膨張機ユニット及びそれを備えた冷凍サイクル装置
【課題】コンパクトな構造を実現しつつ、サブ圧縮機に流入する冷媒流量と吸入可能な冷媒流量とのずれの調整を自動的に実行できる膨張機ユニット、及びその膨張機ユニットを備えることで広範囲な運転条件を可能とし、信頼性が高く、高効率な冷凍サイクル装置を提供する。
【解決手段】膨張機ユニット１は、吸入室３７４又はサブ圧縮室３６３の少なくとも一方とサブ圧縮吐出空間３７０とを連通させるバイパスポート３６１ｆと、バイパスポート３６１ｆを連通・遮断するバイパス逆止弁３３１と、を密閉容器３１０内に有している。
【解決手段】膨張機ユニット１は、吸入室３７４又はサブ圧縮室３６３の少なくとも一方とサブ圧縮吐出空間３７０とを連通させるバイパスポート３６１ｆと、バイパスポート３６１ｆを連通・遮断するバイパス逆止弁３３１と、を密閉容器３１０内に有している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷媒の膨張時に発生する膨張動力を回収し、その膨張動力を用いて冷媒の圧縮に利用する膨張機ユニット及びそれを備えた冷凍サイクル装置に関するものであり、特に膨張機ユニット内に内蔵されているサブ圧縮機のバイパス構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、冷媒の膨張時に発生する膨張動力を回収し、その膨張動力を用いて冷媒の圧縮に利用する膨張機ユニットを備えた冷凍サイクル装置が存在している。このような冷凍サイクル装置では、サブ圧縮機構と膨張機構とを収納する膨張機ユニットの容器外部にサブ圧縮機に流入する冷媒流量の調整を行うためのバイパス管が設けられ、このバイパス管に吸入管と吐出管との冷媒流通を規制するバイパス逆止弁が設けられていることが多い（たとえば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−９４３７９号公報（第３頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述のような冷凍サイクル装置では、バイパス管及びバイパス逆止弁を設けるためのスペースを膨張機ユニットの外部に確保しなければならず、装置が大型化してしまうという問題がある。また、このような冷凍サイクルでは、主圧縮機から冷媒ガスとともに吐出される冷凍機油の量が多い場合、冷媒中に混在する冷凍機油による熱交換性能の低下が生じたり、起動時に主圧縮機内の冷凍機油が外部に持ち出され、主圧縮機内部の摺動部に十分な給油が行なわれず、摺動部に焼き付きが生じたりする可能性があった。
【０００５】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、コンパクトな構造を実現しつつ、サブ圧縮機に流入する冷媒流量と吸入可能な冷媒流量とのずれの調整を自動的に実行できる膨張機ユニット、及びその膨張機ユニットを備えることで広範囲な運転条件を可能とし、信頼性が高く、高効率な冷凍サイクル装置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】
【０００６】
本発明に係る膨張機ユニットは、冷媒の減圧時の膨張動力を回収する膨張機及びその膨張動力を用いて冷媒を圧縮するサブ圧縮機を密閉容器に収容し、前記サブ圧縮機に供給する冷媒を吸入するサブ圧縮機吸入管及び前記サブ圧縮機で圧縮された冷媒を吐出するサブ圧縮機吐出管を前記密閉容器内部に連通させた膨張機ユニットであって、前記サブ圧縮機内に形成され、冷媒を圧縮するサブ圧縮室と、前記サブ圧縮機内に形成され、前記サブ圧縮機吸入管から前記サブ圧縮室に至るまでの吸入室と、前記サブ圧縮室に連通し、前記サブ圧縮室で圧縮された冷媒を吐出するサブ圧縮機吐出ポートと、前記サブ圧縮機内に形成され、前記サブ圧縮機吐出ポートから冷媒が吐出される吐出室と、前記密閉容器内に備えられ、前記吐出室からの冷媒が通過するサブ圧縮吐出空間と、前記密閉容器内に形成され、潤滑油を蓄える油溜め空間と、前記サブ圧縮機及び前記膨張機を貫通し、前記サブ圧縮吐出空間と前記油溜め空間とを連通する油戻し孔と、前記密閉容器内に備えられ、前記吸入室又は前記サブ圧縮室の少なくとも一方と前記サブ圧縮吐出空間とを連通させるバイパスポートと、前記密閉容器内に備えられ、前記バイパスポートを開閉するバイパス用開閉弁と、を有することを特徴とする。
【０００７】
本発明に係る冷凍サイクル装置は、上記の膨張機ユニットと、主圧縮機と、室外熱交換器と、室内熱交換器と、を有し、前記主圧縮機、前記膨張機ユニットを構成しているサブ圧縮機、前記室外熱交換器、前記膨張機ユニットを構成している前記膨張機、前記室内熱交換器を冷房運転時において直列となるように接続していることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る膨張機ユニットによれば、バイパスポート及びバイパス用開閉弁を密閉容器内に設けているので、大型化することなくコンパクトな構造とすることができる。また、膨張機ユニットによれば、バイパス用開閉弁により、サブ圧縮機に流入する過剰な流量分の冷媒のバイパスを自動的に行なうことができる。
【０００９】
本発明に係る冷凍サイクル装置によれば、膨張機ユニットを備えることにより、冷凍サイクル装置のコンパクト化を実現できるとともに、広範囲な運転条件を可能とし、信頼性が高く、高効率なものとすることができる。また、冷凍サイクル装置によれば、膨張機ユニットを油分離器として機能させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る膨張機ユニット１の構成を示す縦断面図である。図１に基づいて、膨張機ユニット１の構成について説明する。この膨張機ユニット１は、スクロール型の膨張機及び圧縮機を一体としたものであり、冷媒の膨張時に発生する膨張動力を回収し、回収した膨張動力を用いて冷媒を圧縮する機能を有しているものである。なお、図１を含め、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。また、図１を含め、以下の図面において、同一の符号を付したものは、同一又はこれに相当するものであり、このことは明細書の全文において共通することとする。
【００１１】
膨張機ユニット１は、膨張機１ａとサブ圧縮機１ｂとで構成されている。膨張機１ａ及びサブ圧縮機１ｂは、密閉容器３１０内に収納されている。この密閉容器３１０は、圧力容器となっている。図１に示すように、サブ圧縮機１ｂが密閉容器３１０の上側に、膨張機１ａが密閉容器３１０の下側に配置されている。この密閉容器３１０の内側下部には、冷凍機油等の潤滑油３１８を貯留する油溜め空間３７２が形成されている。また、密閉容器３１０の内側上部には、サブ圧縮機１ｂで圧縮された冷媒が吐出されるサブ圧縮吐出空間３７０が形成されている。
【００１２】
さらに、密閉容器３１０には、膨張機１ａに冷媒を吸入させるための膨張機吸入管３１３と、膨張機１ａから冷媒を吐出させるための膨張機吐出管３１５と、サブ圧縮機１ｂに冷媒を吸入させるためのサブ圧縮機吸入管３１２と、サブ圧縮機１ｂから冷媒を吐出させるためのサブ圧縮機吐出管３１４と、が設けられている。膨張機吸入管３１３及び膨張機吐出管３１５は、膨張機１ａの外周側における密閉容器３１０の側面から膨張機１ａに連通するように、サブ圧縮機吸入管３１２は、密閉容器３１０の上面からサブ圧縮機１ｂに連通するように、サブ圧縮機吐出管３１４は、サブ圧縮吐出空間３７０の外周側における密閉容器３１０の側面からサブ圧縮吐出空間３７０に連通するように、それぞれ設けられている。
【００１３】
また、密閉容器３１０には、油溜め空間３７２に貯留させる潤滑油３１８を主圧縮機５（実施の形態２で説明する）から供給する油配管３８０が、密閉容器３１０の底面から油溜め空間３７２に連通するように設けられている。この油溜め空間３７２に連通している油配管３８０は、主圧縮機５に連結しており、油溜め空間３７２側の先端部の位置が主圧縮機５と油溜め空間３７２に貯留される潤滑油３１８の適正油面高さよりも高い位置となるように設けられている。
【００１４】
膨張機１ａは、膨張機吸入管３１３から吸入した冷媒を減圧して膨張させ、その冷媒を膨張機吐出管３１５から吐出するものである。この膨張機１ａは、膨張機用固定スクロール３５１と膨張機用揺動スクロール３５２とを有している。図１に示すように、膨張機用固定スクロール３５１が下側に、膨張機用揺動スクロール３５２が上側に配置されている。膨張機用固定スクロール３５１を構成する台板３５１ａの一方の面には渦巻状突起である渦巻３５１ｓが立設されている。また、膨張機用揺動スクロール３５２を構成する台板３５２ａの一方の面にも渦巻状突起である渦巻３５２ｓが立設されている。
【００１５】
膨張機用固定スクロール３５１及び膨張機用揺動スクロール３５２は、渦巻３５１ｓと渦巻３５２ｓとを互いに噛み合わせるようにして配置されている。そして、渦巻３５１ｓと渦巻３５２ｓとによって、相対的に容積が変化する膨張室３５３が形成される。また、渦巻３５１ｓ及び渦巻３５２ｓの先端部には、膨張室３５３を仕切るチップシール３５４が装着されている。さらに、膨張機用固定スクロール３５１を構成する台板３５１ａには、膨張機吸入管３１３から冷媒を吸入するための膨張機吸入ポート３５１ｄが貫通形成されており、膨張機吸入管３１３と連結するようになっている。
【００１６】
サブ圧縮機１ｂは、サブ圧縮機吸入管３１２から吸入した冷媒を圧縮して、サブ圧縮機吐出管３１４から吐出するものである。このサブ圧縮機１ｂは、サブ圧縮機用固定スクロール３６１とサブ圧縮機用揺動スクロール３６２とを有している。図１に示すように、サブ圧縮機用固定スクロール３６１が上側に、サブ圧縮機用揺動スクロール３６２が下側に配置されている。サブ圧縮機用固定スクロール３６１を構成する台板３６１ａの一方の面には渦巻状突起である渦巻３６１ｓが立設されている。また、サブ圧縮機用揺動スクロール３６２を構成する台板３６２ａの一方の面にも渦巻状突起である渦巻３６２ｓが立設されている。
【００１７】
サブ圧縮機用固定スクロール３６１及びサブ圧縮機用揺動スクロール３６２は、渦巻３６１ｓと渦巻３６２ｓとを互いに噛み合わせるようにして配置されている。そして、渦巻３６１ｓと渦巻３６２ｓとによって、相対的に容積が変化するサブ圧縮室３６３が形成される。また、渦巻３６１ｓ及び渦巻３６２ｓの先端部には、サブ圧縮室３６３を仕切るチップシール３６４が装着されている。さらに、サブ圧縮機用固定スクロール３６１を構成する台板３６１ａには、サブ圧縮機吸入管３１２から冷媒を吸入するためのサブ圧縮機吸入ポート３６１ｄと、台板３６１ａ内部に形成されている吐出室３６１ｇに冷媒を吐出するためのサブ圧縮機吐出ポート３６１ｅと、吸入した冷媒をバイパス逆止弁室３６１ｈにバイパスするためのバイパスポート３６１ｆと、が形成されている。
【００１８】
サブ圧縮機吸入ポート３６１ｄは、サブ圧縮機吸入管３１２に連結されるように形成されている。サブ圧縮機吐出ポート３６１ｅの吐出室３６１ｇ側の先端部には、吐出弁３３０が設けられている。この吐出弁３３０は、開閉することでサブ圧縮機吐出ポート３６１ｅと吐出室３６１ｇとを連通・遮断するようになっている。サブ圧縮機吐出ポート３６１ｅから吐出された冷媒は、吐出室３６１ｇを経由してからサブ圧縮吐出空間３７０に到達するようになっている。
【００１９】
バイパスポート３６１ｆのバイパス逆止弁室３６１ｈ側の先端部には、バイパス逆止弁３３１が設けられている。このバイパス逆止弁３３１は、バイパス用開閉弁として機能し、開閉することでバイパスポート３６１ｆとバイパス逆止弁室３６１ｈとを連通・遮断するようになっている。バイパスポート３６１ｆにバイパスされた冷媒は、バイパス逆止弁室３６１ｈを経由してからサブ圧縮吐出空間３７０に到達するようになっている。
【００２０】
また、サブ圧縮機１ｂからの冷媒の漏洩を防止するために、サブ圧縮機用固定スクロール３６１とサブ圧縮機用揺動スクロール３６２との間に外周シール３６５が設けられている。この外周シール３６５は、サブ圧縮機用固定スクロール３６１とサブ圧縮機用揺動スクロール３６２との間に形成される吸入室３７４の最外周側の壁面であって、サブ圧縮機用固定スクロール３６１とサブ圧縮機用揺動スクロール３６２との対向面に設けられており、吸入室３７４と揺動スクロール運動空間３７１とを気密にシールするようになっている。吸入室３７４は、サブ圧縮機吸入管３１２からサブ圧縮室３６３に至るまでの冷媒通路となっている。
【００２１】
膨張機用固定スクロール３５１、膨張機用揺動スクロール３５２、サブ圧縮機用固定スクロール３６１、及び、サブ圧縮機用揺動スクロール３６２の中心部には、軸３０８が貫通している。なお、膨張機用揺動スクロール３５２の渦巻３５２ｓとサブ圧縮機用揺動スクロール３６２の渦巻３６２ｓとは、背面合わせ構造又は台板を共有して一体型に構成されている。サブ圧縮機用固定スクロール３６１とサブ圧縮機用揺動スクロール３６２との間には、揺動スクロールの公転運動中における自転運動を規制し、公転運動を可能とするためのオルダムリング３０７が設けられている。
【００２２】
軸３０８の上端部にはバランスウェイト３０９ａが、下端部にはバランスウェイト３０９ｂがそれぞれ設けられている。バランスウェイト３０９ａ及びバランスウェイト３０９ｂは、軸３０８の回転時におけるバランスを調整するものであり、材質及び大きさ、形状等を特に限定するものではない。この軸３０８は、膨張機構側軸受け部３５１ｂと、サブ圧縮機構側軸受け部３６１ｂとで支持されるようになっている。また、膨張機用揺動スクロール３５２及びサブ圧縮機用揺動スクロール３６２（以下、単に揺動スクロールとして説明する場合があるものとする）の中央部には、揺動スクロールを偏心駆動するクランク部３０８ｂが設けられている。
【００２３】
軸３０８の下端には、油溜め空間３７２に貯留されている潤滑油３１８を汲み上げるための給油ポンプ３０６が装着されている。給油ポンプ３０６で汲み上げられた潤滑油３１８は、軸３０８内に形成されている給油孔３０８ｃを通って、膨張機構側軸受け部３５１ｂ及びサブ圧縮機構側軸受け部３６１ｂに供給されるようになっている。また、膨張機用固定スクロール３５１及びサブ圧縮機用固定スクロール３６１の外周部には、サブ圧縮機１ｂ及び膨張機１ａを貫通してサブ圧縮吐出空間３７０と油溜め空間３７２とを連通させる油戻し孔３１７が形成されている。この油戻し孔３１７は、揺動スクロール運動空間３７１（揺動スクロールの公転運動を可能にするための空間）を経由しないように形成されており、サブ圧縮吐出空間３７０にある潤滑油３１８を油溜め空間３７２に戻すようになっている。
【００２４】
図２は、サブ圧縮機１ｂの構成を示す平面図である。この図２は、図１で示した膨張機ユニット１のＡ−Ａ断面図を示している。ただし、図２では、軸３０８を省略しているものとする。図２に基づいて、サブ圧縮機１ｂの渦巻３６１ｓ及び渦巻３６２ｓを組み合わせた状態について詳細に説明する。図１で説明したように、サブ圧縮機１ｂは、サブ圧縮機用固定スクロール３６１の渦巻３６１ｓとサブ圧縮機用揺動スクロール３６２の渦巻３６２ｓとを互いに噛み合わせ、相対的に容積が変化するサブ圧縮室３６３が形成されるように構成されている。
【００２５】
図２に示すように、サブ圧縮機吸入ポート３６１ｄ及びバイパスポート３６１ｆは、サブ圧縮機用揺動スクロール３６２の最外周に位置する渦巻３６２ｓと干渉しない位置に形成されている。また、サブ圧縮室３６３の最外周壁と、サブ圧縮機用固定スクロール３６１とサブ圧縮機用揺動スクロール３６２との間に設けた外周シール３６５と、で囲まれた空間がサブ圧縮機１ｂの吸入室３７４となっている。この外周シール３６５は、Ｏ−リング等のように円環状に構成され、サブ圧縮機用固定スクロール３６１とサブ圧縮機用揺動スクロール３６２との間に設けられている。
【００２６】
ここで、膨張機ユニット１の動作を図１及び図２に基づいて簡単に説明する。
サブ圧縮機１ｂでは、サブ圧縮機吸入管３１２から流入した冷媒が、サブ圧縮機吸入ポート３６１ｄ及び吸入室３７４を介してサブ圧縮室３６３に供給され、膨張機１ａで回収された動力に釣り合う分だけ圧縮され、サブ圧縮機吐出ポート３６１ｅ及び吐出室３６１ｇを経てサブ圧縮吐出空間３７０を通過し、サブ圧縮機吐出管３１４から吐出される。圧縮行程は、膨張機１ａで発生した駆動力が、一体型に構成された膨張機用揺動スクロール３５２とサブ圧縮機用揺動スクロール３６２とを介してサブ圧縮機１ｂに直接伝達され、サブ圧縮機用揺動スクロール３６２が公転運動し、サブ圧縮室３６３の容積を徐々に縮小させて冷媒を圧縮するようになっている。
【００２７】
一方、膨張機１ａでは、膨張機吸入管３１３から流入した冷媒が、膨張機吸入ポート３５１ｄを介して膨張室３５３に供給され、減圧され、揺動スクロール運動空間３７１を経て膨張機吐出管３１５から吐出される。膨張行程は、膨張室３５３に吸い込まれた高圧の冷媒が、低圧となる揺動スクロール運動空間３７１との圧力差に応じた膨張動力を発生し、発生した膨張動力によって膨張室３５３の容積を拡大する方向へ膨張機用揺動スクロール３５２を公転運動させるようになっている。このように、膨張機ユニット１では、膨張機１ａで冷媒を減圧する際に発生する膨張動力を回収し、その膨張動力を用いてサブ圧縮機１ｂで冷媒を圧縮するようになっている。
【００２８】
図３は、サブ圧縮機１ｂ内で高低圧力差ありの場合のサブ圧縮機１ｂにおける冷媒ガス及び潤滑油３１８の流れを説明するための縦断面図である。図４は、サブ圧縮機１ｂ内で高低圧力差なしの場合のサブ圧縮機１ｂにおける冷媒ガス及び潤滑油３１８の流れの一例を説明するための縦断面図である。図５は、高低圧力差なしの場合のサブ圧縮機１ｂにおける冷媒ガス及び潤滑油３１８の流れの他の一例を説明するための縦断面図である。図３〜図５に基づいて、膨張機ユニット１の冷媒及び潤滑油３１８の流れについて詳細に説明する。始めに図３に基づいてサブ圧縮機１ｂ内に高低圧力差が生じている際の動作について説明し、それから図４及び図５に基づいてサブ圧縮機１ｂに高低圧力差が生じていない際の動作について説明するものとする。なお、図３〜図５において、白抜き矢印は冷媒の流れを示し、黒塗り矢印は潤滑油の流れを示している。
【００２９】
［高低圧力差ありの場合］
まず、冷媒の流れ（図３で示す白抜き矢印）について説明する。膨張機１ａに流入した高圧の冷媒は、膨張室３５３内を経由し、膨張される。このとき、動力が発生する。そして、膨張室３５３内で膨張・減圧した冷媒は、揺動スクロール運動空間３７１を経由して膨張機吐出管３１５から密閉容器３１０外へ吐出されることになる。膨張機１ａで発生した膨張動力によって、サブ圧縮機吸入管３１２からサブ圧縮機１ｂに流入した冷媒がサブ圧縮室３６３を経由することで圧縮・昇圧される。
【００３０】
サブ圧縮室３６３内で圧縮・昇圧された冷媒は、一旦密閉容器３１０内のサブ圧縮吐出空間３７０に吐出された後、サブ圧縮機吐出管３１４から密閉容器３１０外へ吐出されることになる。このとき、揺動スクロール運動空間３７１とサブ圧縮機１ｂとが外周シール３６５によってシールされているため、揺動スクロール運動空間３７１内は、膨張後圧力となっている。一方、油溜め空間３７２内は、揺動スクロール運動空間３７１を経由しない油戻し孔３１７を通じてサブ圧縮吐出空間３７０と同じサブ圧縮機１ｂの圧縮後圧力となっている。なお、バイパス逆止弁３３１は、サブ圧縮機１ｂの高低圧力差により、閉止されている。
【００３１】
つぎに、潤滑油３１８の流れ（図３で示す黒塗り矢印）について説明する。潤滑油３１８は、サブ圧縮機１ｂにおいて冷媒ガスとともに循環するようになっている。主圧縮機５から冷媒ガスとともにサブ圧縮機１ｂに吸い込まれた潤滑油３１８は、サブ圧縮機吐出ポート３６１ｅから吐出弁３３０を経て、サブ圧縮吐出空間３７０に流入する。この潤滑油３１８は、サブ圧縮吐出空間３７０内で気液分離され、サブ圧縮機用固定スクロール３６１上面に溜まった後、油戻し孔３１７を経由して油貯留部として機能する油溜め空間３７２へ戻される。さらに、油溜め空間３７２に貯留される過剰な潤滑油３１８は、密閉容器３１０の底部に設けた油配管３８０を経由して、主圧縮機５と油溜め空間３７２との差圧で主圧縮機５内に戻され、油溜め空間３７２に貯留される潤滑油３１８の油面が適正な位置に保持される。
【００３２】
［高低圧力差なしの場合の一例］
まず、冷媒の流れ（図４で示す白抜き矢印）について説明する。サブ圧縮機１ｂに高低圧力差が生じない場合とは、たとえば起動時や冷房運転でのみ膨張機１ａを使用する冷凍システムの暖房運転時、回転数が低い運転時等の場合である。このようなとき、サブ圧縮機１ｂの吸入流量が主圧縮機５の吐出流量を下回ることになり、サブ圧縮機１ｂの吸入圧力が圧縮後圧力よりも上昇して、バイパス逆止弁３３１が開放状態となる。バイパス逆止弁３３１が開放状態になると、吸入された冷媒の全部がサブ圧縮室３６３を経由するのではなく、一部がバイパスされることになる。
【００３３】
すなわち、サブ圧縮機吸入管３１２から吸入された冷媒は、サブ圧縮室３６３を経由してサブ圧縮吐出空間３７０に吐出される経路と、バイパスポート３６１ｆからバイパス逆止弁３３１を経てサブ圧縮吐出空間３７０に至る経路と、に分かれることになるのである。この２分岐された冷媒は、サブ圧縮吐出空間３７０で合流した後、サブ圧縮機吐出管３１４から密閉容器３１０外へ吐出されることになる。サブ圧縮機１ｂに高低圧力差が生じていない場合は、このような経路で冷媒が流れることになるのである。
【００３４】
つぎに、潤滑油３１８の流れ（図４で示す黒塗り矢印）について説明する。冷媒ガスとともに循環する潤滑油３１８についても、冷媒ガスと同様に、サブ圧縮室３６３を経由してサブ圧縮吐出空間３７０に吐出される経路と、バイパスポート３６１ｆからバイパス逆止弁３３１を経てサブ圧縮吐出空間３７０に至る経路と、に分かれて、サブ圧縮吐出空間３７０に流入する。冷媒ガスとともに流入した潤滑油３１８は、サブ圧縮吐出空間３７０内で気液分離され、サブ圧縮機用固定スクロール３６１の上面に溜まった後、油戻し孔３１７を経由して油貯留部として機能する油溜め空間３７２へ戻されることになる。
【００３５】
［高低圧力差なしの場合の他の一例］
冷媒の流れ（図５で示す白抜き矢印）及び潤滑油３１８の流れ（図５で示す黒塗り矢印）を併せて説明する。サブ圧縮機１ｂに高低圧力差が生じておらず、サブ圧縮機１ｂが回転していない場合、冷凍サイクル装置を流れる冷媒ガス及び潤滑油３１８の全量がバイパスポート３６１ｆを流れ、サブ圧縮吐出空間３７０に流入することになる。その後、冷媒ガスは、サブ圧縮機吐出管３１４を経て密閉容器３１０外へ吐出される。一方、冷媒ガスとともに流入した潤滑油３１８は、サブ圧縮吐出空間３７０内で気液分離され、サブ圧縮機用固定スクロール３６１の上面に溜まったのち、油戻し孔３１７を経由して油貯留部として機能する油溜め空間３７２へ戻されることになる。
【００３６】
以上より、この実施の形態１に係る膨張機ユニット１では、主圧縮機５の吐出流量よりもサブ圧縮機１ｂの吸入流量が小さい場合、膨張機ユニット１内に設けたバイパス逆止弁３３１により、過剰な流量分の冷媒のバイパスが自動的に行われるとともに、冷媒とともに循環する潤滑油３１８が、常にサブ圧縮機１ｂのサブ圧縮吐出空間３７０を経由させることができる。この潤滑油３１８は、サブ圧縮吐出空間３７０内で気液分離されてから、油戻し孔３１７を経由して油貯留部として機能する油溜め空間３７２へ戻されることになる。
【００３７】
ここで、膨張機ユニット１内の給油機構について説明する。
膨張機１ａの膨張動力によって軸３０８が回転すると、給油ポンプ３０６によって、油溜め空間３７２に貯留されている潤滑油３１８が、軸３０８内部に形成されている給油孔３０８ｃを通って膨張機構側軸受け部３５１ｂ、サブ圧縮機構側軸受け部３６１ｂ及びクランク部３０８ｂへ供給される。また、膨張機構側軸受け部３５１ｂ、サブ圧縮機構側軸受け部３６１ｂ及びクランク部３０８ｂへ供給された潤滑油３１８のうちサブ圧縮吐出空間３７０へ漏洩した潤滑油３１８は、油戻し孔３１７を経由して油溜め空間３７２へ戻される。
【００３８】
上記の構成により、膨張機ユニット１は、バイパスポート３６１ｆ及びバイパス逆止弁３３１を密閉容器３１０内に設けているので、大型化することなくコンパクトな構造とすることができる。また、膨張機ユニット１は、バイパス逆止弁３３１により、サブ圧縮機１ｂに流入する過剰な流量分の冷媒のバイパスを自動的に行なうことができる。さらに、膨張機ユニット１は、冷媒とともに循環する潤滑油３１８を、常にサブ圧縮機１ｂのサブ圧縮吐出空間３７０に経由させ、気液分離するので、油分離器としての機能を兼用させることができる。
【００３９】
実施の形態２．
図６は、本発明の実施の形態２に係る冷凍サイクル装置５００の回路構成を模式的に示す回路図である。図６に基づいて、冷凍サイクル装置５００の回路構成について説明する。この冷凍サイクル装置５００は、冷媒（たとえば、二酸化炭素等の超臨界流体）を循環させる冷凍サイクルを利用することで冷房運転又は暖房運転を実行できるものである。この図６には、冷房運転時における冷媒の流れを実線矢印で、暖房運転時における冷媒の流れを破線矢印でそれぞれ表している。
【００４０】
実施の形態２に係る冷凍サイクル装置５００は、実施の形態１に係る膨張機ユニット１を備えたことを特徴としている。この冷凍サイクル装置５００は、図６に示すように、室外ユニット１００と室内ユニット２００が冷媒配管で接続されて構成されている。冷凍サイクル装置５００に使用する冷媒としては、たとえば臨界温度（約３１℃）以上で超臨界状態となり、熱交換が顕熱変化となる二酸化炭素を想定している。なお、図６では、１台の室外ユニット１００と、１台の室内ユニット２００とが接続されている場合を例に示しているが、各ユニットの接続台数を図示してある台数に限定するものではない。
【００４１】
［室外ユニット１００］
室外ユニット１００は、室外等に設置され、室内ユニット２００に冷熱を供給する機能を有している。この室外ユニット１００には、主圧縮機５と、膨張機ユニット１のサブ圧縮機１ｂと、第１四方弁２と、室外熱交換器３と、第２四方弁４と、予膨張弁６と、膨張機ユニット１の膨張機１ａと、が冷房運転時において直列となるように接続されて設けられている。また、室外ユニット１００には、冷房運転時において第２四方弁４に流入する一部の冷媒を迂回させるバイパス弁７が設けられている。
【００４２】
主圧縮機５は、冷媒を吸入し、その冷媒を圧縮して高温・高圧の状態にするものであり、たとえば容量制御可能なインバータ圧縮機などで構成するとよい。第１四方弁２及び第２四方弁４は、流路切替手段として機能するものであり、暖房運転時における冷媒の流れと冷房運転時における冷媒の流れとを切り替えるものである。室外熱交換器３は、第１四方弁２と第２四方弁４との間に設置されており、運転モードに応じて放熱器又は蒸発器として機能し、図示省略のファン等の室外送風機から強制的に供給される空気と冷媒との間で熱交換を行なうものである。
【００４３】
予膨張弁６は、膨張機１ａの入口側に設けられて開閉弁として機能し、膨張機１ａとサブ圧縮機１ｂとにおける通過冷媒流量と動力とを一致させるものである。バイパス弁７は、室外熱交換器３と第２四方弁４とを接続している冷媒配管を分岐させ、第２四方弁４を迂回するようにした冷媒配管に予膨張弁６と並列となるように設けられており、予膨張弁６と同様に開閉弁として機能するものである。つまり、予膨張弁６と第１バイパス弁７とによって、膨張機１ａとサブ圧縮機１ｂとにおける通過冷媒流量と動力とを一致させるようになっている。
【００４４】
［室内ユニット２００］
室内ユニット２００は、空調対象域を有する部屋等に設置され、その空調対象域に冷房用空気あるいは暖房用空気を供給する機能を有している。室内ユニット２００には、室内熱交換器９が設けられている。室内熱交換器９は、暖房運転時には放熱器として機能し、冷房運転時には蒸発器として機能し、図示省略のファン等の室内送風機から強制的に供給される空気と冷媒との間で熱交換を行ない、空調対象域に供給するための暖房空気あるいは冷房空気を作成するものである。
【００４５】
ここで、冷凍サイクル装置５００の冷房運転時における動作について説明する。
図７は、冷房運転時における冷媒の変遷を示すｐ−ｈ線図（冷媒の圧力（縦軸）とエンタルピ（横軸）との関係を示す線図）である。図６及び図７に基づいて、冷凍サイクル装置５００の冷房運転時における動作を冷媒状態の変遷に基づいて説明する。なお、図６に示す点［Ａ］〜点［Ｇ］の冷媒状態は、それぞれ図７に示す［Ａ］〜［Ｇ］での冷媒状態を示している。
【００４６】
冷凍サイクル装置５００が冷房運転を行なう場合、室外ユニット１００では、第１四方弁２を、サブ圧縮機１ｂと室外熱交換器３とを接続するように、つまり第１四方弁２の第１口２ａと第２口２ｂとを連通し、第３口２ｃと第４口２ｄとを連通するように切り替え、第２四方弁４を、室外熱交換器３と予膨張弁６とを接続するように、つまり第２四方弁４の第１口４ａと第４口４ｄとを連通し、第２口４ｂと第３口４ｃとを連通するように切り替える。この状態で、主圧縮機５の運転を開始する。
【００４７】
まず、低温・低圧のガス冷媒が主圧縮機５によって圧縮され、高温・高圧の超臨界状態の冷媒となって吐出される（状態［Ａ］）。主圧縮機５から吐出された超臨界状態の冷媒は、サブ圧縮機１ｂに流入する。サブ圧縮機１ｂは、予膨張弁６を通過して流入した冷媒を減圧する膨張機１ａによって駆動される。つまり、サブ圧縮機１ｂに流入した冷媒は、膨張機１ａで回収された動力に釣り合う分だけ圧縮される。サブ圧縮機１ｂから吐出された冷媒は、第１四方弁２の第１口２ａから第２口２ｂを通って（状態［Ｃ］）、室外熱交換器３に流入する。
【００４８】
室外熱交換器３に流入した冷媒は、この室外熱交換器３で図示省略の室外送風機から供給される被加熱媒体である空気に放熱して冷却される（状態［Ｄ］）。この冷媒は、室外熱交換器３から流出し、第２四方弁４の第２口４ａから第３口４ｃを経て予膨張弁６に流入する。予膨張弁６に流入した冷媒は、この予膨張弁６で膨張機１ａに流入する際の入口密度が調節される（状態［Ｅ］）。予膨張弁６から流出した冷媒は、膨張機１ａに流入し、減圧され（状態［Ｆ］）、膨張動力が回収される。膨張機１ａから流出した冷媒は、第２四方弁４の第１口４ａから第４口４ｄを通って、室外ユニット１００から流出し、室内ユニット２００に流入する。このとき、バイパス弁７の開度は、サブ圧縮機１ｂを通過する冷媒流量と回収動力とが釣り合うように制御される。
【００４９】
室内ユニット２００に流入した冷媒は、室内熱交換器９に流入し、図示省略の室内送風機から供給される空気と熱交換することで、空調対象域の熱負荷を処理する（状態［Ｂ］）。つまり、室内熱交換器９では、空調対象域に供給する冷房空気を作成するのである。この冷媒は、室内熱交換器９及び室内ユニット２００から流出し、室外ユニット１００に流入する。室外ユニット１００に流入した冷媒は、第１四方弁２の第４口２ｄから第３口２ｃを通って主圧縮機５に流入する（状態［Ｇ］）。このとき、圧力損失によって圧力が少し減少してから、主圧縮機５に吸入される。
【００５０】
次に、冷凍サイクル装置５００の暖房運転時における動作について説明する。
図８は、暖房運転時における冷媒の変遷を示すｐ−ｈ線図（冷媒の圧力（縦軸）とエンタルピ（横軸）との関係を示す線図）である。図６及び図８に基づいて、冷凍サイクル装置５００の暖房運転時における動作を冷媒状態の変遷に基づいて説明する。なお、図６に示す点［Ａ］〜点［Ｇ］の冷媒状態は、それぞれ図８に示す［Ａ］〜［Ｇ］での冷媒状態である。
【００５１】
この図６では、冷房運転時と同様に、暖房運転時においても膨張機１ａを利用している例を示している。ただし、暖房運転時では、冷房運転時とは異なり、膨張機ユニット１における膨張機１ａの入口部とサブ圧縮機１ｂの入口部との冷媒の密度比が大きくなるため、通過冷媒流量と回収動力とをバランスさせるための膨張動力の回収ロスが大きくなってしまう。そこで、必要に応じて第２四方弁４を廃止して、暖房運転時においては膨張機ユニット１を利用しないようにしてもよい。
【００５２】
冷凍サイクル装置５００が暖房運転を行なう場合、室外ユニット１００では、第１四方弁２を、サブ圧縮機１ｂと室内熱交換器９とを接続するように、つまり第１四方弁２の第１口２ａと第４口２ｄとを連通し、第２口２ｂと第３口２ｃとを連通するように切り替え、第２四方弁４を、室内熱交換器９と予膨張弁６とを接続するように、つまり第２四方弁４の第１口４ａと第２口４ｂとを連通し、第３口４ｃと第４口４ｄとを連通するように切り替える。この状態で、主圧縮機５の運転を開始する。なお、暖房運転時における冷凍サイクル装置５００では、基本的な減圧機能は膨張機ユニット１の膨張機１ａで実現され、減圧量が不足する場合には室内熱交換器９の出口温度が室内の負荷に応じた適切な温度となるように予膨張弁６で減圧量が調整されるようになっている。
【００５３】
まず、低温・低圧のガス冷媒が主圧縮機５によって圧縮され、高温・高圧の超臨界状態の冷媒となって吐出される（状態［Ａ］）。主圧縮機５から吐出された超臨界状態の冷媒は、サブ圧縮機１ｂに流入する。この冷媒は、このサブ圧縮機１ｂで更に圧縮される。サブ圧縮機１ｂから流出した冷媒は、第１四方弁２の第１口２ａから第４口２ｄを経由して、室内ユニット２００に流入する（状態［Ｂ］）。室内ユニット２００に流入した冷媒は、室内熱交換器９に流入する。室内熱交換器９に流入した冷媒は、この室内熱交換器９で図示省略の室内送風機から供給される室内空気に放熱して冷却される（状態［Ｆ］）。つまり、室内熱交換器９では、空調対象域に供給する暖房空気を作成するのである。室内熱交換器９から流出した中温・高圧の冷媒は、その後室外ユニット１００に流入する。
【００５４】
室外ユニット１００に流入した冷媒は、第２四方弁４の第４口４ｄから第３口４ｃを経由して、予膨張弁６に流入する。この冷媒は、予膨張弁６で少し減圧される（状態［Ｅ］）。予膨張弁６から流出した冷媒（状態［Ｅ］）は、膨張機１ａに流入し、膨張動力が回収される。膨張機１ａから流出した冷媒は、第２四方弁４の第１口４ａから第２口４ｂをを経由して（状態［Ｄ］）、室外熱交換器３に流入する。室外熱交換器３に流入した冷媒は、図示省略の室外送風機から供給される空気と熱交換することで、蒸発ガス化（状態［Ｃ］）する。その後、室外熱交換器３から流出したガス冷媒は、第１四方弁２の第２口２ｂから第３口２ｃを経由して、主圧縮機５に再度吸入されることになる（状態［Ｇ］）。このとき、圧力損失によって圧力が少し減少してから、主圧縮機５に吸入される。
【００５５】
以上のように、この実施の形態２に係る冷凍サイクル装置５００においては、主圧縮機５で冷凍サイクルの圧縮過程の一部を担い、膨張機ユニット１のサブ圧縮機１ｂで圧縮過程の残りの一部を担うようになっている。また、サブ圧縮機１ｂの圧縮動力は、膨張機１ａの回収動力によって賄われている。したがって、膨張機ユニット１を備えることにより、冷凍サイクル装置５００のコンパクト化を実現でき、広範囲な運転条件を可能とし、信頼性が高く、高効率なものとすることができる。また、膨張機ユニット１は、バイパス逆止弁３３１により、サブ圧縮機１ｂに流入する過剰な流量分の冷媒のバイパスを自動的に行なうことができる。さらに、膨張機ユニット１は、冷媒とともに循環する潤滑油３１８を、常にサブ圧縮機１ｂのサブ圧縮吐出空間３７０に経由させ、気液分離するので、油分離器としての機能を兼用させることができる。
【００５６】
また、膨張機ユニット１内で分離された潤滑油３１８が、主圧縮機５と膨張機ユニット１との間で冷凍サイクルの回路を経由することなく、主圧縮機５に直接輸送できるので、膨張機ユニット１が主圧縮機５の油分離器として機能し、冷媒中に潤滑油３１８が混在することによる熱交換性能の低下を抑制できるという効果を有する。また、起動時等の過渡運転時に主圧縮機５内の潤滑油３１８が外部に持ち出された場合にも、膨張機ユニット１から速やかに潤滑油３１８が戻されるので、主圧縮機５内部における摺動部等への潤滑油３１８不足による焼き付きを防止することを効果的に実現できる。
【００５７】
図９は、膨張・圧縮機構の冷媒流量と回転数との関係を説明するための模式図である。図９に基づいて、一般的な膨張・圧縮機構の冷媒流量と回転数との関係について説明する。図９に示すように、膨張機１ａによって駆動されるサブ圧縮機１ｂがある場合、冷媒の膨張機１ａを通過する重量流量をＧｅ、サブ圧縮機１ｂの通過流量をＧｃ、膨張機１ａの吸込み行程容積をＶｅｉ、サブ圧縮機１ｂの吸込み行程容積をＶｃｓとし、膨張機１ａの入口の冷媒比容積をνｅｉ、サブ圧縮機１ｂの入口の冷媒比容積をνｃｓとすると、膨張機１ａ側で決まる回転数ＮE は、式（１）のように表される。
【００５８】
【数１】
また、サブ圧縮機１ｂ側の回転数ＮC は、式（２）のように表される。
【数２】
したがって、膨張機１ａとサブ圧縮機１ｂとの回転数をマッチングさせる条件であるＮE ＝ＮC から、式（３）を満たさなければならないことになる。
【数３】
【００５９】
式（３）に示す膨張機１ａとサブ圧縮機１ｂの行程容積の比σｖｅｃは、ある設計条件に対して機器のディメンジョンを決める定数となる。設計条件以外で運転する場合には、式（３）を満たすように体積流量の比（Ｇｅνｅｉ／Ｇｃνｃｓ）を調整する必要が生じる。サブ圧縮機１ｂで冷凍サイクルの圧縮過程の全てを担う場合（この場合、サブ圧縮機１ｂは、膨張機１ａからの回収動力だけでなく別の駆動源を併用する必要がある）は、膨張機１ａ及びサブ圧縮機１ｂそれぞれの入口での比容積νｅｉ、νｃｓが、運転条件から決まるので、通常、バイパス弁７のようなバイパス等の手段によって重量流量Ｇｅを調整する。このとき、バイパスさせる流量は、膨張動力を回収することができない非回収流量となり、動力回収効果が低下することになるので、極力バイパス流量を抑える必要がある。
【００６０】
図７に示すように、冷凍サイクル装置５００の圧縮過程の一部（点Ｇ→点Ａ）をモータ駆動の主圧縮機５で担い、圧縮過程の残りの一部（点Ａ→点Ｃ）を回収動力駆動のサブ圧縮機１ｂで担う場合には、点Ａでの圧力に依存してサブ圧縮機１ｂ入口での比容積νｃｓが変わる。このため、点Ｄ及び点Ｇでの比容積が運転条件から決まっていても、回転数マッチングのためにサブ圧縮機１ｂ入口の比容積νｃｓを調整することが可能となる。ただし、サブ圧縮機１ｂの駆動は、膨張機１ａのみによって行なわれるので、圧縮動力を回収動力で賄うという動力のマッチングも必要となる。
【００６１】
図７で示す点Ａの圧力には下限があり、点Ａでの圧力によるサブ圧縮機１ｂ入口の比容積νｃｓの調整にも限界がある。したがって、膨張機１ａ側の動力とサブ圧縮機１ｂ側の動力とがバランスした上で、式（３）の回転数マッチングの条件を満足させなければならない。そうすると、膨張機１ａ側では、膨張機１ａと並列に設けたバイパス弁７等の開度を調整して冷媒をバイパスすることによって膨張機１ａの通過流量Ｇｅの調整を行なうようにすることになる。
【００６２】
以上のように、膨張機ユニット１のサブ圧縮機１ｂで冷凍サイクル装置５００の圧縮過程の全てを担う場合よりも、冷凍サイクル装置５００の圧縮過程の一部をモータ駆動の主圧縮機５で担い、圧縮過程の残りの一部を回収動力駆動のスクロール型の膨張機ユニット１のサブ圧縮機１ｂで担う場合の方が、サブ圧縮機１ｂ入口の比容積νｃｓによる回転数の調整とサブ圧縮機１ｂでの昇圧幅による圧縮動力の調整とが併用されるので、バイパスによる回収効果の低下を抑制できる。
【００６３】
なお、この実施の形態２では、サブ圧縮機１ｂ内にバイパス逆止弁３３１を内蔵しており、膨張機１ａが駆動され、サブ圧縮機１ｂに高低圧力差が生じている場合は、バイパス逆止弁３３１は閉止されている。一方、サブ圧縮機１ｂに高低圧力差が生じない起動時や冷房運転のみで膨張機ユニット１を使用する冷凍サイクル装置５００の暖房運転時、その他主圧縮機５からの吐出流量よりサブ圧縮機１ｂの吸入流量が下回る運転時には、バイパス逆止弁３３１が開放され、サブ圧縮機１ｂに流入する冷媒のうち過剰な流量分のバイパスが自動的に行われるようになっている。
【００６４】
実施の形態３．
図１０は、本発明の実施の形態３に係る膨張機ユニット１１の構成を示す縦断面図である。図１０に基づいて、膨張機ユニット１１の構成について説明する。この膨張機ユニット１１は、実施の形態１に係る膨張機ユニット１と同様にスクロール型の膨張機及び圧縮機を一体としたものであり、冷媒の膨張時に発生する膨張動力を回収し、回収した膨張動力を用いて冷媒を圧縮する機能を有しているものである。なお、実施の形態１に係る膨張機ユニット１との相違点を中心に説明するものとする。
【００６５】
膨張機ユニット１１は、膨張機１ａとサブ圧縮機１ｂ’とで構成されている。サブ圧縮機１ｂ’は、実施の形態１に係る膨張機ユニット１のサブ圧縮機１ｂと基本的には同様の構成をしているが、サブ圧縮機用固定スクロール３６１内部に連通路３９０を形成し、吐出室３６１ｇとバイパス逆止弁室３６１ｈとが連通路３９０で連通するようになっている。つまり、膨張機ユニット１１は、バイパスポート３６１ｆからバイパス逆止弁３３１を経由してサブ圧縮吐出空間３７０に至るバイパス経路と、サブ圧縮機吐出ポート３６１ｅから吐出弁３３０を経てサブ圧縮吐出空間３７０に至る吐出経路との２つ経路を途中（連通路３９０）で合流させ、サブ圧縮吐出空間３７０に連通する出口を１箇所にしている点で実施の形態１に係る膨張機ユニット１と相違しているのである。
【００６６】
図１１は、サブ圧縮機１ｂ’の構成を示す平面図である。この図１１は、図１０で示した膨張機ユニット１１のＡ−Ａ断面図を示している。ただし、図１１では、軸３０８を省略しているものとする。図１１に基づいて、サブ圧縮機１ｂ’の渦巻３６１ｓ及び渦巻３６２ｓを組み合わせた状態について詳細に説明する。このサブ圧縮機１ｂ’は、図１１に示す太破線で囲まれた領域に示すように、サブ圧縮機用固定スクロール３６１内部に形成した連通路３９０で吐出室３６１ｇとバイパス逆止弁室３６１ｈとを連通するように構成されている。
【００６７】
このような構造とすることによって、実施の形態１に係る膨張機ユニット１のサブ圧縮機１ｂと同様のバイパス効果が得られることに加えて、バイパス経路及び吐出経路のサブ圧縮吐出空間３７０への開口部を１箇所にまとめているので、サブ圧縮機吐出管３１４との距離を離して配置することが可能となる。したがって、サブ圧縮吐出空間３７０を油分離空間として有効に利用することが可能になり、膨張機ユニット１１による油分離効率を効果的に向上できることになる。なお、この実施の形態３に係る膨張機ユニット１１は、実施の形態１に係る膨張機ユニット１と同様に実施の形態２に係る冷凍サイクル装置５００に備えることが可能なものである。
【００６８】
実施の形態４．
図１２は、本発明の実施の形態４に係る膨張機ユニット２１の構成を示す縦断面図である。図１２に基づいて、膨張機ユニット２１の構成について説明する。この膨張機ユニット２１は、実施の形態１に係る膨張機ユニット１と同様にスクロール型の膨張機及び圧縮機を一体としたものであり、冷媒の膨張時に発生する膨張動力を回収し、回収した膨張動力を用いて冷媒を圧縮する機能を有しているものである。なお、実施の形態１に係る膨張機ユニット１及び実施の形態３に係る膨張機ユニット１１との相違点を中心に説明するものとする。
【００６９】
膨張機ユニット２１は、膨張機１ａとサブ圧縮機１ｂ’’とで構成されている。サブ圧縮機１ｂ’’は、実施の形態１に係る膨張機ユニット１のサブ圧縮機１ｂと基本的には同様の構成をしているが、バイパスポート３６１ｆ（バイパスポート３６１ｆａ及びバイパスポート３６１ｆｂ）が吸入室３７４に連通しているのではなく、サブ圧縮室３６３に連通するようになっている。また、実施の形態３に係る膨張機ユニット１１のように、バイパスポート３６１ｆからバイパス逆止弁３３１を経由してサブ圧縮吐出空間３７０に至るバイパス経路と、サブ圧縮機吐出ポート３６１ｅから吐出弁３３０を経てサブ圧縮吐出空間３７０に至る吐出経路との２つ経路を途中（連通路３９０）で合流させ、サブ圧縮吐出空間３７０に連通する出口を１箇所にしている。
【００７０】
図１３は、サブ圧縮機１ｂ’’の構成を示す平面図である。この図１３は、図１２で示した膨張機ユニット２１のＡ−Ａ断面図を示している。ただし、図１３では、軸３０８を省略しているものとする。図１３に基づいて、サブ圧縮機１ｂ’’の渦巻３６１ｓ及び渦巻３６２ｓを組み合わせた状態について詳細に説明する。サブ圧縮室３６３は、軸３０８の回転とともにサブ圧縮機用揺動スクロール３６２が回転運動することによって、２つの最外周圧縮室と１つの最内周圧縮室とが形成され、サブ圧縮室３６３の容積を徐々に減じて連続的な圧縮を行なうようになっている。
【００７１】
このサブ圧縮機１ｂ’’では、２つのバイパスポート（バイパスポート３６１ｆａ及びバイパスポート３６１ｆｂ）がそれぞれサブ圧縮機用揺動スクロール３６２の渦巻３６２ｓ及びサブ圧縮機用固定スクロール３６１の渦巻３６１ｓの先端に設けられているチップシール３６４に干渉しない流路断面形状で、圧縮に寄与するサブ圧縮機用固定スクロール３６１の内向面側渦巻開始点と外向面側渦巻開始点とから３６０度だけ内側に進んだ位置に台板３６１ａを貫通するように形成されている。
【００７２】
このような構造とすることによって、バイパスポート３６１ｆａ及びバイパスポート３６１ｆｂが圧縮行程開始直後から常に最外周圧縮室に開口するので、無駄な圧縮動力を発生させずに冷媒ガスをバイパスすることができるというバイパス効果が得られる。また、バイパスする冷媒ガスがサブ圧縮室３６３を通過するので、冷媒ガスとともに循環する潤滑油３１８により隙間シール及び渦巻摺動部を潤滑することができ、起動バイパス運転時の動力損失が小さくなり、起動応答性を効果的に向上できることになる。
【００７３】
なお、この実施の形態４では、バイパスポート３６１ｆａ及びバイパスポート３６１ｆｂを２つの最外周圧縮室にそれぞれ一箇所ずつ、圧縮に寄与するサブ圧縮機用固定スクロール３６１の渦巻３６１ｓ端から内側に３６０度だけ進んだ位置に設けたが、バイパスポート３６１ｆの形成個数を特に限定するものではなく、更に別の位置に複数のバイパスポート３６１ｆを設けてもよい。そのようにすれば、サブ圧縮機１ｂ’’のバイパス機能を更に向上できることになる。また、この実施の形態４に係る膨張機ユニット２１は、実施の形態１に係る膨張機ユニット１と同様に実施の形態２に係る冷凍サイクル装置５００に備えることが可能なものである。
【００７４】
実施の形態１、実施の形態３及び実施の形態４においては、図１２に示すようにサブ圧縮吐出空間３７０内に油分離効果促進のための遮蔽板３８１等を設けてもよい。このような遮蔽板３８１をサブ圧縮吐出空間３７０内に設けておけば、膨張機ユニットによる油分離効率を更に向上することができる。また、冷媒に二酸化炭素を使用した場合を例に説明したが、冷媒の種類を二酸化炭素に限定するものではない。臨界状態となる冷媒であればその他の冷媒でもよい。超臨界状態となる冷媒としては、たとえば二酸化炭素とエーテル（たとえば、ジメチルエーテルやハイドロフルオロエーテル等）とから構成される混合冷媒等がある。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】実施の形態１に係る膨張機ユニットの構成を示す縦断面図である。
【図２】サブ圧縮機の構成を示す平面図である。
【図３】高低圧力差ありの場合のサブ圧縮機における冷媒ガス及び潤滑油の流れを説明するための縦断面図である。
【図４】高低圧力差なしの場合のサブ圧縮機における冷媒ガス及び潤滑油の流れの一例を説明するための縦断面図である。
【図５】高低圧力差なしの場合のサブ圧縮機における冷媒ガス及び潤滑油の流れの他の一例を説明するための縦断面図である。
【図６】実施の形態２に係る冷凍サイクル装置の回路構成を模式的に示す回路図である。
【図７】冷房運転時における冷媒の変遷を示すｐ−ｈ線図である。
【図８】暖房運転時における冷媒の変遷を示すｐ−ｈ線図である。
【図９】膨張・圧縮機構の冷媒流量と回転数との関係を説明するための模式図である。
【図１０】実施の形態３に係る膨張機ユニットの構成を示す縦断面図である。
【図１１】サブ圧縮機の構成を示す平面図である。
【図１２】実施の形態４に係る膨張機ユニットの構成を示す縦断面図である。
【図１３】サブ圧縮機の構成を示す平面図である。
【符号の説明】
【００７６】
１ 膨張機ユニット、１ａ 膨張機、１ｂ サブ圧縮機、１ｂ’サブ圧縮機、１ｂ’’ サブ圧縮機、２ 第１四方弁、２ａ 第１口、２ｂ 第２口、２ｃ 第３口、２ｄ 第４口、３ 室外熱交換器、４ 第２四方弁、４ａ 第１口、４ｂ 第２口、４ｃ 第３口、４ｄ 第４口、５ 主圧縮機、６ 予膨張弁、７ バイパス弁、９ 室内熱交換器、１１ 膨張機ユニット、２１ 膨張機ユニット、１００ 室外ユニット、２００ 室内ユニット、３０６ 給油ポンプ、３０７ オルダムリング、３０８ 軸、３０８ｂ クランク部、３０８ｃ 給油孔、３０９ａ バランスウェイト、３０９ｂ バランスウェイト、３１０ 密閉容器、３１２ サブ圧縮機吸入管、３１３ 膨張機吸入管、３１４ サブ圧縮機吐出管、３１５ 膨張機吐出管、３１７ 油戻し孔、３１８ 潤滑油、３３０ 吐出弁、３３１ バイパス逆止弁、３５１ 膨張機用固定スクロール、３５１ａ 台板、３５１ｂ 膨張機構側軸受け部、３５１ｄ 膨張機吸入ポート、３５１ｓ 渦巻、３５２ 膨張機用揺動スクロール、３５２ａ 台板、３５２ｓ 渦巻、３５３ 膨張室、３５４ チップシール、３６１ サブ圧縮機用固定スクロール、３６１ａ 台板、３６１ｂ サブ圧縮機構側軸受け部、３６１ｄ サブ圧縮機吸入ポート、３６１ｅ サブ圧縮機吐出ポート、３６１ｆ バイパスポート、３６１ｆａ バイパスポート、３６１ｆｂ バイパスポート、３６１ｇ 吐出室、３６１ｈ バイパス逆止弁室、３６１ｓ 渦巻、３６２ サブ圧縮機用揺動スクロール、３６２ａ 台板、３６２ｓ 渦巻、３６３ サブ圧縮室、３６４ チップシール、３６５ 外周シール、３７０ サブ圧縮吐出空間、３７１ 揺動スクロール運動空間、３７２ 油溜め空間、３７４ 吸入室、３８０ 油配管、３８１ 遮蔽板、３９０ 連通路、５００ 冷凍サイクル装置。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷媒の膨張時に発生する膨張動力を回収し、その膨張動力を用いて冷媒の圧縮に利用する膨張機ユニット及びそれを備えた冷凍サイクル装置に関するものであり、特に膨張機ユニット内に内蔵されているサブ圧縮機のバイパス構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、冷媒の膨張時に発生する膨張動力を回収し、その膨張動力を用いて冷媒の圧縮に利用する膨張機ユニットを備えた冷凍サイクル装置が存在している。このような冷凍サイクル装置では、サブ圧縮機構と膨張機構とを収納する膨張機ユニットの容器外部にサブ圧縮機に流入する冷媒流量の調整を行うためのバイパス管が設けられ、このバイパス管に吸入管と吐出管との冷媒流通を規制するバイパス逆止弁が設けられていることが多い（たとえば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−９４３７９号公報（第３頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述のような冷凍サイクル装置では、バイパス管及びバイパス逆止弁を設けるためのスペースを膨張機ユニットの外部に確保しなければならず、装置が大型化してしまうという問題がある。また、このような冷凍サイクルでは、主圧縮機から冷媒ガスとともに吐出される冷凍機油の量が多い場合、冷媒中に混在する冷凍機油による熱交換性能の低下が生じたり、起動時に主圧縮機内の冷凍機油が外部に持ち出され、主圧縮機内部の摺動部に十分な給油が行なわれず、摺動部に焼き付きが生じたりする可能性があった。
【０００５】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、コンパクトな構造を実現しつつ、サブ圧縮機に流入する冷媒流量と吸入可能な冷媒流量とのずれの調整を自動的に実行できる膨張機ユニット、及びその膨張機ユニットを備えることで広範囲な運転条件を可能とし、信頼性が高く、高効率な冷凍サイクル装置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】
【０００６】
本発明に係る膨張機ユニットは、冷媒の減圧時の膨張動力を回収する膨張機及びその膨張動力を用いて冷媒を圧縮するサブ圧縮機を密閉容器に収容し、前記サブ圧縮機に供給する冷媒を吸入するサブ圧縮機吸入管及び前記サブ圧縮機で圧縮された冷媒を吐出するサブ圧縮機吐出管を前記密閉容器内部に連通させた膨張機ユニットであって、前記サブ圧縮機内に形成され、冷媒を圧縮するサブ圧縮室と、前記サブ圧縮機内に形成され、前記サブ圧縮機吸入管から前記サブ圧縮室に至るまでの吸入室と、前記サブ圧縮室に連通し、前記サブ圧縮室で圧縮された冷媒を吐出するサブ圧縮機吐出ポートと、前記サブ圧縮機内に形成され、前記サブ圧縮機吐出ポートから冷媒が吐出される吐出室と、前記密閉容器内に備えられ、前記吐出室からの冷媒が通過するサブ圧縮吐出空間と、前記密閉容器内に形成され、潤滑油を蓄える油溜め空間と、前記サブ圧縮機及び前記膨張機を貫通し、前記サブ圧縮吐出空間と前記油溜め空間とを連通する油戻し孔と、前記密閉容器内に備えられ、前記吸入室又は前記サブ圧縮室の少なくとも一方と前記サブ圧縮吐出空間とを連通させるバイパスポートと、前記密閉容器内に備えられ、前記バイパスポートを開閉するバイパス用開閉弁と、を有することを特徴とする。
【０００７】
本発明に係る冷凍サイクル装置は、上記の膨張機ユニットと、主圧縮機と、室外熱交換器と、室内熱交換器と、を有し、前記主圧縮機、前記膨張機ユニットを構成しているサブ圧縮機、前記室外熱交換器、前記膨張機ユニットを構成している前記膨張機、前記室内熱交換器を冷房運転時において直列となるように接続していることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る膨張機ユニットによれば、バイパスポート及びバイパス用開閉弁を密閉容器内に設けているので、大型化することなくコンパクトな構造とすることができる。また、膨張機ユニットによれば、バイパス用開閉弁により、サブ圧縮機に流入する過剰な流量分の冷媒のバイパスを自動的に行なうことができる。
【０００９】
本発明に係る冷凍サイクル装置によれば、膨張機ユニットを備えることにより、冷凍サイクル装置のコンパクト化を実現できるとともに、広範囲な運転条件を可能とし、信頼性が高く、高効率なものとすることができる。また、冷凍サイクル装置によれば、膨張機ユニットを油分離器として機能させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る膨張機ユニット１の構成を示す縦断面図である。図１に基づいて、膨張機ユニット１の構成について説明する。この膨張機ユニット１は、スクロール型の膨張機及び圧縮機を一体としたものであり、冷媒の膨張時に発生する膨張動力を回収し、回収した膨張動力を用いて冷媒を圧縮する機能を有しているものである。なお、図１を含め、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。また、図１を含め、以下の図面において、同一の符号を付したものは、同一又はこれに相当するものであり、このことは明細書の全文において共通することとする。
【００１１】
膨張機ユニット１は、膨張機１ａとサブ圧縮機１ｂとで構成されている。膨張機１ａ及びサブ圧縮機１ｂは、密閉容器３１０内に収納されている。この密閉容器３１０は、圧力容器となっている。図１に示すように、サブ圧縮機１ｂが密閉容器３１０の上側に、膨張機１ａが密閉容器３１０の下側に配置されている。この密閉容器３１０の内側下部には、冷凍機油等の潤滑油３１８を貯留する油溜め空間３７２が形成されている。また、密閉容器３１０の内側上部には、サブ圧縮機１ｂで圧縮された冷媒が吐出されるサブ圧縮吐出空間３７０が形成されている。
【００１２】
さらに、密閉容器３１０には、膨張機１ａに冷媒を吸入させるための膨張機吸入管３１３と、膨張機１ａから冷媒を吐出させるための膨張機吐出管３１５と、サブ圧縮機１ｂに冷媒を吸入させるためのサブ圧縮機吸入管３１２と、サブ圧縮機１ｂから冷媒を吐出させるためのサブ圧縮機吐出管３１４と、が設けられている。膨張機吸入管３１３及び膨張機吐出管３１５は、膨張機１ａの外周側における密閉容器３１０の側面から膨張機１ａに連通するように、サブ圧縮機吸入管３１２は、密閉容器３１０の上面からサブ圧縮機１ｂに連通するように、サブ圧縮機吐出管３１４は、サブ圧縮吐出空間３７０の外周側における密閉容器３１０の側面からサブ圧縮吐出空間３７０に連通するように、それぞれ設けられている。
【００１３】
また、密閉容器３１０には、油溜め空間３７２に貯留させる潤滑油３１８を主圧縮機５（実施の形態２で説明する）から供給する油配管３８０が、密閉容器３１０の底面から油溜め空間３７２に連通するように設けられている。この油溜め空間３７２に連通している油配管３８０は、主圧縮機５に連結しており、油溜め空間３７２側の先端部の位置が主圧縮機５と油溜め空間３７２に貯留される潤滑油３１８の適正油面高さよりも高い位置となるように設けられている。
【００１４】
膨張機１ａは、膨張機吸入管３１３から吸入した冷媒を減圧して膨張させ、その冷媒を膨張機吐出管３１５から吐出するものである。この膨張機１ａは、膨張機用固定スクロール３５１と膨張機用揺動スクロール３５２とを有している。図１に示すように、膨張機用固定スクロール３５１が下側に、膨張機用揺動スクロール３５２が上側に配置されている。膨張機用固定スクロール３５１を構成する台板３５１ａの一方の面には渦巻状突起である渦巻３５１ｓが立設されている。また、膨張機用揺動スクロール３５２を構成する台板３５２ａの一方の面にも渦巻状突起である渦巻３５２ｓが立設されている。
【００１５】
膨張機用固定スクロール３５１及び膨張機用揺動スクロール３５２は、渦巻３５１ｓと渦巻３５２ｓとを互いに噛み合わせるようにして配置されている。そして、渦巻３５１ｓと渦巻３５２ｓとによって、相対的に容積が変化する膨張室３５３が形成される。また、渦巻３５１ｓ及び渦巻３５２ｓの先端部には、膨張室３５３を仕切るチップシール３５４が装着されている。さらに、膨張機用固定スクロール３５１を構成する台板３５１ａには、膨張機吸入管３１３から冷媒を吸入するための膨張機吸入ポート３５１ｄが貫通形成されており、膨張機吸入管３１３と連結するようになっている。
【００１６】
サブ圧縮機１ｂは、サブ圧縮機吸入管３１２から吸入した冷媒を圧縮して、サブ圧縮機吐出管３１４から吐出するものである。このサブ圧縮機１ｂは、サブ圧縮機用固定スクロール３６１とサブ圧縮機用揺動スクロール３６２とを有している。図１に示すように、サブ圧縮機用固定スクロール３６１が上側に、サブ圧縮機用揺動スクロール３６２が下側に配置されている。サブ圧縮機用固定スクロール３６１を構成する台板３６１ａの一方の面には渦巻状突起である渦巻３６１ｓが立設されている。また、サブ圧縮機用揺動スクロール３６２を構成する台板３６２ａの一方の面にも渦巻状突起である渦巻３６２ｓが立設されている。
【００１７】
サブ圧縮機用固定スクロール３６１及びサブ圧縮機用揺動スクロール３６２は、渦巻３６１ｓと渦巻３６２ｓとを互いに噛み合わせるようにして配置されている。そして、渦巻３６１ｓと渦巻３６２ｓとによって、相対的に容積が変化するサブ圧縮室３６３が形成される。また、渦巻３６１ｓ及び渦巻３６２ｓの先端部には、サブ圧縮室３６３を仕切るチップシール３６４が装着されている。さらに、サブ圧縮機用固定スクロール３６１を構成する台板３６１ａには、サブ圧縮機吸入管３１２から冷媒を吸入するためのサブ圧縮機吸入ポート３６１ｄと、台板３６１ａ内部に形成されている吐出室３６１ｇに冷媒を吐出するためのサブ圧縮機吐出ポート３６１ｅと、吸入した冷媒をバイパス逆止弁室３６１ｈにバイパスするためのバイパスポート３６１ｆと、が形成されている。
【００１８】
サブ圧縮機吸入ポート３６１ｄは、サブ圧縮機吸入管３１２に連結されるように形成されている。サブ圧縮機吐出ポート３６１ｅの吐出室３６１ｇ側の先端部には、吐出弁３３０が設けられている。この吐出弁３３０は、開閉することでサブ圧縮機吐出ポート３６１ｅと吐出室３６１ｇとを連通・遮断するようになっている。サブ圧縮機吐出ポート３６１ｅから吐出された冷媒は、吐出室３６１ｇを経由してからサブ圧縮吐出空間３７０に到達するようになっている。
【００１９】
バイパスポート３６１ｆのバイパス逆止弁室３６１ｈ側の先端部には、バイパス逆止弁３３１が設けられている。このバイパス逆止弁３３１は、バイパス用開閉弁として機能し、開閉することでバイパスポート３６１ｆとバイパス逆止弁室３６１ｈとを連通・遮断するようになっている。バイパスポート３６１ｆにバイパスされた冷媒は、バイパス逆止弁室３６１ｈを経由してからサブ圧縮吐出空間３７０に到達するようになっている。
【００２０】
また、サブ圧縮機１ｂからの冷媒の漏洩を防止するために、サブ圧縮機用固定スクロール３６１とサブ圧縮機用揺動スクロール３６２との間に外周シール３６５が設けられている。この外周シール３６５は、サブ圧縮機用固定スクロール３６１とサブ圧縮機用揺動スクロール３６２との間に形成される吸入室３７４の最外周側の壁面であって、サブ圧縮機用固定スクロール３６１とサブ圧縮機用揺動スクロール３６２との対向面に設けられており、吸入室３７４と揺動スクロール運動空間３７１とを気密にシールするようになっている。吸入室３７４は、サブ圧縮機吸入管３１２からサブ圧縮室３６３に至るまでの冷媒通路となっている。
【００２１】
膨張機用固定スクロール３５１、膨張機用揺動スクロール３５２、サブ圧縮機用固定スクロール３６１、及び、サブ圧縮機用揺動スクロール３６２の中心部には、軸３０８が貫通している。なお、膨張機用揺動スクロール３５２の渦巻３５２ｓとサブ圧縮機用揺動スクロール３６２の渦巻３６２ｓとは、背面合わせ構造又は台板を共有して一体型に構成されている。サブ圧縮機用固定スクロール３６１とサブ圧縮機用揺動スクロール３６２との間には、揺動スクロールの公転運動中における自転運動を規制し、公転運動を可能とするためのオルダムリング３０７が設けられている。
【００２２】
軸３０８の上端部にはバランスウェイト３０９ａが、下端部にはバランスウェイト３０９ｂがそれぞれ設けられている。バランスウェイト３０９ａ及びバランスウェイト３０９ｂは、軸３０８の回転時におけるバランスを調整するものであり、材質及び大きさ、形状等を特に限定するものではない。この軸３０８は、膨張機構側軸受け部３５１ｂと、サブ圧縮機構側軸受け部３６１ｂとで支持されるようになっている。また、膨張機用揺動スクロール３５２及びサブ圧縮機用揺動スクロール３６２（以下、単に揺動スクロールとして説明する場合があるものとする）の中央部には、揺動スクロールを偏心駆動するクランク部３０８ｂが設けられている。
【００２３】
軸３０８の下端には、油溜め空間３７２に貯留されている潤滑油３１８を汲み上げるための給油ポンプ３０６が装着されている。給油ポンプ３０６で汲み上げられた潤滑油３１８は、軸３０８内に形成されている給油孔３０８ｃを通って、膨張機構側軸受け部３５１ｂ及びサブ圧縮機構側軸受け部３６１ｂに供給されるようになっている。また、膨張機用固定スクロール３５１及びサブ圧縮機用固定スクロール３６１の外周部には、サブ圧縮機１ｂ及び膨張機１ａを貫通してサブ圧縮吐出空間３７０と油溜め空間３７２とを連通させる油戻し孔３１７が形成されている。この油戻し孔３１７は、揺動スクロール運動空間３７１（揺動スクロールの公転運動を可能にするための空間）を経由しないように形成されており、サブ圧縮吐出空間３７０にある潤滑油３１８を油溜め空間３７２に戻すようになっている。
【００２４】
図２は、サブ圧縮機１ｂの構成を示す平面図である。この図２は、図１で示した膨張機ユニット１のＡ−Ａ断面図を示している。ただし、図２では、軸３０８を省略しているものとする。図２に基づいて、サブ圧縮機１ｂの渦巻３６１ｓ及び渦巻３６２ｓを組み合わせた状態について詳細に説明する。図１で説明したように、サブ圧縮機１ｂは、サブ圧縮機用固定スクロール３６１の渦巻３６１ｓとサブ圧縮機用揺動スクロール３６２の渦巻３６２ｓとを互いに噛み合わせ、相対的に容積が変化するサブ圧縮室３６３が形成されるように構成されている。
【００２５】
図２に示すように、サブ圧縮機吸入ポート３６１ｄ及びバイパスポート３６１ｆは、サブ圧縮機用揺動スクロール３６２の最外周に位置する渦巻３６２ｓと干渉しない位置に形成されている。また、サブ圧縮室３６３の最外周壁と、サブ圧縮機用固定スクロール３６１とサブ圧縮機用揺動スクロール３６２との間に設けた外周シール３６５と、で囲まれた空間がサブ圧縮機１ｂの吸入室３７４となっている。この外周シール３６５は、Ｏ−リング等のように円環状に構成され、サブ圧縮機用固定スクロール３６１とサブ圧縮機用揺動スクロール３６２との間に設けられている。
【００２６】
ここで、膨張機ユニット１の動作を図１及び図２に基づいて簡単に説明する。
サブ圧縮機１ｂでは、サブ圧縮機吸入管３１２から流入した冷媒が、サブ圧縮機吸入ポート３６１ｄ及び吸入室３７４を介してサブ圧縮室３６３に供給され、膨張機１ａで回収された動力に釣り合う分だけ圧縮され、サブ圧縮機吐出ポート３６１ｅ及び吐出室３６１ｇを経てサブ圧縮吐出空間３７０を通過し、サブ圧縮機吐出管３１４から吐出される。圧縮行程は、膨張機１ａで発生した駆動力が、一体型に構成された膨張機用揺動スクロール３５２とサブ圧縮機用揺動スクロール３６２とを介してサブ圧縮機１ｂに直接伝達され、サブ圧縮機用揺動スクロール３６２が公転運動し、サブ圧縮室３６３の容積を徐々に縮小させて冷媒を圧縮するようになっている。
【００２７】
一方、膨張機１ａでは、膨張機吸入管３１３から流入した冷媒が、膨張機吸入ポート３５１ｄを介して膨張室３５３に供給され、減圧され、揺動スクロール運動空間３７１を経て膨張機吐出管３１５から吐出される。膨張行程は、膨張室３５３に吸い込まれた高圧の冷媒が、低圧となる揺動スクロール運動空間３７１との圧力差に応じた膨張動力を発生し、発生した膨張動力によって膨張室３５３の容積を拡大する方向へ膨張機用揺動スクロール３５２を公転運動させるようになっている。このように、膨張機ユニット１では、膨張機１ａで冷媒を減圧する際に発生する膨張動力を回収し、その膨張動力を用いてサブ圧縮機１ｂで冷媒を圧縮するようになっている。
【００２８】
図３は、サブ圧縮機１ｂ内で高低圧力差ありの場合のサブ圧縮機１ｂにおける冷媒ガス及び潤滑油３１８の流れを説明するための縦断面図である。図４は、サブ圧縮機１ｂ内で高低圧力差なしの場合のサブ圧縮機１ｂにおける冷媒ガス及び潤滑油３１８の流れの一例を説明するための縦断面図である。図５は、高低圧力差なしの場合のサブ圧縮機１ｂにおける冷媒ガス及び潤滑油３１８の流れの他の一例を説明するための縦断面図である。図３〜図５に基づいて、膨張機ユニット１の冷媒及び潤滑油３１８の流れについて詳細に説明する。始めに図３に基づいてサブ圧縮機１ｂ内に高低圧力差が生じている際の動作について説明し、それから図４及び図５に基づいてサブ圧縮機１ｂに高低圧力差が生じていない際の動作について説明するものとする。なお、図３〜図５において、白抜き矢印は冷媒の流れを示し、黒塗り矢印は潤滑油の流れを示している。
【００２９】
［高低圧力差ありの場合］
まず、冷媒の流れ（図３で示す白抜き矢印）について説明する。膨張機１ａに流入した高圧の冷媒は、膨張室３５３内を経由し、膨張される。このとき、動力が発生する。そして、膨張室３５３内で膨張・減圧した冷媒は、揺動スクロール運動空間３７１を経由して膨張機吐出管３１５から密閉容器３１０外へ吐出されることになる。膨張機１ａで発生した膨張動力によって、サブ圧縮機吸入管３１２からサブ圧縮機１ｂに流入した冷媒がサブ圧縮室３６３を経由することで圧縮・昇圧される。
【００３０】
サブ圧縮室３６３内で圧縮・昇圧された冷媒は、一旦密閉容器３１０内のサブ圧縮吐出空間３７０に吐出された後、サブ圧縮機吐出管３１４から密閉容器３１０外へ吐出されることになる。このとき、揺動スクロール運動空間３７１とサブ圧縮機１ｂとが外周シール３６５によってシールされているため、揺動スクロール運動空間３７１内は、膨張後圧力となっている。一方、油溜め空間３７２内は、揺動スクロール運動空間３７１を経由しない油戻し孔３１７を通じてサブ圧縮吐出空間３７０と同じサブ圧縮機１ｂの圧縮後圧力となっている。なお、バイパス逆止弁３３１は、サブ圧縮機１ｂの高低圧力差により、閉止されている。
【００３１】
つぎに、潤滑油３１８の流れ（図３で示す黒塗り矢印）について説明する。潤滑油３１８は、サブ圧縮機１ｂにおいて冷媒ガスとともに循環するようになっている。主圧縮機５から冷媒ガスとともにサブ圧縮機１ｂに吸い込まれた潤滑油３１８は、サブ圧縮機吐出ポート３６１ｅから吐出弁３３０を経て、サブ圧縮吐出空間３７０に流入する。この潤滑油３１８は、サブ圧縮吐出空間３７０内で気液分離され、サブ圧縮機用固定スクロール３６１上面に溜まった後、油戻し孔３１７を経由して油貯留部として機能する油溜め空間３７２へ戻される。さらに、油溜め空間３７２に貯留される過剰な潤滑油３１８は、密閉容器３１０の底部に設けた油配管３８０を経由して、主圧縮機５と油溜め空間３７２との差圧で主圧縮機５内に戻され、油溜め空間３７２に貯留される潤滑油３１８の油面が適正な位置に保持される。
【００３２】
［高低圧力差なしの場合の一例］
まず、冷媒の流れ（図４で示す白抜き矢印）について説明する。サブ圧縮機１ｂに高低圧力差が生じない場合とは、たとえば起動時や冷房運転でのみ膨張機１ａを使用する冷凍システムの暖房運転時、回転数が低い運転時等の場合である。このようなとき、サブ圧縮機１ｂの吸入流量が主圧縮機５の吐出流量を下回ることになり、サブ圧縮機１ｂの吸入圧力が圧縮後圧力よりも上昇して、バイパス逆止弁３３１が開放状態となる。バイパス逆止弁３３１が開放状態になると、吸入された冷媒の全部がサブ圧縮室３６３を経由するのではなく、一部がバイパスされることになる。
【００３３】
すなわち、サブ圧縮機吸入管３１２から吸入された冷媒は、サブ圧縮室３６３を経由してサブ圧縮吐出空間３７０に吐出される経路と、バイパスポート３６１ｆからバイパス逆止弁３３１を経てサブ圧縮吐出空間３７０に至る経路と、に分かれることになるのである。この２分岐された冷媒は、サブ圧縮吐出空間３７０で合流した後、サブ圧縮機吐出管３１４から密閉容器３１０外へ吐出されることになる。サブ圧縮機１ｂに高低圧力差が生じていない場合は、このような経路で冷媒が流れることになるのである。
【００３４】
つぎに、潤滑油３１８の流れ（図４で示す黒塗り矢印）について説明する。冷媒ガスとともに循環する潤滑油３１８についても、冷媒ガスと同様に、サブ圧縮室３６３を経由してサブ圧縮吐出空間３７０に吐出される経路と、バイパスポート３６１ｆからバイパス逆止弁３３１を経てサブ圧縮吐出空間３７０に至る経路と、に分かれて、サブ圧縮吐出空間３７０に流入する。冷媒ガスとともに流入した潤滑油３１８は、サブ圧縮吐出空間３７０内で気液分離され、サブ圧縮機用固定スクロール３６１の上面に溜まった後、油戻し孔３１７を経由して油貯留部として機能する油溜め空間３７２へ戻されることになる。
【００３５】
［高低圧力差なしの場合の他の一例］
冷媒の流れ（図５で示す白抜き矢印）及び潤滑油３１８の流れ（図５で示す黒塗り矢印）を併せて説明する。サブ圧縮機１ｂに高低圧力差が生じておらず、サブ圧縮機１ｂが回転していない場合、冷凍サイクル装置を流れる冷媒ガス及び潤滑油３１８の全量がバイパスポート３６１ｆを流れ、サブ圧縮吐出空間３７０に流入することになる。その後、冷媒ガスは、サブ圧縮機吐出管３１４を経て密閉容器３１０外へ吐出される。一方、冷媒ガスとともに流入した潤滑油３１８は、サブ圧縮吐出空間３７０内で気液分離され、サブ圧縮機用固定スクロール３６１の上面に溜まったのち、油戻し孔３１７を経由して油貯留部として機能する油溜め空間３７２へ戻されることになる。
【００３６】
以上より、この実施の形態１に係る膨張機ユニット１では、主圧縮機５の吐出流量よりもサブ圧縮機１ｂの吸入流量が小さい場合、膨張機ユニット１内に設けたバイパス逆止弁３３１により、過剰な流量分の冷媒のバイパスが自動的に行われるとともに、冷媒とともに循環する潤滑油３１８が、常にサブ圧縮機１ｂのサブ圧縮吐出空間３７０を経由させることができる。この潤滑油３１８は、サブ圧縮吐出空間３７０内で気液分離されてから、油戻し孔３１７を経由して油貯留部として機能する油溜め空間３７２へ戻されることになる。
【００３７】
ここで、膨張機ユニット１内の給油機構について説明する。
膨張機１ａの膨張動力によって軸３０８が回転すると、給油ポンプ３０６によって、油溜め空間３７２に貯留されている潤滑油３１８が、軸３０８内部に形成されている給油孔３０８ｃを通って膨張機構側軸受け部３５１ｂ、サブ圧縮機構側軸受け部３６１ｂ及びクランク部３０８ｂへ供給される。また、膨張機構側軸受け部３５１ｂ、サブ圧縮機構側軸受け部３６１ｂ及びクランク部３０８ｂへ供給された潤滑油３１８のうちサブ圧縮吐出空間３７０へ漏洩した潤滑油３１８は、油戻し孔３１７を経由して油溜め空間３７２へ戻される。
【００３８】
上記の構成により、膨張機ユニット１は、バイパスポート３６１ｆ及びバイパス逆止弁３３１を密閉容器３１０内に設けているので、大型化することなくコンパクトな構造とすることができる。また、膨張機ユニット１は、バイパス逆止弁３３１により、サブ圧縮機１ｂに流入する過剰な流量分の冷媒のバイパスを自動的に行なうことができる。さらに、膨張機ユニット１は、冷媒とともに循環する潤滑油３１８を、常にサブ圧縮機１ｂのサブ圧縮吐出空間３７０に経由させ、気液分離するので、油分離器としての機能を兼用させることができる。
【００３９】
実施の形態２．
図６は、本発明の実施の形態２に係る冷凍サイクル装置５００の回路構成を模式的に示す回路図である。図６に基づいて、冷凍サイクル装置５００の回路構成について説明する。この冷凍サイクル装置５００は、冷媒（たとえば、二酸化炭素等の超臨界流体）を循環させる冷凍サイクルを利用することで冷房運転又は暖房運転を実行できるものである。この図６には、冷房運転時における冷媒の流れを実線矢印で、暖房運転時における冷媒の流れを破線矢印でそれぞれ表している。
【００４０】
実施の形態２に係る冷凍サイクル装置５００は、実施の形態１に係る膨張機ユニット１を備えたことを特徴としている。この冷凍サイクル装置５００は、図６に示すように、室外ユニット１００と室内ユニット２００が冷媒配管で接続されて構成されている。冷凍サイクル装置５００に使用する冷媒としては、たとえば臨界温度（約３１℃）以上で超臨界状態となり、熱交換が顕熱変化となる二酸化炭素を想定している。なお、図６では、１台の室外ユニット１００と、１台の室内ユニット２００とが接続されている場合を例に示しているが、各ユニットの接続台数を図示してある台数に限定するものではない。
【００４１】
［室外ユニット１００］
室外ユニット１００は、室外等に設置され、室内ユニット２００に冷熱を供給する機能を有している。この室外ユニット１００には、主圧縮機５と、膨張機ユニット１のサブ圧縮機１ｂと、第１四方弁２と、室外熱交換器３と、第２四方弁４と、予膨張弁６と、膨張機ユニット１の膨張機１ａと、が冷房運転時において直列となるように接続されて設けられている。また、室外ユニット１００には、冷房運転時において第２四方弁４に流入する一部の冷媒を迂回させるバイパス弁７が設けられている。
【００４２】
主圧縮機５は、冷媒を吸入し、その冷媒を圧縮して高温・高圧の状態にするものであり、たとえば容量制御可能なインバータ圧縮機などで構成するとよい。第１四方弁２及び第２四方弁４は、流路切替手段として機能するものであり、暖房運転時における冷媒の流れと冷房運転時における冷媒の流れとを切り替えるものである。室外熱交換器３は、第１四方弁２と第２四方弁４との間に設置されており、運転モードに応じて放熱器又は蒸発器として機能し、図示省略のファン等の室外送風機から強制的に供給される空気と冷媒との間で熱交換を行なうものである。
【００４３】
予膨張弁６は、膨張機１ａの入口側に設けられて開閉弁として機能し、膨張機１ａとサブ圧縮機１ｂとにおける通過冷媒流量と動力とを一致させるものである。バイパス弁７は、室外熱交換器３と第２四方弁４とを接続している冷媒配管を分岐させ、第２四方弁４を迂回するようにした冷媒配管に予膨張弁６と並列となるように設けられており、予膨張弁６と同様に開閉弁として機能するものである。つまり、予膨張弁６と第１バイパス弁７とによって、膨張機１ａとサブ圧縮機１ｂとにおける通過冷媒流量と動力とを一致させるようになっている。
【００４４】
［室内ユニット２００］
室内ユニット２００は、空調対象域を有する部屋等に設置され、その空調対象域に冷房用空気あるいは暖房用空気を供給する機能を有している。室内ユニット２００には、室内熱交換器９が設けられている。室内熱交換器９は、暖房運転時には放熱器として機能し、冷房運転時には蒸発器として機能し、図示省略のファン等の室内送風機から強制的に供給される空気と冷媒との間で熱交換を行ない、空調対象域に供給するための暖房空気あるいは冷房空気を作成するものである。
【００４５】
ここで、冷凍サイクル装置５００の冷房運転時における動作について説明する。
図７は、冷房運転時における冷媒の変遷を示すｐ−ｈ線図（冷媒の圧力（縦軸）とエンタルピ（横軸）との関係を示す線図）である。図６及び図７に基づいて、冷凍サイクル装置５００の冷房運転時における動作を冷媒状態の変遷に基づいて説明する。なお、図６に示す点［Ａ］〜点［Ｇ］の冷媒状態は、それぞれ図７に示す［Ａ］〜［Ｇ］での冷媒状態を示している。
【００４６】
冷凍サイクル装置５００が冷房運転を行なう場合、室外ユニット１００では、第１四方弁２を、サブ圧縮機１ｂと室外熱交換器３とを接続するように、つまり第１四方弁２の第１口２ａと第２口２ｂとを連通し、第３口２ｃと第４口２ｄとを連通するように切り替え、第２四方弁４を、室外熱交換器３と予膨張弁６とを接続するように、つまり第２四方弁４の第１口４ａと第４口４ｄとを連通し、第２口４ｂと第３口４ｃとを連通するように切り替える。この状態で、主圧縮機５の運転を開始する。
【００４７】
まず、低温・低圧のガス冷媒が主圧縮機５によって圧縮され、高温・高圧の超臨界状態の冷媒となって吐出される（状態［Ａ］）。主圧縮機５から吐出された超臨界状態の冷媒は、サブ圧縮機１ｂに流入する。サブ圧縮機１ｂは、予膨張弁６を通過して流入した冷媒を減圧する膨張機１ａによって駆動される。つまり、サブ圧縮機１ｂに流入した冷媒は、膨張機１ａで回収された動力に釣り合う分だけ圧縮される。サブ圧縮機１ｂから吐出された冷媒は、第１四方弁２の第１口２ａから第２口２ｂを通って（状態［Ｃ］）、室外熱交換器３に流入する。
【００４８】
室外熱交換器３に流入した冷媒は、この室外熱交換器３で図示省略の室外送風機から供給される被加熱媒体である空気に放熱して冷却される（状態［Ｄ］）。この冷媒は、室外熱交換器３から流出し、第２四方弁４の第２口４ａから第３口４ｃを経て予膨張弁６に流入する。予膨張弁６に流入した冷媒は、この予膨張弁６で膨張機１ａに流入する際の入口密度が調節される（状態［Ｅ］）。予膨張弁６から流出した冷媒は、膨張機１ａに流入し、減圧され（状態［Ｆ］）、膨張動力が回収される。膨張機１ａから流出した冷媒は、第２四方弁４の第１口４ａから第４口４ｄを通って、室外ユニット１００から流出し、室内ユニット２００に流入する。このとき、バイパス弁７の開度は、サブ圧縮機１ｂを通過する冷媒流量と回収動力とが釣り合うように制御される。
【００４９】
室内ユニット２００に流入した冷媒は、室内熱交換器９に流入し、図示省略の室内送風機から供給される空気と熱交換することで、空調対象域の熱負荷を処理する（状態［Ｂ］）。つまり、室内熱交換器９では、空調対象域に供給する冷房空気を作成するのである。この冷媒は、室内熱交換器９及び室内ユニット２００から流出し、室外ユニット１００に流入する。室外ユニット１００に流入した冷媒は、第１四方弁２の第４口２ｄから第３口２ｃを通って主圧縮機５に流入する（状態［Ｇ］）。このとき、圧力損失によって圧力が少し減少してから、主圧縮機５に吸入される。
【００５０】
次に、冷凍サイクル装置５００の暖房運転時における動作について説明する。
図８は、暖房運転時における冷媒の変遷を示すｐ−ｈ線図（冷媒の圧力（縦軸）とエンタルピ（横軸）との関係を示す線図）である。図６及び図８に基づいて、冷凍サイクル装置５００の暖房運転時における動作を冷媒状態の変遷に基づいて説明する。なお、図６に示す点［Ａ］〜点［Ｇ］の冷媒状態は、それぞれ図８に示す［Ａ］〜［Ｇ］での冷媒状態である。
【００５１】
この図６では、冷房運転時と同様に、暖房運転時においても膨張機１ａを利用している例を示している。ただし、暖房運転時では、冷房運転時とは異なり、膨張機ユニット１における膨張機１ａの入口部とサブ圧縮機１ｂの入口部との冷媒の密度比が大きくなるため、通過冷媒流量と回収動力とをバランスさせるための膨張動力の回収ロスが大きくなってしまう。そこで、必要に応じて第２四方弁４を廃止して、暖房運転時においては膨張機ユニット１を利用しないようにしてもよい。
【００５２】
冷凍サイクル装置５００が暖房運転を行なう場合、室外ユニット１００では、第１四方弁２を、サブ圧縮機１ｂと室内熱交換器９とを接続するように、つまり第１四方弁２の第１口２ａと第４口２ｄとを連通し、第２口２ｂと第３口２ｃとを連通するように切り替え、第２四方弁４を、室内熱交換器９と予膨張弁６とを接続するように、つまり第２四方弁４の第１口４ａと第２口４ｂとを連通し、第３口４ｃと第４口４ｄとを連通するように切り替える。この状態で、主圧縮機５の運転を開始する。なお、暖房運転時における冷凍サイクル装置５００では、基本的な減圧機能は膨張機ユニット１の膨張機１ａで実現され、減圧量が不足する場合には室内熱交換器９の出口温度が室内の負荷に応じた適切な温度となるように予膨張弁６で減圧量が調整されるようになっている。
【００５３】
まず、低温・低圧のガス冷媒が主圧縮機５によって圧縮され、高温・高圧の超臨界状態の冷媒となって吐出される（状態［Ａ］）。主圧縮機５から吐出された超臨界状態の冷媒は、サブ圧縮機１ｂに流入する。この冷媒は、このサブ圧縮機１ｂで更に圧縮される。サブ圧縮機１ｂから流出した冷媒は、第１四方弁２の第１口２ａから第４口２ｄを経由して、室内ユニット２００に流入する（状態［Ｂ］）。室内ユニット２００に流入した冷媒は、室内熱交換器９に流入する。室内熱交換器９に流入した冷媒は、この室内熱交換器９で図示省略の室内送風機から供給される室内空気に放熱して冷却される（状態［Ｆ］）。つまり、室内熱交換器９では、空調対象域に供給する暖房空気を作成するのである。室内熱交換器９から流出した中温・高圧の冷媒は、その後室外ユニット１００に流入する。
【００５４】
室外ユニット１００に流入した冷媒は、第２四方弁４の第４口４ｄから第３口４ｃを経由して、予膨張弁６に流入する。この冷媒は、予膨張弁６で少し減圧される（状態［Ｅ］）。予膨張弁６から流出した冷媒（状態［Ｅ］）は、膨張機１ａに流入し、膨張動力が回収される。膨張機１ａから流出した冷媒は、第２四方弁４の第１口４ａから第２口４ｂをを経由して（状態［Ｄ］）、室外熱交換器３に流入する。室外熱交換器３に流入した冷媒は、図示省略の室外送風機から供給される空気と熱交換することで、蒸発ガス化（状態［Ｃ］）する。その後、室外熱交換器３から流出したガス冷媒は、第１四方弁２の第２口２ｂから第３口２ｃを経由して、主圧縮機５に再度吸入されることになる（状態［Ｇ］）。このとき、圧力損失によって圧力が少し減少してから、主圧縮機５に吸入される。
【００５５】
以上のように、この実施の形態２に係る冷凍サイクル装置５００においては、主圧縮機５で冷凍サイクルの圧縮過程の一部を担い、膨張機ユニット１のサブ圧縮機１ｂで圧縮過程の残りの一部を担うようになっている。また、サブ圧縮機１ｂの圧縮動力は、膨張機１ａの回収動力によって賄われている。したがって、膨張機ユニット１を備えることにより、冷凍サイクル装置５００のコンパクト化を実現でき、広範囲な運転条件を可能とし、信頼性が高く、高効率なものとすることができる。また、膨張機ユニット１は、バイパス逆止弁３３１により、サブ圧縮機１ｂに流入する過剰な流量分の冷媒のバイパスを自動的に行なうことができる。さらに、膨張機ユニット１は、冷媒とともに循環する潤滑油３１８を、常にサブ圧縮機１ｂのサブ圧縮吐出空間３７０に経由させ、気液分離するので、油分離器としての機能を兼用させることができる。
【００５６】
また、膨張機ユニット１内で分離された潤滑油３１８が、主圧縮機５と膨張機ユニット１との間で冷凍サイクルの回路を経由することなく、主圧縮機５に直接輸送できるので、膨張機ユニット１が主圧縮機５の油分離器として機能し、冷媒中に潤滑油３１８が混在することによる熱交換性能の低下を抑制できるという効果を有する。また、起動時等の過渡運転時に主圧縮機５内の潤滑油３１８が外部に持ち出された場合にも、膨張機ユニット１から速やかに潤滑油３１８が戻されるので、主圧縮機５内部における摺動部等への潤滑油３１８不足による焼き付きを防止することを効果的に実現できる。
【００５７】
図９は、膨張・圧縮機構の冷媒流量と回転数との関係を説明するための模式図である。図９に基づいて、一般的な膨張・圧縮機構の冷媒流量と回転数との関係について説明する。図９に示すように、膨張機１ａによって駆動されるサブ圧縮機１ｂがある場合、冷媒の膨張機１ａを通過する重量流量をＧｅ、サブ圧縮機１ｂの通過流量をＧｃ、膨張機１ａの吸込み行程容積をＶｅｉ、サブ圧縮機１ｂの吸込み行程容積をＶｃｓとし、膨張機１ａの入口の冷媒比容積をνｅｉ、サブ圧縮機１ｂの入口の冷媒比容積をνｃｓとすると、膨張機１ａ側で決まる回転数ＮE は、式（１）のように表される。
【００５８】
【数１】
また、サブ圧縮機１ｂ側の回転数ＮC は、式（２）のように表される。
【数２】
したがって、膨張機１ａとサブ圧縮機１ｂとの回転数をマッチングさせる条件であるＮE ＝ＮC から、式（３）を満たさなければならないことになる。
【数３】
【００５９】
式（３）に示す膨張機１ａとサブ圧縮機１ｂの行程容積の比σｖｅｃは、ある設計条件に対して機器のディメンジョンを決める定数となる。設計条件以外で運転する場合には、式（３）を満たすように体積流量の比（Ｇｅνｅｉ／Ｇｃνｃｓ）を調整する必要が生じる。サブ圧縮機１ｂで冷凍サイクルの圧縮過程の全てを担う場合（この場合、サブ圧縮機１ｂは、膨張機１ａからの回収動力だけでなく別の駆動源を併用する必要がある）は、膨張機１ａ及びサブ圧縮機１ｂそれぞれの入口での比容積νｅｉ、νｃｓが、運転条件から決まるので、通常、バイパス弁７のようなバイパス等の手段によって重量流量Ｇｅを調整する。このとき、バイパスさせる流量は、膨張動力を回収することができない非回収流量となり、動力回収効果が低下することになるので、極力バイパス流量を抑える必要がある。
【００６０】
図７に示すように、冷凍サイクル装置５００の圧縮過程の一部（点Ｇ→点Ａ）をモータ駆動の主圧縮機５で担い、圧縮過程の残りの一部（点Ａ→点Ｃ）を回収動力駆動のサブ圧縮機１ｂで担う場合には、点Ａでの圧力に依存してサブ圧縮機１ｂ入口での比容積νｃｓが変わる。このため、点Ｄ及び点Ｇでの比容積が運転条件から決まっていても、回転数マッチングのためにサブ圧縮機１ｂ入口の比容積νｃｓを調整することが可能となる。ただし、サブ圧縮機１ｂの駆動は、膨張機１ａのみによって行なわれるので、圧縮動力を回収動力で賄うという動力のマッチングも必要となる。
【００６１】
図７で示す点Ａの圧力には下限があり、点Ａでの圧力によるサブ圧縮機１ｂ入口の比容積νｃｓの調整にも限界がある。したがって、膨張機１ａ側の動力とサブ圧縮機１ｂ側の動力とがバランスした上で、式（３）の回転数マッチングの条件を満足させなければならない。そうすると、膨張機１ａ側では、膨張機１ａと並列に設けたバイパス弁７等の開度を調整して冷媒をバイパスすることによって膨張機１ａの通過流量Ｇｅの調整を行なうようにすることになる。
【００６２】
以上のように、膨張機ユニット１のサブ圧縮機１ｂで冷凍サイクル装置５００の圧縮過程の全てを担う場合よりも、冷凍サイクル装置５００の圧縮過程の一部をモータ駆動の主圧縮機５で担い、圧縮過程の残りの一部を回収動力駆動のスクロール型の膨張機ユニット１のサブ圧縮機１ｂで担う場合の方が、サブ圧縮機１ｂ入口の比容積νｃｓによる回転数の調整とサブ圧縮機１ｂでの昇圧幅による圧縮動力の調整とが併用されるので、バイパスによる回収効果の低下を抑制できる。
【００６３】
なお、この実施の形態２では、サブ圧縮機１ｂ内にバイパス逆止弁３３１を内蔵しており、膨張機１ａが駆動され、サブ圧縮機１ｂに高低圧力差が生じている場合は、バイパス逆止弁３３１は閉止されている。一方、サブ圧縮機１ｂに高低圧力差が生じない起動時や冷房運転のみで膨張機ユニット１を使用する冷凍サイクル装置５００の暖房運転時、その他主圧縮機５からの吐出流量よりサブ圧縮機１ｂの吸入流量が下回る運転時には、バイパス逆止弁３３１が開放され、サブ圧縮機１ｂに流入する冷媒のうち過剰な流量分のバイパスが自動的に行われるようになっている。
【００６４】
実施の形態３．
図１０は、本発明の実施の形態３に係る膨張機ユニット１１の構成を示す縦断面図である。図１０に基づいて、膨張機ユニット１１の構成について説明する。この膨張機ユニット１１は、実施の形態１に係る膨張機ユニット１と同様にスクロール型の膨張機及び圧縮機を一体としたものであり、冷媒の膨張時に発生する膨張動力を回収し、回収した膨張動力を用いて冷媒を圧縮する機能を有しているものである。なお、実施の形態１に係る膨張機ユニット１との相違点を中心に説明するものとする。
【００６５】
膨張機ユニット１１は、膨張機１ａとサブ圧縮機１ｂ’とで構成されている。サブ圧縮機１ｂ’は、実施の形態１に係る膨張機ユニット１のサブ圧縮機１ｂと基本的には同様の構成をしているが、サブ圧縮機用固定スクロール３６１内部に連通路３９０を形成し、吐出室３６１ｇとバイパス逆止弁室３６１ｈとが連通路３９０で連通するようになっている。つまり、膨張機ユニット１１は、バイパスポート３６１ｆからバイパス逆止弁３３１を経由してサブ圧縮吐出空間３７０に至るバイパス経路と、サブ圧縮機吐出ポート３６１ｅから吐出弁３３０を経てサブ圧縮吐出空間３７０に至る吐出経路との２つ経路を途中（連通路３９０）で合流させ、サブ圧縮吐出空間３７０に連通する出口を１箇所にしている点で実施の形態１に係る膨張機ユニット１と相違しているのである。
【００６６】
図１１は、サブ圧縮機１ｂ’の構成を示す平面図である。この図１１は、図１０で示した膨張機ユニット１１のＡ−Ａ断面図を示している。ただし、図１１では、軸３０８を省略しているものとする。図１１に基づいて、サブ圧縮機１ｂ’の渦巻３６１ｓ及び渦巻３６２ｓを組み合わせた状態について詳細に説明する。このサブ圧縮機１ｂ’は、図１１に示す太破線で囲まれた領域に示すように、サブ圧縮機用固定スクロール３６１内部に形成した連通路３９０で吐出室３６１ｇとバイパス逆止弁室３６１ｈとを連通するように構成されている。
【００６７】
このような構造とすることによって、実施の形態１に係る膨張機ユニット１のサブ圧縮機１ｂと同様のバイパス効果が得られることに加えて、バイパス経路及び吐出経路のサブ圧縮吐出空間３７０への開口部を１箇所にまとめているので、サブ圧縮機吐出管３１４との距離を離して配置することが可能となる。したがって、サブ圧縮吐出空間３７０を油分離空間として有効に利用することが可能になり、膨張機ユニット１１による油分離効率を効果的に向上できることになる。なお、この実施の形態３に係る膨張機ユニット１１は、実施の形態１に係る膨張機ユニット１と同様に実施の形態２に係る冷凍サイクル装置５００に備えることが可能なものである。
【００６８】
実施の形態４．
図１２は、本発明の実施の形態４に係る膨張機ユニット２１の構成を示す縦断面図である。図１２に基づいて、膨張機ユニット２１の構成について説明する。この膨張機ユニット２１は、実施の形態１に係る膨張機ユニット１と同様にスクロール型の膨張機及び圧縮機を一体としたものであり、冷媒の膨張時に発生する膨張動力を回収し、回収した膨張動力を用いて冷媒を圧縮する機能を有しているものである。なお、実施の形態１に係る膨張機ユニット１及び実施の形態３に係る膨張機ユニット１１との相違点を中心に説明するものとする。
【００６９】
膨張機ユニット２１は、膨張機１ａとサブ圧縮機１ｂ’’とで構成されている。サブ圧縮機１ｂ’’は、実施の形態１に係る膨張機ユニット１のサブ圧縮機１ｂと基本的には同様の構成をしているが、バイパスポート３６１ｆ（バイパスポート３６１ｆａ及びバイパスポート３６１ｆｂ）が吸入室３７４に連通しているのではなく、サブ圧縮室３６３に連通するようになっている。また、実施の形態３に係る膨張機ユニット１１のように、バイパスポート３６１ｆからバイパス逆止弁３３１を経由してサブ圧縮吐出空間３７０に至るバイパス経路と、サブ圧縮機吐出ポート３６１ｅから吐出弁３３０を経てサブ圧縮吐出空間３７０に至る吐出経路との２つ経路を途中（連通路３９０）で合流させ、サブ圧縮吐出空間３７０に連通する出口を１箇所にしている。
【００７０】
図１３は、サブ圧縮機１ｂ’’の構成を示す平面図である。この図１３は、図１２で示した膨張機ユニット２１のＡ−Ａ断面図を示している。ただし、図１３では、軸３０８を省略しているものとする。図１３に基づいて、サブ圧縮機１ｂ’’の渦巻３６１ｓ及び渦巻３６２ｓを組み合わせた状態について詳細に説明する。サブ圧縮室３６３は、軸３０８の回転とともにサブ圧縮機用揺動スクロール３６２が回転運動することによって、２つの最外周圧縮室と１つの最内周圧縮室とが形成され、サブ圧縮室３６３の容積を徐々に減じて連続的な圧縮を行なうようになっている。
【００７１】
このサブ圧縮機１ｂ’’では、２つのバイパスポート（バイパスポート３６１ｆａ及びバイパスポート３６１ｆｂ）がそれぞれサブ圧縮機用揺動スクロール３６２の渦巻３６２ｓ及びサブ圧縮機用固定スクロール３６１の渦巻３６１ｓの先端に設けられているチップシール３６４に干渉しない流路断面形状で、圧縮に寄与するサブ圧縮機用固定スクロール３６１の内向面側渦巻開始点と外向面側渦巻開始点とから３６０度だけ内側に進んだ位置に台板３６１ａを貫通するように形成されている。
【００７２】
このような構造とすることによって、バイパスポート３６１ｆａ及びバイパスポート３６１ｆｂが圧縮行程開始直後から常に最外周圧縮室に開口するので、無駄な圧縮動力を発生させずに冷媒ガスをバイパスすることができるというバイパス効果が得られる。また、バイパスする冷媒ガスがサブ圧縮室３６３を通過するので、冷媒ガスとともに循環する潤滑油３１８により隙間シール及び渦巻摺動部を潤滑することができ、起動バイパス運転時の動力損失が小さくなり、起動応答性を効果的に向上できることになる。
【００７３】
なお、この実施の形態４では、バイパスポート３６１ｆａ及びバイパスポート３６１ｆｂを２つの最外周圧縮室にそれぞれ一箇所ずつ、圧縮に寄与するサブ圧縮機用固定スクロール３６１の渦巻３６１ｓ端から内側に３６０度だけ進んだ位置に設けたが、バイパスポート３６１ｆの形成個数を特に限定するものではなく、更に別の位置に複数のバイパスポート３６１ｆを設けてもよい。そのようにすれば、サブ圧縮機１ｂ’’のバイパス機能を更に向上できることになる。また、この実施の形態４に係る膨張機ユニット２１は、実施の形態１に係る膨張機ユニット１と同様に実施の形態２に係る冷凍サイクル装置５００に備えることが可能なものである。
【００７４】
実施の形態１、実施の形態３及び実施の形態４においては、図１２に示すようにサブ圧縮吐出空間３７０内に油分離効果促進のための遮蔽板３８１等を設けてもよい。このような遮蔽板３８１をサブ圧縮吐出空間３７０内に設けておけば、膨張機ユニットによる油分離効率を更に向上することができる。また、冷媒に二酸化炭素を使用した場合を例に説明したが、冷媒の種類を二酸化炭素に限定するものではない。臨界状態となる冷媒であればその他の冷媒でもよい。超臨界状態となる冷媒としては、たとえば二酸化炭素とエーテル（たとえば、ジメチルエーテルやハイドロフルオロエーテル等）とから構成される混合冷媒等がある。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】実施の形態１に係る膨張機ユニットの構成を示す縦断面図である。
【図２】サブ圧縮機の構成を示す平面図である。
【図３】高低圧力差ありの場合のサブ圧縮機における冷媒ガス及び潤滑油の流れを説明するための縦断面図である。
【図４】高低圧力差なしの場合のサブ圧縮機における冷媒ガス及び潤滑油の流れの一例を説明するための縦断面図である。
【図５】高低圧力差なしの場合のサブ圧縮機における冷媒ガス及び潤滑油の流れの他の一例を説明するための縦断面図である。
【図６】実施の形態２に係る冷凍サイクル装置の回路構成を模式的に示す回路図である。
【図７】冷房運転時における冷媒の変遷を示すｐ−ｈ線図である。
【図８】暖房運転時における冷媒の変遷を示すｐ−ｈ線図である。
【図９】膨張・圧縮機構の冷媒流量と回転数との関係を説明するための模式図である。
【図１０】実施の形態３に係る膨張機ユニットの構成を示す縦断面図である。
【図１１】サブ圧縮機の構成を示す平面図である。
【図１２】実施の形態４に係る膨張機ユニットの構成を示す縦断面図である。
【図１３】サブ圧縮機の構成を示す平面図である。
【符号の説明】
【００７６】
１ 膨張機ユニット、１ａ 膨張機、１ｂ サブ圧縮機、１ｂ’サブ圧縮機、１ｂ’’ サブ圧縮機、２ 第１四方弁、２ａ 第１口、２ｂ 第２口、２ｃ 第３口、２ｄ 第４口、３ 室外熱交換器、４ 第２四方弁、４ａ 第１口、４ｂ 第２口、４ｃ 第３口、４ｄ 第４口、５ 主圧縮機、６ 予膨張弁、７ バイパス弁、９ 室内熱交換器、１１ 膨張機ユニット、２１ 膨張機ユニット、１００ 室外ユニット、２００ 室内ユニット、３０６ 給油ポンプ、３０７ オルダムリング、３０８ 軸、３０８ｂ クランク部、３０８ｃ 給油孔、３０９ａ バランスウェイト、３０９ｂ バランスウェイト、３１０ 密閉容器、３１２ サブ圧縮機吸入管、３１３ 膨張機吸入管、３１４ サブ圧縮機吐出管、３１５ 膨張機吐出管、３１７ 油戻し孔、３１８ 潤滑油、３３０ 吐出弁、３３１ バイパス逆止弁、３５１ 膨張機用固定スクロール、３５１ａ 台板、３５１ｂ 膨張機構側軸受け部、３５１ｄ 膨張機吸入ポート、３５１ｓ 渦巻、３５２ 膨張機用揺動スクロール、３５２ａ 台板、３５２ｓ 渦巻、３５３ 膨張室、３５４ チップシール、３６１ サブ圧縮機用固定スクロール、３６１ａ 台板、３６１ｂ サブ圧縮機構側軸受け部、３６１ｄ サブ圧縮機吸入ポート、３６１ｅ サブ圧縮機吐出ポート、３６１ｆ バイパスポート、３６１ｆａ バイパスポート、３６１ｆｂ バイパスポート、３６１ｇ 吐出室、３６１ｈ バイパス逆止弁室、３６１ｓ 渦巻、３６２ サブ圧縮機用揺動スクロール、３６２ａ 台板、３６２ｓ 渦巻、３６３ サブ圧縮室、３６４ チップシール、３６５ 外周シール、３７０ サブ圧縮吐出空間、３７１ 揺動スクロール運動空間、３７２ 油溜め空間、３７４ 吸入室、３８０ 油配管、３８１ 遮蔽板、３９０ 連通路、５００ 冷凍サイクル装置。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒の減圧時の膨張動力を回収する膨張機及びその膨張動力を用いて冷媒を圧縮するサブ圧縮機を密閉容器に収容し、前記サブ圧縮機に供給する冷媒を吸入するサブ圧縮機吸入管及び前記サブ圧縮機で圧縮された冷媒を吐出するサブ圧縮機吐出管を前記密閉容器内部に連通させた膨張機ユニットであって、
前記サブ圧縮機内に形成され、冷媒を圧縮するサブ圧縮室と、
前記サブ圧縮機内に形成され、前記サブ圧縮機吸入管から前記サブ圧縮室に至るまでの吸入室と、
前記サブ圧縮室に連通し、前記サブ圧縮室で圧縮された冷媒を吐出するサブ圧縮機吐出ポートと、
前記サブ圧縮機内に形成され、前記サブ圧縮機吐出ポートから冷媒が吐出される吐出室と、
前記密閉容器内に備えられ、前記吐出室からの冷媒が通過するサブ圧縮吐出空間と、
前記密閉容器内に形成され、潤滑油を蓄える油溜め空間と、
前記サブ圧縮機及び前記膨張機を貫通し、前記サブ圧縮吐出空間と前記油溜め空間とを連通する油戻し孔と、
前記密閉容器内に備えられ、前記吸入室又は前記サブ圧縮室の少なくとも一方と前記サブ圧縮吐出空間とを連通させるバイパスポートと、
前記密閉容器内に備えられ、前記バイパスポートを開閉するバイパス用開閉弁と、を有する
ことを特徴とする膨張機ユニット。
【請求項２】
前記バイパスポートから前記サブ圧縮吐出空間に至る経路と、前記吐出室から前記サブ圧縮吐出空間に至る経路と、がそれぞれ独立して前記サブ圧縮吐出空間に連通している
ことを特徴とする請求項１に記載の膨張機ユニット。
【請求項３】
前記バイパスポートから前記サブ圧縮吐出空間に至る経路と、前記吐出室から前記サブ圧縮吐出空間に至る経路と、が合流して前記サブ圧縮吐出空間に連通している
ことを特徴とする請求項１に記載の膨張機ユニット。
【請求項４】
前記バイパス用開閉弁を逆止弁で構成している
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の膨張機ユニット。
【請求項５】
前記膨張機及び前記サブ圧縮機のどちらもがスクロール型である
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の膨張機ユニット。
【請求項６】
前記サブ圧縮機は、
サブ圧縮機用揺動スクロール及びサブ圧縮機用固定スクロールを有し、
前記膨張機は、
膨張機用揺動スクロール及び膨張機用固定スクロールを有し、
前記サブ圧縮機用揺動スクロールと前記膨張機用揺動スクロールとは、背面合わせ構造又は台板を共有して一体型に構成されている
ことを特徴とする請求項５に記載の膨張機ユニット。
【請求項７】
前記サブ圧縮機用揺動スクロール及び前記膨張機用揺動スクロールを回転駆動させる軸がそれらの中央部を上下方向に貫通しており、
前記軸の内部には、給油孔が形成され、
前記軸の下端には、前記油溜め空間に貯留されている潤滑油を汲み上げるための給油ポンプが装着されている
ことを特徴とする請求項５又は６に記載の膨張機ユニット。
【請求項８】
前記請求項１〜７のいずれか一項に記載の膨張機ユニットと、主圧縮機と、室外熱交換器と、室内熱交換器と、を有し、
前記主圧縮機、前記膨張機ユニットを構成しているサブ圧縮機、前記室外熱交換器、前記膨張機ユニットを構成している前記膨張機、前記室内熱交換器を冷房運転時において直列となるように接続している
ことを特徴とする冷凍サイクル装置。
【請求項９】
冷媒として、高圧側において超臨界状態となるものを用いる
ことを特徴とする請求項８に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項１】
冷媒の減圧時の膨張動力を回収する膨張機及びその膨張動力を用いて冷媒を圧縮するサブ圧縮機を密閉容器に収容し、前記サブ圧縮機に供給する冷媒を吸入するサブ圧縮機吸入管及び前記サブ圧縮機で圧縮された冷媒を吐出するサブ圧縮機吐出管を前記密閉容器内部に連通させた膨張機ユニットであって、
前記サブ圧縮機内に形成され、冷媒を圧縮するサブ圧縮室と、
前記サブ圧縮機内に形成され、前記サブ圧縮機吸入管から前記サブ圧縮室に至るまでの吸入室と、
前記サブ圧縮室に連通し、前記サブ圧縮室で圧縮された冷媒を吐出するサブ圧縮機吐出ポートと、
前記サブ圧縮機内に形成され、前記サブ圧縮機吐出ポートから冷媒が吐出される吐出室と、
前記密閉容器内に備えられ、前記吐出室からの冷媒が通過するサブ圧縮吐出空間と、
前記密閉容器内に形成され、潤滑油を蓄える油溜め空間と、
前記サブ圧縮機及び前記膨張機を貫通し、前記サブ圧縮吐出空間と前記油溜め空間とを連通する油戻し孔と、
前記密閉容器内に備えられ、前記吸入室又は前記サブ圧縮室の少なくとも一方と前記サブ圧縮吐出空間とを連通させるバイパスポートと、
前記密閉容器内に備えられ、前記バイパスポートを開閉するバイパス用開閉弁と、を有する
ことを特徴とする膨張機ユニット。
【請求項２】
前記バイパスポートから前記サブ圧縮吐出空間に至る経路と、前記吐出室から前記サブ圧縮吐出空間に至る経路と、がそれぞれ独立して前記サブ圧縮吐出空間に連通している
ことを特徴とする請求項１に記載の膨張機ユニット。
【請求項３】
前記バイパスポートから前記サブ圧縮吐出空間に至る経路と、前記吐出室から前記サブ圧縮吐出空間に至る経路と、が合流して前記サブ圧縮吐出空間に連通している
ことを特徴とする請求項１に記載の膨張機ユニット。
【請求項４】
前記バイパス用開閉弁を逆止弁で構成している
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の膨張機ユニット。
【請求項５】
前記膨張機及び前記サブ圧縮機のどちらもがスクロール型である
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の膨張機ユニット。
【請求項６】
前記サブ圧縮機は、
サブ圧縮機用揺動スクロール及びサブ圧縮機用固定スクロールを有し、
前記膨張機は、
膨張機用揺動スクロール及び膨張機用固定スクロールを有し、
前記サブ圧縮機用揺動スクロールと前記膨張機用揺動スクロールとは、背面合わせ構造又は台板を共有して一体型に構成されている
ことを特徴とする請求項５に記載の膨張機ユニット。
【請求項７】
前記サブ圧縮機用揺動スクロール及び前記膨張機用揺動スクロールを回転駆動させる軸がそれらの中央部を上下方向に貫通しており、
前記軸の内部には、給油孔が形成され、
前記軸の下端には、前記油溜め空間に貯留されている潤滑油を汲み上げるための給油ポンプが装着されている
ことを特徴とする請求項５又は６に記載の膨張機ユニット。
【請求項８】
前記請求項１〜７のいずれか一項に記載の膨張機ユニットと、主圧縮機と、室外熱交換器と、室内熱交換器と、を有し、
前記主圧縮機、前記膨張機ユニットを構成しているサブ圧縮機、前記室外熱交換器、前記膨張機ユニットを構成している前記膨張機、前記室内熱交換器を冷房運転時において直列となるように接続している
ことを特徴とする冷凍サイクル装置。
【請求項９】
冷媒として、高圧側において超臨界状態となるものを用いる
ことを特徴とする請求項８に記載の冷凍サイクル装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
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【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
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【公開番号】特開２０１０−４３５５６（Ｐ２０１０−４３５５６Ａ）
【公開日】平成２２年２月２５日（２０１０．２．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２０６３８２（Ｐ２００８−２０６３８２）
【出願日】平成２０年８月８日（２００８．８．８）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年２月２５日（２０１０．２．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年８月８日（２００８．８．８）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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