(57)【要約】【課題】コスト高を抑制し、簡単な構成の冷凍サイクル装置とすることが目的である。さらに具体的には、本発明は気液分離機能を備えた膨張機とその膨張機を用いた冷凍サイクル装置を提供することが目的である。【解決手段】冷媒経路の下流側シリンダとなる上シリンダ４３、上仕切板４４、冷媒経路の上流側シリンダとなる中シリンダ４５、下仕切板４６、冷媒経路の下流側シリンダとなる下シリンダ４７が順に垂直方向に積層されている。そして中シリンダ吸入部５３には、外部から冷媒を吸入する冷媒吸入経路５７が接続され、上シリンダ吐出部５２および下シリンダ吐出部５６には、それぞれ外部へ冷媒を吐出する上冷媒吐出経路である上冷媒吐出管３３、および下冷媒吐出経路である下冷媒吐出管３４が接続されている。【選択図】図１
2007127052.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
３個の偏心部を有し垂直に軸支されたシャフトと、
前記偏心部それぞれに嵌合して偏心回転する３個のピストンと、
円筒形状の内面の一部が前記ピストンと接するように配設された３個のシリンダと、
前記シリンダと前記ピストンとにより形成される空間を、冷媒を吸入する吸入部および前記冷媒を吐出する吐出部に仕切る仕切部材とを備え、
３個の前記シリンダを上シリンダ、中シリンダ、および下シリンダをなすように垂直方向に配置し、
３個の前記シリンダのうちの一つのシリンダの前記吸入部に冷媒を吸入する冷媒吸入経路を、残り２個のシリンダの前記吐出部に前記冷媒を吐出する冷媒吐出経路を接続するとともに、
前記冷媒吸入経路が接続されたシリンダと、前記冷媒吐出経路が接続されたそれぞれのシリンダとを連通させて冷媒を膨張させることを特徴とする膨張機。
【請求項２】
前記中シリンダに前記冷媒吸入経路を接続し、前記上シリンダと前記下シリンダとに前記冷媒吐出経路を接続することを特徴とする請求項１に記載の膨張機。
【請求項３】
前記上シリンダの容積を前記下シリンダの容積より大きくしたことを特徴とする請求項２に記載の膨張機。
【請求項４】
前記中シリンダと前記上シリンダとの間に上仕切板を配置し、前記上仕切板の厚み方向に前記中シリンダと前記上シリンダとを連通する上連通路、および前記中シリンダと前記下シリンダとの間に下仕切板を配置し、前記下仕切板の厚み方向に前記中シリンダと前記下シリンダとを連通する下連通路を設けるとともに、前記上連通路と前記下連通路とが最短長さとなるように前記上シリンダの仕切部材および前記下シリンダの仕切部材の配置位置と前記中シリンダの仕切部材の配置位置とを垂直方向から見て異ならせたことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の膨張機。
【請求項５】
前記上連通路の断面積を前記下連通路の断面積よりも小さくしたことを特徴とする請求項４に記載の膨張機。
【請求項６】
前記中シリンダのピストンの回転に伴い前記中シリンダが前記下連通路、前記上連通路の順に連通されることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の膨張機。
【請求項７】
前記中シリンダに前記下連通路の開口部、前記上連通路の開口部を前記中シリンダのピストンの回転方向に順に設けたことを特徴とする請求項６に記載の膨張機。
【請求項８】
前記中シリンダの冷媒が前記上シリンダより先に前記下シリンダに流入するように前記下シリンダのピストンの偏心部と前記上シリンダのピストンの偏心部とを垂直方向から見て異ならせたことを特徴とする請求項６に記載の膨張機。
【請求項９】
前記上シリンダの吸入部または吐出部と前記下シリンダの吸入部または吐出部とを連通させる上下シリンダ連通路を設け、前記上シリンダの吸入部の液相の冷媒を前記下シリンダの吸入部に流下させることを特徴とする請求項６から請求項８のいずれか一項に記載の膨張機。
【請求項１０】
前記冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機で圧縮した前記冷媒を放熱する放熱器と、
前記放熱器で放熱した前記冷媒を膨張させる請求項２から請求項９のいずれか一項に記載の膨張機と、
前記膨張機で膨張させた前記冷媒を蒸発させる蒸発器とを前記冷媒を循環させる冷媒回路で接続し、
前記膨張機の前記下シリンダの前記冷媒吐出経路と前記蒸発器とを接続した回路は前記冷媒回路の一部を構成し、前記膨張機の前記上シリンダの前記冷媒吐出経路と前記圧縮機とを接続した回路は前記蒸発器をバイパスさせた回路であることを特徴とする冷凍サイクル装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高圧の圧縮性流体を作動させて回転動力を発生させる膨張機とその膨張機を用いた冷凍サイクル装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
圧縮機、放熱器、膨張弁または膨張機の膨張機構、および蒸発器を配管で接続し、冷媒を循環させる冷凍サイクル装置では、膨張機構で膨張した冷媒は、気相と液相が共存した湿り蒸気の状態となる。このような湿り蒸気の冷媒のうち、流速の大きな気相冷媒が蒸発器に流入すると、蒸発器内での圧力損失が大きくなり、冷凍サイクル内を循環する冷媒量が減少し、冷凍能力が低下してしまう場合があった。そのため、従来の冷凍サイクル装置では、蒸発器に過大に気相冷媒を流さないようにするため、膨張機構と蒸発器との間の経路あるいは、蒸発器内に気相冷媒と液相冷媒とを分離する気液分離装置を設ける構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図１４は、特許文献１に示す気液分離装置を備えた冷凍サイクル装置１０の構成図である。サクションタンク１１を付帯した圧縮機１２を出た冷媒は、四方弁１３、室内側熱交換器１４、膨張弁１５、室外側熱交換器１６内に設けられた気液分離装置１７を通り、圧縮機１２に戻る。ここで気液分離装置１７には、気液二相配管１８、気相配管１９、および液相配管２０が接続されている。そして冷凍サイクル装置１０は、暖房モードで運転する場合は、実線の矢印で、冷房モードまたは除湿モードで運転する場合は、破線の矢印で示す方向に四方弁１３で冷媒の循環経路が切り替えられる。また二方電磁弁２１は、暖房モードで開放され、冷房モードでは閉止される。
【０００４】
例えば冷凍サイクル装置１０を暖房モードで運転する場合は、室内側熱交換器１４は凝縮器として、室外側熱交換器１６は蒸発器として機能する。従って、室外側熱交換器１６の蒸発器としての機能を低下させないため、室外側熱交換器１６から気液二相配管１８を引き出して気液分離装置１７を設け、液相配管２０を再度、室外側熱交換器１６に戻している。すなわち気液分離装置１７には、室外側熱交換器１６の一部を通った気液二相の冷媒が入り、気相の冷媒は二方電磁弁２１から圧縮機１２に戻される。また液相の冷媒は、室外側熱交換器１６に戻される。
【０００５】
図１５は、気液分離装置１７の平面図および側面図である。気液分離装置１７は筒状のケーシング２２の上部に口径ｄ１の気液二相配管１８が挿入され、ケーシング２２内で気相と液相の冷媒に分離される。そして気相冷媒は、ケーシング２２の上部の口径ｄ３の気相配管１９から、液相冷媒は下部の口径ｄ２の液相配管２０から流出する。ここで、気液分離効率を高めるには、ｄ３≧ｄ１＞ｄ２の関係が必要であるとしている。
【特許文献１】特開２００３−４３４３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、このような従来の冷凍サイクル装置の気液分離装置は、異なる口径の３本の配管を、ケーシングに気密性を損なわずに結合する必要があり、製作コストが高くなること、また気液分離装置を蒸発器内等に設けるため配管が複雑になるという課題があった。
【０００７】
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、コスト高を抑制し、簡単な構成の冷凍サイクル装置とすることが目的である。さらに具体的には、本発明は気液分離機能を備えた膨張機とその膨張機を用いた冷凍サイクル装置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】
【０００８】
本発明の膨張機は、３個の偏心部を有し垂直に軸支されたシャフトと、偏心部それぞれに嵌合して偏心回転する３個のピストンと、円筒形状の内面の一部がピストンと接するように配設された３個のシリンダと、シリンダとピストンとにより形成される空間を、冷媒を吸入する吸入部および冷媒を吐出する吐出部に仕切る仕切部材とを備え、３個のシリンダを上シリンダ、中シリンダ、および下シリンダをなすように垂直方向に配置し、３個のシリンダのうちの一つのシリンダの吸入部に冷媒を吸入する冷媒吸入経路を、残り２個のシリンダの吐出部に冷媒を吐出する冷媒吐出経路を接続するとともに、冷媒吸入経路が接続されたシリンダと、冷媒吐出経路が接続されたそれぞれのシリンダとを連通させて冷媒を膨張させる構成とする。
【０００９】
このような構成により、膨張仕事を行うと同時に、膨張機から吐出される冷媒を、気相が主成分の冷媒と、液相が主成分の冷媒とに分離して吐出することができる。そのため、気相と液相との冷媒に分離する気液分離装置が不要となり、冷凍サイクル装置の低コスト化、およびその構成を簡単にすることができる。
【００１０】
また本発明の膨張機は、中シリンダに冷媒吸入経路を接続し、上シリンダと下シリンダとに冷媒吐出経路を接続する構成としてもよい。
【００１１】
このような構成の膨張機とすることにより、中シリンダから吸入した冷媒のうち膨張した気相の冷媒は上シリンダに、液相の冷媒は下シリンダにそれらの密度差から分離されやすくなる。
【００１２】
また本発明の膨張機は、上シリンダの容積を下シリンダの容積より大きくした構成としてもよい。液相の冷媒が膨張して液相の状態を保つ時と、気相の状態になる時とでは、気相の状態になる時の方がその容積は、より大きくなる。そのため、上シリンダの容積を下シリンダの容積より大きくした方がよい。
【００１３】
また本発明の膨張機は、中シリンダと上シリンダとの間に上仕切板を配置し、上仕切板の厚み方向に中シリンダと上シリンダとを連通する上連通路、および中シリンダと下シリンダとの間に下仕切板を配置し、下仕切板の厚み方向に中シリンダと下シリンダとを連通する下連通路を設けるとともに、上連通路と下連通路とが最短長さとなるように上シリンダの仕切部材および下シリンダの仕切部材の配置位置と中シリンダの仕切部材の配置位置とを垂直方向から見て異ならせた構成としてもよい。
【００１４】
このような構成とすることにより、膨張作用に関与しないデッドスペースである連通路は最短となり、膨張効率ならびに膨張機で回収される動力も大きくなる。
【００１５】
また本発明の膨張機は、上連通路の断面積を下連通路の断面積よりも小さくした構成としてもよい。このような構成により、液相の冷媒は下シリンダの吸入部に流れやすくなり、上シリンダの吸入部に流れにくくなり、液相の冷媒と気相の冷媒とに、より分離しやすくなる。
【００１６】
また本発明の膨張機は、中シリンダのピストンの回転に伴い中シリンダが下連通路、上連通路の順に連通される構成としてもよい。このような構成により、下連通路が中シリンダと先に連通されるので、膨張過程の冷媒で液相の冷媒の大半は下シリンダに流下し、その後、気液二相の冷媒のうちの気相主体の冷媒は上シリンダに、液相主体の冷媒は下シリンダに移動する。
【００１７】
また本発明の膨張機は、中シリンダに下連通路の開口部、上連通路の開口部を中シリンダのピストンの回転方向に順に設けた構成としてもよい。このような構成により、中シリンダのピストンの回転とともに、中シリンダが先に下連通路の開口部と連通し、その後に上連通路の開口部と連通する。
【００１８】
また本発明の膨張機は、中シリンダの冷媒が上シリンダより先に下シリンダに流入するように下シリンダのピストンの偏心部と上シリンダのピストンの偏心部とを垂直方向から見て異ならせた構成としてもよい。下シリンダのピストンの偏心部と、上シリンダのピストンの偏心部とを異ならせることで、下シリンダのピストンの位相を上シリンダのピストンの位相より進ませることができる。そのため、中シリンダは先に下シリンダと連通し、その後、上シリンダと連通する。
【００１９】
また本発明の膨張機は、上シリンダの吸入部または吐出部と下シリンダの吸入部または吐出部とを連通させる上下シリンダ連通路を設け、上シリンダの吸入部の液相の冷媒を下シリンダの吸入部に流下させる構成としてもよい。
【００２０】
下シリンダは、上シリンダより早く中シリンダと連通するため、下シリンダの方が上シリンダより早く低圧となる。従って、上シリンダの吸入部または吐出部と下シリンダの吸入部または吐出部とを連通させる上下シリンダ連通路を設けることで、上シリンダと下シリンダとの圧力差と重力により、上シリンダの吸入部または吐出部に入った液相の冷媒も、下シリンダの吸入部または吐出部に流下させることができる。
【００２１】
また本発明の冷凍サイクル装置は、冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮機で圧縮した冷媒を放熱する放熱器と、放熱器で放熱した冷媒を膨張させる上記の膨張機と、膨張機で膨張させた冷媒を蒸発させる蒸発器とを冷媒を循環させる冷媒回路で接続し、膨張機の下シリンダの冷媒吐出経路と蒸発器とを接続した回路は冷媒回路の一部を構成し、膨張機の上シリンダの冷媒吐出経路と圧縮機とを接続した回路は蒸発器をバイパスさせた回路とした構成とする。
【００２２】
このような構成の冷凍サイクル装置は、膨張機を出る冷媒が気相と液相とに概ね分離されているため、蒸発器に過大に気相の冷媒が流れて冷媒循環量を減らすこともなく、冷凍能力を低下させることもない。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の膨張機とその膨張機を用いた冷凍サイクル装置によれば、膨張機が気液分離機能を備え気液分離装置が不要となるため、コスト高を抑制し、簡単な構成の冷凍サイクル装置とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
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。
【００２５】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における膨張機の縦断面図である。本発明の実施の形態１の膨張機３０は、シリンダ内をピストンが回転するロータリー式で、３段のシリンダを積層し、冷凍サイクル装置の膨張機構として使用される。
【００２６】
膨張機３０は、密閉容器３１内に主要機構部を備えている。密閉容器３１には、冷凍サイクル装置の放熱器から高圧の冷媒が導入される冷媒導入管３２、膨張仕事を終えて低圧となった気相主成分の冷媒を吐出し圧縮機に導入する上冷媒吐出管３３、および液相主成分の冷媒を吐出し蒸発器に導入する下冷媒吐出管３４が設けられている。
【００２７】
密閉容器３１の上部には、動力変換装置となる補助モータ３５が設けられている。補助モータ３５は、ステータ３６とロータ３７とから構成されている。ステータ３６は、密閉容器３１に固定され、ロータ３７は、シャフト３８に固着されている。そしてシャフト３８は、補助モータ３５に通電することで回転する。シャフト３８は、上軸受部材３９に設けられた上軸受４０と、下軸受部材４１に設けられた下軸受４２とにより垂直に回転自在に軸支されている。上軸受部材３９と、下軸受部材４１との間には、冷媒経路の下流側シリンダとなる上シリンダ４３、上仕切板４４、冷媒経路の上流側シリンダとなる中シリンダ４５、下仕切板４６、冷媒経路の下流側シリンダとなる下シリンダ４７が順に垂直方向に積層されている。
【００２８】
シャフト３８は、上偏心部３８ａ、中偏心部３８ｂ、および下偏心部３８ｃを有している。上偏心部３８ａに嵌合されたリング状の上ピストン４８は、上シリンダ４３の内面にその一部が接するように、また中偏心部３８ｂに嵌合されたリング状の中ピストン４９は、中シリンダ４５の内面にその一部が接するように、さらに下偏心部３８ｃに嵌合されたリング状の下ピストン５０は、下シリンダ４７の内面にその一部が接するように構成されている。従って、シャフト３８の回転によって、上ピストン４８、中ピストン４９、および下ピストン５０が偏心回転を行う構成となっている。なお、補助モータ３５によりシャフト３８に回転力を与えるのは始動時のみであり、定常運転時は膨張仕事によるピストンの回転力によって発電機として動作する。
【００２９】
上シリンダ４３と上ピストン４８とにより形成される空間は、上シリンダ吸入部５１と上シリンダ吐出部５２とに、中シリンダ４５と中ピストン４９とにより形成される空間は、中シリンダ吸入部５３と中シリンダ吐出部５４とに、下シリンダ４７と下ピストン５０とにより形成される空間は、下シリンダ吸入部５５と下シリンダ吐出部５６とにそれぞれ区分けされる。中シリンダ吸入部５３には、外部から冷媒を吸入する冷媒吸入経路５７が接続され、上シリンダ吐出部５２および下シリンダ吐出部５６には、それぞれ外部へ冷媒を吐出する上冷媒吐出経路である上冷媒吐出管３３、および下冷媒吐出経路である下冷媒吐出管３４が接続されている。上仕切板４４には、中シリンダ４５と上シリンダ４３とを連通する上連通路５８が、下仕切板４６には、中シリンダ４５と下シリンダ４７とを連通する下連通路５９がそれぞれ設けられている。
【００３０】
ここで、上連通路５８の断面積は下連通路５９の断面積より小さくしている。これは、液相の冷媒が気相の冷媒と比較して狭いポートを通りにくいという特性を利用したもので、このような構成により、中シリンダ４５から吐出される気液二相の冷媒をさらに効果的に気相主体の冷媒は上シリンダ４３へ、液相主体の冷媒は下シリンダ４７に分離することができる。
【００３１】
また、上シリンダ４３の垂直方向の長さは、下シリンダ４７の垂直方向の長さより長くしてあり、上シリンダ４３の容積は、下シリンダ４７の容積より大きい構成としている。
【００３２】
これは膨張後の冷媒容積は、液相状態よりも気相状態の方が大きくなるからである。
【００３３】
図２は、本発明の実施の形態１における膨張機の横断面図である。図２（ａ）、図２（ｂ）、図２（ｃ）、図２（ｄ）、図２（ｅ）は、それぞれ図１におけるＡ−Ａ線断面図、Ｂ−Ｂ線断面図、Ｃ−Ｃ線断面図、Ｄ−Ｄ線断面図、Ｅ−Ｅ線断面図であり、それぞれ上シリンダ４３、上仕切板４４、中シリンダ４５、下仕切板４６、下シリンダ４７の位置における断面を示している。
【００３４】
図２（ａ）に示すように、上ピストン４８は、上偏心部３８ａの偏心回転によって上シリンダ４３の内面に接して偏心回転をするように構成されている。上シリンダ４３には案内溝６０が形成され、冷媒の下流側仕切部材となる上ベーン６１が案内溝６０に沿って往復運動をするように設けられている。上ベーン６１は、ばね６２により上ピストン４８に押圧されている。また、上シリンダ４３には、膨張仕事を終えた低圧の冷媒を吐出する上冷媒吐出管３３が接続されている。さらに上シリンダ４３には、冷媒吸入経路５７、上下シリンダ連通路７０の孔が開けられている。ここで、上下シリンダ連通路７０は、液相の冷媒を下シリンダ４７に送出しやすくするために、上シリンダ４３の内面の切り込み幅を広くした方形で、連通路を円筒にした前方後円形状としている。そして、上シリンダ４３と上ピストン４８との間に形成された空間は、上ベーン６１によって、上冷媒吐出管３３が接続された上シリンダ吐出部５２と、上シリンダ吸入部５１とに区画される。また、上シリンダ吸入部５１の上ベーン６１の近傍には、上連通路５８が設けられている。ここで、図２（ａ）において膨張機３０本体をＦ−Ｆ線断面図として示した図が図１となる。
【００３５】
図２（ｂ）に示すように、上仕切板４４は、シャフト３８に嵌め込まれ、冷媒経路となる上連通路５８が形成されている。上連通路５８は、中シリンダ４５からの吐出ポートと上シリンダ４３への吸入ポートとを兼ねるとともに、これらを接続する機能を有している。また、上仕切板４４には冷媒吸入経路５７、上下シリンダ連通路７０の孔が開けられている。
【００３６】
図２（ｃ）に示すように、中ピストン４９は、中偏心部３８ｂの偏心回転によって、中シリンダ４５の内面に接した偏心回転をするように構成されている。中シリンダ４５には案内溝６３が形成され、冷媒の上流側仕切部材となる中ベーン６４が案内溝６３に沿って往復運動をするように設けられている。中ベーン６４は、ばね６５により中ピストン４９に押圧されている。また、中シリンダ４５には、冷媒導入管３２から膨張機３０本体に入った高圧の冷媒を吸入する冷媒吸入経路５７が接続されている。中シリンダ４５と中ピストン４９との間に形成された空間は、中ベーン６４によって、冷媒吸入経路５７が接続された中シリンダ吸入部５３と、中シリンダ吐出部５４とに区画される。さらに中シリンダ４５には、上連通路５８、下連通路５９、上下シリンダ連通路７０の孔が開けられている。
【００３７】
図２（ｄ）に示すように、下仕切板４６は、シャフト３８に嵌め込まれ、冷媒経路となる下連通路５９、上下シリンダ連通路７０が形成されている。下連通路５９は、中シリンダ４５からの吐出ポートと下シリンダ４７への吸入ポートを兼ねるとともに、これらを接続する機能を有している。
【００３８】
図２（ｅ）に示すように、下ピストン５０は、下偏心部３８ｃの偏心回転によって下シリンダ４７の内面に接して偏心回転をするように構成されている。下シリンダ４７には案内溝６６が形成され、冷媒の下流側仕切部材となる下ベーン６７が案内溝６６に沿って往復運動をするように設けられている。下ベーン６７は、ばね６８により下ピストン５０に押圧されている。また、下シリンダ４７には、膨張仕事を終えた低圧の冷媒を吐出する下冷媒吐出管３４が接続されている。下シリンダ４７と下ピストン５０との間に形成された空間は、下ベーン６７によって、下冷媒吐出管３４が接続された下シリンダ吐出部５６と、下シリンダ吸入部５５とに区画される。さらに下シリンダ４７には、上下シリンダ連通路７０の孔が開けられている。
【００３９】
ここで、本発明の実施の形態１における垂直方向から見た上シリンダ４３、中シリンダ４５、および下シリンダ４７の位置関係を説明する。図２に示すように、紙面の水平方向線を基準線とし、基準線から反時計方向に正に角度を表示することにする。この時、基準線とそれぞれ上シリンダ４３の上ベーン６１の中心線とのなす角度は−４５°、中シリンダ４５の中ベーン６４の中心線とのなす角度は０°、下シリンダ４７の下ベーン６７の中心線とのなす角度は−６７．５°の位置にある。
【００４０】
このように上ベーン６１、中ベーン６４、下ベーン６７の配置位置を、垂直方向から見て異ならせているのは、上連通路５８と下連通路５９とを垂直に設け、それらの長さを短くするためである。上連通路５８および下連通路５９は、冷媒が中シリンダ４５から上シリンダ４３および下シリンダ４７へ移動する際の通過経路であり、膨張容積に関与しないデッドスペースである。
【００４１】
また、図２（ａ）に示すように、上ベーン６１の中心線からそれぞれ−２２．５°の角度をなす位置に上冷媒吐出管３３の中心線が、２２．５°の角度をなす位置に上連通路５８の中心線がくるようにしている。さらに、基準線上に上下シリンダ連通路７０の中心線がくるようにしている。
【００４２】
また、図２（ｃ）に示すように、中ベーン６４の中心線からそれぞれ２２．５°の角度をなす位置に冷媒吸入経路５７の中心線が、−２２．５°の角度をなす位置に上連通路５８の中心線が、−４５°の角度をなす位置に下連通路５９の中心線がくるようにしている。ここで、基準線からそれぞれ下連通路５９の中心線を−４５°、上連通路５８の中心線を−２２．５°の角度をなす位置にして、下連通路５９を上連通路５８より早く連通させるようにしているのは、液相の冷媒を先に下シリンダ４７に流下させて、より冷媒の気液分離を行わせやすくするためである。
【００４３】
また、図２（ｅ）に示すように、下ベーン６７の中心線からそれぞれ２２．５°の角度をなす位置に下連通路５９の中心線が、−２２．５°の角度をなす位置に下冷媒吐出管３４の中心線がくるようにしている。
【００４４】
次に、上述の構成の膨張機３０の動作について説明する。
【００４５】
図１の膨張機３０では、中シリンダ吸入部５３または中シリンダ吐出部５４が、上シリンダ吸入部５１、および下シリンダ吸入部５５とそれぞれ上連通路５８、下連通路５９を介して連通している。冷媒の膨張時は、中シリンダ吐出部５４、上シリンダ吸入部５１、および下シリンダ吸入部５５が、それぞれ冷媒吸入経路５７、上冷媒吐出管３３、下冷媒吐出管３４と遮断され、外部から密閉されて、中シリンダ吐出部５４、上シリンダ吸入部５１、および下シリンダ吸入部５５の３室で膨張室が形成される。
【００４６】
そして中シリンダ４５に導入された気液二相の冷媒は、下連通路５９を通って下シリンダ吸入部５５に送られるとともに、上連通路５８を通って上シリンダ吸入部５１に送られる。この際、気相と液相との冷媒の比重差により、主に気相の冷媒は上シリンダ吸入部５１に送られ、液相の冷媒は下シリンダ吸入部５５に送られることで気液分離が行われる。
【００４７】
さらに図３〜図５を用いて、本発明の実施の形態１における膨張機３０の動作を、詳細に説明する。膨張機３０は、３個のピストンが同位相で回転するものであり、中ピストン４９が中ベーン６４の中心線に接している時の回転角度を０°とし、反時計方向に回転を行うものとする。図３は回転角度が０°〜２７０°、図４は３６０°〜６３０°、図５は７２０°〜９９０°の時の９０度毎の、それぞれ上シリンダ４３、中シリンダ４５、下シリンダ４７の断面図である。
【００４８】
図３で、回転角度０°は、上ピストン４８、中ピストン４９、下ピストン５０が図面上で上シリンダ４３、中シリンダ４５、下シリンダ４７の左面に接している状態である。そして、それぞれのピストンが回転を行い、回転角度が２２．５°を越えると、中シリンダ４５の冷媒吸入経路５７から中シリンダ吸入部５３に、高圧の第１タイミングの冷媒８１の吸入が始まる。
【００４９】
回転角度９０°は、上ピストン４８、中ピストン４９、下ピストン５０が図面上で上シリンダ４３、中シリンダ４５、下シリンダ４７の下面に接している状態であり、第１タイミングの冷媒８１が、中シリンダ吸入部５３に吸入されている。さらに各ピストンは回転を続け、回転角度１８０°は、上ピストン４８、中ピストン４９、下ピストン５０が図面上で上シリンダ４３、中シリンダ４５、下シリンダ４７の右面に接している状態である。回転角度２７０°は、上ピストン４８、中ピストン４９、下ピストン５０が図面上で上シリンダ４３、中シリンダ４５、下シリンダ４７の上面に接している状態であり、第１タイミングの冷媒８１が、引き続き中シリンダ吸入部５３に吸入されている。
【００５０】
そして回転角度が３１５°を越えると、下連通路５９を介して中シリンダ吸入部５３と、下シリンダ吸入部５５とが連通し、液相を主とする第１タイミングの冷媒８１が下シリンダ吸入部５５に流入する。さらに、回転角度が３３７．５°を越えると、上連通路５８を介して中シリンダ吸入部５３と、上シリンダ吸入部５１とが連通し、気相を主とする第１タイミングの冷媒８１が上シリンダ吸入部５１に流入する。ただし、中シリンダ吸入部５３と下シリンダ吸入部５５、および上シリンダ吸入部５１とが連通しても、中シリンダ吸入部５３に冷媒が吸入されている状態は、冷媒の膨張過程ではない。
【００５１】
図４で、回転角度３６０°は、図３の回転角度０°の時のピストンの位相と同じである。第１タイミングの冷媒８１は、中シリンダ吸入部５３、下シリンダ吸入部５５、および上シリンダ吸入部５１に吸入されている。
【００５２】
そして、回転角度が３８２．５°を越えると、第１タイミングの冷媒８１の吸入が止まり、第１タイミングの冷媒８１の膨張が開始される。この状態において、上連通路５８および下連通路５９でつながった中シリンダ吐出部５４と上シリンダ吸入部５１および下シリンダ吸入部５５からなる膨張室の容積は増加し、冷媒が膨張を始めることでシャフト３８に回転動力を与え始める。このような膨張過程を繰り返すことで、冷媒の膨張とそれに基づく回転動力を連続的に出力することができ、その回転動力は、補助モータ３５によって電力に変換されて取り出される。
【００５３】
また、回転角度が３８２．５°を越えると、中シリンダ４５の冷媒吸入経路５７から中シリンダ吸入部５３に、第２タイミングの冷媒８２の吸入が始まる。回転角度４５０°、５４０°、６３０°はそれぞれ図３の回転角度９０°、１８０°、２７０°の時のピストンの位相と同じである。そして第１タイミングの冷媒８１は、中シリンダ吐出部５４、下シリンダ吸入部５５および上シリンダ吸入部５１で膨張を続け、第２タイミングの冷媒８２は、中シリンダ吸入部５３に吸入され続ける。
【００５４】
ここで、回転角度が５４０°を越えると、上下シリンダ連通路７０を介して、上シリンダ吸入部５１と下シリンダ吸入部５５とが連通する。上シリンダ吸入部５１には、中シリンダ４５から上連通路５８を介して主に気相の冷媒が送られるが、一部液相の冷媒も送られる。そして、上シリンダ吸入部５１に入った液相の第１タイミングの冷媒８１は、上下シリンダ連通路７０を通って下シリンダ吸入部５５に流下する。下シリンダ吸入部５５は、上シリンダ吸入部５１より先に中シリンダ吐出部５４と連通しているため、上シリンダ吸入部５１より低圧となっている。そのため、上シリンダ吸入部５１から下シリンダ吸入部５５への、液相の第１タイミングの冷媒８１の流下はスムーズに行われる。また、上下シリンダ連通路７０の上シリンダ４３での形状を前方後円型とすることで、液相の第１タイミングの冷媒８１の流下は、よりスムーズに行われる。
【００５５】
回転角度が６３０°を越えると、下シリンダ吐出部５６から膨張して低圧となった第１タイミングの冷媒８１が、下冷媒吐出管３４を通って吐出を始める。また、回転角度が６５５．５°を越えると、上シリンダ吐出部５２から第１タイミングの冷媒８１が、上冷媒吐出管３３を通って吐出を始める。
【００５６】
さらに、回転角度が６７５°を越えると、下連通路５９を介して中シリンダ吸入部５３と、下シリンダ吸入部５５とが連通し、液相を主とする第２タイミングの冷媒８２が下シリンダ吸入部５５に流入する。さらに、回転角度が６９７．５°を越えると、上連通路５８を介して中シリンダ吸入部５３と、上シリンダ吸入部５１とが連通し、気相を主とする第２タイミングの冷媒８２が上シリンダ吸入部５１に流入する。
【００５７】
図５で、回転角度７２０°、８１０°、９００°、９９０°は、それぞれ図３の回転角度０°、９０°、１８０°、２７０°の時のピストンの位相と同じである。第１タイミングの冷媒８１は、回転角度が９９０°まで下シリンダ４７の下冷媒吐出管３４から、回転角度が１０１２．５°まで上シリンダ４３の上冷媒吐出管３３から吐出され続ける。
【００５８】
また、第２タイミングの冷媒８２は、回転角度が７４２．５°まで吸入され続け、回転角度が７４２．５°を越えると、中シリンダ吐出部５４、下シリンダ吸入部５５、および上シリンダ吸入部５１で膨張を開始する。そして第２タイミングの冷媒８２は、回転角度が９９０°を越えると、下シリンダ４７の下冷媒吐出管３４から、回転角度が１０１２．５°を越えると、上シリンダ４３の上冷媒吐出管３３から吐出を始める。
【００５９】
また、回転角度が７４２．５°を越えると、第３タイミングの冷媒８３が、中シリンダ４５の冷媒吸入経路５７から中シリンダ吸入部５３に吸入が始まり、上述の第１タイミングの冷媒８１、第２タイミングの冷媒８２と同様の過程を繰り返す。
【００６０】
本発明の実施の形態１の膨張機３０は、各シリンダの垂直方向の高さを変えることで、それぞれの容積を異ならせている。そして、各シリンダの容積比は、上シリンダ：中シリンダ：下シリンダ＝４．８：１：１．２としている。
【００６１】
図６は、膨張機３０に第１タイミングの冷媒８１が中シリンダ吸入部５３に吸入を始められてから、上冷媒吐出管３３で吐出されるまでの、中、下、上の各シリンダでの第１タイミングの冷媒８１の容積を、ピストンの回転角度に対して示している。また、膨張過程での中シリンダ吐出部５４、上シリンダ吸入部５１、下シリンダ吸入部５５で形成される膨張室の容積、およびその膨張室内の冷媒圧力とピストンの回転角度との関係を示す。なお縦軸の容積、圧力とも相対値であり、容積は中シリンダの第１タイミングの冷媒８１の容積の最大を、圧力は中シリンダ吸入部５３に吸入される第１タイミングの冷媒８１の圧力を基準とする。
【００６２】
上述したように、本発明の実施の形態１の膨張機３０では、第１タイミングの冷媒８１は、ピストンの回転角度が２２．５°を越えると、中シリンダ吸入部５３に吸入が始まり、中シリンダ４５に吸入される冷媒の容積は徐々に増加する。そしてピストンの回転角度が３１５°を越えると、中シリンダ吸入部５３と、下シリンダ吸入部５５とが連通し、３３７．５°を越えると、中シリンダ吸入部５３と、上シリンダ吸入部５１とが連通する。従って、ピストンの回転角度が３１５°、および３３７．５°を越えると、それぞれ下シリンダ４７、上シリンダ４３に吸入される冷媒の容積は徐々に増加する。また、ピストンの回転角度が３８２．５°を越えると、第１タイミングの冷媒８１の吸入が止まり、中シリンダ吐出部５４、上シリンダ吸入部５１、および下シリンダ吸入部５５は、外部から遮断された一つの空間となり、これが膨張室となる。第１タイミングの冷媒８１は、この膨張室で下冷媒吐出管３４から吐出が始まる回転角度が６３０°まで膨張を続ける。
【００６３】
図６に示すように、回転角度とともに、膨張室の容積は単調に増加するとともに、冷媒圧力は下シリンダ４７、上シリンダ４３と連通されると若干低下し、膨張過程が始まると急激に低下する。
【００６４】
次に、本発明の実施の形態１の膨張機３０の膨張過程を、図７のモリエル線図を使って説明する。図７は、縦軸に圧力、横軸にエンタルピーをとり、冷媒を二酸化炭素（ＣＯ２）とした時の飽和曲線９０と、膨張機３０を含む冷凍サイクル９１とを示す。飽和曲線９０は、臨界点Ｋから紙面上の左下に延びる飽和液線９２と、右下に延びる飽和蒸気線９３とからなっている。また、冷凍サイクル９１は、冷媒の圧縮過程のＰＱ、放熱過程のＱＲ、膨張過程のＲＳ、蒸発過程のＳＰで閉サイクルを形成している。
【００６５】
ここで膨張過程ＲＳを詳しく説明する。膨張過程ＲＳは、膨張過程ＲＴを経て、超臨界状態の点Ｒから液相状態の点Ｔとなり、その後、膨張過程ＴＳを経て、気液二相状態の点Ｓとなって、膨張終了となる。膨張機３０では、中シリンダ４５に吸入された超臨界状態の冷媒は、主に中シリンダ４５と下シリンダ吸入部５５とで、膨張過程ＲＴを経て液相状態の冷媒となる。そして、中シリンダ４５と上シリンダ吸入部５１、および下シリンダ吸入部５５とで、膨張過程ＴＳを経て、冷媒は気液二相状態となる。
【００６６】
このように中シリンダ４５に中ピストン４９の回転方向に順に、下連通路５９、上連通路５８の開口部を設けている。その結果、高圧の気液二相の冷媒は、中シリンダ吸入部５３に吸入され、中ピストン４９の回転に伴い、中シリンダ吐出部５４が下シリンダ吸入部５５、上シリンダ吸入部５１の順に連通して膨張する。ここで液相、気相の冷媒による比重差で、液相を主とする冷媒は下シリンダ吸入部５５に、気相を主とする冷媒は上シリンダ吸入部５１に送られる。その結果、上シリンダ４３の上冷媒吐出管３３からは、膨張して低圧となった気相の冷媒が、下シリンダ４７の下冷媒吐出管３４からは、膨張して低圧となった液相の冷媒が吐出される。また、上下シリンダ連通路７０により上シリンダ４３の液相の冷媒は、下シリンダ４７に流下するので、より気液分離がされた膨張機となる。
【００６７】
図８は、本発明の実施の形態１の膨張機を含む冷凍サイクル装置である、冷暖房用空気調和装置の構成図である。冷暖房用空気調和装置１００は、冷媒としてＣＯ２が充填されていて、膨張機３０と圧縮機１０１とが電動機１０２を介して同一軸１０３で直結されるとともに、室外側熱交換器１０４、室内側熱交換器１０５、四方弁１０６、１０７を備えている。そして、圧縮機１０１、四方弁１０６、室外側熱交換器１０４、四方弁１０７、膨張機３０、および室内側熱交換器１０５は、冷媒を循環させる冷媒回路１１０で接続されている。ここで、膨張機３０の下冷媒吐出管３４と、蒸発器となる室外側熱交換器１０４または室内側熱交換器１０５とを接続した回路は、冷媒回路１１０の一部を構成している。また、膨張機３０の上冷媒吐出管３３と、圧縮機１０１とを接続した回路は、蒸発器となる室外側熱交換器１０４または室内側熱交換器１０５をバイパスさせたバイパス回路１１１である。
【００６８】
冷暖房用空気調和装置１００を冷房装置として使用する場合は、ＣＯ２を圧縮機１０１で昇温・昇圧させ、四方弁１０６内の冷房経路１０８（破線）に流し、室外側熱交換器１０４で放熱させ、四方弁１０７内の冷房経路１０８（破線）に流す。そして、ＣＯ２は膨張機３０で膨張させられて低圧となり、再び四方弁１０７内の冷房経路１０８（破線）に流され、室内側熱交換器１０５で蒸発し、四方弁１０６内の冷房経路１０８（破線）に流され、圧縮機１０１に戻される。この場合は、室外側熱交換器１０４を放熱器、室内側熱交換器１０５を蒸発器として使用する。
【００６９】
また、冷暖房用空気調和装置１００を暖房装置として使用する場合は、ＣＯ２を四方弁１０６、１０７内の暖房経路１０９（実線）に流す。すなわち、ＣＯ２を圧縮機１０１で昇温・昇圧させ、四方弁１０６を通し、室内側熱交換器１０５で放熱させ、四方弁１０７を通す。そして、ＣＯ２を膨張機３０で膨張させて低圧にし、再び四方弁１０７を通して室外側熱交換器１０４で蒸発させ、四方弁１０６を通し、圧縮機１０１に戻す。この場合は、室外側熱交換器１０４を蒸発器、室内側熱交換器１０５を放熱器として使用する。
【００７０】
このような構成の冷暖房用空気調和装置１００は、液相の冷媒を蒸発器である室内側熱交換器１０５、または室外側熱交換器１０４に流す。そして気相の冷媒は、蒸発器となる室内側熱交換器１０５または室外側熱交換器１０４をバイパスして、圧縮機１０１に流す。そのため、蒸発器に過大に気相の冷媒が流れて圧力損失が増加し、冷媒循環量を減らすことがなく、冷凍能力を低下させることもない。
【００７１】
なお、本発明の実施の形態の上ベーン、中ベーン、下ベーンそれぞれの中心線の位置関係は、この例に限定されるものでなく、吸入冷媒が下シリンダ、上シリンダの順に移動し、連通路が垂直になる構成であればよい。
【００７２】
（実施の形態２）
図９は、本発明の実施の形態２における膨張機の断面図である。本発明の実施の形態２の膨張機１３０は、中シリンダの吐出部の冷媒が、上シリンダより先に下シリンダに流入するように、下シリンダのピストンの偏心部と、上シリンダのピストンの偏心部とを垂直方向から見て異ならせている。また本発明の実施の形態２の膨張機が、実施の形態１の膨張機と異なる点は、各ピストンの位相である。
【００７３】
すなわち、本発明の実施の形態１の膨張機３０では、上ピストン４８、中ピストン４９、下ピストン５０の位相は等しくしていた。しかし、本発明の実施の形態２の膨張機１３０では、中ピストン１４９と下ピストン１５０の位相を等しくし、それらに比べて上ピストン１４８の位相を遅らせている点である。その他、本発明の実施の形態２の膨張機１３０では、上連通路１５８と下連通路１５９との位置をピストンの回転方向に対して、同じ位置に設けた以外は、実施の形態１の膨張機３０と同様の構成である。同一機能部品については同一符号を使用し、同一の構成および作用の説明は省くことにする。
【００７４】
図１０は、本発明の実施の形態２における膨張機１３０の構成の詳細を示す断面図である。図１０（ａ）、図１０（ｂ）、図１０（ｃ）、図１０（ｄ）、図１０（ｅ）は、それぞれ図９におけるＧ−Ｇ線断面図、Ｈ−Ｈ線断面図、Ｉ−Ｉ線断面図、Ｊ−Ｊ線断面図、Ｌ−Ｌ線断面図であり、それぞれ上シリンダ４３、上仕切板４４、中シリンダ４５、下仕切板４６、下シリンダ４７の位置における断面を示している。
【００７５】
図１０を用いて、本発明の実施の形態２における上シリンダ４３、中シリンダ４５、および下シリンダ４７の位置関係を説明する。図１０でも、紙面の水平方向線を基準線とし、基準線から反時計方向に正に角度を表示することにする。この時、基準線とそれぞれ上シリンダ４３の上ベーン６１の中心線とのなす角度は−４５°、中シリンダ４５の中ベーン６４の中心線とのなす角度は０°、下シリンダ４７の下ベーン６７の中心線とのなす角度は−４５°の位置にある。そして、各ピストンは各シリンダの内面に接して、反時計方向に偏心回転し、図１０は中ピストン１４９、下ピストン１５０がそれぞれ中シリンダ４５、下シリンダ４７の下面に接し、上ピストン１４８が上シリンダ４３の左斜下面４５°の位置に接している状態である。つまり、上ピストン１４８の位相は、中ピストン１４９、下ピストン１５０の位相より４５°遅らせている。
【００７６】
また、図１０（ａ）に示すように、上ベーン６１の中心線からそれぞれ−２２．５°の角度をなす位置に上冷媒吐出管３３の中心線が、２２．５°の角度をなす位置に上連通路１５８の中心線がくるようにしている。さらに、上冷媒吐出管３３の中心線から−９０°の位置に上下シリンダ連通路７０の中心線が、基準線から２２．５°の位置に冷媒吸入経路５７の中心線くるようにしている。ここで膨張機１３０本体をＭ−Ｍ線断面図として示した図が図９となる。
【００７７】
また、図１０（ｃ）に示すように、中ベーン６４の中心線からそれぞれ２２．５°の角度をなす位置に冷媒吸入経路５７の中心線が、−２２．５°の角度をなす位置に上連通路１５８と下連通路１５９との中心線がくるようにしている。
【００７８】
また、図１０（ｅ）に示すように、下ベーン６７の中心線からそれぞれ２２．５°の角度をなす位置に下連通路１５９の中心線が、−２２．５°の角度をなす位置に下冷媒吐出管３４の中心線がくるようにしている。
【００７９】
また図１０（ｂ）に示すように、上仕切板４４には、上シリンダ４３の対応する位置に、上連通路１５８、冷媒吸入経路５７、上下シリンダ連通路７０が設けられている。すなわち、基準線からそれぞれ２２．５°の角度をなす位置に冷媒吸入経路５７、−２２．５°の角度をなす位置に上連通路１５８の中心線が、また、上下シリンダ連通路７０の中心線は、冷媒吸入経路５７の中心線と上仕切板４４との中心を結ぶ直線上にある。
【００８０】
また図１０（ｄ）に示すように、下仕切板４６には、基準線から−２２．５°の角度をなす位置に上連通路１５８の中心線が、２２．５°の角度をなす位置に上下シリンダ連通路７０の中心線がある。
【００８１】
次に、上述の構成の膨張機１３０の動作について、図１１〜図１３を用いて説明する。
【００８２】
図１０の膨張機１３０では、中シリンダ４５と、上シリンダ吸入部５１、および下シリンダ吸入部５５とが、それぞれ上連通路１５８、下連通路１５９を介して接続されている。その結果、中シリンダ４５、上シリンダ吸入部５１、および下シリンダ吸入部５５で膨張室が形成されている。
【００８３】
そして中シリンダ吸入部５３に導入された気液二相の冷媒は、中シリンダ吐出部５４から下連通路１５９を通って下シリンダ吸入部５５に送られるとともに、上連通路１５８を通って上シリンダ吸入部５１に送られる。この際、気相と液相との冷媒の比重差により、主に気相の冷媒は上シリンダ吸入部５１に送られ、液相の冷媒は下シリンダ吸入部５５に送られることで気液分離が行われる。
【００８４】
ここでも、中ピストン１４９が中ベーン６４の中心線に接している時の回転角度を０°とする。図１１は、上ピストン１４８の回転角度が−４５°〜２２５°、中ピストン１４９、下ピストン１５０の回転角度が０°〜２７０°、図１２は、上ピストン１４８の回転角度が３１５°〜５８５°、中ピストン１４９、下ピストン１５０の回転角度が３６０°〜６３０°、図１３は、上ピストン１４８の回転角度が６７５°〜９４５°、中ピストン１４９、下ピストン１５０の回転角度が７２０°〜９９０°の時の９０度毎の、それぞれ上シリンダ４３、中シリンダ４５、下シリンダ４７の断面図である。
【００８５】
図１１で回転角度が、上ピストン１４８が−４５°、中ピストン１４９、下ピストン１５０が０°は、図面上で上ピストン１４８が上シリンダ４３の左斜上面に、中ピストン１４９、下ピストン１５０が、それぞれ中シリンダ４５、下シリンダ４７の左面に接している状態である。そして、それぞれのピストンが回転を行い、回転角度が２２．５°を越えると、中シリンダ４５の冷媒吸入経路５７から中シリンダ吸入部５３に、高圧の第１タイミングの冷媒１８１の吸入が始まる。
【００８６】
回転角度が、上ピストン１４８が４５°、中ピストン１４９、下ピストン１５０が９０°は、上ピストン１４８が図面上で上シリンダ４３の左斜下面に、中ピストン１４９、下ピストン１５０がそれぞれ、中シリンダ４５、下シリンダ４７の下面に接している状態であり、第１タイミングの冷媒１８１が、中シリンダ吸入部５３に吸入されている。さらに各ピストンは回転を続け、回転角度が、上ピストン１４８が１３５°、中ピストン１４９、下ピストン１５０が１８０°は、上ピストン１４８が図面上で上シリンダ４３の右斜下面に、中ピストン１４９、下ピストン１５０がそれぞれ、中シリンダ４５、下シリンダ４７の右面に接している状態である。回転角度が、上ピストン１４８が２２５°、中ピストン１４９、下ピストン１５０が２７０°は、上ピストン１４８が図面上で上シリンダ４３の右斜上面に、中ピストン１４９、下ピストン１５０がそれぞれ、中シリンダ４５、下シリンダ４７の上面に接している状態であり、第１タイミングの冷媒１８１が、引き続き中シリンダ吸入部５３に吸入されている。
【００８７】
そして中ピストン１４９、下ピストン１５０の回転角度が３３７．５°を越えると、下連通路１５９を介して中シリンダ吸入部５３と、下シリンダ吸入部５５とが連通し、液相を主とする第１タイミングの冷媒１８１が下シリンダ吸入部５５に流入する。また、上ピストン１４８の回転角度が３３７．５°、その時の中ピストン１４９の回転角度３８２．５°を越えると、第１タイミングの冷媒１８１の吸入が止まる。そして、上連通路１５８を介して中シリンダ吐出部５４と、上シリンダ吸入部５１とが連通し、気相を主とする第１タイミングの冷媒１８１が上シリンダ吸入部５１に吐出を始め、膨張を開始する。このように、上ピストン１４８の位相を下ピストン１５０の位相より４５°遅らせることにより、先に液相を主とする冷媒を下シリンダ吸入部５５に、その後に気相を主とする冷媒を上シリンダ吸入部５１に吐出させることができる。
【００８８】
図１２で、回転角度が、上ピストン１４８が３１５°、中ピストン１４９、下ピストン１５０が３６０°の状態では、第１タイミングの冷媒１８１が、中シリンダ吸入部５３と、下シリンダ吸入部５５および上シリンダ吸入部５１とに、吸入されている。そして、中ピストン１４９の回転角度が３８２．５°を越えると、中シリンダ４５の冷媒吸入経路５７から中シリンダ吸入部５３に、第２タイミングの冷媒１８２の吸入が始まる。回転角度が、上ピストン１４８が４０５°、中ピストン１４９、下ピストン１５０が４５０°、上ピストン１４８が４９５°、中ピストン１４９、下ピストン１５０が５４０°、上ピストン１４８が５８５°、中ピストン１４９、下ピストン１５０が６３０°の状態では、第１タイミングの冷媒１８１は、中シリンダ吐出部５４、下シリンダ吸入部５５および上シリンダ吸入部５１で膨張を続け、第２タイミングの冷媒１８２は、中シリンダ吸入部５３に吸入され続ける。
【００８９】
ここで、下ピストン１５０の回転角度が５６２．５°を越え、その後、上ピストン１４８の回転角度が５６２．５°を越えると、上下シリンダ連通路７０を介して、上シリンダ吸入部５１と下シリンダ吸入部５５とが連通する。上シリンダ吸入部５１に入った液相の第１タイミングの冷媒１８１は、上下シリンダ連通路７０を通って下シリンダ吸入部５５に流下する。この場合も、下シリンダ吸入部５５は、上シリンダ吸入部５１より先に中シリンダ吐出部５４と連通しているため、上シリンダ吸入部５１より低圧となっている。そのため、上シリンダ吸入部５１から下シリンダ吸入部５５への、液相の第１タイミングの冷媒１８１の流下はスムーズに行われる。
【００９０】
図１３に示すように、下ピストン１５０の回転角度が６５２．５°を越えると、下シリンダ吐出部５６から膨張して低圧となった第１タイミングの冷媒１８１が、下冷媒吐出管３４を通って吐出を始める。また、上ピストン１４８の回転角度も６５２．５°を越えると、上シリンダ吐出部５２から第１タイミングの冷媒１８１が、上冷媒吐出管３３を通って吐出を始める。
【００９１】
また、中ピストン１４９、下ピストン１５０の回転角度が６９７．５°を越えると、下連通路１５９を介して中シリンダ吸入部５３と、下シリンダ吸入部５５とが連通し、液相を主とする第２タイミングの冷媒１８２が下シリンダ吸入部５５に流入する。さらに、上ピストン１４８の回転角度が６９７．５°を越えると、上連通路１５８を介して中シリンダ吐出部５４と、上シリンダ吸入部５１とが連通し、気相を主とする第２タイミングの冷媒１８２が上シリンダ吸入部５１に吐出を始め、膨張を開始する。
【００９２】
第１タイミングの冷媒１８１は、下ピストン１５０および上ピストン１４８の回転角度が１０１２．５°まで、それぞれ下シリンダ４７の下冷媒吐出管３４、上シリンダ４３の上冷媒吐出管３３から吐出を続ける。
【００９３】
また、第２タイミングの冷媒１８２は、中シリンダ吐出部５４、下シリンダ吸入部５５および上シリンダ吸入部５１で膨張を続け、下ピストン１５０および上ピストン１４８の回転角度が１０１２．５°を越えると、それぞれ下シリンダ４７の下冷媒吐出管３４から、上シリンダ４３の上冷媒吐出管３３から吐出される。
【００９４】
さらに、中ピストン１４９の回転角度が７４２．５°を越えると、第３タイミングの冷媒１８３が、中シリンダ４５の冷媒吸入経路５７から中シリンダ吸入部５３に吸入が始まり、上述の第１タイミングの冷媒１８１、第２タイミングの冷媒１８２と同様の過程を繰り返す。
【００９５】
このように、上ピストン１４８の位相を、下ピストン１５０の位相より遅らせることにより、気液二相の冷媒を、液相を主とする冷媒を下シリンダ４７に、気相を主とする冷媒を上シリンダ４３に分離させ、膨張させることができる。その結果、膨張機１３０は、気液分離機能を備えた膨張機となり、別個の気液分離装置は不要となるため、簡単な構成の冷凍サイクル装置を実現できる。
【００９６】
なお、本発明の実施の形態では、中シリンダに冷媒吸入経路を接続し、上シリンダと下シリンダとに冷媒吐出経路を接続する例を示したが、上シリンダに冷媒吸入経路を接続し、中シリンダと下シリンダとに冷媒吐出経路を接続する構成であってもよい。また、下シリンダに冷媒吸入経路を接続し、中シリンダと上シリンダとに冷媒吐出経路を接続する構成であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００９７】
本発明の膨張機は気液分離機能を備えているため、その膨張機を用いた冷凍サイクル装置は簡単な構成となり、空気調和装置、給湯装置等に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１】本発明の実施の形態１における膨張機の縦断面図
【図２】同実施の形態における膨張機の横断面図
【図３】同実施の形態における膨張機の動作図
【図４】同実施の形態における膨張機の動作図
【図５】同実施の形態における膨張機の動作図
【図６】同実施の形態における膨張機の膨張室の容積および冷媒圧力とピストンの回転角度との関係を示す図
【図７】同実施の形態における膨張機を含む冷凍サイクルのモリエル線図
【図８】同実施の形態における膨張機を含む冷凍サイクル装置の構成図
【図９】本発明の実施の形態２における膨張機の縦断面図
【図１０】同実施の形態における膨張機の横断面図
【図１１】同実施の形態における膨張機の動作図
【図１２】同実施の形態における膨張機の動作図
【図１３】同実施の形態における膨張機の動作図
【図１４】従来の気液分離装置を備えた冷凍サイクル装置の構成図
【図１５】従来の気液分離装置の平面図および側面図
【符号の説明】
【００９９】
１０    冷凍サイクル装置
１１    サクションタンク
１２，１０１    圧縮機
１３，１０６，１０７    四方弁
１４，１０５    室内側熱交換器
１５    膨張弁
１６，１０４    室外側熱交換器
１７    気液分離装置
１８    気液二相配管
１９    気相配管
２０    液相配管
２１    二方電磁弁
２２    ケーシング
３０，１３０    膨張機
３１    密閉容器
３２    冷媒導入管
３３    上冷媒吐出管
３４    下冷媒吐出管
３５    補助モータ
３６    ステータ
３７    ロータ
３８    シャフト
３８ａ    上偏心部
３８ｂ    中偏心部
３８ｃ    下偏心部
３９    上軸受部材
４０    上軸受
４１    下軸受部材
４２    下軸受
４３    上シリンダ
４４    上仕切板
４５    中シリンダ
４６    下仕切板
４７    下シリンダ
４８，１４８    上ピストン
４９，１４９    中ピストン
５０，１５０    下ピストン
５１    上シリンダ吸入部
５２    上シリンダ吐出部
５３    中シリンダ吸入部
５４    中シリンダ吐出部
５５    下シリンダ吸入部
５６    下シリンダ吐出部
５７    冷媒吸入経路
５８，１５８    上連通路
５９，１５９    下連通路
６０，６３，６６    案内溝
６１    上ベーン
６２，６５，６８    ばね
６４    中ベーン
６７    下ベーン
７０    上下シリンダ連通路
８１，１８１    第１タイミングの冷媒
８２，１８２    第２タイミングの冷媒
８３，１８３    第３タイミングの冷媒
９０    飽和曲線
９１    冷凍サイクル
９２    飽和液線
９３    飽和蒸気線
１００    冷暖房用空気調和装置
１０２    電動機
１０３    同一軸
１０８    冷房経路
１０９    暖房経路
１１０    冷媒回路
１１１    バイパス回路
【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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