(57)【要約】【課題】不完全膨張損失や過膨張損失を防止し、高効率の膨張機を提供する。【解決手段】作動流体を、シリンダ２とローラ４と上軸受部材及び下軸受部材８とにより形成されベーン５によって仕切られた作動室１２に、吸入孔７ｃから吸入し、回転によってその容積が変化する作動室１２で膨張させ、吐出孔２ｂから吐出空間２０に吐出する膨張機において、その吐出孔２ｂに、作動室１２の圧力が吐出空間２０の圧力よりも高くなれば開く差圧弁２１を設けることにより、作動流体の過膨張が生じても再圧縮が可能となるので、過膨張損失を防止することができる。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダと、偏心部を有するシャフトと、前記偏心部と嵌合されて前記シリンダの内側で偏心回転するローラと、前記シリンダの両端面を閉塞する閉塞部材と、前記シリンダと前記ローラと前記閉塞部材とにより形成される空間を複数の作動室に仕切るベーンと、前記作動室に作動流体を流入させる吸入孔と、前記作動室から吐出空間へ前記作動流体を吐出させる吐出孔と、前記吸入孔への前記作動流体の流入を制御する流入タイミング制御手段とを備え、前記作動流体を膨張させる膨張機において、前記作動室の膨張行程の開始時と終了時における圧力比を可変とする圧力比制御手段を備えていることを特徴とする膨張機。
【請求項２】
前記圧力比制御手段として、前記作動室の圧力と前記吐出空間の圧力との圧力差で作動する差圧弁を用いることを特徴とする請求項１に記載の膨張機。
【請求項３】
前記差圧弁は、前記吐出孔に設けたことを特徴とする請求項２に記載の膨張機。
【請求項４】
前記差圧弁は、前記作動室の圧力が前記吐出空間の圧力よりも低い場合に閉じることを特徴とする請求項３に記載の膨張機。
【請求項５】
前記差圧弁は、リード弁であることを特徴とする請求項４に記載の膨張機。
【請求項６】
前記差圧弁は、その弁部の形状を円錐面で構成することを特徴とする請求項４に記載の膨張機。
【請求項７】
前記圧力比制御手段は、前記作動室と前記吐出空間を結ぶ連通孔と、前記連通孔に設けた差圧弁とから構成されることを特徴とする請求項２に記載の膨張機。
【請求項８】
前記差圧弁は、前記作動室の圧力が前記吐出空間の圧力よりも低い場合に開くことを特徴とする請求項７に記載の膨張機。
【請求項９】
前記連通孔の前記作動室への開孔部が、前記閉塞部材に設けられたことを特徴とする請求項８に記載の膨張機。
【請求項１０】
前記圧力比制御手段は、前記吐出孔に設けた第一差圧弁と、前記作動室と前記吐出空間を連通する連通孔に設けた第二差圧弁とから構成されることを特徴とする請求項２に記載の膨張機。
【請求項１１】
前記作動流体として、液相あるいは超臨界相から気液二相に膨張する流体を用いることを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれかに記載の膨張機。
【請求項１２】
前記作動流体を二酸化炭素とするヒートポンプサイクルに利用することを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれかに記載の膨張機。
【請求項１３】
前記ヒートポンプサイクルに用いられる圧縮機のシャフトと、当該膨張機のシャフトとが直結されていることを特徴とする請求項１２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って作動して回転動力を発生する原動機としての膨張機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ヒートポンプサイクルに用いられる膨張機として、特許文献１に開示されているような、ロータリ型の膨張機がある。
この膨張機の構成について説明する。図１６は、従来の膨張機の縦断面図、図１７は、従来の膨張機の横断面図である。図１７は図１６の断面Ｚ−Ｚに相当する。なお、説明のため、シャフト３の軸方向経路３ｂおよび径方向経路３ｃ、上軸受部材７の吸入経路７ｂおよび吸入孔７ｃを破線で示す。
膨張機は、密閉容器１と、シリンダ２と、偏心部３ａを有するシャフト３と、シリンダ２の内側で偏心回転運動するローラ４と、ベーン溝２ａの内部を往復運動するベーン５と、ベーンばね６と、シャフト３を支える上軸受部材７および下軸受部材８と、作動流体を吸入する吸入管９と、作動流体を吐出する吐出管１０とから構成される。
そして、シリンダ２、ローラ４、上軸受部材７および下軸受部材８の間にベーン５で仕切られた作動室１２が形成されている。上軸受部材７は、吸入空間７ａと、吸入経路７ｂと、吸入経路７ｂの作動室１２側の開口部となる吸入孔７ｃとを備えている。シャフト３は、軸方向流路３ｂと径方向流路３ｃとを備えている。さらに、シリンダ２には作動室１２から吐出空間２０へ作動流体を吐出させる吐出孔２ｂが設けられている。
【０００３】
次に膨張機の動作について説明する。図１８の（ａ）から（ｄ）は膨張機の動作図であり、図１６のＺ−Ｚ断面に相当する。
図１６に示すように、高圧の作動流体は吸入管９より吸入空間７ａ、シャフト３の軸方向経路３ｂを経てシャフト３の径方向経路３ｃに流入する。シャフト３の径方向経路３ｃの形状は、図１８に示すようにシャフト３の外周面のある角度範囲のみに開口しており、シャフト３の回転に伴い、上軸受部材７の吸入経路７ｂとの間で連通、非連通を繰り返す流入タイミング制御手段を形成している。
そして、径方向経路３ｃと吸入経路７ｂが連通したときに、作動流体は径方向経路３ｃから吸入経路７ｂ、吸入孔７ｃを経て作動室１２に吸入される。
【０００４】
以下、膨張機の動作を、作動室１２に着目して説明する。図１８（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３が反時計周りに回転すると、シャフト３の径方向経路３ｃと上軸受部材７の吸入経路７ｂが連通することにより、流入タイミング制御手段が開口し、作動室１２に高圧の作動流体が流入する吸入行程が開始される。
そして、シャフト３が反時計周りに回転した後の図１８（ｂ）の状態は、シャフト３の径方向経路３ｃと上軸受部材７の吸入経路７ｂの連通が断たれ、流入タイミング制御手段が閉じた直後、すなわち、吸入行程終了の状態を示している。
このときの作動室１２の容積が膨張機の吸入容積Ｖｓとなる。その後、作動室１２に吸入された高圧の作動流体は、作動室１２の容積を増す方向にシャフト３を回転させながら膨張減圧する膨張行程に入り、図１８（ｃ）の状態を経て図１８（ｄ）の状態となる。
この状態は、作動室１２が吐出孔２ｂと連通する直前の状態であり、このときの作動室１２の容積が膨張機の吐出容積Ｖｄとなる。この後、シャフト３が僅かに回転すると作動室１２は吐出孔２ｂと連通し、吐出行程が開始される。
そして、作動室１２の容積が減少するのに伴い作動流体は吐出孔２ｂから吐出空間２０に吐出される。吐出空間２０に蓄えられた低圧の作動流体は、吐出管１０から膨張機の外部に吐出される。
【０００５】
以上の説明から明らかなように、本構成の膨張機では、吸入行程から膨張行程への移行は流入タイミング制御手段の開閉に依存しており、従って、流入タイミング制御手段は必須の構成要素であることがわかる。なお、上記の構成以外の流入タイミング制御手段の例は、特許文献２、特許文献３、特許文献４にその構成が示されている。ロータリ膨張機は、図１８（ａ）から（ｄ）の状態を反復し、次々に生じる作動室１２が膨張行程において容積を増す方向にシャフト３を回転させることにより、回転動力を取り出すものである。
【０００６】
以下に膨張機をヒートポンプサイクルに用いる例を説明する。図１９に二酸化炭素を作動流体とするヒートポンプサイクルの概念図およびモリエル線図を示す。図１９の（ａ）は通常のヒートポンプサイクル、（ｂ）は膨張機を利用したヒートポンプサイクル、（ｃ）はモリエル線図である。
図１９（ａ）に示す通常のヒートポンプサイクルは、圧縮機１３、ガスクーラ１４、膨張弁１５、蒸発器１６から構成される。圧縮機１３はモータ等の駆動要素１７によって駆動される。この場合のモリエル線図は、図１９（ｃ）のＡＢＣＤに相当する。
それに対し、図１９（ｂ）に示す膨張機を利用したヒートポンプサイクルでは、膨張弁１５の代わりに膨張機１８を用い、駆動要素１７を介して膨張機１８のシャフトを圧縮機１３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１８における作動流体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１９（ｃ）のＡＢＣＤ´となる。
このようなヒートポンプの構成にすることにより、膨張機１８で作動流体の膨張行程において回収した回転動力を用いて、圧縮機１３の駆動を補助することにより、駆動要素１７の負荷を軽減することができると同時に、蒸発器１６のエンタルピー差がモリエル線図上のＤＤ´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。
【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２００１−１５３０７７号公報
【特許文献４】特開２００３−１７２２４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
以上の構成を有する従来の膨張機においては、吸入容積Ｖｓ、吐出容積Ｖｄは流入タイミング制御手段と吐出孔により決定されるため、機器により固有の容積比（Ｖｄ／Ｖｓ）を持つ。作動流体の断熱指数をκ、膨張行程開始時の作動室１２の圧力をＰｓ、膨張行程終了時の作動室１２の圧力をＰｄとすると、次式の関係が成り立つ。
【０００８】
【数１】
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【０００９】
上式より、膨張行程終了時の圧力Ｐｄは、膨張行程開始時の圧力、すなわち、吸入圧力Ｐｓと容積比（Ｖｄ／Ｖｓ）、断熱指数κにより決まる。
【００１０】
図１９（ｂ）に示す膨張機を用いるヒートポンプサイクルにおいて、ガスクーラ１４の圧力をＰｈ、蒸発器１６の圧力をＰｌとする。Ｐｈ、Ｐｌはガスクーラ１４、蒸発器１６の周囲の温度や作動流体と空気の熱交換量等により決まるので、ヒートポンプの置かれた周囲の環境により変化する。ガスクーラ１４を出た作動流体はそのまま膨張機１８に吸入されるので、膨張機１８の吸入圧力Ｐｓはガスクーラ１４の圧力Ｐｈと等しい。また、膨張機１８の吐出圧力Ｐｄは（数１）により与えられ、Ｐｓの関数である。このため、ＰｄとＰｌとは等しくなるとは限らず、通常はＰｄ＞ＰｌあるいはＰｄ＜Ｐｌである。Ｐｄ＝Ｐｌの場合を完全膨張、Ｐｄ＞Ｐｌの場合を不完全膨張、Ｐｄ＜Ｐｌの場合を過膨張と呼ぶものとする。
【００１１】
図２０に膨張機１８のＰＶ線図を示す。図２０の（ａ）は、不完全膨張（Ｐｄ＞Ｐｌ）の場合、（ｂ）は、過膨張（Ｐｄ＜Ｐｌ）の場合である。
図２０の（ａ）の不完全膨張の場合について説明する。
吸入行程では、圧力Ｐｓ（＝Ｐｈ）のもとで作動室１２の容積がＶｓになるまで作動流体を吸入する。図中ではＡＢに相当する。膨張行程では、作動室１２の容積がＶｓからＶｄに増加するのに伴い、作動流体の圧力がＰｓからＰｄに減圧する。図中ではＢＣに相当する。吐出行程では、圧力Ｐｄの作動室１２が吐出孔２ｂに連通し、より低圧の圧力Ｐｌの密閉容器１の内部空間である吐出空間２０へと作動流体が流出するので、容積Ｖｄのまま圧力がＰｄからＰｌに低下する。図中のＣＤに相当する。そして、圧力Ｐｌの状態で作動室１２の容積がＶｄからゼロになるまで作動流体を吐出する。図中ではＤＥに相当する。
【００１２】
ＰＶ線図上では面積が仕事量を表すので、膨張機１８で回収できる動力はＰＶ線図上ではＡＢＣＤＥに囲まれる面積に相当する。
一方、膨張機１８の容積比（Ｖｄ／Ｖｓ）が完全膨張（Ｐｄ＝Ｐｌ）を満たすように設定されていたとすると、膨張機１８で回収できる動力はＰＶ線図上でＡＢＣＦＤＥに囲まれる面積に相当する。従って、不完全膨張の場合は、完全膨張の場合と比べてＣＦＤに囲まれる面積の部分だけ回収できる動力が減少する。すなわち、面積ＣＦＤに相当する不完全膨張損失が発生する。
【００１３】
図２０の（ｂ）の過膨張の場合について説明する。
吸入行程と膨張行程は（ａ）の不完全膨張の場合と同様である。ＰＶ線図上で、吸入行程はＡＢ、膨張行程はＢＣで示される。吐出行程では、圧力Ｐｄの作動室１２が吐出孔２ｂに連通し、より高圧の圧力Ｐｌの吐出空間２０から作動流体が流入するので、作動室１２の容積Ｖｄのまま圧力がＰｄからＰｌに上昇する。図中ではＣＤに相当する。そして、圧力Ｐｌの状態で作動室１２の容積がＶｄからゼロになるまで吐出する。図中ではＤＥに相当する。
膨張機１８が回収できる動力は、膨張行程で回収したＡＢＣＧで囲まれる面積から、吐出行程で圧力がＰｄからＰｌに上昇したために必要となる吐出仕事に相当するＣＤＥＧで囲まれる面積を引いた分に相当する。すなわち、ＡＢＦＥに囲まれる面積からＣＤＦに囲まれる面積を引いた部分に相当する。
一方、膨張機１８の容積比（Ｖｄ／Ｖｓ）が完全膨張（Ｐｄ＝Ｐｌ）を満たすように設定されていたとすると、膨張機１８で回収できる動力はＰＶ線図上でＡＢＦＥに囲まれる面積に相当する。従って、過膨張の場合は、完全膨張の場合と比べて、ＣＤＦに囲まれる面積の部分だけ回収できる動力が減少する。すなわち、面積ＣＤＦに相当する不完全膨張損失が発生する。
【００１４】
以上のように、従来の膨張機においては、容積比（Ｖｓ／Ｖｄ）が一定であるために不完全膨張損失や過膨張損失が発生し、完全膨張の場合に作動流体から得ることができる動力よりも少ない動力しか得ることができないという課題があった。
【００１５】
そこで本発明は、上記従来の課題を解決するもので、不完全膨張損失や過膨張損失を防止し、高効率な膨張機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】
【００１６】
上述した課題を解決するための、請求項１記載の本発明の膨張機は、シリンダと、偏心部を有するシャフトと、前記偏心部と嵌合されて前記シリンダの内側で偏心回転するローラと、前記シリンダの両端面を閉塞する閉塞部材と、前記シリンダと前記ローラと前記閉塞部材とにより形成される空間を複数の作動室に仕切るベーンと、前記作動室に作動流体を流入させる吸入孔と、前記作動室から吐出空間へ前記作動流体を吐出させる吐出孔と、前記吸入孔への前記作動流体の流入を制御する流入タイミング制御手段とを備え、前記作動流体を膨張させる膨張機において、前記作動室の膨張行程の開始時と終了時における圧力比を可変とする圧力比制御手段を備えていることを特徴とする。
請求項２記載の本発明は、請求項１に記載の膨張機において、前記圧力比制御手段として、前記作動室の圧力と前記吐出空間の圧力との圧力差で作動する差圧弁を用いることを特徴とする。
請求項３記載の本発明は、請求項２に記載の膨張機において、前記差圧弁は、前記吐出孔に設けたことを特徴とする。
請求項４記載の本発明は、請求項３に記載の膨張機において、前記差圧弁は、前記作動室の圧力が前記吐出空間の圧力よりも低い場合に閉じることを特徴とする。
請求項５記載の本発明は、請求項４に記載の膨張機において、前記差圧弁は、リード弁であることを特徴とする。
請求項６記載の本発明は、請求項４に記載の膨張機において、前記差圧弁は、その弁部の形状を円錐面で構成することを特徴とする。
請求項７記載の本発明は、請求項２に記載の膨張機において、前記圧力比制御手段は、前記作動室と前記吐出空間を結ぶ連通孔と、前記連通孔に設けた差圧弁とから構成されることを特徴とする。
請求項８記載の本発明は、請求項７に記載の膨張機において、前記差圧弁は、前記作動室の圧力が前記吐出空間の圧力よりも低い場合に開くことを特徴とする。
請求項９記載の本発明は、請求項８に記載の膨張機において、前記連通孔の前記作動室への開孔部が、前記閉塞部材に設けられたことを特徴とする。
請求項１０記載の本発明は、請求項２に記載の膨張機において、前記圧力比制御手段は、前記吐出孔に設けた第一差圧弁と、前記作動室と前記吐出空間を連通する連通孔に設けた第二差圧弁とから構成されることを特徴とする。
請求項１１記載の本発明は、請求項１から請求項１０のいずれかに記載の膨張機において、前記作動流体として、液相あるいは超臨界相から気液二相に膨張する流体を用いることを特徴とする。
請求項１２記載の本発明は、請求項１から請求項１１のいずれかに記載の膨張機において、前記作動流体を二酸化炭素とするヒートポンプサイクルに利用することを特徴とする。
請求項１３記載の本発明は、請求項１２に記載の膨張機において、前記ヒートポンプサイクルに用いられる圧縮機のシャフトと、当該膨張機のシャフトとが直結されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
以上、本発明によれば、膨張機において、吐出孔に、作動室の圧力が吐出空間の圧力よりも高くなれば開く差圧弁を設けることにより、過膨張が生じても再圧縮が可能となるので、過膨張損失を防止することができる。加えて、予め膨張機の容積比を不完全膨張が生じないように十分に大きく設定しておけば、いかなる条件においても、不完全膨張損失及び過膨張損失の生じない高効率な膨張機を提供することができる。
また、本発明によれば、膨張機において、作動室と吐出空間を連通する連通孔を設け、連通孔に作動室の圧力が吐出空間の圧力よりも低くなれば開く差圧弁を設けることにより、作動室の圧力が吐出空間の圧力よりも低下すると、吐出空間から作動室へ作動流体が流入して作動室の圧力が吐出空間の圧力と等しくなるので、過膨張を防止することができる。加えて、予め膨張機の容積比を不完全膨張が生じないように、十分に大きく設定しておけば、いかなる条件においても、不完全膨張損失及び過膨張損失の生じない高効率な膨張機を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の第１の実施の形態による膨張機は、作動室の膨張行程の開始時と終了時における圧力比を可変とする圧力比制御手段を備えているものである。本実施の形態によれば、吐出空間の圧力が変化した場合でも、膨張行程終了時の作動室の圧力と吐出空間の圧力を常に一致させることが可能となり、膨張機の過膨張損失を防止することができる。従って、高効率な膨張機を提供することができる。
本発明の第２の実施の形態は、第１の実施の形態による膨張機において、圧力比制御手段として、作動室の圧力と吐出空間の圧力との圧力差で作動する差圧弁を用いるものである。本実施の形態によれば、過膨張の発生を作動室の圧力と吐出空間の圧力の差圧で検知することにより、自動的に弁の開閉を制御できるため、簡単な構成で確実に過膨張損失の発生を防止することができる。
本発明の第３の実施の形態は、第２の実施の形態による膨張機において、差圧弁は、吐出孔に設けたものである。本実施の形態によれば、従来の膨張機の吐出孔に、差圧弁を追加するだけの非常に簡単な構成により、過膨張損失の発生を防止することができる。
本発明の第４の実施の形態は、第３の実施の形態による膨張機において、差圧弁は、作動室の圧力が吐出空間の圧力よりも低い場合に閉じるものである。本実施の形態によれば、膨張行程において過膨張が生じた場合、差圧弁が閉じて作動室を密閉空間とすることにより、作動室内の作動流体を再圧縮するので、過膨張損失の発生を防止することができる。
本発明の第５の実施の形態は、第４の実施の形態による膨張機において、前記差圧弁は、リード弁から構成するものである。本実施の形態によれば、リード弁により、過膨張が生じた場合に閉じる差圧弁の構成を非常に簡単に構成することができる。
本発明の第６の実施の形態は、第４の実施の形態による膨張機において、差圧弁は、その弁部の形状を円錐面で構成するものである。本実施の形態によれば、吐出孔によるデッドボリュームが小さくなるので、効率低下を防止することができる。
本発明の第７の実施の形態は、第２の実施の形態による膨張機において、圧力比制御手段は、作動室と吐出空間を結ぶ連通孔と、連通孔に設けた差圧弁とから構成されるものである。本実施の形態によれば、非常に簡単な構成により、過膨張損失の発生を防止することができる。
本発明の第８の実施の形態は、第７の実施の形態による膨張機において、差圧弁は、作動室の圧力が吐出空間の圧力よりも低い場合に開くものである。本実施の形態によれば、作動室の圧力が吐出空間の圧力よりも僅かでも低くなると、吐出空間から作動室に作動流体が流入することにより、過膨張を防止することができる。
本発明の第９の実施の形態は、第８の実施の形態による膨張機において、連通孔の作動室への開孔部が、閉塞部材に設けられたものである。本実施の形態によれば、ローラとシリンダのシール部との重なりがなくなり、作動流体の漏れが低減するので、効率低下を防止することができる。
本発明の第１０の実施の形態は、第２の実施の形態による膨張機において、圧力比制御手段は、吐出孔に設けた第一差圧弁と、作動室と吐出空間を連通する連通孔に設けた第二差圧弁とから構成されるものである。本実施の形態によれば、膨張行程において、第二差圧弁を流れる作動流体の圧力損失により作動室の圧力が吐出空間の圧力よりも僅かに低くなり、過膨張損失が発生した場合でも、第一差圧弁により再圧縮を行い、過膨張損失を低減することができる。
本発明の第１１の実施の形態は、第１から第１０の実施の形態による膨張機において、作動流体として、液相あるいは超臨界相から気液二相に膨張する流体を用いるものである。液相あるいは超臨界相から気液二相に膨張する際には、気体と液体の割合により作動流体の比容積が大きく変化して過膨張や不完全膨張が発生し易くなるが、本実施の形態によれば、このように過膨張や不完全膨張が発生し易い場合でも、過膨張損失等を抑えることが可能となり、膨張機の高効率化を図ることができる。
本発明の第１２の実施の形態は、第１から第１１の実施の形態による膨張機において、作動流体を二酸化炭素とするヒートポンプサイクルに利用するものである。本実施の形態によれば、環境に優しいが、ヒートポンプサイクルの高圧と低圧の圧力差が大きく、僅かな圧力比の変化でも大きな過膨張損失が発生する二酸化炭素を用いたヒートポンプの効率を向上させることができる。
本発明の第１３の実施の形態は、第１２の実施の形態による膨張機において、ヒートポンプサイクルに用いられる圧縮機のシャフトと、当該膨張機のシャフトとが直結されているものである。本実施の形態によれば、膨張機の起動時における過膨張が防止され、トルク変動が生じないので、ヒートポンプサイクルの圧縮機を効率良くスムーズに起動することができる。
【実施例１】
【００１９】
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。
本発明の第１の実施例における膨張機は、吐出孔に差圧弁を設けたことを除いて、図１６から図２０で詳述した従来の膨張機と同様な構成である。また、同一機能部品については同一番号を使用し、従来例と同一の構成および作用の説明は省くことにする。
図１は、第１の実施例における膨張機の縦断面図である。図２は、第１の実施例における膨張機の横断面図である。なお、図１の縦断面図は、図１６に示した従来の膨張機と同様であり、図２は図１の断面Ｚ−Ｚに相当する。
本実施例の膨張機は、密閉容器１と、円筒形状の内壁を有するシリンダ２と、偏心部３ａを有するシャフト３と、シャフト３の偏心部３ａに嵌合されてシリンダ２の内側で偏心回転運動するローラ４と、先端をローラ４の外周面に接しながらシリンダ２のベーン溝２ａの内部を往復運動するベーン５と、ベーン５をローラ４に押し付けるベーンばね６と、シリンダ１の上側端面を閉塞するとともにシャフト３を支える上軸受部材７と、シリンダ２の下側端面を閉塞するとともにシャフト３を支えて密閉容器１に固定された下軸受部材８と、密閉容器１の外部から作動流体を吸入する吸入管９と、密閉容器１の外部に作動流体を吐出する吐出管１０と、密閉容器１の外部にシャフト３を貫通させるためのメカニカルシール１１とから構成される。
そして、シリンダ２と、ローラ４と、閉塞部材としての上軸受部材７及び下軸受部材８とによって形成される空間が、ベーン５によって複数の作動室１２に仕切られている。上軸受部材７は、吸入空間７ａと、吸入経路７ｂと、吸入経路７ｂの作動室１２側の開口部となる吸入孔７ｃとを備えている。シャフト３は、軸方向流路３ｂと径方向流路３ｃとを備えている。さらに、シリンダ２には作動室１２から吐出空間２０へ作動流体を吐出させる吐出孔２ｂが設けられている。
また、シャフト３の径方向経路３ｃは、図２に示すようにシャフト３の外周面のある角度範囲のみに開口しており、シャフト３の回転に伴い上軸受部材７の吸入経路７ｂとの間で連通、非連通を繰り返し、吸入管９より吸入空間７ａ、軸方向経路３ｂを経て径方向経路３ｃに流入する作動流体を制御する流入タイミング制御手段を、吸入経路７ｂとともに形成している。なお、連通、非連通のタイミングは、径方向経路３ｃと吸入経路７ｂのシャフト３側の開口部との形状により調整できる。
そして、径方向経路３ｃと吸入経路７ｂが連通、すなわち、流入タイミング制御手段が開いた状態のときに、作動流体は径方向経路３ｃから吸入経路７ｂ、吸入孔７ｃを経て作動室１２に吸入される構成となっている。
【００２０】
本実施例の膨張機では、図２に示すように、シリンダ２の外面に吐出孔２ｂを含む切欠き部２ｃを設け、吐出孔２ｂを覆うリード弁２１ａと弁止め２１ｂからなる差圧弁２１を設けている。なお、切欠き部２ｃは、差圧弁２１を設置するためのスペースを確保すると同時に、シリンダ２を薄くして、デッドボリュームである作動室１２と差圧弁２１の間の空間を短くする効果がある。
そして、差圧弁２１は、作動室１２の圧力が吐出空間２０の圧力よりも低ければ閉じ、作動室１２の圧力が吐出空間２０の圧力よりも高くなれば開くように構成されている。すなわち、作動室１２の膨張行程の開始時と終了時の圧力比を可変とする圧力比制御手段としての差圧弁２１を備えている。換言すれば、圧力比制御手段は、吐出空間２０の圧力が変化した場合でも、膨張行程終了時の作動室１２の圧力と吐出空間２０の圧力を常に一致させることを可能としている。
【００２１】
また、本実施例の膨張機では、作動室１２の吸入容積Ｖｓと、吐出容積Ｖｄとの比である容積比（Ｖｄ／Ｖｓ）は、いかなる条件においても不完全膨張が生じないように、十分に大きく設定する。
例えば、膨張機がガス相あるいは超臨界相の単相域の高圧がＰｈ、低圧がＰｌのシステムで用いられる場合、想定される最大の圧力比を（Ｐｈ／Ｐｌ）ｍａｘ、断熱指数をκとすると、次式を満たすように容積比（Ｖｄ／Ｖｓ）を設定する。
【００２２】
【数２】
2005240561.tif 000004
【００２３】
また、単相域から二相域に膨張する場合には、作動流体の膨張前の比容積をνｈ、膨張後のニ相域での比容積をνｌとして、想定される最大の比容積の比を（νｌ／νｈ）ｍａｘとすると、次式を満たすように容積比（Ｖｄ／Ｖｓ）を設定する。
【００２４】
【数３】
2005240561.tif 000005
【００２５】
以上のように構成した本実施例の膨張機の動作およびその効果を説明する。図３に第１の実施例における膨張機の作動室のＰＶ線図を示す。
シャフト３が反時計周りに回転すると、シャフト３の径方向経路３ｃと上軸受部材７の吸入経路７ｂが連通することにより、流入タイミング制御手段が開口し、作動室１２に高圧の作動流体が流入する吸入行程が開始され、その連通が断たれると流入タイミング制御手段が閉口して、吸入行程が終了する。吸入行程はＰＶ線図上のＡＢに相当し、このときの作動室１２の容積はＶｓとなり、圧力はＰｓとなる。
その後、作動室１２に吸入された高圧の作動流体は、作動室１２の容積を増す方向にシャフト３を回転させながら膨張減圧する膨張行程に入り、その膨張行程はＰＶ線図上のＢＣに相当し、このときの作動室１２の容積はＶｄとなり、圧力はＰｄとなる。
本実施例では、膨張行程ＢＣにおいて必ず過膨張が生じ、膨張行程終了時のＣ点の圧力Ｐｄは、吐出空間２０である密閉容器１の内部の圧力Ｐｌよりも低くなる。
このとき、本実施例では、吐出孔２ｂに差圧弁２１を設けており、作動室１２の圧力Ｐｄが吐出空間２０の圧力Ｐｌよりも低いため、差圧弁２１が閉じた状態となっている。従って、差圧弁２１が閉じて作動室１２を密閉空間とすることにより、作動室１２への作動流体の流入は起こらない。
そして、シャフト３の回転に伴い作動室１２の容積が小さくなり、作動流体はＰＶ線図上のＣＦに沿って圧縮される。
さらに、作動室１２の圧力が上昇し、吐出空間２０の圧力まで上昇すると差圧弁２１が開き、吐出行程を開始する。吐出行程はＰＶ線図上のＦＥに相当する。
【００２６】
以上の動作、ＰＶ線図の説明から明らかなように、本実施例における膨張機が回収できる動力は、ＰＶ線図上のＡＢＦＥで囲まれる面積に相当し、ＦＣＤで囲まれる面積に相当する過膨張損失は発生しない。
従って、本実施例の膨張機では、作動室１２の圧力が吐出空間２０の圧力よりも低い場合に差圧弁２１が閉じることにより、過膨張損失を防止し、膨張機の効率を向上させることができる。また、いかなる吐出空間２０の圧力Ｐｌの変化にも対応可能に、予め膨張機の容積比を不完全膨張が生じないように設定しているので、不完全膨張損失及び過膨張損失を防止し、常に高い効率を維持することができる。
なお、本実施例の圧力比制御手段として、作動室の圧力と吐出空間の圧力の差圧で自動的に開閉する差圧弁を用いたので、簡単な構成で確実に過膨張損失の発生を防止することができる。また、本実施例の差圧弁を、従来の膨張機も有する吐出孔に弁を追加するだけの非常に簡単な構成で実現できる。さらに、リード弁であるので、過膨張が生じた場合に閉じる弁構成を非常に簡単に形成することができる効果がある。
【実施例２】
【００２７】
本発明の第２の実施例における膨張機は、吐出孔および差圧弁の位置を変えたことを除いて、第１の実施例と同様な構成である。同一機能部品については同一番号を使用し、同一の構成および作用の説明は省くことにする。
図４は、本実施例における膨張機の横断面図である。また、図５は、本実施例における膨張機の縦断面図であり、図４のＹ−Ｙ断面に相当する。
本実施例の膨張機では、シリンダ２の下端面を閉塞する閉塞部材としての下軸受部材８に、作動室１２から吐出空間２０へ作動流体を吐出させる吐出孔８ａを設け、この吐出孔８ａにリード弁２２ａと弁止め２２ｂとからなる差圧弁２２を設けている。
本実施例では、第１の実施例に対して吐出孔８ａと差圧弁２２の位置を変えたが、第１の実施例と同様の効果が得られることは言うまでも無い。それに加えて以下の効果を得ることができる。
【００２８】
即ち、第１の実施例のように吐出孔２ｂをシリンダ２の壁面に設ける場合は、切欠き部２ｃを設けたことにより、シリンダ２の強度が低下して変形し、ローラ４とシリンダ２の間の隙間が拡大し作動流体が漏れて性能が低下する。
それに対し、本実施例の膨張機では、シリンダ２の強度を落とすことなく、吐出孔８ａに差圧弁２２を設けることができ、シリンダ２が変形して作動流体が漏れることによる性能低下を防止することができる。
【００２９】
また、第１の実施例のようにシリンダ２の壁面に吐出孔２ｂを設ける場合は、切欠き部２ｃを設けたことにより、ベーン溝２ａの吐出孔２ｂ側の肉厚が薄くなり、ベーン溝２ａが変形しやすくなるので、ベーン溝２ａとベーン５の間の隙間からの作動流体の漏れが増加して性能が低下する。また、ベーン溝２ａの変形によりベーン溝２ａとベーン５の摺動面圧が増加して異常摩耗が発生しやすくなり、信頼性を損ねる可能性がある。
それに対し、本実施例では、シリンダ２のベーン溝２ａの強度を落とすことなく、吐出孔８ａに差圧弁２２を設けることができ、性能と信頼性を向上させることができる。
【００３０】
また、膨張機をフロンに較べて比容積の小さい二酸化炭素を作動流体とするヒートポンプサイクルに用いる場合や、同じ作動流体の流量で膨張機の回転数を高く設定したい場合などは、作動室１２の容積を小さく構成する必要がある。このときシリンダ２の高さｈを小さく設定するが、第１の実施例のようにシリンダ２の壁面に吐出孔２ｂを設け、そこに差圧弁２１を設ける場合には、スペースが狭いために、差圧弁２１を設置すること自体が困難であったり、あるいは、差圧弁２１の形状が制約されて、自由な形状に設計できなかったりする。このため、差圧弁２１の強度が不足して破損を招いたりする。
それに対し、本実施例の膨張機では、閉塞部材としての下軸受部材８に吐出孔８ａと差圧弁２２を設けるため、差圧弁２２を設けるための十分なスペースを確保することができ、差圧弁２２の形状を自由に構成することができる。
【実施例３】
【００３１】
本発明の第３の実施例における膨張機は、吐出孔および差圧弁の形状を変えたことを除いて、第２の実施例と同様な構成である。同一機能部品については同一番号を使用し、同一の構成および作用の説明は省くことにする。図６は、本発明の第３の実施例における膨張機の縦断面図である。
本実施例の膨張機では、下軸受部材８に作動室１２側が円錐面で構成された吐出孔８ｂを設け、この吐出孔８ｂを開閉する差圧弁２３を設けている。差圧弁２３は、円錐面を有して吐出孔８ｂに嵌合する形状の弁部２３ａと、吐出弁２３ａを吐出孔８ｂに押し付ける弁ばね２３ｂと、弁ばね２３ｂを固定する弁ばね台座２３ｃとから構成されている。
そして、差圧弁２３は、作動室１２の圧力が吐出空間２０の圧力よりも低い場合には、弁ばね２３ｂのばね力が吐出空間２０と作動室１２の差圧による力に打ち勝ち、吐出孔８ｂを閉じた状態とし、作動室１２の圧力が吐出空間２０の圧力よりも高い場合には、吐出空間２０と作動室１２の差圧による力が弁ばね２３ｂのばね力に打ち勝ち、吐出孔８ｂを開いた状態とする。
本実施例では、吐出孔８ｂと差圧弁２３の形状を変えたが、吐出孔８ｂと差圧弁２３を第２の実施例と同じ場所に設置しているため、第２の実施例と同様の効果が得られることは言うまでもない。それに加えて以下の効果を得ることができる。
【００３２】
即ち、本実施例の膨張機では、吐出孔８ｂの作動室１２側と差圧弁２３の弁部２３ａの形状を円錐面で構成し、互いに嵌合する形状としたことにより、差圧弁２３が閉じた状態では、作動室１２と差圧弁２３の間の空間であるデッドボリュームが非常に小さくなる。
従って、吐出空間２０と同じ低圧の圧力であるデッドボリュームが、より高圧の作動室１２と連通することにより、作動室１２の圧力を低下させることを、すなわち作動室１２で回収できる動力が減り、膨張機の効率が低下することを防止することができる。
【００３３】
なお、以上の第１から第３の実施例において、リード弁２１ａ，２２ａを用いた差圧弁２１，２２や、弁２３ａと弁ばね２３ｂを用いた差圧弁２３を用いた構成を示したが、作動室１２の圧力が吐出空間２０の圧力よりも高くなった場合に開く差圧弁を用いた構成であれば、その構造には関係なく同様の効果が得られることは言うまでもない。
【実施例４】
【００３４】
本発明の第４の実施例における膨張機は、シリンダに作動室と吐出空間とを結ぶ連通孔を設け、この連通孔の内部に差圧弁を設けたことを除いて、図１６から図２０で詳述した従来の膨張機と同様な構成である。また、同一機能部品については同一番号を使用し、従来例と同一の構成および作用の説明は省くことにする。
図７は、第４の実施例における膨張機の横断面図である。なお、縦断面図は図１６に示した従来の膨張機と同様であり、図７は、図１６の断面Ｚ−Ｚに相当する。また、連通孔３１の近傍のみを断面で示している。
本実施例の膨張機では、図１６に示した従来の構成に加えて、シリンダ２に設けた作動室１２と吐出空間２０を結ぶ連通孔３１と、この連通孔３１の内部に設けた差圧弁３２とから構成されている。連通孔３１は、シャフト３の中心軸から眺めて、ベーン溝２ａの位置から反時計周りに、角度２１０度の付近に設けられているが、連通孔３１の設置位置は必ずしもこの限りではない。設置位置の条件については後述する。
また、差圧弁３２は、弁部３２ａ、弁ばね３２ｂ及び弁ばね台座３２ｃから構成されている。差圧弁３２は、第１から第３の実施例の場合の、差圧弁２１，２２，２３とは逆に、作動室１２の圧力が吐出空間２０の圧力よりも、高くなれば閉じ、低くなれば開くように構成されている。すなわち、作動室１２の膨張行程の開始時と終了時の圧力比を可変とする圧力比制御手段としての差圧弁３２を備えている構成である。
また、本実施例の膨張機では、吸入容積Ｖｓと吐出容積Ｖｄの比である容積比（Ｖｄ／Ｖｓ）は、いかなる条件においても不完全膨張が生じないように、十分に大きく設定しておく構成とする。設定の仕方については、第１の実施例で述べた通りである。
【００３５】
以上のように構成した本実施例の膨張機の動作およびその効果を説明する。図８は、本実施例における膨張機の動作図であり、図１８に相当する。また、連通孔３１の近傍のみを断面している。なお、シャフト３の軸方向経路３ｂおよび径方向経路３ｃ、上軸受部材７の吸入経路７ｂおよび吸入孔７ｃは図中に破線で示す。また、図９に第４の実施例における膨張機の作動室１２のＰＶ線図を示す。
【００３６】
以下、膨張機の動作を、作動室１２に着目してＰＶ線図と対比させながら説明する。なお、以下の説明は、流入タイミング制御手段の構成には依存しない。
図８（ａ）は、流入タイミング制御手段が開く直前、すなわち、吸入開始の状態を示している。図９のＰＶ線図上のＡ点に相当する。この状態からシャフト３が反時計周りに回転すると、シャフト３の径方向経路３ｃと上軸受部材７の吸入経路７ｂが連通することにより流入タイミング制御手段が開口し、作動室１２に高圧の作動流体が流入する吸入行程が開始される。
そして、シャフト３が反時計周りに回転した後の図８（ｂ）の状態は、流入タイミング制御手段が閉じた瞬間、すなわち、吸入行程終了の状態を示している。図９のＢ点に相当し、このときの作動室１２の容積が膨張機の吸入容積Ｖｓとなる。
その後、作動室１２に吸入された高圧の作動流体は、作動室１２の容積を増す方向にシャフト３を回転させながら膨張減圧する膨張行程に入る。図８（ｃ）の状態において、作動室１２は連通孔３１と連通する。
【００３７】
この連通孔３１の設置位置の条件としては、作動室１２と連通孔３１が連通した瞬間、つまり、図８（ｃ）のような状態の作動室１２において、過渡時以外のいかなる条件においても過膨張が生じないような位置に設けるものとする。
例えば、図８（ｃ）の状態を図９のＰＶ線図上のＨ点とし、そのときの容積をＶｄ´とし、膨張機がガス相あるいは超臨界相の単相域の高圧がＰｈ、低圧がＰｌのシステムで用いられる場合、想定される最小の圧力比を（Ｐｈ／Ｐｌ）ｍｉｎ、断熱指数をκとすると、次式を満たすように容積比（Ｖｄ´／Ｖｓ）を設定する。
【００３８】
【数４】
2005240561.tif 000006
【００３９】
また、単相域から二相域に膨張する場合には、作動流体の膨張前の比容積をνｈ、膨張後の気相と液相の平均の比容積をνｌとして、想定される最小の比容積の比を（νｌ／νｈ）ｍｉｎとすると、次式を満たすように容積比（Ｖｄ´／Ｖｓ）を設定する。
【００４０】
【数５】
2005240561.tif 000007
【００４１】
さらにシャフト３が回転すると、作動室１２の圧力は、図９に示すＰＶ線図上のＨ点の状態からさらに低下し、図９のＦ点となる。この後、従来の膨張機では過膨張していたのに対し、本実施例では、過膨張により作動室１２の圧力が吐出空間２０の圧力Ｐｌより低くなると同時に、連通孔３１の差圧弁３２が開き、吐出空間２０から作動室１２に圧力Ｐｌの作動流体が流入するために、作動室１２の圧力は吐出空間２０の圧力Ｐｌ以下には下がらない。すなわち、過膨張が生じない。
図８（ｃ）から吐出直前の容積Ｖｄになる図８（ｄ）までの変化を、図９のＰＶ線図に当てはめると、従来の膨張機では、過膨張が生じたために図９のＦＣをたどって変化して圧力がＰｄとなり、作動室１２が吐出孔２ｂと連通した瞬間に図９のＣＤをたどり圧力がＰｌに上昇する。
それに対し、本実施例では、連通孔３１と差圧弁３２との働きにより、図９のＦＤをたどって圧力Ｐｌで一定のまま容積Ｖｄに変化する。その後、シャフト３の回転とともに吐出行程がはじまり、作動流体は作動室１２から吐出孔２ｂを通して吐出空間２０に吐出される。図９のＤＥに相当する。
【００４２】
以上の動作、ＰＶ線図の説明から明らかなように、本実施例における膨張機が回収できる動力は、ＰＶ線図上のＡＢＦＥで囲まれる面積に相当し、従来の膨張機で発生していたＰＶ線図上のＦＣＤで囲まれる面積に相当する過膨張損失は発生しない。従って、膨張機の効率を向上させることができる。また、いかなる吐出空間２０の圧力Ｐｌの変化にも対応し、過膨張を防止し、常に高い効率を維持することもできる。
【００４３】
なお、本実施例の膨張機では、差圧弁３２を備えた連通孔３１を１箇所に設けているが、複数箇所に備える構成の膨張機でも良く、少なくとも１つの連通孔が（数４）あるいは（数５）を満たす範囲に設置されていれば、１箇所に設置された場合と同様の効果が得られることは言うまでも無い。
また、連通孔３１が１箇所の場合、作動室１２は三日月型の細長い形状をしていることや、連通孔３１の流路抵抗が原因で、連通孔３１から流入する作動流体が瞬時には作動室１２の全体に行き渡りにくく圧力損失が生じるため、過膨張損失を完全に無くすことは出来ないが、連通孔３１を複数箇所に設けることにより、すみやかに作動室１２の全体に作動流体を流入させることができるので、過膨張を防止して効率を向上させる効果がより顕著になる。
【実施例５】
【００４４】
本発明の第５の実施例における膨張機は、連通孔の位置を変えたことを除いて、第４の実施例と同様な構成である。同一機能部品については同一番号を使用し、同一の構成および作用の説明は省くことにする。
図１０は、本実施例における膨張機の横断面図である。また、図１１は、本実施例における膨張機の縦断面図であり、図１０のＹ−Ｙ断面に相当する。
本実施例の膨張機では、下軸受部材８に作動室１２と吐出空間２０とを結ぶ連通孔３３を設けている。即ち、連通孔３３の作動室１２への開孔部が、閉塞部材としての下軸受部材８に設けられた構成である。そして、この連通孔３３に弁部３４ａ、弁ばね３４ｂ及び弁ばね台座３４ｃからなる差圧弁３４を設けている。
本実施例では、連通孔３３の位置を変えたが、第４の実施例と同様の効果が得られることは言うまでも無い。それに加えて以下の効果を得ることができる。
【００４５】
即ち、第４の実施例のようにシリンダ２の壁面に連通孔３１を設ける場合は、シャフト３の回転に伴い、ローラ４とシリンダ２の線接触点であるシール部が連通孔３１にて重なると、連通孔３１が原因となりシール部により仕切られた作動室１２の間で、作動流体が漏れる。
それに対し、本実施例の膨張機では、一方の閉塞部材としての下軸受部材８に連通孔３３を設ける構成であるので、ローラ４とシリンダ２のシール部が重なることが無いので、作動流体の漏れを低減することができ、効率を向上させることができる。なお、他方の閉塞部材としての上軸受部材７に連通孔（図示せず）を設ける構成でも良く、同様の効果が得られる。
【実施例６】
【００４６】
本発明の第６の実施例における膨張機は、連通孔の位置を変えたことを除いて、第５の実施例と同様な構成である。同一機能部品については同一番号を使用し、同一の構成および作用の説明は省くことにする。
図１２は、本実施例における膨張機の横断面図である。
本実施例の膨張機では、連通孔３５を、シャフト３の中心軸から見て吸入孔７ｃと同じ角度方向位置に設けている。
本実施例では、連通孔３５の位置を変えたが、第５の実施例と同様の効果が得られることは言うまでも無い。それに加えて以下の効果を得ることができる。
【００４７】
即ち、従来の膨張機、あるいは、第１から第５の実施例の膨張機を、図１９（ｂ）に示すようなヒートポンプサイクルに用いる場合、停止時にはガスクーラ１４の圧力Ｐｈと蒸発器１６の圧力Ｐｌが均圧しており、起動直後はＰｈとＰｌの差圧が非常に小さい。従って、起動直後から定常運転に移行するまでの間は、ある膨張比までの過膨張が生じる。
従って、起動時の過膨張に要する負荷が大きくなり、トルク変動などにより膨張機がスムーズに動かず、このことがヒートポンプサイクルの起動を遅らせるという悪循環に陥る。
特に、図１９（ｂ）に示すような、圧縮機１３のシャフトと膨張機１８のシャフトが直結されたタイプのヒートポンプサイクルでは、膨張機１８の過膨張による負荷トルク変動が原因となり、圧縮機１３の起動にも悪影響を及ぼす。特にインバータによるセンサレス制御のブラシレスモータ１７を用いた圧縮機１３の場合、起動時のトルク変動による回転ムラにより脱調しやすくなる。
【００４８】
それに対し、本実施例の膨張機では、連通孔３５を、シャフト３の中心軸からみて吸入孔７ｃと同じ角度方向位置に設けたことにより、作動室１２が吸入行程を終了し、膨張行程に入った段階で連通孔３５と連通する。従って、起動時においても過膨張を生じない。
従って、過膨張によるトルク変動を生じず、ヒートポンプサイクルを効率良くスムーズに起動することが可能である。特に、圧縮機１３のシャフトが膨張機１８のシャフトと直結された構成のヒートポンプサイクルにおいて有効である。
【実施例７】
【００４９】
本発明の第７の実施例における膨張機は、シリンダに作動室と吐出空間を連通する連通孔を設け、この連通孔の内部に差圧弁を設けたことを除いて、第２の実施例と同様な構成である。同一機能部品については同一番号を使用し、同一の構成および作用の説明は省くことにする。
図１３は、本実施例における膨張機の横断面図である。また、図１４は、本実施例におけるロータリ膨張機の縦断面図であり、図１３のＹ−Ｙ断面に相当する。
本実施例の膨張機では、吐出孔８ｃにリード弁４１ａと弁止め４１ｂとからなる第一差圧弁４１を設け、シリンダ２に作動室１２と吐出空間２０を結ぶ連通孔４２を設け、この連通孔４２の内部に第二差圧弁４３を設けている。この第二差圧弁４３は、弁部４３ａと弁ばね４３ｂと弁ばね台座４３ｃとから構成されている。
【００５０】
本実施例の膨張機では、吐出孔８ｂと、吐出孔８ｂに設けられた第一差圧弁４１の構成は、第２の実施例と全く同様であるので、同様の効果が得られることは言うまでもなく、また、シリンダ２に設けた連通孔４２と連通孔４２に設けた第二差圧弁４３の構成は、第５の実施例と全く同様であるので、同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００５１】
更に、これらの構成を組み合わせた本実施例の膨張機によって、以下の効果が得られる。
図１５に第７の実施例における膨張機の作動室１２のＰＶ線図を示す。
連通孔４２と第二差圧弁４３を設けたことにより、図１５のＦ点に相当する作動室１２の圧力が吐出圧力Ｐｌと等しくなった次の瞬間に、吐出空間２０より作動室１２へ作動流体が流入し、作動室１２の圧力を吐出空間２０の圧力Ｐｌと等しく保とうとする。
しかし、実際には、連通孔４２における圧力損失や、作動室１２の形状が細長いことにより、流入した作動流体が作動室１２の全体に行き渡らず、作動室１２の圧力は吐出空間２０の圧力Ｐｌよりも若干低下する。
即ち、膨張行程が終了した時点での低下した圧力をΔＰとすると、膨張行程の終了点は図１５のＩ点になる。このΔＰは作動室１２の容積が大きい程、また、膨張機の回転数が高い程、より顕著になる。従って、吐出孔８ｃに第一差圧弁４１を設けていない場合には、作動室１２と吐出孔８ｃが連通した瞬間に、作動室１２の圧力が吐出空間２０の圧力ＰＩまで上昇するので、図１５のＰＶ線図上のＦＩＤで囲まれる面積の過膨張損失が発生する。
それに対し、本実施例の膨張機では、吐出孔８ｂに第一差圧弁４１を設けているので、図１５のＩＪに相当する再圧縮が行われる。従って、本実施例の膨張機では、ＦＩＪが過圧縮損失となり、第一差圧弁４１を設けていない構成の場合よりも、過圧縮損失がＩＤＪで囲まれる面積の分だけ減少する。従って、第５の実施例の場合と比べてさらに効率を向上させることができる。
【００５２】
なお、以上述べてきた第１から第７の実施例の膨張機によって、以下の効果が得られる。
従来の膨張機では、作動流体が液相あるいは超臨界相から気液二相に膨張する場合、膨張機出口の作動流体の密度は乾き度により大きく変化するため、膨張機の圧力比は容積比が一定でも乾き度により敏感に変化するので、過膨張損失や不完全膨張損失が特に発生しやすくなる。
それに対して、第１から第７の実施例における膨張機によれば、過膨張損失や不完全膨張損失が防止されるので、液相あるいは超臨界相から気液二相に膨張する作動流体を用いることが可能となり、膨張機の高効率化の効果がより顕著になる。
【００５３】
また、従来の膨張機に二酸化炭素を主成分とする作動流体を用いる場合、作動圧力が高く圧力差が大きいので、膨張機の組み込まれたヒートポンプサイクルの膨張比が僅かに変化した場合でも、大きな過膨張や不完全膨張が発生することになる。
それに対して、第１から第７の実施例における膨張機によれば、不完全膨張や過膨張が防止されるので、二酸化炭素を主成分とする作動流体を膨張する膨張機の組み込まれたヒートポンプに利用することが可能となり、ヒートポンプの高効率化の効果がより顕著になる。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明の膨張機は、圧縮性ガスから回転動力を得る原動機や発電機として利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の第１の実施例における膨張機の縦断面図
【図２】本発明の第１の実施例における膨張機の横断面図
【図３】本発明の第１の実施例における膨張機の作動室のＰＶ線図
【図４】本発明の第２の実施例における膨張機の横断面図
【図５】本発明の第２の実施例における膨張機の縦断面図
【図６】本発明の第３の実施例における膨張機の縦断面図
【図７】本発明の第４の実施例における膨張機の横断面図
【図８】本発明の第４の実施例における膨張機の作動室の動作図
【図９】本発明の第４の実施例における膨張機の作動室のＰＶ線図
【図１０】本発明の第５の実施例における膨張機の横断面図
【図１１】本発明の第５の実施例における膨張機の縦断面図
【図１２】本発明の第６の実施例における膨張機の横断面図
【図１３】本発明の第７の実施例における膨張機の横断面図
【図１４】本発明の第７の実施例における膨張機の縦断面図
【図１５】本発明の第７の実施例における膨張機の作動室のＰＶ線図
【図１６】従来の膨張機の縦断面図
【図１７】従来の膨張機の横断面図
【図１８】従来の膨張機の作動室の動作図
【図１９】従来のヒートポンプサイクルの概念図
【図２０】従来の膨張機のＰＶ線図
【符号の説明】
【００５６】
１    密閉容器
２    シリンダ
２ａ  ベーン溝
２ｂ，８ａ，８ｂ，８ｃ  吐出孔
２ｃ  切欠き部
３    シャフト
３ａ  偏心部
３ｂ  軸方向流路
３ｃ  径方向流路
４    ローラ
５    ベーン
６    ベーンばね
７    上軸受部材
７ａ  吸入空間
７ｂ  吸入経路
７ｃ  吸入孔
８    下軸受部材
９    吸入管
１０    吐出管
１１    メカニカルシール
１２    作動室
１３    圧縮機
１４    ガスクーラ
１５    膨張弁
１６    蒸発器
１７    駆動要素
１８    膨張機
２０    吐出空間
２１，２２，２３，３２，３４  差圧弁
４１    第一差圧弁
４３    第二差圧弁
３１，３３，３５，４２  連通孔
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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