(57)【要約】【課題】複雑な流路を形成しなくても吸入容積を適宜に設定することのできるロータリ式膨張機を提供する。また、運転中に吸入容積を変更することのできるロータリ式膨張機を提供する。【解決手段】ロータリ式膨張機は、膨張室３２を高圧側膨張室３２ａと低圧側膨張室３２ｂとに仕切る仕切ベーン５１を備えている。高圧側膨張室３２ａには、吸入口４１ａが形成されている。ロータリ式膨張機は、ベーン溝６３から突出することによって吸入口４１ａの下流側を閉鎖する閉じ込みベーン６１と、閉じ込みベーン６１をベーン溝６３内に没入した状態に保持するソレノイド６４とを備えている。閉じ込みベーン６１の保持を解除する時期を調整することにより、吸入容積が制御される。【選択図】  図４
2007009755.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内周面を有するシリンダと、
前記シリンダ内に偏心した状態で回転自在に配設され、前記シリンダの内周面との間に膨張室を区画する筒状のピストンと、
前記膨張室を高圧側と低圧側とに仕切る仕切部材と、を備え、
前記膨張室の高圧側、低圧側には、前記ピストンの回転に伴って開閉される吸入口、吐出口がそれぞれ形成され、
前記シリンダにおける前記膨張室の高圧側に対応する部分には、前記シリンダの内側に向かって延びるベーン溝が形成され、
前記ベーン溝に出没自在に挿入され、前記ベーン溝から突出して前記ピストンの外周面に当接することにより、前記膨張室における前記吸入口の下流側を閉鎖する閉じ込みベーンと、
前記閉じ込みベーンを前記ピストンに向かって付勢する付勢装置と、
前記閉じ込みベーンを前記ベーン溝内に保持する保持状態と、前記保持を解除する解除状態とを切替自在なベーン保持装置と、を備えたロータリ式膨張機。
【請求項２】
前記ベーン保持装置の保持状態から解除状態への切替タイミングを制御するコントローラを備えた請求項１に記載のロータリ式膨張機。
【請求項３】
前記ベーン保持装置は、前記ピストンの回転に伴って前記ピストンが前記閉じ込みベーンを前記ベーン溝に押し込んだ時から、前記閉じ込みベーンの保持を開始する、請求項１又は２に記載のロータリ式膨張機。
【請求項４】
前記閉じ込みベーンに設けられた永久磁石を備え、
前記ベーン保持装置は、磁界発生装置によって構成されている、請求項１〜３のいずれか一つに記載のロータリ式膨張機。
【請求項５】
前記閉じ込みベーンの少なくとも一部は磁性体からなり、
前記ベーン保持装置は、磁界発生装置によって構成されている、請求項１〜３のいずれか一つに記載のロータリ式膨張機。
【請求項６】
前記閉じ込みベーンに設けられた電磁石を備え、
前記ベーン保持装置は、磁界発生装置によって構成されている、請求項１〜３のいずれか一つに記載のロータリ式膨張機。
【請求項７】
前記磁界発生装置は、電磁石によって構成されている、請求項４〜６のいずれか一つに記載のロータリ式膨張機。
【請求項８】
前記ベーン保持装置は、前記閉じ込みベーンが前記ベーン溝に没入するときに前記電磁石に生じる誘起電流に基づいて前記閉じ込みベーンの保持を開始する、請求項７に記載のロータリ式膨張機。
【請求項９】
前記閉じ込みベーンには係合部が形成され、
前記ベーン保持装置は、前記閉じ込みベーンが前記ベーン溝内に位置するときに前記閉じ込みベーンの突出を阻止するように前記係合部と係合する係合部材を備えている、請求項１〜３のいずれか一つに記載のロータリ式膨張機。
【請求項１０】
前記付勢装置は、前記ベーン溝内に配置され、前記閉じ込みベーンを前記ピストンに向かって常時付勢する弾性体によって構成されている、請求項１〜９のいずれか一つに記載のロータリ式膨張機。
【請求項１１】
前記シリンダの前記膨張室の高圧側と低圧側との間の部分には、前記シリンダの内側に向かって延びる孔が形成され、
前記仕切部材は、前記孔にスライド自在に挿入され、前記孔から前記ピストンに向かって突出して前記ピストンの外周面に当接した仕切ベーンによって形成され、
前記孔内に配置され、前記仕切ベーンを前記ピストンに向かって常時付勢するばねを備え、
前記弾性体は、ばねによって形成されている、請求項１０に記載のロータリ式膨張機。
【請求項１２】
前記ベーン溝は前記孔と一体化され、
前記閉じ込みベーンと前記仕切ベーンとは、ともに前記孔内に挿入され、互いに平行に配置されている、請求項１１に記載のロータリ式膨張機。
【請求項１３】
前記シリンダの軸方向の一端を閉塞する閉塞部材を備え、
前記吸入口は、前記閉塞部材に形成され、
前記閉じ込みベーンは、前記ベーン溝から突出したときに前記吸入口を覆う、請求項１〜１１のいずれか一つに記載のロータリ式膨張機。
【請求項１４】
前記流体は二酸化炭素である、請求項１〜１３のいずれか一つに記載のロータリ式膨張機。
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれか一つに記載のロータリ式膨張機と、
前記ロータリ式膨張機の回転軸に連結された回転軸を有する圧縮機と、
を備えた流体機械。
【請求項１６】
前記ロータリ式膨張機の回転軸と前記圧縮機の回転軸とは同軸状に配置され、
前記ロータリ式膨張機及び前記圧縮機を共に収容するケーシングを備えている、請求項１５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、流体を膨張させるロータリ式膨張機と、流体を膨張させるロータリ式の膨張機及び流体を圧縮する圧縮機を備えた流体機械とに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、例えば冷凍装置等において、ロータリ式の膨張機が用いられている。ロータリ式の膨張機は、シリンダと、シリンダの内部に偏心した状態で配置され、シリンダ内周面に摺接しながら回転（厳密には公転）する筒状のピストンと、ピストンの内部に挿入された偏心部を有する回転軸とを備えている。シリンダ内には、ピストンとシリンダ内周面とによって膨張室が区画される。そして、シリンダ内でピストンが回転することによって、膨張室の容積が変化し、膨張室に対する流体の吸入及び膨張室内における流体の膨張が行われる。
【０００３】
ところで、流体を膨張させるためには、流体をいったん膨張室に吸入した後、吸入口を閉じたうえで膨張室の容積を増大させる必要がある。すなわち、流体を膨張室に吸入する期間、言い換えれば、吸入口を開いている時間をなんらかの手段で設定する必要がある。
【０００４】
下記特許文献１及び２には、流体を膨張室に吸入する期間（以下、単に吸入期間という）をピストンの回転位置に基づいて設定する方法が開示されている。特許文献１及び２に開示されたロータリ式膨張機では、シリンダ及び回転軸の偏心部の一端を閉塞するフロントヘッドに、膨張前の冷媒を導入する流入ポートと、膨張室に連通する溝状通路とが形成されている。一方、回転軸の偏心部のフロントヘッド側の面には、上記流入ポートと溝状通路とを連通させる連通路が形成されている。
【０００５】
上記ロータリ式膨張機では、ピストンが所定範囲の位置にあると、連通路が吸入ポート及び溝状通路と重なり、連通路及び溝状通路を介して吸入ポートと膨張室とが連通する。一方、ピストンが上記所定範囲の位置にないと、連通路が吸入ポート又は溝状通路から離れ、吸入ポートと膨張室との連通が遮断される。このように、上記ロータリ式膨張機では、ピストンの回転に伴ってフロントヘッドの溝状通路を連通又は遮断することにより、冷媒を膨張室に吸入する期間を設定していた。
【特許文献１】特開２００４−４４５６９号公報
【特許文献２】特開２００４−１９７６４０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、上記ロータリ式膨張機では、フロントヘッドに流入ポート及び溝状通路を形成するとともに、回転軸の偏心部に連通路を形成することが必要であった。すなわち、膨張室に冷媒を吸入するために、複雑な流路が別途必要であった。そのため、冷媒の吸入圧力損失が大きくなりがちであった。
【０００７】
また、上記ロータリ式膨張機では、冷媒を膨張室に吸入する期間は、連通路の構成により一義的に定まっていた。そのため、膨張機の吸入容積（すなわち、膨張開始時点の膨張室の容積）を変更することはできなかった。
【０００８】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的の一つは、複雑な流路を形成しなくても吸入期間を適宜に設定することができるロータリ式膨張機及び流体機械を提供することである。また、本発明の他の目的は、吸入容積を変更することのできるロータリ式膨張機及びそれを備えた流体機械を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係るロータリ式膨張機は、内周面を有するシリンダと、前記シリンダ内に偏心した状態で回転自在に配設され、前記シリンダの内周面との間に膨張室を区画する筒状のピストンと、前記膨張室を高圧側と低圧側とに仕切る仕切部材と、を備え、前記膨張室の高圧側、低圧側には、前記ピストンの回転に伴って開閉される吸入口、吐出口がそれぞれ形成され、前記シリンダにおける前記膨張室の高圧側に対応する部分には、前記シリンダの内側に向かって延びるベーン溝が形成され、前記ベーン溝に出没自在に挿入され、前記ベーン溝から突出して前記ピストンの外周面に当接することにより、前記膨張室における前記吸入口の下流側を閉鎖する閉じ込みベーンと、前記閉じ込みベーンを前記ピストンに向かって付勢する付勢装置と、前記閉じ込みベーンを前記ベーン溝内に保持する保持状態と、前記保持を解除する解除状態とを切替自在なベーン保持装置と、を備えたものである。
【００１０】
上記ロータリ式膨張機では、ピストンの回転に伴って吸入口が開閉され、この吸入口を通じて膨張室に流体が吸入される。流体が吸入された後、膨張室の容積はピストンの回転に伴って増大する。そのため、上記閉じ込みベーンがなければ、吸入口がピストンによって閉鎖された時点の膨張室の容積が吸入容積となり、吸入容積は一義的に定まることになる。
【００１１】
しかしながら、上記ロータリ式膨張機では、膨張室内の吸入口の下流側を閉鎖する閉じ込みベーンが設けられている。そして、閉じ込みベーンの保持を解除すると、付勢装置によって閉じ込みベーンはピストンに向かって付勢され、ピストンの外周面に当接する。これにより、膨張室内の閉じ込みベーンの上流側が閉鎖され、膨張室（厳密には、閉じ込みベーンの下流側）に対する流体の吸入は停止される。したがって、上記ロータリ式膨張機によれば、複雑な流路を形成しなくても、閉じ込みベーンの保持を解除する時期に基づいて、吸入期間を適宜に設定することができ、吸入容積を適宜に設定することができる。
【００１２】
前記ロータリ式膨張機は、前記ベーン保持装置の保持状態から解除状態への切替タイミングを制御するコントローラを備えていることが好ましい。
【００１３】
このことにより、運転中又は運転停止中に吸入期間を調整することができ、吸入容積を変更することが可能となる。そのため、例えば、運転中に吸入容積を適宜変更することにより、運転状態に応じて膨張比を制御することができる。したがって、当該膨張機を組み込んだ流体システム（例えば冷凍装置等）に対して高度な制御を行うこと等が可能となる。
【００１４】
前記ベーン保持装置は、前記ピストンの回転に伴って前記ピストンが前記閉じ込みベーンを前記ベーン溝に押し込んだ時から、前記閉じ込みベーンの保持を開始してもよい。
【００１５】
上記ロータリ式膨張機では、ピストンはシリンダの内周面に沿って回転移動する。そのため、閉じ込みベーンは、いったんシリンダから突出した後、ピストンの回転に伴って、当該ピストンによってベーン溝に押し込まれることになる。閉じ込みベーンがベーン溝に押し込まれると、当該閉じ込みベーンによる膨張室の閉鎖は解除され、吸入口を通じて膨張室に流体を吸入することが可能となる。ここで、閉じ込みベーンを押し込む時のピストンの回転位置は、一義的に定まっている。そのため、ベーン溝に押し込まれた時から閉じ込みベーンの保持を開始することにより、閉じ込みベーンの閉鎖を解除するタイミングが常に一定となり、流体の吸入開始時が正確に設定される。
【００１６】
前記ロータリ式膨張機は、前記閉じ込みベーンに設けられた永久磁石を備え、前記ベーン保持装置は、磁界発生装置によって構成されていてもよい。
【００１７】
あるいは、前記閉じ込みベーンの少なくとも一部は磁性体からなり、前記ベーン保持装置は、磁界発生装置によって構成されていてもよい。
【００１８】
あるいは、前記ロータリ式膨張機は、前記閉じ込みベーンに設けられた電磁石を備え、前記ベーン保持装置は、磁界発生装置によって構成されていてもよい。
【００１９】
このことにより、磁界発生装置が発生する磁界の有無又は強弱によって、閉じ込みベーンの保持状態と解除状態とが切り替えられる。
【００２０】
前記磁界発生装置は、電磁石によって構成されていてもよい。
【００２１】
前記ベーン保持装置は、前記閉じ込みベーンが前記ベーン溝に没入するときに前記電磁石に生じる誘起電流に基づいて前記閉じ込みベーンの保持を開始してもよい。
【００２２】
閉じ込みベーンがベーン溝に没入する際には、電磁石に誘起電流が生じる。そのため、この誘起電流に基づくことにより、閉じ込みベーンがベーン溝に没入するタイミングを正確に把握することができる。したがって、閉じ込みベーンの解除状態から保持状態への切替タイミングを正確に設定すること等が可能となる。
【００２３】
前記閉じ込みベーンには係合部が形成され、前記ベーン保持装置は、前記閉じ込みベーンが前記ベーン溝内に位置するときに前記閉じ込みベーンの突出を阻止するように前記係合部と係合する係合部材を備えていてもよい。
【００２４】
このことにより、閉じ込みベーンがベーン溝内に位置しているときに係合部材が閉じ込みベーンの係合部と係合することによって、閉じ込みベーンの突出が阻止される。その結果、閉じ込みベーンは保持状態となる。一方、係合部材が閉じ込みベーンの係合部から離脱すると、閉じ込みベーンは付勢装置からの付勢力によってベーン溝から突出する。その結果、閉じ込みベーンは解除状態となる。
【００２５】
前記付勢装置は、前記ベーン溝内に配置され、前記閉じ込みベーンを前記ピストンに向かって常時付勢する弾性体によって構成されていてもよい。
【００２６】
このことにより、付勢装置を簡単な構成で実現することができる。また、付勢装置を安価に構成することができる。
【００２７】
前記シリンダの前記膨張室の高圧側と低圧側との間の部分には、前記シリンダの内側に向かって延びる孔が形成され、前記仕切部材は、前記孔にスライド自在に挿入され、前記孔から前記ピストンに向かって突出して前記ピストンの外周面に当接した仕切ベーンによって形成され、前記孔内に配置され、前記仕切ベーンを前記ピストンに向かって常時付勢するばねを備え、前記弾性体はばねによって形成されていてもよい。
【００２８】
このことにより、仕切部材（仕切ベーン）と閉じ込みベーンとが同一の構成となり、仕切部材と閉じ込みベーンとの間において部品の共通化を図ることができる。
【００２９】
前記ベーン溝は前記孔と一体化され、前記閉じ込みベーンと前記仕切ベーンとは、ともに前記孔内に挿入され、互いに平行に配置されていてもよい。
【００３０】
このことにより、仕切ベーンと閉じ込みベーンとが、同一の孔内において隣り合って配置されるので、膨張室内における仕切ベーンと閉じ込みベーンとの間の空間、すなわち流体の膨張に寄与しないスペースを減らすことができる。
【００３１】
前記ロータリ式膨張機は、前記シリンダの軸方向の一端を閉塞する閉塞部材を備え、前記吸入口は、前記閉塞部材に形成され、前記閉じ込みベーンは、前記ベーン溝から突出したときに前記吸入口を覆うものであってもよい。
【００３２】
このことにより、膨張室内における閉じ込みベーンと吸入口との間の空間、すなわち流体の膨張に寄与しないスペースを減らすことができる。
【００３３】
前記流体は二酸化炭素であってもよい。
【００３４】
本発明に係る流体機械は、前記ロータリ式膨張機と、前記ロータリ式膨張機の回転軸に連結された回転軸を有する圧縮機と、を備えたものである。
【００３５】
上記流体機械では、ロータリ式膨張機と圧縮機とが連結されているので、ロータリ式膨張機の回転数を独立して制御することができない。そのため、回転数を制御しなくても膨張機の吸入容積を変更できるという本発明の効果が顕著に発揮される。
【００３６】
前記ロータリ式膨張機の回転軸と前記圧縮機の回転軸とは同軸状に配置され、前記流体機械は、前記ロータリ式膨張機及び前記圧縮機を共に収容するケーシングを備えていてもよい。
【００３７】
このことにより、圧縮機とロータリ式膨張機とが一体化された流体機械において、前述の効果を得ることができる。
【発明の効果】
【００３８】
以上のように、本発明によれば、複雑な流路を形成しなくても吸入期間を適宜に設定することのできるロータリ式膨張機及び流体機械を得ることができる。
【００３９】
また、本発明によれば、吸入容積の変更が可能となる。したがって、例えば運転中に吸入容積を変更することにより、当該ロータリ式膨張機又は流体機械を組み込んだ流体システムに対して高度な制御を行うこと等が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００４１】
（第１の実施形態）
図１に示すように、冷凍サイクル装置は、圧縮機１０１と放熱器１０２と膨張機１０３と蒸発器１０４とが順に接続されてなる冷媒回路１００を備えている。この冷媒回路１００には、高圧部分（圧縮機１０１から放熱器１０２を経て膨張機１０３に至る部分）において超臨界状態となる冷媒が充填されている。本実施形態では、そのような冷媒として二酸化炭素（ＣＯ２）が充填されている。ただし、冷媒の種類は特に限定されるものではない。上記冷媒回路１００の冷媒は、運転時に超臨界状態とならない冷媒（例えば、フロン系冷媒等）であってもよい。
【００４２】
また、膨張機１０３が組み込まれた冷媒回路は、冷媒を一方向にのみ流通させるような冷媒回路１００に限られない。膨張機１０３は、冷媒の流通方向の変更が可能な冷媒回路に設けられていてもよい。例えば、膨張機１０３は、四方弁等を有することによって暖房運転及び冷房運転の可能な冷媒回路に設けられていてもよい。
【００４３】
上記冷凍サイクル装置には、圧縮機１０１及び膨張機１０３を制御するコントローラ１０６が設けられている。
【００４４】
圧縮機１０１の形式等は何ら限定されない。圧縮機１０１として、例えば、ロータリ式圧縮機、スクロール式圧縮機等を好適に用いることができる。
【００４５】
膨張機１０３は、吸入管１６を介して放熱器１０２と接続されている。また、膨張機１０３は、吐出管１７を介して蒸発器１０４と接続されている。この膨張機１０３には、冷媒の膨張エネルギーによって発電を行う発電機１０５が内蔵されている。ただし、発電機１０５は膨張機１０３の外部に設けられていてもよい。また、発電機１０５は必ずしも必要ではなく、省略することも可能である。
【００４６】
図２に示すように、膨張機１０３はロータリ式膨張機である。膨張機１０３は、密閉容器１１と、密閉容器１１内に収容された発電機１０５及び膨張機構２０とを備えている。
【００４７】
密閉容器１１の上壁には、吸入管１６が接続されている。吸入管１６は、密閉容器１１の上壁を貫通し、密閉容器１１の内部空間に開口している。また、密閉容器１１の上壁には、図示しない電気ケーブル等が接続された端子１８が固定されている。
【００４８】
発電機１０５は、密閉容器１１の側壁に固定された固定子１３と、固定子１３の内側に配置された回転子１４とから構成されている。固定子１３は、配線９を介して端子１８と接続されている。回転子１４の中心部には、回転軸１５が固定されている。回転軸１５は、回転子１４から下方に向かって延びている。膨張機構２０は、回転軸１５の下側に配置されている。
【００４９】
密閉容器１１の底部には、潤滑油を貯留する油溜まり１９が形成されている。回転軸１５の下端部は、この油溜まり１９内に配置されている。回転軸１５の下端部には図示しない油ポンプが形成され、回転軸１５の内部又は外周部には、図示しない給油通路が形成されている。回転軸１５が回転すると、油溜まり１９の潤滑油は上記油ポンプによって汲み上げられ、上記給油通路を通じて膨張機構２０の摺動部に供給される。
【００５０】
膨張機構２０は、略円筒状に形成されたシリンダ３０（図３参照）と、シリンダ３０の上端を覆う第１の閉塞部材２１と、シリンダ３０の下端を覆う第２の閉塞部材２２と、シリンダ３０内に配置されたピストン３１とを備えている。
【００５１】
図３に示すように、シリンダ３０には、当該シリンダ３０の内周面３０ａに形成された吐出口４４ａと、吐出口４４ａから径方向外向きに延びる吐出通路４４とが形成されている。吐出管１７は、密閉容器１１の側壁を貫通しており、シリンダ３０の吐出通路４４につながっている。
【００５２】
ピストン３１は、シリンダ３０よりも径の小さな円筒状に形成され、シリンダ３０内に回転自在に配置されている。なお、ここでいう回転とは、厳密には公転のことであり、ピストン３１自体は自転してもよく、自転しなくてもよい。シリンダ３０の内側には、シリンダ３０の内周面３０ａとピストン３１の外周面３１ａとにより、膨張室３２が区画されている。
【００５３】
シリンダ３０における吐出通路４４の隣には、シリンダ３０の径方向に沿って内側に延びるベーン溝５３と、ベーン溝５３内にスライド自在に設けられた仕切ベーン５１と、仕切ベーン５１をピストン３１に向かって付勢するばね５２とが設けられている。ばね５２はベーン溝５３内に圧縮状態で配置されており、ばね５２の一端はベーン溝５３内に支持され、他端は仕切ベーン５１の根元部に支持されている。仕切ベーン５１は、シリンダ３０からピストン３１に向かって出没自在であり、ピストン３１の外周面３１ａに当接している。仕切ベーン５１は、ばね５２の付勢力によって、ピストン３１に対して常に当接している。この仕切ベーン５１は、膨張室３２を高圧側の膨張室３２ａと低圧側の膨張室３２ｂとに仕切っている。なお、吐出通路４４の吐出口４４ａは、低圧側の膨張室３２ｂに開口している。
【００５４】
ピストン３１の内側には、回転軸１５の偏心部１５ａ（図２参照）が挿入されている。偏心部１５ａはピストン３１の内周面に摺動自在であり、ピストン３１の回転に従って回転駆動される。すなわち、高圧側膨張室３２ａ内で冷媒が膨張すると、冷媒の膨張エネルギーを受けたピストン３１は、シリンダ３０の内周面３０ａと接触しながらシリンダ３０内を回転移動する。そして、ピストン３１内に挿入された偏心部１５ａもピストン３１と共に回転移動し、その結果、回転軸１５が回転する。
【００５５】
図２に示すように、第１の閉塞部材２１には、低圧側膨張室３２ｂと密閉容器１１の内部空間とを連通する吸入路４１が形成されている。吸入路４１は、密閉容器１１内の高圧の冷媒を低圧側膨張室３２ｂに導入する流路である。図３に示すように、吸入路４１の下流端開口である吸入口４１ａは、低圧側膨張室３２ｂ内における仕切ベーン５１の近傍に開口している。また、吸入口４１ａは、シリンダ３０の軸方向と平行な方向（図２における下向き方向。図３における紙面表向き方向）に開口している。
【００５６】
シリンダ３０の吸入口４１ａよりも下流側の部分には、シリンダ３０の径方向に沿って内側に延びるベーン溝６３と、ベーン溝６３内にスライド自在に設けられた閉じ込みベーン６１と、閉じ込みベーン６１をピストン３１に向かって付勢するばね６２とが設けられている。ばね６２はベーン溝６３内に圧縮状態で配置されており、ばね６２の一端はベーン溝６３内に支持され、他端は閉じ込みベーン６１の根元部に支持されている。本実施形態では、閉じ込みベーン６１は磁性体によって構成されている。ベーン溝６３の周囲には、磁界発生装置としてソレノイド６４が配置されている。ただし、磁界発生装置の種類は何ら限定されず、ソレノイド６４以外のものであってもよい。
【００５７】
図４に示すように、ソレノイド６４が非通電状態のときには、閉じ込みベーン６１はばね６２の付勢力によってベーン溝６３から突出し、ピストン３１に当接する。この場合、膨張室３２ａの閉じ込みベーン６１よりも下流側の部分は、閉じ込みベーン６１によって吸入口４１ａから遮断される。そのため、吸入口４１ａが開いていたとしても、膨張室３２ａに対する冷媒の吸入は停止される。
【００５８】
一方、図３に示すように、閉じ込みベーン６１がベーン溝６３内に没入しているときにソレノイド６４に電流を流すと、ベーン溝６３内に磁界が発生し、閉じ込みベーン６１は電磁力によってベーン溝６３内に保持される。すなわち、ソレノイド６４が通電状態のときには、閉じ込みベーン６１にばね６２の付勢力に対抗する力が与えられ、閉じ込みベーン６１の突出が阻止される。この場合、冷媒は吸入口４１ａを通じて膨張室３２ａ（詳しくは、閉じ込みベーン６１の下流側）に流入する。
【００５９】
したがって、本膨張機１０３では、ピストン３１が一回転する間にソレノイド６４に対する通電及び非通電を切り替えることにより、閉じ込みベーン６１をベーン溝６３内に保持する状態（保持状態）と、その保持を解除することによって閉じ込みベーン６１をベーン溝６３から突出させる状態（解除状態）とを適宜切り替えることができる。
【００６０】
次に、膨張機１０３の動作について説明する。図２に示すように、本膨張機１０３では、吸入管１６から吸入された高圧の冷媒は、いったん密閉容器１１の内部空間に放出される。そして、密閉容器１１内の高圧冷媒は、第１の閉塞部材２１の吸入路４１を流れ、吸入口４１ａから膨張室３２ａに流入する。
【００６１】
図３に示すように、ピストン３１は、仕切ベーン５１側から閉じ込みベーン６１側に向かって（図３における反時計回り方向に）回転する。この際、吸入口４１ａは、ピストン３１の回転に伴って当該ピストン３１によって開閉される。すなわち、ピストン３１が吸入口４１ａを閉鎖する位置（吸入口４１ａとピストン３１とが上下に重なる位置）にあるときには、吸入口４１ａからの冷媒の吸入は停止され、ピストン３１が吸入口４１ａを閉鎖しない位置にあるときには、吸入口４１ａから冷媒が吸入される。
【００６２】
さらに、本膨張機１０３では、ピストン３１が吸入口４１ａを開いてから所定の回転位置に達すると、コントローラ１０６がソレノイド６４の通電を停止し、閉じ込みベーン６１の保持状態を解除する。その結果、閉じ込みベーン６１がベーン溝６３から突出し、ピストン３１と当接する。これにより、吸入口４１ａ自体は閉鎖されていないにも拘わらず、膨張室３２に対する冷媒の吸入は停止される。
【００６３】
本膨張機１０３においては、ピストン３１が吸入口４１ａを開いた時が膨張室３２の吸入開始時となり、閉じ込みベーン６１が突出してピストン３１と当接した時が膨張室３２の吸入終了時となる。そして、上記吸入開始時から上記吸入終了時までの期間が吸入期間となる。また、閉じ込みベーン６１がピストン３１と当接した時の膨張室３２ａ（厳密には、閉じ込みベーン６１の下流側）の容積が、吸入容積となる。したがって、閉じ込みベーン６１の保持を解除するタイミングに基づいて、吸入期間及び吸入容積を制御することができる。
【００６４】
冷媒の吸入を終了した後は、ピストン３１の回転に従って高圧側膨張室３２ａの容積が増大する。これにより、冷媒が高圧側膨張室３２ａ内で膨張し、冷媒の圧力は低下する。ピストン３１が更に回転すると、高圧側膨張室３２ａは吐出口４４ａと連続し、低圧側膨張室３２ｂとなる。その結果、当該膨張室３２ｂ内の冷媒は吐出口４４ａを通じて吐出通路４４に吐出される。そして、吐出通路４４に吐出された低圧冷媒は、吐出管１７を通じて膨張機１０３の外部に吐出される。
【００６５】
前述したように、ピストン３１はシリンダ３０の内周面３０ａと接触しながら、シリンダ３０内を回転移動する。そのため、ピストン３１が所定位置（図３の左斜め上の位置）に達すると、閉じ込みベーン６１はピストン３１によってベーン溝６３内に押し込まれる。本実施形態では、閉じ込みベーン６１がベーン溝６３内に押し込まれると、ソレノイド６４に電流を流し、閉じ込みベーン６１の保持を開始する。
【００６６】
ところで、本実施形態においては、閉じ込みベーン６１がベーン溝６３内に押し込まれると、ソレノイド６４に誘起電流が発生する。そのため、この誘起電流を検出することにより、閉じ込みベーン６１がベーン溝６３内に押し込まれた時期、言い換えると、ピストン３１が上記所定位置に到達した時期を検出することができる。そこで、本実施形態では、上記誘起電流に基づいて、解除状態から保持状態の切替を行うこととしている。
【００６７】
以上のように、本実施形態によれば、閉じ込みベーン６１の保持を解除する時期（具体的には、ソレノイド６４の通電を停止する時期）に基づいて、冷媒の吸入期間を設定することができる。したがって、閉じ込みベーン６１の保持を解除する時期に基づいて、吸入容積を適宜に設定することが可能となる。
【００６８】
なお、吸入容積は一定の設計値に設定してもよいが、運転中又は運転停止中に吸入容積を変更するようにしてもよい。本膨張機１０３では、閉じ込みベーン６１の保持を解除する時期を自由に調整することができるので、吸入容積を自由に制御することが可能である。例えば、冷凍サイクル装置の運転中に、コントローラ１０６によって膨張機構２０の吸入容積を調整し、膨張比を逐次制御するようにしてもよい。このように運転中に吸入容積を変更することとすれば、冷凍サイクル装置に対して高度な制御を行うことが可能となる。冷凍サイクル装置の運転状態に応じて最適又は好適な膨張比を選択することとすれば、運転効率の向上等を図ることができる。
【００６９】
本実施形態では、膨張室３２を高圧側膨張室３２ａと低圧側膨張室３２ｂとに仕切る仕切部材は、仕切ベーン５１によって形成されていた。しかし、仕切部材は、仕切ベーン５１に限定されるものではない。ただし、本実施形態のように、仕切部材として仕切ベーン５１を用い、仕切ベーン５１と閉じ込みベーン６１とを同一の構成にすることにより、部品の共通化を図ることができる。言い換えると、閉じ込みベーン６１として、従来から用いられている仕切ベーンをそのまま流用することができる。
【００７０】
また、本実施形態では、閉じ込みベーン６１が磁性体で構成され、ソレノイド６４と閉じ込みベーン６１との間に生じる電磁力によって閉じ込みベーン６１を保持していた。しかし、図５に示すように、閉じ込みベーン６１に永久磁石６５を取り付けるようにしてもよい。この場合、閉じ込みベーン６１を非磁性体で形成することができ、閉じ込みベーン６１の材料として様々な材料を選択することが可能となる。
【００７１】
また、図６に示すように、磁界発生装置を永久磁石６６で構成し、閉じ込みベーン６１に電磁石６７を設けるようにしてもよい。このようなものであっても、電磁力を利用して閉じ込みベーン６１を保持することができる。
【００７２】
（第２の実施形態）
図７及び図８に示すように、第２の実施形態は、第１の実施形態において、閉じ込みベーン６１の位置を変更したものである。
【００７３】
本実施形態では、閉じ込みベーン６１と仕切ベーン５１とは、同一のベーン溝５３に挿入されている。言い換えると、閉じ込みベーン６１用のベーン溝は、仕切ベーン５１のベーン溝５３と一体化されている。閉じ込みベーン６１と仕切ベーン５１とは、互いに平行に配置されている。
【００７４】
閉じ込みベーン６１は、仕切ベーン５１よりも膨張室３２ａの下流側（図７の左側）に設けられている。図８に示すように、閉じ込みベーン６１は、回転軸１５の軸方向から見て、吸入口４１ａと重なる位置に配置されている。言い換えると、閉じ込みベーン６１は、当該閉じ込みベーン６１自身によって吸入口４１ａを覆うような位置に配置されている。したがって、閉じ込みベーン６１がベーン溝５３から突出すると、吸入口４１ａは閉じ込みベーン６１によって直接的に閉鎖される。なお、閉じ込みベーン６１は、軸方向から見ると吸入口４１ａと重なる位置に配置されているが、冷媒の流路方向に関しては、吸入口４１ａよりも下流側に配置されている。
【００７５】
その他の構成は、第１の実施形態とほぼ同様である。
【００７６】
本実施形態では、閉じ込みベーン６１によって吸入口４１ａを閉鎖することとしたので、高圧側膨張室３２ａにおける吸入口４１ａと閉じ込みベーン６１との間の空間を省略することができる。すなわち、高圧側膨張室３２ａ内において、冷媒の膨張に寄与しない無駄な空間をなくすことができる。そのため、閉じ込みベーン６１によって区画される高圧側膨張室３２ａの容積の最大値を大きく確保することができる。したがって、吸入容積の制御範囲を拡大させることができる。
【００７７】
特に、本実施形態では、閉じ込みベーン６１と仕切ベーン５１とが同一のベーン溝５３内に隣り合って配置されているので、高圧側膨張室３２ａにおける閉じ込みベーン６１と仕切ベーン５１との間の空間を、実質的に零にすることができる。したがって、冷媒の膨張に寄与しない無駄な空間を実質的に零にすることができる。
【００７８】
（第３の実施形態）
図９に示すように、第３の実施形態はベーン保持装置に変更を加えたものである。
【００７９】
本実施形態では、シリンダ３０には、ベーン溝６３と密閉容器１１内とを連通する連通孔７１が形成されている。この連通孔７１には、摺動ピン７２が挿入されている。摺動ピン７２の一端側には可動鉄心７３が取り付けられ、可動鉄心７３の周囲にはソレノイド７５のコイル７４が巻かれている。また、可動鉄心７３の摺動ピン７２側には、固定鉄心７６が配置されている。可動鉄心７３又は摺動ピン７２は、ばね等の付勢手段（図示せず）によって、閉じ込みベーン６１側と反対の側（図９（ａ）の左側）に常時付勢されている。閉じ込みベーン６１の側面には、孔７７が形成されている。なお、図９では、閉じ込みベーン６１を付勢するばね６２（図３参照）の図示は省略している。
【００８０】
図９（ｂ）に示すように、ソレノイド７５のコイル７４に電流を流すと、可動鉄心７３は固定鉄心７６に吸引される。これにより、摺動ピン７２が閉じ込みベーン６１の孔７７に挿入される。このように摺動ピン７２が孔７７に挿入されると、閉じ込みベーン６１の動きが規制され、閉じ込みベーン６１はベーン溝６３内に没入した状態に保持される。
【００８１】
一方、図９（ａ）に示すように、ソレノイド７５のコイル７４の通電を停止すると、図示しないばね等により、摺動ピン７２は閉じ込みベーン６１側と反対の側に付勢され、摺動ピン７２は孔７７から外れる。その結果、閉じ込みベーン６１はベーン溝６３内でスライド自在となり、閉じ込みベーン６１の保持状態は解除される。
【００８２】
したがって、本実施形態においても、前述の効果を得ることができる。
【００８３】
なお、本実施形態では、摺動ピン７２を駆動するアクチュエータは、電磁力を利用するものであった。しかしながら、上記アクチュエータは電磁力を利用するものに限定されるわけではない。例えば、上記アクチュエータとして、モータ、電動式シリンダ等を用いることも可能である。また、流体の差圧を利用して摺動ピン７２を駆動するアクチュエータでもよい。このようなアクチュエータとして、流体圧シリンダ等を用いることができる。例えば、膨張前の高圧の冷媒と膨張後の低圧の冷媒とを用い、これらの冷媒の差圧を利用して、摺動ピン７２を駆動することも可能である。
【００８４】
本実施形態では、閉じ込みベーン６１の孔７７が係合部を形成し、当該係合部と係合する係合部材は摺動ピン７２によって形成されていた。しかし、閉じ込みベーン６１の係合部及び係合部材は、閉じ込みベーン６１の突出を阻止するようなものであればよく、上記孔７７及び摺動ピン７２に限られないことは勿論である。
【００８５】
（第４の実施形態）
次に、本発明に係る流体機械の実施形態について説明する。図１０に示すように、本実施形態に係る流体機械１１０は、膨張機と圧縮機とが一体化されてなる流体機械１１０である。
【００８６】
流体機械１１０は、密閉容器１１と、密閉容器１１内に収容された膨張機構２０、電動機１２０、及び圧縮機構８０とを備えている。膨張機構２０、電動機１２０、圧縮機構８０は、上から下に向かって順に配置されている。
【００８７】
圧縮機構８０は、ロータリ式の圧縮機構である。ただし、圧縮機構８０はロータリ式に限られず、例えばスクロール式の圧縮機構等、他の回転式圧縮機構であってもよい。
【００８８】
圧縮機構８０は、略円筒状のシリンダ８１と、シリンダ８１の上端を覆う上側閉塞部材８２と、シリンダ８１の下端を覆う下側閉塞部材８３と、シリンダ８１内に回転自在に配置された円筒状のピストン８４とを備えている。
【００８９】
シリンダ８１の内部には、シリンダ８１の内周面とピストン８４の外周面とによって圧縮室８７が区画されている。シリンダ８１には径方向に延びるベーン溝９３が形成され、このベーン溝９３内に、ピストン８４に当接するベーン８９と、ベーン８９をピストン８４に向かって付勢するばね９０とが設けられている。ピストン８４の内部には、回転軸８５の偏心部８５ａが摺動自在に挿入されている。回転軸８５が回転すると、ピストン８４は偏心部８５ａによって回転駆動され、シリンダ８１の内周面と接触しながらシリンダ８１内を回転移動する。これにより、圧縮室８７の容積が変化し、圧縮室８７内で冷媒が圧縮される。
【００９０】
密閉容器１１の側壁の下側には、低圧冷媒を吸入する吸入管９１が接続されている。吸入管９１は上側閉塞部材８２に挿入されており、上側閉塞部材８２の内部には、吸入管９１から圧縮室８７に冷媒を導く吸入路８６が形成されている。上側閉塞部材８２には、圧縮室８７と密閉容器１１の内部空間とを連通する吐出流路８８が形成されている。密閉容器１１の側壁の上下方向中央部には、吐出管９２が接続されている。吐出管９２は、密閉容器１１の内部空間に開口している。このような構成により、吸入管９１内の低圧の冷媒は、吸入路８６を通じて圧縮室８７に吸入され、圧縮室８７内で圧縮された後、吐出流路８８を通じて密閉容器１１の内部空間に放出される。そして、密閉容器１１内の高圧の冷媒は、吐出管９２から吐出される。
【００９１】
電動機１２０は固定子１２１と回転子１２２とからなり、回転子１２２には回転軸８５が固定されている。回転軸８５は、膨張機構２０の回転軸１５と同軸状に連結されている。そのため、回転軸１５と回転軸８５とは、一体となって回転する。なお、本実施形態では、膨張機構２０の回転軸１５と圧縮機構８０の回転軸８５とを別部材で形成しているが、これら回転軸１５及び回転軸８５を同一部材で一体的に形成してもよい。
【００９２】
膨張機構２０の構成は、第１の実施形態とほぼ同様である。膨張機構２０の説明は省略する。なお、密閉容器１１の内部は、膨張機構２０の第２の閉塞部材２２によって区画されている。すなわち、第２の閉塞部材２２の上側には、膨張側の高圧空間が形成され、第２の閉塞部材２２の下側には、圧縮側の高圧空間が形成されている。ただし、密閉容器１１内に第２の閉塞部材２２と別個の区画部材を設けてもよいことは勿論である。
【００９３】
本実施形態においても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。すなわち、膨張機構２０の吸入容積を自由に設定することができる。また、吸入容積を変更することができ、膨張比を制御することができる。
【００９４】
本流体機械１１０では、膨張機構２０の回転軸１５は、圧縮機構８０の回転軸８５と一体となって回転する。そのため、膨張機構２０の回転数と圧縮機構８０の回転数とは常に等しくなり、膨張機構２０の回転数を圧縮機構８０の回転数と別個独立に制御することはできない。しかしながら上述したように、本流体機械１１０では、閉じ込みベーン６１の保持を解除する時期を調整することにより、膨張機構２０の吸入容積を制御することができる。したがって、圧縮機構８０の回転数に拘わらず、膨張機構２０の膨張比を自由に制御することができる。
【００９５】
なお、本実施形態では、膨張機構２０が圧縮機構８０の上方に配置されていたが、膨張機構２０は圧縮機構８０の下方に配置されていてもよい。すなわち、密閉容器１１の上側に圧縮機構８０を配置し、下側に膨張機構２０を配置するようにしてもよい。
【００９６】
また、本実施形態では、回転軸１５及び回転軸８５は上下方向に延び、膨張機構２０、電動機１２０及び圧縮機構８０は、上下方向に並んでいた。しかしながら、密閉容器１１を横置き型に形成してもよい。すなわち、回転軸１５及び回転軸８５を左右方向に配置し、膨張機構２０、電動機１２０及び圧縮機構８０を左右方向に並べてもよい。
【００９７】
（その他の実施形態）
前記実施形態では、膨張機構２０には、シリンダは一つだけ設けられていた。しかし、膨張機構２０は、複数のシリンダを備えたものであってもよい。
【００９８】
前記実施形態では、閉じ込みベーン６１は、回転するピストン３１によってベーン溝６３に押し込まれていた。しかし、閉じ込みベーン６１を電磁力によってベーン溝６３内に引っ張り込むことも可能である。
【００９９】
また、前記実施形態では、閉じ込みベーン６１を付勢する付勢装置は、ばね６２によって形成されていた、しかし、上記付勢装置は、ばね６２以外の弾性体であってもよい。また、上記付勢装置は、弾性体に限らず、例えば静電気力又は磁力等によって付勢力を発生させるものであってもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１００】
以上説明したように、本発明は、ロータリ式膨張機、及びロータリ式膨張機を有する流体機械について有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
【図１】冷凍サイクル装置の冷媒回路図
【図２】第１の実施形態に係る膨張機の縦断面図
【図３】閉じ込みベーンが没入した状態の膨張機構の横断面図（図２のIII−III線断面図）
【図４】閉じ込みベーンが突出した状態の膨張機構の横断面図
【図５】ベーン保持装置の変形例の構成図
【図６】ベーン保持装置の他の変形例の構成図
【図７】第２の実施形態に係る膨張機の横断面図であって、閉じ込みベーンが没入した状態の図
【図８】第２の実施形態に係る膨張機の横断面図であって、閉じ込みベーンが突出した状態の図
【図９】（ａ）及び（ｂ）は、第３の実施形態に係るベーン保持装置の構成図
【図１０】第４の実施形態に係る流体機械の縦断面図
【符号の説明】
【０１０２】
３０    シリンダ
３１    ピストン
３２    膨張室
４１ａ  吸入口
４４ａ  吐出口
５１    仕切ベーン（仕切部材）
６１    閉じ込みベーン
６２    ばね（付勢装置）
６３    ベーン溝
６４    ソレノイド（ベーン保持装置，磁界発生装置）
【図１】
2007009755.tif 000003
【図２】
2007009755.tif 000004
【図３】
2007009755.tif 000005
【図４】
2007009755.tif 000006
【図５】
2007009755.tif 000007
【図６】
2007009755.tif 000008
【図７】
2007009755.tif 000009
【図８】
2007009755.tif 000010
【図９】
2007009755.tif 000011
【図１０】
2007009755.tif 000012