容積型膨張機
【課題】従来の容積型膨張機では、作動流体として体積弾性係数が大きく圧縮性に乏しい作動流体を吸入するので、流速変動に伴う作動流体の運動量の変化による作動流体中の圧力の上昇に起因して、吸入管において非常に大きな圧力脈動を生じ、容積型膨張機の振動騒音の原因や、吸入管の破損の原因となっていた。
【解決手段】吸入管１１７に振動子２０１、コイルばね２０２、台座２０３から成る動吸振器２００を設ける。振動子２０１は吸入管１１７と同心円状の円筒形状であり、吸入管１１７の軸方向に往復動自在に嵌められている。コイルばね２０２の内径は吸入管１１７よりも大きく形成されており、振動子２０１を両側から挟むように吸入管１１７に嵌められている。コイルばね２０２の一方の端面は振動子２０１に、他方の端面は吸入管１１７に固定された台座２０３に接している。
【解決手段】吸入管１１７に振動子２０１、コイルばね２０２、台座２０３から成る動吸振器２００を設ける。振動子２０１は吸入管１１７と同心円状の円筒形状であり、吸入管１１７の軸方向に往復動自在に嵌められている。コイルばね２０２の内径は吸入管１１７よりも大きく形成されており、振動子２０１を両側から挟むように吸入管１１７に嵌められている。コイルばね２０２の一方の端面は振動子２０１に、他方の端面は吸入管１１７に固定された台座２０３に接している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、給湯機や空調機等の冷凍サイクル装置に用いるレシプロ型やロータリ型、スクロール型等の容積型膨張機の防振機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
冷凍サイクル装置の作動流体が膨張する際の膨張エネルギーを回収する目的で用いられる容積型膨張機として、特許文献１に示すような２段ロータリ型が知られている。以下、特許文献１に示されるような従来の２段ロータリ型膨張機の構成について説明する。ただし、特許文献１においては、膨張機と圧縮機が一体に構成され、膨張機で回収した動力はシャフトにより圧縮機に伝達されているが、以下の説明では、膨張機は発電機を駆動し、電気エネルギーを圧縮機の駆動エネルギーの一部に用いるものとする。
【０００３】
図５は従来の２段ロータリ型膨張機１００の構成を示す縦断面図であり、図６（ａ）は図５の２段ロータリ型膨張機１００のＤ１−Ｄ１線における横断面図、図６（ｂ）は図５の２段ロータリ型膨張機１００のＤ２−Ｄ２線における横断面図である。発電機１０１は、密閉容器１０２に固定されたステータ１０１ａと、シャフト１０３に固定されたロータ１０１ｂからなる。シャフト１０３は、中板１０４によってそれぞれ独立するように仕切られた第１のシリンダ１０５と第２のシリンダ１０６を貫通し、軸受１０７、１０８によって回転自在に支持されている。シャフト１０３には、第１の偏心部１０３ａと第２の偏心部１０３ｂが設けられ、第１の偏心部１０３ａには第１のシリンダ１０５の内部に配置された第１のピストン１０９が、第２の偏心部１０３ｂには第２のシリンダ１０６の内部に配置された第２のピストン１１０が嵌合する。
【０００４】
第１のシリンダ１０５と第１のピストン１０９、および、第２のシリンダ１０６と第２のピストン１１０の高さや径は、第１のシリンダ１０５と第１のピストン１０９により形成される三日月形状の空間が、第２のシリンダ１０６と第２のピストン１１０により形成される三日月形状の空間よりも小さくなるように設定されている。また、第１のシリンダ１０５および第２のシリンダ１０６には、ベーン溝１０５ａ、１０６ａがそれぞれ形成されている。ベーン溝１０５ａ、１０６ａにより、それぞれ往復動自在に保持された第１のベーン１１１および第２のベーン１１２は、それぞれの背面側に設けたばね１１３、１１４のばね力および差圧力により、先端側が各ピストン１０９、１１０に密着している。第１のシリンダ１０５と第１のピストン１０９により形成される三日月形状の空間は、仕切り部材である第１のベーン１１１により吸入側空間の作動室１１５ａと吐出側空間の作動室１１５ｂに、また、第２のシリンダ１０６と第２のピストン１１０により形成される三日月形状の空間は、仕切り部材である第２のベーン１１２により吸入側空間の作動室１１６ａと吐出側空間の作動室１１６ｂに区画される。第１のシリンダ１０５に設けられた吸入孔１０５ｂは、作動室１１５ａに連通しており、第２のシリンダ１０６に設けられた吐出孔１０６ｂは、作動室１１６ｂに連通している。また、作動室１１５ｂと作動室１１６ａは、中板１０４に設けられた連通孔１０４ａで連通して一つの空間を形成している。
【０００５】
高圧の作動流体は、吸入管１１７から吸入孔１０５ｂを経て、第１のシリンダ１０５の作動室１１５ａに吸入される。シャフト１０３の回転運動に伴って作動室１１５ａの容積は拡大し、やがて、作動室１１５ｂへと移行すると吸入行程が終了する。作動室１１５ｂは、連通孔１０４ａを通じて第２のシリンダ１０６の作動室１１６ａと連通して一つの作動室を形成しており、高圧の作動流体は、連通した作動室全体の容積が増加する方向、すなわち、作動室１１５ｂの容積が減少し、作動室１１６ａの容積が増加する方向へとシャフト１０３を回転させ、発電機１０１を駆動する。シャフト１０３の回転に伴って作動室１１５ｂは消滅し、作動室１１６ａは吐出孔１０６ｂと連通する作動室１１６ｂへと移行すると膨張行程が終了する。そして、低圧となった作動流体は吐出孔１０６ｂから吐出管１１８へと吐出される。
【０００６】
図７（ａ）はシャフト１０３の回転角と吸入行程における作動室１１５ａの容積変化の関係を示す図である。作動室１１５ａの容積は、シャフト１０３の回転角が増加するとともに、正弦波状に増加する。そして、シャフト１０３の回転角が３６０ｄｅｇ．に達すると、作動室１１５ａは吸入行程を終了すると同時に作動室１１５ｂへと完全に移行し、作動室１１５ａは消滅する。このように、吸入行程の作動室１１５ａの容積は、シャフト１０３の回転角３６０ｄｅｇ．を周期とする変化を繰り返す。
【０００７】
図７（ｂ）はシャフト１０３の回転角と吸入孔１０５ｂを流れる作動流体の流速の関係を示す図である。吸入孔１０５ｂを流れる作動流体の流速は、正弦波状に変化する作動室１１５ａの容積変化の割合に応じて変化する。従って、シャフト１０３の回転角３６０ｄｅｇ．を周期として流速がゼロとなる正弦波状の変化となる。
【０００８】
図８は容積型膨張機を用いた冷凍サイクル装置１２０である。作動流体としては二酸化炭素を用いるものとする。冷凍サイクル装置１２０は、圧縮機１２１、ガスクーラ１２２、容積型膨張機１２３、蒸発器１２４の順に配管１２５で接続されている。また、圧縮機１２１には電動機１２１ａが備えられており、容積型膨張機１２３の発電機１２３ａで回収されたエネルギーは、電動機１２１ａを駆動するエネルギーの一部として用いられる。圧縮機１２１は常温低圧のガス相の作動流体を高温高圧の超臨界相へと圧縮し、ガスクーラ１２２は高温高圧の超臨界相の作動流体を常温高圧の超臨界相へと冷却し、容積型膨張機１２３では常温高圧の超臨界相の作動流体を低温低圧の気液二相へと膨張減圧し、蒸発器１２４では低温低圧の気液二相の作動流体を常温低圧のガス相まで加熱する。容積型膨張機１２３に吸入される作動流体は常温高圧の超臨界相の作動流体であり、冷凍サイクル装置１２０を循環する作動流体の中で最も体積弾性係数が大きい状態となる。冷凍サイクル装置１２０を給湯機に用いる場合、圧縮機１２１の入口では、作動流体の圧力と温度はそれぞれおよそ４ＭＰａ、１０℃であり、このときの体積弾性係数が２．４ＭＰａであるのに対し、容積型膨張機１２３の入口では、作動流体の圧力と温度はそれぞれおよそ１０ＭＰａ、２０℃であり、このときの体積弾性係数は７０ＭＰａとなる。体積弾性係数の逆数は圧縮率であり、その大きさが圧縮性の大小を表す指標となることを考慮すると、容積型膨張機１２３の入口の作動流体の圧縮性は、圧縮機１２１の入口の作動流体の圧縮性のおよそ１／２９となり、作動流体は、圧縮機１２１の場合と比べて非圧縮性流体に近いことがわかる。図８の容積型膨張機１２３として、２段ロータリ型膨張機１００を用いる場合、図７（ｂ）で示したように、吸入孔１０５ｂを流れる作動流体の流速は、周期的に流速がゼロとなり、堰き止められる。非圧縮性の作動流体の流れが堰き止められると、運動量が非常に短い時間の間にゼロとなるので作動流体中に圧力の上昇が起こり、後から続いて流れてくる作動流体も次々と堰き止められるので、圧力の上昇は圧力波となって上流側である吸入管１１７の作動流体に伝わってゆく。このように、２段ロータリ型膨張機１００の吸入管１１７には圧力波による圧力脈動が生じていた。
【０００９】
以上は２段ロータリ型膨張機１００を例として説明したが、容積型膨張機１２３として、レシプロ型やロータリ型、スクロール型等の容積型を用いる場合も同様であり、吸入孔を通過する作動流体の流速が周期的に変化するので、もし、速度がゼロとならない場合であっても、流速変動に伴う作動流体の運動量の変化による作動流体中の圧力の上昇に起因して、非常に大きな吸入管への圧力脈動を生じていた。
【特許文献１】特開２００５−１０６０４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
吸入管１１７の内部の作動流体の圧力脈動は、吸入管１１７および容積型膨張機１２３の振動の原因となり、冷凍サイクル装置１２０の振動騒音や、吸入管１１７の破損の原因となっていた。本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、吸入管１１７の軸方向に単振動する振動子とバネから成る防振装置を膨張機に備えることにより、振動騒音が少なく、かつ、吸入管１１７の破損がなく、信頼性の高い膨張機を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述した課題を解決するために、本発明に係る容積型膨張機は、密閉容器と、密閉容器内に収容されて作動流体を膨張させる作動室と、作動室に作動流体を導く吸入管と、バネと吸入管の軸方向に単振動する振動子とを含む防振装置とを備えている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、容積型膨張機において、吸入管の圧力脈動に伴う膨張機の振動、騒音を抑えることができ、また、振動による吸入管の破損を抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
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。なお、いずれの実施の形態も容積型膨張機の例として２段ロータリ型膨張機を用いて説明を行うが、これに限定されるものではない。
【００１４】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１における２段ロータリ型膨張機の構成は、吸入管１１７に設けた動吸振器２００（防振装置）を除いて図５、図６を用いて説明した従来の２段ロータリ型膨張機１００と同様の構成である。同一機能部品については同一番号を使用し、従来例と同一の構成および作用の説明は省くことにする。
【００１５】
図１は本発明の実施の形態１における２段ロータリ型膨張機の横断面図であり、図５の２段ロータリ型膨張機１００のＤ１−Ｄ１線における断面に相当する。本実施の形態１では、吸入管１１７に振動子２０１、コイルばね２０２、台座２０３から成る動吸振器２００を設けている。図２（ａ）は図１に示す２段ロータリ型膨張機の動吸振器２００のＤ３−Ｄ３線における断面図である。振動子２０１は吸入管１１７と同心円状の円筒形状であり、吸入管１１７の軸方向に往復動自在に嵌められている。コイルばね２０２の内径は吸入管１１７よりも大きく形成されており、振動子２０１を両側から挟むように吸入管１１７に嵌められている。コイルばね２０２の一方の端面は振動子２０１に、他方の端面は吸入管１１７に固定された台座２０３に接している。コイルばね２０２は、振動子２０１の往復運動に伴い、台座２０３が振動子２０１から離れないように、予加重により十分に圧縮された状態で取り付けられている。振動子２０１とコイルばね２０２は吸入管１１７を密閉容器１０２に接続する前に、あるいは、冷凍サイクル装置１２０の配管１２５に接続する前に取り付ける。なお、振動子２０１は、直径方向に２分割したものを、吸入管１１７に取り付けてからネジ等で一体化してもよい。
【００１６】
以上のような構成とすることにより、吸入管１１７の内部の体積弾性係数が大きく圧縮性が乏しい作動流体が作動室１１５ａに間欠的に吸入されることで生じる圧力脈動に起因する振動を、動吸振器２００により打ち消すことができ、振動騒音が少なく、吸入管１１７の破損がなく、信頼性を向上させることができる。
【００１７】
また、振動子２０１を吸入管１１７と同心円状の円筒形状としたことにより、振動子２０１の吸入管１１７に垂直な断面の重心が、吸入管１１７の中心に一致するために、振動子２０１による２次振動を発生させることが無く、圧力脈動に起因する振動をより効果的に打ち消すことができる。
【００１８】
また、振動子２０１を吸入管１１７と同心円状の円筒形状とし、振動子２０１とコイルばね２０２を吸入管１１７に嵌める構成としたことにより、簡単な構成で、振動子２０１の重心が吸入管１１７の中心に一致する動吸振器２００を構成することができる。また、振動子２０１の運動を容易に吸入管１１７の軸方向のみに拘束することができるので、圧力脈動に起因する振動をより効果的に打ち消すことができる。
【００１９】
なお、振動子２０１は必ずしも円筒形状である必要は無く、振動子２０１の吸入管１１７に垂直な断面の重心が、吸入管１１７の中心に一致していれば、同様の効果が得られることは言うまでも無い。図２（ｂ）に、別の形状の振動子２０４を用いた場合の動吸振器２００のＤ３−Ｄ３線における断面図を示す。振動子２０４は吸入管１１７の上側と当接する凹部を有する一方、吸入管１１７の下側には、吸入管１１７の直径以上離れた２つの側面部を有している。この側面図を適切な形状とすることにより、振動子２０１の重心が吸入管１１７の中心に一致する動吸振器２００を構成することができる。このような構成にすることにより、吸入管１１７を密閉容器１０２と冷凍サイクル１２０の配管１２５に接続した後からでも振動子２０４を吸入管１１７に取り付けることが可能であり、例えば、動吸振器２００の共振周波数を調整するために振動子２０４を交換することが容易となる。
【００２０】
また、２段ロータリ型膨張機１００が一定の回転数で運転されることが多い場合、振動子２０１の質量ｍとコイルばね２０２のばね定数ｋにより決定される動吸振器２００の共振周波数ｆを、２段ロータリ型膨張機１００の回転数の近傍に設定することにより、圧力脈動に起因する振動を、より効果的に打ち消すことができる。
【００２１】
また、２段ロータリ型膨張機１００の回転数が一定ではない場合、動吸振器２００の共振周波数ｆを吸入管１１７の固有振動数の近傍に設定することにより、吸入管１１７の振動が最も大きくなり破損の危険が大きい周波数において、圧力脈動に起因する振動を、より効果的に打ち消すことができる。
【００２２】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２における２段ロータリ型膨張機の構成は、吸入管１１７に設けた動吸振器３００（防振装置）を除いて図５、図６を用いて説明した従来の２段ロータリ型膨張機１００と同様の構成である。同一機能部品については同一番号を使用し、従来例と同一の構成および作用の説明は省くことにする。
【００２３】
図３は本発明の実施の形態２における２段ロータリ型膨張機の横断面図であり、図５の２段ロータリ型膨張機１００のＤ１−Ｄ１線における断面に相当する。本実施の形態２では、吸入管１１７に振動子３０１、板ばね３０２、板ばね３０２の台座３０３から成る動吸振器３００を設けている。板ばね３０２は、吸入管１１７に対して軸対象な形状をしており、中央を吸入管１１７が貫通し、吸入管１１７に固定された台座３０３に挟まれて吸入管１１７に固定されている。板ばね３０２は、吸入管１１７を密閉容器１０２に接続する前に、あるいは、冷凍サイクル装置１２０の配管１２５に接続する前に取り付けておく。また、板ばね３０２の両端には振動子３０１が取り付けられている。なお、板ばね３０２の形状は吸入管１１７を冷凍サイクル装置１２０の配管１２５に取り付けた後に設置できるような形状にしてもよい。
【００２４】
以上のような構成とすることにより、吸入管１１７が軸方向に振動すると、板ばね３０２の中央に加振力が作用するために、両端に設けた振動子３０１は吸入管１１７の軸方向に振動し、吸入管１１７の内部の体積弾性係数が大きく圧縮性が乏しい作動流体が作動室１１５ａに間欠的に吸入されることで生じる圧力脈動に起因する振動を、動吸振器３００により打ち消すことができ、振動騒音が少なく、吸入管１１７の破損がなく、信頼性を向上させることができる。
【００２５】
また、板ばね３０２を吸入管１１７に対して軸対象な形状とし、その両端に振動子３０１を設けたことにより、複数の振動子３０１による重心が、吸入管１１７の中心に一致するために、振動子３０１による２次振動を発生させることが無く、圧力脈動に起因する振動をより効果的に打ち消すことができる。
【００２６】
また、２段ロータリ型膨張機１００が一定の回転数で運転されることが多い場合、振動子３０１の質量ｍと板ばね３０２のばね定数ｋにより決定される動吸振器３００の共振周波数ｆを、２段ロータリ型膨張機１００の回転数の近傍に設定することにより、圧力脈動に起因する振動を、より効果的に打ち消すことができる。
【００２７】
また、２段ロータリ型膨張機１００の回転数が一定ではない場合、動吸振器３００の共振周波数ｆを吸入管１１７の固有振動数の近傍に設定することにより、吸入管１１７の振動が最も大きくなり破損の危険が大きい周波数において、圧力脈動に起因する振動を、より効果的に打ち消すことができる。
【００２８】
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３における２段ロータリ型膨張機の構成は、密閉容器１０２に設けた動吸振器４００（防振装置）を除いて図５、図６を用いて説明した従来の２段ロータリ型膨張機１００と同様の構成である。同一機能部品については同一番号を使用し、従来例と同一の構成および作用の説明は省くことにする。
【００２９】
図４は本発明の実施の形態３の２段ロータリ型膨張機の横断面図であり、図５の２段ロータリ型膨張機１００のＤ１−Ｄ１線における断面に相当する。本実施の形態３では、密閉容器１０２に振動子４０１、コイルばね４０２、台座４０３から成る動吸振器４００を、吸入管１１７と同一平面内に２個設けている。振動子４０１は、動吸振器４００のケーシングを兼ねた台座４０３に固定された２つのコイルばね４０２に振動方向を挟まれて支持されており、振動子４０１の振動方向は吸入管１１７の軸方向と一致させている。
【００３０】
以上のような構成とすることにより、吸入管１１７の内部の体積弾性係数が大きく圧縮性が乏しい作動流体が作動室１１５ａに間欠的に吸入されることで生じる圧力脈動に起因する振動を、動吸振器４００により打ち消すことができ、振動騒音が少なく、吸入管１１７の破損がなく、信頼性を向上させることができる。
【００３１】
また、動吸振器４００を吸入管１１７と同一平面内に２個設けることにより、２つの振動子４０１による重心が吸入管１１７の延長線上と一致するので、振動子４０１による２次振動を発生させることが無く、圧力脈動に起因する振動をより効果的に打ち消すことができる。
【００３２】
なお、動吸振器４００は必ずしも２つである必要は無く、３つ以上設けた場合でも、複数の振動子４０１の重心が吸入管１１７の延長線上にあれば同様の効果を得ることができるのは言うまでもない。
【００３３】
また、２段ロータリ型膨張機１００が一定の回転数で運転されることが多い場合、振動子４０１の質量ｍとコイルばね４０２のばね定数ｋにより決定される動吸振器４００の共振周波数ｆを、２段ロータリ型膨張機１００の回転数の近傍に設定することにより、圧力脈動に起因する振動を、より効果的に打ち消すことができる。
【００３４】
また、２段ロータリ型膨張機１００の回転数が一定ではない場合、動吸振器４００の共振周波数ｆを吸入管１１７の固有振動数の近傍に設定することにより、吸入管１１７の振動が最も大きくなり破損の危険が大きい周波数において、圧力脈動に起因する振動を、より効果的に打ち消すことができる。
【００３５】
以上、実施の形態１〜３では、２段ロータリ型膨張機の場合を例にとって説明してきたが、必ずしもこの限りでは無く、レシプロ型やロータリ型、スクロール型等の容積型であれば同様であることは言うまでも無い。
【００３６】
また、冷凍サイクル装置の作動流体がフロンの場合と比べて密度が高い二酸化炭素の場合の方が、圧力脈動に起因する振動が大きくなるので、振動を打ち消す効果が顕著になるが、作動流体としてフロンを用いても同様の効果が得られることは言うまでも無い。
【００３７】
一般的に、容積型膨張機は高圧の作動流体を低圧へと膨張させるので、圧縮機の場合と比べて吸入管１１７の作動流体の密度が高くなる。従って、容積型膨張機をランキンサイクル装置等、冷凍サイクル装置１２０以外に用いる場合でも、同様の効果が得られることは言うまでも無い。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明の容積型膨張機は、冷凍サイクル装置における作動流体の膨張エネルギーを回収する動力回収手段として有用であるとともに、冷凍サイクル装置以外の作動流体からのエネルギー回収手段として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施の形態１における２段ロータリ型膨張機の横断面図
【図２】（ａ）図１に示す２段ロータリ型膨張機の動吸振器のＤ３−Ｄ３線における断面図（ｂ）図１に示す２段ロータリ型膨張機の動吸振器のＤ３−Ｄ３線における断面図
【図３】本発明の実施の形態２における２段ロータリ型膨張機の横断面図
【図４】本発明の実施の形態３における２段ロータリ型膨張機の横断面図
【図５】従来の２段ロータリ型膨張機の縦断面図
【図６】（ａ）図５に示す２段ロータリ型膨張機のＤ１−Ｄ１線における横断面図（ｂ）図５に示す２段ロータリ型膨張機のＤ２−Ｄ２線における横断面図
【図７】（ａ）シャフトの回転角と吸入行程における作動室の容積変化の関係を示す図（ｂ）シャフトの回転角と吸入孔を流れる作動流体の流速の関係を示す図
【図８】容積型膨張機を用いた冷凍サイクル装置の構成図
【符号の説明】
【００４０】
１００ ２段ロータリ型膨張機
１０１ 発電機
１０２ 密閉容器
１０３ シャフト
１０３ａ 第１の偏心部
１０３ｂ 第２の偏心部
１０４ 中板
１０４ａ 連通孔
１０５ 第１のシリンダ
１０６ 第２のシリンダ
１０９ 第１のピストン
１１０ 第２のピストン
１１５ａ，１１６ａ （吸入側空間の）作動室
１１５ｂ，１１６ｂ （吐出側空間の）作動室
１１７ 吸入管
１２０ 冷凍サイクル装置
１２１ 圧縮機
１２２ ガスクーラ
１２３ 容積型膨張機
１２４ 蒸発器
１２５ 配管
２００，３００，４００ 動吸振器
２０１，２０４，３０１，４０１ 振動子
２０２，４０２ コイルばね
２０３，３０３，４０３ 台座
３０２ 板ばね
【技術分野】
【０００１】
本発明は、給湯機や空調機等の冷凍サイクル装置に用いるレシプロ型やロータリ型、スクロール型等の容積型膨張機の防振機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
冷凍サイクル装置の作動流体が膨張する際の膨張エネルギーを回収する目的で用いられる容積型膨張機として、特許文献１に示すような２段ロータリ型が知られている。以下、特許文献１に示されるような従来の２段ロータリ型膨張機の構成について説明する。ただし、特許文献１においては、膨張機と圧縮機が一体に構成され、膨張機で回収した動力はシャフトにより圧縮機に伝達されているが、以下の説明では、膨張機は発電機を駆動し、電気エネルギーを圧縮機の駆動エネルギーの一部に用いるものとする。
【０００３】
図５は従来の２段ロータリ型膨張機１００の構成を示す縦断面図であり、図６（ａ）は図５の２段ロータリ型膨張機１００のＤ１−Ｄ１線における横断面図、図６（ｂ）は図５の２段ロータリ型膨張機１００のＤ２−Ｄ２線における横断面図である。発電機１０１は、密閉容器１０２に固定されたステータ１０１ａと、シャフト１０３に固定されたロータ１０１ｂからなる。シャフト１０３は、中板１０４によってそれぞれ独立するように仕切られた第１のシリンダ１０５と第２のシリンダ１０６を貫通し、軸受１０７、１０８によって回転自在に支持されている。シャフト１０３には、第１の偏心部１０３ａと第２の偏心部１０３ｂが設けられ、第１の偏心部１０３ａには第１のシリンダ１０５の内部に配置された第１のピストン１０９が、第２の偏心部１０３ｂには第２のシリンダ１０６の内部に配置された第２のピストン１１０が嵌合する。
【０００４】
第１のシリンダ１０５と第１のピストン１０９、および、第２のシリンダ１０６と第２のピストン１１０の高さや径は、第１のシリンダ１０５と第１のピストン１０９により形成される三日月形状の空間が、第２のシリンダ１０６と第２のピストン１１０により形成される三日月形状の空間よりも小さくなるように設定されている。また、第１のシリンダ１０５および第２のシリンダ１０６には、ベーン溝１０５ａ、１０６ａがそれぞれ形成されている。ベーン溝１０５ａ、１０６ａにより、それぞれ往復動自在に保持された第１のベーン１１１および第２のベーン１１２は、それぞれの背面側に設けたばね１１３、１１４のばね力および差圧力により、先端側が各ピストン１０９、１１０に密着している。第１のシリンダ１０５と第１のピストン１０９により形成される三日月形状の空間は、仕切り部材である第１のベーン１１１により吸入側空間の作動室１１５ａと吐出側空間の作動室１１５ｂに、また、第２のシリンダ１０６と第２のピストン１１０により形成される三日月形状の空間は、仕切り部材である第２のベーン１１２により吸入側空間の作動室１１６ａと吐出側空間の作動室１１６ｂに区画される。第１のシリンダ１０５に設けられた吸入孔１０５ｂは、作動室１１５ａに連通しており、第２のシリンダ１０６に設けられた吐出孔１０６ｂは、作動室１１６ｂに連通している。また、作動室１１５ｂと作動室１１６ａは、中板１０４に設けられた連通孔１０４ａで連通して一つの空間を形成している。
【０００５】
高圧の作動流体は、吸入管１１７から吸入孔１０５ｂを経て、第１のシリンダ１０５の作動室１１５ａに吸入される。シャフト１０３の回転運動に伴って作動室１１５ａの容積は拡大し、やがて、作動室１１５ｂへと移行すると吸入行程が終了する。作動室１１５ｂは、連通孔１０４ａを通じて第２のシリンダ１０６の作動室１１６ａと連通して一つの作動室を形成しており、高圧の作動流体は、連通した作動室全体の容積が増加する方向、すなわち、作動室１１５ｂの容積が減少し、作動室１１６ａの容積が増加する方向へとシャフト１０３を回転させ、発電機１０１を駆動する。シャフト１０３の回転に伴って作動室１１５ｂは消滅し、作動室１１６ａは吐出孔１０６ｂと連通する作動室１１６ｂへと移行すると膨張行程が終了する。そして、低圧となった作動流体は吐出孔１０６ｂから吐出管１１８へと吐出される。
【０００６】
図７（ａ）はシャフト１０３の回転角と吸入行程における作動室１１５ａの容積変化の関係を示す図である。作動室１１５ａの容積は、シャフト１０３の回転角が増加するとともに、正弦波状に増加する。そして、シャフト１０３の回転角が３６０ｄｅｇ．に達すると、作動室１１５ａは吸入行程を終了すると同時に作動室１１５ｂへと完全に移行し、作動室１１５ａは消滅する。このように、吸入行程の作動室１１５ａの容積は、シャフト１０３の回転角３６０ｄｅｇ．を周期とする変化を繰り返す。
【０００７】
図７（ｂ）はシャフト１０３の回転角と吸入孔１０５ｂを流れる作動流体の流速の関係を示す図である。吸入孔１０５ｂを流れる作動流体の流速は、正弦波状に変化する作動室１１５ａの容積変化の割合に応じて変化する。従って、シャフト１０３の回転角３６０ｄｅｇ．を周期として流速がゼロとなる正弦波状の変化となる。
【０００８】
図８は容積型膨張機を用いた冷凍サイクル装置１２０である。作動流体としては二酸化炭素を用いるものとする。冷凍サイクル装置１２０は、圧縮機１２１、ガスクーラ１２２、容積型膨張機１２３、蒸発器１２４の順に配管１２５で接続されている。また、圧縮機１２１には電動機１２１ａが備えられており、容積型膨張機１２３の発電機１２３ａで回収されたエネルギーは、電動機１２１ａを駆動するエネルギーの一部として用いられる。圧縮機１２１は常温低圧のガス相の作動流体を高温高圧の超臨界相へと圧縮し、ガスクーラ１２２は高温高圧の超臨界相の作動流体を常温高圧の超臨界相へと冷却し、容積型膨張機１２３では常温高圧の超臨界相の作動流体を低温低圧の気液二相へと膨張減圧し、蒸発器１２４では低温低圧の気液二相の作動流体を常温低圧のガス相まで加熱する。容積型膨張機１２３に吸入される作動流体は常温高圧の超臨界相の作動流体であり、冷凍サイクル装置１２０を循環する作動流体の中で最も体積弾性係数が大きい状態となる。冷凍サイクル装置１２０を給湯機に用いる場合、圧縮機１２１の入口では、作動流体の圧力と温度はそれぞれおよそ４ＭＰａ、１０℃であり、このときの体積弾性係数が２．４ＭＰａであるのに対し、容積型膨張機１２３の入口では、作動流体の圧力と温度はそれぞれおよそ１０ＭＰａ、２０℃であり、このときの体積弾性係数は７０ＭＰａとなる。体積弾性係数の逆数は圧縮率であり、その大きさが圧縮性の大小を表す指標となることを考慮すると、容積型膨張機１２３の入口の作動流体の圧縮性は、圧縮機１２１の入口の作動流体の圧縮性のおよそ１／２９となり、作動流体は、圧縮機１２１の場合と比べて非圧縮性流体に近いことがわかる。図８の容積型膨張機１２３として、２段ロータリ型膨張機１００を用いる場合、図７（ｂ）で示したように、吸入孔１０５ｂを流れる作動流体の流速は、周期的に流速がゼロとなり、堰き止められる。非圧縮性の作動流体の流れが堰き止められると、運動量が非常に短い時間の間にゼロとなるので作動流体中に圧力の上昇が起こり、後から続いて流れてくる作動流体も次々と堰き止められるので、圧力の上昇は圧力波となって上流側である吸入管１１７の作動流体に伝わってゆく。このように、２段ロータリ型膨張機１００の吸入管１１７には圧力波による圧力脈動が生じていた。
【０００９】
以上は２段ロータリ型膨張機１００を例として説明したが、容積型膨張機１２３として、レシプロ型やロータリ型、スクロール型等の容積型を用いる場合も同様であり、吸入孔を通過する作動流体の流速が周期的に変化するので、もし、速度がゼロとならない場合であっても、流速変動に伴う作動流体の運動量の変化による作動流体中の圧力の上昇に起因して、非常に大きな吸入管への圧力脈動を生じていた。
【特許文献１】特開２００５−１０６０４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
吸入管１１７の内部の作動流体の圧力脈動は、吸入管１１７および容積型膨張機１２３の振動の原因となり、冷凍サイクル装置１２０の振動騒音や、吸入管１１７の破損の原因となっていた。本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、吸入管１１７の軸方向に単振動する振動子とバネから成る防振装置を膨張機に備えることにより、振動騒音が少なく、かつ、吸入管１１７の破損がなく、信頼性の高い膨張機を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述した課題を解決するために、本発明に係る容積型膨張機は、密閉容器と、密閉容器内に収容されて作動流体を膨張させる作動室と、作動室に作動流体を導く吸入管と、バネと吸入管の軸方向に単振動する振動子とを含む防振装置とを備えている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、容積型膨張機において、吸入管の圧力脈動に伴う膨張機の振動、騒音を抑えることができ、また、振動による吸入管の破損を抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
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。なお、いずれの実施の形態も容積型膨張機の例として２段ロータリ型膨張機を用いて説明を行うが、これに限定されるものではない。
【００１４】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１における２段ロータリ型膨張機の構成は、吸入管１１７に設けた動吸振器２００（防振装置）を除いて図５、図６を用いて説明した従来の２段ロータリ型膨張機１００と同様の構成である。同一機能部品については同一番号を使用し、従来例と同一の構成および作用の説明は省くことにする。
【００１５】
図１は本発明の実施の形態１における２段ロータリ型膨張機の横断面図であり、図５の２段ロータリ型膨張機１００のＤ１−Ｄ１線における断面に相当する。本実施の形態１では、吸入管１１７に振動子２０１、コイルばね２０２、台座２０３から成る動吸振器２００を設けている。図２（ａ）は図１に示す２段ロータリ型膨張機の動吸振器２００のＤ３−Ｄ３線における断面図である。振動子２０１は吸入管１１７と同心円状の円筒形状であり、吸入管１１７の軸方向に往復動自在に嵌められている。コイルばね２０２の内径は吸入管１１７よりも大きく形成されており、振動子２０１を両側から挟むように吸入管１１７に嵌められている。コイルばね２０２の一方の端面は振動子２０１に、他方の端面は吸入管１１７に固定された台座２０３に接している。コイルばね２０２は、振動子２０１の往復運動に伴い、台座２０３が振動子２０１から離れないように、予加重により十分に圧縮された状態で取り付けられている。振動子２０１とコイルばね２０２は吸入管１１７を密閉容器１０２に接続する前に、あるいは、冷凍サイクル装置１２０の配管１２５に接続する前に取り付ける。なお、振動子２０１は、直径方向に２分割したものを、吸入管１１７に取り付けてからネジ等で一体化してもよい。
【００１６】
以上のような構成とすることにより、吸入管１１７の内部の体積弾性係数が大きく圧縮性が乏しい作動流体が作動室１１５ａに間欠的に吸入されることで生じる圧力脈動に起因する振動を、動吸振器２００により打ち消すことができ、振動騒音が少なく、吸入管１１７の破損がなく、信頼性を向上させることができる。
【００１７】
また、振動子２０１を吸入管１１７と同心円状の円筒形状としたことにより、振動子２０１の吸入管１１７に垂直な断面の重心が、吸入管１１７の中心に一致するために、振動子２０１による２次振動を発生させることが無く、圧力脈動に起因する振動をより効果的に打ち消すことができる。
【００１８】
また、振動子２０１を吸入管１１７と同心円状の円筒形状とし、振動子２０１とコイルばね２０２を吸入管１１７に嵌める構成としたことにより、簡単な構成で、振動子２０１の重心が吸入管１１７の中心に一致する動吸振器２００を構成することができる。また、振動子２０１の運動を容易に吸入管１１７の軸方向のみに拘束することができるので、圧力脈動に起因する振動をより効果的に打ち消すことができる。
【００１９】
なお、振動子２０１は必ずしも円筒形状である必要は無く、振動子２０１の吸入管１１７に垂直な断面の重心が、吸入管１１７の中心に一致していれば、同様の効果が得られることは言うまでも無い。図２（ｂ）に、別の形状の振動子２０４を用いた場合の動吸振器２００のＤ３−Ｄ３線における断面図を示す。振動子２０４は吸入管１１７の上側と当接する凹部を有する一方、吸入管１１７の下側には、吸入管１１７の直径以上離れた２つの側面部を有している。この側面図を適切な形状とすることにより、振動子２０１の重心が吸入管１１７の中心に一致する動吸振器２００を構成することができる。このような構成にすることにより、吸入管１１７を密閉容器１０２と冷凍サイクル１２０の配管１２５に接続した後からでも振動子２０４を吸入管１１７に取り付けることが可能であり、例えば、動吸振器２００の共振周波数を調整するために振動子２０４を交換することが容易となる。
【００２０】
また、２段ロータリ型膨張機１００が一定の回転数で運転されることが多い場合、振動子２０１の質量ｍとコイルばね２０２のばね定数ｋにより決定される動吸振器２００の共振周波数ｆを、２段ロータリ型膨張機１００の回転数の近傍に設定することにより、圧力脈動に起因する振動を、より効果的に打ち消すことができる。
【００２１】
また、２段ロータリ型膨張機１００の回転数が一定ではない場合、動吸振器２００の共振周波数ｆを吸入管１１７の固有振動数の近傍に設定することにより、吸入管１１７の振動が最も大きくなり破損の危険が大きい周波数において、圧力脈動に起因する振動を、より効果的に打ち消すことができる。
【００２２】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２における２段ロータリ型膨張機の構成は、吸入管１１７に設けた動吸振器３００（防振装置）を除いて図５、図６を用いて説明した従来の２段ロータリ型膨張機１００と同様の構成である。同一機能部品については同一番号を使用し、従来例と同一の構成および作用の説明は省くことにする。
【００２３】
図３は本発明の実施の形態２における２段ロータリ型膨張機の横断面図であり、図５の２段ロータリ型膨張機１００のＤ１−Ｄ１線における断面に相当する。本実施の形態２では、吸入管１１７に振動子３０１、板ばね３０２、板ばね３０２の台座３０３から成る動吸振器３００を設けている。板ばね３０２は、吸入管１１７に対して軸対象な形状をしており、中央を吸入管１１７が貫通し、吸入管１１７に固定された台座３０３に挟まれて吸入管１１７に固定されている。板ばね３０２は、吸入管１１７を密閉容器１０２に接続する前に、あるいは、冷凍サイクル装置１２０の配管１２５に接続する前に取り付けておく。また、板ばね３０２の両端には振動子３０１が取り付けられている。なお、板ばね３０２の形状は吸入管１１７を冷凍サイクル装置１２０の配管１２５に取り付けた後に設置できるような形状にしてもよい。
【００２４】
以上のような構成とすることにより、吸入管１１７が軸方向に振動すると、板ばね３０２の中央に加振力が作用するために、両端に設けた振動子３０１は吸入管１１７の軸方向に振動し、吸入管１１７の内部の体積弾性係数が大きく圧縮性が乏しい作動流体が作動室１１５ａに間欠的に吸入されることで生じる圧力脈動に起因する振動を、動吸振器３００により打ち消すことができ、振動騒音が少なく、吸入管１１７の破損がなく、信頼性を向上させることができる。
【００２５】
また、板ばね３０２を吸入管１１７に対して軸対象な形状とし、その両端に振動子３０１を設けたことにより、複数の振動子３０１による重心が、吸入管１１７の中心に一致するために、振動子３０１による２次振動を発生させることが無く、圧力脈動に起因する振動をより効果的に打ち消すことができる。
【００２６】
また、２段ロータリ型膨張機１００が一定の回転数で運転されることが多い場合、振動子３０１の質量ｍと板ばね３０２のばね定数ｋにより決定される動吸振器３００の共振周波数ｆを、２段ロータリ型膨張機１００の回転数の近傍に設定することにより、圧力脈動に起因する振動を、より効果的に打ち消すことができる。
【００２７】
また、２段ロータリ型膨張機１００の回転数が一定ではない場合、動吸振器３００の共振周波数ｆを吸入管１１７の固有振動数の近傍に設定することにより、吸入管１１７の振動が最も大きくなり破損の危険が大きい周波数において、圧力脈動に起因する振動を、より効果的に打ち消すことができる。
【００２８】
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３における２段ロータリ型膨張機の構成は、密閉容器１０２に設けた動吸振器４００（防振装置）を除いて図５、図６を用いて説明した従来の２段ロータリ型膨張機１００と同様の構成である。同一機能部品については同一番号を使用し、従来例と同一の構成および作用の説明は省くことにする。
【００２９】
図４は本発明の実施の形態３の２段ロータリ型膨張機の横断面図であり、図５の２段ロータリ型膨張機１００のＤ１−Ｄ１線における断面に相当する。本実施の形態３では、密閉容器１０２に振動子４０１、コイルばね４０２、台座４０３から成る動吸振器４００を、吸入管１１７と同一平面内に２個設けている。振動子４０１は、動吸振器４００のケーシングを兼ねた台座４０３に固定された２つのコイルばね４０２に振動方向を挟まれて支持されており、振動子４０１の振動方向は吸入管１１７の軸方向と一致させている。
【００３０】
以上のような構成とすることにより、吸入管１１７の内部の体積弾性係数が大きく圧縮性が乏しい作動流体が作動室１１５ａに間欠的に吸入されることで生じる圧力脈動に起因する振動を、動吸振器４００により打ち消すことができ、振動騒音が少なく、吸入管１１７の破損がなく、信頼性を向上させることができる。
【００３１】
また、動吸振器４００を吸入管１１７と同一平面内に２個設けることにより、２つの振動子４０１による重心が吸入管１１７の延長線上と一致するので、振動子４０１による２次振動を発生させることが無く、圧力脈動に起因する振動をより効果的に打ち消すことができる。
【００３２】
なお、動吸振器４００は必ずしも２つである必要は無く、３つ以上設けた場合でも、複数の振動子４０１の重心が吸入管１１７の延長線上にあれば同様の効果を得ることができるのは言うまでもない。
【００３３】
また、２段ロータリ型膨張機１００が一定の回転数で運転されることが多い場合、振動子４０１の質量ｍとコイルばね４０２のばね定数ｋにより決定される動吸振器４００の共振周波数ｆを、２段ロータリ型膨張機１００の回転数の近傍に設定することにより、圧力脈動に起因する振動を、より効果的に打ち消すことができる。
【００３４】
また、２段ロータリ型膨張機１００の回転数が一定ではない場合、動吸振器４００の共振周波数ｆを吸入管１１７の固有振動数の近傍に設定することにより、吸入管１１７の振動が最も大きくなり破損の危険が大きい周波数において、圧力脈動に起因する振動を、より効果的に打ち消すことができる。
【００３５】
以上、実施の形態１〜３では、２段ロータリ型膨張機の場合を例にとって説明してきたが、必ずしもこの限りでは無く、レシプロ型やロータリ型、スクロール型等の容積型であれば同様であることは言うまでも無い。
【００３６】
また、冷凍サイクル装置の作動流体がフロンの場合と比べて密度が高い二酸化炭素の場合の方が、圧力脈動に起因する振動が大きくなるので、振動を打ち消す効果が顕著になるが、作動流体としてフロンを用いても同様の効果が得られることは言うまでも無い。
【００３７】
一般的に、容積型膨張機は高圧の作動流体を低圧へと膨張させるので、圧縮機の場合と比べて吸入管１１７の作動流体の密度が高くなる。従って、容積型膨張機をランキンサイクル装置等、冷凍サイクル装置１２０以外に用いる場合でも、同様の効果が得られることは言うまでも無い。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明の容積型膨張機は、冷凍サイクル装置における作動流体の膨張エネルギーを回収する動力回収手段として有用であるとともに、冷凍サイクル装置以外の作動流体からのエネルギー回収手段として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施の形態１における２段ロータリ型膨張機の横断面図
【図２】（ａ）図１に示す２段ロータリ型膨張機の動吸振器のＤ３−Ｄ３線における断面図（ｂ）図１に示す２段ロータリ型膨張機の動吸振器のＤ３−Ｄ３線における断面図
【図３】本発明の実施の形態２における２段ロータリ型膨張機の横断面図
【図４】本発明の実施の形態３における２段ロータリ型膨張機の横断面図
【図５】従来の２段ロータリ型膨張機の縦断面図
【図６】（ａ）図５に示す２段ロータリ型膨張機のＤ１−Ｄ１線における横断面図（ｂ）図５に示す２段ロータリ型膨張機のＤ２−Ｄ２線における横断面図
【図７】（ａ）シャフトの回転角と吸入行程における作動室の容積変化の関係を示す図（ｂ）シャフトの回転角と吸入孔を流れる作動流体の流速の関係を示す図
【図８】容積型膨張機を用いた冷凍サイクル装置の構成図
【符号の説明】
【００４０】
１００ ２段ロータリ型膨張機
１０１ 発電機
１０２ 密閉容器
１０３ シャフト
１０３ａ 第１の偏心部
１０３ｂ 第２の偏心部
１０４ 中板
１０４ａ 連通孔
１０５ 第１のシリンダ
１０６ 第２のシリンダ
１０９ 第１のピストン
１１０ 第２のピストン
１１５ａ，１１６ａ （吸入側空間の）作動室
１１５ｂ，１１６ｂ （吐出側空間の）作動室
１１７ 吸入管
１２０ 冷凍サイクル装置
１２１ 圧縮機
１２２ ガスクーラ
１２３ 容積型膨張機
１２４ 蒸発器
１２５ 配管
２００，３００，４００ 動吸振器
２０１，２０４，３０１，４０１ 振動子
２０２，４０２ コイルばね
２０３，３０３，４０３ 台座
３０２ 板ばね
【特許請求の範囲】
【請求項１】
密閉容器と、
前記密閉容器内に収容され、作動流体を膨張させる作動室と、
前記作動室に前記作動流体を導く吸入管と、
バネと前記吸入管の軸方向に単振動する振動子とを含む防振装置と、
を備えた容積型膨張機。
【請求項２】
前記防振装置を前記吸入管に設けた、請求項１に記載の容積型膨張機。
【請求項３】
前記振動子の前記吸入管に垂直な断面の重心が前記吸入管の中心に一致している、請求項２に記載の容積型膨張機。
【請求項４】
前記振動子を前記吸入管が貫通する形状である、請求項２または３に記載の容積型膨張機。
【請求項５】
前記バネをコイルばねとし、前記コイルばねの中を前記吸入管が貫通する、請求項１〜４のいずれかに記載の容積型膨張機。
【請求項６】
前記作動流体が二酸化炭素である、請求項１〜５のいずれかに記載の容積型膨張機。
【請求項１】
密閉容器と、
前記密閉容器内に収容され、作動流体を膨張させる作動室と、
前記作動室に前記作動流体を導く吸入管と、
バネと前記吸入管の軸方向に単振動する振動子とを含む防振装置と、
を備えた容積型膨張機。
【請求項２】
前記防振装置を前記吸入管に設けた、請求項１に記載の容積型膨張機。
【請求項３】
前記振動子の前記吸入管に垂直な断面の重心が前記吸入管の中心に一致している、請求項２に記載の容積型膨張機。
【請求項４】
前記振動子を前記吸入管が貫通する形状である、請求項２または３に記載の容積型膨張機。
【請求項５】
前記バネをコイルばねとし、前記コイルばねの中を前記吸入管が貫通する、請求項１〜４のいずれかに記載の容積型膨張機。
【請求項６】
前記作動流体が二酸化炭素である、請求項１〜５のいずれかに記載の容積型膨張機。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００７−１９２１４９（Ｐ２００７−１９２１４９Ａ）
【公開日】平成１９年８月２日（２００７．８．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１１９７３（Ｐ２００６−１１９７３）
【出願日】平成１８年１月２０日（２００６．１．２０）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年８月２日（２００７．８．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１月２０日（２００６．１．２０）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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