JP4697734B2 - 冷凍サイクル - Google Patents

Description

本発明は、冷凍サイクルに係り、特に密閉容器内に膨張機を備えた容積形流体機械を用いた冷凍サイクルに好適なものである。

従来のスクロール膨張機として、特開平８−２８４６１号公報（特許文献１）に示されたものがある。このスクロール膨張機は、密閉ケース内に配置され、鏡板から立ち上がる渦巻体を備えた固定スクロールと、鏡板から立上がると共に前記固定スクロールの渦巻体と噛み合い、中心部から取込まれたガスを外周端に向かって順次膨張させる渦巻体を備えた旋回スクロールとから成っている。即ち、固定スクロールと旋回スクロールの各渦巻体によって形成される中心部の膨張室は吸込口と接続され、外周端部の膨張室は吐出管と連通の吐出口と接続されており、旋回スクロールの旋回運動で、中心部の吸込口から取込まれたガスは、順次膨張していき、外周端部側の吐出口を介して吐出管から外へ吐出される。

さらには、このスクロール膨張機は、潤滑手段として、密閉ケースの内部に設けられた潤滑油を、ポンプによって旋回スクロールの摺動部及び鏡板背部側から各渦巻体の中央部へ供給するように構成している。具体的には、旋回スクロールの摺動部及び噛み合い状態にある各渦巻体には、上部ケースの内部に設けられた潤滑油がロータリータイプの容積式のポンプによって供給されるようになっている。この容積式のポンプは、潤滑油の液面下で、スクロール軸に結合された軸に装着され、スクロール軸からの回転動力が与えられるようになっている。そして、ポンプの吐出口と連通し合う潤滑路は、スクロール軸の軸心を通り、鏡板の背部側となる下側から各渦巻体の中心に臨む形状となっていて、偏心軸部及び各渦巻体の噛み合い面に潤滑油が供給されるようになっている。

特開平８−２８４６１号公報

上述した特許文献１のスクロール膨張機においては、偏心軸部を潤滑した高圧の潤滑油を旋回スクロールの鏡板の背面に流出させて高圧を作用させているので、固定スクロールへの旋回スクロールの押し付け力が大きくなり、機械摩擦損失が大きくなるという問題があった。また、旋回スクロールの鏡板の背面室内全部が高圧の潤滑油で満たされるため、この潤滑油が膨張室の流出側に多量に流出し易く、外部機器に多量の潤滑油を流出してしまうという不都合を生じさせると共に、密閉容器内の潤滑油の不足を招くおそれがあった。

本発明の目的は、簡単な構造で、膨張機の機械摩擦損失の低減してエネルギ効率の向上を図ることができると共に、膨張機の摺動部の高信頼性を確保しつつ冷凍サイクルの熱交換器中に混入する潤滑油量を抑えることができるため冷凍サイクルの成績係数を良好にすることが可能な冷凍サイクルを得ることにある。

前述の目的を達成するために、本発明は、作動流体を圧縮する圧縮機と、圧縮された作動流体を放熱する放熱器と、放熱された作動流体を膨張する容積形流体機械と、膨張された作動流体を蒸発する蒸発器を配管で接続して構成され、前記容積形流体機械は、固定スクロールと旋回スクロールとを互いに噛み合わせて作動室を形成する膨張部と、前記旋回スクロールを駆動するクランク軸と、前記固定スクロールを固定すると共にこの固定スクロールとの間に前記旋回スクロールを挟持するフレームとを備える膨張機を密閉容器内に設置し、前記膨張部の中央から高圧作動流体を前記作動室に流入させ、その作動室を外周に移動させつつその作動室の容積を拡大させて前記高圧作動流体を膨張させるように構成されている冷凍サイクルにおいて、前記容積型流体機械は、前記旋回スクロールと前記フレームとの間に背圧室を形成し、前記クランク軸の給油通路から前記旋回スクロールの背面側の軸受部を通して前記背圧室へ潤滑油を流入させる潤滑油供給機構と、前記密閉容器内の高圧作動流体を前記背圧室へ供給する背圧供給機構とを並列に設け、前記背圧室を前記蒸発器出口の低圧側に連通して前記背圧室が所定圧力となるように調整する背圧調整機構を設けたものである。

係る本発明におけるより好ましい具体的構成例は次の通りである。
（１）前記背圧供給機構は、前記固定スクロールに形成し且つ前記密閉容器内の高圧側に連通した背圧供給通路と、前記旋回スクロールの旋回運動により前記背圧供給通路と前記背圧室とに交互に且つ間欠的に連通及び遮断を繰り返すように前記旋回スクロールに形成した作動流体供給ポケットとを備えること。
（２）前記背圧調整機構は前記背圧室の圧力と前記膨張部の低圧側の圧力とが所定の圧力差になると背圧調整通路を開路する背圧制御弁を備えること。
（３）上記（２）に加えて、前記背圧制御弁は、前記背圧調整機構の通路を開閉する弁体と、前記背圧室の圧力と前記膨張部の低圧側の圧力とに所定の圧力差を保持させるように前記弁体に弾性力を与える弾性部材とを備えること。

本発明の冷凍サイクルによれば、簡単な構造で、膨張機の機械摩擦損失の低減してエネルギ効率の向上を図ることができると共に、膨張機の摺動部の高信頼性を確保しつつ冷凍サイクルの熱交換器中に混入する潤滑油量を抑えることができるため冷凍サイクルの成績係数を良好にすることが可能である。

以下、本発明の一実施形態の容積形流体機械を図１〜図４に基づいて説明する。

本実施形態の容積形流体機械１の全体に関して図１及び図２を参照しながら説明する。図１は本発明の一実施形態に係わる容積形流体機械１の縦断面図、図２は図１のＡ−Ａ断面図である。

容積形流体機械１は、高圧作動流体の流体エネルギを機械エネルギに変換する膨張機２と、この変換された機械エネルギを電気エネルギに変換する発電要素３とを備えている。膨張機２と発電要素３とは、上下に積層して配置されると共に、クランク軸４を介して連結され、密閉容器５に収納されている。

膨張機２は、固定スクロール６と旋回スクロール７とを主要部品とする膨張部３０を備えたスクロール式膨張機である。膨張機２は、膨張部３０、フレーム８、オルダムリング９及びクランク軸４を主な構成要素としている。

固定スクロール６は、渦巻形状の固定スクロールラップ６ａと、この固定スクロールラップ６ａが直立する固定スクロール端板６ｂとを備えている。固定スクロール端板６ｂの中心部には流入ポート６ｃが形成されている。この流入ポート６ｃは流入通路６ｄと連通されている。この流入通路６ｄには外部機器より高圧作動流体が供給される。固定スクロール端板６ｂの外周部には流出ポート６ｅが形成されている。この流出ポート６ｅは流出流路６ｆに連通されている。この流出流路６ｆは容積形流体機械１の外部に延びて外部機器に接続されている。膨張された作動流体は流出ポート６ｅ及び流出流路６ｆを通して外部機器に吐出される。

旋回スクロール７は、渦巻形状の旋回スクロールラップ７ａと、この旋回スクロールラップ７ａが直立する旋回スクロール端板７ｂとを備えている。旋回スクロール端板７ｂの反旋回スクロールラップ側の面の中心部には、旋回軸受７ｃが設けられている。旋回スクロール７は、旋回軸受７ｃを介して、クランク軸４の偏心部４ａにより駆動される。膨張部３０は、固定スクロール６と旋回スクロール７とを互いに噛み合わせて形成された作動室３１を有する。

クランク軸４は、主軸部４ｃと、その主軸部４ｃから上方に延びる偏心部４ｂと、主軸部４ｃ及び偏心部４ｂの中を上下に貫通する給油通路４ｃとを備えている。主軸部４ｃは上部の大径部と下部の細径部とから成っている。密閉容器５内の空間は膨張部３０の高圧側に連通されており、その圧力は高圧に保たれている。密閉容器５内の底部に潤滑油１１が貯留されている。そして、膨張機２の軸受摺動部に給油するため、クランク軸４の下端部に給油ピース２０が装着されている。クランク軸４の回転による給油ピース２０の遠心ポンプ作用で、給油通路４ｂを通して各軸受摺動部に潤滑油１１が供給される。その潤滑油１１の供給経路の一つとして、旋回スクロール７の背面側の軸受部７ｃを通して背圧室１５へ潤滑油１１を流入させる潤滑油供給経路が形成される。

フレーム８は、中心部に設けられた主軸支持部と、その外側に設けられた旋回スクロール支持部と、その外側に設けられた固定スクロール支持部とから成っている。フレーム８の主軸支持部に貫通孔が設けられ、この貫通孔に主軸受８ａが設けられている。主軸部４ｃの大径部が主軸受８ａを介してフレーム８の中心部に軸支持されている。フレーム８の上面には固定スクロール６が締め付けボルト１０を介して固定されている。フレーム８の外周部は密閉容器５に固定されている。固定スクロール６とフレーム８との間には旋回スクロール７が旋回可能に挟持されている。旋回スクロール７とフレーム８との間には背圧室１５が形成されている。オルダムリング９は、旋回スクロール７の自転運動を防止するように旋回スクロール７とフレーム８との間に設けられている。

発電要素３は、クランク軸４に固定された回転子３ａと、密閉容器５に固定された固定子３ｂとを備えている。回転子３ａは、主軸部４ｃの細径部に固定され、クランク軸４と共に回転される。固定子３ｂは回転子３ａの周囲に配置され、コイルを有している。

係る構成において、外部機器から高圧作動流体が流入通路６ｄに供給されると、その高圧作動流体は流入通路６ｄから流入ポート６ｃを通り、固定スクロールラップ６ａと旋回スクロールラップ７ａとの間に形成された作動室３１に流入される。作動室３１内に流入した高圧作動流体は、外周側に形成されている低圧作動流体との圧力差により、旋回スクロール７を動作させ、作動室３１の容積を拡大して膨張される。膨張された作動流体は、外周部の流出ポート６ｅを通り、流出通路６ｆから密閉容器５の外に流出される。この際、旋回スクロール７はオルダムリング９により自転運動を阻止されているため、クランク軸４の偏心部４ａにより旋回スクロール７の中心は一定半径の公転運動をすることにより、作動流体の持つ膨張エネルギがクランク軸４の回転と言う機械エネルギに変換される。クランク軸４が回転されることによって回転子３ａが回転され、固定子３ｂのコイルに電流が誘起され、発電要素３が発電動作される。

次に、容積形流体機械１の背圧制御機構について、図１から図４を参照しながら説明する。図３は本実施形態の容積形流体機械１における背圧室へ高圧作動流体を供給する背圧供給機構４０を説明する要部拡大図、図４は本実施形態の容積形流体機械１における背圧室を所定圧力にする背圧調整機構５０を説明する要部拡大図である。図３（ａ）は密閉容器５内の高圧作動流体を固定スクロール６に形成された背圧供給通路１２を通して旋回スクロール７の端板７ｂの摺動面に形成された背圧供給ポケット１３内に取り込んだ状態を示し、図３（ｂ）は図３（ａ）の状態から約１８０度クランク軸４が回転した状態を示す。

背圧供給機構４０は、図３に示すように、固定スクロール６に形成された背圧供給路１２と、旋回スクロール７に形成された背圧室１５と、固定スクロール６に形成された背圧供給溝１４とを備えている。背圧供給路１２は固定スクロール６の周縁部に上下に貫通するように形成されている。背圧供給路１２の一側は密閉容器５内の高圧作動流体が存在する空間に連通され、背圧供給路１２の他側は旋回スクロール７に対面するように開口されている。背圧供給ポケット１３は旋回スクロール７の周縁上面を凹ませて形成されている。この背圧供給ポケット１３は、旋回スクロール７の旋回運動により、背圧供給通路１２と背圧室１１に連通する背圧供給溝１４とに交互に且つ間欠的に連通及び遮断を繰り返す位置に設けられている。

係る背圧供給機構４０において、旋回スクロール７が旋回すると、図３（ａ）に示すように、背圧供給路１２と背圧供給ポケット１３とが連通される。これによって、密閉容器５内の高圧作動流体は、矢印に示すように、背圧供給路１２を通して背圧供給ポケット１３内に供給される。この状態から旋回スクロール７がさらに旋回すると、背圧供給路１２と背圧供給ポケット１３とが遮断された後、図３（ｂ）に示すように背圧供給ポケット１３と背圧供給溝１４とが連通される。これによって、背圧供給ポケット１３内の高圧作動流体は背圧供給溝１４を介して背圧室１５に供給される。即ち、背圧供給溝１４及び背圧室１５内の圧力は背圧調整機構５０の機能によって背圧供給ポケット１３内の高圧作動流体の圧力より低くなっているため、背圧供給ポケット１３内の高圧作動流体はその圧力差により背圧供給溝１４を介して背圧室１５に供給される。そして、背圧供給ポケット１３内は背圧供給溝１４及び背圧室１５の圧力と同じ圧力の作動流体で満たされた状態となり、旋回スクロール７がさらに旋回することにより上述した図３（ａ）の状態に戻る。なお、高圧作動流体の供給量は、背圧供給ポケット１３の内容積を変化させることにより任意に変えることができる。また、背圧供給通路１２と背圧室１５とを直接連通する構成にすることで、さらに高圧作動流体の供給量を増やすこともできる。このようにして、背圧室１５は、旋回スクロール７の旋回運動により、背圧供給通路１２と背圧室１１とに交互に且つ間欠的に連通及び遮断を繰り返すので、密閉容器５内の高圧側から間欠的に背圧室１５に高圧作動流体を適切な量で供給できる。

係る背圧供給機構４０によれば、通路、ポケット及び溝を固定スクロール６と旋回スクロール７に設けるという簡単な構造で、背圧室１５内に適切な量の高圧作動流体を容易に供給することができる。なお、背面室１５には主軸受８ａや旋回軸受７ｃを通して潤滑油１１が供給されるので、主軸受８ａや旋回軸受７ｃの潤滑を確実に行なうことができる。その場合において、背圧室１５には高圧作動流体も供給されるので、背圧室１５を通して潤滑油１１が外部に流出することを抑制することができる。これによって、外部機器への潤滑油１１の流出を抑制できると共に、密閉容器内の潤滑油１１の不足を防止することができる。

背圧調整機構５０は、背圧制御弁１６、弁収納部６ｈ、流出側連通路６ｊ及び流出側連通溝６ｉを備えている。背圧調整機構５０は固定スクロール６に設けられている。背圧制御弁１６は、背圧室１５と膨張部３０の低圧側との間を連通もしくは遮断する弁体１７と、背圧室１５の圧力と膨張部３０の低圧側の圧力とを所定圧力差に制御するように弁体１７を弾性支持する弾性部材１８と、背圧室連通路１９ａを有するピン１９とで構成されている。膨張部３０の低圧側は、本実施形態では流出ポート６ｅであるが、作動室３１の低圧側であってもよい。弁体１７は円形の金属製プレートで形成されている。弾性部材１８は螺旋状の金属製スプリングで形成されている。弁体１７及び弾性部材１８は弁収納部６ｈに収納され、ピン１９は弁体１７を介して弾性部材１８を押し付けた状態で固定スクロール６に固定されている。これによって、弾性部材１８は弁体１７をピン１９側に押し付ける弾性力が付与される。背圧室１５と膨張部３０の低圧側とを連通させる連通路は、背圧室１５と弁収納部６ｈとを連通する背圧室連通路１９ａと、流出ポート６ｅに連通する流出側連通溝６ｉと、この流出側連通溝６ｉと弁収納部６ｈとを連通する流出側連通路６ｊとから構成されている。

ここで、背圧室１５の圧力が膨張機流出圧力と弾性部材１８との弾性力の和より大きくなると、弁体１７が押し上げられ、背圧室１５と膨張部３０の低圧側が連通し背圧室１５の圧力は減少する。背圧室１５の圧力が低下すると、膨張機低圧側作動室６ｇと弾性部材１８の弾性力との和が背圧室側の力に勝り、弁体１７は背圧室１５と膨張部３０の低圧側とを遮断する。

係る背圧調整機構５０によれば、弾性部材１８の弾性力を調整することにより、背圧室１５内の圧力を適切な圧力に容易に設定することができる。

以上のような背圧制御機構により、背圧供給通路１２から背圧室１５に高圧作動流体を供給し、背圧制御弁１６で背圧室１５の圧力を適正に保持することができる。これより旋回スクロール７の端板７ｂに背圧を付与して旋回スクロール７を固定スクロール６に押し付け、この押し付け力によって作動室内圧力による軸方向のスラスト荷重を相殺して機械摩擦損失を軽減するとともに、スクロールラップ先端部の隙間を縮小してシール性が確保され、高効率の運転を可能にした容積形流体機械１を提供することができる。

次に、本発明の他の実施形態の容積形流体機械を、図５、図６に基づいて説明する。図５、図６において、図１〜図４と同一符号を付したものは同一部品であり、同一の作用をなす。図５は本発明の他の実施形態に係わる容積形流体機械１の縦断面図、図６は本発明の他の実施形態に係わる容積形流体機械１を備えた冷凍サイクル構成図である。図において、６ｋは背圧調整機構５０の外部流出ポートで外部流出通路５１から背圧逃がし管５１ａを通って外部の冷凍サイクルに接続される。５２は、冷凍サイクルを構成する圧縮機で、圧縮要素５２ａとこれを駆動する電動要素５２ｂからなる。５３は吐出ガス中の油分を分離する油分離器で、分離した油は油戻り管５３ａ（破線で図示）を通って本発明の容積形流体機械１の密閉容器５内に返油される。５４は放熱器、５５は蒸発器である。６０は、電動要素５２ｂの回転速度をコントロールするインバータで、６１は商用電源である。６２は、発電要素３で発電した電気エネルギをインバータ６０に直流送電するコントローラで、発電した電力分だけ商用電源６１の消費電力が低減され、冷凍サイクルの成績係数を向上することが可能である。なお、インバータ６０が無い場合には、動力回収した電気エネルギは交流発電で商用電源に直接帰還させて利用することもできる。

冷凍サイクルの動作は以下のように行われる。電動要素５２ｂによって駆動される圧縮機５２の圧縮要素５２ａから吐出された高温・高圧の冷媒は、放熱器５４に入って放熱し温度低下する。この放熱器５４から出た冷媒は、本発明の容積形流体機械１の膨張機２に流入通路６ｄを通って流入し、前述した膨張動作を行って流体エネルギを機械エネルギに変換して発電要素３を回転し、電気エネルギとして回収され、低温・低圧の冷媒となる。膨張機２から流出通路６ｆを通って流出した冷媒は、圧縮機５２に戻って再び圧縮されて高温・高圧の冷媒となる。以上のサイクルが繰り返され、冷凍作用をなす。

本発明の他の実施形態に係わる容積形流体機械１では、背圧室１５を外部冷凍サイクルにおける蒸発器５５出口の低圧側に連通して背圧室１５が所定圧力となるように調整する背圧調整機構５０を設けた構成であるので、背圧室１５を膨張部３０の低圧側に連通して背圧室１５が所定圧力となるように調整する背圧調整機構５０を設けた場合に比べて、背圧調整機構５０の基本的な機能は変わらずに冷凍サイクルの蒸発器５５に混入する潤滑油量を抑えられるため、油による熱交換器の伝熱性能低下や圧力損失増加をなくして冷凍サイクルの成績係数を向上することができる。

本発明の一実施形態に係わる容積形流体機械の縦断面図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 本実施形態の容積形流体機械における背圧室へ高圧作動流体を供給する背圧供給機構を説明する要部拡大図である。 本実施形態の容積形流体機械における背圧室を所定圧力にする背圧調整機構を説明する要部拡大図である。 本発明の他の実施形態に係わる容積形流体機械の縦断面図である。 本発明の他の実施形態に係わる容積形流体機械を備えた冷凍サイクル構成図である。

符号の説明

１…容積形流体機械、２…膨張機、３…発電要素、４…クランク軸、４ａ…偏心部、４ｂ…給油通路、４ｃ…主軸部、５…密閉容器、６…固定スクロール、６ａ…固定スクロールラップ、６ｂ…固定スクロール端板、６ｃ…流入ポート、６ｄ…流入通路、６ｅ…流出ポート、６ｆ…流出通路、６ｈ…弁収納部、６ｉ…流出側連通溝、６ｊ…流出側連通路、６k…外部流出ポート、７…旋回スクロール、７ａ…旋回スクロールラップ、７ｂ…旋回スクロール端板、７ｃ…旋回軸受、８…フレーム、８ａ…膨張機主軸受、９…オルダムリング、１０…締め付けボルト、１１…潤滑油、１２…背圧供給通路、１３…背圧供給ポケット、１４…背圧供給溝、１５…背圧室、１６…背圧制御弁、１７…弁体、１８…弾性部材、１９…ピン、１９ａ…背圧室連通路、２０…給油ピース、３０…膨張部、３１…作動
室、４０…背圧供給機構、５０…背圧調整機構、５１…外部流出通路、５１ａ…背圧逃し管、５２…圧縮機、５２ａ…圧縮要素、５２ｂ…電動要素、５３…油分離器、５３ａ…油戻り管、５４…放熱器、５５…蒸発器、６０…インバータ、６１…商用電源、６２…コントローラ。

Claims (4)

1. 作動流体を圧縮する圧縮機と、圧縮された作動流体を放熱する放熱器と、放熱された作動流体を膨張する容積形流体機械と、膨張された作動流体を蒸発する蒸発器を配管で接続して構成され、
   前記容積形流体機械は、固定スクロールと旋回スクロールとを互いに噛み合わせて作動室を形成する膨張部と、前記旋回スクロールを駆動するクランク軸と、前記固定スクロールを固定すると共にこの固定スクロールとの間に前記旋回スクロールを挟持するフレームとを備える膨張機を密閉容器内に設置し、前記膨張部の中央から高圧作動流体を前記作動室に流入させ、その作動室を外周に移動させつつその作動室の容積を拡大させて前記高圧作動流体を膨張させるように構成されている冷凍サイクルにおいて、
   前記容積型流体機械は、前記旋回スクロールと前記フレームとの間に背圧室を形成し、
   前記クランク軸の給油通路から前記旋回スクロールの背面側の軸受部を通して前記背圧室へ潤滑油を流入させる潤滑油供給機構と、前記密閉容器内の高圧作動流体を前記背圧室へ供給する背圧供給機構とを並列に設け、前記背圧室を前記蒸発器出口の低圧側に連通して前記背圧室が所定圧力となるように調整する背圧調整機構を設けたものである
   ことを特徴とする冷凍サイクル。
2. 請求項１に記載の冷凍サイクルにおいて、前記背圧供給機構は、前記固定スクロールに形成し且つ前記密閉容器内の高圧側に連通した背圧供給通路と、前記旋回スクロールの旋回運動により前記背圧供給通路と前記背圧室とに交互に且つ間欠的に連通及び遮断を繰り返すように前記旋回スクロールに形成した作動流体供給ポケットとを備えることを特徴とする冷凍サイクル。
3. 請求項１または２に記載の冷凍サイクルにおいて、前記背圧調整機構は前記背圧室の圧力と前記膨張部の低圧側の圧力とが所定の圧力差になると背圧調整通路を開路する背圧制御弁を備えることを特徴とする冷凍サイクル。
4. 請求項３に記載の冷凍サイクルにおいて、前記背圧制御弁は、前記背圧調整機構の通路を開閉する弁体と、前記背圧室の圧力と前記膨張部の低圧側の圧力とに所定の圧力差を保持させるように前記弁体に弾性力を与える弾性部材とを備えることを特徴とする冷凍サイクル。

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