JP4519882B2 - Scroll expander - Google Patents
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Description
本発明は、高圧の圧縮性流体によって作動して旋回動力を発生する原動機としてのスクロール膨張機に関する。 The present invention relates to a scroll expander as a prime mover that operates by a high-pressure compressive fluid to generate turning power.
スクロール膨張機は容積型流体機械の一種であり、その基本構成は、例えば特開平８−２８４６１号公報で知られている。 A scroll expander is a kind of positive displacement fluid machine, and its basic configuration is known, for example, in Japanese Patent Laid-Open No. 8-28461.
このものは図８に示すように、固定スクロールaおよび旋回スクロールbのラップc、dを噛み合わせて、相互間に旋回スクロールbの円軌道に沿った旋回により中央部から周辺部に移動しながら容積を大きくする作動室eを形成している。この作動室eの最小位置側で高圧部fの流体を導入することにより、作動室eが大きくなる側への旋回力を旋回スクロールｂが受けて流体の膨張を伴い軸線Ｌ１まわりに旋回され、作動室eの最大位置側で流体を低圧部gに排出させることを繰り返し、旋回動力を得るようにしている。この旋回動力は偏心軸受hを介し軸iの回転出力として取り出される。
しかし、上記のようなスクロール膨張機の基本構造では、容積比と導入容積が旋回スクロールbのラップdおよび固定スクロールaのラップcの幾何形状によって規定されて、これらが原因で導入する流体から得るエネルギーが極端に減ったり、効率が低下することがある。 However, in the basic structure of the scroll expander as described above, the volume ratio and the introduction volume are defined by the geometric shapes of the wrap d of the orbiting scroll b and the wrap c of the fixed scroll a, and these are obtained from the fluid introduced. Energy may be drastically reduced or efficiency may be reduced.
ここで、容積比が一定であることの影響について説明する。作動室eの挙動を前記軸iの固定スクロールaの中心Ｌ２まわりの回転角度９０degごとに示した図９において、密閉された瞬間の作動室e１の容積をＶａ、前記低圧部gに通じる直前の作動室e５の容積をＶｅとすると、Ｖａ,Ｖｅは旋回スクロールbのラップdおよび固定スクロールaのラップcの巻き数や高さに依存し、容積比（Ｖａ／Ｖｅ）は一定であることがわかる。密閉された瞬間の作動室e１の圧力をＰａ、低圧部ｇと連通する直前の作動室e５の圧力をＰｅとし、流体の断熱指数をκとすると、圧力Ｐａと圧力Ｐｅの間には次式の関係が成り立つ。 Here, the influence of the constant volume ratio will be described. In FIG. 9 showing the behavior of the working chamber e for each rotation angle of 90 deg around the center L2 of the fixed scroll a of the axis i, the volume of the working chamber e1 at the moment of sealing is Va, immediately before being communicated to the low pressure part g. When the volume of the working chamber e5 is Ve, Va and Ve depend on the number of turns and the height of the wrap d of the orbiting scroll b and the wrap c of the fixed scroll a, and the volume ratio (Va / Ve) may be constant. Recognize. When the pressure of the working chamber e1 at the moment of sealing is Pa, the pressure of the working chamber e5 immediately before communicating with the low pressure part g is Pe, and the heat insulation index of the fluid is κ, the following equation is obtained between the pressure Pa and the pressure Pe. The relationship holds.
一方、密閉された瞬間の作動室e１の圧力Ｐａは、前記高圧部fの圧力、すなわち、膨張機の導入圧力Ｐｓに等しい。 On the other hand, the pressure Pa in the working chamber e1 at the moment of sealing is equal to the pressure of the high-pressure portion f, that is, the introduction pressure Ps of the expander.
したがって、低圧部gに通じる瞬間の作動室e５の圧力Ｐｅは、導入圧力Ｐｓと、容積比（Ｖａ／Ｖｅ）により決まる。このため、導入圧力Ｐｓと低圧部gへの排出圧力Ｐｄの比（Ｐｓ／Ｐｄ）である膨張比が小さく、Ｐｅ＜Ｐｄとなる条件でスクロール膨張機を運転する場合、作動室e内の流体は排出圧力Ｐｄよりも低い圧力Ｐｅまで膨張した後に、それよりも高い排出圧力Ｐｄの低圧部ｇに排出される。すなわち、過膨張が生じる。 Therefore, the pressure Pe in the working chamber e5 at the moment of communication with the low pressure part g is determined by the introduction pressure Ps and the volume ratio (Va / Ve). Therefore, when the scroll expander is operated under the condition that the ratio of expansion (Ps / Pd) between the introduction pressure Ps and the discharge pressure Pd to the low pressure part g is small and Pe <Pd, the fluid in the working chamber e Is expanded to a pressure Pe lower than the discharge pressure Pd, and then discharged to the low pressure portion g having a higher discharge pressure Pd. That is, overexpansion occurs.
次に、過膨張による損失を説明する。図１０に過膨張の場合の作動室eのＰＶ線図を示す。作動室eの圧力が排出圧力Ｐｄよりも低くなってからも、ＰdからＰeになるまで膨張する間の流体により図１０（ａ）に斜線部１３ａで示す面積分の動力が得られる。これに対し、圧力がＰｅまで低下した作動室eからそれよりも高い排出圧力Ｐｄを持った低圧部ｇへ流体が排出するには、不足している圧力分に見合うだけの図１０（ｂ）に斜線部１３ｂで示す面積分の動力が必要である。従って、その差（面積１３ｂ−面積１３ａ）に相当する図１０（ｃ）の斜線部１３ｃで示す面積分が過膨張損失となる。
Next, loss due to overexpansion will be described. FIG. 10 shows a PV diagram of the working chamber e in the case of overexpansion. Even after the pressure in the working chamber e becomes lower than the discharge pressure Pd, power for the area indicated by the hatched
続いて、導入容積が一定であることの影響について説明する。一般に、導入圧力Ｐｓが高い条件では流体の比容積が小さくなり、導入圧力Ｐｓが低い条件では流体の比容積が大きくなる。しかし、上記従来のスクロール膨張機の基本構成では、導入容積が旋回スクロールｂのラップｄおよび固定スクロールaのラップcの基礎円半径や高さに依存していて変化しないので、旋回スクロールｂの旋回数が同じである場合、同じ容積の作動室eに対して導入される流体の質量は導入圧力Ｐｓが高い条件では多くなり、導入圧力Ｐｓが低い条件では導入される流体の質量が少なくなる。このため、作動室eにて流体から得ることのできるエネルギーは、導入圧力Ｐｓが高い条件では多くても、導入圧力Ｐｓが低い条件では少なくなるという欠点がある。 Next, the influence of the fixed introduction volume will be described. In general, the specific volume of the fluid is small under conditions where the introduction pressure Ps is high, and the specific volume of the fluid is large under conditions where the introduction pressure Ps is low. However, in the basic configuration of the conventional scroll expander, the introduction volume depends on the base circle radius and the height of the wrap d of the orbiting scroll b and the wrap c of the fixed scroll a, and thus does not change. When the numbers are the same, the mass of the fluid introduced into the working chamber e having the same volume increases when the introduction pressure Ps is high, and decreases when the introduction pressure Ps is low. For this reason, the energy that can be obtained from the fluid in the working chamber e is disadvantageous in that it is low when the introduction pressure Ps is low, even if it is high under the high introduction pressure Ps.
また、排出圧力Ｐｄを一定とした場合、低い条件の導入圧力Ｐｓに対してはそれとの圧力差が小さくなり、従って膨張比（Ｐｓ／Ｐｄ）が小さくなるのに、一定の容積比（Ｖａ／Ｖｅ）での旋回スクロールｂの旋回角度に応じた膨張を伴うため、導入圧力Ｐｓが高い条件の場合に比して過膨張が生じやすく、従って、前述した過膨張損失が発生しやすくなり、効率も低下する。この結果、流体の質量の減少と過膨張損失の発生により、作動室eにおいて流体から得るエネルギーが極端に減少するという課題がある。 Further, when the discharge pressure Pd is constant, the pressure difference with respect to the introduction pressure Ps under a low condition is small, and thus the expansion ratio (Ps / Pd) is small, but the constant volume ratio (Va / Since the expansion according to the turning angle of the orbiting scroll b in Ve) is accompanied, the overexpansion is likely to occur as compared with the case where the introduction pressure Ps is high. Also decreases. As a result, there is a problem that the energy obtained from the fluid in the working chamber e is extremely reduced due to the decrease in the mass of the fluid and the occurrence of overexpansion loss.
本発明の目的は、上記従来の課題を解決するもので、導入圧力に対応した容積比および導入容積が得られ、導入する流体から得るエネルギーが極端に減少するのを防止でき、高効率なスクロール膨張機とその駆動方法を提供することにある。 An object of the present invention is to solve the above-mentioned conventional problems, and a volume ratio and an introduction volume corresponding to the introduction pressure can be obtained, and energy obtained from the introduced fluid can be prevented from being extremely reduced, and a highly efficient scroll is achieved. It is to provide an expander and a driving method thereof.
上記の課題を解決するために、本発明のスクロール膨張機の駆動方法は、固定スクロールおよび旋回スクロールのラップ間に形成された旋回スクロールの旋回により移動しながら容積が変化する作動室の最小位置側で高圧部から流体を導入することにより、旋回スクロールに作動室が大きくなる側への旋回力を与えて流体の膨張を伴い旋回させ、作動室の最大位置側で流体を低圧部に排出させることを繰り返すスクロール膨張機の駆動方法であって、前記作動室の最大、最小位置側の間の所定位置にて、前記高圧部の圧力が設定圧力以下であるとき、その作動室に流体を導入することを主たる特徴とするものである。 In order to solve the above-described problem, the scroll expander driving method of the present invention is the minimum position side of the working chamber in which the volume changes while moving by the turning of the orbiting scroll formed between the wraps of the fixed scroll and the orbiting scroll. By introducing the fluid from the high pressure part, the turning scroll is given a turning force toward the side where the working chamber becomes larger and swung with the expansion of the fluid, and the fluid is discharged to the low pressure part on the maximum position side of the working chamber. In which the fluid is introduced into the working chamber at a predetermined position between the maximum and minimum positions of the working chamber when the pressure of the high pressure portion is equal to or lower than a set pressure. This is the main feature.
このような構成では、固定、旋回スクロール間の作動室に高圧部から流体を導入して旋回スクロールに作動室が大きくなる側への旋回力を働かせて旋回させ、旋回動力を得るが、高圧部の圧力が何らかの理由で低下することがあっても、高圧部の圧力が設定圧力以下になれば、所定位置にて作動室に高圧部から流体を導入することにより、作動室が閉じる瞬間に導入されている流体の導入圧力や質量、導入容積が、高圧部の圧力の設定圧以下への低下に伴って減少しているのを補い、また、低い導入圧力が原因して膨張比が小さくなるのを回避するので、流体の質量の減少と過膨張損失の発生により、作動室において流体から得るエネルギーが極端に減少したり、効率が低下するのを防止することができる。 In such a configuration, fluid is introduced from the high-pressure section into the working chamber between the fixed and orbiting scroll, and the orbiting scroll is swung by using the turning force toward the side where the working chamber becomes larger to obtain the orbiting power. If the pressure in the high-pressure part drops below the set pressure, the fluid is introduced into the working chamber from the high-pressure part at a predetermined position, so that the working chamber is closed at the moment when the pressure in the working chamber closes. Compensates for the decrease in the introduction pressure, mass, and introduction volume of the fluid being reduced as the pressure in the high pressure section falls below the set pressure, and the expansion ratio is reduced due to the low introduction pressure. Therefore, it is possible to prevent the energy obtained from the fluid in the working chamber from being extremely reduced or the efficiency from being lowered due to the decrease in the mass of the fluid and the occurrence of the overexpansion loss.
作動室は最小位置から最大位置側への旋回分だけ流体が膨張して導入圧力よりも低圧になっているので、高圧部がどのように低下していてもそれとの間で流体を導入するための差圧が得られ、作動室に高圧部を通じさせるだけで、従って、特別な高圧流体供給源なしに上記の方法が実現する。 In the working chamber, the fluid expands by the amount of swirl from the minimum position to the maximum position, and is lower than the introduction pressure. Therefore, in order to introduce the fluid between them, no matter how the high pressure section drops Is obtained, and the above method is realized without a special high-pressure fluid supply source.
前記差圧による流体の導入は複数の所定位置で行うことを特徴とする、さらなる構成では、所定位置が異なると、それに対応する作動室の移動位置が異なり、そこでの導入圧力に対する流体の膨張による異なった複数の圧力低下時点を利用して、差圧による流体の導入をよりきめ細かく図れる。 In the further structure, the introduction of the fluid by the differential pressure is performed at a plurality of predetermined positions. If the predetermined position is different, the movement position of the working chamber corresponding to the predetermined position is different, and the fluid is expanded by the introduction pressure there. By using a plurality of different pressure drop points, the introduction of fluid by differential pressure can be made more finely.
異なった所定位置での差圧による流体の導入は、異なった設定圧力の基に行う、さらなる構成では、前記異なった複数の圧力低下時点を利用するのに好適である。 The introduction of the fluid by the differential pressure at different predetermined positions is performed on the basis of different set pressures. In a further configuration, it is preferable to use the different pressure drop times.
所定位置が作動室の最小位置側であるほど設定圧力を大きくする、さらなる構成では、どの位置においても流体の導入に必要な差圧が得られやすい利便性がある。 In a further configuration in which the set pressure is increased as the predetermined position is closer to the minimum position of the working chamber, there is a convenience that a differential pressure necessary for introducing the fluid can be easily obtained at any position.
本発明のスクロール膨張機は、固定スクロールおよび旋回スクロールのラップを噛み合わせて、相互間の旋回スクロールの円軌道に沿った旋回により移動しながら容積を変える作動室を形成し、最小位置側の作動室に高圧部の流体を導入して、作動室が大きくなる側へ旋回スクロールが流体の膨張に伴い旋回されるようにし、最大位置側の作動室から流体を低圧部に排出させるようにしたスクロール膨張機であって、最小、最大位置の間の作動室に所定位置から高圧部を通じさせるバイパスポートと、このバイパスポートに前記高圧部の圧力が所定圧力以下になると開いて前記高圧部から前記作動室に流体が流れるバルブ機構を設けたことを主たる特徴とするものである。 The scroll expander of the present invention forms a working chamber that meshes with the laps of the fixed scroll and the orbiting scroll and changes the volume while moving by the orbit along the circular orbit of the orbiting scroll between them. Scroll that introduces fluid in the high-pressure part into the chamber so that the orbiting scroll is swung as the fluid expands as the working chamber expands, and discharges the fluid from the working chamber on the maximum position side to the low-pressure part a expander the operation, minimum, and a bypass port to let through the high-pressure portion from a predetermined position in the working chamber between the maximum position, the pressure of the high-pressure portion in the bypass port from the high pressure portion have open becomes below a predetermined pressure The main feature is that a valve mechanism through which fluid flows is provided in the chamber .
このような構成では、前記の差圧による方法を既存の、それも必須の高圧部における流体を、バイパスポートとバルブ機構とにより適時に利用して自動的に安定して達成することができ、作動室に高圧部を通じさせるバイパスポートとこれを高圧部が所定圧力以下となったときに開くバルブ機構を新たに設けるだけでよいので、スクロール膨張機の構造が特に複雑になったり、大型化したり、重量化したりせず、安価に提供できる。 In such a configuration, the above-described method based on the differential pressure can be achieved automatically and stably by using the fluid in the existing high pressure section, which is essential, by the bypass port and the valve mechanism in a timely manner, Since it is only necessary to newly provide a bypass port that allows the high-pressure part to pass through the working chamber and a valve mechanism that opens when the high-pressure part falls below a predetermined pressure, the structure of the scroll expander becomes particularly complex or large. It can be provided at a low cost without increasing the weight.
作動室が複数対称に形成され、バイパスポートが対称な作動室どうしに同時に通じるように複数設けられている、さらなる構成では、通常駆動時に加え、高圧部の圧力低下に基づくバイパスポートを通じた流体の導入を伴う駆動時にも、対称な作動室どうしの圧力バランス、旋回スクロールの旋回バランスを確保することができる。 In a further configuration, a plurality of working chambers are formed symmetrically, and a plurality of bypass ports are provided so that the symmetric working chambers communicate with each other at the same time. Even during driving with introduction, it is possible to ensure the pressure balance between the symmetric working chambers and the turning balance of the orbiting scroll.
前記バイパスポートが４個以上設けられた、さらなる構成では、閉じた作動室の前記異なった所定位置での流体の導入を実現するのに好適であるし、所定位置の数の設定によっては、前記圧力バランス、旋回バランスをも併せ得られる。 In a further configuration in which four or more bypass ports are provided, it is suitable for realizing introduction of fluid at the different predetermined positions of the closed working chamber, and depending on the setting of the number of predetermined positions, Pressure balance and swivel balance can also be obtained.
前記作動室が中央部から周辺部へ移動しながら容積が大きくなるようにされ、前記バイパスポートの前記中央部に近いものほど、前記設定圧力を大きくした、さらなる構成では、設定圧力が大きくなるほど、流体の膨張度合いがより小さい、従って、圧力低下がより小さい所定位置での作動室に流体を導入するので、高圧部の異なった複数の圧力低下に対し必要な差圧が常に得られ、作動室にその圧力低下に見合った流体を導入することが容易になる。 The volume of the working chamber is increased while moving from the central portion to the peripheral portion, and the closer to the central portion of the bypass port, the larger the set pressure.In a further configuration, the higher the set pressure, Since the fluid is introduced into the working chamber at a predetermined position where the degree of expansion of the fluid is smaller and therefore the pressure drop is smaller, the necessary differential pressure is always obtained for a plurality of different pressure drops in the high pressure section, and the working chamber It becomes easy to introduce a fluid suitable for the pressure drop.
前記バイパスポートを前記固定スクロールの鏡板に設けた、さらなる構成では、鏡板の背部の高圧部から鏡板の板厚分の長さを有した短く真っ直ぐなバイパスポートによって、作動室への流体の導入が図れるので、加工が容易でさらに安価に実現する。 In a further configuration in which the bypass port is provided in the end plate of the fixed scroll, the fluid is introduced into the working chamber by a short straight bypass port having a length corresponding to the plate thickness of the end plate from the high pressure portion at the back of the end plate. Therefore, it is easy to process and can be realized at a lower cost.
前記バルブ機構をボールとコイルばねで構成した、さらなる構成では、構造が簡単で応答性がよく、圧力設定はコイルばねのばね定数などによって簡単かつ正確に行える利点がある。 The further configuration in which the valve mechanism is constituted by a ball and a coil spring has an advantage that the structure is simple and responsive and the pressure can be easily and accurately set by the spring constant of the coil spring.
本発明のそれ以上の目的および特徴は、以下の詳細な説明および図面の記載によって明らかになる。本発明の各特徴はそれ単独で、あるいは可能な限り種々な組み合わせで複合して採用することができる。 Further objects and features of the present invention will become apparent from the following detailed description and drawings. Each feature of the present invention can be used alone or in combination in various combinations as much as possible.
以下、本発明の実施の形態につき図１〜図７に基づいて詳細に説明する。しかし、以下の説明は本発明の具体例であって、特許請求の範囲を限定するものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. However, the following description is a specific example of the present invention and does not limit the scope of the claims.
本実施の形態のスクロール膨張機は、図１〜図３に示す例、図５、図６に示す例のように、従来の場合同様、固定スクロール５および旋回スクロール３のラップ５a、３aを噛み合わせて、相互間に旋回スクロール３の円軌道に沿った旋回により移動しながら容積を変える作動室６を形成している。また、最小位置側の作動室６に高圧部７の流体を導入して、作動室６が大きくなる側へ旋回スクロール３が流体の膨張を伴い旋回されるようにするとともに、最大位置側の作動室６から流体を低圧部１０に排出させる。これにより、固定、旋回スクロール５、３間の作動室６に高圧部７から流体を導入して旋回スクロール３に作動室６が大きくなる側への旋回力を働かせて旋回させることを繰り返し、旋回動力を得る。本実施の形態では作動室６は中央部から周辺部に移動しながら容積が大きくなるようにしてある。しかし、これに限られることはない。
The scroll expander according to the present embodiment bites the
前記旋回スクロール３の旋回動力は、１つの例として図１に示すように偏心軸受２aを介し旋回スクロール３と連結した軸２の軸線Ｌ１まわりの回転として出力し、圧縮機構やその他の駆動を行うが、静かで滑らかな回転駆動ができる。この軸２の旋回スクロール３との連結側の端部を軸受１aによって軸受する支持部材１と、これにラップ５a側で対向した固定スクロール５とをボルト２１によって締結し、これら支持部材１と固定スクロール５との間に旋回スクロール３を挟み込んで、旋回スクロール３のラップ３aが固定スクロール５のラップ５aと噛み合わせて保持し、双方のラップ５a、３a間に前記作動室６を図３、図５に示すように複数対形成している。しかし、作動室６の数は原理的には特に問うものではない。
As shown in FIG. 1, for example, the turning power of the orbiting scroll 3 is output as rotation about the axis L1 of the
旋回スクロール３の鏡板３ｂ背部とこれをバックアップする支持部材１との間に、旋回スクロール３の自転を拘束し円軌道に沿った旋回のみを許容するオルダムリング４などの自転拘束部材が挟み込まれている。固定スクロール５の鏡板５ｂ背部にはカバー８を設けて前記ボルト２１を共用するなどして固定スクロール５側に締結することにより、固定スクロール５における鏡板５ｂの背部に前記高圧部７を形成し、この高圧部７に高圧の流体を導入する導入パイプ９をカバー８に接続してある。固定スクロール５の鏡板５ｂには最小位置側の作動室６に高圧部７から高圧の流体を導入する導入口５ｃが形成されている。また、固定スクロール５には最大位置側の作動室６と通じて最終の膨張状態の流体を排出させる低圧部１０を形成してあり、固定スクロール５に低圧部１０には排出される流体を他へ導く排出パイプ１１が接続されている。しかし、高圧部７および低圧部１０はどのようにして形成されてもよい。さらに、軸２が支持部材１を貫通する部分にはメカニカルシール１２などのシール手段が設けられて、この部分から流体が漏出するのを防止している。
A rotation restraining member such as an
このような本実施の形態のスクロール膨張機は、固定スクロール５および旋回スクロール３のラップ５a、３a間に形成された旋回スクロール３の旋回により移動しながら容積が変化する作動室６の最小位置側で高圧部７から流体を導入することにより、旋回スクロール３に作動室６が大きくなる側への旋回力を与えて流体の膨張を伴い旋回させ、作動室６の最大位置側で流体を低圧部１０に排出させることを繰り返して駆動するのに、前記作動室６の最大、最小位置側の間の所定位置にて、前記高圧部７の圧力が設定圧力以下であるとき、その作動室６に流体を導入して補給する駆動方法を採用している。この補給のための流体の導入は原理的にはどのようにして行ってもよい。
The scroll expander according to the present embodiment has a minimum position side of the working
このように、固定、旋回スクロール５、３間の作動室６に高圧部の流体を導入して旋回スクロール３に作動室６が大きくなる側への旋回力を働かせて旋回させ、旋回動力を得ながら、高圧部７の圧力が何らかの理由で低下することがあっても、高圧部７の圧力が設定圧力以下になれば、所定位置にて作動室６に流体を導入することにより、作動室６が閉じる瞬間に導入されている流体の導入圧力や質量、導入容積が、高圧部７の圧力の設定圧以下への低下に伴って減少しているのを補えるし、低い導入圧力が原因して膨張比が小さくなるのを回避することができる。この結果、流体の質量の減少と過膨張損失の発生により、作動室６において旋回スクロール３が流体から得るエネルギーが極端に減少したり、効率が低下するのを防止することができる。
In this way, the fluid in the high-pressure part is introduced into the working
作動室６の最小位置から最大側への移動分だけ流体が膨張して導入圧力よりもさらに低圧になっていて、高圧部７の圧力がどのように低下していてもそれとの間で流体を導入するための差圧が得られる。従って、作動室６を高圧部７に通じさせるだけで、つまり、特別な高圧流体供給源なしに上記の方法を実現することができる。しかし、特別な高圧流体供給源を用いてもよいのは勿論である。
The fluid expands by the amount of movement from the minimum position of the working
前記差圧による流体の導入は複数の所定位置で行えば、所定位置が異なると、それに対応する作動室６の移動位置が異なり、そこでの導入圧力に対する流体の膨張による異なった複数の圧力低下時点を利用して、差圧による流体の導入をよりきめ細かく図れる。また、異なった所定位置での差圧による流体の導入を、異なった設定圧力の基に行うと、前記異なった複数の圧力低下時点を利用するのに好適である。さらに、所定位置が作動室６の最小位置側であるほど設定圧力を大きくするとどの位置においても流体の導入に必要な差圧が得られやすい利便性がある。
If the introduction of the fluid by the differential pressure is performed at a plurality of predetermined positions, if the predetermined positions are different, the corresponding movement positions of the working
本実施の形態のスクロール膨張機は、以上のような駆動方法を実現するのに、図１〜図３に示す例、および図５〜図７に示す例のように、最小、最大位置側の間の作動室６に高圧部７を所定位置にて通じさせるバイパスポート１４や１９と、このバイパスポート１４や１９に前記高圧部７の圧力が設定圧力以下になると開くバルブ機構１５や２０を設けてある。これにより、既存の、それもスクロール膨張機において必須の高圧部７における流体を、バイパスポート１４や１９とバルブ機構１５や２０とにより適時に利用して自動的に安定して、閉じた作動室６内に差圧により流体の導入を図る前記駆動方法を達成することができ、作動室６に高圧部を通じさせるバイパスポート１４や１９とこれを高圧部７が所定圧力以下となったときに開くバルブ機構１５や２０を新たに設けるだけでよいので、スクロール膨張機の構造が特に複雑になったり、大型化したり、重量化したりせず、安価に提供できる。
The scroll expander of the present embodiment realizes the drive method as described above, as shown in the examples shown in FIGS. 1 to 3 and the examples shown in FIGS.
前記バイパスポート１４や１９を前記固定スクロール５の鏡板５ｂに設けてあるので、鏡板５ｂの背部の高圧部７から鏡板５ｂの板厚分の長さを有した短く真っ直ぐなバイパスポート１４や１９によって、作動室６への流体の導入が図れるので、加工が容易でさらに安価に実現する。前記バルブ機構１５や２０をボール１５a、２０aとコイルばね１５ｂ、２０ｂで構成してあるので、構造が簡単で応答性がよく、圧力設定はコイルばね１５ｂ、２０ｂのばね定数などによって簡単かつ正確に行える利点がある。
Since the
また、作動室６が複数対称に形成され、バイパスポート１４や１９が対称な作動室６どうしに同時に通じるように複数設けられているので、通常駆動時に加え、高圧部７の圧力低下に基づくバイパスポート１４や１９を通じた流体の導入を伴う駆動時にも、対称な作動室６どうしの圧力バランス、旋回スクロール３の旋回バランスを確保することができる。
Further, since a plurality of working
図５〜図７に示す例では特に、バイパスポート１４や１９が２つずつ合計４個設けられており、４個以上を含んで、閉じた作動室６の前記異なった所定位置での流体の導入を実現するのに好適であるし、所定位置の数の設定によっては、前記圧力バランス、旋回バランスをも併せ得られる。
In particular, in the example shown in FIGS. 5 to 7, a total of four
前記作動室６が中央部から周辺部へ移動しながら容積が大きくなる本実施の形態において、前記バイパスポート１４や１９の前記中央部、つまり固定スクロールの軸線Ｌ２に近いものほど、前記設定圧力を大きくする。これにより設定圧力が大きくなるほど、流体の膨張度合いがより小さい、従って、圧力低下がより小さい所定位置での作動室６に流体を導入するようになるので、高圧部７の異なった複数の圧力低下に対し必要な差圧を常に得られて、作動室６にその圧力低下に見合った流体を導入することが容易になる。
In the present embodiment in which the volume increases while the working
ここで、図１〜図３に示す例について、さらに詳述する。図３に作動室６の挙動を軸２および旋回スクロール３の回転角ないし旋回角９０degごとに示してあるように、作動室６が旋回スクロール３の反時計回りの旋回を伴って中央部から周辺部に向け、６a〜６eを付して示す各作動室６へと移動しながら容積を増すようにしてある。これにより、固定スクロール５の軸線Ｌ２部に、作動室６に高圧部７から高圧の流体を導入する導入口５ｃを設けてある。高圧の流体は、導入パイプ９から高圧部７へ導かれた後、導入口５ｃを経て作動室６内へ取り込まれる。密閉された瞬間の一対の作動室６aは、そこに導入した流体が高圧であるために、旋回スクロール３のラップ３ａおよび固定スクロール５のラップ５ａに対し、作動室６ａの容積を拡大しようとする力を作用させる。その結果、可動側である旋回スクロール３およびそのラップ３ａが作動室６ａから作動室６ｂへと作動室６が容積を増加する方向、すなわち固定スクロール５の軸線Ｌ２のまわりを反時計回りに旋回運動し、偏心軸受２ａを介して軸２を同じ方向に回転駆動する。作動室６が外周側への移動で容積は増加し、流体の圧力は低下したが、依然として低圧部１０の圧力よりも高く、作動室６の容積をさらに拡大しようとする力を作用させ続けるので、作動室６は作動室６ｃ、作動室６ｄと容積を順次に増加させ、作動室６ｅと容積が最大に増加した直後に低圧部１０に通じる。膨張して低圧になった流体は作動室６から低圧部１０へ流れ出た後、排出パイプ１１から排出される。
Here, the example shown in FIGS. 1 to 3 will be described in more detail. FIG. 3 shows the behavior of the working
特に、図１、図２に示すようなバイパスポート１４を、固定スクロール５の鏡板５ｂに図３に示すように軸線Ｌ２を境にした対称位置に設け、それぞれに図２に示すようなバルブ機構１５を備えている。なお、バイパスポート１４は、固定スクロール５の鏡板５ｂに設けることにより、既述したように簡単な加工で作動室の一部と高圧部７を連通させることができ、鏡板５ｂのほぼ全域が高圧部２に対向しているので、バイパスポート１４を設ける位置の選択の自由度が高いし、各所に設けやすい。本例でのバイパスポート１４を設ける位置は、一方が固定スクロール５のラップ５ａの巻き始め位置から３６０ｄｅｇ以内の外壁近傍、他方が、そこから固定スクロール５のラップ５ａに沿って１８０ｄｅｇ巻き終り側へ移動した内壁近傍である。
In particular, a
バイパスポート１４とバルブ機構１５の構成について説明する。バルブ機構１５はボール１５ａと、コイルばね１５ｂと、流路１５ｄを有するばね台座１５ｃから構成されている。バイパスポート１４は固定スクロール５の鏡板５ｂの作動室６側の端面５ｄから加工され、高圧部７側の端面５ｅには貫通させない円筒部１４ａと、円筒部１４ａの底面と高圧部７側の端面５ｅの間を貫通する小孔１４ｂを備えている。円筒部１４ａの内部には、高圧部７側から順にボール１５ａとコイルばね１５ｂが配置されている。ボール１５ａは円筒部１４ａよりも僅かに小さい径であり、円筒部１４ａの内部で円筒部１４ａの軸方向に可動となっている。さらに、円筒部１４ａの作動室６側の入口からは、ばね台座１５ｃが挿入、固定されており、コイルばね１５ｂの一方の端面はばね台座１５ｃに、他方の端面はボール１５ａに接している。
The configuration of the
次に、バイパスポート１４のバルブ機構１５の動作について説明する。図２を参照してボール１５ａに働く力のバランスを考える。ばね台座１５ｃの流路１５ｄの径をφｄとし、作動室６の圧力をＰｖとすると、ボール１５ａの流路１５ｄに面した部分のみ作動室６の圧力Ｐｖが作用し、それ以外の部分には高圧部７の圧力、すなわち導入圧力Ｐｓが作用するので、ボール１５ａには次式で表される差圧による力Ｆが作用する。
Next, the operation of the
この力Ｆがコイルばね１５ｂの力よりも大きいと、図２（ａ）のようにボール１５ａはばね台座１５ｃの流路１５ｄを塞いだ状態となり、この力Ｆよりもコイルばね１５ｂの力が大きいと、図２（ｂ）のようにボール１５ａはばね台座１５ｃの流路１５ｄから離れる。言い換えれば、コイルばね１５ｂのばね力とボール１５ａに働く差圧力Ｆが釣合う導入の設定圧力Ｐ１を境として、それより導入圧力Ｐｓが高くなればボール１５ａは流路１５ｄを塞ぎ、低くなれば流路１５ｄから離れる。このように、バイパスポート１４はバルブ機構１５により、導入圧力Ｐｓが設定圧力Ｐ１よりも大きい場合には閉じ、小さい場合には開くという動作を行う。
When this force F is larger than the force of the
次に、このようなバイパスポート１４およびバルブ機構１５を有した本例のスクロール膨張機の動作を説明する。導入圧力Ｐｓが設定圧力Ｐ１よりも大きい場合、バイパスポート１４のバルブ機構１５は閉じており、高圧の流体は、導入パイプ９から高圧部７へ導かれた後、導入口５ｃのみを経て作動室６内へ取り込まれるため、図３に符号６ａで示す作動室６が密閉された瞬間の一対の作動室となり、その容積をＶａとすると、膨張機の導入容積はＶａである。それに対し、導入圧力Ｐｓが設定圧力Ｐ１よりも小さい場合、バイパスポート１４のバルブ機構１５が開き、高圧の流体は、導入パイプ９から高圧部７へ導かれた後、導入口５ｃおよびバイパスポート１４を経て作動室６内へ取り込まれるため、図３に符号６ｃで示す作動室６が密閉された瞬間の一対の作動室６aとなり、その容積をＶｃとすると、膨張機の導入容積はＶｃとなる。図３から明らかなように、Ｖｃ＞Ｖａであるので、導入圧力Ｐｓが設定圧力Ｐ１以下になると導入容積が増加していることがわかる。また、同時に容積比は（Ｖｅ／Ｖａ）から（Ｖｅ／Ｖｃ）へと減少していることがわかる。ここで、Ｖｅは低圧部１０と連通する直前の作動室６ｅの容積である。
Next, the operation of the scroll expander of this example having the
次に、図４に示す作動室６のＰＶ線図を参照して、本例のスクロール膨張機の効果について説明する。図４（ａ）の斜線部分１６の面積は導入圧力Ｐｓが設定圧力Ｐ１よりも高い場合に作動室６において流体から得るエネルギーを示している。また、図４（ｂ）の斜線部分１７ａの面積から斜線部分１７ｂの面積を引いた面積は、バイパスポート１４を設けていない従来のスクロール膨張機において、導入圧力Ｐｓ’が設定圧力Ｐ１よりも低い場合に流体から得るエネルギーを示している。ここで、斜線部分１７ｂで示す面積分が過膨張損失である。これらの図を比較すると、導入圧力がＰｓからＰｓ’まで低下することにより、流体から得るエネルギーは、導入容積が一定であることと、過膨張損失により、大幅に減少していることがわかる。それに対して、図４（ｃ）の斜線部分１８で示す面積は、バイパスポート１４を設けた本例の膨張機において、導入圧力Ｐｓ’が設定圧力Ｐ１よりも低い場合に流体から得るエネルギーを示している。バイパスポート１４とバルブ機構１５を設けることにより、導入容積はＶｃまで増加し、容積比が（Ｖｅ／Ｖｃ）まで低下したことにより、図４（ｃ）の斜線部１８で示す面積が図４（ｂ）の斜線部１７ａで示す面積よりも増加したうえに、斜線部１７ｂで示す面積分の過膨張損失もなくなっている。従って、従来のスクロール膨張機と比べて、流体から多くのエネルギーを得ることができるとともに、効率も向上することがわかる。
Next, the effect of the scroll expander of this example will be described with reference to the PV diagram of the working
また、図５、図６に示す例について詳述する。作動室６の挙動を、軸２および旋回スクロール３の固定スクロール５の軸線Ｌ２まわりの回転角度ないしは旋回角度９０ｄｅｇごとに示している図５から明らかなように、図１〜図３に示す先の例でのバルブ機構１５を備えた一対のバイパスポート１４に加えて、一対のバイパスポート１９を追加してある。バイパスポート１９は作動室６の一部に高圧部７を通じさせており、図６に示すバルブ機構２０を備えている。
The examples shown in FIGS. 5 and 6 will be described in detail. As is apparent from FIG. 5 showing the behavior of the working
バイパスポート１９を設ける位置は、一方が固定スクロール５のラップ５ａの巻き始め位置から３６０ｄｅｇ以内の外壁近傍であって、かつ、外壁近傍に設けたバイパスポート１４よりも巻き始め側、他方が、そこから固定スクロール５のラップ５ａに沿って１８０ｄｅｇ巻き終り側へ移動した内壁近傍である。
One of the positions where the bypass port 19 is provided is in the vicinity of the outer wall within 360 deg from the winding start position of the
バイパスポート１９とバルブ機構２０の構成は、先の例で説明したバイパスポート１４とバルブ機構１５の構成と同様である。バイパスポート１９は円筒部１９ａと小孔１９ｂから構成されており、バルブ機構２０はボール２０ａと、コイルばね２０ｂと、ばね台座２０ｃと、ばね台座２０ｃに設けた流路２０ｄから構成されている。ただし、バルブ機構２０のコイルばね２０ｂには、バルブ機構１５のコイルばね１５ｂよりもばね力が大きいものを用いている。
The configurations of the bypass port 19 and the valve mechanism 20 are the same as the configurations of the
バイパスポート１４のバルブ機構１５の動作は先の例で説明した通りである。また、バイパスポート１９のバルブ機構２０もこれと同様の動作を行う。コイルばね１５ｂとコイルばね２０ｂとのばね力の違いに対応したバルブ機構１５の開閉の設定圧力をＰ１、バルブ機構２０の開閉の設定圧力をＰ２とすると、バルブ機構２０のコイルばね２０ｂのばね力がバルブ機構１５のばね力よりも大きいため、Ｐ１＜Ｐ２の関係が成り立つ。他の構成は先の例と特に変わるところはないので、共通する部材は同一の符号を用いて示し、重複する図示および説明は省略する。
The operation of the
本例のスクロール膨張機の動作を説明する。導入圧力Ｐｓが設定圧力Ｐ２よりも高い場合、バイパスポート１４のバルブ機構１５およびバイパスポート１９のバルブ機構２０は閉じており、高圧の流体は、導入パイプ９から高圧部７へ導かれた後、導入口５ｃのみを経て作動室６内へ取り込まれるため、図５に符号６ａで示す作動室６が密閉された瞬間の一対の作動室となり、その容積をＶａとすると、膨張機の導入容積はＶａである。次に、導入圧力Ｐｓ’が設定圧力Ｐ２よりも低く、設定圧力Ｐ１よりも高い場合、バイパスポート１９のバルブ機構２０は開き、バイパスポート１４のバルブ機構１５は閉じたままである。このとき、高圧の流体は、導入パイプ９から高圧部７へ導かれた後、導入口５ｃおよびバイパスポート１９を経て作動室６内へ取り込まれるため、図５に符号６ｂで示す作動室６が密閉された瞬間の一対の作動室となり、その容積をＶｂとすると、膨張機の導入容積はＶｂとなる。それに対し、導入圧力Ｐｓ’’が設定圧力Ｐ１よりも低い場合、バイパスポート１４のバルブ機構１５も開き、高圧の流体は、導入パイプ９から高圧部７へ導かれた後、導入口５ｃ、バイパスポート１４およびバイパスポート１９を経て作動室６内へ取り込まれるため、図５に符号６ｃで示す作動室６が密閉された瞬間の一対の作動室となり、その容積をＶｃとすると、膨張機の導入容積はＶｃとなる。図３から明らかなように、Ｖｃ＞Ｖｂ＞Ｖａであるので、導入圧力Ｐｓが低くなるほど段階的に導入容積が増加していることがわかる。また、同時に容積比は（Ｖｅ／Ｖａ）から（Ｖｅ／Ｖｂ）、（Ｖｅ／Ｖｃ）へと減少していることがわかる。ここで、Ｖｅは低圧部１０と連通する直前の作動室６ｅの容積である。
The operation of the scroll expander of this example will be described. When the introduction pressure Ps is higher than the set pressure P2, the
次に、図７に示す作動室６のＰＶ線図を参照して、本例の形態のスクロール膨張機の効果について説明する。図７のＡＥＤＨの面積は、導入圧力Ｐｓが設定圧力Ｐ２よりも高い場合に作動室６において流体から得るエネルギーを示している。この場合、バイパスポート１４のバルブ機構１５とバイパスポート１９のバルブ機構２０は閉じた状態である。一方、導入圧力Ｐｓ’が設定圧力Ｐ２よりも低く、設定圧力Ｐ１よりも高い場合、バイパスポート１９のバルブ機構２０は開いており、導入容積がＶａからＶｂに増加するとともに、容積比も（Ｖｅ／Ｖａ）から（Ｖｅ／Ｖｂ）に低下しているため、流体から得るエネルギーは図７のＢＥＤＧの面積となる。また、導入圧力Ｐｓ’’が設定圧力Ｐ１よりも低い場合、バイパスポート１４のバルブ機構１５およびバイパスポート１９のバルブ機構２０は開いており、導入容積がＶａからＶｃに増加するとともに、容積比も（Ｖｅ／Ｖａ）から（Ｖｅ／Ｖｃ）に低下しているため、流体から得るエネルギーは図７のＣＥＤＦの面積となる。以上、図７からわかるように、バイパスポート１４のバルブ機構１５およびバイパスポート１９のバルブ機構２０を併用したことにより、導入圧力Ｐｓの変化に対応して、より細かく導入容積および容積比を変化させることが可能であり、実施の形態１よりもさらに多くのエネルギーを流体から得ることができるとともに、効率も向上することがわかる。
Next, the effect of the scroll expander of this embodiment will be described with reference to the PV diagram of the working
以上述べてきたように、本発明によれば、高圧部の圧力が何らかの理由で低下することがあっても、高圧部の圧力が設定圧力以下になれば、作動室に差圧により流体を導入するので、高圧部の圧力低下に対応して導入容積および導入，排出の容積比が可変となり、流体からより多くのエネルギーを得ることができるとともに、過圧縮損失を防止し効率を向上させることができる。 As described above, according to the present invention, even if the pressure in the high pressure portion may decrease for some reason, if the pressure in the high pressure portion becomes lower than the set pressure, the fluid is introduced into the working chamber by the differential pressure. Therefore, the introduction volume and the volume ratio of introduction and discharge can be changed corresponding to the pressure drop in the high-pressure section, so that more energy can be obtained from the fluid, and over-compression loss can be prevented and efficiency can be improved. it can.
また、前記バルブ機構をボールとコイルばねを用いて構成したことにより、簡単な構成でバルブ機構を構成することが可能となる。 Further, since the valve mechanism is configured using a ball and a coil spring, the valve mechanism can be configured with a simple configuration.
３ 旋回スクロール
３a 旋回スクロールのラップ
５ 固定スクロール
５a 固定スクロールのラップ
５b 鏡板
５c 導入口
６、６a〜６e 作動室
７ 高圧部
１４、１９ バイパスポート
１５、２０ バルブ機構
１５a、２０a ボール
１５b、２０b コイルばね
DESCRIPTION OF SYMBOLS 3
Claims (6)
最小、最大位置の間の作動室に所定位置から高圧部を通じさせるバイパスポートと、このバイパスポートに前記高圧部の圧力が設定圧力以下になると開いて前記高圧部から前記作動室に流体が流れるバルブ機構を設けたことを特徴とするスクロール膨張機。 Engage the wrap of the fixed scroll and the orbiting scroll to form a working chamber that changes volume while moving by turning along the circular orbit of the orbiting scroll, and introduce the fluid of the high pressure section into the working chamber on the minimum position side In the scroll expander, the orbiting scroll is swung with the expansion of the fluid toward the side where the working chamber becomes larger, and the fluid is discharged from the working chamber on the maximum position side to the low pressure portion.
Minimum, a bypass port for establishing communication with the high pressure section from a predetermined position in the working chamber between the maximum position, fluid flows pressure of the high-pressure portion in the bypass port is had opened becomes below the set pressure from the high pressure section to the working chamber valve A scroll expander comprising a mechanism.
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