JP5060352B2 - スクロール膨張機 - Google Patents

Description

本発明は、固定スクロールと旋回スクロールを噛み合わせて膨張室を形成し、その膨張室の容積変化により、吸入、膨張、吐出を行うスクロール膨張機に関する。

従来、この種のスクロール膨張機としては、例えば、図１４に示すような容積形流体機械がある（特許文献１）。
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を形成する膨張室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が設けられている構成である。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付け力から，旋回スクロール１０７のラップ面に存在する膨張室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、膨張機のスラスト力が過大とならないようにして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。
特開２００６−２２０１４３号公報

しかしながら、上記構成によれば、膨張比が低くなった場合に、旋回スクロールのラップ面に存在する膨張室の圧力から発生する引離し力が、旋回スクロールの反ラップ側の高圧及び背圧室の圧力から発生する押付け力より大きくなり、旋回スクロールが固定スクロールから離脱する。結果、両ラップ先端の隙間が拡大して、漏れ損失の増大や体積効率の低下という問題を有していた。
一方、この旋回スクロールの離脱を防ぐために、背圧室の圧力を高めて押付け力を大きくすると、膨張比が高くなった場合には、スラスト力が過大となって機械摩擦損失の増大を招いていた。
また、起動初期においては、背圧室へ高圧作動流体が十分に供給されない間は、旋回スクロールの反ラップ側の高圧圧力及び背圧室から発生する押付け力は小さく、旋回スクロールの離脱による体積効率の低下が予想される。特に、膨張機を冷凍サイクルに用いた場合には、そのような体積効率の低下によってサイクルが不安定となり、冷凍サイクルの成績係数を最大とする運転条件に制御することが困難であるという問題を有していた。
また、背圧調整機構を適切に動作させるためには、一定以上の潤滑油が必要となるが、その潤滑油は作動流体と共に冷凍サイクルへと吐出されるので、熱交換効率の低下を招いていた。

したがって本発明は、前記従来の課題を解決するもので、単純な構成で固定スクロールからの旋回スクロールの離脱による体積効率低下を防ぎ、高効率なスクロール膨張機を提供することを目的とする。

請求項１記載の本発明のスクロール膨張機は、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双方間に膨張室を形成し、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、前記膨張室の膨張容積比を１．０から１．３倍の範囲とし、前記旋回スクロール及び前記固定スクロールの、それぞれの外壁インボリュート曲線の巻き始め点を、前記外壁インボリュート曲線が基礎円から引き出される角度を基準として１８０°以内に定めて、前記旋回スクロール及び前記固定スクロールのラップを形成し、前記旋回スクロールの外壁インボリュート曲線の巻き始め点を定める前記外壁インボリュート曲線が基礎円から引き出される角度と、前記固定スクロールの外壁インボリュート曲線の巻き始め点を定める前記外壁インボリュート曲線が基礎円から引き出される角度とが、異なる角度となるように、前記旋回スクロール及び前記固定スクロールのラップを形成したことを特徴とする。
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、前記旋回スクロールの反ラップ側の軸受部を有する旋回ボス部の先端面と、これに対向した主軸受部材中央部の端面との間に、中心部と外周部とを仕切るシール部材を配置し、前記中心部に高圧の前記作動流体あるいは高圧に保たれた潤滑油を供給し、且つ、前記旋回ボス部の外径より内側に、前記旋回スクロールのラップを形成する構成にしたことを特徴とする。
請求項３記載の本発明は、請求項１又は請求項２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。

本発明のスクロール膨張機によれば、膨張比が低下して旋回スクロールの反ラップ側の押付け力がラップ側の引離し力に対して低下しても、吐出圧力よりも低くなる過膨張が発生して、旋回スクロールのラップ側の引離し力も同時に低下するので、固定スクロールからの旋回スクロールの離脱による体積効率低下を防ぎ、高効率化を図ることができる。
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１の実施の形態によるスクロール膨張機は、膨張室の膨張容積比を１．０から１．３倍の範囲とし、旋回スクロール及び固定スクロールの、それぞれの外壁インボリュート曲線の巻き始め点を、外壁インボリュート曲線が基礎円から引き出される角度を基準として１８０°以内に定めて、旋回スクロール及び固定スクロールのラップを形成し、旋回スクロールの外壁インボリュート曲線の巻き始め点を定める外壁インボリュート曲線が基礎円から引き出される角度と、固定スクロールの外壁インボリュート曲線の巻き始め点を定める外壁インボリュート曲線が基礎円から引き出される角度とが、異なる角度となるように、旋回スクロール及び固定スクロールのラップを形成したものである。本実施の形態によれば、膨張容積比を１．０以上としているので、膨張比が低下して反ラップ側の押付け力が低下しても、吐出圧力よりも低くなる過膨張が発生して、ラップ側の引離し力も同時に低下するので、固定スクロールからの旋回スクロールの離脱による体積効率低下を防ぎ、高効率なスクロール膨張機を提供することができる。且つ、膨張容積比を上記密度比の１．３倍以下としているので、過膨張に起因する不足膨張による損失を最小限に抑えて、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、吸入過程の膨張室の容積を小さくすることができるので、ラップ側の引離し力を小さくすることが可能となり、旋回スクロールの離脱をより効果的に防ぐことができる。また、吸入のタイミングがずれるので、ラップ側の引離し力の変動が小さくなり、旋回スクロールの離脱をより効果的に防ぐことができる。
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、旋回スクロールの反ラップ側の軸受部を有する旋回ボス部の先端面と、これに対向した主軸受部材中央部の端面との間に、中心部と外周部とを仕切るシール部材を配置し、中心部に高圧の作動流体あるいは高圧に保たれた潤滑油を供給し、且つ、旋回ボス部の外径より内側に、旋回スクロールのラップを形成する構成にしたものである。本実施の形態によれば、旋回スクロールの変形を小さくするとともに、膨張過程での漏れ損失を小さくすることができる。結果として、過膨張過程による圧力低下が保持され、ラップ側の引離し力を小さくすることができるので、旋回スクロールの離脱をより効果的に防ぐことができる。
本発明の第３の実施の形態は、第１又は第２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。本実施の形態によれば、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。また、超臨界状態の二酸化炭素を膨張させるが、飽和蒸気に達するまでの間は急激に圧力が低下するために、ラップ側の引離し力が小さくなり、旋回スクロールの離脱をより効果的に防ぐことができる。

以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施例によって本発明が限定されるものではない。
図１は、本実施例のスクロール膨張機の断面図、図２から図５は同スクロール膨張機の膨張機構部の動作状態を示す図、図６は同スクロール膨張機を備えた冷凍サイクル装置の回路構成図である。
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。
上記構成において、クランク軸４の上端にある偏心軸部４ｂにて旋回スクロール１３を偏心駆動することにより、旋回スクロール１３を円軌道運動させる。これにより、固定スクロール１２の固定ラップ１２Ｘと旋回スクロール１３の旋回ラップ１３Ｘとの間に形成している膨張室１５が中央から外周に移動するとともに、膨張室１５の容積が大きくなる。その容積変化を利用して、密閉容器１外に通じた吸入パイプ１６から固定スクロール１２の中央部の吸入口１７を経て吸入した作動流体（以下、冷媒）を膨張する。
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はクランク軸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を潤滑および冷却した後、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の反ラップ側の旋回ボス部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内に供給されるようになっている。
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。

ここで、図２に示すＡ室側吸入完了容積１５Ａ１は、旋回ラップ１３Ｘの外周側に形成される膨張室１５Ａの吸入完了時の容積である。Ａ室側吸入完了容積１５Ａ１は、膨張室１５Ａと吸入口１７との連通が固定ラップ１２Ｘと旋回ラップ１３Ｘとによって遮断された直後の容積である。
図３に示すＡ室側吐出開始容積１５Ａ２は、旋回ラップ１３Ｘの外周側に形成される膨張室１５Ａの吐出開始時の容積である。Ａ室側吸入完了容積１５Ａ２は、膨張室１５Ａと吐出パイプ１８に連通する空間とが固定ラップ１２Ｘと旋回ラップ１３Ｘとによって開放される直前の容積である。
膨張容積比は、旋回ラップ１３Ｘの外周側に形成される膨張室１５Ａにおいては、Ａ室側吸入完了容積１５Ａ１とＡ室側吐出開始容積１５Ａ２の比となる。

一方、図４に示すＢ室側吸入完了容積１５Ｂ１は、旋回ラップ１３Ｘの内周側に形成される膨張室１５Ｂの吸入完了時の容積である。Ｂ室側吸入完了容積１５Ｂ１は、膨張室１５Ｂと吸入口１７との連通が固定ラップ１２Ｘと旋回ラップ１３Ｘとによって遮断された直後の容積である。
図５に示すＢ室側吐出開始容積１５Ｂ２は、旋回ラップ１３Ｘの内周側に形成される膨張室１５Ｂの吐出開始時の容積である。Ｂ室側吸入完了容積１５Ｂ２は、膨張室１５Ｂと吐出パイプ１８に連通する空間とが固定ラップ１２Ｘと旋回ラップ１３Ｘとによって開放される直前の容積である。
膨張容積比は、旋回ラップ１３Ｘの内周側に形成される膨張室１５Ｂにおいては、Ｂ室側吸入完了容積１５Ｂ１とＢ室側吐出開始容積１５Ｂ２の比となる。
なお、膨張比は、膨張室１５の吸入完了時の圧力と吐出開始時の圧力の比であり、旋回ラップ１３Ｘの外周側に形成される膨張室１５Ａにおいては、Ａ室側吸入完了容積１５Ａ１の圧力とＡ室側吐出開始容積１５Ａ２の圧力の比、旋回ラップ１３Ｘの内周側に形成される膨張室１５Ｂにおいては、Ｂ室側吸入完了容積１５Ｂ１の圧力とＢ室側吐出開始容積１５Ｂ２の圧力の比である。

次に、本実施例のスクロール膨張機における旋回ラップ１３Ｘを形成する位置について説明する。
本実施例のスクロール膨張機は、旋回スクロール１３の反ラップ側の軸受部を有する旋回ボス部１３ａの先端面と、これに対向した主軸受部材１１中央部の端面との間に、中心部１３ｂと外周部１３ｃとを仕切るシール部材５を配置し、中心部１３ｂに高圧の冷媒ガスあるいは高圧に保たれた潤滑油６を供給している。また、旋回ボス部１３ａの外径１３Ｙより内側に、旋回スクロール１３のラップを形成する。
この構成によって、固定スクロール１２への旋回スクロール１３の押付け力を小さくすることができる。また、旋回ボス部１３ａが形成されている鏡板剛性の高い領域に旋回ラップ１３Ｘを配置することで、旋回スクロール１３の鏡板の変形を小さくすることができる。即ち、この構成によって、膨張過程での漏れ損失を小さくすることができる。そして、過膨張過程により圧力低下も大きくなるために、旋回スクロール１３のラップ面に存在する膨張室１５の圧力から発生する引離し力も小さくすることができる。
従って、固定スクロール１２からの旋回スクロール１３の離脱をより効果的に防いで、高効率なスクロール膨張機を提供することができる。

図６に示すように、圧縮機７と、圧縮機７により圧縮された冷媒を冷却する放熱器８と、スクロール膨張機５０と、スクロール膨張機５０により膨張させた冷媒を蒸発させる蒸発器９と、これらの間に冷媒を循環させる配管１０とを有する冷凍サイクル装置（図示せず）にあっては、放熱器８の出口からの冷媒を、スクロール膨張機５０の吸入パイプ１６を経て、膨張機構部２に吸入して膨張させ、吐出パイプ１８を経て、蒸発器９の入口へ送り出すことになる。

図７及び図８は、本実施例のスクロール膨張機における旋回スクロールに働く力の模式図であり、図７は通常運転時を示し、図８は低膨張比運転時を示している。以下、旋回スクロール１３の反ラップ側の高圧圧力ＰＸａ及び背圧室の圧力ＰＸｂから発生する力を、反ラップ側の押付け力ＰＸとし、旋回スクロール１３のラップ側に存在する膨張室１５の圧力ＰＹａ及び膨張機吐出側の圧力ＰＹｂから発生する力を、ラップ側の引離し力ＰＹとする。
図７に示すように、通常運転時では、反ラップ側の押付け力ＰＸ１がラップ側の引離し力ＰＹ１より大きく、固定スクロール１２からの旋回スクロール１３の離脱は発生しない。これに対して、図８に示すように、低膨張比運転時では、反ラップ側の押付け力ＰＸ２がＰＸ１と比べて低下する。
ここで、本実施例のスクロール膨張機５０では、膨張容積比を１．０以上としている。即ち、通常運転時の反ラップ側の押付け力ＰＸ１に対して低膨張比運転時の反ラップ側の押付け力ＰＸ２が低下しても、膨張容積比を１．０以上に確保することによって、吐出圧力よりも低くなる過膨張を発生させることで、低膨張比運転時のラップ側の引離し力ＰＹ２を、通常運転時のラップ側の引離し力ＰＹ１よりも小さくする。ラップ側の引離し力ＰＹ２を低下することで、反ラップ側の押付け力ＰＸ２がラップ側の引離し力ＰＹ２より小さくなることは回避される。従って、固定スクロール１２からの旋回スクロール１３の離脱による体積効率低下を防ぎ、高効率なスクロール膨張機を提供することができる。

図９は、本実施例のスクロール膨張機における容積変化率に対する膨張室圧力（押付け力小の場合）の変化を示す図である。
即ち、本実施例のスクロール膨張機における、二酸化炭素を冷媒として用いた場合の、膨張室１５のＡ室側吸入完了容積１５Ａ１又はＢ室側吸入完了容積１５Ｂ１を１としたときの、膨張室１５の容積変化率に対する、膨張室１５の圧力を示した理論解析図である。なお、この図に示されている条件は、膨張比が比較的小さく反ラップ側の押付け力が小さい条件である。
この図を見て分かるように、閉じ込み完了時から容積が変化すると、膨張室１５の圧力が急激に低下し、そして、吐出圧力以下なる過膨張が発生することが分かる。この膨張室１５の圧力低下によって、旋回スクロール１３の固定スクロールからの離脱による体積効率低下を防ぐことができる。

一方、本実施例のスクロール膨張機５０では、放熱器８の出口での冷媒密度と、蒸発器９の入口での冷媒密度とを比べて、膨張容積比を１．３倍以下としている。この構成により、過膨張による損失を最小限に抑えて、より高効率なスクロール膨張機を提供することを図っている。
以下、上記の膨張容積比を１．３倍以下とする理由について説明する。
図１０は、本実施例のスクロール膨張機における容積変化率に対する膨張室圧力（押付け力大の場合）の変化を示す図である。
即ち、二酸化炭素を冷媒として用いた本実施例のスクロール膨張機において、放熱器８の出口での冷媒密度と、蒸発器９の入口での冷媒密度との比が大きい条件下で、膨張室１５のＡ室側吸入完了容積１５Ａ１又はＢ室側吸入完了容積１５Ｂ１を１としたときの、膨張室１５の容積変化率に対する膨張室１５の圧力を示した理論解析図である。なお、この図に示されている条件は、膨張比が比較的大きく、反ラップ側の押付け力が大きい。
この図を見て分かるように、放熱器８の出口での冷媒密度と、蒸発器９の入口での冷媒密度とを比べて、膨張容積比を１．３倍以下としても、不足膨張による損失は小さいので、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。
すなわち、本実施例のスクロール膨張機では、膨張容積比を１．０以上とすることで、反ラップ側の押付け力がラップ側の引離し力に対して低下する低膨張比運転時に過膨張を発生させ、ラップ側の引離し力が反ラップ側の押付け力より大きくなることを回避して、旋回スクロールの離脱による体積効率低下を防ぐことができる。また、膨張容積比を膨張過程前後の作動流体密度比の１．３倍以下とすることで、低膨張比運転時に過膨張を発生させることによる低膨張比以外の運転時の不足膨張による損失を最小限に抑える。
上記理由により、広い運転範囲にわたって、高効率なスクロール膨張機を提供することができる。

次に、本実施例のスクロール膨張機におけるスクロールのラップ巻き始め点について説明する。
図１１は、本実施例のスクロール膨張機における旋回スクロールのラップ巻き始め点を示す図である。
本実施例のスクロール膨張機では、旋回ラップ１３Ｘの外壁インボリュート曲線の巻き始め点Ｐを、外壁インボリュート曲線が基礎円から引き出される角度Ａを基準として定める。即ち、上記巻き始め点Ｐを、図中に示される角度Ａを１８０°以内に定めて、旋回スクロールのラップを形成している。
同様に、固定スクロール１２の巻き始め点についても、外壁インボリュート曲線が基礎円から引き出される角度Ａ’を１８０°以内に定めている。

ここで、図１２及び図１３を参照して、スクロールの巻き始め点を、上記角度を基準として１８０°以内に定める理由について説明する。
図１２は、本実施例のスクロール膨張機における角度Ａと、吐出圧力（Ｐｄ）を変化させた場合のスラスト力との関係を示すグラフである。
本実施例のスクロール膨張機における角度Ａを変化させ、更に吐出圧力を変化させて膨張比を低下させていった場合のスラスト力のグラフを示す。なお、スラスト力とは、反ラップ側の押付け力から膨張室１５の圧力から発生する引離し力を引いた値である。
具体的には、二酸化炭素を冷媒として用いた場合の、角度Ａを１６０°，２１０°，２６０°と変化させて、吸入圧力を１０ＭＰａ、吸入温度を２０℃、膨張容積比を１．３に固定して、吐出圧力を４ＭＰａから暫時上昇させていった。横軸に回転角度、縦軸にスラスト力をとり、スラスト力が負になった場合には、固定スクロール１２からの旋回スクロール１３の離脱により体積効率が低下することを図示している。
これらの図を見て分かるように、角度Ａが１６０°の場合には、吸入圧力を変化させてもスラスト力が負になることがなく、固定スクロール１２からの旋回スクロール１３の離脱による体積効率低下を防ぎ、高効率なスクロール膨張機を提供する。
一方、角度Ａが２１０°，２６０°の場合には、スラスト力が負になる領域が存在するので、旋回スクロール１３が固定スクロール１２から離脱して体積効率が低下する。

図１３は、本実施例のスクロール膨張機における角度Ａに対するスラスト力の変化を示す図である。
即ち、二酸化炭素を冷媒として用い、吸入圧力を１０ＭＰａ、吸入温度を２０℃、膨張容積比を１．３に固定し，吐出圧力（Ｐｄ）を４MPaから暫時上昇させた場合に、図１１中の角度Ａを変化させた場合の最小スラスト力を示す。この図を見て分かるように、角度Ａが１８０°以上になった場合には、吐出圧力にかかわらず最小スラスト力が負になるので、固定スクロール１２からの旋回スクロール１３の離脱により体積効率が低下することを示している。
つまり、旋回スクロール１３及び固定スクロール１２の、それぞれの外壁インボリュート曲線の巻き始め点を、外壁インボリュート曲線が基礎円から引き出される角度を基準として１８０°以内に定めて、旋回スクロール１３及び固定スクロール１２のラップを形成する構成とする。この構成によって、旋回スクロール１３のラップ側の高圧流体が流入する吸入過程の膨張室の容積を小さくし、旋回スクロール１３のラップ面に存在する膨張室１５の圧力から発生する引離し力を小さくすることができる。
従って、固定スクロール１２からの旋回スクロール１３の離脱をより効果的に防いで、高効率なスクロール膨張機を提供することができる。

次に、本実施例のスクロール膨張機における旋回スクロール及び固定スクロールの外壁インボリュート曲線が基礎円から引き出される角度について説明する。
旋回スクロール１３の外壁インボリュート曲線の巻き始め点を定める角度Ａと、固定スクロール１２の外壁インボリュート曲線の巻き始め点を定める角度Ａ’とが、異なる角度となるように、旋回スクロール１３及び固定スクロール１２のラップを形成する。
この構成によって、１回転あたり２つの吸入過程の膨張室が形成されるが、吸入のタイミングがずれる。この吸入のタイミングずれによって、旋回スクロール１３のラップ面上の膨張室の圧力から発生する引離し力の変動を小さくすることができる。
従って、固定スクロール１２からの旋回スクロール１３の離脱をより効果的に防いで、高効率なスクロール膨張機を提供することができる。

なお、本実施例のスクロール膨張機では、二酸化炭素冷媒を作動流体としている。
即ち、作動流体としての冷媒を、二酸化炭素とした場合には、二酸化炭素は、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。
また、二酸化炭素は臨界温度が他の冷媒と比べて低いので、冷凍サイクル装置の高圧側は超臨界状態となることが多い。しかし、この超臨界状態の冷媒を膨張させると、飽和蒸気に達するまでの間は急激に圧力が低下するために、旋回スクロール１３のラップ面の存在する膨張室の圧力から発生する引離し力がより小さくなる。
従って、作動流体としての冷媒を、二酸化炭素とする構成により、固定スクロール１２からの旋回スクロール１３の離脱をより効果的に防いで、高効率なスクロール膨張機を提供することができる。

以上のように、本発明にかかるスクロール膨張機は、膨張室の膨張容積比を１．０以上とし、且つ、放熱器の出口での冷媒密度と、蒸発器の入口での冷媒密度とを比べて、膨張容積比を１．３倍以下としたものである。この構成によって、過膨張を発生させて効率向上を図り、且つ、過膨張に起因する不足膨張による損失を最小限に抑えて、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、圧縮機も含むスクロール流体機械にも適用できる。

本実施例のスクロール膨張機の断面図 同スクロール膨張機の膨張機構部の動作状態を示す図 同スクロール膨張機の膨張機構部の動作状態を示す図 同スクロール膨張機の膨張機構部の動作状態を示す図 同スクロール膨張機の膨張機構部の動作状態を示す図 同スクロール膨張機を備えた冷凍サイクル装置の回路構成図 本実施例のスクロール膨張機における通常運転時の旋回スクロールに働く力の模式図 本実施例のスクロール膨張機における低膨張比運転時の旋回スクロールに働く力の模式図を示す図 本実施例のスクロール膨張機における容積変化率に対する膨張室圧力（押付け力小の場合）の変化を示す図 本実施例のスクロール膨張機における容積変化率に対する膨張室圧力（押付け力大の場合）の変化を示す図 本実施例のスクロール膨張機における旋回スクロールのラップ巻き始め点を示す図 本実施例のスクロール膨張機における角度Ａと、吐出圧力を変化させた場合のスラスト力との関係を示すグラフ 本実施例のスクロール膨張機における角度Ａに対するスラスト力の変化を示す図 従来の容積形流体機械の断面図

１ 密閉容器
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
１３ 旋回スクロール
１３ａ 旋回ボス部
１３ｂ 中心部
１３ｃ 外周部
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 (3)

1. 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双方間に膨張室を形成し、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、
   前記膨張室の膨張容積比を１．０から１．３倍の範囲とし、
   前記旋回スクロール及び前記固定スクロールの、それぞれの外壁インボリュート曲線の巻き始め点を、前記外壁インボリュート曲線が基礎円から引き出される角度を基準として１８０°以内に定めて、
   前記旋回スクロール及び前記固定スクロールのラップを形成し、
   前記旋回スクロールの外壁インボリュート曲線の巻き始め点を定める前記外壁インボリュート曲線が基礎円から引き出される角度と、
   前記固定スクロールの外壁インボリュート曲線の巻き始め点を定める前記外壁インボリュート曲線が基礎円から引き出される角度とが、異なる角度となるように、
   前記旋回スクロール及び前記固定スクロールのラップを形成したことを特徴とするスクロール膨張機。
2. 前記旋回スクロールの反ラップ側の軸受部を有する旋回ボス部の先端面と、これに対向した主軸受部材中央部の端面との間に、中心部と外周部とを仕切るシール部材を配置し、前記中心部に高圧の前記作動流体あるいは高圧に保たれた潤滑油を供給し、且つ、前記旋回ボス部の外径より内側に、前記旋回スクロールのラップを形成する構成に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。
3. 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又は請求項２に記載のスクロール膨張機。