JP4055902B2 - 膨張機を備えた冷凍装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空気調和装置や冷凍機等に使用され、冷媒の膨張過程の流体エネルギを動力回収する膨張機を備えた冷凍装置に関し、特に冷媒として二酸化炭素を使用するものに好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、空気調和装置や冷凍機等で用いられている蒸気圧縮式冷凍サイクルに膨張機を使用して冷凍サイクルのＣＯＰ（成績係数）を改善するようにしたものが知られており、例えば特許文献１に記載のものがある。
【０００３】
この従来技術は、膨張機で膨張する主流冷媒の膨張エネルギを機械エネルギに変換し（膨張仕事をさせ）ながら主流冷媒を減圧するとともに、その変換された機械エネルギにより第２圧縮機を稼動させる。これにより、熱交換器を流出した主流冷媒は、等エントロピ変化をしながらそのエンタルピを低下させていくので、蒸発器内の圧力が上昇したときであっても、冷凍能力が大きく低下するのを防止すると共にＣＯＰ向上を図るようにしている。この種システムは、特に二酸化炭素等の超臨界域で使用する自然系冷媒を用いた冷凍サイクルに適用できる。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−３２９４１６号公報
【発明が解決しようとする課題】
上記特許文献１に記載されている冷凍サイクルでは、略円筒形状のハウジング内に膨張エネルギを機械エネルギ（回転エネルギ）に変換するスクロール型の膨張機と、この膨張機で得られた回転エネルギにより稼動するスクロール型の圧縮機構が収納された円筒状の機械室が形成されている。
【０００５】
しかしながら、この従来技術ではエネルギ回収効率に重大な影響を及ぼすスクロール型の膨張機と圧縮機の各摺動部の潤滑については十分な配慮がされておらず、摺動部の摩擦損失による効率低下や摺動部の摩耗による信頼性低下の問題があった。また、冷凍サイクル中に、第１圧縮機と、膨張機と圧縮機からなるエネルギ回収器が設けられており、これらの摺動部の潤滑を各機器に充填した潤滑油で賄うが、第１圧縮機が保有する潤滑油とエネルギ回収器が保有する潤滑油が不均衡となり、どちらの潤滑油が不足しても信頼性上の問題が発生する。
【０００６】
本発明の目的は、膨張機や各圧縮機における摺動部の潤滑を確実に行うことのできる膨張機を備えた冷凍装置を得ることにある。
【０００７】
本発明の他の目的は、冷凍サイクルのＣＯＰ向上及び容積形膨張機などの信頼性向上を図れる膨張機を備えた冷凍装置を得ることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明は、底部に潤滑油を貯留した密閉容器と、この密閉容器内の潤滑油中に浸漬して収納され、冷媒の膨張エネルギを機械エネルギに変換する膨張機と、前記膨張機に積層配置して前記密閉容器内の潤滑油中に浸漬して収納され、前記膨張機によって駆動される副圧縮機と、前記副圧縮機及び前記膨張機のクランク軸に各軸受摺動部に潤滑油を供給する給油通路とを有し、前記副圧縮機で昇圧された冷媒が前記密閉容器内の空間に吐出される膨張／圧縮システムと、
底部に潤滑油を貯留した密閉容器とこの密閉容器内の潤滑油中内に浸漬して収納され、前記密閉容器内の空間に昇圧された冷媒を吐出する主圧縮機およびそのモータと、
前記主圧縮機で圧縮した高圧の冷媒を、放熱器、膨張弁、蒸発器を介して前記副圧縮機に流通させる第１の流路と、
前記膨張／圧縮システムの前記密閉容器内における前記副圧縮機で昇圧された冷媒を前記主圧縮機に流通させる第２の流路と、
前記第１の流路から分岐し前記放熱器から流出した冷媒の一部を前記膨張機に流通させる第３の流路とを備え、
前記第１の流路における主圧縮機側の吐出口の開口位置を、前記密閉容器内の潤滑油面より上方に位置するように前記主圧縮機の密閉容器内の空間に開口させ、
前記第２の流路における膨張／圧縮システム側の開口位置を、前記密閉容器内の潤滑油面より上方に位置するように前記膨張／圧縮システムの密閉容器内の空間に開口させたことを特徴とする冷凍装置にある。
【００１１】
また、本発明は、底部に潤滑油を貯留した密閉容器と、この密閉容器内の潤滑油中に浸漬して収納され、冷媒の膨張エネルギを機械エネルギに変換する膨張機と、前記膨張機に積層配置して前記密閉容器内の潤滑油中に浸漬して収納され、前記膨張機によって駆動される副圧縮機と、前記副圧縮機及び前記膨張機のクランク軸に各軸受摺動部に潤滑油を供給する給油通路とを有し、前記副圧縮機で昇圧された冷媒が前記密閉容器内の空間に吐出される膨張／圧縮システムと、
底部に潤滑油を貯留した密閉容器とこの密閉容器内の潤滑油中内に浸漬して収納され、前記密閉容器内の空間に昇圧された冷媒を吐出する主圧縮機およびそのモータと、
前記主圧縮機で圧縮した高圧の冷媒を、放熱器、膨張弁、蒸発器を介して前記副圧縮機に流通させる第１の流路と、
前記膨張／圧縮システムの前記密閉容器内における前記副圧縮機で昇圧された冷媒を前記主圧縮機の密閉容器内に流通させる第２の流路と、
前記第１の流路から分岐し前記放熱器から流出した冷媒の一部を前記膨張機に流通させる第３の流路とを備え、
前記第１の流路における主圧縮機側の吐出口の開口位置を、前記密閉容器内の潤滑油面より上方に位置するように前記主圧縮機の密閉容器内の空間に開口させ、
前記主圧縮機の吸入パイプの開口位置をその密閉容器内の潤滑油面より上方に向くように配置し、この吸入パイプに油回収***を設けたことを特徴とする冷凍装置にある。
【００１２】
前記冷凍装置の冷媒として二酸化炭素を使用するのが好適であり、また前記膨張機はローリングピストン式膨張機が好適である。
【００１３】
以上のように、内圧が副圧縮機の吐出圧力に保たれると共に潤滑油を貯溜する膨張／圧縮システム用密閉容器を備えるものでは、吐き出しガスの流れにより該密閉容器に蓄えられた潤滑油を主圧縮機に還流することが可能になる。
【００１４】
特に、主圧縮機用密閉容器を備え、放熱器側への吐出パイプを主圧縮機用密閉容器側面の圧縮機構上方部に設けると共に、膨張／圧縮システム用密閉容器の上部に主圧縮機側への吐出パイプを設けることにより、各密閉容器内の潤滑油がどちらか一方に偏るのを、ガスの流れによる油面上昇防止機能を利用して防止でき、潤滑状態を良好に保ち、冷凍装置の性能及び信頼性を向上できる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の具体的実施例を、図面を用いて詳細に説明する。図1は本発明の一実施例を示す冷凍サイクル構成図、図２は図１の実施例に使用される圧縮／膨張システム（容積形流体機械）の例を示す縦断面図、図３は図２のＡ−Ａ断面図、図４は図２のＢ−Ｂ断面図である。
【００１６】
図１から図４において、圧縮／膨張システム（容積形流体機械）１は冷凍サイクルにおける作動流体の膨張エネルギを機械エネルギに変換する膨張機２（記号ＥＸで表す）と、この変換された機械エネルギにより仕事をする副圧縮機（副圧縮機）３（記号ＳＣで表す）から構成され、膨張機２と副圧縮機３は一つの密閉容器５内に積層して配置され、クランク軸４を介して連結され、収納されている。
【００１７】
図１に示す冷凍システム２４は、圧縮／膨張システム１を放熱器２５と蒸発器２６の間に備えている。密閉容器２７ａ内には、冷凍システム２４の主圧縮機（記号ＭＣ）２７、この主圧縮機を駆動する駆動モータ（記号Ｍ）が収納されている。２７ｂは吸入パイプ、２７ｃは吐出パイプ、２９は液冷媒を貯溜する機能を有する吸入アキュムレータである。
【００１８】
冷媒の流れは、主圧縮機２７から吐き出された高温・高圧の冷媒は、吐出パイプ２７ｃを経由し、放熱器２５に入って放熱されて温度低下する。この放熱器２５から出た冷媒は、冷凍サイクルの運転圧力比に膨張機２の設計圧力比を適合させるための前段膨張弁２８を通り、流入パイプ１１から膨張機２に入り、ここで膨張動作を行ってその膨張エネルギが機械エネルギに変換される。その後、冷媒は、低温・低圧の気液二相状態の冷媒となって流出パイプ１２から吐き出される。膨張機２を出た冷媒は、蒸発器２６に入って吸熱・ガス化し、吸入パイプ１８から副圧縮機３へ吸い込まれ、この副圧縮機３内で昇圧されて密閉容器５内に吐き出されてこの密閉容器５の上側部に取付けられた吐出パイプ１９から外部（主圧縮機側）に吐き出される。副圧縮機３から吐き出された冷媒は、吸入アキュムレータ２９を通って主圧縮機２７に戻って再び圧縮されて高温・高圧のガス冷媒となり、主圧縮機用密閉容器２７ａ内に吐き出され、密閉容器２７ａの圧縮機部の上方に設けられた吐出パイプ２７ｃから外部のサイクルに流出するようになっている。 以上のサイクルが繰り返されて冷凍作用をなす。
【００１９】
２０は、密閉容器５および密閉容器２７ａ内に貯留された潤滑油である。なお、バイパス膨張弁２８ｂは膨張機２をバイパスする回路に取付けられ、冷凍サイクルの運転条件変化時の流量（圧力）調整作用を行う。
【００２０】
上記のように、容積形流体機械１を備える構成としたことにより、膨張過程が等エントロピ変化となり冷凍効果が増えて冷凍能力が増加する。また、膨張過程の流体エネルギを膨張機２で機械エネルギに変換し、副圧縮機３を駆動することで動力回収するので、ガス圧縮のための仕事を減少でき、冷凍システム２４のＣＯＰを向上できる。ここで、容積形流体機械（膨張／圧縮システム）１の潤滑油２０を貯留している密閉容器５と、主圧縮機２７の潤滑油２０を貯留している密閉容器２７ａ内は、共に各圧縮機の吐き出しガスの雰囲気となっており、各密閉容器から流出するガスの流れが存在している。従って、吐出パイプ１９及び吐出パイプ２７ｃの吐出口の開口位置を各密閉容器に収納された流体機械の潤滑に必要な油面位置よりも上方部に設定してやることにより、どちらか一方の密閉容器に潤滑油２０の偏りが発生して油面が上昇した場合には、吐き出しガスの流れによって油が持ち出されてもう一方の密閉容器内に還流する。したがって、各密閉容器間の潤滑油の偏りが自動調整され、流体機械摺動部の潤滑状態を良好に保つことができ、膨張機を備えた冷凍システムの性能・信頼性を向上することが可能となる。
【００２１】
次に、本発明に用いる容積形流体機械（膨張／圧縮システム）１のとして、ロータリタイプを例にとり、その構造及び動作を図２〜図６により説明する。
膨張機２は、図２、図３に示すように、クランク軸４の軸支持を兼ねた下部軸受６と仕切り板７によりシリンダ８の両端開口部が閉塞されている。シリンダ８には中央部に円筒状内周面８ａが形成されている。クランク軸４には、シリンダ８の円筒状内周面８ａにあたる部分に偏心部４ａが形成されており、揺動ピストン９のローラ部９ａの軸受メタル９ｂが嵌合された円筒状内周面が回転可能に嵌入されている。ローラ部９ａの円筒状外周面には板状のベーン部９ｃが一体で形成されている。シリンダ８の円筒状内周面８ａの外側には円筒状内周面８ａの中心軸と平行な中心軸を持つ円筒孔部８ｂが形成されており、円筒孔部８ｂのシリンダ８中心側とその反対側とはそれぞれシリンダ８の円筒状内周面８ａと円筒孔部８ｂの外側に設けた逃げ孔部８ｃに連通している。
【００２２】
揺動ピストン９のベーン部９ｃは円筒孔部８ｂと逃げ孔部８ｃとに挿入されているが、ベーン部９ｃと円筒孔部８ｂとの間には、ベーン部９ｃの平面部に摺動可能に当接する平面部と円筒孔部８ｂの円筒面部に摺動可能に当接する円筒面部とを有するシュー１０がベーン部９ｃを挟み込む形で組込まれている。この結果、ベーン部９ｃは円筒孔部８ｂの中心軸を通る往復運動と中心軸廻りの揺動運動を行い、シュー１０は円筒孔部８ｂの中心軸廻りの揺動運動を行う。ベーン部９ｃの先端部は逃げ孔部８ｃの中で運動し、シリンダ８と干渉することはない。密閉容器５に取付けられた流入パイプ１１は、シリンダ８の円筒孔部８ｂに開口する流入通路８ｄと接続している。
【００２３】
この膨張機の特徴である作動流体の流入タイミングの調整は、この流入パイプ１１からシリンダ８の流入通路８ｄを通って流入する高圧の作動流体を、この流入通路８ｄ側のシュー１０に形成された流入孔１０ａと、この流入孔１０ａが形成されたシュー１０が当接するベーン部９ｃの側面部に形成された流入溝９ｄとの連通状態を設定することにより容易に実現される（詳細後述）。
【００２４】
一方、容積形の副圧縮機（ブロワ）３は、図２、図４に示すように、クランク軸４の軸支持を兼ねた上部軸受１４と仕切り板７によりシリンダ１５の両端開口部が閉塞されている。シリンダ１５には中央部に円筒状内周面１５ａが形成されている。クランク軸４には、シリンダ１５の円筒状内周面１５ａにあたる部分にもう一方の偏心部４ｂが形成されており（膨張機２側の偏心部４ａとこの偏心部４ｂとは回転位相が１８０°ずれている）、円筒状のローラ１６の内周面装着されたころ軸受内に回転可能に嵌入されている。ローラ１６の円筒状外周面には板状のベーン１７がベーンスプリング１７ａにより押圧されている。シリンダ１５の円筒状内周面１５ａの外側には、このベーン１７が往復摺動可能なベーン溝１５ｂとシリンダ１５とベーン１７の干渉を防ぐ逃げ孔部１５ｃ及びベーンスプリング１７ａの他端部が嵌入して装着されるスプリング孔部１５ｄが形成されている。
【００２５】
また、密閉容器５に取付けられた吸入パイプ１８は、シリンダ１５の吸入通路１５ｅと接続しており、吸入パイプ１８から吸込まれた冷媒ガスは、吸入通路１５ｅを通ってシリンダ１５内に入り、クランク軸４の回転によってローラ１６がシリンダ１５の円筒状内周面１５ａに沿って偏心回転運動をすることにより移動する。冷媒ガスは、更にシリンダ１５の円筒状内周面１５ａの一部を切欠く形に形成された吐出切欠き１５ｆを通り、上部軸受１４に形成された吐出ポート１４ａから密閉容器５内に吐き出され、密閉容器５の上側面部に取付けられた吐出パイプ１９から外部の冷凍サイクルに流出する。
【００２６】
密閉容器５の底部には、潤滑油２０が貯溜されており膨張機２および容積形副圧縮機３の大部分がこの潤滑油２０中に浸漬した状態のため、各摺動部に油供給路を通じて容易に潤滑油を導くことができる。更に、軸受摺動部（クランク軸４の各軸受部）に強制的に給油するため、クランク軸４の下端部に給油ピース２１を装着し、クランク軸４内に形成した給油通路４ｃを通してクランク軸４の回転による遠心ポンプ作用で各軸受摺動部に潤滑油を供給するようになっている。
【００２７】
また、回転系のバランスは、クランク軸４の上端部に取付けられたバランスウエイト２２によってとられ、バランスウエイト２２の周囲はバランスウエイトカバー２３で囲まれている。
以上のような構成からなる膨張機２と容積形副圧縮機（副圧縮機）３は積層状に積み重ねられた状態で組立てボルト１３によって締結固定され、容積形副圧縮機（ブロワ）３のシリンダ１５外周部で密閉容器５の内周に嵌合固定されている。
【００２８】
次に、上記膨張機２の動作を図５、図６により説明する。図５はクランク軸回転角毎の作動流体の流入過程を示す膨張機の動作説明図、図６は膨張機における作動流体の流入完了及び流出開始状態を示す動作説明図である。
【００２９】
図５は、クランク軸回転角９０°毎のシリンダ８内における揺動ピストン９の位置関係を示したもので、揺動ピストン９のベーン部９ｃが上死点位置（ベーン部が最もシリンダ８の外周部に突き出した状態）を回転角θの０°とし、クランク軸４は時計廻りに回転する。
【００３０】
先ず、回転角０°の状態では、シリンダ８の流入通路８ｄとシュー１０の流入孔１０ａとは一部連通しており、シュー１０の流入孔１０ａと揺動ピストン９のベーン部９ｃに形成された流入溝９ｄも連通しているが、この流入溝９ｄのシリンダ円筒状内周面８ａ側の端部ａはシュー１０により塞がれているため、蒸気圧縮冷凍サイクルの膨張過程入口にある高圧の作動流体はシリンダ８内への流入を遮断された状態にある。一方、シリンダ８の流出通路８ｅはシリンダ８内に連通しているため、作動流体は膨張過程出口にあたる低圧の圧力状態になっている。この状態から、クランク軸４が時計廻りに回転すると、ベーン部９ｃがシリンダ８内に突き出して流入溝９ｄがシリンダ内と連通を開始するため、高圧の作動流体がシリンダ8内に流入し始め、シリンダ８内の圧力差により、クランク軸４を時計廻りに回転させる機械エネルギが発生する。
【００３１】
回転角９０°の状態では、シュー１０の揺動によりシリンダ流入通路８ｄとシュー流入孔１０ａの接続部ｂの流路面積も拡大するため作動流体の流入が促進される。
さらに９０°回転した回転角１８０°の状態では、シリンダ８の流入通路８ｄとシュー１０の流入孔１０ａとは回転角０°の状態と同様に一部連通しているが、ベーン部９ｃのシリンダ円筒状内周面８ａ側への往復運動によりシュー流入孔１０ａとベーン流入溝９ｄとは連通が遮断され、高圧の作動流体の流入が遮断された状態で作動室の容積が拡大することから作動流体は膨張し機械エネルギを発生する。
【００３２】
回転角２７０°の状態では、シュー流入孔１０ａとベーン流入溝９ｄとは連通しはじめるが、シリンダ８の流入通路８ｄとシュー１０の流入孔１０ａとは、今度はシュー１０が回転角９０°の状態とは反対方向に揺動運動するため両者の連通は遮断された状態で、作動流体はさらに膨張して機械エネルギを発生し続ける。
さらに回転が進むと、シリンダ８の流出通路８ｅはシリンダ８内に連通し、最初の回転角０°の状態になる。以上の動作を繰り返すことにより、作動流体の持つ流体エネルギが機械エネルギに変換されることになる。
【００３３】
一般に、容積形膨張機の設計容積比の値は、冷凍システムにおける作動流体の種類とその運転条件(圧力比)により決められることになる。本実施例の膨張機２の設計容積比Ｖrexは、高圧の作動流体が流入する容積(流入完了容積)をＶｉ、と膨張終了容積（流出開始容積）をＶｏとすると、
Ｖrex＝Ｖｏ／Ｖｉ
で表される。
【００３４】
図６は、膨張機における作動流体の流入完了と流出開始の状態をそれぞれ示す動作図である。流入完了状態は、ベーン流入溝９ｄとシュー流入孔１０ａとの連通が遮断された直後の状態で、本実施例では、クランク軸の回転角が１３７°に相当する（容積Ｖｉ＝０．２４２、但しクランク軸の回転角０°の容積を１とした場合）。流出開始状態は、シリンダ８内の膨張作動空間が流出通路８ｅと連通する直前の状態で、クランク軸回転角で３１７°に相当する（容積Ｖｏ＝０．９８）。両者の容積の比から本発明の膨張機２の設計容積比Ｖrexが求められ、その値は
Ｖrex＝０．９８／０．２４２＝４．０５
である（設計条件は、作動流体：二酸化炭素（Ｒ７４４），吸込圧力Ｐｓ＝２．６５ＭＰａ，吐出圧力Ｐｄ＝８ＭＰａの場合…図７参照）。
【００３５】
また、図５と図６より、ベーン流入溝９ｄの長さ寸法を調整することにより流入完了となるクランク軸回転角、即ち流入完了容積を容易に変更できると共に、流出通路８ｅの位置により流出開始容積も変更できることから、設計容積比Ｖrexも容易に変更可能であることが分かる。これより、スクリュー式やスクロール式等の固有の設計容積比が構造的に組込まれた膨張機に比べて、ベーンを備えた揺動形膨張機（ローリングピストン式膨張機）は、設計対応が容易であるばかりでなく大幅な小形・低コスト化が図れる。さらに、例えば、シリンダ８に複数の流出通路８ｅを形成してこの流出通路の選択切替えを行うことにより、一つの膨張機で複数の設計容積比が実現できることから、冷凍サイクルとの適合性をより高めて、冷凍空調機器のシステム効率を向上することが可能となる。
【００３６】
図７は、作動流体として自然系冷媒である二酸化炭素（Ｒ７４４）を使用した場合の冷凍サイクルを、モリエル線図上に表した図である。
なお、冷媒としての二酸化炭素（Ｒ７４４）は自然系冷媒であり、地球温暖化係数（ＧＷＰ）もフロン系冷媒の数千分の一と小さく、地球環境保全の点で優れている。反面、臨界温度が約３１℃と低いことから冷凍空調装置の通常の運転条件で高圧側の動作圧力が臨界圧力（約７ＭＰａ）を超える超臨界サイクルとなり、高圧冷媒であり、モリエル線図上の理論ＣＯＰ（成績係数）が低いという欠点がある。しかし、Ｒ７４４は膨張過程の損失がフロン系冷媒に比べて大きいことから、この膨張過程の動力を回収することにより、ＣＯＰの大幅な改善が期待できる。従って、高効率で信頼性の高い膨張機を備えた容積形流体機械の開発が冷媒Ｒ７４４を使用した冷凍装置の実用化の鍵を握ると考えられている。フロン系冷媒を使用した冷凍装置に本発明を適用しても、改善比率は幾分小さくなるがＣＯＰ向上は図れる。ここでは冷媒Ｒ７４４を用いた冷凍サイクルを例に挙げて説明する。
【００３７】
図７のモリエル線図において、Ｂ−Ｃは主圧縮機２７による圧縮過程、Ｃ−Ｄは放熱器（ガスクーラ）２５による放熱過程、Ｄ−Ｅは膨張機２の膨張過程であり、図５で説明した膨張動作を行わせて膨張エネルギを機械エネルギに変換する。Ｅ−Ａは蒸発器２６による蒸発過程、Ａ−Ｂは膨張機２に駆動される副圧縮機（ブロワ）３による圧縮過程を示している。
【００３８】
図７から明らかなように、本実施例の膨張／圧縮システム（容積形流体機械）１を備えることにより、膨張過程が等エントロピ変化（Ｄ−Ｅ）となり、膨張機を持たない場合の等エンタルピ変化（破線で示す）と比べΔｉexだけ冷凍効果が増え、冷凍能力が増加する。また、膨張エネルギを膨張機２で機械エネルギに変換して容積形副圧縮機を駆動し動力回収することにより、単位質量のガスを圧縮するのに必要な仕事がΔｉadからΔｉad′に減少しＣＯＰを向上することが可能となる。
【００３９】
本実施例の膨張／圧縮システム（容積形流体機械）１の起動法を説明する。まず、主圧縮機２８を起動することにより、初め副圧縮機３の吐出パイプ１９側が負圧になり、駆動軸４を回転するトルクが発生する。次いで、膨張機２の流入パイプ１１に圧力が作用し、膨張機２を回転駆動するようになり、自立起動が可能となる。必要に応じてモータ等の起動装置を付属させて膨張／圧縮システムを起動させても良い。
本実施例では、容積形の副圧縮機としてローリングピストン式を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、スクロール式等の他形式の容積形副圧縮機としても適用可能である。
【００４０】
次に、本発明の他の実施例図８、図９により説明する。図８はその冷凍サイクル構成図、図９は図８に示す主圧縮機への吸入パイプ部の要部拡大図である。これらの図において、図1〜図４と同一符号を付したものは同一又は相当する部分であり、それらは同様の作用をなす。
【００４１】
この実施例は、主圧縮機２７の密閉容器２７ａ内圧力を主圧縮機２７の吸入圧力に保つようにした低圧チャンバ方式とした例である。主圧縮機２７への吸入パイプ２７ｂは密閉容器２７ａ内に設けられ、その開口部（吸入端部）は、密閉容器内に貯溜された潤滑油２０の油面２０ａの上方に位置されている。図９に示す２７ｂ'は吸入パイプ２７ｂに形成された油回収***で、この油回収***２７ｂ'は前記開口部よりも下方で主圧縮機密閉容器２７ａにおける適正油面の上限位置に設けられている。
【００４２】
密閉容器２７ａ内の油面２０ａが上昇して油回収***２７ｂ'に到達すると、図９に矢印で示す吸入ガスの流れにより吸入パイプ２７ｂ内の圧力が低下し、潤滑油２０は油回収***２７ｂ'を通って吸入パイプ２７ｂ内に流入するため、油面２０ａの上昇は抑えられる。吸入ガスと共に主圧縮機２７に吸い込まれた潤滑油２０は、冷凍サイクルの回路を通り、膨張機２と副圧縮機３からなる圧縮／膨張システム（容積形流体機械）１が収納された密閉容器５内に還流され、密閉容器２７ａと密閉容器５間の潤滑油の偏りが自動調整される。この結果、流体機械摺動部の潤滑状態を良好に保つことができ、膨張機を備えた冷凍装置の性能・信頼性を向上することができる。従って、自然系冷媒である二酸化炭素（Ｒ７４４）を用いた冷凍空調システムの実用化が促進され、地球温暖化防止に寄与できる。
【００４３】
【発明の効果】
本発明によれば、膨張機で駆動され冷媒を圧縮して主圧縮機に流通させる副圧縮機を備えると共に、膨張機と副圧縮機を内部に収納し且つ内圧が副圧縮機の吐出圧力に保たれると共に潤滑油を貯溜する膨張／圧縮システム用密閉容器と、主圧縮機を収納すると共に内部に潤滑油を貯溜する主圧縮機用密閉容器とを備える構成としたので、作動流体の流れによって各密閉容器内の油面上昇が規制され、潤滑油が還流されるようになる。この結果、各密閉容器間の潤滑油の偏りが自動調整され、流体機械摺動部の潤滑状態を良好に保つことができ、膨張機を備えた冷凍システムの性能及び信頼性の向上を図ることが可能となる。
【００４４】
また、本発明によれば、冷媒の膨張エネルギにより副圧縮機を駆動するシステムを構成しているので、冷凍サイクルのＣＯＰを向上できる効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す冷凍サイクル構成図である。
【図２】図１の実施例に使用される圧縮／膨張システムの例を示す縦断面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ断面図である。
【図４】図２のＢ−Ｂ断面図である。
【図５】クランク軸回転角毎の作動流体の流入過程を示す膨張機の動作説明図である。
【図６】膨張機における作動流体の流入完了及び流出開始状態を示す動作説明図である。
【図７】二酸化炭素を使用した冷凍サイクルをモリエル線図上に表した図である。
【図８】本発明の他の実施例を示す冷凍サイクル構成図である。
【図９】図８に示す主圧縮機への吸入パイプ部の要部拡大図である。
【符号の説明】
１…膨張／圧縮システム（容積形流体機械）、２…膨張機、３…容積形副圧縮機（副圧縮機）、４…クランク軸、４a…偏心部、４b…偏心部、４c…給油通路、５…密閉容器、６…下部軸受、７…仕切り板、８…シリンダ、８a…円筒状内周面、８b…円筒孔部、８c…逃げ孔部、８d…流入通路、８e…流出通路、９…揺動ピストン、９a…ローラ部、９b…軸受メタル、９c…ベーン部、９d…流入溝、１０…シュー、１０a…流入孔、１１…流入パイプ、１２…流出パイプ、１３…組立てボルト、１４…上部軸受、１５…シリンダ、１５a…円筒状内周面、１５b…ベーン溝、１５c…逃げ孔部、１５d…スプリング孔部、１５e…吸入通路、１５f…吐出切欠き、１６…ローラ、１７…ベーン、１７a…ベーンスプリング、１８…吸入パイプ、１９…吐出パイプ、２０…潤滑油、２０ａ…油面、２１…給油ピース、２２…バランスウエイト、２３…バランスウエイトカバー、２４…冷凍システム、２５…放熱器、２６…蒸発器、２７…主圧縮機、２７ａ…密閉容器、２７ｂ…吸入パイプ、２７ｂ'…油回収***、２７ｃ…吐出パイプ、２８…前段膨張弁、２８ｂ…バイパス膨張弁、２９…吸入アキュムレータ。
【発明の属する技術分野】
本発明は、空気調和装置や冷凍機等に使用され、冷媒の膨張過程の流体エネルギを動力回収する膨張機を備えた冷凍装置に関し、特に冷媒として二酸化炭素を使用するものに好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、空気調和装置や冷凍機等で用いられている蒸気圧縮式冷凍サイクルに膨張機を使用して冷凍サイクルのＣＯＰ（成績係数）を改善するようにしたものが知られており、例えば特許文献１に記載のものがある。
【０００３】
この従来技術は、膨張機で膨張する主流冷媒の膨張エネルギを機械エネルギに変換し（膨張仕事をさせ）ながら主流冷媒を減圧するとともに、その変換された機械エネルギにより第２圧縮機を稼動させる。これにより、熱交換器を流出した主流冷媒は、等エントロピ変化をしながらそのエンタルピを低下させていくので、蒸発器内の圧力が上昇したときであっても、冷凍能力が大きく低下するのを防止すると共にＣＯＰ向上を図るようにしている。この種システムは、特に二酸化炭素等の超臨界域で使用する自然系冷媒を用いた冷凍サイクルに適用できる。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−３２９４１６号公報
【発明が解決しようとする課題】
上記特許文献１に記載されている冷凍サイクルでは、略円筒形状のハウジング内に膨張エネルギを機械エネルギ（回転エネルギ）に変換するスクロール型の膨張機と、この膨張機で得られた回転エネルギにより稼動するスクロール型の圧縮機構が収納された円筒状の機械室が形成されている。
【０００５】
しかしながら、この従来技術ではエネルギ回収効率に重大な影響を及ぼすスクロール型の膨張機と圧縮機の各摺動部の潤滑については十分な配慮がされておらず、摺動部の摩擦損失による効率低下や摺動部の摩耗による信頼性低下の問題があった。また、冷凍サイクル中に、第１圧縮機と、膨張機と圧縮機からなるエネルギ回収器が設けられており、これらの摺動部の潤滑を各機器に充填した潤滑油で賄うが、第１圧縮機が保有する潤滑油とエネルギ回収器が保有する潤滑油が不均衡となり、どちらの潤滑油が不足しても信頼性上の問題が発生する。
【０００６】
本発明の目的は、膨張機や各圧縮機における摺動部の潤滑を確実に行うことのできる膨張機を備えた冷凍装置を得ることにある。
【０００７】
本発明の他の目的は、冷凍サイクルのＣＯＰ向上及び容積形膨張機などの信頼性向上を図れる膨張機を備えた冷凍装置を得ることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明は、底部に潤滑油を貯留した密閉容器と、この密閉容器内の潤滑油中に浸漬して収納され、冷媒の膨張エネルギを機械エネルギに変換する膨張機と、前記膨張機に積層配置して前記密閉容器内の潤滑油中に浸漬して収納され、前記膨張機によって駆動される副圧縮機と、前記副圧縮機及び前記膨張機のクランク軸に各軸受摺動部に潤滑油を供給する給油通路とを有し、前記副圧縮機で昇圧された冷媒が前記密閉容器内の空間に吐出される膨張／圧縮システムと、
底部に潤滑油を貯留した密閉容器とこの密閉容器内の潤滑油中内に浸漬して収納され、前記密閉容器内の空間に昇圧された冷媒を吐出する主圧縮機およびそのモータと、
前記主圧縮機で圧縮した高圧の冷媒を、放熱器、膨張弁、蒸発器を介して前記副圧縮機に流通させる第１の流路と、
前記膨張／圧縮システムの前記密閉容器内における前記副圧縮機で昇圧された冷媒を前記主圧縮機に流通させる第２の流路と、
前記第１の流路から分岐し前記放熱器から流出した冷媒の一部を前記膨張機に流通させる第３の流路とを備え、
前記第１の流路における主圧縮機側の吐出口の開口位置を、前記密閉容器内の潤滑油面より上方に位置するように前記主圧縮機の密閉容器内の空間に開口させ、
前記第２の流路における膨張／圧縮システム側の開口位置を、前記密閉容器内の潤滑油面より上方に位置するように前記膨張／圧縮システムの密閉容器内の空間に開口させたことを特徴とする冷凍装置にある。
【００１１】
また、本発明は、底部に潤滑油を貯留した密閉容器と、この密閉容器内の潤滑油中に浸漬して収納され、冷媒の膨張エネルギを機械エネルギに変換する膨張機と、前記膨張機に積層配置して前記密閉容器内の潤滑油中に浸漬して収納され、前記膨張機によって駆動される副圧縮機と、前記副圧縮機及び前記膨張機のクランク軸に各軸受摺動部に潤滑油を供給する給油通路とを有し、前記副圧縮機で昇圧された冷媒が前記密閉容器内の空間に吐出される膨張／圧縮システムと、
底部に潤滑油を貯留した密閉容器とこの密閉容器内の潤滑油中内に浸漬して収納され、前記密閉容器内の空間に昇圧された冷媒を吐出する主圧縮機およびそのモータと、
前記主圧縮機で圧縮した高圧の冷媒を、放熱器、膨張弁、蒸発器を介して前記副圧縮機に流通させる第１の流路と、
前記膨張／圧縮システムの前記密閉容器内における前記副圧縮機で昇圧された冷媒を前記主圧縮機の密閉容器内に流通させる第２の流路と、
前記第１の流路から分岐し前記放熱器から流出した冷媒の一部を前記膨張機に流通させる第３の流路とを備え、
前記第１の流路における主圧縮機側の吐出口の開口位置を、前記密閉容器内の潤滑油面より上方に位置するように前記主圧縮機の密閉容器内の空間に開口させ、
前記主圧縮機の吸入パイプの開口位置をその密閉容器内の潤滑油面より上方に向くように配置し、この吸入パイプに油回収***を設けたことを特徴とする冷凍装置にある。
【００１２】
前記冷凍装置の冷媒として二酸化炭素を使用するのが好適であり、また前記膨張機はローリングピストン式膨張機が好適である。
【００１３】
以上のように、内圧が副圧縮機の吐出圧力に保たれると共に潤滑油を貯溜する膨張／圧縮システム用密閉容器を備えるものでは、吐き出しガスの流れにより該密閉容器に蓄えられた潤滑油を主圧縮機に還流することが可能になる。
【００１４】
特に、主圧縮機用密閉容器を備え、放熱器側への吐出パイプを主圧縮機用密閉容器側面の圧縮機構上方部に設けると共に、膨張／圧縮システム用密閉容器の上部に主圧縮機側への吐出パイプを設けることにより、各密閉容器内の潤滑油がどちらか一方に偏るのを、ガスの流れによる油面上昇防止機能を利用して防止でき、潤滑状態を良好に保ち、冷凍装置の性能及び信頼性を向上できる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の具体的実施例を、図面を用いて詳細に説明する。図1は本発明の一実施例を示す冷凍サイクル構成図、図２は図１の実施例に使用される圧縮／膨張システム（容積形流体機械）の例を示す縦断面図、図３は図２のＡ−Ａ断面図、図４は図２のＢ−Ｂ断面図である。
【００１６】
図１から図４において、圧縮／膨張システム（容積形流体機械）１は冷凍サイクルにおける作動流体の膨張エネルギを機械エネルギに変換する膨張機２（記号ＥＸで表す）と、この変換された機械エネルギにより仕事をする副圧縮機（副圧縮機）３（記号ＳＣで表す）から構成され、膨張機２と副圧縮機３は一つの密閉容器５内に積層して配置され、クランク軸４を介して連結され、収納されている。
【００１７】
図１に示す冷凍システム２４は、圧縮／膨張システム１を放熱器２５と蒸発器２６の間に備えている。密閉容器２７ａ内には、冷凍システム２４の主圧縮機（記号ＭＣ）２７、この主圧縮機を駆動する駆動モータ（記号Ｍ）が収納されている。２７ｂは吸入パイプ、２７ｃは吐出パイプ、２９は液冷媒を貯溜する機能を有する吸入アキュムレータである。
【００１８】
冷媒の流れは、主圧縮機２７から吐き出された高温・高圧の冷媒は、吐出パイプ２７ｃを経由し、放熱器２５に入って放熱されて温度低下する。この放熱器２５から出た冷媒は、冷凍サイクルの運転圧力比に膨張機２の設計圧力比を適合させるための前段膨張弁２８を通り、流入パイプ１１から膨張機２に入り、ここで膨張動作を行ってその膨張エネルギが機械エネルギに変換される。その後、冷媒は、低温・低圧の気液二相状態の冷媒となって流出パイプ１２から吐き出される。膨張機２を出た冷媒は、蒸発器２６に入って吸熱・ガス化し、吸入パイプ１８から副圧縮機３へ吸い込まれ、この副圧縮機３内で昇圧されて密閉容器５内に吐き出されてこの密閉容器５の上側部に取付けられた吐出パイプ１９から外部（主圧縮機側）に吐き出される。副圧縮機３から吐き出された冷媒は、吸入アキュムレータ２９を通って主圧縮機２７に戻って再び圧縮されて高温・高圧のガス冷媒となり、主圧縮機用密閉容器２７ａ内に吐き出され、密閉容器２７ａの圧縮機部の上方に設けられた吐出パイプ２７ｃから外部のサイクルに流出するようになっている。 以上のサイクルが繰り返されて冷凍作用をなす。
【００１９】
２０は、密閉容器５および密閉容器２７ａ内に貯留された潤滑油である。なお、バイパス膨張弁２８ｂは膨張機２をバイパスする回路に取付けられ、冷凍サイクルの運転条件変化時の流量（圧力）調整作用を行う。
【００２０】
上記のように、容積形流体機械１を備える構成としたことにより、膨張過程が等エントロピ変化となり冷凍効果が増えて冷凍能力が増加する。また、膨張過程の流体エネルギを膨張機２で機械エネルギに変換し、副圧縮機３を駆動することで動力回収するので、ガス圧縮のための仕事を減少でき、冷凍システム２４のＣＯＰを向上できる。ここで、容積形流体機械（膨張／圧縮システム）１の潤滑油２０を貯留している密閉容器５と、主圧縮機２７の潤滑油２０を貯留している密閉容器２７ａ内は、共に各圧縮機の吐き出しガスの雰囲気となっており、各密閉容器から流出するガスの流れが存在している。従って、吐出パイプ１９及び吐出パイプ２７ｃの吐出口の開口位置を各密閉容器に収納された流体機械の潤滑に必要な油面位置よりも上方部に設定してやることにより、どちらか一方の密閉容器に潤滑油２０の偏りが発生して油面が上昇した場合には、吐き出しガスの流れによって油が持ち出されてもう一方の密閉容器内に還流する。したがって、各密閉容器間の潤滑油の偏りが自動調整され、流体機械摺動部の潤滑状態を良好に保つことができ、膨張機を備えた冷凍システムの性能・信頼性を向上することが可能となる。
【００２１】
次に、本発明に用いる容積形流体機械（膨張／圧縮システム）１のとして、ロータリタイプを例にとり、その構造及び動作を図２〜図６により説明する。
膨張機２は、図２、図３に示すように、クランク軸４の軸支持を兼ねた下部軸受６と仕切り板７によりシリンダ８の両端開口部が閉塞されている。シリンダ８には中央部に円筒状内周面８ａが形成されている。クランク軸４には、シリンダ８の円筒状内周面８ａにあたる部分に偏心部４ａが形成されており、揺動ピストン９のローラ部９ａの軸受メタル９ｂが嵌合された円筒状内周面が回転可能に嵌入されている。ローラ部９ａの円筒状外周面には板状のベーン部９ｃが一体で形成されている。シリンダ８の円筒状内周面８ａの外側には円筒状内周面８ａの中心軸と平行な中心軸を持つ円筒孔部８ｂが形成されており、円筒孔部８ｂのシリンダ８中心側とその反対側とはそれぞれシリンダ８の円筒状内周面８ａと円筒孔部８ｂの外側に設けた逃げ孔部８ｃに連通している。
【００２２】
揺動ピストン９のベーン部９ｃは円筒孔部８ｂと逃げ孔部８ｃとに挿入されているが、ベーン部９ｃと円筒孔部８ｂとの間には、ベーン部９ｃの平面部に摺動可能に当接する平面部と円筒孔部８ｂの円筒面部に摺動可能に当接する円筒面部とを有するシュー１０がベーン部９ｃを挟み込む形で組込まれている。この結果、ベーン部９ｃは円筒孔部８ｂの中心軸を通る往復運動と中心軸廻りの揺動運動を行い、シュー１０は円筒孔部８ｂの中心軸廻りの揺動運動を行う。ベーン部９ｃの先端部は逃げ孔部８ｃの中で運動し、シリンダ８と干渉することはない。密閉容器５に取付けられた流入パイプ１１は、シリンダ８の円筒孔部８ｂに開口する流入通路８ｄと接続している。
【００２３】
この膨張機の特徴である作動流体の流入タイミングの調整は、この流入パイプ１１からシリンダ８の流入通路８ｄを通って流入する高圧の作動流体を、この流入通路８ｄ側のシュー１０に形成された流入孔１０ａと、この流入孔１０ａが形成されたシュー１０が当接するベーン部９ｃの側面部に形成された流入溝９ｄとの連通状態を設定することにより容易に実現される（詳細後述）。
【００２４】
一方、容積形の副圧縮機（ブロワ）３は、図２、図４に示すように、クランク軸４の軸支持を兼ねた上部軸受１４と仕切り板７によりシリンダ１５の両端開口部が閉塞されている。シリンダ１５には中央部に円筒状内周面１５ａが形成されている。クランク軸４には、シリンダ１５の円筒状内周面１５ａにあたる部分にもう一方の偏心部４ｂが形成されており（膨張機２側の偏心部４ａとこの偏心部４ｂとは回転位相が１８０°ずれている）、円筒状のローラ１６の内周面装着されたころ軸受内に回転可能に嵌入されている。ローラ１６の円筒状外周面には板状のベーン１７がベーンスプリング１７ａにより押圧されている。シリンダ１５の円筒状内周面１５ａの外側には、このベーン１７が往復摺動可能なベーン溝１５ｂとシリンダ１５とベーン１７の干渉を防ぐ逃げ孔部１５ｃ及びベーンスプリング１７ａの他端部が嵌入して装着されるスプリング孔部１５ｄが形成されている。
【００２５】
また、密閉容器５に取付けられた吸入パイプ１８は、シリンダ１５の吸入通路１５ｅと接続しており、吸入パイプ１８から吸込まれた冷媒ガスは、吸入通路１５ｅを通ってシリンダ１５内に入り、クランク軸４の回転によってローラ１６がシリンダ１５の円筒状内周面１５ａに沿って偏心回転運動をすることにより移動する。冷媒ガスは、更にシリンダ１５の円筒状内周面１５ａの一部を切欠く形に形成された吐出切欠き１５ｆを通り、上部軸受１４に形成された吐出ポート１４ａから密閉容器５内に吐き出され、密閉容器５の上側面部に取付けられた吐出パイプ１９から外部の冷凍サイクルに流出する。
【００２６】
密閉容器５の底部には、潤滑油２０が貯溜されており膨張機２および容積形副圧縮機３の大部分がこの潤滑油２０中に浸漬した状態のため、各摺動部に油供給路を通じて容易に潤滑油を導くことができる。更に、軸受摺動部（クランク軸４の各軸受部）に強制的に給油するため、クランク軸４の下端部に給油ピース２１を装着し、クランク軸４内に形成した給油通路４ｃを通してクランク軸４の回転による遠心ポンプ作用で各軸受摺動部に潤滑油を供給するようになっている。
【００２７】
また、回転系のバランスは、クランク軸４の上端部に取付けられたバランスウエイト２２によってとられ、バランスウエイト２２の周囲はバランスウエイトカバー２３で囲まれている。
以上のような構成からなる膨張機２と容積形副圧縮機（副圧縮機）３は積層状に積み重ねられた状態で組立てボルト１３によって締結固定され、容積形副圧縮機（ブロワ）３のシリンダ１５外周部で密閉容器５の内周に嵌合固定されている。
【００２８】
次に、上記膨張機２の動作を図５、図６により説明する。図５はクランク軸回転角毎の作動流体の流入過程を示す膨張機の動作説明図、図６は膨張機における作動流体の流入完了及び流出開始状態を示す動作説明図である。
【００２９】
図５は、クランク軸回転角９０°毎のシリンダ８内における揺動ピストン９の位置関係を示したもので、揺動ピストン９のベーン部９ｃが上死点位置（ベーン部が最もシリンダ８の外周部に突き出した状態）を回転角θの０°とし、クランク軸４は時計廻りに回転する。
【００３０】
先ず、回転角０°の状態では、シリンダ８の流入通路８ｄとシュー１０の流入孔１０ａとは一部連通しており、シュー１０の流入孔１０ａと揺動ピストン９のベーン部９ｃに形成された流入溝９ｄも連通しているが、この流入溝９ｄのシリンダ円筒状内周面８ａ側の端部ａはシュー１０により塞がれているため、蒸気圧縮冷凍サイクルの膨張過程入口にある高圧の作動流体はシリンダ８内への流入を遮断された状態にある。一方、シリンダ８の流出通路８ｅはシリンダ８内に連通しているため、作動流体は膨張過程出口にあたる低圧の圧力状態になっている。この状態から、クランク軸４が時計廻りに回転すると、ベーン部９ｃがシリンダ８内に突き出して流入溝９ｄがシリンダ内と連通を開始するため、高圧の作動流体がシリンダ8内に流入し始め、シリンダ８内の圧力差により、クランク軸４を時計廻りに回転させる機械エネルギが発生する。
【００３１】
回転角９０°の状態では、シュー１０の揺動によりシリンダ流入通路８ｄとシュー流入孔１０ａの接続部ｂの流路面積も拡大するため作動流体の流入が促進される。
さらに９０°回転した回転角１８０°の状態では、シリンダ８の流入通路８ｄとシュー１０の流入孔１０ａとは回転角０°の状態と同様に一部連通しているが、ベーン部９ｃのシリンダ円筒状内周面８ａ側への往復運動によりシュー流入孔１０ａとベーン流入溝９ｄとは連通が遮断され、高圧の作動流体の流入が遮断された状態で作動室の容積が拡大することから作動流体は膨張し機械エネルギを発生する。
【００３２】
回転角２７０°の状態では、シュー流入孔１０ａとベーン流入溝９ｄとは連通しはじめるが、シリンダ８の流入通路８ｄとシュー１０の流入孔１０ａとは、今度はシュー１０が回転角９０°の状態とは反対方向に揺動運動するため両者の連通は遮断された状態で、作動流体はさらに膨張して機械エネルギを発生し続ける。
さらに回転が進むと、シリンダ８の流出通路８ｅはシリンダ８内に連通し、最初の回転角０°の状態になる。以上の動作を繰り返すことにより、作動流体の持つ流体エネルギが機械エネルギに変換されることになる。
【００３３】
一般に、容積形膨張機の設計容積比の値は、冷凍システムにおける作動流体の種類とその運転条件(圧力比)により決められることになる。本実施例の膨張機２の設計容積比Ｖrexは、高圧の作動流体が流入する容積(流入完了容積)をＶｉ、と膨張終了容積（流出開始容積）をＶｏとすると、
Ｖrex＝Ｖｏ／Ｖｉ
で表される。
【００３４】
図６は、膨張機における作動流体の流入完了と流出開始の状態をそれぞれ示す動作図である。流入完了状態は、ベーン流入溝９ｄとシュー流入孔１０ａとの連通が遮断された直後の状態で、本実施例では、クランク軸の回転角が１３７°に相当する（容積Ｖｉ＝０．２４２、但しクランク軸の回転角０°の容積を１とした場合）。流出開始状態は、シリンダ８内の膨張作動空間が流出通路８ｅと連通する直前の状態で、クランク軸回転角で３１７°に相当する（容積Ｖｏ＝０．９８）。両者の容積の比から本発明の膨張機２の設計容積比Ｖrexが求められ、その値は
Ｖrex＝０．９８／０．２４２＝４．０５
である（設計条件は、作動流体：二酸化炭素（Ｒ７４４），吸込圧力Ｐｓ＝２．６５ＭＰａ，吐出圧力Ｐｄ＝８ＭＰａの場合…図７参照）。
【００３５】
また、図５と図６より、ベーン流入溝９ｄの長さ寸法を調整することにより流入完了となるクランク軸回転角、即ち流入完了容積を容易に変更できると共に、流出通路８ｅの位置により流出開始容積も変更できることから、設計容積比Ｖrexも容易に変更可能であることが分かる。これより、スクリュー式やスクロール式等の固有の設計容積比が構造的に組込まれた膨張機に比べて、ベーンを備えた揺動形膨張機（ローリングピストン式膨張機）は、設計対応が容易であるばかりでなく大幅な小形・低コスト化が図れる。さらに、例えば、シリンダ８に複数の流出通路８ｅを形成してこの流出通路の選択切替えを行うことにより、一つの膨張機で複数の設計容積比が実現できることから、冷凍サイクルとの適合性をより高めて、冷凍空調機器のシステム効率を向上することが可能となる。
【００３６】
図７は、作動流体として自然系冷媒である二酸化炭素（Ｒ７４４）を使用した場合の冷凍サイクルを、モリエル線図上に表した図である。
なお、冷媒としての二酸化炭素（Ｒ７４４）は自然系冷媒であり、地球温暖化係数（ＧＷＰ）もフロン系冷媒の数千分の一と小さく、地球環境保全の点で優れている。反面、臨界温度が約３１℃と低いことから冷凍空調装置の通常の運転条件で高圧側の動作圧力が臨界圧力（約７ＭＰａ）を超える超臨界サイクルとなり、高圧冷媒であり、モリエル線図上の理論ＣＯＰ（成績係数）が低いという欠点がある。しかし、Ｒ７４４は膨張過程の損失がフロン系冷媒に比べて大きいことから、この膨張過程の動力を回収することにより、ＣＯＰの大幅な改善が期待できる。従って、高効率で信頼性の高い膨張機を備えた容積形流体機械の開発が冷媒Ｒ７４４を使用した冷凍装置の実用化の鍵を握ると考えられている。フロン系冷媒を使用した冷凍装置に本発明を適用しても、改善比率は幾分小さくなるがＣＯＰ向上は図れる。ここでは冷媒Ｒ７４４を用いた冷凍サイクルを例に挙げて説明する。
【００３７】
図７のモリエル線図において、Ｂ−Ｃは主圧縮機２７による圧縮過程、Ｃ−Ｄは放熱器（ガスクーラ）２５による放熱過程、Ｄ−Ｅは膨張機２の膨張過程であり、図５で説明した膨張動作を行わせて膨張エネルギを機械エネルギに変換する。Ｅ−Ａは蒸発器２６による蒸発過程、Ａ−Ｂは膨張機２に駆動される副圧縮機（ブロワ）３による圧縮過程を示している。
【００３８】
図７から明らかなように、本実施例の膨張／圧縮システム（容積形流体機械）１を備えることにより、膨張過程が等エントロピ変化（Ｄ−Ｅ）となり、膨張機を持たない場合の等エンタルピ変化（破線で示す）と比べΔｉexだけ冷凍効果が増え、冷凍能力が増加する。また、膨張エネルギを膨張機２で機械エネルギに変換して容積形副圧縮機を駆動し動力回収することにより、単位質量のガスを圧縮するのに必要な仕事がΔｉadからΔｉad′に減少しＣＯＰを向上することが可能となる。
【００３９】
本実施例の膨張／圧縮システム（容積形流体機械）１の起動法を説明する。まず、主圧縮機２８を起動することにより、初め副圧縮機３の吐出パイプ１９側が負圧になり、駆動軸４を回転するトルクが発生する。次いで、膨張機２の流入パイプ１１に圧力が作用し、膨張機２を回転駆動するようになり、自立起動が可能となる。必要に応じてモータ等の起動装置を付属させて膨張／圧縮システムを起動させても良い。
本実施例では、容積形の副圧縮機としてローリングピストン式を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、スクロール式等の他形式の容積形副圧縮機としても適用可能である。
【００４０】
次に、本発明の他の実施例図８、図９により説明する。図８はその冷凍サイクル構成図、図９は図８に示す主圧縮機への吸入パイプ部の要部拡大図である。これらの図において、図1〜図４と同一符号を付したものは同一又は相当する部分であり、それらは同様の作用をなす。
【００４１】
この実施例は、主圧縮機２７の密閉容器２７ａ内圧力を主圧縮機２７の吸入圧力に保つようにした低圧チャンバ方式とした例である。主圧縮機２７への吸入パイプ２７ｂは密閉容器２７ａ内に設けられ、その開口部（吸入端部）は、密閉容器内に貯溜された潤滑油２０の油面２０ａの上方に位置されている。図９に示す２７ｂ'は吸入パイプ２７ｂに形成された油回収***で、この油回収***２７ｂ'は前記開口部よりも下方で主圧縮機密閉容器２７ａにおける適正油面の上限位置に設けられている。
【００４２】
密閉容器２７ａ内の油面２０ａが上昇して油回収***２７ｂ'に到達すると、図９に矢印で示す吸入ガスの流れにより吸入パイプ２７ｂ内の圧力が低下し、潤滑油２０は油回収***２７ｂ'を通って吸入パイプ２７ｂ内に流入するため、油面２０ａの上昇は抑えられる。吸入ガスと共に主圧縮機２７に吸い込まれた潤滑油２０は、冷凍サイクルの回路を通り、膨張機２と副圧縮機３からなる圧縮／膨張システム（容積形流体機械）１が収納された密閉容器５内に還流され、密閉容器２７ａと密閉容器５間の潤滑油の偏りが自動調整される。この結果、流体機械摺動部の潤滑状態を良好に保つことができ、膨張機を備えた冷凍装置の性能・信頼性を向上することができる。従って、自然系冷媒である二酸化炭素（Ｒ７４４）を用いた冷凍空調システムの実用化が促進され、地球温暖化防止に寄与できる。
【００４３】
【発明の効果】
本発明によれば、膨張機で駆動され冷媒を圧縮して主圧縮機に流通させる副圧縮機を備えると共に、膨張機と副圧縮機を内部に収納し且つ内圧が副圧縮機の吐出圧力に保たれると共に潤滑油を貯溜する膨張／圧縮システム用密閉容器と、主圧縮機を収納すると共に内部に潤滑油を貯溜する主圧縮機用密閉容器とを備える構成としたので、作動流体の流れによって各密閉容器内の油面上昇が規制され、潤滑油が還流されるようになる。この結果、各密閉容器間の潤滑油の偏りが自動調整され、流体機械摺動部の潤滑状態を良好に保つことができ、膨張機を備えた冷凍システムの性能及び信頼性の向上を図ることが可能となる。
【００４４】
また、本発明によれば、冷媒の膨張エネルギにより副圧縮機を駆動するシステムを構成しているので、冷凍サイクルのＣＯＰを向上できる効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す冷凍サイクル構成図である。
【図２】図１の実施例に使用される圧縮／膨張システムの例を示す縦断面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ断面図である。
【図４】図２のＢ−Ｂ断面図である。
【図５】クランク軸回転角毎の作動流体の流入過程を示す膨張機の動作説明図である。
【図６】膨張機における作動流体の流入完了及び流出開始状態を示す動作説明図である。
【図７】二酸化炭素を使用した冷凍サイクルをモリエル線図上に表した図である。
【図８】本発明の他の実施例を示す冷凍サイクル構成図である。
【図９】図８に示す主圧縮機への吸入パイプ部の要部拡大図である。
【符号の説明】
１…膨張／圧縮システム（容積形流体機械）、２…膨張機、３…容積形副圧縮機（副圧縮機）、４…クランク軸、４a…偏心部、４b…偏心部、４c…給油通路、５…密閉容器、６…下部軸受、７…仕切り板、８…シリンダ、８a…円筒状内周面、８b…円筒孔部、８c…逃げ孔部、８d…流入通路、８e…流出通路、９…揺動ピストン、９a…ローラ部、９b…軸受メタル、９c…ベーン部、９d…流入溝、１０…シュー、１０a…流入孔、１１…流入パイプ、１２…流出パイプ、１３…組立てボルト、１４…上部軸受、１５…シリンダ、１５a…円筒状内周面、１５b…ベーン溝、１５c…逃げ孔部、１５d…スプリング孔部、１５e…吸入通路、１５f…吐出切欠き、１６…ローラ、１７…ベーン、１７a…ベーンスプリング、１８…吸入パイプ、１９…吐出パイプ、２０…潤滑油、２０ａ…油面、２１…給油ピース、２２…バランスウエイト、２３…バランスウエイトカバー、２４…冷凍システム、２５…放熱器、２６…蒸発器、２７…主圧縮機、２７ａ…密閉容器、２７ｂ…吸入パイプ、２７ｂ'…油回収***、２７ｃ…吐出パイプ、２８…前段膨張弁、２８ｂ…バイパス膨張弁、２９…吸入アキュムレータ。
Claims (3)
- 底部に潤滑油を貯留した密閉容器と、この密閉容器内の潤滑油中に浸漬して収納され、冷媒の膨張エネルギを機械エネルギに変換する膨張機と、前記膨張機に積層配置して前記密閉容器内の潤滑油中に浸漬して収納され、前記膨張機によって駆動される副圧縮機と、前記副圧縮機及び前記膨張機のクランク軸に各軸受摺動部に潤滑油を供給する給油通路とを有し、前記副圧縮機で昇圧された冷媒が前記密閉容器内の空間に吐出される膨張／圧縮システムと、
底部に潤滑油を貯留した密閉容器とこの密閉容器内の潤滑油中内に浸漬して収納され、前記密閉容器内の空間に昇圧された冷媒を吐出する主圧縮機およびそのモータと、
前記主圧縮機で圧縮した高圧の冷媒を、放熱器、膨張弁、蒸発器を介して前記副圧縮機に流通させる第１の流路と、
前記膨張／圧縮システムの前記密閉容器内における前記副圧縮機で昇圧された冷媒を前記主圧縮機に流通させる第２の流路と、
前記第１の流路から分岐し前記放熱器から流出した冷媒の一部を前記膨張機に流通させる第３の流路とを備え、
前記第１の流路における主圧縮機側の吐出口の開口位置を、前記密閉容器内の潤滑油面より上方に位置するように前記主圧縮機の密閉容器内の空間に開口させ、
前記第２の流路における膨張／圧縮システム側の開口位置を、前記密閉容器内の潤滑油面より上方に位置するように前記膨張／圧縮システムの密閉容器内の空間に開口させた
ことを特徴とする冷凍装置。 - 底部に潤滑油を貯留した密閉容器と、この密閉容器内の潤滑油中に浸漬して収納され、冷媒の膨張エネルギを機械エネルギに変換する膨張機と、前記膨張機に積層配置して前記密閉容器内の潤滑油中に浸漬して収納され、前記膨張機によって駆動される副圧縮機と、前記副圧縮機及び前記膨張機のクランク軸に各軸受摺動部に潤滑油を供給する給油通路とを有し、前記副圧縮機で昇圧された冷媒が前記密閉容器内の空間に吐出される膨張／圧縮システムと、
底部に潤滑油を貯留した密閉容器とこの密閉容器内の潤滑油中内に浸漬して収納され、前記密閉容器内の空間に昇圧された冷媒を吐出する主圧縮機およびそのモータと、
前記主圧縮機で圧縮した高圧の冷媒を、放熱器、膨張弁、蒸発器を介して前記副圧縮機に流通させる第１の流路と、
前記膨張／圧縮システムの前記密閉容器内における前記副圧縮機で昇圧された冷媒を前記主圧縮機の密閉容器内に流通させる第２の流路と、
前記第１の流路から分岐し前記放熱器から流出した冷媒の一部を前記膨張機に流通させる第３の流路とを備え、
前記第１の流路における主圧縮機側の吐出口の開口位置を、前記密閉容器内の潤滑油面より上方に位置するように前記主圧縮機の密閉容器内の空間に開口させ、
前記主圧縮機の吸入パイプの開口位置をその密閉容器内の潤滑油面より上方に向くように配置し、この吸入パイプに油回収***を設けた
ことを特徴とする冷凍装置。 - 請求項１又は請求項２に記載の冷凍装置において、前記冷凍装置の冷媒は二酸化炭素であり、また前記膨張機はローリングピストン式膨張機であることを特徴とする膨張機を備えた冷凍装置。
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