JP5091019B2 - スクロール膨張機 - Google Patents
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Description
この容積形流体機械101は、固定スクロール106と旋回スクロール107とを互いに噛み合わせて作動室131を形成する膨張部130と、旋回スクロール107に嵌合するクランク軸104と、フレーム108とを備える膨張機102を密閉容器105内に設置している。容積形流体機械101は、膨張部130の中央から高圧作動流体を作動室131に流入させ、その作動室131を外周に移動させつつその作動室131の容積を拡大させて高圧作動流体を膨張させる。旋回スクロール107とフレーム108との間には背圧室115が形成されている。密閉容器105内の高圧作動流体を背圧室115へ供給する背圧供給機構140が設けられると共に、背圧室115が所定圧力となるように調整する背圧調整機構150が設けられている。ここで、旋回スクロール107の反ラップ側の高圧圧力及び背圧室115の圧力から発生する押し付け力から、旋回スクロール107のラップ面に存在する作動室131の圧力から発生する引離し力を引いたものをスラスト力と定義する。
この構成によれば、上記のスラスト力が過大とならないようにして、膨張機の機械摩擦損失を低減し、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することができる。また、旋回スクロール107は常に固定スクロール106に軸方向に押し付けられるので、旋回スクロール107のラップ先端の漏れを防いで、漏れ損失を低減することができる。
一方、例えば、図7に示すような容積形流体機械がある(特許文献2)。図7は、従来の容積形流体機械の偏心軸受部拡大図である。
この容積形流体機械は、可動スクロール202bのラップを固定スクロール(図示せず)のラップに押し付けるために、駆動軸224の端部224aに設けられた穴部224bに、半径方向に移動可能な偏心軸受223とこの偏心軸受223を押すバネ225とを配設している。
この構成によれば、可動スクロール202bのラップを固定スクロールのラップに強制的に押し付けることにより、ラップ先端の漏れを防ぐことができる。
一方、特許文献2の構成によれば、穴部224bにバネ225を格納する必要があることから、端部224aの直径が大きくなり、摺動損失の増大を招いていた。
請求項2記載の本発明は、請求項1に記載のスクロール膨張機において、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。
特に高圧・低膨張比冷媒である二酸化炭素冷媒を冷凍サイクルの膨張要素として用いた場合に、高効率を実現することができる。
本発明の第2の実施の形態は、第1の実施の形態によるスクロール膨張機において、作動流体としての冷媒を、二酸化炭素としたものである。二酸化炭素冷媒はフロン系冷媒に比べて差圧が大きいが、本実施の形態によれば、ラップ間の漏れをより防止するので、より高効率なスクロール膨張機を提供することができる。また、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、より高効率な冷凍サイクル装置を提供することができる。
図1は、本発明による一実施例のスクロール膨張機の断面図である。
本実施例のスクロール膨張機50では、クランク軸4の主軸部4aを軸支するように密閉容器1内に溶接や焼き嵌めなどにて固定した主軸受部材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2を構成している。そして、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からなる、自転規制機構14を設けている。
そして、膨張して所定圧以下になった冷媒を固定スクロール12の外周側の吐出パイプ18から密閉容器1外に吐出させる。このように、スクロール式の膨張機構部2において、冷媒の吸入と膨張と吐出とが繰り返される。
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、潤滑油溜まり20から容積型ポンプ25にて吸い上げられて、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を潤滑および冷却する。その後、潤滑油戻し孔26を経て、再循環を行う。なお、旋回スクロール13の反ラップ側のボス部13aの先端面に、中心部13bと外周部13cとを仕切るシール部材5を配置している。
また、密閉容器1内は均圧管40を通して圧縮機(図示せず)と連通しており、密閉容器1内の圧力は高圧に保たれている。同時に密閉容器1内の潤滑油溜まり20は圧縮機の潤滑油溜まり(図示せず)と連通しており、潤滑油6は過不足なく圧縮機と密閉容器1内に供給される構成になっている。
このとき、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ので、シール部材5で仕切られた中心部13b側は、高圧に保たれている。また、背圧室29は、吐出される冷媒と圧力的に連通しており低圧に保たれている。シール部材5から漏れた潤滑油6は、自転規制機構14を潤滑した後、吐出される冷媒とともに密閉容器1外へと吐出される。
図2は、本実施例のスクロール膨張機の主軸受部及び偏心軸受部に作用する力を示す図である。
図中の、左側の図象は主軸受部11a、中央の図象は偏心軸受部11b、右側の図象はラップの接触部拡大を示している。ここで、主軸部4aと偏心軸部4bは偏心量R0だけ離れている。
そして、偏心軸受部11bに注目すると、偏心軸受部側の作用力は、油膜力FPX1,FPY1の他に、接線方向ガス力Ff、半径方向ガス力Fr、旋回スクロール13の遠心力Fc、ラップ間の径方向力Fwである。また、主軸受部11aに注目すると、主軸受部側の作用力は、油膜反力RPX1,RPY1、主軸受部側に発生する油膜力FPX2,FPY2とバランスウエイトの遠心力FBWである。
圧縮機運転と膨張機運転に関しては、回転方向が異なるのみで、各力の定義は同じになる。ちなみに、圧縮機運転は反時計まわりに、膨張機運転は時計まわりに回転しているものとする。
図3は、本実施例のスクロール膨張機の圧縮機運転と膨張機運転での作用する力を示す図である。添え字i=1は偏心軸受部11b、i=2は主軸受部11aを示している。
ここで、先ほどの図2で示した偏心量R0を(2πa−Tf−Tm)/2としている。そして、aは、固定スクロール12及び旋回スクロール13の渦巻きラップの外壁及び内壁曲線を形成するインボリュート曲線の基礎円半径であり、Tfは固定スクロール12の渦巻きラップの厚さであり、Tmは旋回スクロール13の渦巻きラップの厚さである。更に、圧縮機運転は反時計まわりに、膨張機運転は時計まわりに回転しているものとする。
ここで、βiは偏心角で最大油膜反力が発生する角度を示している。両軸受部の負荷容量をFPiとすると、油膜力FPXi,FPYiは膨張機及び圧縮機で異なり、それぞれ次式(数式1)から(数式4)で表される。
膨張機の場合、
FPXi=FPisin(−βi) ・・・・・(数式1)
FPYi=FPicos(−βi) ・・・・・(数式2)
圧縮機の場合、
FPXi=FPisin(+βi) ・・・・・(数式3)
FPYi=FPicos(+βi) ・・・・・(数式4)
ここで、膨張機と圧縮機では回転方向が違うために、偏心角βiの符号が反対となることに注意する。
図3及び上式から、圧縮機運転の場合は、ラップ方向の油膜力FPXiは、ラップ同士を押し付ける方向に作用する。これに対して、膨張機運転の場合は、ラップ方向の油膜力FPXiは、ラップ同士を離す方向に作用することが分かる。
図4は、本実施例のスクロール膨張機の偏心量R0を(2πa−Tf−Tm)/2+(C1+C2)/2以上の時の、膨張機に作用する力を示す図である。C1は旋回スクロールを偏心駆動させるクランク軸4と主軸受部材11との間の半径隙間である。即ち、C1は主軸受部材11の内径と主軸部4aの外径の寸法差である。また、C2はクランク軸4と旋回スクロール13のボス部13aとの間の半径隙間である。即ち、C2はボス部13aの内径と偏心軸部4bの外径の寸法差である。
ここで、αiは油膜厚が最小になる方向を示し、次式(数式5)で表される。
αi=tan−1(EXi/EYi) ・・・・・(数式5)
また、油膜力は次式(数式6)、(数式7)で表される。
FPXi=FPisin(αi−βi) ・・・・・(数式6)
FPYi=FPicos(αi−βi) ・・・・・(数式7)
ここで、図中のようにαi>βiとなる偏心量を決めれば、油膜力によってラップ同士を押し付けることが可能となる。
横軸に主軸受部及び偏心軸受部の半径隙間の合計C1+C2を、縦軸に(2πa−Tf−Tm)/2を基準(=0)としたときの偏差量をとり、ラップ間の径方向力Fwが0(零)になる点をプロットした線を、図5に示す。
図5は、本実施例のスクロール膨張機のラップ間の径方向力発生領域を示す図である。
図中の、膨張機運転における径方向力Fwが零になる点を結んだ、膨張機の線より上の縦軸正の方向の領域は、ラップ間の径方向力が発生する領域を示している。また、膨張機運転との違いを明らかにするために、同様の計算を行い、圧縮機運転における径方向力Fwが零になる点をプロットした圧縮機の線を、同時に示す。更に、偏差量が(C1+C2)/2であるラインと、設計不可領域の境界線を示している。
図5から、(2πa−Tf−Tm)/2を基準(=0)としたときの、偏差量が(C1+C2)/2以上で且つ上記境界線以下の領域において、膨張機運転の場合は、ラップ間の径方向力Fwが発生していることが分かる。即ち、油膜力によってラップ同士を押し付けることが可能である。
一方、圧縮機運転の場合は、偏心量を(2πa−Tf−Tm)/2(図中では、縦軸がマイナスの領域)としても、ラップ間の径方向力Fwが発生していることが確認できる。
つまり、本実施例のスクロール膨張機では、偏心量R0を(2πa−Tf−Tm)/2+(C1+C2)/2以上にする構成によって、旋回スクロール13の旋回ラップ13Xを固定スクロール12の固定ラップ12Xに押し付けることが可能となり、結果、ラップ間の漏れを防ぎ、高効率なスクロール膨張機を提供することができる。また、ラップ同士を押し付けるためのバネが不要であり、単純な構成で且つ摺動損失の増大を招かないスクロール膨張機を提供することができる。
ところで、スクロール圧縮機の場合、偏心量R0を(2πa−Tf−Tm)/2+(C1+C2)/2以上にする構成であると、押し付け力が過大となり、結果、ラップ折れやカジリ等の信頼性上の問題が発生するので、本実施例の構成はスクロール圧縮機には適応できない。
また、上記構成において、一般的には、固定ラップ12X及び旋回ラップ13Xの材料強度が同程度で、厚さTf,Tmが同じであるので、Tf=Tm,Tf≧(2πa−Tf−Tm)より、Tf≧2πa/3およびTm≧2πa/3となる。且つ、(2πa−Tf−Tm)>0であるから、πa>Tf≧2πa/3、πa>Tm≧2πa/3となる。
また、主軸受部11a及び偏心軸受部11bにブッシュ部材を挿入し、ブッシュ部材を構成する材料の縦弾性係数を、クランク軸4を構成する材料の縦弾性係数よりも小さくする構成(図示せず)によって、過渡的に潤滑油の粘度が上昇したりあるいは回転数が上昇したりして、旋回スクロール13を固定スクロール12のラップに押し付ける力が増大した場合においても、ブッシュ部材が局部的に変形することによって、クランク軸4のカジリや異常磨耗を防ぐことができる。
また、主軸受部11a及び偏心軸受部11bにブッシュ部材を挿入し、ブッシュ部材を構成する材料をカーボン系材料とする構成(図示せず)によって、過渡的に潤滑油の粘度が上昇したりあるいは回転数が上昇したりして、旋回スクロール13を固定スクロール12のラップに押し付ける力が増大した場合においても、ブッシュ部材が局部的に磨耗することによって、クランク軸4のカジリや異常磨耗を防ぐことができる。
更に、本実施例のスクロール膨張機では、作動流体としての冷媒を、二酸化炭素としている。二酸化炭素冷媒は、フロン系冷媒に比べて差圧が大きいので、ラップ間の漏れをより防止する本実施例の構成によって、より性能の高いスクロール膨張機を提供することができる。言い換えれば、二酸化炭素冷媒は、膨張機による動力回収効果が他の作動流体(例えば、フロン系冷媒)と比べて大きいので、高効率を実現するスクロール膨張機を用いれば、より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。
この構成によって、軸受部の隙間に存在する油膜力によって、旋回スクロールを固定スクロールに押し付けることができるので、漏れを防ぎ、高効率なスクロール膨張機を提供することができる。従って、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、スクロール流体機械にも適用できる。
2 膨張機構部
4 クランク軸
4a 主軸部
4b 偏心軸部
5 シール部材
6 潤滑油
11 主軸受部材
11a 主軸受部
11b 偏心軸受部
12 固定スクロール
12X 固定ラップ
13 旋回スクロール
13a ボス部
13b 中心部
13c 外周部
13X 旋回ラップ
14 自転規制機構
15 膨張室
16 吸入パイプ
17 吸入口
18 吐出パイプ
20 潤滑油溜まり
21 副軸受部材
25 容積型ポンプ
26 潤滑油戻し孔
29 背圧室
40 均圧管
50 スクロール膨張機
Claims (2)
- 圧縮機と、前記圧縮機により圧縮された作動流体を冷却する放熱器と、前記作動流体を蒸発させる蒸発器と、これらの間に前記作動流体を循環させる配管とを有する冷凍サイクル装置に用いられ、
鏡板から渦巻きラップがそれぞれ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、前記放熱器の出口から前記作動流体を吸入し、膨張させ、吐出して、前記蒸発器の入口へ送り出すスクロール膨張機であって、
前記固定スクロール及び前記旋回スクロールの前記渦巻きラップの外壁及び内壁曲線を、基礎円半径をaとするインボリュート曲線で形成し、前記固定スクロールの前記渦巻きラップの厚さをTf、前記旋回スクロールの前記渦巻きラップの厚さをTm、前記旋回スクロールを偏心駆動させるクランク軸と主軸受部材との間の半径隙間をC1、前記クランク軸と前記旋回スクロールのボス部との間の半径隙間をC2としたとき、前記クランク軸の偏心量R0を(2πa−Tf−Tm)/2+(C1+C2)/2以上とし、
前記固定スクロールのラップ厚さTf及び前記旋回スクロールのラップ厚さTmを、(2πa−Tf−Tm)以上とし、
前記クランク軸と前記主軸受部材との間の主軸受部及び前記クランク軸と前記旋回スクロールのボス部との間の偏心軸受部にブッシュ部材を挿入し、前記ブッシュ部材を構成する材料の縦弾性係数を、前記クランク軸を構成する材料の縦弾性係数よりも小さくしたことを特徴とするスクロール膨張機。 - 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に記載のスクロール膨張機。
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