JP2008002285A - Scroll expander - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、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、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、膨張、吐出を行うスクロール膨張機に関するものである。 The present invention engages the fixed scroll and the orbiting scroll where the spiral wrap rises from the end plate to form an expansion chamber between the two, and the orbiting scroll revolves along a circular orbit under the restriction of rotation by the rotation restricting mechanism. The present invention relates to a scroll expander that performs suction, expansion, and discharge by moving the expansion chamber while changing its volume.
従来、この種のスクロール流体機械のスクロール膨張機は、密閉容器の内部に膨張機構および圧縮機構が配置され、それぞれの駆動軸を連結することにより膨張機構で回収された膨張動力が圧縮機構の圧縮動力として回収される構成が知られている。 Conventionally, a scroll expander of this type of scroll fluid machine has an expansion mechanism and a compression mechanism arranged in a sealed container, and the expansion power recovered by the expansion mechanism by connecting the respective drive shafts is compressed by the compression mechanism. Configurations that are recovered as power are known.
図4は特許文献1に開示された流体機械を概念的に表した図である。図4に示すように、この種の流体機械は、ケーシング211の内部に冷媒の圧縮を行う圧縮機構部220と冷媒の膨張を行う膨張機構部211を備えている。さらにこの流体機械は、圧縮機である圧縮機構部220とガスクーラー(凝縮器)と膨張機である膨張機構部221とエバポレータ(蒸発器)が順に冷媒配管によって接続され、閉回路の冷凍サイクル上に構成されている。従って、冷媒は、圧縮機構部220で圧縮された後、ガスクーラーで冷却され、膨張機構部221で膨張し、エバポレータで蒸発した後に圧縮機構部220に戻る循環を行う。
FIG. 4 is a diagram conceptually showing the fluid machine disclosed in
圧縮機構部220から吐出される吐出冷媒と膨張機構部211へ吸入される吸入冷媒が連通してしまうとショートサーキットが発生し、冷凍サイクル上の性能低下が発生する。これを防止するため、膨張機構部211の固定スクロール231がケーシング211に固定され、ケーシング211内部の空間を上下に区画している。
When the refrigerant discharged from the
圧縮機構部220はケーシング211の下部に配置され、中央部にモータ250、上部に膨張機構部221が配置が配置されている。モータの駆動軸260は、圧縮機構部220、膨張機構部221に連結されており、膨張機構部221の冷媒膨張による回収動力が、圧縮機構部220の圧縮動力に回収されるように構成されている。
しかしながら、上記流体機械では、ケーシング211内部の空間を、圧縮機構部220が配置される空間と、膨張機構部221の吸入空間とを区画する必要があり、固定スクロール231をケーシング211に固定することにより構成していた。この場合、固定スクロール231をケーシング211に焼き嵌め固定したり、あるいはケーシング211と溶接固定する必要が発生する。区画を完全なものにするためには、焼き嵌め代を増加させたり、固定スクロール231の全周を溶接する等の必要があり、いずれの場合も、固定スクロール231に過大な応力を発生させる可能性があった。固定スクロール231に過大な応力が発生した場合、固定スクロール231のラップ形状の変形が発生し、膨張機構部221の性能を著しく低下させる恐れがあった。
However, in the fluid machine, it is necessary to partition the space inside the
固定スクロール231の変形を抑制する手段としては、膨張機構部221のフレーム233部分で固定し、固定スクロール231の変形を抑制する方法もあるが、いずれの場合も固定スクロール231の変形を完全に抑えることは困難である。
As a means for suppressing the deformation of the
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、密閉容器(ケーシング211)内に構成されるスクロール膨張機構の応力によるラップ変形を抑制し、高効率なスクロール膨張機を提供することである。また、本発明の他の目的は、スクロール膨張機の吸入部が膨張機構の中心部にあっても、複雑な構成を用いることなく、吸入通路の配置を容易にすることである。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a highly efficient scroll expander that suppresses lap deformation due to stress of a scroll expansion mechanism configured in a sealed container (casing 211). It is to be. Another object of the present invention is to facilitate the arrangement of the suction passage without using a complicated configuration even when the suction portion of the scroll expander is located at the center of the expansion mechanism.
前記従来の課題を解決するために本発明のスクロール膨張機は、圧縮機構部が配置される空間と膨張機構部の吸入空間との区画を廃止して、膨張機構部へ直接吸入、直接吐出を行う構成とし、区画のために必要であった焼き嵌め固定や溶接固定による膨張機構部の応力変形をなくす構成としている。 In order to solve the above-described conventional problems, the scroll expander of the present invention eliminates the partition between the space where the compression mechanism portion is disposed and the suction space of the expansion mechanism portion, and performs direct suction and direct discharge to the expansion mechanism portion. It is set as the structure to perform, and it is set as the structure which eliminates the stress deformation | transformation of the expansion mechanism part by shrink-fitting fixation and welding fixation which were required for the division.
本発明のスクロール膨張機においては、密閉容器内部の空間を、圧縮機構部が配置される空間と、膨張機構部の吸入空間との区画が不必要となり、固定スクロールを密閉容器に焼き嵌め固定したり、あるいは密閉容器と溶接固定する必要性がなくなり、固定スクロールの応力変形を抑えることができる。 In the scroll expander of the present invention, the space inside the sealed container is not required to be divided into a space where the compression mechanism portion is disposed and a suction space of the expansion mechanism portion, and the fixed scroll is fixed by shrink fitting to the sealed container. Or, there is no need for welding and fixing to the sealed container, and stress deformation of the fixed scroll can be suppressed.
したがって、固定スクロールの変形による性能低下を抑制することが可能となり、漏れ損失の少ない高効率なスクロール膨張機を提供することができる。また、本発明のスクロール膨張機を膨張弁の代替として用いた冷凍サイクルにおいては、従来無駄にしていた膨張損失エネルギーを高効率で回収することが可能となり、エネルギー消費効率の高い冷凍サイクルを実現することができる。 Therefore, it is possible to suppress the performance degradation due to the deformation of the fixed scroll, and it is possible to provide a highly efficient scroll expander with little leakage loss. In the refrigeration cycle using the scroll expander of the present invention as an alternative to the expansion valve, it is possible to recover the expansion loss energy that has been wasted in the past with high efficiency, thereby realizing a refrigeration cycle with high energy consumption efficiency. be able to.
第1の発明は、密閉容器の内部に、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前記膨張室が容積を変えながら移動することで、吸入、膨張、吐出を行う膨張機構部を備えたスクロール膨張機において、前記固定スクロールの鏡板内部に、前記固定スクロールの吸入部と連通する径方向の吸入通路と、前記固定スクロールの吐出部に連通する径方向の吐出通路を設けるとともに、前記吸入通路と前記吐出通路は、前記密閉容器内部と遮断された構成としたものである。これによって、密閉容器内部の空間を、圧縮機構部が配置される空間と、膨張機構部の吸入空間との区画が不要となり、固定スクロールを密閉容器に焼き嵌め密封固定したり、あるいは密閉容器と溶接密封固定する必要性がなくなり、固定スクロールの応力変形を抑えることができ、スクロール膨張機の変形による漏れ損失を抑制し高効率なスクロール膨張機を提供することができるとともに、スクロール膨張機の特徴でもある吸入経路が前記固定スクロールの中心付近に存在することから発生する吸入経路の位置的な設置規制を抑制し、複雑な構成を用いることなくより自由度の高いスクロール膨張機の設計が可能となる。 According to a first aspect of the present invention, an expansion chamber is formed between the fixed scroll and the orbiting scroll in which a spiral wrap rises from the end plate inside the hermetically sealed container, and the orbiting scroll is controlled by the rotation restricting mechanism. In the scroll expander having an expansion mechanism that performs suction, expansion, and discharge by moving the expansion chamber while changing its volume when swung along a circular orbit, the inside of the fixed scroll end plate is A radial suction passage that communicates with the suction portion of the fixed scroll, and a radial discharge passage that communicates with the discharge portion of the fixed scroll, and the suction passage and the discharge passage are isolated from the inside of the sealed container. It is set as the structure made. As a result, the space inside the sealed container does not require a partition between the space where the compression mechanism portion is arranged and the suction space of the expansion mechanism portion, and the fixed scroll is shrink-fitted into the sealed container and is sealed and fixed. The need for welding and sealing is eliminated, stress deformation of the fixed scroll can be suppressed, leakage loss due to deformation of the scroll expander can be suppressed, and a highly efficient scroll expander can be provided. However, it is possible to design a scroll expander with a higher degree of freedom without using a complicated configuration by suppressing the positional installation restriction of the suction path that occurs because there is a suction path near the center of the fixed scroll. Become.
第2の発明は、特に第1の発明で、縦型の密閉容器内の上部に膨張機構部が配置され、前記密閉容器の上部シェルに電力供給あるいは電力取り出し用のターミナル部材を備えたものである。この構成の場合、前記上部シェルに配置される前記ターミナル部材は、前記上部シェルの耐圧性の兼ね合いで前記上部シェルの中心部に構成される場合が多いが、この場合においても、吸入通路の配置位置が前記ターミナル部材の位置的干渉で拘束されることはなく、第1の発明の効果と合わせ高効率で設計自由度の高いスクロール膨張機を提供することができる。 The second invention is the first invention, in particular, in which an expansion mechanism is disposed in the upper part of a vertical sealed container, and a terminal member for supplying or extracting power is provided in the upper shell of the sealed container. is there. In this configuration, the terminal member disposed in the upper shell is often configured at the center of the upper shell in consideration of the pressure resistance of the upper shell. The position is not constrained by the positional interference of the terminal member, and it is possible to provide a scroll expander with high efficiency and high design freedom in combination with the effects of the first invention.
第3の発明は、特に、第1の発明で、縦型の密閉容器内の下部に膨張機構部が配置され
たものである。前記膨張機構部が前記密閉容器の下部に配置された場合、膨張機の設置方法を考慮すると密閉容器の下部シェルから、鉛直方向に吸入あるいは吐出経路を構成することは困難となる。しかしながら、固定スクロールに対して径方向から吸入あるいは吐出経路が構成されている場合には、前記膨張機構部が密閉容器の下部に配置されているスクロール膨張機においても、第1の発明の効果を十分に発揮することができる。
The third invention is the first invention, in particular, in which the expansion mechanism portion is arranged in the lower part of the vertical sealed container. In the case where the expansion mechanism is disposed at the lower part of the closed container, it is difficult to configure a suction or discharge path in the vertical direction from the lower shell of the closed container in consideration of the installation method of the expander. However, when the suction or discharge path is configured from the radial direction with respect to the fixed scroll, the effect of the first invention can be achieved even in a scroll expander in which the expansion mechanism is disposed in the lower part of the sealed container. Can fully demonstrate.
第4の発明は、特に、第1〜3のいずれか1つの発明で、作動流体として高圧ガス、例えば二酸化炭素を用いたものである。二酸化炭素はフロン系冷媒に比べて差圧がより大きいため、背景技術のように圧縮機構部が配置される空間と、膨張機構部の吸入空間とを区画しようとした場合、より強固な焼き嵌め固定や、より強固な溶接固定が必要となってくる。したがって第1〜3のいずれかの発明の効果をより高い次元で実現することが可能となる。また、作動流体として二酸化炭素を用いるとスクロール膨張機の理論回収動力が物性上非常に大きくなり、本発明のスクロール膨張機を膨張弁の代替として用いた冷凍サイクルにおいては、従来無駄にしていた膨張損失エネルギーを高効率で回収することがき、エネルギー消費効率の高い冷凍サイクルを実現することができる。 In particular, the fourth invention is any one of the first to third inventions, and uses a high-pressure gas such as carbon dioxide as the working fluid. Since the differential pressure of carbon dioxide is larger than that of chlorofluorocarbon refrigerants, when trying to partition the space where the compression mechanism is located and the suction space of the expansion mechanism as in the background art, a stronger shrink fit Fixing and stronger welding fixing are required. Therefore, the effect of any one of the first to third inventions can be realized at a higher level. In addition, when carbon dioxide is used as the working fluid, the theoretical recovery power of the scroll expander becomes very large due to its physical properties, and in the refrigeration cycle using the scroll expander of the present invention as an alternative to the expansion valve, expansion that has been wasted in the past. Loss energy can be recovered with high efficiency, and a refrigeration cycle with high energy consumption efficiency can be realized.
第5の発明は、特に、第1〜4のいずれか1つの発明で、吸入管と吐出管がおおよそ対向する位置に配置されものである。これによれば、冷凍サイクルからスクロール膨張機への接続配管が、密閉容器外周の最も離れた位置に近い部分での接続となり、密閉容器自体の振動を効果的に低減させることが可能となる。さらに作動流体が二酸化炭素の場合、スクロール膨張機の吸入状態は超臨界状態の液性状に近い状態で運転されることが多く、液性状の作動流体の吸入時閉じ込みによりスクロール膨張機自体の振動が大きくなる傾向が見られる。このような状態では特に、吸入および吐出配管が密閉容器に対して対向する位置に接続されているとスクロール膨張機自体の振動抑止効果が大きく、低騒音で低振動な高効率スクロール膨張機を提供することができる。 The fifth invention is, in particular, any one of the first to fourth inventions, in which the suction pipe and the discharge pipe are arranged at substantially opposite positions. According to this, the connection piping from the refrigeration cycle to the scroll expander becomes a connection at a portion closest to the farthest position on the outer periphery of the sealed container, and the vibration of the sealed container itself can be effectively reduced. In addition, when the working fluid is carbon dioxide, the scroll expander is often operated in a state where the suction state of the scroll expander is close to the supercritical liquid state. Tend to increase. In such a state, particularly when the suction and discharge pipes are connected to positions facing the sealed container, the scroll expander itself has a large vibration suppressing effect, and provides a low-noise and low-vibration high-efficiency scroll expander. can do.
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、本発明の第1の実施の形態におけるスクロール膨張機の断面図である。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2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、クランク軸4の上端にある偏心軸部4a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を円軌道運動させている。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容積が大きくなるのを利用して作動流体の膨張を行っている。なお、この種のスクロール膨張機は、圧縮機、放熱器、蒸発器とともに冷凍サイクル装置を構成する。密閉容器1上部には均圧管107が配置されており、均圧管107はスクロール膨張機とともに冷凍サイクルを構成する圧縮機の高圧力である吐出圧力が作用するように配管接続が行われている(図示なし)。図2は、本発明の第1の実施の形態におけるスクロール膨張機の要部拡大図である。図2のように固定スクロール12の固定スクロール鏡板12a内部には吸入部である吸入口17に連通する径方向の吸入通路101と、吐出部102に連通する径方向の吐出通路103が設けられている。吸入通路101と吐出通路102にはそれぞれOリング等のシール部材104が設けられており、それぞれ吸入管105、吐出管106が密閉容器1内部と遮断された状態で挿入されている。密閉容器1内にある膨張機構2において正常に膨張仕事を行わせようとした場合、吸入通路101と吐出通路102とは完全に遮断されていなければなら
ないが、本実施の形態では、固定スクロール12内でこれを比較的容易に完結している。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a cross-sectional view of the scroll expander according to the first embodiment of the present invention. An
作動流体は、吸入管105、吸入通路101を通して固定スクロール12の中央部から吸入され膨張行程に移行し、所定圧以下になった作動流体は固定スクロール12の外周側の吐出通路103、吐出管106を経て密閉容器1外に吐出される。
The working fluid is sucked from the central portion of the fixed
作動流体の膨張による動力は、膨張機構2の下部に配置されたジェネレータ3により電力として変換される。本実施の形態ではジェネレータ3を用いているが、クランク軸4に別の圧縮機構を連結していれば、膨張による動力はそのまま圧縮機構のアシストとして用いることができる。(図示せず)
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ポンプ25を備えている。潤滑用のオイルは、オイル溜め20からポンプ25により供給され、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、再循環を行う。
The power generated by the expansion of the working fluid is converted as electric power by the
The other end side of the
この種のスクロール膨張機を用いた場合、密閉容器1内部の空間を、圧縮機の高圧の吐出圧力が作用する空間と、膨張機構2の吸入空間とに区画する必要がなくなり、固定スクロール2を密閉容器1に焼き嵌め密封固定したり、あるいは密閉容器1と溶接密封固定しなくてもよくなり、固定スクロール2の応力変形を抑制することができる。したがって、固定スクロール2の変形による漏れ隙間増大による性能低下を抑制することが可能となり、漏れ損失の少ない高効率なスクロール膨張機を提供することができる。
When this type of scroll expander is used, it is no longer necessary to divide the space inside the sealed
なお、図1に示すように、上部シェル108に電力取り出し用のターミナル部材109が備えられている場合には、上部シェル108の耐圧強度の問題、あるいはターミナル部材109の組立て性の兼ね合いで上部シェル108の中心部に構成されている場合が多い。従来技術では、膨張機構2が密閉容器1の上部に配置されている場合、密閉容器1内部の空間を、圧縮機の高圧の吐出圧力が作用する空間と膨張機構2の吸入空間とを密封区画する等を行いターミナル部材109と密閉容器1外からの吸入管との干渉を回避していた。また密封区画を用いない場合には、ターミナル部材109との干渉を避けながら固定スクロール12の中心部分にある吸入口17に連通する吸入管を設置する必要性があった。しかしながら、実施の形態のスクロール膨張機においては、上部シェル108に電力取り出し用のターミナル部材109が備えられている場合においても特段の手段を用いることなく、固定スクロール12内での吸入管105の接続が可能となり、第1の発明の効果と合わせ高効率で設計自由度の高いスクロール膨張機を提供することができる。ここでターミナル部材109は電力取り出し用としたが、密閉容器1内に膨張機構2と圧縮機構とが組み込まれている膨張機一体型の圧縮機等にいては、ターミナル部材109は圧縮機構を駆動する電動機への電力供給用のターミナル部材であってもよい。
As shown in FIG. 1, when the
また、図3に示すような別の実施の形態の概念図のように、密閉容器1の下部に膨張機構2が配置されている場合には、スクロール膨張機の設置方法を考慮すると密閉容器1の下部シェル109から、鉛直方向に吸入管105あるいは吐出管106を挿入する構成は困難となる。しかしながら、固定スクロール12に対して径方向から吸入通路101あるいは吐出通路102が構成されている場合には、膨張機構2が密閉容器1の下部に配置されているスクロール膨張機においても非常に簡単に構成することができ、低コストで性能面で優位性を発揮できるスクロール膨張機を提供することができる。
Moreover, when the
上記実施の形態では、特に作動流体を規定しているわけではないが、作動流体として高圧冷媒である二酸化炭素を用いた場合においては、フロン系冷媒に比べて圧力差がより大きいため、背景技術のように圧縮機構部が配置される空間と、膨張機構部の吸入空間とを区画しようとした場合、より強固な焼き嵌め固定や、より強固な溶接固定が必要となって
くる。したがって、本発明の効果をより高い次元で実現することが可能となる。また、スクロール膨張機の理論回収動力が物性上非常に大きくなり、本発明のスクロール膨張機を膨張弁の代替として用いた冷凍サイクルにおいては、従来無駄にしていた膨張損失エネルギーを高効率で回収することがき、エネルギー消費効率の高い冷凍サイクルを実現することができる。
In the above embodiment, the working fluid is not particularly defined. However, when carbon dioxide, which is a high-pressure refrigerant, is used as the working fluid, the pressure difference is larger than that of the chlorofluorocarbon refrigerant. Thus, when trying to partition the space in which the compression mechanism portion is disposed and the suction space of the expansion mechanism portion, stronger shrink fitting fixing or stronger welding fixing is required. Therefore, the effect of the present invention can be realized at a higher level. Also, the theoretical recovery power of the scroll expander becomes very large due to physical properties, and in the refrigeration cycle using the scroll expander of the present invention as an alternative to the expansion valve, the expansion loss energy that has been wasted in the past is recovered with high efficiency. In addition, a refrigeration cycle with high energy consumption efficiency can be realized.
なお、本実施の形態において、吸入管105と吐出管106を図1に示すように対向する位置に設置することにより、冷凍サイクルからスクロール膨張機への接続配管が、密閉容器1外周の最も離れた位置に近い部分での接続となる。これにより密閉容器1自体の振動を効果的に低減させることが可能となり、低振動のスクロール膨張機を実現することも可能となる。さらに作動流体が二酸化炭素の場合、吸入状態は超臨界状態の液性状に近い状態で運転されることが多く、液性状の作動流体の吸入時閉じ込みによりスクロール膨張機自体の振動が大きくなる傾向が見られる。これらの条件下では特に、吸入および吐出配管が密閉容器1に対して対向する位置に接続されていることが、スクロール膨張機自体の振動抑止する大きな効果となり、低騒音で低振動な高効率スクロール膨張機を提供することができる。さらに、この構成では、比較的温度の高い吸入管105と膨張後で低温状態となっている吐出管106の配置関係が、固定スクロール12の中で最も離れた構成をとることが可能となり、吸入管105から吐出管106への熱流入を最低限抑えることができ、結果として吐出管106に接続される蒸発器での蒸発能力の低下を抑制することができる。
In the present embodiment, the
以上のように、本発明にかかるスクロール膨張機は、固定スクロールの不必要な変形を伴なうことなく、高効率かつ低振動、さらに低コストを実現することができる。また、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の用途にも適用でき、給湯機、空調、冷却用など幅広い冷凍サイクル関連の製品に適用することができる。 As described above, the scroll expander according to the present invention can achieve high efficiency, low vibration, and low cost without unnecessary deformation of the fixed scroll. In addition, the working fluid is not limited to a refrigerant, and can be applied to a scroll expander that uses air or helium as a working fluid, and can be applied to a wide range of refrigeration cycle-related products such as a water heater, air conditioning, and cooling.
1 密閉容器
2 膨張機構
12 固定スクロール
12a 固定スクロール鏡板
13 旋回スクロール
14 自転規制機構
15 膨張室
101 吸入通路
103 吐出通路
109 ターミナル部材
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