JP4807056B2 - Scroll expander - Google Patents

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本発明は、鏡板から渦巻きラップが立ち上がる固定スクロール及び旋回スクロールを噛み合わせて双方間に膨張室を形成し、旋回スクロールを自転規制機構による自転の規制のもとに円軌道に沿って旋回させたとき膨張室が容積を変えながら移動することで、吸入、吐出を行うスクロール膨張機に関するものである。   In the present invention, the fixed scroll and the orbiting scroll where the spiral wrap rises from the end plate are meshed to form an expansion chamber between the two, and the orbiting scroll is revolved along a circular orbit under the restriction of rotation by the rotation restriction mechanism. The present invention relates to a scroll expander that performs suction and discharge when the expansion chamber moves while changing its volume.
従来、この種のスクロール流体機械(圧縮機)としては、各スクロールの渦巻きラップの巻き始め部分を、ラップ先端が外壁インボリュート曲線の巻き始め点と滑らかに接続する外円弧と、内壁インボリュート曲線の巻き始め点と滑らかに接続する内円弧との2つの円弧で構成したものや、各スクロールの渦巻きラップの巻き始め部分を、ラップ先端が外壁インボリュート曲線の巻き始め点と滑らかに接続する外円弧と、内壁インボリュート曲線の巻き始め点と滑らかに接続しない内円弧との2つの円弧で構成したものがある(例えば、特許文献1参照)。   Conventionally, this type of scroll fluid machine (compressor) has a spiral wrap winding start portion of each scroll, an outer arc in which the wrap tip smoothly connects to the winding start point of the outer wall involute curve, and the inner wall involute curve winding. An arc composed of two arcs of a starting point and an inner arc smoothly connected, and an outer arc whose wrap end smoothly connects with the winding start point of the outer wall involute curve of the spiral wrap of each scroll, There is one constituted by two arcs of a winding start point of an inner wall involute curve and an inner arc that is not smoothly connected (for example, see Patent Document 1).
すなわち、スクロール圧縮機は図4および図5に示すように2つの圧縮室があり、旋回スクロールラップ26bの内壁面26dと固定スクロールラップ24bの外壁面24cとにより形成される第1圧縮室25aと、旋回スクロールラップ26bの外壁面26eと固定スクロールラップ24bの内壁面24dとにより形成される第2圧縮室25bとの2つの圧縮室から構成され、両圧縮室25aおよび25bがスクロールの中心方向に移動するに従って容積を縮小するように両スクロールの相対運動を行うことにより圧縮室のガスを圧縮し、吐出孔21から吐出される。   That is, the scroll compressor has two compression chambers as shown in FIGS. 4 and 5, and a first compression chamber 25a formed by an inner wall surface 26d of the orbiting scroll wrap 26b and an outer wall surface 24c of the fixed scroll wrap 24b. The second compression chamber 25b is formed by the outer wall surface 26e of the orbiting scroll wrap 26b and the inner wall surface 24d of the fixed scroll wrap 24b, and both the compression chambers 25a and 25b are arranged in the center direction of the scroll. The gas in the compression chamber is compressed by the relative movement of both scrolls so as to reduce the volume as it moves, and is discharged from the discharge hole 21.
第2圧縮室25bは設計容積比(吸込容積/吐出容積)に達したのち、吐出孔21と連通する(図5の矢印X)ため十分な吐出通路が確保できる。これに対して、第1圧縮室25aは旋回スクロールラップ26bの内壁面26dと固定スクロールラップ24bの外壁面24cとの間を経由(図5の矢印Y)してからでないと吐出孔21に連通されない。   Since the second compression chamber 25b reaches the design volume ratio (suction volume / discharge volume) and then communicates with the discharge hole 21 (arrow X in FIG. 5), a sufficient discharge passage can be secured. In contrast, the first compression chamber 25a communicates with the discharge hole 21 only after passing through between the inner wall surface 26d of the orbiting scroll wrap 26b and the outer wall surface 24c of the fixed scroll wrap 24b (arrow Y in FIG. 5). Not.
ところが、圧縮終了したガスが吐出室へ流れる際、スクロールラップの壁面間を通るが、このラップ間の距離が狭いと吐出ガス通路の抵抗(以下、吐出抵抗)が大きくなるため、圧縮機入力が増大し、効率を低下させてしまうという問題を有していた。   However, when the compressed gas flows into the discharge chamber, it passes between the wall surfaces of the scroll wrap, but if the distance between the wraps is narrow, the resistance of the discharge gas passage (hereinafter referred to as discharge resistance) increases, so the compressor input is It has the problem of increasing and reducing efficiency.
そこで上記問題を解決するため、図6に示すように、固定スクロールラップ24bの巻き始め部分を、ラップ先端が外側インボリュート曲線の巻き始め点Bと滑らかに接続する外円弧24eと、内側インボリュートの巻き始め点Aと滑らかに接続しない内円弧24fとの2つの円弧で構成することにより、吐出直後のガス通路を広げ、吐出抵抗による圧縮機入力が増大を低減し、圧縮効率を向上させる構成のスクロール圧縮機が提案されている。
特開2000−120565号公報
To solve the above problem, as shown in FIG. 6, the winding start portion of the fixed scroll wrap 24b is connected to the outer arc 24e in which the wrap tip smoothly connects to the winding start point B of the outer involute curve, and the inner involute winding. A scroll having a configuration in which the starting point A and the inner arc 24f that is not smoothly connected constitute two arcs to widen the gas passage immediately after discharge, reduce the increase in compressor input due to discharge resistance, and improve compression efficiency. A compressor has been proposed.
JP 2000-120565 A
しかしながら、スクロール流体機械を膨張機として用いる場合には、インボリュート曲線の巻き始め部分に形成される膨張室によって閉じ込められた冷媒が、巻き終わり部分に移動することによって膨張する。特に作動流体が二酸化炭素冷媒の場合密度が大きいので吸入脈動が発生し、膨張機の配管振動による配管折れや、同時に水撃現象が発生した場合は、ラップ折れが発生するといった問題を有していた。   However, when the scroll fluid machine is used as an expander, the refrigerant confined by the expansion chamber formed in the winding start portion of the involute curve expands by moving to the winding end portion. In particular, when the working fluid is carbon dioxide refrigerant, the density is high, so suction pulsation occurs, and if the pipe breaks due to the pipe vibration of the expander or the water hammer phenomenon occurs at the same time, there is a problem that lap breakage occurs. It was.
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、スクロール流体機械を膨張機として用いた場合でも、配管折れやラップ折れを防いで高い信頼性を実現するスクロール膨張機を提供することを目的とする。   The present invention solves the above-described conventional problems, and an object thereof is to provide a scroll expander that realizes high reliability by preventing pipe breakage and lap breakage even when a scroll fluid machine is used as an expander. To do.
前記従来の課題を解決するために、本発明のスクロール流体機械は、旋回スクロールの渦巻きラップの巻き始め部分を、外壁インボリュート曲線の外壁巻き始め点と、内壁インボリュート曲線の内壁巻き初め点の両方に、滑らかに接続する1つの外円弧で形成したものである。これによって、スクロール膨張機に形成される2つの膨張室の吸入ポイントを180°ずらすことができるので、吸入脈動を小さくできる。同時に、旋回スクロールの巻き始め部分のラップの強度を上げることができるので、配管折れやラップ折れを防いで高い信頼性を実現するスクロール膨張機を提供する。   In order to solve the above-described conventional problems, the scroll fluid machine of the present invention is configured so that the winding start portion of the spiral wrap of the orbiting scroll is both at the outer wall winding start point of the outer wall involute curve and the inner wall winding start point of the inner wall involute curve. It is formed by one outer arc that connects smoothly. As a result, the suction points of the two expansion chambers formed in the scroll expander can be shifted by 180 °, so that the suction pulsation can be reduced. At the same time, the strength of the wrap at the winding start portion of the orbiting scroll can be increased, so that a scroll expander that prevents pipe breakage and wrap breakage and realizes high reliability is provided.
本発明のスクロール膨張機は、特に高圧・低圧縮比冷媒である二酸化炭素冷媒を用いた場合に、高い信頼性を実現することができる。   The scroll expander of the present invention can achieve high reliability, particularly when a carbon dioxide refrigerant, which is a high pressure / low compression ratio refrigerant, is used.
第1の発明は、旋回スクロールの渦巻きラップの巻き始め部分を、外壁インボリュート曲線の外壁巻き始め点と、内壁インボリュート曲線の内壁巻き初め点の両方に、滑らかに接続する1つの外円弧で形成したものである。これによって、スクロール膨張機に形成される2つの膨張室の吸入ポイントを180°ずらすことができるので、吸入脈動を小さくできる。同時に、旋回スクロールの巻き始め部分のラップの強度を上げることができるので、高い信頼性を実現するスクロール膨張機を提供することができる。   In the first invention, the winding start portion of the spiral wrap of the orbiting scroll is formed by one outer arc smoothly connected to both the outer wall starting point of the outer wall involute curve and the inner wall winding starting point of the inner wall involute curve. Is. As a result, the suction points of the two expansion chambers formed in the scroll expander can be shifted by 180 °, so that the suction pulsation can be reduced. At the same time, the strength of the wrap at the winding start portion of the orbiting scroll can be increased, so that a scroll expander that achieves high reliability can be provided.
第2の発明は、特に、第1の発明の、固定スクロールの渦巻きラップの巻き始め部分を、外壁インボリュート曲線の外壁巻き始め点に滑らかに接続する第1の外円弧と、内壁インボリュート曲線の内壁巻き始め点と前記第1の外円弧の両方に滑らかに接続する第2の内円弧とで構成し、旋回スクロールの外壁インボリュート曲線の外壁巻き始め点が、固定スクロールの内壁インボリュート曲線に接する点よりも、固定スクロールの内壁インボリュート曲線の内壁巻き始め点を巻き始め側に形成したものである。これによって、吸入口を大きく形成することができるので、より吸入脈動を小さくしながらも、吸入による圧力損失も小さくすることが出来るので、より高い信頼性と高効率を実現するスクロール膨張機を提供することができる。   In particular, the second invention is a first outer arc that smoothly connects the winding start portion of the spiral wrap of the fixed scroll to the outer wall winding start point of the outer wall involute curve, and the inner wall of the inner wall involute curve of the first invention. From the point where the outer wall winding start point of the outer wall involute curve of the orbiting scroll is in contact with the inner wall involute curve of the fixed scroll, comprising a winding start point and a second inner arc smoothly connected to both the first outer arc Also, the inner wall winding start point of the inner wall involute curve of the fixed scroll is formed on the winding start side. As a result, the suction port can be made larger, so that the pressure loss due to suction can be reduced while reducing the suction pulsation, providing a scroll expander that realizes higher reliability and higher efficiency. can do.
第3の発明は、特に、第1〜第2の発明の、旋回スクロールの渦巻きラップの外壁インボリュート曲線の巻き終わり端近くまで伸びた固定スクロールの渦巻きラップの内壁インボリュート曲線によって、固定スクロールの渦巻きラップの内壁を形成したものである。これによって、旋回スクロールの渦巻きラップの外壁側に形成される膨張室と、内壁側に形成される膨張室の容積比をほぼ同等にすることができるので、過膨張損失や不足膨張損失が少なく、より高効率を実現するスクロール膨張機を提供することができる。   The third aspect of the invention is particularly the swirl wrap of the fixed scroll by the inner wall involute curve of the fixed scroll swirl wrap extending to the vicinity of the winding end of the outer wall involute curve of the swirl scroll spiral wrap of the first and second inventions. The inner wall is formed. Thereby, since the volume ratio of the expansion chamber formed on the outer wall side of the spiral wrap of the orbiting scroll and the expansion chamber formed on the inner wall side can be made substantially equal, there is little overexpansion loss and insufficient expansion loss, A scroll expander that achieves higher efficiency can be provided.
第4の発明は、特に、第1〜第3の発明の、旋回スクロールをアルミニウム系金属材料で、固定スクロールを鉄系金属材料で形成したものである。鉄系金属材料とアルミニウム系金属材料を押付ける場合の焼き付き荷重は、鉄系材料同士を押付ける場合の焼き付き荷重に比べて高くなるので、カジリや異常磨耗を抑えることができる。また、アルミニウム系金属材料は鉄系金属材料に比べて密度が小さいので、運転時の遠心力を小さく抑えることができるので、シャフトにかかる負荷を小さくすることができる。結果として、軸受部の損失を低減してより高効率を実現するスクロール膨張機を提供することができる。また
、アルミニウム系金属材用は、鉄系金属材料に比べて剛性が低いので、固定スクロールに比べて旋回スクロールの歪み量の方が大きく、中心部で強く摺動することになる。結果、旋回スクロールの巻き始め部は、固定スクロールの巻き始め部と比べて、大きな応力が発生するが、旋回スクロールの巻き始め部を1つの円弧で構成した場合では、応力発生を小さく抑えることができるので、より信頼性の高いスクロール膨張機を提供することができる。
In the fourth invention, the orbiting scroll is made of an aluminum-based metal material and the fixed scroll is made of an iron-based metal material, in particular, in the first to third inventions. The seizure load when pressing the iron-based metal material and the aluminum-based metal material is higher than the seizure load when pressing the iron-based materials, so that galling and abnormal wear can be suppressed. In addition, since the aluminum-based metal material has a lower density than the iron-based metal material, the centrifugal force during operation can be kept small, so that the load on the shaft can be reduced. As a result, it is possible to provide a scroll expander that realizes higher efficiency by reducing the loss of the bearing portion. In addition, since the aluminum-based metal material has lower rigidity than the iron-based metal material, the amount of distortion of the orbiting scroll is larger than that of the fixed scroll, and it slides strongly at the center. As a result, the winding start portion of the orbiting scroll generates a greater stress than the winding start portion of the fixed scroll. However, when the orbiting scroll winding start portion is configured by one arc, the generation of stress can be suppressed to a small value. Therefore, a more reliable scroll expander can be provided.
第5の発明は、特に、第1〜第4の発明の、作動流体としての冷媒を、二酸化炭素としたものである。これによって、二酸化炭素は、膨張機による動力回収効果が他の作動流体と比べて大きいので、高い信頼性と高効率を実現するスクロール膨張機を用いれば、より高い信頼性と高効率な特徴を有する冷凍サイクル装置を提供することができる。   In the fifth invention, in particular, the refrigerant as the working fluid of the first to fourth inventions is carbon dioxide. As a result, carbon dioxide has a larger power recovery effect by the expander than other working fluids, so if a scroll expander that achieves high reliability and high efficiency is used, higher reliability and high efficiency characteristics can be achieved. A refrigeration cycle apparatus having the above can be provided.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments.
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1におけるスクロール膨張機の断面図を示すものである。
(Embodiment 1)
1 is a sectional view of a scroll expander according to Embodiment 1 of the present invention.
図1において、密閉容器1内に溶接や焼き嵌めなどして固定したクランク軸4の主軸部4aを軸支する主軸受部材11と、この主軸受部材11上にボルト止めした固定スクロール12との間に、固定スクロール12と噛み合う旋回スクロール13を挟み込んでスクロール式の膨張機構部を構成し、旋回スクロール13と主軸受部材11との間に旋回スクロール13の自転を防止して円軌道運動するように案内するオルダムリングなどによる自転規制機構14を設けている。   In FIG. 1, a main bearing member 11 that pivotally supports a main shaft portion 4 a of a crankshaft 4 fixed by welding or shrink fitting in the sealed container 1, and a fixed scroll 12 bolted on the main bearing member 11. A scroll-type expansion mechanism is formed by sandwiching the orbiting scroll 13 that meshes with the fixed scroll 12 between them, so that the orbiting scroll 13 is prevented from rotating between the orbiting scroll 13 and the main bearing member 11 and moves in a circular orbit. A rotation restricting mechanism 14 is provided by an Oldham ring or the like that guides the motor.
上記構成において、クランク軸4の上端にある偏心軸部4bにて旋回スクロール13を偏心駆動することにより旋回スクロール13を円軌道運動させ、これにより固定スクロール12と旋回スクロール13との間に形成している膨張室15が中央部から外周側に移動しながら大きくなるのを利用して、密閉容器1外に通じた吸入パイプ16および固定スクロール12の中央部の吸入口17から冷媒ガスを吸入して膨張していき、所定圧以下になった冷媒ガスは固定スクロール12の外周側の吐出口18から密閉容器1外に吐出させることを繰り返す。   In the above configuration, the orbiting scroll 13 is eccentrically driven by the eccentric shaft portion 4 b at the upper end of the crankshaft 4 to cause the orbiting scroll 13 to move in a circular orbit, thereby forming between the fixed scroll 12 and the orbiting scroll 13. A refrigerant gas is sucked from a suction pipe 16 communicating with the outside of the hermetic container 1 and a suction port 17 at the center of the fixed scroll 12 by using the expansion chamber 15 which is enlarged while moving from the center to the outer peripheral side. The refrigerant gas that has been expanded and reduced to a predetermined pressure or less is repeatedly discharged out of the sealed container 1 from the discharge port 18 on the outer peripheral side of the fixed scroll 12.
またクランク軸4の他端側は副軸受部材21によって支持され、クランク軸4の他端側の先端には容積型ポンプ25を備えている。潤滑油6は、潤滑油溜り20から容積型ポンプ25はクランク軸4の軸方向の中心に設けられた給油経路(図示せず)を経て、主軸受部11a、偏心軸受部11bを潤滑および冷却した後、潤滑油戻し孔26を経て、再循環を行う。一方、偏心軸受部11bに到達した潤滑油6の一部は、旋回スクロール13の内部に設けられた絞り通路28より減圧されて背圧室29に供給される。なお、旋回スクロール13の反ラップ側の鏡板背面に、中心部と外周部とを仕切るシール部材5を配置している。シール部材5は偏心軸受部11bに到達した潤滑油6の圧力と背圧室29の圧力とを仕切る役割を持っている。背圧室29に供給された潤滑油6は、吐出される冷媒とともに密閉容器1外へと吐出される。   Further, the other end side of the crankshaft 4 is supported by the auxiliary bearing member 21, and a positive displacement pump 25 is provided at the tip of the other end side of the crankshaft 4. The lubricating oil 6 lubricates and cools the main bearing portion 11a and the eccentric bearing portion 11b through a lubricating oil reservoir 20 through a positive displacement pump 25 (not shown) provided in the center of the crankshaft 4 in the axial direction. After that, recirculation is performed through the lubricating oil return hole 26. On the other hand, a part of the lubricating oil 6 that has reached the eccentric bearing portion 11 b is depressurized from the throttle passage 28 provided inside the orbiting scroll 13 and supplied to the back pressure chamber 29. A seal member 5 that partitions the central portion and the outer peripheral portion is disposed on the back surface of the end plate on the opposite side of the orbiting scroll 13. The seal member 5 has a role of partitioning the pressure of the lubricating oil 6 reaching the eccentric bearing portion 11 b and the pressure of the back pressure chamber 29. The lubricating oil 6 supplied to the back pressure chamber 29 is discharged out of the sealed container 1 together with the discharged refrigerant.
図2は、本実施例のスクロール膨張機における旋回スクロールラップと固定スクロールラップの巻き始め部分の要部拡大平面図である。旋回スクロール13の外壁巻き初め点Aから外周側に向かうラップ外壁は外壁インボリュート曲線で構成され、旋回スクロール13の内壁巻き初め点Bから外周側に向かうラップ内壁は内壁インボリュート曲線で構成されている。旋回スクロール13の巻き始め部の点Aと点Bの間は、1つの円弧にて滑らかに接続されている。また、図2(a)は、旋回スクロール13の外壁が膨張室15を形成
した閉じ込み完了(膨張過程開始直後)時を示し、図2(b)は、旋回スクロール13の内壁が膨張室15を形成した閉じ込み完了時を示している。これら図を見ても分かるように、旋回スクロール13の巻き始め部の点Aと点Bの間は、1つの円弧にて滑らかに接続した場合には、旋回スクロール13の外壁が形成の膨張室15と内壁が形成する膨張室15は、180°位相を変えることが可能となる。結果、1回転あたり2回に分けて冷媒を吸入することができるので、吸入脈動を小さく抑えることができるので、膨張機の配管振動による配管折れを防ぐことができる。
FIG. 2 is an enlarged plan view of the main part of the winding start portion of the orbiting scroll wrap and the fixed scroll wrap in the scroll expander of the present embodiment. A wrap outer wall from the outer wall winding starting point A of the orbiting scroll 13 toward the outer peripheral side is configured by an outer wall involute curve, and a lap inner wall from the inner wall winding initial point B of the orbiting scroll 13 toward the outer peripheral side is configured by an inner wall involute curve. A point A and a point B at the winding start portion of the orbiting scroll 13 are smoothly connected by a single arc. FIG. 2A shows the time when the outer wall of the orbiting scroll 13 forms the expansion chamber 15 and the closing is completed (immediately after the start of the expansion process), and FIG. 2B shows the inner wall of the orbiting scroll 13 as the expansion chamber 15. The time when the closing is completed is shown. As can be seen from these figures, between the winding start point A and point B of the orbiting scroll 13, when smoothly connected by one arc, the expansion chamber formed by the outer wall of the orbiting scroll 13 is formed. 15 and the expansion chamber 15 formed by the inner wall can change the phase by 180 °. As a result, since the refrigerant can be sucked into two times per one rotation, the suction pulsation can be suppressed small, so that the pipe breakage due to the pipe vibration of the expander can be prevented.
また、旋回スクロール13の巻き始め部分を1つの円弧で構成すると、外力がかかった場合の隅部応力集中値を下げることができるので、ラップの強度が高まる。特に作動流体が二酸化炭素冷媒の場合密度が大きいので、吸入脈動による振動に加えて、水撃現象が発生した場合も、ラップ折れを防止して、高い信頼性を確保することができる。   Further, if the winding start portion of the orbiting scroll 13 is formed by one arc, the corner stress concentration value when an external force is applied can be lowered, and the strength of the wrap is increased. In particular, when the working fluid is a carbon dioxide refrigerant, the density is high, so that in addition to vibration due to suction pulsation, even when a water hammer phenomenon occurs, wrap breakage can be prevented and high reliability can be ensured.
また、固定スクロール12の外壁巻き初め点Cから外周側に向かうラップ外壁は外壁インボリュート曲線で構成され、固定スクロール12の内壁巻き初め点Eから外周側に向かうラップ内壁は内壁インボリュート曲線で構成されている。固定スクロール12の巻き始め部の点Cにて外壁インボリュート曲線と滑らかに接続する第1の円弧と、点Eにて外壁インボリュート曲線と滑らかに接続する第2の円弧が、点Cと点Eの間の点Dにおいて、滑らかに接続されている。また、旋回スクロール13の外壁巻き始め点Aが、固定スクロール12の内壁と膨張室15を形成する場所よりも、固定スクロール12の内壁巻き初め点Eを巻き始め側に形成している。図を見ても分かるように、固定スクロール12の内壁巻き初め点Eを巻き始め側に形成すると、ラップ厚みが厚くならないので、吸入口17を大きく形成することができる。結果、より吸入脈動を小さくしながらも、吸入による圧力損失も小さくすることが出来るので、より高い信頼性と高効率を実現することができる。   Further, the outer wall wrap outer wall from the outer wall winding starting point C of the fixed scroll 12 toward the outer peripheral side is configured by an outer wall involute curve, and the inner wall wrap inner wall from the inner wall winding initial point E of the fixed scroll 12 to the outer peripheral side is configured by an inner wall involute curve. Yes. A first arc that smoothly connects to the outer wall involute curve at the point C of the winding start portion of the fixed scroll 12 and a second arc that smoothly connects to the outer wall involute curve at the point E are points C and E. The connection is made smoothly at a point D between them. Further, the outer wall winding start point A of the orbiting scroll 13 forms the inner wall winding start point E of the fixed scroll 12 on the winding start side from the place where the inner wall of the fixed scroll 12 and the expansion chamber 15 are formed. As can be seen from the figure, if the inner wall winding start point E of the fixed scroll 12 is formed on the winding start side, the wrap thickness does not increase, so that the suction port 17 can be formed larger. As a result, the pressure loss due to the suction can be reduced while the suction pulsation is further reduced, so that higher reliability and higher efficiency can be realized.
図3は、本実施例のスクロール膨張機における旋回スクロールラップと固定スクロールラップの平面図である。旋回スクロール13の巻き始め部を1つの円弧にて接続した場合には、旋回スクロール13の外壁が形成する膨張室15の容積比が内壁に形成する膨張室15より小さくなってしまうが、図3を見ても分かるように、旋回スクロール13の渦巻きラップの外壁インボリュート曲線の巻き終わり端近くまで伸びた固定スクロール12の渦巻きラップの内壁インボリュート曲線によって、旋回スクロール13の渦巻きラップの外壁側に形成される膨張室15と内壁側に形成される膨張室15の容積比をほぼ同等にすることができる。結果、過膨張損失や不足膨張損失が少なく、より高効率を実現するスクロール膨張機を提供することができる。   FIG. 3 is a plan view of the orbiting scroll wrap and the fixed scroll wrap in the scroll expander of this embodiment. When the winding start portion of the orbiting scroll 13 is connected by one arc, the volume ratio of the expansion chamber 15 formed by the outer wall of the orbiting scroll 13 is smaller than that of the expansion chamber 15 formed by the inner wall. As can be seen, the inner wall involute curve of the spiral wrap of the orbiting scroll 13 is formed on the outer wall side of the spiral wrap of the orbiting scroll 13 by the inner wall involute curve of the spiral wrap of the fixed scroll 12 extending to the vicinity of the winding end of the outer wall involute curve of the orbiting scroll 13. The volume ratio between the expansion chamber 15 and the expansion chamber 15 formed on the inner wall side can be made substantially equal. As a result, it is possible to provide a scroll expander that achieves higher efficiency with less overexpansion loss and insufficient expansion loss.
なお、旋回スクロール13をアルミニウム系金属材料で、固定スクロール12を鉄系金属材料で形成した場合には、旋回スクロール13の巻き始め部分を1つの円弧で構成すると、力がかかった場合の応力集中値を下げることができるので、旋回スクロール13に、強度的には鉄系金属材料よりも弱いアルミニウム系金属材料を用いても、高い信頼性を維持できる。一方で、アルミニウム系金属材料は鉄系金属材料に比べて密度が小さいので、運転時の遠心力を小さく抑えることができるので、シャフトにかかる負荷を小さくすることができる。結果として、軸受部の損失を低減してより高効率を実現するスクロール膨張機を提供することができる。   When the orbiting scroll 13 is made of an aluminum-based metal material and the fixed scroll 12 is made of an iron-based metal material, if the winding start portion of the orbiting scroll 13 is composed of one arc, the stress concentration when force is applied Since the value can be lowered, high reliability can be maintained even if an aluminum-based metal material that is weaker than the iron-based metal material is used for the orbiting scroll 13. On the other hand, since the aluminum-based metal material has a lower density than the iron-based metal material, the centrifugal force during operation can be kept small, so that the load on the shaft can be reduced. As a result, it is possible to provide a scroll expander that realizes higher efficiency by reducing the loss of the bearing portion.
なお、旋回スクロール13をアルミニウム系金属材料で、固定スクロール12を鉄系金属材料で形成した場合には、鉄系金属材料とアルミニウム系金属材料を押付ける場合の焼き付き荷重は、鉄系材料同士を押付ける場合の焼き付き荷重に比べて高く、特に、二酸化炭素冷媒雰囲気中で冷凍機油が介在する下では、鉄系材料とアルミニウム系材料を押付ける場合の焼き付き荷重は、鉄系材料同士を押付ける場合の焼き付き荷重に比べて約2倍以上高いので、カジリや異常磨耗を抑えることができる。また、アルミニウム系金属材料は
鉄系金属材料に比べて密度が小さいので、運転時の遠心力を小さく抑えることができるので、シャフトにかかる負荷を小さくすることができる。結果として、軸受部の損失を低減してより高効率を実現するスクロール膨張機を提供することができる。また、アルミニウム系金属材用は、鉄系金属材料に比べて剛性が低いので、固定スクロール12に比べて旋回スクロール13の歪み量の方が大きく、中心部で強く摺動することになる。結果、旋回スクロール13の巻き始め部は、固定スクロール12の巻き始め部と比べて、大きな応力が発生するが、旋回スクロール13の巻き始め部を1つの円弧で構成した場合では、応力発生を小さく抑えることができるので、より信頼性の高いスクロール膨張機を提供することができる。
When the orbiting scroll 13 is formed of an aluminum-based metal material and the fixed scroll 12 is formed of an iron-based metal material, the seizure load when pressing the iron-based metal material and the aluminum-based metal material is the same between the iron-based materials. Higher than the seizure load when pressing, especially under the presence of refrigeration oil in a carbon dioxide refrigerant atmosphere, the seizure load when pressing ferrous and aluminum materials presses the ferrous materials together Since it is about twice as high as the seizure load in the case, galling and abnormal wear can be suppressed. In addition, since the aluminum-based metal material has a lower density than the iron-based metal material, the centrifugal force during operation can be kept small, so that the load on the shaft can be reduced. As a result, it is possible to provide a scroll expander that realizes higher efficiency by reducing the loss of the bearing portion. In addition, since the aluminum-based metal material has lower rigidity than the iron-based metal material, the amount of distortion of the orbiting scroll 13 is larger than that of the fixed scroll 12, and it slides strongly at the center. As a result, the winding start portion of the orbiting scroll 13 generates a greater stress than the winding start portion of the fixed scroll 12. However, when the winding start portion of the orbiting scroll 13 is configured by one arc, the stress generation is reduced. Since it can suppress, a more reliable scroll expander can be provided.
なお、作動流体としての冷媒を、二酸化炭素とした場合には、二酸化炭素は、膨張機による動力回収効果が他の作動流体と比べて大きいので、高い信頼性と高効率を実現するスクロール膨張機を用いれば、より高い信頼性と高効率な特徴を有する冷凍サイクル装置を提供することができる。   In addition, when the refrigerant | coolant as a working fluid is carbon dioxide, since the power recovery effect by an expander is large compared with another working fluid, the scroll expander which implement | achieves high reliability and high efficiency. Can be used to provide a refrigeration cycle apparatus having higher reliability and higher efficiency.
以上のように、本発明にかかるスクロール膨張機は、旋回スクロールの渦巻きラップの巻き始め部分を、外壁インボリュート曲線の外壁巻き始め点と、内壁インボリュート曲線の内壁巻き初め点の両方に、滑らかに接続する1つの外円弧で形成したものである。これによって、スクロール膨張機に形成される2つの膨張室の吸入ポイントを180°ずらすことができるので、吸入脈動を小さくできる。同時に、旋回スクロールの巻き始め部分のラップの強度を上げることができるので、配管折れやラップ折れを防いで高い信頼性を実現するスクロール膨張機を提供することができるので、作動流体を冷媒と限ることなく、空気、ヘリウムを作動流体とするスクロール膨張機や、圧縮機も含むスクロール流体機械の用途にも適用できる。   As described above, the scroll expander according to the present invention smoothly connects the winding start portion of the spiral wrap of the orbiting scroll to both the outer wall winding start point of the outer wall involute curve and the inner wall winding start point of the inner wall involute curve. Are formed by one outer arc. As a result, the suction points of the two expansion chambers formed in the scroll expander can be shifted by 180 °, so that the suction pulsation can be reduced. At the same time, it is possible to increase the strength of the wrap at the winding start portion of the orbiting scroll, so that it is possible to provide a scroll expander that prevents pipe breakage and wrap breakage and achieves high reliability, so that the working fluid is limited to refrigerant. Without limitation, the present invention can be applied to a scroll fluid machine including air and helium as a working fluid and a scroll fluid machine including a compressor.
本発明の実施の形態1におけるスクロール膨張機の断面図Sectional drawing of the scroll expander in Embodiment 1 of this invention 本発明の実施の形態1における旋回スクロールラップと固定スクロールラップの巻き始め部分の要部拡大平面図The principal part enlarged plan view of the winding start part of the turning scroll wrap and fixed scroll wrap in Embodiment 1 of this invention 本発明の実施の形態1における旋回スクロールラップと固定スクロールラップの平面図The top view of the turning scroll wrap and the fixed scroll wrap in Embodiment 1 of this invention 従来のスクロール圧縮機における圧縮室を示す要部平面図The principal part top view which shows the compression chamber in the conventional scroll compressor 従来のスクロール圧縮機におけるラップ中心の要部拡大平面図The main part enlarged plan view of the lap center in the conventional scroll compressor 従来の他のスクロール圧縮機におけるラップ中心の要部拡大平面図Main part enlarged plan view of lap center in another conventional scroll compressor
符号の説明Explanation of symbols
2 圧縮機構
5 シール部材
6 潤滑油
12 固定スクロール
13 旋回スクロール
14 自転規制機構
15 膨張室
17 吸入口
29 背圧室
30 溝
31 連絡通路
32 細穴
33 リング溝
34 シール部材
2 Compression Mechanism 5 Seal Member 6 Lubricating Oil 12 Fixed Scroll 13 Orbiting Scroll 14 Rotation Restriction Mechanism 15 Expansion Chamber 17 Suction Port 29 Back Pressure Chamber 30 Groove 31 Communication Path 32 Narrow Hole 33 Ring Groove 34 Seal Member

Claims (4)

  1. 鏡板から渦巻きラップが立ち上がる固定スクロール及び旋回スクロールを噛み合わせて双方間に膨張室を形成し、前記旋回スクロールを自転規制機構による自転の規制のもとに旋回させたときに、前記膨張室が容積を変えながら移動することで、作動流体の吸入、吐出を行うスクロール膨張機において、
    前記旋回スクロールの渦巻きラップの巻き始め部分を、外壁インボリュート曲線の外壁巻き始め点と、内壁インボリュート曲線の内壁巻き初め点の両方に、滑らかに接続する1つの外円弧で形成し、
    前記固定スクロールの渦巻きラップの巻き始め部分を、外壁インボリュート曲線の外壁巻き始め点に滑らかに接続する第1の外円弧と、内壁インボリュート曲線の内壁巻き始め点と前記第1の外円弧の両方に滑らかに接続する第2の内円弧とで構成し、前記旋回スクロールの外壁インボリュート曲線の外壁巻き始め点が、前記固定スクロールの内壁インボリュート曲線に接する点よりも、前記固定スクロールの内壁インボリュート曲線の内壁巻き始め点を巻き始め側に形成したことを特徴とするスクロール膨張機。
    An expansion chamber is formed between the fixed scroll and the orbiting scroll where the spiral wrap rises from the end plate, and when the orbiting scroll is swung under the restriction of rotation by the rotation restriction mechanism, the expansion chamber has a volume. In the scroll expander that sucks and discharges the working fluid by moving while changing
    A winding start portion of the spiral wrap of the orbiting scroll is formed by one outer arc smoothly connected to both the outer wall winding start point of the outer wall involute curve and the inner wall winding start point of the inner wall involute curve ;
    A first outer arc smoothly connecting the winding start portion of the spiral wrap of the fixed scroll to the outer wall winding start point of the outer wall involute curve, and both the inner wall winding start point of the inner wall involute curve and the first outer arc The inner wall of the inner wall involute curve of the fixed scroll than the point where the outer wall winding start point of the outer wall involute curve of the orbiting scroll is in contact with the inner wall involute curve of the fixed scroll. A scroll expander characterized in that a winding start point is formed on a winding start side.
  2. 前記旋回スクロールの渦巻きラップの外壁インボリュート曲線の巻き終わり端近くまで伸びた前記固定スクロールの渦巻きラップの内壁インボリュート曲線によって、前記固定スクロールの渦巻きラップの内壁を形成したことを特徴とする請求項1に記載のスクロール膨張機。 By the inner wall involute curve of the spiral wrap of said fixed scroll extending to the winding end near the outer wall involute curve of the spiral wrap of the orbiting scroll, to claim 1, characterized in that the formation of the inner wall of the spiral wrap of the fixed scroll The scroll expander described.
  3. 前記旋回スクロールをアルミニウム系金属材料で、前記固定スクロールを鉄系金属材料で形成したことを特徴とする請求項1または2のいずれか1項に記載のスクロール膨張機。 3. The scroll expander according to claim 1, wherein the orbiting scroll is made of an aluminum-based metal material and the fixed scroll is made of an iron-based metal material. 4.
  4. 前記作動流体としての冷媒を、二酸化炭素としたことを特徴とする請求項1〜のいずれか1項に記載のスクロール膨張機。 The scroll expander according to any one of claims 1 to 3 , wherein the refrigerant as the working fluid is carbon dioxide.
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