(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒の膨張によっ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、
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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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又は３に記載の流体機械。
【請求項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。
【請求項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１〜３のいずれか一つに記載の流体機械。
【請求項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１〜６のいずれか一つに記載の流体機械。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−０７７８２７号公報
【特許文献２】特許４７２５３４４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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、液相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。
【発明の効果】
【０００８】
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、クランク室を低圧にして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。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】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。
【図２】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。
【図３】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。
【図４】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。
【図５】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。
【図６】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。
【図７】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。
【図８】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。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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とが一体に連結された「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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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支持する。ベアリング７ｂ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を支持する。
【００２４】
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のベアリング７１ａよりもクランク室７２Ａ側には、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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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、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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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）気相冷媒が、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、その後、クランク室７２Ａを経由して出口ポート７９Ａから流出する。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。
【００３９】
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を低圧にして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。
【００４０】
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、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。
【００４１】
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。
【００４２】
ここで、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。
【００４３】
例えば、図４に示すように、冷媒出口室７２Ａに出口ポート７９Ａが開口し、及び／又は、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を低圧にして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。
【００４４】
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、膨張後の冷媒がベアリング７１ｂ及び連通路７０ａを通過し、その後、クランク室７２Ａを経由して出口ポート７９Ａから流出する。
【００４５】
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を低圧にして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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
ここで、本実施形態においては、膨張機２３、ポンプ（ピストンポンプ）２５及び発電電動機１００が共通の回転軸１０５によって一体に連結された流体機械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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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る。
【００７０】
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。
【００７１】
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１３１ｂを通過し、その後、クランク室７２Ｂを経由して出口ポート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。
【００７２】
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。
【００７３】
すなわち、クランク室７２Ｂを低圧にして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、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。
【００７４】
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。
【００７５】
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７２Ａを低圧にして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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【符号の説明】
【００７８】
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…受動クランク機構、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、１３０…ハウジング
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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