JP2005291037A - 流体機械 - Google Patents

Abstract

【課題】 圧縮モードと膨張モードとを兼ね備えるスクロール式の流体機械において、膨張モード時に、高圧側からの漏れこみを抑えるシール性と、順次形成されるスクロール作動室の切り替わりのスムース性とを両立することが可能な流体機械を提供すること。
【解決手段】 スクロール中心部において、固定スクロール１０２の歯部１０２ｂと旋回スクロール１０３の歯部１０３ｂとが１つの当接面１２１で当接した（（ａ）参照）後、この当接面１２１が２つの摺接部１２２、１２３に移行するときに２つの摺接部１２２、１２３に間に作動室Ｖが形成され（（ｂ）参照）、冷媒導入口１０５ａは当接面１２１領域内に開口している。したがって、シール性を確保しつつ、作動室を瞬時に切り替えることができる。
【選択図】 図５

Description

本発明は、流体を圧縮して吐出する圧縮モード（ポンプモード）と、膨張時の流体圧を運動エネルギーに変換して機械的エネルギーを出力する膨張モード（モータモード）とを兼ね備えるスクロール式の流体機械に関するもので、熱エネルギー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張機一体型圧縮機に適用して有効である。

従来、ランキンサイクルを備える蒸気圧縮式冷凍機では、例えば、特許文献１に示されるように、蒸気圧縮式冷凍機の圧縮機を膨張機と兼用した構成（圧縮／膨張機）としており、ランキンサイクルにてエネルギー回収を行なう場合には、圧縮機を膨張機として使用している。
特許第２５４０７３８号公報

しかしながら、上記のような圧縮／膨張機としてスクロール式ポンプを採用し、正転／逆転運動により圧縮／膨張作動する場合には、通常、蒸気圧縮式冷凍機作動時を前提にして圧縮機として設計し、これを膨張機として作動した場合には、充分に性能が発揮できないという問題がある。

具体的には、一つに膨張機として用いる場合の吸入口の開閉作動がある。圧縮機としてスクロール式ポンプを用いる場合は、差圧で開閉する吐出弁を用いて高圧側からの冷媒の逆流を防止することが一般的であり、容易である。しかし、膨張機として用いる場合に、高圧側から低圧側への冷媒漏れ防止に弁を適用することは、構造が複雑となり体格が大型化するため容易ではない。このため、膨張モード時には、作動室への高圧側からの無駄な漏れこみはスクロール部のシール性によって抑止することが好ましい。

また、高圧側からのシール性を重視する一方で、膨張モード時にスクロール中心部で順次形成される作動室の切り替わりは、瞬時に行なわれることが冷媒の連続的な安定した流れを得るために重要である。圧縮モード時の吐出口を膨張モード時の吸入口として用いると、作動室の切り替わり時に吸入口を長期間塞ぎ過ぎる場合があり、作動室の切り替わりがスムースに行なわれないという問題がある。

本発明者らは、上記具体的問題点に着眼し、膨張モード時における吸入口やスクロール中心部の設定により、膨張機として作動した場合の性能向上が可能であることを見出した。

本発明は、上記点に鑑みてなされたものであって、膨張モード時に、高圧側からの漏れこみを抑えるシール性と、順次形成されるスクロール作動室の切り替わりのスムース性とを両立することが可能な流体機械を提供することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するために、以下の技術的手段を採用する。

請求項１に記載の発明では、
渦巻状の第１歯部（１０２ｂ）およびこの第１歯部（１０２ｂ）を支持する第１基板部（１０２ａ）を有する固定スクロール部材（１０２）と、
渦巻状の第２歯部（１０３ｂ）およびこの第２歯部（１０３ｂ）を支持する第２基板部（１０３ａ）を有し、第２歯部（１０３ｂ）形成側が固定スクロール部材（１０２）の第１歯部（１０２ｂ）形成側と向かい合って配設され、自転を防止しつつ公転運動を行なう可動スクロール部材（１０３）と、
２つのスクロール部材（１０２、１０３）の間において、第１歯部（１０２ｂ）と第２歯部（１０３ｂ）との２つの摺接部（１２２、１２３）の間に設けられ、可動スクロール部材（１０３）の公転運動によって容積が変化する作動室（Ｖ）とを備え、
作動室（Ｖ）が固定スクロール部材（１０２）の外周部で順次形成され中心部に向かって移動しながら容積を縮小し、作動室（Ｖ）で流体を圧縮して吐出する圧縮モード、および、作動室（Ｖ）が固定スクロール部材（１０２）の中心部で順次形成され外周部に向かって移動しながら容積を増大し、作動室（Ｖ）で流体を膨張して吐出する膨張モードで運転することが可能な流体機械であって、
膨張モードで運転する場合には、中心部において第１歯部（１０２ｂ）と第２歯部（１０３ｂ）とが１つの当接面（１２１）で当接した後、この当接面（１２１）が２つの摺接部（１２２、１２３）に移行するときに２つの摺接部（１２２、１２３）の間に作動室（Ｖ）が形成され、
固定スクロール部材（１０２）は、当接面（１２１）となる領域に開口し、中心部で形成される作動室（Ｖ）に流体を導入するための導入口（１０５ａ）を備えることを特徴としている。

これによると、スクロール中心部における作動室（Ｖ）の形成は、第１歯部（１０２ｂ）と第２歯部（１０３ｂ）との１つの当接面（１２１）が２つの摺接部（１２２、１２３）に移行するときに始まり、作動室（Ｖ）は形成当初（第１、第２歯部間の空間の可動スクロール部材公転軸方向投影面積が０から正値となった時点）から２つの摺接部（１２２、１２３）に挟まれている。したがって、先に形成された作動室（Ｖ）に流体が漏れ難い。

また、第１歯部（１０２ｂ）と第２歯部（１０３ｂ）との当接時点で先に形成された作動室（Ｖ）が閉じられ、当接直後から当接面（１２１）領域に開口した導入口（１０５ａ）から流体が導入されて次の作動室（Ｖ）が形成される。したがって、順次形成される作動室（Ｖ）への流体の導入が途切れることがない。

このようにして、膨張モード時に、高圧側からの漏れこみを抑えるシール性を確保しつつ、順次形成される作動室の切り替わりをスムースに行なうことができる。

また、請求項２に記載の発明では、導入口（１０５ａ）は、第１歯部（１０２ｂ）の当接面（１２１）領域内において、第１基板部（１０２ａ）から第１歯部（１０２ｂ）の歯丈方向に延設されていることを特徴としている。

これによると、第１歯部（１０２ｂ）と第２歯部（１０３ｂ）との当接面（１２１）領域内における導入口（１０５ａ）の開口面積を大きくすることができる。したがって、第１歯部（１０２ｂ）と第２歯部（１０３ｂ）との１つの当接面（１２１）が２つの摺接部（１２２、１２３）に移行するときに形成される作動室（Ｖ）に流体を速やかかつ確実に導入することができる。

また、請求項３に記載の発明では、導入口（１０５ａ）は、第１歯部（１０２ｂ）における歯丈方向の延設長さ（Ｌ）が、第１歯部（１０２ｂ）の歯丈方向高さ（Ｈ）より小さいことを特徴としている。

これによると、導入口（１０５ａ）は可動スクロール部材（１０３）の基板部（１０３ａ）に到達するところまで延設されてはいない。したがって、導入口（１０５ａ）内の流体が、固定スクロール部材（１０２）の歯部（１０２ｂ）と可動スクロール部材（１０３）の基板部（１０３ａ）との間から、先に形成された作動室（Ｖ）に漏れ難い。このようにして、高圧側からの漏れこみを抑えるシール性をさらに向上することができる。

また、従来、圧縮機として設計しこれを膨張機として作動した場合に、導入口（１０５ｂ）をなす圧縮モード時の吐出口（１０５）は、一般的に固定スクロール部材（１０２）の基板部（１０２ａ）に開口しており、歯部（１０２ｂ、１０３ｂ）相互の当接面（１２１）領域には設けられない。そして、可動スクロール部材（１０３）歯部（１０３ｂ）の固定スクロール部材（１０２）基板部（１０２ａ）との摺接面にチップシール（１０３ｅ）を設ける場合には、可動スクロール部材（１０３）が旋回したときにチップシール（１０３ｅ）の軌跡が基板部（１０２ａ）の導入口（１０５ｂ）に重なるとチップシール（１０３ｅ）が破損する可能性があるため、チップシール（１０３ｅ）を可動スクロール部材（１０３）歯部（１０３ｂ）の先端にまで延設することは困難であった。

ところが、導入口（１０５ａ）を第１歯部（１０２ｂ）と第２歯部（１０３ｂ）との当接面（１２１）に設けることにより、請求項４に記載の発明のように、第２歯部（１０３ｂ）の渦巻方向に延びるチップシール（１０３ｅ）は、可動スクロール部材（１０３）が公転運動したときに導入口（１０５ａ）と重ならない領域内において、第２歯部（１０３ｂ）の中心部側先端近傍にまで延設することができる。

これにより、固定スクロール部材（１０２）の基板部（１０２ａ）と可動スクロール部材（１０３）の歯部（１０３ｂ）との間のシール性を向上することができる。

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。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。

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を示す模式図である。

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成すエンジン２０で発生した廃熱からエネルギーを回収すると共に、蒸気圧縮式冷凍機で発生した冷熱およ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。

膨張機一体型圧縮機１０は、気相冷媒を圧縮加圧して吐出するポンプモード（圧縮モード）と、過熱蒸気冷媒の膨張時の流体圧を運動エネルギーに変換して機械的エネルギーを出力するモータモード（膨張モード）とを兼ね備える流体機械であり、放熱器１１は、膨張機一体型圧縮機１０の吐出側（後述する高圧ポート１１０）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。尚、膨張機一体型圧縮機１０の詳細については後述する。

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張させるもので、本実施形態では、冷媒を等エンタルピ的に減圧すると共に、膨張機一体型圧縮機１０がポンプモードで作動している時に膨張機一体型圧縮機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張弁を採用している。

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、これらの膨張機一体型圧縮機１０、放熱器１１、気液分離器１２、減圧器１３および蒸発器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。

加熱器３０は、膨張機一体型圧縮機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替えられる。三方弁２１は図示しない電子制御装置により制御される。

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の冷媒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および気液分離器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。尚、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おり、図示しない電子制御装置により制御される。

また、第２バイパス回路３３は、膨張機一体型圧縮機１０がモータモードで作動するときの冷媒出口側（後述する低圧ポート１１１）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３３には、膨張機一体型圧縮機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３３ａが設けられている。

尚、逆止弁１４ａは蒸発器１４の冷媒出口側から膨張機一体型圧縮機１０がポンプモードで作動する時、冷媒吸入側（後述する低圧ポート１１１）にのみ冷媒が流れることを許容するものである。また、開閉弁３４は冷媒通路を開閉する電磁式のバルブであり、図示しない電子制御装置により制御される。

因みに、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。尚、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良いことは言うまでもない。また、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。

次に、膨張機一体型圧縮機１０の詳細について述べる。

図２は膨張機一体型圧縮機１０の断面図であり、膨張機一体型圧縮機１０は、流体（本実施形態では、気相冷媒）を圧縮または膨張させるポンプモータ機構１００、回転エネルギーが入力されることにより電気エネルギーを出力し、電力が入力されることにより回転エネルギーを出力する回転電機２００、外部駆動源（駆動減）を成すエンジン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成す電磁クラッチ３００、並びにポンプモータ機構１００、回転電機２００および電磁クラッチ３００間における動力伝達経路を切替えると共に、その回転動力の回転数を減速又は増速して伝達する遊星歯車機構から成る変速機構４００等から構成されている。

ここで、回転電機２００はステータ２１０およびステータ２１０内で回転するロータ２２０等から成るもので、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。

そして、本実施形態では、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（本発明の回生機構に対応）として作動する。

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、および励磁コイル３２０により誘起された磁界により電磁力により変位するフリクションプレート３３０等から成るもので、エンジン２０側と膨張機一体型圧縮機１０側とを繋ぐときは励磁コイル３２０に通電し、エンジン２０側と膨張機一体型圧縮機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。

また、ポンプモータ機構１００は、周知のスクロール型圧縮機構とほぼ同一構造を有するもので、具体的には、ミドルハウジング１０１を介して回転電機２００のステータハウジング２３０に対して固定された固定スクロール（固定スクロール部材、ハウジング）１０２、ミドルハウジング１０１と固定スクロール１０２との間の空間で旋回変位する可動部材を成す旋回スクロール（可動スクロール部材）１０３、および作動室Ｖと高圧室１０４とを連通させる連通路１０５、１０６を開閉する弁機構１０７等から成るものである。

ここで、固定スクロール１０２は、板状の基板部（第１基板部）１０２ａおよび基板部１０２ａから旋回スクロール１０３側に突出した渦巻状の歯部（第１歯部）１０２ｂを有して構成され、一方、旋回スクロール１０３は、歯部１０２ｂに接触して噛み合う渦巻状の歯部（第２歯部）１０３ｂ、および歯部１０３ｂが形成された基板部（第２基板部）１０３ａを有して構成されており、両歯部１０２ｂ、１０３ｂが接触した状態で旋回スクロール１０３が旋回することにより、両スクロール１０２、１０３により構成された作動室Ｖの体積が拡大縮小する。

シャフト１０８は、一方の長手方向端部に回転中心軸に対して偏心した偏心部１０８ａを有するクランクシャフトであり、この偏心部１０８ａは、ブッシング１０３ｄおよびベアリング１０３ｃ等を介して旋回スクロール１０３に連結されている。

尚、ブッシング１０３ｄは、偏心部１０８ａに対して僅かに変位することができるものであり、旋回スクロール１０３に作用する圧縮反力により、両歯部１０２ｂ、１０３ｂの接触圧力が増大する向きに旋回スクロール１０３を変位させる従動クランク機構を構成するものである。

また、自転防止機構１０９は、シャフト１０８が１回転する間に旋回スクロール１０３が偏心部１０８ａ周りに１回転するようにするものである。このためシャフト１０８が回転すると、旋回スクロール１０３は、自転せずにシャフト１０８の回転中心軸周りを公転旋回し、且つ、作動室Ｖは、旋回スクロール１０３の外径側から中心側に変位するほど、その体積が縮小するように変化する。因みに、本実施形態では、自転防止機構１０９としてピン−リング（ピン−ホール）式を採用している。

また、連通路１０５は、ポンプモード時に最小体積となる作動室Ｖと高圧室１０４とを連通させて圧縮された冷媒を吐出する吐出ポートであり、連通路１０６はモータモード時に最小体積となる作動室Ｖと高圧室１０４とを連通させて高圧室１０４に導入された高温、高圧の冷媒、つまり過熱蒸気を作動室Ｖに導く流入ポートである。

連通路１０６は、連通路１０５に合流するように形成されており、連通路１０５の作動室Ｖ側開口部は、モータモード時に作動室Ｖへ冷媒を導入する導入口１０５ａとなっている。導入口１０５ａはポンプモード時に作動室Ｖから冷媒を導出する導出口として機能する。導入口１０５ａの開口形態は、本発明の要部であり、後で詳述する。

また、高圧室１０４は連通路１０５（以下、吐出ポート１０５と呼ぶ）から吐出された冷媒の脈動を平滑化する吐出室の機能を有するものであり、この高圧室１０４には、加熱器３０および放熱器１１側に接続される高圧ポート１１０が設けられている。

尚、蒸発器１４および第２バイパス回路３３側に接続される低圧ポート１１１は、ステータハウジング２３０に設けられてステータハウジング２３０内を経由してステータハウジング２３０と固定スクロール１０２との間の空間に連通している。

また、吐出弁１０７ａは、吐出ポート１０５の高圧室１０４側に配置されて吐出ポート１０５から吐出された冷媒が高圧室１０４から作動室Ｖに逆流することを防止するリード弁状の逆止弁であり、ストッパ１０７ｂは吐出弁１０７ａの最大開度を規制する弁止板であり、吐出弁１０７ａおよびストッパ１０７ｂはボルト１０７ｃにて基板部１０２ａに固定されている。

スプール１０７ｄは、連通路１０６（以下、流入ポート１０６と呼ぶ）を開閉する弁体であり、電磁弁１０７ｅは低圧ポート１１１側と背圧室１０７ｆとの連通状態を制御することにより背圧室１０７ｆ内の圧力を制御する制御弁であり、バネ１０７ｇは流入ポート１０６を閉じる向きの弾性力をスプール１０７ｄに作用させる弾性手段であり、絞り１０７ｈは所定の通路抵抗を有して背圧室１０７ｆと高圧室１０４とを連通させる抵抗手段である。

そして、電磁弁１０７ｅを開くと、背圧室１０７ｆの圧力が高圧室１０４より低下してスプール１０７ｄがバネ１０７ｇを押し縮めながら紙面右側に変位するので、流入ポート１０６が開く。尚、絞り１０７ｈでの圧力損失は非常に大きいので、高圧室１０４から背圧室１０７ｆに流れ込む冷媒量は無視できるほど小さい。

逆に、電磁弁１０７ｅを閉じると、背圧室１０７ｆの圧力と高圧室１０４との圧力が等しくなるので、スプール１０７ｄはバネ１０７ｇの力により紙面左側に変位するので、流入ポート１０６が閉じる。つまり、スプール１０７ｄ、電磁弁１０７ｅ、背圧室１０７ｆ、バネ１０７ｇおよび絞り１０７ｈ等により流入ポート１０６を開閉するパイロット式の電気開閉弁が構成される。

また、変速機構４００は、中心部に設けられたサンギヤ４０１と、サンギヤ４０１の外周で自転しつつ公転するピニオンギヤ４０２ａに連結されるプラネタリーキャリヤ４０２と、ピニオンギヤ４０２ａの更に外周に設けられたリング状のリングギヤ４０３とから成るものである。

そして、サンギヤ４０１は、回転電機２００のロータ２２０と一体化され、プラネタリーキャリヤ４０２は、電磁クラッチ３００のフリクションプレート３３０と一体的に回転するシャフト３３１に一体化され、更に、リングギヤ４０３は、シャフト１０８の他方の長手方向端部（反偏心部側）に一体化されている。

また、ワンウェイクラッチ５００は、シャフト３３１が一方向（プーリ部３１０の回転方向）にのみ回転することを許容するもので、軸受３３２はシャフト３３１を回転可能に支持するもので、軸受４０４はサンギヤ４０１、つまりロータ２２０をシャフト３３１に対して回転可能に支持するものであり、軸受４０５はシャフト３３１（プラネタリーキャリヤ４０２）をシャフト１０８に対して回転可能に支持するものであり、軸受１０８ｂはシャフト１０８をミドルハウジング１０１対して回転可能に支持するものである。

また、リップシール３３３は、シャフト３３１とステータハウジング２３０との隙間から冷媒がステータハウジング２３０外に漏れ出すことを防止する軸封装置である。

ここで、モータモード時に作動室Ｖへ冷媒を導入する導入口１０５ａについて説明する。

図４は、固定スクロール１０２の歯部１０２ｂ先端部（渦巻状中心側先端部、所謂巻き始め部）を示す斜視図である。

図４に示すように、固定スクロール１０２の基板部１０２ａを貫通するように形成された吐出ポート１０５（流入ポート１０６でもある）は、一部が歯部１０２ｂ内に掘り込まれて歯部１０２ｂ内に延設されており、前述した開口端である導入口１０５ａは、基板部１０２ａの歯部１０２ｂ近傍に開口するとともに、基板部１０２ａから歯部１０２ｂの歯丈方向（歯部の立設方向）に延びるように開口している。

本実施形態のポンプモータ機構１００では、固定スクロール１０２の歯部１０２ｂおよび旋回スクロール１０３の歯部１０３ｂ（図１、図５参照）は、モータモード時に、歯部１０２ｂ、１０３ｂ相互がスクロール中心部において１つの当接面１２１で当接した後、作動室Ｖを形成するように立設配置されている。

そして、歯部１０２ｂの歯丈方向に延設された導入口１０５ａは、歯部１０２ｂにおいて、全域がこの当接面１２１となる領域（２本の一点鎖線で挟まれた領域）内に開口している。

また、導入口１０５ａの歯部１０２ｂにおける歯丈方向の延設長さＬは、歯部１０２ｂの高さＨより小さくなっている。これにより、導入口１０５ａの図中上方側には遮断壁１０２ｄが形成され、遮断壁１０２ｄが流入ポート１０６から導入口１０５ａに向かう冷媒を遮断して、冷媒が歯部１０２ｂ図中上面側（すなわち旋回スクロール基板側）に到達することを抑止するようになっている。

次に、本実施形態に係る膨張機一体型圧縮機１０の作動およびその作用効果について述べる。

１．ポンプモード（圧縮モード）
このモードは、シャフト１０８に回転力を与えることによりポンプモータ機構１００の旋回スクロール１０３を旋回させて冷媒を吸入圧縮する運転モードである。

具体的には、液ポンプ３２を停止させた状態で開閉弁３４を開き、三方弁２１の切替えによって、エンジン冷却水を加熱器３０側に循環させないようにする。また、電磁弁１０７ｅを閉じてスプール１０７ｄによって流入ポート１０６を閉じた状態でシャフト１０８を回転させるようにする。

これにより、膨張機一体型圧縮機１０は、周知のスクロール型圧縮機と同様に、低圧ポート１１１から冷媒を吸引して、スクロール外周部から中心部に向かって移動する作動室Ｖにて圧縮した後、吐出ポート１０５から高圧室１０４に圧縮した冷媒を吐出し、高圧ポート１１０から圧縮された冷媒を放熱器１１側に吐出する。

この時、シャフト１０８に回転力を与えるに当たっては、主に電磁クラッチ３００にてエンジン２０側と膨張機一体型圧縮機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、電磁クラッチ３００にてエンジン２０側と膨張機一体型圧縮機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がある。

そして、電磁クラッチ３００にてエンジン２０側と膨張機一体型圧縮機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を繋ぐと共に、サンギヤ４０１、つまりロータ２２０が回転しない程度のトルクがロータ２２０に発生するように回転電機２００に通電する。

これにより、プーリ部３１０に伝達されたエンジン２０の回転力は、変速機構４００にて増速されてポンプモータ機構１００に伝達され、ポンプモータ機構１００を圧縮機として稼動させる（図３中のエンジン駆動圧縮）。

尚、電磁クラッチ３００にてエンジン２０側と膨張機一体型圧縮機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、プーリ部３１０の回転方向とは逆回転方向に作動させることで、ポンプモータ機構１００を圧縮機として稼動させる。

この時、シャフト３３１（プラネタリーキャリヤ４０２）は、ワンウェイクラッチ５００によりロックされ回転しないので、回転電機２００の回転力は、変速機構４００にて減速されてポンプモータ機構１００に伝達される（図３中の電動圧縮）。

そして、高圧ポート１１０から吐出される冷媒は、加熱器３０→開閉弁３４→放熱器１１→気液分離器１２→減圧器１３→蒸発器１４→逆止弁１４ａ→膨張機一体型圧縮機１０の低圧ポート１１１の順に循環（冷凍サイクルを循環）し、蒸発器１４の吸熱による冷房（あるいは放熱器１１の放熱による暖房）が行われる。尚、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。

２．モータモード（膨張モード）
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に導入して膨張させることにより、旋回スクロール１０３を旋回させてシャフト１０８を回転させ、機械的出力を得るものである。

尚、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ようにしている。

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、三方弁２１の切替えによって、エンジン冷却水を加熱器３０側に循環させるようにする。また、膨張機一体型圧縮機１０の電磁クラッチ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１０７ｅを開いてスプール１０７ｄによって流入ポート１０６を開き、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流入ポート１０６を経由させて作動室Ｖに導入して、スクロール中心部で形成され外周部に向かって移動する作動室Ｖ内において膨張させる。

これにより、過熱蒸気の膨張により旋回スクロール１０３がポンプモード実行時の逆向きに回転するので、膨張を終えて圧力が低下した冷媒は、低圧ポート１１１から放熱器１１側に流出すると共に、旋回スクロール１０３に与えられた回転エネルギーは、変速機構４００にて増速されて回転電機２００のロータ２２０に伝達される。

この時、シャフト３３１（プラネタリーキャリヤ４０２）は、ワンウェイクラッチ５００によりロックされ回転しないので、旋回スクロール１０３の回転力は、変速機構４００にて増速されて回転電気２００に伝達される（図３中の膨張回生）。

そして、低圧ポート１１１から流出される冷媒は、第２バイパス回路３３→逆止弁３３ａ→放熱器１１→気液分離器１２→第１バイパス回路３１→逆止弁３１ａ→液ポンプ３２→加熱器３０→膨張機一体型圧縮機１０（高圧ポート１１０）の順に循環することになる（ランキンサイクルを循環）。尚、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冷媒が気液分離器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。

ここで、モータモード時におけるスクロール中心部での作動室Ｖの形成と、この作動室Ｖへの冷媒の導入について説明する。

図５は、膨張機一体型圧縮機１０の図２におけるＡ−Ａ線断面図であり、図５（ａ）〜（ｄ）で旋回スクロール１０３が公転運動を１回転（作動一周期）する状態を示している。

図５（ａ）に示すように、まず、固定スクロール１０２の歯部１０２ｂと、旋回スクロール１０３の歯部１０３ｂとは、歯部１０２ｂ、１０３ｂ相互がスクロール中心部において１つの当接面１２１で当接する。

次に、図５（ｂ）に示すように、旋回スクロール１０３の歯部１０３ｂが移動し、図５（ａ）に示す当接面１２１が２つの摺接部１２２、１２３に移行するときに２つの摺接部１２２、１２３に間に作動室Ｖが形成される。このとき、高圧の過熱蒸気冷媒が導入口１０５ａから作動室Ｖ内に導入される。

導入口１０５ａは、固定スクロール１０２の当接面１２１領域内に開口しているので、スクロール中心部において新しい作動室Ｖの形成が開始された時点（歯部１０２ｂ、１０３ｂ間の空間の旋回スクロール１０３公転軸方向投影面積が０から正値となった時点）から、作動室Ｖ内に導入口１０５ａから冷媒が導入され、図５（ｃ）、（ｄ）に示すように摺接部１２２、１２３が移動して作動室Ｖが拡張するのに伴ない、中心部の作動室Ｖへの高圧冷媒の導入が継続される。

そして、旋回スクロール１０３が１回転し、図５（ａ）に示す状態に戻るときに、中心部において形成された作動室Ｖは、歯部１０２ｂ、１０３ｂ相互の当接部１２１により導入口１０５ａを閉じられて冷媒導入が中止されるとともに、２つの作動室Ｖに分割されてスクロール外周部へ移動していく。

図５（ａ）に示す状態に戻った直後には、前述したように、当接面１２１が２つの摺接部１２２、１２３に移行するときに２つの摺接部１２２、１２３に間に新たな作動室Ｖが形成される。このとき、分割されてスクロール外周部へ移動していく先に形成された作動室Ｖと、新たに形成された作動室Ｖとは、摺接部１２２、１２３によりシールされている。

したがって、先に形成され冷媒が膨張している作動室Ｖ内に、新たに形成された作動室Ｖ内に導入されている高圧冷媒が漏れ難い。

また、歯部１０２ｂ、１０３ｂ相互が当接面１２１で当接して先に形成された作動室Ｖへの冷媒導入が中止された直後には、当接面１２１領域内に開口した導入口１０５ａから、次に形成される新たな作動室Ｖ内への冷媒導入が開始される。したがって、順次形成される作動室Ｖへの冷媒の導入が途切れることがない。

このようにして、モータモード時に、高圧側からの漏れこみを抑えるシール性を確保しつつ、順次形成される作動室Ｖの切り替わりをスムースに行なうことができる。

ちなみに、従来、圧縮機として設計しこれを膨張機として作動した場合には、図７に示すように、導入口１０５ｂをなす圧縮モード時の吐出ポート１０５は、一般的に固定スクロール１０２の基板部１０２ａに開口していた。

このような膨張機では、本実施形態と同様に旋回スクロール１０３が旋回したときであっても、図７（ａ）に示す歯部１０２ｂ、１０３ｂ相互が当接する前の状態から、図７（ｂ）に示す当接状態を経て、図７（ｃ）に示す歯部１０２ｂ、１０３ｂ間に空間が形成される状態に至る課程では、導入口１０５ｂは閉塞されて冷媒の導入が停止し、作動室Ｖの切り替えをスムースに行なうことはできない。

また、本実施形態では、固定スクロール１０２の歯部１０２ｂには、導入口１０５ａより旋回スクロール１０３基板部１０３ａ側に遮断壁１０２ｄが設けられている。したがって、流入ポート１０６内の高圧冷媒が固定スクロール１０２の歯部１０２ｂと、旋回スクロール１０３の基板部１０３ａとの間に到達し難く、高圧側からの漏れこみを抑えるシール性をさらに向上することができる。

また、本実施形態では、図５に示すように、固定スクロール１０２歯部１０２ｂの旋回スクロール１０３基板部１０３ａとの摺接面（渦巻状端面）には、チップシール１０２ｃが設けられ、旋回スクロール１０３歯部１０３ｂの固定スクロール１０２基板部１０２ａとの摺接面（渦巻状端面）には、チップシール１０３ｅが設けられ、各摺接箇所のシール性を高めている。

従来、圧縮機として設計しこれを膨張機として作動する場合には、先にも述べ、図８にも示すように、導入口１０５ｂをなす圧縮モード時の吐出口１０５は、一般的に固定スクロール１０２の基板部１０２ａに開口しており、歯部相互の当接面領域には設けられない。

そして、旋回スクロール１０３歯部１０３ｂ（図７参照）にチップシール１０３ｅを設ける場合には、旋回スクロール１０３が旋回したときにチップシール１０３ｅの軌跡（図８に二点鎖線で示す作動一周期に渡る軌跡）が導入口１０５ｂに重なるとチップシール１０３ｅが折損する可能性があるため、チップシール１０３ｅを可動スクロール１０３歯部１０３ｂの先端にまで延設することはできなかった（図７参照）。ここで、図８は、固定スクロール１０２と旋回スクロール側のチップシール１０３ｅとの位置関係のみを示している。

ところが、本実施形態では、導入口１０５ａを歯部１０２ｂと歯部１０３ｂとの当接面１２１に設けることにより、図６に示すように、旋回スクロール側のチップシール１０３ｅは、旋回スクロール１０３が公転運動したときに導入口１０５ａと重ならない領域内において（導入口１０５ａを避けて）、歯部１０３ｂの中心部側先端近傍にまで延設することができる（図５参照）。

これにより、固定スクロール１０２の基板部１０２ａと旋回スクロール１０３の歯部１０３ｂとの間のシール性を向上することができる。ここで、図６は、固定スクロール１０２と旋回スクロール側のチップシール１０３ｅとの位置関係のみを示している。

なお、本実施形態の説明において当接、摺接と表現した部位では、厳密な意味での接触が行なわれる場合に限らず、スクロールの旋回動作を容易にするために、僅かなクリアランスが形成されている場合も含んでいる。すなわち、厳密な意味での当接、摺接でなくても、当接面や摺接部は作動室を区画する（作動室間をシールして各作動室を機能させる）ものであればよい。僅かなクリアランスが形成されている場合も含む概略当接、概略摺接であっても、実質的な当接、摺接であると言える。

（他の実施形態）
上記一実施形態では、導入口１０５ａは、歯部１０２ｂの歯丈方向に延設されて、当接面１２１となる領域内に開口していたが、固定スクロール１０２の当接面１２１領域内に開口していれば、例えば基板部１０２ａのみに開口（すなわち、当接面１２１領域の基板部１０２ａ側の辺部に開口）するものであってもよい。

また、上記一実施形態では、膨張機一体型圧縮機１０にて回収したエネルギー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ーまたはバネにより弾性エネルギー等の機械的エネルギーとして蓄えても良い。

また、上記一実施形態では、変速機構４００として遊星歯車機構を用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えばＣＶＴ（ベルト式無段変速機構）やベルトを用いないトロイダル方式の変速機構等の変速比を変更できる変速機構を用いても良い。また、変速機構を有しない膨張機一体型圧縮機に本発明を適用してもかまわない。

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。

本発明の一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を示す模式図である。 一実施形態における膨張機一体型圧縮機を示す断面図である。 一実施形態における膨張機一体型圧縮機の作動を示す共線図である。 一実施形態における固定スクロールの歯部中心側先端部を示す斜視図である。 （ａ）〜（ｄ）は、旋回スクロールの作動状態を示す図２におけるＡ−Ａ線断面図である。 一実施形態における旋回スクロールのチップシール軌跡を示す図である。 （ａ）〜（ｃ）は、従来の導入口位置を採用した場合における旋回スクロールの作動状態を示す断面図である。 従来の導入口位置を採用した場合における旋回スクロールのチップシール軌跡を示す図である。

符号の説明

１０ 膨張機一体型圧縮機（流体機械）
１００ ポンプモータ機構
１０２ 固定スクロール（固定スクロール部材）
１０２ａ 基板部（第１基板部）
１０２ｂ 歯部（第１歯部）
１０３ 旋回スクロール（可動スクロール部材）
１０３ａ 基板部（第２基板部）
１０３ｂ 歯部（第２歯部）
１０３ｅ チップシール
１０５ａ 導入口
１２１ 当接面（歯部１０２ｂと歯部１０３ｂとの当接面）
１２２、１２３ 摺接部（歯部１０２ｂと歯部１０３ｂとの摺接部）
Ｈ 歯部１０２ｂ歯丈方向高さ
Ｌ 導入口１０５ａ延設長さ
Ｖ 作動室

Claims (4)

1. 渦巻状の第１歯部（１０２ｂ）およびこの第１歯部（１０２ｂ）を支持する第１基板部（１０２ａ）を有する固定スクロール部材（１０２）と、
   渦巻状の第２歯部（１０３ｂ）およびこの第２歯部（１０３ｂ）を支持する第２基板部（１０３ａ）を有し、前記第２歯部（１０３ｂ）形成側が前記固定スクロール部材（１０２）の前記第１歯部（１０２ｂ）形成側と向かい合って配設され、自転を防止しつつ公転運動を行なう可動スクロール部材（１０３）と、
   前記２つのスクロール部材（１０２、１０３）の間において、前記第１歯部（１０２ｂ）と前記第２歯部（１０３ｂ）との２つの摺接部（１２２、１２３）の間に設けられ、前記可動スクロール部材（１０３）の公転運動によって容積が変化する作動室（Ｖ）とを備え、
   前記作動室（Ｖ）が前記固定スクロール部材（１０２）の外周部で順次形成され中心部に向かって移動しながら容積を縮小し、前記作動室（Ｖ）で流体を圧縮して吐出する圧縮モード、および、前記作動室（Ｖ）が前記固定スクロール部材（１０２）の中心部で順次形成され外周部に向かって移動しながら容積を増大し、前記作動室（Ｖ）で流体を膨張して吐出する膨張モードで運転することが可能な流体機械であって、
   前記膨張モードで運転する場合には、前記中心部において前記第１歯部（１０２ｂ）と前記第２歯部（１０３ｂ）とが１つの当接面（１２１）で当接した後、この当接面（１２１）が前記２つの摺接部（１２２、１２３）に移行するときに前記２つの摺接部（１２２、１２３）の間に前記作動室（Ｖ）が形成され、
   前記固定スクロール部材（１０２）は、前記当接面（１２１）となる領域に開口し、前記中心部で形成される前記作動室（Ｖ）に前記流体を導入するための導入口（１０５ａ）を備えることを特徴とする流体装置。
2. 前記導入口（１０５ａ）は、前記第１歯部（１０２ｂ）の前記当接面（１２１）領域内において、前記第１基板部（１０２ａ）から前記第１歯部（１０２ｂ）の歯丈方向に延設されていることを特徴とする請求項１に記載の流体機械。
3. 前記導入口（１０５ａ）は、前記第１歯部（１０２ｂ）における前記歯丈方向の延設長さ（Ｌ）が、前記第１歯部（１０２ｂ）の前記歯丈方向の高さ（Ｈ）より小さいことを特徴とする請求項２に記載の流体機械。
4. 前記第２歯部（１０３ｂ）は、前記第１基板部（１０２ａ）との摺接面に前記第２歯部（１０３ｂ）の渦巻方向に延びるチップシール（１０３ｅ）を備え、
   前記チップシール（１０３ｅ）は、前記可動スクロール部材（１０３）が公転運動したときに前記導入口（１０５ａ）と重ならない領域内において、前記第２歯部（１０３ｂ）の前記中心部側先端近傍にまで延設されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１つに記載の流体機械。

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