張機１は圧縮機構部１０側の空間が油分離器として機能し、アキュムレータ９３と第１圧縮機９９を接続する配管へ毛細管７１で油戻しを行なうのは冷房運転時と同様である。
【００２５】
実施の形態２．
次にこの発明の実施の形態２について、図３、図４により説明する。図３は本発明に係る冷凍空調装置用の別の膨張機の断面図で、膨張機１に内設した圧縮機構部１０を低段側の第二圧縮機として用いることを想定している。  図において、密閉容器７の左側に膨張機構部９側、もう一方の右側に圧縮機構部１０側を配設し、それぞれを駆動軸６３で連結して回転動力を伝達する構成であり、図１と同一また相当部分は同一符号を付けている。膨張機１の密閉容器７の膨張機構部９側に貫通した吸入管１６により膨張機構部９に直接吸入された高圧の冷媒ガスは、固定スクロール１２と揺動スクロール１５よりなる膨張機構９で減圧され、膨張後の冷媒は密閉容器７内に固定された膨張側フレーム３３の膨張機構側の空間から吐出管１７により蒸発器へ排出される。
【００２６】
冷媒の膨張過程において回収された動力は駆動軸８、継手６５，駆動軸６３を介してロータリー圧縮方式の圧縮機構部１０側のローリングピストン２６に伝えられる。一方、吸入管１８から圧縮機構部１０に直接に流入した低圧の冷媒ガスは、圧縮機構部１０が回収動力で駆動されることにより、低段の圧縮を行なわれ密閉容器７内の圧縮機構部１０側の空間に吐出され、密閉容器７に貫通接続したシェル吐出管２０により第１圧縮機９９へ排出されるように構成されている。
【００２７】
上記のように構成された膨張機では密閉容器７内の空間が、膨張側フレーム３３の膨張機構部９側は低圧、圧縮機構部１０側は中間圧となり、シール部材６４が中間圧と低圧との間の差圧をシールすることになる。前述の如く膨張過程の回収動力は高低圧間の全圧縮動力に対して１／３以下なので、中間圧は低圧に近い中間圧となり、シールしなければならない差圧は小さくなるが、ガスクーラをはさんで状態量が異なっているので確実に分離しなければならないことも同様である。
【００２８】
この膨張機１における膨張機構部９側の空間と圧縮機構部１０側の空間の隔離に関しては、接触式のシール部材６４により確実にシールし、摺動ロスが過大とならないようにシール前後を中間圧と低圧として差圧を小さく抑えている。
【００２９】
このような構成の膨張機１を用いた冷凍空調装置の冷媒回路を図４に示す。図４（ａ）に示す冷房運転時では、低圧（Ｐｌ）の冷媒ガスは膨張機１の回収動力によって駆動される圧縮機構部１０で圧縮されて中間圧（Ｐｌ＋ΔＰ）まで昇圧された後、モータにより駆動される高圧シェルタイプの第１圧縮機９９に中間圧（Ｐｌ＋ΔＰ）で吸入してさらに圧縮昇圧後、高圧（Ｐｈ）状態で吐出され四方弁９２を経てガスクーラとなる室外機熱交換器９８に流入する。  ガスクーラで冷却された冷媒は、膨張機１の膨張機構部９で減圧する過程で動力回収され、圧縮機構部１０における圧縮動力を供給する。  膨張機構部９にて低圧（Ｐｌ）となった冷媒は蒸発器である室内機熱交換器９７で加熱蒸発され、四方弁９２からアキュムレータ９３を経て低段側である膨張機１の圧縮機構部１０に戻り、冷凍サイクルを形成する。
【００３０】
このとき、潤滑が必要な第１圧縮機９９と膨張機１の圧縮機構部１０および膨張機構部９の３ヶ所に潤滑油（冷凍機油）を保持するため、膨張側フレーム３３に設けられて密閉容器７内の膨張側空間と圧縮側空間を繋ぐ微小孔７０と第１圧縮機９９からの油戻し毛細管７２で貯留される潤滑油量をバランスさせる。膨張機１の圧縮機構部１０に関しては必要レベルの油持出しを許容し、吐出圧雰囲気の第１圧縮機９９で圧縮後のシェル内空間において冷媒から冷凍機油を分離することにより油循環率極小化を図ることができる。第１圧縮機９９のシェル内空間からアキュムレータ９３と膨張機１に内設された圧縮機構部１０を接続する配管へ毛細管７２を設けて冷凍機油を戻すことにより、上記圧縮機構部１０から第１圧縮機９９への冷凍機油の移動に対してバランスさせる。また、膨張機１に内設された膨張機構部９に必要な潤滑油は、微小孔７０により圧縮機構部側から約ΔＰの差圧により供給される。
【００３１】
この形態では、膨張機構部が一つの１ＷＡＹ膨張機の構成なので、図４（ｂ）に示す暖房運転時は膨張機１による動力回収を行なわない。アキュムレータ９３から第１圧縮機９９の吸入側へ導き膨張機１をバイパスする配管に設けたバイパス弁９４を開いて、アキュムレータ９３からの低圧冷媒は膨張機１に内設された圧縮機構部１０を経由せずに第１圧縮機９９に吸入して圧縮される。そして、圧縮後吐出された高圧の冷媒は、四方弁９２から室内機熱交換器９７のガスクーラを経て、室内機熱交換器９７と室外機熱交換器９８とを接続して膨張機１をバイパスする配管に設けた膨張弁９６にて減圧される。減圧後の冷媒は室外機熱交換器９８の蒸発器で加熱後、四方弁９２からアキュムレータ９３を経て第１圧縮機９９へ戻り、冷凍サイクルを形成する。
【００３２】
この暖房運転時においては、膨張機１の圧縮機構部１０では圧縮を行なわないので、密閉容器７内の圧縮機構部側の空間は圧力が低圧（Ｐｌ）のままで第１圧縮機９９にて低圧（Ｐｌ）から高圧（Ｐｈ）まで昇圧する圧縮を行なう。室内機熱交換器９７と膨張機１の膨張機構部９側を接続する配管に設けられ、室内機熱交換器９７から膨張機１への冷媒流れを阻止する逆止弁９５のため、密閉容器７内の膨張機構部９側の空間も低圧（Ｐｌ）状態となり、膨張機１内での差圧シールおよび油戻し共に必要がなくなる。冷房運転時と同様、第１圧縮機９９からの油戻し毛細管７２により、アキュムレータ９３と第１圧縮機９９吸入側間の配管へ油戻しを行なう。
【００３３】
以上の説明は、何れも冷房運転時用の膨張機１に内設した膨張機構９と流量マッチング用の膨張弁９６を備え、暖房運転時は逆止弁により膨張機１を経由せずに膨張弁９６にて減圧・膨張させるような形態に関するものであるが、それとは逆に暖房運転時のみ膨張動力回収を行ない、冷房運転時に膨張機をバイパスするような形態も同様に構成できる。
【００３４】
実施の形態３．
次に、本発明の実施の形態３について、図５を用いて説明する。
ここでは、図３と同様に構成することが可能な第２圧縮機部分の両側に冷房用および暖房用それぞれの膨張機構部を備えた、所謂２ＷＡＹ膨張機について説明する。この場合、膨張機に内設した圧縮機構部とその両側に配置した膨張機構部の駆動軸間の継手を一方向にのみ回転伝達可能なローラクラッチとし、片方の膨張機構部により圧縮機構部が駆動される時には、他方の膨張機構部に回転が伝達されないようにする。
【００３５】
図５は、２ＷＡＹ膨張機を用いた冷凍空調装置の冷媒回路図である。図５（ａ）に示す冷房運転時には、膨張機１に内設した第２圧縮機である圧縮機構部１０は冷房用膨張機構部９ａの回収動力によって駆動され、低圧（Ｐｌ）の冷媒ガスが圧縮昇圧されて中間圧（Ｐｌ＋ΔＰ）となってから、モータにより駆動される高圧シェルタイプの第１圧縮機９９に吸入される。この第１圧縮機９９にて高圧（Ｐｈ）まで圧縮された後、第１圧縮機から吐出した冷媒ガスは、四方弁９２を経てガスクーラとなる室外機熱交換器９８で冷却され、膨張機１の冷房用膨張機構部９ａで減圧そして動力回収され、冷房用膨張機構部９ａと駆動軸により連結された圧縮機構部１０における圧縮動力を供給する。冷房用膨張機構部９ａにて低圧（Ｐｌ）まで減圧された冷媒は、室内機熱交換器９７へ流入しそこで加熱され、四方弁９２からアキュムレータ９３を経て低段側に相当する２ＷＡＹタイプの膨張機１に内設された圧縮機構部１０に戻り、冷凍サイクルを形成する。
【００３６】
このとき、潤滑が必要な第１圧縮機９９と膨張機１に潤滑油（冷凍機油）を貯留し、膨張機１内の圧縮機構部１０と膨張機構部９ａ間に設けた微小孔（図示せず）と第１圧縮機９９からアキュムレータ９３と膨張機１の圧縮機構部１０入口側との接続配管に接続した油戻し毛細管７２で冷凍サイクル内に分布する潤滑油量をバランスさせる。膨張機１に内設された圧縮機構部１０について最小限の油持出しを許容し、吐出圧雰囲気の第１圧縮機９９内部で冷凍機油を含む冷媒から油分離するのは実施の形態２で述べた１ＷＡＹタイプの膨張機１での形態と同じである。第１圧縮機９９からアキュムレータ９３と圧縮機構部１０間の接続配管への毛細管７２での返油や、微小孔７０ａによる圧縮機構部１０側から膨張機構部９ａ側への差圧ΔＰによる給油についても同様である。
【００３７】
また、図５（ｂ）に示す暖房運転時は、四方弁９２及び冷房用膨張機構部９ａ出口側と室内機熱交換器９７の間に設けられ室内機熱交換器７２から冷房用膨張機構部９ａへの流れを閉塞する逆止弁９５ａ，暖房用膨張機構部９ｂ出口側と室外機熱交換器９８の間に設けられ室外機熱交換器９８から暖房用膨張機構部９ｂへの流れを閉塞する逆止弁９５ｂにより、室内機熱交換器９７のガスクーラで冷却された高圧（Ｐｈ）の冷媒は膨張機１の暖房用膨張機構部９ｂに流入し、動力回収しながら減圧された後、室外機熱交換器９８，四方弁９２，アキュムレータ９３を経て圧縮機構部１０で低段側圧縮、そして連続して第１圧縮機９９で高段側圧縮の二段圧縮される。このとき、膨張機１内部の圧縮機構部１０と膨張機構部９ｂ間の隔離部に設けた微小孔７０ｂにより膨張機構部９ｂ側へ差圧給油すると共に、第１圧縮機９９からの油戻し毛細管７２でアキュムレータ９３と圧縮機構部１０間への返油を行なう。
【００３８】
また、本発明の実施の形態１〜３に係るいずれの冷凍空調装置も、使用する冷媒として超臨界となる二酸化炭素を用いているので、オゾン層破壊や地球温暖化など地球環境への悪影響が小さい冷凍空調装置を得ることができる。
【００３９】
【発明の効果】
以上のように、この発明の冷凍空調装置によれば、電動機によって駆動される第１圧縮機と、第１圧縮機で圧縮された高圧の冷媒ガスを冷却するガスクーラと、ガスクーラによって冷却された冷媒ガスを減圧することにより動力を回収する膨張機構部と、膨張機構部により減圧された冷媒を加熱する蒸発器と、膨張機構部と同一の密閉容器に内設され膨張機構部の回収動力により駆動される第２圧縮機とを備え、第１圧縮機と第２圧縮機は冷媒配管により直列に接続されるとともに、密閉容器内の第２圧縮機が内設された空間は二段圧縮の中間圧力で満たされるように構成したので、圧縮機構部側と膨張機構部側を確実にシールしながら、シールに伴なう摺動損失を少なくすることができ、回収効率の良い高性能の超臨界サイクルによる冷凍空調装置を得ることができる。
【００４０】
また、第２圧縮機は第１圧縮機による圧縮後の冷媒を圧縮し、密閉容器内の膨張機構部が内設された空間は高圧雰囲気となるように構成したので、動力回収運転時のガスクーラ以外の熱交換器での油循環率が低い高効率の冷凍空調装置を得ることができる。
【００４１】
また、第１圧縮機は第２圧縮機による圧縮後の冷媒を圧縮し、密閉容器内の膨張機機構部が内設された空間は低圧雰囲気となるように構成したので、動力回収運転時の蒸発器以外の熱交換器での油循環率が低い高効率の冷凍空調装置を得ることができる。
【００４２】
また、冷媒として二酸化炭素を用いたので、地球環境への悪影響の小さい冷凍空調装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る膨張機を示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係り図１の膨張機を用いた冷媒回路図である。
【図３】本発明の実施の形態２に係る膨張機を示す断面図である。
【図４】本発明の実施の形態２に係り図３の膨張機を用いた冷媒回路図である。
【図５】本発明の実施の形態３に係る冷媒回路図である。
【図６】従来の更に別の膨張機が用いられるサイクルの運転状態を示す説明図である。
【符号の説明】
１  膨張機、  ７  密閉容器、  ８  駆動軸、  ９，９ａ，９ｂ  膨張機構部、  １０  圧縮機構部、  １１  モータ、  １２  （膨張）シリンダ／固定スクロール、  １５  （膨張）ローリングピストン／揺動スクロール、  １６  （膨張）吸入管、  １７  （膨張）吐出管、  １８  （圧縮）吸入管、  １９  （圧縮）吐出管、  ２０  （シェル）吐出管、  ２１  （圧縮）固定スクロール、  ２３  （圧縮）揺動スクロール、    ２４  （圧縮）フレーム、  ２５  （圧縮）シリンダヘッド、  ２６  ローリングピストン、  ３３  （膨張）フレーム、  ６３  （圧縮）駆動軸、６４  シール部材、  ６５  継手、  ７０，７０ａ，７０ｂ  微小孔、  ７１油戻し管、  ７２  油戻し管、  ９２  四方弁、  ９３  アキュムレータ、  ９４  バイパス弁、  ９５，９５ａ，９５ｂ  逆止弁、  ９６  膨張弁、  ９７
室内機、  ９８  室外機、９９  第１圧縮機。
【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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