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JP2005265278A - Refrigeration equipment - Google Patents

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JP2005265278A
JP2005265278A JP2004077904A JP2004077904A JP2005265278A JP 2005265278 A JP2005265278 A JP 2005265278A JP 2004077904 A JP2004077904 A JP 2004077904A JP 2004077904 A JP2004077904 A JP 2004077904A JP 2005265278 A JP2005265278 A JP 2005265278A
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high pressure
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Application number
JP2004077904A
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Japanese (ja)
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Katsumi Hokotani
克己 鉾谷
Eiji Kumakura
英二 熊倉
Tetsuya Okamoto
哲也 岡本
Michio Moriwaki
道雄 森脇
Masakazu Okamoto
昌和 岡本
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Daikin Industries Ltd
Original Assignee
Daikin Industries Ltd
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Priority to KR1020067021492A priority patent/KR20060131996A/en
Priority to EP05720357A priority patent/EP1739369A1/en
Priority to AU2005224499A priority patent/AU2005224499A1/en
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a refrigeration device to perform a supercritical cycle, capable of enhancing the efficiency using an expanding machine having specifications to suit the operating conditions. <P>SOLUTION: The refrigeration device is configured so that the low pressure in its refrigerating cycle in the reference operating conditions and the refrigerant temperature at the outlet from a radiator are used as the reference low pressure and reference refrigerant temperature, respectively, and the high pressure in the refrigerating cycle where the performance factor of the refrigerating cycle in the reference operating conditions maximizes is used as a reference high pressure. In the expanding machine 60, the volume v<SB>2</SB>of the first fluid chamber 72 immediately after being shut off from the influx side is set as v<SB>2</SB>=ρ<SB>1</SB>×v<SB>1</SB>×r/ρ<SB>2</SB>, while the volume v<SB>3</SB>of the second fluid chamber 82 immediately before being put in communication with the outflow side is set as v<SB>3</SB>=ρ<SB>2</SB>×v<SB>2</SB>/ρ<SB>3</SB>, where ρ<SB>1</SB>is the density of the saturated gas refrigerant at the reference low pressure, ρ<SB>2</SB>is the density of the refrigerant at the reference high pressure and the reference refrigerant temperature, ρ<SB>3</SB>is the density of the refrigerant at the reference high pressure and the reference refrigerant temperature subjected to a adiabatic expansion to the reference low pressure, v<SB>1</SB>is the volume of the compression chamber in the compressor immediately after the compression chamber is shut off from the suction side, and r is the ratio of the rotating speed of the compressor to that of the expanding machine. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、高圧圧力が冷媒の臨界圧力以上に設定された冷凍サイクルを行う冷凍装置に関するものである。   The present invention relates to a refrigeration apparatus that performs a refrigeration cycle in which a high pressure is set to be equal to or higher than a critical pressure of a refrigerant.

従来より、閉回路である冷媒回路で冷媒を循環させて冷凍サイクルを行う冷凍装置が知られており、空調機等として広く利用されている。この種の冷凍装置としては、例えば特許文献1に開示されているように、冷凍サイクルの高圧を冷媒の臨界圧力よりも高く設定したものが知られている。この冷凍装置は、冷媒の膨張機構として膨張機を備えている。そして、この膨張機と圧縮機を軸によって連結し、膨張機で得られた動力を圧縮機の駆動に利用してCOP(成績係数)の向上を図っている。
特開2001−107881号公報
2. Description of the Related Art Conventionally, refrigeration apparatuses that perform a refrigeration cycle by circulating refrigerant in a closed circuit refrigerant circuit are widely used as air conditioners and the like. As this type of refrigeration apparatus, for example, as disclosed in Patent Document 1, an apparatus in which the high pressure of the refrigeration cycle is set higher than the critical pressure of the refrigerant is known. This refrigeration apparatus includes an expander as a refrigerant expansion mechanism. The expander and the compressor are connected by a shaft, and the power obtained by the expander is used for driving the compressor to improve COP (coefficient of performance).
JP 2001-107881 A

膨張機を備える上記冷凍装置を設計する際には、膨張機の仕様を決めなければならない。特に、容積型流体機械のうち閉空間となった流体室の容積が変化する形式のものを膨張機として用いる場合には、流体室が流入側から遮断された直後(即ち流体室内で流体の膨張の開始時点)における流体室の容積と、流体室が流出側に連通する直前(即ち流体室内で流体の膨張の終了時点)における流体室の容積を決める必要がある。これらの値を決めるには、膨張機の入口と出口における冷媒の状態を設定する必要がある。また、膨張機と圧縮機が軸などで連結されていて両者の回転速度比が固定される場合は、圧縮機の容量も考慮する必要がある。   When designing the refrigeration apparatus having an expander, the specifications of the expander must be determined. In particular, in the case of using a type of positive displacement fluid machine in which the volume of the fluid chamber that has become a closed space changes as an expander, immediately after the fluid chamber is shut off from the inflow side (that is, the expansion of the fluid in the fluid chamber). And the volume of the fluid chamber immediately before the fluid chamber communicates with the outflow side (that is, when the fluid expansion ends in the fluid chamber). In order to determine these values, it is necessary to set the state of the refrigerant at the inlet and outlet of the expander. Further, when the expander and the compressor are connected by a shaft or the like and the rotational speed ratio between them is fixed, it is necessary to consider the capacity of the compressor.

ここで、冷凍装置に要求される能力が決まると、それに応じて圧縮機の容量の設計値を設定できる。また、冷凍装置の用途が決まると、冷媒が放熱する対象(放熱対象)と冷媒が吸熱する対象(吸熱対象)とを想定できる。例えば、冷凍装置によって空調機を構成する場合、冷房運転中であれば、放熱対象が室外空気となって吸熱対象が室内空気となる。   Here, when the capacity required for the refrigeration apparatus is determined, the design value of the capacity of the compressor can be set accordingly. In addition, when the use of the refrigeration apparatus is determined, it is possible to assume a target from which the refrigerant radiates heat (a heat dissipation target) and a target from which the refrigerant absorbs heat (a heat absorption target). For example, when an air conditioner is configured by a refrigeration apparatus, if the cooling operation is being performed, the heat release target is outdoor air and the heat absorption target is room air.

図11のモリエル線図(圧力−エンタルピ線図)に示すように、放熱対象の温度条件が決まると、それに応じて冷媒の蒸発温度T1が設定されることから、冷凍サイクルの低圧圧力PLの設計値が決まる。ところが、冷凍サイクルの高圧圧力が冷媒の臨界圧力以上になると、高圧冷媒は放熱しても凝縮しない。従って、放熱対象の温度条件が決まっても、それに応じて設定できるのは放熱後の冷媒温度T2だけである。そして、放熱後の冷媒の状態が温度T2の等温線上の点であることしか決まらないため、冷凍サイクルの高圧圧力の設計値は一義的に定まらない。 As shown in the Mollier diagram (pressure-enthalpy diagram) in FIG. 11, when the temperature condition of the heat release target is determined, the refrigerant evaporation temperature T 1 is set accordingly, so that the low pressure P L of the refrigeration cycle is set. Design value is determined. However, when the high pressure of the refrigeration cycle exceeds the critical pressure of the refrigerant, the high pressure refrigerant does not condense even if it releases heat. Therefore, even if the temperature condition for heat radiation is determined, only the refrigerant temperature T 2 after heat radiation can be set accordingly. Since the state of the refrigerant after heat dissipation can not be determined only be a point isotherm of the temperature T 2, the design value of the high-side pressure of the refrigeration cycle is uniquely not determined.

このように、膨張機を備えると共に冷凍サイクルの高圧圧力が冷媒の臨界圧力以上になる上記冷凍装置については、その用途を決めただけでは冷凍サイクルの高圧圧力の設計値を設定できない。そして、冷凍サイクルの高圧圧力が決まらなければ、膨張機の入口における冷媒の状態(同図の点Xで表される状態)を設定できず、更には膨張機の出口における冷媒の状態(同図の点Yで表される状態)も設定できない。このため、従来の上記冷凍装置では、膨張機の仕様が冷凍装置の使用条件に必ずしも適合せず、膨張機による効率の改善が不充分になるという問題があった。   As described above, the design value of the high-pressure pressure of the refrigeration cycle cannot be set only by determining the use of the refrigeration apparatus provided with the expander and the high-pressure pressure of the refrigeration cycle is equal to or higher than the critical pressure of the refrigerant. If the high pressure of the refrigeration cycle is not determined, the state of the refrigerant at the inlet of the expander (state indicated by the point X in the figure) cannot be set, and further, the state of the refrigerant at the outlet of the expander (see the figure). The state represented by the point Y) cannot be set. For this reason, the conventional refrigeration apparatus has a problem that the specifications of the expander do not necessarily match the use conditions of the refrigeration apparatus, and the efficiency improvement by the expander becomes insufficient.

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、その運転条件に適合した膨張機を備えていて高効率の得られる冷凍装置を提供することにある。   This invention is made | formed in view of this point, The place made into the objective is providing the expander suitable for the driving | running condition, and providing the refrigeration apparatus with which high efficiency is obtained.

第1の発明は、圧縮機(50)と放熱器(16)と膨張機(60)と蒸発器(17)とが接続された冷媒回路(15)を備え、該冷媒回路(15)で冷媒を循環させて高圧圧力が冷媒の臨界圧力以上となる冷凍サイクルを行う冷凍装置を対象とする。
そして、上記圧縮機(50)と膨張機(60)は、何れも流体室の容積が変化する容積型流体機械で構成されると共に、一方の回転速度に対する他方の回転速度の比が一定となる状態で互いに連結される一方、設計基準となる基準運転条件での冷凍サイクルの低圧圧力と放熱器(16)の出口における冷媒温度をそれぞれ基準低圧と基準冷媒温度とし、上記基準運転状態において冷凍サイクルの成績係数が最高となる冷凍サイクルの高圧圧力を基準高圧とし、上記基準低圧における飽和ガス冷媒の密度をρ1とし、上記基準高圧及び基準冷媒温度における冷媒の密度をρ2とし、上記基準高圧及び基準冷媒温度の冷媒を上記基準低圧まで断熱膨張させたものの密度をρ3とし、上記圧縮機(50)において流体室が吸入側から遮断された直後における該流体室の容積をv1とし、上記圧縮機(50)の回転速度の上記膨張機(60)の回転速度に対する比をrとした場合に、上記膨張機(60)において流体室が流入側から遮断された直後における該流体室の容積v2がv2=ρ1・v1・r/ρ2となり、上記膨張機(60)において流体室が流出側に連通する直前における該流体室の容積v3がv3=ρ2・v2/ρ3となるものである。
The first invention includes a refrigerant circuit (15) in which a compressor (50), a radiator (16), an expander (60), and an evaporator (17) are connected, and the refrigerant circuit (15) And a refrigeration apparatus that performs a refrigeration cycle in which the high pressure is equal to or higher than the critical pressure of the refrigerant.
The compressor (50) and the expander (60) are both constituted by a positive displacement fluid machine in which the volume of the fluid chamber changes, and the ratio of the rotation speed of one to the other is constant. Are connected to each other in the state, while the low pressure of the refrigeration cycle and the refrigerant temperature at the outlet of the radiator (16) at the standard operating conditions as design criteria are respectively set as the reference low pressure and the reference refrigerant temperature. The high pressure of the refrigeration cycle that gives the highest coefficient of performance is the reference high pressure, the density of the saturated gas refrigerant at the reference low pressure is ρ 1 , the refrigerant density at the reference high pressure and the reference refrigerant temperature is ρ 2 , and the reference high pressure and a reference refrigerant temperature of the refrigerant and 3 the density ρ but was adiabatically expanded to the reference low pressure, fluid immediately after the fluid chamber in the compressor (50) is cut off from the suction side The volume and v 1, the ratio of rotational speed of the compressor (50) rotational speed of the expander (60) in the case of the r, the fluid chamber in the expander (60) is cut off from the inlet side The volume v 2 of the fluid chamber immediately after is v 2 = ρ 1 · v 1 · r / ρ 2 , and the volume v 3 of the fluid chamber immediately before the fluid chamber communicates with the outflow side in the expander (60). V 3 = ρ 2 · v 2 / ρ 3 .

第2の発明は、上記第1の発明において、冷媒回路(15)では、蒸発器(17)の出口側と圧縮機(50)の吸入側との間にレシーバ(18)が設けられるものである。   According to a second invention, in the first invention, the refrigerant circuit (15) is provided with a receiver (18) between the outlet side of the evaporator (17) and the suction side of the compressor (50). is there.

第3の発明は、上記第1の発明において、冷媒回路(15)には、放熱器(16)から膨張機(60)へ向かう冷媒と蒸発器(17)から圧縮機(50)へ向かう冷媒とを熱交換させる内部熱交換器(20)が設けられるものである。   According to a third aspect, in the first aspect, the refrigerant circuit (15) includes a refrigerant directed from the radiator (16) toward the expander (60) and a refrigerant directed from the evaporator (17) toward the compressor (50). And an internal heat exchanger (20) for exchanging heat with each other.

−作用−
上記第1の発明では、冷凍装置(10)の冷媒回路(15)で冷媒が循環して冷凍サイクルが行われる。冷媒回路(15)内を循環する冷媒は、圧縮機(50)で圧縮されて超臨界状態となった後に放熱器(16)で放熱し、続いて膨張機(60)で膨張してから蒸発器(17)で吸熱して蒸発し、その後に圧縮機(50)へ吸入されて再び圧縮される。膨張機(60)は圧縮機(50)に連結されており、膨張機(60)で冷媒から回収された動力が圧縮機(50)の駆動に利用される。上記冷凍装置(10)では、圧縮機(50)の回転速度に対する膨張機(60)の回転速度の比が固定されている。例えば、この回転速度の比は、圧縮機(50)と膨張機(60)が1本の軸で直結されてれば「1」となり、減速機を介して連結されていれば減速機の減速比に等しくなる。
-Action-
In the said 1st invention, a refrigerant | coolant circulates in the refrigerant circuit (15) of a freezing apparatus (10), and a refrigerating cycle is performed. The refrigerant circulating in the refrigerant circuit (15) is compressed by the compressor (50) and becomes supercritical, then dissipates heat in the radiator (16), and then expands in the expander (60) before evaporating. The container (17) absorbs heat and evaporates, and then is sucked into the compressor (50) and compressed again. The expander (60) is connected to the compressor (50), and the power recovered from the refrigerant by the expander (60) is used to drive the compressor (50). In the refrigeration apparatus (10), the ratio of the rotational speed of the expander (60) to the rotational speed of the compressor (50) is fixed. For example, the ratio of the rotational speed is “1” when the compressor (50) and the expander (60) are directly connected by a single shaft, and the speed reduction of the speed reducer is achieved when they are connected via a speed reducer. Equal to the ratio.

上記冷凍装置(10)を設計するに際し、圧縮機(50)において流体室が吸入側から遮断された直後における該流体室の容積v1、即ち圧縮機(50)の吸入容積は、冷凍能力に対する能力の要求値に応じて設定できる。また、冷凍装置(10)の用途が決まれば、その用途で想定される運転条件に基づいて冷凍サイクルの低圧圧力である基準低圧と放熱器(16)の出口における冷媒温度である基準冷媒温度とを設定できるが、それだけでは冷凍サイクルの高圧圧力を設定できない。一方、冷凍サイクルの低圧圧力と放熱器(16)の出口における冷媒温度が設定されれば、その運転条件での運転試験やシミュレーションを行うことで、その運転条件で成績係数(COP)が最高となる冷凍サイクルの高圧圧力を決めることが可能である。 In designing the refrigeration apparatus (10), the volume v 1 of the fluid chamber immediately after the fluid chamber is shut off from the suction side in the compressor (50), that is, the suction volume of the compressor (50) It can be set according to the required value of ability. Also, if the use of the refrigeration apparatus (10) is determined, the reference low pressure that is the low pressure of the refrigeration cycle and the reference refrigerant temperature that is the refrigerant temperature at the outlet of the radiator (16) based on the operating conditions assumed for that use However, it is not possible to set the high pressure of the refrigeration cycle. On the other hand, if the low-pressure of the refrigeration cycle and the refrigerant temperature at the outlet of the radiator (16) are set, the coefficient of performance (COP) is the highest under the operating conditions by performing an operation test or simulation under the operating conditions. It is possible to determine the high pressure of the refrigeration cycle.

そこで、この発明では、冷凍サイクルの低圧圧力が基準低圧となって放熱器(16)の出口における冷媒温度が基準冷媒温度となる基準運転状態において、冷凍サイクルの成績係数が最高となる冷凍サイクルの高圧圧力を基準高圧としている。そして、この冷凍装置(10)における膨張機(60)の仕様は、基準低圧、基準冷媒温度、及び基準高圧と、冷媒回路(15)に充填された冷媒の物性とに基づいて設定される。具体的には、膨張機(60)において流体室が流入側から遮断された直後(即ち流体室内で冷媒の膨張が開始される直前)における該流体室の容積v2と、膨張機(60)において流体室が流出側に連通する直前(即ち流体室内で冷媒の膨張が終了した直後)における該流体室の容積v3とが、上述した基準高圧等に基づいて設定される。 Therefore, in the present invention, in the reference operation state in which the low pressure of the refrigeration cycle is the reference low pressure and the refrigerant temperature at the outlet of the radiator (16) is the reference refrigerant temperature, the refrigeration cycle has the highest coefficient of performance for the refrigeration cycle. The high pressure is the reference high pressure. The specifications of the expander (60) in the refrigeration apparatus (10) are set based on the reference low pressure, the reference refrigerant temperature, the reference high pressure, and the physical properties of the refrigerant charged in the refrigerant circuit (15). Specifically, the volume v 2 of the fluid chamber immediately after the fluid chamber is shut off from the inflow side in the expander (60) (that is, immediately before the expansion of the refrigerant in the fluid chamber), and the expander (60) The volume v 3 of the fluid chamber immediately before the fluid chamber communicates with the outflow side (that is, immediately after the expansion of the refrigerant in the fluid chamber) is set based on the above-described reference high pressure or the like.

上記第2の発明では、冷媒回路(15)にレシーバ(18)が設けられる。レシーバ(18)の内部には、冷媒回路(15)に充填された冷媒の一部が液冷媒の状態で貯留される。レシーバ(18)内の液冷媒の量が増減すると、それに伴って冷媒回路(15)内を循環する冷媒量が変化する。レシーバ(18)は、蒸発器(17)の出口側と圧縮機(50)の吸入側との間に設置される。この冷媒回路(15)では、蒸発器(17)から流出した冷媒がレシーバ(18)へ導入され、レシーバ(18)内の冷媒が圧縮機(50)へ吸入される。レシーバ(18)内には液冷媒が存在しているため、圧縮機(50)へ吸入されるレシーバ(18)内の冷媒は、飽和状態となっている。   In the said 2nd invention, a receiver (18) is provided in a refrigerant circuit (15). A part of the refrigerant filled in the refrigerant circuit (15) is stored in a liquid refrigerant state in the receiver (18). When the amount of liquid refrigerant in the receiver (18) increases or decreases, the amount of refrigerant circulating in the refrigerant circuit (15) changes accordingly. The receiver (18) is installed between the outlet side of the evaporator (17) and the suction side of the compressor (50). In the refrigerant circuit (15), the refrigerant flowing out of the evaporator (17) is introduced into the receiver (18), and the refrigerant in the receiver (18) is sucked into the compressor (50). Since liquid refrigerant exists in the receiver (18), the refrigerant in the receiver (18) sucked into the compressor (50) is saturated.

上記第3の発明では、冷媒回路(15)に内部熱交換器(20)が設けられる。内部熱交換器(20)では、放熱器(16)から膨張機(60)へ向かう冷媒が蒸発器(17)から圧縮機(50)へ向かう冷媒と熱交換して冷却される。膨張機(60)へ流入する冷媒は、内部熱交換器(20)で冷却されることによって、そのエンタルピが低下する。それに伴い、膨張機(60)から蒸発器(17)へ送られる冷媒のエンタルピも低下する。   In the said 3rd invention, an internal heat exchanger (20) is provided in a refrigerant circuit (15). In the internal heat exchanger (20), the refrigerant from the radiator (16) to the expander (60) is cooled by exchanging heat with the refrigerant from the evaporator (17) to the compressor (50). The refrigerant flowing into the expander (60) is cooled by the internal heat exchanger (20), so that its enthalpy is lowered. Along with this, the enthalpy of the refrigerant sent from the expander (60) to the evaporator (17) also decreases.

本発明では、冷凍サイクルの低圧圧力(基準低圧)と放熱器(16)の出口における冷媒温度(基準冷媒温度)とが一定の条件下では成績係数(COP)が最高となる冷凍サイクルの高圧圧力(基準高圧)が一義的に決まるという上記冷凍装置(10)の特性に着目し、この特性を利用して仕様が決定された膨張機(60)を該冷凍装置(10)に設けている。従って、本発明によれば、冷凍装置(10)の使用条件に適合した仕様の膨張機(60)を用いることができ、膨張機(60)で冷媒から確実に動力を回収して冷凍装置(10)の成績係数を高めることが可能となる。   In the present invention, the high pressure of the refrigeration cycle at which the coefficient of performance (COP) is maximized under a constant condition of the low pressure of the refrigeration cycle (reference low pressure) and the refrigerant temperature (reference refrigerant temperature) at the outlet of the radiator (16). Paying attention to the characteristic of the refrigeration apparatus (10) that the (reference high pressure) is uniquely determined, the refrigeration apparatus (10) is provided with an expander (60) whose specification is determined using this characteristic. Therefore, according to the present invention, it is possible to use the expander (60) having specifications suitable for the use conditions of the refrigeration apparatus (10), and the refrigeration apparatus (60) can reliably recover power from the refrigerant by the expander (60). 10) The coefficient of performance can be increased.

上記第2の発明では、蒸発器(17)から流出した冷媒をレシーバ(18)へ導入し、圧縮機(50)がレシーバ(18)から冷媒を吸入する構成としている。このため、蒸発器(17)から流出する冷媒が過熱状態となる運転状態であっても、圧縮機(50)はレシーバ(18)内の飽和状態の冷媒を吸入することになる。従って、この発明によれば、圧縮機(50)が吸入する冷媒の状態を冷凍装置(10)の設計時に想定した状態と一致させることができ、冷凍装置(10)での冷凍サイクルを安定化させることができる。   In the second aspect, the refrigerant flowing out from the evaporator (17) is introduced into the receiver (18), and the compressor (50) sucks the refrigerant from the receiver (18). For this reason, the compressor (50) sucks the saturated refrigerant in the receiver (18) even in the operation state in which the refrigerant flowing out of the evaporator (17) is overheated. Therefore, according to the present invention, the state of the refrigerant sucked by the compressor (50) can be matched with the state assumed when the refrigeration apparatus (10) is designed, and the refrigeration cycle in the refrigeration apparatus (10) is stabilized. Can be made.

上記第3の発明では、冷媒回路(15)に内部熱交換器(20)を設けて膨張機(60)へ流入する冷媒を冷却し、膨張機(60)から蒸発器(17)へ送られる冷媒のエンタルピを低下させている。このため、蒸発器(17)の出入口における冷媒のエンタルピ差を拡大することができ、蒸発器(17)で対象物を冷却する場合の冷却能力を増大させることができる。   In the third aspect of the invention, the refrigerant circuit (15) is provided with the internal heat exchanger (20) to cool the refrigerant flowing into the expander (60) and sent from the expander (60) to the evaporator (17). Reduces the enthalpy of the refrigerant. For this reason, the enthalpy difference of the refrigerant | coolant in the entrance / exit of an evaporator (17) can be expanded, and the cooling capability in the case of cooling a target object with an evaporator (17) can be increased.

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

《発明の実施形態1》
本発明の実施形態1について説明する。本実施形態の空調機(10)は、本発明に係る冷凍装置によって構成されている。
Embodiment 1 of the Invention
A first embodiment of the present invention will be described. The air conditioner (10) of the present embodiment is configured by a refrigeration apparatus according to the present invention.

図1に示すように、上記空調機(10)は、冷媒回路(15)を備えている。この冷媒回路(15)には、二酸化炭素(CO2)が冷媒として充填されている。また、冷媒回路(15)には、放熱器(16)と蒸発器(17)と圧縮・膨張ユニット(30)とが設けられている。放熱器(16)は、その入口側が圧縮・膨張ユニット(30)の吐出管(36)に接続され、その出口側が圧縮・膨張ユニット(30)の流入ポート(34)に接続されている。蒸発器(17)は、その入口側が圧縮・膨張ユニット(30)の流出ポート(35)に接続され、その出口側が圧縮・膨張ユニット(30)の吸入ポート(32)に接続されている。放熱器(16)と蒸発器(17)とは、それぞれ冷媒回路(15)の冷媒を空気と熱交換させる。 As shown in FIG. 1, the air conditioner (10) includes a refrigerant circuit (15). The refrigerant circuit (15) is filled with carbon dioxide (CO 2 ) as a refrigerant. The refrigerant circuit (15) is provided with a radiator (16), an evaporator (17), and a compression / expansion unit (30). The radiator (16) has an inlet side connected to the discharge pipe (36) of the compression / expansion unit (30) and an outlet side connected to the inlet port (34) of the compression / expansion unit (30). The evaporator (17) has an inlet side connected to the outflow port (35) of the compression / expansion unit (30) and an outlet side connected to the suction port (32) of the compression / expansion unit (30). The radiator (16) and the evaporator (17) cause the refrigerant in the refrigerant circuit (15) to exchange heat with air.

図2に示すように、圧縮・膨張ユニット(30)は、縦長で円筒形の密閉容器であるケーシング(31)を備えている。このケーシング(31)の内部には、下から上に向かって順に、圧縮機(50)と、電動機(45)と、膨張機(60)とが配置されている。   As shown in FIG. 2, the compression / expansion unit (30) includes a casing (31) which is a vertically long and cylindrical sealed container. Inside the casing (31), a compressor (50), an electric motor (45), and an expander (60) are arranged in order from the bottom to the top.

上記ケーシング(31)には、吐出管(36)が取り付けられている。この吐出管(36)は、電動機(45)と膨張機(60)の間に配置され、ケーシング(31)の内部空間に連通している。   A discharge pipe (36) is attached to the casing (31). The discharge pipe (36) is disposed between the electric motor (45) and the expander (60) and communicates with the internal space of the casing (31).

上記電動機(45)は、ケーシング(31)の長手方向の中央部に配置されている。この電動機(45)は、ステータ(46)とロータ(47)とにより構成されている。ステータ(46)は、上記ケーシング(31)に固定されている。ロータ(47)は、ステータ(46)の内側に配置されている。また、ロータ(47)には、該ロータ(47)と同軸にシャフト(40)の主軸部(44)が貫通している。   The electric motor (45) is arranged at the center in the longitudinal direction of the casing (31). The electric motor (45) includes a stator (46) and a rotor (47). The stator (46) is fixed to the casing (31). The rotor (47) is disposed inside the stator (46). Further, the main shaft portion (44) of the shaft (40) passes through the rotor (47) coaxially with the rotor (47).

上記シャフト(40)は、回転軸を構成している。このシャフト(40)では、その下端側に2つの下側偏心部(58,59)が形成され、その上端側に2つの大径偏心部(41,42)が形成されている。   The shaft (40) constitutes a rotating shaft. In the shaft (40), two lower eccentric portions (58, 59) are formed on the lower end side, and two large-diameter eccentric portions (41, 42) are formed on the upper end side.

2つの下側偏心部(58,59)は、主軸部(44)よりも大径に形成されており、下側のものが第1下側偏心部(58)を、上側のものが第2下側偏心部(59)をそれぞれ構成している。第1下側偏心部(58)と第2下側偏心部(59)とでは、主軸部(44)の軸心に対する偏心方向が逆になっている。   The two lower eccentric portions (58, 59) are formed to have a larger diameter than the main shaft portion (44), the lower one being the first lower eccentric portion (58) and the upper one being the second. A lower eccentric portion (59) is formed. In the first lower eccentric portion (58) and the second lower eccentric portion (59), the eccentric directions of the main shaft portion (44) with respect to the axial center are reversed.

2つの大径偏心部(41,42)は、主軸部(44)よりも大径に形成されており、下側のものが第1大径偏心部(41)を構成し、上側のものが第2大径偏心部(42)を構成している。第1大径偏心部(41)と第2大径偏心部(42)とは、何れも同じ方向へ偏心している。第2大径偏心部(42)の外径は、第1大径偏心部(41)の外径よりも大きくなっている。また、主軸部(44)の軸心に対する偏心量は、第2大径偏心部(42)の方が第1大径偏心部(41)よりも大きくなっている。   The two large-diameter eccentric parts (41, 42) are formed with a larger diameter than the main shaft part (44), the lower one constitutes the first large-diameter eccentric part (41), and the upper one is A second large-diameter eccentric portion (42) is configured. The first large-diameter eccentric part (41) and the second large-diameter eccentric part (42) are both eccentric in the same direction. The outer diameter of the second large-diameter eccentric part (42) is larger than the outer diameter of the first large-diameter eccentric part (41). Further, the amount of eccentricity of the main shaft portion (44) with respect to the shaft center is larger in the second large-diameter eccentric portion (42) than in the first large-diameter eccentric portion (41).

圧縮機(50)は、揺動ピストン型のロータリ圧縮機を構成している。この圧縮機(50)は、シリンダ(51,52)とピストン(57)を2つずつ備えている。圧縮機(50)では、下から上へ向かって順に、リアヘッド(55)と、第1シリンダ(51)と、中間プレート(56)と、第2シリンダ(52)と、フロントヘッド(54)とが積層された状態となっている。   The compressor (50) constitutes an oscillating piston type rotary compressor. The compressor (50) includes two cylinders (51, 52) and two pistons (57). In the compressor (50), in order from bottom to top, the rear head (55), the first cylinder (51), the intermediate plate (56), the second cylinder (52), and the front head (54) Are stacked.

第1及び第2シリンダ(51,52)の内部には、円筒状のピストン(57)が1つずつ配置されている。図示しないが、ピストン(57)の側面には平板状のブレードが突設されており、このブレードは揺動ブッシュを介してシリンダ(51,52)に支持されている。第1シリンダ(51)内のピストン(57)は、シャフト(40)の第1下側偏心部(58)と係合する。一方、第2シリンダ(52)内のピストン(57)は、シャフト(40)の第2下側偏心部(59)と係合する。各ピストン(57,57)は、その内周面が下側偏心部(58,59)の外周面と摺接し、その外周面がシリンダ(51,52)の内周面と摺接する。そして、ピストン(57,57)の外周面とシリンダ(51,52)の内周面との間に圧縮室(53)が形成される。   One cylindrical piston (57) is disposed inside each of the first and second cylinders (51, 52). Although not shown, a flat plate-like blade projects from the side surface of the piston (57), and this blade is supported by the cylinder (51, 52) via a swing bush. The piston (57) in the first cylinder (51) engages with the first lower eccentric portion (58) of the shaft (40). On the other hand, the piston (57) in the second cylinder (52) engages with the second lower eccentric portion (59) of the shaft (40). Each piston (57, 57) has its inner peripheral surface in sliding contact with the outer peripheral surface of the lower eccentric portion (58, 59), and its outer peripheral surface is in sliding contact with the inner peripheral surface of the cylinder (51, 52). A compression chamber (53) is formed between the outer peripheral surface of the piston (57, 57) and the inner peripheral surface of the cylinder (51, 52).

第1及び第2シリンダ(51,52)には、それぞれ吸入ポート(33)が1つずつ形成されている。各吸入ポート(33)は、シリンダ(51,52)を半径方向に貫通し、その終端がシリンダ(51,52)の内周面に開口している。また、各吸入ポート(33)は、配管によってケーシング(31)の外部へ延長されている。   One suction port (33) is formed in each of the first and second cylinders (51, 52). Each suction port (33) penetrates the cylinder (51, 52) in the radial direction, and its terminal end opens on the inner peripheral surface of the cylinder (51, 52). Each suction port (33) is extended to the outside of the casing (31) by piping.

フロントヘッド(54)及びリアヘッド(55)には、それぞれ吐出ポートが1つずつ形成されている。フロントヘッド(54)の吐出ポートは、第2シリンダ(52)内の圧縮室(53)をケーシング(31)の内部空間と連通させる。リアヘッド(55)の吐出ポートは、第1シリンダ(51)内の圧縮室(53)をケーシング(31)の内部空間と連通させる。また、各吐出ポートは、その終端にリード弁からなる吐出弁が設けられており、この吐出弁によって開閉される。尚、図2において、吐出ポート及び吐出弁の図示は省略する。そして、圧縮機(50)からケーシング(31)の内部空間へ吐出されたガス冷媒は、吐出管(36)を通って圧縮・膨張ユニット(30)から送り出される。   One discharge port is formed in each of the front head (54) and the rear head (55). The discharge port of the front head (54) allows the compression chamber (53) in the second cylinder (52) to communicate with the internal space of the casing (31). The discharge port of the rear head (55) allows the compression chamber (53) in the first cylinder (51) to communicate with the internal space of the casing (31). Each discharge port is provided with a discharge valve consisting of a reed valve at its end, and is opened and closed by this discharge valve. In FIG. 2, the discharge port and the discharge valve are not shown. The gas refrigerant discharged from the compressor (50) into the internal space of the casing (31) is sent out from the compression / expansion unit (30) through the discharge pipe (36).

上記膨張機(60)は、いわゆる揺動ピストン型の流体機械で構成されている。この膨張機(60)には、対になったシリンダ(81,82)及びピストン(75,85)が二組設けられている。また、膨張機(60)には、フロントヘッド(61)と、中間プレート(63)と、リアヘッド(62)とが設けられている。   The expander (60) is a so-called oscillating piston type fluid machine. The expander (60) is provided with two pairs of cylinders (81, 82) and pistons (75, 85) which are paired. The expander (60) includes a front head (61), an intermediate plate (63), and a rear head (62).

上記膨張機(60)では、下から上へ向かって順に、フロントヘッド(61)、第1シリンダ(71)、中間プレート(63)、第2シリンダ(81)、リアヘッド(62)が積層された状態となっている。この状態において、第1シリンダ(71)は、その下側端面がフロントヘッド(61)により閉塞され、その上側端面が中間プレート(63)により閉塞されている。一方、第2シリンダ(81)は、その下側端面が中間プレート(63)により閉塞され、その上側端面がリアヘッド(62)により閉塞されている。また、第2シリンダ(81)の内径は、第1シリンダ(71)の内径よりも大きくなっている。上記シャフト(40)は、積層された状態のフロントヘッド(61)、第1シリンダ(71)、中間プレート(63)、第2シリンダ(81)、及びリアヘッド(62)を貫通している。   In the expander (60), a front head (61), a first cylinder (71), an intermediate plate (63), a second cylinder (81), and a rear head (62) are laminated in order from bottom to top. It is in a state. In this state, the first cylinder (71) has its lower end face closed by the front head (61) and its upper end face closed by the intermediate plate (63). On the other hand, the second cylinder (81) has its lower end face closed by the intermediate plate (63) and its upper end face closed by the rear head (62). The inner diameter of the second cylinder (81) is larger than the inner diameter of the first cylinder (71). The shaft (40) passes through the stacked front head (61), first cylinder (71), intermediate plate (63), second cylinder (81), and rear head (62).

図3,図4に示すように、第1シリンダ(71)内には第1ピストン(75)が、第2シリンダ(81)内には第2ピストン(85)がそれぞれ設けられている。第1及び第2ピストン(75,85)は、何れも円環状あるいは円筒状に形成されている。第1ピストン(75)の外径と第2ピストン(85)の外径とは、互いに等しくなっている。そして、第1ピストン(75)には第1大径偏心部(41)が、第2ピストン(85)には第2大径偏心部(42)がそれぞれ貫通している。第1シリンダ(71)内には、その内周面と第1ピストン(75)の外周面との間に第1流体室(72)が形成される。第2シリンダ(81)内には、その内周面と第2ピストン(85)の外周面との間に第2流体室(82)が形成される。   As shown in FIGS. 3 and 4, a first piston (75) is provided in the first cylinder (71), and a second piston (85) is provided in the second cylinder (81). The first and second pistons (75, 85) are both formed in an annular shape or a cylindrical shape. The outer diameter of the first piston (75) and the outer diameter of the second piston (85) are equal to each other. The first large-diameter eccentric portion (41) penetrates the first piston (75), and the second large-diameter eccentric portion (42) penetrates the second piston (85). A first fluid chamber (72) is formed in the first cylinder (71) between the inner peripheral surface thereof and the outer peripheral surface of the first piston (75). A second fluid chamber (82) is formed in the second cylinder (81) between the inner peripheral surface thereof and the outer peripheral surface of the second piston (85).

上記第1及び第2ピストン(75,85)のそれぞれには、ブレード(76,86)が1つずつ一体に設けられている。ブレード(76,86)は、ピストン(75,85)の半径方向へ延びる板状に形成されており、ピストン(75,85)の外周面から外側へ突出している。   One blade (76, 86) is provided integrally with each of the first and second pistons (75, 85). The blades (76, 86) are formed in a plate shape extending in the radial direction of the piston (75, 85), and protrude outward from the outer peripheral surface of the piston (75, 85).

上記各シリンダ(71,81)には、一対のブッシュ(77,87)が一組ずつ設けられている。各ブッシュ(77,87)は、内側面が平面となって外側面が円弧面となるように形成された小片である。一対のブッシュ(77,87)は、ブレード(76,86)を挟み込んだ状態で設置されている。各ブッシュ(77,87)は、その内側面がブレード(76,86)と、その外側面がシリンダ(81,82)と摺動する。そして、ピストン(75,85)と一体のブレード(76,86)は、ブッシュ(77,87)を介してシリンダ(71,81)に支持され、シリンダ(71,81)に対して回動自在で且つ進退自在となっている。尚、上記第1シリンダ(71)と第2シリンダ(81)とは、それぞれの周方向におけるブッシュ(77,87)の位置が一致する姿勢で配置されている。   Each cylinder (71, 81) is provided with a pair of bushes (77, 87). Each bush (77, 87) is a small piece formed such that the inner surface is a flat surface and the outer surface is a circular arc surface. The pair of bushes (77, 87) are installed with the blade (76, 86) sandwiched therebetween. Each bush (77, 87) slides on its inner side with the blade (76, 86) and its outer side with the cylinder (81, 82). The blade (76, 86) integral with the piston (75, 85) is supported by the cylinder (71, 81) via the bush (77, 87) and is rotatable with respect to the cylinder (71, 81). And you can move forward and backward. The first cylinder (71) and the second cylinder (81) are arranged in such a posture that the positions of the bushes (77, 87) in the respective circumferential directions coincide.

第1シリンダ(71)内の第1流体室(72)は、第1ピストン(75)と一体の第1ブレード(76)によって仕切られており、図4における第1ブレード(76)の左側が高圧側の第1高圧室(73)となり、その右側が低圧側の第1低圧室(74)となっている。第2シリンダ(81)内の第2流体室(82)は、第2ピストン(85)と一体の第2ブレード(86)によって仕切られており、図4における第2ブレード(86)の左側が高圧側の第2高圧室(83)となり、その右側が低圧側の第2低圧室(84)となっている。   The first fluid chamber (72) in the first cylinder (71) is partitioned by a first blade (76) integral with the first piston (75), and the left side of the first blade (76) in FIG. The first high pressure chamber (73) on the high pressure side is formed, and the right side thereof is the first low pressure chamber (74) on the low pressure side. The second fluid chamber (82) in the second cylinder (81) is partitioned by a second blade (86) integral with the second piston (85), and the left side of the second blade (86) in FIG. A high pressure side second high pressure chamber (83) is formed, and a right side thereof is a low pressure side second low pressure chamber (84).

上記第1シリンダ(71)には、流入ポート(34)が形成されている。流入ポート(34)は、第1シリンダ(71)の内周面のうち、図3,図4におけるブッシュ(77)のやや左側の箇所に開口している。流入ポート(34)は、第1高圧室(73)と連通可能となっている。一方、上記第2シリンダ(81)には、流出ポート(35)が形成されている。流出ポート(35)は、第2シリンダ(81)の内周面のうち、図3,図4におけるブッシュ(87)のやや右側の箇所に開口している。流出ポート(35)は、第2低圧室(84)と連通可能となっている。   The first cylinder (71) has an inflow port (34). The inflow port (34) opens at a position slightly on the left side of the bush (77) in FIGS. 3 and 4 in the inner peripheral surface of the first cylinder (71). The inflow port (34) can communicate with the first high pressure chamber (73). On the other hand, the outflow port (35) is formed in the second cylinder (81). The outflow port (35) opens at a position slightly on the right side of the bush (87) in FIGS. 3 and 4 in the inner peripheral surface of the second cylinder (81). The outflow port (35) can communicate with the second low pressure chamber (84).

上記中間プレート(63)には、連通路(64)が形成されている。この連通路(64)は、中間プレート(63)を厚み方向へ貫通している。中間プレート(63)における第1シリンダ(71)側の面では、第1ブレード(76)の右側の箇所に連通路(64)の一端が開口している。中間プレート(63)における第2シリンダ(81)側の面では、第2ブレード(86)の左側の箇所に連通路(64)の他端が開口している。そして、図3に示すように、連通路(64)は、中間プレート(63)の厚み方向に対して斜めに延びており、第1低圧室(74)と第2高圧室(83)とを互いに連通させている。   A communication passage (64) is formed in the intermediate plate (63). The communication path (64) penetrates the intermediate plate (63) in the thickness direction. On the surface of the intermediate plate (63) on the first cylinder (71) side, one end of the communication path (64) is opened at a location on the right side of the first blade (76). On the surface of the intermediate plate (63) on the second cylinder (81) side, the other end of the communication path (64) is opened at a location on the left side of the second blade (86). As shown in FIG. 3, the communication path (64) extends obliquely with respect to the thickness direction of the intermediate plate (63), and connects the first low pressure chamber (74) and the second high pressure chamber (83). Communicate with each other.

以上のように構成された上記膨張機(60)では、第1シリンダ(71)と、そこに設けられたブッシュ(77)と、第1ピストン(75)と、第1ブレード(76)とが第1ロータリ機構部(70)を構成している。また、第2シリンダ(81)と、そこに設けられたブッシュ(87)と、第2ピストン(85)と、第2ブレード(86)とが第2ロータリ機構部(80)を構成している。また、この膨張機(60)では、第1ロータリ機構部(70)の押しのけ容積(即ち第1流体室(72)の最大容積)に比べて、第2ロータリ機構部(80)の押しのけ容積(即ち第2流体室(82)の最大容積)の方が大きくなっている。   In the expander (60) configured as described above, the first cylinder (71), the bush (77) provided therein, the first piston (75), and the first blade (76) are provided. A first rotary mechanism (70) is configured. The second cylinder (81), the bush (87) provided there, the second piston (85), and the second blade (86) constitute a second rotary mechanism (80). . Further, in this expander (60), the displacement volume of the second rotary mechanism section (80) (in comparison with the displacement volume of the first rotary mechanism section (70) (that is, the maximum volume of the first fluid chamber (72)) ( That is, the maximum volume of the second fluid chamber (82) is larger.

上述のように、上記膨張機(60)では、第1ブレード(76)が第1シリンダ(71)の外側へ最も退くタイミングと、第2ブレード(86)が第2シリンダ(81)の外側へ最も退くタイミングとが同期している。つまり、第1ロータリ機構部(70)において第1低圧室(74)の容積が減少してゆく過程と、第2ロータリ機構部(80)において第2高圧室(83)の容積が増加してゆく過程とが同期している(図4参照)。また、上述のように、第1ロータリ機構部(70)の第1低圧室(74)と、第2ロータリ機構部(80)の第2高圧室(83)とは、連通路(64)を介して互いに連通している。そして、第1低圧室(74)と連通路(64)と第2高圧室(83)とによって1つの閉空間が形成され、この閉空間が膨張室(66)を構成する。   As described above, in the expander (60), the timing at which the first blade (76) is most retracted to the outside of the first cylinder (71) and the second blade (86) is to the outside of the second cylinder (81). The timing of the most withdrawal is synchronized. That is, the process in which the volume of the first low pressure chamber (74) decreases in the first rotary mechanism (70) and the volume of the second high pressure chamber (83) increases in the second rotary mechanism (80). The going process is synchronized (see FIG. 4). In addition, as described above, the first low pressure chamber (74) of the first rotary mechanism (70) and the second high pressure chamber (83) of the second rotary mechanism (80) communicate with the communication path (64). Are in communication with each other. The first low pressure chamber (74), the communication passage (64), and the second high pressure chamber (83) form one closed space, and this closed space constitutes the expansion chamber (66).

−運転動作−
上記空調機(10)では、冷媒回路(15)で冷媒を循環させることで冷凍サイクルが行われる。冷房運転時には、放熱器(16)へ送られた室外空気に対して冷媒が放熱し、蒸発器(17)へ送られた室内空気から冷媒が吸熱する。これによって室内空気が冷却される。一方、暖房運転時には、放熱器(16)へ送られた室内空気に対して冷媒が放熱し、蒸発器(17)へ送られた室外空気から冷媒が吸熱する。これによって室内空気が加熱される。
-Driving action-
In the air conditioner (10), a refrigeration cycle is performed by circulating the refrigerant in the refrigerant circuit (15). During the cooling operation, the refrigerant radiates heat to the outdoor air sent to the radiator (16), and the refrigerant absorbs heat from the indoor air sent to the evaporator (17). This cools the room air. On the other hand, during the heating operation, the refrigerant radiates heat to the indoor air sent to the radiator (16), and the refrigerant absorbs heat from the outdoor air sent to the evaporator (17). As a result, the room air is heated.

〈冷媒回路での冷凍サイクル〉
上記冷媒回路(15)での冷凍サイクルについて、図5のモリエル線図(圧力−エンタルピ線図)を参照しながら説明する。
<Refrigeration cycle in refrigerant circuit>
The refrigeration cycle in the refrigerant circuit (15) will be described with reference to the Mollier diagram (pressure-enthalpy diagram) in FIG.

圧縮機(50)へは、同図の点Aに示す状態の冷媒が吸入される。圧縮機(50)では、点Aの状態の冷媒が圧縮されて点Bの状態となる。点Bの状態では、冷媒の圧力がその臨界圧力PCよりも高くなっている。点Bの状態となって圧縮機(50)から吐出された冷媒は、放熱器(16)へと送られる。放熱器(16)では、点Bの状態の冷媒が空気へ放熱し、圧力一定のままエンタルピが低下して点Cの状態となる。点Bの状態から点Cの状態になるまでの間は、冷媒の温度が次第に低下してゆく。 The refrigerant in the state indicated by the point A in the drawing is sucked into the compressor (50). In the compressor (50), the refrigerant in the state of point A is compressed to be in the state of point B. In the state of point B, the refrigerant pressure is higher than its critical pressure P C. The refrigerant discharged from the compressor (50) in the state of point B is sent to the radiator (16). In the radiator (16), the refrigerant in the state of point B dissipates heat to the air, and the enthalpy is reduced to a state of point C while the pressure is constant. During the period from point B to point C, the temperature of the refrigerant gradually decreases.

点Cの状態となって放熱器(16)から流出した冷媒は、膨張機(60)へ導入される。膨張機(60)では、点Cの状態の冷媒が断熱膨張し、この冷媒からの動力回収が行われる。この膨張機(60)において、冷媒は、概ね等エントロピ線に沿って点Cの状態から点Dの状態へ変化する。点Dの状態となって膨張機(60)から流出した冷媒は、蒸発器(17)へと送られる。蒸発器(17)では、点Dの状態の冷媒が空気から吸熱し、圧力一定のままエンタルピが増加して点Aの状態となる。点Dの状態から点Aの状態になるまでの間は、冷媒の温度が一定となる。点Aの状態となって蒸発器(17)から流出した冷媒は、圧縮機(50)へ吸入されて再び圧縮される。   The refrigerant flowing out of the radiator (16) in the state of point C is introduced into the expander (60). In the expander (60), the refrigerant in the state of point C is adiabatically expanded and power recovery from the refrigerant is performed. In the expander (60), the refrigerant changes from the state at the point C to the state at the point D substantially along the isentropic line. The refrigerant flowing out of the expander (60) in the state of point D is sent to the evaporator (17). In the evaporator (17), the refrigerant in the state of point D absorbs heat from the air, the enthalpy increases with the pressure kept constant, and the state of point A is reached. During the period from the point D state to the point A state, the refrigerant temperature is constant. The refrigerant flowing out of the evaporator (17) in the state of point A is sucked into the compressor (50) and compressed again.

〈膨張機の動作〉
膨張機(60)の動作について、図4を参照しながら説明する。
<Operation of the expander>
The operation of the expander (60) will be described with reference to FIG.

先ず、第1ロータリ機構部(70)の第1高圧室(73)へ超臨界状態の高圧冷媒が流入する過程について説明する。回転角が0°の状態からシャフト(40)が僅かに回転すると、第1ピストン(75)と第1シリンダ(71)の接触位置が流入ポート(34)の開口部を通過し、流入ポート(34)から第1高圧室(73)へ高圧冷媒が流入し始める。その後、シャフト(40)の回転角が90°,180°,270°と次第に大きくなるにつれて、第1高圧室(73)へ高圧冷媒が流入してゆく。この第1高圧室(73)への高圧冷媒の流入は、シャフト(40)の回転角が360°に達するまで続く。   First, a process in which the supercritical high pressure refrigerant flows into the first high pressure chamber (73) of the first rotary mechanism (70) will be described. When the shaft (40) rotates slightly from the state where the rotation angle is 0 °, the contact position between the first piston (75) and the first cylinder (71) passes through the opening of the inflow port (34), and the inflow port ( 34) The high-pressure refrigerant begins to flow from the first high-pressure chamber (73). Thereafter, as the rotation angle of the shaft (40) gradually increases to 90 °, 180 °, and 270 °, the high-pressure refrigerant flows into the first high-pressure chamber (73). The inflow of the high-pressure refrigerant into the first high-pressure chamber (73) continues until the rotation angle of the shaft (40) reaches 360 °.

次に、膨張機(60)において冷媒が膨張する過程について説明する。回転角が0°の状態からシャフト(40)が僅かに回転すると、第1低圧室(74)と第2高圧室(83)が連通路(64)を介して互いに連通し、第1低圧室(74)から第2高圧室(83)へと冷媒が流入し始める。その後、シャフト(40)の回転角が90°,180°,270°と次第に大きくなるにつれ、第1低圧室(74)の容積が次第に減少すると同時に第2高圧室(83)の容積が次第に増加し、結果として膨張室(66)の容積が次第に増加してゆく。この膨張室(66)の容積増加は、シャフト(40)の回転角が360°に達する直前まで続く。膨張室(66)内の冷媒は、膨張室(66)の容積が増加する過程で圧力降下しながら膨張する。そして、第1高圧室(73)と第1低圧室(74)の内圧差、及び 第2高圧室(83)と第2低圧室(84)の内圧差によってトルクが発生し、このトルクによってシャフト(40)が回転駆動される。このように、第1低圧室(74)内の冷媒は、連通路(64)を通って第2高圧室(83)へ膨張しながら流入してゆく。   Next, a process of expanding the refrigerant in the expander (60) will be described. When the shaft (40) is slightly rotated from the state where the rotation angle is 0 °, the first low pressure chamber (74) and the second high pressure chamber (83) communicate with each other via the communication passage (64), and the first low pressure chamber The refrigerant begins to flow from (74) into the second high pressure chamber (83). Thereafter, as the rotation angle of the shaft (40) gradually increases to 90 °, 180 °, and 270 °, the volume of the first low pressure chamber (74) gradually decreases and the volume of the second high pressure chamber (83) gradually increases. As a result, the volume of the expansion chamber (66) gradually increases. This increase in the volume of the expansion chamber (66) continues until just before the rotation angle of the shaft (40) reaches 360 °. The refrigerant in the expansion chamber (66) expands while the pressure drops in the process of increasing the volume of the expansion chamber (66). Torque is generated by the internal pressure difference between the first high pressure chamber (73) and the first low pressure chamber (74) and the internal pressure difference between the second high pressure chamber (83) and the second low pressure chamber (84). (40) is driven to rotate. Thus, the refrigerant in the first low pressure chamber (74) flows through the communication passage (64) while expanding into the second high pressure chamber (83).

最後に、第2ロータリ機構部(80)の第2低圧室(84)から冷媒が流出してゆく過程について説明する。第2低圧室(84)は、シャフト(40)の回転角が0°の時点から流出ポート(35)に連通し始める。つまり、第2低圧室(84)から流出ポート(35)へと冷媒が流出し始める。その後、シャフト(40)の回転角が90°,180°,270°と次第に大きくなってゆき、その回転角が360°に達するまでの間に亘って、第2低圧室(84)から膨張後の低圧冷媒が流出してゆく。   Finally, the process in which the refrigerant flows out from the second low pressure chamber (84) of the second rotary mechanism (80) will be described. The second low pressure chamber (84) starts to communicate with the outflow port (35) when the rotation angle of the shaft (40) is 0 °. That is, the refrigerant starts to flow from the second low pressure chamber (84) to the outflow port (35). After that, the shaft (40) has a rotation angle gradually increased to 90 °, 180 °, and 270 °, and after the expansion from the second low pressure chamber (84) until the rotation angle reaches 360 °. The low-pressure refrigerant flows out.

−膨張機の仕様−
上述のように、上記膨張機(60)では、第1ロータリ機構部(70)の押しのけ容積に比べて、第2ロータリ機構部(80)の押しのけ容積の方が大きくなっている。第1ロータリ機構部(70)の押しのけ容積は、第1流体室(72)の最大容積、即ち流入ポート(34)から遮断された直後における第1流体室(72)の容積である。第2ロータリ機構部(80)の押しのけ容積は、第2流体室(82)の最大容積、即ち流出ポート(35)に連通する直前における第2流体室(82)の容積である。
-Expander specifications-
As described above, in the expander (60), the displacement volume of the second rotary mechanism portion (80) is larger than the displacement volume of the first rotary mechanism portion (70). The displacement volume of the first rotary mechanism (70) is the maximum volume of the first fluid chamber (72), that is, the volume of the first fluid chamber (72) immediately after being shut off from the inflow port (34). The displacement volume of the second rotary mechanism (80) is the maximum volume of the second fluid chamber (82), that is, the volume of the second fluid chamber (82) immediately before communicating with the outflow port (35).

ここでは、上記膨張機(60)において各ロータリ機構部(70,80)の押しのけ容積がどのように設定されているかを説明する。   Here, how the displacement volume of each rotary mechanism (70, 80) is set in the expander (60) will be described.

上記空調機(10)では、放熱器(16)及び蒸発器(17)において冷媒が室内空気又は室外空気と熱交換する。そこで、室内空気や室外空気の状態を考慮して、設計基準となる基準運転条件での冷凍サイクルの低圧圧力(基準低圧PL)と放熱器(16)の出口における冷媒温度(基準冷媒温度T2)とが設定される。また、空調機(10)に要求される空調能力を想定すれば、その空調能力を得るために必要な冷媒回路(15)での冷媒循環量(冷媒流量)が決まり、それに応じて圧縮機の吸入容積v1が設定される。また、膨張機(60)が1本のシャフト(40)で圧縮機(50)と連結されているため、膨張機(60)と圧縮機(50)はそれぞれの回転速度が同じになる。つまり、膨張機(60)の回転速度に対する圧縮機(50)の回転速度の比rは「1」となる。 In the air conditioner (10), the refrigerant exchanges heat with indoor air or outdoor air in the radiator (16) and the evaporator (17). Therefore, taking into consideration the conditions of indoor air and outdoor air, the low-pressure pressure (reference low-pressure P L ) of the refrigeration cycle and the refrigerant temperature at the outlet of the radiator (16) (reference refrigerant temperature T 2 ) and are set. Also, assuming the air conditioning capacity required for the air conditioner (10), the refrigerant circulation amount (refrigerant flow rate) in the refrigerant circuit (15) required to obtain the air conditioning capacity is determined, and the compressor A suction volume v 1 is set. Moreover, since the expander (60) is connected with the compressor (50) by one shaft (40), the rotation speeds of the expander (60) and the compressor (50) are the same. That is, the ratio r of the rotational speed of the compressor (50) to the rotational speed of the expander (60) is “1”.

上述のように、高圧圧力が冷媒の臨界圧力以上となる冷凍サイクル(いわゆる超臨界サイクル)では、室内空気や室外空気の状態を考慮するだけでは冷凍サイクルの高圧圧力を設定できない。一方、図6に示すように、超臨界サイクルでは、冷凍サイクルの低圧圧力と放熱器(16)の出口における冷媒温度を固定すると、冷凍サイクルの高圧圧力に応じて冷凍サイクルのCOP(成績係数)が変化し、この高圧圧力が特定の値となった場合に冷凍サイクルのCOPが最高となる。   As described above, in a refrigeration cycle (so-called supercritical cycle) in which the high pressure is equal to or higher than the critical pressure of the refrigerant, the high pressure of the refrigeration cycle cannot be set only by considering the state of indoor air or outdoor air. On the other hand, as shown in FIG. 6, in the supercritical cycle, when the low pressure of the refrigeration cycle and the refrigerant temperature at the outlet of the radiator (16) are fixed, the COP (coefficient of performance) of the refrigeration cycle depends on the high pressure of the refrigeration cycle. Changes, and when this high pressure reaches a specific value, the COP of the refrigeration cycle is maximized.

尚、同図に示すグラフの縦軸は、放熱器(16)で対象物を加熱する場合のCOPであって、ΔhBC/(ΔhBA−ΔhCD) で表される値である。図5に示すように、ΔhBCは放熱器(16)において冷媒が対象物へ放熱する熱量を、ΔhBAは圧縮機で冷媒を圧縮するために必要な動力を、ΔhCDは膨張機で冷媒から回収される動力を、それぞれ冷媒1kg当たりの値として表したものである。 The vertical axis of the graph shown in the figure, a COP in the case of heating the object in the radiator (16) is a value represented by Δh BC / (Δh BA -Δh CD ). As shown in FIG. 5, Δh BC is the amount of heat that the refrigerant radiates to the object in the radiator (16), Δh BA is the power required to compress the refrigerant by the compressor, and Δh CD is the refrigerant in the expander. The power recovered from each is expressed as a value per kg of refrigerant.

本実施形態の膨張機(60)では、“冷凍サイクルの低圧圧力と放熱器(16)の出口における冷媒温度を固定するとCOPが最高となる高圧圧力が一義的に決まる”という超臨界サイクルの特性に着目し、この特性を利用して各ロータリ機構部(70,80)の押しのけ容積を設定している。   In the expander (60) of the present embodiment, the supercritical cycle characteristic that “the high pressure at which the COP becomes maximum is uniquely determined when the low pressure of the refrigeration cycle and the refrigerant temperature at the outlet of the radiator (16) are fixed” is determined. Paying attention to this, the displacement volume of each rotary mechanism (70, 80) is set using this characteristic.

この点について詳しく説明する。上記圧縮機(50)が飽和ガス冷媒を吸入すると仮定すると、圧縮機(50)の吸入冷媒の密度は、基準低圧における飽和ガス冷媒の密度ρ1となる。上記圧縮機(50)が1回転する毎に吐出される冷媒量は、基準低圧における飽和ガス冷媒の密度ρ1に圧縮機の吸入容積v1を乗じた値(ρ1・v1)となる。上記基準高圧及び基準冷媒温度における冷媒の密度、即ち膨張機(60)へ導入される冷媒の密度をρ2とする。膨張機(60)へ導入される冷媒量は、圧縮機(50)から吐出される冷媒量と等しいのが理想である。このため、第1ロータリ機構部(70)の押しのけ容積、即ち第1流体室(72)の最大容積v2は、v2=ρ1・v1・r/ρ2に設定される。 This point will be described in detail. Assuming that the compressor (50) sucks saturated gas refrigerant, the density of the refrigerant sucked into the compressor (50) becomes the density ρ 1 of the saturated gas refrigerant at the reference low pressure. The amount of refrigerant discharged every rotation of the compressor (50) is a value (ρ 1 · v 1 ) obtained by multiplying the density ρ 1 of the saturated gas refrigerant at the reference low pressure by the suction volume v 1 of the compressor. . Let ρ 2 be the density of the refrigerant at the reference high pressure and the reference refrigerant temperature, that is, the density of the refrigerant introduced into the expander (60). Ideally, the amount of refrigerant introduced into the expander (60) is equal to the amount of refrigerant discharged from the compressor (50). For this reason, the displacement volume of the first rotary mechanism (70), that is, the maximum volume v 2 of the first fluid chamber (72) is set to v 2 = ρ 1 · v 1 · r / ρ 2 .

膨張機(60)で冷媒が断熱膨張すると仮定すると、膨張機(60)の出口における冷媒の密度ρ3が決まる。膨張機(60)から流出する冷媒量は、膨張機(60)へ導入される冷媒量と常に等しくなる。このため、第2ロータリ機構部(80)の押しのけ容積、即ち第2流体室(82)の最大容積v3は、v3=ρ2・v2/ρ3に設定される。 Assuming that the refrigerant adiabatically expands in the expander (60), the density ρ 3 of the refrigerant at the outlet of the expander (60) is determined. The amount of refrigerant flowing out of the expander (60) is always equal to the amount of refrigerant introduced into the expander (60). For this reason, the displacement volume of the second rotary mechanism (80), that is, the maximum volume v 3 of the second fluid chamber (82) is set to v 3 = ρ 2 · v 2 / ρ 3 .

具体例を示す。設計基準となる基準運転条件での冷媒蒸発温度を0℃に、放熱器(16)出口での冷媒温度を35℃にそれぞれ設定した場合について説明する。この場合、基準冷媒温度は、35℃に設定される。一方、基準低圧は、冷媒である二酸化炭素(CO2)の蒸発温度が0℃となる圧力3.5MPa に設定される。基準低圧3.5MPa における飽和ガス冷媒の密度ρ1は、97.32kg/m3である。また、基準低圧が3.5MPa で基準冷媒温度が35℃の運転条件において、冷凍サイクルのCOPが最高となる高圧圧力、即ち基準高圧は9MPa となる(図6を参照)。基準高圧9MPa で基準冷媒温度35℃の状態における冷媒の密度ρ2は、662.5kg/m3である。また、基準高圧9MPa で基準冷媒温度35℃の状態から基準低圧3.5MPa まで断熱膨張した冷媒の密度ρ3は、220kg/m3である。従って、第1ロータリ機構部(70)の押しのけ容積はv2=(97.32/662.5)v1=0.15v1に設定され、第2ロータリ機構部(80)の押しのけ容積は、v3=(662.5/220)v2=0.44v1に設定される。 A specific example is shown. A case will be described in which the refrigerant evaporating temperature is set to 0 ° C. and the refrigerant temperature at the outlet of the radiator (16) is set to 35 ° C. under the reference operating conditions as design criteria. In this case, the reference refrigerant temperature is set to 35 ° C. On the other hand, the reference low pressure is set to a pressure of 3.5 MPa at which the evaporation temperature of carbon dioxide (CO 2 ) as a refrigerant becomes 0 ° C. The density ρ 1 of the saturated gas refrigerant at the standard low pressure of 3.5 MPa is 97.32 kg / m 3 . Further, under the operating conditions where the reference low pressure is 3.5 MPa and the reference refrigerant temperature is 35 ° C., the high pressure at which the COP of the refrigeration cycle is maximum, that is, the reference high pressure is 9 MPa (see FIG. 6). The refrigerant density ρ 2 at a reference high pressure of 9 MPa and a reference refrigerant temperature of 35 ° C. is 662.5 kg / m 3 . The density ρ 3 of the refrigerant adiabatically expanded from the state of the reference refrigerant temperature of 35 ° C. to the reference low pressure of 3.5 MPa at the reference high pressure of 9 MPa is 220 kg / m 3 . Therefore, the displacement of the first rotary mechanism (70) is set to v 2 = (97.32 / 662.5) v 1 = 0.15v 1, and the displacement of the second rotary mechanism (80) is v 3 = (662.5 / 220) v 2 = 0.44v 1 is set.

−実施形態1の効果−
本実施形態では、冷凍サイクルの低圧圧力(基準低圧)と放熱器(16)の出口における冷媒温度(基準冷媒温度)とが一定の条件下ではCOPが最高となる冷凍サイクルの高圧圧力(基準高圧)が一義的に決まるという超臨界サイクルの特性に着目し、この特性を利用して仕様が決定された膨張機(60)を冷凍装置としての空調機(10)に設けている。従って、本実施形態によれば、空調機(10)の運転条件において最適な仕様の膨張機(60)を用いることができ、膨張機(60)で冷媒から回収される動力を増大させて空調機(10)のCOPを高めることが可能となる。
-Effect of Embodiment 1-
In the present embodiment, the high pressure (reference high pressure) of the refrigeration cycle at which the COP is maximum under the condition that the low pressure (reference low pressure) of the refrigeration cycle and the refrigerant temperature (reference refrigerant temperature) at the outlet of the radiator (16) are constant. ) Is determined uniquely, and the expander (60) whose specifications are determined by using this characteristic is provided in the air conditioner (10) as the refrigeration system. Therefore, according to the present embodiment, the expander (60) having the optimum specification can be used in the operating condition of the air conditioner (10), and the power recovered from the refrigerant by the expander (60) is increased to perform air conditioning. The COP of the machine (10) can be increased.

《発明の実施形態2》
本発明の実施形態2について説明する。ここでは、本実施形態の空調機(10)について、上記実施形態1と異なる点を説明する。
<< Embodiment 2 of the Invention >>
A second embodiment of the present invention will be described. Here, about the air conditioner (10) of this embodiment, a different point from the said Embodiment 1 is demonstrated.

図7に示すように、上記空調機(10)の冷媒回路(15)には、レシーバ(18)が設けられている。レシーバ(18)は、円筒形の密閉容器状に形成されており、蒸発器(17)の出口側と圧縮機(50)の吸入側との間に設置される。レシーバ(18)の内部には、冷媒回路(15)に充填された冷媒の一部が液冷媒の状態で貯留される。レシーバ(18)内の液冷媒の量が増減すると、それに伴って冷媒回路(15)内を循環する冷媒量が変化する。   As shown in FIG. 7, the refrigerant circuit (15) of the air conditioner (10) is provided with a receiver (18). The receiver (18) is formed in a cylindrical sealed container shape, and is installed between the outlet side of the evaporator (17) and the suction side of the compressor (50). A part of the refrigerant filled in the refrigerant circuit (15) is stored in a liquid refrigerant state in the receiver (18). When the amount of liquid refrigerant in the receiver (18) increases or decreases, the amount of refrigerant circulating in the refrigerant circuit (15) changes accordingly.

本実施形態の冷媒回路(15)では、蒸発器(17)から流出した冷媒がレシーバ(18)へ導入され、レシーバ(18)内の冷媒が圧縮機(50)へ吸入される。レシーバ(18)内には液冷媒が存在しているため、圧縮機(50)へ吸入されるレシーバ(18)内の冷媒は、飽和状態となっている。つまり、蒸発器(17)の出口において冷媒が過熱状態となる運転状態においても、圧縮機(50)が吸入する冷媒は飽和状態に保たれる。   In the refrigerant circuit (15) of the present embodiment, the refrigerant flowing out of the evaporator (17) is introduced into the receiver (18), and the refrigerant in the receiver (18) is sucked into the compressor (50). Since liquid refrigerant exists in the receiver (18), the refrigerant in the receiver (18) sucked into the compressor (50) is saturated. That is, the refrigerant sucked by the compressor (50) is kept in a saturated state even in an operation state in which the refrigerant is overheated at the outlet of the evaporator (17).

上記実施形態1の説明において述べたように、膨張機(60)における各ロータリ機構部(70,80)の押しのけ容積は、圧縮機(50)の吸入冷媒が飽和ガス冷媒であることを前提に設定されている。このため、レシーバ(18)を設けることで運転条件に拘わらず圧縮機(50)の吸入冷媒を飽和状態に保つようにすれば、冷媒回路(15)における冷凍サイクルの条件を設計時に想定した運転状態に近づけることができ、冷媒回路(15)での冷凍サイクルを安定化させることが可能となる。   As described in the description of the first embodiment, the displacement of each rotary mechanism (70, 80) in the expander (60) is based on the assumption that the suction refrigerant of the compressor (50) is a saturated gas refrigerant. Is set. For this reason, if the intake refrigerant of the compressor (50) is kept saturated regardless of the operating conditions by providing the receiver (18), the operation assuming the refrigeration cycle conditions in the refrigerant circuit (15) at the time of design. It is possible to approach the state, and it is possible to stabilize the refrigeration cycle in the refrigerant circuit (15).

《発明の実施形態3》
本発明の実施形態3について説明する。ここでは、本実施形態の空調機(10)について、上記実施形態2と異なる点を説明する。
<< Embodiment 3 of the Invention >>
Embodiment 3 of the present invention will be described. Here, about the air conditioner (10) of this embodiment, a different point from the said Embodiment 2 is demonstrated.

図8に示すように、上記空調機(10)の冷媒回路(15)には、内部熱交換器(20)が設けられている。内部熱交換器(20)には、第1流路(21)と第2流路(22)とが設けられている。第1流路(21)は、その入口側が放熱器(16)に、その出口側が膨張機(60)の流入ポート(34)にそれぞれ接続されている。第2流路(22)は、その入口側が蒸発器(17)に、その出口側がレシーバ(18)を介して圧縮機(50)の吸入ポート(32)にそれぞれ接続されている。   As shown in FIG. 8, the refrigerant circuit (15) of the air conditioner (10) is provided with an internal heat exchanger (20). The internal heat exchanger (20) is provided with a first channel (21) and a second channel (22). The first flow path (21) has an inlet side connected to the radiator (16) and an outlet side connected to the inflow port (34) of the expander (60). The second channel (22) has an inlet side connected to the evaporator (17) and an outlet side connected to the suction port (32) of the compressor (50) via the receiver (18).

内部熱交換器(20)では、放熱器(16)から膨張機(60)へ向かう冷媒が、蒸発器(17)からレシーバ(18)へ向かう冷媒との熱交換によって冷却される。膨張機(60)へ流入する冷媒は、内部熱交換器(20)で冷却されることによって、そのエンタルピが低下する。それに伴って、膨張機(60)から蒸発器(17)へ送られる冷媒のエンタルピも低下する。このため、蒸発器(17)の出入口における冷媒のエンタルピ差を拡大することができ、蒸発器(17)において冷媒が空気から吸熱する熱量を増大させることができる。従って、本実施形態によれば、内部熱交換器(20)を設けることによって空調機(10)の冷房能力を高めることが可能となる。   In the internal heat exchanger (20), the refrigerant from the radiator (16) to the expander (60) is cooled by heat exchange with the refrigerant from the evaporator (17) to the receiver (18). The refrigerant flowing into the expander (60) is cooled by the internal heat exchanger (20), so that its enthalpy is lowered. Along with this, the enthalpy of the refrigerant sent from the expander (60) to the evaporator (17) also decreases. For this reason, the enthalpy difference of the refrigerant | coolant in the entrance / exit of an evaporator (17) can be expanded, and the calorie | heat amount which a refrigerant | coolant absorbs from air in an evaporator (17) can be increased. Therefore, according to the present embodiment, it is possible to increase the cooling capacity of the air conditioner (10) by providing the internal heat exchanger (20).

−実施形態3の変形例−
本実施形態の冷媒回路(15)では、図9に示すように、内部熱交換器(20)の第2流路(22)をレシーバ(18)と圧縮機(50)の間に接続してもよい。具体的に、本変形例における内部熱交換器(20)の第2流路(22)は、その入口側がレシーバ(18)を介して蒸発器(17)に、その出口側が圧縮機の吸入ポート(32)にそれぞれ接続される。本変形例の内部熱交換器(20)においても、放熱器(16)から膨張機(60)へ向かう冷媒が蒸発器(17)から圧縮機(50)へ向かう冷媒との熱交換によって冷却され、蒸発器(17)の出入口における冷媒のエンタルピ差が拡大する。
-Modification of Embodiment 3-
In the refrigerant circuit (15) of the present embodiment, as shown in FIG. 9, the second flow path (22) of the internal heat exchanger (20) is connected between the receiver (18) and the compressor (50). Also good. Specifically, in the second heat flow path (22) of the internal heat exchanger (20) in this modification, the inlet side is connected to the evaporator (17) via the receiver (18), and the outlet side is the suction port of the compressor. (32) is connected to each. Also in the internal heat exchanger (20) of this modification, the refrigerant from the radiator (16) to the expander (60) is cooled by heat exchange with the refrigerant from the evaporator (17) to the compressor (50). The enthalpy difference of the refrigerant at the inlet / outlet of the evaporator (17) increases.

《発明の実施形態4》
本発明の実施形態4について説明する。本実施形態は、上記実施形態1において膨張機(60)の構成を変更したものである。
<< Embodiment 4 of the Invention >>
Embodiment 4 of the present invention will be described. In this embodiment, the configuration of the expander (60) is changed in the first embodiment.

図10に示すように、本実施形態の膨張機(60)は、スクロール型の流体機械によって構成されている。この膨張機(60)は、可動スクロール(91)と固定スクロール(93)とを備えている。可動スクロール(91)は、可動側ラップ(92)を備えている。可動側ラップ(92)は、上端がインボリュート曲線を描く渦巻壁状に形成されている。可動スクロール(91)は、シャフト(40)に係合されており、自転運動を規制された状態で公転運動だけを行う。固定スクロール(93)は、固定側ラップ(94)を備えている。可動側ラップ(92)は、可動側ラップ(92)に対応した渦巻壁状に形成されており、その両側面が公転運動する固定側ラップ(94)の包絡面を構成している。また、固定スクロール(93)には、その中央部に流入ポート(34)が開口し、その周縁部に流出ポート(35)が開口している。   As shown in FIG. 10, the expander (60) of the present embodiment is constituted by a scroll type fluid machine. The expander (60) includes a movable scroll (91) and a fixed scroll (93). The movable scroll (91) includes a movable side wrap (92). The movable wrap (92) is formed in the shape of a spiral wall whose upper end draws an involute curve. The movable scroll (91) is engaged with the shaft (40) and performs only the revolving motion in a state where the rotational motion is restricted. The fixed scroll (93) includes a fixed side wrap (94). The movable side wrap (92) is formed in a spiral wall shape corresponding to the movable side wrap (92), and both side surfaces thereof constitute an envelope surface of the fixed side wrap (94) that undergoes revolving motion. Further, the fixed scroll (93) has an inflow port (34) opened at the center thereof and an outflow port (35) opened at the peripheral portion thereof.

上記膨張機(60)では、可動スクロール(91)の可動側ラップ(92)と、固定スクロール(93)の固定側ラップ(94)とが互いに噛み合わされている。そして、可動側ラップ(92)と固定側ラップ(94)の間には、共に流体室である第1室(95)と第2室(96)とが対になって形成される。同図の(A)〜(D)に順次示すように、可動スクロール(91)が移動すると、第1室(95)及び第2室(96)の容積が変化する。   In the expander (60), the movable side wrap (92) of the movable scroll (91) and the fixed side wrap (94) of the fixed scroll (93) are engaged with each other. A first chamber (95) and a second chamber (96), both of which are fluid chambers, are formed in pairs between the movable wrap (92) and the fixed wrap (94). As shown in the order (A) to (D) in the figure, when the movable scroll (91) moves, the volumes of the first chamber (95) and the second chamber (96) change.

図10(A)は、第1室(95)及び第2室(96)が流入ポート(34)から遮断された直後の状態を示している。この状態では、第1室(95)及び第2室(96)の各容積が最小となっている。本実施形態の膨張機(60)では、この状態における第1室(95)の容積と第2室(96)の容積との和がv2となる。一方、図10(D) は、第1室(95)及び第2室(96)が流出ポート(35)に連通する直前の状態を示している。この状態では、、第1室(95)及び第2室(96)の容積が最大となっている。本実施形態の膨張機(60)では、この状態における第1室(95)の容積と第2室(96)の容積との和がv3となる。 FIG. 10A shows a state immediately after the first chamber (95) and the second chamber (96) are blocked from the inflow port (34). In this state, the volumes of the first chamber (95) and the second chamber (96) are minimum. In the expander (60) of the present embodiment, the sum of the volumes of the second chamber of the first chamber (95) in this state (96) is v 2. On the other hand, FIG. 10D shows a state immediately before the first chamber (95) and the second chamber (96) communicate with the outflow port (35). In this state, the volumes of the first chamber (95) and the second chamber (96) are maximum. In the expander (60) of the present embodiment, the sum of the volumes of the second chamber of the first chamber (95) in this state (96) is v 3.

以上説明したように、本発明は、膨張機を備えると共に高圧圧力が冷媒の臨界圧力以上に設定された冷凍サイクルを行う冷凍装置について有用である。   As described above, the present invention is useful for a refrigeration apparatus that includes an expander and performs a refrigeration cycle in which a high pressure is set to be equal to or higher than a critical pressure of a refrigerant.

実施形態1における空調機の冷媒回路を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the refrigerant circuit of the air conditioner in Embodiment 1. 実施形態1における圧縮・膨張ユニットの概略断面図である。2 is a schematic cross-sectional view of a compression / expansion unit in Embodiment 1. FIG. 実施形態1における膨張機の要部拡大図である。FIG. 3 is an enlarged view of a main part of the expander according to the first embodiment. 実施形態1の膨張機におけるシャフトの回転角90°毎の各ロータリ機構部の状態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the state of each rotary mechanism part for every 90 degrees of rotation angles of the shaft in the expander of Embodiment 1. FIG. 冷媒回路での冷凍サイクルを示すモリエル線図(圧力−エンタルピ線図)である。It is a Mollier diagram (pressure-enthalpy diagram) showing a refrigeration cycle in a refrigerant circuit. 超臨界サイクルにおいて低圧圧力と放熱器出口での冷媒温度とを固定した場合の高圧圧力とCOPの関係図である。FIG. 6 is a relationship diagram between high pressure and COP when the low pressure and the refrigerant temperature at the radiator outlet are fixed in the supercritical cycle. 実施形態2における空調機の冷媒回路を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the refrigerant circuit of the air conditioning machine in Embodiment 2. 実施形態3における空調機の冷媒回路を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the refrigerant circuit of the air conditioner in Embodiment 3. 実施形態3の変形例における空調機の冷媒回路を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the refrigerant circuit of the air conditioner in the modification of Embodiment 3. 実施形態4における膨張機の構成と動作を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the structure and operation | movement of an expander in Embodiment 4. 超臨界サイクルの特性を示すモリエル線図(圧力−エンタルピ線図)である。It is a Mollier diagram (pressure-enthalpy diagram) showing the characteristics of the supercritical cycle.

符号の説明Explanation of symbols

(15) 冷媒回路
(16) 放熱器
(17) 蒸発器
(18) レシーバ
(20) 内部熱交換器
(50) 圧縮機
(53) 圧縮室
(60) 膨張機
(72) 第1流体室
(73) 第1高圧室
(74) 第1低圧室
(82) 第2流体室
(83) 第2高圧室
(84) 第2低圧室
(95) 第1室
(96) 第2室
(15) Refrigerant circuit (16) Radiator (17) Evaporator (18) Receiver (20) Internal heat exchanger (50) Compressor (53) Compression chamber (60) Expander (72) First fluid chamber (73 ) First high pressure chamber (74) First low pressure chamber (82) Second fluid chamber (83) Second high pressure chamber (84) Second low pressure chamber (95) First chamber (96) Second chamber

Claims (3)

圧縮機(50)と放熱器(16)と膨張機(60)と蒸発器(17)とが接続された冷媒回路(15)を備え、該冷媒回路(15)で冷媒を循環させて高圧圧力が冷媒の臨界圧力以上となる冷凍サイクルを行う冷凍装置であって、
上記圧縮機(50)と膨張機(60)は、何れも流体室の容積が変化する容積型流体機械で構成されると共に、一方の回転速度に対する他方の回転速度の比が一定となる状態で互いに連結される一方、
設計基準となる基準運転条件での冷凍サイクルの低圧圧力と放熱器(16)の出口における冷媒温度をそれぞれ基準低圧と基準冷媒温度とし、
上記基準運転状態において冷凍サイクルの成績係数が最高となる冷凍サイクルの高圧圧力を基準高圧とし、
上記基準低圧における飽和ガス冷媒の密度をρ1とし、
上記基準高圧及び基準冷媒温度における冷媒の密度をρ2とし、
上記基準高圧及び基準冷媒温度の冷媒を上記基準低圧まで断熱膨張させたものの密度をρ3とし、
上記圧縮機(50)において流体室が吸入側から遮断された直後における該流体室の容積をv1とし、
上記圧縮機(50)の回転速度の上記膨張機(60)の回転速度に対する比をrとした場合に、
上記膨張機(60)において流体室が流入側から遮断された直後における該流体室の容積v2がv2=ρ1・v1・r/ρ2となり、
上記膨張機(60)において流体室が流出側に連通する直前における該流体室の容積v3がv3=ρ2・v2/ρ3となっている冷凍装置。
The refrigerant circuit (15) is connected to the compressor (50), the radiator (16), the expander (60), and the evaporator (17), and the refrigerant is circulated through the refrigerant circuit (15) to increase the pressure. Is a refrigeration apparatus that performs a refrigeration cycle in which the refrigerant has a critical pressure or higher,
The compressor (50) and the expander (60) are both constituted by a positive displacement fluid machine in which the volume of the fluid chamber changes, and the ratio of the rotation speed of one to the other is constant. While connected to each other
The low-pressure pressure of the refrigeration cycle and the refrigerant temperature at the outlet of the radiator (16) under the standard operating conditions that are the design standards are the standard low-pressure and the standard refrigerant temperature, respectively.
The high pressure of the refrigeration cycle at which the coefficient of performance of the refrigeration cycle is the highest in the above standard operating state is the reference high pressure,
The density of the saturated gas refrigerant at the reference low pressure is ρ 1 ,
The density of the refrigerant at the reference high pressure and the reference refrigerant temperature is ρ 2 ,
The density of the adiabatic expansion of the refrigerant at the reference high pressure and the reference refrigerant temperature to the reference low pressure is ρ 3 ,
In the compressor (50), the volume of the fluid chamber immediately after the fluid chamber is shut off from the suction side is v 1 ,
When the ratio of the rotational speed of the compressor (50) to the rotational speed of the expander (60) is r,
In the expander (60), the volume v 2 of the fluid chamber immediately after the fluid chamber is shut off from the inflow side is v 2 = ρ 1 · v 1 · r / ρ 2 ,
The refrigeration apparatus in which the volume v 3 of the fluid chamber immediately before the fluid chamber communicates with the outflow side in the expander (60) is v 3 = ρ 2 · v 2 / ρ 3 .
請求項1に記載の冷凍装置において、
冷媒回路(15)では、蒸発器(17)の出口側と圧縮機(50)の吸入側との間にレシーバ(18)が設けられている冷凍装置。
The refrigeration apparatus according to claim 1,
In the refrigerant circuit (15), a refrigeration apparatus in which a receiver (18) is provided between the outlet side of the evaporator (17) and the suction side of the compressor (50).
請求項1に記載の冷凍装置において、
冷媒回路(15)には、放熱器(16)から膨張機(60)へ向かう冷媒と蒸発器(17)から圧縮機(50)へ向かう冷媒とを熱交換させる内部熱交換器(20)が設けられている冷凍装置。
The refrigeration apparatus according to claim 1,
The refrigerant circuit (15) has an internal heat exchanger (20) for exchanging heat between the refrigerant from the radiator (16) to the expander (60) and the refrigerant from the evaporator (17) to the compressor (50). Refrigeration equipment provided.
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