JP4689498B2 - 膨張機およびその制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば内燃機関の廃熱を加熱源とするランキンサイクルに適用して好適な膨張機およびその制御装置に関するものである。

従来のランキン機関として、例えば特許文献１に示されるものが知られている。即ち、このランキン機関は、順次環状に接続される作動流体ポンプ、蒸気発生器、膨張機、凝縮器を有しており、膨張機に作動流体ポンプが直結されている。そして、作動流体ポンプの外部には入口側と出口側とを連通させるバイパス路が設けられ、このバイパス路にはバイパス側閉塞手段が設けられている。更に、蒸気発生器の入口側に逆止弁、膨張機の入口側に膨張機側閉塞手段、膨張機の入口および出口側に圧力検知手段が設けられている。

このランキン機関においては、起動時に膨張機側閉塞手段を開き、圧力検知手段によって得られる圧力差が設定値以上となると、バイパス側閉塞手段を閉じるようにしている。また、停止時にはバイパス側閉塞手段を開き、圧力検知手段によって得られる圧力差が設定値以下となると、膨張機側閉塞手段を閉じるようにしている。

これにより、バイパス路におけるバイパス側閉塞手段を開くことでランキン機関における高圧側と低圧側との均圧が可能となり、高圧側と低圧側との差圧の時間変化の割合を小さくすることができ、安全性の高い起動、停止動作を可能としている。
特開昭５９−１３８７０７号公報

ところで、ランキン機関の起動時においては、蒸気発生器における作動流体は、充分加熱されていないために液相状態にあり、蒸気発生器から液相の作動流体が膨張機に流入することになる。通常、膨張機のような流体機械においては作動流体中に潤滑油を含有させて、この潤滑油を作動流体と共に循環させることで膨張機内摺動部の潤滑を図る場合がある。上記のように作動流体が液相状態であると潤滑油粘度が極端に低下するので、摺動部の潤滑性が充分に確保できなくなる。

そこで、ランキン機関の安全運転のための均圧化を可能とすると共に、上記潤滑の問題を解決するために、膨張機側にバイパス路を設けることが有効であると考えられる。しかしながら、引用文献１のようなバイパス路を設けると、バイパス路が膨張機の外部に配設されることになるので、限られたスペース内での搭載性が悪化すると共に、バイパス路を設定する分のコスト増加を伴う。

本発明の目的は、上記問題に鑑み、バイパス手段によって必要に応じて作動流体をバイパス可能とすると共に、搭載性、コスト面で優れる膨張機およびその制御装置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、加熱されて高圧となった蒸気作動流体が流入する高圧部（１１４）と、高圧部（１１４）からの蒸気作動流体の膨張によって駆動される駆動部（１１３）と、駆動部（１１３）で膨張した後に低圧となった作動流体を外部に流出させる低圧部（１１３ｅ）とが、ハウジング（１１１）内に配設された膨張機において、ハウジング（１１１）内に設けられて、駆動部（１１３）を迂回して高圧部（１１４）と低圧部（１１３ｅ）とを直接連通させる連通路（１１６）と、連通路（１１６）を開閉する開閉手段（１１７）とを備え、
開閉手段（１１７）は、外部電気信号によって連通路（１１６）を開閉する電磁弁、あるいは電磁弁（１１７ｅ）に連動して連通路（１１６）を開閉する弁体（１１７ａ）であり、
電磁弁あるいは弁体（１１７ａ）は、外部電気信号が供給される時に、連通路（１１６）を閉じ、外部電気信号が遮断された時に連通路（１１６）を開くことを特徴としている。

これにより、必要に応じて開閉手段（１１７）を開くことで、駆動部（１１３）を作動流体がバイパス可能となる膨張機（１１０）とすることができる。即ち、この膨張機（１１０）では、高圧部（１１４）と低圧部（１１３ｅ）との間を容易に均圧させることができ、安全且つ確実に膨張機（１１０）を停止させることができる。ここで、連通路（１１６）および開閉手段（１１７）をハウジング（１１１）内に設けるようにしているので、従来技術で説明したような外部配管を不要として、搭載性、コスト面で優れる膨張機（１１０）とすることができる。
また、開閉手段（１１７）は、外部電気信号によって連通路（１１６）を開閉する電磁弁、あるいは電磁弁（１１７ｅ）に連動して連通路（１１６）を開閉する弁体（１１７ａ）とすることで、容易に対応が可能となる。
また、例えば異常等が生じて、外部電気信号用の電源自体が停止された場合でも、外部電気信号遮断によって連通路（１１６）が開かれることになる。よって、作動流体を連通路（１１６）側に流すことができるので、駆動部（１１３）を安全かつ確実に停止させることができる。

請求項２に記載の発明では、高圧部（１１４）と駆動部（１１３）との間には、両者（１１４、１１３）間を仕切る仕切り部（１１２ａ）が設けられており、連通路（１１６）の少なくとも一部は、仕切り部（１１２ａ）を貫通する貫通穴（１１６）によって形成されたことを特徴としている。

これにより、容易に連通路（１１６）を形成することができる。

請求項３に記載の発明では、低圧部（１１３ｅ）側に配設されて、駆動部（１１３）と接続される発電機（１２０）を有し、低圧部（１１３ｅ）は、発電機（１２０）内に連通していることを特徴としている。

これにより、開閉手段（１１７）を開いた時に作動流体は、高圧部（１１４）から低圧部（１１３ｅ）を経て、電動機（１２０）内に流れるので、電動機（１２０）内の空間がアキュムレータとして作用して、開閉手段（１１７）の開閉に伴う作動流体の圧力脈動を低減することができ、圧力脈動による騒音を低減できる。

請求項４に記載の発明では、請求項１〜請求項３に記載の膨張機（１１０）が、ランキンサイクル（４０）内に配設されて、膨張機（１１０）の作動を制御する制御手段（５０）を備える膨張機制御装置において、ランキンサイクル（４０）を停止させる時に、制御手段（４０）は開閉手段（１１７）を開くことを特徴としている。

これにより、ランキンサイクル（４０）内で使用される膨張機（１１０）を停止させる時に、高圧側と低圧側とを容易に均圧させることができるので、安全且つ確実に膨張機を停止させることができる。

請求項５に記載の発明では、制御手段（４０）は、開閉手段（１１７）を開いた後に、膨張機（１１０）を停止させることを特徴としている。

開閉手段（１１７）を開く前に膨張機（１１０）を停止させると、負荷の軽くなった膨張機（１１０）は作動流体によって一気に高回転側で作動してしまい、停止させられなくなる。よって、ランキンサイクル（４０）の高圧側と低圧側とを均圧した後に、膨張機（１１０）を停止させることで、上記の高回転作動を防止して、安全且つ確実に膨張機（１１０）を停止させることができるようになる。

請求項６に記載の発明では、ランキンサイクル（４０）を起動させる時に、制御手段（４０）は開閉手段（１１７）を開き、所定時間後に閉じることを特徴としている。

ランキンサイクル（４０）の起動時においては、加熱器（４２）の作動流体が液相状態の場合があり、液相状態の作動流体を膨張機（１１０）に流入させても、駆動部（１１３）における膨張仕事を取り出すことができない。よって、所定時間の間は開閉手段（１１７）を開くことで、加熱器（４２）からの液相の作動流体を駆動部（１１３）に流入させないようにすることができる。そして、加熱器（４２）で作動流体が充分に加熱されて過熱蒸気となり得るような所定時間後に開閉手段（１１７）を閉じることで、過熱蒸気を駆動部（１１３）に流入させることができるので、本来の膨張機（１１０）として作動をさせることができる。

また、作動流体に潤滑油を混入させる場合に、作動流体が温度の低い液相状態では、潤滑油の粘度が低く、本来の潤滑効果を得ることができない。よって、起動後に所定時間は、液相の作動流体を駆動部（１１３）に流入させないことで、潤滑不足による摺動部の磨耗不具合を防止できる。

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、本発明に係る膨張機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、車両用冷凍サイクル３０の凝縮器３２および気液分離器３３が共用されるランキンサイクル４０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１１０、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機に対応）１２０、冷媒ポンプ１３０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。

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ることで形成されている。

圧縮機３１は、駆動ベルト１２、プーリ３１ａ、電磁クラッチ３１ｂを介して車両のエンジン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。

冷媒ポンプ１３０は、ランキンサイクル４０内の冷媒（本発明における作動流体に対応し、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、詳細についてはポンプ膨張発電機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（本発明における蒸気作動流体に対応）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。

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と制御機器５２の両者間においては、制御信号の授受が可能となっている。

インバータ５１は、モータジェネレータ１２０の作動を制御するものであり、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する。また、インバータ５１は、バッテリ１１における充電状態を把握しつつ、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。

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、膨張機１１０内の均圧弁１１７等を併せて制御するものである。また、制御機器５２には電源スイッチ（例えばイグニッションスイッチ）５３が接続されており、電源スイッチ５３がＯＦＦされるとバッテリ１１からの電力供給が停止され、制御機器５２はもとより、インバータ５１、冷凍サイクル３０、ランキンサイクル４０はその作動が停止される。

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。

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（本発明におけるハウジングに対応）１１１の内部に形成される高圧室１１４、流入ポート１１５、固定スクロール１１２、旋回スクロール１１３、低圧室１１３ｅ、均圧弁１１７等を有している。

膨張機ハウジング１１１は、フロントハウジング１１１ａと、後述する固定スクロール１１２の外周部と、シャフトハウジング１１１ｂとが順に並ぶように接続されて形成されている。

高圧室１１４は、本発明における高圧部に対応する空間部であり、フロントハウジング１１１ａと後述する固定スクロール１１２の基板部１１２ａとの間に形成されて、ここに流入する加熱器４２からの高温、高圧の冷媒、つまり過熱蒸気冷媒の脈動を吸収するようになっている。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。

流入ポート１１５は、後述する固定スクロール１１２の基板部１１２ａの中心部に穿設されたポートである。流入ポート１１５は、上記高圧室１１４と、後述する固定スクロール１１２および旋回スクロール１１３によって形成される作動室Ｖのうち最小体積となる作動室Ｖとを連通させて高圧室１１４に導入された過熱蒸気冷媒を作動室Ｖに導くようになっている。

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を有して構成されている。一方、旋回スクロール１１３は、本発明における駆動部に対応するものであって、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いる。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。上記高圧室１１４と旋回スクロール１１３とは、固定スクロール１１２の基板部（本発明における仕切り部に対応）１１２ａによって仕切られる形となっている。尚、旋回スクロール１１３とシャフトハウジング１１１ｂ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１１３ｃが介在されている。

旋回スクロール１１３にはシャフト１１８が連結されている。即ち、シャフト１１８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おり、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として形成されている。そして、このクランク部１１８ａが、ベアリング１１３ｄを介して旋回スクロール１１３に連結されている。

また、旋回スクロール１１３とシャフトハウジング１１１ｂとの間には自転防止機構１１９が設けられている。自転防止機構１１９は、シャフト１１８が１回転する間に旋回スクロール１１３がクランク部１１８ａ周りに１回転するようにするものである。このためシャフト１１８が回転すると、旋回スクロール１１３は、自転せずにシャフト１１８の回転中心軸周りを公転旋回する。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。

旋回スクロール１１３の歯部１１３ｂの外周側と固定スクロール１１２の外周側との間の空間は、膨張されて低圧となった冷媒が流入する低圧室（本発明における低圧部に対応）１１３ｅとして形成されている。

そして、旋回スクロール１１３の基板部１１３ｂおよびシャフトハウジング１１１ｂには、これら部材１１３ｂ、１１１ｂ（摺動プレート１１３ｃを含む）を貫通して低圧室１１３ｅから後述するモータハウジング１２１内に繋がる吐出ガス通路１１１ｄが設けられている。即ち、低圧室１１３ｅとモータハウジング１２１内とは吐出ガス通路１１１ｄによって連通されている。モータハウジング１２１の冷媒ポンプ１３０側には、凝縮器３２に接続される低圧ポート１２１ａが設けられている。

均圧弁１１７は、高圧室１１４と低圧室１１３ｅとを繋ぐ連通路１１６を開閉する開閉手段として設けられている。連通路１１６は、ここでは固定スクロール１１２の基板部１１２ａの外周側で貫通されて、作動室Ｖを迂回すると共に、高圧室１１４と低圧室１１３ｅとを直接連通させる貫通穴として形成されている。

そして、均圧弁１１７は、背圧室１１７ｂ側にバネ１１７ｃが介在された弁体１１７ａと、所定の通路抵抗を有して背圧室１１７ｂと高圧室１１４とを連通させる抵抗手段としての絞り１１７ｄと、背圧室１１７ｂ側と連通して低圧室１１３ｅ側を開閉することで背圧室１１７ｂ内の圧力を調整する電磁弁１１７ｅとから成る。

電磁弁１１７ｅの開閉は、制御機器（外部）５２からの電気信号（通電、通電遮断）によって制御される。ここでは、制御機器５２から電磁弁１１７ｅへの通電が遮断されると、電磁弁１１７ｅは開状態となるようにしている。すると、背圧室１１７ｂ（高圧室１１４側）と低圧室１１３ｅとが連通して、背圧室１１７ｂの圧力が低圧室１１３ｅ側に抜けることで、背圧室１１７ｂの圧力が高圧室１１４より低下して、高圧室１１４側の圧力によって弁体１１７ａがバネ１１７ｃを押し縮めながら図２中の右側に変位して、連通路１１６が開かれることになる。

逆に、制御機器５２から電磁弁１１７ｅへの通電があると、電磁弁１１７ｅは閉状態となるようにしている。すると、背圧室１１７ｂ（高圧室１１４側）と低圧室１１３ｅとが遮断されて、高圧室１１４の圧力が絞り１１７ｄを介して背圧室１１７ｂにかかり、バネ１１７ｃのバネ力によって弁体１１７ａが図２中の左側に変位して、連通路１１６が閉じられることになる。

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。

次に、本実施形態におけるポンプ膨張発電機１００の作動（制御）について、図３に示す制御フローチャートを加えて説明する。

まず、制御機器５２は、ステップＳ１００で発電の要求があるか否かを判定する。ここでは発電の要求はインバータ５１が把握するバッテリ１１の充電状態から判定するようにしており、現在の充電量が所定充電量以下であると、発電の要求ありと判定する。ステップＳ１００で発電の要求ありと判定すると、ステップＳ１１０で、電磁弁１１７ｅへの通電を遮断して、電磁弁１１７ｅを開くことで弁体１１７ａを背圧室１１７ｂ側に摺動させて、連通路１１６を開く。そして、モータジェネレータ１２０を電動機として作動させる。モータジェネレータ１２０によって冷媒ポンプ１３０、膨張機１１０が作動し、ランキンサイクル４０が起動される。

この時、冷媒ポンプ１３０によって気液分離器３３から冷媒が吸引され、加熱器４２に圧送され、加熱器４２から流出される冷媒が膨張機１１０に流入される。ここでは、連通路１１６を開いた状態としているので、冷媒は作動室Ｖを迂回して高圧室１１４から直接低圧室１１３ｅに流入して、モータハウジング１２１内を通り、低圧ポート１２１ａから流出される。以下、凝縮器３２を経て気液分離器３３に至る。

上記ステップＳ１１０の後に、予め定めた所定時間を経過すると（ステップＳ１２０でＹＥＳ判定すると）、ステップＳ１３０で電磁弁１１７ｅへ通電して、電磁弁１１７ｅを閉じることで弁体１１７ａを基板部１１２ａ側に摺動させて、連通路１１６を閉じる。尚、上記所定時間は、エンジン冷却水の温度が低い場合でも、加熱器４２で冷媒が充分に加熱されて過熱蒸気となり得る時間として予め設定した時間である。

上記連通路１１６を閉じることで、膨張機１１０に流入される冷媒は、本来の高圧室１１４→流入ポート１１５→作動室Ｖ→低圧室１１３ｅの順に流れることになる。

そして、ステップＳ１４０でランキンサイクル４０の通常発電運転を行う。即ち、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が旋回されると、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。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）。

上記ステップＳ１４０による通常発電運転において、制御機器５２はステップＳ１５０で異常発生の有無を判定する。異常というのは、例えば、インバータ５１によるモータジェネレータ１２０の位置検出不能時の回転数異常、インバータ５１自身の故障によるモータジェネレータ１２０の制御不能等の場合である。

ステップＳ１５０にて異常なしと判定すれば、通常発電運転を継続しつつ、ステップＳ１６０で発電停止要求の有無を判定する。即ち、通常発電運転によりバッテリ１１の充電量がＦＵＬＬとなれば、発電運転は不要でありランキンサイクル４０を停止させる必要があるとしてステップＳ１７０に進む。尚、バッテリ１１の充電量が充分でなければ、ステップＳ１４０へ戻る。

ステップＳ１７０ではランキンンサイクル４０を停止させるために、モータジェネレータ１２０の回転数を低下させていき、ステップＳ１８０で電磁弁１１７ｅへの通電を遮断して、電磁弁１１７ｅを開くことで弁体１１７ａを背圧室１１７ｂ側に摺動させて、連通路１１６を開く。この時、膨張機１１０に流入する冷媒は連通路１１６を流通して、作動室Ｖでの膨張作動が回避される。そして、ステップＳ１９０でモータジェネレータ１２０を完全に停止させる。そして、ステップＳ１００へ戻る。

一方、ステップＳ１５０で異常ありと判定すると、ステップＳ２００〜Ｓ２３０で緊急的にランキンサイクル４０を停止させるための運転（緊急停止運転）を行う。

即ち、ステップＳ２００で電磁弁１１７ｅへの通電を遮断して、電磁弁１１７ｅを開くことで弁体１１７ａを背圧室１１７ｂ側に摺動させて、連通路１１６を開く。この時、膨張機１１０に流入する冷媒は連通路１１６を流通して、作動室Ｖでの膨張作動が回避される。

そして、ステップＳ２１０でインバータ５１を停止させることで、モータジェネレータ１２０（膨張機１１０、冷媒ポンプ１３０）を停止させ、ステップＳ２２０でインバータ５１の回路チェックを行う。ステップＳ２３０で回路チェックの結果ＯＫであればステップＳ１１０に戻り起動時の制御から再スタートする。

尚、制御機器５２は、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。

以上のように、本実施形態においては、膨張機１１０内に高圧室１１４および低圧室１１３ｅを直接連通させる連通路１１６と、この連通路１１６を開閉する開閉手段としての均圧弁１１７とを設けるようにしているので、必要に応じて均圧弁１１７を開くことで、作動室Ｖに対して冷媒がバイパス可能となる膨張機１１０とすることができる。ここでは、連通路１１６および均圧弁１１７を膨張機ハウジング１１１内に設けるようにしているので、従来技術で説明したような外部配管を不要として、搭載性、コスト面で優れる膨張機１１０とすることができる。

上記連通路１１６と均圧弁１１７との設定により、ランキンサイクル４０の作動中において、膨張機１１０を定常的に、あるいは緊急的に停止させたい時に、連通路１１６を開くことで高圧側と低圧側とを容易に均圧させることができ、冷媒による作動室Ｖでの膨張作動を回避することができるので、安全且つ確実に膨張機１１０を停止させることができる。

ここで、均圧弁１１７を開く前に膨張機１１０を停止させると、負荷の軽くなった膨張機１１０は冷媒によって一気に高回転側で作動してしまい、逆に膨張機１１０を停止させられなくなる。しかし、本実施形態では、均圧弁１１７を開いてランキンサイクル４０の高圧側と低圧側とを均圧した後に、膨張機１１０を停止させるようにしているので、上記の高回転作動を防止して、安全且つ確実に膨張機１１０を停止させることができるようになる。

また、ランキンサイクル４０の起動時において、均圧弁１１７を開き、所定時間経過後にこの均圧弁１１７を閉じるようにしている。ランキンサイクル４０の起動時においては、加熱器４２の冷媒が液相状態の場合があり（特に車両走行後、始めてのランキンサイクル４０の起動時等）、液相状態の冷媒を膨張機１１０に流入させても、作動室Ｖにおける膨張仕事を取り出すことができない。よって、所定時間の間は均圧弁１１７を開くことで、加熱器４２からの液相の冷媒を作動室Ｖに流入させないようにすることができる。そして、加熱器４２で冷媒が充分に加熱されて過熱蒸気となり得るような所定時間後に均圧弁１１７を閉じることで、過熱蒸気を作動室１１３に流入させることができるので、本来の膨張機１１０として作動をさせることができる。

また、冷媒に潤滑油を混入させる場合、冷媒が温度の低い液相状態では、潤滑油の粘度が低く、本来の潤滑効果を得ることができない。よって、起動後に所定時間は、液相の冷媒を作動室Ｖに流入させないことで、潤滑不足による摺動部の磨耗不具合を防止できる。

尚、ランキンサイクル４０の起動時において、加熱器４２の加熱能力（例えばエンジン冷却水の温度）を把握して、加熱能力が所定能力よりも低い場合に、均圧弁１１７の開閉制御（ステップＳ１１０〜ステップＳ１３０）を行うようにすれば、更に効果的な発電運転が可能になる。

また、連通路１１６の形成にあたっては、高圧室１１４と作動室Ｖ（低圧室１１３ｅ）とを仕切る基板部１１２ａに貫通穴を設けるようにしているので、容易にその対応が可能となる。

また、均圧弁１１７の形成にあたっては、弁体１１７ａ、背圧室１１７ｂ、バネ１１７ｃ、絞り１１７ｄ、電磁弁１１７ｅ等を用いて構成しているので、容易に開閉手段として形成できる。

また、均圧弁１１７（電磁弁１１７ｅ）は、通電が遮断された時に開くようにしているので、異常等によって電源供給が停止された場合でも、膨張機１１０を安全且つ確実に停止させることができる。即ち、図４に示すように、ランキンサイクル４０の運転中に何らかの異常や、乗員の意思によって電源スイッチ（イグニッションスイッチ）５３が切られたことにより、電源供給が停止された場合には（図４（ａ））、モータジェネレータ１２０は停止され、また電磁弁１１７ｅへの通電遮断に伴い電磁弁１１７ｅが開かれ（図４（ｂ））、連通路１１６がタイムラグをもって開かれることになる（図４（ｃ））。モータジェネレータ１２０の停止に伴って、膨張機１１０の負荷は急激に軽くなり、作動回転数が一瞬高回転側に移行するが（図４（ｄ））、連通路１１６が開かれることにより、作動室Ｖにおける冷媒の膨張作動が回避され、膨張機１１０を安全且つ確実に減速停止させることができる。

また、低圧部１１３ｅとモータジェネレータ１２０内（モータハウジング１２１内）とを吐出ガス通路１１１ｄによって連通させるようにしているので、均圧弁１１７を開いた時に冷媒は、高圧室１１４から低圧室１１３ｅを経て、モータジェネレータ１２０内に流れる。よって、モータジェネレータ１２０内の空間がアキュムレータとして作用して、均圧弁１１７の開閉に伴う冷媒の圧力脈動を低減することができ、圧力脈動による騒音を低減できる。

（その他の実施形態）
上記実施形態では、均圧弁１１７を電磁弁１１７ｅの開閉に連動して連通路１１６を開閉する弁体１１７ａとして形成したが、これに限らず、連通路１１６を直接開閉する電磁弁としても良い。

また、膨張機１１０で回収した駆動力でモータジェネレータ１２０を作動させて、電気エネルギーとしてバッテリ１１に蓄えるようにしたが、フライホイールによる運動エネルギー、またはバネによる弾性エネルギー等の機械的エネルギーとして蓄えても良い。

また、膨張機１１０に冷媒ポンプ１３０が接続されるものとして説明したが、両者間を切断して専用の電動機によって駆動される冷媒ポンプとしても良い。

また、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、ランキンサイクル４０に冷凍サイクル３０を備えるものとして説明したが、ランキンサイクル４０のみを備えるものとしても良い。

また、加熱器４２に廃熱を与えるものとしては、エンジン（内燃機関）１０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。その場合、加熱器４２に対する加熱源は、各種廃熱機器の冷却用の流体となる。

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実施形態における制御機器が行うランキンサイクルの運転制御を示すフローチャートである。 本発明の第１実施形態における電源供給停止時の電磁弁およびモータジェネレータの作動を示すタイムチャートである。

符号の説明

４０ ランキンサイクル
５０ 通電制御回路（制御手段）
１００ 冷媒ポンプ一体型膨張発電機
１１０ 膨張機
１１１ 膨張機ハウジング（ハウジング）
１１２ａ 基板部（仕切り部）
１１３ 旋回スクロール（駆動部）
１１３ｅ 低圧室（低圧部）
１１４ 高圧室（高圧部）
１１６ 連通路（貫通穴）
１１７ 均圧弁（開閉手段）
１１７ａ 弁体
１１７ｂ 電磁弁
１２０ モータジェネレータ（発電機）

Claims (6)

1. 加熱されて高圧となった蒸気作動流体が流入する高圧部（１１４）と、
   前記高圧部（１１４）からの前記蒸気作動流体の膨張によって駆動される駆動部（１１３）と、
   前記駆動部（１１３）で膨張した後に低圧となった作動流体を外部に流出させる低圧部（１１３ｅ）とが、
   ハウジング（１１１）内に配設された膨張機において、
   前記ハウジング（１１１）内に設けられて、前記駆動部（１１３）を迂回して前記高圧部（１１４）と前記低圧部（１１３ｅ）とを直接連通させる連通路（１１６）と、
   前記連通路（１１６）を開閉する開閉手段（１１７）とを備え、
   前記開閉手段（１１７）は、外部電気信号によって前記連通路（１１６）を開閉する電磁弁、あるいは電磁弁（１１７ｅ）に連動して前記連通路（１１６）を開閉する弁体（１１７ａ）であり、
   前記電磁弁あるいは前記弁体（１１７ａ）は、前記外部電気信号が供給される時に、前記連通路（１１６）を閉じ、前記外部電気信号が遮断された時に前記連通路（１１６）を開くことを特徴とする膨張機。
2. 前記高圧部（１１４）と前記駆動部（１１３）との間には、両者（１１４、１１３）間を仕切る仕切り部（１１２ａ）が設けられており、
   前記連通路（１１６）の少なくとも一部は、前記仕切り部（１１２ａ）を貫通する貫通穴（１１６）によって形成されたことを特徴とする請求項１に記載の膨張機。
3. 前記低圧部（１１３ｅ）側に配設されて、前記駆動部（１１３）と接続される発電機（１２０）を有し、
   前記低圧部（１１３ｅ）は、前記発電機（１２０）内に連通していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の膨張機。
4. 請求項１〜請求項３に記載の膨張機（１１０）が、ランキンサイクル（４０）内に配設されて、
   前記膨張機（１１０）の作動を制御する制御手段（５０）を備える膨張機制御装置において、
   前記ランキンサイクル（４０）を停止させる時に、前記制御手段（４０）は前記開閉手段（１１７）を開くことを特徴とする膨張機制御装置。
5. 前記制御手段（４０）は、前記開閉手段（１１７）を開いた後に、前記膨張機（１１０）を停止させることを特徴とする請求項４に記載の膨張機制御装置。
6. 前記ランキンサイクル（４０）を起動させる時に、前記制御手段（４０）は前記開閉手段（１１７）を開き、所定時間後に閉じることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の膨張機制御装置。

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