流体機械及びこれを用いたランキンサイクル
【課題】膨張機構の回転数に拘わらずポンプ機構の容量を任意に調整することのできる流体機械及びこれを用いたランキンサイクルを提供する。
【解決手段】作動流体の膨張によって回転する膨張機構３０と、膨張機構３０の回転力によって駆動される発電機４０と、膨張機構３０の回転力によって駆動されるポンプ機構５０とを一体に備えるとともに、ポンプ機構５０を膨張機構３０の回転数に対して容量可変に構成したので、膨張機構３０の回転数に拘わらずポンプ機構５０の容量を任意に調整することができ、ポンプ機構５０によって圧送される流体の流量を常に適正にすることができる。
【解決手段】作動流体の膨張によって回転する膨張機構３０と、膨張機構３０の回転力によって駆動される発電機４０と、膨張機構３０の回転力によって駆動されるポンプ機構５０とを一体に備えるとともに、ポンプ機構５０を膨張機構３０の回転数に対して容量可変に構成したので、膨張機構３０の回転数に拘わらずポンプ機構５０の容量を任意に調整することができ、ポンプ機構５０によって圧送される流体の流量を常に適正にすることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば車両のエンジンの廃熱を利用して発電する廃熱利用装置に用いられる流体機械及びこれを用いたランキンサイクルに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、車両等に用いられるランキンサイクルは、エンジンの廃熱によって作動流体を蒸発させる蒸発器と、蒸発した作動流体の膨張により発電機を駆動する膨張機と、膨張機から流出した作動流体を凝縮させる凝縮器と、凝縮器から蒸発器に作動流体を圧送するポンプとから構成されている。また、このようなランキンサイクルに用いられる流体機械として、膨張機、発電機及びポンプを一体に設けたものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
前記流体機械は、作動流体の膨張により回転力を発生する膨張機構と、膨張機構の回転力によって駆動される発電機と、発電機と共に膨張機構の回転力によって駆動されるポンプ機構とを備え、ポンプ機構によって凝縮器から蒸発器に作動流体を圧送するようにしている。この流体機械では、膨張機構によってポンプ機構が駆動されるので、ポンプ駆動用のモータを別途用いる必要がないという利点がある。
【特許文献１】特開２００５−３０３８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、前記ランキンサイクルでは、吸熱量や放熱量が車速や外気温度によって変化するため、これに応じて作動流体の流量を調整する必要がある。しかしながら、前記流体機械では、膨張機構によってポンプ機構を駆動する場合、膨張機構とポンプ機構とが互いに直結状態となるため、膨張機構の回転数に対してポンプ機構の容量を変えることができず、ランキンサイクルにおけるポンプの流量を適正に調整することができないという問題点があった。
【０００５】
本発明は前記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、膨張機構の回転数に拘わらずポンプ機構の容量を任意に調整することのできる流体機械及びこれを用いたランキンサイクルを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は前記目的を達成するために、作動流体の膨張により回転力を発生する膨張機構と、膨張機構の回転力によって駆動される発電機と、膨張機構の回転力によって駆動されるポンプ機構とを備えた流体機械において、前記ポンプ機構を容量可変に構成している。
【０００７】
これにより、作動流体の膨張によって膨張機構が回転するとともに、膨張機構によって発電機及びポンプ機構が駆動される。その際、ポンプ機構の容量を変えることにより、膨張機構の回転数に拘わらずポンプ機構の容量を任意に調整することができる。
【０００８】
また、本発明は前記目的を達成するために、前記流体機械を備えたランキンサイクルを、蒸発器によって蒸発した作動流体を流体機械の膨張機構で膨張させるとともに、膨張機構から流出する作動流体を凝縮器によって凝縮させ、凝縮器から流出する作動流体を流体機械のポンプ機構によって蒸発器に圧送するように構成している。
【０００９】
これにより、蒸発器で蒸発した作動流体が膨張機構で膨張し、凝縮器で凝縮した作動流体がポンプ機構によって蒸発器に圧送されることから、作動流体の膨張によって得られる動力を発電のみならず作動流体の循環にも利用することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の流体機械によれば、膨張機構の回転数に拘わらずポンプ機構の容量を任意に調整することができるので、ポンプ機構によって圧送される流体の流量を常に適正にすることができ、例えばエンジンの廃熱を利用する車両用廃熱利用装置に用いる場合に極めて有利である。
【００１１】
また、本発明のランキンサイクルによれば、作動流体の膨張によって得られる動力を発電のみならず作動流体の循環にも利用することができるので、ランキンサイクルの効率の向上に極めて有利である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１及び図２は本発明のランキンサイクルを用いた車両用廃熱利用装置の一実施形態を示す概略構成図、図２は本発明のランキンサイクルに用いられる流体機械の側面断面図である。この廃熱利用装置は、エンジンを駆動源とする自動車に用いられるもので、エンジンの廃熱を利用して発電するようになっている。
【００１３】
本実施形態の廃熱利用装置は、エンジン１の冷却水を循環する冷却水回路２と、エンジン１の排気ガスによって加熱される熱媒体を循環する熱媒体回路３と、エンジン１の廃熱を熱源として発電するランキンサイクル４とを備えている。
【００１４】
冷却水回路２は、エンジン１と、冷却水を冷却するラジエータ５と、冷却水を熱媒体回路３の熱媒体と熱交換することにより加熱する冷却水加熱器６と、ランキンサイクル４の作動流体を冷却水と熱交換することにより蒸発させる蒸発器７とを接続してなり、第１のポンプ８によって冷却水を循環するようになっている。冷却水回路２にはラジエータ５の流入側と流出側とを連通するバイパス流路９が設けられ、ラジエータ５側の流路とバイパス流路９の何れか一方がサーモスタット１０によってエンジン１側の流路に連通するようになっている。尚、サーモスタット１０は流出側（エンジン１側）の温度が所定温度になるように温度に応じて三方弁の開度を調整する周知の機器からなる。冷却水加熱器６及び蒸発器７はエンジン１の冷却水流出側に互いに並列に接続され、冷却水加熱器６及び蒸発器７の冷却水流入側には第１及び第２の電磁弁１１，１２がそれぞれ設けられている。
【００１５】
熱媒体回路３は、熱媒体をエンジン１の排気ガス流路１ａ内の排気ガスと熱交換することにより加熱する熱媒体加熱器１３と、熱媒体加熱器１３によって加熱された熱媒体を貯溜する断熱構造の蓄熱タンク１４と、ランキンサイクル４の作動流体を過熱する過熱器１５と、冷却水回路２の冷却水加熱器６とを接続してなり、第２のポンプ１６によって熱媒体を循環するようになっている。この場合、熱媒体には、例えばシリコンオイル等、冷却水よりも沸点が高く、液体として蓄熱タンク１４に貯溜可能な熱媒体が用いられる。冷却水加熱器６及び過熱器１５は蓄熱タンク１４の冷却水流出側に互いに並列に接続され、冷却水加熱器６及び過熱器１５の熱媒体流入側には第３及び第４の電磁弁１７，１８がそれぞれ設けられている。
【００１６】
ランキンサイクル４は、蒸発器７と、過熱器１５と、後述する流体機械２０の膨張機構３０と、膨張機構３０から流出した作動流体を凝縮させる凝縮器１９とを接続してなり、流体機械２０のポンプ機構５０によって作動流体を循環するようになっている。この場合、作動流体には、例えばフロン系冷媒（Ｒ２４５ｃａ、Ｒ２４５ｆａ、Ｒ１５２ａ等）が用いられる。
【００１７】
また、冷却水回路２には、ラジエータ５から流出する冷却水の温度に応じて各電磁弁１１，１２，１７，１８を作動させる温度スイッチ２ａが設けられている。
【００１８】
次に、前記ランキンサイクル４に用いる流体機械２０について説明する。この流体機械２０は、作動流体の膨張によって回転する膨張機構３０と、膨張機構３０の回転力によって駆動される発電機４０と、膨張機構３０の回転力によって駆動されるポンプ機構５０と、膨張機構３０の回転力を発電機４０及びポンプ機構５０に伝達するシャフト６０とからなり、発電機４０は外部から供給される電力により回転してポンプ機構５０を駆動することも可能になっている。
【００１９】
膨張機構３０は、一端側を閉塞した円筒状の第１のハウジング３１と、第１のハウジング３１の他端面を閉塞する第２のハウジング３２と、第１のハウジング３１内に互いに軸方向に対向して配置された固定スクロール部材３３及び可動スクロール部材３４とを備え、可動スクロール部材３４の偏心揺動運動によってシャフト６０を回転させるようになっている。
【００２０】
第１のハウジング３１は側面に作動流体の流出口３１ａを有し、その一端面には作動流体の流入口３１ｂが設けられている。第２のハウジング３２の一端側に軸方向に円筒状に延出する軸受部３２ａが設けられ、他端面の径方向一端側には径方向に延びる長孔３２ｂが設けられている。
【００２１】
固定スクロール部材３３は一端側を第１のハウジング３１に固定され、その他端面には可動スクロール部材３４に対向する渦巻体３３ａが設けられている。また、固定スクロール部材３３の一端面には第１のハウジング３１の流入口３１ｂに連通する流通孔３３ｂが設けられている。可動スクロール部材３４は一端面に固定スクロール部材３３に対向する渦巻体３４ａを有し、可動スクロール部材３４の渦巻体３４ａは固定スクロール部材３３の渦巻体３３ａに偏心揺動可能に噛み合っている。可動スクロール部材３４の他端面の径方向一端側には第２のハウジング３２の長孔３２ｂに径方向に移動自在に係合する係合ピン３４ｂが設けられ、係合ピン３４ｂと長孔３２ｂとの係合により可動スクロール部材３４の自転が規制されるようになっている。また、可動スクロール部材３４の他端面中央にはボス部３４ｃが設けられ、ボス部３４ｃ内には偏心ブシュ３５がベアリング３５ａを介して回動自在に支持されている。偏心ブシュ３５の一端側にはシャフト６０と同軸状をなす支軸３５ｂが突設され、支軸３５ｂには静バランスを修正するためのバランスウエイト３６が取付けられている。第１のハウジング３２の軸受部３２ａ内には偏心ブシュ３５によって回転する回転体３７がベアリング３７ａを介して回動自在に支持され、回転体３７の径方向中央には偏心ブシュ３５の支軸３５ｂが回動自在に挿入されるとともに、回転体３７には偏心ブシュ３５の径方向一端側に回動自在に係合する偏心ピン３７ｂが突設されている。また、回転体３７は一方向伝達機構としてのワンウェイクラッチ３８を介してシャフト６０の一端側に接続され、一方向の回転力のみをシャフト６０に伝達するようになっている。
【００２２】
発電機４０は、両端を開口した円筒状のハウジング４１と、ハウジング４１の内周面に固定されたステータ４２と、ステータ４２に保持された巻線４３と、ステータ４２の内側に配置されたロータ４４とを備え、ロータ４４はシャフト６０に固定されている。
【００２３】
ポンプ機構５０は、一端を閉塞した円筒状のハウジング５１と、一端をハウジング５１の他端に連結されたシリンダブロック５２と、シリンダブロック５２内に設けられた複数のピストン５３と、シリンダブロック５２の他端側に配置されたシリンダヘッド５４と、シリンダブロック５２とシリンダヘッド５４との間に設けられたバルブプレート５５と、各ピストン５３の一端側に摺動自在に係合する斜板５６と、斜板５６の傾斜角度を変える可変機構５７とを備え、斜板５６はシャフト６０によって回転するようになっている。
【００２４】
ハウジング５１の一端には軸方向に延出する軸受部５１ａが設けられ、軸受部５１ａにはシャフト６０がベアリング５１ｂを介して回動自在に支持されている。
【００２５】
シリンダブロック５２はシリンダ５２ａを有し、各シリンダ５２ａの両端はそれぞれハウジング５１側及びバルブプレート５５側に開口している。また、シリンダブロック５２には、シャフト６０の他端側がベアリング５２ｂを介して回動自在に支持されている。
【００２６】
各ピストン５３は各シリンダ５２ａ内に摺動自在に設けられ、その一端には斜板５６と係合する係合部５３ａが設けられている。係合部５３ａは互いに対向する一対の半球面を有し、各半球面間には半球状のシュー５３ｂが摺動自在に設けられている。
【００２７】
シリンダヘッド５４は作動流体の吐出室５４ａ及び吸入室５４ｂを有し、吐出室５４ａ及び吸入室５４ｂはそれぞれシリンダブロック５２側に開口している。吐出室５４ａはシリンダヘッド５４の中央部に設けられ、シリンダヘッド５４には吐出室５４ａに連通する吐出口（図示せず）が設けられている。また、吸入室５４ｂには吐出室５４ａの周囲に設けられ、シリンダヘッド５４には吸入室５４ｂに連通する吸入口（図示せず）が設けられている。
【００２８】
バルブプレート５５は各シリンダ５２ａに連通する複数の吐出孔５５ａ及び吸入孔５５ｂを有し、吐出孔５５ａ及び吸入孔５５ｂはそれぞれシリンダヘッド５４の吐出室５４ａ及び吸入室５４ｂに連通している。バルブプレート５５の一方の面側（シリンダヘッド５４側）には吐出側プレート５５ｃが配置され、吐出側プレート５５ｃには各吐出孔５５ａを開閉する吐出弁（図示せず）が設けられている。また、バルブプレート５５の他方の面側（シリンダブロック５２側）には吸入側プレート５５ｄが配置され、吸入側プレート５５ｄには各吸入孔５５ｂを開閉する吸入弁（図示せず）が設けられている。
【００２９】
斜板５６はシャフト６０の軸方向に対して傾動自在に設けられ、その周縁部には各ピストン５３の係合部５３ａがシュー５３ｂを介して摺動自在に係合している。斜板５６はシャフト６０と一体に回転する回転板５６ａに傾動自在に連結され、回転板５６ａによってシャフト６０を中心に回転し、その傾斜角度に応じたストローク量で各ピストン５３を往復移動させるようになっている。また、斜板５６の中央部にはシャフト６０が貫通しており、シャフト６０には軸方向に延びる長孔６０ａが設けられている。即ち、斜板５６の中央部はピン５６ｂを介して長孔６０ａに係合しており、ピン５６ｂは斜板５６の傾動に伴ってシャフト６０の長孔６０ａ内を移動するようになっている。
【００３０】
可変機構５７は、一端を斜板５６のピン５６ｂに連結されたロッド５７ａと、ロッド５７ａをシャフト６０の軸方向に移動させる駆動部５７ｂとからなり、ロッド５７ａはシャフト６０内に摺動自在に設けられている。駆動部５７ｂは、例えばモータを備えたギアユニット等、ロッド５７ａを軸方向に任意の量だけ移動可能な周知の機構からなり、図示しない外部の制御部からの信号に基づいて斜板５６の傾斜角度を変えるようになっている。
【００３１】
以上のように構成された流体機械２０は、膨張機構３０の流入側がランキンサイクル４の過熱器１５の流出側に接続され、膨張機構３０の流出側が凝縮器１９の流入側に接続される。また、流体機械２０は、ポンプ機構５０の吸入側が凝縮器１９の流出側に接続され、ポンプ機構５０の吐出側が蒸発器７の流入側に接続される。
【００３２】
膨張機構３０では、作動流体が流入口３１ｂを介して各スクロール部材３３，３４間に流入すると、作動流体が各渦巻体３３ａ，３４ａ間で膨張し、可動スクロール部材３３が各渦巻体３３ａ，３４ａ間の容積を拡大させるように係合ピン３４ｂを中心に偏心揺動運動を行う。これにより、可動スクロール部材３４のボス部３４ｃ内の偏心ブシュ３５が支軸３５ｂを中心に回転し、偏心ブシュ３５に係合する偏心ピン３７ｂが偏心ブシュ３５によって回転する。偏心ピン３７ｂが回転すると回転体３７が回転し、回転体３７の回転力はワンウェイクラッチ３８を介してシャフト６０に伝達される。
【００３３】
発電機４０では、膨張機構３０によってシャフト６０が回転すると、ロータ４４が回転して起電力が発生し、発電した電力が外部に供給される。
【００３４】
ポンプ機構５０では、シャフト６０が回転すると、斜板５６が各ピストン５３に係合しながら回転し、各ピストン５３が斜板５６の傾斜角度に応じたストローク量でシリンダ５２ａ内を往復移動する。これにより、作動流体がシリンダヘッド５４の吸入室５４ｂを介してシリンダ５２ａ内に吸入され、シリンダ５２ａ内から吐出室５４ａを介して外部に吐出される。
【００３５】
次に、前記流体機械２０を用いた廃熱利用装置の動作について説明する。まず、エンジン１の冷却水が所定温度（例えば８０℃）よりも高い場合は、サーモスタット１０のラジエータ５側の流路がエンジン１側の流路に連通するとともに、温度スイッチ２ａにより、冷却水回路２の第１の電磁弁１１が閉鎖され、第２の電磁弁１２が開放される。これにより、図中実線矢印で示すようにエンジン１から流出した冷却水が蒸発器７及びラジエータ５を流通してエンジン１に流入する。その際、蒸発器７を流通する高温の冷却水によってランキンサイクル４の作動流体が蒸発する。また、温度スイッチ２ａにより、熱媒体回路３の第３の電磁弁１７が閉鎖され、第４の電磁弁１８が開放される。これにより、図中実線矢印で示すように熱媒体加熱器１３で冷却水の沸点よりも高温に加熱された熱媒体が断熱材で保温された蓄熱タンク１４に貯溜され、蓄熱タンク１４が蓄熱されるとともに、蓄熱タンク１４から流出した熱媒体が過熱器１５を流通して熱媒体加熱器１３に流入する。その際、過熱器１５を流通する高温（例えば２００℃）の熱媒体によってランキンサイクル４の作動流体が過熱される。
【００３６】
また、ランキンサイクル４の作動流体は、図中一点鎖線矢印で示すように、蒸発器７、過熱器１５、流体機械２０の膨張機構３０、凝縮器１９、流体機械２０のポンプ機構５０に流通して蒸発器７に流入する。即ち、蒸発器７で飽和蒸発となった作動流体が過熱器１５によって過熱され、過熱蒸気となって膨張機構３０に流入し、膨張機構３０で膨張することにより、膨張機構３０によって発電機４０が駆動される。その際、ランキンサイクル４の起動時など、膨張機構３０の回転数が低い場合は、外部電源によって発電機４０に電圧を印加し、発電機４０をモータとして膨張機構３０よりも高回転で駆動することにより、ポンプ機構５０を発電機４０（モータ）によって駆動する。その際、ワンウェイクラッチ３８により、発電機４０（モータ）の回転力は膨張機構３０に伝達されず、膨張機構３０の負荷が発電機４０（モータ）に加わることがない。そして、膨張機構３０の回転数が発電機４０（モータ）の回転数を上回ると、発電機４０への電圧の印加を停止し、発電機４０による発電に切り換える。
【００３７】
また、膨張機構３０から流出した作動流体は凝縮器１９で凝縮した後、ポンプ機構５０によって圧送され、蒸発器７に流入する。その際、ポンプ機構５０では、可変機構５７によって斜板５６の傾斜角度を大きくすると各ピストン５３のストローク量が大きくなり、傾斜角度を小さくするとストローク量が小さくなるので、例えば吸熱量、放熱量、車速、外気温度等の運転条件に応じて、ポンプ機構５０を適正な容量になるように調整することが可能になる。
【００３８】
次に、エンジン１を停止した後、長時間が経過してからエンジン１を始動した直後において、エンジン１の冷却水が所定温度（例えば８０℃）以下の場合は、サーモスタット１０のバイパス流路９側がエンジン１側の流路に連通するとともに、温度スイッチ２ａにより、冷却水回路２の第１の電磁弁１１が開放され、第２の電磁弁１２が閉鎖される。これにより、図中破線矢印で示すようにエンジン１から流出した冷却水が冷却水加熱器６及びバイパス流路９を流通してエンジン１に流入する。また、温度スイッチ２ａにより、熱媒体回路３の第３の電磁弁１７が開放され、第４の電磁弁１８が閉鎖される。これにより、図中破線矢印で示すように、蓄熱タンク１４に貯溜されていた高温（例えば２００℃）の熱媒体が冷却水加熱器６を流通して熱媒体加熱器１３に流入する。その際、冷却水加熱器６を流通する熱媒体によって冷却水回路２の冷却水が加熱され、冷却水の温度が速やかに上昇する。
【００３９】
このように、本実施形態の流体機械２０によれば、作動流体の膨張によって回転する膨張機構３０と、膨張機構３０の回転力によって駆動される発電機４０と、膨張機構３０の回転力によって駆動されるポンプ機構５０とを一体に備えるとともに、ポンプ機構５０を膨張機構３０の回転数に対して容量可変に構成したので、膨張機構３０の回転数に拘わらずポンプ機構５０の容量を任意に調整することができ、ポンプ機構５０によって圧送される流体の流量を常に適正にすることができる。
【００４０】
この場合、ランキンサイクル４の蒸発器７で蒸発した作動流体を膨張機構３０によって膨張させ、凝縮した作動流体をポンプ機構５０によって蒸発器７側に圧送するようにしたので、ランキンサイクル４の作動流体の膨張によって得られる動力を発電のみならず作動流体の循環にも利用することができ、ランキンサイクル４の効率の向上に極めて有利である。
【００４１】
また、ポンプ機構５０を、シリンダ５２ａ内を往復移動することにより流体を吸入及び吐出するピストン５３と、ピストン５３に摺動自在に係合する斜板５６と、斜板５６を回転させることにより斜板５６の傾斜角度に応じてピストンを往復移動させるシャフト６０と、斜板５６の傾斜角度を変える可変機構５７とから構成したので、膨張機構３０によるシャフト６０の回転速度を変速することなく容量を変えることができる。これにより、例えば減速機を用いて容量を変えるものに比べて構造の簡素化を図ることができ、小型化及び低コスト化に極めて有利である。
【００４２】
更に、膨張機構３０の回転力をワンウェイクラッチ３８によって所定の回転方向でのみ発電機４０に伝達するとともに、発電機４０をモータとして前記所定の回転方向に回転可能に構成したので、ランキンサイクル４の起動時など、膨張機構３０の回転数が低い場合は、外部電源によって発電機４０に電圧を印加し、発電機４０をモータとして膨張機構３０よりも高回転で駆動することにより、ポンプ機構５０を発電機４０（モータ）によって駆動することができ、常にポンプ機構５０に必要な回転力を得ることができる。
【００４３】
また、膨張機構３０を、固定スクロール部材３３と、固定スクロール部材３３との間に流入した作動流体の膨張によって偏心揺動することによりシャフト６０を回転させる可動スクロール部材３４とから構成したので、小型で効率のよいスクロール型膨張機を構成することができ、実用化に際して極めて有利である。
【００４４】
図３は本発明の他の実施形態を示す流体機械の側面断面図であり、前記実施形態と同等の構成部分には同一の符号を付して示す。
【００４５】
本実施形態の流体機械２０は、ポンプ機構５０の各ピストン５３に代えて複数のダイヤフラム５８を設けたものである。ダイヤフラム５８はシリンダ５２ａの一端側に設けられた可撓性の膜状部材からなり、樹脂、金属、ゴム等の周知の素材によって形成されている。ダイヤフラム５８は、その一方の面側とバルブプレート５５側との間が密閉されるように設けられ、その他方の面には斜板５６に係合する係合部材５９が取付けられている。係合部材５９は、前記実施形態のピストン５３と同様、一端側に係合部５９ａが設けられ、係合部５９ａはシュー５９ｂを介して斜板５６の周縁部に摺動自在に係合している。
【００４６】
本実施形態のポンプ機構５０では、シャフト６０が回転すると、斜板５６が各ダイヤフラム５８の係合部材５９に係合しながら回転し、各係合部材５９が斜板５６の傾斜角度に応じたストローク量でシリンダ５２ａ内を往復移動することにより、各ダイヤフラム５８が伸縮する。その際、係合部材５９がシリンダ５２ａの他端側に向かって移動すると、ダイヤフラム５８が伸びてバルブプレート５５とダイヤフラム５８との間の容積が拡大し、作動流体がシリンダヘッド５４の吸入室５４ｂを介してダイヤフラム５８側に吸入される。また、係合部材５９がシリンダ５２ａの一端側に向かって移動すると、ダイヤフラム５８が収縮してバルブプレート５５とダイヤフラム５８との間の容積が縮小し、作動流体がダイヤフラム５８側から吐出室５４ａを介して外部に吐出される。その際、可変機構５７によって斜板５６の傾斜角度を大きくすると各ダイヤフラム５８の伸縮量が大きくなり、傾斜角度を小さくすると伸縮量が小さくなるので、前記実施形態と同様、ランキンサイクル４の運転条件に応じてポンプ機構５０の容量を適正になるように調整することが可能になる。
【００４７】
このように、本実施形態によれば、流体機械２０のポンプ機構５０を、所定方向に伸縮することにより作動流体を吸入及び吐出するダイヤフラム５８と、ダイヤフラム５８に摺動自在に係合する斜板５６と、斜板５６を回転させることにより斜板５６の傾斜角度に応じてダイヤフラム５８を伸縮させるシャフト６０と、斜板５６の傾斜角度を変える可変機構５７とから構成したので、前記実施形態と同様、膨張機構３０によるシャフト６０の回転速度を変速することなく容量を変えることができ、小型化及び低コスト化に極めて有利である。この場合、作動流体の吸入及び吐出にダイヤフラム５８を用いているので、ハウジング５１内の斜板５６やシャフト６０等の駆動機構部側に作動流体が侵入することがなく、作動流体との接触による駆動機構部の耐久性低下を防止することができる。また、駆動機構部を潤滑するための潤滑油を作動流体に混合する必要がないので、潤滑油の混合による作動流体の熱交換特性の低下を生ずることがなく、ランキンサイクル４の効率の向上に極めて有利である。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明のランキンサイクルを用いた車両用廃熱利用装置の一実施形態を示す概略構成図
【図２】本発明のランキンサイクルに用いられる流体機械の側面断面図
【図３】本発明の他の実施形態を示す流体機械の側面断面図
【符号の説明】
【００４９】
４…ランキンサイクル、７…蒸発器、１９…凝縮器、２０…流体機械、３０…膨張機構、３３…固定スクロール部材、３４…固定スクロール部材、４０…発電機、５０…ポンプ機構、５２ａ…シリンダ、５３…ピストン、５６…斜板、５７…可変機構、５８…ダイヤフラム、６０…シャフト。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば車両のエンジンの廃熱を利用して発電する廃熱利用装置に用いられる流体機械及びこれを用いたランキンサイクルに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、車両等に用いられるランキンサイクルは、エンジンの廃熱によって作動流体を蒸発させる蒸発器と、蒸発した作動流体の膨張により発電機を駆動する膨張機と、膨張機から流出した作動流体を凝縮させる凝縮器と、凝縮器から蒸発器に作動流体を圧送するポンプとから構成されている。また、このようなランキンサイクルに用いられる流体機械として、膨張機、発電機及びポンプを一体に設けたものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
前記流体機械は、作動流体の膨張により回転力を発生する膨張機構と、膨張機構の回転力によって駆動される発電機と、発電機と共に膨張機構の回転力によって駆動されるポンプ機構とを備え、ポンプ機構によって凝縮器から蒸発器に作動流体を圧送するようにしている。この流体機械では、膨張機構によってポンプ機構が駆動されるので、ポンプ駆動用のモータを別途用いる必要がないという利点がある。
【特許文献１】特開２００５−３０３８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、前記ランキンサイクルでは、吸熱量や放熱量が車速や外気温度によって変化するため、これに応じて作動流体の流量を調整する必要がある。しかしながら、前記流体機械では、膨張機構によってポンプ機構を駆動する場合、膨張機構とポンプ機構とが互いに直結状態となるため、膨張機構の回転数に対してポンプ機構の容量を変えることができず、ランキンサイクルにおけるポンプの流量を適正に調整することができないという問題点があった。
【０００５】
本発明は前記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、膨張機構の回転数に拘わらずポンプ機構の容量を任意に調整することのできる流体機械及びこれを用いたランキンサイクルを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は前記目的を達成するために、作動流体の膨張により回転力を発生する膨張機構と、膨張機構の回転力によって駆動される発電機と、膨張機構の回転力によって駆動されるポンプ機構とを備えた流体機械において、前記ポンプ機構を容量可変に構成している。
【０００７】
これにより、作動流体の膨張によって膨張機構が回転するとともに、膨張機構によって発電機及びポンプ機構が駆動される。その際、ポンプ機構の容量を変えることにより、膨張機構の回転数に拘わらずポンプ機構の容量を任意に調整することができる。
【０００８】
また、本発明は前記目的を達成するために、前記流体機械を備えたランキンサイクルを、蒸発器によって蒸発した作動流体を流体機械の膨張機構で膨張させるとともに、膨張機構から流出する作動流体を凝縮器によって凝縮させ、凝縮器から流出する作動流体を流体機械のポンプ機構によって蒸発器に圧送するように構成している。
【０００９】
これにより、蒸発器で蒸発した作動流体が膨張機構で膨張し、凝縮器で凝縮した作動流体がポンプ機構によって蒸発器に圧送されることから、作動流体の膨張によって得られる動力を発電のみならず作動流体の循環にも利用することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の流体機械によれば、膨張機構の回転数に拘わらずポンプ機構の容量を任意に調整することができるので、ポンプ機構によって圧送される流体の流量を常に適正にすることができ、例えばエンジンの廃熱を利用する車両用廃熱利用装置に用いる場合に極めて有利である。
【００１１】
また、本発明のランキンサイクルによれば、作動流体の膨張によって得られる動力を発電のみならず作動流体の循環にも利用することができるので、ランキンサイクルの効率の向上に極めて有利である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１及び図２は本発明のランキンサイクルを用いた車両用廃熱利用装置の一実施形態を示す概略構成図、図２は本発明のランキンサイクルに用いられる流体機械の側面断面図である。この廃熱利用装置は、エンジンを駆動源とする自動車に用いられるもので、エンジンの廃熱を利用して発電するようになっている。
【００１３】
本実施形態の廃熱利用装置は、エンジン１の冷却水を循環する冷却水回路２と、エンジン１の排気ガスによって加熱される熱媒体を循環する熱媒体回路３と、エンジン１の廃熱を熱源として発電するランキンサイクル４とを備えている。
【００１４】
冷却水回路２は、エンジン１と、冷却水を冷却するラジエータ５と、冷却水を熱媒体回路３の熱媒体と熱交換することにより加熱する冷却水加熱器６と、ランキンサイクル４の作動流体を冷却水と熱交換することにより蒸発させる蒸発器７とを接続してなり、第１のポンプ８によって冷却水を循環するようになっている。冷却水回路２にはラジエータ５の流入側と流出側とを連通するバイパス流路９が設けられ、ラジエータ５側の流路とバイパス流路９の何れか一方がサーモスタット１０によってエンジン１側の流路に連通するようになっている。尚、サーモスタット１０は流出側（エンジン１側）の温度が所定温度になるように温度に応じて三方弁の開度を調整する周知の機器からなる。冷却水加熱器６及び蒸発器７はエンジン１の冷却水流出側に互いに並列に接続され、冷却水加熱器６及び蒸発器７の冷却水流入側には第１及び第２の電磁弁１１，１２がそれぞれ設けられている。
【００１５】
熱媒体回路３は、熱媒体をエンジン１の排気ガス流路１ａ内の排気ガスと熱交換することにより加熱する熱媒体加熱器１３と、熱媒体加熱器１３によって加熱された熱媒体を貯溜する断熱構造の蓄熱タンク１４と、ランキンサイクル４の作動流体を過熱する過熱器１５と、冷却水回路２の冷却水加熱器６とを接続してなり、第２のポンプ１６によって熱媒体を循環するようになっている。この場合、熱媒体には、例えばシリコンオイル等、冷却水よりも沸点が高く、液体として蓄熱タンク１４に貯溜可能な熱媒体が用いられる。冷却水加熱器６及び過熱器１５は蓄熱タンク１４の冷却水流出側に互いに並列に接続され、冷却水加熱器６及び過熱器１５の熱媒体流入側には第３及び第４の電磁弁１７，１８がそれぞれ設けられている。
【００１６】
ランキンサイクル４は、蒸発器７と、過熱器１５と、後述する流体機械２０の膨張機構３０と、膨張機構３０から流出した作動流体を凝縮させる凝縮器１９とを接続してなり、流体機械２０のポンプ機構５０によって作動流体を循環するようになっている。この場合、作動流体には、例えばフロン系冷媒（Ｒ２４５ｃａ、Ｒ２４５ｆａ、Ｒ１５２ａ等）が用いられる。
【００１７】
また、冷却水回路２には、ラジエータ５から流出する冷却水の温度に応じて各電磁弁１１，１２，１７，１８を作動させる温度スイッチ２ａが設けられている。
【００１８】
次に、前記ランキンサイクル４に用いる流体機械２０について説明する。この流体機械２０は、作動流体の膨張によって回転する膨張機構３０と、膨張機構３０の回転力によって駆動される発電機４０と、膨張機構３０の回転力によって駆動されるポンプ機構５０と、膨張機構３０の回転力を発電機４０及びポンプ機構５０に伝達するシャフト６０とからなり、発電機４０は外部から供給される電力により回転してポンプ機構５０を駆動することも可能になっている。
【００１９】
膨張機構３０は、一端側を閉塞した円筒状の第１のハウジング３１と、第１のハウジング３１の他端面を閉塞する第２のハウジング３２と、第１のハウジング３１内に互いに軸方向に対向して配置された固定スクロール部材３３及び可動スクロール部材３４とを備え、可動スクロール部材３４の偏心揺動運動によってシャフト６０を回転させるようになっている。
【００２０】
第１のハウジング３１は側面に作動流体の流出口３１ａを有し、その一端面には作動流体の流入口３１ｂが設けられている。第２のハウジング３２の一端側に軸方向に円筒状に延出する軸受部３２ａが設けられ、他端面の径方向一端側には径方向に延びる長孔３２ｂが設けられている。
【００２１】
固定スクロール部材３３は一端側を第１のハウジング３１に固定され、その他端面には可動スクロール部材３４に対向する渦巻体３３ａが設けられている。また、固定スクロール部材３３の一端面には第１のハウジング３１の流入口３１ｂに連通する流通孔３３ｂが設けられている。可動スクロール部材３４は一端面に固定スクロール部材３３に対向する渦巻体３４ａを有し、可動スクロール部材３４の渦巻体３４ａは固定スクロール部材３３の渦巻体３３ａに偏心揺動可能に噛み合っている。可動スクロール部材３４の他端面の径方向一端側には第２のハウジング３２の長孔３２ｂに径方向に移動自在に係合する係合ピン３４ｂが設けられ、係合ピン３４ｂと長孔３２ｂとの係合により可動スクロール部材３４の自転が規制されるようになっている。また、可動スクロール部材３４の他端面中央にはボス部３４ｃが設けられ、ボス部３４ｃ内には偏心ブシュ３５がベアリング３５ａを介して回動自在に支持されている。偏心ブシュ３５の一端側にはシャフト６０と同軸状をなす支軸３５ｂが突設され、支軸３５ｂには静バランスを修正するためのバランスウエイト３６が取付けられている。第１のハウジング３２の軸受部３２ａ内には偏心ブシュ３５によって回転する回転体３７がベアリング３７ａを介して回動自在に支持され、回転体３７の径方向中央には偏心ブシュ３５の支軸３５ｂが回動自在に挿入されるとともに、回転体３７には偏心ブシュ３５の径方向一端側に回動自在に係合する偏心ピン３７ｂが突設されている。また、回転体３７は一方向伝達機構としてのワンウェイクラッチ３８を介してシャフト６０の一端側に接続され、一方向の回転力のみをシャフト６０に伝達するようになっている。
【００２２】
発電機４０は、両端を開口した円筒状のハウジング４１と、ハウジング４１の内周面に固定されたステータ４２と、ステータ４２に保持された巻線４３と、ステータ４２の内側に配置されたロータ４４とを備え、ロータ４４はシャフト６０に固定されている。
【００２３】
ポンプ機構５０は、一端を閉塞した円筒状のハウジング５１と、一端をハウジング５１の他端に連結されたシリンダブロック５２と、シリンダブロック５２内に設けられた複数のピストン５３と、シリンダブロック５２の他端側に配置されたシリンダヘッド５４と、シリンダブロック５２とシリンダヘッド５４との間に設けられたバルブプレート５５と、各ピストン５３の一端側に摺動自在に係合する斜板５６と、斜板５６の傾斜角度を変える可変機構５７とを備え、斜板５６はシャフト６０によって回転するようになっている。
【００２４】
ハウジング５１の一端には軸方向に延出する軸受部５１ａが設けられ、軸受部５１ａにはシャフト６０がベアリング５１ｂを介して回動自在に支持されている。
【００２５】
シリンダブロック５２はシリンダ５２ａを有し、各シリンダ５２ａの両端はそれぞれハウジング５１側及びバルブプレート５５側に開口している。また、シリンダブロック５２には、シャフト６０の他端側がベアリング５２ｂを介して回動自在に支持されている。
【００２６】
各ピストン５３は各シリンダ５２ａ内に摺動自在に設けられ、その一端には斜板５６と係合する係合部５３ａが設けられている。係合部５３ａは互いに対向する一対の半球面を有し、各半球面間には半球状のシュー５３ｂが摺動自在に設けられている。
【００２７】
シリンダヘッド５４は作動流体の吐出室５４ａ及び吸入室５４ｂを有し、吐出室５４ａ及び吸入室５４ｂはそれぞれシリンダブロック５２側に開口している。吐出室５４ａはシリンダヘッド５４の中央部に設けられ、シリンダヘッド５４には吐出室５４ａに連通する吐出口（図示せず）が設けられている。また、吸入室５４ｂには吐出室５４ａの周囲に設けられ、シリンダヘッド５４には吸入室５４ｂに連通する吸入口（図示せず）が設けられている。
【００２８】
バルブプレート５５は各シリンダ５２ａに連通する複数の吐出孔５５ａ及び吸入孔５５ｂを有し、吐出孔５５ａ及び吸入孔５５ｂはそれぞれシリンダヘッド５４の吐出室５４ａ及び吸入室５４ｂに連通している。バルブプレート５５の一方の面側（シリンダヘッド５４側）には吐出側プレート５５ｃが配置され、吐出側プレート５５ｃには各吐出孔５５ａを開閉する吐出弁（図示せず）が設けられている。また、バルブプレート５５の他方の面側（シリンダブロック５２側）には吸入側プレート５５ｄが配置され、吸入側プレート５５ｄには各吸入孔５５ｂを開閉する吸入弁（図示せず）が設けられている。
【００２９】
斜板５６はシャフト６０の軸方向に対して傾動自在に設けられ、その周縁部には各ピストン５３の係合部５３ａがシュー５３ｂを介して摺動自在に係合している。斜板５６はシャフト６０と一体に回転する回転板５６ａに傾動自在に連結され、回転板５６ａによってシャフト６０を中心に回転し、その傾斜角度に応じたストローク量で各ピストン５３を往復移動させるようになっている。また、斜板５６の中央部にはシャフト６０が貫通しており、シャフト６０には軸方向に延びる長孔６０ａが設けられている。即ち、斜板５６の中央部はピン５６ｂを介して長孔６０ａに係合しており、ピン５６ｂは斜板５６の傾動に伴ってシャフト６０の長孔６０ａ内を移動するようになっている。
【００３０】
可変機構５７は、一端を斜板５６のピン５６ｂに連結されたロッド５７ａと、ロッド５７ａをシャフト６０の軸方向に移動させる駆動部５７ｂとからなり、ロッド５７ａはシャフト６０内に摺動自在に設けられている。駆動部５７ｂは、例えばモータを備えたギアユニット等、ロッド５７ａを軸方向に任意の量だけ移動可能な周知の機構からなり、図示しない外部の制御部からの信号に基づいて斜板５６の傾斜角度を変えるようになっている。
【００３１】
以上のように構成された流体機械２０は、膨張機構３０の流入側がランキンサイクル４の過熱器１５の流出側に接続され、膨張機構３０の流出側が凝縮器１９の流入側に接続される。また、流体機械２０は、ポンプ機構５０の吸入側が凝縮器１９の流出側に接続され、ポンプ機構５０の吐出側が蒸発器７の流入側に接続される。
【００３２】
膨張機構３０では、作動流体が流入口３１ｂを介して各スクロール部材３３，３４間に流入すると、作動流体が各渦巻体３３ａ，３４ａ間で膨張し、可動スクロール部材３３が各渦巻体３３ａ，３４ａ間の容積を拡大させるように係合ピン３４ｂを中心に偏心揺動運動を行う。これにより、可動スクロール部材３４のボス部３４ｃ内の偏心ブシュ３５が支軸３５ｂを中心に回転し、偏心ブシュ３５に係合する偏心ピン３７ｂが偏心ブシュ３５によって回転する。偏心ピン３７ｂが回転すると回転体３７が回転し、回転体３７の回転力はワンウェイクラッチ３８を介してシャフト６０に伝達される。
【００３３】
発電機４０では、膨張機構３０によってシャフト６０が回転すると、ロータ４４が回転して起電力が発生し、発電した電力が外部に供給される。
【００３４】
ポンプ機構５０では、シャフト６０が回転すると、斜板５６が各ピストン５３に係合しながら回転し、各ピストン５３が斜板５６の傾斜角度に応じたストローク量でシリンダ５２ａ内を往復移動する。これにより、作動流体がシリンダヘッド５４の吸入室５４ｂを介してシリンダ５２ａ内に吸入され、シリンダ５２ａ内から吐出室５４ａを介して外部に吐出される。
【００３５】
次に、前記流体機械２０を用いた廃熱利用装置の動作について説明する。まず、エンジン１の冷却水が所定温度（例えば８０℃）よりも高い場合は、サーモスタット１０のラジエータ５側の流路がエンジン１側の流路に連通するとともに、温度スイッチ２ａにより、冷却水回路２の第１の電磁弁１１が閉鎖され、第２の電磁弁１２が開放される。これにより、図中実線矢印で示すようにエンジン１から流出した冷却水が蒸発器７及びラジエータ５を流通してエンジン１に流入する。その際、蒸発器７を流通する高温の冷却水によってランキンサイクル４の作動流体が蒸発する。また、温度スイッチ２ａにより、熱媒体回路３の第３の電磁弁１７が閉鎖され、第４の電磁弁１８が開放される。これにより、図中実線矢印で示すように熱媒体加熱器１３で冷却水の沸点よりも高温に加熱された熱媒体が断熱材で保温された蓄熱タンク１４に貯溜され、蓄熱タンク１４が蓄熱されるとともに、蓄熱タンク１４から流出した熱媒体が過熱器１５を流通して熱媒体加熱器１３に流入する。その際、過熱器１５を流通する高温（例えば２００℃）の熱媒体によってランキンサイクル４の作動流体が過熱される。
【００３６】
また、ランキンサイクル４の作動流体は、図中一点鎖線矢印で示すように、蒸発器７、過熱器１５、流体機械２０の膨張機構３０、凝縮器１９、流体機械２０のポンプ機構５０に流通して蒸発器７に流入する。即ち、蒸発器７で飽和蒸発となった作動流体が過熱器１５によって過熱され、過熱蒸気となって膨張機構３０に流入し、膨張機構３０で膨張することにより、膨張機構３０によって発電機４０が駆動される。その際、ランキンサイクル４の起動時など、膨張機構３０の回転数が低い場合は、外部電源によって発電機４０に電圧を印加し、発電機４０をモータとして膨張機構３０よりも高回転で駆動することにより、ポンプ機構５０を発電機４０（モータ）によって駆動する。その際、ワンウェイクラッチ３８により、発電機４０（モータ）の回転力は膨張機構３０に伝達されず、膨張機構３０の負荷が発電機４０（モータ）に加わることがない。そして、膨張機構３０の回転数が発電機４０（モータ）の回転数を上回ると、発電機４０への電圧の印加を停止し、発電機４０による発電に切り換える。
【００３７】
また、膨張機構３０から流出した作動流体は凝縮器１９で凝縮した後、ポンプ機構５０によって圧送され、蒸発器７に流入する。その際、ポンプ機構５０では、可変機構５７によって斜板５６の傾斜角度を大きくすると各ピストン５３のストローク量が大きくなり、傾斜角度を小さくするとストローク量が小さくなるので、例えば吸熱量、放熱量、車速、外気温度等の運転条件に応じて、ポンプ機構５０を適正な容量になるように調整することが可能になる。
【００３８】
次に、エンジン１を停止した後、長時間が経過してからエンジン１を始動した直後において、エンジン１の冷却水が所定温度（例えば８０℃）以下の場合は、サーモスタット１０のバイパス流路９側がエンジン１側の流路に連通するとともに、温度スイッチ２ａにより、冷却水回路２の第１の電磁弁１１が開放され、第２の電磁弁１２が閉鎖される。これにより、図中破線矢印で示すようにエンジン１から流出した冷却水が冷却水加熱器６及びバイパス流路９を流通してエンジン１に流入する。また、温度スイッチ２ａにより、熱媒体回路３の第３の電磁弁１７が開放され、第４の電磁弁１８が閉鎖される。これにより、図中破線矢印で示すように、蓄熱タンク１４に貯溜されていた高温（例えば２００℃）の熱媒体が冷却水加熱器６を流通して熱媒体加熱器１３に流入する。その際、冷却水加熱器６を流通する熱媒体によって冷却水回路２の冷却水が加熱され、冷却水の温度が速やかに上昇する。
【００３９】
このように、本実施形態の流体機械２０によれば、作動流体の膨張によって回転する膨張機構３０と、膨張機構３０の回転力によって駆動される発電機４０と、膨張機構３０の回転力によって駆動されるポンプ機構５０とを一体に備えるとともに、ポンプ機構５０を膨張機構３０の回転数に対して容量可変に構成したので、膨張機構３０の回転数に拘わらずポンプ機構５０の容量を任意に調整することができ、ポンプ機構５０によって圧送される流体の流量を常に適正にすることができる。
【００４０】
この場合、ランキンサイクル４の蒸発器７で蒸発した作動流体を膨張機構３０によって膨張させ、凝縮した作動流体をポンプ機構５０によって蒸発器７側に圧送するようにしたので、ランキンサイクル４の作動流体の膨張によって得られる動力を発電のみならず作動流体の循環にも利用することができ、ランキンサイクル４の効率の向上に極めて有利である。
【００４１】
また、ポンプ機構５０を、シリンダ５２ａ内を往復移動することにより流体を吸入及び吐出するピストン５３と、ピストン５３に摺動自在に係合する斜板５６と、斜板５６を回転させることにより斜板５６の傾斜角度に応じてピストンを往復移動させるシャフト６０と、斜板５６の傾斜角度を変える可変機構５７とから構成したので、膨張機構３０によるシャフト６０の回転速度を変速することなく容量を変えることができる。これにより、例えば減速機を用いて容量を変えるものに比べて構造の簡素化を図ることができ、小型化及び低コスト化に極めて有利である。
【００４２】
更に、膨張機構３０の回転力をワンウェイクラッチ３８によって所定の回転方向でのみ発電機４０に伝達するとともに、発電機４０をモータとして前記所定の回転方向に回転可能に構成したので、ランキンサイクル４の起動時など、膨張機構３０の回転数が低い場合は、外部電源によって発電機４０に電圧を印加し、発電機４０をモータとして膨張機構３０よりも高回転で駆動することにより、ポンプ機構５０を発電機４０（モータ）によって駆動することができ、常にポンプ機構５０に必要な回転力を得ることができる。
【００４３】
また、膨張機構３０を、固定スクロール部材３３と、固定スクロール部材３３との間に流入した作動流体の膨張によって偏心揺動することによりシャフト６０を回転させる可動スクロール部材３４とから構成したので、小型で効率のよいスクロール型膨張機を構成することができ、実用化に際して極めて有利である。
【００４４】
図３は本発明の他の実施形態を示す流体機械の側面断面図であり、前記実施形態と同等の構成部分には同一の符号を付して示す。
【００４５】
本実施形態の流体機械２０は、ポンプ機構５０の各ピストン５３に代えて複数のダイヤフラム５８を設けたものである。ダイヤフラム５８はシリンダ５２ａの一端側に設けられた可撓性の膜状部材からなり、樹脂、金属、ゴム等の周知の素材によって形成されている。ダイヤフラム５８は、その一方の面側とバルブプレート５５側との間が密閉されるように設けられ、その他方の面には斜板５６に係合する係合部材５９が取付けられている。係合部材５９は、前記実施形態のピストン５３と同様、一端側に係合部５９ａが設けられ、係合部５９ａはシュー５９ｂを介して斜板５６の周縁部に摺動自在に係合している。
【００４６】
本実施形態のポンプ機構５０では、シャフト６０が回転すると、斜板５６が各ダイヤフラム５８の係合部材５９に係合しながら回転し、各係合部材５９が斜板５６の傾斜角度に応じたストローク量でシリンダ５２ａ内を往復移動することにより、各ダイヤフラム５８が伸縮する。その際、係合部材５９がシリンダ５２ａの他端側に向かって移動すると、ダイヤフラム５８が伸びてバルブプレート５５とダイヤフラム５８との間の容積が拡大し、作動流体がシリンダヘッド５４の吸入室５４ｂを介してダイヤフラム５８側に吸入される。また、係合部材５９がシリンダ５２ａの一端側に向かって移動すると、ダイヤフラム５８が収縮してバルブプレート５５とダイヤフラム５８との間の容積が縮小し、作動流体がダイヤフラム５８側から吐出室５４ａを介して外部に吐出される。その際、可変機構５７によって斜板５６の傾斜角度を大きくすると各ダイヤフラム５８の伸縮量が大きくなり、傾斜角度を小さくすると伸縮量が小さくなるので、前記実施形態と同様、ランキンサイクル４の運転条件に応じてポンプ機構５０の容量を適正になるように調整することが可能になる。
【００４７】
このように、本実施形態によれば、流体機械２０のポンプ機構５０を、所定方向に伸縮することにより作動流体を吸入及び吐出するダイヤフラム５８と、ダイヤフラム５８に摺動自在に係合する斜板５６と、斜板５６を回転させることにより斜板５６の傾斜角度に応じてダイヤフラム５８を伸縮させるシャフト６０と、斜板５６の傾斜角度を変える可変機構５７とから構成したので、前記実施形態と同様、膨張機構３０によるシャフト６０の回転速度を変速することなく容量を変えることができ、小型化及び低コスト化に極めて有利である。この場合、作動流体の吸入及び吐出にダイヤフラム５８を用いているので、ハウジング５１内の斜板５６やシャフト６０等の駆動機構部側に作動流体が侵入することがなく、作動流体との接触による駆動機構部の耐久性低下を防止することができる。また、駆動機構部を潤滑するための潤滑油を作動流体に混合する必要がないので、潤滑油の混合による作動流体の熱交換特性の低下を生ずることがなく、ランキンサイクル４の効率の向上に極めて有利である。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明のランキンサイクルを用いた車両用廃熱利用装置の一実施形態を示す概略構成図
【図２】本発明のランキンサイクルに用いられる流体機械の側面断面図
【図３】本発明の他の実施形態を示す流体機械の側面断面図
【符号の説明】
【００４９】
４…ランキンサイクル、７…蒸発器、１９…凝縮器、２０…流体機械、３０…膨張機構、３３…固定スクロール部材、３４…固定スクロール部材、４０…発電機、５０…ポンプ機構、５２ａ…シリンダ、５３…ピストン、５６…斜板、５７…可変機構、５８…ダイヤフラム、６０…シャフト。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動流体の膨張により回転力を発生する膨張機構と、膨張機構の回転力によって駆動される発電機と、膨張機構の回転力によって駆動されるポンプ機構とを備えた流体機械において、
前記ポンプ機構を容量可変に構成した
ことを特徴とする流体機械。
【請求項２】
前記ポンプ機構を、シリンダ内を往復移動することにより流体を吸入及び吐出するピストンと、ピストンに摺動自在に係合する斜板と、斜板を回転させることにより斜板の傾斜角度に応じてピストンを往復移動させる回転軸と、斜板の傾斜角度を変える可変機構とから構成した
ことを特徴とする請求項１記載の流体機械。
【請求項３】
前記ポンプ機構を、所定方向に伸縮することにより流体を吸入及び吐出するダイヤフラムと、ダイヤフラムに摺動自在に係合する斜板と、斜板を回転させることにより斜板の傾斜角度に応じてダイヤフラムを伸縮させる回転軸と、斜板の傾斜角度を変える可変機構とから構成した
ことを特徴とする請求項１記載の流体機械。
【請求項４】
前記膨張機構を、固定スクロール部材と、固定スクロール部材との間に流入した作動流体の膨張によって偏心揺動することにより回転力を発生する可動スクロール部材とから構成した
ことを特徴とする請求項１、２または３記載の流体機械。
【請求項５】
前記膨張機構の回転力を所定の回転方向でのみ発電機に伝達する一方向伝達機構を備え、
前記発電機を外部から供給される電力によりモータとして前記回転方向に回転するように構成した
ことを特徴とする請求項１、２、３または４記載の流体機械。
【請求項６】
請求項１、２、３、または５記載の流体機械を備えたランキンサイクルであって、
蒸発器によって蒸発した作動流体を流体機械の膨張機構で膨張させるとともに、膨張機構から流出する作動流体を凝縮器によって凝縮させ、凝縮器から流出する作動流体を流体機械のポンプ機構によって蒸発器に圧送するように構成した
ことを特徴とするランキンサイクル。
【請求項１】
作動流体の膨張により回転力を発生する膨張機構と、膨張機構の回転力によって駆動される発電機と、膨張機構の回転力によって駆動されるポンプ機構とを備えた流体機械において、
前記ポンプ機構を容量可変に構成した
ことを特徴とする流体機械。
【請求項２】
前記ポンプ機構を、シリンダ内を往復移動することにより流体を吸入及び吐出するピストンと、ピストンに摺動自在に係合する斜板と、斜板を回転させることにより斜板の傾斜角度に応じてピストンを往復移動させる回転軸と、斜板の傾斜角度を変える可変機構とから構成した
ことを特徴とする請求項１記載の流体機械。
【請求項３】
前記ポンプ機構を、所定方向に伸縮することにより流体を吸入及び吐出するダイヤフラムと、ダイヤフラムに摺動自在に係合する斜板と、斜板を回転させることにより斜板の傾斜角度に応じてダイヤフラムを伸縮させる回転軸と、斜板の傾斜角度を変える可変機構とから構成した
ことを特徴とする請求項１記載の流体機械。
【請求項４】
前記膨張機構を、固定スクロール部材と、固定スクロール部材との間に流入した作動流体の膨張によって偏心揺動することにより回転力を発生する可動スクロール部材とから構成した
ことを特徴とする請求項１、２または３記載の流体機械。
【請求項５】
前記膨張機構の回転力を所定の回転方向でのみ発電機に伝達する一方向伝達機構を備え、
前記発電機を外部から供給される電力によりモータとして前記回転方向に回転するように構成した
ことを特徴とする請求項１、２、３または４記載の流体機械。
【請求項６】
請求項１、２、３、または５記載の流体機械を備えたランキンサイクルであって、
蒸発器によって蒸発した作動流体を流体機械の膨張機構で膨張させるとともに、膨張機構から流出する作動流体を凝縮器によって凝縮させ、凝縮器から流出する作動流体を流体機械のポンプ機構によって蒸発器に圧送するように構成した
ことを特徴とするランキンサイクル。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００９−１８５７７２（Ｐ２００９−１８５７７２Ａ）
【公開日】平成２１年８月２０日（２００９．８．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２９０６３（Ｐ２００８−２９０６３）
【出願日】平成２０年２月８日（２００８．２．８）
【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２１年８月２０日（２００９．８．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年２月８日（２００８．２．８）
【出願人】（０００００１８４５）サンデン株式会社 (1,791)
【Ｆターム（参考）】
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