JP2007154744A - Scroll expansion machine - Google Patents
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Abstract
Description
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膨張機に関するものである。 In the present invention, the fixed scroll and the orbiting scroll where the spiral wrap rises from the end plate are meshed to form an expansion chamber between the two, and the orbiting scroll is revolved along a circular orbit under the restriction of rotation by the rotation restriction mechanism. The present invention relates to a scroll expander that performs suction and discharge when the expansion chamber moves while changing its volume.
従来、この種のスクロール流体機械(圧縮機)としては、各スクロールの渦巻きラップの巻き始め部分を、ラップ先端が外壁インボリュート曲線の巻き始め点と滑らかに接続する外円弧と、内壁インボリュート曲線の巻き始め点と滑らかに接続する内円弧との2つの円弧で構成したものや、各スクロールの渦巻きラップの巻き始め部分を、ラップ先端が外壁インボリュート曲線の巻き始め点と滑らかに接続する外円弧と、内壁インボリュート曲線の巻き始め点と滑らかに接続しない内円弧との2つの円弧で構成したものがある(例えば、特許文献1参照)。 Conventionally, this type of scroll fluid machine (compressor) has a spiral wrap winding start portion of each scroll, an outer arc in which the wrap tip smoothly connects to the winding start point of the outer wall involute curve, and the inner wall involute curve winding. An arc composed of two arcs of a starting point and an inner arc smoothly connected, and an outer arc whose wrap end smoothly connects with the winding start point of the outer wall involute curve of the spiral wrap of each scroll, There is one constituted by two arcs of a winding start point of an inner wall involute curve and an inner arc that is not smoothly connected (for example, see Patent Document 1).
すなわち、スクロール圧縮機は図4および図5に示すように2つの圧縮室があり、旋回スクロールラップ26bの内壁面26dと固定スクロールラップ24bの外壁面24cとにより形成される第1圧縮室25aと、旋回スクロールラップ26bの外壁面26eと固定スクロールラップ24bの内壁面24dとにより形成される第2圧縮室25bとの2つの圧縮室から構成され、両圧縮室25aおよび25bがスクロールの中心方向に移動するに従って容積を縮小するように両スクロールの相対運動を行うことにより圧縮室のガスを圧縮し、吐出孔21から吐出される。
That is, the scroll compressor has two compression chambers as shown in FIGS. 4 and 5, and a
第2圧縮室25bは設計容積比(吸込容積/吐出容積)に達したのち、吐出孔21と連通する(図5の矢印X)ため十分な吐出通路が確保できる。これに対して、第1圧縮室25aは旋回スクロールラップ26bの内壁面26dと固定スクロールラップ24bの外壁面24cとの間を経由(図5の矢印Y)してからでないと吐出孔21に連通されない。
Since the
ところが、圧縮終了したガスが吐出室へ流れる際、スクロールラップの壁面間を通るが、このラップ間の距離が狭いと吐出ガス通路の抵抗(以下、吐出抵抗)が大きくなるため、圧縮機入力が増大し、効率を低下させてしまうという問題を有していた。 However, when the compressed gas flows into the discharge chamber, it passes between the wall surfaces of the scroll wrap, but if the distance between the wraps is narrow, the resistance of the discharge gas passage (hereinafter referred to as discharge resistance) increases, so the compressor input is It has the problem of increasing and reducing efficiency.
そこで上記問題を解決するため、図6に示すように、固定スクロールラップ24bの巻き始め部分を、ラップ先端が外側インボリュート曲線の巻き始め点Bと滑らかに接続する外円弧24eと、内側インボリュートの巻き始め点Aと滑らかに接続しない内円弧24fとの2つの円弧で構成することにより、吐出直後のガス通路を広げ、吐出抵抗による圧縮機入力が増大を低減し、圧縮効率を向上させる構成のスクロール圧縮機が提案されている。
しかしながら、スクロール流体機械を膨張機として用いる場合には、インボリュート曲線の巻き始め部分に形成される膨張室によって閉じ込められた冷媒が、巻き終わり部分に移動することによって膨張する。特に作動流体が二酸化炭素冷媒の場合密度が大きいので吸入脈動が発生し、膨張機の配管振動による配管折れや、同時に水撃現象が発生した場合は、ラップ折れが発生するといった問題を有していた。 However, when the scroll fluid machine is used as an expander, the refrigerant confined by the expansion chamber formed in the winding start portion of the involute curve expands by moving to the winding end portion. In particular, when the working fluid is carbon dioxide refrigerant, the density is high, so suction pulsation occurs, and if the pipe breaks due to the pipe vibration of the expander or the water hammer phenomenon occurs at the same time, there is a problem that lap breakage occurs. It was.
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、スクロール流体機械を膨張機として用いた場合でも、配管折れやラップ折れを防いで高い信頼性を実現するスクロール膨張機を提供することを目的とする。 The present invention solves the above-described conventional problems, and an object thereof is to provide a scroll expander that realizes high reliability by preventing pipe breakage and lap breakage even when a scroll fluid machine is used as an expander. To do.
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、旋回スクロールの渦巻きラップの巻き始め部分を、外壁インボリュート曲線の外壁巻き始め点と、内壁インボリュート曲線の内壁巻き初め点の両方に、滑らかに接続する1つの外円弧で形成したものである。これによって、スクロール膨張機に形成される2つの膨張室の吸入ポイントを180°ずらすことができるので、吸入脈動を小さくできる。同時に、旋回スクロールの巻き始め部分のラップの強度を上げることができるので、配管折れやラップ折れを防いで高い信頼性を実現するスクロール膨張機を提供する。 In order to solve the above-described conventional problems, the scroll fluid machine of the present invention is configured so that the winding start portion of the spiral wrap of the orbiting scroll is both at the outer wall winding start point of the outer wall involute curve and the inner wall winding start point of the inner wall involute curve. It is formed by one outer arc that connects smoothly. As a result, the suction points of the two expansion chambers formed in the scroll expander can be shifted by 180 °, so that the suction pulsation can be reduced. At the same time, the strength of the wrap at the winding start portion of the orbiting scroll can be increased, so that a scroll expander that prevents pipe breakage and wrap breakage and realizes high reliability is provided.
本発明のスクロール膨張機は、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、高い信頼性を実現することができる。 The scroll expander of the present invention can achieve high reliability, particularly when a carbon dioxide refrigerant, which is a high pressure / low compression ratio refrigerant, is used.
第1の発明は、旋回スクロールの渦巻きラップの巻き始め部分を、外壁インボリュート曲線の外壁巻き始め点と、内壁インボリュート曲線の内壁巻き初め点の両方に、滑らかに接続する1つの外円弧で形成したものである。これによって、スクロール膨張機に形成される2つの膨張室の吸入ポイントを180°ずらすことができるので、吸入脈動を小さくできる。同時に、旋回スクロールの巻き始め部分のラップの強度を上げることができるので、高い信頼性を実現するスクロール膨張機を提供することができる。 In the first invention, the winding start portion of the spiral wrap of the orbiting scroll is formed by one outer arc smoothly connected to both the outer wall starting point of the outer wall involute curve and the inner wall winding starting point of the inner wall involute curve. Is. As a result, the suction points of the two expansion chambers formed in the scroll expander can be shifted by 180 °, so that the suction pulsation can be reduced. At the same time, the strength of the wrap at the winding start portion of the orbiting scroll can be increased, so that a scroll expander that achieves high reliability can be provided.
第2の発明は、特に、第1の発明の、固定スクロールの渦巻きラップの巻き始め部分を、外壁インボリュート曲線の外壁巻き始め点に滑らかに接続する第1の外円弧と、内壁インボリュート曲線の内壁巻き始め点と前記第1の外円弧の両方に滑らかに接続する第2の内円弧とで構成し、旋回スクロールの外壁インボリュート曲線の外壁巻き始め点が、固定スクロールの内壁インボリュート曲線に接する点よりも、固定スクロールの内壁インボリュート曲線の内壁巻き始め点を巻き始め側に形成したものである。これによって、吸入口を大きく形成することができるので、より吸入脈動を小さくしながらも、吸入による圧力損失も小さくすることが出来るので、より高い信頼性と高効率を実現するスクロール膨張機を提供することができる。 In particular, the second invention is a first outer arc that smoothly connects the winding start portion of the spiral wrap of the fixed scroll to the outer wall winding start point of the outer wall involute curve, and the inner wall of the inner wall involute curve of the first invention. From the point where the outer wall winding start point of the outer wall involute curve of the orbiting scroll is in contact with the inner wall involute curve of the fixed scroll, comprising a winding start point and a second inner arc smoothly connected to both the first outer arc Also, the inner wall winding start point of the inner wall involute curve of the fixed scroll is formed on the winding start side. As a result, the suction port can be made larger, so that the pressure loss due to suction can be reduced while further reducing the suction pulsation, thereby providing a scroll expander that realizes higher reliability and higher efficiency. can do.
第3の発明は、特に、第1〜第2の発明の、旋回スクロールの渦巻きラップの外壁インボリュート曲線の巻き終わり端近くまで伸びた固定スクロールの渦巻きラップの内壁インボリュート曲線によって、固定スクロールの渦巻きラップの内壁を形成したものである。これによって、旋回スクロールの渦巻きラップの外壁側に形成される膨張室と、内壁側に形成される膨張室の容積比をほぼ同等にすることができるので、過膨張損失や不足膨張損失が少なく、より高効率を実現するスクロール膨張機を提供することができる。 The third aspect of the invention is particularly the swirl wrap of the fixed scroll by the inner wall involute curve of the fixed scroll swirl wrap extending to the vicinity of the winding end of the outer wall involute curve of the swirl scroll spiral wrap of the first and second inventions. The inner wall is formed. Thereby, since the volume ratio of the expansion chamber formed on the outer wall side of the spiral wrap of the orbiting scroll and the expansion chamber formed on the inner wall side can be made substantially equal, there is little overexpansion loss and insufficient expansion loss, A scroll expander that achieves higher efficiency can be provided.
第4の発明は、特に、第1〜第3の発明の、旋回スクロールをアルミニウム系金属材料で、固定スクロールを鉄系金属材料で形成したものである。鉄系金属材料とアルミニウム系金属材料を押付ける場合の焼き付き荷重は、鉄系材料同士を押付ける場合の焼き付き荷重に比べて高くなるので、カジリや異常磨耗を抑えることができる。また、アルミニウム系金属材料は鉄系金属材料に比べて密度が小さいので、運転時の遠心力を小さく抑えることができるので、シャフトにかかる負荷を小さくすることができる。結果として、軸受部の損失を低減してより高効率を実現するスクロール膨張機を提供することができる。また
、アルミニウム系金属材用は、鉄系金属材料に比べて剛性が低いので、固定スクロールに比べて旋回スクロールの歪み量の方が大きく、中心部で強く摺動することになる。結果、旋回スクロールの巻き始め部は、固定スクロールの巻き始め部と比べて、大きな応力が発生するが、旋回スクロールの巻き始め部を1つの円弧で構成した場合では、応力発生を小さく抑えることができるので、より信頼性の高いスクロール膨張機を提供することができる。
In the fourth invention, the orbiting scroll is made of an aluminum-based metal material and the fixed scroll is made of an iron-based metal material, in particular, in the first to third inventions. The seizure load when pressing the iron-based metal material and the aluminum-based metal material is higher than the seizure load when pressing the iron-based materials, so that galling and abnormal wear can be suppressed. In addition, since the aluminum-based metal material has a lower density than the iron-based metal material, the centrifugal force during operation can be kept small, so that the load on the shaft can be reduced. As a result, it is possible to provide a scroll expander that realizes higher efficiency by reducing the loss of the bearing portion. In addition, since the aluminum-based metal material has lower rigidity than the iron-based metal material, the amount of distortion of the orbiting scroll is larger than that of the fixed scroll, and it slides strongly at the center. As a result, the winding start portion of the orbiting scroll generates a greater stress than the winding start portion of the fixed scroll. However, when the orbiting scroll winding start portion is configured by one arc, the stress generation can be suppressed to a small value. Therefore, a more reliable scroll expander can be provided.
第5の発明は、特に、第1〜第4の発明の、作動流体としての冷媒を、二酸化炭素としたものである。これによって、二酸化炭素は、膨張機による動力回収効果が他の作動流体と比べて大きいので、高い信頼性と高効率を実現するスクロール膨張機を用いれば、より高い信頼性と高効率な特徴を有する冷凍サイクル装置を提供することができる。 In the fifth invention, in particular, the refrigerant as the working fluid of the first to fourth inventions is carbon dioxide. As a result, carbon dioxide has a larger power recovery effect by the expander than other working fluids, so if a scroll expander that achieves high reliability and high efficiency is used, higher reliability and high efficiency characteristics can be achieved. A refrigeration cycle apparatus having the above can be provided.
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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments.
(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膨張機の断面図を示すものである。
(Embodiment 1)
1 is a sectional view of a scroll expander according to
図1において、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。
In FIG. 1, a main bearing
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。
In the above configuration, the
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。
Further, the other end side of the
図2は、本実施例のスクロール膨張機における旋回スクロールラップと固定スクロールラップの巻き始め部分の要部拡大平面図である。旋回スクロール13の外壁巻き初め点Aから外周側に向かうラップ外壁は外壁インボリュート曲線で構成され、旋回スクロール13の内壁巻き初め点Bから外周側に向かうラップ内壁は内壁インボリュート曲線で構成されている。旋回スクロール13の巻き始め部の点Aと点Bの間は、1つの円弧にて滑らかに接続されている。また、図2(a)は、旋回スクロール13の外壁が膨張室15を形成
した閉じ込み完了(膨張過程開始直後)時を示し、図2(b)は、旋回スクロール13の内壁が膨張室15を形成した閉じ込み完了時を示している。これら図を見ても分かるように、旋回スクロール13の巻き始め部の点Aと点Bの間は、1つの円弧にて滑らかに接続した場合には、旋回スクロール13の外壁が形成の膨張室15と内壁が形成する膨張室15は、180°位相を変えることが可能となる。結果、1回転あたり2回に分けて冷媒を吸入することができるので、吸入脈動を小さく抑えることができるので、膨張機の配管振動による配管折れを防ぐことができる。
FIG. 2 is an enlarged plan view of the main part of the winding start portion of the orbiting scroll wrap and the fixed scroll wrap in the scroll expander of the present embodiment. A wrap outer wall from the outer wall winding start point A of the orbiting
また、旋回スクロール13の巻き始め部分を1つの円弧で構成すると、外力がかかった場合の隅部応力集中値を下げることができるので、ラップの強度が高まる。特に作動流体が二酸化炭素冷媒の場合密度が大きいので、吸入脈動による振動に加えて、水撃現象が発生した場合も、ラップ折れを防止して、高い信頼性を確保することができる。
Further, if the winding start portion of the orbiting
また、固定スクロール12の外壁巻き初め点Cから外周側に向かうラップ外壁は外壁インボリュート曲線で構成され、固定スクロール12の内壁巻き初め点Eから外周側に向かうラップ内壁は内壁インボリュート曲線で構成されている。固定スクロール12の巻き始め部の点Cにて外壁インボリュート曲線と滑らかに接続する第1の円弧と、点Eにて外壁インボリュート曲線と滑らかに接続する第2の円弧が、点Cと点Eの間の点Dにおいて、滑らかに接続されている。また、旋回スクロール13の外壁巻き始め点Aが、固定スクロール12の内壁と膨張室15を形成する場所よりも、固定スクロール12の内壁巻き初め点Eを巻き始め側に形成している。図を見ても分かるように、固定スクロール12の内壁巻き初め点Eを巻き始め側に形成すると、ラップ厚みが厚くならないので、吸入口17を大きく形成することができる。結果、より吸入脈動を小さくしながらも、吸入による圧力損失も小さくすることが出来るので、より高い信頼性と高効率を実現することができる。
Further, the outer wall wrap outer wall from the outer wall winding starting point C of the fixed
図3は、本実施例のスクロール膨張機における旋回スクロールラップと固定スクロールラップの平面図である。旋回スクロール13の巻き始め部を1つの円弧にて接続した場合には、旋回スクロール13の外壁が形成する膨張室15の容積比が内壁に形成する膨張室15より小さくなってしまうが、図3を見ても分かるように、旋回スクロール13の渦巻きラップの外壁インボリュート曲線の巻き終わり端近くまで伸びた固定スクロール12の渦巻きラップの内壁インボリュート曲線によって、旋回スクロール13の渦巻きラップの外壁側に形成される膨張室15と内壁側に形成される膨張室15の容積比をほぼ同等にすることができる。結果、過膨張損失や不足膨張損失が少なく、より高効率を実現するスクロール膨張機を提供することができる。
FIG. 3 is a plan view of the orbiting scroll wrap and the fixed scroll wrap in the scroll expander of this embodiment. When the winding start portion of the orbiting
なお、旋回スクロール13をアルミニウム系金属材料で、固定スクロール12を鉄系金属材料で形成した場合には、旋回スクロール13の巻き始め部分を1つの円弧で構成すると、力がかかった場合の応力集中値を下げることができるので、旋回スクロール13に、強度的には鉄系金属材料よりも弱いアルミニウム系金属材料を用いても、高い信頼性を維持できる。一方で、アルミニウム系金属材料は鉄系金属材料に比べて密度が小さいので、運転時の遠心力を小さく抑えることができるので、シャフトにかかる負荷を小さくすることができる。結果として、軸受部の損失を低減してより高効率を実現するスクロール膨張機を提供することができる。
When the orbiting
なお、旋回スクロール13をアルミニウム系金属材料で、固定スクロール12を鉄系金属材料で形成した場合には、鉄系金属材料とアルミニウム系金属材料を押付ける場合の焼き付き荷重は、鉄系材料同士を押付ける場合の焼き付き荷重に比べて高く、特に、二酸化炭素冷媒雰囲気中で冷凍機油が介在する下では、鉄系材料とアルミニウム系材料を押付ける場合の焼き付き荷重は、鉄系材料同士を押付ける場合の焼き付き荷重に比べて約2倍以上高いので、カジリや異常磨耗を抑えることができる。また、アルミニウム系金属材料は
鉄系金属材料に比べて密度が小さいので、運転時の遠心力を小さく抑えることができるので、シャフトにかかる負荷を小さくすることができる。結果として、軸受部の損失を低減してより高効率を実現するスクロール膨張機を提供することができる。また、アルミニウム系金属材用は、鉄系金属材料に比べて剛性が低いので、固定スクロール12に比べて旋回スクロール13の歪み量の方が大きく、中心部で強く摺動することになる。結果、旋回スクロール13の巻き始め部は、固定スクロール12の巻き始め部と比べて、大きな応力が発生するが、旋回スクロール13の巻き始め部を1つの円弧で構成した場合では、応力発生を小さく抑えることができるので、より信頼性の高いスクロール膨張機を提供することができる。
When the orbiting
なお、作動流体としての冷媒を、二酸化炭素とした場合には、二酸化炭素は、膨張機による動力回収効果が他の作動流体と比べて大きいので、高い信頼性と高効率を実現するスクロール膨張機を用いれば、より高い信頼性と高効率な特徴を有する冷凍サイクル装置を提供することができる。 In addition, when the refrigerant | coolant as a working fluid is carbon dioxide, since the power recovery effect by an expander is large compared with another working fluid, the scroll expander which implement | achieves high reliability and high efficiency. Can be used to provide a refrigeration cycle apparatus having higher reliability and higher efficiency.
以上のように、本発明にかかるスクロール膨張機は、旋回スクロールの渦巻きラップの巻き始め部分を、外壁インボリュート曲線の外壁巻き始め点と、内壁インボリュート曲線の内壁巻き初め点の両方に、滑らかに接続する1つの外円弧で形成したものである。これによって、スクロール膨張機に形成される2つの膨張室の吸入ポイントを180°ずらすことができるので、吸入脈動を小さくできる。同時に、旋回スクロールの巻き始め部分のラップの強度を上げることができるので、配管折れやラップ折れを防いで高い信頼性を実現するスクロール膨張機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。 As described above, the scroll expander according to the present invention smoothly connects the winding start portion of the spiral wrap of the orbiting scroll to both the outer wall winding start point of the outer wall involute curve and the inner wall winding start point of the inner wall involute curve. Are formed by one outer arc. As a result, the suction points of the two expansion chambers formed in the scroll expander can be shifted by 180 °, so that the suction pulsation can be reduced. At the same time, it is possible to increase the strength of the wrap at the winding start portion of the orbiting scroll, so that it is possible to provide a scroll expander that prevents pipe breakage and wrap breakage and achieves high reliability, so that the working fluid is limited to refrigerant. Without limitation, the present invention can be applied to a scroll fluid machine including air and helium as a working fluid and a scroll fluid machine including a compressor.
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
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
2
Claims (5)
前記旋回スクロールの渦巻きラップの巻き始め部分を、外壁インボリュート曲線の外壁巻き始め点と、内壁インボリュート曲線の内壁巻き初め点の両方に、滑らかに接続する1つの外円弧で形成したことを特徴とするスクロール膨張機。 A compression chamber is formed between the fixed scroll and the orbiting scroll where the spiral wrap rises from the end plate, and when the orbiting scroll is swung under the restriction of rotation by the rotation restriction mechanism, the expansion chamber has a volume. In the scroll expander that sucks and discharges the working fluid by moving while changing
A winding start portion of the spiral wrap of the orbiting scroll is formed by one outer arc smoothly connected to both the outer wall winding start point of the outer wall involute curve and the inner wall winding start point of the inner wall involute curve. Scroll expander.
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