WO2009096167A1 - 膨張機一体型圧縮機およびそれを用いた冷凍サイクル装置 - Google Patents

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    • F04C29/02—Lubrication; Lubricant separation
    • F04C29/028—Means for improving or restricting lubricant flow

Definitions

  • the present invention relates to an expander-integrated compressor and a refrigeration cycle apparatus using the same.
  • a conventional refrigeration cycle apparatus has a mechanism for expanding a refrigerant with an expansion valve.
  • a positive displacement expander instead of the expansion valve, the expansion energy of the refrigerant is recovered and the compressor There are attempts to use it for auxiliary power.
  • power savings of around 20%, and even with actual machines, around 10%.
  • development of a fluid machine (expander-integrated compressor) as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-299632 is proceeding at a rapid pace.
  • FIG. 11 is a longitudinal sectional view of a typical expander-integrated compressor.
  • the expander-integrated compressor 200 includes a two-stage rotary type compression mechanism 121, an electric motor 122, a two-stage rotary type expansion mechanism 123, and a sealed container 120 that houses these.
  • the compression mechanism 121, the electric motor 122, and the expansion mechanism 123 are connected by a shaft 124.
  • the bottom of the sealed container 120 is an oil reservoir 125 for storing oil (refrigerating lubricant).
  • an oil pump 126 is attached to the lower end portion of the shaft 124. Oil pumped up by the oil pump 126 is supplied to the compression mechanism 121 and the expansion mechanism 123 via an oil supply passage 127 formed in the shaft 124. Thereby, the lubricity and sealing performance in each sliding part of the compression mechanism 121 and the expansion mechanism 123 can be ensured.
  • an oil return pipe 128 is disposed on the upper portion of the expansion mechanism 123.
  • One end of the oil return pipe 128 communicates with an oil supply passage 127 formed in the shaft 124, and the other end opens toward the lower side of the expansion mechanism 123.
  • the oil is supplied excessively. Excess oil returns to the oil reservoir 125 via the oil return pipe 128.
  • both the compression mechanism 121 and the expansion mechanism 123 can be lubricated with the oil stored in the oil reservoir 125.
  • the oil pumped up from the oil reservoir 125 passes through the high-temperature compression mechanism 121 and is heated by the compression mechanism 121.
  • the oil heated by the compression mechanism 121 is further heated by the electric motor 122 and reaches the expansion mechanism 123.
  • the oil that has reached the expansion mechanism 123 is cooled by the low-temperature expansion mechanism 123, and then discharged to the lower side of the expansion mechanism 123 via the oil return pipe 128.
  • the oil discharged from the expansion mechanism 123 and the oil return pipe 128 is heated again when passing through the side surface of the electric motor 122, and further heated when passing through the side surface of the compression mechanism 121, so that the oil reservoir 125 of the sealed container 120 is obtained.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to suppress heat transfer from a compression mechanism to an expansion mechanism.
  • the present invention A compression mechanism for compressing the working fluid; An expansion mechanism for recovering power from the working fluid; A shaft connecting the compression mechanism and the expansion mechanism so that power recovered by the expansion mechanism is transmitted to the compression mechanism; The compression mechanism, the expansion mechanism, and the shaft are accommodated so that the compression mechanism and the expansion mechanism are arranged vertically, and the bottom is used as an oil reservoir, and the internal space is filled with the compressed working fluid A container, An oil pump provided at a lower portion of the shaft; An oil supply passage formed in the shaft so as to extend in the axial direction in order to supply the oil stored in the oil reservoir to the compression mechanism or the expansion mechanism located above the closed container by the oil pump.
  • An oil supply amount adjusting mechanism for adjusting the amount of oil to be An expander-integrated compressor comprising:
  • the present invention provides: The expander-integrated compressor of the present invention; A radiator for dissipating heat from the refrigerant compressed by the compression mechanism of the expander-integrated compressor; An evaporator for evaporating the refrigerant expanded by the expansion mechanism of the expander-integrated compressor; A refrigeration cycle apparatus is provided.
  • the present invention provides: A compression mechanism for compressing the working fluid; An expansion mechanism for recovering power from the working fluid; A shaft connecting the compression mechanism and the expansion mechanism so that power recovered by the expansion mechanism is transmitted to the compression mechanism; A sealed container that houses the compression mechanism, the expansion mechanism, and the shaft, the bottom is used as an oil reservoir, and the internal space is filled with the compressed working fluid; An oil pump provided at an end of the shaft; The shaft extending in the axial direction to supply the oil in the oil reservoir to the compression mechanism or the expansion mechanism located on a side far from the oil pump with respect to the axial direction of the shaft by the oil pump. An oil supply passage formed inside, An oil supply amount adjusting mechanism for adjusting the amount of oil supplied to the compression mechanism or the expansion mechanism through the oil supply passage; An expander-integrated compressor comprising:
  • the oil supply amount adjusting mechanism since the oil supply amount adjusting mechanism is provided, an appropriate amount of oil can be supplied to the compression mechanism or the expansion mechanism regardless of the rotational speed of the shaft. As a result, heat transfer from the compression mechanism to the expansion mechanism based on oil circulation can be suppressed.
  • the longitudinal cross-sectional view of the expander integrated compressor concerning 1st Embodiment of this invention IIA-IIA cross section of expansion mechanism IIB-IIB cross section of expansion mechanism Partial enlarged view of FIG. The figure which shows the modification of an oil supply amount adjustment mechanism
  • the longitudinal cross-sectional view of the expander integrated compressor concerning 4th Embodiment of this invention Configuration diagram of a refrigeration cycle apparatus using an expander integrated compressor Vertical section of a conventional expander-integrated compressor
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view of an expander-integrated compressor according to a first embodiment of the present invention.
  • the expander-integrated compressor 100A includes a sealed container 1, a compression mechanism 2, an expansion mechanism 3, an electric motor 4, a shaft 5, an oil pump 6, and an oil supply amount adjustment mechanism 30.
  • the compression mechanism 2 is disposed on the lower side in the sealed container 1.
  • the expansion mechanism 3 is disposed on the upper side in the sealed container 1.
  • An electric motor 4 is disposed between the compression mechanism 2 and the expansion mechanism 3.
  • the compression mechanism 2, the electric motor 4, and the expansion mechanism 3 are connected by a shaft 5 so that power is transmitted.
  • the oil pump 6 is provided below the shaft 5.
  • the oil supply amount adjusting mechanism 30 is for adjusting the amount of oil supplied to the expansion mechanism 3.
  • an adjustment valve typically a needle valve
  • the oil supply amount adjustment mechanism 30 is employed as the oil supply amount adjustment mechanism 30.
  • the expansion mechanism 3 collects power from the expanding working fluid and applies it to the shaft 5 to assist the drive of the shaft 5 by the electric motor 4.
  • the working fluid is a refrigerant such as carbon dioxide or hydrofluorocarbon.
  • the arrangement of the compression mechanism 2, the electric motor 4, and the expansion mechanism 3 is determined so that the axial direction of the shaft 5 coincides with the vertical direction.
  • the positional relationship between the compression mechanism 2 and the expansion mechanism 3 may be opposite to that of the present embodiment. That is, the compression mechanism 2 may be disposed on the upper side in the sealed container 1 and the expansion mechanism 3 may be disposed on the lower side in the sealed container 1.
  • the sealed container 1 has an internal space 24 for accommodating each component.
  • the internal space 24 of the sealed container 1 is filled with the refrigerant compressed by the compression mechanism 2.
  • the bottom of the sealed container 1 is used as an oil reservoir 25. Oil is used to ensure lubricity and sealing performance at the sliding portions of the compression mechanism 2 and the expansion mechanism 3.
  • the amount of oil in the oil reservoir 25 is defined so that the oil level is located below the electric motor 4. Thereby, the fall of the motor efficiency based on the rotor of the electric motor 4 stirring oil and the increase in the oil discharge amount to a refrigerant circuit can be prevented.
  • the compression mechanism 2 becomes high temperature, so the temperature of the oil stored in the oil reservoir 25 also increases.
  • the compression mechanism 2 includes cylinders 17 and 18, pistons 7 and 8, and bearing members 10 and 11, and has the same structure as a conventional two-stage rotary compressor.
  • a suction pipe 13 is connected to the cylinder 17, and a suction pipe 14 is connected to the cylinder 18.
  • the refrigerant is guided to the compression chambers 19 and 20 formed in the cylinders 17 and 18 through the suction pipe 13 and the suction pipe 14.
  • the refrigerant compressed in the compression chambers 19 and 20 is discharged into the internal space 24 of the sealed container 1.
  • a discharge pipe 15 is connected to the sealed container 1 such that an opening is located between the electric motor 4 and the expansion mechanism 3.
  • the refrigerant discharged into the internal space 24 flows upward around the electric motor 4 and is guided from the discharge pipe 15 to the flow path outside the sealed container 1. At this time, the refrigerant and the oil can be separated by the influence of gravity and centrifugal force.
  • a rotary fluid mechanism is adopted as the compression mechanism 2.
  • the “rotary type” includes not only a rolling piston type in which the vane slides on the outer peripheral surface of the piston and a sliding vane type in which the vane slides on the inner peripheral surface of the cylinder, but also a swing in which the piston and the vane are integrated. Includes piston type.
  • the type of the compression mechanism 2 is not limited to the rotary type.
  • other types of fluid mechanisms such as a scroll type, a reciprocating type, and a screw type may be employed. The same applies to the expansion mechanism 3 described later.
  • the electric motor 4 includes a stator 21 fixed to the sealed container 1 and a rotor 22 fixed to the shaft 5. Electric power is supplied to the electric motor 4 via a terminal (not shown) provided on the upper portion of the hermetic container 1.
  • an oil supply passage 29 that communicates with the sliding portion of the expansion mechanism 3 is formed so as to extend in the axial direction. Forming the oil supply passage 29 inside the shaft 5 is preferable because an increase in the number of parts and a problem of layout do not newly occur. The oil is supplied to the sliding portion of the expansion mechanism 3 through the oil supply passage 29.
  • the oil supply passage 29 is not open at the upper end surface of the shaft 5. In this way, oil does not flow out to the top of the expansion mechanism 3 as in the conventional example described with reference to FIG. This makes it difficult for the oil to be cooled by the expansion mechanism 3. In other words, heat transfer from the compression mechanism 2 to the expansion mechanism 3 can be more effectively suppressed.
  • the oil supply passage 29 may be open on the upper end surface of the shaft 5.
  • the shaft 5 may be made of a single part or may be made by combining (connecting) a plurality of parts.
  • the shaft 5 may include a first shaft on the compression mechanism 2 side and a second shaft on the expansion mechanism 3 side.
  • the 1st shaft and the 2nd shaft may be directly connected by fitting, and may be connected via other parts (connector).
  • the expansion mechanism 3 includes a first cylinder 42, a second cylinder 44 having an inner diameter larger than the inner diameter of the first cylinder 42, and an intermediate plate 43 that partitions the first cylinder 42 and the second cylinder 44. Yes.
  • the first cylinder 42 and the second cylinder 44 are arranged concentrically with each other. 2A and 2B, the expansion mechanism 3 further includes a first piston 46, a first vane 48, a first spring 50, a second piston 47, a second vane 49, and a second spring 51. .
  • the first piston 46 is fitted in the eccentric portion 5c of the shaft 5 and moves eccentrically in the first cylinder 42.
  • the first vane 48 is held in a vane groove 42 a formed in the first cylinder 42 so as to reciprocate.
  • One end of the first vane 48 is in contact with the first piston 46.
  • the first spring 50 is in contact with the other end of the first vane 48 and biases the first vane 48 toward the first piston 46.
  • the second piston 47 is fitted in the eccentric portion 5d of the shaft 5, and performs an eccentric rotational movement in the second cylinder 44.
  • the second vane 49 is held in a vane groove 44 a formed in the second cylinder 44 so as to reciprocate.
  • One end of the second vane 49 is in contact with the second piston 47.
  • the second spring 51 is in contact with the other end portion of the second vane 49 and biases the second vane 49 toward the second piston 47.
  • the expansion mechanism 3 further includes a bearing member 45 and a bearing member 41.
  • the bearing member 41 is fitted into the sealed container 1 without a gap. Parts such as a cylinder and an intermediate plate are fixed to the hermetic container 1 via a bearing member 41.
  • the bearing member 41 and the middle plate 43 sandwich the first cylinder 42 from above and below, and the middle plate 43 and the bearing member 45 sandwich the second cylinder 44 from above and below.
  • Actuating chambers 55 and 56 are formed in the first cylinder 42 and the second cylinder 44 by being clamped by the bearing member 45, the intermediate plate 43 and the bearing member 41, respectively.
  • a suction-side working chamber 55a (first suction-side space) and a discharge-side working chamber 55b (first discharge-side space) are formed inside the first cylinder 42.
  • the working chamber 55 a and the working chamber 55 b are partitioned by the first piston 46 and the first vane 48.
  • a suction side working chamber 56 a (second suction side space) and a discharge side working chamber 56 b (second discharge side space) are formed inside the second cylinder 44.
  • the working chamber 56 a and the working chamber 56 b are partitioned by the second piston 47 and the second vane 49.
  • the total volume of the two working chambers 56 a and 56 b in the second cylinder 44 is larger than the total volume of the two working chambers 55 a and 55 b in the first cylinder 42.
  • the working chamber 55b on the discharge side of the first cylinder 42 and the working chamber 56a on the suction side of the second cylinder 44 are connected to each other through a through hole 43a formed in the intermediate plate 43.
  • 56a functions as one working chamber (expansion chamber).
  • the expansion mechanism 3 includes a suction pipe 52 as a suction path for directly sucking the refrigerant before expansion from the flow path outside the sealed container 1, and the expanded refrigerant directly into the flow path outside the sealed container 1. And a discharge pipe 53 as a discharge path for discharging.
  • the suction pipe 52 is directly inserted into the first cylinder 42 so that the refrigerant can be guided from the flow path outside the sealed container 1 to the working chamber 55 of the first cylinder 42.
  • the discharge pipe 53 is directly inserted into the second cylinder 44 so that the refrigerant can be guided from the working chamber 56 of the second cylinder 44 to the flow path outside the sealed container 1.
  • the suction pipe 52 may be inserted into the bearing member 41 and the discharge pipe 53 may be inserted into the bearing member 45.
  • the refrigerant before expansion flows into the working chamber 55a of the first cylinder 42 through the suction pipe 52.
  • the working fluid flowing into the working chamber 55a of the first cylinder 42 moves to the working chamber 55b according to the rotation of the shaft 5, and rotates the shaft 5 in the expansion chamber composed of the working chamber 55b, the through hole 43a, and the working chamber 56a. Expands to low pressure.
  • the expanded refrigerant is guided to the outside of the sealed container 1 through the working chamber 56b and the discharge pipe 53.
  • the position where the oil pump 6 is provided is the lower part of the shaft 5. Specifically, the oil pump 6 is disposed in the oil supply passage 29 in the lower portion of the shaft 5. By disposing the oil pump 6 in the oil supply passage 29, it is not necessary to separately provide an oil supply pipe.
  • Oil pump 6 is powered by shaft 5 and operates.
  • a speed type pump turbine type pump
  • the oil pump 6 has a pump blade 6a and a blade retainer 6b.
  • the pump blade 6a is fixed to the shaft 5 by a blade stopper 6b.
  • the pump blade 6a rotates together with the shaft 5, the oil is pumped upward.
  • the rotational speed of the oil pump 6 is equal to the rotational speed of the shaft 5, the delivery volume and delivery pressure of the oil pump 6 increase as the rotational speed of the shaft 5 increases.
  • the effectiveness of the oil supply amount adjusting mechanism 30 increases as the delivery pressure of the oil pump 6 increases, the amount of oil proportional to the rotational speed of the shaft 5 is not supplied to the expansion mechanism 3.
  • the type of oil pump is not limited to a speed pump, and a positive displacement pump may be used.
  • the positive displacement pump include a rotary oil pump and a trochoid pump (registered trademark of Nippon Oil Pump Co., Ltd.).
  • the speed type pump is better than the positive displacement pump for compatibility with the oil supply amount adjusting mechanism 30 in the present embodiment. This is because in the present embodiment, there is no oil escape route as in the second and third embodiments described later.
  • the oil supply amount adjusting mechanism 30 includes a structure that prevents the amount of oil supplied to the expansion mechanism 3 through the oil supply passage 29 from following the increase in the rotational speed of the shaft 5. As described above, reducing the heat transfer from the compression mechanism 2 to the expansion mechanism 3 based on the circulation of oil as much as possible reduces the efficiency of the refrigeration cycle apparatus (see FIG. 10) using the expander-integrated compressor 100A. It is important for improvement. When the rotational speed of the shaft 5 increases, the delivery volume and delivery pressure of the oil pump 6 tend to increase, but the oil supply amount adjusting mechanism 30 prevents excessive oil supply. In some cases, the amount of oil supplied to the expansion mechanism 3 can be maintained almost constant regardless of the number of rotations of the shaft 5. As a result, heat transfer from the compression mechanism 2 to the expansion mechanism 3 based on oil circulation can be suppressed.
  • the oil supply amount adjusting mechanism 30 is provided in the oil supply passage 29. Therefore, it is not necessary to secure a dedicated space for the oil supply amount adjusting mechanism 30.
  • the position where the oil supply amount adjusting mechanism 30 should be provided may be lower than the expansion mechanism 3 located on the upper side in the sealed container 1.
  • an oil supply amount adjusting mechanism 30 is provided between the working chamber 20 of the compression mechanism 2 and the electric motor 4 in the axial direction of the shaft 5.
  • FIG. 3 is a partially enlarged view of FIG.
  • the oil supply amount adjusting mechanism 30 includes a valve seat 31, a needle 32 (valve element), a spring 33, and a needle stopper 34.
  • the valve seat 31 has an orifice shape in which the inner diameter decreases as the expansion mechanism 3 is approached.
  • a needle 32 is arranged so as to face the valve seat 31.
  • the needle 32 has a conical tip.
  • a spring 33 is arranged between the valve seat 31 and the needle 32 so that a gap through which oil can flow is formed between the valve seat 31 and the needle 32. As the spring 33 expands and contracts according to the oil pressure fluctuation in the oil supply passage 29, the width of the gap between the valve seat 31 and the needle 32 can be adjusted.
  • a needle stop 34 that defines the movable range of the needle 32 is disposed on the opposite side of the valve seat 31 across the needle 32.
  • the valve seat 31 or the needle stop 34 may be formed by a part of the shaft 5.
  • the oil to be sent to the expansion mechanism 3 flows through the oil supply passage 29 and hits the back surface of the needle 32. Thereafter, the oil flows around the needle 32 and flows toward the valve seat 31.
  • the needle 32 is pushed toward the valve seat 31 with a force corresponding to the flow rate of the oil. Further, the needle 32 is pushed back with a force proportional to the displacement of the spring 33. That is, the width of the gap between the valve seat 31 and the needle 32 (the cross-sectional area of the gap) changes according to the oil flow rate.
  • the oil feeding capacity of the oil pump 6 increases as the rotational speed of the shaft 5 increases, the resistance to the oil flow increases due to the narrow gap between the valve seat 31 and the needle 32. As a result, the supply amount of oil is limited (optimized).
  • the oil supply amount adjusting mechanism 30 does not supply more oil than necessary to the expansion mechanism 3. In other words, an appropriate amount of oil can be supplied to the expansion mechanism 3. As a result, heat transfer from the compression mechanism 2 to the expansion mechanism 3 based on oil circulation can be suppressed. Further, since the oil is not excessively supplied to the expansion mechanism 3, it is possible to prevent a large amount of oil from being mixed into the working fluid in the expansion mechanism 3. Therefore, it is possible to prevent a significant decrease in heat exchange efficiency due to excessive oil flowing into the evaporator 102 (see FIG. 10). As shown in FIG. 4, the effect of optimizing the amount of oil supply can be obtained simply by providing the valve seat 31 in the oil supply passage 29. That is, even if an orifice is provided in the oil supply passage 29, the pressure loss at the orifice increases as the oil flow rate increases, so that it is possible to suppress excessive supply of oil to the expansion mechanism 3.
  • the oil in the oil supply passage 29 is supplied only to the expansion mechanism 3, but the oil in the oil supply passage 29 may be supplied to the compression mechanism 2.
  • FIG. 5 is a longitudinal sectional view of an expander-integrated compressor according to the second embodiment of the present invention.
  • the main difference between the expander-integrated compressor 100 ⁇ / b> B of the present embodiment and the expander-integrated compressor 100 ⁇ / b> A of the first embodiment is an oil supply amount adjusting mechanism.
  • Members common to the embodiment shown in FIG. 1 are denoted by common reference numerals, and description thereof is omitted.
  • FIG. 6 is a partially enlarged view of FIG.
  • the shaft 5 is formed with a branch passage 29 s that is branched from the oil supply passage 29 in the radial direction and opened to the outer peripheral surface of the shaft 5.
  • An oil supply amount adjusting mechanism 60 is provided in the branch passage 29s. In this way, since the oil supply amount adjusting mechanism 60 can be attached from the outside of the shaft 5, assembly is easier than in the first embodiment. Further, since the branch passage 29s behaves as an oil escape path, it is also suitable when the oil pump is a positive displacement pump.
  • the oil supply amount adjusting mechanism 60 includes a valve seat 61, a needle 62, a spring 63, and a needle stop 64.
  • the valve seat 61 has an orifice shape whose inner diameter decreases as it approaches the oil supply passage 29, and is disposed in a portion facing the oil supply passage 29 in the branch passage 29s.
  • a conical needle 62 is disposed so as to face the valve seat 61.
  • the needle 62 can be displaced in a direction approaching the valve seat 61 and a direction away from the valve seat 61 (the radial direction of the shaft 5).
  • the needle stop 64 is disposed at a portion of the branch passage 29s facing the outside of the shaft 5.
  • the movable range of the needle 62 is defined by the needle stop 64.
  • the spring 63 is disposed between the needle 62 and the needle stop 64.
  • the bearing member 10 has a bearing portion 10 a that supports the shaft 5.
  • the bearing portion 10a covers the outer peripheral surface of the shaft 5 at a position where the branch passage 29s is formed.
  • An annular chamber 67 is formed on the inner peripheral surface of the bearing portion 10a.
  • the branch passage 29 s opens toward the chamber 67.
  • the bearing portion 10a is further formed with an oil discharge path 66 that connects the chamber 67 and the internal space 24 of the sealed container 1 so as to penetrate the bearing portion 10a in the radial direction. Oil can flow from the oil supply passage 29 to the internal space 24 of the sealed container 1 by the branch passage 29s, the chamber 67, and the oil discharge passage 66.
  • the closed state is a state in which the branch passage 29s is closed by fitting the needle 62 to the valve seat 61. In the closed state, oil cannot flow through the branch passage 29s.
  • the oil supply amount adjusting mechanism 60 is opened.
  • the open state is a state in which a gap is generated between the valve seat 61 and the needle 62 when the needle 62 is separated from the valve seat 61. When in the open state, oil can flow through the branch passage 29s.
  • the oil supply passage 29 When the internal pressure of the oil supply passage 29 becomes higher than a predetermined pressure, the oil enters the branch passage 29s through the valve seat 61 while pushing the needle 62 down.
  • the force with which the oil pushes the needle 62 is proportional to the internal pressure of the oil supply passage 29.
  • the outward load applied to the needle 62 by oil or the like (specifically, oil pressure and centrifugal force) in the oil supply passage 29 exceeds the force by which the spring 63 pushes the needle 62 when the oil supply amount adjusting mechanism 60 is in the closed state.
  • the oil supply amount adjusting mechanism 60 switches from the closed state to the open state.
  • the oil supply amount adjusting mechanism 60 is constituted by a relief valve.
  • oil is allowed to escape to the outside of the shaft 5 through the branch passage 29s. Therefore, when the oil supply amount adjusting mechanism 60 is in the open state, the oil flow rate in the oil supply passage 29 differs before and after the position where the oil supply amount adjusting mechanism 60 is provided. Specifically, the flow rate increases between the oil supply amount adjustment mechanism 60 and the oil pump 6, and the flow rate decreases between the expansion mechanism 3 and the oil supply amount adjustment mechanism 60. It is preferable that the portion where the oil flow rate is large is away from the expansion mechanism 3 from the viewpoint of suppressing heat transfer from the compression mechanism 2 to the expansion mechanism 3 based on the circulation of oil. Therefore, it is desirable that a branch passage 29 s is formed in the shaft 5 between the electric motor 4 and the compression mechanism 2.
  • FIG. 7 is a longitudinal sectional view of an expander-integrated compressor according to a third embodiment of the present invention. As shown in FIG. 7, the main difference between the expander-integrated compressor 100C of the present embodiment and the expander-integrated compressor 100A (FIG. 1) of the first embodiment resides in an oil supply amount adjusting mechanism. .
  • FIG. 8 is a partially enlarged view of FIG.
  • the shaft 5 is formed with a branch passage 29 t that branches from the oil supply passage 29 in the radial direction and opens to the outer peripheral surface of the shaft 5.
  • An oil supply amount adjusting mechanism 70 is provided outside the shaft 5 so that excess oil is guided to the internal space 24 of the sealed container 1 through the branch passage 29t. Since the oil supply amount adjusting mechanism 70 is outside the shaft 5, a larger space can be secured for the oil supply amount adjusting mechanism 70 than in the previous two embodiments.
  • This embodiment is common to the second embodiment in that a branch passage 29t is formed in the shaft 5 as an oil escape path.
  • the present embodiment is different from the second embodiment in that the oil supply amount adjusting mechanism 70 does not rotate with the shaft 5. Since the branch passage 29t behaves as an oil escape path, it is also suitable when the oil pump is a positive displacement pump.
  • the oil supply amount adjusting mechanism 70 is provided inside the bearing member 10.
  • the bearing member 10 has a bearing portion 10 a that supports the shaft 5.
  • the bearing portion 10a covers the outer peripheral surface of the shaft 5 at a position where the branch passage 29t is formed.
  • An annular chamber 77 is formed on the inner peripheral surface of the bearing portion 10a.
  • the branch passage 29 t is open toward the chamber 77.
  • An oil discharge path 76 is further formed in the bearing portion 10a as a path connecting the chamber 77 and the internal space 24 of the sealed container 1.
  • An oil supply amount adjusting mechanism 70 is provided in the oil discharge path 76.
  • the oil supply amount adjusting mechanism 70 includes a valve seat 71, a valve body 72, a spring 73, and a valve body stopper 74.
  • the oil discharge passage 76 includes a T-shaped section in a direction along the oil flow direction, and a valve seat 71 is disposed in the T-shaped section.
  • a valve body 72 having a spherical shape is disposed so as to face the valve seat 71.
  • the valve body stopper 74 is disposed on the opposite side of the valve seat 71 with the valve body 72 interposed therebetween.
  • a movable range of the valve body 72 is defined by the valve body stopper 74.
  • the spring 73 is disposed between the valve body 72 and the valve body stopper 74.
  • the structure of the oil supply amount adjusting mechanism 70 may be the same as that in the second embodiment.
  • the closed state is a state in which the oil discharge passage 76 is closed by fitting the valve body 72 to the valve seat 71. In the closed state, oil cannot flow through the oil discharge path 76.
  • the oil supply amount adjusting mechanism 70 is opened.
  • the open state is a state in which a gap is generated between the valve seat 71 and the valve body 72 when the valve body 72 is separated from the valve seat 71. When in the open state, oil can flow through the oil discharge passage 76.
  • the valve body 72 When the internal pressure of the oil supply passage 29 becomes higher than a predetermined pressure, the valve body 72 is pushed away by the oil, and the oil discharge passage 76 is opened.
  • the force with which the oil pushes the valve body 72 is proportional to the internal pressure of the oil supply passage 29.
  • the oil supply amount adjustment mechanism 70 On condition that the load applied to the valve body 72 by the oil in the oil supply passage 29 exceeds the force by which the spring 73 pushes the valve body 72 when the oil supply amount adjustment mechanism 70 is in the closed state, the oil supply amount adjustment mechanism 70 is in the closed state. Switches from open to open.
  • the oil supply adjustment mechanism 70 is opened.
  • a part of the oil flowing through the oil supply passage 29 is guided to the outside of the shaft 5 through the branch passage 29t. Oil that has come out of the shaft 5 is discharged into the internal space 24 of the sealed container 1 through a chamber 77 and an oil discharge path 76 formed in the bearing portion 10 a of the bearing member 10.
  • the oil supply amount adjusting mechanism 70 is constituted by a relief valve.
  • oil supply amount adjusting mechanism 70 may be disposed at the outlet of the oil discharge path 76 or may be disposed in the chamber 77.
  • the axial direction of the shaft 5 is parallel to the horizontal direction.
  • An oil reservoir 25 is formed along the longitudinal direction of the sealed container 1.
  • a partition wall 27 is provided between the expansion mechanism 3 and the electric motor 4.
  • the partition wall 27 partitions the internal space 24 into a space on the expansion mechanism 3 side and a space on the compression mechanism 2 side.
  • An electric motor 4 is also arranged in the space on the compression mechanism 2 side.
  • This partition wall 27 also has a function of suppressing heat transfer from the compression mechanism 2 and the electric motor 4 to the expansion mechanism 3.
  • the partition wall 27 has a passage 27h that allows oil to flow.
  • a positive displacement oil pump 26 is provided at the end of the shaft 5.
  • An oil pump 26, an expansion mechanism 3, an electric motor 4, and a compression mechanism 2 are arranged in this order along the axial direction of the shaft 5.
  • the oil supply amount adjusting mechanism 60 is the same as that described in the third embodiment with reference to FIG.
  • the nozzle 26 k of the oil pump 26 extends toward the oil reservoir 25 so that the oil in the oil reservoir 25 can be sucked.
  • the oil sucked into the oil pump 26 is supplied through the oil supply passage 29 to the compression mechanism 2 located on the side far from the oil pump 26 with respect to the axial direction of the shaft 5.
  • the oil from the oil pump 26 is also supplied to the expansion mechanism 3 located on the near side as viewed from the oil pump 26.
  • the oil discharged from the oil supply passage 29 through the oil supply amount adjusting mechanism 60 returns to the space on the expansion mechanism 3 side.
  • the oil supply amount adjusting mechanism 60 prevents excessive oil supply. Thereby, the heat transfer from the compression mechanism 2 to the expansion mechanism 3 is suppressed.
  • the oil pump 26 is provided on the expansion mechanism 3 side, but the oil pump 26 may be provided on the compression mechanism 2 side.
  • an oil supply amount adjusting mechanism 30 (first embodiment) or an oil supply amount adjusting mechanism 70 (third embodiment) may be provided.
  • the expander-integrated compressor of the present invention can be suitably used for, for example, an air conditioning apparatus, a hot water supply apparatus, a dryer, or a refrigeration cycle apparatus (heat pump) for a refrigerator-freezer.
  • the refrigeration cycle apparatus 110 includes an expander-integrated compressor 100A (100B, 100C, 100D), a radiator 101 for dissipating heat from the refrigerant compressed by the compression mechanism 2, and an expansion mechanism. 3 and an evaporator 114 for evaporating the refrigerant expanded in 3.
  • the compression mechanism 2, the heat radiator 101, the expansion mechanism 3, and the evaporator 102 are connected by a pipe to form a refrigerant circuit.
  • the heating capacity is reduced due to a decrease in the discharge temperature of the compression mechanism 2 during heating operation by suppressing heat transfer from the compression mechanism 2 to the expansion mechanism 3 Further, it is possible to prevent a decrease in cooling capacity due to an increase in the discharge temperature of the expansion mechanism 3 during the cooling operation. As a result, the coefficient of performance of the air conditioner is improved.

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Abstract

　膨張機一体型圧縮機（１００Ａ）は、圧縮機構（２）、膨張機構（３）、シャフト（５）、オイルポンプ（６）および給油量調節機構（３０）を備えている。圧縮機構（２）および膨張機構（３）は、動力伝達がなされるようにシャフト（５）によって連結されている。圧縮機構（２）および膨張機構（３）は、密閉容器（１）内において、上下に配列している。オイルポンプ（６）は、シャフト（５）の下部に設けられている。シャフト（５）の内部には、軸方向に延びるように給油路（２９）が形成されている。給油量調節機構（３０）は、オイルポンプ（６）によって膨張機構（３）に供給されるオイルの量を調節する。

Description

膨張機一体型圧縮機およびそれを用いた冷凍サイクル装置
　本発明は、膨張機一体型圧縮機およびそれを用いた冷凍サイクル装置に関する。
　昨今、資源問題や地球温暖化問題の深刻化を受けて、給湯機や空調機に応用される冷凍サイクル装置の省エネルギー化に関する研究開発が活発に行われている。例えば、従来の冷凍サイクル装置は、膨張弁で冷媒を膨張させる仕組みになっているが、膨張弁に代えて容積式の膨張機を採用することにより、冷媒の膨張エネルギーを回収して圧縮機の補助動力に利用する試みがある。冷媒の膨張エネルギーの回収および利用により、理論的には２０％前後、実機でも１０％前後の省電力化が期待できる。そのような試みを実現する流体機械として、特開２００５－２９９６３２号公報に開示されているような流体機械（膨張機一体型圧縮機）の開発が急ピッチで進められている。
　図１１は、代表的な膨張機一体型圧縮機の縦断面図である。膨張機一体型圧縮機２００は、２段ロータリ型の圧縮機構１２１、電動機１２２、２段ロータリ型の膨張機構１２３およびこれらを収容している密閉容器１２０を備えている。圧縮機構１２１、電動機１２２および膨張機構１２３は、シャフト１２４により連結されている。
　密閉容器１２０の底部は、オイル（冷凍機用潤滑油）を貯留するためのオイル貯まり１２５になっている。オイル貯まり１２５に貯まっているオイルを汲み上げるために、シャフト１２４の下端部にはオイルポンプ１２６が取り付けられている。オイルポンプ１２６によって汲み上げられたオイルは、シャフト１２４内に形成された給油路１２７を経由して、圧縮機構１２１および膨張機構１２３に供給される。これにより、圧縮機構１２１および膨張機構１２３の各摺動部分における潤滑性とシール性を確保することができる。
　また、膨張機構１２３の上部には、オイル戻し管１２８が配置されている。オイル戻し管１２８は、一端がシャフト１２４内に形成された給油路１２７に連通し、他端が膨張機構１２３の下方に向かって開口している。通常、膨張機構１２３の信頼性確保のため、オイルは過剰に供給される。余剰のオイルは、オイル戻し管１２８を経由してオイル貯まり１２５に戻る。
　圧縮機構１２１と膨張機構１２３を共通の密閉容器１２０内に配置することにより、圧縮機構１２１および膨張機構１２３の両者をオイル貯まり１２５に貯められたオイルで潤滑できる利点がある。
　図１１に示す膨張機一体型圧縮機２００によれば、オイル貯まり１２５から汲み上げられたオイルは、高温の圧縮機構１２１を通過するため、圧縮機構１２１によって加熱される。圧縮機構１２１によって加熱されたオイルは、電動機１２２によってさらに加熱され、膨張機構１２３に到達する。膨張機構１２３に到達したオイルは、低温の膨張機構１２３において冷却されたのち、オイル戻し管１２８を経由して、膨張機構１２３の下方に排出される。膨張機構１２３やオイル戻し管１２８から排出されたオイルは、電動機１２２の側面を通過する際に再び加熱され、さらに圧縮機構１２１の側面を通過する際にも加熱されて密閉容器１２０のオイル貯まり１２５に戻る。
　以上のように、オイルが圧縮機構１２１と膨張機構１２３との間を循環することによって、圧縮機構１２１から膨張機構１２３への熱移動が起こる。このような熱の移動により、圧縮機構１２１から吐出された冷媒の温度が低下し、膨張機構１２３から吐出された冷媒の温度が上昇する。このことは、空調機で考えると、暖房時の室内加熱能力の低下または冷房時の室内冷却能力の低下を意味する。
　サイクル効率を向上させるためには、上述の熱移動を極力少なくすることが重要である。特に、システムを高出力で運転する場合には、膨張機一体型圧縮機の回転数も高くなるので、オイルポンプ１２６による送油量、ひいてはオイルによって移動する熱量も大きくなる。
　本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、圧縮機構から膨張機構への熱移動を抑制することを目的とする。
　すなわち、本発明は、
　作動流体を圧縮するための圧縮機構と、
　作動流体から動力を回収するための膨張機構と、
　前記膨張機構で回収された動力が前記圧縮機構に伝達されるように前記圧縮機構と前記膨張機構とを連結しているシャフトと、
　前記圧縮機構および前記膨張機構が上下に配列するように前記圧縮機構、前記膨張機構および前記シャフトを収容しており、底部がオイル貯まりとして利用され、圧縮後の作動流体で内部空間が満たされる密閉容器と、
　前記シャフトの下部に設けられたオイルポンプと、
　前記オイルポンプによって前記オイル貯まりのオイルを前記密閉容器内の上側に位置している前記圧縮機構または前記膨張機構に供給するために、軸方向に延びるように前記シャフトの内部に形成された給油路と、
　前記密閉容器内の上側に位置している前記圧縮機構または前記膨張機構よりも下方に設けられ、前記給油路を通じて前記密閉容器内の上側に位置している前記圧縮機構または前記膨張機構に供給されるオイルの量を調節するための給油量調節機構と、
　を備えた、膨張機一体型圧縮機を提供する。
　他の側面において、本発明は、
　上記本発明の膨張機一体型圧縮機と、
　前記膨張機一体型圧縮機の前記圧縮機構で圧縮された冷媒を放熱させるための放熱器と、
　前記膨張機一体型圧縮機の前記膨張機構で膨張した冷媒を蒸発させるための蒸発器と、
　を備えた、冷凍サイクル装置を提供する。
　さらに他の側面において、本発明は、
　作動流体を圧縮するための圧縮機構と、
　作動流体から動力を回収するための膨張機構と、
　前記膨張機構で回収された動力が前記圧縮機構に伝達されるように前記圧縮機構と前記膨張機構とを連結しているシャフトと、
　前記圧縮機構、前記膨張機構および前記シャフトを収容しており、底部がオイル貯まりとして利用され、圧縮後の作動流体で内部空間が満たされる密閉容器と、
　前記シャフトの端部に設けられたオイルポンプと、
　前記オイルポンプによって前記オイル貯まりのオイルを前記シャフトの軸方向に関して前記オイルポンプから見て遠い側に位置している前記圧縮機構または前記膨張機構に供給するために、軸方向に延びるように前記シャフトの内部に形成された給油路と、
　前記圧縮機構または前記膨張機構に前記給油路を通じて供給されるオイルの量を調節するための給油量調節機構と、
　を備えた、膨張機一体型圧縮機を提供する。
　上記本発明の膨張機一体型圧縮機によれば、給油量調節機構が設けられているので、シャフトの回転数によらず、適正な量のオイルが圧縮機構または膨張機構に供給されうる。この結果、オイルの循環に基づく圧縮機構から膨張機構への熱移動を抑制できる。
本発明の第１実施形態にかかる膨張機一体型圧縮機の縦断面図 膨張機構のIIA-IIA横断面図 膨張機構のIIB-IIB横断面図 図１の部分拡大図 給油量調節機構の変形例を示す図 本発明の第２実施形態にかかる膨張機一体型圧縮機の縦断面図 図５の部分拡大図 本発明の第３実施形態にかかる膨張機一体型圧縮機の縦断面図 図７の部分拡大図 本発明の第４実施形態にかかる膨張機一体型圧縮機の縦断面図 膨張機一体型圧縮機を用いた冷凍サイクル装置の構成図 従来の膨張機一体型圧縮機の縦断面図
（第１実施形態）
　図１は、本発明の第１実施形態にかかる膨張機一体型圧縮機の縦断面図である。膨張機一体型圧縮機１００Ａは、密閉容器１、圧縮機構２、膨張機構３、電動機４、シャフト５、オイルポンプ６および給油量調節機構３０を備えている。圧縮機構２は、密閉容器１内の下側に配置されている。膨張機構３は、密閉容器１内の上側に配置されている。圧縮機構２と膨張機構３との間に電動機４が配置されている。圧縮機構２、電動機４および膨張機構３は、動力伝達がなされるようにシャフト５によって連結されている。オイルポンプ６はシャフト５の下部に設けられている。給油量調節機構３０は、膨張機構３に供給されるオイルの量を調節するためのものである。本実施形態では、給油量調節機構３０として、調節弁（典型的にはニードル弁）が採用されている。
　電動機４がシャフト５を駆動することによって、圧縮機構２が作動する。膨張機構３は、膨張する作動流体から動力を回収してシャフト５に与え、電動機４によるシャフト５の駆動をアシストする。作動流体は、例えば、二酸化炭素やハイドロフルオロカーボンなどの冷媒である。
　本実施形態では、シャフト５の軸方向が垂直方向に一致するように、圧縮機構２、電動機４および膨張機構３の配置が定められている。ただし、圧縮機構２と膨張機構３との位置関係は、本実施形態と逆であってもよい。すなわち、圧縮機構２が密閉容器１内の上側に配置され、膨張機構３が密閉容器１内の下側に配置されていてもよい。
　密閉容器１は、各構成要素を収容するための内部空間２４を有する。密閉容器１の内部空間２４は、圧縮機構２で圧縮された冷媒で満たされる。密閉容器１の底部はオイル貯まり２５として利用されている。オイルは、圧縮機構２および膨張機構３の摺動部分における潤滑性とシール性を確保するために使用される。オイル貯まり２５のオイル量は、電動機４よりも下に油面が位置するように規定されている。これにより、電動機４の回転子がオイルを撹拌することに基づく電動機効率の低下や冷媒回路へのオイル吐出量の増大を防止できる。膨張機一体型圧縮機１００Ａの動作時において、圧縮機構２が高温となるので、オイル貯まり２５に貯められたオイルの温度も高くなる。
　圧縮機構２は、シリンダ１７，１８と、ピストン７，８と、軸受部材１０，１１とを有しており、従来の２段ロータリ圧縮機と同じ構造のものである。シリンダ１７に吸入管１３が接続され、シリンダ１８に吸入管１４が接続されている。吸入管１３および吸入管１４を通じて、各シリンダ１７，１８内に形成された圧縮室１９，２０に冷媒が導かれる。圧縮室１９，２０で圧縮された冷媒は、密閉容器１の内部空間２４に吐出される。電動機４と膨張機構３との間に開口部が位置するように、密閉容器１に吐出管１５が接続されている。内部空間２４に吐出された冷媒は、電動機４の周囲を上方に向かって流れ、吐出管１５から密閉容器１の外部の流路に導かれる。この際、重力や遠心力の影響で冷媒とオイルとが分離されうる。
　本実施形態では、圧縮機構２として、ロータリ型流体機構が採用されている。「ロータリ型」には、ベーンがピストンの外周面を摺動するローリングピストン型やベーンがシリンダの内周面を摺動するスライディングベーン型だけでなく、ピストンとベーンとが一体化されているスイングピストン型が含まれる。さらに、圧縮機構２の型式は、ロータリ型に限定されない。圧縮機構２として、スクロール型、往復型、スクリュー型等の他の型式の流体機構を採用してもよい。このことは、後述する膨張機構３についても同様である。
　電動機４は、密閉容器１に固定された固定子２１と、シャフト５に固定された回転子２２とを備えている。密閉容器１の上部に設けられたターミナル（図示省略）を介して電動機４に電力が供給される。
　シャフト５の内部には、膨張機構３の摺動部分に通ずる給油路２９が軸方向に延びるように形成されている。シャフト５の内部に給油路２９を形成することによって、部品点数の増加やレイアウトの問題が新たに生じないので好適である。オイルは、給油路２９を通じて膨張機構３の摺動部分に供給される。
　本実施形態において、給油路２９は、シャフト５の上端面に開口していない。このようにすれば、図１１で説明した従来例のように、オイルが膨張機構３の上部に流れ出ない。これにより、オイルが膨張機構３によって冷却されにくくなる。言い換えれば、圧縮機構２から膨張機構３への熱移動をより効果的に抑制することが可能となる。ただし、給油路２９がシャフト５の上端面に開口していてもよい。
　シャフト５は、単一の部品で作られていてもよいし、複数の部品を組み合わせる（連結する）ことによって作られていてもよい。具体的には、シャフト５が、圧縮機構２側の第１シャフトと、膨張機構３側の第２シャフトとを含んでいてもよい。第１シャフトと第２シャフトとは、嵌め合わせによって直接連結されていてもよいし、他の部品（連結器）を介して連結されていてもよい。シャフト５が複数の部品の組み合わせでできていると、組立、特に圧縮機構２と膨張機構３との調心が容易になる。
　膨張機構３は、第１シリンダ４２と、第１シリンダ４２の内径よりも大きい内径を有する第２シリンダ４４と、第１シリンダ４２と第２シリンダ４４とを仕切っている中板４３とを備えている。第１シリンダ４２および第２シリンダ４４は、互いに同心状に配置されている。図２Ａおよび図２Ｂに示すように、膨張機構３は、さらに、第１ピストン４６、第１ベーン４８、第１ばね５０、第２ピストン４７、第２ベーン４９および第２ばね５１を備えている。
　図２Ａに示すように、第１ピストン４６は、シャフト５の偏心部５ｃに嵌合しており、第１シリンダ４２の中で偏心回転運動する。第１ベーン４８は、第１シリンダ４２に形成されたベーン溝４２ａに往復動自在に保持されている。第１ベーン４８の一端部は、第１ピストン４６に接している。第１ばね５０は、第１ベーン４８の他端部に接しており、第１ベーン４８を第１ピストン４６に向けて付勢する。
　図２Ｂに示すように、第２ピストン４７は、シャフト５の偏心部５ｄに嵌合しており、第２シリンダ４４の中で偏心回転運動する。第２ベーン４９は、第２シリンダ４４に形成されたベーン溝４４ａに往復動自在に保持されている。第２ベーン４９の一端部は、第２ピストン４７に接している。第２ばね５１は、第２ベーン４９の他端部に接しており、第２ベーン４９を第２ピストン４７に向けて付勢する。
　膨張機構３は、さらに、軸受部材４５および軸受部材４１を備えている。軸受部材４１は、密閉容器１に隙間無く嵌め合わされている。シリンダや中板等の部品は、軸受部材４１を介して密閉容器１に固定されている。軸受部材４１および中板４３は第１シリンダ４２を上下から挟持し、中板４３および軸受部材４５は第２シリンダ４４を上下から挟持する。軸受部材４５、中板４３および軸受部材４１による挟持により、第１シリンダ４２および第２シリンダ４４内に作動室５５，５６がそれぞれ形成されている。
　図２Ａに示すように、第１シリンダ４２の内側には、吸入側の作動室５５ａ（第１吸入側空間）および吐出側の作動室５５ｂ（第１吐出側空間）が形成されている。作動室５５ａと作動室５５ｂとは、第１ピストン４６および第１ベーン４８によって区画されている。図２Ｂに示すように、第２シリンダ４４の内側には、吸入側の作動室５６ａ（第２吸入側空間）および吐出側の作動室５６ｂ（第２吐出側空間）が形成されている。作動室５６ａと作動室５６ｂとは、第２ピストン４７および第２ベーン４９により区画されている。第２シリンダ４４における２つの作動室５６ａ，５６ｂの合計容積は、第１シリンダ４２における２つの作動室５５ａ，５５ｂの合計容積よりも大きい。第１シリンダ４２の吐出側の作動室５５ｂと、第２シリンダ４４の吸入側の作動室５６ａとが、中板４３に形成された貫通孔４３ａを介してつながることによって、作動室５５ｂおよび作動室５６ａが一つの作動室（膨張室）として機能する。
　なお、作動室５６ａ，５６ｂの合計容積を作動室５５ａ，５５ｂの合計容積よりも大きくする方法として、第１シリンダ４２の内径と第２シリンダ４４の内径を異ならせる方法だけでなく、シリンダ４２，４４の厚みやピストン４６，４７の外径を適切に設定する方法を採用してもよい。
　また、膨張機構３は、膨張前の冷媒を密閉容器１の外部の流路から直接吸入するための吸入路としての吸入管５２と、膨張後の冷媒を密閉容器１の外部の流路に直接吐出するための吐出路としての吐出管５３とを備えている。具体的に、吸入管５２は、密閉容器１の外部の流路から第１シリンダ４２の作動室５５へと冷媒を導くことができるように、第１シリンダ４２に直接挿入されている。吐出管５３は、第２シリンダ４４の作動室５６から密閉容器１の外部の流路へと冷媒を導くことができるように、第２シリンダ４４に直接挿入されている。吸入管５２が軸受部材４１に挿入され、吐出管５３が軸受部材４５に挿入されていてもよい。
　膨張前の冷媒は、吸入管５２を経て第１シリンダ４２の作動室５５ａに流入する。第１シリンダ４２の作動室５５ａに流入した作動流体は、シャフト５の回転に応じて作動室５５ｂに移り、作動室５５ｂ、貫通孔４３ａおよび作動室５６ａからなる膨張室においてシャフト５を回転させながら膨張して低圧になる。膨張後の冷媒は、作動室５６ｂおよび吐出管５３を経て密閉容器１の外部へと導かれる。
　オイルポンプ６が設けられている位置は、シャフト５の下部である。具体的には、シャフト５の下部における給油路２９にオイルポンプ６が配置されている。給油路２９にオイルポンプ６を配置することによって、給油管を別途設ける必要がなくなる。
　オイルポンプ６は、シャフト５から動力を与えられて動作する。本実施形態では、オイルポンプ６として、速度型ポンプ（タービン型ポンプ）が採用されている。具体的に、オイルポンプ６は、ポンプ羽根６ａおよび羽根留め６ｂを有する。ポンプ羽根６ａは、羽根留め６ｂによってシャフト５に固定されている。ポンプ羽根６ａがシャフト５とともに回転することによって、オイルが上方に圧送される。一般には、オイルポンプ６の回転数がシャフト５の回転数に等しいので、シャフト５の回転数が増大するにつれて、オイルポンプ６の送出容積および送出圧力が増大する。ただし、オイルポンプ６の送出圧力が増大するにつれて給油量調節機構３０の効力が強くなるため、シャフト５の回転数に比例した量のオイルが膨張機構３に供給されるわけではない。
　なお、オイルポンプの種類は速度型ポンプに限定されず、容積型ポンプを用いてもよい。容積型ポンプとしては、ロータリ型のオイルポンプやトロコイドポンプ（日本オイルポンプ社の登録商標）が挙げられる。ただし、本実施形態における給油量調節機構３０との相性は、容積型ポンプよりも速度型ポンプの方がよい。本実施形態では、後述する第２および第３実施形態のようなオイルの逃げ道が無いからである。
　給油量調節機構３０は、給油路２９を通じて膨張機構３に供給されるオイルの量がシャフト５の回転数の増大に追従するのを妨げる構造を含む。先に説明したように、オイルの循環に基づく圧縮機構２から膨張機構３への熱移動を極力小さくすることが、膨張機一体型圧縮機１００Ａを用いた冷凍サイクル装置（図１０参照）の効率向上にとって重要である。シャフト５の回転数が増大すると、オイルポンプ６の送出容積および送出圧力も増大する傾向を示すが、給油量調節機構３０の働きによって、オイルの過剰供給が防止される。場合によっては、シャフト５の回転数によらず、膨張機構３への給油量をほぼ一定に維持しうる。この結果、オイルの循環に基づく圧縮機構２から膨張機構３への熱移動を抑制することが可能となる。
　本実施形態において、給油量調節機構３０は給油路２９内に設けられている。そのため、給油量調節機構３０のための専用のスペースを確保せずに済む。給油量調節機構３０を設けるべき位置は、密閉容器１内の上側に位置している膨張機構３よりも下方であればよい。典型的には、シャフト５の軸方向に関して圧縮機構２の作動室２０と電動機４との間に給油量調節機構３０が設けられている。
　図３は、図１の部分拡大図である。図３に示すように、給油量調節機構３０は、弁座３１、ニードル３２（弁体）、ばね３３およびニードル止め３４を備えている。弁座３１は、膨張機構３に近づくほど内径が縮小するオリフィスの形状を有している。弁座３１に向かい合うように、ニードル３２が配置されている。ニードル３２は円錐状の先端部を有している。弁座３１とニードル３２との間にオイルが流通できる隙間が形成されるように、弁座３１とニードル３２との間にばね３３が配置されている。給油路２９におけるオイルの圧力変動に応じて、ばね３３が伸縮することによって、弁座３１とニードル３２との隙間の広さが調節されうる。ニードル３２を挟んで弁座３１の反対側に、ニードル３２の可動範囲を規定するニードル止め３４が配置されている。なお、弁座３１またはニードル止め３４がシャフト５の一部によって形成されていてもよい。
　給油量調節機構３０によれば、膨張機構３に送られるべきオイルが給油路２９を流れ、ニードル３２の背面に当たる。その後、オイルは、ニードル３２の周囲を通過して弁座３１に向かって流れる。ニードル３２の背面にオイルが当たることによって、ニードル３２が弁座３１に向かってオイルの流量に応じた力で押される。また、ニードル３２は、ばね３３の変位に比例した力で押し返される。すなわち、弁座３１とニードル３２との隙間の広さ（隙間の断面積）はオイルの流量に応じて変化する。シャフト５の回転数の増大に応じてオイルポンプ６の送油能力が高まる一方で、弁座３１とニードル３２との隙間が狭まることによってオイルの流れに対する抵抗が増大する。結果として、オイルの供給量が制限（適正化）される。
　シャフト５が高回転数となった場合でも、給油量調節機構３０の働きによって、膨張機構３に必要以上のオイルが供給されない。言い換えれば、膨張機構３に適正な量のオイルが供給されうる。この結果、オイルの循環に基づく圧縮機構２から膨張機構３への熱移動を抑制できる。また、膨張機構３にオイルが過剰供給されないので、膨張機構３において、作動流体にオイルが多量に混入するのを防ぐことができる。そのため、蒸発器１０２（図１０参照）にオイルが過剰に流入することに基づく熱交換効率の著しい低下を防ぐことができる。なお、図４に示すように、給油路２９に弁座３１を設けるだけでも、給油量を適正化する効果が得られる。つまり、給油路２９にオリフィスを設けるだけでも、オイル流量の増加に伴ってオリフィスでの圧力損失も増大するため、膨張機構３にオイルが過剰供給されることを抑制できる。
　本実施形態では、給油路２９のオイルを膨張機構３にのみ供給しているが、給油路２９のオイルを圧縮機構２に供給してもよい。
（第２実施形態）
　図５は、本発明の第２実施形態にかかる膨張機一体型圧縮機の縦断面図である。図５に示すように、本実施形態の膨張機一体型圧縮機１００Ｂと、第１実施形態の膨張機一体型圧縮機１００Ａとの主な相違点は、給油量調節機構にある。図１に示す実施形態と共通の部材には共通の符号を付し、説明を省略することとする。
　図６は、図５の部分拡大図である。本実施形態では、給油路２９から径方向に分岐してシャフト５の外周面に開口している分岐通路２９ｓがシャフト５に形成されている。そして、給油量調節機構６０が、その分岐通路２９ｓ内に設けられている。このようにすれば、シャフト５の外部から給油量調節機構６０の取り付けが可能なので、第１実施形態よりも組み立てが容易である。また、分岐通路２９ｓがオイルの逃げ道として振る舞うので、オイルポンプが容積型ポンプの場合にも好適である。
　図６に示すように、給油量調節機構６０は、弁座６１、ニードル６２、ばね６３およびニードル止め６４を備えている。弁座６１は、給油路２９に近づくほど内径が縮小するオリフィスの形状を有しており、分岐通路２９ｓにおける給油路２９に面する部分に配置されている。弁座６１に向かい合うように、円錐状のニードル６２が配置されている。ニードル６２は、弁座６１に接近する方向および弁座６１から離れる方向（シャフト５の径方向）に変位可能である。ニードル止め６４は、分岐通路２９ｓにおけるシャフト５の外部に面する部分に配置されている。ニードル止め６４によってニードル６２の可動範囲が規定されている。ばね６３は、ニードル６２とニードル止め６４との間に配置されている。
　軸受部材１０は、シャフト５を支持する軸受部１０ａを有する。軸受部１０ａは、分岐通路２９ｓが形成されている位置でシャフト５の外周面を覆っている。軸受部１０ａの内周面には、環状のチャンバー６７が形成されている。分岐通路２９ｓはチャンバー６７に向かって開口している。軸受部１０ａには、さらに、当該軸受部１０ａを径方向に貫通するように、チャンバー６７と密閉容器１の内部空間２４とを結ぶオイル排出路６６が形成されている。分岐通路２９ｓ、チャンバー６７およびオイル排出路６６によって、給油路２９から密閉容器１の内部空間２４へとオイルが流通しうる。
　給油路２９の内圧が所定圧力よりも小さい場合、給油量調節機構６０は閉状態となる。閉状態とは、弁座６１にニードル６２が嵌ることによって分岐通路２９ｓが塞がれた状態のことである。閉状態では、分岐通路２９ｓをオイルが流通できない。一方、シャフト５の回転数が増大することによって給油路２９の内圧が所定圧力よりも高くなると、給油量調節機構６０は開状態となる。開状態とは、ニードル６２が弁座６１から離れることによって弁座６１とニードル６２との間に隙間が生じた状態のことである。開状態になれば、分岐通路２９ｓをオイルが流通できる。
　給油路２９の内圧が所定圧力よりも高くなると、ニードル６２を押しのけながら弁座６１を通じて分岐通路２９ｓにオイルが入ってくる。オイルがニードル６２を押しのける力は、給油路２９の内圧に比例する。給油路２９内のオイル等（詳細にはオイルの圧力および遠心力）によってニードル６２に加わる外向きの荷重が、給油量調節機構６０が閉状態のときにばね６３がニードル６２を押す力を上回ることを条件として、給油量調節機構６０が閉状態から開状態へと切り替わる。
　すなわち、シャフト５の回転数が増大し、給油路２９に必要以上のオイルが送り込まれた場合、給油路２９の内圧が上昇することによって給油量調節機構６０が開状態になる。給油量調節機構６０が開状態になると、給油路２９を流通するオイルの一部が分岐通路２９ｓを通じてシャフト５の外部に導かれる。シャフト５の外部に出たオイルは、軸受部材１０の軸受部１０ａに形成されたチャンバー６７およびオイル排出路６６を通じて、密閉容器１の内部空間２４に放出される。この結果、膨張機構３への給油量が適正化される。このように、本実施形態では、給油量調節機構６０がリリーフ弁で構成されている。
　また、本実施形態では、分岐通路２９ｓを通じてシャフト５の外部にオイルを逃がすようになっている。そのため、給油量調節機構６０が開状態となった場合、給油路２９におけるオイルの流量は、給油量調節機構６０が設けられている位置の前後で差が生ずる。具体的には、給油量調節機構６０とオイルポンプ６との間で流量が多くなり、膨張機構３と給油量調節機構６０との間で流量が少なくなる。オイルの流量の多い部分が膨張機構３から離れている方が、オイルの循環に基づく圧縮機構２から膨張機構３への熱移動を抑制する観点から好ましい。したがって、電動機４と圧縮機構２との間において、シャフト５に分岐通路２９ｓが形成されているのが望ましい。
（第３実施形態）
　図７は、本発明の第３実施形態にかかる膨張機一体型圧縮機の縦断面図である。図７に示すように、本実施形態の膨張機一体型圧縮機１００Ｃと、第１実施形態の膨張機一体型圧縮機１００Ａ（図１）との主な相違点は、給油量調節機構にある。
　図８は、図７の部分拡大図である。本実施形態では、給油路２９から径方向に分岐してシャフト５の外周面に開口している分岐通路２９ｔがシャフト５に形成されている。そして、余分なオイルが分岐通路２９ｔを通じて密閉容器１の内部空間２４に導かれるように、給油量調節機構７０がシャフト５の外部に設けられている。給油量調節機構７０がシャフト５の外部にあるので、先の２つの実施形態よりも給油量調節機構７０のために広いスペースを確保できる。
　オイルの逃げ道として、シャフト５に分岐通路２９ｔが形成されている点に関して、本実施形態は第２実施形態と共通である。他方、給油量調節機構７０がシャフト５とともに回転しない点で、本実施形態は第２実施形態と相違する。分岐通路２９ｔがオイルの逃げ道として振る舞うので、オイルポンプが容積型ポンプの場合にも好適である。
　図８に示すように、本実施形態において、給油量調節機構７０は、軸受部材１０の内部に設けられている。軸受部材１０は、シャフト５を支持する軸受部１０ａを有する。軸受部１０ａは、分岐通路２９ｔが形成されている位置でシャフト５の外周面を覆っている。軸受部１０ａの内周面には、環状のチャンバー７７が形成されている。分岐通路２９ｔはチャンバー７７に向かって開口している。軸受部１０ａには、さらに、チャンバー７７と密閉容器１の内部空間２４とを結ぶ通路としてのオイル排出路７６が形成されている。そして、このオイル排出路７６に給油量調節機構７０が設けられている。
　給油量調節機構７０は、弁座７１、弁体７２、ばね７３および弁体止め７４を備えている。オイル排出路７６は、オイルの流通方向に沿う方向の断面がＴ字形の部分を含み、そのＴ字形の部分に弁座７１が配置されている。弁座７１に向かい合うように、球の形状を有する弁体７２が配置されている。弁体止め７４は、弁体７２を挟んで弁座７１の反対側に配置されている。弁体止め７４によって弁体７２の可動範囲が規定されている。ばね７３は、弁体７２と弁体止め７４との間に配置されている。なお、給油量調節機構７０の構造は、第２実施形態と同じであってもよい。
　給油路２９の内圧が所定圧力よりも小さい場合、給油量調節機構７０は閉状態となる。閉状態とは、弁座７１に弁体７２が嵌ることによってオイル排出路７６が塞がれた状態のことである。閉状態では、オイル排出路７６をオイルが流通できない。一方、シャフト５の回転数が増大することによって給油路２９の内圧が所定圧力よりも高くなると、給油量調節機構７０は開状態となる。開状態とは、弁体７２が弁座７１から離れることによって弁座７１と弁体７２との間に隙間が生じた状態のことである。開状態になれば、オイル排出路７６をオイルが流通できる。
　給油路２９の内圧が所定圧力よりも高くなると、弁体７２がオイルによって押しのけられ、オイル排出路７６が開通する。オイルが弁体７２を押しのける力は、給油路２９の内圧に比例する。給油路２９内のオイルによって弁体７２に加わる荷重が、給油量調節機構７０が閉状態のときにばね７３が弁体７２を押す力を上回ることを条件として、給油量調節機構７０が閉状態から開状態へと切り替わる。
　すなわち、シャフト５の回転数が増大し、給油路２９に必要以上のオイルが送り込まれた場合、給油路２９の内圧が上昇することによって給油量調節機構７０が開状態になる。給油量調節機構７０が開状態になると、給油路２９を流通するオイルの一部が分岐通路２９ｔを通じてシャフト５の外部に導かれる。シャフト５の外部に出たオイルは、軸受部材１０の軸受部１０ａに形成されたチャンバー７７およびオイル排出路７６を通じて、密閉容器１の内部空間２４に放出される。この結果、膨張機構３への給油量が適正化される。このように、本実施形態においても、給油量調節機構７０がリリーフ弁で構成されている。
　なお、給油量調節機構７０は、オイル排出路７６の出口に配置されていてもよいし、チャンバー７７に配置されていてもよい。
　また、本実施形態においても、分岐通路２９ｔを通じてシャフト５の外部にオイルを逃がすようになっている。そのため、電動機４と密閉容器１内の下側に位置している圧縮機構２との間において、シャフト５に分岐通路２９ｔが形成されているのが望ましい。
（第４実施形態）
　図９に示すように、本実施形態の膨張機一体型圧縮機１００Ｄは、シャフト５の軸方向が水平方向に平行である。密閉容器１の長手方向に沿ってオイル貯まり２５が形成されている。膨張機構３と電動機４との間には隔壁２７が設けられている。隔壁２７は、内部空間２４を膨張機構３側の空間と圧縮機構２側の空間とに仕切っている。圧縮機構２側の空間には電動機４も配置されている。この隔壁２７にも圧縮機構２および電動機４から膨張機構３への熱移動を抑制する機能がある。隔壁２７は、オイルの流通を許容する通路２７ｈを有する。
　シャフト５の端部には、容積型のオイルポンプ２６が設けられている。シャフト５の軸方向に沿って、オイルポンプ２６、膨張機構３、電動機４および圧縮機構２がこの順番で並んでいる。給油量調節機構６０は、図６を参照して第３実施形態で説明したものと同一である。オイル貯まり２５のオイルを吸入できるように、オイルポンプ２６のノズル２６ｋがオイル貯まり２５に向かって延びている。オイルポンプ２６に吸入されたオイルは、シャフト５の軸方向に関してオイルポンプ２６から見て遠い側に位置している圧縮機構２に給油路２９を通じて供給される。本実施形態では、オイルポンプ２６からのオイルがオイルポンプ２６から見て近い側に位置している膨張機構３にも供給される。給油量調節機構６０を通じて給油路２９から排出されたオイルは、膨張機構３側の空間に戻る。
　先に説明した実施形態と同様に、給油量調節機構６０によってオイルの過剰供給が防止される。これにより、圧縮機構２から膨張機構３への熱移動が抑制される。なお、図９に示す例では、膨張機構３側にオイルポンプ２６が設けられているが、圧縮機構２側にオイルポンプ２６が設けられていてもよい。また、給油量調節機構６０に代えて、給油量調節機構３０（第１実施形態）や給油量調節機構７０（第３実施形態）を設けてもよい。
　本発明の膨張機一体型圧縮機は、例えば、空気調和装置、給湯装置、乾燥機または冷凍冷蔵庫のための冷凍サイクル装置（ヒートポンプ）に好適に採用できる。図１０に示すように、冷凍サイクル装置１１０は、膨張機一体型圧縮機１００Ａ（，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄ）と、圧縮機構２で圧縮された冷媒を放熱させるための放熱器１０１と、膨張機構３で膨張した冷媒を蒸発させるための蒸発器１１４とを備えている。圧縮機構２、放熱器１０１、膨張機構３および蒸発器１０２が配管によって接続され、冷媒回路が形成されている。
　例えば、冷凍サイクル装置１１０が空気調和装置に適用される場合、圧縮機構２から膨張機構３への熱移動を抑制することにより、暖房運転時における圧縮機構２の吐出温度の低下による暖房能力の低下、冷房運転時における膨張機構３の吐出温度の上昇による冷房能力の低下を防ぐことができる。結果として、空気調和装置の成績係数が向上する。


                                                                              

Claims (13)

  1. 　作動流体を圧縮するための圧縮機構と、
    　作動流体から動力を回収するための膨張機構と、
    　前記膨張機構で回収された動力が前記圧縮機構に伝達されるように前記圧縮機構と前記膨張機構とを連結しているシャフトと、
    　前記圧縮機構および前記膨張機構が上下に配列するように前記圧縮機構、前記膨張機構および前記シャフトを収容しており、底部がオイル貯まりとして利用され、圧縮後の作動流体で内部空間が満たされる密閉容器と、
    　前記シャフトの下部に設けられたオイルポンプと、
    　前記オイルポンプによって前記オイル貯まりのオイルを前記密閉容器内の上側に位置している前記圧縮機構または前記膨張機構に供給するために、軸方向に延びるように前記シャフトの内部に形成された給油路と、
    　前記密閉容器内の上側に位置している前記圧縮機構または前記膨張機構よりも下方に設けられ、前記給油路を通じて前記密閉容器内の上側に位置している前記圧縮機構または前記膨張機構に供給されるオイルの量を調節するための給油量調節機構と、
    　を備えた、膨張機一体型圧縮機。
  2. 　前記給油路から径方向に分岐して前記シャフトの外周面に開口している分岐通路が前記シャフトに形成され、
    　前記給油量調節機構が、前記分岐通路内に設けられている、請求項１に記載の膨張機一体型圧縮機。
  3. 　前記圧縮機構と前記膨張機構との間に配置され、前記シャフトを駆動するための電動機をさらに備え、
    　前記電動機と、前記密閉容器内の下側に位置している前記圧縮機構または前記膨張機構との間において、前記シャフトに前記分岐通路が形成されている、請求項２に記載の膨張機一体型圧縮機。
  4. 　前記給油量調節機構は、前記給油路を通じて前記圧縮機構または前記膨張機構に供給されるオイルの量が前記シャフトの回転数の増大に追従するのを妨げる構造を含む、請求項１に記載の膨張機一体型圧縮機。
  5. 　前記給油量調節機構が、オリフィス、ニードル弁またはリリーフ弁を含む、請求項１に記載の膨張機一体型圧縮機。
  6. 　前記給油量調節機構が、前記給油路内に設けられている、請求項１に記載の膨張機一体型圧縮機。
  7. 　前記給油路から径方向に分岐して前記シャフトの外周面に開口している分岐通路が前記シャフトに形成され、
    　オイルが前記分岐通路を通じて前記密閉容器の内部空間に導かれるように、前記給油量調節機構が前記シャフトの外部に設けられている、請求項１に記載の膨張機一体型圧縮機。
  8. 　前記給油量調節機構は、弁座と、前記弁座に向かい合う位置に配置された弁体と、前記給油路におけるオイルの圧力変動に応じて伸縮することによって前記弁座と前記弁体との隙間の広さを調節するためのバネとを含む、請求項１に記載の膨張機一体型圧縮機。
  9. 　前記弁体の形状が球状である、請求項８に記載の膨張機一体型圧縮機。
  10. 　前記分岐通路が形成されている位置で前記シャフトに面するように設けられたチャンバーをさらに備え、
    　前記給油量調節機構が前記チャンバー内またはそのチャンバーと前記密閉容器の内部空間と結ぶ経路上に配置されている、請求項７に記載の膨張機一体型圧縮機。
  11. 　前記オイルポンプが速度型ポンプである、請求項１に記載の膨張機一体型圧縮機。
  12. 　請求項１に記載の膨張機一体型圧縮機と、
    　前記膨張機一体型圧縮機の前記圧縮機構で圧縮された冷媒を放熱させるための放熱器と、
    　前記膨張機一体型圧縮機の前記膨張機構で膨張した冷媒を蒸発させるための蒸発器と、
    　を備えた、冷凍サイクル装置。
  13. 　作動流体を圧縮するための圧縮機構と、
    　作動流体から動力を回収するための膨張機構と、
    　前記膨張機構で回収された動力が前記圧縮機構に伝達されるように前記圧縮機構と前記膨張機構とを連結しているシャフトと、
    　前記圧縮機構、前記膨張機構および前記シャフトを収容しており、底部がオイル貯まりとして利用され、圧縮後の作動流体で内部空間が満たされる密閉容器と、
    　前記シャフトの端部に設けられたオイルポンプと、
    　前記オイルポンプによって前記オイル貯まりのオイルを前記シャフトの軸方向に関して前記オイルポンプから見て遠い側に位置している前記圧縮機構または前記膨張機構に供給するために、軸方向に延びるように前記シャフトの内部に形成された給油路と、
    　前記圧縮機構または前記膨張機構に前記給油路を通じて供給されるオイルの量を調節するための給油量調節機構と、
    　を備えた、膨張機一体型圧縮機。
                                                                                  
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