(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
往復運動により密閉された作動空間の容積を変化させるピストン部およびそのピストン部の往復運動方向と直角方向であって互いに反対側に伸びる２つのアーム部を有する往復動部材と、作動空間の一部であり前記ピストン部の往復運動を案内する案内部材と、軸方向を同じくして互いに逆方向に回転し、その回転軸から半径方向に偏位した位置でそれぞれ前記アーム部を支持する２つの軸部材と、により前記ピストン部が往復運動方向の軸線回りに揺動運動しながら往復運動する圧縮機において、
前記ピストン部には、前記作動空間と低圧の作動流体空間とを連通する連絡通路と、前記作動空間と高圧の作動流体空間とを連通する連絡通路を有し、
前記ピストン部の揺動運動を伴う往復運動によって前記作動空間の容積が増大している期間に連絡通路を介して前記低圧の作動流体空間と前記作動空間を連通させ、
前記ピストン部の揺動運動を伴う往復運動によって前記作動空間の容積が減少している期間の初期に前記高圧の作動流体空間と前記作動空間とを遮断し、前記期間の後期に連絡通路を介して高圧の作動流体空間と前記作動空間とを連通させたことを特徴とする圧縮機。
【請求項２】
往復運動により密閉された作動空間の容積を変化させるピストン部およびそのピストン部の往復運動方向と直角方向であって互いに反対側に伸びる２つのアーム部を有する往復動部材と、作動空間の一部であり前記ピストン部の往復運動を案内する案内部材と、軸方向を同じくして互いに逆方向に回転し、その回転軸から半径方向に偏位した位置でそれぞれ前記アーム部を支持する２つの軸部材と、により前記ピストン部が往復運動方向の軸線回りに揺動運動しながら往復運動する膨張機において、
前記ピストン部には、前記作動空間と低圧の作動流体空間とを連通する連絡通路と、前記作動空間と高圧の作動流体空間とを連通する連絡通路を有し、
前記ピストン部の揺動運動を伴う往復運動によって前記作動空間の容積が増大している期間の初期に連絡通路を介して前記高圧の作動流体空間と前記作動空間とを連通させ、前記期間の後期に前記高圧の作動流体空間と前記作動空間とを遮断し、
前記ピストン部の揺動運動を伴う往復運動によって前記作動空間の容積が減少している期間に連絡通路を介して前記低圧の作動流体空間と前記作動空間とを連通させた膨張機。
【請求項３】
他の部材に案内されて往復運動と該往復運動方向の軸線回りの揺動運動を行なう２つのピストン部および該往復運動方向と直角方向で互いに反対側に突出した２つのアーム部からなる往復動部材と、前記往復動部材のピストン部を案内する他の部材である案内部材と、同軸の回転軸回りに互いに逆方向に回転しながらその回転軸から半径方向に偏位した位置でそれぞれ前記往復動部材のアーム部の１つを相対的な回転とその回転軸方向の変化が可能に支持する２つの軸部材と、前記２つの軸部材の回転を支持する軸受部材とを構成要素に持ち、前記往復動部材の２つのピストン部のそれぞれに隣接して密閉空間を形成して２つの作動空間とし、一方の作動空間は前記２つの軸部材の互いに逆方向の回転により容積を変化させて作動流体の移送や圧縮を行なう容積形マシンとして機能し、他方の作動空間は作動流体の圧力により容積を変化させ前記２つの軸部材を互いに逆方向に回転駆動する容積形エンジンとして機能し、
前記他方の作動空間のピストン部には、前記他方の作動空間と低圧の作動流体空間とを連通する連絡通路と、前記他方の作動空間と高圧の作動流体空間とを連通する連絡通路を有し、
前記ピストン部の揺動運動を伴う往復運動によって前記他方の作動空間の容積が増大している期間の初期に連絡通路を介して前記高圧の作動流体空間と前記他方の作動空間とを連通させ、前記期間の後期に前記高圧の作動流体空間と前記作動空間とを遮断し、
前記ピストン部の揺動運動を伴う往復運動によって前記他方の作動空間の容積が減少している期間に連絡通路を介して前記低圧の作動流体空間と前記他方の作動空間とを連通させた容積形機械。
【請求項４】
請求項３において、
２つの軸部材はそれぞれ電動機により回転駆動され、容積形マシン部分は気体を作動流体とする圧縮機であり、容積形エンジン部分は前記圧縮機において圧縮された気体の少なくとも一部を作動流体とする膨張機であることを特徴とする容積形機械。
【請求項５】
低圧の冷媒ガスを圧縮する圧縮手段と、圧縮されて高温高圧になった冷媒ガスから熱を放熱する冷却手段と、冷却された高圧冷媒を減圧するための膨張手段と、減圧された後に液冷媒部分を蒸発させるための加熱手段と、それらを連結して閉サイクルを形成する配管とを構成要素に持つ冷凍サイクルにおいて、
前記圧縮手段として請求項４の容積形機械の容積形マシン部分を用い、前記膨張手段として請求項４の容積形機械の容積形エンジン部分を用いたことを特徴とする冷凍サイクルおよび冷凍・空調機器。
【請求項６】
低圧の冷媒ガスを圧縮する圧縮手段と、圧縮されて高温高圧になった冷媒ガスから熱を放熱する冷却手段と、冷却された高圧冷媒を減圧するための膨張手段と、減圧された後に液冷媒部分を蒸発させるための加熱手段と、それらを連結して閉サイクルを形成する配管とを構成要素に持つ冷凍サイクルにおいて、
前記圧縮手段として請求項４の容積形機械の容積形マシン部分を用い、前記膨張手段として請求項４の容積形機械の容積形エンジン部分と他の絞りなどの膨張手段を併用したことを特徴とする冷凍サイクルおよび冷凍・空調機器。
【請求項７】
燃料電池スタックに圧縮空気を供給する燃料電池システムにおいて、
前記圧縮空気を請求項４の容積形機械の容積形マシン部分で製造し、燃料電池スタックを通過して酸素を消費した後の前記圧縮空気の少なくとも一部を請求項４の容積形機械の容積形エンジン部分に導いて膨張させた後に大気に開放することを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、容積形機械と容積形機械を用いた冷凍空調機器や燃料電池システムなどの効率向上技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のレシプロ式容積形機械では、特開平９−７２２７５号公報の図７に記載の圧縮機のように作動室空間をその容積の増減に応じて吸入室空間あるいは吐出室空間とを交互に連通させるため、可動部品によって構成されるバルブ機構を使用していた。
また、特開平９−７２２７５号公報の図７に記載の圧縮機における往復動部材はピストン部の中央にアーム部を挿入することにより形成されていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術では、レシプロ式容積形機械を構成する可動部品が多くなり生産性と信頼性を低下させるという問題があった。本発明の第１の目的は部品点数が少なく信頼性の高いレシプロ式容積形機械を提供することである。
また上記従来技術では、組立性からの制約によりピストン部の直径を小さくしたりその直径に対するアーム部の直径の比率を大きくしたりすることが難しく、作動流体の圧力によって摺動部であるアーム部に発生する摺動荷重と摺動面圧の低減に限界があった。このため、特に作動流体が高圧である場合に機械摩擦損失の増大と摺動部の信頼性の低下が発生しやすいという問題があった。本発明の第２の目的は作動流体が高圧であっても機械摩擦損失が小さく摺動部の信頼性が高いレシプロ式容積形機械を提供することである。
【０００４】
さらに高圧の作動流体を適用する容積機械を用いたシステムでは、高圧の作動流体に貯えられたエネルギを絞り機構などの流路抵抗損失によって失わせているので、エネルギ効率の観点から無駄をしているという問題があった。本発明の第３の目的は容積機械を用いたシステムで高圧の作動流体を膨張させて減圧する際にエネルギを回収し、しかも、その回収作業時に発生する機械摩擦損失などのエネルギ損失を小さくして、効率の高いシステムを提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記第１の目的を達成するために、往復運動により密閉された作動空間の容積を変化させるピストン部およびそのピストン部の往復運動方向と直角方向であって互いに反対側に伸びる２つのアーム部を有する往復動部材と、作動空間の一部であり前記ピストン部の往復運動を案内する案内部材と、軸方向を同じくして互いに逆方向に回転し、その回転軸から半径方向に偏位した位置でそれぞれアーム部を支持する２つの軸部材と、によりピストン部が往復運動方向の軸線回りに揺動運動しながら往復運動する容積形機械において、バルブ機構のための可動部品を用いずに往復動部材の前記運動を利用して作動空間の容積の増減に応じて、作動流体空間、例えば吸入室空間あるいは吐出室空間と、作動空間とを交互に連通させるための連通経路を構成したものである。
【０００６】
また、上記第２の目的を達成するために、往復運動により密閉された作動空間の容積を変化させるピストン部およびそのピストン部の往復運動方向と直角方向であって互いに反対側に伸びる２つのアーム部を有する往復動部材と、作動空間の一部であり前記ピストン部の往復運動を案内する案内部材と、軸方向を同じくして互いに逆方向に回転し、その回転軸から半径方向に偏位した位置でそれぞれアーム部を支持する２つの軸部材と、によりピストン部が往復運動方向の軸線回りに揺動運動しながら往復運動する容積形機械において、往復動部材を２つのアーム部を持つ部材の中央部にピストン部の形成された部材を挿入することにより形成したものである。
【０００７】
さらに、上記第３の目的を達成するために、往復運動により密閉された作動空間の容積を変化させるピストン部およびそのピストン部の往復運動方向と直角方向であって互いに反対側に伸びる２つのアーム部を有する往復動部材と、作動空間の一部であり前記ピストン部の往復運動を案内する案内部材と、軸方向を同じくして互いに逆方向に回転し、その回転軸から半径方向に偏位した位置でそれぞれアーム部を支持する２つの軸部材と、によりピストン部が往復運動方向の軸線回りに揺動運動しながら往復運動する容積形機械を一構成要素とするシステムとして、圧縮行程と膨張行程を備えたシステムとしたものである。例えば、往復運動部材の両端に設けられたピストン部により作動する２つの作動室の一方を圧縮室、他方を膨張室として構成し、圧縮室で動力を供給して高圧にした作動流体の少なくとも一部を膨張室に導いて動力を回収しながら減圧する容積形機械を一構成要素とし、冷凍空調機器システムにおいては冷凍サイクルの圧縮行程と膨張行程とを行なわせるようにしたものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の各実施例を図１ないし図１９により説明する。まず第一の実施例を図1乃至図5に基づき説明する。図１乃至図５には本発明の第1の実施例である容積形ポンプを示す。
【０００９】
往復動部材１はその２つのピストン頭部１ａをそれぞれシリンダブロック２の２つの内周円筒面２ａにより案内されて往復運動と該往復運動方向軸線の回りの回転を行なえる様に支持されている。往復動部材１のピストン頭部１ａには、その往復運動方向と直角方向で互いに反対側に突出した２つの円筒状のアーム部１ｂが挿入されてピン１ｃにより固定されている。
２つのアーム部１ｂは、それぞれ球面ブッシュ３の内周円筒面に回転自在に挿入されている。２つの球面ブッシュ３の外周球面部は、それぞれ駆動軸４の駆動アーム部４ａにより駆動軸４の回転軸から半径方向に偏位した位置で球面対偶により支持されている。
【００１０】
その結果、往復動部材の２つのアーム部１ｂと２つの駆動軸４とは相対的な回転と互いの相対的な傾斜方向変化が可能な状態で、駆動軸４の回転軸から偏位した位置で連結されている。駆動軸４の駆動アーム部４ａの径方向反対側には釣合い質量４ｂが形成されている。また２つの駆動軸４はそれぞれ軸受フレーム５の軸受部５ａにより回転支持されている。２つの軸受フレーム５はそれらの軸受部５ａの中心軸が互いに同軸上に配置される様にそれぞれシリンダブロック２にボルトにより固定されている。
シリンダブロック２に形成された２つの内周円筒面２ａ中心軸同士はやはり互いに同軸であり、更に、そのシリンダブロック２に固定された軸受フレーム５の軸受部中心軸とは、互いに直角になっている。
【００１１】
シリンダブロック２に形成された内周円筒面２ａの２つの開口端はそれぞれボルトで固定されたシリンダヘッド６により閉塞されており、往復動部材のピストン頭部１ａとシリンダブロックの内周円筒面２ａとシリンダヘッド６とにより囲まれた作動室７が２つ設けられている。往復動部材のピストン頭部１ａには作動室７への連絡通路１ｄが設けられており、その連絡通路１ｄにはピストン側面の円筒面に２つの開口部を有している。シリンダブロック２には、それぞれ内周円筒面２ａに開口する吸入ポート２ｂおよび吐出ポート２ｃが形成されており、それぞれ内周円筒面２ａの反対側の開口部をシリンダブロック２にボルト等（図示せず）により固定されたカバー８およびカバー９により閉塞されている。吸入ポート２ｂの開口部を閉塞するカバー８にはポンプ外部から挿入された吸入配管１０が連結されており、吐出ポート２ｃの開口部を閉塞するカバー９にはポンプ外部から挿入された吐出配管１１が連結されている。
【００１２】
２つの軸受フレーム５には、それぞれ駆動用モータ１２のステータ部１２ａがボルトで固定され、２つの駆動軸４にはそれぞれ軸受部５ａを挟んで駆動アーム部４ａの反対側に駆動用モータ１２のロータ部１２ｂが固定されている。ロータ部１２ｂには前述の釣合い質量４ｂと逆方向でより小さな遠心力を発生する釣合い質量１３が取付けられている。ステータ部１２ａとロータ部１２ｂとで構成される２つの駆動用モータ１２は同じものであるが、上記の容積形ポンプの全体構成中に互いに対向した姿勢で組込まれており、２つの駆動軸４を互いに逆方向に回転駆動する。本第１の実施例では、図１における右側の駆動用モータ１２と左側の駆動用モータ１２がそれぞれ図の右方向より観て時計方向、反時計方向に回転駆動する構成になっている。なお、２つの軸受フレーム５にはシリンダブロック２への固定ボルトによる共締めでモータカバー１４が固定されている。
【００１３】
以上の構成において２つの駆動軸４が互いに逆方向に回転駆動すると、駆動軸４の回転軸から半径方向に偏位した位置にある２つの球面ブッシュ３の球中心が図１の上下方向には同位相で往復運動し、図１の紙面垂直方向には互いに逆位相で往復運動するため、球面ブッシュ３により２つの円筒状のアーム部１ｂを支持された往復動部材１は、特開平９−７２２７５号公報（図８）にも示す様に往復運動を行ないながらその往復運動方向軸線の回りの揺動を繰り返す。この時、往復動部材１のピストン頭部１ａに形成された連絡通路１ｄのピストン側面開口部は、球面ブッシュ３の中心と駆動軸４の回転軸との偏位量に対して倍のストロークで往復運動行なうが、揺動方向にはピストン外径を２つの球面ブッシュ３の中心間距離で割った比率で揺動運動のストロークが縮小される。すなわち、駆動軸４の回転軸方向から観た時に楕円軌跡１５を描く運動を行なう。
【００１４】
図２ないし図５には、それぞれの断面内に吸入ポート２ｂあるいは吐出ポート２ｃの位置が記載されており、それらに対向した位置にあるピストン頭部１ａの連絡通路１ｄの前記開口部位置を破線にて示し、その楕円軌跡１５を一点鎖線にて示してある。更に、前記の方向に各駆動軸４が回転する時の連絡通路１ｄ開口部の運動方向を矢印にて示す。図２における連絡通路１ｄの開口部とその楕円軌跡１５および吐出ポート２ｃの位置関係は、図１の上部作動室７の容積が減少から増大に転ずる時点でそれまでの連絡通路１ｄによる吐出ポート２ｃと作動室７との導通状態が遮断されたことを示している。図３における連絡通路１ｄの開口部とその楕円軌跡１５および吸入ポート２ｂの位置関係は、上部作動室７の容積が減少から増大に転ずる時点で今後は連絡通路１ｄにより吸入ポート２ｂと作動室７との導通状態が確保されることを示している。図４における連絡通路１ｄの開口部とその楕円軌跡１５および吸入ポート２ｂの位置関係は、図１の下部作動室７の容積が増大から減少に転ずる時点でそれまでの連絡通路１ｄによる吸入ポート２ｂと作動室７との導通状態が遮断されたことを示している。
【００１５】
図５における連絡通路１ｄの開口部とその楕円軌跡１５および吐出ポート２ｃの位置関係は、下部作動室７の容積が増大から減少に転ずる時点で今後は連絡通路１ｄにより吐出ポート２ｃと作動室７との導通状態が確保されることを示している。本第１の実施例においては、吸入配管１０を介して低圧の作動流体（液体）を供給し吸入ポート２ｂを低圧の作動流体空間とし、吐出ポート２ｃを高圧の作動流体空間として吐出配管１１より加圧された作動流体（液体）を排出する構成である。
【００１６】
以上により、本第１の実施例によれば作動室空間の容積が増大している期間に低圧の作動流体空間と該作動室とを連通させ、作動空間の容積が減少している期間に高圧の作動流体空間と該作動室とを連通させることをバルブ機構のための可動部品を用いずに実現できる。したがって、部品点数が少なく生産性と信頼性の高いレシプロ式容積形ポンプを提供することができるという効果がある。また、特開平９−７２２７５号公報に記載されている理由により、レシプロ式容積形ポンプでありながら、駆動トルクの変動や往復質量の慣性力による加振力を極めて小さくすることも可能である。
【００１７】
なお、第１の実施例において吸入配管１０を介して吸入ポート２ｂに高圧の作動液体を供給し、吐出ポート２ｃより吐出配管１１を介して減圧された作動液体を排出する構造変更を行なえば、２つの駆動軸４を出力軸とし実施例１と同様な特長・効果のある液圧モータが得られる。その際に、それらの出力軸で駆動用モータ１２に代わる２つの発電機を駆動して互いに同様な負荷を与えれば、やはり、特開平９−７２２７５号公報に記載されている理由によりレシプロ式容積形液圧モータでありながら、駆動トルクの変動や往復質量の慣性力による加振力を極めて小さくすることが可能である。
【００１８】
次に本発明の第２の実施例を図６乃至図１０に基づき説明する。図６ないし図１０には本発明の第２の実施例である容積形膨張機を示す。各部品の構成は図１ないし図５の第１の実施例とほぼ等しいので、両者の相違点について説明する。シリンダブロック１６にはそれぞれ内周円筒面１６ａに開口する吸入ポート１６ｂおよび吐出ポート１６ｃが形成されているが、吸入ポート１６ｂは吐出ポート１６ｃに比べて小さい。また、カバー１７に連結された吸入配管１８を介して高圧の作動流体（気体）を供給し吸入ポート１６ｂを高圧の作動流体空間とし、吐出ポート１６ｃを低圧の作動流体空間として吐出配管１１より減圧された作動流体（気体）を排出する構成である。以上の構成により、作動室７はその容積が増大する吸入行程の初期期間のみピストン頭部１ａの連絡通路１ｄを介して吸入ポートと導通して高圧の作動流体（気体）を吸入し、吸入行程の後期期間では吸入・吐出の両ポートと遮断された密閉空間となって容積を増大させ内部の作動流体（気体）を膨張させる。吐出ポート１６ｃは十分大きく、作動室７はその容積が減少する吐出行程の全期間でピストン頭部１ａの連絡通路１ｄを介して吐出ポート１６ｃと導通し、膨張して低圧となった作動流体（気体）を吐出する。
【００１９】
往復動部材１は、そのアーム部１ｂが球面ブッシュ３を介して２つの出力軸１９に連結され、それらの出力軸１９のそれぞれにはステータ部２０ａとロータ部２０ｂとで構成される２つの発電機２０のロータ部２０ｂが固定されている。以上の構成により、本実施例２は膨張機として機能して出力軸１８より取出した動力により発電を行なう。
【００２０】
以上により、本第２の実施例によれば作動室空間の容積が増大している期間の初期期間のみ高圧の作動流体空間と該作動室とを連通させ、作動空間の容積が減少している期間に低圧の作動流体空間と該作動室とを連通させることをバルブ機構のための可動部品を用いずに実現できる。したがって、部品点数が少なく生産性と信頼性の高いレシプロ式容積形膨張機を提供することができるという効果がある。また、特開平９−７２２７５号公報に記載されている理由により、レシプロ式容積形膨張機でありながら、駆動トルクの変動や往復質量の慣性力による加振力を極めて小さくすることも可能である。
【００２１】
なお、第２の実施例において吐出配管１１および吐出ポート１６ｃをそれぞれ低圧の作動流体（気体）を吸入するための吸入配管および吸入ポートとして機能させて、吸入ポート１６ｂおよび吸入配管１８をそれぞれ高圧の作動流体（気体）を吐出するための吐出ポートおよび吐出配管として機能させ、更に、出力軸１９を駆動軸として発電機２０に代えて２つの駆動用モータによって図６と逆方向に回転駆動すれば、第２の実施例と同様な特長・効果のある気体圧縮機が得られる。
【００２２】
次に本発明の第３の実施例を図１１及び図１２を用いて説明する。図１１および図１２に本発明の第３の実施例である膨張・圧縮機を示す。第３の実施例は冷媒を作動流体としたものであるが、図１１の全体の側断面図において下部の作動室７は図６と同様な構成の膨張機として機能し、図９および図１０に示した装置と同様に、作動室７は往復動部材２１の連絡通路２１ｆを介してシリンダブロック２２の吸入ポート２２ｃおよび吐出ポート２２ｄと交互に導通する。
【００２３】
一方上部には、往復動部材２１のピストン頭部２１ａとシリンダブロック２２の内周円筒面２２ａとシリンダヘッド２３とにより囲まれた作動室２４が形成されている。このピストン頭部２１ａには吸入ポート２１ｂが形成され、更に、吸入バルブプレート２５がリベット２６により装着されている。リベット２６は吸入バルブプレート２５がピストン頭部２１ａの上端面から浮き上がれるように拘束しており、吸入行程において吸入ポート２１ｂから作動室２４への冷媒ガスの流入を可能にしている。シリンダブロック２２には吸入配管２７が連結されており、本第３の実施例の膨張・圧縮機内部はピストン頭部２１ａの背面に至るまで吸入圧力となって、前記の吸入ポート２１ｂと吸入配管２７とが連絡されている。シリンダヘッド２３には吐出ポート２３ａが形成されており、吐出バルブプレート２８と吐出バルブ押え２９がボルト（図示せず）により固定されている。シリンダヘッド２３は、吐出空間３０を取囲む吐出室カバー３１と共にボルトによりシリンダブロック２２に固定されている。吐出室カバー３１には吐出配管３２が連結されている。この結果、往復動部材２１が往復運動を行なうと作動室２４は圧縮機として機能する。
【００２４】
図１１の容積形機械は、軸動力を発生するエンジンである容積形膨張機部分と駆動軸から供給された動力を消費するマシンである容積形圧縮機部分の両方を有するが、本第３の実施例では圧縮機部分のピストン頭部２１ａの直径は膨張機部分のピストン頭部２１ｂの直径よりも大きく、全体としては動力を消費するマシンとして機能する。したがって駆動軸３３はステータ部３４ａとロータ部３４ｂからなるモータ３４により回転駆動されるが、その理論的な必要動力は上部の容積形圧縮機部分のみを駆動する場合に比べて下部の容積形膨張機部分が発生する動力の分だけ小さくて済む。
【００２５】
図１２に本第３の実施例である膨張・圧縮機を冷凍・空調機器を冷凍サイクルに組込んだ場合のサイクル構成図を示す。中央の膨張・圧縮機３５は図１１の本第３の実施例である膨張・圧縮機である。図中の太線はサイクル配管３６であり太線上の矢印が内部の冷媒の流れ方向を示す。一般的な冷媒および運転条件下では、膨張・圧縮機３５の圧縮機部分で加圧されて高温高圧になった冷媒ガスは吐出配管３２より吐出され、サイクル配管３６を経て凝縮器３７に至りそこで放熱して凝縮し高圧の液冷媒となる。高圧の液冷媒の一部は次にサイクル配管３６を経ての吸入配管１８より膨張・圧縮機３５の膨張機部分に流入し、そこで減圧されながら一部がガス化して全体の容積を増大させ低圧の気液２相状態で吐出配管１１より流出する。その後、サイクル配管３６を経て蒸発器３８に至る。凝縮器３７から出た高圧液冷媒の他の一部は、上記の膨張機を経由する経路とは並列に設けたサイクル配管経路を経由する構成となっているが、その経路に設けられた他の膨張手段３９により減圧されてやはり一部がガス化し低圧の気液２相状態でサイクル配管３６を経て蒸発器３８に至る。なお、膨張手段３９は、従来の冷凍サイクルにおける膨張弁やキャピラリーチューブなどと同様に絞りによるものであり、膨張機のように膨張過程で外部に機械的な仕事をして動力を回収できる構造のものではない。蒸発器３８では前記２つの経路を経由して流入する気液２相の冷媒の液部分が吸熱して蒸発し、全体が低圧ガスになってサイクル配管３６を経て吸入配管２７より膨張・圧縮機３５の内部に流入する。膨張・圧縮機３５の内部に流入した冷媒ガスは圧縮機部分で加圧されて高温高圧になり、再び吐出配管３２より吐出され冷媒の循環の閉ループが構成される。なお、図１２において、凝縮器３７から蒸発器３８に至る2系統の冷媒経路の一方である膨張・圧縮機３５の膨張機部分を経由する経路が無く、冷媒の全量が絞りによる膨張手段３９を通過する場合が、従来技術の冷凍サイクル構成である。
【００２６】
従来技術では、凝縮器から出た高圧液冷媒の全量が膨張手段３９のような絞りを通過する際に圧損としてエネルギーを失い、更にその失われたエネルギーが熱となって冷媒に吸収されるために蒸発器３８において吸熱する能力すなわち冷凍能力を低下させていた。これに対して、本第３の実施例である膨張・圧縮機を組込んだ冷凍サイクルによる冷凍・空調機器では、従来、絞り部の圧損として熱になっていた高圧液冷媒の上記エネルギーの一部を、圧縮機部分と一体となった膨張機部分において機械的なエネルギーとして動力回収でき、圧縮機部分に供給しなければならない動力を低減できるという効果がある。特に本第３の実施例では、圧縮機部分の作動室２４の圧力と膨張機部分の作動室７の圧力は一体となった往復動部材２１のピストン頭部２１ａとピストン頭部２１ｂに作用するため、それらの圧力による往復動部材２１への作用力は一部が荷重の段階で互いに打ち消し合い、往復動部材２１のアーム部２１ｂと球面ブッシュ３との摺動荷重や駆動軸３３と軸受部５ａとの摺動荷重を低減させて機械摩擦損失を低減できるという効果がある。更に、前記のとおり膨張機部分で回収した動力の分だけ冷凍サイクルにおける冷凍能力の低下が回復する（従来技術に対して冷凍能力が増大する）という効果がある。以上の結果、本第３の実施例である膨張・圧縮機を組込んだ冷凍サイクルによる冷凍・空調機器では、より小さな動力でより大きな冷凍能力を得ることができるので冷凍空調機器の効率が向上するという効果がある。なお、本第３の実施例である膨張・圧縮機を組込んだ冷凍・空調機器をヒートポンプとして暖房機器として機能させる場合、暖房能力は通常上記の冷凍能力と膨張・圧縮機３５の消費動力の和であり、上記の冷凍能力の増大分と消費動力の低減分とが打ち消し合ってしまうが、暖房機器としての効率は膨張・圧縮機３５による消費動力の低減分だけ向上する。
【００２７】
図１２のサイクル構成図では、凝縮器３７から蒸発器３８に至る2系統の冷媒経路を構成してある。これを膨張・圧縮機３５の膨張機部分を経由する経路のみとすると、膨張・圧縮機３５における圧縮機作動室２４の吸入容積（最大容積）と膨張機作動室７の吸入容積（吸入ポート２２ｂと導通を遮断された時の容積）との比率が一定値に固定されている場合は、冷凍サイクルのループにおける質量流量の連続性から吸入圧力と吐出圧力との関係が制約され、前記の容積の比率が不適切であったり周囲温度などの運転条件が大きく変化した場合には冷凍サイクルの運転圧力条件が不自然な値になる可能性が懸念される。図１２のサイクル構成図では、凝縮器３７から蒸発器３８に至る他の系統の冷媒経路において膨張手段３９の絞り量を調整して、冷凍サイクルの運転圧力条件を制御できるようにしてある。ただし、前記の各作動室間の吸入容積比率と周囲温度などの運転条件とが良くマッチングしている場合や、膨張・圧縮機３５の各作動室の少なくとも一方における吸入容積が可変であり容量制御が可能である場合などにおいては、上記の膨張・圧縮機３５の膨張機部分を経由する経路以外の経路は必ずしも必要でなく、冷凍サイクルを循環している冷媒の全量から膨張過程での動力を回収できるのでより効率の高い冷凍サイクルを構成できる。また、冷媒の種類や運転圧力によっては凝縮器３７における放熱過程で気体から液体への相変化を伴わないことも起り得るが、その場合の凝縮器３７は放熱器として機能すれば良い。
【００２８】
本発明の第４の実施例を図１３乃至図１７に基づいて説明する。図１３ないし図１６に本発明の第４の実施例である膨張・圧縮機を示す。本第４の実施例は、図１３の全体の側断面図において下部の作動室４１が膨張機として機能し上部の作動室４０が圧縮機として機能する点では図１１の第３の実施例と共通であるが、空気を作動流体としたものであるために膨張・圧縮機全体を容器内に密閉する必要がなく図１１におけるモータカバー１４のような外部ケーシング部材を持たない等の相違点がある。
【００２９】
その他の相違点の１つは、軸受フレーム４２の軸受け部にグリース潤滑方式の玉軸受４３やニードル軸受４４を用いている点である。図１１の第３の実施例における軸受け部がグリースを溶出してしまう冷媒の雰囲気中で使用されるのに対して本第４の実施例では空気雰囲気中での使用となり、グリース密封による潤滑が可能である。
【００３０】
次の相違点は、膨張機として機能する下部作動室４１のピストン頭部４５ｃの直径が圧縮機として機能する上部作動室４０のピストン頭４５ａの直径に近い大きさを持っている点である。図１１の第３の実施例における膨張・圧縮機では、冷凍サイクルに組込まれて使用されるために、膨張機部から排出される冷媒はまだ液冷媒を多量に含んでおりその容積は全量が蒸発してガス化した後に圧縮機に吸入される際の容積に比べて大幅に小さい。したがって、圧縮機部のピストン頭部２１ａの直径に対して膨張機部のピストン頭部２１ｃの直径は大幅に小さい。これに対して空気を作動流体とした本実施例では、圧縮機部で大気圧から加圧した圧縮空気とほぼ同量の気体を膨張機部で大気圧まで膨張させる使い方（図１７）を想定しており、圧縮機部のピストン頭部４５ａの直径に対して膨張機部のピストン頭４５ｃの直径がほぼ同じ大きさになるように設定してある。
【００３１】
これに関連して、往復動部材４５の連絡通路４５ｆの外周円筒面への開口部の楕円軌跡４６が図１４と図１５に示されているが、開口している外周円筒面の半径が大きいために、第１〜第３の実施例における楕円軌跡１５に比べて短軸の長さが大きくなりより膨らんだ楕円となっている。なお、膨張機部分では、高圧ガスは吸入配管４７からシリンダブロック４８に設けられた吸入通路４８ｃと吸入ポート４８ｄおよび連絡通路４５ｆを介して作動室４１へ流入し、その後密閉空間内で膨張して低圧ガスとなり、連絡通路４５ｆからシリンダブロック４８に設けられた吐出ポート４８ｅと吐出通路４８ｆを介して吐出配管４９から流出する。
【００３２】
更に、圧縮機部のピストン頭部４５ａの直径に対して膨張機部のピストン頭４５ｃの直径がほぼ同じ大きさになるように設定してあるので膨張機部における回収動力の大きさが圧縮機部における消費動力の大きさに近くなるため、膨張・圧縮機の全体に供給しなければならない動力が小さくて済み、駆動軸５０を駆動するためのモータ５１は小容量となっている。
【００３３】
次の相違点は、本第４の実施例では圧縮機部の吸入経路が前記第３の実施例と相違しており、外部からの吸入配管から作動室４０までの経路が膨張・圧縮機の駆動機構が収納されて運動する内部空間５２を介さずに構成されている点である。図１３中のＫ−Ｋ断面である図１６に圧縮機部の吸入経路を示す。図１６で左右２つの吸入配管５３からシリンダブロック４８の吸入通路４８ｇに流入した吸入空気は、更に、往復動部材４５のピストン頭部４５aに形成された吸入口４５ｇを通ってピストン頭部４５aの内部空間４５ｈに至り、吸入ポート４５ｂからリベット２６により装着された吸入バルブプレート２５を介して作動室４０に吸入される。シリンダブロック４８の吸入通路４８ｇとピストン頭部４５aの吸入口４５ｇとは、吸入行程の全域にわたり導通している。吸入空気は膨張・圧縮機の内部空間５２を通過しないので、各摺動部の潤滑のために内部空間５２内に封入された潤滑油などが混入することを防止できクリーンな圧縮空気を得ることができる。
【００３４】
更に、本第４の実施例では往復動部材４５のピストン頭部４５ａ、４５ｃとアーム部４５ｄとの結合構造が前記第３の実施例と相違している。本実施例のように作動流体の作動圧力が比較的低い場合には、ピストン頭部４５ａ、４５ｃの直径に対してアーム部４５ｄと球面ブッシュ３の内周との摺動部の直径がかなり小さくても、摺動面圧を実用範囲に抑える設計が可能である。この場合、本実施例のようにピストン頭部４５ａ、４５ｃを貫通してアーム部４５ｄを挿入しナット４５ｅなどにより往復動部材４５として一体に結合する方法が有効である。第１ないし第３の実施例のように２ヵ所のピストン頭部直径の少なくとも一方が、往復動部材のアーム部の摺動部直径に近い場合には、逆に、アーム部の中央部を太くし、これを貫通してピストン頭部を挿入して一体に固定する方法が採用できる。
【００３５】
図１７に本第４の実施例である膨張・圧縮機を燃料電池システムに適用した場合のシステム構成図を示す。右中央部の膨張・圧縮機５６は図１３の本第４の実施例である膨張・圧縮機である。大気中の空気５７は右上のエアクリーナー５８を通過した後に膨張・圧縮機５６の吸入配管５３から流入し、圧縮機部で圧縮された後に吐出配管３２より流出し圧縮空気５９として燃料電池スタック６０のカソード部６０ａに供給される。圧縮空気５９を供給するのは高密度の酸素をカソード部６０ａに供給することで燃料電池スタック６０の高効率化、小型化が図れるためである。一方燃料電池スタック６０のアノード部６０ｂには水素または水素を含有するガスである燃料ガス６１が供給される。カソード部６０ａとアノード部６０ｂの間にはイオン透過膜６０ｃが配されており、アノード部６０ｂに供給された水素または水素を含有するガスから発生した水素イオン（＋イオン）がこのイオン透過膜６０ｃを透過し、カソード部６０ａに供給された酸素から発生する酸素イオン（−イオン）と結合して水分を生成する過程で、燃料電池スタック６０からカソード部６０ａとアノード部６０ｂとを電極として電力６０ｄを取り出すことができる。アノード部６０ｂに供給された燃料ガス６１は、水素を消費された後に排気ガス６２として燃料電池スタック６０から排出され、改質器（図示せず）の熱源などに利用される。カソード部６０ａに供給された圧縮空気５６は酸素の一部を消費されるが新たに生成された水分が追加され、高圧排空気６３として燃料電池スタック６０から排出される。その後、膨張・圧縮機５６に吸入配管４７から再流入し、膨張機部で膨張した後に吐出配管４９より流出して低圧排空気６４として最終的には大気中に放出される。
【００３６】
なお、膨張機部分では、高圧ガスはからシリンダブロック４８に設けられた吸入通路４８ｃと吸入ポート４８ｄおよび連絡通路４５ｆを介して作動室４１へ流入し、その後密閉空間内で膨張して低圧ガスとなり、連絡通路４５ｆからシリンダブロック４８に設けられた吐出ポート４８ｅと吐出通路４８ｆを介して吐出配管４９から流出する。
【００３７】
本第４の実施例の膨張・圧縮機５６を組込んだ燃料電池システムでは、圧縮空気５９を供給するために必要な動力の一部に動力回収機構で回収した動力を利用するので、外部から新規に供給しなければならない正味の動力を低減することができる。また、圧縮機部分と膨張機部分とが独立している通常の動力回収機構では圧縮機部分と膨張機部分のそれぞれで機械摩擦損失が発生して合計の機械摩擦損失が大きくなるのに対して、本第４の実施例では第３の実施例と同様に共通の部品である往復動部材４５に作用する荷重の段階で打消し合わせて各摺動部の摺動荷重を低減し、機械摩擦損失をむしろ低減させている。この事により膨張・圧縮機５６の効率が高くなり、これを用いた燃料電池システム全体の効率荷重が一層高くなるという効果がある。
【００３８】
本発明の第５の実施例を図１８に基づいて説明する。図１８は、本発明の第５の実施例である圧縮機を示す。第５の実施例は図１８の全体の側断面図において中央の上部と下部に形成された２つの作動室６５はいずれも圧縮機の作動室として機能する。すなわち、本第５の実施例は２気筒の圧縮機である。作動流体は二酸化炭素であり、作動室内の圧力は従来のフロン系冷媒に対して４〜５倍と非常に高圧になる。その反面、冷媒の単位体積当たりの冷凍能力も４〜５倍となり、同一の冷凍能力を発生させる圧縮機の行程容積は小さくて良い。図１８の圧縮機では、往復動部材６６における２つのピストント頭部６６ａの直径のみを小さくすることで行程容積を小さくしてあり、駆動アーム部６７ａに装着された球面ブッシュ３の球心が駆動軸６７の回転軸から偏位している量を減少させることにより往復動部材６６の往復運動のストロークを減らすことはしていない。また、従来のフロン系冷媒で同一冷凍能力を持つ２気筒圧縮機に比べて、往復動部材６６のアーム部６６ｂと球面ブッシュ３との摺動部の径や軸方向長さ、および、駆動軸６７と軸受フレーム６８との摺動部の径や軸方向長さなどは同等の大きさを確保しており、摺動部の受圧面積は従来と同等である。このような設計は、本発明で採用している容積形機械の機構では作動室の圧力が直接作用する往復動部材６６の内部に摺動部を持たないために、ピストン部の径と摺動部の大きさなどの寸法諸元とを互いの制約なしにそれぞれ独立して設定できることにより可能になっている。なお、従来のクランクスライダ機構をによるレシプロ機構では、コンロッドの小端部にあるピストンピンが作動室の圧力が直接作用するピストンの内部にあるため、ピストン径を小さくした時にコンロッドとの摺動部の受圧面積を従来と同等に維持するのが困難となる。また、ローリングピストン方式などのロータリ圧縮機では、作動室の圧力が直接作用する面積を低減するために円筒形状ロータ（ピストン）の幅または径を縮小すると、ロータの内部にあるシャフトの偏心ピン部とロータ内周面との摺動部の受圧面積を従来と同等に維持するのが難しい。
【００３９】
作動流体である二酸化炭素は、シリンダブロック６９に取付けられた吸入配管７０より圧縮機の内部空間７１に流入し、往復動部材６６に設けた吸入口６６ｄからピストント頭部６６ａの内部空間６６ｅに至り、吸入ポート６６ｆからリベット７２でピストント頭部６６ａに装着された吸入バルブプレート７３を介して作動室６５に吸入される。作動室６５で圧縮された後に、シリンダヘッド７４に形成された吐出ポート７４ａより吐出バルブプレート７５と吐出バルブ押え７６を介して吐出空間７７に吐出される。吐出バルブプレート７５と吐出バルブ押え７６はボルト（図示せず）によりシリンダヘッド７４に固定されている。シリンダヘッド７４は吐出空間７７を取囲む吐出室カバー７８と共にボルトによりシリンダブロック６９に固定されている。吐出室カバー７８には吐出配管７９が連結されており、高圧の作動流体は最終的にここから圧縮室外へ流出する。
【００４０】
本第５の実施例では、作動流体が二酸化炭素であるため往復動部材６６の２つのピストン頭部６６ａは径がいずれも小さく、それらが挿入されるシリンダブロック６９の２つの内周円筒面６９ａも径が小さい。往復動部材６６のピストン頭部６６ａに内周円筒面６９ａの径より太い部分を形成すると、組立ての際にシリンダブロック６９の内周円筒面６９ａに挿入できなくなる。一方で、内周円筒面６９ａの径に対するアーム部６６ｂの径の比率は従来冷媒の場合に比べて相対的に大きくなっており、往復動部材６６を組立てる際に図１３のようにピストン頭部６６ａに形成した穴にアーム部６６ｂを挿入する構造では強度が確保できない。したがって、本第５の実施例ではアーム部６６ｂの中央に太い部分を形成し、これに設けた穴にピストン頭部６６ａを挿入してピン６６ｃで固定する構造を採用している。
【００４１】
本第５の実施例では、作動流体が二酸化炭素であることと２つの作動室６５にて圧縮仕事を行なう２気筒構造であるために、各作動室６５の行程容積が小さい割には消費動力が大きいので駆動用モータ８０は大きく、これを囲んで密閉空間を形成するモータカバー８１も大きい。
【００４２】
本第５の実施例によれば、まず二酸化炭素などの高圧の作動ガスを用いた場合でも、その圧力をうける部材である往復動部材６６のピストン頭部６６ａの径を縮小する際の制約条件が無いので摺動部の荷重を増大させぬ設計が容易であり、機械摩擦損失を増大させない設計が可能である。また、その際に軸受部などの摺動部の面積を縮小する必要が無いので摺動部の摺動面圧を増大させぬ設計が容易であり、信頼性を低下させない設計が可能である。また、主要部品である往復動部材６６において、ピストン頭部６６ａを縮小してもアーム部６６ｂとの結合部の強度を十分確保することができる。すなわち、二酸化炭素のような非常に高圧であるが自然界の元々存在し環境への負荷の小さい作動ガスを冷媒とした冷凍空調システムの実用化が容易になる。
【００４３】
【発明の効果】
本発明によれば、レシプロ形容積形機械でバルブ機構のための可動部品を不要とできその生産性と信頼性が向上するという効果がある。
また本発明によれば、容積形圧縮機で軸受等の摺動部の大きさや受圧面積を減少させること無しに作動室の受圧面積を低減できるので、２酸化炭素などの超高圧冷媒を作動流体としても摺動部の荷重や摺動面圧を増大させぬことが可能であり信頼性や機械効率の大幅な低下を防止できるという効果がある。
更に本発明によれば、圧縮機と膨張機とを一体化した容積形機械の各摺動部に作用する荷重が低減できるので機械効率が向上し、膨張機による効率的な動力回収が可能になり、動力回収機構を組込んだ冷凍サイクルなどのシステム全体の効率が大きく向上するという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第1の実施例であるポンプの全体の側断面図。
【図２】図１におけるＡ−Ａ断面図。
【図３】図１におけるＢ−Ｂ断面図。
【図４】図１におけるＣ−Ｃ断面図。
【図５】図１におけるＤ−Ｄ断面図。
【図６】本発明の第２の実施例である膨張機の全体の側断面図。
【図７】図６におけるＥ−Ｅ断面図。
【図８】図６におけるＦ−Ｆ断面図。
【図９】図６におけるＧ−Ｇ断面図。
【図１０】図６におけるＨ−Ｈ断面図。
【図１１】本発明の第３の実施例である冷媒を作動流体とした膨張・圧縮機の全体の側断面図。
【図１２】本発明の第３の実施例である膨張・圧縮機を冷凍・空調機器に適用した場合の冷凍サイクル構成図。
【図１３】本発明の第４の実施例である空気用の膨張・圧縮機の全体の側断面図。
【図１４】図１３におけるＩ−Ｉ断面図。
【図１５】図１３におけるＪ−Ｊ断面図。
【図１６】図１３におけるＫ−Ｋ断面図。
【図１７】本発明の第４の実施例である膨張・圧縮機を燃料電池システムに適用した場合のシステム構成図。
【図１８】は本発明の第５の実施例である圧縮機の全体の側断面図。
【符号の説明】
１…往復動部材、１ａ…ピストン頭部、１ｂ…アーム部、１ｃ…ピン、１ｄ…連絡通路、２…シリンダブロック、２ａ…内周円筒面、２ｂ…吸入ポート、２ｃ…吐出ポート、３…球面ブッシュ、４…駆動軸、４ａ…駆動アーム部、４ｂ…釣合い質量、５…軸受フレーム、５ａ…軸受部、６…シリンダヘッド、７…作動室、８…カバー、９…カバー、１０…吸入配管、１１…吐出配管、１２…駆動用モータ、１２ａ…ステータ部、１２ｂ…ロータ部、１３…釣合い質量、１４…モータカバー、１５…楕円軌跡、１６…シリンダブロック、１６ａ…内周円筒面、１６ｂ…吸入ポート、１６ｃ…吐出ポート、１７…カバー、１８…吸入配管、１９…出力軸、１９ａ…出力アーム部、１９ｂ…釣合い質量、２０…発電機、２０ａ…ステータ部、２０ｂ…ロータ部、２１…往復動部材、２１ａ…ピストン頭部、２１ｂ…吸入ポート、２１ｃ…ピストン頭部、２１ｄ…アーム部、２１ｅ…ピン、２１ｆ…連絡通路、２２…シリンダブロック、２２ａ…内周円筒面、２２ｂ…内周円筒面、２２ｃ…吸入ポート、２２ｄ…吐出ポート、２３…シリンダヘッド、２３ａ…吐出ポート、２４…作動室、２５…吸入バルブプレート、２６…リベット、２７…吸入配管、２８…吐出バルブプレート、２９…吐出バルブ押え、３０…吐出空間、３１…吐出室カバー、３２…吐出配管、３３…駆動軸、３３ａ…駆動アーム部、３３ｂ…釣合い質量、３４…駆動用モータ、３４ａ…ステータ部、３４ｂ…ロータ部、３５…膨張・圧縮機、３６…サイクル配管、３７…凝縮器、３８…蒸発器、３９…膨張手段、４０…作動室、４１…作動室、４２…軸受フレーム、４３…玉軸受、４４…ニードル軸受、４５…往復動部材、４５ａ…ピストン頭部、４５ｂ…吸入ポート、４５ｃ…ピストン頭部、４５ｄ…アーム部、４５ｅ…ナット、４５ｆ…連絡通路、４５ｇ…吸入口、４５ｈ…内部空間、４６…楕円軌跡、４７…吸入配管、４８…シリンダブロック、４８ｃ…吸入通路、４８ｄ…吸入ポート、４８ｅ…吐出ポート、４８ｆ…吐出通路、４８ｇ…吸入通路、４９…吐出配管、５０…駆動軸、５１…モータ、５２…内部空間、５３…吸入配管、５４…シリンダヘッド、５５…釣合い質量、５６…膨張・圧縮機、５７…空気、５８…エアクリーナー、５９…圧縮空気、６０…燃料電池スタック、６０ａ…カソード部、６０ｂ…アノード部、６０ｃ…イオン透過膜、６０ｄ…電力、６１…燃料ガス、６２…排気ガス、６３…高圧排空気、６４…低圧排空気、６５…作動室、６６…往復動部材、６６ａ…ピストント頭部、６６ｂ…アーム部、６６ｃ…ピン、６６ｄ…吸入口、６６ｅ…内部空間、６６ｆ…吸入ポート、６７…駆動軸、６７ａ…駆動アーム部、６７ｂ…釣合い質量、６８…軸受フレーム、６８ａ…軸受部、６９…シリンダブロック、６９ａ…内周円筒面、７０…吸入配管、７１…内部空間、７２…リベット、７３…吸入バルブプレート、７４…シリンダヘッド、７４ａ…吐出ポート、７５…吐出バルブプレート、７６…吐出バルブ押え、７７…吐出空間、７８…吐出室カバー、７９…吐出配管、８０…駆動用モータ、８０ａ…ステータ部、８０ｂ…ロータ部、８１…モータカバー、８２…釣合い質量。
【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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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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