JP2010112176A - スクロール膨張機 - Google Patents

Abstract

【課題】スクロール膨張機のシール部材での漏れを防いで、冷凍サイクル装置を高効率化する。
【解決手段】旋回スクロール１３の反ラップ側と、これに対向した主軸受部材中央部の端面との間に、中心部と外周部とを仕切る環状なシール部材５を配置し、中心部に高圧の作動流体あるいは高圧に保たれた潤滑油を供給し、且つ、シール部材５に合口５ａを設け、合口の隙間Ｄとシール部材の周方向の長さＬとの比Ｄ／Ｌを０．００７以下としているので、シール部材からの潤滑油の漏れを効果的に防いで、高効率な冷凍サイクル装置に用いるスクロール膨張機を提供することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は固定スクロールと旋回スクロールを噛み合わせて膨張室を形成し、その膨張室の容積変化により、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。

従来、この種のスクロール膨張機の構成と類似しているスクロール圧縮機を用いて背景技術を説明する。スクロール圧縮機の環状シール部材としては、環状シール部材の漏れを最小限にするための様々な工夫が盛り込まれていた（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載のものでは、環状シール部材は、旋回スクロールの反ラップ側に対向した主軸受部材中央部の端面に設けた環状溝に嵌合装着しており、その環状シール部材は、合口部を有するリング状である。この合口部は、スクロール圧縮機の運転時に吐出圧力による高圧が作用することによって、合口部がスライドして環状溝の外周方向への密着性を増して、環状シール部材の漏れを防止する役割を果たしている。また、合口の切断面に対して垂直方向の隙間（図３の隙間Ｄ’）とシール部材の周方向の長さとの比を０．００２〜０．００５として幅規制することにより、スクロール圧縮機の性能を高めることができる。
特開平１０−１９６５６０号公報

上記構成のスクロール圧縮機の性能向上理由について考察する。合口の切断面に対して垂直方向の隙間とシール部材の周方向の長さとの比を０．００２〜０．００５として幅規制する場合、シール部材からの潤滑油の漏れが吸入過程に流れ込み、圧縮過程でのシール効果を増して圧縮機の性能を高めていると予想される。しかしながら、スクロール膨張機に適応する場合には、シール部材からの潤滑油の漏れは吐出過程に流れ込むので、冷凍サイクル装置から見れば、作動流体中のオイル濃度を増大させて、蒸発器の熱交換性能を低下させる。また、スクロール膨張機単体として見ても、シール部材からの潤滑油の漏れは、膨張過程でのシール効果を増すことはない。つまり、合口の隙間とシール部材の周方向の長さとの比の最適値は、圧縮機と膨張機では異なると予想される。更に、スクロール膨張機の潤滑油を圧縮機から過不足無く供給される構成にした場合、シール部材から潤滑油の漏れが多いと、圧縮機から膨張機へと潤滑油を通して熱が移動して、冷凍サイクル装置の放熱器の熱量を低下させるといった問題を有していた。

したがって本発明は、前記従来の課題を解決するもので、シール部材からの潤滑油の漏れを確実に防止して、高効率な冷凍サイクル装置に用いるスクロール膨張機を提供することを目的とする。

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、圧縮機と、前記圧縮機により圧縮された作動流体を冷却する放熱器と、前記作動流体を蒸発させる蒸発器と、これらの間に前記作動流体を循環させる配管とを有する冷凍サイクル装置に用いられ、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、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旋回させたときに、前記膨張室が容積を変えながら移動することで、前記放熱器の出口から前記作動流体を吸入し、膨張させ、吐出して、前記蒸発器の入口へ送り出すスクロール膨張機であって、前記旋回スクロールの反ラップ側と、これに対向した主軸受部材中央部の端
面との間に、中心部と外周部とを仕切る環状なシール部材を配置し、前記中心部に高圧の前記作動流体あるいは高圧に保たれた潤滑油を供給し、且つ、前記シール部材に合口を設け、前記合口の隙間Ｄと前記シール部材の周方向の長さＬとの比Ｄ／Ｌを０．００７以下としたものである。

これによって、Ｄ／Ｌを０．００７以下としているので、シール部材からの潤滑油の漏れを効果的に防いで、高効率な冷凍サイクル装置に用いるスクロール膨張機を提供することができる。

本発明のスクロール膨張機によれば、旋回スクロールの反ラップ側と、これに対向した主軸受部材中央部の端面との間に、中心部と外周部とを仕切る環状なシール部材を配置し、中心部に高圧の作動流体あるいは高圧に保たれた潤滑油を供給し、且つ、シール部材に合口を設け、合口の隙間Ｄとシール部材の周方向の長さＬとの比Ｄ／Ｌを０．００７以下としているので、シール部材からの潤滑油の漏れを効果的に防いで、高効率な冷凍サイクル装置に用いるスクロール膨張機を提供することができる。

特に高圧・低膨張比冷媒である二酸化炭素冷媒を冷凍サイクルの膨張要素として用いた場合に、高効率を実現することができる。

第１の発明は、旋回スクロールの反ラップ側と、これに対向した主軸受部材中央部の端面との間に、中心部と外周部とを仕切る環状なシール部材を配置し、中心部に高圧の作動流体あるいは高圧に保たれた潤滑油を供給し、且つ、シール部材に合口を設け、合口の隙間Ｄとシール部材の周方向の長さＬとの比Ｄ／Ｌを０．００７以下としたものである。本構成によれば、Ｄ／Ｌを０．００７以下としているので、シール部材からの潤滑油の漏れを効果的に防いで、高効率な冷凍サイクル装置に用いるスクロール膨張機を提供することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明のスクロール膨張機において、シール部材の径方向の幅Ｔとシール部材の周方向の長さＬとの比Ｔ／Ｌを０．０１５以上としたものである。本構成によれば、シール部材からの潤滑油の漏れをより効果的に防いで、より高効率な冷凍サイクル装置に用いるスクロール膨張機を提供することができる。

第３の発明は、特に、第１または第２の発明のスクロール膨張機において、主軸受部材及び旋回スクロールを金属系材料で、シール部材を樹脂系材料で構成したものである。本構成によれば、シール部材が柔軟に変形して漏れ隙間を小さくすることができるので、高い信頼性を確保しながら、より高効率な冷凍サイクル装置に用いるスクロール膨張機を提供することができる。

第４の発明は、特に、第１から第３のいずれか１つの発明のスクロール膨張機において、シール部材の合口の隙間が、半径方向に対して角度αをもった直線部で構成されたものである。本構成によれば、冷凍サイクル装置の起動初期において、シール部材の合口が差圧によってスライドするので、シール部材が確実に潤滑油の漏れを防ぐ時間を変化させることができる。結果、起動初期に潤滑油を供給する時間を調節することができるので、高い信頼性を確保しながら、より高効率な冷凍サイクル装置に用いるスクロール膨張機を提供することができる。

第５の発明は、特に、第１から第４のいずれか１つの発明のスクロール膨張機において、作動流体としての冷媒を、二酸化炭素としたものである。本構成によれば、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、より高効率な冷凍サイクル装置を提供することができる。

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。

（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、図４は同スクロール膨張機を備えた冷凍サイクル装置の回路構成図である。

図１および図４において、本実施の形態１のスクロール膨張機５０では、クランク軸４の主軸部４ａを軸支するように密閉容器１内に溶接や焼き嵌めなどにて固定した主軸受部材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２を構成している。そして、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からなる、自転規制機構１４を設けている。

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を円軌道運動させる。これにより、固定スクロール１２の固定ラップ１２Ｘと旋回スクロール１３の旋回ラップ１３Ｘとの間に形成している膨張室１５が中央から外周に移動するとともに、膨張室１５の容積が大きくなる。その容積変化を利用して、密閉容器１外に通じた吸入パイプ１６から固定スクロール１２の中央部の吸入口１７を経て吸入した作動流体（以下、冷媒）を膨張する。

そして、膨張して所定圧以下になった冷媒を固定スクロール１２の外周側の吐出パイプ１８から密閉容器１外に吐出させる。このように、スクロール式の膨張機構部２において、冷媒の吸入と膨張と吐出とが繰り返される。

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、潤滑油溜まり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。なお、旋回スクロール１３の反ラップ側の旋回ボス部１３ａの先端面に、中心部１３ｂと外周部１３ｃとを仕切るシール部材５を設け、このシール部材５を主軸受部材１１の旋回スクロール１３の反ラップ側の旋回ボス部１３ａの先端面と対向する面に設けた溝３０に嵌合装着している。

また、密閉容器１内は均圧管４０を通して圧縮機７と連通しており、密閉容器１内の圧力は高圧に保たれている。同時に密閉容器１内の潤滑油溜まり２０は圧縮機７の潤滑油溜まり（図示せず）と連通しており、潤滑油６は過不足なく圧縮機７と密閉容器１内に供給されるようになっている。

このとき、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ので、シール部材５で仕切られた中心部１３ｂ側は高圧に保たれている。また、背圧室２９は、吐出される冷媒と圧力的に連通しており低圧に保たれている。シール部材５から漏れた潤滑油６は、自転規制機構１４を潤滑した後、吐出される冷媒とともに密閉容器１外へと吐出される。

図２は本実施の形態１のスクロール膨張機のシール部材を上面から見た平面図、図３は
本実施の形態１のスクロール膨張機のシール部材の合口部を拡大した側面図である。図２及び図３に示されているように、本実施の形態１のスクロール膨張機５０ではシール部材５に合口部５ａが設けられている。また、シール部材５を溝３０に嵌合装着したときの状態（運転前）で、合口部５ａの隙間Ｄとシール部材の周方向の長さＬとの比Ｄ／Ｌを０．００７以下としている。

また図４に示すように、圧縮機７と、圧縮機７により圧縮された冷媒を冷却する放熱器８と、スクロール膨張機５０と、スクロール膨張機５０により膨張させた冷媒を蒸発させる蒸発器９と、これらの間に冷媒を循環させる配管１０とを有する冷凍サイクル装置にあっては、放熱器８の出口からの冷媒を、スクロール膨張機５０の吸入パイプ１６を経て、膨張機構部２に吸入して膨張させ、吐出パイプ１８を経て、蒸発器９の入口へ送り出すことになる。

このとき、冷凍サイクル装置に搭載されるスクロール膨張機５０を考えると、シール部材５からの潤滑油６の漏れは吐出過程に流れ込むので、冷媒中のオイル濃度を増大させて、蒸発器の熱交換性能を低下させる。つまり、シール部材５からの潤滑油６の漏れは少ないほど良い。これは、シール部材５からの潤滑油６の漏れが、圧縮過程でのシール効果を増して性能を高めているスクロール圧縮機の場合とは異なる。

次に、合口部５ａの隙間Ｄとシール部材５の周方向の長さＬとの比Ｄ／Ｌを０．００７以下とした理由について説明する。図５にＤ／Ｌが０．００７より大きい場合とＤ／Ｌが０．００７以下の場合における、冷凍サイクル装置起動時からの均圧管４０の温度の実験データを示している。均圧管４０の温度については、シール部材５からの漏れが多いと、圧縮機７からスクロール膨張機５０へと潤滑油６を通して熱が移動することを示している。図５を見ても分かるように、起動初期においては、Ｄ／Ｌが０．００７より大きい場合とＤ／Ｌが０．００７以下の場合の両方において、圧縮機７からスクロール膨張機５０へと潤滑油６が移動しているが、暫くすると、Ｄ／Ｌが０．００７以下の場合のみ均圧管４０の温度が低下している。この原因の定性的な考察として、合口部５ａの隙間Ｄがある値よりも広いと、潤滑油６の漏れが多すぎて局部的に潤滑油６が不足し、その結果シール部材５の合口部５ａ付近に冷媒が噛みこんでシール性が低下すると考えられる。言い換えると、シール性の低下が原因で潤滑油６の漏れが増大し、更なる潤滑油６不足を招くという閾値が存在することを示している。

つまり、Ｄ／Ｌを０．００７以下にすることによって、シール部材５からの潤滑油６の漏れを効果的に防いで、高効率な冷凍サイクル装置に用いるスクロール膨張機を提供することができる。

なお、シール部材５の径方向の幅Ｔとシール部材５の周方向の長さＬとの比Ｔ／Ｌを０．０１５以上とした場合には、旋回スクロール１３の反ラップ側の旋回ボス部１３ａとシール部材５との接触面積を増やすことができるので、シール部材５からの潤滑油６の漏れをより効果的に防いで、より高効率な冷凍サイクル装置に用いるスクロール膨張機を提供することができる。

なお、主軸受部材１１及び旋回スクロール１３を金属系材料で、シール部材５を樹脂系材料で構成した場合を考える。一般的に樹脂系材料は金属系材料に比べて熱膨張係数が大きいので、圧縮機７に用いる場合には、運転時の温度上昇を予測した上で、熱膨張差の分だけ合口隙間Ｄを大きく取る必要があったが、スクロール膨張機５０の場合、放熱器により温度が低下した冷媒を吸入するので、運転時と組立時の温度差は圧縮機に比べて極めて小さい。よって、シール性に優れた樹脂系材料をシール部材５として用い、機械的強度に優れた金属系材料を主軸受部材１１及び旋回スクロール１３として用いて、より高効率な
冷凍サイクル装置に用いるスクロール膨張機を提供することができる。また、シール部材５が旋回スクロール１３に強く押し当てられても、シール部材５が柔軟に変形するので、カジリや異常磨耗を防いで、高い信頼性を確保したスクロール圧縮機を提供することができる。

なお、シール部材５の合口５ａの隙間が、半径方向に対して角度αをもった直線部で構成した場合を考える。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ので、シール部材５で仕切られた中心部１３ｂ側は高圧に保たれている。また、シール部材５で仕切られた外周部である背圧室２９は、吐出される冷媒と圧力的に連通しており低圧に保たれている。つまり、シール部材５の内周側に作用する圧力によって、シール部材５は溝３０の内周側の壁に押し付けられようとする。

図６は起動初期におけるシール部材に圧力差が作用したときの様子を示す模式図、図７は安定運転時におけるシール部材に圧力差が作用したときの様子を示す模式図である。図６において、シール部材５の内周側の突起部５ｂが外周側の突起部５ｃへと接するが、図７において、シール部材５に圧力差が作用しつづけた後では、シール部材５の内周側の突起部５ｂが外周側の突起部５ｃへと接する接点が外側にスライドする。図６及び図７を見ても分かるように、潤滑油６の漏れに寄与すると考えられる合口５ａの面積は、図６に比べて図７の方が小さくなっているので、結果起動初期において潤滑油６の漏れは発生するが、安定運転時において漏れは抑えられることを示している。一方、角度αを調節することによって、シール部材５の内周側の突起部５ｂが外周側の突起部５ｃへと接する接点のスライド方向の長さを調節することができる。つまり、角度αを小さくすると、比較的起動初期から、潤滑油６の漏れを防ぐことができるので、より高効率な冷凍サイクル装置に用いるスクロール膨張機を提供することができる。

また、角度αを大きくすると、起動初期及び暫くの間潤滑油６が漏れるので、起動初期及び暫くの間における膨張機構部の潤滑を良くして、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。

なお、溝３０を旋回スクロール１３の反ラップ側の旋回ボス部１３ａの先端面に設けても、上記と同様の効果を得ることができる。

なお、本実施の形態１のスクロール膨張機では、二酸化炭素冷媒を作動流体としている。即ち、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（例えば、フロン系冷媒）と比べて大きいので、高効率を実現するスクロール膨張機を用いれば、より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。

以上のように、本発明にかかるスクロール膨張機は、旋回スクロールの反ラップ側と、これに対向した主軸受部材中央部の端面との間に、中心部と外周部とを仕切る環状なシール部材を配置し、中心部に高圧の作動流体あるいは高圧に保たれた潤滑油を供給し、且つ、シール部材に合口を設け、合口の隙間Ｄとシール部材の周方向の長さＬとの比Ｄ／Ｌを０．００７以下としているので、シール部材からの潤滑油の漏れを効果的に防いで、高効率な冷凍サイクル装置に用いるスクロール膨張機を提供することができる。従って、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、スクロール流体機械にも適用できる。

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 同スクロール膨張機のシール部材を上面から見た平面図 同スクロール膨張機のシール部材の合口部を拡大した側面図 同スクロール膨張機を備えた冷凍サイクル装置の回路構成図 同スクロール膨張機を備えた冷凍サイクル装置の起動時における均圧管温度を示す特性図 同スクロール膨張機の起動初期におけるシール部材に圧力差が作用したときの様子を示す模式図 同スクロール膨張機の安定運転時におけるシール部材に圧力差が作用したときの様子を示す模式図

符号の説明

１ 密閉容器
２ 膨張機構部
４ クランク軸
４ａ主軸部
４ｂ偏心軸部
５ シール部材
５ａ 合口部
６ 潤滑油
１１ 主軸受部材
１１ａ 主軸受部
１１ｂ 偏心軸受部
１２ 固定スクロール
１３ 旋回スクロール
１３ａ 旋回ボス部
１３ｂ 中心部
１３ｃ 外周部
１４ 自転規制機構
１５ 膨張室
１６ 吸入パイプ
１７ 吸入口
１８ 吐出パイプ
２０ 潤滑油溜まり
２１ 副軸受部材
２５ 容積型ポンプ
２６ 潤滑油戻し孔
２９ 背圧室
３０ 溝
４０ 均圧管
５０ スクロール膨張機

Claims (5)

1. 圧縮機と、前記圧縮機により圧縮された作動流体を冷却する放熱器と、前記作動流体を蒸発させる蒸発器と、これらの間に前記作動流体を循環させる配管とを有する冷凍サイクル装置に用いられ、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旋回させたときに、前記膨張室が容積を変えながら移動することで、前記放熱器の出口から前記作動流体を吸入し、膨張させ、吐出して、前記蒸発器の入口へ送り出すスクロール膨張機であって、
   前記旋回スクロールの反ラップ側と、これに対向した主軸受部材中央部の端面との間に、中心部と外周部とを仕切る環状なシール部材を配置し、前記中心部に高圧の前記作動流体あるいは高圧に保たれた潤滑油を供給し、且つ、前記シール部材に合口を設け、前記合口の隙間Ｄと前記シール部材の周方向の長さＬとの比Ｄ／Ｌを０．００７以下としたことを特徴とするスクロール膨張機。
2. シール部材の径方向の幅Ｔと前記シール部材の周方向の長さＬとの比Ｔ／Ｌを０．０１５以上としたことを特徴とする請求項１に記載のスクロール膨張機。
3. 主軸受部材及び旋回スクロールを金属系材料で、シール部材を樹脂系材料で構成したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のスクロール膨張機。
4. シール部材の合口の隙間が、半径方向に対して角度αをもった直線部で構成されたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のスクロール膨張機。
5. 作動流体としての冷媒を二酸化炭素としたことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のスクロール膨張機。