JP2014077353A - スクロール膨張機及びこのスクロール膨張機を備えた冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スラスト力を軽減しながら圧縮機構側から膨張機構側への熱リークを抑制し、広い運転条件で高効率なスクロール膨張機を提供する。
【解決手段】スクロール膨張機１は、密閉容器１０の外部からの液冷媒をサブ圧縮室６ａにインジェクション可能な液インジェクションポート９３を第２固定スクロールである固定スクロール６１に設けている。揺動スクロール５２に作用するスラスト荷重の低減を可能にしつつ、サブ圧縮室への液インジェクションによって圧縮ガスが冷却され、揺動スクロールの台板６１ａを経由したサブ圧縮機構側から膨張機構側への熱リークが抑制できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷媒を膨張させて動力を回収するスクロール膨張機及びこのスクロール膨張機を備えた冷凍サイクル装置に関し、特に２つに分割された揺動スクロールを背面合わせにして一方に膨張機構を、他方に圧縮機構を有するスクロール膨張機及びこのスクロール膨張機を備えた冷凍サイクル装置に関するものである。

従来から、冷媒の膨張時に発生する動力を回収し、その動力を用いて冷媒の圧縮に利用するようにしたスクロール膨張機が開示されている。そのようなものとして、台板の両面に第１渦巻歯及び第２渦巻歯を有する揺動スクロールと、揺動スクロールの第１渦巻歯と第１固定スクロールの渦巻歯とを組み合わせて圧縮室を形成し、外周部に吸入口を、中央部に吐出口を設けた圧縮機構と、揺動スクロールの第２渦巻歯と第２固定スクロールの渦巻歯とを組み合わせて膨張室を形成し、中央部に吸入口を、外周部に吐出口を設けた膨張機構とを備え、揺動スクロールに作用するスラスト力の軽減を図るようにしたものが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

また、圧縮機構と膨張機構とをモーターに対して一軸に直結した膨張機において、凝縮器出口で分岐させた液冷媒を圧縮機構の中間圧部にインジェクションし、暖房能力の向上や吐出ガス過熱度の調整を図るようにしたものが提案されている（たとえば、特許文献２参照）。

さらに、圧縮機構と膨張機構とをモーターに対して一軸に直結した膨張機（圧縮膨張ユニット）において、膨張機構の下流側に設けた気液分離器で分離された冷媒ガスを圧縮機構の圧縮途中にインジェクションする回路を設け、膨張機構には全量の冷媒を流し、膨張動力を無駄にバイパスすることなく膨張機構側と圧縮機構側との流量バランスを図るようにしたものが提案されている（例えば、特許文献３参照）。

特開平０３−５９３５５号公報（第４頁〜第５頁、第１図、第２図） 特開２００９−５２７５２（第３頁〜第４頁、第１図、第３図） 特開２００６−２８４０８６（第５頁〜第１１頁、第１図）

特許文献１に記載されているような、２つの揺動スクロールを背面合わせにして一方に膨張機構を、他方に圧縮機構を有し、膨張機構と圧縮機構とを一体化したスクロール膨張機においては、揺動スクロールが駆動手段によって公転すると、圧縮機構側では外周部の吸入口から流入した低温低圧の流体が高温高圧まで圧縮され、中央部の吐出口から吐出される。一方、膨張機構側では圧縮機を経て熱交換器で冷却され、中央部の吸入口から流入した低温高圧の流体が、低温低圧まで膨張され、外周部の吐出口から吐出される。このようなスクロール膨張機では、圧縮機構の中央部が高温、膨張機構の中央部が低温になると、揺動スクロールの台板を経由して圧縮機構側から膨張機構側に熱リークが生じ、冷凍能力が低下してしまうという課題があった。

また、特許文献２や特許文献３に記載されているような、圧縮機構と膨張機構とをモーターに対して一軸に直結した膨張機においては、圧縮機構側から膨張機構側への熱リークは小さいものの、揺動スクロールに作用するスラスト力を軽減できず、揺動スクロールの支持部の信頼性が低下してしまうという課題があった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、スラスト力を軽減しながら圧縮機構側から膨張機構側への熱リークを抑制し、広い運転条件で高効率なスクロール膨張機及びこのスクロール膨張機を備えた冷凍サイクル装置を得ることを目的としている。

本発明に係るスクロール膨張機は、第１揺動スクロールと第１固定スクロールとで膨張室を形成し、前記膨張室に吸入した冷媒を膨張させて動力を回収する膨張機構と、前記第１揺動スクロールと一体的に構成された第２揺動スクロールと第２固定スクロールとでサブ圧縮室を形成し、前記サブ圧縮室に吸入した冷媒を前記膨張機構で回収した動力を利用して圧縮するサブ圧縮機構と、前記膨張機構及び前記サブ圧縮機構を収容する密閉容器と、を有するスクロール膨張機であって、前記密閉容器外からの液冷媒を前記サブ圧縮室にインジェクション可能な液インジェクションポートを前記第２固定スクロールに設けていることを特徴とする。

本発明に係る冷凍サイクル装置は、上記のスクロール膨張機と、主圧縮機と、ガスクーラーと、絞り装置と、蒸発器と、を有し、前記サブ圧縮機構を、前記主圧縮機の吐出側に接続し、前記膨張機構を、前記絞り装置を並列となるように前記ガスクーラーと前記蒸発器との間に接続したことを特徴とする。
また、本発明に係る冷凍サイクル装置は、上記のスクロール膨張機と、主圧縮機と、ガスクーラーと、絞り装置と、蒸発器と、を有し、前記サブ圧縮機構を、前記主圧縮機の吸入側に接続し、前記膨張機構を、前記絞り装置の下流側に接続したことを特徴とする。

本発明に係るスクロール膨張機によれば、凝縮器出口と連通する液インジェクション管がサブ圧縮室に連通する液インジェクションポートに連結されるので、揺動スクロールに作用するスラスト荷重の低減を可能にしつつ、サブ圧縮室への液インジェクションによって圧縮ガスが冷却され、揺動スクロールの台板を経由したサブ圧縮機構側から膨張機構側への熱リークが抑制できる。

本発明に係る冷凍サイクル装置によれば、上記のスクロール膨張機を備えているので、サイクル効率のよい運転が実現できる。

本発明の実施の形態１に係るスクロール膨張機の構成を示す概略縦断面図である。 図１に示すサブ圧縮機構の固定スクロールの上面図（ａ）と断面図（ｂ）である。 図１に示す膨張機構のリアフランジの上面図（ａ）と断面図（ｂ）である。 本発明の実施の形態１に係るスクロール膨張機を用いた冷凍サイクル装置の基本構成を模式的に示す回路図である。 本発明の実施の形態１に係るスクロール膨張機の膨張機構及びサブ圧縮機構を模式的に示す概略断面図である。 本発明の実施の形態１に係るスクロール膨張機を用いた冷凍サイクル装置における冷媒の状態量変化を示すモリエル線図である。 サブ圧縮機構から膨張機構への熱リークが大きいときの冷凍サイクル装置における冷媒の状態量変化を示すモリエル線図である。 本発明の実施の形態２に係るスクロール膨張機のサブ圧縮機構の固定スクロールの上面図（ａ）と断面図（ｂ）である。 本発明の実施の形態３に係る冷凍サイクル装置の基本構成を模式的に示す回路図である。 本発明の実施の形態４に係る冷凍サイクル装置の基本構成を模式的に示す回路図である。 本発明の別の実施の形態に係るスクロール膨張機の構成を示す概略縦断面図である。

以下、本発明に係るスクロール膨張機の実施の形態について図面に基づいて説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係るスクロール膨張機１の構成を示す概略縦断面図である。図２は、図１に示すサブ圧縮機構６の固定スクロール６１の上面図（ａ）と断面図（ｂ）である。図３は、図１に示すリアフランジ９０の上面図（ａ）と断面図（ｂ）である。図１に基づいて、スクロール膨張機１の構成及び作用について説明する。なお、図１を含め、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。また、図１を含め、以下の図面において、同一の符号を付したものは、同一又はこれに相当するものであり、このことは明細書の全文において共通することとする。さらに、図２（ｂ）の断面図は図２（ａ）のＡ−Ａ断面を表している。

本発明の実施の形態１に係るスクロール膨張機１は、密閉容器１０内にスクロール型の膨張機構と圧縮機構とを備え、膨張機構で冷媒を膨張させ、その時に発生する動力を回収し、回収した膨張動力を利用して圧縮機構で冷媒を圧縮する機能を有するものである。このスクロール膨張機１は、図１に示すように、膨張機構５と、サブ圧縮機構６と、を備えている。膨張機構５及びサブ圧縮機構６は、圧力容器である密閉容器１０内に収容されている。なお、図１に示すように、膨張機構５は密閉容器１０内の下方に設置されており、サブ圧縮機構６は密閉容器１０内の上方、つまり膨張機構５の上方に設置されている。

膨張機構５は、台板５１ａ上に渦巻歯５１ｃが形成された固定スクロール５１（第１固定スクロール）と、台板５２ａ上に渦巻歯５２ｃが形成された揺動スクロール５２（第１揺動スクロール）とを有している。図１に示すように、固定スクロール５１は下側に、揺動スクロール５２は上側に配置されている。固定スクロール５１の渦巻歯５１ｃは、台板５１ａの一方の面に渦巻状突起として立設されている。揺動スクロール５２の渦巻歯５２ｃは、台板５２ａの一方の面に渦巻状突起として立設されている。

そして、固定スクロール５１の渦巻歯５１ｃと揺動スクロール５２の渦巻歯５２ｃとは、互いに咬合するように配置されている。固定スクロール５１の渦巻歯５１ｃと揺動スクロール５２の渦巻歯５２ｃとが互いに咬合するように配置されることによって、相対的に容積が変化する膨張室５ａが形成される。なお、固定スクロール５１及び揺動スクロール５２の略中央部には、後述する軸８を貫通させる貫通穴がそれぞれ形成されている。

サブ圧縮機構６は、台板６１ａ上に渦巻歯６１ｃが形成された固定スクロール６１（第２固定スクロール）と、台板６２ａ上に渦巻歯６２ｃが形成された揺動スクロール６２（第２揺動スクロール）とを有している。図１に示すように、固定スクロール６１は上側に、揺動スクロール６２は下側で、かつ、揺動スクロール５２の上側に配置されている。固定スクロール６１の渦巻歯６１ｃは、台板６１ａの一方の面に渦巻状突起として立設されている。また、揺動スクロール６２の渦巻歯６２ｃは、台板６２ａの一方の面に渦巻状突起として立設されている。

そして、固定スクロール６１の渦巻歯６１ｃと揺動スクロール６２の渦巻歯６２ｃとは、互いに咬合するように配置されている。固定スクロール６１の渦巻歯６１ｃと揺動スクロール６２の渦巻歯６２ｃとが互いに咬合するように配置されることによって、相対的に容積が変化するサブ圧縮室６ａが形成される。なお、固定スクロール６１及び揺動スクロール６２の略中央部には、後述する軸８を貫通させる貫通穴がそれぞれ形成されている。

固定スクロール６１の台板６１ａは、後述する軸８を貫通させる貫通穴の周辺、つまり略中央部を背面（紙面上側面）に突出させた軸受部６１ｂを有している（図２（ｂ）参照）。そして、軸受部６１ｂをリアフランジ９０の略中央部に設けた貫通穴９６に内包・嵌合させるようになっている（図３参照）。すなわち、固定スクロール６１は、台板６１ａとリアフランジ９０とは、軸受部６１ｂが貫通穴９６に内包・嵌合されるように組み合わされて構成されている。また、固定スクロール６１の台板６１ａにおける軸受部６１ｂの外周面側の上面には、たとえば平面リング状となる冷却溝（冷却空間）９１を設けている。この冷却溝９１は、切欠溝として形成されている。

ここで、膨張機構５の揺動スクロール５２と、サブ圧縮機構６の揺動スクロール６２とは、背面合わせ構造または台板を共有して一体的に構成されている。

膨張機構５の固定スクロール５１及び揺動スクロール５２、サブ圧縮機構６の固定スクロール６１及び揺動スクロール６２の各中央部には貫通穴が形成されており、これらの貫通穴に軸８が貫通するように設けられている。この軸８は、膨張機構５の固定スクロール５１及びサブ圧縮機構６の固定スクロール６１それぞれの中央部に形成された軸受部５１ｂ、軸受部６１ｂによって、回転自由に両持ち支持されている。また、揺動スクロール５２、揺動スクロール６２の中央部には、揺動スクロール５２、揺動スクロール６２を偏心駆動するクランク部８ｂ（揺動軸）が設けられ、軸８の回転動作に伴って揺動スクロール５２、揺動スクロール６２が揺動運動できるようになっている。

膨張機構５には、冷媒を吸入する膨張吸入管１３と、膨張した冷媒を吐出する膨張吐出管１５とが接続されている。膨張吸入管１３は、たとえば膨張機構５の外周側において、密閉容器１０の側面に設置されており、固定スクロール５１の台板５１ａに設けられた膨張吸入ポート５１ｄを介して膨張機構５の中央側における膨張室５ａに連通している。なお、膨張吸入ポート５１ｄは、固定スクロール５１の台板５１ａの内部を貫通するように形成されている。

膨張吐出管１５は、たとえばサブ圧縮機構６の外周側において、密閉容器１０の側面に設置されており、固定スクロール６１の台板６１ａに設けられた膨張吐出ポート５１ｅを介して膨張機構５の揺動スクロール５２及びサブ圧縮機構６の揺動スクロール６２の外周側に形成された圧力空間となる揺動スクロール運動空間７１に連通している。なお、膨張吐出ポート５１ｅは、固定スクロール６１の台板６１ａの内部を貫通するように形成されている。

よって、膨張吸入管１３及び膨張吸入ポート５１ｄを介し膨張機構５の中央側の膨張質５ａに吸入され、膨張機構５で膨張減圧された冷媒は、膨張機構５の最外周部に位置する膨張室５ａから揺動スクロール運動空間７１に吐出され、さらに膨張吐出ポート５１ｅを経て、膨張吐出管１５から外部に吐出される。揺動スクロール運動空間７１は、たとえば膨張機構５の固定スクロール５１の台板５１ａの外周部に設けられた環状凸部５１ｆと、サブ圧縮機構６の固定スクロール６１の台板６１ａの外周部に設けられた環状凸部６１ｆとを突き合わせ、この突き合わされた環状凸部５１ｆ及び環状凸部６１ｆの内壁と、膨張機構５の揺動スクロール５２の台板５２ａ及びサブ圧縮機構６の揺動スクロール６２の台板６２ａとで囲んで形成するとよい。

サブ圧縮機構６には、冷媒を吸入するサブ圧縮吸入管１２と、圧縮された冷媒を吐出するサブ圧縮吐出管１４とが接続されている。サブ圧縮吸入管１２は、たとえば密閉容器１０の側面に設置されており、さらにサブ圧縮機構６の固定スクロール６１の台板６１ａに設けられたサブ圧縮吸入ポート６１ｄを介してサブ圧縮機構６の外周部におけるサブ圧縮室６ａに連通している。なお、サブ圧縮吸入ポート６１ｄは、固定スクロール６１の台板６１ａに貫通するように形成されている。

サブ圧縮吐出管１４は、たとえば密閉容器１０の上部側面に設置されている。このサブ圧縮吐出管１４は、サブ圧縮機構６の固定スクロール６１より上方に形成された密閉容器１０内の上部空間７０に連通している。また、サブ圧縮機構６の固定スクロール６１の台板６１ａには、圧縮された冷媒を上部空間７０に吐出するためのサブ圧縮吐出ポート６１ｅが形成されている。さらに、サブ圧縮吐出ポート６１ｅの上部空間７０側の先端部には吐出弁３０が設けられている。この吐出弁３０は、開閉することでサブ圧縮吐出ポート６１ｅと上部空間７０とを連通・遮断するようになっている。

よって、サブ圧縮吸入管１２及びサブ圧縮吸入ポート６１ｄを介してサブ圧縮機構６の外周側のサブ圧縮室６ａに吸入され、サブ圧縮機構６で圧縮昇圧された冷媒は、サブ圧縮機構６の中央部におけるサブ圧縮室６ａからサブ圧縮吐出ポート６１ｅを経て、上部空間７０に吐出され、さらにサブ圧縮吐出管１４を経て外部に吐出される。

サブ圧縮機構６の渦巻歯６１ｃ、渦巻歯６２ｃの先端面にはチップシール溝（図示省略）が形成され、このチップシール溝にサブ圧縮室６ａを仕切るチップシール２１が装着されている。また、膨張機構５の渦巻歯５１ｃ、渦巻歯５２ｃの先端面にもチップシール溝（図５参照）が形成され、このチップシール溝に膨張室５ａを仕切るチップシール２２が装着されている。サブ圧縮機構６においては、固定スクロール６１における揺動スクロール５２に対向する面であって渦巻歯６１ｃの外周側に環状の外周シール溝（図示省略）が形成され、この外周シール溝に揺動スクロール６２と固定スクロール６１との摺接面をシールする外周シール２３が装着されている。

サブ圧縮機構６の固定スクロール６１と揺動スクロール６２との間には、揺動スクロール５２及び揺動スクロール６２の自転運動を規制し、公転運動を可能とするためのオルダムリング７が設けられている。また、揺動スクロール５２、揺動スクロール６２が公転運動（揺動運動）することによって発生する遠心力を相殺するために、軸８の両端部には、バランスウェイト９ａ、バランスウェイト９ｂが取り付けられている。

また、密閉容器１０の内部には、冷凍機油等の潤滑油８０を貯留する下部空間７２が形成されている。そして、軸８の下端部には、潤滑油８０を汲み上げるための給油ポンプ８１が取り付けられている。軸８には、軸長方向に貫通するように延びる給油孔８ｃと、給油孔８ｃに連通し固定スクロール６１の軸受部６１ｂの側面に向けて一端が開口する横向きの給油孔８ｄと、給油孔８ｄの他端に連通し、軸８の中心部を上端まで貫通するように延びるガス抜き孔８ｅとが設けられている。

さらに、固定スクロール６１の外周部に設けた環状凸部６１ｆ及び固定スクロール５１の外周部に設けた環状凸部５１ｆには、それぞれ油戻し孔１７が貫通形成されている。この油戻し孔１７は、上部空間７０と下部空間７２とを連通させている。なお、油戻し孔１７は、揺動スクロール運動空間７１を経由しないように設けられている。環状凸部６１ｆ及び環状凸部５１ｆのそれぞれに油戻し孔１７を形成することにより、上部空間７０と下部空間７２とが連通することになり、上部空間７０から下部空間７２に油を戻すことが可能な構成となっている。なお、図示はしていないが、リアフランジ９０にも油戻し孔１７が形成されている。

よって、給油ポンプ８１で汲み上げられた潤滑油８０は、給油孔８ｃを上昇して横向きの給油孔８ｄからサブ圧縮機構６の固定スクロール６１の軸受部６１ｂに供給されるとともに、固定スクロール６１の下方に設けられている揺動スクロール６２及び揺動スクロール５２の偏心軸受部６２ｂ、固定スクロール５１の軸受部５１ｂにも順次流下して供給されることになる。そして、潤滑油８０を含有するガスが、ガス抜き孔８ｅを通って上部空間７０へ流出し、油戻し孔１７を経由して下部空間７２へ流入する。

上述した固定スクロール６１の台板６１ａに形成した冷却溝９１には液インジェクション管１８が連通している。また、固定スクロール６１は、軸受部６１ｂを内包・嵌合させる貫通穴９６が形成されたリアフランジ９０を有しており、リアフランジ９０には貫通穴９６の他に冷却溝９１と液インジェクション管１８とを連通させるインジェクション流路となる連通穴９５が貫通形成されている（図１、図３参照）。そして、リアフランジ９０は、台板６１ａの上面（背面）に形成された冷却溝９１を覆うように設置している。

液インジェクション管１８は、回路側から高圧の液冷媒を連通穴９５、冷却溝９１及び液インジェクションポート９３を介してサブ圧縮室６ａにインジェクションするものである。つまり、液インジェクション管１８は、連通穴９５を介して冷却溝９１に連結している。液インジェクションポート９３は、固定スクロール６１の台板６１ａに貫通形成され、冷却溝９１とサブ圧縮室６ａとを連通させるものである。なお、液インジェクションポート９３を２箇所設けているのは、対称に形成される２つのサブ圧縮室６ａ内に液冷媒を流入させるためである。

また、冷却溝９１と上部空間７０とを区画するために、台板６１ａの上面とリアフランジ９０の下面との間には内周シール９２ａ及び外周シール９２ｂを設けている。内周シール９２ａ及び外周シール９２ｂは、台板６１ａの上面にリング状に形成されたシール収容溝１０２ａ及び１０２ｂに設置するとよい。なお、冷却溝９１及びシール収容溝１０２（シール収容溝１０２ａ、シール収容溝１０２ｂ）を台板６１ａの上面に形成した場合を例に示しているが、リアフランジ９０の下面に形成するようにしてもよいことは言うまでもない。

次に、実施の形態１に係るスクロール膨張機１の動作について説明する。
膨張機構５においては、固定スクロール５１の渦巻歯５１ｃと揺動スクロール５２の渦巻歯５２ｃとで形成される膨張室５ａ内で、膨張吸入管１３から吸入した高圧の冷媒が膨張することによって動力が発生する。膨張室５ａ内で膨張減圧した冷媒は、一旦揺動スクロール運動空間７１に吐出された後、膨張吐出ポート５１ｅを経て、膨張吐出管１５から密閉容器１０外へ吐出される。

膨張機構５で発生した動力は軸８を介してサブ圧縮機構６に伝達される。つまり、膨張機構５で発生した動力によって、サブ圧縮機構６の揺動スクロール６２が回転される。そうすると、固定スクロール６１の渦巻歯６１ｃと揺動スクロール６２の渦巻歯６２ｃとで形成されるサブ圧縮室６ａ内で、サブ圧縮吸入管１２から吸入した冷媒が圧縮昇圧される。サブ圧縮室６ａ内で圧縮昇圧された冷媒は、サブ圧縮吐出ポート６１ｅから吐出弁３０を経て、一旦密閉容器１０内の上部空間７０に吐出された後、サブ圧縮吐出管１４を通って密閉容器１０外へ吐出される。

ここで、実施の形態１に係るスクロール膨張機１を用いた冷凍サイクル装置１００について説明する。図４は、スクロール膨張機１を用いた冷凍サイクル装置１００の基本構成を模式的に示す回路図である。この冷凍サイクル装置１００は、冷媒を循環させることで冷房運転または暖房運転を実行できるものである。この冷凍サイクル装置１００に用いられる冷媒としては、二酸化炭素のような高圧側が超臨界となる冷媒を用いることを想定している。

冷凍サイクル装置１００は、スクロール膨張機１の他に、主圧縮機１１、ガスクーラー（放熱器）２、膨張弁３及び蒸発器４が配管接続されて搭載されている。スクロール膨張機１の膨張機構５が駆動するサブ圧縮機構６の前段（上流側）には、主圧縮機１１の電動機構１１ｂが駆動する主圧縮機構１１ａが接続されており、主圧縮機構１１ａの前段（上流側）には、冷媒を加熱する蒸発器４が接続されている。すなわち、スクロール膨張機１のサブ圧縮機構６が主圧縮機１１の主圧縮機構１１ａの吐出側に接続されている。

一方、サブ圧縮機構６の後段（下流側）には、冷媒を冷却するガスクーラー２が接続されており、ガスクーラー２の後段（下流側）には、スクロール膨張機１の膨張機構５と膨張弁３（絞り装置）とが並列となるように接続されている。なお、図示は省略するが、スクロール膨張機１のサブ圧縮機構６を主圧縮機１１の主圧縮機構１１ａの吸入側に接続してもよい。

主圧縮機１１は、主圧縮機構１１ａ及び電動機構１１ｂを有し、冷媒を吸入し、その冷媒を圧縮して高温・高圧の状態にするものであり、たとえば容量制御可能なインバータ圧縮機などで構成するとよい。ガスクーラー２は、図示省略のファン等の送風機から強制的に供給される空気と冷媒との間で熱交換を行なうものである。膨張弁３は、冷媒を減圧して膨張させるものであり、開度が可変に制御可能なもの、たとえば電子式膨張弁等で構成するとよい。蒸発器４は、図示省略のファン等の送風機から強制的に供給される空気と冷媒との間で熱交換を行なうものである。

冷凍サイクル装置１００の動作を説明する。
主圧縮機１１の主圧縮機構１１ａが電動機構１１ｂによって駆動されると、主圧縮機構１１ａで冷媒が昇圧される。昇圧された冷媒は、主圧縮機１１から吐出され、スクロール膨張機１のサブ圧縮機構６に流入し、サブ圧縮機構６によって、さらに昇圧される。サブ圧縮機構６で昇圧された冷媒は、サブ圧縮機構６から吐出され、ガスクーラー２に流入する。ガスクーラー２に流入した冷媒は、ガスクーラー２で冷却された後、その一部がスクロール膨張機１の膨張機構５に送られ、膨張減圧される。

一方、ガスクーラー２で冷却された残りの冷媒は、膨張弁３に送られ、膨張減圧される。膨張弁３は、膨張機構５を通過する流量の調整及び起動時における差圧の確保のため、スクロール膨張機１の膨張機構５と並列となるように設けられている。膨張機構５において、冷媒が等エントロピー的に膨張することによって、軸８を介して膨張機構５からサブ圧縮機構６に膨張動力が伝えられ、サブ圧縮仕事として用いられる。膨張機構５で膨張した冷媒は、蒸発器４で加熱された後、再び主圧縮機１１の主圧縮機構１１ａに戻る。

図５は、スクロール膨張機１の膨張機構５及びサブ圧縮機構６を模式的に示す概略断面図である。図５に基づいて、揺動スクロール５２、揺動スクロール６２に作用する圧力について説明する。図５に示す矢印は、低圧Ｐｌを基準として揺動スクロール５２、揺動スクロール６２に作用する軸方向差圧力の分布を表している。また、Ｐｈが高圧を、Ｐｍが中間圧を、Ｐｌが低圧を、それぞれ示している。図１では、膨張機構５にチップシールを図示していないが、図５に示すように膨張機構５にもチップシールが設けられている。

スクロール膨張機１においては、膨張機構５は高圧Ｐｈから低圧Ｐｌまでの膨張過程を担い、サブ圧縮機構６は中間圧Ｐｍから高圧Ｐｈまでの圧縮過程を担う。このため、揺動スクロール５２、揺動スクロール６２においては、中央部の膨張室５ａ及び中央部のサブ圧縮室６ａの双方に高圧Ｐｈが作用し、外周部の膨張室５ａには低圧Ｐｌが、外周部のサブ圧縮室６ａには中間圧Ｐｍが作用することになる。

サブ圧縮機構６で圧縮された冷媒は、サブ圧縮吐出ポート６１ｅから吐出弁３０を経て、密閉容器１０内の上部空間７０に吐出された後、密閉容器１０の外部へ吐出される。そして、下部空間７２は、揺動スクロール運動空間７１を経由しない油戻し孔１７を通じて上部空間７０と同じ圧縮後の圧力となる。なお、上述したが、油戻し孔１７は、リアフランジ９０、固定スクロール６１の台板６１ａの外周部に設けた環状凸部６１ｆ及び固定スクロール５１の台板５１ａの外周部に設けた環状凸部５１ｆに貫通形成されている。

一方、膨張機構５で膨張された冷媒は、揺動スクロール運動空間７１に開放され、膨張吐出管１５を経て、密閉容器１０の外部へ吐出される。揺動スクロール運動空間７１と中間圧Ｐｍとなるサブ圧縮機構６の外周部は、外周シール２３によってシールされており、揺動スクロール運動空間７１内は膨張後の圧力となっている。

揺動スクロール５２、揺動スクロール６２の中央部の差圧力は、膨張機構５側もサブ圧縮機構６側もＰｈ−Ｐｌで等しい。しかしながら、揺動スクロール５２、揺動スクロール６２の外周部の差圧力は、膨張機構５側では０となり、サブ圧縮機構６側ではＰｍ−Ｐｌとなる。揺動スクロール５２、揺動スクロール６２はネジ等で一体化されており、揺動スクロール５２、揺動スクロール６２に作用するスラスト荷重Ｆは、この差圧力を積分して求められる。サブ圧縮機構６に設けられた外周シール２３の直径及び断面径の大きさを調整することで、揺動スクロール５２、揺動スクロール６２に作用するスラスト荷重Ｆが過大とならないように調整することが可能である。

図６は、スクロール膨張機１を用いた冷凍サイクル装置１００における冷媒の状態量変化を示すモリエル線図である。図６において、縦軸は圧力Ｐを、横軸はエンタルピーｈを、破線は等温線を、それぞれ表している。

図６に示すように、ガスクーラー２で熱交換することによって、点ｄから点ｃまで冷却された冷媒は、膨張弁３のような絞りによる減圧機構では点ｃ→点ｂ’のように等エンタルピー的に膨張する。これに対して、膨張機構５では、等エントロピー的に膨張することによって点ｃから点ｂのように冷媒を膨張する。このため、点ｂ’でのエンタルピーｈｂ’と点ｂでのエンタルピーｈｂの差ｈｂ’−ｈｂ分だけ、膨張動力として回収することが可能となる。スクロール膨張機１で膨張された後、蒸発器４で熱交換され、点ｂから点ａまで加熱された冷媒ガスは、主圧縮機１１の主圧縮機構１１ａで点ａから点ｄ’まで圧縮された後、スクロール膨張機１のサブ圧縮機構６で点ｄ’から点ｄまで圧縮される。

上記のように、冷凍サイクル装置１００においては、主圧縮機１１の主圧縮機構１１ａで冷凍サイクルの圧縮過程の一部を担い、スクロール膨張機１のサブ圧縮機構６で圧縮過程の残りの一部を担っている。サブ圧縮機構６におけるエンタルピー差ｈｄ−ｈｄ’分の圧縮動力は、ｈｂ’−ｈｂ分の回収動力によって賄われることになる。

ここで、図６中の点ｂ、点ｃ、点ｄ、点ｄ’の温度をそれぞれＴｂ、Ｔｃ、Ｔｄ、Ｔｄ’とすると、Ｔｂ＜Ｔｃ＜Ｔｄ’＜Ｔｄとなる。すなわち、膨張機構５は低温のＴｃからＴｂに分布し、サブ圧縮機構６は高温のＴｄ’からＴｄに分布している。スクロール膨張機１は、サブ圧縮機構６と膨張機構５とを背面合わせで一体化しているため、サブ圧縮機構６から膨張機構５の温度差によって、揺動スクロール５２の台板５２ａ、揺動スクロール６２の台板６２ａを通って熱リークが生じる。また、膨張後の冷媒ガスが固定スクロール６１内に設けた膨張吐出ポート５１ｅを通過する際にも固定スクロール６１の台板６１ａとの温度差によって熱リークが生じる。

図７は、サブ圧縮機構６から膨張機構５への熱リーク量が大きいときの冷凍サイクル装置１００における冷媒の状態量変化を示すモリエル線図である。

図７に示すように、熱リークによって膨張機構５の温度が上昇すると、膨張機構５の吐出点が点ｂから点ｂｂに移動し、サブ圧縮機構６の吐出点が点ｄから点ｄｄへ移動する。すなわち、熱リークが小さいときに比べて、蒸発器４のエンタルピー差やガスクーラー２のエンタルピー差が縮小し、冷房能力や暖房能力が低下する。

そこで、スクロール膨張機１では、サブ圧縮機構６の固定スクロール６１とリアフランジ９０との間に液インジェクション管１８に接続する冷却溝９１を設け、さらに冷却溝９１にはサブ圧縮室６ａに連通する液インジェクションポート９３を設けている。液インジェクション管１８から流入した液冷媒は固定スクロール背面（上面）に設けた冷却溝９１を経由してからサブ圧縮室６ａ内にインジェクションされるので、サブ圧縮室６ａ内での液冷媒の蒸発による冷却だけでなく、冷却溝９１内で液冷媒による固定スクロール６１の冷却が行なわれる。

したがって、スクロール膨張機１によれば、固定スクロール６１の外周部に設けた膨張吐出ポート５１ｅを経由した熱リークを低減できとともに、液冷媒を多量に流入させても液冷媒の残留が少なく、液圧縮を生じにくくするので、冷却量そのものを大きくでき、さらに熱リークの低減が図れる。

なお、冷却溝９１の周囲に内周シール９２ａと外周シール９２ｂを設けているが、本実施の形態１では、仮に液冷媒が下流側の上部空間７０に漏れたとしてもサブ圧縮吐出ガスを冷却することになるので、サブ圧縮機の効率への影響はなく、液インジェクション流路を区画する程度のものである。よって、内周シール９２ａ及び外周シール９２ｂを省略することでコストダウンが図れる効果がある。また、サブ圧縮吐出温度が下がるため、ガスクーラー２の出入口エンタルピー差は縮小するが、冷媒循環量が液インジェクションによって増加するので暖房能力が低下することはない。

以上のような構成によれば、揺動スクロール５２、揺動スクロール６２に作用するスラスト荷重Ｆの低減が可能な背面合わせの構成でありながら、サブ圧縮機構６から膨張機構５への熱リーク量を抑制できるので、広い運転条件で能力低下の小さい高性能なスクロール膨張機を得ることができる。また、冷凍サイクル装置１００によれば、スクロール膨張機１を備えているので、サイクル効率のよい運転を実現することができる。

なお、実施の形態１では、揺動スクロール５２、揺動スクロール６２の中心部を軸８が貫通し、両持ち支持されて揺動運動する構成を示したが、揺動スクロール５２、揺動スクロール６２の外部に軸８を設ける外部駆動構成としてもよい。このような外部駆動構成とすれば、温度差の大きい中心部に冷却溝９１を設けることができるので、さらに冷却量を増大でき、熱リークを抑制できる効果がある。

実施の形態２．
図８は、本発明の実施の形態２に係るスクロール膨張機のサブ圧縮機構６の固定スクロール６１Ａの上面図（ａ）と断面図（ｂ）である。図８に基づいて、実施の形態２に係るスクロール膨張機のサブ圧縮機構６の固定スクロール６１Ａについて説明する。この実施の形態２に係るスクロール膨張機は、実施の形態１に係るスクロール膨張機１と同様にスクロール型の膨張機及び圧縮機を一体としたものであり、冷媒の膨張時に発生する膨張動力を回収し、回収した膨張動力を用いて冷媒を圧縮する機能を有しているものである。なお、実施の形態２では、実施の形態１と同一部分には同一符号を付し、実施の形態１との相違点を中心に説明するものとする。

実施の形態１に係るスクロール膨張機１ではリング状となるように冷却溝９１を形成したが、実施の形態２に係るスクロール膨張機ではリング状となるように冷却溝９１を形成するだけでなく、液インジェクションポート９３ごとに隔壁９４を設けて冷却溝９１内を区画するようにしている。加えて、実施の形態２に係るスクロール膨張機では、それぞれの液インジェクションポート９３から離れた位置、つまり区画された冷却溝９１の隔壁９４のそれぞれの近傍にインジェクション管１８（詳しくは連通穴９５）を複数設けるようにしている。これにより、図中の矢印で示すように液冷媒が固定スクロール６１の冷却溝９１の面内で偏流することなく流れ、伝熱面を大きくとれるので、冷却効果を更に向上できる。

なお、実施の形態２では、実施の形態１と同様に、揺動スクロール５２、揺動スクロール６２の中心部を軸８が貫通し、両持ち支持されて揺動運動する構成を想定して説明したが、揺動スクロール５２、揺動スクロール６２の外部に軸８を設ける外部駆動構成としてもよい。このような外部駆動構成とすれば、温度差の大きい中心部に冷却溝９１を設けることができるので、さらに冷却量を増大でき、熱リークを抑制できる効果がある。また、実施の形態２に係るスクロール膨張機を実施の形態１で説明した冷凍サイクル装置１００に適用可能であることは言うまでもない。

実施の形態３．
図９は、本発明の実施の形態３に係る冷凍サイクル装置１００Ａの基本構成を模式的に示す回路図である。この冷凍サイクル装置１００Ａは、冷凍サイクル装置１００と同様に、冷媒を循環させることで冷房運転または暖房運転を実行できるものである。この冷凍サイクル装置１００Ａに用いられる冷媒としては、二酸化炭素のような高圧側が超臨界となる冷媒を用いることを想定している。また、冷凍サイクル装置１００Ａには、実施の形態１又は実施の形態２に係るスクロール膨張機が搭載されている。

上述した冷凍サイクル装置１００では、スクロール膨張機１のサブ圧縮機構６が主圧縮機１１の主圧縮機構１１ａの吐出側に直列に接続されている状態を例に示したが、冷凍サイクル装置１００Ａでは、図９に示すように主圧縮機構１１ａの吐出側にサブ圧縮機構６と第２圧縮機２４とを並列に設けるようにしている。この構成においても、サブ圧縮機構６と膨張機構５の温度差が大きく、実施の形態１と同様に熱リークの低減を実現することができる。このような構成とすれば、スクロール膨張機１の設計点からずれた運転条件における流量変化分を第２圧縮機２４が吸収することで流量のマッチングが図れ、膨張動力の無駄を抑制でき、更に効率よい運転が実現可能になる。

実施の形態４．
図１０は、本発明の実施の形態４に係る冷凍サイクル装置１００Ｂの基本構成を模式的に示す回路図である。この冷凍サイクル装置１００Ｂは、冷凍サイクル装置１００及び冷凍サイクル装置１００Ａと同様に、冷媒を循環させることで冷房運転または暖房運転を実行できるものである。この冷凍サイクル装置１００Ｂに用いられる冷媒としては、二酸化炭素のような高圧側が超臨界となる冷媒を用いることを想定している。また、冷凍サイクル装置１００Ｂには、実施の形態１又は実施の形態２に係るスクロール膨張機が搭載されている。

上述した冷凍サイクル装置１００及び冷凍サイクル装置１００Ａでは、スクロール膨張機１を主圧縮機１１の高段側に配置する状態を例に示したが、冷凍サイクル装置１００Ｂでは、図１０に示すように主圧縮機構１１ａと並列に低段側に設けるようにしている。スクロール膨張機１を主圧縮機構１１ａと並列に低段側に配置した場合は、通常低い温度範囲で動作するため熱リークの影響は小さい。しかしながら、この実施例では、膨張機構５からの回収動力とサブ圧縮機側に分岐した流量とのバランスで昇圧量が決まり、運転条件によっては高圧まで上昇する場合があり、そのような条件に対して実施の形態３と同様の効果が得られる。

以上、実施の形態１〜４では、固定スクロール６１の台板６１ａに冷却溝９１を設けた場合を例に説明したが、図１１に示すように冷却溝９１を設けずに液インジェクション管１８から液インジェクションポート９３を介してサブ圧縮室６ａに直接インジェクションしてもよい。このようにスクロール膨張機１を構成すれば、実施の形態１〜４で説明したものに比べ、部品点数を更に削減できるという効果がある。

なお、上記実施の形態１〜４では、冷媒に二酸化炭素を使用した場合を例に説明したが、冷媒の種類を二酸化炭素に限定するものではない。超臨界状態となる冷媒としては、たとえば二酸化炭素とエーテル（たとえば、ジメチルエーテルやハイドロフルオロエーテル等）とから構成される混合冷媒等がある。

１ スクロール膨張機、２ ガスクーラー、３ 膨張弁、４ 蒸発器、５ 膨張機構、５ａ 膨張室、６ サブ圧縮機構、６ａ サブ圧縮室、７ オルダムリング、８ 軸、８ｂ クランク部、８ｃ 給油孔、８ｄ 給油孔、８ｅ ガス抜き孔、９ａ バランスウェイト、９ｂ バランスウェイト、１０ 密閉容器、１１ 主圧縮機、１１ａ 主圧縮機構、１１ｂ 電動機構、１２ サブ圧縮吸入管、１３ 膨張吸入管、１４ サブ圧縮吐出管、１５ 膨張吐出管、１７ 油戻し孔、１８ 液インジェクション管、２１ チップシール、２２ チップシール、２３ 外周シール、２４ 第２圧縮機、３０ 吐出弁、５１ 固定スクロール、５１ａ 台板、５１ｂ 軸受部、５１ｃ 渦巻歯、５１ｄ 膨張吸入ポート、５１ｅ 膨張吐出ポート、５１ｆ 環状凸部、５２ 揺動スクロール、５２ａ 台板、５２ｃ 渦巻歯、６１ 固定スクロール、６１Ａ 固定スクロール、６１ａ 台板、６１ｂ 軸受部、６１ｃ 渦巻歯、６１ｄ サブ圧縮吸入ポート、６１ｅ サブ圧縮吐出ポート、６１ｆ 環状凸部、６２ 揺動スクロール、６２ａ 台板、６２ｂ 偏心軸受部、６２ｃ 渦巻歯、７０ 上部空間、７１ 揺動スクロール運動空間、７２ 下部空間、８０ 潤滑油、８１ 給油ポンプ、９０ リアフランジ、９１ 冷却溝、９２ａ 内周シール、９２ｂ 外周シール、９３ 液インジェクションポート、９４ 隔壁、９５ 連通穴、９６ 貫通穴、１００ 冷凍サイクル装置、１００Ａ 冷凍サイクル装置、１００Ｂ 冷凍サイクル装置、１０２ａ シール収容溝、１０２ｂ シール収容溝。

Claims (9)

1. 第１揺動スクロールと第１固定スクロールとで膨張室を形成し、前記膨張室に吸入した冷媒を膨張させて動力を回収する膨張機構と、
   前記第１揺動スクロールと一体的に構成された第２揺動スクロールと第２固定スクロールとでサブ圧縮室を形成し、前記サブ圧縮室に吸入した冷媒を前記膨張機構で回収した動力を利用して圧縮するサブ圧縮機構と、
   前記膨張機構及び前記サブ圧縮機構を収容する密閉容器と、を有するスクロール膨張機であって、
   前記密閉容器外からの液冷媒を前記サブ圧縮室にインジェクション可能な液インジェクションポートを前記第２固定スクロールに設けている
   ことを特徴とするスクロール膨張機。
2. 前記第２固定スクロールの前記第２揺動スクロールとは反対側面にリアフランジを配し、
   前記第２の固定スクロールと前記リアフランジとの間に冷却空間を形成し、
   前記密閉容器外からの液冷媒を前記冷却空間に導く液インジェクション流路を前記リアフランジ内に設け、
   前記液インジェクションポートを前記冷却空間を介して前記インジェクション流路に連通させている
   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. 前記冷却空間は、
   前記第２固定スクロールの上面もしくは前記リアフランジの下面に形成した切欠溝である
   ことを特徴とする請求項２に記載のスクロール膨張機。
4. 前記冷却空間と前記密閉容器内の空間とを仕切るシール部材を前記冷却空間の周囲に設けている
   ことを特徴とする請求項２又は３に記載のスクロール膨張機。
5. 前記液インジェクションポートを複数設け、
   前記冷却空間に隔壁を設け、この冷却空間を前記液インジェクションポート毎に区画し、
   区画された前記冷却空間毎に前記液インジェクション流路を設けている
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のスクロール膨張機。
6. １つの冷却風路に連通している前記液インジェクションポート及び前記インジェクション流路のうち、
   前記液インジェクションポートを、前記冷却空間を構成している前記隔壁のうちの一方の近傍に設け、
   前記インジェクション流路を、前記冷却空間を構成している前記隔壁のうちの他方の近傍に設けている
   ことを特徴とする請求項５に記載のスクロール膨張機。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載のスクロール膨張機と、主圧縮機と、ガスクーラーと、絞り装置と、蒸発器と、を有し、
   前記サブ圧縮機構を、前記主圧縮機の吐出側に接続し、
   前記膨張機構を、前記絞り装置を並列となるように前記ガスクーラーと前記蒸発器との間に接続した
   ことを特徴とする冷凍サイクル装置。
8. 前記サブ圧縮機構と並列となるように前記主圧縮機の吐出側に第２圧縮機を設けた
   ことを特徴とする請求項７に記載の冷凍サイクル装置。
9. 請求項１〜６のいずれか一項に記載のスクロール膨張機と、主圧縮機と、ガスクーラーと、絞り装置と、蒸発器と、を有し、
   前記サブ圧縮機構を、前記主圧縮機の吸入側に接続し、
   前記膨張機構を、前記絞り装置の下流側に接続した
   ことを特徴とする冷凍サイクル装置。

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