膨張機
【課題】吸入容積の可変構造の簡易化を図る膨張機を提供することを目的とする。
【解決手段】吸入容積が可変な膨張機１０１は、上流側の吸入室１０ａ１を膨張室１２ｃに連通可能であるメイン吸入ポート１１ｃ及びサブ吸入ポート１１ｄと、サブ吸入ポート１１ｄを開放又は閉鎖する吸入制御弁５０とを備える。吸入制御弁５０は、吸入室１０ａ１をサブ吸入ポート１１ｄに連通する第一弁室５１ｄ１、弁孔５１ｅ１及び第二弁室５１ｄ２と、弁孔５１ｅ１を開放又は閉鎖する弁体５６と、弁体５６に弁孔５１ｅ１を開放させるときには少なくとも気液混合状態である冷媒がその冷媒封入室５４内に封入され、弁体５６に連結されて吸入室１０ａ１内の冷媒に接触するダイヤフラムケース５２及びダイヤフラム５３とを有する。ダイヤフラム５３は、吸入室１０ａ１内の冷媒の温度に対応した冷媒封入室５４内の冷媒の圧力により、弁体５６に弁孔５１ｅ１を開放又は閉鎖させる。
【解決手段】吸入容積が可変な膨張機１０１は、上流側の吸入室１０ａ１を膨張室１２ｃに連通可能であるメイン吸入ポート１１ｃ及びサブ吸入ポート１１ｄと、サブ吸入ポート１１ｄを開放又は閉鎖する吸入制御弁５０とを備える。吸入制御弁５０は、吸入室１０ａ１をサブ吸入ポート１１ｄに連通する第一弁室５１ｄ１、弁孔５１ｅ１及び第二弁室５１ｄ２と、弁孔５１ｅ１を開放又は閉鎖する弁体５６と、弁体５６に弁孔５１ｅ１を開放させるときには少なくとも気液混合状態である冷媒がその冷媒封入室５４内に封入され、弁体５６に連結されて吸入室１０ａ１内の冷媒に接触するダイヤフラムケース５２及びダイヤフラム５３とを有する。ダイヤフラム５３は、吸入室１０ａ１内の冷媒の温度に対応した冷媒封入室５４内の冷媒の圧力により、弁体５６に弁孔５１ｅ１を開放又は閉鎖させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、膨張機に係り、特に吸入容積が可変である膨張機に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両の内燃機関から排出される熱を発電機等の動力に変換するランキンサイクルを利用した技術が開発されている。
ランキンサイクルは、内燃機関から排出される排気ガス等の熱を含む熱媒体と作動流体とを熱交換させて作動流体を過熱蒸気化する熱交換器、過熱蒸気状態の作動流体を膨張させて動力を得る膨張機、膨張させた作動流体を冷却して液化するコンデンサ、及び液化した作動流体を熱交換器に圧送するポンプ等から構成される。そして、膨張機では、作動流体を膨張させることによって回転体を回転させ、この回転体の回転駆動力を発電機の動力として利用している。
【０００３】
ランキンサイクルでは、熱交換器から膨張機にかけて高温の作動流体が流通する。作動流体の温度が過度に上昇すると、膨張機、又は熱交換器から膨張機までの配管の耐久性を低下させ、さらには損傷させることがある。このため、ランキンサイクルでは、作動流体の温度の上昇を抑制する制御が行われ、その制御の１つとして、吸入容積可変型の膨張機を用いて吸入容積を増大させることが行われる。膨張機の吸入容積が増加すると、熱交換器を経由して膨張機に流入する作動流体の圧力が低下するため、作動流体の熱交換器での温度上昇が抑えられる。
【０００４】
例えば、特許文献１には、可変容量スクロール型膨張機が記載されている。この膨張機では、ハウジングの端板内つまり固定スクロールの端板内にスプール穴が穿孔され、スプール穴にバーベル型のスプール及びばねが挿入されている。スプール穴は、高圧連通路及び制御弁を介して膨張機の外部に連通すると共に、低圧連通路を介して膨張機内の低圧室（膨張後の膨張室）に連通している。また、スプール穴は、バイパス穴を介して膨張機の吸込室（膨張前の膨張室）に連通する。制御弁が開放されて高圧ガス冷媒が供給されるとき、スプールの両側には、膨張機外部からの高圧ガス冷媒の圧力と低圧室の圧力との圧力差が発生し、スプールは、ばねの付勢力に抗して移動させられてバイパス穴を塞ぐ。一方、制御弁が高圧ガス冷媒の供給を停止すると、スプールに作用する圧力差がなくなり、ばねの付勢力によってスプールが移動させられてバイパス穴を開放する。このとき、バイパス穴から吸込室に高圧ガス冷媒が流入するため、膨張機の吸入容積が増加する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【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】
【０００６】
しかしながら、特許文献１の膨張機の吸入容積の可変構造では、固定スクロールの端板内に形成したスプール穴にバイパス穴の開閉機構を設け、さらに、開閉機構を作動させるために供給する高圧ガス冷媒の制御を電気式の制御弁で行っているため、その構造が複雑になるという問題がある。
【０００７】
この発明はこのような問題点を解決するためになされたものであり、吸入容積の可変構造の簡易化を図る膨張機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】
上記の課題を解決するために、この発明に係る膨張機は、吸入した作動流体を膨張させるための膨張室を有し、吸入容積が可変である膨張機において、膨張室より上流側を膨張室に連通するメイン吸入ポートと、メイン吸入ポートとは別に設けられ、膨張室より上流側を膨張室に連通可能な少なくとも１つのサブ吸入ポートと、サブ吸入ポートを開放又は閉鎖する吸入制御弁とを備え、吸入制御弁は、膨張室より上流側をサブ吸入ポートに連通する流体通路と、流体通路を開放又は閉鎖する弁体と、弁体に流体通路を開放させるときには少なくとも気液混合状態である気液混合流体が封入され、弁体に連結されて膨張室より上流側の作動流体に接触する感圧部材とを備え、感圧部材は、膨張室より上流側の作動流体の温度に対応した気液混合流体の圧力により弁体に流体通路を開放又は閉鎖させる。
【０００９】
感圧部材は、ダイヤフラムであってもよい。
また、感圧部材は、ベローズであってもよい。
吸入制御弁は、感圧部材から離れて設けられ、感圧部材に内部が連通する感温部を有し、感温部は、流体の流れにおける感圧部材より上流側に配置され、熱伝導性を有していていもよい。
【発明の効果】
【００１０】
この発明に係る膨張機によれば、吸入容積の可変構造の簡易化を図ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】この発明の実施の形態１に係る膨張機を含むランキンサイクルの構成を示す模式図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る膨張機の構成を示す模式断面側面図である。
【図３】図２の吸入制御弁を拡大した模式断面側面図である。
【図４】図２の吸入制御弁における冷媒封入室内の冷媒の飽和蒸気圧よるダイヤフラムへの押圧力と、吸入制御弁を閉鎖させておくためのバルブスプリングの所要付勢力との関係を示す図である。
【図５】この発明の実施の形態２に係る膨張機における吸入制御弁の構成を示す模式断面側面図である。
【図６】この発明の実施の形態３に係る膨張機における吸入制御弁の構成を示す模式断面側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、この発明の実施の形態について添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１〜図３を用いて、この発明の実施の形態１に係る膨張機１０１を含む流体機器１００及びその周辺の構成を説明する。なお、以下の実施形態において、膨張機１０１として、車両に搭載されたランキンサイクル１に設けられて、ランキンサイクル１を流通する冷媒を吸入、膨張して吐出するスクロール型の膨張機を使用した場合の例について説明する。
【００１３】
図１を参照すると、流体機器１００を含むランキンサイクル１が示されている。ランキンサイクル１は、ポンプ２、廃ガスボイラ３、流体機器１００、コンデンサ４を順次環状に接続する循環路を形成しており、作動流体としての冷媒が流通するようになっている。
ポンプ２は、モータ２ａによって駆動され、液体の冷媒を廃ガスボイラ３に圧送する。廃ガスボイラ３は、ポンプ２によって送られた冷媒と、車両のエンジン５の排気系統５ａの排気ガスとを内部で互いに熱交換させ、冷媒を加熱する。
【００１４】
流体機器１００は、膨張機１０１及びオルタネータである発電機１０２を含んでいる。膨張機１０１は、その内部で、廃ガスボイラ３で加熱された後の高温高圧の冷媒を膨張させることによって発電機１０２を回転させ、発電機１０２に交流電流を発生させる。また、膨張機１０１による発電機１０２の回転駆動力は、プーリ５ｂ，５ｃ及びベルト５ｄを介してエンジン５に伝達され、エンジン５の回転駆動力を補助する。コンデンサ４は、膨張機１０１から吐出された冷媒を内部に流通させてコンデンサ４の周囲の空気と熱交換させ、冷媒を冷却・凝縮させる。そして、ポンプ２は、凝縮した液体の冷媒を再び圧送し、ランキンサイクル１を循環させる。
【００１５】
図２を参照すると、流体機器１００の構成が示されている。流体機器１００は、膨張機１０１と、発電機１０２とを含んでいる。
流体機器１００は、第一膨張機ハウジング１０ａ及び第二膨張機ハウジング１０ｂからなり膨張機１０１の筐体を構成する膨張機ハウジング１０と、発電機１０２の筐体を構成する発電機ハウジング２０とを有している。そして、第二膨張機ハウジング１０ｂの両側に、第一膨張機ハウジング１０ａ及び発電機ハウジング２０が連結されている。
【００１６】
膨張機１０１は、第一膨張機ハウジング１０ａの内部に固定スクロール１１を有している。固定スクロール１１は、第一膨張機ハウジング１０ａに固定されており、第一膨張機ハウジング１０ａから第二膨張機ハウジング１０ｂに向かう方向に垂直な方向に延びる板状の基板１１ａと、基板１１ａから第二膨張機ハウジング１０ｂに向かう方向に突出する渦巻壁１１ｂとによって形成されている。そして、渦巻壁１１ｂは、基板１１ａ上で渦巻き状に延びている。
【００１７】
また、膨張機１０１は、第二膨張機ハウジング１０ｂの内部から第一膨張機ハウジング１０ａの内部にわたって、固定スクロール１１と対向するように、可動スクロール１２を有している。可動スクロール１２は、固定スクロール１１に対して第二膨張機ハウジング１０ｂ側に配置されており、固定スクロール１１の基板１１ａと略平行に延在する基板１２ａと、基板１２ａから固定スクロール１１の基板１１ａに向かって突出する渦巻壁１２ｂとによって形成されている。渦巻壁１２ｂは、基板１２ａ上で渦巻き状に延びている。また、可動スクロール１２では、基板１２ａから渦巻壁１２ｂと反対側に、筒状のシャフト支持部１２ｄが突出して形成されている。
【００１８】
そして、可動スクロール１２は、その渦巻壁１２ｂが固定スクロール１１の渦巻壁１１ｂ同士の間にはまりこむようにして、配置されている。可動スクロール１２の渦巻壁１２ｂは、固定スクロール１１の渦巻壁１１ｂと当接することによって、閉鎖された空間である三日月状の膨張室１２ｃを形成することができる。
【００１９】
また、第一膨張機ハウジング１０ａの内部では、固定スクロール１１の基板１１ａと、基板１１ａに対向する第一膨張機ハウジング１０ａの端壁１０ａａとの間に、吸入室１０ａ１が形成されている。吸入室１０ａ１は、固定スクロール１１を取り囲む第一膨張機ハウジング１０ａの周壁１０ａｂを貫通する吸入通路１０ａ３を介して、流体機器１００の外部と連通する。
また、第一膨張機ハウジング１０ａの周壁１０ａｂには、固定スクロール１１の最も外側の渦巻壁１１ｂと周壁１０ａｂとを貫通して延びる吐出通路１０ａ４が形成されている。吐出通路１０ａ４は、膨張室１２ｃを流体機器１００の外部に連通することができる。
【００２０】
また、固定スクロール１１の基板１１ａの中心を貫通して、吸入室１０ａ１を膨張室１２ｃに連通することができるメイン吸入ポート１１ｃが形成されており、さらに、メイン吸入ポート１１ｃから離れた位置で基板１１ａを貫通するサブ吸入ポート１１ｄが、形成されている。
さらに、吸入室１０ａ１において、サブ吸入ポート１１ｄには、サブ吸入ポート１１ｄを開放又は閉鎖することができる吸入制御弁５０が設けられている。吸入制御弁５０は、ダイヤフラム弁の型式を有しており、その詳細は後述する。
【００２１】
また、膨張機１０１は、可動スクロール１２のシャフト支持部１２ｄ側に、駆動シャフト１３を有している。駆動シャフト１３は、第二膨張機ハウジング１０ｂ内の軸受１４によって回転可能に支持される拡径部１３ｂと、拡径部１３ｂから発電機ハウジング２０の内部空間２０ａ内に延びるメインシャフト部１３ａと、拡径部１３ｂから可動スクロール１２のシャフト支持部１２ｄ内に延びる偏心シャフト部１３ｃとを一体に有している。偏心シャフト部１３ｃは、互いの中心軸を同一とするメインシャフト部１３ａ及び拡径部１３ｂに対してその中心軸を偏心させており、ブッシュ１５及びその外周の軸受１６を介してシャフト支持部１２ｄと回転自在に嵌合している。
【００２２】
よって、偏心シャフト部１３ｃは、メインシャフト部１３ａ及び拡径部１３ｂの回転中心軸の周りを旋回するように回転することができる。そして、可動スクロール１２は、メインシャフト部１３ａ及び拡径部１３ｂの回転中心軸の周りを公転運動することによって、偏心シャフト部１３ｃを介して、メインシャフト部１３ａ及び拡径部１３ｂをその回転中心軸周りに回転させることができる。また、可動スクロール１２が公転運動することによって、メイン吸入ポート１１ｃで形成された膨張室１２ｃが、固定スクロール１１の基板１１ａの周縁に移動しつつ、容積を増大させる。
【００２３】
メインシャフト部１３ａの端部は、第二膨張機ハウジング１０ｂと反対側に位置する発電機ハウジング２０の端壁２０ａａに設けられた軸受２０ｂによって回転可能に支持され、さらに端壁２０ａａから突出してプーリ５ｂ（図１参照）に連結されている。また、内部空間２０ａ内では、ロータ２１が、一体に回転するようにメインシャフト部１３ａの周りに固定されている。さらに、発電機ハウジング２０の周壁２０ａｂの内周面には、ロータ２１を取り囲むようにして、コイル２２ａを有するステータ２２が固定されている。そして、発電機ハウジング２０、メインシャフト部１３ａ、ロータ２１及びステータ２２は、発電機１０２を構成し、発電機１０２は、メインシャフト部１３ａが回転されてロータ２１が回転することによってステータ２２のコイル２２ａに電流を発生することができる。
【００２４】
次に、図３を参照すると、吸入制御弁５０の詳細な構成が示されている。
吸入制御弁５０は、弁ハウジング５１を有している。弁ハウジング５１は、円筒状の弁周壁５１ｂと、弁周壁５１ｂの固定スクロール１１側の端部を閉鎖する弁端壁５１ａとを有し、弁周壁５１ｂの固定スクロール１１と反対側の端部は開放されて開口部５１ｂ１を形成している。さらに、弁ハウジング５１は、弁周壁５１ｂの円筒軸方向に垂直な方向に延びる隔壁５１ｅを、内部に有している。これにより、弁ハウジング５１の内部は、弁端壁５１ａ、弁周壁５１ｂ及び隔壁５１ｅが囲む第一弁室５１ｄ１と、隔壁５１ｅ及び弁周壁５１ｂが囲み開口部５１ｂ１で開放する第二弁室５１ｄ２とに分割される。
【００２５】
また、弁ハウジング５１は、その弁端壁５１ａが、サブ吸入ポート１１ｄの位置で固定スクロール１１に固定されている。弁ハウジング５１の第一弁室５１ｄ１は、弁端壁５１ａに形成された弁吐出穴５１ａ１を介して、サブ吸入ポート１１ｄに連通する。
また、弁ハウジング５１の開口部５１ｂ１には、開口部５１ｂ１を閉鎖するように略楕円体状をしたダイヤフラムケース５２が取り付けられている。
【００２６】
ダイヤフラムケース５２は、熱伝導性が高い板状部材によって形成されて中空になっており、その内部に弾性をもつ板状のダイヤフラム５３を有している。なお、ダイヤフラム５３も、熱伝導性が高い部材によって形成されていてもよい。ダイヤフラム５３は、弁ハウジング５１の弁周壁５１ｂの円筒軸方向に垂直な方向に延在している。これにより、ダイヤフラム５３における弁ハウジング５１と反対側には、ダイヤフラム５３とダイヤフラムケース５２とによって囲まれた密閉空間である冷媒封入室５４が形成されている。さらに、冷媒封入室５４の内部には、流体機器１００が設けられるランキンサイクル１（図１参照）を流通する冷媒と同一の冷媒が、気液混合状態で封入されている。なお、冷媒封入室５４内の冷媒は、ランキンサイクル１を流通する冷媒と異なり、ランキンサイクル１を流通する冷媒がとりうる温度範囲で気液混合状態を維持する冷媒であってもよい。
【００２７】
そして、冷媒封入室５４内の冷媒は、吸入室１０ａ１内の冷媒の熱を、ダイヤフラムケース５２及びダイヤフラム５３を介して受け取ることができる。また、ダイヤフラムケース５２は、ダイヤフラム５３を挟んで冷媒封入室５４と反対側の部位が、弁ハウジング５１の開口部５１ｂ１内において開口している。
ここで、ダイヤフラムケース５２及びダイヤフラム５３は感圧部材を構成し、冷媒封入室５４内の冷媒は気液混合流体を構成している。
【００２８】
また、弁ハウジング５１の弁周壁５１ｂには、弁周壁５１ｂを貫通して吸入室１０ａ１を第二弁室５１ｄ２に連通する弁吸入穴５１ｂ２が形成されている。さらに、弁ハウジング５１の隔壁５１ｅには、隔壁５１ｅを貫通して第二弁室５１ｄ２を第一弁室５１ｄ１に連通する弁孔５１ｅ１が形成されている。よって、吸入室１０ａ１は、第二弁室５１ｄ２、弁孔５１ｅ１及び第一弁室５１ｄ１を介してサブ吸入ポート１１ｄに連通可能であり、第一弁室５１ｄ１、弁孔５１ｅ１及び第二弁室５１ｄ２は、流体通路を構成している。
【００２９】
また、ダイヤフラム５３には、第二弁室５１ｄ２側に弁棒５５が固定されており、弁棒５５は、第二弁室５１ｄ２及び弁孔５１ｅ１を通って、第一弁室５１ｄ１内に延びている。さらに、第一弁室５１ｄ１内では、弁棒５５の端部に球状の弁体５６が固定されている。よって、ダイヤフラム５３が弁棒５５の延びる方向に撓むように弾性変形することによって、弁棒５５及び弁体５６は、弁周壁５１ｂの円筒軸方向に移動し、弁体５６が弁孔５１ｅ１を開放又は閉鎖することができる。
【００３０】
また、第一弁室５１ｄ１内において、弁体５６と弁端壁５１ａとの間には、弁周壁５１ｂの円筒軸方向に伸縮可能なバルブスプリング５７が設けられ、さらに、バルブスプリング５７と弁体５６との間には、弁体支持部材５８が設けられている。バルブスプリング５７は、一方の端部を弁端壁５１ａに当接させると共に他方の端部を弁体支持部材５８に当接させており、その付勢力によって弁体支持部材５８と共に弁体５６を隔壁５１ｅに向かって押圧し、弁体５６に弁孔５１ｅ１を閉鎖させることができる。ここで、隔壁５１ｅは、弁体５６の弁座を構成している。
【００３１】
次に、図１〜図４を用いて、この発明の実施の形態１に係る膨張機１０１を含む流体機器１００及びその周辺の動作を説明する。
図１を参照すると、車両のエンジン５の稼動中、エンジン５から排気系統５ａに排出された排気ガスは、廃ガスボイラ３の内部を流通した後、車両の外部に排出される。このとき、エンジン５の回転駆動力が、プーリ５ｃ、ベルト５ｄ及びプーリ５ｂを介して、流体機器１００に伝達し、それによって、膨張機１０１及び発電機１０２が回転駆動される。
【００３２】
また、エンジン５の稼動中、ポンプ２がモータ２ａによって駆動される。これによって、ポンプ２は、液体状態の冷媒を廃ガスボイラ３に向かって圧送する。ポンプ２によって断熱加圧作用を受けた冷媒は、廃ガスボイラ３において排気ガスと熱交換を行うことによって等圧加熱されて高温高圧の過熱蒸気となり、流体機器１００の回転駆動している膨張機１０１に吸入される。膨張機１０１内の冷媒は、断熱膨張して流出する。流出した冷媒は、コンデンサ４に流入し、コンデンサ４では周囲の空気すなわち外気と熱交換を行うことによって等圧冷却されて凝縮し液体状態となって流出する。さらに、コンデンサ４から流出した冷媒は、ポンプ２に吸入されて再度圧送され、ランキンサイクル１を循環する。
【００３３】
図２をあわせて参照すると、廃ガスボイラ３から流出した高温高圧の冷媒は、膨張機１０１の吸入通路１０ａ３を通って吸入室１０ａ１に流入する。さらに、通常は吸入制御弁５０がサブ吸入ポート１１ｄを閉鎖しているため、冷媒は、メイン吸入ポート１１ｃを通って、固定スクロール１１及び可動スクロール１２によって形成される膨張室１２ｃに流入する。膨張室１２ｃ内の冷媒は、その膨張力によって膨張室１２ｃの容積を増大させる方向への回転駆動力を可動スクロール１２に付与し、それにより、膨張室１２ｃは、固定スクロール１１の基板１１ａの中央のメイン吸入ポート１１ｃ近傍で形成された後、可動スクロール１２の回転に伴ってその容積を増加させつつ基板１１ａの周縁に向かって移動し、吐出通路１０ａ４と連通するようになる。そして、容積を増加させた膨張室１２ｃ内で膨張した冷媒は、膨張機１０１の外部に排出される。
【００３４】
このとき、冷媒の膨張力による可動スクロール１２の回転駆動力は、駆動シャフト１３を介して伝達されることで、発電機１０２のロータ２１を回転駆動すると共にエンジン５の回転駆動力を補助する。
ロータ２１が回転されることによって、ステータ２２のコイル２２ａに交流電流が発生し、発生した交流電流は、図示しないコンバータで直流電流に変換された後、バッテリ等に充電される。
【００３５】
ランキンサイクル１では、膨張機１０１、及び、廃ガスボイラ３を膨張機１０１の吸入通路１０ａ３に連結する冷媒配管を流通する冷媒は高温であるため、膨張機１０１に流入する冷媒の温度が、膨張機１０１及び冷媒配管の耐熱温度を超えないように制御される。
そして、本実施の形態１のランキンサイクル１では、膨張機１０１の回転がエンジン５の回転と連動するため、膨張機１０１の回転数を制御せずに、膨張機１０１の吸入容積を変更することで、膨張機１０１に流入する冷媒の温度を調節する。
【００３６】
例えば、膨張機１０１の吸入容積が増加すると、ポンプ２から廃ガスボイラ３を通過して膨張機１０１に至るまでの冷媒流路の圧力を低下させることができ、それによって、熱交換後の冷媒温度の上昇が抑えられ膨張機１０１に流入する冷媒の温度も低下する。あるいは圧力低下を防ぐように冷媒流量を調整する場合はポンプ２の圧送する流量が増加するため、熱交換後の冷媒温度の上昇が抑えられ、膨張機１０１に流入する冷媒の温度も低下する。
そして、膨張機１０１の吸入容積を増大させるには、吸入制御弁５０によって閉鎖されているサブ吸入ポート１１ｄを開放し、サブ吸入ポート１１ｄからも膨張室１２ｃに冷媒を流入させる。なお、メイン吸入ポート１１ｃのみを介した冷媒の吸入が終了した時点の膨張室１２ｃの容積と比較すると、メイン吸入ポート１１ｃ及びサブ吸入ポート１１ｄの両方を介した冷媒の吸入が終了した時点の膨張室１２ｃの容積は、可動スクロール１２の回転角度が異なり回転が進行しているため、増大しており、膨張機１０１の吸入容積が増えることになる。
【００３７】
図３を参照すると、弁体５６が弁孔５１ｅ１を閉鎖している吸入制御弁５０では、弁体５６に対して、第一弁室５１ｄ１から第二弁室５１ｄ２に向かってバルブスプリング５７の付勢力Ｆａが作用している。
また、弁体５６には第二弁室５１ｄ２から第一弁室５１ｄ１に向かって、冷媒封入室５４内の気液混合状態の冷媒の圧力（飽和蒸気圧）が第二弁室５１ｄ２内の冷媒の圧力（過熱蒸気圧力）に抗してダイヤフラム５３を押圧することで弁棒５５を介して弁体５６を押圧する力Ｆｂが、作用している。なお、同一の冷媒で、同一温度での飽和蒸気圧と過熱蒸気圧力とを比較すると、飽和蒸気圧の方が高くなる。そして、飽和蒸気圧は、同一の温度では一定となり、過熱蒸気の過熱度（エンタルピ）が増加する程、飽和蒸気圧と過熱蒸気圧力の差が増大する。
【００３８】
よって、吸入室１０ａ１内の冷媒の温度が低いときは、ダイヤフラムケース５２を介して吸入室１０ａ１内の冷媒から熱を受け取る冷媒封入室５４内の冷媒の温度も同様に低くなり、冷媒封入室５４内の冷媒の飽和蒸気圧による押圧力Ｆｂが、バルブスプリング５７の付勢力Ｆａより小さくなり、弁体５６は隔壁（弁座）５１ｅに押し付けられて弁孔５１ｅ１を閉鎖する。このとき、第一弁室５１ｄ１及び第二弁室５１ｄ２の連通が遮断され、サブ吸入ポート１１ｄが閉鎖されることになる。
【００３９】
一方、吸入室１０ａ１内の冷媒の温度が上昇すると、冷媒封入室５４内の冷媒の温度も同様に上昇し、それに伴い飽和蒸気圧も上昇するが、上昇する飽和蒸気圧による押圧力Ｆｂがバルブスプリング５７の付勢力Ｆａを超えると、押圧力Ｆｂは、ダイヤフラム５３を弁体５６に向かって突出するように弾性変形させ、それにより、弁体５６が弁座５１ｅから離れる方向に移動し弁孔５１ｅ１を開放する。このとき、第二弁室５１ｄ２が第一弁室５１ｄ１に連通するため、吸入室１０ａ１内の冷媒が、第二弁室５１ｄ２、第一弁室５１ｄ１及びサブ吸入ポート１１ｄを経由して膨張室１２ｃに流入し、サブ吸入ポート１１ｄが開放されることになり、膨張機１０１の吸入容積が増加する。
【００４０】
また、バルブスプリング５７の強度を設定することによって、弁体５６が弁孔５１ｅ１を開放する時点の冷媒の温度を設定することができる。
ここで、図４を参照すると、吸入制御弁５０（図３参照）において、冷媒封入室５４（図３参照）内の冷媒の飽和蒸気圧Ｐｓによってダイヤフラム５３（図３参照）が押圧される力Ｆｐｓと、第二弁室５１ｄ２（図３参照）内の冷媒の圧力Ｐａによってダイヤフラム５３が押圧される力Ｆｐａと、冷媒温度が所定の温度以下の場合に弁体５６（図３参照）を閉鎖させておくのに必要なバルブスプリング５７（図３参照）の所要付勢力Ｆｒとの関係が示されている。図４では、縦軸が力（単位：Ｎ）を示し、横軸が冷媒の温度（単位：℃）を示す。そして、所要付勢力Ｆｒは、ダイヤフラム５３の面積をＡとすると、Ｆｒ＝Ｆｐｓ−Ｆｐａ＝（Ｐｓ−Ｐａ）×Ａで算出される力である。なお、図４では、第二弁室５１ｄ２内の冷媒の圧力Ｐａは制御されて一定であるとしている。
【００４１】
図３をあわせて参照すると、例えば、所定の温度ｔ１以下の状態で弁体５６を閉鎖させておくようにする場合、バルブスプリング５７の所要付勢力はＦｒ１となる。このとき、吸入室１０ａ１内の冷媒の温度が温度ｔ１を超えて温度ｔ２となると、冷媒封入室５４内の冷媒の温度も同様に温度ｔ１を超えて温度ｔ２となり、冷媒封入室５４内の冷媒の飽和蒸気圧Ｐｓ２も温度ｔ１の飽和蒸気圧Ｐｓ１を超えるため、そのときの力Ｆｐｓ２は飽和蒸気圧Ｐｓ１×Ａより大きくなる。所要付勢力Ｆｒ１＝（飽和蒸気圧Ｐｓ１−冷媒圧力Ｐａ）×Ａであるため、温度ｔ２の場合における冷媒封入室５４内の冷媒の飽和蒸気圧による押圧力Ｆｂ２は、所要付勢力Ｆｒ１より大きくなる。よって、弁体５６は、バルブスプリング５７を押し縮める方向に移動され、弁孔５１ｅ１を開放する。従って、吸入室１０ａ１内の冷媒温度が温度ｔ１より高い場合、吸入制御弁５０では弁孔５１ｅ１が開放される。
【００４２】
上述で説明するように、この発明の実施の形態１に係る膨張機１０１は、吸入した冷媒を膨張させるための膨張室１２ｃを有し、吸入容積が可変である。膨張機１０１は、膨張室１２ｃより上流側を膨張室１２ｃに連通するメイン吸入ポート１１ｃと、メイン吸入ポート１１ｃとは別に設けられ、膨張室１２ｃより上流側を膨張室１２ｃに連通可能な少なくとも１つのサブ吸入ポート１１ｄと、サブ吸入ポート１１ｄを開放又は閉鎖する吸入制御弁５０とを備える。吸入制御弁５０は、膨張室１２ｃより上流側をサブ吸入ポート１１ｄに連通する第一弁室５１ｄ１、弁孔５１ｅ１及び第二弁室５１ｄ２と、弁孔５１ｅ１を開放又は閉鎖する弁体５６と、弁体５６に弁孔５１ｅ１を開放させるときには少なくとも気液混合状態である冷媒がその冷媒封入室５４内に封入され、弁体５６に連結されて膨張室１２ｃより上流側の冷媒に接触するダイヤフラムケース５２及びダイヤフラム５３とを備える。ダイヤフラム５３は、膨張室１２ｃより上流側の冷媒の温度に対応した冷媒封入室５４内の冷媒の圧力により弁体５６に弁孔５１ｅ１を開放又は閉鎖させる。
【００４３】
このとき、吸入制御弁５０では、膨張室１２ｃの上流側の冷媒の熱によって、冷媒封入室５４内の冷媒の温度が上昇すると共に圧力が上昇し、それにより、ダイヤフラム５３が弾性変形することで弁体５６が移動し、弁孔５１ｅ１を開放することができる。よって、膨張機１０１では、膨張室１２ｃの上流側の冷媒の温度が所定の温度を超えると、吸入制御弁５０が弁孔５１ｅ１を開放するようにすることができ、このとき、サブ吸入ポート１１ｄを介して膨張室１２ｃがその上流側と連通し、その吸入容積を増大させる。そして、吸入制御弁５０は、冷媒封入室５４内の冷媒の温度変化に伴う圧力変化によって弁体５６を動作させる構造であるため、弁体５６を動作させる駆動力が大きく、そして、その構造を小型で簡易なものにすることができる。さらに、吸入制御弁５０には、電気配線等の電気系統が必要でないため、その構造を簡易にすることができる。また、吸入制御弁５０は、冷媒封入室５４が膨張室１２ｃの上流に設けられるため、膨張機１０１に流入する冷媒の温度に対する感度を高めた弁体５６の開閉動作を行うことができる。
【００４４】
また、膨張機１０１において、吸入制御弁５０における冷媒封入室５４内の冷媒は、その圧力によってダイヤフラム５３を弾性変形させることで弁体５６に弁孔５１ｅ１を開放させるときには少なくとも、気液混合状態である。膨張機１０１で膨張させる冷媒と、冷媒封入室５４内の冷媒とに同一の種類の冷媒を使用する場合、同一の温度のとき、膨張機１０１に流入する過熱蒸気状態の冷媒の圧力より、飽和蒸気状態の冷媒の圧力が高い。このため、ダイヤフラム５３に過熱蒸気状態の冷媒の圧力が作用する場合でも、冷媒封入室５４内の気液混合状態つまり飽和蒸気状態の冷媒は、ダイヤフラム５３を外方に向かって突出させるように変形させることができ、それにより、弁体５６を動作させることができる。さらに、冷媒封入室５４内の冷媒は、弁体５６に弁孔５１ｅ１を開放させるときには少なくとも飽和蒸気状態であるため、弁体５６を確実に動作させることができる。また、同一の温度では飽和蒸気圧は一定であるため、バルブスプリング５７の付勢力に抗して開放させる弁体５６の開放度を、冷媒の温度で制御することを容易にすることができる。
【００４５】
実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係る膨張機２０１は、実施の形態１の膨張機１０１における吸入制御弁５０のダイヤフラムケース５２及びダイヤフラム５３を、ベローズ２５３としたものである。
なお、以下の実施の形態において、前出した図における参照符号と同一の符号は、同一または同様な構成要素であるので、その詳細な説明は省略する。
【００４６】
図５を参照すると、実施の形態２に係る膨張機２０１は、実施の形態１の膨張機１０１と同様の構成を有しているが、吸入室１０ａ１内のサブ吸入ポート１１ｄには、吸入制御弁５０の代わりに吸入制御弁２５０を有している。
吸入制御弁２５０の弁ハウジング２５１は、円筒状の弁周壁２５１ｂと、弁周壁２５１ｂの両端部を閉鎖する弁端壁２５１ａ及び２５１ｃとを有している。さらに、弁ハウジング２５１は、弁周壁２５１ｂの内側にその円筒軸方向に垂直な隔壁２５１ｅを有し、弁ハウジング２５１の内部は、隔壁２５１ｅによって第一弁室２５１ｄ１及び第二弁室２５１ｄ２に分割されている。第一弁室２５１ｄ１及び第二弁室２５１ｄ２は、隔壁２５１ｅに形成された弁孔２５１ｅ１を介して互いに連通する。さらに、弁周壁２５１ｂには、第二弁室２５１ｄ２を弁ハウジング２５１の外部に連通する弁吸入穴２５１ｂ２が複数形成されている。
【００４７】
また、固定スクロール１１に固定された弁端壁２５１ａには、サブ吸入ポート１１ｄに連通する弁吐出穴２５１ａ１が形成されている。一方、吸入室１０ａ１側の弁端壁２５１ｃにおける第二弁室２５１ｄ２側には、感圧部材として中空の蛇腹状をしたベローズ２５３が設けられている。ベローズ２５３は、蛇腹状の周壁２５３ｂと、周壁２５３ｂの両端を閉鎖する端壁２５３ａ及び２５３ｃとによって形成され、内部に密閉された冷媒封入室２５４を形成している。ベローズ２５３は、その端壁２５３ｃが弁端壁２５１ｃに取り付けられ、端壁２５３ａには弁棒２５５が取り付けられている。さらに、弁孔２５１ｅ１を通って第一弁室２５１ｄ１に延びる弁棒２５５の先端には弁体５６が取り付けられている。よって、ベローズ２５３は、弁棒２５５の延びる方向つまり弁周壁２５１ｂの円筒軸方向に伸縮することができ、それにより、弁体５６で弁孔２５１ｅ１を開放又は閉鎖することができる。また、ベローズ２５３の冷媒封入室２５４には、流体機器１００が設けられるランキンサイクル１（図１参照）を流通する冷媒と同一の冷媒が、気液混合状態で封入されている。さらに、ベローズ２５３は、熱伝導性が高い部材によって形成されている。
【００４８】
また、第一弁室２５１ｄ１内では、バルブスプリング５７が設けられ、バルブスプリング５７は、端部のそれぞれを弁端壁２５１ａ及び弁体支持部材５８に当接させ、弁体支持部材５８を介して弁体５６を隔壁（弁座）２５１ｅに向かって付勢している。
【００４９】
よって、吸入室１０ａ１内の冷媒の温度が低いとき、ベローズ２５３の冷媒封入室２５４内の冷媒の温度も低く、冷媒封入室２５４内の冷媒の飽和蒸気圧が低いため、バルブスプリング５７が弁体５６を弁座２５１ｅに押し付けて弁孔２５１ｅ１を閉鎖する。一方、吸入室１０ａ１内の冷媒の温度が高くなると、ベローズ２５３の冷媒封入室２５４内の冷媒の温度も高くなって、冷媒封入室２５４内の冷媒の飽和蒸気圧が上昇し、吸入室１０ａ１内の冷媒の圧力に抗した飽和蒸気圧による押圧力がバルブスプリング５７の付勢力を超えると、ベローズ２５３が伸長して弁体５６を弁座２５１ｅから離れる方向に移動させ、弁孔２５１ｅ１が開放される。
また、この発明の実施の形態２に係る膨張機２０１のその他の構成及び動作は、実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。
【００５０】
このように、実施の形態２における膨張機２０１によれば、上記実施の形態１の膨張機１０１と同様な効果が得られる。
また、膨張機２０１の吸入制御弁２５０では、冷媒を封入して弁体５６を動作させる構成としてベローズ２５３を使用しているため、実施の形態１の膨張機１０１の吸入制御弁５０におけるダイヤフラムケース５２及びダイヤフラム５３を使用した構成より、構造を簡易にすることができる。
【００５１】
実施の形態３．
この発明の実施の形態３に係る膨張機３０１は、実施の形態１における膨張機１０１の吸入制御弁５０において、ダイヤフラムケース５２及びダイヤフラム５３によって形成される冷媒封入室５４に連通する感温筒６０を設けたものである。
図６を参照すると、実施の形態３に係る膨張機３０１は、実施の形態１の膨張機１０１と同様の構成を有しており、さらに、吸入室１０ａ１内に感温部である感温筒６０を有している。
【００５２】
感温筒６０は、内部の感温室６０ａを熱伝導性が高い感温室筐体６０ｂで囲んだ構成を有している。そして、感温室６０ａは、連通管５９を介して、吸入制御弁５０の冷媒封入室５４と連通しており、内部には冷媒封入室５４と同じ冷媒が封入されている。
また、感温筒６０は、冷媒封入室５４から離れて設けられており、冷媒封入室５４より膨張機３０１の吸入通路１０ａ３に近い位置、つまり冷媒封入室５４より上流側に配置されている。
【００５３】
よって、感温室６０ａ内の冷媒は、冷媒封入室５４内の冷媒より、吸入室１０ａ１内のより温度が高い冷媒から感温室筐体６０ｂを介して熱を受け取り、その温度を迅速に上昇させる。さらに、感温室筐体６０ｂの表面積を増大させることによって、感温室６０ａ内の冷媒と吸入室１０ａ１内の冷媒との間の熱交換面積を増大させ、感温室６０ａ内の冷媒の温度の上昇速度つまり熱に対する感度を増加させることもできる。
また、この発明の実施の形態３に係る膨張機３０１のその他の構成及び動作は、実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。
【００５４】
このように、実施の形態３における膨張機３０１によれば、上記実施の形態１の膨張機１０１と同様な効果が得られる。さらに、膨張機３０１では、冷媒封入室５４より上流側に感温筒６０を設けたため、吸入室１０ａ１内の冷媒の温度変化に対して、感温筒６０及び冷媒封入室５４に封入された冷媒の感度を向上させることができる。
また、膨張機３０１の感温筒６０は、実施の形態２の膨張機２０１におけるベローズ２５３に設けてもよい。
【００５５】
また、実施の形態１の膨張機１０１において、吸入制御弁５０の冷媒封入室５４に封入された冷媒は、広い温度域で気液混合状態であったがこれに限定されるものでない。吸入制御弁５０を開放しておくべき吸入室１０ａ１内の冷媒の温度範囲が設定されている場合、冷媒封入室５４に封入された冷媒は、設定された温度範囲でのみ気液混合状態であってもよい。
また、実施の形態１〜３の膨張機１０１〜３０１では、膨張機１０１〜３０１に吸入されるランキンサイクル１の冷媒と、吸入制御弁５０，２５０の冷媒封入室５４，２５４内の冷媒とが同一であったが、これに限定されるものでない。冷媒封入室５４，２５４内の冷媒の方が臨界点温度の高いものを使用すれば、膨張機１０１〜３０１に吸入される冷媒の温度がその臨界点温度を超える場合でも、気液混合状態を維持することができ、吸入制御弁５０，２５０の開放制御を安定して行うことができる。
【００５６】
また、実施の形態１〜３の膨張機１０１〜３０１では、１つのサブ吸入ポート１１ｄが設けられていたが、これに限定されるものでなく、２つ以上あってもよい。このとき、各サブ吸入ポートに対して吸入制御弁５０，２５０を設けてもよい。
また、実施の形態１〜３の膨張機１０１〜３０１は、スクロール式膨張機であったがこれに限定されるものでなく、ベーン式膨張機等のロータリー型の膨張機など、膨張室の容積を増大させることによって内部の流体を膨張させる膨張機であればよい。
【符号の説明】
【００５７】
１０ａ１ 吸入室、１１ｃ メイン吸入ポート、１１ｄ サブ吸入ポート、１２ｃ 膨張室、５０，２５０ 吸入制御弁、５１ｄ１，２５１ｄ１ 第一弁室（流体通路）、５１ｅ１，２５１ｅ１ 弁孔（流体通路）、５１ｄ２，２５１ｄ２ 第二弁室（流体通路）、５２ ダイヤフラムケース（感圧部材）、５３ ダイヤフラム（感圧部材）、５４，２５４ 冷媒封入室、５６ 弁体、６０ 感温筒（感温部）、１０１，２０１，３０１ 膨張機、２５３ ベローズ（感圧部材）。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、膨張機に係り、特に吸入容積が可変である膨張機に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両の内燃機関から排出される熱を発電機等の動力に変換するランキンサイクルを利用した技術が開発されている。
ランキンサイクルは、内燃機関から排出される排気ガス等の熱を含む熱媒体と作動流体とを熱交換させて作動流体を過熱蒸気化する熱交換器、過熱蒸気状態の作動流体を膨張させて動力を得る膨張機、膨張させた作動流体を冷却して液化するコンデンサ、及び液化した作動流体を熱交換器に圧送するポンプ等から構成される。そして、膨張機では、作動流体を膨張させることによって回転体を回転させ、この回転体の回転駆動力を発電機の動力として利用している。
【０００３】
ランキンサイクルでは、熱交換器から膨張機にかけて高温の作動流体が流通する。作動流体の温度が過度に上昇すると、膨張機、又は熱交換器から膨張機までの配管の耐久性を低下させ、さらには損傷させることがある。このため、ランキンサイクルでは、作動流体の温度の上昇を抑制する制御が行われ、その制御の１つとして、吸入容積可変型の膨張機を用いて吸入容積を増大させることが行われる。膨張機の吸入容積が増加すると、熱交換器を経由して膨張機に流入する作動流体の圧力が低下するため、作動流体の熱交換器での温度上昇が抑えられる。
【０００４】
例えば、特許文献１には、可変容量スクロール型膨張機が記載されている。この膨張機では、ハウジングの端板内つまり固定スクロールの端板内にスプール穴が穿孔され、スプール穴にバーベル型のスプール及びばねが挿入されている。スプール穴は、高圧連通路及び制御弁を介して膨張機の外部に連通すると共に、低圧連通路を介して膨張機内の低圧室（膨張後の膨張室）に連通している。また、スプール穴は、バイパス穴を介して膨張機の吸込室（膨張前の膨張室）に連通する。制御弁が開放されて高圧ガス冷媒が供給されるとき、スプールの両側には、膨張機外部からの高圧ガス冷媒の圧力と低圧室の圧力との圧力差が発生し、スプールは、ばねの付勢力に抗して移動させられてバイパス穴を塞ぐ。一方、制御弁が高圧ガス冷媒の供給を停止すると、スプールに作用する圧力差がなくなり、ばねの付勢力によってスプールが移動させられてバイパス穴を開放する。このとき、バイパス穴から吸込室に高圧ガス冷媒が流入するため、膨張機の吸入容積が増加する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【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】
【０００６】
しかしながら、特許文献１の膨張機の吸入容積の可変構造では、固定スクロールの端板内に形成したスプール穴にバイパス穴の開閉機構を設け、さらに、開閉機構を作動させるために供給する高圧ガス冷媒の制御を電気式の制御弁で行っているため、その構造が複雑になるという問題がある。
【０００７】
この発明はこのような問題点を解決するためになされたものであり、吸入容積の可変構造の簡易化を図る膨張機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】
上記の課題を解決するために、この発明に係る膨張機は、吸入した作動流体を膨張させるための膨張室を有し、吸入容積が可変である膨張機において、膨張室より上流側を膨張室に連通するメイン吸入ポートと、メイン吸入ポートとは別に設けられ、膨張室より上流側を膨張室に連通可能な少なくとも１つのサブ吸入ポートと、サブ吸入ポートを開放又は閉鎖する吸入制御弁とを備え、吸入制御弁は、膨張室より上流側をサブ吸入ポートに連通する流体通路と、流体通路を開放又は閉鎖する弁体と、弁体に流体通路を開放させるときには少なくとも気液混合状態である気液混合流体が封入され、弁体に連結されて膨張室より上流側の作動流体に接触する感圧部材とを備え、感圧部材は、膨張室より上流側の作動流体の温度に対応した気液混合流体の圧力により弁体に流体通路を開放又は閉鎖させる。
【０００９】
感圧部材は、ダイヤフラムであってもよい。
また、感圧部材は、ベローズであってもよい。
吸入制御弁は、感圧部材から離れて設けられ、感圧部材に内部が連通する感温部を有し、感温部は、流体の流れにおける感圧部材より上流側に配置され、熱伝導性を有していていもよい。
【発明の効果】
【００１０】
この発明に係る膨張機によれば、吸入容積の可変構造の簡易化を図ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】この発明の実施の形態１に係る膨張機を含むランキンサイクルの構成を示す模式図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る膨張機の構成を示す模式断面側面図である。
【図３】図２の吸入制御弁を拡大した模式断面側面図である。
【図４】図２の吸入制御弁における冷媒封入室内の冷媒の飽和蒸気圧よるダイヤフラムへの押圧力と、吸入制御弁を閉鎖させておくためのバルブスプリングの所要付勢力との関係を示す図である。
【図５】この発明の実施の形態２に係る膨張機における吸入制御弁の構成を示す模式断面側面図である。
【図６】この発明の実施の形態３に係る膨張機における吸入制御弁の構成を示す模式断面側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、この発明の実施の形態について添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１〜図３を用いて、この発明の実施の形態１に係る膨張機１０１を含む流体機器１００及びその周辺の構成を説明する。なお、以下の実施形態において、膨張機１０１として、車両に搭載されたランキンサイクル１に設けられて、ランキンサイクル１を流通する冷媒を吸入、膨張して吐出するスクロール型の膨張機を使用した場合の例について説明する。
【００１３】
図１を参照すると、流体機器１００を含むランキンサイクル１が示されている。ランキンサイクル１は、ポンプ２、廃ガスボイラ３、流体機器１００、コンデンサ４を順次環状に接続する循環路を形成しており、作動流体としての冷媒が流通するようになっている。
ポンプ２は、モータ２ａによって駆動され、液体の冷媒を廃ガスボイラ３に圧送する。廃ガスボイラ３は、ポンプ２によって送られた冷媒と、車両のエンジン５の排気系統５ａの排気ガスとを内部で互いに熱交換させ、冷媒を加熱する。
【００１４】
流体機器１００は、膨張機１０１及びオルタネータである発電機１０２を含んでいる。膨張機１０１は、その内部で、廃ガスボイラ３で加熱された後の高温高圧の冷媒を膨張させることによって発電機１０２を回転させ、発電機１０２に交流電流を発生させる。また、膨張機１０１による発電機１０２の回転駆動力は、プーリ５ｂ，５ｃ及びベルト５ｄを介してエンジン５に伝達され、エンジン５の回転駆動力を補助する。コンデンサ４は、膨張機１０１から吐出された冷媒を内部に流通させてコンデンサ４の周囲の空気と熱交換させ、冷媒を冷却・凝縮させる。そして、ポンプ２は、凝縮した液体の冷媒を再び圧送し、ランキンサイクル１を循環させる。
【００１５】
図２を参照すると、流体機器１００の構成が示されている。流体機器１００は、膨張機１０１と、発電機１０２とを含んでいる。
流体機器１００は、第一膨張機ハウジング１０ａ及び第二膨張機ハウジング１０ｂからなり膨張機１０１の筐体を構成する膨張機ハウジング１０と、発電機１０２の筐体を構成する発電機ハウジング２０とを有している。そして、第二膨張機ハウジング１０ｂの両側に、第一膨張機ハウジング１０ａ及び発電機ハウジング２０が連結されている。
【００１６】
膨張機１０１は、第一膨張機ハウジング１０ａの内部に固定スクロール１１を有している。固定スクロール１１は、第一膨張機ハウジング１０ａに固定されており、第一膨張機ハウジング１０ａから第二膨張機ハウジング１０ｂに向かう方向に垂直な方向に延びる板状の基板１１ａと、基板１１ａから第二膨張機ハウジング１０ｂに向かう方向に突出する渦巻壁１１ｂとによって形成されている。そして、渦巻壁１１ｂは、基板１１ａ上で渦巻き状に延びている。
【００１７】
また、膨張機１０１は、第二膨張機ハウジング１０ｂの内部から第一膨張機ハウジング１０ａの内部にわたって、固定スクロール１１と対向するように、可動スクロール１２を有している。可動スクロール１２は、固定スクロール１１に対して第二膨張機ハウジング１０ｂ側に配置されており、固定スクロール１１の基板１１ａと略平行に延在する基板１２ａと、基板１２ａから固定スクロール１１の基板１１ａに向かって突出する渦巻壁１２ｂとによって形成されている。渦巻壁１２ｂは、基板１２ａ上で渦巻き状に延びている。また、可動スクロール１２では、基板１２ａから渦巻壁１２ｂと反対側に、筒状のシャフト支持部１２ｄが突出して形成されている。
【００１８】
そして、可動スクロール１２は、その渦巻壁１２ｂが固定スクロール１１の渦巻壁１１ｂ同士の間にはまりこむようにして、配置されている。可動スクロール１２の渦巻壁１２ｂは、固定スクロール１１の渦巻壁１１ｂと当接することによって、閉鎖された空間である三日月状の膨張室１２ｃを形成することができる。
【００１９】
また、第一膨張機ハウジング１０ａの内部では、固定スクロール１１の基板１１ａと、基板１１ａに対向する第一膨張機ハウジング１０ａの端壁１０ａａとの間に、吸入室１０ａ１が形成されている。吸入室１０ａ１は、固定スクロール１１を取り囲む第一膨張機ハウジング１０ａの周壁１０ａｂを貫通する吸入通路１０ａ３を介して、流体機器１００の外部と連通する。
また、第一膨張機ハウジング１０ａの周壁１０ａｂには、固定スクロール１１の最も外側の渦巻壁１１ｂと周壁１０ａｂとを貫通して延びる吐出通路１０ａ４が形成されている。吐出通路１０ａ４は、膨張室１２ｃを流体機器１００の外部に連通することができる。
【００２０】
また、固定スクロール１１の基板１１ａの中心を貫通して、吸入室１０ａ１を膨張室１２ｃに連通することができるメイン吸入ポート１１ｃが形成されており、さらに、メイン吸入ポート１１ｃから離れた位置で基板１１ａを貫通するサブ吸入ポート１１ｄが、形成されている。
さらに、吸入室１０ａ１において、サブ吸入ポート１１ｄには、サブ吸入ポート１１ｄを開放又は閉鎖することができる吸入制御弁５０が設けられている。吸入制御弁５０は、ダイヤフラム弁の型式を有しており、その詳細は後述する。
【００２１】
また、膨張機１０１は、可動スクロール１２のシャフト支持部１２ｄ側に、駆動シャフト１３を有している。駆動シャフト１３は、第二膨張機ハウジング１０ｂ内の軸受１４によって回転可能に支持される拡径部１３ｂと、拡径部１３ｂから発電機ハウジング２０の内部空間２０ａ内に延びるメインシャフト部１３ａと、拡径部１３ｂから可動スクロール１２のシャフト支持部１２ｄ内に延びる偏心シャフト部１３ｃとを一体に有している。偏心シャフト部１３ｃは、互いの中心軸を同一とするメインシャフト部１３ａ及び拡径部１３ｂに対してその中心軸を偏心させており、ブッシュ１５及びその外周の軸受１６を介してシャフト支持部１２ｄと回転自在に嵌合している。
【００２２】
よって、偏心シャフト部１３ｃは、メインシャフト部１３ａ及び拡径部１３ｂの回転中心軸の周りを旋回するように回転することができる。そして、可動スクロール１２は、メインシャフト部１３ａ及び拡径部１３ｂの回転中心軸の周りを公転運動することによって、偏心シャフト部１３ｃを介して、メインシャフト部１３ａ及び拡径部１３ｂをその回転中心軸周りに回転させることができる。また、可動スクロール１２が公転運動することによって、メイン吸入ポート１１ｃで形成された膨張室１２ｃが、固定スクロール１１の基板１１ａの周縁に移動しつつ、容積を増大させる。
【００２３】
メインシャフト部１３ａの端部は、第二膨張機ハウジング１０ｂと反対側に位置する発電機ハウジング２０の端壁２０ａａに設けられた軸受２０ｂによって回転可能に支持され、さらに端壁２０ａａから突出してプーリ５ｂ（図１参照）に連結されている。また、内部空間２０ａ内では、ロータ２１が、一体に回転するようにメインシャフト部１３ａの周りに固定されている。さらに、発電機ハウジング２０の周壁２０ａｂの内周面には、ロータ２１を取り囲むようにして、コイル２２ａを有するステータ２２が固定されている。そして、発電機ハウジング２０、メインシャフト部１３ａ、ロータ２１及びステータ２２は、発電機１０２を構成し、発電機１０２は、メインシャフト部１３ａが回転されてロータ２１が回転することによってステータ２２のコイル２２ａに電流を発生することができる。
【００２４】
次に、図３を参照すると、吸入制御弁５０の詳細な構成が示されている。
吸入制御弁５０は、弁ハウジング５１を有している。弁ハウジング５１は、円筒状の弁周壁５１ｂと、弁周壁５１ｂの固定スクロール１１側の端部を閉鎖する弁端壁５１ａとを有し、弁周壁５１ｂの固定スクロール１１と反対側の端部は開放されて開口部５１ｂ１を形成している。さらに、弁ハウジング５１は、弁周壁５１ｂの円筒軸方向に垂直な方向に延びる隔壁５１ｅを、内部に有している。これにより、弁ハウジング５１の内部は、弁端壁５１ａ、弁周壁５１ｂ及び隔壁５１ｅが囲む第一弁室５１ｄ１と、隔壁５１ｅ及び弁周壁５１ｂが囲み開口部５１ｂ１で開放する第二弁室５１ｄ２とに分割される。
【００２５】
また、弁ハウジング５１は、その弁端壁５１ａが、サブ吸入ポート１１ｄの位置で固定スクロール１１に固定されている。弁ハウジング５１の第一弁室５１ｄ１は、弁端壁５１ａに形成された弁吐出穴５１ａ１を介して、サブ吸入ポート１１ｄに連通する。
また、弁ハウジング５１の開口部５１ｂ１には、開口部５１ｂ１を閉鎖するように略楕円体状をしたダイヤフラムケース５２が取り付けられている。
【００２６】
ダイヤフラムケース５２は、熱伝導性が高い板状部材によって形成されて中空になっており、その内部に弾性をもつ板状のダイヤフラム５３を有している。なお、ダイヤフラム５３も、熱伝導性が高い部材によって形成されていてもよい。ダイヤフラム５３は、弁ハウジング５１の弁周壁５１ｂの円筒軸方向に垂直な方向に延在している。これにより、ダイヤフラム５３における弁ハウジング５１と反対側には、ダイヤフラム５３とダイヤフラムケース５２とによって囲まれた密閉空間である冷媒封入室５４が形成されている。さらに、冷媒封入室５４の内部には、流体機器１００が設けられるランキンサイクル１（図１参照）を流通する冷媒と同一の冷媒が、気液混合状態で封入されている。なお、冷媒封入室５４内の冷媒は、ランキンサイクル１を流通する冷媒と異なり、ランキンサイクル１を流通する冷媒がとりうる温度範囲で気液混合状態を維持する冷媒であってもよい。
【００２７】
そして、冷媒封入室５４内の冷媒は、吸入室１０ａ１内の冷媒の熱を、ダイヤフラムケース５２及びダイヤフラム５３を介して受け取ることができる。また、ダイヤフラムケース５２は、ダイヤフラム５３を挟んで冷媒封入室５４と反対側の部位が、弁ハウジング５１の開口部５１ｂ１内において開口している。
ここで、ダイヤフラムケース５２及びダイヤフラム５３は感圧部材を構成し、冷媒封入室５４内の冷媒は気液混合流体を構成している。
【００２８】
また、弁ハウジング５１の弁周壁５１ｂには、弁周壁５１ｂを貫通して吸入室１０ａ１を第二弁室５１ｄ２に連通する弁吸入穴５１ｂ２が形成されている。さらに、弁ハウジング５１の隔壁５１ｅには、隔壁５１ｅを貫通して第二弁室５１ｄ２を第一弁室５１ｄ１に連通する弁孔５１ｅ１が形成されている。よって、吸入室１０ａ１は、第二弁室５１ｄ２、弁孔５１ｅ１及び第一弁室５１ｄ１を介してサブ吸入ポート１１ｄに連通可能であり、第一弁室５１ｄ１、弁孔５１ｅ１及び第二弁室５１ｄ２は、流体通路を構成している。
【００２９】
また、ダイヤフラム５３には、第二弁室５１ｄ２側に弁棒５５が固定されており、弁棒５５は、第二弁室５１ｄ２及び弁孔５１ｅ１を通って、第一弁室５１ｄ１内に延びている。さらに、第一弁室５１ｄ１内では、弁棒５５の端部に球状の弁体５６が固定されている。よって、ダイヤフラム５３が弁棒５５の延びる方向に撓むように弾性変形することによって、弁棒５５及び弁体５６は、弁周壁５１ｂの円筒軸方向に移動し、弁体５６が弁孔５１ｅ１を開放又は閉鎖することができる。
【００３０】
また、第一弁室５１ｄ１内において、弁体５６と弁端壁５１ａとの間には、弁周壁５１ｂの円筒軸方向に伸縮可能なバルブスプリング５７が設けられ、さらに、バルブスプリング５７と弁体５６との間には、弁体支持部材５８が設けられている。バルブスプリング５７は、一方の端部を弁端壁５１ａに当接させると共に他方の端部を弁体支持部材５８に当接させており、その付勢力によって弁体支持部材５８と共に弁体５６を隔壁５１ｅに向かって押圧し、弁体５６に弁孔５１ｅ１を閉鎖させることができる。ここで、隔壁５１ｅは、弁体５６の弁座を構成している。
【００３１】
次に、図１〜図４を用いて、この発明の実施の形態１に係る膨張機１０１を含む流体機器１００及びその周辺の動作を説明する。
図１を参照すると、車両のエンジン５の稼動中、エンジン５から排気系統５ａに排出された排気ガスは、廃ガスボイラ３の内部を流通した後、車両の外部に排出される。このとき、エンジン５の回転駆動力が、プーリ５ｃ、ベルト５ｄ及びプーリ５ｂを介して、流体機器１００に伝達し、それによって、膨張機１０１及び発電機１０２が回転駆動される。
【００３２】
また、エンジン５の稼動中、ポンプ２がモータ２ａによって駆動される。これによって、ポンプ２は、液体状態の冷媒を廃ガスボイラ３に向かって圧送する。ポンプ２によって断熱加圧作用を受けた冷媒は、廃ガスボイラ３において排気ガスと熱交換を行うことによって等圧加熱されて高温高圧の過熱蒸気となり、流体機器１００の回転駆動している膨張機１０１に吸入される。膨張機１０１内の冷媒は、断熱膨張して流出する。流出した冷媒は、コンデンサ４に流入し、コンデンサ４では周囲の空気すなわち外気と熱交換を行うことによって等圧冷却されて凝縮し液体状態となって流出する。さらに、コンデンサ４から流出した冷媒は、ポンプ２に吸入されて再度圧送され、ランキンサイクル１を循環する。
【００３３】
図２をあわせて参照すると、廃ガスボイラ３から流出した高温高圧の冷媒は、膨張機１０１の吸入通路１０ａ３を通って吸入室１０ａ１に流入する。さらに、通常は吸入制御弁５０がサブ吸入ポート１１ｄを閉鎖しているため、冷媒は、メイン吸入ポート１１ｃを通って、固定スクロール１１及び可動スクロール１２によって形成される膨張室１２ｃに流入する。膨張室１２ｃ内の冷媒は、その膨張力によって膨張室１２ｃの容積を増大させる方向への回転駆動力を可動スクロール１２に付与し、それにより、膨張室１２ｃは、固定スクロール１１の基板１１ａの中央のメイン吸入ポート１１ｃ近傍で形成された後、可動スクロール１２の回転に伴ってその容積を増加させつつ基板１１ａの周縁に向かって移動し、吐出通路１０ａ４と連通するようになる。そして、容積を増加させた膨張室１２ｃ内で膨張した冷媒は、膨張機１０１の外部に排出される。
【００３４】
このとき、冷媒の膨張力による可動スクロール１２の回転駆動力は、駆動シャフト１３を介して伝達されることで、発電機１０２のロータ２１を回転駆動すると共にエンジン５の回転駆動力を補助する。
ロータ２１が回転されることによって、ステータ２２のコイル２２ａに交流電流が発生し、発生した交流電流は、図示しないコンバータで直流電流に変換された後、バッテリ等に充電される。
【００３５】
ランキンサイクル１では、膨張機１０１、及び、廃ガスボイラ３を膨張機１０１の吸入通路１０ａ３に連結する冷媒配管を流通する冷媒は高温であるため、膨張機１０１に流入する冷媒の温度が、膨張機１０１及び冷媒配管の耐熱温度を超えないように制御される。
そして、本実施の形態１のランキンサイクル１では、膨張機１０１の回転がエンジン５の回転と連動するため、膨張機１０１の回転数を制御せずに、膨張機１０１の吸入容積を変更することで、膨張機１０１に流入する冷媒の温度を調節する。
【００３６】
例えば、膨張機１０１の吸入容積が増加すると、ポンプ２から廃ガスボイラ３を通過して膨張機１０１に至るまでの冷媒流路の圧力を低下させることができ、それによって、熱交換後の冷媒温度の上昇が抑えられ膨張機１０１に流入する冷媒の温度も低下する。あるいは圧力低下を防ぐように冷媒流量を調整する場合はポンプ２の圧送する流量が増加するため、熱交換後の冷媒温度の上昇が抑えられ、膨張機１０１に流入する冷媒の温度も低下する。
そして、膨張機１０１の吸入容積を増大させるには、吸入制御弁５０によって閉鎖されているサブ吸入ポート１１ｄを開放し、サブ吸入ポート１１ｄからも膨張室１２ｃに冷媒を流入させる。なお、メイン吸入ポート１１ｃのみを介した冷媒の吸入が終了した時点の膨張室１２ｃの容積と比較すると、メイン吸入ポート１１ｃ及びサブ吸入ポート１１ｄの両方を介した冷媒の吸入が終了した時点の膨張室１２ｃの容積は、可動スクロール１２の回転角度が異なり回転が進行しているため、増大しており、膨張機１０１の吸入容積が増えることになる。
【００３７】
図３を参照すると、弁体５６が弁孔５１ｅ１を閉鎖している吸入制御弁５０では、弁体５６に対して、第一弁室５１ｄ１から第二弁室５１ｄ２に向かってバルブスプリング５７の付勢力Ｆａが作用している。
また、弁体５６には第二弁室５１ｄ２から第一弁室５１ｄ１に向かって、冷媒封入室５４内の気液混合状態の冷媒の圧力（飽和蒸気圧）が第二弁室５１ｄ２内の冷媒の圧力（過熱蒸気圧力）に抗してダイヤフラム５３を押圧することで弁棒５５を介して弁体５６を押圧する力Ｆｂが、作用している。なお、同一の冷媒で、同一温度での飽和蒸気圧と過熱蒸気圧力とを比較すると、飽和蒸気圧の方が高くなる。そして、飽和蒸気圧は、同一の温度では一定となり、過熱蒸気の過熱度（エンタルピ）が増加する程、飽和蒸気圧と過熱蒸気圧力の差が増大する。
【００３８】
よって、吸入室１０ａ１内の冷媒の温度が低いときは、ダイヤフラムケース５２を介して吸入室１０ａ１内の冷媒から熱を受け取る冷媒封入室５４内の冷媒の温度も同様に低くなり、冷媒封入室５４内の冷媒の飽和蒸気圧による押圧力Ｆｂが、バルブスプリング５７の付勢力Ｆａより小さくなり、弁体５６は隔壁（弁座）５１ｅに押し付けられて弁孔５１ｅ１を閉鎖する。このとき、第一弁室５１ｄ１及び第二弁室５１ｄ２の連通が遮断され、サブ吸入ポート１１ｄが閉鎖されることになる。
【００３９】
一方、吸入室１０ａ１内の冷媒の温度が上昇すると、冷媒封入室５４内の冷媒の温度も同様に上昇し、それに伴い飽和蒸気圧も上昇するが、上昇する飽和蒸気圧による押圧力Ｆｂがバルブスプリング５７の付勢力Ｆａを超えると、押圧力Ｆｂは、ダイヤフラム５３を弁体５６に向かって突出するように弾性変形させ、それにより、弁体５６が弁座５１ｅから離れる方向に移動し弁孔５１ｅ１を開放する。このとき、第二弁室５１ｄ２が第一弁室５１ｄ１に連通するため、吸入室１０ａ１内の冷媒が、第二弁室５１ｄ２、第一弁室５１ｄ１及びサブ吸入ポート１１ｄを経由して膨張室１２ｃに流入し、サブ吸入ポート１１ｄが開放されることになり、膨張機１０１の吸入容積が増加する。
【００４０】
また、バルブスプリング５７の強度を設定することによって、弁体５６が弁孔５１ｅ１を開放する時点の冷媒の温度を設定することができる。
ここで、図４を参照すると、吸入制御弁５０（図３参照）において、冷媒封入室５４（図３参照）内の冷媒の飽和蒸気圧Ｐｓによってダイヤフラム５３（図３参照）が押圧される力Ｆｐｓと、第二弁室５１ｄ２（図３参照）内の冷媒の圧力Ｐａによってダイヤフラム５３が押圧される力Ｆｐａと、冷媒温度が所定の温度以下の場合に弁体５６（図３参照）を閉鎖させておくのに必要なバルブスプリング５７（図３参照）の所要付勢力Ｆｒとの関係が示されている。図４では、縦軸が力（単位：Ｎ）を示し、横軸が冷媒の温度（単位：℃）を示す。そして、所要付勢力Ｆｒは、ダイヤフラム５３の面積をＡとすると、Ｆｒ＝Ｆｐｓ−Ｆｐａ＝（Ｐｓ−Ｐａ）×Ａで算出される力である。なお、図４では、第二弁室５１ｄ２内の冷媒の圧力Ｐａは制御されて一定であるとしている。
【００４１】
図３をあわせて参照すると、例えば、所定の温度ｔ１以下の状態で弁体５６を閉鎖させておくようにする場合、バルブスプリング５７の所要付勢力はＦｒ１となる。このとき、吸入室１０ａ１内の冷媒の温度が温度ｔ１を超えて温度ｔ２となると、冷媒封入室５４内の冷媒の温度も同様に温度ｔ１を超えて温度ｔ２となり、冷媒封入室５４内の冷媒の飽和蒸気圧Ｐｓ２も温度ｔ１の飽和蒸気圧Ｐｓ１を超えるため、そのときの力Ｆｐｓ２は飽和蒸気圧Ｐｓ１×Ａより大きくなる。所要付勢力Ｆｒ１＝（飽和蒸気圧Ｐｓ１−冷媒圧力Ｐａ）×Ａであるため、温度ｔ２の場合における冷媒封入室５４内の冷媒の飽和蒸気圧による押圧力Ｆｂ２は、所要付勢力Ｆｒ１より大きくなる。よって、弁体５６は、バルブスプリング５７を押し縮める方向に移動され、弁孔５１ｅ１を開放する。従って、吸入室１０ａ１内の冷媒温度が温度ｔ１より高い場合、吸入制御弁５０では弁孔５１ｅ１が開放される。
【００４２】
上述で説明するように、この発明の実施の形態１に係る膨張機１０１は、吸入した冷媒を膨張させるための膨張室１２ｃを有し、吸入容積が可変である。膨張機１０１は、膨張室１２ｃより上流側を膨張室１２ｃに連通するメイン吸入ポート１１ｃと、メイン吸入ポート１１ｃとは別に設けられ、膨張室１２ｃより上流側を膨張室１２ｃに連通可能な少なくとも１つのサブ吸入ポート１１ｄと、サブ吸入ポート１１ｄを開放又は閉鎖する吸入制御弁５０とを備える。吸入制御弁５０は、膨張室１２ｃより上流側をサブ吸入ポート１１ｄに連通する第一弁室５１ｄ１、弁孔５１ｅ１及び第二弁室５１ｄ２と、弁孔５１ｅ１を開放又は閉鎖する弁体５６と、弁体５６に弁孔５１ｅ１を開放させるときには少なくとも気液混合状態である冷媒がその冷媒封入室５４内に封入され、弁体５６に連結されて膨張室１２ｃより上流側の冷媒に接触するダイヤフラムケース５２及びダイヤフラム５３とを備える。ダイヤフラム５３は、膨張室１２ｃより上流側の冷媒の温度に対応した冷媒封入室５４内の冷媒の圧力により弁体５６に弁孔５１ｅ１を開放又は閉鎖させる。
【００４３】
このとき、吸入制御弁５０では、膨張室１２ｃの上流側の冷媒の熱によって、冷媒封入室５４内の冷媒の温度が上昇すると共に圧力が上昇し、それにより、ダイヤフラム５３が弾性変形することで弁体５６が移動し、弁孔５１ｅ１を開放することができる。よって、膨張機１０１では、膨張室１２ｃの上流側の冷媒の温度が所定の温度を超えると、吸入制御弁５０が弁孔５１ｅ１を開放するようにすることができ、このとき、サブ吸入ポート１１ｄを介して膨張室１２ｃがその上流側と連通し、その吸入容積を増大させる。そして、吸入制御弁５０は、冷媒封入室５４内の冷媒の温度変化に伴う圧力変化によって弁体５６を動作させる構造であるため、弁体５６を動作させる駆動力が大きく、そして、その構造を小型で簡易なものにすることができる。さらに、吸入制御弁５０には、電気配線等の電気系統が必要でないため、その構造を簡易にすることができる。また、吸入制御弁５０は、冷媒封入室５４が膨張室１２ｃの上流に設けられるため、膨張機１０１に流入する冷媒の温度に対する感度を高めた弁体５６の開閉動作を行うことができる。
【００４４】
また、膨張機１０１において、吸入制御弁５０における冷媒封入室５４内の冷媒は、その圧力によってダイヤフラム５３を弾性変形させることで弁体５６に弁孔５１ｅ１を開放させるときには少なくとも、気液混合状態である。膨張機１０１で膨張させる冷媒と、冷媒封入室５４内の冷媒とに同一の種類の冷媒を使用する場合、同一の温度のとき、膨張機１０１に流入する過熱蒸気状態の冷媒の圧力より、飽和蒸気状態の冷媒の圧力が高い。このため、ダイヤフラム５３に過熱蒸気状態の冷媒の圧力が作用する場合でも、冷媒封入室５４内の気液混合状態つまり飽和蒸気状態の冷媒は、ダイヤフラム５３を外方に向かって突出させるように変形させることができ、それにより、弁体５６を動作させることができる。さらに、冷媒封入室５４内の冷媒は、弁体５６に弁孔５１ｅ１を開放させるときには少なくとも飽和蒸気状態であるため、弁体５６を確実に動作させることができる。また、同一の温度では飽和蒸気圧は一定であるため、バルブスプリング５７の付勢力に抗して開放させる弁体５６の開放度を、冷媒の温度で制御することを容易にすることができる。
【００４５】
実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係る膨張機２０１は、実施の形態１の膨張機１０１における吸入制御弁５０のダイヤフラムケース５２及びダイヤフラム５３を、ベローズ２５３としたものである。
なお、以下の実施の形態において、前出した図における参照符号と同一の符号は、同一または同様な構成要素であるので、その詳細な説明は省略する。
【００４６】
図５を参照すると、実施の形態２に係る膨張機２０１は、実施の形態１の膨張機１０１と同様の構成を有しているが、吸入室１０ａ１内のサブ吸入ポート１１ｄには、吸入制御弁５０の代わりに吸入制御弁２５０を有している。
吸入制御弁２５０の弁ハウジング２５１は、円筒状の弁周壁２５１ｂと、弁周壁２５１ｂの両端部を閉鎖する弁端壁２５１ａ及び２５１ｃとを有している。さらに、弁ハウジング２５１は、弁周壁２５１ｂの内側にその円筒軸方向に垂直な隔壁２５１ｅを有し、弁ハウジング２５１の内部は、隔壁２５１ｅによって第一弁室２５１ｄ１及び第二弁室２５１ｄ２に分割されている。第一弁室２５１ｄ１及び第二弁室２５１ｄ２は、隔壁２５１ｅに形成された弁孔２５１ｅ１を介して互いに連通する。さらに、弁周壁２５１ｂには、第二弁室２５１ｄ２を弁ハウジング２５１の外部に連通する弁吸入穴２５１ｂ２が複数形成されている。
【００４７】
また、固定スクロール１１に固定された弁端壁２５１ａには、サブ吸入ポート１１ｄに連通する弁吐出穴２５１ａ１が形成されている。一方、吸入室１０ａ１側の弁端壁２５１ｃにおける第二弁室２５１ｄ２側には、感圧部材として中空の蛇腹状をしたベローズ２５３が設けられている。ベローズ２５３は、蛇腹状の周壁２５３ｂと、周壁２５３ｂの両端を閉鎖する端壁２５３ａ及び２５３ｃとによって形成され、内部に密閉された冷媒封入室２５４を形成している。ベローズ２５３は、その端壁２５３ｃが弁端壁２５１ｃに取り付けられ、端壁２５３ａには弁棒２５５が取り付けられている。さらに、弁孔２５１ｅ１を通って第一弁室２５１ｄ１に延びる弁棒２５５の先端には弁体５６が取り付けられている。よって、ベローズ２５３は、弁棒２５５の延びる方向つまり弁周壁２５１ｂの円筒軸方向に伸縮することができ、それにより、弁体５６で弁孔２５１ｅ１を開放又は閉鎖することができる。また、ベローズ２５３の冷媒封入室２５４には、流体機器１００が設けられるランキンサイクル１（図１参照）を流通する冷媒と同一の冷媒が、気液混合状態で封入されている。さらに、ベローズ２５３は、熱伝導性が高い部材によって形成されている。
【００４８】
また、第一弁室２５１ｄ１内では、バルブスプリング５７が設けられ、バルブスプリング５７は、端部のそれぞれを弁端壁２５１ａ及び弁体支持部材５８に当接させ、弁体支持部材５８を介して弁体５６を隔壁（弁座）２５１ｅに向かって付勢している。
【００４９】
よって、吸入室１０ａ１内の冷媒の温度が低いとき、ベローズ２５３の冷媒封入室２５４内の冷媒の温度も低く、冷媒封入室２５４内の冷媒の飽和蒸気圧が低いため、バルブスプリング５７が弁体５６を弁座２５１ｅに押し付けて弁孔２５１ｅ１を閉鎖する。一方、吸入室１０ａ１内の冷媒の温度が高くなると、ベローズ２５３の冷媒封入室２５４内の冷媒の温度も高くなって、冷媒封入室２５４内の冷媒の飽和蒸気圧が上昇し、吸入室１０ａ１内の冷媒の圧力に抗した飽和蒸気圧による押圧力がバルブスプリング５７の付勢力を超えると、ベローズ２５３が伸長して弁体５６を弁座２５１ｅから離れる方向に移動させ、弁孔２５１ｅ１が開放される。
また、この発明の実施の形態２に係る膨張機２０１のその他の構成及び動作は、実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。
【００５０】
このように、実施の形態２における膨張機２０１によれば、上記実施の形態１の膨張機１０１と同様な効果が得られる。
また、膨張機２０１の吸入制御弁２５０では、冷媒を封入して弁体５６を動作させる構成としてベローズ２５３を使用しているため、実施の形態１の膨張機１０１の吸入制御弁５０におけるダイヤフラムケース５２及びダイヤフラム５３を使用した構成より、構造を簡易にすることができる。
【００５１】
実施の形態３．
この発明の実施の形態３に係る膨張機３０１は、実施の形態１における膨張機１０１の吸入制御弁５０において、ダイヤフラムケース５２及びダイヤフラム５３によって形成される冷媒封入室５４に連通する感温筒６０を設けたものである。
図６を参照すると、実施の形態３に係る膨張機３０１は、実施の形態１の膨張機１０１と同様の構成を有しており、さらに、吸入室１０ａ１内に感温部である感温筒６０を有している。
【００５２】
感温筒６０は、内部の感温室６０ａを熱伝導性が高い感温室筐体６０ｂで囲んだ構成を有している。そして、感温室６０ａは、連通管５９を介して、吸入制御弁５０の冷媒封入室５４と連通しており、内部には冷媒封入室５４と同じ冷媒が封入されている。
また、感温筒６０は、冷媒封入室５４から離れて設けられており、冷媒封入室５４より膨張機３０１の吸入通路１０ａ３に近い位置、つまり冷媒封入室５４より上流側に配置されている。
【００５３】
よって、感温室６０ａ内の冷媒は、冷媒封入室５４内の冷媒より、吸入室１０ａ１内のより温度が高い冷媒から感温室筐体６０ｂを介して熱を受け取り、その温度を迅速に上昇させる。さらに、感温室筐体６０ｂの表面積を増大させることによって、感温室６０ａ内の冷媒と吸入室１０ａ１内の冷媒との間の熱交換面積を増大させ、感温室６０ａ内の冷媒の温度の上昇速度つまり熱に対する感度を増加させることもできる。
また、この発明の実施の形態３に係る膨張機３０１のその他の構成及び動作は、実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。
【００５４】
このように、実施の形態３における膨張機３０１によれば、上記実施の形態１の膨張機１０１と同様な効果が得られる。さらに、膨張機３０１では、冷媒封入室５４より上流側に感温筒６０を設けたため、吸入室１０ａ１内の冷媒の温度変化に対して、感温筒６０及び冷媒封入室５４に封入された冷媒の感度を向上させることができる。
また、膨張機３０１の感温筒６０は、実施の形態２の膨張機２０１におけるベローズ２５３に設けてもよい。
【００５５】
また、実施の形態１の膨張機１０１において、吸入制御弁５０の冷媒封入室５４に封入された冷媒は、広い温度域で気液混合状態であったがこれに限定されるものでない。吸入制御弁５０を開放しておくべき吸入室１０ａ１内の冷媒の温度範囲が設定されている場合、冷媒封入室５４に封入された冷媒は、設定された温度範囲でのみ気液混合状態であってもよい。
また、実施の形態１〜３の膨張機１０１〜３０１では、膨張機１０１〜３０１に吸入されるランキンサイクル１の冷媒と、吸入制御弁５０，２５０の冷媒封入室５４，２５４内の冷媒とが同一であったが、これに限定されるものでない。冷媒封入室５４，２５４内の冷媒の方が臨界点温度の高いものを使用すれば、膨張機１０１〜３０１に吸入される冷媒の温度がその臨界点温度を超える場合でも、気液混合状態を維持することができ、吸入制御弁５０，２５０の開放制御を安定して行うことができる。
【００５６】
また、実施の形態１〜３の膨張機１０１〜３０１では、１つのサブ吸入ポート１１ｄが設けられていたが、これに限定されるものでなく、２つ以上あってもよい。このとき、各サブ吸入ポートに対して吸入制御弁５０，２５０を設けてもよい。
また、実施の形態１〜３の膨張機１０１〜３０１は、スクロール式膨張機であったがこれに限定されるものでなく、ベーン式膨張機等のロータリー型の膨張機など、膨張室の容積を増大させることによって内部の流体を膨張させる膨張機であればよい。
【符号の説明】
【００５７】
１０ａ１ 吸入室、１１ｃ メイン吸入ポート、１１ｄ サブ吸入ポート、１２ｃ 膨張室、５０，２５０ 吸入制御弁、５１ｄ１，２５１ｄ１ 第一弁室（流体通路）、５１ｅ１，２５１ｅ１ 弁孔（流体通路）、５１ｄ２，２５１ｄ２ 第二弁室（流体通路）、５２ ダイヤフラムケース（感圧部材）、５３ ダイヤフラム（感圧部材）、５４，２５４ 冷媒封入室、５６ 弁体、６０ 感温筒（感温部）、１０１，２０１，３０１ 膨張機、２５３ ベローズ（感圧部材）。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸入した作動流体を膨張させるための膨張室を有し、吸入容積が可変である膨張機において、
前記膨張室より上流側を前記膨張室に連通するメイン吸入ポートと、
前記メイン吸入ポートとは別に設けられ、前記膨張室より上流側を前記膨張室に連通可能な少なくとも１つのサブ吸入ポートと、
前記サブ吸入ポートを開放又は閉鎖する吸入制御弁とを備え、
前記吸入制御弁は、
前記膨張室より上流側を前記サブ吸入ポートに連通する流体通路と、
前記流体通路を開放又は閉鎖する弁体と、
前記弁体に前記流体通路を開放させるときには少なくとも気液混合状態である気液混合流体が封入され、前記弁体に連結されて前記膨張室より上流側の前記作動流体に接触する感圧部材とを備え、
前記感圧部材は、前記膨張室より上流側の前記作動流体の温度に対応した前記気液混合流体の圧力により前記弁体に前記流体通路を開放又は閉鎖させる膨張機。
【請求項２】
前記感圧部材は、ダイヤフラムである請求項１に記載の膨張機。
【請求項３】
前記感圧部材は、ベローズである請求項１に記載の膨張機。
【請求項４】
前記吸入制御弁は、前記感圧部材から離れて設けられ、前記感圧部材に内部が連通する感温部を有し、
前記感温部は、前記流体の流れにおける前記感圧部材より上流側に配置され、熱伝導性を有する請求項１〜３のいずれか一項に記載の膨張機。
【請求項１】
吸入した作動流体を膨張させるための膨張室を有し、吸入容積が可変である膨張機において、
前記膨張室より上流側を前記膨張室に連通するメイン吸入ポートと、
前記メイン吸入ポートとは別に設けられ、前記膨張室より上流側を前記膨張室に連通可能な少なくとも１つのサブ吸入ポートと、
前記サブ吸入ポートを開放又は閉鎖する吸入制御弁とを備え、
前記吸入制御弁は、
前記膨張室より上流側を前記サブ吸入ポートに連通する流体通路と、
前記流体通路を開放又は閉鎖する弁体と、
前記弁体に前記流体通路を開放させるときには少なくとも気液混合状態である気液混合流体が封入され、前記弁体に連結されて前記膨張室より上流側の前記作動流体に接触する感圧部材とを備え、
前記感圧部材は、前記膨張室より上流側の前記作動流体の温度に対応した前記気液混合流体の圧力により前記弁体に前記流体通路を開放又は閉鎖させる膨張機。
【請求項２】
前記感圧部材は、ダイヤフラムである請求項１に記載の膨張機。
【請求項３】
前記感圧部材は、ベローズである請求項１に記載の膨張機。
【請求項４】
前記吸入制御弁は、前記感圧部材から離れて設けられ、前記感圧部材に内部が連通する感温部を有し、
前記感温部は、前記流体の流れにおける前記感圧部材より上流側に配置され、熱伝導性を有する請求項１〜３のいずれか一項に記載の膨張機。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１３−７９６３２（Ｐ２０１３−７９６３２Ａ）
【公開日】平成２５年５月２日（２０１３．５．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２２１０８５（Ｐ２０１１−２２１０８５）
【出願日】平成２３年１０月５日（２０１１．１０．５）
【出願人】（０００００３２１８）株式会社豊田自動織機 (4,162)
【公開日】平成２５年５月２日（２０１３．５．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月５日（２０１１．１０．５）
【出願人】（０００００３２１８）株式会社豊田自動織機 (4,162)
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