(57)【要約】【課題】シンプルな構造を有する動力回収式の冷凍サイクル装置を提供する。【解決手段】冷凍サイクル装置１００は、圧縮機２、放熱器３、容積型流体機械４、蒸発器７及びインジェクション流路１０ｆを備えている。容積型流体機械４は、（i）冷媒を吸入する行程と、（ii）吸入した冷媒を膨張及び過膨張させる行程と、（iii）インジェクションポート３０を通じて作動室に冷媒を供給し、供給した冷媒を過膨張した冷媒に混合する行程と、（iv）行程（ii）で冷媒から回収した動力を用い、混合された冷媒を再圧縮する行程と、（v）再圧縮された冷媒を作動室から吐出する行程と、を実行する。インジェクションポート３０は、行程（ii）で過度な過膨張が生じることを防止できる位置に設けられている。【選択図】図１
2012093017.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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冷却する放熱器と、
作動室及びインジェクションポートを有し、（i）前記放熱器で冷却された冷媒を第１の圧力で前記作動室に吸入する行程と、（ii）前記作動室において、吸入した冷媒を前記第１の圧力よりも低い第２の圧力まで膨張させ、さらに前記第２の圧力よりも低い第３の圧力まで過膨張させる行程と、（iii）前記インジェクションポートを通じて前記作動室に前記第３の圧力を有する冷媒を供給し、供給した冷媒を過膨張した冷媒に混合する行程と、（iv）前記行程（ii）で冷媒から回収した動力を用い、混合された冷媒を前記第２の圧力へと前記作動室で再圧縮する行程と、（v）再圧縮された冷媒を前記作動室から吐出する行程と、を実行するように構成された容積型流体機械と、
前記容積型流体機械から吐出された冷媒を加熱する蒸発器と、
前記第３の圧力を有する冷媒を前記容積型流体機械の前記インジェクションポートに供給するインジェクション流路と、
を備え、
前記作動室の吸入容積Ｖ１に対する膨張行程又は過膨張行程における前記作動室の容積Ｖｅの比率（Ｖｅ／Ｖ１）が、前記第３の圧力の冷媒の密度ρ３に対する前記第１の圧力の冷媒の密度ρ１の比率（ρ１／ρ３）に等しいとき又はそれよりも小さいときに、前記インジェクションポートが前記作動室に開口する、冷凍サイクル装置。
【請求項２】
前記容積型流体機械が、
第１シリンダと、
自身と前記第１シリンダとの間に第１の空間を形成するように前記第１シリンダの内部に配置された第１ピストンと、
前記第１の空間を第１吸入空間と第１吐出空間とに仕切る第１ベーンと、
前記第１シリンダに対して同心状に配置された第２シリンダと、
自身と前記第２シリンダとの間に前記第１の空間の容積よりも大きい容積を有する第２の空間を形成するように前記第２シリンダの内部に配置された第２ピストンと、
前記第２の空間を第２吸入空間と第２吐出空間とに仕切る第２ベーンと、
前記第１シリンダと前記第２シリンダとの間に配置された中板と、
前記第１吐出空間と前記第２吸入空間とを連通するように前記中板に設けられた連通流路と、
前記第１吸入空間に冷媒を供給する吸入ポートと、
前記第２吐出空間から冷媒を吐出する吐出ポートと、を有し、
前記作動室が、前記第１の空間、前記第２の空間、及び、前記連通流路によって構成され、
前記インジェクションポートが前記第２の空間に向かって開口している、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項３】
前記容積型流体機械が、前記中板と向かい合う位置において前記第１シリンダの端面を閉じている第１閉塞部材と、前記中板と向かい合う位置において前記第２シリンダの端面を閉じている第２閉塞部材と、をさらに有し、
前記インジェクションポートが、前記第２閉塞部材に設けられている、請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項４】
前記容積型流体機械が、前記第１ピストン及び前記第２ピストンを回転させるシャフトをさらに有し、
前記連通流路が前記第２シリンダに面した開口を有し、
前記シャフトの回転軸を含み、かつ前記開口に接する２つの仮想的な平面を第１平面対、前記シャフトの回転軸を含み、かつ前記インジェクションポートに接する２つの仮想的な平面を第２平面対と定義したとき、
前記第１平面対によって挟まれた角度範囲が、前記第２平面対によって挟まれた角度範囲に重なっている、請求項２又は３に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項５】
前記容積型流体機械は、前記インジェクション流路から前記インジェクションポートに冷媒を導く内部流路と、前記内部流路に設けられた逆止弁とをさらに有する、請求項２〜４のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項６】
前記容積型流体機械は、前記内部流路の一部として、前記逆止弁を配置するための凹部を含み、
前記逆止弁は、弁口と、前記弁口を開閉するように前記インジェクション流路内の圧力と前記作動室内の圧力との差圧によって動かされる弁本体と、前記弁本体の動きを制限する弁止めとによって構成され、
前記弁止めが、前記弁口から前記インジェクションポートまでの空間の体積を減ずるように、前記凹部の形状に沿った形状を有する、請求項５に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項７】
前記行程（iv）の開始時における前記作動室の容積をＶ２としたとき、
前記吸入容積Ｖ１に対する前記容積Ｖ２の比率（Ｖ２／Ｖ１）は、前記第２の圧力の冷媒の密度ρ２に対する前記第１の圧力の冷媒の密度ρ１の比率（ρ１／ρ２）よりも大きい、請求項１〜６のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項８】
前記蒸発器から流出した冷媒が前記第３の圧力を有する冷媒として前記容積型流体機械に供給されるように、前記インジェクション流路が前記蒸発器と前記容積型流体機械とを接続している、請求項１〜７のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項９】
前記容積型流体機械から吐出された冷媒をガス冷媒と液冷媒とに分離する気液分離器と、
前記気液分離器で分離されたガス冷媒が前記圧縮機へと供給されるように、前記気液分離器と前記圧縮機とを接続している流路と、
前記気液分離器で分離された液冷媒が前記蒸発器へと供給されるように、前記気液分離器と前記蒸発器とを接続している流路と、
をさらに備えた、請求項８に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項１０】
前記気液分離器と前記蒸発器とを接続している前記流路上に設けられた減圧弁をさらに備えた、請求項９に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項１１】
前記放熱器から流出した冷媒が前記容積型流体機械へと供給されるように、前記放熱器と前記容積型流体機械とを接続している流路と、
前記放熱器と前記容積型流体機械との間の前記流路に接続された上流端を有する分岐流路と、
前記分岐流路上に設けられた減圧弁と、
前記分岐流路の下流端が接続された第２蒸発器と、をさらに備え、
前記第２蒸発器から流出した冷媒が前記第３の圧力を有する冷媒として前記容積型流体機械に供給されるように、前記インジェクション流路が前記第２蒸発器と前記容積型流体機械とを接続している、請求項１〜７のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項１２】
前記容積型流体機械から吐出された冷媒を加熱する前記蒸発器を第１蒸発器としたとき、
当該冷凍サイクル装置は、前記第１蒸発器で加熱された冷媒が前記圧縮機に供給されるように、前記第１蒸発器と前記圧縮機とを接続している流路をさらに備え、
前記第１蒸発器で冷媒を加熱した熱媒体が前記第２蒸発器に流入するように、前記熱媒体の流路の上流側に前記第１蒸発器、下流側に前記第２蒸発器が配置されている、請求項１１に記載の冷凍サイクル装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷凍サイクル装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に記載されているように、冷媒から動力を回収する膨張機と、膨張機に一体化された副圧縮機とを備えた冷凍サイクル装置が知られている。図１７を参照しつつ、特許文献１に記載された冷凍サイクル装置の概要を説明する。
【０００３】
図１７に示すように、特許文献１に記載された冷凍サイクル装置５００は、主圧縮機５０１、放熱器５０２、膨張機５０３、蒸発器５０４及び副圧縮機５０５を備えている。副圧縮機５０５は、膨張機５０３にシャフト５０６で連結されている。
【０００４】
冷媒は、高温高圧の状態となるように主圧縮機５０１で圧縮される。圧縮された冷媒は、放熱器５０２で冷却された後、膨張機５０３で膨張する。膨張した冷媒は、蒸発器５０４で液相から気相へと変化する。気相の冷媒は、副圧縮機５０５で低圧から中間圧まで圧縮され、再び主圧縮機５０１に吸入される。
【０００５】
副圧縮機５０５は、膨張機５０３が冷媒から回収した動力によって駆動される。副圧縮機５０５が主圧縮機５０１の上流側で冷媒を予備的に圧縮するため、主圧縮機５０１のモータ５０１ａの負荷が低減する。その結果、冷凍サイクル装置５００のＣＯＰ（coefficient of performance）が向上する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−３２５０１９号公報
【特許文献２】特開２００６−０４６２５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
図１７に示す冷凍サイクル装置５００は、膨張機５０３及び副圧縮機５０５の２つの容積型流体機械を必要とする。そのため、膨張弁を用いた通常の冷凍サイクル装置と比較してコスト高となりがちである。特許文献２に記載されているように、回収した動力を圧縮機に直接伝達するように構成された膨張機も知られているが、その構造は複雑でコストの高騰を免れない。
【０００８】
本発明は、シンプルな構造を有する動力回収式の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】
【０００９】
上記の目的を達成するために、本出願に先行する特願２０１０−１４３０４６（出願日２０１０年６月２３日）において、本発明者らは、
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冷却する放熱器と、
作動室及びインジェクションポートを有し、（i）前記放熱器で冷却された冷媒を第１の圧力で前記作動室に吸入する行程と、（ii）前記作動室において、吸入した冷媒を前記第１の圧力よりも低い第２の圧力まで膨張させ、さらに前記第２の圧力よりも低い第３の圧力まで過膨張させる行程と、（iii）前記インジェクションポートを通じて前記作動室に前記第３の圧力を有する冷媒を供給し、供給した冷媒を過膨張した冷媒に混合する行程と、（iv）前記行程（ii）で冷媒から回収した動力を用い、混合された冷媒を前記第２の圧力へと前記作動室で再圧縮する行程と、（v）再圧縮された冷媒を前記作動室から吐出する行程と、を実行するように構成された容積型流体機械と、
前記容積型流体機械から吐出された冷媒を加熱する蒸発器と、
前記第３の圧力を有する冷媒を前記容積型流体機械の前記インジェクションポートに供給するインジェクション流路と、
を備えた、冷凍サイクル装置を開示する。
【００１０】
上記基本構成によれば、行程（ii）において、第１の圧力を有する冷媒を第１の圧力よりも低い第２の圧力まで膨張させ、さらに第２の圧力よりも低い第３の圧力まで過膨張させる。作動室内の圧力が第３の圧力まで低下したら、インジェクションポートを通じて作動室に第３の圧力を有する冷媒が供給される（インジェクション行程）。ただし、作動室内の圧力が第３の圧力まで低下した時点でインジェクションポートが作動室に開口していない場合、インジェクション行程に移らず、過膨張行程が過度に進む。その結果、エネルギー回収量が減少する。そこで、本発明者らは、過度な過膨張によるエネルギー回収量の減少を抑制するための構成を提案する。
【００１１】
すなわち、本発明は、
上記基本構成を備え、
前記作動室の吸入容積Ｖ１に対する膨張行程又は過膨張行程における前記作動室の容積Ｖｅの比率（Ｖｅ／Ｖ１）が、前記第３の圧力の冷媒の密度ρ３に対する前記第１の圧力の冷媒の密度ρ１の比率（ρ１／ρ３）に等しいとき又はそれよりも小さいときに、前記インジェクションポートが前記作動室に開口する、冷凍サイクル装置を提供する。
【００１２】
また、インジェクションポートをどのような場所に設けるのかが問題となる。そこで、本発明は、
上記基本構成を備え、
前記容積型流体機械が、
シリンダと、
自身と前記シリンダとの間に空間を形成するように前記シリンダの内部に配置されたピストンと、
前記空間を吸入空間と吐出空間とに仕切るベーンと、
前記吸入空間に冷媒を供給する吸入ポートと、
前記吐出空間から冷媒を吐出する吐出ポートと、
前記シリンダの端面を閉じている閉塞部材と、を有し、
前記インジェクションポートが前記閉塞部材に設けられている、冷凍サイクル装置を提供する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の冷凍サイクル装置によれば、次のような行程が容積型流体機械で行われる。まず、作動室に吸入した冷媒を膨張及び過膨張させる。次に、インジェクション流路を通じて、過膨張した冷媒と同じ圧力を有する冷媒を作動室にインジェクションし、インジェクションした冷媒と過膨張した冷媒とを作動室内で混合する。さらに、冷媒を膨張及び過膨張させたときに回収した動力を用いて、混合された冷媒を再圧縮する。回収動力によって冷媒の圧力を上げることができるので、圧縮機の負荷が低減する。これにより、冷凍サイクル装置のＣＯＰが改善する。
【００１４】
本発明では、特に、行程（ii）、行程（iii）及び行程（iv）が吸入行程と吐出行程との間の一連の行程として行われる。そのため、本発明によれば、特許文献１に記載された冷凍サイクル装置のように膨張機及び副圧縮機を別々に構成する必要がない。従って、本発明によれば、よりシンプルな構造の容積型流体機械を使用して上記各行程を実施できる。これにより、冷凍サイクル装置の製造コストを抑えることができる。
【００１５】
さらに、本発明では、比率（Ｖｅ／Ｖ１）が、比率（ρ１／ρ３）に等しいとき又は小さいときに、インジェクションポートが作動室に開口する。これにより、作動室内の冷媒の圧力が第３の圧力まで低下した時点で直ちにインジェクション行程（行程（iii））が始まる。つまり、冷媒が過度に過膨張することを防止できるので、過度な過膨張に基づくエネルギー回収量の減少を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１実施形態に係る冷凍サイクル装置の構成図
【図２】図１に示す冷凍サイクル装置に使用された容積型流体機械の縦断面図
【図３Ａ】図２に示す容積型流体機械のX-X線に沿った横断面図
【図３Ｂ】図２に示す容積型流体機械のY-Y線に沿った横断面図
【図４】連通孔とインジェクションポートとの位置関係を示す概略図
【図５】冷媒の逆流を防ぐ逆止弁の拡大図
【図６】図２に示す容積型流体機械のZ-Z線に沿った横断面図
【図７】弁止めの斜視図
【図８】図２に示す容積型流体機械の動作原理図
【図９】シャフトの回転角度と作動室の容積との関係を示すグラフ
【図１０】シャフトの回転角度と作動室の圧力との関係を示すグラフ
【図１１】作動室の容積と圧力との関係を示すＰＶ線図
【図１２】過度な過膨張が起きた場合における、作動室の容積と作動室の圧力との関係を示すグラフ
【図１３】本発明の第２実施形態に係る冷凍サイクル装置の構成図
【図１４】変形例に係る容積型流体機械の縦断面図
【図１５】図１４に示す容積型流体機械のW-W線に沿った横断面図
【図１６】図１４に示す容積型流体機械の動作原理図
【図１７】従来の冷凍サイクル装置の構成図
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、添付の図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。ただし、本発明は、以下に説明する実施形態によって限定解釈されない。各実施形態は、発明の要旨を逸脱しない範囲内で相互に組み合わせることができる。
【００１８】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る冷凍サイクル装置の構成図である。冷凍サイクル装置１００は、圧縮機２、放熱器３、容積型流体機械４、気液分離器５、膨張弁６及び蒸発器７を備えている。これらの構成要素は、冷媒回路１０を形成するように、流路１０ａ〜１０ｆによって互いに接続されている。流路１０ａ〜１０ｆは、典型的には、冷媒配管で構成されている。冷媒回路１０には、作動流体として、ハイドロフルオロカーボン、二酸化炭素等の冷媒が充填されている。流路１０ａ〜１０ｆにアキュームレータ等の他の構成要素が設けられていてもよい。
【００１９】
圧縮機２は、例えば、ロータリ圧縮機、スクロール圧縮機等の容積型圧縮機である。放熱器３は、圧縮機２で圧縮された冷媒から熱を奪うための機器であり、典型的には、水−冷媒熱交換器又は空気−冷媒熱交換器で構成されている。容積型流体機械４は、冷媒を膨張させる機能及び冷媒を圧縮する機能を有する。気液分離器５は、容積型流体機械４から吐出された冷媒をガス冷媒と液冷媒とに分離するための機器である。気液分離器５には、液冷媒出口、冷媒入口及びガス冷媒出口が設けられている。膨張弁６は、開度を変更できる弁、例えば電動膨張弁である。蒸発器７は、気液分離器５で分離された液冷媒に熱を与えるための機器であり、典型的には、空気−冷媒熱交換器で構成されている。
【００２０】
流路１０ａは、圧縮機２で圧縮された冷媒が放熱器３に供給されるように、圧縮機２と放熱器３とを接続している。流路１０ｂは、放熱器３から流出した冷媒が容積型流体機械４に供給されるように、放熱器３と容積型流体機械４とを接続している。流路１０ｃは、容積型流体機械４から吐出された冷媒が気液分離器５に供給されるように、容積型流体機械４と気液分離器５とを接続している。流路１０ｄは、気液分離器５で分離されたガス冷媒が圧縮機２に供給されるように、気液分離器５と圧縮機２とを接続している。流路１０ｅは、気液分離器５で分離された液冷媒が蒸発器７に供給されるように、気液分離器５と蒸発器７とを接続している。流路１０ｆは、蒸発器７から流出したガス冷媒が容積型流体機械４に供給（インジェクション）されるように、蒸発器７と容積型流体機械４とを接続している。圧縮機２等の構成要素及び流路１０ａ〜１０ｆにより、本明細書で説明するサイクルを形成することができる。以下、流路１０ｆを「インジェクション流路１０ｆ」と称する。
【００２１】
本実施形態では、気液分離器５と蒸発器７とを接続している流路１０ｅ上に膨張弁６（減圧弁）が設けられている。膨張弁６によれば、気液分離器５で分離され、かつ蒸発器７で加熱されるべき冷媒の圧力を下げることができる。これにより、蒸発器７を流出した冷媒がインジェクション流路１０ｆを通じてスムーズに容積型流体機械４に吸入されうる。
【００２２】
圧縮機２は、冷媒を吸入し、吸入した冷媒を圧縮する。圧縮された冷媒は、放熱器３で高圧のまま冷却される。冷却された冷媒は、容積型流体機械４で中間圧まで減圧されて気液二相となる。気液二相冷媒は、気液分離器５に流入し、ガス冷媒と液冷媒とに分離される。ガス冷媒は圧縮機２に吸入される。液冷媒は膨張弁６で減圧され、蒸発器７に供給される。蒸発器７において、冷媒は加熱されて蒸発する。蒸発器７から流出したガス冷媒は、容積型流体機械４に吸入され、中間圧まで予備的に圧縮される。中間圧まで圧縮されたガス冷媒が、再び気液分離器５を通って圧縮機２に吸入される。圧縮機２の吸入冷媒の圧力を中間圧まで上げることにより、圧縮機２の負荷が減り、これにより冷凍サイクル装置１００のＣＯＰが改善する。
【００２３】
上記各段階で特定されるサイクルは、いわゆる「エジェクタサイクル」と等価である。当業者に良く知られているエジェクタサイクルは、非容積型流体機械の一種である「エジェクタ」を使用する。これに対し、本実施形態の冷凍サイクル装置１００によれば、容積型流体機械４を用いることにより、エジェクタサイクルと等価なサイクルを構築できる。
【００２４】
図２は、図１に示す容積型流体機械４の縦断面図である。図３Ａ及び図３Ｂは、それぞれ、容積型流体機械４のX-X線及びY-Y線に沿った横断面図である。容積型流体機械４は、密閉容器２３、シャフト１５、上軸受１８（第１閉塞部材）、第１シリンダ１１、第１ピストン１３、第１ベーン２０、中板２５、第２シリンダ１２、第２ピストン１４、第２ベーン２１及び下軸受１９（第２閉塞部材）を有する。容積型流体機械４は、２段ロータリ型の流体機械として構成されている。シリンダ等の各部品は、密閉容器２３に収容されている。
【００２５】
図２に示すように、シャフト１５は、第１偏心部１５ａ及び第２偏心部１５ｂを有する。第１偏心部１５ａ及び第２偏心部１５ｂは、それぞれ、半径方向の外向きに突出している。シャフト１５は、第１シリンダ１１及び第２シリンダ１２の中を貫いており、上軸受１８及び下軸受１９によって回転可能に支持されている。シャフト１５の回転軸は、第１シリンダ１１及び第２シリンダ１２の各中心に一致している。第２シリンダ１２は、第１シリンダ１１に対して同心円状に配置されており、中板２５によって第１シリンダ１１から隔てられている。上軸受１８及び中板２５によって第１シリンダ１１が閉じられており、中板２５及び下軸受１９によって第２シリンダ１２が閉じられている。
【００２６】
図３Ａに示すように、第１ピストン１３は、平面視でリングの形状を有しており、自身と第１シリンダ１１との間に三日月形の第１の空間１６を形成するように第１シリンダ１１内に配置されている。第１シリンダ１１の内部において、シャフト１５の第１偏心部１５ａに第１ピストン１３が取り付けられている。第１シリンダ１１には、第１ベーン溝４０が形成されており、その第１ベーン溝４０に第１ベーン２０がスライドできるように取り付けられている。第１ベーン２０は、第１の空間１６を第１ピストン１３の周方向に沿って仕切っている。これにより、第１シリンダ１１の内部に、第１吸入空間１６ａ及び第１吐出空間１６ｂが形成されている。
【００２７】
図３Ｂに示すように、第２ピストン１４は、平面視でリングの形状を有しており、自身と第２シリンダ１２との間に三日月形の第２の空間１７を形成するように第２シリンダ１２内に配置されている。第２シリンダ１２の内部において、シャフト１５の第２偏心部１５ｂに第２ピストン１４が取り付けられている。第２シリンダ１２には、第２ベーン溝４１が形成されており、その第２ベーン溝４１に第２ベーン２１がスライドできるように取り付けられている。第２ベーン２１は、第２の空間１７を第２ピストン１４の周方向に沿って仕切っている。これにより、第２シリンダ１２の内部に、第２吸入空間１７ａ及び第２吐出空間１７ｂが形成されている。
【００２８】
第２の空間１７は、第１の空間１６の容積よりも大きい容積を有する。具体的に、本実施形態では、第２シリンダ１２は、第１シリンダ１１の厚みよりも大きい厚みを有する。さらに、第２シリンダ１２は、第１シリンダ１１の内径よりも大きい内径を有する。第２の空間１７が第１の空間１６の容積よりも大きい容積を有するように、各部品の寸法が適切に調節されている。
【００２９】
シャフト１５の回転方向に関して、第１偏心部１５ａの突出方向は、第２偏心部１５ｂの突出方向に一致している。シャフト１５の回転方向に関して、第１ベーン２０が配置されている角度位置は、第２ベーン２１が配置されている角度位置に一致している。従って、第１ピストン１３の上死点のタイミングは、第２ピストン１４の上死点のタイミングに一致している。なお、「ピストンの上死点のタイミング」とは、ピストンによってベーンがベーン溝に最大限押し込まれたタイミングを意味する。
【００３０】
図３Ａ及び図３Ｂに示すように、第１ベーン２０の背後には、第１ばね４２が配置されており、第２ベーン２１の背後には、第２ばね４３が配置されている。第１ばね４２及び第２ばね４３は、それぞれ、第１ベーン２０及び第２ベーン２１をシャフト１５の中心に向かって押している。第１ベーン溝４０及び第２ベーン溝４１には、密閉容器２３の内部に溜められた潤滑油が供給される。なお、第１ピストン１３と第１ベーン２０とが単一の部品、いわゆるスイングピストンで構成されていてもよい。また、第１ベーン２０が第１ピストン１３に係合していてもよい。このことは、第２ピストン１４及び第２ベーン２１についても同じである。
【００３１】
図２に示すように、容積型流体機械４は、さらに、吸入管２２、吸入ポート２４、吐出管２６、吐出ポート２７、インジェクションポート３０及びインジェクション吸入管２９を有する。吸入ポート２４を通じて、第１の空間１６（詳細には第１吸入空間１６ａ）に冷媒を供給できる。吐出ポート２７を通じて、第２の空間１７（詳細には第２吐出空間１７ｂ）から冷媒を排出できる。吸入ポート２４及び吐出ポート２７には、それぞれ、吸入管２２及び吐出管２６が接続されている。吸入管２２は、冷媒回路１０（図１）における流路１０ｂの一部を構成している。吐出管２６は、冷媒回路１０における流路１０ｃの一部を構成している。吐出ポート２７には、流路１０ｃから第２吐出空間１７ｂへの冷媒の逆流を防ぐ吐出弁２８（逆止弁）が設けられている。吐出弁２８は、典型的には、金属製の薄板で作られたリード弁である。第２吐出空間１７ｂの圧力が吐出管２６の内部の圧力（流路１０ｃの圧力）を上回ると吐出弁２８が開く。第２吐出空間１７ｂの圧力が吐出管２６の内部の圧力以下のとき、吐出弁２８は閉じている。
【００３２】
吸入ポート２４及び吐出ポート２７は、それぞれ、上軸受１８及び下軸受１９に形成されている。ただし、吸入ポート２４は第１シリンダ１１に形成されていてもよく、吐出ポート１９は第２シリンダ１２に形成されていてもよい。
【００３３】
中板２５には連通孔２５ａ（連通流路）が設けられている。連通孔２５ａは、中板２５を厚さ方向に貫いている。第１シリンダ１１の第１吐出空間１６ｂは、連通孔２５ａを通じて、第２シリンダ１２の第２吸入空間１７ａに連通している。これにより、第１吐出空間１６ｂ、連通孔２５ａ及び第２吸入空間１７ａが１つの作動室として機能できる。第２の空間１７の容積が第１の空間１６の容積よりも大きいので、第１吐出空間１６ｂ、連通孔２５ａ及び第２吸入空間１７ａに閉じ込められた冷媒は、シャフト１５を回転させながら膨張する。
【００３４】
容積型流体機械４において、「作動室」は、第１の空間１６、第２の空間１７及び連通孔２５ａによって形成されている。作動室は、容積を増大させることによって冷媒を膨張させ、かつ、容積を減少させることによって冷媒を圧縮する。詳細には、第１吸入空間１６ａが冷媒を吸入する作動室として機能し、第１吐出空間１６ｂ、連通孔２５ａ及び第２吸入空間１７ａが冷媒を膨張及び過膨張させる作動室として機能し、第２吐出空間１７ｂが冷媒を再圧縮及び吐出する作動室として機能する。第１の空間１６の容積は、作動室の吸入容積Ｖ１に一致している。第２の空間１７の容積は、再圧縮行程の開始時における作動室の容積Ｖ２に一致している。
【００３５】
特に、本実施形態では、第１の空間１６の容積Ｖ１に対する第２の空間１７の容積Ｖ２の比（Ｖ２／Ｖ１）は、容積型流体機械４に吸入された冷媒が第１吐出空間１６ｂ、連通孔２５ａ及び第２吸入空間１７ａで構成された作動室において膨張及び過膨張できる値に調節されている。つまり、容積Ｖ２が容積Ｖ１よりも遥かに大きい。容積比（Ｖ２／Ｖ１）は、例えば、放熱器３の出口における冷媒の体積流量ＶGCに対する、気液分離器５の入口における冷媒の体積流量ＶSEPの比（ＶSEP／ＶGC）に概ね等しくなるように設計されている。
【００３６】
本実施形態において、インジェクションポート３０は第２の空間１７に向かって開口している。この構成によれば、蒸発器７で気化した冷媒（インジェクション冷媒）は、連通孔２５ａを経由することなく第２吸入空間１７ａに直接供給される。従って、連通孔２５ａを通過する際に発生する可能性のある圧力損失を避けることができる。また、インジェクションポート３０が下軸受１９に設けられ、吸入ポート２４が上軸受１８に設けられているので、インジェクションポート３０が吸入ポート２４から離れている。そのため、第１吸入空間１６ａに吸入されるべき冷媒（吸入冷媒）がインジェクション冷媒で冷却されること、すなわち、吸入ポート２４における冷媒のエンタルピーの減少を防止できる。このことは、動力回収効率の向上にとって有利である。さらに、インジェクション冷媒が吸入冷媒で加熱されること、すなわち、インジェクション冷媒が膨張して体積効率が低下することを防止できる。なお、第１の空間１６又は連通孔２５ａに向かって開口するようにインジェクションポート３０を形成することも可能である。
【００３７】
本実施形態では、中板２５と向かい合う位置において上軸受１８が第１シリンダ１１の端面を閉じている。また、中板２５と向かい合う位置において下軸受１９が第２シリンダ１２の端面を閉じている。そして、下軸受１９にインジェクションポート３０が設けられている。下軸受１９にインジェクションポート３０が設けられている場合、第２ピストン１４の端面でインジェクションポート３０を開閉できるので、シール性が向上し、インジェクションポート３０を通じた冷媒の漏れを低減できる。さらに、インジェクションポート３０の寸法及び配置の自由度（設計の自由度）も高い。なお、インジェクションポート３０は第２シリンダ１２に形成されていてもよい。
【００３８】
図３Ｂに破線で示すように、連通孔２５ａは第２シリンダ１２に面した開口を有する。図４に示すように、シャフト１５の回転軸Ｏを含み、かつ連通孔２５ａの開口に接する２つの仮想的な平面を第１平面対Ｍ1と定義する。シャフト１５の回転軸Ｏを含み、かつインジェクションポート３０に接する２つの仮想的な平面を第２平面対Ｍ2と定義する。本実施形態では、シャフト１５の周りにおいて、第１平面対Ｍ1によって挟まれた角度範囲Ｒ1が、第２平面対Ｍ2によって挟まれた角度範囲Ｒ2に重なっている。このような位置関係によれば、連通孔２５ａを通じて第１吐出空間１６ｂが第２吸入空間１７ａに連通するのと略同時にインジェクションポート３０が第２吸入空間１７ａに開口（露出）し、第２吸入空間１７ａに冷媒を導くことが可能となる。すなわち、吸入冷媒が膨張し始めるのと略同時にインジェクションポート３０が第２吸入空間１７ａに開口（露出）する。第２吸入空間１７ａの圧力がインジェクション流路１０ｆの圧力まで低下したら、直ちに、インジェクションポート３０から第２吸入空間１７ａに冷媒が供給される。従って、幅広い運転条件で過度な過膨張を防止できる。
【００３９】
本実施形態において、シャフト１５の回転方向に関して、第２ベーン２１が配置されている位置（第２ベーン溝４１の位置）を０度の角度を有する「基準位置」と定義する。第１ベーン２０が配置されている位置は第２ベーン２１が配置されている位置に一致しているので、第１ベーン２０が配置されている位置も基準位置に一致する。
【００４０】
吸入ポート２４は、例えば０〜４０度の範囲に設けられている。連通孔２５ａは、第２シリンダ１２側から見て、例えば０〜４０度の範囲に設けられている。吐出ポート２７は、例えば３２０〜３６０度の範囲に設けられている。
【００４１】
吸入ポート２４、連通孔２５ａ及びインジェクションポート３０の位置関係から理解できるように、インジェクションポート３０は、作動室（第１の空間１６、連通孔２５ａ及び第２の空間１７）を介して吸入ポート２４に連通しない位置に設けられている。
【００４２】
吸入ポート２４の開口面積、インジェクションポート３０の開口面積及び吐出ポート２７の開口面積は、各ポートを通過する冷媒の流量（体積流量）を考慮して適切に設計されるべきである。冷凍サイクル装置１００において、インジェクション流路１０ｆを流れる冷媒の体積流量は非常に大きい。つまり、インジェクションポート３０を通過する冷媒の体積流量は非常に大きい。他方、吸入ポート２４を通過する冷媒は液相（代替フロン）又は超臨界状態（ＣＯ2）であるため、その体積流量は比較的小さい。従って、インジェクションポート３０の開口面積を吸入ポート２４の開口面積よりも大きくすることが圧力損失を低減する観点から望ましい。
【００４３】
図２に示すように、下軸受１９には、インジェクション流路１０ｆ（インジェクション管２９）からインジェクションポート３０に冷媒を導く内部流路１９ｃが形成されている。内部流路１９ｃには、逆止弁３４が設けられている。逆止弁３４は、第２吸入空間１７ａの圧力がインジェクション流路１０ｆの圧力（インジェクション吸入管２９内の圧力）を下回った場合に開く。第２吸入空間１７ａの圧力がインジェクション流路１０ｆの圧力以上のとき、逆止弁３４は閉じている。すなわち、逆止弁３４は、第２吸入空間１７ａ又は第２吐出空間１７ｂからインジェクション流路１０ｆへの冷媒の逆流を防ぐ役割を担っている。本実施形態では、下軸受１９にインジェクションポート３０が設けられているので、逆止弁３４を配置するための空間を下軸受１９に比較的容易に確保できる。
【００４４】
図２及び図５に示すように、本実施形態では、下軸受１９が、第２シリンダ１２に接している第１部分１９ａと、第２シリンダ１２から離れている第２部分１９ｂとによって構成されている。第１部分１９ａには、内部流路１９ｃの一部として、逆止弁３４を配置するための凹部１９ｇが形成されている。
【００４５】
図５に示すように、逆止弁３４は、弁口３３、弁本体３１及び弁止め３２によって構成されている。弁本体３１は、例えば金属製の薄板（リード弁）で作られており、弁口３３を開閉するようにインジェクション流路１０ｆの圧力と第２の空間１７（作動室）の圧力との差圧によって動かされる。弁止め３２は、弁本体３１の動きを制限する役割を担う。具体的に、弁止め３２は、弁本体３１の変位量（リフト量）を制限する支持面３２ｐを有する。支持面３２ｐは、緩やかな曲面で構成されている。弁止め３２は、弁口３３からインジェクションポート３０までの空間の体積を減ずるように、凹部１９ｇの形状に沿った形状を有する。本実施形態では、図７に示すように、弁止め３２が全体として靴型の形状を有している。弁本体３１及び弁止め３２は、ボルト３５で下軸受１９（第２部分１９ｂ）に固定されている。
【００４６】
図５及び図６に示すように、弁止め３２は、凹部１９ｇの寸法よりもやや小さい寸法を有している。弁止め３２の周りには、冷媒が流通できる隙間ＳＨが確保されている。弁本体３１が図５に破線で示す位置に変位することで、隙間ＳＨ及びインジェクションポート３０を通じて、内部流路１９ｃから第２の空間１７（作動室）へと冷媒が流通できる。弁止め３２によれば、弁本体３１の十分な可動範囲を確保しつつ、凹部１９ｇと逆止弁３４との間の隙間ＳＨの体積を必要十分な体積まで減じることができる。
【００４７】
図５及び図７に示すように、ボルト３５の軸方向に関して、弁止め３２の上面の位置は、ボルト３５の頂面の位置に一致している。ボルト３５の頭部の形状は、弁止め３２に形成されたボルト孔の形状に沿っている。図６に示すように、弁止め３２の周囲における隙間ＳＨの断面積（流路面積）は、インジェクションポート３０の断面積（流路面積）に等しい。このような構成によれば、死容積の増加を抑制しつつ、冷媒が隙間ＳＨを流通するときの圧力損失を低減できる。
【００４８】
次に、図８〜図１１を参照して、容積型流体機械の詳細な動作を説明する。図８は、容積型流体機械の動作原理図である。図８の左上図、右上図、右下図及び左下図には、それぞれ、シャフト１５を９０度ずつ回転させたときの第１ピストン１３及び第２ピストン１４の位置が示されている。図９は、基準位置からのシャフトの回転角度と作動室の容積との関係を示すグラフである。図１０は、基準位置からのシャフトの回転角度と作動室の圧力との関係を示すグラフである。図１１は、作動室の容積と圧力（冷媒の圧力と体積）との関係を示すグラフである。
【００４９】
図８の左上図及び右上図に示すように、シャフト１５が０度の位置から９０度の位置に回転するとき、第１シリンダ１１では、吸入ポート２４に隣接して第１吸入空間１６ａが新たに生じる。これにより、吸入ポート２４を通じて、放熱器３で冷却された冷媒が第１吸入空間１６ａに吸入される（吸入行程）。シャフト１５の回転に伴い、第１吸入空間１６ａの容積は増加する。シャフト１５が３６０度回転すると、第１吸入空間１６ａの容積が最大容積（＝第１の空間１６の容積）に達する。これにより、吸入行程が終了する。
【００５０】
図９において、線ＡＢは、吸入行程での第１吸入空間１６ａの容積の変化を表している。吸入行程は点Ｂで終了し、その点Ｂにおける容積Ｖ１は、第１シリンダ１１の第１の空間１６の容積に相当する。図１０において、吸入行程は線ＡＢで示される。吸入行程で第１吸入空間１６ａに吸入される冷媒は、放熱器３で高い圧力を維持しつつ冷却された冷媒であり、吸入圧力Ｐ１（第１の圧力）を有する。
【００５１】
次に、図８の左上図及び右上図に示すように、シャフト１５が３６０度の位置から４５０度の位置に回転するとき、第１吸入空間１６ａは、第１吐出空間１６ｂへと変化する。第２シリンダ１２では、連通孔２５ａに隣接して第２吸入空間１７ａが新たに生じる。第１吐出空間１６ｂは連通孔２５ａを通じて第２吸入空間１７ａと連通している。第１吐出空間１６ｂ、連通孔２５ａ及び第２吸入空間１７ａによって、吸入ポート２４及び吐出ポート２７のいずれとも連通していない１つの作動室が形成される。シャフト１５の回転に伴い、第１吐出空間１６ｂ、連通孔２５ａ及び第２吸入空間１７ａで構成された作動室の中で、冷媒は吐出圧力Ｐ２（第２の圧力）まで膨張する（膨張行程）。
【００５２】
シャフト１５が単位角度だけ回転したときの第２吸入空間１７ａの容積の増加量は、第１吐出空間１６ｂの容積の減少量に比べて非常に大きい。そのため、冷媒は急速に膨張し、シャフト１５が４５０度の位置を占有する頃、冷媒の圧力は吐出圧力Ｐ２を下回っている。シャフト１５の回転に伴って、冷媒は、吐出圧力Ｐ２よりも低い圧力Ｐ３（第３の圧力）まで過膨張する（過膨張行程）。
【００５３】
膨張及び過膨張の過程において、冷媒は圧力エネルギーを放出する。冷媒から放出された圧力エネルギーは、ピストン１３及び１４を介してシャフト１５のトルクに変換される。つまり、容積型流体機械４は冷媒から動力を回収する。
【００５４】
冷媒の過膨張が進み、第２吸入空間１７ａの圧力がインジェクション吸入管２９の内部の圧力、すなわち、蒸発器７における蒸発圧力を下回ると、冷媒の過膨張が止まる。これと同時に、インジェクションポート３０を通じて、第２吸入空間１７ａに圧力Ｐ３を有する冷媒が供給される。第２吸入空間１７ａにおいて、供給された冷媒は、過膨張した冷媒に混合される（インジェクション行程）。
【００５５】
その後、図８の右下図及び左下図に示すように、シャフト１５の回転角度が７２０度に達するまで、インジェクションポート３０を通じて、圧力Ｐ３を有する冷媒が第２吸入空間１７ａに供給され続ける。図８の左上図に示すように、シャフト１５が７２０度の位置まで回転すると、第２吸入空間１７ａの容積が最大容積（＝第２の空間１７の容積）に達する。これにより、インジェクション行程が終了する。
【００５６】
図９において、膨張行程、過膨張行程及びインジェクション行程での第１吐出空間１６ｂの容積の変化は破線ＢＩで示される。第２吸入空間１７ａの容積の変化は破線ＪＥで示される。第１吐出空間１６ｂ、連通孔２５ａ及び第２吸入空間１７ａで構成された作動室の容積の変化は線ＢＥで示される。膨張行程、過膨張行程及びインジェクション行程は点Ｅで終了し、その点Ｅにおける容積Ｖ２は、第２シリンダ１２の第２の空間１７の容積に相当する。
【００５７】
図１０において、膨張行程、過膨張行程及びインジェクション行程は、それぞれ、線ＢＣ、線ＣＤ及び線ＤＥで示される。第１吐出空間１６ｂ、連通孔２５ａ及び第２吸入空間１７ａで構成された作動室の圧力は、膨張行程の開始時における圧力Ｐ１からシャフト１５の回転に伴って低下する。前述したように、第１の空間１６の容積Ｖ１に対する第２の空間１７の容積Ｖ２の比（Ｖ２／Ｖ１）は、非常に大きい。従って、インジェクションポート３０が存在しないと仮定した場合、作動室の圧力は、蒸発器７での冷媒の圧力Ｐ３まで低下した後も線ＢＣＤの延長線上の破線ＤＨに沿って低下する。しかし、本実施形態の冷凍サイクル装置１００に使用された容積型流体機械４はインジェクションポート３０を有するので、作動室の圧力が圧力Ｐ３まで低下すると、インジェクションポート３０を通じて、蒸発器７から流出した圧力Ｐ３の冷媒が第２吸入空間１７ａに供給される。そのため、作動室の圧力の低下は止まり、作動室の容積が図９中の点Ｅで特定された容積Ｖ２に達するまで圧力Ｐ３を有する冷媒が作動室に供給され続ける。これにより、膨張行程、過膨張行程及びインジェクション行程が終了する。
【００５８】
次に、図８の左上図及び右上図に示すように、シャフト１５が７２０度の位置から８１０度の位置に回転するとき、第２吸入空間１７ａは、第２吐出空間１７ｂへと変化する。第２吐出空間１７ｂには、吐出ポート２７が面している。ただし、図２を参照して説明したように、吐出ポート２７には吐出弁２８が設けられている。そのため、第２吐出空間１７ｂの圧力が吐出管２６の内部の圧力、すなわち、圧縮機２の吸入圧力を上回るまで、第２吐出空間１７ｂの中で冷媒は圧縮される（再圧縮行程）。第２吐出空間１７ｂの中で圧縮される冷媒には、吸入ポート２４を通じて容積型流体機械４に吸入された画分と、インジェクションポート３０を通じて容積型流体機械４に吸入された画分とが含まれている。
【００５９】
再圧縮行程で冷媒を圧縮するために、膨張行程及び過膨張行程で冷媒から回収した動力が使用される。図８の左上図及び右上図を見ると理解できるように、第２吐出空間１７ｂで再圧縮行程が行われるとき、新たに生成した第２吸入空間１７ａでは膨張行程及び過膨張行程が行われている。膨張行程及び過膨張行程で冷媒から回収された動力は、そのまま、再圧縮行程で冷媒を圧縮するためのエネルギーとして消費される。
【００６０】
本実施形態によれば、膨張行程及び過膨張行程は、連通孔２５ａを介して第１吐出空間１６ｂと第２吸入空間１７ａとが連通した時点から、第２吸入空間１７ａの圧力がインジェクション流路１０ｆの圧力Ｐ３（第３の圧力）に一致する時点まで継続する。再圧縮行程は、連通孔２５ａを介した第１吐出空間１６ｂと第２吸入空間１７ａとの連通が断たれた時点から、第２吐出空間１７ｂの圧力が流路１０ｃの圧力Ｐ２（第２の圧力）に一致する時点まで継続する。そして、シャフト１５が１回転する期間の中で、膨張行程及び過膨張行程の行われる期間の少なくとも一部が再圧縮行程の行われる期間に重なっている。このような構成によれば、シャフト１５のトルクムラが発生しにくい。このことは、容積型流体機械４の安定した動作に寄与する。
【００６１】
第２吐出空間１７ｂの圧力が吐出管２６の内部の圧力を上回ると、吐出弁２８が開く。これにより、吐出ポート２７を通じて、第２吐出空間１７ｂから吐出管２６に冷媒が吐出される（吐出行程）。シャフト１５の回転に伴って第２吐出空間１７ｂの容積は減少し、シャフト１５が１０８０度の位置まで回転すると第２吐出空間１７ｂは消滅する。これにより、吐出行程が終了する。
【００６２】
図９において、再圧縮行程及び吐出行程での第２吐出空間１７ｂの容積の変化は線ＥＧで示される。図１０において、再圧縮行程及び吐出行程は、それぞれ、線ＥＦ及び線ＦＧで示される。膨張行程及び過膨張行程の終了直後において、冷媒の圧力Ｐ３は、吐出管２６の内部の圧力Ｐ２よりも低い。このとき、吐出弁２８は閉じている。第２吐出空間１７ｂの容積の減少に伴い、冷媒は圧力Ｐ２まで再圧縮される。その後、吐出弁２８の前後で圧力が均衡することにより吐出弁２８が開き、第２吐出空間１７ｂから吐出管２６へと圧力Ｐ２の冷媒が吐出される。点Ｇにおいて、吐出行程が終了する。
【００６３】
図１１は、作動室の圧力と容積との関係を示すＰＶ線図である。吸入行程は線ＡＢ、膨張行程は線ＢＣ、過膨張行程は線ＣＤ、インジェクション行程は線ＤＥ、再圧縮行程は線ＥＦ、吐出行程は線ＦＣＧで示される。容積型流体機械４が冷媒から回収するエネルギーは点ＡＢＣＤＬＧで囲まれた領域の面積に相当し、過膨張後の冷媒を再圧縮するために必要な仕事は点ＬＤＥＦＣＧで囲まれた領域の面積に相当する。回収エネルギー、再圧縮に必要な仕事、及び各種損失は、バランスする。従って、容積型流体機械４はモータ等を用いなくても自律回転する。点ＣＤＬＧで囲まれた領域は、回収エネルギーと再圧縮に必要な仕事とに共通であるため相殺できる。結局、点ＡＢＣＧで囲まれた領域の面積に相当するエネルギーを冷媒から回収し、回収したエネルギーを使って、点ＣＤＥＦで囲まれた領域の面積に相当する仕事を冷媒に対して行う。
【００６４】
本実施形態では、吸入容積Ｖ１に対する膨張行程又は過膨張行程における作動室の容積Ｖｅの比率（Ｖｅ／Ｖ１）が、圧力Ｐ３の冷媒の密度ρ３に対する圧力Ｐ１の冷媒の密度ρ１の比率（ρ１／ρ３）に等しいとき又はそれよりも小さいときに、インジェクションポート３０が作動室に開口する。このようにすれば、年間効率に最も寄与する条件において過度な過膨張が起こることを防止できるので、冷凍サイクル装置１００を高い効率で運転できる。より具体的には、シャフト１５の回転方向に関して、インジェクションポート３０は、例えば０〜２７０度（又は０〜１８０度）の範囲に設けられている。なお、冷媒の密度ρ３は、圧力Ｐ１及び密度ρ１で容積型流体機械４に吸入された冷媒が圧力Ｐ３になるまで断熱膨張した場合の密度を意味する。
【００６５】
インジェクションポート３０が作動室に開口する時点での作動室（第１吐出空間１６ｂ、連通路２５ａ及び第２吸入空間１７ａ）の容積をＶiとすると、容積Ｖiは、図１０の点Ｄにおける容積ＶDに等しい又はそれよりも小さいことが望ましい。図１２を参照してその理由を説明する。図１２は、Ｖi＞ＶDである場合、言い換えれば、過度な過膨張が起きた場合における、作動室の容積と作動室の圧力との関係を示すグラフである。
【００６６】
容積型流体機械４に吸入された冷媒は、作動室の容積の増加に伴って膨張及び過膨張し、圧力Ｐ３に達する（点Ｄ）。ここで、点Ｄを「過給切替点」と呼ぶ。過給切替点は、作動室の圧力とインジェクション流路１０ｆの圧力との大小関係が切り替わる点である。過給切替点よりも作動室の容積が小さいときには作動室の圧力がインジェクション流路１０ｆよりも高く、作動室の容積が大きいときには作動室の圧力はインジェクション流路１０ｆの圧力よりも低い。
【００６７】
従って、Ｖi＞ＶDの場合、過給切替点に達してもインジェクションポート３０から作動室に冷媒が供給されず、作動室の容積は増加し続ける。つまり、過膨張行程が過度に進み、作動室内の圧力が低下し続ける。その結果、図１２に示すように、点ＤＲＳで囲まれた領域の面積に相当するエネルギーの損失が発生する。この損失は、Ｖi≦ＶDを満足する場合に実質的にゼロになる。
【００６８】
過給切替点は運転条件によって変化する。ただし、必ずしも全ての運転条件に対してＶi≦ＶDを満足する必要はない。起こりうる全ての運転条件のうち少なくとも１つの運転条件、例えば、冷凍サイクル装置１００の年間運転効率に最も寄与する運転条件において、Ｖi≦ＶDを満たすように設計することができる。例えば、冷凍サイクル装置１００をヒートポンプ式温水暖房機に適用する場合、その年間効率に最も寄与する条件は冬期条件である。
【００６９】
以上に説明したように、本実施形態によれば、膨張行程、過膨張行程及び再圧縮行程が吸入行程と吐出行程との間の一連の行程として行われる。従って、本実施形態によれば、特許文献１に記載された冷凍サイクル装置のように、膨張機及び副圧縮機を別々に設ける必要がなく、シンプルな構造の容積型流体機械４を使用して上記各行程を実施できる。容積型流体機械４の部品点数は、膨張機及び副圧縮機を別々に設けた場合に比べて少ない。従って、冷凍サイクル装置１００の製造コストを抑えることができる。
【００７０】
また、インジェクションポート３０に隣接して逆止弁３４が設けられているので、再圧縮行程及び吐出行程において、第２吐出空間１７ｂからインジェクション流路１０ｆへと冷媒が逆流することを防止できる。このことは、容積型流体機械４の効率の向上に寄与する。
【００７１】
また、吐出ポート２７に吐出弁２８が設けられているので、冷媒を再圧縮及び吐出するための仕事を低減できる。吐出弁２８が設けられていない場合、シャフト１５の回転角度が７２０度の位置を過ぎて第２吐出空間１７ｂに吐出ポート２７が面した瞬間に、吐出管２６（流路１０ｃ）から第２吐出空間１７ｂに冷媒が逆流する可能性がある。冷媒の逆流が発生すると、再圧縮行程及び吐出行程は、図１０では線ＥＫＦＧ、図１１では線ＥＫＦＣＧで示される。つまり、点ＥＫＦで囲まれた領域の面積に相当する仕事が、再圧縮及び吐出のために余分に必要となる。吐出弁２８を設けることにより、この不利益を回避できるので、冷媒を再圧縮及び吐出するための仕事を低減でき、容積型流体機械４の効率も向上する。また、圧力Ｐ２の冷媒で満たされた第２吐出空間１７ｂに、圧力Ｐ３の冷媒で満たされた吸入管２６が直接結合することによって破裂音が発生することを防止できる。従って、容積型流体機械４の騒音及び振動を抑制できる。
【００７２】
また、本実施形態では、容積型流体機械４が２段ロータリ流体機械の構造を有している。第１吐出空間１６ｂ、連通孔２５ａ及び第２吸入空間１７ａで構成された作動室で膨張行程及び過膨張行程が進行し、第２吐出空間１７ｂで再圧縮行程及び吐出行程が進行する。つまり、容積型流体機械４の中で、膨張行程及び過膨張行程が、再圧縮行程及び吐出行程と同時進行する。そのため、冷媒からのエネルギー回収と、冷媒に対する圧縮仕事とを同時に行うことができる。エネルギー回収と圧縮仕事とを同時に行うと、これらを交互に行う場合と比較してシャフト１５の回転速度の変動が低減する。これにより、容積型流体機械４を安定して動作させることができるとともに、容積型流体機械４の騒音及び振動も低減する。また、冷媒回路１０の冷媒の循環量が少ない場合に、シャフト１５の回転速度の変動によりシャフト１５が減速及び停止することを防止できる。
【００７３】
本実施形態では、再圧縮行程の開始時における作動室の容積（第２の空間１７の容積）をＶ２としたとき、吸入容積Ｖ１に対する容積Ｖ２の比率（Ｖ２／Ｖ１）は、第２の圧力Ｐ２の冷媒の密度ρ２に対する第１の圧力Ｐ１の冷媒の密度ρ１の比率（ρ１／ρ２）よりも大きい。この構成によれば、確実に過膨張を生じさせることができる。
【００７４】
本実施形態において、インジェクション流路１０ｆを通じて容積型流体機械４のインジェクションポート３０に供給されるべき冷媒はガス冷媒である。具体的には、蒸発器７で低温側熱源（例えば空気）から熱を受け取って液体から気体へと蒸発した後の冷媒を容積型流体機械４にインジェクションする。容積型流体機械４において低温側熱源からの熱エネルギー吸収に寄与していない冷媒（液冷媒）を圧縮する仕事が減るので、冷凍サイクル装置１００のＣＯＰが向上する。従って、乾き度１．０の冷媒又は過熱された冷媒（つまりガス冷媒のみ）がインジェクションポート３０に供給されるように、膨張弁６（第２実施形態では膨張弁４５）の開度を調節することが好ましい。
【００７５】
本実施形態の冷凍サイクル装置１００は、給湯機又は温水暖房機に好適に使用できる。給湯及び温水暖房を目的とした場合、空気調和装置のような冷暖房の切り替えは不要である。つまり、四方弁等の構成要素を省略できるので、更なるコストの削減を期待できる。
【００７６】
冷凍サイクル装置１００を給湯機又は温水暖房機に使用した場合、次のような利点がある。夜間電力を用いてタンクに貯湯する場合、給湯機は、通常、定格運転を行う。温水暖房機は、通常、連続運転を行う。起動後しばらく時間が経過すると室内の温度が一定となるので、温水暖房機の負荷は安定する。このような運転形態を考慮すると、放熱器３の出口における冷媒の体積流量に対する、気液分離器５の入口における冷媒の体積流量の比は概ね一定である。従って、第１の空間１６の容積Ｖ１に対する第２の空間１７の容積Ｖ２の比（Ｖ２／Ｖ１）を体積流量の比に一致させやすい。これにより、動力回収の効果をより十分に得ることができる。
【００７７】
二酸化炭素に代表される超臨界冷媒は、冷凍サイクルにおける高圧と低圧との差が大きい。具体的には、容積型流体機械４における吸入圧力Ｐ１と吐出圧力Ｐ２との差が大きい。そのため、容積型流体機械４で回収できる動力も大きい。従って、二酸化炭素は、冷凍サイクル装置１００の冷媒として好適である。もちろん、冷媒の種類が特に限定されるわけではなく、二酸化炭素以外の自然冷媒、Ｒ４１０Ａ等の代替フロン、Ｒ１２３４ｙｆ等の低ＧＷＰ（Global Warming Potential）冷媒を使用できる。
【００７８】
冷媒から動力を回収する手段として容積型流体機械４を冷凍サイクル装置１００に使用することにより、回収動力を圧縮仕事の一部として利用できる。圧縮機２の吸入圧力と吐出圧力との差が減少するので、圧縮機２の負荷が軽減し、冷凍サイクル装置１００のＣＯＰが改善する。ただし、本実施形態で説明した容積型流体機械４は、冷凍サイクル装置以外の装置にも使用できる可能性がある。
【００７９】
（第２実施形態）
図１３は、第２実施形態に係る冷凍サイクル装置の構成図である。冷凍サイクル装置２００は、圧縮機２、放熱器３、容積型流体機械４、膨張弁４５（減圧弁）、第１蒸発器４６及び第２蒸発器４７を備えている。これらの構成要素は、冷媒回路５０を形成するように、流路５０ａ〜５０ｆによって互いに接続されている。
【００８０】
圧縮機２、放熱器３及び容積型流体機械４は、同一の参照符号を付していることから理解できるように、第１実施形態と同じものである。膨張弁４５は、開度を変更できる弁、例えば電動膨張弁である。第１蒸発器４６及び第２蒸発器４７は、それぞれ、冷媒に熱を与えるための機器であり、典型的には、空気−冷媒熱交換器で構成されている。
【００８１】
流路５０ａは、圧縮機２で圧縮された冷媒が放熱器３に供給されるように、圧縮機２と放熱器３とを接続している。流路５０ｂは、放熱器３から流出した冷媒の一部が容積型流体機械４に供給されるように、放熱器３と容積型流体機械４とを接続している。流路５０ｃは、容積型流体機械４から吐出された冷媒が第１蒸発器４６に供給されるように、容積型流体機械４と第１蒸発器４６とを接続している。流路５０ｄは、第１蒸発器４６から流出した冷媒が圧縮機２に供給されるように、第１蒸発器４６と圧縮機２とを接続している。流路５０ｅは、放熱器３から流出した冷媒の一部が第２蒸発器４７に供給されるように、放熱器３と第２蒸発器４７とを接続している。詳細には、流路５０ｅは、流路５０ｂから分岐している流路（分岐流路）であって、放熱器３と容積型流体機械４との間の流路５０ｂに接続された上流端と、第２蒸発器４７に接続された下流端とを有する。流路５０ｅ上には膨張弁４５が配置されている。冷媒は、膨張弁４５で減圧された後、第２蒸発器４７に流入する。流路５０ｆは、第２蒸発器４７から流出したガス冷媒が容積型流体機械４に供給（インジェクション）されるように、第２蒸発器４７と容積型流体機械４とを接続している。
【００８２】
第１蒸発器４６及び第２蒸発器４７は、第１蒸発器４６で冷却された熱媒体（例えば空気）が第２蒸発器４７でさらに冷却されるように、熱媒体の流路上に配置されている。図９中に矢印で示す方向が熱媒体の流れ方向である。第１蒸発器４６における冷媒の温度は、第２蒸発器４７における冷媒の温度よりも高い。従って、図９に示すように、熱媒体の流路の上流側に第１蒸発器４６が配置され、下流側に第２蒸発器４７が配置されている場合、熱媒体（空気）と冷媒とがあたかも対向流を形成する形となる。これにより、蒸発器４６及び４７における、冷媒と熱媒体との熱交換効率が向上する。また、第２蒸発器４７から流出した冷媒を容積型流体機械４で昇圧するため、第１実施形態と同様に、冷凍サイクル装置２００のＣＯＰが向上する。
【００８３】
圧縮機２は、冷媒を吸入し、吸入した冷媒を圧縮する。圧縮された冷媒は、放熱器３で高圧のまま冷却される。冷却された冷媒は、２つの流路５０ｂ及び５０ｅに流れる。冷却された冷媒の一部は、流路５０ｂを通じて容積型流体機械４に吸入される。容積型流体機械４に吸入された冷媒は、容積型流体機械４で中間圧まで減圧されて気液二相となる。容積型流体機械４から吐出された冷媒は、流路５０ｃを通じて第１蒸発器４６に流入する。第１蒸発器４６に流入した冷媒は、第１蒸発器４６で加熱され、その後、流路５０ｄを通じて圧縮機２に吸入される。他方、放熱器３で冷却された冷媒の残部は、膨張弁４５で減圧されて気液二相に変化した後、流路５０ｅを通じて第２蒸発器４７に供給される。第２蒸発器４７に流入した冷媒は、第２蒸発器４７で加熱され、その後、インジェクション流路５０ｆを通じて容積型流体機械４に供給（インジェクション）される。
【００８４】
（変形例）
第１及び第２実施形態において、容積型流体機械４は、２段ロータリ流体機械の構造を有する。容積型流体機械４と同じ機能を有する容積型流体機械として、他の型式、例えばスクロール式の流体機械を使用してもよい。さらに、シリンダ及びピストンをそれぞれ１つのみ備えた単段のロータリ流体機械の構造を有する容積型流体機械を採用してもよい。そのような容積型流体機械は、部品点数を削減、小型化及びコストを低減に有利である。
【００８５】
図１４は、変形例に係る容積型流体機械の縦断面図である。図１５は、図１４に示す容積型流体機械のW-W線に沿った横断面図である。容積型流体機械４４は、密閉容器５９、シャフト５３、上軸受５５、シリンダ５１、ピストン５２、ベーン５７及び下軸受５６を有する。このように、容積型流体機械４４は、単段のロータリ流体機械の構造を有する。
【００８６】
図１４に示すように、シャフト５３は半径方向の外向きに突出している偏心部５３ａを有する。シャフト５３は、シリンダ５１の中を貫いており、上軸受５５及び下軸受５６によって回転可能に支持されている。シャフト５３の回転軸は、シリンダ５１の中心に一致している。上軸受５５及び下軸受５６によってシリンダ５１が閉じられている。
【００８７】
図１５に示すように、ピストン５２は、平面視でリングの形状を有しており、自身とシリンダ５１との間に三日月形の空間５４を形成するようにシリンダ５１内に配置されている。シリンダ５１の内部において、シャフト５３の偏心部５３ａにピストン５２が取り付けられている。シリンダ５１には、ベーン溝６８が形成されており、ベーン溝６８にベーン５７がスライドできるように取り付けられている。ベーン５７は、空間５４をピストン５２の周方向に沿って仕切っている。これにより、シリンダ５１の内部に、吸入空間５４ａ及び吐出空間５４ｂが形成されている。ベーン５７の背後には、ばね６９が配置されている。ばね６９は、ベーン５７をシャフト５３の中心に向かって押している。ベーン溝６８には、密閉容器５９の内部に溜められた潤滑油が供給される。なお、ピストン５２とベーン５７とが単一の部品、いわゆるスイングピストンで構成されていてもよい。また、ベーン５７がピストン５２に係合していてもよい。
【００８８】
図１４に示すように、容積型流体機械４４は、さらに、吸入管５８、吸入ポート６０、吐出管６２、吐出ポート６３、インジェクションポート３０及びインジェクション吸入管２９を有する。吸入ポート６０を通じて、空間５４（詳細には吸入空間５４ａ）に冷媒を供給できる。吐出ポート６３を通じて、空間５４（詳細には吐出空間５４ｂ）から冷媒を排出できる。吸入ポート６０及び吐出ポート６３には、それぞれ、吸入管５８及び吐出管６２が接続されている。吸入管５８は、冷媒回路１０（図１）における流路１０ｂの一部を構成している。吐出管６２は、冷媒回路１０における流路１０ｃの一部を構成している。吐出ポート６３には、流路１０ｃから吐出空間５４ｂへの冷媒の逆流を防ぐ吐出弁６４（逆止弁）が設けられている。吐出弁６４は、典型的には、金属製の薄板で作られたリード弁である。吐出空間５４ｂの圧力が吐出管６２の内部の圧力（流路１０ｃの圧力）を上回ると吐出弁６４が開く。吐出空間５４ｂの圧力が吐出管６２の内部の圧力以下のとき、吐出弁６４は閉じている。
【００８９】
吸入ポート６０及び吐出ポート６３は、それぞれ、シリンダ５１及び下軸受５６に形成されている。ただし、吸入ポート６０は、上軸受５５又は下軸受５６に形成されていてもよい。吐出ポート６３は、上軸受５５又はシリンダ５１に形成されていてもよい。
【００９０】
容積型流体機械４４は、さらに、吸入ポート６０を通じてシリンダ５１の空間５４に冷媒が流入するタイミングを制御する吸入機構６１を有する。本変形例において、吸入機構６１は、吸入弁６１ａ及びソレノイド６１ｂを含むソレノイドバルブで構成されている。ソレノイド６１ｂの印加電圧のオンとオフを切り替えることにより、吸入弁６１ａの開閉を制御できる。
【００９１】
インジェクションポート３０は、吸入空間５４ａに冷媒を供給できるように、上軸受５５に形成されている。インジェクションポート３０には、吸入空間５４ａ又は吐出空間５４ｂからインジェクション流路１０ｆへの冷媒の逆流を防ぐ逆止弁３４が設けられている。インジェクションポート３０及び逆止弁３４の詳細な構造は、第１実施形態で説明した通りである。
【００９２】
本変形例において、シャフト５３の回転方向に関して、ベーン５７が配置されている位置（ベーン溝６８の位置）を０度の角度を有する「基準位置」と定義する。図１５に示すように、シャフト５３の回転方向（時計回り方向）に関して、インジェクションポート３０は、例えば０〜１８０度（又は０〜９０度）の範囲に設けられている。これにより、過度な過膨張を防止できる。吸入ポート６０及び吐出ポート６３は、ベーン５７に隣接する位置に設けられている。
【００９３】
容積型流体機械４４において、吸入空間５４ａが冷媒を吸入、膨張及び過膨張させる作動室として機能する。吐出空間５４ｂが冷媒を再圧縮及び吐出する作動室として機能する。
【００９４】
次に、図１０及び図１６を参照して、容積型流体機械４４の詳細な動作を説明する。図１６は、容積型流体機械４４の動作原理図である。図１６の左上図、右上図、右下図及び左下図には、それぞれ、シャフト５３を９０度ずつ回転させたときのピストン５２の位置が示されている。吸入弁６１ａは、例えば、シャフト５３の回転角度が０度から９０度の範囲で開き、以後、３６０度を１周期として開閉を繰り返す。
【００９５】
図１６の左上図及び右上図に示すように、シャフト５３が０度の位置から９０度の位置に回転するとき、吸入ポート６０に隣接して吸入空間５４ａが新たに生じる。吸入ポート６０を通じて、吸入空間５４ａに冷媒が吸入される（吸入行程）。シャフト５３が０度の位置から概ね９０度の位置まで回転すると、吸入弁６１ａが閉じる。これにより、吸入行程が終了する。図１０において、吸入行程は線ＡＢで示される。
【００９６】
吸入弁６１ａが閉じると、吸入空間５４ａの中で冷媒は吐出圧力Ｐ２まで膨張する（膨張行程）。シャフト５３の回転に伴って、冷媒は、吐出圧力Ｐ２よりも低い圧力Ｐ３まで過膨張する（過膨張行程）。膨張行程及び過膨張行程において、容積型流体機械４４は冷媒から動力を回収する。図１０において、膨張行程及び過膨張行程は線ＢＣＤで示される。
【００９７】
冷媒の過膨張が進み、吸入空間５４ａの圧力がインジェクション吸入管２９の内部の圧力を下回ると、冷媒の過膨張が止まる。これと同時に、インジェクションポート３０を通じて、吸入空間５４ａに圧力Ｐ３を有する冷媒が供給される。吸入空間５４ａにおいて、供給された冷媒は、過膨張した冷媒に混合される（インジェクション行程）。
【００９８】
その後、シャフト５３の回転角度が３６０度に達するまで、インジェクションポート３０を通じて、圧力Ｐ３を有する冷媒が吸入空間５４ａに供給され続ける。図１６の左上図に示すように、シャフト５３が３６０度の位置まで回転すると、吸入空間５４ａの容積が最大容積（＝空間５４の容積）に達する。これにより、インジェクション行程が終了する。図１０において、インジェクション行程は線ＤＥで示される。吸入行程の終了時における作動室（吸入空間５４ａ）の容積Ｖ１は、吸入弁６１ａが閉じる瞬間のシャフト５３の回転角度により規定される。
【００９９】
次に、図１６の左上図及び右上図に示すように、シャフト５３が３６０度の位置から４５０度の位置に回転するとき、吸入空間５４ａは、吐出空間５４ｂへと変化する。吐出空間５４ｂには、吐出ポート６３が面している。ただし、図１４を参照して説明したように、吐出ポート６３には吐出弁６４が設けられている。そのため、吐出空間５４ｂの圧力が吐出管６２の内部の圧力、すなわち、圧縮機２の吸入圧力を上回るまで、吐出空間５４ｂの中で冷媒は圧縮される（再圧縮行程）。
【０１００】
吐出空間５４ｂの圧力が吐出管６２の内部の圧力を上回ると、吐出弁６４が開く。これにより、吐出ポート６３を通じて、吐出空間５４ｂから吐出管６２に冷媒が吐出される（吐出行程）。シャフト５３の回転に伴って吐出空間５４ｂの容積は減少し、シャフト５３が７２０度の位置まで回転すると吐出空間５４ｂは消滅する。これにより、吐出行程が終了する。図１０において、再圧縮行程及び吐出行程は、それぞれ、線ＥＦ及び線ＦＧで示される。
【０１０１】
以上に説明したように、本変形例の容積型流体機械４４は、第１実施形態で説明した容積型流体機械４と同じ機能を有する。
【産業上の利用可能性】
【０１０２】
本発明の冷凍サイクル装置は、給湯機、温水暖房装置及び空気調和装置等に利用できる。
【符号の説明】
【０１０３】
２  圧縮機
３  放熱器
４，４４  容積型流体機械
５  気液分離器
６  膨張弁
７  蒸発器
１０ａ〜１０ｆ  流路
１１  第１シリンダ
１２  第２シリンダ
１３  第１ピストン
１４  第２ピストン
１５  シャフト
１６  第１の空間
１６ａ  第１吸入空間
１６ｂ  第１吐出空間
１７  第２の空間
１７ａ  第２吸入空間
１７ｂ  第２吐出空間
１８，５５  上軸受（第１閉塞部材）
１９，５６  下軸受（第２閉塞部材）
１９ｃ  内部流路
１９ｇ  凹部
２０  第１ベーン
２１  第２ベーン
２４  吸入ポート
２５ａ  連通孔
２７  吐出ポート
３０  インジェクションポート
３１  弁本体
３２  弁止め
３４  逆止弁
４５  膨張弁
４６  第１蒸発器
４７  第２蒸発器
５０ａ〜５０ｆ  流路
５１  シリンダ
５２  ピストン
５３  シャフト
５４  空間
５４ａ  吸入空間
５４ｂ  吐出空間
６０  吸入ポート
６３  吐出ポート
１００，２００  冷凍サイクル装置
【図１】
2012093017.tif 000003
【図２】
2012093017.tif 000004
【図３Ａ】
2012093017.tif 000005
【図３Ｂ】
2012093017.tif 000006
【図４】
2012093017.tif 000007
【図５】
2012093017.tif 000008
【図６】
2012093017.tif 000009
【図７】
2012093017.tif 000010
【図８】
2012093017.tif 000011
【図９】
2012093017.tif 000012
【図１０】
2012093017.tif 000013
【図１１】
2012093017.tif 000014
【図１２】
2012093017.tif 000015
【図１３】
2012093017.tif 000016
【図１４】
2012093017.tif 000017
【図１５】
2012093017.tif 000018
【図１６】
2012093017.tif 000019
【図１７】
2012093017.tif 000020