JP2007170264A - 流体機械 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な構成で作動流体の含有量の少ない潤滑油を膨張部の摺動部に供給可能とする流体機械を提供する。
【解決手段】流体機械において、潤滑油を含み、加熱されて気相状態となった作動流体の膨張によって駆動力を発生する膨張部１１０と、膨張部１１０の駆動力によって駆動されて、発電する発電部１２０と、膨張部１１０から吐出される作動流体が流通する流路内に形成されて、作動流体中の潤滑油が膨張部１１０および発電部１２０の少なくとも一方の摺動部１１３ｃ、１２５に触れるように溜められるオイル溜め部１０１と、オイル溜め部１０１内の作動流体を加熱する加熱手段１２２、１５１、１５２とを設ける。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば内燃機関の排熱を加熱源とするランキンサイクルに配設される膨張機と、この膨張機の駆動力によって駆動されて発電する発電機とから一体的に形成される膨張発電機に適用して好適な流体機械に関するものである。

従来、例えば特許文献１に示されるように、ランキン機関内に油分離装置が設けられたものが知られている。この油分離装置は、油溜め部に高熱源を導入する熱交換器が設けられており、潤滑油中に溶け込んだ冷媒を蒸発させて、冷媒含有量の少ない潤滑油をランキン機関内の膨張機に供給できるようにしている。
特開昭５８−３２９０８号公報

しかしながら、上記の油分離装置は、膨張機に対して別体で形成されているので、構成が複雑となってランキン機関内での接続が増加すると共に、車両のように搭載条件の厳しいものにおいては、適用しにくいという面があった。

本発明の目的は、上記問題に鑑み、簡素な構成で作動流体の含有量の少ない潤滑油を膨張部の摺動部に供給可能とする流体機械を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために、以下の技術的手段を採用する。

請求項１に記載の発明では、流体機械において、潤滑油を含み、加熱されて気相状態となった作動流体の膨張によって駆動力を発生する膨張部（１１０）と、膨張部（１１０）の駆動力によって駆動されて、発電する発電部（１２０）と、膨張部（１１０）から吐出される作動流体が流通する流路内に形成されて、作動流体中の潤滑油が膨張部（１１０）および発電部（１２０）の少なくとも一方の摺動部（１１３ｃ、１２５）に触れるように溜められるオイル溜め部（１０１）と、オイル溜め部（１０１）内の作動流体を加熱する加熱手段（１２２、１５１、１５２）とを有することを特徴としている。

これにより、上記従来技術で説明した別体の油分離装置を不要として、加熱手段（１２２、１５１、１５２）によってオイル溜め部（１０１）内の作動流体を加熱して、潤滑油から作動流体を蒸発させることができるので、粘度の高い潤滑油として摺動部（１１３ｃ、１２５）へ供給することができる。

請求項２に記載の発明では、加熱手段（１２２、１５１、１５２）は、膨張部（１１０）の起動時に作動されることを特徴としている。

通常、膨張部（１１０）の起動前においては、オイル溜め部（１０１）に作動流体が寝込んだ状態となっており、潤滑油の粘度は極めて低い状態にあり、起動時での摺動部（１１３ｃ、１２５）の潤滑性が劣る。よって、起動時に加熱手段（１２２、１５１、１５２）が作動されることで、潤滑油の粘度が高められて、起動時における摺動部（１１３ｃ、１２５）の潤滑性を向上させることができる。

請求項３に記載の発明では、加熱手段（１２２、１５１、１５２）は、膨張部（１１０）の定常運転時に作動されることを特徴としている。

これにより、定常運転時においても潤滑油の粘度が低い場合は、加熱手段（１２２、１５１、１５２）が作動されることで、潤滑油の粘度が高められて、摺動部（１１３ｃ、１２５）の潤滑性を向上させることができる。

請求項４に記載の発明では、加熱手段（１２２、１５１、１５２）は、潤滑油の粘度、あるいはこの粘度に相関する物理量が所定値より低い場合に作動されることを特徴としている。

これにより、所定値以上の潤滑油の粘度が確保でき、確実な潤滑性の向上を図ることができる。

請求項１〜請求項４に記載の発明において、加熱手段（１２２、１５１、１５２）としては、請求項５に記載の発明のように、発電部（１２０）において、力率が低下するように通電されることで発熱する電機子（１２２）とすることができ、発電部（１２０）本来の構成部材を活用した潤滑性向上の対応が可能となる。

また、加熱手段（１２２、１５１、１５２）としては、請求項６に記載の発明のように、外部高熱源（１０）からの熱媒体が流通する熱媒体流路（１５１）としたり、請求項７に記載の発明のように、電熱ヒータ（１５２）とすることができる。

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

（第１実施形態）
本実施形態は、本発明に係る流体機械を冷媒ポンプ一体型膨張発電機（以下、ポンプ膨張発電機）１００として、このポンプ膨張発電機１００を、車両用のランキンサイクル３０に使用したものとしている。ポンプ膨張発電機１００は、膨張機（本発明における膨張部に対応）１１０と、電動機および発電機としてのモータジェネレータ（本発明における発電部に対応）１２０と、冷媒ポンプ１３０とが一体的に形成されたものである。以下、全体のシステム構成について図１を用いて説明する。

ランキンサイクル３０は、エンジン（本発明における外部高熱源に対応）１０で発生した廃熱からエネルギー（膨張機１１０にて発生される駆動力）を回収するものであり、冷媒ポンプ１３０、加熱器３１、膨張機１１０、凝縮器３２が順次接続されて形成されている。

冷媒ポンプ１３０は、ランキンサイクル３０内の冷媒（本発明における作動流体に対応）を後述する加熱器３１側へ圧送して循環させるものであり、詳細についてはポンプ膨張発電機１００として後述する。

加熱器３１は、冷媒ポンプ１３０から圧送される冷媒と、エンジン１０に設けられた温水回路２０内を循環するエンジン冷却水（温水）との間で熱交換することにより、冷媒を加熱する（冷媒を過熱蒸気冷媒とする）熱交換器である。

尚、温水回路２０には、エンジン冷却水を循環させる電動式の水ポンプ２１、エンジン冷却水と外気との間で熱交換してエンジン冷却水を冷却するラジエータ２２が設けられている。また、ラジエータ２２には、ラジエータバイパス流路２２ａが設けられて、エンジン冷却水の温度に応じて弁部が開閉するサーモスタット２２ｂによって、ラジエータ２２を流通するエンジン冷却水流量が調節されるようになっている。

膨張機１１０は、上記加熱器３１から流出される過熱蒸気冷媒（本発明における気相状態となった作動流体に対応）の膨張により、駆動力を発生するものであり、詳細についてはポンプ膨張発電機１００として後述する。凝縮器３２は、膨張機１１０で膨張して吐出される低圧冷媒を冷却して、凝縮液化する熱交換器である。

そして、上記ポンプ膨張発電機１００のモータジェネレータ１２０の作動を制御するための制御部４０が設けられている。制御部４０は、インバータ４１とコントローラ４２とを有している。

インバータ４１は、モータジェネレータ１２０を電動機として作動させる時に、車両用のバッテリ１１からモータジェネレータ１２０に供給する電力を制御し、また、モータジェネレータ１２０が膨張機１１０の駆動力によって発電機として作動される時に、発電される電力をバッテリ１１に充電するものである。また、コントローラ４２は、上記インバータ４１の作動を制御するものである。

次に、ポンプ膨張発電機１００の構成について図２を用いて説明する。ポンプ膨張発電機１００は、膨張機１１０と、モータジェネレータ１２０と、冷媒ポンプ１３０とが同軸上で連結され、一体的に形成されている。ポンプ膨張発電機１００は、作動軸が天地方向となり、下から順に膨張機１１０、モータジェネレータ１２０、冷媒ポンプ１３０となるように配設されている。

膨張機１１０は、周知のスクロール型圧縮機構と同一構造を有するもので、具体的には、膨張機ハウジング１１１を成すフロントハウジング１１１ａおよび固定スクロール１１２、この固定スクロール１１２に対向して旋回変位する旋回スクロール１１３、高圧室１１４から作動室Ｖに繋がる流入ポート１１５等から成るものである。

固定スクロール１１２は、板状の基板部１１２ａおよび基板部１１２ａから旋回スクロール１１３側に突出した渦巻状の歯部１１２ｂを有して構成され、一方、旋回スクロール１１３は、上記歯部１１２ｂに接触して噛み合う渦巻状の歯部１１３ｂ、およびこの歯部１１３ｂが形成された基板部１１３ａを有して構成されており、両歯部１１２ｂ、１１３ｂが接触した状態で旋回スクロール１１３が旋回することにより、両スクロール１１２、１１３により形成される作動室Ｖの体積が拡大縮小するようになっている。

高圧室１１４は、フロントハウジング１１１ａと固定スクロール１１３との間に形成される空間である。フロントハウジング１１１ａには、高圧室１１４内から外部に連通する高圧ポート１１１ｂが設けられており、この高圧ポート１１１ｂは加熱器３１に接続されている。

流入ポート１１５は、基板部１１２ａの中心部に設けられて、上記高圧室１１４と、最小体積となる作動室Ｖとを連通させて、高圧室１１４に導入された高温、高圧の冷媒、つまり過熱蒸気冷媒を作動室Ｖに導くポートである。

膨張機１１０のシャフト１１６は、後述するモータジェネレータ１２０のモータ軸１２４に接続（一体化）されている。シャフト１１６の一方（図２中の下側）には、シャフト１１６の回転中心軸に対して偏心したクランク部１１６ａが設けられており、このクランク部１１６ａは、ベアリング（本発明における摺動部に対応）１１３ｃを介して旋回スクロール１１３に連結されている。尚、クランク部１１６ａは、偏心軸１１６ｂに回動可能なブッシュ１１６ｃが装着されて形成されている。

そして、旋回スクロール１１３と後述するモータハウジング１２１との間には、旋回スクロール１１３の滑らかな旋回運動を助ける摺動プレート（本発明における摺動部に対応）１１３ｄが介在されている。

尚、旋回スクロール１１３には、自転防止機構１１７が設けられており、この自転防止機構１１７によって、旋回スクロール１１３は、自転せずに、シャフト１１６（モータ軸１２４）の回転中心軸周りを公転旋回するようになっている。よって、作動室Ｖは、加熱器３１からの過熱蒸気冷媒の膨張によって、あるいはモータ軸１２４の回転（モータジェネレータ１２０からの駆動力）に伴って、旋回スクロール１１３の中心側から外径側に変位するほど、その体積が拡大するように変化する。

モータジェネレータ１２０は、ステータ１２２およびステータ１２２内で回転するロータ１２３等から成る交流式の回転機であり、固定スクロール１１２に固定されるモータハウジング１２１内に収容されている。モータハウジング１２１は、円筒状の容器体を成しており、円筒軸線方向の両端部に底面、上面を有している。

ステータ（本発明における加熱手段、電機子に対応）１２２は、巻き線が巻かれたステータコイルであり、モータハウジング１２１の内周面に固定されている。ロータ１２３は、永久磁石が埋設されたマグネットロータであり、モータ軸１２４に固定されている。モータ軸１２４は、モータハウジング１２１の底面、上面にそれぞれ固定された軸受け（本発明における摺動部に対応）１２５、１２６によって回転可能に支持されている。そして、モータ軸１２４の膨張機１１０側となる一端側（図２中の下側）は、上記膨張機１１０のシャフト１１６およびクランク部１１６ａに接続されており、また、冷媒ポンプ１３０側となる他端側（図２中の上側）は、直径が細くなるように形成されて、後述するポンプ軸１３２に接続されている。

モータハウジング１２１の底面の軸受け１２５近傍は、旋回スクロール１１３側に開口されており、モータハウジング１２１内部と、旋回スクロール１１３の上側、つまりベアリング１１３ｃ、摺動プレート１１３ｄとが連通するようになっている。尚、軸受け１２５の周り（上方および外周側）には、冷媒および潤滑油中に混入される異物が、軸受け１２５に付着するのを防止するフィルタ１２７が設けられている。

また、モータハウジング１２１の側方（図２中の左側）には、膨張機１１０の両スクロール１１２、１１３の低圧側（スクロールの外周側）から、モータハウジング１２１内の上方に連通する吐出ガス通路１２１ａが形成されている。また、吐出ガス通路１２１ａの反対側（図２中の右側）となるモータハウジング１２１の上方には、モータハウジング１２１内から外部に連通する低圧ポート１２１ｂが設けられており、この低圧ポート１２１ｂは、凝縮器３２に接続されている。

よって、本ポンプ膨張発電機１００においては、後述するように、膨張機１１０から吐出される冷媒は、吐出ガス通路１２１ａを通り、モータハウジング１２１内に流入して、低圧ポート１２１ｂから流出することになる。そして、低圧ポート１２１ｂよりも下側となるモータハウジング１２１内、および軸受け１２５の下側から連通するモータハウジング１２１の底面と旋回スクロール１１３との間の空間は、冷媒中の潤滑油が溜まリ得るオイル溜め部１０１として形成されている。

モータハウジング１２１の底面と旋回スクロール１１３との間の空間には、冷媒の温度を検出する温度センサ１４１が設けられており、この温度センサ１４１によって検出された温度信号は、コントローラ４２に入力されるようになっている（図１）。また、低圧ポート１２１ｂには、冷媒の圧力を検出する圧力センサ１４２が設けられており、この圧力センサ１４２によって検出された圧力信号は、コントローラ４２に入力されるようになっている（図１）。

そして、モータジェネレータ１２０は、ランキンサイクル３０の起動時において、バッテリ１１からインバータ４１を介して、ステータ１２２に電力が供給されることで、ロータ１２３を回転させて、膨張機１１０、および後述する冷媒ポンプ１３０を駆動するモータ（電動機）として作動する。また、モータジェネレータ１２０は、膨張機１１０の膨張時に発生した駆動力によってロータ１２３を回転させるトルクが入力されると、冷媒ポンプ１３０を駆動すると共に、膨張機１１０での発生駆動力が冷媒ポンプ１３０用の駆動力を超えた時に、電力を発生させるジェネレータ（発電機）として作動する。そして、得られた電力は、インバータ４１を介してバッテリ１１に充電されるようになっている。

冷媒ポンプ１３０は、２段式のローリングピストン型のポンプであって、モータジェネレータ１２０の反膨張機側に配設されて、モータハウジング１２１に固定されるポンプハウジング１３１内に収容されている。

冷媒ポンプ１３０は、ポンプハウジング１３１の内部に形成されるポンプ軸１３２、シリンダ１３３ａ、ロータ１３４等を有している。シリンダ１３３ａは、シリンダブロック１３３の中心部で円形に穿設されて形成されている。

ポンプ軸１３２は、スプラインによって上記モータ軸１２４と接続されており、シリンダブロック１３３を挟み込む端板１３７に固定された軸受け１３２ｂ、１３２ｃによって回転可能に支持されている。ポンプ軸１３２には、このポンプ軸１３２に対して偏心した円形のカム部１３２ａが形成されており、このカム部１３２ａの外周側には扁平円筒状のロータ１３４が装着されている。ロータ１３４の外径は、シリンダ１３３ａの内径より小さく設定されてシリンダ１３３ａ内に挿入されており、ロータ１３４はカム部１３２ａによってシリンダ１３３ａ内を公転する。また、ロータ１３４の外周部にはロータ１３４の半径方向に摺動可能として、中心側に押圧されてロータ１３４に当接するベーン１３５が設けられている。そして、シリンダ１３３ａ内において、ロータ１３４およびベーン１３５によって囲まれる空間がポンプ作動室Ｐとして形成されている。

シリンダブロック１３３には、ベーン１３５に近接して、このベーン１３５を挟むようにシリンダ１３３ａ内に連通する冷媒流入部１３３ｂ、および冷媒流出部（図示省略）が設けられている。冷媒流入部１３３ｂはポンプハウジング１３１を貫通する吸入ポート１３１ａに接続されており、また、冷媒流出部は吐出弁１３３ｃを介して、ポンプハウジング１３１とシリンダブロック１３３（端板１３７）との間に形成される高圧室１３６に連通している。そして、高圧室１３６はポンプハウジング１３１のモータジェネレータ１２０側となる側壁に形成された吐出ポート１３１ｂに繋がっている。

この冷媒ポンプ１３０においては、冷媒はロータ１３４の公転作動によって、吸入ポート１３１ａ、冷媒流入部１３３ｂからポンプ作動室Ｐに流入され、冷媒流出部、吐出弁１３３ｃ、高圧室１３６を経て吐出ポート１３１ｂから吐出される。

そして、一体的に形成されたシャフト１１６、モータ軸１２４、ポンプ軸１３２の内部には、ブッシュ１１６ｃの長手方向端部からカム部１３２ａの外周部に連通する通路としてのシャフト通路１０２が形成されている。尚、シャフト通路１０２内でカム部１３２ａの外周部に近接する部位は、所定の通路抵抗を有するように、内径が細く形成されている。

次に、本実施形態におけるポンプ膨張発電機１００の作動について図３〜図６を用いて説明する。

１．ランキンサイクル起動前
まず、エンジン１０の廃熱が充分得られる（エンジン冷却水温度が充分高い）場合で、ランキンサイクル３０を起動させる前に、コントローラ４２は、図３に示す制御フローに基づいて、モータジェネレータ１２０のステータ１２２を加熱手段として、モータハウジング１２１内および旋回スクロール１１３上側のオイル溜め部１０１内の冷媒を加熱する。

即ち、コントローラ４２は、図３中のステップＳ１００でモータハウジング１２１内の温度センサ１４１、および圧力センサ１４２から冷媒の温度、および圧力を検出する。

次に、ステップＳ１１０では、上記で検出した冷媒の温度、圧力から潤滑油の粘度を算出する。即ち、コントローラ４２には予め図４に示す温度圧力に対する冷媒溶解度特性（以下、冷媒溶解度特性）、および図５に示す温度に対する潤滑油粘度特性（以下、潤滑油粘度特性）が記憶されており、この両特性から潤滑油の粘度を算出する。

更に詳述すると、冷媒溶解度特性は、冷媒溶解度をパラメータとした場合の温度と圧力との関係を示したものである。例えば、圧力一定であれば温度が高いほど冷媒溶解度は低く、温度が一定であれば圧力が高いほど冷媒溶解度は高い。検出された温度Ｔ１と圧力Ｐ１に対して、図４中に示すように冷媒溶解度Ｙ１が定まる。

また、潤滑油粘度特性は、冷媒溶解度をパラメータとした場合の温度と潤滑油粘度との関係を示したものである。例えば、冷媒溶解度一定であれば、温度が高いほど潤滑油粘度は低く、冷媒溶解度が小さいほど潤滑油粘度は高い。上記冷媒溶解度特性から算出された冷媒溶解度Ｙ１と検出された温度Ｔ１とから図５中に示すように、粘度Ｎ１が定まる。

次に、ステップＳ１２０で、上記で得られた潤滑油粘度（Ｎ１）が予め定めた所定粘度（本発明における所定値に対応）より低いか否かを判定する。低いと判定すると、ステップＳ１３０で発電機１２０のステータ１２２に所定電圧で所定の直流電流を通電して、ステータ１２２を加熱手段として作動させるための通電時間を演算する。つまり、ステップＳ１１０で算出した冷媒溶解度から、現在の冷媒をどれだけ加熱して（どれだけの熱量で）蒸発させれば、潤滑油粘度が所定粘度以上となるかを計算し、この熱量（所定電圧×所定電流×時間）を得るために必要とされる時間を通電時間として算出する。

次に、ステップＳ１４０でインバータ４１に通電指令を出し、インバータ４１からステータ１２２に所定電圧、所定電流で上記通電時間だけ通電する。尚、ここでは、ステータ１２２への通電に対して、ロータ１２３の回転作動はしないように、回転数はゼロ指示として通電を行う。すると、ステータ１２２は発熱して、モータハウジング１２１内および旋回スクロール１１３の上側空間、即ち、オイル溜め部１０１内に寝込んでいた冷媒が加熱されることになる。冷媒が加熱されることで、冷媒溶解度が低下し、冷媒に含まれる潤滑油の粘度が高くなり、高粘度の潤滑油として、膨張機１１０、モータジェネレータ１２０の摺動部、即ち、ベアリング１１３ｃ、摺動プレート１１３ｄ、軸受け１２５、１２６に供給されることになる。

そして、ステップＳ１５０で通電時間が経過すると、通電を終了してステップＳ１６０へ移行して、ランキンサイクル３０の通常運転のための起動を行う。尚、ステップＳ１２０で潤滑油粘度が所定粘度より高い場合は、ステップＳ１３０〜ステップＳ１５０を実行せずにステップＳ１６０を行う。

２．ランキンサイクルの起動
ランキンサイクル３０の起動にあたっては、コントローラ４２はインバータ４１からの電力供給によりモータジェネレータ１２０をまず電動機として駆動させて、膨張機１１０および冷媒ポンプ１３０を作動させる。すると、冷媒ポンプ１３０から冷媒が加熱器３１に圧送され、圧送された冷媒は加熱器３１によって加熱される。

そして、加熱器３１によって加熱された高温高圧の過熱蒸気冷媒が、膨張機１１０の作動室Ｖに導入されて膨脹する。過熱蒸気冷媒の膨脹により旋回スクロール１１３が旋回すると、旋回スクロール１１３に接続されたモータジェネレータ１２０、冷媒ポンプ１３０が作動される。ここで、膨張機１１０の駆動力が冷媒ポンプ１３０駆動のための駆動力を超えると、モータジェネレータ１２０は発電機として作動されることになり、コントローラ４２はモータジェネレータ１２０によって発電される電力をインバータ４１を介してバッテリ１１に充電する。

そして、膨張機１１０で膨脹を終えて圧力が低下した低圧冷媒は、凝縮器３２→冷媒ポンプ１３０→加熱器３１→膨脹機１１０の順に循環することになる（ランキンサイクル３０を循環）。

３．定常運転
上記のようにランキンサイクル３０が起動されて、定常運転を行う際も、コントローラ４２は、図６に示す制御フローに基づいて、モータハウジング１２１内および旋回スクロール１１３上側のオイル溜め部１０１内の冷媒を加熱する。尚、図６に示す制御フローは図３で説明した制御フローのステップＳ１２０よりも後のステップを変更したものである。

即ち、コントローラ４２は、図６中のステップＳ１００〜ステップ１２０を上記（図３）と同様に行い、ステップＳ１２０で潤滑油粘度が所定粘度より小さいと判定すると、ステップＳ１３１でモータジェネレータ１２０の作動効率をあえて低下させて、ステータ１２２を加熱手段として作動させるための力率を計算する。つまり、ステップＳ１１０で算出した定常運転時における冷媒溶解度から、現在の冷媒をどれだけ加熱して（どれだけの熱量で）蒸発させれば、潤滑油粘度が所定粘度以上となるかを計算し、この熱量を得るための力率を計算する。力率は電圧に対する電流の位相差の余弦に等しい。

そして、ステップＳ１４１でインバータ４１に上記で計算した力率となる電流位相差指令を出し、ステップＳ１６１でモータジェネレータ１２０を作動させる。すると、ステータ１２２は電流位相差指令が出される前に比べて、より多く発熱する。

上記ランキンサイクル３０の定常運転時においては、加熱器３１によって加熱された高圧の過熱蒸気冷媒は、高圧ポート１１１ｂから高圧室１１４に流入し、以下、流入ポート１１５→作動室Ｖ→両スクロール１１２、１１３の低圧側（スクロールの外周側）→吐出ガス通路１２１ａ→モータハウジング１２１→低圧ポート１２１ｂの順に流れ、凝縮器３２に至る。

ここで、過熱蒸気冷媒が吐出ガス通路１２１ａからモータハウジング１２１内に流入すると、流路の拡大に伴って流速が低下し、冷媒から潤滑油が分離し、軸受け１２６に至ると共に、モータジェネレータ１２０のステータ１２２やロータ１２３の巻き線、あるいは部材間の隙間を通り自重によって落下し、軸受け１２５、ベアリング１１３ｃ、摺動プレート１１３ｄに至る。この時、冷媒は上記の力率低下に伴うステータ１２２の発熱によって積極的に加熱され、冷媒溶解度が低下し、潤滑油の粘度が高くなり、高粘度の潤滑油として、上記軸受け１２６、１２５、ベアリング１１３ｃ、摺動プレート１１３ｄに供給されることになる。

また、ベアリング１１３ｃに至った潤滑油は、シャフト通路１０２を経て、冷媒ポンプ１３０のロータ１３４から軸受け１３２ｂ、１３２ｃへ至る。軸受け１３２ｂ、１３２ｃへ至った潤滑油は、ポンプ作動室Ｐから冷媒ポンプ１３０における液冷媒に再度溶け込み、ランキンサイクル３０内を再度循環する。

尚、ステップＳ１２０で潤滑油粘度が所定粘度より高い場合は、ステップＳ１３１〜ステップＳ１４１を実行せずにステップＳ１６１へ進み、ランキンサイクル３０の定常運転を継続する。

以上のように、本実施形態のポンプ膨張発電機１００においては、冷媒中の潤滑油の粘度に応じて、ステータ１２２を加熱手段として作動させ、冷媒を加熱し潤滑油の粘度を上昇させて、この高粘度の潤滑油を各摺動部１２６、１２５、１１３ｃ、１１３ｄに供給することができるので、各摺動部１２６、１２５、１１３ｃ、１１３ｄの潤滑性を上げて信頼性（耐久性）を向上させることができる。ここでは、上記従来技術で説明したような別体の油分離装置を不要としており、特に本実施形態のように車両に用いる場合では、搭載性に優れたものとすることができる。

また、ステータ１２２を加熱手段とすることで、モータジェネレータ１２０の本来の構成部材を活用した潤滑性向上の対応が可能となる。

また、本実施形態ではランキンサイクル３０の起動前にまず、ステータ１２２を発熱させて潤滑油の粘度を上昇させるようにしている。通常、膨張機１１０の起動前においては、オイル溜め部１０１に冷媒が寝込んだ状態となっており、潤滑油の粘度は極めて低い状態にあり、起動時での各摺動部１２６、１２５、１１３ｃ、１１３ｄの潤滑性が劣る。よって、起動時にステータ１２２が発熱するように作動されることで、潤滑油の粘度が高められて、起動時における各摺動部１２６、１２５、１１３ｃ、１１３ｄの潤滑性を向上させることができる。

また、同様にランキンサイクル３０の定常運転時にも、潤滑油の粘度に応じてステータ１２２を発熱させて潤滑油の粘度を上昇させるようにしており、定常運転時においても確実に潤滑性を向上させることができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態を図７に示す。第２実施形態は、上記第１実施形態に対してランキンサイクル３０起動前の制御（制御フロー）を変更したものである。

第２実施形態における制御フローは、第１実施形態（図３）におけるステップＳ１３０、Ｓ１５０を廃止している。即ち、コントローラ４２は、ステップＳ１２０で潤滑油粘度が所定粘度よりも低いと判定すると、モータジェネレータ１２０のステータ１２２への通電時間を演算することなく、オイル溜め部１０１内の冷媒を加熱するために、ステップＳ１４０でステータ１２２への通電指令を出す。そして、ステップＳ１００に戻り、温度センサ１４１、圧力センサ１４２による冷媒の温度、圧力の検出を行い、ステップＳ１００〜ステップＳ１４０を繰り返す中で、ステップＳ１２０での潤滑油粘度が所定粘度以上となると、ステップＳ１６０に移行して、ランキンサイクル３０を起動する。

本第２実施形態においては、ステータ１２２への通電時間の演算を不要として、時々刻々と冷媒の温度、圧力を検出することで、ランキンサイクル３０の起動前の潤滑油粘度を把握して、潤滑油粘度を所定粘度以上に高めることができる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態を図８に示す。第３実施形態は、上記第１実施形態に対してオイル溜め部１０１内の冷媒を加熱するための加熱手段を変更したものである。

ここでは、モータハウジング１２１の外周部に温水ジャケット１５１を設け、温水回路２０のうち加熱器３１をバイパスする加熱器バイパス流路１５１ａを温水ジャケット１５１に接続するようにしている。この温水ジャケット１５１と加熱器バイパス流路１５１ａは、本発明における熱媒体流路に対応し、加熱手段を形成する。そして、加熱器バイパス流路１５１ａには、コントローラ４２によって開閉制御される開閉弁１５１ｂを設けている。

本第３実施形態においては、ランキンサイクル３０の起動前、および定常運転時において、コントローラ４２は、オイル溜め部１０１内の潤滑油粘度を算出して、潤滑油粘度が所定粘度より低い場合に、開閉弁１５１ｂを開いてエンジン１０からのエンジン冷却水（本発明における外部高熱源からの熱媒体に対応）を温水ジャケット１５１に流す。すると、温水ジャケット１５１を流れるエンジン冷却水（温水）からの伝熱によって、オイル溜め部１０１内の冷媒は加熱されるので、潤滑油粘度を高めることができる。即ち、ランキンサイクル３０における外部高熱源の熱媒体（エンジン冷却水）を有効に活用した加熱手段とすることができる。

（第４実施形態）
本発明の第４実施形態を図９に示す。第４実施形態は、上記第１実施形態に対してオイル溜め部１０１内の冷媒を加熱するための加熱手段を変更したものである。

ここでは、モータハウジング１２１の外周部に、コントローラ４２によってバッテリ１１から通電される電熱ヒータ１５２を設けるようにしており、この電熱ヒータ１５２を加熱手段としている。

本第４実施形態においては、ランキンサイクル３０の起動前、および定常運転時において、コントローラ４２は、オイル溜め部１０１内の潤滑油粘度を算出して、潤滑油粘度が所定粘度より低い場合に、電熱ヒータ１５２に通電する。すると、電熱ヒータ１５２の発熱によって、オイル溜め部１０１内の冷媒は加熱されるので、潤滑油粘度を高めることができる。

（その他の実施形態）
上記各実施形態では、流体機械として膨張機１１０、モータジェネレータ１２０、冷媒ポンプ１３０が一体的に形成されると共に、下側から膨張機１１０、モータジェネレータ１２０、冷媒ポンプ１３０が配設される冷媒ポンプ一体型膨張機１００としたが、その構成、配置、使用姿勢は、以下のように種々変更して対応可能である。

変形例１を図１０に示す。変形例１の流体機械１００Ａは、上記第１実施形態のポンプ膨張発電機１００に対して下側から冷媒ポンプ１３０、モータジェネレータ１２０、膨張機１１０を配設している。そして、加熱器３１から過熱蒸気冷媒が流入する高圧ポート１１１ｂをモータハウジング１２１の上方に設けると共に、膨張機１１０で膨張した低圧冷媒を吐出する低圧ポート１２１ｂを膨張機１１０の側方に設けている。

変形例１においては、オイル溜め部１０１にモータジェネレータ１２０の摺動部としての軸受け１２５、１２６が配設されることになり、ステータ１２２を加熱手段としてオイル溜め部１０１内の冷媒を加熱して、潤滑油粘度を高めることができる。軸受け１２５、１２６は、粘度の高められた潤滑油によって潤滑性が向上される。

変形例２を図１１に示す。変形例２の流体機械１００Ｂは、上記第１実施形態のポンプ膨張発電機１００に対して使用姿勢を水平にすると共に、低圧ポート１２１ｂをモータハウジング１２１の冷媒ポンプ１３０側の上方に設けている。

変形例２においては、上記低圧ポート１２１ｂよりも下側の領域で潤滑油が溜まり得るオイル溜め部１０１となり、このオイル溜め部１０１には膨張機１１０、モータジェネレータ１２０の摺動部としてのベアリング１１３ｃ、摺動プレート１１３ｄ、軸受け１２５、１２６が配設されることになる。そして、ステータ１２２を加熱手段としてオイル溜め部１０１内の冷媒を加熱することで、潤滑油粘度を高めることができ、ベアリング１１３ｃ、摺動プレート１１３ｄ、軸受け１２５、１２６は、粘度の高められた潤滑油によって潤滑性が向上される。

変形例３を図１２に示す。本発明の流体機械は、膨張機１１０とモータジェネレータ１２０を基本構成要素とするものであり、変形例３の流体機械１００Ｃのように、上記第１実施形態のポンプ膨張発電機１００に対して冷媒ポンプ１３０を廃止したものとしても良い。

変形例３に対して、図１３に示すように、膨張機１１０とモータジェネレータ１２０の上下位置を変更した変形例４（流体機械１００Ｄ）としたり、図１４に示すように、使用姿勢を水平とした変形例５（流体機械１００Ｅ）としても良い。

また、冷媒を加熱するための加熱手段としては、インバータ４１をモータジェネレータ１２０のモータハウジング１２１の外周面に一体的に形成されるものとして、対応しても良い。

また、上記各実施形態においては、膨張機１１０をスクロール型、冷媒ポンプ１３０をローリングピストン型としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、ギヤポンプ型、トロコイド型等その他の形式のものを適用することができる。

また、上記各実施形態においては、加熱器３１における加熱源として、車両用のエンジン１０（エンジン冷却水）としたが、これに限らず、例えば、外燃機関、燃料電池車両の燃料電池スタック、各種モータ、インバータ等のように作動時に発熱を伴い、温度制御のためにその熱の一部を捨てるもの（廃熱が発生するもの）であれば、広く適用することができる。

本発明の第１実施形態におけるシステム全体を示す模式図である。 本発明の第１実施形態における冷媒ポンプ一体型膨張発電機を示す断面図である。 本発明の第１実施形態における起動前の潤滑油粘度向上に使用される制御フローである。 温度圧力に対する冷媒溶解度を示す冷媒溶解度特性である。 温度に対する潤滑油粘度を示す潤滑油粘度特性である。 本発明の第１実施形態における定常運転時の潤滑油粘度向上に使用される制御フローである。 本発明の第２実施形態における起動前の潤滑油粘度向上に使用される制御フローである。 本発明の第３実施形態における加熱手段を示す模式図である。 本発明の第４実施形態における加熱手段を示す模式図である。 本発明のその他の実施形態における変形例１の流体機械を示す断面図である。 本発明のその他の実施形態における変形例２の流体機械を示す断面図である。 本発明のその他の実施形態における変形例３の流体機械を示す断面図である。 本発明のその他の実施形態における変形例４の流体機械を示す断面図である。 本発明のその他の実施形態における変形例５の流体機械を示す断面図である。

符号の説明

１０ エンジン（外部高熱源）
１００ 冷媒ポンプ一体型膨張発電機（流体機械）
１０１ オイル溜め部
１１０ 膨張機（膨張部）
１１３ｃ ベアリング（摺動部）
１１３ｄ 摺動プレート（摺動部）
１２０ モータジェネレータ（発電部）
１２２ ステータ（加熱手段、電機子）
１２５、１２６ 軸受け（摺動部）
１５１ 温水ジャケット（加熱手段、熱媒体流路）
１５２ 電熱ヒータ（加熱手段）

Claims (7)

1. 潤滑油を含み、加熱されて気相状態となった作動流体の膨張によって駆動力を発生する膨張部（１１０）と、
   前記膨張部（１１０）の駆動力によって駆動されて、発電する発電部（１２０）と、
   前記膨張部（１１０）から吐出される前記作動流体が流通する流路内に形成されて、前記作動流体中の前記潤滑油が前記膨張部（１１０）および前記発電部（１２０）の少なくとも一方の摺動部（１１３ｃ、１２５）に触れるように溜められるオイル溜め部（１０１）と、
   前記オイル溜め部（１０１）内の前記作動流体を加熱する加熱手段（１２２、１５１、１５２）とを有することを特徴とする流体機械。
2. 前記加熱手段（１２２、１５１、１５２）は、前記膨張部（１１０）の起動時に作動されることを特徴とする請求項１に記載の流体機械。
3. 前記加熱手段（１２２、１５１、１５２）は、前記膨張部（１１０）の定常運転時に作動されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の流体機械。
4. 前記加熱手段（１２２、１５１、１５２）は、前記潤滑油の粘度、あるいはこの粘度に相関する物理量が所定値より低い場合に作動されることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の流体機械。
5. 前記加熱手段（１２２、１５１、１５２）は、前記発電部（１２０）において、力率が低下するように通電されることで発熱する電機子（１２２）であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の流体機械。
6. 前記加熱手段（１２２、１５１、１５２）は、外部高熱源（１０）からの熱媒体が流通する熱媒体流路（１５１）としたことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の流体機械。
7. 前記加熱手段（１２２、１５１、１５２）は、電熱ヒータ（１５２）であることを特徴とする請求項１または請求項４のいずれか１つに記載の流体機械。

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