２段ロータリ型膨張機およびそれを用いた冷凍サイクル装置
【課題】従来の２段ロータリ型膨張機では、１段目の作動室と２段目の作動室との連通が終わる瞬間、１段目の作動室には閉じ込められる作動流体が存在し、この作動流体の圧縮作用により、損失および騒音が発生していた。
【解決手段】第１シリンダ１０５の第１ベーン溝１０５ａの近傍に高圧流体排出ポート１２０により第１吐出側空間１１５ｂと連通する高圧流体導入空間１２２を設け、高圧流体排出ポート１２０の高圧流体導入空間１２２側開口部に高圧流体排出制御バルブ１２１を設置する。第１吐出側空間１１５ｂに閉じ込められた作動流体が圧縮されて、高圧流体導入空間１２２の圧力を超えると、高圧流体排出制御バルブ１２１が開き、第１吐出側空間１１５ｂ中の作動流体を高圧流体導入空間１２２に排出し、吸入管１１７に戻す。
【解決手段】第１シリンダ１０５の第１ベーン溝１０５ａの近傍に高圧流体排出ポート１２０により第１吐出側空間１１５ｂと連通する高圧流体導入空間１２２を設け、高圧流体排出ポート１２０の高圧流体導入空間１２２側開口部に高圧流体排出制御バルブ１２１を設置する。第１吐出側空間１１５ｂに閉じ込められた作動流体が圧縮されて、高圧流体導入空間１２２の圧力を超えると、高圧流体排出制御バルブ１２１が開き、第１吐出側空間１１５ｂ中の作動流体を高圧流体導入空間１２２に排出し、吸入管１１７に戻す。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２段ロータリ型膨張機およびそれを用いた冷凍サイクル装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
作動流体の膨張エネルギーを膨張機で回収し、その回収したエネルギーを圧縮機の仕事の一部として利用する動力回収式の冷凍サイクル装置が提案されている。上記冷凍サイクル装置に適用する膨張機として、例えば、特許文献１に示すような２段ロータリ型膨張機が検討されている。
【０００３】
図５（ａ）は、従来の２段ロータリ型膨張機１における膨張機構１００の第１シリンダ１０５の横断面図である。図５（ｂ）は、従来の２段ロータリ型膨張機１における膨張機構１００の第２シリンダ１０６の横断面図である。
【０００４】
図５（ａ）、（ｂ）に示すように、従来の２段ロータリ型膨張機１における膨張機構１００は、密閉容器１０２、シャフト１０３、中板１０４、第１シリンダ１０５、第２シリンダ１０６、上軸受部材１０７（図示せず）、下軸受部材１０８（図示せず）、第１ピストン１０９、第２ピストン１１０、第１ベーン１１１、第２ベーン１１２、第１バネ１１３、第２バネ１１４、吸入管１１７、および吐出管１１８を備えている。
【０００５】
シャフト１０３は、径方向に突出する第１偏心部１０３ａと第２偏心部１０３ｂとを有し、密閉容器１０２の中央部に配置されている。
【０００６】
第１シリンダ１０５には、第１ベーン溝１０５ａが形成されている。第１ベーン溝１０５ａには、第１ベーン１１１がスライド可能、言い換えれば、長手方向に進退可能に装着されている。第１ベーン１１１の背面側には、第１バネ１１３が配置されている。第１シリンダ１０５の内面には、吸入ポート１０５ｂが形成され、密閉容器１０２の内外を貫く吸入管１１７と連通している。第１シリンダ１０５の内部空間には、リング状の第１ピストン１０９が配置されている。第１ピストン１０９の外面は、第１バネ１１３により押し付けられた第１ベーン１１１の先端と接触し、第１ピストン１０９の内面は、シャフト１０３の第１偏心部１０３ａと嵌合している。第１シリンダ１０５と第１ピストン１０９の上面には、上軸受部材１０７（図示せず）が設置され、シャフト１０３を回転可能に支持している。
【０００７】
第２シリンダ１０６には、第２ベーン溝１０６ａが形成されている。第２ベーン溝１０６ａには、第２ベーン１１２がスライド可能、言い換えれば、長手方向に進退可能に装着されている。第２ベーン１１２の背面側には、第２バネ１１４が配置されている。第２シリンダ１０６の内面には、吐出ポート１０６ｂが形成され、密閉容器１０２の内外を貫く吐出管１１８と連通している。第２シリンダ１０６の内部空間には、リング状の第２ピストン１１０が配置されている。第２ピストン１１０の外面は、第２バネ１１４により押し付けられた第２ベーン１１２の先端と接触し、第２ピストン１１０の内面は、シャフト１０３の第２偏心部１０３ｂと嵌合している。第２シリンダ１０６と第２ピストン１１０の下面には、下軸受部材１０８（図示せず）が設置され、シャフト１０３を回転可能に支持している。
【０００８】
第１シリンダ１０５と第２シリンダ１０６、および、第１ピストン１０９と第２ピストン１１０は、中板１０４（図示せず）を挟んで、それぞれ上下に配置されている。中板１０４には、厚さ方向に貫通するように、連通孔１０４ａが形成されている。
【０００９】
第１シリンダ１０５、第１ピストン１０９、上軸受部材１０７、および中板１０４により形成される三日月形状の空間（作動室）は、仕切り部材である第１ベーン１１１により、第１吸入側空間１１５ａと第１吐出側空間１１５ｂとに仕切られる。第２シリンダ１０６、第２ピストン１１０、下軸受部材１０８、および中板１０４により形成される三日月形状の空間（作動室）は、仕切り部材である第２ベーン１１２により、第２吸入側空間１１６ａと第２吐出側空間１１６ｂとに仕切られる。連通孔１０４ａが、第１吐出側空間１１５ｂと第２吸入側空間１１６ａとを連通することで、１つの膨張室が形成される。
【００１０】
第１ピストン１０９と第２ピストン１１０が、反時計周りに回転することで、作動流体は、吸入管１１７より第１シリンダ１０５の吸入ポート１０５ｂを通じて、第１吸入側空間１１５ａに吸入される。吸入された作動流体は、上記膨張室で膨張し、第２吐出側空間１１６ｂから第２シリンダ１０６の吐出ポート１０６ｂを通じて、吐出管１１８より吐出される。
【００１１】
上述したように、第１シリンダ１０５と第２シリンダ１０６とは、連通孔１０４ａが形成された中板１０４（図示せず）によって仕切られている。このような構造を採用すると、作動流体が吸入される作動室と、作動流体が膨張する作動室と、作動流体が吐出される作動室とを簡単に仕切ることができると同時に、吸入側の作動室では３６０°連続吸入が可能となり、吸入脈動の低減を図ることができる。
【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】
【００１２】
図６は、図５（ａ）の第１ピストン１０９が連通孔１０４ａの開口部１０４ａ１を塞いだ瞬間における、連通孔１０４ａ付近の拡大図である。また、第１ピストン１０９が、第１ピストン１０９が連通孔１０４ａの開口部１０４ａ１を塞いだ時点から上死点に達するまでの回転角度をθ１とする。なお、ここで上死点とは、第１ベーン１１１が、シャフト１０３から最も遠ざかった状態、下死点とは、第１ベーン１１１が、シャフト１０３に最も近い状態を示す。
【００１３】
図６に示すように、第１ピストン１０９が連通孔１０４ａの開口部１０４ａ１を塞ぎ、第１吐出側空間１１５ｂと第２吸入側空間１１６ａとの連通が終わる瞬間には、第１吐出側空間１１５ｂは密閉状態となり、第１吐出側空間１１５ｂ内の作動流体は行き場を失う。この密閉状態は、図６に示す瞬間から上死点まで続くが、その間、第１吐出側空間１１５ｂの容積は徐々に小さくなり、上死点に達した時には、第１吐出側空間１１５ｂの容積は最も小さくなる。
【００１４】
従来の２段ロータリ型膨張機１が、二酸化炭素を作動流体とする冷凍サイクルに用いられた場合、図６の瞬間では、第１吐出側空間１１５ｂ内の二酸化炭素は、十分に膨張減圧した後であり、液相の比率が高い気液二相状態となっている。したがって、第１吐出側空間１１５ｂ内に閉じ込められた作動流体の大部分は、液相状態の二酸化炭素と潤滑油とで構成される非圧縮性流体とみなされる。閉じ込められた作動流体は、第１ピストン１０９が角度θ１回転して、第１吐出側空間１１５ｂの容積が小さくなるのに従って圧縮されるが、作動流体が非圧縮性であるために、第１吐出側空間１１５ｂの容積が少し小さくなっただけでも、その圧力は急激に上昇する。その結果、著しく高圧となった非圧縮性流体は、第１シリンダ１０５と第１ベーン１１１との間、第１ピストン１０９や第１シリンダ１０５と上軸受部材１０７との間、もしくは、第１ピストン１０９や第１シリンダ１０５と中板１０４との間にある隙間を通って、第１吐出側空間１１５ｂの外に漏れ出すか、第１ベーン１１１を跳ね上げることで、第１ベーン１１１と第１ピストン１０９との接合部に生じた隙間から、第１吸入側空間１１５ａ側に漏れ出すと考えられる。
【００１５】
２段ロータリ型膨張機１が閉じ込められた作動流体を圧縮する間、シャフト１０３には回転方向とは逆向きにブレーキトルクが作用する。また、高圧流体が第１吸入側空間１１５ａ側に漏れた後、一度跳ね上がった第１ベーン１１１が衝撃を伴って再度、第１ピストン１０９と接合するため、騒音が発生する。さらに、この衝撃によって、シャフト１０３の第１偏心部１０３ａと第１ピストン１０９との接合部において、シャフト１０３の回転方向とは逆向きに働く摩擦抗力が瞬間的に異常増大し、シャフト１０３の円滑な回転を妨げる。
【００１６】
本発明は、上記課題を解決するもので、第１ピストン１０９が、第１ピストン１０９が連通孔１０４ａの開口部１０４ａ１を塞いだ時点から上死点に達するまで、第１吐出側空間１１５ｂが密閉状態となって、第１吐出側空間１１５ｂ内の作動流体が行き場を失った時、閉じ込められた作動流体が圧縮されることにより発生する損失を低減し、高効率の２段ロータリ型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】
【００１７】
上記従来の課題を解決するために、本発明の２段ロータリ型膨張機は、第１シリンダと、前記第１シリンダの内外を貫くシャフトと、前記シャフトに取り付けられ前記第１シリンダ内で偏心回転する第１ピストンと、前記シャフトを共有する形で前記第１シリンダと同心状に配置された第２シリンダと、前記シャフトに取り付けられ前記第２シリンダ内で偏心回転する第２ピストンと、前記第１シリンダに形成された第１溝に進退可能に装着され前記第１シリンダと前記第１ピストンとの間の空間を第１吸入側空間と第１吐出側空間とに仕切る第１仕切り部材と、前記第２シリンダに形成された第２溝に進退可能に装着され前記第２シリンダと前記第２ピストンとの間の空間を第２吸入側空間と第２吐出側空間とに仕切る第２仕切り部材と、前記第１吐出側空間と前記第２吸入側空間とを連通して１つの作動室を形成する連通孔を有するとともに、前記第１シリンダと前記第２シリンダとを隔てる中板と、前記第１吸入側空間に作動流体を吸入するための吸入ポートと、前記第２吐出側空間から前記作動流体を吐出するための吐出ポートと、前記第１吐出側空間が前記連通孔との連通を終えた後に、前記第１吐出側空間に残った作動流体を前記吸入ポートと連通している空間に排出可能な弁とを備える構成とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の２段ロータリ型膨張機によれば、第１吐出側空間が密閉状態となって、第１吐出側空間内の作動流体が行き場を失った時に、高圧の作動流体を第１吐出側空間から逃がすことで、閉じ込められた作動流体が圧縮されることにより発生する損失を低減し、高効率な冷凍サイクル装置を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本実施の形態について図面を用いて説明する。
【００２０】
（実施の形態１）
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２の構成を示す縦断面図である。図２（ａ）は、図１のＸ−Ｘ線における膨張機構２００の横断面図、図２（ｂ）は、図１のＹ−Ｙ線における膨張機構２００の横断面図である。
【００２１】
図１、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、本実施の形態１の２段ロータリ型膨張機２は、密閉容器１０２、発電機１０１、膨張機構２００、およびシャフト１０３を備えている。発電機１０１は、密閉容器１０２内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とを含む。シャフト１０３は、発電機１０１と膨張機構２００とを連結し、共用されている。なお、従来の２段ロータリ型膨張機１と同一構成要素については同一符号を用い、その説明を省略する。
【００２２】
図１、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、本実施の形態１における２段ロータリ型膨張機２の膨張機構２００は、高圧流体排出ポート１２０、高圧流体排出制御バルブ１２１、高圧流体導入空間１２２、および高圧流体導入連通路１２３を有する。
【００２３】
図３に、本実施の形態１における膨張機構２００の連通孔１０４ａ付近の拡大図を示す。図３に示すように、第１シリンダ１０５の上面側には、高圧流体導入空間１２２が形成されている。高圧流体導入空間１２２のシャフト１０３側内面には、高圧流体排出制御バルブ１２１が設置されている。第１シリンダ１０５の内面、詳細には、第１シリンダ１０５の内面と第１ベーン溝１０５ａの第１吐出側空間１１５ｂ側の側面とが交差する付近には、高圧流体排出ポート１２０が形成されている。なお、高圧流体排出ポート１２０の第１吐出側空間１１５ｂ側の端は、なるべく第１ベーン１１１に近い方が望ましい。
【００２４】
高圧流体導入空間１２２は、高圧流体排出ポート１２０と高圧流体排出制御バルブ１２１を介して、第１吐出側空間１１５ｂに連通している。高圧流体排出制御バルブ１２１は、通常閉じているが、第１吐出側空間１１５ｂの圧力が、高圧流体導入空間１２２の圧力より高くなった時のみ開く逆止弁である。
【００２５】
上軸受部材１０７の下面側には、高圧流体導入連通路１２３が形成され、高圧流体導入空間１２２と吸入管１１７とを連通させている。これにより、第１吐出側空間１１５ｂから高圧流体導入空間１２２に吐出された作動流体が、高圧流体導入連通路１２３、吸入管１１７、および吸入ポート１０５ｂを通じて、再度、第１吸入側空間１１５ａに戻ることができる。
【００２６】
図１に示すように、本実施の形態１の２段ロータリ型膨張機２においては、第１シリンダ１０５の内径と第２シリンダ１０６の内径、および、第１ピストン１０９の外径と第２ピストン１１０の外径とがそれぞれ等しく、第１シリンダ１０５の高さと第２シリンダ１０６の高さとが相違、具体的には、第２シリンダ１０６の方が高い構成となっている。したがって、第２吸入側空間１１６ａと第２吐出側空間１１６ｂの合計体積は、第１吸入側空間１１５ａと第１吐出側空間１１５ｂの合計体積よりも大きく、第１シリンダ１０５側よりも第２シリンダ１０６側の方が、押しのけ容積が大きい。なお、押しのけ容積の大小関係が、本実施の形態１と同様ならば、シリンダの内径、シリンダの高さ、およびピストンの外径のうち、少なくとも１つが相違していればよい。
【００２７】
第１シリンダ１０５と第２シリンダ１０６とは、同心状の配置となっているが、第１ベーン１１１と第２ベーン１１２、および、第１ベーン溝１０５ａと第２ベーン溝１０６ａとは、シャフト１０３の中心軸Ｚのまわりに、互いに所定角度ずれた配置となっている。第１ベーン１１１と第２ベーン１１２、および、第１ベーン溝１０５ａと第２ベーン溝１０６ａとが成す角度は、例えば数１０度である。また、シャフト１０３の第１偏心部１０３ａと第２偏心部１０３ｂとは、シャフト１０３の中心軸Ｚに対して、突出する向き（偏心方向）が相違しており、第１ベーン１１１と第２ベーン１１２、および、第１ベーン溝１０５ａと第２ベーン溝１０６ａとが成す角度と一致している。つまり、第１ピストン１０９が上死点に達するタイミングと、第２ピストン１１０が上死点に達するタイミングとが一致する。上記構成によれば、連通孔１０４ａを介して、第１吐出側空間１１５ｂと第２吸入側空間１１６ａとで形成される膨張室の体積を円滑に増加させることができ、本実施の形態１の２段ロータリ型膨張機２の回収動力を最大化させることができる。
【００２８】
また、連通孔１０４ａは、第１ベーン１１１と第２ベーン１１２、および、第１ベーン溝１０５ａと第２ベーン溝１０６ａとが成す角度の領域内において、第１吐出側空間１１５ｂから第２吸入側空間１１６ａに向かって貫通するよう、中板１０４に形成されている。上記構成とすることにより、シャフト１０３の中心軸Ｚと平行な方向（軸方向）において、連通孔１０４ａの長さを最小とすることができ、作動流体が連通孔１０４ａを通過する際の圧力損失の低減を図ることができる。
【００２９】
次に、本実施の形態１の２段ロータリ型膨張機２の動作について説明する。
【００３０】
高圧の作動流体は、吸入管１１７から吸入ポート１０５ｂを経て、第１吸入側空間１１５ａに吸入される。シャフト１０３の回転に伴って、第１吸入側空間１１５ａの容積は拡大し、第１吐出側空間１１５ｂへと移行する。そして、吸入ポート１０５ｂが第１ピストン１０９によって閉塞されると同時に、吸入行程が終了する。
【００３１】
高圧の作動流体は、第１吐出側空間１１５ｂから、連通孔１０４ａを通じて第２吸入側空間１１６ａに移動する。これに伴い、連通孔１０４ａで連通した膨張室全体の容積が増加、すなわち、第１吐出側空間１１５ｂの容積が減少し、第２吸入側空間１１６ａの容積が増加する。このように作動流体が膨張室で膨張することで、シャフト１０３が回転し、発電機１０１を駆動する。
【００３２】
シャフト１０３の回転に伴って、第１吐出側空間１１５ｂは消滅し、第２吸入側空間１１６ａは、吐出ポート１０６ｂと連通する第２吐出空間１１６ｂへと移行する。低圧となった作動流体は、吐出ポート１０６ｂから吐出管１１８に吐出される。そして、吐出ポート１０６ｂが第２ピストン１１０によって閉塞されると同時に、膨張行程が終了する。
【００３３】
本実施の形態１では、連通孔１０４ａの第１シリンダ１０５側に表れる開口部１０４ａ１の形状を円としている。
【００３４】
従来の２段ロータリ型膨張機１では、上記膨張行程の途中において、第１吐出側空間１１５ｂと第２吸入側空間１１６ａとの連通が終わる瞬間、すなわち、第１ピストン１０９が連通孔１０４ａの開口部１０４ａ１を塞ぐ瞬間、第１吐出側空間１１５ｂ内の作動流体は、行き場を失って閉じ込められる。第１吐出側空間１１５ｂが密閉状態になると、シャフト１０３の回転に従って、第１吐出側空間１１５ｂの容積が減少するため、第１吐出側空間１１５ｂの内の圧力が急激に上昇する。その結果、一旦減圧した第１吐出側空間１１５ｂ内の作動流体が、瞬間的に吸入圧力よりも高い圧力にまで圧縮されるため、２段ロータリ型膨張機に損失が発生する。
【００３５】
しかしながら、本実施の形態１の２段ロータリ型膨張機２では、高圧流体排出ポート１２０、高圧流体排出制御バルブ１２１、高圧流体導入空間１２２、および高圧流体導入連通路１２３を備えることで、上記損失を回避することができる。すなわち、本実施の形態１の２段ロータリ型膨張機２では、膨張行程開始から作業流体が閉じ込められる瞬間まで、第１吐出側空間１１５ｂ内の圧力が一貫して吸入時の圧力から下がり続けるため、高圧流体排出制御バルブ１２１が開くことはない。その後、第１吐出側空間１１５ｂが密閉された瞬間には、第１吐出側空間１１５ｂ内の作動流体の圧力が、高圧流体導入空間１２２の雰囲気圧力、すなわち、吸入圧力よりも高くなり、高圧流体排出制御バルブ１２１を押し開ける。これにより、第１吐出側空間１１５ｂ内の高圧作動流体は、高圧流体導入空間１２２に排出される。
【００３６】
上記排出過程においては、閉じ込められる作動流体の大部分が、液冷媒と潤滑油であると考えられ、作動流体が第１吐出側空間１１５ｂ内に閉じ込められてから吸入圧力よりも高く昇圧するまでに、シャフト１０３が回転する角度は微小であり、損失は軽微である。また、第１吐出側空間１１５ｂから高圧流体導入空間１２２に排出された作動流体は、高圧流体導入連通路１２３を経由して、再び吸入管１１７に戻るので、本実施の形態１の２段ロータリ型膨張機２においては、体積効率が低下することもない。
【００３７】
以上の説明から明らかなように、本実施の形態１の２段ロータリ型膨張機２の構成、すなわち、高圧流体排出ポート１２０、高圧流体排出制御バルブ１２１、高圧流体導入空間１２２、高圧流体導入連通路１２３からなる構成を採ることにより、第１吐出側空間１１５ｂ内に閉じ込められた作動流体が圧縮されることによる２段ロータリ型膨張機の損失を低減することが可能となる。
【００３８】
（その他の実施の形態）
シャフト１０３側に寄った位置に連通孔１０４ａを配置した２段ロータリ型膨張機に、本発明の２段ロータリ型膨張機２を適用した場合について説明する。
【００３９】
図４（ａ）は、吸入完了時における連通孔１０４ａ付近の拡大図、図４（ｂ）は、第１吐出側空間１１５ｂと第２吸入側空間１１６ａとの連通終了時における連通孔１０４ａ付近の拡大図である。図４（ａ）に示すように、連通孔１０４ａの容積が、吸入完了時に吸入容積に含まれることを避けるためなどの理由で、第１ピストン１０９が連通孔１０４ａの開口部１０４ａ１を塞ぐよう、シャフト１０３側に寄った位置に、連通孔１０４ａを配置することがある。この場合、図４（ｂ）に示すように、第１吐出側空間１１５ｂと第２吸入側空間１１６ａとの連通が終わる瞬間、第１吐出側空間１１５ｂに閉じ込められた作動流体の体積は大きくなり、吸入容積に比べて数％オーダーの規模となる。このため、閉じ込められた作動流体は、図４（ｂ）の瞬間から図４（ａ）の上死点に達するまでの角度θ２に渡って圧縮されることになり、発生する損失は相対的に大きくなる。よって、図４（ａ）に示すような２段ロータリ型膨張機に本発明を適用した場合、さらに顕著な効果を得ることができる。
【００４０】
なお、実施の形態においては、高圧流体排出ポート１２０、高圧流体排出制御バルブ１２１、および高圧流体導入空間１２２を第１シリンダ１０５に形成したが、これに限られることはなく、上軸受部材１０７に形成してもよい。
【００４１】
また、吸入ポート１０５ｂを第１シリンダ１０５に形成したが、これに限られることはなく、上軸受部材１０７に形成してもよい。同様に、吐出ポート１０６ｂを第２シリンダ１０６に形成したが、これに限られることはなく、下軸受部材１０８に形成してもよい。
【００４２】
また、実施の形態においては、２段ロータリ型膨張機２を用いたが、同じロータリ型でもスイング方式の場合には、第１ベーン１１１と第２ベーン１１２、第１ピストン１０９と第２ピストン１１０とを一つの部品で構成することができる。この場合、第１ベーン１１１と第２ベーン１１２に相当する部分が、第１ピストン１０９と第２ピストン１１０に相当する部分とともに、前後左右に揺動する。
【００４３】
また、本発明の２段ロータリ型膨張機は、作動流体を圧縮する圧縮機と、圧縮機で圧縮された作動流体を放熱させる放熱器と、放熱器で放熱した作動流体を膨張させる膨張機と、膨張機で膨張した作動流体を蒸発させる蒸発器と、を備え、二酸化炭素を作動流体とする冷凍サイクル装置に適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明の２段ロータリ型膨張機は、作動流体の膨張エネルギーを動力回収して、冷凍サイクル装置を用いた空調機や給湯機などの用途に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【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構成を示す縦断面図
【図２】（ａ）図１のＸ−Ｘ線における膨張機構の横断面図（ｂ）図１のＹ−Ｙ線における膨張機構の横断面図
【図３】本発明の実施の形態１における連通孔付近の拡大図
【図４】（ａ）その他の実施の形態における吸入完了時の連通孔付近の拡大図（ｂ）その他の実施の形態における第１吐出側空間と第２吸入側空間との連通終了時の連通孔付近の拡大図
【図５】（ａ）従来の２段ロータリ型膨張機における膨張機構の第１シリンダの横断面図（ｂ）従来の２段ロータリ型膨張機における膨張機構の第２シリンダの横断面図
【図６】図５（ａ）の上死点における連通孔付近の拡大図
【符号の説明】
【００４６】
１，２ ２段ロータリ型膨張機
１００，２００ 膨張機構
１０１ 発電機
１０１ａ ステータ
１０１ｂ ロータ
１０２ 密閉容器
１０３ シャフト
１０３ａ 第１偏心部
１０３ｂ 第２偏心部
１０４ 中板
１０４ａ 連通孔
１０４ａ１ 開口部
１０５ 第１シリンダ
１０５ａ 第１ベーン溝
１０５ｂ 吸入ポート
１０６ 第２シリンダ
１０６ａ 第２ベーン溝
１０６ｂ 吐出ポート
１０７ 上軸受部材
１０８ 下軸受部材
１０９ 第１ピストン
１１０ 第２ピストン
１１１ 第１ベーン
１１２ 第２ベーン
１１３ 第１バネ
１１４ 第２バネ
１１５ａ 第１吸入側空間
１１５ｂ 第１吐出側空間
１１６ａ 第２吸入側空間
１１６ｂ 第２吐出側空間
１１７ 吸入管
１１８ 吐出管
１２０ 高圧流体排出ポート
１２１ 高圧流体排出制御バルブ
１２２ 高圧流体導入空間
１２３ 高圧流体導入連通路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２段ロータリ型膨張機およびそれを用いた冷凍サイクル装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
作動流体の膨張エネルギーを膨張機で回収し、その回収したエネルギーを圧縮機の仕事の一部として利用する動力回収式の冷凍サイクル装置が提案されている。上記冷凍サイクル装置に適用する膨張機として、例えば、特許文献１に示すような２段ロータリ型膨張機が検討されている。
【０００３】
図５（ａ）は、従来の２段ロータリ型膨張機１における膨張機構１００の第１シリンダ１０５の横断面図である。図５（ｂ）は、従来の２段ロータリ型膨張機１における膨張機構１００の第２シリンダ１０６の横断面図である。
【０００４】
図５（ａ）、（ｂ）に示すように、従来の２段ロータリ型膨張機１における膨張機構１００は、密閉容器１０２、シャフト１０３、中板１０４、第１シリンダ１０５、第２シリンダ１０６、上軸受部材１０７（図示せず）、下軸受部材１０８（図示せず）、第１ピストン１０９、第２ピストン１１０、第１ベーン１１１、第２ベーン１１２、第１バネ１１３、第２バネ１１４、吸入管１１７、および吐出管１１８を備えている。
【０００５】
シャフト１０３は、径方向に突出する第１偏心部１０３ａと第２偏心部１０３ｂとを有し、密閉容器１０２の中央部に配置されている。
【０００６】
第１シリンダ１０５には、第１ベーン溝１０５ａが形成されている。第１ベーン溝１０５ａには、第１ベーン１１１がスライド可能、言い換えれば、長手方向に進退可能に装着されている。第１ベーン１１１の背面側には、第１バネ１１３が配置されている。第１シリンダ１０５の内面には、吸入ポート１０５ｂが形成され、密閉容器１０２の内外を貫く吸入管１１７と連通している。第１シリンダ１０５の内部空間には、リング状の第１ピストン１０９が配置されている。第１ピストン１０９の外面は、第１バネ１１３により押し付けられた第１ベーン１１１の先端と接触し、第１ピストン１０９の内面は、シャフト１０３の第１偏心部１０３ａと嵌合している。第１シリンダ１０５と第１ピストン１０９の上面には、上軸受部材１０７（図示せず）が設置され、シャフト１０３を回転可能に支持している。
【０００７】
第２シリンダ１０６には、第２ベーン溝１０６ａが形成されている。第２ベーン溝１０６ａには、第２ベーン１１２がスライド可能、言い換えれば、長手方向に進退可能に装着されている。第２ベーン１１２の背面側には、第２バネ１１４が配置されている。第２シリンダ１０６の内面には、吐出ポート１０６ｂが形成され、密閉容器１０２の内外を貫く吐出管１１８と連通している。第２シリンダ１０６の内部空間には、リング状の第２ピストン１１０が配置されている。第２ピストン１１０の外面は、第２バネ１１４により押し付けられた第２ベーン１１２の先端と接触し、第２ピストン１１０の内面は、シャフト１０３の第２偏心部１０３ｂと嵌合している。第２シリンダ１０６と第２ピストン１１０の下面には、下軸受部材１０８（図示せず）が設置され、シャフト１０３を回転可能に支持している。
【０００８】
第１シリンダ１０５と第２シリンダ１０６、および、第１ピストン１０９と第２ピストン１１０は、中板１０４（図示せず）を挟んで、それぞれ上下に配置されている。中板１０４には、厚さ方向に貫通するように、連通孔１０４ａが形成されている。
【０００９】
第１シリンダ１０５、第１ピストン１０９、上軸受部材１０７、および中板１０４により形成される三日月形状の空間（作動室）は、仕切り部材である第１ベーン１１１により、第１吸入側空間１１５ａと第１吐出側空間１１５ｂとに仕切られる。第２シリンダ１０６、第２ピストン１１０、下軸受部材１０８、および中板１０４により形成される三日月形状の空間（作動室）は、仕切り部材である第２ベーン１１２により、第２吸入側空間１１６ａと第２吐出側空間１１６ｂとに仕切られる。連通孔１０４ａが、第１吐出側空間１１５ｂと第２吸入側空間１１６ａとを連通することで、１つの膨張室が形成される。
【００１０】
第１ピストン１０９と第２ピストン１１０が、反時計周りに回転することで、作動流体は、吸入管１１７より第１シリンダ１０５の吸入ポート１０５ｂを通じて、第１吸入側空間１１５ａに吸入される。吸入された作動流体は、上記膨張室で膨張し、第２吐出側空間１１６ｂから第２シリンダ１０６の吐出ポート１０６ｂを通じて、吐出管１１８より吐出される。
【００１１】
上述したように、第１シリンダ１０５と第２シリンダ１０６とは、連通孔１０４ａが形成された中板１０４（図示せず）によって仕切られている。このような構造を採用すると、作動流体が吸入される作動室と、作動流体が膨張する作動室と、作動流体が吐出される作動室とを簡単に仕切ることができると同時に、吸入側の作動室では３６０°連続吸入が可能となり、吸入脈動の低減を図ることができる。
【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】
【００１２】
図６は、図５（ａ）の第１ピストン１０９が連通孔１０４ａの開口部１０４ａ１を塞いだ瞬間における、連通孔１０４ａ付近の拡大図である。また、第１ピストン１０９が、第１ピストン１０９が連通孔１０４ａの開口部１０４ａ１を塞いだ時点から上死点に達するまでの回転角度をθ１とする。なお、ここで上死点とは、第１ベーン１１１が、シャフト１０３から最も遠ざかった状態、下死点とは、第１ベーン１１１が、シャフト１０３に最も近い状態を示す。
【００１３】
図６に示すように、第１ピストン１０９が連通孔１０４ａの開口部１０４ａ１を塞ぎ、第１吐出側空間１１５ｂと第２吸入側空間１１６ａとの連通が終わる瞬間には、第１吐出側空間１１５ｂは密閉状態となり、第１吐出側空間１１５ｂ内の作動流体は行き場を失う。この密閉状態は、図６に示す瞬間から上死点まで続くが、その間、第１吐出側空間１１５ｂの容積は徐々に小さくなり、上死点に達した時には、第１吐出側空間１１５ｂの容積は最も小さくなる。
【００１４】
従来の２段ロータリ型膨張機１が、二酸化炭素を作動流体とする冷凍サイクルに用いられた場合、図６の瞬間では、第１吐出側空間１１５ｂ内の二酸化炭素は、十分に膨張減圧した後であり、液相の比率が高い気液二相状態となっている。したがって、第１吐出側空間１１５ｂ内に閉じ込められた作動流体の大部分は、液相状態の二酸化炭素と潤滑油とで構成される非圧縮性流体とみなされる。閉じ込められた作動流体は、第１ピストン１０９が角度θ１回転して、第１吐出側空間１１５ｂの容積が小さくなるのに従って圧縮されるが、作動流体が非圧縮性であるために、第１吐出側空間１１５ｂの容積が少し小さくなっただけでも、その圧力は急激に上昇する。その結果、著しく高圧となった非圧縮性流体は、第１シリンダ１０５と第１ベーン１１１との間、第１ピストン１０９や第１シリンダ１０５と上軸受部材１０７との間、もしくは、第１ピストン１０９や第１シリンダ１０５と中板１０４との間にある隙間を通って、第１吐出側空間１１５ｂの外に漏れ出すか、第１ベーン１１１を跳ね上げることで、第１ベーン１１１と第１ピストン１０９との接合部に生じた隙間から、第１吸入側空間１１５ａ側に漏れ出すと考えられる。
【００１５】
２段ロータリ型膨張機１が閉じ込められた作動流体を圧縮する間、シャフト１０３には回転方向とは逆向きにブレーキトルクが作用する。また、高圧流体が第１吸入側空間１１５ａ側に漏れた後、一度跳ね上がった第１ベーン１１１が衝撃を伴って再度、第１ピストン１０９と接合するため、騒音が発生する。さらに、この衝撃によって、シャフト１０３の第１偏心部１０３ａと第１ピストン１０９との接合部において、シャフト１０３の回転方向とは逆向きに働く摩擦抗力が瞬間的に異常増大し、シャフト１０３の円滑な回転を妨げる。
【００１６】
本発明は、上記課題を解決するもので、第１ピストン１０９が、第１ピストン１０９が連通孔１０４ａの開口部１０４ａ１を塞いだ時点から上死点に達するまで、第１吐出側空間１１５ｂが密閉状態となって、第１吐出側空間１１５ｂ内の作動流体が行き場を失った時、閉じ込められた作動流体が圧縮されることにより発生する損失を低減し、高効率の２段ロータリ型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】
【００１７】
上記従来の課題を解決するために、本発明の２段ロータリ型膨張機は、第１シリンダと、前記第１シリンダの内外を貫くシャフトと、前記シャフトに取り付けられ前記第１シリンダ内で偏心回転する第１ピストンと、前記シャフトを共有する形で前記第１シリンダと同心状に配置された第２シリンダと、前記シャフトに取り付けられ前記第２シリンダ内で偏心回転する第２ピストンと、前記第１シリンダに形成された第１溝に進退可能に装着され前記第１シリンダと前記第１ピストンとの間の空間を第１吸入側空間と第１吐出側空間とに仕切る第１仕切り部材と、前記第２シリンダに形成された第２溝に進退可能に装着され前記第２シリンダと前記第２ピストンとの間の空間を第２吸入側空間と第２吐出側空間とに仕切る第２仕切り部材と、前記第１吐出側空間と前記第２吸入側空間とを連通して１つの作動室を形成する連通孔を有するとともに、前記第１シリンダと前記第２シリンダとを隔てる中板と、前記第１吸入側空間に作動流体を吸入するための吸入ポートと、前記第２吐出側空間から前記作動流体を吐出するための吐出ポートと、前記第１吐出側空間が前記連通孔との連通を終えた後に、前記第１吐出側空間に残った作動流体を前記吸入ポートと連通している空間に排出可能な弁とを備える構成とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の２段ロータリ型膨張機によれば、第１吐出側空間が密閉状態となって、第１吐出側空間内の作動流体が行き場を失った時に、高圧の作動流体を第１吐出側空間から逃がすことで、閉じ込められた作動流体が圧縮されることにより発生する損失を低減し、高効率な冷凍サイクル装置を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本実施の形態について図面を用いて説明する。
【００２０】
（実施の形態１）
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２の構成を示す縦断面図である。図２（ａ）は、図１のＸ−Ｘ線における膨張機構２００の横断面図、図２（ｂ）は、図１のＹ−Ｙ線における膨張機構２００の横断面図である。
【００２１】
図１、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、本実施の形態１の２段ロータリ型膨張機２は、密閉容器１０２、発電機１０１、膨張機構２００、およびシャフト１０３を備えている。発電機１０１は、密閉容器１０２内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とを含む。シャフト１０３は、発電機１０１と膨張機構２００とを連結し、共用されている。なお、従来の２段ロータリ型膨張機１と同一構成要素については同一符号を用い、その説明を省略する。
【００２２】
図１、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、本実施の形態１における２段ロータリ型膨張機２の膨張機構２００は、高圧流体排出ポート１２０、高圧流体排出制御バルブ１２１、高圧流体導入空間１２２、および高圧流体導入連通路１２３を有する。
【００２３】
図３に、本実施の形態１における膨張機構２００の連通孔１０４ａ付近の拡大図を示す。図３に示すように、第１シリンダ１０５の上面側には、高圧流体導入空間１２２が形成されている。高圧流体導入空間１２２のシャフト１０３側内面には、高圧流体排出制御バルブ１２１が設置されている。第１シリンダ１０５の内面、詳細には、第１シリンダ１０５の内面と第１ベーン溝１０５ａの第１吐出側空間１１５ｂ側の側面とが交差する付近には、高圧流体排出ポート１２０が形成されている。なお、高圧流体排出ポート１２０の第１吐出側空間１１５ｂ側の端は、なるべく第１ベーン１１１に近い方が望ましい。
【００２４】
高圧流体導入空間１２２は、高圧流体排出ポート１２０と高圧流体排出制御バルブ１２１を介して、第１吐出側空間１１５ｂに連通している。高圧流体排出制御バルブ１２１は、通常閉じているが、第１吐出側空間１１５ｂの圧力が、高圧流体導入空間１２２の圧力より高くなった時のみ開く逆止弁である。
【００２５】
上軸受部材１０７の下面側には、高圧流体導入連通路１２３が形成され、高圧流体導入空間１２２と吸入管１１７とを連通させている。これにより、第１吐出側空間１１５ｂから高圧流体導入空間１２２に吐出された作動流体が、高圧流体導入連通路１２３、吸入管１１７、および吸入ポート１０５ｂを通じて、再度、第１吸入側空間１１５ａに戻ることができる。
【００２６】
図１に示すように、本実施の形態１の２段ロータリ型膨張機２においては、第１シリンダ１０５の内径と第２シリンダ１０６の内径、および、第１ピストン１０９の外径と第２ピストン１１０の外径とがそれぞれ等しく、第１シリンダ１０５の高さと第２シリンダ１０６の高さとが相違、具体的には、第２シリンダ１０６の方が高い構成となっている。したがって、第２吸入側空間１１６ａと第２吐出側空間１１６ｂの合計体積は、第１吸入側空間１１５ａと第１吐出側空間１１５ｂの合計体積よりも大きく、第１シリンダ１０５側よりも第２シリンダ１０６側の方が、押しのけ容積が大きい。なお、押しのけ容積の大小関係が、本実施の形態１と同様ならば、シリンダの内径、シリンダの高さ、およびピストンの外径のうち、少なくとも１つが相違していればよい。
【００２７】
第１シリンダ１０５と第２シリンダ１０６とは、同心状の配置となっているが、第１ベーン１１１と第２ベーン１１２、および、第１ベーン溝１０５ａと第２ベーン溝１０６ａとは、シャフト１０３の中心軸Ｚのまわりに、互いに所定角度ずれた配置となっている。第１ベーン１１１と第２ベーン１１２、および、第１ベーン溝１０５ａと第２ベーン溝１０６ａとが成す角度は、例えば数１０度である。また、シャフト１０３の第１偏心部１０３ａと第２偏心部１０３ｂとは、シャフト１０３の中心軸Ｚに対して、突出する向き（偏心方向）が相違しており、第１ベーン１１１と第２ベーン１１２、および、第１ベーン溝１０５ａと第２ベーン溝１０６ａとが成す角度と一致している。つまり、第１ピストン１０９が上死点に達するタイミングと、第２ピストン１１０が上死点に達するタイミングとが一致する。上記構成によれば、連通孔１０４ａを介して、第１吐出側空間１１５ｂと第２吸入側空間１１６ａとで形成される膨張室の体積を円滑に増加させることができ、本実施の形態１の２段ロータリ型膨張機２の回収動力を最大化させることができる。
【００２８】
また、連通孔１０４ａは、第１ベーン１１１と第２ベーン１１２、および、第１ベーン溝１０５ａと第２ベーン溝１０６ａとが成す角度の領域内において、第１吐出側空間１１５ｂから第２吸入側空間１１６ａに向かって貫通するよう、中板１０４に形成されている。上記構成とすることにより、シャフト１０３の中心軸Ｚと平行な方向（軸方向）において、連通孔１０４ａの長さを最小とすることができ、作動流体が連通孔１０４ａを通過する際の圧力損失の低減を図ることができる。
【００２９】
次に、本実施の形態１の２段ロータリ型膨張機２の動作について説明する。
【００３０】
高圧の作動流体は、吸入管１１７から吸入ポート１０５ｂを経て、第１吸入側空間１１５ａに吸入される。シャフト１０３の回転に伴って、第１吸入側空間１１５ａの容積は拡大し、第１吐出側空間１１５ｂへと移行する。そして、吸入ポート１０５ｂが第１ピストン１０９によって閉塞されると同時に、吸入行程が終了する。
【００３１】
高圧の作動流体は、第１吐出側空間１１５ｂから、連通孔１０４ａを通じて第２吸入側空間１１６ａに移動する。これに伴い、連通孔１０４ａで連通した膨張室全体の容積が増加、すなわち、第１吐出側空間１１５ｂの容積が減少し、第２吸入側空間１１６ａの容積が増加する。このように作動流体が膨張室で膨張することで、シャフト１０３が回転し、発電機１０１を駆動する。
【００３２】
シャフト１０３の回転に伴って、第１吐出側空間１１５ｂは消滅し、第２吸入側空間１１６ａは、吐出ポート１０６ｂと連通する第２吐出空間１１６ｂへと移行する。低圧となった作動流体は、吐出ポート１０６ｂから吐出管１１８に吐出される。そして、吐出ポート１０６ｂが第２ピストン１１０によって閉塞されると同時に、膨張行程が終了する。
【００３３】
本実施の形態１では、連通孔１０４ａの第１シリンダ１０５側に表れる開口部１０４ａ１の形状を円としている。
【００３４】
従来の２段ロータリ型膨張機１では、上記膨張行程の途中において、第１吐出側空間１１５ｂと第２吸入側空間１１６ａとの連通が終わる瞬間、すなわち、第１ピストン１０９が連通孔１０４ａの開口部１０４ａ１を塞ぐ瞬間、第１吐出側空間１１５ｂ内の作動流体は、行き場を失って閉じ込められる。第１吐出側空間１１５ｂが密閉状態になると、シャフト１０３の回転に従って、第１吐出側空間１１５ｂの容積が減少するため、第１吐出側空間１１５ｂの内の圧力が急激に上昇する。その結果、一旦減圧した第１吐出側空間１１５ｂ内の作動流体が、瞬間的に吸入圧力よりも高い圧力にまで圧縮されるため、２段ロータリ型膨張機に損失が発生する。
【００３５】
しかしながら、本実施の形態１の２段ロータリ型膨張機２では、高圧流体排出ポート１２０、高圧流体排出制御バルブ１２１、高圧流体導入空間１２２、および高圧流体導入連通路１２３を備えることで、上記損失を回避することができる。すなわち、本実施の形態１の２段ロータリ型膨張機２では、膨張行程開始から作業流体が閉じ込められる瞬間まで、第１吐出側空間１１５ｂ内の圧力が一貫して吸入時の圧力から下がり続けるため、高圧流体排出制御バルブ１２１が開くことはない。その後、第１吐出側空間１１５ｂが密閉された瞬間には、第１吐出側空間１１５ｂ内の作動流体の圧力が、高圧流体導入空間１２２の雰囲気圧力、すなわち、吸入圧力よりも高くなり、高圧流体排出制御バルブ１２１を押し開ける。これにより、第１吐出側空間１１５ｂ内の高圧作動流体は、高圧流体導入空間１２２に排出される。
【００３６】
上記排出過程においては、閉じ込められる作動流体の大部分が、液冷媒と潤滑油であると考えられ、作動流体が第１吐出側空間１１５ｂ内に閉じ込められてから吸入圧力よりも高く昇圧するまでに、シャフト１０３が回転する角度は微小であり、損失は軽微である。また、第１吐出側空間１１５ｂから高圧流体導入空間１２２に排出された作動流体は、高圧流体導入連通路１２３を経由して、再び吸入管１１７に戻るので、本実施の形態１の２段ロータリ型膨張機２においては、体積効率が低下することもない。
【００３７】
以上の説明から明らかなように、本実施の形態１の２段ロータリ型膨張機２の構成、すなわち、高圧流体排出ポート１２０、高圧流体排出制御バルブ１２１、高圧流体導入空間１２２、高圧流体導入連通路１２３からなる構成を採ることにより、第１吐出側空間１１５ｂ内に閉じ込められた作動流体が圧縮されることによる２段ロータリ型膨張機の損失を低減することが可能となる。
【００３８】
（その他の実施の形態）
シャフト１０３側に寄った位置に連通孔１０４ａを配置した２段ロータリ型膨張機に、本発明の２段ロータリ型膨張機２を適用した場合について説明する。
【００３９】
図４（ａ）は、吸入完了時における連通孔１０４ａ付近の拡大図、図４（ｂ）は、第１吐出側空間１１５ｂと第２吸入側空間１１６ａとの連通終了時における連通孔１０４ａ付近の拡大図である。図４（ａ）に示すように、連通孔１０４ａの容積が、吸入完了時に吸入容積に含まれることを避けるためなどの理由で、第１ピストン１０９が連通孔１０４ａの開口部１０４ａ１を塞ぐよう、シャフト１０３側に寄った位置に、連通孔１０４ａを配置することがある。この場合、図４（ｂ）に示すように、第１吐出側空間１１５ｂと第２吸入側空間１１６ａとの連通が終わる瞬間、第１吐出側空間１１５ｂに閉じ込められた作動流体の体積は大きくなり、吸入容積に比べて数％オーダーの規模となる。このため、閉じ込められた作動流体は、図４（ｂ）の瞬間から図４（ａ）の上死点に達するまでの角度θ２に渡って圧縮されることになり、発生する損失は相対的に大きくなる。よって、図４（ａ）に示すような２段ロータリ型膨張機に本発明を適用した場合、さらに顕著な効果を得ることができる。
【００４０】
なお、実施の形態においては、高圧流体排出ポート１２０、高圧流体排出制御バルブ１２１、および高圧流体導入空間１２２を第１シリンダ１０５に形成したが、これに限られることはなく、上軸受部材１０７に形成してもよい。
【００４１】
また、吸入ポート１０５ｂを第１シリンダ１０５に形成したが、これに限られることはなく、上軸受部材１０７に形成してもよい。同様に、吐出ポート１０６ｂを第２シリンダ１０６に形成したが、これに限られることはなく、下軸受部材１０８に形成してもよい。
【００４２】
また、実施の形態においては、２段ロータリ型膨張機２を用いたが、同じロータリ型でもスイング方式の場合には、第１ベーン１１１と第２ベーン１１２、第１ピストン１０９と第２ピストン１１０とを一つの部品で構成することができる。この場合、第１ベーン１１１と第２ベーン１１２に相当する部分が、第１ピストン１０９と第２ピストン１１０に相当する部分とともに、前後左右に揺動する。
【００４３】
また、本発明の２段ロータリ型膨張機は、作動流体を圧縮する圧縮機と、圧縮機で圧縮された作動流体を放熱させる放熱器と、放熱器で放熱した作動流体を膨張させる膨張機と、膨張機で膨張した作動流体を蒸発させる蒸発器と、を備え、二酸化炭素を作動流体とする冷凍サイクル装置に適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明の２段ロータリ型膨張機は、作動流体の膨張エネルギーを動力回収して、冷凍サイクル装置を用いた空調機や給湯機などの用途に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【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構成を示す縦断面図
【図２】（ａ）図１のＸ−Ｘ線における膨張機構の横断面図（ｂ）図１のＹ−Ｙ線における膨張機構の横断面図
【図３】本発明の実施の形態１における連通孔付近の拡大図
【図４】（ａ）その他の実施の形態における吸入完了時の連通孔付近の拡大図（ｂ）その他の実施の形態における第１吐出側空間と第２吸入側空間との連通終了時の連通孔付近の拡大図
【図５】（ａ）従来の２段ロータリ型膨張機における膨張機構の第１シリンダの横断面図（ｂ）従来の２段ロータリ型膨張機における膨張機構の第２シリンダの横断面図
【図６】図５（ａ）の上死点における連通孔付近の拡大図
【符号の説明】
【００４６】
１，２ ２段ロータリ型膨張機
１００，２００ 膨張機構
１０１ 発電機
１０１ａ ステータ
１０１ｂ ロータ
１０２ 密閉容器
１０３ シャフト
１０３ａ 第１偏心部
１０３ｂ 第２偏心部
１０４ 中板
１０４ａ 連通孔
１０４ａ１ 開口部
１０５ 第１シリンダ
１０５ａ 第１ベーン溝
１０５ｂ 吸入ポート
１０６ 第２シリンダ
１０６ａ 第２ベーン溝
１０６ｂ 吐出ポート
１０７ 上軸受部材
１０８ 下軸受部材
１０９ 第１ピストン
１１０ 第２ピストン
１１１ 第１ベーン
１１２ 第２ベーン
１１３ 第１バネ
１１４ 第２バネ
１１５ａ 第１吸入側空間
１１５ｂ 第１吐出側空間
１１６ａ 第２吸入側空間
１１６ｂ 第２吐出側空間
１１７ 吸入管
１１８ 吐出管
１２０ 高圧流体排出ポート
１２１ 高圧流体排出制御バルブ
１２２ 高圧流体導入空間
１２３ 高圧流体導入連通路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１シリンダと、
前記第１シリンダの内外を貫くシャフトと、
前記シャフトに取り付けられ前記第１シリンダ内で偏心回転する第１ピストンと、
前記シャフトを共有する形で前記第１シリンダと同心状に配置された第２シリンダと、
前記シャフトに取り付けられ前記第２シリンダ内で偏心回転する第２ピストンと、
前記第１シリンダに形成された第１溝に進退可能に装着され前記第１シリンダと前記第１ピストンとの間の空間を第１吸入側空間と第１吐出側空間とに仕切る第１仕切り部材と、
前記第２シリンダに形成された第２溝に進退可能に装着され前記第２シリンダと前記第２ピストンとの間の空間を第２吸入側空間と第２吐出側空間とに仕切る第２仕切り部材と、
前記第１吐出側空間と前記第２吸入側空間とを連通して１つの作動室を形成する連通孔を有するとともに、前記第１シリンダと前記第２シリンダとを隔てる中板と、
前記第１吸入側空間に作動流体を吸入するための吸入ポートと、
前記第２吐出側空間から前記作動流体を吐出するための吐出ポートと、
前記第１吐出側空間と前記連通孔との連通が終了した後に、前記第１吐出側空間に閉じこめられた作動流体を前記吸入ポートと連通している空間に排出可能な弁と、
を備える２段ロータリ型膨張機。
【請求項２】
前記弁は、前記第１吐出側空間の圧力が前記吸入ポートの圧力よりも高くなると開く逆止弁である、請求項１に記載の２段ロータリ型膨張機。
【請求項３】
前記弁の前記第１吐出側空間に面する開口は、前記第１シリンダと前記第１溝との前記第１吐出側空間側の交点の近傍に位置することを特徴とする、請求項１に記載の２段ロータリ型膨張機。
【請求項４】
作動流体を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機で圧縮された作動流体を放熱させる放熱器と、
前記放熱器で放熱した作動流体を膨張させる膨張機と、
前記膨張機で膨張した作動流体を蒸発させる蒸発器と、を備え、
前記膨張機が、請求項１に記載の２段ロータリ型膨張機からなる、冷凍サイクル装置。
【請求項５】
二酸化炭素を作動流体とすることを特徴とする、請求項４に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項１】
第１シリンダと、
前記第１シリンダの内外を貫くシャフトと、
前記シャフトに取り付けられ前記第１シリンダ内で偏心回転する第１ピストンと、
前記シャフトを共有する形で前記第１シリンダと同心状に配置された第２シリンダと、
前記シャフトに取り付けられ前記第２シリンダ内で偏心回転する第２ピストンと、
前記第１シリンダに形成された第１溝に進退可能に装着され前記第１シリンダと前記第１ピストンとの間の空間を第１吸入側空間と第１吐出側空間とに仕切る第１仕切り部材と、
前記第２シリンダに形成された第２溝に進退可能に装着され前記第２シリンダと前記第２ピストンとの間の空間を第２吸入側空間と第２吐出側空間とに仕切る第２仕切り部材と、
前記第１吐出側空間と前記第２吸入側空間とを連通して１つの作動室を形成する連通孔を有するとともに、前記第１シリンダと前記第２シリンダとを隔てる中板と、
前記第１吸入側空間に作動流体を吸入するための吸入ポートと、
前記第２吐出側空間から前記作動流体を吐出するための吐出ポートと、
前記第１吐出側空間と前記連通孔との連通が終了した後に、前記第１吐出側空間に閉じこめられた作動流体を前記吸入ポートと連通している空間に排出可能な弁と、
を備える２段ロータリ型膨張機。
【請求項２】
前記弁は、前記第１吐出側空間の圧力が前記吸入ポートの圧力よりも高くなると開く逆止弁である、請求項１に記載の２段ロータリ型膨張機。
【請求項３】
前記弁の前記第１吐出側空間に面する開口は、前記第１シリンダと前記第１溝との前記第１吐出側空間側の交点の近傍に位置することを特徴とする、請求項１に記載の２段ロータリ型膨張機。
【請求項４】
作動流体を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機で圧縮された作動流体を放熱させる放熱器と、
前記放熱器で放熱した作動流体を膨張させる膨張機と、
前記膨張機で膨張した作動流体を蒸発させる蒸発器と、を備え、
前記膨張機が、請求項１に記載の２段ロータリ型膨張機からなる、冷凍サイクル装置。
【請求項５】
二酸化炭素を作動流体とすることを特徴とする、請求項４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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００９−６２９５０（Ｐ２００９−６２９５０Ａ）
【公開日】平成２１年３月２６日（２００９．３．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２３３７５６（Ｐ２００７−２３３７５６）
【出願日】平成１９年９月１０日（２００７．９．１０）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【公開日】平成２１年３月２６日（２００９．３．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年９月１０日（２００７．９．１０）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
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