JP2008038915A - 膨張機一体型圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮機構から膨張機構への熱の移動が抑制されるように改良された膨張機一体型圧縮機を提供する。
【解決手段】膨張機一体型圧縮機１００は、底部にオイルが貯められる密閉容器１と、密閉容器１内の上部に配置された圧縮機構２と、密閉容器１内の下部に配置された膨張機構３と、圧縮機構２と膨張機構３とを連結するシャフト５と、圧縮機構２と膨張機構３との間に配置され、膨張機構３の周囲を満たすオイル２６を圧縮機構２に供給するオイルポンプ６とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、流体を圧縮する圧縮機構と流体を膨張させる膨張機構とを備え、圧縮機構と膨張機構がシャフトで連結された一体構造を有する膨張機一体型圧縮機に関する。

昨今、資源問題や地球温暖化問題の深刻化を受けて、給湯機や空調機に応用されるヒートポンプ装置の省エネルギー化に関する研究開発が活発に行われている。例えば、従来のヒートポンプ装置は、膨張弁で冷媒を膨張させる仕組みになっているが、膨張弁に代えて容積式の膨張機を採用することにより、冷媒の膨張エネルギーを回収して圧縮機の補助動力に利用する試みがある。冷媒の膨張エネルギーの回収および利用により、理論的には２０％前後、実機でも１０％前後の省電力化が期待できる。そのような試みを実現する流体機械として、特開２００５−２９９６３２号公報に開示されているような膨張機一体型圧縮機の開発が急ピッチで進められている。

図１７は、代表的な膨張機一体型圧縮機の縦断面図である。膨張機一体型圧縮機２００は、２段ロータリ型の圧縮機構１２１、電動機１２２、２段ロータリ型の膨張機構１２３およびこれらを収容する密閉容器１２０を備えている。圧縮機構１２１、電動機１２２および膨張機構１２３は、シャフト１２４により連結されている。

密閉容器１２０の底部は、オイル（冷凍機用潤滑油）を貯留するためのオイル溜り１２５になっている。オイル溜り１２５に貯まっているオイルを汲み上げるために、シャフト１２４の下端部にはオイルポンプ１２６が取り付けられている。オイルポンプ１２６によって汲み上げられたオイルは、シャフト１２４内に形成された給油路１２７を経由して、圧縮機構１２１および膨張機構１２３に供給される。これにより、圧縮機構１２１および膨張機構１２３の各摺動部分における潤滑性とシール性を確保することができる。

また、膨張機構１２３の上部には、オイル戻し管１２８が配置されている。オイル戻し管１２８は、一端がシャフト１２４内に形成された給油路１２７に連通し、他端が膨張機構１２３の下方に向かって開口している。通常、膨張機構１２３の信頼性確保のため、オイルは余剰に供給される。余剰のオイルは、オイル戻し管１２８を経由してオイル溜り１２５に戻る。

こうした仕組みを持つ膨張機一体化圧縮機は、圧縮機構と膨張機構を共通の密閉容器内に配置することにより圧縮機構と膨張機構のオイルを簡単に共通化できるという利点がある。

一方、冷媒の膨張力を圧縮機構に直接伝達するのではなく、冷媒の膨張力で発電を行い、生成した電力を電動機に投入する試みもある。この試みによれば、圧縮機構と膨張機構を一体化する必要性がないので、圧縮機構と膨張機構を別々の容器に収容することができる。圧縮機構と膨張機構を別々の容器内に収容できるといっても、冷媒に混ざったオイルが冷媒回路内を循環することを念頭に入れておく必要がある。つまり、各容器内のオイル量に偏りが生じて潤滑不良が起きないように、オイル量をバランスさせるための何らかの工夫が不可欠である。これに対し、圧縮機構と膨張機構を共通の密閉容器内に配置する膨張機一体型圧縮機によれば、そうした工夫が本質的に不要である。
特開２００５−２９９６３２号公報

ただし、オイルに関し、膨張機一体型圧縮機に全く問題がないわけではない。図１７に示すように、オイル溜り１２５から汲み上げられたオイルは、比較的高温の圧縮機構１２１を通過するため、その圧縮機構１２１によって加熱される。圧縮機構１２１によって加熱されたオイルは、電動機１２２によってさらに加熱され、膨張機構１２３に到達する。膨張機構１２３に到達したオイルは、低温の膨張機構１２３において冷却されたのち、オイル戻し管１２８を経由して、膨張機構１２３の下方に排出される。膨張機構１２３やオイル戻し管１２８から排出されたオイルは、電動機１２２の側面を通過する際に再び加熱され、さらに圧縮機構１２１の側面を通過する際にも加熱されて密閉容器１２０のオイル溜り１２５に戻る。

以上のように、オイルが圧縮機構と膨張機構の間を循環することによって、圧縮機構から膨張機構に熱の移動が起こる。このような熱の移動により、圧縮機構から吐出される冷媒の温度が低下し、膨張機構から吐出される冷媒の温度が上昇する。このことは、空調機で考えると、暖房時の室内加熱能力の低下または冷房時の室内冷却能力の低下を意味する。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、圧縮機構から膨張機構への熱の移動が抑制されるように改良された膨張機一体型圧縮機を提供することを目的とする。

すなわち、本発明は、
底部がオイル溜りとして利用される密閉容器と、
オイル溜りに貯留されたオイルの油面よりも上または下に位置するように密閉容器内に配置された圧縮機構と、
油面に対する位置関係が圧縮機構とは上下逆になるように密閉容器内に配置された膨張機構と、
圧縮機構と膨張機構とを連結するシャフトと、
圧縮機構と膨張機構との間に配置され、圧縮機構または膨張機構の周囲を満たすオイルを油面よりも上に位置する圧縮機構または膨張機構に供給するオイルポンプと、
を備えた膨張機一体型圧縮機を提供する。

他の側面において、本発明は、
密閉容器と、
密閉容器内に配置された圧縮機構と、
密閉容器内に配置された膨張機構と、
圧縮機構と膨張機構とを連結するシャフトと、
密閉容器の内部空間を、シャフトの軸方向に沿って、圧縮機構および膨張機構から選ばれるいずれか一方が配置された上側空間と、他方が配置された下側空間とに仕切るとともに、圧縮機構および膨張機構を潤滑するために密閉容器に貯留されているオイルの上側空間と下側空間との間の移動が許容されるように、上側空間と下側空間とを連通する連通路が形成されている隔壁と、
圧縮機構と膨張機構との間に配置され、圧縮機構および膨張機構のうち、上側空間に位置する一方にオイルを汲み上げて供給するオイルポンプと、
を備えた膨張機一体型圧縮機を提供する。

上記膨張機一体型圧縮機の前者によれば、オイルポンプが圧縮機構と膨張機構の間に配置されているので、密閉容器を鉛直に立てた状態で、上に位置する機構に向かって延びる給油路は、下に位置する機構を経由することなく形成されうる。したがって、オイルポンプに汲み上げられたオイルは、当該オイルポンプよりも下に位置する機構を経由しない形で、上に位置する機構に供給されうる。この結果、オイルを介した圧縮機構から膨張機構への熱移動が抑制される。

上記膨張機一体型圧縮機の後者によれば、オイルポンプが圧縮機構と膨張機構の間に配置されているので、密閉容器を鉛直に立てた状態で、上側空間に位置する機構に向かって延びる給油路は、下側空間に位置する機構を経由することなく形成されうる。したがって、オイルポンプに汲み上げられたオイルは、下側空間に位置する機構を経由しない形で、上側空間に位置する機構に供給されうる。この結果、オイルを介した圧縮機構から膨張機構への熱の移動が抑制される。さらに、隔壁により、上側空間と下側空間との間のオイルの往来が制限されるので、これによっても熱の移動が抑制される。ただし、隔壁には連通路が形成されており、この連通路を通じて上側空間と下側空間との間のオイルの移動が許容されるので、上側空間に存在するオイルの量と下側空間に存在するオイルの量とをバランスさせるための措置を講じる必要がない。

（第１実施形態）
以下、添付の図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係る膨張機一体型圧縮機の縦断面図である。膨張機一体型圧縮機１００は、内部空間２４を有する密閉容器１と、内部空間２４の上側に配置されたスクロール型の圧縮機構２と、内部空間２４の下側に配置された２段ロータリ型の膨張機構３と、圧縮機構２と膨張機構３との間に配置された電動機４と、電動機４と膨張機構３との間に配置されたオイルポンプ６と、オイルポンプ６と電動機４との間に配置された隔壁３２と、圧縮機構２、膨張機構３および電動機４を連結するシャフト５とを備えている。電動機４がシャフト５を回転駆動することにより、圧縮機構２が作動する。膨張機構３は、作動流体（冷媒）が膨張する際の膨張力をトルクに変換してシャフト５に与え、電動機４によるシャフト５の回転駆動をアシストする。冷媒の膨張エネルギーをいったん電気エネルギーに変換することなく圧縮機構２に直接伝達するこの仕組みにより、高いエネルギー回収効率を見込める。

なお、本実施形態の膨張機一体型圧縮機１００は、密閉容器１を垂直に立てた状態で使用することを想定しているので、シャフト５の軸方向に平行な方向を上下方向とし、圧縮機構２が配置されている側を上側、膨張機構３が配置されている側を下側と考える。ただし、圧縮機構２と膨張機構３の位置は、本実施形態と逆であっても構わない。すなわち、圧縮機構２が下側に位置し、膨張機構３が上側に位置するといった実施形態も考えうる。また、本実施形態では、スクロール型の圧縮機構２とロータリ型の膨張機構３を採用しているが、各機構の型式はこれらに限定されない。例えば、圧縮機構と膨張機構の双方をロータリ型またはスクロール型にすることが可能である。さらには、レシプロ型の機構を採用することも考えうる。

密閉容器１の底部は、オイル２６を貯留するオイル溜り２５となっている。オイル２６は、圧縮機構２および膨張機構３の各摺動部分における潤滑性とシール性を確保するために使用される。オイル溜り２５に貯留されたオイル２６の量は、密閉容器１を立てた状態、つまり、シャフト５の軸方向が鉛直方向に平行となるように密閉容器１の姿勢を定めた状態で、隔壁３２よりも上に油面２６ｐが位置する範囲内に調整されている。より詳しくいえば、オイル２６の量は、膨張機構３の周囲が当該オイル２６で充たされ、かつ圧縮機構２および電動機４が油面２６ｐよりも上に位置する範囲内に調整されている。オイル２６の量をこのような範囲内に調整し、圧縮機構２および電動機４がオイル２６に漬からないようにしてやれば、膨張機一体型圧縮機１００を用いたヒートポンプ装置の運転中に、圧縮機構２や電動機４からオイル２６に熱が直接伝達することを防止できる。また、電動機４の回転子２２がオイル溜り２５に貯留されたオイル２６を撹拌することによる、電動機効率の低下や冷媒回路へのオイル吐出量の増加を防止することができる。特に、電動機４の回転子２２が油面２６ｐから離れていることが望ましい。そのようにすれば、オイル２６が電動機４の負荷を増大させずに済む。

オイルポンプ６は、圧縮機構２に、膨張機構３が漬かっているオイル２６を汲み上げて供給する。シャフト５の内部には、油面２６ｐよりも上に位置する圧縮機構２の摺動部分に通ずる給油路２９が軸方向に延びるように形成されている。オイルポンプ６から吐出されたオイル２６は、その給油路２９に送り込まれ、膨張機構３を経由することなく、圧縮機構２の各摺動部分に供給される。このようにすれば、圧縮機構２に向かうオイル２６が膨張機構３で冷却されることがないので、オイル２６を介した圧縮機構２から膨張機構３への熱の移動を抑制することができる。また、シャフト５の内部に給油路２９を形成すれば、部品点数の増加やレイアウトの問題が新たに生じないので好適である。

隔壁３２は、シャフト５を貫通させるための第１貫通孔３２ｇが中央部に開いている円板状の形態を有し、密閉容器１の内部空間２４を、シャフト５の軸方向に沿って、圧縮機構２が電動機４とともに配置された上側空間２４ａと、膨張機構３がオイルポンプ６とともに配置された下側空間２４ｂとに仕切り、上側空間２４ａと下側空間２４ｂとの間のオイル２６の往来を制限する役割を担う。図３の半断面斜視図から分かるように、隔壁３２は、ネジやボルト等の締結部品で密閉容器１に固定された外周部が、密閉容器１の一部をなす形となっている。また、隔壁３２の第１貫通孔３２ｇの開口周縁部に、オイルポンプ６がネジやボルトで固定され、第１貫通孔３２ｇがオイルポンプ６によって下から塞がれている。つまり、オイルポンプ６および膨張機構３は、隔壁３２にぶら下がるような形で密閉容器１内に位置決めされている。また、隔壁３２には、上側空間２４ａと下側空間２４ｂとの間のオイル２６の移動が許容されるように、上側空間２４ａと下側空間２４ｂとを連通する連通路として第２貫通孔３２ｈが形成されている。第２貫通孔３２ｈは、中央部の第１貫通孔３２ｇに比べると小さい孔であり、シャフト５の周りの複数箇所に等角度間隔で形成されている。

隔壁３２は、上側空間２４ａと下側空間２４ｂとの間のオイル２６の往来を制限することにより、上側空間２４ａと下側空間２４ｂとを断熱する作用と、オイル２６の流動を抑制する作用とをもたらす。隔壁３２による断熱作用および流動抑制作用に起因して、密閉容器１内に貯留されているオイル２６には、シャフト５の軸方向に沿って温度勾配が生ずる。つまり、圧縮機構２に供給するためにオイルポンプ６が吸入するオイル２６は比較的高温でありながら、膨張機構３の周囲に滞留するオイル２６は比較的低温という、冷凍サイクルにとって好都合な状況を意図的に作り出すことが可能となる。

本実施形態の膨張機一体型圧縮機１００を用いたヒートポンプ装置の停止中や通常の運転中において、油面２６ｐは、隔壁３２の上面３２ｐより上に位置する。ヒートポンプ装置の運転が開始されると、電動機４が巻き起こす旋回流の影響で、油面２６ｐは激しく波立った状態となる。仮に、電動機４の回転子２２がオイル２６に漬かっていると、オイル２６が回転子２２によって直接撹拌されるため、隔壁３２による断熱効果や流動抑制効果が半減してしまう。その意味においても、電動機４の回転子２２は、密閉容器１の大幅な寸法拡大を招かない範囲内で、油面２６ｐから極力離間していることが好ましい。

上記のような隔壁３２を構成する材料は、金属、樹脂またはセラミック等を例示できるが、通常は密閉容器１が金属製なので、隔壁３２も密閉容器１と同一の金属材料にて構成するのが好ましい。ただし、断熱性を向上させる目的や油面２６ｐの波立ちを緩衝する目的で、当該隔壁３２の材料よりも熱伝導率が小さい被膜、例えば、樹脂被膜を上面３２ｐに形成したり、上面３２ｐに凹凸を設けるといった表面加工を行ったりしてもよい。

なお、圧縮機構２と膨張機構３との間にオイルポンプ６を配置し、このオイルポンプ６により、膨張機構３内を経由しないように圧縮機構２にオイル２６を供給する構成は、隔壁３２の有無によらない。オイルポンプ６に吸入され、吐出されたオイル２６が膨張機構３を経由することなく圧縮機構２に供給されるならば、オイル２６を介した熱の移動を抑制する効果は得られる。

次に、圧縮機構２および膨張機構３について簡単に説明する。

スクロール型の圧縮機構２は、旋回スクロール７と、固定スクロール８と、オルダムリング１１と、軸受部材１０と、マフラー１６と、吸入管１３と、吐出管１５とを備えている。シャフト５の偏心軸５ａに嵌合され、かつ、オルダムリング１１により自転運動を拘束された旋回スクロール７は、渦巻き形状のラップ７ａが、固定スクロール８のラップ８ａと噛み合いながら、シャフト５の回転に伴って旋回運動を行い、ラップ７ａ，８ａの間に形成される三日月形状の作動室１２が外側から内側に移動しながら容積を縮小することにより、吸入管１３から吸入された作動流体を圧縮する。圧縮された作動流体は、リード弁１４を押し開き、固定スクロール８の中央部に形成された吐出孔８ｂ、マフラー１６の内部空間１６ａ、ならびに固定スクロール８および軸受部材１０を貫通する流路１７をこの順に経由して、密閉容器１の内部空間２４に吐出される。シャフト５の給油路２９を通ってこの圧縮機構２に到達したオイル２６は、旋回スクロール７と偏心軸５ａとの摺動面や、旋回スクロール７と固定スクロール８との摺動面を潤滑する。密閉容器１の内部空間２４に吐出された作動流体は、その内部空間２４に滞留する間に、重力や遠心力によってオイル２６と分離され、その後、吐出管１５からガスクーラに向けて吐出される。

シャフト５を介して圧縮機構２を駆動する電動機４は、密閉容器１に固定された固定子２１と、シャフト５に固定された回転子２２とを含む。密閉容器１の上部に配置されたターミナル９から電動機４に電力が供給される。電動機４は、同期機および誘導機のいずれであってもよく、圧縮機構２から吐出された作動流体およびオイル２６によって冷却される。

シャフト５は、圧縮機構２に接続する圧縮機構側シャフト５ｓと、膨張機構３に接続する膨張機構側シャフト５ｔとから構成されている。圧縮機構側シャフト５ｓと膨張機構側シャフト５ｔは、連結器６３で連結されることにより、同期回転する。圧縮機構側シャフト５ｓおよび膨張機構側シャフト５ｔのように、複数部品に分かれているものを１本に連結して使用する場合、両シャフト５ｓ，５ｔの連結箇所に若干の遊びが生ずる。このような遊びがある場合、圧縮機構２の回転中心と膨張機構３の回転中心が多少ずれていたとしても、両機構２，３をスムーズに作動させることが可能となり、ひいては騒音や振動を低減できる。もちろん、単一のシャフトを用いることも可能である。

図２に膨張機一体型圧縮機の部分拡大断面図、図３に半断面斜視図を示す。図２および図３に示すごとく、２段ロータリ型の膨張機構３は、下軸受部材４１、第１シリンダ４２、中板４３、第２シリンダ４４、上軸受部材４５、第１ローラ４６（第１ピストン）、第２ローラ４７（第２ピストン）、第１ベーン４８、第２ベーン４９、第１バネ５０および第２バネ５１を備えている。

第１シリンダ４２は、シャフト５を支持する下軸受部材４１の上部に固定されている。第１シリンダ４２の上部には、中板４３が固定されており、その中板４３の上部に第２シリンダ４４が固定されている。第１ローラ４６は、第１シリンダ４２内に配置されており、回転可能な状態でシャフト５の第１偏心部５ｃに嵌合している。第２ローラ４７は、第２シリンダ４４内に配置されており、回転可能な状態でシャフト５の第２偏心部５ｄに嵌合している。第１ベーン４８は、第１シリンダ４２に形成されたベーン溝にスライド可能な状態で配置されている。第２ベーン４９は、第２シリンダ４４のベーン溝にスライド可能な状態で配置されている。第１ベーン４８は、第１バネ５０によって第１ローラ４６に押し付けられ、第１シリンダ４２と第１ローラ４６との間の空間を吸入側空間と吐出側空間とに仕切る。第２ベーン４９は、第２バネ５１によって第２ローラ４７に押し付けられ、第２シリンダ４４と第２ローラ４７との間の空間を吸入側空間と吐出側空間とに仕切る。中板４３には、第１シリンダ４２の吐出側空間と、第２シリンダ４４の吸入側空間とを連通して、両空間による膨張室を形成する連通孔が形成されている。

吸入管５２から膨張機構３に吸入された作動流体は、下軸受部材４１に形成された連通路４１ｈを経由して、第１シリンダ４２の吸入側空間に案内される。第１シリンダ４２の吸入側空間は、シャフト５の回転にともなって、下軸受部材４１の連通路４１ｈとの連通が遮断され、吐出側空間へと変化する。シャフト５がさらに回転すると、第１シリンダ４２の吐出側空間に移動した作動流体は、中板４３の連通孔を経由して、第２シリンダ４４の吸入側空間に案内される。シャフト５がさらに回転すると、第２シリンダ４４の吸入側空間の容積が増加し、第１シリンダ４２の吐出側空間の容積が減少するが、第２シリンダ４４の吸入側空間の容積増加量が、第１シリンダ４２の吐出側空間の容積減少量よりも大きいので、作動流体は膨張する。そしてこの際、作動流体の膨張力がシャフト５に加わるので、電動機４の負荷が軽減される。シャフト５がさらに回転すると、第１シリンダ４２の吐出側空間と第２シリンダ４４の吸入側空間との連通が遮断され、第２シリンダ４４の吸入側空間は、吐出側空間へと変化する。第２シリンダ４４の吐出側空間に移動した作動流体は、上軸受部材４５に形成された連通路４５ｈを経由して、吐出管５３から吐出される。

ところで、圧縮機構２および膨張機構３のうち、下側空間２４ｂに配置されて周囲がオイル２６で充たされている機構がロータリ型である場合には、シャフト５（本実施形態では膨張機構側シャフト５ｔ）が、そのロータリ型の機構を軸方向に貫通するので、シャフト５の下端部５ｗがオイル２６に直接接触する構造を採用できる。この場合、図６Ａに示すごとく、下端部５ｗから膨張機構３のシリンダ４２，４４に向かって延びるように、シャフト５の外周面に溝５ｋを形成することにより膨張機構３の潤滑を行える。オイル溜り２５に貯まっている最中のオイル２６に懸かっている圧力は、シリンダ４２，４４とピストン４６，４７とを潤滑中のオイル２６に懸かっている圧力よりも大きい。したがって、オイル溜り２５に貯まっている最中のオイル２６は、オイルポンプの助けを借りなくても、溝５ｋを伝って膨張機構３のシリンダ４２，４４に供給される。

もちろん、図６Ｂに示すごとく、膨張機構側シャフト５ｔの下端部５ｗに第２のオイルポンプ７０を取り付け、その第２のオイルポンプ７０で膨張機構３の摺動部分にオイル２６を供給するようにしてもよい。図６Ｂの例では、膨張機構側シャフト５ｔの内部に、膨張機構３のシリンダ４２，４４に向かって延びる第２の給油路７１が形成されており、第２のオイルポンプ７０から吐出されたオイル２６が、その第２の給油路７１を通じて膨張機構３の摺動部分に供給される。第２の給油路７１は、上軸受部材４５に形成されたオイル逃がし溝７２に連通しており、第２のオイルポンプ７０から余剰に吐出されたオイル２６は、このオイル逃がし溝７２を通じてオイル溜り２５に戻される。このようにすれば、圧縮機構２と膨張機構３とをオイル２６が循環することを回避できる。なお、第２のオイルポンプ７０としては、オイルポンプ６と同様のものを好適に採用できる。

また、ロータリ型の機構（圧縮機構または膨張機構）は、その構造上、シリンダ内の空間を２つに仕切るベーンの潤滑が不可欠となるが、機構全体がオイル２６に漬かっている場合には、ベーンが配置されているベーン溝の後端を密閉容器１内に露出させるという極めて単純な方法により、ベーンを潤滑することができる。本実施形態においても、そのような方法でベーン４８，４９の潤滑を行っている。

ところで、圧縮機構および膨張機構の少なくとも一方にロータリ型を採用し、そのロータリ型の機構がオイルに漬からないレイアウトを採用する場合、ベーンの潤滑は少々厄介である。まず、ロータリ型の機構の要潤滑部品のうち、ピストンとシリンダは、シャフトの内部に形成された給油路を使えば比較的簡単に潤滑できる。しかしながら、ベーンに関してはそうはいかない。ベーンはシャフトから相当離れているので、シャフト内の給油路からベーン溝にオイルを直接供給することはできず、シャフトの上端部から吐出させたオイルをベーン溝に送り込むための何らかの工夫が必須となる。そのような工夫は、例えば、シリンダの外側に給油管を別途設けることであり、部品点数の増加や構造の複雑化を免れない。

これに対し、スクロール型の機構の場合にはそうした工夫が本質的に不要であり、潤滑が必要な全ての部分に比較的簡単にオイルを行き渡らせることが可能である。このような諸事情を鑑みると、ロータリ型の機構がオイルに漬かり、スクロール型の機構が油面よりも上に位置するというレイアウトは、最も優れたレイアウトの１つであるといえる。本実施形態は、そのようなレイアウトを実現するべく、圧縮機構２をスクロール型、膨張機構３をロータリ型とし、そのロータリ型の膨張機構３が直接オイル２６に漬かるように、シャフト５の軸方向に沿って、圧縮機構２、電動機４、オイルポンプ６および膨張機構３をこの順番で配置している。

次に、オイルポンプ６について詳しく説明する。図２および図３に示すごとく、オイルポンプ６は、ポンプ本体６１とポンプハウジング６２とから構成されている。ポンプ本体６１は、シャフト５の回転に伴う作動室の容積の増減によりオイル２６を圧送するように構成されている。ポンプハウジング６２は、ポンプ本体６１に隣接して配置され、ポンプ本体６１を回転可能に支持するとともに、ポンプ本体６１から吐出されたオイル２６を一時的に収容するオイルチャンバ６２ｈを内部に有する。そして、そのオイルチャンバ６２ｈにシャフト５の一部が露出することにより、当該シャフト５の内部に形成された給油路２９に、ポンプ本体６１から吐出されたオイル２６が送り込まれる仕組みになっている。このように、オイルポンプ６の中にシャフト５を通すことにより、別途の給油管を設けずとも、オイル２６を漏れなく給油路２９に送り込むことができる。

オイルポンプ６の種類は特に限定されないが、図４に示すごとく本実施形態では、シャフト５に取り付けられたインナーロータ６１１と、インナーロータ６１１との間に作動室６１ｈを形成するアウターロータ６１２とを有するロータリ型のポンプ本体６１を含むオイルポンプを採用している。このオイルポンプ６は、トロコイドポンプ（日本オイルポンプ社の登録商標）と呼ばれるものである。インナーロータ６１１の中心とアウターロータ６１２の中心は偏心しており、歯数もインナーロータ６１１の方がアウターロータ６１２よりも少ないので、シャフト５の回転に伴って作動室６１ｈの容積が拡大／縮小する。この容積変化により、オイル２６は吸入口６１ａから作動室６１ｈに吸入され、吐出口６１ｂから吐出される。このようなロータリ型のオイルポンプ６は、シャフト５の回転運動をカム機構等で他の運動に変換することなく、オイル２６を圧送する運動に直接利用するので、機械ロスが小さいという利点がある。また、比較的単純な構造によるので、信頼性も高い。

図２に示すごとく、ポンプハウジング６２は、内部空間をシャフト５の軸方向に沿って、ポンプ本体６１を配置する空間とオイルチャンバ６２ｈとに区画する内壁部６４を含む。本実施形態では、内壁部６４の上の空間にポンプ本体６１が配置され、この内壁部６４によってポンプ本体６１が直接支持されている。内壁部６４には、一端がポンプ本体６１の吐出口６１ｂ（図４参照）をなし、他端がオイルチャンバ６２ｈに開口する連通孔６４ｈが形成されている。ポンプ本体６１とオイルチャンバ６２ｈとが隣接するこのような構造によれば、ポンプ本体６１から吐出されたオイル２６は、連通孔６４ｈをスムーズに流通してオイルチャンバ６２ｈに移動する。

さらに、ポンプハウジング６２には、一端がポンプ本体６１の吸入口６１ａをなし、他端が密閉容器１の下側空間２４ｂに開口するオイル吸入路６２ｑが、当該ポンプハウジング６２の外周面からポンプ本体６１の収容されている空間に向かって延びるように形成されている。オイル吸入路６２ｑが下側空間２４ｂに開口しているので、油面２６ｐが一時的に低下した場合であっても、オイル２６を安定してポンプ本体６１に吸入させることが可能となる。

また、ポンプハウジング６２は、膨張機構３の上軸受部材に兼用された端板４５によってオイルチャンバ６２ｈが閉塞される一方、ポンプ本体６１を挟んでオイルチャンバ６２ｈとは反対の上側に、圧縮機構側シャフト５ｓのスラスト荷重を受ける軸受部６２１を有する。図５に示すごとく、軸受部６２１は、第１貫通孔３２ｇを貫通して隔壁３２の上面３２ｐよりも上に突出している。圧縮機構側シャフト５ｓは、軸受部６２１からポンプハウジング６２に挿入されている部分が、電動機４に近い上側に位置する径大部５５１ｓと、ポンプ本体６１が取り付けられた径小部５５２ｓとからなり、その径大部５５１ｓがポンプハウジング６２の軸受部６２１の段付き面６２１ｐ（スラスト面）に着座している。このような軸受構造により、圧縮機構側シャフト５ｓのスムーズな回転を可能としている。

また、２本（複数本）に分かれている圧縮機構側シャフト５ｓと膨張機構側シャフト５ｔとは、ポンプハウジング６２のオイルチャンバ６２ｈにおいて連結されている。このようにすれば、ポンプ本体６１から吐出されたオイル２６を、圧縮機構側シャフト５ｓの内部に形成されている給油路２９に容易に案内することが可能である。

具体的に、本実施形態では、連結器６３を用いて圧縮機構側シャフト５ｓと膨張機構側シャフト５ｔとを連結している。この連結器６３は、ポンプハウジング６２のオイルチャンバ６２ｈに配置されている。このように、ポンプハウジング６２のオイルチャンバ６２ｈは、ポンプ本体６１と圧縮機構側シャフト５ｓとを中継する役割と、連結器６３の設置スペースを提供する役割との双方を担っている。図３に示すごとく、圧縮機構側シャフト５ｓおよび膨張機構側シャフト５ｔには、それぞれ、外周面に連結用の歯が切ってあり、その歯が連結器６３に係合することにより両者が連結されている。膨張機構側シャフト５ｔのトルクは、連結器６３を介して圧縮機構側シャフト５ｓに伝達される。

圧縮機構側シャフト５ｓと膨張機構側シャフト５ｔとを連結器６３で連結する場合、ポンプ本体６１から吐出されたオイル２６を給油路２９に送り込む経路をどのようにして確保するのかが問題となるが、本実施形態では次のようにしてこの問題を解消している。すなわち、図２に示すごとく、連結器６３には、ポンプハウジング６２のオイルチャンバ６２ｈに開口するとともに圧縮機構側シャフト５ｓおよび膨張機構側シャフト５ｔの回転中心に向かって延びるオイル送出路６３ｈが形成されている。ポンプ本体６１からポンプハウジング６２のオイルチャンバ６２ｈに吐出されたオイル２６は、このオイル送出路６３ｈを流通して圧縮機構側シャフト５ｓの給油路２９に送り込まれる。

給油路２９は、圧縮機構側シャフト５ｓの端面に開口しており、連結器６３は、圧縮機構側シャフト５ｓと膨張機構側シャフト５ｔとの間にオイル２６を案内可能な隙間６５が形成された状態で両者を連結し、その隙間６５にオイル送出路６３ｈが連通している。このようにすれば、連結器６３がシャフト５ｓ，５ｔとともに回転した場合でも、ポンプ本体６１から吐出されたオイル２６が間断なく給油路２９に送り込まれるため、圧縮機構２の摺動部分を安定して潤滑することが可能となる。

また、連結器を使用しない態様も考えうる。例えば、図７に示すごとく、圧縮機構側シャフト７５ｓと膨張機構側シャフト７５ｔとを雌雄結合により連結するシャフト７５を好適に採用することができる。圧縮機構側シャフト７５ｓの内部に形成されている給油路２９への入口２９ｐは、圧縮機構側シャフト７５ｓの外周面に設けられている。給油路２９への入口２９ｐを含む連結部分をポンプハウジング６２のオイルチャンバ６２ｈに位置させることにより、ポンプ本体６１から吐出されたオイル２６を給油路２９に送り込むことが可能である。このような連結構造は、圧縮機構側シャフト７５ｓの給油路２９にオイルをスムーズに送り込むという観点からいえば、連結器６３を用いる本実施形態よりも劣る可能性があるが、連結器６３を省略する分だけ部品点数の低減を図ることが可能である。なお、図７の例では、圧縮機構側シャフト７５ｓが雄、膨張機構側シャフト７５ｔが雌であるが、この逆であっても構わない。

さらに、図８に示すごとく、単一のシャフト８５で圧縮機構２と膨張機構３とを連結する場合にも、連結器６３が不要である。シャフト８５の内部に形成された給油路２９への入口は、ポンプハウジング６２のオイルチャンバ６２ｈにおいて、シャフト８５の外周面に開口している。したがって、ポンプ本体６１から吐出されたオイル２６は、給油路２９にスムーズに送り込まれる。図８に示す膨張機一体型圧縮機１０１は、圧縮機構２の中心と膨張機構３の中心とを厳密に一致させる調整を必要とするが、図１に示す膨張機一体型圧縮機１００よりも部品点数が少なく済む。

ところで、図１等に示す本実施形態の一つの大きな特徴として、圧縮機構側シャフト５ｓと膨張機構側シャフト５ｔの連結部分が、オイルポンプ６から吐出されたオイル２６を給油路２９に送り込むための入口に兼用されている点を挙げることができる。

複数部品からなるシャフト５ｓ，５ｔを１本に連結して使用する場合、圧縮機構２と膨張機構３の中心合わせに余裕が生まれるので好ましいということは先に説明したが、単純にそうしただけでは新たな弊害が生ずる。その最も顕著な弊害は、連結部分からのオイル漏れである。図１７で説明したように、従来の膨張機一体型圧縮機では、シャフトの下端部からオイルを汲み上げる構造になっている。したがって、必然的に給油路の経路上に連結部分が位置することになり、その連結部分からオイル漏れが起こる可能性がある。このオイル漏れは、効率的な給油を妨げる。これに対し、本実施形態のように、圧縮機構側シャフト５ｓと膨張機構側シャフト５ｔとの連結部分を給油路２９への入口として利用すれば、連結部分でのオイル漏れという問題が本質的に存在しないことになるので好ましい。

また、図７の変形例に示すように、給油路２９の入口２９ｐが連結部分よりも上に位置し、その入口２９ｐがオイルチャンバ６２ｈに露出するような設計を採用すれば、連結部分でのオイル漏れの問題は同様に存在しないことになる。さらに、雌雄結合による連結部分をオイルチャンバ６２ｈに露出させることにより、その連結部分をオイル２６で十分に潤滑できるようになるため、シャフト７５ｓ，７５ｔの角が摩耗することを防止できる。これにより、遊びが過大となって振動が大きくなることを防止できる。

（第２実施形態）
第２実施形態の膨張機一体型圧縮機の縦断面図を図９に、半断面斜視図を図１０に示す。本実施形態の膨張機一体型圧縮機１０２は、リザーブタンク６７をさらに備えるという点で、第１実施形態の膨張機一体型圧縮機１００と相違する。その他の部分は、共通である。

リザーブタンク６７は、オイルポンプ６を周方向に取り囲む環状の形態を有し、隔壁３２に隣接して下側空間２４ｂに配置されており、隔壁３２の第２貫通孔３２ｈを流通して上側空間２４ａから下側空間２４ｂに移動したオイル２６を受け止めて蓄積する。リザーブタンク６７とオイルポンプ６との間には、リザーブタンク６７に蓄積されたオイル２６が流れ込む隙間６７ｈが形成されている。オイル吸入路６２ｑがその隙間６７ｈに開口しているので、オイルポンプ６は、その隙間６７ｈに流れ込むオイル２６を吸入することができる。リザーブタンク６７は隔壁３２に隣接しているが、その上面が隔壁３２によって完全に閉じられているわけではなく、わずかな隙間が確保されている。さらに、リザーブタンク６７と密閉容器１との間にも隙間が確保されている。リザーブタンク６７から溢れたオイル２６は、それらの隙間を通じて、オイル溜り２５に戻ることができる。

また、図１０および図１１に示すように、リザーブタンク６７の内周側の壁には、孔６７ｐ（または切り欠き）が形成されており、リザーブタンク６７に受け止められたオイル２６は、その孔６７ｐ（または切り欠き）を通じて隙間６７ｈに流れ込む。孔６７ｐや切り欠きを形成する代わりに、内周側の壁の高さを低くし、その内周側の壁をオーバーフローしたオイル２６が隙間６７ｈに流れ込むようにしてもよい。

このようなリザーブタンク６７は、オイル２６の循環経路を制限することにより、断熱効果を発揮する。すなわち、圧縮機構２を潤滑し終えたオイル２６は、まず、隔壁３２の上に貯まり、その後、第２貫通孔３２ｈを流通して上側空間２４ａから下側空間２４ｂに移動する。ところが、移動先の下側空間２４ｂにもリザーブタンク６７が待ち受けているので、上側空間２４ａから下側空間２４ｂに移動したオイル２６の全量のうち、膨張機構３の周囲に滞留しているオイル２６と混ざる画分は少量であり、大部分は、速やかにオイルポンプ６に吸入される。この結果、オイルポンプ６に吸入されるオイル２６は比較的高温でありながらも、膨張機構３の周囲に滞留するオイル２６は比較的低温という、冷凍サイクルにとって好都合な状況が作り出される。

また、図１１の分解斜視図から分かるように、リザーブタンク６７は、オイル吸入路６２ｑが開口している位置に向かって深さが連続的または段階的に大きくなるように、シャフト５の軸方向に関する寸法調整（深さ調整）が行われている。このようにすれば、万が一、隔壁３２の下まで油面２６ｐが低下するような状況が発生しても、第２貫通孔３２ｈを通じて下側空間２４ｂに落ちてくるオイル２６の全量がいったんリザーブタンク６７に蓄積されるので、リザーブタンク６７の深い位置には、しばらくの間、十分な量のオイル２６が蓄積され続けることになる。そして、オイル２６が十分に蓄積されているそのような位置にオイル吸入路６２ｑが開口している限り、少しばかり油面２６ｐが低下したとしても、オイルポンプ６はオイル２６の吸入を継続できる。この結果、当面の間、圧縮機構２に潤滑不良は起こらない。このように、リザーブタンク６７は、油面２６ｐが低下した場合の安全網としての機能も有する。想定される油面２６ｐの低下は一時的な期間に限られるので、そうした期間のみ乗り切ることができれば、安全網としての機能は十分である。

なお、リザーブタンク６７を構成する材料は特に限定されず、隔壁３２と同様、金属、樹脂またはセラミック、もしくはそれらの組み合わせを例示できる。

（第３実施形態）
図１２に示す膨張機一体型圧縮機１０４は、緩衝部材６８をさらに備えるという点で、第２実施形態の膨張機一体型圧縮機１０２（図９参照）と相違する。その他の部分は、共通である。

図１２に示すごとく、緩衝部材６８は、電動機４と隔壁３２との間に配置され、電動機４の回転駆動に伴う油面２６ｐの波立ちを緩衝し、オイル２６の流動を抑制する。そのため、電動機４が巻き起こす旋回流によって、下側空間２４ｂを充たすオイル２６が撹拌されにくくなり、オイル２６に軸方向の温度勾配が生じやすくなる。この結果、オイルポンプ６に吸入されるオイル２６は比較的高温でありながら、膨張機構３の周囲に滞留するオイル２６は比較的低温という、冷凍サイクルにとって好都合な状況が作り出される。

緩衝部材６８は、油面２６ｐの波立ちを緩衝できればよいので、金属メッシュのような部材や、隔壁３２の上面３２ｐに配置された一または複数の邪魔板のような部材とすることができる。図１３に示すごとく、本実施形態では、隔壁３２と同様、貫通孔６８ｈが形成された金属製の円板を使用している。

緩衝部材６８の貫通孔６８ｈと、隔壁３２の貫通孔３２ｈとは、シャフト５の軸方向に直交する面内で重なり合わない位置関係となっており、緩衝部材６８の貫通孔６８ｈに流れ込んだオイル２６は、まっすぐ下側空間２４ｂに向かうことができないようになっている。オイル２６は、隔壁３２によっていったん堰き止められ、隔壁３２の上面３２ｐ上を流れた後、下側空間２４ｂに移動する。

オイル２６の流れを具体的に詳しく説明する。上側空間２４ａにあるオイル２６は、貫通孔６８ｈを通じて、まず、緩衝部材６８と仕切り板３２との間に案内される。緩衝部材６８の下面側には、貫通孔６８ｈからシャフト５に向かって延びる浅い誘導溝６８ｋが形成されている。この誘導溝６８ｋは、隔壁３２の第１貫通孔３２ｇに通じている。オイル２６は、隔壁３２の上面３２ｐと上記誘導溝６８ｋとによって形成される流路を流通し、隔壁３２の第１貫通孔３２ｇに到達する。

一方、第１貫通孔３２ｇにはポンプハウジング６２の一部が露出している。図１４の半断面斜視図に示すごとく、第１貫通孔３２ｇに露出している部分には、シャフト５の半径方向に関する外向きに延びる溝６２ｋが形成されている。その溝６２ｋは、オイルポンプ６の周囲に配置されているリザーブタンク６７に連通している。したがって、隔壁３２の第１貫通孔３２ｇに到達したオイル２６は、その第１貫通孔３２ｇ内に流れ込んだのち、ポンプハウジング６２に形成されている溝６２ｋを経由して下側空間２４ｂに配置されたリザーブタンク６７に流れ込む。この場合、第１貫通孔３２ｇとポンプハウジング６２の溝６２ｋとにより、上側空間２４ａと下側空間２４ｂとを連通する連通路が形成されていることになる。オイル２６をシャフト５の径方向および／または周方向に沿って流通させてから、下側空間２４ｂに移動させることにより、電動機４の回転駆動に伴う油面２６ｐの波立ちが緩衝される。オイル２６のこのような流通経路は、電動機４による撹拌作用が下側空間２４ｂのオイル２６に伝搬することをより強く抑制する。

また、図１３に示すごとく、緩衝部材６８は、貫通孔６８ｈの開口周りに設けられたカラー６８１を含む。カラー６８１は、電動機４の影響により緩衝部材６８の上面に沿ってオイル２６が滑らかに回流する（図１３の例では時計回り）ことを邪魔し、貫通孔６８ｈに流入するオイル２６の流速を落とす。

なお、緩衝部材６８に形成されている浅い誘導溝６８ｋは、隔壁３２側に形成されていてもよい。また、緩衝部材６８は、隔壁３２に接触している必要はない。例えば、隔壁３２との間にオイル２６の層が形成されるように、隔壁３２と平行に緩衝部材６８を配置してもよい。

さらに、緩衝部材６８と隔壁３２とを１つの構造体で構成することも可能である。つまり、緩衝部材６８の役割を隔壁３２に兼任させることが可能である。そのような隔壁は、上側空間２４ａにあるオイル２６を内部に形成された連通路に招き入れ、シャフト５の径方向および／または周方向に沿って流通させた後に下側空間２４ｂに移動させることにより、電動機４の回転駆動に伴う油面２６ｐの波立ちを緩衝する緩衝構造を含むものとして構成することができる。

（第４実施形態）
第１〜第３実施形態の膨張機一体型圧縮機は、下側空間２４ｂにオイル吸入路６２ｑが開口しているが、このことは必須ではない。つまり、図１５に示すように、隔壁３２の上面３２ｐより上に貯まっているオイル２６を、直接ポンプ本体６１に吸入させるようにしてもよい。

隔壁３２は、第１実施形態で既に説明したものであり、シャフト５を貫通させるための第１貫通孔３２ｇが中央部に形成され、上側空間２４ａと下側空間２４ｂとの間のオイル２６の流通を許容する第２貫通孔３２ｈが周縁部に形成されている。ただし、その第２貫通孔３２ｈには、隔壁３２の上面３２ｐを底面として所定量のオイル２６を貯留することが可能となるように、オーバーフロー管９０が取り付けられている。隔壁３２の上に貯まったオイル２６は、オーバーフロー管９０に流れ込むことによってのみ下側空間２４ｂに移動できるようになっている。また、隔壁３２の上面３２ｐと、オーバーフロー管９０の上端との間には、油面２６ｐの波立ちを緩衝する緩衝部材９１が配置されている。この緩衝部材９１と隔壁３２との間には、流動が抑制されたオイル２６の層が形成される。緩衝部材９１は、オイル２６の流通を許容する貫通孔が形成された板材やメッシュ材である。

一方、オイルポンプ６０のポンプハウジング６２には、一端がポンプ本体６１の吸入口６１ａ（図１５参照）をなし、他端が上側空間２４ａに開口するオイル吸入路６２０ｑが形成されている。オイル吸入路６２０ｑは、隔壁３２の第１貫通孔３２ｇ内に開口しているので、ポンプ本体６１は、隔壁３２の上に貯まったオイル２６に限り吸入可能である。なお、隔壁３２に別途貫通孔を形成し、その貫通孔とオイル吸入路６２０ｑとが連通することにより、ポンプ本体６１が上側空間２４ａのオイル２６を吸入できるようにしてもよい。

このようにオーバーフロー管９０の働きにより、隔壁３２の上にオイル２６を貯留することが可能となっており、これら隔壁３２とオーバーフロー管９０との組み合わせは、第２実施形態で説明したリザーブタンクのような役割を果たす。ヒートポンプ装置の通常の運転において、油面２６ｐはオーバーフロー管９０の上端よりもやや上に位置する。油面２６ｐが一時的に低下したとしても、隔壁３２の上には十分な量のオイル２６が貯留されているので、当面の間、オイルポンプ６０はオイル２６を吸入し続けることができる。

以上、本発明の膨張機一体型圧縮機は、例えば、空気調和機、給湯機、各種乾燥機または冷凍冷蔵庫のヒートポンプ装置に好適に採用できる。図１６に示すように、ヒートポンプ装置１１０は、本発明の膨張機一体型圧縮機１００（，１０１，１０２，１０４，１０６）と、圧縮機構２で圧縮された冷媒を放熱させる放熱器１１２と、膨張機構３で膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器１１４とを備えている。圧縮機構２、放熱器１１２、膨張機構３および蒸発器１１４が配管によって接続され、冷媒回路が形成されている。

本発明の第１実施形態に係る膨張機一体型圧縮機の縦断面図 図１の膨張機一体型圧縮機の部分拡大断面図 図１の膨張機一体型圧縮機の半断面斜視図 ポンプ本体の平面図 オイルポンプおよびその周囲の拡大断面図 シャフトの外周面に形成された溝を示す模式図 膨張機一体型圧縮機の変形例の部分拡大断面図 圧縮機構側シャフトと膨張機構側シャフトとの他の連結構造を示す模式図 膨張機一体型圧縮機の他の変形例の縦断面図 第２実施形態の膨張機一体型圧縮機の縦断面図 図９の膨張機一体型圧縮機の半断面斜視図 図１０から隔壁を取り外した分解斜視図 第３実施形態の膨張機一体型圧縮機の縦断面図 図１２の膨張機一体型圧縮機の半断面斜視図 図１３から隔壁および緩衝部材を取り外した分解斜視図 第４実施形態の膨張機一体型圧縮機の部分拡大断面図 本発明に係る膨張機一体型圧縮機を用いたヒートポンプ装置のブロック図 従来の膨張機一体型圧縮機の縦断面図

符号の説明

１ 密閉容器
２ 圧縮機構
３ 膨張機構
４ 電動機
５，７５，８５ シャフト
５ｓ，７５ｓ 圧縮機構側シャフト
５ｔ，７５ｔ 膨張機構側シャフト
６，６０ オイルポンプ
２４ 密閉容器の内部空間
２４ａ 上側空間
２４ｂ 下側空間
２５ オイル溜り
２６ オイル
２６ｐ 油面
２９ 給油路
３２ 隔壁
３２ｈ 第２貫通孔
６１ ポンプ本体
６２，６２０ ポンプハウジング
６２ｈ オイルチャンバ
６２ｑ，６２０ｑ オイル吸入路
６１１ インナーロータ
６１２ アウターロータ
６１ｈ 作動室
６３ 連結器
６３ｈ オイル送出路
６４ 内壁部
６５ 隙間
６７ リザーブタンク
６８，９１ 緩衝部材
７０ 第２のオイルポンプ
１００，１０１，１０２，１０４，１０６ 膨張機一体型圧縮機

Claims (1)

1. 底部がオイル溜りとして利用される密閉容器と、
   前記オイル溜りに貯留されたオイルの油面よりも上または下に位置するように前記密閉容器内に配置された圧縮機構と、
   前記油面に対する位置関係が前記圧縮機構とは上下逆になるように前記密閉容器内に配置された膨張機構と、
   前記圧縮機構と前記膨張機構とを連結するシャフトと、
   前記圧縮機構と前記膨張機構との間に配置され、前記圧縮機構または前記膨張機構の周囲を満たすオイルを前記油面よりも上に位置する前記圧縮機構または前記膨張機構に供給するオイルポンプと、
   を備え、
   前記シャフトは、前記圧縮機構に接続する圧縮機構側シャフトと、前記膨張機構に接続する膨張機構側シャフトとを含み、それら圧縮機構側シャフトと膨張機構側シャフトとが雌雄結合によって連結されており、
   前記シャフトの内部には、前記圧縮機構および前記膨張機構のうち、前記油面よりも上に位置する一方の摺動部分に通ずる給油路が軸方向に延びるように形成されており、
   前記給油路に前記オイルポンプから吐出されたオイルを送り込むための入口が、前記圧縮機構側シャフトまたは前記膨張機構側シャフトの外周面に設けられている、膨張機一体型圧縮機。

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