JP4709076B2 - Positive displacement fluid machine - Google Patents
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Description
本発明は、容積形流体機械に関し、特に冷凍サイクルにおいて冷媒を膨張及び圧縮させる機能を備えた流体機械に関する。 The present invention relates to a positive displacement fluid machine, and more particularly, to a fluid machine having a function of expanding and compressing a refrigerant in a refrigeration cycle.
従来から、例えば、冷凍サイクルに接続して用いられる流体機械として、膨張機部と圧縮機部とを備えた流体機械が知られている。 2. Description of the Related Art Conventionally, for example, a fluid machine including an expander unit and a compressor unit is known as a fluid machine used by being connected to a refrigeration cycle.
例えば、同一の容器内にそれぞれローリングピストン式の膨張機部と圧縮機部とを収納するとともに、膨張機部と圧縮機部の主軸を同軸で結合し、膨張機部に流入する冷媒の膨張エネルギを用いて主軸を回転駆動させ、これにより圧縮機部を駆動させる技術が開示されている(特許文献1参照。)。 For example, a rolling piston type expander unit and a compressor unit are housed in the same container, and the main shafts of the expander unit and the compressor unit are connected coaxially so that the expansion energy of the refrigerant flowing into the expander unit A technique is disclosed in which the main shaft is rotationally driven by using this to drive the compressor unit (see Patent Document 1).
このように、冷凍サイクルの膨張過程において動力を回収し、圧縮過程に利用することにより、冷凍サイクルのCOPを向上させることができる。 Thus, COP of a refrigerating cycle can be improved by collect | recovering motive power in the expansion | swelling process of a refrigerating cycle, and utilizing for a compression process.
ところで、特許文献1の流体機械は、膨張機部と圧縮機部との間に補助モータが設置され、補助モータと膨張機部及び圧縮機部の主軸が互いに連結して構成される。これらの主軸は、膨張機部の最大トルク発生時の回転位置と圧縮機部の最大負荷トルク発生時の回転位置とが一致するように位相差が設けられている。 By the way, the fluid machine of Patent Document 1 is configured such that an auxiliary motor is installed between the expander unit and the compressor unit, and the main shafts of the auxiliary motor, the expander unit, and the compressor unit are connected to each other. These main shafts are provided with a phase difference so that the rotational position of the expander unit when the maximum torque is generated coincides with the rotational position of the compressor unit when the maximum load torque is generated.
このように、特許文献1では、流体機械の起動時に補助モータから主軸に回転トルクを与えているため、流体機械の起動トルクを十分に確保することができる。 As described above, in Patent Document 1, since the rotational torque is applied from the auxiliary motor to the main shaft when the fluid machine is activated, the activation torque of the fluid machine can be sufficiently ensured.
しかしながら、このように補助モータを容器内に収納する構成の場合、流体機械の構造が複雑化し、例えば、製造コストが高価になるとともに、装置自体が大型化するという問題がある。 However, in the case where the auxiliary motor is housed in the container in this way, there is a problem that the structure of the fluid machine becomes complicated, for example, the manufacturing cost becomes expensive and the apparatus itself becomes large.
これに対し、補助モータ等の動力源を備えていない流体機械の場合、膨張機部及び圧縮機部の負荷トルク(静止摩擦力)を上回る大きさの起動トルクを膨張機部から生じさせることができなければ、流体機械を起動させることができない。 On the other hand, in the case of a fluid machine that does not include a power source such as an auxiliary motor, a starting torque larger than the load torque (static friction force) of the expander unit and the compressor unit may be generated from the expander unit. If not, the fluid machine cannot be started.
本発明は、膨張機部と圧縮機部を有する流体機械において補助モータを用いないで安定した起動を実現することを課題とする。 An object of the present invention is to realize stable start-up without using an auxiliary motor in a fluid machine having an expander section and a compressor section.
本発明の流体機械は、膨張機部と圧縮機部とを容器内に収納し、膨張機部に流入する流体を膨張させて膨張機部を駆動させ、その駆動力により圧縮機部を駆動させるものである。 In the fluid machine of the present invention, the expander unit and the compressor unit are housed in a container, the fluid flowing into the expander unit is expanded to drive the expander unit, and the compressor unit is driven by the driving force. Is.
ここで、膨張機部は、それぞれ板材に渦巻き状の羽根が直立して形成され、互いに噛み合って複数の作動室を形成する固定スクロール及び旋回スクロールと、固定スクロールの中央部に開口する流体の流入口と、固定スクロールの外周部に開口する流体の吐出口と、旋回スクロールと連結する第1の偏心軸部とを備えたスクロール型膨張機部であるものとし、圧縮機部は、シリンダと、このシリンダの両端を閉塞する閉塞板と、シリンダの内側で偏心回転する円筒状のローラと、このローラの外周面に接してシリンダとローラと閉塞板とにより形成される空間を仕切るベーン部と、このベーン部を付勢してローラに押し付けるばねと、ローラに連結する第2の偏心軸部とを備えたローリングピストン型圧縮機部であるものとする。 Here, each of the expander sections is formed by a spiral blade formed upright on a plate material, and meshes with each other to form a plurality of working chambers, a fixed scroll and a turning scroll, and a fluid flow opening at a central portion of the fixed scroll. The scroll expander unit includes an inlet, a fluid discharge port that opens to the outer periphery of the fixed scroll, and a first eccentric shaft unit that is connected to the orbiting scroll. The compressor unit includes a cylinder, A closing plate that closes both ends of the cylinder, a cylindrical roller that rotates eccentrically inside the cylinder, and a vane portion that is in contact with the outer peripheral surface of the roller and partitions the space formed by the cylinder, the roller, and the closing plate, It is assumed that this is a rolling piston type compressor portion that includes a spring that urges the vane portion and presses it against the roller, and a second eccentric shaft portion that is connected to the roller.
このような流体機械の膨張機部を、例えば、冷凍サイクルの圧縮機の後流側に接続して圧縮機を起動させた場合、高圧の冷媒が固定スクロールの中央の流入口を通じて最内周の作動室に流入する。このとき、膨張機部の吐出口側の作動室は流入口側の作動室よりも低圧であるため、この圧力差により旋回スクロールは主軸の回転中心から径方向の力が働いて、回転トルクを発生する。 For example, when the compressor is started by connecting the expander portion of the fluid machine to the downstream side of the compressor of the refrigeration cycle, the high-pressure refrigerant passes through the central inlet of the fixed scroll and is located at the innermost periphery. Flows into the working chamber. At this time, since the working chamber on the discharge port side of the expander section is at a lower pressure than the working chamber on the inlet side, the orbiting scroll acts as a radial force from the center of rotation of the main shaft due to this pressure difference, and generates rotational torque. appear.
ここで、流入口に連通する作動室は、その容積が最大のとき最も冷媒による径方向の力が有効に働く。ただし、作動室の容積は旋回スクロールの公転とともに変化し、容積が最大となった直後は急激に減少する。このため、旋回スクロールの回転位置は流入口に連通する作動室の容積が最大となる回転位置に設定し、この位置を限度として、そこから−45度までの範囲とすることにより、膨張機部において最大或いはそれに近い回転トルクを発生させることができる。 Here, in the working chamber communicating with the inflow port, the radial force due to the refrigerant works most effectively when the volume is maximum. However, the volume of the working chamber changes with the revolution of the orbiting scroll, and decreases rapidly immediately after the volume reaches the maximum. For this reason, the rotational position of the orbiting scroll is set to a rotational position where the volume of the working chamber communicating with the inflow port is maximized. In this case, a maximum or near rotational torque can be generated.
一方、圧縮機部は、例えば、膨張機部の吐出口側と圧縮機の吸入口側との間に接続される。このため、圧縮機部はシリンダ内でベーンにより仕切られた吸入口側の作動室よりも吐出口側の作動室の方が低圧となる。つまり、吸入口からシリンダ内に流入した冷媒は、作動室間の圧力差に伴い、吸入口側の作動室が最大容積となる位置までローラを移動させ、このとき主軸に回転トルクを発生させる。この膨張機部と圧縮機部とから生じる起動トルクは回転方向が一致している。 On the other hand, the compressor unit is connected, for example, between the discharge port side of the expander unit and the suction port side of the compressor. For this reason, in the compressor section, the working chamber on the discharge port side has a lower pressure than the working chamber on the suction port side partitioned by the vanes in the cylinder. That is, the refrigerant that has flowed into the cylinder from the suction port moves the roller to a position where the working chamber on the suction port side has the maximum volume due to the pressure difference between the working chambers, and at this time, generates rotational torque on the main shaft. The starting torque generated from the expander unit and the compressor unit has the same rotational direction.
したがって、膨張機部の第1の偏心軸部と圧縮機部の第2の偏心軸部に所定の位相差を設けることにより膨張機部と圧縮機部とから同時に起動トルクを取り出すことができる。ただし、この起動トルクによって主軸を回転させるには、常にこれらの起動トルクが膨張機部と圧縮機部の負荷トルク(静止摩擦力)を上回る位置に旋回スクロールとローラが静止している必要がある。 Therefore, by providing a predetermined phase difference between the first eccentric shaft portion of the expander portion and the second eccentric shaft portion of the compressor portion, it is possible to simultaneously extract the starting torque from the expander portion and the compressor portion. However, in order to rotate the main shaft by this starting torque, it is necessary that the orbiting scroll and the roller be stationary at a position where these starting torques always exceed the load torque (static frictional force) of the expander unit and the compressor unit. .
そこで、本発明では、圧縮機部においてローラはベーン部の押し付け力により常にばねの全長が最大となる回転位置にて静止することに着目し、ばねが最も伸びたときのローラの回転位置に対し、旋回スクロールの回転位置は流入口に連通する作動室の容積が最大となる回転位置を限度とし、この回転位置から−45度までの範囲となるように、第1の偏心軸部と第2の偏心軸部との間に位相差を設けることを特徴としている。 Therefore, in the present invention, attention is paid to the fact that the roller in the compressor portion is always stationary at the rotational position where the total length of the spring is maximized by the pressing force of the vane portion, and the rotational position of the roller when the spring is extended to the maximum. The rotation position of the orbiting scroll is limited to the rotation position where the volume of the working chamber communicating with the inlet is maximized, and the first eccentric shaft portion and the second rotation portion are in a range of −45 degrees from this rotation position. It is characterized by providing a phase difference with the eccentric shaft portion.
これによれば、流体機械の停止時において第1の偏心軸部と第2の偏心軸部の回転位置をほぼ同一とすることができるため、起動時に、膨張機部と圧縮機部とから発生する起動トルクをほぼ最大として取り出すことができ、補助モータを用いなくても安定した起動を実現することができる。 According to this, since the rotational positions of the first eccentric shaft portion and the second eccentric shaft portion can be made substantially the same when the fluid machine is stopped, it is generated from the expander portion and the compressor portion at the time of startup. The starting torque to be obtained can be taken out almost as a maximum, and stable starting can be realized without using an auxiliary motor.
また、本発明の流体機械は、例えば、冷凍サイクルの作動冷媒を二酸化炭素とするとき、膨張過程の動力を回収することによりCOPの大幅な向上を実現できる。 In addition, the fluid machine of the present invention can realize a significant improvement in COP by, for example, recovering the power of the expansion process when the working refrigerant of the refrigeration cycle is carbon dioxide.
本発明によれば、膨張機部と圧縮機部を有する流体機械において補助モータを用いないで安定した起動を実現することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the stable starting can be implement | achieved without using an auxiliary motor in the fluid machine which has an expander part and a compressor part.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図1は本発明を適用してなる流体機械の断面図である。図2は本発明を適用してなる流体機械を備えた冷凍サイクルの模式図である。図3は本発明を適用してなる流体機械を備えた冷凍サイクルのモリエル線図である。図4は本発明を適用してなる流体機械の膨張機部及び圧縮機部の横断面図である。図5は本発明を適用してなる流体機械のクランク角ごとの膨張機部及び圧縮機部の動作図である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a sectional view of a fluid machine to which the present invention is applied. FIG. 2 is a schematic diagram of a refrigeration cycle provided with a fluid machine to which the present invention is applied. FIG. 3 is a Mollier diagram of a refrigeration cycle provided with a fluid machine to which the present invention is applied. FIG. 4 is a cross-sectional view of an expander unit and a compressor unit of a fluid machine to which the present invention is applied. FIG. 5 is an operation diagram of the expander unit and the compressor unit for each crank angle of the fluid machine to which the present invention is applied.
本実施形態の冷凍サイクルは作動流体(以下、適宜冷媒と略す。)として二酸化炭素(R744)を用いている。冷媒としての二酸化炭素(R744)は、地球温暖化係数(GWP)がフロン系冷媒の数千分の一と小さく地球環境保全の点で優れている。その反面、高圧冷媒のモリエル線図上の理論的COP(成績係数)が低いという欠点があるが、R744は膨張過程のエネルギ損失がフロン系冷媒に比べて大きいため、この膨張過程の動力を回収することによりCOPを大幅に改善することができる。 The refrigeration cycle of the present embodiment uses carbon dioxide (R744) as a working fluid (hereinafter abbreviated as a refrigerant as appropriate). Carbon dioxide (R744) as a refrigerant has a global warming potential (GWP) as small as one thousandth of that of CFC refrigerants, and is excellent in terms of global environmental conservation. On the other hand, although the theoretical COP (coefficient of performance) on the Mollier diagram of the high-pressure refrigerant is low, R744 recovers the power of the expansion process because the energy loss of the expansion process is larger than that of the chlorofluorocarbon refrigerant. By doing so, the COP can be greatly improved.
本実施形態の流体機械は、同一の密閉容器9内にスクロール型の膨張機部1とローリングピストン型の圧縮機部3とを収納し、膨張機部1と圧縮機部3は、それぞれの駆動軸(主軸)を同軸に結合することで、膨張機部1にて冷媒が膨張する際に発生する動力を回収して圧縮機部3を駆動させ、圧縮仕事を行う膨張/圧縮機となっている。
The fluid machine of the present embodiment houses a scroll type expander unit 1 and a rolling piston
膨張機部1は、それぞれ円板状の鏡板に渦巻状のラップを直立させて形成される固定スクロール5と旋回スクロール7とを互いに対向する姿勢で配置し、固定スクロール5と旋回スクロール7を噛み合わせることで、これらの間に複数の作動室を形成する。固定スクロール5は密閉容器9に固定されたフレーム11に固定される。
The expander unit 1 has a
固定スクロール5の中央部に開口する吸入口13には流入パイプ15が穿設される一方、固定スクロール5の外周部に開口する吐出口17には流出パイプ19が穿設される。旋回スクロール7には、ラップと反対側の面の中央に軸受23が形成される。この軸受23には中心軸L1を中心として回転可能なクランクシャフト21の一端に連結された膨張機偏心軸21aが摺動自在に嵌め込まれ、旋回スクロール7は膨張機偏心軸21aに支持される。これにより、旋回スクロール7は、固定スクロール5に対し、中心軸L1を中心として所定の偏心量にて公転運転し、作動室を外周側に移動させるとともに作動室の容積を拡大させる。なお、旋回スクロール7はオルダムリング25にて公転運動が規制される。
An
圧縮機部3は、円筒内周面を有するシリンダ31と、シリンダ31の両端面を閉塞する端板27及びフレーム11と、シリンダ31内で偏心回転運動を行う円筒状のローラ33と、ローラ33の外周面に端面を接しながらシリンダ31に形成される溝37内を往復運動し、シリンダ31とローラ33により形成される空間を吸込室39と圧縮室41とに分割する板状のベーン35と、ベーン35の後端に設置されてローラ33の外周面にベーン35を押し付けるばね43とから構成される。また、ローラ33にはクランクシャフト21の他端に連結された圧縮機偏心軸21bが回転自在に嵌め込まれる。
The
シリンダ31には冷媒の吸込口45と吐出口47が形成されており、吸込口45には吸込パイプ49が穿設される一方、吐出口47には吐出弁51及び吐出パイプ53が接続される。
A
このように、膨張機部1の旋回スクロール7と圧縮機部3のローラ33は、膨張機偏心軸21a,圧縮機偏心軸21b及びクランクシャフト21により所定の回転角度で連結されている。
As described above, the
次に、上記の流体機械に作動流体が流入したときの動作について説明する。 Next, the operation when the working fluid flows into the fluid machine will be described.
先ず、膨張機部1の流入パイプ15を通じて最内周に形成される作動室に高圧の作動流体が流入すると、作動流体の減圧膨張により旋回スクロール7が中心軸L1を中心として公転運動する。この旋回スクロール7の公転運動により作動室が容積を拡大しながら外周側に移動し、流出パイプ19から減圧された状態で流出する。また、旋回スクロール7が公転運動すると膨張機偏心軸21aを一端とするクランクシャフト21が回転する。
First, when a high-pressure working fluid flows into the working chamber formed in the innermost periphery through the
一方、クランクシャフト21の他端側に配置される圧縮機部3においては、膨張機部1によりクランクシャフト21が回転すると、圧縮機偏心軸21bを介してローラ33がシリンダ31内で偏心回転する。ローラ33の偏心回転に伴い、ベーン35は、ばね43によりローラ33の外周面に押し付けられながら、溝37内を往復運動する。
On the other hand, in the
シリンダ31内でベーン35により区画された二つの作動室、つまり吸込室39と圧縮室41は、ローラ33の偏心回転に伴い容積が変化する。吸込パイプ49を通じて低圧の作動流体が吸込室39内に吸い込まれると吸込室39は容積の減少に伴い、所定の圧力まで圧縮される。圧縮された作動流体は、吐出弁51を通じて吐出パイプ53より外部へ吐き出される。
The volumes of the two working chambers partitioned by the
本実施形態の流体機械は、膨張機部1において作動流体が膨張する際に生じる膨張エネルギを利用して圧縮機部3を駆動させ、この駆動する圧縮機部3において作動流体を圧縮させるため電動機などを用いずに作動流体を膨張、圧縮させることができる。
The fluid machine according to the present embodiment drives the
次に、上記の流体機械を備えた冷凍サイクルの構成及び動作について図2及び図3を用いて説明する。 Next, the configuration and operation of the refrigeration cycle including the fluid machine will be described with reference to FIGS.
本実施形態の冷凍サイクルは、圧縮装置61、放熱器(ガスクーラ)63、流体機械65、蒸発器67、膨張弁69をそれぞれ冷媒配管で接続して構成される。圧縮装置61は密閉容器内に主圧縮機71と電動機73を収納して構成される。流体機械65は、膨張機部1と圧縮機部3(副圧縮機ともいう)との間に蒸発器67が接続される。膨張弁69は、膨張機部1と蒸発器67を接続する経路をバイパスするバイパス経路に配設される。なお、膨張弁69はサイクルの運転条件変化時の流量(圧力)調整等を行う以外は閉じている。
The refrigeration cycle of the present embodiment is configured by connecting a
主圧縮機71において圧縮された高温・高圧冷媒(図3の点Cの状態)は、圧縮装置61の吐出口から吐出され、放熱器63を通過して放熱により減温された後(図3の点D)、流入パイプ15を通って流体機械65の膨張機部1に入る。膨張機部1に流入した冷媒は、膨張過程において膨張エネルギを機械エネルギに変換して圧縮機部3を駆動させ、流出パイプ19から低温・低圧の気液二相冷媒(図3の点E)となって吐出される。
The high-temperature / high-pressure refrigerant compressed in the main compressor 71 (the state at point C in FIG. 3) is discharged from the discharge port of the
膨張機部1から吐出された冷媒は、蒸発器67に入って吸熱によりガス化された後、流体機械65の圧縮機部3に吸入パイプ49を通じて吸い込まれる(図3の点A)。圧縮機部3に流入した冷媒は若干昇圧され、吐出パイプ53を通じて吐出される(図3の点B)。圧縮機部3から吐出されたガス冷媒は主圧縮機71に戻されて再び圧縮され、高温・高圧のガス冷媒となる。以上のサイクルが繰り返されて冷凍作用をなす。
The refrigerant discharged from the expander unit 1 enters the
このように本実施形態の流体機械65を冷凍サイクルに用いた場合、膨張機部1の膨張エネルギを動力として回収し、この回収された動力を圧縮機部3の駆動源として、圧縮工程の一部(図3のAB間)に利用できるため、その分、主圧縮機71における仕事量を低減することができ、冷凍サイクルのCOPを向上させることができる。
As described above, when the
なお、本実施形態では、冷凍サイクルの冷媒として二酸化炭素を用いているが、フロン系の冷媒においても、二酸化炭素の改善比率ほどではないが、COPの向上を図ることができる。 In the present embodiment, carbon dioxide is used as the refrigerant in the refrigeration cycle. However, even in the case of the fluorocarbon refrigerant, the COP can be improved, although not as much as the improvement ratio of carbon dioxide.
次に、上記の冷凍サイクルの起動時の動作について詳細に説明する。 Next, the operation at the start of the refrigeration cycle will be described in detail.
冷凍サイクルの起動直前はサイクル内の圧力がほぼ一定のバランス圧力となっており、この圧力的にバランスした状態から主圧縮機71の運転を開始して冷凍サイクルを起動させる。
Immediately before the start of the refrigeration cycle, the pressure in the cycle is a substantially constant balance pressure, and the operation of the
先ず、主圧縮機71の運転開始と同時に膨張弁69を閉じる。これにより、主圧縮機71の回転数の上昇とともに主圧縮機71の吸込側圧力が低下し、吐出側圧力が上昇する。そして、圧力が上昇した高圧冷媒が放熱器63を経由し、流入パイプ15を通じて膨張機部1の最内周の作動室(図4の71)に到達する。このとき最内周の作動室の周囲の作動室は停止時のバランス圧力のまま維持されているため、作動室間の圧力差により旋回スクロール7にはクランクシャフト21の中心軸L1に対する径方向力が発生し、回転トルクが発生する。
First, the
この起動時の回転トルク(起動トルク)が流体機械65の膨張機部1や圧縮機部3の各摺動部における静止摩擦力を上回ると、クランクシャフト21は回転を始める。ここで、静止時の旋回スクロール7の回転位置に応じて作動室の大きさは決まり、特に吸入口13に連通する最内周の作動室71はその容積が大きいほど、冷媒の径方向にかかる力が大きくなり、その結果、起動トルクが増加する。このため、最内周の作動室71は、吸入口13に連通し、かつ各摺動部の静止摩擦力を上回るのに十分な起動トルクを発生させるため、静止時において所定の容積が確保されている必要がある。
When the rotational torque at the time of starting (starting torque) exceeds the static frictional force at the sliding portions of the expander unit 1 and the
一方、主圧縮機71の吸込側圧力が低下することにより、流体機械65の圧縮機部3の圧縮室41とこれに連通する空間の圧力が低下する。このとき、圧縮機部3の吸込室39は停止時のバランス圧力のまま維持されているため、吸込室39と圧縮室41との両作動室間には圧力差が生じる。この圧力差により吸込室39の容積が最大となる回転位置までローラ33が移動し、同時にクランクシャフト21には回転トルクが発生する。この回転トルクのかかる方向は膨張機部1の回転方向と同じであるため、流体機械65の起動時の回転トルクは増すことになる。
On the other hand, when the suction side pressure of the
このように、本冷凍サイクルの流体機械65は、起動時において旋回スクロール7及びローラ33が所定の回転位置に停止していれば、膨張機部1及び圧縮機部3のそれぞれから起動トルクが発生する。すなわち、流体機械65は、その停止時において、次の起動時に備えて、起動トルクが静止摩擦力を上回る位置に旋回スクロール7及びローラ33を常時静止させておく必要がある。そのため、本実施形態では、膨張機部1と圧縮機部3との間の回転角度を規定するため、クランクシャフト21の中心軸L1に対し、膨張機偏心軸21a及び圧縮機偏心軸21bの回転位相を規定している。
Thus, the
ここで、流体機械65の停止時の圧縮機部3に着目すると、圧縮機部3のローラ33はベーン35を介してばね43による押し付け力を常に受けている。このため、流体機械65が停止すると、ローラ33はばね43の押し付けにより、ばね全長が最大となる回転位置(ベーン下死点)まで移動して停止する。つまり、ローラ33は、吸込室39と圧縮室41とがほぼ同容積となる位置に停止することになる。このため、ローラ33がベーン下死点の位置から冷凍サイクルを起動させると、圧縮機部3の吐出側圧力が低下して吸込室39と圧縮室41との間に圧力差を生じ、ローラ33は吸込室39の容積が最大となる回転位置まで移動することから、このローラ33の移動の際に起動トルクを得ることができる。
Here, paying attention to the
以上のことから、本実施形態では、圧縮機部3が、ベーン下死点となるローラ33の回転位置のとき、膨張機部1により発生する回転トルクが最大となるように旋回スクロール7の回転位置を規定しており、具体的には、膨張機部1の流入口に連通する最内周の作動室71の容積が最大となるように、膨張機偏心軸21aの回転位置を決めている。
From the above, in this embodiment, when the
図5にクランク角ごとの旋回スクロール7とベーン位置及び起動トルクの関係の一例を示すが、膨張機部1においては吸入口13に連通した最内周の作動室71の容積が大きいほど起動トルクは大きく、その分流体機械は起動しやすくなる。そのため本実施形態の流体機械では、膨張機部1の吸入口13に連通する最内周の作動室71の容積が最大となるときのクランク角と、圧縮機部3のベーン下死点となるときのクランク角とが一致するように、膨張機偏心軸21a及び圧縮機偏心軸21bをクランクシャフト21の中心軸L1に対して所定の位相にて配置する。これにより旋回スクロール7は流体機械65の停止時に必ず吸入口13に連通する最内周の作動室71の容積が最大となる回転位置に停止し、主圧縮機71の始動後は、吸入口13に連通する最内周の作動室に高圧冷媒が流入するようになり、膨張機部1が発生しうる最大の起動トルクを得ることができる。
FIG. 5 shows an example of the relationship between the orbiting
また、一般に、スクロール式膨張機部の最内周の作動室71は吸入口13に連通し始めてから作動室を閉じきるまでの間、容積を連続的に増加させるが、作動室を閉じきった直後には最内周の作動室はさらに内周側に形成される作動室に移るため、容積が急激に小さくなる。そのため、停止時の旋回スクロール7の回転位置が、ローラ33の押し付けによるばね長さ最大の位置に対しずれを生じると、作動室が閉じきった直後の状態となるおそれがある。この場合、膨張機部1が生じる起動トルクは最も小さい状態となり、流体機械を駆動させることができないおそれがある。
In general, the innermost working
これを防止するため、旋回スクロール7の停止時の回転位置(クランク角)は作動室が閉じ切りとなる回転位置よりも若干前方にずれていた方がよく、例えば、ベーン下死点に対し、膨張機部1の吸入口13に連通する作動室の容積が最大となる回転位置を限度として、この回転位置から−45度までの角度範囲に、膨張機偏心軸21aを配置することが好ましい。これにより、停止時のクランクシャフト21の回転位置がベーン下死点からずれても、起動トルクの低下を防ぎ、安定した起動を行うことができる。
In order to prevent this, the rotational position (crank angle) when the
以上述べたように、本実施形態の流体機械によれば、膨張機部1にスクロール型膨張機を、圧縮機部3にローリングピストン型ロータリ圧縮機を備え、ローリングピストン型圧縮機部のローラ33をベーン35を介してばね43により付勢することにより、停止時のクランクシャフト21の回転位置を常にほぼ同一とすることができ、かつ、その回転位置にて膨張機部1により発生する起動トルクをほぼ最大とすることができることため、例えば、補助モータを設置しなくても常に安定した起動を実現でき、冷凍サイクルの信頼性を高め、効率的な膨張エネルギ回収を実現できる。また、流体機械において補助モータなどの起動手段を特段設ける必要がないため、機器のコスト低下に寄与することができる。
As described above, according to the fluid machine of the present embodiment, the expander unit 1 includes the scroll type expander, the
1 膨張機部
3 圧縮機部
5 固定スクロール
7 旋回スクロール
13 吸入口
21 クランクシャフト
21a 膨張機偏心軸21a
21b 圧縮機偏心軸21b
31 シリンダ
33 ローラ
35 ベーン
43 ばね
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
21b Compressor eccentric shaft 21b
31
Claims (3)
前記膨張機部は、それぞれ板材に渦巻き状の羽根が直立して形成され、互いに噛み合って複数の作動室を形成する固定スクロール及び旋回スクロールと、前記固定スクロールの中央部に開口する前記流体の流入口と、前記固定スクロールの外周部に開口する前記流体の吐出口と、前記旋回スクロールと連結する第1の偏心軸部とを備えたスクロール型膨張機部であり、
前記圧縮機部は、シリンダと、該シリンダの両端を閉塞する閉塞板と、前記シリンダの内側で偏心回転する円筒状のローラと、前記ローラの外周面に接して前記シリンダと前記ローラと前記閉塞板とにより形成される空間を仕切るベーン部と、前記ベーン部を付勢して前記ローラに押し付けるばねと、前記ローラに連結する第2の偏心軸部とを備えたローリングピストン型圧縮機部であり、
前記第1の偏心軸部と前記第2の偏心軸部は主軸に連結され、前記ばねが最も伸びたときの前記ローラの回転位置に対し、前記旋回スクロールの回転位置は、前記流入口に連通する前記作動室の容積が最大となる回転位置を限度として該回転位置から−45度までの範囲となるように、前記第1の偏心軸部と前記第2の偏心軸部との間に位相差を設けることを特徴とする容積形流体機械。 An expander unit and a compressor unit are accommodated in a container, a fluid is expanded by the expander unit to drive the expander unit, and the compressor unit is driven by a driving force of the expander unit. In fluid machinery,
The expander section includes a fixed scroll and an orbiting scroll, each of which has a spiral blade formed upright on a plate material and meshes with each other to form a plurality of working chambers. A scroll-type expander unit including an inlet, a discharge port of the fluid that opens to an outer peripheral portion of the fixed scroll, and a first eccentric shaft unit that is connected to the orbiting scroll;
The compressor section includes a cylinder, a closing plate that closes both ends of the cylinder, a cylindrical roller that rotates eccentrically inside the cylinder, and the cylinder, the roller, and the blocking that are in contact with the outer peripheral surface of the roller. A rolling piston type compressor section comprising a vane section that partitions a space formed by a plate, a spring that urges the vane section to press it against the roller, and a second eccentric shaft section that is coupled to the roller. Yes,
The first eccentric shaft portion and the second eccentric shaft portion are connected to a main shaft, and the rotational position of the orbiting scroll communicates with the inflow port with respect to the rotational position of the roller when the spring is most extended. Between the first eccentric shaft portion and the second eccentric shaft portion so that the rotational position where the volume of the working chamber is maximized is within a range of −45 degrees from the rotational position. A positive displacement fluid machine characterized by providing a phase difference.
The positive displacement fluid machine according to claim 1, wherein the fluid is carbon dioxide.
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