膨張機付き流体ポンプおよびそれを用いたランキンサイクル
【課題】 ランキンサイクルにおける優れた効率を発揮する膨張機付き流体ポンプおよびそれを用いたランキンサイクルを提供する。
【解決手段】 液相状態の作動流体を昇圧させるポンプ１３０と、ポンプ１３０から圧送された後に、加熱されて気相状態となった作動流体の膨張によって駆動力を発生する膨張機１１０とが直列に接続された膨張機付き流体ポンプにおいて、膨張機１１０の作動流体出口側となる膨張機出口側通路１３１ｂの一部を、ポンプ１３０の作動流体出口側となるポンプ出口側通路１３１ｄの一部の近傍に配置する。
【解決手段】 液相状態の作動流体を昇圧させるポンプ１３０と、ポンプ１３０から圧送された後に、加熱されて気相状態となった作動流体の膨張によって駆動力を発生する膨張機１１０とが直列に接続された膨張機付き流体ポンプにおいて、膨張機１１０の作動流体出口側となる膨張機出口側通路１３１ｂの一部を、ポンプ１３０の作動流体出口側となるポンプ出口側通路１３１ｄの一部の近傍に配置する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ランキンサイクル中の液冷媒を圧送する流体ポンプと、過熱蒸気冷媒の膨張によって機械的エネルギーを出力する膨張機とが一体的に形成された膨張機付き流体ポンプおよびそれを用いたランキンサイクルに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特許文献１に示されるように、ボトミングサイクル（ランキンサイクル）発電システムに使用される複合流体機械（膨張機付き流体ポンプ）として、液相の作動流体を昇圧するターボポンプ（流体ポンプ）と、ターボポンプと同軸に連結され加熱用熱交換器で加熱された気相の作動流体によって膨張するタービン（膨張機）と、ターボポンプと同軸に連結され発電を行う発電機とが一体的に形成されて、タービンの作動時の回転動力によってターボポンプと発電機とが駆動されるものが知られている。
【特許文献１】特開２００４−１０８２２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記複合流体機械においては、流体ポンプ、膨張機、発電機を一体的に形成したのみであって、流体ポンプおよび膨張機を流通する作動流体の熱移動に関する配慮は何ら示されていない。
【０００４】
即ち、膨張機出口側の作動流体の熱が流体ポンプの入口側に伝わると流体ポンプに流入する作動流体の沸騰が生じ、作動流体は気相状態を含むことになり、流体ポンプにおける容積効率が低下する（キャビテーションの発生）。
【０００５】
逆に、膨張機出口側の作動流体の熱（膨張後にも残る廃熱）を更に加熱側（流体ポンプ出口側、加熱用熱交換器側）に移動させて過熱量を高めるように再利用することで、ランキンサイクルを更に効率的に運転できると考えられる。
【０００６】
本発明の目的は、上記問題に鑑み、ランキンサイクルにおける優れた効率を発揮する膨張機付き流体ポンプおよびそれを用いたランキンサイクルを提供することにある。
【０００７】
また、本発明の他の目的は、膨張仕事後の膨張機出口側冷媒の熱を流体ポンプ出口側冷媒に伝達することのできる膨張機付き流体ポンプおよびそれを用いたランキンサイクルを提供することにある。
【０００８】
また、本発明の他の目的は、流体ポンプ入口側冷媒への熱伝達を低減できる膨張機付き流体ポンプおよびそれを用いたランキンサイクルを提供することにある。
【０００９】
また、本発明の他の目的は、発電機に起因する熱を流体ポンプ出口側冷媒に伝達できる膨張機付き流体ポンプおよびそれを用いたランキンサイクルを提供することにある。
【００１０】
また、本発明の他の目的は、信頼性の高い膨張機付き流体ポンプおよびそれを用いたランキンサイクルを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
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。
【００１２】
請求項１に記載の発明では、液相状態の作動流体を昇圧させるポンプ（１３０）と、ポンプ（１３０）から圧送された後に、加熱されて気相状態となった作動流体の膨張によって駆動力を発生する膨張機（１１０）とが直列に接続された膨張機付き流体ポンプにおいて、膨張機（１１０）の作動流体出口側となる膨張機出口側通路（１３１ｂ）の一部を、ポンプ（１３０）の作動流体出口側となるポンプ出口側通路（１３１ｄ）の一部の近傍に配置したことを特徴としている。
【００１３】
これにより、膨張仕事を終えて膨張機出口側通路（１３１ｂ）を流通する作動流体の熱をポンプ出口側通路（１３１ｄ）を流通する作動流体に伝達させることができるので、膨張機（１１０）の流入側となる作動流体の過熱量を増加させることができ、膨張機（１１０）での膨張仕事を増加させることができる。即ち、ランキンサイクル（４０）に用いられて、優れた効率を発揮する膨張機付き流体ポンプ（１００）とすることができる。
【００１４】
請求項２に記載の発明では、ポンプ（１３０）の作動流体入口側となるポンプ入口側通路（１３２ｄ）に対して、ポンプ出口側通路（１３１ｄ）は、膨張機（１１０）側に配置されたことを特徴としている。
【００１５】
これにより、ポンプ出口側通路（１３１ｄ）と膨張機出口側通路（１３１ｂ）とを容易に近接配置させることができる。また、膨張機出口側通路（１３１ｂ）を流通する作動流体の熱がポンプ入口側通路（１３２ｄ）を流通する作動流体に伝達するのを抑制することができるので、ポンプ（１３０）へ流入する作動流体が沸騰するのを防止してポンプ（１３０）の容積効率を向上させることかできる。
【００１６】
請求項３に記載の発明のように、ポンプ（１３０）をスクロール型ポンプとして、作動流体を中心側から吸入し、外周側から吐出するようにすることで請求項１または請求項２に記載の膨張機付き流体ポンプ（１００）を容易に形成できる。
【００１７】
請求項４に記載の発明では、液相状態の作動流体を昇圧させるポンプ（１３０）と、ポンプ（１３０）から圧送された後に、加熱されて気相状態となった作動流体の膨張によって駆動力を発生する膨張機（１１０）とが直列に接続された膨張機付き流体ポンプにおいて、ポンプ（１３０）の作動室（Ｐ）周囲を高圧室（１３９）の雰囲気で囲み、高圧室（１３９）と大気間をハウジング（１３１Ａ）で遮断することを特徴としている。
【００１８】
これにより、膨張機（１１０）側の作動流体の熱をポンプ（１３０）の高圧室（１３９）を流通する作動流体に伝達させることができるので、膨張機（１１０）の流入側となる作動流体の過熱量を増加させることができ、膨張機（１１０）での膨張仕事を増加させることができる。即ち、ランキンサイクル（４０）に用いられて、優れた効率を発揮する膨張機付き流体ポンプ（１００）とすることができる。また、膨張機（１１０）側の作動流体の熱がポンプ（１３０）の作動室（Ｐ）を流通する作動流体に伝達するのを抑制することができるので、ポンプ（１３０）へ流入する作動流体が沸騰するのを防止してポンプ（１３０）の容積効率を向上させることかできる。
【００１９】
請求項５に記載の発明のように、ポンプ（１３０）をローリングピストン型ポンプとすることで、請求項４に記載の膨張機付き流体ポンプ（１００）を容易に形成できる。
【００２０】
請求項６に記載の発明では、高圧室（１３９）は、ポンプ（１３０）の作動流体出口側となるポンプ出口側通路（１３１ｄ）に相当し、膨張機（１１０）の作動流体出口側となる膨張機出口側通路（１３１ｂ）の一部を、ポンプ出口側通路（１３１ｄ）の一部の近傍に配置したことを特徴としている。
【００２１】
これにより、膨張仕事を終えて膨張機出口側通路（１３１ｂ）を流通する作動流体の熱をポンプ出口側通路（１３１ｄ）を流通する作動流体に伝達させることができるので、請求項１に記載の膨張機付き流体ポンプ（１００）と同等の効果を得ることができる。
【００２２】
請求項７に記載の発明では、ポンプ出口側通路（１３１ｄ）は、ポンプ（１３０）の径方向外側にほぼ環状に配置されており、膨張機出口側通路（１３１ｂ）もポンプ出口側通路（１３１ｄ）に隣接してほぼ環状に配置されていることを特徴としている。
【００２３】
これにより、両者の通路（１３１ｄ、１３１ｂ）の長さを長くすることができるので、膨張機出口側通路（１３１ｂ）を流通する作動流体からポンプ出口側通路（１３１ｄ）を流通する作動流体への熱移動量を増加させることができる。
【００２４】
請求項８に記載の発明では、ポンプ出口側通路（１３１ｄ）と、膨張機出口側通路（１３１ｂ）とを区画する壁（１３１ｅ）が設けられ、壁（１３１ｅ）の一方面には、壁面積を増大するフィン（１３１ｆ）が設けられたことを特徴としている。
【００２５】
これにより、壁（１３１ｅ）の表面積を増大させて、膨張機出口側通路（１３１ｂ）を流通する作動流体からポンプ出口側通路（１３１ｄ）を流通する作動流体への熱移動量を増加させることができる。
【００２６】
請求項９に記載の発明では、フィン（１３１ｆ）は、ポンプ出口側通路（１３１ｄ）と膨張機出口側通路（１３１ｂ）とが近接する部位のほぼ全領域に設けられたことを特徴としている。
【００２７】
これにより、請求項８に記載の発明における熱移動量を更に増加させることができる。
【００２８】
請求項１０に記載の発明では、ポンプ（１３０）の作動流体入口側となるポンプ入口側通路（１３２ｄ）と、ポンプ出口側通路（１３１ｄ）との間には、両者（１３２ｄ、１３１ｄ）間の熱伝達を抑制する断熱材（１６０）が挿入されたことを特徴としている。
【００２９】
これにより、ポンプ出口側通路（１３１ｄ）を流通する作動流体の熱がポンプ入口側通路（１３２ｄ）を流通する作動流体に伝達するのを抑制することができるので、ポンプ（１３０）へ流入する作動流体が沸騰するのを防止してポンプ（１３０）の容積効率を向上させることかできる。
【００３０】
断熱材（１６０）は、請求項１１に記載の発明のように、ポンプ入口側通路（１３２ｄ）を形成する入口側ハウジング（１３２）と、ポンプ出口側通路（１３１ｄ）を形成する出口側ハウジング（１３１）との分割面に介在されるガスケット（１６０）とすることができる。
【００３１】
請求項１２に記載の発明では、ポンプ（１３０）と膨張機（１１０）との間に、膨張機（１１０）の駆動力によって作動されて発電する発電機（１２０）が設けられたことを特徴としている。
【００３２】
これにより、膨張機（１１０）で得られた駆動力によって発電機（１２０）を作動させて発電することができる。
【００３３】
請求項１３に記載の発明では、膨張機出口側通路（１３１ｂ）は、発電機（１２０）の内部を通ってポンプ出口側通路（１３１ｄ）近傍に達することを特徴としている。
【００３４】
これにより、膨張機（１１０）を流出した作動流体によって、発電機（１２０）の冷却が可能となり、発電機（１２０）の信頼性を向上できる。また、ポンプ出口側通路（１３１ｄ）を流通する作動流体に対しては、発電機（１２０）からの吸熱分も合わせて伝達させることができるので、膨張機（１１０）の流入側となる作動流体の過熱量を増加させることができ、膨張機（１１０）の膨張仕事を更に増加させることができる。
【００３５】
請求項１４に記載の発明では、発電機（１２０）の発熱部（１２）は、ポンプ出口側通路（１３１ｄ）の近傍に配置されたことを特徴としている。
【００３６】
これにより、発熱部（１２）の熱をポンプ出口側通路（１３１ｄ）を流通する作動流体に伝達させることができるので、膨張機（１１０）の流入側となる作動流体の過熱量を増加させることができ、膨張機（１１０）の膨張仕事を更に増加させることができる。また、発熱部（１２）にとっては冷却されることになるので、発熱部（１２）の信頼性を向上させることができる。
【００３７】
請求項１５記載の発明のように、発熱部（１２）が発電機（１２０）の発電機ハウジング（１２１）の外周部に設けられている場合には、ポンプ出口側通路（１３１ｄ）は、発熱部（１２）と発電機ハウジング（１２１）との間を通過するように配置されると良い。
【００３８】
請求項１６記載の発明では、発熱部（１２）は、発電機（１２０）の作動を制御するインバータ（１２）であり、インバータ（１２）内のスイッチング素子（１２ａ）は、ポンプ出口側通路（１３１ｄ）に近い側に配置されていることを特徴としている。
【００３９】
これにより、特に発熱量の多いスイッチング素子（１２ａ）の熱を効果的にポンプ出口側通路（１３１ｄ）を流通する作動流体に伝達させることができる。また、スイッチング素子（１２ａ）を効果的に冷却できる。
【００４０】
上記請求項１〜請求項１６に記載の膨張機付き流体ポンプ（１００）の膨張機（１１０）、ポンプ（１３０）は、請求項１７に記載の発明のように、発熱機器（１０）の廃熱を加熱源とするランキンサイクル（４０）に使用されて好適である。
【００４１】
そして、請求項１８に記載の発明のように、発熱機器（１０）は、熱機関（１０）を対象として好適である。
【００４２】
尚、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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４３】
（第１実施形態）
本実施形態は、本発明に係る膨張機付き流体ポンプを熱媒ポンプ一体型膨張発電機兼電動圧縮機（以下、複合流体機械と呼ぶ）１００に適用し、この複合流体機械１００を、冷凍サイクル３０にランキンサイクル４０が設けられた車両用の冷凍装置１に使用している。
【００４４】
複合流体機械１００は、膨張機兼圧縮機１１０、モータジェネレータ１２０、熱媒ポンプ１３０が一体的に形成されたもので、膨張機兼圧縮機１１０（圧縮モード時の圧縮機）が冷凍サイクル３０に組み込まれ、また、膨張機兼圧縮機１１０（膨張モード時の膨張機）と熱媒ポンプ１３０とがランキンサイクル４０に組み込まれるようにしている。まず、冷凍装置１について図１を用いて説明する。
【００４５】
冷凍装置１の冷凍サイクル３０は、低温側の熱を高温側に移動させて冷熱および温熱を空調に利用するもので、膨張機兼圧縮機１１０、凝縮器３１、気液分離器３２、減圧器３３、蒸発器３４等が環状に接続されて形成されている。
【００４６】
凝縮器３１は、圧縮モード時の膨張機兼圧縮機１１０の冷媒吐出側に設けられ、高温高圧に圧縮された冷媒を冷却して、凝縮液化する熱交換器である。尚、ファン３１ａは、凝縮器３１に冷却風（車室外空気）を送るものである。
【００４７】
気液分離器３２は、凝縮器３１で凝縮された冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して液相冷媒を流出させるレシーバである。減圧器３３は、気液分離器３２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、圧縮モード時の膨張機兼圧縮機１１０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。
【００４８】
蒸発器３４は、減圧器３３にて減圧された冷媒を蒸発させて吸熱作用を発揮する熱交換器であり、ファン３４ａによって供給される車室外空気（外気）あるいは車室内空気（内気）を冷却する。そして、蒸発器３４の冷媒流出側には、蒸発器３４側から膨張機兼圧縮機１１０側にのみ冷媒が流れることを許容する逆止弁３４ｂが設けられている。
【００４９】
ランキンサイクル４０は、車両の走行用動力を発生させるエンジン（本発明における発熱機器、熱機関に対応）１０で発生した廃熱からエネルギー（膨張機兼圧縮機１１０の膨張モード時における駆動力）を回収するものである。ランキンサイクル４０は、上記冷凍サイクル３０に対して、凝縮器３１が共用されると共に、この凝縮器３１をバイパスするように気液分離器３２から膨張機兼圧縮器１１０および凝縮器３１の間（Ａ点）に接続される第１バイパス流路４１と、膨張機兼圧縮機１１０および逆止弁３４ｂの間（Ｂ点）から凝縮器３１およびＡ点の間（Ｃ点）に接続される第２バイパス流路４２とが設けられて、以下のように形成されている。
【００５０】
即ち、第１バイパス流路４１には、複合流体機械１００の熱媒ポンプ１３０が配設されると共に、気液分離器３２側から熱媒ポンプ１３０側にのみ冷媒（本発明における液相状態の作動流体に対応）が流れることを許容する逆止弁４１ａが設けられている。また、Ａ点と膨張機兼圧縮機１１０との間に加熱器４３が設けられている。
【００５１】
加熱器４３は、熱媒ポンプ１３０から送られる冷媒とエンジン１０における温水回路２０のエンジン冷却水（温水）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り、三方弁２１によりエンジン１０から流出したエンジン冷却水を加熱器４３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の流路切替えは、図示しない制御装置によって行われるようになっている。
【００５２】
尚、エンジン１０には、エンジン１０の駆動力によって駆動され発電するオルタネータ１１が設けられており、オルタネータ１１によって発電された電力は、インバータ１２を介して、バッテリ１３に充電されるようになっている。
【００５３】
また、水ポンプ２２は温水回路２０内でエンジン冷却水を循環させるポンプ（例えば、エンジン１０によって駆動される機械式ポンプ、あるいは電動モータによって駆動される電動式ポンプ）であり、ラジエータ２３はエンジン冷却水と外気との間で熱交換してエンジン冷却水を冷却する熱交換器である。
【００５４】
そして、第２バイパス流路４２には、膨脹機兼圧縮機１１０側から凝縮器３１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４２ａが設けられている。また、Ａ点とＣ点との間には開閉弁４４が設けられている。開閉弁４４は、冷媒流路を開閉する電磁式のバルブであり、図示しない制御装置により制御されるようになっている。
【００５５】
上記気液分離器３２、第１バイパス流路４１、熱媒ポンプ１３０、加熱器４３、膨張機兼圧縮機１１０、第２バイパス流路４２、凝縮器３１等にてランキンサイクル４０が形成される。
【００５６】
次に、複合流体機械１００の構成について図２を用いて説明する。複合流体機械１００は、圧縮機および膨張機の両機能を有する膨張機兼圧縮機（本発明における膨張機に対応）１１０と、発電機および電動機としての両機能を有するモータジェネレータ（本発明においける発電機に対応）１２０と、熱媒ポンプ（本発明におけるポンプに対応）１３０とから成る。
【００５７】
膨張機兼圧縮機１１０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、膨張圧縮機ハウジング１１１を成すフロントハウジング１１１ａとシャフトハウジング１１１ｂとの間に固定される固定スクロール１１２、この固定スクロール１１２に対向して旋回変位する旋回スクロール１１３、作動室Ｖと高圧室１１４とを連通させる吐出ポート１１５、および流入ポート１１６を開閉する弁機構１１７等から成るものである。
【００５８】
固定スクロール１１２は、板状の基板部１１２ａおよび基板部１１２ａ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、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、およびこの歯部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により形成される作動室Ｖの体積が拡大縮小するようになっている。
【００５９】
シャフト１１８は、シャフトハウジング１１１ｂに固定された軸受け１１８ｂによって回転可能に支持されて、一方の長手方向端部に回転中心軸に対して偏心したクランク部１１８ａを有するクランクシャフトである。このクランク部１１８ａは、ベアリング１１３ｃを介して旋回スクロール１１３に連結されている。
【００６０】
また、自転防止機構１１９は、シャフト１１８が１回転する間に旋回スクロール１１３がクランク部１１８ａ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１１８が回転すると、旋回スクロール１１３は、自転せずにシャフト１１８の回転中心軸周りを公転旋回する。そして、作動室Ｖは、例えばシャフト１１８が正方向に回転する時に、旋回スクロール１１３の外径側から中心側に変位するほど、その体積が縮小するように変化し、逆に、シャフト１１８が逆方向に回転する時に、旋回スクロール１１３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。
【００６１】
吐出ポート１１５は、基板部１１２ａの中心部に設けられて、膨張機兼圧縮機１１０が圧縮機として作動する時（以下、圧縮モード時）に、最小体積となる作動室Ｖと、フロントハウジング１１１ｂに設けられた高圧室１１４とを連通させて圧縮された冷媒を吐出するポートである。また、流入ポート１１６は、同様に基板部１１２ａに（吐出ポート１１５に隣接して）設けられて、膨張機兼圧縮機１１０が膨張機として作動する時（以下、膨張モード時）に、高圧室１１４と、最小体積となる作動室Ｖとを連通させて高圧室１１４に導入された高温、高圧の冷媒、つまり過熱蒸気冷媒（本発明における気相状態となった作動流体に対応）を作動室Ｖに導くポートである。
【００６２】
上記高圧室１１４は、吐出ポート１１５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１１４には、後述する加熱器４３および凝縮器３１側に接続される高圧ポート１１１ｃが設けられている。
【００６３】
尚、蒸発器３４および第２バイパス流路４２側に接続される低圧ポート１３１ａは、後述する熱媒ポンプ１３０のポンプハウジング１３１に設けられている。この低圧ポート１３１ａと膨張機兼圧縮機１１０の両スクロール１１２、１１３の低圧側（スクロールの外周側）との間は、シャフトハウジング１１１ｂに設けられた連通路１１１ｄ（１箇所）と、後述するモータハウジング１２１に設けられた連通路１２１ａ（２箇所）とによって連通されており、膨張機出口側通路１３１ｂを形成している。即ち、膨張機出口側通路１３１ｂは、モータジェネレータ１２０の内部を通って低圧ポート１３１ａに繋がっている。膨張機出口側通路１３１ｂの詳細については、熱媒ポンプ１３０のポンプ出口側通路１３１ｄと共に後述する。
【００６４】
弁機構１１７は、吐出弁１１７ａ、弁体１１７ｄ、電磁弁１１７ｆ等から成る。吐出弁１１７ａは、吐出ポート１１５の高圧室１１４側に配置されて吐出ポート１１５から吐出された冷媒が高圧室１１４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１１７ｂは吐出弁１１７ａの最大開度を規制する弁止板であり、吐出弁１１７ａおよびストッパ１１７ｂはボルト１１７ｃによって基板部１１２ａに固定されている。
【００６５】
弁体１１７ｄは、流入ポート１１６を開閉して膨張機兼圧縮機１１０の圧縮モードと膨張モードとを切替える切替え弁であり、その後端側がフロントハウジング１１１ａに設けられた背圧室１１７ｅに沿って、摺動可能に配設されている。背圧室１１７ｅ内にはバネ（弾性手段）１１７ｆが挿入されており、バネ１１７ｆは弁体１１７ｄの先端側が流入ポート１１６を閉じる方向に弾性力を作用させるようになっている。また、フロントハウジング１１１ａには、所定の通路抵抗を有して背圧室１１７ｅと高圧室１１４とを連通させる抵抗手段としての絞り１１７ｇが設けられている。尚、弁体１１７ｄが流入ポート１１６を閉じた時の両者間のシール性を向上させるために、弁体１１７ｄの先端側は任意の角度で傾斜可能となるようにしている。
【００６６】
電磁弁１１７ｈは、低圧ポート１３１ａ側と背圧室１１７ｅとの連通状態を制御することにより背圧室１１７ｅ内の圧力を制御する制御弁であり、図示しない制御装置によって制御される。
【００６７】
そして、電磁弁１１７ｈを開くと、背圧室１１７ｅの圧力が高圧室１１４より低下して弁体１１７ｄがバネ１１７ｆ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１１６が開く。尚、絞り１１７ｇでの圧力損失は非常に大きいので、高圧室１１４から背圧室１１７ｅに流れ込む冷媒量は無視できるほど小さい。
【００６８】
逆に、電磁弁１１７ｈを閉じると、絞り１１７ｇによって背圧室１１７ｅの圧力と高圧室１１４の圧力とが等しくなり、弁体１１７ｄはバネ１１７ｆの弾性力により図２中の左側に変位するので、流入ポート１１６が閉じる。つまり、弁体１１７ｄ、背圧室１１７ｅ、バネ１１７ｆ、絞り１１７ｇ、および電磁弁１１７ｈ等により流入ポート１１６を開閉するパイロット式の電気開閉弁が構成される。
【００６９】
モータジェネレータ１２０は、ステータ１２２およびステータ１２２内で回転するロータ１２３等から成るもので、シャフトハウジング１１１ｂに固定されるモータハウジング１２１内（膨張機兼圧縮機１１０の低圧側雰囲気）に収容されている。ステータ１２２は、巻き線が巻かれたステータコイルであり、モータハウジング１２１の内周面に固定されている。ロータ１２３は、永久磁石が埋設されたマグネットロータであり、モータ軸１２４に固定されている。モータ軸１２４の一端側は、上記膨張機兼圧縮機１１０のシャフト１１８に接続されており、また、他端側は、直径が細くなるように形成されて、後述する熱媒ポンプ１３０のポンプ軸１３４に接続されている。
【００７０】
そして、モータジェネレータ１２０は、バッテリ１３からインバータ１２を介して、ステータ１２２に電力が供給された場合には、ロータ１２３を回転（正方向回転）させて、膨張機兼圧縮機１１０を（圧縮機として）駆動するモータ（電動機）として作動する。あるいは、ロータ１２３を回転（逆方向回転）させて、後述する熱媒ポンプ１３０を駆動するモータ（電動機）として作動する。また、膨張機兼圧縮機１１０の膨張モード時に発生した駆動力によってロータ１２３を回転させるトルクが入力された場合（逆方向回転時）には、電力を発生させるジェネレータ（発電機）として作動する。そして、得られた電力は、インバータ１２を介してバッテリ１３に充電されるようになっている。
【００７１】
熱媒ポンプ１３０は、モータジェネレータ１２０の反膨張機側に配設されて、モータハウジング１２１に固定されるポンプハウジング（本発明における出口側ハウジングに対応）１３１内に収容されている。
【００７２】
熱媒ポンプ１３０は、上記膨張機兼圧縮機１１０と同様に、基板部１３２ａ、歯部１３２ｂから成る固定スクロール１３２と、基板部１３３ａ、歯部１３３ｂから成る旋回スクロール１３３とを有している。固定スクロール（本発明における入口側ハウジングに対応）１３２は、ポンプハウジング１３１に固定されて熱媒ポンプ１３０の端部側を形成しており、旋回スクロール１３３は、ポンプハウジング１３１と固定スクロール１３２とによって形成される空間内に配設されている。尚、旋回スクロール１３３は、自転防止機構１３５によって、自転が防止されつつ、公転旋回可能となっている。
【００７３】
固定スクロール１３２の中心部には、吸入ポート１３２ｃが設けられており、気液分離器３２側と接続されるようになっている。両スクロール１３２、１３３の歯部１３２ｂ、１３３ｂの間には、ポンプ入口側通路１３２ｄ（作動室Ｐ）が形成され、また、ポンプハウジング１３１内周側と旋回スクロール１３３の外周側との間には環状となるポンプ出口側通路１３１ｄが形成されている。ポンプハウジング１３１には低圧ポート１３１ａと対向するように吐出ポート１３１ｃが設けられており、上記吸入ポート１３２ｃ、ポンプ入口側通路１３２ｄ、ポンプ出口側通路１３１ｄ、吐出ポート１３１ｃは順に繋がっており、吐出ポート１３１ｃは、加熱器４３側と接続されている。
【００７４】
ポンプ軸１３４は、ポンプハウジング１３１に固定された軸受け１３４ｃによって回転可能に支持されて、一方の長手方向端部に回転中心軸に対して偏心したクランク部１３４ａを有し、ブッシング１３４ｂ、ベアリング１３３ｃを介して旋回スクロール１３３に連結されている。また、ポンプ軸１３４の他方の長手方向端部は、モータ軸１２４の他端側と接続されている。ここで、ポンプ軸１３４の他方側には、穴部１３４ｄが設けられており、直径が細く形成されたモータ軸１２４の他端側が挿入されている。そして、モータ軸１２４とポンプ軸１３４との間には、一方向クラッチ１４０が設けられている。この一方向クラッチ１４０は、モータ軸１２４が正方向回転した時に、ポンプ軸１３４との噛み合いが外れて、モータ軸１２４とポンプ軸１３４とが切断され（ポンプ軸１３４は回転されない）、また、モータ軸１２４が逆方向回転した時に、ポンプ軸１３４に噛み合うことで、ポンプ軸１３４を回転させるものとしている。
【００７５】
そして、モータハウジング１２１とポンプ軸１３４との間には、モータジェネレータ１２０と熱媒ポンプ１３０（ポンプ出口側通路１３１ｄとなる高圧側）との間をシールする軸封装置としての軸シール１５０が設けられている。
【００７６】
本複合流体機械１００においては、膨張機兼圧縮機１１０の膨張機出口側通路１３１ｂ、熱媒ポンプ１３０のポンプ入口側通路１３２ｄ、ポンプ出口側通路１３１ｄの配置に特徴を持たせている。
【００７７】
即ち、低圧ポート１３１ａと吐出ポート１３１ｃとをポンプハウジング１３１に設けるようにしており、また、熱媒ポンプ１３０のポンプ出口側通路１３１ｄをポンプ入口側通路１３２ｄに対して、膨張機兼圧縮機１１０（モータジェネレータ１２０）側にしていることから、膨張機出口側通路１３１ｂの一部がポンプ出口側通路１３１ｄの一部の近傍となるように配置されている。よって、膨張機出口側通路１３１ｂとポンプ入口側通路１３２ｄとは、ポンプ出口側通路１３１ｄを介して離れて配置されている。
【００７８】
また、環状に形成されたポンプ出口側通路１３１ｄに合わせて、膨張機出口側通路１３１ｂも連通路１２１ａと低圧ポート１３１ａとの間で、環状となるように形成されている。そして、ポンプ出口側通路１３１ｄと膨張機出口側通路１３１ｂとを区画する壁１３１ｅには、この壁１３１ｅの表面積を増大させるフィン１３１ｆが、膨張機出口側通路１３１ｂの環状となる部位の全領域に渡って設けられている。
【００７９】
また、ポンプ出口側通路１３１ｄとポンプ入口側通路１３２ｄとの間には断熱材１６０が介在されるようにしている。具体的には、断熱材１６０をガスケット１６０として形成して、ガスケット１６０がポンプハウジング１３１（出口側ハウジング）と固定スクロール１３２（入口側ハウジング）との分割面に介在されるようにしている。ガスケット１６０は、ポンプハウジング１３１、固定スクロール１３２を形成する金属材（例えばアルミニウム材）よりも熱伝導率の低いものであって、例えばゴム材や樹脂材等から成る。
【００８０】
次に、本実施形態における複合流体機械１００の作動およびその作用効果について説明する。
【００８１】
１．圧縮モード
このモードは、冷凍サイクル３０による冷房が必要な時に、モータジェネレータ１２０をモータとして作動させ、モータ軸１２４に回転力（正方向回転）を与えることにより膨張機兼圧縮機１１０の旋回スクロール１１３を旋回させて冷媒を吸入圧縮する運転モードである。
【００８２】
具体的には、図示しない制御装置は、開閉弁４４を開き、三方弁２１の切替えによって、エンジン冷却水が加熱器４３側に循環しないようにする。また、電磁弁１１７ｈを閉じて、弁体１１７ｄによって流入ポート１１６を閉じた状態で、バッテリ１３、インバータ１２からモータジェネレータ１２０のステータ１２２に電力を供給して、モータ軸１２４を回転させる。
【００８３】
この時、膨脹機兼圧縮機１１０は、周知のスクロール型圧縮機と同様に、低圧ポート１３１ａから冷媒を吸引して（膨張機出口側通路１３１ｂを経由して）作動室Ｖにて圧縮した後、吐出ポート１１５から高圧室１１４に圧縮した冷媒を吐出し、高圧ポート１１１ｃから圧縮された冷媒を凝縮器３１側に吐出する。
【００８４】
そして、高圧ポート１１１ｃから吐出された冷媒は、加熱器４３→開閉弁４４→凝縮器３１→気液分離器３２→減圧器３３→蒸発器３４→逆止弁３４ｂ→膨脹機兼圧縮機１１０の低圧ポート１３１ａの順に循環（冷凍サイクル３０を循環）し、蒸発器３４の吸熱による冷房が行われる。尚、加熱器４３にはエンジン冷却水が循環しないので、加熱器４３において冷媒は加熱されず、加熱器４３は単なる冷媒流路として機能する。また、熱媒ポンプ１３０のポンプ軸１３４は、一方向クラッチ１４０によってモータ軸１２４との噛み合いが外れるので、熱媒ポンプ１３０は停止状態となって、モータジェネレータ１２０における作動抵抗とならない。尚、この間、低圧ポート１３１ａから吸入される低温低圧の冷媒によって、熱媒ポンプ１３０内の冷媒は冷却されることになる。
【００８５】
２．膨張モード
このモードは、冷凍サイクル３０による冷房が不要の時に、エンジン１０の廃熱が充分得られる（エンジン冷却水温度が充分高い）場合に、加熱器４３によって加熱された高圧の過熱蒸気冷媒を膨張機兼圧縮機１１０に導入して膨脹させることにより、旋回スクロール１１３を旋回させてモータ軸１２４を回転させ、駆動力（機械的エネルギー）を得る運転モードである。尚、得られた駆動力によりモータジェネレータ１２０のロータ１２３を回転させて発電を行い、その発電された電力をバッテリ１３に充電するようにしている。
【００８６】
具体的には、図示しない制御装置は、開閉弁４４を閉じ、三方弁２１の切替えによって、エンジン冷却水が加熱器４３側に循環するようにする。また、モータジェネレータ１２０をモータとして作動させ（逆方向回転）、電磁弁１１７ｈを開いて弁体１１７ｄによって流入ポート１１６を開く。
【００８７】
この時、熱媒ポンプ１３０のポンプ軸１３４が一方向クラッチ１４０によってモータ軸１２４と噛み合い、熱媒ポンプ１３０が駆動される。そして、加熱器４３によって加熱された高圧の過熱蒸気冷媒が、高圧ポート１１１ｃ、高圧室１１４、流入ポート１１６を経由して作動室Ｖに導入されて膨脹する。過熱蒸気冷媒の膨脹により旋回スクロール１１３が圧縮モード時に対して逆方向に旋回し、シャフト１１８に与えられた駆動力は、モータジェネレータ１２０のモータ軸１２４、ロータ１２３に伝達される。そして、モータ軸１２４に伝達された駆動力が熱媒ポンプ１３０駆動のための駆動力を超えると、モータジェネレータ１２０は、ジェネレータとして作動することになり、得られた電力はインバータ１２を介してバッテリ１３に充電される。
【００８８】
そして、膨脹を終えて圧力が低下した冷媒は、膨張機出口側通路１３１ｂを経由して、低圧ポート１３１ａから流出される。低圧ポート１３１ａから流出される冷媒は、第２バイパス流路４２→逆止弁４２ａ→凝縮器３１→気液分離器３２→第１バイパス流路４１→逆止弁４１ａ→熱媒ポンプ１３０（吸入ポート１３２ｃ→ポンプ入口側通路１３２ｄ→ポンプ出口側通路１３１ｄ→吐出ポート１３１ｃ）→加熱器４３→膨脹機兼型圧縮機１１０（高圧ポート１１１ｃ）の順に循環することになる（ランキンサイクル４０を循環）。尚、熱媒ポンプ１３０は、加熱器４３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気液分離器３２からの液相冷媒を加熱器４３に送り込む。
【００８９】
上記冷媒の循環において、膨張機出口側通路１３１ｂを流通する冷媒の熱は、フィン１３１ｆ、壁１３１ｅを介してポンプ出口側通路１３１ｄを流通する冷媒に積極的に伝達される。逆に言うと、膨張機出口側通路１３１ｂを流通する冷媒の熱がポンプ入口側通路１３２ｄを流通する冷媒に伝達されるのが抑制される。また、ガスケット１６０によって、ポンプ出口側通路１３１ｄを流通する冷媒の熱が、ポンプ入口側通路１３２ｄを流通する冷媒に伝達されるのが抑制される。
【００９０】
以上のように、本実施形態の複合流体機械１００においては、冷房が不要であって、エンジン１０の廃熱が充分に得られる場合は、膨張機兼圧縮機１１０の膨張モードによる駆動力でモータジェネレータ１２０をジェネレータとして作動させて、発電することが可能となり、廃熱エネルギーを電気エネルギーとして回生することを可能としている。この時、本来の発電用のオルタネータ１１を作動させるための動力を低減でき、エンジン１０の燃費を向上できる。併せて、膨張機兼圧縮機１１０の膨張モード時の駆動力によって、熱媒ポンプ１３０の駆動を可能としており、熱媒ポンプ１３０作動用の専用駆動源を不要とすることができる。
【００９１】
そして、エンジン１０の廃熱の有無に関わらず、モータジェネレータ１２０をモータとして作動させることで、膨張機兼圧縮機１１０の圧縮モードの実行を可能としている。この時、膨張機兼圧縮機１１０自信が圧縮機となるので、膨張機がモータジェネレータ１２０の作動抵抗となることが無い。
【００９２】
ここで、膨張機出口側通路１３１ｂとポンプ出口側通路１３１ｄとを近接させることで、膨張仕事を終えて膨張機出口側通路１３１ｂを流通する冷媒の熱を、ポンプ出口側通路１３１ｄを流通する冷媒に伝達させることができるので、膨張機兼圧縮機１１０の流入側（加熱器４３側）となる冷媒の過熱量を増加させることができ、膨張機兼圧縮機１１０での膨張仕事を増加させることができる。即ち、ランキンサイクル４０において、優れた効率を発揮する複合流体機械１００とすることができる。
【００９３】
併せて、膨張機出口側通路１３１ｂを流通する冷媒の熱が、ポンプ入口側通路１３２ｄを流通する冷媒に伝達するのを抑制することができ、熱媒ポンプ１３０へ流入する冷媒が沸騰するのを防止して熱媒ポンプ１３０の容積効率を向上させることかできる。
【００９４】
また、熱媒ポンプ１３０をスクロール型として、冷媒を中心側から吸入し、外周側から吐出するようにすると共に、ポンプ出口側通路１３１ｄが膨張機兼圧縮機１１０側に配置されるようにしているので、ポンプ出口側通路１３１ｄと膨張機出口側通路１３１ｂとを容易に近接配置させることができる。
【００９５】
また、膨張機出口側通路１３１ｂの一部と、ポンプ出口側通路１３１ｄとを共に環状の通路として形成して、互いに近接するようにしているので、両者の通路１３１ｂ、１３１ｄの長さを長くすることができ、膨張機出口側通路１３１ｂを流通する冷媒からポンプ出口側通路１３１ｄを流通する冷媒への熱移動量を増加させることができる。
【００９６】
また、膨張機出口側通路１３１ｂの一部と、ポンプ出口側通路１３１ｄとを区画する壁１３１ｅにフィン１３１ｆを設けるようにしているので、壁１３１ｅの表面積を増大させて、膨張機出口側通路１３１ｂを流通する冷媒からポンプ出口側通路１３１ｄを流通する冷媒への熱移動量を増加させることができる。このフィン１３１ｆは、膨張機出口流路１３１ｂの環状となる部位のほぼ全領域に設けることで、熱移動量を更に増加させることができる。
【００９７】
また、ポンプ出口側通路１３１ｄとポンプ入口側通路１３２ｄとの間に断熱材としてのガスケット１６０を介在させるようにしているので、ポンプ出口側通路１３１ｄを流通する冷媒の熱がポンプ入口側通路１３２ｄを流通する冷媒に伝達するのを抑制することができ、熱媒ポンプ１３０へ流入する冷媒が沸騰するのを防止して熱媒ポンプ１３０の容積効率を向上させることかできる。
【００９８】
また、膨張機出口側通路１３１ｂがモータジェネレータ１２０の内部を通るようにしているので、膨張機兼圧縮機１１０を流出した冷媒によって、モータジェネレータ１２０の冷却が可能となり、モータジェネレータ１２０の信頼性を向上できる。また、ポンプ出口側通路１３１ｄを流通する冷媒に対しては、モータジェネレータ１２０からの吸熱分も合わせて伝達させることができるので、膨張機兼圧縮機１１０の流入側（加熱器４３側）となる冷媒の過熱量を増加させることができ、膨張機兼圧縮機１１０の膨張仕事を増加させることができる。
【００９９】
尚、車両始動後でポンプ入口側通路１３２ｄの冷媒の温度が高く（気相状態を含む冷媒温度となっている時）、熱媒ポンプ１３０がキャビテーションを起し、ランキンサイクル４０をスムースに作動できない場合は、一旦、冷凍サイクル３０を所定時間作動させ（膨張機兼圧縮機１１０を圧縮モードで作動）、低温低圧の冷媒を低圧ポート１３１ａから吸入させて、ポンプ入口側通路１３２ｄ内の冷媒を冷却してやると良い。また、ランキンサイクル４０の作動中にもポンプ入口側通路１３２ｄ内を流通する冷媒温度が上昇して、熱媒ポンプ１３０にキャビテーションが生ずる場合にも、その都度、所定時間冷凍サイクル３０を作動させるようにしてやると良い。
【０１００】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態を図３、図４に示す。第２実施形態は上記第１実施形態に対して、冷凍装置１において冷凍サイクル３０を廃止して、複合流体機械１００Ａに専用の膨張機１１０Ａを設けたものとしている。そして、インバータ（本発明における発熱部に対応）１２がモータジェネレータ１２０Ａに一体的に形成されるようにしており、ポンプ出口側通路１３１ｄの形状を変更している。
【０１０１】
インバータ１２は、モータジェネレータ１２０のモータハウジング１２１の外周部に設けられており、インバータ１２内で特に発熱を伴うスイッチング素子１２ａが、後述するポンプ出口側通路１３１ｄに近接する位置となるようにしている。
【０１０２】
膨張機１１０Ａは、上記第１実施形態で説明した膨張機兼圧縮機１１０に対して、弁機構１１７（吐出弁１１７ａ、弁体１１７ｄ、電磁弁１１７ｈ等）、流入ポート１１６等が廃止され、吐出ポートが高圧ポート１１１ｃとして形成されている。
【０１０３】
膨張機出口側通路１３１ｂは、連通路１１１ｄからモータハウジング１２１内を通って、熱媒ポンプ１３０側端部で環状に形成されて、モータハウジング１２１に設けられた低圧ポート１２１ｂに繋がっている。
【０１０４】
熱媒ポンプ１３０Ａのポンプ出口側通路１３１ｄは、旋回スクロール１３３の外周部および反固定スクロール側に環状に形成されるようにしており、この環状となる通路はモータハウジング１２１とインバータ１２（スイッチング素子１２ａ）の間を通過するようにしてシャフトハウジング１１１ｂ側に設けられた吐出ポート１３１ｃに繋がっている。
【０１０５】
環状となる膨張機出口側通路１３１ｂとポンプ出口側通路１３１ｄとの間を区画するモータハウジング１２１、ポンプハウジング１３１の肉厚（壁１３１ｅ）は、必要最小限に薄肉に形成されており、ポンプ出口側通路１３１ｄ側にフィン１３１ｆが形成されている。
【０１０６】
尚、膨張機兼圧縮機１１０を専用の膨張機１１０Ａとしていることから、モータジェネレータ１２０Ａと熱媒ポンプ１３０Ａとの間の動力断続の必要が無く、モータ軸１２４とポンプ軸１３４とは、直結されている（一方向クラッチ１４０廃止）。
【０１０７】
本第２実施形態においては、冷凍サイクル３０での使用はできないが、ランキンサイクル４０において、膨張機１１０Ａに発生される駆動力によって、モータジェネレータ１２０Ａがジェネレータとして作動されると共に、熱媒ポンプ１３０Ａが作動される。
【０１０８】
ここでは、膨張機出口側通路１３１ｂを流通する冷媒の熱に加えて、インバータ１２（スイッチング素子１２ａ）の熱をポンプ出口側通路１３１ｄを流通する冷媒に効果的に伝達させることができるので、膨張機１１０Ａの流入側（加熱器４３側）となる冷媒の過熱量を増加させることができ、膨張機１１０Ａの膨張仕事を増加させることができる。即ち、ランキンサイクル４０において、更に優れた効率を発揮する複合流体機械１００とすることができる。また、インバータ１２にとっては冷媒によって冷却されることになるので、インバータ１２の信頼性を向上させることができる。
【０１０９】
（第３実施形態）
本発明における第３実施形態を図５に示す。第３実施形態は、上記第１実施形態に対して、冷凍装置１において冷凍サイクル３０を廃止して、複合流体機械１００Ｂに専用の膨張機１１０Ａを設け（第２実施形態と同じ）、モータジェネレータ１２０と熱媒ポンプ１３０とを直結（モータ軸１２４とポンプ軸１３４とを接続して一方向クラッチ１４０廃止）したものである。
【０１１０】
第３実施形態においては、上記第２実施形態と同様に冷凍サイクル３０での使用はできないが、ランキンサイクル４０における作動は第１実施形態と同一であり、同一の作用効果を得ることができる。
【０１１１】
（第４実施形態）
本発明における第４実施形態を図６に示す。第４実施形態は、上記第１実施形態に対して、冷凍装置１において冷凍サイクル３０を廃止して、複合流体機械１００Ｃに専用の膨張機１１０Ａを設け（第２実施形態と同じ）、また、熱媒ポンプ１３０Ｂをスクロール型に代えてローリングピストン型としている。
【０１１２】
熱媒ポンプ１３０Ｂは、ポンプハウジング１３１Ａの内部に形成されるシリンダ１３６ａ、ロータ１３７等を有している。シリンダ１３６ａは、シリンダブロック１３６の中心部で断面円形に穿設されて形成されている。ポンプ軸１３４には、このポンプ軸１３４に対して偏心した円形のカム部１３４ｅが形成されており、このカム部１３４ｅの外周側には扁平円筒状のロータ１３７が装着されている。ロータ１３７の外径は、シリンダ１３６ａの内径より小さく設定されてシリンダ１３６ａ内に挿入されており、ロータ１３７はカム部１３４ｅによってシリンダ１３６ａ内を公転する。また、ロータ１３７の外周部にはロータ１３７の半径方向に摺動可能として、中心側に押圧されてロータ１３７に当接するベーン１３８が設けられている。そして、シリンダ１３６ａ内において、ロータ１３７およびベーン１３８によって囲まれる空間がポンプ作動室Ｐとして形成されている。
【０１１３】
シリンダブロック１３６には、ベーン１３８に近接して、このベーン１３８を挟むようにシリンダ１３６ａ内に連通する冷媒流入部１３６ｂ、および冷媒流出部（図示せず）が設けられている。冷媒流入部１３６ｂはポンプハウジング１３１Ａを貫通する吸入ポート１３２ｃに接続されており、また、冷媒流出部は吐出弁１３６ｃを介して、ポンプハウジング１３１Ａとシリンダブロック１３６との間に形成される高圧室１３９に連通している。そして、高圧室１３９はポンプハウジング１３１Ａのモータジェネレータ１２０側となる側壁に形成された吐出ポート１３１ｃに繋がっている。
【０１１４】
このように、本実施形態における熱媒ポンプ１３０Ｂでは、ポンプ作動室Ｐの周囲が高圧室１３９の雰囲気で囲まれる形となり、高圧室１３９と大気側とはポンプハウジング１３１Ａによって遮断されるようになっている。また、高圧室１３９は、ここでは熱媒ポンプ１３０Ｂの作動流体出口側となるポンプ出口側通路（１３１ｄ）に相当しており、高圧室１３９（ポンプ出口側通路１３１ｄ）は、膨張機１１０Ａの膨張機出口側通路１３１ｂの一部に近接して配置されている。
【０１１５】
この熱媒ポンプ１３０Ｂにおいては、冷媒はロータ１３７の公転作動によって、吸入ポート１３２ｃ、冷媒流入部１３６ｂからポンプ作動室Ｐに流入され、冷媒流出部、吐出弁１３６ｃ、高圧室１３９を経て吐出ポート１３１ｃから吐出される。
【０１１６】
これにより、膨張機１１０Ａの膨張機出口側通路１３１ｂを流通する冷媒の熱を熱媒ポンプ１３０Ｂの高圧室１３９（ポンプ出口側通路１３１ｄ）を流通する冷媒に伝達させることができるので、膨張機１１０Ａの流入側（加熱器４３側）となる冷媒の過熱量を増加させることができ、膨張機１１０Ａでの膨張仕事を増加させることができる。即ち、ランキンサイクル４０に用いられて、優れた効率を発揮する複合流体機械１００Ｃとすることができる。また、吐出ポート１３１ｃをモータジェネレータ１２０側に設けているので、吐出ポート１３１ｃにおける冷媒も膨張機出口側通路１３１ｂを流通する冷媒によって効果的に加熱される。また、熱媒ポンプ１３０Ｂの高圧室１３９によって、膨張機１１０Ａ側の冷媒の熱がポンプ作動室Ｐを流通する冷媒に伝達するのを抑制することができるので、熱媒ポンプ１３０Ｂへ流入する冷媒が沸騰するのを防止して熱媒ポンプ１３０の容積効率を向上させることかできる。
【０１１７】
尚、吐出ポート１３１ｃは、図７に示す複合流体機械１００Ｃのように、熱媒ポンプ１３０Ｂのポンプ軸１３４長手方向の端部側に設けるようにしても良い。
【０１１８】
（その他の実施形態）
上記の各実施形態においては、スクロール型あるいはローリングピストン型の熱媒ポンプ１３０、１３０Ａ、１３０Ｂを採用したが、本発明はこれに限定されるものではなく、ギヤポンプ型、トロコイド型等その他の形式のものを適用することができる。尚、膨張機兼圧縮機１１０（膨張機１１０Ａ）についても同様である。
【０１１９】
また、モータジェネレータ１２０内を熱媒ポンプ１３０の高圧側雰囲気となるように形成して、膨張機兼圧縮機１１０（膨張機１１０Ａ）とモータジェネレータ１２０との間に軸シール１５０を設ける構造としても良い。
【０１２０】
また、上記の各実施形態においては、発熱機器として、車両用のエンジン（熱機関、内燃機関）１０としたが、これに限らず、例えば、外燃機関、燃料電池車両の燃料電池スタック、各種モータ、インバータ等のように作動時に発熱を伴い、温度制御のためにその熱の一部を捨てるもの（廃熱が発生するもの）であれば、広く適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１２１】
【図１】本発明の第１実施形態における冷凍装置を示す模式図である。
【図２】本発明の第１実施形態における複合流体機械を示す断面図である。
【図３】本発明の第２実施形態における複合流体機械を示す断面図である。
【図４】図３のＡ−Ａ部を示す断面図である。
【図５】本発明の第３実施形態における複合流体機械を示す断面図である。
【図６】本発明の第４実施形態における複合流体機械を示す断面図である。
【図７】本発明の第４実施形態の変形例における複合流体機械を示す断面図である。
【符号の説明】
【０１２２】
１ 冷凍装置
１０ エンジン（発熱機器、熱機関）
１２ インバータ（発熱部）
１２ａ スイッチング素子
１００ 熱媒ポンプ一体型膨張発電機兼電動圧縮機（膨張機付き流体ポンプ）
１１０ 膨張機兼圧縮機（膨張機）
１２０ モータジェネレータ（発電機）
１２１ モータハウジング（発電機ハウジング）
１３０ 熱媒ポンプ（ポンプ）
１３１ ポンプハウジング（出口側ハウジング）
１３１Ａ ポンプハウジング（ハウジング）
１３１ｂ 膨張機出口側通路
１３１ｄ ポンプ出口側通路
１３１ｅ 壁
１３１ｆ フィン
１３２ 固定スクロール（入口側ハウジング）
１３２ｄ ポンプ入口側通路
１３９ 高圧室
１６０ ガスケット（断熱材）
Ｐ ポンプ作動室（作動室）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ランキンサイクル中の液冷媒を圧送する流体ポンプと、過熱蒸気冷媒の膨張によって機械的エネルギーを出力する膨張機とが一体的に形成された膨張機付き流体ポンプおよびそれを用いたランキンサイクルに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特許文献１に示されるように、ボトミングサイクル（ランキンサイクル）発電システムに使用される複合流体機械（膨張機付き流体ポンプ）として、液相の作動流体を昇圧するターボポンプ（流体ポンプ）と、ターボポンプと同軸に連結され加熱用熱交換器で加熱された気相の作動流体によって膨張するタービン（膨張機）と、ターボポンプと同軸に連結され発電を行う発電機とが一体的に形成されて、タービンの作動時の回転動力によってターボポンプと発電機とが駆動されるものが知られている。
【特許文献１】特開２００４−１０８２２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記複合流体機械においては、流体ポンプ、膨張機、発電機を一体的に形成したのみであって、流体ポンプおよび膨張機を流通する作動流体の熱移動に関する配慮は何ら示されていない。
【０００４】
即ち、膨張機出口側の作動流体の熱が流体ポンプの入口側に伝わると流体ポンプに流入する作動流体の沸騰が生じ、作動流体は気相状態を含むことになり、流体ポンプにおける容積効率が低下する（キャビテーションの発生）。
【０００５】
逆に、膨張機出口側の作動流体の熱（膨張後にも残る廃熱）を更に加熱側（流体ポンプ出口側、加熱用熱交換器側）に移動させて過熱量を高めるように再利用することで、ランキンサイクルを更に効率的に運転できると考えられる。
【０００６】
本発明の目的は、上記問題に鑑み、ランキンサイクルにおける優れた効率を発揮する膨張機付き流体ポンプおよびそれを用いたランキンサイクルを提供することにある。
【０００７】
また、本発明の他の目的は、膨張仕事後の膨張機出口側冷媒の熱を流体ポンプ出口側冷媒に伝達することのできる膨張機付き流体ポンプおよびそれを用いたランキンサイクルを提供することにある。
【０００８】
また、本発明の他の目的は、流体ポンプ入口側冷媒への熱伝達を低減できる膨張機付き流体ポンプおよびそれを用いたランキンサイクルを提供することにある。
【０００９】
また、本発明の他の目的は、発電機に起因する熱を流体ポンプ出口側冷媒に伝達できる膨張機付き流体ポンプおよびそれを用いたランキンサイクルを提供することにある。
【００１０】
また、本発明の他の目的は、信頼性の高い膨張機付き流体ポンプおよびそれを用いたランキンサイクルを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
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。
【００１２】
請求項１に記載の発明では、液相状態の作動流体を昇圧させるポンプ（１３０）と、ポンプ（１３０）から圧送された後に、加熱されて気相状態となった作動流体の膨張によって駆動力を発生する膨張機（１１０）とが直列に接続された膨張機付き流体ポンプにおいて、膨張機（１１０）の作動流体出口側となる膨張機出口側通路（１３１ｂ）の一部を、ポンプ（１３０）の作動流体出口側となるポンプ出口側通路（１３１ｄ）の一部の近傍に配置したことを特徴としている。
【００１３】
これにより、膨張仕事を終えて膨張機出口側通路（１３１ｂ）を流通する作動流体の熱をポンプ出口側通路（１３１ｄ）を流通する作動流体に伝達させることができるので、膨張機（１１０）の流入側となる作動流体の過熱量を増加させることができ、膨張機（１１０）での膨張仕事を増加させることができる。即ち、ランキンサイクル（４０）に用いられて、優れた効率を発揮する膨張機付き流体ポンプ（１００）とすることができる。
【００１４】
請求項２に記載の発明では、ポンプ（１３０）の作動流体入口側となるポンプ入口側通路（１３２ｄ）に対して、ポンプ出口側通路（１３１ｄ）は、膨張機（１１０）側に配置されたことを特徴としている。
【００１５】
これにより、ポンプ出口側通路（１３１ｄ）と膨張機出口側通路（１３１ｂ）とを容易に近接配置させることができる。また、膨張機出口側通路（１３１ｂ）を流通する作動流体の熱がポンプ入口側通路（１３２ｄ）を流通する作動流体に伝達するのを抑制することができるので、ポンプ（１３０）へ流入する作動流体が沸騰するのを防止してポンプ（１３０）の容積効率を向上させることかできる。
【００１６】
請求項３に記載の発明のように、ポンプ（１３０）をスクロール型ポンプとして、作動流体を中心側から吸入し、外周側から吐出するようにすることで請求項１または請求項２に記載の膨張機付き流体ポンプ（１００）を容易に形成できる。
【００１７】
請求項４に記載の発明では、液相状態の作動流体を昇圧させるポンプ（１３０）と、ポンプ（１３０）から圧送された後に、加熱されて気相状態となった作動流体の膨張によって駆動力を発生する膨張機（１１０）とが直列に接続された膨張機付き流体ポンプにおいて、ポンプ（１３０）の作動室（Ｐ）周囲を高圧室（１３９）の雰囲気で囲み、高圧室（１３９）と大気間をハウジング（１３１Ａ）で遮断することを特徴としている。
【００１８】
これにより、膨張機（１１０）側の作動流体の熱をポンプ（１３０）の高圧室（１３９）を流通する作動流体に伝達させることができるので、膨張機（１１０）の流入側となる作動流体の過熱量を増加させることができ、膨張機（１１０）での膨張仕事を増加させることができる。即ち、ランキンサイクル（４０）に用いられて、優れた効率を発揮する膨張機付き流体ポンプ（１００）とすることができる。また、膨張機（１１０）側の作動流体の熱がポンプ（１３０）の作動室（Ｐ）を流通する作動流体に伝達するのを抑制することができるので、ポンプ（１３０）へ流入する作動流体が沸騰するのを防止してポンプ（１３０）の容積効率を向上させることかできる。
【００１９】
請求項５に記載の発明のように、ポンプ（１３０）をローリングピストン型ポンプとすることで、請求項４に記載の膨張機付き流体ポンプ（１００）を容易に形成できる。
【００２０】
請求項６に記載の発明では、高圧室（１３９）は、ポンプ（１３０）の作動流体出口側となるポンプ出口側通路（１３１ｄ）に相当し、膨張機（１１０）の作動流体出口側となる膨張機出口側通路（１３１ｂ）の一部を、ポンプ出口側通路（１３１ｄ）の一部の近傍に配置したことを特徴としている。
【００２１】
これにより、膨張仕事を終えて膨張機出口側通路（１３１ｂ）を流通する作動流体の熱をポンプ出口側通路（１３１ｄ）を流通する作動流体に伝達させることができるので、請求項１に記載の膨張機付き流体ポンプ（１００）と同等の効果を得ることができる。
【００２２】
請求項７に記載の発明では、ポンプ出口側通路（１３１ｄ）は、ポンプ（１３０）の径方向外側にほぼ環状に配置されており、膨張機出口側通路（１３１ｂ）もポンプ出口側通路（１３１ｄ）に隣接してほぼ環状に配置されていることを特徴としている。
【００２３】
これにより、両者の通路（１３１ｄ、１３１ｂ）の長さを長くすることができるので、膨張機出口側通路（１３１ｂ）を流通する作動流体からポンプ出口側通路（１３１ｄ）を流通する作動流体への熱移動量を増加させることができる。
【００２４】
請求項８に記載の発明では、ポンプ出口側通路（１３１ｄ）と、膨張機出口側通路（１３１ｂ）とを区画する壁（１３１ｅ）が設けられ、壁（１３１ｅ）の一方面には、壁面積を増大するフィン（１３１ｆ）が設けられたことを特徴としている。
【００２５】
これにより、壁（１３１ｅ）の表面積を増大させて、膨張機出口側通路（１３１ｂ）を流通する作動流体からポンプ出口側通路（１３１ｄ）を流通する作動流体への熱移動量を増加させることができる。
【００２６】
請求項９に記載の発明では、フィン（１３１ｆ）は、ポンプ出口側通路（１３１ｄ）と膨張機出口側通路（１３１ｂ）とが近接する部位のほぼ全領域に設けられたことを特徴としている。
【００２７】
これにより、請求項８に記載の発明における熱移動量を更に増加させることができる。
【００２８】
請求項１０に記載の発明では、ポンプ（１３０）の作動流体入口側となるポンプ入口側通路（１３２ｄ）と、ポンプ出口側通路（１３１ｄ）との間には、両者（１３２ｄ、１３１ｄ）間の熱伝達を抑制する断熱材（１６０）が挿入されたことを特徴としている。
【００２９】
これにより、ポンプ出口側通路（１３１ｄ）を流通する作動流体の熱がポンプ入口側通路（１３２ｄ）を流通する作動流体に伝達するのを抑制することができるので、ポンプ（１３０）へ流入する作動流体が沸騰するのを防止してポンプ（１３０）の容積効率を向上させることかできる。
【００３０】
断熱材（１６０）は、請求項１１に記載の発明のように、ポンプ入口側通路（１３２ｄ）を形成する入口側ハウジング（１３２）と、ポンプ出口側通路（１３１ｄ）を形成する出口側ハウジング（１３１）との分割面に介在されるガスケット（１６０）とすることができる。
【００３１】
請求項１２に記載の発明では、ポンプ（１３０）と膨張機（１１０）との間に、膨張機（１１０）の駆動力によって作動されて発電する発電機（１２０）が設けられたことを特徴としている。
【００３２】
これにより、膨張機（１１０）で得られた駆動力によって発電機（１２０）を作動させて発電することができる。
【００３３】
請求項１３に記載の発明では、膨張機出口側通路（１３１ｂ）は、発電機（１２０）の内部を通ってポンプ出口側通路（１３１ｄ）近傍に達することを特徴としている。
【００３４】
これにより、膨張機（１１０）を流出した作動流体によって、発電機（１２０）の冷却が可能となり、発電機（１２０）の信頼性を向上できる。また、ポンプ出口側通路（１３１ｄ）を流通する作動流体に対しては、発電機（１２０）からの吸熱分も合わせて伝達させることができるので、膨張機（１１０）の流入側となる作動流体の過熱量を増加させることができ、膨張機（１１０）の膨張仕事を更に増加させることができる。
【００３５】
請求項１４に記載の発明では、発電機（１２０）の発熱部（１２）は、ポンプ出口側通路（１３１ｄ）の近傍に配置されたことを特徴としている。
【００３６】
これにより、発熱部（１２）の熱をポンプ出口側通路（１３１ｄ）を流通する作動流体に伝達させることができるので、膨張機（１１０）の流入側となる作動流体の過熱量を増加させることができ、膨張機（１１０）の膨張仕事を更に増加させることができる。また、発熱部（１２）にとっては冷却されることになるので、発熱部（１２）の信頼性を向上させることができる。
【００３７】
請求項１５記載の発明のように、発熱部（１２）が発電機（１２０）の発電機ハウジング（１２１）の外周部に設けられている場合には、ポンプ出口側通路（１３１ｄ）は、発熱部（１２）と発電機ハウジング（１２１）との間を通過するように配置されると良い。
【００３８】
請求項１６記載の発明では、発熱部（１２）は、発電機（１２０）の作動を制御するインバータ（１２）であり、インバータ（１２）内のスイッチング素子（１２ａ）は、ポンプ出口側通路（１３１ｄ）に近い側に配置されていることを特徴としている。
【００３９】
これにより、特に発熱量の多いスイッチング素子（１２ａ）の熱を効果的にポンプ出口側通路（１３１ｄ）を流通する作動流体に伝達させることができる。また、スイッチング素子（１２ａ）を効果的に冷却できる。
【００４０】
上記請求項１〜請求項１６に記載の膨張機付き流体ポンプ（１００）の膨張機（１１０）、ポンプ（１３０）は、請求項１７に記載の発明のように、発熱機器（１０）の廃熱を加熱源とするランキンサイクル（４０）に使用されて好適である。
【００４１】
そして、請求項１８に記載の発明のように、発熱機器（１０）は、熱機関（１０）を対象として好適である。
【００４２】
尚、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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４３】
（第１実施形態）
本実施形態は、本発明に係る膨張機付き流体ポンプを熱媒ポンプ一体型膨張発電機兼電動圧縮機（以下、複合流体機械と呼ぶ）１００に適用し、この複合流体機械１００を、冷凍サイクル３０にランキンサイクル４０が設けられた車両用の冷凍装置１に使用している。
【００４４】
複合流体機械１００は、膨張機兼圧縮機１１０、モータジェネレータ１２０、熱媒ポンプ１３０が一体的に形成されたもので、膨張機兼圧縮機１１０（圧縮モード時の圧縮機）が冷凍サイクル３０に組み込まれ、また、膨張機兼圧縮機１１０（膨張モード時の膨張機）と熱媒ポンプ１３０とがランキンサイクル４０に組み込まれるようにしている。まず、冷凍装置１について図１を用いて説明する。
【００４５】
冷凍装置１の冷凍サイクル３０は、低温側の熱を高温側に移動させて冷熱および温熱を空調に利用するもので、膨張機兼圧縮機１１０、凝縮器３１、気液分離器３２、減圧器３３、蒸発器３４等が環状に接続されて形成されている。
【００４６】
凝縮器３１は、圧縮モード時の膨張機兼圧縮機１１０の冷媒吐出側に設けられ、高温高圧に圧縮された冷媒を冷却して、凝縮液化する熱交換器である。尚、ファン３１ａは、凝縮器３１に冷却風（車室外空気）を送るものである。
【００４７】
気液分離器３２は、凝縮器３１で凝縮された冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して液相冷媒を流出させるレシーバである。減圧器３３は、気液分離器３２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、圧縮モード時の膨張機兼圧縮機１１０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。
【００４８】
蒸発器３４は、減圧器３３にて減圧された冷媒を蒸発させて吸熱作用を発揮する熱交換器であり、ファン３４ａによって供給される車室外空気（外気）あるいは車室内空気（内気）を冷却する。そして、蒸発器３４の冷媒流出側には、蒸発器３４側から膨張機兼圧縮機１１０側にのみ冷媒が流れることを許容する逆止弁３４ｂが設けられている。
【００４９】
ランキンサイクル４０は、車両の走行用動力を発生させるエンジン（本発明における発熱機器、熱機関に対応）１０で発生した廃熱からエネルギー（膨張機兼圧縮機１１０の膨張モード時における駆動力）を回収するものである。ランキンサイクル４０は、上記冷凍サイクル３０に対して、凝縮器３１が共用されると共に、この凝縮器３１をバイパスするように気液分離器３２から膨張機兼圧縮器１１０および凝縮器３１の間（Ａ点）に接続される第１バイパス流路４１と、膨張機兼圧縮機１１０および逆止弁３４ｂの間（Ｂ点）から凝縮器３１およびＡ点の間（Ｃ点）に接続される第２バイパス流路４２とが設けられて、以下のように形成されている。
【００５０】
即ち、第１バイパス流路４１には、複合流体機械１００の熱媒ポンプ１３０が配設されると共に、気液分離器３２側から熱媒ポンプ１３０側にのみ冷媒（本発明における液相状態の作動流体に対応）が流れることを許容する逆止弁４１ａが設けられている。また、Ａ点と膨張機兼圧縮機１１０との間に加熱器４３が設けられている。
【００５１】
加熱器４３は、熱媒ポンプ１３０から送られる冷媒とエンジン１０における温水回路２０のエンジン冷却水（温水）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り、三方弁２１によりエンジン１０から流出したエンジン冷却水を加熱器４３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の流路切替えは、図示しない制御装置によって行われるようになっている。
【００５２】
尚、エンジン１０には、エンジン１０の駆動力によって駆動され発電するオルタネータ１１が設けられており、オルタネータ１１によって発電された電力は、インバータ１２を介して、バッテリ１３に充電されるようになっている。
【００５３】
また、水ポンプ２２は温水回路２０内でエンジン冷却水を循環させるポンプ（例えば、エンジン１０によって駆動される機械式ポンプ、あるいは電動モータによって駆動される電動式ポンプ）であり、ラジエータ２３はエンジン冷却水と外気との間で熱交換してエンジン冷却水を冷却する熱交換器である。
【００５４】
そして、第２バイパス流路４２には、膨脹機兼圧縮機１１０側から凝縮器３１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４２ａが設けられている。また、Ａ点とＣ点との間には開閉弁４４が設けられている。開閉弁４４は、冷媒流路を開閉する電磁式のバルブであり、図示しない制御装置により制御されるようになっている。
【００５５】
上記気液分離器３２、第１バイパス流路４１、熱媒ポンプ１３０、加熱器４３、膨張機兼圧縮機１１０、第２バイパス流路４２、凝縮器３１等にてランキンサイクル４０が形成される。
【００５６】
次に、複合流体機械１００の構成について図２を用いて説明する。複合流体機械１００は、圧縮機および膨張機の両機能を有する膨張機兼圧縮機（本発明における膨張機に対応）１１０と、発電機および電動機としての両機能を有するモータジェネレータ（本発明においける発電機に対応）１２０と、熱媒ポンプ（本発明におけるポンプに対応）１３０とから成る。
【００５７】
膨張機兼圧縮機１１０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、膨張圧縮機ハウジング１１１を成すフロントハウジング１１１ａとシャフトハウジング１１１ｂとの間に固定される固定スクロール１１２、この固定スクロール１１２に対向して旋回変位する旋回スクロール１１３、作動室Ｖと高圧室１１４とを連通させる吐出ポート１１５、および流入ポート１１６を開閉する弁機構１１７等から成るものである。
【００５８】
固定スクロール１１２は、板状の基板部１１２ａおよび基板部１１２ａ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、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、およびこの歯部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により形成される作動室Ｖの体積が拡大縮小するようになっている。
【００５９】
シャフト１１８は、シャフトハウジング１１１ｂに固定された軸受け１１８ｂによって回転可能に支持されて、一方の長手方向端部に回転中心軸に対して偏心したクランク部１１８ａを有するクランクシャフトである。このクランク部１１８ａは、ベアリング１１３ｃを介して旋回スクロール１１３に連結されている。
【００６０】
また、自転防止機構１１９は、シャフト１１８が１回転する間に旋回スクロール１１３がクランク部１１８ａ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１１８が回転すると、旋回スクロール１１３は、自転せずにシャフト１１８の回転中心軸周りを公転旋回する。そして、作動室Ｖは、例えばシャフト１１８が正方向に回転する時に、旋回スクロール１１３の外径側から中心側に変位するほど、その体積が縮小するように変化し、逆に、シャフト１１８が逆方向に回転する時に、旋回スクロール１１３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。
【００６１】
吐出ポート１１５は、基板部１１２ａの中心部に設けられて、膨張機兼圧縮機１１０が圧縮機として作動する時（以下、圧縮モード時）に、最小体積となる作動室Ｖと、フロントハウジング１１１ｂに設けられた高圧室１１４とを連通させて圧縮された冷媒を吐出するポートである。また、流入ポート１１６は、同様に基板部１１２ａに（吐出ポート１１５に隣接して）設けられて、膨張機兼圧縮機１１０が膨張機として作動する時（以下、膨張モード時）に、高圧室１１４と、最小体積となる作動室Ｖとを連通させて高圧室１１４に導入された高温、高圧の冷媒、つまり過熱蒸気冷媒（本発明における気相状態となった作動流体に対応）を作動室Ｖに導くポートである。
【００６２】
上記高圧室１１４は、吐出ポート１１５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１１４には、後述する加熱器４３および凝縮器３１側に接続される高圧ポート１１１ｃが設けられている。
【００６３】
尚、蒸発器３４および第２バイパス流路４２側に接続される低圧ポート１３１ａは、後述する熱媒ポンプ１３０のポンプハウジング１３１に設けられている。この低圧ポート１３１ａと膨張機兼圧縮機１１０の両スクロール１１２、１１３の低圧側（スクロールの外周側）との間は、シャフトハウジング１１１ｂに設けられた連通路１１１ｄ（１箇所）と、後述するモータハウジング１２１に設けられた連通路１２１ａ（２箇所）とによって連通されており、膨張機出口側通路１３１ｂを形成している。即ち、膨張機出口側通路１３１ｂは、モータジェネレータ１２０の内部を通って低圧ポート１３１ａに繋がっている。膨張機出口側通路１３１ｂの詳細については、熱媒ポンプ１３０のポンプ出口側通路１３１ｄと共に後述する。
【００６４】
弁機構１１７は、吐出弁１１７ａ、弁体１１７ｄ、電磁弁１１７ｆ等から成る。吐出弁１１７ａは、吐出ポート１１５の高圧室１１４側に配置されて吐出ポート１１５から吐出された冷媒が高圧室１１４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１１７ｂは吐出弁１１７ａの最大開度を規制する弁止板であり、吐出弁１１７ａおよびストッパ１１７ｂはボルト１１７ｃによって基板部１１２ａに固定されている。
【００６５】
弁体１１７ｄは、流入ポート１１６を開閉して膨張機兼圧縮機１１０の圧縮モードと膨張モードとを切替える切替え弁であり、その後端側がフロントハウジング１１１ａに設けられた背圧室１１７ｅに沿って、摺動可能に配設されている。背圧室１１７ｅ内にはバネ（弾性手段）１１７ｆが挿入されており、バネ１１７ｆは弁体１１７ｄの先端側が流入ポート１１６を閉じる方向に弾性力を作用させるようになっている。また、フロントハウジング１１１ａには、所定の通路抵抗を有して背圧室１１７ｅと高圧室１１４とを連通させる抵抗手段としての絞り１１７ｇが設けられている。尚、弁体１１７ｄが流入ポート１１６を閉じた時の両者間のシール性を向上させるために、弁体１１７ｄの先端側は任意の角度で傾斜可能となるようにしている。
【００６６】
電磁弁１１７ｈは、低圧ポート１３１ａ側と背圧室１１７ｅとの連通状態を制御することにより背圧室１１７ｅ内の圧力を制御する制御弁であり、図示しない制御装置によって制御される。
【００６７】
そして、電磁弁１１７ｈを開くと、背圧室１１７ｅの圧力が高圧室１１４より低下して弁体１１７ｄがバネ１１７ｆ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１１６が開く。尚、絞り１１７ｇでの圧力損失は非常に大きいので、高圧室１１４から背圧室１１７ｅに流れ込む冷媒量は無視できるほど小さい。
【００６８】
逆に、電磁弁１１７ｈを閉じると、絞り１１７ｇによって背圧室１１７ｅの圧力と高圧室１１４の圧力とが等しくなり、弁体１１７ｄはバネ１１７ｆの弾性力により図２中の左側に変位するので、流入ポート１１６が閉じる。つまり、弁体１１７ｄ、背圧室１１７ｅ、バネ１１７ｆ、絞り１１７ｇ、および電磁弁１１７ｈ等により流入ポート１１６を開閉するパイロット式の電気開閉弁が構成される。
【００６９】
モータジェネレータ１２０は、ステータ１２２およびステータ１２２内で回転するロータ１２３等から成るもので、シャフトハウジング１１１ｂに固定されるモータハウジング１２１内（膨張機兼圧縮機１１０の低圧側雰囲気）に収容されている。ステータ１２２は、巻き線が巻かれたステータコイルであり、モータハウジング１２１の内周面に固定されている。ロータ１２３は、永久磁石が埋設されたマグネットロータであり、モータ軸１２４に固定されている。モータ軸１２４の一端側は、上記膨張機兼圧縮機１１０のシャフト１１８に接続されており、また、他端側は、直径が細くなるように形成されて、後述する熱媒ポンプ１３０のポンプ軸１３４に接続されている。
【００７０】
そして、モータジェネレータ１２０は、バッテリ１３からインバータ１２を介して、ステータ１２２に電力が供給された場合には、ロータ１２３を回転（正方向回転）させて、膨張機兼圧縮機１１０を（圧縮機として）駆動するモータ（電動機）として作動する。あるいは、ロータ１２３を回転（逆方向回転）させて、後述する熱媒ポンプ１３０を駆動するモータ（電動機）として作動する。また、膨張機兼圧縮機１１０の膨張モード時に発生した駆動力によってロータ１２３を回転させるトルクが入力された場合（逆方向回転時）には、電力を発生させるジェネレータ（発電機）として作動する。そして、得られた電力は、インバータ１２を介してバッテリ１３に充電されるようになっている。
【００７１】
熱媒ポンプ１３０は、モータジェネレータ１２０の反膨張機側に配設されて、モータハウジング１２１に固定されるポンプハウジング（本発明における出口側ハウジングに対応）１３１内に収容されている。
【００７２】
熱媒ポンプ１３０は、上記膨張機兼圧縮機１１０と同様に、基板部１３２ａ、歯部１３２ｂから成る固定スクロール１３２と、基板部１３３ａ、歯部１３３ｂから成る旋回スクロール１３３とを有している。固定スクロール（本発明における入口側ハウジングに対応）１３２は、ポンプハウジング１３１に固定されて熱媒ポンプ１３０の端部側を形成しており、旋回スクロール１３３は、ポンプハウジング１３１と固定スクロール１３２とによって形成される空間内に配設されている。尚、旋回スクロール１３３は、自転防止機構１３５によって、自転が防止されつつ、公転旋回可能となっている。
【００７３】
固定スクロール１３２の中心部には、吸入ポート１３２ｃが設けられており、気液分離器３２側と接続されるようになっている。両スクロール１３２、１３３の歯部１３２ｂ、１３３ｂの間には、ポンプ入口側通路１３２ｄ（作動室Ｐ）が形成され、また、ポンプハウジング１３１内周側と旋回スクロール１３３の外周側との間には環状となるポンプ出口側通路１３１ｄが形成されている。ポンプハウジング１３１には低圧ポート１３１ａと対向するように吐出ポート１３１ｃが設けられており、上記吸入ポート１３２ｃ、ポンプ入口側通路１３２ｄ、ポンプ出口側通路１３１ｄ、吐出ポート１３１ｃは順に繋がっており、吐出ポート１３１ｃは、加熱器４３側と接続されている。
【００７４】
ポンプ軸１３４は、ポンプハウジング１３１に固定された軸受け１３４ｃによって回転可能に支持されて、一方の長手方向端部に回転中心軸に対して偏心したクランク部１３４ａを有し、ブッシング１３４ｂ、ベアリング１３３ｃを介して旋回スクロール１３３に連結されている。また、ポンプ軸１３４の他方の長手方向端部は、モータ軸１２４の他端側と接続されている。ここで、ポンプ軸１３４の他方側には、穴部１３４ｄが設けられており、直径が細く形成されたモータ軸１２４の他端側が挿入されている。そして、モータ軸１２４とポンプ軸１３４との間には、一方向クラッチ１４０が設けられている。この一方向クラッチ１４０は、モータ軸１２４が正方向回転した時に、ポンプ軸１３４との噛み合いが外れて、モータ軸１２４とポンプ軸１３４とが切断され（ポンプ軸１３４は回転されない）、また、モータ軸１２４が逆方向回転した時に、ポンプ軸１３４に噛み合うことで、ポンプ軸１３４を回転させるものとしている。
【００７５】
そして、モータハウジング１２１とポンプ軸１３４との間には、モータジェネレータ１２０と熱媒ポンプ１３０（ポンプ出口側通路１３１ｄとなる高圧側）との間をシールする軸封装置としての軸シール１５０が設けられている。
【００７６】
本複合流体機械１００においては、膨張機兼圧縮機１１０の膨張機出口側通路１３１ｂ、熱媒ポンプ１３０のポンプ入口側通路１３２ｄ、ポンプ出口側通路１３１ｄの配置に特徴を持たせている。
【００７７】
即ち、低圧ポート１３１ａと吐出ポート１３１ｃとをポンプハウジング１３１に設けるようにしており、また、熱媒ポンプ１３０のポンプ出口側通路１３１ｄをポンプ入口側通路１３２ｄに対して、膨張機兼圧縮機１１０（モータジェネレータ１２０）側にしていることから、膨張機出口側通路１３１ｂの一部がポンプ出口側通路１３１ｄの一部の近傍となるように配置されている。よって、膨張機出口側通路１３１ｂとポンプ入口側通路１３２ｄとは、ポンプ出口側通路１３１ｄを介して離れて配置されている。
【００７８】
また、環状に形成されたポンプ出口側通路１３１ｄに合わせて、膨張機出口側通路１３１ｂも連通路１２１ａと低圧ポート１３１ａとの間で、環状となるように形成されている。そして、ポンプ出口側通路１３１ｄと膨張機出口側通路１３１ｂとを区画する壁１３１ｅには、この壁１３１ｅの表面積を増大させるフィン１３１ｆが、膨張機出口側通路１３１ｂの環状となる部位の全領域に渡って設けられている。
【００７９】
また、ポンプ出口側通路１３１ｄとポンプ入口側通路１３２ｄとの間には断熱材１６０が介在されるようにしている。具体的には、断熱材１６０をガスケット１６０として形成して、ガスケット１６０がポンプハウジング１３１（出口側ハウジング）と固定スクロール１３２（入口側ハウジング）との分割面に介在されるようにしている。ガスケット１６０は、ポンプハウジング１３１、固定スクロール１３２を形成する金属材（例えばアルミニウム材）よりも熱伝導率の低いものであって、例えばゴム材や樹脂材等から成る。
【００８０】
次に、本実施形態における複合流体機械１００の作動およびその作用効果について説明する。
【００８１】
１．圧縮モード
このモードは、冷凍サイクル３０による冷房が必要な時に、モータジェネレータ１２０をモータとして作動させ、モータ軸１２４に回転力（正方向回転）を与えることにより膨張機兼圧縮機１１０の旋回スクロール１１３を旋回させて冷媒を吸入圧縮する運転モードである。
【００８２】
具体的には、図示しない制御装置は、開閉弁４４を開き、三方弁２１の切替えによって、エンジン冷却水が加熱器４３側に循環しないようにする。また、電磁弁１１７ｈを閉じて、弁体１１７ｄによって流入ポート１１６を閉じた状態で、バッテリ１３、インバータ１２からモータジェネレータ１２０のステータ１２２に電力を供給して、モータ軸１２４を回転させる。
【００８３】
この時、膨脹機兼圧縮機１１０は、周知のスクロール型圧縮機と同様に、低圧ポート１３１ａから冷媒を吸引して（膨張機出口側通路１３１ｂを経由して）作動室Ｖにて圧縮した後、吐出ポート１１５から高圧室１１４に圧縮した冷媒を吐出し、高圧ポート１１１ｃから圧縮された冷媒を凝縮器３１側に吐出する。
【００８４】
そして、高圧ポート１１１ｃから吐出された冷媒は、加熱器４３→開閉弁４４→凝縮器３１→気液分離器３２→減圧器３３→蒸発器３４→逆止弁３４ｂ→膨脹機兼圧縮機１１０の低圧ポート１３１ａの順に循環（冷凍サイクル３０を循環）し、蒸発器３４の吸熱による冷房が行われる。尚、加熱器４３にはエンジン冷却水が循環しないので、加熱器４３において冷媒は加熱されず、加熱器４３は単なる冷媒流路として機能する。また、熱媒ポンプ１３０のポンプ軸１３４は、一方向クラッチ１４０によってモータ軸１２４との噛み合いが外れるので、熱媒ポンプ１３０は停止状態となって、モータジェネレータ１２０における作動抵抗とならない。尚、この間、低圧ポート１３１ａから吸入される低温低圧の冷媒によって、熱媒ポンプ１３０内の冷媒は冷却されることになる。
【００８５】
２．膨張モード
このモードは、冷凍サイクル３０による冷房が不要の時に、エンジン１０の廃熱が充分得られる（エンジン冷却水温度が充分高い）場合に、加熱器４３によって加熱された高圧の過熱蒸気冷媒を膨張機兼圧縮機１１０に導入して膨脹させることにより、旋回スクロール１１３を旋回させてモータ軸１２４を回転させ、駆動力（機械的エネルギー）を得る運転モードである。尚、得られた駆動力によりモータジェネレータ１２０のロータ１２３を回転させて発電を行い、その発電された電力をバッテリ１３に充電するようにしている。
【００８６】
具体的には、図示しない制御装置は、開閉弁４４を閉じ、三方弁２１の切替えによって、エンジン冷却水が加熱器４３側に循環するようにする。また、モータジェネレータ１２０をモータとして作動させ（逆方向回転）、電磁弁１１７ｈを開いて弁体１１７ｄによって流入ポート１１６を開く。
【００８７】
この時、熱媒ポンプ１３０のポンプ軸１３４が一方向クラッチ１４０によってモータ軸１２４と噛み合い、熱媒ポンプ１３０が駆動される。そして、加熱器４３によって加熱された高圧の過熱蒸気冷媒が、高圧ポート１１１ｃ、高圧室１１４、流入ポート１１６を経由して作動室Ｖに導入されて膨脹する。過熱蒸気冷媒の膨脹により旋回スクロール１１３が圧縮モード時に対して逆方向に旋回し、シャフト１１８に与えられた駆動力は、モータジェネレータ１２０のモータ軸１２４、ロータ１２３に伝達される。そして、モータ軸１２４に伝達された駆動力が熱媒ポンプ１３０駆動のための駆動力を超えると、モータジェネレータ１２０は、ジェネレータとして作動することになり、得られた電力はインバータ１２を介してバッテリ１３に充電される。
【００８８】
そして、膨脹を終えて圧力が低下した冷媒は、膨張機出口側通路１３１ｂを経由して、低圧ポート１３１ａから流出される。低圧ポート１３１ａから流出される冷媒は、第２バイパス流路４２→逆止弁４２ａ→凝縮器３１→気液分離器３２→第１バイパス流路４１→逆止弁４１ａ→熱媒ポンプ１３０（吸入ポート１３２ｃ→ポンプ入口側通路１３２ｄ→ポンプ出口側通路１３１ｄ→吐出ポート１３１ｃ）→加熱器４３→膨脹機兼型圧縮機１１０（高圧ポート１１１ｃ）の順に循環することになる（ランキンサイクル４０を循環）。尚、熱媒ポンプ１３０は、加熱器４３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気液分離器３２からの液相冷媒を加熱器４３に送り込む。
【００８９】
上記冷媒の循環において、膨張機出口側通路１３１ｂを流通する冷媒の熱は、フィン１３１ｆ、壁１３１ｅを介してポンプ出口側通路１３１ｄを流通する冷媒に積極的に伝達される。逆に言うと、膨張機出口側通路１３１ｂを流通する冷媒の熱がポンプ入口側通路１３２ｄを流通する冷媒に伝達されるのが抑制される。また、ガスケット１６０によって、ポンプ出口側通路１３１ｄを流通する冷媒の熱が、ポンプ入口側通路１３２ｄを流通する冷媒に伝達されるのが抑制される。
【００９０】
以上のように、本実施形態の複合流体機械１００においては、冷房が不要であって、エンジン１０の廃熱が充分に得られる場合は、膨張機兼圧縮機１１０の膨張モードによる駆動力でモータジェネレータ１２０をジェネレータとして作動させて、発電することが可能となり、廃熱エネルギーを電気エネルギーとして回生することを可能としている。この時、本来の発電用のオルタネータ１１を作動させるための動力を低減でき、エンジン１０の燃費を向上できる。併せて、膨張機兼圧縮機１１０の膨張モード時の駆動力によって、熱媒ポンプ１３０の駆動を可能としており、熱媒ポンプ１３０作動用の専用駆動源を不要とすることができる。
【００９１】
そして、エンジン１０の廃熱の有無に関わらず、モータジェネレータ１２０をモータとして作動させることで、膨張機兼圧縮機１１０の圧縮モードの実行を可能としている。この時、膨張機兼圧縮機１１０自信が圧縮機となるので、膨張機がモータジェネレータ１２０の作動抵抗となることが無い。
【００９２】
ここで、膨張機出口側通路１３１ｂとポンプ出口側通路１３１ｄとを近接させることで、膨張仕事を終えて膨張機出口側通路１３１ｂを流通する冷媒の熱を、ポンプ出口側通路１３１ｄを流通する冷媒に伝達させることができるので、膨張機兼圧縮機１１０の流入側（加熱器４３側）となる冷媒の過熱量を増加させることができ、膨張機兼圧縮機１１０での膨張仕事を増加させることができる。即ち、ランキンサイクル４０において、優れた効率を発揮する複合流体機械１００とすることができる。
【００９３】
併せて、膨張機出口側通路１３１ｂを流通する冷媒の熱が、ポンプ入口側通路１３２ｄを流通する冷媒に伝達するのを抑制することができ、熱媒ポンプ１３０へ流入する冷媒が沸騰するのを防止して熱媒ポンプ１３０の容積効率を向上させることかできる。
【００９４】
また、熱媒ポンプ１３０をスクロール型として、冷媒を中心側から吸入し、外周側から吐出するようにすると共に、ポンプ出口側通路１３１ｄが膨張機兼圧縮機１１０側に配置されるようにしているので、ポンプ出口側通路１３１ｄと膨張機出口側通路１３１ｂとを容易に近接配置させることができる。
【００９５】
また、膨張機出口側通路１３１ｂの一部と、ポンプ出口側通路１３１ｄとを共に環状の通路として形成して、互いに近接するようにしているので、両者の通路１３１ｂ、１３１ｄの長さを長くすることができ、膨張機出口側通路１３１ｂを流通する冷媒からポンプ出口側通路１３１ｄを流通する冷媒への熱移動量を増加させることができる。
【００９６】
また、膨張機出口側通路１３１ｂの一部と、ポンプ出口側通路１３１ｄとを区画する壁１３１ｅにフィン１３１ｆを設けるようにしているので、壁１３１ｅの表面積を増大させて、膨張機出口側通路１３１ｂを流通する冷媒からポンプ出口側通路１３１ｄを流通する冷媒への熱移動量を増加させることができる。このフィン１３１ｆは、膨張機出口流路１３１ｂの環状となる部位のほぼ全領域に設けることで、熱移動量を更に増加させることができる。
【００９７】
また、ポンプ出口側通路１３１ｄとポンプ入口側通路１３２ｄとの間に断熱材としてのガスケット１６０を介在させるようにしているので、ポンプ出口側通路１３１ｄを流通する冷媒の熱がポンプ入口側通路１３２ｄを流通する冷媒に伝達するのを抑制することができ、熱媒ポンプ１３０へ流入する冷媒が沸騰するのを防止して熱媒ポンプ１３０の容積効率を向上させることかできる。
【００９８】
また、膨張機出口側通路１３１ｂがモータジェネレータ１２０の内部を通るようにしているので、膨張機兼圧縮機１１０を流出した冷媒によって、モータジェネレータ１２０の冷却が可能となり、モータジェネレータ１２０の信頼性を向上できる。また、ポンプ出口側通路１３１ｄを流通する冷媒に対しては、モータジェネレータ１２０からの吸熱分も合わせて伝達させることができるので、膨張機兼圧縮機１１０の流入側（加熱器４３側）となる冷媒の過熱量を増加させることができ、膨張機兼圧縮機１１０の膨張仕事を増加させることができる。
【００９９】
尚、車両始動後でポンプ入口側通路１３２ｄの冷媒の温度が高く（気相状態を含む冷媒温度となっている時）、熱媒ポンプ１３０がキャビテーションを起し、ランキンサイクル４０をスムースに作動できない場合は、一旦、冷凍サイクル３０を所定時間作動させ（膨張機兼圧縮機１１０を圧縮モードで作動）、低温低圧の冷媒を低圧ポート１３１ａから吸入させて、ポンプ入口側通路１３２ｄ内の冷媒を冷却してやると良い。また、ランキンサイクル４０の作動中にもポンプ入口側通路１３２ｄ内を流通する冷媒温度が上昇して、熱媒ポンプ１３０にキャビテーションが生ずる場合にも、その都度、所定時間冷凍サイクル３０を作動させるようにしてやると良い。
【０１００】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態を図３、図４に示す。第２実施形態は上記第１実施形態に対して、冷凍装置１において冷凍サイクル３０を廃止して、複合流体機械１００Ａに専用の膨張機１１０Ａを設けたものとしている。そして、インバータ（本発明における発熱部に対応）１２がモータジェネレータ１２０Ａに一体的に形成されるようにしており、ポンプ出口側通路１３１ｄの形状を変更している。
【０１０１】
インバータ１２は、モータジェネレータ１２０のモータハウジング１２１の外周部に設けられており、インバータ１２内で特に発熱を伴うスイッチング素子１２ａが、後述するポンプ出口側通路１３１ｄに近接する位置となるようにしている。
【０１０２】
膨張機１１０Ａは、上記第１実施形態で説明した膨張機兼圧縮機１１０に対して、弁機構１１７（吐出弁１１７ａ、弁体１１７ｄ、電磁弁１１７ｈ等）、流入ポート１１６等が廃止され、吐出ポートが高圧ポート１１１ｃとして形成されている。
【０１０３】
膨張機出口側通路１３１ｂは、連通路１１１ｄからモータハウジング１２１内を通って、熱媒ポンプ１３０側端部で環状に形成されて、モータハウジング１２１に設けられた低圧ポート１２１ｂに繋がっている。
【０１０４】
熱媒ポンプ１３０Ａのポンプ出口側通路１３１ｄは、旋回スクロール１３３の外周部および反固定スクロール側に環状に形成されるようにしており、この環状となる通路はモータハウジング１２１とインバータ１２（スイッチング素子１２ａ）の間を通過するようにしてシャフトハウジング１１１ｂ側に設けられた吐出ポート１３１ｃに繋がっている。
【０１０５】
環状となる膨張機出口側通路１３１ｂとポンプ出口側通路１３１ｄとの間を区画するモータハウジング１２１、ポンプハウジング１３１の肉厚（壁１３１ｅ）は、必要最小限に薄肉に形成されており、ポンプ出口側通路１３１ｄ側にフィン１３１ｆが形成されている。
【０１０６】
尚、膨張機兼圧縮機１１０を専用の膨張機１１０Ａとしていることから、モータジェネレータ１２０Ａと熱媒ポンプ１３０Ａとの間の動力断続の必要が無く、モータ軸１２４とポンプ軸１３４とは、直結されている（一方向クラッチ１４０廃止）。
【０１０７】
本第２実施形態においては、冷凍サイクル３０での使用はできないが、ランキンサイクル４０において、膨張機１１０Ａに発生される駆動力によって、モータジェネレータ１２０Ａがジェネレータとして作動されると共に、熱媒ポンプ１３０Ａが作動される。
【０１０８】
ここでは、膨張機出口側通路１３１ｂを流通する冷媒の熱に加えて、インバータ１２（スイッチング素子１２ａ）の熱をポンプ出口側通路１３１ｄを流通する冷媒に効果的に伝達させることができるので、膨張機１１０Ａの流入側（加熱器４３側）となる冷媒の過熱量を増加させることができ、膨張機１１０Ａの膨張仕事を増加させることができる。即ち、ランキンサイクル４０において、更に優れた効率を発揮する複合流体機械１００とすることができる。また、インバータ１２にとっては冷媒によって冷却されることになるので、インバータ１２の信頼性を向上させることができる。
【０１０９】
（第３実施形態）
本発明における第３実施形態を図５に示す。第３実施形態は、上記第１実施形態に対して、冷凍装置１において冷凍サイクル３０を廃止して、複合流体機械１００Ｂに専用の膨張機１１０Ａを設け（第２実施形態と同じ）、モータジェネレータ１２０と熱媒ポンプ１３０とを直結（モータ軸１２４とポンプ軸１３４とを接続して一方向クラッチ１４０廃止）したものである。
【０１１０】
第３実施形態においては、上記第２実施形態と同様に冷凍サイクル３０での使用はできないが、ランキンサイクル４０における作動は第１実施形態と同一であり、同一の作用効果を得ることができる。
【０１１１】
（第４実施形態）
本発明における第４実施形態を図６に示す。第４実施形態は、上記第１実施形態に対して、冷凍装置１において冷凍サイクル３０を廃止して、複合流体機械１００Ｃに専用の膨張機１１０Ａを設け（第２実施形態と同じ）、また、熱媒ポンプ１３０Ｂをスクロール型に代えてローリングピストン型としている。
【０１１２】
熱媒ポンプ１３０Ｂは、ポンプハウジング１３１Ａの内部に形成されるシリンダ１３６ａ、ロータ１３７等を有している。シリンダ１３６ａは、シリンダブロック１３６の中心部で断面円形に穿設されて形成されている。ポンプ軸１３４には、このポンプ軸１３４に対して偏心した円形のカム部１３４ｅが形成されており、このカム部１３４ｅの外周側には扁平円筒状のロータ１３７が装着されている。ロータ１３７の外径は、シリンダ１３６ａの内径より小さく設定されてシリンダ１３６ａ内に挿入されており、ロータ１３７はカム部１３４ｅによってシリンダ１３６ａ内を公転する。また、ロータ１３７の外周部にはロータ１３７の半径方向に摺動可能として、中心側に押圧されてロータ１３７に当接するベーン１３８が設けられている。そして、シリンダ１３６ａ内において、ロータ１３７およびベーン１３８によって囲まれる空間がポンプ作動室Ｐとして形成されている。
【０１１３】
シリンダブロック１３６には、ベーン１３８に近接して、このベーン１３８を挟むようにシリンダ１３６ａ内に連通する冷媒流入部１３６ｂ、および冷媒流出部（図示せず）が設けられている。冷媒流入部１３６ｂはポンプハウジング１３１Ａを貫通する吸入ポート１３２ｃに接続されており、また、冷媒流出部は吐出弁１３６ｃを介して、ポンプハウジング１３１Ａとシリンダブロック１３６との間に形成される高圧室１３９に連通している。そして、高圧室１３９はポンプハウジング１３１Ａのモータジェネレータ１２０側となる側壁に形成された吐出ポート１３１ｃに繋がっている。
【０１１４】
このように、本実施形態における熱媒ポンプ１３０Ｂでは、ポンプ作動室Ｐの周囲が高圧室１３９の雰囲気で囲まれる形となり、高圧室１３９と大気側とはポンプハウジング１３１Ａによって遮断されるようになっている。また、高圧室１３９は、ここでは熱媒ポンプ１３０Ｂの作動流体出口側となるポンプ出口側通路（１３１ｄ）に相当しており、高圧室１３９（ポンプ出口側通路１３１ｄ）は、膨張機１１０Ａの膨張機出口側通路１３１ｂの一部に近接して配置されている。
【０１１５】
この熱媒ポンプ１３０Ｂにおいては、冷媒はロータ１３７の公転作動によって、吸入ポート１３２ｃ、冷媒流入部１３６ｂからポンプ作動室Ｐに流入され、冷媒流出部、吐出弁１３６ｃ、高圧室１３９を経て吐出ポート１３１ｃから吐出される。
【０１１６】
これにより、膨張機１１０Ａの膨張機出口側通路１３１ｂを流通する冷媒の熱を熱媒ポンプ１３０Ｂの高圧室１３９（ポンプ出口側通路１３１ｄ）を流通する冷媒に伝達させることができるので、膨張機１１０Ａの流入側（加熱器４３側）となる冷媒の過熱量を増加させることができ、膨張機１１０Ａでの膨張仕事を増加させることができる。即ち、ランキンサイクル４０に用いられて、優れた効率を発揮する複合流体機械１００Ｃとすることができる。また、吐出ポート１３１ｃをモータジェネレータ１２０側に設けているので、吐出ポート１３１ｃにおける冷媒も膨張機出口側通路１３１ｂを流通する冷媒によって効果的に加熱される。また、熱媒ポンプ１３０Ｂの高圧室１３９によって、膨張機１１０Ａ側の冷媒の熱がポンプ作動室Ｐを流通する冷媒に伝達するのを抑制することができるので、熱媒ポンプ１３０Ｂへ流入する冷媒が沸騰するのを防止して熱媒ポンプ１３０の容積効率を向上させることかできる。
【０１１７】
尚、吐出ポート１３１ｃは、図７に示す複合流体機械１００Ｃのように、熱媒ポンプ１３０Ｂのポンプ軸１３４長手方向の端部側に設けるようにしても良い。
【０１１８】
（その他の実施形態）
上記の各実施形態においては、スクロール型あるいはローリングピストン型の熱媒ポンプ１３０、１３０Ａ、１３０Ｂを採用したが、本発明はこれに限定されるものではなく、ギヤポンプ型、トロコイド型等その他の形式のものを適用することができる。尚、膨張機兼圧縮機１１０（膨張機１１０Ａ）についても同様である。
【０１１９】
また、モータジェネレータ１２０内を熱媒ポンプ１３０の高圧側雰囲気となるように形成して、膨張機兼圧縮機１１０（膨張機１１０Ａ）とモータジェネレータ１２０との間に軸シール１５０を設ける構造としても良い。
【０１２０】
また、上記の各実施形態においては、発熱機器として、車両用のエンジン（熱機関、内燃機関）１０としたが、これに限らず、例えば、外燃機関、燃料電池車両の燃料電池スタック、各種モータ、インバータ等のように作動時に発熱を伴い、温度制御のためにその熱の一部を捨てるもの（廃熱が発生するもの）であれば、広く適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１２１】
【図１】本発明の第１実施形態における冷凍装置を示す模式図である。
【図２】本発明の第１実施形態における複合流体機械を示す断面図である。
【図３】本発明の第２実施形態における複合流体機械を示す断面図である。
【図４】図３のＡ−Ａ部を示す断面図である。
【図５】本発明の第３実施形態における複合流体機械を示す断面図である。
【図６】本発明の第４実施形態における複合流体機械を示す断面図である。
【図７】本発明の第４実施形態の変形例における複合流体機械を示す断面図である。
【符号の説明】
【０１２２】
１ 冷凍装置
１０ エンジン（発熱機器、熱機関）
１２ インバータ（発熱部）
１２ａ スイッチング素子
１００ 熱媒ポンプ一体型膨張発電機兼電動圧縮機（膨張機付き流体ポンプ）
１１０ 膨張機兼圧縮機（膨張機）
１２０ モータジェネレータ（発電機）
１２１ モータハウジング（発電機ハウジング）
１３０ 熱媒ポンプ（ポンプ）
１３１ ポンプハウジング（出口側ハウジング）
１３１Ａ ポンプハウジング（ハウジング）
１３１ｂ 膨張機出口側通路
１３１ｄ ポンプ出口側通路
１３１ｅ 壁
１３１ｆ フィン
１３２ 固定スクロール（入口側ハウジング）
１３２ｄ ポンプ入口側通路
１３９ 高圧室
１６０ ガスケット（断熱材）
Ｐ ポンプ作動室（作動室）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液相状態の作動流体を昇圧させるポンプ（１３０）と、
前記ポンプ（１３０）から圧送された後に、加熱されて気相状態となった前記作動流体の膨張によって駆動力を発生する膨張機（１１０）とが直列に接続された膨張機付き流体ポンプにおいて、
前記膨張機（１１０）の作動流体出口側となる膨張機出口側通路（１３１ｂ）の一部を、前記ポンプ（１３０）の作動流体出口側となるポンプ出口側通路（１３１ｄ）の一部の近傍に配置したことを特徴とする膨張機付き流体ポンプ。
【請求項２】
前記ポンプ（１３０）の作動流体入口側となるポンプ入口側通路（１３２ｄ）に対して、前記ポンプ出口側通路（１３１ｄ）は、前記膨張機（１１０）側に配置されたことを特徴とする請求項１に記載の膨張機付き流体ポンプ。
【請求項３】
前記ポンプ（１３０）は、スクロール型ポンプであり、前記作動流体を中心側から吸入し、外周側から吐出することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の膨張機付き流体ポンプ。
【請求項４】
液相状態の作動流体を昇圧させるポンプ（１３０）と、
前記ポンプ（１３０）から圧送された後に、加熱されて気相状態となった前記作動流体の膨張によって駆動力を発生する膨張機（１１０）とが直列に接続された膨張機付き流体ポンプにおいて、
前記ポンプ（１３０）の作動室（Ｐ）周囲を高圧室（１３９）の雰囲気で囲み、前記高圧室（１３９）と大気間をハウジング（１３１Ａ）で遮断することを特徴とする膨張機付き流体ポンプ。
【請求項５】
前記ポンプ（１３０）は、ローリングピストン型ポンプであることを特徴とする請求項４に記載の膨張機付き流体ポンプ。
【請求項６】
前記高圧室（１３９）は、前記ポンプ（１３０）の作動流体出口側となるポンプ出口側通路（１３１ｄ）に相当し、
前記膨張機（１１０）の作動流体出口側となる膨張機出口側通路（１３１ｂ）の一部を、前記ポンプ出口側通路（１３１ｄ）の一部の近傍に配置したことを特徴とする請求項４または請求項５に記載の膨張機付き流体ポンプ。
【請求項７】
前記ポンプ出口側通路（１３１ｄ）は、前記ポンプ（１３０）の径方向外側にほぼ環状に配置されており、
前記膨張機出口側通路（１３１ｂ）も前記ポンプ出口側通路（１３１ｄ）に隣接してほぼ環状に配置されていることを特徴とする請求項１〜請求項３、請求項６のいずれか１つに記載の膨張機付き流体ポンプ。
【請求項８】
前記ポンプ出口側通路（１３１ｄ）と、前記膨張機出口側通路（１３１ｂ）とを区画する壁（１３１ｅ）が設けられ、
前記壁（１３１ｅ）の一方面には、壁面積を増大するフィン（１３１ｆ）が設けられたことを特徴とする請求項１〜請求項３、請求項６、請求項７のいずれか１つに記載の膨張機付き流体ポンプ。
【請求項９】
前記フィン（１３１ｆ）は、前記ポンプ出口側通路（１３１ｄ）と前記膨張機出口側通路（１３１ｂ）とが近接する部位のほぼ全領域に設けられたことを特徴とする請求項８に記載の膨張機付き流体ポンプ。
【請求項１０】
前記ポンプ（１３０）の作動流体入口側となるポンプ入口側通路（１３２ｄ）と、前記ポンプ出口側通路（１３１ｄ）との間には、両者（１３２ｄ、１３１ｄ）間の熱伝達を抑制する断熱材（１６０）が挿入されたことを特徴とする請求項１〜請求項３、請求項６〜請求項９のいずれか１つに記載の膨張機付き流体ポンプ。
【請求項１１】
前記断熱材（１６０）は、前記ポンプ入口側通路（１３２ｄ）を形成する入口側ハウジング（１３２）と、前記ポンプ出口側通路（１３１ｄ）を形成する出口側ハウジング（１３１）との分割面に介在されるガスケット（１６０）であることを特徴とする請求項１０に記載の膨張機付き流体ポンプ。
【請求項１２】
前記ポンプ（１３０）と前記膨張機（１１０）との間に、前記膨張機（１１０）の駆動力によって作動されて発電する発電機（１２０）が設けられたことを特徴とする請求項１〜請求項１１のいずれか１つに記載の膨張機付き流体ポンプ。
【請求項１３】
前記膨張機出口側通路（１３１ｂ）は、前記発電機（１２０）の内部を通って前記ポンプ出口側通路（１３１ｄ）近傍に達することを特徴とする請求項１２に記載の膨張機付き流体ポンプ。
【請求項１４】
前記発電機（１２０）の発熱部（１２）は、前記ポンプ出口側通路（１３１ｄ）の近傍に配置されたことを特徴とする請求項１２または請求項１３に記載の膨張機付き流体ポンプ。
【請求項１５】
前記発熱部（１２）は、前記発電機（１２０）の発電機ハウジング（１２１）の外周部に設けられており、
前記ポンプ出口側通路（１３１ｄ）は、前記発熱部（１２）と前記発電機ハウジング（１２１）との間を通過するように配置されたことを特徴とする請求項１４に記載の膨張機付き流体ポンプ。
【請求項１６】
前記発熱部（１２）は、前記発電機（１２０）の作動を制御するインバータ（１２）であり、
前記インバータ（１２）内のスイッチング素子（１２ａ）は、前記ポンプ出口側通路（１３１ｄ）に近い側に配置されていることを特徴とする請求項１４または請求項１５に記載の膨張機付き流体ポンプ。
【請求項１７】
発熱機器（１０）の廃熱を加熱源とすると共に、
請求項１〜請求項１６に記載の膨張機付き流体ポンプ（１００）の前記ポンプ（１３０）および前記膨張機（１１０）が使用されることを特徴とするランキンサイクル。
【請求項１８】
前記発熱機器（１０）は、熱機関（１０）であることを特徴とする請求項１７に記載のランキンサイクル。
【請求項１】
液相状態の作動流体を昇圧させるポンプ（１３０）と、
前記ポンプ（１３０）から圧送された後に、加熱されて気相状態となった前記作動流体の膨張によって駆動力を発生する膨張機（１１０）とが直列に接続された膨張機付き流体ポンプにおいて、
前記膨張機（１１０）の作動流体出口側となる膨張機出口側通路（１３１ｂ）の一部を、前記ポンプ（１３０）の作動流体出口側となるポンプ出口側通路（１３１ｄ）の一部の近傍に配置したことを特徴とする膨張機付き流体ポンプ。
【請求項２】
前記ポンプ（１３０）の作動流体入口側となるポンプ入口側通路（１３２ｄ）に対して、前記ポンプ出口側通路（１３１ｄ）は、前記膨張機（１１０）側に配置されたことを特徴とする請求項１に記載の膨張機付き流体ポンプ。
【請求項３】
前記ポンプ（１３０）は、スクロール型ポンプであり、前記作動流体を中心側から吸入し、外周側から吐出することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の膨張機付き流体ポンプ。
【請求項４】
液相状態の作動流体を昇圧させるポンプ（１３０）と、
前記ポンプ（１３０）から圧送された後に、加熱されて気相状態となった前記作動流体の膨張によって駆動力を発生する膨張機（１１０）とが直列に接続された膨張機付き流体ポンプにおいて、
前記ポンプ（１３０）の作動室（Ｐ）周囲を高圧室（１３９）の雰囲気で囲み、前記高圧室（１３９）と大気間をハウジング（１３１Ａ）で遮断することを特徴とする膨張機付き流体ポンプ。
【請求項５】
前記ポンプ（１３０）は、ローリングピストン型ポンプであることを特徴とする請求項４に記載の膨張機付き流体ポンプ。
【請求項６】
前記高圧室（１３９）は、前記ポンプ（１３０）の作動流体出口側となるポンプ出口側通路（１３１ｄ）に相当し、
前記膨張機（１１０）の作動流体出口側となる膨張機出口側通路（１３１ｂ）の一部を、前記ポンプ出口側通路（１３１ｄ）の一部の近傍に配置したことを特徴とする請求項４または請求項５に記載の膨張機付き流体ポンプ。
【請求項７】
前記ポンプ出口側通路（１３１ｄ）は、前記ポンプ（１３０）の径方向外側にほぼ環状に配置されており、
前記膨張機出口側通路（１３１ｂ）も前記ポンプ出口側通路（１３１ｄ）に隣接してほぼ環状に配置されていることを特徴とする請求項１〜請求項３、請求項６のいずれか１つに記載の膨張機付き流体ポンプ。
【請求項８】
前記ポンプ出口側通路（１３１ｄ）と、前記膨張機出口側通路（１３１ｂ）とを区画する壁（１３１ｅ）が設けられ、
前記壁（１３１ｅ）の一方面には、壁面積を増大するフィン（１３１ｆ）が設けられたことを特徴とする請求項１〜請求項３、請求項６、請求項７のいずれか１つに記載の膨張機付き流体ポンプ。
【請求項９】
前記フィン（１３１ｆ）は、前記ポンプ出口側通路（１３１ｄ）と前記膨張機出口側通路（１３１ｂ）とが近接する部位のほぼ全領域に設けられたことを特徴とする請求項８に記載の膨張機付き流体ポンプ。
【請求項１０】
前記ポンプ（１３０）の作動流体入口側となるポンプ入口側通路（１３２ｄ）と、前記ポンプ出口側通路（１３１ｄ）との間には、両者（１３２ｄ、１３１ｄ）間の熱伝達を抑制する断熱材（１６０）が挿入されたことを特徴とする請求項１〜請求項３、請求項６〜請求項９のいずれか１つに記載の膨張機付き流体ポンプ。
【請求項１１】
前記断熱材（１６０）は、前記ポンプ入口側通路（１３２ｄ）を形成する入口側ハウジング（１３２）と、前記ポンプ出口側通路（１３１ｄ）を形成する出口側ハウジング（１３１）との分割面に介在されるガスケット（１６０）であることを特徴とする請求項１０に記載の膨張機付き流体ポンプ。
【請求項１２】
前記ポンプ（１３０）と前記膨張機（１１０）との間に、前記膨張機（１１０）の駆動力によって作動されて発電する発電機（１２０）が設けられたことを特徴とする請求項１〜請求項１１のいずれか１つに記載の膨張機付き流体ポンプ。
【請求項１３】
前記膨張機出口側通路（１３１ｂ）は、前記発電機（１２０）の内部を通って前記ポンプ出口側通路（１３１ｄ）近傍に達することを特徴とする請求項１２に記載の膨張機付き流体ポンプ。
【請求項１４】
前記発電機（１２０）の発熱部（１２）は、前記ポンプ出口側通路（１３１ｄ）の近傍に配置されたことを特徴とする請求項１２または請求項１３に記載の膨張機付き流体ポンプ。
【請求項１５】
前記発熱部（１２）は、前記発電機（１２０）の発電機ハウジング（１２１）の外周部に設けられており、
前記ポンプ出口側通路（１３１ｄ）は、前記発熱部（１２）と前記発電機ハウジング（１２１）との間を通過するように配置されたことを特徴とする請求項１４に記載の膨張機付き流体ポンプ。
【請求項１６】
前記発熱部（１２）は、前記発電機（１２０）の作動を制御するインバータ（１２）であり、
前記インバータ（１２）内のスイッチング素子（１２ａ）は、前記ポンプ出口側通路（１３１ｄ）に近い側に配置されていることを特徴とする請求項１４または請求項１５に記載の膨張機付き流体ポンプ。
【請求項１７】
発熱機器（１０）の廃熱を加熱源とすると共に、
請求項１〜請求項１６に記載の膨張機付き流体ポンプ（１００）の前記ポンプ（１３０）および前記膨張機（１１０）が使用されることを特徴とするランキンサイクル。
【請求項１８】
前記発熱機器（１０）は、熱機関（１０）であることを特徴とする請求項１７に記載のランキンサイクル。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００６−２６６２３８（Ｐ２００６−２６６２３８Ａ）
【公開日】平成１８年１０月５日（２００６．１０．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−８９３１４（Ｐ２００５−８９３１４）
【出願日】平成１７年３月２５日（２００５．３．２５）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【出願人】（０００００４６９５）株式会社日本自動車部品総合研究所 (1,981)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１０月５日（２００６．１０．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年３月２５日（２００５．３．２５）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【出願人】（０００００４６９５）株式会社日本自動車部品総合研究所 (1,981)
【Ｆターム（参考）】
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