(57)【要約】【課題】二酸化炭素冷媒を用いた場合でも、高効率なスクロール流体機械を提供することを目的とする。【解決手段】固定スクロール１２の鏡板１２ａと旋回スクロール１３の鏡板１３ａとが摺動する面の、旋回スクロール１３側の鏡板１３ａ表面に溝３０を設け、且つ、前記溝３０に高圧に保たれた潤滑油６を供給する連絡通路３１を設けたものであり、これによって、軸方向の密封性を保ちながらも、摺動損失の相対的な割合の増加を防ぎ、高効率なスクロール流体機械が得られるものである。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、吐出を行う膨張機構部を備え、前記旋回スクロール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を配置し、前記鏡板背面中心部に高圧ガス或いは高圧に保たれた潤滑油を供給するスクロール流体機械において、二酸化炭素を冷媒とし、前記固定スクロールの鏡板と前記旋回スクロールの鏡板とが摺動する面の、前記旋回スクロール側の鏡板表面に溝を設け、且つ、前記溝に高圧ガス或いは高圧に保たれた潤滑油を供給する連絡通路を設けたことを特徴とするスクロール流体機械。
【請求項２】
前記固定スクロールの鏡板と前記旋回スクロールの鏡板とが摺動する面の、前記固定スクロール側の鏡板表面に溝を設け、且つ、前記溝に高圧ガス或いは高圧に保たれた潤滑油を供給する連絡通路を設けたことを特徴とする請求項１に記載のスクロール流体機械。
【請求項３】
前記溝を、前記固定スクロール及び前記旋回スクロールの両ラップ部よりも外側に円環状に形成したことを特徴とする請求項１〜２のいずれか１項に記載のスクロール流体機械。
【請求項４】
前記溝を円環状に形成し、円環状に形成された内外少なくとも二重のリング溝と、前記リング溝に挿入された円環状のシール部材を備え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流体機械。
【請求項５】
前記溝に高圧ガス或いは高圧に保たれた潤滑油を供給する前記連絡通路の一部を細穴で構成したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のスクロール流体機械。
【請求項６】
前記膨張室が吸入を完了した吸入室において、前記吸入室の前記旋回スクロールの鏡板に投影された面積と、前記溝の面積を足し合わせた大きさが、少なくとも前記鏡板背面中心部の面積よりも小さくなるように構成したことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のスクロール流体機械。
【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流体機械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は、両スクロール部材相互の鏡板とラップ端部との接触面の気密を保持するための外力を、旋回運動する方のスクロール部材の鏡板背面に対し作用させる背圧付与手段を有し、背圧付与手段は、鏡板背面の中央部分に高い圧力レベルのガス圧又は油圧を付与する手段と、同じく外周部分に低い圧力レベルのガス圧又は油圧を付与する手段とで構成され、高い圧力レベルのガス圧又は油圧を付与する手段による高いレベルの外力は、膨張機に供給される最高圧力のガス圧又は油圧であり、同じく低い圧力レベルのガス圧又は油圧を付与する手段による低い圧力レベルの外力は、自己が膨張過程で発生する中間圧力のガス圧である。この構成によれば、装置内の異なる圧力レベルの２つのガス圧又はガス圧と油圧を併用することによって、安定した軸方向密封を達成できるので、漏れを防いで高効率なスクロール流体機械を提供することができる（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平６−７８７５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、作動流体が二酸化炭素冷媒の場合、単位体積当りの冷凍能力が大きくて密度が大きいので、スクロール流体機械の吸入容積を小さくする必要がある。このとき、ラップ高さを低くして吸入容積を小さくすると、固定スクロールと旋回スクロールが密着する面積が広く、スクロール流体機械の損失に占める摺動損失の相対的な割合が増大し、性能を低下させるといった問題を有していた。
【０００４】
また、旋回スクロールの鏡板を小さくして、ラップ高さを低くしないで吸入容積を小さくすることも考えられるが、この場合は自転拘束機構や軸受等も同時に小さくしなければならない。しかしながら、軸受は負荷耐力が低下して信頼性に問題が生じない程度にしか小型化できない。このとき、軸受のボス部が旋回運動することを考慮すると、その旋回運動の軌跡より少なくとも外側に鏡板背面の高い圧力レベルの面積を設定する必要があるが、旋回スクロールの膨張室に対して相対的に面積が広くなってしまう。たとえ外周部分の低い圧力レベルを最低の吐出圧力まで下げたとしても、軸方向の押付け力が過大となり、カジリや異常磨耗を引き起こしたり、摺動損失を増大させたりといった問題を有していた。
【０００５】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、二酸化炭素冷媒を用いた場合でも、高効率なスクロール流体機械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】
【０００６】
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、固定スクロールの鏡板と旋回スクロールの鏡板とが摺動する面の、旋回スクロール側の鏡板表面に溝を設け、且つ、前記溝に高圧ガス或いは高圧に保たれた潤滑油を供給する連絡通路を設けたものである。これによって、軸方向の密封性を保ちながらも、摺動損失の相対的な割合の増加を防ぎ、高効率なスクロール流体機械を提供するものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明のスクロール流体機械は、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、高効率化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】
【０００８】
第１の発明は、旋回スクロール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を配置し、鏡板背面中心部に高圧ガス或いは高圧に保たれた潤滑油を供給しながら、二酸化炭素を冷媒とし、固定スクロールの鏡板と旋回スクロールの鏡板とが摺動する面の、旋回スクロール側の鏡板表面に溝を設け、且つ、溝に高圧ガス或いは高圧に保たれた潤滑油を供給する連絡通路を設けたことものである。これによって、旋回スクロールが固定スクロールへの押付け力が過大になることがないので、高効率なスクロール流体機械を提供することができる。
【０００９】
第２の発明は、特に、第１の発明の、溝を固定スクロール側の鏡板表面に設けたものである。これによって、旋回スクロールに溝を付ける場合よりも、旋回半径分内側に溝を構成可能となるので、鏡板背面中心部の高圧部分が押す力と、溝部が押し返す力とで発生する偶力を小さくできるので、旋回スクロールの鏡板の歪みが原因で生じるラップ先端の隙間の拡大をより効果的に低減させることができるので、より高効率なスクロール流体機械を提供することができる。
【００１０】
第３の発明は、特に、第１〜第２の発明の、溝を、固定スクロール及び旋回スクロールの両ラップ部よりも外側に円環状に形成したものである。これによって、旋回スクロールを転覆させようとする力を抑えることができるので、より高効率なスクロール流体機械を提供することができる。
【００１１】
第４の発明は、特に、第１〜第３の発明の、溝を円環状に形成し、円環状に形成された内外少なくとも二重のリング溝と、リング溝に挿入された円環状のシール部材を備えたものである。これによって、溝に供給された潤滑油を確実に密封することができるので、信頼性を確保しながら、膨張過程へ漏れて流入する高圧ガス或いは潤滑油の量を少なくすることができるので、高い信頼性を確保しながら体積効率が高く、オイル吐出の少ないスクロール流体機械を提供することができる。
【００１２】
第５の発明は、特に、第１〜第４の発明の、溝に高圧を供給する連絡通路の一部を細穴で構成したものである。これによって、スクロール流体機械の起動時直後は、溝内の圧力は高圧より低く保たれるために、起動直後は確実に旋回スクロールを固定スクロールに押付けて密封性を高めて安定的に起動できるとともに、安定運転時には、溝は高圧になるために、旋回スクロールが固定スクロールへの押付け力が過大になることがないので、高効率なスクロール流体機械を提供することができる。
【００１３】
第６の発明は、特に、第１〜第５の発明の、膨張室が吸入を完了した吸入室において、吸入室の旋回スクロールの鏡板に投影された面積と、溝の面積を足し合わせた大きさが、少なくとも鏡板背面中心部の面積よりも小さくなるように構成したものである。これによって、旋回スクロールが固定スクロールから離脱してラップ先端の隙間が拡大することがないので、漏れ損失を防ぎ、より高効率なスクロール流体機械を提供することができる。
【００１４】
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。
【００１５】
（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流体機械（膨張機）の断面図を示す。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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
ここで、本発明におけるスクロール流体機械は、膨張機として冷凍装置に設け、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の駆動に利用している。従って、本発明によれば、圧縮機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、冷凍装置のＣＯＰ（成績係数）を向上させることができる。二酸化炭素を冷媒とした場合のモリエル線図（圧力―エンタルピ線図）を図２に示す。この図を見て分かるように膨張過程においては、超臨界圧状態から気液二相状態にまで膨張させることになる。
【００１９】
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３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。
【００２０】
図４に、旋回スクロールの圧力バランスについて示す。模式化された圧力の大きさは、膨張機の吐出圧力（低圧）との差圧によって示されている。相変化を伴わない場合には、膨張過程により発生する旋回スクロール１３を固定スクロール１２から離そうとする力が大きいので、旋回スクロール１３の鏡板背面の高圧部が押付ける力と釣り合って、旋回スクロール１３が固定スクロール１２へと押付けられる力が過大になることはないが、相変化を伴う場合には、中心部で膨張が進むと急激に圧力が低下するので、ガスの押し返し力が低下してしまう。このとき、旋回スクロール１３の鏡板背面の高圧部が押付ける力が相
対的に大きくなってしまうので、旋回スクロール１３が固定スクロール１２へと押付けられる力が過大になってしまう。
【００２１】
図５は、本発明の第１の実施の形態におけるスクロール流体機械の旋回スクロールの斜視図である。図５において、特に、単位体積当りの冷凍能力が大きくて密度が大きい二酸化炭素を冷媒として用いているので、スクロール流体機械の吸入容積を小さくする必要があるが、旋回スクロール１３の中心部に旋回スクロール１３のラップ部１３ｃを構成することによって、スクロール流体機械のラップ１３ｃ高さを低くすることなく、吸入容積を小さくすることが可能となる。
【００２２】
図６は、本発明の第１の実施の形態におけるスクロール流体機械の旋回スクロールの断面図である。旋回スクロール１３の鏡板１３ａ上にラップ部１３ｃを取り囲むように円環状の溝３０を形成し、連絡通路３１と細穴３２によって、旋回スクロール１３の反ラップ側の鏡板背面の中心部（高圧ガス或いは高圧の潤滑油６）と連通している。これによって、溝３０に高圧ガス或いは高圧の潤滑油６が供給される。
【００２３】
図７は、溝３０を付けた場合の旋回スクロール１３の圧力バランスを示している。相対的に過多になっていた旋回スクロールの鏡板背面の高圧部の押付け力に対して、溝３０が旋回スクロール１３を固定スクロール１２から離そうとする力を発生させるので、旋回スクロール１３の鏡板背面の高圧部が押付ける力と釣り合って、旋回スクロール１３が固定スクロール１２へと押付けられる力が過大になることはない。結果として、カジリや異常磨耗を防ぎ高効率なスクロール流体機械を提供することができる。
【００２４】
なお、連絡通路３１と細穴３２によって溝６に高圧ガス或いは高圧の潤滑油６を供給しているので、スクロール流体機械の起動時直後は、溝３０内の圧力は細穴３２の圧力損失によって高圧より低く保たれるために、起動直後は確実に旋回スクロール１３を固定スクロール１２に押付けて密封性を高めて安定的に起動できるとともに、安定運転時には、溝３０内の圧力は高圧になるために、旋回スクロール１３が固定スクロール１２への押付け力が過大になることがないので、高効率なスクロール流体機械を提供することができる。
【００２５】
なお、溝３０を円環状に構成しているので、旋回スクロール１３を均等な力で支持することが可能となるので、旋回スクロール１３が傾き、転覆しようとする力を抑えることができるので、ラップ先端で漏れを防いでより高効率なスクロール流体機械を提供することができる。
【００２６】
なお、固定スクロール１２の鏡板１２ａ上にラップ部１３ｃを取り囲むように円環状の溝３０を形成してもよい（図示せず）。この場合には、旋回スクロール１３に溝３０を付ける場合よりも、クランク軸４の旋回半径分内側に溝３０を構成可能となるので、鏡板背面中心部の高圧部分が押す力と、溝３０が押し返す力とで発生する偶力を小さくできるので、旋回スクロール１３の鏡板１３ａの歪みが低減できる。鏡板１３ａの歪みは、ラップ先端の隙間の拡大の原因となるが、これを防ぐことによってラップ先端からの漏れを低減することができる。結果として、より高効率なスクロール流体機械を提供することができる。
【００２７】
なお、膨張室が吸入を完了した吸入室において、吸入室の旋回スクロール１３の鏡板１３ａに投影された面積と、溝６の面積を足し合わせた大きさが、少なくとも旋回クロール１３の鏡板１３ａ背面中心部の面積よりも小さくなるように構成することによって、旋回スクロール１３が固定スクロール１２から離脱してラップ先端の隙間が拡大することがないので、漏れ損失を防ぎ、より高効率なスクロール流体機械を提供することができる。
【００２８】
（実施の形態２）
図８は、本発明の第２の実施の形態におけるスクロール流体機械の旋回スクロールの斜視図である。旋回スクロール１３の鏡板１３ａ上にラップ部１３ｃを取り囲むように円環状の溝３０を形成し、連絡通路３１と細穴３２によって、旋回スクロール１３の反ラップ側の鏡板背面の中心部（高圧ガス或いは高圧の潤滑油６）と連通している。これによって、溝３０に高圧ガス或いは高圧の潤滑油６が供給される。また、円環状に形成された内外少なくとも二重のリング溝３３と、リング溝３３に挿入された円環状のシール部材３４を備えている。これによって、溝３０に供給された潤滑油６を確実に密封することができるので、摺動部に確実に高圧ガス或いは潤滑油６を供給できるので高い信頼性を確保できる。また、溝６から漏れる高圧ガス或いは潤滑油６は膨張過程へと漏れてしまうが、高圧ガス或いは潤滑油６は冷媒とともに吐出されてしまうが、この構成によれば、高圧ガスの場合には、体積効率を高めることが出来る。また、潤滑油６の場合には、潤滑油６の漏れ量を少なくすることができるので、オイル吐出の少ないスクロール流体機械を提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
以上のように、本発明にかかるスクロール膨張機は、固定スクロールの鏡板と旋回スクロールの鏡板とが摺動する面の、旋回スクロール側の鏡板表面に溝を設け、且つ、前記溝に高圧ガス或いは高圧に保たれた潤滑油を供給する連絡通路を設けたものである。これによって、軸方向の密封性を保ちながらも、摺動損失の相対的な割合の増加を防ぎ、高効率なスクロール流体機械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】
【００３０】
【図１】本発明の実施の形態１におけるスクロール流体機械の断面図
【図２】本発明の実施の形態１におけるスクロール流体機械において二酸化炭素を冷媒とした場合のモリエル線図
【図３】本発明の実施の形態１におけるスクロール流体機械において相変化を伴った膨張過程（容積と圧力）を示す特性図
【図４】本発明が適用されるスクロール流体機械の一般的な旋回スクロールの圧力バランスを示す模式図
【図５】本発明の実施の形態１におけるスクロール流体機械の旋回スクロールの斜視図
【図６】本発明の実施の形態１におけるスクロール流体機械の旋回スクロールの断面図
【図７】本発明の実施の形態１における旋回スクロールの圧力バランスを示す模式図
【図８】本発明の実施の形態２におけるスクロール流体機械の旋回スクロールの斜視図
【符号の説明】
【００３１】
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
１３ａ  鏡板
１３ｃ  ラップ
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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【図７】
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【図８】
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