(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鏡板から渦巻き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旋回させたときに、前記膨張室が容積を変えながら移動することで、作動流体の吸入、吐出を行うスクロール膨張機において、
前記旋回スクロールの渦巻きラップの巻き始め部分を、外壁インボリュート曲線の外壁巻き始め点と、内壁インボリュート曲線の内壁巻き初め点の両方に、滑らかに接続する１つの外円弧で形成し、
前記固定スクロールの渦巻きラップの巻き始め部分を、外壁インボリュート曲線の外壁巻き始め点に滑らかに接続する第１の外円弧と、内壁インボリュート曲線の内壁巻き始め点と前記第１の外円弧の両方に滑らかに接続する第２の内円弧とで構成し、前記旋回スクロールの外壁インボリュート曲線の外壁巻き始め点が、前記固定スクロールの内壁インボリュート曲線に接する点よりも、前記固定スクロールの内壁インボリュート曲線の内壁巻き始め点を巻き始め側に形成したことを特徴とするスクロール膨張機。
【請求項２】
前記旋回スクロールの渦巻きラップの外壁インボリュート曲線の巻き終わり端近くまで伸びた前記固定スクロールの渦巻きラップの内壁インボリュート曲線によって、前記固定スクロールの渦巻きラップの内壁を形成したことを特徴とする請求項１に記載のスクロール膨張機。
【請求項３】
前記旋回スクロールをアルミニウム系金属材料で、前記固定スクロールを鉄系金属材料で形成したことを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載のスクロール膨張機。
【請求項４】
前記作動流体としての冷媒を、二酸化炭素としたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１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、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（圧縮機）としては、各スクロールの渦巻きラップの巻き始め部分を、ラップ先端が外壁インボリュート曲線の巻き始め点と滑らかに接続する外円弧と、内壁インボリュート曲線の巻き始め点と滑らかに接続する内円弧との２つの円弧で構成したものや、各スクロールの渦巻きラップの巻き始め部分を、ラップ先端が外壁インボリュート曲線の巻き始め点と滑らかに接続する外円弧と、内壁インボリュート曲線の巻き始め点と滑らかに接続しない内円弧との２つの円弧で構成したものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
すなわち、スクロール圧縮機は図４および図５に示すように２つの圧縮室があり、旋回スクロールラップ２６ｂの内壁面２６ｄと固定スクロールラップ２４ｂの外壁面２４ｃとにより形成される第１圧縮室２５ａと、旋回スクロールラップ２６ｂの外壁面２６ｅと固定スクロールラップ２４ｂの内壁面２４ｄとにより形成される第２圧縮室２５ｂとの２つの圧縮室から構成され、両圧縮室２５ａおよび２５ｂがスクロールの中心方向に移動するに従って容積を縮小するように両スクロールの相対運動を行うことにより圧縮室のガスを圧縮し、吐出孔２１から吐出される。
【０００４】
第２圧縮室２５ｂは設計容積比（吸込容積／吐出容積）に達したのち、吐出孔２１と連通する（図５の矢印Ｘ）ため十分な吐出通路が確保できる。これに対して、第１圧縮室２５ａは旋回スクロールラップ２６ｂの内壁面２６ｄと固定スクロールラップ２４ｂの外壁面２４ｃとの間を経由（図５の矢印Ｙ）してからでないと吐出孔２１に連通されない。
【０００５】
ところが、圧縮終了したガスが吐出室へ流れる際、スクロールラップの壁面間を通るが、このラップ間の距離が狭いと吐出ガス通路の抵抗（以下、吐出抵抗）が大きくなるため、圧縮機入力が増大し、効率を低下させてしまうという問題を有していた。
【０００６】
そこで上記問題を解決するため、図６に示すように、固定スクロールラップ２４ｂの巻き始め部分を、ラップ先端が外側インボリュート曲線の巻き始め点Ｂと滑らかに接続する外円弧２４ｅと、内側インボリュートの巻き始め点Ａと滑らかに接続しない内円弧２４ｆとの２つの円弧で構成することにより、吐出直後のガス通路を広げ、吐出抵抗による圧縮機入力が増大を低減し、圧縮効率を向上させる構成のスクロール圧縮機が提案されている。
【特許文献１】特開２０００−１２０５６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、スクロール流体機械を膨張機として用いる場合には、インボリュート曲線の巻き始め部分に形成される膨張室によって閉じ込められた冷媒が、巻き終わり部分に移動することによって膨張する。特に作動流体が二酸化炭素冷媒の場合密度が大きいので吸入脈動が発生し、膨張機の配管振動による配管折れや、同時に水撃現象が発生した場合は、ラップ折れが発生するといった問題を有していた。
【０００８】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、スクロール流体機械を膨張機として用いた場合でも、配管折れやラップ折れを防いで高い信頼性を実現する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】
【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流体機械は、旋回スクロールの渦巻きラップの巻き始め部分を、外壁インボリュート曲線の外壁巻き始め点と、内壁インボリュート曲線の内壁巻き初め点の両方に、滑らかに接続する１つの外円弧で形成したものである。これによって、スクロール膨張機に形成される２つの膨張室の吸入ポイントを１８０°ずらすことができるので、吸入脈動を小さくできる。同時に、旋回スクロールの巻き始め部分のラップの強度を上げることができるので、配管折れやラップ折れを防いで高い信頼性を実現するスクロール膨張機を提供する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のスクロール膨張機は、特に高圧・低圧縮比冷媒である二酸化炭素冷媒を用いた場合に、高い信頼性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】
【００１１】
第１の発明は、旋回スクロールの渦巻きラップの巻き始め部分を、外壁インボリュート曲線の外壁巻き始め点と、内壁インボリュート曲線の内壁巻き初め点の両方に、滑らかに接続する１つの外円弧で形成したものである。これによって、スクロール膨張機に形成される２つの膨張室の吸入ポイントを１８０°ずらすことができるので、吸入脈動を小さくできる。同時に、旋回スクロールの巻き始め部分のラップの強度を上げることができるので、高い信頼性を実現するスクロール膨張機を提供することができる。
【００１２】
第２の発明は、特に、第１の発明の、固定スクロールの渦巻きラップの巻き始め部分を、外壁インボリュート曲線の外壁巻き始め点に滑らかに接続する第１の外円弧と、内壁インボリュート曲線の内壁巻き始め点と前記第１の外円弧の両方に滑らかに接続する第２の内円弧とで構成し、旋回スクロールの外壁インボリュート曲線の外壁巻き始め点が、固定スクロールの内壁インボリュート曲線に接する点よりも、固定スクロールの内壁インボリュート曲線の内壁巻き始め点を巻き始め側に形成したものである。これによって、吸入口を大きく形成することができるので、より吸入脈動を小さくしながらも、吸入による圧力損失も小さくすることが出来るので、より高い信頼性と高効率を実現するスクロール膨張機を提供することができる。
【００１３】
第３の発明は、特に、第１〜第２の発明の、旋回スクロールの渦巻きラップの外壁インボリュート曲線の巻き終わり端近くまで伸びた固定スクロールの渦巻きラップの内壁インボリュート曲線によって、固定スクロールの渦巻きラップの内壁を形成したものである。これによって、旋回スクロールの渦巻きラップの外壁側に形成される膨張室と、内壁側に形成される膨張室の容積比をほぼ同等にすることができるので、過膨張損失や不足膨張損失が少なく、より高効率を実現するスクロール膨張機を提供することができる。
【００１４】
第４の発明は、特に、第１〜第３の発明の、旋回スクロールをアルミニウム系金属材料で、固定スクロールを鉄系金属材料で形成したものである。鉄系金属材料とアルミニウム系金属材料を押付ける場合の焼き付き荷重は、鉄系材料同士を押付ける場合の焼き付き荷重に比べて高くなるので、カジリや異常磨耗を抑えることができる。また、アルミニウム系金属材料は鉄系金属材料に比べて密度が小さいので、運転時の遠心力を小さく抑えることができるので、シャフトにかかる負荷を小さくすることができる。結果として、軸受部の損失を低減してより高効率を実現するスクロール膨張機を提供することができる。また
、アルミニウム系金属材用は、鉄系金属材料に比べて剛性が低いので、固定スクロールに比べて旋回スクロールの歪み量の方が大きく、中心部で強く摺動することになる。結果、旋回スクロールの巻き始め部は、固定スクロールの巻き始め部と比べて、大きな応力が発生するが、旋回スクロールの巻き始め部を１つの円弧で構成した場合では、応力発生を小さく抑えることができるので、より信頼性の高いスクロール膨張機を提供することができる。
【００１５】
第５の発明は、特に、第１〜第４の発明の、作動流体としての冷媒を、二酸化炭素としたものである。これによって、二酸化炭素は、膨張機による動力回収効果が他の作動流体と比べて大きいので、高い信頼性と高効率を実現するスクロール膨張機を用いれば、より高い信頼性と高効率な特徴を有する冷凍サイクル装置を提供することができる。
【００１６】
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。
【００１７】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるスクロール膨張機の断面図を示すものである。
【００１８】
図１において、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の主軸部４ａを軸支する主軸受部材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部を構成し、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を設けている。
【００１９】
上記構成において、クランク軸４の上端にある偏心軸部４ｂ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、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から冷媒ガスを吸入して膨張していき、所定圧以下になった冷媒ガスは固定スクロール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。
【００２０】
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容積型ポンプ２５を備えている。潤滑油６は、潤滑油溜り２０から容積型ポンプ２５はクランク軸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、潤滑油戻し孔２６を経て、再循環を行う。一方、偏心軸受部１１ｂに到達した潤滑油６の一部は、旋回スクロール１３の内部に設けられた絞り通路２８より減圧されて背圧室２９に供給される。なお、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を配置している。シール部材５は偏心軸受部１１ｂに到達した潤滑油６の圧力と背圧室２９の圧力とを仕切る役割を持っている。背圧室２９に供給された潤滑油６は、吐出される冷媒とともに密閉容器１外へと吐出される。
【００２１】
図２は、本実施例のスクロール膨張機における旋回スクロールラップと固定スクロールラップの巻き始め部分の要部拡大平面図である。旋回スクロール１３の外壁巻き初め点Ａから外周側に向かうラップ外壁は外壁インボリュート曲線で構成され、旋回スクロール１３の内壁巻き初め点Ｂから外周側に向かうラップ内壁は内壁インボリュート曲線で構成されている。旋回スクロール１３の巻き始め部の点Ａと点Ｂの間は、１つの円弧にて滑らかに接続されている。また、図２（ａ）は、旋回スクロール１３の外壁が膨張室１５を形成
した閉じ込み完了（膨張過程開始直後）時を示し、図２（ｂ）は、旋回スクロール１３の内壁が膨張室１５を形成した閉じ込み完了時を示している。これら図を見ても分かるように、旋回スクロール１３の巻き始め部の点Ａと点Ｂの間は、１つの円弧にて滑らかに接続した場合には、旋回スクロール１３の外壁が形成の膨張室１５と内壁が形成する膨張室１５は、１８０°位相を変えることが可能となる。結果、１回転あたり２回に分けて冷媒を吸入することができるので、吸入脈動を小さく抑えることができるので、膨張機の配管振動による配管折れを防ぐことができる。
【００２２】
また、旋回スクロール１３の巻き始め部分を１つの円弧で構成すると、外力がかかった場合の隅部応力集中値を下げることができるので、ラップの強度が高まる。特に作動流体が二酸化炭素冷媒の場合密度が大きいので、吸入脈動による振動に加えて、水撃現象が発生した場合も、ラップ折れを防止して、高い信頼性を確保することができる。
【００２３】
また、固定スクロール１２の外壁巻き初め点Ｃから外周側に向かうラップ外壁は外壁インボリュート曲線で構成され、固定スクロール１２の内壁巻き初め点Ｅから外周側に向かうラップ内壁は内壁インボリュート曲線で構成されている。固定スクロール１２の巻き始め部の点Ｃにて外壁インボリュート曲線と滑らかに接続する第１の円弧と、点Ｅにて外壁インボリュート曲線と滑らかに接続する第２の円弧が、点Ｃと点Ｅの間の点Ｄにおいて、滑らかに接続されている。また、旋回スクロール１３の外壁巻き始め点Ａが、固定スクロール１２の内壁と膨張室１５を形成する場所よりも、固定スクロール１２の内壁巻き初め点Ｅを巻き始め側に形成している。図を見ても分かるように、固定スクロール１２の内壁巻き初め点Ｅを巻き始め側に形成すると、ラップ厚みが厚くならないので、吸入口１７を大きく形成することができる。結果、より吸入脈動を小さくしながらも、吸入による圧力損失も小さくすることが出来るので、より高い信頼性と高効率を実現することができる。
【００２４】
図３は、本実施例のスクロール膨張機における旋回スクロールラップと固定スクロールラップの平面図である。旋回スクロール１３の巻き始め部を１つの円弧にて接続した場合には、旋回スクロール１３の外壁が形成する膨張室１５の容積比が内壁に形成する膨張室１５より小さくなってしまうが、図３を見ても分かるように、旋回スクロール１３の渦巻きラップの外壁インボリュート曲線の巻き終わり端近くまで伸びた固定スクロール１２の渦巻きラップの内壁インボリュート曲線によって、旋回スクロール１３の渦巻きラップの外壁側に形成される膨張室１５と内壁側に形成される膨張室１５の容積比をほぼ同等にすることができる。結果、過膨張損失や不足膨張損失が少なく、より高効率を実現するスクロール膨張機を提供することができる。
【００２５】
なお、旋回スクロール１３をアルミニウム系金属材料で、固定スクロール１２を鉄系金属材料で形成した場合には、旋回スクロール１３の巻き始め部分を１つの円弧で構成すると、力がかかった場合の応力集中値を下げることができるので、旋回スクロール１３に、強度的には鉄系金属材料よりも弱いアルミニウム系金属材料を用いても、高い信頼性を維持できる。一方で、アルミニウム系金属材料は鉄系金属材料に比べて密度が小さいので、運転時の遠心力を小さく抑えることができるので、シャフトにかかる負荷を小さくすることができる。結果として、軸受部の損失を低減してより高効率を実現するスクロール膨張機を提供することができる。
【００２６】
なお、旋回スクロール１３をアルミニウム系金属材料で、固定スクロール１２を鉄系金属材料で形成した場合には、鉄系金属材料とアルミニウム系金属材料を押付ける場合の焼き付き荷重は、鉄系材料同士を押付ける場合の焼き付き荷重に比べて高く、特に、二酸化炭素冷媒雰囲気中で冷凍機油が介在する下では、鉄系材料とアルミニウム系材料を押付ける場合の焼き付き荷重は、鉄系材料同士を押付ける場合の焼き付き荷重に比べて約２倍以上高いので、カジリや異常磨耗を抑えることができる。また、アルミニウム系金属材料は
鉄系金属材料に比べて密度が小さいので、運転時の遠心力を小さく抑えることができるので、シャフトにかかる負荷を小さくすることができる。結果として、軸受部の損失を低減してより高効率を実現するスクロール膨張機を提供することができる。また、アルミニウム系金属材用は、鉄系金属材料に比べて剛性が低いので、固定スクロール１２に比べて旋回スクロール１３の歪み量の方が大きく、中心部で強く摺動することになる。結果、旋回スクロール１３の巻き始め部は、固定スクロール１２の巻き始め部と比べて、大きな応力が発生するが、旋回スクロール１３の巻き始め部を１つの円弧で構成した場合では、応力発生を小さく抑えることができるので、より信頼性の高いスクロール膨張機を提供することができる。
【００２７】
なお、作動流体としての冷媒を、二酸化炭素とした場合には、二酸化炭素は、膨張機による動力回収効果が他の作動流体と比べて大きいので、高い信頼性と高効率を実現するスクロール膨張機を用いれば、より高い信頼性と高効率な特徴を有する冷凍サイクル装置を提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
以上のように、本発明にかかるスクロール膨張機は、旋回スクロールの渦巻きラップの巻き始め部分を、外壁インボリュート曲線の外壁巻き始め点と、内壁インボリュート曲線の内壁巻き初め点の両方に、滑らかに接続する１つの外円弧で形成したものである。これによって、スクロール膨張機に形成される２つの膨張室の吸入ポイントを１８０°ずらすことができるので、吸入脈動を小さくできる。同時に、旋回スクロールの巻き始め部分のラップの強度を上げることができるので、配管折れやラップ折れを防いで高い信頼性を実現するスクロール膨張機を提供することができるので、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や、圧縮機も含むスクロール流体機械の用途にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【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断面図
【図２】本発明の実施の形態１における旋回スクロールラップと固定スクロールラップの巻き始め部分の要部拡大平面図
【図３】本発明の実施の形態１における旋回スクロールラップと固定スクロールラップの平面図
【図４】従来のスクロール圧縮機における圧縮室を示す要部平面図
【図５】従来のスクロール圧縮機におけるラップ中心の要部拡大平面図
【図６】従来の他のスクロール圧縮機におけるラップ中心の要部拡大平面図
【符号の説明】
【００３０】
２  圧縮機構
５  シール部材
６  潤滑油
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
１７  吸入口
２９  背圧室
３０  溝
３１  連絡通路
３２  細穴
３３  リング溝
３４  シール部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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