JP5389608B2 - 流体機械及び流体機械を用いた自動車用廃熱利用システム - Google Patents
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Description
本発明は、流体機械及び流体機械を用いた自動車用廃熱利用システムに係り、詳しくは、車両の内燃機関の廃熱を回収して利用するのに好適な流体機械を用いた技術に関する。
この種の自動車用廃熱利用システムは、作動流体としての冷媒の循環路に、内燃機関の廃熱により作動流体を加熱して蒸発させる蒸発器、該蒸発器を経由した作動流体を膨張させて回転駆動力を発生する膨張機、該膨張機にて発生した回転駆動力が伝達される被動力伝達装置、該膨張機を経由した作動流体を凝縮させる凝縮器、該凝縮器を経由した作動流体を前記蒸発器に送出するポンプが順次介装されたランキンサイクルを備えている。
そして、このような自動車用廃熱利用システムにおいて、例えば、ポンプと膨張機と被動力伝達装置としてのモータジェネレータとを同軸上に配し、ランキンサイクルの起動時にはモータジェネレータをモータとして機能させてポンプを回転させる一方、冷媒の循環によって膨張機が自発回転し始めたらモータジェネレータを発電機として機能させる構成の流体機械が公知である（特許文献１）。
上記特許文献１に開示の技術では、モータジェネレータはポンプを駆動させるとともに膨張機の駆動時には発電機として機能するよう構成されているが、夏季等の外気温が高い状況下では、車両の必要とする電力をモータジェネレータで十分に発電できないという問題がある。
この場合、車両の必要とする電力を確保するためには、従来同様に別途内燃機関により駆動されるオルタネータを車両に設けることが考えられる。
この場合、車両の必要とする電力を確保するためには、従来同様に別途内燃機関により駆動されるオルタネータを車両に設けることが考えられる。
しかしながら、一の車両にモータジェネレータと従来同様のオルタネータの二つの発電機を設けることは、余分に設置スペースを占有することになり、また重量やコストの増大に繋がり、好ましいことではない。
これより、例えば、被動力伝達装置を内燃機関とし、膨張機の回転駆動力を無端状のベルトを介して直接内燃機関に伝達するとともに既存のオルタネータにも伝達する構成の廃熱利用システムが考えられている。
これより、例えば、被動力伝達装置を内燃機関とし、膨張機の回転駆動力を無端状のベルトを介して直接内燃機関に伝達するとともに既存のオルタネータにも伝達する構成の廃熱利用システムが考えられている。
このような構成にすれば、既存のオルタネータを一つ設けただけで膨張機の回転駆動力及び内燃機関の回転駆動力によって効率よく十分に発電を行うことが可能である。
一方、車両には一般に車室内の空調を行う空調装置が設けられており、空調装置の冷凍サイクルの一部である圧縮機等は補機の一つとして通常は上記無端状のベルトを共用して内燃機関により駆動される。即ち、内燃機関及び膨張機の回転駆動力を無端状のベルトを介してオルタネータに伝達する構成のランキンサイクルに冷凍サイクルを加えたような車両では、無端状のベルトは内燃機関、膨張機の他、オルタネータや圧縮機等の内燃機関の補機類の各回転軸に掛け回されている。
一方、車両には一般に車室内の空調を行う空調装置が設けられており、空調装置の冷凍サイクルの一部である圧縮機等は補機の一つとして通常は上記無端状のベルトを共用して内燃機関により駆動される。即ち、内燃機関及び膨張機の回転駆動力を無端状のベルトを介してオルタネータに伝達する構成のランキンサイクルに冷凍サイクルを加えたような車両では、無端状のベルトは内燃機関、膨張機の他、オルタネータや圧縮機等の内燃機関の補機類の各回転軸に掛け回されている。
ところが、このように無端状のベルトが内燃機関、膨張機、オルタネータ、圧縮機等の各回転軸に掛け回されていると、ベルトが長くなり、撓み等を発生し易く、好ましいことではない。
また、圧縮機や膨張機は容量や能力に比例して比較的大型化する傾向にあるため、これらを車両の限られたスペースに納めようとすると無理なレイアウトが強いられるという問題もある。
また、圧縮機や膨張機は容量や能力に比例して比較的大型化する傾向にあるため、これらを車両の限られたスペースに納めようとすると無理なレイアウトが強いられるという問題もある。
そこで、例えば、圧縮機及び膨張機の他、上記ポンプを同軸に一体化して構成することが考えられ、この場合、これら圧縮機、膨張機及びポンプをコンパクトにして如何に効率よく効果的に組み合わせて一体化するかが課題となる。
本発明は、このような課題に鑑みなされたもので、空調装置の冷凍サイクルの一部である圧縮機と、ランキンサイクルの膨張機及びポンプとをコンパクトにして効率よく効果的に組み合わせて一体化可能な流体機械及び流体機械を用いた自動車用廃熱利用システムを提供することを目的とする。
本発明は、このような課題に鑑みなされたもので、空調装置の冷凍サイクルの一部である圧縮機と、ランキンサイクルの膨張機及びポンプとをコンパクトにして効率よく効果的に組み合わせて一体化可能な流体機械及び流体機械を用いた自動車用廃熱利用システムを提供することを目的とする。
上記の目的を達成するべく、請求項１の流体機械は、自動車用廃熱利用システムに使用される流体機械であって、回転軸が貫通する圧縮機と、回転軸が貫通するポンプと、回転軸が一方側に突出している膨張機とを前記圧縮機、前記ポンプ、前記膨張機の順に配設して一体に構成するとともに、前記各回転軸を同軸で一体に構成し、該同軸で一体に構成された回転軸の前記圧縮機側の端部に、内燃機関の回転軸と連動する伝達手段を設けたことを特徴とする。
請求項２の流体機械では、請求項１において、前記ポンプは可変容量式ポンプであることを特徴とする。
請求項３の流体機械では、請求項１または２において、前記圧縮機は可変容量式圧縮機であることを特徴とする。
請求項４の自動車用廃熱利用システムは、請求項１記載の流体機械を備えた自動車用廃熱利用システムであって、冷媒の循環路に、該冷媒を圧縮する前記圧縮機が介装された冷凍サイクルと、作動流体の循環路に、内燃機関の廃熱により作動流体を加熱して蒸発させる蒸発器、該蒸発器を経由した作動流体を膨張させる前記膨張機、該膨張機を経由した作動流体を凝縮させる凝縮器、該凝縮器を経由した作動流体を前記蒸発器に送出するポンプが順次介装されたランキンサイクルと、発電を行うオルタネータとを備え、前記内燃機関、前記オルタネータの各回転軸及び前記流体機械の前記伝達手段は同期回転可能に連結されていることを特徴とする。
請求項３の流体機械では、請求項１または２において、前記圧縮機は可変容量式圧縮機であることを特徴とする。
請求項４の自動車用廃熱利用システムは、請求項１記載の流体機械を備えた自動車用廃熱利用システムであって、冷媒の循環路に、該冷媒を圧縮する前記圧縮機が介装された冷凍サイクルと、作動流体の循環路に、内燃機関の廃熱により作動流体を加熱して蒸発させる蒸発器、該蒸発器を経由した作動流体を膨張させる前記膨張機、該膨張機を経由した作動流体を凝縮させる凝縮器、該凝縮器を経由した作動流体を前記蒸発器に送出するポンプが順次介装されたランキンサイクルと、発電を行うオルタネータとを備え、前記内燃機関、前記オルタネータの各回転軸及び前記流体機械の前記伝達手段は同期回転可能に連結されていることを特徴とする。
請求項５の自動車用廃熱利用システムでは、請求項４において、前記伝達手段はプーリであって、前記内燃機関、前記オルタネータの各回転軸及び前記流体機械の前記プーリには無端状のベルトが掛け回されていることを特徴とする。
請求項６の自動車用廃熱利用システムでは、請求項４または５において、前記ポンプは可変容量式ポンプであり、該可変容量式ポンプのポンプ容量を前記膨張機の出力に応じて可変制御するポンプ容量制御手段をさらに備えることを特徴とする。
請求項６の自動車用廃熱利用システムでは、請求項４または５において、前記ポンプは可変容量式ポンプであり、該可変容量式ポンプのポンプ容量を前記膨張機の出力に応じて可変制御するポンプ容量制御手段をさらに備えることを特徴とする。
請求項７の自動車用廃熱利用システムでは、請求項４乃至６のいずれかにおいて、前記圧縮機は可変容量式圧縮機であり、該可変容量式圧縮機の吐出容量を前記冷凍サイクルの作動状況に応じて可変制御する吐出容量制御手段をさらに備えることを特徴とする。
請求項１の流体機械によれば、自動車用廃熱利用システムに使用される流体機械において、圧縮機、ポンプ及び膨張機は同軸の回転軸を有して一体に構成されているので、例えば空調装置の冷凍サイクルの一部である圧縮機と、ランキンサイクルの膨張機及びポンプとを同軸の回転軸を有して一体に構成することで、これら圧縮機、膨張機及びポンプをコンパクトに構成することができる。
特に、流体機械は、回転軸の圧縮機側の端部に設けられた伝達手段、圧縮機、ポンプ、膨張機の順に一体に配設されて構成されているので、例えば空調装置の冷凍サイクルの一部である圧縮機には低圧〜中間圧の冷媒が流れ、ランキンサイクルの膨張機及びポンプには中間圧〜高圧の作動流体が流れているのであるが（大気圧＜低圧＜中間圧＜高圧）、圧縮機の伝達手段側に設けたシールの前後圧を大気圧と低圧に、圧縮機とポンプとの接続部分に位置するシールの前後圧を低圧と中間圧に、ポンプと膨張機との接続部分に位置するシールの前後圧を中間圧と中間圧にでき、シール両側の圧力差を最も小さい状態にすることができ、シール構造を簡単なものにすることができる。
また、例えば故障時等において、容易にポンプや膨張機を外して圧縮機のみを優先させて駆動させることもできる。
請求項２の流体機械によれば、ポンプは可変容量式ポンプであるので、例えばランキンサイクルのポンプにおいて、作動流体の流量の適正化を図ることができる。また、例えば、流体機械の回転軸が内燃機関に連結されている場合において、内燃機関のアイドル運転時のように、ポンプの内燃機関からの入力が膨張機の出力よりも大きくなるような場合には、ポンプ容量をゼロとすることで、ポンプ自体のトルクを無くし、内燃機関の負荷を軽減することができる。
請求項２の流体機械によれば、ポンプは可変容量式ポンプであるので、例えばランキンサイクルのポンプにおいて、作動流体の流量の適正化を図ることができる。また、例えば、流体機械の回転軸が内燃機関に連結されている場合において、内燃機関のアイドル運転時のように、ポンプの内燃機関からの入力が膨張機の出力よりも大きくなるような場合には、ポンプ容量をゼロとすることで、ポンプ自体のトルクを無くし、内燃機関の負荷を軽減することができる。
請求項３の流体機械によれば、圧縮機は可変容量式圧縮機であるので、例えば空調装置の冷凍サイクルの圧縮機の作動要求が小さい或いは無いような場合には、圧縮機の吐出容量を低減或いはゼロとすることで、圧縮機が不必要に膨張機の負荷とならないようにし、ランキンサイクルの膨張機の回転駆動力を良好に回収することができる。
請求項４の自動車用廃熱利用システムによれば、請求項１の流体機械を備えた自動車用廃熱利用システムにおいて、冷凍サイクルの圧縮機、ランキンサイクルのポンプ及び膨張機を同軸にして一体にして流体機械を構成し、内燃機関、オルタネータの各回転軸及び流体機械の伝達手段が同期回転可能に連結されているので、オルタネータについては別途独立させて発電効率を高めながら、圧縮機、ポンプ及び膨張機をコンパクトに一体に構成しつつ、膨張機の回転駆動力で内燃機関の回転駆動力を良好にアシストすることができる。
請求項４の自動車用廃熱利用システムによれば、請求項１の流体機械を備えた自動車用廃熱利用システムにおいて、冷凍サイクルの圧縮機、ランキンサイクルのポンプ及び膨張機を同軸にして一体にして流体機械を構成し、内燃機関、オルタネータの各回転軸及び流体機械の伝達手段が同期回転可能に連結されているので、オルタネータについては別途独立させて発電効率を高めながら、圧縮機、ポンプ及び膨張機をコンパクトに一体に構成しつつ、膨張機の回転駆動力で内燃機関の回転駆動力を良好にアシストすることができる。
請求項５の自動車用廃熱利用システムによれば、伝達手段はプーリであって、内燃機関、オルタネータの各回転軸及び流体機械のプーリには無端状のベルトが掛け回されているので、圧縮機、ポンプ及び膨張機をコンパクトに一体に構成しつつ、掛け回す無端状のベルトを極力短くして撓みを低減できる。
請求項６の自動車用廃熱利用システムによれば、ポンプは可変容量式ポンプであり、該可変容量式ポンプのポンプ容量を膨張機の出力に応じてポンプ容量制御手段で可変制御するので、ランキンサイクルのポンプにおいて作動流体の流量の適正化を図ることができる。また、流体機械の回転軸の伝達手段が内燃機関に連結されている場合において、内燃機関のアイドル運転時のように、ポンプへの内燃機関からの入力が膨張機の出力よりも大きくなるような場合には、ポンプ容量をゼロとすることで、ポンプ自体のトルクを無くし、内燃機関の負荷を軽減することができる。
請求項６の自動車用廃熱利用システムによれば、ポンプは可変容量式ポンプであり、該可変容量式ポンプのポンプ容量を膨張機の出力に応じてポンプ容量制御手段で可変制御するので、ランキンサイクルのポンプにおいて作動流体の流量の適正化を図ることができる。また、流体機械の回転軸の伝達手段が内燃機関に連結されている場合において、内燃機関のアイドル運転時のように、ポンプへの内燃機関からの入力が膨張機の出力よりも大きくなるような場合には、ポンプ容量をゼロとすることで、ポンプ自体のトルクを無くし、内燃機関の負荷を軽減することができる。
請求項７の自動車用廃熱利用システムによれば、圧縮機は可変容量式圧縮機であり、該可変容量式圧縮機の吐出容量を冷凍サイクルの作動状況に応じて吐出容量制御手段で可変制御するので、冷凍サイクルの圧縮機の作動要求が小さい或いは無いような場合には、圧縮機の吐出容量を低減或いはゼロとすることで、圧縮機が不必要に膨張機の負荷とならないようにし、膨張機の回転駆動力で内燃機関の回転駆動力を良好にアシストすることができる。
以下、図面により本発明の一実施形態について説明する。
先ず、第１実施例について説明する。
図１は、本発明に係る流体機械を用いた自動車用廃熱利用システムを模式的に示した図である。
廃熱利用システム１は、例えば車両に搭載され、エンジン（内燃機関）２、電力回収回路４、エアコン回路（冷凍サイクル）２０、冷却水回路３０、ランキン回路（ランキンサイクル）４０から構成されている。
先ず、第１実施例について説明する。
図１は、本発明に係る流体機械を用いた自動車用廃熱利用システムを模式的に示した図である。
廃熱利用システム１は、例えば車両に搭載され、エンジン（内燃機関）２、電力回収回路４、エアコン回路（冷凍サイクル）２０、冷却水回路３０、ランキン回路（ランキンサイクル）４０から構成されている。
電力回収回路４は、エンジン２の回転駆動力をオルタネータ１４により電力に変換して回収する電気回路である。エンジン２の回転駆動力は、エンジン２のクランクシャフト（回転軸）７に接合されたプーリ８から無端状のベルト１２、電力回収回路４側のプーリ１０及び駆動軸（回転軸）１１を順次介してオルタネータ１４に伝達され、オルタネータ１４にて回転駆動力が電力に変換されて電力回収回路４にて回収される。電力回収回路４にて回収された電力は、例えば車両の各種電気機器の駆動電力として利用される。
エアコン回路２０は、冷媒の循環路２２に、冷媒の流れ方向で視て順に、圧縮機２４、何れも図示しないエアコンコンデンサ、気液分離器、膨張弁、エバポレータなどが介装されて閉回路を構成しており、当該エバポレータに車室内の空気を通風して冷媒との間で熱交換させることにより、例えば車両の車室内の空調を行っている。
ここに、圧縮機２４は、無端状のベルト１２及びプーリ（伝達手段）２６を介して回転軸２５に伝達されたエンジン２の回転駆動力により駆動され、上記エバポレータにて蒸発した冷媒を圧縮して過熱蒸気の状態にする。そして、圧縮機２４から吐出される冷媒は、上記エアコンコンデンサにて凝縮液化され、当該液化した液冷媒は上記気液分離器を経て上記膨張弁にて膨張された後に上記エバポレータに向けて送出される。
ここに、圧縮機２４は、無端状のベルト１２及びプーリ（伝達手段）２６を介して回転軸２５に伝達されたエンジン２の回転駆動力により駆動され、上記エバポレータにて蒸発した冷媒を圧縮して過熱蒸気の状態にする。そして、圧縮機２４から吐出される冷媒は、上記エアコンコンデンサにて凝縮液化され、当該液化した液冷媒は上記気液分離器を経て上記膨張弁にて膨張された後に上記エバポレータに向けて送出される。
冷却水回路３０は、エンジン２の冷却水通路に連通された冷却水の循環路３２に、冷却水の流れ方向で視て順に、ランキン蒸発器３４、何れも図示しないラジエータ、サーモスタット、水ポンプなどが介装されて閉回路を構成し、エンジン２を冷却している。
ランキン回路４０は、作動流体の循環路４２に、作動流体の流れ方向で視て順に、上記ランキン蒸発器３４、ランキン蒸発器３４にて加熱され過熱状態となる作動流体の膨張によって回転駆動力を発生する膨張機４８、ランキンコンデンサ４４、作動流体を循環させるポンプ４６などが介装されて閉回路を構成し、ランキン蒸発器３４にて冷却水回路３０を循環する冷却水との間で熱交換を行うことでエンジン２の廃熱を回収している。
ランキン回路４０は、作動流体の循環路４２に、作動流体の流れ方向で視て順に、上記ランキン蒸発器３４、ランキン蒸発器３４にて加熱され過熱状態となる作動流体の膨張によって回転駆動力を発生する膨張機４８、ランキンコンデンサ４４、作動流体を循環させるポンプ４６などが介装されて閉回路を構成し、ランキン蒸発器３４にて冷却水回路３０を循環する冷却水との間で熱交換を行うことでエンジン２の廃熱を回収している。
ところで、エアコン回路２０の上記圧縮機２４、ランキン回路４０の上記ポンプ４６及び膨張機４８は、流体機械３として構成されている。即ち、圧縮機２４とポンプ４６及び膨張機４８とが同一の回転軸２５によって回転作動する流体機械３として一体に構成されている。つまり、流体機械３は、圧縮機２４部分に低圧〜中間圧の冷媒が流れ、ポンプ４６部分及び膨張機４８部分に中間圧〜高圧の作動流体が流れるような流体機械として構成されている。
図２を参照すると、本発明の第１実施例に係る流体機械３の縦断面図が示されており、以下流体機械３の構成について説明する。
同図に示すように、流体機械３は、回転軸２５がプーリ２６側から順に圧縮機２４、ポンプ４６及び膨張機４８を貫通するように構成されている。
圧縮機２４は、可変容量型斜板圧縮機であり、流体機械３のハウジングの一部を構成するフロントハウジング５０の一端にシリンダブロック５２、バルブプレート５４及びシリンダヘッド５６がこの順序で気密に配設されて構成されている。そして、フロントハウジング５０とシリンダブロック５２との間にはクランク室５８が形成されている。
同図に示すように、流体機械３は、回転軸２５がプーリ２６側から順に圧縮機２４、ポンプ４６及び膨張機４８を貫通するように構成されている。
圧縮機２４は、可変容量型斜板圧縮機であり、流体機械３のハウジングの一部を構成するフロントハウジング５０の一端にシリンダブロック５２、バルブプレート５４及びシリンダヘッド５６がこの順序で気密に配設されて構成されている。そして、フロントハウジング５０とシリンダブロック５２との間にはクランク室５８が形成されている。
シリンダヘッド５６には、吸入ポート及び吐出ポートが形成され、シリンダヘッド５６の内部には、吸入ポート又は吐出ポートに連通する吸入室６０及び吐出室６２が形成されている。
吸入室６０は、吸入リード弁（図示せず）を介してシリンダブロック５２の各シリンダボア６４に連通しており、吐出室６２は、吐出リード弁６３を介して各シリンダボア６４に連通している。なお、吐出室６２は、図示しないものの、連通路を通じてクランク室５８と連通し、この連通路には電磁弁が配置されている。この電磁弁は、電子コントロールユニット（ＥＣＵ）１５０に電気的に接続され、ＥＣＵ１５０の制御により開閉作動し、吐出室６２とクランク室５８とを断続的に連通可能である。
吸入室６０は、吸入リード弁（図示せず）を介してシリンダブロック５２の各シリンダボア６４に連通しており、吐出室６２は、吐出リード弁６３を介して各シリンダボア６４に連通している。なお、吐出室６２は、図示しないものの、連通路を通じてクランク室５８と連通し、この連通路には電磁弁が配置されている。この電磁弁は、電子コントロールユニット（ＥＣＵ）１５０に電気的に接続され、ＥＣＵ１５０の制御により開閉作動し、吐出室６２とクランク室５８とを断続的に連通可能である。
シリンダブロック５２の各シリンダボア６４内には、クランク室５８側からピストン６６が往復動自在に挿入され、ピストン６６のテール部は、クランク室５８内に突出している。
一方、回転軸２５は、クランク室５８、シリンダブロック５２、バルブプレート５４及びシリンダヘッド５６を貫通し、２つのラジアルベアリング２７、２８を介してフロントハウジング５０及びシリンダブロック５２に回転自在に支持されている。なお、回転軸２５とフロントハウジング５０との間には、ラジアルベアリング２７よりもプーリ２６側に位置してリップシール（第１のシール）２９が取り付けられ、回転軸２５とシリンダヘッド５６との間にはリップシール（第２のシール）５７が取り付けられて密閉されている。
一方、回転軸２５は、クランク室５８、シリンダブロック５２、バルブプレート５４及びシリンダヘッド５６を貫通し、２つのラジアルベアリング２７、２８を介してフロントハウジング５０及びシリンダブロック５２に回転自在に支持されている。なお、回転軸２５とフロントハウジング５０との間には、ラジアルベアリング２７よりもプーリ２６側に位置してリップシール（第１のシール）２９が取り付けられ、回転軸２５とシリンダヘッド５６との間にはリップシール（第２のシール）５７が取り付けられて密閉されている。
回転軸２５と上記ピストン６６のテール部との間には、回転軸２５の回転運動をピストン６６の往復運動に変換するための変換機構が設けられている。
変換機構として、先ず回転軸２５には円盤状のロータ７０が固定され、ロータ７０とフロントハウジング５０との間にはスラストベアリング７２が配置されている。
そして、回転軸２５のロータ７０とシリンダブロック５２との間の部分には、円筒状の斜板ボス７４が外嵌され、斜板ボス７４はヒンジ７６を介してロータ７０に連結されている。詳しくは、斜板ボス７４の内周面は球状の凹面をなしており、斜板ボス７４は、回転軸２５に摺動自在に外嵌されたスリーブ７８の球状の外周面に摺接している。即ち、斜板ボス７４は、回転軸２５に対して傾動可能であるとともに、回転軸２５と一体に回転可能である。また、スリーブ７８とロータ７０との間には回転軸２５に外嵌されて圧縮コイルばね７９が配設されている。
変換機構として、先ず回転軸２５には円盤状のロータ７０が固定され、ロータ７０とフロントハウジング５０との間にはスラストベアリング７２が配置されている。
そして、回転軸２５のロータ７０とシリンダブロック５２との間の部分には、円筒状の斜板ボス７４が外嵌され、斜板ボス７４はヒンジ７６を介してロータ７０に連結されている。詳しくは、斜板ボス７４の内周面は球状の凹面をなしており、斜板ボス７４は、回転軸２５に摺動自在に外嵌されたスリーブ７８の球状の外周面に摺接している。即ち、斜板ボス７４は、回転軸２５に対して傾動可能であるとともに、回転軸２５と一体に回転可能である。また、スリーブ７８とロータ７０との間には回転軸２５に外嵌されて圧縮コイルばね７９が配設されている。
斜板ボス７４には円環状の斜板８０が嵌合され一体に回転可能に固定され、斜板８０の外周部はピストン６６のテール部に形成された凹所内に位置付けられている。各テール部の凹所にはピストン６６の軸線方向に離間した一対の球面座が形成され、球面座に配置された一対の半球状のシュー８２が、斜板８０を厚さ方向両側から挟むように斜板８０の外周部に摺接している。
これにより、圧縮機２４では、回転軸２５が回転すると、回転運動が変換機構、即ちロータ７０、ヒンジ７６、斜板ボス７４、斜板８０及びシュー８２を介してピストン６６の往復運動に変換される。そして、各ピストン６６の往復運動により、吸入室６０内の低圧の冷媒が吸入リード弁を介してシリンダボア６４に吸入されてシリンダボア６４内で圧縮され、中間圧にまで圧縮された冷媒が吐出リード弁６３、吐出室６２を経て循環路２２に吐出される。
このとき、圧縮機２４から吐出される冷媒の吐出量は、ＥＣＵ１５０による上記電磁弁の開閉によりクランク室５８内の圧力（背圧）が昇降することに伴って変化する。詳しくは、ピストン６６に作用する圧縮反力、背圧及び斜板８０に作用する圧縮コイルばね７９の付勢力のバランスの変化に応じて斜板８０が傾動し、各ピストン６６のストローク長が増減することで冷媒の吐出容量が増減変化する（吐出容量制御手段）。なお、上述したようにクランク室５８は吐出室６２と連通しており、中間圧の冷媒の供給を受けることになるが、クランク室５８と吐出室６２とは電磁弁により断続的に連通されるため、クランク室５８内の圧力（背圧）は全般的に低圧である。
従って、例えばエアコン回路２０を作動させる必要がない場合やエアコン回路２０の出力を抑えたいような場合であってエアコン回路２０の作動要求が小さい或いは無いような場合には、上記電磁弁の開度を小さくすることで斜板８０の傾斜度合いを小さくし、冷媒の吐出容量を低減することで、圧縮機２４の作動を制限可能である。
ポンプ４６は、作動流体を循環路４２に循環させるべく回転軸２５により回転駆動され、中間圧の作動流体を高圧に高めることの可能な可変容量式ポンプであり、圧縮機２４と膨張機４８との間に回転軸２５により回転可能に配設されている。また、ポンプ４６には、図示しないものの吐出容量を可変させるための電磁弁が設けられており、この電磁弁はＥＣＵ１５０に電気的に接続されている（ポンプ容量制御手段）。なお、回転軸２５とポンプ４６との間にはリップシール（第３のシール）４９が取り付けられて密閉されており、このように密閉されたポンプ４６のポンプ吸入室４７には、吸入された中間圧の作動流体が流れている。
ポンプ４６は、作動流体を循環路４２に循環させるべく回転軸２５により回転駆動され、中間圧の作動流体を高圧に高めることの可能な可変容量式ポンプであり、圧縮機２４と膨張機４８との間に回転軸２５により回転可能に配設されている。また、ポンプ４６には、図示しないものの吐出容量を可変させるための電磁弁が設けられており、この電磁弁はＥＣＵ１５０に電気的に接続されている（ポンプ容量制御手段）。なお、回転軸２５とポンプ４６との間にはリップシール（第３のシール）４９が取り付けられて密閉されており、このように密閉されたポンプ４６のポンプ吸入室４７には、吸入された中間圧の作動流体が流れている。
膨張機４８は、スクロール型膨張機であり、流体機械３のハウジングの一部を構成するリヤハウジング５１内にスクロールユニットを収容して構成されている。
スクロールユニットは、固定スクロール９０と、固定スクロール９０に対して公転旋回運動する可動スクロール９２とから構成されている。
可動スクロール９２の固定スクロール９０と反対側の背面にはボス部９４が形成され、ボス部９４内にはラジアルベアリング９５を介して偏心ブッシュ９６が挿入されている。
スクロールユニットは、固定スクロール９０と、固定スクロール９０に対して公転旋回運動する可動スクロール９２とから構成されている。
可動スクロール９２の固定スクロール９０と反対側の背面にはボス部９４が形成され、ボス部９４内にはラジアルベアリング９５を介して偏心ブッシュ９６が挿入されている。
偏心ブッシュ９６には、クランクピン９８が挿入され、クランクピン９８は回転軸２５のスクロールユニット側の端部に軸心から偏心した位置で連結されており、これにより可動スクロール９２は自転することなく公転旋回運動する。
また、回転軸２５のスクロールユニット側の端部とクランクピン９８とはワンウェイクラッチ１００を介して連結されている。故に、回転軸２５の回転速度が可動スクロール９２の旋回速度よりも速い場合には回転軸２５の回転は可動スクロール９２、即ち膨張機４８には伝達されず、可動スクロール９２の旋回速度が回転軸２５の回転速度よりも速い場合にのみ可動スクロール９２、即ち膨張機４８側から回転軸２５に回転が伝達される。
また、回転軸２５のスクロールユニット側の端部とクランクピン９８とはワンウェイクラッチ１００を介して連結されている。故に、回転軸２５の回転速度が可動スクロール９２の旋回速度よりも速い場合には回転軸２５の回転は可動スクロール９２、即ち膨張機４８には伝達されず、可動スクロール９２の旋回速度が回転軸２５の回転速度よりも速い場合にのみ可動スクロール９２、即ち膨張機４８側から回転軸２５に回転が伝達される。
これより、ランキン回路４０では、作動流体がポンプ４６からランキン蒸発器３４、膨張機４８、ランキンコンデンサ４４を経てポンプ４６に戻るようにして循環路４２を循環する。
なお、膨張機４８には、図示しないものの膨張機４８の回転速度を検出する回転速度センサが設けられて外気温センサ、車両の走行速度を検出する車速センサ、エンジン２の冷却水の温度を検出する水温センサ等（共に図示せず）とともにＥＣＵ１５０に電気的に接続されており、可変容量式ポンプであるポンプ４６は、これらのセンサからの情報に基づき上記電磁弁が開閉され、膨張機４８の出力が最大となるよう作動流体の吐出容量を適宜調節可能である。なお、外気温センサ、車速センサ、水温センサ等からの情報については図示しない車両のＥＣＵから得るようにしてもよい。
なお、膨張機４８には、図示しないものの膨張機４８の回転速度を検出する回転速度センサが設けられて外気温センサ、車両の走行速度を検出する車速センサ、エンジン２の冷却水の温度を検出する水温センサ等（共に図示せず）とともにＥＣＵ１５０に電気的に接続されており、可変容量式ポンプであるポンプ４６は、これらのセンサからの情報に基づき上記電磁弁が開閉され、膨張機４８の出力が最大となるよう作動流体の吐出容量を適宜調節可能である。なお、外気温センサ、車速センサ、水温センサ等からの情報については図示しない車両のＥＣＵから得るようにしてもよい。
そして、圧縮機２４、ポンプ４６及び膨張機４８からなる流体機械３は、複数の長軸のボルト１１０によって共締めされており、これにより圧縮機２４、ポンプ４６及び膨張機４８の一体化が図られている。
以上のように、本発明に係る流体機械を用いた自動車用廃熱利用システムでは、オルタネータ１４とは別にエアコン回路２０の圧縮機２４、ランキン回路４０のポンプ４６及び膨張機４８を回転軸２５で同軸にして一体に流体機械３として構成し、エンジン２のプーリ８とオルタネータ１４のプーリ１０と流体機械３のプーリ２６とに無端状のベルト１２を掛け回して互いに連結するようにしている。
以上のように、本発明に係る流体機械を用いた自動車用廃熱利用システムでは、オルタネータ１４とは別にエアコン回路２０の圧縮機２４、ランキン回路４０のポンプ４６及び膨張機４８を回転軸２５で同軸にして一体に流体機械３として構成し、エンジン２のプーリ８とオルタネータ１４のプーリ１０と流体機械３のプーリ２６とに無端状のベルト１２を掛け回して互いに連結するようにしている。
従って、オルタネータ１４については常にエンジン２の駆動力で作動して発電が行われるとともに、エンジン２が暖機して冷却水の温度が上昇すると、これに伴いランキン蒸発器３４にて冷却水回路３０を循環する冷却水との間で熱交換が行われてランキン回路４０の作動流体が昇温し、昇圧し、これにより膨張機４８が回転駆動させられ、膨張機４８の回転駆動力でエンジン２や圧縮機２４の回転駆動力がアシストされる。
実際には、第１実施例の流体機械３では、回転軸２５と膨張機４８のクランクピン９８とに間にはワンウェイクラッチ１００が介装されているので、例えばエンジン２が未だ暖機していない場合やエンジン２の出力要求が高くエンジン２が高回転となるような場合には、膨張機４８の駆動力はエンジン２側へ伝達されることはなく、膨張機４８が不必要にエンジン２の負荷とならないようにして、エンジン２や圧縮機２４の駆動力が膨張機４８の駆動力によってアシストされる。
これにより、オルタネータ１４については別途独立させて発電効率を高めながら、圧縮機２４、ポンプ４６及び膨張機４８をコンパクトに効率よく組み合わせて一体に構成するようにして車両の限られたスペースでの無理なレイアウトを防止でき、掛け回す無端状のベルト１２を極力短くして撓みを低減しつつ、膨張機４８の回転駆動力でエンジン２や圧縮機２４の回転駆動力を効率よくアシストすることができる。
特に、流体機械３では、最もプーリ２６寄りに圧縮機２４が位置し、次にポンプ４６が位置し、最もプーリ２６から離間して膨張機４８が位置するように並べて圧縮機２４、ポンプ４６及び膨張機４８を一体化し、圧縮機２４のプーリ２６側の部分をリップシール２９で密閉し、圧縮機２４とポンプ４６との間の接続部分をリップシール５７で密閉し、ポンプ４６と膨張機４８との接続部分をリップシール４９で密閉している。
プーリ２６、圧縮機２４、ポンプ４６、膨張機４８をこの順に配設することにより、上述したように圧縮機２４には低圧〜中間圧の冷媒が流れ、ポンプ４６及び膨張機４８には中間圧〜高圧の作動流体が流れているのであるが、圧縮機２４のプーリ２６側の部分において圧縮機２４側をリップシール２９を挟んで低圧の冷媒の流れるクランク室５８とするようにでき、圧縮機２４とポンプ４６間の接続部分においてリップシール５７を挟んで圧縮機２４側を低圧の冷媒の流れるクランク室５８と同等の低圧とし、ポンプ４６側を中間圧の作動流体の流れるポンプ吸入室４７とするようにでき、さらにポンプ４６と膨張機４８間の接続部分においてリップシール４９を挟んでポンプ４６側を中間圧の作動流体の流れるポンプ吸入室４７とし、膨張機４８側を中間圧の作動流体の流れる領域とするようにできる。
これにより、リップシール２９の前後圧を大気圧と低圧とし、リップシール５７の前後圧を低圧と中間圧とし、リップシール４９の前後圧を中間圧同士とし（大気圧＜低圧＜中間圧＜高圧）、圧力差を最も小さい状態にすることができる。故に、リップシール２９、リップシール５７、リップシール４９による密閉性能を簡素なシール構造で高く維持することができる。
また、プーリ２６、圧縮機２４、ポンプ４６、膨張機４８をこの順に配設することにより、例えばポンプ４６や膨張機４８の故障時等において、容易にポンプ４６や膨張機４８を外して圧縮機２４のみを優先させて駆動させることも可能である。
また、ポンプ４６は可変容量式ポンプであり、ポンプ４６からの作動流体の吐出容量を膨張機４８の出力が最大となるように適宜調節するので、ランキンサイクルの作動流体の流量の適正化を図ることができる。さらに、エンジン２のアイドル運転時のように、ポンプ４６のエンジン２からの入力が膨張機４８の出力よりも大きくなるような場合には、即ちランキンサイクル側が十分に駆動しないときには、ポンプ４６の容量をゼロとすることで、ポンプ４６自体のトルクを無くし、エンジン２の負荷を軽減することができる。
また、ポンプ４６は可変容量式ポンプであり、ポンプ４６からの作動流体の吐出容量を膨張機４８の出力が最大となるように適宜調節するので、ランキンサイクルの作動流体の流量の適正化を図ることができる。さらに、エンジン２のアイドル運転時のように、ポンプ４６のエンジン２からの入力が膨張機４８の出力よりも大きくなるような場合には、即ちランキンサイクル側が十分に駆動しないときには、ポンプ４６の容量をゼロとすることで、ポンプ４６自体のトルクを無くし、エンジン２の負荷を軽減することができる。
また、圧縮機２４は可変容量型斜板圧縮機であり、圧縮機２４の吐出容量をエアコン回路２０の作動状況に応じて可変制御するので、エアコン回路２０の作動要求が小さい或いは無いような場合には、圧縮機２４の吐出容量を低減或いはゼロとして圧縮機２４の作動を制限して負荷とならないようにでき、膨張機４８の回転駆動力でエンジン２の回転駆動力を良好にアシストすることができる。
次に、第２実施例について説明する。
第２実施例では、自動車用廃熱利用システムのシステム構成は上記第１実施例と同様であって図１に示す通りであり、ここでは第１実施例と異なる部分についてのみ説明する。
図３を参照すると、本発明の第２実施例に係る流体機械３’の縦断面図が示されており、以下流体機械３’の構成について説明する。なお、流体機械３についての上記図２と同一部分については同一符号を付して説明を省略する。
第２実施例では、自動車用廃熱利用システムのシステム構成は上記第１実施例と同様であって図１に示す通りであり、ここでは第１実施例と異なる部分についてのみ説明する。
図３を参照すると、本発明の第２実施例に係る流体機械３’の縦断面図が示されており、以下流体機械３’の構成について説明する。なお、流体機械３についての上記図２と同一部分については同一符号を付して説明を省略する。
第２実施例では、図３に示すように、上記ワンウェイクラッチ１００に代えて、回転軸２５の圧縮機２４とポンプ４６との間の部分にワンウェイクラッチ１２０及びラジアルベアリング１２２が介装されている。即ち、回転軸２５はプーリ２６及び圧縮機２４に連結された回転軸２５ａとポンプ４６及び膨張機４８に連結された回転軸２５ｂとからなり、これら回転軸２５ａと回転軸２５ｂ間にワンウェイクラッチ１２０が介装されている。
故に、第２実施例では、流体機械３’は、回転軸２５ａの回転速度が回転軸２５ｂよりも速い場合には回転軸２５ａの回転は回転軸２５ｂに対し許容されて回転軸２５ｂひいてはポンプ４６及び膨張機４８に伝達されず、回転軸２５ｂの回転速度が回転軸２５ａの回転速度よりも速い場合にのみ回転軸２５ｂひいてはポンプ４６及び膨張機４８側から回転軸２５ａに回転が伝達されるよう構成されている。
このように、第２実施例の流体機械３’では、例えばエンジン２が未だ暖機していない場合やエンジン２の出力要求が高くエンジン２が高回転となるような場合には、上記第１実施例と同様に膨張機４８の駆動力はエンジン２側へ伝達されることはなく、膨張機４８のみならずポンプ４６もが不必要にエンジン２の負荷とならないようにして、エンジン２や圧縮機２４の駆動力が膨張機４８の駆動力によってアシストされる。
これにより、第２実施例によれば、オルタネータ１４については別途独立させて発電効率を高めながら、膨張機４８とポンプ４６が不必要にエンジン２の負荷とならないように図りながら圧縮機２４、ポンプ４６及び膨張機４８をコンパクトにして一層効率よく組み合わせて一体に構成することができる。
以上で本発明の一実施形態についての説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更ができるものである。
以上で本発明の一実施形態についての説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更ができるものである。
例えば、上記実施形態では、圧縮機２４を可変容量型斜板圧縮機としたが、圧縮機２４は可変容量式圧縮機であれば斜板圧縮機に限られるものではない。
また、上記実施形態では、エンジン２のプーリ８とオルタネータ１４のプーリ１０と流体機械３のプーリ２６とに無端状のベルト１２を掛け回して互いに連結するようにしているが、さらにエンジン２の他の補機として例えば冷却ファン、スーパーチャージャ、ウォータポンプ等を配設している場合には、これら他の補機のプーリをベルト１２に掛け回すことを制限するものではない。
また、上記実施形態では、エンジン２のプーリ８とオルタネータ１４のプーリ１０と流体機械３のプーリ２６とに無端状のベルト１２を掛け回して互いに連結するようにしているが、さらにエンジン２の他の補機として例えば冷却ファン、スーパーチャージャ、ウォータポンプ等を配設している場合には、これら他の補機のプーリをベルト１２に掛け回すことを制限するものではない。
また、上記実施形態では、ランキン回路４０は、ランキン蒸発器３４を介し冷却水回路３０を循環する冷却水との間で熱交換を行うことでエンジン２の廃熱を回収しているが、例えばエンジン２の排気通路を流れる排ガスとの間で熱交換を行うことでエンジン２の廃熱を回収するようにしてもよい。
１ 廃熱利用システム
２ エンジン
３、３’ 流体機械
４ 電力回収回路
８、１０、２６ プーリ
１２ ベルト
１４ オルタネータ
２０ エアコン回路（冷凍サイクル）
２４ 圧縮機
２５ 回転軸
２９ リップシール
３０ 冷却水回路
４０ ランキン回路（ランキンサイクル）
４６ ポンプ
４７ ポンプ吸入室
４８ 膨張機
４９ リップシール
５７ リップシール
５８ クランク室
１００ ワンウェイクラッチ
１２０ ワンウェイクラッチ
１５０ ＥＣＵ
２ エンジン
３、３’ 流体機械
４ 電力回収回路
８、１０、２６ プーリ
１２ ベルト
１４ オルタネータ
２０ エアコン回路（冷凍サイクル）
２４ 圧縮機
２５ 回転軸
２９ リップシール
３０ 冷却水回路
４０ ランキン回路（ランキンサイクル）
４６ ポンプ
４７ ポンプ吸入室
４８ 膨張機
４９ リップシール
５７ リップシール
５８ クランク室
１００ ワンウェイクラッチ
１２０ ワンウェイクラッチ
１５０ ＥＣＵ
Claims (7)
- 自動車用廃熱利用システムに使用される流体機械であって、
回転軸が貫通する圧縮機と、回転軸が貫通するポンプと、回転軸が一方側に突出している膨張機とを前記圧縮機、前記ポンプ、前記膨張機の順に配設して一体に構成するとともに、
前記各回転軸を同軸で一体に構成し、
該同軸で一体に構成された回転軸の前記圧縮機側の端部に、内燃機関の回転軸と連動する伝達手段を設けたことを特徴とする流体機械。 - 前記ポンプは可変容量式ポンプであることを特徴とする、請求項１記載の流体機械。
- 前記圧縮機は可変容量式圧縮機であることを特徴とする、請求項１または２記載の流体機械。
- 請求項１記載の流体機械を備えた自動車用廃熱利用システムであって、
冷媒の循環路に、該冷媒を圧縮する前記圧縮機が介装された冷凍サイクルと、
作動流体の循環路に、内燃機関の廃熱により作動流体を加熱して蒸発させる蒸発器、該蒸発器を経由した作動流体を膨張させる前記膨張機、該膨張機を経由した作動流体を凝縮させる凝縮器、該凝縮器を経由した作動流体を前記蒸発器に送出するポンプが順次介装されたランキンサイクルと、
発電を行うオルタネータとを備え、
前記内燃機関、前記オルタネータの各回転軸及び前記流体機械の前記伝達手段は同期回転可能に連結されていることを特徴とする自動車用廃熱利用システム。 - 前記伝達手段はプーリであって、
前記内燃機関、前記オルタネータの各回転軸及び前記流体機械の前記プーリには無端状のベルトが掛け回されていることを特徴とする、請求項４記載の自動車用廃熱利用システム。 - 前記ポンプは可変容量式ポンプであり、
該可変容量式ポンプのポンプ容量を前記膨張機の出力に応じて可変制御するポンプ容量制御手段をさらに備えることを特徴とする、請求項４または５記載の自動車用廃熱利用システム。 - 前記圧縮機は可変容量式圧縮機であり、
該可変容量式圧縮機の吐出容量を前記冷凍サイクルの作動状況に応じて可変制御する吐出容量制御手段をさらに備えることを特徴とする、請求項４乃至６のいずれか記載の自動車用廃熱利用システム。
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| WO2024017559A1 (de) * | 2022-07-22 | 2024-01-25 | Man Energy Solutions Se | Brayton-kreisprozess-maschine und verfahren zum betreiben einer brayton-kreisprozess-maschine |
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