流体機械、当該流体機械を用いた冷媒回路及び廃熱利用装置
【課題】ランキン回路の異常高圧防止及び起動性向上を図りながら、ランキン回路、ひいては装置の小型化及びコスト低減を実現することができる流体機械、当該流体機械を用いた冷媒回路及び廃熱利用装置を提供する。
【解決手段】廃熱利用装置(1)はランキン回路(4)を有し、ランキン回路(4)は流体機械(10)を有する。流体機械(10)は、入口ポート(33)から流入される作動流体により駆動され、作動流体を出口ポート(45)に吐出する駆動部(22)と、入口ポートから流入される作動流体を駆動部に流入させる連通路(102)と、入口ポートから流入される作動流体を駆動部を迂回して出口ポートに導くバイパス路(104)と、入口ポートからの作動流体の流入の遮断または遮断解除を行うとともに、連通路とバイパス路とを切り換えて連通させる弁機構(106,112,124)とをハウジング内に備える。
【解決手段】廃熱利用装置(1)はランキン回路(4)を有し、ランキン回路(4)は流体機械(10)を有する。流体機械(10)は、入口ポート(33)から流入される作動流体により駆動され、作動流体を出口ポート(45)に吐出する駆動部(22)と、入口ポートから流入される作動流体を駆動部に流入させる連通路(102)と、入口ポートから流入される作動流体を駆動部を迂回して出口ポートに導くバイパス路(104)と、入口ポートからの作動流体の流入の遮断または遮断解除を行うとともに、連通路とバイパス路とを切り換えて連通させる弁機構(106,112,124)とをハウジング内に備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体機械、当該流体機械を用いた冷媒回路及び廃熱利用装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の廃熱利用装置は、熱源の廃熱により高圧にされた作動流体を膨張させて駆動力を発生する膨張機が作動流体の循環路に介挿されたランキン回路を備え、ランキン回路は、循環路に、膨張機の入口ポート側の作動流体の高圧側圧力が作用する高圧流路と、膨張機の出口ポート側の作動流体の低圧側圧力が作用する低圧流路と、ランキン回路の運転停止時に高圧流路の圧力を保持する圧力保持手段とを有している。
【０００３】
そして、高圧流路に蓄圧するための開閉弁（遮断弁）、高圧流路の圧力調整を行う制御弁（圧力調整弁）、高圧流路の異常高圧を開放するためのリリーフ弁（バイパス弁）の３つの弁を循環路に配し、これらの各弁を制御することにより、ランキン回路の運転停止時における高圧流路の異常高圧を防止しつつ、ランキン回路の起動性を向上する技術が開示されている（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
また、作動流体の高圧部、作動流体の低圧部、駆動部、高圧部と低圧部とをバイパスして直接に連通する連通路、連通路を開閉する開閉手段（バイパス弁）が配設された膨張機が知られている（例えば特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−９８９７号公報
【特許文献２】特開２００７−２３１８５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１では、循環路に３つの弁（遮断弁、圧力調整弁、バイパス弁）を配して構成されるため、ランキン回路の回路構成が複雑になる。
そこで、これら３つの弁を上記特許文献２に記載された開閉手段（バイパス弁）の如く膨張機内に配設することが考えられるが、これでは膨張機の構成が複雑になり、いずれにせよ、膨張機、ランキン回路、ひいては廃熱利用装置の小型化及びコスト低減を実現することができないとの問題がある。
【０００７】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、ランキン回路の異常高圧防止及び起動性向上を図りながら、ランキン回路、ひいては装置の小型化及びコスト低減を実現することができる流体機械、当該流体機械を用いた冷媒回路及び廃熱利用装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するべく、本発明によれば、入口ポートから流入される作動流体により駆動され、作動流体を出口ポートに吐出する駆動部と、入口ポートから流入される作動流体を駆動部に流入させる連通路と、入口ポートから流入される作動流体を駆動部を迂回して出口ポートに導くバイパス路と、入口ポートからの作動流体の流入の遮断または遮断解除を行うとともに、連通路とバイパス路とを切り換える弁機構とをハウジング内に備える流体機械が提供される（請求項１）。
【０００９】
また、本発明によれば、作動流体を循環させるための循環路に請求項１に記載の流体機械を備える冷媒回路が提供される（請求項２）。
更に、本発明によれば、請求項２記載の冷媒回路として、流体機械のハウジング内に収容され、熱源の廃熱により高圧にされた作動流体を駆動部で膨張させて駆動力を発生する膨張ユニットを循環路に介挿したランキン回路を備え、ランキン回路は、入口ポートに接続され、循環路を循環する作動流体の高圧側圧力が作用する高圧流路と、出口ポートに接続され、循環路を循環する作動流体の低圧側圧力が作用する低圧流路と、高圧流路の圧力を保持する圧力保持手段とを有し、弁機構は、圧力保持手段の作動時に入口ポートからの作動流体の流入を遮断し、高圧流路の圧力が所定の第１の設定圧力以上となるとき入口ポートからの作動流体の流入の遮断を解除するとともにバイパス路または連通路を連通させる廃熱利用装置が提供される（請求項３）。
【００１０】
好ましくは、弁機構は、ランキン回路の運転時には連通路を連通させ、ランキン回路の停止時に圧力保持手段を作動させて入口ポートからの作動流体の流入を遮断し、高圧流路の圧力が所定の第１の設定圧力以上となるとき入口ポートからの作動流体の流入の遮断を解除するとともにバイパス路または連通路を連通させ、ランキン回路の停止後の再起動時に連通路を連通させる（請求項４）。
【００１１】
好ましくは、弁機構は、弁機構は、ランキン回路の運転時には連通路を連通させ、高圧流路の圧力が所定の第２の設定圧力未満となるときランキン回路の運転中に圧力保持手段を作動させて入口ポートからの作動流体の流入を遮断し、高圧流路の圧力が所定の第３の設定圧力以上となるとき入口ポートからの作動流体の流入の遮断を解除するとともに連通路を連通させる（請求項５）。
【００１２】
好ましくは、弁機構は、高圧流路の圧力が所定の第１の設定圧力以上となるときバイパス路のみを連通させて入口ポートからの作動流体の流入の遮断を解除する（請求項６）。
好ましくは、弁機構は、連通路とバイパス路とを切り換えて連通させるとともに入口ポートの高圧側圧力が作用する弁体と、弁体を支持し、高圧側圧力に抗して弁体を押圧または押圧解除することにより入口ポートからの作動流体の流入の遮断または遮断解除を行うばね機構とからなる（請求項７）。
【００１３】
好ましくは、ばね機構は、弁体を押圧するばねと、ばねが収容されるとともに入口ポートと気密に区画される収容室とからなる（請求項８）。
好ましくは、収容室は出口ポートと連通され、ばね機構は、入口ポートの高圧側圧力によって弁体に作用する力が出口ポートの低圧側圧力とばねの押圧力とによる合力よりも大きくなるとき、バイパス路を連通させて入口ポートからの作動流体の流入の遮断を解除する（請求項９）。
【００１４】
好ましくは、収容室は大気開放され、ばね機構は、入口ポートの高圧側圧力によって弁体に作用する力が大気圧とばねの押圧力とによる合力よりも大きくなるとき、バイパス路を連通させて入口ポートからの作動流体の流入の遮断を解除する（請求項１０）。
好ましくは、弁体はボール弁またはロータリ弁であって、所定の駆動源により回転駆動される（請求項１１）。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の請求項１の流体機械は、入口ポートからの作動流体の流入の遮断または遮断解除を行うとともに、連通路とバイパス路とを切り換えて連通させる弁機構をハウジング内に備え、１つの流体機械が多機能な弁機構を有するため、簡単な構成を有する。
本発明の請求項２の冷媒回路は、作動流体を循環させるための循環路に請求項１に記載の流体機械を備え、冷媒回路に作動流体の流入の遮断または遮断解除を行う弁や、連通路とバイパス路とを切り換える弁を設ける必要がないため、簡単な構成を有する。
【００１６】
本発明の請求項３の廃熱利用装置は、弁機構は、圧力保持手段の作動時に入口ポートからの作動流体の流入を遮断する一方、高圧流路の圧力が所定の設定圧力以上となるとき入口ポートからの作動流体の流入を遮断を解除するとともにバイパス路または連通路を連通させる。これにより、流体機械に、高圧流路に蓄圧するための遮断弁、高圧流路の異常高圧を防止して圧力調整するための圧力調整弁、ランキン回路の異常高圧時に作動流体の異常高圧を開放するためのバイパス弁の３つの機能を集約した１つの弁機構を設けることができるため、ランキン回路の異常高圧防止及び起動性向上を図りながら、ランキン回路、ひいては廃熱利用装置の小型化及びコスト低減を実現することができる。
【００１７】
請求項４の廃熱利用装置では、弁機構は、ランキン回路の運転時には連通路を連通させ、ランキン回路の停止時に圧力保持手段を作動させて入口ポートからの作動流体の流入を遮断し、高圧流路の圧力が所定の第１の設定圧力以上となるとき入口ポートからの作動流体の流入の遮断を解除するとともにバイパス路または連通路を連通させ、ランキン回路の停止後の再起動時に連通路を連通させる。これにより、ランキン回路の異常高圧を防止しつつ、ランキン回路の停止時に高圧流路に蓄圧し、ランキン回路の再起動時に高圧流路に蓄圧された作動流体の圧力を利用してランキン回路を起動することができる。
【００１８】
請求項５の廃熱利用装置では、弁機構は、ランキン回路の運転時には連通路を連通させ、高圧流路の圧力が所定の第２の設定圧力未満となるときランキン回路の運転中に圧力保持手段を作動させて入口ポートからの作動流体の流入を遮断し、高圧流路の圧力が所定の第３の設定圧力以上となるとき入口ポートからの作動流体の流入の遮断を解除するとともに連通路を連通させる。これにより、作動流体の高圧側圧力が適正圧力になるまで高圧流路に蓄圧され、作動流体の高圧側圧力が適正圧力になると連通路が連通されるため、ランキン回路を循環する作動流体の高圧側圧力を適正に保持することができる。
【００１９】
請求項６の廃熱利用装置では、弁機構は、バイパス路のみを連通させて入口ポートの遮断を解除するため、連通路に異常高圧の作動流体が流入し、駆動部が高速駆動されて生じる焼き付きを防止できるため、膨張ユニット、ランキン回路、ひいては廃熱利用装置の機器保護が徹底され、廃熱利用装置の信頼性を向上することができる。
請求項７の廃熱利用装置は、弁機構は、連通路とバイパス路とを切り換えて連通させるとともに入口ポートの高圧側圧力が作用する弁体と、弁体を支持し、高圧側圧力に抗して弁体を押圧または押圧解除することにより入口ポートからの作動流体の流入の遮断または遮断解除を行うばね機構とからなるため、簡単な構成を有する。また、入口ポートの遮断解除を機械的に行うことができるため、迅速な異常高圧開放が可能であり、廃熱利用装置の信頼性を更に向上することができる。
【００２０】
請求項８の廃熱利用装置は、ばね機構は、弁体を押圧するばねと、ばねが収容されるとともに入口ポートと気密に区画される収容室とからなるため、簡単な構成を有する。
請求項９の廃熱利用装置では、収容室は出口ポートと連通され、ばね機構は、入口ポートの高圧側圧力によって弁体に作用する力が出口ポートの低圧側圧力とばねの押圧力とによる合力よりも大きくなるとき、バイパス路を連通させて入口ポートからの作動流体の流入の遮断を解除する。これにより、高圧流路の異常高圧開放を入口ポートと出口ポート、すなわち作動流体の高圧側圧力と低圧側圧力との差圧に基づいて行うことができるため（相対圧制御）、高圧側圧力のみならず、低圧側圧力の変動をも迅速に感知して異常高圧開放の制御性を高めることができ、廃熱利用装置の信頼性を更に向上することができる。
【００２１】
請求項１０の廃熱利用装置では、収容室は大気開放され、ばね機構は、入口ポートの高圧側圧力によって弁体に作用する力が大気圧とばねの押圧力とによる合力よりも大きくなるとき、バイパス路を連通させて入口ポートからの作動流体の流入の遮断を解除する。これにより、高圧流路の異常高圧開放を入口ポートの絶対圧力、すなわち高圧側圧力のみに基づいて行うことができるため（絶対圧制御）、入口ポートの遮断を解除するための所定の設定圧力を流体機械、高圧流路、ひいてはランキン回路の設計上許容される設計最大圧力以下に設定することにより、膨張ユニット、ランキン回路、ひいては廃熱利用装置の機器保護がより一層徹底され、廃熱利用装置の信頼性を更に向上することができる。
【００２２】
請求項１１の廃熱利用装置では、具体的には弁体はボール弁またはロータリ弁であって、所定の駆動源により回転駆動される。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】第１実施形態に係る車両の廃熱利用装置の構成を概略的に示す図である。
【図２】図１の装置に適用された流体機械の概略的な縦断面図である。
【図３】(a)図２の弁機構のランキン回路の高圧保持時における作動状態を示す縦断面図、(b)図２の弁機構のランキン回路の異常高圧開放時における作動状態を示す縦断面図である。
【図４】(a)第２実施形態に係る弁機構のランキン回路の高圧保持時における作動状態を示す縦断面図、(b)第２実施形態に係る弁機構のランキン回路の異常高圧開放時における作動状態を示す縦断面図である。
【図５】(a)第３実施形態に係る流体機械の概略的な縦断面図、(b)図５(a)をＡ方向から見た流体機械の概略的な側面図である。
【図６】(a)図５の弁機構のランキン回路の通常運転時における作動状態を示す縦断面図、(b)図６(a)をＢ-Ｂ方向から見た弁機構の概略的な横断面図である。
【図７】(a)図５の弁機構のランキン回路の高圧保持時における作動状態を示す縦断面図、(b)図７(a)をＢ-Ｂ方向から見た弁機構の概略的な横断面図である。
【図８】(a)図５の弁機構のランキン回路の異常高圧開放時における作動状態を示す縦断面図、(b)図８(a)をＢ-Ｂ方向から見た弁機構の概略的な横断面図である。
【図９】(a)図５の弁機構のランキン回路のバイパス時における作動状態を示す縦断面図、(b)図９(a)をＢ-Ｂ方向から見た弁機構の概略的な横断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図１は、第１実施形態に係る車両の廃熱利用装置１を示し、装置１は、例えば、車両のエンジン（内燃機関）２から排出される排気ガスの熱を回収する。そのために装置１はランキン回路４を備え、ランキン回路４は、作動流体（熱媒体）が循環する循環路５を有する。循環路５は、例えば管やパイプによって構成される。
循環路５には、作動流体を流動させるべくポンプ６が介挿され、更に、作動流体が流動する方向でみてポンプ６の下流には、逆止弁７、加熱器８、流体機械１０の膨張ユニット１２、及び凝縮器１４が順次介挿されている。すなわち、ポンプ６は、凝縮器１４側にて作動流体を吸入し、吸入した作動流体を昇圧してから加熱器８に向けて吐出する。ポンプ６から吐出された作動流体は、低温高圧の液状態である。
【００２５】
加熱器８は熱交換器であって、循環路５の一部を構成する低温の流路８aと、流路８aとの間で熱交換可能な高温の流路８bとを有する。流路８bは、例えばエンジン２から延びる排気管１６に介挿されている。従って加熱器８を通過するとき、低温高圧の液状態の作動流体は、エンジン２で発生した排気ガス（熱源）の熱を受け取る。これによって作動流体は加熱され、高温高圧の過熱蒸気状態となる。
【００２６】
流体機械１０の膨張ユニット１２は、過熱蒸気状態となった作動流体を膨張させ、これにより作動流体は、高温低圧の過熱蒸気状態になる。
凝縮器１４は放熱器であり、膨張ユニット１２から流出した作動流体を外気との熱交換によって凝縮させ、低温低圧の液状態にする。具体的には、凝縮器１４の近傍には電動ファン（図示せず）が配置され、車両前方からの風や電動ファンからの風によって作動流体は冷却される。凝縮器１４で冷却された作動流体は、再びポンプ６に吸入され、循環路５を循環する。
【００２７】
ここで、前述した膨張ユニット１２は、作動流体を膨張させるのみならず、作動流体の熱エネルギーをトルク（回転力）に変換して出力可能である。膨張ユニット１２から出力されるトルクを利用可能なように、膨張ユニット１２には発電ユニット１８が連結されている。発電ユニット１８には、発生した電力を使用又は蓄電する、例えばバッテリー等の電気的な負荷２０が適当に接続されている。
【００２８】
詳しくは、図２に示されるように、流体機械１０は、膨張ユニット１２、発電ユニット１８が直列に連結されて構成されている。
膨張ユニット１２は、例えばスクロールユニット２２を駆動部としたスクロール式の膨張機である。膨張ユニット１２のカップ状のケーシング３２（膨張ユニット用ケーシング）の開口は、仕切り壁３４によって略覆われているが、仕切り壁３４の中央には貫通孔が形成されている。
【００２９】
膨張ユニット用ケーシング３２内には、固定スクロール３６が固定され、固定スクロール３６の背面側には高圧室３８が区画されている。高圧室３８は、膨張ユニット用ケーシング３２に形成された入口ポート３３及び入口ポート３３に接続された循環路５の一部を介して加熱器８と連通している。
固定スクロール３６の正面側には、可動スクロール４０が噛み合うように配置されている。固定スクロール３６と可動スクロール４０との間には、作動流体を膨張させる膨張室４２が区画され、可動スクロール４０の周囲は、膨張した作動流体を受け入れる低圧室４４として区画されている。固定スクロール３６の基板の略中央には、導入孔４６が貫通して形成され、この導入孔４６を通じて固定及び可動スクロール３６，４０の径方向中央に位置する膨張室４２と高圧室３８とが連通する。
【００３０】
径方向中央の膨張室４２内で作動流体が膨張すると、膨張室４２の容積が増大し且つ膨張室４２が固定及び可動スクロール３６，４０の渦巻壁に沿って径方向外側に移動する。そして、膨張室４２は、最終的には低圧室４４と連通し、膨張した作動流体が低圧室４４に流入する。低圧室４４は、出口ポート４５及び当該出口ポート４５に接続された循環路５の一部を通じて、凝縮器１４と連通している。
【００３１】
かかる作動流体の膨張に伴い、可動スクロール４０は固定スクロール３６に対して旋回運動させられるが、この旋回運動は旋回機構によって回転運動に変換される。
すなわち、可動スクロール４０の基板の背面にはボスが一体に形成され、ボス内には、ニードルベアリング４８を介して偏心ブッシュ５０が相対回転可能に配置されている。偏心ブッシュ５０にはクランクピン５２が挿通され、クランクピン５２は円盤形状のディスク５４から偏心して突出している。ディスク５４におけるクランクピン５２とは反対側からは同軸にて軸部５６が一体に突出し、軸部５６は、ボールベアリング等のラジアルベアリング５８を介して、仕切り壁３４によって回転可能に支持されている。すなわち、可動スクロール４０の旋回運動は、軸部５６の回転運動に変換される。
【００３２】
なお、旋回機構は、旋回運動中の可動スクロール４０の自転を阻止するとともにスラスト圧を受けるために、例えばボールカップリング６０を有し、ボールカップリング６０は、可動スクロール４０の基板の外周部と、当該外周部と対向する仕切り壁３４の部分との間に配置される。
発電ユニット１８の円筒状のケーシング（発電ユニット用ケーシング）９３は、仕切り壁３４に当接され、膨張ユニット用ケーシング３２、仕切り壁３４、発電ユニット用ケーシング９３は、相互に連結されることにより、流体機械１０のための一つのハウジングを構成している。
【００３３】
発電ユニット１８の駆動軸７２の一端は軸部５６と一体に形成され、仕切り壁３４の貫通孔まで達しており、ラジアルベアリング５８を介して、仕切り壁３４により回転自在に支持される。一方、駆動軸７２の他端は膨張ユニット用ケーシング３２の底部に固定されるラジアルベアリング７４を介して回転自在に支持されており、これより軸部５６と駆動軸７２との間の動力伝達が許容され、軸部５６と駆動軸７２とが一体に回転する。
【００３４】
発電ユニット用ケーシング９３内を延びる駆動軸７２の部分には、回転子９６が固定され、回転子９６は例えば永久磁石からなる。従って、回転子９６は、軸部５６と同軸上に配置されている。
発電ユニット用ケーシング９３の内周面には、回転子９６を囲むようにステータが固定され、ステータは、ヨーク９８と、ヨーク９８に巻回された例えば３組のコイル１００とを有する。
【００３５】
コイル１００は、回転子９６の回転に伴い、３相の交流電流を発生するように配線され、発生した交流電流は、図示しないリード線を通じて、外部の負荷２０に供給される。
なお、発電ユニット１８は、電動機としての機能を有さないため、ヨーク９８の形状やコイル１００の巻数等は、発電効率が高くなるように構成される。
このように構成される流体機械１０は、そのハウジング内に、入口ポート３３と膨張ユニット１２とを高圧室３８及び導入孔４６を介して連通させる連通路１０２と、膨張ユニット１２を迂回して入口ポート３３から流入される作動流体を出口ポート４５に導くバイパス路１０４と、連通路１０２とバイパス路１０４とを切り換えて連通させる弁機構１０６とを備えている。
【００３６】
詳しくは、弁機構１０６は、例えばボール弁であって、弁体であるボール１０８を備え、ボール１０８は、固定スクロール４０を支持する支持部１１０と、入口ポート３３が形成される膨張ユニット用ケーシング３２の内面３２ａとに、弁シートなどを介して回動自在に且つ気密に支持される。
ボール１０８には作動流体の流路１０８ａがＬ字状をなして貫通され、ボール１０８を弁機構１０６の図示しない駆動軸によって回動させることにより、弁機構１０６は流路１０８ａを介して連通路１０２またはバイパス路１０４を切り換えて連通させる。当該駆動軸は、例えば、図示しない電磁弁（駆動源）によって駆動され、電磁弁は装置１を総合的に制御する図示しないECU（電子制御装置）によって作動させられる。
【００３７】
以下、上述した弁機構１０６の作動について、流体機械１０及びランキン回路４の動作とともに説明する。
＜通常運転＞
ECUによってランキン回路４が起動されると、図２に示されるようにボール１０８が連通路１０２のみを連通させる位置に回動されることにより、弁機構１０６は矢印で示すように加熱器８から高圧室３８へ作動流体を流入させ、これより膨張ユニット１２が作動し、軸部５６と駆動軸７２とが一体に回転する。
【００３８】
そして、駆動軸７２の回転に伴い、発電ユニット１８の回転子９６が回転し、発電ユニット１８が交流電流を生成する。交流電流は負荷２０に供給され、負荷２０によって適当に備蓄又は消費される。
＜高圧保持＞
ECUによってランキン回路４の作動が停止されると、図３(a)に示されるようにボール１０８が連通路１０２及びバイパス路１０４のどちらも連通させない位置に回動されて入口ポート３３を塞ぎ、弁機構１０６は加熱器８から高圧室３８への作動流体の流入を遮断する。このとき逆止弁７によって加熱器８からポンプ６側への作動流体の逆流は阻止されるため、循環路５には、逆止弁７から流路８aを経て膨張ユニット１２に至る範囲において、作動流体の高圧側圧力が蓄圧される高圧流路５aが形成される(圧力保持手段)。一方、出口ポート４５から凝縮器１４を経て逆止弁７に至る循環路５の範囲には、作動流体の低圧側圧力が作用する低圧流路５bが形成される。
【００３９】
また、ランキン回路４の運転中において、ECUにより高圧流路５ａにおける作動流体の圧力低下が検出され、例えば作動流体の圧力が所定の適正圧力（第２の設定圧力）未満となると、図３(a)に示されるようにボール１０８が入口ポート３３を塞ぎ、作動流体の高圧側圧力が上記適正圧力になるまで高圧流路５ａに蓄圧され、作動流体の高圧側圧力が所定の適正圧力（第３の設定圧力）以上になると、図２に示されるようにボール１０８が連通路１０２のみを連通させる位置に回動される。なお、連通路１０２が連通される作動流体の圧力は、高圧流路５ａへ蓄圧される圧力以上に設定され、このように蓄圧と連通路１０２連通との間の設定圧力に不感帯となるヒステリシスを設けることにより、弁機構１０６のハンチング動作を好適に防止することができる。
【００４０】
＜異常高圧開放＞
ランキン回路４の運転停止時または運転中の高圧保持状態において、ECUによって高圧流路５ａの圧力が所定の設定圧力（第１の設定圧力）以上となって異常高圧が検出されると、図３(b)に示されるようにボール１０８がバイパス路１０４を連通させる位置に回動されて入口ポート３３の閉塞が解除され、弁機構１０６は矢印で示すように高圧流路５aの作動流体をバイパス路１０４に流し、高圧流路５aの圧力が出口ポート４５を介して低圧流路５ｂに開放される。なお、上記所定の設定圧力は＜高圧保持＞において設定される各適正圧力の設定圧力よりも大きく設定される。
【００４１】
＜再起動＞
ランキン回路４の運転停止時における高圧保持状態から、ECUによってランキン回路４が再起動されると、ボール１０８が図３(a)に示されるようにボール１０８が入口ポート３３を塞ぐ位置から図２に示されるような連通路１０２を連通させる位置に回動され、高圧流路５aの圧力が連通路１０２に開放される。この開放された作動流体の圧力によって膨張ユニット１２が駆動され、これにより駆動軸７２が回転される。駆動軸７２の回転に伴い、発電ユニット１８の回転子９６が回転し、発電ユニット１８が交流電流を生成する。交流電流は負荷２０に供給され、負荷２０によって適当に備蓄又は消費される。
【００４２】
上述したように、第１実施形態の廃熱利用装置１は、ランキン回路４の停止時に高圧流路５ａに蓄圧するための遮断弁、高圧流路５ａの異常高圧を防止して圧力調整するための圧力調整弁、高圧流路５ａの異常高圧を開放するためのバイパス弁の３つの弁の機能を有する１つの弁機構１０６が流体機械１０に設けられる。これにより、ランキン回路４の異常高圧防止及び起動性向上を図りながら、流体機械１０、ランキン回路４、ひいては廃熱利用装置１の小型化及びコスト低減を実現することができる。
【００４３】
また、ランキン回路の異常高圧を防止しつつ、ランキン回路４の停止時に高圧流路５ａに蓄圧し、ランキン回路４の再起動時に高圧流路４に蓄圧された作動流体の圧力を利用してランキン回路４を起動することができ、ランキン回路の起動性を向上することができる。
更に、作動流体の高圧側圧力が適正圧力になるまで高圧流路５ａに蓄圧され、作動流体の高圧側圧力が適正圧力になると連通路１０２が連通されるため、ランキン回路４を循環する作動流体の高圧側圧力を適正に保持することができる。
【００４４】
更にまた、弁機構１０６は、バイパス路１０４を連通させて入口ポート３３から流入される作動流体の遮断を解除することにより、連通路１０２に異常高圧の作動流体が流入し、スクロールユニット２２が高速駆動されて生じる焼き付きを防止できるため、膨張ユニット１２、ランキン回路４、ひいては廃熱利用装置１の機器保護が徹底され、廃熱利用装置１の信頼性を向上することができる。
【００４５】
図４(a)，(b)は、第２実施形態に係る弁機構１１２の概略構成を示している。なお、第１実施形態の弁機構１０６と同一の構成については、同じ符号を付して説明を省略する。
弁機構１１２は、ボール１０８を支持し、高圧流路５ａの作動流体の高圧側圧力に抗してボール１０８を押圧し、または押圧解除することにより入口ポート３３の遮断または遮断解除を行うばね機構１１４を更に備える。
【００４６】
ばね機構１１４は、ボール１０８に対する押圧力を発生するばね１１６を有し、ばね１１６はボール１０８に当接される筒形状の当接部１１７を介してボール１０８を押圧している。
また、支持部１１０には入口ポート３３及び高圧室３８と気密に区画する収容室１１８が形成され、収容室１１８にはばね１１６及び当接部１１７が収容される。また、収容室１１８には導圧孔１１９がバイパス路１０４に開口され、収容室１１８には作動流体の低圧側圧力が作用しており、すなわち収容室１１８は出口ポート４５と連通されている。
【００４７】
以下、上述した弁機構１１２の作動について、高圧流路５ａの異常高圧開放の場合のみを流体機械１０及びランキン回路４の動作とともに説明する。
＜異常高圧開放＞
高圧流路５aの異常高圧によって、入口ポート３３においてボール１０８に作用する作動流体の高圧側圧力による力Ｆhpが出口ポート４５の作動流体の低圧側圧力Ｆlpとばね１１６の押圧力Ｆsとによる合力よりも大きくなるとき、図４(b)に示されるようにボール１０８が内面３２ａから離間して入口ポート３３の閉塞が解除され、弁機構１０６は矢印で示すように高圧流路５aの作動流体を連通路１０２及びバイパス路１０４に流し、高圧流路５aの圧力が出口ポート４５を介して低圧流路５ｂに開放される。
【００４８】
上述したように、第２実施形態の廃熱利用装置１は、弁機構１１２がばね機構１１４を有し、ばね機構１１４の収容室１１８は出口ポート４５と連通される。これにより、弁機構１１２に連通路１０２とバイパス路１０４とを切り換える切換弁とECUからの信号によらないで機械的に作動する安全弁との両方の機能を持たせることができる。
また、高圧流路５ａの異常高圧開放を入口ポート３３と出口ポート４５、すなわち作動流体の高圧側圧力と低圧側圧力との差圧に基づいて行うことができる（相対圧制御）。従って、当該第２実施形態では、弁機構１１２をECUからの信号によらないで機械的に作動させるとともに、高圧側圧力のみならず、低圧側圧力の変動をも迅速に感知して異常高圧開放の制御応答性を高めることができ、廃熱利用装置１の信頼性を更に向上することができる。
【００４９】
図５(a)，(b)は、第３実施形態に係る流体機械１０を示している。なお、第１及び第２実施形態の流体機械１０と同一の構成については、同じ符号を付して説明を省略する。
流体機械１０の膨張ユニット用ケーシング３２の外面３２ｂには弁ユニット１２０が装着され、弁ユニット１２０は、２つのブロック１２０Ａ，１２０Ｂから構成されている。
ブロック１２０Ａには、循環路５が接続され、循環路５と連通する第１流路１２２が貫通して形成されており、ブロック１２０Ａはブロック１２０Ｂにねじで締結される。
【００５０】
一方、ブロック１２０Ｂには本実施形態の弁機構１２４の収容孔１２６が形成され、収容孔１２６には第２流路１２８が連通され、第１流路１２２と第２流路１２８とはブロック１２０Ａのブロック１２０Ｂへの締結に伴い気密に連通され、換言すると、各流路１２２，１２８は入口ポート３３を形成する。
第２流路１２８からは導圧路１３０が分岐されており、導圧路１３０はブロック１２０Ｂの収容孔１２６が開口される主開口部１３２とは反対側の最内方部１３３に開口されている。更に、収容孔１２６には連通路１０２及びバイパス路１０４が連通されている。
【００５１】
一方、主開口部１３２には電磁弁（駆動源）１３４がそのハウジングによって主開口部１３２を覆うようにして気密にねじ締結されている。
詳しくは、図６(a)，(b)に示されるように、弁機構１２４は、弁体１３６、ばね１３８から構成されている。
弁体１３６は、中空の円筒部１３６ａとヘッド部１３６ｂとを有するピストン形状に形成されたロータリー弁であって、円筒部１３６ａとヘッド部１３６ｂとの間には弁体１３６の径方向に流路１２４ａがL字状をなして貫通され、弁体１３６の流路１２４ａよりもヘッド部１３６ｂ側には弁体１３６の外周に沿ってリング溝１３６ｃが形成される。
【００５２】
電磁弁１３４は、そのハウジング１３５内に駆動軸１４０と、駆動軸１４０に固定される例えば永久磁石からなる回転子１４２と、回転子１４２を囲むようにしてハウジング１３５の内周面に固定される固定子１４４とが収容され、固定子１４４は、ヨークに巻回されたコイルを有し、コイルはECUにリード線を通じて接続されて適宜通電される。
電磁弁１３４のハウジング１３５からは駆動軸１４０と一体成形されたボス１４６が突出され、ボス１４６は収容孔１２６の主開口部１３２に収容され、収容孔１２６の内周面に回動自在に支持されている。
【００５３】
ばね１３８は、一端がボス１４６の底面に押さえられ、他端が円筒部１３６ａの底面に当接され、弁体１３６を収容孔１２６の最内方部１３３に向けて押圧付勢する。
ここで、円筒部１３６ａの外周面とボス１４６の内周面とは、互いに駆動軸１４０の軸線方向に沿う例えばセレーション加工を施した嵌合部１４８によって嵌合されており、これより、ボス１４６と円筒部１３６ａとの間にばね１３８の収容室１３９が形成され、収容室１３９は収容孔１２６を入口ポート３３側と気密に区画する。また、収容室１３９に収容されるばね１３８の押圧方向に沿う弁体１３６の移動と、駆動軸１４０ひいてはボス１４６の回転に伴う弁体１３６の回動との両方が可能となる。
【００５４】
ここで、本実施形態では、収容室１３９には低圧室４４に連通する低圧路１４１が穿孔され、低圧側圧力となる作動流体が流入される。
このように構成される弁機構１２４は、弁体１３６が駆動軸１４０を介して時計回りあるいは反時計回りに９０度の範囲に回動されることにより、流路１２４ａを介して連通路１０２またはバイパス路１０４を切り換えて連通させる。駆動軸１４０は電磁弁１３４によって駆動され、電磁弁１３４はECUによって作動させられる。
【００５５】
以下、上述した弁機構１２４の作動について、流体機械１０及びランキン回路４の動作とともに説明する。
＜通常運転＞
ECUによってランキン回路４が起動されると、図６(a)，(b)に示されるように弁体１３６が連通路１０２のみを連通させる位置に回動されることにより、弁機構１２４は矢印で示すように加熱器８から高圧室３８へ作動流体を流入させ、これより膨張ユニット１２が作動し、駆動軸７２の回転に伴い、発電ユニット１８の回転子９６が回転し、発電ユニット１８が交流電流を生成する。交流電流は負荷２０に供給され、負荷２０によって適当に備蓄又は消費される。
【００５６】
＜高圧保持＞
ECUによってランキン回路４の作動が停止されると、図７(a)，(b)に示されるように弁体１３６が連通路１０２及びバイパス路１０４のどちらも連通させない位置に回動されて第２流路１２８、すなわち入口ポート３３を塞ぎ、弁機構１２４は加熱器８から高圧室３８への作動流体の流入を遮断する。このとき逆止弁７によって加熱器８からポンプ６側への作動流体の逆流は阻止されて高圧流路５aが形成される一方、低圧流路５bが形成される。
【００５７】
また、ランキン回路４の運転中において、ECUにより高圧流路５ａにおける作動流体の圧力低下が検出され、例えば作動流体の圧力が所定の適正圧力（第２の設定圧力）未満となると、図７(a)，(b)に示されるように弁体１３６が入口ポート３３を塞ぎ、作動流体の高圧側圧力が上記適正圧力になるまで高圧流路５ａに蓄圧され、作動流体の高圧側圧力が所定の適正圧力（第３の設定圧力＞第２の設定圧力）以上になると、図６(a)，(b)に示されるように弁体１３６が連通路１０２のみを連通させる位置に回動される。
【００５８】
＜異常高圧開放＞
高圧流路５aの異常高圧によって、導圧路１３０から導圧され、弁体１３６のヘッド部１３６ａに作用する作動流体の高圧側圧力による力Ｆhpが出口ポート４５の作動流体の低圧側圧力Ｆlpとばね１１６の押圧力Ｆsとによる合力よりも大きくなるとき、図８(a)，(b)に示されるように弁体１３６が収容孔１２６の最内方部１３３から離間してばね１３８側に移動されることにより、リング溝１３６ｃが第２流路１２８と連通する位置に位置づけられる。これより、リング溝１３６ｃを介して第２流路１２８すなわち入口ポート３３の遮断が解除され、弁機構１３６は矢印で示すように高圧流路５aの作動流体を連通路１０２及びバイパス路１０４に流し、高圧流路５aの圧力が出口ポート４５を介して低圧流路５ｂに開放される。なお、リング溝１３６ｃのように、弁体１３６の外周に沿って全周に亘り溝を形成するではなく、弁体１３６の外周に沿って所定の範囲にのみ溝を形成すれば、入口ポート３３の遮断が解除されたときの高圧流路５aの作動流体をバイパス路１０４のみに流れるようにすることも可能である。
【００５９】
＜再起動＞
ECUによってランキン回路４が再起動されると、弁体１３６が図７(a) ，(b)に示されるように入口ポート３３を塞ぐ位置から図６(a)，(b)に示されるような連通路１０２を連通させる位置に回動され、高圧流路５aの圧力が連通路１０２に開放される。この開放された作動流体の圧力によって膨張ユニット１２が駆動され、これにより駆動軸７２が回転される。駆動軸７２の回転に伴い、発電ユニット１８の回転子９６が回転し、発電ユニット１８が交流電流を生成する。交流電流は負荷２０に供給され、負荷２０によって適当に備蓄又は消費される。
【００６０】
＜バイパス＞
ランキン回路４の初期起動時にECUによってポンプ６のみを起動させる際に、弁体１３６が図９(a)，(b)に示されるようなバイパス路１０４を連通させる位置に回動され、循環路５における作動流体の通液抵抗が低減され、作動流体の循環量の制御が円滑に行われる。
【００６１】
また、ランキン回路４の完全停止時に弁体１３６がバイパス路１０４を連通させる位置に回動されることで、高圧流路５ａの作動流体を低圧流路５ｂに流すことができるため、循環路５全体の作動流体の圧力を均圧にすることができ、膨張ユニット１２の円滑且つ完全な停止が可能となる。
上述したように、第３実施形態の廃熱利用装置１は、第２実施形態の場合と同様に、高圧流路５ａの異常高圧開放を機械的に、且つ作動流体の高圧側圧力と低圧側圧力との差圧に基づく相対圧制御によって行うことができるため、異常高圧開放の制御応答性を高めることができる。
【００６２】
ここで、本実施形態では、収容室１３９には低圧路１４１を介して低圧側圧力となる作動流体が流入されるが、低圧路１４１の代わりに大気に開放された大気開放路１４８を収容室１３９に連通させ、収容室１３９を大気開放しても良い。
以下、この大気開放路１４８を設けた場合の弁機構１２４の作動について、高圧流路５ａの異常高圧開放の場合のみを流体機械１０及びランキン回路４の動作とともに説明する。
【００６３】
＜異常高圧開放＞
高圧流路５aの異常高圧によって、導圧路１３０から導圧され、弁体１３６のヘッド部１３６ａに作用する作動流体の高圧側圧力による力Ｆhpが大気圧による力Ｆaとばね１１６の押圧力Ｆsとによる合力よりも大きくなるとき、図８(a)，(b)に示されるように弁体１３６が収容孔１２６の最内方部１３３から離間することによりリング溝１３６ｃを介して入口ポート３３の閉塞が解除され、弁機構１３６は矢印で示すように高圧流路５aの作動流体を連通路１０２及びバイパス路１０４、あるいはバイパス路１０４のみに流し、高圧流路５aの圧力が出口ポート４５を介して低圧流路５ｂに開放される。
【００６４】
この場合には、高圧流路５ａの異常高圧開放を入口ポート３３の絶対圧力、すなわち高圧側圧力のみに基づいて行うことができる（絶対圧制御）。従って、入口ポート３３の遮断を解除するための所定の設定圧力を高圧流路５ａ、膨張ユニット１２、ひいては流体機械１０、ランキン回路４の設計上許容される設計最大圧力以下に設定することにより、ランキン回路４、ひいては廃熱利用装置１の機器保護がより一層徹底され、廃熱利用装置１の信頼性を更に向上することができる。
【００６５】
また、ランキン回路４の初期起動時にECUによってポンプ６のみを起動させる際に、異常高圧開放時か否かに拘らず、弁体１３６を図９(a)，(b)に示されるようなバイパス路１０４を連通させる位置に回動することにより、循環路５における作動流体の通液抵抗が低減され、作動流体の循環量の制御を円滑に行うことができて好ましい。
更に、ランキン回路４の完全停止時に弁体１３６がバイパス路１０４を連通させる位置に回動されることで、高圧流路５ａの作動流体を低圧流路５ｂに流すことができるため、循環路５全体の作動流体の圧力を均圧にすることができ、膨張ユニット１２の円滑且つ完全な停止が可能となる。
【００６６】
本発明は上記した各実施形態に限定されることはなく、種々の変形が可能である。
例えば、廃熱利用装置１は、排気ガスの熱を電力に変換するものであったが、エンジン２の冷却水の熱（熱源）を電力に変換するものであってもよい。更に廃熱利用装置１は、車両以外にも適用可能である。
また、膨張ユニット１２と発電ユニット１８とからなる流体機械１０に限らず、発電ユニット１８に代わるモータジェネレータユニット、及びポンプ１６に代わるポンプユニットを備え、これらユニットを膨張ユニット１２と駆動軸７２を共有させた流体機械にも適用可能である。
【００６７】
ここで、高圧流路５ａに高圧保持できない場合には、ランキン回路４の再起動時に外部から電力を供給し、モータジェネレータユニットをモータとして作動させてポンプユニットを起動し、その後に循環路５内の作動流体の圧力が十分に上昇すると、その出力の一部でポンプユニットを運転し、残りの出力で発電ユニット１８の回転子９６を回転させて発電しても良い。
【００６８】
一方、高圧流路５ａに高圧保持できている場合には、高圧作動流体のエネルギーによってポンプユニットの起動が可能となるため、ポンプユニットを起動させる外部電力が不要となり、流体機械の省エネルギー化を実現できる。
更に、流体機械１０に限らず、発電ユニット１８を有しない単なる膨張機、動力伝達装置を介して内燃機関に膨張機出力を伝達する流体機械、その他の構成の流体機械にも適用可能である。
【００６９】
更にまた、弁機構の弁体は電磁弁によって駆動されるが、これに限らず作動流体の圧力や膨張ユニットの出力を利用して弁体を駆動するようにしても良い。
【符号の説明】
【００７０】
１ 廃熱利用装置
４ ランキン回路（冷媒回路）
５ 循環路
５ａ 高圧流路
５ｂ 低圧流路
１０ 流体機械
１２ 膨張ユニット
２２ スクロールユニット（駆動部）
３３ 入口ポート
４５ 出口ポート
１０２ 連通路
１０４ バイパス路
１０６，１１２，１２４ 弁機構
１０８ ボール（弁体）
１１４ ばね機構
１１６，１３８ ばね
１１８，１３９ 収容室
１３４ 電磁弁（駆動源）
１３６ 弁体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体機械、当該流体機械を用いた冷媒回路及び廃熱利用装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の廃熱利用装置は、熱源の廃熱により高圧にされた作動流体を膨張させて駆動力を発生する膨張機が作動流体の循環路に介挿されたランキン回路を備え、ランキン回路は、循環路に、膨張機の入口ポート側の作動流体の高圧側圧力が作用する高圧流路と、膨張機の出口ポート側の作動流体の低圧側圧力が作用する低圧流路と、ランキン回路の運転停止時に高圧流路の圧力を保持する圧力保持手段とを有している。
【０００３】
そして、高圧流路に蓄圧するための開閉弁（遮断弁）、高圧流路の圧力調整を行う制御弁（圧力調整弁）、高圧流路の異常高圧を開放するためのリリーフ弁（バイパス弁）の３つの弁を循環路に配し、これらの各弁を制御することにより、ランキン回路の運転停止時における高圧流路の異常高圧を防止しつつ、ランキン回路の起動性を向上する技術が開示されている（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
また、作動流体の高圧部、作動流体の低圧部、駆動部、高圧部と低圧部とをバイパスして直接に連通する連通路、連通路を開閉する開閉手段（バイパス弁）が配設された膨張機が知られている（例えば特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−９８９７号公報
【特許文献２】特開２００７−２３１８５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１では、循環路に３つの弁（遮断弁、圧力調整弁、バイパス弁）を配して構成されるため、ランキン回路の回路構成が複雑になる。
そこで、これら３つの弁を上記特許文献２に記載された開閉手段（バイパス弁）の如く膨張機内に配設することが考えられるが、これでは膨張機の構成が複雑になり、いずれにせよ、膨張機、ランキン回路、ひいては廃熱利用装置の小型化及びコスト低減を実現することができないとの問題がある。
【０００７】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、ランキン回路の異常高圧防止及び起動性向上を図りながら、ランキン回路、ひいては装置の小型化及びコスト低減を実現することができる流体機械、当該流体機械を用いた冷媒回路及び廃熱利用装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するべく、本発明によれば、入口ポートから流入される作動流体により駆動され、作動流体を出口ポートに吐出する駆動部と、入口ポートから流入される作動流体を駆動部に流入させる連通路と、入口ポートから流入される作動流体を駆動部を迂回して出口ポートに導くバイパス路と、入口ポートからの作動流体の流入の遮断または遮断解除を行うとともに、連通路とバイパス路とを切り換える弁機構とをハウジング内に備える流体機械が提供される（請求項１）。
【０００９】
また、本発明によれば、作動流体を循環させるための循環路に請求項１に記載の流体機械を備える冷媒回路が提供される（請求項２）。
更に、本発明によれば、請求項２記載の冷媒回路として、流体機械のハウジング内に収容され、熱源の廃熱により高圧にされた作動流体を駆動部で膨張させて駆動力を発生する膨張ユニットを循環路に介挿したランキン回路を備え、ランキン回路は、入口ポートに接続され、循環路を循環する作動流体の高圧側圧力が作用する高圧流路と、出口ポートに接続され、循環路を循環する作動流体の低圧側圧力が作用する低圧流路と、高圧流路の圧力を保持する圧力保持手段とを有し、弁機構は、圧力保持手段の作動時に入口ポートからの作動流体の流入を遮断し、高圧流路の圧力が所定の第１の設定圧力以上となるとき入口ポートからの作動流体の流入の遮断を解除するとともにバイパス路または連通路を連通させる廃熱利用装置が提供される（請求項３）。
【００１０】
好ましくは、弁機構は、ランキン回路の運転時には連通路を連通させ、ランキン回路の停止時に圧力保持手段を作動させて入口ポートからの作動流体の流入を遮断し、高圧流路の圧力が所定の第１の設定圧力以上となるとき入口ポートからの作動流体の流入の遮断を解除するとともにバイパス路または連通路を連通させ、ランキン回路の停止後の再起動時に連通路を連通させる（請求項４）。
【００１１】
好ましくは、弁機構は、弁機構は、ランキン回路の運転時には連通路を連通させ、高圧流路の圧力が所定の第２の設定圧力未満となるときランキン回路の運転中に圧力保持手段を作動させて入口ポートからの作動流体の流入を遮断し、高圧流路の圧力が所定の第３の設定圧力以上となるとき入口ポートからの作動流体の流入の遮断を解除するとともに連通路を連通させる（請求項５）。
【００１２】
好ましくは、弁機構は、高圧流路の圧力が所定の第１の設定圧力以上となるときバイパス路のみを連通させて入口ポートからの作動流体の流入の遮断を解除する（請求項６）。
好ましくは、弁機構は、連通路とバイパス路とを切り換えて連通させるとともに入口ポートの高圧側圧力が作用する弁体と、弁体を支持し、高圧側圧力に抗して弁体を押圧または押圧解除することにより入口ポートからの作動流体の流入の遮断または遮断解除を行うばね機構とからなる（請求項７）。
【００１３】
好ましくは、ばね機構は、弁体を押圧するばねと、ばねが収容されるとともに入口ポートと気密に区画される収容室とからなる（請求項８）。
好ましくは、収容室は出口ポートと連通され、ばね機構は、入口ポートの高圧側圧力によって弁体に作用する力が出口ポートの低圧側圧力とばねの押圧力とによる合力よりも大きくなるとき、バイパス路を連通させて入口ポートからの作動流体の流入の遮断を解除する（請求項９）。
【００１４】
好ましくは、収容室は大気開放され、ばね機構は、入口ポートの高圧側圧力によって弁体に作用する力が大気圧とばねの押圧力とによる合力よりも大きくなるとき、バイパス路を連通させて入口ポートからの作動流体の流入の遮断を解除する（請求項１０）。
好ましくは、弁体はボール弁またはロータリ弁であって、所定の駆動源により回転駆動される（請求項１１）。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の請求項１の流体機械は、入口ポートからの作動流体の流入の遮断または遮断解除を行うとともに、連通路とバイパス路とを切り換えて連通させる弁機構をハウジング内に備え、１つの流体機械が多機能な弁機構を有するため、簡単な構成を有する。
本発明の請求項２の冷媒回路は、作動流体を循環させるための循環路に請求項１に記載の流体機械を備え、冷媒回路に作動流体の流入の遮断または遮断解除を行う弁や、連通路とバイパス路とを切り換える弁を設ける必要がないため、簡単な構成を有する。
【００１６】
本発明の請求項３の廃熱利用装置は、弁機構は、圧力保持手段の作動時に入口ポートからの作動流体の流入を遮断する一方、高圧流路の圧力が所定の設定圧力以上となるとき入口ポートからの作動流体の流入を遮断を解除するとともにバイパス路または連通路を連通させる。これにより、流体機械に、高圧流路に蓄圧するための遮断弁、高圧流路の異常高圧を防止して圧力調整するための圧力調整弁、ランキン回路の異常高圧時に作動流体の異常高圧を開放するためのバイパス弁の３つの機能を集約した１つの弁機構を設けることができるため、ランキン回路の異常高圧防止及び起動性向上を図りながら、ランキン回路、ひいては廃熱利用装置の小型化及びコスト低減を実現することができる。
【００１７】
請求項４の廃熱利用装置では、弁機構は、ランキン回路の運転時には連通路を連通させ、ランキン回路の停止時に圧力保持手段を作動させて入口ポートからの作動流体の流入を遮断し、高圧流路の圧力が所定の第１の設定圧力以上となるとき入口ポートからの作動流体の流入の遮断を解除するとともにバイパス路または連通路を連通させ、ランキン回路の停止後の再起動時に連通路を連通させる。これにより、ランキン回路の異常高圧を防止しつつ、ランキン回路の停止時に高圧流路に蓄圧し、ランキン回路の再起動時に高圧流路に蓄圧された作動流体の圧力を利用してランキン回路を起動することができる。
【００１８】
請求項５の廃熱利用装置では、弁機構は、ランキン回路の運転時には連通路を連通させ、高圧流路の圧力が所定の第２の設定圧力未満となるときランキン回路の運転中に圧力保持手段を作動させて入口ポートからの作動流体の流入を遮断し、高圧流路の圧力が所定の第３の設定圧力以上となるとき入口ポートからの作動流体の流入の遮断を解除するとともに連通路を連通させる。これにより、作動流体の高圧側圧力が適正圧力になるまで高圧流路に蓄圧され、作動流体の高圧側圧力が適正圧力になると連通路が連通されるため、ランキン回路を循環する作動流体の高圧側圧力を適正に保持することができる。
【００１９】
請求項６の廃熱利用装置では、弁機構は、バイパス路のみを連通させて入口ポートの遮断を解除するため、連通路に異常高圧の作動流体が流入し、駆動部が高速駆動されて生じる焼き付きを防止できるため、膨張ユニット、ランキン回路、ひいては廃熱利用装置の機器保護が徹底され、廃熱利用装置の信頼性を向上することができる。
請求項７の廃熱利用装置は、弁機構は、連通路とバイパス路とを切り換えて連通させるとともに入口ポートの高圧側圧力が作用する弁体と、弁体を支持し、高圧側圧力に抗して弁体を押圧または押圧解除することにより入口ポートからの作動流体の流入の遮断または遮断解除を行うばね機構とからなるため、簡単な構成を有する。また、入口ポートの遮断解除を機械的に行うことができるため、迅速な異常高圧開放が可能であり、廃熱利用装置の信頼性を更に向上することができる。
【００２０】
請求項８の廃熱利用装置は、ばね機構は、弁体を押圧するばねと、ばねが収容されるとともに入口ポートと気密に区画される収容室とからなるため、簡単な構成を有する。
請求項９の廃熱利用装置では、収容室は出口ポートと連通され、ばね機構は、入口ポートの高圧側圧力によって弁体に作用する力が出口ポートの低圧側圧力とばねの押圧力とによる合力よりも大きくなるとき、バイパス路を連通させて入口ポートからの作動流体の流入の遮断を解除する。これにより、高圧流路の異常高圧開放を入口ポートと出口ポート、すなわち作動流体の高圧側圧力と低圧側圧力との差圧に基づいて行うことができるため（相対圧制御）、高圧側圧力のみならず、低圧側圧力の変動をも迅速に感知して異常高圧開放の制御性を高めることができ、廃熱利用装置の信頼性を更に向上することができる。
【００２１】
請求項１０の廃熱利用装置では、収容室は大気開放され、ばね機構は、入口ポートの高圧側圧力によって弁体に作用する力が大気圧とばねの押圧力とによる合力よりも大きくなるとき、バイパス路を連通させて入口ポートからの作動流体の流入の遮断を解除する。これにより、高圧流路の異常高圧開放を入口ポートの絶対圧力、すなわち高圧側圧力のみに基づいて行うことができるため（絶対圧制御）、入口ポートの遮断を解除するための所定の設定圧力を流体機械、高圧流路、ひいてはランキン回路の設計上許容される設計最大圧力以下に設定することにより、膨張ユニット、ランキン回路、ひいては廃熱利用装置の機器保護がより一層徹底され、廃熱利用装置の信頼性を更に向上することができる。
【００２２】
請求項１１の廃熱利用装置では、具体的には弁体はボール弁またはロータリ弁であって、所定の駆動源により回転駆動される。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】第１実施形態に係る車両の廃熱利用装置の構成を概略的に示す図である。
【図２】図１の装置に適用された流体機械の概略的な縦断面図である。
【図３】(a)図２の弁機構のランキン回路の高圧保持時における作動状態を示す縦断面図、(b)図２の弁機構のランキン回路の異常高圧開放時における作動状態を示す縦断面図である。
【図４】(a)第２実施形態に係る弁機構のランキン回路の高圧保持時における作動状態を示す縦断面図、(b)第２実施形態に係る弁機構のランキン回路の異常高圧開放時における作動状態を示す縦断面図である。
【図５】(a)第３実施形態に係る流体機械の概略的な縦断面図、(b)図５(a)をＡ方向から見た流体機械の概略的な側面図である。
【図６】(a)図５の弁機構のランキン回路の通常運転時における作動状態を示す縦断面図、(b)図６(a)をＢ-Ｂ方向から見た弁機構の概略的な横断面図である。
【図７】(a)図５の弁機構のランキン回路の高圧保持時における作動状態を示す縦断面図、(b)図７(a)をＢ-Ｂ方向から見た弁機構の概略的な横断面図である。
【図８】(a)図５の弁機構のランキン回路の異常高圧開放時における作動状態を示す縦断面図、(b)図８(a)をＢ-Ｂ方向から見た弁機構の概略的な横断面図である。
【図９】(a)図５の弁機構のランキン回路のバイパス時における作動状態を示す縦断面図、(b)図９(a)をＢ-Ｂ方向から見た弁機構の概略的な横断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図１は、第１実施形態に係る車両の廃熱利用装置１を示し、装置１は、例えば、車両のエンジン（内燃機関）２から排出される排気ガスの熱を回収する。そのために装置１はランキン回路４を備え、ランキン回路４は、作動流体（熱媒体）が循環する循環路５を有する。循環路５は、例えば管やパイプによって構成される。
循環路５には、作動流体を流動させるべくポンプ６が介挿され、更に、作動流体が流動する方向でみてポンプ６の下流には、逆止弁７、加熱器８、流体機械１０の膨張ユニット１２、及び凝縮器１４が順次介挿されている。すなわち、ポンプ６は、凝縮器１４側にて作動流体を吸入し、吸入した作動流体を昇圧してから加熱器８に向けて吐出する。ポンプ６から吐出された作動流体は、低温高圧の液状態である。
【００２５】
加熱器８は熱交換器であって、循環路５の一部を構成する低温の流路８aと、流路８aとの間で熱交換可能な高温の流路８bとを有する。流路８bは、例えばエンジン２から延びる排気管１６に介挿されている。従って加熱器８を通過するとき、低温高圧の液状態の作動流体は、エンジン２で発生した排気ガス（熱源）の熱を受け取る。これによって作動流体は加熱され、高温高圧の過熱蒸気状態となる。
【００２６】
流体機械１０の膨張ユニット１２は、過熱蒸気状態となった作動流体を膨張させ、これにより作動流体は、高温低圧の過熱蒸気状態になる。
凝縮器１４は放熱器であり、膨張ユニット１２から流出した作動流体を外気との熱交換によって凝縮させ、低温低圧の液状態にする。具体的には、凝縮器１４の近傍には電動ファン（図示せず）が配置され、車両前方からの風や電動ファンからの風によって作動流体は冷却される。凝縮器１４で冷却された作動流体は、再びポンプ６に吸入され、循環路５を循環する。
【００２７】
ここで、前述した膨張ユニット１２は、作動流体を膨張させるのみならず、作動流体の熱エネルギーをトルク（回転力）に変換して出力可能である。膨張ユニット１２から出力されるトルクを利用可能なように、膨張ユニット１２には発電ユニット１８が連結されている。発電ユニット１８には、発生した電力を使用又は蓄電する、例えばバッテリー等の電気的な負荷２０が適当に接続されている。
【００２８】
詳しくは、図２に示されるように、流体機械１０は、膨張ユニット１２、発電ユニット１８が直列に連結されて構成されている。
膨張ユニット１２は、例えばスクロールユニット２２を駆動部としたスクロール式の膨張機である。膨張ユニット１２のカップ状のケーシング３２（膨張ユニット用ケーシング）の開口は、仕切り壁３４によって略覆われているが、仕切り壁３４の中央には貫通孔が形成されている。
【００２９】
膨張ユニット用ケーシング３２内には、固定スクロール３６が固定され、固定スクロール３６の背面側には高圧室３８が区画されている。高圧室３８は、膨張ユニット用ケーシング３２に形成された入口ポート３３及び入口ポート３３に接続された循環路５の一部を介して加熱器８と連通している。
固定スクロール３６の正面側には、可動スクロール４０が噛み合うように配置されている。固定スクロール３６と可動スクロール４０との間には、作動流体を膨張させる膨張室４２が区画され、可動スクロール４０の周囲は、膨張した作動流体を受け入れる低圧室４４として区画されている。固定スクロール３６の基板の略中央には、導入孔４６が貫通して形成され、この導入孔４６を通じて固定及び可動スクロール３６，４０の径方向中央に位置する膨張室４２と高圧室３８とが連通する。
【００３０】
径方向中央の膨張室４２内で作動流体が膨張すると、膨張室４２の容積が増大し且つ膨張室４２が固定及び可動スクロール３６，４０の渦巻壁に沿って径方向外側に移動する。そして、膨張室４２は、最終的には低圧室４４と連通し、膨張した作動流体が低圧室４４に流入する。低圧室４４は、出口ポート４５及び当該出口ポート４５に接続された循環路５の一部を通じて、凝縮器１４と連通している。
【００３１】
かかる作動流体の膨張に伴い、可動スクロール４０は固定スクロール３６に対して旋回運動させられるが、この旋回運動は旋回機構によって回転運動に変換される。
すなわち、可動スクロール４０の基板の背面にはボスが一体に形成され、ボス内には、ニードルベアリング４８を介して偏心ブッシュ５０が相対回転可能に配置されている。偏心ブッシュ５０にはクランクピン５２が挿通され、クランクピン５２は円盤形状のディスク５４から偏心して突出している。ディスク５４におけるクランクピン５２とは反対側からは同軸にて軸部５６が一体に突出し、軸部５６は、ボールベアリング等のラジアルベアリング５８を介して、仕切り壁３４によって回転可能に支持されている。すなわち、可動スクロール４０の旋回運動は、軸部５６の回転運動に変換される。
【００３２】
なお、旋回機構は、旋回運動中の可動スクロール４０の自転を阻止するとともにスラスト圧を受けるために、例えばボールカップリング６０を有し、ボールカップリング６０は、可動スクロール４０の基板の外周部と、当該外周部と対向する仕切り壁３４の部分との間に配置される。
発電ユニット１８の円筒状のケーシング（発電ユニット用ケーシング）９３は、仕切り壁３４に当接され、膨張ユニット用ケーシング３２、仕切り壁３４、発電ユニット用ケーシング９３は、相互に連結されることにより、流体機械１０のための一つのハウジングを構成している。
【００３３】
発電ユニット１８の駆動軸７２の一端は軸部５６と一体に形成され、仕切り壁３４の貫通孔まで達しており、ラジアルベアリング５８を介して、仕切り壁３４により回転自在に支持される。一方、駆動軸７２の他端は膨張ユニット用ケーシング３２の底部に固定されるラジアルベアリング７４を介して回転自在に支持されており、これより軸部５６と駆動軸７２との間の動力伝達が許容され、軸部５６と駆動軸７２とが一体に回転する。
【００３４】
発電ユニット用ケーシング９３内を延びる駆動軸７２の部分には、回転子９６が固定され、回転子９６は例えば永久磁石からなる。従って、回転子９６は、軸部５６と同軸上に配置されている。
発電ユニット用ケーシング９３の内周面には、回転子９６を囲むようにステータが固定され、ステータは、ヨーク９８と、ヨーク９８に巻回された例えば３組のコイル１００とを有する。
【００３５】
コイル１００は、回転子９６の回転に伴い、３相の交流電流を発生するように配線され、発生した交流電流は、図示しないリード線を通じて、外部の負荷２０に供給される。
なお、発電ユニット１８は、電動機としての機能を有さないため、ヨーク９８の形状やコイル１００の巻数等は、発電効率が高くなるように構成される。
このように構成される流体機械１０は、そのハウジング内に、入口ポート３３と膨張ユニット１２とを高圧室３８及び導入孔４６を介して連通させる連通路１０２と、膨張ユニット１２を迂回して入口ポート３３から流入される作動流体を出口ポート４５に導くバイパス路１０４と、連通路１０２とバイパス路１０４とを切り換えて連通させる弁機構１０６とを備えている。
【００３６】
詳しくは、弁機構１０６は、例えばボール弁であって、弁体であるボール１０８を備え、ボール１０８は、固定スクロール４０を支持する支持部１１０と、入口ポート３３が形成される膨張ユニット用ケーシング３２の内面３２ａとに、弁シートなどを介して回動自在に且つ気密に支持される。
ボール１０８には作動流体の流路１０８ａがＬ字状をなして貫通され、ボール１０８を弁機構１０６の図示しない駆動軸によって回動させることにより、弁機構１０６は流路１０８ａを介して連通路１０２またはバイパス路１０４を切り換えて連通させる。当該駆動軸は、例えば、図示しない電磁弁（駆動源）によって駆動され、電磁弁は装置１を総合的に制御する図示しないECU（電子制御装置）によって作動させられる。
【００３７】
以下、上述した弁機構１０６の作動について、流体機械１０及びランキン回路４の動作とともに説明する。
＜通常運転＞
ECUによってランキン回路４が起動されると、図２に示されるようにボール１０８が連通路１０２のみを連通させる位置に回動されることにより、弁機構１０６は矢印で示すように加熱器８から高圧室３８へ作動流体を流入させ、これより膨張ユニット１２が作動し、軸部５６と駆動軸７２とが一体に回転する。
【００３８】
そして、駆動軸７２の回転に伴い、発電ユニット１８の回転子９６が回転し、発電ユニット１８が交流電流を生成する。交流電流は負荷２０に供給され、負荷２０によって適当に備蓄又は消費される。
＜高圧保持＞
ECUによってランキン回路４の作動が停止されると、図３(a)に示されるようにボール１０８が連通路１０２及びバイパス路１０４のどちらも連通させない位置に回動されて入口ポート３３を塞ぎ、弁機構１０６は加熱器８から高圧室３８への作動流体の流入を遮断する。このとき逆止弁７によって加熱器８からポンプ６側への作動流体の逆流は阻止されるため、循環路５には、逆止弁７から流路８aを経て膨張ユニット１２に至る範囲において、作動流体の高圧側圧力が蓄圧される高圧流路５aが形成される(圧力保持手段)。一方、出口ポート４５から凝縮器１４を経て逆止弁７に至る循環路５の範囲には、作動流体の低圧側圧力が作用する低圧流路５bが形成される。
【００３９】
また、ランキン回路４の運転中において、ECUにより高圧流路５ａにおける作動流体の圧力低下が検出され、例えば作動流体の圧力が所定の適正圧力（第２の設定圧力）未満となると、図３(a)に示されるようにボール１０８が入口ポート３３を塞ぎ、作動流体の高圧側圧力が上記適正圧力になるまで高圧流路５ａに蓄圧され、作動流体の高圧側圧力が所定の適正圧力（第３の設定圧力）以上になると、図２に示されるようにボール１０８が連通路１０２のみを連通させる位置に回動される。なお、連通路１０２が連通される作動流体の圧力は、高圧流路５ａへ蓄圧される圧力以上に設定され、このように蓄圧と連通路１０２連通との間の設定圧力に不感帯となるヒステリシスを設けることにより、弁機構１０６のハンチング動作を好適に防止することができる。
【００４０】
＜異常高圧開放＞
ランキン回路４の運転停止時または運転中の高圧保持状態において、ECUによって高圧流路５ａの圧力が所定の設定圧力（第１の設定圧力）以上となって異常高圧が検出されると、図３(b)に示されるようにボール１０８がバイパス路１０４を連通させる位置に回動されて入口ポート３３の閉塞が解除され、弁機構１０６は矢印で示すように高圧流路５aの作動流体をバイパス路１０４に流し、高圧流路５aの圧力が出口ポート４５を介して低圧流路５ｂに開放される。なお、上記所定の設定圧力は＜高圧保持＞において設定される各適正圧力の設定圧力よりも大きく設定される。
【００４１】
＜再起動＞
ランキン回路４の運転停止時における高圧保持状態から、ECUによってランキン回路４が再起動されると、ボール１０８が図３(a)に示されるようにボール１０８が入口ポート３３を塞ぐ位置から図２に示されるような連通路１０２を連通させる位置に回動され、高圧流路５aの圧力が連通路１０２に開放される。この開放された作動流体の圧力によって膨張ユニット１２が駆動され、これにより駆動軸７２が回転される。駆動軸７２の回転に伴い、発電ユニット１８の回転子９６が回転し、発電ユニット１８が交流電流を生成する。交流電流は負荷２０に供給され、負荷２０によって適当に備蓄又は消費される。
【００４２】
上述したように、第１実施形態の廃熱利用装置１は、ランキン回路４の停止時に高圧流路５ａに蓄圧するための遮断弁、高圧流路５ａの異常高圧を防止して圧力調整するための圧力調整弁、高圧流路５ａの異常高圧を開放するためのバイパス弁の３つの弁の機能を有する１つの弁機構１０６が流体機械１０に設けられる。これにより、ランキン回路４の異常高圧防止及び起動性向上を図りながら、流体機械１０、ランキン回路４、ひいては廃熱利用装置１の小型化及びコスト低減を実現することができる。
【００４３】
また、ランキン回路の異常高圧を防止しつつ、ランキン回路４の停止時に高圧流路５ａに蓄圧し、ランキン回路４の再起動時に高圧流路４に蓄圧された作動流体の圧力を利用してランキン回路４を起動することができ、ランキン回路の起動性を向上することができる。
更に、作動流体の高圧側圧力が適正圧力になるまで高圧流路５ａに蓄圧され、作動流体の高圧側圧力が適正圧力になると連通路１０２が連通されるため、ランキン回路４を循環する作動流体の高圧側圧力を適正に保持することができる。
【００４４】
更にまた、弁機構１０６は、バイパス路１０４を連通させて入口ポート３３から流入される作動流体の遮断を解除することにより、連通路１０２に異常高圧の作動流体が流入し、スクロールユニット２２が高速駆動されて生じる焼き付きを防止できるため、膨張ユニット１２、ランキン回路４、ひいては廃熱利用装置１の機器保護が徹底され、廃熱利用装置１の信頼性を向上することができる。
【００４５】
図４(a)，(b)は、第２実施形態に係る弁機構１１２の概略構成を示している。なお、第１実施形態の弁機構１０６と同一の構成については、同じ符号を付して説明を省略する。
弁機構１１２は、ボール１０８を支持し、高圧流路５ａの作動流体の高圧側圧力に抗してボール１０８を押圧し、または押圧解除することにより入口ポート３３の遮断または遮断解除を行うばね機構１１４を更に備える。
【００４６】
ばね機構１１４は、ボール１０８に対する押圧力を発生するばね１１６を有し、ばね１１６はボール１０８に当接される筒形状の当接部１１７を介してボール１０８を押圧している。
また、支持部１１０には入口ポート３３及び高圧室３８と気密に区画する収容室１１８が形成され、収容室１１８にはばね１１６及び当接部１１７が収容される。また、収容室１１８には導圧孔１１９がバイパス路１０４に開口され、収容室１１８には作動流体の低圧側圧力が作用しており、すなわち収容室１１８は出口ポート４５と連通されている。
【００４７】
以下、上述した弁機構１１２の作動について、高圧流路５ａの異常高圧開放の場合のみを流体機械１０及びランキン回路４の動作とともに説明する。
＜異常高圧開放＞
高圧流路５aの異常高圧によって、入口ポート３３においてボール１０８に作用する作動流体の高圧側圧力による力Ｆhpが出口ポート４５の作動流体の低圧側圧力Ｆlpとばね１１６の押圧力Ｆsとによる合力よりも大きくなるとき、図４(b)に示されるようにボール１０８が内面３２ａから離間して入口ポート３３の閉塞が解除され、弁機構１０６は矢印で示すように高圧流路５aの作動流体を連通路１０２及びバイパス路１０４に流し、高圧流路５aの圧力が出口ポート４５を介して低圧流路５ｂに開放される。
【００４８】
上述したように、第２実施形態の廃熱利用装置１は、弁機構１１２がばね機構１１４を有し、ばね機構１１４の収容室１１８は出口ポート４５と連通される。これにより、弁機構１１２に連通路１０２とバイパス路１０４とを切り換える切換弁とECUからの信号によらないで機械的に作動する安全弁との両方の機能を持たせることができる。
また、高圧流路５ａの異常高圧開放を入口ポート３３と出口ポート４５、すなわち作動流体の高圧側圧力と低圧側圧力との差圧に基づいて行うことができる（相対圧制御）。従って、当該第２実施形態では、弁機構１１２をECUからの信号によらないで機械的に作動させるとともに、高圧側圧力のみならず、低圧側圧力の変動をも迅速に感知して異常高圧開放の制御応答性を高めることができ、廃熱利用装置１の信頼性を更に向上することができる。
【００４９】
図５(a)，(b)は、第３実施形態に係る流体機械１０を示している。なお、第１及び第２実施形態の流体機械１０と同一の構成については、同じ符号を付して説明を省略する。
流体機械１０の膨張ユニット用ケーシング３２の外面３２ｂには弁ユニット１２０が装着され、弁ユニット１２０は、２つのブロック１２０Ａ，１２０Ｂから構成されている。
ブロック１２０Ａには、循環路５が接続され、循環路５と連通する第１流路１２２が貫通して形成されており、ブロック１２０Ａはブロック１２０Ｂにねじで締結される。
【００５０】
一方、ブロック１２０Ｂには本実施形態の弁機構１２４の収容孔１２６が形成され、収容孔１２６には第２流路１２８が連通され、第１流路１２２と第２流路１２８とはブロック１２０Ａのブロック１２０Ｂへの締結に伴い気密に連通され、換言すると、各流路１２２，１２８は入口ポート３３を形成する。
第２流路１２８からは導圧路１３０が分岐されており、導圧路１３０はブロック１２０Ｂの収容孔１２６が開口される主開口部１３２とは反対側の最内方部１３３に開口されている。更に、収容孔１２６には連通路１０２及びバイパス路１０４が連通されている。
【００５１】
一方、主開口部１３２には電磁弁（駆動源）１３４がそのハウジングによって主開口部１３２を覆うようにして気密にねじ締結されている。
詳しくは、図６(a)，(b)に示されるように、弁機構１２４は、弁体１３６、ばね１３８から構成されている。
弁体１３６は、中空の円筒部１３６ａとヘッド部１３６ｂとを有するピストン形状に形成されたロータリー弁であって、円筒部１３６ａとヘッド部１３６ｂとの間には弁体１３６の径方向に流路１２４ａがL字状をなして貫通され、弁体１３６の流路１２４ａよりもヘッド部１３６ｂ側には弁体１３６の外周に沿ってリング溝１３６ｃが形成される。
【００５２】
電磁弁１３４は、そのハウジング１３５内に駆動軸１４０と、駆動軸１４０に固定される例えば永久磁石からなる回転子１４２と、回転子１４２を囲むようにしてハウジング１３５の内周面に固定される固定子１４４とが収容され、固定子１４４は、ヨークに巻回されたコイルを有し、コイルはECUにリード線を通じて接続されて適宜通電される。
電磁弁１３４のハウジング１３５からは駆動軸１４０と一体成形されたボス１４６が突出され、ボス１４６は収容孔１２６の主開口部１３２に収容され、収容孔１２６の内周面に回動自在に支持されている。
【００５３】
ばね１３８は、一端がボス１４６の底面に押さえられ、他端が円筒部１３６ａの底面に当接され、弁体１３６を収容孔１２６の最内方部１３３に向けて押圧付勢する。
ここで、円筒部１３６ａの外周面とボス１４６の内周面とは、互いに駆動軸１４０の軸線方向に沿う例えばセレーション加工を施した嵌合部１４８によって嵌合されており、これより、ボス１４６と円筒部１３６ａとの間にばね１３８の収容室１３９が形成され、収容室１３９は収容孔１２６を入口ポート３３側と気密に区画する。また、収容室１３９に収容されるばね１３８の押圧方向に沿う弁体１３６の移動と、駆動軸１４０ひいてはボス１４６の回転に伴う弁体１３６の回動との両方が可能となる。
【００５４】
ここで、本実施形態では、収容室１３９には低圧室４４に連通する低圧路１４１が穿孔され、低圧側圧力となる作動流体が流入される。
このように構成される弁機構１２４は、弁体１３６が駆動軸１４０を介して時計回りあるいは反時計回りに９０度の範囲に回動されることにより、流路１２４ａを介して連通路１０２またはバイパス路１０４を切り換えて連通させる。駆動軸１４０は電磁弁１３４によって駆動され、電磁弁１３４はECUによって作動させられる。
【００５５】
以下、上述した弁機構１２４の作動について、流体機械１０及びランキン回路４の動作とともに説明する。
＜通常運転＞
ECUによってランキン回路４が起動されると、図６(a)，(b)に示されるように弁体１３６が連通路１０２のみを連通させる位置に回動されることにより、弁機構１２４は矢印で示すように加熱器８から高圧室３８へ作動流体を流入させ、これより膨張ユニット１２が作動し、駆動軸７２の回転に伴い、発電ユニット１８の回転子９６が回転し、発電ユニット１８が交流電流を生成する。交流電流は負荷２０に供給され、負荷２０によって適当に備蓄又は消費される。
【００５６】
＜高圧保持＞
ECUによってランキン回路４の作動が停止されると、図７(a)，(b)に示されるように弁体１３６が連通路１０２及びバイパス路１０４のどちらも連通させない位置に回動されて第２流路１２８、すなわち入口ポート３３を塞ぎ、弁機構１２４は加熱器８から高圧室３８への作動流体の流入を遮断する。このとき逆止弁７によって加熱器８からポンプ６側への作動流体の逆流は阻止されて高圧流路５aが形成される一方、低圧流路５bが形成される。
【００５７】
また、ランキン回路４の運転中において、ECUにより高圧流路５ａにおける作動流体の圧力低下が検出され、例えば作動流体の圧力が所定の適正圧力（第２の設定圧力）未満となると、図７(a)，(b)に示されるように弁体１３６が入口ポート３３を塞ぎ、作動流体の高圧側圧力が上記適正圧力になるまで高圧流路５ａに蓄圧され、作動流体の高圧側圧力が所定の適正圧力（第３の設定圧力＞第２の設定圧力）以上になると、図６(a)，(b)に示されるように弁体１３６が連通路１０２のみを連通させる位置に回動される。
【００５８】
＜異常高圧開放＞
高圧流路５aの異常高圧によって、導圧路１３０から導圧され、弁体１３６のヘッド部１３６ａに作用する作動流体の高圧側圧力による力Ｆhpが出口ポート４５の作動流体の低圧側圧力Ｆlpとばね１１６の押圧力Ｆsとによる合力よりも大きくなるとき、図８(a)，(b)に示されるように弁体１３６が収容孔１２６の最内方部１３３から離間してばね１３８側に移動されることにより、リング溝１３６ｃが第２流路１２８と連通する位置に位置づけられる。これより、リング溝１３６ｃを介して第２流路１２８すなわち入口ポート３３の遮断が解除され、弁機構１３６は矢印で示すように高圧流路５aの作動流体を連通路１０２及びバイパス路１０４に流し、高圧流路５aの圧力が出口ポート４５を介して低圧流路５ｂに開放される。なお、リング溝１３６ｃのように、弁体１３６の外周に沿って全周に亘り溝を形成するではなく、弁体１３６の外周に沿って所定の範囲にのみ溝を形成すれば、入口ポート３３の遮断が解除されたときの高圧流路５aの作動流体をバイパス路１０４のみに流れるようにすることも可能である。
【００５９】
＜再起動＞
ECUによってランキン回路４が再起動されると、弁体１３６が図７(a) ，(b)に示されるように入口ポート３３を塞ぐ位置から図６(a)，(b)に示されるような連通路１０２を連通させる位置に回動され、高圧流路５aの圧力が連通路１０２に開放される。この開放された作動流体の圧力によって膨張ユニット１２が駆動され、これにより駆動軸７２が回転される。駆動軸７２の回転に伴い、発電ユニット１８の回転子９６が回転し、発電ユニット１８が交流電流を生成する。交流電流は負荷２０に供給され、負荷２０によって適当に備蓄又は消費される。
【００６０】
＜バイパス＞
ランキン回路４の初期起動時にECUによってポンプ６のみを起動させる際に、弁体１３６が図９(a)，(b)に示されるようなバイパス路１０４を連通させる位置に回動され、循環路５における作動流体の通液抵抗が低減され、作動流体の循環量の制御が円滑に行われる。
【００６１】
また、ランキン回路４の完全停止時に弁体１３６がバイパス路１０４を連通させる位置に回動されることで、高圧流路５ａの作動流体を低圧流路５ｂに流すことができるため、循環路５全体の作動流体の圧力を均圧にすることができ、膨張ユニット１２の円滑且つ完全な停止が可能となる。
上述したように、第３実施形態の廃熱利用装置１は、第２実施形態の場合と同様に、高圧流路５ａの異常高圧開放を機械的に、且つ作動流体の高圧側圧力と低圧側圧力との差圧に基づく相対圧制御によって行うことができるため、異常高圧開放の制御応答性を高めることができる。
【００６２】
ここで、本実施形態では、収容室１３９には低圧路１４１を介して低圧側圧力となる作動流体が流入されるが、低圧路１４１の代わりに大気に開放された大気開放路１４８を収容室１３９に連通させ、収容室１３９を大気開放しても良い。
以下、この大気開放路１４８を設けた場合の弁機構１２４の作動について、高圧流路５ａの異常高圧開放の場合のみを流体機械１０及びランキン回路４の動作とともに説明する。
【００６３】
＜異常高圧開放＞
高圧流路５aの異常高圧によって、導圧路１３０から導圧され、弁体１３６のヘッド部１３６ａに作用する作動流体の高圧側圧力による力Ｆhpが大気圧による力Ｆaとばね１１６の押圧力Ｆsとによる合力よりも大きくなるとき、図８(a)，(b)に示されるように弁体１３６が収容孔１２６の最内方部１３３から離間することによりリング溝１３６ｃを介して入口ポート３３の閉塞が解除され、弁機構１３６は矢印で示すように高圧流路５aの作動流体を連通路１０２及びバイパス路１０４、あるいはバイパス路１０４のみに流し、高圧流路５aの圧力が出口ポート４５を介して低圧流路５ｂに開放される。
【００６４】
この場合には、高圧流路５ａの異常高圧開放を入口ポート３３の絶対圧力、すなわち高圧側圧力のみに基づいて行うことができる（絶対圧制御）。従って、入口ポート３３の遮断を解除するための所定の設定圧力を高圧流路５ａ、膨張ユニット１２、ひいては流体機械１０、ランキン回路４の設計上許容される設計最大圧力以下に設定することにより、ランキン回路４、ひいては廃熱利用装置１の機器保護がより一層徹底され、廃熱利用装置１の信頼性を更に向上することができる。
【００６５】
また、ランキン回路４の初期起動時にECUによってポンプ６のみを起動させる際に、異常高圧開放時か否かに拘らず、弁体１３６を図９(a)，(b)に示されるようなバイパス路１０４を連通させる位置に回動することにより、循環路５における作動流体の通液抵抗が低減され、作動流体の循環量の制御を円滑に行うことができて好ましい。
更に、ランキン回路４の完全停止時に弁体１３６がバイパス路１０４を連通させる位置に回動されることで、高圧流路５ａの作動流体を低圧流路５ｂに流すことができるため、循環路５全体の作動流体の圧力を均圧にすることができ、膨張ユニット１２の円滑且つ完全な停止が可能となる。
【００６６】
本発明は上記した各実施形態に限定されることはなく、種々の変形が可能である。
例えば、廃熱利用装置１は、排気ガスの熱を電力に変換するものであったが、エンジン２の冷却水の熱（熱源）を電力に変換するものであってもよい。更に廃熱利用装置１は、車両以外にも適用可能である。
また、膨張ユニット１２と発電ユニット１８とからなる流体機械１０に限らず、発電ユニット１８に代わるモータジェネレータユニット、及びポンプ１６に代わるポンプユニットを備え、これらユニットを膨張ユニット１２と駆動軸７２を共有させた流体機械にも適用可能である。
【００６７】
ここで、高圧流路５ａに高圧保持できない場合には、ランキン回路４の再起動時に外部から電力を供給し、モータジェネレータユニットをモータとして作動させてポンプユニットを起動し、その後に循環路５内の作動流体の圧力が十分に上昇すると、その出力の一部でポンプユニットを運転し、残りの出力で発電ユニット１８の回転子９６を回転させて発電しても良い。
【００６８】
一方、高圧流路５ａに高圧保持できている場合には、高圧作動流体のエネルギーによってポンプユニットの起動が可能となるため、ポンプユニットを起動させる外部電力が不要となり、流体機械の省エネルギー化を実現できる。
更に、流体機械１０に限らず、発電ユニット１８を有しない単なる膨張機、動力伝達装置を介して内燃機関に膨張機出力を伝達する流体機械、その他の構成の流体機械にも適用可能である。
【００６９】
更にまた、弁機構の弁体は電磁弁によって駆動されるが、これに限らず作動流体の圧力や膨張ユニットの出力を利用して弁体を駆動するようにしても良い。
【符号の説明】
【００７０】
１ 廃熱利用装置
４ ランキン回路（冷媒回路）
５ 循環路
５ａ 高圧流路
５ｂ 低圧流路
１０ 流体機械
１２ 膨張ユニット
２２ スクロールユニット（駆動部）
３３ 入口ポート
４５ 出口ポート
１０２ 連通路
１０４ バイパス路
１０６，１１２，１２４ 弁機構
１０８ ボール（弁体）
１１４ ばね機構
１１６，１３８ ばね
１１８，１３９ 収容室
１３４ 電磁弁（駆動源）
１３６ 弁体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入口ポートから流入される作動流体により駆動され、作動流体を出口ポートに吐出する駆動部と、
前記入口ポートから流入される作動流体を前記駆動部に流入させる連通路と、
前記入口ポートから流入される作動流体を前記駆動部を迂回して前記出口ポートに導くバイパス路と、
前記入口ポートからの作動流体の流入の遮断または遮断解除を行うとともに、前記連通路と前記バイパス路とを切り換えて連通させる弁機構と
をハウジング内に備えることを特徴とする流体機械。
【請求項２】
作動流体を循環させるための循環路に請求項１に記載の流体機械を備えることを特徴とする冷媒回路。
【請求項３】
請求項２記載の冷媒回路として、前記流体機械の前記ハウジング内に収容され、熱源の廃熱により高圧にされた作動流体を前記駆動部で膨張させて駆動力を発生する膨張ユニットを前記循環路に介挿したランキン回路を備え、
前記ランキン回路は、前記入口ポートに接続され、前記循環路を循環する作動流体の高圧側圧力が作用する高圧流路と、前記出口ポートに接続され、前記循環路を循環する作動流体の低圧側圧力が作用する低圧流路と、前記高圧流路の圧力を保持する圧力保持手段とを有し、
前記弁機構は、前記圧力保持手段の作動時に前記入口ポートからの作動流体の流入を遮断し、前記高圧流路の圧力が所定の第１の設定圧力以上となるとき前記入口ポートからの作動流体の流入の遮断を解除するとともに前記バイパス路または前記連通路を連通させることを特徴とする廃熱利用装置。
【請求項４】
前記弁機構は、前記ランキン回路の運転時には前記連通路を連通させ、前記ランキン回路の停止時に前記圧力保持手段を作動させて前記入口ポートからの作動流体の流入を遮断し、前記高圧流路の圧力が前記所定の第１の設定圧力以上となるとき前記入口ポートからの作動流体の流入の遮断を解除するとともに前記バイパス路または前記連通路を連通させ、前記ランキン回路の停止後の再起動時に前記連通路を連通させることを特徴とする請求項３に記載の廃熱利用装置。
【請求項５】
前記弁機構は、前記ランキン回路の運転時には前記連通路を連通させ、前記高圧流路の圧力が所定の第２の設定圧力未満となるとき前記ランキン回路の運転中に前記圧力保持手段を作動させて前記入口ポートからの作動流体の流入を遮断し、前記高圧流路の圧力が所定の第３の設定圧力以上となるとき前記入口ポートからの作動流体の流入の遮断を解除するとともに前記連通路を連通させることを特徴とする請求項３または４に記載の廃熱利用装置。
【請求項６】
前記弁機構は、前記高圧流路の圧力が前記所定の第１の設定圧力以上となるとき前記バイパス路のみを連通させて前記入口ポートからの作動流体の流入の遮断を解除することを特徴とする請求項３に記載の廃熱利用装置。
【請求項７】
前記弁機構は、前記連通路と前記バイパス路とを切り換えて連通させるとともに前記入口ポートの前記高圧側圧力が作用する弁体と、前記弁体を支持し、前記高圧側圧力に抗して前記弁体を押圧または押圧解除することにより前記入口ポートからの作動流体の流入の遮断または遮断解除を行うばね機構とからなることを特徴とする請求項３に記載の廃熱利用装置。
【請求項８】
前記ばね機構は、前記弁体を押圧するばねと、前記ばねが収容されるとともに前記入口ポートと気密に区画される収容室とからなることを特徴とする請求項７に記載の廃熱利用装置。
【請求項９】
前記収容室は前記出口ポートと連通され、
前記ばね機構は、前記入口ポートの前記高圧側圧力によって前記弁体に作用する力が前記出口ポートの前記低圧側圧力と前記ばねの押圧力とによる合力よりも大きくなるとき、前記バイパス路を連通させて前記入口ポートからの作動流体の流入の遮断を解除することを特徴とする請求項８に記載の廃熱利用装置。
【請求項１０】
前記収容室は大気開放され、
前記ばね機構は、前記入口ポートの前記高圧側圧力によって前記弁体に作用する力が大気圧と前記ばねの押圧力とによる合力よりも大きくなるとき、前記バイパス路を連通させて前記入口ポートからの作動流体の流入の遮断を解除することを特徴とする請求項８に記載の廃熱利用装置。
【請求項１１】
弁体はボール弁またはロータリ弁であって、所定の駆動源により回転駆動されることを特徴とする請求項７に記載の廃熱利用装置。
【請求項１】
入口ポートから流入される作動流体により駆動され、作動流体を出口ポートに吐出する駆動部と、
前記入口ポートから流入される作動流体を前記駆動部に流入させる連通路と、
前記入口ポートから流入される作動流体を前記駆動部を迂回して前記出口ポートに導くバイパス路と、
前記入口ポートからの作動流体の流入の遮断または遮断解除を行うとともに、前記連通路と前記バイパス路とを切り換えて連通させる弁機構と
をハウジング内に備えることを特徴とする流体機械。
【請求項２】
作動流体を循環させるための循環路に請求項１に記載の流体機械を備えることを特徴とする冷媒回路。
【請求項３】
請求項２記載の冷媒回路として、前記流体機械の前記ハウジング内に収容され、熱源の廃熱により高圧にされた作動流体を前記駆動部で膨張させて駆動力を発生する膨張ユニットを前記循環路に介挿したランキン回路を備え、
前記ランキン回路は、前記入口ポートに接続され、前記循環路を循環する作動流体の高圧側圧力が作用する高圧流路と、前記出口ポートに接続され、前記循環路を循環する作動流体の低圧側圧力が作用する低圧流路と、前記高圧流路の圧力を保持する圧力保持手段とを有し、
前記弁機構は、前記圧力保持手段の作動時に前記入口ポートからの作動流体の流入を遮断し、前記高圧流路の圧力が所定の第１の設定圧力以上となるとき前記入口ポートからの作動流体の流入の遮断を解除するとともに前記バイパス路または前記連通路を連通させることを特徴とする廃熱利用装置。
【請求項４】
前記弁機構は、前記ランキン回路の運転時には前記連通路を連通させ、前記ランキン回路の停止時に前記圧力保持手段を作動させて前記入口ポートからの作動流体の流入を遮断し、前記高圧流路の圧力が前記所定の第１の設定圧力以上となるとき前記入口ポートからの作動流体の流入の遮断を解除するとともに前記バイパス路または前記連通路を連通させ、前記ランキン回路の停止後の再起動時に前記連通路を連通させることを特徴とする請求項３に記載の廃熱利用装置。
【請求項５】
前記弁機構は、前記ランキン回路の運転時には前記連通路を連通させ、前記高圧流路の圧力が所定の第２の設定圧力未満となるとき前記ランキン回路の運転中に前記圧力保持手段を作動させて前記入口ポートからの作動流体の流入を遮断し、前記高圧流路の圧力が所定の第３の設定圧力以上となるとき前記入口ポートからの作動流体の流入の遮断を解除するとともに前記連通路を連通させることを特徴とする請求項３または４に記載の廃熱利用装置。
【請求項６】
前記弁機構は、前記高圧流路の圧力が前記所定の第１の設定圧力以上となるとき前記バイパス路のみを連通させて前記入口ポートからの作動流体の流入の遮断を解除することを特徴とする請求項３に記載の廃熱利用装置。
【請求項７】
前記弁機構は、前記連通路と前記バイパス路とを切り換えて連通させるとともに前記入口ポートの前記高圧側圧力が作用する弁体と、前記弁体を支持し、前記高圧側圧力に抗して前記弁体を押圧または押圧解除することにより前記入口ポートからの作動流体の流入の遮断または遮断解除を行うばね機構とからなることを特徴とする請求項３に記載の廃熱利用装置。
【請求項８】
前記ばね機構は、前記弁体を押圧するばねと、前記ばねが収容されるとともに前記入口ポートと気密に区画される収容室とからなることを特徴とする請求項７に記載の廃熱利用装置。
【請求項９】
前記収容室は前記出口ポートと連通され、
前記ばね機構は、前記入口ポートの前記高圧側圧力によって前記弁体に作用する力が前記出口ポートの前記低圧側圧力と前記ばねの押圧力とによる合力よりも大きくなるとき、前記バイパス路を連通させて前記入口ポートからの作動流体の流入の遮断を解除することを特徴とする請求項８に記載の廃熱利用装置。
【請求項１０】
前記収容室は大気開放され、
前記ばね機構は、前記入口ポートの前記高圧側圧力によって前記弁体に作用する力が大気圧と前記ばねの押圧力とによる合力よりも大きくなるとき、前記バイパス路を連通させて前記入口ポートからの作動流体の流入の遮断を解除することを特徴とする請求項８に記載の廃熱利用装置。
【請求項１１】
弁体はボール弁またはロータリ弁であって、所定の駆動源により回転駆動されることを特徴とする請求項７に記載の廃熱利用装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１０−２３６３６０（Ｐ２０１０−２３６３６０Ａ）
【公開日】平成２２年１０月２１日（２０１０．１０．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−８１８３８（Ｐ２００９−８１８３８）
【出願日】平成２１年３月３０日（２００９．３．３０）
【出願人】（０００００１８４５）サンデン株式会社 (1,791)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１０月２１日（２０１０．１０．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月３０日（２００９．３．３０）
【出願人】（０００００１８４５）サンデン株式会社 (1,791)
【Ｆターム（参考）】
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