(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
上軸受部材と、
下軸受部材と、
前記上軸受部材で上端面を閉塞されるとともに前記下軸受部材で下端面を閉塞されることにより、円筒形状の作動室を内部に形成するシリンダと、
前記上軸受部材と前記下軸受部材とで支持されるとともに、前記シリンダを貫くシャフトと、
前記シャフトの中心軸に対して偏心して設けられた、外周面が円筒形状である偏心部と、
前記作動室に収容され、かつ前記偏心部の外周面に嵌合して、前記作動室を外側作動室と内側作動室とに区画する環状のピストンと、
前記外側作動室を高圧側と低圧側に区画する外側ベーンと、
前記内側作動室を高圧側と低圧側に区画する内側ベーンと、
を備え、
前記上軸受部材の下面および前記下軸受部材の上面には、環状の凸部をそれぞれ設け、前記凸部には前記内側ベーンを格納する内側ベーン溝が設けられており、
前記外側作動室では、前記ピストンの偏心回転に伴って吸入冷媒が圧縮され、前記内側作動室では、前記ピストンの偏心回転に伴って吸入冷媒が膨張する、流体機械。
【請求項２】
前記内側作動室を上下に区画する前記偏心部の軸方向の高さは、前記ピストンの軸方向の高さよりも低く、かつ、前記偏心部の高さ１／２における水平面の位置は、前記ピストンの軸方向の高さ１／２における水平面の位置と一致する、請求項１に記載の流体機械。
【請求項３】
前記偏心部には、前記偏心部の回転に伴い所定の期間のみ内側ベーン溝に給油する給油溝を設けることを特徴とする、請求項１に記載の流体機械。
【請求項４】
上軸受部材と、
下軸受部材と、
前記上軸受部材で上端面を閉塞されるとともに前記下軸受部材で下端面を閉塞されることにより、円筒形状の作動室を内部に形成するシリンダと、
前記上軸受部材と前記下軸受部材とで支持されるとともに、前記シリンダを貫くシャフトと、
前記シャフトの中心軸に対して偏心して設けられた、外周面が円筒形状である偏心部と、
前記作動室に収容され、かつ前記偏心部の外周面に嵌合して、前記作動室を外側作動室と内側作動室とに区画する環状のピストンと、
前記外側作動室を高圧側と低圧側に区画する外側ベーンと、
前記内側作動室を高圧側と低圧側に区画する内側ベーンと、
を備え、
前記内側作動室の吸入ポートは前記上軸受部材に設けられ、前記吸入ポートのシャフト側の縁は、前記偏心部の偏心方向が前記外側ベーンと反対側に達した瞬間に、前記ピストンの内周円と一致する仮想円上に設けられるか、あるいは前記仮想円よりも外側の位置に設けられており、
前記外側作動室では、前記ピストンの偏心回転に伴って吸入冷媒が圧縮され、前記内側作動室では、前記ピストンの偏心回転に伴って吸入冷媒が膨張する、流体機械。
【請求項５】
上軸受部材と、
下軸受部材と、
前記上軸受部材で上端面を閉塞されるとともに前記下軸受部材で下端面を閉塞されることにより、円筒形状の作動室を内部に形成するシリンダと、
前記上軸受部材と前記下軸受部材とで支持されるとともに、前記シリンダを貫くシャフトと、
前記シャフトの中心軸に対して偏心して設けられた、外周面が円筒形状である偏心部と、
前記作動室に収容され、かつ前記偏心部の外周面に嵌合して、前記作動室を外側作動室と内側作動室とに区画する環状のピストンと、
前記外側作動室を高圧側と低圧側に区画する外側ベーンと、
前記内側作動室を高圧側と低圧側に区画する内側ベーンと、
を備え、
前記内側作動室の吐出ポートは前記上軸受部材に設けられ、前記吐出ポートのシャフト側の縁は、前記偏心部の偏心方向が前記外側ベーンと反対側に達した瞬間に、前記ピストン内周円と一致する仮想円上に設けられるか、あるいは前記仮想円よりも外側の位置に設けられており、
前記外側作動室では、前記ピストンの偏心回転に伴って吸入冷媒が圧縮され、前記内側作動室では、前記ピストンの偏心回転に伴って吸入冷媒が膨張する、流体機械。
【請求項６】
冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記シャフトを駆動する電動機と、
前記圧縮機で圧縮された冷媒を放熱させる放熱器と、
前記放熱器で放熱した冷媒を膨張させる膨張機と、
前記膨張機で膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器と、を備え、
前記圧縮機および前記膨張機が、請求項１ないし５のいずれかに記載の流体機械からなる冷凍サイクル装置。
【請求項７】
冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機で圧縮された冷媒をさらに圧縮する主圧縮機と、
前記主圧縮機で圧縮された冷媒を放熱させる放熱器と、
前記放熱器で放熱した冷媒を膨張させる膨張機と、
前記膨張機で膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器と、を備え、
前記圧縮機および前記膨張機が、請求項１ないし５のいずれかに記載の流体機械からなる冷凍サイクル装置。
【請求項８】
冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機で圧縮された冷媒をさらに圧縮する主圧縮機と、
前記主圧縮機で圧縮された冷媒を放熱させる放熱器と、
前記放熱器で放熱した冷媒を膨張させる膨張機と、
前記膨張機で膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器と、を備え、
前記主圧縮機および前記膨張機が、請求項１ないし５のいずれかに記載の流体機械からなる冷凍サイクル装置。
【請求項９】
前記冷媒に二酸化炭素を用いることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の流体機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体機械および冷凍サイクル装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
膨張機で回収した冷媒の膨張エネルギーを、圧縮機で冷媒を圧縮する仕事の一部として利用する動力回収式の冷凍サイクル装置において、圧縮機と膨張機とを一体化した流体機械を用いたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図９は、従来の流体機械３０の構成を示す縦断面図である。図９に示すように、従来の流体機械３０は、密閉容器３１の内部に２ピストンロータリ式の圧縮機５０、電動機４５、２段ロータリ式の膨張機６０が順に配置され、シャフト４０により連結されている。シャフト４０は、圧縮機軸受５７、膨張機主軸受６１、および膨張機副軸受６２により軸支されている。
【０００４】
冷凍サイクル装置において、冷媒は、圧縮機５０で圧縮され、高温高圧となって吐出される。高温高圧となった冷媒は、冷凍サイクル装置内の放熱器に吸入されて放熱し、比較的低温となって吐出される。高圧のまま比較的低温となった冷媒は、膨張機６０に吸入されて膨張し、低温低圧となって吐出される。低温低圧となった冷媒は、冷凍サイクル装置内の蒸発器に吸入されて吸熱し、比較的高温となって吐出される。低圧のまま比較的高温となった冷媒は、再び圧縮機５０に吸入されて圧縮される。このようにして、冷媒は冷凍サイクル装置内を循環する。
【０００５】
上記冷媒の循環において、膨張機６０では、冷媒の膨張エネルギーが回収され、圧縮機５０を駆動するためのエネルギーに変換される。したがって、回収された膨張エネルギーが電動機４５をアシストするため、冷凍サイクル装置の運転効率を向上させることができる。
【特許文献１】特開２００５−１０６０４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の流体機械３０の内部では、圧縮機５０と膨張機６０とが、それぞれ別個に異なる平面上に配置されているため、全体構成が大型化し、部品点数が多いという問題があった。また、圧縮機軸受５７、膨張機主軸受６１、膨張機副軸受６２は、圧縮機５０と膨張機６０の動作安定性の確保や組立ての容易化のために設置されているが、各軸受において大きな摺動損失が発生し、冷凍サイクル装置の効率が高められないという問題があった。さらに、圧縮機５０のシャフトと膨張機６０のシャフトとを連結する結合部材に対する信頼性にも問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決するために、本発明の流体機械は、上軸受部材と、下軸受部材と、前記上軸受部材で上端面を閉塞されるとともに前記下軸受部材で下端面を閉塞されることにより、円筒形状の作動室を内部に形成するシリンダと、前記上軸受部材と前記下軸受部材とで支持されるとともに、前記シリンダを貫くシャフトと、前記シャフトの中心軸に対して偏心して設けられた、外周面が円筒形状である偏心部と、前記作動室に収容され、かつ前記偏心部の外周面に嵌合して、前記作動室を外側作動室と内側作動室とに区画する環状のピストンと、前記外側作動室を高圧側と低圧側に区画する外側ベーンと、前記内側作動室を高圧側と低圧側に区画する内側ベーンと、を備え、前記上軸受部材の下面および前記下軸受部材の上面には、環状の凸部をそれぞれ設け、前記凸部には前記内側ベーンを格納する内側ベーン溝が設けられており、前記外側作動室では、前記ピストンの偏心回転に伴って吸入冷媒が圧縮され、前記内側作動室では、前記ピストンの偏心回転に伴って吸入冷媒が膨張する構成である。
あるいは、本発明の流体機械は、上軸受部材と、下軸受部材と、前記上軸受部材で上端面を閉塞されるとともに前記下軸受部材で下端面を閉塞されることにより、円筒形状の作動室を内部に形成するシリンダと、前記上軸受部材と前記下軸受部材とで支持されるとともに、前記シリンダを貫くシャフトと、前記シャフトの中心軸に対して偏心して設けられた、外周面が円筒形状である偏心部と、前記作動室に収容され、かつ前記偏心部の外周面に嵌合して、前記作動室を外側作動室と内側作動室とに区画する環状のピストンと、前記外側作動室を高圧側と低圧側に区画する外側ベーンと、前記内側作動室を高圧側と低圧側に区画する内側ベーンと、を備え、前記内側作動室の吸入ポートは前記上軸受部材に設けられ、前記吸入ポートのシャフト側の縁は、前記偏心部の偏心方向が前記外側ベーンと反対側に達した瞬間に、前記ピストンの内周円と一致する仮想円上に設けられるか、あるいは前記仮想円よりも外側の位置に設けられており、前記外側作動室では、前記ピストンの偏心回転に伴って吸入冷媒が圧縮され、前記内側作動室では、前記ピストンの偏心回転に伴って吸入冷媒が膨張する構成である。
あるいは、本発明の流体機械は、上軸受部材と、下軸受部材と、前記上軸受部材で上端面を閉塞されるとともに前記下軸受部材で下端面を閉塞されることにより、円筒形状の作動室を内部に形成するシリンダと、前記上軸受部材と前記下軸受部材とで支持されるとともに、前記シリンダを貫くシャフトと、前記シャフトの中心軸に対して偏心して設けられた、外周面が円筒形状である偏心部と、前記作動室に収容され、かつ前記偏心部の外周面に嵌合して、前記作動室を外側作動室と内側作動室とに区画する環状のピストンと、前記外側作動室を高圧側と低圧側に区画する外側ベーンと、前記内側作動室を高圧側と低圧側に区画する内側ベーンと、を備え、前記内側作動室の吐出ポートは前記上軸受部材に設けられ、前記吐出ポートのシャフト側の縁は、前記偏心部の偏心方向が前記外側ベーンと反対側に達した瞬間に、前記ピストン内周円と一致する仮想円上に設けられるか、あるいは前記仮想円よりも外側の位置に設けられており、前記外側作動室では、前記ピストンの偏心回転に伴って吸入冷媒が圧縮され、前記内側作動室では、前記ピストンの偏心回転に伴って吸入冷媒が膨張する構成である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、シリンダの内周面とピストンの外周面との間に形成される作動室で冷媒を圧縮し、ピストンの内周面と上軸受部材または下軸受部材から突起した凸部の外周面との間に形成される作動室で冷媒を膨張させる構成とするため、圧縮機と膨張機とを１つの構成として、流体機械内の同一平面上に配置することができる。これにより、簡潔な構成で、膨張機の膨張エネルギーが、圧縮機の駆動エネルギーとして、電動機をアシストすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における流体機械１００の構成を示す縦断面図である。図２は、図１のＺ−Ｚ線における圧縮膨張機構１２０の横断面図である。
【００１０】
図１、図２に示すように、本実施の形態１における流体機械１００は、密閉容器１０１の内部に、電動機１０２および圧縮膨張機構１２０を備え、シャフト１０３により連結されている。なお、シャフト１０３は、電動機１０２と圧縮膨張機構１２０とに共用されている。
【００１１】
また、密閉容器１０１には、膨張機吸入管１１３、圧縮機吸入管１１４、膨張機吐出管１２２（図示せず）、圧縮機吐出管１１９（図示せず）が貫通して設けられている。
【００１２】
電動機１０２は、ステータ１０２ａとロータ１０２ｂとにより構成されている。ステータ１０２ａは密閉容器１０１に固定され、ロータ１０２ｂはシャフト１０３に固定されている。
【００１３】
圧縮膨張機構１２０は、上軸受部材１０４、シリンダ１０５、下軸受部材１０６、ピストン１０７、外側ベーン１０８、外側ベーン用バネ１０９、第１内側ベーン１１０、第２内側ベーン１１１、第１内側ベーン用バネ１１２、第２内側ベーン用バネ１１８、およびシャフト１０３により構成されており、後述するように、圧縮機と膨張機とが一体化した機構である。
【００１４】
シャフト１０３は、シリンダ１０５を貫通し、上軸受部材１０４および下軸受部材１０６によって回転可能に支持されている。シャフト１０３には、中心軸に対して垂直方向に突出する形で、外周面が円筒形状の偏心部１０３ａが設けられている。偏心部１０３ａの外周面には、環状のピストン１０７が嵌合している。
【００１５】
偏心部１０３ａの軸方向の高さは、ピストン１０７の軸方向の高さよりも低い。偏心部１０３ａの軸方向の高さ１／２における水平面の位置は、ピストン１０７の軸方向の高さ１／２における水平面の位置と一致する。言い換えれば、ピストン１０７の上端面から偏心部１０３ａの上端面までの軸方向の長さと、ピストン１０７の下端面から偏心部１０３ａの下端面までの軸方向の長さとが一致するように、偏心部１０３ａの軸方向の位置を設定する。これにより、圧縮膨張機構１２０内の圧縮機側と膨張機側の冷媒の圧力を、シャフト１０３に対して同一点で作用させることができ、シャフト１０３の振動を抑えることができる。
【００１６】
ピストン１０７は、シリンダ１０５の円筒形状の内部空間に収容されている。シリンダ１０５には、外側ベーン溝１０５ａが形成されている。外側ベーン溝１０５ａには、外側ベーン１０８がスライド可能、言い換えれば、長手方向に進退可能に装着されている。外側ベーン１０８の背面には、外側ベーン用バネ１０９が配置されている。これにより、外側ベーン１０８の先端は、ピストン１０７の外周面に押し付けられる。
【００１７】
上軸受部材１０４の下面には、環状の凸部１０４ａが形成されている。凸部１０４ａには、ピストン１０７を介して外側ベーン溝１０５ａと対向する位置に、第１内側ベーン溝１０４ｂが形成されている。第１内側ベーン溝１０４ｂには、第１内側ベーン１１０がスライド可能、言い換えれば、長手方向に進退可能に装着されている。第１内側ベーン１１０の背面には、第１内側ベーン用バネ１１２が配置されている。これにより、第１内側ベーン１１０の先端は、ピストン１０７の内周面に押し付けられる。
【００１８】
また同様に、下軸受部材１０６の上面には、凸部１０４ａと同じ径の環状の凸部１０６ａが形成されている。図示していないが、凸部１０６ａには、ピストン１０７を介して外側ベーン溝１０５ａと対向する位置、かつ、偏心部１０３ａを介して第１内側ベーン溝１０４ｂと対向する位置に、第２内側ベーン溝１０６ｂが形成されている。第２内側ベーン溝１０６ｂには、第２内側ベーン１１１がスライド可能、言い換えれば、長手方向に進退可能に装着されている。第２内側ベーン１１１の背面には、第２内側ベーン用バネ１１８が配置されている。これにより、第２内側ベーン１１１の先端は、ピストン１０７の内周面に押し付けられる。
【００１９】
シリンダ１０５、ピストン１０７、上軸受部材１０４、および下軸受部材１０６により、外側作動室、すなわち、冷媒を圧縮するための圧縮機作動室が形成される。圧縮機作動室は、外側ベーン１０８により、圧縮機吸入側作動室１１５ａと、圧縮機吐出側作動室１１５ｂとに区画される。
【００２０】
圧縮機吸入側作動室１１５ａは、シリンダ１０５に形成されている圧縮機吸入ポート１０５ｂを介して、圧縮機吸入管１１４と連通している。また、圧縮機吐出側作動室１１５ｂは、シリンダ１０５に形成されている圧縮機吐出ポート１０５ｃを介して、圧縮機吐出管１１９（図示せず）と連通している。
【００２１】
圧縮機吐出ポート１０５ｃには、圧縮機吐出側作動室１１５ｂの圧力が圧縮機吐出管１１９の圧力よりも高くなった場合に開く吐出バルブ（図示せず）が設置されている。なお、圧縮機吸入ポート１０５ｂおよび圧縮機吐出ポート１０５ｃは、上軸受部材１０４もしくは下軸受部材１０６に形成されてもよい。
【００２２】
ピストン１０７、偏心部１０３ａ、上軸受部材１０４、および上軸受部材１０４の凸部１０４ａにより、第１内側作動室、すなわち、冷媒が膨張するための第１膨張機作動室が形成される。第１膨張機作動室は、第１内側ベーン１１０により、第１膨張機吸入側作動室１１６ａと、第１膨張機吐出側作動室１１６ｂとに区画される。
【００２３】
また、ピストン１０７、偏心部１０３ａ、下軸受部材１０６、および下軸受部材１０６の凸部１０６ａにより、第２内側作動室、すなわち、冷媒が膨張するための第２膨張機作動室が形成される。第２膨張機作動室は、第２内側ベーン１１１により、第２膨張機吸入側作動室１１７ａ（図示せず）と、第２膨張機吐出側作動室１１７ｂ（図示せず）とに区画される。
【００２４】
第１膨張機吸入側作動室１１６ａは、上軸受部材１０４に形成されている第１膨張機吸入ポート１０４ｃを介して、膨張機吸入管１１３と連通している。また、第１膨張機吐出側作動室１１６ｂは、上軸受部材１０４に形成されている第１膨張機吐出ポート１０４ｄを介して、膨張機吐出管１２２（図示せず）と連通している。
【００２５】
また同様に、第２膨張機吸入側作動室１１７ａは、下軸受部材１０６に形成されている第２膨張機吸入ポート１０６ｃ（図示せず）を介して、膨張機吸入管１１３と連通している。また、第２膨張機吐出側作動室１１７ｂは、下軸受部材１０６に形成されている第２膨張機吐出ポート１０６ｄ（図示せず）を介して、膨張機吐出管１２２（図示せず）と連通している。
【００２６】
なお、第１膨張機吸入ポート１０４ｃと第２膨張機吸入ポート１０６ｃ、および、第１膨張機吐出ポート１０４ｄと第２膨張機吐出ポート１０６ｄとは、同一形状であり、軸方向に対して上下同一位置に配置されている。
【００２７】
図３は、本発明の実施の形態１の圧縮膨張機構１２０において、ピストン１０７が下死点に達した瞬間の、ピストン１０７と第１膨張機吸入ポート１０４ｃおよび第１膨張機吐出ポート１０４ｄとの位置関係を示した図である。以下、第１膨張機吸入ポート１０４ｃおよび第１膨張機吐出ポート１０４ｄの位置決めについて説明する。第２膨張機吸入ポート１０６ｃおよび第２膨張機吐出ポート１０６ｄの位置決めについては、第１膨張機吸入ポート１０４ｃおよび第１膨張機吐出ポート１０４ｄと同じため、省略する。
【００２８】
図３に示すように、第１膨張機吸入ポート１０４ｃのシャフト１０３側の縁ａ−ｂ、および第１膨張機吐出ポート１０４ｄのシャフト１０３側の縁ｃ−ｄの位置は、ピストン１０７が下死点に達した状態を元にして決める。
【００２９】
ピストン１０７が下死点に達した瞬間において、第１膨張機吸入ポート１０４ｃから吸入された高圧の冷媒が、第１膨張機吐出ポート１０４ｄにそのまま吐出しないことが望まれる。すなわち、本実施の形態１の圧縮膨張機構１２０では、第１膨張機吸入ポート１０４ｃと、第１膨張機吸入側作動室１１６ａあるいは第１膨張機吐出側作動室１１６ｂと、第１膨張機吐出ポート１０４ｄとが同時に連通しないように、縁ａ−ｂおよび縁ｃ−ｄの位置を設定する。具体的には、縁ａ−ｂおよび縁ｃ−ｄの位置を、ピストン１０７が下死点に達した瞬間にピストン１０７の内周円と一致する仮想円１２１の円弧Ａ−Ｂおよび円弧Ｃ−Ｄ上に設定する、あるいは、仮想円１２１よりも外側の位置に設定する。
【００３０】
図４は、本発明の実施の形態１における流体機械１００を適用した冷凍サイクルの概要図である。図４において、１５０は放熱器であって、例えば、凝縮器もしくはガスクーラである。放熱器１５０では、圧縮膨張機構１２０内の圧縮機で圧縮された高温高圧の冷媒が、熱を放出する。１６０は蒸発器である。蒸発器１６０では、圧縮膨張機構１２０内の膨張機で膨張した低温低圧の冷媒が、周囲より熱を吸収する。
【００３１】
図５は、本発明の実施の形態１における圧縮膨張機構１２０の動作説明図である。図５（Ａ）は、ピストン１０７が０°または３６０°回転して上死点に達した状態、図５（Ｂ）は、ピストン１０７が９０°回転した状態、図５（Ｃ）は、ピストン１０７が１８０°回転して下死点に達した状態、図５（Ｄ）は、ピストン１０７が２７０°回転した状態である。
【００３２】
図５に示すように、本実施の形態１の流体機械１００のシャフト１０３が回転すると、偏心部１０３ａの偏心回転に伴って、ピストン１０７がシリンダ１０５内で偏心運動する。これにより、圧縮膨張機構１２０の内部状態は、図５（Ａ）から順に、図５（Ｂ）、図５（Ｃ）、図５（Ｄ）へと変化する。
【００３３】
圧縮膨張機構１２０の圧縮機における圧縮機吸入側作動室１１５ａと圧縮機吐出側作動室１１５ｂの容積変化は、一般的なロータリ圧縮機の容積変化と同様である。以下、圧縮機吸入側作動室１１５ａと圧縮機吐出側作動室１１５ｂの容積変化および圧縮過程について説明する。
【００３４】
図５（Ａ）において、圧縮機吸入側作動室１１５ａの容積はゼロ、圧縮機吐出側作動室１１５ｂの容積は最大である。
【００３５】
図５（Ｂ）では、圧縮機吸入側作動室１１５ａの容積が徐々に増加して、圧縮機吸入ポート１０５ｂから冷媒が吸入される。その一方で、圧縮機吐出側作動室１１５ｂの容積は徐々に減少して、冷媒が圧縮される。
【００３６】
図５（Ｃ）、図５（Ｄ）では、圧縮機吸入側作動室１１５ａの容積が更に増加して、引き続き、圧縮機吸入ポート１０５ｂから冷媒が吸入される。その一方で、圧縮機吐出側作動室１１５ｂの容積は更に減少して、引き続き、冷媒が圧縮される。このようにして、圧縮機吐出側作動室１１５ｂ内の冷媒の圧力は徐々に高められるのだが、圧縮機吐出側作動室１１５ｂの冷媒の圧力が圧縮機吐出管１１９の圧力よりも高くなったとき、圧縮機吐出ポート１０５ｃに設置された吐出バルブ（図示せず）が開き、圧縮機吐出側作動室１１５ｂの冷媒が圧縮機吐出管１１９に吐出される。
【００３７】
再び図５（Ａ）に戻ると、圧縮機吸入側作動室１１５ａの容積が最大、圧縮機吐出側作動室１１５ｂの容積がゼロとなると同時に、圧縮機吸入側作動室１１５ａは圧縮機吐出側作動室１１５ｂへと移行する。このようにして、上記容積変化および圧縮過程が繰り返される。
【００３８】
上記圧縮過程を経て、圧縮膨張機構１２０の圧縮機吐出ポート１０５ｃから吐出された高温高圧の冷媒は、図４に示す放熱器１５０に吸入されて、ほぼ一定の圧力のままで放熱し、比較的低温の状態となる。放熱器１５０から吐出された冷媒は、再び流体機械１００に戻り、膨張機吸入管１１３を経て、第１膨張機吸入ポート１０４ｃおよび第２膨張機吸入ポート１０６ｃに至る。第１膨張機吸入ポート１０４ｃから第１膨張機吸入側作動室１１６ａ、および、第２膨張機吸入ポート１０６ｃから第２膨張機吸入側作動室１１７ａに吸入された冷媒は、シャフト１０３の回転によって図５（Ａ）から図５（Ｄ）へと順に変化する過程で膨張する。このとき発生する膨張エネルギーが、シャフト１０３を回転方向に回すトルクに変換される。
【００３９】
以下、圧縮膨張機構１２０の膨張機における第１膨張機吸入側作動室１１６ａおよび第１膨張機吐出側作動室１１６ｂでの冷媒の膨張過程について説明する。第２膨張機吸入側作動室１１７ａおよび第２膨張機吐出側作動室１１７ｂでの冷媒の膨張過程は、第１膨張機吸入側作動室１１６ａおよび第１膨張機吐出側作動室１１６ｂと同じため、省略する。
【００４０】
図５（Ａ）において、第１膨張機吸入側作動室１１６ａには、第１膨張機吸入ポート１０４ｃから冷媒が吸入される。その一方で、第１膨張機吐出側作動室１１６ｂからは、冷媒が第１膨張機吐出ポート１０４ｄを介して吐出される。第１膨張機吸入側作動室１１６ａの圧力は吸入圧力であって高く、第１膨張機吐出側作動室１１６ｂの圧力は吐出圧力であって低い。すなわち、ピストン１０７の内周円の第１膨張機吸入側作動室１１６ａ側に作用する圧力は高く、ピストン１０７の内周円の第１膨張機吐出側作動室１１６ｂ側に作用する圧力は低い。この圧力差により発生する膨張エネルギーが、ピストン１０７をシャフト１０３の回転方向に回すトルクに変換される。
【００４１】
図５（Ｂ）において、引き続き、第１膨張機吸入側作動室１１６ａには、第１膨張機吸入ポート１０４ｃから冷媒が吸入され、第１膨張機吐出側作動室１１６ｂからは、冷媒が第１膨張機吐出ポート１０４ｄを介して吐出される。第１膨張機吸入ポート１０４ｃおよび第１膨張機吐出ポート１０４ｄは、ピストン１０７の上端面により徐々に閉塞される。
【００４２】
図５（Ｃ）において、第１膨張機吸入ポート１０４ｃと第１膨張機吐出ポート１０４ｄとが、ピストン１０７の上端面により完全に閉塞された状態になる。これは、先述したように、第１膨張機吸入ポート１０４ｃのシャフト１０３側の縁ａ−ｂと、第１膨張機吐出ポート１０４ｄのシャフト１０３側の縁ｃ−ｄとが、図５（Ｃ）となった瞬間に、ピストン１０７の内周円上、あるいはピストン１０７の内周円よりも外側に位置するためである。この時点で、第１膨張機作動室のほぼ全体に、高圧の冷媒が充填された状態となる。したがって、ピストン１０７の内周円には、ほぼ一様に同じ吸入圧力が作用するため、膨張エネルギーがほとんど発生せず、ピストン１０７をシャフト１０３の回転方向に回すトルクは、ほぼゼロとなる。
【００４３】
図５（Ｄ）において、第１膨張機吸入ポート１０４ｃと第１膨張機吐出ポート１０４ｄとが、ピストン１０７の回転に伴って徐々に開かれる。
【００４４】
第１膨張機吐出ポート１０４ｄから膨張機吐出管１２２（図示せず）、そして蒸発器１６０に至るまでの冷媒の状態は、蒸発器１６０の周囲環境に依存し、一般的に低温低圧である。したがって、第１膨張機吐出側作動室１１６ｂに充填された高圧の冷媒は、第１膨張機吐出ポート１０４ｄが開いた瞬間、一気に自由膨張をし、その圧力を下げる。こうして急激に圧力を下げた冷媒は、シャフト１０３の回転にしたがって徐々に吐出される一方、第１膨張機吸入側作動室１１６ａには、再び開いた第１膨張機吸入ポート１０４ｃから新たな高圧の冷媒が吸入される。
【００４５】
次に、偏心部１０３ａの高さの決定方法について説明する。偏心部１０３ａの高さは、冷凍サイクルの制約にしたがって決めることができる。冷凍サイクルの制約は冷媒ごとに変わるのだが、本実施の形態１では、冷媒を二酸化炭素として説明する。
【００４６】
図６は、本実施の形態１の流体機械１００を適用した冷凍サイクルにおける、冷媒として二酸化炭素を用いた時の状態変化を示すモリエル線図である。図６において、１は圧縮機への吸入開始時、２は圧縮機からの吐出開始時、３は膨張機への吸入開始時、４は膨張機からの吐出開始時の、冷媒（二酸化炭素）の状態を表す。
【００４７】
圧縮機への吸入開始時１と膨張機への吸入開始時３に注目すると、冷媒（二酸化炭素）の密度はかなり異なっている。例えば、圧縮機への吸入開始時１の状態を圧力４ＭＰａ、温度２０℃と設定し、膨張機への吸入開始時３の状態を圧力１０ＭＰａ、温度２０℃と設定すると、冷媒（二酸化炭素）の密度は、それぞれ９７．５ｋｇ／ｍ３、８５６ｋｇ／ｍ３となり、密度比は約８．８倍にもなる。
【００４８】
本実施の形態１の流体機械１００の圧縮膨張機構１２０における圧縮機と膨張機のピストン１０７は同じ回転数で回転すること、および、冷凍サイクルを流れる冷媒の質量はどの点でも同じであることを考慮して、圧縮機と膨張機での冷媒の吸入完了時の作動室の容積（吸入容積）をそれぞれＶｃ、Ｖｅとすると、上記条件における冷媒の吸入完了時の各作動室の容積関係は（数１）となる。
【００４９】
（数１）  Ｖｃ＝８．８×Ｖｅ
すなわち、膨張機の作動室の容積は、圧縮機の作動室の容積のおよそ１／９で良い。また、圧縮機と膨張機での冷媒の吸入完了時の作動室の面積をそれぞれＳｃ、Ｓｅとし、圧縮機と膨張機の作動室の高さをそれぞれＨｃ、Ｈｅとすると、ＶｃとＶｅは、（数２）、（数３）のように表すこともできる。
【００５０】
（数２）  Ｖｃ＝Ｓｃ×Ｈｃ
（数３）  Ｖｅ＝Ｓｅ×Ｈｅ
上記数式を（数１）に代入して整理すると、（数４）となる。
【００５１】
（数４）  Ｈｅ＝１／８．８×Ｓｃ／Ｓｅ×Ｈｃ
本実施の形態１では、圧縮機の作動室が膨張機の作動室よりも外側にあるため、冷媒の吸入完了時の各作動室の面積関係はＳｃ＞Ｓｅとなるが、図２に示す大きさで設計すると、面積比Ｓｃ／Ｓｅは約１．６となる。したがって、概算式は（数５）となる。
【００５２】
（数５）  Ｈｅ≒１／８．８×１．６×Ｈｃ≒０．１８×Ｈｃ
したがって、偏心部１０３ａの高さは、０．８２Ｈｃとすれば良い。
【００５３】
以上から明らかなように、本実施の形態１の流体機械１００では、シリンダ１０５の内周円と、ピストン１０７の外周円と、上軸受部材１０４と、下軸受部材１０６とで形成される空間で冷媒を圧縮し、ピストン１０７の内周円と、偏心部１０３ａの上端面と、上軸受部材１０４と、上軸受部材１０４の凸部１０４ａとで形成される空間、および、ピストン１０７の内周円と、偏心部１０３ａの下端面と、下軸受部材１０６と、下軸受部材１０６の凸部１０６ａとで形成される空間で冷媒を膨張させる構成とすることにより、圧縮機と膨張機とを同一平面上に配置することができ、膨張機の膨張エネルギーが、圧縮機の駆動エネルギーとして電動機１０２をアシストするという構成を簡略化することができる。
【００５４】
また、偏心部１０３ａの高さを適切に設定することによって、本実施の形態１の流体機械１００を適用した冷凍サイクルの制約を回避することができる。
【００５５】
（実施の形態２）
図７は、本発明の実施の形態２である流体機械２００の構成を示す縦断面図である。流体機械２００は、密閉容器２０１、電動機２０２、主圧縮機２１０、圧縮膨張機構１２０、および連結管２２２を備えている。本実施の形態２では、実施の形態１の圧縮膨張機構１２０のみを取り出して、一般的に利用されている圧縮機の密閉容器内の下側に収納した構成となっている。図７を用いて、本実施の形態２におけるスクロール型の主圧縮機２１０について簡単に説明する。なお、本実施の形態２では、主圧縮機２１０をスクロール型の圧縮機として説明するが、ロータリ型、スイング型などの圧縮機でもよい。
【００５６】
図７に示すように、スクロール型の主圧縮機２１０は、主圧縮機シャフト２１１と、旋回スクロール２１２と、固定スクロール２１３と、オルダムリング２１４と、軸受部材２１５と、マフラー２１６と、主圧縮機吸入管２１７と、主圧縮機吐出管２１８とを備えている。
【００５７】
旋回スクロール２１２は、主圧縮機シャフト２１１に形成された主圧縮機シャフト偏心部２１１ａと嵌合し、オルダムリング２１４により自転運動を拘束されている。また、旋回スクロール２１２には、渦巻き形状のラップ２１２ａが形成されており、同じく固定スクロール２１３に形成された渦巻き形状のラップ２１３ａと噛み合うことで、三日月形状の主圧縮機作動室２１９が形成される。
【００５８】
固定スクロール２１３の中央部には、主圧縮機吐出孔２１３ｂが形成され、主圧縮機作動室２１９と連通している。固定スクロール２１３の上面には、マフラー２１６が設けられ、その内部空間２１６ａは、主圧縮機吐出孔２１３ｂと連通している。また、固定スクロール２１３および軸受部材２１５の外縁近傍には、一連の流路２２０が形成され、一端はマフラー２１６の内部空間２１６ａに、他端は密閉容器２０１内の内部空間２３０にそれぞれ開口している。
【００５９】
主圧縮機シャフト２１１の下端部には、オイルポンプ２２１が設置され、密閉容器２０１の下部に設けられたオイル溜まり２４０に浸漬している。主圧縮機シャフト２１１の内部には、主圧縮機２１０の摺動部分に通ずる主圧縮機シャフト給油路２１１ｂが軸方向に延びるように形成されている。
【００６０】
電動機２０２は、密閉容器２０１に固定されたステータ２０２ａと、主圧縮機シャフト２１１に固定されたロータ２０２ｂとを含む。主圧縮機シャフト２１１は、電動機２０２と主圧縮機２１０とに共用されている。
【００６１】
圧縮膨張機構１２０の構成は、実施の形態１と同じであるので、説明は省略する。なお、圧縮膨張機構１２０の圧縮機吐出管１１９と主圧縮機吸入管２１７は、密閉容器２０１の外部に設けられた連結管２２２により連結されている。
【００６２】
図８は、本発明の実施の形態２における流体機械２００を適用した冷凍サイクルの概要図である。図８において、２５０は放熱器であって、例えば、凝縮器もしくはガスクーラである。放熱器２５０では、圧縮膨張機構１２０内の圧縮機で圧縮された高温高圧の冷媒が、熱を放出する。２６０は蒸発器である。蒸発器２６０では、圧縮膨張機構１２０内の膨張機で膨張した低温低圧の冷媒が、周囲より熱を吸収する。
【００６３】
以下、本実施の形態２における流体機械２００の動作、および、冷媒とオイルの流れを説明する。
【００６４】
本実施の形態２における流体機械２００の主圧縮機２１０では、主圧縮機シャフト２１１の回転に伴って、ラップ２１２ａ、２１３ａが旋回運動することにより、主圧縮機作動室２１９が、外側から内側に移動しながら容積を縮小して、主圧縮機吸入管２１７から吸入された冷媒を圧縮する。圧縮された高温高圧の冷媒は、固定スクロール２１３の主圧縮機吐出孔２１３ｂ、マフラー２１６の内部空間２１６ａ、流路２２０を順に経由して、密閉容器２０１の内部空間２３０に吐出される。
【００６５】
また、主圧縮機シャフト２１１が回転すると、オイルポンプ２２１は、オイル溜まり２４０のオイルを、主圧縮機シャフト給油路２１１ｂに送り込む。主圧縮機シャフト給油路２１１ｂを通って主圧縮機２１０に到達したオイルは、旋回スクロール２１２と主圧縮機シャフト偏心部２１１ａとの摺動面や、旋回スクロール２１２と固定スクロール２１３との摺動面を潤滑する。潤滑後のオイルは、軸受部材２１５に形成されたオイル排出口２１５ａより密閉容器２０１の内部空間２３０に流出する。なお、主圧縮機２１０に到達した一部のオイルは、冷媒と共に主圧縮機吐出孔２１３ｂより吐出される。
【００６６】
密閉容器２０１の内部空間２３０に吐出された冷媒およびオイルは、内部空間２３０に滞留する間に、重力や遠心力によって分離する。分離した冷媒は、再び上昇して、主圧縮機吐出管２１８から密閉容器２０１の外に吐出される。また、分離したオイルは、電動機２０２を通って、オイル溜まり２４０へ戻る。
【００６７】
主圧縮機吐出管２１８より吐出された高温高圧の冷媒は、放熱器２５０に吸入される。放熱器２５０に吸入された冷媒は、ほぼ圧力が一定のまま放熱し、比較的低温になって吐出される。吐出された冷媒は、膨張機吸入管１１３に吸入され、流体機械２００の圧縮膨張機構１２０に戻る。
【００６８】
圧縮膨張機構１２０内の膨張機に吸入された高圧の冷媒は、第１膨張機吸入ポート１０４ｃ（図示せず）および第２膨張機吸入ポート１０６ｃ（図示せず）より、それぞれ、第１膨張機吸入側作動室１１６ａおよび第２膨張機吸入側作動室１１７ａ（図示せず）に入り、実施の形態１で述べたメカニズムに基づいて、図２で示すように、ピストン１０７を反時計回りに回転させながら、シャフト１０３の回転トルクを発生させる。
【００６９】
圧縮膨張機構１２０内の膨張機で低温低圧となった冷媒は、第１膨張機吐出ポート１０４ｄ（図示せず）および第２膨張機吐出ポート１０６ｄ（図示せず）、膨張機吐出管１２２（図示せず）を通って、流体機械２００から吐出され、蒸発器２６０に吸入される。蒸発器２６０に吸入された冷媒は、蒸発器２６０の雰囲気より熱を吸収して気体となって吐出される。吐出された冷媒は、圧縮機吸入管１１４に吸入され、流体機械２００の圧縮膨張機構１２０に戻る。
【００７０】
圧縮膨張機構１２０内の圧縮機に吸入された低圧の冷媒は、圧縮機吸入ポート１０５ｂ（図示せず）より圧縮機吸入側作動室１１５ａに入る。圧縮機吸入側作動室１１５ａに入った低圧の冷媒は、膨張機が発生させるシャフト１０３の回転トルクにより圧縮され、昇圧する。この際の圧縮過程は、実施の形態１と全く同じである。昇圧した冷媒は、圧縮機吐出ポート１０５ｃ（図示せず）、圧縮機吐出管１１９を通って、密閉容器２０１の外に吐出される。吐出された冷媒は、密閉容器２０１の外に設けられた連絡管２２２を経て、主圧縮機吸入管２１７に入り、再び主圧縮機２１０に戻る。
【００７１】
以上から明らかなように、本実施の形態２の流体機械２００では、冷凍サイクルの高低圧力差からシャフト１０３の回転トルクを発生させる膨張機と、膨張機による回転トルクを利用した過給機としての圧縮機とを、同一平面上に配置した圧縮膨張機構１２０で実現することができ、かつ、主圧縮機２１０には変更を加えずに、圧縮膨張機構１２０を主圧縮機２１０と同一の密閉容器２０１内の下部に収納するだけで、従来の主圧縮機２１０の組立工程をほぼそのまま利用することができるという利点を有する。
【００７２】
また、本実施の形態２の流体機械２００では、圧縮膨張機構１２０の圧縮機をいわゆる副圧縮機として利用するため、圧縮機吐出ポート１０５ｃ付近の温度が、ほぼ第１膨張機吐出ポート１０４ｄ（図示せず）および第２膨張機吐出ポート１０６ｄ（図示せず）と同等であり、ピストン１０７、上軸受部材１０４、下軸受部材１０６を介した熱移動を抑制することができるという効果を有する。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
本発明の流体機械は、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ため、冷凍サイクルの高効率化手段として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明の実施の形態１における流体機械の縦断面図
【図２】図１のＺ−Ｚ線における圧縮膨張機構の横断面図
【図３】本発明の実施の形態１の圧縮膨張機構において、ピストンが下死点に達した時の、ピストンと第１膨張機吸入ポートおよび第１膨張機吐出ポートとの位置関係を示した図
【図４】本発明の実施の形態１における流体機械を適用した冷凍サイクルの概要図
【図５】本発明の実施の形態１における圧縮膨張機構の動作説明図
【図６】本発明の実施の形態１の流体機械を用いて、冷媒を二酸化炭素とした場合の、冷凍サイクルにおける冷媒の状態遷移図
【図７】本発明の実施の形態２における流体機械の構成を示す縦断面図
【図８】本発明の実施の形態２における流体機械を適用した冷凍サイクル図
【図９】従来の流体機械の構成を示す縦断面図
【符号の説明】
【００７５】
３０，１００，２００    流体機械
３１，１０１，２０１    密閉容器
４０，１０３    シャフト
４５，１０２，２０２    電動機
５０    圧縮機
５７    圧縮機軸受
６０    膨張機
６１    膨張機主軸受
６２    膨張機副軸受
１０２ａ，２０２ａ    ステータ
１０２ｂ，２０２ｂ    ロータ
１０３ａ    偏心部
１０４    上軸受部材
１０４ａ    上軸受部材の凸部
１０４ｂ    第１内側ベーン溝
１０４ｃ    第１膨張機吸入ポート
１０４ｄ    第１膨張機吐出ポート
１０５    シリンダ
１０５ａ    外側ベーン溝
１０５ｂ    圧縮機吸入ポート
１０５ｃ    圧縮機吐出ポート
１０６    下軸受部材
１０６ａ    下軸受部材の凸部
１０６ｂ    第２内側ベーン溝
１０６ｃ    第２膨張機吸入ポート
１０６ｄ    第２膨張機吐出ポート
１０７    ピストン
１０８    外側ベーン
１０９    外側ベーン用バネ
１１０    第１内側ベーン
１１１    第２内側ベーン
１１２    第１内側ベーン用バネ
１１３    膨張機吸入管
１１４    圧縮機吸入管
１１５ａ    圧縮機吸入側作動室
１１５ｂ    圧縮機吐出側作動室
１１６ａ    第１膨張機吸入側作動室
１１６ｂ    第１膨張機吐出側作動室
１１７ａ    第２膨張機吸入側作動室
１１７ｂ    第２膨張機吐出側作動室
１１８    第２内側ベーン用バネ
１１９    圧縮機吐出管
１２０    圧縮膨張機構
１２１    仮想円
１２２    膨張機吐出管
１５０，２５０    放熱器
１６０，２６０    蒸発器
２１０    主圧縮機
２１１    主圧縮機シャフト
２１１ａ    主圧縮機シャフト偏心部
２１１ｂ    主圧縮機シャフト給油路
２１２    旋回スクロール
２１２ａ，２１３ａ    ラップ
２１３    固定スクロール
２１３ｂ    主圧縮機吐出孔
２１４    オルダムリング
２１５    軸受部材
２１５ａ    オイル排出口
２１６    マフラー
２１６ａ，２３０    内部空間
２１７    主圧縮機吸入管
２１８    主圧縮機吐出管
２１９    主圧縮機作動室
２２０    流路
２２１    オイルポンプ
２２２    連結管
２４０    オイル溜まり
【図１】
0005119786.tif 000002
【図２】
0005119786.tif 000003
【図３】
0005119786.tif 000004
【図４】
0005119786.tif 000005
【図５】
0005119786.tif 000006
【図６】
0005119786.tif 000007
【図７】
0005119786.tif 000008
【図８】
0005119786.tif 000009
【図９】
0005119786.tif 000010