[发明专利]二级回转式膨胀机、膨胀机一体型压缩机及制冷循环装置

说明书

技术领域

本发明涉及二级回转式膨胀机、膨胀机一体型压缩机及制冷循环装置。

背景技术

目前提出有通过膨胀机来回收工作流体的膨胀能量，并将该回收的能量作为压缩机的工作的一部分来利用的制冷循环装置。作为这样的制冷循环装置，已知有使用了膨胀机一体型压缩机的制冷循环装置(参照专利文献1)。

图28中示出使用了膨胀机一体型压缩机的现有的制冷循环装置。该制冷循环装置具有压缩机201(压缩机构)、散热器202、膨胀机203(膨胀机构)及蒸发器204。上述的设备通过配管相互连接从而构成主回路208。压缩机201与膨胀机203通过轴207连结。在压缩机201与膨胀机203之间设置有驱动轴207旋转的电动机206。由压缩机201、膨胀机203、轴207及电动机206构成膨胀机一体型压缩机。

该制冷循环装置还具备以与膨胀机203并列的方式连接于主回路208的副回路209。副回路209在散热器202的出口与膨胀机203的入口之间从主回路208分支，在膨胀机203的出口与蒸发器204的入口之间与主回路208合流。在主回路208中流动的工作流体通过容积式的膨胀机203膨胀。在副回路209中流动的工作流体通过膨胀阀205膨胀。

工作流体被压缩机201压缩。压缩后的工作流体输送到散热器202，在散热器202中被冷却。并且，在膨胀机203或膨胀阀205中膨胀后，由蒸发器204加热。膨胀机203将工作流体的膨胀能量回收而转换成轴207的旋转能量。该旋转能量作为驱动压缩机201的工作的一部分来利用。其结果是电动机206的消耗电力降低。

说明膨胀阀205全闭时的制冷循环装置的动作。

首先，使压缩机201的吸入容积为Vcs，膨胀机203的吸入容积为Ves，轴207的转速为N。此时，在压缩机201的入口的工作流体的体积流量由(Vcs×N)表示。在膨胀机203的入口的工作流体的体积流量由(Ves×N)表示。由于副回路209的工作流体的质量流量为零，因此压缩机201中的质量流量与膨胀机203中的质量流量相等。若该质量流量为G，则在压缩机201的入口的工作流体的密度由{G/(Vcs×N)}表示。在膨胀机203的入口的工作流体的密度由{G/(Ves×N)}表示。根据上述的式子，在压缩机201的入口的工作流体的密度与膨胀机203的入口的工作流体的密度的比由{G/(Vcs×N)}/{G/(Ves×N)}表示。即，无论轴207的转速如何，密度比恒定为(Ves/Vcs)(密度比一定的制约)。

图29中表示CO₂制冷循环的莫里尔图。压缩机201中的压缩过程相当于AB，散热器202中的散热过程相当于BC，膨胀机203中的膨胀过程相当于CD，蒸发机204中的蒸发过程相当于DA。压缩机201的入口(点A)处的工作流体的密度与膨胀机203的入口(点C)处的工作流体的密度的比为(Ves/Vcs)。若点A处的密度为ρ₀，则点C处的密度ρ_c为(Vcs/Ves)ρ₀。在压缩机201的入口(点A)处的工作流体的密度ρ₀一定时，膨胀机203的入口(点C)处的工作流体的状态沿着始终满足ρ_c＝(Vcs/Ves)ρ₀的关系的线变化。即，无法自由控制点C处的工作流体的温度及压力。在制冷循环中，存在在某一热源温度(例如外气温)下制冷系数(coefficient of performance：COP)为最大的最适高压。因此，若无法自由控制温度和压力，则难以高效地运转制冷循环装置。

提出有多个用于避免密度比一定的制约的方法。例如，在图28所示的制冷循环装置中，通过打开膨胀阀205，并使工作流体的一部分在副回路209中流动，能够避免密度比一定的制约。但是，在该方法中，无法回收在副回路209中流动的工作流体的膨胀能量，存在COP的改善效果变小的问题。

另外，在专利文献2中，公开了设置有能够与膨胀室连通的辅助室的膨胀机。根据该膨胀机，通过增减辅助室的容积，能够增减膨胀室的容积。通过增减膨胀室的容积，膨胀机的吸入容积Ves变化。由此，能够避免密度比一定的制约。但是，在该膨胀机中，存在在辅助室中残留工作流体的问题、用于增减辅助室的容积的活塞的密封的问题。

专利文献1：日本特开2001-116371号公报

专利文献2：日本特开2006-46257号公报

发明内容