JP2002364563A - スクロール型流体機械及び冷凍装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 膨張機として用いられるスクロール型流体機
械において、得られる回転動力のトルク変動を小さくす
ると共に、得られる回転動力の向上を図る。 【解決手段】 スクロール流体機械である膨張機構部
（60）において、固定スクロール（61）の固定側ラップ
（63）の巻き角を、可動スクロール（64）の可動側ラッ
プ（66）の巻き角よりも１８０°大きくする。これと共
に流入口（69）の開口形状を変更し、第１室（71）と第
２室（72）の閉じ込み完了時期及び冷媒の流出開始時期
をずらせる。そして、第１室（71）での膨張過程と第２
室（72）での膨張過程とをずらせ、可動スクロール（6
4）を回転させるトルクの変動幅を縮小する。また、流
入口（69）における冷媒流速を低下させ、流入口（69）
における圧力損失を削減する。

Description

【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７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、同一形状で渦巻き状のラップ（c）が設け
られる。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
間に対となる流体室（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。また、対となる流体室（d）での流体の圧
力は、図８に示すように、その何れもが可動スクロール
（b）の回転に伴って同様に変化する。そして、対とな
る流体室（d）では、可動スクロール（b）の回転に伴っ
て同時期に流体の流入が完了し、更には同時期に流体の
流出が開始される。

【０００５】上記スクロール型流体機械を圧縮機として
用いる場合には、可動スクロール（b）の回転に伴って
流体室（d）へ流体が吸い込まれて圧縮され、固定スク
ロール（a）の中央部の開口から圧縮後の流体が吐出さ
れる。一方、スクロール型流体機械を膨張機として用い
る場合には、固定スクロール（a）の中央部の開口から
流体室（d）へ流体が導入され、流体室（d）の流体の膨
張によって可動スクロール（b）が回転駆動される。

【０００６】

【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は、
次のような問題があった。

【０００７】つまり、従来のスクロール型流体機械で
は、対となる流体室（d）の圧力が可動スクロール（b）
の回転に伴って同じように変動し（図８参照）、可動ス
クロール（b）に作用する回転駆動力の変動が大きくな
る。このため、膨張機としてのスクロール型流体機械か
ら取り出される回転動力のトルク変動が大きくなり、得
られた動力によって圧縮機等を円滑に駆動できなくなる
という問題があった。

【０００８】また、対となる流体室（d）へ同じタイミ
ングで流体が流入するため、流体室（d）へ流体を導入
する流入口（e）での流速が高まり、流入口（e）におけ
る圧力損失が過大となる。その結果、スクロール型流体
機械の出入口における流体の圧力差が小さくなり、膨張
機としてのスクロール型流体機械から取り出せる動力が
減少するという問題があった。

【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、膨張機として用いら
れるスクロール型流体機械において、得られる回転動力
のトルク変動を小さくし、更には得られる回転動力の向
上を図ることにある。

【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（6
4）のラップ（63,66）を互いに噛み合わせることで第１
の膨張室（71）と第２の膨張室（72）とが対になって形
成されるスクロール型流体機械を対象としている。そし
て、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。

【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、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。

【００１２】本発明が講じた第３の解決手段は、上記第
１又は第２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（6
3）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。

【００１３】本発明が講じた第４の解決手段は、上記第
１，第２又は第３の解決手段において、第１の膨張室
（71）の閉じ込み完了時期を上記第２の膨張室（72）の
閉じ込み完了時期よりも遅らせるために、固定スクロー
ル（61）に開口して膨張室（71,72）へ流体を導入する
ための流入口（69）が所定の形状とされるものである。

【００１４】本発明が講じた第５の解決手段は、上記第
１，第２又は第３の解決手段において、第１の膨張室
（71）の閉じ込み完了時期を上記第２の膨張室（72）の
閉じ込み完了時期よりも遅らせるために、固定スクロー
ル（61）又は可動スクロール（64）のラップ（63,66）
の中心側端部が所定の形状とされるものである。

【００１５】本発明が講じた第６の解決手段は、冷凍装
置を対象とするものであって、上記第１，第２，第３，
第４又は第５の解決手段に係る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。

【００１６】−作用−上記第１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。

【００１７】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（7
1,72）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。

【００１８】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（7
1,72）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。

【００１９】上記第２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。

【００２０】上記第３の解決手段において、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（7
1,72）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（6
3,66）の周方向のほぼ同じ位置で膨張室（71,72）から
流出する。

【００２１】上記第４の解決手段では、流体の流入口
（69）を所定の形状とすることで、第１の膨張室（71）
と第２の膨張室（72）の閉じ込み完了時期をずらせてい
る。つまり、流体の流入口（69）は、両膨張室（71,7
2）の閉じ込み完了時期を相違させるような形状とされ
ている。

【００２２】上記第５の解決手段では、ラップ（63,6
6）の中心側端部を所定の形状とすることで、第１の膨
張室（71）と第２の膨張室（72）の閉じ込み完了時期を
ずらせている。つまり、ラップ（63,66）の中心側端部
は、両膨張室（71,72）の閉じ込み完了時期を相違させ
るような形状とされている。尚、この所定形状のラップ
（63,66）は、固定スクロール（61）に形成されるもの
であってもよく、可動スクロール（64）に形成されるも
のであってもよい。

【００２３】上記第６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。

【００２４】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。

【００２５】

【発明の効果】本発明では、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、本発明によれば、膨張室（71,7
2）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、膨張機として
のスクロール型流体機械（60）で得られる回転動力のト
ルク変動幅を縮小できる。

【００２６】また、本発明では、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（7
1,72）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、本発明によれば、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。

【００２７】特に、上記第２の解決手段では、対となる
両膨張室（71,72）における膨張比が互いに等しくなっ
ている。従って、可動スクロール（64）をスムーズに回
転させることができ、スクロール型流体機械（60）から
取り出さ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。

【００２８】また、上記第３の解決手段では、固定スク
ロール（61）又は可動スクロール（64）のラップ（63,6
6）を所定の形状としている。このため、ラップ（63,6
6）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。

【００２９】ここで、図７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。

【００３０】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。

【００３１】また、上記第６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（5
0）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。

【００３２】特に、上記第３の解決手段に係るスクロー
ル型流体機械（60）を冷凍装置（10）に設ける場合に
は、次のような効果が得られる。つまり、この冷凍装置
（10）によって対象物を冷却する際には、膨張機として
のスクロール型流体機械（60）から流出した膨張後の冷
媒が空気等の冷却対象物から吸熱する。一方、第３の解
決手段に係るスクロール型流体機械（60）によれば、ラ
ップ（63,66）を所定の形状とすることによって、膨張
機としてのスクロール型流体機械（60）から流出する冷
媒のエンタルピを低く維持することが可能である。従っ
て、この場合には、膨張後の冷媒が対象物から吸熱し得
る熱量を増大させることができ、冷凍装置（10）の冷却
能力を向上させることが可能となる。

【００３３】

【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。

【００３４】《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（2
3）、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（2
4）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。

【００３５】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。

【００３６】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（2
3）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。

【００３７】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（3
5）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。

【００３８】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（3
7）と配管接続され、第２のポートが室外熱交換器（2
3）の他端と配管接続され、第３のポートが連絡配管（1
6）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。

【００３９】《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。

【００４０】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。

【００４１】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。

【００４２】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。

【００４３】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。

【００４４】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。

【００４５】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。

【００４６】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。

【００４７】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。固定
側ラップ（63）及び可動側ラップ（66）の形状や、これ
らにより区画される膨張室（71,72）については、後述
する。

【００４８】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。また、流入口（69）
は、所定の形状に形成されている。この点については後
述する。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。

【００４９】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（6
7）とによって受けられる。

【００５０】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。

【００５１】図３に示すように、可動側ラップ（66）
は、円の伸開線であるインボリュート曲線を描くように
形成されている。一方、固定側ラップ（63）は、可動側
ラップ（66）の旋回運動に伴う軌跡の包絡線を描くよう
に形成されている。また、固定側ラップ（63）は、その
巻き角が可動側ラップ（66）の巻き角よりも約１８０°
だけ大きくなるように形成されている。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（6
3）は、互いの位相が概ね１８０°ずれた姿勢で噛み合
わされている。

【００５２】尚、本実施形態１において、固定側ラップ
（63）の最外周部分は周囲の壁と一体に形成されてい
る。従って、図３においては、固定側ラップ（63）にお
ける最外周部分の内側面だけが現れているが、同図に二
点鎖線で示すように、固定側ラップ（63）の最外周部分
は可動側ラップ（66）の最外周部分の周囲を囲むように
伸長されている。そして、固定側ラップ（63）は、その
外周側端部が可動側ラップ（66）の外周側端部の直ぐ外
側に位置するような形状とされている。つまり、固定側
ラップ（63）における渦巻きの巻き終わり部が、可動側
ラップ（66）における渦巻きの巻き終わり部の近傍に位
置している。

【００５３】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。

【００５４】また、上述したように、本実施形態１で
は、固定側ラップ（63）の巻き角を可動側ラップ（66）
の巻き角よりも大きくしている。そして、両者の巻き角
を相違させることにより、対となる第１室（71）と第２
室（72）とで冷媒の流出開始時期を相違させている。

【００５５】上述のように、冷媒の流入口（69）は、固
定スクロール（61）の鏡板（62）の中央部に開口してい
る。この流入口（69）は、固定側ラップ（63）における
中心側端部の内側面に沿って開口している。また、流入
口（69）の開口形状は、可動側ラップ（66）の中心側端
部の移動方向に沿って円形を引き延ばしたような形状と
なっている。本実施形態１では、流入口（69）の開口形
状を所定の形状とすることで、対となる第１室（71）と
第２室（72）とで閉じ込み完了時期を相違させると共
に、第１室（71）における膨張比と第２室（72）におけ
る膨張比とを一致させている。

【００５６】−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。

【００５７】《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４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。

【００５８】圧縮機構部（50）へは、図４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（Ｃ
Ｏ₂）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。

【００５９】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。

【００６０】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の状態から点ｄの状態へ
変化する。ここで、冷媒を膨張弁で膨張させる場合に
は、図４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ｄ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。

【００６１】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ｄ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。

【００６２】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ｄの状態にまで膨張させてお
り、冷媒のエンタルピ低下量Ｗ_Eに相当する回転動力が
回収される（図４参照）。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Ｗ_Cが伝達され、膨張機構部（60）から
伝達される回転動力Ｗ_Eと共にピストン（53）を回転駆
動するために用いられる。

【００６３】《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。

【００６４】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。

【００６５】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（2
3）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（3
0）の圧縮機構部（50）へ吸入される。圧縮機構部（5
0）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。

【００６６】《膨張機構部の動作》膨張機構部（60）の
動作について、図３及び図５を参照しながら説明する。

【００６７】図３において、固定側ラップ（63）及び可
動側ラップ（66）の最内周部で区画される第１室（71）
及び第２室（72）は、共に流入口（69）と連通してい
る。この状態で、圧縮された後に放熱した高圧の冷媒
は、流入口（69）を通って第１室（71）及び第２室（7
2）へ流入する。

【００６８】この状態から、可動スクロール（64）は、
図３における時計方向に公転してゆく。そして、図５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、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。この第２室（72）における内圧の低下は、
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。

【００６９】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５参照）。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、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。
この第１室（71）における内圧の低下は、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。

【００７０】このように、本実施形態１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（7
2）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。

【００７１】−実施形態１の効果− 本実施形態１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１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。

【００７２】また、本実施形態１に係る膨張機構部（6
0）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１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Ｗ_E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Ｗ_C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。

【００７３】また、本実施形態１に係る膨張機構部（6
0）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。

【００７４】ここで、上記空調機（10）の冷房能力は、
図４における点ａと点ｄ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ｄが図４の右側へ移
動することとなり、点ａと点ｄ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１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。

【００７５】

【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において、膨張機構部（60）の構成を変更した
ものである。ここでは、本実施形態２に係る膨張機構部
（60）について、上記実施形態１と異なる点について説
明する。

【００７６】図６に示すように、本実施形態２に係る膨
張機構部（60）では、流入口（69）及び可動側ラップ
（66）の形状が変更されている。具体的に、流入口（6
9）は、固定側ラップ（63）の中心側端部に沿って円形
に開口している。一方、可動側ラップ（66）は、その中
心側端部が上記実施形態１のものよりも短く形成されて
いる。つまり、この可動側ラップ（66）の中心側端部
は、上記実施形態１のものに比べ、インボリュート曲線
の基礎円の中心から遠ざかっている。尚、本実施形態２
に係る可動側ラップ（66）の外周側端部（渦巻きの巻き
終わり部）の位置は、上記実施形態１のものと同じであ
る。

【００７７】本実施形態２では、流入口（69）及び可動
側ラップ（66）を上記の形状とすることで、第１室（7
1）と第２室（72）の閉じ込み完了時期をずらせると共
に、第１室（71）と第２室（72）の膨張比を一致させて
いる。つまり、上記実施形態１では、可動側ラップ（6
6）の中心側端部を固定側ラップ（63）の中心側端部と
同一形状としつつ流入口（69）の開口形状によって第１
室（71）と第２室（72）の閉じ込み完了時期を相違させ
ているのに対し、本実施形態２では、流入口（69）の開
口形状を単純な円形としながら可動側ラップ（66）の中
心側端部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相違させている。

【００７８】

【発明のその他の実施の形態】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。

【００７９】また、上記の各実施形態では、圧縮機構部
（50）において固定側ラップ（63）の長さを可動側ラッ
プ（66）の長さよりも長くしているが、これとは逆に可
動側ラップ（66）の長さを固定側ラップ（63）の長さの
長さより長くしてもよい。この構成においても、第１室
（71）と第２室（72）の閉じ込み完了時期及び冷媒の流
出開始時期をずらせることは可能である。

【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に係る空調機の冷凍サイクルを示す
モリエル線図である。

【図５】実施形態１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６】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７】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８】従来技術に係るスクロール型流体機械における
可動スクロールの回転角と流体室の内圧との関係図であ
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）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 古庄 和宏 大阪府堺市金岡町1304番地 ダイキン工業 株式会社堺製作所金岡工場内 Ｆターム(参考） 3H029 AA02 AA14 AB03 BB23 BB43 CC03 CC05 CC19 3H039 AA03 AA06 AA12 BB01 BB28 CC02 CC03 CC04 CC05 CC28

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【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
   って形成されるスクロール型流体機械であって、 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。
2. 【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、 第１の膨張室（71）における膨張比と第２の膨張室（7
   2）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。
3. 【請求項３】 請求項１又は２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。
4. 【請求項４】 請求項１，２又は３記載のスクロール型
   流体機械において、 第１の膨張室（71）の閉じ込み完了時期を上記第２の膨
   張室（72）の閉じ込み完了時期よりも遅らせるために、
   固定スクロール（61）に開口して膨張室（71,72）へ流
   体を導入するための流入口（69）が所定の形状とされて
   いるスクロール型流体機械。
5. 【請求項５】 請求項１，２又は３記載のスクロール型
   流体機械において、 第１の膨張室（71）の閉じ込み完了時期を上記第２の膨
   張室（72）の閉じ込み完了時期よりも遅らせるために、
   固定スクロール（61）又は可動スクロール（64）のラッ
   プ（63,66）の中心側端部が所定の形状とされているス
   クロール型流体機械。
6. 【請求項６】 請求項１，２，３，４又は５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。