JP2013227947A - スクロール膨張機 - Google Patents
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Abstract
【課題】スクロール膨張機において、振動や騒音が発生するおそれを低減しつつ、容積膨張比を可変として作動流体からの動力の回収効率を向上させる。
【解決手段】スクロール膨張機は一対のピン部材10a,10bを有する。一対のピン部材10a,10bは、固定スクロール2の基部20に形成された一対の挿入孔23a,23bに挿入され、引き込み作動時に固定スクロール2の基部20のラップ形成面20aに一対の凹部61a,61bを形成する。形成された一対の凹部61a,61bは、固定スクロール2の基部20のラップ形成面20aに形成された一対の連通溝28a,28bを介して導入孔22に連通する。スクロール膨張機は、一対のピン部材10a,10bを引き込み作動させることにより、高圧側の作動流体を取り込んだ密閉空間としての作動室を形成する旋回スクロールの旋回位置を変更する。
【選択図】図5
【解決手段】スクロール膨張機は一対のピン部材10a,10bを有する。一対のピン部材10a,10bは、固定スクロール2の基部20に形成された一対の挿入孔23a,23bに挿入され、引き込み作動時に固定スクロール2の基部20のラップ形成面20aに一対の凹部61a,61bを形成する。形成された一対の凹部61a,61bは、固定スクロール2の基部20のラップ形成面20aに形成された一対の連通溝28a,28bを介して導入孔22に連通する。スクロール膨張機は、一対のピン部材10a,10bを引き込み作動させることにより、高圧側の作動流体を取り込んだ密閉空間としての作動室を形成する旋回スクロールの旋回位置を変更する。
【選択図】図5
Description
本発明は、固定スクロールと旋回スクロールとを備え、作動流体の膨張によって動力を発生させるスクロール膨張機に関する。
一般に、スクロール膨張機においてはその容積膨張比が一定である。このため、実際の使用においては、外的環境などによって膨張後の作動流体の圧力がスクロール膨張機の排出側の圧力(低圧部の圧力)よりも低くなる過膨張の状態が発生して動力の回収効率が大きく低下してしまう場合がある。
このような事態を防止するため、例えば特許文献1に記載のスクロール膨張機では、膨張過程にある作動室に高圧部の作動流体を導入可能なバイパスポートと、このバイパスポートに設けられたバルブ機構と、を備え、高圧部の圧力が所定圧力以下であるときに、高圧部の作動流体を膨張過程にある作動室に導入するようにしている。
このような事態を防止するため、例えば特許文献1に記載のスクロール膨張機では、膨張過程にある作動室に高圧部の作動流体を導入可能なバイパスポートと、このバイパスポートに設けられたバルブ機構と、を備え、高圧部の圧力が所定圧力以下であるときに、高圧部の作動流体を膨張過程にある作動室に導入するようにしている。
特許文献1に記載のスクロール膨張機のように、高圧部の圧力が低下したときに膨張過程にある作動室に高圧部の作動流体を導入すれば、過膨張による動力の回収効率の低下を抑制することができる。
しかし、膨張過程にある作動室に高圧部の作動流体を導入すると、作動室内に圧力変動が発生して振動や騒音が発生し易くなるおそれがある。また、膨張過程にある作動室に導入された作動流体から回収できる動力は、膨張過程の開始時点で導入されている作動流体から回収できるエネルギーに比べて少なくなるため、スクロール膨張機における動力の回収効率の向上という観点からは依然として改善の余地がある。
しかし、膨張過程にある作動室に高圧部の作動流体を導入すると、作動室内に圧力変動が発生して振動や騒音が発生し易くなるおそれがある。また、膨張過程にある作動室に導入された作動流体から回収できる動力は、膨張過程の開始時点で導入されている作動流体から回収できるエネルギーに比べて少なくなるため、スクロール膨張機における動力の回収効率の向上という観点からは依然として改善の余地がある。
本発明は、このような実情に着目してなされたものであり、振動や騒音が発生するおそれを低減しつつ、容積膨張比を可変として作動流体からの動力の回収効率を向上させる
ことのできるスクロール膨張機を提供することを目的とする。
ことのできるスクロール膨張機を提供することを目的とする。
本発明の一側面によるスクロール膨張機は、基部に渦巻きラップが形成された固定スクロール及び旋回スクロールを備え、前記固定スクロールの渦巻きラップと前記旋回スクロールの渦巻きラップとの間に、高圧側の作動流体を取り込んだ密閉空間としての作動室を形成し、当該作動室内で前記作動流体が膨張することによって前記旋回スクロールが旋回すると共に当該作動室が容積を増加させながら移動し、膨張後の作動流体を低圧側に排出するスクロール膨張機であって、前記作動室を形成する前記旋回スクロールの旋回位置が変更可能に構成されている。
上記スクロール膨張機によれば、高圧側の作動流体を取り込んだ密閉空間としての作動室を形成する旋回スクロールの旋回位置が変更可能に構成されているので、スクロール膨張機における作動流体の取込容積を例えば高圧側の圧力に応じて変更することができ、過膨張の発生を効果的に抑制することができる。また、従来のスクロール膨張機のように膨張過程にある作動室に高圧部の作動流体を導入しないので、圧力変動に起因する振動や騒音が発生するおそれがほとんどなく、従来のスクロール膨張機に比べて作動流体から回収される動力を増加させることができる。これにより、スクロール膨張機における動力の回収効率の向上させることができる。
以下、添付図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。
図1は、本発明の第1実施形態によるスクロール膨張機1の概略構成を示している。このスクロール膨張機1は、高圧側の作動流体を作動室内に取り込み、取り込んだ作動流体が膨張することによって動力を発生させるものであり、図1に示すように、固定スクロール2と、旋回スクロール3と、を含む。
図1は、本発明の第1実施形態によるスクロール膨張機1の概略構成を示している。このスクロール膨張機1は、高圧側の作動流体を作動室内に取り込み、取り込んだ作動流体が膨張することによって動力を発生させるものであり、図1に示すように、固定スクロール2と、旋回スクロール3と、を含む。
固定スクロール2は、基部20と、この基部20に形成された渦巻きラップ21と、を有する。また、固定スクロール2の基部20のほぼ中央には、供給管4を介して供給される高圧側の作動流体を導入するための導入孔22が貫通形成されている。
旋回スクロール3は、固定スクロール2に連結された保持部材5に収容されている。旋回スクロール3は、固定スクロール2と同様、基部30と、この基部30に形成された渦巻きラップ31と、を有する。
固定スクロール2と旋回スクロール3とは、互いの渦巻きラップ21,31が噛み合うように配置されており、両ラップ21、31間には、高圧側の作動流体を取り込んだ密閉空間としての作動室が形成される。なお、作動室の形成については後述する。
また、旋回スクロール3の基部30の背面(固定スクロール2側とは反対側の面)とこれに対向する保持部材5の対向面との間には、旋回スクロール3の自転を阻止するオルダムリング等の自転阻止部材6が配置されている。
また、旋回スクロール3の基部30の背面(固定スクロール2側とは反対側の面)とこれに対向する保持部材5の対向面との間には、旋回スクロール3の自転を阻止するオルダムリング等の自転阻止部材6が配置されている。
そして、上記作動室内で上記作動流体が膨張することにより旋回スクロール3は固定スクロール2に対して旋回運動を行う。
旋回スクロール3の旋回運動は、偏心軸受7aを介して、当該旋回スクロール3に連結された出力軸8の回転運動に変換される。但し、これに限るものではなく、公知の従動クランク機構などを用いて旋回スクロール3の旋回運動を出力軸8の回転運動に変換するように構成してもよい。なお、出力軸8の旋回スクロール3との連結部8aは、軸受7bを介して保持部材5に支持されている。
旋回スクロール3の旋回運動は、偏心軸受7aを介して、当該旋回スクロール3に連結された出力軸8の回転運動に変換される。但し、これに限るものではなく、公知の従動クランク機構などを用いて旋回スクロール3の旋回運動を出力軸8の回転運動に変換するように構成してもよい。なお、出力軸8の旋回スクロール3との連結部8aは、軸受7bを介して保持部材5に支持されている。
上記作動室内で上記作動流体が膨張することによって旋回スクロール3は旋回運動を行い、この旋回スクロール3の旋回運動に伴って、当該作動室は中央部から周辺部へと容積を増加させながら移動する。そして、膨張後の作動流体は、排出管9を介して低圧側へと排出される。このような動作を繰り返し行うことにより、スクロール膨張機1は動力を発生する(作動流体から動力を回収する)。
図2は図1のX−X断面図であり、図3は旋回スクロール3側から見た固定スクロール2を示す図(図2に対応する図)であり、図4は図2のY−Y断面図である。また、図5は図1のA部拡大図であり、図6は図4のB部拡大図である。
図2、図3に示すように、固定スクロール2の基部20には、第1の一対の挿入孔23a,23bと、第2の一対の挿入孔24a,24bと、が貫通形成されている。第1の一対の挿入孔23a,23b及び第2の一対の挿入孔24a,24bは、旋回スクロール3の旋回に伴う渦巻きラップ31の移動軌跡上に形成され、旋回スクロール3が所定の旋回位置にあるときに、当該旋回スクロール3の渦巻きラップ31によって閉塞される。
ここで、以下の説明においては、図2に示すように、旋回スクロール3の渦巻きラップ31の中央先端部が固定スクロール2の渦巻きラップ21の内側壁に接触すると共に、固定スクロール2の渦巻きラップ21の中央先端部が旋回スクロール3の渦巻きラップ31に内側壁に接触するときの旋回スクロール3の旋回位置を「第1旋回位置」とする。
また、固定スクロール2の渦巻きラップ21の内側壁及び旋回スクロール3の渦巻きラップ31の内側壁によってほぼ中央に区画される空間を「第1容積室」25とし、固定スクロール2の渦巻きラップ21の内側壁及び旋回スクロール3の渦巻きラップ31の中央先端側の外側壁によって区画される空間を「第2容積室」26とし、固定スクロール2の渦巻きラップ21の中央先端側の外側壁及び旋回スクロール3の渦巻きラップ31の内側壁によって区画される空間を「第3容積室」27とする。
なお、図2に示すように、導入孔22は第1容積室25内に開口している。また、第1容積室25と第2容積室26とは旋回スクロール3の渦巻きラップ31を挟んで隣接しており、第1容積室25と第3容積室27とは固定スクロール2の渦巻きラップ21を挟んで隣接している。
第1の一対の挿入孔23a,23bの形成位置について具体的に説明する。
挿入孔23aは、旋回スクロール3が上記第1旋回位置にあるときに(図2参照)、第2容積室26において少なくともその一部が旋回スクロール3の渦巻きラップ31から露出する(第2容積室26内に開口する)と共に、旋回スクロール3が上記第1旋回位置よりも第2容積室26の容積が大きくなる(換言すれば、旋回スクロール3の旋回角が大きい)第2旋回位置にあるときに、旋回スクロール3の渦巻きラップ31によって閉塞されるように形成されている。
挿入孔23aは、旋回スクロール3が上記第1旋回位置にあるときに(図2参照)、第2容積室26において少なくともその一部が旋回スクロール3の渦巻きラップ31から露出する(第2容積室26内に開口する)と共に、旋回スクロール3が上記第1旋回位置よりも第2容積室26の容積が大きくなる(換言すれば、旋回スクロール3の旋回角が大きい)第2旋回位置にあるときに、旋回スクロール3の渦巻きラップ31によって閉塞されるように形成されている。
挿入孔23bは、旋回スクロール3が上記第1旋回位置にあるときに、第3容積室27において少なくともその一部が旋回スクロール3の渦巻きラップ31から露出する(第3容積室27内に開口する)と共に、旋回スクロール3が上記第2旋回位置にあるときに、旋回スクロール3の渦巻きラップ31によって閉塞されるように形成されている。
次に、第2の一対の挿入孔24a,24bの形成位置について具体的に説明する。
挿入孔24aは、旋回スクロール3が上記第1旋回位置及び上記第2旋回位置にあるときに、第2容積室26において少なくともその一部が旋回スクロール3の渦巻きラップ31から露出する(第2容積室26内に開口する)と共に、旋回スクロール3が上記第2旋回位置よりも第2容積室26の容積が大きくなる第3旋回位置にあるときに、旋回スクロール3の渦巻きラップ31によって閉塞されるように形成されている。
挿入孔24aは、旋回スクロール3が上記第1旋回位置及び上記第2旋回位置にあるときに、第2容積室26において少なくともその一部が旋回スクロール3の渦巻きラップ31から露出する(第2容積室26内に開口する)と共に、旋回スクロール3が上記第2旋回位置よりも第2容積室26の容積が大きくなる第3旋回位置にあるときに、旋回スクロール3の渦巻きラップ31によって閉塞されるように形成されている。
挿入孔24bは、旋回スクロール3が上記第1旋回位置及び上記第2旋回位置にあるときに、第3容積室27において少なくともその一部が旋回スクロール3の渦巻きラップ31から露出する(第3容積室27内に開口する)と共に、旋回スクロール3が上記第3旋回位置にあるときに、旋回スクロール3の渦巻きラップ31によって閉塞されるように形成されている。
また、図3に示すように、固定スクロール2の基部20の渦巻きラップ21が形成された面(ラップ形成面)20aには、第1の一対の挿入孔23a,23bのそれぞれと導入孔22を接続する第1の一対の連通溝28a,28bが形成され、同様に、第2の一対の挿入孔24a,24bのそれぞれと導入孔22を接続する第2の一対の連通溝29a,29bが形成されている。なお、連通溝28bと連通溝29bとは、挿入孔23bを介して接続されている。
第1の一対の挿入孔23a,23bには、第1の一対のピン部材10a,10bが挿入されており、同様に、第2の一対の挿入孔24a,24bには、第2の一対のピン部材11a,11bが挿入されている(図1,4〜6参照)。
また、固定スクロール2の基部21の背面(旋回スクロール3側とは反対側の面)には背面プレート12が取り付けられている。この背面プレート12は、第1の一対の挿入孔23a,23bに挿入された第1の一対のボス部13a,13bと、第2の一対の挿入孔24a,24bに挿入された第2の一対のボス部14a,14bと、第1の一対の挿入孔23a,23bに連通する第1の一対の貫通孔15a,15bと、第2の一対の挿入孔24a,24bに連通する第2の一対の貫通孔16a,16bと、を有している。
背面プレート12の各ボス部13a,13b,14a,14bにはスプリング17が装着されており、これらのスプリング17によって、挿入孔23a,23b,24a,24bに挿入された各ピン部材10a,10b,11a,11bが後端側から付勢される。但し、各ピン部材10a,10b,11a、11bに設けられた段差部及び各挿入孔23a,23b,24a,24bに設けられた段差部によって、各ピン部材10a,10b,11a,11bの先端面が固定スクロール2の基部20のラップ形成面20aから突出しないようになっている。
また、背面プレート12の第1の一対の貫通孔15a,15bには、第1の一対の圧力配管51a,51bの一端が接続されており、同様に、第2の一対の貫通孔16a,16bには、第2の一対の圧力配管52a,52bの一端が接続されている。圧力配管51a,51b及び圧力配管52a,52bの他端は、それぞれ三方切換弁53,54を介して供給管4及び排出管9に接続されている。
三方切換弁53,54の作動は、制御部40によって制御される。
制御部40は、例えば図示省略した圧力センサから高圧側の圧力Psを入力し、この入力された高圧側の圧力Psに基づいて三方切換弁53,54を制御する。
図7〜図9は、制御部40による三方切換弁53,54の制御に伴うピン部材10a,10b,11a,11bの作動状態を説明するための図である。
制御部40は、例えば図示省略した圧力センサから高圧側の圧力Psを入力し、この入力された高圧側の圧力Psに基づいて三方切換弁53,54を制御する。
図7〜図9は、制御部40による三方切換弁53,54の制御に伴うピン部材10a,10b,11a,11bの作動状態を説明するための図である。
制御部40は、例えば高圧側の圧力Psが第1所定圧力Ps1以上の場合には、供給管4と圧力配管51a,51bとを連通させるように三方切換弁53を制御すると共に、供給管4と圧力配管52a,52bとを連通させるように三方切換弁54を制御する。
これにより、第1の一対の挿入孔23a,23bのピン部材10a,10bの後端側及び第2の一対の挿入孔24a,24bのピン部材11a,11bの後端側には高圧側の圧力Psが導入される。この場合、各ピン部材10a,10b,11a,11bの先端側と後端側と間には圧力差がほとんど生じない。このため、各ピン部材10a,10b,11a,11bはスプリング17によって付勢されて、図7に示すように、その先端面が固定スクロール2のラップ形成面20aとほぼ面一となる位置に保持される。
また、制御部40は、例えば高圧部の圧力Psが第1所定圧力Ps1未満かつ第2所定圧力Ps2(<Ps1)以上の場合には、排出管9と圧力配管51a,51bとを連通させるように三方切換弁53を制御する一方、供給管4と圧力配管52a,52bとを連通させるように三方切換弁54を制御する。
これにより、第1の一対の挿入孔23a,23bのピン部材10a、10bの後端側には低圧側の圧力Pdが導入され、第2の一対の挿入孔24a,24bのピン部材11a,11bの後端側には高圧側の圧力Psが導入される。この場合、第2の一対のピン部材11a,11bの先端側と後端側との間には圧力差がほとんど生じないが、第1の一対のピン部材10a,10bの先端側と後端側との間に圧力差が生じる。このため、第1の一対のピン部材10a,10bは、上記圧力差によってスプリング17の付勢力に抗して引き込み作動する。
第1の一対のピン部材10a,10bが引き込み作動すると、図8(a)に示すように、固定スクロール2の基部20のラップ形成面20aには第1の一対の凹部61a,61bが形成される。形成された凹部61aは連通溝28aを介して導入孔22に連通し、形成された凹部61bは連通溝28bを介して導入孔22に連通する。
さらに、制御部40は、例えば高圧部の圧力Psが第2所定圧力Ps2未満の場合には、排出管9と圧力配管51a,51bとを連通させるように三方切換弁53を制御すると共に、排出管9と圧力配管52a,52bとを連通させるように三方切換弁54を制御する。
これにより、第1の一対の挿入孔23a,23bのピン部材10a,10bの後端側及び第2の一対の挿入孔24a,24bのピン部材11a,11bの後端側には低圧側の圧力Pdが導入される。この場合、各ピン部材10a,10b,11a,11bの先端側と後端側と間には圧力差が生じる。このため、各ピン部材10a,10b,11a,11bは上記圧力差によってスプリング17の付勢力に抗して引き込み作動する。
第1の一対のピン部材10a、10b及び第2の一対のピン部材11a、11bが引き込み作動すると、図9に示すように、固定スクロール2の基部20のラップ形成面20aには、第1の一対の凹部61a,61b及び第2の一対の凹部62a,62bが形成される。形成された凹部61aは連通溝28aを介して導入孔22に連通し、形成された凹部61bは連通溝28bを介して導入孔22に連通する。また、形成された凹部62aは連通溝29aを介して導入孔22に連通し、形成された凹部62bは連通溝29b、凹部61b及び連通溝28bを介して導入孔22に連通する。
次に、以上のように構成されたスクロール膨張機1の作用を説明する。
図10は、旋回スクロール3が上記第1旋回位置にあるときの要部拡大図であり、図11は、旋回スクロール3が上記第2旋回位置にあるときの要部拡大図であり、図12は、旋回スクロール3が上記第3旋回位置にあるときの要部拡大図である。
図10は、旋回スクロール3が上記第1旋回位置にあるときの要部拡大図であり、図11は、旋回スクロール3が上記第2旋回位置にあるときの要部拡大図であり、図12は、旋回スクロール3が上記第3旋回位置にあるときの要部拡大図である。
上述したように、例えば高圧部の圧力Psが上記第1所定圧力Ps1以上の場合には、第1の一対のピン部材10a,10bの先端面及び第2の一対のピン部材11a,11bの先端面と固定スクロール2の基部20のラップ形成面20aとがほぼ面一の状態となる(図7参照)。
この場合、図10(a)に示すように、旋回スクロール3が上記第1旋回位置にあるとき、すなわち、旋回スクロール3の渦巻きラップ31の中央先端部及び固定スクロール2の渦巻きラップ21の中央先端部が相手側の渦巻きラップの内側壁に接触したときに、第2容積室26及び第3容積室27が密閉空間となって高圧側の作動流体の第2容積室26及び第3容積室27への導入(取り込み)が停止される。なお、このときの第2容積室26及び第3容積室27の容積、すなわち、スクロール膨張機1における作動流体の取込容積をV1とする。
そして、密閉空間となった第2容積室26内及び第3容積室27内で、取り込まれた作動流体が膨張することにより、旋回スクロール3が旋回すると共に第2容積室26及び第3容積室27が容積を増加させながら周辺部へと移動し、最終的に容積Veまで増加した後に低圧側と連通して膨張後の作動流体を低圧側へと排出する。この容積Veが低圧側に連通する直前の作動室の容積である。
すなわち、スクロール膨張機1において、高圧側の圧力Psが上記第1所定圧力Ps1以上の場合には、旋回スクロール3が上記第1旋回位置にあるときに第2容積室26及び第3容積室27が密閉空間となり、これにより、高圧側の作動流体を取り込んだ密閉空間としての作動室(容積V1)が形成される。
一方、例えば高圧部の圧力Psが上記第1所定圧力Ps1未満かつ上記第2所定圧力Ps2(<Ps1)以上の場合には、第1の一対のピン部材10a、10b及び第2の一対のピン部材11a,11bのうち、第1の一対のピン部材10a,10bのみが引き込み作動し、これにより、固定スクロール2の基部20のラップ形成面20aには、当該ラップ形成面20aに形成された第1の一対の連通溝28a,28bを介して導入孔22に連通する第1の一対の凹部61a,61bが形成される(図8参照)。
この場合、旋回スクロール3が上記第1旋回位置にあるときは、図10(b)において矢印で示すように、第2容積室26は凹部61a及び連通溝28aを介して導入孔22に連通するため密閉空間とはならない。同様に、第3容積室27は凹部61b及び連通溝28bを介して導入孔22に連通するため密閉空間とはならない。このため、旋回スクロール3が上記第1旋回位置にあるときには、高圧側の作動流体の第2容積室26及び第3容積室27への導入が継続される。すなわち、この時点では作動室が形成されない。
その後、旋回スクロール3が上記第1旋回位置から上記第2旋回位置まで旋回し、図11(a)に示すように、旋回スクロール3の渦巻きラップ31によって第1の一対の凹部61a,61bが閉塞されると、第2容積室26及び第3容積室27が密閉空間となって高圧側の作動流体の第2容積室26及び第3容積室27への導入(取り込み)が停止される。なお、このときの第2容積室26及び第3容積室27の容積、すなわち、スクロール膨張機1における作動流体の取込容積をV2(>V1)とする。
そして、密閉空間となった第2容積室26内及び第3容積室27内で作動流体が膨張することにより、旋回スクロール3が旋回すると共に第2容積室26及び第3容積室27が容積を増加させながら周辺部へと移動し、最終的に容積Veまで増加した後に低圧側と連通して膨張後の作動流体を低圧側へと排出する。
すなわち、スクロール膨張機1において、高圧部の圧力Psが上記第1所定圧力Ps1未満かつ上記第2所定圧力Ps2以上の場合には、旋回スクロール3の旋回位置が上記第2旋回位置のときに第2容積室26及び第3容積室27が密閉空間となり、これにより、高圧側の作動流体を取り込んだ密閉空間として作動室(容積V2)が形成される。
また、例えば高圧部の圧力Psが上記第2所定圧力Ps2未満の場合には、第1の一対のピン部材10a,10b及び第2の一対のピン部材11a,11bが引き込み作動し、これにより、固定スクロール2の基部20のラップ形成面20aには、当該ラップ形成面20aに形成された第1の一対の連通溝28a,28bを介して導入孔22に連通する第1の一対の凹部61a,61b、及び、当該ラップ形成面20aに形成された第2の一対の連通溝29a,29bを介して導入孔22に連通する第2の一対の凹部62a,62bが形成される(図9参照)。
この場合、旋回スクロール3が上記第2旋回位置にあるときには、図11(b)において矢印で示すように、第2容積室26は凹部62a及び連通溝29aを介して導入孔22に連通するため密閉空間とはならない。同様に、第3容積室27は、凹部62b及び連通溝28b,29bを介して導入孔22に連通するため密閉空間とはならない。このため、旋回スクロール3が上記第2旋回位置にあるときには、高圧側の作動流体の第2容積室26及び第3容積室27への導入が継続される。すなわち、この時点では作動室が形成されない。
その後、旋回スクロール3が上記第2旋回位置から上記第3旋回位置まで旋回し、図12に示すように、旋回スクロール3の渦巻きラップ31によって第2の一対の凹部62a,62bが閉塞されると、第2容積室26及び第3容積室27が密閉空間となって高圧側の作動流体の第2容積室26及び第3容積室27への導入(取り込み)が停止される。なお、このときの第2容積室26及び第3容積室27の容積、すなわち、スクロール膨張機1における作動流体の取込容積をV3(>V2)とする。
そして、密閉空間となった第2容積室26内及び第3容積室27内で作動流体が膨張することにより、旋回スクロール3が旋回すると共に第2容積室26及び第3容積室27が容積を増加させながら周辺部へと移動し、最終的に容積Veまで増加した後に低圧側と連通して膨張後の作動流体を低圧側へと排出する。
すなわち、スクロール膨張機1において、高圧部の圧力Psが上記第2所定圧力Ps2未満の場合には、旋回スクロール3が上記第3旋回位置にあるときに、第2容積室26及び第3容積室27が密閉空間となり、これにより、高圧側の作動流体を取り込んだ密閉空間として作動室(容積V3)が形成される。
このように、本実施形態によるスクロール膨張機1においては、固定スクロール2の基部20に形成された第1の一対の挿入孔23a,23b及び第2の一対の挿入孔24a、24bのそれぞれに挿入された第1の一対のピン部材10a、10bと第2の一対のピン部材11a,11bとを適宜引き込み作動させることによって、作動室を形成する旋回スクロール3の旋回位置を変更し、これにより、作動室の容積、すなわち、スクロール膨張機1における高圧側の作動流体の取込容積を変化させる。
図13は、スクロール膨張機1の作動室におけるPV線図を示している。
図13(a)におけるハッチング領域a0は、高圧側の圧力Psが上記第1所定圧力Ps1以上である場合に、取り込んだ作動流体の膨張によって得られるエネルギー、すなわち、スクロール膨張機1の回収動力を示している。
図13(a)におけるハッチング領域a0は、高圧側の圧力Psが上記第1所定圧力Ps1以上である場合に、取り込んだ作動流体の膨張によって得られるエネルギー、すなわち、スクロール膨張機1の回収動力を示している。
ここで、高圧側の圧力Psが上記第1所定圧力Ps1未満に低下してしまうと、図13(b),(c)に示すように、作動流体の膨張によって得られるエネルギー(ハッチング領域a1,a2)が減少すると共に、過膨張によるエネルギーの損失(ハッチング領域b1、b2)が発生する。このため、スクロール膨張機1の回収エネルギーが大幅に減少してしまうことになる。
この点、上記スクロール膨張機1では、例えば高圧側の圧力Psが低下して上記第1所定圧力Ps1未満となると、第1の一対のピン部材28a,28bを引き込み作動させることによって、第2容積室26及び第3容積室27が密閉空間となる旋回スクロール3の旋回位置、すなわち、高圧側の作動流体を取り込んだ密閉空間としての作動室が形成される旋回スクロール3の旋回位置を上記第1旋回位置から上記第2旋回位置へと変化させ、これにより、高圧側の作動流体の取込容積を増加させる(V1→V2)。
また、高圧部の圧力Psがさらに低下して上記第2所定圧力Ps2未満となると、第1の一対のピン部材28a,28b及び第2の一対のピン部材29a,29bを引き込み作動させることによって、第2容積室26及び第3容積室27が密閉空間となる旋回スクロール3の旋回位置、すなわち、高圧側の作動流体を取り込んだ密閉空間としての作動室が形成される旋回スクロール3の旋回位置を上記第1旋回位置又は上記第2旋回位置から上記第3旋回位置へと変化させ、これにより、高圧側の作動流体の取込容積を増加させる(V1→V3、V2→V3)。
この結果、図13(d),(e)に示すように、図13(b),(c)に示す場合と比べて、作動流体の膨張によって得られるエネルギーの減少及び過膨張によるエネルギーの損失の発生が抑制され、作動流体からより多くのエネルギーを回収できる。
特に、本実施形態によるスクロール膨張機1においては、高圧側の作動流体の取込みは作動室の形成時点で終了しており、従来のスクロール膨張機のように膨張過程にある作動室に高圧側の作動流体を導入しない。このため、作動室内において圧力変動(圧力の段差)が発生したり、作動流体の膨張動力の回収が損なわれたりすることがほとんどない。
これにより、本実施形態によるスクロール膨張機1によれば、従来のスクロール膨張機に比べて、振動や騒音の発生のおそれを抑制しつつ、作動流体からの動力の回収効率を向上させることができる。
これにより、本実施形態によるスクロール膨張機1によれば、従来のスクロール膨張機に比べて、振動や騒音の発生のおそれを抑制しつつ、作動流体からの動力の回収効率を向上させることができる。
なお、上記実施形態では、スクロール膨張機1が第1の一対のピン部材10a,10b及び第2の一対のピン部材11a,11bを有し、第1の一対のピン部材10a,10bのみ、又は、第1の一対のピン部材10a、10b及び第2の一対のピン部材11a,11bを引き込み作動させることによって、高圧側の作動流体を取り込んだ密閉空間としての作動室を形成する旋回スクロール3の旋回位置を変更し、これにより、スクロール膨張機1における作動流体の取込容積を変更している。
しかし、これに限るものではなく、スクロール膨張機1が第1の一対のピン部材10a,10bのみ又は第2の一対のピン部材11a、11bのみを有してもよいし、引き込み作動が可能な第3の一対のピン部材や第4の一対のピン部材をさらに有してもよい。
また、上記実施形態では、第1の一対の挿入孔23a,23bのピン部材10a,10bの後端側に低圧部の圧力Pdを導入することにより、スプリング17によって付勢された第1の一対のピン部材10a,10bを引き込み作動させ、第2の一対の挿入孔24a,24bのピン部材11a,11bの後端側に低圧部の圧力Pdを導入することにより、スプリング17によって付勢された第2の一対のピン部材11a,11bを引き込み作動させている。
しかし、これに限るものではなく、スクロール膨張機1が、例えば第1の一対のピン部材10a,10b用の電磁ソレノイド式のアクチュエータ及び第2の一対のピン部材11a,11b用の電磁ソレノイド式のアクチュエータを備え、当該アクチュエータへの通電により、スプリング17によって付勢された第1の一対のピン部材10a,10bを引き込み作動させたり、スプリング17によって付勢された第2の一対のピン部材11a,11bを引き込み作動させたりしてもよい。
さらに、上記実施形態では、制御部40は、高圧部の圧力Psに基づいて、第1の一対のピン部材10a,10b及び/又は第2の一対のピン部材11a,11bを引き込み作動させることにより高圧側の作動流体を取り込んだ密閉空間としての作動室を形成する旋回スクロール3の旋回位置を変更し、これにより、作動流体の取込容積を変更している。
しかし、これに限るものではなく、制御部40が、高圧側の作動流体と低圧側の作動流体との密度比に基づいて、第1の一対のピン部材10a,10b及び/又は第2の一対のピン部材11a,11bの引き込み作動させることにより高圧側の作動流体を取り込んだ密閉空間としての作動室を形成する旋回スクロール3の旋回位置を変更し、これにより、作動流体の取込容積を変更するように構成してもよい。
この場合、制御部40は、例えば高圧側の圧力Ps、高圧側の温度Ts、低圧側の圧力Pd及び低圧側の温度Tdを入力し、これらに基づいて高圧側の作動流体と低圧側の作動流体との密度比を算出する。そして、制御部40は、算出された密度比に最も近い容積比(V1/Ve、V2/Ve、V3/Ve)を実現するように、作動室を形成する旋回スクロール3の旋回位置を変更する。
このようにすると、高圧側の作動流体が超臨界状態となる場合などポアッソンの式が成立しない条件下でも、過膨張や不足膨張の発生を効果的に抑制することができ、スクロール膨張機1における動力の回収効率の低下を抑制することができる。
このようにすると、高圧側の作動流体が超臨界状態となる場合などポアッソンの式が成立しない条件下でも、過膨張や不足膨張の発生を効果的に抑制することができ、スクロール膨張機1における動力の回収効率の低下を抑制することができる。
1…スクロール膨張機、2…固定スクロール、3…旋回スクロール、4…供給管、9…排出管、10a,10b,11a,11b…ピン部材、17…スプリング(弾性部材)、20…固定スクロールの基部、20a…固定スクロールのラップ形成面、21…固定スクロールの渦巻きラップ、22…導入孔、23a,23b,24a,24b…挿入孔、25…第1容積室、26…第2容積室(作動室)、27…第3容積室(作動室)、28a,28b,29a,29b…連通溝、30…旋回スクロールの基部、31…旋回スクロールの渦巻きラップ、40…制御部、61a,61b,62a,62b…凹部
Claims (10)
- 基部に渦巻きラップが形成された固定スクロール及び旋回スクロールを備え、前記固定スクロールの渦巻きラップと前記旋回スクロールの渦巻きラップとの間に、高圧側の作動流体を取り込んだ密閉空間としての作動室を形成し、当該作動室内で前記作動流体が膨張することによって前記旋回スクロールが旋回すると共に当該作動室が容積を増加させながら移動し、膨張後の作動流体を低圧側に排出するスクロール膨張機であって、
前記作動室を形成する前記旋回スクロールの旋回位置が変更可能に構成されている、スクロール膨張機。 - 前記固定スクロールの前記基部のほぼ中央に形成され、前記高圧側の作動流体を導入するための導入孔と、
前記固定スクロールの基部に形成された一対の挿入孔に挿入され、引き込み作動時に前記固定スクロールの基部の前記渦巻きラップが形成されたラップ形成面に一対の凹部を形成する一対のピン部材と、
前記固定スクロールの前記基部の前記ラップ形成面に形成され、前記一対の凹部と前記導入孔とを連通する一対の連通溝と、
を有し、
前記一対のピン部材を引き込み作動させることにより、前記作動室を形成する前記旋回スクロールの旋回位置を変更する、請求項1に記載のスクロール膨張機。 - 前記一対の凹部は、前記旋回スクロールが第1旋回位置にあるときに少なくともその一部が前記旋回スクロールの前記渦巻きラップから露出する一方、前記旋回スクロールが前記第1旋回位置とは異なる第2旋回位置にあるときに、前記旋回スクロールの前記渦巻きラップによって閉塞される位置に形成され、
前記一対のピン部材を引き込み作動させることにより、前記作動室を形成する前記旋回スクロールの旋回位置を前記第1旋回位置から前記第2旋回位置へと変更する、請求項2に記載のスクロール膨張機。 - 前記旋回スクロールが前記第1旋回位置にあるときに、前記固定スクロールの前記渦巻きラップの中央先端部及び前記旋回スクロールの前記渦巻きラップの中央先端部が相手側の前記渦巻きラップの内側壁にそれぞれ接触する、請求項3に記載のスクロール膨張機。
- 前記固定スクロールの基部に形成された第2の一対の挿入孔に挿入され、引き込み作動時に前記固定スクロールの前記基部の前記ラップ形成面に第2の一対の凹部を形成する第2の一対のピン部材と、
前記固定スクロールの前記基部の前記ラップ形成面に形成され、前記第2の一対の凹部と前記導入孔とを連通する第2の一対の連通溝と、
をさらに有し、
前記一対のピン部材を引き込み作動させると共に前記第2の一対のピン部材を引き込み作動させることにより、前記作動室を形成する前記旋回スクロールの旋回位置をさらに変更する、請求項2〜4のいずれか一つに記載のスクロール膨張機。 - 前記第2の一対の凹部は、前記旋回スクロールが前記第1旋回位置にあるとき及び前記第2旋回位置にあるときに少なくともその一部が前記旋回スクロールの前記渦巻きラップから露出する一方、前記旋回スクロールが前記第1、第2旋回位置とは異なる第3旋回位置にあるときに、前記旋回スクロールの前記渦巻きラップによって閉塞される位置に形成され、
前記一対のピン部材及び前記第2の一対のピン部材を引き込み作動させることにより、前記作動室を形成する前記旋回スクロールの旋回位置を前記第1旋回位置又は前記第2旋回位置から前記第3旋回位置へと変更する、請求項5に記載のスクロール膨張機。 - 前記ピン部材は弾性部材によって付勢されており、
前記挿通孔の前記ピン部材の後端側に前記低圧側の圧力を導入することにより、前記ピン部材を引き込み作動させる、請求項2〜6のいずれか一つに記載のスクロール膨張機。 - 前記ピン部材は弾性部材によって付勢されており、
電磁ソレノイド式のアクチュエータを備え、
前記アクチュエータへの通電によって前記ピン部材を引き込み作動させる、請求項2〜6のいずれか一つに記載のスクロール膨張機。 - 前記高圧側の圧力に基づいて、前記作動室を形成する前記旋回スクロールの旋回位置を変更する、請求項1〜8のいずれか一つに記載のスクロール膨張機。
- 前記高圧側の作動流体と前記低圧側の作動流体との密度比に基づいて、前記作動室を形成する前記旋回スクロールの旋回位置を変更する、請求項1〜8のいずれか一つに記載のスクロール膨張機。
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