スクロール膨張機および冷凍サイクル装置
【課題】膨張機構とサブ圧縮機構を背面合わせで構成するスクロール膨張機において、圧縮機構から膨張機構への熱リークを抑制し、能力低回の小さい高効率なスクロール膨張機を得る。
【解決手段】スクロール型の膨張機構５と膨張機構５で回収した動力で冷媒を圧縮するスクロール型のサブ圧縮機構６とを備えたスクロール膨張機において、膨張機構５の揺動スクロール５２とサブ圧縮機構６の揺動スクロール６２とを背面合わせで構成し、２つの揺動スクロール５２と６２の間に揺動スクロール運動空間圧となる中空の断熱空間部１６を設ける。
【解決手段】スクロール型の膨張機構５と膨張機構５で回収した動力で冷媒を圧縮するスクロール型のサブ圧縮機構６とを備えたスクロール膨張機において、膨張機構５の揺動スクロール５２とサブ圧縮機構６の揺動スクロール６２とを背面合わせで構成し、２つの揺動スクロール５２と６２の間に揺動スクロール運動空間圧となる中空の断熱空間部１６を設ける。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷媒を膨張させて動力を回収するスクロール膨張機およびこのスクロール膨張機を備えた冷凍サイクル装置に関し、特に、２つに分割された揺動スクロールを背面合わせにして一方の片側に膨張機構を、他方の片側に圧縮機構を有するスクロール膨張機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のスクロール膨張機では、台板の両面に第１および第２の渦巻歯を有する可動スクロールと、可動スクロールの第１渦巻歯と第１固定スクロールの渦巻歯とを組み合わせて圧縮室を形成し、外周部に吸入口を、中央部に吐出口を設けた圧縮手段と、可動スクロールの第２渦巻歯と第２固定スクロールの渦巻歯とを組み合わせて膨張室を形成し、中央部に吸入口を、外周部に吐出口を設けた膨張手段とを備え、可動スクロールに作用するスラスト力の軽減を図っている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平０３−５９３５５号公報（第４頁〜第５頁、第１図、第２図）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述のようなスクロール膨張機において、可動スクロールが駆動手段によって公転すると、圧縮手段側では外周部の吸入口から流入した低温低圧の流体が高温高圧まで圧縮され中央部の吐出口から吐出される。一方、膨張手段側では圧縮機を経て熱交換器で冷却された低温高圧の流体が中央部の吸入口から流入し、低温低圧まで膨張して外周部の吐出口から吐出される。このように、圧縮手段の中央部が高温、膨張手段の中央部が低温になると、膨張手段と圧縮手段が背面合わせで一体化したスクロール膨張機では、可動スクロールの台板を経由して圧縮手段側から膨張手段側に熱リークが生じ、サイクル効率が低下する問題があった。
【０００５】
本発明は、上述のような問題を解決するためになされたものであり、圧縮手段側から膨張手段側への熱リークを抑制し、広い運転条件で高効率なスクロール膨張機を得ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係るスクロール膨張機は、冷媒を膨張させて動力を回収するスクロール型の膨張機構と、前記回収した動力を利用して冷媒を圧縮するスクロール型のサブ圧縮機構とを有するスクロール膨張機であって、膨張機構は、第１の揺動スクロールと第１の固定スクロールとを有し、サブ圧縮機構は、第２の揺動スクロールと第２の固定スクロールとを有し、膨張機構およびサブ圧縮機構を収容する密閉容器を有し、第１の揺動スクロールと第２の揺動スクロールとは、両者の間に断熱構造を形成して背面合わせの形態で構成されていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明のスクロール膨張機によれば、第１のスクロールと第２のスクロールは両者の間に断熱構造を設けて背面合わせに構成されているので、圧縮機構と膨張機構の間の台板を経由した伝熱経路の熱抵抗が増大し、圧縮機構と膨張機構の温度差が大きい場合にも、圧縮機構から膨張機構への熱リークが抑制され、広い運転条件でサイクル効率の低下が小さい高効率なスクロール膨張機を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施の形態１に係るスクロール膨張機の構成を示す縦断面図である。
【図２】図１に示すサブ圧縮機構の揺動スクロールの断面図（ａ）と下面図（ｂ）である。
【図３】図１に示す膨張機構の揺動スクロールの上面図（ａ）と断面図（ｂ）である。
【図４】スクロール膨張機を用いた冷凍サイクル装置の基本構成を模式的に示す回路図である。
【図５】スクロール膨張機の膨張機構およびサブ圧縮機構の概略断面図で、揺動スクロールに作用する圧力を説明するための模式図である。
【図６】スクロール膨張機を用いた冷凍サイクルにおける冷媒の状態量変化を示すモリエル線図である。
【図７】サブ圧縮機構から膨張機構への熱リークが大きいときの冷凍サイクルにおける冷媒の状態量変化を示すモリエル線図である。
【図８】本発明の実施の形態２に係るスクロール膨張機の構成を示す縦断面図である。
【図９】図８に示すサブ圧縮機構の揺動スクロールの断面図（ａ）と下面図（ｂ）である。
【図１０】本発明の実施の形態１および実施の形態２の揺動スクロールの熱変形を説明するための模式図である。
【図１１】本発明の別の実施の形態によるスクロール膨張機の構成を示す縦断面図である。
【図１２】図１１に示す膨張機構の揺動スクロールの上面図（ａ）と断面図（ｂ）である。
【図１３】本発明の実施の形態３に係るスクロール膨張機の構成を示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明に係るスクロール膨張機の実施の形態について図面に基づいて説明する。
【００１０】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係るスクロール膨張機１の構成を示す縦断面図である。なお、図１以下の図面において、同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものであり、このことは、明細書の全文において共通することである。
【００１１】
本発明の実施の形態１に係るスクロール膨張機１は、密閉容器１０内にスクロール型の膨張機構と圧縮機構とを備え、膨張機構で冷媒を膨張させて動力を回収し、回収した膨張動力を利用して冷媒を圧縮する機能を有するものである。このスクロール膨張機１は、図１に示すように、膨張機構５と、サブ圧縮機構６と、を備えている。膨張機構５およびサブ圧縮機構６は、圧力容器である密閉容器１０内に収容されている。
図１に示すように、膨張機構５は密閉容器１０内の下方に設置されており、サブ圧縮機構６は膨張機構５の上方に設置されている。
【００１２】
膨張機構５は、台板５１ａ上に渦巻歯５１ｃが形成された固定スクロール５１（第１の固定スクロール）と、台板５２ａ上に渦巻歯５２ｃが形成された揺動スクロール５２（第１の揺動スクロール）とを有している。図１に示すように、固定スクロール５１は下側に、揺動スクロール５２は上側に配置されている。固定スクロール５１の渦巻歯５１ｃと揺動スクロール５２の渦巻歯５２ｃとは、互いに咬合するように配置されている。そして、渦巻歯５１ｃと渦巻歯５２ｃとによって、相対的に容積が変化する膨張室５ａが形成されている。
【００１３】
サブ圧縮機構６は、台板６１ａ上に渦巻歯６１ｃが形成された固定スクロール６１（第２の固定スクロール）と、台板６２ａ上に渦巻歯６２ｃが形成された揺動スクロール６２（第２の揺動スクロール）とを有している。図１に示すように、固定スクロール６１は上側に、揺動スクロール６２は下側で、かつ、揺動スクロール５２の上側に配置されている。固定スクロール６１の渦巻歯６１ｃと揺動スクロール６２の渦巻歯６２ｃとは、互いに咬合するように配置されている。そして、渦巻歯６１ｃと渦巻歯６２ｃとによって、相対的に容積が変化するサブ圧縮室６ａが形成されている。ここで、膨張機構５の揺動スクロール５２と、サブ圧縮機構６の揺動スクロール６２とは、別体で構成されており、かつ、後述するように両者の間には断熱構造を形成したうえで背面合わせとして一体的に固定されている。
【００１４】
膨張機構５の固定スクロール５１および揺動スクロール５２、サブ圧縮機構６の固定スクロール６１および揺動スクロール６２の各中央部を貫通して軸８が設けられている。軸８は、膨張機構５の固定スクロール５１およびサブ圧縮機構６の固定スクロール６１それぞれの中央部に形成された軸受部５１ｂ、６１ｂによって、回転自由に両持ち支持されている。揺動スクロール６２と揺動スクロール５２とは、サブ圧縮機構６の揺動スクロール６２の中央部に一体に設けた偏心軸受部６２ｂが揺動スクロール５２の中央部に設けた貫通穴５２ｂに内挿され、さらに軸８に嵌合・固定されたクランク部８ｂ（揺動軸）によって貫通支持され、軸８の回転動作に伴って揺動運動できるようになっている。
【００１５】
膨張機構５には、冷媒を吸入する膨張吸入管１３と、膨張した冷媒を吐出する膨張吐出管１５とが接続されている。膨張吸入管１３は、例えば、膨張機構５の外周側において、密閉容器１０の側面に設置されており、固定スクロール５１の台板５１ａに設けられた膨張吸入ポート５１ｄを介して膨張機構５の中央部における膨張室５ａに連通している。
膨張吐出管１５は、例えば、サブ圧縮機構６の外周側において、密閉容器１０の側面に設置されており、固定スクロール６１の台板６１ａに設けられた膨張吐出ポート５１ｅを介して膨張機構５の揺動スクロール５２およびサブ圧縮機構６の揺動スクロール６２の外周側に形成された圧力空間となる揺動スクロール運動空間７１に連通している。
膨張機構５で膨張減圧された冷媒は、膨張機構５の最外周部に位置する膨張室５ａから揺動スクロール運動空間７１に吐出され、さらに膨張吐出ポート５１ｅを経て、膨張吐出管１５から外部に吐出される。揺動スクロール運動空間７１は、例えば、膨張機構５の固定スクロール５１の台板５１ａの外周部に設けられた環状凸部５１ｆと、サブ圧縮機構６の固定スクロール６１の台板６１ａの外周部に設けられた環状凸部６１ｆとを突き合わせ、この突き合わされた環状凸部５１ｆおよび環状凸部６１ｆと、膨張機構５の揺動スクロール５２の台板５２ａおよびサブ圧縮機構６の揺動スクロール６２の台板６２ａとで囲まれた空間となっている。
【００１６】
サブ圧縮機構６には、冷媒を吸入するサブ圧縮吸入管１２と、圧縮された冷媒を吐出するサブ圧縮吐出管１４とが接続されている。サブ圧縮吸入管１２は、例えば、密閉容器１０の上面に設置されており、さらにサブ圧縮機構６の固定スクロール６１の台板６１ａに設けられたサブ圧縮吸入ポート６１ｄを介してサブ圧縮機構６の外周部におけるサブ圧縮室６ａに連通している。
サブ圧縮吐出管１４は、例えば、密閉容器１０の上部側面に設置されている。このサブ圧縮吐出管１４は、サブ圧縮機構６の固定スクロール６１より上方に形成された密閉容器１０内の上部空間７０に連通している。さらに、サブ圧縮機構６の固定スクロール６１の台板６１ａには、圧縮された冷媒を吐出するためのサブ圧縮吐出ポート６１ｅが形成されており、さらにサブ圧縮吐出ポート６１ｅの上部空間７０側の先端部には吐出弁３０が設けられている。この吐出弁３０は、開閉することでサブ圧縮吐出ポート６１ｅと上部空間７０とを連通・遮断するようになっている。
サブ圧縮機構６で圧縮昇圧された冷媒は、サブ圧縮機構６の中央部におけるサブ圧縮室６ａからサブ圧縮吐出ポート６１ｅを経て上部空間７０に吐出され、さらにサブ圧縮吐出管１４を経て外部に吐出される。
【００１７】
サブ圧縮機構６の渦巻歯６１ｃ、６２ｃの先端面にはチップシール溝（図示省略）が形成され、このチップシール溝にサブ圧縮室６ａを仕切るチップシール２１が装着されている。また、膨張機構５の渦巻歯５１ｃ、５２ｃの先端面にはチップシール溝（図示省略）が形成され、このチップシール溝に膨張室５ａを仕切るチップシール２２が装着されている。
サブ圧縮機構６においては、固定スクロール６１における揺動スクロール５２に対向する面であって渦巻歯６１ｃの外周側に環状の外周シール溝（図示省略）が形成され、この外周シール溝に揺動スクロール６２と固定スクロール６１との摺接面をシールする外周シール２３が装着されている。
【００１８】
サブ圧縮機構６には揺動スクロール５２、６２の自転運動を規制し、公転運動のみを行うように図示しないオルダムリングが設けられている。揺動スクロール５２、６２が公転運動（揺動運動）することによって発生する遠心力を相殺するために、軸８の両端部には、バランスウェイト９ａ、９ｂが取り付けられている。
【００１９】
また、密閉容器１０の内部には、冷凍機油等の潤滑油８０を貯留する下部空間７２が形成されている。そして、軸８の下端部には給油ポンプ８１が潤滑油８０を汲み上げるように取り付けられている。軸８には、軸長方向に延びる給油孔８ｃと、給油孔８ｃに連通し固定スクロール６１の軸受部６１ｂの側面に向けて一端が開口する横向きの給油孔８ｄと、給油孔８ｄの他端に連通し、軸８の中心部を上端まで延びるガス抜き孔８ｅとが設けられている。また、固定スクロール６１の外周部に設けた環状凸部６１ｆおよび固定スクロール５１の外周部に設けた環状凸部５１ｆにそれぞれ油戻し孔１７が貫通形成されており、油戻し孔１７は上部空間７０と下部空間７２とを連通させている。なお、油戻し孔１７は揺動スクロール運動空間７１を経由しないように設けられている。
【００２０】
給油ポンプ８１で汲み上げられた潤滑油８０は、給油孔８ｃを上昇して横向きの給油孔８ｄからサブ圧縮機構６の固定スクロール６１の軸受部６１ｂに供給されるとともに、固定スクロール６１の下方に設けられている揺動スクロールの偏心軸受部６２ｂ、固定スクロール５１の軸受部５１ｂにも順次流下して供給される。そして、油を含有するガスがガス抜き孔８ｅを通って上部空間７０へ流出し、油戻し孔１７を経由して油と共にガスが下部空間７２へ流入する。
【００２１】
図２は、図１に示すサブ圧縮機構６の揺動スクロール６２の断面図（ａ）と下面図（ｂ）である。なお、図２（ａ）の断面図は同図（ｂ）のＡ−Ａ断面を表している。
また、図３は、図１に示す膨張機構５の揺動スクロール５２の上面図（ａ）と断面図（ｂ）である。なお、図３（ｂ）の断面図は同図（ａ）のＢ−Ｂ断面を表している。
【００２２】
図１〜図３に示すように、膨張機構５の揺動スクロール５２とサブ圧縮機構６の揺動スクロール６２との間には、断熱層として、揺動スクロール運動空間圧となる空間部１６が設けられている。揺動スクロール５２と揺動スクロール６２は、固定手段として、例えば、ネジ１８で一体に締結されている。ネジ締結部は、揺動スクロール６２の台板６２ａの下面の外周部に下面より突出する複数の取付座６２ｄを設け、取付座６２ｄと揺動スクロール５２の台板５２ａとの間に耐冷媒性断熱部材２０を介在させて、ネジ１８で揺動スクロール５２と揺動スクロール６２とを締結する構成となっている。耐冷媒性断熱部材２０としては、例えばエンジニアプラスチックなどがある。
【００２３】
このような構成とすることによって、揺動スクロール５２と揺動スクロール６２とは、両者の間に断熱構造を介して背面合わせで一体的に固定される。揺動スクロール５２と揺動スクロール６２との間に設けられる空間部１６は、隣接する取付座６２ｄと取付座６２ｄとの間の空隙を通して揺動スクロール運動空間７１と連通している。したがって、揺動スクロール６２から揺動スクロール５２へ伝わろうとする熱に対する抵抗（断熱性）が高いものとなる。なお、実施の形態１では、取付座はサブ圧縮機構６の揺動スクロール６２に設けたが、逆に膨張機構５の揺動スクロール５２の台板５２ａにその上面より突出するように設けてもよい。
【００２４】
また、ネジ締めにより揺動スクロール６２の渦巻歯６２ｃと揺動スクロール５２の渦巻歯５２ｃとの相対角度がずれないように保持するため、揺動スクロール６２と揺動スクロール５２の角度位相関係は、図示しないピンで保持される。ピンは、図２に示す揺動スクロール６２の台板６２ａの外周部に設けられたピン穴６２eと、図３に示す揺動スクロール５２の台板５２ａの外周部に設けられたピン穴５２ｅに嵌め合わされている。揺動スクロール６２と揺動スクロール５２とは、揺動スクロール６２に同心に設けられた偏心軸受部６２ｂを構成する円筒部６２ｆが揺動スクロール５２に同心に設けられた貫通穴５２ｂに密接に嵌合しているため、上記のように１箇所のピンで角度位相関係を保持することができる。
【００２５】
次に、実施の形態１に係るスクロール膨張機１の動作について説明する。膨張機構５においては、固定スクロール５１の渦巻歯５１ｃと揺動スクロール５２の渦巻歯５２ｃとで形成される膨張室５ａ内で、膨張吸入管１３から吸入した高圧の冷媒が膨張することによって動力が発生する。膨張室５ａ内で膨張減圧した冷媒は、一旦揺動スクロール運動空間７１に吐出された後、膨張吐出ポート５１ｅを経て膨張吐出管１５から密閉容器１０外へ吐出される。膨張機構５で発生した動力によって、サブ圧縮機構６の固定スクロール６１の渦巻歯６１ｃと揺動スクロール６２の渦巻歯６２ｃとで形成されるサブ圧縮室６ａ内で、サブ圧縮吸入管１２から吸入した冷媒が圧縮昇圧される。サブ圧縮室６ａ内で圧縮昇圧された冷媒は、サブ圧縮吐出ポート６１ｅから吐出弁３０を経て、一旦密閉容器１０内の上部空間７０に吐出された後、サブ圧縮吐出管１４を通って密閉容器１０外へ吐出される。
【００２６】
図４は、実施の形態１に係るスクロール膨張機１を用いた冷凍サイクル装置１００の基本構成を模式的に示す回路図である。この冷凍サイクル装置１００は、冷媒を循環させることで冷房運転または暖房運転を実行できるものである。この冷凍サイクル装置１００に用いられる冷媒としては、二酸化炭素のような高圧側が超臨界となる冷媒を用いることを想定している。
【００２７】
図４において、スクロール膨張機１の膨張機構５が駆動するサブ圧縮機構６の前段（上流側）には、主圧縮機１１の電動機構１１ｂが駆動する主圧縮機構１１ａが接続されており、主圧縮機構１１ａの前段（上流側）には、冷媒を加熱する蒸発器４が接続されている。すなわち、スクロール膨張機１のサブ圧縮機構６が主圧縮機１１の主圧縮機構１１ａの吐出側に接続されている。一方、サブ圧縮機構６の後段（下流側）には、冷媒を冷却するガスクーラー２が設置されており、ガスクーラー２の後段（下流側）には、スクロール膨張機１の膨張機構５と膨張弁３（絞り装置）とが並列に配置されている。なお、図示は省略するが、スクロール膨張機１のサブ圧縮機構６を主圧縮機１１の主圧縮機構１１ａの吸入側に接続してもよい。
【００２８】
ここで、スクロール膨張機１を備えた冷凍サイクル装置１００の動作を図４に基づいて説明する。
主圧縮機１１の主圧縮機構１１ａが電動機構１１ｂによって駆動されると、主圧縮機構１１ａで冷媒が昇圧される。昇圧された冷媒は、主圧縮機１１から吐出され、スクロール膨張機１のサブ圧縮機構６に流入し、サブ圧縮機構６によって、さらに昇圧される。サブ圧縮機構６で昇圧された冷媒は、ガスクーラー２に流入して冷却された後、その一部は、スクロール膨張機１の膨張機構５に送られ、膨張減圧される。膨張機構５を通過する流量の調整および起動時における差圧の確保のため、スクロール膨張機１の膨張機構５と並列に膨張弁３が設けられている。ガスクーラー２で冷却された残りの冷媒は、膨張弁３に送られ、膨張減圧される。膨張機構５において、冷媒が等エントロピー的に膨張することによって、軸８を介して膨張機構５からサブ圧縮機構６に膨張動力が伝えられ、サブ圧縮仕事として用いられる。膨張機構５で膨張した冷媒は、蒸発器４で加熱された後、再び主圧縮機１１の主圧縮機構１１ａに戻る。
【００２９】
図５は、実施の形態１に係るスクロール膨張機１の膨張機構５及びサブ圧縮機構６の概略断面図で、揺動スクロール５２、６２に作用する圧力を説明するための模式図である。
【００３０】
図５を用いて、揺動スクロール５２、６２に作用する圧力について説明する。この実施の形態１に係るスクロール膨張機１においては、膨張機構５は、高圧Ｐｈから低圧Ｐｌまでの膨張過程を担い、サブ圧縮機構６は、中間圧Ｐｍから高圧Ｐｈまでの圧縮過程を担う。このため、揺動スクロール５２、６２においては、中央部の膨張室５ａおよび中央部のサブ圧縮室６ａの双方に高圧Ｐｈが作用し、外周部の膨張室５ａには低圧Ｐｌが、外周部のサブ圧縮室６ａには中間圧Ｐｍが作用する。サブ圧縮機構６で圧縮された吐出ガスは、サブ圧縮吐出ポート６１ｅから吐出弁３０を経て、密閉容器１０内の上部空間７０に吐出された後、容器外へ吐出される。そして、下部空間７２は、揺動スクロール運動空間７１を経由しない油戻し孔１７を通じて上部空間７０と同じ圧縮後圧力となる。一方、膨張機構５で膨張した冷媒は、揺動スクロール運動空間７１に開放され、膨張吐出管１５から容器外へ吐出される。揺動スクロール運動空間７１と中間圧Ｐｍとなるサブ圧縮機構６の外周部は、外周シール２３によってシールされており、揺動スクロール運動空間７１内は膨張後圧力となっている。
【００３１】
図５において、矢印は、低圧Ｐｌを基準とした揺動スクロール５２、６２に作用する軸方向差圧力の分布を示す。揺動スクロール５２、６２の中央部の差圧力は、膨張機構５側もサブ圧縮機構６側もＰｈ−Ｐｌで等しい。しかしながら、揺動スクロール５２、６２の外周部の差圧力は、膨張機構５側では０となり、サブ圧縮機構６側ではＰｍ−Ｐｌとなる。揺動スクロール５２、６２はネジ１８で一体化されており、揺動スクロール５２、６２に作用するスラスト荷重Fは、この差圧力を積分して求められる。サブ圧縮機構６に設けられた外周シール２３の直径および断面径の大きさを調整することで、揺動スクロール５２、６２に作用するスラスト荷重が過大とならないように調整することが可能である。
【００３２】
図６は、実施の形態１に係るスクロール膨張機１を用いた冷凍サイクルにおける冷媒の状態量変化を示すモリエル線図である。図６において、縦軸は圧力Ｐ、横軸はエンタルピーｈを表し、破線は等温線である。
【００３３】
図６に示すように、ガスクーラー２で熱交換することによって、点ｄから点ｃまで冷却された冷媒は、膨張弁のような絞りによる減圧機構では点ｃ→点ｂ’のように等エンタルピー的に膨張する。しかしながら、膨張機構５では、等エントロピー的に膨張することによって点ｃから点ｂとなる。このため、点ｂ’でのエンタルピーｈｂ’と点ｂでのエンタルピーｈｂの差ｈｂ’−ｈｂ分だけ、膨張動力として回収される。膨張後、蒸発器４で熱交換され、点ｂから点ａまで加熱された冷媒ガスは、主圧縮機１１の主圧縮機構１１ａで点ａから点ｄ’まで圧縮された後、スクロール膨張機１のサブ圧縮機構６で点ｄ’から点ｄまで圧縮される。上記のように、本発明の実施の形態１においては、主圧縮機１１の主圧縮機構１１ａで冷凍サイクルの圧縮過程の一部を担い、スクロール膨張機１のサブ圧縮機構６で圧縮過程の残りの一部を担う。サブ圧縮機構６におけるエンタルピー差ｈｄ−ｈｄ’分の圧縮動力は、ｈｂ’−ｈｂ分の回収動力によって賄われる。
【００３４】
ここで、図６中の点ｂ、点ｃ、点ｄ、点ｄ’の温度をそれぞれTa、Tb、Tc、Td、Td’とすると、Tb＜Tc＜Td’＜Tdとなる。すなわち、膨張機構５は低温のTcからTbに分布し、サブ圧縮機構６は高温のTd’からTdに分布している。本実施の形態は、サブ圧縮機構６と膨張機構５を背面合わせで一体化しているため、サブ圧縮機構６から膨張機構５の温度差によって、揺動スクロールの台板５２ａ、６２ａを通って熱リークが生じる。
【００３５】
図７は、熱リーク量が大きいときの冷凍サイクルにおける冷媒の状態量変化を示すモリエル線図である。
【００３６】
図７に示すように、熱リークによって膨張機構５の温度が上昇すると、膨張機構５の吐出点が点ｂから点ｂｂに移動し、サブ圧縮機構６の吐出点が点ｄから点ｄｄへ移動する。すなわち、熱リークがないときに比べて、蒸発器４のエンタルピー差やガスクーラー２のエンタルピー差が縮小し、冷房能力や暖房能力が低下する。
【００３７】
本実施の形態１では、サブ圧縮機構６と膨張機構５との間に空間部１６からなる断熱層を設け、さらに伝熱経路となるネジ締結部を温度差の小さい揺動スクロール５２と揺動スクロール６２の外周に設けるとともに、取付座６２ｄと台板５２aの金属接触部には、エンジニアプラスチックなど金属より熱伝導率が１桁から２桁小さい耐冷媒性断熱部材２０を設けて、熱抵抗を増大させている。
【００３８】
以上のような構成によれば、揺動スクロール５２、６２に作用するスラスト荷重の低減が可能な背面合わせの構成でありながら、サブ圧縮機構６から膨張機構５への熱リーク量を抑制できるので、広い運転条件で能力低下の小さい高性能なスクロール膨張機を得ることができる。
【００３９】
実施の形態２．
図８は、本発明の実施形態２に係るスクロール膨張機１の構成を示す縦断面図である。図９は、図８に示すサブ圧縮機構６の揺動スクロール６２の断面図（ａ）と下面図（ｂ）である。なお、図９（ａ）の断面図は同図（ｂ）のＣ−Ｃ断面を表している。
【００４０】
ここでは、実施の形態１と相違する点を中心に説明することにする。
実施の形態１と異なるのは、膨張機構５の揺動スクロール５２とサブ圧縮機構６の揺動スクロール６２とをネジ等によって締結せずに、ピン１９で揺動スクロール５２と揺動スクロール６２とを半固定にしている点である。ここで、半固定というのは、揺動スクロール６２の熱による膨張・収縮を許容する固定方法をいう。また、ピン１９は揺動スクロール５２と揺動スクロール６２との角度位相関係を保持する機能を有するものである。そのため、揺動スクロール５２の台板５２ａの外周部にはピン１９が嵌合するピン穴５２ｅを設け、揺動スクロール６２の台板６２ａの外周部の取付座６２ｄにはピン１９が嵌合する半径方向に長手形状に形成されたピン溝６２ｆを設ける。ピン溝６２ｆは台板６２ａの外周端が開口された上面視でＵ字状の形状に形成されているが、特にこの形状に限定されるものではない。強度的に問題がなければ長穴の形状でもかまわない。
なお、本実施の形態２ではネジ締結しないため、実施の形態１に比べて取付座６２ｄと揺動スクロール５２の台板５２ａとの隙間が大きく、熱抵抗が大きいので、ここでは、耐冷媒性断熱部材２０を設けず、直接、揺動スクロール６２の台板６２ａに設けられた取付座６２ｄを揺動スクロール５２の台板５２ａの上面に接触させた例を示している。
また、図９（ｂ）では２箇所ピン１９を設けた例を示しているが、揺動軸と位置決めされるのでピン１９は１箇所でもよい。
【００４１】
図１０は、実施の形態１と実施の形態２の揺動スクロールの熱変形を説明するための模式図である。
図１０（ａ）は、実施の形態１による揺動スクロールの運転中の熱変形、図１０（ｂ）は実施の形態２による揺動スクロールの熱変形を説明するための模式図である。
上述の通り、サブ圧縮機構６は膨張機構５に比べて高温となると、サブ圧縮機構６の揺動スクロール６２が熱膨張する。実施の形態１のように揺動スクロール６２と揺動スクロール５２とをネジ１８で締結した場合、図１０（ａ）のように台板６２ａが台板５２ａに対して径方向へ伸びようとするのに対し、両端がネジ１８で固定されているために揺動スクロール６２が変形し、渦巻歯６２ｃ周辺で隙間が生じる恐れがある。一方、実施の形態２では、図１０（ｂ）に示すように、ネジ締結部がなく、さらにピン溝６２ｆの形状を径方向に沿って長手な形状としているので、台板６２ａの径方向への伸びをピン溝６２ｆで吸収でき、揺動スクロール６２に無理な変形が発生しない。
【００４２】
実施の形態２に示すスクロール膨張機１の動作は、実施の形態１に示すスクロール膨張機１と同様である。
【００４３】
この構造により、実施の形態１と同様に熱リークの抑制効果が得られるとともに、サブ圧縮機構６の揺動スクロール６２の台板６２ａが熱膨張差によって径方向へ伸びた場合にも、その伸びを長手形状のピン溝６２ｆで吸収するので、揺動スクロール６２に無理な変形が発生せず、性能の高いスクロール膨張機を得ることができる。
【００４４】
なお、実施の形態２では、揺動スクロール５２とピン１９を別体で設けているが、揺動スクロール５２とピン１９を一体化して設けてもよく、部品点数の削減と組立て時間を短縮できるとともに、上記と同様の効果がある。
【００４５】
また、図１１および図１２に示すように、ピン１９を揺動スクロール６２の偏心軸受部６２ｂの外周部に一体に径方向に突出して設け、揺動スクロール５２の貫通穴５２ｂの内周面にピン１９が嵌められるピン溝５２ｆを設けてもよく、同様の効果がある。
【００４６】
さらに、ピンおよびピン溝の嵌め合い関係を実施の形態２の関係と逆転させても同様である。
【００４７】
実施の形態３．
図１３は、本発明の実施形態３に係るスクロール膨張機１の構成を示す縦断面図である。実施の形態１および実施の形態２と異なるのは、揺動スクロール６２と揺動スクロール５２とが、偏心軸受部６２ｂを共有して一体化されている点である。但し、実施の形態１で示したようなネジ１８や取付座６２ｄ等はなく、また実施の形態２で示したようなピン１９やピン溝６２ｆ等もなく、単に所定の間隔の空間部１６を揺動スクロール６２と揺動スクロール５２との間に設けて揺動スクロール６２、５２を一体的に結合するものである。したがって、この空間部１６は全周が揺動スクロール運動空間７１に開放された形態となっている。
【００４８】
この構造により、実施の形態１と同様、熱リーク抑制効果により、高性能なスクロール膨張機が得られるとともに、ネジ締結部品や角度位相関係を保持するピン１９などを設ける必要がなく、部品点数の削減や組立工程を短縮できる効果がある。
【００４９】
本発明の実施の形態１〜３では、揺動スクロール５２、６２の中心部を軸８が貫通し、両持ち支持されて揺動運動する構成を示したが、揺動スクロールの外部に軸を設ける外部駆動構成であってもよく、そのような外部駆動構成とすれば、温度差の大きい中心部に空間部１６を設けることができるので、さらに熱リークを抑制できる効果がある。
【符号の説明】
【００５０】
１ スクロール膨張機、２ ガスクーラー、３ 膨張弁、４ 蒸発器、５ 膨張機構、５ａ 膨張室、６ サブ圧縮機構、６ａ サブ圧縮室、７ オルダムリング、８ 軸、８ｂ クランク部、８ｃ 給油孔、８ｄ 給油孔、８ｅ ガス抜き孔、９ａ、９ｂ バランスウェイト、１０ 密閉容器、１１ 主圧縮機、１１ａ 主圧縮機構、１１ｂ 電動機構、１２ サブ圧縮吸入管、１３ 膨張吸入管、１４ サブ圧縮吐出管、１５ 膨張吐出管、１６ 空間部、１７ 油戻し孔、１８ ネジ、１９ ピン、２０ 耐冷媒性断熱部材、２１ チップシール、２２ チップシール、２３ 外周シール、３０ 吐出弁、５１ 固定スクロール、５１a 台板、５１ｂ 軸受部、５１ｃ 渦巻歯、５１ｄ 膨張吸入ポート、５１ｅ 膨張吐出ポート、５１ｆ 環状凸部、５２ 揺動スクロール、５２ａ 台板、５２ｂ 貫通穴、５２ｃ 渦巻歯、５２ｅ ピン穴、５２ｆ ピン溝、６１ 固定スクロール、６１ａ 台板、６１ｂ 軸受部、６１ｃ 渦巻歯、６１ｄ サブ圧縮吸入ポート、６１ｅ サブ圧縮吐出ポート、６１ｆ 環状凸部、６２ 揺動スクロール、６２a 台板、６２ｂ 偏心軸受部、６２ｃ 渦巻歯、６２ｄ 取付座、６２ｅ ピン穴、６２ｆ ピン溝、６２ｇ 円筒部、７０ 上部空間、７１ 揺動スクロール運動空間、７２ 下部空間、８０ 潤滑油、８１ 給油ポンプ、１００ 冷凍サイクル装置。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷媒を膨張させて動力を回収するスクロール膨張機およびこのスクロール膨張機を備えた冷凍サイクル装置に関し、特に、２つに分割された揺動スクロールを背面合わせにして一方の片側に膨張機構を、他方の片側に圧縮機構を有するスクロール膨張機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のスクロール膨張機では、台板の両面に第１および第２の渦巻歯を有する可動スクロールと、可動スクロールの第１渦巻歯と第１固定スクロールの渦巻歯とを組み合わせて圧縮室を形成し、外周部に吸入口を、中央部に吐出口を設けた圧縮手段と、可動スクロールの第２渦巻歯と第２固定スクロールの渦巻歯とを組み合わせて膨張室を形成し、中央部に吸入口を、外周部に吐出口を設けた膨張手段とを備え、可動スクロールに作用するスラスト力の軽減を図っている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平０３−５９３５５号公報（第４頁〜第５頁、第１図、第２図）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述のようなスクロール膨張機において、可動スクロールが駆動手段によって公転すると、圧縮手段側では外周部の吸入口から流入した低温低圧の流体が高温高圧まで圧縮され中央部の吐出口から吐出される。一方、膨張手段側では圧縮機を経て熱交換器で冷却された低温高圧の流体が中央部の吸入口から流入し、低温低圧まで膨張して外周部の吐出口から吐出される。このように、圧縮手段の中央部が高温、膨張手段の中央部が低温になると、膨張手段と圧縮手段が背面合わせで一体化したスクロール膨張機では、可動スクロールの台板を経由して圧縮手段側から膨張手段側に熱リークが生じ、サイクル効率が低下する問題があった。
【０００５】
本発明は、上述のような問題を解決するためになされたものであり、圧縮手段側から膨張手段側への熱リークを抑制し、広い運転条件で高効率なスクロール膨張機を得ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係るスクロール膨張機は、冷媒を膨張させて動力を回収するスクロール型の膨張機構と、前記回収した動力を利用して冷媒を圧縮するスクロール型のサブ圧縮機構とを有するスクロール膨張機であって、膨張機構は、第１の揺動スクロールと第１の固定スクロールとを有し、サブ圧縮機構は、第２の揺動スクロールと第２の固定スクロールとを有し、膨張機構およびサブ圧縮機構を収容する密閉容器を有し、第１の揺動スクロールと第２の揺動スクロールとは、両者の間に断熱構造を形成して背面合わせの形態で構成されていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明のスクロール膨張機によれば、第１のスクロールと第２のスクロールは両者の間に断熱構造を設けて背面合わせに構成されているので、圧縮機構と膨張機構の間の台板を経由した伝熱経路の熱抵抗が増大し、圧縮機構と膨張機構の温度差が大きい場合にも、圧縮機構から膨張機構への熱リークが抑制され、広い運転条件でサイクル効率の低下が小さい高効率なスクロール膨張機を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施の形態１に係るスクロール膨張機の構成を示す縦断面図である。
【図２】図１に示すサブ圧縮機構の揺動スクロールの断面図（ａ）と下面図（ｂ）である。
【図３】図１に示す膨張機構の揺動スクロールの上面図（ａ）と断面図（ｂ）である。
【図４】スクロール膨張機を用いた冷凍サイクル装置の基本構成を模式的に示す回路図である。
【図５】スクロール膨張機の膨張機構およびサブ圧縮機構の概略断面図で、揺動スクロールに作用する圧力を説明するための模式図である。
【図６】スクロール膨張機を用いた冷凍サイクルにおける冷媒の状態量変化を示すモリエル線図である。
【図７】サブ圧縮機構から膨張機構への熱リークが大きいときの冷凍サイクルにおける冷媒の状態量変化を示すモリエル線図である。
【図８】本発明の実施の形態２に係るスクロール膨張機の構成を示す縦断面図である。
【図９】図８に示すサブ圧縮機構の揺動スクロールの断面図（ａ）と下面図（ｂ）である。
【図１０】本発明の実施の形態１および実施の形態２の揺動スクロールの熱変形を説明するための模式図である。
【図１１】本発明の別の実施の形態によるスクロール膨張機の構成を示す縦断面図である。
【図１２】図１１に示す膨張機構の揺動スクロールの上面図（ａ）と断面図（ｂ）である。
【図１３】本発明の実施の形態３に係るスクロール膨張機の構成を示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明に係るスクロール膨張機の実施の形態について図面に基づいて説明する。
【００１０】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係るスクロール膨張機１の構成を示す縦断面図である。なお、図１以下の図面において、同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものであり、このことは、明細書の全文において共通することである。
【００１１】
本発明の実施の形態１に係るスクロール膨張機１は、密閉容器１０内にスクロール型の膨張機構と圧縮機構とを備え、膨張機構で冷媒を膨張させて動力を回収し、回収した膨張動力を利用して冷媒を圧縮する機能を有するものである。このスクロール膨張機１は、図１に示すように、膨張機構５と、サブ圧縮機構６と、を備えている。膨張機構５およびサブ圧縮機構６は、圧力容器である密閉容器１０内に収容されている。
図１に示すように、膨張機構５は密閉容器１０内の下方に設置されており、サブ圧縮機構６は膨張機構５の上方に設置されている。
【００１２】
膨張機構５は、台板５１ａ上に渦巻歯５１ｃが形成された固定スクロール５１（第１の固定スクロール）と、台板５２ａ上に渦巻歯５２ｃが形成された揺動スクロール５２（第１の揺動スクロール）とを有している。図１に示すように、固定スクロール５１は下側に、揺動スクロール５２は上側に配置されている。固定スクロール５１の渦巻歯５１ｃと揺動スクロール５２の渦巻歯５２ｃとは、互いに咬合するように配置されている。そして、渦巻歯５１ｃと渦巻歯５２ｃとによって、相対的に容積が変化する膨張室５ａが形成されている。
【００１３】
サブ圧縮機構６は、台板６１ａ上に渦巻歯６１ｃが形成された固定スクロール６１（第２の固定スクロール）と、台板６２ａ上に渦巻歯６２ｃが形成された揺動スクロール６２（第２の揺動スクロール）とを有している。図１に示すように、固定スクロール６１は上側に、揺動スクロール６２は下側で、かつ、揺動スクロール５２の上側に配置されている。固定スクロール６１の渦巻歯６１ｃと揺動スクロール６２の渦巻歯６２ｃとは、互いに咬合するように配置されている。そして、渦巻歯６１ｃと渦巻歯６２ｃとによって、相対的に容積が変化するサブ圧縮室６ａが形成されている。ここで、膨張機構５の揺動スクロール５２と、サブ圧縮機構６の揺動スクロール６２とは、別体で構成されており、かつ、後述するように両者の間には断熱構造を形成したうえで背面合わせとして一体的に固定されている。
【００１４】
膨張機構５の固定スクロール５１および揺動スクロール５２、サブ圧縮機構６の固定スクロール６１および揺動スクロール６２の各中央部を貫通して軸８が設けられている。軸８は、膨張機構５の固定スクロール５１およびサブ圧縮機構６の固定スクロール６１それぞれの中央部に形成された軸受部５１ｂ、６１ｂによって、回転自由に両持ち支持されている。揺動スクロール６２と揺動スクロール５２とは、サブ圧縮機構６の揺動スクロール６２の中央部に一体に設けた偏心軸受部６２ｂが揺動スクロール５２の中央部に設けた貫通穴５２ｂに内挿され、さらに軸８に嵌合・固定されたクランク部８ｂ（揺動軸）によって貫通支持され、軸８の回転動作に伴って揺動運動できるようになっている。
【００１５】
膨張機構５には、冷媒を吸入する膨張吸入管１３と、膨張した冷媒を吐出する膨張吐出管１５とが接続されている。膨張吸入管１３は、例えば、膨張機構５の外周側において、密閉容器１０の側面に設置されており、固定スクロール５１の台板５１ａに設けられた膨張吸入ポート５１ｄを介して膨張機構５の中央部における膨張室５ａに連通している。
膨張吐出管１５は、例えば、サブ圧縮機構６の外周側において、密閉容器１０の側面に設置されており、固定スクロール６１の台板６１ａに設けられた膨張吐出ポート５１ｅを介して膨張機構５の揺動スクロール５２およびサブ圧縮機構６の揺動スクロール６２の外周側に形成された圧力空間となる揺動スクロール運動空間７１に連通している。
膨張機構５で膨張減圧された冷媒は、膨張機構５の最外周部に位置する膨張室５ａから揺動スクロール運動空間７１に吐出され、さらに膨張吐出ポート５１ｅを経て、膨張吐出管１５から外部に吐出される。揺動スクロール運動空間７１は、例えば、膨張機構５の固定スクロール５１の台板５１ａの外周部に設けられた環状凸部５１ｆと、サブ圧縮機構６の固定スクロール６１の台板６１ａの外周部に設けられた環状凸部６１ｆとを突き合わせ、この突き合わされた環状凸部５１ｆおよび環状凸部６１ｆと、膨張機構５の揺動スクロール５２の台板５２ａおよびサブ圧縮機構６の揺動スクロール６２の台板６２ａとで囲まれた空間となっている。
【００１６】
サブ圧縮機構６には、冷媒を吸入するサブ圧縮吸入管１２と、圧縮された冷媒を吐出するサブ圧縮吐出管１４とが接続されている。サブ圧縮吸入管１２は、例えば、密閉容器１０の上面に設置されており、さらにサブ圧縮機構６の固定スクロール６１の台板６１ａに設けられたサブ圧縮吸入ポート６１ｄを介してサブ圧縮機構６の外周部におけるサブ圧縮室６ａに連通している。
サブ圧縮吐出管１４は、例えば、密閉容器１０の上部側面に設置されている。このサブ圧縮吐出管１４は、サブ圧縮機構６の固定スクロール６１より上方に形成された密閉容器１０内の上部空間７０に連通している。さらに、サブ圧縮機構６の固定スクロール６１の台板６１ａには、圧縮された冷媒を吐出するためのサブ圧縮吐出ポート６１ｅが形成されており、さらにサブ圧縮吐出ポート６１ｅの上部空間７０側の先端部には吐出弁３０が設けられている。この吐出弁３０は、開閉することでサブ圧縮吐出ポート６１ｅと上部空間７０とを連通・遮断するようになっている。
サブ圧縮機構６で圧縮昇圧された冷媒は、サブ圧縮機構６の中央部におけるサブ圧縮室６ａからサブ圧縮吐出ポート６１ｅを経て上部空間７０に吐出され、さらにサブ圧縮吐出管１４を経て外部に吐出される。
【００１７】
サブ圧縮機構６の渦巻歯６１ｃ、６２ｃの先端面にはチップシール溝（図示省略）が形成され、このチップシール溝にサブ圧縮室６ａを仕切るチップシール２１が装着されている。また、膨張機構５の渦巻歯５１ｃ、５２ｃの先端面にはチップシール溝（図示省略）が形成され、このチップシール溝に膨張室５ａを仕切るチップシール２２が装着されている。
サブ圧縮機構６においては、固定スクロール６１における揺動スクロール５２に対向する面であって渦巻歯６１ｃの外周側に環状の外周シール溝（図示省略）が形成され、この外周シール溝に揺動スクロール６２と固定スクロール６１との摺接面をシールする外周シール２３が装着されている。
【００１８】
サブ圧縮機構６には揺動スクロール５２、６２の自転運動を規制し、公転運動のみを行うように図示しないオルダムリングが設けられている。揺動スクロール５２、６２が公転運動（揺動運動）することによって発生する遠心力を相殺するために、軸８の両端部には、バランスウェイト９ａ、９ｂが取り付けられている。
【００１９】
また、密閉容器１０の内部には、冷凍機油等の潤滑油８０を貯留する下部空間７２が形成されている。そして、軸８の下端部には給油ポンプ８１が潤滑油８０を汲み上げるように取り付けられている。軸８には、軸長方向に延びる給油孔８ｃと、給油孔８ｃに連通し固定スクロール６１の軸受部６１ｂの側面に向けて一端が開口する横向きの給油孔８ｄと、給油孔８ｄの他端に連通し、軸８の中心部を上端まで延びるガス抜き孔８ｅとが設けられている。また、固定スクロール６１の外周部に設けた環状凸部６１ｆおよび固定スクロール５１の外周部に設けた環状凸部５１ｆにそれぞれ油戻し孔１７が貫通形成されており、油戻し孔１７は上部空間７０と下部空間７２とを連通させている。なお、油戻し孔１７は揺動スクロール運動空間７１を経由しないように設けられている。
【００２０】
給油ポンプ８１で汲み上げられた潤滑油８０は、給油孔８ｃを上昇して横向きの給油孔８ｄからサブ圧縮機構６の固定スクロール６１の軸受部６１ｂに供給されるとともに、固定スクロール６１の下方に設けられている揺動スクロールの偏心軸受部６２ｂ、固定スクロール５１の軸受部５１ｂにも順次流下して供給される。そして、油を含有するガスがガス抜き孔８ｅを通って上部空間７０へ流出し、油戻し孔１７を経由して油と共にガスが下部空間７２へ流入する。
【００２１】
図２は、図１に示すサブ圧縮機構６の揺動スクロール６２の断面図（ａ）と下面図（ｂ）である。なお、図２（ａ）の断面図は同図（ｂ）のＡ−Ａ断面を表している。
また、図３は、図１に示す膨張機構５の揺動スクロール５２の上面図（ａ）と断面図（ｂ）である。なお、図３（ｂ）の断面図は同図（ａ）のＢ−Ｂ断面を表している。
【００２２】
図１〜図３に示すように、膨張機構５の揺動スクロール５２とサブ圧縮機構６の揺動スクロール６２との間には、断熱層として、揺動スクロール運動空間圧となる空間部１６が設けられている。揺動スクロール５２と揺動スクロール６２は、固定手段として、例えば、ネジ１８で一体に締結されている。ネジ締結部は、揺動スクロール６２の台板６２ａの下面の外周部に下面より突出する複数の取付座６２ｄを設け、取付座６２ｄと揺動スクロール５２の台板５２ａとの間に耐冷媒性断熱部材２０を介在させて、ネジ１８で揺動スクロール５２と揺動スクロール６２とを締結する構成となっている。耐冷媒性断熱部材２０としては、例えばエンジニアプラスチックなどがある。
【００２３】
このような構成とすることによって、揺動スクロール５２と揺動スクロール６２とは、両者の間に断熱構造を介して背面合わせで一体的に固定される。揺動スクロール５２と揺動スクロール６２との間に設けられる空間部１６は、隣接する取付座６２ｄと取付座６２ｄとの間の空隙を通して揺動スクロール運動空間７１と連通している。したがって、揺動スクロール６２から揺動スクロール５２へ伝わろうとする熱に対する抵抗（断熱性）が高いものとなる。なお、実施の形態１では、取付座はサブ圧縮機構６の揺動スクロール６２に設けたが、逆に膨張機構５の揺動スクロール５２の台板５２ａにその上面より突出するように設けてもよい。
【００２４】
また、ネジ締めにより揺動スクロール６２の渦巻歯６２ｃと揺動スクロール５２の渦巻歯５２ｃとの相対角度がずれないように保持するため、揺動スクロール６２と揺動スクロール５２の角度位相関係は、図示しないピンで保持される。ピンは、図２に示す揺動スクロール６２の台板６２ａの外周部に設けられたピン穴６２eと、図３に示す揺動スクロール５２の台板５２ａの外周部に設けられたピン穴５２ｅに嵌め合わされている。揺動スクロール６２と揺動スクロール５２とは、揺動スクロール６２に同心に設けられた偏心軸受部６２ｂを構成する円筒部６２ｆが揺動スクロール５２に同心に設けられた貫通穴５２ｂに密接に嵌合しているため、上記のように１箇所のピンで角度位相関係を保持することができる。
【００２５】
次に、実施の形態１に係るスクロール膨張機１の動作について説明する。膨張機構５においては、固定スクロール５１の渦巻歯５１ｃと揺動スクロール５２の渦巻歯５２ｃとで形成される膨張室５ａ内で、膨張吸入管１３から吸入した高圧の冷媒が膨張することによって動力が発生する。膨張室５ａ内で膨張減圧した冷媒は、一旦揺動スクロール運動空間７１に吐出された後、膨張吐出ポート５１ｅを経て膨張吐出管１５から密閉容器１０外へ吐出される。膨張機構５で発生した動力によって、サブ圧縮機構６の固定スクロール６１の渦巻歯６１ｃと揺動スクロール６２の渦巻歯６２ｃとで形成されるサブ圧縮室６ａ内で、サブ圧縮吸入管１２から吸入した冷媒が圧縮昇圧される。サブ圧縮室６ａ内で圧縮昇圧された冷媒は、サブ圧縮吐出ポート６１ｅから吐出弁３０を経て、一旦密閉容器１０内の上部空間７０に吐出された後、サブ圧縮吐出管１４を通って密閉容器１０外へ吐出される。
【００２６】
図４は、実施の形態１に係るスクロール膨張機１を用いた冷凍サイクル装置１００の基本構成を模式的に示す回路図である。この冷凍サイクル装置１００は、冷媒を循環させることで冷房運転または暖房運転を実行できるものである。この冷凍サイクル装置１００に用いられる冷媒としては、二酸化炭素のような高圧側が超臨界となる冷媒を用いることを想定している。
【００２７】
図４において、スクロール膨張機１の膨張機構５が駆動するサブ圧縮機構６の前段（上流側）には、主圧縮機１１の電動機構１１ｂが駆動する主圧縮機構１１ａが接続されており、主圧縮機構１１ａの前段（上流側）には、冷媒を加熱する蒸発器４が接続されている。すなわち、スクロール膨張機１のサブ圧縮機構６が主圧縮機１１の主圧縮機構１１ａの吐出側に接続されている。一方、サブ圧縮機構６の後段（下流側）には、冷媒を冷却するガスクーラー２が設置されており、ガスクーラー２の後段（下流側）には、スクロール膨張機１の膨張機構５と膨張弁３（絞り装置）とが並列に配置されている。なお、図示は省略するが、スクロール膨張機１のサブ圧縮機構６を主圧縮機１１の主圧縮機構１１ａの吸入側に接続してもよい。
【００２８】
ここで、スクロール膨張機１を備えた冷凍サイクル装置１００の動作を図４に基づいて説明する。
主圧縮機１１の主圧縮機構１１ａが電動機構１１ｂによって駆動されると、主圧縮機構１１ａで冷媒が昇圧される。昇圧された冷媒は、主圧縮機１１から吐出され、スクロール膨張機１のサブ圧縮機構６に流入し、サブ圧縮機構６によって、さらに昇圧される。サブ圧縮機構６で昇圧された冷媒は、ガスクーラー２に流入して冷却された後、その一部は、スクロール膨張機１の膨張機構５に送られ、膨張減圧される。膨張機構５を通過する流量の調整および起動時における差圧の確保のため、スクロール膨張機１の膨張機構５と並列に膨張弁３が設けられている。ガスクーラー２で冷却された残りの冷媒は、膨張弁３に送られ、膨張減圧される。膨張機構５において、冷媒が等エントロピー的に膨張することによって、軸８を介して膨張機構５からサブ圧縮機構６に膨張動力が伝えられ、サブ圧縮仕事として用いられる。膨張機構５で膨張した冷媒は、蒸発器４で加熱された後、再び主圧縮機１１の主圧縮機構１１ａに戻る。
【００２９】
図５は、実施の形態１に係るスクロール膨張機１の膨張機構５及びサブ圧縮機構６の概略断面図で、揺動スクロール５２、６２に作用する圧力を説明するための模式図である。
【００３０】
図５を用いて、揺動スクロール５２、６２に作用する圧力について説明する。この実施の形態１に係るスクロール膨張機１においては、膨張機構５は、高圧Ｐｈから低圧Ｐｌまでの膨張過程を担い、サブ圧縮機構６は、中間圧Ｐｍから高圧Ｐｈまでの圧縮過程を担う。このため、揺動スクロール５２、６２においては、中央部の膨張室５ａおよび中央部のサブ圧縮室６ａの双方に高圧Ｐｈが作用し、外周部の膨張室５ａには低圧Ｐｌが、外周部のサブ圧縮室６ａには中間圧Ｐｍが作用する。サブ圧縮機構６で圧縮された吐出ガスは、サブ圧縮吐出ポート６１ｅから吐出弁３０を経て、密閉容器１０内の上部空間７０に吐出された後、容器外へ吐出される。そして、下部空間７２は、揺動スクロール運動空間７１を経由しない油戻し孔１７を通じて上部空間７０と同じ圧縮後圧力となる。一方、膨張機構５で膨張した冷媒は、揺動スクロール運動空間７１に開放され、膨張吐出管１５から容器外へ吐出される。揺動スクロール運動空間７１と中間圧Ｐｍとなるサブ圧縮機構６の外周部は、外周シール２３によってシールされており、揺動スクロール運動空間７１内は膨張後圧力となっている。
【００３１】
図５において、矢印は、低圧Ｐｌを基準とした揺動スクロール５２、６２に作用する軸方向差圧力の分布を示す。揺動スクロール５２、６２の中央部の差圧力は、膨張機構５側もサブ圧縮機構６側もＰｈ−Ｐｌで等しい。しかしながら、揺動スクロール５２、６２の外周部の差圧力は、膨張機構５側では０となり、サブ圧縮機構６側ではＰｍ−Ｐｌとなる。揺動スクロール５２、６２はネジ１８で一体化されており、揺動スクロール５２、６２に作用するスラスト荷重Fは、この差圧力を積分して求められる。サブ圧縮機構６に設けられた外周シール２３の直径および断面径の大きさを調整することで、揺動スクロール５２、６２に作用するスラスト荷重が過大とならないように調整することが可能である。
【００３２】
図６は、実施の形態１に係るスクロール膨張機１を用いた冷凍サイクルにおける冷媒の状態量変化を示すモリエル線図である。図６において、縦軸は圧力Ｐ、横軸はエンタルピーｈを表し、破線は等温線である。
【００３３】
図６に示すように、ガスクーラー２で熱交換することによって、点ｄから点ｃまで冷却された冷媒は、膨張弁のような絞りによる減圧機構では点ｃ→点ｂ’のように等エンタルピー的に膨張する。しかしながら、膨張機構５では、等エントロピー的に膨張することによって点ｃから点ｂとなる。このため、点ｂ’でのエンタルピーｈｂ’と点ｂでのエンタルピーｈｂの差ｈｂ’−ｈｂ分だけ、膨張動力として回収される。膨張後、蒸発器４で熱交換され、点ｂから点ａまで加熱された冷媒ガスは、主圧縮機１１の主圧縮機構１１ａで点ａから点ｄ’まで圧縮された後、スクロール膨張機１のサブ圧縮機構６で点ｄ’から点ｄまで圧縮される。上記のように、本発明の実施の形態１においては、主圧縮機１１の主圧縮機構１１ａで冷凍サイクルの圧縮過程の一部を担い、スクロール膨張機１のサブ圧縮機構６で圧縮過程の残りの一部を担う。サブ圧縮機構６におけるエンタルピー差ｈｄ−ｈｄ’分の圧縮動力は、ｈｂ’−ｈｂ分の回収動力によって賄われる。
【００３４】
ここで、図６中の点ｂ、点ｃ、点ｄ、点ｄ’の温度をそれぞれTa、Tb、Tc、Td、Td’とすると、Tb＜Tc＜Td’＜Tdとなる。すなわち、膨張機構５は低温のTcからTbに分布し、サブ圧縮機構６は高温のTd’からTdに分布している。本実施の形態は、サブ圧縮機構６と膨張機構５を背面合わせで一体化しているため、サブ圧縮機構６から膨張機構５の温度差によって、揺動スクロールの台板５２ａ、６２ａを通って熱リークが生じる。
【００３５】
図７は、熱リーク量が大きいときの冷凍サイクルにおける冷媒の状態量変化を示すモリエル線図である。
【００３６】
図７に示すように、熱リークによって膨張機構５の温度が上昇すると、膨張機構５の吐出点が点ｂから点ｂｂに移動し、サブ圧縮機構６の吐出点が点ｄから点ｄｄへ移動する。すなわち、熱リークがないときに比べて、蒸発器４のエンタルピー差やガスクーラー２のエンタルピー差が縮小し、冷房能力や暖房能力が低下する。
【００３７】
本実施の形態１では、サブ圧縮機構６と膨張機構５との間に空間部１６からなる断熱層を設け、さらに伝熱経路となるネジ締結部を温度差の小さい揺動スクロール５２と揺動スクロール６２の外周に設けるとともに、取付座６２ｄと台板５２aの金属接触部には、エンジニアプラスチックなど金属より熱伝導率が１桁から２桁小さい耐冷媒性断熱部材２０を設けて、熱抵抗を増大させている。
【００３８】
以上のような構成によれば、揺動スクロール５２、６２に作用するスラスト荷重の低減が可能な背面合わせの構成でありながら、サブ圧縮機構６から膨張機構５への熱リーク量を抑制できるので、広い運転条件で能力低下の小さい高性能なスクロール膨張機を得ることができる。
【００３９】
実施の形態２．
図８は、本発明の実施形態２に係るスクロール膨張機１の構成を示す縦断面図である。図９は、図８に示すサブ圧縮機構６の揺動スクロール６２の断面図（ａ）と下面図（ｂ）である。なお、図９（ａ）の断面図は同図（ｂ）のＣ−Ｃ断面を表している。
【００４０】
ここでは、実施の形態１と相違する点を中心に説明することにする。
実施の形態１と異なるのは、膨張機構５の揺動スクロール５２とサブ圧縮機構６の揺動スクロール６２とをネジ等によって締結せずに、ピン１９で揺動スクロール５２と揺動スクロール６２とを半固定にしている点である。ここで、半固定というのは、揺動スクロール６２の熱による膨張・収縮を許容する固定方法をいう。また、ピン１９は揺動スクロール５２と揺動スクロール６２との角度位相関係を保持する機能を有するものである。そのため、揺動スクロール５２の台板５２ａの外周部にはピン１９が嵌合するピン穴５２ｅを設け、揺動スクロール６２の台板６２ａの外周部の取付座６２ｄにはピン１９が嵌合する半径方向に長手形状に形成されたピン溝６２ｆを設ける。ピン溝６２ｆは台板６２ａの外周端が開口された上面視でＵ字状の形状に形成されているが、特にこの形状に限定されるものではない。強度的に問題がなければ長穴の形状でもかまわない。
なお、本実施の形態２ではネジ締結しないため、実施の形態１に比べて取付座６２ｄと揺動スクロール５２の台板５２ａとの隙間が大きく、熱抵抗が大きいので、ここでは、耐冷媒性断熱部材２０を設けず、直接、揺動スクロール６２の台板６２ａに設けられた取付座６２ｄを揺動スクロール５２の台板５２ａの上面に接触させた例を示している。
また、図９（ｂ）では２箇所ピン１９を設けた例を示しているが、揺動軸と位置決めされるのでピン１９は１箇所でもよい。
【００４１】
図１０は、実施の形態１と実施の形態２の揺動スクロールの熱変形を説明するための模式図である。
図１０（ａ）は、実施の形態１による揺動スクロールの運転中の熱変形、図１０（ｂ）は実施の形態２による揺動スクロールの熱変形を説明するための模式図である。
上述の通り、サブ圧縮機構６は膨張機構５に比べて高温となると、サブ圧縮機構６の揺動スクロール６２が熱膨張する。実施の形態１のように揺動スクロール６２と揺動スクロール５２とをネジ１８で締結した場合、図１０（ａ）のように台板６２ａが台板５２ａに対して径方向へ伸びようとするのに対し、両端がネジ１８で固定されているために揺動スクロール６２が変形し、渦巻歯６２ｃ周辺で隙間が生じる恐れがある。一方、実施の形態２では、図１０（ｂ）に示すように、ネジ締結部がなく、さらにピン溝６２ｆの形状を径方向に沿って長手な形状としているので、台板６２ａの径方向への伸びをピン溝６２ｆで吸収でき、揺動スクロール６２に無理な変形が発生しない。
【００４２】
実施の形態２に示すスクロール膨張機１の動作は、実施の形態１に示すスクロール膨張機１と同様である。
【００４３】
この構造により、実施の形態１と同様に熱リークの抑制効果が得られるとともに、サブ圧縮機構６の揺動スクロール６２の台板６２ａが熱膨張差によって径方向へ伸びた場合にも、その伸びを長手形状のピン溝６２ｆで吸収するので、揺動スクロール６２に無理な変形が発生せず、性能の高いスクロール膨張機を得ることができる。
【００４４】
なお、実施の形態２では、揺動スクロール５２とピン１９を別体で設けているが、揺動スクロール５２とピン１９を一体化して設けてもよく、部品点数の削減と組立て時間を短縮できるとともに、上記と同様の効果がある。
【００４５】
また、図１１および図１２に示すように、ピン１９を揺動スクロール６２の偏心軸受部６２ｂの外周部に一体に径方向に突出して設け、揺動スクロール５２の貫通穴５２ｂの内周面にピン１９が嵌められるピン溝５２ｆを設けてもよく、同様の効果がある。
【００４６】
さらに、ピンおよびピン溝の嵌め合い関係を実施の形態２の関係と逆転させても同様である。
【００４７】
実施の形態３．
図１３は、本発明の実施形態３に係るスクロール膨張機１の構成を示す縦断面図である。実施の形態１および実施の形態２と異なるのは、揺動スクロール６２と揺動スクロール５２とが、偏心軸受部６２ｂを共有して一体化されている点である。但し、実施の形態１で示したようなネジ１８や取付座６２ｄ等はなく、また実施の形態２で示したようなピン１９やピン溝６２ｆ等もなく、単に所定の間隔の空間部１６を揺動スクロール６２と揺動スクロール５２との間に設けて揺動スクロール６２、５２を一体的に結合するものである。したがって、この空間部１６は全周が揺動スクロール運動空間７１に開放された形態となっている。
【００４８】
この構造により、実施の形態１と同様、熱リーク抑制効果により、高性能なスクロール膨張機が得られるとともに、ネジ締結部品や角度位相関係を保持するピン１９などを設ける必要がなく、部品点数の削減や組立工程を短縮できる効果がある。
【００４９】
本発明の実施の形態１〜３では、揺動スクロール５２、６２の中心部を軸８が貫通し、両持ち支持されて揺動運動する構成を示したが、揺動スクロールの外部に軸を設ける外部駆動構成であってもよく、そのような外部駆動構成とすれば、温度差の大きい中心部に空間部１６を設けることができるので、さらに熱リークを抑制できる効果がある。
【符号の説明】
【００５０】
１ スクロール膨張機、２ ガスクーラー、３ 膨張弁、４ 蒸発器、５ 膨張機構、５ａ 膨張室、６ サブ圧縮機構、６ａ サブ圧縮室、７ オルダムリング、８ 軸、８ｂ クランク部、８ｃ 給油孔、８ｄ 給油孔、８ｅ ガス抜き孔、９ａ、９ｂ バランスウェイト、１０ 密閉容器、１１ 主圧縮機、１１ａ 主圧縮機構、１１ｂ 電動機構、１２ サブ圧縮吸入管、１３ 膨張吸入管、１４ サブ圧縮吐出管、１５ 膨張吐出管、１６ 空間部、１７ 油戻し孔、１８ ネジ、１９ ピン、２０ 耐冷媒性断熱部材、２１ チップシール、２２ チップシール、２３ 外周シール、３０ 吐出弁、５１ 固定スクロール、５１a 台板、５１ｂ 軸受部、５１ｃ 渦巻歯、５１ｄ 膨張吸入ポート、５１ｅ 膨張吐出ポート、５１ｆ 環状凸部、５２ 揺動スクロール、５２ａ 台板、５２ｂ 貫通穴、５２ｃ 渦巻歯、５２ｅ ピン穴、５２ｆ ピン溝、６１ 固定スクロール、６１ａ 台板、６１ｂ 軸受部、６１ｃ 渦巻歯、６１ｄ サブ圧縮吸入ポート、６１ｅ サブ圧縮吐出ポート、６１ｆ 環状凸部、６２ 揺動スクロール、６２a 台板、６２ｂ 偏心軸受部、６２ｃ 渦巻歯、６２ｄ 取付座、６２ｅ ピン穴、６２ｆ ピン溝、６２ｇ 円筒部、７０ 上部空間、７１ 揺動スクロール運動空間、７２ 下部空間、８０ 潤滑油、８１ 給油ポンプ、１００ 冷凍サイクル装置。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を膨張させて動力を回収するスクロール型の膨張機構と、前記回収した動力を利用して冷媒を圧縮するスクロール型のサブ圧縮機構とを有するスクロール膨張機であって、
前記膨張機構は、第１の揺動スクロールと第１の固定スクロールとを有し、
前記サブ圧縮機構は、第２の揺動スクロールと第２の固定スクロールとを有し、
前記膨張機構および前記サブ圧縮機構を収容する密閉容器を有し、
前記第１の揺動スクロールと前記第２の揺動スクロールとは、両者の間に断熱構造を形成して背面合わせの形態で構成されていることを特徴とするスクロール膨張機。
【請求項２】
前記第１の揺動スクロールと前記第２の揺動スクロールとの間には、断熱層として、両揺動スクロールの外周側に形成される揺動スクロール運動空間に連通する中空の断熱空間部が設けられていることを特徴とする請求項１記載のスクロール膨張機。
【請求項３】
前記第１の揺動スクロールと前記第２の揺動スクロールとは、取付座および耐冷媒性断熱部材を介してネジで締結されていることを特徴とする請求項１または２記載のスクロール膨張機。
【請求項４】
前記第１の揺動スクロールと前記第２の揺動スクロールとは、角度位相関係を保持するピンで接続されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のスクロール膨張機。
【請求項５】
前記ピンは、前記第１の揺動スクロールおよび前記第２の揺動スクロールのいずれか一方の揺動スクロールの台板の外周部に設けられ、
前記ピンが嵌合する溝の形状を、他方の揺動スクロールの台板に径方向に沿った長手形状に形成したことを特徴とする請求項４記載のスクロール膨張機。
【請求項６】
前記第１の揺動スクロールおよび前記第２の揺動スクロールの中心部を貫通し、回転中心から偏心させた揺動軸と、該揺動軸を支持する揺動軸受を設け、
前記第１の揺動スクロールおよび前記第２の揺動スクロールのいずれか一方と前記揺動軸受とを一体に形成したことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のスクロール膨張機。
【請求項７】
前記揺動軸受の外周面に前記第１の揺動スクロールと前記第２の揺動スクロールとの角度位相関係を保持する前記ピンを一体に設け、
前記揺動軸受を内包する揺動スクロール側に前記ピンが嵌合する嵌合溝を設けたことを特徴とする請求項６記載のスクロール膨張機。
【請求項８】
前記第１の揺動スクロールと前記第２の揺動スクロールとは、前記断熱空間部が全周にわたり前記揺動スクロール運動空間に連通するように、前記揺動軸受を共有して一体に形成されていることを特徴とする請求項６または７記載のスクロール膨張機。
【請求項９】
主圧縮機と、請求項１〜８のいずれかに記載のスクロール膨張機と、ガスクーラーと、絞り装置と、蒸発器と、を有し、
前記サブ圧縮機構が、前記主圧縮機の吐出側又は吸入側に接続され、
前記膨張機構が、前記絞り装置と並列になるように、前記ガスクーラーと前記蒸発器との間に接続されている
ことを特徴とする冷凍サイクル装置。
【請求項１】
冷媒を膨張させて動力を回収するスクロール型の膨張機構と、前記回収した動力を利用して冷媒を圧縮するスクロール型のサブ圧縮機構とを有するスクロール膨張機であって、
前記膨張機構は、第１の揺動スクロールと第１の固定スクロールとを有し、
前記サブ圧縮機構は、第２の揺動スクロールと第２の固定スクロールとを有し、
前記膨張機構および前記サブ圧縮機構を収容する密閉容器を有し、
前記第１の揺動スクロールと前記第２の揺動スクロールとは、両者の間に断熱構造を形成して背面合わせの形態で構成されていることを特徴とするスクロール膨張機。
【請求項２】
前記第１の揺動スクロールと前記第２の揺動スクロールとの間には、断熱層として、両揺動スクロールの外周側に形成される揺動スクロール運動空間に連通する中空の断熱空間部が設けられていることを特徴とする請求項１記載のスクロール膨張機。
【請求項３】
前記第１の揺動スクロールと前記第２の揺動スクロールとは、取付座および耐冷媒性断熱部材を介してネジで締結されていることを特徴とする請求項１または２記載のスクロール膨張機。
【請求項４】
前記第１の揺動スクロールと前記第２の揺動スクロールとは、角度位相関係を保持するピンで接続されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のスクロール膨張機。
【請求項５】
前記ピンは、前記第１の揺動スクロールおよび前記第２の揺動スクロールのいずれか一方の揺動スクロールの台板の外周部に設けられ、
前記ピンが嵌合する溝の形状を、他方の揺動スクロールの台板に径方向に沿った長手形状に形成したことを特徴とする請求項４記載のスクロール膨張機。
【請求項６】
前記第１の揺動スクロールおよび前記第２の揺動スクロールの中心部を貫通し、回転中心から偏心させた揺動軸と、該揺動軸を支持する揺動軸受を設け、
前記第１の揺動スクロールおよび前記第２の揺動スクロールのいずれか一方と前記揺動軸受とを一体に形成したことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のスクロール膨張機。
【請求項７】
前記揺動軸受の外周面に前記第１の揺動スクロールと前記第２の揺動スクロールとの角度位相関係を保持する前記ピンを一体に設け、
前記揺動軸受を内包する揺動スクロール側に前記ピンが嵌合する嵌合溝を設けたことを特徴とする請求項６記載のスクロール膨張機。
【請求項８】
前記第１の揺動スクロールと前記第２の揺動スクロールとは、前記断熱空間部が全周にわたり前記揺動スクロール運動空間に連通するように、前記揺動軸受を共有して一体に形成されていることを特徴とする請求項６または７記載のスクロール膨張機。
【請求項９】
主圧縮機と、請求項１〜８のいずれかに記載のスクロール膨張機と、ガスクーラーと、絞り装置と、蒸発器と、を有し、
前記サブ圧縮機構が、前記主圧縮機の吐出側又は吸入側に接続され、
前記膨張機構が、前記絞り装置と並列になるように、前記ガスクーラーと前記蒸発器との間に接続されている
ことを特徴とする冷凍サイクル装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１２−６７６６１（Ｐ２０１２−６７６６１Ａ）
【公開日】平成２４年４月５日（２０１２．４．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２１２６３５（Ｐ２０１０−２１２６３５）
【出願日】平成２２年９月２２日（２０１０．９．２２）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月５日（２０１２．４．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月２２日（２０１０．９．２２）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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