(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動機構によって駆動され冷媒を圧縮する主圧縮機構と、
冷媒を冷却するガスクーラと、
冷媒を蒸発させる蒸発器とともに冷凍サイクルを構成し、揺動スクロールおよび第１の固定スクロールから成り冷媒を膨張させて動力を回収する膨張機構と、
揺動スクロールおよび第２の固定スクロールから成り前記膨張機構で回収した動力のみで冷媒を圧縮し、前記主圧縮機構とともに前記冷凍サイクルの圧縮過程を担うサブ圧縮機構とを備え、
前記膨張機構の揺動スクロールと前記サブ圧縮機構の揺動スクロールは渦巻歯が形成されていない面で一体化され、前記膨張機構の揺動スクロールおよび第１の固定スクロールの渦巻歯のみにチップシールが装着され、
前記膨張機構および前記サブ圧縮機構が設置される密閉容器内は低圧であり、
前記サブ圧縮機構は圧縮した冷媒を前記主圧縮機構に送り、
前記膨張機構および前記サブ圧縮機構における固定スクロールの渦巻歯の外周にはともに外周シールが設けられていないことを特徴とするスクロール膨張機。
【請求項２】
電動機構によって駆動され冷媒を圧縮する主圧縮機構と、
冷媒を冷却するガスクーラと、
冷媒を蒸発させる蒸発器とともに冷凍サイクルを構成し、揺動スクロールおよび第１の固定スクロールから成り冷媒を膨張させて動力を回収する膨張機構と、
揺動スクロールおよび第２の固定スクロールから成り前記膨張機構で回収した動力のみで冷媒を圧縮し、前記主圧縮機構とともに冷凍サイクルの圧縮過程を担うサブ圧縮機構とを備え、
前記膨張機構の揺動スクロールと前記サブ圧縮機構の揺動スクロールは渦巻歯が形成されていない面で一体化され、前記サブ圧縮機構の揺動スクロールおよび第２の固定スクロールの渦巻歯のみにチップシールが装着され、
前記膨張機構および前記サブ圧縮機構が設置される密閉容器内は低圧であり、
前記サブ圧縮機構は前記主圧縮機構が圧縮した冷媒をさらに圧縮し、
前記サブ圧縮機構における第２の固定スクロールの渦巻歯の外周には外周シールが設けられていることを特徴とするスクロール膨張機。
【請求項３】
渦巻歯の厚さは、膨張機構の方がサブ圧縮機構よりも厚いことを特徴とする請求項１または２記載のスクロール膨張機。
【請求項４】
チップシールが装着されていない揺動スクロールの外周部と固定スクロールの外周部とは、接触していることを特徴とする請求項１または２記載のスクロール膨張機。
【請求項５】
冷媒は、二酸化炭素であることを特徴とする請求項１または２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、冷媒を膨張させて動力を回収し、圧縮に利用するスクロール膨張機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のスクロール膨張機では、第１固定スクロールと公転スクロールとによって、圧縮手段の圧縮室が形成される一方、第２固定スクロールと公転スクロールによって、膨張手段の膨張室が形成されている。公転スクロールは、クランクシャフトと連結されており、クランクシャフトに取り付けられたモータによって公転駆動するよう構成されている（例えば、特許文献１参照）。【０００３】
【特許文献１】特公平０７−０３７８５７号公報（第３頁〜第４頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述のようなスクロール膨張機では、モータ等の駆動源と一体に構成しなければならず、構造が複雑であった。また、設計点を外れた運転条件においては、膨張機構と圧縮機構の回転数を一致させるために、膨張機構の流量または差圧を減じなければならず、回収動力が低下するという問題があった。さらに、公転スクロール（揺動スクロール）の両面に膨張室と圧縮室とが設けられているので、渦巻歯の先端の漏れを抑えることができないという問題があった。【０００５】
この発明は、上述のような問題を解決するためになされたものであり、簡素な構造で漏れ損失および回収動力の低下を抑え、広い運転条件で効率の良いスクロール膨張機を得ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明のスクロール膨張機は、電動機構によって駆動され冷媒を圧縮する主圧縮機構と、冷媒を冷却するガスクーラと、冷媒を蒸発させる蒸発器とともに冷凍サイクルを構成し、揺動スクロールおよび第１の固定スクロールから成り冷媒を膨張させて動力を回収する膨張機構と、揺動スクロールおよび第２の固定スクロールから成り膨張機構で回収した動力のみで冷媒を圧縮し、前記主圧縮機構とともに前記冷凍サイクルの圧縮過程を担うサブ圧縮機構とを備え、前記膨張機構の揺動スクロールと前記サブ圧縮機構の揺動スクロールは渦巻歯が形成されていない面で一体化され、前記膨張機構の揺動スクロールおよび第１の固定スクロールの渦巻歯のみにチップシールが装着され、前記膨張機構および前記サブ圧縮機構が設置される密閉容器内は低圧であり、前記サブ圧縮機構は圧縮した冷媒を前記主圧縮機構に送り、前記膨張機構および前記サブ圧縮機構における固定スクロールの渦巻歯の外周にはともに外周シールが設けられていない。
【０００７】
また、この発明のスクロール膨張機は、電動機構によって駆動され冷媒を圧縮する主圧縮機構と、冷媒を冷却するガスクーラと、冷媒を蒸発させる蒸発器とともに冷凍サイクルを構成し、揺動スクロールおよび第１の固定スクロールから成り冷媒を膨張させて動力を回収する膨張機構と、揺動スクロールおよび第２の固定スクロールから成り膨張機構で回収した動力のみで冷媒を圧縮し、前記主圧縮機構とともに冷凍サイクルの圧縮過程を担うサブ圧縮機構とを備え、前記膨張機構の揺動スクロールと前記サブ圧縮機構の揺動スクロールは渦巻歯が形成されていない面で一体化され、前記サブ圧縮機構の揺動スクロールおよび第２の固定スクロールの渦巻歯のみにチップシールが装着され、前記膨張機構および前記サブ圧縮機構が設置される密閉容器内は低圧であり、前記サブ圧縮機構は前記主圧縮機構が圧縮した冷媒をさらに圧縮し、前記サブ圧縮機構における第２の固定スクロールの渦巻歯の外周には外周シールが設けられている。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、簡素な構造で漏れ損失および回収動力の低下を抑え、広い運転条件で効率の良いスクロール膨張機を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】この発明の実施の形態１によるスクロール膨張機の構成を示す縦断面図である。
【図２】この発明の実施の形態１によるスクロール膨張機の膨張機構の横断面図である。
【図３】この発明の実施の形態１によるスクロール膨張機のサブ圧縮機構を示す平面図である。
【図４】この発明の実施の形態１によるスクロール膨張機を用いた冷凍サイクルの基本構成を示す回路図である。
【図５】この発明の実施の形態１によるスクロール膨張機を用いた冷凍サイクルにおける冷媒の状態量変化を示すモリエル線図である。
【図６】一般的な膨張・圧縮機構の流量と回転数の関係を説明するための模式図である。
【図７】この発明の実施の形態１によるスクロール膨張機の膨張機構およびサブ圧縮機構の略断面図である。
【図８】一般的なチップシールの接触シール機能を説明するため断面図である。
【図９】この発明の実施の形態２によるスクロール膨張機の構成を示す縦断面図である。
【図１０】この発明の実施の形態２によるスクロール膨張機を用いた冷凍サイクルの基本構成を示す回路図である。
【図１１】この発明の実施の形態２によるスクロール膨張機を用いた冷凍サイクルにおける冷媒の状態量変化を示すモリエル線図である。
【図１２】この発明の実施の形態２によるスクロール膨張機の膨張機構およびサブ圧縮機構の略断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１によるスクロール膨張機の構成を示す縦断面図である。図において、同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものであり、このことは、明細書の全文において共通することである。【００１１】
図１において、スクロール膨張機１の密閉容器１０内の下方には、膨張機構５が設置されており、膨張機構５の上方には、サブ圧縮機構６が設置されている。膨張機構５は、台板５１ａ上に渦巻歯５１ｃを形成した固定スクロール５１（第１の固定スクロール）と、台板５２ａ上に渦巻歯５２ｃを形成した揺動スクロール５２とから成り、固定スクロール５１の渦巻歯５１ｃと揺動スクロール５２の渦巻歯５２ｃとは、咬合するように配置されている。また、サブ圧縮機構６は、台板６１ａ上に渦巻歯６１ｃを形成した固定スクロール６１（第２の固定スクロール）と、台板６２ａ上に渦巻歯６２ｃを形成した揺動スクロール６２とから成り、固定スクロール６１の渦巻歯６１ｃと揺動スクロール６２の渦巻歯６２ｃとは、咬合するように配置されている。【００１２】
軸８は、膨張機構５の固定スクロール５１およびサブ圧縮機構６の固定スクロール６１それぞれの中央に形成された軸受部５１ｂ，６１ｂによって、回転自由に両持ち支持されている。膨張機構５の揺動スクロール５２とサブ圧縮機構６の揺動スクロール６２とは、それぞれの中央に形成された偏心軸受部５２ｂ，６２ｂを軸８に嵌合されたクランク部８ｂによって貫通支持され、揺動運動できるようになっている。【００１３】
膨張機構５の外周であって密閉容器１０の側面には、冷媒を吸入する膨張吸入管１３および膨張した冷媒を吐出する膨張吐出管１５が設置されている。一方、サブ圧縮機構６の上方であって密閉容器１０の上面には、冷媒を吸入するサブ圧縮吸入管１２が設置されており、サブ圧縮機構６の外周であって密閉容器１０の側面には、圧縮した冷媒を吐出するサブ圧縮吐出管１４が設置されている。【００１４】
サブ圧縮機構６においては、固定スクロール６１および揺動スクロール６２それぞれの渦巻歯６１ｃ，６２ｃの先端には、固定スクロール６１の渦巻歯６１ｃと揺動スクロール６２の渦巻歯６２ｃとで形成されるサブ圧縮室６ａを仕切るチップシール２１が装着されている。また、揺動スクロール６２の固定スクロール６１に対向する面であって偏心軸受部６２ｂの外周には、揺動スクロール６２と固定スクロール６１とをシールする内周シール２２ａが設けられている。さらに、固定スクロール６１における揺動スクロール５２に対向する面であって渦巻歯６１ｃの外周には、揺動スクロール６２と固定スクロール６１とをシールする外周シール２３が設けられている。【００１５】
一方、膨張機構５においては、サブ圧縮機構６と同様に、揺動スクロール５２の固定スクロール５１に対向する面であって偏心軸受部５２ｂの外周には、揺動スクロール５２と固定スクロール５１とをシールする内周シール２２ｂが設けられている。しかしながら、固定スクロール５１および揺動スクロール５２の渦巻歯５１ｃ，５２ｃの先端には、チップシール２１が装着されていない。また、固定スクロール５１における揺動スクロール５２に対向する面であって渦巻歯５１ｃの外周には、外周シール２３は設けられていない。【００１６】
膨張機構５の揺動スクロール５２とサブ圧縮機構６の揺動スクロール６２とは、ピンなどの結合要素によって一体化され、サブ圧縮機構６に設けたオルダムリング７によって、自転を規正される。また、揺動スクロール５２，６２が揺動運動することによって発生する遠心力を相殺するために、軸８の両端には、バランスウェイト９ａ，９ｂが取り付けられている。なお、膨張機構５の揺動スクロール５２とサブ圧縮機構６の揺動スクロール６２とは、台板５２ａ，６２ａを共用した形で一体に形成されてもよい。【００１７】
膨張機構５においては、固定スクロール５１の渦巻歯５１ｃと揺動スクロール５２の渦巻歯５２ｃとで形成される膨張室５ａ内で、膨張吸入管１３から吸入した高圧の冷媒が膨張することによって動力が発生する。膨張室５ａ内で膨張減圧した冷媒は、膨張吐出管１５から密閉容器１０外へ吐出される。膨張機構５で発生した動力によって、サブ圧縮機構６の固定スクロール６１の渦巻歯６１ｃと揺動スクロール６２の渦巻歯６２ｃとで形成されるサブ圧縮室６ａ内で、サブ圧縮吸入管１２から吸入した冷媒が圧縮昇圧される。サブ圧縮室６ａ内で圧縮昇圧された冷媒は、サブ圧縮吐出管１４から密閉容器１０外へ吐出される。【００１８】
図２は、図１に示すこの発明の実施の形態１によるスクロール膨張機の膨張機構のＡ−Ａ断面図である。【００１９】
揺動スクロール５２の渦巻歯５２ｃの内端部には、肉厚部５２ｄが設けられており、肉厚部５２ｄには、クランク部８ｂが挿入される偏心軸受部５２ｂが貫通して形成されている。揺動スクロール５２の台板５１ａ上であって偏心軸受部５２ｂの外周には、内周シール溝５２ｇが形成されており、内周シール溝５２ｇに内周シール２２ｂが装着されている。【００２０】
固定スクロール５１の台板５１ｃには、冷媒を吸入するための吸入ポート５１ｄと冷媒を吐出するための吐出ポート５１ｅとが開けられている。吸入ポート５１ｄは、開口面積を確保するために、略長穴の形状であり、膨張吸入管１３に連結している。また、揺動運動中に吸入ポート５１ｄが閉塞される面積を低減するために、肉厚部５２ｄに切り欠き部５２ｅを設けている。吐出ポート５１ｅは、揺動スクロール５２の渦巻歯５２ｃの外端部と干渉しない位置に開けられており、膨張吐出管１５に連結している。【００２１】
図３は、この発明の実施の形態１によるサブ圧縮機構を示す平面図であり、図３（ａ）は、サブ圧縮機構の固定スクロールの平面図、図３（ｂ）は、サブ圧縮機構の揺動スクロールの平面図である。図３に示すように、サブ圧縮機構６の渦巻歯６１ｃ，６２ｃは、膨張機構５と同じ巻き方向で、揺動スクロール６２が膨張機構５の揺動スクロール５２と背面合わせ一体で揺動運動したときに、一方で圧縮、他方で膨張できるようになっている。【００２２】
膨張機構５の揺動スクロール５２と同様に、揺動スクロール６２の肉厚部６２ｄには、クランク部８ｂが挿入される偏心軸受部６２ｂが貫通して形成されており、固定スクロール６１の台板６１ａには、冷媒を吸入するための吸入ポート６１ｄと冷媒を吐出するための吐出ポート６１ｅとが開けられている。吐出ポート６１ｅは、開口面積を確保するために、略長穴の形状であり、サブ圧縮吐出管１４に連結されている。また、揺動運動中に吐出ポート６１ｅが閉塞される面積を低減するために、肉厚部６２ｄに切り欠き部６２ｅを設けている。吸入ポート６１ｄは、揺動スクロール６２の渦巻歯６２ｃの外端部と干渉しない位置に開けられており、サブ圧縮吸入管１２に連結されている。【００２３】
渦巻歯６１ｃ，６２ｃの先端面には、チップシールを装着するためのチップシール溝６１ｆ，６２ｆが形成されている。揺動スクロール６２の台板６２ａ上であって偏心軸受部６２ｂの外周には、内周シール２２ａを装着するための内周シール溝６２ｇが形成されている。また、固定スクロール６１の台板６１ａ上であって渦巻歯６１ｃの外周には、外周シール２３を装着するための外周シール溝６１ｇが形成されている。【００２４】
図４は、この発明の実施の形態１によるスクロール膨張機を用いた冷凍サイクルの基本構成を示す回路図である。この発明の実施の形態１では、二酸化炭素のような高圧側が超臨界となる冷媒を用いることを想定している。【００２５】
図４において、スクロール膨張機１の膨張機構５が駆動するサブ圧縮機構６の前段には、主圧縮機１１の電動機構１１ｂが駆動する主圧縮機構１１ａが設置されており、主圧縮機構１１ａの前段には、冷媒を加熱する蒸発器４が設置されている。一方、サブ圧縮機構６の後段には、冷媒を冷却するガスクーラ２が設置されており、ガスクーラ２の後段には、スクロール膨張機１の膨張機構５と膨張弁３とが並列に配置されている。【００２６】
主圧縮機１１の主圧縮機構１１ａで昇圧された冷媒は、スクロール膨張機１のサブ圧縮機構６によって、さらに昇圧される。サブ圧縮機構６で昇圧された冷媒は、ガスクーラ２で冷却された後、一部は、スクロール膨張機１の膨張機構５に送られ、膨張減圧される。膨張機構５を通過する流量の調整および起動時における差圧の確保のため、スクロール膨張機１の膨張機構５と並列に膨張弁３が設けられており、残りの冷媒は、膨張弁３に送られ、膨張減圧される。膨張機構５において、冷媒が等エントロピ的に膨張することによって、主軸８を介して膨張機構５からサブ圧縮機構６に膨張動力が伝えられ、サブ圧縮仕事として用いられる。膨張機構５で膨張した冷媒は、蒸発器４で加熱された後、再び主圧縮機１１の主圧縮機構１１ａに戻る。【００２７】
図５は、この発明の実施の形態１によるスクロール膨張機を用いた冷凍サイクルにおける冷媒の状態量変化を示すモリエル線図である。図５において、縦軸は圧力Ｐ、横軸はエンタルピｈである。【００２８】
図５に示すように、ガスクーラ２で熱交換することによって、点ｄから点ｃまで冷却された冷媒は、膨張弁のような絞りによる減圧機構では点ｃ→点ｂ’のように等エンタルピ膨張する。しかしながら、膨張機構５では、等エントロピ的に膨張することによって点ｃから点ｂとなる。このため、点ｂ’でのエンタルピｈb’と点ｂでのエンタルピｈbの差ｈb’−ｈb分だけ、膨張動力として回収される。膨張後、蒸発器４で熱交換され、点ｂから点ａまで加熱された冷媒ガスは、主圧縮機１１の主圧縮機構１１ａで点ａから点ｄ’まで圧縮された後、スクロール膨張機１のサブ圧縮機構６で点ｄ’から点ｄまで圧縮される。上記のように、この発明の実施の形態１においては、主圧縮機１１の圧縮機構１１ｂで冷凍サイクルの圧縮過程の一部を担い、スクロール膨張機１のサブ圧縮機構６で圧縮過程の残りを担う。サブ圧縮機構６におけるエンタルピ差ｈd−ｈd’分の圧縮動力は、ｈb’−ｈb分の回収動力によって賄われる。【００２９】
図６は、一般的な膨張・圧縮機構の流量と回転数の関係を説明するため模式図である。【００３０】
図６に示すように、膨張機構５によって駆動されるサブ圧縮機構６がある場合、冷媒の膨張機構５を通過する重量流量をＧｅ、サブ圧縮機構６の通過流量をＧｃ、膨張機構５の吸込み行程容積をＶｅｉ、サブ圧縮機構６の吸込み行程容積をＶｃｓとし、膨張機構５の入口の冷媒比容積をvei，圧縮機構Ｃｓ入口の冷媒比容積をvcsとすると、膨張機構５側で決まる回転数ＮEは、（１）式のように表される。【００３１】
【数１】
0004584306.tif 000002
【００３２】
また、サブ圧縮機構６側の回転数ＮCは、（２）式のように表される。【００３３】
【数２】
0004584306.tif 000003
【００３４】
したがって、膨張機構５とサブ圧縮機構６との回転数をマッチングさせる条件であるＮE＝ＮCから、（３）式を満たさなければならない。【００３５】
【数３】
0004584306.tif 000004
【００３６】
（３）式に示す膨張機構５とサブ圧縮機構６の行程容積の比σvecは、ある設計条件に対して機器のディメンジョンを決めると定数となる。設計条件以外で運転する場合には、（３）式を満たすように体積流量の比（Ｇｅvei／Ｇｃvcs）を調整する必要が生じる。サブ圧縮機構６で冷凍サイクルの圧縮過程の全てを担う場合（この場合、サブ圧縮機構６は、膨張機構５からの回収動力だけでなく別の駆動源を併用する必要がある）は、膨張機構５およびサブ圧縮機構６それぞれの入口での比容積ｖei，ｖcsが、運転条件から決まるので、通常、膨張弁３のようなバイパス等の手段によって重量流量Ｇｅを調整する。このとき、バイパスさせる流量は、膨張動力を回収することができない非回収流量となり、動力回収効果が低下することになるので、極力バイパス流量を抑える必要がある。【００３７】
図５に示すように、冷凍サイクルの圧縮過程の一部（点ａ→点ｄ’）を電動機構１１ｂ駆動の主圧縮機構１１ａで担い、圧縮過程の残り（点ｄ’→点ｄ）を回収動力駆動のサブ圧縮機構６で担う場合には、点ｄ’での圧力に依存してサブ圧縮機構６入口での比容積ｖcsが変わる。このため、点ｃおよび点ａでの比容積が運転条件から決まっていても、回転数マッチングのためにサブ圧縮機構６入口の比容積ｖcsを調整することが可能となる。しかしながら、サブ圧縮機構６の駆動は、膨張機構５のみによって行なわれるので、圧縮動力を回収動力で賄うという動力のマッチングも必要となる。図５における点ｂ’の圧力には下限があり、点ｂ’での圧力によるサブ圧縮機構６入口の比容積ｖcsの調整にも限界がある。したがって、膨張機構５側とサブ圧縮機構５側の動力がバランスした上で、（３）式の回転数マッチングの条件を満足させるために、膨張機構５と並列に設けた膨張弁３等から冷媒をバイパスすることによって膨張機構５の通過流量Ｇｅの調整を行うこととなる。【００３８】
以上のように、スクロール膨張機１のサブ圧縮機構６で冷凍サイクルの圧縮過程の全てを担う場合よりも、冷凍サイクルの圧縮過程の一部を電動機構１１ｂ駆動の主圧縮機構１１ａで担い、圧縮過程の残りを回収動力駆動のスクロール膨張機１のサブ圧縮機構６で担う場合の方が、サブ圧縮機構６入口の比容積ｖcsによる回転数の調整とサブ圧縮機構６での昇圧幅による圧縮動力の調整とが併用されるので、バイパスによる回収効果の低下を抑制できる。【００３９】
図７は、この発明の実施の形態１によるスクロール膨張機の膨張機構およびサブ圧縮機構の略断面図である。【００４０】
サブ圧縮機構６の渦巻歯６１ｃ，６２ｃには、サブ圧縮室６ａを仕切るチップシール２１が装着されている。また、サブ圧縮機構６の固定スクロール６１の台板６１ａ上であって渦巻歯６１ｃの外周に外周シール２３が設けられている。さらに、内周シール２２ａ，２２ｂが揺動スクロール５２，６２の偏心軸受部５２ｂ，６２ｂの外周に設けられている。また、膨張機構５においては、固定スクロール５１の台板５１ａの外周部と揺動スクロール５２の台板５２ａの外周部とは、接触するように構成されている。【００４１】
図８は、チップシールの接触シール機能を説明するためにチップシール周辺を拡大した断面図である。【００４２】
図８において、チップシール２１は、仕切られる両側のサブ圧縮室６ａの差圧によって、矢印で示すように高圧側である左方および下方から押圧される。このため、チップシール２１は、チップシール２１を装着するために設けられたチップシール溝６２ｆ内で、右方の壁および上方の台板に押付けられて、揺動スクロール６２と固定スクロール６１との間の接触シールを行う。内周シール２２ａ，２２ｂおよび外周シール２３の接触シール作用も、チップシール２１の接触シール作用と同様である。【００４３】
この発明の実施の形態１においては、膨張機構５は、高圧Ｐｈ(点ｃの圧力)から低圧Ｐｌ(点ｂの圧力)までの膨張過程を担い、サブ圧縮機構６は、中間圧Ｐｍ(点ｄ’の圧力)から高圧Ｐｈ(点ｄの圧力≒点ｃの圧力)までの圧縮過程を担う。このため、揺動スクロール５２，６２においては、中央の膨張室５ａおよび中央のサブ圧縮室６ａの双方に高圧Ｐｈが作用し、外周の膨張室５ａには低圧Ｐｌ、外周のサブ圧縮室６ａには中間圧Ｐｍが作用する。密閉容器１０内を低圧Ｐｌとしているので、外周のサブ圧縮室６ａ(Ｐｍ)と密閉容器１０内（Ｐｌ）との差圧をシールするために、サブ圧縮機構６の固定スクロール６１の台板６１ａ上であって渦巻歯６１ｃの外周に外周シール２３を設けている。また、中央の膨張室５ａ（Ｐｈ）および中央のサブ圧縮室６ａ(Ｐｈ)と密閉容器１０内（Ｐｌ）との差圧をシールするために、揺動スクロール５２，６２の偏心軸受部５２ｂ，６２ｂの外周に内周シール２２ａ，２２ｂを設けている。【００４４】
密閉容器１０内を高圧Ｐｈとした場合には、低圧Ｐｌとなる膨張機構５の外周部および中間圧Ｐｍとなるサブ圧縮機構６の外周部に外周シール２３を設けることになる。また、密閉容器１０内を中間圧Ｐｍとした場合には、低圧Ｐｌとなる膨張機構５の外周部に外周シール２３、高圧Ｐｈとなる膨張機構５の中央部およびサブ圧縮機構６の中央部に内周シール２２ａ，２２ｂを設けることになる。密閉容器１０内を高圧Ｐｈとした場合も中間圧Ｐｍとした場合も、シールの個数は密閉容器１０内を低圧Ｐｌとした場合と同じか少ないかである。しかしながら、密閉容器１０内を高圧Ｐｈとした場合または中間圧Ｐｍとした場合には、高圧Ｐｈまたは高圧Ｐｈに近い中間圧Ｐｍに対して密閉容器１０の耐圧を確保するために、密閉容器１０内を低圧Ｐｌとした場合よりも密閉容器１０の肉厚を厚くする必要がある。したがって、膨張機構５の中央部とサブ圧縮機構６の中央部に内周シール２２ａ，２２ｂを設けるとともに、サブ圧縮機構６外周部に外周シール２３を設けているので、密閉容器１０内を低圧Ｐｌとすることができ、スクロール膨張機１の製造コストを低減できる。【００４５】
また、図３（ａ）に示すように、低圧Ｐｌになる外側の膨張室５ａと中間圧Ｐｍとなる外周のサブ圧縮室６ａとの間を隔離する外周シール２３の外周シール溝６１ｇの中心を、固定スクロール６１の渦巻歯６１ｃの座標中心から外接円中心へ近づけている。このため、外周シール溝６１ｇの直径が小さくなり、サブ圧縮機構６が中間圧Ｐｍを受ける面積を抑え、膨張機構５の渦巻歯５１ｃ，５２ｃの先端面および台板５１ａ，５２ａの外周部の押付力が過大となるのを避けている。【００４６】
図７において、矢印は、低圧Ｐｌを基準とした揺動スクロール５２，６２に作用する軸方向差圧力の分布を示す。揺動スクロール５２，６２の中央部の差圧力は、膨張機構５側もサブ圧縮機構６側もＰｈ−Ｐｌで等しい。しかしながら、揺動スクロール５２，６２の外周部の差圧力は、膨張機構５側では０となり、サブ圧縮機構６側ではＰｍ−Ｐｌとなる。この差圧力を積分した結果、揺動スクロール５２,６２は、軸８方向に下向きの押付力（サブ圧縮機構６側から膨張機構５側に向かう力）Ｆを受けることになり、押付力Ｆは、膨張機構５の渦巻歯５１ｃ，５２ｃの先端面および台板５１ａ，５２ａで支持される。【００４７】
スクロール型の流体機械においては、圧縮機および膨張機のいずれの場合でも、また、揺動スクロールの片面のみに渦巻歯を備えた片面渦巻構造および揺動スクロールの両面に渦巻歯を備えた両面渦巻構造のいずれの場合でも、冷媒の圧力による軸方向力を支持する点で揺動スクロールの軸方向の位置が決まり、揺動スクロールの反押付け側の面には組立てクリアランスに相当する隙間が生じる。このため、圧力の異なる膨張室５ａの間またはサブ圧縮室６ａの間で漏れが生じる。【００４８】
この実施の形態１によるスクロール膨張機においては、押付力Ｆによって、揺動スクロール５２，６２は一体的に膨張機構５の固定スクロール５１に押付けられるので、膨張機構５の渦巻歯５１ｃ，５２ｃの先端の隙間は、ほとんどなくなる。このため、膨張機構５においては、渦巻歯５１ｃ，５２ｃの先端からの漏れを低減できる。特に、二酸化炭素のような高圧Ｐｈが非常に高い圧力となる場合には、中間圧Ｐｍと低圧Ｐｌとの差圧も大きいので必要な押付力Ｆを得るための外周シール２３の直径の調整量が小さくて済み、外径寸法を拡大せずに成立できる。一方、サブ圧縮機構６においては、揺動スクロール６２の渦巻歯６２ｃの先端面と固定スクロール６１の台板６１ａとの間およびサブ圧縮機構６の揺動スクロール６２の台板６２ａと固定スクロール６１の渦巻歯６１ｃの先端面との間に隙間が生じる。しかしながら、渦巻歯６１ｃ，６２ｃの先端にチップシール２１を装着しているので、渦巻歯６１ｃ，６２ｃの先端における渦巻内側から外側への径方向漏れはほとんどなくなりチップシール２１サイドでの渦巻歯６１ｃ，６２ｃに沿った周方向漏れのみに抑えることができる。【００４９】
また、膨張機構５においては、固定スクロール５１の台板５１ａの外周部と揺動スクロール５２の台板５２ａの外周部とを接触するように構成しているので、より広い面積で押付力Ｆを支持することができ、渦巻歯５１ｃ，５２ｃの歯先に作用する面圧の絶対値とともに作動圧力変動時の変動幅を抑えている。【００５０】
ここで、膨張機構５およびサブ圧縮機構６の揺動半径ｒは、渦巻歯のピッチをｐ、渦巻歯の厚さをｔとしたとき、（４）式のような関係にある。【００５１】
【数４】
0004584306.tif 000005
【００５２】
この発明の実施の形態１においては、揺動半径ｒは、膨張機構５とサブ圧縮機構６とで等しい。しかしながら、渦巻歯の厚さｔは、サブ圧縮機構６の渦巻歯６１ｃ，６２ｃよりも膨張機構５の渦巻歯５１ｃ，５２ｃの方が厚くなっている。また、それに応じて、渦巻歯のピッチｐも、サブ圧縮機構６の渦巻歯６１ｃ，６２ｃよりも膨張機構５の渦巻歯５１ｃ，５２ｃの方が大きくなっている。渦巻歯の厚さｔは、サブ圧縮機構６の渦巻歯６１ｃ，６２ｃよりも膨張機構５の渦巻歯５１ｃ，５２ｃの方が厚くなっているので、サブ圧縮機構６における圧縮前後の差圧に比べて膨張前後の差圧が大きい膨張機構５の渦巻歯５１ｃ，５２ｃの強度を確保することができる。【００５３】
以上のような構成によれば、スクロール膨張機１のサブ圧縮機構６で冷凍サイクルの圧縮過程の一部を担うので、バイパスによる回収効果の低下を抑制でき、広い運転条件で効率の良いスクロール膨張機を得ることができる。また、揺動スクロール５２，６２が膨張機構５の固定スクロール５１に押付けられるように構成し、サブ圧縮機構６の固定スクロール６１および揺動スクロール６２の渦巻歯６１ｃ，６２ｃにチップシール２１を装着しているので、漏れ損失を低減することができる。【００５４】
また、サブ圧縮機構６で中間圧Ｐｍから高圧Ｐｈに圧縮することによって、膨張機構５の渦巻歯５１ｃ，５２ｃの先端面および台板５１ａ，５２ａの外周部を押付けるようにしたので、サブ圧縮機構６における昇圧は起動後に生じ、起動前にはサブ圧縮機構６の外周部〜中央部全域が高圧Ｐｈとなり、膨張機構５の歯先押付けがより確実となるため起動性の良いスクロール膨張機１を得ることが可能となる。【００５５】
実施の形態２．
図９は、この発明の実施の形態２によるスクロール膨張機の構成を示す縦断面図である。【００５６】
実施の形態１においては、サブ圧縮機構６の渦巻歯６１ｃ，６２ｃの先端にチップシール２１を装着し、揺動スクロール５２，６２が膨張機構５の固定スクロール５１に押付けられるように構成した。この発明の実施の形態２に示すスクロール膨張機１Ａでは、図９に示すように、膨張機構５の渦巻歯５１ｃ，５２ｃの先端にチップシール２１を装着し、揺動スクロール５２，６２がサブ圧縮機構６の固定スクロール６１に押付けられるように構成している。なお、サブ圧縮機構６の渦巻歯６１ｃ，６２ｃの先端には、チップシール２１を装着していない。この発明の実施の形態２に示すスクロール膨張機１Ａのその他の構成および機能は、実施の形態１に示すスクロール膨張機１と同様である。【００５７】
図１０は、この発明の実施の形態２によるスクロール膨張機を用いた冷凍サイクルの基本構成を示す回路図である。この発明の実施の形態２においては、二酸化炭素のような高圧側が超臨界となる冷媒を想定している。【００５８】
図１０において、スクロール膨張機１Ａの膨張機構５が駆動するサブ圧縮機構６の後段には、主圧縮機１１の電動機構１１ｂが駆動する主圧縮機構１１ａが設置されている。主圧縮機構１１ａの後段には、冷媒を冷却するガスクーラ２が設置されており、ガスクーラ２の後段には、スクロール膨張機１Ａの膨張機構５と膨張弁３とが並列に配置されている。一方、サブ圧縮機構６の前段には、冷媒を加熱する蒸発器４が設置されている。【００５９】
スクロール膨張機１Ａの膨張機構５が駆動するサブ圧縮機構６で昇圧された冷媒は、主圧縮機１１の電動機構１１ｂが駆動する主圧縮機構１１ａによって、さらに昇圧される。主圧縮機構１１ａで昇圧された冷媒は、ガスクーラ２で冷却された後、一部は、再びスクロール膨張機１Ａの膨張機構５に送られ、膨張減圧される。膨張機構５を通過する流量の調整および起動時における差圧の確保のため、スクロール膨張機１Ａの膨張機構５と並列に膨張弁３が設けられており、残りの冷媒は、膨張弁３に送られ、膨張減圧される。膨張機構５において、冷媒が等エントロピ的に膨張することによって、主軸８を介して膨張機構５からサブ圧縮機構６に膨張動力が伝えられ、サブ圧縮仕事として用いられる。膨張機構５で膨張した冷媒は、蒸発器４で加熱された後、再びスクロール膨張機１Ａのサブ圧縮機構６に戻る。【００６０】
図１１は、この発明の実施の形態２によるスクロール膨張機を用いた冷凍サイクルにおける冷媒の状態量変化を示すモリエル線図である。図１１において、縦軸は圧力、横軸はエンタルピである。【００６１】
図１１に示すように、ガスクーラ２で熱交換することによって、点ｄから点ｃまで冷却された冷媒は、膨張機構５で等エントロピ的に膨張することによって、点ｃから点ｂとなる。膨張後、蒸発器４で熱交換され、点ｂから点ａまで加熱された冷媒ガスは、スクロール膨張機１Ａのサブ圧縮機構６で点ａから点ａ’まで圧縮された後、主圧縮機１１の主圧縮機構１１ａで点ａ’から点ｄまで圧縮される。上記のように、この発明の実施の形態２においては、主圧縮機１１の圧縮機構１１ｂで冷凍サイクルの圧縮過程の一部を担い、スクロール膨張機１Ａのサブ圧縮機構６で圧縮過程の残りを担う。サブ圧縮機構６におけるエンタルピ差ｈa’−ｈa分の圧縮動力は、ｈb’−ｈb分の回収動力によって賄われる。【００６２】
この発明の実施の形態２においても、冷凍サイクルの圧縮過程の一部を電動機構１１ｂ駆動の主圧縮機構１１ａで担い、残りを回収動力駆動のスクロール膨張機１Ａのサブ圧縮機構６で担う。このため、冷凍サイクルの全ての圧縮過程をスクロール膨張機１Ａのサブ圧縮機構６で担う場合よりも、サブ圧縮機構６での昇圧幅による圧縮動力の調整が可能な分、バイパスによる回収効果の低下を抑制できる。【００６３】
図１２は、この発明の実施の形態２によるスクロール膨張機の膨張機構およびサブ圧縮機構の略断面図である。【００６４】
膨張機構５の渦巻歯５１ｃ，５２ｃには、膨張室５ａを仕切るチップシール２１が装着されている。また、揺動スクロール５２，６２の偏心軸受部５２ｂ，６２ｂの外周には、内周シール２２ａ，２２ｂが設置されている。また、サブ圧縮機構６においては、固定スクロール６１の台板６１ａの外周部と揺動スクロール６２の台板６２ａの外周部とは、接触するように構成されている。【００６５】
この発明の実施の形態２においては、膨張機構５は、高圧Ｐｈ(点ｃの圧力)から低圧Ｐｌ(点ｂの圧力)までの膨張過程を担い、サブ圧縮機構６は、低圧Ｐｌ(点ａの圧力≒点ｂの圧力)から中間圧Ｐｍ(点ａ’の圧力)までの圧縮過程を担う。このため、中央の膨張室５ａには高圧Ｐｈが、中央のサブ圧縮室６ａには中間圧Ｐｍが作用し、外周の膨張室５ａおよび外周のサブ圧縮室６ａにはともに低圧Ｐｌが作用する。揺動スクロール５２，６２の偏心軸受部５２ｂ，６２ｂの外周には、内周シール２２ａ，２２ｂが設置されているので、中央の膨張室５ａと中央のサブ圧縮室６ａとで異なる圧力を隔離することができる。また、外周の膨張室５ａと外周のサブ圧縮室６ａとでは、作用する圧力が同じ低圧Ｐｌであるので、圧力を隔離する必要はなく、膨張機構５側およびサブ圧縮機構６側には外周シール２３は設けられていない。さらに、揺動スクロール５２，６２の偏心軸受部５２ｂ，６２ｂの外周に内周シール２２ａ，２２ｂを設けているので、密閉容器１０内を低圧Ｐｌとすることができ、密閉容器１０内が高圧Ｐｈまたは中間圧Ｐｍの場合ほど密閉容器１０の肉厚を厚くする必要がなくなり、スクロール膨張機１Ａの製造コストを低減することができる。【００６６】
図１２において、矢印は、低圧Ｐｌを基準とした揺動スクロール５２，６２に作用する軸方向差圧力の分布を示す。揺動スクロール５２，６２の外周部の差圧力は、膨張機構５側、サブ圧縮機構６側ともに０である。しかしながら、内周部の差圧力は、膨張機構５側ではＰｈ−Ｐｌ、サブ圧縮機構６側ではＰｍ−Ｐｌとなる。この差圧力を積分した結果、揺動スクロール５２，６２は、軸８方向に上向きの押付力（膨張機構５側からサブ圧縮機構６側に向かう力）Ｆを受けることになり、押付力Ｆは、サブ圧縮機構６の渦巻歯６１ｃ，６２ｃの先端面および台板６１ａ，６２ａで支持される。特に、サブ圧縮機構６において、固定スクロール６１の台板６１ａの外周部と揺動スクロール６２の台板６２ａの外周部とを接触するように構成しているので、より広い面積で押付力Ｆを支持することができ、渦巻歯６１ｃ，６２ｃの歯先に作用する面圧が過大となるのを防いでいる。【００６７】
この実施の形態２によるスクロール膨張機においては、揺動スクロール５２，６２は一体的にサブ圧縮機構６の固定スクロール６１に押付けられるので、サブ圧縮機構６の渦巻歯６１ｃ，６２ｃの先端の隙間はほとんどなくなる。このため、サブ圧縮機構６においては、渦巻歯６１ｃ，６２ｃの先端からの漏れを低減できる。特に、二酸化炭素のような高圧Ｐｈが非常に高い圧力となる場合には、中央部において膨張機構５側とサブ圧縮機構６側との差圧が大きくなるので、受圧面積の大きい外周部がともに低圧Ｐｌで差圧が無くても渦巻歯６１ｃ，６２ｃの歯先を確実に押付けることができる。一方、膨張機構５における揺動スクロール５２の渦巻歯５２ｃの先端面と固定スクロール５１の台板５１ａとの間および膨張機構５の揺動スクロール５２の台板５２ａと固定スクロール５１の渦巻歯５１ｃの先端面との間に隙間が生じる。しかしながら、渦巻歯５１ｃ，５２ｃの先端には、チップシール２１を装着しているので、渦巻歯５１ｃ，５２ｃの先端での径方向の漏れはほとんどなくなり、チップシール２１サイドの渦巻歯５１ｃ，５２ｃに沿った周方向漏れのみに抑えることができ、起動性も確保できる。【００６８】
以上のような構成によれば、スクロール膨張機１Ａのサブ圧縮機構６で冷凍サイクルの圧縮過程の一部を担うので、バイパスによる回収効果の低下を抑制でき、広い運転条件で効率の良いスクロール膨張機を得ることができる。また、揺動スクロール５２，６２がサブ圧縮機構６の固定スクロール６１に押付けられるように構成し、膨張機構５の固定スクロール５１および揺動スクロール５２の渦巻歯５１ｃ，５２ｃにチップシール２１を装着しているので、漏れ損失を低減することができる。【００６９】
また、膨張機構５およびサブ圧縮機構６の両側の渦巻歯５１ｃ，５２ｃ，６１ｃ，６２ｃの外周部がともに低圧Ｐｌとなるので、大径の外周シール２３を必要とせず、スクロール膨張機１Ａの製造コストを低減することができる。
【図１】
0004584306.tif 000006
【図２】
0004584306.tif 000007
【図３】
0004584306.tif 000008
【図４】
0004584306.tif 000009
【図５】
0004584306.tif 000010
【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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