WO2011118348A1 - 複合流体機械 - Google Patents

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WO2011118348A1
WO2011118348A1 PCT/JP2011/054756 JP2011054756W WO2011118348A1 WO 2011118348 A1 WO2011118348 A1 WO 2011118348A1 JP 2011054756 W JP2011054756 W JP 2011054756W WO 2011118348 A1 WO2011118348 A1 WO 2011118348A1
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pump
expander
discharged
housing
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英文 森
榎島　史修
井口　雅夫
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株式会社 豊田自動織機
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to a composite fluid machine that is used in a Rankine cycle device and includes an expander unit, a pump, and a rotating electrical machine integrally in a housing.
  • the integrated unit 80 includes a gear pump 81, a motor / generator 82, and an expander 83.
  • the gear pump 81, the motor / generator 82, and the expander 83 are juxtaposed along the axial direction of the shaft 84 of the motor / generator 82.
  • the housing that houses the gear pump 81 includes a blocking wall 88 and a casing 89.
  • a drive shaft 84 a provided at the tip of the shaft 84 passes through the blocking wall 88 and is supported by the casing 89.
  • a driven shaft 85 is provided between the blocking wall 88 and the casing 89, and is supported by the blocking wall 88 and the casing 89.
  • a driving gear 86 that rotates integrally with the drive shaft 84a and a driven gear 87 that rotates integrally with the driven shaft 85 are disposed so as to mesh with each other.
  • the drive shaft 84 a, the main driving gear 86, the driven shaft 85, and the driven gear 87 form a gear pump 81.
  • a discharge passage and a discharge hole (not shown) and a suction passage and a suction hole (not shown) are formed in the blocking wall 88 and communicate with the space between the blocking wall 88 and the casing 89. Yes.
  • the blocking wall 88 is interposed between the gear pump 81 and the motor / generator 82.
  • the blocking wall 88 partitions the cavity 90 that houses the motor / generator 82 and the expander 83 into the integrated unit 80, and blocks the cavity 90 from the gear pump 81.
  • the working fluid discharged from the expander 83 flows into the cavity 90.
  • the working fluid cooled to a liquid by a condenser (not shown) of the Rankine cycle device is sucked into the gear pump 81 through the suction passage and the suction hole by the pump operation of the gear pump 81, and is further discharged into the discharge hole. And after flowing through the discharge passage, it is discharged to a heat exchanger (not shown) of the Rankine cycle device.
  • heat exchange is performed between the working fluid expanded by the expander 83 and the working fluid in the gear pump 81 via the blocking wall 88. That is, the heat of the working fluid expanded by the expander 83 moves to the working fluid in the gear pump 81 through the blocking wall 88, and the temperature of the working fluid in the gear pump 81 increases.
  • An object of the present invention is to suppress the occurrence of cavitation on the pump suction side by suppressing the working fluid before being sucked into the pump from being heated in the housing by the expanded working fluid. Is to provide.
  • a pump that sucks the working fluid through the suction passage and discharges the working fluid through the discharge passage, the working fluid discharged from the pump, and the exhaust heat source
  • a heat exchanger that enables heat exchange with the fluid from the heat exchanger, an expander section that expands the working fluid after heat exchange in the heat exchanger and outputs mechanical energy, and the expander section
  • a composite fluid machine used in a Rankine cycle device comprising a circuit formed by sequentially connecting a condenser for condensing a working fluid discharged from a tank.
  • the composite fluid machine functions as a generator or an electric motor, and stores a rotating electrical machine having a drive shaft portion, a housing integrally including the expander portion, the pump, and the rotating electrical machine, and the working fluid. And a storage part provided between the suction passage and the pump and the expander part along the axial direction of the drive shaft part.
  • the discharge passage communicates with the reservoir so that the working fluid discharged from the pump is discharged to the heat exchanger via the reservoir.
  • FIG. 1 is a step view showing a composite fluid machine according to an embodiment of the present invention together with a Rankine cycle device.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line 3-3 in FIG. 1. Sectional drawing which shows the conventional composite fluid machine.
  • the housing 12 of the complex fluid machine 11 is joined to a cylindrical center housing 13, a front housing 14 joined to one end of the center housing 13, and the other end of the center housing 13. And a rear housing 15.
  • a partition wall 13 a is provided in the center housing 13. The partition wall 13a extends inward from the inner peripheral surface of the center housing 13 and partitions the center housing 13 into two spaces.
  • a motor / generator 20 as a rotating electric machine is accommodated between the partition wall 13a and the front housing.
  • the motor / generator 20 has a drive shaft portion 21.
  • the drive shaft portion 21 is rotatably supported by bearings 16 provided on the partition wall 13a and the front housing 14, respectively.
  • a first end portion of the drive shaft portion 21 is pivotally supported by a bearing 16 provided in the front housing 14.
  • a motor rotor 20 a is fixed to the drive shaft portion 21 so as to be rotatable integrally with the drive shaft portion 21.
  • a stator 20b is fixed to the inner peripheral surface of the center housing 13 so as to surround the motor rotor 20a.
  • the motor / generator 20 has both a function as an electric motor that rotates the motor rotor 20a by energizing the coil 20c on the stator 20b and a function as a generator that generates electric power in the coil 20c when the motor rotor 20a is rotated. .
  • the motor / generator 20 is connected to the battery 23 via the inverter 22, and the electric power generated by the motor / generator 20 is stored in the battery 23 via the inverter 22.
  • an oval recess 13 c is formed on the surface of the partition wall 13 a facing the rear housing 15 so as to surround the drive shaft portion 21, and the side plate 17 is fixed. .
  • the side plate 17 closes the recess 13c so that the pump chamber 18 is defined between the partition wall 13a and the side plate 17.
  • the shaft portion 19a of the driven gear 19 is rotatably supported by the partition wall 13a and the side plate 17.
  • a driven gear 19 and a main driving gear 21 a attached to the drive shaft portion 21 are disposed in mesh with each other.
  • the pump chamber 18, the driven gear 19, and the main driving gear 21 a form a gear pump 30.
  • a suction passage 13d communicating with the pump chamber 18 is formed in the partition wall 13a.
  • the suction passage 13 d is formed in the upper part of the composite fluid machine 11 so as to open on the upper surface of the center housing 13.
  • a discharge passage 17a communicating with the pump chamber 18 (concave portion 13c) is formed across the partition wall 13a and the side plate 17. In the present embodiment, the discharge passage 17 a is located below the pump chamber 18.
  • a support block 25 is fixed in a space between the partition wall 13 a and the rear housing 15.
  • a second end portion of the drive shaft portion 21 passes through the side plate 17 and is inserted into the support block 25.
  • a driven shaft portion 26 is provided at the second end portion so as to rotate integrally with the drive shaft portion 21.
  • the driven shaft portion 26 is rotatably supported by a bearing 27 provided on the support block 25.
  • the expander unit 40 for expanding a refrigerant as a working fluid is provided.
  • the expander unit 40 includes an eccentric shaft portion 41 provided at a position eccentric to the center axis L of the driven shaft portion 26 at the tip of the driven shaft portion 26.
  • the eccentric shaft portion 41 revolves around the central axis L of the driven shaft portion 26.
  • a bush 42 is fixed to the eccentric shaft portion 41.
  • the bush 42 revolves around the central axis L together with the eccentric shaft portion 41.
  • a movable scroll 44 is rotatably supported on the bush 42 via a bearing device 43.
  • a counterweight 45 is fixed to the bush 42.
  • the movable scroll 44 includes a disk-shaped end plate 44a and a spiral wall 44b protruding from the end plate 44a.
  • a fixed scroll 46 is fixed to the support block 25 so as to face the movable scroll 44.
  • the movable scroll 44 is rotatably disposed between the support block 25 and the fixed scroll 46.
  • the fixed scroll 46 includes a disk-like end plate 46 a and a spiral wall 46 b that protrudes from the end plate 46 a toward the movable scroll 44.
  • the spiral wall 44b of the movable scroll 44 and the spiral wall 46b of the fixed scroll 46 mesh with each other to define a working chamber 47 whose volume can be changed.
  • a suction port 46c is formed at the center of the end plate 46a of the fixed scroll 46.
  • a suction chamber 48 is defined between the end plate 46a and the rear housing 15, and the suction chamber 48 is located near the center through the suction port 46c (that is, the working chamber 47 before volume expansion).
  • Communicating with The rear housing 15 is formed with a suction port 15 a communicating with the suction chamber 48.
  • a discharge chamber 50 is formed in a portion of the fixed scroll 46 on the outer side in the radial direction, and a discharge port 13 g communicating with the discharge chamber 50 is formed in the center housing 13.
  • the discharge port 13g is formed in the lower portion of the center housing 13 so as to open downward.
  • the expander section 40 having the above-described configuration is provided so as to cover the entire center housing 13 along a direction orthogonal to the axial direction of the driven shaft section 26.
  • a reservoir 51 is defined between the inner peripheral surface of the center housing 13, the side plate 17, and the support block 25.
  • the storage portion 51 is formed in an annular shape so as to surround the driven shaft portion 26. That is, the reservoir 51 surrounds the entire outer peripheral surface of the support block 25 exposed in the reservoir 51. Further, the reservoir 51 communicates with the pump chamber 18 via a discharge passage 17 a formed in the side plate 17. For this reason, the working fluid discharged from the pump chamber 18 by the pump operation of the gear pump 30 is discharged to the storage part 51 through the discharge passage 17a.
  • the center housing 13 is formed with a discharge hole 13 h communicating with the storage portion 51. The working fluid discharged to the reservoir 51 is discharged to the Rankine cycle device 60 described later via the discharge hole 13h.
  • the Rankine cycle device 60 is a circuit formed by sequentially connecting the expander unit 40 of the composite fluid machine 11, the condenser 61, the gear pump 30 of the composite fluid machine 11, and the first boiler 62 and the second boiler 63 as heat exchangers. Is provided.
  • the discharge hole 13h communicating with the reservoir 51 is connected to the heat absorber 62a of the first boiler 62 via the first flow path 60a.
  • the first boiler 62 includes a heat radiator 62b in addition to the heat absorber 62a.
  • the radiator 62b is provided on a cooling water circulation path 65 connected to the engine 64 as an exhaust heat source.
  • a radiator 65 a is provided on the cooling water circulation path 65. Cooling water (high temperature fluid) that has cooled the engine 64 of the vehicle circulates through the cooling water circulation path 65 and radiates heat in the radiator 62b and the radiator 65a.
  • the discharge hole of the heat absorber 62a of the first boiler 62 is connected to the heat absorber 63a of the second boiler 63 via the connection passage 60b.
  • the second boiler 63 includes a radiator 63b in addition to the heat absorber 63a.
  • the radiator 63 b is provided on an exhaust passage 66 connected to the engine 64.
  • the exhaust from the engine 64 is exhausted from the muffler 67 after radiating heat in the radiator 63b. Therefore, the liquid refrigerant discharged from the gear pump 30 and further passing through the storage section 51 is exchanged between the heat absorbers 62a and 63a and the heat radiators 62b and 63b of the first and second boilers 62 and 63, and the engine 64. It is heated by the exhaust heat transmitted from and becomes a high-temperature and high-pressure refrigerant gas.
  • the discharge hole of the heat absorber 63a of the second boiler 63 is connected to the suction port 15a in the expander unit 40 via the second flow path 60c.
  • the high-temperature and high-pressure refrigerant gas heated by the first and second boilers 62 and 63 is sucked into the expander section 40 through the second flow path 60c and the suction port 15a.
  • the discharge port 13g of the expander unit 40 is connected to the condenser 61 via the third flow path 60d.
  • the low-pressure refrigerant gas after being expanded in the expander unit 40 is discharged to the condenser 61 through the third flow path 60d.
  • the discharge hole of the condenser 61 is connected to the suction passage 13d of the gear pump 30 through the fourth flow path 60e.
  • the refrigerant flows through the circuit in the order of the expander unit 40, the condenser 61 of the composite fluid machine 11, the gear pump 30 of the composite fluid machine 11, the first boiler 62, and the second boiler 63.
  • the motor / generator 20 When electric power from the battery 23 is supplied to the motor / generator 20 via the inverter 22, the motor / generator 20 is driven as an electric motor to drive the gear pump 30. By driving the gear pump 30, the liquid refrigerant is sent to the first boiler 62 via the first flow path 60a.
  • the liquid refrigerant is heated by the exhaust heat from the engine 64 transmitted by heat exchange between the heat absorbers 62a and 63a and the heat radiators 62b and 63b, and the high-pressure and high-temperature refrigerant. It becomes gas.
  • the high-temperature and high-pressure refrigerant gas after heating is introduced into the working chamber 47 of the expander unit 40 from the suction port 15a via the second flow path 60c and expands in the working chamber 47.
  • the expander unit 40 outputs mechanical energy (driving force). That is, the expansion of the refrigerant gas rotates the movable scroll 44, and the movable scroll 44 rotates the drive shaft portion 21 of the motor / generator 20 through the driven shaft portion 26 and drives the gear pump 30.
  • the drive shaft unit 21 can rotate beyond a predetermined number of revolutions.
  • the motor / generator 20 functions as a power generator to keep the rotational speed of the drive shaft portion 21 within a predetermined rotational speed.
  • the electric power generated by the motor / generator 20 is charged to the battery 23 via the inverter 22.
  • the refrigerant gas whose pressure has decreased due to expansion is discharged into the discharge chamber 50, and then discharged into the third flow path 60d through the discharge port 13g.
  • the refrigerant gas discharged to the third flow path 60d liquefies through the condenser 61 and becomes a liquid refrigerant.
  • This liquid refrigerant is introduced into the pump chamber 18 from the suction passage 13d through the fourth flow path 60e.
  • the liquid refrigerant introduced into the pump chamber 18 is discharged to the storage portion 51 via the discharge passage 17a by the gear pump 30 driven by the output from the expander portion 40.
  • the liquid refrigerant is stored in the storage unit 51, and the liquid refrigerant is interposed between the gear pump 30 and the expander unit 40.
  • the liquid refrigerant that has overflowed the reservoir 51 is discharged to the first flow path 60a through the discharge hole 13h, and is supplied to the first and second boilers 62 and 63 through the first flow path 60a. Thereafter, as described above, the refrigerant flows through the expander unit 40, the condenser 61, and the gear pump 30. While the engine 64 is being driven, the refrigerant circulates through the circuit of the Rankine cycle device 60.
  • the liquid refrigerant discharged by the gear pump 30 is stored in the storage unit 51, and the liquid refrigerant is interposed between the gear pump 30 and the expander unit 40.
  • the reservoir 51 is filled with the liquid refrigerant, the entire surface of the support block 25 exposed in the reservoir 51, the entire inner peripheral surface (inner surface) of the center housing 13 exposed in the reservoir 51, and the reservoir 51.
  • the liquid refrigerant contacts the entire surface of the side plate 17 exposed to the surface.
  • the heat of the refrigerant gas in the discharge chamber 50 and the discharge port 13g that is, the refrigerant gas expanded by the expander unit 40, is stored in the storage unit via the movable scroll 44, the fixed scroll 46, the center housing 13, and the support block 25.
  • the liquid refrigerant stored in 51 is transmitted to the liquid refrigerant. That is, since the expanded refrigerant gas does not directly contact the side plate 17, the heat of the expanded refrigerant gas is not directly transmitted to the side plate 17.
  • a storage portion 51 is provided between the gear pump 30 and its suction passage 13 d and the expander portion 40.
  • the reservoir 51 communicates with the discharge passage 17a of the gear pump 30, and the reservoir 51 stores the liquid refrigerant discharged from the gear pump 30.
  • the heat of the refrigerant gas after being expanded by the expander unit 40 is transmitted to the liquid refrigerant in the storage unit 51. Therefore, since the heat of the refrigerant gas after expansion is not directly transmitted to the gear pump 30, it is possible to suppress the liquid refrigerant before being sucked into the gear pump 30 from being heated in the housing 12 by the refrigerant gas after expansion. .
  • the occurrence of cavitation on the suction side of the gear pump 30 is suppressed, and a decrease in the liquid refrigerant transfer capability by the gear pump 30 can be suppressed.
  • the motor / generator 20, the gear pump 30, the storage part 51, and the expander part 40 are arranged in parallel along the axial direction of the drive shaft part 21 in this order. It is avoided that the heat of the refrigerant gas after expansion is directly transferred to the gear pump 30 by the liquid refrigerant in the reservoir 51. As a result, the motor / generator 20 disposed at a position further away from the expander unit 40 than the gear pump 30 can be suppressed from being heated by the heat of the refrigerant gas after expansion.
  • the expander unit 40 is provided so as to extend throughout the center housing 13 along a direction (radial direction) orthogonal to the axial direction of the drive shaft unit 21.
  • the storage 51 is formed in a space between the peripheral surface of the driven shaft portion 26 and the inner peripheral surface of the center housing 13 so as to surround the driven shaft portion 26. Therefore, the entire surface of the expander unit 40 that faces the gear pump 30 via the support block 25 faces the storage unit 51. Therefore, when the entire storage unit 51 is filled with the liquid refrigerant, both the heat of the refrigerant gas sucked into the expander unit 40 and the heat of the refrigerant gas discharged from the expander unit 40 are directly transmitted to the gear pump 30. It will not be done.
  • the storage part 51 is formed in a space between the peripheral surface of the driven shaft part 26 and the inner peripheral surface of the center housing 13 so as to surround the driven shaft part 26.
  • the liquid refrigerant contacts the inner peripheral surface of the center housing 13. For this reason, even if the heat of the expander unit 40 is transmitted through the center housing 13, the heat is transmitted to the liquid refrigerant in the storage unit 51. Therefore, both the heat of the refrigerant gas sucked into the expander unit 40 and the heat of the discharged refrigerant gas are suppressed from being transmitted to the gear pump 30 via the center housing 13.
  • the heat of the refrigerant gas discharged from the expander section 40 is transmitted to the liquid refrigerant discharged from the gear pump 30 (and stored in the storage section 51). Therefore, a part of the heat radiated from the condenser 61 after being discharged from the expander unit 40 can be used to heat the liquid refrigerant discharged from the gear pump 30 (internal heat exchange can be performed). it can). Thereby, the efficiency of the Rankine cycle apparatus 60 can be improved.
  • the discharge passage 17 a of the gear pump 30 is formed in the lower part of the side plate 17 so as to be located in the lower part of the pump chamber 18. Therefore, the liquid refrigerant is quickly stored in the lower portion of the storage unit 51. Further, the discharge port 13 g of the expander unit 40 is formed in the lower part of the center housing 13. For this reason, it is avoided that the heat of the refrigerant gas discharged from the expander unit 40 is directly transmitted to the gear pump 30 by the liquid refrigerant in the storage unit 51 even if the entire storage unit 51 is not filled with the liquid refrigerant. Is done.
  • the reservoir 51 may not be formed in an annular shape so as to surround the driven shaft portion 26. Further, it may be provided only below the driven shaft portion 26.
  • the complex fluid machine 11 includes the motor / generator 20, the gear pump 30, the storage unit 51, and the expander unit 40 arranged in parallel in this order along the axial direction of the drive shaft unit 21.
  • the order may be changed as long as the reservoir 51 is interposed between the suction passage 13d and the gear pump 30 and the expander unit 40.
  • the gear pump 30, the motor / generator 20, the storage portion 51, and the expander portion 40 may be arranged in this order.
  • the working fluid may not be a refrigerant.
  • the pump may be another type of pump of the gear pump 30.
  • the expander unit 40 may be of a form different from the scroll type.
  • the composite fluid machine 11 is used only in the Rankine cycle device 60. However, the composite fluid machine 11 may be provided with a compressor unit and a clutch mechanism, and the composite fluid machine 11 may be further used in a refrigeration cycle. .
  • a discharge hole 13 h communicating with the storage part 51 may be formed in the upper part of the center housing 13.

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Abstract

　吸入通路を介して作動流体を吸入するとともに吐出通路を介して作動流体を吐出するポンプと、ポンプから吐出された作動流体と排熱源からの流体との間での熱交換を可能とする熱交換器と、熱交換器での熱交換後の作動流体を膨張させて機械的エネルギーを出力する膨張機部と、膨張機部から吐出された作動流体を凝縮させる凝縮器と、を順次接続してなる回路を備えるランキンサイクル装置において用いられる複合流体機械を提供する。該複合流体機械は、発電機又は電動機として機能し、駆動軸部を有する回転電機と、膨張機部とポンプと回転電機とを内部に一体に備えるハウジングと、作動流体を貯留するための貯留部であって、駆動軸部の軸方向に沿って、吸入通路及びポンプと膨張機部との間に設けられた貯留部と、を備える。ポンプから吐出された作動流体が貯留部を経由して熱交換器へ吐出されるように、吐出通路は貯留部に連通されている。

Description

複合流体機械
　本発明は、ランキンサイクル装置において用いられ、膨張機部と、ポンプと、回転電機とをハウジング内に一体に備える複合流体機械に関する。
　この種の複合流体機械として、例えば、特許文献１の一体ユニットが挙げられる。図４に示すように、一体ユニット８０は、ギヤポンプ８１と、モータ／発電機８２と、膨張機８３とを備える。ギヤポンプ８１、モータ／発電機８２、および膨張機８３は、モータ／発電機８２のシャフト８４の軸方向に沿って並設されている。ギヤポンプ８１を収容するハウジングは、遮断壁８８と、ケーシング８９とを備える。シャフト８４の先端に設けられた駆動シャフト８４ａは、遮断壁８８を貫通してケーシング８９に支持されている。また、遮断壁８８とケーシング８９との間には従動シャフト８５が設けられており、遮断壁８８およびケーシング８９に支持されている。
　遮断壁８８とケーシング８９との間に区画される空間内には、駆動シャフト８４ａと一体回転する主動ギヤ８６、および従動シャフト８５と一体回転する従動ギヤ８７が、互いに噛み合うように配設されている。駆動シャフト８４ａと、主動ギヤ８６と、従動シャフト８５と、従動ギヤ８７とは、ギヤポンプ８１を形成する。また、遮断壁８８内には、遮断壁８８とケーシング８９との間の空間に連通する、吐出通路及び吐出孔（図示せず）と吸入通路及び吸入孔（図示せず）とが形成されている。
　一体ユニット８０において、上記遮断壁８８はギヤポンプ８１とモータ／発電機８２との間に介在している。この遮断壁８８は、モータ／発電機８２及び膨張機８３を収容する空洞部９０を一体ユニット８０内に区画するとともに、ギヤポンプ８１から空洞部９０を遮断している。
　ランキンサイクル装置の稼働時、膨張機８３から吐出された作動流体は空洞部９０に流入する。一方、ランキンサイクル装置のコンデンサ（図示せず）で冷却されて液体となった作動流体は、ギヤポンプ８１のポンプ動作により吸入通路及び吸入孔を流通してギヤポンプ８１内に吸入され、さらに、吐出孔及び吐出通路を流通した後、ランキンサイクル装置の熱交換器（図示せず）へ吐出される。
　一体ユニット８０内では、膨張機８３によって膨張された作動流体と、ギヤポンプ８１内の作動流体との間での遮断壁８８を介した熱交換が行われる。すなわち、膨張機８３によって膨張された作動流体の持つ熱が、ギヤポンプ８１内の作動流体に遮断壁８８を介して移動し、ギヤポンプ８１内の作動流体の温度が上昇する。
特開２００７－１３８７９７号公報
　ところが、特許文献１の一体ユニット８０においては、ギヤポンプ８１に作動流体を吸入するための吸入通路及び吸入孔は、遮断壁８８内に形成されている。このため、ハウジング内において、膨張後の作動流体の熱は、ギヤポンプ８１へ吸入される前の作動流体に遮断壁８８を介して伝達され、ギヤポンプ８１へ吸入される前の作動流体の飽和蒸気圧が上昇する。その結果、キャビテーションが発生し、ギヤポンプ８１による作動流体の移送能力が低下してしまうことがある。
　本発明の目的は、ポンプへ吸入される前の作動流体が膨張後の作動流体によりハウジング内で加熱されることを抑制して、ポンプ吸入側でのキャビテーションの発生を抑えることができる複合流体機械を提供することにある。
　上記目的を達成するため、本発明の一態様では、吸入通路を介して作動流体を吸入するとともに吐出通路を介して前記作動流体を吐出するポンプと、前記ポンプから吐出された作動流体と排熱源からの流体との間での熱交換を可能とする熱交換器と、前記熱交換器での熱交換後の作動流体を膨張させて機械的エネルギーを出力する膨張機部と、前記膨張機部から吐出された作動流体を凝縮させる凝縮器と、を順次接続してなる回路を備えるランキンサイクル装置において用いられる複合流体機械を提供する。該複合流体機械は、発電機又は電動機として機能し、駆動軸部を有する回転電機と、前記膨張機部と前記ポンプと前記回転電機とを内部に一体に備えるハウジングと、前記作動流体を貯留するための貯留部であって、前記駆動軸部の軸方向に沿って、前記吸入通路及び前記ポンプと前記膨張機部との間に設けられた貯留部と、を備える。前記ポンプから吐出された作動流体が前記貯留部を経由して前記熱交換器へ吐出されるように、前記吐出通路は前記貯留部に連通されている。
本発明の一実施形態による複合流体機械をランキンサイクル装置とともに示す段面図。 図１の複合流体機械及びランキンサイクル装置を模式的に示す図。 図１の３－３線に沿った断面図。 従来の複合流体機械を示す断面図。
　以下、本発明を具体化した一実施形態を図１～図３にしたがって説明する。
　図１に示すように、複合流体機械１１のハウジング１２は、筒状をなすセンタハウジング１３と、このセンタハウジング１３の一端に接合されたフロントハウジング１４と、センタハウジング１３の他端に接合されたリヤハウジング１５とを備える。センタハウジング１３内には、仕切壁１３ａが設けられている。この仕切壁１３ａはセンタハウジング１３の内周面から内側に向けて延びるとともに、センタハウジング１３内を２つの空間に仕切っている。
　仕切壁１３ａとフロントハウジング１４との間には回転電機としてのモータ・ジェネレータ２０が収容されている。モータ・ジェネレータ２０は駆動軸部２１を有する。この駆動軸部２１は、仕切壁１３ａとフロントハウジング１４とにそれぞれ設けられた軸受１６によって回転可能に支持されている。駆動軸部２１の第１の端部はフロントハウジング１４に設けられた軸受１６によって軸支されている。駆動軸部２１には、モータロータ２０ａが駆動軸部２１と一体回転可能に固定されている。また、センタハウジング１３の内周面には、モータロータ２０ａを取り囲むようにステータ２０ｂが固定されている。モータ・ジェネレータ２０は、ステータ２０ｂ上のコイル２０ｃへの通電によりモータロータ２０ａを回転させる電動機としての機能と、モータロータ２０ａが回転させられることによりコイル２０ｃに電力を生じさせる発電機としての機能とを併せ持つ。図２に示すように、モータ・ジェネレータ２０はインバータ２２を介してバッテリ２３に接続されており、モータ・ジェネレータ２０で生じた電力はインバータ２２を介してバッテリ２３に蓄電される。
　図１に示すように、仕切壁１３ａのリヤハウジング１５に対向する面には、駆動軸部２１を取り囲むように長円形状の凹部１３ｃが形成されているとともに、サイドプレート１７が固着されている。サイドプレート１７は、仕切壁１３ａとサイドプレート１７との間にポンプ室１８が区画されるように、凹部１３ｃを閉鎖している。また、図３に示すように、仕切壁１３ａおよびサイドプレート１７には、従動ギヤ１９の軸部１９ａが回転可能に支持されている。ポンプ室１８内には、従動ギヤ１９と、駆動軸部２１に取着された主動ギヤ２１ａとが、互いに噛み合った状態で配設されている。ポンプ室１８と、従動ギヤ１９と、主動ギヤ２１ａとはギヤポンプ３０を形成する。
　図１に示すように、仕切壁１３ａには、ポンプ室１８（凹部１３ｃ）に連通する吸入通路１３ｄが形成されている。本実施形態では、吸入通路１３ｄは、センタハウジング１３の上面に開口するように複合流体機械１１の上部に形成されている。また、仕切壁１３ａ及びサイドプレート１７に跨って、ポンプ室１８（凹部１３ｃ）に連通する吐出通路１７ａが形成されている。本実施形態では、吐出通路１７ａはポンプ室１８の下部に位置する。
　センタハウジング１３内において、仕切壁１３ａとリヤハウジング１５との間の空間には支持ブロック２５が固設されている。駆動軸部２１の第２の端部は、サイドプレート１７を貫通して支持ブロック２５に挿入されている。この第２の端部には従動軸部２６が駆動軸部２１と一体回転可能に設けられている。この従動軸部２６は、支持ブロック２５に設けられた軸受２７によって回転可能に支持されている。
　支持ブロック２５とリヤハウジング１５との間には、作動流体としての冷媒を膨張させる膨張機部４０が設けられている。膨張機部４０は、従動軸部２６の先端において従動軸部２６の中心軸Ｌに対して偏心した位置に設けられた偏心軸部４１を備える。従動軸部２６が回転するにしたがって、偏心軸部４１は従動軸部２６の中心軸Ｌの周りを公転する。偏心軸部４１にはブッシュ４２が固定されている。ブッシュ４２は偏心軸部４１と共に中心軸Ｌの周りを公転する。このブッシュ４２には軸受装置４３を介して可動スクロール４４が回転可能に支持されている。ブッシュ４２には、カウンタウェイト４５が固定されている。
　可動スクロール４４は、円盤状をなす端板４４ａと、この端板４４ａから突設された渦巻壁４４ｂとを備える。また、支持ブロック２５には、可動スクロール４４と対向するように固定スクロール４６が固設されている。可動スクロール４４は、支持ブロック２５と固定スクロール４６との間に回転可能に配設されている。固定スクロール４６は、円盤状をなす端板４６ａと、この端板４６ａから可動スクロール４４に向けて突設された渦巻壁４６ｂとを備えている。可動スクロール４４の渦巻壁４４ｂと固定スクロール４６の渦巻壁４６ｂとは互いに噛み合い、容積変更可能な作動室４７を区画する。
　また、固定スクロール４６の端板４６ａの中央部には吸入口４６ｃが形成されている。端板４６ａとリヤハウジング１５との間には、吸入チャンバ４８が区画されるとともに、この吸入チャンバ４８は吸入口４６ｃを介して中央寄りの作動室４７（すなわち、容積拡大前の作動室４７）に連通している。また、リヤハウジング１５には、吸入チャンバ４８に連通する吸入ポート１５ａが形成されている。さらに、固定スクロール４６の径方向外側寄りの部分には吐出チャンバ５０が形成されるとともに、センタハウジング１３には吐出チャンバ５０に連通する吐出ポート１３ｇが形成されている。本実施形態では、吐出ポート１３ｇはセンタハウジング１３の下部に下方へ向けて開口するように形成されている。上記構成の膨張機部４０は、従動軸部２６の軸方向に直交する方向に沿ってセンタハウジング１３内全体に亘るように設けられている。
　センタハウジング１３の内周面と、サイドプレート１７と、支持ブロック２５との間には、貯留部５１が区画されている。この貯留部５１は、従動軸部２６を取り囲むように環状に形成されている。すなわち、貯留部５１は、この貯留部５１内に露出する支持ブロック２５の外周面全体を囲んでいる。また、貯留部５１は、サイドプレート１７に形成された吐出通路１７ａを介して、ポンプ室１８に連通している。このため、ギヤポンプ３０のポンプ動作によってポンプ室１８から吐出された作動流体は、吐出通路１７ａを介して貯留部５１へ吐出される。センタハウジング１３には、貯留部５１に連通する吐出孔１３ｈが形成されている。貯留部５１へ吐出された作動流体は、吐出孔１３ｈを介して後述するランキンサイクル装置６０へ吐出される。
　次に、上記複合流体機械１１が用いられるランキンサイクル装置６０について説明する。
　ランキンサイクル装置６０は、複合流体機械１１の膨張機部４０、凝縮器６１、複合流体機械１１のギヤポンプ３０、及び熱交換器としての第１ボイラ６２、第２ボイラ６３を順次接続してなる回路を備える。
　図１及び図２に示すように、貯留部５１に連通する吐出孔１３ｈは第１流路６０ａを介して第１ボイラ６２の吸熱器６２ａに接続されている。第１ボイラ６２は、吸熱器６２ａに加え放熱器６２ｂを備える。この放熱器６２ｂは、排熱源としてのエンジン６４に接続された冷却水循環経路６５上に設けられている。冷却水循環経路６５上にはラジエータ６５ａが設けられている。車両のエンジン６４を冷却した冷却水（高温流体）は、冷却水循環経路６５を循環して放熱器６２ｂ及びラジエータ６５ａにおいて放熱する。
　第１ボイラ６２の吸熱器６２ａの吐出孔は接続通路６０ｂを介して第２ボイラ６３の吸熱器６３ａに接続されている。第２ボイラ６３は、吸熱器６３ａに加え放熱器６３ｂを備える。この放熱器６３ｂは、エンジン６４に接続された排気通路６６上に設けられている。エンジン６４からの排気は、放熱器６３ｂにおいて放熱した後、マフラ６７から排気される。よって、ギヤポンプ３０から吐出され、さらに貯留部５１を経由した液冷媒は、第１及び第２ボイラ６２，６３の吸熱器６２ａ，６３ａと放熱器６２ｂ，６３ｂとの間での熱交換によりエンジン６４から伝達される排熱によって加熱され、高温高圧の冷媒ガスとなる。
　第２ボイラ６３の吸熱器６３ａの吐出孔は、第２流路６０ｃを介して膨張機部４０における吸入ポート１５ａに接続されている。第１及び第２ボイラ６２，６３で加熱された高温高圧の冷媒ガスは第２流路６０ｃ及び吸入ポート１５ａを介して膨張機部４０に吸入される。膨張機部４０の吐出ポート１３ｇは、第３流路６０ｄを介して凝縮器６１に接続されている。膨張機部４０で膨張した後の低圧の冷媒ガスは、第３流路６０ｄを介して凝縮器６１へ吐出される。凝縮器６１の吐出孔は第４流路６０ｅを介してギヤポンプ３０の吸入通路１３ｄに接続されている。よって、ランキンサイクル装置６０では、冷媒は、複合流体機械１１の膨張機部４０、凝縮器６１、複合流体機械１１のギヤポンプ３０、第１ボイラ６２、及び第２ボイラ６３の順で回路を流れる。
　バッテリ２３からの電力がインバータ２２を介してモータ・ジェネレータ２０に供給されると、モータ・ジェネレータ２０は電動機として駆動され、ギヤポンプ３０を駆動する。ギヤポンプ３０の駆動により、液冷媒が第１流路６０ａを介して第１ボイラ６２へ送られる。
　第１及び第２ボイラ６２，６３において、吸熱器６２ａ，６３ａと放熱器６２ｂ，６３ｂとの間での熱交換により伝達されるエンジン６４からの排熱によって液冷媒が加熱されて高圧高温の冷媒ガスとなる。加熱後の高温高圧の冷媒ガスは、第２流路６０ｃを介して吸入ポート１５ａから膨張機部４０の作動室４７に導入されて作動室４７内で膨張する。この膨張に伴って、膨張機部４０が機械的エネルギー（駆動力）を出力する。すなわち、冷媒ガスの膨張が可動スクロール４４を回転させ、可動スクロール４４は従動軸部２６を介してモータ・ジェネレータ２０の駆動軸部２１を回転させるとともにギヤポンプ３０を駆動する。
　エンジン６４からの排熱量が大きく、したがって膨張機部４０から出力される駆動力が大きい場合、駆動軸部２１が所定回転数を越えて回転し得る。そうした場合には、モータ・ジェネレータ２０が発電機として機能して駆動軸部２１の回転数を所定回転数以内に抑える。モータ・ジェネレータ２０で発電された電力は、インバータ２２を介してバッテリ２３に充電される。
　膨張によって圧力が低下した冷媒ガスは、吐出チャンバ５０に吐出された後、吐出ポート１３ｇを介して第３流路６０ｄへ吐出される。第３流路６０ｄへ吐出された冷媒ガスは、凝縮器６１を通過して液化し液冷媒となる。この液冷媒は、第４流路６０ｅを介して吸入通路１３ｄからポンプ室１８に導入される。膨張機部４０からの出力により駆動されるギヤポンプ３０により、ポンプ室１８に導入された液冷媒は、吐出通路１７ａを経由して貯留部５１へ吐出される。貯留部５１に液冷媒が貯留され、ギヤポンプ３０と膨張機部４０との間に液冷媒が介在する状態となる。
　貯留部５１をオーバーフローした液冷媒は吐出孔１３ｈを介して第１流路６０ａに吐出され、第１流路６０ａを介して第１及び第２ボイラ６２，６３へ供給される。以後、上述したように、冷媒は、膨張機部４０、凝縮器６１、及びギヤポンプ３０を流れる。エンジン６４が駆動されている間、冷媒はランキンサイクル装置６０の回路を循環する。
　上記複合流体機械１１を用いるランキンサイクル装置６０において、貯留部５１にはギヤポンプ３０によって吐出された液冷媒が貯留され、ギヤポンプ３０と膨張機部４０との間には液冷媒が介在している。貯留部５１が液冷媒によって満たされると、貯留部５１内に露出する支持ブロック２５の面の全体、貯留部５１内に露出するセンタハウジング１３の内周面（内面）の全体、及び貯留部５１に露出するサイドプレート１７の面の全体に液冷媒が接触する。
　吐出チャンバ５０及び吐出ポート１３ｇ内の冷媒ガス、すなわち、膨張機部４０によって膨張された冷媒ガスの持つ熱は、可動スクロール４４、固定スクロール４６、センタハウジング１３及び支持ブロック２５を介して、貯留部５１に貯留された液冷媒に伝達される。すなわち、膨張後の冷媒ガスがサイドプレート１７に直接接触しないので、膨張後の冷媒ガスの持つ熱はサイドプレート１７に直接伝達されなくなる。
　上記実施形態によれば、以下のような利点を得ることができる。
　（１）駆動軸部２１の軸方向において、ギヤポンプ３０及びその吸入通路１３ｄと膨張機部４０との間には、貯留部５１が設けられている。そして、この貯留部５１は、ギヤポンプ３０の吐出通路１７ａに連通し、貯留部５１はギヤポンプ３０から吐出された液冷媒を貯留する。このため、膨張機部４０で膨張された後の冷媒ガスの持つ熱は貯留部５１内の液冷媒に伝達される。よって、膨張後の冷媒ガスの持つ熱がギヤポンプ３０に直接伝達されないので、ギヤポンプ３０へ吸入される前の液冷媒が膨張後の冷媒ガスによりハウジング１２内で加熱されることを抑制することができる。その結果、ギヤポンプ３０の吸入側でのキャビテーションの発生が抑制され、ギヤポンプ３０による液冷媒の移送能力低下を抑制することができる。
　（２）複合流体機械１１には、モータ・ジェネレータ２０、ギヤポンプ３０、貯留部５１及び膨張機部４０がこの順序で駆動軸部２１の軸方向に沿って並設されている。貯留部５１内の液冷媒により、膨張後の冷媒ガスの持つ熱がギヤポンプ３０に直接伝達されることは回避される。その結果、ギヤポンプ３０よりさらに膨張機部４０から離れた位置に配設されたモータ・ジェネレータ２０が、膨張後の冷媒ガスの持つ熱により加熱されることを抑制することができる。
　（３）膨張機部４０は、駆動軸部２１の軸方向に直交する方向（径方向）に沿ってセンタハウジング１３内全体に亘るように設けられている。また、貯留部５１は従動軸部２６を取り囲むように従動軸部２６の周面とセンタハウジング１３の内周面との間の空間に形成されている。よって、膨張機部４０において支持ブロック２５を介してギヤポンプ３０に臨む面の全てが貯留部５１に面している。したがって、貯留部５１全体が液冷媒によって満たされると、膨張機部４０へ吸入される冷媒ガスの持つ熱、及び膨張機部４０から吐出される冷媒ガスの持つ熱の両方がギヤポンプ３０に直接伝達されなくなる。
　（４）貯留部５１は従動軸部２６を取り囲むように従動軸部２６の周面とセンタハウジング１３の内周面との間の空間に形成されている。貯留部５１全体が液冷媒によって満たされると、センタハウジング１３の内周面に液冷媒が接触する。このため、膨張機部４０の熱がセンタハウジング１３を介して伝わっても、その熱は貯留部５１内の液冷媒に伝達される。したがって、膨張機部４０へ吸入される冷媒ガスの持つ熱、及び吐出される冷媒ガスの持つ熱の両方がセンタハウジング１３を介してギヤポンプ３０に伝達されることが抑制される。
　（５）貯留部５１を設けることにより、膨張機部４０から吐出された冷媒ガスの持つ熱は、ギヤポンプ３０から吐出された（そして、貯留部５１に貯留された）液冷媒に伝達される。よって、膨張機部４０から吐出された後、凝縮器６１で放熱される熱の一部は、ギヤポンプ３０から吐出された液冷媒を加熱するために用いることができる（内部熱交換を行うことができる）。これによって、ランキンサイクル装置６０の効率を向上させることができる。
　（６）ギヤポンプ３０の吐出通路１７ａはポンプ室１８の下部に位置するようにサイドプレート１７の下部に形成されている。よって、貯留部５１の下側部分には液冷媒が速やかに貯留される。また、膨張機部４０の吐出ポート１３ｇは、センタハウジング１３の下部に形成される。このため、貯留部５１全体が液冷媒で満たされなくても、貯留部５１内の液冷媒により、膨張機部４０から吐出された冷媒ガスの持つ熱がギヤポンプ３０に直接伝達されることは回避される。
　膨張後の冷媒ガスの持つ熱が貯留部５１内の液冷媒に伝達されることができるのであれば、貯留部５１は従動軸部２６を取り囲むように環状に形成されていなくてもよく、例えば、従動軸部２６より下方のみに設けられていてもよい。
　上記実施形態では、複合流体機械１１には、駆動軸部２１の軸方向に沿ってモータ・ジェネレータ２０、ギヤポンプ３０、貯留部５１、及び膨張機部４０がこの順序で並設されていたが、吸入通路１３ｄ及びギヤポンプ３０と、膨張機部４０との間に貯留部５１が介在していれば、順序は変更されてもよい。例えば、駆動軸部２１の軸方向に沿って、ギヤポンプ３０、モータ・ジェネレータ２０、貯留部５１、及び膨張機部４０がこの順序で並設されてもよい。
　作動流体は冷媒でなくてもよい。
　ポンプはギヤポンプ３０の他の形態のポンプとしてもよい。
　膨張機部４０はスクロール型と異なる形式であってもよい。
　複合流体機械１１はランキンサイクル装置６０のみにおいて用いられていたが、複合流体機械１１に圧縮機部及びクラッチ機構が一体に設けられて、該複合流体機械１１がさらに冷凍サイクルにおいて用いられてもよい。
　貯留部５１に連通する吐出孔１３ｈがセンタハウジング１３の上部に形成されてもよい。これにより、ギヤポンプ３０の停止時に冷媒ガスが貯留部５１に溜まるのを防止するとともに、貯留部５１を常に液冷媒で満たすことができる。
　１１…複合流体機械、１２…ハウジング、１３ｄ…吸入通路、１７ａ…吐出通路、２０…回転電機としてのモータ・ジェネレータ、２１…駆動軸部、２６…従動軸部、３０…ポンプとしてのギヤポンプ、４０…膨張機部、５１…貯留部、６０…ランキンサイクル装置、６１…凝縮器、６２…熱交換器としての第１ボイラ、６３…熱交換器としての第２ボイラ、６４…排熱源としてのエンジン。

Claims (5)

  1. 　吸入通路を介して作動流体を吸入するとともに吐出通路を介して前記作動流体を吐出するポンプと、
    　前記ポンプから吐出された作動流体と排熱源からの流体との間での熱交換を可能とする熱交換器と、
    　前記熱交換器での熱交換後の作動流体を膨張させて機械的エネルギーを出力する膨張機部と、
    　前記膨張機部から吐出された作動流体を凝縮させる凝縮器と、を順次接続してなる回路を備えるランキンサイクル装置において用いられる複合流体機械において、該複合流体機械は、
    　発電機又は電動機として機能し、駆動軸部を有する回転電機と、
    　前記膨張機部と前記ポンプと前記回転電機とを内部に一体に備えるハウジングと、
    　前記作動流体を貯留するための貯留部であって、前記駆動軸部の軸方向に沿って、前記吸入通路及び前記ポンプと前記膨張機部との間に設けられた貯留部と、を備え、
    　前記ポンプから吐出された作動流体が、前記貯留部を経由して前記熱交換器へ吐出されるように、前記吐出通路が前記貯留部に連通されている複合流体機械。
  2. 　前記膨張機部は、前記駆動軸部と一体回転する従動軸部を回転中心として駆動されるとともに前記軸方向に直交する方向に沿って前記ハウジング内全体に亘るように設けられ、前記貯留部は前記従動軸部を取り囲むように該従動軸部の周面と前記ハウジングの内面との間に形成されている請求項１に記載の複合流体機械。
  3. 　前記回転電機、前記ポンプ、前記貯留部、及び前記膨張機部が、この順序で前記軸方向に沿って並設されている請求項１又は請求項２に記載の複合流体機械。
  4. 　前記吐出通路が前記ハウジングの下部に設けられるとともに、前記膨張機部の吐出ポートが前記ハウジングの下部に設けられている請求項１～請求項３のいずれか一項に記載の複合流体機械。
  5. 　前記貯留部は液化した作動流体を貯留する請求項１～請求項４のいずれか一項に記載の複合流体機械。
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