(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれに渦巻き状のラップ（63,66）が形成される固定スクロール（61）と可動スクロール（64）とを備え、固定スクロール（61）と可動スクロール（64）のラップ（63,66）を互いに噛み合わせることで膨張室（71,72）が形成されるスクロール型流体機械であって、
超臨界圧の流体が上記膨張室（71,72）へ流入し、該流体が膨張して気液二相状態となって該膨張室（71,72）から流出する一方、
上記膨張室（71,72）が密閉空間となっている間において、可動スクロール（64）の回転角が所定値となるまでは膨張室（71,72）の体積が第１の変化率で増大し、可動スクロール（64）の回転角が上記所定値を超えると膨張室（71,72）の体積が第２の変化率で増大すると共に、上記第１の変化率が上記第２の変化率よりも小さくなるように構成されているスクロール型流体機械。
【請求項２】
請求項１記載のスクロール型流体機械において、
膨張室（71,72）の体積変化率が可動スクロール（64）の回転に伴って第１の変化率から第２の変化率へと変化するように、ラップ（63,66）の肉厚を変化させているスクロール型流体機械。
【請求項３】
請求項２記載のスクロール型流体機械において、
ラップ（63,66）には、
該ラップ（63,66）の中心側端部から外周側端部に向かう伸長方向へ進むにつれてラップ（63,66）の肉厚が次第に減少する肉厚減少部と、
該肉厚減少部の終端に連続し且つ上記伸長方向へ進むにつれてラップ（63,66）の肉厚が次第に増大する肉厚増大部とが形成されているスクロール型流体機械。
【請求項４】
請求項２記載のスクロール型流体機械において、
ラップ（63,66）には、
該ラップ（63,66）の中心側端部から外周側端部に向かう伸長方向へ進むにつれてラップ（63,66）の肉厚が次第に減少する肉厚減少部（81）と、
該肉厚減少部（81）の終端に連続し且つラップ（63,66）の肉厚が一定に保たれる薄肉部（82）と、
該薄肉部（82）の終端に連続し且つ上記伸長方向へ進むにつれてラップ（63,66）の肉厚が次第に増大する肉厚増大部（83）とが形成されているスクロール型流体機械。
【請求項５】
請求項２又は３記載のスクロール型流体機械において、
ラップ（63,66）は、該ラップ（63,66）の全長に亘ってインボリュート曲線状に形成され、
上記ラップ（63,66）の形状を表すインボリュート曲線の基礎円半径を該インボリュート曲線の伸開角に応じて増減させることにより上記ラップ（63,66）の肉厚を変化させているスクロール型流体機械。
【請求項６】
請求項２又は４記載のスクロール型流体機械において、
ラップ（63,66）の内側面及び外側面にインボリュート曲線状の部分と円弧状の部分とを交互に形成することにより上記ラップ（63,66）の肉厚を変化させているスクロール型流体機械。
【請求項７】
請求項１又は２記載のスクロール型流体機械において、
膨張室（71,72）は、第１の膨張室（71）と第２の膨張室（72）とが対になって形成されており、
上記第１の膨張室（71）の閉じ込み完了時期が上記第２の膨張室（72）の閉じ込み完了時期よりも遅らされ、且つ上記第１の膨張室（71）からの流体の流出開始時期が上記第２の膨張室（72）からの流体の流出開始時期よりも遅らされているスクロール型流体機械。
【請求項８】
請求項７記載のスクロール型流体機械において、
第１の膨張室（71）における膨張比と第２の膨張室（72）における膨張比とが等しくなるように構成されているスクロール型流体機械。
【請求項９】
請求項７又は８記載のスクロール型流体機械において、
固定スクロール（61）と可動スクロール（64）のうち何れか一方のラップ（63）は、他方のラップ（66）における外周側端部の近傍にまで伸長されているスクロール型流体機械。
【請求項１０】
請求項１乃至９の何れか１つに記載のスクロール型流体機械（60）と冷媒の圧縮機（50）とが接続され、且つ冷媒として二酸化炭素が充填された冷媒回路（20）を備え、
上記冷媒回路（20）で冷媒を循環させて冷凍サイクルを行う際には、上記圧縮機（50）で冷媒を該冷媒の臨界圧力以上にまで圧縮すると共に、圧縮された冷媒を上記スクロール型流体機械（60）で膨張させて回収した動力を上記圧縮機（50）の駆動に利用している冷凍装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スクロール型の流体機械に関し、特に流体の膨張によって回転するものに係る。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、スクロール型の流体機械が広く知られており、圧縮機や膨張機として利用されている。例えば、日本冷凍協会発行の「新版 冷凍空調便覧 第５版 第２巻 機器編」３７〜４３ページには、スクロール型流体機械を冷媒の圧縮機に適用したものが開示されている。また、特開２００１−１０７８８１号公報には、スクロール型流体機械を冷媒の膨張機に適用したものが開示されている。
【０００３】
図１２に示すように、上記スクロール型流体機械は、固定スクロール（a）と可動スクロール（b）とを備えている。固定スクロール（a）と可動スクロール（b）とには、インボリュート曲線を描く渦巻き状のラップ（c）が設けられる。ラップ（c）の肉厚は、その全長に亘って一定とされる。このスクロール型流体機械では、固定スクロール（a）と可動スクロール（b）のラップ（c）がその位相を１８０°ずらせて噛み合わされ、両ラップ（c）の間に流体室（d）が形成される。
【０００４】
上記スクロール型流体機械において、可動スクロール（b）は、固定スクロール（a）の中心回りに一定の旋回半径で公転する。その際、可動スクロール（b）は、自転することなく公転する。固定スクロール（a）と可動スクロール（b）とで区画された流体室（d）は、その体積が可動スクロール（b）の公転に伴って変化する。このスクロール型流体機械を膨張機として用いる場合、固定スクロール（a）の流入口（e）から流体室（d）へ高圧の流体が導入される。そして、流体室（d）内の流体によって可動スクロール（b）が押し動かされ、流体の膨張仕事が可動スクロール（b）の回転動力として取り出される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のスクロール型流体機械を膨張機として用いる場合において、超臨界圧状態の流体を気液二相状態にまで膨張させようとすると、次のような問題が生じていた。ここでは、その問題点について説明する。
【０００６】
例えば、二酸化炭素（ＣＯ2）を超臨界圧状態から気液二相状態にまで膨張させる場合、二酸化炭素の状態は図１３に実線で示すように変化する。つまり、点ｃの状態（超臨界圧状態）の二酸化炭素は、膨張して圧力が低下し、点ｄにおいて飽和液状態となる。その後、二酸化炭素は、気液二相状態となって膨張を続け、点ｅの状態となる。この場合、点ｃから点ｄへ至る間は、二酸化炭素の圧力が大幅に低下しても、比容積の増加量はさほど大きくない。一方、点ｄから点ｅへ至る間は、二酸化炭素の圧力が変化するに従って、その比容積も比較的大幅に変化する。
【０００７】
これに対し、従来のスクロール型流体機械では、可動スクロール（b）の回転に伴って流体室（d）の体積が常に一定の割合で変化する構成となっている。従って、流体が超臨界圧状態（点ｃの状態）から飽和液の状態（点ｄの状態）へ至るまでの動力回収を重視し、流体室（d）の体積変化率を小さく設定すると、所定の膨張比を得るのに必要なラップ（c）の巻数が増大してしまう。そのため、固定スクロール（a）や可動スクロール（b）が大型化し、ひいてはスクロール型流体機械の大型化を招くという問題があった。
【０００８】
また、これとは逆に流体が気液二相状態で膨張する間（点ｄから点ｅに至るまでの間）における動力回収を重視し、流体室（d）の体積変化率を大きく設定すると、流体が超臨界圧状態（点ｃの状態）から飽和液の状態（点ｄの状態）へ至るまでの動力回収が不充分となってしまう。更には、図１３に示すように流体の特性がその膨張過程で大きく変化してしまうため、得られる回転動力のトルク変動幅が大きくなってしまうという問題もあった。
【０００９】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、超臨界圧状態の流体を気液二相状態にまで膨張させるスクロール型流体機械において、その大型化を回避しつつ、回収可能な動力の確保や得られる動力のトルク変動の削減を可能とすることにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明が講じた第１の解決手段は、それぞれに渦巻き状のラップ（63,66）が形成される固定スクロール（61）と可動スクロール（64）とを備え、固定スクロール（61）と可動スクロール（64）のラップ（63,66）を互いに噛み合わせることで膨張室（71,72）が形成されるスクロール型流体機械を対象としている。そして、超臨界圧の流体が上記膨張室（71,72）へ流入し、該流体が膨張して気液二相状態となって該膨張室（71,72）から流出する一方、上記膨張室（71,72）が密閉空間となっている間において、可動スクロール（64）の回転角が所定値となるまでは膨張室（71,72）の体積が第１の変化率で増大し、可動スクロール（64）の回転角が上記所定値を超えると膨張室（71,72）の体積が第２の変化率で増大すると共に、上記第１の変化率が上記第２の変化率よりも小さくなるように構成されるものである。
【００１１】
本発明が講じた第２の解決手段は、上記第１の解決手段において、膨張室（71,72）の体積変化率が可動スクロール（64）の回転に伴って第１の変化率から第２の変化率へと変化するように、ラップ（63,66）の肉厚を変化させるものである。
【００１２】
本発明が講じた第３の解決手段は、上記第２の解決手段において、ラップ（63,66）には、該ラップ（63,66）の中心側端部から外周側端部に向かう伸長方向へ進むにつれてラップ（63,66）の肉厚が次第に減少する肉厚減少部と、該肉厚減少部の終端に連続し且つ上記伸長方向へ進むにつれてラップ（63,66）の肉厚が次第に増大する肉厚増大部とが形成されるものである。
【００１３】
本発明が講じた第４の解決手段は、上記第２の解決手段において、ラップ（63,66）には、該ラップ（63,66）の中心側端部から外周側端部に向かう伸長方向へ進むにつれてラップ（63,66）の肉厚が次第に減少する肉厚減少部（81）と、該肉厚減少部（81）の終端に連続し且つラップ（63,66）の肉厚が一定に保たれる薄肉部（82）と、該薄肉部（82）の終端に連続し且つ上記伸長方向へ進むにつれてラップ（63,66）の肉厚が次第に増大する肉厚増大部（83）とが形成されるものである。
【００１４】
本発明が講じた第５の解決手段は、上記第２又は第３の解決手段において、ラップ（63,66）は、該ラップ（63,66）の全長に亘ってインボリュート曲線状に形成され、上記ラップ（63,66）の形状を表すインボリュート曲線の基礎円半径を該インボリュート曲線の伸開角に応じて増減させることにより上記ラップ（63,66）の肉厚を変化させるものである。
【００１５】
本発明が講じた第６の解決手段は、上記第２又は第４の解決手段において、ラップ（63,66）の内側面及び外側面にインボリュート曲線状の部分と円弧状の部分とを交互に形成することにより上記ラップ（63,66）の肉厚を変化させるものである。
【００１６】
本発明が講じた第７の解決手段は、上記第１又は第２の解決手段において、膨張室（71,72）は、第１の膨張室（71）と第２の膨張室（72）とが対になって形成されており、上記第１の膨張室（71）の閉じ込み完了時期が上記第２の膨張室（72）の閉じ込み完了時期よりも遅らされ、且つ上記第１の膨張室（71）からの流体の流出開始時期が上記第２の膨張室（72）からの流体の流出開始時期よりも遅らされるものである。
【００１７】
本発明が講じた第８の解決手段は、上記第７の解決手段において、第１の膨張室（71）における膨張比と第２の膨張室（72）における膨張比とが等しくなるように構成されるものである。
【００１８】
本発明が講じた第９の解決手段は、上記第７又は第８の解決手段において、固定スクロール（61）と可動スクロール（64）のうち何れか一方のラップ（63）は、他方のラップ（66）における外周側端部の近傍にまで伸長されるものである。
【００１９】
本発明が講じた第１０の解決手段は、冷凍装置を対象とし、請求項１乃至９の何れか１つに記載のスクロール型流体機械（60）と冷媒の圧縮機（50）とが接続され、且つ冷媒として二酸化炭素が充填された冷媒回路（20）を備え、上記冷媒回路（20）で冷媒を循環させて冷凍サイクルを行う際には、上記圧縮機（50）で冷媒を該冷媒の臨界圧力以上にまで圧縮すると共に、圧縮された冷媒を上記スクロール型流体機械（60）で膨張させて回収した動力を上記圧縮機（50）の駆動に利用しているものである。
【００２０】
−作用−
上記第１の解決手段では、膨張室（71,72）が密閉空間となっている間、即ち、膨張室（71,72）における閉じ込み完了時点から流体の流出開始時点までの間において、可動スクロール（64）の回転に伴う膨張室（71,72）の体積変化率が変動する。具体的に、膨張室（71,72）の閉じ込み完了後に可動スクロール（64）が所定角度だけ公転するまでは、膨張室（71,72）の体積変化率が第１の変化率となる。一方、可動スクロール（64）が所定角度以上に移動した状態では、膨張室（71,72）の体積変化率が第２の変化率となる。そして、本解決手段では、第１の変化率が第２の変化率よりも小さくなっている。つまり、可動スクロール（64）の回転角が所定値に達するまでは、その回転角が所定値を超えた後に比べて、膨張室（71,72）の体積が緩やかに増加してゆく。
【００２１】
上記第２の解決手段では、固定スクロール（61）や可動スクロール（64）に形成されたラップ（63,66）は、その肉厚が場所によって変更されている。そして、ラップ（63,66）の肉厚を増減させることにより、膨張室（71,72）の体積変化率を第１の変化率から第２の変化率へと変化させている。
【００２２】
上記第３の解決手段では、ラップ（63,66）の伸長方向において、肉厚減少部と肉厚増大部とが順に連続して形成される。肉厚減少部では、ラップ（63,66）の伸長方向へ進むにつれて該ラップ（63,66）の肉厚が徐々に薄くなってゆく。肉厚増大部では、ラップ（63,66）の伸長方向へ進むにつれて該ラップ（63,66）の肉厚が徐々に厚くなってゆく。
【００２３】
上記第４の解決手段では、ラップ（63,66）の伸長方向において、肉厚減少部と薄肉部（82）と肉厚増大部（83）とが順に連続して形成される。肉厚減少部（81）では、ラップ（63,66）の伸長方向へ進むにつれて該ラップ（63,66）の肉厚が徐々に薄くなってゆく。薄肉部（82）では、ラップ（63,66）の肉厚が肉厚減少部（81）の終端における厚さのまま一定に保たれる。肉厚増大部（83）では、ラップ（63,66）の伸長方向へ進むにつれて該ラップ（63,66）の肉厚が徐々に厚くなってゆく。
【００２４】
上記第５の解決手段では、インボリュート曲線状のラップ（63,66）の肉厚が、そのインボリュート曲線の基礎円半径を増減させることによって変化する。具体的には、そのインボリュート曲線の基礎円半径を小さくしてゆくとラップ（63,66）の肉厚が次第に減少し、そのインボリュート曲線の基礎円半径を大きくしてゆくとラップ（63,66）の肉厚が次第に増加する。
【００２５】
上記第６の解決手段では、ラップ（63,66）の内側及び外側にインボリュート曲線状に湾曲する部分と円弧状に湾曲する部分とが交互に形成される。このような２つの部分を交互に形成することで、ラップ（63,66）の肉厚を場所によって変化させている。
【００２６】
上記第７の解決手段では、可動スクロール（64）が回転してゆく間において、第１の膨張室（71）が密閉空間となる期間と、第２の膨張室（72）が密閉空間となる期間とが相違している。この点について説明する。
【００２７】
先ず、本解決手段において、第１の膨張室（71）と第２の膨張室（72）とでは、閉じ込みの完了するタイミングが異なっている。つまり、第２の膨張室（72）への流体の流入が完了してからも、第１の膨張室（71）へ流体が流入し続ける。そして、第２の膨張室（72）の閉じ込み完了時点から可動スクロール（64）が所定の角度だけ公転した後に、第１の膨張室（71）の閉じ込みが完了する。その後、各膨張室（71,72）では流体が膨張し、該流体の膨張仕事が可動スクロール（64）の回転動力として取り出される。その際、各膨張室（71,72）の閉じ込み時期が異なるため、ある瞬間における各膨張室（71,72）の内圧は互いに相違している。
【００２８】
更に、本解決手段において、第１の膨張室（71）と第２の膨張室（72）とでは、流体が膨張室（71,72）から流出し始めるタイミングが異なっている。つまり、第２の膨張室（72）の外部へ流体が流出し始めてからも、第１の膨張室（71）において流体が膨張し続ける。そして、第２の膨張室（72）からの流体の流出開始時点から可動スクロール（64）が所定の角度だけ公転した後に、第１の膨張室（71）から流体が流出し始める。
【００２９】
上記第８の解決手段では、対となる膨張室（71,72）について、それぞれの膨張比が互いに等しくなっている。つまり、膨張室（71,72）から流出する流体の圧力は、対となる膨張室（71,72）の何れについても同じとなる。ここで、膨張比とは、閉じ込み完了直後における膨張室（71,72）の体積と、流体の流出開始直前における膨張室（71,72）の体積との比である。
【００３０】
上記第９の解決手段では、固定スクロール（61）のラップ（63）と可動スクロール（64）のラップ（66）とは、両者を噛み合わせた状態で、一方の外周側端部が他方の外周側端部の近傍に位置するような所定の形状に形成されている。第１又は第２の膨張室（71,72）から流出する流体は、各ラップ（63,66）の外周側端部付近から各膨張室（71,72）の外へ送り出される。つまり、両膨張室（71,72）内の流体は、ラップ（63,66）の周方向のほぼ同じ位置で膨張室（71,72）から流出する。
【００３１】
上記第１０の解決手段では、本発明に係るスクロール型流体機械（60）を用いた冷凍装置（10）が構成される。この冷凍装置（10）において、スクロール型流体機械（60）は、冷媒の圧縮機（50）と共に冷媒回路（20）に接続される。また、冷媒回路（20）には、冷媒として二酸化炭素（ＣＯ2）が充填される。
【００３２】
冷媒回路（20）では、冷媒である二酸化炭素が循環し、冷凍サイクルが行われる。具体的に、圧縮機（50）では冷媒が圧縮され、該冷媒（ＣＯ2）の臨界圧力以上にまで昇圧される。圧縮機（50）から吐出された冷媒は、例えば空気等へ放熱する。放熱後の冷媒は、膨張機としての上記スクロール型流体機械（60）へ流入する。スクロール型流体機械（60）では、冷媒の膨張仕事が回転動力として取り出される。スクロール型流体機械（60）で取り出された回転動力は、圧縮機（50）を駆動して冷媒を圧縮するための動力として利用される。スクロール型流体機械（60）から流出した膨張後の冷媒は、例えば空気等から吸熱した後に圧縮機（50）に吸入され、再び圧縮される。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、スクロール型流体機械において、膨張室（71,72）における流体の膨張が始まってしばらくの間は膨張室（71,72）の体積変化率を小さくすることができる。従って、超臨界圧状態の流体が飽和液となる過程では膨張室（71,72）の体積変化率を小さくし、流体が気液二相状態となって膨張する過程では膨張室（71,72）の体積変化率を大きくすることが可能となる。
【００３４】
このため、本発明によれば、ラップ（63,66）の巻き数を増やすことなく、膨張室（71,72）の体積変化率を超臨界圧状態の流体が飽和液となる過程に適したものとすることができ、スクロール流体機械の大型化を回避できる。また、本発明によれば、膨張室（71,72）の体積変化率が一定となる従来のスクロール流体機械に比べ、超臨界圧状態の流体が飽和液となる過程においても充分な動力回収が可能となる。更に、本発明によれば、膨張する流体の特性変化に対応して膨張室（71,72）の体積変化率を変更できるため、流体の膨張により得られる回転動力のトルク変動幅を縮小できる。
【００３５】
特に、上記第７の解決手段では、対となって形成される第１の膨張室（71）と第２の膨張室（72）とについて、それぞれの閉じ込み完了時期と流体の流出開始時期とを相違させている。このため、本解決手段によれば、膨張室（71,72）における流体の膨張により可動スクロール（64）へ付与される回転力の変動幅を小さくでき、スクロール型流体機械（60）で得られる回転動力のトルク変動幅を一層小さくすることができる。
【００３６】
更に、上記第７の解決手段では、第１の膨張室（71）と第２の膨張室（72）とで閉じ込み完了時期がずれており、従来のような両膨張室（71,72）が同時に閉じ込みを完了するものに比べ、流体の流入口（69）を通る流体の流速が低くなる。このため、流入口（69）を通過する際の流体の圧力損失を低減することができ、膨張室（71,72）へ流入する流体の圧力を高く維持することができる。従って、本解決手段によれば、膨張機としてのスクロール型流体機械（60）へ流入する流体と、そこから流出する流体との圧力差を充分に確保でき、スクロール型流体機械（60）で取り出せる回転動力を向上させることができる。
【００３７】
また、上記第９の解決手段によれば、固定スクロール（61）又は可動スクロール（64）のラップ（63,66）を所定の形状としている。このため、ラップ（63,66）の周方向のほぼ同じ位置から膨張室（71,72）内の流体を流出させることができる。
【００３８】
ここで、図１２に示す従来のスクロール型流体機械を膨張機として用いた場合、膨張室（d）内の流体は、ラップ（c）の周方向の１８０°離れた位置から流出する。それ故、スクロール型流体機械からの流体の流出ポートを一箇所だけにしようとすると、何れか一方の膨張室（d）から流出する流体は、ラップ（c）の外側を迂回して流れて流出ポートへ導かれることとなる。そして、ラップ（c）の外側を迂回する間に、膨張室（d）から流出した流体が吸熱し、スクロール型流体機械から送り出される流体のエンタルピが増大してしまう。
【００３９】
これに対し、本解決手段によれば、ラップ（63,66）の周方向のほぼ同じ位置から膨張室（71,72）内の流体を流出させることが可能である。従って、膨張室（71,72）から流出した流体を直ちに一箇所の流出ポート（37）へ導くことができ、スクロール型流体機械（60）から送り出される流体のエンタルピが増大するのを防止できる。
【００４０】
また、上記第１０の解決手段では、本発明に係るスクロール型流体機械（60）を膨張機として冷凍装置（10）に設け、冷媒の膨張仕事を回転動力として回収し、更には回収した回転動力を圧縮機（50）の駆動に利用している。従って、本解決手段によれば、圧縮機（50）で冷媒を圧縮するために外部から供給される電力等のエネルギを削減でき、冷凍装置（10）のＣＯＰ（成績係数）を向上させることができる。
【００４１】
【発明の実施の形態１】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。本実施形態１は、本発明に係る冷凍装置によって構成された空調機（10）である。
【００４２】
《空調機の全体構成》
図１に示すように、上記空調機（10）は、いわゆるセパレート型のものであって、室外機（11）と室内機（13）とを備えている。室外機（11）には、室外ファン（12）、室外熱交換器（23）、第１四路切換弁（21）、第２四路切換弁（22）、及び圧縮・膨張ユニット（30）が収納されている。室内機（13）には、室内ファン（14）及び室内熱交換器（24）が収納されている。そして、室外機（11）は屋外に設置され、室内機（13）は屋内に設置されている。また、室外機（11）と室内機（13）とは、一対の連絡配管（15,16）で接続されている。尚、圧縮・膨張ユニット（30）の詳細は後述する。
【００４３】
上記空調機（10）には、冷媒回路（20）が設けられている。この冷媒回路（20）は、圧縮・膨張ユニット（30）や室内熱交換器（24）などが接続された閉回路である。また、この冷媒回路（20）には、冷媒として二酸化炭素（ＣＯ2）が充填されている。
【００４４】
上記室外熱交換器（23）と室内熱交換器（24）とは、何れもクロスフィン型のフィン・アンド・チューブ熱交換器で構成されている。室外熱交換器（23）では、冷媒回路（20）を循環する冷媒が室外空気と熱交換する。室内熱交換器（24）では、冷媒回路（20）を循環する冷媒が室内空気と熱交換する。
【００４５】
上記第１四路切換弁（21）は、４つのポートを備えている。この第１四路切換弁（21）は、その第１のポートが圧縮・膨張ユニット（30）の吐出ポート（35）と配管接続され、第２のポートが連絡配管（15）を介して室内熱交換器（24）の一端と配管接続され、第３のポートが室外熱交換器（23）の一端と配管接続され、第４のポートが圧縮・膨張ユニット（30）の吸入ポート（34）と配管接続されている。そして、第１四路切換弁（21）は、第１のポートと第２のポートとが連通し且つ第３のポートと第４のポートとが連通する状態（図１に実線で示す状態）と、第１のポートと第３のポートとが連通し且つ第２のポートと第４のポートとが連通する状態（図１に破線で示す状態）とに切り換わる。
【００４６】
上記第２四路切換弁（22）は、４つのポートを備えている。この第２四路切換弁（22）は、その第１のポートが圧縮・膨張ユニット（30）の流出ポート（37）と配管接続され、第２のポートが室外熱交換器（23）の他端と配管接続され、第３のポートが連絡配管（16）を介して室内熱交換器（24）の他端と配管接続され、第４のポートが圧縮・膨張ユニット（30）の流出ポート（37）と配管接続されている。そして、第１四路切換弁（21）は、第１のポートと第２のポートとが連通し且つ第３のポートと第４のポートとが連通する状態（図１に実線で示す状態）と、第１のポートと第３のポートとが連通し且つ第２のポートと第４のポートとが連通する状態（図１に破線で示す状態）とに切り換わる。
【００４７】
《圧縮・膨張ユニットの構成》
図２に示すように、圧縮・膨張ユニット（30）は、縦長で円筒形の密閉容器であるケーシング（31）の内部に、圧縮機構部（50）と、膨張機構部（60）と、モータ（40）とを収納したものである。また、圧縮・膨張ユニット（30）のケーシング（31）には、吸入ポート（34）、吐出ポート（35）、流入ポート（36）、及び流出ポート（37）が設けられている。
【００４８】
上記ケーシング（31）の内部には、その高さ方向の中央部よりもやや上方にフレーム（67）が設けられている。このフレーム（67）により、ケーシング（31）の内部空間は、フレーム（67）の上側の上部空間（32）と、フレーム（67）の下側の下部空間（33）とに区画される。そして、ケーシング（31）内の上部空間（32）に膨張機構部（60）が設置され、その下部空間（33）に圧縮機構部（50）及びモータ（40）が設置されている。また、下部空間（33）において、モータ（40）は圧縮機構部（50）の上方に配置されている。
【００４９】
上記モータ（40）は、ステータ（41）とロータ（42）とを備えている。ステータ（41）は、上記ケーシング（31）に固定されている。ロータ（42）は、ステータ（41）の内側に配置されている。また、ロータ（42）には、該ロータ（42）と同軸に駆動軸（45）が貫通している。この駆動軸（45）は、その下端部が圧縮機構部（50）に連結され、その上端部が膨張機構部（60）に連結されている。
【００５０】
上記圧縮機構部（50）は、いわゆるスイング型ロータリ圧縮機に構成されている。該圧縮機構部（50）は、シリンダ（51）と、該シリンダ（51）のシリンダ室（52）に収納されたピストン（53）と、上記シリンダ室（52）の上面を閉鎖するフロントヘッド（54）と、上記シリンダ室（52）の下面を閉鎖するリアヘッド（55）とを備えている。そして、上記駆動軸（45）の下端部は、フロントヘッド（54）からシリンダ（51）を経てリアヘッド（55）に貫通している。
【００５１】
上記ピストン（53）は、円環状に形成され、駆動軸（45）の下端部に回転自在に嵌め込まれている。ピストン（53）が嵌め込まれる駆動軸（45）の下端部は、下側偏心軸部（46）を構成している。この下側偏心軸部（46）は、駆動軸（45）の軸心より偏心して形成されている。
【００５２】
上記ピストン（53）には、図示しないが、ブレードが一体に形成されている。該ブレードは、ブッシュを介してシリンダ（51）に挿入されている。そして、上記ピストン（53）はブッシュを支点に揺動し、シリンダ室（52）における容積を減少させて冷媒を圧縮する。
【００５３】
上記シリンダ（51）には、冷媒の吸入口（57）が形成されている。この吸入口（57）には、吸入ポート（34）が接続されている。上記フロントヘッド（54）には、冷媒の吐出口（58）が形成されている。また、フロントヘッド（54）には、吐出口（58）を開閉する吐出弁（56）が設けられている。この吐出口（58）は、ケーシング（31）内の下部空間（33）に開口している。そして、下部空間（33）の上端付近には、吐出ポート（35）の一端が開口している。
【００５４】
上記膨張機構部（60）は、スクロール型流体機械を構成している。この膨張機構部（60）は、固定スクロール（61）と可動スクロール（64）とを備えている。また、上記フレーム（67）は、ケーシング（31）内を上下に仕切るだけでなく、この膨張機構部（60）をも構成している。
【００５５】
上記固定スクロール（61）は、鏡板（62）と、該鏡板（62）の下面側へ突出する渦巻き状の固定側ラップ（63）とを備えている。固定スクロール（61）の鏡板（62）は、ケーシング（31）に固定されている。一方、上記可動スクロール（64）は、板状の鏡板（65）と、該鏡板（62）の上面側へ突出する渦巻き状の固定側ラップ（63）とを備えている。そして、固定スクロール（61）と可動スクロール（64）とは互いに対向する姿勢で配置され、固定側ラップ（63）と可動側ラップ（66）が噛み合うことで膨張室（71,72）が区画される。
【００５６】
上記固定スクロール（61）の鏡板（62）の中央部には、冷媒の流入口（69）が形成されている。この流入口（69）は、膨張室（71,72）と上部空間（32）とを連通させるために、固定スクロール（61）の鏡板（62）を貫通して形成されている。ケーシング（31）の頂部には、上部空間（32）へ冷媒を導入するための流入ポート（36）が設けられている。固定側ラップ（63）及び可動側ラップ（66）の外周側には、冷媒の流出口（70）が形成されている。この流出口（70）には、流出ポート（37）が接続されている。
【００５７】
上記可動スクロール（64）の鏡板（65）は、その下面側の中央部が下方に突出した形状となっており、この突出した部分が駆動軸（45）の上端部に回転自在に嵌め込まれている。この鏡板（65）が嵌め込まれる駆動軸（45）の上端部は、上側偏心軸部（47）を構成している。この上側偏心軸部（47）は、駆動軸（45）の軸心より偏心して形成されている。また、駆動軸（45）には、上側偏心軸部（47）の直下に鍔状の鍔部（48）が形成されている。可動スクロール（64）に作用するスラスト荷重は、駆動軸（45）の鍔部（48）とフレーム（67）とによって受けられる。
【００５８】
更に、上記可動スクロール（64）は、オルダムリング（68）を介してフレーム（67）に支持されている。このオルダムリング（68）は、可動スクロール（64）の自転を規制するためのものである。そして、可動スクロール（64）は、自転することなく、所定の旋回半径で公転する。この可動スクロール（64）の旋回半径は、上側偏心軸部（47）の偏心量と同じである。
【００５９】
図３に示すように、固定側ラップ（63）と可動側ラップ（66）とは、同一形状の渦巻き状に形成されている。つまり、固定側ラップ（63）及び可動側ラップ（66）について、両者の巻き数は等しく、両者の肉厚も同様に増減されている。固定側ラップ（63）及び可動側ラップ（66）の形状については、後述する。そして、このように形成された可動側ラップ（66）と固定側ラップ（63）は、互いの位相が１８０°ずれた姿勢で噛み合わされている。尚、図３において、固定スクロール（61）の鏡板（62）の外形線は省略されている。
【００６０】
上述のように可動側ラップ（66）と固定側ラップ（63）を噛み合わせることにより、第１の膨張室である第１室（71）と第２の膨張室である第２室（72）とが対になって区画形成される。つまり、可動側ラップ（66）の外側面と固定側ラップ（63）の内側面とに挟まれて第１室（71）が形成され、固定側ラップ（63）の外側面と可動側ラップ（66）の内側面とに挟まれて第２室（72）が形成される。また、可動側ラップ（66）の鏡板（62）には、可動側ラップ（66）の中心側端部の近傍に冷媒の流入口（69）が円形に開口している。
【００６１】
上記固定側ラップ（63）及び可動側ラップ（66）の形状について、図４を参照しながら説明する。尚、上述のように固定側ラップ（63）と可動側ラップ（66）とは同一形状であるため、ここでは固定側ラップ（63）の形状についてだけ説明を行う。
【００６２】
上記固定側ラップ（63）は、その中心側端部から外周側端部へ向かう伸長方向へ進むにつれて、その肉厚が増減する形状となっている。このように肉厚を変化させるため、固定側ラップ（63）の外側面及び内側面は、円弧とインボリュート曲線を組み合わせて形成されている。尚、固定側ラップ（63）は、その中心側端部における肉厚と外周側端部における肉厚とが同じになるように形成されている。また、図４においては、固定側ラップ（63）の肉厚をその全周に亘って一定に保ったと仮定した場合における固定側ラップ（63）の形状を、二点鎖線で示している。
【００６３】
上記固定側ラップ（63）の外側面は、その下端側の辺により描かれる曲線、即ち外周線が、次のような形状となるように形成されている。固定側ラップ（63）の中央端部、即ち外周線の巻き始めから巻き角が約９０°となるまでの部分では、外周線が第１円弧▲１▼を描いている。第１円弧▲１▼の終端から外周線の巻き角が約３６０°となるまでの部分では、外周線が第１インボリュート曲線▲２▼を描いている。第１インボリュート曲線▲２▼の終端から外周線の巻き角が約４５０°となるまでの部分では、外周線が第２円弧▲３▼を描いている。そして、第２円弧▲３▼の終端から外周線の巻き終わりまでは、外周線が第２インボリュート曲線▲４▼を描いている。
【００６４】
一方、固定側ラップ（63）の内側面は、その下端側の辺により描かれる曲線、即ち内周線が、次のような形状となるように形成されている。固定側ラップ（63）の中央端部、即ち内周線の巻き始めから巻き角が約１８０°となるまでの部分では、内周線が第３インボリュート曲線▲５▼を描いている。第３インボリュート曲線▲５▼の終端から内周線の巻き角が約２７０°となるまでの部分では、内周線が第３円弧▲６▼を描いている。第３円弧▲６▼の終端から内周線の巻き角が約５４０°となるまでの部分では、内周線が第４インボリュート曲線▲７▼を描いている。第４インボリュート曲線▲７▼の終端から内周線の巻き角が約６３０°となるまでの部分では、内周線が第４円弧▲８▼を描いている。そして、第４円弧▲８▼の終端から内周線の巻き終わりまでは、内周線が第５インボリュート曲線▲９▼を描いている。
【００６５】
このよう形状に形成された固定側ラップ（63）の肉厚は、次のように増減する。外周線が第１円弧▲１▼となり内周線が第３インボリュート曲線▲５▼となる部分では、固定側ラップ（63）の肉厚が次第に増加してゆく。外周線が第１インボリュート曲線▲２▼となり内周線が第３インボリュート曲線▲５▼となる部分では、固定側ラップ（63）の肉厚が一定に保たれる。この部分における固定側ラップ（63）の肉厚は、その中心側端部や外周側端部における肉厚よりも厚くなっている。外周線が第１インボリュート曲線▲２▼となり内周線が第３円弧▲６▼となる部分では、固定側ラップ（63）の肉厚が次第に減少してゆく。外周線が第１インボリュート曲線▲２▼となり内周線が第４インボリュート曲線▲７▼となる部分では、固定側ラップ（63）の肉厚が一定に保たれる。この部分における固定側ラップ（63）の肉厚は、その中心側端部や外周側端部における肉厚と等しくなっている。
【００６６】
続いて、外周線が第２円弧▲３▼となり内周線が第４インボリュート曲線▲７▼となる部分では、固定側ラップ（63）の肉厚が次第に減少してゆく。この部分は、肉厚減少部（81）を構成している。外周線が第２インボリュート曲線▲４▼となり内周線が第４インボリュート曲線▲７▼となる部分では、固定側ラップ（63）の肉厚が一定に保たれる。この部分は、固定側ラップ（63）の肉厚がその中心側端部や外周側端部における肉厚よりも薄くなっており、薄肉部（82）を構成している。外周線が第２インボリュート曲線▲４▼となり内周線が第４円弧▲８▼となる部分では、固定側ラップ（63）の肉厚が次第に増加してゆく。この部分は、肉厚増大部（83）を構成している。外周線が第２インボリュート曲線▲４▼となり内周線が第５インボリュート曲線▲９▼となる部分では、固定側ラップ（63）の肉厚が一定に保たれる。この部分における固定側ラップ（63）の肉厚は、その中心側端部や外周側端部における肉厚と等しくなっている。
【００６７】
上述のように、膨張室（71,72）は、可動側ラップ（66）と固定側ラップ（63）を噛み合わせることで形成されている。また、可動側ラップ（66）及び固定側ラップ（63）の肉厚を上述のように増減させることで、膨張室（71,72）の体積変化率が可動側ラップ（66）の回転角の値によって変化するように構成されている。
【００６８】
−運転動作−
上記空調機（10）の動作について説明する。ここでは、空調機（10）の冷房運転時及び暖房運転時の動作について説明し、続いて膨張機構部（60）の動作について説明する。
【００６９】
《冷房運転》
冷房運転時には、第１四路切換弁（21）及び第２四路切換弁（22）が図１に破線で示す状態に切り換えられる。この状態で圧縮・膨張ユニット（30）のモータ（40）に通電すると、冷媒回路（20）で冷媒が循環し、図５のモリエル線図（圧力−エンタルピ線図）に示すような冷凍サイクルが行われる。
【００７０】
圧縮機構部（50）へは、図５における点ａの状態の冷媒が吸入される。圧縮機構部（50）では、冷媒が点ａの状態から点ｂの状態にまで圧縮される。尚、点ｂの状態における圧力は、冷媒である二酸化炭素（ＣＯ2）の臨界圧力よりも高くなっている。点ｂの状態となった冷媒は、ケーシング（31）内の下部空間（33）へ吐出され、吐出ポート（35）を通ってケーシング（31）の外部へ流出する。その後、この点ｂの状態の冷媒は、第１四路切換弁（21）を通って室外熱交換器（23）へ送られる。
【００７１】
室外熱交換器（23）では、流入した冷媒が室外ファン（12）により送られる室外空気と熱交換する。この熱交換により、点ｂの状態の冷媒は、室外空気へ放熱して点ｃの状態となる。点ｃの状態の冷媒は、第２四路切換弁（22）を通過し、流入ポート（36）を通って圧縮・膨張ユニット（30）の上部空間（32）へ流入し、更には膨張機構部（60）へ流入する。
【００７２】
膨張機構部（60）では、流入した冷媒が等エントロピ過程で膨張し、点ｃの状態（超臨界圧状態）から点ｄの状態（飽和液状態）を経て点ｅの状態（気液二相状態）へと変化する。尚、図５における点ｃ,点ｄ,点ｅは、図１３における点ｃ,点ｄ,点ｅと対応している。
【００７３】
ここで、冷媒を膨張弁で膨張させる場合には、図５に破線で示すように、冷媒が断熱膨張過程（等エンタルピ過程）で膨張する。これに対し、上記膨張機構部（60）では、冷媒が等エントロピ過程で膨張し、冷媒の圧力とエンタルピの両方が低下する。膨張機構部（60）から流出した点ｅの状態の冷媒は、流出ポート（37）を通って圧縮・膨張ユニット（30）から流出し、第２四路切換弁（22）を通過して室内熱交換器（24）へ送られる。
【００７４】
室内熱交換器（24）では、流入した冷媒が室内ファン（14）により送られる室内空気と熱交換する。この熱交換により、点ｅの状態の冷媒が室内空気から吸熱して点ａの状態となり、室内空気が冷却される。点ａの状態の冷媒は、第１四路切換弁（21）を通過し、吸入ポート（34）を通って圧縮・膨張ユニット（30）の圧縮機構部（50）へ吸入される。そして、圧縮機構部（50）は、吸入した冷媒を再び圧縮して吐出し、この循環が繰り返される。
【００７５】
ここで、膨張機構部（60）では、流入した冷媒を点ｃの状態から点ｅの状態にまで膨張させており、冷媒のエンタルピ低下量ＷEに相当する回転動力が回収される（図５参照）。この回収された回転動力は、駆動軸（45）によって圧縮機構部（50）へ伝達され、圧縮機構部（50）のピストン（53）を回転させるために利用される。そして、圧縮機構部（50）へはモータ（40）により回転動力ＷCが伝達され、膨張機構部（60）から伝達される回転動力ＷEと共にピストン（53）を回転駆動するために用いられる。
【００７６】
《暖房運転》
暖房運転時には、第１四路切換弁（21）及び第２四路切換弁（22）が図１に実線で示す状態に切り換えられる。この状態で圧縮・膨張ユニット（30）のモータ（40）に通電すると、冷媒回路（20）で冷媒が循環して冷凍サイクルが行われる。
【００７７】
具体的に、圧縮機構部（50）で圧縮された冷媒は、吐出ポート（35）を通って圧縮・膨張ユニット（30）から流出し、第１四路切換弁（21）を通過して室内熱交換器（24）へ送られる。室内熱交換器（24）では、流入した冷媒が室内空気と熱交換する。この熱交換により、冷媒が室内空気へ放熱し、室内空気が加熱される。室内熱交換器（24）で放熱した冷媒は、第２四路切換弁（22）を通過し、流入ポート（36）を通って膨張機構部（60）へ流入する。
【００７８】
膨張機構部（60）では、流入した冷媒が等エントロピ過程で膨張する。膨張後の冷媒は、流出ポート（37）を通って圧縮・膨張ユニット（30）から流出し、第２四路切換弁（22）を通過して室外熱交換器（23）へ流入する。室外熱交換器（23）では、流入した冷媒が室外空気と熱交換を行い、冷媒が室外空気から吸熱する。吸熱後の冷媒は、第１四路切換弁（21）を通過し、吸入ポート（34）を通って圧縮・膨張ユニット（30）の圧縮機構部（50）へ吸入される。圧縮機構部（50）は、吸入した冷媒を再び圧縮して吐出し、この循環が繰り返される。
【００７９】
《膨張機構部の動作》
膨張機構部（60）の動作について説明する。固定側ラップ（63）と可動側ラップ（66）で区画される膨張室（71,72）へは、流入口（69）を通じて超臨界圧状態の冷媒が流入する（図３参照）。可動スクロール（64）が図３における反時計方向に公転してゆくと、やがて膨張室（71,72）の閉じ込みが完了する。
【００８０】
その後、膨張室（71,72）内の冷媒によって可動スクロール（64）が押し動かされ、可動スクロール（64）に回転動力が付与される。可動スクロール（64）が回転移動するに従い、膨張室（71,72）は、密閉状態に保たれたままその体積が増大してゆく。更に可動スクロール（64）が回転してゆくと、膨張室（71,72）内の冷媒は、固定側ラップ（63）や可動側ラップ（66）の外周側端部付近において、膨張室（71,72）から流出する。
【００８１】
上述のように、膨張室（71,72）の体積は、可動スクロール（64）が回転するにつれて増大してゆく。ここでは、膨張室（71,72）の体積変化率について、図６を参照しながら説明する。
【００８２】
尚、図６は、横軸を可動スクロール（64）の回転角とし、縦軸を膨張室（71,72）の投影面積として、この投影面積の変化を示したものである。ここでいう膨張室（71,72）の投影面積とは、図３に現れる膨張室（71,72）の断面積をいう。膨張室（71,72）の体積は、この投影面積に固定側ラップ（63）や可動側ラップ（66）の高さｈを乗じた値となる。また、可動スクロール（64）の回転角がθ1となった時点で膨張室（71,72）の閉じ込みが完了し、その後、可動スクロール（64）の回転角がθ3となるまで膨張室（71,72）は密閉状態に保たれる。
【００８３】
可動スクロール（64）の回転角がθ1からθ2までの間は、膨張室（71,72）の体積が第１の変化率で増加してゆく。可動スクロール（64）の回転角がθ1の時点における膨張室（71,72）の投影面積をＳ1とし、可動スクロール（64）の回転角がθ2の時点における膨張室（71,72）の投影面積をＳ2とすると、第１の変化率は、(Ｓ2−Ｓ1)・ｈ/(θ2−θ1) となる。一方、可動スクロール（64）の回転角がθ2からθ3までの間は、膨張室（71,72）の体積が第２の変化率で増加してゆく。可動スクロール（64）の回転角がθ3の時点における膨張室（71,72）の投影面積をＳ3とすると、第２の変化率は、(Ｓ3−Ｓ2)・ｈ/(θ3−θ2) となる。
【００８４】
そして、上記膨張機構部（60）では、固定側ラップ（63）や可動側ラップ（66）の肉厚を増減させることで、第１の変化率が第２の変化率よりも小さくされている。これは、膨張機構部（60）において超臨界圧状態の冷媒を気液二相状態にまで膨張させることに対応したものである。
【００８５】
具体的に、超臨界圧状態（図５，図１３における点ｃの状態）で膨張室（71,72）へ流入した冷媒は、膨張して次第にその圧力が低下し、可動スクロール（64）の回転角がθ2となった時点で飽和液状態（図５，図１３における点ｄの状態）となる。つまり、可動スクロール（64）の回転角がθ1からθ2までの間は、冷媒の圧力低下による比容積の変化量が小さいことに対応して、膨張室（71,72）の体積変化率が小さく設定されている。
【００８６】
一方、膨張室（71,72）内で飽和液状態（図５，図１３における点ｄの状態）となった冷媒は、可動スクロール（64）の回転角がθ2を超えた直後に気液二相状態となる。この冷媒は、引き続き膨張して次第にその圧力が低下し、可動スクロール（64）の回転角がθ3となった時点で図５，図１３における点ｅの状態となる。
つまり、可動スクロール（64）の回転角がθ2からθ3までの間は、冷媒の圧力低下による比容積の変化量が大きいことに対応して、膨張室（71,72）の体積変化率が大きく設定されている。
【００８７】
−実施形態１の効果−
本実施形態１では、可動スクロール（64）の回転角に応じて膨張室（71,72）の体積変化率を変化させている。このため、超臨界圧状態の流体が飽和液となる過程では膨張室（71,72）の体積変化率を小さくし、流体が気液二相状態となって膨張する過程では膨張室（71,72）の体積変化率を大きくすることが可能となる。
【００８８】
従って、本実施形態１によれば、上記固定側ラップ（63）や可動側ラップ（66）の巻き数を増やすことなく、膨張室（71,72）の体積変化率を超臨界圧状態の冷媒が飽和液となる過程に適したものとすることができ、膨張機構部（60）、ひいては圧縮・膨張ユニット（30）の大型化を回避できる。また、本実施形態１によれば、膨張室（71,72）の体積変化率が一定となる従来のスクロール流体機械に比べ、超臨界圧状態の流体が飽和液となる過程においても充分な動力回収が可能となる。更に、本実施形態１によれば、膨張する流体の特性変化に対応して膨張室（71,72）の体積変化率を変更できるため、流体の膨張により得られる回転動力のトルク変動幅を縮小できる。
【００８９】
【発明の実施の形態２】
本発明の実施形態２は、上記実施形態１の膨張機構部（60）において、固定側ラップ（63）及び可動側ラップ（66）の形状を変更し、対となる第１室（71）と第２室（72）とで閉じ込み完了時期や冷媒の流出開始時期を相違させたものである。尚、本実施形態２においても、上記実施形態１と同様に、膨張室（71,72）の体積変化率は可動スクロール（64）の回転角に応じて変化する。ここでは、本実施形態２の膨張機構部（60）について、上記実施形態１と異なる部分を説明する。
【００９０】
図７，図８に示すように、本実施形態２に係る固定側ラップ（63）及び可動側ラップ（66）は、その外周線及び内周線が円弧とインボリュート曲線とを組み合わせたものとなる形状に形成されている。この固定側ラップ（63）及び可動側ラップ（66）では、その伸長方向へ進むにつれて肉厚が増減する。この点は、上記実施形態１と同様である。ただし、本実施形態２の固定側ラップ（63）及び可動側ラップ（66）において、肉厚が変更されている箇所は、上記実施形態１のものと異なっている。
【００９１】
図７に示すように、本実施形態２の固定側ラップ（63）は、上記実施形態１のものに比べ、その外周側端部方向へ巻き角１８０°分だけ延ばされた形状となっている（図３参照）。この固定側ラップ（63）における肉厚の増減について説明する。固定側ラップ（63）の中心側端部及び外周側端部における肉厚をｔ0とすると、巻き始めから巻き角が約９０°までの部分では、固定側ラップ（63）の肉厚が次第に増大してｔ1となる。巻き角が約９０°から約２７０°までの部分では、固定側ラップ（63）の肉厚はｔ1のまま保持される。巻き角が約２７０°から約３６０°までの部分では、固定側ラップ（63）の肉厚が次第に減少してｔ0に戻る。巻き角が約３６０°から約４００°までの部分では、固定側ラップ（63）の肉厚はｔ0のまま保持される。
【００９２】
続いて、巻き角が約４００°から約４７０°までの部分では、固定側ラップ（63）の肉厚が次第に減少してｔ2となる。この部分は、肉厚減少部（81）を構成している。巻き角が約４７０°から約５５０°までの部分では、固定側ラップ（63）の肉厚はｔ2のまま保持される。この部分は、薄肉部（82）を構成している。巻き角が約５５０°から約６４０°までの部分では、固定側ラップ（63）の肉厚が次第に増大してｔ0に戻る。この部分は、肉厚増大部（83）を構成している。そして、巻き角が約６４０°から巻き終わりまでの部分では、固定側ラップ（63）の肉厚はｔ0のまま保持される。
【００９３】
図８に示すように、本実施形態２の可動側ラップ（66）は、上記実施形態１のものに比べ、その中心側端部方向へ巻き角９０°分だけ短くされた形状となっている（図３参照）。この可動側ラップ（66）における肉厚の増減について説明する。可動側ラップ（66）の中心側端部及び外周側端部における肉厚をｔ0とすると、巻き始めから巻き角が約９０°までの部分では、可動側ラップ（66）の肉厚が次第に増大してｔ3となる。巻き角が約９０°から約１１０°までの部分では、可動側ラップ（66）の肉厚はｔ3のまま保持される。巻き角が約１１０°から約１９０°までの部分では、可動側ラップ（66）の肉厚が次第に減少してｔ0に戻る。巻き角が約１９０°から約３４０°までの部分では、可動側ラップ（66）の肉厚はｔ0のまま保持される。
【００９４】
続いて、巻き角が約３４０°から約４６０°までの部分では、可動側ラップ（66）の肉厚が次第に減少してｔ4となる。この部分は、肉厚減少部（81）を構成している。巻き角が約４６０°から約４９０°までの部分では、可動側ラップ（66）の肉厚はｔ4のまま保持される。この部分は、薄肉部（82）を構成している。巻き角が約４９０°から約６５０°までの部分では、可動側ラップ（66）の肉厚が次第に増大してｔ0に戻る。この部分は、肉厚増大部（83）を構成している。そして、巻き角が約６５０°から巻き終わりまでの部分では、可動側ラップ（66）の肉厚はｔ0のまま保持される。
【００９５】
図９に示すように、上述した所定形状の固定側ラップ（63）と可動側ラップ（66）を噛み合わせることで、第１の膨張室である第１室（71）と第２の膨張室である第２室（72）とが対になって区画形成される。また、固定側ラップ（63）と可動側ラップ（66）を噛み合わせた状態において、固定側ラップ（63）の外周側端部は、可動側ラップ（66）の外周側端部のすぐ外側に位置している。更には、上述のように可動側ラップ（66）の中心側端部を短く形成することで、第１室（71）の閉じ込み完了時期を第２室（72）の閉じ込み完了時期よりも遅らせると共に、第１室（71）と第２室（72）の膨張比を互いに一致させている。
【００９６】
−運転動作−
本実施形態２に係る膨張機構部（60）の運転動作について、上記実施形態１と異なる点を説明する。ここでは、図９及び図１０を参照しながら説明する。尚、可動側ラップ（66）が図９に示す位置にある時点では、固定側ラップ（63）及び可動側ラップ（66）の最内周部において、第１室（71）の閉じ込みが完了しているのに対し、第２室（72）が依然として流入口（69）と連通する状態となっている。
【００９７】
可動スクロール（64）が図９における反時計方向に公転してゆくと、図１０に示すように、可動スクロール（64）の回転角がＴ1となった時点で第２室（72）が流入口（69）から遮断され、第２室（72）の閉じ込みが完了する。その後、密閉空間となった第２室（72）において冷媒が膨張し、可動スクロール（64）が回転するに従って第２室（72）の内圧が低下してゆく。
【００９８】
この第２室（72）における内圧低下は、可動スクロール（64）の回転角がＴ3となるまで続く。そして、可動スクロール（64）の回転角がＴ3となった時点で第２室（72）が流出口（70）と連通し、第２室（72）から流出口（70）へ冷媒が流出する。
【００９９】
一方、第１室（71）は、可動スクロール（64）の回転角がＴ1となった時点において、依然として流入口（69）と連通している（図９参照）。そして、その後も第１室（71）へ冷媒が流入し続け、可動スクロール（64）の回転角がＴ2となった時点で第１室（71）の閉じ込みが完了する。その後、密閉空間となった第１室（71）において冷媒が膨張し、可動スクロール（64）が回転するに従って第１室（71）の内圧が低下してゆく。
【０１００】
この第１室（71）における内圧低下は、可動スクロール（64）の回転角がＴ4となるまで続く。つまり、可動スクロール（64）の回転角がＴ3となって第２室（72）から冷媒が流出し始める時点においても、第１室（71）では依然として冷媒の膨張が継続している。そして、可動スクロール（64）の回転角がＴ4となった時点で第１室（71）が流出口（70）と連通し、第１室（71）から流出口（70）へ冷媒が流出する。
【０１０１】
このように、本実施形態２では、第１室（71）の閉じ込み完了時期が第２室（72）の閉じ込み完了時期よりも遅くなっており、更には、第１室（71）からの冷媒の流出開始時期が第２室（72）からの冷媒の流出開始時期よりも遅くなっている。このため、可動スクロール（64）の回転角がＴ1からＴ4に至るまでの何れの時点においても、第１室（71）の内圧の方が第２室（72）の内圧よりも高くなっている。また、第１室（71）の膨張比と第２室（72）の膨張比とは等しくなっており、図５に示すように、第１室（71）から流出する冷媒の圧力と第２室（72）から流出する冷媒の圧力とは同じ値となっている。
【０１０２】
−実施形態２の効果−
本実施形態２に係る膨張機構部（60）では、対となる第１室（71）と第２室（72）とについて、それぞれの閉じ込み完了時期と冷媒の流出開始時期とを相違させている。このため、本実施形態２によれば、第１室（71）及び第２室（72）における冷媒の膨張により可動スクロール（64）へ付与される回転力の変動幅を小さくでき、膨張機構部（60）において得られる回転動力のトルク変動幅を縮小できる。即ち、本実施形態２によれば、第１室（71）及び第２室（72）の体積変化率を変化させることと相まって、膨張機構部（60）において得られる回転動力のトルク変動幅をより一層縮小することができる。
【０１０３】
また、本実施形態２に係る膨張機構部（60）では、第１室（71）と第２室（72）とで閉じ込み完了時期がずれており、従来のような第１室（71）と第２室（72）が同時に閉じ込みを完了するものに比べ、流入口（69）を流れる冷媒の流速が低くなる。このため、流入口（69）を通過する際の冷媒の圧力損失を低減することができ、第１室（71）及び第２室（72）へ流入する流体の圧力を高く維持することができる。従って、本実施形態２によれば、膨張機構部（60）の出入口における冷媒の圧力差を充分に確保でき、膨張機構部（60）において取り出せる回転動力ＷEを増大させることができる。この結果、モータ（40）により圧縮機構部（50）へ付与すべき回転動力ＷCを削減して空調機（10）の消費電力を低減することができ、空調機（10）のＣＯＰを向上させることができる。
【０１０４】
また、本実施形態２に係る膨張機構部（60）では、固定側ラップ（63）の外周側端部が可動側ラップ（66）の外周側端部の近傍に位置している。それ故、第１室（71）から流出する冷媒と第２室（72）から流出する冷媒とは、その何れもが流出後直ちに流出口（70）へ流れ込み、流出ポート（37）から圧縮・膨張ユニット（30）の外部へ送り出される。このため、従来のような第１室（71）と第２室（72）とで冷媒の流出地点が１８０°離れているものに比べ、流出した冷媒が流出口（70）に至るまでに流れる距離を短縮でき、その間における冷媒の吸熱量を削減できる。
【０１０５】
ここで、上記空調機（10）の冷房能力は、図５における点ａと点ｅのエンタルピ差に冷媒循環量を乗じた値となる。一方、膨張機構部（60）から流出する冷媒のエンタルピが増大すると、点ｅが図５の右側へ移動することとなり、点ａと点ｅのエンタルピ差が小さくなってしまう。これに対し、本実施形態２によれば、膨張機構部（60）から流出する冷媒のエンタルピが上昇するのを防止でき、これによって上記空調機（10）の冷房能力を充分に確保することができる。
【０１０６】
−実施形態２の変形例−
本実施形態２では、可動側ラップ（66）における中心側端部の形状を変更することで、第１室（71）の閉じ込み完了時期を第２室（72）の閉じ込み完了時期よりも遅らせると共に、第１室（71）と第２室（72）の膨張比を一致させている。これに対し、図１１に示すように、可動側ラップ（66）における中心側端部のは変更せず、流入口（69）の形状を変更することで、第１室（71）と第２室（72）の閉じ込み完了時期をずらせると共に、両者の膨張率を一致させてもよい。
【０１０７】
この場合、流入口（69）は、固定側ラップ（63）の中心側端部に沿って、やや横長に開口している。そして、可動側ラップ（66）の中心側端部の外側面が固定側ラップ（63）の中心側端部の内側面に当接する図１１の状態であっても、依然として第１室（71）が流入口（69）と連通し、第１室（71）へ冷媒が流入し続ける。このため、第１室（71）の閉じ込み完了時期が第２室（72）の閉じ込み完了時期よりも遅くなり、更には第１室（71）と第２室（72）の膨張比が一致する。
【０１０８】
【発明のその他の実施の形態】
−第１の変形例−
上記の各実施形態では、固定側ラップ（63）や可動側ラップ（66）の形状を、その外周線及び内周線が円弧とインボリュート曲線とを交互に描くような形状とし、これによって固定側ラップ（63）や可動側ラップ（66）の肉厚を変化させている。これに対し、固定側ラップ（63）や可動側ラップ（66）を、その全長に亘ってインボリュート曲線状に形成し、そのインボリュート曲線の基礎円半径を伸展角に応じて増減させることで、固定側ラップ（63）や可動側ラップ（66）の肉厚を変化させてもよい。
【０１０９】
ここで、ラップ（63,66）がその全長に亘ってインボリュート曲線状に形成される場合、インボリュート曲線の伸展角が増すにつれてその基礎円半径を大きくしてゆくとラップ（63,66）の肉厚が次第に厚くなり、逆にインボリュート曲線の伸展角が増すにつれてその基礎円半径を小さくしてゆくとラップ（63,66）の肉厚が次第に薄くなる。このことは、例えば特開昭６０−２５２１０２号公報にも開示されている。
【０１１０】
そして、上記の各実施形態のように膨張室（71,72）の体積変化率を変える場合、インボリュート曲線の伸展角が所定値に達するまではその基礎円半径を小さくしてゆき、インボリュート曲線の伸展角が所定値を超えるとその基礎円半径を大きくしてゆくことで、ラップ（63,66）を所定の形状に形成する。このとき、ラップ（63,66）の肉厚は、インボリュート曲線の伸展角が所定値に達するまでは連続的に減少し、その伸展角が所定値を超えてからは連続的に増大してゆく。つまり、本変形例のラップ（63,66）には、その肉厚が徐々に減少してゆく肉厚減少部と、その肉厚が徐々に増大してゆく肉厚増大部とが形成される。
【０１１１】
−第２の変形例−
上記の各実施形態では、本発明に係る冷凍装置を用いて空調機（10）を構成しているが、これに代えて温水を生成するための給湯機を構成してもよい。この場合、冷媒回路（20）では、室内熱交換器（24）に代えて冷媒と水を熱交換させる加熱用熱交換器が設けられ、更には第１四路切換弁（21）及び第２四路切換弁（22）が省略される。そして、圧縮機構部（50）から吐出された冷媒が加熱用熱交換器へ送られ、この冷媒からの放熱によって水が加熱される。また、放熱後の冷媒は、膨張機構部（60）で膨張した後に室外熱交換器（23）へ送られ、室外空気から吸熱した後に再び圧縮機構部（50）へ吸入される。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態１に係る空調機の配管系統図である。
【図２】実施形態１に係る圧縮・膨張ユニットの概略断面図である。
【図３】実施形態１に係る固定側ラップと可動側ラップの形状を示す図２のＡ-Ａ断面図である。
【図４】実施形態１に係る固定側ラップの形状を示す平面図である。
【図５】実施形態１に係る空調機の冷凍サイクルを示すモリエル線図である。
【図６】実施形態１に係る膨張機構部での膨張室の体積変化率の変化を示す可動スクロールの回転角と膨張室の投影面積との関係図である。
【図７】実施形態２に係る固定側ラップの形状を示す平面図である。
【図８】実施形態２に係る可動側ラップの形状を示す平面図である。
【図９】実施形態２に係る固定側ラップと可動側ラップの形状を示す図３相当図である。
【図１０】実施形態２に係る膨張機構部における可動スクロールの回転角と第１室及び第２室の内圧との関係図である。
【図１１】実施形態２の変形例に係る固定側ラップと可動側ラップの形状を示す図３相当図である。
【図１２】従来技術に係る固定側ラップと可動側ラップの形状を示す概略断面図である。
【図１３】二酸化炭素を超臨界圧状態から気液二相状態にまで膨張させる場合の圧力と比容積との関係図である。
【符号の説明】
（20）  冷媒回路
（50）  圧縮機構部（圧縮機）
（60）  膨張機構部（スクロール型流体機械）
（61）  固定スクロール
（64）  可動スクロール
（63）  固定側ラップ
（66）  可動側ラップ
（69）  流入口
（71）  第１室（第１の膨張室）
（72）  第２室（第２の膨張室）
（81）  肉厚減少部
（82）  薄肉部
（83）  肉厚増大部
【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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【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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【図１３】
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