JP4549941B2 - 複合流体機械 - Google Patents

Description

本発明は、流体を圧縮して吐出する圧縮機部と、ランキンサイクル中の作動流体の膨張によって機械的エネルギーを出力する膨張機部とを備える複合流体機械に関するものであり、圧縮機部を車両用空調装置の冷凍サイクル中の冷媒圧縮用に用いて好適である。

従来、例えば特許文献１に示されるように、圧縮機と膨張機とが一体的に設けられた複合流体機械（特許文献１中ではローリングピストン式回転機械）が知られている。圧縮機は、例えば冷凍サイクル内の冷媒の圧縮用に用いられ、また、膨張機はランキンサイクル内の作動流体によって駆動されるようになっている。

圧縮機は膨張機に対して直列に配置され、両者の軸は例えばマグネットカップリングのような接続手段を介して、あるいは直接的に接続されている。尚、膨張機側、あるいは圧縮機側には駆動モータ、循環ポンプが接続されている。

上記の複合流体機械の作動においては、膨張機は、初期の一定時間（膨張機が安定状態に入るまでの時間）だけ駆動モータによって駆動され、更に、ランキンサイクル内の作動流体（高温、高圧ガス）の膨張によって駆動され、自身の軸に駆動力を発生させる。この駆動力はマグネットカップリングを介して（あるいは直接的に）圧縮機に伝達され、圧縮機が作動される。そして、圧縮機は冷凍サイクル内の冷媒を圧縮する。尚、循環ポンプは、膨張機から発生される駆動力によって駆動され、ランキンサイクル内の作動流体を循環させる。
特開平８−８６２８９号公報

しかしながら、上記の複合流体機械においては、従来から用いられている圧縮機と膨張機とが単純に直列に接続されただけのものであるので、軸方向にスペースを取り、ランキンサイクルや冷凍サイクルから成るシステム内の所定部に取付けする際の搭載性が悪いという問題があった。

また、圧縮機と膨張機は軸によって接続されているので、それぞれの単独作動ができない。例えば、ランキンサイクルにおける作動流体の加熱源として、エネルギーの有効活用のために各種機器（例えば車両エンジン）の温度制御のための廃熱を活用する場合に、膨張機のみを駆動させて（圧縮機を停止状態にして）、膨張機の駆動力を有効なエネルギーとして回収することができない。

本発明の目的は、上記点に鑑み、圧縮機部と膨張機部の両者を備えるものにおいて、搭載性に優れ、また、圧縮機部および膨張機部を独立して作動可能とする複合流体機械を提供することにある。

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、外部駆動源（１０）からの外部駆動力を受けて流体を圧縮して吐出する圧縮機部（１１０）と、ランキンサイクル（３０）内の作動流体の膨張によって駆動力を発生する膨張機部（１２０）とを有する複合流体機械において、圧縮機部（１１０）、膨張機部（１２０）は共に、固定スクロール（１１２、１２２）を備えるスクロール型のものであり、圧縮機部（１１０）および膨張機部（１２０）の各固定スクロール（１１２、１２２）を形成する各基板部（１０１）、各歯部（１１２ｂ、１２２ｂ）のうち、各基板部（１０１）は互いに共用される一体基板部（１０１）として形成され、各歯部（１１２ｂ、１２２ｂ）は、一体基板部（１０１）からそれぞれ反対方向に向かうように設けられ、
圧縮機部（１１０）の圧縮機軸（１１４）には、外部駆動源（１０）からの外部駆動力を断続する断続手段（１３０）が設けられ、膨張機部（１２０）の膨張機軸（１２４）には、発電機（１４０）が接続され、
発電機（１４０）は、発電時に対して逆方向に回転する電動機としての機能を併せ持ち、膨張機部（１２０）を流通する作動流体を、逆方向流れとなる圧縮機部（１１０）用の流体に切替える切替え手段（４１、４２）が設けられたことを特徴としている。

これにより、通常それぞれ設定される各基板部の数を減らして、圧縮機部（１１０）と膨張機部（１２０）間の長さを短くでき、搭載性を高めることができる。また、圧縮機部（１１０）と膨張機部（１２０）とは非接続としているので、圧縮機部（１１０）と膨張機部（１２０）とを独立して作動させることができる。

また、必要に応じて外部駆動源（１０）からの外部駆動力を用いて圧縮機部（１１０）を作動させることができる。また、膨張機部（１２０）によって発生される駆動力で発電機（１４０）を回転させて発電が可能となる。尚、この発電は、即ちランキンサイクルによって得られる機械的エネルギー（膨張機部（１２０）の駆動力）を電気的エネルギーとして回生するものであって、得られた電力を蓄電器に充電すれば良い。よって、例えば得られた機械的エネルギー（膨張機部（１２０）の駆動力）を更に他の機械的エネルギー（例えば外部駆動源（１０）への動力アシスト）として活用することを考えた場合では、膨張機部（１２０）側と相手側（アシスト側）との作動状態の合わせ込み（例えば回転数を合わせること等）が必要となることから、上記電力回生は、容易にエネルギー回生のできる手法であると言える。
また、例えば外部駆動源（１０）からの外部駆動力が得られず、圧縮機部（１１０）を作動させることができない時であっても、発電機（１４０）の電動機としての機能と切替え手段（４１、４２）とによって、膨張機部（１２０）を圧縮機として作動させることができ、流体の圧縮が可能となる。
ここで、膨張機部（１２０）をスクロール型のものとしているので、例えば複数のピストンを有するピストン型のように作動流体を逆方向流れとする時の流入流出タイミングを調節する必要が無く、容易に圧縮機としての使用が可能となる。

請求項２に記載の発明では、一体基板部（１０１）には、圧縮機部（１１０）用の吐出通路（１０１ａ）と、膨張機部（１２０）用の吸入通路（１０１ｂ）とが、一体基板部（１０１）の側面に開口するようにそれぞれ設けられたことを特徴としている。

通常、スクロール型における圧縮機部（１１０）の吐出通路、膨張基部（１２０）の吸入通路は、基板部を貫通するように設けられるものに対して、上記圧縮機部（１１０）と膨張基部（１２０）間の長さ短縮の効果を損なう事無く、また複雑な流路を形成する事無く、吐出通路（１０１ａ）、吸入通路（１０１ｂ）の設定ができる。

請求項３に記載の発明では、膨張機部（１２０）の作動室（Ｖｅ）の最大容積は、圧縮機部（１１０）の作動室（Ｖｃ）の最大容積よりも小さく設定されたことを特徴としている。

通常、ランキンサイクルの作動流体の圧力は冷凍サイクルの流体圧力よりも高く設定される場合が多いので、体積流量は小さくなる。これに合わせて、膨張機部（１２０）の作動室（Ｖｅ）の最大容積を圧縮機部（１１０）のそれよりも小さくすることで、膨張作動時の回転数の低下を防止し、一回転当りの洩れの寄与度を小さくして（作動流体の洩れ速度よりも膨張速度を速くして）膨張機部（１２０）の作動効率を向上させることができる。

請求項４に記載の発明では、一体基板部（１０１）には、圧縮機部（１１０）の作動室（Ｖｃ）から外部に繋がる吐出通路（１０１ａ）が設けられ、吐出通路（１０１ａ）には、流体の逆流を防止する第１逆止弁（１１８ａ）が配設されたことを特徴としている。

これにより、圧縮機部（１１０）における流体の確実な圧縮吐出機能を果たすことができる。

請求項５に記載の発明では、一体基板部（１０１）には、外部から膨張機部（１２０）の作動室（Ｖｅ）に繋がる吸入通路（１０１ｂ）が設けられ、吸入通路（１０１ｂ）には、この吸入通路（１０１ｂ）を開閉する開閉弁（１２８）が配設されたことを特徴としている。

これにより、開閉弁（１２８）を開くことで、作動流体を作動室（Ｖｅ）に導入して膨張機部（１２０）を作動させることができる。また、開閉弁（１２８）を閉じることで、作動流体の作動室（Ｖｅ）への導入を停止して膨張機部（１２０）を確実に停止させることができる。

上記開閉弁（１２８）としては、請求項６に記載の発明のように、外部信号によって開閉される電磁弁（１２８ｂ）と、電磁弁（１２８ｂ）の開閉により調整される圧力差によって駆動されるスライド弁（１２８ａ）とから容易に構成することができる。
請求項７に記載の発明では、外部駆動源（１０）からの外部駆動力を受けて流体を圧縮して吐出する圧縮機部（１１０）と、ランキンサイクル（３０）内の作動流体の膨張によって駆動力を発生する膨張機部（１２０）とを有する複合流体機械において、圧縮機部（１１０）、膨張機部（１２０）は共に、固定スクロール（１１２、１２２）を備えるスクロール型のものであり、圧縮機部（１１０）および膨張機部（１２０）の各固定スクロール（１１２、１２２）を形成する各基板部（１０１）、各歯部（１１２ｂ、１２２ｂ）のうち、各基板部（１０１）は互いに共用される一体基板部（１０１）として形成され、各歯部（１１２ｂ、１２２ｂ）は、一体基板部（１０１）からそれぞれ反対方向に向かうように設けられ、
一体基板部（１０１）には、外部から膨張機部（１２０）の作動室（Ｖｅ）に繋がる吸入通路（１０１ｂ）が設けられ、吸入通路（１０１ｂ）には、この吸入通路（１０１ｂ）を開閉する開閉弁（１２８）が配設され、
開閉弁（１２８）は、外部信号によって開閉される電磁弁（１２８ｂ）と、電磁弁（１２８ｂ）の開閉により調整される圧力差によって駆動されるスライド弁（１２８ａ）とから成ることを特徴としている。
これにより、通常それぞれ設定される各基板部の数を減らして、圧縮機部（１１０）と膨張機部（１２０）間の長さを短くでき、搭載性を高めることができる。また、圧縮機部（１１０）と膨張機部（１２０）とは非接続としているので、圧縮機部（１１０）と膨張機部（１２０）とを独立して作動させることができる。
また、開閉弁（１２８）を開くことで、作動流体を作動室（Ｖｅ）に導入して膨張機部（１２０）を作動させることができる。また、開閉弁（１２８）を閉じることで、作動流体の作動室（Ｖｅ）への導入を停止して膨張機部（１２０）を確実に停止させることができる。
上記開閉弁（１２８）としては、外部信号によって開閉される電磁弁（１２８ｂ）と、電磁弁（１２８ｂ）の開閉により調整される圧力差によって駆動されるスライド弁（１２８ａ）とから容易に構成することができる。

請求項８に記載の発明では、吸入通路（１０１ｂ）には、この吸入通路（１０１ｂ）の途中から分岐して外部に繋がる分岐吐出通路（１２９ａ）が設けられ、分岐吐出通路（１２９ａ）には、圧縮機部（１１０）用の流体が作動室（Ｖｅ）側から外部側に流れる際の逆流を防止する第２逆止弁（１２９ｂ）が配設されたことを特徴としている。

これにより、開閉弁（１２８）を閉じて作動室（Ｖｅ）側から外部側に圧縮機部（１１０）用の流体を流して膨張機部（１２０）を圧縮機として作動させる際に、確実な圧縮吐出機能を果たすことができる。
請求項９に記載の発明では、外部駆動源（１０）からの外部駆動力を受けて流体を圧縮して吐出する圧縮機部（１１０）と、ランキンサイクル（３０）内の作動流体の膨張によって駆動力を発生する膨張機部（１２０）とを有する複合流体機械において、圧縮機部（１１０）、膨張機部（１２０）は共に、固定スクロール（１１２、１２２）を備えるスクロール型のものであり、圧縮機部（１１０）および膨張機部（１２０）の各固定スクロール（１１２、１２２）を形成する各基板部（１０１）、各歯部（１１２ｂ、１２２ｂ）のうち、各基板部（１０１）は互いに共用される一体基板部（１０１）として形成され、各歯部（１１２ｂ、１２２ｂ）は、一体基板部（１０１）からそれぞれ反対方向に向かうように設けられ、
一体基板部（１０１）には、外部から膨張機部（１２０）の作動室（Ｖｅ）に繋がる吸入通路（１０１ｂ）が設けられ、吸入通路（１０１ｂ）には、この吸入通路（１０１ｂ）を開閉する開閉弁（１２８）が配設され、
吸入通路（１０１ｂ）には、この吸入通路（１０１ｂ）の途中から分岐して外部に繋がる分岐吐出通路（１２９ａ）が設けられ、
分岐吐出通路（１２９ａ）には、圧縮機部（１１０）用の流体が作動室（Ｖｅ）側から外部側に流れる際の逆流を防止する第２逆止弁（１２９ｂ）が配設されたことを特徴としている。
これにより、通常それぞれ設定される各基板部の数を減らして、圧縮機部（１１０）と膨張機部（１２０）間の長さを短くでき、搭載性を高めることができる。また、圧縮機部（１１０）と膨張機部（１２０）とは非接続としているので、圧縮機部（１１０）と膨張機部（１２０）とを独立して作動させることができる。
また、開閉弁（１２８）を開くことで、作動流体を作動室（Ｖｅ）に導入して膨張機部（１２０）を作動させることができる。また、開閉弁（１２８）を閉じることで、作動流体の作動室（Ｖｅ）への導入を停止して膨張機部（１２０）を確実に停止させることができる。
また、開閉弁（１２８）を閉じて作動室（Ｖｅ）側から外部側に圧縮機部（１１０）用の流体を流して膨張機部（１２０）を圧縮機として作動させる際に、確実な圧縮吐出機能を果たすことができる。

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。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態を図１、図２に示し、まず、具体的な構成について説明する。本発明の複合流体機械（圧縮膨張機１００）は、エンジン１０を走行用駆動源とする車両に搭載される空調装置（冷凍サイクル２０）に適用されるものとしている。そして、冷凍サイクル２０には、ランキンサイクル３０が備えられている。尚、図１は本実施形態に係るシステム全体を示す構成図、図２は圧縮膨張機１００を示す断面図である。

エンジン１０は、水冷式の内燃機関であり、エンジン冷却水が循環する冷却水回路１１を有している。冷却水回路１１にはラジエータ１２が設けられており、エンジン冷却水はこのラジエータ１２によって冷却され、エンジン１０が所定温度に維持されるようになっている。

冷凍サイクル２０は、後述する圧縮膨張機１００に設けられ、気相冷媒（本発明における流体に対応）を圧縮して吐出する圧縮機部１１０と、圧縮機部１１０から吐出される冷媒を冷却し凝縮液化する凝縮器２１と、凝縮器２１で液化された冷媒を減圧膨脹させる減圧器２２と、減圧器２２で減圧された冷媒を蒸発させ、この時の蒸発潜熱により自身を通過する空調空気を冷却する蒸発器２３とが環状に接続されたものである。

一方、ランキンサイクル３０は、エンジン１０で発生した廃熱エネルギー（エンジン冷却水の熱エネルギー）を回収すると共に、この廃熱エネルギーを電気エネルギーに変換して利用するものである。ランキンサイクル３０は、液ポンプ３１、加熱器３２、後述する圧縮膨張機１００の膨張機部１２０、凝縮器３３から成り、これらが順次接続されて閉回路を形成している。

液ポンプ３１は、ランキンサイクル３０内の冷媒（本発明における作動流体に対応）を循環させるポンプである。加熱器３２は、液ポンプ３１から送られる冷媒と冷却水回路１１を流通する高温のエンジン冷却水との間で熱交換することにより冷媒を加熱する熱交換器である。膨張機部１２０は、加熱器３２で加熱された過熱蒸気冷媒の膨張によって駆動力を発生する流体機器である。凝縮器３３は、膨張機部１２０から吐出される冷媒を冷却し凝縮液化する熱交換器である。尚、液ポンプ３１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ようにしている。

次に、圧縮膨張機１００の詳細について図２を用いて説明する。圧縮膨脹機１００は、冷凍サイクル２０内の冷媒を圧縮吐出する圧縮機部１１０と、ランキンサイクル３０内の冷媒の膨張により駆動力を発生する膨張機部１２０と、エンジン１０からの外部駆動力を断続可能に圧縮機部１１０側に伝達する電磁クラッチ（本発明における断続手段に対応）１３０と、膨張機部１２０の駆動力によって発電する発電機１４０とから構成されている。

圧縮機部１１０および膨張機部１２０は、本発明では共にスクロール型機構を成すものとしており、それぞれ固定スクロール１１２、１２２、旋回スクロール１１３、１２３を有し、圧縮機ハウジング１１１、膨張機ハウジング１２１、および外周壁１０１ｃ内に収容されている。外周壁１０１ｃは、固定スクロール１１２、１２２の一体基板部１０１（詳細後述）の外周部に設けられて、各旋回スクロール１１３、１２３の基板部１１３ａ、１２３ａ側にそれぞれ延びるように円筒状に形成された壁である。そして、各旋回スクロール１１３、１２３にはそれぞれ、圧縮機軸１１４、膨張機軸１２４が連結されている。

ここで、各固定スクロール１１２、１２２は、板状の基板部から各旋回スクロール１１３、１２３側に突出した渦巻状の歯部を有して構成されるものであるが、本発明においては、圧縮機部１１０および膨張機部１２０の各固定スクロール１１２、１２２の基板部を互いに共用化した一体基板部１０１として形成している。

圧縮機部１１０の固定スクロール１１２は、一体基板部１０１およびこの一体基板部１０１から旋回スクロール１１３側に突出した渦巻状の歯部１１２ｂを有して構成されている。一方、旋回スクロール１１３は、上記歯部１１２ｂに接触して噛み合う渦巻状の歯部１１３ｂ、および歯部１１３ｂが形成された基板部１１３ａを有して構成されており、両歯部１１２ｂ、１１３ｂが接触した状態で旋回スクロール１１３が旋回することにより、両スクロール１１２、１１３により構成された作動室Ｖｃの容積が拡大縮小する。尚、作動室Ｖｃは、旋回スクロール１１３の外径側から中心側に変位するほど、その容積が縮小するように変化する。

圧縮機軸１１４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１１４ａを有し、圧縮機ハウジング１１１に固定された軸受け１１４ｄによって回転可能に支持されたクランクシャフトであり、偏心部１１４ａは、ブッシング１１４ｂおよびベアリング１１４ｃを介して旋回スクロール１１３に連結されている。

尚、旋回スクロール１１３には、圧縮機軸１１４の回転に伴う旋回スクロール１１３の自転を防止して、旋回スクロール１１３を圧縮機軸１１４の回転中心軸周りに公転旋回させる自転防止機構１１５が設けられている。

そして、外周壁１０１ｃには、両スクロール１１２、１１３の各歯部１１２ｂ、１１３ｂの位置に対応して作動室Ｖｃに繋がる冷媒吸入用の圧縮機吸入孔１１２ｃが設けられている。圧縮機吸入孔１１２ｃは、蒸発器２３側に接続されている。

一体基板部１０１には、圧縮機部１１０の圧縮時に最小容積となる作動室Ｖｃ側（中心側）から、一体基板部１０１の側面外部に開口する圧縮機吐出通路（本発明における吐出通路に対応）１０１ａが設けられている。

また、外周壁１０１ｃには、圧縮機吐出通路１０１ａの開口部を内包するように半容器体の吐出側ハウジング１１６が接合されており、外周壁１０１ｃと吐出側ハウジング１１６との間に高圧室１１７が形成されている。そして、吐出側ハウジング１１６には外部に開口する圧縮機吐出孔１１６ａが設けられており、圧縮機吐出通路１０１ａ、高圧室１１７、圧縮機吐出孔１１６ａが順に連通している。圧縮機吐出孔１１６ａは、凝縮器２１側に接続されている。尚、高圧室１１７は圧縮機吐出孔１１６ａ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る。

そして、圧縮機吐出通路１０１ａには吐出弁（本発明における第１逆止弁に対応）１１８ａが設けられている。吐出弁１１８ａは、高圧室１１７内で圧縮機吐出通路１０１ａの開口部に設けられて、圧縮機吐出通路１０１ａから吐出された冷媒が高圧室１１７から再び作動室Ｖｃに逆流することを防止するリード弁状の逆止弁であり、吐出弁１１８ａの最大開度を規制する弁止板としてのストッパ１１８ｂと共にボルト１１８ｃによって外周壁１０１ｃに固定されている。

膨張機部１２０は、上記圧縮機部１１０に対して直列となるように配置されており、仕切り壁１２１ｂによって仕切られる外周壁１０１ｃおよび膨張機ハウジング１２１内の空間のうち、圧縮機部１１０側に設けられている。そして、膨張機部１２０の固定スクロール１２２は、上記一体基板部１０１と歯部１２２ｂとから成り、この歯部１２２ｂは圧縮機部１１０の固定スクロール１１２の歯部１１２ｂとは反対方向を向くように形成されている。

一方、旋回スクロール１２３は、上記歯部１２２ｂに接触して噛み合う渦巻状の歯部１２３ｂ、および歯部１２３ｂが形成された基板部１２３ａを有して構成されており、両歯部１２２ｂ、１２３ｂが接触した状態で旋回スクロール１２３が旋回することにより、両スクロール１２２、１２３により構成された作動室Ｖｅの容積が拡大縮小する。尚、作動室Ｖｅは、旋回スクロール１２３の中心側から外径側に変位するほど、その容積が拡大するように変化する。

ここで、膨張機部１２０における各スクロール１２２、１２３の各歯部１２２ｂ、１２３ｂの軸方向寸法は、圧縮機部１１０における各スクロール１１２、１１３の各歯部１１２ｂ、１１３ｂの軸方向寸法よりも小さく設定することで（径方向寸法は同一）、作動室Ｖｅの最大容積が作動室Ｖｃの最大容積よりも小さくなるようにしている。

膨張機軸１２４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１２４ａを有し、膨張機ハウジング１２１および仕切り壁１２１ｂに固定された軸受け１２４ｃ、１２４ｄによって回転可能に支持されたクランクシャフトであり、偏心部１２４ａは、ベアリング１２４ｂを介して旋回スクロール１２３に連結されている。尚、旋回スクロール１２３には、圧縮機部１１０と同様の自転防止機構１２５が設けられている。

そして、一体基板部１０１には、加熱器３２から流出する過熱蒸気冷媒が作動室Ｖｅに吸入される膨張機吸入通路（本発明における吸入通路に対応）１０１ｂが設けられている。ここでは、膨張機吸入通路１０１ｂは、一体基板部１０１の側面外部で開口して、この開口部から膨張機部１２０の冷媒吸入時に最小容積となる作動室Ｖｅ側（中心側）に連通する通路としている。尚、作動室Ｖｅで膨張した冷媒が外部に吐出される膨張機吐出孔１２２ｃが外周壁１０１ｃに設けられている。膨張機吐出孔１２２ｃは、凝縮器３３側に接続されている。

外周壁１０１ｃには、膨張機吸入通路１０１ｂの開口部を内包するように半容器体の吸入側ハウジング１２６が接合されており、外周壁１０１ｃと吸入側ハウジング１２６との間に高圧室１２７が形成されている。そして、吸入側ハウジング１２６には外部に開口する膨張機吸入孔１２６ａが設けられており、膨張機吸入孔１２６ａ、高圧室１２７、膨張機吸入通路１０１ｂが順に連通している。膨張機吸入孔１２６ａは、加熱器３２側に接続されている。尚、高圧室１２７は膨張機吸入孔１２６ａから吸入された冷媒の脈動を平滑化する吸入室の機能を有するものである。

そして、膨張機吸入通路１０１ｂには弁機構（本発明における開閉弁に対応）１２８が設けられている。弁機構１２８は、高圧室１２７内に設けられて、膨張機吸入通路１０１ｂを開閉する弁であり、スライド弁１２８ａ、電磁弁１２８ｂ等から成る。

スライド弁１２８ａは、吸入側ハウジング１２６内壁に凹状に形成された背圧室１２８ｃに一端側が収容されて摺動し、膨張機吸入通路１０１ｂの開口部を開閉する弁体である。電磁弁１２８ｂは、図示しない電子制御装置（本発明における外部信号に対応）によってその開閉が制御され、背圧室１２８ｃ側と膨張機吐出孔１２２ｃ側（低圧側）との連通状態を制御することにより背圧室１２８ｃ内の圧力を制御する弁である。

スライド弁１２８ａと背圧室１２８ｃとの間には、バネ１２８ｄが介在されている。バネ１２８ｄは、膨張機吸入通路１０１ｂを閉じる向きの弾性力をスライド弁１２８ａに作用させる弾性手段である。また、高圧室１２７と背圧室１２８ｃとの間には、所定の通路抵抗を有する抵抗手段としての絞り１２８ｅが設けられている。

そして、図示しない電子制御装置によって電磁弁１２８ｂが開かれると、背圧室１２８ｃの圧力が膨張機吐出孔１２２ｃ側（低圧側）に抜けて高圧室１２７より低下するので、スライド弁１２８ａがバネ１２８ｄを押し縮めながら図２中の下側に変位し、膨張機吸入孔１０１ｂが開かれる。尚、絞り１２８ｅでの圧力損失は非常に大きいので、高圧室１２７から背圧室１２８ｃに流れ込む冷媒量は無視できるほど小さい。

逆に、図示しない電子制御装置によって電磁弁１２８ｂが閉じられると、絞り１２８ｅを通して高圧室１２７の圧力と背圧室１２８ｃの圧力とが等しくなるので、スライド弁１２８ａはバネ１２８ｄの力により図２中の上側に変位し、膨張機吸入通路１０１ｂが閉じられる。つまり、スライド弁１２８ａ、電磁弁１２８ｂ、背圧室１２８ｃ、バネ１２８ｄおよび絞り１２８ｅ等により膨張機吸入通路１０１ｂを開閉するパイロット式の電気開閉弁が構成される。

電磁クラッチ１３０は、プーリ部１３１、励磁コイル１３２、フリクションプレート１３３、駆動軸１３４等から成る。プーリ部１３１は、圧縮機ハウジング１１１に固定されたプーリ軸受け１３１ａによって回転可能に支持され、駆動ベルト１４（図１）を介してエンジン１０のクランクプーリ１３（図１）と接続されている。

励磁コイル１３２は、通電により磁界を発生させるもので圧縮機ハウジング１１１に固定されている。フリクションプレート１３３は、プーリ部１３１を挟んで励磁コイル１３２に対向するように配置され、励磁コイル１３２により誘起された磁界により（電磁力により）プーリ部１３１側に変位するプレートである。

駆動軸１３４は、圧縮機ハウジング１１１に固定された軸受け１３４ａによって回転可能に支持された軸であり、一方側がフリクションプレート１３３の中心部に固定され、他方側は圧縮機部１１０の圧縮機軸１１４に接続されている。尚、駆動軸１３４には、駆動軸１３４と圧縮機ハウジング１１１との隙間から冷媒が圧縮機ハウジング１１１外に漏れ出すことを防止するリップシール（軸封装置）１３５が設けられている。

図示しない電子制御装置から励磁コイル１３２に通電されると、フリクションプレート１３３がプーリ部１３１に吸着され、エンジン（本発明における外部駆動源に対応）１０側と圧縮機部１１０側とが接続される。また、励磁コイル１３２への通電が遮断されると、エンジン１０側と圧縮機部１１０側とが切断される。

発電機１４０は、膨張機ハウジング１２１内で、仕切り壁１２１ｂを挟んで膨張機部１２０と直列となるよう配設されている。発電機１４０は、膨張機ハウジング１２１の内周面に固定される固定子１４１と、膨張機軸１２４に固定され、膨張機軸１２４と共に回転する回転子１４２とから成るもので、固定子１４１は巻き線が巻かれたステータコイルであり、回転子１４２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、発電機１４０は、膨張機部１２０によって発生される駆動力によって回転子１４２が回転される時に、電力を発生する。発電時に得られた電力は、図示しない電子制御装置によってバッテリ等の蓄電器に充電される。

次に、本実施形態に係る圧縮膨脹機１００の作動およびその作用効果について述べる。

エンジン１０の作動時において、図示しない電子制御装置が電磁クラッチ１４０を接続すると、エンジン１０の外部駆動力によって旋回スクロール１１３が作動され、圧縮機部１１０は冷凍サイクル２０内の冷媒を圧縮機吸入孔１１２ｃから作動室Ｖｃに吸入し、更に圧縮して、圧縮機吐出通路１０１ａ、吐出弁１１８ａ、高圧室１１７を通して圧縮機吐出孔１１６ａから吐出する。この時、吐出弁１１８ａによって冷媒の高圧室１１７から作動室Ｖｃへの逆流が防止されることになる。吐出された冷媒は、凝縮器２１、減圧器２２を経て蒸発器２３に至り、蒸発器２３は冷媒を蒸発させ、空調空気を冷却する（図１中の実線矢印の流れ）。尚、空調空気の冷却が不要な場合は、電磁クラッチ１４０を切断する。

また、エンジン１０の作動によってエンジン冷却水温度が充分に上昇すると、図示しない電子制御装置は液ポンプ３１を作動させてランキンサイクル３０内の冷媒を循環させる。更に、膨張機部１２０の電磁弁１２８ｂを開き、スライド弁１２８ａを図２中の下側に変位させて、膨張機吸入通路１０１ｂを開く。冷媒は、加熱器３２（エンジン冷却水）によって加熱され過熱蒸気冷媒となって、膨張機吸入孔１２６ａ、高圧室１２７を経て膨張機吸入通路１０１ｂから作動室Ｖｅに流入して、膨張する際に旋回スクロール１２３を旋回させ、膨張機軸１２４に駆動力を発生させる。

更に、膨張機軸１２４に発生される駆動力により、発電機１４０の回転子１４２が回転され、固定子１４１で電力が発生される。得られた電力はバッテリに充電される。あるいは他の機器の作動に使用される。作動室Ｖｅで膨張した冷媒は、膨張機吐出孔１２２ｃから吐出され、凝縮器３３を経て液ポンプ３１に戻る（図１中の破線矢印の流れ）。

尚、エンジン冷却水温度が充分に上昇してない場合、あるいは、バッテリでの充電が充分に成されている場合は、液ポンプ３１を停止し、併せて電磁弁１２８ｂを閉じることで、スライド弁１２８ａを図２中の上側に変位させて、膨張機吸入通路１０１ｂを閉じる。冷媒の流れは停止され、ランキンサイクル３０は停止される。

本発明においては、各固定スクロール１１２、１２２の基板部を一体基板部１０１として共用して形成しているので、通常それぞれ設定される各基板部の数を減らして、圧縮機部１１０と膨張機部１２０間の長さ（この場合、全長）を短くでき、車両への搭載性を高めることができる。また、圧縮機部１１０と膨張機部１２０とは非接続としているので、圧縮機部１１０と膨張機部１２０とを独立して作動させることができる。

また、一体基板部１０１の側面に開口するように圧縮機吐出通路１０１ａ、膨張機吸入通路１０１ｂをそれぞれ設けるようにしているので、通常、スクロール型の圧縮機部１１０の吐出通路、膨張基部１２０の吸入通路は、基板部を貫通するように設けられるものに対して、上記圧縮機部１１０と膨張基部１２０間の長さ短縮の効果を損なう事無く、また複雑な流路を形成する事無く、吐出通路１０１ａ、吸入通路１０１ｂの設定ができる。

そして、圧縮機吐出通路１０１ａに吐出弁１１８ａを設けているので、圧縮機部１１０における冷媒の確実な圧縮吐出機能を果たすことができる。また、膨張機吸入通路１０１ｂに弁機構１２８（スライド弁１２８ａ、電磁弁１２８ｂ）を設けているので、弁機構１２８を開くことで、冷媒を作動室Ｖｅに導入して膨張機部１２０を作動させることができ、また、弁機構１２８を閉じることで、冷媒の作動室Ｖｅへの導入を停止して膨張機部１２０を確実に停止させることができる。

また、圧縮機軸１１４には電磁クラッチ１３０を設けているので、必要に応じてエンジン１０からの外部駆動力を用いて圧縮機部１１０を作動させることができる。また、膨張機軸１２４には発電機１４０を接続しているので、膨張機部１２０によって発生される駆動力で発電機１４０を回転させて発電が可能となる。尚、この発電によって得られた電力はバッテリに充電されるようにしている。よって、例えば得られた機械的エネルギー（膨張機部１２０の駆動力）を更に他の機械的エネルギー（例えばエンジン１０への動力アシスト）として活用することを考えた場合では、膨張機部１２０側とエンジン１０側との作動状態の合わせ込み（例えば回転数を合わせること等）が必要となることから、上記電力回生は、容易にエネルギー回生のできる手法であると言える。

また、膨張機部１２０の作動室Ｖｅの最大容積を、圧縮機部１１０の作動室Ｖｃの最大容積よりも小さく設定しているので、膨張機部１２０の作動効率を向上させることができる。即ち、通常、ランキンサイクルの作動流体の圧力は冷凍サイクルの流体圧力よりも高く設定される場合が多いので、体積流量は小さくなる。これに合わせて、膨張機部１２０の作動室Ｖｅの最大容積を圧縮機部１１０のそれよりも小さくすることで、膨張作動時の回転数の低下を防止し、一回転当りの洩れの寄与度を小さくして（作動流体の洩れ速度よりも膨張速度を速くして）膨張機部１２０の作動効率を向上させることができる訳である。

尚、圧縮膨張機１００は、図３（変形例１）、図４（変形例２）に示すようにしても良い。即ち、変形例１は、上記第１実施形態に対して、膨張機部１２０（各スクロール１２２、１２３）の径方向の寸法を小さく設定することで、作動室Ｖｅの最大容積が圧縮機部１１０の作動室Ｖｃの最大容積よりも小さくなるようにしたものである。

更に、変形例２は、上記変形例１に対して膨張機部１２０の軸位置を圧縮機部１１０の軸位置に対して、径方向にずらして設けたものである。

これにより、上記第１実施形態に対して、圧縮膨張機１００の軸方向の寸法は大きくなるものの、径方向における搭載性を向上させることができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態を図５、図６に示す。第２実施形態は、上記第１実施形態に対して、エンジン１０の作動状態に応じてエンジン１０が停止されるいわゆるアイドルストップ車両や、ハイブリッド車両に適用したものとしており、発電機１４０に電動機としての機能を持たせると共に、接続流路４３、４４を追加し、切替え手段としての三方弁４１、４２を設けたものとしている。

本実施形態では、発電機１４０は、固定子１４１に図示しない電子制御装置から電力が供給された場合には、回転子１４２が回転されて電動機として機能するようにしている。尚、電動機として機能させる時は、膨張機部１２０が膨張作動する時の回転方向とは逆方向に作動させる。

また、ランキンサイクル３０の加熱器３２と膨張機部１２０との間から、冷凍サイクル２０の圧縮機部１１０と凝縮器２１との間に繋がる接続流路４３と、冷凍サイクル２０の蒸発器２３と圧縮機部１１０との間から、ランキンサイクル３０の膨張機部１２０と凝縮器３３との間に繋がる接続流路４４とを追加している。

更に、加熱器３２と膨張機部１２０との間から接続流路４３に分岐する分岐点に三方弁４１を設け、膨張機部１２０と凝縮器３３との間に接側流路４４が接続される接続点に三方弁４２を設けている。各三方弁４１、４２は、各三方弁４１、４２における三つの流路のうち、二つを連通させるように流路を切替える弁であり、図示しない電子制御装置によってその切替えが行われるようになっている。尚、ここでは冷凍サイクル２０とランキンサイクル３０に使用される冷媒は完全に同一のものとしている。

上記構成に基づく本実施形態では、エンジン１０の通常作動時においては、三方弁４１、４２が図５に示すように切替えられて、圧縮機部１１０、膨張機部１２０は上記第１実施形態と同一の作動を行う（図５中の実線矢印流れと破線矢印流れ）。

しかしながら、エンジン１０が停止された場合には、三方弁４１、４２は、図６に示すように切替えられ、発電機１４０が電動機として作動（発電機作動時に対して、逆方向に回転作動）される。また、膨張機部１２０の電磁弁１２８ｂが開かれ、スライド弁１２８ａが図２中の下側に変位されて、膨張機吸入孔１０１ｂが開かれる。

すると、膨張機部１２０が圧縮機として作動する。即ち、膨張機部１２０が本来の膨張機能を果たす場合の冷媒の流れ方向とは逆方向となって、冷媒は、膨張機吐出孔１２２ｃから作動室Ｖｅに吸入され、作動室Ｖｅで圧縮された後に、膨張機吸入通路１０１ｂ、高圧室１２７、膨張機吸入孔１２６ａから吐出される。以下、冷媒は、接続流路４３→凝縮器２１→減圧器２２→蒸発器２３→接続流路４４の順で循環し（図６中の実線矢印の流れ）、蒸発器２３において空調空気の冷却が行われる。

このように、エンジン１０の停止に伴い圧縮機部１１０を作動させることができない時であっても、膨張機部１２０を圧縮機として作動させることができ、冷媒の圧縮が可能となり、冷凍サイクル２０を継続して作動させることができる。

ここで、膨張機部１２０をスクロール型のものとしているので、例えば複数のピストンを有するピストン型のように冷媒を逆方向流れとする時の流入流出タイミングを調節する必要が無く、容易に圧縮機としての使用が可能となる。

尚、エンジン１０停止時の膨張機部１２０による冷凍サイクル２０の作動は、短時間の対応となるため、上記第１実施形態で説明した膨張機部１２０の効率化と併せて、膨張機部１２０の作動室Ｖｅの最大容量を圧縮機部１１０の作動室Ｖｃの最大容量よりも小さく設定可能である。

また、膨張機部１２０を上記のように圧縮機として作動させる場合に、図７に示すように、膨張機吸入通路１０１ｂの途中から分岐して一体基板部１０１の外部（高圧室１２７）に繋がる分岐吐出通路１２９ａを設け、更に、この分岐吐出通路１２９ａに圧縮機部１１０用の冷媒（冷凍サイクル２０の冷媒）が作動室Ｖｅ側から高圧室１２７側に流れる際の逆流を防止する吐出弁１２９ｂ（本発明における第２逆止弁に対応）を設けるようにしても良い。この時、電磁弁１２８ｂ、スライド弁１２８ａによって膨張機吸入通路１０１ｂを閉じるようにする。これにより、膨張機部１２０を圧縮機として作動させる際に、吐出弁１２９ｂによって逆流が防止され、確実な圧縮吐出機能を果たすことができる。

（その他の実施形態）
上記実施形態では、圧縮膨脹機１００（膨張機部１２０、回転電機１４０）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る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、ランキンサイクル３０を備える車両用の冷凍サイクル２０に本発明に係る圧縮膨張機１００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。

また、膨張機吸入通路１０１ｂを開閉する弁機構１２８として、スライド弁１２８ａ、電磁弁１２８ｂ等を用いるものとしたが、これに限らず、加熱器３２と膨張機吸入孔１２６ａとを繋ぐ冷媒通路に設けた開閉弁（電磁弁）等としても良い。

本発明の第１実施形態に係るシステム全体を示す構成図である。 第１実施形態における圧縮膨張機を示す断面図である。 第１実施形態における変形例１の圧縮膨張機を示す概観図である。 第１実施形態における変形例２の圧縮膨張機を示す概観図である。 本発明の第２実施形態に係るエンジン作動時の冷媒流れを示す構成図である。 本発明の第２実施形態に係るエンジン停止時の冷媒流れを示す構成図である。 第２実施形態における変形例３の圧縮膨張機を示す断面図である。

符号の説明

１０ エンジン（外部駆動源）
３０ ランキンサイクル
４１、４２ 三方弁（切替え手段）
１００ 圧縮膨張機（複合流体機械）
１０１ 一体基板部
１０１ａ 圧縮機吐出通路（吐出通路）
１０１ｂ 膨張機吸入通路（吸入通路）
１１０ 圧縮機部
１１２ 固定スクロール
１１２ｂ 歯部
１１４ 圧縮機軸
１１８ａ 吐出弁（第１逆止弁）
１２０ 膨張機部
１２２ 固定スクロール
１２２ｂ 歯部
１２４ 膨張機軸
１２８ 弁機構（開閉弁）
１２８ａ スライド弁
１２８ｂ 電磁弁
１２９ａ 分岐吐出通路
１２９ｂ 吐出弁（第２逆止弁）
１３０ 電磁クラッチ（断続手段）
１４０ 発電機

Claims (9)

1. 外部駆動源（１０）からの外部駆動力を受けて流体を圧縮して吐出する圧縮機部（１１０）と、
   ランキンサイクル（３０）内の作動流体の膨張によって駆動力を発生する膨張機部（１２０）とを有する複合流体機械において、
   前記圧縮機部（１１０）、前記膨張機部（１２０）は共に、固定スクロール（１１２、１２２）を備えるスクロール型のものであり、
   前記圧縮機部（１１０）および前記膨張機部（１２０）の前記各固定スクロール（１１２、１２２）を形成する各基板部（１０１）、各歯部（１１２ｂ、１２２ｂ）のうち、前記各基板部（１０１）は互いに共用される一体基板部（１０１）として形成され、
   前記各歯部（１１２ｂ、１２２ｂ）は、前記一体基板部（１０１）からそれぞれ反対方向に向かうように設けられ、
   前記圧縮機部（１１０）の圧縮機軸（１１４）には、前記外部駆動源（１０）からの外部駆動力を断続する断続手段（１３０）が設けられ、
   前記膨張機部（１２０）の膨張機軸（１２４）には、発電機（１４０）が接続され、
   前記発電機（１４０）は、発電時に対して逆方向に回転する電動機としての機能を併せ持ち、
   前記膨張機部（１２０）を流通する前記作動流体を、逆方向流れとなる前記圧縮機部（１１０）用の前記流体に切替える切替え手段（４１、４２）が設けられたことを特徴とする複合流体機械。
2. 前記一体基板部（１０１）には、前記圧縮機部（１１０）用の吐出通路（１０１ａ）と、前記膨張機部（１２０）用の吸入通路（１０１ｂ）とが、前記一体基板部（１０１）の側面に開口するようにそれぞれ設けられたことを特徴とする請求項１に記載の複合流体機械。
3. 前記膨張機部（１２０）の作動室（Ｖｅ）の最大容積は、前記圧縮機部（１１０）の作動室（Ｖｃ）の最大容積よりも小さく設定されたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の複合流体機械。
4. 前記一体基板部（１０１）には、前記圧縮機部（１１０）の作動室（Ｖｃ）から外部に繋がる吐出通路（１０１ａ）が設けられ、
   前記吐出通路（１０１ａ）には、前記流体の逆流を防止する第１逆止弁（１１８ａ）が配設されたことを特徴とする請求項１または請求項３に記載の複合流体機械。
5. 前記一体基板部（１０１）には、外部から前記膨張機部（１２０）の作動室（Ｖｅ）に繋がる吸入通路（１０１ｂ）が設けられ、
   前記吸入通路（１０１ｂ）には、この吸入通路（１０１ｂ）を開閉する開閉弁（１２８）が配設されたことを特徴とする請求項１、請求項３、請求項４のいずれかに記載の複合流体機械。
6. 前記開閉弁（１２８）は、外部信号によって開閉される電磁弁（１２８ｂ）と、
   前記電磁弁（１２８ｂ）の開閉により調整される圧力差によって駆動されるスライド弁（１２８ａ）とから成ることを特徴とする請求項５に記載の複合流体機械。
7. 外部駆動源（１０）からの外部駆動力を受けて流体を圧縮して吐出する圧縮機部（１１０）と、
   ランキンサイクル（３０）内の作動流体の膨張によって駆動力を発生する膨張機部（１２０）とを有する複合流体機械において、
   前記圧縮機部（１１０）、前記膨張機部（１２０）は共に、固定スクロール（１１２、１２２）を備えるスクロール型のものであり、
   前記圧縮機部（１１０）および前記膨張機部（１２０）の前記各固定スクロール（１１２、１２２）を形成する各基板部（１０１）、各歯部（１１２ｂ、１２２ｂ）のうち、前記各基板部（１０１）は互いに共用される一体基板部（１０１）として形成され、
   前記各歯部（１１２ｂ、１２２ｂ）は、前記一体基板部（１０１）からそれぞれ反対方向に向かうように設けられ、
   前記一体基板部（１０１）には、外部から前記膨張機部（１２０）の作動室（Ｖｅ）に繋がる吸入通路（１０１ｂ）が設けられ、
   前記吸入通路（１０１ｂ）には、この吸入通路（１０１ｂ）を開閉する開閉弁（１２８）が配設され、
   前記開閉弁（１２８）は、外部信号によって開閉される電磁弁（１２８ｂ）と、
   前記電磁弁（１２８ｂ）の開閉により調整される圧力差によって駆動されるスライド弁（１２８ａ）とから成ることを特徴とする複合流体機械。
8. 前記吸入通路（１０１ｂ）には、この吸入通路（１０１ｂ）の途中から分岐して前記外部に繋がる分岐吐出通路（１２９ａ）が設けられ、
   前記分岐吐出通路（１２９ａ）には、前記圧縮機部（１１０）用の前記流体が前記作動室（Ｖｅ）側から前記外部側に流れる際の逆流を防止する第２逆止弁（１２９ｂ）が配設されたことを特徴とする請求項５〜請求項７のいずれかに記載の複合流体機械。
9. 外部駆動源（１０）からの外部駆動力を受けて流体を圧縮して吐出する圧縮機部（１１０）と、
   ランキンサイクル（３０）内の作動流体の膨張によって駆動力を発生する膨張機部（１２０）とを有する複合流体機械において、
   前記圧縮機部（１１０）、前記膨張機部（１２０）は共に、固定スクロール（１１２、１２２）を備えるスクロール型のものであり、
   前記圧縮機部（１１０）および前記膨張機部（１２０）の前記各固定スクロール（１１２、１２２）を形成する各基板部（１０１）、各歯部（１１２ｂ、１２２ｂ）のうち、前記各基板部（１０１）は互いに共用される一体基板部（１０１）として形成され、
   前記各歯部（１１２ｂ、１２２ｂ）は、前記一体基板部（１０１）からそれぞれ反対方向に向かうように設けられ、
   前記一体基板部（１０１）には、外部から前記膨張機部（１２０）の作動室（Ｖｅ）に繋がる吸入通路（１０１ｂ）が設けられ、
   前記吸入通路（１０１ｂ）には、この吸入通路（１０１ｂ）を開閉する開閉弁（１２８）が配設され、
   前記吸入通路（１０１ｂ）には、この吸入通路（１０１ｂ）の途中から分岐して前記外部に繋がる分岐吐出通路（１２９ａ）が設けられ、
   前記分岐吐出通路（１２９ａ）には、前記圧縮機部（１１０）用の前記流体が前記作動室（Ｖｅ）側から前記外部側に流れる際の逆流を防止する第２逆止弁（１２９ｂ）が配設されたことを特徴とする複合流体機械。

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