JP2007032291A - スクロール膨張機 - Google Patents

Abstract

【課題】スクロール膨張機はスクロール圧縮機と比較した場合、旋回スクロールのスラスト摺動部での損失割合が大きく、スクロール膨張機の高効率化ではスラスト摺動部の損失改善が非常に重要である。また、冷凍サイクル内へのオイル排出についても高効率化の観点から極力少なく抑えなければならない。
【解決手段】固定スクロール１２上のスラスト荷重を支持するスラスト面に、一端が第２背圧室２９ｂで他端が旋回スクロール１３のラップ外壁側と固定スクロール１２のラップ内壁側とで形成される膨張終了付近の膨張室１５に開口した少なくとも１つ以上のオイル給油溝９０を設けることにより、スラスト摺動面１０１を確実に潤滑しながら高い効率を実現するスクロール膨張機を提供できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、鏡板から渦巻き状の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、膨張、吐出を行うスクロール膨張機に関するものである。

従来、この種のスクロール流体機械のスクロール圧縮機においては、旋回スクロールおよび固定スクロール間の圧縮室で流体を吸入し、圧縮し、吐出するのに、旋回スクロールの背部に背圧室を設け、ここに導いた高圧の背圧によって旋回スクロールを固定スクロールの側に押圧し、圧縮室での流体圧により旋回スクロールが固定スクロールから押し離されないようにすることが従来から行われている。

この背圧は圧縮機構の吐出流体圧、圧縮途中の流体圧、旋回スクロールに連動するポンプ機構や圧縮機構の吐出側と吸入側の差圧を利用して、圧縮機構各部にオイルを供給するときの供給圧などの種々の方法で得られているが、背圧の変動により背圧設定が過剰となり、旋回スクロールが固定スクロールに強く押し付けられてしまうと、スラスト摺動部の異常摩耗や入力増加を招いてしまうため、背圧調整機構などを用いて様々な改善が加えられている。

また、スクロール圧縮機においては、スラスト摺動部をオイルを用いて積極的に潤滑を行う場合、圧縮行程中の圧縮室にまでオイルが流入し、オイルの過熱損失によって効率を大きく低下させる問題を有していた。この問題を解決するために、固定スクロールのスラスト摺動部にオイル供給溝を設ける技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

図３は特許文献１に記載された従来のスクロール膨張機における固定スクロールの平面図を示すものである。図３に示すように、背圧室に達したオイルが堀込み部２７０を通じてオイル供給溝２７１に進入して毛細管現象によってその全長に行き渡り、摺動部を適度に潤滑して効率低下等の問題を防止するものである。
特開２０００−２９１５７１号公報

スクロール流体機械のスクロール膨張機においても、旋回スクロールの支持方法として圧縮機と同様の手段を用いることが考えられるが、以下の課題によりスクロール膨張機でのスラスト摺動部の潤滑性能を向上させることが非常に重要となってくる。

スクロール圧縮機とスクロール膨張機とを同等レベルのサイズで構成し、同条件（周波数、高圧／低圧、作動流体、スラスト損失）で運転した場合、「圧縮機の入力」と「膨張機の出力」に対するスラスト損失の割合は、一般的には「膨張機」＞「圧縮機」となる。これは作動流体の物性で決定される理論圧縮動力、理論膨張動力の関係から決まるものである。

したがってスクロール膨張機におけるスラスト摺動部の潤滑性能向上とスラスト損失の低減は、高効率化の観点からも非常に重要度は高い。

さらに作動流体として二酸化炭素を用いた場合には、超臨界領域から気液２相域への膨
張となり、潤滑のためのオイルが作動流体で洗い流される状態も想定され、スラスト摺動部を含めて潤滑状態は非常に厳しいものとなる。

本発明は、そのような課題を解決するもので、スクロール流体機械のうちスクロール膨張機特有の構成を用いてスラスト摺動部での潤滑性を向上し、スラスト損失の少ない高効率なスクロール膨張機を提供するとともに、スクロール膨張機搭載のサイクル性能の向上を目的とする。

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、旋回スクロールの背面側に中心部と外周部とを仕切るシール部材を配置し、吸入圧力または略吸入圧力であるオイルあるいはオイル雰囲気の作動流体が作用する中心部の第１背圧室、第１背圧室の外方で略吐出圧力であるオイルあるいはオイル雰囲気の作動流体が作用する第２背圧室が形成され、第１背圧室と第２背圧室の圧力により旋回スクロールのスラスト荷重が前記固定スクロールに支持されるとともに、固定スクロールのスラスト荷重を支持するスラスト面に、
一端が第２背圧室で他端が旋回スクロールのラップ外壁側と固定スクロールのラップ内壁側とで形成される膨張終了付近の膨張室に開口した少なくとも１つ以上のオイル給油溝が設けられたものである。

これによって、固定スクロールと旋回スクロールとの摺動部の潤滑を確実に行いながら高い効率を実現するとともに、容易に膨張機のオイル吐出量を制御しサイクル側での熱交換器性能の低下を抑制できるスクロール膨張機を提供することができる。

本発明のスクロール膨張機は、スクロール膨張機特有の構成により、スラスト摺動部を積極的に潤滑しても膨張機性能を大きく低下させない特徴を用いて、高効率でかつ信頼性の高い膨張機効率を実現することができる。また、作動流体を、高圧冷媒、例えば二酸化炭素とすることにより特に高い効果を実現することができる。二酸化炭素を作動流体に用いた冷凍装置おいて、膨張弁の代替として膨張機を用いることによりエネルギー消費効率をさらに高めることができる。

第１の発明は、鏡板から渦巻き状の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円軌道に沿って旋回させたとき前記膨張室が容積を変えながら移動することで、吸入、膨張、吐出を行う膨張機構部を備えたスクロール膨張機において、前記旋回スクロールの背面側に中心部と外周部とを仕切るシール部材を配置し、吸入圧力または略吸入圧力であるオイルあるいはオイル雰囲気の作動流体が作用する中心部の第１背圧室、第１背圧室の外方で略吐出圧力であるオイルあるいはオイル雰囲気の作動流体が作用する第２背圧室が形成され、前記第１背圧室と前記第２背圧室の圧力により前記旋回スクロールのスラスト荷重が前記固定スクロールに支持されるとともに、前記固定スクロールの前記スラスト荷重を支持するスラスト面に、一端が前記第２背圧室で他端が前記旋回スクロールのラップ外壁側と前記固定スクロールのラップ内壁側とで形成される膨張終了付近の膨張室に開口した少なくとも１つ以上のオイル給油溝を設けたものである。

これによって、旋回スクロールを安定的に固定スクロールに支持しながら、オイル給油溝を介して適度にスラスト面が摺動しているスラスト摺動部にオイルを供給することが可能となる。オイル供給量は、第１背圧室から第２背圧室への減圧等の手段を適宜設けることにより比較的容易にコントロールすることができる。

また、スラスト摺動部を潤滑し終えたオイルは膨張終了付近の膨張室に導かれるが、膨張終了付近の膨張室においてはオイル流入の影響による膨張機性能への影響は比較的少ない。しかしながらオイル流入量が多い場合には、サイクル側での熱交換器の性能低下をもたらすためオイル流入量のコントロールは非常に重要である。

第２の発明は、特に、第１の発明で、旋回スクロールの鏡板が旋回運動中においても、第２背圧室と連通する一部を除いて、オイル供給溝を常に覆う構成としたものである。
これによって、オイル供給溝内のオイルの流れは分断されることなく常に一本道となり、安定的にスラスト摺動面へのオイルの供給を行うことができる。

第３の発明は、特に、第２の発明で、オイル供給溝が、１８０°以上の範囲でおおよそ全周にわたって設けられたものであり、スラスト摺動部の大半をオイル供給することが可能となる。さらに、スクロール膨張機が横置き配置の場合においても、第２背圧室への開口部を配置する角度的な自由度が高まり、オイルの安定供給が可能となる。

第４の発明は、特に、第１〜３の発明で、オイル供給溝内の流れ方向が、旋回スクロールの旋回方向とほぼ同方向で構成したものである。これによって、差圧だけでなく、旋回スクロールの旋回運動によるオイルの粘性作用の効果も加わり、スラスト摺動部の温度上昇が懸念させる高速運転時の場合においても、より高い効果を発揮できる。

第５の発明は、特に、第１〜４のいずれか１つの発明で、作動流体として高圧ガス、例えば二酸化炭素を用いたものである。これによって、膨張過程での理論回収動力がフロン系冷媒と比べて大きいので、よりスクロール膨張機を用いたシステム効率をより高めることができる。また、二酸化炭素はフロン系冷媒に比べて差圧がより大きいため、スラスト摺動部での損失が一段と大きくなり、本発明の効果をより高めることができる。

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）
図１は、本発明の第１の実施の形態におけるスクロール膨張機の断面図である。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２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、クランク軸４の上端にある偏心軸部４ａ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を円軌道運動させている。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容積が大きくなるのを利用して、密閉容器１外に通じた吸入パイプ１６および固定スクロール１２の中央部の吸入口１７から作動流体を吸入して膨張していき、所定圧以下になった作動流体は固定スクロール１２の外周側の吐出口１８から密閉容器１外に吐出させることを繰り返す。

作動流体の膨張による動力は、膨張機構２の下部に配置されたジェネレータ３により電力として変換される。本実施の形態ではジェネレータ３を用いているが、クランク軸４に別の圧縮機構を連結していれば、膨張による動力はそのまま圧縮機構のアシストとして用いることができる。

本実施の形態では、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ポンプ２５を備えている。オイル６は、オイル溜め２０からポンプ２５により供給され、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、オイル戻し孔２６を経て再循環を行う。

一方、旋回スクロール１３の反ラップ側の鏡板背面に、中心部と外周部とを仕切るシール部材４６を配置している。シール部材４６の内側で構成されるおおよそ吸入圧力が作用する空間を第１背圧室２９ａ、シール部材４６の外側で主軸受部材１１と旋回スクロール１３と固定スクロール１２で構成される空間を第２背圧室２９ｂとしている。第２背圧室２９ｂは、固定スクロール１２の旋回スクロール１３のスラスト摺動面１０１上に構成されたオイル給油溝９０を介して固定スクロール１２のおおよそ吐出部と連通しており、吐出圧力に近い圧力に保たれている。シール部材４６は偏心軸受部１１ｂに到達したオイル６の圧力と背圧室２９ａ、ｂの圧力をシールする役割を持っている。

偏心軸受部１１ｂに到達したオイル６の一部は、旋回スクロール１３の内部に設けられた絞り部２８により減圧されて第２背圧室２９ｂに供給される。絞り部２８の形態としては様々な形態が考えられ、本実施の形態では単純な絞り構造を用いたものを採用している。オイル６の流量を極端に少なくしたい場合などには、絞り部２８と旋回スクロール１３の旋回運動を利用した間欠的な給油方式を複合した形態等も考えられ、旋回スクロール１３部でオイル６の流量をコントロールすることは構成の自由度も高く比較的容易に実現できる。

以上の構成により、旋回スクロール１３は固定スクロール１２に第１背圧室２９ａ、第２背圧室２９ｂの圧力により適度な押し付け力で押圧され旋回スクロール１３のスラスト荷重が固定スクロール１２に支持されている。

スクロール流体機械は容積型の流体機械のため、特段の構成を用いない場合は、スクロールラップ形状により圧縮比あるいは膨張比が決定される。スクロール膨張機がある運転圧力範囲内で運転され、過膨張あるいは不足膨張が発生する場合であってもラップ形状の選定とシール部材４６の径の選定を最適に行うことにより、押し付け力は最適値に設定することができる。

図２は、本発明の実施の形態におけるスクロール膨張機の固定スクロール１２の平面図で、旋回スクロール１３のラップとの噛み合わせを示したものである。図２を用いてオイル給油溝９０について詳細に説明する。

オイル給油溝９０は固定スクロール１２と旋回スクロール１３とのスラスト摺動面１０１上に構成された溝であり、一端が第２背圧室２９ｂで他端が旋回スクロール１３のラップ外壁側と固定スクロール１２のラップ内壁側とで形成される膨張終了付近の膨張室１５に開口して構成されており、複数設けられていてもよい。上記構成をとることにより、第２背圧室２９ｂに減圧供給されたオイル６で第２背圧室２９ｂ内が満たされると、オイル給油溝９０を介してオイル６が膨張終了付近の膨張室１５へ供給されることとなる。オイル給油溝９０内には安定してオイル６が流れ、スラスト摺動面１０１の潤滑性を向上することができる。

スクロール膨張機の場合には、背圧室２９ｂから膨張室１５へ流入したオイル６は膨張機構２の性能に大きく影響を与えることは少ない。これはラップ中心部から作動流体の膨張行程が開始し、ラップ外周部では膨張行程がほぼ完了し、吐出行程に移っていることによるものである。しかしながら、膨張室１５へ流入したオイル６はそのまま膨張機構２外へ排出され、膨張機の下流の冷凍サイクル中へと流入する。冷凍サイクル中の蒸発器では
オイル６の影響で熱交換効率が低下することが懸念され、極力オイル６の排出を抑えることがサイクル性能向上に結びつく。

本実施の形態では、オイル６の流量調整は絞り部２８で行っており、構成自由度も高く、流量の安定性も高い。また、オイル６の流量が微少になった場合においても、オイル給油溝９０への供給は比較的安定して行うことが可能である。これにより、スラスト摺動部の信頼性が高く、高効率なスクロール膨張機を提供できるとともに、冷凍サイクルの性能向上も実現することができる。

なお、オイル供給溝９０が第２背圧室２９ｂと連通する連通部９１を除いて、旋回スクロール１３の鏡板が常に覆う位置に構成されている場合は、オイル供給溝９０は連通部９１を除いて第２背圧室２９ｂと連通はしなくなる。例えば、旋回スクロール１３の鏡板の外周によって描かれる内外の包絡線のうち、内側包絡線９２よりもオイル供給溝９０が内側に構成されている場合である。このような構成の場合、オイル供給溝９０内のオイル６の流れは分断されることなく常に一本道となり、安定的にスラスト摺動面１０１へのオイルの供給を行うことができる。これにより、本実施の形態の効果を高めより信頼性の高いスクロール膨張機を供給することができる。

また、オイル供給溝９０はスラスト摺動面１０１の広範囲にわたって設けた方が望ましいが、１８０°以上の範囲でおおよそ全周にわたって設けることにより、スラスト摺動部の大半にオイル６を供給することが可能となる。さらに、図１のようにスクロール膨張機が縦型に構成された場合ではなく、横置き配置の場合においても（図示なし）、第２背圧室２９ｂへの開口部を配置する角度的な自由度が高まり、第２背圧室２９ｂの下方に偏在するオイル６を安定的にオイル供給溝９０へ供給することが可能となる。

本実施の形態において、オイル供給溝９０内のオイル６の流れ方向は、図１上の右回り、左周りのいずれでも問題はなく、第２背圧室２９ｂへの開口部の配置位置により選択することができる。ただし、オイル供給溝９０内の流れ方向が旋回スクロール１３の旋回方向とほぼ同方向で旋回方向に沿うように構成した場合、旋回スクロール１３の旋回運動によるオイル６の粘性抵抗の効果も期待できる。したがってオイル６の流量が微少な場合においても安定的にオイル６の供給が行える。

本実施の形態では、膨張機の作動流体として特に規定しているものではないが、高圧冷媒、例えば二酸化炭素とした場合では、膨張過程での理論回収動力をフロン系冷媒と比べて非常に大きくすることが可能となる。このことを利用して、スクロール膨張機を従来の冷凍サイクルにおける膨張弁と置き換えることにより、従来無駄にしていた膨張動力を回収してシステム全体の効率をより高めることができる。また、二酸化炭素はフロン系冷媒に比べて差圧がより大きいため、スラスト摺動面１０１での損失が一段と厳しくかつ大きくなり、本発明の効果をより高めることができる。

以上のように、本発明にかかるスクロール膨張機は、旋回スクロールと固定スクロールのスラスト摺動部での潤滑状態を良好にすることができるため高信頼性で、高効率なスクロール膨張機を提供することができるとともに、冷凍サイクル側へのオイル排出量を安定的に少なくすることが容易となり、熱交換効率を高めた冷凍サイクルを提供することができる。また、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の用途にも適用できる。

本発明の実施の形態におけるスクロール膨張機の縦断面図 本発明の実施の形態におけるスクロール膨張機の膨張機構の断面図 従来のスクロール圧縮機における固定スクロールの平面図

符号の説明

１ 密閉容器
２ 膨張機構
６ オイル
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
２７ 作動流体
２９ａ 第１背圧室
２９ｂ 第２背圧室
４６ シール部材
９０ オイル供給溝
９１ 連通部
１０１ スラスト摺道面

Claims (5)

1. 鏡板から渦巻き状の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円軌道に沿って旋回させたとき前記膨張室が容積を変えながら移動することで、吸入、膨張、吐出を行う膨張機構部を備えたスクロール膨張機において、前記旋回スクロールの背面側に中心部と外周部とを仕切るシール部材を配置し、吸入圧力または略吸入圧力であるオイルあるいはオイル雰囲気の作動流体が作用する中心部の第１背圧室、第１背圧室の外方で略吐出圧力であるオイルあるいはオイル雰囲気の作動流体が作用する第２背圧室が形成され、前記第１背圧室と前記第２背圧室の圧力により前記旋回スクロールのスラスト荷重が前記固定スクロールに支持されるとともに、前記固定スクロールの前記スラスト荷重を支持するスラスト面に、一端が前記第２背圧室で他端が前記旋回スクロールのラップ外壁側と前記固定スクロールのラップ内壁側とで形成される膨張終了付近の膨張室に開口した少なくとも１つ以上のオイル給油溝を設けことを特徴とするスクロール膨張機。
2. 旋回スクロールの鏡板が旋回運動中においても、第２背圧室と連通する一部を除いて、オイル供給溝を常に覆うことを特徴とする請求項１記載のスクロール膨張機。
3. オイル供給溝が、１８０°以上の範囲でおおよそ全周にわたって設けられた請求項２記載のスクロール膨張機。
4. オイル供給溝内の流れ方向が、旋回スクロールの旋回方向と略同方向であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のスクロール膨張機。
5. 作動流体を、高圧冷媒、例えば二酸化炭素とす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。

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