JP4034291B2 - 流体機械 - Google Patents

Description

本発明は、圧縮、発電、廃熱利用等の機能を併せ持ち、ランキンサイクル等の廃熱回収サイクルを備える車両用冷凍サイクルに適用して好適な流体機械に関するものである。

従来、ランキンサイクルを備える車両用の冷凍サイクルでは、例えば、特許文献１に示されるように、冷凍サイクル中の圧縮機を、ランキンサイクルにてエネルギー回収を行う場合の膨張機と兼用可能とした流体機械としている。

具体的には、冷房運転時においてはエンジンによって圧縮機を文字通り圧縮機として作動させ、冷凍サイクル中の冷媒を圧縮するようにしている。加えて、冷房停止時においては、エンジンの廃熱を利用してランキンサイクルからの過熱蒸気冷媒を圧縮機に流入させ、膨張する冷媒によって圧縮機を膨張機として作動させ、ここで得られる動力をエンジンに付加するようにしている。

しかし、上記技術のように圧縮機を膨張機と兼用したものにおいては、冷房停止時しかエンジンの廃熱利用ができず、エンジンの燃費向上効果を最大限に発揮できていなかった。

そこで、本出願人は、図６に示すように、圧縮機部１４０と膨張機部１５０とを独立して設け、両者が駆動軸１１１によって接続されるようにして、冷房運転の有無に関わらず廃熱利用による膨張機部１５０の作動を可能とする流体機械１００を考案した（特願２００３−８２７６０）。尚、この考案においては、圧縮機部１４０を吐出容量可変とすることで（斜板型圧縮機部１４０）、冷房停止時においては、吐出容量がほぼゼロとなるように可変して、膨張機部１５０が作動する際の圧縮機部１４０による抵抗を減らすようにしている。
特許第２５４０７３８号公報

しかしながら、上記考案で圧縮機部１４０の吐出容量をほぼゼロにして膨張機部１５０作動時の圧縮機部１４０の抵抗を減らすと言えども、実際には、圧縮機部１４０の多少の圧縮仕事を伴い、また、吐出容量可変機構における摺動部（斜板室１４０Ａ内の斜板１４０Ｂ、シュー１４０Ｃ）の摩擦による機械的なロスを伴い、膨張機部１５０による回生動力を充分に生かしきれていなかった。

本発明の目的は、上記問題に鑑み、圧縮機部の作動の有無に関わらず、常時、廃熱からの動力回生を可能とすると共に、ロスを無くして効率的な動力回生を可能とする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、流体を圧縮する圧縮機部（１４０）と、外部駆動源（１０）の廃熱エネルギーによって回転駆動力を発生する膨張機部（１５０）と、電動機および発電機の両機能を備える回転電機部（１３０）とを有し、膨張機部（１５０）は、圧縮機部（１４０）および回転電機部（１３０）に接続され、圧縮機部（１４０）および膨張機部（１５０）の間には、両者（１４０、１５０）の接続状態を切断状態に切替え可能とする切替え手段（１４０ｅ）が設けられ、圧縮機部（１４０）、膨張機部（１５０）、回転電機部（１３０）は、ハウジング（１０１）内に一体的に形成されたことを特徴としている。

これにより、圧縮機部（１４０）の作動の有無に関わらず、膨張機部（１５０）によって、常時、外部駆動源（１０）の廃熱から動力を回生することが可能となる。

この時、圧縮機部（１４０）が作動している場合は、切替え手段（１４０ｅ）によって圧縮機部（１４０）と膨張機部（１５０）との間を接続することで、膨張機部（１５０）からの回生動力を圧縮機部（１４０）に、あるいは圧縮機部（１４０）および回転電機部（１３０）の両者に付加することがでる。

また、圧縮機部（１４０）が停止状態の場合は、切替え手段（１４０ｅ）によって圧縮機部（１４０）と膨張機部（１５０）との間を切断することで、膨張機部（１５０）は圧縮機部（１４０）の抵抗を受けずに作動可能となり、ロス無く効率的に動力回生が可能となる。そして、回生された動力を回転電機部（１３０）に付加することができる。
また、圧縮機部（１４０）、膨張機部（１５０）、回転電機部（１３０）は、ハウジング（１０１）内に一体的に形成されたことにより、コンパクトで搭載性に優れる流体機械（１００）とすることができる。

請求項１に記載の発明において、請求項２に記載の発明では、圧縮機部（１４０）および膨張機部（１５０）の間には、膨張機部（１５０）の回転速度を変速して圧縮機部（１４０）に伝達する変速機構が設けられたことを特徴としている。

これにより、膨張機部（１５０）の作動回転数に応じて変速機構の変速比を決定することで、圧縮機部（１４０）を効率良く作動させることができる。

請求項３に記載の発明では、流体を圧縮する圧縮機の機能に加えて、膨張機としての機能も併せ持つ圧縮機部（１４０）と、外部駆動源（１０）の廃熱エネルギーによって回転駆動力を発生する膨張機部（１５０）と、電動機および発電機の両機能を備える回転電機部（１３０）とを有し、回転電機部（１３０）は、圧縮機部（１４０）および膨張機部（１５０）に接続され、回転電機部（１３０）および膨張機部（１５０）の間には、両者（１３０、１５０）の接続状態を切断状態に切替え可能とする切替え手段（１５８）が設けられ、圧縮機部（１４０）、膨張機部（１５０）、回転電機部（１３０）は、ハウジング（１０１）内に一体的に形成されたことを特徴としている。

これにより、圧縮機部（１４０）の圧縮作動の有無に関わらず、膨張機部（１５０）あるいは圧縮機部（１４０）の膨張作動によって、常時、外部駆動源（１０）の廃熱から動力を回生することが可能となる。

この時、圧縮機部（１４０）が圧縮作動している場合は、切替え手段（１５８）によって回転電機部（１３０）と膨張機部（１５０）との間を接続することで、膨張機部（１５０）からの回生動力を圧縮機部（１４０）に、あるいは圧縮機部（１４０）および回転電機部（１３０）の両者に付加することがでる。

また、圧縮機部（１４０）が膨張作動する場合は、切替え手段（１５８）によって回転電機部（１３０）と膨張機部（１５０）との間を切断することで、圧縮機部（１４０）は膨張機部（１５０）の抵抗を受けずに膨張作動可能となり、ロス無く効率的に動力回生が可能となる。そして、回生された動力を回転電機部（１３０）に付加することができる。
また、圧縮機部（１４０）、膨張機部（１５０）、回転電機部（１３０）は、ハウジング（１０１）内に一体的に形成されたことにより、コンパクトで搭載性に優れる流体機械（１００）とすることができる。

請求項３に記載の発明において、請求項４に記載の発明では、圧縮機部（１４０）および回転電機部（１３０）の間には、圧縮機部（１４０）が膨張作動する際の回転速度を変速して回転電機部（１３０）に伝達する、あるいは膨張機部（１５０）による回転電機部（１３０）の回転速度を変速して圧縮機部（１３０）に伝達する変速機構（１６０）が設けられたことを特徴としている。

これにより、圧縮機部（１４０）が膨張作動する際の作動回転数に応じて変速機構（１６０）の変速比を決定することで、回転電機部（１３０）を効率良く作動させることができる。あるいは、膨張機部（１５０）による回転電機部（１３０）の作動回転数に応じて変速機構（１６０）の変速比を決定することで、圧縮機部（１４０）を効率良く作動させることができる。

請求項５に記載の発明では、外部駆動源（１０）の駆動力によって回転駆動すると共に、得られた動力の伝達を断続する断続機構（１２０）が設けられた外部駆動部（１１０）を有し、外部駆動部（１１０）は、圧縮機部（１４０）、膨張機部（１５０）、回転電機部（１３０）の１つに接続されたことを特徴としている。

これにより、圧縮機部（１４０）、回転電機部（１３０）、膨張機部（１５０）の駆動源として、外部駆動部（１１０）を選択的に用いることができる。

尚、請求項１〜請求項５に記載の発明において、切替え手段（１４０ｅ、１５８）としては、請求項６に記載の発明のように、電磁クラッチ（１４０ｅ）を用いることができる。

また、請求項３〜請求項５に記載の発明において、切替え手段（１５８）としては、請求項７に記載の発明のように、一方側（１５０）から他方側（１３０）への駆動力の伝達を行い、他方側（１３０）から一方側（１５０）への駆動力の伝達を禁止する逆入力遮断クラッチ（１５８）を用いることができる。

請求項８に記載の発明では、圧縮機部（１４０）、膨張機部（１５０）、回転電機部（１３０）は、直列に配置されたことを特徴としている。

これにより、各機器（１３０、１４０、１５０）の接続を容易にして、流体機械（１００）を形成することができる。

請求項９に記載の発明では、流体は、ハウジング（１０１）内を流通することを特徴としている。

これにより、回転電機部（１３０）や圧縮機部（１４０）を流体によって冷却することができるので、耐熱寿命を向上させることができる。

請求項１０に記載の発明では、流体は潤滑油を含むことを特徴としている。

これにより、流体の流通と共に潤滑油によって、各機器（１３０、１４０、１５０）の潤滑が充分に成され、主に摺動部における耐久性を向上させることができる。

尚、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

（第１実施形態）
本実施形態は、ランキンサイクル３０を備える車両用の冷凍サイクル２０に本発明に係る流体機械１００を適用したものであり、走行条件に応じてエンジン１０が停止されるアイドルストップ車両やハイブリッド車両等に搭載される。尚、ランキンサイクル３０を備える冷凍サイクル２０は、車両の走行用動力を発生させるエンジン１０で発生した廃熱からエネルギーを回収すると共に、冷凍サイクル２０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３０を備える冷凍サイクル２０について簡単に説明する。

図１に示すように、エンジン（本発明における外部駆動源に対応）１０には、ラジエータ回路１１が設けられており、冷却水ポンプ１２によって、エンジン１０を冷却する冷却水が循環する。このラジエータ回路１１には、エンジン１０の排気ガスとの熱交換によって、冷却水を加熱する冷却水加熱器１３が設けられており、ここで加熱された冷却水は、後述するランキンサイクル３０に配設された冷媒加熱器３３の内部を流通して、冷媒を加熱した後にラジエータ１４によって冷却される。尚、冷却水ポンプ１２は、エンジン１０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。

流体機械１００は、圧縮機部１４０、膨張機部１５０を有しており、圧縮機部１４０の吐出側（後述する高圧ポート１４９ａ）には、放熱しながら冷媒を冷却する放熱器２１が設けられている。尚、流体機械１００の詳細については後述する。

放熱器２１の下流側には、気液分離器２２、減圧機２３、蒸発器２４が順に設けられ、圧縮機部１４０の吸入側（後述する低圧ポート１４９ｂ）に接続されている。

気液分離器２２は放熱器２１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２３は気液分離器２２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共に、圧縮機部１４０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２４は減圧器２３にて減圧された冷媒を蒸発させて吸熱作用によって空調用空気を冷却する熱交換器である。

これらの圧縮機部１４０、放熱器２１、気液分離器２２、減圧器２３および蒸発器２４等にて低温側の熱を高温側に移動させる冷凍サイクル２０が構成される。

上記気液分離器２２と膨張機部１５０（後述する吸入口１５６）との間には、第１バイパス流路３１が設けられている。そして、この第１バイパス流路３１には、液相冷媒を膨張機部１５０側に循環させるための冷媒ポンプ３２、および第１バイパス流路３１を流れる冷媒をエンジン冷却水によって加熱する冷媒加熱器３３が設けられている。尚、冷媒ポンプ３２は、本実施形態では、電動式のポンプを採用しており、この冷媒ポンプ３２は図示しない制御装置により制御される。

また、膨張機部１５０（後述する吐出口１５７）と放熱器２１の冷媒流入側との間には、第２バイパス流路３５が設けられており、この第２バイパス流路３５には、膨張機部１５０側から放熱器２１側にのみ冷媒が流れることを許容する逆止弁３５ａが設けられている。

そして、冷凍サイクル２０の放熱器２１を共通使用して、気液分離器２２、冷媒ポンプ３２、冷媒加熱器３３、膨張機部１５０等によってエンジン１０で発生した廃熱からエネルギーを回収するランキンサイクル３０が構成される。

次に、流体機械１００の詳細について図２を用いて説明する。流体機械１００は、主にプーリ１１０、電磁クラッチ１２０、モータ１３０、圧縮機部１４０、膨張機部１５０等から成り、これらの各機器１１０、１２０、１３０、１４０、１５０は直列に配置され、ハウジング１０１内に収容されている。

プーリ（本発明における外部駆動部に対応）１１０は、ハウジング１０１に固定されたプーリ軸受け１１２によって回転可能に支持され、エンジン１０の駆動力がベルト１５（図１）を介して伝達され回転駆動する。駆動軸１１１は、プーリ１１０の中心部に設けられると共に、後述する圧縮機部１４０側まで延びて、ハウジング１０１に固定された軸受け１１４、１１５によって回転可能に支持されている。以下、プーリ１１０（駆動軸１１１）の回転方向を正回転方向と呼び、その逆方向を逆回転方向と呼ぶことにする。尚、駆動軸１１１には軸封装置としてのシャフトシール１１９が軸受け１１４に近接して設けられている。

電磁クラッチ（本発明における断続機構に対応）１２０は、ハウジング１０１に固定されたコイル１２１と駆動軸１１１の先端部に固定されたフリクションプレート１２２とから成る。周知のように電磁クラッチ１２０は、制御装置によってコイル１２１に通電されるとフリクションプレート１２２がプーリ１１０に吸着されプーリ１１０の駆動力を駆動軸１１１に伝達する（クラッチＯＮ）。逆にコイル１２１への通電が遮断されるとフリクションプレート１２２はプーリ１１０から離れ、プーリ１１０の駆動力は切断される（クラッチＯＦＦ）。

モータ（本発明における回転電機部に対応）１３０は、電動機および発電機の両機能を備えており、主にロータ部１３２およびステ−タ部１３３から成り、ハウジング１０１内のプーリ１１０側に収容されている。ロータ部１３２は、駆動軸１１１（モータ軸を兼ねる）に固定されており外周部にはマグネット（永久磁石）１３２ａが設けられている。

コイル１３３ａが設けられたステ−タ部１３３は、ハウジング１０１の内周面に圧入により固定されている。そして、制御装置によって図示しないバッテリからの電力がインバータを介してコイル１３３ａに供給されることによりロータ部１３２は正回転方向に駆動される。また、プーリ１１０あるいは後述する膨張機部１５０の駆動力によって、ロータ部１３２が回転されてモータ１３０が発電機能を果たす際には、コイル１３３ａで発生した電力がインバータを介してバッテリに充電される、あるいは他の電気機器にリアルタイムに供給されるようにしている。

圧縮機部１４０は、ここでは固定容量型のベーン式圧縮機部としており、ハウジング１０１内においてモータ１３０の反プーリ側に配設されている。圧縮機軸１４１は、駆動軸１１１に対して回転可能と成るようにこの駆動軸１１１の外周部に形成されており、軸受け１４１ａ、１４１ｂによって支持されている。

圧縮機軸１４１には、ロータ１４０ａが固定されており、ロータ１４０ａには、その半径方向に摺動可能なベーン１４０ｂが周方向に複数設けられている。このロータ１４０ａおよびベーン１４０ｂは、ハウジング１０１に長円形に設けられたシリンダボア１４０ｃ内に収容され、ロータ１４０ａ、ベーン１４０ｂ、シリンダボア１４０ｃによって複数の作動室１４０ｄが形成される。

ハウジング１０１には低圧ポート１４９ｂおよび高圧ポート１４９ａが設けられており、低圧ポート１４９ｂと作動室１４０ｄとが連通している。また、作動室１４０ｄは、吐出弁（図示せず）を介して高圧ポート１４９ａに連通するようにしている。そして、低圧ポート１４９ｂは、蒸発器２４に接続され、また高圧ポート１４９ａは、放熱器２１に接続されている。

この圧縮機部１４０においては、プーリ１１０、モータ１２０あるいは後述する膨張機部１５０の駆動力が圧縮機軸１４１に伝達されると（後述する切替え手段が接続されると）、ロータ１４０ａ、ベーン１４０ｂが正回転方向に作動し、低圧ポート１４９ｂから吸入される冷媒を作動室１４０ｄで圧縮し、吐出弁を経て高圧ポート１４９ａから吐出する。

膨張機部１５０は、圧縮機部１４０と同様のベーン式のものを基本構造としており、ハウジング１０１内のモータ１３０と圧縮機部１４０との間に配設されている。駆動軸（膨張機軸を兼ねる）１１１には複数のベーン１５３を有するロータ１５２が設けられており、このロータ１５２およびベーン１５３は、ハウジング１０１に長円形に設けられたシリンダボア１５４内に収容され、ロータ１５２、ベーン１５３、シリンダボア１５４によって複数の作動室１５５が形成される。

そして、駆動軸１１１とロータ１５２との間には、一方向クラッチ１５１ａが設けられている。この一方向クラッチ１５１ａは、ロータ１５２が回転作動（正回転）する際に駆動軸１１１に噛み合うものとしている。逆に言えば、ロータ１５２が停止状態にある、あるいは駆動軸１１１よりも低回転で作動していると、駆動軸１１１はロータ１５２に対して正回転方向の作動が許容されることになる。

ハウジング１０１には吸入口１５６および吐出口１５７が設けられており、吸入口１５６と作動室１５５とが連通している。また、作動室１５５は、吐出口１５７に連通するようにしている。そして、吸入口１５６は、冷媒加熱器３３に接続され、また吐出口１５７は、放熱器２１に接続されている。

この膨張機部１５０においては、冷媒加熱器３３で加熱された過熱蒸気冷媒が吸入口１５６から吸入されると、作動室１５５で膨張してロータ１５２が正回転方向に作動し、駆動軸１１１に駆動力を与える。そして、膨張して圧力低下した冷媒は吐出口１５７から吐出される。

そして、本発明においては、上記圧縮機部１４０と膨張機部１５０との間に両者１４０、１５０の接続状態を切断状態に切替え可能とする切替え手段を設けるようにしている。即ち、この切替え手段は、駆動軸１１１の反プーリ側の端部に固定される吸着板１１１ａと、圧縮機軸１４１に固定されるコイル１４１ｃとから成る電磁クラッチ１４０ｅとしている。電磁クラッチ１４０ｅをＯＮにすると駆動軸１１１と圧縮機軸１４１とが接続され、また、電磁クラッチ１４０ｅをＯＦＦにすると駆動軸１１１と圧縮機軸１４１とは切断される。このＯＮ、ＯＦＦは制御装置により制御される。

次に、上記構成に基づく作動について説明する。

１．冷房運転時
まず、図示しない制御装置によって、ランキンサイクル３０内の冷媒ポンプ３２が作動される。そして、エンジン１０が作動している場合には、電磁クラッチ１２０および電磁クラッチ１４０ｅが共にＯＮされる。すると、エンジン１０の駆動力はプーリ１１０、駆動軸１１１を経て圧縮機軸１４１に伝達され、圧縮機部１４０が作動し、冷凍サイクル２０内の冷媒が圧縮される。

冷媒は、圧縮機部１４０→放熱器２１→気液分離器２２→減圧器２３→蒸発器２４→圧縮機部１４０の順に循環する。そして、蒸発器２４によって空調空気が冷却されることになる。この時、モータ１３０のロータ部１３２も同時に回転されることになり、モータ１３０による発電も可能となる。

一方、膨張機部１５０においては、冷媒ポンプ３２の作動により冷媒加熱器３３で加熱された過熱蒸気冷媒が吸入口１５６から作動室１５５に流入され、この過熱蒸気冷媒が膨張することでロータ１５２が作動する（正回転）。この時のロータ１５２の回転数が駆動軸１１１の回転数より高い場合は、一方向クラッチ１５１ａが駆動軸１１１に噛み合い、膨張機部１５０で発生された駆動力が圧縮機部１４０およびモータ（発電機）１３０に付加される。膨張機部１５０で膨張して圧力低下した冷媒は、吐出口１５７から第２バイパス流路３５→逆止弁３５ａ→放熱器２１→気液分離器２２→第１バイパス流路３１→冷媒ポンプ３２に至る。

尚、ロータ１５２の回転数が駆動軸１１１の回転数より低い場合は、一方向クラッチ１５１ａの駆動軸１１１に対する噛み合いが外れるので、膨張機部１５０が圧縮機部１４０作動におけるブレーキとなることを防止することができる。

また、アイドルストップ時や低速走行等によりエンジン１０が停止された場合には、制御装置によって、電磁クラッチ１２０がＯＦＦされ、電磁クラッチ１４０ｅはＯＮされ、モータ１３０が電動機として作動される。すると、モータ１３０の駆動力によって圧縮機部１４０が作動されることになり、エンジン１０が停止時であっても冷房の継続を可能とする。この時、上記と同様に膨張機部１５０は、過熱蒸気冷媒によって回転作動しており、この駆動力は圧縮機部１４０、モータ１３０に付加される。

尚、エンジン１０の作動、停止に関わらずエンジン１０からの廃熱が充分に回収され、膨張機部１５０での駆動力が充分に得られる場合は、制御装置によって電磁クラッチ１２０はＯＦＦされ、膨張機部１５０の駆動力のみで圧縮機部１４０およびモータ（発電機）１３０は作動される。

２．冷房停止時
ここでは、エンジン１０の作動、停止に関わらず、制御装置によって、冷媒ポンプ３２が作動される。また、電磁クラッチ１２０および電磁クラッチ１４０ｅは共にＯＦＦされる。すると、膨張機部１５０において、過熱蒸気冷媒の膨張によってロータ１５２が作動する。そして、一方向クラッチ１５１ａが駆動軸１１１に噛み合い、膨張機部１５０で発生された駆動力がモータ（発電機）１３０に付加される（電磁クラッチ１４０ｅがＯＦＦのため圧縮機部１４０には伝達されない）。

以上の構成説明および作動説明より本発明の第１実施形態においては以下のような作用効果が得られる。

即ち、ランキンサイクル３０によって作動される膨張機部１５０を設け、モータ１３０および圧縮機部１４０に接続すると共に、圧縮機部１４０と膨張機部１５０との間に電磁クラッチ１４０ｅを設けるようにしているので、圧縮機部１４０の作動の有無（冷房運転、冷房停止）に関わらず、膨張機部１５０によって、常時、エンジン１０の廃熱から動力を回生することが可能となる。

この時、圧縮機部１４０が作動している場合（冷房運転の場合）は、電磁クラッチ１４０ｅによって圧縮機部１４０と膨張機部１５０との間を接続することで、膨張機部１５０からの回生動力を圧縮機部１４０に、あるいは圧縮機部１４０およびモータ（発電機）１３０の両者に付加することがでる。

また、圧縮機部１４０が停止状態の場合（冷房停止の場合）は、電磁クラッチ１４０ｅによって圧縮機部１４０と膨張機部１５０との間を切断することで、膨張機部１５０は圧縮機部１４０の抵抗を受けずに作動可能となり、ロス無く効率的に動力回生が可能となる。そして、回生された動力をモータ（発電機）１３０に付加することができる。

そして、上記のように膨張機部１５０で得られた駆動力を圧縮機部１４０やモータ１３０に付加することにより、エンジン１０の駆動力を低減して燃費を向上させることができる。

また、圧縮機部１４０には、電磁クラッチ１２０付きのプーリ１１０を接続するようにしているので、圧縮機部１４０の駆動源として、モータ１３０、膨張機部１５０に加えて、エンジン１０を選択的に用いることができる。

また、モータ１３０、圧縮機部１４０、膨張機部１５０を直列配置して、ハウジング１０１内に一体的に形成するようにしているので、各機器１３０、１４０、１５０の接続を容易にすると共に、コンパクトで搭載性に優れる流体機械１００とすることができる。

尚、圧縮機部１４０と膨張機部１５０との間に、膨張機部１５０作動時の回転速度を変速して圧縮機部１４０に伝達する変速機構を設け、膨張機部１５０の作動回転数に応じて変速機構の変速比を決定することで、圧縮機部１４０を効率良く作動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３〜図５に示す。第２実施形態は、上記第１実施形態に対して、流体機械１００の圧縮機部１４０に膨張機能を持たせた圧縮膨張機部とし、モータ１３０に圧縮機部１４０および膨張機部１５０を接続し、モータ１３０と膨張機部１５０との間に切替え手段（１５８）を設けたものとしている。また、プーリ１１０、モータ１３０および圧縮機部１４０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または増速して伝達する変速機構１６０を設けている。尚、各機器の配列は、フロントハウジング１０１ａ、ミドルハウジング１０１ｂ、リヤハウジング１０１ｃから成るハウジング１０１内において、プーリ１１０側から膨張機部１５０、モータ１３０、変速機構１６０、圧縮機部１４０の順に並ぶようにしている。

まず、全体のシステム構成としては、図３に示すように、冷凍サイクル２０において、圧縮機部１４０と放熱器２１との間に、冷媒通路を開閉する電磁式のバルブから成る開閉弁２５を設けている。この開閉弁２５は図示しない制御装置により制御される。また、蒸発器２４の冷媒出口側には、圧縮機部１４０の吸入側にのみ冷媒が流れることを許容する逆止弁２４ａを設けている。更に、圧縮機部１４０の吸入側（低圧ポート１４９ｂ）と放熱器２１の流入側とを接続する第３バイパス流路３６を設け、この第３バイパス流路３６には、圧縮機部１４０側から放熱器２１側にのみ冷媒が流れることを許容する逆止弁３６ａを設けている。

また、ランキンサイクル３０において、第１バイパス流路３１には、冷媒加熱器３３からの過熱蒸気冷媒の流れを膨張機部１５０あるいは圧縮機部１４０のいずれかに切替える切替え弁３４を設けている。この切替え弁３４は、図示しない制御装置により制御される。

流体機械１００において、圧縮機部１４０は、図４に示すように、周知のスクロール型圧縮機構と同一構造を有しており、具体的には、ミドルハウジング１０１ｂを介してフロントハウジング１０１ａに固定された固定スクロール（ハウジング）１４２、ミドルハウジング１０１ｂと固定スクロール１４２との間の空間で旋回変位する旋回スクロール１４３、および両スクロール１４２、１４３によって形成される作動室Ｖと、固定スクロール１４２、リヤハウジング１０１ｃ間に形成される高圧室１４５とを連通させる連通路１４６、１４７を開閉する弁機構１４８（後述する吐出弁１４８ａおよびスプール１４８ｄ等）等から成る。

ここで、固定スクロール１４２は、板状の基板部１４２ａおよび基板部１４２ａから旋回スクロール１４３側に突出した渦巻状の歯部１４２ｂを有して構成され、一方、旋回スクロール１４３は、歯部１４２ｂに接触して噛み合う渦巻状の歯部１４３ｂ、および歯部１４３ｂが形成された基板部１４３ａを有して構成されており、両歯部１４２ｂ、１４３ｂが接触した状態で旋回スクロール１４３が旋回することにより、作動室Ｖの体積が拡大縮小する。

圧縮機軸１４１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１４１ｄを有するクランクシャフトであり、この偏心部１４１ｄは、ブッシング１４１ｅおよびベアリング１４１ｆ等を介して旋回スクロール１４３に連結されている。

また、自転防止機構１４４は、圧縮機軸１４１が１回転する間に旋回スクロール１４３が偏心部１４１ｄ周りに１回転するようにするものである。このため圧縮機軸１４１が回転すると、旋回スクロール１４３は、自転せずに圧縮機軸１４１の回転中心軸周りを公転旋回する。そして、作動室Ｖは、旋回スクロール１４３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し、逆に、旋回スクロール１４３の中心側から外径側に変位するほど、その体積が拡大するように変化する。

また、連通路１４６は、圧縮作動時に最小体積となる作動室Ｖと高圧室１４５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１４７は膨張作動時に最小体積となる作動室Ｖと高圧室１４５とを連通させて高圧室１４５に導入された高温、高圧の冷媒、つまり過熱蒸気冷媒を作動室Ｖに導く流入ポートである。

また、高圧室１４５は連通路１４６（以下、吐出ポート１４６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１４５には、放熱器２１側に接続される高圧ポート１４９ａが設けられている。高圧ポート１４９ａには、流通する冷媒中のオイル（潤滑油）を分離するオイルセパレータ（図示せず）が設けられている。

尚、蒸発器２４および第３バイパス流路３６側に接続される低圧ポート１４９ｂは、フロントハウジング１０１ａに設けられて、フロントハウジング１０１ａ内を経由して、ミドルハウジング１０１ｂと固定スクロール１４２との間の空間に連通している。

また、吐出弁１４８ａは、吐出ポート１４６の高圧室１４５側に配置されて吐出ポート１４６から吐出された冷媒が高圧室１４５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１４８ｂは吐出弁１４８ａの最大開度を規制する弁止板であり、吐出弁１４８ａおよびストッパ１４８ｂはボルト１４８ｃにて基板部１４２ａに固定されている。

スプール１４８ｄは、連通路１４７（以下、流入ポート１４７と呼ぶ）を開閉して圧縮機部１４０の圧縮作動と膨張作動とを切替える切替え弁であり、リヤハウジング１０１ｃに設けられた背圧室１４８ｅに摺動可能に挿入されている。スプール１４８ｄと背圧室１４８ｅとの間にはバネ１４８ｆが設けられており、このバネ１４８ｆはスプール１４８ｄを流入ポート１４７側に付勢している。

リヤハウジング１０１ｃには、背圧室１４８ｅと、低圧ポート１４９ｂ側および高圧室１４５側との連通状態を制御することにより背圧室１４８ｅ内の圧力を制御する制御弁（図示せず）が設けられている。制御弁は制御装置により制御される。

そして、制御装置により電磁弁が開かれると、背圧室１４８ｅの圧力が高圧室１４５より低下してスプール１４８ｄがバネ１４８ｆを押し縮めながら図４中の右側に変位し、流入ポート１０６を開く。逆に、電磁弁が閉じられると、背圧室１４８ｅの圧力と高圧室１４５との圧力が等しくなり、スプール１４８ｄはバネ１４８ｆの付勢力により図４中の左側に変位し、流入ポート１０４７を閉じる。つまり、スプール１４８ｄ、背圧室１４８ｅ、バネ１４８ｆおよび電磁弁等により流入ポート１４７を開閉するパイロット式の電気開閉弁が構成される。

変速機構１６０は、遊星歯車機構を用いたものとしており、具体的には、中心部に設けられたサンギヤ１６１と、サンギヤ１６１の外周で自転しつつ公転するピニオンギヤ１６２ａに連結されるプラネタリーキャリヤ１６２と、ピニオンギヤ１６２ａの更に外周に設けられたリング状のリングギヤ１６３とから成る。

そして、サンギヤ１６１はモータ１３０のロータ部１３２と一体化され、プラネタリーキャリヤ１６２は駆動軸１１１に一体化され、更に、リングギヤ１６３は圧縮機軸１４１の反偏心部側に一体化されている。

尚、駆動軸１１１には、一方向（正回転方向）にのみ回転することを許容する一方向クラッチ１１１ｂが設けられている。また、軸受け１１６、１１７はサンギヤ１６１、つまりロータ部１３２を駆動軸１１１に対して回転可能に支持するものであり、軸受け１１８は駆動軸１１１（プラネタリーキャリヤ１６２）を圧縮機軸１４１に対して回転可能に支持するものであり、軸受け１４１ｇは圧縮機軸１４１をミドルハウジング１０１ｂ対して回転可能に支持するものである。

また、シャフトシール１１９は、駆動軸１１１とフロントハウジング１０１ａとの隙間から冷媒がフロントハウジング１０１ａ外に漏れ出すことを防止する軸封装置である。

膨張機部１５０は、上記第１実施形態と同一のベーン式のものとしており、モータ１３０のプーリ１１０側に配設されており、過熱蒸気冷媒によってロータ１５２は逆回転方向に作動するようにしている。ロータ１５２は、駆動軸１１１に対しては回転可能となるようにしており、また、逆入力遮断クラッチ（本発明における切替え手段に対応）１５８を介してモータ１３０のロータ部１３２に接続されている。逆入力遮断クラッチ１５８は、一方側から他方側への動力伝達を許容しつつ、他方側から一方側への動力伝達を禁止するクラッチである。具体的には、膨張機部１５０（ロータ１５２）の駆動力は、正回転方向、逆回転方向共にモータ１３０（ロータ部１３２）に伝達されるが、逆にモータ１３０（ロータ部１３２）の駆動力は膨張機部１５０（ロータ１５２）へは伝達されずに遮断されるようにしている。

次に、上記構成に基づく作動について説明する。

１．冷房運転時
まず、図示しない制御装置によって、冷凍サイクル２０内の開閉弁２５が開かれ、ランキンサイクル３０内の冷媒ポンプ３２が作動されると共に、切替え弁３４が膨張機部１５０側に切替えられる。また、圧縮機部１４０の電磁弁が閉じられて、スプール１４８ｄによって流入ポート１４７が閉じられる。そして、エンジン１０が作動している場合には、電磁クラッチ１２０がＯＮされる。

すると、エンジン１０の駆動力はプーリ１１０、駆動軸１１１を経て変速機構１６０を介して増速されて圧縮機軸１４１に伝達される（図５中のａ）。この時、圧縮機部１４０は本来のスクロール型圧縮機として作動する。即ち、圧縮機部１４０は、低圧ポート１４９ｂ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１４６から高圧室１４５に圧縮した冷媒を吐出し、更にこの冷媒を高圧ポート１４９ａから吐出する。

吐出された冷媒は、圧縮機部１４０→開閉弁２５→放熱器２１→気液分離器２２→減圧器２３→蒸発器２４→逆止弁２４ａ→圧縮機部１４０の順に循環する。そして、蒸発器２４によって空調空気が冷却されることになる。

尚、冷媒には、所定量のオイルが含まれており、低圧ポート１４９ｂから流入した後に、膨張機部１５０、モータ１３０、変速機構１６０を横切り、圧縮機部１４０に至り、各機器の冷却、潤滑を果たす。また、冷媒が高圧ポート１４９ａから吐出される時には、オイルセパレータによって、オイルが分離され、冷凍サイクル２０側へのオイル流出が抑制される。

一方、膨張機部１５０においては、冷媒ポンプ３２の作動により冷媒加熱器３３で加熱された過熱蒸気冷媒が吸入口１５６から作動室１５５に流入され、この過熱蒸気冷媒が膨張することで、ロータ１５２は逆回転方向に作動する。

この時の膨張機部１５０（ロータ１５２）の駆動力は、逆入力遮断クラッチ１５６を介してモータ１３０のロータ部１３２に伝達され（付加され）、ロータ部１３２を逆回転方向に作動させると共に、モータ１３０を発電機として機能させる（この時、モータ１３０を電動機として作動させても良い）。そして、このモータ１３０の作動に伴い、変速機構１６０によって、圧縮機部１４０は更に増速されて作動する（図５中のｂ）。

尚、膨張機部１５０で膨張して圧力低下した冷媒は、吐出口１５７から第２バイパス流路３５→逆止弁３５ａ→放熱器２１→気液分離器２２→第１バイパス流路３１→冷媒ポンプ３２に至る。

また、アイドルストップ時や低速走行等によりエンジン１０が停止された場合には、図示しない制御装置によって、電磁クラッチ１２０がＯＦＦされ、モータ１３０が電動機として逆回転方向に作動される。すると、変速機構１６０を介して駆動軸１１１は、逆回転方向に作動しようとするが一方向クラッチ１１１ｂによりロックされる。よって、モータ１３０の駆動力は変速機構１６０によって減速されて圧縮機部１４０に伝達されることになり、エンジン１０が停止時であっても冷房の継続を可能とする。この時、上記と同様に膨張機部１５０は、過熱蒸気冷媒によって回転作動しており、この駆動力はモータ１３０、圧縮機部１４０に付加される（図５中のｃ）。

尚、エンジン１０の作動、停止に関わらずエンジン１０からの廃熱が充分に回収され、膨張機部１５０での駆動力が充分に得られる場合は、制御装置によって電磁クラッチ１２０はＯＦＦされ、膨張機部１５０の駆動力のみでモータ（発電機）１３０および圧縮機部１４０は作動される。

２．冷房停止時
ここでは、エンジン１０の作動、停止に関わらず、図示しない制御装置によって、開閉弁２５が閉じられ、冷媒ポンプ３２が作動されると共に、切替え弁３４が圧縮機部１４０側に切替えられる。また、圧縮機部１４０の電磁弁が開かれて、スプール１４８ｄによって流入ポート１４７が開かれる。そして、電磁クラッチ１２０はＯＦＦされる。

すると、冷媒加熱器３３にて加熱された高圧の過熱蒸気冷媒が切替え弁３４によって圧縮機部１４０の高圧ポート１４９ａ、高圧室１４５を経由して流入ポート１４７から作動室Ｖに導入され、導入された冷媒は作動室Ｖで膨脹する。尚、膨張機部１５０には、冷媒加熱器３３からの過熱蒸気冷媒は供給されないので停止状態となる。

これにより、旋回スクロール１４３が逆回転方向に作動するので、変速機構１６０を介して駆動軸１１１は、逆回転方向に作動しようとするが一方向クラッチ１１１ｂによりロックされる。よって、膨張作動する圧縮機部１４０の駆動力は変速機構１６０によって増速されてモータ１３０に伝達されることになり、圧縮機部１４０はモータ１３０を発電機として作動させる（図５中のｄ）。この時、逆入力遮断クラッチ１５８によってモータ１３０は、停止している膨張機部１５０の抵抗を受けずに作動することができる。

膨脹を終えて圧力が低下した冷媒は、低圧ポート１４９ｂから第３バイパス流路３６→逆止弁３６ａ→放熱器２１→気液分離器２２→第１バイパス流路３１→冷媒ポンプ３２→冷媒加熱器３３→切替え弁３４→膨張機部１４０の順に循環することになる。

以上の構成説明および作動説明より本発明の第２実施形態においては以下のような作用効果が得られる。

即ち、圧縮機部１４０に圧縮および膨張の両機能を持たせ、モータ１３０を圧縮機部１４０および膨張機部１５０に接続すると共に、モータ１３０と膨張機部１５０との間に逆入力遮断クラッチ１５８を設けるようにしているので、圧縮機部１４０の圧縮作動の有無に関わらず、膨張機部１５０あるいは圧縮機部１４０の膨張作動によって、常時、エンジン１０の廃熱から動力を回生することが可能となる。

この時、圧縮機部１４０が圧縮作動している場合は、逆入力遮断クラッチ１５８によってモータ１３０と膨張機部１５０との間が接続され、膨張機部１５０からの回生動力を圧縮機部１４０に、あるいは圧縮機部１４０およびモータ１３０の両者に付加することがでる。

また、圧縮機部１４０が膨張作動する場合は、逆入力遮断クラッチ１５８によってモータ１３０と膨張機部１５０との間が切断され、圧縮機部１４０は膨張機部１５０の抵抗を受けずに膨張作動可能となり、ロス無く効率的に動力回生が可能となる。そして、回生された動力をモータ１３０に付加することができる。

また、圧縮機部１４０とモータ１３０との間には変速機構１６０を設けるようにしているので、膨張機部１５０によるモータ１３０の作動回転数を減速して圧縮機部１４０に伝達でき、高回転、低トルク型のモータ１３０として小型にすることができる。更に、圧縮機部１４０が膨張作動する際に圧縮機部１４０の作動回転数を増速してモータ１３０に伝達できるので、モータ１３０による発電量を増加させることができる。

また、低圧ポート１４９ｂから吸入される冷媒がハウジング１０１内において、膨張機部１５０、モータ１３０、変速機構１６０を横切って圧縮機部１４０に至るようにしているので、各機器１５０、１３０、１６０を冷媒によって冷却することができ、耐熱寿命を向上させることができる。

この時、冷媒中のオイルによって、各機器１５０、１３０、１６０、１４０の潤滑が充分に成され、主に摺動部における耐久性を向上させることができる。

尚、モータ１３０と膨張機部１５０との間に設けられる逆入力遮断クラッチ１５８は、通常の電磁クラッチとしても良い。

（その他の実施形態）
ハウジング１０１内におけるモータ１３０、圧縮機部１４０、膨張機部１５０の配列（並び順）は、特に限定されるものでは無く、上記第１、第２実施形態と異なるものとしても良い。

また、上記各実施形態ではモータ１３０、圧縮機部１４０、膨張機部１５０が一体的に形成されるものとして説明したが、これに限らず、例えば、モータ１３０と膨張機部１５０とを一体的に形成し、従来公知のエンジン駆動圧縮機に接続するものとしても良い。

また、圧縮機部１４０、膨張機部１５０の型式については、上記実施形態で説明したものに限定されるものでは無く、他の型式のものとしても良い。具体的には、圧縮機部１４０として、ベーン式（第１実施形態）やスクロール型（第２実施形態）のものに代えて、他の斜板式やロータリ式等のものとしても良い。同様に、膨張機部１５０として、ベーン式のものに代えて、他のスクロール型、斜板式、ロータリ式等のものとしても良い。

また、本流体機械１００をアイドルストップ車両やハイブリッド車両に搭載されるものとして説明したが、これに限らず、エンジン１０の停止を伴わない通常の車両に適用しても良い。

本発明の第１実施形態におけるシステム全体の構成を示す模式図である。 図１における第１実施形態の流体機械を示す断面図である。 本発明の第２実施形態におけるシステム全体の構成を示す模式図である。 図３における第２実施形態の流体機械を示す断面図である。 第２実施形態における流体機械の作動を示す共線図である。 本出願人が先に考案した流体機械を示す断面図である。

符号の説明

１０ エンジン
１００ 流体機械
１０１ ハウジング
１１０ プーリ（外部駆動部）
１２０ 電磁クラッチ（断続機構）
１３０ モータ（回転電機部）
１４０ 圧縮機部
１４０ｅ 電磁クラッチ（切替え手段）
１５０ 膨張機部
１５８ 逆入力遮断クラッチ（切替え手段）
１６０ 変速機構

Claims (10)

1. 流体を圧縮する圧縮機部（１４０）と、
   外部駆動源（１０）の廃熱エネルギーによって回転駆動力を発生する膨張機部（１５０）と、
   電動機および発電機の両機能を備える回転電機部（１３０）とを有し、
   前記膨張機部（１５０）は、前記圧縮機部（１４０）および前記回転電機部（１３０）に接続され、
   前記圧縮機部（１４０）および前記膨張機部（１５０）の間には、両者（１４０、１５０）の接続状態を切断状態に切替え可能とする切替え手段（１４０ｅ）が設けられ、
   前記圧縮機部（１４０）、前記膨張機部（１５０）、前記回転電機部（１３０）は、ハウジング（１０１）内に一体的に形成されたことを特徴とする流体機械。
2. 前記圧縮機部（１４０）および前記膨張機部（１５０）の間には、前記膨張機部（１５０）の回転速度を変速して前記圧縮機部（１４０）に伝達する変速機構が設けられたことを特徴とする請求項１に記載の流体機械。
3. 流体を圧縮する圧縮機の機能に加えて、膨張機としての機能も併せ持つ圧縮機部（１４０）と、
   外部駆動源（１０）の廃熱エネルギーによって回転駆動力を発生する膨張機部（１５０）と、
   電動機および発電機の両機能を備える回転電機部（１３０）とを有し、
   前記回転電機部（１３０）は、前記圧縮機部（１４０）および前記膨張機部（１５０）に接続され、
   前記回転電機部（１３０）および前記膨張機部（１５０）の間には、両者（１３０、１５０）の接続状態を切断状態に切替え可能とする切替え手段（１５８）が設けられ、
   前記圧縮機部（１４０）、前記膨張機部（１５０）、前記回転電機部（１３０）は、ハウジング（１０１）内に一体的に形成されたことを特徴とする流体機械。
4. 前記圧縮機部（１４０）および前記回転電機部（１３０）の間には、前記圧縮機部（１４０）が膨張作動する際の回転速度を変速して前記回転電機部（１３０）に伝達する、あるいは前記膨張機部（１５０）による前記回転電機部（１３０）の回転速度を変速して前記圧縮機部（１３０）に伝達する変速機構（１６０）が設けられたことを特徴とする請求項３に記載の流体機械。
5. 前記外部駆動源（１０）の駆動力によって回転駆動すると共に、得られた動力の伝達を断続する断続機構（１２０）が設けられた外部駆動部（１１０）を有し、
   前記外部駆動部（１１０）は、前記圧縮機部（１４０）、前記膨張機部（１５０）、前記回転電機部（１３０）の１つに接続されたことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の流体機械。
6. 前記切替え手段（１４０ｅ、１５８）は、電磁クラッチ（１４０ｅ）であることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の流体機械。
7. 前記切替え手段（１５８）は、一方側（１５０）から他方側（１３０）への駆動力の伝達を行い、前記他方側（１３０）から前記一方側（１５０）への駆動力の伝達を禁止する逆入力遮断クラッチ（１５８）であることを特徴とする請求項３〜請求項５のいずれかに記載の流体機械。
8. 前記圧縮機部（１４０）、前記膨張機部（１５０）、前記回転電機部（１３０）は、直列に配置されたことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれかに記載の流体機械。
9. 前記流体は、前記ハウジング（１０１）内を流通することを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれかに記載の流体機械。
10. 前記流体は潤滑油を含むことを特徴とする請求項９に記載の流体機械。

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