JP4039320B2

JP4039320B2 - 流体機械

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Publication number: JP4039320B2
Application number: JP2003171993A
Authority: JP
Inventors: 重樹岩波; 康鈴木; 慶一宇野; 和秀内田; 忠資堀田
Original assignee: Denso Corp; Nippon Soken Inc
Current assignee: Denso Corp; Soken Inc
Priority date: 2003-06-17
Filing date: 2003-06-17
Publication date: 2008-01-30
Anticipated expiration: 2023-06-17
Also published as: US20040258539A1; JP2005009342A; US6993910B2; DE102004028314A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、加熱ガスを略等エントロピ膨脹させて流体の有する内部エネルギを回転エネルギに変換する機能、及び流体を吸入圧縮する機能を兼ね備えるポンプモータ機構を備える流体機械に関するものである。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
図６は、発明者が試作検討した流体機械を示す断面図であり、この流体機械は、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もので、以下に述べるように作動する。
【０００３】
１．ポンプモード
このモードは、シャフト１０９ｐに回転力を与えることによりポンプモータ機構１００ｐの旋回スクロール１０２ｐを旋回させて冷媒を吸入圧縮する運転モードである。
【０００４】
具体的には、電磁弁１０７ｐを閉じて流入ポート１０６ｐを閉じた状態でシャフト１０９ｐを回転させるものである。これにより、膨脹機一体型圧縮機、つまり流体機械は、周知のスクロール型圧縮機と同様に、低圧ポート１１１ｐから冷媒を吸引して作動室１０３ｐにて圧縮した後、吐出ポート１０５ｐから高圧室１０４ｐに圧縮した冷媒を吐出し、高圧ポート１１０ｐから圧縮された冷媒を吐出する。
【０００５】
なお、シャフト１０９ｐに回転力を与えるに当たっては、電磁クラッチ３００ｐにてエンジン側と膨脹機一体型圧縮機側とを切り離して回転電機２００ｐにより回転力を与える場合と、電磁クラッチ３００ｐにてエンジン側と膨脹機一体型圧縮機側とを繋いでエンジンの動力により回転力を与える場合とがある。
【０００６】
２．モータモード
このモードは、電磁クラッチ３００ｐにて膨脹機一体型圧縮機側とを切り離した状態で、高圧室１０４ｐに高圧の過熱蒸気冷媒をポンプモータ機構１００ｐに導入して膨脹させることにより、旋回スクロール１０２ｐを旋回させてシャフト１０９ｐを回転させ、機械的出力を得るものである。
【０００７】
ところで、この試作品では、シャフト１０９ｐがハウジング２３０ｐ内外を貫通しているので、リップシール等の軸封装置３３３によりハウジング２３０ｐとシャフト１０９ｐとの隙間を気密に密閉せざるを得ない。
【０００８】
そして、軸封装置３３３は、所定の面圧にてシャフト１０９ｐの外周面に接触することによりシャフト１０９ｐとの隙間を気密に密閉するので、シャフト１０９ｐが回転すると、軸封装置３３３にて摩擦抵抗によるエネルギ損失が発生する。
【０００９】
このため、上記試作検討品では、モータモード時に、実質的に回収できるエネルギが減少してしまうので、エネルギ回収効率が低下してしまう。
【００１０】
なお、モータモード時に回収できる得る最大エネルギは、図７に示すｐ−ｈ線図を用いて説明するまでもなく明らかなように、回収熱量に比べて小さいので、軸封装置３３３での回収エネルギの損失は、回収可能最大エネルギに対して大きな割合を占める。
【００１１】
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、軸封装置での回収エネルギの損失を低減することを目的とする。
【００１２】
【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、加熱ガスを略等エントロピ膨脹させて流体の有する内部エネルギを回転エネルギに変換する機能、及び流体を吸入圧縮する機能を兼ね備えるポンプモータ機構（１００）と、ポンプモータ機構（１００）に変換された回転エネルギを電力に変換する回転電機（２００）と、ハウジング（２３０）外に設けられた外部駆動源（２０）の動力を受けて回転するとともに、ハウジング（２３０）内外を貫通して外部駆動源（２０）の動力をポンプモータ機構（１００）側に伝達する第１シャフト（３３１）と、ハウジング（２３０）内に設けられ、ポンプモータ機構（１００）に連結された第２シャフト（１０８）と、第１シャフト（３３１）に摺動接触し、第１シャフト（３３１）とハウジング（２３０）との隙間を密閉する軸封装置（３３３）と、第１シャフト（３３１）側から第２シャフト（１０８）側への動力伝達を許容し、第２シャフト（１０８）側から第１シャフト（３３１）側への動力伝達を遮断する動力伝達機構（４００、５００、６００、６０１）とを備えることを特徴とする。
【００１３】
これにより、軸封装置（３３３）に接触する第１シャフト（３３１）がモータモード時に回転することがない。したがって、ポンプモータ機構（１００）にて回収したエネルギが軸封装置（３３３）で損失してしまうことはない。
【００１４】
請求項２に記載の発明では、動力伝達機構は、第２シャフト（１０８）と一体的に回転するリング状のリングギヤ（４０１）、リングギヤ（４０１）と噛み合うとともに第１シャフト（３３１）と一体的に回転するプラネタリギヤ（４０２）、及びプラネタリギヤ（４０２）と噛み合うサンギヤ（４０３）からなる遊星歯車機構（４００）と、第１シャフト（３３１）が一方向に回転することを許容するワンウェイクラッチ（５００）と、を有して構成されていることを特徴とするものである。
【００１５】
請求項３に記載の発明では、動力伝達機構は、第１、２シャフト（３３１、１０８）間に伝達される動力を断続するクラッチ手段（６００）、及びクラッチ手段（６００）を制御する制御手段（６０１）を有して構成されていることを特徴とするものである。
【００１６】
請求項４に記載の発明では、動力伝達機構は、第１、２シャフト（１０８、３３１）間に伝達される回転動力のうち一方向の回転動力のみ伝達するワンウェイクラッチ（５００）により構成されていることを特徴とするものである。
【００１９】
請求項５に記載の発明では、回転電機（２００）は、第２シャフト（１０８）に回転力を与える機能を兼ね備え、さらに、回転電機（２００）は、動力伝達経路において、動力伝達機構（４００、５００、６００）よりポンプモータ機構（１００）側に位置してい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】
（第１実施形態）
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、凝縮器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は凝縮器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、凝縮器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と凝縮器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のうち凝縮器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凝縮器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側から凝縮器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、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、並びにポンプモータ機構１００、回転電機２００及び電磁クラッチ３００間における動力伝達経路を切り換えるとともに、その回転動力を減速又は増速して伝達する遊星歯車機構からなる変速機構４００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、本実施形態では、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、周知のスクロール型圧縮機構と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（シェル）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なす旋回スクロール１０３、及び作動室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等からなるものである。
【００３８】
ここで、固定スクロール１０２は、板状の基板部１０２ａ及び基板部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１０３ｂ、及び歯部１０３ｂが形成された基板部１０３ａを有して構成されており、両歯部１０２ｂ、歯部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。
【００３９】
シャフト１０８は、変速機構４００の内歯車４０１の回転軸を兼ねるとともに、そ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を有する第２シャフトであり、旋回スクロール１０３は、ベアリング１０３ｃ及びブッシング１０３ｄ等を介して偏心部１０８ａに回転可能に連結されている。
【００４０】
なお、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。
【００４１】
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、かつ、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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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を機能を有するものであり、この高圧室１０４には、加熱器３０及び凝縮器１１側に接続される高圧ポート１１０が設けられている。
【００４５】
なお、蒸発器１４及び第２バイパス回路３４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。
【００４６】
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及び弁止板１０７ｂはボルト１０７ｃにて基板部１０２ａに固定されている。
【００４７】
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。
【００４８】
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。なお、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。
【００４９】
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及び絞り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。
【００５０】
また、変速機構４００は、シャフト１０８と一体的に回転するリング状の内歯車（リングギヤ）４０１、内歯車４０１と噛み合う複数枚（例えば、３枚）の遊星歯車（プラネタリギヤ）４０２、及び遊星歯車４０２に噛み合う太陽歯車（サンギヤ）４０３等からなるものである。
【００５１】
そして、太陽歯車４０３は、回転電機２００のロータ２２０と一体化され、遊星歯車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に一体化されている。
【００５２】
また、ワンウェイクラッチ５００は、シャフト３３１が一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は太陽歯車４０３、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は内歯車４０１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１０８ｃ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。
【００５３】
また、リップシール３３３は、シャフト３３１の外周面に接触することにより、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。
【００５４】
次に、本実施形態に係る膨脹機一体型圧縮機１０の作動を述べる。
【００５５】
１．ポンプモード
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。
【００５６】
具体的には、電磁弁１０７ｅを閉じて流入ポート１０６を閉じた状態でシャフト１０８を回転させるものである。これにより、膨脹機一体型圧縮機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凝縮器１１側に吐出する。
【００５７】
このとき、シャフト１０８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。
【００５８】
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。
【００５９】
このとき、太陽歯車４０３は、ワンウェイクラッチ５００により回転しないので、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。
【００６０】
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を繋ぐとともに、太陽歯車４０３、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。
【００６１】
これにより、電磁クラッチ３００に伝達されたエンジン２０の回転動力は、変速機構４００にて増速されてポンプモータ機構１００に伝達される。
【００６２】
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に導入して膨脹させることにより、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。
【００６３】
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。
【００６４】
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１０７ｅを開いて流入ポート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に導入して膨脹させるものである。
【００６５】
これにより、過熱蒸気の膨脹により旋回スクロール１０３が回転するので、膨脹を終えて圧力が低下した冷媒は、低圧ポート１１１から凝縮器１１側に流出する。
【００６６】
このとき、旋回スクロール１０３がポンプモード時の逆向きに回転するので、遊星歯車４０２がポンプモード時と逆向きにシャフト３３１周りに回転（旋回）しようとするが、第１シャフトをなすシャフト３３１の回転の向きがワンウェイクラッチ５００により規制されているので、遊星歯車４０２はシャフト３３１周りに回転（旋回）せずに、その位置で自転する。
【００６７】
したがって、旋回スクロール１０３に与えられた回転エネルギは、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。なお、図３は上記作動をまとめた線図である。
【００６８】
因みに、本実施形態では、変速機構４００及びワンウェイクラッチ５００が「特許請求の範囲」に記載された動力伝達機構に相当する。
【００６９】
なお、上記作動説明からも明らかなように、回転電機２００は、動力伝達経路において、動力伝達機構をなす変速機構４００及びワンウェイクラッチ５００よりポンプモータ機構１００側に位置した構成となっている。
【００７０】
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。
【００７１】
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凝縮器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、凝縮器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。
【００７２】
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。
【００７３】
これにより、冷媒は、膨脹機一体型圧縮機１０→加熱器３０→凝縮器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。
【００７４】
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凝縮器１１にて室外空気にて冷却されて凝縮する。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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→凝縮器１１→気液分離器１２の順に循環し、凝縮器１１内を流れる冷媒は空調運転モード時と逆転する。
【００７９】
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る。
【００８０】
また、膨脹機一体型圧縮機１０から流出した冷媒は、凝縮器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。
【００８１】
次に、本実施形態の作用効果を述べる。
【００８２】
前述のごとく、本実施形態では、変速機構４００及びワンウェイクラッチ５００の存在により、リップシール３３３に接触するシャフト３３１がモータモード時に回転することがない。したがって、ポンプモータ機構１００にて回収したエネルギがリップシール３３３で損失してしまうことはない。
【００８３】
（第２実施形態）
第１実施形態では、変速機構４００及びワンウェイクラッチ５００にて動力伝達機構を構成したが、本実施形態は、図４に示すように、ステータハウジング２３０等の膨脹機一体型圧縮機１０のハウジング内に電磁クラッチ６００を配置して、この電磁クラッチ６００介してシャフト３３１とシャフト１０８とを繋ぐとともに、モータモード時及び回転電機２００にてポンプモータ機構１００を駆動するときには、電磁クラッチ６００にてシャフト３３１とシャフト１０８との間の動力伝達を遮断し、エンジン２０にてポンプモータ機構１００を駆動するときには、電磁クラッチ６００を繋いでシャフト３３１からシャフト１０８に動力を伝達するものである。
【００８４】
つまり、本実施形態では、電磁クラッチ６００及びこの電磁クラッチ６００を制御する電子制御装置６０１が、特許請求の範囲に記載された動力伝達機構となる。
【００８５】
（第３実施形態）
本実施形態は、第２実施形態の変形例であり、シャフト３３１とシャフト１０８とを繋ぐ動力伝達機構として、電磁クラッチ６００に代えて、一方向の回転のみを伝達するワンウェイクラッチ５００を採用したものである。
【００８６】
したがって、本実施形態においても、第２実施形態と同様に、シャフト３３１側からシャフト１０８側への動力伝達が許容され、シャフト１０８側からシャフト３３１側への動力伝達が遮断される。
【００８７】
（その他の実施形態）
上述の実施形態では、スクロール型のポンプモータ機構１００を採用したが、本発明はこれに限定されるものはなく、ロータリ型、ピストン型、ベーン型等のその他の形式のポンプモータ機構にも適用することができる。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
また、上述の実施形態では、１つのポンプモータ機構１００にて加熱ガスを略等エントロピ膨脹させて流体の有する内部エネルギを回転エネルギに変換する機能と流体を吸入圧縮する機能とを有するものであったが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば加熱ガスを略等エントロピ膨脹させて流体の有する内部エネルギを回転エネルギに変換する機能専用の機構と流体を吸入圧縮する機能専用の機構とをそれぞれ有するポンプモータ機構としてもよい。
【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】本発明の第１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】本発明の第１実施形態に係る膨脹機一体型圧縮機の作動を示す線図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る膨脹機一体型圧縮機の模式図である。
【図５】本発明の第３実施形態に係る膨脹機一体型圧縮機の模式図である。
【図６】試作検討品に係る膨脹機一体型圧縮機の模式図である。
【図７】ｐ−ｈ線図である。
【符号の説明】
１００…ポンプモータ機構、１０３…作動室、１０４…高圧室、
１０５…吐出ポート、１０６…流入ポート、１０７ａ…吐出弁、
１０７ｄ…スプール、１０７ｆ…背圧室、
１０７ｇ…バネ、１０７ｅ…電磁弁、１０７ｈ…絞り、
１０８…シャフト、２００…回転電機（モータジェネレータ）、
３００…電磁クラッチ、３３１…シャフト、３３３…リップシール、
４００…遊星歯車変速機構、５００…ワンウェイクラッチ。

Claims

加熱ガスを略等エントロピ膨脹させて流体の有する内部エネルギを回転エネルギに変換する機能、及び流体を吸入圧縮する機能を有するポンプモータ機構（１００）と、
前記ポンプモータ機構（１００）に変換された回転エネルギを電力に変換する回転電機（２００）と、
前記ハウジング（２３０）外に設けられた外部駆動源（２０）の動力を受けて回転するとともに、前記ハウジング（２３０）内外を貫通して前記外部駆動源（２０）の動力をポンプモータ機構（１００）側に伝達する第１シャフト（３３１）と、
前記ハウジング（２３０）内に設けられ、前記ポンプモータ機構（１００）に連結された第２シャフト（１０８）と、
前記第１シャフト（３３１）に摺動接触し、前記第１シャフト（３３１）と前記ハウジング（２３０）との隙間を密閉する軸封装置（３３３）と、
前記第１シャフト（３３１）側から前記第２シャフト（１０８）側への動力伝達を許容し、前記第２シャフト（１０８）側から前記第１シャフト（３３１）側への動力伝達を遮断する動力伝達機構（４００、５００、６００、６０１）とを備えることを特徴とする流体機械。
前記動力伝達機構は、
前記第２シャフト（１０８）と一体的に回転するリング状のリングギヤ（４０１）、前記リングギヤ（４０１）と噛み合うとともに前記第１シャフト（３３１）と一体的に回転するプラネタリギヤ（４０２）、及び前記プラネタリギヤ（４０２）と噛み合うサンギヤ（４０３）からなる遊星歯車機構（４００）と、
前記第１シャフト（３３１）が一方向に回転することを許容するワンウェイクラッチ（５００）と、
を有して構成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。
前記動力伝達機構は、前記第１、２シャフト（３３１、１０８）間に伝達される動力を断続するクラッチ手段（６００）、及び前記クラッチ手段（６００）を制御する制御手段（６０１）を有して構成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。
前記動力伝達機構は、前記第１、２シャフト（１０８、３３１）間に伝達される回転動力のうち一方向の回転動力のみ伝達するワンウェイクラッチ（５００）により構成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。
前記回転電機（２００）は、前記第２シャフト（１０８）に回転力を与える機能を兼ね備え、
さらに、前記回転電機（２００）は、動力伝達経路において、前記動力伝達機構（４００、５００、６００）より前記ポンプモータ機構（１００）側に位置していることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の流体機械。