JP2008157152A - ランキンサイクル - Google Patents

Abstract

【課題】膨張機にポンプが接続されるものにおいて、回転数の変動があっても潤滑油の粘度低下を防止して、信頼性を向上できるランキンサイクルを提供する。
【解決手段】サイクル内の作動流体を循環させるポンプ１３０と、発熱機器１０の廃熱により加熱された作動流体の膨張によって駆動力を発生する膨張機１１０とを備え、膨張機１１０の膨張機駆動軸１１８に、ポンプ１３０のポンプ駆動軸１３２が接続されたランキンサイクルにおいて、ポンプ１３０あるいは膨張機１１０の少なくとも一方に、サイクルの高圧側圧力を所定圧力以下とするように、ポンプ１３０あるいは膨張機１１０の実質吐出量を調整する調整手段１３８、１３９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と共に、膨張機とポンプとが一体的に回転されるランキンサイクルに関するものである。

従来のランキンサイクルとして、例えば特許文献１（第３実施形態、図３）に示されるように、サイクル内の冷媒循環用のポンプが膨張機に接続されて、ポンプが膨張機の発生駆動力で作動されるようにしたものが知られている。これにより、ポンプ専用の駆動源を不要として、構成の簡素化およびポンプ駆動用のエネルギーの低減を可能としている。
特開２００６−４６７６３号公報

通常、ランキンサイクルにおいては、膨張機は蒸気冷媒を扱い、またポンプは液冷媒を扱うことから、両者の基本的な作動室の容積設定が異なり（膨張機容積＞ポンプ容積）、それに伴い両者の容積効率も異なる。膨張機、ポンプのような流体機械における容積効率は、例えば、図４に示すように、回転数の上昇に伴って向上するが、ポンプにおいては基本容積が小さく設定される分、膨張機に比較して冷媒の漏れに対する影響を受けやすく、ポンプの容積効率は膨張機の容積効率よりも小さく、更に回転数の上昇に伴う向上割合が大きくなる。

よって、上記特許文献１のように膨張機にポンプを接続したランキンサイクルにおいては、膨張機とポンプとが同一回転数で作動することから、回転数の変動に対してポンプの吐出量と膨張機の吸入量とのバランスが取れない状態が発生する。

例えば、膨張機およびポンプの回転数が低回転側から高回転側に移行すると、ポンプの体積効率の向上分が膨張機のそれよりも大きいため、ポンプから吐出される冷媒が膨張機で吸入できなくなり、図５に示すように、ランキンサイクルの高圧側圧力が上昇する。ランキンサイクルにおける加熱源の温度を一定とすると、高圧側圧力の上昇によって、加熱器での冷媒の蒸発が抑えられ、加熱器内の液冷媒量が増加し、膨張機の入り口側冷媒の過熱度が低下する。

冷媒中には、通常、膨張機やポンプの潤滑のための潤滑油が含まれているが、冷媒の過熱度が低下すると液化冷媒が増加して、潤滑油に多くの冷媒が溶け込んでしまい、潤滑油の粘度が低下し、膨張機やポンプの潤滑不足となってランキンサイクルの信頼性低下に繋がってしまう。

本発明の目的は、上記問題に鑑み、膨張機にポンプが接続されるものにおいて、回転数の変動があっても潤滑油の粘度低下を防止して、信頼性を向上できるランキンサイクル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、サイクル内の作動流体を循環させるポンプ（１３０）と、発熱機器（１０）の廃熱により加熱された作動流体の膨張によって駆動力を発生する膨張機（１１０）とを備え、膨張機（１１０）の膨張機駆動軸（１１８）に、ポンプ（１３０）のポンプ駆動軸（１３２）が接続されたランキンサイクルにおいて、ポンプ（１３０）あるいは膨張機（１１０）の少なくとも一方に、サイクルの高圧側圧力を所定圧力以下とするように、ポンプ（１３０）あるいは膨張機（１１０）の実質吐出量を調整する調整手段（１３８、１３９）を設けたことを特徴としている。

これにより、互いに接続される膨張機（１１０）およびポンプ（１３０）の回転数が変化した場合に、両機器（１１０、１３０）の容積効率の差によってポンプ（１３０）の作動流体吐出量および膨張機（１１０）の作動流体吸入量のバランスが崩れてランキンサイクル（４０）の高圧側圧力が上昇しようとしても、調整手段（１３８、１３９）によって所定圧力以下に維持される。よって、高圧側圧力の上昇に伴う膨張機（１１０）の作動流体入り口側の過熱度が低下して作動流体中の潤滑油粘度が低下することを防止でき、ランキンサイクル（４０）の信頼性を向上させることができる。

調整手段（１３８、１３９）は、請求項２に記載の発明のように、高圧側圧力に応じて、ポンプ（１３０）あるいは膨張機（１１０）を流通する作動流体流れをバイパスさせるバイパス手段（１３８、１３９）とすることができる。

つまり、バイパス手段（１３８、１３９）によって、ポンプ（１３０）あるいは膨張機（１３０）の作動流体吐出量を調整でき、両機器（１３０、１１０）の作動バランスを維持できる。

更に、請求項３に記載の発明のように、バイパス手段（１３８、１３９）は、ポンプ（１３０）あるいは膨張機（１１０）の高圧側と低圧側とを連通させるバイパス流路（１３８）と、高圧側圧力に応じてバイパス流路（１３８）の開度を調整する開度調整弁（１３９）とによって形成することができる。

即ち、高圧側圧力に応じてバイパス流路（１３８）の開度を開度調整弁（１３９）で調整することで、ポンプ（１３０）あるいは膨張機（１１０）の実質の吐出量を調整して、両機器（１３０、１１０）の作動バランスを維持できる。

更に具体的には、請求項４に記載の発明のように、開度調整弁（１３９）は、所定空間内に密封された流体の圧力と高圧側圧力とのバランスによって可動するダイヤフラム（１３９ｂ）と、ダイヤフラム（１３９ｂ）に接続されて可動して、開度を調整する弁体（１３９ｅ）とから形成されるようにするのが良い。

これにより、簡素な構成で確実な作動を可能とする開度調整弁（１３９）とすることができる。

請求項５に記載の発明では、調整手段（１３８、１３９）は、ポンプ（１３０）あるいは膨張機（１１０）に一体的に形成されたことを特徴としている。

これにより、コンパクトな調整手段（１３８、１３９）の設定が可能となり、搭載性に優れ、安価なランキンサイクル（１００）とすることができる。

そして、請求項６に記載の発明のように、調整手段（１３８、１３９）は、ポンプ（１３０）あるいは膨張機（１１０）のうち、ポンプ（１３０）側に設けるのが良い。

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）
本実施形態におけるランキンサイクル４０は、走行用のエンジン１０を備える車両に搭載されるものであって、冷凍サイクル３０の凝縮器３２および気液分離器３３を共用して構成されている。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。

まず、冷凍サイクル３０について簡単に説明すると、冷凍サイクル３０は、低温側の熱を高温側に移動させて冷熱および温熱を空調に利用するもので、圧縮機３１、凝縮器３２、気液分離器３３、減圧器３４、蒸発器３５が順次環状に接続されて形成されている。

圧縮機３１は、駆動ベルト１２、プーリ３１ａ、電磁クラッチ３１ｂを介してエンジン１０の駆動力が伝達されて作動し、冷凍サイクル３０内の冷媒を高温高圧に圧縮するものである。凝縮器３２は、圧縮機３１で高温高圧に圧縮された冷媒を冷却して、凝縮液化する熱交換器である。尚、ファン３２ａは、凝縮器３２に冷却風（車室外空気）を送るものである。気液分離器３３は、凝縮器３２で凝縮された冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して液相冷媒を流出させるレシーバである。

減圧器３４は、気液分離器３３で分離された液相冷媒を減圧膨脹させる膨張弁である。蒸発器３５は、減圧器３４にて減圧された冷媒を蒸発させて吸熱作用を発揮する熱交換器であり、空調ケース３０ａ内に配設されている。そして、送風機３５ａによって空調ケース３０ａ内に供給される空調空気（外気あるいは内気）を冷却する。

そして、ランキンサイクル４０は、エンジン（本発明の発熱機器に対応）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、上記冷凍サイクル３０に対して、凝縮器３２、気液分離器３３が共用されて形成されている。即ち、凝縮器３２と気液分離器３３とをバイパスするバイパス流路４１が設けられて、このバイパス流路４１の気液分離器３３側から冷媒ポンプ１３０、加熱器４２、膨張機１１０が配設されて、凝縮器３２に繋がることでランキンサイクル４０が形成されている。

膨張機１１０には発電機および電動機としてのモータジェネレータ１２０が接続され、またモータジェネレータ１２０には冷媒ポンプ１３０が接続され、膨張機１１０、モータジェネレータ１２０、冷媒ポンプ１３０は、冷媒ポンプ一体型膨張発電機１００として形成されている。

冷媒ポンプ（本発明のポンプに対応）１３０は、ランキンサイクル４０内の冷媒（本発明の作動流体に対応し、冷凍サイクル３０内の冷媒と同一）を後述する加熱器４２側へ圧送して循環させるものであり、詳細については冷媒ポンプ一体型膨張発電機１００として後述する。

加熱器４２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、およびエンジン冷却水（温水）を加熱源として空調空気を加熱するヒータコア２３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。尚、ヒータコア２３は、蒸発器３５と共に空調ケース３０ａ内に配設されており、蒸発器３５とヒータコア２３とによって空調空気は、乗員が設定する設定温度に調整される。

膨張機１１０は、上記加熱器４２から流出される過熱蒸気冷媒の膨張により、駆動力を発生するものであり、詳細については冷媒ポンプ一体型膨張発電機１００として後述する。

そして、上記冷凍サイクル３０、ランキンサイクル４０内の各種機器の作動を制御するための通電制御回路５０が設けられている。通電制御回路５０は、インバータ５１と制御機器５２とを有している。

インバータ５１は、モータジェネレータ１２０（詳細後述）の作動を制御するものである。即ち、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、制御機器５２は、上記インバータ５１の作動を制御すると共に、冷凍サイクル３０およびランキンサイクル４０を作動させる際に電磁クラッチ３１ｂ、ファン３２ａ、送風機３５ａ等を併せて制御するものである。

次に、冷媒ポンプ一体型膨張発電機（以下、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、上から下に向けて順に膨張機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とシャフトハウジング１１１ｂとの間に固定される固定スクロール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、固定スクロール１１２と同様に板状の基板部１１３ａおよび渦巻状の歯部１１３ｂを有して構成されており、両歯部１１２ｂ、１１３ｂが互いに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。

シャフト１１８（本発明の膨張機駆動軸に対応）は、シャフトハウジング１１１ｂに固定された軸受け１１８ｂによって回転可能に支持されている。シャフト１１８は、一方の長手方向端部に回転中心軸に対して偏心したクランク部１１８ａを有するクランクシャフトである。このクランク部１１８ａは、ベアリング１１３ｃを介して旋回スクロール１１３に連結されている。

シャフトハウジング１１１ｂと旋回スクロール１１３との間には、自転防止機構１１９が設けられており、旋回スクロール１１３はシャフト１１８が１回転する間に、自転せずにクランク部１１８ａ周りに公転旋回するようになっている。

そして、作動室Ｖは、例えばシャフト１１８の回転（モータジェネレータ１２０からの駆動力）に伴って、更には、加熱器４２からの過熱蒸気冷媒の膨張によって、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。

流入ポート１１５は、基板部１１２ａの中心部に設けられて、フロントハウジング１１１ａに設けられた高圧室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。尚、上記高圧室１１４には、加熱器４２に接続される高圧ポート１１１ｃが設けられている。

膨張機１１０から凝縮器３２に接続される低圧ポート１２１ａは、後述するモータハウジング１２１の上方に設けられている。低圧ポート１３１ａと膨張機１１０の低圧側（スクロールの外周側）との間は、モータハウジング１２１内の空間を介して連通されるようにしている。

フロントハウジング１１１ａには、均圧弁１１７が設けられている。均圧弁１１７は、ランキンサイクル４０内の異常発生時（例えば、モータジェネレータ１２０の回転数異常、制御不能等の場合）に、高圧室１１４と両スクロール１１２、１１３の低圧側とを繋ぐ連通路１１６を強制的に開くことで、作動室Ｖ内での過熱蒸気冷媒の膨張作動が成されないようにして、膨張機１１０を安全且つ確実に停止させるための弁である。均圧弁１１７による連通路１１６の開閉は、制御機器５２によって制御されるようになっている。

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等から成るもので、シャフトハウジング１１１ｂに固定されるモータハウジング１２１内に収容されている。ステータ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の一端側は、上記膨張機１１０のシャフト１１８に接続されており、また、他端側は、直径が細くなるように形成されて、後述する冷媒ポンプ１３０のポンプ軸１３２に接続されている。

そして、モータジェネレータ１２０は、ランキンサイクル４０の起動時において、バッテリ１１からインバータ５１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５１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、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の中心部で断面円形に穿設されて形成されている。

ポンプ軸（本発明のポンプ駆動軸に対応）１３２は、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、高圧室１３６を経て吐出ポート１３１ｂから吐出される。

本ポンプ膨張発電機１００においては、ランキンサイクル４０の高圧側圧力を所定圧力以下とするように、冷媒ポンプ１３０の実質的な冷媒吐出量を調整する調整手段を設けている。

ここでは、調整手段は、冷媒ポンプ１３０を流通する冷媒をバイパスさせるバイパス手段として形成されており、このバイパス手段は、バイパス流路としての連通路１３８と、開度調整弁としての高圧制御弁１３９とを有している。

連通路１３８は、２つの端板１３７のうち、下側の端板１３７において吸入ポート１３１ａに対して直行するように設けられて、冷媒流入部１３３ｂと高圧室１３６とを連通させる流路として形成されている。連通路１３８は、後述するニードル弁１３９ｅの先端部が挿入可能となるように、高圧室１３６側から冷媒流入部１３３ｂ側に向けて先細りとなる円錐状に形成されて、更に小径の状態で冷媒流入部１３３ｂに繋がっている。

高圧制御弁１３９は、連通路１３８の開度を調整する弁として形成されており、容器体１３９ａ、ダイヤフラム１３９ｂ、ニードル弁１３９ｅ等を有している。容器体１３９ａは扁平状に形成されており、その内部は、薄膜状のダイヤフラム１３９ｂによって高圧ガス室１３９ｃと高圧作動室１３９ｄとに区画されている。そして、ダイヤフラム１３９ｂの高圧作動室１３０ｄ側の面にはニードル弁１３９ｅの一端側が接続されて、他端側が容器体１３９から突出している。

ポンプハウジング１３１の連通路１３８に対向する部位（図２中の底面）には、高圧室１３６と外部とを連通させる弁用連通路１３１ｃが設けられている。容器体１３９ａは、高圧作動室１３９ｄの内部が弁用連通路１３１ｃを介して高圧室１３６と連通するように、ポンプハウジング１３１に接続されている。そして、ニードル弁１３９ｅは、弁用連通路１３１ｃに挿通されて、他端側となる先端部が連通路１３８に到達するように配設されている。

容器体１３９ａの高圧ガス室１３９ｃ内には所定量の作動ガスが封入されており、高圧ガス室１３９ｃ内は予め定めた所定の圧力に維持されている。この所定圧力は、ポンプ膨張発電機１００の作動回転数が変化しても、冷媒ポンプ１３０と膨張機１１０との作動バランスを確保し得るランキンサイクル４０の高圧側圧力の許容最大圧力として設定されたものとしている。更に詳述すると、ポンプ膨張発電機１００の作動回転数の増加に伴って増加する冷媒ポンプ１３０の冷媒吐出量を、膨張機１１０側で吸入可能として膨張作動しうる時の許容高圧側圧力として設定している。

よって、ダイヤフラム１３９ｂは、高圧ガス室１３９ｃと高圧作動室１３９ｄとの圧力バランスによって変位し、それに伴ってニードル弁１３９ｅも長手方向に摺動し、ニードル弁１３９ｅは、図３に示すように、連通路１３８の開度を調整する。通常は、高圧ガス室１３９ｃの圧力によってニードル弁１３９ｅは連通路１３８側に移動されて、連通路１３８を閉塞している。一方、冷媒ポンプ１３０の吐出量の変化に伴い、高圧室１３６、即ち、高圧作動室１３９ｄ内の圧力が高圧ガス室１３９ｃの圧力を上回ると、ダイヤフラム１３９ｂは高圧ガス室１３９ｃ側に変位して、それに伴いニードル弁１３９ｅも摺動して連通路１３８を開くようになっている。

次に、本実施形態におけるポンプ膨張発電機１００の作動およびその作用効果について説明する。

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４０を起動させる際に、制御機器５２はインバータ５１からの電力供給によりモータジェネレータ１２０を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、気液分離器３３から冷媒が吸引され、加熱器４２に圧送され、圧送された冷媒は加熱器４２によって加熱される。

そして、加熱器４２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、制御機器５２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５１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冷媒は、凝縮器３２→気液分離器３３→バイパス流路４１→冷媒ポンプ１３０→加熱器４２→膨脹機１１０の順に循環することになる（ランキンサイクル４０を循環）。

尚、制御機器５２は、ランキンサイクル４０に何らかの異常等が発生した場合は、均圧弁１１７を開くことで過熱蒸気冷媒が作動室Ｖ内を流通しないようにして、膨張機１１０を確実に停止させる。また、乗員の空調要求がある場合は、電磁クラッチ３１ｂによってプーリ３１ａと圧縮機３１とを接続して、エンジン１０の駆動力によって圧縮機３１を作動させて、冷凍サイクル３０による空調を行う。また、凝縮器３２の凝縮能力調整のために、ファン３２ａの作動回転数を制御する。

ここで、上記ランキンサイクル４０の作動時に、作動回転数に応じて高圧側圧力が所定圧力を超えると、高圧制御弁１３９のニードル弁１３９ｅによって連通路１３８が開かれ、冷媒ポンプ１３０を流通する冷媒の一部は、高圧室１３６側から冷媒流入部１３３ｂ側にバイパスされることになり、高圧側圧力が所定圧力に維持される。

よって、高圧側圧力の上昇に伴う膨張機１１０の冷媒入り口側の過熱度が低下して、冷媒中の潤滑油に蒸発の抑えられた冷媒が溶解してそれに伴い潤滑油粘度が低下することを防止でき、膨張機１１０、冷媒ポンプ１３０に対して充分な潤滑を可能として、ランキンサイクル４０の信頼性を向上させることができる。そして、膨張機１１０の信頼性低下によるモータジェネレータ１２０の発電能力低下も防止できる。

また、過熱度の低下を防止することで、冷媒ポンプ１３０から吐出される冷媒が加熱器４２に液冷媒として溜まることを防止できるので、冷媒ポンプ１３０における吸入冷媒の不足を防止でき、気液分離器３３に余分な冷媒を予め蓄える必要がなくなる。

また、ランキンサイクル４０の高圧側圧力を所定圧力以下に維持できるので、高圧側における各機器（バイパス流路４１、加熱器４２、膨張機１１０、冷媒ポンプ１３０）の耐圧面での過剰設計が不要となると共に、異常高圧時の安全を図ることができる。

また、連通路１３８を冷媒ポンプ１３０内に設けて、高圧制御弁１３９を冷媒ポンプ１３０に一体的に設けるようにしているので、小型、安価、搭載性に優れるポンプ膨張発電機１００とすることができる。

また、高圧制御弁１３９によって所定圧力において冷媒ポンプ１３０を流通する冷媒をバイパスさせるので、圧力変化に伴う冷媒ポンプ１３０の脈動を低減することができる。

また、高圧制御弁１３９によって、確実に高圧側圧力を所定圧力以下に維持できるので、冷媒ポンプ１３０の製品としての出来ばえに基づく容積効率のバラツキを補正できる。

（その他の実施形態）
上記第１実施形態では、調整手段としてのバイパス手段における高圧制御弁１３９（開度調整弁）をダイヤフラム１３９ｂを用いた弁としたが、ランキンサイクル４０の高圧側圧力を検出する圧力センサのような圧力検出手段と、圧力センサによって得られた圧力に応じて（所定圧力にて）開度制御される電磁弁とで構成するようにしても良い。

また、上記第１実施形態のように調整手段として、連通路１３８（バイパス流路）と高圧制御弁１３９（開度調整手段）とを用いたものに対して、冷媒ポンプ１３０の作動室Ｐ自身の容量（容積）を調整可能とする可変容量タイプのポンプを用いたものとしても良い。この場合は、ランキンサイクル４０の高圧側圧力を検出する圧力センサのような圧力検出手段を設けて、圧力センサによって得られた圧力に応じて（所定圧力にて）吐出容量を変更する（小さくする）ようにすれば良い。

また、上記第１実施形態のように調整手段として、連通路１３８（バイパス流路）と高圧制御弁１３９（開度調整手段）とを用いたものに対して、冷媒ポンプ１３０の容積効率を意図的に変更可能とするものとしても良い。即ち、冷媒ポンプ１３０の作動室Ｐにおける高低圧間の隙間を意図的に変更可能とする構造として、所定圧力にて隙間を変更して（大きくして）吐出量を変更（小さくする）ものとしても良い。

また、バイパス流路としての連通路１３８は、冷媒ポンプ１３０の内部に形成するようにしたが、これに限らず、別配管を用いて冷媒ポンプ１３０の外部に設け、この配管途中に高圧制御弁１３９を設けるようにしても良い。

また、バイパス流路は、冷媒ポンプ１３０の高圧側と低圧側とを連通させる流路としたが、ランキンサイクル４０の高圧側と低圧側とを連通させる通路としても良く、具体的には、冷媒ポンプ１３０と加熱器４２との間、あるいは加熱器４２と膨張機１１０との間から、膨張機１１０と凝縮器３２との間、あるいは凝縮器３２と気液分離器３３との間を繋ぐ流路としても良い。

また、上記のような調整手段を冷媒ポンプ１３０側に対して膨張機１１０側に設けるようにしても良い。あるいは、冷媒ポンプ１３０、膨張機１１０の両者に設けるようにしても良い。膨張機１１０側に調整手段を設ける場合で、調整手段を可変容量タイプとしたもの、あるいは隙間可変タイプとしてものにおいては、高圧側圧力が所定圧力となった時に、膨張機１１０の容量を大きくする、あるいは隙間を小さくして容量を大きくすると良い。

また、上記各実施形態においては、加熱器４２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実施形態における高圧制御弁の高圧側圧力に対する弁開度を示すグラフである。 従来技術における膨張機とポンプとの容積効率を示すグラフである。 従来技術における高圧側圧力の上昇に伴う過熱度の低下を示すグラフである。

符号の説明

１０ エンジン（発熱機器）
４０ ランキンサイクル
１００ 冷媒ポンプ一体型膨張発電機
１１０ 膨張機
１１８ シャフト（膨張機駆動軸）
１３０ 冷媒ポンプ（ポンプ）
１３２ ポンプ軸（ポンプ駆動軸）
１３８ 連通路（調整手段、バイパス手段、バイパス流路）
１３９ 高圧制御弁（調整手段、バイパス手段、開度調整弁）
１３９ｂ ダイヤフラム
１３９ｅ ニードル弁

Claims (6)

1. サイクル内の作動流体を循環させるポンプ（１３０）と、
   発熱機器（１０）の廃熱により加熱された前記作動流体の膨張によって駆動力を発生する膨張機（１１０）とを備え、
   前記膨張機（１１０）の膨張機駆動軸（１１８）に、前記ポンプ（１３０）のポンプ駆動軸（１３２）が接続されたランキンサイクルにおいて、
   前記ポンプ（１３０）あるいは前記膨張機（１１０）の少なくとも一方に、前記サイクルの高圧側圧力を所定圧力以下とするように、前記ポンプ（１３０）あるいは前記膨張機（１１０）の実質吐出量を調整する調整手段（１３８、１３９）を設けたことを特徴とするランキンサイクル。
2. 前記調整手段（１３８、１３９）は、前記高圧側圧力に応じて、前記ポンプ（１３０）あるいは前記膨張機（１１０）を流通する前記作動流体流れをバイパスさせるバイパス手段（１３８、１３９）であることを特徴とする請求項１に記載のランキンサイクル。
3. 前記バイパス手段（１３８、１３９）は、前記ポンプ（１３０）あるいは前記膨張機（１１０）の高圧側と低圧側とを連通させるバイパス流路（１３８）と、
   前記高圧側圧力に応じて前記バイパス流路（１３８）の開度を調整する開度調整弁（１３９）とを備えることを特徴とする請求項２に記載のランキンサイクル。
4. 前記開度調整弁（１３９）は、所定空間内に密封された流体の圧力と前記高圧側圧力とのバランスによって可動するダイヤフラム（１３９ｂ）と、
   前記ダイヤフラム（１３９ｂ）に接続されて可動して、前記開度を調整する弁体（１３９ｅ）とを備えることを特徴とする請求項３に記載のランキンサイクル。
5. 前記調整手段（１３８、１３９）は、前記ポンプ（１３０）あるいは前記膨張機（１１０）に一体的に形成されたことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載のランキンサイクル。
6. 前記調整手段（１３８、１３９）は、前記ポンプ（１３０）に設けられたことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載のランキンサイクル。

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