JP4232149B2 - スクロール膨張機及び冷凍空調装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、二酸化炭素など超臨界となる冷媒を用いて高圧の冷媒を膨張、減圧させて動力エネルギを回収するスクロール膨張機及びそれを用いた冷凍空調装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のスクロール流体機械は、両スクロールの渦巻形状が一部或いは全体に亘り、中心部から外側に向かって、両渦巻歯の溝幅が変化すると共に、歯厚が小さくなるように構成されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
また、固定スクロール或いは揺動スクロールの少なくとも何れか一方の渦巻歯厚を巻始めからある所定の位置までを一定にし、かつ歯厚をある所定の位置から巻終わりに向かって徐々に減少させたスクロール圧縮機もある（例えば、特許文献２参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−０８１３８７号公報（第２頁〜第６頁、第４図）
【特許文献２】
特開２００１−０６５４７６号公報（第２頁〜第５頁、第１図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記、従来の技術に関わるスクロール流体機械は、組込容積比、行程容積、歯厚などに対する設計自由度を増して用途に最適な渦巻形状を得る、或いは圧縮機の場合に断熱圧縮により差圧の大きくなる中央部付近の渦巻側面すきまを外周部より小さくすることを目的としているので、超臨界サイクルのスクロール膨張機に用いた場合、その用途に最適な形態というには不充分であった。
【０００６】
図８は、例えば二酸化炭素を冷媒として用いた超臨界冷凍サイクルのモリエル線図である。ｓ点の状態で圧縮機に吸入された冷媒ガスは圧縮後ｄの状態で吐出され、ガスクーラにより冷却される。超臨界域のガスクーラ出口ｇｃから膨張する際、膨張弁による等エンタルピ膨張では破線に沿って減圧しｅｖ´に至るが、膨張機を用いて動力回収を行なうと等エントロピ膨張となり、実線に沿ってｅｖまで減圧される。減圧後の冷媒は蒸発器で加熱されｓ点に至る。
【０００７】
ガス相ｓ点〜ｄ点の昇圧は、ほぼ等エントロピ圧縮で行われ、スクロール圧縮機を用いた場合、横軸容積に対して縦軸圧力を示した線図は図９（ａ）のようになる。圧縮過程の後半程圧力の立ち上がりが大きくなり、隣接する圧縮室間の差圧が大きくなるため、渦巻内周側ほどシール性を高める必要があり、特許文献２の従来技術は、こうした点に配慮したものである。
【０００８】
これに対して膨張機では、図８のｇｃ点〜ｅｖ点間を等エントロピ膨張させることにより、エンタルピ差Δｉ＝ｉｅｖ´−ｉｅｖ分の膨張動力を回収する（図８参照）。スクロール膨張機を用いた場合の線図は図９（ｂ）のようになり、超臨界及び液相のｇｃ点〜ｆ点では容積変化に対する圧力降下が大きく、二相域のｆ点〜ｅｖ点では緩やかに減圧する。
【０００９】
この発明は、このような膨張過程と圧縮過程における現象の差異に配慮して、高効率なスクロール膨張機を過大なコストをかけずに得ることを目的とする。
また、上記のスクロール膨張機を使う効率のよい冷凍空調装置を得ることを目的とする。
また、地球環境へ悪影響を与えない冷凍空調装置を得ることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、この発明に係わるスクロール膨張機は、固定スクロールと揺動スクロールとを組合わせて形成した膨張室に高圧冷媒を導入し、膨張減圧により、冷媒の膨張エネルギで前記揺動スクロールの渦巻体を揺動駆動し、エネルギを動力として回収するスクロール膨張機において、膨張室の冷媒閉じ込め完了時から冷媒閉じ込め完了時の膨張室容積の１１０％に膨張室容積が膨張増大するまでの間のみ、又は、膨張室の冷媒閉じ込め完了時から、膨張室内の冷媒が膨張により液相及び気相の２相状態になるまでの超臨界及び液相状態である間のみ膨張室の両スクロールの渦巻体の歯側面が２箇所で接触するものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下この発明の実施の形態について説明する。図１は本発明に係るスクロール圧縮機連結のスクロール膨張機の断面図で、スクロール膨張機の回収動力により同一密閉容器内のスクロール圧縮機を駆動するように構成されている。また、本実施の形態の例では、横置き型のものである。
図において、密閉容器７内でフレーム３３のスクロール膨張機９側の空間に吸入管１６より吸入された高圧の冷媒は、固定スクロール１２、揺動スクロール１５よりなる膨張室内で減圧され、膨張後の冷媒は吐出管１７により蒸発器へ排出される。
【００１２】
冷媒の膨張過程において回収された動力はスクロール膨張機９側の駆動軸８、スクロール圧縮機１０側の駆動軸６３、両者を連結する継手６５を介して第２圧縮機であるスクロール圧縮機１０側の揺動スクロール２３に伝えられる。第２圧縮機であるスクロール圧縮機１０においては、後述の第１圧縮機９９で圧縮された後、吸入管１８から密閉容器７内に流入した冷媒ガスは、回収動力により駆動されるスクロール圧縮機１０において中間圧（Ｐｈ−Δ）から高圧（Ｐｈ）に圧縮が行われ、吐出管１９により直接ガスクーラへ排出されるように構成されている。
【００１３】
密閉容器７内の空間は、フレーム３３のスクロール膨張機９側が高圧（Ｐｈ）、スクロール圧縮機１０側が中間圧（Ｐｈ−Δ）となる。スクロール膨張機９の膨張過程の回収動力は高低圧間の全圧縮動力の１／３以下程度なので、中間圧（Ｐｈ−Δ）は高圧（Ｐｈ）に近い中間圧となり、接触式のシール部材６４が高圧/中間圧間の差圧をシールする。
即ち、本例では、スクロール膨張機９とスクロール圧縮機１０とを連結したスクロール圧縮機連結のスクロール膨張機１としているが、スクロール膨張機９は、吸入管１６、吐出管１７、固定スクロール１２、揺動スクロール１５、フレーム３３、駆動軸８等からなり、また、第２圧縮機であるスクロール圧縮機１０は、吸入管１８、吐出管１９、固定スクロール２１、揺動スクロール２３、フレーム２４、駆動軸６３等からなり、両者は共通の密閉容器７内で、継手６５により駆動軸８、６３が連結され、シール部材６４により連結部がシールされる。７３、７５は、それぞれ、スクロール膨張機９、スクロール圧縮機１０の底部の貯油部である。
【００１４】
このような構成のスクロール圧縮機連結のスクロール膨張機１を用いた冷凍空調装置の冷凍サイクルの冷媒回路は図２のようになる。
図において、(a)は冷房時、(ｂ)は暖房時を示す。冷房時の冷媒の流れは、図２（ａ）の矢印のように、低圧Ｐ_lの冷媒ガスはモータＭにより駆動される第１圧縮機９９で圧縮された後、中間圧（Ｐ_h−Δ）でスクロール圧縮機連結のスクロール膨張機１の第２圧縮機であるスクロール圧縮機１０に吸入、圧縮され、高圧Ｐ_hとなり、四方弁９２を経て室外機９８（ガスクーラ）に至る。ガスクーラ９８で冷却された冷媒ガスは、スクロール膨張機９に入り、ここで膨張、減圧する過程で動力回収され、スクロール圧縮機１０におけるガス圧縮動力を供給する。スクロール膨張機９から出た低圧Ｐ_lの冷媒は蒸発器９７で加熱され、四方弁９２、アキュムレータ９３を経て第１圧縮機９９に戻る。
なお、上記の冷媒流れを可能とするために図２に示すように、逆止弁９５ａ、９５ｂ、９５ｃ、９５ｄが配管に設けられる。
暖房時の冷媒の流れは、図２（ｂ）の矢印のようであり、室内機９７がガスクーラ、室外機９８が蒸発器となり、また、冷媒は逆止弁９５ｃ、９５ｄを通る。
【００１５】
このとき、潤滑が必要な第１圧縮機９９とスクロール圧縮機連結のスクロール膨張機1のスクロール膨張機９、第２圧縮機１０の３ヶ所に潤滑油を保持し、フレーム３３に設けられた微小孔７０と油戻し毛細管７１で貯留される潤滑油量をバランスさせる。第１圧縮機９９と第２圧縮機１０に関しては必要レベルの油持出しを許容し、スクロール膨張機９入口の空間部分で油循環率極小化を図る。スクロール膨張機９側から第１圧縮機１０側へは微小孔７０で潤滑油を戻す。また、第１圧縮機１０側からアキュムレータ９３と第１圧縮機９９間の配管に毛細管７１で潤滑油を戻す。これらにより、上流の貯留部の油、即ち、第１圧縮機の油貯留部の油が下流の貯留部、即ち、スクロール膨張機９の油貯留部７３及び第１圧縮機１０の貯留部７５へ移動してしまうのを避けるようになっている。
【００１６】
スクロール圧縮機連結のスクロール膨張機1のスクロール膨張機９と第２圧縮機１０とでは冷媒の質量流量が同じで、同一回転数でなければならない。回転数は入口の体積流量によって決まるので、スクロール膨張機９側はガスクーラ９８出口の温度と圧力（Ｐｌ）に依存し、第２圧縮機１０側は第１圧縮機９９出口の温度と圧力（Ｐ_h−Δ）に依存する。圧力（Ｐ_h−Δ）は膨張機構部で回収される動力によって決まるが、ガスクーラ９８出口〜蒸発器９７入口の膨張過程はサイクルの運転条件に依存するので、運転条件が異なるとき回収された膨張動力による圧力Δで第２圧縮機１０とスクロール膨張機９の体積流量のバランスが常に取れるとは限らない。
【００１７】
このため、ある運転条件に対して第２圧縮機１０とスクロール膨張機９の吸入容積を最適に設定し、他の運転条件でスクロール膨張機９側の体積流量が余るか不足する場合には、スクロール膨張機９をバイパスするかガスクーラ９８〜スクロール膨張機９間で予膨張することにより流量を合わせる必要がある。バイパス流量分或いは予膨張圧力差分は動力回収できないので、最も効率を重視する条件で最適となるように吸入容積を設定することになる。
図２に示すような、膨張動力で高段側の第２圧縮機１０を駆動する構成をとって、冷凍空調装置のＳＥＥＲ評価で最も比重の重い暖房中間条件で最適となるように第２圧縮機１０とスクロール膨張機９の吸入容積を設定すると、他の条件ではバイパス量の調整だけで流量を合わせることができる。
【００１８】
これに対して、第２圧縮機１０を低段側で用いる構成，モータ駆動される第１圧縮機９９と一体に膨張機構を設けた構成ではバイパスだけで流量を合わせることはできず、予膨張しなければならない条件が生ずる。ＳＥＥＲ的にも高段第２圧縮機の構成が他の構成より若干優っている。
【００１９】
このような構成で用いるスクロール膨張機９の渦巻体を組合せて形成した膨張室で冷媒を膨張、容積変化させる渦巻体の渦巻形状は内向面が、
ｘ＝ａｃｏｓφ＋ａ（φ−α）ｓｉｎφ
ｙ＝ａｓｉｎφ−ａ（φ−α）ｃｏｓφ
（φ_is≦φ≦φ_is＋３９０ｄｅｇ）
と
ｘ＝ａｃｏｓφ＋ａ´（φ−α´＋ｄ）ｓｉｎφ
ｙ＝ａｓｉｎφ−ａ´（φ−α´＋ｄ）ｃｏｓφ
（φ_is＋３９０ｄｅｇ≦φ≦φ_ie）
である座標を与えられるインボリュート形状であり、
また、外向面が、
ｘ＝ａｃｏｓφ＋ａ（φ＋α）ｓｉｎφ
ｙ＝ａｓｉｎφ−ａ（φ＋α）ｃｏｓφ
（φ_os≦φ≦φ_is＋３９０ｄｅｇ）
と
ｘ＝ａｃｏｓφ＋ａ´（φ＋α´＋ｄ）ｓｉｎφ
ｙ＝ａｓｉｎφ−ａ´（φ＋α´＋ｄ）ｃｏｓφ
（φ_is＋３９０ｄｅｇ≦φ≦φ_oe）
である座標を与えられるインボリュート形状である。
【００２０】
ただし、φは伸開角で、渦巻ピッチをｐ、渦巻歯厚をｔとすると、
ａ＝ｐ／（２π）は基礎円半径
α＝ｔπ／ｐは歯厚角
内向面の伸開始点角：φ_is、伸開終点角：φ_ie
外向面の伸開始点角：φ_os、伸開終点角：φ_oe
で、ピッチ変化量：Δｐに対して、
ａ´＝（ｐ＋Δｐ）／（２π）
α´＝ｔπ／（ｐ＋Δｐ）
ｄ＝−Δｐ（φ_is＋２π）／（ｐ＋Δｐ）
である。
【００２１】
以上の数式に基づいた渦巻体の渦巻形状は図３のようになり、最内シール形成点から３９０度の点までの渦巻側面が接触する揺動半径Ｒｒは、Ｒｒ＝ｐ／２−ｔ、最内シール形成点＋３９０度以降は揺動半径Ｒｒ´＝（ｐ＋Δｐ）／２−ｔで揺動しないと側面接触できない。要するに、最内シール形成点＋３９０度以降は渦巻体のピッチを大きくして、歯側面が接触しないようにする。
内向面、外向面の伸開始点間、伸開終点間はそれぞれ適当な円弧で接続し、伸開始点が最内シール形成点となるようにしている。特に伸開始点間に関しては、圧縮機では圧縮・吐出過程最後の死容積を小さく抑えるために円弧同士が接触するような形状とする場合もあるが、膨張機では吸入過程となるので円弧で接触させる利点は無い。
【００２２】
図３において、(ａ)が吸入完了時を示し、固定スクロール１２の内側については固定スクロール１２の内向面でφ＝φ_isの伸開始点（=最内シール形成点）とφ＝φ_is＋３６０ｄｅｇの点が、固定スクロール１２の外側については揺動スクロール１５でφ＝φ_isの伸開始点（＝最内シール形成点）とφ＝φ_is＋３６０ｄｅｇの点が、それぞれシール点となり、その間の斜線部分が閉じ込み直後の膨張室である。(b)、(c)、(d)は、それぞれ揺動スクロール１５を揺動半径Ｒｒで、(a)の時点から９０ｄｅｇずつ揺動させた位置を示している。前述の如く、揺動半径がＲｒ´ではないので、最内シール形成点＋３９０度以降の渦巻側面には隙間を生ずる。したがって、吸入完了から３０ｄｅｇの間は膨張室の前後に２つのシール点が形成され、吸入完了＋３０ｄｅｇ時の膨張室容積は吸入完了時の概略１１０％程度となるが、それ以降は一回転後の(a)の位置に戻るまで、内側、外側それぞれに対してシール点は基本的に１点である。
【００２３】
スクロール流体機械においては、渦巻体の渦巻側面を確実に接触させ、形状誤差、異物などを吸収するため、揺動半径を可変にして揺動スクロールの渦巻側面を固定スクロール渦巻側面に押付ける可変半径クランク機構が知られている。可変半径クランク機構には大きく２種類あり、側面押付けに遠心力を利用するタイプとガス圧を利用するタイプである。
【００２４】
図４は遠心力利用の可変半径クランク機構を説明する模式図で、圧縮機に適用した場合を示している。駆動軸に設けられたキー部８ａにブッシュ３５を介して揺動スクロール１５のボス部１５ａが組み合わされ、ブッシュ３５及び揺動スクロール１５は一体でキー部８ａの側平面に沿って移動可能となっている。揺動スクロール１５に作用するガス圧の力は、揺動運動の接線方向の力Ｆｇθと半径方向の力Ｆｇｒで、図のようにキー部８ａ側面の角度φ_s（キー部８ａ側面が回転中心Ｏとブッシュ３５の中心Ｏ´とを結ぶ線となす角）が、Ｆｇθによって揺動スクロールが反偏心方向へ移動するような角度に設定されていると、(a)のように隙間δが開いてキー部分の反力Ｆｎ、Ｆｐと釣り合うところであるが、(b)のように遠心力Ｆｃが揺動半径を増大する方向に作用してガス圧による力の分力に打ち勝ち、渦巻側面を接触させ接触力Ｆｓを発生する。
【００２５】
図５はガス圧利用の可変半径クランク機構をスクロール膨張機９について説明する模式図である。キー部８ａ側面の角度φ_sは、ガス圧の接線方向力Ｆｇθで揺動半径が増大する方向に設定されており、揺動スクロール１５とブッシュ３５に作用する遠心力は、ブッシュ３５と一体に設けられたバランスウェイト３５ａによって相殺されるようになっている。(a)のように揺動半径がＲｒより小さい状態から、揺動スクロールはＦｇθにより揺動半径が増大する方向へ移動し、(b)のように側面隙間δをシールして接触力Ｆｓを発生する。
なお、Ｏは駆動軸８の回転中心であり、Ｏ´はブッシュ３５の中心である。
【００２６】
スクロール圧縮機では、遠心力利用、ガス圧利用両方の可変半径クランク機構が可能であり、液圧縮時等のリリーフ機能も期待する場合はガス圧で隙間が開く遠心力利用タイプ、可変速運転で低速時のシール確保や高速時の渦巻摺動ロス抑制に重きを置く場合は回転速度によらず接触力一定のガス圧利用タイプというようにそれぞれの特長を生かした選択がある。
これに対してスクロール膨張機９では、渦巻の運動から圧力差を発生させる圧縮機と異なり、差圧により渦巻を運動させる装置なので、可変半径クランク機構にはガス圧を利用するべきである。
【００２７】
図６は、前述の渦巻形状での理想的な吸入・膨張過程の圧力変化を、クランク角Ψに対して示したＰ−Ψ線図である。吸入完了角Ψ_qにおいて、前述の内向面の伸開始点＝最内シール形成点で渦巻側面が接触し、中央から２番目の膨張室が閉じ切られる。Ψ_q以前は中央の膨張室で、閉じ切られず吸入ポートと連通して、容積を増大する吸入過程なのでＰ_h一定となる。Ψ_qから減圧膨張を開始すると、Ｐ−Ψ線図について述べたように、f点までの超臨界〜液相部分では圧力降下が大きく、気相、液相の二相域に入るｆ点以降は減圧が緩やかになる。
図６のクランク角９０ｄｅｇ、１８０ｄｅｇ、２７０ｄｅｇ、３６０ｄｅｇが、それぞれ、図３の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に対応する。
【００２８】
冷凍空調装置の空調或いは給湯用途で通常用いられる範囲の条件で、ガスクーラ９７（９８）出口圧力Ｐｇｃｏと出口温度Ｔｇｃｏに対して、ｆ点の比容積ｖｆとガスクーラ出口での比容積ｖｇｃｏの比を計算すると下表のようになり、
【００２９】
【表１】

【００３０】
過熱領域からガス側の飽和線で二相化する右下の領域（表で、枠を染めている部分）を除けば、概ね１０％膨張以内でf点に到達することがわかる。本実施の形態による渦巻では、吸入完了のΨ_q〜ｆ点はクランク角で概ね３０ｄｅｇ以内に収まる。
【００３１】
膨張完了は、膨張室の低圧側シール点が渦巻の伸開終点に達するクランク角Ψ_sである。Ψ_q〜３６０ｄｅｇ、０ｄｅｇ〜Ψ_s間は中央高圧側／膨張室、膨張室／外周低圧側の２点、Ψ_s〜Ψ_q間は閉じ切られた膨張室が形成されないので中央高圧側／外周低圧側の１点、でシールを保つのが理想的であるが、前述の可変クランク機構で渦巻側面を押付けてシールする場合、渦巻の形状精度が完全でない限り１点が接触した時点でもう１点の隙間が開き、２点接触を保つのは困難である。膨張室の高圧側と低圧側では、高圧側が膨張過程に入る前の流体をシールしていること、Ｐ−Ψ線図からわかるようにΨ_q〜ｆ点間の急激な減圧のため総じて高圧側でシールされる差圧の方が大きいこと、から高圧側のシールに重きを置くべきである。
言い換えると、形状精度が完全でない限り、膨張室の高圧側、低圧側の両方で接触させるのは困難なので、クランク角Ψ_q〜１１０％（即ち、前記の冷媒閉じ込め完了時の膨張室容積の１１０％、又は液相と気相の２相化）間は２点接触を図るとしても、それ以降は影響の大きい高圧側の接触を妨げないように、敢えて低圧側の接触を避ける方が望ましい。即ち、クランク角Ψ_s〜Ψ_qの間だけでなく、前記の１１０％（又は２相化）の時点〜３６０ｄｅｇと０ｄｅｇ〜Ψ_sは１点シールとする。
【００３２】
本実施の形態による渦巻形状は、最内シール形成点＋３９０度以降部分の渦巻が接触する揺動半径Ｒｒ´が最内シール形成点から３９０度の点までで決まる揺動半径Ｒｒよりも大きく、可変半径クランク機構を用いているので、図６のΨ_q〜ｆ点間のみ２点接触で、ｆ点以降の膨張室／外周低圧側は接触せず、中央高圧側／膨張室および中央高圧側／外周低圧側の接触が確実となる。これにより、必要最小限の側面接触が保たれ、最内シール形成点＋３９０度以降部分の形状精度、面粗度を接触部分ほどは上げる必要がなくなる。なお、図1に示す渦巻の最内シール形成点＋３９０度以降で生じる隙間は、理解し易いように拡大して図示しているが、実際には接触部分の形状精度の２〜３倍、２０〜３０μｍ程度と小であるため、緩やかな減圧域では漏れは少ない。
【００３３】
本実施の形態においては、渦巻体の形状を、膨張室の冷媒閉じ込め完了時から冷媒閉じ込め完了時の膨張室容積の１１０％に膨張室容積が膨張増大するまでの間のみ、又は、膨張室の冷媒閉じ込め完了時から、膨張室内の冷媒が膨張により液相及び気相の２相状態になるまでの超臨界及び液相状態である間のみ膨張室の両スクロール１２、１５の渦巻体の歯側面が２箇所で接触するようにしたので、加工精度によっては外周側が接触することにより、差圧が大きい内周側に隙間を生じることがあり、未膨張、未減圧の冷媒が低圧側ヘ漏れる可能性があったのを、超臨界サイクルの膨張過程に特有の、膨張開始直後の急激な圧力低下により２相化するまでを確実にシールできるような渦巻体の渦巻形状として、超臨界サイクルの膨張過程により適した高効率のスクロール膨張機を得ることができる。また、渦巻体を全体形状に渡って面粗度、形状精度を高く加工する必要がなくなり、過大なコストをかけずにスクロール膨張機を得ることができる。
【００３４】
本実施の形態のスクロール膨張機においては、両スクロール１２、１５の渦巻体の歯側面が２箇所で接触する内周側領域の揺動スクロール１５の揺動半径に対して、前記領域外の揺動半径は、より大きな揺動半径でないと渦巻体の歯側面が接触しないような渦巻体の形状としたので、渦巻側面の接触で、加工精度が高くないと外周側が接触することにより、差圧が大きい内周側は隙間を生じる場合があるのを防止できる。
また、具体的に、渦巻体のピッチを大きくして歯側面が接触しないようにしたので、加工が容易である。
【００３５】
本実施の形態のスクロール膨張機においては、膨張室の冷媒閉じ込め完了時から冷媒閉じ込め完了時の膨張室容積の１１０％に膨張室容積が膨張増大するまでの間のみ、又は、膨張室の冷媒閉じ込め完了時から、膨張室内の冷媒が膨張により液相及び気相の２相状態になるまでの超臨界及び液相状態である間のみ膨張室の両スクロールの渦巻体の歯側面が２箇所で接触する渦巻体形状とし、かつ、ガス圧利用の可変半径クランク機構を備えたので、確実に２箇所で接触することができる。
【００３６】
実施の形態２．
図７は本発明に係るスクロール膨張機の実施の形態２の渦巻形状で、図３と同様に(a)が吸入完了時を示し、固定スクロール、揺動スクロールそれぞれの内向面においてφ＝φ_isの伸開始点とφ＝φ_is＋３６０ｄｅｇの点がシール点となり、その間の斜線部分が閉じ込み直後の膨張室である。(b)、(c)、(d)が、(a)の時点から９０ｄｅｇずつ、揺動半径Ｒｒで揺動させた位置を示すのも同様である。
【００３７】
この渦巻形状は内向面が、
ｘ＝ａｃｏｓφ＋ａ（φ−α）ｓｉｎφ
ｙ＝ａｓｉｎφ−ａ（φ−α）ｃｏｓφ
（φ_is≦φ≦φ_is＋３９０ｄｅｇ）
と
ｘ＝ａｃｏｓφ＋ａ（φ−α´´）ｓｉｎφ
ｙ＝ａｓｉｎφ−ａ（φ−α´´）ｃｏｓφ
（φ_is＋３９０ｄｅｇ≦φ≦φ_ie）
で座標を与えられるインボリュート形状であり、
また、外向面が、
ｘ＝ａｃｏｓφ＋ａ（φ＋α）ｓｉｎφ
ｙ＝ａｓｉｎφ−ａ（φ＋α）ｃｏｓφ
（φ_os≦φ≦φ_is＋３９０ｄｅｇ）
と
ｘ＝ａｃｏｓφ＋ａ（φ＋α´´）ｓｉｎφ
ｙ＝ａｓｉｎφ−ａ（φ＋α´´）ｃｏｓφ
（φ_is＋３９０ｄｅｇ≦φ≦φ_oe）
で座標を与えられるインボリュート形状である。
【００３８】
ただし、実施の形態１と同様、φは伸開角で、渦巻ピッチをｐ、渦巻歯厚をｔとすると、
ａ＝ｐ／（２π）は基礎円半径
α＝ｔπ／ｐは歯厚角
内向面の伸開始点角：φ_is、伸開終点角：φ_ie
外向面の伸開始点角：φ_os、伸開終点角：φ_oe
で、歯厚変化量：Δｔに対して、
α´´＝（ｔ−Δｔ）π／ｐ
であり、内向面、外向面の伸開始点間、伸開終点間も同様にそれぞれ適当な円弧で接続している。
【００３９】
最内シール形成点から３９０度の点までの渦巻側面が接触する揺動半径ＲｒはＲｒ＝ｐ／２−ｔ、最内シール形成点＋３９０度以降で接触するためには、揺動半径Ｒｒ´´＝ｐ／２−（ｔ−Δｔ）で揺動する必要がある。要するに、渦巻体の歯厚を薄くして歯側面が接触しないようにする。
したがって、ガス圧利用の可変半径クランク機構を用いることにより、超臨界の高圧〜二相化する（図６のf点）までの膨張室の低圧側のシール点で渦巻側面の接触を確実にし、それより外周側の渦巻形状精度、側面面粗度を接触を前提としている時ほど高くする必要がなくなる。
【００４０】
なお、図７に示す渦巻の最内シール形成点＋３９０度以降の隙間は、実施の形態1と同様、実際には２０〜３０μｍ程度であるため、緩やかな減圧域では漏れは少ない。
実施の形態２の渦巻体の渦巻形状を上記のようにすることにより、実施の形態１に記載の渦巻体と同様な作用効果が得られる。
その他の構成は、実施の形態１と同様である。また、得られる作用、効果も同様である。
【００４１】
本実施の形態のスクロール膨張機においては、両スクロール１２、１５の渦巻体の歯側面が２箇所で接触する内周側領域の揺動スクロール１５の揺動半径に対して、前記領域外の揺動半径は、より大きな揺動半径でないと渦巻体の歯側面が接触しないような渦巻体の形状としたので、渦巻側面の接触で、加工精度が高くないと外周側が接触することにより、差圧が大きい内周側は隙間を生じる場合があるのを防止でき、また、具体的に、歯厚を薄くして歯側面が接触しないようにしたので、加工が容易である。
【００４２】
実施の形態１、実施の形態２に記載のスクロール膨張機９又はスクロール圧縮機連結のスクロール膨張機１を冷凍空調装置に適用することにより、、即ち、高圧の冷媒を冷却するガスクーラ９８（９７）と、ガスクーラ９８（９７）によって冷却された冷媒を減圧する膨張機９と、膨張機９で減圧後の冷媒を加熱する蒸発器９７（９８）と、蒸発器９７（９８）からの冷媒を圧縮する、電動機Ｍにより駆動される第１圧縮機９９と、第１圧縮機９９の圧縮冷媒を更に圧縮する第２圧縮機１０とを備え、スクロール膨張機９の冷媒の膨張エネルギを第２圧縮機１０の駆動動力とするようにして、スクロール膨張機９の膨張エネルギーを圧縮機の圧縮動力として回収でき、効率の高い冷凍空調装置を得ることができる。特に、低コストで効率が高いスクロール膨張機を利用できる。
また、冷媒として二酸化炭素を用いることにより、地球温暖化係数が１の二酸化炭素を用いることにより地球環境への悪影響が小さく、効率の良い冷凍空調装置を得ることができる。
【００４３】
また、実施の形態１、実施の形態２の第１圧縮機は、スクロール圧縮機、ロータリ圧縮機、シリンダー型の圧縮機等特に限定しない。また、スクロール膨張機９の膨張エネルギーを回収して駆動する第２圧縮機は、スクロール圧縮機の例を記載したが、これもロータリ圧縮機等でもよく、特に限定しない。スクロール圧縮機とすると例として記載したように組合せが無理なく、容易となる。
【００４４】
【発明の効果】
この発明に係わるスクロール膨張機によれば、固定スクロールと揺動スクロールとを組合わせて形成した膨張室に高圧冷媒を導入し、膨張減圧により、冷媒の膨張エネルギで前記揺動スクロールの渦巻体を揺動駆動し、エネルギを動力として回収するスクロール膨張機において、膨張室の冷媒閉じ込め完了時から冷媒閉じ込め完了時の膨張室容積の１１０％に膨張室容積が膨張増大するまでの間のみ、又は、膨張室の冷媒閉じ込め完了時から、膨張室内の冷媒が膨張により液相及び気相の２相状態になるまでの超臨界及び液相状態である間のみ膨張室の両スクロールの渦巻体の歯側面が２箇所で接触するので、過大なコストをかけずに容易に高効率のスクロール膨張機を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態１のスクロール圧縮機連結のスクロール膨張機を示す断面図である。
【図２】 本発明の実施の形態１のスクロール膨張機を用いた冷凍サイクルを示す冷媒回路図である。
【図３】 本発明の実施の形態１のスクロール膨張機の渦巻体の渦巻形状を示す平面図である。
【図４】 遠心力利用の可変半径クランク機構をスクロール圧縮機について説明する模式図である。
【図５】 本発明の実施の形態１のスクロール膨張機のガス圧利用の可変半径クランク機構を説明する模式図である。
【図６】 スクロール膨張機の膨張過程を説明するための圧力−クランク角の関係図である。
【図７】 本発明の実施の形態２のスクロール膨張機の渦巻形状を示す平面図である。
【図８】 膨張動力回収による超臨界サイクルを説明するためのモリエル線図である。
【図９】 スクロール膨張機とスクロール圧縮機の膨張/圧縮過程を説明するための圧力−容積の関係図である。
【符号の説明】
９ スクロール膨張機（膨張機）、１０ 第２圧縮機、１２ 固定スクロール、１５ 揺動スクロール、９７（９８） 蒸発器、９８（９７） ガスクーラ、９９ 第１圧縮機、Ｍ 電動機。

Claims (8)

1. 固定スクロールと揺動スクロールとを組合わせて形成した膨張室に高圧冷媒を導入し、膨張減圧により、冷媒の膨張エネルギで前記揺動スクロールの渦巻体を揺動駆動し、エネルギを動力として回収するスクロール膨張機において、
   前記膨張室の冷媒閉じ込め完了時から冷媒閉じ込め完了時の膨張室容積の１１０％に膨張室容積が膨張増大するまでの間のみ、前記膨張室の前記両スクロールの渦巻体の歯側面が２箇所で接触することを特徴とするスクロール膨張機。
2. 固定スクロールと揺動スクロールとを組合わせて形成した膨張室に高圧冷媒を導入し、膨張減圧により、冷媒の膨張エネルギで前記揺動スクロールの渦巻体を揺動駆動し、エネルギを動力として回収するスクロール膨張機において、
   前記膨張室の冷媒閉じ込め完了時から、前記膨張室内の冷媒が膨張により液相及び気相の２相状態になるまでの超臨界及び液相状態である間のみ前記膨張室の前記両スクロールの渦巻体の歯側面が２箇所で接触することを特徴とするスクロール膨張機。
3. 前記両スクロールの渦巻体の歯側面が２箇所で接触する領域の前記揺動スクロールの揺動半径に対して、前記領域外の揺動半径は、より大きな揺動半径でないと渦巻体の歯側面が接触しないような前記渦巻体の形状とすることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のスクロール膨張機。
4. 前記渦巻体は、ピッチを大きくして歯側面が接触しないようにしたことを特徴とする請求項３に記載のスクロール膨張機。
5. 前記渦巻体は、歯厚を薄くして歯側面が接触しないようにしたことを特徴とする請求項３に記載のスクロール膨張機。
6. ガス圧利用の可変半径クランク機構を備えたことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかの請求項に記載のスクロール膨張機。
7. 高圧の冷媒を冷却するガスクーラと、前記ガスクーラによって冷却された冷媒を減圧する膨張機と、前記膨張機で減圧後の冷媒を加熱する蒸発器と、前記蒸発器からの冷媒を圧縮する、電動機により駆動される第１圧縮機と、前記第１圧縮機の圧縮冷媒を更に圧縮する第２圧縮機とを備え、
   前記膨張機として請求項１から請求項６に記載のいずれかのスクロール膨張機を用い、該スクロール膨張機の冷媒の膨張エネルギを前記第２圧縮機の駆動動力とすることを特徴とする冷凍空調装置。
8. 冷媒として二酸化炭素を用いることを特徴とする請求項７に記載の冷凍空調装置。

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