(57)【要約】【課題】膨張トルクと圧縮トルクの変動差に起因する可動スクロールのバタツキを防止できる圧縮機一体型膨張機を提供する。【解決手段】固定スクロール２１と可動スクロール２２とを有し、固定スクロール２１と可動スクロール２２の互いに対向する渦巻き状のラップ間に膨張部と圧縮部を形成したスクロールユニット２０と、可動スクロール２２の自転を阻止する自転阻止機構４０とを備え、冷媒の膨張エネルギによって可動スクロール２２を固定スクロール２１の軸心周りに公転旋回運動させる圧縮機一体型膨張機において、可動スクロール２２とメインフレーム３との間に、圧縮コイルばね５１Ａ，５１Ｂを介装し、可動スクロール２２に公転旋回方向の偶力を予め機械的に付与する構成とした。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定スクロールと可動スクロールとを有し、前記固定スクロールと前記可動スクロールの互いに対向する渦巻き状のラップ間に作動流体の作動室を形成するスクロールユニットと、前記可動スクロールの自転を阻止する自転阻止機構と、を備え、前記作動流体の膨張エネルギによって前記可動スクロールを前記固定スクロールの軸心周りに公転旋回運動させて前記作動流体を圧縮する圧縮機一体型膨張機であって、
前記可動スクロールにトルクを予め機械的に付与するトルク付与手段を設ける構成とした圧縮機一体型膨張機。
【請求項２】
前記トルク付与手段のトルク方向は、前記可動スクロールの前記公転旋回方向である請求項１に記載の圧縮機一体型膨張機。
【請求項３】
前記トルク付与手段は、前記可動スクロールに偶力を付与する構成である請求項１又は２に記載の圧縮機一体型膨張機。
【請求項４】
前記トルク付与手段は、前記可動スクロール側面と、前記スクロールユニットの収納空間が形成されるハウジングの前記可動スクロール側面に対面するハウジング内面と、の間に、前記可動スクロールを弾性付勢する弾性部材を介装して構成した請求項１〜３のいずれか１つに記載の圧縮機一体型膨張機。
【請求項５】
前記弾性部材が、圧縮コイルばね又はねじりコイルばねである請求項４に記載の圧縮機一体型膨張機。
【請求項６】
前記スクロールユニットが、一対の固定スクロール及び可動スクロールの互いに対向する前記ラップ間に、前記作動室として、前記作動流体を膨張させる膨張部及び前記作動流体を圧縮させる圧縮部を有し、前記膨張部の可動スクロールと前記圧縮機の可動スクロールは同一部品の同一面にある請求項１〜５のいずれか１つに記載の圧縮機一体型膨張機。
【請求項７】
前記スクロールユニットが、一対の固定スクロール及び可動スクロールの互いに対向する前記ラップ間に、前記作動室として、前記作動流体を膨張させる膨張部及び前記作動流体を圧縮させる圧縮部を有し、前記膨張部の可動スクロールと前記圧縮機の可動スクロールは別部品であり、連結軸で連結されている請求項１〜５のいずれか１つに記載の圧縮機一体型膨張機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、作動流体の膨張エネルギによって可動スクロールを固定スクロールの軸心周りに公転旋回運動させて作動流体を圧縮する圧縮機一体型膨張機に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の圧縮機一体型膨張機として、例えば特許文献１に記載されたものが知られている。特許文献１に記載された圧縮機一体型膨張機は、固定スクロールと可動スクロールとを有し、両スクロールの互いに対向して噛合わせた渦巻き状のラップ間に作動流体の作動室を形成したスクロールユニットと、可動スクロールの自転を阻止する自転阻止機構と、を備えている。そして、スクロールユニットの作動室を、仕切り壁により、作動流体を膨張させる膨張部と作動流体を圧縮させる圧縮部とに仕切り、自転阻止機構で可動スクロールの自転を阻止しつつ、膨張部で作動流体が膨張して発生する膨張エネルギ（膨張トルク）によって、可動スクロールを固定スクロールの軸心周りに公転旋回運動させる構成である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−５２５２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、特許文献１に記載された圧縮機一体型膨張機のように、膨張エネルギを利用して可動スクロールを駆動するタイプでは、膨張エネルギを作動流体の圧縮に最大限に利用することが好ましい。そして、膨張部で発生する膨張トルクと圧縮部で発生する圧縮トルク（膨張トルクとは反対方向）と摩擦等による損失トルク（膨張トルクとは反対方向）との可動スクロール１回転当たりの各平均値の総和（平均膨張トルク−平均圧縮トルク−平均損失トルク）が略零に近いほど、膨張エネルギの利用効率は高くなる。
【０００５】
しかしながら、膨張部の膨張比が圧縮部の圧縮比に比べて大きく、１回転当たりの膨張トルクと圧縮トルクの各トルク変動（圧力変化）を比較すると膨張トルクの方が大きいので、前述のように膨張エネルギの利用効率を高めようとすると、旋回角度によっては圧縮トルクと損失トルクの合計トルクが膨張トルクを上回って負トルクが発生する虞れがある。負トルクの発生は、可動スクロールのバタツキを発生させ、例えばオルダムリング等の自転阻止機構からの騒音や渦巻き状のラップ間のシール性低下による作動流体の漏れの発生原因となる。
【０００６】
本発明は上記問題点に着目してなされたもので、膨張トルクと圧縮トルクの変動差に起因する可動スクロールのバタツキを防止できる圧縮機一体型膨張機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
このため、本発明は、固定スクロールと可動スクロールとを有し、前記固定スクロールと前記可動スクロールの互いに対向する渦巻き状のラップ間に作動流体の作動室を形成するスクロールユニットと、前記可動スクロールの自転を阻止する自転阻止機構と、を備え、前記作動流体の膨張エネルギによって前記可動スクロールを前記固定スクロールの軸心周りに公転旋回運動させて前記作動流体を圧縮する圧縮機一体型膨張機であって、前記可動スクロールにトルクを予め機械的に付与するトルク付与手段を設ける構成としたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の圧縮機一体型膨張機によれば、可動スクロールにトルクを予め付与して負トルクの発生を防止したので、可動スクロールのバタツキを防止できる。これにより、自転阻止機構における騒音の発生を防止できると共に、渦巻き状のラップ間のシール性の低下を招くことなく作動流体の漏れを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の圧縮機一体型膨張機の一実施形態を示す断面図である。
【図２】図１の固定スクロールを可動スクロール側から見た平面図である。
【図３】図１の可動スクロールを固定スクロール側から見た平面図である。
【図４】スクロールユニットを取り付けたメインフレームを示す断面図である。
【図５】図４のＡ−Ａ線矢視断面図である。
【図６】図５の点線で囲まれた部分の拡大図である。
【図７】従来のスクロールユニットのトルクと回転角との関係を示す図である。
【図８】本発明と従来のスクロールユニットのトルクと回転角との関係の比較を示す図である。
【図９】トルク付与手段の別の例を適用したスクロールユニットを取り付けたメインフレームを示す断面図である。
【図１０】図９のＢ−Ｂ線矢視断面図である。
【図１１】図１０の点線で囲まれた部分の拡大図である。
【図１２】図１１のＣ−Ｃ線矢視断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の圧縮機一体型膨張機の第１実施形態の断面図を示す。
本実施形態の圧縮機一体型膨張機は、図示省略した冷凍回路に接続され、取り込んだ冷媒を膨張させる膨張部と、膨張部で発生した膨張エネルギによって冷媒を圧縮する圧縮部とを、一体に備えている。
【００１１】
図１において、圧縮機一体型膨張機１は、ハウジング２を備え、このハウジング２は、メインフレーム３と、メインフレーム３の上部を閉止するキャップ状のトップシェル４と、メインフレーム３の下部を閉止するキャップ状のボトムシェル５とを備え、トップシェル４とボトムシェル５との間にＯリング６を介してメインフレーム３を挟み込むようにしてボルト（図示省略）で互いに締結することにより密閉されている。
【００１２】
前記トップシェル４側には、図１に模式的に示すように、冷凍回路からの冷媒を後述するスクロールユニット２０の膨張部２３内へ流入させる膨張側吸入管７と、前記膨張部２３で膨張された冷媒を冷凍回路に向けて吐出する膨張側吐出管８と、スクロールユニット２０の圧縮部２４で圧縮された冷媒を冷凍回路に向けて吐出する圧縮側吐出管９とが配置されている。膨張側吸入管７及び膨張側吐出管８は、図２に示す固定スクロール２１に形成された膨張側吸入室２１ｄ及び膨張側吐出室２１ｅにそれぞれ接続され、圧縮側吐出管９は、トップシェル４内に形成された圧縮側吐出室４ａに開口されている。
【００１３】
前記メインフレーム３には、その外周部に冷凍回路から取り込んだ冷媒を前記圧縮部２４内へ流入させる圧縮側吸入管１０が配置され、この圧縮側吸入管１０は、固定スクロール２１に形成された圧縮側吸入室２１ｆに接続されている。また、メインフレーム３の内部はスクロールユニット２０の収納空間３ａとなっており、固定スクロール２１及び可動スクロール２２から構成されるスクロールユニット２０が収納されている。また、メインフレーム３には、可動スクロール２２を固定スクロール２１の軸心周りに公転旋回運動可能に支持する後述の支持部３０が設けられている。
【００１４】
前記ボトムシェル５内側には、スクロールユニット２０を潤滑するための潤滑油を貯留するための潤滑油室１１が形成されている。
【００１５】
前記スクロールユニット２０は、１組の固定スクロール２１と可動スクロール２２とにより、作動流体である冷媒の作動室としての膨張部２３と圧縮部２４との両方を形成した単板型スクロールユニットである。
【００１６】
前記固定スクロール２１は、図２に示すように、環状の中間仕切り壁２１ａ及び外側仕切り壁２１ｂが立設され、中間仕切り壁２１ａよりも内側に渦巻き状の内側ラップ２１Ｌａが立設され、中間仕切り壁２１ａと外側仕切り壁２１ｂとの間に渦巻き状の外側ラップ２１Ｌｂが立設されている。また、シールリング１２（図１参照）が嵌挿される環状溝２１ｃが中間仕切り壁２１ａの端面に形成されている。
【００１７】
また、固定スクロール２１には、膨張側吸入室２１ｄが膨張部２３の内周端である中心部に形成され、膨張側吐出室２１ｅが中間仕切り壁２１ａの内側の膨張部２３の外周端に形成されている。更に、圧縮側吸入室２１ｆが外側仕切り壁２１ｂの内側の圧縮部２４の外周端に形成され、中間仕切り壁２１ａの外側の圧縮部２４の内周端に圧縮側吐出孔２１ｇがトップシェル４内の圧縮側吐出室４ａまで貫通するように形成されている。
【００１８】
前記可動スクロール２２は、図３に示すように、固定スクロール２１の内側ラップ２１Ｌａと対向して膨張部２３を形成する渦巻き状の内側ラップ２２Ｌａと、固定スクロール２１の外側ラップ２１Ｌｂと対向して圧縮部２４を形成する渦巻き状の外側ラップ２２Ｌｂが立設されている。内側ラップ２２Ｌａと外側ラップ２２Ｌｂは、相反する渦巻きの方向で立設されている。
【００１９】
これら固定スクロール２１と可動スクロール２２は、メインフレーム３の内部に形成されたスクロールユニット収納空間３ａに取り付けられる。具体的には、固定スクロール２１は、ラップ形成面側を下側に向けてメインフレーム３の内側に固定され、可動スクロール２２は、例えばオルダムリングを用いた自転阻止機構４０により自転を阻止された状態で、ラップ形成面側を上側に向けてメインフレーム３内側に支持部３０を介して、固定スクロール２１の軸心周りに公転旋回運動可能に支持されている。前記自転阻止機構４０は、可動スクロール２２の公転旋回運動に伴って可動スクロール２２の下面に摺接するようにメインフレーム３に取り付けられている。そして、可動スクロール２２側面とメインフレーム３のスクロールユニット収納空間３ａの内壁との間に、可動スクロール２２に公転旋回方向のトルクを予め機械的に付与するトルク付与手段５０が設けられている。このトルク付与手段５０の詳細については後述する。
【００２０】
前記支持部３０は、メインフレーム３の底壁に固定された固定軸３１と、固定軸３１にニードルベアリング３２を介して回動可能に軸支されて固定軸３１の軸心Ｘに対して偏心した偏心ブッシュ３３とを備え、偏心ブッシュ３３がラジアルベアリング３４を介して可動スクロール２２下面の中央凹部に内挿されている。尚、偏心ブッシュ３３の下面と固定軸３１の段付き面との間には、スラストベアリング３５が設けられている。この支持部３０の固定軸３１は、偏心ブッシュ３３を回動可能に支持するだけであり、自身が回転することはない。
【００２１】
前述したトルク付与手段５０の詳細を図４〜図６に示す。
図４は、図１に示す圧縮機一体型膨張機１のスクロールユニット２０を取り付けたメインフレーム３部分を示し、図５は、図４のＡ−Ａ線矢視断面図を示し、図６は、図５の点線で囲まれた部分の拡大図を示す。
トルク付与手段５０は、可動スクロール２２の互いに対称な側面部（１８０°ずれた側面位置）と、メインフレーム３のスクロールユニット収納空間３ａの可動スクロール側面に対面する内壁部との間に介装されて、可動スクロール２２を公転旋回方向に弾性付勢する一対の弾性部材として圧縮コイルばね５１Ａ、５１Ｂで構成されている。圧縮コイルばね５１Ａ、５１Ｂのばね力を同じに設定することで、可動スクロール２２に公転旋回方向の偶力を付与する。
【００２２】
圧縮コイルばね５１Ａ，５１Ｂの取付け構造は同じであり、ここでは圧縮コイルばね５１Ａについて図６に示して説明し、圧縮コイルばね５１Ｂについては説明を省略する。圧縮コイルばね５１Ａの取付け構造は、可動スクロール２２の側面側に溝２２Ａを設け、この溝２２Ａ内にピン５２を植設する。また、メインフレーム３の内壁側にも溝３Ａを設け、可動スクロール２２側のピン５２と対向するようにピン５３を植設する。圧縮コルばね５１Ａの一端をピン５２の外周に巻き付けて固定し、他端をピン５３の外周に巻き付けて固定する。これにより、可動スクロール２２の公転旋回運動によって圧縮コイルばね５１Ａ，５１Ｂがずれることがなく、可動スクロール２２に公転旋回方向のトルクを付与することができる。
【００２３】
次に、本実施形態の圧縮機一体型膨張機１の動作について説明する。
冷凍回路の運転開始前では、圧縮コイルばね５１Ａ，５１Ｂの弾性付勢力により可動スクロール２２に公転旋回方向の偶力が付与されており、自転阻止機構４０のオルダムリングのキーがキー溝の壁に押圧された状態である。冷凍回路の運転の開始により膨張側吸入管７から吸入した高圧の冷媒を、膨張側吸入室２１ｄを経て膨張部２３に取り込む。膨張部２３に取り込んだ冷媒の圧力（膨張エネルギ）により膨張トルクが発生して可動スクロール２２が固定スクロール２１の軸心周りに公転旋回運動を開始する。可動スクロール２２の公転旋回動作により、膨張部２３は外周側に移動しながら各内側ラップ２１Ｌａ，２２Ｌａの間の容積を増大させて冷媒を膨張する。膨張した冷媒を、膨張側吐出室２１ｅ及び膨張側吐出管８を介して外部の冷凍回路に向けて吐出する。
【００２４】
一方、圧縮側吸入管１０から吸入した低圧の冷媒を、圧縮側吸入室２１ｆを経て圧縮部２４に取り込む。圧縮部２４は、可動スクロール２２の公転旋回運動により各外側ラップ２１Ｌｂ，２２Ｌｂの間の容積を減少させて冷媒を圧縮する。この圧縮動作により膨張トルクと反対方向の圧縮トルクが発生する。圧縮した冷媒を、圧縮側吐出孔２１ｇを介してトップシェル４内の圧縮側吐出室４ａに吐出し、更に圧縮側吐出管９を介して外部の冷凍回路に向けて吐出する。このように、圧縮機一体型膨張機１は、冷媒の膨張エネルギによってスクロールユニット２０を駆動し、このスクロールユニット２０の駆動力によって冷媒の圧縮エネルギを発生させる。
【００２５】
このように動作する圧縮機一体型膨張機において、本実施形態のトルク付与手段５０を有さない従来構造の場合、前述したように、膨張エネルギを冷媒の圧縮に最大限に利用するため、膨張トルクと圧縮トルク（膨張トルクとは反対方向）と損失トルク（膨張トルクとは反対方向）との可動スクロール１回転当たりの各平均値の総和（平均膨張トルク−平均圧縮トルク−平均損失トルク）を略零になるように設定しようとすると、図７に示すように、膨張トルクのトルク変動が圧縮トルクのトルク変動に比べて大きいため、可動スクロール２２の総トルクにおいて旋回角度によって負トルクが発生する。
【００２６】
本実施形態の圧縮機一体型膨張機１では、一対の圧縮コイルばね５１Ａ，５１Ｂによって可動スクロール２２に予め公転旋回方向に偶力を付与している。そして、この偶力の大きさを、可動スクロール１回転当たりの平均膨張トルクと平均圧縮トルクと平均損失トルクの総和が略零になるように設定したときの膨張トルクと圧縮トルクのトルク変動差によって発生すると想定される負トルクに打ち勝てる大きさに設定する。これにより、図８に示すように、可動スクロール２２の総トルクにおいて従来のような負トルクの発生を防止できる。
【００２７】
従って、可動スクロール２２の公転旋回運動中において、可動スクロール２２に公転旋回方向とは逆方向の回転力が作用することがなく、可動スクロール２２のガタツキを防止できる。そして、負トルクが発生しない範囲で、可動スクロール１回転当たりの平均膨張トルクと平均圧縮トルクと平均損失トルクの総和を極力零に近づけることできる。これにより、回転阻止機構における騒音の発生を防止できる。また、スクロールユニット２０におけるラップ間のシール性の低下を防止でき、冷媒の漏れを抑制できる。更に、可動スクロール２２には、予め公転旋回方向のトルクが作用しているので、圧縮機一体型膨張機１の駆動前の初期状態において、自転阻止機構４０におけるオルダムリングに遊びがないため、駆動初期においても可動スクロール２２のガタツキがなく、騒音が発生しない。
【００２８】
上述の実施形態では、トルク付与手段５０を圧縮コイルばね５１Ａ，５１Ｂで構成したが、これに限るものではなく、ねじりコイルばねでもよい。ねじりコイルばねを用いたトルク付与手段の例を図９〜図１２を参照して説明する。尚、上述した実施形態と同一要素には同一符号を付してある。
【００２９】
図９は、ねじりコイルばねによるトルク付与手段６０を設けた圧縮機一体型膨張機のスクロールユニット２０を取り付けたメインフレーム３部分を示し、図１０は、図９のＢ−Ｂ線矢視断面図を示し、図１１は、図１０の点線で囲まれた部分の拡大図を示し、図１２は、図１１のＣ−Ｃ線矢視断面図を示す。尚、上記の実施形態と同一部分には同一符号を付してある。
トルク付与手段６０のねじりコイルばね６１Ａ，６１Ｂの取付け構造は同じであり、ねじりコイルばね６１Ａについて説明する。図１１に示すように、圧縮コイルばね５１Ａの場合と同様に、可動スクロール２２の側面側に溝２２Ａを設け、この溝２２Ａ内の略中央にピン６２を植設する。また、メインフレーム３の内壁側にも溝３Ａを設け、可動スクロール２２側のピン６２の植設方向と同じ方向にピン６３，６４を植設する。ねじりコルばね６１Ａのコイル部分をピン６４外周に取付け、図１１に示すようにねじりコルばね６１Ａの一端をピン６３に係止し、他端を可動スクロール２２側のピン６２に、可動スクロール２２に公転旋回方向に弾性付勢力が作用するように係止する。これにより、圧縮コイルばね５１Ａ，５１Ｂの場合と同様に、可動スクロール２２に公転旋回方向のトルクを付与することができる。
【００３０】
尚、上記の実施形態では、トルク付与手段を、可動スクロールの対称位置に一対の弾性部材を設ける構成とし可動スクロールに公転旋回方向の偶力を機械的に付与する構成としたが、弾性部材を１つだけ設ける構成でもよく、可動スクロールに公転旋回方向のトルクを予め機械的に付与できる構成であればよく、どのような構成でもよい。
【００３１】
また、本実施形態の圧縮機一体型膨張機では、膨張部と圧縮部の両可動スクロールが同一部品の同一面に設けられた単板型スクロールユニットを備えた例について説明したが、この構成に限定されるものではなく、例えば、スクロールユニットとして膨張部と圧縮部の両可動スクロールが別部品であって、連結軸により連結されている構成でもよい。この場合、トルク付与手段は、膨張部と圧縮部のいずれの可動スクロールに設けられても良い。
【００３２】
また、本発明は圧縮機一体型膨張機について述べたが、作動流体の膨張エネルギを用いて可動スクロールを公転旋回運動するスクロール型流体機械であれがどのような流体機械にも適用でき、例えば、この種のスクロール型圧縮機にも適用できることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００３３】
１…圧縮機一体型膨張機  ２…ハウジング  ３…メインフレーム  ３Ａ…溝  ２１…固定スクロール  ２２…可動スクロール  ２１Ｌａ，２２Ｌａ…内側ラップ  ２１Ｌｂ，２２Ｌｂ…外側ラップ  ２３…膨張部  ２４…圧縮部  ４０…自転阻止機構  ５０，６０…トルク付与手段  ５１Ａ，５１Ｂ…圧縮コイルばね  ６１Ａ，６１Ｂ…ねじりコイルばね
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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