ランキンサイクル用複合流体機械
【課題】ポンプ部出口から膨張機部入口までの領域の圧力を低下させることで耐圧設計に掛かるコストを抑えつつ機械的エネルギーの出力効率の低下を防止することができるランキンサイクル用複合流体機械を提供すること。
【解決手段】ランキンサイクル用複合流体機械１１は、ギヤポンプ３０とスクロール式の膨張機部４０とが、駆動軸２１の回転に伴い固定された回転数比で駆動されるように構成されている。ランキンサイクル用複合流体機械１１は、膨張機部４０における吸入室４８の圧力が所定圧を越えると、吸入室４８に対し、高圧側膨張室４７ａだけでなく低圧側膨張室４７ｂも連通させる連通機構Ｒを膨張機部４０に備える。
【解決手段】ランキンサイクル用複合流体機械１１は、ギヤポンプ３０とスクロール式の膨張機部４０とが、駆動軸２１の回転に伴い固定された回転数比で駆動されるように構成されている。ランキンサイクル用複合流体機械１１は、膨張機部４０における吸入室４８の圧力が所定圧を越えると、吸入室４８に対し、高圧側膨張室４７ａだけでなく低圧側膨張室４７ｂも連通させる連通機構Ｒを膨張機部４０に備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ポンプ部と、熱交換器と、スクロール式の膨張機部と、を有するランキンサイクル用複合流体機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種のランキンサイクル用複合流体機械としては、例えば、特許文献１が挙げられる。スクロール式の膨張機部は、駆動軸の回転によって旋回する可動スクロールと、ハウジングに固定された固定スクロールとを備える。可動スクロールの可動側端板には可動側渦巻壁が立設されるとともに、固定スクロールの固定側端板には固定側渦巻壁が立設されている。そして、可動渦巻壁と固定渦巻壁との間には可動スクロールの旋回に伴い容積変更する膨張室が区画形成される。また、固定側端板には、膨張前の膨張室に連通する吸入口が形成されている。
【０００３】
そして、ポンプ部によって熱交換器に向けて吐出された作動流体は、熱交換器で熱エネルギーを得て高温高圧になった後、吸入口を介して膨張機部の膨張室に導入されて膨張する。作動流体は、膨張室での膨張によって可動スクロールを旋回させながら外周側へと移送され、膨張機部から吐出される。この可動スクロールの旋回に伴い機械的エネルギー（駆動力）が出力される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−３０３８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、特許文献１のランキンサイクル用複合流体機械のように、ポンプ部と膨張機部が駆動軸によって直結され、ポンプ部と膨張機部とが固定された回転数比で駆動されると、構造上はポンプ部の流量と膨張機部の流量が固定値になり、ポンプ部の体積効率と膨張機部の体積効率も固定値になる。そして、ランキンサイクル装置において、ポンプ部出口から膨張機部入口までの高圧領域の圧力はポンプ部の体積効率と膨張機部の体積効率によって決定されることから、ポンプ部と膨張機部の体積効率が固定値であれば、高圧領域の圧力も一定値となる。しかし、実際には、ポンプ部に作動流体の漏れが生じており、ポンプ部の体積効率は、この漏れ量に依存して変動する。そして、駆動軸の高回転時においては、漏れ量がポンプ部による作動流体の輸送量に対し相対的に減少することから体積効率が上昇し、高圧領域の圧力が上昇してしまう。
【０００６】
よって、高圧領域の作動流体が導入される膨張機部においては、取り得る圧力の中でも最も高い圧力に合わせて耐圧設計をする必要があり、ランキンサイクル用複合流体機械の製造コストが嵩んでしまう。また、高圧の作動流体による影響を抑えるため、作動流体が膨張機部に吸入されたとき、膨張機部に吸入された作動流体を吐出室のような低圧領域に逃がすことが考えられる。しかし、この場合は、膨張機部での作動流体の流量が減ってしまい、ランキンサイクル装置における機械的エネルギーの出力効率が低下してしまう。特に、駆動軸の高回転時は、排熱源からの排熱量も多くあり、その熱エネルギーを無駄に捨ててしまうことになり出力効率が低下してしまう。
【０００７】
本発明は、上記従来の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、ポンプ部出口から膨張機部入口までの領域の圧力を低下させることで耐圧設計に掛かるコストを抑えつつ機械的エネルギーの出力効率の低下を防止することができるランキンサイクル用複合流体機械を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、駆動軸の回転に伴い作動流体を吸入及び吐出するポンプ部と、前記ポンプ部から吐出された作動流体と排熱源からの流体との間で熱交換させる熱交換器と、前記熱交換器で熱交換された作動流体の吸入室を備え、固定側端板に固定側渦巻壁が立設されてなる固定スクロール、及び可動側端板に可動側渦巻壁が立設されてなり、前記駆動軸の回転に伴い前記固定スクロールに対して噛み合いながら旋回する可動スクロールを備えるとともに、前記固定スクロールと可動スクロールの間に、前記吸入室に連通する高圧側膨張室、及び前記固定側渦巻壁を挟んで前記高圧側膨張室に隣り合う低圧側膨張室が区画されるスクロール式の膨張機部と、を有するランキンサイクル装置用複合流体機械に関する。そして、ランキンサイクル装置用複合流体機械は、前記吸入室の圧力が所定圧を越えると、前記吸入室に対し、前記高圧側膨張室だけでなく前記低圧側膨張室も連通させる連通機構を前記膨張機部に備える。
【０００９】
これによれば、駆動軸の高回転時に、ポンプ部出口から膨張機部入口までの領域の圧力が上昇し、高圧側膨張室の圧力が上昇すると、連通機構により、吸入室に対し高圧側膨張室だけでなく低圧側膨張室も連通させるようにした。このため、吸入室に連通する膨張室の容積が増大し、駆動軸の一回転あたりの膨張機部での作動流体の輸送量を増加させることができ、ポンプ部出口から膨張機部入口までの領域の圧力を低下させることができる。したがって、ランキンサイクル用複合流体機械において、高圧に耐え得るように耐圧設計をする必要が無くなり、ランキンサイクル用複合流体機械の製造コストを抑えることができる。また、連通機構により、ポンプ部出口から膨張機部入口までの領域の圧力が、吸入室を介して高圧側膨張室及び低圧側膨張室に逃がすことになるため、熱交換器通過後の作動流体を、吸入室に連通する膨張室以外に逃がさないため、熱交換器で得た熱エネルギーを無駄に捨てることなく、機械的エネルギーへの変換に利用することができる。
【００１０】
また、前記連通機構は、前記高圧側膨張室と低圧側膨張室とを連通させるものであってもよい。
これによれば、高圧側膨張室が低圧側膨張室に連通することで、高圧側膨張室を介して低圧側膨張室が吸入室に連通する。このため、高圧側膨張室と低圧側膨張室を速やかに同圧にすることができ、容積の増大した膨張室を速やかに形成することができる。
【００１１】
また、前記連通機構は、前記固定スクロールに形成された弁室と、該弁室内に設けられる弁体と、該弁体を付勢する付勢部材と、から構成され、前記弁室は、前記高圧側膨張室及び前記低圧側膨張室に連通する第１感圧室と、前記低圧側膨張室よりも低圧の領域に連通する第２感圧室とに前記弁体によって仕切られ、前記付勢部材は前記第１感圧室側へ前記弁体を付勢するように前記弁室内に設けられていてもよい。
【００１２】
これによれば、簡単な構成で、吸入室に連通する膨張室の容積を増大させることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ポンプ部出口から膨張機部入口までの領域の圧力を低下させることで耐圧設計に掛かるコストを抑えつつ機械的エネルギーの出力効率の低下を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１の実施形態のランキンサイクル用複合流体機械及びランキンサイクル装置を示す図。
【図２】スクロール式の膨張機部を示す断面図。
【図３】（ａ）は連通機構を示す部分拡大断面図、（ｂ）は連通機構が作動した状態を示す部分拡大断面図。
【図４】連通機構の別例を示す部分拡大断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明を具体化した一実施形態を図１〜図３にしたがって説明する。
図１に示すように、ランキンサイクル用複合流体機械（以下、単に複合流体機械と記載する）１１のハウジング１２は、筒状をなすセンタハウジング１３と、このセンタハウジング１３の一端（図１では左端）に接合されたフロントハウジング１４と、センタハウジング１３の他端（図１では右端）に接合されたリヤハウジング１５と、から形成されている。センタハウジング１３の内周面には、センタハウジング１３内に向けて延びる仕切壁１３ａが形成されるとともに、この仕切壁１３ａによってハウジング１２内が２つの空間に仕切られている。また、仕切壁１３ａとリヤハウジング１５との間の空間において、センタハウジング１３の内周面には支持ブロック２５が固設されている。
【００１６】
フロントハウジング１４、及び仕切壁１３ａには、駆動軸２１が軸受１６を介して回転可能に支持されている。駆動軸２１には、モータロータ２０ａが駆動軸２１と一体回転可能に固定されている。また、センタハウジング１３の内周面には、ステータ２０ｂがモータロータ２０ａを取り囲むように固定されている。そして、仕切壁１３ａよりフロントハウジング１４側には、モータロータ２０ａとステータ２０ｂとからなるモータ・ジェネレータ２０が設けられている。
【００１７】
モータ・ジェネレータ２０は、ステータ２０ｂのコイル２０ｃへの通電によりモータロータ２０ａを回転させる電動機としての機能と、モータロータ２０ａが回転されることでステータ２０ｂのコイル２０ｃに電力を生じさせる発電機としての機能とを併せ持つ。なお、モータ・ジェネレータ２０にはインバータ２２を介してバッテリ２３が接続されるとともに、モータ・ジェネレータ２０で生じた電力はインバータ２２を介してバッテリ２３に蓄電されるようになっている。
【００１８】
仕切壁１３ａのリヤハウジング１５側（図１では右側）の面には、駆動軸２１を取り囲むように長円状の凹部１３ｃが形成されている。そして、仕切壁１３ａのリヤハウジング１５側の面にサイドプレート１７が固着されることにより、凹部１３ｃが閉鎖されて仕切壁１３ａとサイドプレート１７との間にポンプ室１８が区画されている。また、ポンプ室１８には従動ギヤ（図示せず）が回転可能に支持されている。ポンプ室１８内には、駆動軸２１に取着された主動ギヤ２１ａが収容されている。そして、ポンプ室１８では、従動ギヤと主動ギヤ２１ａとが互いに噛み合わされた状態で配設されるとともに、ポンプ室１８と、従動ギヤと、主動ギヤ２１ａとからポンプ部としてのギヤポンプ３０が形成されている。
【００１９】
仕切壁１３ａには、吸入通路１３ｄが形成されている。この吸入通路１３ｄは、一端がセンタハウジング１３の外面（下面）に開口するとともに、他端がポンプ室１８に連通するように形成されている。また、仕切壁１３ａには、吐出通路１３ｅが形成されている。この吐出通路１３ｅは、一端がポンプ室１８に連通するとともに、他端がセンタハウジング１３の外面（上面）に開口している。そして、ギヤポンプ３０の駆動により、作動流体が吸入通路１３ｄを介してポンプ室１８に吸入されるとともに、ポンプ室１８の作動流体は吐出通路１３ｅを介してギヤポンプ３０外へ吐出されるようになっている。
【００２０】
仕切壁１３ａとリヤハウジング１５との間の空間において、センタハウジング１３の内周面には、筒状の支持ブロック２５が固設されるとともに、支持ブロック２５とリヤハウジング１５の間にスクロール式の膨張機部４０が設けられている。駆動軸２１は支持ブロック２５を貫通するとともに、支持ブロック２５の内周面には軸シール２８が装着されている。この軸シール２８により、駆動軸２１の周面と支持ブロック２５の内周面との間がシールされている。
【００２１】
支持ブロック２５を貫通した駆動軸２１の先端には、駆動軸２１の中心軸Ｌに対して偏心した位置に偏心軸４１が設けられるとともに、偏心軸４１は駆動軸２１の回転により中心軸Ｌの周りを公転するようになっている。偏心軸４１にはブッシュ４２が固定されるとともに、ブッシュ４２は偏心軸４１と共に中心軸Ｌの周りを公転するようになっている。このブッシュ４２には軸受４３を介して可動スクロール４４が旋回可能に支持されるとともに、カウンタウェイト４５が固定されている。可動スクロール４４は、軸受４３に支持された円盤状をなす可動側端板４４ａと、この可動側端板４４ａから突設された渦巻状の可動側渦巻壁４４ｂとからなる。
【００２２】
また、支持ブロック２５よりリヤハウジング１５側において、センタハウジング１３の内周面には、固定スクロール４６が可動スクロール４４と対向するように固設されるとともに、支持ブロック２５と固定スクロール４６の対向する端面の間には、環状をなすプレート４９が介装されている。固定スクロール４６は、円盤状をなす固定側端板４６ａと、この固定側端板４６ａから可動スクロール４４に向けて突設された渦巻状の固定側渦巻壁４６ｂとを一体に備えている。
【００２３】
ハウジング１２内において、固定側端板４６ａとリヤハウジング１５との間には、吸入室４８が区画されるとともに、リヤハウジング１５には、吸入室４８に連通する吸入ポート１５ａが形成されている。さらに、固定スクロール４６の内周面と、可動スクロール４４における可動側渦巻壁４４ｂの最外周面との間、及び吸入室４８の外周側には、低圧領域としての吐出室５０が区画形成されている。また、センタハウジング１３には吐出室５０に連通する吐出ポート１３ｇが形成されている。
【００２４】
図２に示すように、可動スクロール４４の可動側渦巻壁４４ｂと、固定スクロール４６の固定側渦巻壁４６ｂとは互いに噛み合わされ、可動スクロール４４と固定スクロール４６の間に容積変更可能な膨張室４７が区画される。また、固定スクロール４６における固定側端板４６ａの中央部には吸入口４６ｃが形成されている。この吸入室４８には吸入口４６ｃを介して、膨張機部４０の径方向中央に形成された膨張前の膨張室４７に連通している。径方向中央の膨張室４７に対し、１つの吸入口４６ｃのみが連通するため、膨張室４７に作動流体が吸入される際、その吸入容積は固定値になっている。
【００２５】
膨張室４７に作動流体が吸入された直後において、その膨張室４７より径方向外側には、より低圧の膨張室４７が区画されている。なお、以下の説明において、説明を容易にするため、吸入口４６ｃに連通する径方向中央の膨張室４７を高圧側膨張室４７ａとし、この高圧側膨張室４７ａに対し、固定側渦巻壁４６ｂを挟んで径方向外側に隣り合う膨張室４７を、高圧側膨張室４７ａより低圧の低圧側膨張室４７ｂとする。
【００２６】
そして、高圧側膨張室４７ａで作動流体が膨張すると、可動スクロール４４が旋回し、高圧側膨張室４７ａの容積が増大するとともに、駆動軸２１も回転する。駆動軸２１が一回転し終わると、上記の作動流体は低圧側膨張室４７ｂに移動している。その後、可動スクロール４４が旋回する度に上記の作動流体は同じように圧力を下げながら径方向外側へ移動していき、最終的には吐出室５０と連通し、膨張した作動流体が吐出室５０に流入するようになっている。
【００２７】
図１に示すように、上記膨張機部４０の固定スクロール４６において、固定側端板４６ａにおける吸入口４６ｃの近傍には、弁室４６ｄが固定側端板４６ａを厚み方向に貫通して形成されている。この弁室４６ｄは、吸入口４６ｃに近い固定側渦巻壁４６ｂの基端側に形成されるとともに、その固定側渦巻壁４６ｂを跨いでいる。図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、弁室４６ｄは、固定側渦巻壁４６ｂを挟んで隣り合う高圧側膨張室４７ａと低圧側膨張室４７ｂとを連通させるように形成されている。
【００２８】
弁室４６ｄにおいて、吸入室４８側の開口部には蓋部材５１が固定されるとともに、この蓋部材５１により弁室４６ｄと吸入室４８との間が気密にシールされている。弁室４６ｄ内において、蓋部材５１には、圧縮状態のコイルバネよりなる付勢部材５２の一端が固着支持されるとともに、この付勢部材５２の他端には、弁体としてのスプール５３が固着支持されている。スプール５３は、弁室４６ｄの内面に沿って摺動するように、弁室４６ｄの内面にガイドされる。また、スプール５３は、付勢部材５２の付勢力によって固定側渦巻壁４６ｂの基端に向けて押圧されている。
【００２９】
図３（ａ）に示すように、スプール５３が、固定側渦巻壁４６ｂの基端に当接した状態では、スプール５３により、高圧側膨張室４７ａと低圧側膨張室４７ｂの連通が遮断されている。また、固定スクロール４６の固定側端板４６ａには、吐出室５０と弁室４６ｄとを連通させる導入通路４６ｅが形成されている。よって、弁室４６ｄ内は、吐出室５０と同じ圧力になっており、高圧側膨張室４７ａよりも低圧になっている。
【００３０】
付勢部材５２は、膨張機部４０に作用する所定の高圧力よりも低い圧力（所定圧）で押し縮められるようになっている。すなわち、高圧側膨張室４７ａの圧力が、上記所定の高圧力に達する前、高圧側膨張室４７ａの圧力と吐出室５０との圧力の差（差圧）が予め設定された値を越えると、付勢部材５２は収縮するように設定されている。
【００３１】
図３（ｂ）に示すように、付勢部材５２が収縮すると、弁室４６ｄは、高圧側膨張室４７ａ及び低圧側膨張室４７ｂに連通する第１感圧室Ｆａと、吐出室５０に連通する第２感圧室Ｆｂとにスプール５３によって区画されるようになっている。一方、高圧側膨張室４７ａの圧力が低下し、高圧側膨張室４７ａの圧力と吐出室５０との圧力の差（差圧）が予め設定された値より低くなると付勢部材５２は、押し縮められる前の状態に復帰し、付勢部材５２は、スプール５３を第１感圧室Ｆａ側へ付勢する。
【００３２】
したがって、本実施形態では、スプール５３と、付勢部材５２と、弁室４６ｄと、から、高圧側膨張室４７ａと低圧側膨張室４７ｂとを連通させる連通機構Ｒが構成されている。
【００３３】
次に、上記複合流体機械１１が組み込まれたランキンサイクル装置６０について説明する。図１に示すように、ギヤポンプ３０に連通する吐出通路１３ｅには第１流路６０ａを介して熱交換器６２の吸熱器６２ａが接続されている。熱交換器６２は、吸熱器６２ａに加え放熱器６２ｂを備える。この放熱器６２ｂは、排熱源としてのエンジン６４に接続された冷却水循環経路６５上に設けられている。冷却水循環経路６５上にはラジエータ６５ａが設けられるとともに、冷却水循環経路６５には、排熱源（エンジン６４）からの流体としての冷却水が循環するようになっている。
【００３４】
熱交換器６２における吸熱器６２ａの吐出側には、第２流路６０ｃを介して膨張機部４０における吸入ポート１５ａが接続されている。膨張機部４０の吐出ポート１３ｇには、第３流路６０ｄを介して凝縮器６１が接続されている。凝縮器６１の吐出側には第４流路６０ｅを介してギヤポンプ３０の吸入通路１３ｄが接続されている。そして、ランキンサイクル装置６０は、ギヤポンプ３０、熱交換器６２、膨張機部４０、及び凝縮器６１をこの順序で接続してなる回路を備える。
【００３５】
上記ランキンサイクル装置６０において、バッテリ２３からの電力がインバータ２２を介してモータ・ジェネレータ２０に供給されるとモータ・ジェネレータ２０が電動機として駆動され、ギヤポンプ３０が駆動される。このギヤポンプ３０から吐出された作動流体は、吐出通路１３ｅを経由して、第１流路６０ａから熱交換器６２に導出される。
【００３６】
そして、熱交換器６２において、吸熱器６２ａと放熱器６２ｂとの間での熱交換により、作動流体がエンジン６４からの排熱によって加熱されるとともに、熱エネルギーを受け取る。加熱後の作動流体は、第２流路６０ｃを介して吸入ポート１５ａから膨張機部４０の高圧側膨張室４７ａ（膨張室４７）に導入されて膨張し、この膨張により膨張機部４０が機械的エネルギー（駆動力）を出力する。そして、この駆動力によって可動スクロール４４が旋回し、駆動軸２１が回転されるとともにギヤポンプ３０が駆動される。そして、本実施形態では、ギヤポンプ３０と膨張機部４０が、駆動軸２１によって直結されており、ギヤポンプ３０と膨張機部４０とが固定された回転数比で駆動されるようになっている。また、ランキンサイクル装置６０において、ギヤポンプ３０出口から膨張機部４０入口（吸入ポート１５ａ）までが、高圧領域となっている。
【００３７】
エンジン６４からの排熱量が大きく、膨張機部４０からの出力により、駆動軸２１が予め設定された所定回転数を越えて回転する場合には、モータ・ジェネレータ２０を発電機として機能させて駆動軸２１の回転数を抑えるようにする。そして、所定回転数を越える出力は電力に変換され、インバータ２２を介してバッテリ２３に充電される。
【００３８】
膨張を終えて圧力が低下した作動流体は、吐出室５０に吐出された後、吐出ポート１３ｇを介して第３流路６０ｄへ吐出される。第３流路６０ｄへ吐出された作動流体は、凝縮器６１を通過して液化し、第４流路６０ｅを介して吸入通路１３ｄからポンプ室１８に吸入される。そして、膨張機部４０からの出力により駆動されるギヤポンプ３０により、ポンプ室１８に吸入された作動流体は、吐出通路１３ｅを経由して、第１流路６０ａを介して熱交換器６２へ吐出される。以後、上述したように、作動流体は、膨張機部４０、凝縮器６１、及びギヤポンプ３０を流れて、エンジン６４が駆動されている間はランキンサイクル装置６０の回路を循環する。
【００３９】
次に、複合流体機械１１の作用について説明する。
さて、駆動軸２１が高回転で回転すると、ギヤポンプ３０による作動流体の輸送量に対し作動流体の漏れ量が相対的に減少することから、ギヤポンプ３０の体積効率が高くなり、ギヤポンプ３０出口から膨張機部４０入口までの高圧領域の圧力が上昇する。すると、膨張機部４０に吸入される作動流体の圧力、すなわち、高圧側膨張室４７ａの圧力も上昇する。そして、高圧側膨張室４７ａの圧力が予め設定された所定圧を越え、吐出室５０との差圧が予め設定された値より高くなると、高圧側膨張室４７ａの圧力が付勢部材５２の付勢力を上回り、付勢部材５２がスプール５３を介して押し縮められる。すると、図３（ｂ）に示すように、スプール５３が固定側渦巻壁４６ｂの基端から離間して、弁室４６ｄ内に第１感圧室Ｆａと第２感圧室Ｆｂが区画されるとともに、第１感圧室Ｆａを介して高圧側膨張室４７ａと低圧側膨張室４７ｂとが連通する。
【００４０】
すると、高圧側膨張室４７ａと低圧側膨張室４７ｂとから、吸入室４８に連通する１つの拡大膨張室４７ｃが形成され、この拡大膨張室４７ｃの容積は、高圧側膨張室４７ａよりも大きくなり、吸入室４８から吸入される作動流体の流量が増加する。すなわち、駆動軸２１の一回転あたりにおける膨張機部４０での作動流体の輸送量が増加し、ギヤポンプ３０出口から膨張機部４０入口までの高圧領域の圧力が減少しはじめる。
【００４１】
そして、しばらくすると、高圧側膨張室４７ａの圧力が予め設定された値を下回り、吐出室５０との差圧が予め設定された値より低くなると、付勢部材５２が押し縮められる前の状態に復帰する。すると、図３（ａ）に示すように、スプール５３が固定側渦巻壁４６ｂの基端に当接して、高圧側膨張室４７ａと低圧側膨張室４７ｂとの連通が遮断されるとともに、第１感圧室Ｆａが消失する。
【００４２】
上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）ギヤポンプ３０と膨張機部４０が、駆動軸２１によって直結された複合流体機械１１において、固定スクロール４６に連通機構Ｒを設けた。そして、駆動軸２１の高回転時に高圧領域（ギヤポンプ３０出口から膨張機部４０入口までの領域）の圧力が上昇し、高圧側膨張室４７ａの圧力が上昇すると、連通機構Ｒにより高圧側膨張室４７ａと低圧側膨張室４７ｂとを連通させ、吸入室４８に連通する拡大膨張室４７ｃを形成するようにした。その結果、吸入室４８に連通する膨張室の容積を増大させ、膨張機部４０での作動流体の輸送量を高めることで、高圧領域の圧力を低下させ、複合流体機械１１に高圧が作用することを防止することができる。したがって、複合流体機械１１において、高圧に耐え得るように耐圧設計をする必要が無くなり、複合流体機械１１の製造コストを抑えることができる。
【００４３】
（２）複合流体機械１１において、駆動軸２１の高回転時に高圧領域の圧力が上昇し、高圧側膨張室４７ａの圧力が上昇すると、連通機構Ｒにより高圧側膨張室４７ａと低圧側膨張室４７ｂとを吸入室４８に連通させるようにした。よって、高圧側膨張室４７ａに吸入された作動流体を、吸入室４８に連通する膨張室４７以外に逃がさないため、熱交換器６２で得た熱エネルギーを無駄に捨てることなく、機械的エネルギーへの変換に利用することができる。
【００４４】
（３）連通機構Ｒにより、高圧側膨張室４７ａを低圧側膨張室４７ｂに連通させ、高圧側膨張室４７ａを介して低圧側膨張室４７ｂを吸入室４８に連通させるようにした。このため、高圧側膨張室４７ａと低圧側膨張室４７ｂを速やかに同圧にすることができ、容積の増大した拡大膨張室４７ｃを速やかに形成することができる。よって、膨張機部４０での作動流体の輸送能力を速やかに向上させ、高圧領域の圧力を速やかに低下させることができる。
【００４５】
（４）連通機構Ｒは、高圧側膨張室４７ａと低圧側膨張室４７ｂとを連通する弁室４６ｄ（連通通路）と、弁室４６ｄ内に収容されて弁室４６ｆを開閉するスプール５３と、スプール５３を付勢する付勢部材５２と、から構成されている。そして、高圧側膨張室４７ａと吐出室５０の差圧に基づきスプール５３を移動させて、弁室４６ｄを開閉することができ、簡単な構成で、吸入室４８に連通する膨張室の容積を増大させることができる。
【００４６】
（５）弁室４６ｄの第１感圧室Ｆａを高圧側膨張室４７ａ及び低圧側膨張室４７ｂと連通させ、第２感圧室Ｆｂを膨張機部４０の吐出室５０と連通させた。吐出室５０は、膨張機部４０で膨張し、圧力が低下した作動流体が最終的に吐出される部屋であり、高圧側膨張室４７ａ及び低圧側膨張室４７ｂとの圧力差が大きい部屋である。よって、第１感圧室Ｆａと第２感圧室Ｆｂとで差圧を生じさせやすくすることができ、高圧側膨張室４７ａの圧力が所定値に達すると、スプール５３を速やかに作動させることができる。
【００４７】
なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 実施形態では、連通機構Ｒにおいて、スプール５３を付勢部材５２の伸縮によって作動させ、連通通路（弁室４６ｄ）を開閉させたが、これに限らない。図４に示すように、固定スクロール４６には、固定側端板４６ａから固定側渦巻壁４６ｂ内まで延びる弁室４６ｆが形成されている。この弁室４６ｆは、蓋部材５１によって吸入室４８との間が気密にシールされるとともに、弁室４６ｆにおける蓋部材５１側には、導入通路４６ｅによって吐出室５０の圧力が導入されている。また、弁室４６ｆが形成された固定側渦巻壁４６ｂには、弁室４６ｆと高圧側膨張室４７ａとを連通させる第１連通流路４６ｈが形成されている。この第１連通流路４６ｈの一端は、弁室４６ｆの最奥に位置する内端面から弁室４６ｆに開口しており、第１連通流路４６ｈの周囲に弁座４６ｋが形成されている。そして、高圧側膨張室４７ａの圧力が弁室４６ｆに導入されるようになっている。
【００４８】
また、固定側渦巻壁４６ｂには、弁室４６ｆと低圧側膨張室４７ｂとを連通させる第２連通流路４６ｍが形成されるとともに、この第２連通流路４６ｍは弁座４６ｋの外周側で弁室４６ｆに開口している。そして、この実施形態では、第１連通流路４６ｈと第２連通流路４６ｍとから、連通通路が形成されている。
【００４９】
弁室４６ｆ内には、弁体及び付勢部材としてのベローズ６６が伸縮可能に固設されている。ベローズ６６内には、導入通路４６ｅを介して吐出室５０の圧力が導入されるとともに、ベローズ６６の外周側には、第１連通流路４６ｈを介して高圧側膨張室４７ａの圧力が導入されている。また、ベローズ６６の先端には弁体としての機能する弁体部６６ａが設けられ、この弁体部６６ａはベローズ６６の収縮に伴い弁座４６ｋに対し接離可能になっている。
【００５０】
ベローズ６６は、高圧側膨張室４７ａに作用する最高の圧力よりも低い圧力（所定圧）で押し縮められるようになっている。すなわち、高圧側膨張室４７ａの圧力が上記の所定の高圧力に達する前、高圧側膨張室４７ａの圧力と吐出室５０との圧力の差（差圧）が予め設定された値を超えると、ベローズ６６は収縮するように設定されている。
【００５１】
ベローズ６６が収縮すると、弁体部６６ａが弁座４６ｋから離間するとともに、弁室４６ｆは、高圧側膨張室４７ａ及び低圧側膨張室４７ｂに連通する第１感圧室と、吐出室５０に連通する第２感圧室とにベローズ６６によって区画されるようになっている。一方、高圧側膨張室４７ａの圧力が低下し、高圧側膨張室４７ａの圧力と吐出室５０との圧力の差（差圧）が予め設定された値より低くなるとベローズ６６は、押し縮められる前の状態に復帰し、弁体部６６ａを第１感圧室Ｆａ側へ付勢するとともに、弁体部６６ａを弁座４６ｋに着座させる。したがって、ベローズ６６と、弁室４６ｆとから、高圧側膨張室４７ａと低圧側膨張室４７ｂとを連通させる連通機構Ｒが構成されている。
【００５２】
○ 実施形態において、ポンプ部はギヤポンプ３０の他の形態のポンプとしてもよい。
○ 実施形態では、複合流体機械１１をランキンサイクル装置６０のみに用いたが、複合流体機械１１に圧縮部及びクラッチ機構を一体に設けて、冷凍サイクルを並設してもよい。
【００５３】
○ 実施形態では、連通機構Ｒにより、高圧側膨張室４７ａと低圧側膨張室４７ｂとを連通させることで、吸入室４８に対し、高圧側膨張室４７ａと低圧側膨張室４７ｂを連通させたが、高圧側膨張室４７ａと低圧側膨張室４７ｂのそれぞれを吸入室４８に同時に連通させ、吸入室４８に連通する膨張室４７の容積を増大させてもよい。
【００５４】
○ 連通機構Ｒを可動スクロール４４に設けてもよい。
○ 排熱源からの流体として、エンジン６４の冷却水だけでなく、エンジン６４からの排ガスを利用してもよい。
【００５５】
次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について以下に追記する。
（イ）前記第１感圧室は、前記固定側渦巻壁を厚み方向に挟んで前記高圧側膨張室と低圧側膨張室に跨がるように前記固定側端板に形成されている請求項３に記載の複合流体機械。
【００５６】
（ロ）請求項１〜請求項３、及び技術的思想（イ）のうちいずれか一項に記載のランキンサイクル用複合流体機械を備えるランキンサイクル装置。
【符号の説明】
【００５７】
Ｆａ…第１感圧室、Ｆｂ…第２感圧室、Ｒ…連通機構、１１…ランキンサイクル用複合流体機械、２１…駆動軸、３０…ポンプ部としてのギヤポンプ、４０…膨張機部、４４…可動スクロール、４４ａ…可動側端板、４４ｂ…可動側渦巻壁、４６…固定スクロール、４６ａ…固定側端板、４６ｂ…固定側渦巻壁、４６ｄ，４６ｆ…弁室、４７ａ…高圧側膨張室、４７ｂ…低圧側膨張室、４８…吸入室、５２…付勢部材、５３…弁体としてのスプール、６０…ランキンサイクル装置、６２…熱交換器、６４…排熱源としてのエンジン、６６ａ…弁体としての機能する弁体部、６６…付勢部材として機能するベローズ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ポンプ部と、熱交換器と、スクロール式の膨張機部と、を有するランキンサイクル用複合流体機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種のランキンサイクル用複合流体機械としては、例えば、特許文献１が挙げられる。スクロール式の膨張機部は、駆動軸の回転によって旋回する可動スクロールと、ハウジングに固定された固定スクロールとを備える。可動スクロールの可動側端板には可動側渦巻壁が立設されるとともに、固定スクロールの固定側端板には固定側渦巻壁が立設されている。そして、可動渦巻壁と固定渦巻壁との間には可動スクロールの旋回に伴い容積変更する膨張室が区画形成される。また、固定側端板には、膨張前の膨張室に連通する吸入口が形成されている。
【０００３】
そして、ポンプ部によって熱交換器に向けて吐出された作動流体は、熱交換器で熱エネルギーを得て高温高圧になった後、吸入口を介して膨張機部の膨張室に導入されて膨張する。作動流体は、膨張室での膨張によって可動スクロールを旋回させながら外周側へと移送され、膨張機部から吐出される。この可動スクロールの旋回に伴い機械的エネルギー（駆動力）が出力される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−３０３８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、特許文献１のランキンサイクル用複合流体機械のように、ポンプ部と膨張機部が駆動軸によって直結され、ポンプ部と膨張機部とが固定された回転数比で駆動されると、構造上はポンプ部の流量と膨張機部の流量が固定値になり、ポンプ部の体積効率と膨張機部の体積効率も固定値になる。そして、ランキンサイクル装置において、ポンプ部出口から膨張機部入口までの高圧領域の圧力はポンプ部の体積効率と膨張機部の体積効率によって決定されることから、ポンプ部と膨張機部の体積効率が固定値であれば、高圧領域の圧力も一定値となる。しかし、実際には、ポンプ部に作動流体の漏れが生じており、ポンプ部の体積効率は、この漏れ量に依存して変動する。そして、駆動軸の高回転時においては、漏れ量がポンプ部による作動流体の輸送量に対し相対的に減少することから体積効率が上昇し、高圧領域の圧力が上昇してしまう。
【０００６】
よって、高圧領域の作動流体が導入される膨張機部においては、取り得る圧力の中でも最も高い圧力に合わせて耐圧設計をする必要があり、ランキンサイクル用複合流体機械の製造コストが嵩んでしまう。また、高圧の作動流体による影響を抑えるため、作動流体が膨張機部に吸入されたとき、膨張機部に吸入された作動流体を吐出室のような低圧領域に逃がすことが考えられる。しかし、この場合は、膨張機部での作動流体の流量が減ってしまい、ランキンサイクル装置における機械的エネルギーの出力効率が低下してしまう。特に、駆動軸の高回転時は、排熱源からの排熱量も多くあり、その熱エネルギーを無駄に捨ててしまうことになり出力効率が低下してしまう。
【０００７】
本発明は、上記従来の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、ポンプ部出口から膨張機部入口までの領域の圧力を低下させることで耐圧設計に掛かるコストを抑えつつ機械的エネルギーの出力効率の低下を防止することができるランキンサイクル用複合流体機械を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、駆動軸の回転に伴い作動流体を吸入及び吐出するポンプ部と、前記ポンプ部から吐出された作動流体と排熱源からの流体との間で熱交換させる熱交換器と、前記熱交換器で熱交換された作動流体の吸入室を備え、固定側端板に固定側渦巻壁が立設されてなる固定スクロール、及び可動側端板に可動側渦巻壁が立設されてなり、前記駆動軸の回転に伴い前記固定スクロールに対して噛み合いながら旋回する可動スクロールを備えるとともに、前記固定スクロールと可動スクロールの間に、前記吸入室に連通する高圧側膨張室、及び前記固定側渦巻壁を挟んで前記高圧側膨張室に隣り合う低圧側膨張室が区画されるスクロール式の膨張機部と、を有するランキンサイクル装置用複合流体機械に関する。そして、ランキンサイクル装置用複合流体機械は、前記吸入室の圧力が所定圧を越えると、前記吸入室に対し、前記高圧側膨張室だけでなく前記低圧側膨張室も連通させる連通機構を前記膨張機部に備える。
【０００９】
これによれば、駆動軸の高回転時に、ポンプ部出口から膨張機部入口までの領域の圧力が上昇し、高圧側膨張室の圧力が上昇すると、連通機構により、吸入室に対し高圧側膨張室だけでなく低圧側膨張室も連通させるようにした。このため、吸入室に連通する膨張室の容積が増大し、駆動軸の一回転あたりの膨張機部での作動流体の輸送量を増加させることができ、ポンプ部出口から膨張機部入口までの領域の圧力を低下させることができる。したがって、ランキンサイクル用複合流体機械において、高圧に耐え得るように耐圧設計をする必要が無くなり、ランキンサイクル用複合流体機械の製造コストを抑えることができる。また、連通機構により、ポンプ部出口から膨張機部入口までの領域の圧力が、吸入室を介して高圧側膨張室及び低圧側膨張室に逃がすことになるため、熱交換器通過後の作動流体を、吸入室に連通する膨張室以外に逃がさないため、熱交換器で得た熱エネルギーを無駄に捨てることなく、機械的エネルギーへの変換に利用することができる。
【００１０】
また、前記連通機構は、前記高圧側膨張室と低圧側膨張室とを連通させるものであってもよい。
これによれば、高圧側膨張室が低圧側膨張室に連通することで、高圧側膨張室を介して低圧側膨張室が吸入室に連通する。このため、高圧側膨張室と低圧側膨張室を速やかに同圧にすることができ、容積の増大した膨張室を速やかに形成することができる。
【００１１】
また、前記連通機構は、前記固定スクロールに形成された弁室と、該弁室内に設けられる弁体と、該弁体を付勢する付勢部材と、から構成され、前記弁室は、前記高圧側膨張室及び前記低圧側膨張室に連通する第１感圧室と、前記低圧側膨張室よりも低圧の領域に連通する第２感圧室とに前記弁体によって仕切られ、前記付勢部材は前記第１感圧室側へ前記弁体を付勢するように前記弁室内に設けられていてもよい。
【００１２】
これによれば、簡単な構成で、吸入室に連通する膨張室の容積を増大させることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ポンプ部出口から膨張機部入口までの領域の圧力を低下させることで耐圧設計に掛かるコストを抑えつつ機械的エネルギーの出力効率の低下を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１の実施形態のランキンサイクル用複合流体機械及びランキンサイクル装置を示す図。
【図２】スクロール式の膨張機部を示す断面図。
【図３】（ａ）は連通機構を示す部分拡大断面図、（ｂ）は連通機構が作動した状態を示す部分拡大断面図。
【図４】連通機構の別例を示す部分拡大断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明を具体化した一実施形態を図１〜図３にしたがって説明する。
図１に示すように、ランキンサイクル用複合流体機械（以下、単に複合流体機械と記載する）１１のハウジング１２は、筒状をなすセンタハウジング１３と、このセンタハウジング１３の一端（図１では左端）に接合されたフロントハウジング１４と、センタハウジング１３の他端（図１では右端）に接合されたリヤハウジング１５と、から形成されている。センタハウジング１３の内周面には、センタハウジング１３内に向けて延びる仕切壁１３ａが形成されるとともに、この仕切壁１３ａによってハウジング１２内が２つの空間に仕切られている。また、仕切壁１３ａとリヤハウジング１５との間の空間において、センタハウジング１３の内周面には支持ブロック２５が固設されている。
【００１６】
フロントハウジング１４、及び仕切壁１３ａには、駆動軸２１が軸受１６を介して回転可能に支持されている。駆動軸２１には、モータロータ２０ａが駆動軸２１と一体回転可能に固定されている。また、センタハウジング１３の内周面には、ステータ２０ｂがモータロータ２０ａを取り囲むように固定されている。そして、仕切壁１３ａよりフロントハウジング１４側には、モータロータ２０ａとステータ２０ｂとからなるモータ・ジェネレータ２０が設けられている。
【００１７】
モータ・ジェネレータ２０は、ステータ２０ｂのコイル２０ｃへの通電によりモータロータ２０ａを回転させる電動機としての機能と、モータロータ２０ａが回転されることでステータ２０ｂのコイル２０ｃに電力を生じさせる発電機としての機能とを併せ持つ。なお、モータ・ジェネレータ２０にはインバータ２２を介してバッテリ２３が接続されるとともに、モータ・ジェネレータ２０で生じた電力はインバータ２２を介してバッテリ２３に蓄電されるようになっている。
【００１８】
仕切壁１３ａのリヤハウジング１５側（図１では右側）の面には、駆動軸２１を取り囲むように長円状の凹部１３ｃが形成されている。そして、仕切壁１３ａのリヤハウジング１５側の面にサイドプレート１７が固着されることにより、凹部１３ｃが閉鎖されて仕切壁１３ａとサイドプレート１７との間にポンプ室１８が区画されている。また、ポンプ室１８には従動ギヤ（図示せず）が回転可能に支持されている。ポンプ室１８内には、駆動軸２１に取着された主動ギヤ２１ａが収容されている。そして、ポンプ室１８では、従動ギヤと主動ギヤ２１ａとが互いに噛み合わされた状態で配設されるとともに、ポンプ室１８と、従動ギヤと、主動ギヤ２１ａとからポンプ部としてのギヤポンプ３０が形成されている。
【００１９】
仕切壁１３ａには、吸入通路１３ｄが形成されている。この吸入通路１３ｄは、一端がセンタハウジング１３の外面（下面）に開口するとともに、他端がポンプ室１８に連通するように形成されている。また、仕切壁１３ａには、吐出通路１３ｅが形成されている。この吐出通路１３ｅは、一端がポンプ室１８に連通するとともに、他端がセンタハウジング１３の外面（上面）に開口している。そして、ギヤポンプ３０の駆動により、作動流体が吸入通路１３ｄを介してポンプ室１８に吸入されるとともに、ポンプ室１８の作動流体は吐出通路１３ｅを介してギヤポンプ３０外へ吐出されるようになっている。
【００２０】
仕切壁１３ａとリヤハウジング１５との間の空間において、センタハウジング１３の内周面には、筒状の支持ブロック２５が固設されるとともに、支持ブロック２５とリヤハウジング１５の間にスクロール式の膨張機部４０が設けられている。駆動軸２１は支持ブロック２５を貫通するとともに、支持ブロック２５の内周面には軸シール２８が装着されている。この軸シール２８により、駆動軸２１の周面と支持ブロック２５の内周面との間がシールされている。
【００２１】
支持ブロック２５を貫通した駆動軸２１の先端には、駆動軸２１の中心軸Ｌに対して偏心した位置に偏心軸４１が設けられるとともに、偏心軸４１は駆動軸２１の回転により中心軸Ｌの周りを公転するようになっている。偏心軸４１にはブッシュ４２が固定されるとともに、ブッシュ４２は偏心軸４１と共に中心軸Ｌの周りを公転するようになっている。このブッシュ４２には軸受４３を介して可動スクロール４４が旋回可能に支持されるとともに、カウンタウェイト４５が固定されている。可動スクロール４４は、軸受４３に支持された円盤状をなす可動側端板４４ａと、この可動側端板４４ａから突設された渦巻状の可動側渦巻壁４４ｂとからなる。
【００２２】
また、支持ブロック２５よりリヤハウジング１５側において、センタハウジング１３の内周面には、固定スクロール４６が可動スクロール４４と対向するように固設されるとともに、支持ブロック２５と固定スクロール４６の対向する端面の間には、環状をなすプレート４９が介装されている。固定スクロール４６は、円盤状をなす固定側端板４６ａと、この固定側端板４６ａから可動スクロール４４に向けて突設された渦巻状の固定側渦巻壁４６ｂとを一体に備えている。
【００２３】
ハウジング１２内において、固定側端板４６ａとリヤハウジング１５との間には、吸入室４８が区画されるとともに、リヤハウジング１５には、吸入室４８に連通する吸入ポート１５ａが形成されている。さらに、固定スクロール４６の内周面と、可動スクロール４４における可動側渦巻壁４４ｂの最外周面との間、及び吸入室４８の外周側には、低圧領域としての吐出室５０が区画形成されている。また、センタハウジング１３には吐出室５０に連通する吐出ポート１３ｇが形成されている。
【００２４】
図２に示すように、可動スクロール４４の可動側渦巻壁４４ｂと、固定スクロール４６の固定側渦巻壁４６ｂとは互いに噛み合わされ、可動スクロール４４と固定スクロール４６の間に容積変更可能な膨張室４７が区画される。また、固定スクロール４６における固定側端板４６ａの中央部には吸入口４６ｃが形成されている。この吸入室４８には吸入口４６ｃを介して、膨張機部４０の径方向中央に形成された膨張前の膨張室４７に連通している。径方向中央の膨張室４７に対し、１つの吸入口４６ｃのみが連通するため、膨張室４７に作動流体が吸入される際、その吸入容積は固定値になっている。
【００２５】
膨張室４７に作動流体が吸入された直後において、その膨張室４７より径方向外側には、より低圧の膨張室４７が区画されている。なお、以下の説明において、説明を容易にするため、吸入口４６ｃに連通する径方向中央の膨張室４７を高圧側膨張室４７ａとし、この高圧側膨張室４７ａに対し、固定側渦巻壁４６ｂを挟んで径方向外側に隣り合う膨張室４７を、高圧側膨張室４７ａより低圧の低圧側膨張室４７ｂとする。
【００２６】
そして、高圧側膨張室４７ａで作動流体が膨張すると、可動スクロール４４が旋回し、高圧側膨張室４７ａの容積が増大するとともに、駆動軸２１も回転する。駆動軸２１が一回転し終わると、上記の作動流体は低圧側膨張室４７ｂに移動している。その後、可動スクロール４４が旋回する度に上記の作動流体は同じように圧力を下げながら径方向外側へ移動していき、最終的には吐出室５０と連通し、膨張した作動流体が吐出室５０に流入するようになっている。
【００２７】
図１に示すように、上記膨張機部４０の固定スクロール４６において、固定側端板４６ａにおける吸入口４６ｃの近傍には、弁室４６ｄが固定側端板４６ａを厚み方向に貫通して形成されている。この弁室４６ｄは、吸入口４６ｃに近い固定側渦巻壁４６ｂの基端側に形成されるとともに、その固定側渦巻壁４６ｂを跨いでいる。図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、弁室４６ｄは、固定側渦巻壁４６ｂを挟んで隣り合う高圧側膨張室４７ａと低圧側膨張室４７ｂとを連通させるように形成されている。
【００２８】
弁室４６ｄにおいて、吸入室４８側の開口部には蓋部材５１が固定されるとともに、この蓋部材５１により弁室４６ｄと吸入室４８との間が気密にシールされている。弁室４６ｄ内において、蓋部材５１には、圧縮状態のコイルバネよりなる付勢部材５２の一端が固着支持されるとともに、この付勢部材５２の他端には、弁体としてのスプール５３が固着支持されている。スプール５３は、弁室４６ｄの内面に沿って摺動するように、弁室４６ｄの内面にガイドされる。また、スプール５３は、付勢部材５２の付勢力によって固定側渦巻壁４６ｂの基端に向けて押圧されている。
【００２９】
図３（ａ）に示すように、スプール５３が、固定側渦巻壁４６ｂの基端に当接した状態では、スプール５３により、高圧側膨張室４７ａと低圧側膨張室４７ｂの連通が遮断されている。また、固定スクロール４６の固定側端板４６ａには、吐出室５０と弁室４６ｄとを連通させる導入通路４６ｅが形成されている。よって、弁室４６ｄ内は、吐出室５０と同じ圧力になっており、高圧側膨張室４７ａよりも低圧になっている。
【００３０】
付勢部材５２は、膨張機部４０に作用する所定の高圧力よりも低い圧力（所定圧）で押し縮められるようになっている。すなわち、高圧側膨張室４７ａの圧力が、上記所定の高圧力に達する前、高圧側膨張室４７ａの圧力と吐出室５０との圧力の差（差圧）が予め設定された値を越えると、付勢部材５２は収縮するように設定されている。
【００３１】
図３（ｂ）に示すように、付勢部材５２が収縮すると、弁室４６ｄは、高圧側膨張室４７ａ及び低圧側膨張室４７ｂに連通する第１感圧室Ｆａと、吐出室５０に連通する第２感圧室Ｆｂとにスプール５３によって区画されるようになっている。一方、高圧側膨張室４７ａの圧力が低下し、高圧側膨張室４７ａの圧力と吐出室５０との圧力の差（差圧）が予め設定された値より低くなると付勢部材５２は、押し縮められる前の状態に復帰し、付勢部材５２は、スプール５３を第１感圧室Ｆａ側へ付勢する。
【００３２】
したがって、本実施形態では、スプール５３と、付勢部材５２と、弁室４６ｄと、から、高圧側膨張室４７ａと低圧側膨張室４７ｂとを連通させる連通機構Ｒが構成されている。
【００３３】
次に、上記複合流体機械１１が組み込まれたランキンサイクル装置６０について説明する。図１に示すように、ギヤポンプ３０に連通する吐出通路１３ｅには第１流路６０ａを介して熱交換器６２の吸熱器６２ａが接続されている。熱交換器６２は、吸熱器６２ａに加え放熱器６２ｂを備える。この放熱器６２ｂは、排熱源としてのエンジン６４に接続された冷却水循環経路６５上に設けられている。冷却水循環経路６５上にはラジエータ６５ａが設けられるとともに、冷却水循環経路６５には、排熱源（エンジン６４）からの流体としての冷却水が循環するようになっている。
【００３４】
熱交換器６２における吸熱器６２ａの吐出側には、第２流路６０ｃを介して膨張機部４０における吸入ポート１５ａが接続されている。膨張機部４０の吐出ポート１３ｇには、第３流路６０ｄを介して凝縮器６１が接続されている。凝縮器６１の吐出側には第４流路６０ｅを介してギヤポンプ３０の吸入通路１３ｄが接続されている。そして、ランキンサイクル装置６０は、ギヤポンプ３０、熱交換器６２、膨張機部４０、及び凝縮器６１をこの順序で接続してなる回路を備える。
【００３５】
上記ランキンサイクル装置６０において、バッテリ２３からの電力がインバータ２２を介してモータ・ジェネレータ２０に供給されるとモータ・ジェネレータ２０が電動機として駆動され、ギヤポンプ３０が駆動される。このギヤポンプ３０から吐出された作動流体は、吐出通路１３ｅを経由して、第１流路６０ａから熱交換器６２に導出される。
【００３６】
そして、熱交換器６２において、吸熱器６２ａと放熱器６２ｂとの間での熱交換により、作動流体がエンジン６４からの排熱によって加熱されるとともに、熱エネルギーを受け取る。加熱後の作動流体は、第２流路６０ｃを介して吸入ポート１５ａから膨張機部４０の高圧側膨張室４７ａ（膨張室４７）に導入されて膨張し、この膨張により膨張機部４０が機械的エネルギー（駆動力）を出力する。そして、この駆動力によって可動スクロール４４が旋回し、駆動軸２１が回転されるとともにギヤポンプ３０が駆動される。そして、本実施形態では、ギヤポンプ３０と膨張機部４０が、駆動軸２１によって直結されており、ギヤポンプ３０と膨張機部４０とが固定された回転数比で駆動されるようになっている。また、ランキンサイクル装置６０において、ギヤポンプ３０出口から膨張機部４０入口（吸入ポート１５ａ）までが、高圧領域となっている。
【００３７】
エンジン６４からの排熱量が大きく、膨張機部４０からの出力により、駆動軸２１が予め設定された所定回転数を越えて回転する場合には、モータ・ジェネレータ２０を発電機として機能させて駆動軸２１の回転数を抑えるようにする。そして、所定回転数を越える出力は電力に変換され、インバータ２２を介してバッテリ２３に充電される。
【００３８】
膨張を終えて圧力が低下した作動流体は、吐出室５０に吐出された後、吐出ポート１３ｇを介して第３流路６０ｄへ吐出される。第３流路６０ｄへ吐出された作動流体は、凝縮器６１を通過して液化し、第４流路６０ｅを介して吸入通路１３ｄからポンプ室１８に吸入される。そして、膨張機部４０からの出力により駆動されるギヤポンプ３０により、ポンプ室１８に吸入された作動流体は、吐出通路１３ｅを経由して、第１流路６０ａを介して熱交換器６２へ吐出される。以後、上述したように、作動流体は、膨張機部４０、凝縮器６１、及びギヤポンプ３０を流れて、エンジン６４が駆動されている間はランキンサイクル装置６０の回路を循環する。
【００３９】
次に、複合流体機械１１の作用について説明する。
さて、駆動軸２１が高回転で回転すると、ギヤポンプ３０による作動流体の輸送量に対し作動流体の漏れ量が相対的に減少することから、ギヤポンプ３０の体積効率が高くなり、ギヤポンプ３０出口から膨張機部４０入口までの高圧領域の圧力が上昇する。すると、膨張機部４０に吸入される作動流体の圧力、すなわち、高圧側膨張室４７ａの圧力も上昇する。そして、高圧側膨張室４７ａの圧力が予め設定された所定圧を越え、吐出室５０との差圧が予め設定された値より高くなると、高圧側膨張室４７ａの圧力が付勢部材５２の付勢力を上回り、付勢部材５２がスプール５３を介して押し縮められる。すると、図３（ｂ）に示すように、スプール５３が固定側渦巻壁４６ｂの基端から離間して、弁室４６ｄ内に第１感圧室Ｆａと第２感圧室Ｆｂが区画されるとともに、第１感圧室Ｆａを介して高圧側膨張室４７ａと低圧側膨張室４７ｂとが連通する。
【００４０】
すると、高圧側膨張室４７ａと低圧側膨張室４７ｂとから、吸入室４８に連通する１つの拡大膨張室４７ｃが形成され、この拡大膨張室４７ｃの容積は、高圧側膨張室４７ａよりも大きくなり、吸入室４８から吸入される作動流体の流量が増加する。すなわち、駆動軸２１の一回転あたりにおける膨張機部４０での作動流体の輸送量が増加し、ギヤポンプ３０出口から膨張機部４０入口までの高圧領域の圧力が減少しはじめる。
【００４１】
そして、しばらくすると、高圧側膨張室４７ａの圧力が予め設定された値を下回り、吐出室５０との差圧が予め設定された値より低くなると、付勢部材５２が押し縮められる前の状態に復帰する。すると、図３（ａ）に示すように、スプール５３が固定側渦巻壁４６ｂの基端に当接して、高圧側膨張室４７ａと低圧側膨張室４７ｂとの連通が遮断されるとともに、第１感圧室Ｆａが消失する。
【００４２】
上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）ギヤポンプ３０と膨張機部４０が、駆動軸２１によって直結された複合流体機械１１において、固定スクロール４６に連通機構Ｒを設けた。そして、駆動軸２１の高回転時に高圧領域（ギヤポンプ３０出口から膨張機部４０入口までの領域）の圧力が上昇し、高圧側膨張室４７ａの圧力が上昇すると、連通機構Ｒにより高圧側膨張室４７ａと低圧側膨張室４７ｂとを連通させ、吸入室４８に連通する拡大膨張室４７ｃを形成するようにした。その結果、吸入室４８に連通する膨張室の容積を増大させ、膨張機部４０での作動流体の輸送量を高めることで、高圧領域の圧力を低下させ、複合流体機械１１に高圧が作用することを防止することができる。したがって、複合流体機械１１において、高圧に耐え得るように耐圧設計をする必要が無くなり、複合流体機械１１の製造コストを抑えることができる。
【００４３】
（２）複合流体機械１１において、駆動軸２１の高回転時に高圧領域の圧力が上昇し、高圧側膨張室４７ａの圧力が上昇すると、連通機構Ｒにより高圧側膨張室４７ａと低圧側膨張室４７ｂとを吸入室４８に連通させるようにした。よって、高圧側膨張室４７ａに吸入された作動流体を、吸入室４８に連通する膨張室４７以外に逃がさないため、熱交換器６２で得た熱エネルギーを無駄に捨てることなく、機械的エネルギーへの変換に利用することができる。
【００４４】
（３）連通機構Ｒにより、高圧側膨張室４７ａを低圧側膨張室４７ｂに連通させ、高圧側膨張室４７ａを介して低圧側膨張室４７ｂを吸入室４８に連通させるようにした。このため、高圧側膨張室４７ａと低圧側膨張室４７ｂを速やかに同圧にすることができ、容積の増大した拡大膨張室４７ｃを速やかに形成することができる。よって、膨張機部４０での作動流体の輸送能力を速やかに向上させ、高圧領域の圧力を速やかに低下させることができる。
【００４５】
（４）連通機構Ｒは、高圧側膨張室４７ａと低圧側膨張室４７ｂとを連通する弁室４６ｄ（連通通路）と、弁室４６ｄ内に収容されて弁室４６ｆを開閉するスプール５３と、スプール５３を付勢する付勢部材５２と、から構成されている。そして、高圧側膨張室４７ａと吐出室５０の差圧に基づきスプール５３を移動させて、弁室４６ｄを開閉することができ、簡単な構成で、吸入室４８に連通する膨張室の容積を増大させることができる。
【００４６】
（５）弁室４６ｄの第１感圧室Ｆａを高圧側膨張室４７ａ及び低圧側膨張室４７ｂと連通させ、第２感圧室Ｆｂを膨張機部４０の吐出室５０と連通させた。吐出室５０は、膨張機部４０で膨張し、圧力が低下した作動流体が最終的に吐出される部屋であり、高圧側膨張室４７ａ及び低圧側膨張室４７ｂとの圧力差が大きい部屋である。よって、第１感圧室Ｆａと第２感圧室Ｆｂとで差圧を生じさせやすくすることができ、高圧側膨張室４７ａの圧力が所定値に達すると、スプール５３を速やかに作動させることができる。
【００４７】
なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 実施形態では、連通機構Ｒにおいて、スプール５３を付勢部材５２の伸縮によって作動させ、連通通路（弁室４６ｄ）を開閉させたが、これに限らない。図４に示すように、固定スクロール４６には、固定側端板４６ａから固定側渦巻壁４６ｂ内まで延びる弁室４６ｆが形成されている。この弁室４６ｆは、蓋部材５１によって吸入室４８との間が気密にシールされるとともに、弁室４６ｆにおける蓋部材５１側には、導入通路４６ｅによって吐出室５０の圧力が導入されている。また、弁室４６ｆが形成された固定側渦巻壁４６ｂには、弁室４６ｆと高圧側膨張室４７ａとを連通させる第１連通流路４６ｈが形成されている。この第１連通流路４６ｈの一端は、弁室４６ｆの最奥に位置する内端面から弁室４６ｆに開口しており、第１連通流路４６ｈの周囲に弁座４６ｋが形成されている。そして、高圧側膨張室４７ａの圧力が弁室４６ｆに導入されるようになっている。
【００４８】
また、固定側渦巻壁４６ｂには、弁室４６ｆと低圧側膨張室４７ｂとを連通させる第２連通流路４６ｍが形成されるとともに、この第２連通流路４６ｍは弁座４６ｋの外周側で弁室４６ｆに開口している。そして、この実施形態では、第１連通流路４６ｈと第２連通流路４６ｍとから、連通通路が形成されている。
【００４９】
弁室４６ｆ内には、弁体及び付勢部材としてのベローズ６６が伸縮可能に固設されている。ベローズ６６内には、導入通路４６ｅを介して吐出室５０の圧力が導入されるとともに、ベローズ６６の外周側には、第１連通流路４６ｈを介して高圧側膨張室４７ａの圧力が導入されている。また、ベローズ６６の先端には弁体としての機能する弁体部６６ａが設けられ、この弁体部６６ａはベローズ６６の収縮に伴い弁座４６ｋに対し接離可能になっている。
【００５０】
ベローズ６６は、高圧側膨張室４７ａに作用する最高の圧力よりも低い圧力（所定圧）で押し縮められるようになっている。すなわち、高圧側膨張室４７ａの圧力が上記の所定の高圧力に達する前、高圧側膨張室４７ａの圧力と吐出室５０との圧力の差（差圧）が予め設定された値を超えると、ベローズ６６は収縮するように設定されている。
【００５１】
ベローズ６６が収縮すると、弁体部６６ａが弁座４６ｋから離間するとともに、弁室４６ｆは、高圧側膨張室４７ａ及び低圧側膨張室４７ｂに連通する第１感圧室と、吐出室５０に連通する第２感圧室とにベローズ６６によって区画されるようになっている。一方、高圧側膨張室４７ａの圧力が低下し、高圧側膨張室４７ａの圧力と吐出室５０との圧力の差（差圧）が予め設定された値より低くなるとベローズ６６は、押し縮められる前の状態に復帰し、弁体部６６ａを第１感圧室Ｆａ側へ付勢するとともに、弁体部６６ａを弁座４６ｋに着座させる。したがって、ベローズ６６と、弁室４６ｆとから、高圧側膨張室４７ａと低圧側膨張室４７ｂとを連通させる連通機構Ｒが構成されている。
【００５２】
○ 実施形態において、ポンプ部はギヤポンプ３０の他の形態のポンプとしてもよい。
○ 実施形態では、複合流体機械１１をランキンサイクル装置６０のみに用いたが、複合流体機械１１に圧縮部及びクラッチ機構を一体に設けて、冷凍サイクルを並設してもよい。
【００５３】
○ 実施形態では、連通機構Ｒにより、高圧側膨張室４７ａと低圧側膨張室４７ｂとを連通させることで、吸入室４８に対し、高圧側膨張室４７ａと低圧側膨張室４７ｂを連通させたが、高圧側膨張室４７ａと低圧側膨張室４７ｂのそれぞれを吸入室４８に同時に連通させ、吸入室４８に連通する膨張室４７の容積を増大させてもよい。
【００５４】
○ 連通機構Ｒを可動スクロール４４に設けてもよい。
○ 排熱源からの流体として、エンジン６４の冷却水だけでなく、エンジン６４からの排ガスを利用してもよい。
【００５５】
次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について以下に追記する。
（イ）前記第１感圧室は、前記固定側渦巻壁を厚み方向に挟んで前記高圧側膨張室と低圧側膨張室に跨がるように前記固定側端板に形成されている請求項３に記載の複合流体機械。
【００５６】
（ロ）請求項１〜請求項３、及び技術的思想（イ）のうちいずれか一項に記載のランキンサイクル用複合流体機械を備えるランキンサイクル装置。
【符号の説明】
【００５７】
Ｆａ…第１感圧室、Ｆｂ…第２感圧室、Ｒ…連通機構、１１…ランキンサイクル用複合流体機械、２１…駆動軸、３０…ポンプ部としてのギヤポンプ、４０…膨張機部、４４…可動スクロール、４４ａ…可動側端板、４４ｂ…可動側渦巻壁、４６…固定スクロール、４６ａ…固定側端板、４６ｂ…固定側渦巻壁、４６ｄ，４６ｆ…弁室、４７ａ…高圧側膨張室、４７ｂ…低圧側膨張室、４８…吸入室、５２…付勢部材、５３…弁体としてのスプール、６０…ランキンサイクル装置、６２…熱交換器、６４…排熱源としてのエンジン、６６ａ…弁体としての機能する弁体部、６６…付勢部材として機能するベローズ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動軸の回転に伴い作動流体を吸入及び吐出するポンプ部と、
前記ポンプ部から吐出された作動流体と排熱源からの流体との間で熱交換させる熱交換器と、
前記熱交換器で熱交換された作動流体の吸入室を備え、固定側端板に固定側渦巻壁が立設されてなる固定スクロール、及び可動側端板に可動側渦巻壁が立設されてなり、前記駆動軸の回転に伴い前記固定スクロールに対して噛み合いながら旋回する可動スクロールを備えるとともに、前記固定スクロールと可動スクロールの間に、前記吸入室に連通する高圧側膨張室、及び前記固定側渦巻壁を挟んで前記高圧側膨張室に隣り合う低圧側膨張室が区画されるスクロール式の膨張機部と、
を有するランキンサイクル装置用複合流体機械であって、
前記吸入室の圧力が所定圧を越えると、前記吸入室に対し、前記高圧側膨張室だけでなく前記低圧側膨張室も連通させる連通機構を前記膨張機部に備えることを特徴とするランキンサイクル用複合流体機械。
【請求項２】
前記連通機構は、前記高圧側膨張室と低圧側膨張室とを連通させる請求項１に記載のランキンサイクル用複合流体機械。
【請求項３】
前記連通機構は、
前記固定スクロールに形成された弁室と、該弁室内に設けられる弁体と、該弁体を付勢する付勢部材と、から構成され、
前記弁室は、前記高圧側膨張室及び前記低圧側膨張室に連通する第１感圧室と、前記低圧側膨張室よりも低圧の領域に連通する第２感圧室とに前記弁体によって仕切られ、前記付勢部材は前記第１感圧室側へ前記弁体を付勢するように前記弁室内に設けられる請求項２に記載のランキンサイクル用複合流体機械。
【請求項１】
駆動軸の回転に伴い作動流体を吸入及び吐出するポンプ部と、
前記ポンプ部から吐出された作動流体と排熱源からの流体との間で熱交換させる熱交換器と、
前記熱交換器で熱交換された作動流体の吸入室を備え、固定側端板に固定側渦巻壁が立設されてなる固定スクロール、及び可動側端板に可動側渦巻壁が立設されてなり、前記駆動軸の回転に伴い前記固定スクロールに対して噛み合いながら旋回する可動スクロールを備えるとともに、前記固定スクロールと可動スクロールの間に、前記吸入室に連通する高圧側膨張室、及び前記固定側渦巻壁を挟んで前記高圧側膨張室に隣り合う低圧側膨張室が区画されるスクロール式の膨張機部と、
を有するランキンサイクル装置用複合流体機械であって、
前記吸入室の圧力が所定圧を越えると、前記吸入室に対し、前記高圧側膨張室だけでなく前記低圧側膨張室も連通させる連通機構を前記膨張機部に備えることを特徴とするランキンサイクル用複合流体機械。
【請求項２】
前記連通機構は、前記高圧側膨張室と低圧側膨張室とを連通させる請求項１に記載のランキンサイクル用複合流体機械。
【請求項３】
前記連通機構は、
前記固定スクロールに形成された弁室と、該弁室内に設けられる弁体と、該弁体を付勢する付勢部材と、から構成され、
前記弁室は、前記高圧側膨張室及び前記低圧側膨張室に連通する第１感圧室と、前記低圧側膨張室よりも低圧の領域に連通する第２感圧室とに前記弁体によって仕切られ、前記付勢部材は前記第１感圧室側へ前記弁体を付勢するように前記弁室内に設けられる請求項２に記載のランキンサイクル用複合流体機械。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−１９３６３９（Ｐ２０１２−１９３６３９Ａ）
【公開日】平成２４年１０月１１日（２０１２．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５６８４６（Ｐ２０１１−５６８４６）
【出願日】平成２３年３月１５日（２０１１．３．１５）
【出願人】（０００００３２１８）株式会社豊田自動織機 (4,162)
【公開日】平成２４年１０月１１日（２０１２．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月１５日（２０１１．３．１５）
【出願人】（０００００３２１８）株式会社豊田自動織機 (4,162)
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