JP4208239B2 - Positive displacement machine - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、容積形機械、および、該容積形機械を用いた冷凍空調機器などの効率と信頼性向上技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来のレシプロ式容積形機械における吸入行程は、特開平9−72275号公報(特許文献1)の図7に記載の圧縮機のように作動室の容積が最大となった後に吸入弁が差圧により閉じることにより終了する構成であるか、特許文献1の図4に記載の4サイクルエンジンのように比較的複雑なカム機構により駆動される動弁機構の吸入弁が閉じることにより終了する構成であった。
【0003】
また、従来のレシプロ式容積形機械では、特許文献1の図4に記載の4サイクルエンジンのような機構であるため、ピストンとクランク軸を連接させる連接棒から作用する力により、ピストン外周とその往復動を案内するシリンダ内周との間に摺動荷重が作用する構造であった。
【0004】
【特許文献1】
特開平9−72275号公報(図4、図7)
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
レシプロ式容積形機械を例えば膨張機として機能させるためには、高圧のガスを作動室の容積増大期間の途中まで吸入し、その後密閉された作動室のなかで最大容積まで膨張させて動力を取出すことが必要であるが、特許文献1の吸入弁では、作動室の容積増大期間の途中で作動室を吸入経路から遮断することができないか複雑な動弁機構を必要とするという問題があった。
【0006】
本発明の第1の目的は、弁機構が安価に構成できるレシプロ式容積形機械、とりわけ、容積形膨張機を構成することである。
【0007】
また、レシプロ式容積形機械におけるピストンとシリンダ間の摺動荷重は、摩擦損失と摺動部の損傷の原因となり、効率と信頼性の低下要因となっている。
【0008】
本発明の第2の目的は、上記の摩擦損失と摺動部損傷を回避し高効率で高信頼性のレシプロ式容積形機械を構成することである。
【0009】
更に、容積形機械を用いて膨張機を構成して冷凍サイクルにおける従来の絞り機構(膨張弁 等)の代りとした場合、上記の膨張機の作動室内部には膨張前あるいは膨張後の段階で液冷媒が存在するため作動室内部の摺動面に供給された潤滑油が洗浄され、良好な潤滑状態が期待できない懸念がある。その際、上記従来技術のレシプロ式容積形機械を用いた膨張機では作動室の周囲のピストン外周とそのシリンダ内周との間に押付力が作用するため、信頼性の確保が困難となる。
【0010】
本発明の第3の目的は、高圧の作動流体から動力を回収して高いシステム効率を実現するための膨張機を組込み込んだ冷凍空調システムの信頼性を確保することである。
【0011】
【課題を解決するための手段】
第1の目的を達成するために、往復動部材が往復運動に伴って該往復運動方向の軸線回りの揺動運動を行うレシプロ式容積形機械において、バルブ機構のための可動部品を用いずに、往復動部材の前記運動を利用して作動空間をその容積の増減に応じて吸入室空間あるいは吐出室空間と交互に連通させるための連通経路を構成したものである。
また、第2の目的を達成するためには、ピストン頭部に作用する荷重によるピストン外周とシリンダ内周との間の押付力の発生を回避すると同時に、作動空間と吸入室空間あるいは吐出室空間とを連通させるための連通経路をそれぞれシリンダ内周の対向した位置に対となるように設けることにより吸入・吐出の連通経路の圧力がピストン側面に作用することによるシリンダ内周との間の押付力の発生を回避したものである。
さらに、第3の目的を達成するためには、往復運動部材の両端のピストン部に形成した2つの作動室の一方を圧縮機部分、他方を上記構成の膨張機部分として構成し、圧縮機部分で動力を供給して高圧にした作動流体の少なくとも一部を膨張機部分に導いて動力を回収しながら減圧する容積形機械を構成し、これを用いて冷凍空調機器などのシステム事例においては冷凍サイクルの圧縮行程と膨張行程とを行なわせるようにしたものである。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図1ないし図10により説明する。図1は本発明の第1の実施例である冷媒を作動流体とした膨張・圧縮機の全体の側断面図である。図2、図3はそれぞれ図1におけるB−B断面図、C−C断面図である。図4は図1におけるA−A断面図であり、図5、図6はそれぞれ図4におけるD−D断面図、E−E断面図である。図7は本発明の第1の実施例である膨張・圧縮機を冷凍・空調機器に適用した場合の冷凍サイクル構成図である。図8は本発明の第2の実施例であるポンプの軸直角方向の断面図であり、図9、図10はそれぞれ図8におけるF−F断面図、G−G断面図である
図1ないし図6に本発明の第1の実施例である冷媒を作動流体とした膨張・圧縮機を示す。往復動部材1はその2つのピストン頭部1a、1bをそれぞれシリンダブロック2の2つの内周円筒面2a、2bにより案内されて往復運動と該往復運動方向軸線の回りの回転を行なえる様に支持されている。往復動部材1のピストン頭部1a、1bはその往復運動方向と直角方向で互いに反対側に突出した2つの円筒状のアーム部1cに挿入されてピン1dにより固定されている。前記2つのアーム部1cはそれぞれ球面ブッシュ3の内周円筒面に回転自在に挿入されている。2つの球面ブッシュ3の外周球面部は、それぞれ駆動軸4の駆動アーム部4aにより駆動軸4の回転軸から半径方向に偏位した位置で球面対偶により支持されている。
【0013】
その結果、往復動部材の2つのアーム部1cと2つの駆動軸4とは相対的な回転と互いの相対的な傾斜方向変化が可能の状態で、駆動軸4の回転軸から偏位した位置で連結されている。駆動軸4の駆動アーム部4aの径方向反対側には釣合い質量4bが形成されている。また2つの駆動軸4はそれぞれ軸受フレーム5の軸受部5aにより回転支持されている。2つの軸受フレーム5はそれらの軸受部5aの中心軸が互いに同軸上に配置される様にそれぞれシリンダブロック2にボルトにより固定されている。シリンダブロック2に形成された2つの内周円筒面2a、2bの中心軸同士はやはり互いに同軸であり、更に、そのシリンダブロック2に固定された軸受フレーム5の軸受部中心軸とは、互いに直角になっている。
【0014】
シリンダブロック2に形成された一方の内周円筒面2aの開口端はボルトで固定されたシリンダヘッド6により閉塞されており、往復動部材のピストン頭部1aとシリンダブロックの内周円筒面2aとシリンダヘッド6とにより囲まれた作動室7が形成されている。往復動部材のピストン頭部1aには作動室7への連絡通路1e、1f、1gが形成されている。連絡通路1e、1fはそれぞれピストンを貫通してピストン側面の円筒面にそれぞれ2つの開口部を有し、互いには90度方向が異なりピストン中心部で交差している。図1に図示されている連絡通路1eが吐出通路であり、図4に図示されている連絡通路1fが吸入通路である。連絡通路1gは前記1e、1fの交差部と作動室7とを連通させている。シリンダブロック2にはそれぞれ内周円筒面2aに開口する膨張機部吐出ポート2cおよび膨張機部吸入ポート2dが2つずつ形成されている。図1に図示されている2つの膨張機部吐出ポート2cは右側の一方が破線で示され左側のもう一方が一点鎖線で示されており、それぞれ断面(紙面)に対して前方および手前で内周円筒面2aに開口しているが、互いにはほぼ180度対向した位置に開口している。膨張機部吐出ポート2cの内周円筒面2aと反対側の2つの開口部をシリンダブロック2にボルト等(図示せず)により固定された2つのカバー8が閉塞しており、カバー8には膨張機部吐出配管9が連結されている。
【0015】
図4に図示されている2つの膨張機部吸入ポート2dは右側の一方が一点鎖線で示され左側のもう一方が破線で示されており、それぞれ断面(紙面)に対して手前および前方で内周円筒面2aに開口しているが、互いにはほぼ180度対向した位置に開口している。膨張機部吸入ポート2dの内周円筒面2aと反対側の2つの開口部をシリンダブロック2にボルト等(図示せず)により固定された2つのカバー10が閉塞しており、カバー10には膨張機部吸入配管11が連結されている。
【0016】
一方上部には、往復動部材1のピストン頭部1bとシリンダブロック2の内周円筒面2bとシリンダヘッド12とにより囲まれた作動室13が形成されている。このピストン頭部1bには圧縮機部吸入ポート1hが形成され、更に、吸入バルブプレート14がリベット15により装着されている。リベット15は吸入バルブプレート14がピストン頭部1bの上端面から浮き上がれるように拘束しており、吸入行程において吸入ポート1hから作動室13への冷媒ガスの流入を可能にしている。シリンダブロック2には圧縮機部吸入配管16が連結されており、本第1の実施例の膨張・圧縮機内部はピストン頭部1bの背面に至るまで圧縮機の吸入圧力となって、前記の吸入ポート1hと圧縮機部吸入配管16とが連絡されている。シリンダヘッド12には圧縮機部吐出ポート12aが形成されており、吐出バルブプレート17と吐出バルブ押え18がボルト(図示せず)により固定されている。シリンダヘッド12は、吐出空間19を取囲む吐出室カバー20と共にボルトによりシリンダブロック2に固定されている。吐出室カバー20には圧縮機部吐出配管21が連結されている。
【0017】
2つの軸受フレーム5には、それぞれ駆動用モータ22のステータ部22aがボルトで固定され、2つの駆動軸4にはそれぞれ軸受部5aを挟んで駆動アーム部4aの反対側に駆動用モータ22のロータ部22bが固定されている。ロータ部22bには前述の釣合い質量4bと逆方向でより小さな遠心力を発生する釣合い質量23が取付けられている。ステータ部22aとロータ部22bとで構成される2組の駆動用モータ22は同じものであるが、上記の膨張・圧縮機の全体構成中に互いに対向した姿勢で組込まれており、2つの駆動軸4を互いに逆方向に回転駆動する。本第1の実施例では、図1における右側の駆動用モータ22と左側の駆動用モータ22がそれぞれ図の右方向より観て時計方向、反時計方向に回転駆動する構成になっている。なお、2つの軸受フレーム5にはシリンダブロック2への固定ボルトによる共締めでモータカバー24が固定されている。
【0018】
以上の構成において2つの駆動軸4が互いに逆方向に回転駆動すると、駆動軸4の回転軸から半径方向に偏位した位置にある2つの球面ブッシュ3の球中心が図1の上下方向には同位相で往復運動し、図1の紙面垂直方向には互いに逆位相で往復運動するため、球面ブッシュ3により2つの円筒状のアーム部1cを支持された往復動部材1は、特許文献1(図8)にも示す様に図の上下方向に往復運動を行ないながらその往復運動方向軸線の回りの揺動を繰り返す。この時、往復動部材1のピストン頭部1aに形成された連絡通路1e、1fのそれぞれ2つずつのピストン側面開口部は、球面ブッシュ3の中心と駆動軸4の回転軸との偏位量に対して倍のストロークで上下方向に往復運動行なうが、揺動方向にはほぼピストン外径を2つの球面ブッシュ3の中心間距離で割った比率で揺動運動のストロークが縮小される。すなわち、それぞれ図2、図3、図5、図6に示される楕円軌跡25を描く運動を行なう。
【0019】
図2、図3および図4、図5には、それぞれの断面内に膨張機部吐出ポート2cおよび膨張機部吸入ポート2dの位置が記載されており、それらに対向した位置にあるピストン頭部1aの連絡通路1e、1fの前記開口部位置を破線にて示し、その運動の楕円軌跡25を一点鎖線にて示してある。更に、前記の方向に各駆動軸4が回転する時の連絡通路1e、1f開口部の運動方向を矢印にて示す。
【0020】
シリンダブロック2にはそれぞれ内周円筒面2aに開口する膨張機部吐出ポート2cおよび膨張機部吸入ポート2dが2個ずつ形成されているが、膨張機部吸入ポート2dは膨張機部吐出ポート2cに比べて小さい。また、カバー10に連結された膨張機部吸入配管11を介して高圧の作動流体を供給し膨張機部吸入ポート2dを高圧の作動流体空間とし、膨張機部吐出ポート2cを低圧の作動流体空間としてカバー8に連結された膨張機部吐出配管9より減圧された作動流体を排出する構成である。
【0021】
以上の構成により、作動室7はその容積が増大する吸入行程の初期期間のみピストン頭部1aの連絡通路1fを介して膨張機部吸入ポート2dと導通して高圧の作動流体を吸入し、吸入行程の後期期間では吸入・吐出の両ポートと遮断された密閉空間となって容積を増大させ内部の作動流体を膨張させる。膨張機部吐出ポート2cは十分大きく、作動室7はその容積が減少する吐出行程の全期間でピストン頭部1aの連絡通路1eを介して膨張機部吐出ポート2cと導通し、膨張して低圧となった作動流体を吐出する。これらの吸入経路と吐出経路には可動部品や複雑な弁機構がなく安価な構成である。
【0022】
これに対して、上部の作動室13は往復動部材1の往復運動に伴う容積の周期的な変化によって、圧縮機部吸入ポート1hから吸入した冷媒ガスを圧縮した後に圧縮機部吐出ポート12aから吐出する。すなわち、下部の作動室7は膨張機として機能し、上部の作動室13は圧縮機として機能する。
【0023】
上記構造の本第1の実施例では特に以下に説明する特長を有する。本第1の実施例では、吸入経路である膨張機部吸入ポート2dと連絡通路1f、吐出経路である連絡通路1eと膨張機部吐出ポート2cをいずれも2個ずつ有しており、それはそれぞれシリンダブロックの内周円筒面2aの略180度対向した位置に対になって開口している。往復動部材のピストン頭部1a側面の上記各ポート開口部に対応した部分にはそれぞれ吸入圧力や吐出圧力が作用してピストン頭部1aを反対側に押し付けようとするが、反対側のほぼ同じ面積と圧力の開口部からの同じ力で打ち消される。したがって、側面部の圧力によりピストン頭部1aをシリンダの内周円筒面2aに押付ける力は発生しない。
【0024】
また、本実施例1は特許文献1の記載の機構を用いており、ピストン頭部1a、1bの端面の作動室圧力による軸方向の荷重は、その荷重作用線(ピストン中心軸)方向から見た荷重点に対して点対称の位置にある2つの球面ブッシュ3により安定して支持される。したがって、本実施例ではピストン端面部の圧力によってもピストン頭部1a、1bをシリンダの内周円筒面2a,2bに押付ける力は発生しない。つまり、本実施例1によればピストンとシリンダとの間の摺動荷重が極めて小さく摩擦損失の小さいレシプロ式容積形機械を提供できるという効果がある。
【0025】
なお、本実施例1によれば、特許文献1にも記載してある通り、その採用している機構の基本的な特徴として振動の原因となる加振力がほとんど発生しないという効果もある。
【0026】
図7に本発明の第1の実施例である膨張・圧縮機を冷凍・空調機器の冷凍サイクルに組込んだ場合のサイクル構成図を示す。中央の膨張・圧縮機26は図1の第1の実施例である膨張・圧縮機である。図中の太線はサイクル配管27であり太線上の矢印が内部の冷媒の流れ方向を示す。一般的な冷媒および運転条件下では、膨張・圧縮機26の圧縮機部分で加圧されて高温高圧になった冷媒ガスは圧縮機部吐出配管21より吐出され、サイクル配管27を経て凝縮器28に至りそこで放熱して凝縮し高圧の液冷媒となる。高圧の液冷媒の一部は次にサイクル配管27を経ての2つの膨張機部吸入配管11(図7中には図示せず。図4を参照)より膨張・圧縮機26の膨張機部分に流入し、そこで減圧されながら一部がガス化して全体の容積を増大させ低圧の気液2相状態で2つの膨張機部吐出配管9より流出する。冷媒が2酸化炭素であり吐出圧が超臨界に達する場合は、上記の膨張機部分に流入する際の冷媒は液の状態でないが、いずれにしても膨張後は低圧の気液2相状態となって2つの膨張機部吐出配管9より流出する。その後、サイクル配管27を経て蒸発器29に至る。凝縮器28から出た高圧冷媒の他の一部は、上記の膨張機を経由する経路とは並列に設けたサイクル配管経路を経由する構成となっているが、その経路に設けられた他の膨張手段30により減圧されて低圧の気液2相状態でサイクル配管27を経て蒸発器29に至る。なお、膨張手段30は、従来の冷凍サイクルにおける膨張弁やキャピラリーチューブなどと同様に絞りによるものであり、その絞り量を変えることにより冷凍サイクル全体の運転圧力や冷媒流量を制御するものである。
【0027】
このシステム構成では、従来技術において凝縮器から出た高圧液冷媒の全量が膨張手段30のような絞りを通過する際の圧力損失によって低下していた冷凍能力を膨張機で回収した動力分だけ回復させ、同量の消費動力を低減できるが、本発明第一の実施例の膨張・圧縮機26を用いることで、更に下記の効果が発生する。このシステムでは前記の通り膨張・圧縮機26の膨張機部分で減圧された冷媒は気液2相状態となって膨張機部吐出配管9より流出する。このため、膨張機部分の作動室13内部では液冷媒によって表面に付着した潤滑油が洗われてしまう懸念がある。このため、膨張・圧縮機26の全体あるいは冷凍・空調システム全体の信頼性を確保するには、作動室13の内部表面の中でシリンダの内周円筒面2aのように他の部品(ピストン頭部1a)と摺動を行なう表面の潤滑油が液冷媒で洗浄された際の摺動部の損傷を防止する対策が必要がある。本発明第一の実施例では上記摺動部に荷重をほとんど作用させないことによって摺動部の損傷を防止し信頼性の確保を可能にできるという効果がある。
【0028】
図8ないし図10に本発明の第2の実施例であるポンプを示す。本第の2の実施例の側断面は図1の下半分の膨張機部分の側断面と同じである。また、本第の2の実施例では、往復動部材31の両端の2つピストン頭部31a(一方は図示せず)は同一形状であり、その周囲に全く同じ作動室、吸入経路、吐出経路を持つものとする。以下、第1の実施例の膨張機部分と異なる部分について説明する。
【0029】
図8に示されたシリンダブロック32の2つの吸入ポート32cは吐出ポート32b(図示せず、図1における吐出ポート2cと同一)と同様に往復動部材31の往復動方向に長く、作動室33の容積が増大している期間の全域で連絡通路31e、31fを介して作動室33と連通する。吐出ポート32bも作動室33の容積が減少している期間の全域で連絡通路31d、31f(ともに図示せず。図1における連絡通路1e、1gと同一)を介して作動室33と連通する。したがって、本第2の実施例は非圧縮性の液体を吸入して吐出するポンプとして機能する。本第の2の実施例では、吸入・吐出経路に可動部品や複雑な弁機構が無く安価な構成である点や、ピストンとシリンダ間に摺動荷重が発生しない点で第1の実施例と同様な効果が得られる。
【0030】
なお、本発明の第1の実施例(図1〜図6)における下部の膨張機部分については、左右のモータ22をそれぞれ逆方向に駆動すると、図2、図3、図5、図6における各連絡通路1e、1fの開口部は楕円軌跡25上を逆方向に移動し、吸入経路と吐出経路が入れ替わった状態で圧縮機として機能する。
【0031】
更に本発明の第2の実施例(図8〜図10)のポンプ部分については、吸入経路に高圧の油を導入し、吐出経路を減圧されて低圧となった油と連絡させると、2つの駆動軸4が出力軸となる油圧モータとして機能させることができる。
【0032】
以上のとおり、各実施例の説明によって本発明によれば、バルブ機構のための可動部品を不要にでき、生産性が良く信頼性が高いレシプロ式容積形機械を提供できる。
【0033】
また、本発明によれば、ピストンとシリンダ間の摺動荷重を大幅に低減し、機械摩擦損失と摺動部損傷のポテンシャルを低減できるので、高効率で高信頼性のレシプロ式容積形機械を提供できるという効果がある。
【0034】
更に、本発明によれば、ピストンとシリンダ間の摺動荷重を大幅に低減することにより、膨張行程で気液2相状態となった冷媒により作動室内の潤滑状態が悪化しても摩耗・焼付きを防止できるので、膨張機による動力回収を行なう冷凍サイクルシステムの信頼性を向上できるという効果がある。
【0035】
【発明の効果】
生産性、効率、信頼性を向上させたレシプロ式容積形機械を用い、これによって、冷凍サイクルにおいて膨張機により動力を回収する高効率なシステムの実用性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例である膨張・圧縮機の全体の側断面図。
【図2】図1におけるB−B断面図。
【図3】図1におけるC−C断面図。
【図4】図1におけるA−A断面図。
【図5】図4におけるD−D断面図。
【図6】図4におけるE−E断面図。
【図7】本発明の第1の実施例である膨張・圧縮機を冷凍・空調機器に適用した場合の冷凍サイクル構成図。
【図8】本発明の第2の実施例であるポンプの軸直角方向の断面図。
【図9】図8におけるF−F断面図。
【図10】図8における、G−G断面図。
【符号の説明】
1…往復動部材、1a…ピストン頭部、1b…ピストン頭部、1c…アーム部、1d…ピン、1e…連絡通路、1f…連絡通路、1g…連絡通路、1h…圧縮機部吸入ポート、2…シリンダブロック、2a…内周円筒面、2b…内周円筒面、2c…膨張機部吐出ポート、2d…膨張機部吸入ポート、3…球面ブッシュ、4…駆動軸、4a…駆動アーム部、4b…釣合い質量、5…軸受フレーム、5a…軸受部、6…シリンダヘッド、7…作動室、8…カバー、9…膨張機部吐出配管、10…カバー、11…膨張機部吸入配管、12…シリンダヘッド、12a…圧縮機部吐出ポート、13…作動室、14…吸入バルブプレート、15…リベット、16…圧縮機部吸入配管、17…吐出バルブプレート、18…吐出バルブ押え、19…吐出空間、20…吐出室カバー、21…圧縮機部吐出配管、22…駆動用モータ、22a…ステータ部、22b…ロータ部、23…釣合い質量、24…モータカバー、25…楕円軌跡、26…膨張・圧縮機、27…サイクル配管、28…凝縮器、29…蒸発器、30…膨張手段、31…往復動部材、31a…ピストン頭部、31b…アーム部、31c…ピン、31d…連絡通路、31e…連絡通路、31f…連絡通路、31g…連絡通路、32…シリンダブロック、32a…内周円筒面、32b…ポンプ吐出ポート32c…ポンプ吸入ポート、33…作動室、34…カバー、35…ポンプ吸入配管。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a positive displacement machine and a technology for improving the efficiency and reliability of a refrigerating and air-conditioning apparatus using the positive displacement machine.
[0002]
[Prior art]
The suction stroke in the conventional reciprocating positive displacement machine is such that the suction valve has a differential pressure after the working chamber has a maximum volume as in the compressor shown in FIG. 7 of Japanese Patent Laid-Open No. 9-72275 (Patent Document 1). Or a configuration that ends when the intake valve of the valve mechanism that is driven by a relatively complicated cam mechanism, such as the four-cycle engine described in FIG. 4 of
[0003]
Further, since the conventional reciprocating positive displacement machine is a mechanism like the four-cycle engine shown in FIG. 4 of
[0004]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 9-72275 (FIGS. 4 and 7)
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In order for a reciprocating positive displacement machine to function as an expander, for example, high-pressure gas is sucked in the middle of the volume increase period of the working chamber, and then expanded to the maximum volume in the sealed working chamber to extract power. However, the suction valve of
[0006]
A first object of the present invention is to construct a reciprocating positive displacement machine, in particular, a positive displacement expander, in which a valve mechanism can be constructed at low cost.
[0007]
In addition, the sliding load between the piston and the cylinder in the reciprocating positive displacement machine causes friction loss and damage to the sliding portion, which causes a reduction in efficiency and reliability.
[0008]
A second object of the present invention is to constitute a reciprocating positive displacement machine that avoids the above-mentioned friction loss and sliding part damage and has high efficiency and high reliability.
[0009]
Furthermore, when the expander is configured using a positive displacement machine and is used instead of the conventional throttle mechanism (expansion valve, etc.) in the refrigeration cycle, the inside of the working chamber of the expander is in a stage before or after expansion. Since liquid refrigerant exists, the lubricating oil supplied to the sliding surface inside the working chamber is washed, and there is a concern that a good lubricating state cannot be expected. At that time, in the expander using the above-described conventional reciprocating positive displacement machine, a pressing force acts between the outer periphery of the piston around the working chamber and the inner periphery of the cylinder, making it difficult to ensure reliability.
[0010]
A third object of the present invention is to ensure the reliability of a refrigeration air conditioning system incorporating an expander for recovering power from a high-pressure working fluid to achieve high system efficiency.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the first object, in a reciprocating positive displacement machine in which a reciprocating member swings around an axis in the reciprocating direction as the reciprocating member moves, without using a movable part for a valve mechanism. The communication path for alternately communicating the working space with the suction chamber space or the discharge chamber space according to the increase / decrease of the volume by using the motion of the reciprocating member is configured.
In order to achieve the second object, the generation of pressing force between the piston outer periphery and the cylinder inner periphery due to the load acting on the piston head is avoided, and at the same time, the working space and the suction chamber space or the discharge chamber space are avoided. By providing a communication path to communicate with each other at opposite positions on the cylinder inner circumference, the pressure between the suction and discharge communication paths acts on the side surface of the piston, and pressing between the cylinder inner circumference It avoids the generation of force.
Further, in order to achieve the third object, one of the two working chambers formed in the piston portions at both ends of the reciprocating member is configured as a compressor portion, and the other is configured as an expander portion having the above-described configuration. A positive displacement machine that reduces the pressure while recovering power by supplying at least a part of the working fluid that has been supplied with power to a high pressure to the expander part is used for refrigeration and air conditioning equipment. The compression stroke and the expansion stroke of the cycle are performed.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to FIGS. FIG. 1 is a side sectional view of an entire expansion / compression machine using a refrigerant as a working fluid according to a first embodiment of the present invention. 2 and 3 are a BB sectional view and a CC sectional view, respectively, in FIG. 4 is an AA cross-sectional view in FIG. 1, and FIGS. 5 and 6 are a DD cross-sectional view and an EE cross-sectional view in FIG. 4, respectively. FIG. 7 is a configuration diagram of a refrigeration cycle when the expansion / compressor according to the first embodiment of the present invention is applied to a refrigeration / air-conditioning apparatus. 8 is a cross-sectional view in the direction perpendicular to the axis of a pump according to a second embodiment of the present invention. FIGS. 9 and 10 are cross-sectional views taken along the lines FF and GG in FIG. FIG. 6 shows an expansion / compression machine using a refrigerant as a working fluid according to the first embodiment of the present invention. The reciprocating
[0013]
As a result, the two arm portions 1c of the reciprocating member and the two
[0014]
The open end of one inner peripheral cylindrical surface 2a formed in the
[0015]
The two expander section suction ports 2d shown in FIG. 4 are shown with a one-dot chain line on the right side and a broken line on the other side on the left side. Although it opens to the circumferential cylindrical surface 2a, it opens in the position which mutually opposed substantially 180 degree | times. Two covers 10 fixed to the
[0016]
On the other hand, a working chamber 13 surrounded by the piston head 1b of the reciprocating
[0017]
A stator portion 22a of a
[0018]
In the above configuration, when the two
[0019]
2, 3, 4, and 5, the positions of the expander section discharge port 2 c and the expander section suction port 2 d are shown in the respective cross sections, and the piston heads that are in a position facing them are shown. The positions of the openings of the communication passages 1e and 1f of 1a are indicated by broken lines, and an
[0020]
The
[0021]
With the above configuration, the working chamber 7 is connected to the expander unit suction port 2d through the communication passage 1f of the piston head 1a only during the initial period of the suction stroke in which the volume increases, and sucks high pressure working fluid. In the latter period of the stroke, the internal working fluid is expanded by increasing the volume by forming a sealed space that is blocked from both the suction and discharge ports. The expander section discharge port 2c is sufficiently large, and the working chamber 7 is electrically connected to the expander section discharge port 2c through the communication passage 1e of the piston head 1a during the entire discharge stroke in which the volume of the expander section decreases. The working fluid is discharged. These suction path and discharge path are inexpensive because there are no moving parts or complicated valve mechanisms.
[0022]
On the other hand, the upper working chamber 13 compresses the refrigerant gas sucked from the compressor portion suction port 1h by the periodic change of the volume accompanying the reciprocating motion of the reciprocating
[0023]
The first embodiment having the above-described structure has the following features. In the first embodiment, there are two each of the expander section suction port 2d and the communication path 1f as the suction path, and the two communication paths 1e and the expander section discharge port 2c as the discharge paths. The cylinder block has a pair of openings at positions facing the inner circumferential cylindrical surface 2a of the cylinder block at approximately 180 degrees. The suction pressure and the discharge pressure act on the portions corresponding to the respective port openings on the side surface of the piston head 1a of the reciprocating member to try to press the piston head 1a to the opposite side. Counteract with the same force from the area and pressure openings. Therefore, no force is generated to press the piston head 1a against the inner circumferential cylindrical surface 2a of the cylinder due to the pressure on the side surface.
[0024]
Further, the first embodiment uses the mechanism described in
[0025]
In addition, according to the first embodiment, as described in
[0026]
FIG. 7 shows a cycle configuration diagram when the expansion / compressor according to the first embodiment of the present invention is incorporated in the refrigeration cycle of the refrigeration / air-conditioning equipment. The central expansion / compression machine 26 is an expansion / compression machine according to the first embodiment of FIG. The thick line in the figure is the cycle piping 27, and the arrow on the thick line indicates the flow direction of the internal refrigerant. Under general refrigerant and operating conditions, the refrigerant gas that has been pressurized at the compressor portion of the expansion / compressor 26 to become high temperature and high pressure is discharged from the compressor discharge pipe 21 and passes through the
[0027]
In this system configuration, the refrigeration capacity, which has been reduced due to the pressure loss when the total amount of high-pressure liquid refrigerant discharged from the condenser in the prior art passes through the throttle such as the expansion means 30, is recovered by the power recovered by the expander. However, the same amount of power consumption can be reduced, but the use of the expansion / compressor 26 according to the first embodiment of the present invention further produces the following effects. In this system, as described above, the refrigerant decompressed in the expander portion of the expander / compressor 26 enters a gas-liquid two-phase state and flows out from the expander
[0028]
8 to 10 show a pump according to a second embodiment of the present invention. The side cross section of the second embodiment is the same as the side cross section of the lower half expander portion of FIG. In the second embodiment, the two piston heads 31a (one not shown) at both ends of the reciprocating
[0029]
The two suction ports 32c of the
[0030]
For the lower expander portion in the first embodiment (FIGS. 1 to 6) of the present invention, when the left and
[0031]
Further, in the pump portion of the second embodiment (FIGS. 8 to 10) of the present invention, when high-pressure oil is introduced into the suction path and the discharge path is depressurized to communicate with low-pressure oil, The
[0032]
As described above, according to the description of each embodiment, according to the present invention, it is possible to provide a reciprocating positive displacement machine that can eliminate the need for moving parts for the valve mechanism, and has high productivity and high reliability.
[0033]
In addition, according to the present invention, the sliding load between the piston and the cylinder can be greatly reduced, and the potential for mechanical friction loss and sliding portion damage can be reduced. Therefore, a highly efficient and highly reliable reciprocating positive displacement machine can be achieved. There is an effect that it can be provided.
[0034]
Further, according to the present invention, the sliding load between the piston and the cylinder is greatly reduced, so that the refrigerant that has become a gas-liquid two-phase state in the expansion stroke is worn and burned even if the lubrication state in the working chamber deteriorates. Since sticking can be prevented, there is an effect that the reliability of the refrigeration cycle system for recovering power by the expander can be improved.
[0035]
【The invention's effect】
By using a reciprocating positive displacement machine with improved productivity, efficiency, and reliability, it is possible to increase the practicality of a highly efficient system that recovers power by an expander in a refrigeration cycle.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a side sectional view of an entire expansion / compression machine according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line BB in FIG.
3 is a cross-sectional view taken along the line CC in FIG.
4 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
FIG. 5 is a cross-sectional view taken along line DD in FIG.
6 is a cross-sectional view taken along line EE in FIG.
FIG. 7 is a configuration diagram of a refrigeration cycle when the expansion / compressor according to the first embodiment of the present invention is applied to a refrigeration / air conditioning apparatus.
FIG. 8 is a cross-sectional view in a direction perpendicular to the axis of a pump according to a second embodiment of the present invention.
9 is a cross-sectional view taken along line FF in FIG.
10 is a cross-sectional view taken along line GG in FIG.
[Explanation of symbols]
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