(57)【要約】【課題】生活活動に於いて、無駄に捨てられている多種類の熱エネルギーを再利用して、人々が利用可能な暖房・冷房・給湯用などの温冷熱エネルギーとして再生できる方法が模索され、それを実現するための新しいエネルギーシステムが嘱望されている。そこで燃焼熱、コージェネ発電排熱、自動車エンジン排熱、太陽熱、バイオマス等の燃焼熱などを利用し、これを動力源として種々な利用し易いエネルギーへ変換するための熱エネルギー変換装置の核となるガス膨張圧縮機の実用化を図る。【解決手段】  このため、電力とともに熱源を利用して駆動できる高性能で実用的なガス膨張機と冷媒圧縮機及び電動モータを動力伝達関係に組み合わせたシステム構想を提案し、それを具体化するための新しい膨張圧縮機の機構とその機構実現に関わる技術、それを基にした新しい膨張圧縮機システム実用化のための技術的方策を明確にする。【選択図】  図６
2007127018.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスを膨張させる膨張機とガスを圧縮する圧縮機をシェル内に組み込んで前記膨張機の出力により前記圧縮機を駆動するように構成した膨張圧縮機に於いて、
前記膨張機と前記圧縮機をシェル外部から導入した高圧ガスを前記膨張機で膨脹させることにより発生した動力を前期圧縮機へ動力伝達してシェル外部から導入した低圧ガスを前記圧縮機で圧縮するように構成し、其の膨張後と圧縮後のガスを前記シェル内又はシェル近傍で合流させて一緒にシェル外に送り出すように構成した事を特長としたガス膨張圧縮機。
【請求項２】
ガスを膨張させる膨張機とガスを圧縮させる圧縮機をシェル内に組み込んで前記膨張機の出力により前記圧縮機を駆動するように構成した膨張圧縮機に於いて、
前記膨張機と前記圧縮機の機構として、円筒形状のシリンダと接触線を保ちながらその内側で旋回する円筒形状ローラーと高低圧仕切り弁等から構成される所謂ロータリ方式を採用し、該膨張機と該圧縮機の一対の又は複数のシリンンダを仕切り板を間に挟んで回転軸方向に交互に重ね合わせて一体のシリンダに組み立て、一体の又は軸方向に重ね合わせて結合して一体としたローラーを該一体シリンダの中に組み込み、該仕切り板と該シリンダの合わせ面又は、及び該仕切り板と該一体ローラーの合わせ面とを摺動させた状態で該一体ローラーを内側のクランク軸の回転にあわせて旋回させ、膨張機シリンダにおけるガスの膨張と圧縮機シリンダにおけるガスの圧縮を同時に行わせる様に構成した事を特徴としたガス膨張圧縮機。
【請求項３】
ガスを膨張させる膨張機とガスを圧縮させる圧縮機をシェル内に組み込んで前記膨張機の出力により前記圧縮機を駆動するように構成した膨張圧縮機に於いて、
前記膨張機と前記圧縮機の機構として、内面円筒状のシリンダと接触線を保ちながらその内側で旋回する円筒状ローラーと高低圧仕切り弁等から構成される所謂ロータリ方式を採用し、１つのシリンダ内で旋回する１つのローラーの外周と該シリンダの内周とで構成される空間を膨張又は圧縮シリンダとし、該ローラーの内周と回転軸の外周で構成される空間を圧縮又は膨張シリンダとして膨張圧縮機を構成して、該膨張機と該圧縮機を１つのローラーを利用した一体の膨張圧縮構造とした事を特徴としたガス膨張圧縮機。
【請求項４】
渦巻状の固定翼に噛み合わさって渦巻状の旋回翼が旋回することにより膨張乃至は圧縮する所謂スクロール方式を採用し、膨張機旋回翼基板と圧縮機旋回翼基板の背面同志をむき合わせて形成乃至は連結するなどして一体の旋回翼体とし、翼同志を向き合わせた状態でその基板がシェルに固定された膨張機固定翼と圧縮機固定翼の間に該旋回翼体を設置し、夫々の旋回翼と固定翼を噛み合わせて膨張機シリンダと圧縮機シリンダを構成し、膨張機シリンダ外周部及び圧縮機シリンダ中心部をシェル内に開放乃至は連通した事を特徴とした請求項１に記載のガス膨張圧縮機。
【請求項５】
ガスを膨張させる膨張機とガスを圧縮させる圧縮機をシェル内に組み込んで前記膨張機の出力により前記圧縮機を駆動するように構成した膨張圧縮機に於いて、
渦巻状の固定翼に噛み合わさって渦巻状の旋回翼が旋回することにより膨張乃至は圧縮する所謂スクロール方式を採用し、膨張機旋回翼基板と圧縮機旋回翼基板の背面同志をむき合わせてアームで連結するなどして一体の旋回翼体を形成し、翼同志を向き合わせた状態でその基板がシェルに固定された膨張機固定翼と圧縮機固定翼の間に設置し、夫々の旋回翼と固定翼を噛み合わせて膨張機シリンダと圧縮機シリンダを構成すると共に、少なくても１つの自転阻止機構を１つの旋回翼基板に対し設けるとともに前記旋回翼体が支持され旋回されるように同一の旋回翼基板に設けた軸とクランクとクランク軸受け等から成る少なくとも１つの旋回ガイド機構を介して該旋回翼基板をシェルに連結し、乃至は前記二つの旋回翼基板間に該基板と軸同士が平行になるようにシェルに固定した電動モータを配置し、その軸端に設けられた少なくとも一つの旋回ガイド機構を圧縮機旋回翼基板に連結し前記旋回翼体が旋回され、駆動されるように構成した事を特徴としたガス膨張圧縮機。
【請求項６】
ガスを膨張させる膨張機とガスを圧縮する圧縮機をシェル内に組み込んで前記膨張機の出力により前記圧縮機を駆動するように構成した膨張圧縮機に於いて、
渦巻状の固定翼に噛み合わさった渦巻状の旋回翼が旋回することにより膨張乃至は圧縮する所謂スクロール方式を採用し、膨張機旋回翼と圧縮機旋回翼の基板の背面同志を向き合わせた形の一体の旋回翼体を形成し、翼同志を向き合わせた状態で其の基板がシェルに固定された膨張機固定翼と圧縮機固定翼の間に設置し、夫々の旋回翼と固定翼を噛み合わせて膨張機シリンダと圧縮機シリンダを構成すると共に、該旋回翼体を前記膨張圧縮機外部に設けた少なくとも一つの旋回ガイド機構を介してシェルに連結させて支持され旋回されるように構成した、又は前記旋回翼体を膨張圧縮機の外側に其の軸を該旋回翼体と平行に配置固定した電動モータの軸の回転により作動する少なくとも１つの旋回ガイド機構へと旋回翼体支持アーム等により連結固定し、旋回および駆動されように構成した事を特徴としたガス膨張圧縮機。
【請求項７】
前記膨張機と前記圧縮機の双方に、其のピッチが軸方向に縮小して形成された螺旋状の可撓翼体をその側面の一部がその表面から出入りできる状態で全長に渡りローラー外表面に埋め込み、該ローラーを円筒状のシリンダ内に組み込んで該シリンダ内表面と常に接触線がある状態で旋回させて作動流体を膨張乃至は圧縮させる所謂ヘリカル方式を採用し、
膨張機ローラーと圧縮機ローラーを同軸上に一体乃至は連結して構成し、その旋回方向と前記螺旋状翼体の螺旋方向とピッチ縮小又は拡大方向とを双方のシリンダの作動ガスが膨張及び圧縮しながら同一軸方向に流れるように構成した事を特徴とした請求項１に記載のガス膨張圧縮機。
【請求項８】
ガスを膨張させる膨張機とガスを圧縮させる圧縮機をシェル内に組み込んで前記膨張機の出力により前記圧縮機を駆動するように構成した膨張圧縮機に於いて、
前記膨張機と前記圧縮機の双方に、其のピッチを軸方向に順次縮小して形成した螺旋状の可撓翼体をその側面が表面から出入りできる状態で全長に渡りローラー外表面乃至は円筒状シリンダ内表面等に埋め込み、該ローラーを該シリンダ内に組み込んで、シリンダ内表面と常に接触線がある状態で旋回させて作動流体を膨張乃至は圧縮させる所謂ヘリカル方式を採用し、
該ローラーの内側に外側の前記円筒シリンダと同一の軸心をもった軸体を設置して該ローラーの内外に二つのシリンダを構成し、両シリンダに前記螺旋状翼体と同等な機能を持つ別々の螺旋状翼体を該ローラー乃至は該軸体に埋め込んで側面がその表面から出入りできる状態に設置し、前記ローラーを前記円筒状シリンダ内表面及び前記軸体の外表面とを常に接触線がある状態で旋回させ、ローラーの円筒内外にできるシリンダの一方を膨張機シリンダ、他方を圧縮機シリンダとした事を特徴としたガス膨張圧縮機。
【請求項９】
前記膨張機と前記圧縮機のシリンダ内のガスを膨張乃至は圧縮する為、回転軸のクランクの回転に応じて旋回するローラ乃至は翼などの作動体に於いて、前記膨張機の作動体の寸法を前記圧縮機の作動体の寸法と比較し、作動体旋回寸法乃至は軸方向長さの少なくとも何れかが小さくなるように設定し、その結果前記作動体旋回寸法と軸方向長さの積で表されるシリンダ有効容積において、膨張機のそれを圧縮機のそれより小さくして、それを７０％以下に設定した事を特徴とした請求項１、２、３、４、５、６、７、８の何れか１項に記載のガス膨張圧縮機。
【請求項１０】
請求項１に記載された膨脹圧縮機である事を特徴とした請求項２、３、５、６、８の何れか一項に記載されたガス膨張圧縮機。
【請求項１１】
ガスを膨張させる膨張機とガスを圧縮する圧縮機をシェル内に組み込んで前記膨張機の出力により前記圧縮機を駆動するように構成した膨張圧縮機に於いて、
電動モータを前記膨張圧縮機の前記シェル内に、前記膨張機及び前記圧縮機と前記回転軸を一体とするなど動力伝達できる状態に設置し、前記電動モータの軸が作動する回転方向と合致する回転方向で前記膨張機が膨張作動、前記圧縮機が圧縮作動できるように構成したものに於いて、前記圧縮機の駆動源として前記膨張機のみ作動、前記膨張機と前記電動モータの双方作動及び前記電動モータのみ作動の３通りの作動モードに対応し前記電動モータを回転数と出力を可変できるインバータ制御電源などにより駆動される可変速電動モータとした事を特徴とした請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０の何れか一項に記載のガス膨張圧縮機。
【請求項１２】
前記電動モータは交流誘導電動モータとした事を特徴とした請求項１１に記載のガス膨張圧縮機。
【請求項１３】
前記圧縮機の旋回回数が請求項９に記載の３つの作動モードの何れに於いてもシェル外部でわかるように、位置センサーなどを含む回転数検出手段を前記圧縮機の旋回部分を旋回ガイドする機構のクランク部乃至はそれと一緒に回転する部分を利用して設置した事を特徴とした請求項２〜８、１１、１２の何れか一項に記載のガス膨張圧縮機。
【請求項１４】
前記圧縮機の駆動源として前記電動モータを作動させ、前記膨張機を停止させるモードの時、前記膨張機内のガスの膨張作動を失わせる乃至は弱めるために、膨張機シリンダ空間の全部乃至は一部をシェル内空間と連通させる為の機構を該膨張機シリンダケース乃至は其の近傍に設けた事を特徴とした請求項１１、１２、１３の何れか一項に記載のガス膨張圧縮機。
【請求項１５】
前記膨張圧縮機に於いて、総数で三つ乃至は四つの膨張機用及び圧縮機用シリンダと該圧縮機シリンダを駆動するための１つの電動モータとを１つのシェル内に設置し、全てのシリンダで旋回するローラー乃至は翼体などを該電動モータの軸出力により作動するように構成した事を特徴とした請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０のいずれか一項に記載のガス膨張圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
今後、家庭、事務所、店舗、車両などで実際に使われる温水、冷房、暖房などを主体とした冷熱エネルギーの消費量は前世界的な規模で一層の増加をたどる事は避けがたく、地球的エネルギー問題、地球温暖化などの環境問題の深刻化は避けられない。  一方、捨てられている密度の低いエネルギー源、乃至は無駄に消費されているエネルギー源として例を挙げれば、自動車エンジン排熱、発電所排熱、家庭給湯器用の石油・ガス燃焼熱、厨房・キッチンでの料理利用熱など多くの排熱エネルギーが生じている。この現実の無駄の解決のために多くの省エネルギー、環境に関する技術、発明、装置が提案、検討、具体化されてきた。例えば自然エネルギー利用としての太陽熱温水器、種々の排熱利用温水装置、究極の熱変換システムとしての地域発電を担うエンジン式コージェネレイション装置、電力駆動による大気熱源汲み上げのヒートポンプ給湯器（非特許文献１）、燃料電池排熱給湯器などがその具体例である。
【０００２】
しかしながらこれ等の新しい試みは、現在、家庭、事務所、店舗などで、電力、石油、ガスなどのエネルギーを利用して温冷熱を作り供給する最も簡単な方式の現在使われている器機、例えば石油給湯器、家庭用の電気利用エアコンなどに比べ、そのエネルギー源の供給が時間帯、季節、地域に寄り安定して得られ憎い、さらには器機が複雑で大型でコストがかかり効果対コストという点では十分なレベルにあるとは言えず、其の実用化にはまだ高いハードルがある。以上の状況を鑑み、今後、種々の熱源を利用する事が可能な、かつ其の熱源エネルギーを用いて大気等のエネルギー密度の低い熱源からの熱の汲み上げが可能で、其の結果、一次エネルギーベースでアウトプットエネルギーを対比させたエネルギー効率が極めて高く、簡単でコンパクトなシステムを提供する為の新しい商品技術が発明提案され、早期に実用化されることが期待されている。
【０００３】
この解決を目指した新商品・機器の１つとして次のようなものがある。即ち石油やガス等の燃料の燃焼でエンジンを駆動し、その軸出力で冷凍サイクルの圧縮機を駆動する方式はガスエンジンヒートポンプ（ＧＨＰ）等の名称で実用化されている（非特許文献２）。これはエアコンの冷暖房用として用いられており、エンジンの出力エネルギー効率を３０％とすると冷凍サイクルの効率を３５０％として、冷房時の全エネルギー効率はその積として１０５％程度であるが、暖房乃至は給湯運転の場合は大気から熱を汲み上げる効果が高いヒートポンプ運転の効率は４００％弱であり、総合効率は１２０％弱となり、さらにエンジンの排熱をうまく利用すれば総合効率１５０％近い理想的な高い効率を狙えるものである。しかしながら、その装置はエンジンと冷凍サイクルが別々に必要で、大掛かりで装置費用が高くなるため大型の空調機乃至は給湯装置として用いられる事が多く、かつまた、エンジンの出力を圧縮機へ伝達する軸部分での冷媒シール構造に課題があり、密閉型でなくなるため冷媒リーク時のメンテナンスと地球温暖化への悪影響などの問題もあり、大きな市場を構成していないが今後期待される機器であり徐々に販売数は増加している。
【０００４】
そこで現在、上に述べた問題を解決出来る方式として次のようなシステムが発案されている。即ち、１００℃以上の温度レベルの熱源で冷媒を蒸発させ高圧力のガス冷媒とし、それにより膨張機を駆動して動力を得る方式である。その動力で冷凍サイクルの圧縮機を駆動するシステムを利用した方式が種々検討されてきている。この方式では高圧力のガス冷媒が膨張して仕事をした後にも、熱源から受け取った熱量にほぼ等しい熱量を６０℃近い温度で放熱できるためほとんど同じ量の熱量を利用でき、かつ駆動した圧縮機に連なる冷凍サイクル側からは室外空気熱交喚器に於いて室外空気から吸収した同程度の量の熱量をやはり６０℃に近い温度で放熱する事が出来る。従ってこの双方の熱量を得る事が出来、結果的には熱源の供給熱量の2倍に近い熱量を獲得できる可能性があり、全エネルギー効率が２００％近くの高効率を達成できる、優れた方式である。
【０００５】
今回の発明提案は、上記の例も含め、様々な熱源を利用してこの様な冷凍サイクルを作動させるために必要なガス膨張機で圧縮機を作動させる所謂ガス膨張圧縮機に関したもので、熱源を利用して得られる高圧のガスを膨張させてその動力を取り出し冷凍サイクル用の圧縮機を駆動するためのものであり、其の冷凍サイクルより温冷熱を取り出して、給湯、暖房、冷房等に利用する機器に組み込まれて使用される。この熱源としては９０℃以上の温度が得られるものであればどの様な種類のものでもＯＫであり、エネルギー資源の活用の視点、即ち排熱利用、上記の事例のような熱の２段利用、大気熱・太陽熱の自然エネルギー利用等に当てはまり、エネルギー資源の有効利用、環境汚染の防止に有効な事が、対象選定の条件となる。具体的には現状ベースでは石油、ガス燃焼熱減、エンジンン排熱、コージェネレイション機器からの排熱、廃棄物焼却装置排熱、太陽熱を利用したシステムが対象となる。
【０００６】
対象の概要は以上のようであるが、いまだ商業化ベースでは実現していない。それは具体化には多くの課題が現在の所解決出来ていないためである。ここではその課題の中で最も重要であると思われる膨張圧縮機に関して新しい技術を発明し提示するものである。本発明は、上記の様な冷凍サイクルを利用したエネルギー処理機器用の基幹部品である膨張圧縮機を、性能に優れ、商品化可能なコンパクトで実用性があり、信頼性の高い機器として完成させる事を目指し、一体化された膨張圧縮機として最適な方式、機構、構造につき検討し、今後実用化に結びつけるための新しい技術を発明として提示するものである。
【背景技術】
【０００７】
熱のエネルギーを膨張機により動力として回収する所謂ランキンサイクルは古くから見られる（特許文献１）。  膨張機と圧縮機を同時に扱ったものとしては、１つの冷凍サイクルの中での圧縮機とそれに対峙する位置にある膨張装置からの動力回収の事例が多い。通常の冷却機の冷凍サイクルではフロンなどの冷媒を用いており、圧縮機の仕事量に対し圧縮して液化したガスを膨張させる際の膨張エネルギーは小さく、膨張機でそれを回収して其の回収エネルギーを圧縮機の動力の一部に再利用するという発想は多くの検討がなされて来ているが、其の効果が小さいためいまだ実用化されたものは少ない。其の冷凍サイクル効率改善の圧縮膨張機の事例はロータリ型の公知例が見られる（特許文献２）。
【０００８】
この事例では膨張機と圧縮機を一体のシェルに入れて同軸状態で隣り合わせに配置しており、其のために多くの利点を産み出している。ここで言うシェルとは膨張圧縮機の収納ケースで、内部は作動ガスで満たされている。しかしこの事例では、膨張機側と圧縮機側の作動媒体はシェル内では常に分離された状態で作動しており、ガス回路は分離されている、かつ膨張機のローターに於いて高圧ガスから受ける力を軸に伝えてそこから圧縮機のローターに伝えているためそこに機械エネルギー損失が生じ、膨張機と圧縮機を１つのシェルに組み込んだ効果を充分産み出しているとは言えない。膨張機単体についても多くの検討が進められてきており、そのスクロール型膨張機の事例を特許文献３に示す。スクロール型の膨張機の事例はロータリ型より多く、実用化された事例も多い。
【０００９】
上記特許文献２に対し、空気を冷媒にした所謂空気サイクル空調機の場合は膨張機の仕事量は相対的に極めて大きくなり、そのエネルギー回収の重要性も大きくなる。これに対する公知例も多く見られる（特許文献４）。  この事例でも膨張機と圧縮機を背中合わせに
隣り合わせて作用力のバランスをとっているが、上記特許文献２と同様に膨張機側と圧縮機側の作動媒体は常に分離されており、かつ双方が同時に作動している事が条件であり、また、其の作動ガスの圧力は膨張機と圧縮機の圧力作動範囲がほぼ同一な状態に於ける一体型膨張圧縮機である。
【００１０】
現在使われている容積型の膨張機と圧縮機の機構は大別してロータリ方式とスクロール方式がある。これを膨張機と圧縮機に別々の異なる方式を採用したものも提案されている（特許文献５）。ロータリ式膨張機では高圧ガスをシリンダに導入するタイミングとローラー位置を合わせる必要があり、その具体的な解決案も提案されている（特許文献６、７）。スクロール型では旋回翼が作動する際に生じるガス圧によるスラスト力を相殺させる効果を生むために二つの旋回翼を一体にしたり、別々の旋回翼の背面同志を連結させる方式も提示されている（特許文献８、９）
【００１１】
熱源を利用して高圧ガスを作り、それにより膨張機を駆動し、そこで得られる動力を利用して冷媒を圧縮して冷凍サイクルを作動させるシステムが出願されている（特許文献１０、１１）。しかしながら特許文献１０はベーン式体積可変機を用いており、このため、効率が高いスムースな膨張と圧縮は実現出来ないと思われる。また特許文献１１は具体的な実用化技術は提示されておらず、アイデアの説明に終始している。以上の様な技術活動は間違いなくこれから訪れるであろう大きな変化、即ち多くの地球環境的条件、社会生活的条件の変化などに備えた動きと捕らえることが出来る。それらは石油資源枯渇を遠くに見据えたエネルギー価格の上昇、エネルギーと産業及び生活排出物の影響による地球温暖化、世界人口の増加と資源消費量及び廃棄物量の継続的増加、製品・材料リサイクル再利用の要請等などであろうと考えられる。
【００１２】
こういった背景をベースにみると、本発明が目指している７０℃〜２００℃の範囲の低温度の熱エネルギーを利用したエネルギー処理装置実現への期待は顕在化しているとは言えないまでも、潜在ニーズは極めて高いと考えられる。しかしながら、こういった未来の架け橋になる商品群の実現化の流れは極めてゆるいし、いまだ商業レベルで前述した課題に有効な製品は充分なスピードで商品化されてきているとは言えない。其の最大の理由は熱源を利用した新エネルギー発生を実現するためのコア技術、コアエンジンが発明され、確立されていないためと考えられる。
【００１３】
上記のコア技術、コアエンジンにあたる物を本発明出願では提案しようとしている。それは実用化できるガス膨張機と冷凍サイクル圧縮機が一体となった機器所謂前述した新エネルギー装置のエンジンとなるもので、基幹技術となるものである。ここではその膨張圧縮機に関し、構造がシンプルで完成された製品を実現するための高い信頼性、魅力的なコスト、大規模なニーズに応えるための基本技術を提供したい。また、膨張機、圧縮機に使用する作動媒体に対する規制も一層厳しくなってきていることを踏まえ、地球温暖化指数であるＧＷＰ値の小さな新しい冷媒を用いる事、及び封入冷媒量を少なくする事、さらに封入冷媒が機器の据え付け、使用、廃却過程で大気中に漏れないで回収されるという要請を考慮した形で未来技術を提示していく。
【特許文献１】実開昭５８−１４４０４号公報
【特許文献２】特開昭５９−２５０９７号公報
【特許文献３】特開昭５８−１１０８８５号公報
【特許文献４】特開平０７−２２９４８２号公報
【特許文献５】特開平０８−０２８４６１広報
【特許文献６】特開平０８−０８２２９６広報
【特許文献７】特開平０８−３３８３５６広報
【特許文献８】特開２００１−２７１７６５広報
【特許文献９】特開２００２−１７４１８６広報
【特許文献１０】特開平０９−１５６３５８広報
【特許文献１１】特開２００４−６０５５０広報
【非特許文献１】日本建築学会偏「建築の次世代エネルギー源」井上書院  Ｐ７９、図５−９  ＣＯ２冷媒ヒートポンプ給湯器の省エネルギー性
【非特許文献２】日本建築学界偏「建築の次世代エネルギー偏」井上書院  Ｐ４０、    図３−４  ガスエンジンヒートポンプ（ＧＨＰ）エアコンのしくみ
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
ここでは熱源で冷媒を蒸発させて高圧のガスとし、これを膨張機で膨張させて動力を得、その動力で冷凍サイクルの圧縮機を駆動する方式について考える。この方式及びそこに用いる膨張機と圧縮機については上述したように種々なアイデアが提示されているにも拘わらず、製品化とそれに基づくサービスが広く実用化できていない状況にあり、その最大の理由は膨張機と圧縮機を組み合わせた所謂システムのエンジン部分となる技術と基幹部品が確立されていない為である。前述した様に、現状で明確になった関連技術では製品として実用化できない問題点とその課題は以下のようである。
【００１５】
一つ目の課題は膨張機のガス媒体回路と圧縮機のガス媒体回路の関連構成が現状では明確に確立されていないため双方を組み合わせたガス回路を簡略で確実なものとして確立する必要があることである。この基本的な構成は膨張圧縮機がエンジンとなる熱源利用システムの全体システム野要請決定されてくる。次に、膨張機の出力動力を圧縮機に確実に効率良くかつ高い信頼度で伝達する機構と方式を確立する必要がある。膨張機も圧縮機もその可動部分である翼乃至はローラーが回転するのでは無く、回転する軸にクランクを設けて其のクランクの回転に連れて旋回するという構成である。この旋回の動きとそれに伴う出力された動力を膨張機から圧縮機へどの様に伝えるかという課題である。この二つ目の課題は膨張機と圧縮機を１つのシェル内に設置し、双方の構成を極力一体化して簡略化された構造・機構に纏め上げて膨張圧縮機として完成させる事ができるか否かが問われている。これが全体のシステムの基本であり、製造性、品質と信頼性、コストの大半を決定つける重要な課題である。
【００１６】
三つ目の課題は膨張機から圧縮機への動力伝達の効率を如何に確保して全ての膨張エネルギーを圧縮動力に利用するためには従来に無かった新しい発想と機構が求められる。本発明提案でも最も重視した視点である。四つ目の課題はガスの作動圧力と温度条件が従来の冷凍サイクルに比べ飛躍的に厳しくなる事である。現在使われている空調機用の冷凍サイクルでは最高凝縮・放熱温度は５０〜７０℃程度であり、最低蒸発温度はー２０〜１０℃の範囲に近いものである。熱源により高圧ガスをつくる本発明では最低蒸発温度は同等であるが、最高蒸発温度が１００〜１５０℃、最高凝縮・放熱温度は５０〜７０℃程度に上昇する。最も厳しいのは作動温度範囲がー２０〜７０℃程度であったものがー２０℃〜１５０℃まで広がる事である。圧力も同様の傾向であるが、これは選定する冷媒ガスによって大きく変わるため冷媒選定はこの意味でも重要である。本発明で素材・材料を検討する前に上記のような厳しい作動条件に適した基本機構構造を考えたものである。
【００１７】
さらには電動モータを組み込んで、必要により電動モータと膨張機とのハイブリッド駆動方式を採用して完成させる事が種々な使用環境とニーズに応える為には不可欠と言える。其の上で電動モータにより圧縮機を駆動して、膨張機が作動していないモードを選択した時の膨張機のレリースモードも明確にする必要がある。一方回転するモータ軸と旋回する膨張機と圧縮機の可動部分の連結の機構方式についても新しい技術と構想が求められる。作動特性上に於いても電動モータの出力と膨張機の出力を調整して最適な作動状態を実現できる工夫が五つ目の課題となる。膨張機吐圧縮機の起動特性も確保する必要がある。子の為、必要により電動モータによるバックアップができる構成が求められる
【００１８】
即ち、膨張機、圧縮機、電動モータを一体に構成したエンジン装置として完成された膨張圧縮機を確立する事が目標となるが、そのためには最後の六つ目の課題として、高いエネルギー効率、シンプルな機構システム、高い信頼性余裕度、市場ニーズに応えられるコスト、未来の排熱利用システムの基本エンジンとしての完成度と将来性等である。自動車の駆動装置として一世紀もかけて完成してきたガソリン燃焼式エンジンと同じように、今後を支えるエネルギーシステムの駆動装置としての未来を見据えた方向性を模索し、定める事を目指すものである。
【００１９】
最終的にはこのエンジンを用いた夫々のエネルギーシステムの構成を簡略化して品質と信頼性を向上させると共に製造原価をいかに低減するかが最も重要な課題であり、以上のシステムを実用化できるエンジンとしてのコスト、装置の大きさ、長期信頼性、地球環境的安全性を持って実現化できる具体的構想とその具体案を提示する事こそが課題となる。其の意味から、全体システムの作動回路に利用する冷媒ガスの安全性は重要である。冷媒に関する地球温暖化係数、即ちＧＷＰの観点からは、従来使われてきた塩素成分を含むもの及びフッ素成分を多く含む冷媒は除外される。従って燃え難い、科学的に安定して安全な冷媒は殆どが塩素、フッ素を含むため使用できない可能性が強い。このため自然冷媒を使用する商品側での自然冷媒の弱点を補える改善が急務であるが、以上のような新しい冷媒使用の条件に沿って、この本発明のエンジンシステムを展開していけるような新しい技術を提案する。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
以上の課題を解決するために一連の解決手段を発明として提示する。発明１は本発明の膨張圧縮機における作動ガスの流れの基本構成を示しており、このガスの経路は機器の基本構成、構造とその複雑さ、品質性能などの機器の完成度、などに強く影響するもので、課題１への具体的な解決手段を示す技術である。従来例では大部分は膨張機と圧縮機において作動するガスは別回路で扱われており（例えば特許文献２、６、８、９、１０参照）、一体のシェルの中に設置された膨張機と圧縮機は仕切り壁を介して分離されている事が多かった（例えば特許文献５、６参照）。別回路である問題点は、相互のガスリーク不良が発生、構造複雑化、膨張圧縮機シェル外部配管複雑化、動力伝達のエネルギーロス大、機器大型化、コスト増などに繋がると共に、それをベースとしていたのでは膨張圧縮機構の簡略化と、エネルギー効率向上、完成度向上などの妨げになるという問題があった。
そこで、１００℃程度の熱源の飽和圧力に相当する高圧ガスを６０℃程度の飽和圧力に相当する中間圧力迄膨張させた時の膨張機の出力で１０℃程度の熱源の飽和圧力に相当する低圧ガスを該中間圧力迄圧縮する、即ち該高圧ガスの圧力エネルギーで冷凍サイクルを作動させるというアイデアと、双方の回路に同じガスを用い同じ中間圧力迄膨張及び圧縮させたガスをシェル内にて合流させると言う極めて簡単で合理的なアイデアが合わさってこの発明は生まれ、膨張圧縮機の完成へと繋がる大きな技術の基本ベースとなった。
【００２１】
このアイデアを実現するにはその効果の考察とともに技術的課題の解決が必要である。この発明の膨張圧縮機に於いてはこのアイデアは、高圧高温度領域の動力回路である膨張機と低圧低温度の冷凍サイクルの圧縮機を一体化する事に繋がり、耐熱材料と構造、冷媒ガス選定、潤滑油選定など従来の観点で常識破りと考えられた領域に入り込んでくる。発明者はこの広い温度範囲と厳しい作動圧力範囲をカバーするための技術を長く検討してきており、共通の作動ガスとしては塩素とフッ素を持ったＨＣＦＣフロン系冷媒ではなく、Ｒ６００ａ（イソブタンＣ４Ｈ１０、臨界点温度１３３℃、 飽和圧力６０℃にて０．８ＭＰａ）、Ｒ２９０(プロパンＣ３Ｈ８ 臨界点温度９７℃、飽和圧力６０℃にて２．０ＭＰａ)、Ｒ７１７（アンモニア、ＮＨ３  臨界点温度１３２℃、飽和圧力６０℃にて２．０ＭＰａ）、Ｒ１５２ａ（低ＧＷＰ−ＨＦＣ、Ｃ２Ｈ４Ｆ２、ＧＷＰ１４０、臨界点温度１１３℃、飽和圧力６０℃にて１．３ＭＰａ）による可能性を確認している。その膨張機と圧縮機の共通の潤滑油としては１００℃以上の温度での動粘度が７ｍｍ２／ｓ以上、流動点が−２５℃以下という広温度範囲にわたる潤滑性を持った鉱油、合成油などの潤滑油で実用化できる事を確かめている。
【００２２】
即ちこの発明１はシェル内の環境即ち温度、圧力などの安定と作動部の運転条件緩和、構造・構成の簡略化、作動エネルギー効率の向上などの基本的な効果を生み出す多くの改善技術の第一歩であり、これをベースとして、それ以下の各種発明とそれに関連する個々の問題・課題の軽減・解決に貢献している。発明１の個々の具体的な効果として事例を挙げれば、双方の吐出ガスの処理装置としての下流の冷却装置の一体化を実現、該冷却装置へ移行するためのガス経路も一本のパイプで実現、シェルの耐圧力強度と材質肉厚増を抑えるためのシェル内圧力低減の実現、電動モータ冷却用の周囲ガス流量増可実現、シェル全体が吐出ガスマフラー効果となりエネルギー効率向上と吐出ガスの脈動により発生する音と振動の吸収、ガスの出入り口パイプの連結本数の削減・簡略化とそれによるシェルのユニット筐体への振動吸収効果増大などがある。
【００２３】
第２の課題は膨張機と圧縮機の一体化である。従来の膨張圧縮機のほとんどの事例では膨張機の動力出力はそれを作動させるクランク軸に伝わり、さらに軸を伝わって圧縮機のクランク軸を駆動し、其のクランク軸が圧縮機の作動要素を作動させる。即ち膨張機と圧縮機を１つのシェルに収めただけの構成が多い。これに対し本発明が前提としたものは、双方のシリンダ内の作動体を一体化乃至は連結構造として、膨張機の膨張動力をその作動体を通して直に圧縮機側に伝達されれば途中仲介の機械ロス等が少なくなり効率が高くなると同時に機構部分の簡略化が計れるという構想である。其の具体的な実現のやり方は膨張機・圧縮機の種類により異なった方法がとられる。
【００２４】
これをベースとして、具体的な膨張圧縮機の７つの発明を請求項２〜８に示している。第２の発明である請求項２はロータリ型の膨張機と圧縮機を軸方向に一体化し、かつそれらの作動要素即ちローラーを一体化して軸方向に連結した構成にしたものである。この方式も膨張機シリンダにおいて高圧ガスがローラーを押すエネルギーを直接に圧縮機の吐出ガスを押し出す力に一体のローラを通して伝達する構成であり、簡略化された構造でエネルギーロスを最小にする方式であり、第３の課題への貢献も大きい。シリンダは軸方向に隣り合わせて連結され、ローラーもまた然りである。膨張機と圧縮機のシリンダ長さと外形は最適値を選べるが、ローラーは一体で動くのでローラーを駆動するクランク軸の偏芯量は同じでなければならない。一体のローラーの軸心部に１つのクランク軸をはめ込んだ構造が最も簡単であるが、シリンダが三つ以上で複合構成されている場合はクランク部分は一体軸の上で軸方向に複数に分割して構成する。このクランク軸に電動モータ等を連結し、電動モータよる駆動も可能にすることは勿論可能であり、詳細は後述する。
【００２５】
この方式を実現するための技術の一つは、シリンダを膨張機と圧縮機に分離するために必要な仕切り板とローラーの摺動シール構造と方式である。この方式は二通りある。一つはローラーの膨張機と圧縮機の合わせ部の外周に溝を設け、そこに膨張機と圧縮機のシリンダケースに挟まれて固定された仕切り板を挿入した後にローラー同志を嵌め合わせて相互に回転不能に一体化し、ローラーの旋回に合わせて該溝と該仕切り板とを摺動させ、もって膨張機と圧縮機のシリンダ間のガスの漏れを防止する。二つ目の案は其の逆で仕切り板はローラーとともに旋回させ、シリンダの隙間と摺動させるものである。旋回する物量を小さくして振動を小さくするためには前者の方式が選ばれる。ここで旋回とはそのものが自転することなく例えばオルダム機構などの自転阻止機能により自転が阻止された状態で、中心のクランク軸の回転などにあわせて公転する状態をさしている。
【００２６】
この発明は第１、２、３の課題への１つの解決手段であることは勿論であるが。四つ目の課題に対しても有効である。それは広範囲のガス温度による作動を可能にする基本条件をクリヤしているからである。即ち、膨張、圧縮に同じガス媒体を用いており、膨張機と圧縮機を設置するシェル内は同一のガス冷媒で満たされ、且つそれがガス作動圧力範囲の中間圧力に保たれるるためシェルの温度もまた中間の温度に保たれる。この温度は１００℃の高圧ガスで作動される時は約７０℃前後となり、シェル内の高温度部分の過熱を防止する。一方最高温度となる高圧ガスは軸中心の軸内高圧ガス流路から導入する構造であるから、周囲とは熱的に遮断された構成となっており、シェルの温度を安定し状態に保って熱的な変形を少なくし、膨張圧縮機への歪の影響を少なく出来る。軸は軸方向の熱による寸法変化に対しては軸受け部分（図示せず）で自由に対応できる構成になっている。
【００２７】
一方、膨張圧縮機構部の潤滑も１つの潤滑油ポンプ（図示せず）で各部分へ供給できるという効果がある。第３の発明は請求項３に示され、第２の発明の残された問題点を解消する有力な手段であり、其のためにローラーの外側を圧縮機シリンダ、内側を膨張機シリンダとして構成し、完全に一体の膨張圧縮機とすることにより膨張機の高圧ガスが圧縮機の圧縮ガスをローラーを通して直接圧縮する構成としたものである。このため発明２のような作用力間のモーメントによる捻れも無い。この結果、各作動部分の単純摺動摩擦によるロスは生じるが摺動部分への圧接力が小さくなっており摩擦ロスも理想的に近い状態まで低減されている。膨張機をローラーの内側に配置したのは圧縮機と同一重量流量のガスを処理する場合で、膨張機の作動圧力は倍程度高く其の結果体積流量が半分程度に小さくなるからである。
【００２８】
発明３
第２、第３の発明ともに其の機構構成の基本的な考え方は高圧ガスがクランク軸を経由せずに、ローラーを通して圧縮機側の低圧ガスを直接に近い状態で圧縮する構造になっており、これによりクランク軸への無駄な力の作用は小さくなるという同じ効果がある。第３の発明ではローラーの外側は圧縮機として発明２の圧縮機と同じ構造である。しかしながら膨張機部分をローラーの内側に納めた構造であるため、幾つかの特徴がある。先ずローラーの内側にあるクランク部分と膨張機シリンダの住み分けをうまく行う必要がある。即ち軸長方向に２分割したクランクの間に膨張機シリンダを設けるのが理想的な構成であるが、クランクを片方に寄せて、反対側に膨張機シリンダを設ける構成もある。何れの構成でもこの結果、膨張機シリンダはクランク側面、軸、ローラー内周面とで囲まれて構成される。
【００２９】
また、高低圧仕切り弁の作動についても新しい技術が必要になる。発明２では仕切り弁はシリンダケースに保持・ガイドされた構成であり背圧用のバネ（図示せず）の設定と背圧室（図示せず）への供給ガス圧を切り替えることにより適正な膨張圧縮作動状態とレリース状態の切り替えを行う。ここでいう適正な作動とは仕切り弁の先端面がローラーの高低圧仕切り弁溝に常に嵌まった状態で摺動する事によりローラーの自転を阻止しつつシリンダの高低圧を仕切りながらシリンダケースのガイドスリット（図示せず）内を出入りする作動である。レリース状態とは膨張機の作動停止時等に行われる、仕切り弁をシリンダケース側に持ち上げて固定し高低圧の仕切り機能を果たさない状態でローラーが空転する状態を言う。
【００３０】
発明３でも仕切り弁に関する考え方と作動原理は同じであるが、膨張機の仕切り弁が旋回するローラーに取り付けられているため、仕切り弁の背圧を切り替える方法はより精密な機構が必要となる。ここでは図示しないが、主フレイムに設けた軸方向と平行な小穴を通して低圧ガスをローラー内に設けた仕切り弁の背圧室（図示せず）に連通させる事により、仕切り弁をローラー外周方向へ吸い上げて固定する方法がとられる。ローラーの旋回により其の通路はあるタイミングの時のみ連通されることになるが、作動には問題は無い。但し潤滑油で其の連通路がふさがれない工夫が必要であるが、機構設計者にとっては容易な工夫であるのでここでは提示を省略する。このレリース機構を実現する事ができると、圧縮機を駆動するモードの切り替えと言う膨張圧縮機にとって重要な機能を実現出来ることになる。
【００３１】
圧縮機を駆動するモードの切替とは、膨張機による駆動、電動モータによるクランク軸を通した駆動、膨張機と電動モータの双方による駆動、このような３種類の駆動モードをシステムの要請により切り替えることを意味している。膨張機のみによる駆動で、電動モータ停止のモードを問題なく作動させるには幾つかの電動モータ関連の技術施策が必要であり、後述する。一方発明３では膨張機のガス吐出口も主フレイム側に設け、軸と並行に設けられた吐出口通路によりシェル内に吐出される。このため邪魔となるクランク部分を切り欠いた構造が必要になる。詳細の作動は図５を用いて実施例で説明する。
【００３２】
、
本発明の膨張圧縮機の有力な方式としてスクロール方式があり、この方式では旋回翼が固定翼とが噛みあって接触して幾つかのシリンダ空間を構成し、この空間の容積は旋回翼が旋回するにつれて外周から内周へと小さくなる（この場合は圧縮機）か、内周から外周へと大きくなる（この場合は膨張機）ように構成される。スクロール方式の膨張機乃至は圧縮機は双方の翼が回転する方式もあるがここでは片方がシェルに固定された固定翼で他方がそれに対し旋回する旋回翼の組み合わせの方式で考えている。本発明の膨張圧縮機では膨張用と圧縮用に二つのスクロールが必要で、本発明の最大の特徴は一体化された膨張機と圧縮機を該シェルの中に配置し、先に述べた様にその双方の吐出ガスをシェルの中に吐出させてガスの流れを一体化させ、かつそれに適した形で該膨張機と該圧縮機を一体化してコンパクトにし、それにより信頼性の高い、高いエネルギー効率の膨張圧縮機を実現するものである。
【００３３】
膨張機と圧縮機を一体化する方式として、膨張機で生じた膨張動力を膨張機旋回翼で受け取り、それを一体の圧縮機旋回翼に直に伝えるために膨張機旋回翼と圧縮機旋回翼を一体化する構造を考える。基本構造として発明４、５、６はいずれも膨張圧縮機に於いて一体化された旋回翼体が平行に設置された固定翼体の間に挟まれて平行に保たれた状態で一体で旋回する構成を提示している。この構成の効果の１つはスクロール旋回翼の二つの基板にかかる作動ガスによる面圧力が相殺されることで。これによって旋回翼基板に掛かるスラスト力を大幅に低減する効果があるからである。
【００３４】
同時に、二つの旋回翼基板を一体に結合することにより、膨張ガスの膨張機旋回翼に与えられる動力は軸などを介する事無く圧縮機の旋回翼に直接伝わりガスの圧縮に効率よく利用される効果があり、これにより中間に軸などを介して動力伝達する場合に比べて軸などにかかる荷重とそれによる摩擦等が軽減され、エネルギー効率の向上、信頼性の向上、コンパクトな機構の実現に大きく寄与するものであるがその実施例は特許文献８、９などに見られる。この基本的な構成と機構の技術を発明１に適用した技術が発明４として請求項４に示しており、発明１に示されるような作動ガスの圧力範囲に大きな差がある膨張機と圧縮機の旋回翼基板の背面同志を向き合わせて一体に形成乃至はアームなどで連結して一体化し旋回させるものである。
【００３５】
特許文献８、９との大きな違いはガスの作動状況と吐出ガスの経路の違いから来ており、それは本発明の適用製品及び商品の特徴から来ている。本発明の膨張圧縮機の最大の狙いは熱源によってガス化された高圧の冷媒を膨張機に導き膨張させ、其の動力で同じ種類の冷媒を用いた冷凍サイクルの圧縮機を駆動する事を目的としている。最終の冷凍サイクルは大気熱からヒートポンプで熱を汲み取って給湯、暖房する機器や、室内又は庫内の空気を冷却、冷蔵する機器を想定している。この場合、シェル内には機構部分の潤滑油が封入され、また補完動力としての電動モータが組み込まれている。従って安定した温度と圧力の吐出ガスでシェル内を満たし潤滑油を安定させ、それをシリンダ内へ送り込む為の油ポンプを安定して作動させたり、電動モータを冷却してからシェル外にその熱を搬出する等、シェル内を吐出ガスが安定して流れる環境が必要になる。またシェル内に存在する潤滑油、絶縁材、電動コイル、センサー、その他の部材の安定には温度環境の安定が極めて重要であり、膨張機と圧縮機の吐出ガスで満たされた空間がそれを保障する。
【００３６】
これ以外にも前述した様に、吐出ガスをシェル内に吐出する事による多くの利点がある。そこで発明４はこのための具体的な構造機構を設計する上での考え方を発明として提示したものである。この方式では、一体化した旋回翼と其の基板が固定翼の間でそれ自体が支持され、平衡面内を摺動するように其の作動が規制されるもので、その効果は前述した通り個々の旋回翼基板にかかる転覆力を最小化するとともに、それが旋回ガイド又は駆動する軸に負担にならない様にしている。前述した旋回翼体のスラスト荷重とこの転覆力と作動ガスのシール等を保障する機構が設けられることが多い。例えば本発明の事例でも、旋回翼基板とシェルから展開された固定基板の間に面荷重を受けるシール部材が別に必要であるが、其の位置、形状寸法、材料などについては既に多くの公知例があるのでそれを準用すれば良く、ここでは言及しない。
【００３７】
本発明の一体型旋回翼体が正しく作動するには前述した様に幾つかの補完機能が必要になる。其の主なるものは、旋回を適正にガイドする機構、自転を阻止して公転のみを行わせるガイド機構、作動ガス経路の形成、スラスト力低減化機構、旋回を外部から補完する
電動モーター等である。従ってこれ等の補機との構造の関係で一体型旋回翼体の構成は発明５、６に示す様に２種類に分けて考える事が出来る。ここで重要な事は旋回翼基板を連結して一体化した上で、さらに膨張機旋回翼と圧縮機旋回翼の旋回寸法を同じ値になるように翼形状を設定すれば二つの旋回ガイド機構も自転阻止機構も兼用ができ、全体の膨張圧縮機は簡略化でき、小型化できると同時に一体で簡略化した効果で品質と信頼性が高まり、低コストでコンパクトなものが生産できるというメリットが生じることが本発明の狙いである。
【００３８】
ここでいう旋回とは渦巻き状の旋回翼表面と渦巻状の固定翼表面を摺動させながら旋回翼が軸センターの周囲を公転する状態を指している。公転という言葉で表された事例もあるが、旋回半径に比べ旋回翼体の基板外形の半径は大きいため、旋回翼体が公転と言うより旋回して作動する様に見えるので、ここでは其の作動を旋回と呼んでいる。以上の補完機構等を設ける必要性に関連して、旋回翼体の構成の形は二つに分けられ、それを二つの発明として発明５と６に示している。即ち発明５は二つの旋回翼基板の背面同志を向き合わせた状態で一定の空間を離してアームなどで連結して一体化したもので、主に其の基板の間に上記補完機能の部材を配置して旋回翼基板の片方乃至は双方の背面と連結させる方式であり、発明６は二つの旋回翼基板を背中合わせに結合乃至は一体に成形して、該補完機能の部材は旋回翼体と固定翼基板の外側に配置して外周から連結させる方式である。
【００３９】
旋回作動のガイド機構には既に公知のものと同様、旋回翼基板に垂直に取り付けられた軸がクランクを介して別の軸周りを公転する機構が使われ、旋回翼体が二つの平行な固定翼基板で平行に保たれた空間を平行に移動する本方式のスクロール膨張機と圧縮機では、その旋回ガイド機構は旋回翼基板の何処かニ箇所を旋回ガイドすれば全体を自転させずに旋回させる事ができる。従って旋回ガイド機構は軸芯部以外でも任意の２つ以上の箇所に設ければ旋回翼体を設定したとおり自転させずに旋回させる事ができる。これを一箇所で済ます為には所謂オルダムリングなどの自転阻止機構を別に設ける必要がある。自転阻止機構はオルダムリングと呼ばれ、直交する二つの直線スライドガイドを設けた公知の方式が使われる。
【００４０】
従って１つのオルダムリング等の自転阻止機構と１つのクランク軸機構などの旋回ガイド機構を設けるか、連携して作動する二つ以上の旋回ガイド機構を設けるかは何れでもよく、主に構造設計的に決定すれば良い。しかしながら、電動モータも含めてこの旋回ガイド機構と自転阻止機構などの補完機能部品を旋回翼体とどのような相対位置に設置して補完させるかという点で構成、機能面の違いが生じるため、別個のアイデアとして発明５と６を提示している。
【００４１】
本発明のスクロール方式では発明５も発明６も旋回翼基板と固定翼基板のいずれの部分にも上記の二つのガイド機構のための軸などが貫通しないで完全な基板と翼で構成する事を基本条件としている。何故なら、基板の軸芯その他の部分に軸が貫通したり、其の為に翼の一部が不完全になった場合は作動ガスの流れに影響を与え、必要な圧縮率や膨張率を得ることが難くなったり、基板全体寸法が大きくなったり、ガスの膨張及び圧縮工程のエネルギー効率の低下や異常音発生になる事を避けるためである。従ってこの基本条件の下で全体の構成を考えると旋回翼基板の間に空間を設ける発明５の方式、即ち二つの旋回翼基板を離れた状態で連結固定するこの方式はそれらの機構を其の間の空間に収納するのに適しており発明６の方式は両機構を設ける位置と方法に制約があるといえる。
【００４２】
発明５では、其の両旋回翼基板間に設けた空間に電動モータを設置して其の軸により前記の一体化された旋回翼体の少なくとも圧縮機旋回基板に旋回ガイド機構としてのクランク部を介して連結、支持及び旋回運動を駆動させることができる。この電動モータはその軸芯が前記旋回翼体の軸芯と出来る限り近くなる様にシェルに固定されている。この状態で膨張機の旋回翼が高圧ガスにより旋回される事により其の旋回翼と一体に連結された圧縮機の旋回翼を駆動すとともに、電動モータを同時に作動させて圧縮機旋回翼を一緒に駆動する事ができる。勿論電動モータ単独で駆動することもでき、ハイブリッドの駆動を自在に選択できる。従って電動モータの軸を利用して旋回翼体を旋回させる場合は圧縮機旋回基板の方にガイド機構を連結するのはこの電動モータによる駆動サポート乃至は単独駆動させる事を考慮した為である。
【００４３】
電動モータを組み込まない場合は、自転阻止機構と旋回ガイド機構を両基板間に設置し、１つの旋回翼基板にこの双方を連結してガイドさせる様に構成する事が望ましい。別々の旋回基板に別々のガイド機構を一つずつ設ける事はやはり基板間距離による転覆モーメントが大きくなるため避けるべきである。以上詳細述べた通り、この方式は二つの旋回翼基板が軸方向に離れて構成されているため二つの膨張機旋回翼の作動力と圧縮機旋回翼の被圧縮ガスから受ける反力とがモーメントを生じ、所謂旋回翼を転覆させるように作用し、この力が旋回翼と固定翼間に余分な力を加え、多くの圧接摺動面の圧力を増大させ摩擦力を増やし磨耗などを誘発する可能性を若干ながら高めると同時にエネルギー効率を悪化させる。従ってなるべく両翼基板の軸間距離を短くする事が必要で、電動モータなども軸方向に小さな寸法のモデルが望ましい。
【００４４】
発明５の問題点に対応する技術である発明６は両旋回基板を其の背面を密着させた形で一体にした旋回基板の両面に翼を形成した一体型旋回翼体に関するアイデアである。    この場合膨張機旋回翼が高圧ガスから受ける力は直に圧縮機旋回翼に伝わり圧縮ガスに伝わりやすい。両旋回翼の軸方向距離は極めて小さいのでその力のモーメント即ち旋回翼体に生じる転覆力は小さく、これに対応して前述した翼先端と相手の基板との当接面に作用する反発力は小さくて済み、其のため、異常摩擦などによる翼先端チップ部材などの劣化や長期信頼性の低下は最小化される。しかしながら、この場合本発明が対象にしているスクロール膨張圧縮機における問題点は前述した補完機能部品をどの位置にどの様に設けるかという点にある。
【００４５】
電動モータの取り付け位置はシェルの外形半径を小さくして小型にするという観点から、其の軸芯を旋回翼体の軸芯に一致させる事が望ましいが、旋回ガイドと旋回駆動という観点からみれば其の軸芯は旋回翼体のそれと一致していなくても良い。発明５では補完機能部品としてオルダムリングによる自転阻止機能と電動モータ軸端に設けた旋回ガイド用クランク軸受けを１つの旋回翼基板に設けて、それによって一体となった旋回翼体を旋回ガイド及び駆動させる事を提示している。これは一つの自転阻止機能と１つの旋回ガイドクランクの組み合わせが最も全体の機構を簡略化できコスト低減を達成できる為である。この場合夫々を別々の旋回基板に対して片方ずつ設けることは避けたい。何故ならこの場合に生じる旋回翼基板間の変形、さらには該基板間に作用する不要なモメント力が大きくなるからである。勿論電動モータを組み込まない場合はその代わりにシェルに固定された軸など、上記旋回ガイド機構の固定部分を設ける必要がある。
【００４６】
この発明５における離れた二つの旋回翼基板の構成では大きくなる転覆力と双方の基板間に生じる変形を解消するための技術とアイデアを発明６に示している。即ち旋回翼基板同志を一体にするなどして旋回翼の軸間距離を短くした旋回翼体とし、一方の翼にかかる膨張ガス圧力と他方の翼かかる被圧縮ガス圧力によるモーメント即ち転覆力を最小にするものである。この場合旋回翼体に必要な二つのガイド機構は旋回翼基板間に設ける事が出来ないので、旋回翼外の外周部か、固定翼の軸方向外側に設ける必要がある。自転防止機構であるオルダムリングとクランク機構などからなる旋回ガイド機構は旋回翼体の外周延長部とシェルに固定された固定翼の外周延長部の間のスペースでも良いし、旋回翼体とアームなどで連結して旋回翼体と同じ動きをする平板などを固定翼基板の軸方向外側に設けてそこにオルダムリング機構や旋回ガイド機構を設置することは容易い。前者は連結アームの長さが短くて済む利点があり、後者は全体を軸芯周りに配置してシェル外周を小さくしてコンパクトに構成できる利点がある。
【００４７】
この固定式の旋回ガイド機構ではなく、電動モータでこの旋回翼体を支持し、旋回させ、駆動する事も可能である。シェルの形状を円筒形状とする事が多く、この場合電動モータは通常固定翼基板の軸方向外側の軸芯の延長上に軸芯を一致乃至はそれに近い状態で配置することになり、シェル内のレイアウト上からみてシェル直径寸法は最小に構成できるし、全体の強度と精度も強くなるのは当然である。図６に示した構造で実施例で詳しく説明する。しかしながらこの場合には旋回翼体外周とクランク軸受けを連結固定するアームの長さは長くなり、複数の強固なアームが必要になり、そのアームを通すために固定翼外周にはそのスペースを設ける必要があり、その意味から旋回翼体の膨張機固定翼基板の軸方向外側に設ける方が構造が簡単化できる。膨張機の外周はシェル内に開放する構成となるからアームを自由に通せるからである。アームを短くする乃至は省略する場合は電動モータの軸芯が固定翼体外周より外側に来るように電動モータの位置を変更してそこに旋回ガイド機構を設けて旋回翼体に連結しても良い。
【００４８】
その場合の旋回翼体支持アームは短くなるか、設計次第ではアーム状の部材は使わないで旋回翼基板そのものを外周方向に延長する形で済むこともある。しかしながらこの場合シェルの構成は円筒状とははるかに異なった複雑なものとなり、その容積は円筒形状の場合より大きく成り生産性とその製造コストは悪化すると思われる。このため図６の様な同一軸芯構造が推奨される。何れにしろ、前述した様に、本発明では旋回翼体や固定翼及びその基板のガス作動部分が軸を貫通する穴とか、旋回ガイド機構などによって変形されたり、切り欠かれたりしないで、一体の理想形状の旋回翼体を形成する事ができるわけである。
【００４９】
膨張圧縮機として三つ目の方式であるヘリカル方式をベースにした発明７、８を請求項７、８に示す。ヘリカルとは螺旋を意味し、この方式に使われる円筒のローラーに巻きつけられる螺旋状の翼体を表現した呼び名である。現在ヘリカル方式の圧縮機は冷蔵庫用の圧縮機、空気圧縮機等として少量であるが生産されている。其のメカニズムは図７の膨張圧縮機の事例で分るとおり円筒状のシリンダの中を円筒状のローラーが接触線を保ちながら旋回する。一方ローラーの外周に全長に渡ってヘリカル状に、断面がほぼ矩形の溝が加工されている。ローラーの全長に渡ってヘリカル状をした可撓性の翼体即ちヘリカル翼体が其の溝にはめ込まれ、断面が略矩形状の該ヘリカル翼が前記矩形溝から出入りしつつその出っ張り部分の頭部をシリンダの内表面と当接する事により螺旋形状の該ヘリカル翼がシリンダ空間を仕切り、シリンダ全長に渡り幾つかの分割されたシリンダ空間を形成している。
【００５０】
この分割されたシリンダ空間は軸方向にその容積を小さく乃至は大きくなるようにヘリカル翼体のヘリカル形状が軸方向に其のピッチを縮小乃至は拡大する形状に形成されているから、それにより分割されたシリンダ空間はローラーが旋回するにつれて軸方向に移動しながら其の容積が圧縮機では縮小し、膨張機では膨張する。これにより内部ガスを圧縮または膨張させて軸方向に押出す。発明７、８は前述の幾つかの発明と同じに膨張機と圧縮機を一体化し、ローラーも一体化し、ローラーにかかるスラスト力を打ち消しあい、全体をコンパクトに簡単な構造に形成するとともに、膨張動力を直接圧縮動力に伝える事により其のエネルギー効率の最大化を狙ったものである。
【００５１】
この目的のため発明７に於いては其の基本的な要件を明確にして提示している。即ち膨張機シリンダと圧縮機シリンダは同一旋回軸芯を持ち、軸方向に連ねて連結乃至は一体に構成されている。膨張ガスと圧縮ガスは同一軸方向に流れるように構成することが重要である。従ってこの流れを実現する前提で旋回公転方向とヘリカル翼体の螺旋方向及び螺旋ピッチが設定されている。この目的は膨張機と圧縮機のヘリカル翼体に掛かる作動ガス圧力によって生じる軸方向へのスラスト力を相殺させ、ローラーにかかるスラスト力を最小化する効果を狙ったものである。この事は膨張機は上流が下流より高圧であり、圧縮機はその逆であるから、双方の流れ即ち上流と下流の向きを同一に設定すればヘリカル膨張翼体とヘリカル圧縮翼体にかかる双方の作動ガスの圧力は相殺し合う事から理解されよう。
【００５２】
この結果、高圧ガスの膨張動力は膨張翼体、ローラー、圧縮翼体を経由して被圧縮ガスに直に伝わりこれを圧縮する。この簡単な機構は、別々のローラーでその間をクランク軸を介して動力伝達する従来の膨張圧縮機の構成に比べて極めて高いエネルギー効率で作動すると同時に作動中のローラーのスラスト力が小さくなり、この結果信頼性の高い完成された膨張圧縮機に仕上げる事が可能になる。
【００５３】
以上を実現するためのローラーと翼体の具体的な構成例を挙げると以下のようになる。事例として、例えばローラーは上流側を膨張機、下流側を圧縮機とし双方を動力伝達できるように一体化又は連結する。上流側から見た場合膨張機の膨張翼体を右回しで其の螺旋ピッチが先行き広がりのヘリカル形状と想定すれば高圧ガスは膨張翼体と膨張機ローラーを、従って圧縮機ローラーを左回しに駆動する。この場合圧縮機の圧縮翼体は右回しでその螺旋ピッチは先行き縮小のヘリカル形状に設定される。以上の膨張圧縮機の細部設定によりローラーのスラスト力を最小にし、かつ膨張動力を圧縮動力に効率よく伝える事ができるエネルギー効率の高い膨張圧縮機を実現することが可能になる。
【００５４】
発明８は以上の技術発明をさらに高度化するアイデアに関連している発明である。このアイデアは膨張機と圧縮機ローラーを一体化し、円筒状のローラーの外側と内側に二つのシリンダ空間を設けて膨張機シリンダと圧縮機シリンダを構成するものである。膨張翼体と圧縮翼体を前記ローラーの内表面と外表面に埋め込んだ図７に示される場合には膨張機と圧縮機の作動ガスの流れ方向を合わせる事により発明７と同じ効果を得る事が出来る。即ちローラーに掛かるスラスト力の最小化、及び作動エネルギー効率の最大化である。さらに発明８は二つのローラーを一つにした効果により膨張圧縮機のコンパクト化を実現できるという大きな効果を得ることができる。
【００５５】
発明８に於いてはローラーの内側の円筒内には図７に示されるように固定軸体を設けている。従ってローラー内側に埋め込んだ翼体を固定軸体に埋め込む方式もあり、この場合には翼体に作動ガス圧力によるスラスト力がローラーに伝達されなくなるため膨張翼体と圧縮翼体に作用するガス圧力がローラーのスラスト力を相殺することは出来ない。しかしながらこの場合も高圧ガスの膨張動力は１つのローラーを経由して被圧縮ガスに直に伝わりこれを圧縮するという高いエネルギー効率の基本となる動力伝達の構造は最良の形を実現している。この場合でも膨張ガスと被圧縮ガスの流れ方向は同一に設定する事が有効である。即ち図７から類推して分る通り、吐出ガスを同一方向からシェル内に自由な形状で吐出できるため、極めてコンパクトで簡略化された構造を実現出来るという効果を有するからである。この効果はローラーを一体化した効果と合わさって膨張圧縮機全体をコンパクトに構成できるという効果を実現できる為である。発明８の方式では通常はローラーの外側に圧縮シリンダを、内側に膨張シリンダを設定する事が望ましい。圧縮シリンダの方が膨張シリンダよりも大きなシリンダ容積が必要だからである。
【００５６】
既に述べた各種の方式の膨張圧縮機に於いて、全ての発明方式に於いて膨張機と圧縮機の旋回寸法即ち公転半径は同一に設定する事を想定している。旋回寸法を同じに設定することによって旋回する翼体の一体化、旋回ガイドとなるクランク機構の一体化、シリンダ乃至は固定翼体の一体化乃至は標準化などが実現出来、それによってエネルギー効率の最大化、コンパクトで簡潔な構造による高い信頼性とコスト低減を実現しようとしている。一方本発明が対象としている製品に於いては膨張機に於ける作動ガスの作動圧力は圧縮機のそれより高圧であり、従って作動するシリンダ容積は逆に小さくなる。従って旋回翼、ローラー等の作動領域を小さく設計することが必要で、発明９はこれにあわせるための技術を提示している。
【００５７】
シェル内の作動ガスの経路に関する発明１と発明２以降の各膨張圧縮機に関する発明を組み合わせる発明１０を請求項１０に示す。この発明はシリンダの一体化、旋回翼の一体化などの構造的な手段と作動ガス経路の簡略化が組み合わされる事であり、膨張圧縮機としてエネルギー効率の高い、コンパクトで簡潔な構造を実現し、エネルギー変換装置に組み込まれる膨張圧縮機を１つの完成形とするための基幹となる技術として提供している。従ってこの組み合わせた構成が本発明の意図する目標の一つである。
【００５８】
膨張機による圧縮機の駆動を補完するためにこの膨張圧縮機に電動モータを組み込み、膨張圧縮機として電動モータを利用した作動モードを持つことは、これを組み込む製品システムの商品性の向上、広い範囲の市場に適用できる製品システムの実現にとって重要な機能の一つである。このため膨張圧縮機の種々な運転条件に対し電動モータで圧縮機の最適な作動を補完して冷凍サイクルを最適に作動させる事ができる電動モータが必要である。例えば、低回転数で小さな動力、高速回転で小さな動力、乃至は高速回転で高出力等広範囲に渡って必要な作動条件の実現が要請される。これに応えるためには任意な回転数と動力を設定して出力できる電動モータが必要である。これを実現するには周波数と出力電圧及び電力が調整できる電源供給装置とそれに対応して回転数と出力を可変できる可変速電動モータとする事が必要となる。この発明１１を請求項１１に示す。
【００５９】
動力源としての高圧ガスの状態、各種の運転作動モードの変化、その他の膨張圧縮機の運転条件と膨張圧縮機を組み込んだ製品側の運転要請の変化に対応する為、この電動モータへの電源供給装置として電源周波数、電圧が広範囲に可変・調整できる事が求められるため、商用電力を電源としてそれを求められる電源出力仕様に変換するためにインバーター電源装置などが使用される。例えば回転数範囲は１５〜１２０Ｈｚの広範囲に渡り、印加電圧はフル作動電圧を２００Ｖとすれば、それに対し例えば３０〜１１０％等の広範囲に渡り制御される事が要請される。このような広範囲な出力は単なる誘導電動機では制御不可能であり、インバーター電源装置などで電源供給を受けて駆動される三相誘導電動機や、三相ブラシレスＤＣモータなどを前記電動モータとして選定する事が必要である。
【００６０】
一方、該電動モータについては膨張機のみで圧縮機を駆動する運転モードに対応させることも必要である。例えばローターに永久磁石を用いた三相ブラシレスＤＣモータを用いた場合、ローターの回転によって該モータに逆起電力を生じて電源回路側に逆潮流する事による不具合を防止する必要がある。其の方法として電源装置と電動モータコイル間の配線遮断乃至は逆潮流防止回路を設置する、電動モータを誘導電動方式としローターに永久磁石を使用しない、圧縮機と電動モーター間の動力伝達軸連結を開放する、などの手段のうちシステムとして最適な方式を選定すれば良い。
【００６１】
発明１２はこれ等の対応案のうち電動モータとして最も簡単で技術的にも既に確立されており、コスト的にも実用性のある誘導電動機を用いる方式について提示したものである。
膨張機を作動させ、電動モータの電源を停止させて圧縮機を駆動すると、膨張機と圧縮機の旋回を制御している該電動モータの駆動軸も回転する。これにより該電動モータのローターも回転するが、ローターは誘導電動機として鋼板などを用いており、そこには磁力を保持した永久磁石等は用いていないためステーターのモータ巻線には電流が発生せず、従って前述した逆潮流も生じないため問題は生じない。
【００６２】
本発明の膨張圧縮機を運転作動する時、それがどの様な状態で作動しているかを確認する事は重要である。このため温度、圧力、旋回回数等を探知する必要がある。特に出力側機器である圧縮機の圧縮部分の作動状況即ち前述した旋回翼体などの作動部分の圧縮回数即ち旋回回数を知る事は膨張圧縮機で何が起こっているのかを知る上では最も有効であるからである。これを発明１３として請求項１３に示す。その旋回回数を直接測定するため、旋回機構に使われるクランク軸、該軸に連結されて回転する電動モータのローラーなどにホール素子等を設置して其の位置を固定物に設置された検出器で読み取るなどが手段の一例である。この検出値またはその時間傾斜をみて、無事起動したか否か、圧縮機の出力が設定値に対し充分であるか否か、膨張機の動力が圧縮機を駆動するに充分であるか否か、安全安定した運転状態であるか否か、さらに具体的には供給する高圧ガス量を増加すべきか否か、電動モータによるサポートを開始するべきか否かなど、運転制御、安全監視判断などの運転全体の管理を強化する事ができる。
【００６３】
請求項１４に示すように膨張機の作動を停止して電動モータのみで圧縮機を駆動するモードの時は、膨張機のレリース動作を行う、これを発明１４として提示する。レリース動作とは膨張機のシリンダの容積膨張を実質的に停止させる動作を言い、レリース動作しなければ、膨張機内部でガスの膨張と其の反動による収縮を無駄に繰り返し、エネルギーロスを増加させるからである。二通りの方法をここに示す。一つは膨張機入り口パイプをシェル内の空間に連通する回路を設け、そこを電磁弁などを用いて開閉制御する方法である。レリース時には該連通回路を開とし、膨張後のガスを供給側に戻すもので、シリンダ内のガス膨張は止める事が出来ない為に若干の動力ロスは発生する事は否めない。
【００６４】
今一つの方法はロータリ式で説明した様に膨張機の高低圧仕切り弁１０、４４をローラー側に吸い上げて固定してしまい、高低圧を連通させてしまう方法であり、この方法によればガスの膨張は全く行われず、動力ロスも殆ど無い。ロータリ型では高低圧仕切り弁の背圧室への供給ガスを低圧か高圧にするかによって、該仕切り弁を作動させるか、シリンダ外側へ吸い上げて高低圧の仕切りを出来ないようにするか即ちレリースするかの切り替えを行う事ができる。スクロール方式では、膨張機固定翼基板の背面に取り付けたレリース制御部材を背面側に僅かに移動させる事により該固定翼基板の一部に内側と背面側を結んだ開口部を幾つか開口させて膨張しようとするガスをシェル内とフリーに循環させる方式が採られる。
【００６５】
図７に示されるヘリカル方式の場合もその具体的な機構の考え方即ち膨張途中のガスはシェル内ガスと連通させるという考えはスクロール方式の場合と同じである。例えば膨張翼体の矩形断面の側端が接するシリンダケースに於いて外周に向けて放射状に設けた複数の円筒状開口穴に対し、そのシリンダケース外側から該開口穴を埋める小さな円筒部材を櫛の歯形状に備えたレリース用ガイド板をシリンダ外周放射方向へ逃がす事によりシリンダケースに多数の穴を貫通させ、シェル内と連通させることにより行う事が出来る。発明８の様に其のシリンダがローラーの内側にある場合もその原理と機構は同様であるので省略する。前記レリース用ガイド板は事例の図７の中では基本発明を分りやすくするため複雑化をさけて省略している。以上から知れる通り、発明１に示した膨張圧縮機内のシェルが中間圧力の吐出ガスで満たされた状態であることが、このレリース動作も簡単な機構で精確に実現できる事に貢献している。
【００６６】
以上は、膨張機シリンダと圧縮機シリンダが夫々１つづつの一対の組み合わせによる膨張圧縮機を主体に説明してきた。発明１５は、このシリンダを三つ乃至は四つに増やし、
１つの電動モータと組み合わせて構成した膨張圧縮機に関する。三つのシリンダは軸方向にシリンダを連ねて重ねた構成を意味しており、通常は両側を例えば圧縮シリンダとし、真ん中を膨張シリンダとして一体化する。四つのシリンダの場合は軸方向に四つのシリンダを連ねて重ね合わせた構成と、発明３及び８の様にローラー内外周に１つづつシリンダを配置したものを軸方向に連ねて重ねた構成する、又は電動モータの両軸に夫々を連結して構成する。さらには発明２、６、７の膨張圧縮機を電動モータの両軸に夫々連結して構成するものなどが対象である。
【００６７】
この発明１５の狙いは主に二つあり、一つは、旋回するローラー乃至は翼体などによる動的アンバランスをバランスさせて低減させる事である。動的アンバランスはシリンダさらにはシェルを振動し接続ガス配管に伝わり製品全体に伝播し商品性に影響する。これを解決するために旋回体を複数にしてバランスをとる事を狙ったものである。本発明はローラー、翼体などの旋回体を一体にし、かつ吐出配管を一本に集約する事などにより其の振動の影響は極めて少なくなっているから、本発明の実施は極めて完成度の高い商品の実現を可能にする事が出来る。
【００６８】
第二の目的は設計自由度を確保し生産性を高める事を狙ったものである。１つの膨張圧縮機の設計と製造技術及び製造設備を完成させた場合、それを二つ組み合わせて二倍の能力を発揮できる膨張圧縮機を実現できる事を狙ったものである。なお且つ、電動モータの両出力軸と組み合わせた構成でこれを実現できる事も可能になるとともに、発明１の基本発明により各シリンダの吐出ガスを直接シェル内に開放させる事が可能であり一つ１つの吐出ガスをガイドする配管などの構造材の必要が無い。このため極めて簡略化された構造で二倍の能力のシステムを実現できるわけである。
【発明の効果】
【００６９】
本発明の利用分野の一例として、一般に石油、ガス等の燃料の燃焼熱を利用してその燃焼により給湯乃至は暖房用などの熱を得る給湯装置がある。この燃焼熱量を上回る温熱を出力する装置とそのシステムが考案され検討されており、これに組み込まれて使われる膨張圧縮機が其の事例である。検討中の装置は駆動された圧縮機と冷凍サイクルのヒートポンプ効果により室外気から空気の熱を吸収して燃焼熱にプラスして出力するシステムである。この事例の製品の総合的な効果として、１００℃を超える温度の燃焼熱を使って、その熱とほぼ同等な熱量を冷凍サイクルの効果により室外空気から汲み上げ、それを足し併せて（結局２倍にして）温熱として出力でき。しかもその温熱は温水として充分広範囲の使用に耐える温度レベル（６０℃）を確保する。この運転を継続的、安定的に実現する事が出来るばかりでなく、地球環境的にも極めて進んだ技術レベルを実現できるわけである。
【００７０】
さらには冷熱出力運転も可能であり、年間空調が可能で、かつ電力を使った現行方式に比べ暖房運転では一次エネルギー消費量の少ない空調機器も実現できるなどの効果を有するものである。他の事例として、ガスエンジンと発電機の組み合わせや燃料電池によるコージェネレイション装置への適用が考えられる。約１００℃の排熱を熱源として冷凍サイクルを作動させ、屋内の冷房暖房給湯を年間に渡って行い、コージェネレイションの年間利用に道を開き、市場拡大に寄与するものである。さらにはバイオマス排熱利用、太陽熱利用などが考えられ、現在の電力主体の民生、業務用エネルギー機器分野が熱源を利用して作動するシステム装置を利用する方向に恕所に変換され、ひいては地球温暖化の熱環境、エネルギー資源不足環境の悪化を補って進展する新しい熱源エネルギーシステムの進展に貢献できると考えられる。
【００７１】
しかしながら従来、以上のシステムを実現させるために充分な性能と製造性、及びコストを持った膨張圧縮機が実用化されておらず、上記システムは商品化されていなかった。本発明の成果により上記システムの広範囲に渡る商品に利用できる基幹エンジン部品としての膨張圧縮機が実現でき、商品化の可能性を開くものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００７２】
以下、本発明の実施形態を、図１〜図７に基づいて説明する。
【００７３】
図１、２は本発明の実施例１のロータリ型膨張圧縮機の膨張シリンダ横断面図、圧縮シリンダ横断面図であり、塗りつぶしは断面を示し、白色の所は空間を示し矢印はガスの流れを示し往復の矢印は高低圧仕切り弁の作動中の動きを示す。また、白抜きの矢印は駆動軸７とクランク５の回転を示す。図３は実施例１の膨張圧縮機の全体の軸中心部縦断面図であり、塗りつぶしと平行斜線は夫々の断面を示す。矢印はガスの流れを示し、特に膨張ガスの流れは鎖線の矢印で示した。図４は同じ膨張圧縮機の一体ローラーを示し、左側が一体ローラーの見取り図、右側が該一体ローラーの軸中心部縦断面図であり、斜線はその断面を示す。この実施例１は発明１、２、１０、１１が該当するもので、図３から分かる通り膨張機シリンダ２と圧縮機シリンダ２４を一体化して軸方向に重ね、その軸中心のクランク５と一体の駆動軸７は上部の電動モータの軸と一体で構成されている。
【００７４】
図３で其の作動の概要を説明する。約１００℃、２ＭＰaのイソブタン１００％成分の高圧ガスがガス発生器（図示せず）から出て、矢印で示されている様に、高圧ガス入口パイプ３８より導入され、軸内高圧ガス通路８を通って膨張機シリンダ２に入り一体ローラー３を上から見て右旋回させこれを駆動する。膨張後に約６５℃、０．９ＭＰａになってシェル１内に放出される。一方１７℃、０．１６ＭＰの低圧ガスが空気調和機の蒸発器（図示せず）から出て、鎖線の矢印で示される様に、圧縮機ガス吸い込みパイプ２２より導入されて圧縮機シリンダ２４に入り、一体ローラー３により圧縮されて圧縮機吐出弁２１を押し分けてシェル１内に放出され、前述した膨張機から放出されたガスと合流し電動モータのローター３５、ステーター３６を冷却した後、約７５℃、０．９ＭＰａの混合ガスとなって吐出パイプ３７よりシェル外に吐出される。
【００７５】
高圧ガスの供給圧力が低下して、１．７ＭＰａより下がって、ある指令が出されると電動モータステーター３６は電源装置（図示せず）から電力の供給を受けてローター３５を作動させ、膨張機シリンダ２の出力を補完する形で圧縮機シリンダ２４の作動を維持乃至は加速する。図１に高圧ガスをシリンダへタイミング良く導入するための仕掛けが示されている。クランク５の高圧ガス流路６が一体ローラー３の高圧ガス流路４と連通したときに矢印で示されるように、高圧ガスは膨張機シリンダ２に供給される。このガス供給タイミング調整機構は既に公知の技術である。この後膨張し始めたシリンダに必要なガス量が供給され、それ以後はその供給された高圧ガスが膨張機シリンダ２内で膨張しながら一体ローラー３を押し、そして旋回させる。
【００７６】
このとき高低圧仕切り弁１０はローラーの外周にその先端を当接させながら両方向矢印の様に往復して作動し、シリンダ内を常に高低圧に仕切りかつローラーの自転を阻止する。膨張し終えたガスは膨張ガス吐出口９からシェル内へと吐出される。一体ローラー３は圧縮機シリンダ２４のローラーと一体であるので図２の白抜き矢印で示されるように旋回し、ガス吸い込みパイプ２２から低圧のガスを吸い込み、矢印の様にそれを圧縮し吐出弁２１を押し上げてシェル内へと押し出す。一体ローラー３は外周仕切り板溝４１の中間部で上限に別れた二つのローラーが膨張シリンダ２と圧縮シリンダ２４を仕切る仕切り板３１を挟み込んだ状態で結合されて一体に構成されている。仕切り板３１は一体ローラー３の仕切り板溝４１の上と下の両面で摺動してガスシールする。
【００７７】
図４の一体ローラー３は組み合わされて一体化された状態で描かれている。高低圧仕切り弁溝４２は高低圧仕切り弁１０の先端と合わさって、一体ローラー３の自転を阻止するためのものである。自転する事により、一体ローラー３がシリンダ壁などと摺動長さが長くなってお互いが磨耗する事を防止すると共に、ローラー内高圧ガス流路４の位置を常にシリンダ内の適正な位置に保つて、膨張機の機能を維持するという重要な役割がある。以上詳細に事例１の作動を説明した。この事例により先に提示した発明が解決しようとする課題の多くが解決されている事がわかる。
【００７８】
発命１、３、９、１０、１１が該当する第二の発明事例を図５に示す。左側は膨張圧縮機構部分の軸心断面図であり、二つの高低圧仕切り弁は図が紛らわしくなるので省略している。右側の図は軸方向中央の横断面図である。いずれも機構部分だけで、これを収めているシェル１は省略しており書かれていない。ここに示されている様に、完全に一つの一体ローラー３で膨張機シリンダ２と圧縮機シリンダ２４とを其の内側と外側に構成したロータリ型膨張圧縮機である。内側のシリンダの方が容積が小さくなる為、高圧ガス膨張機を内側にとってあり、其の容積比は詳細寸法設定によるが、ほぼ４０〜６０％程度となり、発明１を実現するのに適した構成と言える。断面ドーナツ状の円筒形状の膨張機一体ローラー３は外表面がシリンダケース１４の内表面と、また内表面が膨張機内側円筒の外表面に接しながら旋回する。外側の圧縮シリンダ２４では第一の発明事例と同様な作動をするが、内側の膨張シリンダ２４では若干異なった作動となる。
【００７９】
第一の事例との違いは、一体ローラー１の内側に膨張機シリンダを設けている点である。
このためにクランク５は図の様に二つに分離され、その間が膨張シリンダになっている。膨張機高低圧仕切り弁４４は一体ローラー３に設けたスライド溝にすべり込ませた形で図中で上下に動いて一体ローラー３から出入りし、膨張機シリンダ２４の高低圧ガスを仕切っている。一体ローラー３は旋回するので該仕切り弁４４も旋回しかつ僅かに左右に傾斜する。軸内高圧ガス通路８から供給された高圧ガスは膨張機内側円筒４５に設けられた内側円筒ガス通路４６から矢印に示されたように膨張機シリンダ２に導入される。そこで一体ローラー３の内面を押圧し、旋回させる。旋回はクランク５がガイドする。膨張後のガスは矢印で示されるように膨張ガス吐出口９からシェル内に吐出される。
【００８０】
一体ローラー３はその外側の圧縮機シリンダ２４のガスを鎖線の矢印のように導入し、圧縮し、シェル内に吐出する。実施例２に於いても最初に挙げた課題の多くを解決している事がわかる。膨張機の膨張を停止させた時に膨張行程をレリースさせるには発明１４で説明したように、高低圧仕切り弁の背圧室（図示せず）の状態を高圧ガスから低圧ガスに切り替えることにより該仕切り弁を吸い上げてしまう事により行える。事例２の一体ロータリでは一体ローラー３に軸と平行な細孔を空けて、主フレイム３３に設けた連通孔（図示せず）を通じて上記のガス圧力の切り替えを行う。又は高圧ガス供給経路をシェル内ガスと連通させる簡易方法もとられるが、ガスが循環するための僅かなエネルギーロスが発生する。
【００８１】
実施例３は図６に示され、請求項１、４、６、９、１１、１２の発明技術を取り入れたものである。図６は該実施例の軸中心断面図を示し、上部に一体の膨張圧縮機の旋回翼体１０４を二つの固定翼の間に挟まれた状態で設置し、該旋回翼体と電動モータ軸１２２との連結は圧縮機固定翼をオーバーハングして乗り越えた旋回翼体支持アーム１１９によって行っているという特徴がある。前述したように電動モータは膨張圧縮機に対してどの位置に配置しても原理的には問題は無い。最も簡単な配置は請求項５に示したように、両旋回翼基板の間に軸芯を合わせて配置する方法があるが、この場合は旋回翼同士の距離が離れるため、膨張動力を圧縮動力として伝える時に旋回翼間に働く転覆モーメント等の問題がある。実施例３では旋回翼同志を基板を合わせて密着させてそれらの問題の発生を少なくし、コンパクトに構成したものである。何れの請求項のスクロールも二つの旋回翼体を背中合わせに一体化したもので、その狙いは基板面にかかるガス圧力が打ち消しあって、旋回翼体に生じるスラスト力を最小にする効果と、高圧ガスの膨張力を低圧ガスに対する圧縮力に機械的摩擦ロスなどを発生させないで効率良く伝えることができる事である。
【００８２】
従来例では、このように両旋回翼を一体化した事例は多く見られるが、多くの場合、電動モータの軸先端が圧縮機固定翼基板１１０、圧縮機固定翼１０９、圧縮機旋回翼１０８を貫通して圧縮機旋回翼基板とクランクを介して連結しているものである。この場合翼はその中心部の軸径と旋回するスペースに成形できないという制約が生じ、多くの事由により性能が劣化するという問題を生じる。スクロール形状の翼体の中心部の翼の欠如により圧縮比乃至は膨張比と処理ガス流量が充分に採れない事になり、それをカバーするために逆に翼及び基板の外形寸法は大きくなる。その結果翼と翼基板にかかるガスの作用圧力は増大し、スラスト荷重増、旋回によるアンバランス増大、膨張圧縮機の大型化などの多くの欠点を増大させ、エネルギーロス増大と製品のコストアップに繋がる。
【００８３】
本発明の対象としている商品は高圧ガスを利用して低圧ガスを圧縮する目的であり、その圧縮比は２．０〜１０．０程度の比較的高い圧縮比であり、且つ高いエネルギー伝達効率を目指しているため作動時のエネルギーロスの発生を嫌うものである。従ってその旋回作動ガイド乃至は旋回駆動のための中心部に軸などを貫通させてそのスペースを其の為に利用する事は採用できない。一方前述した様に基本的な優位性のある一体の旋回翼を前提としているために、単一膨張機乃至は単一圧縮機で通常採られている方法である旋回翼基板背面側から軸を連結する構成が実現出来ない。かかる条件で先に述べた諸課題を解消する為の新しい技術として請求項５、６の発明が位置付けられる。
【００８４】
図６に於いてその基本構造を説明する。膨張機及び圧縮機固定翼基板１０６、１１０は夫々円筒のシェルに直角平行に固定された膨張機フレイム１１２と圧縮機フレイム１１５
に取り付けられている。両基板はその内側に一体の旋回翼体１０４をその翼先端が両基板内面に当接させて両基板内に常に平行に保持して居る。該旋回翼体は保持された状態で旋回しながら旋回翼１０３，１０８と固定翼１０５、１０９の側面を接触させて構成した３〜４つの小さなシリンダ室を旋回方向に移動させながらその小さなシリンダの容積を拡大乃至は縮小させてガスの膨張と圧縮を行う。旋回翼体１０４の旋回をガイドするのはスクロール支持クランク軸１２１と軸受け１２０でありそれが電動モータ軸と連結されている。
【００８５】
この電動モータ軸は膨張圧縮機の中心と同芯に設置されている。それはシェルの外形を小さく、かつ強度の高い円筒状にするためと、軸芯ずれによる微妙なアンバランス振動を嫌うからである。該クランク軸受け１２０は旋回翼体１０４と旋回翼体支持アーム１１９によって連結されている。該支持アームは圧縮機フレイムの切り欠き部分を通り、圧縮機固定翼基板１１０と圧縮機旋回翼外側の吸い込みガスハウジング（図示せず）の切り欠きを抜けて旋回翼体１０４の旋回翼体１０４の膨張機側の外周部分に固定されている。即ちシェル内の同じガスに満たされた部分である。前記電動モータは軸受け１２３、１２４によりシェルに確実に固定され、旋回翼体の精確な旋回ガイドと必要により駆動を行う。
【００８６】
作動ガスはイソブタン、プロパンなどが選定されるが、作動温度範囲が高い場合はイソブタンが選ばれる事が多く、その事例でガスの作動を説明する。圧力２ＭＰａの高圧ガスが高圧ガス入り口パイプ１１１から矢印で示されるように膨張機シリンダ１０２に入り膨張後シェル１０１の上部に吐出され、矢印の様にシェル内壁近傍の隙間からシェル下部に流れる。一方０．１６ＭＰａの低圧ガスは低圧ガス入り口パイプから鎖線の矢印で示される様に外周から圧縮機シリンダ１０７へ入り圧縮されて軸中心付近の圧縮ガス吐出口からシェル内へ吐出される、吐出された双方のガスの圧力は０．９ＭＰａで、電動モータが作動している時はそのロータ１２５とステータ１２６を冷却してスクロール吐出パイプ１１７からシェル外へと吐出される。本実施例についても先に検討した課題の多くを解消する
効果を有する。
【００８７】
図７に実施例４を示す。螺旋状のヘリカル翼をローラーの内外周面に埋め込んだもので、
この事例は請求項１、８、１０、１４の発明技術を取り入れたものである。図７は圧縮膨張機の機構部分のみを取り上げており、シェルなどは省略してある。左の図は軸方向断面図を示し、右の図は軸に直角の横断面図である。また電動モータも省略しているが、駆動軸７と電動モータの軸を一体となるように同軸状態に設置する案も本事例に含まれる。作動ガスの圧力などは前事例と同様に考えて差し支えない。高圧ガスは高圧ガス入り口パイプ３８から一体ローラー３の内側に流れ込み該ローラーの内表面に埋め込まれている螺旋状のヘリカル膨張翼体１２７と該ローラー内面と副フレイム３４に固定されたヘリカルシリンダ固定軸体１２９とで構成される小さなシリンダ空間を押し広げる様に作用する。
【００８８】
その内圧により一体ローラー３は押されて旋回する。旋回に連れてヘリカル膨張翼体１２７の螺旋ピッチが広がる様に設定されているため小さなシリンダ空間の容積は拡大し高圧ガスは膨張する。一方低圧のガスは圧縮機ガス吸い込みパイプ２２から圧縮機シリンダ２４に導入される。該シリンダはシリンダケース１４の内表面と一体ローラー３の外表面と該ローラーの外表面に埋め込まれた螺旋状のヘリカル圧縮翼体１２８とで構成される小さなシリンダ空間は一体ローラー３の旋回により縮小する。これは旋回に連れてヘリカル圧縮翼体１２８の螺旋ピッチが縮小する様に設定されているため小さなシリンダ空間の容積は縮小し、これにより導入された低圧ガスは圧縮される。
【００８９】
この時、膨張ガスと圧縮ガスの流れる方向を同じ方向に設定してあるので、膨張翼体と圧縮翼体にガス圧力として作用する軸方向成分は打ち消し合う。この結果一体ローラー３にかかる軸方向スラスト力は最小となる。請求項７、８に示された新しい発明技術は一体ローラー３を介して高圧ガスの膨張動力を低圧ガスの圧縮動力として直接伝え、機械的な摩擦ロスなどの発生を最小にする効果を狙ったものである。
【００９０】
以上四つの実施例に付き説明した。これらは、詳述していないが、請求項９に示された膨張圧縮機の基本構造の設定についての技術を採用している。ロータリ方式では一体ローラーの、スクロール方式では旋回翼体の、またヘリカル方式でも一体ローラーの軸方向の長さ乃至は旋回体の外形寸法が１対０．７以上の比で構成している。その最大の理由は膨張機と圧縮機の作動ガスの容積流量の違いである。この違いをベースに基本設計を行う必要がある。実際の事例では電動モータを一緒に組み込んで、膨張機と該電動モータの出力をうまく調整して圧縮機を駆動する事が行われる。従ってその作動力と回転数の調整はこの膨張圧縮機の実用化にとり重要で、図３、図６に示した事例では電源電圧と周波数によってその出力が調整される誘導電動機を用いている。
【００９１】
膨張圧縮機を作動開始する時は、充分な高圧のガスが供給されない場合、膨張機のみの駆動によって起動できない事が多く、開始後の必要な時間、電動モータも作動させる事が必要になる。何れの実施例においても発明１３に示される様に、電動モータのローターに乃至はクランク部分にホール素子を埋め込んで取り付けてあり、その検出器は電動モータのステーター乃至は固定フレイムに取り付けてある（図示せず）。これにより正確に膨張機出力軸の回転数（旋回数）を検知し、その作動状況が正常であるか否か、膨張機への高圧ガスの供給をどの様に制御するか、電動モータのサポートが必要か否か、等運転制御をする事ができる。
【００９２】
図３、図６に示した実施例では、膨張機の作動停止で電動モータの作動時には、高圧ガスの供給停止と膨張機のガス膨張機構のレリース動作を行わせる。図示していないが、電動モータを組み込んだ場合、何れの事例も発明１４に示される様に、膨張機に前述したレリース機構が設けてある。その他の事例として請求項１５に示した多数シリンダの膨張圧縮機があるが、既に概要は説明してあるのでここでは図示しない。最も実現し易い多シリンダ構造としては、電動モータの両軸の夫々に一対の膨張圧縮機を設ける方式があり、大容量化には極めて有効である。
【図面の簡単な説明】
【００９３】
【図１】本発明の実施例１、ロータリ型膨張圧縮機の膨張機シリンダ断面図
【図２】本発明の実施例１、ロータリ型膨張圧縮機の圧縮機シリンダ断面図
【図３】本発明の実施例１、ロータリ型膨張圧縮機全体の軸中心の断面図
【図４】本発明の実施例１、ロータリ型膨張圧縮機の一体ローラーの見取り外観図と軸中心断面図
【図５】本発明の実施例２、ロータリ型膨張圧縮機の機構部の正面断面図とシリンダ断面図
【図６】本発明の実施例３、スクロール型膨張圧縮機全体の軸中心の断面図
【図７】本発明の実施例４、ヘリカル翼型膨張圧縮機の機構部の正面断面図とシリンダ断面図
【符号の説明】
【００９４】
１    ロータリ膨脹圧縮機シェル
２    膨張機シリンダ
３    一体ローラー
４    ローラー内高圧ガス流路
５    クランク
６    クランク内高圧ガス流路
７    駆動軸
８    軸内高圧ガス流路
９    膨脹ガス吐出口
１０  高低圧仕切り弁
１１  膨張機
１２  圧縮機
１３  膨張圧縮機
１４  シリンダケース
２１  圧縮機吐出弁
２２  圧縮機ガス吸込みパイプ
２４  圧縮機シリンダ
３１  膨張機圧縮機仕切り板
３２  吐出ガス経路
３３  主フレイム
３４  副フレイム
３５  電動モータローラー
３６  電動モータステーター
３７  吐出パイプ
３８  高圧ガス入り口パイプ
４１  ローラー外周仕切り板溝
４２  高低圧仕切り弁溝
４３  一体ローラークランク軸受け
４４  膨張機高低圧仕切り弁
４５  膨張機内側円筒
４６  内側円筒ガス通路
１０１  スクロール膨脹圧縮機シェル
１０２  スクロール膨張機シリンダ
１０３  膨張機旋回翼
１０４  旋回翼体
１０５  膨張機固定翼
１０６  膨張機固定翼基板
１０７  スクロール圧縮機シリンダ
１０８  圧縮機旋回翼
１０９  圧縮機固定翼
１１０  圧縮機固定翼基板
１１１  スクロール高圧ガス入り口パイプ
１１２  膨張機フレイム
１１３  スクロール膨脹ガス吐出口
１１４  スクロール低圧ガス入り口パイプ
１１５  圧縮機フレイム
１１６  旋回翼基板支持プレート
１１７  スクロール吐出パイプ
１１８  圧縮ガス吐出口
１１９  旋回翼体支持アーム
１２０  スクロールクランク軸受け
１２１  スクロール支持クランク軸
１２２  モータ軸
１２３  モータ主軸受け
１２４  モータ副軸受け
１２５  スクロール電動モータロータ
１２６  スクロール電動モータステータ
１２７  ヘリカル膨張翼体
１２８  ヘリカル圧縮翼体
１２９  ヘリカルシリンダ固定軸体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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