JP4070740B2 - 流体機械用の切替え弁構造 - Google Patents

Description

本発明は、流体を加圧して吐出するポンプモードと、膨張時の流体圧を運動エネルギーに変換して機械的エネルギーを出力するモータモードとを兼ね備える流体機械に用いられ、各モードの切替えを行う流体機械用の切替え弁構造に関するものである。

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、蒸気圧縮式冷凍機の圧縮機を、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（例えば、特許文献１）。

ところで、圧縮機は、外部から機械的エネルギー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ー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、エネルギー回収を行う際の膨脹機（圧縮機）の冷媒入口側および冷媒出口側が、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）の冷媒入口側およ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およ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。

即ち、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時に、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。従って、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。

そこで、本発明者らは、流体機械（圧縮機）の高圧室に弁機構を設けて、この弁機構の切替えによって圧縮機と膨張機とを兼用可能となるものを考案した（特願２００３−１９１３９）。

即ち、図１０に示すように、流体機械１０のポンプモータ機構１００（周知のスクロール型圧縮機構に順ずるもの）に作動室Ｖおよび高圧室１０４を連通させる連通路１０６と、この連通路１０６を開閉するスプール１０７ｄとを設けた。そして、ポンプモータ機構１００を圧縮機として使用する時は、スプール１０７ｄによって連通路１０６を閉じ、低圧ポート１１１から流入される冷媒を作動室Ｖで圧縮し、吐出ポート１０５、高圧室１０４を通して（この時、逆止弁１０７ａは開く）高圧ポート１１０から吐出する。また、ポンプモータ機構１００を膨張機として使用する時は、スプール１０７ｄによって連通路１０６を開き、蒸気冷媒を高圧ポート１１０から流入させ（この時、逆止弁１０７ａは閉じる）、高圧室１０４、連通路１０６を通して作動室Ｖで膨張させ、圧力低下した冷媒を低圧ポート１１１から流出させるようにした。

これにより、冷媒流れ方向を逆にして、圧縮機を膨張機と兼用可能とする流体機械１０とした。
特許第２５４０７３８号公報

しかしながら、上記の弁機構においては、スプール１０７ｄを長手方向に摺動させて先端の平面部で相手側の平面上に開口する連通路１０６をシールする構造としているので、スプール１０７ｄの摺動方向と連通路１０６の開口する面との直角度の精度が悪いとシール性の確保が難しくなる。シール性が悪いとスプール１０７ｄによって連通路１０６を閉じている時に漏れが生じ、ポンプモータ機構１００で圧縮された流体が高圧室１０４から再び作動室Ｖに逆流し、再圧縮の必要が生じる分、ポンプモータ機構１００の動力損失となる。

本発明の目的は、上記問題に鑑み、スプールを構成部材とするものにおいて、確実なシール性の得られる流体機械用の切替え弁構造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、固定スクロール（１０２）と、
固定スクロール（１０２）に対して旋回する旋回スクロール（１０３）と、
両スクロール（１０２、１０３）の間に形成される作動室（Ｖ）と、
固定スクロール（１０２）の反旋回スクロール側に設けられるハウジングによって区画形成される高圧室（１０４）とを有し、
流体を加圧して吐出するポンプモードと、膨張時の流体圧を運動エネルギーに変換して機械的エネルギーを出力するモータモードとを兼ね備えるスクロール型流体機械（１０）に設けられる流体機械用の切替え弁構造であって、
固定スクロール（１０２）には、作動室（Ｖ）と高圧室（１０４）とを連通させる吐出ポート（１０５）、および連通路（１０６）が設けられており、
吐出ポート（１０５）の高圧室（１０４）側に配置されて、吐出ポート（１０５）から吐出された流体が、高圧室（１０４）から作動室（Ｖ）に逆流することを防止する逆止弁（１０７ａ）と、
ハウジングに摺動可能に保持されて、高圧室（１０４）側から連通路（１０６）を開閉する弁体（１０７ｄ）とを有し、
弁体（１０７ｄ）は、連通路（１０６）が弁体（１０７ｄ）側で開口する面に対して略垂直方向に摺動するスプール部（１１７）と、
スプール部（１１７）の先端側に設けられ、スプール部（１１７）と共に摺動して連通路（１０６）を開閉する弁部（１２７）とから成り、
スプール部（１１７）と弁部（１２７）との間には、スプール部（１１７）の摺動軸に対して弁部（１２７）の摺動軸を任意の角度で傾斜可能とする首振り機構（１３７）が設けられており、
ポンプモードが実行される時に、弁体（１０７ｄ）は、連通路（１０６）を閉じて、流体が作動室（Ｖ）で圧縮され、逆止弁（１０７ａ）によって吐出ポート（１０５）から高圧室（１０４）に吐出され、
モータモードが実行される時に、弁体（１０７ｄ）は、連通路（１０６）を開いて、加熱された高圧の流体が高圧室（１０４）から連通路（１０６）を経由して作動室（Ｖ）に導入され、膨張されるようにしたことを特徴としている。

これにより、連通路（１０６）の開口する面に対するスプール部（１１７）の摺動軸の直角度の精度が低くても、弁部（１２７）を首振り機構（１３７）によって連通路（１０６）の開口する面に沿って当接させることができるので、シール性を向上することができる。

そして、請求項２に記載の発明のように、首振り機構（１３７）としては、スプール部（１１７）および弁部（１２７）のうち、いずれか一方（１２７）に設けられると共に、他方（１１７）側に突出する凸部（１３７）によって形成することで容易に対応が可能となる。

更に、請求項３に記載の発明のように、凸部（１３７）は、球面として形成するのが良く、スプール部（１１７）の摺動軸に対する弁部（１２７）の摺動軸の傾斜角度を滑らかに可変できる。

そして、請求項４に記載の発明のように、凸部（１３７）の球面形状は、スプール部（１１７）および弁部（１２７）のいずれか一方に圧入される球体部材（１３７）によって容易に形成できる。

また、請求項５に記載の発明のように、スプール部（１１７）および弁部（１２７）のうち、凸部（１３７）が形成されない側に、凸部（１３７）の一部が挿入される凹部（１１７ｃ）を形成することで、スプール部（１１７）と弁部（１２７）との位置合わせが可能となり、両者（１１７、１２７）のずれを防止できる。

また、請求項６に記載の発明のように、凸部（１３７）および凹部（１１７ｃ）は、互いに球面同士で接触するユニバーサルジョイントとして形成することができる。

請求項７に記載の発明では、スプール部（１１７）と、スプール部（１１７）の摺動をガイドするガイド部（１０７ｆ）との間には、シール部材（１４７）が介在されたことを特徴としている。

これにより、高圧室（１０４）内の高圧の流体がガイド部（１０７ｆ）側に漏れるのを防止して、流体機械（１０）の動力損失を低減できる。

請求項８に記載の発明では、スプール部（１１７）および弁部（１２７）は、連結機構（１２７ａ、１５７）によって、連結されたことを特徴としている。

これにより、スプール部（１１７）および弁部（１２７）を１つの駆動手段で摺動させることができる。

具体的には、請求項９に記載の発明のように、連結機構（１２７ａ、１５７）は、スプール部（１１７）および弁部（１２７）のうち、いずれか一方（１２７）側に設けられたフランジ部（１２７ａ）と、他方（１１７）側に設けられると共に、フランジ部（１２７ａ）が当接する際に一方（１２７）側の離脱を禁止する止め輪（１５７）とから成るようにすることで容易に対応が可能となる。

また、請求項１０に記載の発明のように、請求項１に記載の発明に対して、連通路（１０６）の弁体（１０７ｄ）側の開口部（１０６ａ）を円形状に形成し、弁体（１０７ｄ）は、開口部（１０６ａ）の仮想面に対して略直角方向に摺動し、弁体（１０７ｄ）の開口部（１０６ａ）側は、開口部（１０６ａ）の直径より大きい直径の球面として形成するようにしても良い。

これにより、開口部（１０６ａ）の仮想面に対する弁体（１０７ｄ）の摺動軸の直角度の精度が低くても、開口部（１０６ａ）と弁体（１０７ｄ）の球面とは互いに円周上で確実に接触するので（線接触密閉）、シール性を向上することができる。

尚、請求項１１に記載の発明のように、連通路（１０６）が弁体（１０７ｄ）の摺動方向に対して斜めに形成されている場合は、開口部（１０６ａ）は、ブッシュ（１０６ｂ）を設けることで円形状に形成することができる。また、弁体（１０７ｄ）の材質に応じたブッシュ（１０６ｂ）の材質選定が可能となり、更にシール性や耐久性の向上が可能となる。

そして、請求項１２に記載の発明のように、開口部（１０６ａ）の円周上には、面取り部（１０６ｃ）を形成すれば、更に、シール性を向上できる。

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）
本実施形態は、ランキンサイクルを備える蒸気圧縮式冷凍機に配設される膨張機一体型圧縮機１０（流体機械）に、本発明に係る流体機械用の切替え弁構造を適用したものである。

尚、ランキンサイクルを備える蒸気圧縮式冷凍機は、車両の走行用動力を発生させる熱機関を成すエンジン２０で発生した廃熱からエネルギーを回収すると共に、蒸気圧縮式冷凍機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、ランキンサイクルを備える蒸気圧縮式冷凍機について簡単に説明する。

図１に示すように、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、過熱蒸気冷媒の膨張時の流体圧を運動エネルギーに変換して機械的エネルギー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（後述する高圧ポート１１０）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。尚、膨脹機一体型圧縮機１０の詳細については後述する。

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共に、膨脹機一体型圧縮機１０がポンプモードで作動している時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、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時の冷媒吸入側（後述する低圧ポート１１１）にのみ冷媒が流れることを許容するものである。

これらの膨脹機一体型圧縮機１０、放熱器１１、気液分離器１２、減圧器１３および蒸発器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替えられる。尚、三方弁２１は図示しない電子制御装置により制御される。

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の冷媒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および気液分離器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。尚、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おり、図示しない電子制御装置により制御される。

また、第２バイパス回路３３は、膨脹機一体型圧縮機１０がモータモードで作動する時の冷媒出口側（後述する低圧ポート１１１）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３３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３３ａが設けられている。

開閉弁３４は、冷媒通路を開閉する電磁式のバルブであり、放熱器１１と加熱器３０との間に設けられ、図示しない電子制御装置により制御される。

そして、蒸気圧縮式冷凍機の放熱器１１を共通使用して、気液分離器１２、液ポンプ３２、加熱器３０、膨張機一体型圧縮機１０等によってエンジン２０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が構成される。

因みに、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。尚、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良い。

次に、膨脹機一体型圧縮機１０の詳細について図２を用いて説明する。膨脹機一体型圧縮機１０は、流体（本実施形態では、気相冷媒）を圧縮または膨脹させるポンプモータ機構１００、回転エネルギーが入力されることにより電気エネルギーを出力し、電力が入力されることにより回転エネルギーを出力する回転電機２００、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成す電磁クラッチ３００、並びにポンプモータ機構１００、回転電機２００および電磁クラッチ３００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遊星歯車機構から成る変速機構４００等から構成されている。

回転電機２００はステータ２１０およびステータ２１０内で回転するロータ２２０等から成るもので、ステータハウジング２３０内に収容されている。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、回転電機２００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。

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、および励磁コイル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等から成るもので、エンジン２０側と膨脹機一体型圧縮機１０側とを繋ぐ時は励磁コイル３２０に通電し、エンジン２０側と膨脹機一体型圧縮機１０側とを切り離す時は励磁コイル３２０への通電を遮断する。

そして、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（ハウジング）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成す旋回スクロール１０３、および作動室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等から成るものである。

ここで、固定スクロール１０２は、板状の基板部１０２ａおよび基板部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、および歯部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、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により形成される作動室Ｖの体積が拡大縮小する。

シャフト１０８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１０８ａを有するクランクシャフトであり、この偏心部１０８ａは、ブッシング１０３ｄおよびベアリング１０３ｃ等を介して旋回スクロール１０３に連結されている。

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する。そして、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し、逆に、旋回スクロール１０３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、つまり過熱蒸気冷媒を作動室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吐出室の機能を有するものであり、この高圧室１０４には、加熱器３０および放熱器１１側に接続される高圧ポート１１０が設けられている。

尚、蒸発器１４および第２バイパス回路３３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、ミドルハウジング１０１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およびストッパ１０７ｂはボルト１０７ｃにて基板部１０２ａに固定されている。

弁体１０７ｄは連通路１０６（以下、流入ポート１０６と呼ぶ）を開閉してポンプモードとモータモードとを切替える切替え弁であり、電磁弁１０７ｅは低圧ポート１１１側と背圧室１０７ｆとの連通状態を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弁体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より低下して弁体１０７ｄがバネ１０７ｇを押し縮めながら図２中の右側に変位するので、流入ポート１０６が開く。尚、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り、弁体１０７ｄはバネ１０７ｇの力により図２中の左側に変位するので、流入ポート１０６が閉じる。つまり、弁体１０７ｄ、電磁弁１０７ｅ、背圧室１０７ｆ、バネ１０７ｇおよび絞り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。

尚、本発明においては、上記弁体１０７ｄの構造に特徴を持たせており、その詳細については後述する。

変速機構４００は、中心部に設けられたサンギヤ４０１と、サンギヤ４０１の外周で自転しつつ公転するピニオンギヤ４０２ａに連結されるプラネタリーキャリヤ４０２と、ピニオンギヤ４０２ａの更に外周に設けられたリング状のリングギヤ４０３とから成るものである。

そして、サンギヤ４０１は、回転電機２００のロータ２２０と一体化され、プラネタリーキャリヤ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、更に、リングギヤ４０３は、シャフト１０８の他方の長手方向端部（反偏心部側）に一体化されている。

また、ワンウェイクラッチ５００は、シャフト３３１が一方向（プーリ部３１０の回転方向）にのみ回転することを許容するものである。軸受け３３２はシャフト３３１を回転可能に支持するもので、軸受け４０４はサンギヤ４０１、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、軸受け４０５はシャフト３３１（プラネタリーキャリヤ４０２）をシャフト１０８に対して回転可能に支持するものであり、軸受け１０８ｂ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。

次に、本発明の特徴部となる弁体１０７ｄの詳細について説明する。図３に示すように、弁体１０７ｄは、背圧室（本発明におけるガイド部に対応）１０７ｆの内周面をガイドにして長手方向に摺動するスプール部１１７と、このスプール部１１７の先端側で連通路１０６を開閉する弁部１２７とから成るようにしている。

スプール部１１７の先端側には、筒状と成る筒状部１１７ａが設けられており、筒状部１１７ａの内部には弁部受け面１１７ｂが形成されている。そして、弁部受け面１１７ｂには円錐状の凹部１１７ｃが形成されている。尚、凹部１１７ｃの深さ、傾斜は後述する弁部１２７の硬球１３７の先端側の一部が挿入されるように寸法設定されている。

また、スプール部１１７ａの外周にはリング溝１１７ｆが設けられ、このリング溝１１７ｆにはピストンリング（本発明におけるシール部材に対応）１４７が固定されて、背圧室１０７ｆの内周面とのシール性を確保するようにしている。

一方、弁部１２７は円柱状の部材としており、スプール部１１７側の外周端部にフランジ部１２７ａが形成されている。また、スプール部１１７側の端部面には凹部が設けられ、この凹部に硬球１３７が圧入されて、スプール部１１７側に突出する球面状の凸部として形成されている。

そして、弁部１２７のフランジ部１２７ａがスプール部１１７の筒状部１１７ａ内に挿入され、更に、弁部１２７の硬球１３７がスプール部１１７の凹部１１７ｃに挿入されている。硬球１３７が凹部１１７ｃに当接した状態で、弁部受け面１１７ｂとフランジ部１２７ａとの間には隙間が形成される。尚、上記凹部１１７ｃと硬球１３７は、本発明における首振り機構を構成する構成部材に対応する。

更に、筒状部１１７ａには、フランジ部１２７ａとの間に隙間ができるように止め輪１５７が装着されており、フランジ部１２７ａがこの止め輪１５７に当たることで、弁部１２７がスプール部１１７から離脱するのを防止するようにしている。尚、上記フランジ部１２７ａと止め輪１５７は、本発明における連結機構を構成する構成部材に対応する。

次に、本実施形態に係る膨脹機一体型圧縮機１０の作動およびその作用効果について説明する。

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、液ポンプ３２を停止させた状態で開閉弁３４を開き、三方弁２１の切替えによって、エンジン冷却水を加熱器３０側に循環させないようにする。また、電磁弁１０７ｅを閉じて弁体１０７ｄによって流入ポート１０６を閉じた状態でシャフト１０８を回転させるようにする。

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。

この時、シャフト１０８に回転力を与えるに当たっては、主に電磁クラッチ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、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を繋ぐと共に、サンギヤ４０１、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。

これにより、プーリ部３１０に伝達されたエンジン２０の回転力は、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、ポンプモータ機構１００を圧縮機として稼動させる。

尚、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、プーリ部３１０の回転方向とは逆回転方向に作動させることで、ポンプモータ機構１００を圧縮機として稼動させる。

この時、シャフト３３１（プラネタリーキャリヤ４０２）は、ワンウェイクラッチ５００によりロックされ回転しないので、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。

そして、高圧ポート１１０から吐出される冷媒は、加熱器３０→開閉弁３４→放熱器１１→気液分離器１２→減圧器１３→蒸発器１４→逆止弁１４ａ→膨脹機一体型圧縮機１０の低圧ポート１１１の順に循環（冷凍サイクルを循環）し、蒸発器１４の吸熱による冷房（あるいは放熱器１１の放熱による暖房）が行われる。尚、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。

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。

尚、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ようにしている。

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、三方弁２１の切替えによって、エンジン冷却水を加熱器３０側に循環させるようにする。また、膨張機一体型圧縮機１０の電磁クラッチ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を開いて弁体１０７ｄによって流入ポート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。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。

これにより、過熱蒸気の膨脹により旋回スクロール１０３がポンプモード実行時の逆向きに回転し、旋回スクロール１０３に与えられた回転エネルギーは、回転電機２００のロータ２２０に伝達される。この時、シャフト３３１（プラネタリーキャリヤ４０２）は、ワンウェイクラッチ５００によりロックされ回転しないので、旋回スクロール１０３の回転力は、変速機構４００にて増速されて回転電気２００に伝達される。

そして、低圧ポート１１１から流出される冷媒は、第２バイパス回路３３→逆止弁３３ａ→放熱器１１→気液分離器１２→第１バイパス回路３１→逆止弁３１ａ→液ポンプ３２→加熱器３０→膨脹機一体型圧縮機１０（高圧ポート１１０）の順に循環することになる（ランキンサイクルを循環）。尚、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冷媒の温度に応じた圧力に加圧して液相冷媒を加熱器３０に送り込む。

ところで、本発明においては弁体１０７ｄをスプール部１１７と弁部１２７とに分けて、両者の間に首振り機構（弁部１２７側の凸部をスプール部１１７の凹部１１７ｃに挿入する構造）を設けるようにしているので、スプール部１１７の摺動軸に対して弁部１２７の摺動軸を任意の角度で傾斜させることができる。よって、連通路１０６の開口する面に対するスプール部１１７の摺動軸の直角度の精度が低くても、弁部１２７を連通路１０６の開口する面に沿って当接させることができるので、シール性を向上することができる。

また、弁部１２７側の凸部を硬球１３７によって球面として形成するようにしているので、スプール部１１７の摺動軸に対する弁部１２７の摺動軸の傾斜角度を滑らかに可変できる。

また、硬球１３７を凹部１１７ｃに挿入することで、スプール部１１７と弁部１２７との位置合わせが可能となり、両者１１７、１２７のずれを防止できる。

また、スプール部１１７の外周部にピストンリング１４７を設けるようにしているので、ポンプモータ機構１００をポンプモードで作動させる際に、高圧室１０４に吐出された冷媒が背圧室１０７ｆから電磁弁１０７ｅを経て低圧ポート１１１側に漏れるのを防止して、膨張機一体型圧縮機１０の動力損失を低減できる。

また、スプール部１１７の止め輪１５７と弁部１２７のフランジ部１２７ａによって、スプール部１１７からの弁部１２７の離脱を防止するようにしているので、１つの駆動手段（電磁弁１０７ｅ、バネ１０７ｇ等）で弁体１０７ｄを摺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４〜図６に示す。第２実施形態は、上記第１実施形態に対して、首振り機構の構成を種々変更したものである。

図４（変形例１）に示すように、硬球１３７をスプール部１１７に設け、凹部１２７ｂを弁部１２７に設けるようにしても良い。

また、図５（変形例２）に示すように、弁部１２７のフランジ部１２７ａ側の端部面は平面のままとし、スプール部１１７の弁部受け面１１１７ｂに凸部として先端側が細く形成される突起１１７ｄを設けるようにしても良い。

また、図６（変形例３）に示すように、スプール部１１７にボール部１１７ｅを設け、弁部１２７に球面状の凹部１２７ｃを設け、両者１１７ｅ、１２７ｃが互いに球面同士で接触するユニバーサルジョイントとして形成するようにしても良い。この場合は、止め輪１５７を不要として連結機構を兼ねることができる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態を図７に示す。第３実施形態は、上記第２実施形態の変形例２（図５）に対して、流入ポート１０６の開口形状および弁部１２７の流入ポート１０６側の形状を変更したものである。

流入ポート１０６は、弁体１０７ｄの摺動方向に対して斜めに形成されているため、開口部は楕円形状となる。そこで、流入ポート１０６の弁部１２７開口側には、丸孔が形成されたブッシュ１０６ｂを設け、開口部１０６ａが円形状と成るようにしている。そして、この開口部１０６ａの円周上には面取り部１０６ｃを設けるようにしている。

一方、弁部１２７の流入ポート１０６側には、上記開口部１０６ａの直径より大きい直径から成る硬球１３７を圧入している。そして、弁体１０７ｄが流入ポート１０６を閉じる時には、突起１１７ｄによる首振り機構を働かせながら、硬球１３７が開口部１０６ａの面取り部１０６ｃに接触するようにしている。

これにより、開口部１０６ａの仮想面に対する弁体１０７ｄの摺動軸の直角度の精度が低くても、開口部１０６ａと硬球１３７の球面とは互いに円周上で確実に接触するので（線接触密閉）、シール性を向上することができる。また、弁体１０７ｄ（具体的には、硬球１３７）の材質に応じたブッシュ１０６ｂの材質選定が可能となり、更にシール性や耐久性の向上が可能となる。

因みに、硬球１３７が連通路１０６内に入り込む形となるので、圧縮された冷媒が吐出されずに残るデッドスペースを減少させることが出来るので、膨張機一体型圧縮機１０の作動効率を向上させることができる。

尚、開口部１０６ａと硬球１３７との位置度が充分確保される場合は、首振り機構を不要としてスプール部１１７と弁部１２７とが一体的に形成される弁体１０７ｄとしても良い。

（その他の実施形態）
膨張機一体型圧縮機１０としては、上記第１実施形態〜第３実施形態で説明したものに代えて、図８、図９に示すものとしても良い。

即ち、図８に示すものは、シャフト１０８とシャフト３３１とを一体にして（シャフト１０８として）、変速機構４００を廃止し、ポンプモータ機構１００、回転電機２００、電磁クラッチ３００をシャフト１０８に連結したものである。また、図９に示すものは、図８に示すものに対して電磁クラッチ３００を廃止したものである。

また、上記の実施形態では、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り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おけるランキンサイクルを備える蒸気圧縮式冷凍機を示す模式図である。 本発明の第１実施形態における膨脹機一体型圧縮機を示す断面図である。 本発明の第１実施形態における弁体を示す断面図である。 本発明の第２実施形態の変形例１における弁体を示す断面図である。 本発明の第２実施形態の変形例２における弁体を示す断面図である。 本発明の第２実施形態の変形例３における弁体を示す断面図である。 本発明の第３実施形態における弁体を示す断面図である。 本発明のその他の実施形態１における膨脹機一体型圧縮機を示す断面図である。 本発明のその他の実施形態２における膨脹機一体型圧縮機を示す断面図である。 試作検討段階の膨張機一体型圧縮機を示す断面図である。

符号の説明

１０ 膨張機一体型圧縮機（流体機械）
１０４ 高圧室
１０６ 流入ポート（連通路）
１０６ａ 開口部
１０６ｂ ブッシュ
１０６ｃ 面取り部
１０７ｄ 弁体
１０７ｆ 背圧室（ガイド部）
１１７ スプール部
１１７ｃ 凹部（首振り機構）
１２７ 弁部
１２７ａ フランジ部（連結機構）
１３７ 硬球（首振り機構、凸部、球体部材）
１４７ ピストンリング（シール部材）
１５７ 止め輪（連結機構）
Ｖ 作動室

Claims (12)

1. 固定スクロール（１０２）と、
   前記固定スクロール（１０２）に対して旋回する旋回スクロール（１０３）と、
   前記両スクロール（１０２、１０３）の間に形成される作動室（Ｖ）と、
   前記固定スクロール（１０２）の反旋回スクロール側に設けられるハウジングによって区画形成される高圧室（１０４）とを有し、
   流体を加圧して吐出するポンプモードと、膨張時の流体圧を運動エネルギーに変換して機械的エネルギーを出力するモータモードとを兼ね備えるスクロール型流体機械（１０）に設けられるものであって、
   前記固定スクロール（１０２）には、前記作動室（Ｖ）と前記高圧室（１０４）とを連通させる吐出ポート（１０５）、および連通路（１０６）が設けられており、
   前記吐出ポート（１０５）の前記高圧室（１０４）側に配置されて、前記吐出ポート（１０５）から吐出された前記流体が、前記高圧室（１０４）から前記作動室（Ｖ）に逆流することを防止する逆止弁（１０７ａ）と、
   前記ハウジングに摺動可能に保持されて、前記高圧室（１０４）側から前記連通路（１０６）を開閉する弁体（１０７ｄ）とを有し、
   前記弁体（１０７ｄ）は、前記連通路（１０６）が前記弁体（１０７ｄ）側で開口する面に対して略垂直方向に摺動するスプール部（１１７）と、
   前記スプール部（１１７）の先端側に設けられ、前記スプール部（１１７）と共に摺動して前記連通路（１０６）を開閉する弁部（１２７）とから成り、
   前記スプール部（１１７）と前記弁部（１２７）との間には、前記スプール部（１１７）の摺動軸に対して前記弁部（１２７）の摺動軸を任意の角度で傾斜可能とする首振り機構（１３７）が設けられており、
   前記ポンプモードが実行される時に、前記弁体（１０７ｄ）は、前記連通路（１０６）を閉じて、前記流体が前記作動室（Ｖ）で圧縮され、前記逆止弁（１０７ａ）によって前記吐出ポート（１０５）から前記高圧室（１０４）に吐出され、
   前記モータモードが実行される時に、前記弁体（１０７ｄ）は、前記連通路（１０６）を開いて、加熱された高圧の前記流体が前記高圧室（１０４）から前記連通路（１０６）を経由して前記作動室（Ｖ）に導入され、膨張されるようにしたことを特徴とする流体機械用の切替え弁構造。
2. 前記首振り機構（１３７）は、前記スプール部（１１７）および前記弁部（１２７）のうち、いずれか一方（１２７）に設けられると共に、他方（１１７）側に突出する凸部（１３７）によって形成されたことを特徴とする請求項１に記載の流体機械用の切替え弁構造。
3. 前記凸部（１３７）は、球面として形成されたことを特徴とする請求項２に記載の流体機械用の切替え弁構造。
4. 前記凸部（１３７）の球面形状は、前記スプール部（１１７）および前記弁部（１２７）のいずれか一方に圧入される球体部材（１３７）によって形成されたことを特徴とする請求項３に記載の流体機械用の切替え弁構造。
5. 前記スプール部（１１７）および前記弁部（１２７）のうち、前記凸部（１３７）が形成されない側には、前記凸部（１３７）の一部が挿入される凹部（１１７ｃ）が形成されたことを特徴とする請求項２〜請求項４のいずれかに記載の流体機械用の切替え弁構造。
6. 前記凸部（１３７）および前記凹部（１１７ｃ）は、互いに球面同士で接触するユニバーサルジョイントとして形成されたことを特徴とする請求項５に記載の流体機械用の切替え弁構造。
7. 前記スプール部（１１７）と、前記スプール部（１１７）の摺動をガイドするガイド部（１０７ｆ）との間には、シール部材（１４７）が介在されたことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかに記載の流体機械用の切替え弁機構。
8. 前記スプール部（１１７）および前記弁部（１２７）は、連結機構（１２７ａ、１５７）によって、連結されたことを特徴とする請求項１〜請求項５、請求項７のいずれかに記載の流体機械用の切替え弁構造。
9. 前記連結機構（１２７ａ、１５７）は、前記スプール部（１１７）および前記弁部（１２７）のうち、いずれか一方（１２７）側に設けられたフランジ部（１２７ａ）と、
   他方（１１７）側に設けられると共に、前記フランジ部（１２７ａ）が当接する際に前記一方（１２７）側の離脱を禁止する止め輪（１５７）とから成ることを特徴とする請求項８に記載の流体機械用の切替え弁構造。
10. 固定スクロール（１０２）と、
    前記固定スクロール（１０２）に対して旋回する旋回スクロール（１０３）と、
    前記両スクロール（１０２、１０３）の間に形成される作動室（Ｖ）と、
    前記固定スクロール（１０２）の反旋回スクロール側に設けられるハウジングによって区画形成される高圧室（１０４）とを有し、
    流体を加圧して吐出するポンプモードと、膨張時の流体圧を運動エネルギーに変換して機械的エネルギーを出力するモータモードとを兼ね備えるスクロール型流体機械（１０）に設けられるものであって、
    前記固定スクロール（１０２）には、前記作動室（Ｖ）と前記高圧室（１０４）とを連通させる吐出ポート（１０５）、および連通路（１０６）が設けられており、
    前記吐出ポート（１０５）の前記高圧室（１０４）側に配置されて、前記吐出ポート（１０５）から吐出された前記流体が、前記高圧室（１０４）から前記作動室（Ｖ）に逆流することを防止する逆止弁（１０７ａ）と、
    前記ハウジングに摺動可能に保持されて、前記高圧室（１０４）側から前記連通路（１０６）を開閉する弁体（１０７ｄ）とを有し、
    前記連通路（１０６）の前記弁体（１０７ｄ）側の開口部（１０６ａ）は、円形状に形成され、
    前記弁体（１０７ｄ）は、前記開口部（１０６ａ）の仮想面に対して略直角方向に摺動し、
    前記弁体（１０７ｄ）の前記開口部（１０６ａ）側は、前記開口部（１０６ａ）の直径より大きい直径の球面として形成されており、
    前記ポンプモードが実行される時に、前記弁体（１０７ｄ）は、前記連通路（１０６）を閉じて、前記流体が前記作動室（Ｖ）で圧縮され、前記逆止弁（１０７ａ）によって前記吐出ポート（１０５）から前記高圧室（１０４）に吐出され、
    前記モータモードが実行される時に、前記弁体（１０７ｄ）は、前記連通路（１０６）を開いて、加熱された高圧の前記流体が前記高圧室（１０４）から前記連通路（１０６）を経由して前記作動室（Ｖ）に導入され、膨張されるようにしたことを特徴とする流体機械用の切替え弁構造。
11. 前記連通路（１０６）は、前記弁体（１０７ｄ）の摺動方向に対して斜めに形成されており、
    前記開口部（１０６ａ）は、ブッシュ（１０６ｂ）によって円形状に形成されたことを特徴とする請求項１０に記載の流体機械用の切替え弁機構。
12. 前記開口部（１０６ａ）の円周上には、面取り部（１０６ｃ）が形成されたことを特徴とする請求項１０または請求項１１に記載の流体機械用の切替え弁構造。

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