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WO2013161888A1 - スクロール膨張機 - Google Patents

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WO2013161888A1
WO2013161888A1 PCT/JP2013/062096 JP2013062096W WO2013161888A1 WO 2013161888 A1 WO2013161888 A1 WO 2013161888A1 JP 2013062096 W JP2013062096 W JP 2013062096W WO 2013161888 A1 WO2013161888 A1 WO 2013161888A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
scroll
pair
orbiting
orbiting scroll
pressure
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/JP2013/062096
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
高井　和彦
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sanden Corp
Original Assignee
Sanden Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sanden Corp filed Critical Sanden Corp
Publication of WO2013161888A1 publication Critical patent/WO2013161888A1/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01C—ROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
    • F01C1/00—Rotary-piston machines or engines
    • F01C1/02—Rotary-piston machines or engines of arcuate-engagement type, i.e. with circular translatory movement of co-operating members, each member having the same number of teeth or tooth-equivalents
    • F01C1/0207—Rotary-piston machines or engines of arcuate-engagement type, i.e. with circular translatory movement of co-operating members, each member having the same number of teeth or tooth-equivalents both members having co-operating elements in spiral form
    • F01C1/0215—Rotary-piston machines or engines of arcuate-engagement type, i.e. with circular translatory movement of co-operating members, each member having the same number of teeth or tooth-equivalents both members having co-operating elements in spiral form where only one member is moving
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01C—ROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
    • F01C1/00—Rotary-piston machines or engines
    • F01C1/02—Rotary-piston machines or engines of arcuate-engagement type, i.e. with circular translatory movement of co-operating members, each member having the same number of teeth or tooth-equivalents
    • F01C1/0207—Rotary-piston machines or engines of arcuate-engagement type, i.e. with circular translatory movement of co-operating members, each member having the same number of teeth or tooth-equivalents both members having co-operating elements in spiral form
    • F01C1/0246—Details concerning the involute wraps or their base, e.g. geometry
    • F01C1/0253—Details concerning the base
    • F01C1/0261—Details of the ports, e.g. location, number, geometry
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01C20/00—Control of, monitoring of, or safety arrangements for, machines or engines
    • F01C20/24—Control of, monitoring of, or safety arrangements for, machines or engines characterised by using valves for controlling pressure or flow rate, e.g. discharge valves
    • F01C20/26—Control of, monitoring of, or safety arrangements for, machines or engines characterised by using valves for controlling pressure or flow rate, e.g. discharge valves using bypass channels
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01C—ROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
    • F01C21/00—Component parts, details or accessories not provided for in groups F01C1/00 - F01C20/00
    • F01C21/003—Systems for the equilibration of forces acting on the elements of the machine
    • F01C21/006—Equalization of pressure pulses
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01C21/00—Component parts, details or accessories not provided for in groups F01C1/00 - F01C20/00
    • F01C21/18—Arrangements for admission or discharge of the working fluid, e.g. constructional features of the inlet or outlet
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C2250/00—Geometry
    • F04C2250/10—Geometry of the inlet or outlet
    • F04C2250/101—Geometry of the inlet or outlet of the inlet

Definitions

  • the present invention relates to a scroll expander that includes a fixed scroll and a turning scroll and generates power by expansion of a working fluid.
  • the volume expansion ratio is constant. For this reason, in actual use, an overexpanded state in which the pressure of the working fluid after expansion is lower than the pressure on the discharge side of the scroll expander (pressure in the low pressure portion) due to the external environment or the like occurs, and the power In some cases, the recovery efficiency is greatly reduced.
  • a bypass port capable of introducing the working fluid in the high-pressure section into the working chamber in the expansion process, and a valve mechanism provided in the bypass port And when the pressure in the high pressure portion is equal to or lower than a predetermined pressure, the working fluid in the high pressure portion is introduced into the working chamber in the expansion process.
  • the present invention has been made by paying attention to such a situation, and can reduce the risk of vibration and noise and improve the recovery efficiency of power from the working fluid by changing the volume expansion ratio.
  • An object is to provide a scroll expander.
  • a scroll expander includes a fixed scroll and a orbiting scroll having a spiral wrap formed at a base, and a working fluid on a high pressure side between the spiral wrap of the fixed scroll and the spiral wrap of the orbiting scroll.
  • a working chamber is formed as a sealed space in which the working fluid is expanded, and the working fluid expands in the working chamber.
  • a scroll expander that discharges to a low-pressure side, and is configured such that the orbiting position of the orbiting scroll that forms the working chamber can be changed.
  • the swivel position of the orbiting scroll that forms the working chamber as a sealed space that takes in the working fluid on the high-pressure side is configured to be changeable. Can be changed according to the pressure on the high pressure side, for example, and the occurrence of overexpansion can be effectively suppressed.
  • the working fluid in the high-pressure part is not introduced into the working chamber in the expansion process as in the conventional scroll expander, there is almost no risk of vibration and noise due to pressure fluctuations, compared to conventional scroll expanders.
  • the power recovered from the working fluid can be increased. Thereby, the collection
  • FIG. 2 is a sectional view taken along line XX in FIG. It is a figure which shows the fixed scroll seen from the turning scroll side.
  • FIG. 3 is a YY sectional view of FIG. 2. It is the A section enlarged view of FIG. It is the B section enlarged view of FIG. It is a figure for demonstrating the operating state of a pin member. It is a figure for demonstrating the operating state of a pin member. It is a figure for demonstrating the operating state of a pin member. It is a figure for demonstrating the operating state of a pin member. It is a figure for demonstrating the effect
  • FIG. 1 shows a schematic configuration of a scroll expander 1 according to a first embodiment of the present invention.
  • This scroll expander 1 takes in the working fluid on the high pressure side into the working chamber and generates power by expanding the taken working fluid.
  • the fixed scroll 2 and the orbiting scroll 3 are used. And including.
  • the fixed scroll 2 has a base 20 and a spiral wrap 21 formed on the base 20.
  • An introduction hole 22 for introducing a high-pressure side working fluid supplied through the supply pipe 4 is formed through substantially the center of the base 20 of the fixed scroll 2.
  • the orbiting scroll 3 is accommodated in a holding member 5 connected to the fixed scroll 2.
  • the orbiting scroll 3 has a base 30 and a spiral wrap 31 formed on the base 30.
  • the fixed scroll 2 and the orbiting scroll 3 are arranged so that the spiral wraps 21 and 31 are engaged with each other. Between the wraps 21 and 31, there is a working chamber as a sealed space that takes in the working fluid on the high-pressure side. It is formed. The formation of the working chamber will be described later.
  • an Oldham ring or the like for preventing the rotation of the orbiting scroll 3 between the rear surface of the base 30 of the orbiting scroll 3 (the surface opposite to the fixed scroll 2 side) and the opposing surface of the holding member 5 facing this.
  • the rotation prevention member 6 is arranged.
  • the orbiting scroll 3 performs the orbiting motion with respect to the fixed scroll 2.
  • the orbiting motion of the orbiting scroll 3 is converted into the rotational motion of the output shaft 8 connected to the orbiting scroll 3 via the eccentric bearing 7a.
  • the present invention is not limited to this, and the revolving motion of the orbiting scroll 3 may be converted into the rotational motion of the output shaft 8 using a known driven crank mechanism or the like.
  • the connection part 8a with the turning scroll 3 of the output shaft 8 is supported by the holding member 5 via the bearing 7b.
  • the orbiting scroll 3 performs a orbiting motion. With the orbiting motion of the orbiting scroll 3, the working chamber moves from the central portion to the peripheral portion while increasing its volume. . Then, the expanded working fluid is discharged to the low pressure side through the discharge pipe 9. By repeatedly performing such an operation, the scroll expander 1 generates power (recovers power from the working fluid).
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line XX of FIG. 1
  • FIG. 3 is a diagram (a diagram corresponding to FIG. 2) showing the fixed scroll 2 viewed from the orbiting scroll 3 and FIG. It is sectional drawing.
  • 5 is an enlarged view of part A in FIG. 1
  • FIG. 6 is an enlarged view of part B in FIG.
  • the base 20 of the fixed scroll 2 is formed with a first pair of insertion holes 23a and 23b and a second pair of insertion holes 24a and 24b.
  • the first pair of insertion holes 23a and 23b and the second pair of insertion holes 24a and 24b are formed on the movement trajectory of the spiral wrap 31 accompanying the turning of the orbiting scroll 3, and the orbiting scroll 3 is at a predetermined orbiting position. At some point, it is blocked by the spiral wrap 31 of the orbiting scroll 3.
  • first orbiting position when the central tip of the orbiting scroll contacts the inner wall of the spiral wrap 31 of the orbiting scroll 3 is referred to as a “first orbiting position”.
  • a space substantially divided by the inner wall of the spiral wrap 21 of the fixed scroll 2 and the inner wall of the spiral wrap 31 of the orbiting scroll 3 is referred to as a “first volume chamber” 25, and the inner side of the spiral wrap 21 of the fixed scroll 2.
  • a space defined by the outer wall on the center tip side of the spiral wrap 31 of the wall and the orbiting scroll 3 is referred to as a “second volume chamber” 26, and the outer wall on the center tip side of the spiral wrap 21 of the fixed scroll 2 and the orbiting scroll 3.
  • a space defined by the inner wall of the spiral wrap 31 is referred to as a “third volume chamber” 27.
  • the introduction hole 22 opens into the first volume chamber 25.
  • the first volume chamber 25 and the second volume chamber 26 are adjacent to each other with the spiral wrap 31 of the orbiting scroll 3 interposed therebetween, and the first volume chamber 25 and the third volume chamber 27 are adjacent to the spiral wrap 21 of the fixed scroll 2. Adjacent to each other.
  • the positions where the first pair of insertion holes 23a and 23b are formed will be specifically described.
  • the orbiting scroll 3 When the orbiting scroll 3 is in the first orbiting position (see FIG. 2), at least a part of the insertion hole 23a is exposed from the spiral wrap 31 of the orbiting scroll 3 (second volume chamber).
  • the orbiting scroll 3 When the orbiting scroll 3 is in the second orbiting position where the volume of the second volume chamber 26 is larger than the first orbiting position (in other words, the orbiting angle of the orbiting scroll 3 is large). Further, it is formed so as to be closed by the spiral wrap 31 of the orbiting scroll 3.
  • the formation positions of the second pair of insertion holes 24a and 24b will be specifically described.
  • the orbiting scroll 3 When the orbiting scroll 3 is in the first or second orbiting position, at least a part of the insertion hole 24a is exposed from the spiral wrap 31 of the orbiting scroll 3 (the second volume). And the orbiting scroll 3 is closed by the spiral wrap 31 of the orbiting scroll 3 when the orbiting scroll 3 is in the third orbiting position where the volume of the second volume chamber 26 is larger than the second orbiting position. It is formed as follows.
  • each of the first pair of insertion holes 23 a and 23 b and the introduction hole 22 are provided on the surface (wrap forming surface) 20 a on which the spiral wrap 21 of the base 20 of the fixed scroll 2 is formed.
  • a first pair of communication grooves 28a, 28b to be connected is formed, and similarly, a second pair of communication grooves 29a, 29b to connect the second pair of insertion holes 24a, 24b and the introduction hole 22 are formed.
  • the communication groove 28b and the communication groove 29b are connected via the insertion hole 23b.
  • the first pair of pin members 10a and 10b are inserted into the first pair of insertion holes 23a and 23b, and similarly, the second pair of insertion holes 24a and 24b are inserted into the second pair of insertion holes 24a and 24b.
  • Pin members 11a and 11b are inserted (see FIGS. 1, 4 to 6).
  • a back plate 12 is attached to the back surface of the base 21 of the fixed scroll 2 (the surface opposite to the orbiting scroll 3 side).
  • the back plate 12 includes a first pair of boss portions 13a and 13b inserted into the first pair of insertion holes 23a and 23b, and a second pair of insertions inserted into the second pair of insertion holes 24a and 24b.
  • Through-holes 16a and 16b Through-holes 16a and 16b.
  • a spring 17 is attached to each boss portion 13a, 13b, 14a, 14b of the back plate 12, and the pin member 10a, 10b, inserted into the insertion hole 23a, 23b, 24a, 24b by these spring 17 is provided.
  • 11a and 11b are urged from the rear end side.
  • the front end surface of each pin member 10a, 10b, 11a, 11b by the step part provided in each pin member 10a, 10b, 11a, 11b and the step part provided in each insertion hole 23a, 23b, 24a, 24b does not protrude from the wrap forming surface 20a of the base 20 of the fixed scroll 2.
  • One end of the first pair of pressure pipes 51a and 51b is connected to the first pair of through holes 15a and 15b of the back plate 12, and similarly, the second pair of through holes 16a and 16b.
  • One end of the second pair of pressure pipes 52a and 52b is connected to the second pipe.
  • the other ends of the pressure pipes 51a and 51b and the pressure pipes 52a and 52b are connected to the supply pipe 4 and the discharge pipe 9 via three-way switching valves 53 and 54, respectively.
  • the operation of the three-way switching valves 53 and 54 is controlled by the control unit 40.
  • the control unit 40 inputs a high-pressure side pressure Ps from a pressure sensor (not shown), and controls the three-way switching valves 53 and 54 based on the input high-pressure side pressure Ps.
  • 7 to 9 are diagrams for explaining the operating states of the pin members 10a, 10b, 11a, and 11b accompanying the control of the three-way switching valves 53 and 54 by the control unit 40.
  • control unit 40 controls the three-way switching valve 53 so that the supply pipe 4 and the pressure pipes 51a and 51b communicate with each other. And the pressure pipes 52a and 52b are controlled to control the three-way switching valve 54.
  • the control unit 40 causes the discharge pipe 9 and the pressure pipes 51a and 51b to communicate with each other.
  • the three-way selector valve 53 is controlled so that the supply pipe 4 and the pressure pipes 52a and 52b are communicated with each other.
  • the low-pressure side pressure Pd is introduced into the rear end side of the pin members 10a, 10b of the first pair of insertion holes 23a, 23b, and the pin members 11a, 11b of the second pair of insertion holes 24a, 24b.
  • a high-pressure side pressure Ps is introduced to the rear end side.
  • a pressure difference occurs between For this reason, the first pair of pin members 10a and 10b are retracted against the urging force of the spring 17 by the pressure difference.
  • the first pair of recesses 61a and 61b are formed on the wrap forming surface 20a of the base 20 of the fixed scroll 2 as shown in FIG.
  • the formed recess 61a communicates with the introduction hole 22 through the communication groove 28a
  • the formed recess 61b communicates with the introduction hole 22 through the communication groove 28b.
  • control unit 40 controls the three-way switching valve 53 so that the discharge pipe 9 and the pressure pipes 51a and 51b communicate with each other when the pressure Ps of the high pressure part is less than the second predetermined pressure Ps2, for example.
  • the three-way switching valve 54 is controlled so that the pipe 9 and the pressure pipes 52a and 52b are communicated with each other.
  • the first wrap forming surface 20a of the base 20 of the fixed scroll 2 has a first lap as shown in FIG.
  • a pair of recesses 61a and 61b and a second pair of recesses 62a and 62b are formed.
  • the formed recess 61a communicates with the introduction hole 22 through the communication groove 28a
  • the formed recess 61b communicates with the introduction hole 22 through the communication groove 28b.
  • the formed recess 62a communicates with the introduction hole 22 through the communication groove 29a
  • the formed recess 62b communicates with the introduction hole 22 through the communication groove 29b, the recess 61b, and the communication groove 28b.
  • the tip surfaces of the first pair of pin members 10a, 10b and the tips of the second pair of pin members 11a, 11b are substantially flush with each other (see FIG. 7).
  • the scroll expander 1 when the pressure Ps on the high pressure side is equal to or higher than the first predetermined pressure Ps1, the second volume chamber 26 and the third volume chamber 27 when the orbiting scroll 3 is in the first orbiting position. Becomes a sealed space, whereby a working chamber (volume V1) is formed as a sealed space that takes in the working fluid on the high-pressure side.
  • the second volume chamber 26 communicates with the introduction hole 22 through the recess 61a and the communication groove 28a as shown by an arrow in FIG. Therefore, it is not a sealed space.
  • the third volume chamber 27 communicates with the introduction hole 22 via the recess 61b and the communication groove 28b, it does not become a sealed space. For this reason, when the orbiting scroll 3 is in the first orbiting position, introduction of the high-pressure working fluid into the second volume chamber 26 and the third volume chamber 27 is continued. That is, the working chamber is not formed at this time.
  • the orbiting scroll 3 orbits from the first orbiting position to the second orbiting position, and the first pair of recesses 61a and 61b are closed by the spiral wrap 31 of the orbiting scroll 3 as shown in FIG.
  • the second volume chamber 26 and the third volume chamber 27 become a sealed space, and the introduction (intake) of the high-pressure side working fluid into the second volume chamber 26 and the third volume chamber 27 is stopped.
  • the intake volume of the working fluid in the scroll expander 1 be V2 (> V1).
  • the orbiting scroll 3 rotates and the second volume chamber 26 and the third volume chamber 27 increase in volume. It moves to the periphery while increasing, and finally increases to the volume Ve, and then communicates with the low-pressure side to discharge the expanded working fluid to the low-pressure side.
  • the turning position of the orbiting scroll 3 is the second turning position.
  • the second volume chamber 26 and the third volume chamber 27 become a sealed space, whereby a working chamber (volume V2) is formed as a sealed space that takes in the working fluid on the high-pressure side.
  • the lap forming surface 20a of the base 20 of the fixed scroll 2 has a first pair of recesses 61a communicating with the introduction hole 22 through a first pair of communication grooves 28a, 28b formed on the wrap forming surface 20a. 61b and a second pair of recesses 62a and 62b communicating with the introduction hole 22 through a second pair of communication grooves 29a and 29b formed on the wrap forming surface 20a are formed (see FIG. 9). .
  • the second volume chamber 26 communicates with the introduction hole 22 through the recess 62a and the communication groove 29a as shown by an arrow in FIG. 11B. It is not a sealed space.
  • the third volume chamber 27 communicates with the introduction hole 22 via the recess 62b and the communication grooves 28b and 29b, it does not become a sealed space. For this reason, when the orbiting scroll 3 is in the second orbiting position, introduction of the high-pressure side working fluid into the second volume chamber 26 and the third volume chamber 27 is continued. That is, the working chamber is not formed at this time.
  • the orbiting scroll 3 rotates and the second volume chamber 26 and the third volume chamber 27 increase in volume. It moves to the periphery while increasing, and finally increases to the volume Ve, and then communicates with the low-pressure side to discharge the expanded working fluid to the low-pressure side.
  • the second volume chamber 26 and the third volume chamber are obtained when the orbiting scroll 3 is in the third orbiting position. 27 becomes a sealed space, and thereby, a working chamber (volume V3) is formed as a sealed space that takes in the working fluid on the high-pressure side.
  • each of the first pair of insertion holes 23a and 23b and the second pair of insertion holes 24a and 24b formed in the base 20 of the fixed scroll 2 is inserted.
  • the orbiting position of the orbiting scroll 3 forming the working chamber is changed.
  • the volume of the working chamber that is, the intake volume of the working fluid on the high pressure side in the scroll expander 1 is changed.
  • FIG. 13 shows a PV diagram in the working chamber of the scroll expander 1.
  • the hatched area a0 in FIG. 13A shows the energy obtained by the expansion of the taken working fluid, that is, the recovered power of the scroll expander 1, when the high-pressure side pressure Ps is equal to or higher than the first predetermined pressure Ps1. Show.
  • the first volume of the first pair of pin members 28a and 28b is retracted to operate the second volume.
  • the orbiting position of the orbiting scroll 3 in which the chamber 26 and the third volume chamber 27 serve as a sealed space that is, the orbiting position of the orbiting scroll 3 in which the working chamber as a sealed space that takes in the working fluid on the high-pressure side is formed.
  • the first pair of pin members 28a and 28b and the second pair of pin members 29a and 29b are pulled in and operated.
  • the orbiting position of the orbiting scroll 3 in which the second volume chamber 26 and the third volume chamber 27 become a sealed space that is, the orbiting position of the orbiting scroll 3 in which the working chamber as a sealed space that takes in the working fluid on the high-pressure side is formed.
  • the first turning position or the second turning position is changed to the third turning position, thereby increasing the intake volume of the working fluid on the high pressure side (V1 ⁇ V3, V2 ⁇ V3).
  • the intake of the working fluid on the high-pressure side is completed at the time of forming the working chamber, and the working chamber in the expansion process as in the conventional scroll expander is placed on the high-pressure side.
  • pressure fluctuation pressure step
  • the collection efficiency of the motive power from a working fluid can be improved, suppressing the possibility of generation
  • the scroll expander 1 has the first pair of pin members 10a and 10b and the second pair of pin members 11a and 11b, or only the first pair of pin members 10a and 10b, or
  • the orbiting scroll 3 that forms a working chamber as a sealed space that takes in the working fluid on the high-pressure side by pulling in and operating the first pair of pin members 10a and 10b and the second pair of pin members 11a and 11b.
  • the swivel position is changed, whereby the working fluid intake volume in the scroll expander 1 is changed.
  • the first pair of springs 17 urged by the spring 17 by introducing the pressure Pd of the low-pressure portion to the rear ends of the pin members 10a and 10b of the first pair of insertion holes 23a and 23b.
  • the pin members 10a and 10b are pulled and actuated, and the pressure Pd of the low pressure portion is introduced into the rear end sides of the pin members 11a and 11b of the second pair of insertion holes 24a and 24b.
  • the second pair of pin members 11a and 11b are pulled in and operated.
  • the scroll expander 1 is, for example, an electromagnetic solenoid type actuator for the first pair of pin members 10a and 10b and an electromagnetic solenoid type for the second pair of pin members 11a and 11b.
  • An actuator is provided, and when the actuator is energized, the first pair of pin members 10a and 10b urged by the spring 17 are pulled in, or the second pair of pin members 11a and urged by the spring 17 are operated. 11b may be pulled in and operated.
  • control part 40 draws in and operates the 1st pair of pin members 10a and 10b and / or the 2nd pair of pin members 11a and 11b based on the pressure Ps of a high voltage
  • the swivel position of the orbiting scroll 3 that forms a working chamber as a sealed space that takes in the working fluid on the high-pressure side is changed, and thereby the working fluid intake volume is changed.
  • control unit 40 determines the first pair of pin members 10a and 10b and / or the second pair based on the density ratio between the high-pressure side working fluid and the low-pressure side working fluid.
  • the revolving position of the orbiting scroll 3 that forms the working chamber as a sealed space that takes in the working fluid on the high pressure side is changed by pulling in the pin members 11a and 11b, thereby changing the working fluid intake volume. You may comprise.
  • control unit 40 inputs, for example, the high-pressure side pressure Ps, the high-pressure side temperature Ts, the low-pressure side pressure Pd, and the low-pressure side temperature Td, and based on these inputs, the high-pressure side working fluid and the low-pressure side operation Calculate the density ratio with the fluid.
  • control part 40 changes the turning position of the turning scroll 3 which forms a working chamber so that the volume ratio (V1 / Ve, V2 / Ve, V3 / Ve) nearest to the calculated density ratio may be implement
  • overexpansion and underexpansion can be effectively suppressed even under conditions where Poisson's equation is not satisfied, such as when the high-pressure working fluid is in a supercritical state. A reduction in power recovery efficiency can be suppressed.

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Description

スクロール膨張機
　本発明は、固定スクロールと旋回スクロールとを備え、作動流体の膨張によって動力を発生させるスクロール膨張機に関する。
　一般に、スクロール膨張機においてはその容積膨張比が一定である。このため、実際の使用においては、外的環境などによって膨張後の作動流体の圧力がスクロール膨張機の排出側の圧力（低圧部の圧力）よりも低くなる過膨張の状態が発生して動力の回収効率が大きく低下してしまう場合がある。
　このような事態を防止するため、例えば特許文献１に記載のスクロール膨張機では、膨張過程にある作動室に高圧部の作動流体を導入可能なバイパスポートと、このバイパスポートに設けられたバルブ機構と、を備え、高圧部の圧力が所定圧力以下であるときに、高圧部の作動流体を膨張過程にある作動室に導入するようにしている。
特許第４０７４７７０号明細書
　特許文献１に記載のスクロール膨張機のように、高圧部の圧力が低下したときに膨張過程にある作動室に高圧部の作動流体を導入すれば、過膨張による動力の回収効率の低下を抑制することができる。
　しかし、膨張過程にある作動室に高圧部の作動流体を導入すると、作動室内に圧力変動が発生して振動や騒音が発生し易くなるおそれがある。また、膨張過程にある作動室に導入された作動流体から回収できる動力は、膨張過程の開始時点で導入されている作動流体から回収できるエネルギーに比べて少なくなるため、スクロール膨張機における動力の回収効率の向上という観点からは依然として改善の余地がある。
　本発明は、このような実情に着目してなされたものであり、振動や騒音が発生するおそれを低減しつつ、容積膨張比を可変として作動流体からの動力の回収効率を向上させる
ことのできるスクロール膨張機を提供することを目的とする。
　本発明の一側面によるスクロール膨張機は、基部に渦巻きラップが形成された固定スクロール及び旋回スクロールを備え、前記固定スクロールの渦巻きラップと前記旋回スクロールの渦巻きラップとの間に、高圧側の作動流体を取り込んだ密閉空間としての作動室を形成し、当該作動室内で前記作動流体が膨張することによって前記旋回スクロールが旋回すると共に当該作動室が容積を増加させながら移動し、膨張後の作動流体を低圧側に排出するスクロール膨張機であって、前記作動室を形成する前記旋回スクロールの旋回位置が変更可能に構成されている。
　上記スクロール膨張機によれば、高圧側の作動流体を取り込んだ密閉空間としての作動室を形成する旋回スクロールの旋回位置が変更可能に構成されているので、スクロール膨張機における作動流体の取込容積を例えば高圧側の圧力に応じて変更することができ、過膨張の発生を効果的に抑制することができる。また、従来のスクロール膨張機のように膨張過程にある作動室に高圧部の作動流体を導入しないので、圧力変動に起因する振動や騒音が発生するおそれがほとんどなく、従来のスクロール膨張機に比べて作動流体から回収される動力を増加させることができる。これにより、スクロール膨張機における動力の回収効率の向上させることができる。
実施形態によるスクロール膨張機の概略構成を示す図である。 図１のＸ－Ｘ断面図である。 旋回スクロール側から見た固定スクロールを示す図である。 図２のＹ－Ｙ断面図である。 図１のＡ部拡大図である。 図４のＢ部拡大図である。 ピン部材の作動状態を説明するための図である。 ピン部材の作動状態を説明するための図である。 ピン部材の作動状態を説明するための図である。 実施形態によるスクロール膨張機の作用を説明するための図である。 実施形態によるスクロール膨張機の作用を説明するための図である。 実施形態によるスクロール膨張機の作用を説明するための図である。 実施形態によるスクロール膨張機のＰＶ線図である。
　以下、添付図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。
　図１は、本発明の第１実施形態によるスクロール膨張機１の概略構成を示している。このスクロール膨張機１は、高圧側の作動流体を作動室内に取り込み、取り込んだ作動流体が膨張することによって動力を発生させるものであり、図１に示すように、固定スクロール２と、旋回スクロール３と、を含む。
　固定スクロール２は、基部２０と、この基部２０に形成された渦巻きラップ２１と、を有する。また、固定スクロール２の基部２０のほぼ中央には、供給管４を介して供給される高圧側の作動流体を導入するための導入孔２２が貫通形成されている。
　旋回スクロール３は、固定スクロール２に連結された保持部材５に収容されている。旋回スクロール３は、固定スクロール２と同様、基部３０と、この基部３０に形成された渦巻きラップ３１と、を有する。
　固定スクロール２と旋回スクロール３とは、互いの渦巻きラップ２１，３１が噛み合うように配置されており、両ラップ２１、３１間には、高圧側の作動流体を取り込んだ密閉空間としての作動室が形成される。なお、作動室の形成については後述する。
　また、旋回スクロール３の基部３０の背面（固定スクロール２側とは反対側の面）とこれに対向する保持部材５の対向面との間には、旋回スクロール３の自転を阻止するオルダムリング等の自転阻止部材６が配置されている。
　そして、上記作動室内で上記作動流体が膨張することにより旋回スクロール３は固定スクロール２に対して旋回運動を行う。
　旋回スクロール３の旋回運動は、偏心軸受７ａを介して、当該旋回スクロール３に連結された出力軸８の回転運動に変換される。但し、これに限るものではなく、公知の従動クランク機構などを用いて旋回スクロール３の旋回運動を出力軸８の回転運動に変換するように構成してもよい。なお、出力軸８の旋回スクロール３との連結部８ａは、軸受７ｂを介して保持部材５に支持されている。
　上記作動室内で上記作動流体が膨張することによって旋回スクロール３は旋回運動を行い、この旋回スクロール３の旋回運動に伴って、当該作動室は中央部から周辺部へと容積を増加させながら移動する。そして、膨張後の作動流体は、排出管９を介して低圧側へと排出される。このような動作を繰り返し行うことにより、スクロール膨張機１は動力を発生する（作動流体から動力を回収する）。
　図２は図１のＸ－Ｘ断面図であり、図３は旋回スクロール３側から見た固定スクロール２を示す図（図２に対応する図）であり、図４は図２のＹ－Ｙ断面図である。また、図５は図１のＡ部拡大図であり、図６は図４のＢ部拡大図である。
　図２、図３に示すように、固定スクロール２の基部２０には、第１の一対の挿入孔２３ａ，２３ｂと、第２の一対の挿入孔２４ａ，２４ｂと、が貫通形成されている。第１の一対の挿入孔２３ａ，２３ｂ及び第２の一対の挿入孔２４ａ，２４ｂは、旋回スクロール３の旋回に伴う渦巻きラップ３１の移動軌跡上に形成され、旋回スクロール３が所定の旋回位置にあるときに、当該旋回スクロール３の渦巻きラップ３１によって閉塞される。
　ここで、以下の説明においては、図２に示すように、旋回スクロール３の渦巻きラップ３１の中央先端部が固定スクロール２の渦巻きラップ２１の内側壁に接触すると共に、固定スクロール２の渦巻きラップ２１の中央先端部が旋回スクロール３の渦巻きラップ３１に内側壁に接触するときの旋回スクロール３の旋回位置を「第１旋回位置」とする。
　また、固定スクロール２の渦巻きラップ２１の内側壁及び旋回スクロール３の渦巻きラップ３１の内側壁によってほぼ中央に区画される空間を「第１容積室」２５とし、固定スクロール２の渦巻きラップ２１の内側壁及び旋回スクロール３の渦巻きラップ３１の中央先端側の外側壁によって区画される空間を「第２容積室」２６とし、固定スクロール２の渦巻きラップ２１の中央先端側の外側壁及び旋回スクロール３の渦巻きラップ３１の内側壁によって区画される空間を「第３容積室」２７とする。
　なお、図２に示すように、導入孔２２は第１容積室２５内に開口している。また、第１容積室２５と第２容積室２６とは旋回スクロール３の渦巻きラップ３１を挟んで隣接しており、第１容積室２５と第３容積室２７とは固定スクロール２の渦巻きラップ２１を挟んで隣接している。
　第１の一対の挿入孔２３ａ，２３ｂの形成位置について具体的に説明する。
　挿入孔２３ａは、旋回スクロール３が上記第１旋回位置にあるときに（図２参照）、第２容積室２６において少なくともその一部が旋回スクロール３の渦巻きラップ３１から露出する（第２容積室２６内に開口する）と共に、旋回スクロール３が上記第１旋回位置よりも第２容積室２６の容積が大きくなる（換言すれば、旋回スクロール３の旋回角が大きい）第２旋回位置にあるときに、旋回スクロール３の渦巻きラップ３１によって閉塞されるように形成されている。
　挿入孔２３ｂは、旋回スクロール３が上記第１旋回位置にあるときに、第３容積室２７において少なくともその一部が旋回スクロール３の渦巻きラップ３１から露出する（第３容積室２７内に開口する）と共に、旋回スクロール３が上記第２旋回位置にあるときに、旋回スクロール３の渦巻きラップ３１によって閉塞されるように形成されている。
　次に、第２の一対の挿入孔２４ａ，２４ｂの形成位置について具体的に説明する。
　挿入孔２４ａは、旋回スクロール３が上記第１旋回位置及び上記第２旋回位置にあるときに、第２容積室２６において少なくともその一部が旋回スクロール３の渦巻きラップ３１から露出する（第２容積室２６内に開口する）と共に、旋回スクロール３が上記第２旋回位置よりも第２容積室２６の容積が大きくなる第３旋回位置にあるときに、旋回スクロール３の渦巻きラップ３１によって閉塞されるように形成されている。
　挿入孔２４ｂは、旋回スクロール３が上記第１旋回位置及び上記第２旋回位置にあるときに、第３容積室２７において少なくともその一部が旋回スクロール３の渦巻きラップ３１から露出する（第３容積室２７内に開口する）と共に、旋回スクロール３が上記第３旋回位置にあるときに、旋回スクロール３の渦巻きラップ３１によって閉塞されるように形成されている。
　また、図３に示すように、固定スクロール２の基部２０の渦巻きラップ２１が形成された面（ラップ形成面）２０ａには、第１の一対の挿入孔２３ａ，２３ｂのそれぞれと導入孔２２を接続する第１の一対の連通溝２８ａ，２８ｂが形成され、同様に、第２の一対の挿入孔２４ａ，２４ｂのそれぞれと導入孔２２を接続する第２の一対の連通溝２９ａ，２９ｂが形成されている。なお、連通溝２８ｂと連通溝２９ｂとは、挿入孔２３ｂを介して接続されている。
　第１の一対の挿入孔２３ａ，２３ｂには、第１の一対のピン部材１０ａ，１０ｂが挿入されており、同様に、第２の一対の挿入孔２４ａ，２４ｂには、第２の一対のピン部材１１ａ，１１ｂが挿入されている（図１，４～６参照）。
　また、固定スクロール２の基部２１の背面（旋回スクロール３側とは反対側の面）には背面プレート１２が取り付けられている。この背面プレート１２は、第１の一対の挿入孔２３ａ，２３ｂに挿入された第１の一対のボス部１３ａ，１３ｂと、第２の一対の挿入孔２４ａ，２４ｂに挿入された第２の一対のボス部１４ａ，１４ｂと、第１の一対の挿入孔２３ａ，２３ｂに連通する第１の一対の貫通孔１５ａ，１５ｂと、第２の一対の挿入孔２４ａ，２４ｂに連通する第２の一対の貫通孔１６ａ，１６ｂと、を有している。
　背面プレート１２の各ボス部１３ａ，１３ｂ，１４ａ，１４ｂにはスプリング１７が装着されており、これらのスプリング１７によって、挿入孔２３ａ，２３ｂ，２４ａ，２４ｂに挿入された各ピン部材１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂが後端側から付勢される。但し、各ピン部材１０ａ，１０ｂ，１１ａ、１１ｂに設けられた段差部及び各挿入孔２３ａ，２３ｂ，２４ａ，２４ｂに設けられた段差部によって、各ピン部材１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂの先端面が固定スクロール２の基部２０のラップ形成面２０ａから突出しないようになっている。
　また、背面プレート１２の第１の一対の貫通孔１５ａ，１５ｂには、第１の一対の圧力配管５１ａ，５１ｂの一端が接続されており、同様に、第２の一対の貫通孔１６ａ，１６ｂには、第２の一対の圧力配管５２ａ，５２ｂの一端が接続されている。圧力配管５１ａ，５１ｂ及び圧力配管５２ａ，５２ｂの他端は、それぞれ三方切換弁５３，５４を介して供給管４及び排出管９に接続されている。
　三方切換弁５３，５４の作動は、制御部４０によって制御される。
　制御部４０は、例えば図示省略した圧力センサから高圧側の圧力Ｐｓを入力し、この入力された高圧側の圧力Ｐｓに基づいて三方切換弁５３，５４を制御する。
　図７～図９は、制御部４０による三方切換弁５３，５４の制御に伴うピン部材１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂの作動状態を説明するための図である。
　制御部４０は、例えば高圧側の圧力Ｐｓが第１所定圧力Ｐｓ１以上の場合には、供給管４と圧力配管５１ａ，５１ｂとを連通させるように三方切換弁５３を制御すると共に、供給管４と圧力配管５２ａ，５２ｂとを連通させるように三方切換弁５４を制御する。
　これにより、第１の一対の挿入孔２３ａ，２３ｂのピン部材１０ａ，１０ｂの後端側及び第２の一対の挿入孔２４ａ，２４ｂのピン部材１１ａ,１１ｂの後端側には高圧側の圧力Ｐｓが導入される。この場合、各ピン部材１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂの先端側と後端側と間には圧力差がほとんど生じない。このため、各ピン部材１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂはスプリング１７によって付勢されて、図７に示すように、その先端面が固定スクロール２のラップ形成面２０ａとほぼ面一となる位置に保持される。
　また、制御部４０は、例えば高圧部の圧力Ｐｓが第１所定圧力Ｐｓ１未満かつ第２所定圧力Ｐｓ２（＜Ｐｓ１）以上の場合には、排出管９と圧力配管５１ａ，５１ｂとを連通させるように三方切換弁５３を制御する一方、供給管４と圧力配管５２ａ，５２ｂとを連通させるように三方切換弁５４を制御する。
　これにより、第１の一対の挿入孔２３ａ，２３ｂのピン部材１０ａ、１０ｂの後端側には低圧側の圧力Ｐｄが導入され、第２の一対の挿入孔２４ａ，２４ｂのピン部材１１ａ，１１ｂの後端側には高圧側の圧力Ｐｓが導入される。この場合、第２の一対のピン部材１１ａ，１１ｂの先端側と後端側との間には圧力差がほとんど生じないが、第１の一対のピン部材１０ａ，１０ｂの先端側と後端側との間に圧力差が生じる。このため、第１の一対のピン部材１０ａ，１０ｂは、上記圧力差によってスプリング１７の付勢力に抗して引き込み作動する。
　第１の一対のピン部材１０ａ，１０ｂが引き込み作動すると、図８（ａ）に示すように、固定スクロール２の基部２０のラップ形成面２０ａには第１の一対の凹部６１ａ，６１ｂが形成される。形成された凹部６１ａは連通溝２８ａを介して導入孔２２に連通し、形成された凹部６１ｂは連通溝２８ｂを介して導入孔２２に連通する。
　さらに、制御部４０は、例えば高圧部の圧力Ｐｓが第２所定圧力Ｐｓ２未満の場合には、排出管９と圧力配管５１ａ，５１ｂとを連通させるように三方切換弁５３を制御すると共に、排出管９と圧力配管５２ａ，５２ｂとを連通させるように三方切換弁５４を制御する。
　これにより、第１の一対の挿入孔２３ａ，２３ｂのピン部材１０ａ，１０ｂの後端側及び第２の一対の挿入孔２４ａ，２４ｂのピン部材１１ａ,１１ｂの後端側には低圧側の圧力Ｐｄが導入される。この場合、各ピン部材１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂの先端側と後端側と間には圧力差が生じる。このため、各ピン部材１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂは上記圧力差によってスプリング１７の付勢力に抗して引き込み作動する。
　第１の一対のピン部材１０ａ、１０ｂ及び第２の一対のピン部材１１ａ、１１ｂが引き込み作動すると、図９に示すように、固定スクロール２の基部２０のラップ形成面２０ａには、第１の一対の凹部６１ａ，６１ｂ及び第２の一対の凹部６２ａ，６２ｂが形成される。形成された凹部６１ａは連通溝２８ａを介して導入孔２２に連通し、形成された凹部６１ｂは連通溝２８ｂを介して導入孔２２に連通する。また、形成された凹部６２ａは連通溝２９ａを介して導入孔２２に連通し、形成された凹部６２ｂは連通溝２９ｂ、凹部６１ｂ及び連通溝２８ｂを介して導入孔２２に連通する。
　次に、以上のように構成されたスクロール膨張機１の作用を説明する。
　図１０は、旋回スクロール３が上記第１旋回位置にあるときの要部拡大図であり、図１１は、旋回スクロール３が上記第２旋回位置にあるときの要部拡大図であり、図１２は、旋回スクロール３が上記第３旋回位置にあるときの要部拡大図である。
　上述したように、例えば高圧部の圧力Ｐｓが上記第１所定圧力Ｐｓ１以上の場合には、第１の一対のピン部材１０ａ，１０ｂの先端面及び第２の一対のピン部材１１ａ，１１ｂの先端面と固定スクロール２の基部２０のラップ形成面２０ａとがほぼ面一の状態となる（図７参照）。
　この場合、図１０（ａ）に示すように、旋回スクロール３が上記第１旋回位置にあるとき、すなわち、旋回スクロール３の渦巻きラップ３１の中央先端部及び固定スクロール２の渦巻きラップ２１の中央先端部が相手側の渦巻きラップの内側壁に接触したときに、第２容積室２６及び第３容積室２７が密閉空間となって高圧側の作動流体の第２容積室２６及び第３容積室２７への導入（取り込み）が停止される。なお、このときの第２容積室２６及び第３容積室２７の容積、すなわち、スクロール膨張機１における作動流体の取込容積をＶ１とする。
　そして、密閉空間となった第２容積室２６内及び第３容積室２７内で、取り込まれた作動流体が膨張することにより、旋回スクロール３が旋回すると共に第２容積室２６及び第３容積室２７が容積を増加させながら周辺部へと移動し、最終的に容積Ｖｅまで増加した後に低圧側と連通して膨張後の作動流体を低圧側へと排出する。この容積Ｖｅが低圧側に連通する直前の作動室の容積である。
　すなわち、スクロール膨張機１において、高圧側の圧力Ｐｓが上記第１所定圧力Ｐｓ１以上の場合には、旋回スクロール３が上記第１旋回位置にあるときに第２容積室２６及び第３容積室２７が密閉空間となり、これにより、高圧側の作動流体を取り込んだ密閉空間としての作動室（容積Ｖ１）が形成される。
　一方、例えば高圧部の圧力Ｐｓが上記第１所定圧力Ｐｓ１未満かつ上記第２所定圧力Ｐｓ２（＜Ｐｓ１）以上の場合には、第１の一対のピン部材１０ａ、１０ｂ及び第２の一対のピン部材１１ａ，１１ｂのうち、第１の一対のピン部材１０ａ，１０ｂのみが引き込み作動し、これにより、固定スクロール２の基部２０のラップ形成面２０ａには、当該ラップ形成面２０ａに形成された第１の一対の連通溝２８ａ，２８ｂを介して導入孔２２に連通する第１の一対の凹部６１ａ，６１ｂが形成される（図８参照）。
　この場合、旋回スクロール３が上記第１旋回位置にあるときは、図１０（ｂ）において矢印で示すように、第２容積室２６は凹部６１ａ及び連通溝２８ａを介して導入孔２２に連通するため密閉空間とはならない。同様に、第３容積室２７は凹部６１ｂ及び連通溝２８ｂを介して導入孔２２に連通するため密閉空間とはならない。このため、旋回スクロール３が上記第１旋回位置にあるときには、高圧側の作動流体の第２容積室２６及び第３容積室２７への導入が継続される。すなわち、この時点では作動室が形成されない。
　その後、旋回スクロール３が上記第１旋回位置から上記第２旋回位置まで旋回し、図１１（ａ）に示すように、旋回スクロール３の渦巻きラップ３１によって第１の一対の凹部６１ａ，６１ｂが閉塞されると、第２容積室２６及び第３容積室２７が密閉空間となって高圧側の作動流体の第２容積室２６及び第３容積室２７への導入（取り込み）が停止される。なお、このときの第２容積室２６及び第３容積室２７の容積、すなわち、スクロール膨張機１における作動流体の取込容積をＶ２（＞Ｖ１）とする。
　そして、密閉空間となった第２容積室２６内及び第３容積室２７内で作動流体が膨張することにより、旋回スクロール３が旋回すると共に第２容積室２６及び第３容積室２７が容積を増加させながら周辺部へと移動し、最終的に容積Ｖｅまで増加した後に低圧側と連通して膨張後の作動流体を低圧側へと排出する。
　すなわち、スクロール膨張機１において、高圧部の圧力Ｐｓが上記第１所定圧力Ｐｓ１未満かつ上記第２所定圧力Ｐｓ２以上の場合には、旋回スクロール３の旋回位置が上記第２旋回位置のときに第２容積室２６及び第３容積室２７が密閉空間となり、これにより、高圧側の作動流体を取り込んだ密閉空間として作動室（容積Ｖ２）が形成される。
　また、例えば高圧部の圧力Ｐｓが上記第２所定圧力Ｐｓ２未満の場合には、第１の一対のピン部材１０ａ，１０ｂ及び第２の一対のピン部材１１ａ，１１ｂが引き込み作動し、これにより、固定スクロール２の基部２０のラップ形成面２０ａには、当該ラップ形成面２０ａに形成された第１の一対の連通溝２８ａ，２８ｂを介して導入孔２２に連通する第１の一対の凹部６１ａ，６１ｂ、及び、当該ラップ形成面２０ａに形成された第２の一対の連通溝２９ａ，２９ｂを介して導入孔２２に連通する第２の一対の凹部６２ａ，６２ｂが形成される（図９参照）。
　この場合、旋回スクロール３が上記第２旋回位置にあるときには、図１１（ｂ）において矢印で示すように、第２容積室２６は凹部６２ａ及び連通溝２９ａを介して導入孔２２に連通するため密閉空間とはならない。同様に、第３容積室２７は、凹部６２ｂ及び連通溝２８ｂ，２９ｂを介して導入孔２２に連通するため密閉空間とはならない。このため、旋回スクロール３が上記第２旋回位置にあるときには、高圧側の作動流体の第２容積室２６及び第３容積室２７への導入が継続される。すなわち、この時点では作動室が形成されない。
　その後、旋回スクロール３が上記第２旋回位置から上記第３旋回位置まで旋回し、図１２に示すように、旋回スクロール３の渦巻きラップ３１によって第２の一対の凹部６２ａ，６２ｂが閉塞されると、第２容積室２６及び第３容積室２７が密閉空間となって高圧側の作動流体の第２容積室２６及び第３容積室２７への導入（取り込み）が停止される。なお、このときの第２容積室２６及び第３容積室２７の容積、すなわち、スクロール膨張機１における作動流体の取込容積をＶ３（＞Ｖ２）とする。
　そして、密閉空間となった第２容積室２６内及び第３容積室２７内で作動流体が膨張することにより、旋回スクロール３が旋回すると共に第２容積室２６及び第３容積室２７が容積を増加させながら周辺部へと移動し、最終的に容積Ｖｅまで増加した後に低圧側と連通して膨張後の作動流体を低圧側へと排出する。
　すなわち、スクロール膨張機１において、高圧部の圧力Ｐｓが上記第２所定圧力Ｐｓ２未満の場合には、旋回スクロール３が上記第３旋回位置にあるときに、第２容積室２６及び第３容積室２７が密閉空間となり、これにより、高圧側の作動流体を取り込んだ密閉空間として作動室（容積Ｖ３）が形成される。
　このように、本実施形態によるスクロール膨張機１においては、固定スクロール２の基部２０に形成された第１の一対の挿入孔２３ａ，２３ｂ及び第２の一対の挿入孔２４ａ、２４ｂのそれぞれに挿入された第１の一対のピン部材１０ａ、１０ｂと第２の一対のピン部材１１ａ，１１ｂとを適宜引き込み作動させることによって、作動室を形成する旋回スクロール３の旋回位置を変更し、これにより、作動室の容積、すなわち、スクロール膨張機１における高圧側の作動流体の取込容積を変化させる。
　図１３は、スクロール膨張機１の作動室におけるＰＶ線図を示している。
　図１３（ａ）におけるハッチング領域ａ０は、高圧側の圧力Ｐｓが上記第１所定圧力Ｐｓ１以上である場合に、取り込んだ作動流体の膨張によって得られるエネルギー、すなわち、スクロール膨張機１の回収動力を示している。
　ここで、高圧側の圧力Ｐｓが上記第１所定圧力Ｐｓ１未満に低下してしまうと、図１３（ｂ），（ｃ）に示すように、作動流体の膨張によって得られるエネルギー（ハッチング領域ａ１，ａ２）が減少すると共に、過膨張によるエネルギーの損失（ハッチング領域ｂ１、ｂ２）が発生する。このため、スクロール膨張機１の回収エネルギーが大幅に減少してしまうことになる。
　この点、上記スクロール膨張機１では、例えば高圧側の圧力Ｐｓが低下して上記第１所定圧力Ｐｓ１未満となると、第１の一対のピン部材２８ａ，２８ｂを引き込み作動させることによって、第２容積室２６及び第３容積室２７が密閉空間となる旋回スクロール３の旋回位置、すなわち、高圧側の作動流体を取り込んだ密閉空間としての作動室が形成される旋回スクロール３の旋回位置を上記第１旋回位置から上記第２旋回位置へと変化させ、これにより、高圧側の作動流体の取込容積を増加させる（Ｖ１→Ｖ２）。
　また、高圧部の圧力Ｐｓがさらに低下して上記第２所定圧力Ｐｓ２未満となると、第１の一対のピン部材２８ａ，２８ｂ及び第２の一対のピン部材２９ａ，２９ｂを引き込み作動させることによって、第２容積室２６及び第３容積室２７が密閉空間となる旋回スクロール３の旋回位置、すなわち、高圧側の作動流体を取り込んだ密閉空間としての作動室が形成される旋回スクロール３の旋回位置を上記第１旋回位置又は上記第２旋回位置から上記第３旋回位置へと変化させ、これにより、高圧側の作動流体の取込容積を増加させる（Ｖ１→Ｖ３、Ｖ２→Ｖ３）。
　この結果、図１３（ｄ），（ｅ）に示すように、図１３（ｂ），（ｃ）に示す場合と比べて、作動流体の膨張によって得られるエネルギーの減少及び過膨張によるエネルギーの損失の発生が抑制され、作動流体からより多くのエネルギーを回収できる。
　特に、本実施形態によるスクロール膨張機１においては、高圧側の作動流体の取込みは作動室の形成時点で終了しており、従来のスクロール膨張機のように膨張過程にある作動室に高圧側の作動流体を導入しない。このため、作動室内において圧力変動（圧力の段差）が発生したり、作動流体の膨張動力の回収が損なわれたりすることがほとんどない。
　これにより、本実施形態によるスクロール膨張機１によれば、従来のスクロール膨張機に比べて、振動や騒音の発生のおそれを抑制しつつ、作動流体からの動力の回収効率を向上させることができる。
　なお、上記実施形態では、スクロール膨張機１が第１の一対のピン部材１０ａ，１０ｂ及び第２の一対のピン部材１１ａ，１１ｂを有し、第１の一対のピン部材１０ａ，１０ｂのみ、又は、第１の一対のピン部材１０ａ、１０ｂ及び第２の一対のピン部材１１ａ，１１ｂを引き込み作動させることによって、高圧側の作動流体を取り込んだ密閉空間としての作動室を形成する旋回スクロール３の旋回位置を変更し、これにより、スクロール膨張機１における作動流体の取込容積を変更している。
　しかし、これに限るものではなく、スクロール膨張機１が第１の一対のピン部材１０ａ，１０ｂのみ又は第２の一対のピン部材１１ａ、１１ｂのみを有してもよいし、引き込み作動が可能な第３の一対のピン部材や第４の一対のピン部材をさらに有してもよい。
　また、上記実施形態では、第１の一対の挿入孔２３ａ，２３ｂのピン部材１０ａ，１０ｂの後端側に低圧部の圧力Ｐｄを導入することにより、スプリング１７によって付勢された第１の一対のピン部材１０ａ，１０ｂを引き込み作動させ、第２の一対の挿入孔２４ａ，２４ｂのピン部材１１ａ，１１ｂの後端側に低圧部の圧力Ｐｄを導入することにより、スプリング１７によって付勢された第２の一対のピン部材１１ａ，１１ｂを引き込み作動させている。
　しかし、これに限るものではなく、スクロール膨張機１が、例えば第１の一対のピン部材１０ａ，１０ｂ用の電磁ソレノイド式のアクチュエータ及び第２の一対のピン部材１１ａ，１１ｂ用の電磁ソレノイド式のアクチュエータを備え、当該アクチュエータへの通電により、スプリング１７によって付勢された第１の一対のピン部材１０ａ，１０ｂを引き込み作動させたり、スプリング１７によって付勢された第２の一対のピン部材１１ａ，１１ｂを引き込み作動させたりしてもよい。
　さらに、上記実施形態では、制御部４０は、高圧部の圧力Ｐｓに基づいて、第１の一対のピン部材１０ａ，１０ｂ及び／又は第２の一対のピン部材１１ａ，１１ｂを引き込み作動させることにより高圧側の作動流体を取り込んだ密閉空間としての作動室を形成する旋回スクロール３の旋回位置を変更し、これにより、作動流体の取込容積を変更している。
　しかし、これに限るものではなく、制御部４０が、高圧側の作動流体と低圧側の作動流体との密度比に基づいて、第１の一対のピン部材１０ａ，１０ｂ及び／又は第２の一対のピン部材１１ａ，１１ｂの引き込み作動させることにより高圧側の作動流体を取り込んだ密閉空間としての作動室を形成する旋回スクロール３の旋回位置を変更し、これにより、作動流体の取込容積を変更するように構成してもよい。
　この場合、制御部４０は、例えば高圧側の圧力Ｐｓ、高圧側の温度Ｔｓ、低圧側の圧力Ｐｄ及び低圧側の温度Ｔｄを入力し、これらに基づいて高圧側の作動流体と低圧側の作動流体との密度比を算出する。そして、制御部４０は、算出された密度比に最も近い容積比（Ｖ１／Ｖｅ、Ｖ２／Ｖｅ、Ｖ３／Ｖｅ）を実現するように、作動室を形成する旋回スクロール３の旋回位置を変更する。
　このようにすると、高圧側の作動流体が超臨界状態となる場合などポアッソンの式が成立しない条件下でも、過膨張や不足膨張の発生を効果的に抑制することができ、スクロール膨張機１における動力の回収効率の低下を抑制することができる。
　１…スクロール膨張機、２…固定スクロール、３…旋回スクロール、４…供給管、９…排出管、１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂ…ピン部材、１７…スプリング（弾性部材）、２０…固定スクロールの基部、２０ａ…固定スクロールのラップ形成面、２１…固定スクロールの渦巻きラップ、２２…導入孔、２３ａ，２３ｂ，２４ａ，２４ｂ…挿入孔、２５…第１容積室、２６…第２容積室（作動室）、２７…第３容積室（作動室）、２８ａ，２８ｂ，２９ａ，２９ｂ…連通溝、３０…旋回スクロールの基部、３１…旋回スクロールの渦巻きラップ、４０…制御部、６１ａ，６１ｂ，６２ａ，６２ｂ…凹部

Claims (10)

  1. 　基部に渦巻きラップが形成された固定スクロール及び旋回スクロールを備え、前記固定スクロールの渦巻きラップと前記旋回スクロールの渦巻きラップとの間に、高圧側の作動流体を取り込んだ密閉空間としての作動室を形成し、当該作動室内で前記作動流体が膨張することによって前記旋回スクロールが旋回すると共に当該作動室が容積を増加させながら移動し、膨張後の作動流体を低圧側に排出するスクロール膨張機であって、
    　前記作動室を形成する前記旋回スクロールの旋回位置が変更可能に構成されている、スクロール膨張機。
  2. 　前記固定スクロールの前記基部のほぼ中央に形成され、前記高圧側の作動流体を導入するための導入孔と、
    　前記固定スクロールの基部に形成された一対の挿入孔に挿入され、引き込み作動時に前記固定スクロールの基部の前記渦巻きラップが形成されたラップ形成面に一対の凹部を形成する一対のピン部材と、
    　前記固定スクロールの前記基部の前記ラップ形成面に形成され、前記一対の凹部と前記導入孔とを連通する一対の連通溝と、
    　を有し、
    　前記一対のピン部材を引き込み作動させることにより、前記作動室を形成する前記旋回スクロールの旋回位置を変更する、請求項１に記載のスクロール膨張機。
  3. 　前記一対の凹部は、前記旋回スクロールが第１旋回位置にあるときに少なくともその一部が前記旋回スクロールの前記渦巻きラップから露出する一方、前記旋回スクロールが前記第１旋回位置とは異なる第２旋回位置にあるときに、前記旋回スクロールの前記渦巻きラップによって閉塞される位置に形成され、
    　前記一対のピン部材を引き込み作動させることにより、前記作動室を形成する前記旋回スクロールの旋回位置を前記第１旋回位置から前記第２旋回位置へと変更する、請求項２に記載のスクロール膨張機。
  4. 　前記旋回スクロールが前記第１旋回位置にあるときに、前記固定スクロールの前記渦巻きラップの中央先端部及び前記旋回スクロールの前記渦巻きラップの中央先端部が相手側の前記渦巻きラップの内側壁にそれぞれ接触する、請求項３に記載のスクロール膨張機。
  5. 　前記固定スクロールの基部に形成された第２の一対の挿入孔に挿入され、引き込み作動時に前記固定スクロールの前記基部の前記ラップ形成面に第２の一対の凹部を形成する第２の一対のピン部材と、
    　前記固定スクロールの前記基部の前記ラップ形成面に形成され、前記第２の一対の凹部と前記導入孔とを連通する第２の一対の連通溝と、
    　をさらに有し、
    　前記一対のピン部材を引き込み作動させると共に前記第２の一対のピン部材を引き込み作動させることにより、前記作動室を形成する前記旋回スクロールの旋回位置をさらに変更する、請求項２～４のいずれか一つに記載のスクロール膨張機。
  6. 　前記第２の一対の凹部は、前記旋回スクロールが前記第１旋回位置にあるとき及び前記第２旋回位置にあるときに少なくともその一部が前記旋回スクロールの前記渦巻きラップから露出する一方、前記旋回スクロールが前記第１、第２旋回位置とは異なる第３旋回位置にあるときに、前記旋回スクロールの前記渦巻きラップによって閉塞される位置に形成され、
    　前記一対のピン部材及び前記第２の一対のピン部材を引き込み作動させることにより、前記作動室を形成する前記旋回スクロールの旋回位置を前記第１旋回位置又は前記第２旋回位置から前記第３旋回位置へと変更する、請求項５に記載のスクロール膨張機。
  7. 　前記ピン部材は弾性部材によって付勢されており、
    　前記挿通孔の前記ピン部材の後端側に前記低圧側の圧力を導入することにより、前記ピン部材を引き込み作動させる、請求項２～６のいずれか一つに記載のスクロール膨張機。
  8. 　前記ピン部材は弾性部材によって付勢されており、
    　電磁ソレノイド式のアクチュエータを備え、
    　前記アクチュエータへの通電によって前記ピン部材を引き込み作動させる、請求項２～６のいずれか一つに記載のスクロール膨張機。
  9. 　前記高圧側の圧力に基づいて、前記作動室を形成する前記旋回スクロールの旋回位置を変更する、請求項１～８のいずれか一つに記載のスクロール膨張機。
  10. 　前記高圧側の作動流体と前記低圧側の作動流体との密度比に基づいて、前記作動室を形成する前記旋回スクロールの旋回位置を変更する、請求項１～８のいずれか一つに記載のスクロール膨張機。
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