JP6393116B2 - スクロール型流体機械 - Google Patents

Description

本発明は、固定及び可動スクロールのラップ間に作動流体の膨張室と圧縮室を形成するスクロール型流体機械に関するものである。

この種のスクロール型流体機械としては、基面にラップを設けた可動スクロールと、基面にこの可動スクロールのラップと噛合うラップを設けた固定スクロールとから構成されるスクロールユニットを備え、このスクロールユニットの作動室を仕切り壁により膨張室と圧縮室とに仕切って、中心側の膨張部とその外側の圧縮部とを形成した単板式の圧縮機一体型膨張機が知られている（例えば、特許文献１参照）。

この場合、膨張部には固定スクロールの中心部から高段側の圧縮機で圧縮された高圧に保たれた作動流体が吸入され、膨張部のラップ間に形成された膨張室で膨張することで可動スクロールが公転旋回運動され、動力が回収される。この動力により、圧縮部のラップ間に形成された圧縮室で作動流体を圧縮する。この圧縮部は低段側となり、圧縮部で圧縮された作動流体が高段側の圧縮機に吸い込まれる。

また、可動スクロールの基面とは反対側の背面には背圧室が構成されており、この背圧室には圧縮部の吐出圧力に保たれた作動流体が供給され、その圧力（圧縮部の吐出側の圧力）によって可動スクロールが固定スクロールに対して押し付けられるように付勢されるものであった。

特許第５２０９７６４号公報 特許第４８９２２３８号公報

ここで、膨張部には固定スクロールの中心部から高段側の圧縮機で圧縮された高圧の作動流体が吸入されるため、可動スクロールの基面には高段側の圧縮機の吐出圧力が加わることになる。そのため、背圧室から加わる背圧が不足して可動スクロールが固定スクロールから離れ、対向する一方のスクロールのラップと他方のスクロールの基面との間から作動流体が漏れてしまう問題が生じる。

一方、スクロール圧縮機においては、特許文献２に示されるように固定スクロールの吸入口に連通する凹部を固定スクロールの基面に形成する構造が開発されている。そこで、特許文献２の構造を特許文献１のようなスクロール型流体機械に採用し、外側の圧縮部に凹部を形成して、これを圧縮部の吸入側に連通させたとしても、中心部の膨張部に加わる高段側の圧縮機の吐出圧力には対抗し切れず、やはり押し付け力が不足してしまう。そのために可動スクロールの背面の面積を拡大しなければならなくなるという課題があった。

本発明は、係る従来の技術的課題を解決するために成されたものであり、可動スクロールの背面の面積を拡大すること無く、適切な押し付け力を確保して安定的な運転を行うことができるスクロール型流体機械を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のスクロール型流体機械は、各基板の各基面にそれぞれ渦巻き状のラップが対向して形成された固定スクロール及び可動スクロールから構成され、両スクロールの各ラップ間に形成された膨張室で作動流体を膨張させることにより、可動スクロールを公転旋回運動させて動力を回収する膨張部と、この膨張部で回収された動力により、両スクロールの各ラップ間に形成された圧縮室で作動流体を圧縮する低段側の圧縮部とを備え、高段側の圧縮機で圧縮された高圧の作動流体を膨張部に吸入するものであって、可動スクロールの基面とは反対側である背面側に形成された背圧室と、膨張部に位置する固定スクロールの基面に形成された膨張部側凹部とを備え、背圧室に圧縮部の吐出圧力に保たれた作動流体を供給すると共に、膨張部側凹部は圧縮部の吸入側に連通させたことを特徴とする。

請求項２の発明のスクロール型流体機械は、上記発明において膨張部側凹部は環状を呈することを特徴とする。

請求項３の発明のスクロール型流体機械は、請求項１の発明において膨張部側凹部は島状を呈することを特徴とする。

請求項４の発明のスクロール型流体機械は、上記各発明において圧縮部に位置する固定スクロールの基面に形成された環状の圧縮部側凹部を備え、この圧縮部側凹部を圧縮部の吸入側に連通させたことを特徴とする。

請求項５の発明のスクロール型流体機械は、上記発明において固定スクロールの基板内に形成され、圧縮側吸入管が接続される圧縮側吸入室を備え、固定スクロールの基面において圧縮部側凹部を圧縮側吸入室に接続すると共に、圧縮側吸入室と膨張部側凹部とを連通する連通路を固定スクロールの基板内に形成したことを特徴とする。

請求項６の発明のスクロール型流体機械は、上記各発明において作動流体として二酸化炭素を使用したことを特徴とする。

本発明のスクロール型流体機械は、各基板の各基面にそれぞれ渦巻き状のラップが対向して形成された固定スクロール及び可動スクロールから構成され、両スクロールの各ラップ間に形成された膨張室で作動流体を膨張させることにより、可動スクロールを公転旋回運動させて動力を回収する膨張部と、この膨張部で回収された動力により、両スクロールの各ラップ間に形成された圧縮室で作動流体を圧縮する低段側の圧縮部とを備え、高段側の圧縮機で圧縮された高圧の作動流体を膨張部に吸入するものにおいて、可動スクロールの基面とは反対側である背面側に形成された背圧室と、膨張部に位置する固定スクロールの基面に形成された膨張部側凹部とを備え、背圧室に圧縮部の吐出圧力に保たれた作動流体を供給すると共に、膨張部側凹部は圧縮部の吸入側に連通させたので、膨張部に位置する固定スクロールの基面に形成された膨張部側凹部の圧力は、圧縮部の吸入側の圧力に低下する。

これにより、高段側の圧縮機で圧縮された高圧の作動流体が吸入される膨張部における可動スクロールの基面に加わる圧力を、総じて低くすることが可能となり、可動スクロールの背面の面積を拡大すること無く、可動スクロールを固定スクロールに押し付ける力を確保して安定的な運転を実現することができるようになる。

この場合、請求項２の発明の如く膨張部側凹部を環状に形成すれば、可動スクロールの基面に加わる圧力を均等に低くして可動スクロールの押し付け力を満遍なく確保することが可能となる。

逆に請求項３の発明の如く膨張部側凹部を島状に形成することで、膨張部側凹部を形成するスペースが限られる場合にも、最大限の押し付け力を確保することが可能となる。

また、請求項４の発明の如く圧縮部に位置する固定スクロールの基面に環状の圧縮部側凹部を形成して、この圧縮部側凹部を圧縮部の吸入側に連通させれば、可動スクロールの略全域において適切な押し付け力を確保することができるようになる。

この場合、請求項５の発明の如く固定スクロールの基面において圧縮部側凹部を圧縮側吸入室に接続すると共に、固定スクロールの基板内に形成されて圧縮側吸入管が接続される圧縮側吸入室と膨張部側凹部とを連通する連通路を固定スクロールの基板内に形成するようにすれば、比較的簡単な構成で膨張部側凹部と圧縮部側凹部を圧縮部の吸入側に連通させることができるようになり、加工コストの増大を抑制することができるようになる。

そして、上記各発明は、請求項６の発明の如き二酸化炭素を作動流体として使用する場合に特に有効である。

本発明を適用した一実施例のスクロール型流体機械の縦断側面図である。 図１の固定スクロールを基面側から見た平面図である（実施例１）。 図２のＡ−Ａ線断面図である。 図１のスクロール型流体機械を用いた一実施例の冷凍サイクルの冷媒回路図である。 図４の冷凍サイクルのｐ−ｈ線図である。 図４の冷凍サイクルの場合の可動スクロールの基面に加わる圧力と背圧との大小関係を示す図である。 膨張部側凹部を形成しないときの図４の冷凍サイクルの場合の可動スクロールの基面に加わる圧力と背圧との大小関係を示す図である。 図１のスクロール型流体機械を用いた他の実施例の冷凍サイクルの冷媒回路図である（実施例２）。 図８の冷凍サイクルのｐ−ｈ線図である。 図８の冷凍サイクルの場合の可動スクロールの基面に加わる圧力と背圧との大小関係を示す図である。 膨張部側凹部を形成しないときの図８の冷凍サイクルの場合の可動スクロールの基面に加わる圧力と背圧との大小関係を示す図である。 本発明の他の実施例のスクロール型流体機械の固定スクロールを基面側から見た平面図である（実施例３）。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

（１）スクロール型流体機械１の全体構造
図１は、一実施例のスクロール型流体機械１の縦断側面図を示している。実施例のスクロール型流体機械１は、例えば、縦置き型単板式の圧縮機一体型膨張機であり、高圧側が超臨界圧力となる二酸化炭素を冷媒（作動流体）として使用したヒートポンプ等の冷凍サイクルＲＣに用いられる（図４に示す）。この冷凍サイクルＲＣの構成については後に詳述するが、図示しない空気調和機やヒートポンプ式給湯機等に組み込まれ、実施例のスクロール型流体機械１は冷媒の圧力によって膨張動作を行う後述する膨張部２と、この膨張部２の膨張動作によって圧縮動作を行う後述する圧縮部３（低段側）とを備えている（図２）。

スクロール型流体機械１はハウジング４を備えている。このハウジング４内には、主として固定スクロール６とこの固定スクロール６に対し公転旋回運動される可動スクロール７とから構成されるスクロールユニット８と、可動スクロール７を公転旋回運動可能に支持するメインフレーム９と、このメインフレーム９の底面に固定され、当該メインフレーム９の底面から突出して設けられた固定軸１１とが配設されている。

ハウジング４は、本体となるメインシェル１２と、このメインシェル１２の上部を覆うキャップ状のトップシェル１３と、メインシェル１２の下部を覆うキャップ状のボトムシェル１４とから構成されている。ハウジング４は、トップシェル１３とボトムシェル１４を、Ｏリング等のシール材を介し、メインシェル１２を挟み込むようにしてボルトで互いに締結することにより組み立てられ、外部から内部が密閉されている。そして、メインフレーム９の外周部はメインシェル１２の内側に固定されている。密閉されたハウジング４内には、スクロール型流体機械１の作動流体として冷凍サイクルＲＣから取り込んだ冷媒（二酸化炭素）を圧縮部３にて圧縮した圧力が作用している。

トップシェル１３には、冷凍サイクルＲＣから取り込んだ冷媒を膨張部２に吸入する膨張側吸入管１６が接続されている。メインシェル１２には、膨張部２にて膨張された冷媒を冷凍サイクルＲＣに向けて吐出する膨張側吐出管１７と、圧縮部３にて圧縮された冷媒を冷凍サイクルＲＣに向けて吐出する圧縮側吐出管１８が接続されている。膨張側吸入管１６と膨張側吐出管１７の端部は、固定スクロール６の基板６ａ内に形成された膨張側吸入室１９と膨張側吐出室２１とにそれぞれ開口して連通され、圧縮側吐出管１８の端部はメインシェル１２内に開口し、このメインシェル１２内を介してトップシェル１３の内側に形成された圧縮側吐出室２２に連通されている。

また、メインシェル１２には、冷凍サイクルＲＣから取り込んだ冷媒を圧縮部３に吸入する圧縮側吸入管２３（図３に示す。図１では手前側に位置する。）が接続され、この圧縮側吸入管２３の端部は、固定スクロール６の基板６ａ内に形成された圧縮側吸入室２４に開口され、連通されている。

一方、ボトムシェル１４の内側には潤滑油室２６が形成され、この潤滑油室２６にはスクロールユニット８を潤滑するための潤滑油が貯留される。前述した圧縮側吸入室２３には、固定スクロール６の基板６ａ及びメインフレーム９を貫通する送油孔２７（図２）が開口されており、この送油孔２７を介して潤滑油室２６の潤滑油が圧縮側吸入室２４に送油される構成とされている。

また、固定軸１１内には、固定軸１１の軸方向に沿って給油路２８が穿設されており、この給油路２８の下端は潤滑油室２６に開口し、上端は後述するボス（凹部）３１内の空間に開口されている。

固定スクロール６はメインフレーム９の上面９ａに固定され、固定スクロール６の基板６ａの前述した圧縮側吸入室２４よりも固定スクロール６の径方向で若干中心側には後述する圧縮側吐出孔３２が貫通して形成されている。この圧縮側吐出孔３２の圧縮側吐出室２２に対する開口部には、冷媒中の潤滑油を分離するオイルセパレータ３３が装着されている。

可動スクロール７は、メインフレーム９の台座部９ｂにオルダムリング等の自転阻止機構３４を介して自転することなく公転旋回運動可能に支持されている。この自転阻止機構３４は台座部９ｂに嵌挿され、可動スクロール７の公転旋回運動に伴い基板７ａの基面７ｂとは反対側の面である背面７ｃに摺動可能に通接される。更に、可動スクロール７の背面７ｃには、後述する偏心ブッシュ３６が摺動且つ回動可能に嵌挿される円筒状の前述したボス３１が突設されている。

（２）可動スクロール７の支持機構５４
上述した固定軸１１はメインフレーム９と共に可動スクロール７をその背面７ｃの中心部にて公転旋回運動可能に支持する支持機構５４を構成している。この場合、固定軸１１の上端部はスライドブッシュ５６の内側に、ベアリング４９によって摺動且つ回転可能に挿入されており、このスライドブッシュ５６は偏心ブッシュ３６内に、その偏心方向に移動可能に収納されている。即ち、固定軸１１の上端部は、スライドブッシュ５６を介して偏心ブッシュ３６内に挿入されたかたちとされている。また、スライドブッシュ５６と偏心ブッシュ３６間にはバネ６１が介設されている。このバネ６１によりスライドブッシュ５６は偏心方向に常時付勢され、これによって両スクロール６、７の芯ずれが調整されるよう構成されている。

そして、偏心ブッシュ３６は、軸受４８を介してボス３１に摺動且つ回転可能に嵌挿されている。軸受４８は、可動スクロール７の公転旋回運動に伴い偏心ブッシュ３６に作用するラジアル荷重を受容する。また、偏心ブッシュ３６の下端の鍔部とメインフレーム９との間にベアリング５１が配設されている。このように、固定軸１１はベアリング４９、スライドブッシュ５６、偏心ブッシュ３６、軸受４８、ベアリング５１を介して可動スクロール７を公転旋回運動可能に支持しており、支持機構５４は、上記ボス３１、偏心ブッシュ３６、スライドブッシュ５６、固定軸１１と、バネ６１により構成される。

ここで、実施形態のスクロールユニット８は、圧縮機一体型膨張機において、一組の固定スクロール６及び可動スクロール７によって冷媒の作動室としての圧縮部３と膨張部２との両方を形成可能な、いわゆる単板式スクロールユニットであり、固定軸１１は、メインフレーム９と共に可動スクロール７を公転旋回運動可能に支持するのみであって、固定軸１１自体が回転駆動されることはない。

詳しくは、図２に示すように、固定スクロール６の基面６ｂには、環状の中間仕切り壁（環状壁）３８と、環状の外側仕切り壁３９とが立設され、中間仕切り壁３８と外側仕切り壁（環状壁）３９との間には渦巻状の外側固定スクロールラップ（ラップ）４０、中間仕切り壁３８よりも中心側には渦巻状の内側固定スクロールラップ（ラップ）４１がそれぞれ立設されている。また、基面６ｂには図示しないシールリングが嵌挿される環状溝４２が中間仕切り壁３８の端面に凹設されている。この環状溝４２のシールリングによってスクロールユニット８内は内側の膨張部２側と外側の圧縮部３側とに仕切られることになる。

固定スクロール６の基板６ａには、前述した圧縮側吸入室２４が外側仕切り壁３９の若干内側の圧縮部３の外周端に形成され、中間仕切り壁３８の若干外側の圧縮部３の内周端に圧縮側吐出孔３２が形成されている。また、基板６ａには、前述した膨張側吐出室２１が中間仕切り壁３８の若干内側の膨張部２の外周端に形成され、前述した膨張側吸入室１９が膨張部２の内周端である中心部に形成されている。更に、基板６ａには、外側仕切り壁３９の若干外側に環状の油溝４３が形成され、油溝４３上に設けられた溝幅よりも大きい直径で所定の深さで座ぐり加工を施して形成した凹部の底面に前述した送油孔２７が形成されている。

一方、可動スクロール７の基面７ｂには、外側固定スクロールラップ４０に噛合う渦巻状の外側可動スクロールラップ（ラップ）４４と、内側固定スクロールラップ４１に噛合う渦巻状の内側可動スクロールラップ（ラップ）４６とが相反する渦巻の方向で立設されている。

上述したスクロールユニット８によれば、中間仕切り壁３８よりも内側に膨張部２が形成され、中間仕切り壁３８と外側仕切り壁３９との間に圧縮部３が形成される。詳しくは、図１中に実線矢印で示すように、膨張側吸入管１６から吸入された冷媒は、膨張側吸入室１９を経て膨張部２の中心部に取り込まれ、各スクロール６、７が互いに協働することによって各ラップ４１、４６間に形成された膨張室（作動室）にて膨張される。膨張室は、各スクロール６、７の外周側に向けて移動しながらその容積が増大され、これに伴い可動スクロール７が固定スクロール６の軸心周りに公転旋回運動される。可動スクロール７の公転旋回運動に供した冷媒は、膨張側吐出室２１を経て膨張側吐出管１７を介しハウジング４外の冷凍サイクルＲＣに向けて吐出される。

一方、圧縮側吸入管２３から吸入された冷媒は、圧縮側吸入室２４を経て圧縮部３に取り込まれ、上述した膨張室での冷媒の膨張に伴い可動スクロール７が固定スクロール６の軸心周りに公転旋回運動することにより、各スクロール６、７が互いに協働することによって各ラップ４０、４４間に形成された圧縮室（作動室）にて圧縮される。圧縮室は、可動スクロール７の公転旋回運動に伴い各スクロール６、７の中心に向けて移動しながらその容積が減少される。そして、圧縮室の容積の減少に伴い、高圧にされた冷媒は圧縮側吐出孔３２、圧縮側吐出室２２を経て圧縮側吐出管１８を介し、ハウジング４外の冷凍サイクルＲＣに向けて吐出される。

更に、この過程において図１中にて点線矢印で示されるように、圧縮側吐出孔３２から圧縮側吐出室２２に吐出される冷媒は、オイルセパレータ３３を通過する際に冷媒中の潤滑油が分離される。冷媒から分離された潤滑油はメインフレーム９に形成された油戻路４７を経て潤滑油室２６に貯留される。

潤滑油室２６に貯留された潤滑油は、潤滑油室２６と背圧室５２の差圧によって給油路２８を上昇して固定軸１１の上端から吐出され、後述するベアリング４９、軸受４８、ベアリング５１を潤滑した後に、メインフレーム９の台座部９ｂと可動スクロール７の背面７ｃとの間に形成される背圧室５２に至る。

（３）冷凍サイクルＲＣ
次に、図４は本発明のスクロール型流体機械１を用いた一実施例の冷凍サイクルＲＣの冷媒回路図を示している。尚、この図では説明のため、スクロール型流体機械１の膨張部２と圧縮部３を分離して示している。スクロール型流体機械１の膨張部２で回収された動力で駆動される圧縮部３は、この冷凍サイクルＲＣにおいて低段側の圧縮機（低段側の圧縮部）を構成する。この圧縮部３の前述した圧縮側吐出管１８は、当該圧縮部３の後段に位置する高段側の圧縮機７０の電動機７０ｂで駆動される高段側の圧縮部７０ａに接続されている。

この圧縮部７０ａの後段には、冷媒を冷却するガスクーラ７１が接続されており、ガスクーラ７１の出口と蒸発器７３の入口間に、スクロール型流体機械１の膨張部２と膨張弁７２が並列に接続されている。このガスクーラ７１からの冷媒は前述した膨張側吸入管１６から膨張部２の膨張側吸入室１９に取り込まれる。また、スクロール型流体機械１の膨張部２からは膨張側吐出管１７を介して冷媒が蒸発器７３に送られる。そして、この蒸発器７３から出た冷媒が圧縮側吸入管２３からスクロール型流体機械１の圧縮部３に吸い込まれる構成とされている。

次に、スクロール型流体機械１を含む冷凍サイクルＲＣの動作を説明する。スクロール型流体機械１の膨張部２が駆動する低段側の圧縮部３で昇圧された中間圧の冷媒（二酸化炭素冷媒）は、圧縮側吐出管１８から高段側の圧縮機７０に送られ、電動機７０ｂで駆動される圧縮部７０ａによって更に昇圧され、高圧（超臨界）となる。この高圧の冷媒は超臨界状態のままガスクーラ７１で冷却された後、一部は膨張側吸入管１６からスクロール型流体機械１の膨張部２に取り込まれ、膨張減圧される。

尚、残りの冷媒は膨張弁７２に送られて膨張減圧される。この膨張弁７２はスクロール型流体機械１の膨張部２を通過する冷媒の流量の調整、及び、起動時における差圧の確保のために設けられているものである。

膨張部２において冷媒が等エントロピ的に膨張することによって可動スクロール７が公転旋回運動し、動力が回収される。この可動スクロール７の公転旋回運動によって圧縮部３が低段側の圧縮機として作動することになる。膨張部２で膨張した冷媒は、蒸発器７３で加熱された後（或いは、それによって対象を冷却）、圧縮側吸入管２３より再びスクロール型流体機械１の圧縮部３に吸引される。

図５は、係る冷凍サイクルＲＣのｐ−ｈ線図を示している。この図に示すように、ガスクーラ７１で熱交換することによって、点Ｐ３から点Ｐ４まで冷却された冷媒は、スクロール型流体機械１の膨張部２で等エントロピ的に膨張することによって、液相線ＬＬを超えて湿り蒸気領域に入り、点Ｐ５となる。膨張後、蒸発器７３で熱交換され、点Ｐ５から点Ｐ１まで加熱された冷媒は、スクロール型流体機械１の圧縮部３で点Ｐ１から点Ｐ２まで圧縮された後、高段側の圧縮機７０の圧縮部７０ａで点Ｐ２から点Ｐ３まで圧縮される。従って、冷媒回路内では点Ｐ３、Ｐ４の圧力が最も高く、点Ｐ１の圧力が最も低い圧力となる。

このように、スクロール型流体機械１の圧縮部３で冷凍サイクルＲＣの圧縮過程の一部（低段側）を担い、高段側の圧縮機７０の圧縮部７０ａで圧縮過程の残り（高段側）を担う。圧縮部３におけるエンタルピ差ｈＰ２−ｈＰ１分の圧縮動力は、膨張部２における回収動力によって賄われることになる。

（４）可動スクロール７の背圧
ここで、スクロール型流体機械１の背圧室５２では、潤滑油によって自転阻止機構３４と台座部９ｂ及び可動スクロール７の背面７ｃとの摺動部などが潤滑される。また、ハウジング４内は前述した如く圧縮側吐出孔３２から圧縮側吐出室２２に吐出された圧縮部３の吐出圧力に保たれているので、給油路２８を経て背圧室５２にはこの圧縮部３の吐出圧力に保たれた冷媒（作動流体）が潤滑油と共に供給される。従って、背圧室５２から可動スクロール７は、圧縮部３の吐出圧力で固定スクロール６に対して押圧付勢され、押し付けられることになる。

係る背圧室５２からの背圧により、固定スクロール６に対する可動スクロール７の円滑な公転旋回運動が可能となる。そして、スクロール型流体機械１では、膨張部２における冷媒の膨張エネルギーによってスクロールユニット８が駆動され、このスクロールユニット８の駆動力により、圧縮部３において冷媒を圧縮する。

（５）可動スクロール７の押し付け力の確保
次に、図６及び図７を参照しながら、可動スクロール７の背圧と、当該可動スクロール７の基面７ｂに加わる圧力との大小関係について説明する。図６及び図７は可動スクロール７の背面に加わる背圧と、当該可動スクロール７の基面７ｂに加わる圧力を図５に示した冷凍サイクルＲＣの各点の圧力と対応させて示している。尚、各図の矢印は圧力の大きさを長さで表現したものである。

図７の場合、固定スクロール６の外側仕切り壁３９の端面となる固定スクロール６の基面６ｂの一部に圧縮部側凹部５７が形成されている（平面形状は前記特許文献２を参照）。そして、この圧縮部側凹部５７は、圧縮側吸入室２４に繋げられて連通されている。係る構造であった場合、前述したように可動スクロール７の背面には、圧縮部３の吐出圧力（点Ｐ２）が加わっている。

一方、膨張部２側の可動スクロール７の基面７ｂの中心部には、膨張側吸入室１９から高段側の圧縮機７０の吐出圧力（点Ｐ４）が加わり、膨張部２の中心部から外側の膨張側吐出室２１の位置の基面７ｂに至って圧力は点Ｐ５の圧力まで低下する。他方、圧縮部３側の可動スクロール７の基面７ｂの外側の圧縮側吸入室２４で圧縮部３の吸入側の圧力（点Ｐ１）となり、内側の圧縮側吐出室３２の位置の基面７ｂに至って圧力は圧縮部３の吐出圧力（点Ｐ２）まで上昇する。

可動スクロール７の基面７ｂに加わる圧力、即ち、可動スクロール７を固定スクロール６から引き離そうとする力は上記のような状態であり、この力と背圧室５２から加わる可動スクロール７を固定スクロール６に押し付ける力との大小関係が重要であり、背圧室５２から加わる背圧が不足すると可動スクロール７が固定スクロール６から離れ、冷媒が作動室間で漏れてしまうことになる。

図７では固定スクロール６の外側仕切り壁３９の端面となる固定スクロール６の基面６ｂの一部に圧縮部側凹部５７が形成されており、この圧縮部側凹部５７は圧縮側吸入室２４に連通されているので、圧縮部側凹部５７の圧力は背圧（点Ｐ２の圧力）よりも低い圧縮部３の吸入側の圧力（点Ｐ１）となる。従って、圧縮部３側の一部では背圧の不足は解消されているが、圧縮部３側の残りの部分（図７の向かって右側）は略膨張後の圧力（点Ｐ５）である。特に、膨張部２側の圧力は、中心部が高段側の圧縮機７０の吐出圧力（点Ｐ４の圧力）であり、外側でも膨張後の圧力（点Ｐ５）までしか下がらないので、どうしても背圧が不足することになる。

そこで、本発明では図２、図３、図６に示すように、中間仕切り壁３８の端面となる固定スクロール６の基面６ｂに、環状を呈する膨張部側凹部５８を形成している。この膨張部側凹部５８は、前述したシールリングを嵌挿する中間仕切り壁３８の環状溝４２よりも内側に形成されており、従って、膨張部２側の領域に位置している。また、固定スクロール６の基板６ａ内には、圧縮側吸入室２４と膨張部側凹部５８とを連通する連通路５９が形成されており、この連通路５９は開口５９ａ（図２）にて膨張部側凹部５８内に開口し、膨張部側凹部５８が圧縮側吸入室２４に連通されている。

これにより、膨張部側凹部５８の圧力は背圧（点Ｐ２の圧力）よりも低い圧縮部３の吸入側の圧力（冷媒回路内で最も低い点Ｐ１の圧力）となる。従って、膨張部２側の可動スクロール７の基面７ｂに加わる力が図６に矢印で示すようにトータルで下げられることになり、これにより、可動スクロール７の押し付け力が確保されることになる。

このように、スクロールユニット８の膨張部２に位置する固定スクロール６の基面６ｂに膨張部側凹部５８を形成し、背圧室５２に圧縮部３の吐出圧力に保たれた冷媒の圧力を供給すると共に、膨張部側凹部５８は圧縮部３の吸入側に連通させたので、膨張部２に位置する固定スクロール６の基面６ｂに形成された膨張部側凹部５８の圧力は、圧縮部３の吸入側の圧力に低下する。

これにより、高段側の圧縮機７０で圧縮された高圧の冷媒が吸入される膨張部２における可動スクロール７の基面７ｂに加わる圧力を、総じて低くすることが可能となり、可動スクロール７の背面の面積を拡大すること無く、可動スクロール７を固定スクロール６に押し付ける力を確保して安定的な運転を実現することができるようになる。

この場合、実施例では膨張部側凹部５８を環状に形成しているので、可動スクロール７の基面７ｂに加わる圧力を均等に低くして可動スクロール７の押し付け力を満遍なく確保することが可能となる。

また、圧縮部３に位置する固定スクロール６の基面６ｂにも環状の圧縮部側凹部５７が形成され、この圧縮部側凹部５７が圧縮部３の吸入側に連通されているので、可動スクロール７の略全域において適切な押し付け力を確保することができるようになる。この場合、実施例では固定スクロール６の基面６ｂにおいて圧縮部側凹部５７を圧縮側吸入室２４に接続し、固定スクロール６の基板６ａ内に形成されて圧縮側吸入管２３が接続される圧縮側吸入室２４と膨張部側凹部５８とを連通する連通路５９を固定スクロール６の基板６ｂ内に形成しているので、比較的簡単な構成で膨張部側凹部５８と圧縮部側凹部５７を圧縮部３の吸入側に連通させることができるようになり、加工コストの増大を抑制することができるようになる。

次に、図８から図１１を参照してスクロール型流体機械１が他の実施例の冷凍サイクルＲＣに使用される場合について説明する。

（６）冷凍サイクルＲＣの他の例
図８は本発明のスクロール型流体機械１を用いた他の実施例の冷凍サイクルＲＣの冷媒回路図を示している。この場合、スクロール型流体機械１の膨張部２の膨張側吐出室２１に接続された膨張側吐出管１７は、気液分離器６６に接続されている。また、膨張弁７２の出口も気液分離器６６に接続されている。この気液分離器６６では、膨張部２から出た冷媒がガス冷媒と液冷媒とに分離され、ガス冷媒はガス配管６７を経てスクロール型流体機械１の圧縮部３の圧縮側吐出管１８に合流されている。一方、気液分離器６６内の液冷媒は膨張弁６８に送られ、この膨張弁６８で絞られた後、蒸発器７３に送られる構成とされている。尚、他の構成は図４の場合と同様である。

次に、この場合の実施例の冷凍サイクルＲＣの動作を説明する。スクロール型流体機械１の膨張部２が駆動する低段側の圧縮部３で昇圧された中間圧の冷媒（二酸化炭素冷媒）は、圧縮側吐出管１８から高段側の圧縮機７０に送られ、電動機７０ｂで駆動される圧縮部７０ａによって更に昇圧され、高圧（超臨界）となる。この高圧の冷媒は超臨界状態のままガスクーラ７１で冷却された後、一部は膨張側吸入管１６からスクロール型流体機械１の膨張部２に取り込まれ、膨張減圧される。残りの冷媒は膨張弁７２に送られて膨張減圧される。

この場合も膨張部２において冷媒が等エントロピ的に膨張することによって可動スクロール７が公転旋回運動し、動力が回収される。そして、この可動スクロール７の公転旋回運動によって圧縮部３が低段側の圧縮機として作動することになる。膨張部２で膨張した冷媒は、前述した如く気液分離器６６で気液分離され、ガス冷媒は圧縮側吐出管１８に送られて圧縮部３からの吐出冷媒と共に高段側の圧縮機７０に吸い込まれる。液冷媒は膨張弁６８で絞られて膨張減圧された後、蒸発器７３に流入して加熱され（或いは、それによって対象を冷却）、圧縮側吸入管２３より再びスクロール型流体機械１の圧縮部３に吸引される。このように、この実施例の冷凍サイクルＲＣではスクロール型流体機械１の膨張部２と膨張弁６８で冷媒は二段膨張されることになる。

図９は、この場合の実施例の冷凍サイクルＲＣのｐ−ｈ線図を示している。この図に示すように、ガスクーラ７１で熱交換することによって、点Ｐ４から点Ｐ５まで冷却された冷媒は、スクロール型流体機械１の膨張部２で等エントロピ的に膨張することによって、液相線ＬＬを超え、湿り蒸気領域に入って点Ｐ６の状態となる。ここが気液分離器６６の状態である。この気液分離器６６で分離された液冷媒は、点Ｐ７までエントロピが低下し、膨張弁６８で点Ｐ８まで膨張減圧される。その後、蒸発器７３で熱交換されて点Ｐ８から点Ｐ１まで加熱された冷媒は、スクロール型流体機械１の圧縮部３で点Ｐ１から点Ｐ２まで圧縮された後、気液分離器６６からのガス冷媒と合流してエントロピが下がり、点Ｐ３の状態となる。そして、高段側の圧縮機７０の圧縮部７０ａで点Ｐ３から点Ｐ４まで圧縮されると云う二段サイクルとなる。従って、冷媒回路内では点Ｐ４、Ｐ５の圧力が最も高く、点Ｐ１の圧力が最も低い圧力となる。

（７）図９の冷凍サイクルＲＣの場合の可動スクロール７の押し付け力の確保
次に、図１０及び図１１を参照しながら、この実施例の冷凍サイクルＲＣに使用されたスクロール型流体機械１の可動スクロール７の背圧と、当該可動スクロール７の基面７ｂに加わる圧力との大小関係について説明する。図１０及び図１１は可動スクロール７の背面に加わる背圧と、当該可動スクロール７の基面７ｂに加わる圧力を図９に示した冷凍サイクルＲＣの各点の圧力と対応させて示している。尚、この場合も各図の矢印は圧力の大きさを長さで表現したものである。

図１１の場合、前述した図７と同様に固定スクロール６の外側仕切り壁３９の端面となる固定スクロール６の基面６ｂの一部に圧縮部側凹部５７が形成されている（平面形状は前記特許文献２を参照）。そして、この圧縮部側凹部５７は、圧縮側吸入室２４に繋げられて連通されている。また、前述同様に可動スクロール７の背面には、圧縮部３の吐出圧力（点Ｐ２）が加わっている。

一方、膨張部２側の可動スクロール７の基面７ｂの中心部には、膨張側吸入室１９から高段側の圧縮機７０の吐出圧力（点Ｐ５）が加わり、膨張部２の中心部から外側の膨張側吐出室２１の位置の基面７ｂに至って圧力は点Ｐ６の圧力まで低下する。他方、圧縮部３側の可動スクロール７の基面７ｂの外側の圧縮側吸入室２４で圧縮部３の吸入側の圧力（点Ｐ１）となり、内側の圧縮側吐出室３２の位置の基面７ｂに至って圧力は圧縮部３の吐出圧力（点Ｐ２）まで上昇する。

図１１でも固定スクロール６の外側仕切り壁３９の端面となる固定スクロール６の基面６ｂの一部に圧縮部側凹部５７が形成されており、この圧縮部側凹部５７は圧縮側吸入室２４に連通されているので、圧縮部側凹部５７の圧力は背圧（点Ｐ２の圧力）よりも低い圧縮部３の吸入側の圧力（点Ｐ１）となる。従って、圧縮部３側の一部では背圧の不足は解消されるが、圧縮部３側の残りの部分（図１１の向かって右側）は略膨張後の圧力（点Ｐ６）である。特に、膨張部２側の圧力は、中心部が高段側の圧縮機７０の吐出圧力（点Ｐ５の圧力）であり、外側でも膨張後の圧力（点Ｐ６）までしか下がらない。この点Ｐ６の圧力は前述した実施例１の膨張後の圧力よりも高いので、この場合の冷凍サイクルＲＣでは実施例１の場合よりも可動スクロール７の基面７ｂに加わる力が全体として大きくなり、更に背圧が不足することになる。

一方、図１０はこの場合の本発明のスクロール型流体機械１の可動スクロール７の背面に加わる背圧と、当該可動スクロール７の基面７ｂに加わる圧力を図９に示した冷凍サイクルＲＣの各点の圧力と対応させて示している。本発明の場合、中間仕切り壁３８の端面となる固定スクロール６の基面６ｂに形成された環状を呈する膨張部側凹部５８の圧力は背圧（点Ｐ２の圧力）よりも低い圧縮部３の吸入側の圧力（冷媒回路内で最も低い点Ｐ１の圧力）となる。従って、膨張部２側の可動スクロール７の基面７ｂに加わる力が図１０に矢印で示すようにトータルで下げられることになり、これにより、気液分離二段サイクルの場合にも可動スクロール７の押し付け力が確保されることになる。

（８）膨張部側凹部５８の他の例
次に、図１２は他の実施例の固定スクロール６の基面６ｂを示している。前述した図２の実施例では中間仕切り壁３８の端面となる固定スクロール６の基面６ｂに環状の膨張部側凹部５８を形成したが、この実施例では中間仕切り壁３８の幅が大きく、且つ、圧縮側吸入室２４から固定スクロール６の中心に向かう方向の位置に、島状の膨張部側凹部５８が形成されている。

そして、図２、図３の場合と同様に固定スクロール６の基板６ａ内には、圧縮側吸入室２４と膨張部側凹部５８とを連通する連通路５９が形成されており、この連通路５９は開口５９ａにて島状を呈する膨張部側凹部５８内に開口し、膨張部側凹部５８が圧縮側吸入室２４に連通されている。他の構成は図２、図３の場合と同様である。

このように膨張部側凹部５８を島状に形成することで、前述したような環状の膨張部側凹部５８を形成するスペースが固定スクロール６に確保できない場合にも、最大限の押し付け力を確保することが可能となる。また、圧縮側吸入管２３が固定スクロール６に差し込まれる孔（図１２、図２に２４ａで示す）は、固定スクロール６の側面からその中心に向けて穿設され、圧縮側吸入室２４に連通されるものであるが（図２、図３の場合も同様）、この実施例のように膨張部側凹部５８を、圧縮側吸入室２４から固定スクロール６の中心に向かう方向に形成することで、孔２４ａからドリル等を差し込んで固定スクロール６内に連通路５９の上部（図３に示した水平部分５９ｂ）を形成する作業が極めて容易となる。

１ スクロール型流体機械
２ 膨張部
３ 圧縮部（低段側）
６ 固定スクロール
６ａ、７ａ 基板
６ｂ、７ｂ 基面
７ 可動スクロール
８ スクロールユニット
１１ 固定軸
２４ 圧縮側吸入室
５２ 背圧室
５７ 圧縮部側凹部
５８ 膨張部側凹部
５９ 連通路
ＲＣ 冷凍サイクル

Claims (6)

1. 各基板の各基面にそれぞれ渦巻き状のラップが対向して形成された固定スクロール及び可動スクロールから構成され、両スクロールの前記各ラップ間に形成された膨張室で作動流体を膨張させることにより、前記可動スクロールを公転旋回運動させて動力を回収する膨張部と、該膨張部で回収された動力により、前記両スクロールの前記各ラップ間に形成された圧縮室で前記作動流体を圧縮する低段側の圧縮部とを備え、高段側の圧縮機で圧縮された高圧の前記作動流体を前記膨張部に吸入するスクロール型流体機械において、
   前記可動スクロールの基面とは反対側である背面側に形成された背圧室と、
   前記膨張部に位置する前記固定スクロールの基面に形成された膨張部側凹部とを備え、
   前記背圧室に前記圧縮部の吐出圧力に保たれた前記作動流体を供給すると共に、前記膨張部側凹部は前記圧縮部の吸入側に連通させたことを特徴とするスクロール型流体機械。
2. 前記膨張部側凹部は環状を呈することを特徴とする請求項１に記載のスクロール型流体機械。
3. 前記膨張部側凹部は島状を呈することを特徴とする請求項１に記載のスクロール型流体機械。
4. 前記圧縮部に位置する前記固定スクロールの基面に形成された環状の圧縮部側凹部を備え、
   該圧縮部側凹部を前記圧縮部の吸入側に連通させたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちの何れかに記載のスクロール型流体機械。
5. 前記固定スクロールの基板内に形成され、圧縮側吸入管が接続される圧縮側吸入室を備え、
   前記固定スクロールの基面において前記圧縮部側凹部を前記圧縮側吸入室に接続すると共に、前記圧縮側吸入室と前記膨張部側凹部とを連通する連通路を前記固定スクロールの基板内に形成したことを特徴とする請求項４に記載のスクロール型流体機械。
6. 前記作動流体として二酸化炭素を使用したことを特徴とする請求項１乃至請求項５のうちの何れかに記載のスクロール型流体機械。

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