(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
膨張機部と圧縮機部とが容器内に収納され、前記膨張機部で流体を膨張させて前記膨張機部を駆動させ、該膨張機部の駆動力により前記圧縮機部を駆動させる容積形流体機械において、
前記膨張機部は、それぞれ板材に渦巻き状の羽根が直立して形成され、互いに噛み合って複数の作動室を形成する固定スクロール及び旋回スクロールと、前記固定スクロールの中央部に開口する前記流体の流入口と、前記固定スクロールの外周部に開口する前記流体の吐出口と、前記旋回スクロールと連結する第１の偏心軸部とを備えたスクロール型膨張機部であり、
前記圧縮機部は、シリンダと、該シリンダの両端を閉塞する閉塞板と、前記シリンダの内側で偏心回転する円筒状のローラと、前記ローラの外周面に接して前記シリンダと前記ローラと前記閉塞板とにより形成される空間を仕切るベーン部と、前記ベーン部を付勢して前記ローラに押し付けるばねと、前記ローラに連結する第２の偏心軸部とを備えたローリングピストン型圧縮機部であり、
前記第１の偏心軸部と前記第２の偏心軸部は主軸に連結され、前記ばねが最も伸びたときの前記ローラの回転位置に対し、前記旋回スクロールの回転位置は、前記流入口に連通する前記作動室の容積が最大となる回転位置を限度として該回転位置から−４５度までの範囲となるように、前記第１の偏心軸部と前記第２の偏心軸部との間に位相差を設けることを特徴とする容積形流体機械。
【請求項２】
前記第１の偏心軸部と前記第２の偏心軸部との位相差は、前記ばねが最も伸びたときの前記ローラの回転位置に対し、前記旋回スクロールの回転位置が前記流入口に連通する前記作動室の容積が最大となる回転位置となるように設定することを特徴とする請求項１に記載の容積形流体機械。
【請求項３】
前記流体が二酸化炭素であることを特徴とする請求項１又は２に記載の容積形流体機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、容積形流体機械に関し、特に冷凍サイクルにおいて冷媒を膨張及び圧縮させる機能を備えた流体機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、例えば、冷凍サイクルに接続して用いられる流体機械として、膨張機部と圧縮機部とを備えた流体機械が知られている。
【０００３】
例えば、同一の容器内にそれぞれローリングピストン式の膨張機部と圧縮機部とを収納するとともに、膨張機部と圧縮機部の主軸を同軸で結合し、膨張機部に流入する冷媒の膨張エネルギを用いて主軸を回転駆動させ、これにより圧縮機部を駆動させる技術が開示されている（特許文献１参照。）。
【０００４】
このように、冷凍サイクルの膨張過程において動力を回収し、圧縮過程に利用することにより、冷凍サイクルのＣＯＰを向上させることができる。
【０００５】
【特許文献１】特開平８−８２２９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、特許文献１の流体機械は、膨張機部と圧縮機部との間に補助モータが設置され、補助モータと膨張機部及び圧縮機部の主軸が互いに連結して構成される。これらの主軸は、膨張機部の最大トルク発生時の回転位置と圧縮機部の最大負荷トルク発生時の回転位置とが一致するように位相差が設けられている。
【０００７】
このように、特許文献１では、流体機械の起動時に補助モータから主軸に回転トルクを与えているため、流体機械の起動トルクを十分に確保することができる。
【０００８】
しかしながら、このように補助モータを容器内に収納する構成の場合、流体機械の構造が複雑化し、例えば、製造コストが高価になるとともに、装置自体が大型化するという問題がある。
【０００９】
これに対し、補助モータ等の動力源を備えていない流体機械の場合、膨張機部及び圧縮機部の負荷トルク（静止摩擦力）を上回る大きさの起動トルクを膨張機部から生じさせることができなければ、流体機械を起動させることができない。
【００１０】
本発明は、膨張機部と圧縮機部を有する流体機械において補助モータを用いないで安定した起動を実現することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の流体機械は、膨張機部と圧縮機部とを容器内に収納し、膨張機部に流入する流体を膨張させて膨張機部を駆動させ、その駆動力により圧縮機部を駆動させるものである。
【００１２】
ここで、膨張機部は、それぞれ板材に渦巻き状の羽根が直立して形成され、互いに噛み合って複数の作動室を形成する固定スクロール及び旋回スクロールと、固定スクロールの中央部に開口する流体の流入口と、固定スクロールの外周部に開口する流体の吐出口と、旋回スクロールと連結する第１の偏心軸部とを備えたスクロール型膨張機部であるものとし、圧縮機部は、シリンダと、このシリンダの両端を閉塞する閉塞板と、シリンダの内側で偏心回転する円筒状のローラと、このローラの外周面に接してシリンダとローラと閉塞板とにより形成される空間を仕切るベーン部と、このベーン部を付勢してローラに押し付けるばねと、ローラに連結する第２の偏心軸部とを備えたローリングピストン型圧縮機部であるものとする。
【００１３】
このような流体機械の膨張機部を、例えば、冷凍サイクルの圧縮機の後流側に接続して圧縮機を起動させた場合、高圧の冷媒が固定スクロールの中央の流入口を通じて最内周の作動室に流入する。このとき、膨張機部の吐出口側の作動室は流入口側の作動室よりも低圧であるため、この圧力差により旋回スクロールは主軸の回転中心から径方向の力が働いて、回転トルクを発生する。
【００１４】
ここで、流入口に連通する作動室は、その容積が最大のとき最も冷媒による径方向の力が有効に働く。ただし、作動室の容積は旋回スクロールの公転とともに変化し、容積が最大となった直後は急激に減少する。このため、旋回スクロールの回転位置は流入口に連通する作動室の容積が最大となる回転位置に設定し、この位置を限度として、そこから−４５度までの範囲とすることにより、膨張機部において最大或いはそれに近い回転トルクを発生させることができる。
【００１５】
一方、圧縮機部は、例えば、膨張機部の吐出口側と圧縮機の吸入口側との間に接続される。このため、圧縮機部はシリンダ内でベーンにより仕切られた吸入口側の作動室よりも吐出口側の作動室の方が低圧となる。つまり、吸入口からシリンダ内に流入した冷媒は、作動室間の圧力差に伴い、吸入口側の作動室が最大容積となる位置までローラを移動させ、このとき主軸に回転トルクを発生させる。この膨張機部と圧縮機部とから生じる起動トルクは回転方向が一致している。
【００１６】
したがって、膨張機部の第１の偏心軸部と圧縮機部の第２の偏心軸部に所定の位相差を設けることにより膨張機部と圧縮機部とから同時に起動トルクを取り出すことができる。ただし、この起動トルクによって主軸を回転させるには、常にこれらの起動トルクが膨張機部と圧縮機部の負荷トルク（静止摩擦力）を上回る位置に旋回スクロールとローラが静止している必要がある。
【００１７】
そこで、本発明では、圧縮機部においてローラはベーン部の押し付け力により常にばねの全長が最大となる回転位置にて静止することに着目し、ばねが最も伸びたときのローラの回転位置に対し、旋回スクロールの回転位置は流入口に連通する作動室の容積が最大となる回転位置を限度とし、この回転位置から−４５度までの範囲となるように、第１の偏心軸部と第２の偏心軸部との間に位相差を設けることを特徴としている。
【００１８】
これによれば、流体機械の停止時において第１の偏心軸部と第２の偏心軸部の回転位置をほぼ同一とすることができるため、起動時に、膨張機部と圧縮機部とから発生する起動トルクをほぼ最大として取り出すことができ、補助モータを用いなくても安定した起動を実現することができる。
【００１９】
また、本発明の流体機械は、例えば、冷凍サイクルの作動冷媒を二酸化炭素とするとき、膨張過程の動力を回収することによりＣＯＰの大幅な向上を実現できる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、膨張機部と圧縮機部を有する流体機械において補助モータを用いないで安定した起動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】
【００２１】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明を適用してなる流体機械の断面図である。図２は本発明を適用してなる流体機械を備えた冷凍サイクルの模式図である。図３は本発明を適用してなる流体機械を備えた冷凍サイクルのモリエル線図である。図４は本発明を適用してなる流体機械の膨張機部及び圧縮機部の横断面図である。図５は本発明を適用してなる流体機械のクランク角ごとの膨張機部及び圧縮機部の動作図である。
【００２２】
本実施形態の冷凍サイクルは作動流体（以下、適宜冷媒と略す。）として二酸化炭素（Ｒ７４４）を用いている。冷媒としての二酸化炭素（Ｒ７４４）は、地球温暖化係数（ＧＷＰ）がフロン系冷媒の数千分の一と小さく地球環境保全の点で優れている。その反面、高圧冷媒のモリエル線図上の理論的ＣＯＰ（成績係数）が低いという欠点があるが、Ｒ７４４は膨張過程のエネルギ損失がフロン系冷媒に比べて大きいため、この膨張過程の動力を回収することによりＣＯＰを大幅に改善することができる。
【００２３】
本実施形態の流体機械は、同一の密閉容器９内にスクロール型の膨張機部１とローリングピストン型の圧縮機部３とを収納し、膨張機部１と圧縮機部３は、それぞれの駆動軸（主軸）を同軸に結合することで、膨張機部１にて冷媒が膨張する際に発生する動力を回収して圧縮機部３を駆動させ、圧縮仕事を行う膨張／圧縮機となっている。
【００２４】
膨張機部１は、それぞれ円板状の鏡板に渦巻状のラップを直立させて形成される固定スクロール５と旋回スクロール７とを互いに対向する姿勢で配置し、固定スクロール５と旋回スクロール７を噛み合わせることで、これらの間に複数の作動室を形成する。固定スクロール５は密閉容器９に固定されたフレーム１１に固定される。
【００２５】
固定スクロール５の中央部に開口する吸入口１３には流入パイプ１５が穿設される一方、固定スクロール５の外周部に開口する吐出口１７には流出パイプ１９が穿設される。旋回スクロール７には、ラップと反対側の面の中央に軸受２３が形成される。この軸受２３には中心軸Ｌ１を中心として回転可能なクランクシャフト２１の一端に連結された膨張機偏心軸２１ａが摺動自在に嵌め込まれ、旋回スクロール７は膨張機偏心軸２１ａに支持される。これにより、旋回スクロール７は、固定スクロール５に対し、中心軸Ｌ１を中心として所定の偏心量にて公転運転し、作動室を外周側に移動させるとともに作動室の容積を拡大させる。なお、旋回スクロール７はオルダムリング２５にて公転運動が規制される。
【００２６】
圧縮機部３は、円筒内周面を有するシリンダ３１と、シリンダ３１の両端面を閉塞する端板２７及びフレーム１１と、シリンダ３１内で偏心回転運動を行う円筒状のローラ３３と、ローラ３３の外周面に端面を接しながらシリンダ３１に形成される溝３７内を往復運動し、シリンダ３１とローラ３３により形成される空間を吸込室３９と圧縮室４１とに分割する板状のベーン３５と、ベーン３５の後端に設置されてローラ３３の外周面にベーン３５を押し付けるばね４３とから構成される。また、ローラ３３にはクランクシャフト２１の他端に連結された圧縮機偏心軸２１ｂが回転自在に嵌め込まれる。
【００２７】
シリンダ３１には冷媒の吸込口４５と吐出口４７が形成されており、吸込口４５には吸込パイプ４９が穿設される一方、吐出口４７には吐出弁５１及び吐出パイプ５３が接続される。
【００２８】
このように、膨張機部１の旋回スクロール７と圧縮機部３のローラ３３は、膨張機偏心軸２１ａ，圧縮機偏心軸２１ｂ及びクランクシャフト２１により所定の回転角度で連結されている。
【００２９】
次に、上記の流体機械に作動流体が流入したときの動作について説明する。
【００３０】
先ず、膨張機部１の流入パイプ１５を通じて最内周に形成される作動室に高圧の作動流体が流入すると、作動流体の減圧膨張により旋回スクロール７が中心軸Ｌ１を中心として公転運動する。この旋回スクロール７の公転運動により作動室が容積を拡大しながら外周側に移動し、流出パイプ１９から減圧された状態で流出する。また、旋回スクロール７が公転運動すると膨張機偏心軸２１ａを一端とするクランクシャフト２１が回転する。
【００３１】
一方、クランクシャフト２１の他端側に配置される圧縮機部３においては、膨張機部１によりクランクシャフト２１が回転すると、圧縮機偏心軸２１ｂを介してローラ３３がシリンダ３１内で偏心回転する。ローラ３３の偏心回転に伴い、ベーン３５は、ばね４３によりローラ３３の外周面に押し付けられながら、溝３７内を往復運動する。
【００３２】
シリンダ３１内でベーン３５により区画された二つの作動室、つまり吸込室３９と圧縮室４１は、ローラ３３の偏心回転に伴い容積が変化する。吸込パイプ４９を通じて低圧の作動流体が吸込室３９内に吸い込まれると吸込室３９は容積の減少に伴い、所定の圧力まで圧縮される。圧縮された作動流体は、吐出弁５１を通じて吐出パイプ５３より外部へ吐き出される。
【００３３】
本実施形態の流体機械は、膨張機部１において作動流体が膨張する際に生じる膨張エネルギを利用して圧縮機部３を駆動させ、この駆動する圧縮機部３において作動流体を圧縮させるため電動機などを用いずに作動流体を膨張、圧縮させることができる。
【００３４】
次に、上記の流体機械を備えた冷凍サイクルの構成及び動作について図２及び図３を用いて説明する。
【００３５】
本実施形態の冷凍サイクルは、圧縮装置６１、放熱器（ガスクーラ）６３、流体機械６５、蒸発器６７、膨張弁６９をそれぞれ冷媒配管で接続して構成される。圧縮装置６１は密閉容器内に主圧縮機７１と電動機７３を収納して構成される。流体機械６５は、膨張機部１と圧縮機部３（副圧縮機ともいう）との間に蒸発器６７が接続される。膨張弁６９は、膨張機部１と蒸発器６７を接続する経路をバイパスするバイパス経路に配設される。なお、膨張弁６９はサイクルの運転条件変化時の流量（圧力）調整等を行う以外は閉じている。
【００３６】
主圧縮機７１において圧縮された高温・高圧冷媒（図３の点Ｃの状態）は、圧縮装置６１の吐出口から吐出され、放熱器６３を通過して放熱により減温された後（図３の点Ｄ）、流入パイプ１５を通って流体機械６５の膨張機部１に入る。膨張機部１に流入した冷媒は、膨張過程において膨張エネルギを機械エネルギに変換して圧縮機部３を駆動させ、流出パイプ１９から低温・低圧の気液二相冷媒（図３の点Ｅ）となって吐出される。
【００３７】
膨張機部１から吐出された冷媒は、蒸発器６７に入って吸熱によりガス化された後、流体機械６５の圧縮機部３に吸入パイプ４９を通じて吸い込まれる（図３の点Ａ）。圧縮機部３に流入した冷媒は若干昇圧され、吐出パイプ５３を通じて吐出される（図３の点Ｂ）。圧縮機部３から吐出されたガス冷媒は主圧縮機７１に戻されて再び圧縮され、高温・高圧のガス冷媒となる。以上のサイクルが繰り返されて冷凍作用をなす。
【００３８】
このように本実施形態の流体機械６５を冷凍サイクルに用いた場合、膨張機部１の膨張エネルギを動力として回収し、この回収された動力を圧縮機部３の駆動源として、圧縮工程の一部（図３のＡＢ間）に利用できるため、その分、主圧縮機７１における仕事量を低減することができ、冷凍サイクルのＣＯＰを向上させることができる。
【００３９】
なお、本実施形態では、冷凍サイクルの冷媒として二酸化炭素を用いているが、フロン系の冷媒においても、二酸化炭素の改善比率ほどではないが、ＣＯＰの向上を図ることができる。
【００４０】
次に、上記の冷凍サイクルの起動時の動作について詳細に説明する。
【００４１】
冷凍サイクルの起動直前はサイクル内の圧力がほぼ一定のバランス圧力となっており、この圧力的にバランスした状態から主圧縮機７１の運転を開始して冷凍サイクルを起動させる。
【００４２】
先ず、主圧縮機７１の運転開始と同時に膨張弁６９を閉じる。これにより、主圧縮機７１の回転数の上昇とともに主圧縮機７１の吸込側圧力が低下し、吐出側圧力が上昇する。そして、圧力が上昇した高圧冷媒が放熱器６３を経由し、流入パイプ１５を通じて膨張機部１の最内周の作動室（図４の７１）に到達する。このとき最内周の作動室の周囲の作動室は停止時のバランス圧力のまま維持されているため、作動室間の圧力差により旋回スクロール７にはクランクシャフト２１の中心軸Ｌ１に対する径方向力が発生し、回転トルクが発生する。
【００４３】
この起動時の回転トルク（起動トルク）が流体機械６５の膨張機部１や圧縮機部３の各摺動部における静止摩擦力を上回ると、クランクシャフト２１は回転を始める。ここで、静止時の旋回スクロール７の回転位置に応じて作動室の大きさは決まり、特に吸入口１３に連通する最内周の作動室７１はその容積が大きいほど、冷媒の径方向にかかる力が大きくなり、その結果、起動トルクが増加する。このため、最内周の作動室７１は、吸入口１３に連通し、かつ各摺動部の静止摩擦力を上回るのに十分な起動トルクを発生させるため、静止時において所定の容積が確保されている必要がある。
【００４４】
一方、主圧縮機７１の吸込側圧力が低下することにより、流体機械６５の圧縮機部３の圧縮室４１とこれに連通する空間の圧力が低下する。このとき、圧縮機部３の吸込室３９は停止時のバランス圧力のまま維持されているため、吸込室３９と圧縮室４１との両作動室間には圧力差が生じる。この圧力差により吸込室３９の容積が最大となる回転位置までローラ３３が移動し、同時にクランクシャフト２１には回転トルクが発生する。この回転トルクのかかる方向は膨張機部１の回転方向と同じであるため、流体機械６５の起動時の回転トルクは増すことになる。
【００４５】
このように、本冷凍サイクルの流体機械６５は、起動時において旋回スクロール７及びローラ３３が所定の回転位置に停止していれば、膨張機部１及び圧縮機部３のそれぞれから起動トルクが発生する。すなわち、流体機械６５は、その停止時において、次の起動時に備えて、起動トルクが静止摩擦力を上回る位置に旋回スクロール７及びローラ３３を常時静止させておく必要がある。そのため、本実施形態では、膨張機部１と圧縮機部３との間の回転角度を規定するため、クランクシャフト２１の中心軸Ｌ１に対し、膨張機偏心軸２１ａ及び圧縮機偏心軸２１ｂの回転位相を規定している。
【００４６】
ここで、流体機械６５の停止時の圧縮機部３に着目すると、圧縮機部３のローラ３３はベーン３５を介してばね４３による押し付け力を常に受けている。このため、流体機械６５が停止すると、ローラ３３はばね４３の押し付けにより、ばね全長が最大となる回転位置（ベーン下死点）まで移動して停止する。つまり、ローラ３３は、吸込室３９と圧縮室４１とがほぼ同容積となる位置に停止することになる。このため、ローラ３３がベーン下死点の位置から冷凍サイクルを起動させると、圧縮機部３の吐出側圧力が低下して吸込室３９と圧縮室４１との間に圧力差を生じ、ローラ３３は吸込室３９の容積が最大となる回転位置まで移動することから、このローラ３３の移動の際に起動トルクを得ることができる。
【００４７】
以上のことから、本実施形態では、圧縮機部３が、ベーン下死点となるローラ３３の回転位置のとき、膨張機部１により発生する回転トルクが最大となるように旋回スクロール７の回転位置を規定しており、具体的には、膨張機部１の流入口に連通する最内周の作動室７１の容積が最大となるように、膨張機偏心軸２１ａの回転位置を決めている。
【００４８】
図５にクランク角ごとの旋回スクロール７とベーン位置及び起動トルクの関係の一例を示すが、膨張機部１においては吸入口１３に連通した最内周の作動室７１の容積が大きいほど起動トルクは大きく、その分流体機械は起動しやすくなる。そのため本実施形態の流体機械では、膨張機部１の吸入口１３に連通する最内周の作動室７１の容積が最大となるときのクランク角と、圧縮機部３のベーン下死点となるときのクランク角とが一致するように、膨張機偏心軸２１ａ及び圧縮機偏心軸２１ｂをクランクシャフト２１の中心軸Ｌ１に対して所定の位相にて配置する。これにより旋回スクロール７は流体機械６５の停止時に必ず吸入口１３に連通する最内周の作動室７１の容積が最大となる回転位置に停止し、主圧縮機７１の始動後は、吸入口１３に連通する最内周の作動室に高圧冷媒が流入するようになり、膨張機部１が発生しうる最大の起動トルクを得ることができる。
【００４９】
また、一般に、スクロール式膨張機部の最内周の作動室７１は吸入口１３に連通し始めてから作動室を閉じきるまでの間、容積を連続的に増加させるが、作動室を閉じきった直後には最内周の作動室はさらに内周側に形成される作動室に移るため、容積が急激に小さくなる。そのため、停止時の旋回スクロール７の回転位置が、ローラ３３の押し付けによるばね長さ最大の位置に対しずれを生じると、作動室が閉じきった直後の状態となるおそれがある。この場合、膨張機部１が生じる起動トルクは最も小さい状態となり、流体機械を駆動させることができないおそれがある。
【００５０】
これを防止するため、旋回スクロール７の停止時の回転位置（クランク角）は作動室が閉じ切りとなる回転位置よりも若干前方にずれていた方がよく、例えば、ベーン下死点に対し、膨張機部１の吸入口１３に連通する作動室の容積が最大となる回転位置を限度として、この回転位置から−４５度までの角度範囲に、膨張機偏心軸２１ａを配置することが好ましい。これにより、停止時のクランクシャフト２１の回転位置がベーン下死点からずれても、起動トルクの低下を防ぎ、安定した起動を行うことができる。
【００５１】
以上述べたように、本実施形態の流体機械によれば、膨張機部１にスクロール型膨張機を、圧縮機部３にローリングピストン型ロータリ圧縮機を備え、ローリングピストン型圧縮機部のローラ３３をベーン３５を介してばね４３により付勢することにより、停止時のクランクシャフト２１の回転位置を常にほぼ同一とすることができ、かつ、その回転位置にて膨張機部１により発生する起動トルクをほぼ最大とすることができることため、例えば、補助モータを設置しなくても常に安定した起動を実現でき、冷凍サイクルの信頼性を高め、効率的な膨張エネルギ回収を実現できる。また、流体機械において補助モータなどの起動手段を特段設ける必要がないため、機器のコスト低下に寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明を適用してなる流体機械の断面図ある。
【図２】本発明を適用してなる流体機械を備えた冷凍サイクルの模式図である。
【図３】本発明を適用してなる流体機械を備えた冷凍サイクルのモリエル線図である。
【図４】本発明を適用してなる流体機械の膨張機部及び圧縮機部の横断面図である。
【図５】本発明を適用してなる流体機械のクランク角ごとの膨張機部及び圧縮機部の動作図である。
【符号の説明】
【００５３】
１  膨張機部
３  圧縮機部
５  固定スクロール
７  旋回スクロール
１３  吸入口
２１  クランクシャフト
２１ａ  膨張機偏心軸２１ａ
２１ｂ  圧縮機偏心軸２１ｂ
３１  シリンダ
３３  ローラ
３５  ベーン
４３  ばね
【図１】
0004709076.tif 000002
【図２】
0004709076.tif 000003
【図３】
0004709076.tif 000004
【図４】
0004709076.tif 000005
【図５】
0004709076.tif 000006