JP4821583B2 - スクロール型膨張機 - Google Patents

Description

本発明は、高圧流体の膨張により動力を発生させ、エネルギ回収を行うスクロール型膨張機に係わり、より詳細には、エネルギ回収効率低下の原因となる、高圧流体の過膨張現象を防止する一方、エネルギ回収効率を向上させる構成に関する。

従来のスクロール型膨張機５０は、例えば図８（Ａ）で示すように、流入ポート５７と流出ポート５８とを備えた円筒状のシリンダ５１内に、渦巻状のラップを備えた固定スクロール５２と、同固定スクロールのラップに噛み合うラップを備え、公転運動を行う旋回スクロール５３とを設けている。同旋回スクロール５３はクランク軸５５を介して動力回収シャフト５４に連結されており、旋回スクロール５３が公転運動を行うと、前記動力回収シャフト５４が回転運動を行うようになっている。

前記流入ポート５７から前記シリンダ５１内に導入された高圧の流体は、高圧室５６を介して、前記固定スクロール５２のラップと、前記旋回スクロール５３のラップとの噛み合いにより形成される膨張室に流入し、同膨張室で膨張することにより前記旋回スクロール５３を公転運動させるようになっている。膨張して低圧となった流体は前記流出ポート５８から流出するようになっている。

スクロール型膨張機を空調機の冷凍サイクルに用いている場合には、冷房運転と暖房運転の切り換えや外気温度の変化などの運転条件の変動により、冷凍サイクルの膨張比がスクロール型膨張機の設計膨張比と異なる場合が生じる。運転条件の変化により冷凍サイクルの実際の膨張比が、膨張機の設計膨張比より小さくなると、前記膨張室の圧力が冷凍サイクルの低圧側圧力より低くなる状態が生じ、所謂、膨張機の膨張室で過膨張現象が発生し、動力回収効率が低下してしまうことになる。図９（Ａ）は、正常な状態で流体が膨張する過程を表したグラフであるが、過膨張現象が発生すると、図９（Ｂ）で示す状態となり、同図の面積Ｙで表した領域が、エネルギ回収損失分となってしまう。

上記した過膨張現象を抑制するため、前記固定スクロール５２には、インジェクションポート５９が設けられている。同インジェクションポート５９は、図８（Ｂ）で示すように、ボール弁６２を収納し、上部に流入口６１を穿設した弁体収納部６０と、膨張室に連通するインジェクション孔６４を穿設したボール弁支持部６３とからなり、同ボール弁支持部１６の外周面には、前記ボール弁１７を上方に向け付勢するスプリング６５が巻回されている。

膨張室で過膨張現象が発生した際や、前記高圧室５６の圧力が低下した際は、同高圧室５６と膨張室の圧力差により、図８（Ｂ）で示すように、前記ボール弁６２が浮き上がり、高圧室５６から前記インジェクション孔６４を介して高圧流体がインジェクションされることにより、過膨張現象を抑制するようになっている。

しかしながら、前記インジェクションポート５９のインジェクション孔６４の空間は、通常時、エネルギ回収に寄与しないデッドスペースとなり、デッドスペースをなくす対策が求められていた。
特開２００３−２６９１０３号（５頁、図１）

本発明は、上記問題点に鑑み、インジェクションポートでのデッドスペースをなくすことにより、エネルギ回収効率を向上させたスクロール型膨張機を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、流入ポートと流出ポートとを備えた本体内に、固定スクロールと、動力回収シャフトに連結された旋回スクロールとを備え、前記固定スクロールのラップと、前記旋回スクロールのラップとで膨張室を形成してなるスクロール型膨張機において、前記固定スクロールに、バルブ機構を備え、前記膨張室の圧力に応じてバルブを開放し、潤滑油を前記膨張室にインジェクションするインジェクションポートを設けてなる構成となっている。

また、前記インジェクションポートが、油溜り部と、スプリングにより押圧されるボール弁を収納した弁体収納部と、前記油溜り部と前記弁体収納部とを連通させる小孔と、インジェクション孔とで構成されている。

また、前記固定スクロールの上面に、凹部からなる油貯留部を設けた構成となっている。

また、前記固定スクロールと前記流入ポートとの間に、同流入ポートから流入した流体に含有される潤滑油を分離する油分離機構を配置してなる構成となっている。

本発明によると、固定スクロールと旋回スクロールとを備えたスクロール型膨張機において、固定スクロールに、潤滑油溜まり部と、スプリングにより押圧されるボール弁を収納した弁体収納部と、前記潤滑油溜まり部と前記弁体収納部とを連通させる小孔と、インジェクション孔とからなるインジェクションポートを設け、通常時、インジェクション孔に潤滑油を充填できる構造とすることにより、膨張室での、所謂デッドスペースをなくして、エネルギ回収効率を向上させたスクロール型膨張機とすることができるようになっている。

以下、本発明の実施の形態を、添付図面に基づいた実施例として詳細に説明する。

図１は本発明によるスクロール型膨張機を用いた冷媒回路の一例であり、図２は第一実施例におけるスクロール型膨張機の断面図である。図３（Ａ）は同スクロール型膨張機に設けられたインジェクションポートの断面図であり、図３（Ｂ）はその動作を示す断面図である。また、図３（Ｃ）はインジェクションポートの他の実施例である。また、図４〜図７は第二実施例から第五実施例を夫々示す断面図である。

本発明によるスクロール型膨張機４を備えた冷媒回路１は、図１で示すように、圧縮機２と、放熱器３と、スクロール型膨張機４と、吸熱器５とを順次接続して構成されており、同冷媒回路１には、例えば、自然冷媒としての二酸化炭素冷媒が循環するようになっている。前記圧縮機２はスクロール圧縮機、あるいはロータリー圧縮機で構成され、前記放熱器３と、前記吸熱器５とは、平行して並べられた多数のフィンと、同フィンに直交するように配設された蛇行状のチューブとからなる、所謂クロスフィン型のフィン・アンド・チューブ熱交換器で構成されている。

前記圧縮機２で圧縮され、高温高圧となった二酸化炭素冷媒は、前記放熱器３に流入し、同放熱器３で熱を放出する。熱を放出した冷媒は、前記スクロール型膨張機４に流入し、膨張して低温低圧となる。低温低圧となった冷媒は前記吸熱器５で熱を吸収した後、前記圧縮機２に還流するようになっている。また、前記スクロール型膨張機４内で膨張した冷媒は、膨張するエネルギにより同スクロール型膨張機４に設けられた動力回収シャフト８を回転駆動させるようになっている。

前記スクロール型膨張機４は、図２で示すように、下面が開放された上部カバー４ａと、上面が開放された下部カバー４ｂとで本体を構成している。これら上部カバー４ａと下部カバー４ｂとの間には、略円盤状に形成された固定スクロール６が周縁部を挟持されるように固定されており、同固定スクロール６には、下方に垂下する渦巻状のラップ６ａが形成されるとともに、中央部には高圧流体導入孔６ｂが穿設されている。

前記固定スクロール６には、これに相対向するように略円盤状に形成され、下面に軸７ｂを突設した旋回スクロール７が配置されている。同旋回スクロール７の上面には前記固定スクロール６のラップ６ａに噛み合うように、渦巻状に形成されたラップ７ａが上方に向け立設されており、前記ラップ６ａと前記ラップ７ａとで膨張室１１ｂが形成されるようになっている。

前記下部カバー４ｂには、上部にクランク軸８ａを形成した動力回収シャフト８が回動自在に軸支されており、前記クランク軸８ａは摺動自在に前記旋回スクロール７の軸７ｂに連結されるようになっている。また、図示はしていないが、前記旋回スクロール７には、これの自転を防止するオルダムリンク機構が設けられており、旋回スクロール７は前記ラップ６ａと前記ラップ７ａとを噛み合わせながら自転を防止しつつ公転運動するようになっている。また、同旋回スクロール７が公転運動を行うと、前記クランク軸８ａを介して前記動力回収シャフト８が回転運動を行うようになっている。

前記上部カバー４ａの中央部には、高圧の流体を本体内に導入する流入ポート９が設けられ、前記上部カバー４ａの内壁面と、前記固定スクロール６の上面との間には前記流入ポート９から導入された高圧流体が充填される高圧室１１ａが形成されている。また、本体側面には、膨張して低圧状態となった流体が導出される流出ポート１０が設けられている。

前記固定スクロール６の前記高圧流体導入孔６ｂの近傍には、前記高圧室１１ａと前記膨張室１１ｂとに連通するように穿設されたインジェクションポート１２が設けられている。同インジェクションポート１２は、図３（Ａ）の断面図で示すように、潤滑油２２を貯留した円筒状の潤滑油溜まり部１３と、ボール弁１７を収納した弁体収納部１５と、前記潤滑油溜まり部１３と前記弁体収納部１５とを連通させる小孔１４とで構成されている。

前記弁体収納部１５には、上記した球状のボール弁１７が上下移動自在に収納されるとともに、上下に貫通するインジェクション孔１６ａを穿設した円筒状のボール弁支持部１６が下方から突設され、また、同ボール弁支持部１６の外周面と前記弁体収納部１５との間には、前記ボール弁１７を上方に向け押圧するスプリング１８が収納されている。尚、前記インジェクション孔１６ａは、吐出口近傍が、吐出口に向かい断面積が縮小する円錐形状部１６ｂに形成されており、膨張室１１ｂから圧力が掛かると、同インジェクション孔１６ａ内には潤滑油が滞留するようになっている。これにより、前記インジェクション孔１６ａが膨張室１１ｂでの、所謂デッドスペースとなることを防止するようにしている。

次に、前記インジェクションポート１２の動作について説明する。前記ボール弁１７の上側部分面積をＳとし、また、同ボール弁１７の前記インジェクション孔１６ａに面した部位の面積をｓとする。また、前記高圧室１１ａの高圧側圧力をＰ１とし、前記膨張室の低圧側圧力をＰ２とすると、前記ボール弁１７には、潤滑油溜まり部１３に貯留された潤滑油２２を介して高圧側圧力Ｐ１×面積Ｓによる上方からの押圧力Ｆ１が作用するようになっている。また、前記ボール弁１７には前記インジェクション孔１６ａを介して低圧側圧力Ｐ２×面積ｓによる下方からの押圧力と、前記スプリング１８による力との合計であるＦ２が作用するようになっている。

上記したように、前記高圧室１１ａの圧力Ｐ１が所定の圧力Ｐ１ａの場合、潤滑油２２を介して前記ボール弁１７に上方からの押圧力Ｆ１が作用し、また、前記膨張室１１ａの圧力と前記スプリング１８とによる押圧力Ｆ２が下方から前記ボール弁１７に作用するようになっている。Ｆ１＞Ｆ２であれば、ボール弁１７は前記ボール弁支持部１６の開口端に押圧されるようになっており、これにより前記インジェクション孔１６ａは閉鎖されるようになっている。

前記高圧室１１ａの圧力Ｐ１が、何らかの理由により、Ｐ２よりは高いが，所定の圧力Ｐ１ａより低いＰ１ｂまで低下したとすると、図３（Ｂ）で示すように、前記ボール弁１７に作用する下方からの押圧力Ｆ２が上方からの押圧力Ｆ１より大きくなり、同ボール弁１７は前記ボール弁支持部１６の開口端から離間する。これにより、前記潤滑油溜まり１３の潤滑油２２が前記小孔１４を介して前記弁体収納部１５に流入するとともに、前記インジェクション孔１６ａから前記膨張室１１ａにインジェクションされるようになっている。また、図３（Ｃ）で示すように、インジェクションポート１９の潤滑油溜まり１９ａを上方に拡開する円錐状に形成し、潤滑油２２が圧力を受ける面積を広めて、前記ボール弁１７に作用する押圧力を増加させることにより、インジェクション能力を高めることもできる。

次に、スクロール型膨張機４の動作について説明する。前記流入ポート９から前記高圧室１１ａに流入した高圧の冷媒は、前記高圧流体導入孔６ｂを介して、前記固定スクロール６のラップ６ａと前記旋回スクロール７のラップ７ａとの噛み合いにより形成される前記膨張室１１ｂに流入するようになっている。同膨張室１１ｂに流入した高圧の冷媒は、膨張することにより前記旋回スクロール７を公転運動させるようになっている。同旋回スクロール７が公転運動を行うと、前記クランク軸８ａを介して前記動力回収シャフト８が回転運動を行うようになっている。膨張して低圧状態となった冷媒は本体側面の前記流出ポート１０から流出するようになっている。

尚、上記したスクロール型膨張機４では、前記動力回収シャフト８が回転駆動されると、これに接続された発電機等が発電作用を行い、これにより、冷媒の膨張エネルギが無駄に廃棄されることなく有効に利用することができるようになっている。

前記流入ポート９から導入される冷媒圧力が、前記高圧室１１ａの所定圧力Ｐ１ａより低い場合、前記膨張室１１ｂでの導入圧力と導出圧力との比率、所謂容積比が低下することとなる。また、導入圧力が所定圧力より低下すると、導出圧力も所定値以下に低下することとなり、所謂、過膨張損失が発生することとなる。

前記高圧室１１ａの圧力が、何らかの理由により、所定値Ｐ１ａより低いＰ１ｂまで低下した際、上記したように、前記インジェクションポート１２において、前記ボール弁１７に作用する下方からの押圧力Ｆ２が上方からの押圧力Ｆ１より大きくなり、同ボール弁１７は前記ボール弁支持部１６の開口端から離間する。続いて、前記潤滑油溜まり１３の潤滑油２２が前記小孔１４と、前記弁体収納部１５とを介して前記インジェクション孔１６ａから前記膨張室１１ａにインジェクションされるようになっている。

前記インジェクション孔１６ａから潤滑油が前記膨張室１１ｂにインジェクションされることにより、同膨張室１１ｂの容積がインジェクションされた潤滑油量に応じて減少し、冷媒の圧力が再び上昇して前記膨張室１１ｂでの過膨張現象を抑制することにより、エネルギ回収効率を、維持または向上させることが可能となっている。また、通常時は、前記インジェクション孔１６ａに潤滑油が滞留する構成により、デッドスペースをなくしてエネルギ回収効率を向上させたスクロール型膨張機とすることができるようになっている。

次に、第二実施例について説明する。第二実施例でのスクロール型膨張機２０は、図４で示すように、下面が開放された上部カバー２０ａと、上面が開放された下部カバー２０ｂとで本体を構成しており、同本体内に、インジェクションポート１２を備えた固定スクロール２１と、旋回スクロール７とを設けている。前記固定スクロール２１の上面２１ａは円錐状の凹部に形成され、前記インジェクションポート１２に潤滑油２２を供給する油貯留部として機能するようになっている。これにより、過膨張現象が発生した際、充分な量の潤滑油を供給することが可能となっている。

次に、第三実施例について説明する。第三実施例でのスクロール型膨張機２３は、図５で示すように、下面が開放された上部カバー２３ａと、上面が開放された下部カバー２３ｂとで本体を構成しており、同本体内に、インジェクションポート１２を備えた固定スクロール２４と、旋回スクロール７とを設けている。前記固定スクロール２４の上方の高圧室には、油分離機構２５が設けられており、同油分離機構２５は、流入ポート９から流入してくる冷媒に混合される潤滑油２２を分離するようになっている。分離された潤滑油２２は、前記固定スクロール２４の上面に貯留され、前記インジェクションポート１２に供給されるようになっている。これにより潤滑油不足を招くことなく、安定して前記インジェクションポート１２を動作させることができるようになっている。

次に、第四実施例について説明する。第四実施例でのスクロール型膨張機２６は、図６で示すように、固定スクロール２７に高圧流体導入孔２７ａを設けるとともに、ボール弁３０とスプリング３１とを備えたインジェクションポート２９を設け、同インジェクションポート１９のインジェクション孔３２を前記高圧流体導入孔２７ａに連通させている。インジェクション孔３２の長さを極力短くして、前記高圧流体導入孔２７ａに直結させることにより、過膨張現象が発生した際には、より迅速な反応が可能となっている。

次に、第五実施例について説明する。第五実施例でのスクロール型膨張機３３は、図７で示すように、上下反転した形態で形成されており、旋回スクロール３５に連結された動力回収シャフト３６は上部カバー３３ａに軸支されており、下部カバー３３ｂには側壁に流入ポート３７が設けられ、底部は潤滑油２２を貯留した油溜り室となっている。前記旋回スクロール３５に相対向して設けられた固定スクロール３４には、ボス３９が、先端部が潤滑油２２に浸るように垂下されており、同ボス３９の先端部にはインジェクション機構４０が備えられるとともに、中心部にはインジェクション孔３９ａが穿設されている。
過膨張現象が発生した際には、油溜り室の潤滑油が、前記インジェクション機構４０により前記インジェクション孔３９ａに吸引され、膨張室に供給されるようになっている。同構成により、前記インジェクション孔３９ａ内に安定的に潤滑油を保持するとともに、油溜り室から吸引することにより、所謂潤滑油切れを防ぐことができるようになっている。

本発明によるスクロール型膨張機を用いた冷媒回路の一例である。 第一実施例におけるスクロール型膨張機の断面図である。 （Ａ）はインジェクションポートの断面図である。

（Ｂ）はその動作を示す断面図である。

（Ｃ）はインジェクションポートの他の実施例である。
第二実施例でのスクロール型膨張機を示す断面図である。 第三実施例でのスクロール型膨張機を示す断面図である。 第四実施例でのスクロール型膨張機を示す断面図である。 第五実施例でのスクロール型膨張機を示す断面図である。 従来の膨張機の一例を示す断面図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、膨張室での圧力と容積の変化を示す説明図である。

符号の説明

１ 冷媒回路
２ 圧縮機
３ 放熱器
４ スクロール型膨張機
４ａ 上部カバー
４ｂ 下部カバー
５ 吸熱器
６ 固定スクロール
６ａ 固定スクロールラップ
６ｂ 高圧流体導入孔
７ 旋回スクロール
７ａ 旋回スクロールラップ
７ｂ 軸
８ 動力回収シャフト
８ａ クランク軸
９ 流入ポート
１０ 流出ポート
１１ａ 高圧室
１１ｂ 膨張室
１２ インジェクションポート
１３ 潤滑油溜まり部
１４ 小孔
１５ 弁体収納部
１６ ボール弁支持部
１６ａ インジェクション孔
１７ ボール弁
１８ スプリング
１９ インジェクションポート
１９ａ 潤滑油溜まり
２０ スクロール型膨張機
２０ａ 上部カバー
２０ｂ 下部カバー
２１ 固定スクロール
２１ａ 上面
２２ 潤滑油
２３ スクロール型膨張機
２３ａ 上部カバー
２３ｂ 下部カバー
２４ 固定スクロール
２５ 油分離機構
２６ スクロール型膨張機
２７ 固定スクロール
２７ａ 高圧流体導入孔
２９ インジェクションポート
３０ ボール弁
３１ スプリング
３２ インジェクション孔
３３ スクロール型膨張機
３３ａ 上部カバー
３３ｂ 下部カバー
３４ 固定スクロール
３５ 旋回スクロール
３６ 動力回収シャフト
３７ 流入ポート
３９ ボス
３９ａ インジェクション孔
４０ インジェクション機構

Claims (4)

1. 流入ポートと流出ポートとを備えた本体内に、固定スクロールと、動力回収シャフトに連結された旋回スクロールとを備え、前記固定スクロールのラップと、前記旋回スクロールのラップとで膨張室を形成してなるスクロール型膨張機において、
   前記固定スクロールに、バルブ機構を備え、前記膨張室の圧力に応じてバルブを開放し、潤滑油を前記膨張室にインジェクションするインジェクションポートを設けてなることを特徴とするスクロール型膨張機。
2. 前記インジェクションポートが、油溜り部と、スプリングにより押圧されるボール弁を収納した弁体収納部と、前記油溜り部と前記弁体収納部とを連通させる小孔と、インジェクション孔とで構成されていることを特徴とする請求項１に記載のスクロール型膨張機。
3. 前記固定スクロールの上面に、凹部からなる油貯留部を設けてなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のスクロール型膨張機。
4. 前記固定スクロールと前記流入ポートとの間に、同流入ポートから流入した流体に含有される潤滑油を分離する油分離機構を配置してなることを特徴とする請求項１に記載のスクロール型膨張機。

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