JP5505506B2 - 廃熱利用装置 - Google Patents

Description

本発明は、廃熱源の廃熱を利用して回転電機の駆動軸に回転力を付与する膨張機を備えた廃熱利用装置に関する。

回転電機である発電機のコイルの温度が上昇すると、コイルの電気抵抗が増大し、発電機の発電効率が低下する。そのため、発電機のコイルを冷却することが望ましい。

特許文献１に開示のランキンサイクル装置では、膨張機を収納する膨張機ケーシングと、発電電動機（発電機）を収納する発電電動機ケーシングとが外気に対して密封状態で結合され、膨張室からの漏れ蒸気が存在する膨張機ケーシングの内部空間と発電電動機ケーシングの内部空間とは、上部の連通孔を介して連通している。特許文献１には、膨張機ケーシングの内部空間内に存在する漏れ蒸気が連通孔を介して発電電動機ケーシングの内部空間へ流出して発電電動機を冷却する旨が記載されている。

特開２００４−８０９３７号公報

一方、発電電動機ケーシングの下部に設けた溝及び連通孔は、パイプ部材よりなる戻し通路を介して膨張機ケーシングの下部に設けた連通孔に連通している。つまり、膨張機ケーシングの内部空間から上部の連通孔を介して発電電動機ケーシングの内部空間へ流出した漏れ蒸気は、戻し通路を介して膨張機ケーシングの内部空間へ還流する。このような還流構造では、発電電動機を冷却した漏れ蒸気の熱を発電電動機の外部へ移す効率が悪く、発電電動機を冷却する効率は低い。

本発明の目的は、向上した冷却効率を有する、回転電機を備える廃熱利用装置を提供することにある。

本発明は、廃熱源と、回転電機と、循環冷媒流路を流れる冷媒に前記廃熱源の廃熱を伝達する第１熱交換器と、前記第１熱交換器を通過した冷媒を利用して前記回転電機の駆動軸に回転力を付与する膨張機と、前記膨張機を通過した冷媒から熱を奪う第２熱交換器とを備え、前記回転電機及び前記膨張機は、全体ハウジング内に収納されている廃熱利用装置を対象とし、請求項１の発明では、前記廃熱利用装置は、前記第１熱交換器より上流かつ前記第２熱交換器より下流の前記循環冷媒流路の部分に接続され、且つ前記全体ハウジング内における前記回転電機の存在領域に接続される分岐通路と、前記第１熱交換器より下流、かつ前記第２熱交換器より上流の前記循環冷媒流路の部分と前記存在領域とを接続する流出通路と、前記分岐通路から前記流出通路へ冷媒を送り出す送り出し手段とを備える。

回転電機を冷却した冷媒は、第２熱交換器にて熱を奪われる。そのため、回転電機を冷却した冷媒は、低温状態となって第１熱交換器側又は回転電機の存在領域側へ送られる。従って、回転電機を冷却する効率が向上する。

好適な例では、前記送り出し手段は、前記循環冷媒流路に対する前記分岐通路の接続部分と、前記第２熱交換器との間の前記循環冷媒流路の部分に設けられている。

第１熱交換器へ冷媒を送る機能と、存在領域へ冷媒を送る機能とが単一の送り出し手段によって兼用される。

好適な例では、前記分岐通路又は前記流出通路は、絞り部を有している。

絞り部の存在は、第１熱交換器側と回転電機の存在領域とへの冷媒の配分比率を調整する上で重要である。

好適な例では、前記分岐通路は、前記回転電機の存在領域よりも上流に絞り部を有している。

存在領域よりも上流に絞り部を配置した構成は、存在領域内の圧力を低くすることができるので、強度の観点に関して好ましい。又、存在領域内の圧力が低いため、冷媒の潜熱による冷却効果が高い。

好適な例では、前記送り出し手段は、前記回転電機と前記膨張機との間で前記回転電機に隣接して設けられている。

好適な例では、前記流出通路は、絞り部を有している。

回転電機と前記送り出し手段とが隣接する構成において、流出通路に絞り部を設けた構成では、前記回転電機と前記膨張機との間のシール差圧の低減化が可能であり、シールの信頼性の確保が容易である。

好適な例では、前記絞り部は、可変絞り機構である。

可変絞り機構による流量調整は、回転電機の発熱が少ない場合には液冷媒を第１熱交換器側へ多く送って廃熱源の廃熱を効率よく利用する、という廃熱有効利用を可能にする。

好適な例では、前記廃熱利用装置は、前記可変絞り機構の絞り量を制御する制御手段と、前記存在領域内の温度を検出する温度検出手段とを備え、前記制御手段は、前記温度検出手段によって検出された温度に基づいて、前記可変絞り機構の絞り量を制御する。

好適な例では、前記廃熱利用装置は、前記可変絞り機構の絞り量を制御する制御手段と、前記回転電機の作動状態を反映する作動状態反映要素を把握する把握手段とを備え、前記制御手段は、前記把握手段によって把握された作動状態反映要素に基づいて、前記可変絞り機構の絞り量を制御する。

好適な例では、前記把握手段は、前記回転電機の発電量を反映する発電量反映要素を把握する。

好適な例では、前記送り出し手段は前記第１熱交換器より上流、かつ前記第２熱交換器より下流の前記循環冷媒流路の部分に設けられており、前記廃熱利用装置は、前記送り出し手段より下流かつ前記膨張機より上流の前記循環冷媒流路の部分内の圧力を検出する圧力検出手段をさらに備え、前記制御手段は、前記圧力検出手段によって検出された圧力に対応して設定された前記可変絞り機構の第１絞り量と、前記把握手段によって把握された作動状態反映要素に対応して設定された前記可変絞り機構の第２絞り量とのうち、小さい方の絞り量を選択する。

第１絞り量と第２絞り量とのうちのいずれか一方を選択可能な構成は、膨張機より上流の冷媒の圧力を望ましい圧力にするか、あるいは回転電機を最適に冷却するか、のうちの好ましい方の選択を可能にする。

好適な例では、前記絞り部は、可変絞り機構であり、前記可変絞り機構は、前記存在領域の温度の増大に応じて前記分岐通路又は前記流出通路の通過断面積を増大させるバイメタル部材を前記存在領域内に備える。

好適な例では、前記流出通路は、前記膨張機より下流の前記循環冷媒流路の部分に接続されている。

好適な例では、前記流出通路は、前記膨張機より上流の前記循環冷媒流路の部分に接続されている。

回転電機の存在領域から膨張機の上流に送られる冷媒は、回転電機の廃熱を回収しており、回転電機から回収した廃熱が膨張機の駆動に利用される。

好適な例では、前記流出通路の入口は、前記回転電機のロータより下側に設けられている。

ロータが液冷媒を撹拌すると、液冷媒がロータに対する回転抵抗となり、発電のために回収すべき廃熱が回転抵抗によって減らされる。回転電機の存在領域内に液冷媒が溜まった場合にも、その液面は、前記入口以下となり、ロータが液冷媒を撹拌することはない。

好適な例では、前記流出通路の入口は、前記回転電機のロータの最下位位置より上側に設けられている。

ロータが液冷媒を撹拌すると、液冷媒に混じっている潤滑油が液冷媒と共に跳ね上げられ、潤滑必要部位が潤滑される。

好適な例では、前記分岐通路の出口は、前記駆動軸を回転可能に支持する軸受へ前記分岐通路内の冷媒を誘導する位置に配設されている。

分岐通路の出口から軸受へ至った冷媒に混じっている潤滑油が軸受を潤滑し、軸受の信頼性が向上する。

好適な例では、前記存在領域から外部への前記駆動軸の周面に沿った冷媒の漏れを防止する軸封部材が設けられており、前記分岐通路の出口は、前記分岐通路内の冷媒を前記軸封部材へ誘導する位置に配設されている。

分岐通路の出口から軸封部材へ至った冷媒に混じっている潤滑油が軸封部材を潤滑し、軸封部材の信頼性が向上する。

好適な例では、前記回転電機は、ブラシレス式の回転電機である。

ブラシ式回転電機では、液冷媒によってブラシの接触不良を生じたり、ブラシの摩耗粉が冷媒回路に侵入してバルブを詰まらせる等のおそれがある。ブラシレス発電機ではこのような問題は生じない。

好適な例では、前記廃熱源は、燃焼機関であり、前記回転電機は、前記燃焼機関の回転出力軸の回転によって発電するオルタネータである。

本発明の第１の実施形態による廃熱利用装置における流体機械の全体を示す側断面図。 本発明の第１の実施形態による廃熱利用装置を示す模式図。 図１の部分拡大図。 図３Ａの３Ｂ−３Ｂ線に沿った断面図。 本発明の第２の実施形態による廃熱利用装置における流体機械の全体を示す側断面図。 本発明の第３の実施形態による廃熱利用装置を示す模式図。 本発明の第４の実施形態による廃熱利用装置を示す模式図。 本発明の第５の実施形態による廃熱利用装置における流体機械の全体を示す側断面図。 本発明の第６の実施形態による廃熱利用装置における流体機械の部分側断面図。 図８Ａの８Ｂ−８Ｂ線に沿った断面図。 本発明の第７の実施形態による廃熱利用装置における流体機械の部分側断面図。 図９Ａの９Ｂ−９Ｂ線に沿った断面図。 本発明の第８の実施形態による廃熱利用装置における流体機械の全体を示す側断面図。

以下、本発明を具体化した第１の実施形態を図１〜図３Ｂに基づいて説明する。

図２に示すように、廃熱利用装置１１は、廃熱源としてのエンジン１２（燃焼機関）と、ランキンサイクル回路１３とを備えている。

ランキンサイクル回路１３では、エンジン１２からの廃熱によって加熱される冷媒が循環する。廃熱利用装置１１の一部である流体機械３４は、ランキンサイクル回路１３の一部でもある。

図１に示すように、流体機械３４は全体ハウジング３５を備え、全体ハウジング３５は、筒状をなすセンターハウジング３６と、センターハウジング３６の前端〔図１において左端〕に連結された発電機ハウジング３７と、発電機ハウジング３７の前端に連結されたフロントハウジング３８と、センターハウジング３６の後端〔図１において右端〕に連結されたリヤハウジング３９とを備える。

センターハウジング３６に一体形成された隔壁３６１と発電機ハウジング３７の前端壁３７１とには駆動軸４０が軸受５１，５２を介して回転可能に支持されている。発電機ハウジング３７内の駆動軸４０にはロータ４１が固定されている。発電機ハウジング３７の内周面にはステータ４２がロータ４１を取り囲むように固定されている。駆動軸４０と、コイル４２１を備えたステータ４２と、ロータ４１とは、ブラシレス式のオルタネータ４３（発電機）を構成する。駆動軸４０は、オルタネータ４３のロータ軸である。

オルタネータ４３は、ロータ４１の回転によってステータ４２のコイル４２１に電力を生じさせるよう機能する。

オルタネータ４３にはバッテリ４５が電気的に接続されている。オルタネータ４３で生じた電力は、バッテリ４５に蓄電される。

フロントハウジング３８には支軸５３が軸受５４，５５を介して回転可能に支持されている。支軸５３は、フロントハウジング３８の前端壁から外部に突出しており、フロントハウジング３８の突出端部にはプーリ５７が止着されている。プーリ５７にはベルト５９が巻き掛けられている。ベルト５９は、エンジン１２の回転出力軸であるクランク軸６８〔図２参照〕に止着されたプーリ６９〔図２参照〕に巻き掛けられている。支軸５３の内端部には固定クラッチ部５８が取り付けられている。

駆動軸４０は、前端壁３７１を貫通してフロントハウジング３８内に突出している。駆動軸４０の突出端部には可動クラッチ部５６が固定クラッチ部５８に対向するように軸方向へスライド可能に取り付けられている。

フロントハウジング３８に取り付けられたソレノイド６１への通電により可動クラッチ部５６が固定クラッチ部５８に接合し、支軸５３の回転が駆動軸４０へ伝達される。可動クラッチ部５６、固定クラッチ部５８及びソレノイド６１は、駆動軸４０と支軸５３とを接離する電磁クラッチ６０を形成する。電磁クラッチ６０の励消磁は、制御部３２によって制御される。

センターハウジング３６の後部内にはサイドプレート６２が隔壁３６１に対向するように固設されている。隔壁３６１とサイドプレート６２との間にはポンプ室６４が区画されている。駆動軸４０は、隔壁３６１及びサイドプレート６２を貫通している。

図３Ａ及び３Ｂに示すように、ポンプ室６４内には駆動軸４０に止着された駆動ギヤ６５と、駆動ギヤ６５に噛合する従動ギヤ６６とが配設されている。ポンプ室６４、駆動ギヤ６５及び従動ギヤ６６は、送り出し手段（又は送り出し装置）であるギヤポンプ６７を構成する。図３Ｂに示すように、駆動ギヤ６５及び従動ギヤ６６は、ポンプ室６４内を吸入室６４１と吐出室６４２とに区画する。

図１に示すように、センターハウジング３６の後部内には支持ブロック６３が固設されている。支持ブロック６３には回転軸７０が軸受７１によって回転可能に支持されている。回転軸７０は、駆動軸４０と同軸上で駆動軸４０に連結されている。

支持ブロック６３とリヤハウジング３９との間にはスクロール式の膨張機７２が設けられている。

次に、膨張機７２の構成を説明する。

回転軸７０の後端には偏心軸７３が設けられている。偏心軸７３は、回転軸７０の回転により回転軸７０の回転軸線の周りを公転する。偏心軸７３には可動スクロール７４がブッシュ７５及び軸受７６を介して回転可能に支持されている。可動スクロール７４は、軸受７６に支持された端板７４１と、端板７４１から突設された渦巻壁７４２とを備えている。

センターハウジング３６の後部内には固定スクロール７７が可動スクロール７４と対向するように固設されている。固定スクロール７７は、端板７７１と、端板７７１から支持ブロック６３に向けて突設された渦巻壁７７２とを備えている。可動スクロール７４の渦巻壁７４２と、固定スクロール７７の渦巻壁７７２とは、互いに噛み合い容積変更可能な膨張室７８を区画する。

端板７７１とリヤハウジング３９との間には供給室７９が区画されており、端板７７１の中央部には供給口７７３が供給室７９に連通するように形成されている。リヤハウジング３９には導入ポート３９１が形成されている。サイドプレート６２と支持ブロック６３との間には排出室８０が形成されている。膨張室７８内の冷媒は、排出室８０へ排出される。センターハウジング３６の周壁には排出ポート３６２が排出室８０に連通するように形成されている。

次に、廃熱利用装置１１におけるランキンサイクル回路１３について説明する。

図２に示すように、ランキンサイクル回路１３は、流体機械３４の膨張機７２、凝縮器２９、流体機械３４のギヤポンプ６７、第１ボイラ２０、及び第２ボイラ２１を備える。

第１ボイラ２０は、吸熱器２０２と放熱器２０１とを備える。ギヤポンプ６７におけるポンプ室６４〔図３Ａ及び３Ｂ参照〕の吐出側には第１ボイラ２０の吸熱器２０２が第１流路２２を介して接続されている。放熱器２０１は、エンジン１２に接続された冷却水循環経路２３上に設けられている。冷却水循環経路２３上にはラジエータ２４が設けられている。車両のエンジン１２を冷却した冷却水（冷却流体）は、冷却水循環経路２３を循環して放熱器２０１及びラジエータ２４で放熱する。

第２ボイラ２１は、吸熱器２１２と放熱器２１１とを備える。第１ボイラ２０の吸熱器２０２の吐出側には第２ボイラ２１の吸熱器２１２が接続流路２５を介して接続されている。放熱器２１１は、エンジン１２に接続された排気通路２６上に設けられている。エンジン１２からの排気は、放熱器２１１で放熱した後、マフラ２７から排気される。ギヤポンプ６７から吐出された冷媒は、第１ボイラ２０及び第２ボイラ２１の吸熱器２０２，２１２と放熱器２０１，２１１との間での熱交換によりエンジン１２からの廃熱によって加熱される。

第２ボイラ２１の吸熱器２１２の吐出側には膨張機７２における導入ポート３９１〔図１参照〕が供給流路２８を介して接続されている。第１ボイラ２０及び第２ボイラ２１で加熱された高温高圧の冷媒は、供給流路２８を介して膨張機７２に導入される。膨張機７２の排出ポート３６２〔図１参照〕には凝縮器２９が排出流路３０を介して接続されている。膨張機７２で膨張した低圧の冷媒は、排出流路３０を介して凝縮器２９へ排出される。凝縮器２９の下流側にはギヤポンプ６７のポンプ室６４〔図１参照〕が第２流路３１を介して接続されている。

第２流路３１、第１流路２２、接続流路２５、供給流路２８及び排出流路３０は、ランキンサイクル回路の循環冷媒流路を構成する。

図３Ｂに示すように、ポンプ室６４の吸入室６４１には吸入通路４６が接続されており、ポンプ室６４の吐出室６４２には吐出通路４７が接続されている。吸入通路４６は、第２流路３１の一部を構成しており、吐出通路４７は、第１流路２２の一部を構成する。ポンプ室６４、吐出通路４７及び吸入通路４６は、隔壁３６１の端面に凹み形成されている。

吐出通路４７には分岐通路４８が分岐接続されており、分岐通路４８の終端には絞り部としての絞り通路４９が設けられている。絞り通路４９は、発電機ハウジング３７内の内部空間Ｋに開口している。内部空間Ｋは、全体ハウジング３５内におけるオルタネータ４３の存在領域である。

図２に示すように、送り出し手段であるギヤポンプ６７は、循環冷媒流路の一部である第１流路２２と分岐通路４８との分岐部４８０と、第２熱交換器である凝縮器２９との間の循環冷媒流路に設けられている。つまり、ギヤポンプ６７は、循環冷媒流路において第１熱交換器であるボイラ２０，２１より上流、かつ第２熱交換器である凝縮器２９より下流の部分に設けられている。

図３Ａに示すように、センターハウジング３６の隔壁３６１及びサイドプレート６２には流出通路５０が貫設されている。流出通路５０の入口５０１は、オルタネータ４３のロータ４１より下側に設けられている。内部空間Ｋは、流出通路５０を介して排出室８０に連通している。

図３Ｂに示すギヤポンプ６７のポンプ作用により、第２流路３１内の冷媒は、ポンプ室６４の吸入室６４１に吸入されて吐出室６４２へ送られる。吐出室６４２へ送られた冷媒の一部は、第１流路２２、第１ボイラ２０、第２ボイラ２１、膨張機７２及び凝縮器２９を通過してポンプ室６４の吸入室６４１へ還流する。吐出室６４２へ送られた冷媒の残りは、分岐通路４８及び絞り通路４９を経由して内部空間Ｋへ流入する。内部空間Ｋへ流入した冷媒は、流出通路５０、排出室８０、排出ポート３６２、排出流路３０及び凝縮器２９を通過してポンプ室６４の吸入室６４１へ還流する。

図２に示すように、制御部３２には温度検出器８１及び電気負荷検出手段（又は電気負荷検出部）８２が電気的に接続されている。温度検出器８１は、冷却水循環経路２３内の冷却水の温度を検出する。電気負荷検出部８２は、車両に搭載された電気機器（ヘッドライト、空調装置に用いられるコンプレッサ用の電磁クラッチ）の使用に伴う必要電力を検出する。

次に、廃熱利用装置１１の作用について説明する。

エンジン１２が始動されると、制御部３２は、電気負荷検出部８２から要求負荷（必要電力）に関する情報を得て、同情報に基づき発電要求の有無の判断を開始する。又、制御部３２は、冷却水循環経路２３内の冷却水の温度に関する情報を温度検出器８１から得る。

発電要求がある場合、制御部３２は、電磁クラッチ６０を励磁して電磁クラッチ６０を接続状態にする。これにより駆動軸４０が回転し、オルタネータ４３が発電する。オルタネータ４３によって発電された電気は、バッテリ４５に蓄えられる。

発電要求がなく、且つ検出温度が所定温度以上になると、制御部３２は、電磁クラッチ６０を一時的に励磁して電磁クラッチ６０を一時的に接続状態にする。これにより駆動軸４０が回転開始する。電磁クラッチ６０の一時的な接続状態により駆動軸４０が回転開始すると、ギヤポンプ６７の駆動ギヤ６５及び膨張機７２の回転軸７０が駆動軸４０と一体的に回転開始する。ギヤポンプ６７の駆動ギヤ６５の回転は、従動ギヤ６６に伝達され、駆動ギヤ６５及び従動ギヤ６６が噛合しながら互いに逆方向に回転する。これにより第２流路３１内の冷媒がギヤポンプ６７を通過して第１流路２２へ送られる。

第１流路２２へ送られた冷媒の一部は、第１ボイラ２０の吸熱器２０２、接続流路２５、及び第２ボイラ２１の吸熱器２１２を通過して供給流路２８へ送られる。第１ボイラ２０の吸熱器２０２及び第２ボイラ２１の吸熱器２１２を通過する冷媒は、エンジン１２からの廃熱によって加熱される。

第１流路２２へ送られた冷媒の残りは、分岐通路４８及び絞り通路４９を経由して内部空間Ｋへ流入する。凝縮器２９を通過して第２流路３１を流れる冷媒は、冷却されて液化しており、ギヤポンプ６７から送り出された液冷媒は、低温である。従って、内部空間Ｋへ流入した低温の液冷媒は、内部空間Ｋ内でオルタネータ４３を冷却する。オルタネータ４３を冷却した冷媒は、流出通路５０を経由して排出室８０へ流出し、排出室８０へ流出した冷媒は、排出流路３０及び凝縮器２９を経由してギヤポンプ６７へ還流する。

ボイラ２０，２１（第１熱交換器）で加熱された高圧の冷媒は、導入ポート３９１から膨張機７２の供給室７９を経て膨張室７８に導入されて膨張する。この冷媒の膨張により膨張機７２が機械的エネルギー（回転付与力）を出力し、この回転付与力によって回転軸７０及び駆動軸４０の回転がアシストされる。膨張機７２は、冷媒を利用してオルタネータ４３の駆動軸４０に回転力を付与する。膨張して圧力が低下した冷媒は、排出流路３０へ排出される。排出流路３０へ排出された冷媒は、凝縮器２９を通過してギヤポンプ６７へ還流する。

前記した所定温度は、冷媒の膨張による膨張機７２の回転付与力のみによって駆動軸４０を所定回転数以上で回転させ得る冷却水温度として設定されている。又、電磁クラッチ６０を一時的に接続状態にする期間は、駆動軸４０が所定回転数以上に達したと見なされ得る期間に設定されている。電磁クラッチ６０が一時的な接続状態から遮断状態へ切り換えられると、オルタネータ４３は、冷媒の膨張による膨張機７２の回転付与力のみによって発電する。

冷媒の膨張による膨張機７２の回転付与力のみによって発電する発電量が要求負荷（必要電力）に足りない場合には、制御部３２は、電磁クラッチ６０を励磁して電磁クラッチ６０を接続状態にする。これにより、オルタネータ４３は、エンジン１２の回転力と、冷媒の膨張による膨張機７２の回転付与力との両方によって、発電を行なう。

第１の実施形態では以下の利点が得られる。

（１）オルタネータ４３を冷却した冷媒は、第２熱交換器である凝縮器２９にて熱を奪われる。そのため、凝縮器２９にて冷却された冷媒の一部は、低温状態となってオルタネータ４３の存在領域である内部空間Ｋへ流れる。従って、凝縮器２９にて低温化された冷媒によってオルタネータ４３を冷却する構造は、オルタネータ４３を冷却する効率の向上に寄与する。

（２）流出通路５０は、膨張機７２より下流の循環冷媒流路の部分（つまり排出室８０）に接続されている。流出通路５０によって連通される内部空間Ｋと排出室８０とは、隔壁３６１とサイドプレート６２とを隔てて互いに近く隣り合っており、流出通路５０の長さを小さくすることができる。これは、流出通路５０の形成容易化に有利である。

（３）分岐通路４８及び絞り通路４９は、ギヤポンプ６７より下流の循環冷媒流路の部分（つまり吐出通路４７）と内部空間Ｋとを連通している。したがって、隔壁３６１を貫通している分岐通路４８及び絞り通路４９の長さを小さくすることができる。これは、分岐通路４８の形成容易化に有利である。

（４）第１熱交換器であるボイラ２０，２１側と、オルタネータ４３の存在領域である内部空間Ｋ側とへの冷媒の配分比率は、内部空間Ｋよりも上流に存在する絞り通路４９の絞り具合によって決まる。絞り通路４９の絞り具合を適正に設定すれば、オルタネータ４３を効率良く冷却するのに適した量の液冷媒を内部空間Ｋへ導入することができる。内部空間Ｋよりも上流に設けられた絞り通路４９は、第１熱交換器側と内部空間Ｋとへの冷媒の配分比率を調整する上で重要である。

（５）ブラシ式オルタネータでは、液冷媒がブラシの接触不良を生じさせたり、ブラシの摩耗粉が冷媒回路に侵入してバルブを詰まらせたりする等のおそれがある。ブラシレス式のオルタネータ４３ではこのような問題は生じない。液冷媒がオルタネータ４３を冷却するため、オルタネータ４３の冷却効率が高い。そのため、オルタネータ４３の発電効率が向上し、オルタネータ４３の小型化を図ることが可能である。発熱低減に関しては平角線よりも劣るが、コストに関しては有利な通常のリード線によって集中巻きのコイル４２１を形成しても、十分な冷却効果によってコイル４２１の高温化が抑制される。コスト的には不利であるが、発熱低減に関して優れた平角線を用いてステータ４２のコイル４２１を形成することもできる。

（６）エンジン１２の回転力によって発電するオルタネータ４３を廃熱利用によって発電する発電機として兼用するため、廃熱利用のための新たな発電機が不要である。

（７）オルタネータ４３及び電磁クラッチ６０を流体機械３４の全体ハウジング３５内に収納した構造は、オルタネータ４３及び電磁クラッチ６０を全体ハウジング３５外に配置した構造に比べて、装置全体の占有スペースのコンパクト化に有利である。

（８）ロータ４１が液冷媒を撹拌すると、ロータ４１に対する液冷媒の回転抵抗のため、発電のために回収すべき廃熱が減らされる。したがって、廃熱回収の効率が低下する。流出通路５０の入口５０１をオルタネータ４３のロータ４１より下側に設けると、内部空間Ｋに液冷媒が溜まった場合にも、その液面は、ロータ４１より下となり、ロータ４１が液冷媒を撹拌することはない。

次に、図４の第２の実施形態を説明する。第１の実施形態と同じ部材には同じ符号を用い、その詳細説明は省略する。

流出通路５０Ａの入口５０１は、発電機ハウジング３７の内部空間Ｋの底に開口しており、流出通路５０Ａの出口５０２は、供給室７９（膨張機７２の上流の循環冷媒流路の部分）に開口している。分岐通路４８及び絞り通路４９を経由して内部空間Ｋへ流入した冷媒は、流出通路５０Ａを経由して供給室７９へ流出する。

内部空間Ｋから膨張機７２の上流に送られた冷媒は、オルタネータ４３を冷却して廃熱を回収しており、オルタネータ４３から回収した廃熱が膨張機７２の駆動に利用される。つまり、オルタネータ４３から回収した廃熱がオルタネータ４３の発電に利用される。オルタネータ４３を冷却した冷媒を膨張機７２の上流に送る構成は、廃熱利用によるオルタネータ４３の発電効率を高める。

ロータ４１が液冷媒を撹拌すると、ロータ４１に対する液冷媒の回転抵抗のため、発電のために回収すべき廃熱が減らされる。したがって、廃熱回収の効率が低下する。流出通路５０Ａの入口５０１を内部空間Ｋの底、つまりオルタネータ４３のロータ４１より下側に設けると、内部空間Ｋに液冷媒が溜まった場合にも、その液面は、ロータ４１より下となり、ロータ４１が液冷媒を撹拌することはない。

次に、図５の第３の実施形態を説明する。第１の実施形態と同じ部材には同じ符号を用い、その詳細説明は省略する。

第３の実施形態では、分岐通路４８に可変絞り機構８３が設けられている。可変絞り機構８３の絞り開度は、制御部３２によって制御される。発電機ハウジング３７〔図１参照〕内には温度検出器８４が設けられている。内部空間Ｋ内の温度検出手段である温度検出器８４は、コイル４２１〔図１参照〕の温度を検出する。温度検出器８４によって得られた温度情報は、制御部３２へ送られる。

制御部３２は、温度検出器８４によって得られた温度情報に基づいて、可変絞り機構８３の絞り開度を制御する。制御部３２は、温度検出器８４によって検出された温度に基づいて、可変絞り機構８３の絞り量を制御する制御手段である。例えば、コイル４２１の温度が低い場合（単位時間当たりのオルタネータ４３の発電量が小さい場合）には、可変絞り機構８３の絞り開度が低減され、分岐通路４８から内部空間Ｋへ流入する液冷媒流量が低減される。コイル４２１の温度が高い場合（単位時間当たりのオルタネータ４３の発電量が大きい場合）には、可変絞り機構８３の絞り開度が増大され、分岐通路４８から内部空間Ｋへ流入する液冷媒流量が増大される。

このような流量調整は、オルタネータ４３の発熱が小さい場合には液冷媒を第１熱交換器（ボイラ２１，２２）側へ多く送ってエンジン１２の廃熱を効率よく利用する、という廃熱有効利用を可能にする。

膨張機７２及びオルタネータ４３の高回転駆動時には、ギヤポンプ６７及び膨張機７２の体積効率が高い。そのため、供給流路２８内における冷媒圧力を望ましい圧力にするためには、第１流路２２から分岐通路４８へ分流させる冷媒の量を多くする必要がある。又、オルタネータ４３の高回転駆動時には、オルタネータ４３における発熱が大きくなることから、オルタネータ４３を冷却するための冷媒の流量を大きくする必要がある。従って、オルタネータ４３の発熱が大きくなる高回転駆動時には液冷媒を内部空間Ｋ側へ多く送ってオルタネータ４３を効率よく冷却する、という冷却効率の向上が可能である。

次に、図６の第４の実施形態を説明する。第３の実施形態と同じ部材には同じ符号を用い、その詳細説明は省略する。

オルタネータ４３にはバッテリ４５がインバータ４４を介して電気的に接続されている。オルタネータ４３で生じた電力は、インバータ４４を介してバッテリ４５に蓄電される。インバータ４４には制御部３２が電気的に接続されている。

制御部３２には圧力検出器８５が電気的に接続されている。圧力検出器８５は、供給室７９〔図１参照〕内の冷媒の圧力を検出し、該圧力を示す信号を制御部３２に出力する。圧力検出器８５は、ギヤポンプ６７より下流かつ膨張機７２より上流の循環冷媒流路の部分に配置可能である。

制御部３２は、圧力検出手段である圧力検出器８５によって検出された供給室７９内の冷媒の圧力に基づいて、可変絞り機構８３の弁開度θ１を特定する。制御部３２は、オルタネータ４３の発電量（作動状態反映要素）を検出する作動状態反映要素把握手段（又は作動状態反映要素把握部）として機能する。制御部３２は、検出したオルタネータ４３の発電量に基づいて、可変絞り機構８３の弁開度θ２を特定する。制御部３２は、特定した弁開度θ１と弁開度θ２との比較を行なって大きい方の弁開度を選択する。

弁開度θ１が選択された場合、可変絞り機構８３の弁開度が弁開度θ１にされる。これにより、供給流路２８内の冷媒の圧力が望ましい圧力となる。弁開度θ２が選択された場合、可変絞り機構８３の弁開度が弁開度θ２にされる。これにより、分岐通路４８における冷媒流量がオルタネータ４３を冷却するのに望ましい流量となる。

制御部３２は、圧力検出器８５によって検出された圧力に対応して設定された可変絞り機構８３の弁開度θ１（第１絞り量）と、作動状態反映要素把握手段によって把握された発電量（作動状態反映要素）に対応して設定された可変絞り機構８３の弁開度θ２（第２絞り量）とのうち、大きい方の弁開度（小さい方の絞り量）を選択する制御手段である。

弁開度θ１，θ２のうちのいずれか一方を選択することによって、供給流路２８内の冷媒の圧力を望ましい圧力にするか、あるいはオルタネータ４３を最適に冷却するか、のうちの好ましい方を選択することができる。

次に、図７の第５の実施形態を説明する。第１の実施形態と同じ部材には同じ符合を用い、その詳細説明は省略する。

吐出通路４７から分岐する分岐通路４８Ａは、さらに通路４８Ａ１と通路４８Ａ２とに分岐している。ギヤポンプ６７と軸受５１との間の駆動軸４０には軸封部材８６が設けられており、通路４８Ａ１の出口４８１は、軸受５１と軸封部材８６との間にあって駆動軸４０の周囲の空間Ｓ１に開口している。絞り部である出口４８１は、分岐通路４８Ａの一部である通路４８Ａ１内の冷媒を軸受５１及び軸封部材８６へ誘導する位置に配設されている。軸受５２を収容する収容室Ｓ２の奧には軸封部材８７が設けられており、通路４８Ａ２の出口４８２は、軸受５２と軸封部材８７との間の収容室Ｓ２に開口している。絞り部である出口４８２は、分岐通路４８Ａの一部である通路４８Ａ２内の冷媒を軸受５２及び軸封部材８７へ誘導する位置に配設されている。軸封部材８６及び軸封部材８７は、内部空間Ｋから外部（内部空間Ｋとは圧力の異なる空間）への駆動軸４０の周面に沿った冷媒の漏れを防止する。

通路４８Ａ１内の液冷媒は、出口４８１から空間Ｓ１へ流出する。空間Ｓ１へ流出した液冷媒に混じる潤滑油は、軸封部材８６及び軸受５１を潤滑する。通路４８Ａ２内の液冷媒は、出口４８２から収容室Ｓ２へ流出する。収容室Ｓ２へ流出した液冷媒に混じる潤滑油は、軸封部材８７及び軸受５２を潤滑する。

駆動軸４０を回転可能に支持する軸受５１，５２へ分岐通路４８Ａ内の冷媒を誘導する位置に分岐通路４８Ａの出口４８１，４８２を配設した構成は、軸受５１，５２及び軸封部材８６，８７を十分に潤滑して軸受５１，５２及び軸封部材８６，８７の信頼性を高める。

流出通路５０Ａの入口５０１は、ロータ４１の最下位位置よりも上方に設けられている。分岐通路４８Ａから内部空間Ｋ内へ流入した液冷媒は、内部空間Ｋの下部に溜まる。内部空間Ｋの下部に溜まった液冷媒の液面は、流出通路５０Ａの入口５０１の位置まで達し、内部空間Ｋの下部に溜まった液冷媒は、ロータ４１の回転によって撹拌される。撹拌された液冷媒に混じる潤滑油は、軸受５１，５２の潤滑に寄与する。

次に、図８Ａ及び８Ｂの第６の実施形態を説明する。第１の実施形態と同じ部材には同じ符号を用い、その詳細説明は省略する。

図８Ａに示すように、センターハウジング３６の隔壁３６１の端面３６３には扇形状の弁体８８が接合されている。弁体８８の径方向中心部である扇中心部８８１には軸ピン８８２が一体形成されている。軸ピン８８２は、端面３６３に凹設された軸孔３６４に嵌入されており、弁体８８は、端面３６３に面接触しながら軸ピン８８２を中心にして回動可能である。

図８Ｂに示すように、端面３６３には支持台８９が止着されており、支持台８９には渦巻形状のバイメタル部材９０が支持されている。渦巻形状のバイメタル部材９０の中心端には弁体８８の扇中心部８８１が止着されている。軸ピン８８２を中心にして回動可能な弁体８８は、分岐通路４８の出口４８３を開閉可能である。

内部空間Ｋ内の温度が低い場合には、バイメタル部材９０は、図８Ｂに実線で示す形状となり、弁体８８が分岐通路４８の出口４８３を閉じる。内部空間Ｋ内の温度が高い場合には、弁体８８が分岐通路４８の出口４８３を開くようにバイメタル部材９０が形状変化する。

内部空間Ｋ内に配設されているバイメタル部材９０は、内部空間Ｋ内の温度の増大に応じて、分岐通路４８の出口４８３の通過断面積を増大させるように、変形する。

弁体８８の弁開度は、内部空間Ｋ内の温度の変化を直接に受けて変形するバイメタル部材９０の変形によって変更されるため、可変絞り機構の構成が簡素になる。分岐通路４８の弁体８８及びバイメタル部材９０は、内部空間Ｋ内の温度の増大に応じて分岐通路４８の通過断面積を増大させる可変絞り機構を構成する。

次に、図９Ａ及び９Ｂの第７の実施形態を説明する。第６の実施形態と同じ部材には同じ符号を用い、その詳細説明は省略する。

図９Ａに示すように、サイドプレート６２に接するセンターハウジング３６の端面３６５には収容凹部９２が吐出通路４７と交差するように凹設されており、収容凹部９２には弁体８８Ａが収容凹部９２の底面９２１に面接触する状態で収容されている。収容凹部９２は、吐出通路４７の一部を形成する。

支軸９３の第１の端部は、センターハウジング３６の端面３６３から隔壁３６１及び底面９２１を貫通して収容凹部９２に突出しており、支軸９３の第１の端部には弁体８８Ａがその扇中心部において止着されている。弁体８８Ａは、底面９２１に面接触する状態で支軸９３を中心にして回動可能である。分岐通路４８の入口４８４は、底面９２１上に設けられており、支軸９３を中心にして回動可能な弁体８８Ａは、分岐通路４８の入口４８４を開閉可能である。

内部空間Ｋ内に配設されているバイメタル部材９０の中心端には支軸９３の第２の端部が止着されている。バイメタル部材９０は、内部空間Ｋ内の温度の増大に応じて、分岐通路４８の入口４８４の通過断面積を増大させるように、変形する。分岐通路４８の弁体８８Ａ及びバイメタル部材９０は、内部空間Ｋ内の温度の増大に応じて分岐通路４８の通過断面積を増大させる可変絞り機構を構成する。

次に、図１０の第８の実施形態を説明する。第１の実施形態と同じ部材には同じ符号を用い、その詳細説明は省略する。

第８の実施形態では、分岐通路４８における絞り通路に代えて、流出通路５０の一部として絞り通路９１が設けられている。オルタネータ４３とギヤポンプ６７とが隣接する場合、軸封部材８６の信頼性の観点からすると、内部空間Ｋ内の圧力は、或る程度高い方が望ましい。流出通路５０に絞り通路９１を設けた場合、オルタネータ４３とギヤポンプ６７との間の軸封部材８６を介した圧力差（シール差圧）が低減され、軸封部材８６の信頼性が高められる。

本発明では以下のような実施形態も可能である。

○第２の実施形態において、内部空間Ｋと供給室７９とをチューブで連通し、このチューブを流出通路５０Ａとしてもよい。

○オルタネータ４３の作動状態を反映する作動状態反映要素として、オルタネータ４３に関連するレクティファイア（整流器）から出力される電流を採用してもよい。この電流は、オルタネータ４３（回転電機）の発電量を反映する発電量反映要素であり、制御部３２は、発電量反映要素を把握する発電量反映要素把握部となる。

○オルタネータ４３の作動状態を反映する作動状態反映要素として、オルタネータ４３のコイル４２１に入力される電流と、ロータ４１の回転数（駆動軸４０の回転数）とを採用してもよい。この電流と回転数とは、オルタネータ４３（回転電機）の発電量を反映する発電量反映要素であり、制御部３２は、発電量反映要素を把握する発電量反映要素把握手段（又は発電量反映要素把握部）として機能する。

○オルタネータ４３の作動状態を反映する作動状態反映要素として、制御部３２からインバータ４４に指令される指令電流値と、ロータ４１の回転数（駆動軸４０の回転数）とを採用してもよい。この指令電流と回転数とは、オルタネータ４３（回転電機）の発電量を反映する発電量反映要素であり、制御部３２は、発電量反映要素を把握する発電量反映要素把握手段（又は発電量反映要素把握部）として機能する。

○バイメタル部材９０によって分岐通路４８の途中部分を開閉するようにしてもよい。

○バイメタル部材９０によって流出通路５０の入口５０１を開閉するようにしてもよい。

○バイメタル部材９０によって流出通路５０の出口を開閉するようにしてもよい。

○バイメタル部材９０によって流出通路５０の途中部分を開閉するようにしてもよい。

○平板形状のバイメタル部材によって分岐通路４８の出口４８３あるいは流出通路５０の入口５０１を開閉するようにしてもよい。この場合、内部空間Ｋ内の温度が高い場合には、平板形状のバイメタル部材が反ることによって分岐通路４８の出口４８３あるいは流出通路５０の入口５０１が開かれる。

○電動モータとしても機能する発電機を用いてもよい。

○オルタネータ以外の発電機を全体ハウジング３５内の発電機として用いてもよい。

○電動機、発電電動機等の回転電機に本発明を適用してもよい。

○車両用以外の廃熱利用装置に本発明を適用してもよい。

○膨張機として、ベーン式の膨張機を用いてもよい。

○膨張機として、スクロール式やベーン式以外の他の形式の膨張機を用いてもよい。例えば、駆動軸４０に軸流ファンを取り付け、駆動軸４０の軸方向に流れる冷媒によって軸流ファン及び駆動軸４０を一体的に回転させるようにしてもよい。

前記した実施形態から把握できる技術思想について以下に記載する。

（イ）前記制御手段は、前記回転電機の発電量を検出する作動状態反映要素把握手段として機能する請求項９に記載の廃熱利用装置。

（ロ）前記可変絞り機構は、前記分岐通路の出口の通過断面積、又は前記流出通路の入口の通過断面積を変更する弁体と、前記弁体を支持するバイメタル部材とを備えており、前記バイメタル部材は、前記存在領域内に配設されており、前記バイメタル部材は、前記存在領域内の温度の増大に応じて、前記分岐通路の出口の通過断面積、又は前記流出通路の入口の通過断面積を増大させるように、変形する請求項１２に記載の廃熱利用装置。

１１…廃熱利用装置。１２…廃熱源である燃焼機関としてのエンジン。２０，２１…第１熱交換器であるボイラ。２９…第２熱交換器である凝縮器。３２…制御手段又は作動状態反映要素把握手段としての制御部。３５…全体ハウジング。４０…駆動軸。４１…ロータ。４３…回転電機としての発電機であるオルタネータ。４８，４８Ａ…分岐通路。４８０…分岐部。４８１，４８２…絞り通路である出口。４８４…入口。４９，９１…絞り部としての絞り通路。５０，５０Ａ，５０Ｂ…流出通路。５０１…入口。６７…送り手段であるギヤポンプ。５１，５２…軸受。６８…回転出力軸であるクランク軸。７２…膨張機。８１…第１温度検出手段である温度検出器。８３…可変絞り機構。８４…温度検出手段である温度検出器。８５…圧力検出手段としての圧力検出器。８６，８７…軸封部材。８８，８８Ａ…可変絞り機構を構成する弁体。９０…可変絞り機構を構成するバイメタル部材。Ｋ…存在領域としての内部空間。

Claims (20)

1. 廃熱源と、回転電機と、循環冷媒流路を流れる冷媒に前記廃熱源の廃熱を伝達する第１熱交換器と、前記第１熱交換器を通過した冷媒を利用して前記回転電機の駆動軸に回転力を付与する膨張機と、前記膨張機を通過した冷媒から熱を奪う第２熱交換器とを備え、前記回転電機及び前記膨張機は、全体ハウジング内に収納されている廃熱利用装置において、
   前記第１熱交換器より上流かつ前記第２熱交換器より下流の前記循環冷媒流路の部分に接続され、且つ前記全体ハウジング内における前記回転電機の存在領域に接続される分岐通路と、
   前記第１熱交換器より下流、かつ前記第２熱交換器より上流の前記循環冷媒流路の部分と前記存在領域とを接続する流出通路と、
   前記分岐通路から前記流出通路へ冷媒を送り出す送り出し手段と、
   を備える廃熱利用装置。
2. 前記送り出し手段は、前記循環冷媒流路に対する前記分岐通路の接続部分と、前記第２熱交換器との間の前記循環冷媒流路の部分に設けられている請求項１に記載の廃熱利用装置。
3. 前記分岐通路又は前記流出通路は、絞り部を有している請求項１及び請求項２のいずれか１項に記載の廃熱利用装置。
4. 前記分岐通路は、前記回転電機の存在領域よりも上流に絞り部を有している請求項１及び請求項２のいずれか１項に記載の廃熱利用装置。
5. 前記送り出し手段は、前記回転電機と前記膨張機との間で前記回転電機に隣接して設けられている請求項１及び請求項２のいずれか１項に記載の廃熱利用装置。
6. 前記流出通路は、絞り部を有している請求項５に記載の廃熱利用装置。
7. 前記絞り部は、可変絞り機構である請求項３、請求項４及び請求項６のいずれか１項に記載の廃熱利用装置。
8. 前記可変絞り機構の絞り量を制御する制御手段と、前記存在領域内の温度を検出する温度検出手段とをさらに備え、前記制御手段は、前記温度検出手段によって検出された温度に基づいて、前記可変絞り機構の絞り量を制御する請求項７に記載の廃熱利用装置。
9. 前記可変絞り機構の絞り量を制御する制御手段と、前記回転電機の作動状態を反映する作動状態反映要素を把握する把握手段とをさらに備え、前記制御手段は、前記把握手段によって把握された作動状態反映要素に基づいて、前記可変絞り機構の絞り量を制御する請求項７に記載の廃熱利用装置。
10. 前記把握手段は、前記回転電機の発電量を反映する発電量反映要素を把握する請求項９に記載の廃熱利用装置。
11. 前記送り出し手段は前記第１熱交換器より上流、かつ前記第２熱交換器より下流の前記循環冷媒流路の部分に設けられており、前記廃熱利用装置は前記送り出し手段より下流かつ前記膨張機より上流の前記循環冷媒流路の部分内の圧力を検出する圧力検出手段をさらに備え、前記制御手段は、前記圧力検出手段によって検出された圧力に対応して設定された前記可変絞り機構の第１絞り量と、前記把握手段によって把握された作動状態反映要素に対応して設定された前記可変絞り機構の第２絞り量とのうち、小さい方の絞り量を選択する請求項９及び請求項１０のいずれか１項に記載の廃熱利用装置。
12. 前記絞り部は、可変絞り機構であり、前記可変絞り機構は、前記存在領域の温度の増大に応じて前記分岐通路又は前記流出通路の通過断面積を増大させるバイメタル部材を前記存在領域内に備える請求項３に記載の廃熱利用装置。
13. 前記流出通路は、前記膨張機より下流の前記循環冷媒流路の部分に接続されている請求項１乃至請求項１２のいずれか１項に記載の廃熱利用装置。
14. 前記流出通路は、前記膨張機より上流の前記循環冷媒流路の部分に接続されている請求項１乃至請求項１２のいずれか１項に記載の廃熱利用装置。
15. 前記流出通路の入口は、前記回転電機のロータより下側に設けられている請求項１乃至請求項１４のいずれか１項に記載の廃熱利用装置。
16. 前記流出通路の入口は、前記回転電機のロータの最下位位置より上側に設けられている請求項１乃至請求項１４のいずれか１項に記載の廃熱利用装置。
17. 前記分岐通路の出口は、前記駆動軸を回転可能に支持する軸受へ前記分岐通路内の冷媒を誘導する位置に配設されている請求項１乃至請求項１６のいずれか１項に記載の廃熱利用装置。
18. 前記存在領域から外部への前記駆動軸の周面に沿った冷媒の漏れを防止する軸封部材が設けられており、前記分岐通路の出口は、前記分岐通路内の冷媒を前記軸封部材へ誘導する位置に配設されている請求項５及び請求項６のいずれか１項に記載の廃熱利用装置。
19. 前記回転電機は、ブラシレス式の回転電機である請求項１乃至請求項１８のいずれか１項に記載の廃熱利用装置。
20. 前記廃熱源は、燃焼機関であり、前記回転電機は、前記燃焼機関の回転出力軸の回転によって発電するオルタネータである請求項１乃至請求項１９のいずれか１項に記載の廃熱利用装置。

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