(57)【要約】【課題】組立て性が良好な簡単構造で、膨張機と副圧縮機の内部漏れと機械摩擦損失を低減して冷凍サイクルのエネルギ効率の向上を図った容積形流体機械を提供する。【解決手段】容積形流体機械は、スクロール膨張機の旋回スクロール背面空間とロータリ副圧縮機のローラ内側空間とを連通し、クランク軸の給油通路から軸受部を通してこの背圧空間に潤滑油を流入させる潤滑油供給機構と、背圧空間とロータリ副圧縮機の吸込空間との間に背圧が所定圧力となるように調整する背圧調整機構を設けるとともに、ローラ端面部にシール部材を装着したことを特徴とする容積形流体機械。【選択図】図２
2009270529.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
密閉容器内にスクロール式膨張機とロータリ式副圧縮機を積層状に配置し、両者を二つの偏心部を有するクランク軸を介して連結し、前記膨張機で流体を膨張させ、前記副圧縮機を駆動させる容積形流体機械において、
前記スクロール式膨張機は、固定スクロールと旋回スクロールとを互いに噛み合わせて作動室を形成する膨張部と、前記固定スクロールを固定すると共にこの固定スクロールとの間に前記旋回スクロールを挟持するフレームとを備え、前記旋回スクロールの中央部に位置する旋回軸受に前記クランク軸の一方の偏心部が回転自在に嵌合して構成され、
前記ロータリ式副圧縮機は、前記クランク軸の他方の偏心部に回転自在に嵌合されたローラと、前記ローラに先端を接して往復運動し、シリンダ内を吸入室と圧縮室に仕切るベーン、及び前記クランク軸を軸支し、かつ前記シリンダの両端開口を閉塞する端板から構成され、
前記クランク軸は、前記スクロール式膨張機を構成する旋回スクロールの背面空間に潤滑油を供給する給油経路を備え、
前記旋回スクロールの背面空間及びロータリ式副圧縮機を構成するローラの内側空間の圧力を高圧（吐出圧力）と低圧（吸込圧力）の中間の圧力に保持したことを特徴とする容積形流体機械。
【請求項２】
密閉容器内にスクロール式膨張機とロータリ式副圧縮機を積層状に配置し、両者を二つの偏心部を有するクランク軸を介して連結し、前記膨張機で流体を膨張させ、前記副圧縮機を駆動させる容積形流体機械において、
前記スクロール式膨張機は、固定スクロールと旋回スクロールとを互いに噛み合わせて作動室を形成する膨張部と、前記固定スクロールを固定すると共にこの固定スクロールとの間に前記旋回スクロールを挟持するフレームとを備え、前記旋回スクロールの中央部に位置する旋回軸受に前記クランク軸の一方の偏心部が回転自在に嵌合して構成され、
前記ロータリ式副圧縮機は、前記クランク軸の他方の偏心部に回転自在に嵌合されたローラと、前記ローラに先端を接して往復運動し、シリンダ内を吸入室と圧縮室に仕切るベーン、及び前記クランク軸を軸支し、かつ前記シリンダの両端開口を閉塞する端板から構成され、
前記クランク軸は、前記スクロール式膨張機を構成する旋回スクロールの背面空間に潤滑油を供給する給油経路を備え、
前記旋回スクロールの背面空間と前記ロータリ式副圧縮機を構成するローラ内側空間を連通し、クランク軸の給油通路から旋回軸受部を介してこの背面空間に潤滑油を流入させる潤滑油供給機構と、この背面空間とロータリ副圧縮機の吸込空間との間に背面空間を所定圧力に設定する背圧調整機構を設けたことを特徴とする容積形流体機械。
【請求項３】
前記ロータリ式副圧縮機を構成するローラの端面部にシール部材を配設したことを特徴とする請求項１または２記載の容積形流体機械。
【請求項４】
前記クランク軸の両端部に位置する前記旋回軸受と下軸受をすべり軸受とし、両軸受の直径を略同一としたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の容積形流体機械。
【請求項５】
前記クランク軸の主軸受、及びローラ内側軸受を転がり軸受としたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の容積形流体機械。
【請求項６】
前記流体として二酸化炭素を冷媒として冷凍サイクルに接続されたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか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、容積形流体機械に係り、特に冷凍サイクル装置のエネルギ効率である成績係数（ＣＯＰ）向上のために、膨張過程の流体エネルギを動力回収するスクロール膨張機を備えた容積形流体機械に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、スクロール膨張機を備えた容積形流体機械として、特開２００７−３３２８１９号公報（特許文献１）に示されたものがある。この容積形流体機械は、膨張機部と圧縮機部を一つの密閉容器内に収納し、膨張機部に流入する作動流体を膨張させて膨張機を動させ、その駆動力によりクランク軸を介して圧縮機部を動作させるものである。
【０００３】
ここで、膨張機部は、それぞれ端板に渦巻き状のラップ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から成り、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流出口と、旋回スクロールと連結する第１の偏心軸部を備えたスクロール式膨張機である。圧縮機部は、シリンダと、このシリンダの両端開口部を閉塞する端板と、シリンダの内部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端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の偏心軸部を備えたロータリ式圧縮機からなる。
【０００４】
ここで、膨張機部の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ことになる。一方、圧縮機部は起動時に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室側の作動室の方が低圧となり、圧力差により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る回転トルクが発生する。これにより、圧縮機部のベーンが最もシリンダ内に突き出した状態（下死点）の時に、膨張機部の流入口に連通する作動室の容積が最大となるように旋回スクロールの回転位置を設定することにより、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限取り出すことができるため、補助モータを用いなくても容積形流体機械の安定した起動を実現することが可能になっている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−３３２８１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した特許文献１の容積形流体機械においては、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としているが、以下のような改善の余地がある。
【０００７】
容積形流体機械では、作動室を構成する部材間の隙間で発生する作動流体の内部漏れと各部材摺動部における機械摩擦損失が容積形流体機械の効率に大きく影響するが、内部漏れと機械摩擦損失を低減するために不可欠となる摺動部の潤滑については何ら言及されていない。また、特許文献１の図１より、二つの容積形機械、膨張機部１と圧縮機部３を一つのクランクシャフト２１で連結しているが、クランクシャフト２１には膨張機偏心軸２１ａと圧縮機偏心軸２１ｂの二つの偏心部が存在し、フレーム１１部の軸外径より外側に出ているため図示された状態ではフレーム１１を組み立てることが困難である。フレーム１１が半割り状の分割構造であれば組立て可能であるが、コスト上昇の問題がある。また、二つの偏心質量が作用するクランクシャフト２１の回転バランスについても特に考慮されていない。
【０００８】
また、膨張機部１の旋回スクロール７の背面と圧縮機部３の内部圧力に差があるため、クランクシャフト２１に軸方向のある力が加わり、クランクシャフト２１とその軸受に機械磨耗損失が生じ、容積形流体機械の効率に大きく影響する。
【０００９】
このように、特許文献１の容積形流体機械においては、膨張機部１と圧縮機部３における各摺動部の潤滑・シール性、及びクランクシャフト２１とその軸受に機械磨耗損失について考慮されておらず、組立てが困難であるという課題もあり、容積形流体機械を実用化する上での問題が残されていた。この為、小型・低コストで高効率の容積形流体機械を実現することができなかった。
【００１０】
本発明の目的は、組立てが簡単な構造で、膨張機と副圧縮機の内部漏れと機械摩擦損失を低減して、冷凍サイクル装置のエネルギ効率の向上を図った容積形流体機械を提供することにある。
【００１１】
本発明の別の目的は、組立てが簡単な構造で、膨張機と副圧縮機の各摺動部の潤滑とシール性を良好に保持して高信頼性と冷凍サイクルのエネルギ効率の向上を図った容積形流体機械を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前述の目的を達成するために、本発明は、密閉容器内にスクロール式膨張機とロータリ式副圧縮機を積層状に配置し、両者を二つの偏心部を有するクランク軸を介して連結し、前記膨張機で流体を膨張させ、前記副圧縮機を駆動させる容積形流体機械において、前記スクロール式膨張機は、固定スクロールと旋回スクロールとを互いに噛み合わせて作動室を形成する膨張部と、前記固定スクロールを固定すると共にこの固定スクロールとの間に前記旋回スクロールを挟持するフレームとを備え、前記旋回スクロールの中央部に位置する旋回軸受に前記クランク軸の一方の偏心部が回転自在に嵌合して構成され、前記ロータリ式副圧縮機は、前記クランク軸の他方の偏心部に回転自在に嵌合されたローラと、前記ローラに先端を接して往復運動し、シリンダ内を吸入室と圧縮室に仕切るベーン、及び前記クランク軸を軸支し、かつ前記シリンダの両端開口を閉塞する端板から構成され、前記クランク軸は、前記スクロール式膨張機を構成する旋回スクロールの背面空間に潤滑油を供給する給油経路を備え、前記旋回スクロールの背面空間及びロータリ式副圧縮機を構成するローラの内側空間の圧力を高圧（吐出圧力）と低圧（吸込圧力）の中間の圧力に保持したことを特徴とする。
【００１３】
また、前述の別の目的を達成するために、本発明は、密閉容器内にスクロール式膨張機とロータリ式副圧縮機を積層状に配置し、両者を二つの偏心部を有するクランク軸を介して連結し、前記膨張機で流体を膨張させ、前記副圧縮機を駆動させる容積形流体機械において、前記スクロール式膨張機は、固定スクロールと旋回スクロールとを互いに噛み合わせて作動室を形成する膨張部と、前記固定スクロールを固定すると共にこの固定スクロールとの間に前記旋回スクロールを挟持するフレームとを備え、前記旋回スクロールの中央部に位置する旋回軸受に前記クランク軸の一方の偏心部が回転自在に嵌合して構成され、前記ロータリ式副圧縮機は、前記クランク軸の他方の偏心部に回転自在に嵌合されたローラと、前記ローラに先端を接して往復運動し、シリンダ内を吸入室と圧縮室に仕切るベーン、及び前記クランク軸を軸支し、かつ前記シリンダの両端開口を閉塞する端板から構成され、前記クランク軸は、前記スクロール式膨張機を構成する旋回スクロールの背面空間に潤滑油を供給する給油経路を備え、前記旋回スクロールの背面空間と前記ロータリ式副圧縮機を構成するローラ内側空間を連通し、クランク軸の給油通路から旋回軸受部を介してこの背面空間に潤滑油を流入させる潤滑油供給機構と、この背面空間とロータリ副圧縮機の吸込空間との間に背面空間を所定圧力に設定する背圧調整機構を設けたことを特徴とする。
【００１４】
また、前記ロータリ式副圧縮機を構成するローラの端面部にシール部材を配設したことを特徴とする。また、前記クランク軸の両端部に位置する前記旋回軸受と下軸受をすべり軸受とし、両軸受の直径を略同一としたことを特徴とする。また、前記クランク軸の主軸受、及びローラ内側軸受を転がり軸受としたことを特徴とする。また、前記流体として二酸化炭素を冷媒として冷凍サイクルに接続されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、スクロール式膨張機を構成する旋回スクロールの背面空間及びロータリ式副圧縮機を構成するローラの内側空間の圧力を高圧（吐出圧力）と低圧（吸込圧力）の中間の圧力に保持することにより、簡単な構造で、膨張機の旋回スクロールに作用する軸方向力が相殺されるため機械摩擦損失が低減され膨張機効率を向上できると共に、副圧縮機の内部漏れの駆動力となる圧力差を減少して圧縮機効率を向上させ、冷凍サイクル装置のエネルギ効率の向上を図ることができる。
【００１６】
また、本発明によれば、スクロール式膨張機を構成する旋回スクロールの背面空間とロータリ式副圧縮機を構成するローラ内側空間を連通し、クランク軸の給油通路から軸受部を介してこの空間に潤滑油を流入させる潤滑油供給機構と、この空間とロータリ副圧縮機の吸込空間との間に空間の圧力が所定圧力となるように調整する背圧調整機構を設けることにより、簡単な構造で、膨張機と副圧縮機の摺動部の潤滑を良好に保持して高信頼性を確保し、冷凍サイクル装置のエネルギ効率の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態を図面を用いて詳細に説明する。図1は本発明の実施例１に関わる容積形流体機械４を備えた冷凍サイクル構成図である。図２は同じく容積形流体機械の縦断面図、図３は図２のＡ−Ａ断面図、図４は図２のＢ−Ｂ断面図である。図１から図４において、容積形流体機械４は冷凍サイクルにおける作動流体の膨張エネルギを機械エネルギに変換する膨張機４ｂと、この変換された機械エネルギにより仕事をする副圧縮機４cから構成され、膨張機４ｂと副圧縮機４ｃは密閉容器４a内に積層して配置され、一つのクランク軸４dを介して両者連結して収納されている。
【００１８】
本発明の実施例１の冷凍サイクル装置１は、膨張機４ｂを放熱器３と蒸発器５の間に備え、２はこの冷凍サイクル装置１の主圧縮機（密閉容器２ａに収納された記号ＭＣで表された主圧縮機構２ｂと記号Ｍで表された駆動モータ２ｃからなる。２ｄはその吸入パイプ、２eは吐出パイプである。）、３は放熱器、６は膨張機４ｂをバイパスする膨張弁である。
【００１９】
冷却運転を例に、作動流体である冷媒の流れを説明する。主圧縮機２の吐出パイプ２ｄから吐き出された高温・高圧の冷媒は放熱器３に入って冷却され温度低下する。放熱器３から出た冷媒は容積形流体機械４の密閉容器４ａ上部に配設された膨張機流入パイプ８を通って膨張機４ｂに入り、ここで膨張動作を行って膨張エネルギを機械エネルギに変換してクランク軸４ｄを駆動し、膨張機流出パイプ９から低温・低圧の気液二相状態の冷媒となって吐き出される。膨張機４ｂを出た冷媒は蒸発器５に入って吸熱・ガス化し、容積形流体機械４の副圧縮機４cに副圧縮機吸入パイプ１３を通って吸い込まれる。この副圧縮機４c内で昇圧された冷媒は副圧縮機吐出パイプ１４から吐き出されて主圧縮機２の吸入パイプ２dを通って主圧縮機２に戻り、再び圧縮されて高温・高圧のガス冷媒となり吐出パイプ２eから再び外部のサイクルに流出するようになっている。
【００２０】
なお、主圧縮機２は密閉容器２ａ内が吐出圧力の雰囲気となる所謂高圧チャンバタイプの圧縮機で、主圧縮機構２ｂで圧縮された冷媒は密閉容器２ａ内に吐出され、ここで油とガスが分離される。容積形流体機械４の密閉容器４aと主圧縮機２の密閉容器２a内には、それぞれ潤滑油７が貯留されており、両者の油面レベルは均油管１０と均圧管１１により一定に保たれている。以上のサイクルが繰り返されて蒸発器５による冷却作用が継続される。本実施例の容積形流体機械４を備えることにより、膨張過程が等エントロピ変化となり冷凍効果が増えて冷凍能力が増加するとともに、膨張過程の流体エネルギを膨張機４ｂで機械エネルギに変換して副圧縮機４ｃを駆動することで有効な圧縮仕事の一部を分担することから、主圧縮機２のガス圧縮仕事が低減され冷凍サイクル装置１のＣＯＰを向上することができる。
【００２１】
次に、容積形流体機械４のスクロール式膨張機とローリングピストン型ロータリ式副圧縮機の構造及び動作を説明する。密閉容器４ａ内の上方部に膨張機４ｂが配設されている。膨張機４ｂは、固定スクロール２０と旋回スクロール２１とを主要部品とする膨張機構部２２を備えたスクロール式膨張機である。膨張機構部２２、上フレーム２３、オルダムリング２４及びクランク軸２５を主な構成要素としている。固定スクロール２０は、渦巻形状の固定スクロールラップ２０ａと、この固定スクロールラップ２０ａが直立する固定スクロール端板２０ｂとを備えている。固定スクロール端板２０ｂの中心部には流入ポート２０ｃが形成されている。固定スクロール２０の上部と密閉容器４ａとの間は膨張機流入パイプ８から流入した高圧作動流体の一時貯留空間となり、膨張機流入圧力の変動を緩和するようになっている。
【００２２】
旋回スクロール２１は、渦巻形状の旋回スクロールラップ２１ａと、この旋回スクロールラップ２１ａが直立する旋回スクロール端板２１ｂとを備えている。旋回スクロール端板２１ｂの反旋回スクロールラップ側の中心部には、旋回軸受２１ｃが設けられている。旋回スクロール２１は、旋回軸受２１ｃを介して、クランク軸２５の上端に位置する偏心部２５ａに動力伝達して軸を回転駆動する。膨張機構部２２は、固定スクロール２０と旋回スクロール２１とを互いに噛み合わせて形成された作動室を有する。上フレーム２３には、固定スクロール２０が締付けボルト２６により固定され、固定スクロール２０と上フレーム２３との間には旋回スクロール２１が旋回運動可能に挟持されている。オルダムリング２４は、旋回スクロール２１の自転運動を防止するように旋回スクロール２１と上フレーム２３との間に設けられている。
【００２３】
一方、副圧縮機４ｃは、クランク軸２５の軸支持を兼ねた下フレーム（端版）２８と下軸受（端版）２９によりシリンダ３０の両端開口部が閉塞されている。シリンダ３０の中央部には円筒状内周面３１ａ（偏心部軸受、ローラ内側軸受）が形成されている。クランク軸２５には、ローラ３１の円筒状内周面３１ａにあたる部分にもう一方の偏心部２５ｂが形成されており（膨張機４ｂ側のクランク軸偏心部２５ａと副圧縮機４ｃ側のクランク軸偏心部２５ｂの回転位相は同位相である）、円筒状のローラ３１の内周面に装着された偏心部軸受３１ａ内に回転可能に嵌入されている。
【００２４】
ローラ３１の円筒状外周面には、板状のベーン３２がベーンスプリング３２ａにより押圧され、上下両端面にはシールリング４１が装着されている。シリンダ３０の円筒状内周面３０ａの外側には、このベーン３２が往復摺動可能なベーン溝３０ｂとベーンスプリング３２ａが挿入されるスプリング孔部３０dが形成されている。このスプリング孔部３０dの開口端には、ベーンスプリング３２ａを取付けたプラグ３２ｂが圧入固定されており、ベーン３２の背面空間を形成している。
【００２５】
また、密閉容器４aに取付けられた副圧縮機吸入パイプ１３はシリンダ３０の吸入通路３０ｅと接続しており、副圧縮機吸入パイプ１３から吸込まれた冷媒ガスは、吸入通路３０ｅを通ってシリンダ３０内に入り、クランク軸２５の回転によってローラ３１がシリンダ３０の円筒状内周面３０ａに沿って偏心回転運動をすることにより移動し、吐出通路３０ｆを通って副圧縮機吐出パイプ１４から外部の冷凍サイクルに流出する。
【００２６】
ベーン３２の背面空間と吐出通路３０ｆとは連通穴３０ｇで連通され、ベーン３２背面空間の圧力は副圧縮機４ｃの吐出圧力に保たれる。この内部圧力とベーンスプリング３２ａのバネ力によりベーン３２は常に適正な力でローラ３１の外周面に押圧され接触部がシールされている。クランク軸２５の上端に位置する偏心部２５ａの下部にバランスウエイト３５が装着され、回転軸系のバランスがとられている。バランスウエイト３５の周囲は中心部に主軸受２８ａを有する下フレーム２８の外周部によって囲まれており、膨張機４ｂの上フレーム２３とこの下フレーム２８により形成された旋回スクロール２１の背面側空間は背圧室２７として圧力区画されている。
【００２７】
また、下フレーム２８の主軸受２８ａとローラ３１の偏心部軸受３１ａは、共に円筒状のベアリングからなる転がり軸受で構成されているため、このベアリングの縦方向の隙間を介して背圧室２７とローラ３１の内側空間とは連通しており、同一の中間圧力となっている。この中間圧力は、高圧（吐出圧力）と低圧（吸込圧力）の中間圧力である。下フレーム２８と下軸受２９はシリンダ３０を間に挟んで締付けボルト３３で締結固定されており、３４はシリンダの位置決めのためのセットボルトである。
【００２８】
以上のような構成からなる膨張機４ｂと副圧縮機４ｃは、密閉容器４ａ内に積層状に積み重ねられた状態で組立てボルト（図示せず）によって上フレーム２３と下フレーム２８が固定され、膨張機４ｂの上フレーム２３外周部で密閉容器４aの内周に嵌合固定されている。密閉容器４aの底部には潤滑油７が貯溜されており、副圧縮機４ｃのクランク軸２５の下端部に給油ピース２５ｄを装着し、クランク軸２５内に形成した給油通路２５ｃを通して軸の回転による遠心ポンプ作用で潤滑油が引上げられるとともに、旋回スクロール２１の旋回軸受２1ｃと下軸受２９は共にすべり軸受で構成され、クランク軸２５との軸受隙間を通して密閉容器４ａ内の圧力と背圧室２７内の圧力との差圧によって、常に安定して背圧室２７へ潤滑油７を流入させる潤滑油供給経路（潤滑油供給機構）が形成されている。
【００２９】
ここで、クランク軸２５の両端に位置する、旋回スクロール２１の旋回軸受２1ｃと下軸受２９の二つのすべり軸受は、クランク軸２５の直径を略同一としており、両軸受で挟まれる空間は中間圧（背圧）で一定に保たれているため、クランク軸２５には軸方向上方の推力が作用せず、クランク軸の上端の偏心部２５ａと旋回軸受２１ｃの軸方向端面との機械摩擦損失の増加を防止できる。
【００３０】
係る構成において、外部機器から高圧作動流体が膨張機４ｂの膨張機流入パイプ８に供給されると、その高圧作動流体は流入ポート２０ｃを通り、固定スクロールラップ２０ａと旋回スクロールラップ２１ａとの間に形成された膨張機構部２２の作動室に流入される。中心部の作動室内に流入した高圧作動流体は、外周側に形成されている低圧作動室との圧力差により、旋回スクロール２１を動作させ、作動室の容積を拡大して膨張される。膨張された作動流体は、外周部の流出ポート２０ｄを通り、膨張機流出パイプ９から密閉容器４aの外に流出される。
【００３１】
この際、旋回スクロール２１はオルダムリング２４により自転運動を阻止されているため、クランク軸２５の偏心部２５ａにより旋回スクロール２１の中心は一定半径の公転運動をすることにより、作動流体の持つ膨張エネルギがクランク軸２５の回転と言う機械エネルギに変換される。クランク軸２５が回転されることによって、副圧縮機４ｃが駆動され、クランク軸２５の偏心部２５ｂに嵌合されたローラ３1がシリンダ３０の円筒状内壁面３０ａに沿って偏心回転運動し作動流体の圧縮作用が行われる。
【００３２】
図５は本実施例に関わるローラの要部拡大断面図、図６はローラ端面に装着されるシール部材及び付勢部品の構造図である。シールリング４１は４フッ化エチレン樹脂等で形成された円環形状のシール材で合い口部４１ａを有してローラ３１内外の圧力差で直径を拡大し、径方向の隙間に追随するようになっている。付勢部品４２は断面Ｌ型の円環形状で複数箇所の切り起こし部４２ａを有し、これによりシールリング４１を軸方向に付勢して寸法δだけローラ３１の端面から浮上させて、ローラ内外の圧力差が働かない状態でもシールリング４１の端面のシール性を確保している。これにより、副圧縮機のローラ端面における漏れを低減して圧縮機効率を向上することができる。
【００３３】
次に、膨張機４ｂの旋回スクロール２１の背面空間にあたる背圧室２７の圧力制御を行う背圧調整機構について説明する。図７は本実施例に関わる背圧調整機構の要部拡大断面図である。背圧調整機構４０は、図２及び図７に示すように、背圧室２７に連通するように上フレーム２３に形成された背圧導入通路４０aと、下フレーム２８に形成され背圧導入通路４０aを開閉する円形の金属製プレートで形成された弁体４０ｃとこれを保持する弁シート４０ｂ、この弁体に押付力を付与する螺旋状の金属製スプリングで形成された弾性部材４０ｄと、弁体４０ｃ開放時に背圧室２７内の圧力を逃す背圧導出通路４０ｅを備えている。背圧導出通路４０ｅは副圧縮機４ｃの吸入通路（吸込空間）３０ｅ（冷凍サイクルの蒸発器出口の低圧側）に連通している。
【００３４】
ここで、背圧室２７の圧力が副圧縮機４ｃの吸入圧力と弾性部材４０ｄの弾性力の和より大きくなると、弁体４０ｃが押し上げられ、背圧室２７と副圧縮機４ｃの吸入側が連通し背圧室２７の圧力は減少する。背圧室２７の圧力が低下すると、副圧縮機４ｃの吸入圧力と弾性部材４０ｄの弾性力との和が背圧室側の力に勝り、弁体４０ｃは背圧室２７と副圧縮機４ｃの吸入側とを遮断する。係る背圧調整機構４０によれば、弾性部材４０ｄの弾性力を調整することにより、背圧室２７内の圧力を適切な圧力に容易に設定することができる。
【００３５】
以上により、背圧室２７は圧力が高くなり過ぎないように調整されるので、背圧室２７には下軸受２９や旋回軸受２１ｃの軸受隙間を通して潤滑油７が密閉容器４a内の圧力と背圧室２７内の圧力との圧力差により供給されるので、軸受摺動部の潤滑を確実に行うことができる。並行して、背圧室２７に潤滑油とともに油中に溶解している高圧作動流体が供給され、背圧調整機構４０で背圧室２７の圧力を適正に保持することができる。
【００３６】
これにより旋回スクロール２１の端板２１ｂに背圧を付与して、旋回スクロール２１を固定スクロール２０に押し付け、この押し付け力によって膨張機構部２２の作動室内圧力による旋回スクロール２１を下方に押付ける軸方向のスラスト荷重を相殺して、旋回スクロール２１と偏心部２５ａの軸方向の機械摩擦損失を軽減する。また、スクロールラップ歯先先端部の隙間も縮小してシール性が確保され、高効率運転を可能とする。
【００３７】
また、副圧縮機４ｃのローラ３１内側空間の圧力も背圧室２７と同様の中間圧力になるため、副圧縮機の内部漏れの駆動力となる圧力差が減少して圧縮機効率が向上し、冷凍サイクル装置のエネルギ効率の向上を図ることができる容積形流体機械を提供することができる。さらに、背圧室２７を外部冷凍サイクルにおける蒸発器出口の低圧側に連通して、背圧室２７が所定圧力となるように調整する背圧調整機構４０を設けた構成であるので、冷凍サイクルの蒸発器に混入する潤滑油量を抑えられるため、油による熱交換器の伝熱性能低下や圧力損失増加をなくして、冷凍サイクル装置１のＣＯＰを向上することができると共に、副圧縮機４ｃ内部の作動室の潤滑・シールに有効に寄与することができるものである。
【００３８】
なお、冷媒としての二酸化炭素（Ｒ７４４）は、自然冷媒であり地球温暖化係数（ＧＷＰ）も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。反面、臨界温度が約３１℃と低いことから冷凍空調装置の通常の運転条件で高圧側の動作圧力が臨界圧力（約７．４ＭＰａ）を超える超臨界サイクルとなり、高圧冷媒でモリエル線図上の理論ＣＯＰ（成績係数）が低いという欠点があるが、Ｒ７４４は膨張過程の絞り損失がフロン系冷媒に比べて大きいことから、この膨張過程の動力を回収することによりＣＯＰの大幅な改善が可能となる。高効率で信頼性の高い膨張機を備えた膨張動力回収装置の開発が冷媒Ｒ７４４システム実用化の鍵を握ると考えられている。もちろん、フロン系冷媒のシステムにおいても改善比率は幾分小さくなるがＣＯＰ向上を図ることができる。
【００３９】
本実施例の容積形流体機械４の起動法は、バイパス膨張弁６を閉じて主圧縮機２を起動することにより最初に副圧縮機４ｃの吐出パイプ１４側が負圧になってクランク軸２５を回転するトルクが発生し、同時に膨張機４ｂの膨張機流入パイプ８に圧力が作用し膨張機４ｂを回転駆動するようになることから必要な起動トルクが確保され、副圧縮機４ｃを回転駆動する自立起動が可能となる。
【００４０】
図８は本発明の実施例２に関わる容積形流体機械を備えた冷凍サイクル構成図である。図において、図1から図４と同一符号を付したものは同一部品であり同一の作用をなす。本実施例は、主圧縮機２の密閉容器２ａ内の圧力が吸込圧力となる低圧チャンバタイプの主圧縮機に適用した場合を示す。低圧チャンバのため、主圧縮機２の圧縮機構２ｂで圧縮された冷媒は吐出パイプ２ｅを通って直接密閉容器２ａ外に流出して油分離器１２に入り、ここで冷媒と油が分離されて、分離された油は油戻し管路１５を通って容積形流体機械４の密閉容器４ａ下部の油溜りに送られる。
【００４１】
密閉容器４ａ内の潤滑油が増加した場合には、油量調整管路１６に取り付けられた油量調整弁１６ａを操作し、圧力差で油を主圧縮機２の密閉容器２ａ下部の油溜りに還流してやることにより、主圧縮機２と容積形流体機械４の潤滑油の油面を安定化しシステムの信頼性を確保することができる。なお、容積形流体機械４の構成は、高圧チャンバタイプの主圧縮機の場合と同一である。
【００４２】
次に、本発明の実施例３について説明する。図９は本発明の実施例３に関わる容積形流体機械の縦断面図、図１０はこの容積形流体機械を備えた冷凍サイクル構成図である。図において、図1から図４と同一符号を付したものは同一部品であり同一の作用をなす。本実施例では、容積形流体機械４の潤滑系統のみが異なっている。これまでの実施例では、容積形流体機械４のクランク軸２５の下端は、密閉容器４ａの下部に貯留された潤滑油７中に侵漬していたが、本実施例では、密閉容器４ａ内に潤滑油は貯留せず、副圧縮機４ｃにおける下軸受２９のクランク軸２５端部を軸端カバー２９ａで密閉し、この軸端カバー２９ａに給油パイプ１７ａが接続され、密閉容器４ａの外部から給油パイプ１７ａを通して主圧縮機２の密閉容器２ａ内の潤滑油を直接供給することができるようになっている。
【００４３】
このような構成により、容積形流体機械４内部の潤滑油７の油面を管理する必要がなくなることから、主圧縮機２との接続配管が簡略化するとともに、容積形流体機械４の配置の自由度を大幅に拡大することが可能となり、システムの実用性を向上することができる。
【００４４】
以上詳細に説明した実施例では、冷凍サイクル装置１としては基本的な冷却運転サイクルを例に挙げたが、本発明はこれに限定されるものではなく、膨張動力回収装置を備えた冷暖房兼用のヒートポンプ式ルームエアコン、パッケージエアコン、冷蔵庫及び冷凍機等の冷凍空調システム全般に適用することが可能であり、これらの機器のシステム効率を大幅に改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の実施例１の、容積形流体機械を備えた冷凍サイクル構成図である。
【図２】同じく容積形流体機械の縦断面図である。
【図３】同じく図２のＡ−Ａ断面図である。
【図４】同じく図２のＢ−Ｂ断面図である。
【図５】同じくローラの要部拡大断面図である。
【図６】同じくローラ端面に装着されるシール部品及び付勢部品の構造図である。
【図７】同じく背圧調整機構の要部拡大断面図である。
【図８】本発明の実施例２の容積形流体機械を備えた冷凍サイクル構成図である。
【図９】本発明の実施例３の容積形流体機械の縦断面図である。
【図１０】同じく容積形流体機械を備えた冷凍サイクル構成図である。
【符号の説明】
【００４６】
１…冷凍サイクル装置、２…主圧縮機、３…放熱器、４…容積形流体機械、４a…密閉容器、４ｂ…スクロール式膨張機、４ｃ…ロータリ式副圧縮機、４ｄ…クランク軸、５…蒸発器、６…膨張弁、７…潤滑油、８…膨張機流入パイプ、９…膨張機流出パイプ、１０…均油管路、１０ａ…均油パイプ、１１…均圧管路、１１ａ…均圧パイプ、１２…油分離器、１３…副圧縮機吸入パイプ、１４…副圧縮機吐出パイプ、１５…油戻し管路、１６…油量調整管路、１６ａ…油量調整弁、２０…固定スクロール、２１…旋回スクロール、２１ｃ…旋回軸受、２２…膨張機構部、２３…上フレーム、２４…オルダムリング、２５…クランク軸、２５ａ、２５ｂ…偏心部、２５ｃ…給油経路、２６…締付けボルト、２７…背圧室、２８…下フレーム（端版）、２８ａ…主軸受、２９…下軸受（端版）、３０…シリンダ、３０ｅ…吸込空間、３１…ローラ、３１ａ…ローラの円筒状内周面（ローラ偏心部軸受、ローラ内側軸受）、３２…ベーン、３３…締結ボルト、３４…組立てボルト、３５…バランスウエイト、４０…背圧調整機構、４０ａ…背圧導入通路、４０ｂ…弁シート、４０ｃ…弁体、４０ｄ…弾性部材、４０ｅ…背圧導出通路、４１…シールリング（シール部材）、４２…付勢部材。
【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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【図９】
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【図１０】
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