WO2013168682A1 - 流体機械 - Google Patents

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WO2013168682A1
WO2013168682A1 PCT/JP2013/062786 JP2013062786W WO2013168682A1 WO 2013168682 A1 WO2013168682 A1 WO 2013168682A1 JP 2013062786 W JP2013062786 W JP 2013062786W WO 2013168682 A1 WO2013168682 A1 WO 2013168682A1
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expander
refrigerant
pump
crank chamber
fluid machine
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中村　慎二
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サンデン株式会社
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    • 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
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    • F04B53/08—Cooling; Heating; Preventing freezing

Definitions

  • the present invention relates to a fluid machine that is used in a Rankine cycle or the like, and more particularly, to a fluid machine including an expander that generates power by expansion of a refrigerant and a piston pump that pumps the refrigerant.
  • Patent Document 2 discloses a liquid phase in which a lubricating oil is separated from a gas-phase refrigerant in a fluid machine incorporated in a Rankine cycle, and the separated lubricating oil is sucked into a refrigerant pump.
  • a technique for sufficiently lubricating the mechanical sliding portion of the pump for pumping the refrigerant by supplying the refrigerant is disclosed.
  • JP 2010-077827 A Japanese Patent No. 4725344
  • the lubricating oil separated from the gas-phase refrigerant is hotter than the refrigerant sucked by the pump, the lubricating oil separated from the gas-phase refrigerant is sucked into the refrigerant pressure-feeding pump as in the prior art. If supplied to the liquid phase refrigerant, a part of the refrigerant sucked by the pump is gasified (evaporated), and the volumetric efficiency of the pump may be reduced.
  • the present invention provides a fluid machine including an expander that generates power by expansion of a refrigerant and a piston pump that pumps the refrigerant, and reduces the lubrication performance of the mechanical sliding portion in the crank chamber of the piston pump. It aims at reducing the possibility that the volumetric efficiency of a piston pump will fall, suppressing.
  • a fluid machine includes an expander that generates power by expansion of a refrigerant, and a piston pump that pumps the refrigerant, and a refrigerant outlet chamber that discharges the expanded refrigerant from the expander,
  • the piston pump is connected to the crank chamber.
  • the crank chamber is in a state in which the liquid refrigerant is easily gasified.
  • the amount of liquid-phase refrigerant that flows into the crank chamber and / or stores in the crank chamber can be reduced.
  • the possibility that the volumetric efficiency of the piston pump may be reduced can be reduced while suppressing a decrease in the lubrication performance of the mechanical sliding portion of the piston pump.
  • FIG. 1st Embodiment of this invention It is a figure which shows schematic structure of the waste heat recovery apparatus in 1st Embodiment of this invention. It is sectional drawing of the fluid machine (pump integrated expander) in the said 1st Embodiment. It is a figure which shows an example of the distribution path
  • FIG. 1 shows a schematic configuration of an exhaust heat recovery apparatus 1A to which a fluid machine according to the present invention is applied in the first embodiment.
  • the exhaust heat recovery apparatus 1A is mounted on a vehicle and recovers and uses the exhaust heat of the engine 10 of the vehicle.
  • the exhaust heat recovery apparatus 1A includes a Rankine cycle 2A that recovers exhaust heat of the engine 10 and converts it into power, a transmission mechanism 3 that transmits power between the Rankine cycle 2A and the engine 10, and an exhaust heat recovery apparatus 1 And a control unit 4A for controlling the entire operation.
  • the engine 10 is a water-cooled internal combustion engine, and is cooled by engine cooling water that circulates in the cooling water passage 11.
  • a heater 22 of a Rankine cycle 2A which will be described later, is disposed in the cooling water flow path 11, and engine cooling water that has absorbed heat from the engine 10 flows through the heater 22.
  • Rankine cycle 2A collects exhaust heat of engine 10 as an external heat source (here, heat of engine cooling water), converts it into power, and outputs it.
  • a heater 22, an expander 23, a condenser 24, and a pump 25 are arranged in this order in the refrigerant circuit 21 of the Rankine cycle 2A.
  • a bypass path 26 is provided between the heater 22 and the condenser 24 to bypass the expander 23 and distribute the refrigerant.
  • the bypass path 26 is a bypass that opens and closes the bypass path 26.
  • a valve 27 is provided.
  • the heater 22 is a heat exchanger that heats the refrigerant into superheated steam by causing heat exchange between the engine coolant that has absorbed heat from the engine 10 and the refrigerant of the Rankine cycle 2A.
  • the heater 22 may be configured to perform heat exchange between the exhaust of the engine 10 and the refrigerant instead of the engine cooling water.
  • the expander 23 is a scroll expander that generates power (driving force) by expanding the refrigerant (gas-phase refrigerant) that has been heated by the heater 22 into superheated steam and converting it into rotational energy.
  • the condenser 24 is a heat exchanger that cools and condenses (liquefies) the refrigerant by causing heat exchange between the refrigerant that passes through the expander 23 and the outside air.
  • the pump 25 is a mechanical piston pump that pumps the refrigerant (liquid phase refrigerant) liquefied by the condenser 24.
  • the pump 25 sucks and discharges the refrigerant (liquid phase refrigerant) liquefied by the condenser 24, so that the refrigerant circulates through each of the elements of the Rankine cycle 2A.
  • the expander (scroll expander) 23 and the pump (piston pump) 25 are integrally connected and configured as a “pump-integrated expander” 29A having a common rotating shaft 28. That is, the rotary shaft 28 of the pump-integrated expander 29A has a function as an output shaft of the expander 23 and a function as a drive shaft of the pump 25.
  • the transmission mechanism 3 includes a pulley 32 attached to the rotary shaft 28 of the pump-integrated expander 29A via an electromagnetic clutch 31, a crank pulley 33 attached to the crankshaft 12 of the engine 10, a pulley 32, and a crank pulley 33. And a belt 34 wound around the belt.
  • the control unit 4A controls the operation of the bypass valve 27 and the electromagnetic clutch 31.
  • the control unit 4A opens the bypass valve 27, the refrigerant circulates around the expander 23.
  • the control unit 4 controls the electromagnetic clutch 31 to be ON (engaged) / OFF (released)
  • the transmission mechanism 3 is connected to the engine 10 and Rankine cycle 2A (more specifically, the pump-integrated expander 29A). Power can be transmitted / interrupted between them.
  • the control unit 4A When starting the Rankine cycle 2A, the control unit 4A opens the bypass valve 27 and turns on (engages) the electromagnetic clutch 31 to drive the pump 25 by the engine 10. Thereby, the refrigerant is circulated around the expander 23. For example, when the pressure difference before and after the expander 23 becomes a predetermined value or more, the bypass valve 27 is closed and the refrigerant is circulated through the expander 23. Thereafter, when the expander 23 generates a sufficient driving force, a part of the driving force generated by the expander 23 drives the pump 25, and the remaining driving force is transmitted to the engine 10 via the transmission mechanism 3. This is transmitted to assist the output (driving force) of the engine 10.
  • the control unit 4A can stop the Rankine cycle 2A by turning off (releasing) the electromagnetic clutch 31, for example.
  • FIG. 2 is a sectional view of the pump-integrated expander 29A.
  • the pump-integrated expander 29A is a fluid machine in which the expander 23 that generates power by expansion of the refrigerant and the pump 25 that pumps the refrigerant are integrally connected, and is incorporated in the Rankine cycle 2A. Used.
  • the pump-integrated expander 29A includes a pump unit 50A constituting the pump (piston pump) 25, an expansion mechanism 60A constituting the expander (scroll expander) 23, and a function and expansion as a drive shaft of the pump unit 50A.
  • a rotary shaft 28 having a function as an output shaft of the machine part 60A and a housing 70 for housing them are provided.
  • the pump-integrated expander 29 ⁇ / b> A includes an electromagnetic clutch 31 and a pulley 32 that constitute the transmission mechanism 3.
  • the rotary shaft 28 extends in the axial direction of the housing 70 (left-right direction in the figure), and has a crank portion 28a whose axis is offset (offset) from the rotation center of the rotary shaft 28, and a large-diameter end portion 28b. have.
  • bearings 71a and 71b for rotatably supporting the rotary shaft 28 are disposed in the housing 70.
  • the bearing 71a is disposed in a cylindrical portion 70a that is formed so as to protrude from one end side (here, the left end side) of the housing 70, and can rotate in the vicinity of the end opposite to the large-diameter end portion 28b of the rotary shaft 28.
  • the bearing 71b is disposed substantially at the center of the housing 70 in the axial direction, and rotatably supports the large-diameter portion 28b of the rotary shaft 28.
  • crank portion 28 a of the rotary shaft 28 is accommodated in a crank chamber 72 A formed in the housing 70. Further, a shaft seal 73 that seals between the outer peripheral surface of the rotating shaft 28 and the inner peripheral surface of the cylindrical portion 70a is provided at a position closer to the crank chamber 72A than the bearing 71a in the cylindrical portion 70a of the housing 70. It has been.
  • An armature plate 81 is attached to an end portion (tip portion) of the rotating shaft 28 protruding outside from the cylindrical portion 70a, and the pulley 32 can be rotated via a bearing 82 on the outer peripheral surface of the cylindrical portion 70a. Is attached.
  • a clutch coil 83 is accommodated in an annular groove 32 a formed on the end surface of the pulley 32.
  • the electromagnetic clutch 31 includes an armature plate 81 and a clutch coil 83. When the clutch coil 83 is energized, the armature plate 81 is magnetically attracted to the end face of the pulley 32, and the electromagnetic clutch 31 is fastened.
  • the pump portion 50A is rotated by a piston 51 housed in a pump cylinder 74A formed in communication with the crank chamber 72A, one end connected to the piston 51 and the other end connected to the crank portion 28a of the rotary shaft 28. And a connecting rod 52 that converts the rotational motion of the shaft 28 into the reciprocating linear motion of the piston 51.
  • the open end of the pump cylinder 74A is covered with a cylinder cover 75.
  • the cylinder cover 75 is formed with a suction port 75a for sucking the refrigerant (liquid phase refrigerant) liquefied by the condenser 24 into the pump cylinder 74A and a discharge port 75b for discharging the sucked refrigerant.
  • the intake port 75a is provided with a check valve 76a that allows only refrigerant to be sucked
  • the discharge port 75b is provided with a check valve 76b that allows only refrigerant to be discharged.
  • the pump unit 50A repeatedly sucks and discharges the refrigerant (liquid phase refrigerant) as the piston 51 reciprocates in the pump cylinder 74A as the rotary shaft 28 rotates, thereby pumping the refrigerant.
  • the expander portion 60A includes a fixed scroll 61 fixed to an end portion (right end portion in the drawing) opposite to the tubular portion 70a of the housing 70, and a turning scroll 62.
  • the fixed scroll 61 has a disk-shaped base 61a and a spiral wrap 61b erected on one surface (the left surface in the figure) of the base 61a.
  • a refrigerant inlet 61c is formed through the substantially central portion of the base 61a of the fixed scroll 61.
  • the orbiting scroll 62 has a substantially disc-shaped base portion 62a and a spiral wrap 62b erected on the surface of the base portion 62a on the fixed scroll 61 side.
  • the fixed scroll 61 and the orbiting scroll 62 are arranged so that the spiral wraps 61b and 62b mesh with each other, and an expansion chamber that expands the introduced refrigerant (gas phase refrigerant) between the wraps 61b and 62b. 63 is formed. Further, between the surface opposite to the fixed scroll 61 side of the base portion 62a of the orbiting scroll 62 and the opposing surface of the housing 70 facing this, rotation such as ball coupling that prevents the orbiting scroll 62 from rotating is provided. A blocking member 77 is arranged.
  • the refrigerant (gas-phase refrigerant) introduced into the expansion chamber 63 through the inlet 61c expands in the expansion chamber 63, so that the orbiting scroll 62 performs an orbiting motion with respect to the fixed scroll 61. .
  • the expansion chamber 63 moves from the central portion to the peripheral portion with the turning motion of the orbiting scroll 62, and the expanded refrigerant (gas phase refrigerant) is discharged to the refrigerant outlet chamber 78A in the housing 70.
  • the refrigerant outlet chamber 78A is a space formed on the radially outer side of the orbiting scroll 62 in the housing 70, for example.
  • the pump unit 50 ⁇ / b> A and the expander unit 60 ⁇ / b> A are connected via a driven crank mechanism 80.
  • the large-diameter portion 28 b of the rotating shaft 28 is connected to the orbiting scroll 62 via the driven crank mechanism 80.
  • the driven crank mechanism 80 includes a flange 81 fixed to the end surface of the large-diameter portion 28 b of the rotary shaft 28, and a rotary shaft 28 erected at a position shifted from the rotation center of the rotary shaft 28 on the end surface of the flange 81. And an eccentric bush 83 provided on the orbiting scroll 62 side.
  • the eccentric bush 83 is disposed via a bearing 84 in a hollow boss portion 62 c formed on a surface of the base portion 62 a of the orbiting scroll 62 opposite to the fixed scroll 61 side.
  • the crankpin 82 is inserted through an insertion hole 83 a formed in the eccentric bush 83.
  • the insertion hole 83 a is formed at a position shifted from the center of the bush, and the eccentric bush 83 is configured to be swingable around the crank pin 82.
  • the driven crank mechanism 80 converts the rotational motion of the rotary shaft 28 into the rotational motion of the orbiting scroll 62, or converts the rotational motion of the orbiting scroll 62 into the rotational motion of the rotary shaft 28. And as above-mentioned, the pump part 50 is driven by rotation of the rotating shaft 28, and a liquid phase refrigerant is pumped.
  • a counterweight (balance weight) 85 is fixed to the eccentric bush 83 in order to balance the eccentric bush 83 and the orbiting scroll 62 and suppress the occurrence of vibrations in the expander unit 60A. Further, the swing range of the eccentric bush 83 around the crankpin 82 is restricted by the engagement between the restriction hole 81 a provided in the flange portion 81 and the restriction protrusion 83 b provided in the eccentric bush 83.
  • the crank chamber 72 ⁇ / b> A on the pump unit 50 ⁇ / b> A side and the refrigerant outlet chamber 78 ⁇ / b> A on the expander unit 60 ⁇ / b> A side accommodate the bearing 71 b that supports the large-diameter portion 28 b of the rotary shaft 28 and the driven crank mechanism 80.
  • the housing 70 communicates with the rotation preventing member 77 through a gap space between the pump unit 50A and the expander unit 60A.
  • an outlet port 79A through which the expanded refrigerant discharged from the expander unit 60A to the refrigerant outlet chamber 78A flows out to the condenser 24 side is open to the crank chamber 72A.
  • the outlet port 79A is preferably formed so as to open to the bottom of the crank chamber 72A (the lower part in the vertical direction of the pump-integrated expander 29A).
  • the high-temperature gas phase refrigerant discharged from the expander portion 60A to the refrigerant outlet chamber 78A (the high temperature after expansion) is prevented from rotating. Then, it passes through the accommodation space of the driven crank mechanism 80 and the bearing 71b, enters the crank chamber 72A, and then flows out from the outlet port 79A that opens to the crank chamber 72A (that is, flows out through the crank chamber 72). .
  • the gas-phase refrigerant flowing out from the outlet port 79A is liquefied by the condenser 24 and then pumped by the pump unit 50A.
  • the refrigerant outlet chamber 78A from which the expanded gas-phase refrigerant is discharged from the expander section 60A (expander) and the crank of the pump section 50A (piston pump). Since the chamber 72A communicates with the chamber 72A, the liquid phase refrigerant can be easily gasified in the crank chamber 72A, and the liquid phase refrigerant flowing into the crank chamber 72A and / or stored in the crank chamber 72A is stored. The amount can be reduced.
  • the outlet port 79A is opened at the bottom (lower part) of the crank chamber 72A, and even when the liquid phase refrigerant flows into the crank chamber 72A, the flowing liquid phase refrigerant is discharged from the outlet port 79A. Storage of the crank chamber 72A is suppressed. Further, since the vapor-phase refrigerant after expansion at a relatively high temperature flows out to the outside (condenser 24 side) via the crank chamber 72A, the liquid-phase refrigerant is stored in the crank chamber 72A. Even if it exists, most of the said liquid phase refrigerant
  • crank chamber 72A and the refrigerant outlet chamber 78A are communicated with each other in the housing 70 through a bearing 71b that rotatably supports the rotary shaft 28 and a rotation prevention member 77 that prevents rotation of the orbiting scroll 62.
  • a dedicated communication path or the like for communicating the crank chamber 72A and the refrigerant outlet chamber 78A.
  • the outlet port 79A through which the expanded refrigerant flows out to the condenser 24 side is opened in the crank chamber 72A, and the expanded gas phase discharged from the expander unit 60 is discharged.
  • the refrigerant is configured to flow outside (on the condenser 24 side) via the crank chamber 72A.
  • the crank chamber 72A and the refrigerant outlet chamber 78A only need to communicate with each other, and the position where the outlet port 79A is formed is not limited to the configuration according to the above embodiment.
  • an outlet port 79A may open in the refrigerant outlet chamber 72A.
  • a communication passage 91 that allows the crank chamber 72 ⁇ / b> A to communicate with the space on the expander unit 60 ⁇ / b> A side such as the accommodation space of the driven crank mechanism 80 may be formed in the housing 70.
  • the expanded refrigerant that has passed through the accommodating space of the rotation prevention member 77 and the driven crank mechanism 80 enters the crank chamber 72A via the bearing 71b and the communication passage 91, and then flows out from the outlet port 79A that opens to the crank chamber 72A. .
  • a communication path for directly communicating the crank chamber 72A and the refrigerant outlet chamber 78A may be formed in the housing 70, or a communication path for communicating the outlet port 79A and the refrigerant outlet chamber 78A in the configuration shown in FIGS. May be formed in the housing 70. Further, these communication paths may be provided outside the housing 70. Even in this case, since the liquid phase refrigerant can be easily gasified in the crank chamber 72A, the amount of the liquid phase refrigerant flowing into the crank chamber 72A and / or stored in the crank chamber 72A is reduced. can do.
  • FIG. 5 shows a schematic configuration of an exhaust heat recovery apparatus 1B to which the fluid machine according to the present invention is applied in the second embodiment.
  • the exhaust heat recovery apparatus 1A in the first embodiment drives the pump 25 that circulates the refrigerant of the Rankine cycle 2A by the driving force generated by the expander 23, and assists the output of the engine 10.
  • the Rankine cycle 2A incorporates a pump-integrated expander 29A.
  • the exhaust heat recovery apparatus 1B includes the generator motor 100 and drives the generator motor 100 with the driving force generated by the expander 23, thereby converting the exhaust heat of the engine 10 into electric energy. And use it.
  • the Rankine cycle 2B incorporates an expander, a pump and a generator motor integrated fluid machine 29B.
  • the transmission mechanism 3 in the first embodiment is not provided, and the pump 25 is driven by the generator motor 100.
  • FIG. 5 the same elements as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and the functions thereof are also the same.
  • the exhaust heat recovery apparatus 1B includes a Rankine cycle 2B, a generator motor 100, and a control unit 4B.
  • a heater 22, an expander 23, a condenser 24, and a pump 25 are arranged in this order.
  • a bypass path 26 is provided between the heater 22 and the condenser 24 to bypass the expander 23 and distribute the refrigerant.
  • the bypass path 26 is a bypass that opens and closes the bypass path 26.
  • a valve 27 is provided.
  • the generator motor 100 is connected to the power storage device 102 via a power conversion unit (rectifier, inverter, etc.) 101.
  • the generator motor 100 is disposed between the expander 23 and the pump 25 and is driven by electric power supplied from the power storage device 102 or driven by the driving force generated by the expander 23.
  • the control unit 4B controls the operation of the bypass valve 27 and the power supply / power supply stop from the power storage device 102 to the generator motor 100.
  • the generator motor 100 operates as an electric motor to drive the pump 25.
  • the generator motor 100 operates as a generator and is driven by the driving force generated by the expander 23 to generate power.
  • the control unit 4B When starting the Rankine cycle 2B, the control unit 4B opens the bypass valve 27 and supplies power from the power storage device 102 to the generator motor 100 to operate the generator motor 100 as a motor to drive the pump 25. Thereby, the refrigerant is circulated around the expander 23.
  • the control unit 4B closes the bypass valve 27 and circulates the refrigerant via the expander 23, for example, when the pressure difference across the expander 23 reaches or exceeds a predetermined value. Thereafter, when the expander 23 generates a sufficient driving force, the control unit 4B stops the power supply from the power storage device 102 to the generator motor 100 and operates the generator motor 100 as a generator. As a result, the driving force generated by the expander 23 drives the pump 25 and the generator motor 100 to generate power. The power generated by the generator motor 100 is supplied to the power storage device 102 via the power converter 101.
  • the expander 23, the pump (piston pump) 25, and the generator motor 100 are integrally connected and configured as a fluid machine 29B having a common rotating shaft 105. That is, the rotating shaft 105 of the fluid machine 29B has a function as an output shaft of the expander 23, a function as a drive shaft of the pump 25, and a function as a drive shaft of the generator motor 100.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of the fluid machine 29B.
  • the fluid machine 29 ⁇ / b> B includes a pump unit 50 ⁇ / b> B constituting a pump (piston pump) 25, a generator motor unit 110 constituting a generator motor 100, and an expansion constituting a expander (scroll expander) 23.
  • the housing 120 includes a first housing 121 that houses the pump unit 50B and the generator motor unit 110, a second housing 122 that houses the expander unit 60B, and a connecting member 123 that connects the first housing 121 and the second housing 122.
  • a connecting member 123 that connects the first housing 121 and the second housing 122.
  • the first housing 121 is fitted and fixed to one side (left side in the figure) of the connecting member 123
  • the second housing 122 is fitted and fixed to the other side (right side in the figure) of the connecting member 123.
  • a through hole 123 a is formed in the connecting member 123, and the internal space of the first housing 121 and the internal space of the second housing 122 communicate with each other through the through hole 123 a.
  • the rotation shaft 105 extends in the first housing 121 in the axial direction (left-right direction in the drawing), and the shaft center is shifted (offset) from the rotation center of the rotation shaft 105 on one end side (left-end side in the drawing).
  • It has a crank portion 105a.
  • the rotating shaft 105 is rotatably supported by a bearing 131 a disposed in the first housing 121 and a bearing 131 b held by the connecting member 123.
  • the crank portion 105 a of the rotating shaft 105 is accommodated in a crank chamber 72 ⁇ / b> B formed in the first housing 121.
  • the pump part 50B is rotated by a piston 51 housed in a pump cylinder 74B formed in communication with the crank chamber 72B, one end connected to the piston 51 and the other end connected to the crank part 105a of the rotary shaft 105. And a connecting rod 52 that converts the rotational movement of the shaft 105 into the reciprocating linear movement of the piston 51.
  • the open end of the pump cylinder 74B is covered with a cylinder cover 75 in which a suction port 75a and a discharge port 75b are formed, as in the first embodiment.
  • the intake port 75a and the discharge port 75b are provided with check valves 76a and 76b, respectively.
  • the pump unit 50B repeatedly sucks and discharges the refrigerant (liquid phase refrigerant) as the piston 51 reciprocates in the pump cylinder 74B as the rotating shaft 105 rotates, thereby pumping the refrigerant.
  • the generator motor unit 110 is disposed in a space (accommodating space) adjacent to the crank chamber 72B in the first housing 121 via a bearing 131a.
  • the generator motor unit 110 includes a rotor (rotor) 111 made of, for example, a permanent magnet fixed to the rotation shaft 105, and a stator 112 fixed to the inner peripheral surface of the first housing 121 so as to surround the rotor 111.
  • the stator 112 includes a yoke 112a and, for example, three sets of coils 112b wound around the yoke 112a.
  • the coil 112b generates a magnetic field that rotates the rotor 111 when a three-phase alternating current is supplied from the power storage device 102 via the power conversion unit 101, whereby the rotating shaft 105 rotates and the pump unit 50B is driven. Is done.
  • the coil unit 112 b generates a three-phase alternating current along with the rotation of the rotor 111, and the generated three-phase alternating current is supplied to the power storage device 102 via the power conversion unit 101. Thereby, the power storage device 102 is charged.
  • the expander unit 60B includes a fixed scroll 61 and a turning scroll 62, as in the first embodiment.
  • the fixed scroll 61 is fixed in the second housing 122, and an introduction hole 122 a for introducing the refrigerant into the second housing 122 is formed in the second housing 122.
  • the fixed scroll 61 has a disc-shaped base 61a and a spiral wrap 61b erected on one surface of the base 61a (the left surface in the figure).
  • a refrigerant inlet 61c is formed through the substantially central portion of the base 61a of the fixed scroll 61.
  • the orbiting scroll 62 has a substantially disc-shaped base portion 62a and a spiral wrap 62b erected on the surface of the base portion 62a on the fixed scroll 61 side.
  • the fixed scroll 61 and the orbiting scroll 62 are arranged so that the spiral wraps 61b and 62b mesh with each other, and an expansion chamber 63 for expanding the introduced gas-phase refrigerant is formed between the wraps 61b and 62b. Is done.
  • a space 122b having a relatively large volume is formed on the back side of the fixed scroll 61 in the second housing 122 (the side opposite to the orbiting scroll 61).
  • the refrigerant introduced from 122a includes a liquid-phase refrigerant (that is, in a gas-liquid mixed state)
  • the liquid-phase refrigerant is introduced into the inlet 61c formed in the base 61a of the fixed scroll 61 and thus into the expansion chamber 63. Is suppressed.
  • a blocking member 77 is arranged between the surface opposite to the fixed scroll 61 side of the base 62a of the orbiting scroll 62 and the opposing surface of the connecting member 123 facing this.
  • the gas-phase refrigerant expands through an introduction hole 122a formed in the second housing 122, a space 122b on the back side of the fixed scroll 61, and an introduction port 61c formed in the base 61a of the fixed scroll 61. It is introduced into the chamber 63.
  • the introduced gas-phase refrigerant expands in the expansion chamber 63, so that the orbiting scroll 62 performs an orbiting motion with respect to the fixed scroll 61.
  • the expansion chamber 63 moves from the central portion to the peripheral portion in accordance with the orbiting motion of the orbiting scroll 62, and the expanded refrigerant (gas phase refrigerant) enters the refrigerant outlet chamber 78B in the second housing 122. Discharged.
  • the refrigerant outlet chamber 78B is a space formed on the radially outer side of the orbiting scroll 62 in the second housing 122, for example.
  • the rotating shaft 105 extending in the axial direction in the first housing 121 is connected to the orbiting scroll 62 through a driven crank mechanism 80.
  • the driven crank mechanism 80 is erected at a position shifted from the rotation center of the rotary shaft 28 of the flange portion 81 fixed to the end surface of the rotary shaft 105 and the end surface of the flange portion 81, as in the first embodiment.
  • the eccentric bush 83 is disposed via a bearing 84 in a hollow boss portion 62c formed on the surface of the base portion 62a of the orbiting scroll 62 opposite to the fixed scroll 61 side.
  • the crank pin 82 is inserted through an insertion hole 83 a formed in the eccentric bush 83.
  • the insertion hole 83 a is formed at a position shifted from the center of the bush, and the eccentric bush 83 is configured to be swingable around the crank pin 82.
  • a counterweight (balance weight) 85 is fixed to the eccentric bush 83 in order to balance the eccentric bush 83 and the orbiting scroll 62 and suppress the occurrence of vibrations in the expander 60B. Further, the swing range of the eccentric bush 83 around the crank pin 82 is restricted by the engagement of the restriction hole 81 a provided in the flange portion 81 and the restriction protrusion 83 b provided in the eccentric bush 83.
  • the driven crank mechanism 80 converts the rotary motion of the rotary shaft 105 into the rotary motion of the orbiting scroll 62, or converts the rotary motion of the orbiting scroll 62 into the rotary motion of the rotary shaft 105. Then, as described above, the pump unit 50B is driven by the rotation of the rotating shaft 105 to pump the liquid refrigerant, and the generator motor unit 110 is driven to generate power, and the power storage device 102 is charged.
  • the crank chamber 72 ⁇ / b> B on the pump unit 50 ⁇ / b> B side and the refrigerant outlet chamber 78 ⁇ / b> B on the expander unit 60 ⁇ / b> B side include a bearing 131 b that supports the rotating shaft 105, a generator motor unit 110 (particularly the rotor 111 and the stator 112. And the through hole 123a formed in the connecting member 123 and the rotation prevention member 77. Further, an outlet port 79B through which the expanded refrigerant flows out to the condenser 24 side is open to the crank chamber 72B.
  • the outlet port 79B is preferably formed so as to open to the bottom of the crank chamber 72B (the lower part in the vertical direction of the fluid machine 29B).
  • the gas phase refrigerant discharged (after expansion) from the expander unit 60B to the refrigerant outlet chamber 78B is rotated by the rotation prevention member 77, It passes through the through-hole 123a formed in the connecting member 123, the generator motor unit 110 (the gap space between the rotor 111 and the stator 112), and the bearing 131a and enters the crank chamber 72B, and then opens into the crank chamber 72B. Outflow from the exit port 79B. And the gaseous-phase refrigerant
  • the liquid phase refrigerant can be easily gasified in the crank chamber 72B, the amount of the liquid phase refrigerant flowing into the crank chamber 72B and / or stored in the crank chamber 72B can be reduced. . Further, even when the liquid phase refrigerant flows into the crank chamber 72B, the flowing liquid phase refrigerant is prevented from being discharged from the outlet port 79B and stored in the crank chamber 72B. Further, since the vapor-phase refrigerant after expansion at a relatively high temperature flows out to the outside via the crank chamber 72B, the liquid phase refrigerant is stored even when the liquid-phase refrigerant is stored in the crank chamber 72B. Most of the refrigerant can be gasified to flow out (discharge) from the outlet port 79B as a gas-phase refrigerant.
  • the outlet port 79B through which the expanded refrigerant flows out to the condenser 24 side opens in the crank chamber 72B, but is not limited thereto.
  • the crank chamber 72 ⁇ / b> B and the refrigerant outlet chamber 78 ⁇ / b> B only need to communicate with each other.
  • the outlet port 29 ⁇ / b> B may open into the accommodation space of the generator motor unit 110 of the first housing 121.
  • an outlet port 79B may be opened in the refrigerant outlet chamber 72B, and a communication path communicating with the housing space of the generator motor unit 90 and the crank chamber 72B may be formed in the first housing 121.
  • a communication path that directly connects the crank chamber 72B and the refrigerant outlet chamber 78B may be formed in the housing 120 (the first housing 121, the second housing 122, and the connecting member 123), or the outlet in the configuration shown in FIG.
  • a communication path that allows the port 79B and the refrigerant outlet chamber 78B to communicate with each other may be formed in the housing 120. Further, these communication paths may be provided outside the housing 120. Even in this case, since the liquid phase refrigerant can be easily gasified in the crank chamber 72B, the amount of the liquid phase refrigerant flowing into the crank chamber 72A and / or stored in the crank chamber 72B is reduced. can do.
  • the fluid machine 29B in the above embodiment is the one in which the expander 23, the pump (piston pump) 25, and the generator motor 100 are integrally connected, but the generator motor 100 may be used as a generator.
  • the exhaust heat recovery apparatus 1 ⁇ / b> B includes the transmission mechanism 3 as in the exhaust heat recovery apparatus 1 ⁇ / b> A in the first embodiment so that the pump 25 can be driven by the engine 10.
  • the fluid machine which is applied to the Rankine cycle and includes the expander that expands the gas-phase refrigerant to generate power and the piston pump that pumps the liquid-phase refrigerant has been described above.
  • the technical idea of the present invention can also be applied to the case where the expander and the piston pump are configured separately.
  • the crankcase of the piston pump that pumps the liquid phase refrigerant communicates with the outlet side of the expander, for example, the refrigerant flow from the crank chamber of the piston pump and the expander to the condenser. What is necessary is just to provide the communicating path which connects a path
  • crank chamber 77 ... rotation prevention member, 78A, 78B ... refrigerant outlet chamber, 79A 79B ... exit port, 80 ... driven crank mechanism, 91 ... communication path, 100 ... generator motor, 105 ... rotary shaft, 110 ... generator motor part, 11 ... rotor, 112 ... stator, 120 ... housing

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Abstract

　冷媒の膨張によって動力を発生する膨張機と、冷媒を圧送するピストンポンプとを備えた流体機械において、ピストンポンプのクランク室内における機械的摺動部の潤滑性能の低下を抑制する。　流体機械２９Ａは、冷媒の膨張によって動力を発生する膨張機部（スクロール膨張機）６０Ａと、冷媒を圧送するポンプ部（ピストンポンプ）５０Ａと、を備える。流体機械２９Ａの回転軸２８は、膨張機部６０Ａの出力軸及びポンプ部５０Ａの駆動軸として機能する。回転軸２８はクランク部２８ａを有し、このクランク部２８ａはクランク室７２Ａに収容されている。そして、膨張機部６０Ａから膨張後の冷媒が排出される冷媒出口室７８Ａとクランク室７２Ａとが、ベアリング７１ｂ、従動クランク機構８０の収容空間及び自転阻止部材７７を介して連通している。

Description

流体機械
　本発明は、ランキンサイクル等に組み込まれて使用される流体機械に関し、特に、冷媒の膨張によって動力を発生する膨張機と、冷媒を圧送するピストンポンプと、を備えた流体機械に関する。
　ランキンサイクルに組み込まれる流体機械として、冷媒の膨張によって動力を発生する膨張機と、冷媒を圧送するポンプとを一体に連結したポンプ一体型膨張機が知られている（例えば、特許文献１参照）。発明者らは、この種の流体機械における上記ポンプとして、低回転域から高回転域まで容積効率の高いピストンポンプを採用することを検討している。この場合、ピストンポンプに吸入された液相冷媒がクランク室内に流入してしまい、クランク室内における各摺動部の潤滑状態が悪化することが懸念される。
　これに対し、特許文献２には、ランキンサイクルに組み込まれる流体機械において、気相冷媒から潤滑用のオイルを分離し、この分離した潤滑用のオイルを冷媒圧送用のポンプに吸入される液相冷媒に供給することによって、冷媒圧送用のポンプの機械的摺動部を十分に潤滑させる技術が開示されている。
特開２０１０－０７７８２７号公報 特許４７２５３４４号明細書
　しかし、気相冷媒から分離した潤滑用のオイルはポンプの吸入冷媒に比べて高温であるため、上記従来技術のように、気相冷媒から分離した潤滑用のオイルを冷媒圧送用のポンプに吸入される液相冷媒に供給すると、ポンプの吸入冷媒の一部をガス化（蒸発）させてしまい、当該ポンプの容積効率が低下するおそれがある。
　そこで、本発明は、冷媒の膨張によって動力を発生する膨張機と、冷媒を圧送するピストンポンプと、を備えた流体機械において、ピストンポンプのクランク室内における機械的摺動部の潤滑性能の低下を抑制しつつ、ピストンポンプの容積効率が低下するおそれを低減することを目的とする。
　本発明の一側面による流体機械は、冷媒の膨張によって動力を発生する膨張機と、冷媒を圧送するピストンポンプと、を備え、前記膨張機から膨張後の冷媒が排出される冷媒出口室と前記ピストンポンプのクランク室とが連通している。
　上記流体機械によれば、膨張機から膨張後の冷媒が排出される冷媒出口部とピストンポンプのクランク室とを連通させることにより、クランク室内を液相冷媒がガス化し易い状態としているので、当該クランク室へと流入し、及び／又は、当該クランク室内に貯留する液相冷媒の量を低減できる。また、上記従来技術のようにポンプの吸入冷媒をガス化させるおそれもほとんどない。これにより、ピストンポンプの機械的摺動部の潤滑性能の低下を抑制しつつ、ピストンポンプの容積効率が低下するおそれを低減できる。
本発明の第１実施形態における排熱回収装置の概略構成を示す図である。 上記第１実施形態における流体機械（ポンプ一体型膨張機）の断面図である。 上記第１実施形態における流体機械（ポンプ一体型膨張機）内の気相冷媒の流通経路の一例を示す図である。 上記第１実施形態における流体機械（ポンプ一体型膨張機）の変形例を示す図である。 本発明の第２実施形態における排熱回収装置の概略構成を示す図である。 上記第２実施形態における流体機械（膨張機・ポンプ・発電電動機一体型流体機械）の断面図である。 上記第２実施形態における流体機械（膨張機・ポンプ・発電電動機一体型流体機械）内の気相冷媒の流通経路の一例を示す図である。 上記第２実施形態における流体機械（膨張機・ポンプ・発電電動機一体型流体機械）の変形例を示す図である。
　以下、添付図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。
　図１は、第１実施形態において、本発明に係る流体機械が適用された排熱回収装置１Ａの概略構成を示している。この排熱回収装置１Ａは、車両に搭載され、当該車両のエンジン１０の排熱を回収して利用する。
　排熱回収装置１Ａは、エンジン１０の排熱を回収して動力に変換するランキンサイクル２Ａと、ランキンサイクル２Ａとエンジン１０との間で動力の伝達を行う伝達機構３と、排熱回収装置１全体の作動を制御する制御ユニット４Ａと、を含む。
　エンジン１０は、水冷式の内燃機関であり、冷却水流路１１を循環するエンジン冷却水によって冷却される。冷却水流路１１には、後述するランキンサイクル２Ａの加熱器２２が配置され、エンジン１０から熱を吸収したエンジン冷却水が加熱器２２内を流通するようになっている。
　ランキンサイクル２Ａは、外部熱源としてのエンジン１０の排熱（ここではエンジン冷却水の熱）を回収して動力に変換して出力する。
　ランキンサイクル２Ａの冷媒循環路２１には、加熱器２２、膨張機２３、凝縮器２４、及びポンプ２５がこの順に配設されている。また、加熱器２２と凝縮器２４との間には、膨張機２３を迂回して冷媒を流通させるバイパス路２６が設けられており、このバイパス路２６には、このバイパス路２６を開閉するバイパス弁２７が設けられている。
　加熱器２２は、エンジン１０から熱を吸収したエンジン冷却水とランキンサイクル２Ａの冷媒との間で熱交換を行わせることによって当該冷媒を加熱して過熱蒸気とする熱交換器である。なお、図示省略するが、エンジン冷却水に代えてエンジン１０の排気と冷媒との間で熱交換を行わせるように加熱器２２を構成してもよい。
　膨張機２３は、加熱器２２で加熱されて過熱蒸気となった冷媒（気相冷媒）を膨張させて回転エネルギーに変換することによって動力（駆動力）を発生するスクロール膨張機である。
　凝縮器２４は、膨張機２３を経由した冷媒と外気との間で熱交換を行わせることによって冷媒を冷却して凝縮（液化）させる熱交換器である。
　ポンプ２５は、凝縮器２４で液化された冷媒（液相冷媒）を圧送する機械式のピストンポンプである。このポンプ２５が、凝縮器２４で液化された冷媒（液相冷媒）を吸入して吐出することにより、冷媒がランキンサイクル２Ａの上記各要素を循環することになる。
　ここで、膨張機（スクロール膨張機）２３とポンプ（ピストンポンプ）２５とは一体に連結されて共通の回転軸２８を有する「ポンプ一体型膨張機」２９Ａとして構成されている。すなわち、ポンプ一体型膨張機２９Ａの回転軸２８は、膨張機２３の出力軸としての機能及びポンプ２５の駆動軸としての機能を有している。
　伝達機構３は、ポンプ一体型膨張機２９Ａの回転軸２８に電磁クラッチ３１を介して取り付けられたプーリ３２と、エンジン１０のクランクシャフト１２に取り付けられたクランクプーリ３３と、プーリ３２及びクランクプーリ３３に巻回されたベルト３４と、を有する。
　制御ユニット４Ａは、バイパス弁２７及び電磁クラッチ３１の作動を制御する。
　制御ユニット４Ａがバイパス弁２７を開くことにより、冷媒が膨張機２３を迂回して循環する。また、制御ユニット４が電磁クラッチ３１をＯＮ（締結）／ＯＦＦ（解放）制御することにより、伝達機構３は、エンジン１０とランキンサイクル２Ａ（より具体的にはポンプ一体型膨張機２９Ａ）との間で動力を伝達／遮断できるようになっている。
　制御ユニット４Ａは、ランキンサイクル２Ａを起動させる際には、バイパス弁２７を開くと共に電磁クラッチ３１をＯＮ（締結）してエンジン１０によってポンプ２５を駆動する。これにより、膨張機２３を迂回して冷媒を循環させる。そして、例えば膨張機２３前後の圧力差が所定値以上となると、バイパス弁２７を閉じて膨張機２３を経由して冷媒を循環させる。その後、膨張機２３が十分な駆動力を発生するようになると、膨張機２３で発生した駆動力の一部がポンプ２５を駆動し、その余の駆動力が伝達機構３を介してエンジン１０に伝達されてエンジン１０の出力（駆動力）をアシストする。
　また、制御ユニット４Ａは、例えば電磁クラッチ３１をＯＦＦ（解放）することによって、ランキンサイクル２Ａを停止させることができる。
　次に、ポンプ一体型膨張機２９Ａ（流体機械）の構造を説明する。
　図２は、ポンプ一体型膨張機２９Ａの断面図である。上述したように、ポンプ一体型膨張機２９Ａは、冷媒の膨張によって動力を発生する膨張機２３と、冷媒を圧送するポンプ２５とが一体に連結された流体機械であり、ランキンサイクル２Ａに組み込まれて使用される。
　ポンプ一体型膨張機２９Ａは、ポンプ（ピストンポンプ）２５を構成するポンプ部５０Ａと、膨張機（スクロール膨張機）２３を構成する膨張構部６０Ａと、ポンプ部５０Ａの駆動軸としての機能及び膨張機部６０Ａの出力軸としての機能を有する回転軸２８と、これらを収容するハウジング７０と、を備える。また、ポンプ一体型膨張機２９Ａは、伝達機構３を構成する電磁クラッチ３１及びプーリ３２を備えている。
　回転軸２８は、ハウジング７０の軸方向（図では左右方向）に延びており、軸心が回転軸２８の回転中心からずれている（オフセットされた）クランク部２８ａと、大径端部２８ｂとを有している。
　また、ハウジング７０内には、回転軸２８を回転可能に支持するベアリング７１ａ，７１ｂが配置されている。ベアリング７１ａは、ハウジング７０の一端側（ここでは左端側）に突出形成された筒状部７０ａ内に配置されて回転軸２８の大径端部２８ｂとは反対側の端部近傍を回転可能に支持する。ベアリング７１ｂは、ハウジング７０の上記軸方向のほぼ中央に配置されて回転軸２８の大径部２８ｂを回転可能に支持する。
　回転軸２８のクランク部２８ａは、ハウジング７０内に形成されたクランク室７２Ａに収容されている。また、ハウジング７０の筒状部７０ａ内におけるベアリング７１ａよりもクランク室７２Ａ側の位置には、回転軸２８の外周面と筒状部７０ａの内周面との間をシールする軸シール７３が設けられている。
　筒状部７０ａから外部に突出した回転軸２８の端部（先端部）には、アーマチュア板８１が取り付けられており、筒状部７０ａの外周面にはベアリング８２を介してプーリ３２が回転可能に取り付けられている。また、プーリ３２の端面に形成された環状溝３２ａにはクラッチコイル８３が収容されている。電磁クラッチ３１は、アーマチュア板８１及びクラッチコイル８３を含み、クラッチコイル８３に通電することによってアーマチュア板８１がプーリ３２の端面に磁気吸着されて電磁クラッチ３１が締結される。
　次に、ポンプ部５０Ａについて説明する。
　ポンプ部５０Ａは、クランク室７２Ａに連通して形成されたポンプシリンダ７４Ａに収容されたピストン５１と、一端がピストン５１に連結されると共に他端が回転軸２８のクランク部２８ａに連結されて回転軸２８の回転運動をピストン５１の往復直線運動に変換するコネクティングロッド５２と、を含む。
　ポンプシリンダ７４Ａの開口端は、シリンダカバー７５によって覆われている。シリンダカバー７５には、凝縮器２４で液化された冷媒（液相冷媒）をポンプシリンダ７４Ａ内に吸入する吸入ポート７５ａと、吸入した冷媒を吐出する吐出ポート７５ｂが形成されている。吸入ポート７５ａには、冷媒の吸入のみを許容する逆止弁７６ａが設けられ、吐出ポート７５ｂには、冷媒の吐出のみを許容する逆止弁７６ｂが設けられている。
　ポンプ部５０Ａは、回転軸２８の回転に伴ってピストン５１がポンプシリンダ７４Ａ内で往復運動することによって冷媒（液相冷媒）の吸入と吐出とを繰り返し、これにより、冷媒を圧送する。
　次に、膨張機部６０Ａについて説明する。
　膨張機部６０Ａは、ハウジング７０の筒状部７０ａとは反対側の端部（図では右端部）に固定された固定スクロール６１と、旋回スクロール６２と、を含む。
　固定スクロール６１は、円盤状の基部６１ａと、この基部６１ａの一方の面（図では左側の面）に立設された渦巻きラップ６１ｂと、を有する。固定スクロール６１の基部６１ａの略中央部には冷媒の導入口６１ｃが貫通形成されている。また、旋回スクロール６２は、略円盤状の基部６２ａと、この基部６２ａの固定スクロール６１側の面に立設された渦巻きラップ６２ｂと、を有する。
　固定スクロール６１と旋回スクロール６２とは、互いの渦巻きラップ６１ｂ、６２ｂが噛み合うように配置されており、両ラップ６１ｂ，６２ｂの間には、導入された冷媒（気相冷媒）を膨張させる膨張室６３が形成される。また、旋回スクロール６２の基部６２ａの固定スクロール６１側とは反対側の面と、これに対向するハウジング７０の対向面との間には、旋回スクロール６２の自転を阻止するボールカップリング等の自転阻止部材７７が配置されている。
　膨張機部６０Ａにおいて、導入口６１ｃを介して膨張室６３に導入された冷媒（気相冷媒）が膨張室６３内で膨張することにより、旋回スクロール６２が固定スクロール６１に対して旋回運動を行う。この旋回スクロール６２の旋回運動に伴って膨張室６３は中央部から周辺部へと容積を増加させながら移動し、膨張後の冷媒（気相冷媒）はハウジング７０内の冷媒出口室７８Ａに排出される。この冷媒出口室７８Ａは、例えばハウジング７０内における旋回スクロール６２の径方向外側に形成される空間である。
　ハウジング７０内において、ポンプ部５０Ａと膨張機部６０Ａとは従動クランク機構８０を介して連結されている。具体的には、回転軸２８の大径部２８ｂが従動クランク機構８０を介して旋回スクロール６２に連結されている。
　従動クランク機構８０は、回転軸２８の大径部２８ｂの端面に固定されたフランジ部８１と、フランジ部８１の端面の回転軸２８の回転中心からずらした位置に立設された、回転軸２８と平行なクランクピン８２と、旋回スクロール６２側に設けられた偏心ブッシュ８３と、を含む。偏心ブッシュ８３は、旋回スクロール６２の基部６２ａの固定スクロール６１側とは反対側の面に形成された中空ボス部６２ｃ内にベアリング８４を介して配置されている。
　クランクピン８２は、偏心ブッシュ８３に形成された挿通孔８３ａに挿通されている。挿通孔８３ａはブッシュ中心からずらした位置に形成され、偏心ブッシュ８３はクランクピン８２回りに揺動可能に構成されている。これにより、従動クランク機構８０においては、クランクピン８２の旋回運動がそのまま偏心ブッシュ８３の旋回運動となり、逆に、偏心ブッシュ８３の旋回運動がそのままクランクピン８２の旋回運動となる。
　かかる従動クランク機構８０によって、回転軸２８の回転運動が旋回スクロール６２の旋回運動に変換され、又は、旋回スクロール６２の旋回運動が回転軸２８の回転運動に変換される。そして、上述したように、回転軸２８の回転によってポンプ部５０が駆動されて液相冷媒が圧送される。
　なお、偏心ブッシュ８３及び旋回スクロール６２のバランスを取り、膨張機部６０Ａにおける振動の発生等を抑制するため、偏心ブッシュ８３にはカウンタウェイト（バランスウェイト）８５が固定されている。また、フランジ部８１に設けられた規制穴８１ａと、偏心ブッシュ８３に設けられた規制突起８３ｂとの係合によって、クランクピン８２回りの偏心ブッシュ８３の揺動範囲が規制されている。
　ここで、ハウジング７０内において、ポンプ部５０Ａ側のクランク室７２Ａと膨張機部６０Ａ側の冷媒出口室７８Ａとは、回転軸２８の大径部２８ｂを支持するベアリング７１ｂ、従動クランク機構８０の収容空間及び自転阻止部材７７を介して、換言すれば、ハウジング７０においてポンプ部５０Ａと膨張機部６０Ａとの間にある隙間空間を介して連通している。また、膨張機部６０Ａから冷媒出口室７８Ａに排出された膨張後の冷媒を凝縮器２４側に流出させる出口ポート７９Ａが、クランク室７２Ａに開口している。
　なお、出口ポート７９Ａは、クランク室７２Ａの底部（ポンプ一体型膨張機２９Ａの上下方向における下部）に開口するように形成されるのが好ましい。
　これにより、ポンプ一体型膨張機２９Ａにおいては、図３に矢印で示すように、膨張機部６０Ａから冷媒出口室７８Ａに排出された（膨張後の高温の）気相冷媒は、自転阻止部材７７、従動クランク機構８０の収容空間及びベアリング７１ｂを通過してクランク室７２Ａ内に進入し、その後、クランク室７２Ａに開口する出口ポート７９Ａから流出する（すなわち、クランク室７２を経由して流出する）。出口ポート７９Ａから流出した気相冷媒は凝縮器２４によって液化され、その後、ポンプ部５０Ａによって圧送される。
　以上説明したポンプ一体型膨張機２９Ａ（流体機械）によると、膨張機部６０Ａ（膨張機）から膨張後の気相冷媒が排出される冷媒出口室７８Ａと、ポンプ部５０Ａ（ピストンポンプ）のクランク室７２Ａとが連通しているので、クランク室７２Ａ内を液相冷媒がガス化し易い状態にすることができ、クランク室７２Ａに流入し、及び／又は、クランク室７２Ａに貯留する液相冷媒の量を低減することができる。これにより、特にポンプ部５０Ａのクランク室７２Ａ内における機械的摺動部の潤滑性能の低下や回転軸２８（クランク部２８ｂ）による液相冷媒の攪拌抵抗の増加が抑制され、機械的摺動部の耐久性が向上すると共に機械損失も小さくて済む。
　また、クランク室７２Ａの底部（下部）に出口ポート７９Ａが開口しており、クランク室７２Ａに液相冷媒が流入した場合であっても、流入した液相冷媒が出口ポート７９Ａから排出されるのでクランク室７２Ａの貯留することが抑制される。
　さらに、比較的高温の膨張後の気相冷媒がクランク室７２Ａを経由して外部（凝縮器２４側）に流出するように構成されているので、クランク室７２Ａに液相冷媒が貯留した場合であっても当該液相冷媒の大部分をガス化させて気相冷媒として出口ポート７９Ａから流出（排出）させることができる。これにより、ポンプ部５０Ａの機械的摺動部の潤滑性能の低下や回転軸２８による液相冷媒の攪拌抵抗の増加をさらに抑制することができる。
　さらにまた、クランク室７２Ａと冷媒出口室７８Ａとを、回転軸２８を回転可能に支持するベアリング７１ｂや旋回スクロール６２の自転を阻止する自転阻止部材７７を介して連通させることにより、ハウジング７０内にクランク室７２Ａと冷媒出口室７８Ａとを連通させるための専用の連通路等を新たに形成する必要がない。これにより、ポンプ一体型膨張機２９Ａの大型化や製造コストの増加を抑制できる。
　ところで、上記のポンプ一体型膨張機２９Ａでは、膨張後の冷媒を凝縮器２４側に流出させる出口ポート７９Ａがクランク室７２Ａに開口しており、膨張機部６０から排出された膨張後の気相冷媒がクランク室７２Ａを経由して外部（凝縮器２４側）に流出するように構成されている。しかしながら、クランク室７２Ａと冷媒出口室７８Ａとが連通していればよく、出口ポート７９Ａの形成位置は上記実施形態による構成に限るものではない。
　例えば、図４（ａ）に示すように、冷媒出口室７２Ａに出口ポート７９Ａが開口してもよい。また、図４（ｂ）に示すように、クランク室７２Ａと従動クランク機構８０の収容空間などの膨張機部６０Ａ側の空間とを連通させる連通路９１をハウジング７０に形成してもよい。このようにしても、クランク室７２Ａを液相冷媒がガス化し易い状態にすることができるので、クランク室７２Ａに流入し、及び／又は、クランク室７２Ａに貯留する液相冷媒の量を低減することができる。
　なお、冷媒出口室７２Ａに出口ポート７９Ａが開口している場合には、図４（ａ）中に矢印で示すように、クランク室７２Ａ内でガス化された冷媒が、ベアリング７１ｂ及び自転阻止部材７７の収容空間及び自転阻止部材７７を介して冷媒出口部７８Ａへと供給されて、膨張後の気相冷媒と共に出口ポート７９Ａから外部（凝縮器２４側）に流出する。
　また、クランク室７２Ａと従動クランク機構８０の収容空間などの膨張機部６０Ａ側の空間とを連通させる連通路９１をハウジング７０に形成した場合には、図４（ｂ）中に示すように、自転阻止部材７７及び従動クランク機構８０の収容空間を通過した膨張後の冷媒がベアリング７１ｂ及び連通路９１を介してクランク室７２Ａに進入し、その後、クランク室７２Ａに開口する出口ポート７９Ａから流出する。
　また、クランク室７２Ａと冷媒出口室７８Ａとを直接連通させる連通路をハウジング７０に形成してもよいし、図２，３に示す構成における出口ポート７９Ａと冷媒出口室７８Ａとを連通させる連通路をハウジング７０に形成してもよい。また、これらの連通路をハウジング７０外に設けてもよい。このようにしても、クランク室７２Ａ内を液相冷媒がガス化し易い状態にすることができるので、クランク室７２Ａに流入し、及び／又は、クランク室７２Ａに貯留する液相冷媒の量を低減することができる。
　次に、本発明の第２実施形態について説明する。
　図５は、第２実施形態において、本発明に係る流体機械が適用された排熱回収装置１Ｂの概略構成を示している。
　上記第１実施形態における排熱回収装置１Ａは、膨張機２３の発生する駆動力によって、ランキンサイクル２Ａの冷媒を循環させるポンプ２５を駆動し、かつ、エンジン１０の出力をアシストする。そして、ランキンサイクル２Ａには、ポンプ一体型膨張機２９Ａが組み込まれている。
　これに対し、第２実施形態における排熱回収装置１Ｂは、発電電動機１００を備え、膨張機２３が発生する駆動力で発電電動機１００を駆動することで、エンジン１０の排熱を電気エネルギーに変換して利用する。そして、ランキンサイクル２Ｂには、膨張機、ポンプ及び発電電動機一体型の流体機械２９Ｂが組み込まれている。なお、本実施形態においては、第１実施形態における伝達機構３を備えておらず、ポンプ２５は発電電動機１００によって駆動される。また、図５において、図１と同一の要素については同一の符号を付しており、その機能も同様であるものとする。
　図５において、排熱回収装置１Ｂは、ランキンサイクル２Ｂと、発電電動機１００と、制御ユニット４Ｂと、を備えている。
　ランキンサイクル２Ｂの冷媒循環路２１には、加熱器２２、膨張機２３、凝縮器２４、及びポンプ２５がこの順に配設されている。また、加熱器２２と凝縮器２４との間には、膨張機２３を迂回して冷媒を流通させるバイパス路２６が設けられており、このバイパス路２６には、このバイパス路２６を開閉するバイパス弁２７が設けられている。
　発電電動機１００は、電力変換部（整流器やインバータ等）１０１を介して蓄電装置１０２に接続されている。発電電動機１００は、膨張機２３とポンプ２５の間に配置され、蓄電装置１０２から供給される電力によって駆動され、又は、膨張機２３の発生した駆動力によって駆動される。
　制御ユニット４Ｂは、バイパス弁２７の作動及び蓄電装置１０２から発電電動機１００への給電／給電停止を制御する。蓄電装置１０２から発電電動機１００に給電が行われると、発電電動機１００は電動機として作動してポンプ２５を駆動する。一方、蓄電装置１０２から発電電動機１００への給電が停止されると、発電電動機１００は発電機として作動して膨張機２３の発生する駆動力によって駆動されて発電する。
　制御ユニット４Ｂは、ランキンサイクル２Ｂを起動させる際には、バイパス弁２７を開くと共に蓄電装置１０２から発電電動機１００へと給電を行って発電電動機１００を電動機として作動させてポンプ２５を駆動する。これにより、膨張機２３を迂回して冷媒を循環させる。そして、制御ユニット４Ｂは、例えば膨張機２３前後の圧力差が所定値以上となると、バイパス弁２７を閉じて膨張機２３を経由して冷媒を循環させる。その後、膨張機２３が十分な駆動力を発生するようになると、制御ユニット４Ｂは、蓄電装置１０２から発電電動機１００への給電を停止させて発電電動機１００を発電機として作動させる。これにより、膨張機２３で発生した駆動力がポンプ２５を駆動すると共に発電電動機１００を駆動して発電電動機１００が発電する。発電電動機１００が発電した電力は上記電力変換部１０１を介して蓄電装置１０２に供給される。
　ここで、本実施形態において、膨張機２３、ポンプ（ピストンポンプ）２５及び発電電動機１００は一体に連結されて共通の回転軸１０５を有する流体機械２９Ｂとして構成されている。すなわち、流体機械２９Ｂの回転軸１０５は、膨張機２３の出力軸としての機能、ポンプ２５の駆動軸としての機能及び発電電動機１００の駆動軸としての機能を有している。
　次に、膨張機２３、ポンプ（ピストンポンプ）２５及び発電電動機１００が一体に連結された流体機械２９Ｂの構造を説明する。
　図６は、流体機械２９Ｂの断面図である。
　図６に示すように、流体機械２９Ｂは、ポンプ（ピストンポンプ）２５を構成するポンプ部５０Ｂと、発電電動機１００を構成する発電電動機部１１０と、膨張機（スクロール膨張機）２３を構成する膨張構部６０Ｂと、ポンプ部５０Ｂの駆動軸としての機能、発電電動機部１１０の駆動軸としての機能及び膨張機部６０Ｂの出力軸としての機能を有する回転軸１０５と、これらを収容するハウジング１２０と、を備える。
　ハウジング１２０は、ポンプ部５０Ｂ及び発電電動機部１１０を収容する第１ハウジング１２１と、膨張機部６０Ｂを収容する第２ハウジング１２２と、第１ハウジング１２１と第２ハウジング１２２を連結する連結部材１２３と、を有する。具体的には、連結部材１２３の一方の側（図では左側）に第１ハウジング１２１が嵌合固定され、連結部材１２３の他方の側（図では右側）に第２ハウジング１２２が嵌合固定されている。
　連結部材１２３には貫通孔１２３ａが形成されており、この貫通孔１２３ａにより第１ハウジング１２１内空間と第２ハウジング１２２内空間とが連通している。
　回転軸１０５は、第１ハウジング１２１内を軸方向（図では左右方向）に延びており、その一端側（図では左端側）に軸心が回転軸１０５の回転中心からずれている（オフセットされた）クランク部１０５ａを有している。回転軸１０５は、第１ハウジング１２１内に配置されたベアリング１３１ａ及び連結部材１２３に保持されたベアリング１３１ｂによって回転可能に支持されている。また、回転軸１０５のクランク部１０５ａは、第１ハウジング１２１内に形成されたクランク室７２Ｂに収容されている。
　ポンプ部５０Ｂは、クランク室７２Ｂに連通して形成されたポンプシリンダ７４Ｂに収容されたピストン５１と、一端がピストン５１に連結されると共に他端が回転軸１０５のクランク部１０５ａに連結されて回転軸１０５の回転運動をピストン５１の往復直線運動に変換するコネクティングロッド５２と、を含む。また、ポンプシリンダ７４Ｂの開口端は、第１実施形態と同様に、吸入ポート７５ａ及び吐出ポート７５ｂが形成されたシリンダカバー７５によって覆われている。吸入ポート７５ａ及び吐出ポート７５ｂには、それぞれ逆止弁７６ａ，７６ｂが設けられている。
　ポンプ部５０Ｂは、回転軸１０５の回転に伴ってピストン５１がポンプシリンダ７４Ｂ内で往復運動することによって冷媒（液相冷媒）の吸入と吐出を繰り返し、これにより、冷媒を圧送する。
　発電電動機部１１０は、第１ハウジング１２１内においてベアリング１３１ａを介してクランク室７２Ｂと隣接した空間（収容空間）内に配置されている。
　発電電動機部１１０は、回転軸１０５に固定された例えば永久磁石からなる回転子（ロータ）１１１と、このロータ１１１を囲むように第１ハウジング１２１の内周面に固定されたステータ１１２と、を備える。
　ステータ１１２は、ヨーク１１２ａと、このヨーク１１２ａに巻回された例えば三組のコイル１１２ｂとを有する。コイル１１２ｂは、蓄電装置１０２から電力変換部１０１を介して三相交流電流が供給されることによりロータ１１１を回転させる磁界を発生し、これにより、回転軸１０５が回転してポンプ部５０Ｂが駆動される。また、コイル部１１２ｂは、ロータ１１１の回転に伴って三相交流電流を発生し、発生した三相交流電流は電力変換部１０１を介して蓄電装置１０２に供給される。これにより、蓄電装置１０２が充電される。
　膨張機部６０Ｂは、第１実施形態と同様に、固定スクロール６１と、旋回スクロール６２と、を含む。固定スクロール６１は、第２ハウジング１２２内に固定されており、第２ハウジング１２２には、冷媒を第２ハウジング１２２内に導入するための導入孔１２２ａが形成されている。
　固定スクロール６１は、円盤状の基部６１ａと、この基部６１ａの一方の面（図では左側の面）に立設された渦巻きラップ６１ｂと、を有する。固定スクロール６１の基部６１ａの略中央部には冷媒の導入口６１ｃが貫通形成されている。また、旋回スクロール６２は、略円盤状の基部６２ａと、この基部６２ａの固定スクロール６１側の面に立設された渦巻きラップ６２ｂと、を有する。
　固定スクロール６１と旋回スクロール６２とは、互いの渦巻きラップ６１ｂ、６２ｂが噛み合うように配置されており、両ラップ６１ｂ，６２ｂの間には、導入された気相冷媒を膨張させる膨張室６３が形成される。ここで、本実施形態では、第２ハウジング１２２内の固定スクロール６１の背面側（旋回スクロール６１側とは反対側）に比較的容積の大きな空間１２２ｂが形成されており、これにより、例えば導入孔１２２ａから導入された冷媒が液相冷媒を含む場合（すなわち、気液混合状態）であっても、固定スクロール６１の基部６１ａに形成された導入口６１ｃひいては膨張室６３に液相冷媒が導入されてしまうことが抑制される。
　また、旋回スクロール６２の基部６２ａの固定スクロール６１側とは反対側の面とこれに対向する連結部材１２３の対向面との間には、旋回スクロール６２の自転を阻止するボールカップリング等の自転阻止部材７７が配置されている。
　膨張機部６０Ｂにおいて、気相冷媒は、第２ハウジング１２２に形成された導入孔１２２ａ、固定スクロール６１の背面側の空間１２２ｂ及び固定スクロール６１の基部６１ａに形成された導入口６１ｃを介して膨張室６３に導入される。そして、導入された気相冷媒が膨張室６３内で膨張することにより、旋回スクロール６２が固定スクロール６１に対して旋回運動を行う。この旋回スクロール６２の旋回運動に伴って膨張室６３は中央部から周辺部へと容積を増加させながら移動し、膨張後の冷媒（気相冷媒）は第２ハウジング１２２内の冷媒出口室７８Ｂに排出される。この冷媒出口室７８Ｂは、例えば第２ハウジング１２２内における旋回スクロール６２の径方向外側に形成される空間である。
　また、第１ハウジング１２１内を軸方向に延びる回転軸１０５は、従動クランク機構８０を介して旋回スクロール６２に連結されている。
　従動クランク機構８０は、上記第１実施形態と同様、回転軸１０５の端面に固定されたフランジ部８１と、このフランジ部８１の端面の回転軸２８の回転中心からずらした位置に立設された、回転軸２８と平行なクランクピン８２と、旋回スクロール６２側に設けられた偏心ブッシュ８３と、を含む。
　偏心ブッシュ８３は、旋回スクロール６２の基部６２ａの固定スクロール６１側とは反対側の面に形成された中空ボス部６２ｃ内にベアリング８４を介して配置されている。クランクピン８２は、偏心ブッシュ８３に形成された挿通孔８３ａに挿通されている。挿通孔８３ａはブッシュ中心からずらした位置に形成され、偏心ブッシュ８３はクランクピン８２回りに揺動可能に構成されている。
　さらに、偏心ブッシュ８３及び旋回スクロール６２のバランスを取り、膨張機部６０Ｂにおける振動の発生等を抑制するため、偏心ブッシュ８３にはカウンタウェイト（バランスウェイト）８５が固定されている。また、フランジ部８１に設けられた規制穴８１ａと、偏心ブッシュ８３に設けられた規制突起８３ｂとの係合により、クランクピン８２回りの偏心ブッシュ８３の揺動範囲が規制されている。
　かかる従動クランク機構８０によって、回転軸１０５の回転運動が旋回スクロール６２の旋回運動に変換され、又は、旋回スクロール６２の旋回運動が回転軸１０５の回転運動に変換される。そして、上述のように、回転軸１０５の回転によってポンプ部５０Ｂが駆動されて液相冷媒が圧送され、また、発電電動機部１１０が駆動されて発電して、蓄電装置１０２が充電される。
　ここで、ハウジング１２０内において、ポンプ部５０Ｂ側のクランク室７２Ｂと膨張機部６０Ｂ側の冷媒出口室７８Ｂとは、回転軸１０５を支持するベアリング１３１ｂ、発電電動機部１１０（特にロータ１１１とステータ１１２との隙間空間）、連結部材１２３に形成された貫通孔１２３ａ、及び、自転阻止部材７７を介して連通している。
　また、膨張後の冷媒を凝縮器２４側に流出させる出口ポート７９Ｂはクランク室７２Ｂに開口している。なお、出口ポート７９Ｂは、クランク室７２Ｂの底部（流体機械２９Ｂの上下方向における下部）に開口するように形成されるのが好ましい。
　これにより、本実施形態による流体機械２９Ｂにおいては、図７に矢印で示すように、膨張機部６０Ｂから冷媒出口室７８Ｂに排出された（膨張後の）気相冷媒が、自転阻止部材７７、連結部材１２３に形成された貫通孔１２３ａ、発電電動機部１１０（ロータ１１１とステータ１１２との隙間空間）、及び、ベアリング１３１ａを通過してクランク室７２Ｂに進入し、その後、クランク室７２Ｂに開口する出口ポート７９Ｂから流出する。そして、出口ポート７９Ｂから流出した気相冷媒は凝縮器２４によって液化され、その後、ポンプ部５０Ｂによって圧送される。
　以上説明した第２実施形態における流体機械２９Ｂにおいても、膨張機部６０Ｂ（膨張機）から膨張後の冷媒（気相冷媒）が排出される冷媒出口室７８Ｂと、ポンプ部５０Ｂ（ピストンポンプ）のクランク室７２Ｂとが連通しているので、第１実施形態における流体機械（ポンプ一体型膨張機２９Ａ）と同様の効果を得ることができる。
　すなわち、クランク室７２Ｂ内を液相冷媒がガス化し易い状態にすることができるので、クランク室７２Ｂに流入し、及び／又は、クランク室７２Ｂに貯留する液相冷媒の量を低減することができる。また、クランク室７２Ｂに液相冷媒が流入した場合であっても、流入した液相冷媒が出口ポート７９Ｂから排出されてクランク室７２Ｂの貯留することが抑制される。さらに、比較的高温の膨張後の気相冷媒がクランク室７２Ｂを経由して外部に流出するように構成されているので、クランク室７２Ｂに液相冷媒が貯留した場合であっても当該液相冷媒の大部分をガス化させて気相冷媒として出口ポート７９Ｂから流出（排出）させることができる。
　なお、上記実施形態における流体機械２９Ｂでは膨張後の冷媒を凝縮器２４側に流出させる出口ポート７９Ｂがクランク室７２Ｂに開口しているが、これに限るものではない。クランク室７２Ｂと冷媒出口室７８Ｂとが連通していればよく、例えば、図８に示すように、出口ポート２９Ｂが第１ハウジング１２１の発電電動機部１１０の収容空間に開口していてもよい。また、冷媒出口室７２Ｂに出口ポート７９Ｂが開口していてもよいし、第１ハウジング１２１に発電電動機部９０の収容空間とクランク室７２Ｂと連通する連通路を形成してもよい。
　さらに、クランク室７２Ｂと冷媒出口室７８Ｂとを直接連通させる連通路をハウジング１２０（第１ハウジング１２１、第２ハウジング１２２、連結部材１２３）に形成してもよいし、図６に示す構成における出口ポート７９Ｂと冷媒出口室７８Ｂとを連通させる連通路をハウジング１２０に形成してもよい。また、これらの連通路をハウジング１２０外に設けてもよい。このようにしても、クランク室７２Ｂ内を液相冷媒がガス化し易い状態にすることができるので、クランク室７２Ａに流入し、及び／又は、クランク室７２Ｂに貯留する液相冷媒の量を低減することができる。
　また、上記実施形態における流体機械２９Ｂは、膨張機２３、ポンプ（ピストンポンプ）２５及び発電電動機１００が一体に連結されたものであるが、発電電動機１００を発電機としてもよい。この場合、排熱回収装置１Ｂは、第１実施形態における排熱回収装置１Ａと同様に伝達機構３を備え、エンジン１０によってポンプ２５を駆動できるように構成するのが好ましい。
　ところで、以上では、ランキンサイクルに適用され、気相冷媒を膨張させて動力を発生する膨張機と液相冷媒を圧送するピストンポンプとを備えた流体機械について説明した。しかし、上記膨張機と上記ピストンポンプとが別体で構成された場合についても本発明の技術思想を適用することができる。この場合には、ランキンサイクルにおいて、液相冷媒を圧送するピストンポンプのクランク室を、膨張機の出口側に連通させる連通路、例えば、ピストンポンプのクランク室と膨張機から凝縮器に至る冷媒流路とを連通させる連通路を設ければよい。
　１Ａ，１Ｂ…排熱回収装置、２Ａ，２Ｂ…ランキンサイクル、１０…エンジン、２１…冷媒循環路、２２…加熱器、２３…膨張機、２４…凝縮器、２５…ポンプ（ピストンポンプ）、２８…回転軸、２９Ａ…ポンプ一体型膨張機（流体機械）、２９Ｂ…膨張機・ポンプ・発電電動機一体型流体機械、５０Ａ，５０Ｂ…ポンプ部、５１…ピストン、５２…コネクティングロッド、６０Ａ，６０ｂ…膨張機部、６１…固定スクロール、６２…旋回スクロール、７１ａ，７１ｂ…ベアリング（軸受部）、７０…ハウジング、７２Ａ，７２Ｂ…クランク室、７７…自転阻止部材、７８Ａ，７８Ｂ…冷媒出口室、７９Ａ，７９Ｂ…出口ポート、８０…従動クランク機構、９１…連通路、１００…発電電動機、１０５…回転軸、１１０…発電電動機部、１１１…ロータ、１１２…ステータ、１２０…ハウジング

Claims (8)

  1. 　冷媒の膨張によって動力を発生する膨張機と、
    　冷媒を圧送するピストンポンプと、
    　を備え、
    　前記膨張機から膨張後の冷媒が排出される冷媒出口室と前記ピストンポンプのクランク室とが連通している、流体機械。
  2. 　前記冷媒出口室と前記クランク室とは、前記膨張機及び前記ピストンポンプを収容する筐体内において連通している、請求項１に記載の流体機械。
  3. 　前記膨張機から前記冷媒出口室に排出された膨張後の冷媒が前記クランク室を経由して前記筐体外へと排出されるように構成されている、請求項２に記載の流体機械。
  4. 　前記冷媒出口室と前記クランク室とは、前記膨張機の出力軸としての機能及び前記ピストンポンプの駆動軸としての機能を有する回転軸を回転可能に支持する軸受部を介して連通している、請求項２に記載の流体機械。
  5. 　前記膨張機がスクロール膨張機であり、
    　前記冷媒出口室と前記クランク室とは、前記軸受部、及び前記スクロール膨張機における旋回スクロールの自転を阻止する自転阻止部材を介して連通している、請求項４に記載の流体機械。
  6. 　前記冷媒出口室と前記クランク室とを連通させる連通路が設けられている、請求項１に記載の流体機械。
  7. 　前記膨張機と前記ピストンポンプとの間に発電電動機が設けられている、請求項１に記載の流体機械。
  8. 　前記冷媒出口室と前記クランク室とは、前記発電電動機を介して連通している、請求項７に記載の流体機械。
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