(57)【要約】【課題】容積比変化と容積変化を容易に実現すること。【解決手段】リアプレート３０ａには、第１の背圧室３３ａに連絡する連絡通路３３ｂが形成され、また、フロントプレート３０ｂには、第２の背圧室３３ｃに連絡する連絡通路３３ｄが形成されている。これら第１及び第２の背圧室は、お互いに圧力的に隔離されており、それぞれの連絡通路を通して、高圧ガスや高圧潤滑油或いは低圧ガスや低圧潤滑油が供給され、ベーン２２に対して背圧を選択的に付与して、容積比や容積を変化させることのできる膨張機。【選択図】図６
2007154740.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に空間を形成するシリンダと、前記シリンダ内部の前記空間で回転する円筒状のロータと、前記ロータを回転駆動するシャフトと、前記ロータに有するベーン溝内を摺動するベーンと、前記ロータの端面と前記シリンダの端面とを封鎖する２つの端板と、前記シリンダと前記ロータとの間に形成される膨張空間にガスを供給する供給ポートと、前記膨張空間から前記ガスを排出する吐出ポートとを備え、前記ベーンによって前記膨張空間を複数の膨張室に区分し、前記供給ポートから供給したガスを前記膨張室にて膨張させて前記吐出ポートから排出する膨張機であって、
前記ベーンを前記シリンダ内周面に押圧する背圧室と、前記背圧室に高圧ガス或いは高圧潤滑油を供給する連絡通路で構成される背圧押圧機構を少なくとも２系統以上有し、それぞれの系統ごとに前記背圧室の圧力を任意に選択できる手段を備えたことを特徴とする膨張機。
【請求項２】
前記ロータの端面と前記シリンダの端面とを封鎖する前記端板の一方に第１の前記背圧押圧機構を形成する第１の連絡通路を設け、且つ、前記ロータの端面と前記シリンダの端面とを封鎖する前記端板のもう一方に、第２の前記背圧押圧機構を形成する第２の連絡通路を設け、第１及び第２の前記背圧押圧機構の前記背圧室の圧力を、それぞれ任意に選択できる手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の膨張機。
【請求項３】
膨張機構部と圧縮機構部とを有する流体機械において、
前記膨張機構部が、内部に空間を形成するシリンダと、前記シリンダ内部の前記空間で回転する円筒状のロータと、前記ロータを回転駆動するシャフトと、前記ロータに有するベーン溝内を摺動するベーンと、前記ロータの端面と前記シリンダの端面とを封鎖する２つの端板と、前記シリンダと前記ロータとの間に形成される膨張空間にガスを供給する供給ポートと、前記膨張空間から前記ガスを排出する吐出ポートとを備え、前記ベーンによって前記膨張空間を複数の膨張室に区分し、前記供給ポートから供給したガスを前記膨張室にて膨張させて前記吐出ポートから排出する前記膨張機構部であって、前記ベーンを前記シリンダ内周面に押圧する背圧室と、前記背圧室に高圧ガス或いは高圧潤滑油を供給する連絡通路で構成される背圧押圧機構を少なくとも２系統以上有し、それぞれの系統ごとに前記背圧室の圧力を任意に選択できる手段を備え、且つ、前記シャフトを前記圧縮機構部の駆動軸としたことを特徴とする流体機械。
【請求項４】
前記ロータの端面と前記シリンダの端面とを封鎖する前記端板の一方に第１の前記背圧押圧機構を形成する第１の連絡通路を設け、且つ、前記ロータの端面と前記シリンダの端面とを封鎖する前記端板のもう一方に、第２の前記背圧押圧機構を形成する第２の連絡通路を設け、第１及び第２の前記背圧押圧機構の前記背圧室の圧力を、それぞれ任意に選択できる手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の流体機械。
【請求項５】
作動流体を、高圧冷媒、例えば二酸化炭素とすることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の膨張機、又は膨張機構部を有する流体機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスを膨張させる膨張機及び流体機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
膨張機と圧縮機或いは膨張機構部と圧縮機構部とは、構造的には共通するため、従来圧縮機として用いられてきた構造を膨張機として利用することができる。
【０００３】
一方、オゾン破壊係数がゼロでありかつ地球温暖化係数もフロン類に比べれば格段に小さい、二酸化炭素（以下、ＣＯ2という）を冷媒として用いる冷凍サイクル装置が近年着目されているが、ＣＯ2冷媒は、臨界温度が３１．０６℃と低く、この温度よりも高い温度を利用する場合には、冷凍サイクル装置の高圧側（圧縮機出口〜放熱器〜減圧器入口）ではＣＯ2冷媒の凝縮が生じない超臨界状態となり、従来の冷媒に比べて、冷凍サイクル装置の運転効率が低下するといった特徴を有する。従って、ＣＯ2冷媒を用いた冷凍サイクル装置にあっては、最適な成績係数（以下、ＣＯＰという。ＣＯＰはＣｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  ｏｆ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅの略）を維持することが重要であり、冷媒温度が変化すると、この冷媒温度に最適な冷媒圧力とすることが必要である。
【０００４】
そこで、冷凍サイクル装置に膨張機を設けて、膨張機で回収した動力を圧縮機の駆動力の一部として利用した高効率化技術が検討されている。
【０００５】
また、圧縮機と膨張機を軸で直結し、この膨張機で回収した動力を圧縮機の駆動力の一部に利用する場合には、膨張機と圧縮機との回転数を同じにしなければならない。冷凍サイクル装置を循環する冷媒の質量循環量は、冷凍サイクルのどのポイントにおいても等しく、圧縮機を通る冷媒の吸入密度をＤＣ、膨張機を通る冷媒の吸入密度をＤＥとすると、ＤＥ／ＤＣ（密度比）は常に一定で運転される。この密度比一定の制約のもとでは、運転条件が変化した場合の最適なＣＯＰを維持することは困難である。
【０００６】
そこで、膨張機をバイパスするバイパス管を設けて、膨張機に流入する冷媒量を制御することで、最適なＣＯＰを維持する構成が提案されている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２０００−２３４８１４号公報（段落番号（００２４）（００２５）図１）
【特許文献２】特開２００１−１１６３７１号公報（段落番号（００２３）図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、膨張機及び膨張機構部は、設計段階において固定の容積比が決まる。圧縮機及び圧縮機構部においても同様の問題が発生するが、圧縮過程においてリリーフバルブを設けることにより、任意の容積比（＝圧力比）の運転条件において圧縮が完了して吐出されるので、高効率な運転が可能となる。しかしながら、膨張機及び膨張機構部においては、膨張過程において任意の圧力よりも低下した場合に、膨張室側へとリリーフできるバルブを構成する必要がある。この場合、バルブを構成すること自体非常に困難で、シリンダの内壁や膨張室に取り付けなければならないために発生する加工工数の増大や、バルブのスペースによるデットボリュームが原因となる性能低下を引き起こしたりしている。
【０００８】
また、圧縮機構部と膨張機構部とを同軸で連結する構成では、膨張機に流入する体積流量が設計上の最適な流量との差が大きくなるにしたがって、バイパスを通過させる冷媒量
が大きくなり、その結果回収できるはずの動力が十分に回収できなくなるという問題を有している。
【０００９】
そこで本発明は、膨張過程における容積比を変化させることを可能とし、且つ、圧縮機構部と膨張機構部とを同軸で連結した場合でも、冷凍サイクルの吸入密度比が、設計ポイントから変化した場合でも高効率な膨張機及び高効率な膨張機構部を有する流体機械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】
【００１０】
前記従来の課題を解決するために、本発明の膨張機及び流体機械は、ベーンをシリンダ内周面に押圧する背圧室と、背圧室に高圧ガス或いは高圧潤滑油を供給する連絡通路で構成される背圧押圧機構を少なくとも２系統以上有し、それぞれの系統ごとに背圧室の圧力を任意に選択できる手段を備えたものである。これによって、一部のベーンをロータ内に格納することができるので、リリーフバルブなしで膨張機の設計容積比を小さくすることが出来る。結果、過膨張を防いで高効率な膨張機を提供することを目的とする。また、圧縮機構部と膨張機構部とを同軸で連結した場合の、冷凍サイクルの吸入密度比が、設計ポイントから変化した場合でも、一部のベーンをロータ内に格納して動作させることができるので、設計容積比と同時に設計容積も選択的に変化させることができる。結果、高効率な膨張機及び高効率な膨張機構部を有する流体機械を提供することを目的とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の膨張機及び流体機械は、特に高圧・低圧縮比冷媒である二酸化炭素冷媒を用いた場合に、高効率化を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
第１の発明による膨張機は、ベーンをシリンダ内周面に押圧する背圧室と、背圧室に高圧ガス或いは高圧潤滑油を供給する連絡通路で構成される背圧押圧機構を少なくとも２系統以上有し、それぞれの系統ごとに背圧室の圧力を任意に選択できる手段を備えた構成のものである。本発明によれば、一部のベーンをロータ内に格納することができるので、リリーフバルブなしで膨張機の設計容積比を小さくすることが出来る。結果、過膨張を防いで高効率な膨張機を提供することができる。
【００１３】
第２の発明は、第１の発明による膨張機において、ロータの端面とシリンダの端面とを封鎖する端板の一方に第１の背圧押圧機構を形成する第１の連絡通路を設け、且つ、ロータの端面とシリンダの端面とを封鎖する端板のもう一方に、第２の背圧押圧機構を形成する第２の連絡通路を設け、第１及び第２の背圧押圧機構の背圧室の圧力を、それぞれ任意に選択できる手段を備えたものである。本発明によれば、シンプルな構成で加工工数を増大させることなく、一部のベーンをロータ内に格納することができるので、リリーフバルブなしで膨張機の設計容積比を小さくすることが出来る。結果、過膨張を防いで高効率で低コストな膨張機を提供することができる。
【００１４】
第３の発明は、膨張機構部と圧縮機構部とを有する流体機械であって、ベーンをシリンダ内周面に押圧する背圧室と、背圧室に高圧ガス或いは高圧潤滑油を供給する連絡通路で構成される背圧押圧機構を少なくとも２系統以上有し、それぞれの系統ごとに背圧室の圧力を任意に選択できる手段を備え、且つ、シャフトを圧縮機構部の駆動軸としたものである。本発明によれば、一部のベーンをロータ内に格納することができるので、リリーフバルブなしで膨張機の設計容積比を小さくすることが出来る。
【００１５】
また、冷凍サイクルの吸入密度比が、設計ポイントから変化した場合でも、一部のベーンをロータ内に格納して膨張機として動作させるので、ベーンの厚み分の吸入容積を小さ
くすることができ、設計容積比と同時に設計容積も選択的に変化させることができる。結果、膨張機をバイパスするバイパス管を設けて、膨張機に流入する冷媒量を制御する量を最小限にすることができるので、最適なＣＯＰで運転できる範囲を拡大できる。
【００１６】
第４の発明は、第３の発明による膨張機構部と圧縮機構部とを有する流体機械において、ロータの端面とシリンダの端面とを封鎖する端板の一方に第１の背圧押圧機構を形成する第１の連絡通路を設け、且つ、ロータの端面とシリンダの端面とを封鎖する端板のもう一方に、第２の背圧押圧機構を形成する第２の連絡通路を設け、第１及び第２の背圧押圧機構の背圧室の圧力を、それぞれ任意に選択できる手段を備えた構成のものである。本発明によれば、一部のベーンをロータ内に格納することができるので、リリーフバルブなしで膨張機の設計容積比を小さくすることが出来る。
【００１７】
また、シンプルな構成で加工工数を増大させることなく、冷凍サイクルの吸入密度比が、設計ポイントから変化した場合でも、一部のベーンをロータ内に格納して膨張機として動作させるので、ベーンの厚み分の吸入容積を小さくすることができ、設計容積比と同時に設計容積も選択的に変化させることができる。結果、膨張機をバイパスするバイパス管を設けて、膨張機に流入する冷媒量を制御する量を最小限にすることができるので、最適なＣＯＰで運転できる範囲を拡大できる。
【００１８】
第５の発明は、第１〜４の発明による膨張機又は膨張機構部を有する流体機械において、作動流体を、高圧冷媒、例えば二酸化炭素としたものである。本発明によれば、ＣＯ2冷媒は、臨界温度が３１．０６℃と低く、この温度よりも高い温度を利用する場合には、冷凍サイクル装置の高圧側（圧縮機出口〜放熱器〜減圧器入口）ではＣＯ2冷媒の凝縮が生じない超臨界状態となり、従来の冷媒に比べて、冷凍サイクル装置の運転効率が低下するといった特徴を有する。従って、ＣＯ2冷媒を用いた冷凍サイクル装置にあっては、膨張機及び膨張機構部を有する流体機械を高効率化することによって、冷凍サイクルのＣＯＰ向上効果を従来冷媒に比べて高めることができる。
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００２０】
（実施の形態１）
以下本発明の第１の実施例による膨張機について説明する。
【００２１】
図１から図４は本実施例による膨張機の要部平面図であり、図１は一つの膨張室の供給完了状態を示す平面図、図２は次の膨張室が供給行程にあることを示す平面図、図３は同膨張室の供給行程終了直前の状態を示す平面図、図４は同膨張室の供給完了状態を示す平面図である。図５は同膨張機の側断面図である。
【００２２】
まず本実施例による膨張機の構成について説明する。
【００２３】
図１から図４に示すように本実施例による膨張機は、内部に空間を形成するシリンダ１０と、シリンダ１０の内部の空間で回転運動する円筒状のロータ２０とを備えている。シリンダ１０とロータ２０との間には膨張空間１１を形成している。ロータ２０には、放射状に形成された複数のベーン溝２１を有している。そしてこれらのベーン溝２１には、ベーン溝２１内を摺動する複数のベーン２２が配置されている。
【００２４】
これらのベーン２２は、膨張空間１１を複数の膨張室１１Ａ、１１Ｂに区分している。図においては、１０個のベーン２２によって１０個の膨張室１１Ａ、１１Ｂ・・に区分している。シリンダ１０には、これらの膨張室１１Ａ、１１Ｂにガスを供給する供給ポート
１２が設けられている。
【００２５】
それぞれの隣り合うベーン２２間には、ロータ側連通路２３が配置されている。このロータ側連通路２３は、ロータ２０の一方の端面に形成した所定長さの溝によって形成され、ベーン溝２１とともに、ロータ２０の中心に対して放射状に配置している。ロータ側連通路２３の長さは、ベーン溝２１の長さよりも短く形成している。
【００２６】
図１から図４に示す吐出ポート３１と端板側連通路３２とは、図５に示す端板３０に設けられている。吐出ポート３１は膨張空間１１からガスを排出する空間である。端板側連通路３２は、所定長さの円弧状の溝によって形成されている。
【００２７】
図５に示すように、ロータ２０の両端面とシリンダ１０の両端面とは、一対の端板３０（リアプレート３０ａ、フロントプレート３０ｂ）によって封鎖されている。端板側連通路３２はリアプレート３０ａの端面に形成され、供給ポート１２に導かれるガスが連通する通路３４が端板３０内に形成されている。端板側連通路３２と通路３４とは連通している。端板側連通路３２が形成されたリアプレート３０ａの端面は、ロータ側連通路２３が形成されたロータ２０の端面と対向している。
【００２８】
一方のリアプレート３０ａには、第１の背圧室３３ａに連絡する連絡通路３３ｂが形成され、また、フロントプレート３０ｂには、第２の背圧室３３ｃに連絡する連絡通路３３ｄが形成されている。これら第１及び第２の背圧室は、お互いに圧力的に隔離されており、それぞれの連絡通路を通して、高圧ガスや高圧潤滑油が供給され、ベーン２２に対して背圧を付与する。第１及び第２の背圧室を、それぞれの端板方向から見たものを図６に示す。図６に示すように、２枚のベーン２２のみが、第２の背圧室によって背圧を付与し、それ以外のベーンに対しては、第１の背圧室によって背圧を付与する構造となっている。
【００２９】
ここで、第１の背圧室３３ａと第２の背圧室３３ｃの圧力を高圧ガスや高圧潤滑油を付与したときに比べて、第２の背圧室３３ｃにのみ、低圧ガスや低圧潤滑油を付与すれば、２枚のベーン２２のみをロータ内に格納することができる。一般的には、ベーン２２の枚数を減らすことによって、容積比を小さくできることが知られているので、第２の背圧室３３ｃにのみ、低圧ガスや低圧潤滑油を付与すれば、膨張機の容積比を下げることができる。結果、運転範囲が変化しても過膨張を防いで高効率な膨張機を提供することができる。
【００３０】
なお、背圧室３３を３つ以上設けても、運転条件によって外部から付与する背圧室の圧力を調節することによって、より運転条件に即したベーン２２の出し入れが可能となる（図示せず）。
【００３１】
なお、第２の背圧室３３ｃに望むベーン２２の枚数を調整することによって、第２の背圧室３３ｃにのみ、低圧ガスや低圧潤滑油を付与したときの、容積比の変化の割合を調節することができる（図示せず）。
【００３２】
（実施の形態２）
以下本発明の第２の実施例による圧縮機構部と膨張機構部とを同軸で連結した流体機械について説明する。本実施例による圧縮機構部と膨張機構部とを同軸で連結した流体機械は、放熱器、凝縮器とともに冷凍サイクルを構成している。
【００３３】
圧縮機構部４１と膨張機構部１とを同軸のシャフト４０で連結した流体機械を図７に示す。これら圧縮機構部４１と膨張機構部１と電動機部４３は、同一の密閉容器４２に格納されている。凝縮器によって吸熱された後、吸入菅４４によって吸入された低圧冷媒は、
電動機部４３によって駆動される圧縮機構部４１によって圧縮され、密閉容器４２内に吐出される。密閉容器４２内の高圧冷媒は吐出菅４５を通って密閉容器４２外へと排出される。吐出された高圧冷媒は、放熱器によって放熱された後、膨張機機構部１の供給ポート１２へ供給されて、吐出ポート３１から吐出される低圧冷媒を凝縮器に導くことで、ロータ２０が回転し、回転軸４０から動力を出力することができる。この動力は回転軸４０を介して圧縮機構部４１へと伝わるので、電動機部４３の入力を減らすことができ、結果、高効率な冷凍サイクルを構成することができる。
【００３４】
圧縮機構部４１と膨張機構部１とを同軸のシャフト４０で連結しているので、圧縮機構部と膨張機構部が同一回転数でなければならない。一方、冷凍サイクル装置を循環する冷媒の質量循環量は、冷凍サイクルのどのポイントにおいても等しく、圧縮機構部を通る冷媒の吸入密度をＤＣ、膨張機構部を通る冷媒の吸入密度をＤＥとすると、ＤＥ／ＤＣ（密度比）は常に一定で運転されなければならない。
【００３５】
ここで、第１の背圧室３３ａに連通する連絡通路３３ｂを密閉容器４２内と圧力的に連通させて、第２の背圧室３３ｃに連通する連絡通路３３ｄを、密閉容器４２外へと導き出して、圧力を選択できるようにしてある。
【００３６】
第１の背圧室３３ａには、常に高圧ガスや高圧潤滑油が供給されるが、第２の背圧室３３ｃにのみ、低圧ガスや低圧潤滑油を付与すれば、２枚のベーン２２のみをロータ内に格納することができる。このときベーン２２の厚み分の吸入容積を増やすことができる。結果、膨張機構部をバイパスするバイパス管を設けて、膨張機構部に流入する冷媒量を制御する量を最小限にすることができるので、最適なＣＯＰで運転できる範囲を拡大できる。
【００３７】
なお、背圧室３３を３つ以上設けても、運転条件によって外部から付与する背圧室の圧力を調節することによって、より運転条件に即したベーン２２の出し入れが可能となる（図示せず）。
【００３８】
なお、第２の背圧室３３ｃに望むベーン２２の枚数を調整することによって、第２の背圧室３３ｃにのみ、低圧ガスや低圧潤滑油を付与したときの、容積の変化の割合を調節することができる（図示せず）。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明の膨張機は、二酸化炭素を冷媒として用いた冷凍サイクルを構成する膨張弁の代わりに用いる膨張機として特に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の第１の実施の形態の膨張機における一つの膨張室の供給完了状態を示す平面図
【図２】同膨張機における次の膨張室が供給行程にあることを示す平面図
【図３】同膨張機における同膨張室の供給行程終了直前の状態を示す平面図
【図４】同膨張機における同膨張室の供給完了状態を示す平面図
【図５】同膨張機の側断面図
【図６】同膨張機における第１の背圧室と第２の背圧室を示す平面図
【図７】本発明の第２の実施の形態における流体機械を示す断面図
【符号の説明】
【００４１】
１０  シリンダ
１１  膨張空間
２０  ロータ
２１  ベーン溝
２２  ベーン
２３  ロータ側連通路
３０  端板
３０ａ  リアプレート
３０ｂ  フロントプレート
３１  吐出ポート
３２  端板側連通路
３３  背圧室
３３ａ  第１背圧室
３３ｂ  第１連絡通路
３３ｃ  第２背圧室
３３ｄ  第２連絡通路
【図１】
2007154740.tif 000003
【図２】
2007154740.tif 000004
【図３】
2007154740.tif 000005
【図４】
2007154740.tif 000006
【図５】
2007154740.tif 000007
【図６】
2007154740.tif 000008
【図７】
2007154740.tif 000009