JP2013217349A - 流体機械及びランキンサイクル - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で膨張機としての作動とコンプレッサとしての作動と切換え得る流体機械を提供する。
【解決手段】第１の軸（５１）と、コンプレッサ膨張機流体機械（１１）と、このコンプレッサ膨張機流体機械（１１）に同期して回転する第２の軸（２１）と接続されるサンギア（３２）、第１の軸（５１）と接続されるリングギア（３３）、プラネタリギア（３４）、プラネタリキャリア（３５）で構成される遊星歯車機構（３１）と、プラネタリキャリア（３５）と、リングギア及びサンギアのいずれか一方とを締結・開放する第１クラッチ（４１）と、プラネタリキャリアとハウジングとを締結・開放する第２クラッチ（４２）とを備える。
【選択図】図１

Description

この発明は流体機械及びランキンサイクル、特に膨張機とコンプレッサとを共用化させる構造のものに関する。

スクロール流体機械でランキンサイクルの膨張機とエアコンのコンプレッサとを共用化させる構造のものがある（特許文献１参照）。このものでは、プーリとスクロール流体機械との間に、遊星歯車機構及びモータジェネレータを備え、このモータジェネレータの回転速度を切換えることで、膨張機としての作動とコンプレッサとしての作動とを切換えるようにしている。

特開２００５−２７３４５２号公報

しかしながら、上記特許文献１の技術では、膨張機としての作動とコンプレッサとしての作動とを切換えるのにモータジェネレータが必要であり、その分構成が複雑である。

そこで本発明は、簡単な構成で膨張機としての作動とコンプレッサとしての作動と切換え得る流体機械を提供することを目的とする。

本発明の流体機械は、エンジンのクランク軸に同期して回転する第１の軸と、一方向に回転するときには冷媒の有するエネルギを機械的エネルギに変換して回転する膨張機として、他方向に回転するときには冷媒を加圧して吐出するコンプレッサとしてそれぞれ作動するコンプレッサ膨張機流体機械とを備える。さらに本発明の流体機械は、前記コンプレッサ膨張機流体機械に同期して回転する第２の軸と接続されるサンギア、前記第１の軸と接続されるリングギア、リングギアとサンギアとに噛み合い、サンギアの周囲を回転する複数のプラネタリギア、このプラネタリギアの回転軸を支持するプラネタリキャリアで構成される遊星歯車機構と、前記プラネタリキャリアと、前記リングギア及び前記サンギアのいずれか一方とを締結・開放する第１クラッチと、前記プラネタリキャリアとハウジングとを締結・開放する第２クラッチとを備えている。

本発明によれば、従来装置のようにモータジェネレータが必要なく、簡単な構成で膨張機としての作動とコンプレッサとしての作動とを切換えることができる。

本発明の第１実施形態の流体機械のスケルトン図である。 スクロール流体機械を膨張機として作動させるときの第１実施形態の流体機械のスケルトン図である。 スクロール流体機械をコンプレッサとして作動させるときの第１実施形態の流体機械のスケルトン図である。 スクロール流体機械の作動図である。 ２つのクラッチの締結・開放と使用用途の組み合わせでスクロール流体機械の回転速度がどうなるのかをまとめた表図である。 遊星歯車機構の作動を示す速度線図である。 図５に合わせて実際の遊星歯車機構の各要素の動きを示す図である。 第１実施形態の流体機械を組み込んだランキンサイクルのシステム全体を表した概略構成図である。 スクロール流体機械を膨張機として作動させるときのランキンサイクルのシステム全体の概略構成図である。 スクロール流体機械をコンプレッサとして作動させるときのランキンサイクルのシステム全体の概略構成図である。 第２実施形態の流体機械のスケルトン図である。 第２実施形態の流体機械を組み込んだランキンサイクルのシステム全体を表した概略構成図である。 第３実施形態の流体機械のスケルトン図である。 第３実施形態の遊星歯車機構の概略平面図である。 第４実施形態の流体機械のスケルトン図である。 スクロール流体機械を膨張機として作動させるときの第４実施形態の流体機械のスケルトン図である。 スクロール流体機械をコンプレッサとして作動させるときの第４実施形態の流体機械のスケルトン図である。

（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態の流体機械１のスケルトン図、図２Ａはスクロール流体機械１１を膨張機としてとして働かせるときの、図２Ｂはスクロール流体機械１１をコンプレッサとしてとして働かせるときのスケルトン図である。

第１実施形態の流体機械１は、スクロール流体機械１１、遊星歯車３１、２つのクラッチ４１、４２、プーリ５１（第１の軸）から構成される。

まず、スクロール流体機械１１については図３を参照して概説する。図３はスクロール流体機械１１の作動図である。図３においてスクロール流体機械１１は、円筒状のケース１２、固定スクロール１３、可動スクロール１４から主に構成されている。

固定スクロール１３は、板状の基板部（図示しない）及び基板部から可動スクロール１４側に突出した歯部１３ａとで構成される。可動スクロール１４も、板状の基板部（図示しない）及び基板部から固定スクロール１３側に突出する歯部１４ａとで構成される。各スクロール１３、１４の歯部１３ａ、１４ａは、反時計方向に回転する渦巻き状に、かつ一端より徐々に曲率半径が大きくなるように形成され、ほぼ同様の大きさのこれら２つの歯部１３ａ、１４ａを渦巻きの方向を同じにして組み合わせている。このとき、２つの歯部１３ａ、１４ａは複数の箇所で線接触し、隣り合う２つの線接触の間に密閉空間（作動室）が形成される。

固定スクロール１３は円筒状のケース１２に固定されている。可動スクロール１４は円筒状のケース１２中心の回転軸２１（図１参照）（第２の軸）より偏心した軸を中心として回動する。可動スクロール１４を一方向（図３で時計方向、反時計方向のいずれかの方向）に回動させると、隣り合う２つの線接触間に形成される密閉空間（作動室）に流体を閉じ込めたままで２つの歯部１３ａ、１４ａの線接触位置が同一方向に徐々に移動する。このため、例えば可動スクロール１４を図３で反時計方向に回転（正転）させたときには、隣り合う２つの線接触間に形成される密閉空間の体積が徐々に大きくなる。この反対に可動スクロール１４を図３で時計方向に回転（逆転）させたときには、隣り合う２つの線接触間に形成される密閉空間が徐々に小さくなる。

図３の最左側に、隣り合う２つの線接触間に形成される密閉空間のうち、最も小さい密閉空間１５が２つ中央部に生じている。この２つの密閉空間１５に着目すると、可動スクロール１４が正転するにつれて、図３の左側から２番目、３番目のように２つの密閉空間１６、１７へと徐々に大きくなり、かつその位置が外周へとずれていく。そして、図３の最右側では最も大きい２つの密閉空間１８となって最外周部に生じている。実際には、隣り合う２つの線接触間に形成される２つの密閉空間は他にもあり、その他の密閉空間でも同様の変化が生じる。

一方、見方を変えると、図３の最右側に、隣り合う２つの線接触間に形成される密閉空間のうち、最も大きい密閉空間１８が２つ最外周部に生じている。この２つの密閉空間１８に着目すると、可動スクロール１４が逆転するにつれて、図３の右側から２番目、３番目のように２つの密閉空間１７、１６へと徐々に小さくなり、かつその位置が内周へとずれていく。そして、図３の最左側では最も小さい２つの密閉空間１５となって中央部に生じている。実際には、隣り合う２つの線接触間間に形成される２つの密閉空間は他にもあり、その他の密閉空間でも同様の変化が生じる。

可動スクロール１４の回動に伴うこのような性質を利用して、スクロール流体機械１１を正転時には膨張機として、逆転時にはコンプレッサ（圧縮機）として働かせることが可能となる。可動スクロール１４には回転軸２１を有している。

スクロール流体機械１１を駆動する流体（冷媒）をスクロール流体機械１１に出し入れするため、図３の最左側に示した２つの最小の密閉空間１５に流体を出し入れする第１の出入口２２（図１参照）をケース１２に設けている。また、図３の最右側に示した２つの最大の密閉空間１８に流体を出し入れする第２の出入口２３（図１参照）をケース１２に設けている。

スクロール流体機械１１を膨張機として作動させるときには、図２Ａに示したように第１の出入口２２から高温高圧の冷媒ガス（流体）を導入する。第１の出入口２２から密閉空間１５に流入した高温高圧の冷媒ガスは膨張する圧力で可動スクロール１４を駆動する（回転軸２１を正転させる）。この密閉空間１５内の冷媒はその密閉空間が拡大するにつれて（図３の右向きの状態変化を参照）、可動スクロール１４を駆動する力を失っていき、やがて最外周まで到達した冷媒ガスは、図２Ａに示したように第２の出入口２３から外部に排出される。第１の出入口２２から高温高圧の冷媒ガスを連続的に導入することで、可動スクロール１４が駆動し続ける（回転軸２１は正転を継続する）。これによって、高温高圧の冷媒ガス（流体）の有する熱エネルギを回転エネルギ（機械的エネルギ）に変換することができる。

一方、スクロール流体機械１１をコンプレッサとして作動させるときには、スクロール流体機械１１の回転軸２１を外部からの動力で回転（逆転）させると共に、図２Ｂに示したように第２の出入口２３から冷媒ガスを導入する。第２の出入口２３から密閉空間１８に流入した冷媒ガスはその密閉空間が縮小するにつれて（図３の左向きの状態変化を参照）圧縮され、やがて中央部まで到達した大気よりも高温高圧の冷媒ガスは、図２Ｂに示したように第１の出入口２２から外部に排出される。スクロール流体機械１１の回転軸２１の逆転を継続して第２の出入口２３から冷媒ガスを連続的に導入することで、第１の出入口２２から大気よりも高温高圧の冷媒ガスを連続的に吐出することができる。

ここで、一方向に回転するときには流体の有するエネルギを機械的エネルギに変換して回転する膨張機として、他方向に回転するときには流体を加圧して吐出するコンプレッサとしてそれぞれ作動する流体機械を「コンプレッサ膨張機流体機械」と定義する。実施形態ではコンプレッサ膨張機流体機械としてスクロール流体機械１１を例示したが、これに限られない。スクロールに限らず、ピストンやベーンなど、一方向に回転するときには密閉空間が大きくなり、この逆に他方向に回転するときには密閉空間が小さくなる主に容積式の流体機械であれば、これらもコンプレッサ膨張機流体機械に含まれる。従って、スクロール流体機械１１に代えて用いることができる。

また、一方向に回転するときには流体の有するエネルギを機械的エネルギに変換して回転するモータとして、他方向に回転するときには流体を加圧して吐出するポンプとしてそれぞれ作動する流体機械を「ポンプモータ流体機械」として定義するものがある。この定義で言うと、上記スクロール流体機械１１は、このポンプモータ流体機械に含まれる。コンプレッサ膨張機流体機械に代えてこのポンプモータ流体機械を用いることができる。

図１に戻り、スクロール流体機械１１を膨張機として作動させるときには回転軸２１を正転させ、スクロール流体機械１１をコンプレッサとして作動させるときには回転軸２１を逆転させる必要がある。このため、モータジェネレータの回転速度を切換えることで、スクロール流体機械の膨張機としての作動と、スクロール流体機械のコンプレッサとしての作動とを切換えるようにした従来装置が提案されている。

しかしながら、従来装置では、膨張機としての作動とコンプレッサとしての作動とを切換えるのにモータジェネレータが必要であり、その分構成が複雑である。

また、従来装置では、スクロール流体機械を膨張機として作動させるときにはモータジェネレータは発電機として作動する。このとき、モータジェネレータにはスクロール流体機械の回転が増速して伝達されるため、モータジェネレータ（発電機）が高速（例えば１０，０００ｒｐｍ）で回転する。モータジェネレータが高速回転するのでは、フリクションが増加し、これによって回生の効率が落ち燃費効果の改善代が小さくなる。

また、従来装置では、スクロール流体機械を膨張機として作動させるときに得られる機械的エネルギ（動力）の殆どを電力として回収し、これをバッテリに蓄積している。このため、動力を用いてエンジンの回転をアシストするときには、スクロール流体機械で得られる動力をモータジェネレータによって電力に変換し、その変換した電力を再び動力に変換することになる。つまり、変換による損失が大きいのであり、動力アシストによる燃費効果の改善代が小さくなる。さらにモータジェネレータを用いるときにはインバータなどの電気的な回路が必要となりコストアップになるし、回収した電力を蓄える容量の大きなバッテリが必要となる。この結果、従来装置は現実的にはハイブリッド車でのみ使える技術となり、多機種の展開性が低くなってしまう。

そこで本発明は、モータジェネレータを用いることなく、スクロール流体機械の膨張機としての作動と、スクロール流体機械のコンプレッサとしての作動とを切換えることができないかと発明者が発想したところからなされたものである。すなわち、本発明は、遊星歯車機構３１及び制御要素としての２つのクラッチ４１、４２とを用いてスクロール流体機械の膨張機としての作動と、スクロール流体機械のコンプレッサとしての作動とを切換えるようにしている。

また、本発明では、スクロール流体機械１１を膨張機として作動させるときに得られる機械的エネルギ（動力）をそのままエンジンに伝達してエンジンの回転をアシストする。すなわち、プーリ５１とエンジン５３のクランクプーリ５４との間にベルト５５を掛け回すことでベルト伝導装置を構成し、プーリ５１とエンジンのクランクシャフトとが同期して回転するようにしている。なお、本発明はプーリによるベルト伝動装置に限定されるものでなく、チェーンを用いた伝動装置や歯車伝動装置にも適用がある。

遊星歯車機構３１は、サンギア３２、リングギア３３、サンギア３２とリングギア３３に共に噛み合いサンギア３２の周囲を巡る複数のプラネタリギア３４、これらプラネタリギア３４の軸を固定するプラネタリキャリア３５から構成される。

プーリ５１の回転軸５２をリングギア３３の軸と接続し、スクロール流体機械１１の回転軸２１をサンギア３２の軸と接続する。プラネタリキャリア３５とリングギア３３との間にこれら２つの要素を締結・開放する第１クラッチ４１を、またプラネタリキャリア３５とハウジング３６の間にこれら２つの要素を締結・開放する第２クラッチ４２を設ける。第１クラッチ４１の配置はこれに限られない。例えば、プラネタリキャリア３５とサンギア３２との間に第１クラッチ４１’を設けてもかまわない（図１の破線参照）。

図４はプーリ５２の回転速度が１０００ｒｐｍの場合に２つのクラッチ４１、４２の締結・開放と使用用途との組み合わせでスクロール流体機械１１の回転速度がどうなるのかをまとめた表図である。図５は遊星歯車機構３１の作動を示す速度線図である。図６は図５に合わせて実際の遊星歯車機構３１の各要素の動きを示す図である。

なお、図５、図６ではリングギア３３とサンギア３２の歯数の比を２：１としてある。このようにリングギア３３とサンギア３２の歯数の比を定めたのは、次の理由による。すなわち、スクロール流体機械１１を膨張機として作動させる場合の冷媒体積流量要求値と、スクロール流体機械１１をコンプレッサとして作動させる場合の冷媒体積流量要求値とを調べたところ、要求値の比は１：２であった。これより、コンプレッサとして作動させる場合には膨張機として作動させる場合より２倍の回転速度とする必要があるためである。なお、一般的にも冷媒体積流量要求値はコンプレッサとして作動させる場合のほうが膨張機として作動させる場合より多いことが知られている。

図５の上段は第１クラッチ４１を開放しかつ第２クラッチ４２を締結した状態での速度線図である。このときにはエンジン５３の動力によってプーリ５１が駆動される。第２クラッチ４２の締結でプラネタリキャリア３５がハウジング３６に接続されるため（図２Ａ参照）、プラネタリキャリア３５の回転速度はゼロ［ｒｐｍ］となる。説明の便宜上、プーリ５１はエンジン回転に同期して１０００［ｒｐｍ］で回転しているとする。このとき、サンギア３２の回転速度は減速比により増速されて−２０００［ｒｐｍ］となる。２０００［ｒｐｍ］の前の負の符号はサンギア３３がプーリ５１とは逆転することを示している。

図５の中段は第１クラッチ４１を締結しかつ第２クラッチ４２を開放した状態での速度線図である。なお、図５の上段との比較のため、プーリ５１の回転速度は１０００［ｒｐｍ］であるとする。第１クラッチ４１の締結でプラネタリキャリア３５がリングギア３３に接続されるため（図２Ｂ参照）、リングギア３３とプラネタリキャリア３５とが同一の回転速度（１０００ｒｐｍ）となる。そのため、サンギア３２の回転速度も同一の回転速度（１０００ｒｐｍ）となる。言い換えると、スクロール流体機械１１の回転軸２１とプーリ５１とが直結状態となる。

図５の下段は２つのクラッチ４１、４２を開放した状態での速度線図である。なお、図５の上段、中段との比較のため、プーリ５１の回転速度は１０００［ｒｐｍ］であるとする。このときにはプーリ５１とスクロール流体機械１１の回転軸２１の間のトルク伝達をなくすことができる。なお、サンギア３３の回転速度がゼロ［ｒｐｍ］となるので、この点をプーリ５１の１０００［ｒｐｍ］を結んだ線とプラネタリキャリア３５の縦線とが一致する点の回転速度でプラネタリキャリア３５が回転する。

図５の上段ではプーリ５１が駆動側であったが、図５の中段ではスクロール流体機械１１が駆動側となる。すなわち、図５の中段より、スクロール流体機械１１を膨張機として作動させて回転軸２１を１０００［ｒｐｍ］で正転させれば、プーリ５１を同じ１０００［ｒｐｍ］で正転させることができることがわかる。このように、スクロール流体機械１１で流体のエネルギを回転エネルギに変換し、その変換した回転エネルギをエンジン５３の回転補助として用いるのである。一方、図５の上段より、エンジン５３駆動によりプーリ５１を１０００［ｒｐｍ］で正転させれば、回転軸２１を２０００［ｒｐｍ］で逆転させることが、つまりスクロール流体機械１１をコンプレッサとして用いることができることがわかる。

上記のように本実施形態では、リングギア３３とサンギア３２の歯数比を２倍としたが、本発明はこの場合に限られるものでなく、リングギア３３とサンギア３２の歯数比を１．５倍から４倍までの間で設定することが可能である。これについて以下に説明する。

エンジンが搭載された車で考え、車（あるいは搭載エンジンの排気量）が大きい場合と小さい場合とを比較する。乗員数が同じとすれば要求される空調能力にはほとんど変化がないことから、車が大きいときのコンプレッサの冷媒流量要求値は車が小さいときとほとんど変わらないのに対し、廃熱量は車が大きいほど大きくなるので、廃熱回収量をより増やそうとすれば、車が大きいときの膨張機の冷媒流量要求値は車が小さいときよりも大きくなる。仮に、コンプレッサ膨張機流体機械（の定格）を、車が大きいほど大きくしたとすると、車が大きい場合のコンプレッサの回転速度はそれほど高くする必要はないから相対的に歯数比を小さくする。一方、車が小さい場合のコンプレッサの回転速度は比較的高くする必要があるので、相対的に歯数比を大きくする。そして、実用的な範囲では、車の大きさ、すなわち実用的な搭載エンジンの排気量と、コンプレッサ膨張機流体機械の定格とを勘案し、歯数比の範囲を検討したところ、１．５倍から４倍が適切であることがわかった。

図７は本実施形態の流体機械１を組み込んだランキンサイクル６１のシステム全体を表した概略構成図である。図８Ａはスクロール流体機械１１を膨張機としてとして作動させるときの、図８Ｂはスクロール流体機械をコンプレッサとしてとして作動させるときのランキンサイクル６１のシステム全体の概略構成図である。ランキンサイクル６１は、冷媒ポンプ６２、蒸発器６３、膨張機としてのスクロール流体機械１１、凝縮器(コンデンサ)６４を備え、各構成要素は冷媒（Ｒ１３４ａ等）が循環する冷媒通路７１〜７４によって接続されている。

冷媒ポンプ６２の軸は、プーリ５１の回転軸５２と一体に構成されている（図１参照）。従って、スクロール流体機械１１の発生する出力（動力）によって冷媒ポンプ６２を駆動すると共に、その発生動力をベルト伝導装置（５１、５５、５４）を介しエンジン５３に伝えてエンジン５３の回転をアシストする構成である。

冷媒ポンプ６２からの冷媒は冷媒通路７１を介して蒸発器６３に供給される。蒸発器６３は高温の媒体と冷媒ポンプ６２からの冷媒との間で熱交換を行わせ、冷媒を気化して加熱する熱交換器である。上記高温の媒体としては、エンジンの冷却水を用いることができる。

蒸発器６３からの冷媒は冷媒通路７２を介して膨張機としてのスクロール流体機械１１に供給される。膨張機としてのスクロール流体機械１１は、気化し過熱された冷媒を膨張させることにより熱を回転エネルギに変換する。膨張機としてのスクロール流体機械１１に回収された動力は冷媒ポンプ６２を駆動し、ベルト伝導装置を介してエンジン５３に伝達され、エンジン５３の回転をアシストする。

膨張機としてのスクロール流体機械１１からの冷媒は冷媒通路７３を介して凝縮器６４に供給される。凝縮器６４は、外気と冷媒との間で熱交換を行わせ、冷媒を冷却し液化する熱交換器である。このため、ファン６５によって冷却するようにしている。

凝縮器６４により液化された冷媒は、冷媒通路７４を介して冷媒ポンプ６２に戻される。冷媒ポンプ６２に戻された冷媒は、冷媒ポンプ６２により再び蒸発器６３に送られ、ランキンサイクル６１の各構成要素を循環する。

このようにしてスクロール流体機械１１を膨張機として作動させることができる。

次に、冷凍サイクル８０について述べる。冷凍サイクル８０は、ランキンサイクル６１を循環する冷媒を共用するため、ランキンサイクル６１と統合されている。冷凍サイクル８０は、コンプレッサ（圧縮機）としてのスクロール流体機械１１、凝縮器６４、エバポレータ８２を備える。

冷媒通路７４から分岐して冷媒通路７３に合流する第１バイパス通路８１を設け、この第１バイパス通路８１にエバポレータ８２を介装する。また、冷媒通路７２から分岐して、第１バイパス通路８１の合流部８５より下流の冷媒通路７３に合流する第２バイパス通路８７を設ける。

コンプレッサとしてのスクロール流体機械１１は、エンジンによって駆動され冷媒を圧縮して高温高圧の冷媒ガスにする。すなわち、エンジン５３の駆動力はベルト伝送装置（５４、５５、５１）を介して回転軸２１に伝達され、スクロール流体機械１１が駆動される。

コンプレッサとしてのスクロール流体機械１１からの冷媒は、第２バイパス通路８７を介して冷媒通路７３に合流した後、凝縮器６４に供給される。凝縮器６４は外気との熱交換によって冷媒を凝縮し液化する熱交換器である。

凝縮器６４からの液体冷媒は、冷媒通路７４から分岐する第１バイパス通路８１を介してエバポレータ８２に供給される。エバポレータ８２は、図示しないヒータコアと同様にエアコンユニットのケース内に配置されている。エバポレータ８２は、凝縮器６４からの液体冷媒を蒸発させ、そのときの蒸発潜熱によってブロアファンからの空調空気を冷却する熱交換器である。

エバポレータ８２によって蒸発した冷媒は冷媒通路７３を介してコンプレッサとしてのスクロール流体機械１１に戻される。なお、エバポレータ８２によって冷却された空調空気とヒータコアによって加熱された空調空気は、エアミックスドアの開度に応じて混合比率が変更され、乗員の設定する温度に調節される。

第２バイパス通路８７の合流部には３つのポートＡ、Ｂ、Ｃを有する三方弁８８を設けておく。三方弁８８は流路を切換えるためものである。例えば三方弁８８は、非通電状態でポートＡとＢを連通し、ポートＡとＣを遮断している。一方、通電状態でポートＡとＢの連通を遮断しポートＡとＣを連通する。

スクロール流体機械１１を膨張機として作動させるときには、図８Ａに矢印で示したように冷媒を循環させる必要がある。このため、冷媒通路７３の冷媒が合流部８３から第１バイパス通路８１へと逆流することを阻止する逆止弁８９を第１バイパス通路８１に設けておく。

一方、スクロール流体機械１１をコンプレッサとして作動させるときには、図８Ｂに矢印で示したように冷媒を循環させる必要がある。このため、冷媒通路７４に冷媒通路７４を開閉する開閉弁９０を設けておき、スクロール流体機械１１をコンプレッサとして作動させるときにはこの開閉弁９０を全閉状態として、凝縮器６４からの液体冷媒をエバポレータ８２に導く。また、スクロール流体機械１１を膨張機として作動させるときにはこの開閉弁９０を全開状態として凝縮器６４からの液体冷媒を冷媒ポンプ６２に導く。

また、スクロール流体機械１１をコンプレッサとして作動させるときに、スクロール流体機械１１からの冷媒が蒸発器６３へと逆流することを阻止する逆止弁９１を冷媒通路７２に設けておく。

三方弁８８、開閉９０２つのクラッチ４１、４２及び三方弁８８を制御するのはエンジンコントローラ９５（クラッチ制御手段）である。ランキンサイクル６１を運転する運転域が予め定められているので、エンジンコントローラ９５では、運転条件がランキンサイクル運転域にあるか否かをみる。運転条件がランキンサイクル運転域になれば、スクロール流体機械１１を膨張機として作動させる場合であると判断する。このときには開閉弁９０に全開状態を指示し、第１クラッチ４１を開放し、第２クラッチを締結する。三方弁８８には通電しない。

また、エンジンコントローラ９５ではエアコン要求があるか否かをモニターしている。エアコン要求があり、かつエバポレータ８２を出る冷媒の温度が上限温度を超えているときにはスクロール流体機械１１をコンプレッサとして作動させる場合であると判断する。このときには開閉弁９０に全閉状態を指示し、第１クラッチ４１を締結し、第２クラッチを開放する。三方弁８８には通電する。

ここで、本実施形態の作用効果を説明する。

本実施形態では、エンジン５３のクランク軸に同期して回転するプーリ５１（第１の軸）と、一方向に回転するときには冷媒（流体）の有するエネルギを機械的エネルギに変換して回転する膨張機として、他方向に回転するときには冷媒（流体）を加圧して吐出するコンプレッサとしてそれぞれ作動するスクロール流体機械１１（コンプレッサ膨張機流体機械）と、このスクロール流体機械１１の軸２１（コンプレッサ膨張機流体機械に同期して回転する第２の軸）と接続されるサンギア３２、プーリ５１と接続されるリングギア３３、リングギア３３とサンギア３２とに噛み合い、サンギア３２の周囲を回転する複数のプラネタリギア３４、このプラネタリギア３４の回転軸を支持するプラネタリキャリア３５で構成される遊星歯車機構３１と、プラネタリキャリア３５とリングギア３３とを締結・開放する第１クラッチ４１と、プラネタリキャリア３５とハウジング３６とを締結・開放する第２クラッチ４２とを備えている。本実施形態によれば、従来装置のようにモータジェネレータが必要なく、簡単な構成で膨張機としての作動とコンプレッサとしての作動とを切換えることができる。

また、膨張機として作動させるときに得られる機械的エネルギ（動力）を、従来装置では電力として殆ど回収するのに対して、本実施形態では電極に変換することなくそのままベルト伝導装置（５１、５５、５４）を介してエンジンに伝えてエンジン回転をアシストする。本実施形態によれば、従来装置のように電力から動力への変換時の損失がなく、機械的エネルギでの動力伝達が可能なため効率が良い。従来装置にくらべて同じ膨張機出力であっても燃費効率が高いのである。また、機械的エネルギを電力として回収しないので、容量の大きなバッテリが必要なく、ハイブリッド車で使える技術に限定されず、多機種への展開が可能である。

本実施形態によれば、スクロール流体機械１１（コンプレッサ膨張機流体機械）を膨張機として作動させる場合に、第１クラッチ４１を締結しかつ第２クラッチ４２を開放するエンジンコントローラ９５（クラッチ制御手段）を備えるので、プラネタリキャリア３５とリングギア３３とが一体回転することから、プーリ５１とスクロール流体機械１１とを同一方向に回転させることができる。さらに述べると、スクロール流体機械を膨張機として作動させるときに、従来装置ではモータジェネレータ（発電機）が高速で回転するのに対して、本実施形態では第２クラッチ４２の締結でリングギア３３をプラネタリキャリア３５と一体化させている。本実施形態には不用意に高速回転する箇所がないので、高速回転に伴う効率の低下を招くことがない。

本実施形態によれば、スクロール流体機械１１（コンプレッサ膨張機流体機械）をコンプレッサとして作動させる場合に、第１クラッチ４１を開放しかつ第２クラッチ４２を締結するエンジンコントローラ９５（クラッチ制御手段）を備えるので、プラネタリキャリア３５の回転が停止することから、プーリ５１とスクロール流体機械１１とを逆方向に回転させることができる。

本実施形態によれば、リングギア３３とサンギア３２の歯数比は１．５倍から４倍であるので、実用的な搭載エンジンの排気量に合わせた歯数比を設定することができる。

本実施形態によれば、リングギア３３とサンギア３２の歯数の比（リングギア歯数÷サンギア歯数）を、スクロール流体機械１１（コンプレッサ膨張機流体機械）を膨張機として作動させる場合に膨張機に要求される冷媒体積流量と、スクロール流体機械１１をコンプレッサとして作動させる場合にコンプレッサに要求される冷媒体積流量との比に相当する値となるように設定するので、膨張機に要求される冷媒体積流量とコンプレッサに要求される冷媒体積流量とを共に満足させることができる。

（第２実施形態）
図９は第２実施形態の流体機械１のスケルトン図、図１０は第２実施形態の流体機械１を組み込んだランキンサイクル６１のシステム全体を表した概略構成図である。第１実施形態の図１、図７と同一部分には同一番号を付している。

第１実施形態では、冷媒ポンプ６２の軸がプーリ５１の回転軸５２と一体に構成されたものであった（図１参照）。このため、冷媒ポンプ６２は、スクロール流体機械１１を膨張機として作動させるとき、コンプレッサとして作動させるときのいずれの場合にも駆動される構成であった。しかながら、図８Ｂより分かるように、スクロール流体機械１１をコンプレッサとして作動させるときには冷媒ポンプ６２を実際に作動させることは必要ない。エンジン動力でスクロール流体機械１１を駆動するときに、必要ない冷媒ポンプ６２までも駆動することは、エンジン動力を無駄に消費することになる。

そこで、第２実施形態では、スクロール流体機械１１を膨張機として作動させるときに冷媒ポンプ６２を駆動し、スクロール流体機械１１をコンプレッサとして作動させるときは冷媒ポンプ６２の駆動を停止するものである。このため、第２実施形態ではプラネタリキャリア３５の回転軸３５ａにギア１０１を設ける。このギア１０１はプラネタリキャリア３５と一体動する。そして、このギア１０１と冷媒ポンプ６２を駆動するためのギア１０２とを噛み合わせ、冷媒ポンプ６２を駆動する。冷媒ポンプ６２としては例えばギア式のポンプを用いればよい。

これによって、スクロール流体機械１１を膨張機として作動させるときには第１クラッチ４１が締結されるため、プラネタリキャリア３５がプーリ５１と１：１で回転する（図５中段参照）。プラネタリキャリア３５が回転すれば、プラネタリキャリア３５と一体動するギア１０１、これに噛み合うギア１０２によって冷媒ポンプ６２が駆動される。つまり、スクロール流体機械１１を膨張機として作動させるときには冷媒ポンプ６２が駆動されるのである。

一方、スクロール流体機械１１をコンプレッサとして作動させるときには第２クラッチ４２が締結されるため、プラネタリキャリア３５は回転しない（図５上段参照）。プラネタリキャリア３５が回転しなければ、ギア１０１、１０２も回転せず冷媒ポンプ６２も駆動されない。つまり、スクロール流体機械１１をコンプレッサとして作動作動させるときには冷媒ポンプ６２は駆動されないのである。

このように、第２実施形態によれば、第１実施形態の流体機械１を含み、液体の冷媒を供給する冷媒ポンプ６２と、冷媒ポンプ６２から供給される液体の冷媒を加熱して蒸発させる蒸発器６３と、蒸発器６３で蒸発した冷媒のエネルギを機械的エネルギに変換して回転する膨張機と、前記膨張機から排出される冷媒を凝縮させて液体の冷媒へと戻す凝縮器６４とを備えたランキンサイクルであって、冷媒ポンプ６２は、流体機械１のプラネタリキャリア３５の回転軸によって駆動され、前記膨張機は、流体機械１のコンプレッサ膨張機流体機械１１であるので、ランキンサイクル６１を運転するときだけ冷媒ポンプ６２が駆動することから、ランキンサイクル６１を運転しないときにも冷媒ポンプ６２を駆動することによるエンジン動力の無駄な消費を抑制できる。

（第３実施形態）
図１１は第３実施形態の流体機械１のスケルトン図、図１２は第３実施形態の遊星歯車機構３１の概略平面図である。図１１において第２実施形態の図９と同一部分には同一番号を付している。

第３実施形態は第２実施形態を前提とするものである。すなわち、第３実施形態においてもスクロール流体機械１１を膨張機として作動させるときに冷媒ポンプ６２を駆動し、スクロール流体機械１１をコンプレッサとして作動させるときは冷媒ポンプ６２の駆動を停止する。さらに、第３実施形態は、遊星歯車機構３１のうちのプラネタリギア３４の全てにワンウェイクラッチ１１３を設けて、第１クラッチ４１を廃止するようにしたものである。

ワンウェイクラッチ１１３は３つのプラネタリギア３４全てにに設けるのが通常であるが、場合によっては一部省略して１つのプラネタリギアにのみ設けることにしてもかまわない。この場合には、図１２に示したように、プラネタリギア３４の一つ（図１２では上方のギア）を、回転軸１１１、この回転軸１１１と軸を同一としつつ回転軸１１１とは関係なく回動し得る外歯ギア１１２とに分離して設ける。そして、この外歯ギア１１２の内周と回転軸１１１の外周との間にワンウェイクラッチ１１３を介装する。なお、図１２ではワンウェイクラッチ１１３を上方のプラネタリギア３４に設けているが、これに限られるものでない。図１２で左下や右下にあるプラネタリギア３４にワンウェイクラッチ１１３を設けてもかまわない。

ワンウェイクラッチ１１３は、ハウジング１１４、ボール１１５、スプリング１１６、スプリングリテーナ１１７で構成されている。ハウジング１１４は径方向に厚さを有する円弧状に形成され、その外周１１４ａが外歯ギア１１２の内周に固定され、その内周１１４ｂは回転軸１１の外周１１１ａを摺動可能である。ハウジング１１４には内周側に２つの窪みを形成し、各窪みの中にボール１１５、このボール１１５を周方向の一方向（図１２で反時計方向）に付勢するスプリング１１６及びこのスプリング１１６を保持するスプリングリテーナ１１４を収納している。

いま、図１２においてサンギア３２が反時計方向に回転したとき、サンギア３２と噛み合う外歯歯車１１２がワンウェイクラッチ１１３と共に時計方向に回転する。このとき、ボール１１５がハウジング１１４と回転軸１１１との間に嵌り込んで両者を固定する（ロックする）。このワンウェイクラッチ１１３のロックで外歯歯車１１２と回転軸１１１とが一体で動く。このため、プラネタリキャリア３５が反時計方向に回転し、リングギア３３も反時計方向に回転する。つまり、図５中段に示したようにサンギア３２、プラネタリキャリア３５及びリングギア３３が一体に回転する。ワンウェイクラッチ１１３がロックするときには第２実施形態の第１クラッチ４１が締結されたときと同じ働きをするのである。

一方、サンギア３２が時計方向に回転するときには、ワンウェイクラッチ１１３においてボール１１５がスプリング１１６の付勢力に抗してスプリング１１６を押し縮める。このときには、ボール１１５はハウジング１１４と回転軸１１１との間を固定しない（ロックしない）。このため外歯歯車１１２の回転が回転軸１１１に伝わらず、プラネタリキャリア３５は回転しない。つまり、図５上段に示したようにサンギア３２が回転してもプラネタリキャリア３５は回転しない。ワンウェイクラッチ１１３がロックしないときには第２実施形態の第１クラッチ４１が開放されたときと同じ働きをするのである。

このように、ワンウェイクラッチ１１３は第２実施形態の第１クラッチ４１と同じ働きをするので、第３実施形態では、図１１に示したように第１クラッチの位置にワンウェイクラッチ１１３を記載している。

第３実施形態によれば、第１実施形態の第１クラッチ４１は、コンプレッサ膨張機流体機械１１を膨張機として作動させるときに、プラネタリキャリア３５と、リングギア３３及びサンギア３２のいずれか一方とを固定するワンウェイクラッチ１１３で構成されているので、ランキンサイクル６１を運転しないときにも冷媒ポンプ６２を駆動することによる無駄な動力の消費を抑制できるほか、より簡素な構成とすることができる。

（第４実施形態）
図１３は第４実施形態の流体機械１のスケルトン図である。第１実施形態の図１と同一部分には同一番号を付している。第１から第３までの実施形態では、膨張機としての作動とコンプレッサとしての作動とを切換えるため遊星歯車機構３１を用いた。一方、第４実施形態は、遊星歯車機構３１でない変速機構１２１を用いて膨張機としての作動とコンプレッサとしての作動とを切換えるものである。

図１３に示したように、変速機構１２１を、第１、第２、第３の３つのギア１２３、１２４、１２５を噛み合わせたギア列、第４、第５の２つのギア１２７、１２８を噛み合わせたギア列で構成し、これら２つのギア列を対向配置している。第２、第３、第５のギア１２４、１２５、１２８の軸はハウジング３６に固定する。ここで、第１〜第３のギア１２３、１２４、１２５は同じ歯数、第４のギア１２７は第５のギア１２８よりも歯数を多くする。

そして、第１ギア１２３の軸と第４ギア１２７の軸とを同じ位置に置き、両ギア１２３、１２７の軸を第２クラッチ４２で接続する。また、第３ギア１２５の軸と第５ギア１２８の軸とを同じ位置に置き、両ギア１２５、１２８の軸を第１クラッチ４１で接続する。

いま、スクロール流体機械１１を膨張機として作動させるときには、図１４Ａに示したように第２クラッチ４２を締結しかつ第１クラッチ４１を開放する。このとき、回転軸２１とプーリ５１とが直結となる。つまり、膨張機としてのスクロール流体機械１１によって得られる動力でプーリ５１が駆動される。

次に、スクロール流体機械１１をコンプレッサとして作動させるときには、図１４Ｂに示したように第２クラッチ４２を開放しかつ第１クラッチ４１を締結する。このとき、回転軸２１はプーリ５１によって逆転する。つまり、エンジン動力によってコンプレッサとしてのスクロール流体機械１１を駆動することで、冷媒ガスを圧縮して、大気より高温高圧の冷媒ガスにすることができる。回転軸２１がプーリ５１に対して回転方向が逆転するのみならず、第４のギア１２７は第５のギア１２８よりも歯数が多いので、プーリ５１の回転を増速させて回転軸２１に伝えることができるため、コンプレッサ（スクロール流体機械１１）を増速させて回転させることができる。

１ 流体機械
１１ スクロール流体機械（コンプレッサ膨張機流体機械）
２１ 軸（第２の軸）
３１ 遊星歯車機構
３２ サンギア
３３ リングギア
３４ プラネタリギア
３５ プラネタリキャリア
４１ 第１クラッチ
４２ 第２クラッチ（クラッチ）
５１ プーリ（第１の軸）
５３ エンジン
６１ ランキンサイクル
６２ 冷媒ポンプ
６３ 蒸発器
６４ 凝縮器
９５ エンジンコントローラ（クラッチ制御手段）
１１１ 回転軸
１１２ 外歯ギア
１１３ ワンウェイクラッチ

Claims (8)

1. エンジンのクランク軸に同期して回転する第１の軸と、
   一方向に回転するときには冷媒の有するエネルギを機械的エネルギに変換して回転する膨張機として、他方向に回転するときには冷媒を加圧して吐出するコンプレッサとしてそれぞれ作動するコンプレッサ膨張機流体機械と、
   前記コンプレッサ膨張機流体機械に同期して回転する第２の軸と接続されるサンギア、前記第１の軸と接続されるリングギア、リングギアとサンギアとに噛み合い、サンギアの周囲を回転する複数のプラネタリギア、このプラネタリギアの回転軸を支持するプラネタリキャリアで構成される遊星歯車機構と、
   前記プラネタリキャリアと、前記リングギア及び前記サンギアのいずれか一方とを締結・開放する第１クラッチと、
   前記プラネタリキャリアとハウジングとを締結・開放する第２クラッチと
   を備えることを特徴とする流体機械。
2. 前記コンプレッサ膨張機流体機械を前記膨張機として作動させる場合に、前記第１クラッチを締結しかつ前記第２クラッチを開放するクラッチ制御手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の流体機械。
3. 前記コンプレッサ膨張機流体機械を前記コンプレッサとして作動させる場合に、前記第１クラッチを開放しかつ前記第２クラッチを締結するクラッチ制御手段を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の流体機械。
4. 前記リングギアの歯数は、サンギアの歯数に対して１．５倍から４倍であることを特徴とする請求項１から３までのいずれか一つに記載の流体機械。
5. 前記リングギアと前記サンギアの歯数の比を、前記コンプレッサ膨張機流体機械を前記膨張機として作動させる場合に膨張機に要求される冷媒体積流量と、前記コンプレッサ膨張機流体機械を前記コンプレッサとして作動させる場合にコンプレッサに要求される冷媒体積流量との比に相当する値となるように設定することを特徴とする請求項１から３までのいずれか一つに記載の流体機械。
6. 前記第１クラッチは、前記コンプレッサ膨張機流体機械を膨張機として作動させるときに、前記プラネタリキャリアと、前記リングギア及び前記サンギアのいずれか一方とを固定するワンウェイクラッチで構成されていることを特徴とする請求項１から５までのいずれか一つに記載の流体機械。
7. 請求項１から６までのいずれか一つの前記流体機械を含むランキンサイクルにおいて、
   液体の冷媒を供給する冷媒ポンプと、
   前記冷媒ポンプから供給される液体の冷媒を加熱して蒸発させる蒸発器と、
   前記蒸発器で蒸発した冷媒のエネルギを機械的エネルギに変換して回転する膨張機と、
   前記膨張機から排出される冷媒を凝縮させて液体の冷媒へと戻す凝縮器と
   を備えたランキンサイクルであって、
   前記冷媒ポンプは、前記流体機械のプラネタリキャリアの回転軸によって駆動され、
   前記膨張機は、前記流体機械のコンプレッサ膨張機流体機械であることを特徴とするランキンサイクル。
8. 一方向に回転するときには冷媒の有するエネルギを機械的エネルギに変換して回転するモータとして、他方向に回転するときには冷媒を加圧して吐出するポンプとしてそれぞれ作動するポンプモータ流体機械と、
   前記ポンプモータ流体機械の回転をエンジンのクランク軸に伝達する変速機構であって、前記ポンプモータ流体機械をモータとして用いるときは回転方向を同一のままで、また、前記ポンプモータ流体機械をポンプとして用いるときは回転方向を逆転させ、かつ、モータとして用いるときよりもエンジンのクランク軸に対するポンプモータ流体機械の回転速度が高くなるように回転を伝達する変速機構と、
   前記変速機構がポンプモータ流体機械の回転を回転方向が同一のままで伝達するかポンプモータ流体機械の回転を逆転させて伝達するかを切換え得る複数のクラッチと
   を備えることを特徴とする流体機械。

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