WO2006103821A1

WO2006103821A1 - スクロール膨張機

Info

Publication number: WO2006103821A1
Application number: PCT/JP2006/301204
Authority: WO
Inventors: Masayuki Kakuda; Shin Sekiya; Toshihide Koda; Masahiro Sugihara
Original assignee: Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha
Priority date: 2005-03-29
Filing date: 2006-01-26
Publication date: 2006-10-05
Also published as: CN101163861B; US20080298992A1; JP4584306B2; EP1873350A1; US7775783B2; CN101163861A; JPWO2006103821A1; EP1873350A4

Abstract

　この発明は、簡素な構造で漏れ損失および回収動力の低下を抑え、広い運転条件で効率の良いスクロール膨張機を得る。　この発明では、揺動スクロール５２および第１の固定スクロール５１から成り冷媒を膨張させて動力を回収する膨張機構５と、揺動スクロール６２および第２の固定スクロール６１から成り膨張機構５で回収した動力で冷媒を圧縮するサブ圧縮機構６とを備え、膨張機構５またはサブ圧縮機構６のいずれか一方の揺動スクロールおよび固定スクロールの渦巻歯のみにチップシールが装着されている。

Description

明細書

スクロール膨張機

技術分野

[0001] 本発明は、冷媒を膨張させて動力を回収し、圧縮に利用するスクロール膨張機に関するものである。

背景技術

[0002] 従来のスクロール膨張機では、第 1固定スクロールと公転スクロールとによって、圧縮手段の圧縮室が形成される一方、第 2固定スクロールと公転スクロールによって、膨張手段の膨張室が形成されている。公転スクロールは、クランクシャフトと連結されており、クランクシャフトに取り付けられたモータによって公転駆動するよう構成されている（例えば、特許文献 1参照)。

[0003] 特許文献 1 :特公平 07— 037857号公報 (第 3頁〜第 4頁、第 1図）

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0004] し力しながら、上述のようなスクロール膨張機では、モータ等の駆動源と一体に構成しなければならず、構造が複雑であった。また、設計点を外れた運転条件においては、膨張機構と圧縮機構の回転数を一致させるために、膨張機構の流量または差圧を減じなければならず、回収動力が低下するという問題があった。さらに、公転スクロール (揺動スクロール）の両面に膨張室と圧縮室とが設けられて、るので、渦巻歯の先端の漏れを抑えることができな、と、う問題があった。

[0005] この発明は、上述のような問題を解決するためになされたものであり、簡素な構造で漏れ損失および回収動力の低下を抑え、広い運転条件で効率の良いスクロール膨張機を得ることを目的として!、る。

課題を解決するための手段

[0006] この発明のスクロール膨張機は、揺動スクロールおよび第 1の固定スクロールから成り冷媒を膨張させて動力を回収する膨張機構と、揺動スクロールおよび第 2の固定スクロール力成り膨張機構で回収した動力で冷媒を圧縮するサブ圧縮機構とを備え、膨張機構またはサブ圧縮機構の、ずれか一方の揺動スクロールおよび固定スクロールの渦巻歯のみにチップシールが装着されている。

[0007] また、この発明のスクロール膨張機は、揺動スクロールおよび第 1の固定スクロール力成り冷媒を膨張させて動力を回収する膨張機構と、揺動スクロールおよび第 2の固定スクロール力成り膨張機構で回収した動力で冷媒を圧縮して冷凍サイクルの圧縮過程の一部を担うサブ圧縮機構とを備え、膨張機構またはサブ圧縮機構の!ヽずれか一方の揺動スクロールおよび固定スクロールの渦巻歯のみにチップシールが装着されている。

発明の効果

[0008] この発明によれば、簡素な構造で漏れ損失および回収動力の低下を抑え、広い運転条件で効率の良!ヽスクロール膨張機を提供できる。

図面の簡単な説明

[0009] [図 1]この発明の実施の形態 1によるスクロール膨張機の構成を示す縦断面図である

[図 2]この発明の実施の形態 1によるスクロール膨張機の膨張機構の横断面図である

[図 3]この発明の実施の形態 1によるスクロール膨張機のサブ圧縮機構を示す平面図である。

[図 4]この発明の実施の形態 1によるスクロール膨張機を用いた冷凍サイクルの基本構成を示す回路図である。

[図 5]この発明の実施の形態 1によるスクロール膨張機を用いた冷凍サイクルにおける冷媒の状態量変化を示すモリエル線図である。

[図 6]—般的な膨張'圧縮機構の流量と回転数の関係を説明するための模式図である。

[図 7]この発明の実施の形態 1によるスクロール膨張機の膨張機構およびサブ圧縮機構の略断面図である。

[図 8]—般的なチップシールの接触シール機能を説明するため断面図である。

[図 9]この発明の実施の形態 2によるスクロール膨張機の構成を示す縦断面図である [図 10]この発明の実施の形態 2によるスクロール膨張機を用いた冷凍サイクルの基本構成を示す回路図である。

[図 11]この発明の実施の形態 2によるスクロール膨張機を用いた冷凍サイクルにおける冷媒の状態量変化を示すモリエル線図である。

[図 12]この発明の実施の形態 2によるスクロール膨張機の膨張機構およびサブ圧縮機構の略断面図である。

発明を実施するための最良の形態

[0010] 実施の形態 1.

図 1は、この発明の実施の形態 1によるスクロール膨張機の構成を示す縦断面図である。図において、同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものであり、このことは、明細書の全文において共通することである。

[0011] 図 1において、スクロール膨張機 1の密閉容器 10内の下方には、膨張機構 5が設置されており、膨張機構 5の上方には、サブ圧縮機構 6が設置されている。膨張機構 5は、台板 51a上に渦巻歯 51cを形成した固定スクロール 51 (第 1の固定スクロール）と、台板 52a上に渦巻歯 52cを形成した揺動スクロール 52と力も成り、固定スクロール 51の渦巻歯 51cと揺動スクロール 52の渦巻歯 52cとは、咬合するように配置されている。また、サブ圧縮機構 6は、台板 61a上に渦巻歯 61cを形成した固定スクロール 61 (第 2の固定スクロール）と、台板 62a上に渦巻歯 62cを形成した揺動スクロール 62と力ら成り、固定スクロール 61の渦巻歯 61cと揺動スクロール 62の渦巻歯 62cとは、咬合するように配置されている。

[0012] 軸 8は、膨張機構 5の固定スクロール 51およびサブ圧縮機構 6の固定スクロール 61 それぞれの中央に形成された軸受部 51b, 61bによって、回転自由に両持ち支持されて、る。膨張機構 5の揺動スクロール 52とサブ圧縮機構 6の揺動スクロール 62とは、それぞれの中央に形成された偏心軸受部 52b, 62bを軸 8に嵌合されたクランク部 8bによって貫通支持され、揺動運動できるようになつている。

[0013] 膨張機構 5の外周であって密閉容器 10の側面には、冷媒を吸入する膨張吸入管 1 3および膨張した冷媒を吐出する膨張吐出管 15が設置されている。一方、サブ圧縮機構 6の上方であって密閉容器 10の上面には、冷媒を吸入するサブ圧縮吸入管 12 が設置されており、サブ圧縮機構 6の外周であって密閉容器 10の側面には、圧縮した冷媒を吐出するサブ圧縮吐出管 14が設置されている。

[0014] サブ圧縮機構 6においては、固定スクロール 61および揺動スクロール 62それぞれの渦巻歯 61c, 62cの先端には、固定スクロール 61の渦巻歯 61cと揺動スクロール 6 2の渦巻歯 62cとで形成されるサブ圧縮室 6aを仕切るチップシール 21が装着されている。また、揺動スクロール 62の固定スクロール 61に対向する面であって偏心軸受部 62bの外周には、揺動スクロール 62と固定スクロール 61とをシールする内周シール 22aが設けられている。さらに、固定スクロール 61における揺動スクロール 52に対向する面であって渦巻歯 61cの外周には、揺動スクロール 62と固定スクロール 61とをシールする外周シール 23が設けられて!/、る。

[0015] 一方、膨張機構 5においては、サブ圧縮機構 6と同様に、揺動スクロール 52の固定スクロール 51に対向する面であって偏心軸受部 52bの外周には、揺動スクロール 52 と固定スクロール 51とをシールする内周シール 22bが設けられている。しかしながら、固定スクロール 51および揺動スクロール 52の渦巻歯 51c, 52cの先端には、チップシール 21が装着されていない。また、固定スクロール 51における揺動スクロール 52 に対向する面であって渦巻歯 51cの外周には、外周シール 23は設けられて!/ヽな!、。

[0016] 膨張機構 5の揺動スクロール 52とサブ圧縮機構 6の揺動スクロール 62とは、ピンなどの結合要素によって一体化され、サブ圧縮機構 6に設けたオルダムリング 7によつて、自転を規正される。また、揺動スクロール 52, 62が揺動運動することによって発生する遠心力を相殺するために、軸 8の両端には、ノランスウェイト 9a, 9bが取り付けられている。なお、膨張機構 5の揺動スクロール 52とサブ圧縮機構 6の揺動スクロール 62とは、台板 52a, 62aを共用した形で一体に形成されてもよい。

[0017] 膨張機構 5においては、固定スクロール 51の渦巻歯 51cと揺動スクロール 52の渦卷歯 52cとで形成される膨張室 5a内で、膨張吸入管 13から吸入した高圧の冷媒が膨張することによって動力が発生する。膨張室 5a内で膨張減圧した冷媒は、膨張吐出管 15から密閉容器 10外へ吐出される。膨張機構 5で発生した動力によって、サブ圧縮機構 6の固定スクロール 61の渦巻歯 61cと揺動スクロール 62の渦巻歯 62cとで形成されるサブ圧縮室 6a内で、サブ圧縮吸入管 12から吸入した冷媒が圧縮昇圧される。サブ圧縮室 6a内で圧縮昇圧された冷媒は、サブ圧縮吐出管 14から密閉容器 10外へ吐出される。

[0018] 図 2は、図 1に示すこの発明の実施の形態 1によるスクロール膨張機の膨張機構の A— A断面図である。

[0019] 揺動スクロール 52の渦巻歯 52cの内端部には、肉厚部 52dが設けられており、肉厚部 52dには、クランク部 8bが挿入される偏心軸受部 52bが貫通して形成されてヽる。揺動スクロール 52の台板 5 la上であって偏心軸受部 52bの外周には、内周シール溝 52gが形成されており、内周シール溝 52gに内周シール 22bが装着されている

[0020] 固定スクロール 51の台板 51cには、冷媒を吸入するための吸入ポート 51dと冷媒を吐出するための吐出ポート 51eとが開けられている。吸入ポート 51dは、開口面積を確保するために、略長穴の形状であり、膨張吸入管 13に連結している。また、揺動運動中に吸入ポート 5 Idが閉塞される面積を低減するために、肉厚部 52dに切り欠き部 52eを設けている。吐出ポート 5 leは、揺動スクロール 52の渦巻歯 52cの外端部と干渉しな、位置に開けられており、膨張吐出管 15に連結して、る。

[0021] 図 3は、この発明の実施の形態 1によるサブ圧縮機構を示す平面図であり、図 3 (a) は、サブ圧縮機構の固定スクロールの平面図、図 3 (b)は、サブ圧縮機構の揺動スクロールの平面図である。図 3に示すように、サブ圧縮機構 6の渦巻歯 61c, 62cは、膨張機構 5と同じ巻き方向で、揺動スクロール 62が膨張機構 5の揺動スクロール 52と背面合わせ一体で揺動運動したときに、一方で圧縮、他方で膨張できるようになつている。

[0022] 膨張機構 5の揺動スクロール 52と同様に、揺動スクロール 62の肉厚部 62dには、クランク部 8bが挿入される偏心軸受部 62bが貫通して形成されており、固定スクロール 61の台板 61aには、冷媒を吸入するための吸入ポート 61dと冷媒を吐出するための吐出ポート 61eとが開けられている。吐出ポート 61eは、開口面積を確保するために、略長穴の形状であり、サブ圧縮吐出管 14に連結されている。また、揺動運動中に吐出ポート 6 leが閉塞される面積を低減するために、肉厚部 62dに切り欠き部 62eを設けている。吸入ポート 6 Idは、揺動スクロール 62の渦巻歯 62cの外端部と干渉しな V、位置に開けられており、サブ圧縮吸入管 12に連結されて、る。

[0023] 渦巻歯 61c, 62cの先端面には、チップシールを装着するためのチップシール溝 6 If, 62fが形成されている。揺動スクロール 62の台板 62a上であって偏心軸受部 62 bの外周には、内周シール 22aを装着するための内周シール溝 62gが形成されている。また、固定スクロール 61の台板 61a上であって渦巻歯 61cの外周には、外周シール 23を装着するための外周シール溝 61gが形成されている。

[0024] 図 4は、この発明の実施の形態 1によるスクロール膨張機を用いた冷凍サイクルの基本構成を示す回路図である。この発明の実施の形態 1では、二酸化炭素のような高圧側が超臨界となる冷媒を用いることを想定して、る。

[0025] 図 4において、スクロール膨張機 1の膨張機構 5が駆動するサブ圧縮機構 6の前段には、主圧縮機 11の電動機構 l ibが駆動する主圧縮機構 11aが設置されており、主圧縮機構 11aの前段には、冷媒を加熱する蒸発器 4が設置されている。一方、サブ圧縮機構 6の後段には、冷媒を冷却するガスクーラ 2が設置されており、ガスクーラ 2の後段には、スクロール膨張機 1の膨張機構 5と膨張弁 3とが並列に配置されている。

[0026] 主圧縮機 11の主圧縮機構 11aで昇圧された冷媒は、スクロール膨張機 1のサブ圧縮機構 6によって、さら〖こ昇圧される。サブ圧縮機構 6で昇圧された冷媒は、ガスクーラ 2で冷却された後、一部は、スクロール膨張機 1の膨張機構 5に送られ、膨張減圧される。膨張機構 5を通過する流量の調整および起動時における差圧の確保のため、スクロール膨張機 1の膨張機構 5と並列に膨張弁 3が設けられており、残りの冷媒は、膨張弁 3に送られ、膨張減圧される。膨張機構 5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、主軸 8を介して膨張機構 5からサブ圧縮機構 6に膨張動力が伝えられ、サブ圧縮仕事として用いられる。膨張機構 5で膨張した冷媒は、蒸発器 4 で加熱された後、再び主圧縮機 11の主圧縮機構 11aに戻る。

[0027] 図 5は、この発明の実施の形態 1によるスクロール膨張機を用いた冷凍サイクルにおける冷媒の状態量変化を示すモリエル線図である。図 5において、縦軸は圧力 P、横軸はェンタルピ hである。 [0028] 図 5に示すように、ガスクーラ 2で熱交換することによって、点 dから点 cまで冷却された冷媒は、膨張弁のような絞りによる減圧機構では点 c→点 b'のように等ェンタルピ膨張する。しかしながら、膨張機構 5では、等エントロピ的に膨張することによって点 c 力も点 bとなる。このため、点 b，でのェンタルピ h，と点 bでのェンタルピ hの差 h ，一 h 分だけ、膨張動力として回収される。膨張後、蒸発器 4で熱交換され、点 bから点 aまで加熱された冷媒ガスは、主圧縮機 11の主圧縮機構 1 laで点 aから点 d'まで圧縮された後、スクロール膨張機 1のサブ圧縮機構 6で点 d'から点 dまで圧縮される。上記のように、この発明の実施の形態 1においては、主圧縮機 11の圧縮機構 l ibで冷凍サイクルの圧縮過程の一部を担、、スクロール膨張機 1のサブ圧縮機構 6で圧縮過程の残りを担う。サブ圧縮機構 6におけるェンタルピ差 h -h '分の圧縮動力は、 h ， d d

-h分の回収動力によって賄われる。

[0029] 図 6は、一般的な膨張'圧縮機構の流量と回転数の関係を説明するため模式図である。

[0030] 図 6に示すように、膨張機構 5によって駆動されるサブ圧縮機構 6がある場合、冷媒の膨張機構 5を通過する重量流量を Ge、サブ圧縮機構 6の通過流量を Gc、膨張機構 5の吸込み行程容積を Vei、サブ圧縮機構 6の吸込み行程容積を Vcsとし、膨張機構 5の入口の冷媒比容積を V ,圧縮機構 Cs入口の冷媒比容積を Vとすると、膨張機構 5側で決まる回転数 Nは、（1)式のように表される。

E

[0031] [数 1]

^ ( 1 )

[0032] また、サブ圧縮機構 6側の回転数 Nは、（2)式のように表される。

C

[0033] [数 2]

( 2 ) [0034] したがって、膨張機構 5とサブ圧縮機構 6との回転数をマッチングさせる条件である N =Nから、 (3)式を満たさなければならない。

E C

[0035] [数 3]

G e v _e j—v e i

G c v _{c s} - _V c s — " （³ )

[0036] (3)式に示す膨張機構 5とサブ圧縮機構 6の行程容積の比 σ は、ある設計条件 vec

に対して機器のディメンジョンを決めると定数となる。設計条件以外で運転する場合には、（3)式を満たすように体積流量の比（Gev /Gcv )を調整する必要が生じる。サブ圧縮機構 6で冷凍サイクルの圧縮過程の全てを担う場合 (この場合、サブ圧縮機構 6は、膨張機構 5からの回収動力だけでなく別の駆動源を併用する必要がある）は、膨張機構 5およびサブ圧縮機構 6それぞれの入口での比容積 V , V 1S 運転条件力決まるので、通常、膨張弁 3のようなバイパス等の手段によって重量流量 Geを調整する。このとき、バイパスさせる流量は、膨張動力を回収することができない非回収流量となり、動力回収効果が低下することになるので、極力バイパス流量を抑える必要がある。

[0037] 図 5に示すように、冷凍サイクルの圧縮過程の一部（点 a→点 d' )を電動機構 l ib駆動の主圧縮機構 11aで担い、圧縮過程の残り（点 d'→点 d)を回収動力駆動のサブ圧縮機構 6で担う場合には、点 d'での圧力に依存してサブ圧縮機構 6入口での比容積 Vが変わる。このため、点 cおよび点 aでの比容積が運転条件力決まっていても、回転数マッチングのためにサブ圧縮機構 6入口の比容積 Vを調整することが可能となる。しかしながら、サブ圧縮機構 6の駆動は、膨張機構 5のみによって行なわれるので、圧縮動力を回収動力で賄うという動力のマッチングも必要となる。図 5における点 b 'の圧力には下限があり、点 b 'での圧力によるサブ圧縮機構 6入口の比容積 V の調整にも限界がある。したがって、膨張機構 5側とサブ圧縮機構 5側の動力がバランスした上で、（3)式の回転数マッチングの条件を満足させるために、膨張機構 5と並列に設けた膨張弁 3等力冷媒をバイパスすることによって膨張機構 5の通過流量 G eの調整を行うこととなる。 [0038] 以上のように、スクロール膨張機 1のサブ圧縮機構 6で冷凍サイクルの圧縮過程の全てを担う場合よりも、冷凍サイクルの圧縮過程の一部を電動機構 l ib駆動の主圧縮機構 11aで担い、圧縮過程の残りを回収動力駆動のスクロール膨張機 1のサブ圧縮機構 6で担う場合の方が、サブ圧縮機構 6入口の比容積 V による回転数の調整とサブ圧縮機構 6での昇圧幅による圧縮動力の調整とが併用されるので、バイパスによる回収効果の低下を抑制できる。

[0039] 図 7は、この発明の実施の形態 1によるスクロール膨張機の膨張機構およびサブ圧縮機構の略断面図である。

[0040] サブ圧縮機構 6の渦巻歯 61c, 62cには、サブ圧縮室 6aを仕切るチップシール 21 が装着されている。また、サブ圧縮機構 6の固定スクロール 61の台板 61a上であって渦巻歯 61cの外周に外周シール 23が設けられている。さらに、内周シール 22a, 22 bが揺動スクロール 52, 62の偏心軸受部 52b, 62bの外周に設けられている。また、膨張機構 5においては、固定スクロール 51の台板 51aの外周部と揺動スクロール 52 の台板 52aの外周部とは、接触するように構成されて！、る。

[0041] 図 8は、チップシールの接触シール機能を説明するためにチップシール周辺を拡大した断面図である。

[0042] 図 8において、チップシール 21は、仕切られる両側のサブ圧縮室 6aの差圧によつて、矢印で示すように高圧側である左方および下方から押圧される。このため、チップシール 21は、チップシール 21を装着するために設けられたチップシール溝 62f内で、右方の壁および上方の台板に押付けられて、揺動スクロール 62と固定スクロール 61との間の接触シールを行う。内周シール 22a, 22bおよび外周シール 23の接触シール作用も、チップシール 21の接触シール作用と同様である。

[0043] この発明の実施の形態 1においては、膨張機構 5は、高圧 Ph (点 cの圧力)から低圧 P1 (点 bの圧力)までの膨張過程を担い、サブ圧縮機構 6は、中間圧 Pm (点 d'の圧力）力も高圧 Ph (点 dの圧力 ^点 cの圧力)までの圧縮過程を担う。このため、揺動スクロール 52, 62においては、中央の膨張室 5aおよび中央のサブ圧縮室 6aの双方に高圧 Phが作用し、外周の膨張室 5aには低圧 Pl、外周のサブ圧縮室 6aには中間圧 Pm が作用する。密閉容器 10内を低圧 P1としているので、外周のサブ圧縮室 6a(Pm)と密閉容器 10内（PI)との差圧をシールするために、サブ圧縮機構 6の固定スクロール 61の台板 6 la上であって渦巻歯 61cの外周に外周シール 23を設けている。また、中央の膨張室 5a (Ph)および中央のサブ圧縮室 6a(Ph)と密閉容器 10内（P1)との差圧をシールするために、揺動スクロール 52, 62の偏心軸受部 52b, 62bの外周に内周シーノレ 22a, 22bを設けている。

[0044] 密閉容器 10内を高圧 Phとした場合には、低圧 P1となる膨張機構 5の外周部および中間圧 Pmとなるサブ圧縮機構 6の外周部に外周シール 23を設けることになる。また、密閉容器 10内を中間圧 Pmとした場合には、低圧 P1となる膨張機構 5の外周部に外周シール 23、高圧 Phとなる膨張機構 5の中央部およびサブ圧縮機構 6の中央部に内周シール 22a, 22bを設けることになる。密閉容器 10内を高圧 Phとした場合も中間圧 Pmとした場合も、シールの個数は密閉容器 10内を低圧 P1とした場合と同じか少ないかである。しかしながら、密閉容器 10内を高圧 Phとした場合または中間圧 Pm とした場合には、高圧 Phまたは高圧 Phに近い中間圧 Pmに対して密閉容器 10の耐圧を確保するために、密閉容器 10内を低圧 P1とした場合よりも密閉容器 10の肉厚を厚くする必要がある。したがって、膨張機構 5の中央部とサブ圧縮機構 6の中央部に内周シール 22a, 22bを設けるとともに、サブ圧縮機構 6外周部に外周シール 23を設けているので、密閉容器 10内を低圧 P1とすることができ、スクロール膨張機 1の製造コストを低減できる。

[0045] また、図 3 (a)に示すように、低圧 P1になる外側の膨張室 5aと中間圧 Pmとなる外周のサブ圧縮室 6aとの間を隔離する外周シール 23の外周シール溝 61gの中心を、固定スクロール 61の渦巻歯 61cの座標中心から外接円中心へ近づけている。このため、外周シール溝 61gの直径が小さくなり、サブ圧縮機構 6が中間圧 Pmを受ける面積を抑え、膨張機構 5の渦巻歯 51c, 52cの先端面および台板 5 la, 52aの外周部の押付力が過大となるのを避けている。

[0046] 図 7において、矢印は、低圧 P1を基準とした揺動スクロール 52, 62に作用する軸方向差圧力の分布を示す。揺動スクロール 52, 62の中央部の差圧力は、膨張機構 5 側もサブ圧縮機構 6側も Ph—Plで等しい。し力しながら、揺動スクロール 52, 62の外周部の差圧力は、膨張機構 5側では 0となり、サブ圧縮機構 6側では Pm— P1となる。この差圧力を積分した結果、揺動スクロール 52,62は、軸 8方向に下向きの押付力（サブ圧縮機構 6側から膨張機構 5側に向力う力) Fを受けることになり、押付力 Fは、膨張機構 5の渦巻歯 51c, 52cの先端面および台板 5 la, 52aで支持される。

[0047] スクロール型の流体機械にぉヽては、圧縮機および膨張機のヽずれの場合でも、また、揺動スクロールの片面のみに渦巻歯を備えた片面渦巻構造および揺動スクロールの両面に渦巻歯を備えた両面渦巻構造のいずれの場合でも、冷媒の圧力による軸方向力を支持する点で揺動スクロールの軸方向の位置が決まり、摇動スクロールの反押付け側の面には組立てクリアランスに相当する隙間が生じる。このため、圧力の異なる膨張室 5aの間またはサブ圧縮室 6aの間で漏れが生じる。

[0048] この実施の形態 1によるスクロール膨張機においては、押付力 Fによって、揺動スクロール 52, 62は一体的に膨張機構 5の固定スクロール 51に押付けられるので、膨張機構 5の渦巻歯 51c, 52cの先端の隙間は、ほとんどなくなる。このため、膨張機構 5 においては、渦巻歯 51c, 52cの先端からの漏れを低減できる。特に、二酸化炭素のような高圧 Phが非常に高い圧力となる場合には、中間圧 Pmと低圧 P1との差圧も大きいので必要な押付力 Fを得るための外周シール 23の直径の調整量が小さくて済み、外径寸法を拡大せずに成立できる。一方、サブ圧縮機構 6においては、揺動スクロール 62の渦巻歯 62cの先端面と固定スクロール 61の台板 61aとの間およびサブ圧縮機構 6の揺動スクロール 62の台板 62aと固定スクロール 61の渦巻歯 61cの先端面との間に隙間が生じる。し力しながら、渦巻歯 61c, 62cの先端にチップシール 21を装着しているので、渦巻歯 61c, 62cの先端における渦巻内側から外側への径方向漏れはほとんどなくなりチップシール 21サイドでの渦巻歯 61c, 62cに沿った周方向漏れのみに抑えることができる。

[0049] また、膨張機構 5においては、固定スクロール 51の台板 51aの外周部と摇動スクロール 52の台板 52aの外周部とを接触するように構成して、るので、より広、面積で押付力 Fを支持することができ、渦巻歯 51c, 52cの歯先に作用する面圧の絶対値とともに作動圧力変動時の変動幅を抑えている。

[0050] ここで、膨張機構 5およびサブ圧縮機構 6の揺動半径!:は、渦巻歯のピッチを p、渦卷歯の厚さを tとしたとき、（4)式のような関係にある。 [0051] 画 r =| - t ( 4 )

[0052] この発明の実施の形態 1においては、揺動半径 rは、膨張機構 5とサブ圧縮機構 6とで等しい。し力しながら、渦巻歯の厚さ tは、サブ圧縮機構 6の渦巻歯 61c, 62cよりも膨張機構 5の渦巻歯 51c, 52cの方が厚くなつている。また、それに応じて、渦巻歯のピッチ Pも、サブ圧縮機構 6の渦巻歯 61c, 62cよりも膨張機構 5の渦巻歯 51c, 52c の方が大きくなつている。渦巻歯の厚さ tは、サブ圧縮機構 6の渦巻歯 61c, 62cよりも膨張機構 5の渦巻歯 51c, 52cの方が厚くなつているので、サブ圧縮機構 6における圧縮前後の差圧に比べて膨張前後の差圧が大きい膨張機構 5の渦巻歯 51c, 52 cの強度を確保することができる。

[0053] 以上のような構成によれば、スクロール膨張機 1のサブ圧縮機構 6で冷凍サイクルの圧縮過程の一部を担うので、バイパスによる回収効果の低下を抑制でき、広い運転条件で効率の良いスクロール膨張機を得ることができる。また、揺動スクロール 52 , 62が膨張機構 5の固定スクロール 51に押付けられるように構成し、サブ圧縮機構 6 の固定スクロール 61および揺動スクロール 62の渦卷歯 61c, 62cにチップシール 21 を装着しているので、漏れ損失を低減することができる。

[0054] また、サブ圧縮機構 6で中間圧 Pm力も高圧 Phに圧縮することによって、膨張機構 5の渦巻歯 51c, 52cの先端面および台板 5 la, 52aの外周部を押付けるようにしたので、サブ圧縮機構 6における昇圧は起動後に生じ、起動前にはサブ圧縮機構 6の外周部〜中央部全域が高圧 Phとなり、膨張機構 5の歯先押付けがより確実となるため起動性の良いスクロール膨張機 1を得ることが可能となる。

[0055] 実施の形態 2.

図 9は、この発明の実施の形態 2によるスクロール膨張機の構成を示す縦断面図である。

[0056] 実施の形態 1においては、サブ圧縮機構 6の渦巻歯 61c, 62cの先端にチップシール 21を装着し、揺動スクロール 52, 62が膨張機構 5の固定スクロール 51に押付けられるように構成した。この発明の実施の形態 2に示すスクロール膨張機 1 Aでは、図 9 に示すように、膨張機構 5の渦巻歯 51c, 52cの先端にチップシール 21を装着し、揺動スクロール 52, 62がサブ圧縮機構 6の固定スクロール 61に押付けられるように構成している。なお、サブ圧縮機構 6の渦巻歯 61c, 62cの先端には、チップシール 21 を装着していない。この発明の実施の形態 2に示すスクロール膨張機 1Aのその他の構成および機能は、実施の形態 1に示すスクロール膨張機 1と同様である。

[0057] 図 10は、この発明の実施の形態 2によるスクロール膨張機を用いた冷凍サイクルの基本構成を示す回路図である。この発明の実施の形態 2においては、二酸化炭素のような高圧側が超臨界となる冷媒を想定して、る。

[0058] 図 10において、スクロール膨張機 1Aの膨張機構 5が駆動するサブ圧縮機構 6の後段には、主圧縮機 11の電動機構 l ibが駆動する主圧縮機構 11aが設置されている。主圧縮機構 11aの後段には、冷媒を冷却するガスクーラ 2が設置されており、ガスクーラ 2の後段には、スクロール膨張機 1Aの膨張機構 5と膨張弁 3とが並列に配置されている。一方、サブ圧縮機構 6の前段には、冷媒を加熱する蒸発器 4が設置されている。

[0059] スクロール膨張機 1Aの膨張機構 5が駆動するサブ圧縮機構 6で昇圧された冷媒は、主圧縮機 11の電動機構 l ibが駆動する主圧縮機構 11aによって、さらに昇圧される。主圧縮機構 11aで昇圧された冷媒は、ガスクーラ 2で冷却された後、一部は、再びスクロール膨張機 1Aの膨張機構 5に送られ、膨張減圧される。膨張機構 5を通過する流量の調整および起動時における差圧の確保のため、スクロール膨張機 1Aの膨張機構 5と並列に膨張弁 3が設けられており、残りの冷媒は、膨張弁 3に送られ、膨張減圧される。膨張機構 5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、主軸 8を介して膨張機構 5からサブ圧縮機構 6に膨張動力が伝えられ、サブ圧縮仕事として用いられる。膨張機構 5で膨張した冷媒は、蒸発器 4で加熱された後、再びスクロール膨張機 1Aのサブ圧縮機構 6に戻る。

[0060] 図 11は、この発明の実施の形態 2によるスクロール膨張機を用いた冷凍サイクルにおける冷媒の状態量変化を示すモリエル線図である。図 11において、縦軸は圧力、横軸はェンタルピである。 [0061] 図 11に示すように、ガスクーラ 2で熱交換することによって、点 dから点 cまで冷却された冷媒は、膨張機構 5で等エントロピ的に膨張することによって、点 cから点 bとなる。膨張後、蒸発器 4で熱交換され、点 bから点 aまで加熱された冷媒ガスは、スクロール膨張機 1Aのサブ圧縮機構 6で点 aから点 a'まで圧縮された後、主圧縮機 11の主圧縮機構 11aで点 a'力点 dまで圧縮される。上記のように、この発明の実施の形態 2にお、ては、主圧縮機 11の圧縮機構 1 lbで冷凍サイクルの圧縮過程の一部を担い、スクロール膨張機 1Aのサブ圧縮機構 6で圧縮過程の残りを担う。サブ圧縮機構 6におけるェンタルピ差 h， -h分の圧縮動力は、 h， -h分の回収動力によって賄

a a b b

われる。

[0062] この発明の実施の形態 2においても、冷凍サイクルの圧縮過程の一部を電動機構 1 lb駆動の主圧縮機構 11aで担い、残りを回収動力駆動のスクロール膨張機 1Aのサブ圧縮機構 6で担う。このため、冷凍サイクルの全ての圧縮過程をスクロール膨張機 1Aのサブ圧縮機構 6で担う場合よりも、サブ圧縮機構 6での昇圧幅による圧縮動力の調整が可能な分、バイパスによる回収効果の低下を抑制できる。

[0063] 図 12は、この発明の実施の形態 2によるスクロール膨張機の膨張機構およびサブ圧縮機構の略断面図である。

[0064] 膨張機構 5の渦巻歯 51c, 52cには、膨張室 5aを仕切るチップシール 21が装着されている。また、揺動スクロール 52, 62の偏心軸受部 52b, 62bの外周には、内周シール 22a, 22bが設置されている。また、サブ圧縮機構 6においては、固定スクロール 61の台板 61aの外周部と揺動スクロール 62の台板 62aの外周部とは、接触するように構成されている。

[0065] この発明の実施の形態 2においては、膨張機構 5は、高圧 Ph (点 cの圧力)から低圧 P1 (点 bの圧力)までの膨張過程を担い、サブ圧縮機構 6は、低圧 P1 (点 aの圧力点 b の圧力)から中間圧 Pm (点 a'の圧力)までの圧縮過程を担う。このため、中央の膨張室 5aには高圧 Phが、中央のサブ圧縮室 6aには中間圧 Pmが作用し、外周の膨張室 5aおよび外周のサブ圧縮室 6aにはともに低圧 P1が作用する。揺動スクロール 52, 6 2の偏心軸受部 52b, 62bの外周には、内周シール 22a, 22bが設置されているので、中央の膨張室 5aと中央のサブ圧縮室 6aとで異なる圧力を隔離することができる。また、外周の膨張室 5aと外周のサブ圧縮室 6aとでは、作用する圧力が同じ低圧 P1であるので、圧力を隔離する必要はなぐ膨張機構 5側およびサブ圧縮機構 6側には外周シール 23は設けられていない。さらに、揺動スクロール 52, 62の偏心軸受部 52b , 62bの外周に内周シール 22a, 22bを設けているので、密閉容器 10内を低圧 PIとすることができ、密閉容器 10内が高圧 Phまたは中間圧 Pmの場合ほど密閉容器 10 の肉厚を厚くする必要がなくなり、スクロール膨張機 1 Aの製造コストを低減することができる。

[0066] 図 12において、矢印は、低圧 P1を基準とした揺動スクロール 52, 62に作用する軸方向差圧力の分布を示す。揺動スクロール 52, 62の外周部の差圧力は、膨張機構 5側、サブ圧縮機構 6側ともに 0である。し力しながら、内周部の差圧力は、膨張機構 5側では Ph— Pl、サブ圧縮機構 6側では Pm— PIとなる。この差圧力を積分した結果、揺動スクロール 52, 62は、軸 8方向に上向きの押付力（膨張機構 5側力もサブ圧縮機構 6側に向力う力） Fを受けることになり、押付力 Fは、サブ圧縮機構 6の渦巻歯 61 c, 62cの先端面および台板 61a, 62aで支持される。特に、サブ圧縮機構 6において、固定スクロール 61の台板 61aの外周部と揺動スクロール 62の台板 62aの外周部とを接触するように構成して、るので、より広、面積で押付力 Fを支持することができ、渦巻歯 61c, 62cの歯先に作用する面圧が過大となるのを防いでいる。

[0067] この実施の形態 2によるスクロール膨張機においては、揺動スクロール 52, 62は一体的にサブ圧縮機構 6の固定スクロール 61に押付けられるので、サブ圧縮機構 6の渦巻歯 61c, 62cの先端の隙間はほとんどなくなる。このため、サブ圧縮機構 6においては、渦巻歯 61c, 62cの先端力もの漏れを低減できる。特に、二酸化炭素のような高圧 Phが非常に高い圧力となる場合には、中央部において膨張機構 5側とサブ圧縮機構 6側との差圧が大きくなるので、受圧面積の大きい外周部がともに低圧 pre 差圧が無くても渦巻歯 61c, 62cの歯先を確実に押付けることができる。一方、膨張機構 5における揺動スクロール 52の渦巻歯 52cの先端面と固定スクロール 51の台板 51aとの間および膨張機構 5の揺動スクロール 52の台板 52aと固定スクロール 51の渦巻歯 51cの先端面との間に隙間が生じる。し力しながら、渦巻歯 51c, 52cの先端には、チップシール 21を装着しているので、渦巻歯 51c, 52cの先端での径方向の漏れはほとんどなくなり、チップシール 21サイドの渦巻歯 51c, 52cに沿った周方向漏れのみに抑えることができ、起動性も確保できる。

[0068] 以上のような構成によれば、スクロール膨張機 1 Aのサブ圧縮機構 6で冷凍サイクルの圧縮過程の一部を担うので、バイパスによる回収効果の低下を抑制でき、広い運転条件で効率の良いスクロール膨張機を得ることができる。また、揺動スクロール 52 , 62がサブ圧縮機構 6の固定スクロール 61に押付けられるように構成し、膨張機構 5 の固定スクロール 51および揺動スクロール 52の渦卷歯 51c, 52cにチップシール 21 を装着しているので、漏れ損失を低減することができる。

[0069] また、膨張機構 5およびサブ圧縮機構 6の両側の渦巻歯 51c, 52c, 61c, 62cの外周部がともに低圧 PIとなるので、大径の外周シール 23を必要とせず、スクロール膨張機 1Aの製造コストを低減することができる。

Claims

請求の範囲

[1] 揺動スクロールおよび第 1の固定スクロール力成り冷媒を膨張させて動力を回収する膨張機構と、揺動スクロールおよび第 2の固定スクロール力成り前記膨張機構で回収した動力で冷媒を圧縮するサブ圧縮機構とを備え、前記膨張機構または前記サブ圧縮機構のいずれか一方の揺動スクロールおよび固定スクロールの渦巻歯のみにチップシールが装着されていることを特徴とするスクロール膨張機。

[2] 揺動スクロールおよび第 1の固定スクロール力成り冷媒を膨張させて動力を回収する膨張機構と、揺動スクロールおよび第 2の固定スクロール力成り前記膨張機構で回収した動力で冷媒を圧縮して冷凍サイクルの圧縮過程の一部を担うサブ圧縮機構とを備え、前記膨張機構または前記サブ圧縮機構の、ずれか一方の揺動スクロールおよび固定スクロールの渦巻歯のみにチップシールが装着されていることを特徴とするスクロール膨張機。

[3] 渦巻歯の厚さは、膨張機構の方がサブ圧縮機構よりも厚いことを特徴とする請求項

1または 2記載のスクロール膨張機。

[4] チップシールが装着されて!、な!/、揺動スクロールの外周部と固定スクロールの外周部とは、接触してヽることを特徴とする請求項 1または 2記載のスクロール膨張機。

[5] 膨張機構またはサブ圧縮機構の!/、ずれか一方の揺動スクロールの外周部または固定スクロールの外周部に外周シールが設けられていることを特徴とする請求項 1または 2記載のスクロール膨張機。

[6] 冷媒は、二酸ィ匕炭素であることを特徴とする請求項 1または 2記載のスクロール膨張機。