(57)【要約】【課題】スクロール膨張機はスクロール圧縮機と比較した場合、旋回スクロールのスラスト摺動部での損失割合が大きく、スクロール膨張機の高効率化においてはスラスト摺動部での損失改善が非常に重要である。【解決手段】スラスト荷重を支持するスラスト摺動部１０１を介して微小圧力差を設けるかあるいは圧力差をなくす構成とし、旋回スクロールの旋回運動時の微小変動により、スラスト摺動部１０１を確実に潤滑しながらも、高い効率を実現するスクロール膨張機を提供する。【選択図】図１
2006258093.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鏡板から渦巻き状のラップが立ち上がる固定スクロール及び旋回スクロールを噛み合わせて双方間に膨張室を形成し、前記旋回スクロールを自転規制機構による自転の規制のもとに円軌道に沿って旋回させたとき前記膨張室が容積を変えながら移動することで、吸入、膨張、吐出を行う膨張機構部を備えたスクロール膨張機において、
前記旋回スクロールの背面側に、オイルまたはオイル雰囲気の作動流体の圧力が作用する背圧室が形成され、内側の背圧室を略吸入圧力、外側の背圧室を略吐出圧力とするように前記旋回スクロール背面と摺動する環状摺動仕切り帯を設けて前記背圧室を２重構造で構成し、前記背圧室の圧力により前記旋回スクロールのスラスト荷重が前記固定スクロールに支持されるとともに、前記旋回スクロールのラップ外壁側と前記固定スクロールのラップ内壁側とで形成される膨張終了付近の膨張室と前記外側の背圧室との間に、前記スラスト荷重を支持するスラスト面を介して微小圧力差を設けたことを特徴とするスクロール膨張機。
【請求項２】
旋回スクロールと固定スクロールのスラスト摺動面にオイル供給手段を設けた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】
オイル供給手段が、少なくとも１つ以上のオイル供給溝であることを特徴とする請求項２記載のスクロール膨張機。
【請求項４】
鏡板から渦巻き状のラップが立ち上がる固定スクロール及び旋回スクロールを噛み合わせて双方間に膨張室を形成し、前記旋回スクロールを自転規制機構による自転の規制のもとに円軌道に沿って旋回させたとき前記膨張室が容積を変えながら移動することで、吸入、膨張、吐出を行う膨張機構部を備えたスクロール膨張機において、前記旋回スクロールの背面側に、オイルまたはオイル雰囲気の作動流体の圧力が作用する背圧室が形成され、前記背圧室の圧力により前記旋回スクロールのスラスト荷重が前記固定スクロールに支持されるとともに、前記旋回スクロールのラップ外壁側と前記固定スクロールのラップ内壁側とで形成される膨張終了付近の膨張室と前記背圧室との間に、背圧調整機構等の手段を用いて前記背圧室の圧力を吐出圧力よりも高く設定し、前記スラスト荷重を支持するスラスト面を介して圧力差を設け、前記背圧室と前記膨張室を絞り部を介して連通したことを特徴とするスクロール膨張機。
【請求項５】
絞り部が、スラスト摺動面に形成された少なくとも１つ以上のオイル供給溝である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】
オイル供給溝内の流れ方向が、旋回スクロールの旋回方向とほぼ同方向であることを特徴とする請求項３あるいは請求項５記載のスクロール膨張機。
【請求項７】
絞り部が、旋回スクロールの鏡板の圧力変形により形成される楔形状部である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８】
旋回スクロールの反スラスト摺動面側の鏡板に、前記反スラスト摺動面側に開口する溝部を形成し、柔構造部を設けたことを特徴とする請求項７記載のスクロール膨張機。
【請求項９】
絞り部が、スラスト摺動面にエッチング処理などによって施された、微小溝あるいは微小凸凹部である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１０】
作動流体を、高圧冷媒、例えば二酸化炭素とすることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載のスクロール膨張機。
【請求項１１】
圧縮機、放熱器、膨張機、及び蒸発器を有する冷凍サイクル装置において、前記冷凍サイクル装置の減圧手段として用いられる請求項１から１０記載のスクロール膨張機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鏡板から渦巻き状のラップが立ち上がる固定スクロール及び旋回スクロールを噛み合わせて双方間に膨張室を形成し、旋回スクロールを自転規制機構による自転の規制のもとに円軌道に沿って旋回させたとき膨張室が容積を変えながら移動することで、吸入、膨張、吐出を行うスクロール膨張機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種のスクロール流体機械のスクロール圧縮機においては、旋回スクロールおよび固定スクロール間の圧縮室で流体を吸入し、圧縮し、吐出するのに、旋回スクロールの背部に背圧室を設け、ここに導いた高圧の背圧によって旋回スクロールを固定スクロールの側に押圧し、圧縮室での流体圧により旋回スクロールが固定スクロールから押し離されないようにすることが従来から行われている。
【０００３】
この背圧は圧縮機構の吐出流体圧、圧縮途中の流体圧、旋回スクロールに連動するポンプ機構や圧縮機構の吐出側と吸入側の差圧を利用して、圧縮機構各部にオイルを供給するときの供給圧などの種々の方法で得られているが、背圧の変動により背圧設定が過剰となり、旋回スクロールが固定スクロールに強く押し付けられてしまうと、スラスト摺動部の異常摩耗や入力増加を招いてしまうため、背圧調整機構などを用いて様々な改善が加えられている。
【０００４】
また、スクロール圧縮機においては、スラスト摺動部をオイルを用いて積極的に潤滑を行おうとすると圧縮行程中の圧縮室にまでオイルが流入し、オイルの過熱損失によって効率を大きく低下させる問題を有していた。この問題を解決するために、固定スクロールのスラスト摺動部にオイル供給溝を設ける技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
図７は、特許文献１に記載された従来のスクロール圧縮機におけるスラスト摺動部を示すものである。図７において、背圧室に達したオイルが堀込み部２７０を通じてオイル供給溝２７１に進入して毛細管現象によってその全長に行き渡り、摺動部を適度に潤滑して効率低下等の問題を防止するものである。
【０００６】
スクロール膨張機においても、スクロール圧縮機と同様にスラスト支持構成等は考えられるものの、スクロール膨張機でのこの種の技術開示はスクロール圧縮機と比較して非常に少ない。
【特許文献１】特開２０００−２９１５７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
スクロール膨張機において、旋回スクロールの支持方法として圧縮機と同様の手段を用いることは比較的容易であるが、以下の課題によりスクロール膨張機でのスラスト摺動部での潤滑性能向上が非常に重要な課題となってくる。
【０００８】
スクロール圧縮機とスクロール膨張機とを同等レベルのサイズで構成し、同条件（周波数、高圧／低圧、作動流体、スラスト損失）で運転した場合、「圧縮機の入力」と「膨張機の出力」に対するスラスト損失の割合は、一般的には「膨張機」＞「圧縮機」となる。これは作動流体の物性で決定される理論圧縮動力、理論膨張動力の関係から定性的に決まるものである。
【０００９】
したがってスクロール膨張機におけるスラスト摺動部の潤滑性能向上とスラスト損失の低減は、高効率化、高信頼性化の観点からも非常に重要度は高まってくる。
本発明は、そのような課題を解決するもので、スクロール流体機械のうちスクロール膨張機特有の特性を用いてスラスト摺動部での潤滑性を向上し、スラスト損失の少ない高効率で信頼性の高いスクロール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】
【００１０】
前記従来の課題を解決するために本発明のスクロール膨張機は、旋回スクロールの背面側に、オイルまたはオイル雰囲気の作動流体の圧力が作用する背圧室が形成され、内側の背圧室を略吸入圧力、外側の背圧室を略吐出圧力とするように旋回スクロール背面と摺動する環状摺動仕切り帯を設けて前記背圧室を２重構造で構成し、前記背圧室の圧力により前記旋回スクロールのスラスト荷重が前記固定スクロールに支持されるとともに、前記旋回スクロールのラップ外壁側と前記固定スクロールのラップ内壁側とで形成される膨張終了付近の膨張室と前記外側の背圧室との間に、前記スラスト荷重を支持するスラスト面を介して微小圧力差を設けた構成としている。
【００１１】
これによって、前記２重構造の背圧室の最適設計により、旋回スクロールが固定スクロールにスラスト支持されていながら、膨張室内の圧力分布の変動等により微小に旋回スクロールを固定スクロールから離反させる構成が可能となり、前記離反隙間を利用して固定スクロールと旋回スクロールの摺動部の潤滑を確実に行い、高効率で高信頼性のスクロール膨張機を提供することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のスクロール膨張機は、スクロール膨張機特有の構成により、スラスト摺動面を潤滑した潤滑油が膨張室内に流入しても膨張機性能を大きく低下させない特徴を用いて、高効率でかつ信頼性の高い膨張機効率を実現することが可能となる。
【００１３】
また、作動流体を、高圧冷媒、例えば二酸化炭素とすることにより特に高い効果を実現することができるとともに、二酸化炭素を作動流体に用いた冷凍装置おいて、膨張弁の代替として膨張機を用いることにより、冷凍サイクルのエネルギー消費効率をさらに高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
第１の発明は、鏡板から渦巻き状のラップが立ち上がる固定スクロール及び旋回スクロールを噛み合わせて双方間に膨張室を形成し、前記旋回スクロールを自転規制機構による自転の規制のもとに円軌道に沿って旋回させたとき前記膨張室が容積を変えながら移動することで、吸入、膨張、吐出を行う膨張機構部を備えたスクロール膨張機において、前記旋回スクロールの背面側に、オイルまたはオイル雰囲気の作動流体の圧力が作用する背圧室が形成され、内側の背圧室を略吸入圧力、外側の背圧室を略吐出圧力とするように旋回スクロール背面と摺動する環状摺動仕切り帯を設けて前記背圧室を２重構造で構成し、前記背圧室の圧力により前記旋回スクロールのスラスト荷重が前記固定スクロールに支持されるとともに、前記旋回スクロールのラップ外壁側と前記固定スクロールのラップ内壁側とで形成される膨張終了付近の膨張室と前記外側の背圧室との間に、前記スラスト荷重を支持するスラスト面を介して微小圧力差を設けるかあるいは略吐出圧力に設定したものである。
【００１５】
これによって、旋回スクロールを固定スクロールに支持するとともに、前記２重構造の背圧室の最適設計により、膨張室内の圧力分布の変動等により微小に旋回スクロールを固定スクロールから離反させる構成が可能となり、前記離反隙間を利用してオイルまたはオ
イル雰囲気の作動流体をスラスト摺動部へ供給することができ、スラスト摺動部での機械損失を抑えることができる。また、スラスト摺動部を潤滑し終えたオイルは膨張終了付近の膨張室に流入することになるが、膨張終了付近の膨張室においてはオイル流入の影響による膨張機性能への影響は比較的少ないことから、膨張機性能を損なうことも少ない。
【００１６】
第２の発明は、特に、第１の発明で、旋回スクロールと固定スクロールのスラスト摺動面にオイル供給手段を設けたものである。これによって、旋回スクロールの固定スクロールからの離反隙間を利用したオイル供給だけではスラスト摺動部の潤滑が厳しい場合においても、積極的にオイルを供給することが可能となる。
【００１７】
第３の発明は、特に、第２の発明で、オイル供給手段が、少なくとも１つ以上のオイル供給溝で構成されたものである。この場合、オイル供給溝の構成位置により意図したスラスト摺動面位置に積極的にオイルを供給することが可能となり、スラスト摺動部の中で潤滑的に厳しい部分への局部対応も可能となる。
【００１８】
第４の発明は、鏡板から渦巻き状のラップが立ち上がる固定スクロール及び旋回スクロールを噛み合わせて双方間に膨張室を形成し、前記旋回スクロールを自転規制機構による自転の規制のもとに円軌道に沿って旋回させたとき前記膨張室が容積を変えながら移動することで、吸入、膨張、吐出を行う膨張機構部を備えたスクロール膨張機において、前記旋回スクロールの背面側に、オイルまたはオイル雰囲気の作動流体の圧力が作用する背圧室が形成され、前記背圧室の圧力により前記旋回スクロールのスラスト荷重が前記固定スクロールに支持されるとともに、前記旋回スクロールのラップ外壁側と前記固定スクロールのラップ内壁側とで形成される膨張終了付近の膨張室と前記背圧室との間に、背圧調整機構等の手段を用いて前記背圧室の圧力を吐出圧力よりも高く設定し、前記スラスト荷重を支持するスラスト面を介して圧力差を設け、前記背圧室と前記膨張室を絞り部を介して連通したものである。これによって、旋回スクロールを安定的に固定スクロールに支持するとともに、絞り部を介して適度に旋回スクロールが摺動しているスラスト摺動部にオイルを供給することが可能となる。また、スラスト摺動部を潤滑し終えたオイルは膨張終了付近の膨張室に導かれるが、膨張終了付近の膨張室においてはオイル流入の影響による膨張機性能への影響は比較的少ない。
【００１９】
第５の発明は、特に、第４の発明で、絞り部が、スラスト摺動面に形成された少なくとも１つ以上のオイル供給溝で構成されたものである。これによって、意図した位置に積極的にオイルを供給することが可能となり、スラスト摺動部の中で潤滑的に厳しい部分への局部対応も可能となる。
【００２０】
第６の発明は、特に、第３および第５の発明で、オイル供給溝内の流れ方向が、旋回スクロールの旋回方向とほぼ同方向で構成したものである。これによって、差圧だけでなく、旋回スクロールの旋回運動によるオイル供給効果も加わり、スラスト摺動部の温度上昇が懸念させる高速運転時の場合においても、より高い効果を発揮できる。
【００２１】
第７の発明は、特に、第４の発明で、絞り部が、旋回スクロールの鏡板の圧力変形により形成される楔形状部で構成されたものである。これによって、旋回スクロールの全外周においてスラスト摺動面へのオイル供給がより積極的に行われるだけでなく、楔効果によるより安定的な油膜発生が期待できる。
【００２２】
第８の発明は、特に、第７の発明で、旋回スクロールの反スラスト摺動面側の鏡板に、前記反スラスト摺動面側に開口する溝部を形成し、柔構造部を設けたものである。これによって、前記旋回スクロールの前期鏡板が、前記柔構造部により積極的な圧力変形を起こし、第７の発明で制御できない楔形状部を意図的に制御することが可能となる。
【００２３】
第９の発明は、特に、第４の発明で、絞り部が、スラスト摺動面にエッチング処理などによって施された、微小溝あるいは微小凸凹部で構成されたものである。これによって、スラスト摺動部の広範囲にわたって比較的容易に絞り部を形成することが可能となり、スラスト摺動損失を最大限に軽減できるとともに、微小絞り部を形成できることから膨張室へのオイル流入量を必要最低限に抑えることが可能となる。
【００２４】
第１０の発明は、特に、第１〜９のいずれか１つの発明で、作動流体として高圧ガス、例えば二酸化炭素を用いたものである。二酸化炭素はフロン系冷媒に比べて差圧がより大きいため、スラスト摺動部での損失が一段と大きくなり、本発明の効果をより高めることができる。
【００２５】
第１１の発明は、圧縮機、放熱器、膨張機、及び蒸発器を有する冷凍サイクル装置において、冷凍サイクル装置の減圧手段として、第１〜１０のいずれか１つの発明のスクロール膨張機が用いられるものである。これにより、従来は減圧時のエネルギー損失として失っていたエネルギーの回収が可能となり、冷凍サイクル装置全体のエネルギー消費効率を高めることができる。
【００２６】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００２７】
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態におけるスクロール膨張機の断面図である。密閉容器１内に溶接や焼き嵌めなどして固定したクランク軸４の主軸受部材１１と、この主軸受部材１１上にボルト止めした固定スクロール１２との間に、固定スクロール１２と噛み合う旋回スクロール１３を挟み込んでスクロール式の膨張機構２を構成し、旋回スクロール１３と主軸受部材１１との間に旋回スクロール１３の自転を防止して円軌道運動するように案内するオルダムリングなどによる自転規制機構１４を設けて、クランク軸４の上端にある偏心軸部４ａにて旋回スクロール１３を偏心駆動することにより旋回スクロール１３を円軌道運動させている。これにより固定スクロール１２と旋回スクロール１３との間に形成している膨張室１５が中央部から外周側に移動しながら容積が大きくなるのを利用して、密閉容器１外に通じた吸入パイプ１６および固定スクロール１２の中央部の吸入口１７から作動流体を吸入して膨張していき、所定圧以下になった作動流体は固定スクロール１２の外周側の吐出口１８から密閉容器１外に吐出させることを繰り返す。
【００２８】
作動流体の膨張による動力は、膨張機構２の下部に配置されたジェネレータ３により電力として変換される。本実施の形態ではジェネレータ３を用いているが、クランク軸４に別の圧縮機構を連結していれば、膨張による動力はそのまま圧縮機構のアシストとして用いることができる。
【００２９】
またクランク軸４の他端側は副軸受部材２１によって支持され、クランク軸４の他端側の先端にはポンプ２５を備えている。オイル６は、オイル溜め２０からポンプ２５により供給され、クランク軸４の軸方向の中心に設けられた給油経路（図示せず）を経て、主軸受部１１ａ、偏心軸受部１１ｂを潤滑および冷却した後、オイル戻し孔２６を経て再循環を行う。
【００３０】
一方、偏心軸受部１１ｂに到達したオイル６の一部は、旋回スクロール１３の内部に設けられた絞り部２８により減圧されて背圧室２９に供給される。ここでは旋回スクロール１３の反ラップ側の鏡板背面に、中心部と外周部とを仕切る環状摺動仕切り帯としてシール部材４６を配置している。中心部側には膨張機構２のおおよそ吸入圧力である高圧が作
用し、外周部側には膨張機構２のおおよそ吐出圧力である低圧が作用する構成となっている。シール部材４６は偏心軸受部１１ｂに到達したオイル６の圧力と低圧側の背圧室２９の圧力をシールする役割を持っている。背圧室２９に減圧供給されたオイル６は、背圧室２９と膨張終了付近の膨張室１５とを連通している連絡路１０４を通り膨張室１５へ流入する。背圧室２９の圧力は、絞り部２８と連絡路１０４等の抵抗によりおおよそ低圧の吐出圧力の場合もあれば、吐出圧力より微小に高い圧力の場合もある。
【００３１】
上記の構成により、旋回スクロール１３は固定スクロール１２に適度な押し付け力で押圧され旋回スクロール１３のスラスト荷重が固定スクロール１２に支持されているが、シール部材４６の直径の選択や背圧室２９の圧力微調整により、膨張室１５の圧力分布の変動に伴なって微小に旋回スクロール１３が固定スクロール１２から離反する条件の設定が可能である。大きすぎる離反は膨張機１５の大幅な性能低下を引き起こすが、一部分の数μｍレベルの微小離反に関しては特段に膨張機１５の性能低下には至らない場合が多く、本実施の形態においては、旋回スクロール１３が固定スクロール１２に適度な押し付け力で押圧されながら数μｍの微小離反が発生する設定としている。
【００３２】
上記設定を行うと、固定スクロール１２と旋回スクロール１３とのスラスト摺動部１０１は、運転中に数μｍの微小隙間を伴ないながら旋回運動が行われている味噌擂り運動状態となり、この微小隙間から背圧室２９内のオイル６がスラスト摺動部１０１に流入しスラスト摺動部１０１の潤滑を有効に行うことができる。また、味噌擂り運動によりスラスト摺動部１０１へは常に新しいオイル６の供給が行われることとなり、オイル６の滞留を防止し、より良好なスラスト潤滑を実現することができる。
【００３３】
ここで、背圧室２９内の圧力は、おおよそ低圧の吐出圧力あるいは吐出圧力より微小に高い圧力の設定であることが構成上望ましい。背圧室２９内の圧力を背圧調整機構等を用いて意図的に吐出圧力よりも高く設定した場合、味噌擂り運動状態下での安定的な背圧設定は困難となり、信頼性上のバラツキの要因となりうる。背圧室２９内の圧力をおおよそ低圧の吐出圧力あるいは吐出圧力より微小に高い圧力に設定した方が困難性は少なく、構成上も容易であり、好適である。
【００３４】
スクロール膨張機の場合には、背圧室２９から膨張室１５へ流入したオイル６は膨張機構２の膨張性能に大きく影響を与えることは少ない。これはラップ中心部から作動流体の膨張行程が開始し、ラップ外周部では膨張行程がほぼ完了し、吐出行程に移っていることによるものである。スクロール圧縮機の場合では、オイル６が流入するところは圧縮開始付近の圧縮室に相当するため、高温のオイル６が流入すると吸入過熱損失となり大きな損失をもたらすが、スクロール膨張機ではこのような懸念は少ない。
【００３５】
以上のような構成を用いることにより、スラスト摺動部１０１の信頼性が高く、高効率なスクロール膨張機を提供することができる。
【００３６】
なお、スラスト摺動部１０１へのオイル６の供給が不足する場合においては、旋回スクロール１３側あるいは固定スクロール１２側に、意図的にオイル６の供給手段を講じても良い。オイル６の供給手段がある場合においても、背圧室２９と膨張終了付近の膨張室１５との間の差圧は少なく、過度にオイル６が供給させることも少ない。
【００３７】
図２は、本実施の形態１あるいは後述の本実施の形態２における要部平面図である。図２に示すように、オイル６の供給手段の一例としては、少なくとも１つ以上のオイル供給溝１０３のような例があげられる。例では、旋回スクロール１３のスラスト摺動部１０１である固定スクロール１２のスラスト面にオイル供給溝１０３を設けてある。オイル供給溝１０３は比較的細い浅溝で形成されている。オイル供給溝１０３が存在する場合には、
背圧室２９の圧力の調整は前述の調整とは当然異なり、仕様毎の最適化設計が必要である。
【００３８】
オイル供給溝１０３は任意の位置に構成することが可能であるが、スラスト摺動部１０１の潤滑状態が厳しい位置に構成することにより、その部分に積極的にオイルを供給することが可能となる。これにより、よりスラスト摺動部の潤滑状態が良好なスクロール膨張機を提供することができる。
【００３９】
さらに、オイル供給溝１０３内の流れ方向が旋回スクロール１３の旋回方向と同方向で構成した場合、背圧室２９内で旋回運動する旋回スクロール１３の鏡板部のポンピング効果により、オイル６の圧送効果も期待できる。スラスト摺動部１０１の温度上昇が懸念させる高速運転時においては、ポンピング効果がより高められ、圧力差に依存するだけでなく、旋回運動を利用したより高い潤滑環境を実現することができる。
【００４０】
（実施の形態２）
本発明の第１の実施の形態と重複する部分については、詳細説明を省略するが、第１の実施の形態と異なる部分については以下、図３を用いて詳細に説明する。
【００４１】
図３は本発明の第２の実施の形態におけるスクロール膨張機の断面図である。図３に示すように、スクロール１３の反ラップ側の鏡板背面に、中心部と外周部とを仕切るシール部材４６を配置している。シール部材４６は偏心軸受部１１ｂに到達したオイル６の圧力と背圧室２９の圧力をシールする役割を持っている。背圧室２９に供給されたオイル６が溜まるに従い、背圧室２９の圧力が上昇するが、その圧力を一定に保つために、背圧調整機構９が構成されており、背圧室２９の圧力が設定された圧力より高くなると背圧調整機構９が作動するようになっている。背圧調整機構９の出口側は吐出口１８に連通されており、背圧室２９の圧力は膨張機構２の吐出圧力より高い任意の圧力に調整することが可能となっている。背圧調整機構９は、従来技術（特許文献１）のような、スクロール圧縮機で用いられているものがそのままスクロール膨張機においても適用が可能である。
【００４２】
上記構成により、旋回スクロール１３が固定スクロール１２から離反することなく、旋回スクロール１３は固定スクロール１２に適度な押し付け力で押圧され、スラスト荷重が固定スクロール１２に支持されている。
【００４３】
スクロール流体機械は容積型の流体機械のため、特段の構成を用いない場合は、スクロールラップ形状により圧縮比あるいは膨張比が決定される。スクロール膨張機がある運転圧力範囲内で運転され、過膨張あるいは不足膨張が発生する場合であってもラップ形状の選定と背圧調整機構９の調整を最適に行うことにより、背圧室２９の圧力は最適値に設定することができる。本実施の形態においては、旋回スクロール１３のラップ外壁側と固定スクロール１２のラップ内壁側とで形成される膨張終了付近の膨張室１５の圧力より、背圧室２９の圧力を高く設定している。
【００４４】
上記構成をとることにより、固定スクロール１２と旋回スクロール１３とのスラスト摺動部１０１を介して、オイル６が潤沢である背圧室２９の方が圧力が高く、膨張室１５の方が低い状態となる。当然のことながらスラスト摺動部１０１は、オイル６が介在し適度な油膜力でスラスト潤滑を行っているが、必ずしも一様に油膜力が発生しているわけではない。油膜力が低下している部分は、スラスト摺動部１０１そのものが絞り部として作用し、前述の圧力差によりオイル６がスラスト摺動部１０１へ供給され、冷却作用をもたらすだけでなくオイル６の滞留を防止し、より良好なスラスト潤滑を実現することができる。
【００４５】
スクロール膨張機の場合には、背圧室２９から膨張室１５へ流入したオイル６は膨張機構２の性能に大きく影響を与えることは少ない。これはラップ中心部から作動流体の膨張行程が開始し、ラップ外周部では膨張行程がほぼ完了し、吐出行程に移っていることによるものである。スクロール圧縮機の場合では、オイル６が流入するところは圧縮開始付近の圧縮室に相当するため、高温のオイル６が流入すると吸入過熱損失となり大きな損失をもたらす。したがってスクロール圧縮機の場合においては、オイル６の流入を積極的に行うことができず、効率とスラスト摺動部の信頼性を両立させることが課題となっていた。
【００４６】
しかしながらスクロール膨張機では、オイル６の流入に特段の配慮をはらう必要が少なく、効率とスラスト摺動部の信頼性を両立させることが非常に容易である。これにより、スラスト摺動部１０１の信頼性が高く、高効率なスクロール膨張機を提供することができる。
【００４７】
また、旋回スクロール１３の反ラップ側の鏡板背面に、中心部と外周部とを仕切るシール部材５を配置しない構成においても上記効果は同様に得ることが可能である（図示せず）。
【００４８】
なお、本発明の第１の実施の形態と類似するが、図２に示すように、絞り部を旋回スクロール１３とのスラスト摺動部１０１である固定スクロール１２のスラスト面に構成してもよい。図２では、旋回スクロール１３の回転方向に沿うようにオイル供給溝１０３を２本設ける構成としており、比較的細い浅溝で形成されオイル６が流れた場合でも粘性抵抗により絞り効果が発生する程度のものである。この構成により、背圧室２９の圧力と、旋回スクロール１３の回転とによりオイルが積極的に供給されスラスト摺動部１０１の潤滑性が一層向上する。
【００４９】
オイル供給溝１０３が存在する場合には、背圧調整機構９とオイル供給溝１０３の絞り効果との兼ね合いで背圧室２９の圧力が決定されるが、最適化により任意の圧力に設定は可能である。なお、絞り効果を発生させるために、オイル供給溝１０３を局部的に絞る構成としても良い。
【００５０】
また、オイル供給溝１０３内の流れ方向が旋回スクロール１３の旋回方向とほぼ同方向で回転方向に沿うように構成した場合も、本発明の第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００５１】
別の絞り部の構成としては図４に示すような構成となっていてもよい。図４は、本発明の第２の実施の形態における絞り部の構成一例を示すものであり、旋回スクロールおよび固定スクロールの運転時圧力変形の状態を概念的に示したものである。
【００５２】
本構成例では、旋回スクロール１３を圧力差により固定スクロール１２に押圧させて図４のような周囲が浮き上がる弾性変形を起こさせたものである。弾性変形量は旋回スクロール１３の鏡板１３ａの剛性等により様々であり、いずれもあまり大きな量ではなく数μｍ〜２０μｍ以下程度のものであり、スラスト摺動部１０１に楔形状部１０２を形成させたものである。
【００５３】
楔形状部１０２はスラスト摺動部１０１の潤滑面では、楔効果による油膜力の発生を補うだけでなく、微小隙間の絞り部として作用しオイル６の流入を促進する。この変形は旋回スクロール１３の鏡板１３ａの全外周で起こり得るものであり、スラスト摺動部１０１の大きな摺動改善を期待することができ、さらに高効率なスクロール膨張機を提供することができる。
【００５４】
図５は、旋回スクロール１３の反スラスト摺動面側から見た要部平面図である。図５に示すように、旋回スクロール１３の反スラスト摺動面側の鏡板１３ａに、反スラスト摺動面側に開口する溝部１０５を形成し、鏡板１３ａに柔構造部を設けることにより、楔形状部１０２の構成を容易にし、変形量を意図的に制御することができる。溝部１０５は略環状であってもよいし、部分的に途切れた複数溝であってもよく、特段の形状の制限を受けるものではない。
【００５５】
これは、旋回スクロール１３の鏡板１３ａは溝部１０５付近で剛性が低下し弾性変形が促進された結果であり、剛性のコントロールにより楔形状部１０２を制御することが可能となる。
【００５６】
さらに別の絞り部の構成としては、図６に示すような構成もあげられる。固定スクロール１２のスラスト摺動面１０１にエッチング処理などによって施された微小溝１０６を広範囲にわたって構成した場合、スラスト摺動面１０１での摺動損失低減効果はさらに効果的なものとなる。エッチング処理を用いた場合には、比較的容易に広範囲にわたって絞り部を形成することができ、絞り部自体の絞り効果も大きくとれることから、膨張室１５へのオイル６の流入量を必要最低限に抑えることが可能となる。機械加工によるオイル供給溝を多数設けることによっても対応はある程度可能であるが、要求される絞り効果を実現するには限界があり、過度のオイル６の膨張室１５への流入を招く結果となる。エッチング処理などによって施された微小溝１０６を多数設けることは、スラスト摺動面１０１の潤滑状態がより厳しい状態への対応策として非常に有効である。
【００５７】
本発明の第１あるいは第２の実施の形態において、作動流体を、高圧冷媒、例えば二酸化炭素とした場合では、フロン系冷媒に比べて差圧がより大きいため、スラスト摺動部１０１での損失が一段と厳しくかつ大きくなり、本発明の効果をより一層高めることができる。
【００５８】
また、圧縮機、放熱器、膨張機、及び蒸発器を有する冷凍サイクル装置において、冷凍サイクル装置の減圧手段としてスクロール膨張機を用いた場合、従来は減圧時のエネルギー損失として失っていたエネルギーの回収が可能となり、冷凍サイクル装置全体のエネルギー消費効率を高めることができる。冷凍サイクル装置の冷媒が二酸化炭素である場合は、膨張過程での理論回収動力がフロン系冷媒と比べて非常に大きくなるため、エネルギー回収効果も非常に大きなものとなる。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
以上のように、本発明にかかるスクロール膨張機は、旋回スクロールと固定スクロールのスラスト摺動部での潤滑状態を良好にすることができるため、高信頼性でかつ高効率なスクロール膨張機とすることができる。また、作動流体を冷媒と限ることなく、空気、ヘリウムを作動流体とするスクロール膨張機の用途にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の実施の形態１におけるスクロール膨張機の縦断面図
【図２】本発明の実施の形態１におけるスクロール膨張機の要部平面図
【図３】本発明の実施の形態２におけるスクロール膨張機の縦断面図
【図４】本発明の実施の形態２におけるスクロール膨張機の要部を示す概念図
【図５】本発明の実施の形態２におけるスクロール膨張機の要部平面図
【図６】本発明の実施の形態２におけるスクロール膨張機の要部平面図
【図７】従来のスクロール圧縮機におけるのスラスト摺動部の構成を示す平面図
【符号の説明】
【００６１】
２  膨張機構
６  オイル
１２  固定スクロール
１３  旋回スクロール
１４  自転規制機構
１５  膨張室
２７  作動流体
２９  背圧室
１０１  スラスト摺動部
１０２  楔形状部
１０３  オイル供給溝
１０４  連絡路
１０５  溝部
１０６  微小溝
【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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