(57)【要約】【課題】  冷凍サイクルにおける圧縮機の動力を低減して省エネルギー化を図る。【解決手段】  本発明の冷凍サイクルによれば、アキュムレータ６において、ガスクーラ２から送出された冷媒によりタービン２１を回転させてポンプ２２を回転させる駆動力を発生させ、蒸発器４から導入された冷媒をそのポンプ２２によって圧縮する。このため、ポンプ２２の回転によって圧縮機１に向けて送出する冷媒の圧力、つまり圧縮機１の吸入圧力を高めることができる。その結果、圧縮機１の動力を低減して省エネルギー化を図ることができる。【選択図】  図１
2007071430.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空調装置を構成する冷凍サイクルにおいて、
冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機から吐出された冷媒を冷却する放熱器と、
導入された冷媒を気液分離して溜めておき、そのガス冷媒を前記圧縮機に向けて送出するアキュムレータと、
前記アキュムレータに溜められた液冷媒を絞り膨張して減圧する膨張装置と、
前記膨張装置にて減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器と、
前記アキュムレータの中に配置され、前記放熱器から導入された冷媒により回転されてその冷媒を前記アキュムレータ内に放出するタービンと、前記タービンとともに回転して前記蒸発器から導入された冷媒を圧縮してその冷媒を前記アキュムレータ内に放出するポンプとを有するタービン・ポンプと、
を備えたことを特徴とする冷凍サイクル。
【請求項２】
前記タービン・ポンプが、前記アキュムレータの気相部に配置されたことを特徴とする請求項１記載の冷凍サイクル。
【請求項３】
前記タービン・ポンプが、前記アキュムレータの液相部に配置されたことを特徴とする請求項１記載の冷凍サイクル。
【請求項４】
前記放熱器と前記タービンとの間に、前記タービンに導入される冷媒の流量を調整するための流量制御弁が設けられたことを特徴とする請求項１記載の冷凍サイクル。
【請求項５】
前記膨張装置が、前記アキュムレータに一体に設けられたことを特徴とする請求項１記載の冷凍サイクル。
【請求項６】
一端が前記アキュムレータの気相部に開口する一方、他端側が前記圧縮機側につながり、前記アキュムレータの液相部を通る管壁の一部に、前記液相部の液冷媒を所定量導出して前記気相部から前記圧縮機に向けて送出されるガス冷媒に混合させるための絞り流路が設けられた冷媒配管を備え、
前記ポンプから導出されるガス冷媒の排出路が、前記冷媒配管に直接連結されていることを特徴とする請求項１記載の冷凍サイクル。
【請求項７】
前記ポンプから導出されるガス冷媒の導出路が、前記冷媒配管の前記アキュムレータの液相部にある部分の管壁に直接連結されていることを特徴とする請求項６記載の冷凍サイクル。
【請求項８】
前記流量制御弁は、
前記放熱器と前記タービンとをつなぐ冷媒通路を開閉する弁部と、
前記弁部を開閉駆動するソレノイドと、
前記ソレノイドへ供給する電流のデューティ制御により、前記弁部を開閉制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とする請求項４記載の冷凍サイクル。
【請求項９】
前記膨張装置は、
前記アキュムレータの液相部側に配置されて、前記アキュムレータを出て前記蒸発器へ供給される液冷媒の流量を制御する弁部と、
前記蒸発器を出て前記ポンプに入る冷媒の温度に応じて前記弁部を開弁方向に付勢する荷重が変化する第１の感温アクチュエータと、
前記弁部の低圧側に配置され、前記弁部にて絞り膨張された前記液冷媒の温度に応じて前記弁部を閉弁方向に付勢する荷重が変化する第２の感温アクチュエータと、
を備えたことを特徴とする請求項５記載の冷凍サイクル。
【請求項１０】
前記第１の感温アクチュエータ及び前記第２の感温アクチュエータは、それぞれ所定の温度範囲にて荷重が変化する二方向性の形状記憶効果を持った形状記憶合金ばねであることを特徴とする請求項９記載の冷凍サイクル。
【請求項１１】
前記タービン・ポンプが、前記アキュムレータの液相部に配置されたことを特徴とする請求項９記載の冷凍サイクル。
【請求項１２】
前記ポンプが、ロータリ式のものであり、その回転方向に前記蒸発器から導入された冷媒を圧縮するように構成されたことを特徴とする請求項１記載の冷凍サイクル。
【請求項１３】
前記圧縮機により圧縮された後の冷媒圧力が、前記冷媒の臨界圧力以上となることを特徴とする請求項１記載の冷凍サイクル。
【請求項１４】
冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から吐出された冷媒を冷却する放熱器と、導入された冷媒を気液分離して溜めておき、そのガス冷媒を前記圧縮機に向けて送出するアキュムレータと、前記アキュムレータに溜められた液冷媒を絞り膨張して減圧する膨張装置と、前記膨張装置にて減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器とを備えた冷凍サイクルに用いられる圧縮補助装置であって、
前記アキュムレータと前記膨張装置とを一体に組み付けて構成され、
前記アキュムレータの内部に、前記放熱器から導入された冷媒により回転されてその冷媒を前記アキュムレータ内に放出するタービンと、前記タービンとともに回転して前記蒸発器から導入された冷媒を圧縮してその冷媒を前記アキュムレータ内に放出するポンプとを有するタービン・ポンプが設けられたこと、
を特徴とする圧縮補助装置。
【請求項１５】
前記アキュムレータに、さらに前記放熱器から導入される冷媒の流量を調整するための流量制御弁が一体に設けられたことを特徴とする請求項１４記載の圧縮補助装置。
【請求項１６】
前記タービン・ポンプが、前記アキュムレータの液相部に配置されたことを特徴とする請求項１４記載の圧縮補助装置。
【請求項１７】
一端が前記アキュムレータの気相部に開口する一方、他端側が前記圧縮機側につながり、前記アキュムレータの液相部を通る管壁の一部に、前記液相部の液冷媒を所定量導出して前記気相部から前記圧縮機に向けて送出されるガス冷媒に混合させるための絞り流路が設けられた冷媒配管を備え、
前記ポンプから導出されるガス冷媒の導出路が、前記冷媒配管の前記アキュムレータの液相部にある部分の管壁に直接連結されていることを特徴とする請求項１６記載の圧縮補助装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は空調装置に適用される冷凍サイクル、及びその冷凍サイクルを構成する圧縮補助装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、自動車用空調装置等の冷凍サイクルの冷媒にはフロンが使用されてきたが、オゾン層破壊の問題があるため、近年では、その代替冷媒として例えば二酸化炭素（ＣＯ2）等を用いた冷凍サイクルが開発されている。
【０００３】
しかし、二酸化炭素等を使った冷凍サイクルは、高圧側の冷媒圧力が冷媒の臨界圧力以上となるため、圧縮機で必要とされる動力が大きい。このため、従来の冷凍サイクルでこれを実現しようとすると、多大なエネルギーが必要になる。
【０００４】
そこで、省エネルギー化の観点から、従来膨張装置で無駄に捨てられていた膨張エネルギーを有効利用する技術として、例えばエジェクタを用いて構成したエジェクタサイクルが提案されている（例えば特許文献１参照）。
【０００５】
このエジェクタサイクルは、圧縮機と、放熱器と、エジェクタと、気液分離器とを直列に接続し、気液分離器のガス出口を圧縮機の吸入口に接続し、気液分離器の液出口を蒸発器を介してエジェクタの吸入口に接続するようにして構成される。
【０００６】
エジェクタは、先端に噴出口を有するノズル、その外周から噴出口の下流方向に連なって筒状に形成された混合部、及びその混合部から末広がりに形成されたディフューザによって構成されている。ノズルは、放熱器にて冷却された冷媒を蒸発圧力以下に減圧して先端より低圧のジェット流で噴出させ、減圧によって生じる差圧で蒸発器からのガス冷媒を吸引する。混合部では、吸引されたガス冷媒とノズルからのジェット流とが混合され、ディフューザでは、面積が拡大されることにより混合された冷媒は減速されて昇圧される。すなわち、エジェクタで冷媒が昇圧されることによって圧縮機の吸入圧力が上昇するため、その分、圧縮機が所定の圧力まで圧縮するための動力を低減することができるのである。
【０００７】
しかしながら、このようなエジェクタは、ノズル、混合部、ディフューザとつながる形状が非常に複雑であるためにその加工が難しく、製造コストが嵩むといった問題がある。
一方、圧縮機の上流側に膨張側で得られた動力を効率よく圧縮機側へ伝達する補助圧縮機を設けた冷凍サイクルも提案されている（例えば特許文献２参照）。
【０００８】
この補助圧縮機は、ハウジング及び主軸を膨張機と共用しており、そのハウジング内に配置された斜板及びこれに接続されたピストンにより膨張機と仕切られている。膨張機側の主軸の端部には回転弁が設けられており、放熱器からの高圧冷媒がこの回転弁を介して膨張室に導入され、そこで膨張が完了した低圧冷媒が回転弁を介して蒸発器側へ導出される。この冷媒の導入出による膨張機の回収動力によって主軸に回転力が付与され、ピストンの往復動作によって補助圧縮機側では冷媒の圧縮がなされ、膨張機側では冷媒の膨張がなされる。このように、補助圧縮機で冷媒が昇圧されることによって主圧縮機の吸入圧力が上昇するため、その分、主圧縮機が所定の圧力まで圧縮するための動力を低減することができる。
【特許文献１】特許第３３２２２６３号公報（段落〔００９１〕〜〔００９６〕）
【特許文献２】特開２０００−４６４２９号公報（段落〔００３８〕，〔００３９〕）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献２に記載の冷凍サイクルでは、放熱器から導入された冷媒によって主軸の回転動力を生成するため、その冷媒を漏らさないようにハウジング内を気密に保持しなければならない。そのため、ハウジングの全外周にわたってシールを施さなければならず、上述したエジェクタよりもむしろコストが嵩んでしまうといった問題がある。
【００１０】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、低コストに実現でき、圧縮機の動力を低減して省エネルギー化を図ることができる冷凍サイクル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】
【００１１】
本発明では上記問題を解決するために、空調装置を構成する冷凍サイクルにおいて、冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から吐出された冷媒を冷却する放熱器と、導入された冷媒を気液分離して溜めておき、そのガス冷媒を前記圧縮機に向けて送出するアキュムレータと、前記アキュムレータに溜められた液冷媒を絞り膨張して減圧する膨張装置と、前記膨張装置にて減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器と、前記アキュムレータの中に配置され、前記放熱器から導入された冷媒により回転されてその冷媒を前記アキュムレータ内に放出するタービンと、前記タービンとともに回転して前記蒸発器から導入された冷媒を圧縮してその冷媒を前記アキュムレータ内に放出するポンプとを有するタービン・ポンプと、を備えたことを特徴とする冷凍サイクルが提供される。
【００１２】
このような冷凍サイクルにおいては、そのシステムにおいて通常用いられるアキュムレータ内にタービン・ポンプが配置されるため、冷媒の外部漏れを防止するための特別なシールを施す必要がなく、低コストに実現することができる。
【００１３】
そして、放熱器から導入された冷媒によりタービンを回転させてポンプを回転させる駆動力を発生させ、蒸発器から導入された冷媒をそのポンプによって圧縮する。このため、ポンプの回転によって圧縮機に向けて送出する冷媒の圧力、つまり圧縮機の吸入圧力を高めることができる。その結果、圧縮機の動力を低減して省エネルギー化を図ることができる。
【００１４】
また、本発明では、冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から吐出された冷媒を冷却する放熱器と、導入された冷媒を気液分離して溜めておき、そのガス冷媒を前記圧縮機に向けて送出するアキュムレータと、前記アキュムレータに溜められた液冷媒を絞り膨張して減圧する膨張装置と、前記膨張装置にて減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器とを備えた冷凍サイクルに用いられる圧縮補助装置であって、前記アキュムレータと前記膨張装置とを一体に組み付けて構成され、前記アキュムレータの内部に、前記放熱器から導入された冷媒により回転されてその冷媒を前記アキュムレータ内に放出するタービンと、前記タービンとともに回転して前記蒸発器から導入された冷媒を圧縮してその冷媒を前記アキュムレータ内に放出するポンプとを有するタービン・ポンプが設けられたこと、を特徴とする圧縮補助装置が提供される。
【００１５】
このような圧縮補助装置においては、アキュムレータ内にタービン・ポンプが配置されるため、冷媒の外部漏れを防止するための特別なシールを施す必要がなく、低コストに実現することができる。また、膨張装置が一体に組み付けられているため、冷凍サイクルに適用した場合に配管数が減り、その省スペース化を図ることができる。
【００１６】
さらに、冷凍サイクルに適用した場合には、放熱器から導入された冷媒によりタービンを回転させてポンプを回転させる駆動力を発生させ、蒸発器から導入された冷媒をそのポンプによって圧縮する。このため、圧縮機の吸入圧力を高めることができ、圧縮機の動力を低減して省エネルギー化を図ることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の冷凍サイクルによれば、アキュムレータの内部に、圧縮機の吸入圧力を高めるためのタービン・ポンプを設けたため、低コストに実現でき、圧縮機の動力を低減して省エネルギー化を図ることができる。
【００１８】
また、本発明の圧縮補助装置によれば、アキュムレータの内部に圧縮機の吸入圧力を高めるためのタービン・ポンプを設けたため、冷凍サイクルに適用した場合に、これを低コストに実現でき、圧縮機の動力を低減して省エネルギー化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
［第１の実施の形態］
本実施の形態は、本発明の冷凍サイクルを自動車用空調装置に適用したものであり、二酸化炭素を冷媒として用いる超臨界冷凍サイクルとして構成されている。図１は、第１の実施の形態に係る冷凍サイクルを表すシステム構成図である。
【００２０】
本実施の形態の冷凍サイクルは、自動車のエンジンによって回転駆動され、冷媒を超臨界域まで圧縮する圧縮機１と、圧縮機１から吐出された冷媒を冷却するガスクーラ２（「放熱器」に該当する）と、導入された冷媒の気液分離を行うとともに圧縮機１へ導出する冷媒の圧力を高める圧縮補助装置３と、圧縮補助装置３により減圧された液冷媒を蒸発させて車室内を冷却する蒸発器４とを備えている。
【００２１】
圧縮機１は、エンジンの回転数に関係なく、冷媒の吐出容量を一定に制御することができる斜板式の可変容量圧縮機である。圧縮機１は、電子制御が可能なソレノイド駆動の容量制御弁５が内蔵されており、その容量制御弁５によって吐出容量制御をするようにしている。この容量制御弁５は、圧縮機１の吐出圧力Ｐｄと吸入圧力Ｐｓとの差圧をソレノイドに供給される外部信号によって決まる所定の差圧に維持するように容量制御する、いわゆる差圧制御式の制御弁である。容量制御弁５は、圧縮機１の吐出圧力Ｐｄと吸入圧力Ｐｓとを受けて、圧縮機１から吐出された吐出圧力Ｐｄの冷媒を圧縮機１のクランク室に供給する流量を制御する。それによって、クランク室の圧力Ｐｃを吐出容量に対応した圧力に制御することで、冷媒の吐出容量を一定に制御するようにしている。この容量制御弁５としては、例えば特開２００１−１３２６５０号公報に記載の電磁制御弁を利用することができる。
【００２２】
圧縮補助装置３は、導入された冷媒を気液分離して溜めておくアキュムレータ６に対し、ガスクーラ２から導入される冷媒の流量を調整する流量制御弁７と、液冷媒を絞り膨張して減圧する膨張装置８を一体に組み付けて構成されている。アキュムレータ６の中には、導入された冷媒を圧縮してその圧力を高めるタービン・ポンプ９が配置されている。
【００２３】
次に、圧縮補助装置の構成について詳細に説明する。図２は、圧縮補助装置の構成を表す断面図である。
圧縮補助装置３を構成するアキュムレータ６は、気相部１１と液相部１２を上下に有し、冷媒を気液分離した状態で収容するタンク１３と、タンク１３を内外に貫通して気相部１１のガス冷媒を圧縮機１へ導く冷媒配管１４とから構成されている。冷媒配管１４は、その一端が気相部１１に開口する一方、他端側が圧縮機１側につながっている。この冷媒配管１４の液相部１２を通る管壁には、液相部１２の液冷媒を管内に所定量導出して気相部１１から導出されるガス冷媒と混合させる連通孔１５（「絞り流路」に該当する）が設けられている。このように液相部１２の液冷媒を導出することにより、その液相部１２に混入した潤滑オイルを圧縮機１側に戻し、圧縮機１内の潤滑を保持するようにしている。
【００２４】
タービン・ポンプ９は、タンク１３内の気相部１１の上部に固定されている。タービン・ポンプ９は、ガスクーラ２から導入された冷媒により回転されるタービン２１と、タービン２１とともに回転して蒸発器４から導入された冷媒を圧縮するロータリ式のポンプ２２とから構成されている。タービン２１とポンプ２２は、共通のボディ２３及び回転軸２４を有する。タービン２１の内部は、流量制御弁７を介してガスクーラ２につながり、導入される冷媒の流量が流量制御弁７により調整される。一方、ポンプ２２の内部は、配管形成部材２５を介して蒸発器４につながっている。この配管形成部材２５の一端は、タンク１３の側壁を貫通し、蒸発器４につながる図示しない配管に接続される。なお、タービン・ポンプ９の詳細な構成及び動作については後述する。
【００２５】
流量制御弁７は、タンク１３の上部に固定されている。流量制御弁７は、タンク１３の側壁を貫通する配管からなるボディ３１と、ボディ３１の内部に収容されてその冷媒通路を開閉する弁部３２と、ボディ３１に組み付けられて弁部３２を駆動するソレノイド３３とから構成されている。流量制御弁７は、弁座形成部材３４を介してタービン２１に接続されている。なお、流量制御弁７の詳細な構成及び動作については後述する。
【００２６】
膨張装置８は、タンク１３の内外を上下に貫通する長尺状のボディ４１と、液相部１２から蒸発器４へ供給される液冷媒の流量を制御する弁部４２と、配管形成部材２５内に配置されて、ポンプ２２に入る冷媒の温度に応じて弁部４２を開弁方向に付勢する荷重が変化する感温アクチュエータ４３と、弁部４２の低圧側に配置されて、弁部４２を通過した液冷媒の温度に応じて弁部４２を閉弁方向に付勢する荷重が変化する感温アクチュエータ４４とを備えている。なお、膨張装置８の詳細な構成及び動作については後述する。
【００２７】
図３は、タービン・ポンプの構成を表す断面図である。図４は、図３のＡ−Ａ矢視断面図である。図５は、図３のＢ−Ｂ矢視断面図である。
図３に示すように、タービン・ポンプ９は、ＰＰＳ（Polyphenylene Sulfide）等の樹脂からなる円筒状のボディ２３を有する。このボディ２３は、その内径が軸線方向に２段に形成されており、その小径部側がタービン２１の圧力室２６を構成し、大径部側がポンプ２２の圧力室２７を構成している。
【００２８】
タービン２１側の圧力室２６には、その内周面に沿ってステンレスからなる円筒状のスリーブ５１が内嵌されている。また、ボディ２３の圧力室２６の開口端部には座グリが形成されており、ステンレスからなる円板状の軸受部材５２が、その座グリに係止されつつ圧力室２６を封止するような態様で圧入されている。軸受部材５２の偏心位置には、ボス状の軸受部５３が外方に突出するように設けられている。
【００２９】
一方、ポンプ２２側の圧力室２７には、その内周面に沿ってステンレスからなる円筒状のスリーブ５４が内嵌されている。また、ボディ２３の圧力室２７の開口端部には座グリが形成されており、ステンレスからなる円板状の軸受部材５５が、その座グリに係止されつつ圧力室２７を封止するような態様で圧入されている。軸受部材５５の上記軸受部５３と対向する偏心位置には、ボス状の軸受部５６が外方に突出するように設けられている。
【００３０】
回転軸２４は、一端が軸受部５３に、他端が軸受部５６に回転可能に支持されている。そして、そのほぼ中央を境に、タービン２１のロータ５７とポンプ２２のロータ５８がそれぞれ嵌着されている。ロータ５７には、タービン２１の翼を構成する３つのベーン５９が等間隔で周設されており、ロータ５８には、ポンプ２２の翼を構成する３つのベーン６０が等間隔で周設されている。ボディ２３の軸線方向中央には、タービン２１とポンプ２２とを仕切るステンレスからなる仕切板６１が配設されている。回転軸２４は、この仕切板６１に設けられた円孔６２を貫通している。
【００３１】
また、回転軸２４には、その軸線方向に冷媒導出路６３が貫通して形成されており、その軸線方向中央の円孔６２に対応する位置には、冷媒導出路６３に連通して半径方向に貫通する冷媒漏洩路６４が形成されている。一方、軸受部５３及び５６の冷媒導出路６３に対向する位置には、冷媒導出口６５，６６がそれぞれ形成されている。このため、仮にタービン２１の圧力室２６内の冷媒がロータ５７と仕切板６１との隙間に漏れたとしても、その冷媒は、冷媒漏洩路６４，冷媒導出路６３，及び冷媒導出口６５，６６を介してタービン・ポンプ９の外部、つまりアキュムレータ６内の気相部１１に導出される。このため、その冷媒が低圧のポンプ２２内に侵入して誤作動を引き起こすのを防止することができる。
【００３２】
図４に示すように、タービン２１は、圧力室２６からボディ２３を半径方向に貫く冷媒導入路７１を有している。この冷媒導入路７１は、他方で弁座形成部材３４を介して流量制御弁７に接続されている（図２参照）。スリーブ５１は、帯状のステンレス板を円形に弾性変形させて構成されており、その両端部に設けられたフック部７２が、冷媒導入路７１の基端部に引っ掛けられて固定されている。したがって、スリーブ５１は、その弾性復帰力によって圧力室２６の内壁面に当接するように配置されている。
【００３３】
回転軸２４は、圧力室２６の軸線に対して偏心した位置にあり、ロータ５７の周囲３箇所には、ベーン５９の回動軸７３が設けられている。ベーン５９は、回動軸７３からその回転方向と逆向きに湾曲して延びるように構成されている。ベーン５９と回動軸７３との間には、ベーン５９をロータ５７から離間させる方向に付勢するねじりばねが設けられている。このため、ベーン５９の外周面がスリーブ５１に対して所定の圧力で当接するようになり、隣接するベーン５９とスリーブ５１とによって所定の圧力空間が形成されるようになっている。回転軸２４が偏心しているため、この圧力空間の大きさは回転とともに変化することになる。
【００３４】
また、軸受部材５２の圧力室２６内に対向する位置には、三日月状の導出孔７４が形成されており、冷媒導入路７１から導入された冷媒を外部、つまりアキュムレータ６の気相部１１に導出できるようになっている。
【００３５】
図５に示すように、ポンプ２２は、圧力室２７からボディ２３を半径方向に貫く冷媒導出路８１を有している。この冷媒導出路８１は、他方で外部、つまりアキュムレータ６の気相部１１に連通している（図２参照）。この冷媒導出路８１の外側の開口端部近傍には、板ばねからなる逆止弁８２が片持ち状態で設けられている。このため、冷媒が逆流して冷媒導出路８１からポンプ２２内に侵入するのが防止されるとともに、ポンプ２２の冷媒導出路８１近傍の圧力が所定以上になると逆止弁８２が開弁して冷媒を導出できるようになっている。圧力室２７は、タービン２１の圧力室２６の３倍程度の容積を有する。
【００３６】
スリーブ５４は、帯状のステンレス板を円形に弾性変形させて構成されており、その両端部に設けられたフック部８３が、冷媒導出路８１の基端部に引っ掛けられて固定されている。したがって、スリーブ５４は、その弾性復帰力によって圧力室２７の内壁面に当接するように配置されている。
【００３７】
回転軸２４は、圧力室２７の軸線に対しても偏心した位置にあり、ロータ５８の周囲３箇所には、ベーン６０の回動軸８４が設けられている。ベーン６０は、回動軸８４からその回転方向に湾曲して延びるように構成されている。ベーン６０と回動軸８４との間には、ベーン６０をロータ５８から離間させる方向に付勢する図示しないねじりばねが設けられている。このため、ベーン６０の外周面がスリーブ５４に対して所定の圧力で当接するようになり、隣接するベーン６０とスリーブ５４とによって所定の圧力空間が形成されるようになっている。回転軸２４が偏心しているため、この圧力空間の大きさは回転とともに変化することになる。
【００３８】
また、軸受部材５５の圧力室２７内に対向する位置には、三日月状の導入孔８５が形成されている。この導入孔８５は、配管形成部材２５の内部に連通しており、蒸発器４から導出された冷媒をポンプ２２内に導入できるようになっている。
【００３９】
次に、タービン・ポンプの動作について説明する。図６は、タービンの動作を表す断面図である。（Ａ）〜（Ｄ）は、タービンのロータが図の反時計回りに順次３０度ずつ回転した状態を表すものである。図７は、ポンプの動作を表す断面図である。（Ａ）〜（Ｄ）は、ポンプのロータが図の時計回りに順次３０度ずつ回転した状態を表すものであり、図６（Ａ）〜（Ｄ）にそれぞれ対応する。
【００４０】
図６（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、ガスクーラ２側から冷媒導入路７１を介してタービン２１に導入された高圧の冷媒は、隣接するベーン５９間に形成される圧力空間Ｓ１に導入される。このとき、他の圧力空間Ｓ２，Ｓ３の圧力は、導出孔７４から冷媒が導出されたことによって減圧されている。このため、回転方向前方のベーン５９に前後差圧が生じてロータ５７の回転力が発生する。この回転力が回転軸２４を介してポンプ２２のロータ５８に伝達され、ポンプ２２が回転駆動される。
【００４１】
そして、同図（Ｃ）に示すように、さらにロータ５７が回転して圧力空間Ｓ１が密閉状態となった後、同図（Ｄ）に示すように、圧力空間Ｓ１が導出孔７４に連通して、内部の冷媒を気相部１１に放出する。
【００４２】
一方、図７（Ａ）に示すように、ポンプ２２の回転に伴う負圧により吸引され、蒸発器４側から導入孔８５を介してポンプ２２に導入された低圧の冷媒は、隣接するベーン６０間に形成される圧力空間Ｓ１１に導入される。そして、同図（Ｂ）に示すように、圧力空間Ｓ１１が密閉状態となった状態でさらにロータ５８が回転すると、圧力空間Ｓ１１が徐々に小さくなるため、内部の冷媒が圧縮されてその圧力が高められる。一方、他の圧力空間Ｓ１２，Ｓ１３は徐々に大きくなるため、負圧状態となり、蒸発器４からの冷媒を導入孔８５を介して内部に吸引することになる。
【００４３】
圧力空間Ｓ１１内の圧力が所定以上になると、同図（Ｃ）及び（Ｄ）に示すように逆止弁８２が開弁するため、圧力が高められた冷媒が気相部１１に放出される。この冷媒は、気相部１１にある飽和状態の冷媒とともに冷媒配管１４を通って圧縮機１に向けて送出される（図２参照）。
【００４４】
次に、流量制御弁７の構成及び動作について詳細に説明する。図８は、流量制御弁７の構成を表す断面図である。
流量制御弁７は、オン・オフタイプの電磁弁として構成されており、配管を兼ねる円筒状のボディ３１と、ボディ３１の内部に配置された弁体９１と、弁体９１を駆動制御するソレノイド３３とを備えている。弁体９１と上述した弁座形成部材３４とにより弁部３２が構成される。
【００４５】
弁座形成部材３４は、円板状の本体の中央に弁孔９２を有し、その弁孔９２のボディ３１側の開口縁にボス状に突出した弁座９３が設けられている。ボディ３１は、その一端が弁座形成部材３４に当接した状態で接続されている。
【００４６】
ソレノイド３３は、弁体９１に一体的に形成されたプランジャ９４と、プランジャ９４の上流側に同軸状に配置されてボディ３１に固定されたコア９５と、外部からの供給電流によりプランジャ９４及びコア９５を含む磁気回路を生成する電磁コイル９６と、この電磁コイル９６を覆うように配置され、ソレノイド３３のケースを構成する円筒状のヨーク９７とを備えている。
【００４７】
弁体９１、プランジャ９４及びコア９５には、ガスクーラ２側から流れてきた冷媒を下流側へ導くための冷媒通路が貫通して設けられている。弁体９１は、その先端に弁座９３に着座して弁孔９２を閉塞可能な平面部９８を有し、また、その先端近傍の側部には、冷媒を導出する開口部９９が形成されている。プランジャ９４とコア９５との間には、プランジャを閉弁方向に付勢するスプリング１００が介装されている。
【００４８】
以上の構成において、プランジャ９４，コア９５，ヨーク９７，ボディ３１等によって電磁コイル９６を取り囲むソレノイド３３の磁気回路が構成されている。そして、図示しない制御装置によって電磁コイル９６への通電制御が行われる。
【００４９】
すなわち、電磁コイル９６が非通電であり、ソレノイド３３が駆動していないときには、スプリング１００の付勢力により弁体９１が弁座９３に着座する。このため、弁部３２は閉弁状態となる。一方、電磁コイル９６に通電されて、ソレノイド３３が駆動したときには、プランジャ９４がコア９５側に吸引され、弁体９１が弁座９３からリフトして弁部３２が開弁状態となる。ここでは、その通電制御をオン・オフによるデューティ制御により行っている。このため、そのデューティ比を変化させることにより、ガスクーラ２からタービン２１へ導入される冷媒の流量が調整される。
【００５０】
次に、膨張装置８の構成及び動作について詳細に説明する。図９は、膨張装置８の構成を表す断面図である。
膨張装置８は、その長尺円筒状のボディ４１を備える。このボディ４１の下端近傍の側部には、アキュムレータ６の液相部１２の冷媒を導入する冷媒入口１０１が設けられ、その冷媒入口１０１に連通して弁孔１０２が軸線方向に設けられている。弁孔１０２の下流側には、これを開閉する弁体１０３が軸線方向に進退自在に配置されている。これら弁孔１０２と弁体１０３が弁部４２を構成している。
【００５１】
弁体１０３は、弁孔１０２を貫通して軸線方向に延出されたシャフト１０４が一体に形成されている。シャフト１０４は、弁孔１０２の内径よりも小さい外径を有し、冷媒入口１０１に液冷媒が導入されたときに、弁体１０３が受ける開弁方向の力をシャフト１０４が受ける閉弁方向の力よりも大きくなるようにしている。
【００５２】
シャフト１０４の先端近傍にはばね受け部材１０５が嵌合され、ボディ４１の上部に形成された拡径部の開口端には、ばね受け部材１０６が圧入されている。これらばね受け部材１０５，１０６の間には、コイル状の形状記憶合金ばね１０７とバイアス用のスプリング１０８とが並列に介挿されている。
【００５３】
形状記憶合金ばね１０７は、温度サイクルに対して可逆的に変化する二方向性の形状記憶効果を有し、変態点より低い温度では、ばね荷重が小さく、変態点より高い温度になると、ばね荷重が温度変化に比例して大きくなる特性を有している。したがって、形状記憶合金ばね１０７は、蒸発器４を出てポンプ２２に入る冷媒の温度に応じて弁体１０３を開弁方向に付勢する荷重が変化する感温アクチュエータとして機能している。
【００５４】
また、バイアス用のスプリング１０８は、形状記憶合金ばね１０７のばね特性を調整し、さらには、この膨張装置８の弁特性を調整するためのものであり、ばね受け部材１０６をボディ４１の開口端に圧入する圧入量を変えることにより微調整できる。
【００５５】
ボディ４１の下部に形成された拡径部の開口端には、ばね受け部材１０９が圧入されている。そのばね受け部材１０９と弁体１０３との間には、コイル状の形状記憶合金ばね１１０が介挿され、弁体１０３と弁孔１０２の周囲部分との間には、コイル状のバイアス用のスプリング１１１が介挿されている。
【００５６】
形状記憶合金ばね１１０は、弁部にて絞り膨張された冷媒の温度に応じて弁体１０３を閉弁方向に付勢する荷重が変化する感温アクチュエータとして機能している。
また、バイアス用のスプリング１１１は、形状記憶合金ばね１１０のばね特性、さらには、この膨張装置８の弁特性を調整するためのものであり、ばね受け部材１０９をボディ４１の下部開口端に圧入する圧入量を変えることにより微調整できる。なお、このボディ４１の下部開口端は、蒸発器４につながる配管１２０の端部に内挿された状態でタンク１３に固定されている。
【００５７】
以上の構成の膨張装置８において、蒸発器４からポンプ２２へ吸入される冷媒の温度が形状記憶合金ばね１０７の変態点以上の所定の温度範囲内にあるとき、形状記憶合金ばね１０７は、マルテンサイト相からオーステナイト相（母相）に相変態していて、冷媒の温度変化に対してばね荷重がほぼ比例的に変化する。
【００５８】
同様に、膨張装置８の低圧側の冷媒の温度を感知する形状記憶合金ばね１１０においても、弁部によって絞り膨張された冷媒の温度が形状記憶合金ばね１１０の変態点以上の所定の温度範囲内にあるとき、冷媒の温度変化に対してばね荷重がほぼ比例的に変化する。
【００５９】
したがって、この膨張装置８では、弁体１０３とシャフト１０４の有効径の違いから冷媒の圧力により開弁する差圧の設定荷重は、形状記憶合金ばね１０７が感知した温度と形状記憶合金ばね１１０が感知した温度との温度差によって制御されることになる。なお、形状記憶合金ばね１０７，１１０は、それらの所定の温度範囲を超えた高い温度になると、それらのばね荷重の増加率が急激に低下して飽和状態になり、それ以上温度が上昇してもばね荷重は増加しなくなる。また、形状記憶合金ばね１０７，１１０は、二方向性の形状記憶効果を有しているので、冷媒の温度が低下してそれらの変態点を下回ると相変態してばね荷重の小さい状態になる。
【００６０】
次に、本実施の形態の冷凍サイクルの動作及び効果について説明する。図１０は、冷凍サイクルの特性を表すモリエル線図である。同図において、横軸はエンタルピ、縦軸は圧力を表しており、図１の冷凍サイクルの回路上に符号ａ〜ｉで示した位置の冷媒の状態を同じ符号ａ〜ｉで示している。
【００６１】
まず、自動車用空調装置が起動して圧縮機１がエンジンによって回転駆動されると、圧縮機１は、圧縮補助装置３のアキュムレータ６からガス冷媒を吸引して圧縮し、ガスクーラ２へ吐出する（ｉ→ａ）。このとき、圧縮機１は、容量制御弁５によって吐出圧力Ｐｄと吸入圧力Ｐｓとの差圧（Ｐｄ−Ｐｓ）が図示しない制御装置からの制御信号により定められる所定の差圧になるように容量制御される。ガス冷媒は、ガスクーラ２にて冷却される（ａ→ｂ）。
【００６２】
ガスクーラ２から導出された冷媒は、流量制御弁７によって流量が調整されてアキュムレータ６内のタービン２１に導入される（ｂ→ｃ）。なお、流量制御弁７がいわゆるオン・オフ弁であるため、そこでの圧力損失はほとんどない。これによってタービン・ポンプ９が駆動し、ポンプ２２が回転して冷媒の圧縮動作を行う。タービン２１に導入された冷媒は、タービン２１の膨張行程で減圧されてアキュムレータ６の気相部１１に放出される（ｃ→ｄ）。
【００６３】
アキュムレータ６では気液分離が行われており（ｄ→ｅ）、その液相部１２に溜まった液冷媒が、膨張装置８にて絞り膨張されて減圧され、蒸発器４へ送出される（ｅ→ｆ）。蒸発器４を通過する液冷媒は、車室内に吹き出す空気と熱交換され、空気からの吸熱によって蒸発される（ｆ→ｇ）。
【００６４】
蒸発器４を通過した冷媒は、ポンプ２２によって吸引され、その圧縮行程で圧縮されて圧力が高められる（ｇ→ｈ）。このように圧力が高められて過熱蒸気となった冷媒が、気相部１１に放出されて飽和蒸気とともに冷媒配管１４に導入され、連通孔１５から導出された液冷媒と混合されて圧縮機１に送出される（ｈ→ｉ）。
【００６５】
以上に説明したように、本実施の形態の冷凍サイクルによれば、アキュムレータ６において、ガスクーラ２から送出された冷媒によりタービン２１を回転させてポンプ２２を回転させる駆動力を発生させ、蒸発器４から導入された冷媒をそのポンプ２２によって圧縮する。このため、ポンプ２２の回転によって圧縮機１に向けて送出する冷媒の圧力、つまり圧縮機１の吸入圧力を高めることができる。その結果、圧縮機１の動力を低減して省エネルギー化を図ることができる。
【００６６】
また、このような冷凍サイクルにおいて通常用いられるアキュムレータ６内にタービン・ポンプ９が配置されるため、冷媒の外部漏れを防止するための特別なシールを施す必要がなく、低コストに実現することができる。
【００６７】
さらに、圧縮補助装置３をアキュムレータ６に流量制御弁７及び膨張装置８を一体化して構成したため、システムへの設置が非常に簡素化されるという利点がある。
［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。本実施の形態に係る冷凍サイクルは、圧縮補助装置の構成が異なる以外は第１の実施の形態の構成と同様であるため、第１の実施の形態の構成とほぼ同様の構成部分については同一の符号を付す等して適宜その説明を省略する。図１１は、第２の実施の形態に係る圧縮補助装置の構成を表す断面図である。
【００６８】
本実施の形態の圧縮補助装置２０３は、アキュムレータ２０６の液相部１２にタービン・ポンプ２０９を配置している。冷媒配管１４は、このタービン・ポンプ２０９に並設されるようにタンク２１３の底部を上下に貫通し、その開口端部を気相部１１の上方に位置させている。
【００６９】
タービン・ポンプ２０９は、第１の実施の形態のタービン・ポンプ９とほぼ同様の構成を有するが、ポンプ２２につながる冷媒導出路８１が、ボディ２２３から延出し、液相部１２にある冷媒配管１４の管壁部分に直接連結されている。このため、ポンプ２２で圧縮されて過熱蒸気となった冷媒が、冷媒配管１４内の混合冷媒を温めやすくなる。
【００７０】
その結果、図１０に示すように、ｉ点及びａ点を高温側、つまりエンタルピが高くなる側にシフトさせることができる。これによって、冷凍サイクルの成績係数を向上させることができる。
【００７１】
また、図１１に示すように、タービン・ポンプ２０９をアキュムレータ２０６の下部に配置したため、膨張装置２０８の上側の感温アクチュエータ４３の位置が低くなる。このため、膨張装置２０８のボディ２４１の軸線方向の長さが小さく構成される。
【００７２】
以上に説明したように、本実施の形態の冷凍サイクルにおいても、タービン・ポンプ２０９をアキュムレータ２０６内に配置し、ガスクーラ２から送出された冷媒によりタービン２１を回転させてポンプ２２を回転させる駆動力を発生させ、蒸発器４から導入された冷媒をそのポンプ２２によって圧縮する。このため、圧縮機１の吸入圧力を高めることができ、圧縮機１の動力を低減して省エネルギー化を図ることができる。また、タービン・ポンプ２０９に特別なシールを施す必要がなく、低コストに実現することができる。
【００７３】
また、タービン・ポンプ２０９をアキュムレータ２０６の液相部１２に配置したため、その液相部１２に溶けた潤滑油を、タービン２１やポンプ２２の潤滑に用いることができる。このため、タービン・ポンプ２０９の動作性が良く、メンテナンス間隔を長くすることができる。
【００７４】
また、ポンプ２２の冷媒導出路２８１を冷媒配管１４の管壁に直接連結し、ポンプ２２で圧縮されて過熱蒸気となった冷媒が、ほぼ１００％冷媒配管１４に導入されるようにした。このため、第１の実施の形態の場合よりも冷媒配管１４を流れる冷媒の温度を高めて冷凍サイクルの成績係数を向上させることができ、その結果、システムの効率を高めることができる。
【００７５】
さらに、膨張装置２０８のボディ２４１を小さくできるため、その分のコストを低減することができる。
以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明はその特定の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の精神の範囲内での変化変形が可能であることはいうまでもない。
【００７６】
例えば、上記各実施の形態では、タービン・ポンプを構成するポンプとしてロータリ式のものを採用したが、スクロール式のものでもよいし、ピストンに往復動作をさせて圧縮する斜板式のものでもよい。
【００７７】
また、各実施の形態では、流量制御弁７を、ソレノイド３３のデューティ制御によるオン・オフ弁として構成したが、ソレノイド３３に供給する電流値にほぼ比例した弁開度が得られる比例弁等として構成してもよい。あるいは、流量制御弁７を、例えばステッピングモータにより弁部が開閉制御されるように構成してもよいし、ばね等を含む内部の機械的構成と冷媒圧力により弁体が駆動されるいわゆる機械式の制御弁として構成してもよい。
【００７８】
また、各実施の形態では、本発明の冷凍サイクルを、二酸化炭素を冷媒とし、圧縮機１にて圧縮された後の冷媒圧力が冷媒の臨界圧力以上となる超臨界冷凍サイクルとして構成した例を示したが、二酸化炭素以外の冷媒を用いて超臨界冷凍サイクルとしてもよい。また、超臨界冷凍サイクルではなく、フロン等を冷媒とし、圧縮機１にて圧縮された後の冷媒圧力が冷媒の臨界圧力よりも小さくなる冷凍サイクルとして構成することも可能である。その場合には、放熱器として凝縮器が用いられる。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】第１の実施の形態に係る冷凍サイクルを表すシステム構成図である。
【図２】圧縮補助装置の構成を表す断面図である。
【図３】タービン・ポンプの構成を表す断面図である。
【図４】図３のＡ−Ａ矢視断面図である。
【図５】図３のＢ−Ｂ矢視断面図である。
【図６】タービンの動作を表す断面図である。
【図７】ポンプの動作を表す断面図である。
【図８】流量制御弁７の構成を表す断面図である。
【図９】膨張装置８の構成を表す断面図である。
【図１０】冷凍サイクルの特性を表すモリエル線図である。
【図１１】第２の実施の形態に係る圧縮補助装置の構成を表す断面図である。
【符号の説明】
【００８０】
１  圧縮機
２  ガスクーラ
３，２０３  圧縮補助装置
４  蒸発器
５  容量制御弁
６，２０６  アキュムレータ
７  流量制御弁
８，２０８  膨張装置
９，２０９  タービン・ポンプ
１１  気相部
１２  液相部
１４  冷媒配管
１５  連通孔
２１  タービン
２２  ポンプ
４３，４４  感温アクチュエータ
５７，５８  ロータ
５９，６０  ベーン
７１  冷媒導入路
７４  導出孔
８１  冷媒導出路
８２  逆止弁
８５  導入孔
【図１】
2007071430.tif 000003
【図２】
2007071430.tif 000004
【図３】
2007071430.tif 000005
【図４】
2007071430.tif 000006
【図５】
2007071430.tif 000007
【図６】
2007071430.tif 000008
【図７】
2007071430.tif 000009
【図８】
2007071430.tif 000010
【図９】
2007071430.tif 000011
【図１０】
2007071430.tif 000012
【図１１】
2007071430.tif 000013