JP4599764B2

JP4599764B2 - Scroll type fluid machine and refrigeration system

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Publication number: JP4599764B2
Application number: JP2001174504A
Authority: JP
Inventors: 克己鉾谷; 道雄森脇; 和宏古庄
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2001-06-08
Filing date: 2001-06-08
Publication date: 2010-12-15
Anticipated expiration: 2021-06-08
Also published as: JP2002364562A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スクロール型の流体機械に関し、特に流体の膨張によって回転するものに係る。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、スクロール型の流体機械が広く知られており、圧縮機や膨張機として利用されている。例えば、日本冷凍協会発行の「新版冷凍空調便覧第５版第２巻機器編」３７〜４３ページには、スクロール型流体機械を冷媒の圧縮機に適用したものが開示されている。また、特開２００１−１０７８８１号公報には、スクロール型流体機械を冷媒の膨張機に適用したものが開示されている。
【０００３】
図１２に示すように、上記スクロール型流体機械は、固定スクロール（a）と可動スクロール（b）とを備えている。固定スクロール（a）と可動スクロール（b）とには、インボリュート曲線を描く渦巻き状のラップ（c）が設けられる。ラップ（c）の肉厚は、その全長に亘って一定とされる。このスクロール型流体機械では、固定スクロール（a）と可動スクロール（b）のラップ（c）がその位相を１８０°ずらせて噛み合わされ、両ラップ（c）の間に流体室（d）が形成される。
【０００４】
上記スクロール型流体機械において、可動スクロール（b）は、固定スクロール（a）の中心回りに一定の旋回半径で公転する。その際、可動スクロール（b）は、自転することなく公転する。固定スクロール（a）と可動スクロール（b）とで区画された流体室（d）は、その体積が可動スクロール（b）の公転に伴って変化する。このスクロール型流体機械を膨張機として用いる場合、固定スクロール（a）の流入口（e）から流体室（d）へ高圧の流体が導入される。そして、流体室（d）内の流体によって可動スクロール（b）が押し動かされ、流体の膨張仕事が可動スクロール（b）の回転動力として取り出される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のスクロール型流体機械を膨張機として用いる場合において、超臨界圧状態の流体を気液二相状態にまで膨張させようとすると、次のような問題が生じていた。ここでは、その問題点について説明する。
【０００６】
例えば、二酸化炭素（ＣＯ₂）を超臨界圧状態から気液二相状態にまで膨張させる場合、二酸化炭素の状態は図１３に実線で示すように変化する。つまり、点ｃの状態（超臨界圧状態）の二酸化炭素は、膨張して圧力が低下し、点ｄにおいて飽和液状態となる。その後、二酸化炭素は、気液二相状態となって膨張を続け、点ｅの状態となる。この場合、点ｃから点ｄへ至る間は、二酸化炭素の圧力が大幅に低下しても、比容積の増加量はさほど大きくない。一方、点ｄから点ｅへ至る間は、二酸化炭素の圧力が変化するに従って、その比容積も比較的大幅に変化する。
【０００７】
これに対し、従来のスクロール型流体機械では、可動スクロール（b）の回転に伴って流体室（d）の体積が常に一定の割合で変化する構成となっている。従って、流体が超臨界圧状態（点ｃの状態）から飽和液の状態（点ｄの状態）へ至るまでの動力回収を重視し、流体室（d）の体積変化率を小さく設定すると、所定の膨張比を得るのに必要なラップ（c）の巻数が増大してしまう。そのため、固定スクロール（a）や可動スクロール（b）が大型化し、ひいてはスクロール型流体機械の大型化を招くという問題があった。
【０００８】
また、これとは逆に流体が気液二相状態で膨張する間（点ｄから点ｅに至るまでの間）における動力回収を重視し、流体室（d）の体積変化率を大きく設定すると、流体が超臨界圧状態（点ｃの状態）から飽和液の状態（点ｄの状態）へ至るまでの動力回収が不充分となってしまう。更には、図１３に示すように流体の特性がその膨張過程で大きく変化してしまうため、得られる回転動力のトルク変動幅が大きくなってしまうという問題もあった。
【０００９】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、超臨界圧状態の流体を気液二相状態にまで膨張させるスクロール型流体機械において、その大型化を回避しつつ、回収可能な動力の確保や得られる動力のトルク変動の削減を可能とすることにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明が講じた第１の解決手段は、それぞれに渦巻き状のラップ（63,66）が形成される固定スクロール（61）と可動スクロール（64）とを備え、固定スクロール（61）と可動スクロール（64）のラップ（63,66）を互いに噛み合わせることで膨張室（71,72）が形成されるスクロール型流体機械を対象としている。そして、超臨界圧の流体が上記膨張室（71,72）へ流入し、該流体が膨張して気液二相状態となって該膨張室（71,72）から流出する一方、上記膨張室（71,72）が密閉空間となっている間において、可動スクロール（64）の回転角が所定値となるまでは膨張室（71,72）の体積が第１の変化率で増大し、可動スクロール（64）の回転角が上記所定値を超えると膨張室（71,72）の体積が第２の変化率で増大すると共に、上記第１の変化率が上記第２の変化率よりも小さくなるように構成されるものである。
【００１１】
本発明が講じた第２の解決手段は、上記第１の解決手段において、膨張室（71,72）の体積変化率が可動スクロール（64）の回転に伴って第１の変化率から第２の変化率へと変化するように、ラップ（63,66）の肉厚を変化させるものである。
【００１２】
本発明が講じた第３の解決手段は、上記第２の解決手段において、ラップ（63,66）には、該ラップ（63,66）の中心側端部から外周側端部に向かう伸長方向へ進むにつれてラップ（63,66）の肉厚が次第に減少する肉厚減少部と、該肉厚減少部の終端に連続し且つ上記伸長方向へ進むにつれてラップ（63,66）の肉厚が次第に増大する肉厚増大部とが形成されるものである。
【００１３】
本発明が講じた第４の解決手段は、上記第２の解決手段において、ラップ（63,66）には、該ラップ（63,66）の中心側端部から外周側端部に向かう伸長方向へ進むにつれてラップ（63,66）の肉厚が次第に減少する肉厚減少部（81）と、該肉厚減少部（81）の終端に連続し且つラップ（63,66）の肉厚が一定に保たれる薄肉部（82）と、該薄肉部（82）の終端に連続し且つ上記伸長方向へ進むにつれてラップ（63,66）の肉厚が次第に増大する肉厚増大部（83）とが形成されるものである。
【００１４】
本発明が講じた第５の解決手段は、上記第２又は第３の解決手段において、ラップ（63,66）は、該ラップ（63,66）の全長に亘ってインボリュート曲線状に形成され、上記ラップ（63,66）の形状を表すインボリュート曲線の基礎円半径を該インボリュート曲線の伸開角に応じて増減させることにより上記ラップ（63,66）の肉厚を変化させるものである。
【００１５】
本発明が講じた第６の解決手段は、上記第２又は第４の解決手段において、ラップ（63,66）の内側面及び外側面にインボリュート曲線状の部分と円弧状の部分とを交互に形成することにより上記ラップ（63,66）の肉厚を変化させるものである。
【００１６】
本発明が講じた第７の解決手段は、上記第１又は第２の解決手段において、膨張室（71,72）は、第１の膨張室（71）と第２の膨張室（72）とが対になって形成されており、上記第１の膨張室（71）の閉じ込み完了時期が上記第２の膨張室（72）の閉じ込み完了時期よりも遅らされ、且つ上記第１の膨張室（71）からの流体の流出開始時期が上記第２の膨張室（72）からの流体の流出開始時期よりも遅らされるものである。
【００１７】
本発明が講じた第８の解決手段は、上記第７の解決手段において、第１の膨張室（71）における膨張比と第２の膨張室（72）における膨張比とが等しくなるように構成されるものである。
【００１８】
本発明が講じた第９の解決手段は、上記第７又は第８の解決手段において、固定スクロール（61）と可動スクロール（64）のうち何れか一方のラップ（63）は、他方のラップ（66）における外周側端部の近傍にまで伸長されるものである。
【００１９】
本発明が講じた第１０の解決手段は、冷凍装置を対象とし、請求項１乃至９の何れか１つに記載のスクロール型流体機械（60）と冷媒の圧縮機（50）とが接続され、且つ冷媒として二酸化炭素が充填された冷媒回路（20）を備え、上記冷媒回路（20）で冷媒を循環させて冷凍サイクルを行う際には、上記圧縮機（50）で冷媒を該冷媒の臨界圧力以上にまで圧縮すると共に、圧縮された冷媒を上記スクロール型流体機械（60）で膨張させて回収した動力を上記圧縮機（50）の駆動に利用しているものである。
【００２０】
−作用−
上記第１の解決手段では、膨張室（71,72）が密閉空間となっている間、即ち、膨張室（71,72）における閉じ込み完了時点から流体の流出開始時点までの間において、可動スクロール（64）の回転に伴う膨張室（71,72）の体積変化率が変動する。具体的に、膨張室（71,72）の閉じ込み完了後に可動スクロール（64）が所定角度だけ公転するまでは、膨張室（71,72）の体積変化率が第１の変化率となる。一方、可動スクロール（64）が所定角度以上に移動した状態では、膨張室（71,72）の体積変化率が第２の変化率となる。そして、本解決手段では、第１の変化率が第２の変化率よりも小さくなっている。つまり、可動スクロール（64）の回転角が所定値に達するまでは、その回転角が所定値を超えた後に比べて、膨張室（71,72）の体積が緩やかに増加してゆく。
【００２１】
上記第２の解決手段では、固定スクロール（61）や可動スクロール（64）に形成されたラップ（63,66）は、その肉厚が場所によって変更されている。そして、ラップ（63,66）の肉厚を増減させることにより、膨張室（71,72）の体積変化率を第１の変化率から第２の変化率へと変化させている。
【００２２】
上記第３の解決手段では、ラップ（63,66）の伸長方向において、肉厚減少部と肉厚増大部とが順に連続して形成される。肉厚減少部では、ラップ（63,66）の伸長方向へ進むにつれて該ラップ（63,66）の肉厚が徐々に薄くなってゆく。肉厚増大部では、ラップ（63,66）の伸長方向へ進むにつれて該ラップ（63,66）の肉厚が徐々に厚くなってゆく。
【００２３】
上記第４の解決手段では、ラップ（63,66）の伸長方向において、肉厚減少部と薄肉部（82）と肉厚増大部（83）とが順に連続して形成される。肉厚減少部（81）では、ラップ（63,66）の伸長方向へ進むにつれて該ラップ（63,66）の肉厚が徐々に薄くなってゆく。薄肉部（82）では、ラップ（63,66）の肉厚が肉厚減少部（81）の終端における厚さのまま一定に保たれる。肉厚増大部（83）では、ラップ（63,66）の伸長方向へ進むにつれて該ラップ（63,66）の肉厚が徐々に厚くなってゆく。
【００２４】
上記第５の解決手段では、インボリュート曲線状のラップ（63,66）の肉厚が、そのインボリュート曲線の基礎円半径を増減させることによって変化する。具体的には、そのインボリュート曲線の基礎円半径を小さくしてゆくとラップ（63,66）の肉厚が次第に減少し、そのインボリュート曲線の基礎円半径を大きくしてゆくとラップ（63,66）の肉厚が次第に増加する。
【００２５】
上記第６の解決手段では、ラップ（63,66）の内側及び外側にインボリュート曲線状に湾曲する部分と円弧状に湾曲する部分とが交互に形成される。このような２つの部分を交互に形成することで、ラップ（63,66）の肉厚を場所によって変化させている。
【００２６】
上記第７の解決手段では、可動スクロール（64）が回転してゆく間において、第１の膨張室（71）が密閉空間となる期間と、第２の膨張室（72）が密閉空間となる期間とが相違している。この点について説明する。
【００２７】
先ず、本解決手段において、第１の膨張室（71）と第２の膨張室（72）とでは、閉じ込みの完了するタイミングが異なっている。つまり、第２の膨張室（72）への流体の流入が完了してからも、第１の膨張室（71）へ流体が流入し続ける。そして、第２の膨張室（72）の閉じ込み完了時点から可動スクロール（64）が所定の角度だけ公転した後に、第１の膨張室（71）の閉じ込みが完了する。その後、各膨張室（71,72）では流体が膨張し、該流体の膨張仕事が可動スクロール（64）の回転動力として取り出される。その際、各膨張室（71,72）の閉じ込み時期が異なるため、ある瞬間における各膨張室（71,72）の内圧は互いに相違している。
【００２８】
更に、本解決手段において、第１の膨張室（71）と第２の膨張室（72）とでは、流体が膨張室（71,72）から流出し始めるタイミングが異なっている。つまり、第２の膨張室（72）の外部へ流体が流出し始めてからも、第１の膨張室（71）において流体が膨張し続ける。そして、第２の膨張室（72）からの流体の流出開始時点から可動スクロール（64）が所定の角度だけ公転した後に、第１の膨張室（71）から流体が流出し始める。
【００２９】
上記第８の解決手段では、対となる膨張室（71,72）について、それぞれの膨張比が互いに等しくなっている。つまり、膨張室（71,72）から流出する流体の圧力は、対となる膨張室（71,72）の何れについても同じとなる。ここで、膨張比とは、閉じ込み完了直後における膨張室（71,72）の体積と、流体の流出開始直前における膨張室（71,72）の体積との比である。
【００３０】
上記第９の解決手段では、固定スクロール（61）のラップ（63）と可動スクロール（64）のラップ（66）とは、両者を噛み合わせた状態で、一方の外周側端部が他方の外周側端部の近傍に位置するような所定の形状に形成されている。第１又は第２の膨張室（71,72）から流出する流体は、各ラップ（63,66）の外周側端部付近から各膨張室（71,72）の外へ送り出される。つまり、両膨張室（71,72）内の流体は、ラップ（63,66）の周方向のほぼ同じ位置で膨張室（71,72）から流出する。
【００３１】
上記第１０の解決手段では、本発明に係るスクロール型流体機械（60）を用いた冷凍装置（10）が構成される。この冷凍装置（10）において、スクロール型流体機械（60）は、冷媒の圧縮機（50）と共に冷媒回路（20）に接続される。また、冷媒回路（20）には、冷媒として二酸化炭素（ＣＯ₂）が充填される。
【００３２】
冷媒回路（20）では、冷媒である二酸化炭素が循環し、冷凍サイクルが行われる。具体的に、圧縮機（50）では冷媒が圧縮され、該冷媒（ＣＯ₂）の臨界圧力以上にまで昇圧される。圧縮機（50）から吐出された冷媒は、例えば空気等へ放熱する。放熱後の冷媒は、膨張機としての上記スクロール型流体機械（60）へ流入する。スクロール型流体機械（60）では、冷媒の膨張仕事が回転動力として取り出される。スクロール型流体機械（60）で取り出された回転動力は、圧縮機（50）を駆動して冷媒を圧縮するための動力として利用される。スクロール型流体機械（60）から流出した膨張後の冷媒は、例えば空気等から吸熱した後に圧縮機（50）に吸入され、再び圧縮される。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、スクロール型流体機械において、膨張室（71,72）における流体の膨張が始まってしばらくの間は膨張室（71,72）の体積変化率を小さくすることができる。従って、超臨界圧状態の流体が飽和液となる過程では膨張室（71,72）の体積変化率を小さくし、流体が気液二相状態となって膨張する過程では膨張室（71,72）の体積変化率を大きくすることが可能となる。
【００３４】
このため、本発明によれば、ラップ（63,66）の巻き数を増やすことなく、膨張室（71,72）の体積変化率を超臨界圧状態の流体が飽和液となる過程に適したものとすることができ、スクロール流体機械の大型化を回避できる。また、本発明によれば、膨張室（71,72）の体積変化率が一定となる従来のスクロール流体機械に比べ、超臨界圧状態の流体が飽和液となる過程においても充分な動力回収が可能となる。更に、本発明によれば、膨張する流体の特性変化に対応して膨張室（71,72）の体積変化率を変更できるため、流体の膨張により得られる回転動力のトルク変動幅を縮小できる。
【００３５】
特に、上記第７の解決手段では、対となって形成される第１の膨張室（71）と第２の膨張室（72）とについて、それぞれの閉じ込み完了時期と流体の流出開始時期とを相違させている。このため、本解決手段によれば、膨張室（71,72）における流体の膨張により可動スクロール（64）へ付与される回転力の変動幅を小さくでき、スクロール型流体機械（60）で得られる回転動力のトルク変動幅を一層小さくすることができる。
【００３６】
更に、上記第７の解決手段では、第１の膨張室（71）と第２の膨張室（72）とで閉じ込み完了時期がずれており、従来のような両膨張室（71,72）が同時に閉じ込みを完了するものに比べ、流体の流入口（69）を通る流体の流速が低くなる。このため、流入口（69）を通過する際の流体の圧力損失を低減することができ、膨張室（71,72）へ流入する流体の圧力を高く維持することができる。従って、本解決手段によれば、膨張機としてのスクロール型流体機械（60）へ流入する流体と、そこから流出する流体との圧力差を充分に確保でき、スクロール型流体機械（60）で取り出せる回転動力を向上させることができる。
【００３７】
また、上記第９の解決手段によれば、固定スクロール（61）又は可動スクロール（64）のラップ（63,66）を所定の形状としている。このため、ラップ（63,66）の周方向のほぼ同じ位置から膨張室（71,72）内の流体を流出させることができる。
【００３８】
ここで、図１２に示す従来のスクロール型流体機械を膨張機として用いた場合、膨張室（d）内の流体は、ラップ（c）の周方向の１８０°離れた位置から流出する。それ故、スクロール型流体機械からの流体の流出ポートを一箇所だけにしようとすると、何れか一方の膨張室（d）から流出する流体は、ラップ（c）の外側を迂回して流れて流出ポートへ導かれることとなる。そして、ラップ（c）の外側を迂回する間に、膨張室（d）から流出した流体が吸熱し、スクロール型流体機械から送り出される流体のエンタルピが増大してしまう。
【００３９】
これに対し、本解決手段によれば、ラップ（63,66）の周方向のほぼ同じ位置から膨張室（71,72）内の流体を流出させることが可能である。従って、膨張室（71,72）から流出した流体を直ちに一箇所の流出ポート（37）へ導くことができ、スクロール型流体機械（60）から送り出される流体のエンタルピが増大するのを防止できる。
【００４０】
また、上記第１０の解決手段では、本発明に係るスクロール型流体機械（60）を膨張機として冷凍装置（10）に設け、冷媒の膨張仕事を回転動力として回収し、更には回収した回転動力を圧縮機（50）の駆動に利用している。従って、本解決手段によれば、圧縮機（50）で冷媒を圧縮するために外部から供給される電力等のエネルギを削減でき、冷凍装置（10）のＣＯＰ（成績係数）を向上させることができる。
【００４１】
【発明の実施の形態１】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。本実施形態１は、本発明に係る冷凍装置によって構成された空調機（10）である。
【００４２】
《空調機の全体構成》
図１に示すように、上記空調機（10）は、いわゆるセパレート型のものであって、室外機（11）と室内機（13）とを備えている。室外機（11）には、室外ファン（12）、室外熱交換器（23）、第１四路切換弁（21）、第２四路切換弁（22）、及び圧縮・膨張ユニット（30）が収納されている。室内機（13）には、室内ファン（14）及び室内熱交換器（24）が収納されている。そして、室外機（11）は屋外に設置され、室内機（13）は屋内に設置されている。また、室外機（11）と室内機（13）とは、一対の連絡配管（15,16）で接続されている。尚、圧縮・膨張ユニット（30）の詳細は後述する。
【００４３】
上記空調機（10）には、冷媒回路（20）が設けられている。この冷媒回路（20）は、圧縮・膨張ユニット（30）や室内熱交換器（24）などが接続された閉回路である。また、この冷媒回路（20）には、冷媒として二酸化炭素（ＣＯ₂）が充填されている。
【００４４】
上記室外熱交換器（23）と室内熱交換器（24）とは、何れもクロスフィン型のフィン・アンド・チューブ熱交換器で構成されている。室外熱交換器（23）では、冷媒回路（20）を循環する冷媒が室外空気と熱交換する。室内熱交換器（24）では、冷媒回路（20）を循環する冷媒が室内空気と熱交換する。
【００４５】
上記第１四路切換弁（21）は、４つのポートを備えている。この第１四路切換弁（21）は、その第１のポートが圧縮・膨張ユニット（30）の吐出ポート（35）と配管接続され、第２のポートが連絡配管（15）を介して室内熱交換器（24）の一端と配管接続され、第３のポートが室外熱交換器（23）の一端と配管接続され、第４のポートが圧縮・膨張ユニット（30）の吸入ポート（34）と配管接続されている。そして、第１四路切換弁（21）は、第１のポートと第２のポートとが連通し且つ第３のポートと第４のポートとが連通する状態（図１に実線で示す状態）と、第１のポートと第３のポートとが連通し且つ第２のポートと第４のポートとが連通する状態（図１に破線で示す状態）とに切り換わる。
【００４６】
上記第２四路切換弁（22）は、４つのポートを備えている。この第２四路切換弁（22）は、その第１のポートが圧縮・膨張ユニット（30）の流出ポート（37）と配管接続され、第２のポートが室外熱交換器（23）の他端と配管接続され、第３のポートが連絡配管（16）を介して室内熱交換器（24）の他端と配管接続され、第４のポートが圧縮・膨張ユニット（30）の流出ポート（37）と配管接続されている。そして、第１四路切換弁（21）は、第１のポートと第２のポートとが連通し且つ第３のポートと第４のポートとが連通する状態（図１に実線で示す状態）と、第１のポートと第３のポートとが連通し且つ第２のポートと第４のポートとが連通する状態（図１に破線で示す状態）とに切り換わる。
【００４７】
《圧縮・膨張ユニットの構成》
図２に示すように、圧縮・膨張ユニット（30）は、縦長で円筒形の密閉容器であるケーシング（31）の内部に、圧縮機構部（50）と、膨張機構部（60）と、モータ（40）とを収納したものである。また、圧縮・膨張ユニット（30）のケーシング（31）には、吸入ポート（34）、吐出ポート（35）、流入ポート（36）、及び流出ポート（37）が設けられている。
【００４８】
上記ケーシング（31）の内部には、その高さ方向の中央部よりもやや上方にフレーム（67）が設けられている。このフレーム（67）により、ケーシング（31）の内部空間は、フレーム（67）の上側の上部空間（32）と、フレーム（67）の下側の下部空間（33）とに区画される。そして、ケーシング（31）内の上部空間（32）に膨張機構部（60）が設置され、その下部空間（33）に圧縮機構部（50）及びモータ（40）が設置されている。また、下部空間（33）において、モータ（40）は圧縮機構部（50）の上方に配置されている。
【００４９】
上記モータ（40）は、ステータ（41）とロータ（42）とを備えている。ステータ（41）は、上記ケーシング（31）に固定されている。ロータ（42）は、ステータ（41）の内側に配置されている。また、ロータ（42）には、該ロータ（42）と同軸に駆動軸（45）が貫通している。この駆動軸（45）は、その下端部が圧縮機構部（50）に連結され、その上端部が膨張機構部（60）に連結されている。
【００５０】
上記圧縮機構部（50）は、いわゆるスイング型ロータリ圧縮機に構成されている。該圧縮機構部（50）は、シリンダ（51）と、該シリンダ（51）のシリンダ室（52）に収納されたピストン（53）と、上記シリンダ室（52）の上面を閉鎖するフロントヘッド（54）と、上記シリンダ室（52）の下面を閉鎖するリアヘッド（55）とを備えている。そして、上記駆動軸（45）の下端部は、フロントヘッド（54）からシリンダ（51）を経てリアヘッド（55）に貫通している。
【００５１】
上記ピストン（53）は、円環状に形成され、駆動軸（45）の下端部に回転自在に嵌め込まれている。ピストン（53）が嵌め込まれる駆動軸（45）の下端部は、下側偏心軸部（46）を構成している。この下側偏心軸部（46）は、駆動軸（45）の軸心より偏心して形成されている。
【００５２】
上記ピストン（53）には、図示しないが、ブレードが一体に形成されている。該ブレードは、ブッシュを介してシリンダ（51）に挿入されている。そして、上記ピストン（53）はブッシュを支点に揺動し、シリンダ室（52）における容積を減少させて冷媒を圧縮する。
【００５３】
上記シリンダ（51）には、冷媒の吸入口（57）が形成されている。この吸入口（57）には、吸入ポート（34）が接続されている。上記フロントヘッド（54）には、冷媒の吐出口（58）が形成されている。また、フロントヘッド（54）には、吐出口（58）を開閉する吐出弁（56）が設けられている。この吐出口（58）は、ケーシング（31）内の下部空間（33）に開口している。そして、下部空間（33）の上端付近には、吐出ポート（35）の一端が開口している。
【００５４】
上記膨張機構部（60）は、スクロール型流体機械を構成している。この膨張機構部（60）は、固定スクロール（61）と可動スクロール（64）とを備えている。また、上記フレーム（67）は、ケーシング（31）内を上下に仕切るだけでなく、この膨張機構部（60）をも構成している。
【００５５】
上記固定スクロール（61）は、鏡板（62）と、該鏡板（62）の下面側へ突出する渦巻き状の固定側ラップ（63）とを備えている。固定スクロール（61）の鏡板（62）は、ケーシング（31）に固定されている。一方、上記可動スクロール（64）は、板状の鏡板（65）と、該鏡板（62）の上面側へ突出する渦巻き状の固定側ラップ（63）とを備えている。そして、固定スクロール（61）と可動スクロール（64）とは互いに対向する姿勢で配置され、固定側ラップ（63）と可動側ラップ（66）が噛み合うことで膨張室（71,72）が区画される。
【００５６】
上記固定スクロール（61）の鏡板（62）の中央部には、冷媒の流入口（69）が形成されている。この流入口（69）は、膨張室（71,72）と上部空間（32）とを連通させるために、固定スクロール（61）の鏡板（62）を貫通して形成されている。ケーシング（31）の頂部には、上部空間（32）へ冷媒を導入するための流入ポート（36）が設けられている。固定側ラップ（63）及び可動側ラップ（66）の外周側には、冷媒の流出口（70）が形成されている。この流出口（70）には、流出ポート（37）が接続されている。
【００５７】
上記可動スクロール（64）の鏡板（65）は、その下面側の中央部が下方に突出した形状となっており、この突出した部分が駆動軸（45）の上端部に回転自在に嵌め込まれている。この鏡板（65）が嵌め込まれる駆動軸（45）の上端部は、上側偏心軸部（47）を構成している。この上側偏心軸部（47）は、駆動軸（45）の軸心より偏心して形成されている。また、駆動軸（45）には、上側偏心軸部（47）の直下に鍔状の鍔部（48）が形成されている。可動スクロール（64）に作用するスラスト荷重は、駆動軸（45）の鍔部（48）とフレーム（67）とによって受けられる。
【００５８】
更に、上記可動スクロール（64）は、オルダムリング（68）を介してフレーム（67）に支持されている。このオルダムリング（68）は、可動スクロール（64）の自転を規制するためのものである。そして、可動スクロール（64）は、自転することなく、所定の旋回半径で公転する。この可動スクロール（64）の旋回半径は、上側偏心軸部（47）の偏心量と同じである。
【００５９】
図３に示すように、固定側ラップ（63）と可動側ラップ（66）とは、同一形状の渦巻き状に形成されている。つまり、固定側ラップ（63）及び可動側ラップ（66）について、両者の巻き数は等しく、両者の肉厚も同様に増減されている。固定側ラップ（63）及び可動側ラップ（66）の形状については、後述する。そして、このように形成された可動側ラップ（66）と固定側ラップ（63）は、互いの位相が１８０°ずれた姿勢で噛み合わされている。尚、図３において、固定スクロール（61）の鏡板（62）の外形線は省略されている。
【００６０】
上述のように可動側ラップ（66）と固定側ラップ（63）を噛み合わせることにより、第１の膨張室である第１室（71）と第２の膨張室である第２室（72）とが対になって区画形成される。つまり、可動側ラップ（66）の外側面と固定側ラップ（63）の内側面とに挟まれて第１室（71）が形成され、固定側ラップ（63）の外側面と可動側ラップ（66）の内側面とに挟まれて第２室（72）が形成される。また、可動側ラップ（66）の鏡板（62）には、可動側ラップ（66）の中心側端部の近傍に冷媒の流入口（69）が円形に開口している。
【００６１】
上記固定側ラップ（63）及び可動側ラップ（66）の形状について、図４を参照しながら説明する。尚、上述のように固定側ラップ（63）と可動側ラップ（66）とは同一形状であるため、ここでは固定側ラップ（63）の形状についてだけ説明を行う。
【００６２】
上記固定側ラップ（63）は、その中心側端部から外周側端部へ向かう伸長方向へ進むにつれて、その肉厚が増減する形状となっている。このように肉厚を変化させるため、固定側ラップ（63）の外側面及び内側面は、円弧とインボリュート曲線を組み合わせて形成されている。尚、固定側ラップ（63）は、その中心側端部における肉厚と外周側端部における肉厚とが同じになるように形成されている。また、図４においては、固定側ラップ（63）の肉厚をその全周に亘って一定に保ったと仮定した場合における固定側ラップ（63）の形状を、二点鎖線で示している。
【００６３】
上記固定側ラップ（63）の外側面は、その下端側の辺により描かれる曲線、即ち外周線が、次のような形状となるように形成されている。固定側ラップ（63）の中央端部、即ち外周線の巻き始めから巻き角が約９０°となるまでの部分では、外周線が第１円弧▲１▼を描いている。第１円弧▲１▼の終端から外周線の巻き角が約３６０°となるまでの部分では、外周線が第１インボリュート曲線▲２▼を描いている。第１インボリュート曲線▲２▼の終端から外周線の巻き角が約４５０°となるまでの部分では、外周線が第２円弧▲３▼を描いている。そして、第２円弧▲３▼の終端から外周線の巻き終わりまでは、外周線が第２インボリュート曲線▲４▼を描いている。
【００６４】
一方、固定側ラップ（63）の内側面は、その下端側の辺により描かれる曲線、即ち内周線が、次のような形状となるように形成されている。固定側ラップ（63）の中央端部、即ち内周線の巻き始めから巻き角が約１８０°となるまでの部分では、内周線が第３インボリュート曲線▲５▼を描いている。第３インボリュート曲線▲５▼の終端から内周線の巻き角が約２７０°となるまでの部分では、内周線が第３円弧▲６▼を描いている。第３円弧▲６▼の終端から内周線の巻き角が約５４０°となるまでの部分では、内周線が第４インボリュート曲線▲７▼を描いている。第４インボリュート曲線▲７▼の終端から内周線の巻き角が約６３０°となるまでの部分では、内周線が第４円弧▲８▼を描いている。そして、第４円弧▲８▼の終端から内周線の巻き終わりまでは、内周線が第５インボリュート曲線▲９▼を描いている。
【００６５】
このよう形状に形成された固定側ラップ（63）の肉厚は、次のように増減する。外周線が第１円弧▲１▼となり内周線が第３インボリュート曲線▲５▼となる部分では、固定側ラップ（63）の肉厚が次第に増加してゆく。外周線が第１インボリュート曲線▲２▼となり内周線が第３インボリュート曲線▲５▼となる部分では、固定側ラップ（63）の肉厚が一定に保たれる。この部分における固定側ラップ（63）の肉厚は、その中心側端部や外周側端部における肉厚よりも厚くなっている。外周線が第１インボリュート曲線▲２▼となり内周線が第３円弧▲６▼となる部分では、固定側ラップ（63）の肉厚が次第に減少してゆく。外周線が第１インボリュート曲線▲２▼となり内周線が第４インボリュート曲線▲７▼となる部分では、固定側ラップ（63）の肉厚が一定に保たれる。この部分における固定側ラップ（63）の肉厚は、その中心側端部や外周側端部における肉厚と等しくなっている。
【００６６】
続いて、外周線が第２円弧▲３▼となり内周線が第４インボリュート曲線▲７▼となる部分では、固定側ラップ（63）の肉厚が次第に減少してゆく。この部分は、肉厚減少部（81）を構成している。外周線が第２インボリュート曲線▲４▼となり内周線が第４インボリュート曲線▲７▼となる部分では、固定側ラップ（63）の肉厚が一定に保たれる。この部分は、固定側ラップ（63）の肉厚がその中心側端部や外周側端部における肉厚よりも薄くなっており、薄肉部（82）を構成している。外周線が第２インボリュート曲線▲４▼となり内周線が第４円弧▲８▼となる部分では、固定側ラップ（63）の肉厚が次第に増加してゆく。この部分は、肉厚増大部（83）を構成している。外周線が第２インボリュート曲線▲４▼となり内周線が第５インボリュート曲線▲９▼となる部分では、固定側ラップ（63）の肉厚が一定に保たれる。この部分における固定側ラップ（63）の肉厚は、その中心側端部や外周側端部における肉厚と等しくなっている。
【００６７】
上述のように、膨張室（71,72）は、可動側ラップ（66）と固定側ラップ（63）を噛み合わせることで形成されている。また、可動側ラップ（66）及び固定側ラップ（63）の肉厚を上述のように増減させることで、膨張室（71,72）の体積変化率が可動側ラップ（66）の回転角の値によって変化するように構成されている。
【００６８】
−運転動作−
上記空調機（10）の動作について説明する。ここでは、空調機（10）の冷房運転時及び暖房運転時の動作について説明し、続いて膨張機構部（60）の動作について説明する。
【００６９】
《冷房運転》
冷房運転時には、第１四路切換弁（21）及び第２四路切換弁（22）が図１に破線で示す状態に切り換えられる。この状態で圧縮・膨張ユニット（30）のモータ（40）に通電すると、冷媒回路（20）で冷媒が循環し、図５のモリエル線図（圧力−エンタルピ線図）に示すような冷凍サイクルが行われる。
【００７０】
圧縮機構部（50）へは、図５における点ａの状態の冷媒が吸入される。圧縮機構部（50）では、冷媒が点ａの状態から点ｂの状態にまで圧縮される。尚、点ｂの状態における圧力は、冷媒である二酸化炭素（ＣＯ₂）の臨界圧力よりも高くなっている。点ｂの状態となった冷媒は、ケーシング（31）内の下部空間（33）へ吐出され、吐出ポート（35）を通ってケーシング（31）の外部へ流出する。その後、この点ｂの状態の冷媒は、第１四路切換弁（21）を通って室外熱交換器（23）へ送られる。
【００７１】
室外熱交換器（23）では、流入した冷媒が室外ファン（12）により送られる室外空気と熱交換する。この熱交換により、点ｂの状態の冷媒は、室外空気へ放熱して点ｃの状態となる。点ｃの状態の冷媒は、第２四路切換弁（22）を通過し、流入ポート（36）を通って圧縮・膨張ユニット（30）の上部空間（32）へ流入し、更には膨張機構部（60）へ流入する。
【００７２】
膨張機構部（60）では、流入した冷媒が等エントロピ過程で膨張し、点ｃの状態（超臨界圧状態）から点ｄの状態（飽和液状態）を経て点ｅの状態（気液二相状態）へと変化する。尚、図５における点ｃ,点ｄ,点ｅは、図１３における点ｃ,点ｄ,点ｅと対応している。
【００７３】
ここで、冷媒を膨張弁で膨張させる場合には、図５に破線で示すように、冷媒が断熱膨張過程（等エンタルピ過程）で膨張する。これに対し、上記膨張機構部（60）では、冷媒が等エントロピ過程で膨張し、冷媒の圧力とエンタルピの両方が低下する。膨張機構部（60）から流出した点ｅの状態の冷媒は、流出ポート（37）を通って圧縮・膨張ユニット（30）から流出し、第２四路切換弁（22）を通過して室内熱交換器（24）へ送られる。
【００７４】
室内熱交換器（24）では、流入した冷媒が室内ファン（14）により送られる室内空気と熱交換する。この熱交換により、点ｅの状態の冷媒が室内空気から吸熱して点ａの状態となり、室内空気が冷却される。点ａの状態の冷媒は、第１四路切換弁（21）を通過し、吸入ポート（34）を通って圧縮・膨張ユニット（30）の圧縮機構部（50）へ吸入される。そして、圧縮機構部（50）は、吸入した冷媒を再び圧縮して吐出し、この循環が繰り返される。
【００７５】
ここで、膨張機構部（60）では、流入した冷媒を点ｃの状態から点ｅの状態にまで膨張させており、冷媒のエンタルピ低下量Ｗ_Eに相当する回転動力が回収される（図５参照）。この回収された回転動力は、駆動軸（45）によって圧縮機構部（50）へ伝達され、圧縮機構部（50）のピストン（53）を回転させるために利用される。そして、圧縮機構部（50）へはモータ（40）により回転動力Ｗ_Cが伝達され、膨張機構部（60）から伝達される回転動力Ｗ_Eと共にピストン（53）を回転駆動するために用いられる。
【００７６】
《暖房運転》
暖房運転時には、第１四路切換弁（21）及び第２四路切換弁（22）が図１に実線で示す状態に切り換えられる。この状態で圧縮・膨張ユニット（30）のモータ（40）に通電すると、冷媒回路（20）で冷媒が循環して冷凍サイクルが行われる。
【００７７】
具体的に、圧縮機構部（50）で圧縮された冷媒は、吐出ポート（35）を通って圧縮・膨張ユニット（30）から流出し、第１四路切換弁（21）を通過して室内熱交換器（24）へ送られる。室内熱交換器（24）では、流入した冷媒が室内空気と熱交換する。この熱交換により、冷媒が室内空気へ放熱し、室内空気が加熱される。室内熱交換器（24）で放熱した冷媒は、第２四路切換弁（22）を通過し、流入ポート（36）を通って膨張機構部（60）へ流入する。
【００７８】
膨張機構部（60）では、流入した冷媒が等エントロピ過程で膨張する。膨張後の冷媒は、流出ポート（37）を通って圧縮・膨張ユニット（30）から流出し、第２四路切換弁（22）を通過して室外熱交換器（23）へ流入する。室外熱交換器（23）では、流入した冷媒が室外空気と熱交換を行い、冷媒が室外空気から吸熱する。吸熱後の冷媒は、第１四路切換弁（21）を通過し、吸入ポート（34）を通って圧縮・膨張ユニット（30）の圧縮機構部（50）へ吸入される。圧縮機構部（50）は、吸入した冷媒を再び圧縮して吐出し、この循環が繰り返される。
【００７９】
《膨張機構部の動作》
膨張機構部（60）の動作について説明する。固定側ラップ（63）と可動側ラップ（66）で区画される膨張室（71,72）へは、流入口（69）を通じて超臨界圧状態の冷媒が流入する（図３参照）。可動スクロール（64）が図３における反時計方向に公転してゆくと、やがて膨張室（71,72）の閉じ込みが完了する。
【００８０】
その後、膨張室（71,72）内の冷媒によって可動スクロール（64）が押し動かされ、可動スクロール（64）に回転動力が付与される。可動スクロール（64）が回転移動するに従い、膨張室（71,72）は、密閉状態に保たれたままその体積が増大してゆく。更に可動スクロール（64）が回転してゆくと、膨張室（71,72）内の冷媒は、固定側ラップ（63）や可動側ラップ（66）の外周側端部付近において、膨張室（71,72）から流出する。
【００８１】
上述のように、膨張室（71,72）の体積は、可動スクロール（64）が回転するにつれて増大してゆく。ここでは、膨張室（71,72）の体積変化率について、図６を参照しながら説明する。
【００８２】
尚、図６は、横軸を可動スクロール（64）の回転角とし、縦軸を膨張室（71,72）の投影面積として、この投影面積の変化を示したものである。ここでいう膨張室（71,72）の投影面積とは、図３に現れる膨張室（71,72）の断面積をいう。膨張室（71,72）の体積は、この投影面積に固定側ラップ（63）や可動側ラップ（66）の高さｈを乗じた値となる。また、可動スクロール（64）の回転角がθ₁となった時点で膨張室（71,72）の閉じ込みが完了し、その後、可動スクロール（64）の回転角がθ₃となるまで膨張室（71,72）は密閉状態に保たれる。
【００８３】
可動スクロール（64）の回転角がθ₁からθ₂までの間は、膨張室（71,72）の体積が第１の変化率で増加してゆく。可動スクロール（64）の回転角がθ₁の時点における膨張室（71,72）の投影面積をＳ₁とし、可動スクロール（64）の回転角がθ₂の時点における膨張室（71,72）の投影面積をＳ₂とすると、第１の変化率は、(Ｓ₂−Ｓ₁)・ｈ/(θ₂−θ₁) となる。一方、可動スクロール（64）の回転角がθ₂からθ₃までの間は、膨張室（71,72）の体積が第２の変化率で増加してゆく。可動スクロール（64）の回転角がθ₃の時点における膨張室（71,72）の投影面積をＳ₃とすると、第２の変化率は、(Ｓ₃−Ｓ₂)・ｈ/(θ₃−θ₂) となる。
【００８４】
そして、上記膨張機構部（60）では、固定側ラップ（63）や可動側ラップ（66）の肉厚を増減させることで、第１の変化率が第２の変化率よりも小さくされている。これは、膨張機構部（60）において超臨界圧状態の冷媒を気液二相状態にまで膨張させることに対応したものである。
【００８５】
具体的に、超臨界圧状態（図５，図１３における点ｃの状態）で膨張室（71,72）へ流入した冷媒は、膨張して次第にその圧力が低下し、可動スクロール（64）の回転角がθ₂となった時点で飽和液状態（図５，図１３における点ｄの状態）となる。つまり、可動スクロール（64）の回転角がθ₁からθ₂までの間は、冷媒の圧力低下による比容積の変化量が小さいことに対応して、膨張室（71,72）の体積変化率が小さく設定されている。
【００８６】
一方、膨張室（71,72）内で飽和液状態（図５，図１３における点ｄの状態）となった冷媒は、可動スクロール（64）の回転角がθ₂を超えた直後に気液二相状態となる。この冷媒は、引き続き膨張して次第にその圧力が低下し、可動スクロール（64）の回転角がθ₃となった時点で図５，図１３における点ｅの状態となる。
つまり、可動スクロール（64）の回転角がθ₂からθ₃までの間は、冷媒の圧力低下による比容積の変化量が大きいことに対応して、膨張室（71,72）の体積変化率が大きく設定されている。
【００８７】
−実施形態１の効果−
本実施形態１では、可動スクロール（64）の回転角に応じて膨張室（71,72）の体積変化率を変化させている。このため、超臨界圧状態の流体が飽和液となる過程では膨張室（71,72）の体積変化率を小さくし、流体が気液二相状態となって膨張する過程では膨張室（71,72）の体積変化率を大きくすることが可能となる。
【００８８】
従って、本実施形態１によれば、上記固定側ラップ（63）や可動側ラップ（66）の巻き数を増やすことなく、膨張室（71,72）の体積変化率を超臨界圧状態の冷媒が飽和液となる過程に適したものとすることができ、膨張機構部（60）、ひいては圧縮・膨張ユニット（30）の大型化を回避できる。また、本実施形態１によれば、膨張室（71,72）の体積変化率が一定となる従来のスクロール流体機械に比べ、超臨界圧状態の流体が飽和液となる過程においても充分な動力回収が可能となる。更に、本実施形態１によれば、膨張する流体の特性変化に対応して膨張室（71,72）の体積変化率を変更できるため、流体の膨張により得られる回転動力のトルク変動幅を縮小できる。
【００８９】
【発明の実施の形態２】
本発明の実施形態２は、上記実施形態１の膨張機構部（60）において、固定側ラップ（63）及び可動側ラップ（66）の形状を変更し、対となる第１室（71）と第２室（72）とで閉じ込み完了時期や冷媒の流出開始時期を相違させたものである。尚、本実施形態２においても、上記実施形態１と同様に、膨張室（71,72）の体積変化率は可動スクロール（64）の回転角に応じて変化する。ここでは、本実施形態２の膨張機構部（60）について、上記実施形態１と異なる部分を説明する。
【００９０】
図７，図８に示すように、本実施形態２に係る固定側ラップ（63）及び可動側ラップ（66）は、その外周線及び内周線が円弧とインボリュート曲線とを組み合わせたものとなる形状に形成されている。この固定側ラップ（63）及び可動側ラップ（66）では、その伸長方向へ進むにつれて肉厚が増減する。この点は、上記実施形態１と同様である。ただし、本実施形態２の固定側ラップ（63）及び可動側ラップ（66）において、肉厚が変更されている箇所は、上記実施形態１のものと異なっている。
【００９１】
図７に示すように、本実施形態２の固定側ラップ（63）は、上記実施形態１のものに比べ、その外周側端部方向へ巻き角１８０°分だけ延ばされた形状となっている（図３参照）。この固定側ラップ（63）における肉厚の増減について説明する。固定側ラップ（63）の中心側端部及び外周側端部における肉厚をｔ₀とすると、巻き始めから巻き角が約９０°までの部分では、固定側ラップ（63）の肉厚が次第に増大してｔ₁となる。巻き角が約９０°から約２７０°までの部分では、固定側ラップ（63）の肉厚はｔ₁のまま保持される。巻き角が約２７０°から約３６０°までの部分では、固定側ラップ（63）の肉厚が次第に減少してｔ₀に戻る。巻き角が約３６０°から約４００°までの部分では、固定側ラップ（63）の肉厚はｔ₀のまま保持される。
【００９２】
続いて、巻き角が約４００°から約４７０°までの部分では、固定側ラップ（63）の肉厚が次第に減少してｔ₂となる。この部分は、肉厚減少部（81）を構成している。巻き角が約４７０°から約５５０°までの部分では、固定側ラップ（63）の肉厚はｔ₂のまま保持される。この部分は、薄肉部（82）を構成している。巻き角が約５５０°から約６４０°までの部分では、固定側ラップ（63）の肉厚が次第に増大してｔ₀に戻る。この部分は、肉厚増大部（83）を構成している。そして、巻き角が約６４０°から巻き終わりまでの部分では、固定側ラップ（63）の肉厚はｔ₀のまま保持される。
【００９３】
図８に示すように、本実施形態２の可動側ラップ（66）は、上記実施形態１のものに比べ、その中心側端部方向へ巻き角９０°分だけ短くされた形状となっている（図３参照）。この可動側ラップ（66）における肉厚の増減について説明する。可動側ラップ（66）の中心側端部及び外周側端部における肉厚をｔ₀とすると、巻き始めから巻き角が約９０°までの部分では、可動側ラップ（66）の肉厚が次第に増大してｔ₃となる。巻き角が約９０°から約１１０°までの部分では、可動側ラップ（66）の肉厚はｔ₃のまま保持される。巻き角が約１１０°から約１９０°までの部分では、可動側ラップ（66）の肉厚が次第に減少してｔ₀に戻る。巻き角が約１９０°から約３４０°までの部分では、可動側ラップ（66）の肉厚はｔ₀のまま保持される。
【００９４】
続いて、巻き角が約３４０°から約４６０°までの部分では、可動側ラップ（66）の肉厚が次第に減少してｔ₄となる。この部分は、肉厚減少部（81）を構成している。巻き角が約４６０°から約４９０°までの部分では、可動側ラップ（66）の肉厚はｔ₄のまま保持される。この部分は、薄肉部（82）を構成している。巻き角が約４９０°から約６５０°までの部分では、可動側ラップ（66）の肉厚が次第に増大してｔ₀に戻る。この部分は、肉厚増大部（83）を構成している。そして、巻き角が約６５０°から巻き終わりまでの部分では、可動側ラップ（66）の肉厚はｔ₀のまま保持される。
【００９５】
図９に示すように、上述した所定形状の固定側ラップ（63）と可動側ラップ（66）を噛み合わせることで、第１の膨張室である第１室（71）と第２の膨張室である第２室（72）とが対になって区画形成される。また、固定側ラップ（63）と可動側ラップ（66）を噛み合わせた状態において、固定側ラップ（63）の外周側端部は、可動側ラップ（66）の外周側端部のすぐ外側に位置している。更には、上述のように可動側ラップ（66）の中心側端部を短く形成することで、第１室（71）の閉じ込み完了時期を第２室（72）の閉じ込み完了時期よりも遅らせると共に、第１室（71）と第２室（72）の膨張比を互いに一致させている。
【００９６】
−運転動作−
本実施形態２に係る膨張機構部（60）の運転動作について、上記実施形態１と異なる点を説明する。ここでは、図９及び図１０を参照しながら説明する。尚、可動側ラップ（66）が図９に示す位置にある時点では、固定側ラップ（63）及び可動側ラップ（66）の最内周部において、第１室（71）の閉じ込みが完了しているのに対し、第２室（72）が依然として流入口（69）と連通する状態となっている。
【００９７】
可動スクロール（64）が図９における反時計方向に公転してゆくと、図１０に示すように、可動スクロール（64）の回転角がＴ₁となった時点で第２室（72）が流入口（69）から遮断され、第２室（72）の閉じ込みが完了する。その後、密閉空間となった第２室（72）において冷媒が膨張し、可動スクロール（64）が回転するに従って第２室（72）の内圧が低下してゆく。
【００９８】
この第２室（72）における内圧低下は、可動スクロール（64）の回転角がＴ₃となるまで続く。そして、可動スクロール（64）の回転角がＴ₃となった時点で第２室（72）が流出口（70）と連通し、第２室（72）から流出口（70）へ冷媒が流出する。
【００９９】
一方、第１室（71）は、可動スクロール（64）の回転角がＴ₁となった時点において、依然として流入口（69）と連通している（図９参照）。そして、その後も第１室（71）へ冷媒が流入し続け、可動スクロール（64）の回転角がＴ₂となった時点で第１室（71）の閉じ込みが完了する。その後、密閉空間となった第１室（71）において冷媒が膨張し、可動スクロール（64）が回転するに従って第１室（71）の内圧が低下してゆく。
【０１００】
この第１室（71）における内圧低下は、可動スクロール（64）の回転角がＴ₄となるまで続く。つまり、可動スクロール（64）の回転角がＴ₃となって第２室（72）から冷媒が流出し始める時点においても、第１室（71）では依然として冷媒の膨張が継続している。そして、可動スクロール（64）の回転角がＴ₄となった時点で第１室（71）が流出口（70）と連通し、第１室（71）から流出口（70）へ冷媒が流出する。
【０１０１】
このように、本実施形態２では、第１室（71）の閉じ込み完了時期が第２室（72）の閉じ込み完了時期よりも遅くなっており、更には、第１室（71）からの冷媒の流出開始時期が第２室（72）からの冷媒の流出開始時期よりも遅くなっている。このため、可動スクロール（64）の回転角がＴ₁からＴ₄に至るまでの何れの時点においても、第１室（71）の内圧の方が第２室（72）の内圧よりも高くなっている。また、第１室（71）の膨張比と第２室（72）の膨張比とは等しくなっており、図５に示すように、第１室（71）から流出する冷媒の圧力と第２室（72）から流出する冷媒の圧力とは同じ値となっている。
【０１０２】
−実施形態２の効果−
本実施形態２に係る膨張機構部（60）では、対となる第１室（71）と第２室（72）とについて、それぞれの閉じ込み完了時期と冷媒の流出開始時期とを相違させている。このため、本実施形態２によれば、第１室（71）及び第２室（72）における冷媒の膨張により可動スクロール（64）へ付与される回転力の変動幅を小さくでき、膨張機構部（60）において得られる回転動力のトルク変動幅を縮小できる。即ち、本実施形態２によれば、第１室（71）及び第２室（72）の体積変化率を変化させることと相まって、膨張機構部（60）において得られる回転動力のトルク変動幅をより一層縮小することができる。
【０１０３】
また、本実施形態２に係る膨張機構部（60）では、第１室（71）と第２室（72）とで閉じ込み完了時期がずれており、従来のような第１室（71）と第２室（72）が同時に閉じ込みを完了するものに比べ、流入口（69）を流れる冷媒の流速が低くなる。このため、流入口（69）を通過する際の冷媒の圧力損失を低減することができ、第１室（71）及び第２室（72）へ流入する流体の圧力を高く維持することができる。従って、本実施形態２によれば、膨張機構部（60）の出入口における冷媒の圧力差を充分に確保でき、膨張機構部（60）において取り出せる回転動力Ｗ_Eを増大させることができる。この結果、モータ（40）により圧縮機構部（50）へ付与すべき回転動力Ｗ_Cを削減して空調機（10）の消費電力を低減することができ、空調機（10）のＣＯＰを向上させることができる。
【０１０４】
また、本実施形態２に係る膨張機構部（60）では、固定側ラップ（63）の外周側端部が可動側ラップ（66）の外周側端部の近傍に位置している。それ故、第１室（71）から流出する冷媒と第２室（72）から流出する冷媒とは、その何れもが流出後直ちに流出口（70）へ流れ込み、流出ポート（37）から圧縮・膨張ユニット（30）の外部へ送り出される。このため、従来のような第１室（71）と第２室（72）とで冷媒の流出地点が１８０°離れているものに比べ、流出した冷媒が流出口（70）に至るまでに流れる距離を短縮でき、その間における冷媒の吸熱量を削減できる。
【０１０５】
ここで、上記空調機（10）の冷房能力は、図５における点ａと点ｅのエンタルピ差に冷媒循環量を乗じた値となる。一方、膨張機構部（60）から流出する冷媒のエンタルピが増大すると、点ｅが図５の右側へ移動することとなり、点ａと点ｅのエンタルピ差が小さくなってしまう。これに対し、本実施形態２によれば、膨張機構部（60）から流出する冷媒のエンタルピが上昇するのを防止でき、これによって上記空調機（10）の冷房能力を充分に確保することができる。
【０１０６】
−実施形態２の変形例−
本実施形態２では、可動側ラップ（66）における中心側端部の形状を変更することで、第１室（71）の閉じ込み完了時期を第２室（72）の閉じ込み完了時期よりも遅らせると共に、第１室（71）と第２室（72）の膨張比を一致させている。これに対し、図１１に示すように、可動側ラップ（66）における中心側端部のは変更せず、流入口（69）の形状を変更することで、第１室（71）と第２室（72）の閉じ込み完了時期をずらせると共に、両者の膨張率を一致させてもよい。
【０１０７】
この場合、流入口（69）は、固定側ラップ（63）の中心側端部に沿って、やや横長に開口している。そして、可動側ラップ（66）の中心側端部の外側面が固定側ラップ（63）の中心側端部の内側面に当接する図１１の状態であっても、依然として第１室（71）が流入口（69）と連通し、第１室（71）へ冷媒が流入し続ける。このため、第１室（71）の閉じ込み完了時期が第２室（72）の閉じ込み完了時期よりも遅くなり、更には第１室（71）と第２室（72）の膨張比が一致する。
【０１０８】
【発明のその他の実施の形態】
−第１の変形例−
上記の各実施形態では、固定側ラップ（63）や可動側ラップ（66）の形状を、その外周線及び内周線が円弧とインボリュート曲線とを交互に描くような形状とし、これによって固定側ラップ（63）や可動側ラップ（66）の肉厚を変化させている。これに対し、固定側ラップ（63）や可動側ラップ（66）を、その全長に亘ってインボリュート曲線状に形成し、そのインボリュート曲線の基礎円半径を伸展角に応じて増減させることで、固定側ラップ（63）や可動側ラップ（66）の肉厚を変化させてもよい。
【０１０９】
ここで、ラップ（63,66）がその全長に亘ってインボリュート曲線状に形成される場合、インボリュート曲線の伸展角が増すにつれてその基礎円半径を大きくしてゆくとラップ（63,66）の肉厚が次第に厚くなり、逆にインボリュート曲線の伸展角が増すにつれてその基礎円半径を小さくしてゆくとラップ（63,66）の肉厚が次第に薄くなる。このことは、例えば特開昭６０−２５２１０２号公報にも開示されている。
【０１１０】
そして、上記の各実施形態のように膨張室（71,72）の体積変化率を変える場合、インボリュート曲線の伸展角が所定値に達するまではその基礎円半径を小さくしてゆき、インボリュート曲線の伸展角が所定値を超えるとその基礎円半径を大きくしてゆくことで、ラップ（63,66）を所定の形状に形成する。このとき、ラップ（63,66）の肉厚は、インボリュート曲線の伸展角が所定値に達するまでは連続的に減少し、その伸展角が所定値を超えてからは連続的に増大してゆく。つまり、本変形例のラップ（63,66）には、その肉厚が徐々に減少してゆく肉厚減少部と、その肉厚が徐々に増大してゆく肉厚増大部とが形成される。
【０１１１】
−第２の変形例−
上記の各実施形態では、本発明に係る冷凍装置を用いて空調機（10）を構成しているが、これに代えて温水を生成するための給湯機を構成してもよい。この場合、冷媒回路（20）では、室内熱交換器（24）に代えて冷媒と水を熱交換させる加熱用熱交換器が設けられ、更には第１四路切換弁（21）及び第２四路切換弁（22）が省略される。そして、圧縮機構部（50）から吐出された冷媒が加熱用熱交換器へ送られ、この冷媒からの放熱によって水が加熱される。また、放熱後の冷媒は、膨張機構部（60）で膨張した後に室外熱交換器（23）へ送られ、室外空気から吸熱した後に再び圧縮機構部（50）へ吸入される。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態１に係る空調機の配管系統図である。
【図２】実施形態１に係る圧縮・膨張ユニットの概略断面図である。
【図３】実施形態１に係る固定側ラップと可動側ラップの形状を示す図２のＡ-Ａ断面図である。
【図４】実施形態１に係る固定側ラップの形状を示す平面図である。
【図５】実施形態１に係る空調機の冷凍サイクルを示すモリエル線図である。
【図６】実施形態１に係る膨張機構部での膨張室の体積変化率の変化を示す可動スクロールの回転角と膨張室の投影面積との関係図である。
【図７】実施形態２に係る固定側ラップの形状を示す平面図である。
【図８】実施形態２に係る可動側ラップの形状を示す平面図である。
【図９】実施形態２に係る固定側ラップと可動側ラップの形状を示す図３相当図である。
【図１０】実施形態２に係る膨張機構部における可動スクロールの回転角と第１室及び第２室の内圧との関係図である。
【図１１】実施形態２の変形例に係る固定側ラップと可動側ラップの形状を示す図３相当図である。
【図１２】従来技術に係る固定側ラップと可動側ラップの形状を示す概略断面図である。
【図１３】二酸化炭素を超臨界圧状態から気液二相状態にまで膨張させる場合の圧力と比容積との関係図である。
【符号の説明】
（20）冷媒回路
（50）圧縮機構部（圧縮機）
（60）膨張機構部（スクロール型流体機械）
（61）固定スクロール
（64）可動スクロール
（63）固定側ラップ
（66）可動側ラップ
（69）流入口
（71）第１室（第１の膨張室）
（72）第２室（第２の膨張室）
（81）肉厚減少部
（82）薄肉部
（83）肉厚増大部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a scroll type fluid machine, and particularly relates to a machine that rotates by expansion of a fluid.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, scroll-type fluid machines are widely known and are used as compressors and expanders. For example, “New Edition Refrigeration and Air Conditioning Handbook 5th Edition Volume 2 Equipment” pages 37-43 published by the Japan Refrigeration Association discloses a scroll fluid machine applied to a refrigerant compressor. Japanese Patent Laid-Open No. 2001-107881 discloses a scroll type fluid machine that is applied to a refrigerant expander.
[0003]
As shown in FIG. 12, the scroll type fluid machine includes a fixed scroll (a) and a movable scroll (b). The fixed scroll (a) and the movable scroll (b) are provided with a spiral wrap (c) that draws an involute curve. The wall thickness of the wrap (c) is constant over its entire length. In this scroll type fluid machine, the wrap (c) of the fixed scroll (a) and the movable scroll (b) is meshed with the phase shifted by 180 °, and a fluid chamber (d) is formed between the wraps (c). The
[0004]
In the scroll fluid machine, the movable scroll (b) revolves around the center of the fixed scroll (a) with a constant turning radius. At that time, the movable scroll (b) revolves without rotating. The volume of the fluid chamber (d) partitioned by the fixed scroll (a) and the movable scroll (b) changes with the revolution of the movable scroll (b). When this scroll type fluid machine is used as an expander, a high-pressure fluid is introduced from the inlet (e) of the fixed scroll (a) into the fluid chamber (d). Then, the movable scroll (b) is pushed and moved by the fluid in the fluid chamber (d), and the expansion work of the fluid is taken out as the rotational power of the movable scroll (b).
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the case where the conventional scroll type fluid machine is used as an expander, when trying to expand a fluid in a supercritical pressure state to a gas-liquid two-phase state, the following problem has occurred. Here, the problem will be described.
[0006]
For example, carbon dioxide (CO ₂ ) Is expanded from the supercritical pressure state to the gas-liquid two-phase state, the state of carbon dioxide changes as shown by the solid line in FIG. That is, the carbon dioxide in the state of point c (supercritical pressure state) expands and the pressure decreases, and enters a saturated liquid state at point d. Thereafter, the carbon dioxide enters a gas-liquid two-phase state and continues to expand to a state of point e. In this case, during the period from point c to point d, the increase in specific volume is not so large even if the pressure of carbon dioxide is significantly reduced. On the other hand, during the period from point d to point e, as the pressure of carbon dioxide changes, the specific volume also changes relatively significantly.
[0007]
On the other hand, the conventional scroll type fluid machine has a configuration in which the volume of the fluid chamber (d) always changes at a constant rate as the movable scroll (b) rotates. Therefore, if the recovery of the volume of the fluid chamber (d) is set small with an emphasis on power recovery from the supercritical pressure state (the state at the point c) to the saturated liquid state (the state at the point d), the predetermined amount is obtained. Therefore, the number of turns of the wrap (c) necessary to obtain the expansion ratio is increased. Therefore, there is a problem that the fixed scroll (a) and the movable scroll (b) are increased in size, and as a result, the scroll type fluid machine is increased in size.
[0008]
On the contrary, when the fluid recovery is expanded in the gas-liquid two-phase state (from point d to point e), the power recovery is emphasized, and the volume change rate of the fluid chamber (d) is set large. The power recovery from the supercritical pressure state (point c state) to the saturated liquid state (point d state) becomes insufficient. Furthermore, as shown in FIG. 13, since the characteristics of the fluid greatly change during the expansion process, there is also a problem that the torque fluctuation width of the obtained rotational power becomes large.
[0009]
The present invention has been made in view of such points, and an object of the present invention is to avoid an increase in size in a scroll type fluid machine that expands a fluid in a supercritical pressure state to a gas-liquid two-phase state. On the other hand, it is possible to secure recoverable power and reduce torque fluctuation of the obtained power.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The first solution provided by the present invention includes a fixed scroll (61) and a movable scroll (64) each having a spiral wrap (63, 66), and the fixed scroll (61) and the movable scroll. The present invention is directed to a scroll type fluid machine in which expansion chambers (71, 72) are formed by meshing laps (63, 66) of (64). Then, a fluid of supercritical pressure flows into the expansion chamber (71, 72), and the fluid expands into a gas-liquid two-phase state and flows out of the expansion chamber (71, 72). While the (71, 72) is a sealed space, the volume of the expansion chamber (71, 72) increases at the first rate of change until the rotation angle of the movable scroll (64) reaches a predetermined value, and the movable scroll (64) is movable. When the rotation angle of the scroll (64) exceeds the predetermined value, the volume of the expansion chamber (71, 72) increases at the second change rate, and the first change rate is smaller than the second change rate. It is comprised so that it may become.
[0011]
The second solving means adopted by the present invention is that, in the first solving means, the volume change rate of the expansion chambers (71, 72) is changed from the first change rate to the second rate as the movable scroll (64) rotates. The thickness of the wrap (63, 66) is changed so as to change to the rate of change.
[0012]
According to a third solving means of the present invention, in the second solving means, the wrap (63, 66) has an extending direction from the center side end portion of the wrap (63, 66) toward the outer peripheral side end portion. The thickness of the wrap (63,66) gradually decreases as it progresses to the end, and the thickness of the wrap (63,66) gradually increases as it continues to the end of the thickness reduction portion and proceeds in the extension direction. An increasing thickness increasing portion is formed.
[0013]
According to a fourth solving means of the present invention, in the second solving means, the wrap (63, 66) has an extending direction from the center side end portion of the wrap (63, 66) toward the outer peripheral side end portion. The thickness reduction part (81) in which the thickness of the wrap (63,66) gradually decreases as it progresses to, and the thickness of the wrap (63,66) is constant at the end of the thickness reduction part (81) A thin-walled portion (82) that is maintained at the end, and a thickness-increasing portion (83) that is continuous with the end of the thin-walled portion (82) and gradually increases in thickness as the wrap (63, 66) proceeds in the extending direction. Is formed.
[0014]
According to a fifth solving means of the present invention, in the second or third solving means, the wrap (63, 66) is formed in an involute curve shape over the entire length of the wrap (63, 66). The wall thickness of the wrap (63, 66) is changed by increasing / decreasing the basic circle radius of the involute curve representing the shape of the wrap (63, 66) according to the expansion angle of the involute curve.
[0015]
The sixth solution provided by the present invention is the above-described second or fourth solution, in which involute curved portions and arc-shaped portions are alternately formed on the inner surface and the outer surface of the wrap (63, 66). By forming, the thickness of the wrap (63, 66) is changed.
[0016]
The seventh solution provided by the present invention is the first or second solution, wherein the expansion chambers (71, 72) include a first expansion chamber (71) and a second expansion chamber (72). Are formed in pairs, the closing completion timing of the first expansion chamber (71) is delayed from the closing completion timing of the second expansion chamber (72), and the first expansion chamber (71) is closed. The fluid outflow start timing from the expansion chamber (71) is delayed from the fluid outflow start timing from the second expansion chamber (72).
[0017]
The eighth solution provided by the present invention is the seventh solution, wherein the expansion ratio in the first expansion chamber (71) is equal to the expansion ratio in the second expansion chamber (72). It is what is done.
[0018]
The ninth solving means taken by the present invention is the above seventh or eighth solving means, wherein either one of the fixed scroll (61) and the movable scroll (64) (63) is the other wrap ( It is extended to the vicinity of the outer peripheral end in 66).
[0019]
A tenth solution taken by the present invention is directed to a refrigeration system, and the scroll fluid machine (60) according to any one of claims 1 to 9 and a refrigerant compressor (50) are connected. And a refrigerant circuit (20) filled with carbon dioxide as a refrigerant. When the refrigerant circuit (20) circulates the refrigerant and performs a refrigeration cycle, the compressor (50) removes the refrigerant from the refrigerant circuit. The power that is compressed to a critical pressure or higher and the compressed refrigerant is expanded by the scroll fluid machine (60) and recovered is used to drive the compressor (50).
[0020]
-Action-
In the first solution, the expansion chamber (71, 72) is movable in a sealed space, that is, between the time when the expansion chamber (71, 72) is completely closed and the time when the fluid starts to flow out. As the scroll (64) rotates, the volume change rate of the expansion chamber (71, 72) varies. Specifically, the volume change rate of the expansion chamber (71, 72) becomes the first change rate until the movable scroll (64) revolves by a predetermined angle after the expansion chamber (71, 72) is closed. On the other hand, in a state where the movable scroll (64) has moved beyond a predetermined angle, the volume change rate of the expansion chamber (71, 72) becomes the second change rate. And in this solution, the 1st change rate is smaller than the 2nd change rate. That is, until the rotation angle of the movable scroll (64) reaches a predetermined value, the volume of the expansion chamber (71, 72) gradually increases as compared to after the rotation angle exceeds the predetermined value.
[0021]
In the second solution, the thickness of the wrap (63, 66) formed on the fixed scroll (61) or the movable scroll (64) is changed depending on the location. The volume change rate of the expansion chamber (71, 72) is changed from the first change rate to the second change rate by increasing or decreasing the wall thickness of the wrap (63, 66).
[0022]
In the third solving means, in the extending direction of the wrap (63, 66), the reduced thickness portion and the increased thickness portion are successively formed. In the reduced thickness portion, the thickness of the wrap (63, 66) gradually decreases as the wrap (63, 66) extends in the extending direction. In the thickened portion, the thickness of the wrap (63, 66) gradually increases as the wrap (63, 66) extends in the extending direction.
[0023]
In the fourth solution means, in the extending direction of the wraps (63, 66), the thickness decreasing portion, the thin portion (82), and the thickness increasing portion (83) are successively formed. In the reduced thickness portion (81), the thickness of the wrap (63, 66) gradually decreases as the wrap (63, 66) extends in the extending direction. In the thin portion (82), the thickness of the wrap (63, 66) is kept constant at the thickness at the end of the reduced thickness portion (81). In the thickness increasing portion (83), the thickness of the wrap (63, 66) gradually increases as the wrap (63, 66) extends in the extending direction.
[0024]
In the fifth solution, the thickness of the involute curved wrap (63, 66) is changed by increasing or decreasing the base circle radius of the involute curve. Specifically, as the base circle radius of the involute curve decreases, the wall thickness of the wrap (63,66) gradually decreases, and as the base circle radius of the involute curve increases, the wrap (63,66) ) Will gradually increase.
[0025]
In the sixth solving means described above, the involute curved portion and the arc curved portion are alternately formed inside and outside the wrap (63, 66). By forming these two portions alternately, the thickness of the wrap (63, 66) is changed depending on the location.
[0026]
In the seventh solving means, while the movable scroll (64) rotates, the first expansion chamber (71) becomes a sealed space and the second expansion chamber (72) becomes a sealed space. The period is different. This point will be described.
[0027]
First, in this solution, the timing for completing the closing is different between the first expansion chamber (71) and the second expansion chamber (72). That is, even after the inflow of the fluid into the second expansion chamber (72) is completed, the fluid continues to flow into the first expansion chamber (71). Then, after the movable scroll (64) revolves by a predetermined angle from the completion of the closing of the second expansion chamber (72), the closing of the first expansion chamber (71) is completed. Thereafter, the fluid expands in each expansion chamber (71, 72), and the expansion work of the fluid is taken out as the rotational power of the movable scroll (64). At that time, since the closing timings of the expansion chambers (71, 72) are different, the internal pressures of the expansion chambers (71, 72) at a certain moment are different from each other.
[0028]
Furthermore, in this solution, the timing at which fluid begins to flow out of the expansion chambers (71, 72) differs between the first expansion chamber (71) and the second expansion chamber (72). That is, even after the fluid starts to flow out of the second expansion chamber (72), the fluid continues to expand in the first expansion chamber (71). Then, after the movable scroll (64) revolves by a predetermined angle from the time when the fluid starts to flow out of the second expansion chamber (72), the fluid starts to flow out of the first expansion chamber (71).
[0029]
In the eighth solution means, the expansion ratios of the paired expansion chambers (71, 72) are equal to each other. That is, the pressure of the fluid flowing out from the expansion chambers (71, 72) is the same in any of the paired expansion chambers (71, 72). Here, the expansion ratio is a ratio of the volume of the expansion chamber (71, 72) immediately after completion of the confinement to the volume of the expansion chamber (71, 72) immediately before the start of fluid outflow.
[0030]
In the ninth solving means, the wrap (63) of the fixed scroll (61) and the wrap (66) of the movable scroll (64) are engaged with each other, and one end on the outer peripheral side is the outer periphery on the other. It is formed in a predetermined shape so as to be located in the vicinity of the side end. The fluid flowing out from the first or second expansion chamber (71, 72) is sent out of the expansion chamber (71, 72) from the vicinity of the outer peripheral side end of each lap (63, 66). That is, the fluid in both expansion chambers (71, 72) flows out from the expansion chambers (71, 72) at substantially the same position in the circumferential direction of the wraps (63, 66).
[0031]
In the tenth solution, the refrigeration apparatus (10) using the scroll type fluid machine (60) according to the present invention is configured. In this refrigeration apparatus (10), a scroll type fluid machine (60) is connected to a refrigerant circuit (20) together with a refrigerant compressor (50). In the refrigerant circuit (20), carbon dioxide (CO ₂ ) Is filled.
[0032]
In the refrigerant circuit (20), carbon dioxide as a refrigerant circulates and a refrigeration cycle is performed. Specifically, the compressor (50) compresses the refrigerant, and the refrigerant (CO ₂ ) To a pressure higher than the critical pressure. The refrigerant discharged from the compressor (50) radiates heat to, for example, air. The refrigerant after heat dissipation flows into the scroll fluid machine (60) as an expander. In the scroll type fluid machine (60), the expansion work of the refrigerant is taken out as rotational power. The rotational power extracted by the scroll fluid machine (60) is used as power for driving the compressor (50) to compress the refrigerant. The expanded refrigerant that has flowed out of the scroll fluid machine (60) absorbs heat from, for example, air, and is then sucked into the compressor (50) and compressed again.
[0033]
【The invention's effect】
According to the present invention, in the scroll type fluid machine, the volume change rate of the expansion chamber (71, 72) can be reduced for a while after the expansion of the fluid in the expansion chamber (71, 72) starts. Therefore, the volume change rate of the expansion chamber (71, 72) is reduced in the process where the fluid in the supercritical pressure state becomes a saturated liquid, and the expansion chamber (71, 72) in the process where the fluid expands in a gas-liquid two-phase state. ) Can be increased.
[0034]
Therefore, according to the present invention, the volume change rate of the expansion chamber (71, 72) is suitable for the process in which the fluid in the supercritical pressure state becomes a saturated liquid without increasing the number of turns of the wrap (63, 66). The size of the scroll fluid machine can be avoided. In addition, according to the present invention, sufficient power recovery can be achieved even in the process where the fluid in the supercritical pressure state becomes a saturated liquid, compared to the conventional scroll fluid machine in which the volume change rate of the expansion chambers (71, 72) is constant. It becomes possible. Furthermore, according to the present invention, since the volume change rate of the expansion chambers (71, 72) can be changed in response to the characteristic change of the expanding fluid, the torque fluctuation range of the rotational power obtained by the expansion of the fluid can be reduced.
[0035]
In particular, in the seventh solution, the first expansion chamber (71) and the second expansion chamber (72) formed as a pair, the respective closing completion time and fluid outflow start time, Are different. For this reason, according to this solution, the fluctuation range of the rotational force applied to the movable scroll (64) due to the expansion of the fluid in the expansion chambers (71, 72) can be reduced, and the scroll fluid machine (60) can obtain. The torque fluctuation range of the rotational power can be further reduced.
[0036]
Further, in the seventh solving means, the first expansion chamber (71) and the second expansion chamber (72) have different closing completion timings, so that both conventional expansion chambers (71, 72) Compared to those that complete the confinement at the same time, the fluid flow rate through the fluid inlet (69) is lower. For this reason, the pressure loss of the fluid at the time of passing through the inflow port (69) can be reduced, and the pressure of the fluid flowing into the expansion chambers (71, 72) can be maintained high. Therefore, according to this solution, a sufficient pressure difference between the fluid flowing into the scroll type fluid machine (60) as the expander and the fluid flowing out from the fluid can be secured, and the fluid can be taken out by the scroll type fluid machine (60). Rotational power can be improved.
[0037]
Further, according to the ninth solution means, the wrap (63, 66) of the fixed scroll (61) or the movable scroll (64) has a predetermined shape. For this reason, the fluid in the expansion chamber (71, 72) can flow out from substantially the same position in the circumferential direction of the wrap (63, 66).
[0038]
Here, when the conventional scroll type fluid machine shown in FIG. 12 is used as an expander, the fluid in the expansion chamber (d) flows out from a position 180 ° apart in the circumferential direction of the wrap (c). Therefore, if only one fluid outflow port from the scroll fluid machine is to be used, the fluid flowing out from one of the expansion chambers (d) flows around the outside of the wrap (c) and flows out. It will be led to the port. And while detouring outside the wrap (c), the fluid flowing out from the expansion chamber (d) absorbs heat, and the enthalpy of the fluid sent out from the scroll type fluid machine increases.
[0039]
On the other hand, according to the present solution, the fluid in the expansion chamber (71, 72) can flow out from substantially the same position in the circumferential direction of the wrap (63, 66). Therefore, the fluid flowing out from the expansion chambers (71, 72) can be immediately guided to one outflow port (37), and the enthalpy of the fluid fed from the scroll type fluid machine (60) can be prevented from increasing.
[0040]
In the tenth solution, the scroll fluid machine (60) according to the present invention is provided in the refrigeration apparatus (10) as an expander, and the expansion work of the refrigerant is recovered as rotational power, and further, the recovered rotational power is recovered. Is used to drive the compressor (50). Therefore, according to this solution, energy such as electric power supplied from the outside in order to compress the refrigerant by the compressor (50) can be reduced, and the COP (coefficient of performance) of the refrigeration apparatus (10) can be improved. it can.
[0041]
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiment 1
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The first embodiment is an air conditioner (10) configured by a refrigeration apparatus according to the present invention.
[0042]
<Overall configuration of air conditioner>
As shown in FIG. 1, the air conditioner (10) is of a so-called separate type, and includes an outdoor unit (11) and an indoor unit (13). The outdoor unit (11) includes an outdoor fan (12), an outdoor heat exchanger (23), a first four-way switching valve (21), a second four-way switching valve (22), and a compression / expansion unit (30). Is stored. The indoor unit (13) houses an indoor fan (14) and an indoor heat exchanger (24). The outdoor unit (11) is installed outdoors, and the indoor unit (13) is installed indoors. The outdoor unit (11) and the indoor unit (13) are connected by a pair of connecting pipes (15, 16). Details of the compression / expansion unit (30) will be described later.
[0043]
The air conditioner (10) is provided with a refrigerant circuit (20). The refrigerant circuit (20) is a closed circuit to which a compression / expansion unit (30), an indoor heat exchanger (24), and the like are connected. The refrigerant circuit (20) includes carbon dioxide (CO) as a refrigerant. ₂ ) Is filled.
[0044]
Both the outdoor heat exchanger (23) and the indoor heat exchanger (24) are cross fin type fin-and-tube heat exchangers. In the outdoor heat exchanger (23), the refrigerant circulating in the refrigerant circuit (20) exchanges heat with outdoor air. In the indoor heat exchanger (24), the refrigerant circulating in the refrigerant circuit (20) exchanges heat with room air.
[0045]
The first four-way selector valve (21) has four ports. The first four-way switching valve (21) has a first port connected to the discharge port (35) of the compression / expansion unit (30) and a second port connected to the interior via the connection pipe (15). One end of the heat exchanger (24) is piped, the third port is piped to one end of the outdoor heat exchanger (23), and the fourth port is the suction port (34) of the compression / expansion unit (30) And piping connected. The first four-way switching valve (21) is in a state where the first port and the second port communicate with each other and the third port and the fourth port communicate with each other (a state indicated by a solid line in FIG. 1). Then, the first port and the third port communicate with each other and the second port and the fourth port communicate with each other (state indicated by a broken line in FIG. 1).
[0046]
The second four-way selector valve (22) has four ports. The second four-way selector valve (22) has a first port connected to the outflow port (37) of the compression / expansion unit (30) and a second port other than the outdoor heat exchanger (23). The third port is connected to the other end of the indoor heat exchanger (24) via the connecting pipe (16), and the fourth port is the outflow port of the compression / expansion unit (30) ( 37) Piping connection. The first four-way switching valve (21) is in a state where the first port and the second port communicate with each other and the third port and the fourth port communicate with each other (a state indicated by a solid line in FIG. 1). Then, the first port and the third port communicate with each other and the second port and the fourth port communicate with each other (state indicated by a broken line in FIG. 1).
[0047]
<Configuration of compression / expansion unit>
As shown in FIG. 2, the compression / expansion unit (30) includes a compression mechanism part (50), an expansion mechanism part (60), a motor inside a casing (31) that is a vertically long and cylindrical sealed container. (40) is stored. The casing (31) of the compression / expansion unit (30) is provided with a suction port (34), a discharge port (35), an inflow port (36), and an outflow port (37).
[0048]
Inside the casing (31), a frame (67) is provided slightly above the center in the height direction. The frame (67) divides the internal space of the casing (31) into an upper space (32) above the frame (67) and a lower space (33) below the frame (67). And the expansion mechanism part (60) is installed in the upper space (32) in a casing (31), and the compression mechanism part (50) and the motor (40) are installed in the lower space (33). In the lower space (33), the motor (40) is disposed above the compression mechanism (50).
[0049]
The motor (40) includes a stator (41) and a rotor (42). The stator (41) is fixed to the casing (31). The rotor (42) is disposed inside the stator (41). Further, the drive shaft (45) passes through the rotor (42) coaxially with the rotor (42). The drive shaft (45) has a lower end connected to the compression mechanism (50) and an upper end connected to the expansion mechanism (60).
[0050]
The compression mechanism section (50) is configured as a so-called swing type rotary compressor. The compression mechanism (50) includes a cylinder (51), a piston (53) housed in a cylinder chamber (52) of the cylinder (51), and a front head ( 54) and a rear head (55) for closing the lower surface of the cylinder chamber (52). And the lower end part of the said drive shaft (45) has penetrated the rear head (55) through the cylinder (51) from the front head (54).
[0051]
The piston (53) is formed in an annular shape and is rotatably fitted to the lower end portion of the drive shaft (45). The lower end portion of the drive shaft (45) into which the piston (53) is fitted constitutes the lower eccentric shaft portion (46). The lower eccentric shaft portion (46) is formed eccentric from the shaft center of the drive shaft (45).
[0052]
Although not shown, the piston (53) is integrally formed with a blade. The blade is inserted into the cylinder (51) via a bush. The piston (53) swings about the bush as a fulcrum, and reduces the volume in the cylinder chamber (52) to compress the refrigerant.
[0053]
The cylinder (51) is formed with a refrigerant suction port (57). The suction port (34) is connected to the suction port (57). The front head (54) is formed with a refrigerant outlet (58). The front head (54) is provided with a discharge valve (56) for opening and closing the discharge port (58). The discharge port (58) opens to the lower space (33) in the casing (31). One end of the discharge port (35) is open near the upper end of the lower space (33).
[0054]
The expansion mechanism (60) constitutes a scroll type fluid machine. The expansion mechanism (60) includes a fixed scroll (61) and a movable scroll (64). The frame (67) not only partitions the casing (31) up and down but also constitutes the expansion mechanism (60).
[0055]
The fixed scroll (61) includes an end plate (62) and a spiral fixed side wrap (63) protruding toward the lower surface side of the end plate (62). The end plate (62) of the fixed scroll (61) is fixed to the casing (31). On the other hand, the movable scroll (64) includes a plate-shaped end plate (65) and a spiral fixed-side wrap (63) protruding toward the upper surface side of the end plate (62). The fixed scroll (61) and the movable scroll (64) are arranged so as to face each other, and the expansion chamber (71, 72) is defined by the fixed side wrap (63) and the movable side wrap (66) meshing with each other. The
[0056]
A refrigerant inlet (69) is formed at the center of the end plate (62) of the fixed scroll (61). The inflow port (69) is formed through the end plate (62) of the fixed scroll (61) in order to allow the expansion chambers (71, 72) and the upper space (32) to communicate with each other. An inlet port (36) for introducing the refrigerant into the upper space (32) is provided at the top of the casing (31). A refrigerant outlet (70) is formed on the outer peripheral side of the fixed wrap (63) and the movable wrap (66). The outflow port (37) is connected to the outflow port (70).
[0057]
The end plate (65) of the movable scroll (64) has a shape in which the central portion on the lower surface protrudes downward, and the protruding portion is rotatably fitted to the upper end of the drive shaft (45). Yes. The upper end portion of the drive shaft (45) into which the end plate (65) is fitted constitutes the upper eccentric shaft portion (47). The upper eccentric shaft portion (47) is formed eccentric from the axis of the drive shaft (45). The drive shaft (45) is formed with a bowl-shaped flange (48) immediately below the upper eccentric shaft (47). The thrust load acting on the movable scroll (64) is received by the flange portion (48) and the frame (67) of the drive shaft (45).
[0058]
Further, the movable scroll (64) is supported by the frame (67) via an Oldham ring (68). The Oldham ring (68) is for regulating the rotation of the movable scroll (64). The movable scroll (64) revolves at a predetermined turning radius without rotating. The turning radius of the movable scroll (64) is the same as the eccentric amount of the upper eccentric shaft portion (47).
[0059]
As shown in FIG. 3, the fixed side wrap (63) and the movable side wrap (66) are formed in the same spiral shape. That is, with respect to the fixed wrap (63) and the movable wrap (66), the number of turns is the same, and the thickness of both is similarly increased or decreased. The shapes of the fixed wrap (63) and the movable wrap (66) will be described later. The movable side wrap (66) and the fixed side wrap (63) thus formed are meshed with each other in a posture in which the phases are shifted by 180 °. In FIG. 3, the outline of the end plate (62) of the fixed scroll (61) is omitted.
[0060]
By engaging the movable side wrap (66) and the fixed side wrap (63) as described above, the first chamber (71) which is the first expansion chamber and the second chamber (72) which is the second expansion chamber. And are paired to form a compartment. That is, the first chamber (71) is formed between the outer surface of the movable wrap (66) and the inner surface of the fixed wrap (63), and the outer surface of the fixed wrap (63) and the movable wrap ( 66) and the second chamber (72) is formed. In addition, in the end plate (62) of the movable wrap (66), a refrigerant inlet (69) is opened in a circle in the vicinity of the center side end of the movable wrap (66).
[0061]
The shapes of the fixed wrap (63) and the movable wrap (66) will be described with reference to FIG. Since the fixed side wrap (63) and the movable side wrap (66) have the same shape as described above, only the shape of the fixed side wrap (63) will be described here.
[0062]
The fixed side wrap (63) has a shape in which the wall thickness increases or decreases as it proceeds in the extending direction from the center side end to the outer periphery side end. In order to change the wall thickness in this way, the outer side surface and the inner side surface of the fixed side wrap (63) are formed by combining arcs and involute curves. The fixed side wrap (63) is formed so that the thickness at the center side end portion thereof is the same as the thickness at the outer peripheral side end portion. Moreover, in FIG. 4, the shape of the fixed side wrap (63) in the case where it is assumed that the thickness of the fixed side wrap (63) is kept constant over the entire circumference is indicated by a two-dot chain line.
[0063]
The outer side surface of the fixed side wrap (63) is formed so that the curve drawn by the lower end side, that is, the outer peripheral line, has the following shape. At the central end of the fixed side wrap (63), that is, the portion from the start of winding of the outer circumferential line to the winding angle of about 90 °, the outer circumferential line draws the first arc (1). In the portion from the end of the first arc (1) to the winding angle of the outer circumference line of about 360 °, the outer circumference line draws the first involute curve (2). In the portion from the end of the first involute curve {circle around (2)} to the winding angle of the outer circumference line of about 450 °, the outer circumference line draws the second arc {circle around (3)}. From the end of the second arc (3) to the end of winding of the outer circumference, the outer circumference draws a second involute curve (4).
[0064]
On the other hand, the inner side surface of the fixed side wrap (63) is formed so that the curve drawn by the lower end side, that is, the inner peripheral line, has the following shape. At the center end portion of the fixed side wrap (63), that is, the portion from the beginning of winding of the inner circumferential line to the winding angle of about 180 °, the inner circumferential line draws the third involute curve (5). In the portion from the end of the third involute curve {circle around (5)} to the winding angle of the inner circumference line of about 270 °, the inner circumference line draws the third arc {circle around (6)}. In the portion from the end of the third arc {circle around (6)} to the winding angle of the inner circumference of about 540 °, the inner circumference draws the fourth involute curve (7). In the portion from the end of the fourth involute curve {circle around (7)} to the winding angle of the inner circumference line of about 630 °, the inner circumference line draws the fourth arc {8}. From the end of the fourth arc (8) to the end of winding of the inner circumference, the inner circumference draws a fifth involute curve (9).
[0065]
The wall thickness of the fixed side wrap (63) formed in this way increases and decreases as follows. In the portion where the outer peripheral line is the first arc (1) and the inner peripheral line is the third involute curve (5), the thickness of the fixed side wrap (63) gradually increases. The thickness of the fixed side wrap (63) is kept constant at the portion where the outer peripheral line becomes the first involute curve (2) and the inner peripheral line becomes the third involute curve (5). The thickness of the fixed side wrap (63) in this portion is thicker than the thickness at the center side end portion or the outer peripheral side end portion. In the portion where the outer peripheral line is the first involute curve (2) and the inner peripheral line is the third arc (6), the thickness of the fixed side wrap (63) gradually decreases. In the portion where the outer peripheral line is the first involute curve (2) and the inner peripheral line is the fourth involute curve (7), the thickness of the fixed wrap (63) is kept constant. The thickness of the fixed side wrap (63) at this portion is equal to the thickness at the center side end portion or the outer peripheral side end portion.
[0066]
Subsequently, the thickness of the fixed side wrap (63) gradually decreases in a portion where the outer circumferential line is the second arc (3) and the inner circumferential line is the fourth involute curve (7). This portion constitutes a thickness reduction portion (81). In the portion where the outer peripheral line is the second involute curve (4) and the inner peripheral line is the fourth involute curve (7), the thickness of the fixed wrap (63) is kept constant. In this portion, the thickness of the fixed side wrap (63) is thinner than the thickness at the center side end portion or the outer peripheral side end portion, and constitutes a thin portion (82). In the portion where the outer peripheral line is the second involute curve (4) and the inner peripheral line is the fourth arc (8), the thickness of the fixed side wrap (63) gradually increases. This portion constitutes a thickened portion (83). In the portion where the outer peripheral line is the second involute curve (4) and the inner peripheral line is the fifth involute curve (9), the thickness of the fixed wrap (63) is kept constant. The thickness of the fixed side wrap (63) at this portion is equal to the thickness at the center side end portion or the outer peripheral side end portion.
[0067]
As described above, the expansion chambers (71, 72) are formed by meshing the movable side wrap (66) and the fixed side wrap (63). In addition, by increasing or decreasing the thickness of the movable wrap (66) and the fixed wrap (63) as described above, the volume change rate of the expansion chamber (71, 72) can be reduced by the rotation angle of the movable wrap (66). It is configured to change depending on the value.
[0068]
-Driving action-
The operation of the air conditioner (10) will be described. Here, the operation during the cooling operation and the heating operation of the air conditioner (10) will be described, and then the operation of the expansion mechanism section (60) will be described.
[0069]
《Cooling operation》
During the cooling operation, the first four-way switching valve (21) and the second four-way switching valve (22) are switched to the state indicated by the broken line in FIG. When the motor (40) of the compression / expansion unit (30) is energized in this state, the refrigerant circulates in the refrigerant circuit (20), and a refrigeration cycle as shown in the Mollier diagram (pressure-enthalpy diagram) in FIG. Done.
[0070]
The refrigerant in the state of point a in FIG. 5 is sucked into the compression mechanism section (50). In the compression mechanism section (50), the refrigerant is compressed from the point a state to the point b state. Note that the pressure in the state of the point b is carbon dioxide (CO ₂ ) Is higher than the critical pressure. The refrigerant in the state of point b is discharged into the lower space (33) in the casing (31) and flows out of the casing (31) through the discharge port (35). Thereafter, the refrigerant in the state of this point b is sent to the outdoor heat exchanger (23) through the first four-way switching valve (21).
[0071]
In the outdoor heat exchanger (23), the refrigerant flowing in exchanges heat with outdoor air sent by the outdoor fan (12). By this heat exchange, the refrigerant in the point b state dissipates heat to the outdoor air and enters the point c state. The refrigerant in the state of point c passes through the second four-way switching valve (22), flows into the upper space (32) of the compression / expansion unit (30) through the inflow port (36), and further expands. Flows into section (60).
[0072]
In the expansion mechanism (60), the refrigerant that has flowed in expands in an isentropic process, and passes from the state of point c (supercritical pressure state) to the state of point d (saturated liquid state) to the state of point e (gas-liquid two-phase). State). Note that point c, point d, and point e in FIG. 5 correspond to point c, point d, and point e in FIG.
[0073]
Here, when the refrigerant is expanded by the expansion valve, the refrigerant expands in an adiabatic expansion process (equal enthalpy process) as shown by a broken line in FIG. On the other hand, in the expansion mechanism section (60), the refrigerant expands in the isentropic process, and both the pressure and enthalpy of the refrigerant decrease. The refrigerant in the state of point e flowing out from the expansion mechanism section (60) flows out from the compression / expansion unit (30) through the outflow port (37), passes through the second four-way switching valve (22), and passes through the room. It is sent to the heat exchanger (24).
[0074]
In the indoor heat exchanger (24), the refrigerant flowing in exchanges heat with the indoor air sent by the indoor fan (14). By this heat exchange, the refrigerant in the state of the point e absorbs heat from the room air to be in the state of the point a, and the room air is cooled. The refrigerant in the state of point a passes through the first four-way selector valve (21), and is sucked into the compression mechanism (50) of the compression / expansion unit (30) through the suction port (34). Then, the compression mechanism section (50) compresses and discharges the sucked refrigerant again, and this circulation is repeated.
[0075]
Here, in the expansion mechanism section (60), the refrigerant that has flowed in is expanded from the state of point c to the state of point e, and the enthalpy reduction amount W of the refrigerant _E Is recovered (see FIG. 5). The recovered rotational power is transmitted to the compression mechanism section (50) by the drive shaft (45) and used to rotate the piston (53) of the compression mechanism section (50). The compression mechanism (50) is rotated by a motor (40) with rotational power W. _C Is transmitted and rotational power W is transmitted from the expansion mechanism (60). _E At the same time, it is used for rotationally driving the piston (53).
[0076]
《Heating operation》
During the heating operation, the first four-way switching valve (21) and the second four-way switching valve (22) are switched to the state shown by the solid line in FIG. When the motor (40) of the compression / expansion unit (30) is energized in this state, the refrigerant circulates in the refrigerant circuit (20) to perform a refrigeration cycle.
[0077]
Specifically, the refrigerant compressed by the compression mechanism (50) flows out from the compression / expansion unit (30) through the discharge port (35), passes through the first four-way switching valve (21), and passes through the room. It is sent to the heat exchanger (24). In the indoor heat exchanger (24), the refrigerant flowing in exchanges heat with room air. By this heat exchange, the refrigerant dissipates heat to the room air, and the room air is heated. The refrigerant radiated by the indoor heat exchanger (24) passes through the second four-way switching valve (22) and flows into the expansion mechanism section (60) through the inflow port (36).
[0078]
In the expansion mechanism section (60), the refrigerant that has flowed in expands in the isentropic process. The expanded refrigerant flows out from the compression / expansion unit (30) through the outflow port (37), passes through the second four-way switching valve (22), and flows into the outdoor heat exchanger (23). In the outdoor heat exchanger (23), the refrigerant that has flowed in exchanges heat with the outdoor air, and the refrigerant absorbs heat from the outdoor air. The refrigerant after the heat absorption passes through the first four-way switching valve (21), and is sucked into the compression mechanism (50) of the compression / expansion unit (30) through the suction port (34). The compression mechanism (50) compresses and discharges the sucked refrigerant again, and this circulation is repeated.
[0079]
<Operation of expansion mechanism>
The operation of the expansion mechanism section (60) will be described. A refrigerant in a supercritical pressure state flows into the expansion chambers (71, 72) defined by the fixed side wrap (63) and the movable side wrap (66) through the inlet (69) (see FIG. 3). When the movable scroll (64) revolves counterclockwise in FIG. 3, the expansion chambers (71, 72) are finally closed.
[0080]
Thereafter, the movable scroll (64) is pushed and moved by the refrigerant in the expansion chambers (71, 72), and rotational power is applied to the movable scroll (64). As the movable scroll (64) rotates, the volume of the expansion chambers (71, 72) increases while being kept sealed. When the movable scroll (64) further rotates, the refrigerant in the expansion chambers (71, 72) flows in the expansion chamber (71 near the outer peripheral end of the fixed side wrap (63) and the movable side wrap (66). , 72).
[0081]
As described above, the volume of the expansion chamber (71, 72) increases as the movable scroll (64) rotates. Here, the volume change rate of the expansion chambers (71, 72) will be described with reference to FIG.
[0082]
FIG. 6 shows the change in the projected area, with the horizontal axis being the rotation angle of the movable scroll (64) and the vertical axis being the projected area of the expansion chamber (71, 72). The projected area of the expansion chamber (71, 72) here refers to the cross-sectional area of the expansion chamber (71, 72) appearing in FIG. The volume of the expansion chamber (71, 72) is a value obtained by multiplying the projected area by the height h of the fixed wrap (63) or the movable wrap (66). The rotation angle of the movable scroll (64) is θ ₁ At this point, the expansion chamber (71, 72) is closed, and then the rotation angle of the movable scroll (64) is θ _Three The expansion chamber (71, 72) is kept sealed until
[0083]
The rotation angle of the movable scroll (64) is θ ₁ To θ ₂ In the meantime, the volume of the expansion chamber (71, 72) increases at the first rate of change. The rotation angle of the movable scroll (64) is θ ₁ The projected area of the expansion chamber (71,72) at the time of ₁ And the rotation angle of the movable scroll (64) is θ ₂ The projected area of the expansion chamber (71,72) at the time of ₂ Then, the first rate of change is (S ₂ -S ₁ ) ・ H / (θ ₂ −θ ₁ ) On the other hand, the rotation angle of the movable scroll (64) is θ ₂ To θ _Three In the meantime, the volume of the expansion chamber (71, 72) increases at the second rate of change. The rotation angle of the movable scroll (64) is θ _Three The projected area of the expansion chamber (71,72) at the time of _Three Then, the second rate of change is (S _Three -S ₂ ) ・ H / (θ _Three −θ ₂ )
[0084]
And in the said expansion mechanism part (60), the 1st change rate is made smaller than the 2nd change rate by increasing / decreasing the thickness of a fixed side wrap (63) or a movable side wrap (66). . This corresponds to expanding the supercritical pressure state refrigerant to the gas-liquid two-phase state in the expansion mechanism section (60).
[0085]
Specifically, the refrigerant that has flowed into the expansion chamber (71, 72) in the supercritical pressure state (the state at point c in FIGS. 5 and 13) expands and gradually decreases in pressure, and the movable scroll (64) Rotation angle is θ ₂ At this point, a saturated liquid state (state of point d in FIGS. 5 and 13) is obtained. That is, the rotation angle of the movable scroll (64) is θ ₁ To θ ₂ Until this time, the volume change rate of the expansion chambers (71, 72) is set to be small, corresponding to the small change amount of the specific volume due to the pressure drop of the refrigerant.
[0086]
On the other hand, the refrigerant that is in the saturated liquid state (the state of the point d in FIGS. 5 and 13) in the expansion chambers (71, 72) has a rotation angle of the movable scroll (64) of θ. ₂ Immediately after exceeding the gas-liquid two-phase state. This refrigerant continues to expand and its pressure gradually decreases, and the rotational angle of the movable scroll (64) becomes θ _Three At this point, the state of the point e in FIGS.
That is, the rotation angle of the movable scroll (64) is θ ₂ To θ _Three Until this time, the volume change rate of the expansion chambers (71, 72) is set to be large corresponding to the large change amount of the specific volume due to the pressure drop of the refrigerant.
[0087]
-Effect of Embodiment 1-
In the first embodiment, the volume change rate of the expansion chambers (71, 72) is changed according to the rotation angle of the movable scroll (64). For this reason, the volume change rate of the expansion chamber (71, 72) is reduced in the process where the fluid in the supercritical pressure state becomes a saturated liquid, and the expansion chamber (71, 72) in the process where the fluid expands in a gas-liquid two-phase state. 72) The volume change rate can be increased.
[0088]
Therefore, according to the first embodiment, the volume change rate of the expansion chambers (71, 72) is changed to a supercritical pressure refrigerant without increasing the number of turns of the fixed wrap (63) and the movable wrap (66). Therefore, the expansion mechanism (60), and hence the compression / expansion unit (30), can be prevented from being enlarged. Further, according to the first embodiment, sufficient power can be obtained even in a process in which a fluid in a supercritical pressure state becomes a saturated liquid, compared with a conventional scroll fluid machine in which the volume change rate of the expansion chambers (71, 72) is constant. Recovery is possible. Furthermore, according to the first embodiment, since the volume change rate of the expansion chambers (71, 72) can be changed in response to the characteristic change of the expanding fluid, the torque fluctuation range of the rotational power obtained by the expansion of the fluid is reduced. it can.
[0089]
Second Embodiment of the Invention
In Embodiment 2 of the present invention, in the expansion mechanism portion (60) of Embodiment 1 described above, the shapes of the fixed side wrap (63) and the movable side wrap (66) are changed, and the paired first chamber (71) and The second chamber (72) differs in the closing completion timing and the refrigerant outflow start timing. In the second embodiment, similarly to the first embodiment, the volume change rate of the expansion chambers (71, 72) changes according to the rotation angle of the movable scroll (64). Here, regarding the expansion mechanism part (60) of the second embodiment, a different part from the first embodiment will be described.
[0090]
As shown in FIGS. 7 and 8, the fixed side wrap (63) and the movable side wrap (66) according to the second embodiment have a combination of an arc and an involute curve on the outer peripheral line and the inner peripheral line. It is formed into a shape. In the fixed side wrap (63) and the movable side wrap (66), the wall thickness increases and decreases as it advances in the extending direction. This is the same as in the first embodiment. However, in the fixed side wrap (63) and the movable side wrap (66) of the second embodiment, the portions where the thickness is changed are different from those of the first embodiment.
[0091]
As shown in FIG. 7, the fixed side wrap (63) of the second embodiment has a shape extended by a winding angle of 180 ° toward the outer peripheral side end portion as compared with the first embodiment. (See FIG. 3). The increase / decrease in the thickness of the fixed side wrap (63) will be described. The thickness of the fixed side wrap (63) at the center end and the outer end is t. ₀ Then, in the portion from the beginning of winding to the winding angle of about 90 °, the thickness of the fixed side wrap (63) gradually increases and t ₁ It becomes. When the winding angle is about 90 ° to about 270 °, the wall thickness of the fixed side wrap (63) is t ₁ Is retained. When the winding angle is about 270 ° to about 360 °, the thickness of the fixed side wrap (63) gradually decreases and t ₀ Return to. In the part where the winding angle is about 360 ° to about 400 °, the wall thickness of the fixed side wrap (63) is t ₀ Is retained.
[0092]
Subsequently, in the portion where the winding angle is about 400 ° to about 470 °, the wall thickness of the fixed side wrap (63) gradually decreases and t ₂ It becomes. This portion constitutes a thickness reduction portion (81). In the part where the winding angle is about 470 ° to about 550 °, the wall thickness of the fixed side wrap (63) is t ₂ Is retained. This portion constitutes a thin portion (82). In the portion where the winding angle is about 550 ° to about 640 °, the wall thickness of the fixed side wrap (63) gradually increases. ₀ Return to. This portion constitutes a thickened portion (83). And, in the portion from the winding angle of about 640 ° to the end of winding, the wall thickness of the fixed side wrap (63) is t ₀ Is retained.
[0093]
As shown in FIG. 8, the movable side wrap (66) of the second embodiment has a shape that is shortened by a winding angle of 90 ° in the direction of the center side end compared to that of the first embodiment. (See FIG. 3). The increase / decrease in the thickness of the movable wrap (66) will be described. The thickness of the movable side wrap (66) at the center end and the outer end is t. ₀ Then, in the portion from the beginning of winding to the winding angle of about 90 °, the wall thickness of the movable wrap (66) gradually increases and t _Three It becomes. When the winding angle is about 90 ° to about 110 °, the wall thickness of the movable wrap (66) is t _Three Is retained. When the winding angle is about 110 ° to about 190 °, the thickness of the movable wrap (66) gradually decreases and t ₀ Return to. In the part where the winding angle is about 190 ° to about 340 °, the wall thickness of the movable side wrap (66) is t ₀ Is retained.
[0094]
Subsequently, in the portion where the winding angle is about 340 ° to about 460 °, the thickness of the movable wrap (66) gradually decreases and t _Four It becomes. This portion constitutes a thickness reduction portion (81). When the winding angle is about 460 ° to about 490 °, the wall thickness of the movable wrap (66) is t _Four Is retained. This portion constitutes a thin portion (82). When the winding angle is about 490 ° to about 650 °, the thickness of the movable side wrap (66) gradually increases and t ₀ Return to. This portion constitutes a thickened portion (83). And in the part from the winding angle of about 650 ° to the end of winding, the wall thickness of the movable side wrap (66) is t ₀ Is retained.
[0095]
As shown in FIG. 9, the first chamber (71) and the second expansion chamber, which are first expansion chambers, are engaged with each other by meshing the fixed-side wrap (63) and the movable-side wrap (66) having a predetermined shape. The second chamber (72) which is is paired and formed. In addition, in the state where the fixed side wrap (63) and the movable side wrap (66) are engaged, the outer peripheral side end of the fixed side wrap (63) is just outside the outer peripheral end of the movable side wrap (66). positioned. Further, by forming the center side end of the movable wrap (66) shorter as described above, the closing completion time of the first chamber (71) is made to be higher than the closing completion time of the second chamber (72). At the same time, the expansion ratios of the first chamber (71) and the second chamber (72) are made to coincide with each other.
[0096]
-Driving action-
Regarding the operation of the expansion mechanism (60) according to the second embodiment, differences from the first embodiment will be described. Here, a description will be given with reference to FIGS. 9 and 10. When the movable wrap (66) is at the position shown in FIG. 9, the first chamber (71) is completely closed at the innermost peripheral portion of the fixed wrap (63) and the movable wrap (66). In contrast, the second chamber (72) is still in communication with the inlet (69).
[0097]
When the movable scroll (64) revolves counterclockwise in FIG. 9, the rotation angle of the movable scroll (64) becomes T as shown in FIG. ₁ At this point, the second chamber (72) is shut off from the inlet (69), and the second chamber (72) is completely closed. Thereafter, the refrigerant expands in the second chamber (72) that has become a sealed space, and the internal pressure of the second chamber (72) decreases as the movable scroll (64) rotates.
[0098]
The decrease in internal pressure in the second chamber (72) is caused by the rotation angle of the movable scroll (64) being T. _Three Continue until The rotation angle of the movable scroll (64) is T _Three At this point, the second chamber (72) communicates with the outlet (70), and the refrigerant flows out from the second chamber (72) to the outlet (70).
[0099]
On the other hand, in the first chamber (71), the rotation angle of the movable scroll (64) is T. ₁ At that time, it still communicates with the inlet (69) (see FIG. 9). Thereafter, the refrigerant continues to flow into the first chamber (71), and the rotation angle of the movable scroll (64) is T ₂ At this point, the closing of the first chamber (71) is completed. Thereafter, the refrigerant expands in the first chamber (71) which is a sealed space, and the internal pressure of the first chamber (71) decreases as the movable scroll (64) rotates.
[0100]
This decrease in internal pressure in the first chamber (71) is caused by the rotational angle of the movable scroll (64) being T. _Four Continue until That is, the rotation angle of the movable scroll (64) is T _Three Thus, even when the refrigerant begins to flow out of the second chamber (72), the expansion of the refrigerant continues in the first chamber (71). The rotation angle of the movable scroll (64) is T _Four At this point, the first chamber (71) communicates with the outlet (70), and the refrigerant flows out from the first chamber (71) to the outlet (70).
[0101]
As described above, in the second embodiment, the closing completion timing of the first chamber (71) is later than the closing completion timing of the second chamber (72), and further, from the first chamber (71). The refrigerant outflow start timing is later than the refrigerant outflow start timing from the second chamber (72). Therefore, the rotation angle of the movable scroll (64) is T ₁ To T _Four At any time up to the point, the internal pressure of the first chamber (71) is higher than the internal pressure of the second chamber (72). Further, the expansion ratio of the first chamber (71) and the expansion ratio of the second chamber (72) are equal, and as shown in FIG. 5, the pressure of the refrigerant flowing out of the first chamber (71) and the second The pressure of the refrigerant flowing out of the chamber (72) is the same value.
[0102]
-Effect of Embodiment 2-
In the expansion mechanism section (60) according to the second embodiment, for each of the first chamber (71) and the second chamber (72) as a pair, the closing completion timing and the refrigerant outflow start timing are different. Yes. For this reason, according to the second embodiment, the fluctuation range of the rotational force applied to the movable scroll (64) due to the expansion of the refrigerant in the first chamber (71) and the second chamber (72) can be reduced, and the expansion mechanism section The torque fluctuation range of the rotational power obtained in (60) can be reduced. That is, according to the second embodiment, coupled with changing the volume change rate of the first chamber (71) and the second chamber (72), the torque fluctuation range of the rotational power obtained in the expansion mechanism section (60) is reduced. It can be further reduced.
[0103]
Further, in the expansion mechanism section (60) according to the second embodiment, the closing completion timing is shifted between the first chamber (71) and the second chamber (72), and the first chamber (71) as in the conventional case is shifted. And the flow rate of the refrigerant flowing through the inflow port (69) is lower than that in which the second chamber (72) is closed at the same time. For this reason, the pressure loss of the refrigerant | coolant at the time of passing an inflow port (69) can be reduced, and the pressure of the fluid which flows in into a 1st chamber (71) and a 2nd chamber (72) can be maintained high. . Therefore, according to the second embodiment, the refrigerant pressure difference at the inlet / outlet of the expansion mechanism (60) can be sufficiently secured, and the rotational power W that can be taken out by the expansion mechanism (60). _E Can be increased. As a result, the rotational power W to be applied to the compression mechanism section (50) by the motor (40). _C The power consumption of the air conditioner (10) can be reduced, and the COP of the air conditioner (10) can be improved.
[0104]
In the expansion mechanism section (60) according to the second embodiment, the outer peripheral end of the fixed wrap (63) is located in the vicinity of the outer peripheral end of the movable wrap (66). Therefore, both the refrigerant flowing out from the first chamber (71) and the refrigerant flowing out from the second chamber (72) flow into the outlet (70) immediately after flowing out, and are compressed and discharged from the outlet port (37). It is sent out of the expansion unit (30). For this reason, compared with the conventional one where the outflow point of the refrigerant is 180 ° apart between the first chamber (71) and the second chamber (72), the outflowed refrigerant flows until reaching the outlet (70). The distance can be shortened, and the heat absorption amount of the refrigerant in the meantime can be reduced.
[0105]
Here, the cooling capacity of the air conditioner (10) is a value obtained by multiplying the enthalpy difference between the points a and e in FIG. 5 by the refrigerant circulation amount. On the other hand, when the enthalpy of the refrigerant flowing out from the expansion mechanism section (60) increases, the point e moves to the right side of FIG. 5, and the enthalpy difference between the points a and e becomes small. On the other hand, according to the second embodiment, it is possible to prevent the enthalpy of the refrigerant flowing out from the expansion mechanism section (60) from rising, and thereby to sufficiently secure the cooling capacity of the air conditioner (10). it can.
[0106]
-Modification of Embodiment 2-
In the second embodiment, by changing the shape of the center side end portion of the movable wrap (66), the closing completion timing of the first chamber (71) is made to be higher than the closing completion timing of the second chamber (72). While delaying, the expansion ratios of the first chamber (71) and the second chamber (72) are matched. On the other hand, as shown in FIG. 11, the first end (71) and the second end are not changed by changing the shape of the inflow port (69) without changing the center end of the movable wrap (66). The chamber (72) may be closed at the same time, and the expansion rates of both may be matched.
[0107]
In this case, the inflow port (69) opens slightly horizontally along the center side end of the fixed side wrap (63). Even in the state of FIG. 11 where the outer surface of the center side end of the movable wrap (66) contacts the inner surface of the center side end of the fixed wrap (63), the first chamber (71) still remains. Communicates with the inlet (69), and the refrigerant continues to flow into the first chamber (71). For this reason, the closing completion timing of the first chamber (71) becomes later than the closing completion timing of the second chamber (72), and the expansion ratio between the first chamber (71) and the second chamber (72) is further increased. Match.
[0108]
Other Embodiments of the Invention
-First modification-
In each of the above embodiments, the shape of the fixed side wrap (63) and the movable side wrap (66) is such that the outer peripheral line and the inner peripheral line alternately draw an arc and an involute curve. The wall thickness of the wrap (63) and movable wrap (66) is changed. On the other hand, the fixed side wrap (63) and the movable side wrap (66) are formed in an involute curve shape over the entire length, and the base circle radius of the involute curve is increased or decreased according to the extension angle. The thickness of the side wrap (63) or the movable side wrap (66) may be changed.
[0109]
Here, when the wrap (63, 66) is formed in an involute curve shape over its entire length, the lap (63, 66) meat increases as the base circle radius increases as the extension angle of the involute curve increases. The thickness of the wrap (63, 66) gradually decreases as the thickness of the wrap (63, 66) decreases as the base circle radius decreases as the extension angle of the involute curve increases. This is also disclosed, for example, in JP-A-60-252102.
[0110]
Then, when changing the volume change rate of the expansion chamber (71, 72) as in the above embodiments, the base circle radius is decreased until the extension angle of the involute curve reaches a predetermined value, and the involute curve When the extension angle exceeds a predetermined value, the base circle radius is increased to form the wrap (63, 66) in a predetermined shape. At this time, the wall thickness of the wrap (63, 66) continuously decreases until the extension angle of the involute curve reaches a predetermined value, and continuously increases after the extension angle exceeds the predetermined value. . That is, the wrap (63, 66) of the present modification is formed with a thickness decreasing portion where the thickness gradually decreases and a thickness increasing portion where the thickness gradually increases. .
[0111]
-Second modification-
In each of the above embodiments, the air conditioner (10) is configured using the refrigeration apparatus according to the present invention, but a hot water supply device for generating hot water may be configured instead. In this case, in the refrigerant circuit (20), a heating heat exchanger for exchanging heat between the refrigerant and water is provided instead of the indoor heat exchanger (24), and further, the first four-way switching valve (21) and the second The four-way switching valve (22) is omitted. And the refrigerant | coolant discharged from the compression mechanism part (50) is sent to the heat exchanger for a heating, and water is heated by the thermal radiation from this refrigerant | coolant. In addition, the refrigerant after heat dissipation is expanded by the expansion mechanism section (60), then sent to the outdoor heat exchanger (23), absorbs heat from the outdoor air, and is sucked into the compression mechanism section (50) again.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a piping system diagram of an air conditioner according to a first embodiment.
FIG. 2 is a schematic sectional view of the compression / expansion unit according to the first embodiment.
3 is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG. 2 showing the shapes of a fixed side wrap and a movable side wrap according to Embodiment 1. FIG.
4 is a plan view showing a shape of a fixed side wrap according to Embodiment 1. FIG.
FIG. 5 is a Mollier diagram showing the refrigeration cycle of the air conditioner according to the first embodiment.
6 is a relationship diagram between the rotation angle of the movable scroll and the projected area of the expansion chamber, showing the change in the volume change rate of the expansion chamber in the expansion mechanism section according to Embodiment 1. FIG.
7 is a plan view showing a shape of a fixed side wrap according to Embodiment 2. FIG.
8 is a plan view showing a shape of a movable side wrap according to Embodiment 2. FIG.
FIG. 9 is a view corresponding to FIG. 3 and showing shapes of a fixed side wrap and a movable side wrap according to the second embodiment.
FIG. 10 is a relationship diagram between the rotation angle of the movable scroll and the internal pressures of the first chamber and the second chamber in the expansion mechanism according to the second embodiment.
11 is a view corresponding to FIG. 3 and showing shapes of a fixed side wrap and a movable side wrap according to a modified example of Embodiment 2. FIG.
FIG. 12 is a schematic cross-sectional view showing shapes of a fixed side wrap and a movable side wrap according to the prior art.
FIG. 13 is a relationship diagram between pressure and specific volume when carbon dioxide is expanded from a supercritical pressure state to a gas-liquid two-phase state.
[Explanation of symbols]
(20) Refrigerant circuit
(50) Compression mechanism (compressor)
(60) Expansion mechanism (scroll type fluid machine)
(61) Fixed scroll
(64) Movable scroll
(63) Fixed wrap
(66) Movable wrap
(69) Inlet
(71) First chamber (first expansion chamber)
(72) Second chamber (second expansion chamber)
(81) Reduced thickness
(82) Thin part
(83) Thickening area

Claims

A fixed scroll (61) and a movable scroll (64) each having a spiral wrap (63, 66) are formed, and the wrap (63, 66) of the fixed scroll (61) and the movable scroll (64) are mutually connected. A scroll type fluid machine in which expansion chambers (71, 72) are formed by meshing,
While a fluid of supercritical pressure flows into the expansion chamber (71, 72), the fluid expands into a gas-liquid two-phase state and flows out of the expansion chamber (71, 72).
While the expansion chamber (71, 72) is a sealed space, the volume of the expansion chamber (71, 72) increases at the first rate of change until the rotation angle of the movable scroll (64) reaches a predetermined value. When the rotation angle of the movable scroll (64) exceeds the predetermined value, the volume of the expansion chamber (71, 72) increases at the second rate of change, and the first rate of change becomes the second rate of change. A scroll type fluid machine configured to be smaller than the above.

The scroll type fluid machine according to claim 1,
The wall thickness of the wrap (63, 66) is changed so that the volume change rate of the expansion chamber (71, 72) changes from the first change rate to the second change rate as the movable scroll (64) rotates. Changing scroll type fluid machine.

The scroll type fluid machine according to claim 2,
The wrap (63,66)
A thickness-reducing portion in which the thickness of the wrap (63, 66) gradually decreases as the wrap (63, 66) advances in the extending direction from the center side end portion toward the outer peripheral side end portion;
A scroll type fluid machine in which a thickness increasing portion is formed which is continuous with the end of the thickness decreasing portion and gradually increases in thickness as the wrap (63, 66) progresses in the extending direction.

The scroll type fluid machine according to claim 2,
The wrap (63,66)
A thickness-reducing portion (81) in which the thickness of the wrap (63, 66) gradually decreases as the wrap (63, 66) progresses in the extending direction from the center end to the outer periphery end;
A thin-walled portion (82) that is continuous to the end of the reduced-thickness portion (81) and in which the thickness of the wrap (63, 66) is kept constant;
A scroll type fluid machine formed with a thickened portion (83) which is continuous with the end of the thinned portion (82) and in which the thickness of the wrap (63, 66) gradually increases as it advances in the extending direction.

The scroll type fluid machine according to claim 2 or 3,
The wrap (63, 66) is formed in an involute curve shape over the entire length of the wrap (63, 66),
A scroll fluid in which the wall thickness of the wrap (63, 66) is changed by increasing or decreasing the basic circle radius of the involute curve representing the shape of the wrap (63, 66) according to the expansion angle of the involute curve machine.

The scroll type fluid machine according to claim 2 or 4,
A scroll type fluid machine in which the wall thickness of the wrap (63, 66) is changed by alternately forming involute curve-shaped portions and arc-shaped portions on the inner and outer surfaces of the wrap (63, 66). .

The scroll type fluid machine according to claim 1 or 2,
The expansion chamber (71, 72) is formed by a pair of the first expansion chamber (71) and the second expansion chamber (72),
The closing completion timing of the first expansion chamber (71) is delayed from the closing completion timing of the second expansion chamber (72), and the fluid flows out of the first expansion chamber (71). A scroll type fluid machine whose start time is delayed from the start time of the outflow of fluid from the second expansion chamber (72).

The scroll type fluid machine according to claim 7,
A scroll type fluid machine configured such that an expansion ratio in the first expansion chamber (71) and an expansion ratio in the second expansion chamber (72) are equal.

The scroll type fluid machine according to claim 7 or 8,
One of the fixed scroll (61) and the movable scroll (64) is a scroll type fluid machine in which one of the wraps (63) is extended to the vicinity of the outer peripheral end of the other wrap (66).

A scroll fluid machine (60) according to any one of claims 1 to 9 and a refrigerant compressor (50) are connected, and a refrigerant circuit (20) filled with carbon dioxide as a refrigerant is provided.
When performing the refrigeration cycle by circulating the refrigerant in the refrigerant circuit (20), the compressor (50) compresses the refrigerant to a critical pressure or higher and compresses the compressed refrigerant into the scroll fluid. A refrigerating apparatus that uses the power recovered by being expanded by the machine (60) to drive the compressor (50).