JP2009002221A - スクロール膨張機 - Google Patents

Abstract

【課題】膨張機の密閉容器内の温度は圧縮機の密閉容器内の温度と比較して低いので、潤滑油の粘度を圧縮機の信頼性確保の観点から選択した場合には、膨張機の密閉容器内での粘度が高くなり、粘性損失増大による動力回収効率の低下を引き起こすという問題を有していた。
【解決手段】旋回スクロール１３の反ラップ側と、これに対向した主軸受部材との間に中心部と外周部とを仕切るシール部材５を配置すると共に、中心部に高圧ガス或いは高圧に保たれた潤滑油６を供給し、且つ、外周部は低圧或いは吐出圧力に保たれたスクロール膨張機構部であって、吐出された作動流体と連通する連絡通路によって外周部を低圧或いは吐出圧力に維持すると共に、連絡通路は少なくとも２つの通路が鋭角に交差して構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、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、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円軌道に沿って旋回させたとき膨張室が容積を変えながら移動することで、吸入、吐出を行うスクロール膨張機に関するものである。

従来、膨張機構部と電動機部と圧縮機構部を１本の回転軸で連結した流体機械が知られている（例えば、特許文献１参照）。

図４は、特許文献１に記載された従来の流体機械を示す断面図である。図４において、膨張機構部では、導入された流体の膨張によって動力が発生する。膨張機構部で発生した動力は、電動機部で発生した動力と共に、回転軸によって圧縮機構部へと伝達される。そして、圧縮機構部は、膨張機構部及び電動機部から伝達された動力によって駆動され、流体を吸入して圧縮する。

また、上記回転軸には、膨張機構部や圧縮機構部などを潤滑する潤滑経路が設けられている。この給油経路は、回転軸の軸方向に形成されており、密閉容器の底部に溜まった潤滑油を遠心ポンプ作用によって吸引する。そして、潤滑経路は、潤滑油を圧縮機構部や膨張機構部などに供給するようにしている。

更に、圧縮機構部内の流体の熱が膨張機構部内への流体へと移動してしまうことを抑制すべく、密閉容器内に仕切り部を設けている。この仕切り部には膨張機構部内と圧縮機構部内を連通する流体戻し通路が設けられている。この流体戻し通路によって、膨張機構部に供給される潤滑油や、膨張機構部で膨張する液冷媒などの流体が、膨張機構部側の空間に溜まってしまうことを回避している。
特開２００６−１３２３２９号公報

しかしながら、圧縮機構部によって加熱された潤滑油は膨張機構部を潤滑することによって一旦冷却され、その後流体戻し通路によって圧縮機構部へと戻されて再び加熱される。そのため、圧縮機構部内の熱が膨張機構部内へと移動することによって、冷凍サイクルの能力低下を引き起こすという問題を有していた。

上記問題を解決するために、圧縮機構部と電動機部を密閉容器内に収納した圧縮機と、膨張機構部と電動機部を密閉容器内に収納した膨張機の、２つの密閉容器を有する冷凍サイクル装置が考えられている。膨張機で発生した動力は電動機部によって電力に変換され、圧縮機へと伝達される。この冷凍サイクル装置では、圧縮機及び膨張機にはそれぞれ独立した潤滑油溜まり及び潤滑経路を有し、お互いに潤滑油の過不足が生じたときにのみに潤滑油を補完できる連絡管で結ばれている。この構成によれば、安定運転時においては圧縮機及び膨張機の潤滑油の移動がないので、圧縮機内の熱が膨張機内へと移動することによる冷凍サイクルの能力低下を引き起こすことはない。

しかしながら、膨張機の密閉容器内の温度は圧縮機の密閉容器内の温度と比較して低いので、潤滑油の粘度を圧縮機の信頼性確保の観点から選択した場合には、膨張機の密閉容器内での粘度が高くなり、粘性損失増大による動力回収効率の低下を引き起こすという問
題を有していた。また、作動流体としての冷媒を、二酸化炭素とした場合、膨張機の密閉容器内は高圧・低温となり、冷媒の密度が潤滑油の密度と逆転して潤滑油が密閉容器上部に溜まってしまい、潤滑油が摺動部へと供給できずに信頼性が確保できない場合があるといった問題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、冷凍サイクルの能力低下を防ぎながら、膨張機密閉容器内の温度の低下も防いで、高効率・高信頼性を確保したスクロール膨張機を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明のスクロール膨張機は、旋回スクロールの反ラップ側と、これに対向した主軸受部材との間に中心部と外周部とを仕切るシール部材を配置すると共に、中心部に高圧ガス或いは高圧に保たれた潤滑油を供給し、且つ、外周部は低圧或いは吐出圧力に保たれたスクロール膨張機構部であって、吐出された作動流体と連通する連絡通路によって外周部を低圧或いは吐出圧力に維持すると共に、連絡通路は少なくとも２つの通路が鋭角に交差して構成したものである。これによって、吐出された液冷媒が外周部に溜まることを防ぐことが出来るので、膨張機密閉容器内の温度の低下も防いで、高効率・高信頼性を確保したスクロール膨張機を提供することを目的とする。

本発明のスクロール膨張機は、特に二酸化炭素冷媒を用いた場合に、高効率・高信頼性を実現することができる。

第１の発明は、旋回スクロールの反ラップ側と、これに対向した主軸受部材との間に中心部と外周部とを仕切るシール部材を配置すると共に、中心部に高圧ガス或いは高圧に保たれた潤滑油を供給し、且つ、外周部は低圧或いは吐出圧力に保たれたスクロール膨張機構部であって、吐出された作動流体と連通する連絡通路によって外周部を低圧或いは吐出圧力に維持すると共に、連絡通路は少なくとも２つの通路が鋭角に交差して構成したものである。これによって、吐出された液冷媒が外周部に溜まることを防ぐことが出来るので、膨張機密閉容器内の温度の低下も防いで、高効率・高信頼性を確保したスクロール膨張機を提供することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明の、作動流体が密閉容器外へと吐出される吐出管と、密閉容器との間に断熱要素を設けたものである。これによって、吐出配管から伝わる熱によって密閉容器が冷却される効果を防ぐことが出来るので、より高効率・高信頼性を確保したスクロール膨張機を提供することができる。

第３の発明は、特に、第１または第２の発明の、作動流体が密閉容器内へと吸入される吸入管と、膨張機構部との間に、吸入室を設けたことものである。これによって、冷凍サイクルの能力を低下させることなく密閉容器内の作動流体を加熱することが出来るので、より高効率・高信頼性を確保したスクロール膨張機を提供することができる。

第４の発明は、特に、第３の発明の、潤滑油の潤滑経路に吸入室を配置したものである。これによって、冷凍サイクルの能力を低下させることなく、密閉容器内の作動流体及び潤滑油を同時に加熱することができるので、より高効率・高信頼性を確保したスクロール膨張機を提供することができる。

第５の発明は、特に、第１〜第４のいずれか１つの発明の、電動機部の発電効率が９５％以下としたものである。これによって、膨張機構部で回収された動力を電力へと変換す
る際に生じる損失によって、密閉容器内の作動流体を加熱することが出来るので、より高効率・高信頼性を確保したスクロール膨張機を提供することができる。

第６の発明は、特に、第１〜第５のいずれか１つの発明の、作動流体としての冷媒を、二酸化炭素としたものである。これによって、膨張機の密閉容器内は高圧・低温となり、運転条件によっては、冷媒の密度が潤滑油の密度と逆転して潤滑油が密閉容器上部に溜まってしまい、潤滑油が摺動部へと供給できず信頼性が確保できない場合があるが、冷凍サイクルの能力を低下させることなく、密閉容器内の作動流体を加熱することが出来るので、冷媒と潤滑油の密度の逆転を防いで、より高効率・高信頼性を確保したスクロール膨張機を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
本発明が用いられている冷凍サイクル機器は、圧縮機、膨張機、凝縮器、蒸発器から構成される冷凍サイクルであり、作動流体として冷媒が封入されている。圧縮機によって圧縮された冷媒は、凝縮器によって放熱した後、膨張機によって膨張させる。このとき、膨張過程によって発生した動力は電動機部によって電力に変換され、圧縮機へと供給される。膨張機によって膨張された冷媒は、蒸発器によって吸熱した後、再び圧縮機によって圧縮される。通常の冷凍サイクルでは膨張機の代わりに、膨張弁が設けられているが、本発明が用いられている冷凍サイクル機器は膨張機を用いることによって膨張動力を回収して、冷凍サイクル機器の高効率化が図られている。

図１に本発明の実施の形態１におけるスクロール膨張機の断面図を示す。密閉容器１内に溶接や焼き嵌めなどして固定したクランク軸４の主軸部４ａを軸支する主軸受部材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を構成し、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による自転規制機構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、これにより固定スクロール１２と旋回スクロール１３との間に形成している膨張室１５が中央部から外周側に移動しながら大きくなるのを利用して、密閉容器１外に通じた吸入管１６および固定スクロール１２の中央部の吸入口１７から冷媒ガスを吸入して膨張していき、所定圧以下になった冷媒ガスは固定スクロール１２の外周側の吐出管１８から密閉容器１外に吐出させることを繰り返す。

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の反ラップ側のボス部の先端面に、中心部と外周部とを仕切るシール部材５を配置している。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の圧力とシール部材５の外周部に形成されている背圧室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の中心部は高圧に保たれている。

また、密閉容器１内は連絡管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。密閉容器内１の潤滑油６が不足した場合には、圧縮
機の潤滑油６が多くなり、連絡管４０を通じて圧縮機から膨張機へと潤滑油６が供給される。一方、密閉容器内１の潤滑油６が多くなった場合には、連絡管４０を通じて膨張機から圧縮機へと潤滑油６が供給されるので、潤滑油６は過不足なく圧縮機と膨張機に供給されるようになっている。

また、背圧室２９は、低圧或いは吐出圧力に保たれており、吐出された冷媒と連通する連絡通路３０によって外周部を低圧或いは吐出圧力に維持すると共に、連絡通路３０は少なくとも２つの通路が鋭角に交差して構成したものである（図１断面中には図示せず）。

図２は、本実施の形態のスクロール膨張機における固定スクロール１２の斜視図である。図２を見ても分かるように、連絡通路３０は２つの通路が鋭角に交差して構成されていて、一端は吐出された冷媒と連通し、もう一端は背圧室２９に連通している。これによって、膨張後に吐出された液冷媒が外周部に溜まることを防ぎ、ガス化した冷媒のみを背圧室２９に供給することが出来る。ガス化した冷媒は液冷媒に比べて、密閉容器内１の冷媒やシール部材５の中心部に供給される潤滑油６への冷却効果は少ないので、密閉容器内１の温度の低下を効果的に防ぐことが出来る。また図１に示すように、吐出管１８と密閉容器１内の固定スクロール１２との間には、断熱要素４１が挿入されており、膨張後の冷媒によって密閉容器１内の冷媒が冷却されないようになっている。

上記のように密閉容器１内の冷媒や潤滑油６が冷却されることを抑制する対策によって、潤滑油６の粘度を圧縮機の信頼性確保の観点から選択した場合においても、膨張機の密閉容器１内での粘度上昇を低く抑えることができるので、粘性損失増大による動力回収効率の低下を防いで、高効率・高信頼性を確保したスクロール膨張機を提供することができる。

（実施の形態２）
図３に本発明の実施の形態２におけるスクロール膨張機の断面図を示す。図３に示すように、固定スクロール１２の反ラップ側の面に吸入室１５ａを形成し、密閉容器１外に通じた吸入管１６から吸入された冷媒ガスは吸入室１５ａへと流入後、固定スクロール１２の中央部の吸入口１７から冷媒ガスを吸入して膨張する。また、潤滑油６は、潤滑油溜り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、潤滑油経路２６ａを通って、吸入室１５ａ付近に一旦上昇した後に、潤滑油経路２６ｂを通って、密閉容器１下部へと再循環される。このとき、放熱器によって冷却された冷媒は、膨張機によって膨張過程を経た冷媒に比べて温度が高いので、吸入室１５ａ付近に上昇した潤滑油６を暖めることができる。これによって、潤滑油６の粘度を圧縮機の信頼性確保の観点から選択した場合においても、膨張機の密閉容器１内での粘度上昇をより低く抑えることができるので、粘性損失増大による動力回収効率の低下を防いで、より高効率・高信頼性を確保したスクロール膨張機を提供することができる。

また、電動機部３の発電効率が９５％以下とすることによって、膨張機構部２で回収された動力を電力へと変換する際に生じる損失によって、密閉容器１内の作動流体を加熱することが出来るので、より高効率・高信頼性を確保したスクロール膨張機を提供することができる。

なお、作動流体としての冷媒を、二酸化炭素とした場合には、膨張機の密閉容器１内は高圧・低温となり、冷媒の密度が潤滑油６の密度と逆転して潤滑油６が密閉容器上部に溜まってしまい、潤滑油６が摺動部へと供給できず信頼性が確保できない場合があるが、冷凍サイクルの能力を低下させることなく、密閉容器１内の作動流体の冷却を抑制し、又は加熱することが出来るので、より高効率・高信頼性を確保した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、旋回スクロールの反ラップ側と、これに対向した主軸受部材との間に中心部と外周部とを仕切るシール部材を配置すると共に、中心部に高圧ガス或いは高圧に保たれた潤滑油を供給し、且つ、外周部は低圧或いは吐出圧力に保たれたスクロール膨張機構部であって、吐出された作動流体と連通する連絡通路によって外周部を低圧或いは吐出圧力に維持すると共に、連絡通路は少なくとも２つの通路が鋭角に交差して構成したものである。これによって、吐出された液冷媒が外周部に溜まることを防ぐことが出来るので、膨張機密閉容器内の温度の低下も防いで、高効率・高信頼性を確保したスクロール膨張機を提供することができるので、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の用途にも適用できる。

本発明の実施の形態１におけるスクロール膨張機の断面図 本発明の実施の形態１における固定スクロールの斜視図 本発明の実施の形態２におけるスクロール膨張機の断面図 従来の流体機械を示す断面図

符号の説明

２ 膨張機構部
３ 電動機部
５ シール部材
６ 潤滑油
１２ 固定スクロール
１３ 旋回スクロール
１４ 自転規制機構
１５ 膨張室
１５ａ 吸入室
２９ 背圧室
３０ 連絡通路
４１ 断熱要素

Claims (6)

1. 密閉容器内に、膨張機構部と電動機部を、クランク軸を介して連結して収納すると共に、前記膨張機構部は、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前記クランク軸に連結する偏心軸部に係合しながら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、作動流体の吸入、吐出を行い、また、前記旋回スクロールの反ラップ側と、これに対向した主軸受部材との間に中心部と外周部とを仕切るシール部材を配置すると共に、前記中心部に高圧ガス或いは高圧に保たれた潤滑油を供給し、且つ、前記外周部は低圧或いは吐出圧力に保たれたスクロール膨張機構部であって、
   吐出された作動流体と連通する連絡通路によって前記外周部を低圧或いは吐出圧力に維持すると共に、前記連絡通路は少なくとも２つの通路が鋭角に交差して構成されていることを特徴とするスクロール膨張機。
2. 作動流体が密閉容器外へと吐出される吐出管と、前記密閉容器との間に断熱要素を設け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. 作動流体が密閉容器内へと吸入される吸入管と、膨張機構部との間に、吸入室を設けたことを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載のスクロール膨張機。
4. 潤滑油の潤滑経路に吸入室を配置したことを特徴とする請求項３に記載のスクロール膨張機。
5. 電動機部の発電効率が９５％以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のスクロール膨張機
6. 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１〜５のいずれか１項に記載のスクロール膨張機。

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