JP2020041443A

JP2020041443A - スクロール膨張機

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Publication number: JP2020041443A
Application number: JP2018167732A
Authority: JP
Inventors: 新二川添; Shinji Kawazoe
Original assignee: Scroll Giken LLC
Current assignee: Scroll Giken LLC
Priority date: 2018-09-07
Filing date: 2018-09-07
Publication date: 2020-03-19
Anticipated expiration: 2038-09-07
Also published as: CN110886623A; CN110886623B; JP7063461B2

Abstract

【課題】本発明は、膨張機として最適な両回転型のスクロール型膨張機を提供することにある。【解決手段】本発明に係るスクロール型膨張機１は、駆動スクロール部材５，６と従動スクロール部材７とによって構成される膨張機構２をハウジング４内に具備し、前記駆動スクロール部材５，６のそれぞれの駆動側ラップ部５７，５８，６７，６８の外周部の所定の範囲の幅を厚くし、それに対応して従動スクロール部材７の従動側ラップ部７２，７３，７４，７５に対応する部分の幅も厚くしたことにある。また、前記駆動スクロール部材５，６は、前記駆動側鏡板５１，６１を薄く形成すると同時に駆動側鏡板５１，６１の背面側に複数の補強リブ５２，６２を有すると共に、前記回転軸５，６から径方向に延出する鍔部５３，６３を熱伝導率の低い材料で形成し、前記鍔部５３，６３で前記補強リブ５２，６２を覆うことにある。【選択図】図１

Description

この発明は、駆動スクロールと、この駆動スクロールの回転に伴って回転する従動スクロールによって構成され、流入する蒸気の膨張が駆動スクロール及び従動スクロールによって画成される空間の容積を変化させて駆動力を得るスクロール膨張機に関する。

特許文献１（特開２００２−１５６１６３号公報）は、圧縮機と、圧縮機により圧縮されたＣＯ２冷媒を凝縮させるガスクーラと、ガスクーラにおいて凝縮したＣＯ２冷媒を減圧する減圧手段と、該減圧手段により減圧されたＣＯ２冷媒を蒸発させるエバポレータとを備える空気調和装置において、減圧手段に、ＣＯ２冷媒を積極的に膨張、減圧させる膨張機を用いる空気調和装置を開示し、さらに膨張機としてスクロール膨張機を使用することを開示する。

特許文献２（特開２０１３−２２７９０６号公報）は、蒸気を膨張させるのに適した両回転型スクロール膨張機を開示する。特許文献１に開示されるスクロール膨張機は、第１駆動スクロール、第２駆動スクロール、従動スクロール、従動スクロールを回転可能に支持する支持する回転機構、並びに、第１駆動スクロール及び第２駆動スクロールと従動スクロールとを相対的に旋回可能に連結する旋回機構を有し、旋回機構は、第１駆動スクロールの第１駆動端板と回転機構の第１従動アームとの間及び第２駆動スクロールの第２駆動端板と回転機構の第２従動アームとの間にそれぞれ設けられる金属製の複数の旋回ピン、及び、旋回ピンの各々と対応して設けられて対応する旋回ピンが偏心して連結される金属製の複数の旋回ディスクを有する。特許文献１のスクロール膨張機では、旋回機構の旋回ピン及び旋回ディスクがそれぞれ金属製であって耐熱性が高いため、例えば水蒸気の膨張に適用されても長寿命であり、第１駆動スクロール及び第２駆動スクロールに対して従動スクロールが円滑に旋回するので、第１駆動軸から外部に出力される回転力が向上することが開示される。

特許文献３（特開２０１６−１６４３８１号公報）は、供給経路を流れる作動流体がスクロール膨張機に供給されてスクロール膨張機が駆動されることで、スクロール膨張機に接続された誘導発電機を駆動する動力発生装置が開示される。

特許文献４（特開２０１８−４４５４３号公報）に開示されるスクロール膨張機は、冷却風の吸気口が設けられると共に冷却風の排気口が設けられるハウジングと、ハウジングの内部に配置され、旋回側基板部の板面に渦巻状の旋回ラップが設けられてる旋回スクロールと、ハウジングの内部で旋回スクロールに対向配置され、固定側端板部の板面に旋回ラップと噛み合う渦巻状の固定ラップが設けられると共に、膨張させる流体として蒸気が導入される固定スクロールと、冷却風の排気温度を検出する排気温度センサと、排気温度センサで検出される排気温度の変化に基づいて異常を判定する判定部としての制御装置とを備えるものである。

特開２００２−１５６１６３号公報特開２０１３−２２７９０６号公報特開２０１６−１６４３８１号公報特開２０１８−４４５４３号公報

上述した特許文献に示されているように、スクロール型膨張機は、高圧の冷媒ガス、高圧水蒸気若しくは高圧空気等を、駆動スクロールと従動スクロールによって画成された空間の中央部分に導入し、容積の小さい中央部分の空間から容積の大きい定圧外周部の空間に移動膨張するときに回転軸を回転させ、膨張させると同時に動力源として利用可能となるものである。

近年、電気自動車等の普及により、冷凍サイクルの膨張手段として、単に膨張弁を用いるのではなく、膨張機を用いて膨張エネルギーを駆動エネルギーに変換し、さらに駆動エネルギーを電気エネルギーに変換して蓄電するシステムが考察されている。この場合の膨張機としては、騒音が低い点からスクロール型膨張機が好ましいとされており、さらに膨張機自体の小型化に伴って駆動スクロールとこれに伴って回転する従動スクロールとを具備する両回転型のスクロール型膨張機を利用することが望ましい。

以上のことから、本発明は、膨張機として最適な両回転型のスクロール型膨張機を提供することにある。

本発明は、ハウジングと、該ハウジングに回転自在に軸支される一対の回転軸と、該一対の回転軸のそれぞれに固着され、お互いに対向して配置される一対の駆動スクロール部材と、該一対の駆動スクロール部材に摺動自在に挟持される従動スクロール部材と、該従動スクロール部材を前記ハウジングに回転自在に且つ前記回転軸に偏心して支持する従動スクロール受けとを具備し、前記一対の駆動スクロール部材のそれぞれが、前記回転軸に固着される円盤状の駆動部鏡板と、該駆動部鏡板上に径方向に螺旋状に広がり、点対称に配置された一対の駆動側ラップ部とを具備し、前記従動スクロール部材が、円盤状の従動部鏡板と、該従動部鏡板の両側のそれぞれに、径方向に螺旋状に拡がり、点対称に配置された一対の従動側ラップ部とを具備し、前記従動スクロール部材を一対の駆動スクロール部材で挟持して、前記従動部鏡板の両側に外周部に向けて拡大する膨張室を画成すると共に、前記回転軸の一方の形成され、前記それぞれの膨張室の中心部と連通する流入口と、前記それぞれの膨張室の外周部と連通し、前記従動スクロール部材に開口する流出口とが形成され、前記流入口から流入する流体が前記膨張室の中心部から外周部に移動しながら膨張して前記回転軸を回転させるスクロール型膨張機において、前記駆動スクロール部材のそれぞれの駆動側ラップ部の外周部の所定の範囲の幅を厚くし、それに対応して従動スクロール部材の従動側ラップ部の対応する部分の幅も厚くしたことにある。

これによって、駆動スクロール部材の駆動側ラップ部の外周部及び従動スクロール部材の従動側ラップの強度を向上させることができるため、駆動スクロール部材及び従動スクロール部材の高速回転による遠心力に耐えることが可能となる。これは即ち駆動スクロール部材及び従動スクロール部材の高速回転を可能にするものである。

さらに、駆動スクロール部材はアルミニウム素材によって形成され、前記駆動スクロール部材は、それぞれ前記駆動側鏡板を薄く形成すると同時に駆動側鏡板の背面側に複数の補強リブを有すると共に、前記回転軸及び該回転軸から径方向に延出する鍔部を熱伝導率の低い材料で形成し、前記鍔部で前記補強リブを覆うことが望ましい。

また、駆動スクロール部材は、軽量化のためにアルミニウム素材によって形成されることが望ましい。さらに軽量化のために駆動側鏡板を薄く形成すると同時に補強のため補強リブを形成することが望ましい。しかしながら、駆動スクロール部材の回転に伴って補強リブによる冷却作用が生じるため、前記回転軸から径方向に延出する鍔部を熱伝導率の低い材料（例えばステンレス鋼）で形成して前記鍔部で前記補強リブを覆うことが望ましい。

これによって、補強リブによる冷却作用を低減し且つ駆動スクロール部材の強度を向上させることができるため、駆動スクロール部材及び従動スクロール部材の高速回転を可能にすると共に、補強リブによる冷却効果を抑制できるため、本発明に係るスクロール型膨張機の膨張効果を維持することができるため、スクロール型膨張機の回転軸を回転させる力を維持させることができるものである。

さらに、前記回転軸に形成された流入口と連通し、該回転軸を回転自在に保持するハウジングに形成されたキャップ部との間をシールするシール機構であって、該シール機構は、前記回転軸の端面に当接するフェースシールと、回転軸の回転に対してフェースシールの回転を防止する平行ピンと、漏れ止めを行うＯリングとによって構成され、キャップ側より流入する高圧流体の低圧側への漏れを防止することが望ましい。

これによって、回転軸に形成された流入口に連通するキャップ部にフェースシールを組み込み、平行ピンで回転防止をすると同時にＯリングで漏れ止めを行い、キャップ側より入ってくる高圧流入流体（例えば高圧冷媒ガス）がフェースシール回転軸端面に押しつけることによってシールするため、高圧流入流体の低圧側への漏れを防止できるものである。

さらにまた、前記従動スクロール部材に形成された流出口が対峙する前記ハウジングの内径部を、前記流出口が対峙する部分から回転軸の軸方向両側に拡がるように傾斜するテーパ状に形成したことにある。

これによって、回転軸の流入口に流入する高圧流入流体は、外周部に向けて容積が拡大する膨張室を膨張しながら移動し、従動スクロール部材の流出口から吐出される。前記流出口が対峙する部分から回転軸の軸方向両側に拡がるようにテーパが形成されるために、吐出された流体は軸方向両側に向かって拡がりやすくなる。また、流体が潤滑油を含有する冷媒ガスの場合、遠心力によって吐出された冷媒ガスは、ハウジングの内径部に衝突して潤滑油が分離され、分離された潤滑油はテーパ状の内径部に沿って両側に拡がり駆動スクロール部材、従動スクロール部材及び従動スクロール受けを回転自在に保持するベアリングを効率的に潤滑することが可能になるものである。

また、前記流入口が形成されない回転軸側において、前記回転軸を回転自在に保持するベアリングの外径を、従動スクロール部材を回転自在に保持する従動スクロール受けの内径よりも小さくすることが望ましい。

これによって、本発明に係るスクロール型膨張機の組立を容易に行うことが可能となるものである。

以上の構成を有する本発明に係るスクロール型膨張機は、駆動スクロール部材及び従動スクロール部材の高速回転を可能にする構造を有すると共に、高圧流入流体の膨張を確実に回転軸の回転に変換することができ、さらに膨張した流体を効率的に排出することができるものである。

図１は、本発明の実施例に係るスクロール型膨張機の断面図である。図２は、本発明の実施例に係るスクロール型膨張機の駆動スクロール部材及び従動スクロール部材の分解斜視図である。図３（ａ）は、流入口が形成された回転軸を有する第１の駆動スクロール部材の正面図であり、図３（ｂ）はその断面図であり、図３（ｃ）はその背面図である。図４（ａ）は、第２の駆動スクロール部材の正面図であり、図４（ｂ）はその断面図であり、図４（ｃ）はその背面図である。図５（ａ）は本発明の実施例に係るスクロール流体機械の従動スクロール部材の正面図であり、図５（ｂ）はその断面図であり、図５（ｃ）はその背面図である。図６（ａ）は本発明のキャップ部近傍の断面図であり、（ｂ）はフェースシールの平面図であり、（ｃ）はその断面図である。

以下、この発明の実施例について図面により説明する。

本発明の実施例に係るスクロール膨張機１は、例えば図１に示すように、膨張機構２が配される内部空間３を画成するハウジング４を具備する。このハウジング４には、前記内部空間３と連通する流出口４１，４２が形成される。またハウジング４は、有底円筒状の２つのハウジング部材４ａ，４ｂからなり、前記ハウジング４の内周壁面４６は、前記２つのハウジング部材４ａ，４ｂの接合部分から有底側（図面両側）に向かって拡径するように傾斜するテーパ状に形成される。さらに、前記ハウジング部材４ａには、下記する回転軸５０の流入口５５と連通する貫通孔４４が形成されたキャップ部４３が固着され、ハウジング部材４ｂには、下記する回転軸６０が貫通するキャップ部４５が固着される。

前記膨張機構２は、例えば図１及び図２に示すように、前記ハウジング４に回転自在に軸支される一対の回転軸５０，６０と、これら一対の回転軸５０，６０のそれぞれに固着される第１及び第２の駆動スクロール部材５，６と、これら第１及び第２の駆動スクロール部材５，６に旋回自在に挟持される従動スクロール部材７と、この従動スクロール部材７を前記ハウジング４に回転自在に支持すると共に前記回転軸５０．６０に対して偏心して支持する従動スクロール受け８，９と、前記第１及び第２の駆動スクロール部材５，６の背面側と前記従動スクロール受け８，９のそれぞれの内側との間に設けられるオルダム機構１０とによって構成される。このオルダム機構１０によって、前記従動スクロール部材７は前記第１及び第２の駆動スクロール部材５，６に対して相対的に旋回運動を行うものである。

前記第１の駆動スクロール部材５は、図１乃至図３、特に図３（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように、アルミニウム材料から形成された円板状の駆動部鏡板５１を具備する。この駆動部鏡板５１の背面側には、この駆動部鏡板５１を補強するための複数の補強リブ５２（図２に示される）が放射状に形成され、回転軸５０から径方向に鍔状に拡がる鍔部５３によって覆われるものである。尚、この回転軸５０及び鍔部５３は、熱伝導率の低い素材、例えばステンレス鋼によって一体に形成される。これによって、補強リブ５２が高速回転することによって生じる冷却作用を熱伝導率の低い素材、例えばステンレス鋼からなる銹部５３で覆うことによって、冷却作用を低減することができるものである。

さらに鍔部５３には前記オルダム機構１０の一部を構成する突条５４が形成される。また前記駆動部鏡板５１には、前記回転軸５０を貫通する流入口５５と連通する開口部５６が形成され、前記駆動部鏡板５１の正面側には前記開口部５６の周縁から螺旋状に拡がる駆動側ラップ部５７，５８が線対称に形成される。さらに駆動部鏡板５１の最外周部分には、前記駆動側ラップ部５７，５８の最終端部から所定の範囲（約９０°の範囲）に、ラップの幅を厚くした駆動側ラップ外周部５９がそれぞれ設けられ、駆動側ラップ部５７，５８の最外周部分の補強をするようになっている。

前記第２の駆動スクロール部材６は、図４に示すように、アルミニウム材料から形成された円板状の駆動部鏡板６１を具備する。この駆動部鏡板６１の背面側には、この駆動部鏡板６１を補強するための複数の補強リブ６２が放射状に形成され、回転軸６０から径方向に鍔状に拡がる鍔部６３（図１に示される）によって覆われるものである。尚、この回転軸６０及び鍔部６３は、熱伝導率の低い素材、例えばステンレス鋼によって一体に形成される。これによって、補強リブ６２が高速回転することによって生じる冷却作用を熱伝導率の低い素材、例えばステンレス鋼からなる銹部６３で覆うことによって、冷却作用を低減することができるものである。

さらに鍔部６３には前記オルダム機構１０の一部を構成する突条６４が形成される。また前記駆動部鏡板５１の正面側には中央部分の周縁から螺旋状に拡がる駆動側ラップ部６７，６８が点対称に形成される。さらに駆動部鏡板６１の最外周部分には、前記駆動側ラップ部６７，６８の最終端部から所定の範囲（約９０°の範囲）に、ラップの幅を厚くした駆動側ラップ外周部６９がそれぞれ設けられ、駆動側ラップ部６７，６８の最外周部分を補強するようになっている。尚、駆動部鏡板６１には、回転軸６０が装着される凹部６０ａが形成される。

前記従動スクロール部材７は、例えば図５に示すように、中央に開口部７１を有する円板状の従動部鏡板７０と、この従動部鏡板７０の両側面のそれぞれに径方向に螺旋状に拡がり、点対称に配置され、前記第１の駆動側ラップ部５７，５８と噛合する一対の従動側ラップ部７２，７３及び前記第２の駆動側ラップ部６７，６８と噛合する一対の従動側ラップ部７４，７５が形成される。また、前記従動部鏡板７０の最外周近傍には前記第１及び第２の駆動スクロール部材５の駆動側ラップ外周部５９，６９が挿着される外周開口部７６，７７が形成される。さらに、この従動スクロール部材７の外周端部は、従動スクロール受け８，９に固定され、前記回転軸５０，６０に対して偏心して回転するようになっている。

以上の構成により、従動スクロール部材７を旋回自在に挟持するように、第１及び第２の駆動スクロール部材５，６を従動スクロール部材７に噛合させて組み立て、従動スクロール部材７の従動側鏡板７０の両側に膨張空間１１，１２を画成する。従動スクロール受け８，９が固定された従動スクロール部材７及び固定された駆動スクロール部材５，６からなる膨張機構２を一方のハウジング部材４ｂにベアリング１３，１４を介して装着され、さらに他方のハウジング部材４ａをベアリング１５，１６を介して装着し、ハウジング部材４ａ，４ｂを固定することによってスクロール型膨張機１の組立を行うことができるものである。

さらに組み立てられたスクロール型膨張機１において、図６に示されるように、前記回転軸５０に形成された流入口５５と連通し、前記回転軸５０を回転自在に保持するハウジング部材４ａに形成されたキャップ部４３との間をシールするシール機構が設けられる。このシール機構は、前記回転軸５０の端面に当接するフェースシール５７と、回転軸５０の回転に対してフェースシール５７の回転を防止する平行ピン５８と、漏れ止めを行うＯリング５９とによって構成され、キャップ側より流入する高圧流体の低圧側への漏れを防止することができるものである。

前記回転軸６０側において、前記回転軸６０を回転自在に保持するベアリング１３の外径ΦＡを、従動スクロール部材を回転自在に保持する従動スクロール受けの内径ΦＢよりも小さくするものである（ΦＡ＜ΦＢ）。これによって、スクロール型膨張機１の分解時に、膨張機構２をハウジング部材４ｂから容易に取り外すことが可能になるものである。

以上の構成のスクロール型膨張機１において、高圧流入流体、例えば膨張サイクルの高圧冷媒等が、キャップ部４３から回転軸５０の流入口５５を介して前記膨張室１１，１２の中央部分に導入され、膨張室１１，１２の中央部分から外周方向に膨張しながら移動する。このときに、従動側ラップ部７２，７３、７４，７５及び駆動側ラップ部５７，５８，６７，６８を付勢するため、駆動スクロール部材５，６及び従動スクロール部材７に回転力が付与されるものである。また、膨張して低圧となって流入流体は、従動スクロール部材７の外周部分に形成された吐出口７８，７９から前記ハウジング４の内周壁面４６に向かって排出され、内周壁面４６のテーパ面に沿って図面両側に移動されハウジング４の内部空間３から流出口４１，４２から外部若しくは膨張サイクルの下流側に送出されるものである。これによって流入した高圧流入流体を膨張させることが可能となるものである。

さらに、これによって回転軸６０を回転させることができるので、例えばこれに発電機を連結させることにより、発電を行うことができるものである。

１スクロール型膨張機
２膨張機構
３内部空間
４ハウジング
５第１のスクロール部材
６第２のスクロール部材
７従動スクロール部材
８，９従動スクロール受け
１０オルダム機構
１１，１２膨張室
４３キャップ部
４６内周壁面
５０，６０回転軸
５１，６１駆動部鏡板
５２，６２補強リブ
５３，６３鍔部
５４突条
５５流入口
５６開口部
５７，５８，６７，６８駆動側ラップ部
５９，６９駆動側ラップ外周部
７０従動側鏡板
７１開口部
７２，７３，７４，７５従動側ラップ部

Claims

ハウジングと、該ハウジングに回転自在に軸支される一対の回転軸と、該一対の回転軸のそれぞれに固着され、お互いに対向して配置される一対の駆動スクロール部材と、該一対の駆動スクロール部材に摺動自在に挟持される従動スクロール部材と、該従動スクロール部材を前記ハウジングに回転自在に且つ前記回転軸に偏心して支持する従動スクロール受けとを具備し、前記一対の駆動スクロール部材のそれぞれが、前記回転軸に固着される円盤状の駆動部鏡板と、該駆動部鏡板上に径方向に螺旋状に広がり、点対称に配置された一対の駆動側ラップ部とを具備し、前記従動スクロール部材が、円盤状の従動部鏡板と、該従動部鏡板の両側のそれぞれに、径方向に螺旋状に拡がり、点対称に配置された一対の従動側ラップ部とを具備し、前記従動スクロール部材を一対の駆動スクロール部材で挟持して、前記従動部鏡板の両側に外周部に向けて拡大する膨張室を画成すると共に、前記回転軸の一方の形成され、前記それぞれの膨張室の中心部と連通する流入口と、前記それぞれの膨張室の外周部と連通し、前記従動スクロール部材に開口する流出口とが形成され、前記流入口から流入する流体が前記膨張室の中心部から外周部に移動しながら膨張して前記回転軸を回転させるスクロール型膨張機において、
前記駆動スクロール部材のそれぞれの駆動側ラップ部の外周部の所定の範囲の幅を厚くし、それに対応して従動スクロール部材の従動側ラップ部の対応する部分の幅も厚くしたことを特徴とするスクロール型膨張機。
駆動スクロール部材はアルミニウム素材によって形成され、前記駆動スクロール部材は、それぞれ前記駆動側鏡板を薄く形成すると同時に駆動側鏡板の背面側に複数の補強リブを有すると共に、前記回転軸から径方向に延出する鍔部を熱伝導率の低い材料で形成し、前記鍔部で前記補強リブを覆ったことを特徴とする請求項１記載のスクロール型膨張機。
前記回転軸に形成された流入口と連通し、該回転軸を回転自在に保持するハウジングに形成されたキャップ部との間をシールするシール機構であって、該シール機構は、前記回転軸の端面に当接するフェースシールと、回転軸の回転に対してフェースシールの回転を防止する平行ピンと、漏れ止めを行うＯリングとによって構成され、キャップ側より流入する高圧流体の低圧側への漏れを防止することを特徴とする請求項１又は２記載のスクロール型膨張機。
前記従動スクロール部材に形成された流出口が対峙する前記ハウジングの内径部を、前記流出口が対峙する部分から回転軸の軸方向両側に拡がるように傾斜するテーパ状に形成したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のスクロール型膨張機。
前記流入口が形成されない回転軸側において、前記回転軸を回転自在に保持するベアリングの外径を、従動スクロール部材を回転自在に保持する従動スクロール受けの内径よりも小さくしたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載のスクロール型膨張機。