JP4014583B2 - 流体機械 - Google Patents

Description

本発明は、ランキンサイクルを構成する流体機械に関するものであり、特に冷媒の介在により熱源機の熱エネルギーを利用する技術に関するものである。

従来技術として、特許文献１に示される流体機械がある。これは、膨張機と圧縮機とを一つの密閉ケース内に組み込み、ランキンサイクルの作用によって生じる熱エネルギーを膨張機での回転動力に変換し、この回転動力で圧縮機を駆動して冷凍サイクルの運転を行なうものである。
特開平６−１５９８５５号公報

しかしながら、上記の従来技術では、ランキンサイクルを構成する部品が多く、且つ各々独立で取り付けられるため、サイクル全体の構成が複雑でスペースを必要とし、車両等には搭載が困難で、且つ高価なものになるという問題点があった。 本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みて成されたものであり、その目的は、構成を簡素としてコンパクト且つ低コストとでき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、下記の技術的手段を採用する。すなわち、請求項１に記載の発明によれば、冷媒の圧力を上げる給液ポンプ部（１）、熱源機から供給される高温流体と給液ポンプ部（１）から供給される液冷媒とを熱交換させて液冷媒を加熱し蒸発させる蒸発加熱器（２）、その加熱された冷媒の熱エネルギーを回転動力へと変換する膨張機構部（４）、膨張機構部（４）から排出された冷媒を冷却する凝縮器（５）から構成されるランキンサイクル（Ｒａ）の膨張機構部（４）と、回転動力により駆動される給液ポンプ部（１）と、回転駆動力を発生するモータ機構部（３）とを備え、膨張機構部（４）と給液ポンプ部（１）とモータ機構部（３）とで、それぞれの回転軸を一体的に連結した、もしくは回転軸（２１）を共有し、
前記給液ポンプ部（１）を、前記モータ機構部（３）および前記膨張機構部（４）に対して天地方向の下方に配置すると共に、前記凝縮器（５）にて冷却されて凝縮した液相冷媒が流入してくる液冷媒流入部（３６）を、前記モータ機構部（３）もしくは前記膨張機構部（４）に対して天地方向の上方に配置し、
凝縮した液相冷媒を蓄える受液槽（１６）を天地方向の最下部に配置したことを特徴とする。

これにより、部品構成を簡素としてコンパクトに構成できるうえ、コストを抑えることができ、車両などにも搭載が容易となります。また、従来のランキンサイクル（Ｒａ）であれば給液ポンプ部（１）はモータなどで駆動し続けなければなりませんが、本発明ではランキンサイクル（Ｒａ）を用いた膨張機構部（４）によって駆動することができるため、熱エネルギーが供給される限り膨張機構部（４）は回転軸（２１）、すなわち給液ポンプ部（１）を駆動し続け、結果膨張エネルギーを受け続けてランキンサイクル（Ｒａ）の運転を続けることができるようになります。よって起動すれば給電が不要となることより、省エネルギーとなります。
また、稼動中の液冷媒流入過程で液冷媒の冷却作用によって、モータ機構部（３）や膨張機構部（４）の効率が向上し、さらに省動力の効果を引き出すことができます。なお、各部を冷却した後の液冷媒は、自重によって最下部に配置した受液槽（１６）へ溜まることとなります。
また、ランキンサイクル（Ｒａ）の凝縮器（５）から供給される液冷媒は受液槽（１６）内に溜まり、その冷媒溜まりから給液ポンプ部（１）が吸い込むことで、液冷媒中の気泡の量を少なくでき、給液ポンプ部（１）を効率の良い状態で稼動することができます。

請求項２に記載の発明によれば、膨張機構部（４）と給液ポンプ部（１）とモータ機構部（３）とを一つの密閉筐体（１６〜１８、３１、３３、５２）内に収納したことを特徴としている。これにより、シャフトシール等複雑なシール部材を必要とせず、更にコストを抑えることができる。

請求項３に記載の発明によれば、膨張機構部（４）と給液ポンプ部（１）とモータ機構部（３）とを同一のランキン冷媒中に配置したことを特徴としている。これにより、収納した各部が外気から隔絶されているので、腐食や漏電の懸念を払拭することができる。特にモータ機構部（３）の整流子（ブラシ）も冷媒中に収納されているため、コンミテータ（３５ａ）との接触摺動時の放電が防止され、ブラシ寿命を延ばすことができる。

請求項４に記載の発明によれば、膨張機構部（４）を、固定スクロール（５２ｂ）に対して可動スクロール（５３）が公転運動を行なうスクロール型とすると共に、膨張機構部（４）と回転軸（２１）とは、膨張機構部（４）の膨張運転による駆動力にて可動スクロール（５３）の公転半径を増減する従動クランク機構（５８）を介して連結されていることを特徴としている。また、請求項５に記載の発明によれば、膨張機構部（４）と回転軸（２１）とをワンウェークラッチ（４５）を介して連結したことを特徴としている。これらにより、膨張機構部（４）が非稼動の時でもモータ機構部（３）や給液ポンプ部（１）の起動の支障とならない。

請求項６に記載の発明によれば、モータ機構部（３）を膨張機構部（４）にて駆動することにより、モータ機構部（３）を発電手段として機能させたことを特徴としている。これにより、モータ機構部（３）とは別に発電装置を構成する必要がなくコストを抑えることができると共に小型化できる。例えば、車両等では熱源機としてエンジンの熱エネルギーを利用して発電するのでオルタネータを休止することができ、原動機としてのエンジンの燃費を改善することができる。

請求項７に記載の発明によれば、モータ機構部（３）を直流モータとしたことを特徴としている。これにより、インバータ等が不要となって小型化でき、コストも抑えることができる。また、例えば車両等では車両用の直流電源をそのまま使用することができることからも搭載が容易となる。

請求項８に記載の発明によれば、モータ機構部（３）は、モータとして回転駆動力を発生する場合と発電手段として起電力を発生する場合とで、同一方向に回転するようにしたことを特徴としている。これにより、ブラシの方向性に配慮する必要がなく、ブラシのジャンプ現象もなく安定的に稼動することができる。

請求項９に記載の発明によれば、モータ機構部（３）と、電力を蓄える蓄電手段（７２）とに接続し、モータ機構部（３）を制御すると共にモータ機構部（３）からの発電電力を蓄電手段（７２）へ給電するモータ発電制御手段（７１）を設けたことを特徴としている。これにより、ランキンサイクル（Ｒａ）を円滑に起動することができると共に、起動後はモータ機能から発電機能へ円滑に切り替えることが可能となる。また、熱入力の多寡に応じ、膨張機構部（４）の効率を最高に維持した発電が可能となる。

請求項１０に記載の発明によれば、蒸発加熱器（２）に対し、高温流体の上流側に、高温流体にて供給する熱量を制御する熱入力制御手段（７４、７５）を設けたことを特徴とする。これにより、電力需要の多寡に応じた発電ができると共に、熱源機の給熱変動があっても発電量を一定に保つことも可能である。また、膨張機構部（４）の効率を最高に維持した発電が可能となる。

請求項１１に記載の発明によれば、膨張機構部（４）を、容量を任意に変えることのできる可変容量型としたことを特徴としている。これにより、ランキンサイクル（Ｒａ）の運転条件に応じて膨張機構部（４）を最高効率点で稼動することが可能となる。また、電力需要に応じて過不足のない発電が可能となると共に、熱入力の多寡に応じたランキンサイクル（Ｒａ）の運転が可能となる。

請求項１２に記載の発明によれば、ランキンサイクル（Ｒａ）で冷媒を冷却して凝縮させる凝縮器（５）、もしくはランキンサイクル（Ｒａ）で熱源機から供給される高温流体と給液ポンプ部（１）から供給される液冷媒とを熱交換させて液冷媒を加熱し蒸発させる蒸発加熱器（２）、もしくはこれら両方の熱交換器（２、５）を一体的に結合したことを特徴としている。

これにより、部品構成を簡素としてコンパクトに構成できるうえ、コストを抑えることができ、車両等にも搭載が容易となる。特に、熱交換器が蒸発加熱器（２）と凝縮器（５）とを兼ねる場合は、この構成のみで搭載が可能となり、配管等も極限まで省略できて搭載容易なばかりでなく、コストを抑えることができる。

請求項１３に記載の発明によれば、冷凍サイクルを構成する圧縮機構部（８）と回転軸を一体的に連結した、もしくは回転軸（２１）を共有したことを特徴としている。これは、熱エネルギーを冷凍サイクルの冷媒圧縮仕事にも利用するものである。例えば車両であれば、空調の冷媒圧縮や発電を行なうことでエンジン駆動のコンプレッサやオルタネータを休止することができ、原動機としてのエンジンの負荷を低減して燃費を改善することができる。また、圧縮機構部（８）を一体的に連結されているので、部品構成を簡素としてコンパクトに構成できるうえ、コストを抑えることができ、車両等にも搭載が容易となる。

ちなみに、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）
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。図１は、本発明の第１実施形態における流体機械の構造を示す断面図である。本実施形態の流体機械は、機能から大別して、ランキンサイクルＲａの熱エネルギーを回転動力に変換する膨張機（膨張機構部）４と、回転動力により駆動されてランキンサイクルＲａの圧力を上げる給液ポンプ（給液ポンプ部）１と、回転駆動力を発生するモータ（モータ機構部）３とからなる。そして、膨張機４と給液ポンプ１とモータ３とでシャフト（回転軸）２１を共有する構造となっている。尚、それぞれのシャフトを一体的に連結する形であっても良い。

まずランキンサイクルＲａは、冷媒を供給する給液ポンプ１と、高温流体通路２ａを通る例えばエンジン（熱源機）冷却水の熱で冷媒通路２ｂに供給された液冷媒を加熱して蒸発させる蒸発加熱器２と、高圧冷媒を膨張させて回転力を発生させる膨張機４と、冷媒を冷却して凝縮させる凝縮器５とを冷媒配管でこの順に順次接続して閉じたループを構成している。

また、膨張機４と給液ポンプ１とモータ３とを、一つの密閉ケース（密閉筐体）内に収納し、同一のランキン冷媒雰囲気下としている。本実施形態では、受液タンク（受液槽）１６、シリンダブロック１７、ハウジング１８、バルブプレート１９、ヨーク３１、サポートプレート３３、膨張機ハウジング５２を、Ｏリング等のシール部材を介して合体し、図示しないボルト等によって締結して密閉ケースを形成している。

そして、給液ポンプ１をモータ３および膨張機４に対して天地方向の下方に配置すると共に、凝縮器５にて冷却されて凝縮した液相冷媒が流入してくる液冷媒流入部３６は、モータ３もしくは膨張機４に対して天地方向の上方に配置している。また、起動する際、凝縮した液冷媒が受液タンク１６に溜まるように、受液タンク１６は天地方向の最下部に配置している。

まず膨張機４の構成と作動について説明する。図２は、図１中のＡ−Ａ断面図であり、膨張機４の構造を示す。本実施形態の膨張機４は固定スクロール５２ｂと可動スクロール５３との二つの渦巻きが噛み合う、いわゆるスクロール型膨張機である。膨張機ハウジング５２の中央に設けられた吸込口５２ａから流入した高圧ガス冷媒は、二つの渦巻きが噛み合ってできる作動室の中で膨張し、その膨張エネルギーによって可動スクロール５３を回転駆動させながら外周側へと移動し、吐出通路５２ｃを通って吐出口５２ｄから流出する。

また、本実施形態の膨張機４とシャフト２１とは、従動クランク機構５８を介して連結されている。これは、膨張機４の膨張運転による駆動力にて可動スクロール５３の公転半径を増減するものである。図３は、その従動クランク機構５８の構造を示す斜視図であり、図４は、図３中のＣ視図である。シャフト２１の端部にキー部２１ａを一体に形成しており、このキー部２１ａは、図４に示すようにシャフト２１の中心を通る線に対して回転方向とは同方向にある角度θだけ傾くように形成されている。

一方、ブッシュ５５には、キー部２１ａに嵌合して回転動力を受ける溝５５ａが設けられており、その溝５５ａは、キー部２１ａより溝の長手方向寸法が長いように設置されている。そして、その寸法差はブッシュ５５の中心を通り、且つブッシュ５５の移動方向に沿う直線上における固定スクロール５２の渦巻き体と可動スクロール５３の渦巻き体の密閉空間を形成する側の両渦巻き体間距離よりも小さくなっている。

溝の巾寸法については、ブッシュ５５がキー部２１ａと接しつつ、長手方向へ円滑に摺動できるだけキー巾寸法より大きく設定してある。また、ブッシュ５５には、可動スクロール５３の公転運動による遠心力を相殺するように、バランスウェート５６が一体に取り付けられている。図５は、力の作用によりブッシュ５５が移動する方向を説明する図である。

図５（ａ）は膨張機４が駆動している状態で、図に示すように膨張機４からの駆動力Ｆ１が加わるとキー溝に沿ってブッシュ５５を押し上げようとする分力Ｆ１θが発生し、シャフト２１の中心からブッシュ５５の中心までの距離、いわゆる可動スクロール５３の公転半径Ｒが大きく（Ｒ１）なる。

また逆に、図５（ｂ）は膨張機４が空転している状態で、図に示すように膨張機４からの空転抵抗Ｆ２が加わるとキー溝に沿ってブッシュ５５を押し下げようとする分力Ｆ２θが発生し、シャフト２１の中心からブッシュ５５の中心までの距離、いわゆる可動スクロール５３の公転半径Ｒが小さく（Ｒ２）なる。作動の詳細は本出願人が先に出願した特開平７−４９０９０号公報に示す。次に、膨張機４の作動説明を含め、本流体機械の運転モードについて説明する。

＜起動モード＞
ランキンサイクルＲａを起動する場合は、図示しない外部電源からモータ３に電圧を印加する。尚、モータ３は、ヨーク３１内のステータ部３４とロータ部３５とから成り、ヨーク３１の両端にサポートプレート３２・３３を構成してロータ部３５を支持している。そして、モータ３が回転を始めると、シャフト２１を共有する給液ポンプ1も稼動を開始する。

シャフト２１が回転を始めると、これと連結されているフィードポンプ１５も回転を開始し、フィードポンプ１５の作用により受液タンク１６内の液冷媒が吸い上げられ、吸入通路１７ａへ圧送される。尚、トロコイド型のフィードポンプ１５の作用により、液冷媒に多少の気泡が混ざっていても確実にピストン１３部分へ液冷媒を圧送できるようになっている。

また、シャフト２１が回転するとクランクピン１１がクランク運動をし、これと同軸上に装着されるベアリング１２もクランク運動をする。ベアリング１２の外輪と常時接するピストン１３のシート部１３ａは、このクランク運動によって往復運動を与えられる。往路はクランクピン１１およびベアリング１２のクランク運動によって第１図中右側にシート部１３ａおよびこれと一体のピストン１３が移動させられる。また、復路はピストン１３のシート部１３ａに掛けられたばね２０によって第１図中左側へ、シート部１３ａがベアリング１２の外輪との接触を保ちつつピストン１３が戻される。

このピストン１３の往復運動によって、液状の冷媒が吸入・吐出される。ピストン１３が復路で図１中左側へ移動すると、シリンダブロック１７に穿たれたシリンダボア１７ｂとピストン１３の頂部に空間ができ、圧力が減圧され、差圧によって弁１４が開き、吸入通路１７ａを通って液冷媒がシリンダボア１７ｂ内に流入する。ピストン１３が往路に移行すると、ピストン１３は第１図中右側に移動し、シリンダボア１７ｂ内が昇圧し、弁１４は閉じられる。ピストン１３の往路移動によって、シリンダボア１７ｂ内の液冷媒は吐出通路１７ｃを通りランキンサイクルの高圧側へと吐出される。

昇圧され吐出された液冷媒は、ランキンサイクル中の加熱蒸発器２により熱エネルギーが与えられて気化された後、膨張機吸込口５２ａから膨張機４の内部に導入される。膨張機４内に流入したガス冷媒は、膨張しつつその膨張エネルギーによって膨張機４を駆動する。ところで、起動直後においては膨張機４の膨張仕事は十分に上がっておらず、シャフト２１の回転駆動力の方が大きく、よって膨張機の可動スクロール５３はモータ３の駆動によるシャフト２１に引きずられる形となる。

しかし、シャフト２１と可動スクロール５３との間には従動クランク機構５８が配置されているため、膨張機４が膨張運転による駆動力を発しない限り、従動クランク機構５８の働きによって可動スクロール５３の公転運動の公転半径が減じられ、よって可動スクロール５３と膨張機ハウジング５２の両者のスクロール渦巻きの間に隙間が生じ、可動スクロール５３の公転運動によっては何も流体的な仕事（真空運転仕事やガス攪拌仕事）は行わず、可動スクロール５３が公転することによる駆動力消費は極小さいものにすることができる。

尚、この可動スクロール５３の空転を嫌う場合は、シャフト２１と可動スクロール５３の間に、従動クランク機構５８の代わりにワンウェークラッチ等一方向駆動力伝達機構を配置して、可動スクロール５３の引きずり運転を避けるようにしても良い（図１３の第５実施形態参照）。運転開始から、シャフト２１の駆動力に膨張機４の膨張仕事が到達するまで（即ち、膨張機４の膨張仕事＜モータ３の回転駆動力）の間は従動クランク機構５８もしくはワンウェークラッチの作用で膨張機４は空転状態であり、シャフト２１（モータ）の回転を阻害しない。

膨張機４の膨張仕事が増し、ついにはシャフト２１（モータ）の回転駆動力に到達すると、モータ３への電圧印加を止め、給液ポンプ1の駆動を膨張機４に肩代りさせる。この時初めて従動クランク機構５８もしくはワンウェークラッチは空転から脱し、シャフト２１と膨張機４とが一体となる。この作用によって、膨張機４の公転駆動力はシャフト２１に作用し、給液ポンプ1の運転負荷を膨張機４が負担することになる。以降は、熱エネルギーが供給される限り、膨張機４はシャフト２１、すなわち給液ポンプ1の駆動を続け、結果膨張エネルギーを受けつづけることができてランキンサイクルＲａの運転を続けることとなる。

＜発電モード＞
上述したように起動した膨張機４によって、給液ポンプ1およびシャフト２１は駆動されている。この時モータ３もシャフト２１を共有しているが故に駆動されている。モータ３への電圧印加は止められているので、この駆動によりモータ３には逆に起電力が発生することとなる。すなわち、膨張機４の駆動によるモータ３の回転を今度は発電機として機能させて発電を行なうことになる。

よって熱エネルギーは膨張機４の作用によって発電し、この発電電力を他の補器等の電力負荷７３に供給したり、蓄電池７２に蓄電したりすることとなる。尚、モータ３には直流モータを用いると共に、モータとして回転駆動力を発生する場合と発電手段として起電力を発生する場合とで、同一方向に回転させるようにしている。

次に、本実施形態での特徴について述べる。まず、冷媒の圧力を上げる給液ポンプ１、熱源機から供給される高温流体と給液ポンプ１から供給される液冷媒とを熱交換させて液冷媒を加熱し蒸発させる蒸発加熱器２、その加熱された冷媒の熱エネルギーを回転動力へと変換する膨張機４、膨張機４から排出された冷媒を冷却する凝縮器５から構成されるランキンサイクルＲａの膨張機４と、回転動力により駆動される給液ポンプ部１と、回転駆動力を発生するモータ３とを備え、膨張機４と給液ポンプ１とモータ３とでシャフト２１を共有ししている。

これにより、部品構成を簡素としてコンパクトに構成できるうえ、コストを抑えることができ、車両等にも搭載が容易となる。また、従来のランキンサイクルであれば給液ポンプ１はモータ等で駆動し続けなければならないが、本実施形態ではランキンサイクルＲａを用いた膨張機４によって駆動することができるため、熱エネルギーが供給される限り膨張機４はシャフト２１、すなわち給液ポンプ１を駆動し続け、結果膨張エネルギーを受け続けてランキンサイクルＲａの運転を続けることができる。よって起動すれば給電が不要となることより省エネルギーとなる。

また、膨張機４と給液ポンプ１とモータ３とを一つの密閉ケース内に収納している。これにより、シャフトシール等複雑なシール部材を必要とせず、更にコストを抑えることができる。また、膨張機４と給液ポンプ１とモータ３とを同一のランキン冷媒中に配置している。これにより、収納した各部が外気から隔絶されているので、腐食や漏電の懸念を払拭することができる。特にモータ３のブラシも冷媒中に収納されているため、コンミテータ３５ａとの接触摺動時の放電が防止され、ブラシ寿命を延ばすことができる。

また、給液ポンプ１を、モータ３および膨張機４に対して天地方向の下方に配置すると共に、凝縮器５にて冷却されて凝縮した液相冷媒が流入してくる液冷媒流入部３６を、モータ３もしくは膨張機４に対して天地方向の上方に配置している。これにより、稼動中の液冷媒流入過程で液冷媒の冷却作用によって、モータ３や膨張機４の効率が向上し、さらに省動力の効果を引き出すことができる。

また、凝縮した液相冷媒を蓄える受液タンク１６を天地方向の最下部に配置している。これにより、ランキンサイクルＲａの凝縮器５から供給される液冷媒は受液タンク１６内に溜まり、その冷媒溜まりから給液ポンプ１が吸い込むことで液冷媒中の気泡の量を少なくでき、給液ポンプ１を効率の良い状態で稼動することができる。

また、膨張機４を、固定スクロール５２に対して可動スクロール５３が公転運動を行なうスクロール型とすると共に、膨張機４とシャフト２１とは、膨張機４の膨張運転による駆動力にて可動スクロール５３の公転半径を増減する従動クランク機構５８を介して連結されている。これにより、膨張機４が非稼動の時でもモータ３や給液ポンプ１の稼動の支障とならない。

また、モータ３を膨張機４にて駆動することにより、モータ３を発電手段として機能させている。これにより、モータ３とは別に発電装置を構成する必要がなくコストを抑えることができると共に小型化できる。例えば、車両等では熱源機としてエンジンの熱エネルギーを利用して発電するのでオルタネータを休止することができ、原動機としてのエンジンの燃費を改善することができる。

また、モータ３を直流モータとしている。これにより、インバータ等が不要となって小型化でき、コストも抑えることができる。また、例えば車両等では車両用の直流電源をそのまま使用することができることからも搭載が容易となる。また、モータ３は、モータとして回転駆動力を発生する場合と発電手段として起電力を発生する場合とで、同一方向に回転するようにしている。これにより、ブラシの方向性に配慮する必要がなく、ブラシのジャンプ現象もなく安定的に稼動することができる。

（第２実施形態）
図６は、本発明の第２実施形態におけるランキンサイクルＲａと電気回路との概要を示す模式図である。コントローラ（モータ発電制御手段）７１を設け、モータ３と、電力を蓄える蓄電池（蓄電手段）７２とに接続している。そしてコントローラ７１は、電気的な動作によってモータ３の運転を制御すると共に、モータ駆動回路を発電回路として切り替えてモータ３からの発電電力を蓄電池７２へ給電するようにしている。

まず、モータ３を給液ポンプ１の駆動用として稼動する場合は、コントローラ７１が蓄電池７２からの電圧をモータ３に印加する。コントローラ７１は更に印加電圧を調整し、給液ポンプ１の回転数を制御し冷媒の流量を調整する。また、モータ３を発電機として稼動する場合は、コントローラ７１が発電電圧等を調整し、間接的に負荷（発電仕事量）を制御してモータ３の回転数やランキンサイクルＲａの高低圧等の運転条件を調整するものである。次に、本流体機械の運転モードについて説明する。

＜起動モード＞
ランキンサイクルＲａを起動する場合は、コントローラ７１が蓄電池７２等の外部電源からモータ３に電圧を印加する。起動初期においては給液ポンプ１が冷媒中の気泡を巻き込み易く、給液ポンプ１の効率を悪くさせる可能性があるため、低回転数から始動して徐々に回転数（印加電圧）を上げてゆく、等の制御をコントローラ７１が行なう。

起動後にモータ３による駆動から膨張機４による駆動への切り替えもコントローラ７１が行なう。これは、膨張機４の膨張仕事がモータ３の回転駆動力を上回るまでに至った時点で、コントローラ７１はモータ３への電圧印加を止め、逆に発電負荷を与える。この切り替えはタイマーもしくはランキンサイクルＲａの高圧等をモニターしておいて、判断して切り替えを行なう。

＜発電モード＞
起動モードから発電モードに切り替えた後、コントローラ７１は発電量の制御を行なう。熱源機の給熱量が小さい場合は、コントローラ７１が発電電圧を下げるなどしてモータ３への負荷を下げ、発電量も低下させる。逆に給熱量が多い場合は、コントローラ７１が発電電圧を上げるなどしてモータ３への負荷を上げ、発電量も増加させる。給熱量の多寡は高温水温等をモニターしてコントローラ７１にフィードバックするか、もしくはランキンサイクルＲａの高圧をモニターしてコントローラ７１にフィードバックしても良い。

こうしたコントローラ７１による発電量の制御は、膨張機４の効率を最大限引き出す運転も可能とする。膨張機４は、吸込容積と吐出容積との比が決まっている。運転高低圧によっては、十分な膨張を経る前に吐出してしまう「不足膨張」やランキンサイクルＲａの低圧に達してもなお膨張機４の作動室と吐出通路とが連通する吐出行程に達せず、低圧以下の膨張を行なう「過膨張」を行ってしまう。このいずれもが膨張機４の膨張仕事を引き出さなかったり、逆に膨張仕事をしなくてはならなかったりで、膨張機４の効率を下げてしまう。

膨張機４の持つ最高効率の運転条件となる高圧に調整するようにコントローラ７１で調整することが可能である。高圧を上げるにはコントローラ７１で発電負荷を上げ、回転数を下げれば良い。逆に高圧を下げるにはコントローラ７１で発電負荷を下げ、回転数を上げれば良い。これらはランキンサイクルの低圧、高圧をモニターしてコントローラにフィードバックすることで行われる。また、ランキンサイクルＲａにおいて膨張機４の入口・出口のガス冷媒温度をモニターして、よりきめ細かい制御を行なうことも可能である。

次に、本実施形態での特徴について述べる。モータ３と、電力を蓄える蓄電池７２とに接続し、モータ３を制御すると共にモータ３からの発電電力を蓄電池７２へ給電するコントローラ７１を設けている。これにより、ランキンサイクルＲａを円滑に起動することができると共に、起動後はモータ機能から発電機能へ円滑に切り替えることが可能となる。また、熱入力の多寡に応じ、膨張機４の効率を最高に維持した発電が可能となる。

（第３実施形態）
図７は、本発明の第３実施形態におけるランキンサイクルＲａの模式図である。蒸発加熱器２に流入するエンジン冷却水（高温流体）の流路上流部に、熱入力制御手段として流量制御弁７５およびこれのコントローラ（熱入力制御装置）７４を構成したものである。コントローラ７４は電気的な動作等によって流量制御弁７５を制御することによってエンジン冷却水の流量を制御する。そして、エンジン冷却水の流量を制御することによって膨張機４および給液ポンプ１の回転数、モータ３による発電量を調整するものである。次に、本流体機械での発電モードについて説明する。

＜発電モード＞
コントローラ７４および流量制御弁７５による熱入力の制御は、発電量そのものを制御する。電力需要が多い時は流量を増し、逆に電力需要が少ない時は流量を減じる。また、一定の電力を供給する場合も、エンジン冷却水温度が下がった時は流量を増して熱入力を維持し、逆に水温が上がった時は流量を減じて熱入力（発電電力）が増すことを防ぐ。

更に、この制御によって膨張機４の効率を最高に引き出すことも可能となる。膨張機４が「不足膨張」に陥った時は流量を増しランキンサイクルＲａの高圧を上昇させ、逆に「過膨張」を行ってしまう時は流量を減じ、ランキンサイクルＲａの高圧を低下させる。これらの制御をするために、前述したようにランキンサイクルＲａの低圧・高圧や膨張機４の入口・出口のガス冷媒温度等をモニターして行なう。 次に、本実施形態での特徴について述べる。蒸発加熱器２に対し、高温流体の上流側に、高温流体にて供給する熱量を制御する熱入力制御装置７４および流量制御弁７５を設けている。これにより、電力需要の多寡に応じた発電ができると共に、熱源機の給熱変動があっても発電量を一定に保つことも可能である。また、膨張機４の効率を最高に維持した発電が可能となる。

（第４実施形態）
図８の（ａ）は本発明の第４実施形態における可変容量型膨張機４の、非可変容量時のスプール部の状態を表す平面図であり、（ｂ）は（ａ）中のＢ１−Ｂ１断面図である。スクロール型膨張機４のハウジング５２の端板内にスプール穴５２ｅを穿ち、そのスプール穴５２ｅの開放端部は止め栓６１によりシールしている。そして、スプール穴５２ｅには穴内を往復動可能にバーベル型のスプール６２、およびばね６３を収納している。

制御弁６４からの高圧ガス冷媒が高圧連通路５２ｆから供給されると共に、低圧連通路５２ｇは膨張機４内の低圧室と連通しているため、バーベル型スプール６２の図中上下の圧力差によって、スプール６２はばね６３のばね力に対抗して図中下側へと降りる。この状態では、ハウジング５２の端板に開けられた一対のバイパス穴５２ｈはバーベル型スプール６２の大径部によって塞がれ、膨張機４は所期（通常）の特性を保持して稼動する。

次に図９の（ａ）は図８の可変容量型膨張機４の、可変容量時のスプール部の状態を表す平面図であり、（ｂ）は（ａ）中のＢ２−Ｂ２断面図である。制御弁６４が高圧ガス冷媒の供給を止めると、バーベル型スプール６２の図中上下の圧力差がなくなり、スプール６２はばね６３のばね力によって図中上側へと上がる。この状態では、ハウジング５２の端板に開けられた一対のバイパス穴５２ｈはバーベル型スプール６２の大径部から外れ、隙間より吸込室へ高圧ガス冷媒が流入し、膨張機４は所期（通常）の特性から変化し、吸込容積大、膨張比小となる。尚、制御弁６４は中間の圧力供給よって中間のスプール位置への制御も可能である。

図１０は、図８・９の可変容量型膨張機４の、（ａ）非可変容量時と（ｂ）可変容量時との吸込み容積の差を説明する説明図である。可変容量時の違いは、吸込行程終了（＝膨張行程開始）の角度が変化し、それに伴って図に示すように吸込容積が大きくなっている。次に、本流体機械での発電モードについて説明する。

＜発電モード＞
第３実施形態で記述した「不足膨張」を起こしてしまうような状況の時は、バイパス穴５２ｈを塞ぐように制御弁６４によって制御し、吸込容積を小さくする。そうすると容積比（吐出容積／吸込容積）は大きくなり、「不足膨張」を防ぐことができる。逆に「過膨張」を起こしてしまうような状況の時は、バイパス穴５２ｈを開けるように制御弁６４によって制御し、吸込容積を大きくする。そうすると容積比（吐出容積／吸込容積）は小さくなり、「過膨張」を防ぐことができる。

このようにして「不足膨張」と「過膨張」とを防ぎつつ、ランキンサイクルＲａの高低圧に応じて膨張機４の容積比を最適に調整し、膨張機４の最高効率条件で稼動させることが可能となる。この制御は、発電量の調整の手段ともなる。電力の需要が小さい時は、吸込容積が大きくなるように制御すると、膨張機４の回転数は、冷媒体積流量／吸込容積で与えられるため小さくなる。

本発明では膨張機４の回転数は給液ポンプ１の回転数でもあるため、膨張機４の回転数の低下は給液ポンプ１の回転数＝冷媒体積流量であり、もって吸込容積の制御によって、ランキンサイクルＲａの冷媒流量を電力需要に応じた最適量に調整することが可能となる。逆に電力の需要が大きい時は、吸込容積が小さくなるように制御し、膨張機４の回転数を上げ、給液ポンプ１の回転数を上昇させれば良い。これも吸込容積の制御によって、ランキンサイクルＲａの冷媒流量を電力需要に応じた最適量に調整することが可能となる。

電力需要に応じた制御を説明したが、熱入力の多寡に応じた制御も可能である。熱入力が小さい時は、吸込容積が大きくなるように制御すると、膨張機４の回転数は小さくなる。膨張機４の回転数の低下は給液ポンプ１の回転数の低下、すなわち冷媒体積流量の低下をもたらす。もって吸込容積の制御によって、ランキンサイクルＲａの冷媒流量を熱入力に応じた最適量に調整することが可能となる。

逆に熱入力が大きい時は、吸込容積が小さくなるように制御し、膨張機４の回転数を上げ、給液ポンプ１の回転数を上昇させれば良い。これも吸込容積の制御によって、ランキンサイクルＲａの冷媒流量を熱入力に応じた最適量に調整することが可能となる。制御弁６４の制御は、ランキンサイクルＲａの高低圧やエンジン冷却水温のいずれか、あるいはいずれもモニターすることによって行われる。

次に、本実施形態での特徴について述べる。膨張機４を、容量を任意に変えることのできる可変容量型としている。これにより、ランキンサイクルＲａの運転条件に応じて膨張機４を最高効率点で稼動することが可能となる。また、電力需要に応じて過不足のない発電が可能となると共に、熱入力の多寡に応じたランキンサイクルＲａの運転が可能となる。

（第５実施形態）
図１１は、本発明の第５実施形態における流体機械の構成を示す正面図である。給液ポンプ１、モータ３、膨張機４が一体となった第１実施形態に更に熱交換器である蒸発加熱器２と凝縮器５とを一体的に構成している。これらの熱交換器２・５は図示しない締結手段によって給液ポンプ１、モータ３、膨張機４と一体化されており、給液ポンプ１が吐出する液冷媒は蒸発加熱器２に供給され、加熱蒸発した後膨張機４に流入し、膨張仕事をしたのち凝縮器５へ吐出される。そして凝縮器５で冷却凝縮した液冷媒が滞留することなく受液タンク１６に流入する。

また、図１２は図１１に対して他の実施形態における流体機械の構成を示す正面図である。図１２の実施例では、ブラケット６５によって凝縮器５を給液ポンプ１、モータ３、膨張機４と一体化している。ブラケット６５の内側にはウレタン等の緩衝材６６を挟み込んでおり、給液ポンプ１、モータ３、膨張機４の運転に伴う振動が熱交換器（凝縮器５）に伝わるのを防いでいる。

次に、本実施形態での特徴について述べる。ランキンサイクルＲａで冷媒を冷却して凝縮させる凝縮器５、もしくはランキンサイクルＲａで熱源機から供給される高温流体と給液ポンプ部１から供給される液冷媒とを熱交換させて液冷媒を加熱し蒸発させる蒸発加熱器２、もしくはこれら両方の熱交換器２、５を一体的に結合している。

これにより、部品構成を簡素としてコンパクトに構成できるうえ、コストを抑えることができ、車両等にも搭載が容易となる。特に、熱交換器が蒸発加熱器２と凝縮器５とを一体的に構成している場合は、この構成のみでランキンサイクルの搭載が可能となり、配管等も極限まで省略できて搭載容易なばかりでなく、コストを抑えることができる。

（第６実施形態）
図１３は、本発明の第６実施形態における流体機械の構造を示す断面図である。図１に示した第１実施形態とは、膨張機４の更に上方に回転動力により駆動される冷凍サイクルの圧縮機（圧縮機構部）８を一体に構成している点が異なる。そして、給液ポンプ１・モータ３・膨張機４と圧縮機８とでシャフト２１を共有している。

本実施形態での圧縮機８は、第１実施形態でのスクロール型膨張機４と同様の構造であり、圧縮部ハウジング８１内の固定スクロールと可動スクロール８２との二つの渦巻きが噛み合う、いわゆるスクロール型圧縮機である。圧縮機ハウジング８１の外周に設けられた吸込口８１ａから流入した低圧ガス冷媒は、可動スクロール８２の回転駆動により、二つの渦巻きが噛み合ってできる作動室の中で圧縮されながら中心側へと移動して吐出口８１ｂから吐出される。尚、図１３中の５８は第１実施形態で説明した従動クランク機構である。

図１４は、図１３中のＤ−Ｄ断面図であり、膨張機４の構造を示す。本実施形態での膨張機４はロータリ型と称されるものである。高圧ガスを内部に導き、その膨張過程で生ずる仕事をシャフト２１の回転動力として取り出すために、膨張機４は密閉された膨張行程作動室４９を形成する。尚、膨張行程作動室４９は、以下の構成でシールされながら囲まれることで形成されている。

シリンダ４２の円筒状内壁と、これとロータ接触線５１を形成しつつ配置されるスリーブ４７の円筒状外壁で囲まれることで、まず三日月状の空間が形成される。更にベーン４８の先端がスリーブ４７の外壁とヒンジ部４８ａで結合されることにより、三日月状の空間が二つに区切られる。二つに区切られた空間の両端面は、フロントサイドプレート４１・リヤサイドプレート４３と、スリーブ４７・ベーン４８とがそれぞれ相対運動が可能なくらいの微小な隙間を持ち、且つシリンダ４２の両端面には密着するように塞ぐことで、密閉された二つの作動室４９・５０が形成される。

ロータ４６は、シリンダ４２の内壁の中心からは偏心してワンウェークラッチ４５を介してシャフト２１に取り付けられている。スリーブ４７は、そのロータ４６の外周面に油膜を形成し、且つ互いの相対運動を許すくらいの隙間をもって覆うように嵌められる。リヤサイドプレート４３にはロータ４６と摺接する面側に環状通路４３ｂが彫られており、且つこれと通ずるプレート吸込通路４３ａがリヤサイドプレート４３の内部に穿たれている。プレート吸込通路４３ａの他方はヨーク３１に設けられた膨張機吸込口３１ａへと通じている。

他方、ロータ４６のリヤサイドプレート４３と摺接する面に開口し、且つプレート環状通路４３ｂと流体的に相通ずる軸方向吸込通路４６ａが軸方向にある深さを持って穿たれており、且つこれと通ずるように今度は半径方向へロータ４６の表面まで到達する半径方向吸込通路４６ｂが穿孔されている。また、スリーブ４７のベーン４８の近傍には半径方向に貫通したスリーブ吸込口４７ａが設けられている。

ヨーク３１の膨張機吸込口３１ａから流入したガス冷媒は、リヤサイドプレート４３内部のプレート吸込通路４３ａを通ってプレート環状通路４３ｂに至り、これと常に同じ位置関係で摺接し開口しているロータ４６の端面上の軸方向吸込通路４６ａ内に流入し、半径方向吸込通路４６ｂ経由でスリーブ４７に至り、その内壁面で堰き止められる。

但し、スリーブ４７にはある角度範囲だけスリーブ吸込通路４７ａが穿たれているため、ロータ半径方向吸込通路４６ｂがこれと開口するタイミングのみガス冷媒は、シリンダ４２内部の部屋、膨張行程作動室４９に流入する。シリンダ４２には更に、ベーン溝４２ｂが設けられており、ガス冷媒をシールしながら且つ相対運動可能なくらいの隙間をもって内部にベーン４８を収納する。

尚、スリーブ４７は、ベーン４８とヒンジ部４８ａにて結合されているため、ベーン４８と動きを共にし、ロータ４６とは内壁面で摺動する。また、フロントサイドプレート４１・リヤサイドプレート４３とシャフト２１の間は、シャフト２１表面上に形成される微小な隙間でもって摺接する、いわゆる円筒シールによってシールされている。

次に、実際の作動について説明する。図１５は、図１３・１４の構造における膨張機４の作動を説明する説明図である。（ａ）シャフト回転角度０°においてランキンサイクルＲａ側から高圧ガス冷媒が供給されると、ヨーク３１→リヤサイドプレート４３→ロータ４６→スリーブ４７と通って膨張行程作動室４９に流入する。流入した高圧ガス冷媒は、シリンダ４２の内壁・スリーブ４７の外壁・ベーン４８・フロントサイドプレート４１・リヤサイドプレート４３・ベーンヒンジ部４８ａおよびロータ接触線５１によって囲まれた状態で膨張する。

この膨張エネルギーによって、スリーブ４７はロータ接触線５１を時計方向に移動させつつ、（ｂ）シャフト回転角度９０°の状態へ移行する。この時、膨張機ワンウェークラッチ４５はシャフト２１と一体化しており、シャフト２１を同じ９０°だけ回転させる。また、ベーン４８は、スリーブ４７とヒンジ部４８ａで係合しているので、９０°への動きの間、ヒンジ部４８ａに引っ張られる形で飛び出す方向へ移動する。

（ｃ）シャフト回転角度１８０°、および（ｄ）シャフト回転角度２７０°では同様に密閉された高圧ガスが膨張を進めるに従い、スリーブ４７を移動せしめ、９０°〜２７０°の状態へと移行する。その間スリーブ４７の動きは膨張機ワンウェークラッチ４５を介してシャフト２１に伝えられ、同じく１８０°〜２７０°へと回転させる。

そして、更に膨張が進むと（ａ）シャフト回転角度３６０°つまり０°に戻り、膨張行程作動室４９にあった高圧ガスは０°の図で排出行程作動室５０まで膨張し、移行したことになる。また、同時に新たな高圧ガスが流入する新たな膨張行程作動室４９が形成されて出現している。このように高圧ガスが流入する限り、高圧ガスの膨張により膨張機４は上記した状態変化を繰り返す。そしてシャフト２１は駆動され続ける。

次に、第４実施形態と同様に、上記膨張機４を可変容量型とした場合について説明する。図１６は、その可変容量型膨張機４のフロントサイドプレート４１の構造を示す図である。フロントサイドプレート４１は、アウター４１ａとインナー４１ｂの２部品に分割されている。アウター４１ａにはインナー４１ｂの外径に僅かに大きい内径からなる中空形状が設けられており、その中空部にインナー４１ｂが組み込まれている。そして、アウター４１ａに対してインナー４１ｂは回転自在となっている。

インナー４１ｂには膨張機４内部に繋がる吐出口４１ｃが穿たれており、膨張行程を終えた冷媒ガスが本吐出口４１ｃから排出され、図示しない吐出管を介してランキンサイクルＲａを構成する回路へと送出される。インナー４１ｂは、膨張機４の運転状態に応じ、内部あるいは外部からの信号を受けて、図示しないアクチュエータでアウター４１ａに対して回転方向（位相）を変化すべく回転させることができる。

図１７は膨張機４の作動を説明する説明図である。前述で説明した膨張機４の作動を、吐出口４１ｃを絡め、膨張行程と排出行程とを分けて更に説明する。前述したように、導入された高圧ガス冷媒は（ａ）シャフト回転角度０°の膨張行程作動室４９の状態から膨張を進めシャフト回転角度３６０°すなわち０°の排出行程作動室５０の状態へと移行する。この時の排出行程作動室５０内のガス冷媒は、フロントサイドプレート４１に穿たれた吐出口４１ｃに通じ始めた状態になる。この排出行程作動室５０の状態に至ると、高圧ガス冷媒は膨張を止め、ロータ４６の回転によって吐出口４１ｃから排出される排出行程に移行することとなる。

（ｂ）シャフト回転角度９０°〜（ｄ）シャフト回転角度２７０°の排出行程作動室５０はいずれも排出行程にあり、スリーブ４７の動きに伴い、高圧ガス冷媒は吐出口４１ｃから外部への排出が進む。よって、導入された高圧ガス冷媒は、吐出口４１ｃと相通ずる位置（シャフト回転角度０°の排出行程作動室５０の状態）に至るまで膨張し、以降、排出に移行することとなる。この切り替えは吐出口４１ｃが作動室と通ずるか否かで決定される。換言すれば吐出口４１ｃの位置で決定されることになる。

ここで例えば、低圧（排出側圧力）が高くなってくると膨張機４内の膨張行程のガス冷媒は早く（シャフト回転角度３６０°ではなく、例えば２７０°位で）排出すべきである。そうしないと膨張行程作動室４９の圧力がランキン低圧より低い圧力となってしまい、冷媒ガスの膨張エネルギーを回収するのではなく、逆に低圧まで引っ張る減圧仕事を必要としてしまい、効率を悪化させる（これを過膨張現象という）。

しかし、シャフト回転角度２７０°の状態では、膨張行程作動室４９は未だ吐出口４１ｃに通じていないため排出できず、減圧仕事を始めてしまう。これとは逆に、ランキンサイクルＲａの低圧が低くなる場合は、排出行程作動室５０の冷媒ガスからまだ膨張エネルギーを引き出すことができるのにも関わらず、吐出口４１ｃに通じるために排出行程に移行してしまう（これを不足膨張現象という）。これも膨張機の効率を悪化させる原因となる。

次に、図１８は可変容量型膨張機４の可変作動を説明する説明図である。（ａ）シャフト回転角度０°：吐出口４１ｃが図の位置の場合、膨張行程作動室４９が３６０°の膨張行程を経て図の状態となり吐出口４１ｃと通じる排出行程作動室５０となり、排出行程に移行することは前述した。（ｂ）シャフト回転角度２７０°：今、ランキンサイクルＲａの低圧が上昇してきたとすると、フロントサイドプレート４１のインナー４１ｂを図示しないアクチュエータで内部あるいは外部からの制御信号にて半時計方向へ例えば９０°回転させる。吐出口４１ｃはシャフト回転角度２７０°の図の位置に移動する。この時吐出口４１ｃに、より早く通じる排出行程作動室５０が排出行程へと移行することになる。

シャフト回転角度０°の排出行程作動室５０とシャフト回転角度２７０°の排出行程作動室５０を比較すると、２７０°の方が０°より容積が小さくなっている。これは２７０°の方が膨張行程の途中で早く排出行程に移行することから当然であるが、言い換えればランキンサイクルＲａの低圧が上昇している時には、シャフト回転角度０°の時のような過膨張を小さくできることである。よって、吐出口４１ｃを移動することで、膨張機の効率を上げることができる。

（ｃ）シャフト回転角度１８０°・（ｄ）シャフト回転角度９０°：ランキンサイクルＲａの低圧が更に上昇する時は、吐出口４１ｃを１８０°の位置、９０°の位置と、より移動量を大きくすればより早期に、すなわち排出行程移行時容積を小さくすることができる。このように膨張機４の容積を可変とすることで、ランキンサイクルＲａの状態に合わせ、膨張機４の最高効率点で運転することが可能となる。

また、本実施形態の流体機械は、第２実施形態と同様にコントローラ（モータ発電制御手段）７１を設け、モータ３と、電力を蓄える蓄電池（蓄電手段）７２とに接続している。そしてコントローラ７１は、電気的な動作によってモータ３の運転を制御すると共に、モータ駆動回路を発電回路として切り替えてモータ３からの発電電力を蓄電池７２へ給電するようにしている。

モータ３もしくは膨張機４にてシャフト２１を共有している圧縮機８を駆動する。シャフト２１が回転させられると従動クランク機構５８を介し、可動スクロール８２が公転運動することによって、これと噛み合う圧縮機ハウジング８１と共同で冷凍冷媒を圧縮し、吐出口８１ｂから図示しない冷凍サイクルに吐出され、冷房・冷蔵・冷凍等の仕事を成す。

また、膨張機４で駆動して圧縮機８での冷媒圧縮とモータ３での発電とを行なう場合、モータ３への動力分配によって膨張機４への負荷が増え、膨張機４の回転数が減少して冷媒圧縮性能も低減する。回転数が減少するとランキンサイクルＲａの高低圧のバランスが変化し、膨張機４の効率が低下する懸念があるが、膨張機４には可変機能があるので最高効率点での稼動を維持することができる。

また、圧縮機８に膨張機としてスクロール型を適用した第１実施形態の如く可変容量機構を持たせても良い。圧縮機８を冷凍サイクルでの必要性能に応じて可変容量とすれば、冷媒圧縮性能への調整と共にランキンサイクルＲａの高低圧をそれほど変化させずに（膨張機４への負荷を上げずに）円滑に発電への動力分配が可能となる。

次に、本実施形態での特徴について述べる。まず、膨張機４とシャフト２１とをワンウェークラッチ４５を介して連結している。これにより、膨張機４が非稼動の時でもモータ３や給液ポンプ１や圧縮機８の稼動の支障とならない。また、冷凍サイクルを構成する圧縮機８とシャフト２１を共有している。これは、熱エネルギーを冷凍サイクルの冷媒圧縮仕事にも利用したものである。

例えば車両であれば、空調の冷媒圧縮や発電を行なうことでエンジン駆動のコンプレッサやオルタネータを休止することができ、原動機としてのエンジンの負荷を低減して燃費を改善することができる。また、圧縮機８を一体的に連結しているので、部品構成を簡素としてコンパクトに構成できるうえ、コストを抑えることができて車両等にも搭載が容易となる。

また、モータ３と、電力を蓄える蓄電池７２とに接続し、モータ３を制御すると共にモータ３からの発電電力を蓄電池７２へ給電するコントローラ（モータ発電制御手段）７１を設けている。これにより、第２実施形態と同様にランキンサイクルＲａを円滑に起動することができると共に、起動後はモータ機能から発電機能へ円滑に切り替えることが可能となる。また、熱入力の多寡に応じ、膨張機４の効率を最高に維持した発電が可能となる。また、発電電圧の制御をすることで冷凍サイクルの冷媒圧縮と発電との動力分配ができ、需要に応じた最適なランキン動力供給ができてエネルギー効率を良くすることができる。

（第７実施形態）
図１９は、本発明の第７実施形態における流体機械の構造を示す部分断面図である。本実施形態の流体機械は、例えば車両の各種熱交換器に風を送風する送風ファン（ファン手段）３０と、その送風ファン３０を駆動するモータ９とに、例えばエンジンの排熱で冷媒加熱を行うランキンサイクルＬでの膨張機４と冷媒の圧力を上げる給液ポンプ部１とを一体に構成したものである。よって、本流体機械は機能から大別して、エンジン補機としての送風ファン３０と、ランキンサイクルＬの熱エネルギーを回転動力に変換する膨張機４と、冷媒の圧力を上げる給液ポンプ部１と、送風ファン３０を駆動し、且つ膨張機４の回転動力を電気エネルギーに変換するモータ９とから構成されている。

そして、送風ファン３０はモータ９のシャフト２１に図示しないボルトによって一体的に締結されており、モータ９と膨張機４および給液ポンプ部１との回転軸間は膨張機ワンウェイクラッチ４５を介して連結した構造となっている。但し、図１９に示す実施形態のようにスクロール型の膨張機４を使用した場合は、膨張機ワンウェイクラッチ４５に代って前述した第１実施形態と同様の従動クランク機構５８を介して連結した構造であっても良い。

尚、回転動力を発生させるモータ９・ランキンサイクルＬの熱エネルギーを回転動力に変換するスクロール型の膨張機４・冷媒の圧力を上げる給液ポンプ部１は、前述した第１実施形態と同様の構造であるため、説明を省略する。図１９のファン３０は、周知の遠心多翼ファン（シロッコファン）を用いている。膨張機４および給液ポンプ部１は、モータ９とは別のケース内に密閉的に収納されており、図示しないボルトによって締結されている。そして、膨張機４および給液ポンプ部１はランキンサイクル冷媒雰囲気下にあり、モータ９とはシャフトシール２２によってシール分離されている。次に、本流体機械の作動について説明する。

＜ランキンサイクル稼動時＞
ランキンサイクルが稼動しているときは、膨張機４によって、給液ポンプ部１とモータ９のロータ９２およびシャフト２１が駆動されている。モータ９にはこの駆動によって起電力が発生する。すなわち膨張機４の駆動によるモータ９の回転を、今度は発電機として機能させて発電を行うこととなる。このときシャフト２１を共有しているファン３０も同時に駆動されている。すなわち、モータ９と同一回転数でファン３０が駆動される。

これにより、熱エネルギーは膨張機４の作用によって発電し、この発電電力を他の補機に供給したり蓄電池に蓄電したりすることにより、オルタネータなどによる発電を不要とし、もって車両の省動力化を実現することができる。これと同時にファン３０が運転されて放熱などに寄与する。逆に言えば放熱のために特別な電力を必要とせず、車両の省動力化を実現することができる。

更に、モータ９の発電負荷を回路上で調整することにより、ファン３０の回転数を変えることができる。放熱をより必要とするときは、発電負荷を下げることによって膨張機４の回転数を上昇させ、ファン３０の回転数をも上昇させることができる。このことは、回路上でモータ９の発電負荷を調整することによって、膨張機４の駆動力を発電機にとファン３０とへ任意に分配できることを示している。

もちろん、放熱の必要性が低下したときは発電負荷を上昇させ、発電量を上昇させると共に、逆にファン３０の回転数を低下させてファン３０の仕事量を減らすこともできる。また、発電負荷を極めて小さくすれば膨張機４による実質的ファン３０の単独運転も可能となる。

＜ランキンサイクル非稼動時＞
ランキンサイクルを稼動させる熱エネルギーが不足しているときは、膨張機４を駆動させることはできない。この時でも放熱の必要があるときがあり、ファン３０を駆動させねばならない。このときは、図示しない外部電源から図示しない電力供給線を通じてモータ９に電圧を印加する。モータ９が回転を始めると、シャフト２１を共有するファン３０も稼動を開始する。

ところで、ランキンサイクルが非稼動であるので膨張機４は膨張仕事を行っておらず、膨張機の可動スクロール５３はモータ９の駆動によるシャフト２１に引きずられる形となる。しかし、シャフト２１と可動スクロール５３との間にはワンウェイクラッチ４５（もしくは従動クランク機構５８）が配置されているため、膨張機４は停止したままで可動スクロール５３の引きずり運転を避けることができる。

尚、ファン３０の回転数はモータ９に印加する電圧によって調整できることは言うまでもない。このランキンサイクル非稼動時のモータ９の運転によって、熱エネルギーが充分存在しないときでもファン３０が運転でき、放熱を実現することができる。

＜大風量必要時＞
オーバーヒートが懸念されるような大きな放熱が必要な時は、ファン３０の回転数を高いものにせねばならない。このときは膨張機４の運転と共に、モータ９に電圧を印加して電動機として回転させる。これにより、ファン３０は膨張機４の駆動力にモータ９の駆動力が加算されて駆動されることとなり回転数も大きなものが得られるようになる。

＜他の実施形態＞
図２０は、図１９の流体機械における他の実施形態を示す部分断面図である。上述した構成では、エンジン補機としての送風ファン（ファン手段）３０にシロッコ型ファンを用いていたのに対し、軸流型ファンを用いている点のみが異なる。これによっても上記と同様の作動と効果を得ることができる。尚、本発明は送風ファン３０の型式を限定するものではなく、他の型式の送風ファンを用いても良い。

（その他の実施形態）
上述の実施形態では、エンジンの熱エネルギーによってランキンサイクルＲａを稼動させているが、熱源機はエンジンに限るものではなく、熱入力も高温流体に限るものではない。また、膨張機４もスクロール型・ロータリ型に限るものではなく、その他の形式のものであっても良い。また、車両のみならず、例えばエンジン駆動式冷凍装置のような定置式のエンジン駆動システムにおける発電や圧縮機等の駆動に本発明を適用しても良い。

本発明の第１実施形態における流体機械の構造を示す断面図である。 図１中のＡ−Ａ断面図であり、膨張機４の構造を示す。 従動クランク機構５８の構造を示す斜視図である。 図３中のＣ視図である。 力の作用によりブッシュが移動する方向を説明する図である。 本発明の第２実施形態におけるランキンサイクルＲａと電気回路との概要を示す模式図である。 本発明の第３実施形態におけるランキンサイクルＲａの模式図である。 （ａ）は本発明の第４実施形態における可変容量型膨張機４の、非可変容量時のスプール部の状態を表す平面図であり、（ｂ）は（ａ）中のＢ１−Ｂ１断面図である。 （ａ）は図８の可変容量型膨張機４の、可変容量時のスプール部の状態を表す平面図であり、（ｂ）は（ａ）中のＢ２−Ｂ２断面図である。 図８・９の可変容量型膨張機４の、（ａ）非可変容量時と（ｂ）可変容量時との吸込み容積の差を説明する説明図である。 本発明の第５実施形態における流体機械の構成を示す正面図である。 図１１に対して他の実施形態における流体機械の構成を示す正面図である。 本発明の第６実施形態における流体機械の構造を示す断面図である。 図１３中のＤ−Ｄ断面図であり、膨張機４の構造を示す。 図１３・１４の構造における膨張機４の作動を説明する説明図である。 図１３・１４の構造において可変容量型とした膨張機４のフロントサイドプレート４１の構造を示す図である。 図１６の構造における可変容量型膨張機４の作動を説明する説明図である。 図１６・１７の可変容量型膨張機４の可変作動を説明する説明図である。 本発明の第７実施形態における流体機械の構造を示す部分断面図である。 図１９の流体機械における他の実施形態を示す部分断面図である。

符号の説明

１ 給液ポンプ（給液ポンプ部）
２ 蒸発加熱器
３ モータ（モータ機構部）
４ 膨張機（膨張機構部）
５ 凝縮器
８ 圧縮機（圧縮機構部）
１６ 受液タンク（密閉筐体、受液槽）
１７ シリンダブロック（密閉筐体）
１８ ハウジング（密閉筐体）
１９ バルブプレート（密閉筐体）
２１ シャフト（回転軸）
３０ 送風ファン（ファン手段）
３１ ヨーク（密閉筐体）
３３ サポートプレート（密閉筐体）
３６ 液冷媒流入部
４５ ワンウェークラッチ
５２ 膨張機ハウジング（密閉筐体）
５２ｂ 固定スクロール
５３ 可動スクロール
５８ 従動クランク機構
７１ コントローラ、モータ発電制御装置（モータ発電制御手段）
７２ 蓄電池（蓄電手段）
７４ コントローラ、熱入力制御装置（熱入力制御手段）
７５ 流量制御弁（熱入力制御手段）
Ｒａ ランキンサイクル

Claims (13)

1. 冷媒の圧力を上げる給液ポンプ部（１）、熱源機から供給される高温流体と前記給液ポンプ部（１）から供給される液冷媒とを熱交換させて前記液冷媒を加熱し蒸発させる蒸発加熱器（２）、その加熱された冷媒の熱エネルギーを回転動力へと変換する膨張機構部（４）、前記膨張機構部（４）から排出された冷媒を冷却する凝縮器（５）から構成されるランキンサイクル（Ｒａ）の前記膨張機構部（４）と、
   回転動力により駆動される前記給液ポンプ部（１）と、
   回転駆動力を発生するモータ機構部（３）とを備え、
   前記膨張機構部（４）と前記給液ポンプ部（１）と前記モータ機構部（３）とで、それぞれの回転軸を一体的に連結した、もしくは回転軸（２１）を共有し、
   前記給液ポンプ部（１）を、前記モータ機構部（３）および前記膨張機構部（４）に対して天地方向の下方に配置すると共に、前記凝縮器（５）にて冷却されて凝縮した液相冷媒が流入してくる液冷媒流入部（３６）を、前記モータ機構部（３）もしくは前記膨張機構部（４）に対して天地方向の上方に配置し、
   凝縮した液相冷媒を蓄える受液槽（１６）を天地方向の最下部に配置したことを特徴とする流体機械。
2. 前記膨張機構部（４）と前記給液ポンプ部（１）と前記モータ機構部（３）とを一つの密閉筐体（１６〜１９、３１、３３、５２）内に収納したことを特徴とする請求項１に記載の流体機械。
3. 前記膨張機構部（４）と前記給液ポンプ部（１）と前記モータ機構部（３）とを同一のランキン冷媒中に配置したことを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の流体機械。
4. 前記膨張機構部（４）を、固定スクロール（５２ｂ）に対して可動スクロール（５３）が公転運動を行なうスクロール型とすると共に、前記膨張機構部（４）と前記回転軸（２１）とは、前記膨張機構部（４）の膨張運転による駆動力にて前記可動スクロール（５３）の公転半径を増減する従動クランク機構（５８）を介して連結されていることを特徴とする請求項１に記載の流体機械。
5. 前記膨張機構部（４）と前記回転軸（２１）とをワンウェークラッチ（４５）を介して連結したことを特徴とする請求項１に記載の流体機械。
6. 前記モータ機構部（３）を前記膨張機構部（４）にて駆動することにより、前記モータ機構部（３）を発電手段として機能させたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の流体機械。
7. 前記モータ機構部（３）を直流モータとしたことを特徴とする請求項８に記載の流体機械。
8. 前記モータ機構部（３）は、モータとして回転駆動力を発生する場合と前記発電手段として起電力を発生する場合とで、同一方向に回転するようにしたことを特徴とする請求項８または９のいずれかに記載の流体機械。
9. 前記モータ機構部（３）と、電力を蓄える蓄電手段（７２）とに接続し、前記モータ機構部（３）を制御すると共に前記モータ機構部（３）からの発電電力を前記蓄電手段（７２）へ給電するモータ発電制御手段（７１）を設けたことを特徴とする請求項８ないし請求項１０のいずれかに記載の流体機械。
10. 前記蒸発加熱器（２）に対し、前記高温流体の上流側に、前記高温流体にて供給する熱量を制御する熱入力制御手段（７４、７５）を設けたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の流体機械。
11. 前記膨張機構部（４）を、容量を任意に変えることのできる可変容量型としたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の流体機械。
12. 前記ランキンサイクル（Ｒａ）で冷媒を冷却して凝縮させる凝縮器（５）、もしくは前記ランキンサイクル（Ｒａ）で熱源機から供給される高温流体と前記給液ポンプ部（１）から供給される液冷媒とを熱交換させて液冷媒を加熱し蒸発させる蒸発加熱器（２）、もしくはこれら両方の熱交換器（２、５）を一体的に結合したことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の流体機械。
13. 冷凍サイクルを構成する圧縮機構部（８）と回転軸を一体的に連結した、もしくは回転軸（２１）を共有したことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の流体機械。

Images