WO2013105319A1 - 膨張機 - Google Patents

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WO2013105319A1
WO2013105319A1 PCT/JP2012/076427 JP2012076427W WO2013105319A1 WO 2013105319 A1 WO2013105319 A1 WO 2013105319A1 JP 2012076427 W JP2012076427 W JP 2012076427W WO 2013105319 A1 WO2013105319 A1 WO 2013105319A1
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WO
WIPO (PCT)
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sub
expander
pressure
refrigerant
suction port
Prior art date
Application number
PCT/JP2012/076427
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
榎島　史修
井口　雅夫
英文 森
小田　和孝
裕之 武井
耕二郎 田丸
Original Assignee
株式会社豊田自動織機
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 株式会社豊田自動織機 filed Critical 株式会社豊田自動織機
Publication of WO2013105319A1 publication Critical patent/WO2013105319A1/ja

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01C—ROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
    • F01C1/00—Rotary-piston machines or engines
    • F01C1/02—Rotary-piston machines or engines of arcuate-engagement type, i.e. with circular translatory movement of co-operating members, each member having the same number of teeth or tooth-equivalents
    • F01C1/0207—Rotary-piston machines or engines of arcuate-engagement type, i.e. with circular translatory movement of co-operating members, each member having the same number of teeth or tooth-equivalents both members having co-operating elements in spiral form
    • F01C1/0215—Rotary-piston machines or engines of arcuate-engagement type, i.e. with circular translatory movement of co-operating members, each member having the same number of teeth or tooth-equivalents both members having co-operating elements in spiral form where only one member is moving
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01C—ROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
    • F01C20/00—Control of, monitoring of, or safety arrangements for, machines or engines
    • F01C20/24—Control of, monitoring of, or safety arrangements for, machines or engines characterised by using valves for controlling pressure or flow rate, e.g. discharge valves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01C—ROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
    • F01C21/00—Component parts, details or accessories not provided for in groups F01C1/00 - F01C20/00
    • F01C21/18—Arrangements for admission or discharge of the working fluid, e.g. constructional features of the inlet or outlet
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C2270/00—Control; Monitoring or safety arrangements
    • F04C2270/18—Pressure
    • F04C2270/185—Controlled or regulated

Definitions

  • the present invention relates to an expander, and more particularly to a variable displacement expander that opens and closes at least one sub suction port to make the suction volume variable.
  • An expander is used to expand the refrigerant in a Rankine cycle or the like.
  • the expander sucks in the refrigerant from the suction port, expands the refrigerant in the expansion chamber, and discharges the refrigerant from the discharge port.
  • the variable displacement expander has a sub suction port in addition to the main suction port as a suction port, and changes the suction volume by opening and closing the sub suction port.
  • Patent Document 1 shows an example of a scroll expander having a plurality of sub suction ports and changing the suction volume in multiple stages.
  • Patent Documents 2 and 3 show an example of a scroll compressor that performs volume control by opening and closing a plurality of bypass ports.
  • JP 2005-30386 A JP-A-59-105994 Japanese Patent Application Laid-Open No. 62-291491
  • the present invention was made in order to solve such problems, and it is an object of the present invention to provide an expander capable of accurately controlling the pressure at the inlet of the expander to the pressure limit or less and the highest possible pressure. Do.
  • the expander comprises at least one expansion chamber, a main suction port communicating with any of the expansion chambers, at least one sub suction port communicating with any of the expansion chambers, a sub suction port and an expansion chamber.
  • An expander having a sub suction port valve for communicating and blocking, the expander having a control means for adjusting the opening degree of the sub suction port valve and a pressure for detecting the pressure of refrigerant drawn into the expander.
  • the control means is further provided with a detection means, and the control means is preset with a target pressure of the refrigerant, and the control means sets the opening degree of the sub suction port valve so that the detection value by the pressure detection means matches the target pressure. adjust.
  • the present invention it is possible to change the suction volume of the expander by opening and closing the sub suction port valve, and to adjust the opening degree of the sub suction port valve to the expansion chamber of the suction volume changing portion via the sub suction port.
  • the flow rate of the refrigerant to be sucked can be adjusted.
  • By adjusting the flow rate of the refrigerant to the suction volume changing portion while changing the suction volume it is possible to adjust the suction throttling amount of the expander and the pressure of the refrigerant sucked into the expander is controlled to match the target pressure. Therefore, the pressure at the inlet of the expander can be precisely controlled to the pressure which is lower than the pressure limit and as high as possible.
  • FIG. 3 is an enlarged view around the main suction port in the cross-sectional view taken along the line III-III in FIG.
  • FIG. 3 is an enlarged view around a main suction port in a state where the movable scroll is at a position different from that in FIG.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the line VV of FIG. 4; It is a figure which shows the example of control of the sub suction port valve by ECU of FIG.
  • FIG. 6 is a diagram showing a configuration of a Rankine cycle including an expander according to Embodiment 2.
  • FIG. 10 is a conceptual diagram showing a target temperature and a target pressure of the refrigerant drawn into the expander according to Embodiment 2.
  • FIG. 10 is a diagram showing a configuration of a Rankine cycle including an expander according to Embodiment 3.
  • FIG. 13 is a conceptual diagram showing a target temperature and a target pressure of a refrigerant sucked into an expander according to a third embodiment, and a predetermined temperature and a predetermined pressure.
  • FIG. 1 shows the configuration of a Rankine cycle R1 including an expander 100 according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the Rankine cycle R1 is mounted on, for example, a vehicle.
  • the expander 100 is a scroll type variable volume expander, and sucks, expands and discharges the refrigerant circulating through the Rankine cycle R1.
  • the Rankine cycle R1 forms a circulation path in which the pump 1, the boiler 2, the expander 100, and the condenser 3 are annularly connected in this order, and a refrigerant as a working fluid flows.
  • the pump 1 is driven by a motor 4 to pump liquid refrigerant to the boiler 2.
  • the boiler 2 internally exchanges heat between the refrigerant sent by the pump 1 and the exhaust gas of the exhaust system 6 of the engine 5 of the vehicle to heat the refrigerant.
  • the expander 100 expands the high-temperature and high-pressure refrigerant heated by the boiler 2 in its interior, thereby taking out the rotational driving force.
  • the rotational driving force is transmitted to the engine 5 through the power transmission mechanism 7 to assist the rotational driving force of the engine 5.
  • Power transmission mechanism 7 is formed of, for example, a pulley and a belt.
  • the condenser 3 causes the refrigerant discharged from the expander 100 to flow inside and exchanges heat with the air around the condenser 3 to cool and condense the refrigerant. Then, the pump 1 pumps the condensed liquid refrigerant again to circulate the Rankine cycle R1.
  • the expander 100 includes a pressure sensor S1 as pressure detection means for detecting the pressure of the refrigerant drawn into the expander 100.
  • the pressure sensor S1 is provided on the upstream side of the expander 100 in the Rankine cycle R1, and converts the pressure of the refrigerant into an electric signal and outputs the electric signal.
  • the expander 100 is equipped with ECU8 as a control means which controls expander 100 itself.
  • the ECU 8 for the detection value P by the pressure sensor S1, i.e. the target pressure P t of the pressure at the inlet of the expander 100, the withstand voltage limit or less and as high as possible pressure of the expander 100 is set in advance.
  • the configuration of the expander 100 is shown in FIG.
  • the expander 100 includes an expansion unit 101 and a power generation unit 102.
  • the expander 100 includes an expansion unit housing 10 constituting a housing of the expansion unit 101 and a power generation unit housing 20 constituting a housing of the power generation unit 102.
  • the inflation housing 10 comprises a first inflation housing 10a and a second inflation housing 10b.
  • the first expansion portion housing 10a and the power generation portion housing 20 are connected to both sides of the second expansion portion housing 10b.
  • the expansion portion 101 has a fixed scroll 11 inside the first expansion portion housing 10a.
  • the fixed scroll 11 is fixed to the first expansion portion housing 10a.
  • the fixed scroll 11 is formed of a plate-like substrate 11a and a spiral wall 11b.
  • the spiral wall 11 b is formed in a spiral shape on the substrate 11 a and protrudes from the substrate 11 a in a direction toward the second expansion portion housing 10 b.
  • the expansion portion 101 has a movable scroll 12 so as to face the fixed scroll 11 from the inside of the second expansion portion housing 10b to the inside of the first expansion portion housing 10a.
  • the movable scroll 12 is disposed on the side of the second expansion portion housing 10b with respect to the fixed scroll 11, and is formed of a base plate 12a arranged substantially parallel to the base plate 11a of the fixed scroll 11 and a spiral wall 12b.
  • the spiral wall 12 b is spirally formed on the substrate 12 a and protrudes from the substrate 12 a toward the substrate 11 a of the fixed scroll 11.
  • a cylindrical shaft support portion 12d is formed to project from the substrate 12a on the opposite side to the spiral wall 12b.
  • the movable scroll 12 is disposed in such a manner that the spiral wall 12 b is fitted between the spiral walls 11 b of the fixed scroll 11.
  • the spiral wall 12 b of the movable scroll 12 can form a crescent-shaped expansion chamber 40 which is a closed space by abutting on the spiral wall 11 b of the fixed scroll 11.
  • a suction chamber 10 c is formed on the opposite side of the movable scroll 12 with respect to the fixed scroll 11.
  • the suction chamber 10c communicates with the outside of the expander 100 via a suction passage 10d penetrating the first expansion portion housing 10a.
  • a discharge passage 10e is formed in the first expansion portion housing 10a and the spiral wall 11b, extending through the outermost portion of the spiral wall 11b and the first expansion portion housing 10a.
  • the expansion chamber 40 and the outside of the expander 100 communicate with each other through the discharge passage 10e.
  • the expansion portion 101 has a drive shaft 13 on the shaft support portion 12 d side of the movable scroll 12.
  • the drive shaft 13 includes an enlarged diameter portion 13b rotatably supported by the bearing 14 in the second expansion portion housing 10b, a main shaft portion 13a extending from the enlarged diameter portion 13b toward the power generation portion housing 20, and an enlarged diameter portion 13b.
  • an eccentric shaft portion 13c extending into the shaft support portion 12d of the movable scroll 12 in an integrated manner.
  • the main shaft portion 13a, the enlarged diameter portion 13b and the eccentric shaft portion 13c are all substantially cylindrical, and the central axis of the main shaft portion 13a and the central axis of the enlarged diameter portion 13b are on the same straight line. Further, the central axis of the eccentric shaft portion 13c is disposed at a position parallel to the central axes of the main shaft portion 13a and the enlarged diameter portion 13b but not on the same straight line. That is, the central axis of the eccentric shaft portion 13c is eccentric.
  • the eccentric shaft portion 13c is rotatably fitted with the shaft support portion 12d via the bush 15 and the bearing 16 on the outer periphery thereof.
  • the eccentric shaft portion 13c can be rotated to turn around the central axes of the main shaft portion 13a and the enlarged diameter portion 13b.
  • the movable scroll 12 revolves around the central axes of the main shaft portion 13a and the enlarged diameter portion 13b, whereby the main shaft portion 13a and the enlarged diameter portion 13b are rotated around the central axis via the eccentric shaft portion 13c.
  • the expansion chamber 40 is formed in communication with the main suction port 30, and then separated from the main suction port 30 and moved to the peripheral edge of the substrate 11a of the fixed scroll 11, Increase
  • the end of the main shaft portion 13a is rotatably supported by a bearing 20b provided in the power generation unit housing 20, and further protrudes from the power generation unit housing 20 and is connected to a pulley (see FIG. 1) of the power transmission mechanism 7. .
  • a rotor 21 is provided around the main shaft portion 13a, and fixed so as to rotate integrally with the main shaft portion 13a.
  • a stator 22 having a coil 22 a is fixed to the inner peripheral surface of the power generation unit housing 20 so as to surround the rotor 21.
  • the power generation unit housing 20, the main shaft portion 13a, the rotor 21 and the stator 22 constitute a power generation portion 102.
  • the power generation portion 102 is a coil of the stator 22 when the main shaft portion 13a is rotated and the rotor 21 is rotated. A current can be generated at 22a.
  • FIG. 3 and 4 are enlarged views of the central periphery of the fixed scroll 11 in the cross-sectional view taken along the line III-III in FIG. 3 and FIG. 4, the position of the movable scroll 12 is different, and both do not necessarily match the position of the movable scroll 12 in FIG.
  • a single main suction port 30 and two sub suction ports 31 a and 31 b are formed on the base 11 a of the fixed scroll 11 as suction ports for communicating the suction chamber 10 c with the expansion chamber 40.
  • the main suction port 30 is provided, for example, through the center of the substrate 11a.
  • the main suction port 30 is always open at least during the expansion operation of the expander 100.
  • the sub intake ports 31a and 31b are provided with corresponding sub intake port valves 32a and 32b, respectively.
  • the sub intake port valves 32a and 32b are connected to the ECU 8, respectively, and their opening degrees are adjusted in accordance with a control signal from the ECU 8.
  • FIG. 3 shows the position of the movable scroll 12 corresponding to the suction completion time point when the sub suction port valves 32a and 32b (see FIG. 5) of the sub suction ports 31a and 31b are both fully closed.
  • a central end of the fixed scroll 11 contacts the movable scroll 12 and at the same time, a central end of the movable scroll 12 contacts the fixed scroll 11, thereby forming the expansion chambers 40 a and 40 b isolated from the main suction port 30.
  • This time point corresponds to the state of FIG. If sub intake port valves 32a and 32b are both fully closed, expansion chambers 40a and 40b are isolated from suction chamber 10c at this point, and the suction stroke is completed.
  • FIG. 4 shows the position of the movable scroll 12 corresponding to the suction completion time point when the sub suction port valves 32a and 32b (see FIG. 5) of the sub suction ports 31a and 31b are both open at any opening degree. ing.
  • expansion chambers 40a and 40b are formed isolated from main suction port 30 (at a time corresponding to FIG. 3)
  • expansion chambers 40a and 40b communicate with suction chamber 10c via sub suction ports 31a and 31b, respectively.
  • the intake stroke is continuing.
  • the movable scroll 12 is further rotated to reach the position for closing the sub suction ports 31a and 31b.
  • This time point corresponds to the state of FIG.
  • the expansion chambers 40a and 40b are isolated from the suction chamber 10c, and the suction stroke is completed.
  • While changing the suction volume can be adjusted intake throttle amount of expander 100 by adjusting the refrigerant flow rate to the suction volume change portion, so that the pressure P of the refrigerant sucked into the expander is equal to the target pressure P t Controlled by
  • the suction pressure of the expander 100 can be continuously adjusted by adjusting the opening degree of the sub suction port valves 32a and 32b corresponding to the respective sub suction ports 31a and 31b.
  • the operation of the Rankine cycle R1 including the expander 100 according to Embodiment 1 of the present invention will be described based on FIGS.
  • the exhaust gas discharged from the engine 5 to the exhaust system 6 is discharged to the outside of the vehicle after flowing through the inside of the boiler 2.
  • the rotational driving force of the engine 5 is transmitted to the expander 100 via the power transmission mechanism 7, whereby the expansion unit 101 and the power generation unit 102 are rotationally driven.
  • the pump 1 is driven by the motor 4.
  • the pump 1 pumps the refrigerant in the liquid state toward the boiler 2.
  • the refrigerant subjected to the adiabatic pressurizing action by the pump 1 is isobarically heated by heat exchange with the exhaust gas in the boiler 2 to become high temperature / high pressure superheated steam, drawn into the expander 100, adiabatically expanded and flowed out .
  • the refrigerant which has flowed out flows into the condenser 3, and in the condenser 3, by performing heat exchange with the surrounding air, that is, the outside air, the pressure is cooled, condensed and condensed out in the liquid state. Further, the refrigerant flowing out of the condenser 3 is drawn into the pump 1 and pumped again to circulate through the Rankine cycle R1.
  • the high temperature and high pressure refrigerant flowing out of the boiler 2 flows into the suction chamber 10 c through the suction passage 10 d of the expansion unit 101. Furthermore, when the main suction port 30 (and the sub suction port valves 32a and 32b are opened at any opening degree) flows from the suction chamber 10c into the expansion chamber 40 through the sub suction ports 31a and 31b.
  • the refrigerant in the expansion chamber 40 applies a rotational driving force to the movable scroll 12 in a direction to increase the volume of the expansion chamber 40 by the expansion force, whereby the expansion chamber 40 is at the center of the substrate 11 a of the fixed scroll 11.
  • the movable scroll 12 moves toward the periphery of the substrate 11a while increasing its volume as the movable scroll 12 rotates, and communicates with the discharge passage 10e. Then, the refrigerant expanded in the expansion chamber 40 whose volume is increased is discharged to the outside of the expansion portion 101.
  • the rotational drive force of the movable scroll 12 by the expansion force of the refrigerant is transmitted through the drive shaft 13 to rotationally drive the rotor 21 of the power generation unit 102 and assist the rotational drive force of the engine 5.
  • the rotation of the rotor 21 generates an alternating current in the coil 22a of the stator 22, and the generated alternating current is converted to a direct current by a converter (not shown) and then charged to a battery or the like.
  • FIG. 6 shows an example of control of the sub intake port valves 32 a and 32 b by the ECU 8.
  • the detected value P by the pressure sensor S1 fluctuates with time.
  • ECU 8 Figure 1
  • the detection value P so as to coincide with the target pressure P t, which is set to ECU 8, and controls the sub suction port valves 32a and 32b.
  • the detection value P at both the sub-intake port valves 32a and 32b are fully closed is greater than the increased target pressure P t (A in FIG. 6)
  • ECU 8 opens only sub suction port valves 32a, We will gradually increase the opening degree.
  • Sub suction port valve 32a is gradually lowered detection value P in the state that is open at any angle, becomes smaller than the target pressure P t (in FIG. 6 B), ECU 8 is the opening of the sub-intake port valve 32a Make it smaller gradually. Then, the flow rate of the refrigerant sucked into the expander 100 via the sub suction port 31a decreases, so the amount of suction restriction increases, and as a result, the detected value P increases.
  • ECU 8 by adjusting the degree of opening of the sub-intake port 31a, and controls so that the detected value P is equal to the target pressure P t.
  • ECU 8 opens the sub suction port valve 32b, the Gradually increase the opening degree. Then, the refrigerant is sucked into the expander 100 not only through the main suction port 30 and the sub suction port 31a but also through the sub suction port 31b at a flow rate corresponding to the opening degree of the sub suction port valve 32b. As a result, the suction throttling amount decreases, and as a result, the detected value P decreases.
  • the detection value P in a state in which the sub-intake port valve 32a is fully opened and the sub suction port valve 32b is opened at an arbitrary opening degree is less than the target pressure P t is, decreases the opening of the sub-intake port valve 32b gradually increasing the amount of throttle intake by, but if the detected value P be sub suction port valve 32b is fully closed is less than the target pressure P t is, ECU 8 is sub suction port valve 32a opening by the smaller, the detection value P is controlled so as to coincide with the target pressure P t.
  • each of the opening regulating sub suction port valves 32a and 32b when the detected value P be the opening of one of the sub-intake port valve becomes fully open or fully closed does not match the target pressure P t
  • the opening degree of the other sub intake port valve is adjusted, it is not limited to this method.
  • Each of the sub intake port valves 32a and 32b may be adjusted to have the same opening at the same time, or may be adjusted with different openings at the same time, or only one of the sub intake port valves at the start or end of the opening adjustment. In the other stages, adjustment may be performed simultaneously with the same opening degree or different opening degrees.
  • the suction volume of the expander 100 can be changed by opening and closing the sub suction port valves 32a and 32b, and by adjusting the opening degree of the sub suction port valves 32a and 32b via the sub suction ports 31a and 31b.
  • the flow rate of the refrigerant drawn into the expansion chamber 40 of the suction volume changing portion can be adjusted.
  • the suction throttle amount of the expander 100 can be adjusted, and the pressure of the refrigerant sucked into the expander 100 (detection value P by the pressure sensor S1) Is controlled to match the target pressure Pt , so that the pressure at the inlet of the expander 100 can be accurately controlled to a pressure that is less than the pressure limit and as high as possible.
  • each sub-intake port is provided with an adjustable-position sub-intake port valve.
  • the description of the adjustment of the opening degree of the sub intake port valve 32a applies to performing control to match the detected value P with the target pressure P t in the first embodiment.
  • each sub-intake port valve may be adjusted to have the same opening at the same time, or may be adjusted at different openings at the same time, or at the beginning or end of the opening adjustment. In the stage, the opening adjustment of only one sub intake port valve is performed, but in the other stages, at least two other sub intake port valves are simultaneously adjusted with the same opening degree or different opening degrees. It is also good.
  • Embodiment 1 separate sub-intake port valves are provided for each sub-intake port, but the present invention is not limited to this form.
  • One sub intake port valve may be capable of adjusting the opening degree of a plurality of sub intake ports.
  • An example of such a sub intake port valve is shown, for example, in FIG. 7A, the sub suction port valve 32c has a rotary shaft 33 via a rotary shaft 33 on the surface 11a1 of the base 11a of the fixed scroll 11 on the suction chamber 10c (see FIG. 2) side. It is a plate-like member provided rotatably at the center.
  • the sub suction port valve 32c is formed with a hole 32c1 for the sub suction port 31a and a hole 32c2 for the sub suction port 31b.
  • the hole 32c1 and the sub suction port 31a partially overlap each other to form an opening, and the refrigerant having a flow rate corresponding to the size of the opening is formed in the sub suction port 31a. It will flow in.
  • the hole 32c1 completely exposes the sub suction port 31a, and the sub suction port 31a is fully opened.
  • the hole 32c2 and the sub suction port 31b are partially overlapped to form an opening while the sub suction port 31a is fully open, and the size of this opening is The refrigerant of the flow rate according to the flows into the sub suction port 31b.
  • the hole 32c2 completely exposes the sub suction port 31b, and the sub suction port 31b is fully opened.
  • the sub suction ports 31 a and 31 b can be adjusted to any opening degree.
  • the opening adjustment of the sub suction ports 31a and 31b can be simultaneously adjusted to the same opening, or simultaneously adjusted at different openings Or, at the beginning or end of the opening adjustment, the opening adjustment of only one of the sub intake ports is performed, but at the other stages, the other sub intake port valve is simultaneously opened with the same opening or a different opening. It can be adjusted in degrees.
  • the expander 100 may be configured by only the expansion unit 101 and may not include the power generation unit 102.
  • Embodiment 2 of the present invention an expander according to Embodiment 2 of the present invention will be described.
  • the same reference numerals as the reference numerals in FIGS. 1 to 7 denote the same or similar constituent elements, and thus the detailed description thereof will be omitted.
  • the expander according to the second embodiment of the present invention performs control based on not only the pressure at the inlet of the expander but also the temperature with respect to the first embodiment.
  • FIG. 8 shows the configuration of a Rankine cycle R2 including the expander 100a according to the second embodiment.
  • the expander 100a includes a temperature sensor S2 as a temperature detection unit that detects the temperature of the refrigerant drawn into the expander 100a.
  • a bypass B is provided in parallel to the pump 1 in the Rankine cycle R2.
  • the bypass B is provided with a flow rate variable valve V that adjusts the flow rate of the refrigerant flowing through the bypass B.
  • the pump 1 and the expander 100 a share the same drive shaft 9.
  • the temperature sensor S2 is provided on the upstream side of the expander 100a in the Rankine cycle R2, converts the temperature of the refrigerant into an electric signal, and outputs the electric signal to the ECU 8b.
  • the ECU 8b receives the electrical signal from the temperature sensor S2 and controls the operation of the flow rate variable valve V based on this.
  • a target temperature for the detected value T by the temperature sensor S2, that is, for the temperature at the inlet of the expander 100 is preset.
  • the target temperature is an optimal temperature determined according to the pressure of the refrigerant drawn into the expander 100a, and can be, for example, an isentropic curve of the refrigerant.
  • FIG. 9 shows a conceptual diagram of the target pressure Pt and the target temperature.
  • the ECU 8a receives the electrical signal from the pressure sensor S1 and controls the operation of the expander 100a based on this.
  • the ECU 8b, the bypass B, and the flow rate variable valve V constitute a flow rate adjusting unit.
  • the other configuration is the same as that of the first embodiment.
  • the control of the pressure at the inlet of the expander 100a is the same as the operation described in the first embodiment.
  • the ECU 8b adjusts the opening degree of the flow rate variable valve V so that the detected value T by the temperature sensor S2 matches the target temperature line. Specifically, when the detected value T is located above the target temperature line in FIG. 9, the detected value T is lower than the target temperature, so the ECU 8b increases the opening degree of the flow rate variable valve V. Then, the flow rate of the refrigerant flowing through the bypass B among the refrigerants pumped by the pump 1 increases, and the flow rate of the refrigerant flowing into the boiler 2 decreases.
  • the temperature of the refrigerant drawn into the expander 100a rises.
  • the detected value T is lower than the target temperature line in FIG. 9
  • the detected value T is higher than the target temperature, so the ECU 8b reduces the opening degree of the flow rate variable valve V.
  • the flow rate of the refrigerant flowing through the bypass B decreases among the refrigerants pressure-fed by the pump 1, and the flow rate of the refrigerant flowing into the boiler 2 increases.
  • the temperature of the refrigerant drawn into the expander 100a decreases.
  • the detection value T by the temperature sensor S2 is controlled to match the target temperature.
  • the flow rate adjusting means for adjusting the flow rate of the refrigerant sucked into the expander 100a only the pressure of the refrigerant sucked into the expander 100a is controlled to match the target pressure P t Since the temperature of the refrigerant drawn into the expander 100a is also controlled to match the target temperature, the state of the refrigerant at the inlet of the expander 100a is maintained at a higher expansion efficiency than in the first embodiment. can do. Also in the second embodiment, the same modification as in the first embodiment can be applied.
  • Embodiment 3 of the present invention changes the control method based on the pressure and temperature of the inlet of an expander with respect to Embodiment 2.
  • FIG. 10 shows the configuration of a Rankine cycle R3 including the expander 100b according to the third embodiment.
  • the ECU 8a receives both electrical signals from the pressure sensor S1 and the temperature sensor S2, and controls the operation of the expander 100b based on them. Further, the ECU 8a further has a predetermined pressure P p which can be arbitrarily set to a pressure lower than the target pressure P t and a predetermined temperature which can be arbitrarily set (independent of the detected value P by the pressure sensor S1) The temperature T p is set in advance.
  • the other configuration is the same as that of the second embodiment.
  • FIG. 11 divides the state (the relationship between pressure and temperature) of the refrigerant drawn into the expander 100b into three control regions based on the predetermined pressure P p and the predetermined temperature T p .
  • ECU8a when the detection value P by the pressure sensor S1 detects value T by a predetermined pressure P p or more and a temperature sensor S2 is higher than a predetermined temperature T p, the detection value P by the pressure sensor S1 in the same operation as in the first embodiment There adjusting the opening of the sub-intake port valves 32a and 32b so as to match the target pressure P t.
  • the temperature control of the refrigerant sucked into the expander 100b is detected values T detected value P is due to the following or a temperature sensor S2 or higher than a predetermined pressure P p by the pressure sensor S1 is regardless of whether the following or higher than a predetermined temperature T p
  • the detection value T by the temperature sensor S2 is controlled to match the target temperature.
  • the pressure of the refrigerant sucked into the expander 100b is set to the target pressure P t
  • the same modification as in the first embodiment can be applied.
  • the flow rate adjusting means includes the ECU 8b, the bypass B and the flow rate variable valve V, and adjusts the flow rate of the refrigerant flowing through the bypass B by changing the opening degree of the flow rate variable valve V.
  • the flow rate variable pump may be provided in the Rankine cycle, and the flow rate of the refrigerant drawn into the expander may be adjusted by adjusting the flow rate of the refrigerant circulating in the Rankine cycle.
  • a variable flow rate pump or a rotational speed variable motor for driving the pump constitutes a flow rate adjustment means.
  • all of the expanders 100, 100a, 100b are scroll type variable volume expanders, but the present invention is not limited to this. It may be any variable volume expander, such as a rotary type.
  • the pressure sensor S1 is disposed downstream of the boiler 2 and upstream of the expanders 100, 100a and 100b, but the present invention is not limited to this position. It may be located anywhere in the area upstream of 100a, 100b.

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Abstract

　ＥＣＵ８は、圧力センサＳ１による検出値Ｐが、ＥＣＵ８に設定されている目標圧力Ｐtに一致するように、サブ吸入ポート弁３２ａおよび３２ｂを制御する。サブ吸入ポート弁３２ａおよび３２ｂがいずれも全閉の状態のときに検出値Ｐが目標圧力Ｐtより大きい場合には、ＥＣＵ８はサブ吸入ポート弁３２ａのみを開き、その開度を徐々に大きくしていく。サブ吸入ポート弁３２ａが全開になっても検出値Ｐが目標圧力Ｐtより大きい場合には、ＥＣＵ８はサブ吸入ポート弁３２ｂも開き、その開度を徐々に大きくしていく。逆に、サブ吸入ポート弁３２ａが任意の開度で開いている状態で検出値Ｐが低下していき、目標圧力Ｐtより小さい場合には、ＥＣＵ８はサブ吸入ポート弁３２ａの開度を徐々に小さくしていく。

Description

膨張機
　この発明は、膨張機に係り、特に、少なくとも１つのサブ吸入ポートを開閉して吸入容積を可変とする可変容積型の膨張機に関する。
　ランキンサイクル等において冷媒を膨張させるために、膨張機が用いられる。膨張機は、吸入ポートから冷媒を吸入し、これを膨張室で膨張させて吐出ポートから吐出する。可変容積型の膨張機は、吸入ポートとして、メイン吸入ポートの他にサブ吸入ポートを備え、サブ吸入ポートを開閉することによって吸入容積を変更する。複数のサブ吸入ポートを備え、吸入容積を多段階に変更するスクロール膨張機の例が、特許文献１に示されている。また、複数のバイパスポートを開閉することにより容積制御を行なうスクロール圧縮機の例が、特許文献２及び３に示されている。
特開２００５－３０３８６号公報 特開昭５９－１０５９９４号公報 特開昭６２－２９１４９１号公報
　しかしながら、従来の膨張機では、各サブ吸入ポートの開閉について特段の配慮がない。このため、吸入冷媒の圧力を適切な範囲内に維持するのが困難という問題があった。膨張機において、吸入冷媒の圧力が高すぎて耐圧限界を超えると、膨張機自身や吸入圧領域の配管等を損傷するおそれがあり、一方、吸入冷媒の圧力が低すぎると、膨張前後の差圧が小さくなって効率が悪化する。特許文献１～３に記載される構成のいずれについても、このような吸入冷媒の圧力に関する配慮は必ずしも十分になされていない。少なくとも、吸入冷媒の圧力を適切な範囲内に維持するための具体的なサブ吸入ポートの開閉制御については記載がない。
　この発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、膨張機の入口の圧力を耐圧限界以下でかつできるだけ高い圧力に精度よく制御することのできる膨張機を提供することを目的とする。
　この発明に係る膨張機は、少なくとも１つの膨張室と、膨張室のいずれかと連通するメイン吸入ポートと、膨張室のいずれかと連通する少なくとも１つのサブ吸入ポートと、サブ吸入ポートと膨張室とを連通及び遮断するサブ吸入ポート弁とを備えた膨張機であって、この膨張機は、サブ吸入ポート弁の開度を調整する制御手段と、膨張機に吸入される冷媒の圧力を検出する圧力検出手段とをさらに備え、制御手段には、冷媒の目標圧力が予め設定されており、制御手段は、圧力検出手段による検出値を目標圧力に一致させるように、サブ吸入ポート弁の開度を調整する。
　この発明によれば、サブ吸入ポート弁を開閉することで膨張機の吸入容積を変更でき、サブ吸入ポート弁の開度を調整することによってサブ吸入ポートを介して吸入容積変更部分の膨張室に吸入される冷媒の流量を調整することができる。吸入容積を変更しながら、吸入容積変更部分への冷媒流量を調整することで膨張機の吸入絞り量を調整でき、膨張機に吸入される冷媒の圧力が目標圧力に一致するように制御されるので、膨張機の入口の圧力を耐圧限界以下でかつできるだけ高い圧力に精度よく制御することができる。
この発明の実施の形態１に係る膨張機を含むランキンサイクルの構成を示す図である。 図１の膨張機の構成を示す図である。 図２のＩＩＩ－ＩＩＩ線による断面図において、メイン吸入ポート周辺を拡大したものである。 図２のＩＩＩ－ＩＩＩ線による断面図において、可動スクロールが図３とは異なる位置にある状態のメイン吸入ポート周辺を拡大したものである。 図４のＶ－Ｖ線による断面図である。 図１のＥＣＵによるサブ吸入ポート弁の制御の例を示す図である。 図５のサブ吸入ポート弁の変形例を示す図である。 実施の形態２に係る膨張機を含むランキンサイクルの構成を示す図である。 実施の形態２に係る膨張機に吸入される冷媒の目標温度および目標圧力を示す概念図である。 実施の形態３に係る膨張機を含むランキンサイクルの構成を示す図である。 実施の形態３に係る膨張機に吸入される冷媒の目標温度および目標圧力並びに所定温度および所定圧力を示す概念図である。
　以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
　図１は、この発明の実施の形態１に係る膨張機１００を含むランキンサイクルＲ１の構成を示している。ランキンサイクルＲ１はたとえば車両に搭載される。膨張機１００はスクロール式の容積可変型膨張機であり、ランキンサイクルＲ１を循環する冷媒を吸入し、膨張して吐出する。
　ランキンサイクルＲ１は、ポンプ１、ボイラー２、膨張機１００、コンデンサ３をこの順に環状に接続する循環路を形成しており、作動流体としての冷媒が流通するようになっている。ポンプ１は、モータ４によって駆動され、液体の冷媒をボイラー２に圧送する。ボイラー２は、ポンプ１によって送られた冷媒と、車両のエンジン５の排気系統６の排気ガスとを内部で互いに熱交換させ、冷媒を加熱する。
　膨張機１００は、その内部で、ボイラー２で加熱された後の高温高圧の冷媒を膨張させ、これによって回転駆動力を取り出す。この回転駆動力は、動力伝達機構７を介してエンジン５に伝達され、エンジン５の回転駆動力を補助する。動力伝達機構７はたとえばプーリおよびベルトによって構成される。コンデンサ３は、膨張機１００から吐出された冷媒を内部に流通させてコンデンサ３の周囲の空気と熱交換させ、冷媒を冷却・凝縮させる。そして、ポンプ１は、凝縮した液体の冷媒を再び圧送し、ランキンサイクルＲ１を循環させる。
　膨張機１００は、膨張機１００に吸入される冷媒の圧力を検出する圧力検出手段として、圧力センサＳ１を備えている。圧力センサＳ１は、ランキンサイクルＲ１において膨張機１００の上流側に設けられ、冷媒の圧力を電気信号に変換して出力する。また、膨張機１００は、膨張機１００自身を制御する制御手段としてのＥＣＵ８を備えている。ＥＣＵ８には、圧力センサＳ１による検出値Ｐについての、すなわち膨張機１００の入口の圧力についての目標圧力Ｐtとして、膨張機１００の耐圧限界以下でかつできるだけ高い圧力が予め設定されている。尚、目標圧力Ｐtと膨張機１００の耐圧限界との差としては、後述する動作によって検出値Ｐを目標圧力Ｐtに一致させるように調整する際に、検出値Ｐの振れ幅を考慮しても、検出値Ｐが膨張機１００の耐圧限界に達しないようにするために十分な差が必要である。
　図２には、膨張機１００の構成が示されている。膨張機１００は、膨張部１０１と、発電部１０２とを含んでいる。
　膨張機１００は、膨張部１０１の筐体を構成する膨張部ハウジング１０と、発電部１０２の筐体を構成する発電部ハウジング２０とを有している。膨張部ハウジング１０は、第一膨張部ハウジング１０ａおよび第二膨張部ハウジング１０ｂからなる。第二膨張部ハウジング１０ｂの両側に、第一膨張部ハウジング１０ａおよび発電部ハウジング２０が連結されている。
　膨張部１０１は、第一膨張部ハウジング１０ａの内部に固定スクロール１１を有している。固定スクロール１１は、第一膨張部ハウジング１０ａに固定されている。また、固定スクロール１１は、板状の基板１１ａと渦巻壁１１ｂとによって形成されている。渦巻壁１１ｂは基板１１ａ上に渦巻き状に形成され、基板１１ａから第二膨張部ハウジング１０ｂに向かう方向に突出している。
　また、膨張部１０１は、第二膨張部ハウジング１０ｂの内部から第一膨張部ハウジング１０ａの内部にわたって、固定スクロール１１と対向するように、可動スクロール１２を有している。可動スクロール１２は、固定スクロール１１に対して第二膨張部ハウジング１０ｂ側に配置されており、固定スクロール１１の基板１１ａと略平行に配置される基板１２ａと、渦巻壁１２ｂとによって形成されている。渦巻壁１２ｂは基板１２ａ上に渦巻き状に形成され、基板１２ａから固定スクロール１１の基板１１ａに向かって突出している。また、可動スクロール１２では、基板１２ａから渦巻壁１２ｂと反対側に、筒状のシャフト支持部１２ｄが突出して形成されている。
　そして、可動スクロール１２は、その渦巻壁１２ｂが固定スクロール１１の渦巻壁１１ｂ同士の間にはまりこむようにして、配置されている。可動スクロール１２の渦巻壁１２ｂは、固定スクロール１１の渦巻壁１１ｂと当接することによって、閉鎖された空間である三日月状の膨張室４０を形成することができる。
　第一膨張部ハウジング１０ａの内部では、固定スクロール１１に対して可動スクロール１２の反対側に、吸入室１０ｃが形成されている。吸入室１０ｃは、第一膨張部ハウジング１０ａを貫通する吸入通路１０ｄを介して、膨張機１００の外部と連通する。
　第一膨張部ハウジング１０ａおよび渦巻壁１１ｂには、渦巻壁１１ｂの最も外側の部分と第一膨張部ハウジング１０ａとを貫通して延びる吐出通路１０ｅが形成されている。可動スクロール１２の位置に応じて、膨張室４０と膨張機１００の外部とが吐出通路１０ｅを介して連通する。
　膨張部１０１は、可動スクロール１２のシャフト支持部１２ｄ側に、駆動シャフト１３を有している。駆動シャフト１３は、第二膨張部ハウジング１０ｂ内の軸受１４によって回転可能に支持される拡径部１３ｂと、拡径部１３ｂから発電部ハウジング２０側に延びるメインシャフト部１３ａと、拡径部１３ｂから可動スクロール１２のシャフト支持部１２ｄ内に延びる偏心シャフト部１３ｃとを一体に有している。
　メインシャフト部１３ａ、拡径部１３ｂおよび偏心シャフト部１３ｃはいずれも略円柱状であり、メインシャフト部１３ａの中心軸と拡径部１３ｂの中心軸とは同一直線上にある。また、偏心シャフト部１３ｃの中心軸は、メインシャフト部１３ａおよび拡径部１３ｂの中心軸と平行であるが同一直線上にはない位置に配置される。すなわち、偏心シャフト部１３ｃの中心軸は偏心している。また、偏心シャフト部１３ｃは、ブッシュ１５およびその外周の軸受１６を介して、シャフト支持部１２ｄと回転自在に嵌合している。
　よって、偏心シャフト部１３ｃは、メインシャフト部１３ａおよび拡径部１３ｂの中心軸の周りを旋回するように回転することができる。そして、可動スクロール１２は、メインシャフト部１３ａおよび拡径部１３ｂの中心軸の周りを公転運動することによって、偏心シャフト部１３ｃを介して、メインシャフト部１３ａおよび拡径部１３ｂをその中心軸周りに回転させることができる。また、可動スクロール１２が公転運動することによって、膨張室４０がメイン吸入ポート３０と連通して形成され、その後メイン吸入ポート３０から隔絶されて固定スクロール１１の基板１１ａの周縁に移動しつつ、容積を増大させる。
　メインシャフト部１３ａの端部は、発電部ハウジング２０に設けられた軸受２０ｂによって回転可能に支持され、さらに発電部ハウジング２０から突出して動力伝達機構７のプーリ（図１参照）に連結されている。また、発電部ハウジング２０の内部において、メインシャフト部１３ａの周りにロータ２１が設けられ、メインシャフト部１３ａと一体に回転するように固定されている。さらに、発電部ハウジング２０の内周面には、ロータ２１を取り囲むようにして、コイル２２ａを有するステータ２２が固定されている。そして、発電部ハウジング２０、メインシャフト部１３ａ、ロータ２１およびステータ２２は、発電部１０２を構成し、発電部１０２は、メインシャフト部１３ａが回転されてロータ２１が回転することによってステータ２２のコイル２２ａに電流を発生することができる。
　図３および図４は、図２のＩＩＩ－ＩＩＩ線による断面図において、固定スクロール１１の中央周辺を拡大したものである。なお、図３と図４とでは、可動スクロール１２の位置が異なっており、いずれも必ずしも図２における可動スクロール１２の位置とは整合しない。
　固定スクロール１１の基板１１ａには、吸入室１０ｃと膨張室４０とを連通する吸入ポートとして、単一のメイン吸入ポート３０と、２つのサブ吸入ポート３１ａおよび３１ｂとが形成されている。メイン吸入ポート３０はたとえば基板１１ａの中央を貫通して設けられる。メイン吸入ポート３０は、少なくとも膨張機１００の膨張動作中は常に開いている。
　図５に示されるように、サブ吸入ポート３１ａおよび３１ｂには、それぞれ対応するサブ吸入ポート弁３２ａおよび３２ｂが設けられている。サブ吸入ポート弁３２ａおよび３２ｂはそれぞれＥＣＵ８に接続されており、ＥＣＵ８からの制御信号に応じて、それぞれの開度が調整されるようになっている。
　図３は、サブ吸入ポート３１ａおよび３１ｂのサブ吸入ポート弁３２ａおよび３２ｂ（図５参照）がいずれも全閉の場合の、吸入完了時点に対応する可動スクロール１２の位置を示している。固定スクロール１１の中央側端が可動スクロール１２と接し、同時に可動スクロール１２の中央側端が固定スクロール１１と接し、これによって膨張室４０ａおよび４０ｂがメイン吸入ポート３０から隔絶されて形成される。この時点が図３の状態に対応する。サブ吸入ポート弁３２ａおよび３２ｂがいずれも全閉の場合、この時点で膨張室４０ａおよび４０ｂは吸入室１０ｃから隔絶されることになり、吸入行程が完了する。
　図４は、サブ吸入ポート３１ａおよび３１ｂのサブ吸入ポート弁３２ａおよび３２ｂ（図５参照）がいずれも任意の開度で開いている場合の、吸入完了時点に対応する可動スクロール１２の位置を示している。膨張室４０ａおよび４０ｂがメイン吸入ポート３０から隔絶されて形成された時点（図３に対応する時点）では、膨張室４０ａおよび４０ｂはそれぞれサブ吸入ポート３１ａおよび３１ｂを介して吸入室１０ｃと連通しているので、いずれも吸入行程は継続中である。その後、可動スクロール１２がさらに回転し、サブ吸入ポート３１ａおよび３１ｂを塞ぐ位置に達する。この時点が図４の状態に対応する。この時点で膨張室４０ａおよび４０ｂは吸入室１０ｃから隔絶されることになり、吸入行程が完了する。
　サブ吸入ポート弁３２ａおよび３２ｂが任意の開度で開いている場合（図４）には、これらが全閉の場合（図３）と比較して吸入行程の完了が遅くなるので、吸入容積がより大きくなる。さらに、開度に応じて、吸入容積が大きくなった部分のサブ吸入ポート３１ａおよび３１ｂを介しての吸入冷媒流量が異なる。すなわち、開度が大きくなるほど、吸入冷媒流量が大きくなる。吸入容積を変更しながら、吸入容積変更部分への冷媒流量を調整することで膨張機１００の吸入絞り量を調整でき、膨張機に吸入される冷媒の圧力Ｐが目標圧力Ｐtに一致するように制御される。このように、膨張機１００の吸入圧力は、各サブ吸入ポート３１ａおよび３１ｂに対応するサブ吸入ポート弁３２ａおよび３２ｂの開度の調整により、連続的な調整が可能となる。
　次に、この発明の実施の形態１に係る膨張機１００を含むランキンサイクルＲ１の動作を、図１～５に基づいて説明する。
　車両のエンジン５の稼動中、エンジン５から排気系統６に排出された排気ガスは、ボイラー２の内部を流通した後、車両の外部に排出される。エンジン５の稼働初期には、エンジン５の回転駆動力が動力伝達機構７を介して膨張機１００に伝達され、それによって、膨張部１０１および発電部１０２が回転駆動される。
　また、エンジン５の稼動中、ポンプ１がモータ４によって駆動される。これによって、ポンプ１は、液体状態の冷媒をボイラー２に向かって圧送する。ポンプ１によって断熱加圧作用を受けた冷媒は、ボイラー２において排気ガスと熱交換を行うことによって等圧加熱されて高温高圧の過熱蒸気となり、膨張機１００に吸入され、断熱膨張して流出する。流出した冷媒は、コンデンサ３に流入し、コンデンサ３では周囲の空気すなわち外気と熱交換を行うことによって等圧冷却されて凝縮し液体状態となって流出する。さらに、コンデンサ３から流出した冷媒は、ポンプ１に吸入されて再度圧送され、ランキンサイクルＲ１を循環する。
　ボイラー２から流出した高温高圧の冷媒は、膨張部１０１の吸入通路１０ｄを通って吸入室１０ｃに流入する。さらに、吸入室１０ｃからメイン吸入ポート３０（および、サブ吸入ポート弁３２ａおよび３２ｂが任意の開度で開いている場合には、サブ吸入ポート３１ａおよび３１ｂ）を通って膨張室４０に流入する。膨張室４０内の冷媒は、その膨張力によって膨張室４０の容積を増大させる方向への回転駆動力を可動スクロール１２に付与し、それにより、膨張室４０は、固定スクロール１１の基板１１ａの中央のメイン吸入ポート３０近傍で形成された後、可動スクロール１２の回転に伴ってその容積を増加させつつ基板１１ａの周縁に向かって移動し、吐出通路１０ｅと連通するようになる。そして、容積を増加させた膨張室４０内で膨張した冷媒は、膨張部１０１の外部に排出される。
　このとき、冷媒の膨張力による可動スクロール１２の回転駆動力が、駆動シャフト１３を介して伝達されることで、発電部１０２のロータ２１を回転駆動すると共にエンジン５の回転駆動力を補助する。ロータ２１が回転することによって、ステータ２２のコイル２２ａに交流電流が発生し、発生した交流電流は、図示しないコンバータで直流電流に変換された後、バッテリ等に充電される。
　図６は、ＥＣＵ８によるサブ吸入ポート弁３２ａおよび３２ｂの制御の例を示す。図６に示すように、時間とともに圧力センサＳ１による検出値Ｐが変動しているとする。ＥＣＵ８（図１）は、検出値Ｐが、ＥＣＵ８に設定されている目標圧力Ｐtに一致するように、サブ吸入ポート弁３２ａおよび３２ｂを制御する。たとえば、サブ吸入ポート弁３２ａおよび３２ｂがいずれも全閉の状態のときに検出値Ｐが上昇し目標圧力Ｐtより大きくなると（図６のＡ）、ＥＣＵ８はサブ吸入ポート弁３２ａのみを開き、その開度を徐々に大きくしていく。すると、冷媒は、メイン吸入ポート３０を介してだけでなく、サブ吸入ポート弁３２ａの開度に応じた流量で冷媒がサブ吸入ポート３１ａを介しても膨張機１００に吸入されるので吸入絞り量が小さくなり、その結果、検出値Ｐが低下していく。サブ吸入ポート弁３２ａが任意の開度で開いている状態で検出値Ｐが低下していき、目標圧力Ｐtより小さくなると（図６のＢ）、ＥＣＵ８はサブ吸入ポート弁３２ａの開度を徐々に小さくしていく。すると、サブ吸入ポート３１ａを介して膨張機１００に吸入される冷媒の流量が低下するので、吸入絞り量が大きくなり、その結果、検出値Ｐが上昇する。このように、ＥＣＵ８は、サブ吸入ポート３１ａの開度を調整することにより、検出値Ｐが目標圧力Ｐtに一致するように制御する。
　また、サブ吸入ポート弁３２ａの開度を大きくしていき全開の状態になっても検出値Ｐが上昇し目標圧力Ｐtより大きい場合には、ＥＣＵ８は、サブ吸入ポート弁３２ｂを開き、その開度を徐々に大きくしていく。すると、冷媒は、メイン吸入ポート３０およびサブ吸入ポート３１ａを介してだけでなく、サブ吸入ポート弁３２ｂの開度に応じた流量で冷媒がサブ吸入ポート３１ｂを介しても膨張機１００に吸入されるので吸入絞り量が小さくなり、その結果、検出値Ｐが低下していく。
　さらに、サブ吸入ポート弁３２ａが全開かつサブ吸入ポート弁３２ｂが任意の開度で開いている状態で検出値Ｐが目標圧力Ｐtより小さい場合には、サブ吸入ポート弁３２ｂの開度を小さくすることにより吸入絞り量を大きくしていくが、サブ吸入ポート弁３２ｂが全閉になっても検出値Ｐが目標圧力Ｐtより小さい場合には、ＥＣＵ８は、サブ吸入ポート弁３２ａの開度を小さくすることにより、検出値Ｐが目標圧力Ｐtに一致するように制御する。
　以上の説明では、サブ吸入ポート弁３２ａおよび３２ｂそれぞれの開度調整は、一方のサブ吸入ポート弁の開度が全開又は全閉になっても検出値Ｐが目標圧力Ｐtに一致しない場合に他方のサブ吸入ポート弁の開度を調整するようにしているが、この方法に限定するものではない。サブ吸入ポート弁３２ａおよび３２ｂそれぞれを、同時に同じ開度になるように調整したり、同時に異なる開度で調整したり、開度調整の始まり又は終りの段階ではいずれか一方のサブ吸入ポート弁のみの開度調整を行うが、それ以外の段階では、同時に同じ開度又は異なる開度で調整したりしてもよい。
　このように、サブ吸入ポート弁３２ａおよび３２ｂを開閉することで膨張機１００の吸入容積を変更でき、サブ吸入ポート弁３２ａおよび３２ｂの開度を調整することによってサブ吸入ポート３１ａおよび３１ｂを介して吸入容積変更部分の膨張室４０に吸入される冷媒の流量を調整することができる。吸入容積を変更しながら、吸入容積変更部分への冷媒流量を調整することで膨張機１００の吸入絞り量を調整でき、膨張機１００に吸入される冷媒の圧力（圧力センサＳ１による検出値Ｐ）が目標圧力Ｐtに一致するように制御されるので、膨張機１００の入口の圧力を耐圧限界以下でかつできるだけ高い圧力に精度よく制御することができる。
　実施の形態１ではサブ吸入ポートの数は２であるが、１つのサブ吸入ポートが設けられてもよく、または３以上のサブ吸入ポートが設けられてもよい。いずれの場合にも、それぞれのサブ吸入ポートには、開度調整可能なサブ吸入ポート弁が設けられる。１つのサブ吸入ポートが設けられる場合には、実施の形態１において検出値Ｐを目標圧力Ｐtに一致させる制御を行うに当たり、サブ吸入ポート弁３２ａの開度調整についての説明が当てはまる。３以上のサブ吸入ポートが設けられる場合には、それぞれのサブ吸入ポート弁を、同時に同じ開度になるように調整したり、同時に異なる開度で調整したり、開度調整の始まり又は終りの段階ではいずれか１つのサブ吸入ポート弁のみの開度調整を行うが、それ以外の段階では、他の少なくとも２つのサブ吸入ポート弁を、同時に同じ開度又は異なる開度で調整したりしてもよい。
　実施の形態１では、サブ吸入ポートごとに別々のサブ吸入ポート弁が設けられていたが、この形態に限定するものではない。１つのサブ吸入ポート弁で複数のサブ吸入ポートの開度調整が行えるものであってもよい。このようなサブ吸入ポート弁の例をたとえば図７に示す。図７（ａ）に示されるように、サブ吸入ポート弁３２ｃは、固定スクロール１１の基板１１ａの吸入室１０ｃ（図２参照）側の面１１ａ１に、回転軸３３を介して、回転軸３３を中心に回転可能に設けられた板状の部材である。
　図７（ｂ）に示されるように、サブ吸入ポート弁３２ｃには、サブ吸入ポート３１ａ用の孔３２ｃ１と、サブ吸入ポート３１ｂ用の孔３２ｃ２とが形成されている。サブ吸入ポート弁３２ｃが矢印Ｃの方向に回転すると、孔３２ｃ１とサブ吸入ポート３１ａとが部分的に重なり合って開口が形成され、この開口の大きさに応じた流量の冷媒がサブ吸入ポート３１ａに流入することになる。サブ吸入ポート弁３２ｃが矢印Ｃの方向にさらに回転すると、孔３２ｃ１はサブ吸入ポート３１ａを完全に露出することになり、サブ吸入ポート３１ａが全開の状態となる。サブ吸入ポート弁３２ｃが矢印Ｃの方向にさらに回転すると、サブ吸入ポート３１ａが全開の状態のまま、孔３２ｃ２とサブ吸入ポート３１ｂとが部分的に重なり合って開口が形成され、この開口の大きさに応じた流量の冷媒がサブ吸入ポート３１ｂに流入することになる。サブ吸入ポート弁３２ｃが矢印Ｃの方向にさらに回転すると、孔３２ｃ２はサブ吸入ポート３１ｂを完全に露出することになり、サブ吸入ポート３１ｂも全開の状態となる。このように、サブ吸入ポート弁３２ｃを矢印Ｃの方向に回転させて任意の位置で固定することにより、サブ吸入ポート３１ａおよび３１ｂを任意の開度に調整することができる。
　サブ吸入ポート弁３２ｃにおける孔３２ｃ１および３２ｃ２の位置および形状を変更することにより、サブ吸入ポート３１ａおよび３１ｂの開度調整を、同時に同じ開度になるように調整したり、同時に異なる開度で調整したり、開度調整の始まり又は終りの段階ではいずれか一方のサブ吸入ポートのみの開度調整を行うが、それ以外の段階では、他方のサブ吸入ポート弁を、同時に同じ開度又は異なる開度で調整したりすることができる。
　膨張機１００は、膨張部１０１のみによって構成され、発電部１０２を含まないものであってもよい。
実施の形態２．
　次に、この発明の実施の形態２に係る膨張機について説明する。尚、以下の実施の形態において、図１～７の参照符号と同一の符号は、同一又は同様な構成要素であるので、その詳細な説明は省略する。
　この発明の実施の形態２に係る膨張機は、実施の形態１に対して、膨張機の入口の圧力のみならず温度にも基づく制御を行うようにしたものである。
　図８は、実施の形態２に係る膨張機１００ａを含むランキンサイクルＲ２の構成を示している。膨張機１００ａは、膨張機１００ａに吸入される冷媒の温度を検出する温度検出手段として、温度センサＳ２を備えている。また、ランキンサイクルＲ２には、ポンプ１と並列にバイパスＢが設けられている。バイパスＢには、バイパスＢを流れる冷媒の流量を調整する流量可変バルブＶが設けられている。さらに、ポンプ１と膨張機１００ａとは同一の駆動軸９を共有している。
　温度センサＳ２は、ランキンサイクルＲ２において膨張機１００ａの上流側に設けられ、冷媒の温度を電気信号に変換し、ＥＣＵ８ｂに出力する。ＥＣＵ８ｂは、温度センサＳ２からの電気信号を受信し、これに基づいて流量可変バルブＶの動作を制御する。尚、ＥＣＵ８ｂには、温度センサＳ２による検出値Ｔについての、すなわち膨張機１００の入口の温度についての目標温度が予め設定されている。目標温度は、膨張機１００ａに吸入される冷媒の圧力に応じて決まる最適な温度であり、たとえば冷媒の等エントロピ線とすることができる。図９に、目標圧力Ｐtおよび目標温度の概念図を示す。また、ＥＣＵ８ａは、圧力センサＳ１からの電気信号を受信し、これに基づいて膨張機１００ａの動作を制御する。このように、実施形態２においては、ＥＣＵ８ｂ、バイパスＢおよび流量可変バルブＶは、流量調整手段を構成する。その他の構成は、実施の形態１と同じである。
　膨張機１００ａの入口の圧力の制御については、実施の形態１で説明した動作と同じである。膨張機１００ａの入口の温度の制御については、温度センサＳ２による検出値Ｔが目標温度線に一致するように、ＥＣＵ８ｂが流量可変バルブＶの開度を調整する。具体的には、検出値Ｔが、図９において目標温度線よりも上側に位置する場合には、検出値Ｔが目標温度よりも低いため、ＥＣＵ８ｂは流量可変バルブＶの開度を大きくする。すると、ポンプ１によって圧送された冷媒のうち、バイパスＢを流れる冷媒の流量が増加し、ボイラー２に流入する冷媒の流量が低下する。これにより、膨張機１００ａに吸入される冷媒の温度が上昇する。逆に、検出値Ｔが、図９において目標温度線よりも下側に位置する場合には、検出値Ｔが目標温度よりも高いため、ＥＣＵ８ｂは流量可変バルブＶの開度を小さくする。すると、ポンプ１によって圧送された冷媒のうち、バイパスＢを流れる冷媒の流量が低下し、ボイラー２に流入する冷媒の流量が増加する。これにより、膨張機１００ａに吸入される冷媒の温度が低下する。この動作により、温度センサＳ２による検出値Ｔが目標温度に一致するように制御される。
　このように、膨張機１００ａに吸入される冷媒の流量を調整する流量調整手段を設けることにより、膨張機１００ａに吸入される冷媒の圧力が目標圧力Ｐtに一致するように制御されるだけでなく、膨張機１００ａに吸入される冷媒の温度も目標温度に一致するように制御されるので、膨張機１００ａの入口における冷媒の状態を、実施の形態１よりもさらに膨張効率の高い状態に維持することができる。
　尚、実施の形態２においても、実施の形態１と同様の変形を施すことができる。
実施の形態３．
　次に、この発明の実施の形態３に係る膨張機について説明する。
　この発明の実施の形態３に係る膨張機は、実施の形態２に対して、膨張機の入口の圧力および温度に基づく制御方法を変更したものである。
　図１０は、実施の形態３に係る膨張機１００ｂを含むランキンサイクルＲ３の構成を示している。ＥＣＵ８ａは、圧力センサＳ１および温度センサＳ２からの両方の電気信号を受信し、これらに基づいて膨張機１００ｂの動作を制御する。また、ＥＣＵ８ａにはさらに、目標圧力Ｐtよりも低い圧力の任意に設定可能な所定圧力Ｐpと、任意に設定可能な一定の温度である（圧力センサＳ１による検出値Ｐに依存しない）所定温度Ｔpとが予め設定されている。その他の構成は、実施の形態２と同じである。
　図１１は、膨張機１００ｂに吸入される冷媒の状態（圧力と温度との関係）を、所定圧力Ｐpと、所定温度Ｔpとに基づいて、３つの制御領域に分割している。ＥＣＵ８ａは、圧力センサＳ１による検出値Ｐが所定圧力Ｐp以上かつ温度センサＳ２による検出値Ｔが所定温度Ｔp以上のときに、実施の形態１と同様の動作で圧力センサＳ１による検出値Ｐが目標圧力Ｐtに一致するようにサブ吸入ポート弁３２ａおよび３２ｂの開度を調整する。一方、膨張機１００ｂに吸入される冷媒の温度制御は、圧力センサＳ１による検出値Ｐが所定圧力Ｐp以上か以下か温度センサＳ２による検出値Ｔが所定温度Ｔp以上か以下かにかかわらず、実施の形態２と同様の動作で、温度センサＳ２による検出値Ｔが目標温度に一致するように制御される。
　このように、圧力センサＳ１による検出値Ｐが所定圧力Ｐp以上かつ温度センサＳ２による検出値Ｔが所定温度Ｔp以上のときに、膨張機１００ｂに吸入される冷媒の圧力を目標圧力Ｐtに一致するように制御することによっても、実施の形態２と同様の効果を得ることができる。
　尚、実施の形態３においても、実施の形態１と同様の変形を施すことができる。
　実施の形態２及び３では、流量調整手段は、ＥＣＵ８ｂ、バイパスＢおよび流量可変バルブＶから構成され、流量可変バルブＶの開度を変更してバイパスＢを流通する冷媒の流量を調整することにより、膨張機に吸入される冷媒の流量を調整していたが、この形態に限定するものではない。ランキンサイクルに流量可変ポンプを設け、ランキンサイクルを循環する冷媒の流量を調整することにより、膨張機に吸入される冷媒の流量を調整するようにしてもよい。この場合、流量可変ポンプ又はポンプを駆動する回転数可変モータが流量調整手段を構成する。
　実施の形態１～３では、膨張機１００，１００ａ，１００ｂはいずれもスクロール式の容積可変型膨張機であったが、この形態に限定するものではない。任意の容積可変型膨張機、たとえばロータリー式等であってもよい。
　実施の形態１～３では、圧力センサＳ１はボイラー２の下流と膨張機１００，１００ａ，１００ｂの上流に配置されるが、この位置に限定するものではなく、ポンプ１の下流から膨張機１００，１００ａ，１００ｂの上流の領域のどこに配置されてもよい。

Claims (6)

  1. 　少なくとも１つの膨張室と、
    　該膨張室のいずれかと連通するメイン吸入ポートと、
    　前記膨張室のいずれかと連通する少なくとも１つのサブ吸入ポートと、
    　該サブ吸入ポートと前記膨張室とを連通及び遮断するサブ吸入ポート弁と
    を備えた膨張機であって、
    　該膨張機は、
    　該サブ吸入ポート弁の開度を調整する制御手段と、
    　前記膨張機に吸入される冷媒の圧力を検出する圧力検出手段と
    をさらに備え、
    　前記制御手段には、前記冷媒の目標圧力が予め設定されており、前記制御手段は、前記圧力検出手段による検出値を前記目標圧力に一致させるように、前記サブ吸入ポート弁の開度を調整する膨張機。
  2. 　複数の前記サブ吸入ポートを備え、
    　前記制御手段は、前記圧力検出手段による検出値を前記目標圧力に一致させるように、前記複数のサブ吸入ポートのうちの１つのサブ吸入ポートに対応するサブ吸入ポート弁の開度を調整し、前記１つのサブ吸入ポートに対応する前記サブ吸入ポート弁の開度が全開又は全閉になっても前記圧力検出手段による検出値が前記目標圧力に一致しない場合に、前記複数のサブ吸入ポートのうちの他の１つのサブ吸入ポートに対応するサブ吸入ポート弁の開度を調整する、請求項１に記載の膨張機。
  3. 　複数の前記サブ吸入ポートを備え、
    　前記制御手段は、前記圧力検出手段による検出値を前記目標圧力に一致させるように、前記複数のサブ吸入ポートのうちの少なくとも２つのサブ吸入ポートに対応するサブ吸入ポート弁の開度を同時に調整する、請求項１に記載の膨張機。
  4. 　前記膨張機に吸入される冷媒の温度を検出する温度検出手段と、
    　前記膨張機に吸入される冷媒の流量を調整する流量調整手段と
    をさらに備え、
    　該流量調整手段には、前記冷媒の目標温度が予め設定されており、前記流量調整手段は、前記温度検出手段による検出値を前記目標温度に一致させるように、前記流量を調整する、請求項１～３のいずれか一項に記載の膨張機。
  5. 　前記制御手段にはさらに、
    　前記目標圧力よりも低い所定圧力と、
    　任意の一定の温度である所定温度と
    が予め設定されており、
    　前記圧力検出手段による検出値が前記所定圧力以上かつ前記温度検出手段による検出値が前記所定温度以上のときに、前記制御手段は、前記圧力検出手段による検出値を前記目標圧力に一致させるように、前記サブ吸入ポート弁の開度を調整する、請求項４に記載の膨張機。
  6. 　前記膨張機はスクロール式膨張機である、請求項１～５のいずれか一項に記載の膨張機。
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