JP4055724B2 - 流体機械 - Google Patents

Description

本発明は、流体が有するエネルギを回転エネルギに変換する変換手段を有す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であって、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適用して有効である。

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）。

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。

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。

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。

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。

この問題に対して、出願人は、体積が最も小さくなる作動室と高圧室とを連通させる吐出ポートに逆止弁を設け、さらに体積が最も小さくなる作動室と高圧室とを連通させる流入ポートにモータモード時に開くバルブ機構を設けた流体機械について出願している（特願２００３−１９１３９号、以下先願例と称す）。

これにより、流体機械のポンプモータ機構は、エンジンまたは発電電動機、もしくはその両方から動力供給を受けることにより流体の圧縮動作を行う機能（ポンプモード）と、流体からエネルギを得て膨張動作を行う機能（モータモード、発電モード）とを発揮することができる。

また、先願例では動力伝達軸が一本化されており、流体の圧縮動作を行う場合には変速機構を介さずにエンジンからの動力を発電電動機やポンプモータ機構に伝える。一方、ポンプモータ機構が膨張動作を行う場合にはポンプモータ機構で発生した駆動力を、変速機構を介さずに発電電動機に伝えるといった構造を例示している。これにより、流体機械の構造が単純になるという利点がある。

また、内燃機関の廃熱で作動媒体を加熱して高圧蒸気を発生させ、容積型の膨張機を作動させて被駆動部へと動力伝達する方法が知られている（例えば特許文献２）。特許文献２には、被駆動部として軸動力と発電電動機が記載されている。
特開昭６３−９６４４９号公報 特開２００１−２２７６１６号公報

しかし、先願例の流体機械では、膨脹機にて効率よくエネルギを回収することができる回転数と、高い発電効率を維持しながら発電することができる回転数とは、必ずしも一致しないので、効率よく廃熱を電気エネルギとして回収することができない場合があり得る。特に、エンジン回転速度が高い場合には発電電動機も高回転となるため、発電電動機には高い機械的強度が必要となる。加えて高回転により発生する高い誘導起電力に耐えうる耐圧設計および絶縁設計が必要となるため設計が困難となってしまう。

さらに、発電電動機がポンプモータ機構に圧縮動作をさせる場合には、発電電動機にかかる負荷をなるべく低くしてポンプモータ機構を作動させることが望ましいが、先願例では発電電動機とポンプモータ機構は同一回転速度となるため本要求を十分に果たすことができない。

一方、ポンプモータ機構が膨張動作（モータモード、発電モード）を行う場合には、ポンプモータ機構にかかる負荷を低減し発電電動機をスムーズに作動させたいが、先願例ではポンプモータ機構と発電電動機が同一回転速度となるため本要求を十分に果たすことが難しい。

また、膨脹機として効率のよい作動室の体積と、圧縮機構として効率のよい作動室の体積とは、必ずしも一致しないので、膨脹機構と圧縮機構とを同一機構にて兼用した場合、膨脹機として使用した場合及び圧縮機として使用した場合のいずれかの場合において、効率が悪化してしまうおそれがある。

また、特許文献２には、ランキン回生（エネルギ回生）システムの機構配置についての記述が無いが、各機構の単純な組み合わせではシステムとしての機器寸法が非常に大きくなり、たとえば自動車のエンジンルームなどに収納することは非常に困難である。

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、運転状態によらず、効率よく流体機械を運転するための流体機械を提供し、第３には当該流体機械の小型化を目的とする。

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、及び回転エネルギを与えられることにより流体を吸入圧縮する機能を兼ね備えるポンプモータ手段（１００）と、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発電電動機（２００）と、発電電動機（２００）と前記ポンプモータ手段（１００）とを繋ぐ動力伝達経路に設けられた変速手段（４００）とを備え、変速手段（４００）は、ポンプモータ手段（１００）から発電電動機（２００）に回転エネルギを供給するときには、増速して回転エネルギを発電電動機（２００）に伝達し、さらに、発電電動機（２００）からポンプモータ手段（１００）に回転エネルギを供給するときには、減速して回転エネルギをポンプモータ手段（１００）に伝達することを特徴とする。

これにより、効率よく電気エネルギとして回収することができ得る。

また、ポンプモータ手段（１００）を膨脹機として使用した場合及び圧縮機として使用した場合のいずれかの場合においても効率よくポンプモータ手段（１００）を運転することができ得る。

また、請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の流体機械において、発電電動機（２００）には電磁力を受けると回転する回転子（２２０）が備えられており、変速手段（４００）を回転子（２２０）の内方部位に配置したことを特徴としている。

これによると、変速手段（４００）の配置される空間が回転子（２２０）の回転円の内方部位になるため、本流体機械を小型化かつ軽量化することが可能である。

請求項３に記載の発明では、外部駆動源からの回転エネルギをポンプモータ手段（１００）に伝達する動力伝達部（３００）を有することを特徴とするものである。

また、請求項４に記載の発明では、請求項１ないし３のいずれか１つに記載の流体機械において、ポンプモータ手段（１００）が内部に配置されるポンプケース（１０１、１０２）と、発電電動機（２００）が内部に配置される電動機ケース（２３０）とを備え、ポンプケース（１０１、１０２）を電動機ケース（２３０）と一体に接合することを特徴としている。

これによると、ポンプケース（１０１、１０２）と電動機ケース（２３０）が一体化されるため、流体機械を軽量かつ小型化することができる。したがって、新規に流体機械を配置する場合の配置自由度が高まる。また、既存の設備を改造して流体機械を配置する場合にも配置空間に起因する変更が少なくて済み、設置の手間や費用を低減できる。

また、請求項５に記載の発明のように、請求項４に記載の流体機械において、回転子（２２０）の内方部位にポンプケース（１０１、１０２）の少なくとも一部（１０１ａ）を配置すれば、回転子（２２０）とポンプケース（１０１、１０２）の一部（１０１ａ）が重なる、言い換えるとポンプケース（１０１、１０２）の一部（１０１ａ）が回転子（２２０）に内包される分だけ流体機械の長さを短く、つまり流体機械をより小型化することができる。したがって、新規に流体機械を配置する場合の配置自由度が高まる。また、既存の設備を改造して流体機械を配置する場合にも配置空間に起因する変更が少なくて済み、設置の手間や費用を低減できる。

また、請求項６に記載の発明では、請求項４または５に記載の流体機械において、ポンプモータ手段（１００）が流体の有する内部エネルギを回転エネルギに変換する場合には、流体が電動機ケース（２３０）内を通過するようになっていることを特徴としている。

これによると、電動機ケース（２３０）を通過する流体により、電動機ケース（２３０）内の発電電動機（２００）を冷却することが可能である。また、流体が有する潤滑作用により、電動機ケース（２３０）内の変速手段（４００）の例えば動力伝達部材間などの潤滑をよくすることができる。

また、請求項７に記載の発明では、請求項４ないし６のいずれか１つに記載の流体機械において、発電電動機（２００）および変速手段（４００）を一つの電動機ケース（２３０）内に配置することを特徴とするものである。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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３５は冷媒通路の開閉する電磁式のバルブであり、開閉弁３５及び三方弁２１等は電子制御装置により制御されている。

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。

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。

次に、膨脹機一体型圧縮機１０について述べる。

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発電電動機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、発電電動機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。

ここで、発電電動機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。

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。

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。

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を介して発電電動機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。

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。

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を有するクランクシャフトであり、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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

また、変速機構４００は、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。

そして、太陽歯車４０３は、発電電動機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。なお、変速機構４００はロータ２２０の回転円の内方部位に配置されている。

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。

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。

なお、本実施形態では変速機構４００と発電電動機２００はステータハウジング２３０内に配置されている。また、ステータハウジング２３０、ミドルハウジング１０１、および固定スクロール１０２を一体に接合しており、これらが流体機械の外形を成している。

また、ミドルハウジング１０１は流体機械内の空間をステータハウジング２３０内の空間と、ポンプモータ機構１００の内部空間とに仕切っている。さらに、ミドルハウジング１０１には電磁クラッチ３００方向へ突き出す突き出し形状１０１ａが形成されている。この突き出し形状１０１ａの偏心部１０８ｄ側の空間には、基板部１０３ａの一部、ベアリング１０３ｃ、ブッシング１０３、および偏心部１０８ａが内包されるように配置されている。そして、この突き出し形状１０１ａも前述の変速機構と同様にロータ２２０の回転円の内方部位に配置されている。

ところで、図２より明らかなようにポンプモータ機構１００、変速機構４００、発電電動機２００、電磁クラッチ３００などは略一直線上に配置されている。

次に、本実施形態に係る膨脹機一体型圧縮機１０の作用効果を述べる。

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。

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放熱器１１側に吐出する。なお、低圧ポート１１１から吸引された冷媒は、ステータハウジング２３０内を通ってポンプモータ機構１００に流入し、圧縮された後に高圧ポート１１０から吐出される。

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側とを切り離して発電電動機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。

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側とを切り離して発電電動機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を切った状態で発電電動機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。

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、発電電動機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。

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に発生するように発電電動機２００に通電する。

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。

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を前述のポンプモードとは逆方向に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。

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を回転させて発電電動機２００により発電し、その発電された電力を蓄電器に蓄える。

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。

これにより、過熱蒸気の膨脹により旋回スクロール１０３がポンプモード時の逆向きに回転するので、膨脹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側に流出するとともに、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にて増速されて発電電動機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。

因みに、本実施形態では、ロータ２２０が「特許請求の範囲」に記載された出力部に相当する。

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。

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。

具体的には、液ポンプ３２を停止させた状態で開閉弁３５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。

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。

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。

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。

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。

具体的には、開閉弁３５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。

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。

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。

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。

次に、本実施形態の作用効果を列挙すると、（１）変速機構４００を備えているので、ポンプモータ機構１００を膨脹機として使用した場合に効率よくエネルギを回収することができる回転数と、高い発電効率を維持しながら発電することができる回転数とが一致していなくても、変速機構４００にて効率よく廃熱を電気エネルギとして回収することができ得る。

（２）膨脹機として効率のよい作動室の体積と、圧縮機構として効率のよい作動室の体積とが一致していない場合において膨脹機構と圧縮機構とを同一機構にて兼用しても、膨脹機として使用した場合及び圧縮機として使用した場合のいずれかの場合においても効率よくポンプモータ機構１００を運転することができ得る。

（３）図２に示したように、ポンプモータ機構１００、変速機構４００、発電電動機２００、電磁クラッチ３００などを略一直線上に配置してミドルハウジング１０１、固定スクロール１０２、ステータハウジング２３０で一体化したため、流体機械装置を軽量かつコンパクトに作製することができる。また、動力の伝達経路が単純となるため各機構に高い信頼性を発揮させることができる。さらに、流体機械の分解（整備）および組立性を向上させることができる。加えて、各機構をモジュール化や標準化し易くなる。

（４）ところで、本実施形態では変速機構４００と発電電動機２００が収納されているステータハウジング２３０とポンプモータ機構１００とをミドルハウジング１０１で仕切っている。このため、作動室Ｖで発生する高圧によりシャフト１０８がポンプモータ機構１００から発電電動機２００へ向かうスラスト荷重（軸方向荷重）を受ける。しかし、本実施形態では、この荷重をミドルハウジング１０１で負担することができ、荷重が直接軸受１０８ｃに作用することがないため、軸受１０８ｃ、最終的には装置の信頼性および耐久性を向上させることができる。

（５）ポンプモード時に冷媒がステータハウジング２３０内を通ってポンプモータ機構１００内に入るため、冷媒に適度に潤滑材を含有させておけば、ステータハウジング２３０内の変速機構４００の各歯車４０１、４０２、４０３を潤滑させることができる。同時に発電電動機２００の損失による発熱を冷媒で冷却することができる。

（６）電磁クラッチ３００でエンジン２０側からの動力を断続するため、確実にエンジン２０動力と発電電動機２００からの動力を分離できる。これにより、無駄に電磁クラッチ３００やプーリ３１０などを回転させず、それらの回転に付随する機械損失を無くすとともに、これらの部品寿命を延ばすことができる。

（７）発電電動機２００に通電することにより、電磁ブレーキや機械ブレーキ等のブレーキ手段を使用することなく太陽歯車４０３を停止させることができるため、これらのブレーキ手段の配置空間分だけ装置の小型化ができる。また、前述のブレーキ手段を使用しないためコストが下がるのは当然である。

（８）電磁クラッチ３００に伝達されるエンジン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に伝達されるため、機器寸法を大きくすることなくポンプモータ機構１００のポンプ容量を増すことができる。

（９）出力手段であるロータ２２０が太陽歯車４０３と一体化しているため、ロータ２２０が正回転の時には変速機構４００の一部として変速動作を行い、一方ロータ２２０が逆回転の時には自動的に発電電動機２００のロータとして作動させることができる。

（１０）変速機構４００がロータ２２０の回転円の内方部位に配置されるため、流体機械の外殻寸法を小さくすることができる。

ロータ２２０の内方部位に変速機構４００を配置すると、変速機構４００が内方部位に配置されないときに比べて、変速機構４００の空間分だけシャフト１０８の回転中心軸方向（図２中左右方向）の長さを短くすることができる。

また、ミドルハウジング１０１には電磁クラッチ３００方向へ突き出す突き出し形状１０１ａが形成されている。そして、突き出し形状１０１ａの偏心部１０８ｄ側の空間に、基板部１０３ａの一部、ベアリング１０３ｃ、ブッシング１０３、および偏心部１０８ａが内包されるように配置されているため、これらの部品の分だけ流体機械の長さを短くすることができる。

さらに、ミドルハウジング１０１の突き出し形状１０１ａも回転子２２０の回転円の内方部位に配置されるため、回転子２２０に内包されたミドルハウジング１０１の突き出し形状１０１ａの分だけ流体機械の長さを短くすることができる。

これらが相まって、流体機械をより小型化することができる。したがって、新規に流体機械を配置する場合の配置自由度が高まる。また、既存の設備を改造して流体機械を配置する場合にも配置空間に起因する変更が少なくて済み、設置の手間や費用を低減できる。

（第２実施形態）
第１実施形態では、１つのポンプモータ機構１００にて圧縮機構と膨脹機構とを兼用したが、本実施形態は、図４に示すように、圧縮機構専用のポンプモータ機構１００ａと膨脹機構専用のポンプモータ機構１００ｂとを設けるとともに、発電電動機２００又はエンジン２０の動力を減速してポンプモータ機構１００ａに伝達する変速機構４００ａ、及び膨脹機構専用のポンプモータ機構１００ｂの出力を増速して発電電動機２００に伝達する変速機構４００ｂを備えたものである。

なお、符号３００ａ、３００ｂは、電磁クラッチ等の動力を断続可能に伝達する動力伝達装置である。

（他の実施形態）
上述の実施形態では、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よい。

また、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。

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。

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。 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。 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。 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。

符号の説明

１００…ポンプモータ機構（変換手段）、１０１…ミドルハウジング（ポンプケース）、
１０１ａ…突き出し形状（ミドルハウジングの一部）、
１０２…固定スクロール（ポンプケース）、
２００…モータジェネレータ（発電電動機）、２２０…ロータ（出力手段、回転子）、
２３０…ステータハウジング（電動機ケース）、３００…電磁クラッチ（動力伝達部）、
４００…変速機構（変速手段）。

Claims (7)

1. 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、及び回転エネルギを与えられることにより流体を吸入圧縮する機能を兼ね備えるポンプモータ手段（１００）と、
   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発電電動機（２００）と、
   前記発電電動機（２００）と前記ポンプモータ手段（１００）とを繋ぐ動力伝達経路に設けられた変速手段（４００）とを備え、
   前記変速手段（４００）は、前記ポンプモータ手段（１００）から前記発電電動機（２００）に回転エネルギを供給するときには、増速して回転エネルギを前記発電電動機（２００）に伝達し、さらに、前記発電電動機（２００）から前記ポンプモータ手段（１００）に回転エネルギを供給するときには、減速して回転エネルギを前記ポンプモータ手段（１００）に伝達することを特徴とする流体機械。
2. 前記発電電動機（２００）には、電磁力を受けると回転する回転子（２２０）が備えられており、
   前記変速手段（４００）は、前記回転子（２２０）の内方部位に配置されることを特徴とする請求項１に記載の流体機械。
3. 外部駆動源からの回転エネルギを前記ポンプモータ手段（１００）に伝達する動力伝達部（３００）を有す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. 前記ポンプモータ手段（１００）が内部に配置されるポンプケース（１０１、１０２）と、
   前記発電電動機（２００）が内部に配置される電動機ケース（２３０）とを備え、
   前記ポンプケース（１０１、１０２）は、前記電動機ケース（２３０）と一体に接合されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の流体機械。
5. 前記回転子（２２０）の内方部位に前記ポンプケース（１０１、１０２）の少なくとも一部（１０１ａ）が配置されることを特徴とする請求項４に記載の流体機械。
6. 前記ポンプモータ手段（１００）が、流体の有する内部エネルギを回転エネルギに変換する場合には、前記流体が前記電動機ケース（２３０）内を通過するようになっていることを特徴とする請求項４または５に記載の流体機械。
7. 前記発電電動機（２００）および前記変速手段（４００）は、一つの電動機ケース（２３０）内に配置されることを特徴とする請求項４ないし６のいずれか１つに記載の流体機械。

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