膨張機
【課題】膨張比を増大させて冷媒の膨張時の動力回収効率を向上させることができる膨張機を提供すること。
【解決手段】蒸発器（２１）、圧縮機（２２）、凝縮器（２３）とともに冷媒回路（１０）を構成し、シリンダ３１と、シリンダ３１の中空部において回転軸３２ａ回りに回転するロータ３２と、各ベーン溝３３ａにロータ３２の径外方向に沿って進退移動可能に収納され、かつ先端部がシリンダ３１の内壁面に摺接することでシリンダ３１とロータ３２とで形成される作動空間３６を区画して複数の作動室３７を画成するベーン３３とを備え、吸入ポート３１ａを通じて凝縮器で凝縮した冷媒を作動室３７に吸入し作動室３７の容積を変化させることによって冷媒を膨張させ、吐出ポート３５ａを通じて冷媒を吐出する膨張機３０において、作動室３７が最大容積となるときの該作動室３７を画成するシリンダ３１の肉厚を小さくしたものである。
【解決手段】蒸発器（２１）、圧縮機（２２）、凝縮器（２３）とともに冷媒回路（１０）を構成し、シリンダ３１と、シリンダ３１の中空部において回転軸３２ａ回りに回転するロータ３２と、各ベーン溝３３ａにロータ３２の径外方向に沿って進退移動可能に収納され、かつ先端部がシリンダ３１の内壁面に摺接することでシリンダ３１とロータ３２とで形成される作動空間３６を区画して複数の作動室３７を画成するベーン３３とを備え、吸入ポート３１ａを通じて凝縮器で凝縮した冷媒を作動室３７に吸入し作動室３７の容積を変化させることによって冷媒を膨張させ、吐出ポート３５ａを通じて冷媒を吐出する膨張機３０において、作動室３７が最大容積となるときの該作動室３７を画成するシリンダ３１の肉厚を小さくしたものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膨張機に関し、より詳細には、供給された冷媒を蒸発させる蒸発器と、この蒸発器で蒸発した冷媒を吸引して圧縮する圧縮機と、この圧縮機で圧縮された冷媒を導入して凝縮させる凝縮器とともに冷媒を循環させる冷媒回路を構成する膨張機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、供給された冷媒を蒸発させる蒸発器と、この蒸発器で蒸発した冷媒を吸引して圧縮する圧縮機と、この圧縮機で圧縮された冷媒を導入して凝縮させる凝縮器とともに冷媒を循環させる冷媒回路を構成する膨張機として、シリンダと、ロータと、ベーンとを備えたものが知られている。
【０００３】
シリンダは、円筒状の形態を成し、上端及び下端がカバー部材で閉塞された中空部を有している。このシリンダの内壁面は、その横断面形状が円弧状を成している。ロータは、中実円筒状の形態を成し、シリンダの中空部において該シリンダの中心軸と平行となる回転軸回りに回転可能に配設されている。このロータは、自身の外壁面の一部が該シリンダの内壁面の一部に摺接する態様で回転軸回りに回転するものである。ベーンは、ロータの外壁面に開口する態様で回転軸を中心として放射状に形成された各ベーン溝に収納されており、ロータの径外方向に沿って進退移動可能となるものである。これらベーンは、先端部がシリンダの内壁面に摺接することでシリンダとロータとで形成される作動空間を区画して複数の作動室を画成するものである。
【０００４】
このような構成を有する膨張機では、吸入ポートを通じて凝縮器で凝縮した冷媒を作動室に吸入し、ロータの回転に応じて該作動室の容積を変化させることによって冷媒を膨張させ、吐出ポートを通じて冷媒を吐出して蒸発器に送出している（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】実用新案登録第３１５４５１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上述した特許文献１に提案されている膨張機では、シリンダの内壁面の横断面形状が円弧状を成しており、しかもロータが円筒状を成していることからその外壁面の横断面形状も円弧状を成している。そのため、作動室が最大容積となる場合の容積量を十分に確保できず、この結果、吸入ポートを通じて冷媒を吸入して該吸入ポートとの連通が遮断された直後の作動室がロータの回転に伴って最大容積となるまでの容積の増大比で示される膨張比が十分に大きいものとならず、冷媒の膨張時の動力回収効率を十分に高いものとすることができなかった。
【０００７】
本発明は、上記実情に鑑みて、膨張比を増大させて冷媒の膨張時の動力回収効率を向上させることができる膨張機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１に係る膨張機は、供給された冷媒を蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器で蒸発した冷媒を吸引して圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された冷媒を導入して凝縮させる凝縮器とともに冷媒を循環させる冷媒回路を構成し、両端がカバー部材で閉塞された中空部を有する筒状のシリンダと、前記シリンダの中空部において該シリンダの中心軸と平行となる回転軸回りに、自身の外壁面の一部が該シリンダの内壁面の一部に摺接する態様で回転する中実円筒状のロータと、前記ロータの外壁面に開口する態様で前記回転軸を中心として放射状に形成された各ベーン溝に該ロータの径外方向に沿って進退移動可能に収納され、かつ先端部が前記シリンダの内壁面に摺接することで該シリンダと前記ロータとで形成される作動空間を区画して複数の作動室を画成するベーンとを備え、吸入ポートを通じて前記凝縮器で凝縮した冷媒を作動室に吸入し、前記ロータの回転に応じて該作動室の容積を変化させることによって冷媒を膨張させ、吐出ポートを通じて冷媒を吐出して前記蒸発器に送出する膨張機において、前記作動室が最大容積となるときの該作動室を画成するシリンダの肉厚を小さくしたことを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の請求項２に係る膨張機は、上述した請求項１において、前記シリンダは、少なくとも最大容積となる作動室を画成する部分の内壁面の横断面形状が楕円弧状を成すことを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の請求項３に係る膨張機は、上述した請求項１又は請求項２において、前記ロータの回転軸は、前記圧縮機の駆動軸と連結してあることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、作動室が最大容積となるときの該作動室を画成するシリンダの肉厚を小さくしたので、吸入ポートを通じて冷媒を吸入して該吸入ポートとの連通が遮断された直後の作動室がロータの回転に伴って最大容積となるまでの容積の増大比で示される膨張比を十分に大きいものとすることができ、この膨張比の増大により回収仕事を大きくすることができるので、冷媒の膨張時の動力回収効率を向上させることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本発明の実施の形態である膨張機が適用された冷媒回路装置を概念的に示す概念図である。
【図２】図２は、図１に示した冷媒回路を構成する膨張機を示す説明図である。
【図３】図３は、図２に示した膨張機構のＡ−Ａ線断面図である。
【図４】図４は、図２に示した膨張機構のＡ−Ａ線断面図である。
【図５】図５は、本実施の形態である膨張機の作動室容積と作動室圧力との関係を示すグラフである。
【図６】図６は、従来例である膨張機の作動室容積と作動室圧力との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に添付図面を参照して、本発明に係る膨張機の好適な実施の形態について詳細に説明する。
【００１４】
図１は、本発明の実施の形態である膨張機が適用された冷媒回路装置を概念的に示す概念図である。ここで例示する冷媒回路装置は、例えば缶入り飲料やペットボトル入り飲料等を販売する自動販売機に適用されるもので、内部に冷媒（例えばＲ１３４ａ等）を封入した冷媒回路１０を有している。かかる冷媒回路１０は、主経路２０と加熱経路４０とを備えて構成してある。
【００１５】
主経路２０は、蒸発器２１、圧縮機２２、凝縮器２３及び膨張機３０を冷媒管路２４にて順次接続して構成してある。
【００１６】
蒸発器２１は、複数（図示の例では３つ）設けてあり、それぞれが自動販売機の各商品収容庫１に配設してある。それぞれの蒸発器２１には、各入口に分配器２８によって３つに分岐された冷媒管路２４が連通する態様で接続してある。これら蒸発器２１は、通過する冷媒を蒸発させて対象となる商品収容庫１（右庫１ａ、中庫１ｂ、左庫１ｃ）の内部空気を冷却するものである。以下においては、右庫１ａ（右側の商品収容庫１）に配設された蒸発器２１を右蒸発器２１ａ、中庫１ｂ（中央の商品収容庫１）に配設さえた蒸発器２１を中蒸発器２１ｂ、左庫１ｃ（左側の商品収容庫１）に配設された蒸発器２１を左蒸発器２１ｃとも称しながら説明する。
【００１７】
各蒸発器２１の入口に連通する態様で接続された冷媒管路２４には、その途中に低圧電磁弁２５１，２５２，２５３が設けてある。低圧電磁弁２５１，２５２，２５３は、開閉可能な弁体であり、図示せぬ制御手段から開指令が与えられた場合には開成して冷媒の通過を許容する一方、閉指令が与えられた場合には閉成して冷媒の通過を規制するものである。
【００１８】
また、各蒸発器２１には、各出口に連通する態様で冷媒管路２４が接続してあり、これら冷媒管路２４は、第１合流点Ｐ１で合流し、圧縮機２２の吸引口に連通する態様で該圧縮機２２に接続してある。
【００１９】
圧縮機２２は、吸引口を通じて冷媒を吸引し、吸引した冷媒を圧縮して高温高圧の状態にして吐出口より吐出するものである。凝縮器２３は、通過する冷媒を凝縮させるものである。より詳細に説明すると、圧縮機２２で圧縮され、かつ吐出口から吐出されて冷媒管路２４を通じて送出された冷媒を周囲空気と熱交換させて凝縮させるものである。この凝縮器２３と圧縮機２２とを接続する冷媒管路２４には、三方弁２６が設けてある。かかる三方弁２６については後述する。
【００２０】
膨張機３０は、図２及び図３に示すように、シリンダ３１、ロータ３２及びベーン３３を備えて構成してある。
【００２１】
シリンダ３１は、円筒状の形態を成し、その上端部に上カバー部材３４及び下端部に下カバー部材３５が取り付けられることで上端及び下端が閉塞された中空部を有している。上カバー部材３４には、シリンダ３１の吸入ポート３１ａに連通する吸入部３４ａが配設してある。かかる吸入部３４ａは、凝縮器２３の出口に連通する態様で接続された冷媒管路２４が接続してあり、凝縮器２３で凝縮した冷媒を吸入するものである。この吸入部３４ａに接続された冷媒管路２４は、圧縮機２２の吸引口に連通する態様で接続された冷媒管路２４との間で互いの冷媒管路２４を通過する冷媒どうしが熱交換可能な内部熱交換器２７を構成している。下カバー部材３５には、吐出ポート３５ａが形成してあるとともに、かかる吐出ポート３５ａに連通する吐出部（図示せず）が配設してある。かかる吐出部には、分配器２８に接続される冷媒管路２４が接続してある。
【００２２】
ロータ３２は、中実円筒状の形態を成し、シリンダ３１の中空部に回転可能に配設してある。このロータ３２は、回転軸３２ａがシリンダ３１の中心軸と平行となる個所に、すなわち回転軸３２ａがシリンダ３１の中心軸から離隔した個所にあり、その回転軸３２ａ回りに回転するものである。かかるロータ３２は、外壁面の一部がシリンダ３１の内壁面の一部に摺接する態様で回転することで、シリンダ３１との間に作動空間３６を形成している。ここでロータ３２の回転軸３２ａは、上カバー部材３４及び下カバー部材３５を貫通する態様で設けてあり、軸受３２ｂにより支持されている。この回転軸３２ａは、圧縮機２２の図示せぬ駆動軸と連結してある。
【００２３】
ベーン３３は、ロータ３２の外壁面に開口する態様で回転軸３２ａを中心として放射状に形成された各ベーン溝３３ａにそれぞれ収納してある。これらベーン３３は、図示せぬ付勢手段によりロータ３２の径外方向に向けて付勢されており、その径外方向に沿って進退移動可能となるものである。かかるベーン３３は、先端部がシリンダ３１の内壁面に摺接することで作動空間３６を区画して複数の作動室３７を画成するものである。
【００２４】
このような膨張機３０は、吸入ポート３１ａを通じて凝縮器２３で凝縮した冷媒を作動室３７に吸入し、ロータ３２の回転に応じて該作動室３７の容積を変化させることによって冷媒を膨張させ、吐出ポート３５ａを通じて冷媒を吐出して分配器２８（蒸発器２１）に送出するものである。
【００２５】
そして、上記膨張機３０では、シリンダ３１の中心軸を基準としてその中心軸より回転軸３２ａ側の内壁面の横断面形状を円弧状に形成し、かつ該中心軸より回転軸３２ａと反対側の内壁面の横断面形状を楕円弧状に形成してある。つまり、作動室３７が最大容積となるときの該作動室３７を画成するシリンダ３１の肉厚を小さくしてある。
【００２６】
加熱経路４０は、庫内熱交換器４１及び庫外熱交換器４２を冷媒配管４３で順次接続して構成してある。庫内熱交換器４１は、左庫１ｃの内部において左蒸発器２１ｃに隣接する態様で配設してある。この庫内熱交換器４１の入口側には、上記三方弁２６に接続された冷媒配管４３が接続してある。
【００２７】
ここで三方弁２６は、圧縮機２２で圧縮した冷媒を凝縮器２３に送出する第１送出状態と、圧縮機２２で圧縮した冷媒を庫内熱交換器４１に送出する第２送出状態との間で択一的に切り換え可能なバルブ手段である。かかる三方弁２６の切換動作は、制御手段から与えられる指令に応じて行われる。
【００２８】
このような庫内熱交換器４１は、冷媒配管４３を通じて圧縮機２２で圧縮された冷媒が供給された場合、該冷媒を凝縮させることで左庫１ｃの内部空気を加熱するものである。
【００２９】
庫外熱交換器４２は、凝縮器２３に隣接する態様で配設してある。この庫外熱交換器４２の入口側には、庫内熱交換器４１の出口側に接続された冷媒配管４３が接続してある。つまり、庫内熱交換器４１で凝縮した冷媒が冷媒配管４３を通じて供給される。この庫外熱交換器４２は、庫内熱交換器４１から供給された冷媒と周囲空気との間で熱交換を行わせて、該冷媒を放熱させるものである。
【００３０】
また、庫外熱交換器４２の出口側には、主経路２０における凝縮器２３の出口側に接続された冷媒管路２４に合流する態様で接続された冷媒配管４３が接続してある。
【００３１】
尚、図中の符号Ｈ、Ｆ１及びＦ２は、それぞれヒータ、庫内送風ファン及び庫外送風ファンである。ヒータＨは、中庫１ｂに配設してあり、駆動して通電状態となることにより中庫１ｂの内部空気を加熱する加熱手段である。庫内送風ファンＦ１は、各商品収容庫１に配設してあり、駆動することにより蒸発器２１等の周囲を通過した空気を商品収容庫１の内部で循環させるものである。庫外送風ファンＦ２は、凝縮器２３の近傍に配設してあり、駆動することにより凝縮器２３（若しくは庫外熱交換器４２）の周囲に外気を通過させるものである。
【００３２】
以上のような構成を有する冷媒回路装置は、次のようにして商品収容庫１に収容された商品を冷却、あるいは加熱する。
【００３３】
まず、ＣＣＣ運転（すべての商品収容庫１の内部空気を冷却する運転）を行う場合について説明する。この場合、制御手段は三方弁２６を第１送出状態にさせ、低圧電磁弁２５１，２５２，２５３に対して開指令を与える。
【００３４】
これにより圧縮機２２で圧縮された冷媒は、第１送出状態にある三方弁２６を通過して凝縮器２３に至る。凝縮器２３に至った冷媒は、該凝縮器２３を通過中に、周囲空気（外気）に放熱して凝縮する。凝縮器２３で凝縮した冷媒は、内部熱交換器２７を通過した後、膨張機３０に至る。
【００３５】
膨張機３０では、吸入部３４ａを通過した冷媒が吸入ポート３１ａより作動室３７の内部に流入する（図３参照）。この際、ロータ３２は回転軸３２ａ回りを回転しているため、作動室３７も回転軸３２ａ回りに移動し、その後に吸入ポート３１ａとの連通が遮断される。そして、作動室３７の容積は徐々に増大し、図４に示すように最大容積となる。このような作動室３７の容積変化により冷媒を膨張させる。その後、ロータ３２の回転に伴って回転軸３２ａ回りに移動する作動室３７は、吐出ポート３５ａに連通し、かかる吐出ポート３５ａを通じて膨張した冷媒を吐出させる。吐出ポート３５ａを通じて吐出された冷媒は、吐出部を介して冷媒管路２４を通過した後、分配器２８を介して右蒸発器２１ａ、中蒸発器２１ｂ及び左蒸発器２１ｃに至る。
【００３６】
各蒸発器２１に至った冷媒は、各蒸発器２１で蒸発して商品収容庫１の内部空気から熱を奪い、該内部空気を冷却する。冷却された内部空気は、各庫内送風ファンＦ１の駆動により内部を循環し、これにより各商品収容庫１に収容された商品は、循環する内部空気に冷却される。各蒸発器２１で蒸発した冷媒は、第１合流点Ｐ１で合流して圧縮機２２に吸引され、圧縮機２２に圧縮されて上述した循環を繰り返す。
【００３７】
次に、ＨＣＣ運転（左庫１ｃの内部空気を加熱し、右庫１ａ及び中庫１ｂの内部空気を冷却する運転）を行う場合について説明する。この場合、制御手段は、三方弁２６を第２送出状態にさせ、低圧電磁弁２５３に対して閉指令を与え、低圧電磁弁２５１，２５２に対して開指令を与える。
【００３８】
これにより圧縮機２２で圧縮された冷媒は、第２送出状態である三方弁２６を通過して庫内熱交換器４１に至る。庫内熱交換器４１に至った冷媒は、該庫内熱交換器４１を通過中に、左庫１ｃの内部空気と熱交換し、該内部空気に放熱して凝縮する。これにより左庫１ｃの内部空気を加熱する。加熱された内部空気は、庫内送風ファンＦ１の駆動により、左庫１ｃの内部を循環し、これにより左庫１ｃに収容された商品は、循環する内部空気に加熱される。
【００３９】
庫内熱交換器４１で凝縮した冷媒は、庫外熱交換器４２に至り、該庫外熱交換器４２で周囲空気に放熱した後、冷媒配管４３を通過して主経路２０に戻る。主経路２０に戻った冷媒は、内部熱交換器２７を通過した後、膨張機３０に至る。
【００４０】
膨張機３０では、吸入部３４ａを通過した冷媒が吸入ポート３１ａより作動室３７の内部に流入する（図３参照）。この際、ロータ３２は回転軸３２ａ回りを回転しているため、作動室３７も回転軸３２ａ回りに移動し、その後に吸入ポート３１ａとの連通が遮断される。そして、作動室３７の容積は徐々に増大し、図４に示すように最大容積となる。このような作動室３７の容積変化により冷媒を膨張させる。その後、ロータ３２の回転に伴って回転軸３２ａ回りに移動する作動室３７は、吐出ポート３５ａに連通し、かかる吐出ポート３５ａを通じて膨張した冷媒を吐出させる。吐出ポート３５ａを通じて吐出された冷媒は、吐出部を介して冷媒管路２４を通過した後、分配器２８を介して右蒸発器２１ａ及び中蒸発器２１ｂに至る。
【００４１】
右蒸発器２１ａ及び中蒸発器２１ｂに至った冷媒は、右蒸発器２１ａ及び中蒸発器２１ｂで蒸発して右庫１ａ及び中庫１ｂの内部空気から熱を奪い、該内部空気を冷却する。冷却された内部空気は、各庫内送風ファンＦ１の駆動により内部を循環し、これにより右庫１ａ及び中庫１ｂに収容された商品は、循環する内部空気に冷却される。右蒸発器２１ａ及び中蒸発器２１ｂで蒸発した冷媒は、第１合流点Ｐ１で合流して圧縮機２２に吸引され、圧縮機２２に圧縮されて上述した循環を繰り返す。
【００４２】
以上説明したように本発明の実施の形態である膨張機３０では、最大容積となる作動室３７を画成する部分の内壁面の横断面形状が楕円弧状を成すようシリンダ３１の肉厚を小さくしてあるので、吸入ポート３１ａを通じて冷媒を吸入して該吸入ポート３１ａとの連通が遮断された直後の作動室３７がロータ３２の回転に伴って最大容積となるまでの容積の増大比で示される膨張比を十分に大きいものとすることができる。このように膨張比を大きくすることができることで、図５に示すように、作動室容積と作動室圧力との関係を示すグラフにおいて、吸入ポート３１ａを通じて冷媒を吸入する吸入工程、作動室３７の容積を増大させることで冷媒を膨張させる膨張工程、吐出ポート３５ａを通じて冷媒を吐出する吐出工程の各線で囲まれる面積（ａｂｃｄ）で示される回収仕事を、図６に示す面積（ａｂｃｃ′ｄ）で示される回収仕事よりも大きくすることができる。ここで、図６は、シリンダの内壁面の横断面形状が円弧状を成した従来例での作動室容積と作動室圧力との関係を示すグラフである。
【００４３】
このように本実施の形態である膨張機３０によれば、シリンダ３１の内壁面の一部の横断面形状を楕円弧にするという簡単な方法で膨張比を増大させることができ、この膨張比の増大により回収仕事を大きくすることができるので、冷媒の膨張時の動力回収効率を向上させることができる。
【００４４】
以上説明したような本実施の形態である膨張機３０では、シリンダ３１の肉厚を小さくする一例として対象部位の横断面形状を楕円弧状に形成していたが、本発明では作動室３７の膨張比を大きくすることができるのであれば、シリンダ３１の対象部位の横断面形状は楕円弧状に限定されないことはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
以上のように、本発明に係る膨張機は、例えば缶入り飲料やペットボトル入り飲料等の商品を販売する自動販売機に適用される冷媒回路装置に有用である。
【符号の説明】
【００４６】
１ 商品収容庫
１ａ 右庫
１ｂ 中庫
１ｃ 左庫
１０ 冷媒回路
２０ 主経路
２１ 蒸発器
２２ 圧縮機
２３ 凝縮器
２４ 冷媒管路
２６ 三方弁
２８ 分配器
３０ 膨張機
３１ シリンダ
３１ａ 吸入ポート
３２ ロータ
３２ａ 回転軸
３３ ベーン
３３ａ ベーン溝
３４ 上カバー部材
３５ 下カバー部材
３５ａ 吐出ポート
３６ 作動空間
３７ 作動室
４０ 加熱経路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膨張機に関し、より詳細には、供給された冷媒を蒸発させる蒸発器と、この蒸発器で蒸発した冷媒を吸引して圧縮する圧縮機と、この圧縮機で圧縮された冷媒を導入して凝縮させる凝縮器とともに冷媒を循環させる冷媒回路を構成する膨張機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、供給された冷媒を蒸発させる蒸発器と、この蒸発器で蒸発した冷媒を吸引して圧縮する圧縮機と、この圧縮機で圧縮された冷媒を導入して凝縮させる凝縮器とともに冷媒を循環させる冷媒回路を構成する膨張機として、シリンダと、ロータと、ベーンとを備えたものが知られている。
【０００３】
シリンダは、円筒状の形態を成し、上端及び下端がカバー部材で閉塞された中空部を有している。このシリンダの内壁面は、その横断面形状が円弧状を成している。ロータは、中実円筒状の形態を成し、シリンダの中空部において該シリンダの中心軸と平行となる回転軸回りに回転可能に配設されている。このロータは、自身の外壁面の一部が該シリンダの内壁面の一部に摺接する態様で回転軸回りに回転するものである。ベーンは、ロータの外壁面に開口する態様で回転軸を中心として放射状に形成された各ベーン溝に収納されており、ロータの径外方向に沿って進退移動可能となるものである。これらベーンは、先端部がシリンダの内壁面に摺接することでシリンダとロータとで形成される作動空間を区画して複数の作動室を画成するものである。
【０００４】
このような構成を有する膨張機では、吸入ポートを通じて凝縮器で凝縮した冷媒を作動室に吸入し、ロータの回転に応じて該作動室の容積を変化させることによって冷媒を膨張させ、吐出ポートを通じて冷媒を吐出して蒸発器に送出している（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】実用新案登録第３１５４５１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上述した特許文献１に提案されている膨張機では、シリンダの内壁面の横断面形状が円弧状を成しており、しかもロータが円筒状を成していることからその外壁面の横断面形状も円弧状を成している。そのため、作動室が最大容積となる場合の容積量を十分に確保できず、この結果、吸入ポートを通じて冷媒を吸入して該吸入ポートとの連通が遮断された直後の作動室がロータの回転に伴って最大容積となるまでの容積の増大比で示される膨張比が十分に大きいものとならず、冷媒の膨張時の動力回収効率を十分に高いものとすることができなかった。
【０００７】
本発明は、上記実情に鑑みて、膨張比を増大させて冷媒の膨張時の動力回収効率を向上させることができる膨張機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１に係る膨張機は、供給された冷媒を蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器で蒸発した冷媒を吸引して圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された冷媒を導入して凝縮させる凝縮器とともに冷媒を循環させる冷媒回路を構成し、両端がカバー部材で閉塞された中空部を有する筒状のシリンダと、前記シリンダの中空部において該シリンダの中心軸と平行となる回転軸回りに、自身の外壁面の一部が該シリンダの内壁面の一部に摺接する態様で回転する中実円筒状のロータと、前記ロータの外壁面に開口する態様で前記回転軸を中心として放射状に形成された各ベーン溝に該ロータの径外方向に沿って進退移動可能に収納され、かつ先端部が前記シリンダの内壁面に摺接することで該シリンダと前記ロータとで形成される作動空間を区画して複数の作動室を画成するベーンとを備え、吸入ポートを通じて前記凝縮器で凝縮した冷媒を作動室に吸入し、前記ロータの回転に応じて該作動室の容積を変化させることによって冷媒を膨張させ、吐出ポートを通じて冷媒を吐出して前記蒸発器に送出する膨張機において、前記作動室が最大容積となるときの該作動室を画成するシリンダの肉厚を小さくしたことを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の請求項２に係る膨張機は、上述した請求項１において、前記シリンダは、少なくとも最大容積となる作動室を画成する部分の内壁面の横断面形状が楕円弧状を成すことを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の請求項３に係る膨張機は、上述した請求項１又は請求項２において、前記ロータの回転軸は、前記圧縮機の駆動軸と連結してあることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、作動室が最大容積となるときの該作動室を画成するシリンダの肉厚を小さくしたので、吸入ポートを通じて冷媒を吸入して該吸入ポートとの連通が遮断された直後の作動室がロータの回転に伴って最大容積となるまでの容積の増大比で示される膨張比を十分に大きいものとすることができ、この膨張比の増大により回収仕事を大きくすることができるので、冷媒の膨張時の動力回収効率を向上させることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本発明の実施の形態である膨張機が適用された冷媒回路装置を概念的に示す概念図である。
【図２】図２は、図１に示した冷媒回路を構成する膨張機を示す説明図である。
【図３】図３は、図２に示した膨張機構のＡ−Ａ線断面図である。
【図４】図４は、図２に示した膨張機構のＡ−Ａ線断面図である。
【図５】図５は、本実施の形態である膨張機の作動室容積と作動室圧力との関係を示すグラフである。
【図６】図６は、従来例である膨張機の作動室容積と作動室圧力との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に添付図面を参照して、本発明に係る膨張機の好適な実施の形態について詳細に説明する。
【００１４】
図１は、本発明の実施の形態である膨張機が適用された冷媒回路装置を概念的に示す概念図である。ここで例示する冷媒回路装置は、例えば缶入り飲料やペットボトル入り飲料等を販売する自動販売機に適用されるもので、内部に冷媒（例えばＲ１３４ａ等）を封入した冷媒回路１０を有している。かかる冷媒回路１０は、主経路２０と加熱経路４０とを備えて構成してある。
【００１５】
主経路２０は、蒸発器２１、圧縮機２２、凝縮器２３及び膨張機３０を冷媒管路２４にて順次接続して構成してある。
【００１６】
蒸発器２１は、複数（図示の例では３つ）設けてあり、それぞれが自動販売機の各商品収容庫１に配設してある。それぞれの蒸発器２１には、各入口に分配器２８によって３つに分岐された冷媒管路２４が連通する態様で接続してある。これら蒸発器２１は、通過する冷媒を蒸発させて対象となる商品収容庫１（右庫１ａ、中庫１ｂ、左庫１ｃ）の内部空気を冷却するものである。以下においては、右庫１ａ（右側の商品収容庫１）に配設された蒸発器２１を右蒸発器２１ａ、中庫１ｂ（中央の商品収容庫１）に配設さえた蒸発器２１を中蒸発器２１ｂ、左庫１ｃ（左側の商品収容庫１）に配設された蒸発器２１を左蒸発器２１ｃとも称しながら説明する。
【００１７】
各蒸発器２１の入口に連通する態様で接続された冷媒管路２４には、その途中に低圧電磁弁２５１，２５２，２５３が設けてある。低圧電磁弁２５１，２５２，２５３は、開閉可能な弁体であり、図示せぬ制御手段から開指令が与えられた場合には開成して冷媒の通過を許容する一方、閉指令が与えられた場合には閉成して冷媒の通過を規制するものである。
【００１８】
また、各蒸発器２１には、各出口に連通する態様で冷媒管路２４が接続してあり、これら冷媒管路２４は、第１合流点Ｐ１で合流し、圧縮機２２の吸引口に連通する態様で該圧縮機２２に接続してある。
【００１９】
圧縮機２２は、吸引口を通じて冷媒を吸引し、吸引した冷媒を圧縮して高温高圧の状態にして吐出口より吐出するものである。凝縮器２３は、通過する冷媒を凝縮させるものである。より詳細に説明すると、圧縮機２２で圧縮され、かつ吐出口から吐出されて冷媒管路２４を通じて送出された冷媒を周囲空気と熱交換させて凝縮させるものである。この凝縮器２３と圧縮機２２とを接続する冷媒管路２４には、三方弁２６が設けてある。かかる三方弁２６については後述する。
【００２０】
膨張機３０は、図２及び図３に示すように、シリンダ３１、ロータ３２及びベーン３３を備えて構成してある。
【００２１】
シリンダ３１は、円筒状の形態を成し、その上端部に上カバー部材３４及び下端部に下カバー部材３５が取り付けられることで上端及び下端が閉塞された中空部を有している。上カバー部材３４には、シリンダ３１の吸入ポート３１ａに連通する吸入部３４ａが配設してある。かかる吸入部３４ａは、凝縮器２３の出口に連通する態様で接続された冷媒管路２４が接続してあり、凝縮器２３で凝縮した冷媒を吸入するものである。この吸入部３４ａに接続された冷媒管路２４は、圧縮機２２の吸引口に連通する態様で接続された冷媒管路２４との間で互いの冷媒管路２４を通過する冷媒どうしが熱交換可能な内部熱交換器２７を構成している。下カバー部材３５には、吐出ポート３５ａが形成してあるとともに、かかる吐出ポート３５ａに連通する吐出部（図示せず）が配設してある。かかる吐出部には、分配器２８に接続される冷媒管路２４が接続してある。
【００２２】
ロータ３２は、中実円筒状の形態を成し、シリンダ３１の中空部に回転可能に配設してある。このロータ３２は、回転軸３２ａがシリンダ３１の中心軸と平行となる個所に、すなわち回転軸３２ａがシリンダ３１の中心軸から離隔した個所にあり、その回転軸３２ａ回りに回転するものである。かかるロータ３２は、外壁面の一部がシリンダ３１の内壁面の一部に摺接する態様で回転することで、シリンダ３１との間に作動空間３６を形成している。ここでロータ３２の回転軸３２ａは、上カバー部材３４及び下カバー部材３５を貫通する態様で設けてあり、軸受３２ｂにより支持されている。この回転軸３２ａは、圧縮機２２の図示せぬ駆動軸と連結してある。
【００２３】
ベーン３３は、ロータ３２の外壁面に開口する態様で回転軸３２ａを中心として放射状に形成された各ベーン溝３３ａにそれぞれ収納してある。これらベーン３３は、図示せぬ付勢手段によりロータ３２の径外方向に向けて付勢されており、その径外方向に沿って進退移動可能となるものである。かかるベーン３３は、先端部がシリンダ３１の内壁面に摺接することで作動空間３６を区画して複数の作動室３７を画成するものである。
【００２４】
このような膨張機３０は、吸入ポート３１ａを通じて凝縮器２３で凝縮した冷媒を作動室３７に吸入し、ロータ３２の回転に応じて該作動室３７の容積を変化させることによって冷媒を膨張させ、吐出ポート３５ａを通じて冷媒を吐出して分配器２８（蒸発器２１）に送出するものである。
【００２５】
そして、上記膨張機３０では、シリンダ３１の中心軸を基準としてその中心軸より回転軸３２ａ側の内壁面の横断面形状を円弧状に形成し、かつ該中心軸より回転軸３２ａと反対側の内壁面の横断面形状を楕円弧状に形成してある。つまり、作動室３７が最大容積となるときの該作動室３７を画成するシリンダ３１の肉厚を小さくしてある。
【００２６】
加熱経路４０は、庫内熱交換器４１及び庫外熱交換器４２を冷媒配管４３で順次接続して構成してある。庫内熱交換器４１は、左庫１ｃの内部において左蒸発器２１ｃに隣接する態様で配設してある。この庫内熱交換器４１の入口側には、上記三方弁２６に接続された冷媒配管４３が接続してある。
【００２７】
ここで三方弁２６は、圧縮機２２で圧縮した冷媒を凝縮器２３に送出する第１送出状態と、圧縮機２２で圧縮した冷媒を庫内熱交換器４１に送出する第２送出状態との間で択一的に切り換え可能なバルブ手段である。かかる三方弁２６の切換動作は、制御手段から与えられる指令に応じて行われる。
【００２８】
このような庫内熱交換器４１は、冷媒配管４３を通じて圧縮機２２で圧縮された冷媒が供給された場合、該冷媒を凝縮させることで左庫１ｃの内部空気を加熱するものである。
【００２９】
庫外熱交換器４２は、凝縮器２３に隣接する態様で配設してある。この庫外熱交換器４２の入口側には、庫内熱交換器４１の出口側に接続された冷媒配管４３が接続してある。つまり、庫内熱交換器４１で凝縮した冷媒が冷媒配管４３を通じて供給される。この庫外熱交換器４２は、庫内熱交換器４１から供給された冷媒と周囲空気との間で熱交換を行わせて、該冷媒を放熱させるものである。
【００３０】
また、庫外熱交換器４２の出口側には、主経路２０における凝縮器２３の出口側に接続された冷媒管路２４に合流する態様で接続された冷媒配管４３が接続してある。
【００３１】
尚、図中の符号Ｈ、Ｆ１及びＦ２は、それぞれヒータ、庫内送風ファン及び庫外送風ファンである。ヒータＨは、中庫１ｂに配設してあり、駆動して通電状態となることにより中庫１ｂの内部空気を加熱する加熱手段である。庫内送風ファンＦ１は、各商品収容庫１に配設してあり、駆動することにより蒸発器２１等の周囲を通過した空気を商品収容庫１の内部で循環させるものである。庫外送風ファンＦ２は、凝縮器２３の近傍に配設してあり、駆動することにより凝縮器２３（若しくは庫外熱交換器４２）の周囲に外気を通過させるものである。
【００３２】
以上のような構成を有する冷媒回路装置は、次のようにして商品収容庫１に収容された商品を冷却、あるいは加熱する。
【００３３】
まず、ＣＣＣ運転（すべての商品収容庫１の内部空気を冷却する運転）を行う場合について説明する。この場合、制御手段は三方弁２６を第１送出状態にさせ、低圧電磁弁２５１，２５２，２５３に対して開指令を与える。
【００３４】
これにより圧縮機２２で圧縮された冷媒は、第１送出状態にある三方弁２６を通過して凝縮器２３に至る。凝縮器２３に至った冷媒は、該凝縮器２３を通過中に、周囲空気（外気）に放熱して凝縮する。凝縮器２３で凝縮した冷媒は、内部熱交換器２７を通過した後、膨張機３０に至る。
【００３５】
膨張機３０では、吸入部３４ａを通過した冷媒が吸入ポート３１ａより作動室３７の内部に流入する（図３参照）。この際、ロータ３２は回転軸３２ａ回りを回転しているため、作動室３７も回転軸３２ａ回りに移動し、その後に吸入ポート３１ａとの連通が遮断される。そして、作動室３７の容積は徐々に増大し、図４に示すように最大容積となる。このような作動室３７の容積変化により冷媒を膨張させる。その後、ロータ３２の回転に伴って回転軸３２ａ回りに移動する作動室３７は、吐出ポート３５ａに連通し、かかる吐出ポート３５ａを通じて膨張した冷媒を吐出させる。吐出ポート３５ａを通じて吐出された冷媒は、吐出部を介して冷媒管路２４を通過した後、分配器２８を介して右蒸発器２１ａ、中蒸発器２１ｂ及び左蒸発器２１ｃに至る。
【００３６】
各蒸発器２１に至った冷媒は、各蒸発器２１で蒸発して商品収容庫１の内部空気から熱を奪い、該内部空気を冷却する。冷却された内部空気は、各庫内送風ファンＦ１の駆動により内部を循環し、これにより各商品収容庫１に収容された商品は、循環する内部空気に冷却される。各蒸発器２１で蒸発した冷媒は、第１合流点Ｐ１で合流して圧縮機２２に吸引され、圧縮機２２に圧縮されて上述した循環を繰り返す。
【００３７】
次に、ＨＣＣ運転（左庫１ｃの内部空気を加熱し、右庫１ａ及び中庫１ｂの内部空気を冷却する運転）を行う場合について説明する。この場合、制御手段は、三方弁２６を第２送出状態にさせ、低圧電磁弁２５３に対して閉指令を与え、低圧電磁弁２５１，２５２に対して開指令を与える。
【００３８】
これにより圧縮機２２で圧縮された冷媒は、第２送出状態である三方弁２６を通過して庫内熱交換器４１に至る。庫内熱交換器４１に至った冷媒は、該庫内熱交換器４１を通過中に、左庫１ｃの内部空気と熱交換し、該内部空気に放熱して凝縮する。これにより左庫１ｃの内部空気を加熱する。加熱された内部空気は、庫内送風ファンＦ１の駆動により、左庫１ｃの内部を循環し、これにより左庫１ｃに収容された商品は、循環する内部空気に加熱される。
【００３９】
庫内熱交換器４１で凝縮した冷媒は、庫外熱交換器４２に至り、該庫外熱交換器４２で周囲空気に放熱した後、冷媒配管４３を通過して主経路２０に戻る。主経路２０に戻った冷媒は、内部熱交換器２７を通過した後、膨張機３０に至る。
【００４０】
膨張機３０では、吸入部３４ａを通過した冷媒が吸入ポート３１ａより作動室３７の内部に流入する（図３参照）。この際、ロータ３２は回転軸３２ａ回りを回転しているため、作動室３７も回転軸３２ａ回りに移動し、その後に吸入ポート３１ａとの連通が遮断される。そして、作動室３７の容積は徐々に増大し、図４に示すように最大容積となる。このような作動室３７の容積変化により冷媒を膨張させる。その後、ロータ３２の回転に伴って回転軸３２ａ回りに移動する作動室３７は、吐出ポート３５ａに連通し、かかる吐出ポート３５ａを通じて膨張した冷媒を吐出させる。吐出ポート３５ａを通じて吐出された冷媒は、吐出部を介して冷媒管路２４を通過した後、分配器２８を介して右蒸発器２１ａ及び中蒸発器２１ｂに至る。
【００４１】
右蒸発器２１ａ及び中蒸発器２１ｂに至った冷媒は、右蒸発器２１ａ及び中蒸発器２１ｂで蒸発して右庫１ａ及び中庫１ｂの内部空気から熱を奪い、該内部空気を冷却する。冷却された内部空気は、各庫内送風ファンＦ１の駆動により内部を循環し、これにより右庫１ａ及び中庫１ｂに収容された商品は、循環する内部空気に冷却される。右蒸発器２１ａ及び中蒸発器２１ｂで蒸発した冷媒は、第１合流点Ｐ１で合流して圧縮機２２に吸引され、圧縮機２２に圧縮されて上述した循環を繰り返す。
【００４２】
以上説明したように本発明の実施の形態である膨張機３０では、最大容積となる作動室３７を画成する部分の内壁面の横断面形状が楕円弧状を成すようシリンダ３１の肉厚を小さくしてあるので、吸入ポート３１ａを通じて冷媒を吸入して該吸入ポート３１ａとの連通が遮断された直後の作動室３７がロータ３２の回転に伴って最大容積となるまでの容積の増大比で示される膨張比を十分に大きいものとすることができる。このように膨張比を大きくすることができることで、図５に示すように、作動室容積と作動室圧力との関係を示すグラフにおいて、吸入ポート３１ａを通じて冷媒を吸入する吸入工程、作動室３７の容積を増大させることで冷媒を膨張させる膨張工程、吐出ポート３５ａを通じて冷媒を吐出する吐出工程の各線で囲まれる面積（ａｂｃｄ）で示される回収仕事を、図６に示す面積（ａｂｃｃ′ｄ）で示される回収仕事よりも大きくすることができる。ここで、図６は、シリンダの内壁面の横断面形状が円弧状を成した従来例での作動室容積と作動室圧力との関係を示すグラフである。
【００４３】
このように本実施の形態である膨張機３０によれば、シリンダ３１の内壁面の一部の横断面形状を楕円弧にするという簡単な方法で膨張比を増大させることができ、この膨張比の増大により回収仕事を大きくすることができるので、冷媒の膨張時の動力回収効率を向上させることができる。
【００４４】
以上説明したような本実施の形態である膨張機３０では、シリンダ３１の肉厚を小さくする一例として対象部位の横断面形状を楕円弧状に形成していたが、本発明では作動室３７の膨張比を大きくすることができるのであれば、シリンダ３１の対象部位の横断面形状は楕円弧状に限定されないことはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
以上のように、本発明に係る膨張機は、例えば缶入り飲料やペットボトル入り飲料等の商品を販売する自動販売機に適用される冷媒回路装置に有用である。
【符号の説明】
【００４６】
１ 商品収容庫
１ａ 右庫
１ｂ 中庫
１ｃ 左庫
１０ 冷媒回路
２０ 主経路
２１ 蒸発器
２２ 圧縮機
２３ 凝縮器
２４ 冷媒管路
２６ 三方弁
２８ 分配器
３０ 膨張機
３１ シリンダ
３１ａ 吸入ポート
３２ ロータ
３２ａ 回転軸
３３ ベーン
３３ａ ベーン溝
３４ 上カバー部材
３５ 下カバー部材
３５ａ 吐出ポート
３６ 作動空間
３７ 作動室
４０ 加熱経路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
供給された冷媒を蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器で蒸発した冷媒を吸引して圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された冷媒を導入して凝縮させる凝縮器とともに冷媒を循環させる冷媒回路を構成し、
両端がカバー部材で閉塞された中空部を有する筒状のシリンダと、
前記シリンダの中空部において該シリンダの中心軸と平行となる回転軸回りに、自身の外壁面の一部が該シリンダの内壁面の一部に摺接する態様で回転する中実円筒状のロータと、
前記ロータの外壁面に開口する態様で前記回転軸を中心として放射状に形成された各ベーン溝に該ロータの径外方向に沿って進退移動可能に収納され、かつ先端部が前記シリンダの内壁面に摺接することで該シリンダと前記ロータとで形成される作動空間を区画して複数の作動室を画成するベーンと
を備え、吸入ポートを通じて前記凝縮器で凝縮した冷媒を作動室に吸入し、前記ロータの回転に応じて該作動室の容積を変化させることによって冷媒を膨張させ、吐出ポートを通じて冷媒を吐出して前記蒸発器に送出する膨張機において、
前記作動室が最大容積となるときの該作動室を画成するシリンダの肉厚を小さくしたことを特徴とする膨張機。
【請求項２】
前記シリンダは、少なくとも最大容積となる作動室を画成する部分の内壁面の横断面形状が楕円弧状を成すことを特徴とする請求項１に記載の膨張機。
【請求項３】
前記ロータの回転軸は、前記圧縮機の駆動軸と連結してあることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の膨張機。
【請求項１】
供給された冷媒を蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器で蒸発した冷媒を吸引して圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された冷媒を導入して凝縮させる凝縮器とともに冷媒を循環させる冷媒回路を構成し、
両端がカバー部材で閉塞された中空部を有する筒状のシリンダと、
前記シリンダの中空部において該シリンダの中心軸と平行となる回転軸回りに、自身の外壁面の一部が該シリンダの内壁面の一部に摺接する態様で回転する中実円筒状のロータと、
前記ロータの外壁面に開口する態様で前記回転軸を中心として放射状に形成された各ベーン溝に該ロータの径外方向に沿って進退移動可能に収納され、かつ先端部が前記シリンダの内壁面に摺接することで該シリンダと前記ロータとで形成される作動空間を区画して複数の作動室を画成するベーンと
を備え、吸入ポートを通じて前記凝縮器で凝縮した冷媒を作動室に吸入し、前記ロータの回転に応じて該作動室の容積を変化させることによって冷媒を膨張させ、吐出ポートを通じて冷媒を吐出して前記蒸発器に送出する膨張機において、
前記作動室が最大容積となるときの該作動室を画成するシリンダの肉厚を小さくしたことを特徴とする膨張機。
【請求項２】
前記シリンダは、少なくとも最大容積となる作動室を画成する部分の内壁面の横断面形状が楕円弧状を成すことを特徴とする請求項１に記載の膨張機。
【請求項３】
前記ロータの回転軸は、前記圧縮機の駆動軸と連結してあることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の膨張機。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−２１９６７５（Ｐ２０１２−２１９６７５Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１２日（２０１２．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−８４７２４（Ｐ２０１１−８４７２４）
【出願日】平成２３年４月６日（２０１１．４．６）
【出願人】（０００００５２３４）富士電機株式会社 (3,146)
【出願人】（０００２３７７１０）富士電機リテイルシステムズ株式会社 (1,851)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月１２日（２０１２．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月６日（２０１１．４．６）
【出願人】（０００００５２３４）富士電機株式会社 (3,146)
【出願人】（０００２３７７１０）富士電機リテイルシステムズ株式会社 (1,851)
【Ｆターム（参考）】
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