JP6115456B2

JP6115456B2 - 廃熱回生用のランキンサイクル

Info

Publication number: JP6115456B2
Application number: JP2013250281A
Authority: JP
Inventors: 武内　康浩; 康浩武内; 宏加納; 福田　健太郎; 健太郎福田; 憲志郎村松
Original assignee: Denso Corp; Nippon Soken Inc
Current assignee: Denso Corp; Soken Inc
Priority date: 2013-12-03
Filing date: 2013-12-03
Publication date: 2017-04-19
Anticipated expiration: 2033-12-03
Also published as: JP2015108299A

Description

本発明は、廃熱回生用のランキンサイクルに関するものである。

従来、エンジン冷却水の廃熱を冷媒に回収する熱交換器、冷媒の膨張によって作動することで廃熱を発電用動力に変換する膨張機、膨張した冷媒を凝縮させる凝縮器、および冷媒を循環させる冷媒ポンプを有する廃熱回生用ランキンサイクルが、広く知られている。

特許文献１では、このランキンサイクルにおいて、膨張機をバイパスするバイパス通路が設けられ、起動時に、冷媒の偏在を解消するために、冷媒ポンプを作動させると共にバイパス通路に冷媒を流す予備運転が実行される。

更に特許文献１では、この予備運転中に膨張機の摺動部に予め潤滑オイルを供給するため、バイパス通路と凝縮器の間に、冷媒から潤滑オイルを分離するための分離手段を設けている。これにより、起動時は、バイパス通路の下流において、冷媒から潤滑オイルが分離されて摺動部に供給されるようになっている。

特開２００７−３０９３１０号公報

しかし、特許文献１の技術では、バイパス通路に中に均圧弁が設けられているので、均圧弁の下流側で冷媒が十分に減圧されず、その結果、冷媒と潤滑オイルの分離が不十分になってしまう場合がある。

本発明は上記点に鑑み、廃熱回生用ランキンサイクルの予備運転時に、膨張機の摺動部に供給するための潤滑オイルを冷媒から分離する際、分離効率を従来よりも高めることを目的とする。

上記目的を達成するための請求項１に記載の発明は、冷媒を循環させる冷媒ポンプ（１８）と、エンジンの冷却液廃熱を前記冷媒に回収させる熱交換器（１１）と、前記冷媒の膨張によって作動することで、前記冷媒に回収された廃熱を動力に変換する膨張機（１３）と、前記膨張機によって膨張した冷媒を凝縮させる凝縮器（１６）と、前記冷媒を前記膨張機を介さずに前記熱交換器から前記凝縮器へと流すように前記膨張機と並列回路を形成するバイパス通路（Ｃ１０、Ｃ１１）に配置された第１の弁（２１）と、前記第１の弁（２１）から出た前記冷媒から潤滑オイルを分離し、分離された前記潤滑オイルを前記膨張機の摺動部（１３６、１３７、１３９ａ、１３９ｂ）へ供給するオイル分離器（１５）と、を備え、予備運転時には、前記熱交換器から前記バイパス通路を通って前記凝縮器に前記冷媒が流れると共に、前記バイパス通路から前記オイル分離器に流入した前記冷媒から分離された前記潤滑オイルが前記オイル分離器から前記膨張機の前記摺動部へ供給され、前記予備運転の後の通常運転時には、前記バイパス通路を通る冷媒の量が前記予備運転時よりも減ると共に、前記熱交換器から前記膨張機を通って前記凝縮器に前記冷媒が流れることで前記凝縮器が作動し、前記第１の弁は、当該第１の弁の下流側の冷媒圧力を、当該第１の弁の上流側の冷媒圧力より下げる減圧弁であることを特徴とする廃熱回生用のランキンサイクルである。

このように、予備運転時には、熱交換器からバイパス通路を通って凝縮器に冷媒が流れると共に、バイパス通路からオイル分離器に流入した前記冷媒から分離された潤滑オイルがオイル分離器から膨張機の摺動部へ供給される。したがって、予備運転時およびその後において、膨張機の摺動部における摩擦によるエネルギー損失が低減される。

また、減圧弁によって、弁の下流側の冷媒圧力が当該弁の上流側の冷媒圧力より低下するので、オイル分離器において、冷媒と潤滑オイルの分離が容易になり、分離効率が向上する。

なお、上記および特許請求の範囲における括弧内の符号は、特許請求の範囲に記載された用語と後述の実施形態に記載される当該用語を例示する具体物等との対応関係を示すものである。

本発明の第１実施形態に係るランキンサイクル１の構成図である。ランキンサイクル１の実体配管図である。ポンプ膨張発電機１００の構成図である。オイル分離器１５の構成図である。ＥＣＵの作動のフローチャートである。ランキンサイクル１の作動のタイミング図である。予備運転時の冷媒の循環経路および潤滑オイルの移動経路を示す図である。予備運転時に発生する付勢力６５、６６、６７を示す図である。通常運転時の冷媒の循環経路および潤滑オイルの移動経路を示す図である。本発明の第２実施形態に係るランキンサイクル１の構成図である。ランキンサイクル１の一部の実体配管図である。本発明の第３実施形態に係るポンプ膨張発電機１００およびオイル分離器１５の構成図である。

（第１実施形態）
以下、本発明の一実施形態について、図１〜図９を用いて説明する。なお、図２、図３、図４、図８に記載された上下方向は、鉛直上下方向に一致する。本実施形態に係るランキンサイクル１は、図示しない定置用エンジン（例えば、都市ガス、ＬＰガス等のガスを燃料として作動するガスエンジン）の廃熱を利用して発電を行う廃熱回生用ランキンサイクルである。

このランキンサイクル１は、図１、図２に示すように、水冷媒熱交換器１１、三方弁１２、膨張機１３、一方向弁１４、オイル分離器１５、凝縮器１６、ファン１７、冷媒ポンプ１８、一方向弁１９、発電電動機２０、減圧弁２１を有している。また、ランキンサイクル１は、作動流体である冷媒を循環させる配管である通路Ｃ１〜Ｃ１１、および、潤滑オイルを流す配管である通路Ｘ１を、有している。

水冷媒熱交換器１１は、定置用エンジンによって暖められて温水配管３０を流通するエンジン冷却水（冷却液）と、ランキンサイクル１における作動流体である冷媒との間で、熱交換させることにより、冷媒を加熱し、過熱蒸気冷媒とする。冷媒は、この水冷媒熱交換器１１で加熱されることにより、エンジン冷却水廃熱を回収する。

三方弁１２（第２の弁）は、通路Ｃ１を介して水冷媒熱交換器１１と接続され、通常運転状態と予備運転状態とが切り替え可能となっている。通常運転状態は、三方弁１２が通路Ｃ１と通路Ｃ２を連通させると共に通路Ｃ１０側端を閉塞する通常運転状態である。予備運転状態は、三方弁１２が通路Ｃ１と通路Ｃ１０を連通させると共に通路Ｃ２側端を閉塞する状態である。つまり三方弁１２は、水冷媒熱交換器１１の冷媒を膨張機１３へ流すか、減圧弁２１へ流すかを切り替える機能を有する。

膨張機１３は、通路Ｃ２を介して三方弁１２に接続されており、通路Ｃ２から膨張機１３内に入る冷媒を膨張させることで作動し、その作動によって、冷媒に回収された廃熱を発電電動機２０およびポンプ１８の動力に変換する。

一方向弁１４は、通路Ｃ３を介して膨張機１３の出口側に接続されており、通路Ｃ３から通路Ｃ４への冷媒の流通を許可すると共に、通路Ｃ４から通路Ｃ３への冷媒の流通を禁止する。通路Ｃ４は、一方向弁１４の反対側の端部で、通路Ｃ５および通路Ｃ１１と連通する。

オイル分離器１５は、通路Ｃ５に接続され、通路Ｃ５からオイル分離器１５内に入った冷媒から潤滑オイルを分離して、分離した潤滑オイルのみを膨張機１３に供給するための装置である。冷媒から潤滑オイルを分離する方式は、本実施形態では遠心分離式を採用している。分離された潤滑オイルは、通路Ｘ１を通じて膨張機１３の摺動部に供給される。ここで、摺動部とは、膨張機が作動したときに互いに擦れ合う部分をいい、具体例については後述する。潤滑オイルが分離された後の冷媒は、オイル分離器１５を出て通路Ｃ６に流入する。

凝縮器１６は、通路Ｃ６を介してオイル分離器１５に接続され、通路Ｃ６から流入した冷媒を凝縮させて液化させる。ファン１７は、冷媒を冷却するための冷却風として外気を凝縮器１６に供給する。

冷媒ポンプ１８は、通路Ｃ７を介して凝縮器１６に接続されており、発電電動機２０または膨張機１３から動力を得て作動する。作動時には、冷媒を通路Ｃ７から吸入して通路Ｃ８に吐出する。

一方向弁１９は、通路Ｃ８を介して冷媒ポンプ１８の吐出側に接続されており、通路Ｃ８から通路Ｃ９への冷媒の流通を許可すると共に、通路Ｃ９から通路Ｃ８への冷媒の流通を禁止する。通路Ｃ９は、一方向弁１９の反対側の端部で、水冷媒熱交換器１１と接続される。

減圧弁２１（第１の弁）は、通路Ｃ１０を介して三方弁１２に接続されており、下流側（通路Ｃ１１側）の冷媒圧力を、上流側（通路Ｃ１０側）の冷媒圧力より下げ、かつ下流側と上流側の差圧を一定に保つ弁として機能する。なお、通路Ｃ１１、Ｃ４、Ｃ５は、減圧弁２１および一方向弁１４の下流において合流している。しがたって、通路Ｃ１０、通路Ｃ１１は、通路Ｃ２、膨張機１３、通路Ｃ３、一方向弁１４、および通路Ｃ４と、並列回路（並列通路）を形成するバイパス通路であり、減圧弁２１は、バイパス通路Ｃ１０、Ｃ１１上に配置された弁となる。

発電電動機２０は、インバータ５１の制御に基づいて作動する。具体的には、発電電動機２０を電動機として作動させる時には、インバータ５１は、二次電池５０から発電電動機２０に供給する電力を制御する。また、インバータ５１は、発電電動機２０が膨張機１３の駆動力によって発電機として作動する時に、発電される電力を二次電池５０に充電する。また、ＥＣＵ５２は、インバータ５１の作動を制御するとともに、三方弁１２、およびファン１７の状態を制御する。また、ＥＣＵ５２は、温水配管３０を流通するエンジン冷却水の温度を検出する水温センサ３１（水冷媒熱交換器１１の上流側に配置）から、検出された水温を示す検出信号を取得する。

本実施形態においては、膨張機１３、発電電動機２０、および冷媒ポンプ１８が一体化してポンプ膨張発電機１００として構成される。このポンプ膨張発電機１００の構成について、図３を用いて説明する。ポンプ膨張発電機１００は、膨張機１３と、発電電動機２０と、冷媒ポンプ１８とが同軸上で連結され、一体的に形成されている。

膨張機１３は、スクロール型圧縮機構であり、流入ポート１３１、固定スクロール１３２、旋回スクロール１３３、膨張機ハウジング１３４、排出ポート１３５、スラストプレート１３６、１３７、シャフト１３８等を有している。

流入ポート１３１は、固定スクロール１３２の基板部１３２ａの中心部に穴を形成するように設けられたポートであり、通路Ｃ２に接続されている。流入ポート１３１は、固定スクロール１３２および旋回スクロール１３３によって形成される作動室のうち、最小体積となる作動室Ｖと通路Ｃ２とを連通させるものである。通路Ｃ２から導入された過熱蒸気冷媒は、流入ポート１３１を介して作動室Ｖに導かれる。

固定スクロール１３２は、板状の基板部１３２ａ、基板部１３２ａから旋回スクロール１３３側に突出した渦巻状の歯部１３２ｂ、および歯部１３２ｂの旋回スクロール１３３側端部から旋回スクロール１３３側に突出するチップシール１３２ｃを有している。この固定スクロール１３２は、チップシール１３２ｃ以外の部分は金属製である。

旋回スクロール１３３は、板状の基板部１３３ａ、基板部１３３ａから固定スクロール１３２側に突出した渦巻状の歯部１３３ｂ、および歯部１３３ｂの固定スクロール１３２側端部から旋回スクロール１３２側に突出するチップシール１３３ｃを有している。この旋回スクロール１３３は、チップシール１３３ｃ以外の部分は金属製である。

チップシール１３２ｃ、１３３ｃは、固定スクロール１３２と旋回スクロール１３３の間をシールして作動室の気密性を確保するための部材であり、ポリエーテル・エーテル・ケトン樹脂(ＰＥＥＫ)やポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）などの潤滑性の高い樹脂材料にて、歯部１３２ｂ、１３３ｂの渦巻き方向に沿って延びる角柱状に形成されている。

固定スクロール１３２のチップシール１３２ｃと旋回スクロール１３３の基板部１３３ａとが当接し、また、旋回スクロール１３３のチップシール１３３ｃと固定スクロール１３２の基板部１３２ａとが当接することで、作動室の気密性が確保される。

チップシール１３２ｃと基板部１３３ａとが接触し、チップシール１３３ｃと基板部１３２ａとが接触した状態で旋回スクロール１３３が旋回することによって、両スクロール１３２、１３３により形成される作動室の体積が拡大、縮小するように構成されている。

２枚のスラストプレート１３６、１３７は、旋回スクロール１３３の滑らかな旋回運動を助ける金属製の部材であり、旋回スクロール１３３と膨張機ハウジング１３４との間に介在して上下方向に積層されている。旋回スクロール１３３の旋回時に互いに摺動する。これらスラストプレート１３６、１３７は、旋回スクロール１３３から見て反固定スクロール１３２側に配置され、旋回スクロール１３３を固定スクロール１３２側に付勢する方向（上下方向）に重なっている。
上方側（膨張機ハウジング１３４側）のスラストプレート１３６は膨張機ハウジング１３４に固定されている。下方側（可動スクロール１３３側）のスラストプレート１３７は、可動スクロール１３３の基板部１３３ａに固定されて、可動スクロール１３３と一体的に旋回する。

旋回スクロール１３３にはシャフト１３８が連結されている。すなわち、シャフト１３８は、膨張機ハウジング１３４に固定された軸受け１３９ａおよび旋回スクロール１３３の基板部１３３ａに固定された軸受け１３９ｂによって回転可能に支持されている。このシャフト１３８は、旋回スクロール１３３側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１３８ａ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、軸受け１３９ｂを介して旋回スクロール１３３に連結されている。

また、旋回スクロール１１３と膨張機ハウジング１３４との間には図示しない自転防止機構が設けられており、この自転防止機構により、旋回スクロール１３３は、自転せずにシャフト１３８の回転中心軸周りを公転旋回する。そして、作動室は、発電電動機２０からの駆動力、つまりシャフト１３８の回転に伴って、さらには、流入ポート１３１から流入する過熱蒸気冷媒の膨張によって、旋回スクロール１３３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１３３の歯部１３３ｂの外周側と固定スクロール１３２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１３３ｅとして形成されている。この低圧室１３３ｅは排出ポート１３５に連通するので、排出ポート１３５を介して低圧室１３３ｅと通路Ｃ３が連通する。

電動機２０は、モータハウジング２０１、ステータ２０２、ロータ２０３、モータ軸２０４等を有している。モータハウジング２０１は膨張機ハウジング１３４に固定されており、ステータ２０２およびロータ２０３はモータハウジング２０１内に収容されており、ロータ２０３はステータ２０２内で回転する。

ステータ２０２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２０１の内周面に固定されている。ロータ２０３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２０４に固定されている。モータ軸２０４の一端側は、膨張機１３のシャフト１３８に固定接続されており、他端側は、直径が細くなるように形成されて冷媒ポンプ１８のポンプ軸１８２に接続されている。

そして、発電電動機２０は、ランキンサイクル１の起動時において、バッテリ５０からインバータ５１を介してステータ２０２に電力が供給されることにより、ロータ２０３が回転して膨張機１３、および冷媒ポンプ１８を駆動する電動機として作動する。また、発電電動機２０は、膨張機１３の膨張時に発生した駆動力によってロータ２０３を回転させるトルクが入力されると、冷媒ポンプ１８を駆動するとともに、膨張機１３での発生駆動力が冷媒ポンプ１８用の駆動力を超えた時に、電力を発生させる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５０に充電されるようになっている。

また、モータハウジング２０１の下端付近には、潤滑オイル供給用の通路Ｘ１とモータハウジング２０１内部の空間とを連通させるオイル供給ポート２０１ａが形成されている。このオイル供給ポート２０１ａは、膨張機１３の各摺動部よりも高い位置に設けられている。

軸受け１３９ａは、シャフト１３８と膨張機ハウジング１３４の隙間からモータハウジング２０１内部の空間に露出している。なお、この隙間は、隙間シール等でシールされていない。

したがって、オイル供給ポート２０１ａからモータハウジング２０１内部の空間に流入した潤滑オイルは、シャフト１３８と膨張機ハウジング１３４の隙間を通って軸受け１３９ａに供給されるようになっている。

冷媒ポンプ１８は、ローリングピストン型の２気筒のポンプであって、発電電動機２０の反膨張機側に配設されている。この冷媒ポンプ１８は、ポンプハウジング１８１、ポンプ軸１８２、軸受け１８２ａ〜１８２ｃ、シリンダブロック１８３ｘ、１８３ｙ、ロータ１８４ｘ、１８４ｙ、ベーン１８５ｘ、１８５ｙ、ばね１８６ｘ、１８６ｙを有している。更に冷媒ポンプ１８は、ヘッド１８７、挟み板１８８ａ〜１８８ｃ等を有している。

ポンプハウジング１８１は、モータハウジング２０１に固定されており、冷媒ポンプ１８の他の部材を収容している。シリンダブロック１８３ｘ、ロータ１８４ｘの組が、１つの気筒に相当するシリンダブロックとロータの組となり、シリンダブロック１８３ｙ、ロータ１８４ｙの組が、１つの気筒に相当するシリンダブロックとロータの組となる。挟み板１８８ａ〜１８８ｃは、軸受け１８２ａ、１８２ｂ、シリンダブロック１８３ｘ、１８３ｙ、ロータ１８４ｘ、１８４ｙを、軸方向から挟んで配設される。軸受け１８２ａは、挟み板１８８ａ、１８８ｂに固定され、軸受け１８２ｂは、挟み板１８８ｂ、１８８ｃに固定され、軸受け１８８ｃは、挟み板１８８ｃとヘッド１８７に固定される。

ポンプ軸１８２は、モータ軸２０４と接続されており、軸受け１８２ａ〜１８２ｃによって回転可能に支持されている。ポンプ軸１８２には、このポンプ軸１８２に対して偏心した円形のカム部１８２ｘ、１８２ｙが形成されている。

扁平円筒状のロータ１８４ｘ、１８４ｙは、それぞれカム部１８２ｘ、１８２ｙの外周側に装着されている。ロータ１３４ｘ、１３４ｙの外径は、シリンダブロック１８３ｘ、１８３ｙによってそれぞれ形成されるシリンダの内径より小さく設定されて各シリンダ内に挿入されている。そして、ロータ１３４ｘ、ｙは、それぞれカム部１８２ｘ、１８２ｙによって各シリンダ内を公転する。

また、ロータ１３４ｘ、１３４ｙの外周部には、ロータ１３４ｘ、１３４ｙの半径方向に摺動可能として、中心側にばね１８６ｘ、１８６ｙで押圧されてロータ１３４に当接するベーン１８５ｘ、１８５ｙが設けられている。そして、各シリンダ内において、ロータ１３４ｘ、１３４ｙ、およびベーン１８５ｘ、１８５ｙによって囲まれる空間がポンプ作動室として形成されている。

シリンダブロック１８３ｘ、１８３ｙには、ベーン１８５ｘ、１８５ｙに近接してこのベーン１８５ｘ、１８５ｙを挟むように各シリンダ内に連通する冷媒流入部１８９ａ、および冷媒流出部１８９ｂが設けられている。冷媒流入部１８９ａはポンプハウジング１８１を貫通する吸入ポート１９０ａに接続されており、吸入ポート１９０ａは通路Ｃ７に連通している。冷媒流出部１８９ｂは吐出ポート１９０ｂに繋がっており、吐出ポート１９０ｂは通路Ｃ８に連通している。

この冷媒ポンプ１８においては、シャフト１３８またはモータ軸２０４から伝達された駆動力によってポンプ軸１８２が回転する。このポンプ軸１８２が回転すると、通路Ｃ７の冷媒は、ロータ１３４ｘ、１３４ｙの公転作動によって吸入ポート１９０ａ、冷媒流入部１８９ａから各気筒のポンプ作動室に流入され、冷媒流出部１８９ｂ、吐出ポート１９０ｂから通路Ｃ８へ吐出される。

次に、オイル分離器１５について、図４を参照して説明する。本実施形態のオイル分離器１５は、遠心分離方式を採用しており、ケーシング１５１、冷媒流入ポート１５２、冷媒送出ポート１５３、オイル送出ポート１５４、および、冷媒送出管１５５を有している。

ケーシング１５１は円筒状の内部空間を形成し、このケーシング１５１内に円筒形状の冷媒送出管１５５が配置され、冷媒送出管１５５の上端が冷媒送出ポート１５３に接続している。この冷媒送出ポート１５３は通路Ｃ６に連通している。通路Ｃ５に連通する冷媒流入ポート１５２は、ケーシング１５１の周壁に設けられている。また、通路Ｘ１に連通するオイル送出ポート１５４は、ケーシング１５１の底部に設けられている。

このオイル分離器１５の作動は以下の通りである。通路Ｃ５の冷媒がオイル分離器１５の冷媒流入ポート１５２からケーシング１５１内に流入すると、流入した冷媒は旋回流を形成し、旋回流の遠心力によって冷媒内に混入している潤滑オイルが分離されてケーシング１５１の内壁に付着する。潤滑オイルが分離された冷媒は冷媒送出ポート１５３から通路Ｃ６に送り出される。分離された潤滑オイルはケーシング１５１の内壁を伝って流下し底部に至り、そこからオイル送出ポート１５４を通って通路Ｘ１に入る。図２に示す通り、オイル送出ポート１５４は、ポンプ膨張発電機１００のオイル供給ポート２０１ａよりも距離Ｈだけ高い位置に設けられていると同時に、膨張機１３の範囲Ｆ内の各摺動部よりも高い位置に設けられている。

また、通路Ｘ１は、オイル送出ポート１５４からオイル供給ポート２０１ａに向けて低くなるかまたは高さが一定となっている。したがって、通路Ｘ１に入った潤滑オイルは、オイル供給ポート２０１ａからモータハウジング２０１内に流入する。このように、オイル分離器１５は、流入した冷媒から遠心分離方式で潤滑オイルを分離し、分離した潤滑オイルを膨張機１３の摺動部１３６、１３７、１３９ａ、１３９ｂに供給する。

次に、本実施形態におけるポンプ膨張発電機１００の運転制御における手順について、図５に示すフローチャートおよび図６に示すタイミングチャートを用いて説明する。

なお、図６中の各グラフにおける実線は、本実施形態のランキンサイクル１の作動を表すものであり、破線は、比較例としてのランキンサイクルの作動を表すものである。比較例のランキンサイクルは、本実施形態のランキンサイクル１に対して、以下の変更１〜３を加えたものである。
変更１：三方弁１２を廃して、単に通路Ｃ１、Ｃ２、Ｃ１０を繋げただけの構成に変更。
変更２：一方向弁１９を廃して、単に通路Ｃ８、Ｃ９を繋げただけの構成に変更。
変更３：減圧弁２１を均圧弁に変更。
なお、図６においては、エンジン冷却水温および冷媒ポンプ回転速度については、本実施形態も比較例も同じように変化する。

まず、時点ｔ_０（図６参照）において、図示しない定置用エンジンが作動を開始すると共に、図示しないポンプの作動により、温水配管３０中をエンジン冷却水が図７の矢印の方向に流通し始める。また、それと共に、ＥＣＵ５２も作動を開始する。そしてＥＣＵ５２は、まずステップＳ１００で、当該定置用エンジンによって暖められて温水配管３０を流通するエンジン冷却水（冷却液）の水温を、水温センサ３１からの検出信号に基づいて、検出する。そして、検出したエンジン冷却水温が基準温度Ｔｓ（例えば７０℃）以上であるか否かを判定し、７０℃未満である間は、ステップＳ１００を繰り返す。

定置用エンジンの作動開始当初は、エンジン冷却水温は基準温度Ｔｓよりも低いので、ステップＳ１００が繰り返され、その間、定置用エンジンの作動によりエンジン冷却水温が上昇し続ける。なお、この間ＥＣＵ５２は、ファン１７を作動させず、三方弁１２を通常運転状態（路Ｃ１と通路Ｃ２を連通させると共に通路Ｃ１０側端を閉塞する状態）に維持する。更にこの間ＥＣＵ５２は、ポンプ１８を作動させない。

そして、時点ｔ_１において、エンジン冷却水温が基準温度Ｔｓに到達したとする。するとＥＣＵ５２は、ステップＳ１００でエンジン冷却水温が基準温度Ｔｓ以上であると判定し、ステップＳ１１０に進み、予備運転（起動時の運転）を開始する処理を行う。具体的には、三方弁１２を予備運転状態（路Ｃ１と通路Ｃ１０を連通させると共に通路Ｃ２側端を閉塞する状態）に切り替え、ファン１７を作動させる。ＥＣＵ５２はステップＳ１１０で更に、発電電動機２０を電動機として作動させる。これにより、発電電動機２０が発生する動力がモータ軸２０４からポンプ軸１８２およびシャフト１３８に伝達されることで、冷媒ポンプ１８および膨張機１３が作動する。

これにより、冷媒は、図７に実線矢印６１で示すような経路で循環する。つまり、冷媒は、冷媒ポンプ１８によって通路Ｃ７側から吸引されて通路Ｃ８側に圧送された後、一方向弁１９を経て、水冷媒熱交換器１１に入る。そして水冷媒熱交換器１１において、エンジン冷却水から熱が冷媒へと輸送され、それによって冷媒が蒸発し過熱蒸気へと状態変化する。

水冷媒熱交換器１１から出た冷媒は、高圧状態で三方弁１２から減圧弁２１に流入する。そして冷媒は、減圧弁２１において減圧された後、通路Ｃ１１を経てオイル分離器１５に至り、潤滑オイルが分離される。潤滑オイルが分離された冷媒は、さらに凝縮器１６で凝縮され、その後、通路Ｃ７を通って冷媒ポンプ１８に吸引される。このように、予備運転では、冷媒は膨張機１３を介さずに水冷媒熱交換器１１から凝縮器１６へと流れる。

通常運転の前に予備運転を行って上記のように冷媒が循環させることで、ランキンサイクル１における冷媒および潤滑オイルの偏在を、通常運転の前に解消することができる。その結果、その後の膨張機１３の作動による通常運転への準備を整えられる。

また、この予備運転時において、オイル分離器１５にて分離された潤滑オイルは、破線矢印６２のような経路を辿る。つまり、通路Ｘ１を通って、モータハウジング２０１のオイル供給ポート２０１ａからポンプ膨張発電機１００内に流入する。ポンプ膨張発電機１００内に流入した潤滑オイルは、流入した量が十分多くなると、シャフト１３８と膨張機ハウジング１３４の隙間に流入し、この隙間を通って軸受け１３９ａに供給される。更に潤滑オイルは、軸受け１３９ａを介して、軸受け１３９ａの下にあるスラストプレート１３６、１３７の間、および、軸受け１３９ｂに供給される。

このように、オイル分離器１５で分離された潤滑オイルは、図２の範囲Ｆ内にある摺動部に供給される。そして、摺動部は、軸受け１３９ａ、１３９ｂ、スラストプレート１３６のスラストプレート１３７側の面、および、スラストプレート１３７のスラストプレート１３６側の面である。したがって、予備運転の際にも、膨張機１３の上記摺動部に潤滑オイルが供給されるので、膨張機１３の摺動部における摩擦によるエネルギー損失が低減される。

また、減圧弁２１によって、通路Ｃ１１の圧力が通路Ｃ１０の圧力よりも所定減圧量だけ低下するので、オイル分離器１５において、冷媒と潤滑オイルの分離が容易になり、分離効率が向上する。例えば通路Ｃ１１と通路Ｃ１０の圧力が同じである場合に比べ、通路Ｃ１１の圧力が低下し、かつ、冷媒の流速が高くなるので、潤滑オイルが冷媒に溶け込み難くなる（分離され易くなる）からである。

なお、減圧弁２１によって発生させる一次側（通路Ｃ１０側）と二次側（通路Ｃ１１側）の差圧は、通常運転時において膨張機１３の上流側（通路Ｃ２側）と下流側（通るＣ３側）に発生する差圧と（１０％以内の誤差範囲で）同じ一定値にする。

この結果、図６に示すように、予備運転期間（時点ｔ_１〜ｔ_２）においては、比較例に対して、本実施形態の膨張機１３のエネルギー損失量（時点ｔ_１〜ｔ_２において点でハッチングされた部分の面積）が、低くなる。

ただし、予備運転を開始した直後は、まだ潤滑オイルが上記摺動部に十分供給されていない可能性がある。そのような場合のために、本実施形態では、予備運転時においてＥＣＵ５２が、三方弁１２を予備運転状態にして通路Ｃ２側端を閉塞する。これにより、通路Ｃ２が通路Ｃ１および通路Ｃ１０から遮断される。これにより、水冷媒熱交換器１１から膨張機１３へ冷媒が流れることが禁止される。

この状態で膨張機１３が作動すると、図８に示すように、膨張機１３の流入ポート１３１側の気圧（すなわち、固定スクロール１３２と旋回スクロール１３３の間の作動室の気圧）が排出ポート１３５側の気圧（膨張機１３の他の部分の気圧）よりも低くなる。つまり、膨張機１３が真空ポンプのように働く。すると、図８に示すように、膨張機１３の流入ポート１３１側と排出ポート１３５側の気圧差によって、旋回スクロール１３３を固定スクロール１３２側に強く押しつける付勢力６５、６６、６７が発生する。

この結果、旋回スクロール１３３に固定されたスラストプレート１３６と膨張機ハウジング１３４に固定されたスラストプレート１３７との間の摩擦力が大きく低減され、場合によってはゼロになる。したがって、スラストプレート１３６、１３７間の摩擦によるエネルギー損失は大きく低減される。また、スラストプレート１３６、１３７の磨耗も低減できる。

なお、旋回スクロール１３３が固定スクロール１３２側に強く押しつけられた結果、旋回スクロール１３３のチップシール１３３ｃが固定スクロール１３２の基板部１３２ａに強く押しつけられることになる。また同様に、固定スクロール１３２のチップシール１３２ｃが旋回スクロール１３３の基板部１３３ａに強く押しつけられることになる。したがって、チップシール１３３ｃと基板部１３２ａとの間の摩擦力、および、チップシール１３２ｃと基板部１３３ａとの間の摩擦力が増大する。

しかし、チップシール１３２ｃ、１３３ｃは、上述の通り、金属よりも潤滑性の高い樹脂材料で形成されているので、スラストプレート１３６、１３７間の摩擦によるエネルギー損失の低減量を相殺する程にチップシール１３２ｃ、１３３ｃでエネルギー損失が増大することはない。

したがって、通路Ｃ２が通路Ｃ１および通路Ｃ１０から遮断された結果、摩擦による膨張機１３のエネルギー損失は全体として低減される。それに比べ、比較例のランキンサイクルでは、単に通路Ｃ１、Ｃ２、Ｃ１０を繋げただけなので、予備運転時に膨張機１３が真空ポンプのように働くことがない。その結果、図６に示すように、予備運転開始直後においては、比較例における摩擦による膨張機のエネルギー損失率に比べ、本実施形態における膨張機のエネルギー損失率の方が、量Ｐだけ低い。なお、エネルギー損失率は、膨張機回生動力の正負を逆にした値である。

また、本実施形態では、時点ｔ_１の前において、水温が基準温度Ｔｓに近いエンジン冷却水が水冷媒熱交換器１１に流れ込んでいる。時点ｔ_１において、水冷媒熱交換器１１内に冷媒が多量に偏在する場合が多い。したがって、このようにすることで、水冷媒熱交換器１１内の冷媒を時点ｔ_１よりも前に十分に蒸発させることができる。

また、冷媒ポンプ１８が作動し始める時点ｔ_１よりも前に水冷媒熱交換器１１内の冷媒が蒸発しても、冷媒ポンプ１８と水冷媒熱交換器１１の間に敷設された一方向弁１９により、冷媒ポンプ１８へ過熱蒸気が流れ込むことを防止できる。

その結果、その結果、時点ｔ_１以降で、冷媒ポンプ１８の吸入側へ選択的に冷媒を送り込むことができる。つまり、冷媒ポンプ１８のポンプ作用がスムーズに行える。また、時点ｔ_１以降で、冷媒ポンプ１８の吸入部（具体的には吸入ポート１９０ａ）が加熱されず、キャビテーションを引き起こすことなく、ポンプ作用を確実に行える。この結果、一方向弁１９のない比較例と比べると、冷媒ポンプ１８の回転速度が同じでも、冷媒流量を早く高めることができる。そしてその結果、予備運転の時間を低減することができ、通常運転を早く行うことができる。その結果、時点ｔ_２以降も、膨張機１３の回生動力を多く得ることができる（すなわち、充電量の増加が速い）。

また一方向弁１４は、予備運転時に、膨張機１３の吐出側（通路Ｃ５、Ｃ１１）に流れる冷媒が膨張機１３に逆流することを防止する。これにより、膨張機１３が通常運転時に対して逆回転して負のトルクが発生することを抑止できる。

ＥＣＵ５２は、ステップＳ１１０で通常運転を開始する処理を行った後、ステップＳ１２０で、当該処理を行ってから所定時間が経過したかを判定する。所定時間は、膨張機１３の上記摺動部に潤滑オイルが十分供給されるために必要な時間でもあり、実機検証、シミュレーションなどから求められ、予め制御機器５２に記憶されている。

所定時間が経過しない間（時点ｔ_１以降かつ時点ｔ_２よりも前）、ＥＣＵ５２はステップＳ１２０を繰り返す。そして、時点ｔ_２になると、ＥＣＵ５２は所定時間が経過したと判定し、ステップＳ１３０に進む。

ステップＳ１３０では、通常運転を開始する処理を行う。具体的には、三方弁１２を通常運転状態（通路Ｃ１と通路Ｃ２を連通させると共に通路Ｃ１０側端を閉塞する状態）に切り替え、ファン１７の作動を維持する。このように、三方弁１２の通路Ｃ１０側端を閉じたことにより、冷媒が通路Ｃ２を通って膨張機１３に流入するようになる。

その結果、高温高圧の過熱蒸気冷媒が、膨張機１３に導入されて膨脹し、過熱蒸気冷媒の膨脹により旋回スクロール１３３が旋回し、この旋回の動力が、シャフト１３８を介してモータ軸２０４およびポンプ軸１８２に伝達され、発電電動機２０および、冷媒ポンプ１８が作動されることになる。

そして、膨張機１３の駆動力が冷媒ポンプ１８を駆動するための駆動力を超えると、発電電動機２０は発電機として作動されることになり、ＥＣＵ５２は発電電動機２０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５０に充電する。

この通常運転においては、冷媒は、図９に実線矢印６３で示すような経路で循環する。つまり、冷媒は、冷媒ポンプ１８によって通路Ｃ７側から吸引されて通路Ｃ８側に圧送された後、一方向弁１９を経て、水冷媒熱交換器１１に入る。そして水冷媒熱交換器１１において、エンジン冷却水から熱が冷媒へと輸送され、それによって冷媒が蒸発し過熱蒸気へと状態変化する。水冷媒熱交換器１１から出た冷媒は、高圧状態で三方弁１２から膨張機１３に流入する。そして冷媒は、膨張機１３で減圧された後、一方向弁１４を経てオイル分離器１５に至り、潤滑オイルが分離される。潤滑オイルが分離された冷媒は、さらに凝縮器１６で凝縮され、その後、通路Ｃ７を通って冷媒ポンプ１８に吸引される。時点ｔ_２以降は、この通常運転が継続される。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について、図１０、図１１を参照して説明する。なお、図１１に記載された上下方向は、鉛直上下方向に一致する。
本実施形態が第１実施形態と構成上で異なるのは、図１０に示すように、ランキンサイクル１において、オイルポンプ２２およびモータ２３を新たに設けた点と、図１１に示すように、オイル分離器１５の位置をオイル供給ポート２０１ａの位置よりも低くした点である。

オイルポンプ２２は、オイル分離器１５と膨張機１３とを繋ぐ通路Ｘ１の途中に配置され、モータ２３から動力を得て作動する。作動時には、オイルポンプ２２の上流側（オイル分離器１５側）から潤滑オイルを吸入してオイルポンプ２２の下流側（膨張機１３側）に吐出する。モータ２３の作動、非作動は、ＥＣＵ５２によって制御される。

本実施形態では、図１１に示すように、オイル分離器１５の位置をオイル供給ポート２０１ａの位置よりも低くし、また更には、オイル送出ポート１５４の位置を膨張機１３の各摺動部１３６、１３７、１３９ａ、１３９ｂよりも低くしている。このようになっていても、上記のように、通路Ｘ１にオイルポンプ２２を設けることで、オイルポンプ２２の作動によって冷媒がオイル分離器１５からオイル供給ポート２０１ａに圧送されるので、通路Ｘ１内の潤滑オイルの流通が良好に行われる。

なお、ＥＣＵ５２は、予備運転時および通常運転時の両方において、モータ２３を作動させることによって、オイルポンプ２２を作動させる。なお、本実施形態におけるランキンサイクル１の作動は、オイルポンプ２２の作動以外については、第１実施形態と同じである。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について、図１２を参照して説明する。なお、図１２に記載された上下方向は、鉛直上下方向に一致する。本実施形態が第１実施形態と異なるのは、本実施形態のオイル分離器１５が、図２に示すように、ポンプ膨張発電機１００と一体に形成されている点である。

具体的には、本実施形態のオイル分離器１５は、ポンプ膨張発電機１００のモータハウジング２０１の周壁に固定されている。そして、オイル分離器１５のケーシング１５１が、モータハウジング２０１と一体に形成されている。そして、オイル分離器１５のケーシング１５１内の構成は第１実施形態と同じである。なお、このような構成は、ケーシング１５１とモータハウジング２０１を同一視すれば、オイル分離器１５がモータハウジング２０１内に設けられていることにもなる。

また、オイル送出ポート１５４から、ケーシング１５１およびモータハウジング２０１を貫通するように、通路Ｘ１が形成されている。本実施形態では、この通路Ｘ１のモータハウジング２０１内壁側の端部が、オイル供給ポート２０１ａに該当する。

このようになっていることで、オイル送出ポート１５４から通路Ｘ１に入った潤滑オイルは、オイル供給ポート２０１ａからモータハウジング２０１内に流入し、その後、第１実施形態と同様に、膨張機１３の摺動部に供給される。

（他の実施形態）
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。また、上記各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能である。また、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、上記各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。また、上記各実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されるものではない。例えば、以下のような変形例も許容される。なお、以下の変形例は、それぞれ独立に、上記実施形態に適用および不適用を選択できる。すなわち、以下の変形例のうち任意の組み合わせを、上記実施形態に適用することができる。

（変形例１）
上記各実施形態において、オイル分離器１５は冷、媒から潤滑オイルを分離する方式として遠心分離式を採用しているが、遠心分離式ではなく衝突分離式を採用していてもよし、それら以外の方式を採用してもよい。

（変形例２）
上記各実施形態では、減圧弁２１によって発生させる一次側（通路Ｃ１０側）と二次側（通路Ｃ１１側）の差圧は一定であったが、必ずしも一定でなくともよい。例えば、減圧弁２１の上記差圧は、ランキンサイクル１の外気温に応じて変動させてもよい。

（変形例３）
予備運転時に膨張機１３を真空ポンプのように働かせる必要がない場合は、上記各実施形態の三方弁１２を廃してもよい。その場合、Ｃ１、Ｃ１０，Ｃ２は常時連通し、減圧弁は、通常状態において常に閉じた状態とすればよい。

（変形例４）
上記各実施形態では、通常運転時には水冷媒熱交換器１１から減圧弁２１に流れる冷媒の量がゼロになるが、必ずしもゼロにする必要はない。通常運転時に水冷媒熱交換器１１から減圧弁２１に流れる冷媒の量は、予備運転時に水冷媒熱交換器１１から減圧弁２１に流れる冷媒の量より減っていればよい。

（変形例５）
膨張機１３の吐出側から膨張機１３への冷媒の逆流を防止する必要がなければ、一方向弁１４も必須ではない。

（変形例５）
上記各実施形態では、チップシール１３２ｃ、１３３ｃの両方が樹脂製であったが、チップシール１３２ｃ、１３３ｃのうちいずれか一方のみが樹脂製で、他方は金属製であってもよい。その場合でも、予備運転時の摩擦損失を膨張機１３全体として低減するという効果は、或る程度実現される。

（変形例６）
上記各実施形態では、特許請求の範囲の第２の弁の例として、三方弁１２を採用している。しかし、第２の弁は、三方弁に限らず、以下のような機能１、２を共に実現する弁であればどのようなものであってもよい。
機能１：予備運転時に、水冷媒熱交換器１１からバイパス通路Ｃ１０、Ｃ１１を通って凝縮器１６に冷媒が流れることを許可すると共に、水冷媒熱交換器１１から膨張機１３へ冷媒が流れることを禁止する。
機能２：通常運転時に、水冷媒熱交換器１１から膨張機１３を通って凝縮器１６に冷媒が流れることを許可する。

（変形例７）
上記実施形態では、冷媒は、水冷媒熱交換器１１において定置用エンジンによって暖められた冷却水の廃熱を回収するようになっている。しかし、水冷媒熱交換器１１において定置用エンジン以外のエンジン（例えば車載エンジン）によって暖められた冷却水の廃熱を回収するようになっていてもよい。

１ランキンサイクル
１１水冷媒熱交換器
１２三方弁（第２の弁）
１３膨張機
１４一方向弁
１５オイル分離器
１６凝縮器
１８冷媒ポンプ
２１減圧弁（第１の弁）
Ｃ１０、Ｃ１１バイパス通路

Claims

冷媒を循環させる冷媒ポンプ（１８）と、
エンジンの冷却液廃熱を前記冷媒に回収させる熱交換器（１１）と、
前記冷媒の膨張によって作動することで、前記冷媒に回収された廃熱を動力に変換する膨張機（１３）と、
前記膨張機によって膨張した冷媒を凝縮させる凝縮器（１６）と、
前記冷媒を前記膨張機を介さずに前記熱交換器から前記凝縮器へと流すように前記膨張機と並列回路を形成するバイパス通路（Ｃ１０、Ｃ１１）に配置された第１の弁（２１）と、
前記第１の弁（２１）から出た前記冷媒から潤滑オイルを分離し、分離された前記潤滑オイルを前記膨張機の摺動部（１３６、１３７、１３９ａ、１３９ｂ）へ供給するオイル分離器（１５）と、を備え、
予備運転時には、前記熱交換器から前記バイパス通路を通って前記凝縮器に前記冷媒が流れると共に、前記バイパス通路から前記オイル分離器に流入した前記冷媒から分離された前記潤滑オイルが前記オイル分離器から前記膨張機の前記摺動部へ供給され、
前記予備運転の後の通常運転時には、前記バイパス通路を通る冷媒の量が前記予備運転時よりも減ると共に、前記熱交換器から前記膨張機を通って前記凝縮器に前記冷媒が流れることで前記凝縮器が作動し、
前記第１の弁は、当該第１の弁の下流側の冷媒圧力を、当該第１の弁の上流側の冷媒圧力より下げる減圧弁であることを特徴とする廃熱回生用のランキンサイクル。
前記予備運転時に、前記熱交換器から前記バイパス通路を通って前記凝縮器に前記冷媒が流れることを許可すると共に、前記熱交換器から前記膨張機へ前記冷媒が流れることを禁止し、前記通常運転時に、前記熱交換器から前記膨張機を通って前記凝縮器に前記冷媒が流れることを許可する第２の弁（１２）を備え、
前記膨張弁は、
固定スクロール（１３２）と、
旋回スクロール（１３２）と、
前記旋回スクロールから見て前記固定スクロールとは反対側にあって前記旋回スクロールを前記固定スクロール側に付勢する方向に重なり、前記旋回スクロールの旋回時に互いに摺動する金属製のプレート（１３６、１３７）と、を備え、
前記固定スクロールおよび旋回スクロール（１３２）のうち一方または両方は、前記固定スクロールと前記旋回スクロールの間をシールするための樹脂製のシール（１３２ｃ、１３３ｃ）を有し、
前記予備運転時に、前記第２の弁によって前記熱交換器から前記膨張機へ前記冷媒が流れることを禁止された状態で前記膨張機が作動することで、前記固定スクロールと前記旋回スクロールの間の作動室の気圧が、前記膨張機の前記作動室以外の気圧よりも低くなり、この気圧差によって、前記旋回スクロールを前記固定スクロール側に押しつける付勢力が発生することを特徴とする請求項１に記載のランキンサイクル。
前記予備運転時に、前記膨張機の吐出側に流れる冷媒が前記膨張機に逆流することを防止する一方向弁（１４）を有することを特徴とする請求項１または２に記載のランキンサイクル。
前記オイル分離器のオイル送出ポート（１５４）は、前記膨張機の摺動部よりも高い位置に設けられていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載のランキンサイクル。
前記オイル分離器のオイル送出ポート（１５４）は、前記膨張機の摺動部よりも低いい位置に設けられており、
当該ランキンサイクルは、前記オイル分離器と前記膨張機とを繋ぐ通路（Ｘ１）の途中に配置され、前記オイル分離器側から前記潤滑オイルを吸入して前記膨張機側に吐出するオイルポンプ（２２）を備えたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載のランキンサイクル。