JP2012202261A - 膨張機、及び排熱回生システム - Google Patents

Abstract

【課題】作動流体の過膨張による損失を防止することができる膨張機、及び排熱回生システムを得る。
【解決手段】膨張機３は、高圧空間に連通する吸入孔２６と低圧空間に連通する吐出孔２７とが設けられたシリンダ２０、及びシリンダ２０との間に作動室２５を形成し、シリンダ２０内で変位されることにより作動室２５の容積を変化させるロータ２１を有している。シリンダ２０には、作動流体が吸入孔２６を通して作動室２５に吸入されてから吐出孔２７へ吐出されるまでの間に作動室２５と連通する中間孔２８が設けられている。中間孔２８と低圧空間との間には、作動流体が低圧空間から中間孔２８を通して作動室２５に吸入されることを許容するとともに、作動流体が作動室２５から中間孔２８を通して低圧空間へ吐出されることを阻止する逆止弁３０が設けられている。
【選択図】図２

Description

この発明は、作動流体（例えば冷媒等）を膨張させる膨張機、及び膨張機を利用して内燃機関の排熱を動力として回生する排熱回生システムに関するものである。

従来、例えば自動車等の運転効率の向上のために、エンジン等からの排熱をランキンサイクルの利用により動力として回生する排熱回生システムが知られている。

従来の排熱回生システムは、内燃機関の排熱で冷媒を加熱して蒸発させる蒸発器と、蒸発された冷媒を膨張させて駆動力を発生させる膨張機と、膨張後の冷媒を凝縮させて液化する凝縮器と、液化された冷媒を蒸発器へ圧送して循環させるポンプとを有している。膨張機で発生した駆動力は、例えば発電機の駆動等に利用される（例えば特許文献１参照）。

また、従来、シリンダの内壁とシリンダ内のロータとの間にベーンで仕切られた作動室が形成され、ロータの回転により、作動室がシリンダ内を移動しながら容積を変えて、作動室内の冷媒を膨張させるベーンロータリ膨張機が知られている。高圧側の吸入孔から作動室内に吸入された冷媒は、作動室の容積が拡大することにより膨張され、膨張後、作動室の容積が縮小することにより吐出孔から低圧側へ吐出される。

従来、作動室における冷媒の過膨張による損失を抑制するために、冷媒が作動室内に吸入された後、作動室内の冷媒が吐出孔を通して吐出されるまでの間に作動室と連通する別の吐出孔をシリンダに設け、低圧側から作動室内への逆流を阻止する逆止弁を当該別の吐出孔に設けたベーンロータリ膨張機が提案されている（例えば特許文献２参照）。

特開２０１０−６５５８７号公報 ＷＯ２００３／０８９７６６

しかし、従来の膨張機では、低圧側から作動室内への冷媒の吸入が逆止弁によって阻止されるので、低圧側の吐出孔の圧力が上昇した場合、作動室が別の吐出孔に連通する位置に達したときでも逆止弁が閉じたままとなる。従って、作動室内の冷媒は、作動室の拡大により過膨張の状態となった後に、作動室の縮小により圧縮されて過膨張の状態を解消しながら、吐出孔へ吐出される。しかし、実際の冷媒の圧縮過程は、シリンダ等と冷媒との間での熱交換やシール等からの冷媒の漏れ等によって理想的な断熱圧縮過程からずれるので、冷媒の圧縮過程において損失が生じてしまう。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、作動流体の過膨張による損失を防止することができる膨張機、及び排熱回生システムを得ることを目的とする。

この発明に係る膨張機は、高圧空間に連通する吸入孔と、高圧空間よりも圧力が低い低圧空間に連通する吐出孔とが設けられた収容体、及び収容体との間に作動空間を形成し、収容体内で変位されることにより作動空間の容積を変化させる変位体を備え、高圧空間から吸入孔を通して作動空間に吸入された作動流体を、作動空間の容積が拡大する方向へ変位体を変位させることにより膨張させ、作動空間で膨張した作動流体を、作動空間の容積が縮小する方向へ変位体を変位させることにより吐出孔を通して低圧空間へ吐出する膨張機であって、収容体には、作動流体が作動空間に吸入されてから吐出孔へ吐出されるまでの間に作動空間と連通する中間孔が設けられ、中間孔と低圧空間との間には、作動流体が低圧空間から中間孔を通して作動空間に吸入されることを許容するとともに、作動流体が作動空間から中間孔を通して低圧空間へ吐出されることを阻止する逆止弁が設けられている。

この発明に係る膨張機では、冷媒が低圧空間から中間孔を通して作動空間に吸入されることを許容するとともに、冷媒が作動空間から中間孔を通して低圧空間へ吐出されることを阻止する逆止弁が、低圧空間と中間孔との間に設けられているので、作動空間の冷媒の圧力が低圧空間の圧力よりも低くなろうとすると、低圧空間から作動空間へ冷媒を流入させることができる。これにより、低圧空間の圧力が上昇した場合であっても、作動空間における冷媒の過膨張の発生を防止することができ、冷媒の過膨張による損失を防止することができる。

この発明の実施の形態１による排熱回生システムを示す構成図である。 図１の膨張機を示す断面図である。 図２の作動室で適正に膨張されるときの冷媒の圧力（Ｐ）と容積（Ｖ）との関係を示すグラフである。 図２の第２の冷媒配管内の低圧空間の圧力が上昇してＰＬ２（ＰＬ２＞ＰＬ１）となっている場合に作動室で膨張されるときの冷媒の圧力（Ｐ）と容積（Ｖ）との関係を示すグラフである。 第２の冷媒配管内の低圧空間の圧力が上昇してＰＬ２（ＰＬ２＞ＰＬ１）となっている場合に比較例１の膨張機の作動室で膨張されるときの冷媒の圧力（Ｐ）と容積（Ｖ）との関係を示すグラフである。 第２の冷媒配管内の低圧空間の圧力が上昇してＰＬ２（ＰＬ２＞ＰＬ１）となっている場合に比較例２の膨張機の作動室で膨張されるときの冷媒の圧力（Ｐ）と容積（Ｖ）との関係を示すグラフである。 この発明の実施の形態２による膨張機を示す縦断面図である。 この発明の実施の形態３による排熱回生システムの膨張機を示す断面図である。 図２の第２の冷媒配管内の低圧空間の圧力が上昇してＰＬ５（ＰＬ５＞ＰＬ２）となっている場合に作動室で膨張されるときの冷媒の圧力（Ｐ）と容積（Ｖ）との関係を示すグラフである。 図８の第２の冷媒配管内の低圧空間の圧力が上昇してＰＬ５（ＰＬ５＞ＰＬ２）となっている場合に作動室で膨張されるときの冷媒の圧力（Ｐ）と容積（Ｖ）との関係を示すグラフである。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による排熱回生システムを示す構成図である。図において、排熱回生システム１は、蒸発器２、膨張機３、凝縮器４及びポンプ５を有している。蒸発器２、膨張機３、凝縮器４及びポンプ５間には、排熱回生システム１の作動流体である冷媒を導く冷媒循環用配管（循環流路）６が接続されている。

冷媒循環用配管６は、蒸発器２及び膨張機３間に接続された第１の冷媒配管（高圧配管）７と、膨張機３及び凝縮器４間に接続された第２の冷媒配管（低圧配管）８と、凝縮器４及びポンプ５間に接続された第３の冷媒配管９と、ポンプ５及び蒸発器２間に接続された第４の冷媒配管１０とを有している。冷媒は、第１〜第４の冷媒配管７〜１０を通って蒸発器２、膨張機３、凝縮器４及びポンプ５間を循環される。排熱回生システム１の熱力学サイクルは、ランキンサイクルとされている。冷媒としては、例えばＲ１３４ａ等が用いられる。

内燃機関であるエンジン１１は、燃料（例えばガソリン等）を燃焼させることにより駆動力を発生する。この例では、エンジン１１が自動車用のエンジンとされている。エンジン１１及び蒸発器２間には、エンジン１１を冷却する冷却水が流れる冷却水循環用配管１２が設けられている。冷却水循環用配管１２は、エンジン１１から蒸発器２へ冷却水を導く第１の冷却水配管１３と、蒸発器２からエンジン１１へ冷却水を導く第２の冷却水配管１４とを有している。

冷却水は、図示しない冷却水ポンプの動力により、冷却水循環用配管１２を通ってエンジン１１及び蒸発器２間を循環される。冷却水は、エンジン１１で発生した排熱により加熱され、第１の冷却水配管１３を通って蒸発器２へ送られる。蒸発器２に送られた冷却水は、第２の冷却水配管１４を通ってエンジン１１に戻される。なお、エンジン１１で発生した排熱により加熱されたエンジン１１の排ガスを蒸発器２へ送るようにしてもよい。

蒸発器２は、エンジン１１からの冷却水とポンプ５からの冷媒との間で熱交換を行う。蒸発器２では、冷却水と冷媒との間で熱交換が行われることにより、冷却水が冷却され、冷媒が加熱される。これにより、冷媒は、高温高圧の蒸気となる。

蒸発器２で冷却された冷却水は、蒸発器２から第２の冷却水配管１４を通ってエンジン１１へ送られる。蒸発器２で高温高圧の蒸気となった冷媒は、蒸発器２から第１の冷媒配管７を通って膨張機３へ送られる。従って、第１の冷媒配管７内の空間は、高温高圧の蒸気が流れる高圧空間となっている。

膨張機３は、蒸発器２からの冷媒（即ち、高温高圧の蒸気となった冷媒）を膨張させ、膨張した冷媒を凝縮器４へ送る膨張機本体１５と、膨張機本体１５に回転可能に設けられた出力軸１６とを有している。この例では、膨張機３がベーンロータリ式膨張機とされている。

膨張機本体１５は、冷媒を膨張させることにより出力軸１６に回転力（回生動力）を与える。出力軸１６は、膨張機本体１５から回転力を受けることにより回転される。出力軸１６には、発電機１７が連結されている。発電機１７は、出力軸１６の回転により発電する。発電機１７で発生した電力は、例えばバッテリ等に充電される。

冷媒は、膨張機本体１５で膨張されることにより、低圧の蒸気となる。膨張機本体１５で膨張した冷媒は、膨張機本体１５から第２の冷媒配管８を通って凝縮器４へ送られる。従って、第２の冷媒配管８内の空間は、第１の冷媒配管７内の高圧空間よりも圧力が低い低圧空間となっている。

凝縮器４は、膨張機３で膨張した冷媒を冷却することにより冷媒を液化する。従って、冷媒は、凝縮器４を通ることにより放熱しながら凝縮される。この例では、自動車走行時の走行風やファンによる送風等が凝縮器４に通されることにより冷媒が冷却される。凝縮器４で液化された冷媒は、凝縮器４から第３の冷媒配管９を通ってポンプ５へ送られる。

ポンプ５は、連結軸１８を介してモータ１９に連結されている。また、ポンプ５は、凝縮器４からの冷媒をモータ１９の駆動力により圧送する。これにより、冷媒は、第４の冷媒配管１０を通って蒸発器２へ送られる。蒸発器２、膨張機３、凝縮器４及びポンプ５間の冷媒の循環は、ポンプ５の動力により行われる。

図２は、図１の膨張機３を示す断面図である。図において、膨張機本体１５は、出力軸１６が内部に通された円筒状のシリンダ（収容体）２０と、シリンダ２０内に設けられ、出力軸１６と一体に回転（変位）される円柱状のロータ（変位体）２１とを有している。

シリンダ２０は、シリンダ２０の軸線が出力軸１６の軸線と平行になるように配置されている。即ち、シリンダ２０は、出力軸１６に対して偏心して配置されている。なお、シリンダ２０の軸線方向両端部は、蓋により塞がれている。

ロータ２１は、ロータ２１の外周面の一部をシリンダ２０の内周面の接触位置Ｑに接触させた状態でシリンダ２０内に配置されている。また、ロータ２１の外周部には、ロータ２１の径方向に深さを持つ複数の溝２２がロータ２１の周方向へ互いに間隔を置いて設けられている。この例では、４つの溝２２が出力軸１６に沿ってロータ２１の外周部に設けられ、各溝２２がロータ２１の周方向へ等間隔に配置されている。

各溝２２には、シリンダ２０の内周面に接触するベーン２４が溝２２の深さ方向へ摺動可能にそれぞれ挿入されている。ロータ２１の外周面とシリンダ２０の内周面との間には、各ベーン２４で仕切られた複数の作動室（作動空間）２５が形成されている。

各ベーン２４は、ロータ２１の回転（変位）により、シリンダ２０の内周面に接触しながらロータ２１の回転方向（図２の矢印の方向）へ移動される。各作動室２５は、各ベーン２４の移動に伴って、シリンダ２０内で容積を変化させながらロータ２１の回転方向へ移動される。即ち、ロータ２１は、シリンダ２０内で回転されることにより、ロータ２１の回転方向へ作動室２５を移動させながら作動室２５の容積を変化させる。各作動室２５は、ロータ２１の回転により、接触位置Ｑで生じ、ロータ２１の回転方向へ移動しながら、容積を連続的に拡大させた後、容積を連続的に縮小させて、接触位置Ｑで消滅する。

シリンダ２０には、第１の冷媒配管７及び第２の冷媒配管８が接続されている。また、シリンダ２０には、第１の冷媒配管７内の高圧空間からの冷媒を作動室２５に吸入するための吸入孔２６と、作動室２５の冷媒を第２の冷媒配管８内の低圧空間へ吐出するための吐出孔２７と、冷媒が作動室２５に吸入されてから吐出されるまでの間に作動室２５に連通される中間孔２８とが設けられている。

吸入孔２６、吐出孔２７及び中間孔２８のそれぞれは、シリンダ２０の壁を貫通する貫通孔とされている。吸入孔２６、吐出孔２７及び中間孔２８は、吸入孔２６、中間孔２８及び吐出孔２７の順にロータ２１の回転方向へ互いに間隔を置いて配置されている。吸入孔２６は容積が拡大する方向へ移動するときの作動室２５に連通し、中間孔２８は吸入孔２６との連通が断たれた状態で容積が拡大する方向へ移動するときの作動室２５に連通し、吐出孔２７は容積が縮小する方向へ移動するときの作動室２５に連通するようになっている。この例では、中間孔２８は、ロータ２１の外面との間の距離が最大となるシリンダ２０の壁の位置の近傍に設けられている。

第１の冷媒配管７内の高圧空間から吸入孔２６を通して作動室２５に吸入された冷媒は、作動室２５の容積が拡大する方向へ作動室２５が移動されることにより膨張し、作動室２５が中間孔２８の位置を通過して、作動室２５の容積が縮小する方向へ作動室２５が移動されることにより吐出孔２７を通して第２の冷媒配管８内の低圧空間へ吐出される。

シリンダ２０の内周面には、吐出孔２７からロータ２１の回転方向へ延びる逃がし溝２３が設けられている。逃がし溝２３は、接触位置Ｑの近傍まで延びている。吐出孔２７の位置を通過して吐出孔２７との連通が断たれた作動室２５の冷媒は、逃がし溝２３を通して吐出孔２７へ導かれる。

ロータ２１の回転力は、互いに隣接する作動室２５内の圧力差によって生じ、出力軸１６に与えられる。出力軸１６で受けた回転力は、発電機１７（図１）への回生動力として用いられる。

第２の冷媒配管８からは、分岐配管２９が分岐されている。分岐配管２９内の空間は、第２の冷媒配管８内と同じ低圧空間となっている。シリンダ２０には、中間孔２８と分岐配管２９との間に介在する逆止弁３０が設けられている。即ち、逆止弁３０は、中間孔２８と低圧空間との間に設けられている。

逆止弁３０は、冷媒が分岐配管２９内の低圧空間から中間孔２８を通して作動室２５に吸入されることを許容するとともに、冷媒が作動室２５から中間孔２８を通して分岐配管２９内の低圧空間へ吐出されることを阻止する。

また、逆止弁３０は、シリンダ２０の外面に固定された弁ケース３１と、弁ケース３１内に変位可能に配置された弁体３２と、弁ケース３１内のシリンダ２０の外面と弁体３２との間で縮められた弾性ばね（付勢体）３３とを有している。

弁ケース３１は、中間孔２８を覆った状態でシリンダ２０の外面に固定されている。これにより、弁ケース３１内の空間と作動室２５とは、中間孔２８を通して連通されている。また、弁ケース３１には、弁ケース３１内の空間と分岐配管２９内の低圧空間とを連通する開口部３４が設けられている。

弁体３２は、弁ケース３１内で変位されることにより開口部３４を開閉する。この例では、弁体３２の形状が球状とされている。

弾性ばね３３は、弁ケース３１内で縮められて発生する弾性反発力により、開口部３４を閉じる方向へ弁体３２を付勢している。弁体３２は、弾性ばね３３の付勢力により弁ケース３１の内面に押し付けられて開口部３４を閉じる。また、弁体３２は、分岐配管２９の内圧で押されることにより、弾性ばね３３の付勢力に逆らって、開口部３４を開く方向へ変位可能になっている。

分岐配管２９内の低圧空間の圧力が中間孔２８の圧力よりも高いときには、弁体３２が弾性ばね３３の付勢力により弁ケース３１の内面に押し付けられて開口部３４が閉じている。分岐配管２９内の低圧空間の圧力が例えば凝縮器４の温度の上昇等により上昇して中間孔２８の圧力を超えると、分岐配管２９内の低圧空間の圧力が弾性ばね３３の付勢力に打ち勝ち、弾性ばね３３の付勢力に逆らって弁体３２が変位され、開口部３４が開く。分岐配管２９内の冷媒は、開口部３４が開くことにより、弁ケース３１内及び中間孔２８を通して作動室２５に導かれる。

次に、排熱回生システム１の動作について説明する。エンジン１１を冷却する冷却水は、冷却水ポンプの動力により、エンジン１１及び蒸発器２間を循環する。一方、モータ１９の駆動により、液体状態の冷媒がポンプ５から第４の冷媒配管１０を通って蒸発器２へ圧送される。

蒸発器２では、ポンプ５から圧送された液体状態の冷媒と、エンジン１１により加熱された冷却水との間で熱交換が行われる。これにより、冷媒は、高温（例えば約９０℃）で高圧の蒸気となる。

この後、蒸発器２で高温高圧の蒸気となった冷媒は、第１の冷媒配管７を通って膨張機３へ送られる。膨張機３では、冷媒が膨張されることにより出力軸１６が回転される。これにより、発電機１７で発電され、発電機１７で発生した電力が例えばバッテリ等に充電される。冷媒は、膨張機３で膨張されることにより約５０℃の低圧蒸気となる。

膨張機３で低圧蒸気となった冷媒は、第２の冷媒配管８を通って凝縮器４へ送られる。凝縮器４では、冷媒が外気（例えば自動車の走行風やファンによる送風等）により冷却される。これにより、冷媒は、凝縮され、低温（約３０℃）で低圧の液体となる。この後、冷媒は、第３の冷媒配管９を通ってポンプ５へ送られる。このときの冷媒（液体）の圧力をＰＬとする。このようにして、冷媒は、ポンプ５、蒸発器２、膨張機３及び凝縮器４の順に状態を変えながら循環を繰り返す。

次に、膨張機３で冷媒が適正に膨張されるときの動作について説明する。図３は、図２の作動室２５で適正に膨張されるときの冷媒の圧力（Ｐ）と容積（Ｖ）との関係を示すグラフ（ＰＶ線図）である。作動室２５が接触位置Ｑで生じると（このとき、作動室２５の冷媒の状態は図３のＡ状態となっている）、作動室２５は、ロータ２１の回転により、吸入孔２６に連通された状態を保ったまま、容積を拡大させながらロータ２１の回転方向へ移動される。これにより、作動室２５には、高温高圧の冷媒が作動室２５の容積の拡大に伴って第１の冷媒配管７から吸入孔２６を通して吸入される。このとき、作動室２５の冷媒の圧力がＡ状態の圧力（第１の冷媒配管７内の高圧空間の圧力）ＰＨ１に維持されながら、作動室２５の冷媒の容積が拡大する。

この後、作動室２５が容積を拡大させながらロータ２１の回転方向へ移動され、作動室２５の容積がＶ１になると、作動室２５と吸入孔２６との連通が断たれて作動室２５が密閉空間となる。これにより、作動室２５への冷媒の吸入が停止され、作動室２５の冷媒の状態が図３のＢ状態となる。即ち、冷媒が第１の冷媒配管７から作動室２５に吸入される吸入過程（Ａ→Ｂ）が行われ、作動室２５の冷媒の状態がＡ状態からＢ状態となる。

この後、作動室２５が容積をさらに拡大させながらロータ２１の回転方向へ移動されることにより、作動室２５の冷媒が膨張し、作動室２５の圧力が低下する。この後、作動室２５の容積が最大容積Ｖ２（Ｖ２＞Ｖ１）になり、作動室２５の冷媒の圧力が第２の冷媒配管８内の低圧空間の圧力ＰＬ１まで低下すると、作動室２５が吐出孔２７の位置に達して作動室２５と吐出孔２７とが互いに連通する。これにより、作動室２５の冷媒の状態が図３のＣ状態となる。即ち、作動室２５の冷媒が作動室２５の容積の拡大に伴って膨張する膨張過程（Ｂ→Ｃ）が行われ、作動室２５の冷媒の状態がＢ状態からＣ状態となる。

膨張過程（Ｂ→Ｃ）では、途中で作動室２５が中間孔２８に連通するが、作動室２５の冷媒の圧力が第２の冷媒配管８内の低圧空間の圧力ＰＬ１よりも高くなっているので、逆止弁３０の作用により、作動室２５から第２の冷媒配管８への冷媒の吐出が阻止される。

作動室２５の冷媒の状態がＣ状態となり作動室２５の容積が縮小し始めると、作動室２５と中間孔２８との連通が断たれ、作動室２５が吐出孔２７に連通される。この後、作動室２５の冷媒は、作動室２５の容積の縮小に伴って吐出孔２７を通って第２の冷媒配管８内の低圧空間へ吐出され、図３のＤ状態となる。即ち、作動室２５の冷媒が第２の冷媒配管８内の低圧空間へ吐出される吐出過程（Ｃ→Ｄ）が行われ、作動室２５の冷媒の状態がＣ状態からＤ状態となる。

このように、作動室２５の冷媒が過不足なく適正に膨張する場合、作動室２５から吐出するときの冷媒の圧力が第２の冷媒配管８内の低圧空間の圧力（凝縮器４の冷媒温度に対応する圧力）ＰＬ１に適合し、膨張機３における損失の増大が抑制される。

次に、例えば凝縮器４での熱交換不足等により凝縮器４の冷媒温度が上昇し、第２の冷媒配管８内の低圧空間の圧力が上昇した場合の膨張機３での動作について説明する。図４は、図２の第２の冷媒配管８内の低圧空間の圧力が上昇してＰＬ２（ＰＬ２＞ＰＬ１）となっている場合に作動室２５で膨張されるときの冷媒の圧力（Ｐ）と容積（Ｖ）との関係を示すグラフ（ＰＶ線図）である。吸入過程（Ａ→Ｂ）の動作は、冷媒が適正に膨張される場合の吸入過程（Ａ→Ｂ）の動作と同様である。

吸入過程後、即ち作動室２５の冷媒の状態が図４のＢ状態となった後、密閉空間とされた作動室２５が容積を拡大させながらロータ２１の回転方向へ移動され、作動室２５の容積の拡大に伴って、作動室２５の冷媒が膨張し、作動室２５の圧力が低下する。

この後、作動室２５は、中間孔２８に連通し、中間孔２８に連通した状態を保ったまま、容積をさらに拡大させながらロータ２１の回転方向へ移動される。これにより、作動室２５の冷媒がさらに膨張し、作動室２５の冷媒の圧力が低下する。

この後、作動室２５の容積が最大容積Ｖ２になる前の容積Ｖ１１となったときに、作動室２５の冷媒の圧力が第２の冷媒配管８内の低圧空間の圧力ＰＬ２とほぼ等しくなり、作動室２５の冷媒の状態が図４のＣ１状態になる。即ち、作動室２５の冷媒が作動室２５の容積の拡大に伴って膨張する膨張過程（Ｂ→Ｃ１）が行われ、作動室２５の冷媒の状態がＢ状態からＣ１状態となる。

この後、作動室２５の容積がさらに拡大されることにより、作動室２５の冷媒の圧力が第２の冷媒配管８内の圧力ＰＬ２よりも低くなろうとすると、第２の冷媒配管８内の低圧空間の冷媒が、分岐配管２９、逆止弁３０及び中間孔２８を通して作動室２５に流入する。これにより、作動室２５の冷媒の圧力がＰＬ２に維持されながら、作動室２５の容積が拡大して最大容積Ｖ２になり、作動室２５の冷媒の状態が図４のＣ状態になる。即ち、第２の冷媒配管８内の定圧空間の冷媒が作動室２５に吸入される吸入過程（Ｃ１→Ｃ）が行われ、作動室２５の冷媒の状態がＣ１状態からＣ状態となる。

この後、作動室２５の容積が縮小し始めると、作動室２５と中間孔２８との連通が断たれ、作動室２５が吐出孔２７に連通される。この後、作動室２５の冷媒は、作動室２５の容積の縮小に伴って吐出孔２７を通って第２の冷媒配管８内の低圧空間へ吐出され、図４のＤ状態となる。即ち、作動室２５の冷媒が第２の冷媒配管８内の低圧空間へ吐出される吐出過程（Ｃ→Ｄ）が行われ、作動室２５の冷媒の状態がＣ状態からＤ状態となる。

このような膨張機３及び排熱回生システム１では、冷媒が第２の冷媒配管８内の低圧空間から中間孔２８を通して作動室２５に吸入されることを許容するとともに、冷媒が作動室２５から中間孔２８を通して第２の冷媒配管８内の低圧空間へ吐出されることを阻止する逆止弁３０が、第２の冷媒配管８内の低圧空間と中間孔２８との間に設けられているので、作動室２５の冷媒の圧力が低圧空間の圧力よりも低くなろうとすると、低圧空間から作動室２５へ冷媒を流入させることができる。これにより、例えば凝縮器４の冷媒温度の上昇等により第２の冷媒配管８内の低圧空間の圧力が上昇した場合であっても、作動室２５における冷媒の過膨張の発生を防止することができ、冷媒の過膨張による損失を防止することができる。

ここで、比較例１として、逆止弁の冷媒の通過を許容する方向を実施の形態１の逆止弁３０と反対向きにした例について考える。図５は、第２の冷媒配管内の低圧空間の圧力が上昇してＰＬ２（ＰＬ２＞ＰＬ１）となっている場合に比較例１の膨張機の作動室で膨張されるときの冷媒の圧力（Ｐ）と容積（Ｖ）との関係を示すグラフ（ＰＶ線図）である。比較例１での吸入過程（Ａ→Ｂ）の動作は、実施の形態１による膨張機３の作動室２５で冷媒が膨張される場合の吸入過程（Ａ→Ｂ）の動作と同様である。

吸入過程後、即ち作動室２５の冷媒の状態が図５のＢ状態となった後、ロータ２１の回転により、作動室２５の容積がＶ１から最大容積Ｖ２（Ｖ２＞Ｖ１）になるまで拡大する。これにより、作動室２５の冷媒が膨張し、作動室２５の冷媒の圧力が第２の冷媒配管８内の低圧空間の圧力ＰＬ２よりも低い圧力ＰＬ３（ＰＬ３＜ＰＬ２）にまで低下して、作動室２５の冷媒の状態が図５のＣ状態になる。即ち、作動室２５の冷媒が作動室２５の容積の拡大に伴って膨張する膨張過程（Ｂ→Ｃ）が行われ、作動室２５の冷媒の状態がＢ状態からＣ状態となる。

膨張過程（Ｂ→Ｃ）の途中では、作動室の容積が容積Ｖ１１（Ｖ１＜Ｖ１１＜Ｖ２）となったときに、作動室の冷媒の圧力が第２の冷媒配管内の低圧空間の圧力ＰＬ２とほぼ等しくなり、作動室の冷媒の状態が図５のＣ１状態になる。このとき、作動室２５が中間孔２８に連通しているが、逆止弁の冷媒の通過を許容する方向が本実施の形態の逆止弁３０と反対向きになっているので、第２の冷媒配管８内の低圧空間から作動室２５に冷媒が流入することなく、作動室２５の冷媒が過膨張され、作動室２５の冷媒の状態が図５のＣ状態に至る。

この後、作動室２５の容積が縮小し始めると、作動室２５と中間孔２８との連通が断たれ、作動室２５が吐出孔２７に連通される。このとき、第２の冷媒配管８内の低圧空間の圧力ＰＬ２が作動室２５の冷媒の圧力ＰＬ３よりも高いので、第２の冷媒配管８の冷媒が吐出孔２７から作動室２５に逆流し、作動室２５の冷媒の圧力が第２の冷媒配管８内の低圧空間の圧力ＰＬ２と等しくなって、作動室２５の冷媒の状態が図５のＣ２状態となる。

この後、作動室２５の冷媒は、作動室２５の容積の縮小に伴って吐出孔２７を通って第２の冷媒配管８内の低圧空間へ吐出され、図５のＤ状態となる。即ち、吐出過程（Ｃ２→Ｄ）が行われる。

このように、逆止弁の冷媒の通過を許容する方向を実施の形態１の逆止弁３０と反対向きにした比較例１では、図５のＣ１−Ｃ−Ｃ２−Ｃ１で囲まれた面積が過膨張による損失仕事となり、膨張機で得られる回生動力が小さくなってしまう。

また、比較例２として、作動室２５の容積が最大容積Ｖ２となった後に、作動室２５の容積を所定量だけ縮小させて冷媒を圧縮してから、作動室２５を吐出孔２７に連通させるように膨張機を構成した例について考える。図６は、第２の冷媒配管内の低圧空間の圧力が上昇してＰＬ２（ＰＬ２＞ＰＬ１）となっている場合に比較例２の膨張機の作動室２５で膨張されるときの冷媒の圧力（Ｐ）と容積（Ｖ）との関係を示すグラフ（ＰＶ線図）である。比較例２での吸入過程（Ａ→Ｂ）及び膨張過程（Ｂ→Ｃ）の動作は、比較例１の吸入過程（Ａ→Ｂ）及び膨張過程（Ｂ→Ｃ）の動作と同様である。

作動室２５の冷媒の状態が図６のＣ状態になった後、作動室２５が吐出孔２７に連通するまで、ロータ２１の回転に伴って作動室２５の容積が所定量だけ縮小し、作動室２５の容積がＶ１２（Ｖ２＞Ｖ１２＞Ｖ１１）となる。これにより、作動室２５の冷媒が圧縮される圧縮過程（Ｃ→Ｃ２）が行われ、作動室２５の冷媒の状態が図６のＣ２状態となる。Ｃ２状態での冷媒の圧力は、第２の冷媒配管８内の低圧空間の圧力ＰＬ２よりも低い圧力ＰＬ４（ＰＬ２＞ＰＬ４＞ＰＬ３）となっている。また、圧縮過程（Ｃ→Ｃ２）は、例えば冷媒とシリンダ２０との間での熱交換やシール部からの冷媒の漏れ等の影響があるため理想的な断熱圧縮過程とならず、図６の膨張過程（Ｂ→Ｃ）の逆の過程を辿らない。

この後、作動室２５が吐出孔２７に連通すると、第２の冷媒配管８内の低圧空間の圧力ＰＬ２が作動室２５の冷媒の圧力ＰＬ４よりも高いので、第２の冷媒配管８の冷媒が吐出孔２７から作動室２５に逆流し、作動室２５の冷媒の圧力が第２の冷媒配管８内の低圧空間の圧力ＰＬ２と等しくなって、作動室２５の冷媒の状態が図６のＣ３状態となる。

この後、作動室２５の冷媒は、作動室２５の容積の縮小に伴って吐出孔２７を通って第２の冷媒配管８内の低圧空間へ吐出され、図６のＤ状態となる。即ち、吐出過程（Ｃ３→Ｄ）が行われる。

このように、作動室２５の容積が最大容積Ｖ２となった後に、作動室２５の容積を所定量だけ縮小させて冷媒を圧縮してから、作動室２５を吐出孔２７に連通させるように膨張機を構成した比較例２では、図６のＣ１−Ｃ−Ｃ２−Ｃ３−Ｃ１で囲まれた面積が過膨張による損失仕事となり、膨張機で得られる回生動力が小さくなってしまう。

従って、比較例１及び比較例２のいずれであっても、冷媒の過膨張による損失仕事が発生してしまうことが分かる。これに対して、実施の形態１では、冷媒の過膨張の発生を防止することができ、膨張機３での損失を抑制することができる。

なお、上記の例では、ロータ２１の外面との間の距離が最大となるシリンダ２０の壁の位置の近傍に中間孔２８が設けられているが、中間孔２８の位置はこれに限定されず、シリンダ２０の周方向について吸入孔２６と吐出孔２７との間に中間孔２８があればよく、同様の効果を得ることができる。

また、上記の例では、ベーン２４の数が４つとされているが、ベーン２４の数は複数であればよく、ベーン２４の数を２つ、３つあるいは５つ以上としてもよい。この場合、ロータ２１の溝２２の数もベーン２４の数に合わせて設定される。

また、上記の例では、逆止弁３０が分岐配管２９と中間孔２８との間に介在しているが、第２の冷媒配管８内の低圧空間と中間孔２８との間に逆止弁３０が設けられていればよいので、分岐配管２９を中間孔２８に直接接続し、分岐配管２９の中間部に逆止弁３０を設けてもよい。

実施の形態２．
実施の形態１では、膨張機３がベーンロータリ式膨張機とされているが、膨張機３がスクロール型膨張機であってもよい。

即ち、図７は、この発明の実施の形態２による膨張機を示す縦断面図である。図において、膨張機３の膨張機本体１５は、容器４１と、容器４１内に固定された固定スクロール４２と、容器４１内に変位可能に設けられ、固定スクロール４２に噛み合うことにより固定スクロール４２との間に一対の作動室（作動空間）４４を形成する旋回スクロール（変位体）４３とを有している。容器４１及び固定スクロール４２は、膨張機本体１５の収容体を構成している。

膨張機３の出力軸１６は、容器４１内から容器４１外へ突出している。また、出力軸１６は、容器４１内に設けられた軸受４５を介して容器４１に回転自在に支持されている。

出力軸１６は、容器４１の壁を貫通する中心軸部４６と、中心軸部４６の軸線に対して偏心し、容器４１内に配置された偏心軸部４７とを有している。出力軸１６は、中心軸部４６の軸線を中心に回転される。従って、出力軸１６の回転時には、偏心軸部４７は中心軸部４６の軸線を中心とする所定の円軌道上を移動される。

旋回スクロール４３は、偏心軸部４７に軸受４８を介して回転自在に設けられている。また、旋回スクロール４３は、出力軸１６の回転とともに、中心軸部４６の軸線を中心とする所定の円軌道上を移動される（即ち、旋回移動される）。各作動室４４の容積は、旋回スクロール４３の旋回移動（変位）により変化する。

容器４１及び固定スクロール４２には、第１の冷媒配管７内の高圧空間に連通し、第１の冷媒配管７内の高圧空間からの冷媒を作動室４４に吸入するための吸入孔４９が設けられている。また、容器４１には、第２の冷媒配管７内の低圧空間に連通し、作動室４４の冷媒を第２の冷媒配管８内の低圧空間へ吐出するための吐出孔５０が設けられている。さらに、容器４１及び固定スクロール４２には、冷媒が一対の作動室４４に吸入されてから吐出されるまでの間に各作動室４４に個別に連通される一対の中間孔５１が設けられている。

第１の冷媒配管７内の高圧空間から吸入孔４９を通して作動室４４に吸入された冷媒は、作動室４４の容積が拡大する方向へ作動室４４が移動されることにより膨張し、作動室４４が中間孔５１の位置を通過して、作動室４４の容積が縮小する方向へ作動室４４が移動されることにより吐出孔５０を通して第２の冷媒配管８内の低圧空間へ吐出される。

第２の冷媒配管８からは、分岐配管５２が分岐されている。分岐配管５２内の空間は、第２の冷媒配管８内と同じ低圧空間となっている。容器４１の外面には、一対の逆止弁３０が各中間孔５１の位置に合わせて設けられている。分岐配管５２は、各逆止弁３０に個別に接続された一対の弁接続管部５２ａ，５２ｂを有している。即ち、各逆止弁３０は、各中間孔５１のそれぞれと低圧空間との間に設けられている。

各逆止弁３０は、冷媒が分岐配管５２内の低圧空間から中間孔５１を通して作動室４４に吸入されることを許容するとともに、冷媒が作動室４４から中間孔５１を通して分岐配管５２内の低圧空間へ吐出されることを阻止する。各逆止弁３０の構成は、実施の形態１の逆止弁３０の構成と同様である。また、膨張機３での冷媒の圧力及び容積の変化については、実施の形態１と同様である。他の構成は実施の形態１と同様である。

このように、膨張機３をスクロール型膨張機としても、冷媒が第２の冷媒配管８内の低圧空間から中間孔５１を通して作動室４４に吸入されることを許容するとともに、冷媒が作動室４４から中間孔５１を通して第２の冷媒配管８内の低圧空間へ吐出されることを阻止する逆止弁３０を、第２の冷媒配管８内の低圧空間と中間孔５１との間に設けることにより、作動室４４の冷媒の圧力が低圧空間の圧力よりも低くなろうとすると、低圧空間から作動室４４へ冷媒を流入させることができる。従って、作動室４４における冷媒の過膨張の発生を防止することができ、冷媒の過膨張による損失を防止することができる。

なお、実施の形態２では、各逆止弁３０が各中間孔５１と各弁接続管部５２ａ，５２ｂとの間に設けられているが、各弁接続管部５２ａ，５２ｂを各中間孔５１に接続し、各逆止弁３０を各弁接続管部５２ａ，５２ｂの中間部に設けてよい。

実施の形態３．
実施の形態１では、シリンダ２０に設けられた中間孔２８の数が１つのみであるが、シリンダ２０に複数の中間孔を設けてもよい。

即ち、図８は、この発明の実施の形態３による排熱回生システム１の膨張機３を示す断面図である。図において、シリンダ２０には、第１の冷媒配管７内の高圧空間からの冷媒を作動室２５に吸入するための吸入孔２６と、作動室２５の冷媒を第２の冷媒配管８内の低圧空間へ吐出するための吐出孔２７と、冷媒が作動室２５に吸入されてから吐出されるまでの間に作動室２５に順次連通される複数（この例では、２つ）の中間孔６１，６２とが設けられている。

一方の中間孔６１は、実施の形態１の中間孔２８と同じ位置に設けられている。他方の中間孔６２は、一方の中間孔６１の位置よりもシリンダ２０の周方向について吸入孔２６に近い位置に設けられている。これにより、ロータ２１の回転方向へ移動される作動室２５は、他方の中間孔６２及び一方の中間孔６１の順に連通される。

第１の冷媒配管７内の高圧空間から吸入孔２６を通して作動室２５に吸入された冷媒は、作動室２５の容積が拡大する方向へ作動室２５が移動されることにより膨張し、作動室２５が中間孔６２の位置及び中間孔６１の位置の順に通過して、作動室２５の容積が縮小する方向へ作動室２５が移動されることにより吐出孔２７を通して第２の冷媒配管８内の低圧空間へ吐出される。

第２の冷媒配管８からは、分岐配管６３が分岐されている。分岐配管６３内の空間は、第２の冷媒配管８内と同じ低圧空間となっている。シリンダ２０には、複数（この例では、２つ）の逆止弁３０が各中間孔６１，６２の位置に合わせて設けられている。分岐配管６３は、各逆止弁３０に個別に接続された複数（この例では、２本）の弁接続管部６３ａ，６３ｂを有している。即ち、各逆止弁３０は、各中間孔６１，６２のそれぞれと低圧空間との間に設けられている。

各逆止弁３０は、冷媒が分岐配管６３内の低圧空間から各中間孔６１，６２を通して作動室２５に吸入されることを個別に許容するとともに、冷媒が作動室２５から各中間孔６１，６２を通して分岐配管６３内の低圧空間へ吐出されることを個別に阻止する。各逆止弁３０の構成は、実施の形態１の逆止弁３０の構成と同様である。他の構成は実施の形態１と同様である。

次に、凝縮器４の冷媒温度が上昇し、第２の冷媒配管８内の低圧空間の圧力が実施の形態１のＰＬ２よりもさらに高い圧力ＰＬ５（ＰＬ５＞ＰＬ２）にまで上昇した場合の膨張機３での動作について説明する。

第２の冷媒配管８内の低圧空間の圧力が実施の形態１のＰＬ２よりもさらに高い圧力ＰＬ５になった場合、実施の形態１による膨張機３では、中間孔２８の数が１つのみであるので、作動室２５が中間孔２８の位置に達する前に作動室２５の冷媒の圧力が第２の冷媒配管８内の低圧空間の圧力ＰＬ５にまで低下することがあり、図９に示すように、作動室２５の冷媒の過膨張が生じ、作動室２５の冷媒の圧力が低圧空間の圧力ＰＬ５よりも低い圧力ＰＬ６（ＰＬ６＜ＰＬ５）になることがある。この場合、図９のＣ１−Ｃ２−Ｃ３−Ｃ１で囲まれた面積が冷媒の過膨張による損失仕事となってしまう。

これに対して、実施の形態２による膨張機３では、図１０に示すように、実施の形態１と同様に吸入過程（Ａ→Ｂ）が行われて、作動室２５の冷媒の状態がＢ状態となった後、密閉空間とされた作動室２５の冷媒が作動室２５の容積の拡大に伴って膨張して作動室２５の冷媒の圧力が低下するが、作動室２５の冷媒の圧力が低圧空間の圧力ＰＬ５になる前に、作動室２５が中間孔６２に連通するようになる。

従って、作動室２５の容積がさらに拡大されて作動室２５の冷媒の圧力が低圧空間の圧力ＰＬ５とほぼ等しくなった後（図１０のＣ１状態）に圧力ＰＬ５よりも低くなろうとしても、低圧空間の冷媒が逆止弁３０を通して作動室２５に流入することにより、作動室２５の冷媒の圧力はＰＬ５に維持されたままになる。これにより、作動室２５の冷媒の圧力がＰＬ５に維持されたまま、作動室２５の容積が拡大して最大容積Ｖ２になり、作動室２５の冷媒の状態が図１０のＣ状態になる。この後、実施の形態１と同様に吐出過程（Ｃ→Ｄ）が行われる。これにより、第２の冷媒配管８内の低圧空間の圧力が圧力ＰＬ２よりもさらに上昇した場合であっても、冷媒の過膨張の発生が防止される。

このように、冷媒が作動室２５に吸入されてから吐出孔２７へ吐出されるまでの間に作動室２５に順次連通する複数の中間孔６１，６２がシリンダ２０に設けられ、冷媒が第２の冷媒配管８内の低圧空間から各中間孔６１，６２を通して作動室２５に吸入されることを個別に許容するとともに、冷媒が作動室２５から各中間孔６１，６２を通して低圧空間へ吐出されることを個別に阻止する複数の逆止弁３０が各中間孔６１，６２のそれぞれと第２の冷媒配管８内の低圧空間との間に設けられているので、第２の冷媒配管８内の低圧空間のより広い圧力範囲（即ち、凝縮器４のより広い温度範囲）で冷媒の過膨張の発生を防止することができ、冷媒の過膨張による損失の発生をより確実に防止することができる。これにより、膨張機３での損失をより確実に抑制することができ、より大きな回生動力を得ることができる。

なお、実施の形態３では、各逆止弁３０が各中間孔６１，６２と各弁接続管部６３ａ，６３ｂとの間に設けられているが、各弁接続管部６３ａ，６３ｂを各中間孔６１，６２に接続し、各逆止弁３０を各弁接続管部６３ａ，６３ｂの中間部に設けてよい。

また、実施の形態３では、膨張機３がベーンロータリ式膨張機とされているが、実施の形態２のスクロール型膨張機を膨張機３としてもよい。

また、各上記実施の形態では、膨張機３がベーンロータリ式膨張機又はスクロール型膨張機とされているが、例えばレシプロ式膨張機やロータリ式膨張機等を膨張機３としてもよい。

また、各上記実施の形態では、自動車用のエンジン１１がランキンサイクルの熱源として用いられているが、これに限定されるものではなく、例えば定置発電機用エンジンや工場での内燃機関等をランキンサイクルの熱源として用いてもよい。

１ 排熱回生システム、２ 蒸発器、３ 膨張機、４ 凝縮器、５ ポンプ、１１ エンジン（内燃機関）、２０ シリンダ（収容体）、２１ ロータ（変位体）、２５，４４ 作動室（作動空間）、２６，４９ 吸入孔、２７，５０ 吐出孔、２８，５１，６１，６２ 中間孔、３０ 逆止弁、４１ 容器、４２ 固定スクロール、４３ 旋回スクロール（変位体）。

Claims (3)

1. 高圧空間に連通する吸入孔と、上記高圧空間よりも圧力が低い低圧空間に連通する吐出孔とが設けられた収容体、及び
   上記収容体との間に作動空間を形成し、上記収容体内で変位されることにより上記作動空間の容積を変化させる変位体
   を備え、
   上記高圧空間から上記吸入孔を通して上記作動空間に吸入された作動流体を、上記作動空間の容積が拡大する方向へ上記変位体を変位させることにより膨張させ、上記作動空間で膨張した上記作動流体を、上記作動空間の容積が縮小する方向へ上記変位体を変位させることにより上記吐出孔を通して上記低圧空間へ吐出する膨張機であって、
   上記収容体には、上記作動流体が上記作動空間に吸入されてから上記吐出孔へ吐出されるまでの間に上記作動空間と連通する中間孔が設けられ、
   上記中間孔と上記低圧空間との間には、上記作動流体が上記低圧空間から上記中間孔を通して上記作動空間に吸入されることを許容するとともに、上記作動流体が上記作動空間から上記中間孔を通して上記低圧空間へ吐出されることを阻止する逆止弁が設けられていることを特徴とする膨張機。
2. 上記収容体には、上記作動流体が上記作動空間に吸入されてから上記吐出孔へ吐出されるまでの間に上記作動空間と順次連通する複数の上記中間孔が設けられ、
   各上記中間孔のそれぞれと上記低圧空間との間には、上記作動流体が上記低圧空間から各上記中間孔を通して上記作動空間に吸入されることを個別に許容するとともに、上記作動流体が上記作動空間から各上記中間孔を通して上記低圧空間へ吐出されることを個別に阻止する複数の上記逆止弁が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の膨張機。
3. 内燃機関の排熱によって上記作動流体を蒸発させ、蒸発した上記作動流体を上記高圧空間へ送る蒸発器、
   上記高圧空間からの上記作動流体を膨張させることにより回生動力を発生し、膨張した上記作動流体を上記低圧空間へ送る膨張機、
   上記低圧空間からの上記作動流体を凝縮させる凝縮器、及び
   上記凝縮器で凝縮された上記作動流体を上記蒸発器へ送るポンプ
   を備え、
   上記膨張機は、請求項１又は請求項２に記載の膨張機であることを特徴とする排熱回生システム。

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