JP4606840B2 - 複合流体機械およびそれを用いた冷凍装置 - Google Patents

Description

本発明は、流体を圧縮して吐出する圧縮機に、ランキンサイクル中の作動流体の膨張によって機械的エネルギーを出力する膨張機の機能を併せ持つ複合流体機械およびそれを用いた冷凍装置に関するものである。

従来、例えば特許文献１に示されるように、圧縮機、膨張機、駆動モータ、循環ポンプが一体的に設けられた複合流体機械（特許文献１中ではローリングピストン式回転機械）が知られている。上記の各機器は、直列に配置され、同一軸で接続（圧縮機と膨張機との間は例えばマグネットカップリングのような接続手段を介して接続、あるいは直接的に接続）されている。そして、圧縮機は、例えば冷凍サイクル内の冷媒の圧縮用に用いられ、また、膨張機はランキンサイクル内の作動流体によって駆動されるようになっている。

上記の複合流体機械の具体的な作動については、膨張機は初期の一定時間（膨張機が安定状態に入るまでの時間）だけ駆動モータによって駆動され、更に、ランキンサイクル内の作動流体（バーナを加熱源として加熱される高温、高圧ガス）の膨張によって駆動され、自身の軸に駆動力を発生させる。この駆動力はマグネットカップリングを介して（あるいは直接的に）圧縮機に伝達され、圧縮機が作動される。そして、圧縮機は冷凍サイクル内の冷媒を圧縮する。尚、循環ポンプは、膨張機から発生される駆動力によって駆動され、専用のモータ等を不要としてランキンサイクル内の作動流体を循環させる。
特開平８−８６２８９号公報

しかしながら、上記複合流体機械においてはっては、ランキンサイクル内にバーナのような加熱源を必要とするものであって、膨張機はバーナの熱エネルギー（専用の燃料を燃焼させること）によって駆動されている。本発明者らは、近年問題とされている地球温暖化に対して、いかにエネルギー消費を減らすかということを念頭に置いて、例えば車両用内燃機関のような発熱機器の廃熱を有効に活用できる複合流体機械を検討している。

そこで、上記特許文献１に示される複合流体機械を用いて、廃熱から膨張機を作動させようとした場合、発熱機器の状況に応じて廃熱が少ない時は、膨張機での駆動力が得られなくなるので、駆動モータで圧縮機を駆動させることが考えられる。しかし、この時、同一軸に接続される循環ポンプも友連れして回転することになるので、駆動モータにとっては作動抵抗となり、効率的な圧縮機の作動ができない。

また、発熱機器の廃熱が充分あっても、圧縮機の作動が不要の時（冷凍サイクルの作動が不要の時）は、膨張機を停止させる必要があり、せっかくの廃熱を有効に活用することができない。

本発明の目的は、上記問題に鑑み、冷凍サイクル用の圧縮機と、内燃機関のような発熱機器の廃熱によって駆動される膨張機とを有するものにおいて、膨張機によるポンプの作動を可能としつつ、圧縮機単独で作動させる場合のポンプの影響を無くし、また、圧縮機の作動不要時にも廃熱の有効活用を可能とする複合流体機械およびそれを用いた冷凍装置を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために、以下の技術的手段を採用する。

請求項１に記載の発明では、複合流体機械において、流体を圧縮して吐出する圧縮機（１１０）と、ポンプ（１３０）によって循環される作動流体の膨張によって駆動力を発生する膨張機（１１０）と、発電機および電動機の両機能を併せ持つ回転電機（１２０）とを有し、圧縮機（１１０）、膨張機（１１０）、回転電機（１２０）、ポンプ（１３０）が直列に接続されており、圧縮機（１１０）が回転電機（１２０）によって駆動される時に、回転電機（１２０）とポンプ（１３０）との接続状態を切断状態に切替え可能とする断続切替え手段（１４０）が設けられ、
ポンプ（１３０）は、圧縮機（１１０）、膨張機（１１０）、回転電機（１２０）、ポンプ（１３０）が直列に接続される一端側に配置されており、
断続切替え手段（１４０）は、ポンプ（１３０）と、ポンプ（１３０）に隣接する隣接機器（１２０）との間に設けられ、
膨張機（１１０）は、圧縮機（１１０）に対して逆方向に回転作動するものであって、
断続切替え手段（１４０）は、ポンプ（１３０）のポンプ軸（１３４）と、隣接機器（１２０）の軸（１２４）との間で、圧縮機（１１０）の回転作動方向に噛み合いが外れ、膨張機（１１０）の回転作動方向に噛み合う一方向クラッチ（１４０）としており、
ポンプ（１３０）および隣接機器（１２０）間の流体、あるいは作動流体の漏れを防止する軸封装置（１５０）を有し、
軸封装置（１５０）は、ポンプ軸（１３４）に設けられたことを特徴としている。

これにより、膨張機（１１０）作動時の駆動力によって、ポンプ（１３０）の駆動が可能であり、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。そして、流体の膨張エネルギーの有無に関わらず、回転電機（１２０）によって圧縮機（１１０）を作動させることができる。この時、断続切替え手段（１４０）によって、ポンプ（１３０）は回転電機（１２０）から切断されるので、ポンプ（１３０）が回転電機（１２０）の作動抵抗となるのを防止できる。更に、作動流体の膨張が充分に得られるものの、圧縮機（１１０）の作動が不要な時は、膨張機（１１０）の駆動力で回転電気（１２０）を発電機として作動させて、発電することが可能となり、膨張エネルギーを電気エネルギーとして回生することができる。
また、ポンプ（１３０）は、圧縮機（１１０）、膨張機（１１０）、電動機（１２０）、ポンプ（１３０）が直列に接続される一端側に配置されており、断続切替え手段（１４０）は、ポンプ（１３０）と、ポンプ（１３０）に隣接する隣接機器（１２０）との間に設けられるようにしているので、ポンプ（１３０）を除く各機器（１１０、１１０、１２０）の配置がどのような並びであっても、複雑な軸構造を設けること無く、容易に断続切替え手段（１４０）を設けることができる。
また、ポンプ（１３０）および隣接機器（１２０）間の流体、あるいは作動流体の漏れを防止する軸封装置（１５０）を有し、軸封装置（１５０）は、ポンプ軸（１３４）に設けられるようにしているので、一方向クラッチ（１４０）によってポンプ（１３０）が切断された時に、軸封装置（１５０）が回転電機（１２０）の作動抵抗になるのを防止できる。
請求項２に記載の発明では、複合流体機械において、流体を圧縮して吐出する圧縮機（１１０）と、ポンプ（１３０）によって循環される作動流体の膨張によって駆動力を発生する膨張機（１１０）と、発電機および電動機の両機能を併せ持つ回転電機（１２０）とを有し、圧縮機（１１０）、膨張機（１１０）、回転電機（１２０）、ポンプ（１３０）が直列に接続されており、圧縮機（１１０）が回転電機（１２０）によって駆動される時に、回転電機（１２０）とポンプ（１３０）との接続状態を切断状態に切替え可能とする断続切替え手段（１４０）が設けられ、
ポンプ（１３０）は、圧縮機（１１０）、膨張機（１１０）、回転電機（１２０）、ポンプ（１３０）が直列に接続される一端側に配置されており、
断続切替え手段（１４０）は、ポンプ（１３０）と、ポンプ（１３０）に隣接する隣接機器（１２０）との間に設けられ、
断続切替え手段（１４０）は、ポンプ（１３０）のポンプ軸（１３４）と、隣接機器（１２０）の軸（１２４）との間で、電気信号により断続される電磁クラッチとしており、
ポンプ（１３０）および隣接機器（１２０）間の流体、あるいは作動流体の漏れを防止する軸封装置（１５０）を有し、
軸封装置（１５０）は、ポンプ軸（１３４）に設けられたことを特徴としている。
これにより、請求項１と同様の効果を得ることができる。加えて、請求項２においては、膨張機（１１０）の作動によってポンプ（１３０）が駆動される時にも、電磁クラッチの断続により、ポンプ（１３０）のＯＮ−ＯＦＦが可能となり、作動流体の流量制御が可能となる。

ここで、上記請求項１または請求項２に記載の複合流体機械（１００）を用いて、回転電機（１２０）で圧縮機（１１０）を駆動させた場合、同一軸に接続される膨張機（１１０）も友連れして回転することになるので、回転電機（１２０）にとっては膨張機（１１０）が作動抵抗となり、効率的な圧縮機（１１０）の作動ができない。

そこで、請求項３に記載の発明では、圧縮機（１１０）は、その作動室（Ｖ）と高圧室（１１４）との間の流路を切替える切替え手段（１１６、１１７ｄ）によって、高圧室（１１４）から作動流体が流入する時には、膨張機（１１０）として機能する膨張機兼圧縮機（１１０）としたことを特徴としている。

これにより、回転電機（１２０）によって膨張機兼圧縮機（１１０）を圧縮機（１１０）として作動させる時においては、膨張機（１１０）は存在しない形とすることができるので、上記のように膨張機（１１０）が回転電機（１２０）の作動抵抗となることが無い。

尚、請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の発明において、請求項４に記載の発明のように軸封装置（１５０）が設けられる部位のポンプ軸（１３４）の外径は、一般部位よりも小さく設定されるのが良い。

ポンプ（１３０）作動時における軸封装置（１５０）による損失は、軸封装置（１５０）のポンプ軸（１３４）への締付け力と、軸封装置（１５０）に接触するポンプ軸（１３４）外径部の回転速度とに比例する。よって、軸封装置（１５０）が設けられる部位のポンプ軸（１３４）の外径を小さくすることで、その回転速度を小さくして損失を低減できる。

上記請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の複合流体機械（１００）は、請求項５に記載の発明のように、冷凍サイクル（３０）内の凝縮器（３１）を兼用して形成されると共に、発熱機器（１０）の廃熱を加熱源とするランキンサイクル（４０）を備える冷凍装置に適用して好適である。この時、圧縮機（１１０）を冷凍サイクル（３０）に使用し、ポンプ（１３０）および膨張機（１１０）をランキンサイクル（４０）に使用する。

そして、請求項６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。

因みに、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

（第１実施形態）
本実施形態は、本発明の複合流体機械（熱媒ポンプ一体型膨張発電機兼電動圧縮機）１００を、ランキンサイクル４０を備える冷凍サイクル３０に適用した車両用の冷凍装置１としている。

まず、複合流体機械１００の構成について図１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（本発明における回転電機および熱媒ポンプ１３０に対する隣接機器に対応）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。

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、フロントハウジング１１１とモータハウジング１２１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。

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。

シャフト１１８は、モータハウジング１２１に固定された軸受け１１８ｃ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、ブッシング１１８ｂ、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。

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。

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１１１に設けられた高圧室１１４とを連通させて圧縮された冷媒（本発明における流体に対応）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（本発明における作動流体に対応）を作動室Ｖに導くポートである。

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１１１ａが設けられている。

尚、後述する蒸発器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１２１ａは、モータハウジング１２１に設けられて、モータハウジング１２１内を経由して、固定スクロール１１２側に連通している。

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。

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１１１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１１１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。

電磁弁１１７ｈは、低圧ポート１２１ａ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。

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１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。

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１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。尚、流入ポート１１６と弁体１１７ｄは、本発明における作動室Ｖと高圧室１１４との間の流路を切替える切替え手段に対応する。

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、固定スクロール１１２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、他端側には穴部１２４ａが設けられており、この他端側は後述する熱媒ポンプ１３０のポンプ軸１３４に接続されている。

そして、モータジェネレータ１２０は、後述するバッテリ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。

熱媒ポンプ１３０は、モータジェネレータ１２０の反膨張機側に隣接して配設されて、モータハウジング１２１に固定されるポンプハウジング１３１内に収容されている。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１３２は、ポンプハウジング１３１に固定され、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。

ポンプハウジング１３１には、後述する気液分離器３２側から接続されて、ポンプハウジング１３１の内部および旋回スクロール１３３側に連通する流入ポート１３１ａが設けられている。また、固定スクロール１３２には、両スクロール１３２、１３３によって形成される作動室Ｐから後述する加熱器４３側に接続される吐出ポート１３２ｃが設けられている。

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、一般部（軸受け１３４ｃによって支持されている部位）に対して外径が小さく設定された小径部１３４ｄとして形成されており、小径部１３４ｄはモータ軸１２４の穴部１２４ａに挿入されている。

そして、モータ軸１２４とポンプ軸１３４（小径部１３４ｄ）との間には、一方向クラッチ（本発明における断続切替え手段に対応）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が逆方向回転（膨張モード時の回転）した時に、ポンプ軸１３４（小径部１３４ｄ）に噛み合うことで、ポンプ軸１３４を回転させ、また、モータ軸１２４が正方向回転（圧縮モード時の回転）した時に、ポンプ軸１３４（小径部１３４ｄ）との噛み合いが外れて、モータ軸１２４とポンプ軸１３４とが切断される（ポンプ軸１３４が回転されない）ものとしている。

更に、ポンプハウジング１３１とポンプ軸１３４の小径部１３４ｄとの間には、モータジェネレータ１２０と熱媒ポンプ１３０（流入ポート１３１ａから旋回スクロール１３３に繋がる低圧側）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。

上記のように構成される複合流体機械１００は、ランキンサイクル４０を備える冷凍サイクル３０に組み込まれ、冷凍装置１を形成している。具体的には、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。以下、冷凍装置１について図２を用いて説明する。

冷凍サイクル２０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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

因みに、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。

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）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。

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。

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。

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。

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。

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。

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１２１ａから冷媒を吸引して作動室Ｖにて圧縮した後、吐出ポート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。

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１２１ａ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（小径部１３４ｄ）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は停止状態となる。

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。

具体的には、図示しない制御装置は、開閉弁３４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。

この時、熱媒ポンプ１３０のポンプ軸１３４（小径部１３４ｄ）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１１１ａ、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。

そして、膨脹を終えて圧力が低下した冷媒は、低圧ポート１２１ａから流出される。低圧ポート１２１ａ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→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。

以上のように、本発明の複合流体機械１００においては、冷媒の膨張エネルギーの有無に関わらず、モータジェネレータ１２０による膨張機兼圧縮機１１０の圧縮モードが可能となる。この時、一方向クラッチ１４０によって、熱媒ポンプ１３０はモータジェネレータ１２０から切断されるので、熱媒ポンプ１３０がモータジェネレータ１２０の作動抵抗となるのを防止できる。

尚、圧縮機（１１０）と膨張機（１１０）とを兼用した膨張機兼圧縮機１１０としていることから、上記モータジェネレータ１２０による膨張機兼圧縮機１１０の圧縮モード時においては、膨張機（１１０）は存在しない形とすることができるので、膨張機（１１０）がモータジェネレータ１２０の作動抵抗となることが無い。

また、冷媒の膨張が充分に得られるものの、圧縮機（１１０）の作動が不要な時は、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の駆動が可能であり、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と共に、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、膨張エネルギーを電気エネルギーとして回生することができる。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。

また、熱媒ポンプ１３０を複合流体機械１００の一端側に配置し、隣接する機器（モータジェネレータ１２０）と熱媒ポンプ１３０との間に一方向クラッチ１４０を設けるようにしているので、熱媒ポンプ１３０を除く各機器１１０、１２０の配置がどのような並びであっても、複雑な軸構造を設けること無く、容易に一方向クラッチ１４０を設けることができる。

また、モータジェネレータ１２０と熱媒ポンプ１３０との間の冷媒漏れを防止する軸シール１５０をポンプ軸１３４に設けるようにしているので、一方向クラッチ１４０によって熱媒ポンプ１３０が切断された時に、軸シール１５０がモータジェネレータ１２０の作動抵抗になるのを防止できる。

尚、熱媒ポンプ１３０作動時における軸シール１５０による損失は、軸シール１５０のポンプ軸１３４への締付け力と、軸シール１５０に接触するポンプ軸１３４外径部の回転速度とに比例することから、軸シール１５０をポンプ軸１３４の小径部１３４ｄに設けることで、回転速度を小さくして損失を低減できる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態を図３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が搭載される車両が、走行条件に応じて（アイドリング時、低速走行時等）エンジン１０が停止される車両（アイドルストップ車両、ハイブリッド車両等）としており、冷凍サイクル３０に専用の主圧縮機３５を設けると共に、各接続流路５１、５２、各開閉弁５１ａ、５２ａ、５３ａを設けるようにしたものである。

冷凍サイクル３０には、膨張機兼圧縮機１１０とは独立した主圧縮機３５を配設している。即ち、本実施形態の冷凍サイクル３０は、主圧縮機３５、凝縮器３１、気液分離器３２、減圧器３３、蒸発器３４が環状に接続されたものをベースとしている。

主圧縮機３５は、断続手段としての電磁クラッチが設けられたプーリ３５ａを有しており、このプーリ３５ａは、駆動ベルト１４を介して、エンジン１０に接続されている。主圧縮機３５は、プーリ３５ａの電磁クラッチが接続されると、エンジン１０の駆動力によって駆動され、また、電磁クラッチが切断されると停止されるようになっている。尚、電磁クラッチの断続は、図示しない制御装置によって制御されるようになっている。

ランキンサイクル４０は、上記第１実施形態と同様に、複合流体機械１００が用いられて、熱媒ポンプ１３０、加熱器４３、膨張機兼圧縮機１１０、凝縮器３１、気液分離器３２が環状に接続されて形成されている。

そして、主圧縮機３５の冷媒吸入側（Ｄ点）と、膨張機兼圧縮機１１０の低圧側（Ｅ点）とを接続する第１接続流路５１を設け、また、膨張機兼圧縮機１１０の高圧側（Ｆ点）と、主圧縮機３５の冷媒吐出側（Ｇ点）とを接続する第２接続流路５２を設けている。

第１接続流路５１中には第１開閉弁５１ａを、第２接続流路５２中には第２開閉弁５２ａを、更に、Ｅ点と凝縮器３１との間には第３開閉弁５３ａを設けている。各開閉弁５１ａ、５２ａ、５３ａは、第１接続流路５１、第２接続流路５２、Ｅ点と凝縮器３１との間、をそれぞれ開閉する電磁式の弁であり、図示しない制御装置によって制御されるようになっている。

次に、上記構成に基づく作動について図４〜図８を用いて説明する。

１．メインＡ／Ｃ単独モード（図４）
このモードは、エンジン１０が例えば暖機中でエンジン１０からの廃熱が充分に得られない場合、あるいは、バッテリ１３の充電量が充分にあり充電が不要の場合で、冷房が必要な時に、主圧縮機３５を作動させる運転モードである。

具体的には、図示しない制御装置は、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、各開閉弁５１ａ、５２ａ、５３ａをすべて閉じて、主圧縮機３５のプーリ３５ａの電磁クラッチを接続状態にする。

この時、主圧縮機３５は、エンジン１０によって駆動され、冷媒を圧縮吐出し、吐出された冷媒は冷凍サイクル３０内を循環し（図４中の実線矢印）、蒸発器３４の吸熱による冷房が行われる。尚、このモードにおいては、複合流体機械１００は停止状態となっている。

２．ランキン単独モード（図５）
このモードは、エンジン１０による車両の走行が行われており、エンジン１０からの廃熱が充分に得られ、また、バッテリ１３への充電が必要な場合で、冷房が不要の時に、膨張機兼圧縮機１１０の膨張モードを実行させる運転モード（上記第１実施形態の膨張モードに対応するモード）である。

具体的には、図示しない制御装置は、三方弁２１の切替えによって、エンジン冷却水が加熱器４３側を循環するようにする。また、第１開閉弁５１ａ、第２開閉弁５２ａを閉じ、第３開閉弁５３ａを開く。主圧縮機３５のプーリ３５ａの電磁クラッチは、切断状態とし、更に、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）、膨張機兼圧縮機１１０の電磁弁１１７ｈ（図１）を開く。

この時、熱媒ポンプ１３０が駆動され加熱器４３からの過熱蒸気冷媒の膨脹により膨張機兼圧縮機１１０に駆動力が発生され、この駆動力によってモータジェネレータ１２０が駆動される。膨張機兼圧縮機１１０に与えら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。そして、膨張機兼圧縮機１１０から流出される冷媒は、図５中の破線矢印のようにランキンサイクル４０を循環する。尚、このモードにおいては、主圧縮機３５は停止状態となっている。

３．メインＡ／Ｃ、ランキン同時運転モード（図６）
このモードは、エンジン１０による車両の走行が行われており、エンジン１０からの廃熱が充分に得られ、また、バッテリ１３への充電が必要な場合で、冷房が必要な時に、上記ランキン単独モードに加えて、主圧縮機３５も併せて作動させる運転モードである。

具体的には、図示しない制御装置は、三方弁２１の切替えによって、エンジン冷却水が加熱器４３側を循環するようにする。また、第１開閉弁５１ａ、第２開閉弁５２ａを閉じ、第３開閉弁５３ａを開く。更に、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）、膨張機兼圧縮機１１０の電磁弁１１７ｈ（図１）を開くと共に、主圧縮機３５のプーリ３５ａの電磁クラッチを接続状態とする。

この時、ランキンサイクル４０においては、上記のランキン単独モードと同一の作動を果たし、膨張機兼圧縮機１１０で得られた駆動力によって、モータジェネレータ１２０で発電が行われる（冷媒流れは図６中の破線矢印）。

また、冷凍サイクル３０においては、上記のメインＡ／Ｃ単独モードと同一の作動を果たし、主圧縮機３５がエンジン１０によって駆動され、蒸発器３４の吸熱による冷房が行われる（冷媒流れは図６中の実線矢印）。

４．Ａ／Ｃアシストモード（図７）
このモードは、例えば、夏場における炎天下放置後のクールダウン時のように、冷房能力が大きく必要とされる時に、冷房を第１優先として、主圧縮機３５に加えて、膨張機兼圧縮機１１０の圧縮モードを実行して作動させる運転モードである。

具体的には、図示しない制御装置は、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、第１開閉弁５１ａ、第２開閉弁５２ａを開き、第３開閉弁５３ａを閉じる。膨張機兼圧縮機１１０の電磁弁１１７ｈ（図１）を閉じ、モータジェネレータ１２０のステータ１２２に電力を供給して、モータとして作動させる（正方向回転）。更に、主圧縮機３５のプーリ３５ａの電磁クラッチを接続状態にする。

この時、主圧縮機３５は、エンジン１０によって駆動され、冷媒を圧縮吐出し、吐出された冷媒は冷凍サイクル３０内を循環する（図７中の実線矢印）。更に、膨張機兼圧縮機１１０はモータジェネレータ１２０によって圧縮モードとなり、冷凍サイクル３０を流通する冷媒の一部は、主圧縮機３５の吸入側（Ｄ点）から第１接続流路５１、第１開閉弁５１ａを流通して、膨張機兼圧縮機１１０に至り、圧縮吐出されて、第２接続流路５２、第２開閉弁５２ａを経て、凝縮器３１に至る（図７中の一点鎖線矢印）。即ち、冷凍サイクル３０において、並列配置される主圧縮機３５および膨張機兼圧縮機１１０によって、高流量の冷媒が圧縮吐出され、蒸発器３４、凝縮器３１を流通する冷媒流量が増加され、蒸発器３４における冷房能力が増大される。尚、熱媒ポンプ１３０は、一方向クラッチ１４０によってモータジェネレータ１２０から切り離されて、停止状態となる。

５．サブＡ／Ｃ単独モード（図８）
このモードは、走行中にエンジン１０が停止された場合でも、冷房が必要な時に、主圧縮機３５に代えて膨張機兼圧縮機１１０の圧縮モードを実行して、冷房を行う運転モード（上記第１実施形態の圧縮モードに対応するモード）である。

具体的には、図示しない制御装置は、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、第１開閉弁５１ａ、第２開閉弁５２ａを開き、第３開閉弁５３ａを閉じる。膨張機兼圧縮機１１０の電磁弁１１７ｈ（図１）を閉じ、モータジェネレータ１２０のステータ１２２に電力を供給して、モータとして作動させる（正方向回転）。

この時、主圧縮機３５はエンジン１０の停止と共に停止状態となり、膨張機兼圧縮機１１０はモータジェネレータ１２０によって圧縮モードとなる。そして、蒸発器３４から流出した冷媒は、第１接続流路５１→第１開閉弁５１ａ→膨張機兼圧縮機１１０→第２接続流路５２→第２開閉弁５２ａ→凝縮器３１→気液分離器３２→減圧器３３→蒸発器３４を循環し（図８中の実線矢印）、蒸発器３４の吸熱による冷房が行われる。ここでは、上記冷媒の循環するサイクルが冷凍サイクルとなる。尚、熱媒ポンプ１３０は、一方向クラッチ１４０によってモータジェネレータ１２０から切り離されて、停止状態となる。

このように、本実施形態においては、冷凍サイクル３０にエンジン１０によって駆動される主圧縮機３５を設け、また、冷凍サイクル３０およびランキンサイクル４０間に各接続流路５１、５２、各開閉弁５１ａ、５２ａ、５３ａを設けるようにしているので、エンジン１０の作動時において、エンジン１０の廃熱の状態、冷房要求、発電要求等に応じて、冷房、発電の両機能を独立して、あるいは、両機能を同時に発揮できる。

また、冷房能力の要求が高い時に、主圧縮機３５に加えて、膨張機兼圧縮機１１０の圧縮モードを実行して、並列配置となる２つの圧縮機を作動させることができ、冷房能力を向上できる。

更に、エンジン１０が停止した時においても、主圧縮機３５に代えて、膨張機兼圧縮機１１０の圧縮モードを実行することで、継続冷房が可能となる。

（第３実施形態）
上記第１、第２実施形態に対して、複合流体機械１００の断続切替え手段としては、一方向クラッチ１４０に代えて、図示しない制御装置からの電気信号によって断続される電磁クラッチとしても良い。

これにより、膨張機兼圧縮機１１０の膨張モード時に熱媒ポンプ１３０が駆動される時にも、電磁クラッチの断続により、熱媒ポンプ１３０のＯＮ−ＯＦＦが可能となり、ランキンサイクル４０内を循環する冷媒の流量制御が可能となる。

（その他の実施形態）
上記の実施形態においては、圧縮機（１１０）および膨張機（１１０）において両者兼用となる膨張機兼圧縮機１１０としたが、それぞれ独立した圧縮機（１１０）、膨張機（１１０）として設定しても良い。

また、スクロール型の膨張機兼圧縮機１１０を採用したが、本発明はこれに限定されるものではなく、ロータリ型、ピストン型、ベーン型等のその他の形式のものを適用することができる。

また、熱媒ポンプ１３０が直列接続される一端側に配置されれば、圧縮機（１１０）、膨張機（１１０）、モータジェネレータ１２０の配置は、他の並び方となっても良い。

また、上記の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。

本発明における複合流体機械を示す断面図である。 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。 本発明の第２実施形態における冷凍装置を示す模式図である。 図３においてメインＡ／Ｃ単独モードで作動する場合の冷媒流れ方向を示す模式図である。 図３においてランキン単独モードで作動する場合の冷媒流れ方向を示す模式図である。 図３においてメインＡ／Ｃ、ランキン同時運転モードで作動する場合の冷媒流れ方向を示す模式図である。 図３においてＡ／Ｃアシストモードで作動する場合の冷媒流れ方向を示す模式図である。 図３においてサブＡ／Ｃ単独モードで作動する場合の冷媒流れ方向を示す模式図である。

符号の説明

１ 冷凍装置
１０ エンジン（発熱機器、熱機関）
３０ 冷凍サイクル
３１ 凝縮器
４０ ランキンサイクル
１００ 熱媒ポンプ一体型膨張発電機兼電動圧縮機（複合流体機械）
１１０ 膨張機兼圧縮機
１１４ 高圧室
１１６ 流入ポート（切替え手段）
１０７ｄ 弁体（切替え手段）
１２０ モータジェネレータ（回転電機、隣接機器）
１３０ 熱媒ポンプ（ポンプ）
１３４ ポンプ軸
１４０ 一方向クラッチ（断続切替え手段）
１５０ 軸シール（軸封装置）
Ｖ 作動室

Claims (6)

1. 流体を圧縮して吐出する圧縮機（１１０）と、
   ポンプ（１３０）によって循環される作動流体の膨張によって駆動力を発生する膨張機（１１０）と、
   発電機および電動機の両機能を併せ持つ回転電機（１２０）とを有し、
   前記圧縮機（１１０）、前記膨張機（１１０）、前記回転電機（１２０）、前記ポンプ（１３０）が直列に接続されており、
   前記圧縮機（１１０）が前記回転電機（１２０）によって駆動される時に、前記回転電機（１２０）と前記ポンプ（１３０）との接続状態を切断状態に切替え可能とする断続切替え手段（１４０）が設けられ、
   前記ポンプ（１３０）は、前記圧縮機（１１０）、前記膨張機（１１０）、前記回転電機（１２０）、前記ポンプ（１３０）が直列に接続される一端側に配置されており、
   前記断続切替え手段（１４０）は、前記ポンプ（１３０）と、前記ポンプ（１３０）に隣接する隣接機器（１２０）との間に設けられ、
   前記膨張機（１１０）は、前記圧縮機（１１０）に対して逆方向に回転作動するものであって、
   前記断続切替え手段（１４０）は、前記ポンプ（１３０）のポンプ軸（１３４）と、前記隣接機器（１２０）の軸（１２４）との間で、前記圧縮機（１１０）の回転作動方向に噛み合いが外れ、前記膨張機（１１０）の回転作動方向に噛み合う一方向クラッチ（１４０）としており、
   前記ポンプ（１３０）および前記隣接機器（１２０）間の前記流体、あるいは前記作動流体の漏れを防止する軸封装置（１５０）を有し、
   前記軸封装置（１５０）は、前記ポンプ軸（１３４）に設けられたことを特徴とする複合流体機械。
2. 流体を圧縮して吐出する圧縮機（１１０）と、
   ポンプ（１３０）によって循環される作動流体の膨張によって駆動力を発生する膨張機（１１０）と、
   発電機および電動機の両機能を併せ持つ回転電機（１２０）とを有し、
   前記圧縮機（１１０）、前記膨張機（１１０）、前記回転電機（１２０）、前記ポンプ（１３０）が直列に接続されており、
   前記圧縮機（１１０）が前記回転電機（１２０）によって駆動される時に、前記回転電機（１２０）と前記ポンプ（１３０）との接続状態を切断状態に切替え可能とする断続切替え手段（１４０）が設けられ、
   前記ポンプ（１３０）は、前記圧縮機（１１０）、前記膨張機（１１０）、前記回転電機（１２０）、前記ポンプ（１３０）が直列に接続される一端側に配置されており、
   前記断続切替え手段（１４０）は、前記ポンプ（１３０）と、前記ポンプ（１３０）に隣接する隣接機器（１２０）との間に設けられ、
   前記断続切替え手段（１４０）は、前記ポンプ（１３０）のポンプ軸（１３４）と、前記隣接機器（１２０）の軸（１２４）との間で、電気信号により断続される電磁クラッチとしており、
   前記ポンプ（１３０）および前記隣接機器（１２０）間の前記流体、あるいは前記作動流体の漏れを防止する軸封装置（１５０）を有し、
   前記軸封装置（１５０）は、前記ポンプ軸（１３４）に設けられたことを特徴とする複合流体機械。
3. 前記圧縮機（１１０）は、その作動室（Ｖ）と高圧室（１１４）との間の流路を切替える切替え手段（１１６、１１７ｄ）によって、前記高圧室（１１４）から前記作動流体が流入する時には、前記膨張機（１１０）として機能する膨張機兼圧縮機（１１０）としたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の複合流体機械。
4. 前記軸封装置（１５０）が設けられる部位の前記ポンプ軸（１３４）の外径は、一般部位よりも小さく設定されたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の複合流体機械。
5. 冷凍サイクル（３０）内の凝縮器（３１）を兼用して形成されると共に、発熱機器（１０）の廃熱を加熱源とするランキンサイクル（４０）を備える冷凍装置であって、
   請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の複合流体機械（１００）の前記圧縮機（１１０）が、前記冷凍サイクル（３０）に使用され、
   前記ポンプ（１３０）および前記膨張機（１１０）が、前記ランキンサイクル（４０）に使用されることを特徴とする冷凍装置。
6. 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５に記載の冷凍装置。

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