JP2005002831A - 流体機械 - Google Patents

Abstract

【課題】流体を加圧して吐出するポンプモードと、流体圧を運動エネルギに変換して機械的エネルギを出力するモータモードとを兼ね備える流体機械を提供する。
【解決手段】ポンプモード時には、作動室Ｖから低圧室１０８側に流体が逆流することを防止しながら低圧室１０８と作動室Ｖとを連通させるとともに、高圧室１０７から作動室Ｖ側に流体が逆流することを防止しながら高圧室１０７と作動室Ｖとを連通させ、かつ、モータモード時には、作動室Ｖから高圧室１０７に流体が逆流することを防止しながら作動室Ｖと高圧室１０７とを連通させるとともに、低圧室１０８から作動室Ｖに流体が逆流することを防止しながら低圧室１０８と作動室Ｖとを連通させる弁機構１１１を設ける。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体を加圧して吐出するポンプモードと、流体圧を運動エネルギに変換して機械的エネルギを出力するモータモードとを兼ね備える流体機械に関するもので、熱エネルギを回収するランキンサイクル等の熱回収システムを備える蒸気圧縮式冷凍機用の膨脹機一体型圧縮機に適用して有効である。
【０００２】
【従来の技術】
従来のランキンサイクルを備える蒸気圧縮式冷凍機では、ランキンサイクルにてエネルギ回収を行う場合には、蒸気圧縮式冷凍機の圧縮機を膨脹機として利用している（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特昭６３−９６４４９号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、圧縮機は、外部から機械的エネルギを与えて気相冷媒等のガスを作動室内に吸入した後、作動室の体積を縮小させてガスを圧縮して吐出するものである。一方、膨脹機は、高圧のガスを作動室内に流入させて、そのガス圧により作動室を膨脹させて機械的エネルギ等を取り出すものである。このため、圧縮機を膨脹機として利用するには、冷媒流れを逆転させる必要がある。
【０００５】
しかし、特許文献１に記載の発明では、エネルギ回収を行う際の膨脹機（圧縮機）の冷媒入口側及び冷媒出口側が、蒸気圧縮式冷凍機にて冷凍能力を発揮させる場合の圧縮機（膨脹機）の冷媒入口側及び冷媒出口側と同じ側に設定されているので、１台の圧縮機を膨脹機として作動させることはできず、現実的には、ランキンサイクル作動及び蒸気圧縮式冷凍機のうちいずれか一方は正常作動しない。
【０００６】
すなわち、圧縮機は、ピストンや可動スクロール等の可動部材を変位させて作動室の体積を縮小させてガスを圧縮するものであるので、作動室と高圧室（吐出室）とを連通させる吐出ポートには、高圧室から作動室にガスが逆流することを防止する逆止弁が設けられている。
【０００７】
一方、膨脹機は、高圧室から高圧のガスを作動室に流入させることにより可動部材を変位させて機械的出力を得るものであるので、単純にガスの入口と出口とを逆転させるといった手段では、圧縮機を膨脹機として作動させるときに、逆止弁が障害となって高圧のガスを作動室に供給することができない。したがって、ガスの入口と出口とを逆転させるといった手段では、圧縮機を膨脹機として作動させることはできない。
【０００８】
本発明は、上記点に鑑み、第１には、従来と異なる新規な流体機械を提供し、第２には、流体を加圧して吐出するポンプモードと、流体圧を運動エネルギに変換して機械的エネルギを出力するモータモードとを兼ね備える流体機械を提供することにより、例えば車両燃費向上を可能にすることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明では、流体を加圧して吐出するポンプモードと、流体圧を運動エネルギに変換して機械的エネルギを出力するモータモードとを兼ね備え、往復運動することにより作動室（Ｖ）の体積を拡大縮小させるピストン（１０４）を有する流体機械であって、ポンプモード時には、作動室（Ｖ）から低圧部（１０８）側に流体が逆流することを防止しながら低圧部（１０８）と作動室（Ｖ）とを連通させるとともに、高圧部（１０７）から作動室（Ｖ）側に流体が逆流することを防止しながら高圧部（１０７）と作動室（Ｖ）とを連通させ、かつ、モータモード時には、作動室（Ｖ）から高圧部（１０７）に流体が逆流することを防止しながら作動室（Ｖ）と高圧部（１０７）とを連通させるとともに、低圧部（１０８）から作動室（Ｖ）に流体が逆流することを防止しながら低圧部（１０８）と作動室（Ｖ）とを連通させる弁機構（１１１）を具備することを特徴とする。
【００１０】
これにより、流体を加圧して吐出するポンプモードと、流体圧を運動エネルギに変換して機械的エネルギを出力するモータモードとを兼ね備える流体機械を得ることができる。
【００１１】
請求項２に記載の発明では、弁機構（１１１）の弁体（１１２）は、ピストン（１０４）の往復運動と機械的に連動して作動することを特徴とするものである。
【００１２】
請求項３に記載の発明では、回転運動を往復運動に変換する変換機構（１０２、１０３）を介してピストン（１０４）の往復運動と連動して回転するシャフト（１０１）を具備し、弁機構（１１１）の弁体（１１２）は、シャフト（１０１）に連結されて回転することにより、ピストン（１０４）の往復運動に連動して作動することを特徴とするものである。
【００１３】
請求項４に記載の発明では、弁体（１１２）は、ポンプモード時には低圧部（１０８）と作動室（Ｖ）との連通状態を制御し、モータモード時には低圧部（１０８）と作動室（Ｖ）との連通状態及び高圧部（１０７）と作動室（Ｖ）との連通状態を制御することを特徴とするものである。
【００１４】
請求項５に記載の発明では、弁機構（１１１）は、弁体（１１２）をシャフト（１０１）の軸方向と平行な方向に変位させることにより、ポンプモード時の制御とモータモード時の制御とを切り換えるアクチュエータ（１１３〜１１５）を有することを特徴とするものである。
【００１５】
請求項６に記載の発明では、弁機構（１１１）は、弁体（１１２）に加えて、高圧部（１０７）から作動室（Ｖ）に流体が流れ込むことを防止する逆止弁（１１０）を有していることを特徴とするものである。
【００１６】
請求項７に記載の発明では、シャフト（１０１）には、回転電機（２００）のロータが連結されていることを特徴とするものである。
【００１７】
請求項８に記載の発明では、外部駆動源の動力をシャフト（１０１）に伝達する動力伝達部（３００）を具備することを特徴とするものである。
【００１８】
請求項９に記載の発明では、動力伝達部（３００）は、動力の伝達を断続することができるクラッチ手段であることを特徴とするものである。
【００１９】
請求項１０に記載の発明では、モータモード時には、回転電機（２００）により発電し、ポンプモード時には、回転電機（２００）及び外部駆動源のうち少なくとも一方から供給される動力により流体を加圧して吐出することを特徴とするものである。
【００２０】
因みに、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本実施形態は、ランキンサイクルを備える車両用蒸気圧縮式冷凍機に本発明に係る流体機械を適用したものであって、図１は本実施形態に係る蒸気圧縮式冷凍機の模式図である。
【００２２】
そして、本実施形態に係るランキンサイクルを備える蒸気圧縮式冷凍機は、走行用動力を発生させる熱機関をなすエンジン２０で発生した廃熱からエネルギを回収するとともに、蒸気圧縮式冷凍機で発生した冷熱及び温熱を空調に利用するものである。以下、ランキンサイクルを備える蒸気圧縮式冷凍機について述べる。
【００２３】
膨脹機一体型圧縮機１０は、気相冷媒を加圧して吐出するポンプモードと、過熱蒸気冷媒の流体圧を運動エネルギに変換して機械的エネルギを出力するモータモードとを兼ね備える流体機械であり、放熱器１１は、膨脹機一体型圧縮機１０の吐出側に接続されて放熱しながら冷媒を冷却する放冷器である。なお、膨脹機一体型圧縮機１０の詳細は後述する。
【００２４】
気液分離器１２は放熱器１１から流出した冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離するレシーバであり、減圧器１３は気液分離器１２で分離された液相冷媒を減圧膨脹させるもので、本実施形態では、冷媒を等エンタルピ的に減圧するとともに、膨脹機一体型圧縮機１０がポンプモードで作動しているときに膨脹機一体型圧縮機１０に吸入される冷媒の過熱度が所定値となるように絞り開度を制御する温度式膨脹弁を採用している。
【００２５】
蒸発器１４は、減圧器１３にて減圧された冷媒を蒸発させて吸熱作用を発揮させる吸熱器であり、膨脹機一体型圧縮機１０、放熱器１１、気液分離器１２、減圧器１３及び蒸発器１４等にて低温側の熱を高温側に移動させる蒸気圧縮式冷凍機が構成される。
【００２６】
加熱器３０は、膨脹機一体型圧縮機１０と放熱器１１とを繋ぐ冷媒回路に設けられて、この冷媒回路を流れる冷媒とエンジン冷却水とを熱交換することにより冷媒を加熱する熱交換器であり、三方弁２１によりエンジン２０から流出したエンジン冷却水を加熱器３０に循環させる場合と循環させない場合とが切り替えられる。
【００２７】
第１バイパス回路３１は、気液分離器１２で分離された液相冷媒を加熱器３０のうち放熱器１１側の冷媒出入口側に導く冷媒通路であり、この第１バイパス回路３１には、液相冷媒を循環させるための液ポンプ３２及び気液分離器１２側から加熱器３０側にのみ冷媒が流れることを許容する逆止弁３１ａが設けられている。なお、液ポンプ３２は、本実施形態では、電動式のポンプを採用している。
【００２８】
また、第２バイパス回路３４は、膨脹機一体型圧縮機１０がモータモードで作動するときの冷媒出口側と放熱器１１の冷媒入口側とを繋ぐ冷媒通路であり、この第２バイパス回路３４には、膨脹機一体型圧縮機１０側から放熱器１１の冷媒入口側にのみ冷媒が流れることを許容する逆止弁３４ａが設けられている。
【００２９】
なお、逆止弁１４ａは蒸発器１４の冷媒出口側から膨脹機一体型圧縮機１０がポンプモードで作動するとき冷媒吸入側にのみ冷媒が流れることを許容するもので、開閉弁３４は冷媒通路の開閉する電磁式のバルブであり、開閉弁３４及び三方弁２１等は電子制御装置により制御されている。
【００３０】
ところで、水ポンプ２２はエンジン冷却水を循環させるもので、ラジエータ２３はエンジン冷却水と外気とを熱交換してエンジン冷却水を冷却する熱交換器である。なお、図１では、ラジエータ２３を迂回させて冷却水を流すバイパス回路及びこのバイパス回路に流す冷却水量とラジエータ２３に流す冷却水量とを調節する流量調整弁は省略されている。
【００３１】
因みに、水ポンプ２２はエンジン２０から動力を得て稼動する機械式のポンプであるが、電動モータにて駆動される電動ポンプを用いてもよいことは言うまでもない。
【００３２】
次に、膨脹機一体型圧縮機１０について述べる。
【００３３】
図２は膨脹機一体型圧縮機１０の断面図であり、膨脹機一体型圧縮機１０は、流体（本実施形態では、気相冷媒）を圧縮又は膨脹させるポンプモータ機構１００、回転エネルギが入力されることにより電気エネルギを出力し、電力が入力されることにより回転エネルギを出力する回転電機２００及び、外部駆動源をなすエンジン２０からの動力を断続可能にポンプモータ機構１００側に伝達する動力伝達機構をなす電磁クラッチ３００等から構成されている。
【００３４】
ここで、回転電機２００はステータ２１０及びステータ２１０内で回転するロータ２２０等からなるもので、ステータ２１０は巻き線が巻かれたステータコイルであり、ロータ２２０は永久磁石が埋設されたマグネットロータである。
【００３５】
そして、本実施形態に係る回転電機２００は、ステータ２１０に電力が供給された場合にはロータ２２０を回転させてポンプモータ機構１００を駆動する電動モータとして作動し、ロータ２２０を回転させるトルクが入力された場合には電力を発生させる発電機として作動する。
【００３６】
また、電磁クラッチ３００は、Ｖベルトを介してエンジン２０からの動力を受けるプーリ部３１０、磁界を発生させる励磁コイル３２０、及び励磁コイル３２０により誘起された磁界による電磁力により変位するフリクションプレート３３０等からなるもので、エンジン２０側と膨脹機一体型圧縮機１０側とを繋ぐときは励磁コイル３２０に通電し、エンジン２０側と膨脹機一体型圧縮機１０側とを切り離すときは励磁コイル３２０への通電を遮断する。
【００３７】
また、ポンプモータ機構１００は、周知の可変容量方式の斜板型圧縮機構と同一構造を有するもので、以下、その構造を具体的に述べる。
【００３８】
斜板１０２は、シャフト１０１の軸方向（長手方向）に対して傾いた状態でシャフト１０１と一体的に回転する略円盤状のものであり、この斜板１０２の外径側には、一対のシュー１０３を介してピストン１０４が揺動可能に連結されている。
【００３９】
なお、ピストン１０４は、シャフト１０１周りに複数本（本実施形態では、５本）設けられており、複数本のピストン１０４は、所定の位相差を有して互いに連動して往復運動する。
【００４０】
ここで、斜板１０２及びシュー１０３は、ポンプモード時にはシャフト１０１の回転運動を往復運動に変換してピストン１０４に伝達する変換機構として機能し、モータモード時にはピストン１０４の往復運動を回転運動に変換してシャフト１０１に伝達する変換機構として機能する。
【００４１】
そして、ピストン１０４がシンリンダボア１０５内で往復運動することにより、作動室Ｖの体積が拡大縮小する。このとき、ピストン１０４のストローク（行程）は、斜板１０２とシャフト１０１とのなす角（以下、この角を傾斜角θと呼ぶ。）が小さくなるほど大きくなり、傾斜角θが大きくなるほど小さくなることから、本実施形態では、斜板１０２の傾斜角θを変化させることにより、ポンプモータ機構１００の容量を変化させている。
【００４２】
因みに、ポンプモータ機構１００の容量とは、シャフト１０１が１回転するときに吐出又は吸入される理論流量、つまりピストン１０４のストロークと直径との積に基づいて決定される量（体積）を言う。
【００４３】
また、斜板１０２が収納された空間（以下、斜板室１０６と表記する。）は、高圧室１０７及び低圧室１０８と連通しており、斜板室１０６と高圧室１０７とを結ぶ通路には、高圧室１０７の圧力を調節して斜板室１０６に導く圧力調整弁（図示せず。）が設けられ、斜板室１０６と低圧室１０８とは所定の圧力損失を発生させるオリフィス等の固定絞りを介して常に連通している。
【００４４】
そして、斜板１０２の傾斜角θは、斜板室１０６内の圧力と作動室Ｖで発生する圧縮反力との釣り合い状態で決定するので、本実施形態では、傾斜角θを小さくするとき、つまりポンプモータ機構１００の容量を大きくするときには圧力調整弁の開度を小さくして斜板室１０６内の圧力を低下させ、逆に、傾斜角θを大きくするとき、つまりポンプモータ機構１００の容量を小さくするときには圧力調整弁の開度を大きくして斜板室１０６内の圧力を上昇させている。
【００４５】
なお、高圧室１０７は、ポンプモード時には作動室Ｖから吐出される高圧流体が排出される空間として機能し、ポンプモード時には加熱器３０から供給される高圧過熱蒸気が供給される空間として機能する。
【００４６】
また、低圧室１０８は、ポンプモード時には蒸発器１４から流出した低圧蒸気冷媒が供給される空間として機能し、ポンプモード時にはポンプモータ機構１００にて膨脹を終えた低圧流体が排出される空間として機能する。
【００４７】
ところで、吐出ポート１０９は高圧室１０７と作動室Ｖとを連通させる連通路であり、逆止弁１１０は高圧室１０７から作動室Ｖに冷媒が逆流することを防止するものである。
【００４８】
なお、本実施形態係る逆止弁１１０は、逆止弁１１０の弁体をなすリード弁を高圧室１０７側に配置することにより、作動室Ｖから高圧室１０７に向かう動圧が作用したときには開き、逆に、高圧室１０７から作動室Ｖに向かう動圧が作用したときには閉じるようにしたものである。
【００４９】
略円柱状の弁体１１２は、シャフト１０１の端部に形成された二面幅１０１ａと係合してシャフト１０１と一体的に回転することにより、ポンプモード時には、作動室Ｖから低圧室１０８）側に流体が逆流することを防止しながら低圧室１０８と作動室Ｖとを連通させ、かつ、モータモード時には、作動室Ｖから高圧室１０７に流体が逆流することを防止しながら作動室Ｖと高圧室１０７とを連通させるとともに、低圧室１０８から作動室Ｖに流体が逆流することを防止しながら低圧室１０８と作動室Ｖとを連通させるものである。
【００５０】
また、弁体１１２は、内部に低圧室１０８と常に連通する低圧導入路１１２ａが設けられており、その外周側には、図３に示すように、低圧導入路１１２ａと連通する低圧溝１１２ｂ、高圧室１０７と常に連通する高圧導入溝１１２ｃ、シリンダボア１０５の内周面にて作動室Ｖに連通する高圧溝１１２ｄ、及び高圧溝１１２ｄと高圧導入路１１２ｃとを連通させる連通溝１１２ｅが設けられている。
【００５１】
ここで、高圧溝１１２ｄ及び低圧溝１１２ｂは、弁体１１２の外周面の所定角度範囲内のみに設けられており、高圧導入溝１１２ｃは外周面全周に設けられている。このため、弁体１１２が回転すると、高圧溝１１２ｄと連通する作動室Ｖ、及び低圧溝１１２ｂと連通する作動室Ｖが、シャフト１０１の回転運動、つまりピストン１０４の往復運動に連動して切り替わる。
【００５２】
また、弁体１１２の軸方向一端側には、図２に示すように、高圧室１０７内の高圧を導入する背圧室１１４が設けられており、この背圧室１１４と高圧室１０７とを繋ぐ背圧路１１４ａには、背圧路１１４ａの連通状態を制御する電磁弁１１３が設けられている。なお、背圧室１１４は、斜板室１０６と同様に所定の圧力損失を発生させるオリフィス等の固定絞りを介して常に連通している。
【００５３】
一方、弁体１１２の軸方向他端側には、弁体１１２を軸方向一端側に移動させる力を作用させるバネ１１５が配置されており、電磁弁１１３により背圧室１１４の圧力を調節して弁体１１２をシャフト１０１の軸方向と平行な方向に変位させる。
【００５４】
そして、本実施形態では、電磁弁１１３、背圧室１１４及びバネ１１５等により、特許請求の範囲に記載された「ポンプモード時の制御とモータモード時の制御とを切り換えるアクチュエータ」が構成される。
【００５５】
さらに、本実施形態では、この弁体１１２、逆止弁１１０、電磁弁１１３、背圧室１１４及びバネ１１５により、特許請求の範囲に記載された「ポンプモード時には、前記作動室（Ｖ）から低圧部（１０８）側に流体が逆流することを防止しながら前記低圧部（１０８）と前記作動室（Ｖ）とを連通させるとともに、高圧部（１０７）から前記作動室（Ｖ）側に流体が逆流することを防止しながら前記高圧部（１０７）と前記作動室（Ｖ）とを連通させ、かつ、前記モータモード時には、前記作動室（Ｖ）から前記高圧部（１０７）に流体が逆流することを防止しながら前記作動室（Ｖ）と前記高圧部（１０７）とを連通させるとともに、前記低圧部（１０８）から前記作動室（Ｖ）に流体が逆流することを防止しながら前記低圧部（１０８）と前記作動室（Ｖ）とを連通させる弁機構（１１１）」が構成される。
【００５６】
次に、本実施形態に係る膨脹機一体型圧縮機を作動を述べる。
【００５７】
１．ポンプモード
このモードは、シャフト１０１に回転力を与えることによりポンプモータ機構１００のピストン１０４を往復運動させて冷媒を吸入圧縮する運転モードである。
【００５８】
具体的には、電磁弁１１３を閉じて、図４に示すように、弁体１１２を紙面右側に移動させて、低圧溝１１２ｂと作動室Ｖとが連通することができるようにするとともに、高圧溝１１２ｄと作動室Ｖとが連通しないようにする。
【００５９】
これにより、低圧導入路１１２ａと連通する作動室Ｖが、図５に示すように、シャフト１０１の回転に機械的に連動して切り替わるので、複数個の作動室Ｖにて順次、冷媒が吸入圧縮される。なお、圧縮された高圧冷媒は、吐出ポート１０９から高圧室１０７に吐出される。
【００６０】
このとき、シャフト１０１に回転力を与えるに当たっては、電磁クラッチ３００にてエンジン２０側と膨脹機一体型圧縮機１０側とを切り離して回転電機２００により回転力を与える場合と、電磁クラッチ３００にてエンジン２０側と膨脹機一体型圧縮機１０側とを繋いでエンジン２０の動力により回転力を与える場合とがある。
【００６１】
そして、電磁クラッチ３００にてエンジン２０側と膨脹機一体型圧縮機１０側とを切り離して回転電機２００により回転力を与える場合には、電磁クラッチ３００への通電を遮断して電磁クラッチ３００を切った状態で回転電機２００に通電してポンプモータ機構１００を圧縮機として稼動させる。
【００６２】
また、電磁クラッチ３００にてエンジン２０側と膨脹機一体型圧縮機１０側とを繋いでエンジン２０の動力により回転力を与える場合には、電磁クラッチ３００に通電して電磁クラッチ３００を繋ぐ。
【００６３】
なお、シャフト１０１と共にロータ２２０が回転して回転電機２００にて発電作用が発生するので、本実施形態では、回転電機２００で発生した電力は、バッテリ又はキャパシタ等の蓄電器に充電される。
【００６４】
２．モータモード
このモードは、高圧室１０４に加熱器３０にて加熱された高圧の過熱蒸気冷媒をポンプモータ機構１００に導入して作動室Ｖにて膨脹させてピストン１０４を往復運動させてシャフト１０１を回転させることにより、機械的出力を得るものである。
【００６５】
なお、本実施形態では、得られた機械的出力によりロータ２２０を回転させて回転電機２００により発電し、その発電された電力を蓄電器に蓄える。
【００６６】
具体的には、電磁クラッチ３００への通電を遮断して電磁クラッチ３００を切った状態で、電磁弁１１３を開いて背圧室１１４に高圧冷媒を導入して、図２に示すように、弁体１１２を紙面左側に移動させて、低圧溝１１２ｂと作動室Ｖと、及び高圧溝１１２ｄと作動室Ｖとが連通することができるようにする。
【００６７】
これにより、過熱蒸気の膨脹により作動室Ｖの体積が拡大するようにピストン１０４が変位してシャフト１０１を回転させるとともに、図６に示すように、低圧溝１１２ｂと連通する作動室Ｖ、及び高圧溝１１２ｄと連通する作動室Ｖがシャフト１０１の回転に機械的に連動して切り替わるので、連続的に過熱蒸気が膨脹する。
【００６８】
なお、膨脹を終えて圧力が低下した冷媒は、低圧溝１１２ｂを経由して低圧室１０８に流入して放熱器１１側に流出する。
【００６９】
次に、本実施形態に係る蒸気圧縮式冷凍機の作動を述べる。
【００７０】
１．空調運転モード
この運転モードは、蒸発器１４にて冷凍能力を発揮させながら放熱器１１にて冷媒を放冷する運転モードである。なお、本実施形態では、蒸気圧縮式冷凍機で発生する冷熱、つまり吸熱作用を利用した冷房運転及び除湿運転にのみ蒸気圧縮式冷凍機を稼動させており、放熱器１１で発生する温熱を利用した暖房運転は行っていないが、暖房運転時であっても蒸気圧縮式冷凍機の作動は冷房運転及び除湿運転時と同じである。
【００７１】
具体的には、液ポンプ３２を停止させた状態で開閉弁３４を開いて膨脹機一体型圧縮機１０をポンプモードで稼動させるとともに、三方弁２１を作動させて加熱器３０を迂回させて冷却水を循環させるものである。
【００７２】
これにより、冷媒は、膨脹機一体型圧縮機１０→加熱器３０→放熱器１１→気液分離器１２→減圧器１３→蒸発器１４→膨脹機一体型圧縮機１０の順に循環する。なお、加熱器３０にエンジン冷却水が循環しないので、加熱器３０にて冷媒は加熱されず、加熱器３０は単なる冷媒通路として機能する。
【００７３】
したがって、減圧器１３にて減圧された低圧冷媒は、室内に吹き出す空気から吸熱して蒸発し、この蒸発した気相冷媒は膨脹機一体型圧縮機１０にて圧縮されて高温となって放熱器１１にて室外空気にて冷却されて凝縮する。
【００７４】
なお、本実施形態では、冷媒としてフロン（ＨＦＣ１３４ａ）を利用しているが、高圧側にて冷媒が液化する冷媒であれば、ＨＦＣ１３４ａに限定されるではない。
【００７５】
２．廃熱回収運転モード
この運転モードは、空調装置、つまり膨脹機一体型圧縮機１０を停止させてエンジン２０の廃熱を利用可能なエネルギとして回収するモードである。
【００７６】
具体的には、開閉弁３４を閉じた状態で液ポンプ３２を稼動させて膨脹機一体型圧縮機１０をモータモードとするとともに、三方弁２１を作動させてエンジン２０から流出したエンジン冷却水を加熱器３０に循環させるものである。
【００７７】
これにより、冷媒は、気液分離器１２→第１バイパス回路３１→加熱器３０→膨脹機一体型圧縮機１０→第２バイパス回路３４→放熱器１１→気液分離器１２の順に循環し、放熱器１１内を流れる冷媒は空調運転モード時と逆転する。
【００７８】
したがって、膨脹機一体型圧縮機１０には、加熱器３０にて加熱された過熱蒸気が流入し、膨脹機一体型圧縮機１０に流入した蒸気冷媒は、ポンプモータ機構１００内で膨脹しながらその等エントロピ的にエンタルピを低下させていく。このため、膨脹機一体型圧縮機１０は、低下したエンタルピに相当する電力が蓄電器に蓄えられれる。
【００７９】
また、膨脹機一体型圧縮機１０から流出した冷媒は、放熱器１１にて冷却されて凝縮し、気液分離器１２に蓄えられ、気液分離器１２内の液相冷媒は、液ポンプ３２にて加熱器３０側に送られる。なお、液ポンプ３２は、加熱器３０にて加熱されて生成された過熱蒸気は、気液分離器１２側に逆流しない程度の圧力にて液相冷媒を加熱器３０に送り込む。
【００８０】
なお、廃熱回収運転モード時において、廃熱量が少なく加熱蒸気量が少ないときには、シャフト１０１の回転数、つまりロータ２２０の回転数が低下して回転電機２００での発電量（発電効率）が低下するので、ポンプモータ機構１００の容量を低下させてロータ２２０の回転数を増大させて所定の発電量（発電効率）を維持するようにする。
【００８１】
逆に、加熱蒸気量が過度に多いときには、ポンプモータ機構１００の容量を増大させてロータ２２０の回転数を減少させて所定の発電量（発電効率）を維持するようにする。
【００８２】
なお、図７はポンプモータ機構（膨脹機）１００の回転数、冷媒流量及びポンプモータ機構１００の容量の関係を示すグラフであり、図７（ａ）は冷媒流量を一定とした場合のグラフであり、図７（ａ）はポンプモータ機構（膨脹機）１００の回転数を一定とした場合のグラフである。
【００８３】
（その他の実施形態）
上述の実施形態では、断続可能に動力を伝達する動力伝達部として、電磁クラッチを採用したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えばワンウェイクラッチ等であってもよい。
【００８４】
また、上述の実施形態では、膨脹機一体型圧縮機１０にて回収したエネルギを蓄電器にて蓄えたが、フライホィールによる運動エネルギ又はバネにより弾性エネルギ等の機械的エネルギとして蓄えてもよい。
【００８５】
また、ランキンサイクルを備える車両用蒸気圧縮式冷凍機に本発明に係る流体機械を適用したが、本発明の適用はこれに限定されるものではない。
【００８６】
また、弁機構１１１は、上述の実施形態に示されたものに限定されるものではなく、例えば電気信号に基づいて作動する弁機構を採用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るランキン蒸気圧縮式冷凍機の模式図である。
【図２】本発明の実施形態に係る膨脹機一体型圧縮機の断面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る膨脹機一体型圧縮機に用いられる弁体の斜視図である。
【図４】本発明の実施形態に係る膨脹機一体型圧縮機の断面図である。
【図５】図２のＡ−Ａ断面図である。
【図６】図２のＡ−Ａ断面図である。
【図７】ポンプモータ機構（膨脹機）の回転数、冷媒流量及びポンプモータ機構の容量の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１００…ポンプモータ機構、１０１…シャフト、１０２…斜板、
１０３…シュー、１０４…ピストン、１０５…シリンダボア、
１０６…斜板室、１０７…高圧室、１０８…低圧室、１０９…吐出ポート、
１１０…逆止弁、１１１…弁機構、１１２…弁体、１１３…電磁弁、
１１４…背圧室、１１５…バネ、
２００…回転電機（モータジェネレータ）、３００…電磁クラッチ。

Claims (10)

1. 流体を加圧して吐出するポンプモードと、流体圧を運動エネルギに変換して機械的エネルギを出力するモータモードとを兼ね備え、往復運動することにより作動室（Ｖ）の体積を拡大縮小させるピストン（１０４）を有する流体機械であって、
   前記ポンプモード時には、前記作動室（Ｖ）から低圧部（１０８）側に流体が逆流することを防止しながら前記低圧部（１０８）と前記作動室（Ｖ）とを連通させるとともに、高圧部（１０７）から前記作動室（Ｖ）側に流体が逆流することを防止しながら前記高圧部（１０７）と前記作動室（Ｖ）とを連通させ、かつ
   前記モータモード時には、前記作動室（Ｖ）から前記高圧部（１０７）に流体が逆流することを防止しながら前記作動室（Ｖ）と前記高圧部（１０７）とを連通させるとともに、前記低圧部（１０８）から前記作動室（Ｖ）に流体が逆流することを防止しながら前記低圧部（１０８）と前記作動室（Ｖ）とを連通させる弁機構（１１１）を具備することを特徴とする流体機械。
2. 前記弁機構（１１１）の弁体（１１２）は、前記ピストン（１０４）の往復運動と機械的に連動して作動することを特徴とする請求項１に記載の流体機械。
3. 回転運動を往復運動に変換する変換機構（１０２、１０３）を介して前記ピストン（１０４）の往復運動と連動して回転するシャフト（１０１）を具備し、
   前記弁機構（１１１）の弁体（１１２）は、前記シャフト（１０１）に連結されて回転することにより、前記ピストン（１０４）の往復運動に連動して作動することを特徴とする請求項１に記載の流体機械。
4. 前記弁体（１１２）は、前記ポンプモード時には前記低圧部（１０８）と前記作動室（Ｖ）との連通状態を制御し、前記モータモード時には前記低圧部（１０８）と前記作動室（Ｖ）との連通状態及び前記高圧部（１０７）と前記作動室（Ｖ）との連通状態を制御することを特徴とする請求項３に記載の流体機械。
5. 前記弁機構（１１１）は、前記弁体（１１２）を前記シャフト（１０１）の軸方向と平行な方向に変位させることにより、前記ポンプモード時の制御と前記モータモード時の制御とを切り換えるアクチュエータ（１１３〜１１５）を有することを特徴とする請求項３又は４に記載の流体機械。
6. 前記弁機構（１１１）は、前記弁体（１１２）に加えて、前記高圧部（１０７）から前記作動室（Ｖ）に流体が流れ込むことを防止する逆止弁（１１０）を有していることを特徴とする請求項４ないし６のいずれか１つにに記載の流体機械。
7. 前記シャフト（１０１）には、回転電機（２００）のロータが連結されていることを特徴とする請求項３ないし６のいずれか１つに記載の流体機械。
8. 外部駆動源の動力を前記シャフト（１０１）に伝達する動力伝達部（３００）を具備することを特徴とする請求項３ないし７のいずれか１つに記載の流体機械。
9. 前記動力伝達部（３００）は、動力の伝達を断続することができるクラッチ手段であることを特徴とする請求項８に記載の流体機械。
10. 前記モータモード時には、前記回転電機（２００）により発電し、前記ポンプモード時には、前記回転電機（２００）及び前記外部駆動源のうち少なくとも一方から供給される動力により流体を加圧して吐出することを特徴とする請求項９に記載の流体機械。

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