(57)【要約】【課題】密閉容器内に膨張機構の吸入部として用いる密封閉空間を形成しようとした場合、固定スクロールを密閉容器に焼き嵌め固定したり溶接固定するなどの必要性があった。この場合、応力により固定スクロールの変形が発生し、結果としてラップ間隙間が増大し膨張機性能を低下させる要因となっていた。【解決手段】固定スクロール１２の鏡板内部に、固定スクロール１２の吸入部と連通する径方向の吸入通路１０１と、固定スクロール１２の吐出部に連通する径方向の吐出通路１０３を設けるとともに、吸入通路１０１と吐出通路１０２は、密閉容器１内部と遮断された構成としている。【選択図】図１
2008002285.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
密閉容器の内部に、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、前記固定スクロールの鏡板内部に、前記固定スクロールの吸入部と連通する径方向の吸入通路と、前記固定スクロールの吐出部に連通する径方向の吐出通路を設けるとともに、前記吸入通路と前記吐出通路は、前記密閉容器内部と遮断されたことを特徴とするスクロール膨張機。
【請求項２】
縦型の密閉容器内の上部に膨張機構部が配置され、前記密閉容器の上部シェルに電力供給あるいは電力取り出し用のターミナル部材を備え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】
縦型の密閉容器内の下部に膨張機構部が配置され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４】
作動流体が二酸化炭素であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のスクロール膨張機。
【請求項５】
吸入管と吐出管がおおよそ対向する位置に配置されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に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膨張機は、密閉容器の内部に膨張機構および圧縮機構が配置され、それぞれの駆動軸を連結することにより膨張機構で回収された膨張動力が圧縮機構の圧縮動力として回収される構成が知られている。
【０００３】
図４は特許文献１に開示された流体機械を概念的に表した図である。図４に示すように、この種の流体機械は、ケーシング２１１の内部に冷媒の圧縮を行う圧縮機構部２２０と冷媒の膨張を行う膨張機構部２１１を備えている。さらにこの流体機械は、圧縮機である圧縮機構部２２０とガスクーラー（凝縮器）と膨張機である膨張機構部２２１とエバポレータ（蒸発器）が順に冷媒配管によって接続され、閉回路の冷凍サイクル上に構成されている。従って、冷媒は、圧縮機構部２２０で圧縮された後、ガスクーラーで冷却され、膨張機構部２２１で膨張し、エバポレータで蒸発した後に圧縮機構部２２０に戻る循環を行う。
【０００４】
圧縮機構部２２０から吐出される吐出冷媒と膨張機構部２１１へ吸入される吸入冷媒が連通してしまうとショートサーキットが発生し、冷凍サイクル上の性能低下が発生する。これを防止するため、膨張機構部２１１の固定スクロール２３１がケーシング２１１に固定され、ケーシング２１１内部の空間を上下に区画している。
【０００５】
圧縮機構部２２０はケーシング２１１の下部に配置され、中央部にモータ２５０、上部に膨張機構部２２１が配置が配置されている。モータの駆動軸２６０は、圧縮機構部２２０、膨張機構部２２１に連結されており、膨張機構部２２１の冷媒膨張による回収動力が、圧縮機構部２２０の圧縮動力に回収されるように構成されている。
【特許文献１】特開２００１−１０７８８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記流体機械では、ケーシング２１１内部の空間を、圧縮機構部２２０が配置される空間と、膨張機構部２２１の吸入空間とを区画する必要があり、固定スクロール２３１をケーシング２１１に固定することにより構成していた。この場合、固定スクロール２３１をケーシング２１１に焼き嵌め固定したり、あるいはケーシング２１１と溶接固定する必要が発生する。区画を完全なものにするためには、焼き嵌め代を増加させたり、固定スクロール２３１の全周を溶接する等の必要があり、いずれの場合も、固定スクロール２３１に過大な応力を発生させる可能性があった。固定スクロール２３１に過大な応力が発生した場合、固定スクロール２３１のラップ形状の変形が発生し、膨張機構部２２１の性能を著しく低下させる恐れがあった。
【０００７】
固定スクロール２３１の変形を抑制する手段としては、膨張機構部２２１のフレーム２３３部分で固定し、固定スクロール２３１の変形を抑制する方法もあるが、いずれの場合も固定スクロール２３１の変形を完全に抑えることは困難である。
【０００８】
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、密閉容器（ケーシング２１１）内に構成されるスクロール膨張機構の応力によるラップ変形を抑制し、高効率なスクロール膨張機を提供することである。また、本発明の他の目的は、スクロール膨張機の吸入部が膨張機構の中心部にあっても、複雑な構成を用いることなく、吸入通路の配置を容易にすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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、圧縮機構部が配置される空間と膨張機構部の吸入空間との区画を廃止して、膨張機構部へ直接吸入、直接吐出を行う構成とし、区画のために必要であった焼き嵌め固定や溶接固定による膨張機構部の応力変形をなくす構成としている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のスクロール膨張機においては、密閉容器内部の空間を、圧縮機構部が配置される空間と、膨張機構部の吸入空間との区画が不必要となり、固定スクロールを密閉容器に焼き嵌め固定したり、あるいは密閉容器と溶接固定する必要性がなくなり、固定スクロールの応力変形を抑えることができる。
【００１１】
したがって、固定スクロールの変形による性能低下を抑制することが可能となり、漏れ損失の少ない高効率なスクロール膨張機を提供することができる。また、本発明のスクロール膨張機を膨張弁の代替として用いた冷凍サイクルにおいては、従来無駄にしていた膨張損失エネルギーを高効率で回収することが可能となり、エネルギー消費効率の高い冷凍サイクルを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
第１の発明は、密閉容器の内部に、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、前記固定スクロールの鏡板内部に、前記固定スクロールの吸入部と連通する径方向の吸入通路と、前記固定スクロールの吐出部に連通する径方向の吐出通路を設けるとともに、前記吸入通路と前記吐出通路は、前記密閉容器内部と遮断された構成としたものである。これによって、密閉容器内部の空間を、圧縮機構部が配置される空間と、膨張機構部の吸入空間との区画が不要となり、固定スクロールを密閉容器に焼き嵌め密封固定したり、あるいは密閉容器と溶接密封固定する必要性がなくなり、固定スクロールの応力変形を抑えることができ、スクロール膨張機の変形による漏れ損失を抑制し高効率なスクロール膨張機を提供することができるとともに、スクロール膨張機の特徴でもある吸入経路が前記固定スクロールの中心付近に存在することから発生する吸入経路の位置的な設置規制を抑制し、複雑な構成を用いることなくより自由度の高いスクロール膨張機の設計が可能となる。
【００１３】
第２の発明は、特に第１の発明で、縦型の密閉容器内の上部に膨張機構部が配置され、前記密閉容器の上部シェルに電力供給あるいは電力取り出し用のターミナル部材を備えたものである。この構成の場合、前記上部シェルに配置される前記ターミナル部材は、前記上部シェルの耐圧性の兼ね合いで前記上部シェルの中心部に構成される場合が多いが、この場合においても、吸入通路の配置位置が前記ターミナル部材の位置的干渉で拘束されることはなく、第１の発明の効果と合わせ高効率で設計自由度の高いスクロール膨張機を提供することができる。
【００１４】
第３の発明は、特に、第１の発明で、縦型の密閉容器内の下部に膨張機構部が配置され
たものである。前記膨張機構部が前記密閉容器の下部に配置された場合、膨張機の設置方法を考慮すると密閉容器の下部シェルから、鉛直方向に吸入あるいは吐出経路を構成することは困難となる。しかしながら、固定スクロールに対して径方向から吸入あるいは吐出経路が構成されている場合には、前記膨張機構部が密閉容器の下部に配置されているスクロール膨張機においても、第１の発明の効果を十分に発揮することができる。
【００１５】
第４の発明は、特に、第１〜３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、背景技術のように圧縮機構部が配置される空間と、膨張機構部の吸入空間とを区画しようとした場合、より強固な焼き嵌め固定や、より強固な溶接固定が必要となってくる。したがって第１〜３のいずれかの発明の効果をより高い次元で実現することが可能となる。また、作動流体として二酸化炭素を用いるとスクロール膨張機の理論回収動力が物性上非常に大きくなり、本発明のスクロール膨張機を膨張弁の代替として用いた冷凍サイクルにおいては、従来無駄にしていた膨張損失エネルギーを高効率で回収することがき、エネルギー消費効率の高い冷凍サイクルを実現することができる。
【００１６】
第５の発明は、特に、第１〜４のいずれか１つの発明で、吸入管と吐出管がおおよそ対向する位置に配置されものである。これによれば、冷凍サイクルからスクロール膨張機への接続配管が、密閉容器外周の最も離れた位置に近い部分での接続となり、密閉容器自体の振動を効果的に低減させることが可能となる。さらに作動流体が二酸化炭素の場合、スクロール膨張機の吸入状態は超臨界状態の液性状に近い状態で運転されることが多く、液性状の作動流体の吸入時閉じ込みによりスクロール膨張機自体の振動が大きくなる傾向が見られる。このような状態では特に、吸入および吐出配管が密閉容器に対して対向する位置に接続されているとスクロール膨張機自体の振動抑止効果が大きく、低騒音で低振動な高効率スクロール膨張機を提供することができる。
【００１７】
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。
【００１８】
（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作動流体の膨張を行っている。なお、この種のスクロール膨張機は、圧縮機、放熱器、蒸発器とともに冷凍サイクル装置を構成する。密閉容器１上部には均圧管１０７が配置されており、均圧管１０７はスクロール膨張機とともに冷凍サイクルを構成する圧縮機の高圧力である吐出圧力が作用するように配管接続が行われている（図示なし）。図２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要部拡大図である。図２のように固定スクロール１２の固定スクロール鏡板１２ａ内部には吸入部である吸入口１７に連通する径方向の吸入通路１０１と、吐出部１０２に連通する径方向の吐出通路１０３が設けられている。吸入通路１０１と吐出通路１０２にはそれぞれＯリング等のシール部材１０４が設けられており、それぞれ吸入管１０５、吐出管１０６が密閉容器１内部と遮断された状態で挿入されている。密閉容器１内にある膨張機構２において正常に膨張仕事を行わせようとした場合、吸入通路１０１と吐出通路１０２とは完全に遮断されていなければなら
ないが、本実施の形態では、固定スクロール１２内でこれを比較的容易に完結している。
【００１９】
作動流体は、吸入管１０５、吸入通路１０１を通して固定スクロール１２の中央部から吸入され膨張行程に移行し、所定圧以下になった作動流体は固定スクロール１２の外周側の吐出通路１０３、吐出管１０６を経て密閉容器１外に吐出される。
【００２０】
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。（図示せず）
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。潤滑用のオイルは、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、再循環を行う。
【００２１】
この種のスクロール膨張機を用いた場合、密閉容器１内部の空間を、圧縮機の高圧の吐出圧力が作用する空間と、膨張機構２の吸入空間とに区画する必要がなくなり、固定スクロール２を密閉容器１に焼き嵌め密封固定したり、あるいは密閉容器１と溶接密封固定しなくてもよくなり、固定スクロール２の応力変形を抑制することができる。したがって、固定スクロール２の変形による漏れ隙間増大による性能低下を抑制することが可能となり、漏れ損失の少ない高効率なスクロール膨張機を提供することができる。
【００２２】
なお、図１に示すように、上部シェル１０８に電力取り出し用のターミナル部材１０９が備えられている場合には、上部シェル１０８の耐圧強度の問題、あるいはターミナル部材１０９の組立て性の兼ね合いで上部シェル１０８の中心部に構成されている場合が多い。従来技術では、膨張機構２が密閉容器１の上部に配置されている場合、密閉容器１内部の空間を、圧縮機の高圧の吐出圧力が作用する空間と膨張機構２の吸入空間とを密封区画する等を行いターミナル部材１０９と密閉容器１外からの吸入管との干渉を回避していた。また密封区画を用いない場合には、ターミナル部材１０９との干渉を避けながら固定スクロール１２の中心部分にある吸入口１７に連通する吸入管を設置する必要性があった。しかしながら、実施の形態のスクロール膨張機においては、上部シェル１０８に電力取り出し用のターミナル部材１０９が備えられている場合においても特段の手段を用いることなく、固定スクロール１２内での吸入管１０５の接続が可能となり、第１の発明の効果と合わせ高効率で設計自由度の高いスクロール膨張機を提供することができる。ここでターミナル部材１０９は電力取り出し用としたが、密閉容器１内に膨張機構２と圧縮機構とが組み込まれている膨張機一体型の圧縮機等にいては、ターミナル部材１０９は圧縮機構を駆動する電動機への電力供給用のターミナル部材であってもよい。
【００２３】
また、図３に示すような別の実施の形態の概念図のように、密閉容器１の下部に膨張機構２が配置されている場合には、スクロール膨張機の設置方法を考慮すると密閉容器１の下部シェル１０９から、鉛直方向に吸入管１０５あるいは吐出管１０６を挿入する構成は困難となる。しかしながら、固定スクロール１２に対して径方向から吸入通路１０１あるいは吐出通路１０２が構成されている場合には、膨張機構２が密閉容器１の下部に配置されているスクロール膨張機においても非常に簡単に構成することができ、低コストで性能面で優位性を発揮できるスクロール膨張機を提供することができる。
【００２４】
上記実施の形態では、特に作動流体を規定しているわけではないが、作動流体として高圧冷媒である二酸化炭素を用いた場合においては、フロン系冷媒に比べて圧力差がより大きいため、背景技術のように圧縮機構部が配置される空間と、膨張機構部の吸入空間とを区画しようとした場合、より強固な焼き嵌め固定や、より強固な溶接固定が必要となって
くる。したがって、本発明の効果をより高い次元で実現することが可能となる。また、スクロール膨張機の理論回収動力が物性上非常に大きくなり、本発明のスクロール膨張機を膨張弁の代替として用いた冷凍サイクルにおいては、従来無駄にしていた膨張損失エネルギーを高効率で回収することがき、エネルギー消費効率の高い冷凍サイクルを実現することができる。
【００２５】
なお、本実施の形態において、吸入管１０５と吐出管１０６を図１に示すように対向する位置に設置することにより、冷凍サイクルからスクロール膨張機への接続配管が、密閉容器１外周の最も離れた位置に近い部分での接続となる。これにより密閉容器１自体の振動を効果的に低減させることが可能となり、低振動のスクロール膨張機を実現することも可能となる。さらに作動流体が二酸化炭素の場合、吸入状態は超臨界状態の液性状に近い状態で運転されることが多く、液性状の作動流体の吸入時閉じ込みによりスクロール膨張機自体の振動が大きくなる傾向が見られる。これらの条件下では特に、吸入および吐出配管が密閉容器１に対して対向する位置に接続されていることが、スクロール膨張機自体の振動抑止する大きな効果となり、低騒音で低振動な高効率スクロール膨張機を提供することができる。さらに、この構成では、比較的温度の高い吸入管１０５と膨張後で低温状態となっている吐出管１０６の配置関係が、固定スクロール１２の中で最も離れた構成をとることが可能となり、吸入管１０５から吐出管１０６への熱流入を最低限抑えることができ、結果として吐出管１０６に接続される蒸発器での蒸発能力の低下を抑制することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
以上のように、本発明にかかるスクロール膨張機は、固定スクロールの不必要な変形を伴なうことなく、高効率かつ低振動、さらに低コストを実現することができる。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、給湯機、空調、冷却用など幅広い冷凍サイクル関連の製品に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施の形態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におけるスクロール膨張機の要部断面図
【図３】本発明の別の実施の形態におけるスクロール膨張機の概念図
【図４】従来のスクロール膨張機の概念図
【符号の説明】
【００２８】
１  密閉容器
２  膨張機構
１２  固定スクロール
１２ａ  固定スクロール鏡板
１３  旋回スクロール
１４  自転規制機構
１５  膨張室
１０１  吸入通路
１０３  吐出通路
１０９  ターミナル部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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