(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧を発生させる高圧発生手段（７）と、
低圧を発生させる低圧発生手段（１５）と、
前記高圧発生手段（７）による高圧と前記低圧発生手段（１５）による低圧との圧力差
によって出力軸（２９）が回転する固定容積タイプの膨張機（２６）と、
を備える回転出力発生装置において、
前記高圧発生手段（７）は、車両において発生した熱で熱媒体を加熱して熱媒体圧力を
高める熱媒体加熱器（７）であり、 
前記低圧発生手段（１５）は、前記車両の外気により熱媒体を冷却して熱媒体圧力を下げる熱媒体冷却器（１５）であって、
前記膨張機（２６）における膨張容積比は、外気温度の変動に伴う低圧側の変動範囲の
うち、低圧が高くなる夏期において略適正膨張となるように設けられることを特徴とする
回転出力発生装置。
【請求項２】
請求項１に記載の回転出力発生装置において、
前記熱媒体加熱器（７）は、エンジン冷却水の熱により熱媒体を加熱することを特徴と
する回転出力発生装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の回転出力発生装置において、
前記熱媒体冷却器（１５）が、車両用冷凍サイクル（３）の冷媒凝縮器（１５）と共通
で、熱媒体が前記冷凍サイクル（３）を循環可能な冷媒の場合、
前記膨張機（２６）における膨張容積比は、１．５〜２．５の範囲内であることを特徴
とする回転出力発生装置。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれかに記載の回転出力発生装置において、
前記出力軸（２９）は、回転駆動されることで電力を発生するジェネレータ（２７）の
入力軸（２９）を駆動することを特徴とする回転出力発生装置。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力差によって出力軸を回転させる固定容積タイプの膨張機を用いた回転出力発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、車両において発生した熱を利用して回転出力を取り出す技術として、車両において発生した熱で冷媒を加熱器等で加熱して高圧冷媒を作り、その高圧冷媒を膨張機の高圧室へ与え、膨張機における高圧室と低圧室の圧力差によって出力軸を回転させることが考えられる。なお、膨張機の出力（仕事量）は、「出力軸に発生するトルク」×「回転数」として決まる。
膨張機は高圧室に与えられる高圧と、低圧室に与えられる低圧との圧力差が大きいほど大きな仕事量を発生するため、低圧室から排出された冷媒を凝縮器等で冷却することが考えられる。
このように冷媒の圧力差を利用して回転出力を発生させる装置として、「冷媒ポンプ→加熱器→膨張機→凝縮器→再び冷媒ポンプ」の循環サイクルを成すランキンサイクル（回転出力発生装置の一例）が知られている。
【０００３】
車両にランキンサイクルを搭載する場合、エンジンの暖機が完了している状態であっても、季節の移り変わりなど外気温度等の影響により高圧側と低圧側の圧力差が変動する場合がある。
具体的な一例を用いて説明すると、加熱器においてエンジン冷却水（温水）で冷媒を加熱し、凝縮器において外気で冷媒を冷却する場合、高圧側の圧力はエンジン冷却水の温度が８０℃〜１００℃に安定しているため、高圧側の圧力は略一定に保たれる。一方、低圧側の圧力は、外気温度が季節等に応じて、例えば０℃〜３５℃（使用地域等によって変動範囲が異なる）と大きく変動するため、冷媒の冷却能力が変動することで低圧側の圧力が大きく変動する。
【０００４】
次に、膨張機の膨張容積比を考えてみた場合、固定容積タイプの膨張機では、設計した圧力比に合った圧力条件において、過膨張と不足膨張のない適正膨張となって膨張効率が最大になる。
膨張機の膨張容積比は、１年の全体を通して考える必要がある。上述したように、エンジン冷却水が略一定で高圧側が略一定であることを考えると、外気温度の出現頻度を考慮して、回生効果が最大となる膨張容積比を選ぶことになる。即ち、年間の略平均気温において適正膨張となる膨張容積比が選ばれる。
【０００５】
このようにして膨張容積比を選択すると、適正膨張となる外気温度より低い条件下では膨張不足となり、適正膨張となる外気温度より高い条件下では過膨張となる。
ここで、過膨張の状態では、過膨張による損失が発生することになる。即ち、適正膨張となる外気温度より高い条件下において、膨張機の出力が落ち、必要な仕事量を取り出すことが困難になる。
上記の不具合を具体例を用いて説明すると、膨張機によって例えばジェネレータを駆動する場合、夏期など外気温度が高いと、過膨張により生じる損失によってジェネレータから必要な発電量が得られなくなる。
そこで、過膨張による損失を低減する改良が必要になる。
【０００６】
過膨張による損失を低減する手段として、膨張途中の作動室（膨張室）と低圧側とを連通させるバイパス通路を設けるとともに、膨張途中の作動室の圧力が所定圧力（過膨張が発生する圧力）に達した際にバイパス通路を開くバルブ機構を設けることで、過膨張を防ぐ技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
しかし、この特許文献１の技術では、膨張機の内部にバイパス通路とバルブ機構を設けることで膨張機が複雑化することとなり、膨張機の製造コストの上昇を招いてしまう。
また、膨張機に余分なバルブ機構を設けることで、故障確率の上昇を招いてしまう。
【特許文献１】特開平１０−２６６９８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は膨張機の複雑化やコスト上昇を招くことなく、過膨張による損失の発生を防ぐことができる回転出力発生装置の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
［請求項１の手段］
請求項１の手段を採用する回転出力発生装置における低圧発生手段（１５）は、車両の
外気により熱媒体を冷却する熱媒体冷却器（１５）であり、膨張機（２６）における膨張
容積比は、外気温度の変動に伴う低圧側の変動範囲のうち、低圧が高くなる夏期において
略適正膨張となるように設けられる。
なお、略適正膨張とは、熱媒体が低圧発生手段の圧力より著しく低い圧力（以下、過膨
張となる圧力）となることがない範囲の膨張のことを指すものとする。
これにより、夏期に外気温度が上昇して低圧が上昇しても、膨張機（２６）における過膨張が防がれ、膨張機（２６）の出力低下を抑えることができる。
【０００９】
また、請求項１の手段を採用する回転出力発生装置は、高圧発生手段（７）が、車両において発生した熱で熱媒体を加熱して熱媒体圧力を高める熱媒体加熱器（７）である。
これにより、車両において発生する熱で膨張機（２６）を駆動させて、回転出力を得る
ことができる。
【００１０】
［請求項２の手段］
請求項２の手段を採用する回転出力発生装置における熱媒体加熱器（７）は、エンジン
冷却水の熱により熱媒体を加熱するものである。
これにより、エンジン冷却水の熱で膨張機（２６）を駆動させて、回転出力を得ること
ができる。
【００１２】
［請求項３の手段］
請求項３の手段を採用する回転出力発生装置は、低圧発生手段（１５）をなす熱媒体冷却器が車両用冷凍サイクル（３）の冷媒凝縮器（１５）と共通で、熱媒体が冷凍サイクル（３）を循環可能な冷媒の場合、膨張機（２６）における膨張容積比は、１．５〜２．５の範囲内に設けられる。
これによって、夏期に外気温度が上昇しても、膨張機（２６）の出力低下を抑えることができる。
【００１３】
［請求項４の手段］
請求項４の手段を採用する回転出力発生装置における膨張機（２６）の出力軸（２９）
は、回転駆動されることで電力を発生するジェネレータ（２７）の入力軸（２９）を駆動
するものである。
即ち、請求項４の手段を採用する回転出力発生装置は、ジェネレータ（２７）の発電に
より車載バッテリ（１１）を充電する場合、バッテリ（１１）のサイズ（蓄電容量）が決
まっているため、年間を通じて最大の発電量を発生させるものではなく、夏期に外気温度が上昇しても膨張機（２６）の出力低下を抑えて、年間を通して車両に必要な電力を発生させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
最良の形態の回転出力発生装置は、高圧発生手段（７）、低圧発生手段（１５）および固定容積タイプの膨張機（２６）を用いたランキンサイクル（２）を採用している。
高圧発生手段（７）は、車両において発生した熱（排気ガスの熱、エンジン冷却水の熱、バッテリの熱、過給機で加圧された吸入空気の熱など）により冷媒を加熱する冷媒加熱器（７）である。
低圧発生手段（１５）は、車両の外気により冷媒を冷却する冷媒凝縮器（１５）である。
膨張機（２６）は、冷媒加熱器（７）で加熱された冷媒と冷媒凝縮器（１５）で冷却された冷媒の圧力差によって出力軸（２９）が回転する。
この膨張機（２６）における膨張容積比は、外気温度の変動に伴う低圧側の変動範囲（定常運転時の範囲内）のうち、低圧が高くなる夏期において略適正膨張となるように設けられる。
具体的な例を説明すると、ランキンサイクル（２）の冷媒凝縮器（１５）が冷凍サイクル（３）と共通な場合、夏期の日中の車両走行時において適正膨張となるように、膨張容積比が１．５〜２．５の範囲内に設けられる。
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施例における具体的手段との対応関係を示すものである。
【実施例１】
【００１５】
本発明を車両用の排熱回収装置に適用した実施例１を図１〜図５を参照して説明する。なお、この実施例１では、先ず「排熱回収装置の基本構成」を説明し、続いて「ポンプ膨張発電機の説明」を行い、次に「実施例１の背景」を説明し、その後で「実施例１の特徴」を説明する。
【００１６】
〔排熱回収装置の基本構成〕
まず、図１を参照して排熱回収装置のシステム構成を説明する。
この実施例に開示する排熱回収装置は、エンジン冷却水回路１を流れるエンジン冷却水（温水）の熱から、ランキンサイクル２を利用して回転エネルギーを取り出し発電を行うものであり、図１に示すように、この実施例のランキンサイクル２は、車両に搭載された空調装置の冷凍サイクル３と一部共用化したものである。
【００１７】
（エンジン冷却水回路１の説明）
エンジン冷却水回路１は、ラジエータ４→ウォータポンプ５→エンジン（ウォータジャケット内）６→冷媒加熱器７→再びラジエータ４の順で冷却水を循環させるメイン回路と、エンジン（ウォータジャケット内）６→ヒータコア８→再びエンジン６の順で冷却水を循環させる空調温水回路とからなる。
なお、冷媒加熱器７は、後述するランキンサイクル２にて説明する。
【００１８】
ラジエータ４は、車両走行風またはラジエータファンによる外気とエンジン冷却水とを熱交換してエンジン冷却水を冷却するものである。また、ラジエータ４には、ラジエータ４における熱交換部（放熱部）をバイパスさせるラジエータバイパス４ａと、熱交換部とラジエータバイパス４ａの流量比を調整するサーモスタット４ｂとが設けられている。このサーモスタット４ｂは、エンジン冷却水の温度に応じて弁部が開閉および弁開度が変化して、ラジエータ４の熱交換部を流れるエンジン冷却水流量を調整し、エンジン冷却水の温度を８０℃〜１００℃の範囲内で安定させる。
【００１９】
ウォータポンプ５は、車両に搭載されたバッテリ１１の電力、またはエンジン６の出力によって駆動されて、エンジン冷却水回路１においてエンジン冷却水を循環させるものである。
エンジン６は、燃料の燃焼により回転出力を発生する内燃機関であり、エンジン６に設けられたウォータジャケット内を流れる冷却水によりエンジン６の温度が所定範囲内に抑制される。
ヒータコア８は、車室内空調用の空調ダクト１２内に配置され、ブロワ１３により車室内に向かう空調風とエンジン冷却水とを熱交換して、空調風を加熱するものである。
【００２０】
（冷凍サイクル３の説明）
冷凍サイクル３は、冷媒圧縮機（コンプレッサ）１４→冷媒凝縮器（コンデンサ）１５→レシーバ１６→減圧装置１７→冷媒蒸発器（エバポレータ）１８→再び冷媒圧縮機１４の順で冷媒を循環させる閉回路を成すものであり、冷凍サイクル３の作動はＥＣＵ（エレクトリック・コントロール・ユニットの略：制御装置）２１により制御される。
冷媒圧縮機１４は、駆動ベルト２２、プーリ１４ａ、電磁クラッチ１４ｂを介してエンジン６の駆動力が伝達されて作動し、冷媒の吸入・圧縮・吐出を行う。
冷媒凝縮器１５は、冷媒圧縮機１４から吐出された高温高圧の冷媒と、車両走行風またはコンデンサファン（ラジエータファンと兼ねる場合もある）１５ａによる外気とを熱交換し、冷媒圧縮機１４から送られてくる冷媒の液化凝縮を行う。
【００２１】
レシーバ１６は、冷媒凝縮器１５で液化凝縮された冷媒を気液分離し、液相冷媒のみを減圧装置１７に送るものである。
減圧装置１７は、レシーバ１６にて分離されたで液相冷媒を断熱膨張させる。
冷媒蒸発器１８は、車室内の空調を行う空調ダクト１２内に配置され、減圧装置１７で断熱膨張された霧状冷媒と、ブロワ１３により車室内に向かう空調風とを熱交換して、空調風を冷却するものである。具体的に、減圧装置１７で断熱膨張された霧状冷媒は、冷媒蒸発器１８に流入して空調風から気化熱を奪って蒸発するものであり、冷媒蒸発器１８を通過する空調風は冷媒の蒸発の際に気化熱が奪われて冷却されるものである。
そして、冷媒蒸発器１８で蒸発したガス冷媒は、再び冷媒圧縮機１４に吸入されるものであり、冷媒圧縮機１４が駆動されている間、上記のサイクルが繰り返される。
【００２２】
なお、図１に示す空調ダクト１２は、バッテリ１１の電力によって駆動される電動のブロワ１３、このブロワ１３により車室内に向かう空調風を冷却するための冷媒蒸発器１８、空調風を加熱するためのヒータコア８を備える。ヒータコア８および冷媒蒸発器１８は上述したものである。
空調ダクト１２の内部には、ヒータコア８をバイパスさせるヒータコアバイパス２３と、ヒータコア８とヒータコアバイパス２３の流量比を調整するエアミックスドア２４とが設けられている。このエアミックスドア２４は、ＥＣＵ２１により制御されるアクチュエータ、または手動により開度調整されるものであり、エアミックスドア２４によってヒータコア８とヒータコアバイパス２３の流量比を調整することで、車室内に吹き出される空調風の温度が制御される。
【００２３】
（ランキンサイクル２の説明）
ランキンサイクル２は、冷媒凝縮器１５→レシーバ１６→冷媒ポンプ２５→冷媒加熱器７→膨張機２６→再び冷媒凝縮器１５の順で冷媒を循環させる閉回路を成すものであり、ランキンサイクル２の作動は冷凍サイクル３と共用のＥＣＵ２１により制御される。
ここで、この実施例におけるランキンサイクル２は、冷媒凝縮器１５とレシーバ１６を冷凍サイクル３と共用するものであり、流れる冷媒も冷凍サイクル３と共通なものである。
【００２４】
冷媒凝縮器１５は上述したものであり、ランキンサイクル２においては冷媒を冷却させて、膨張機２６の出口側に低圧を発生させる低圧発生手段および熱媒体冷却器に相当する。ここで、冷媒凝縮器１５の入口側の圧力は、冷凍サイクル３が作動している場合、冷凍サイクル３側から見ると高温高圧であるが、ランキンサイクル２側から見ると、冷媒加熱器７の出口側の圧力よりも低圧となる。
レシーバ１６も上述したものであり、ランキンサイクル２においてはレシーバ１６内で気液分離させた液相冷媒を冷媒ポンプ２５に供給するものである。
【００２５】
冷媒ポンプ２５は、電動発電機（モータジェネレータ）２７によって回転駆動されて、レシーバ１６内の冷媒を冷媒加熱器７に送るものである。ここで、電動発電機２７は、バッテリ１１からインバータ２８を介して電力が与えられると回転動力を発生して冷媒ポンプ２５を駆動する。また、電動発電機２７は、膨張機２６の出力によって回転駆動されることで電力を発生するジェネレータに相当するものである。
冷媒加熱器７は、冷媒ポンプ２５から圧送された液相冷媒と、エンジン冷却水回路１のメイン回路を循環する冷却水とを熱交換し、冷媒を冷却水によって加熱して、冷媒に膨張エネルギーを付与するものであり、冷媒を加熱蒸気冷媒とすることで膨張機２６の入口側に高圧エネルギーを発生させる高圧発生手段および熱媒体加熱器に相当するものである。  
【００２６】
膨張機２６は、高圧と低圧の圧力差によって出力軸が回転する固定容積タイプである。具体的に、膨張機２６の入口側には冷媒加熱器７を通過した加熱蒸気冷媒が供給され、膨張機２６の出口側が冷媒凝縮器１５の入口側に接続されるものであり、膨張機２６の入口側に与えられた加熱蒸気冷媒が膨張しようとする圧力（高圧）と、膨張機２６の出口側に与えられる冷媒凝縮器１５側の圧力（低圧）との圧力差によって出力軸を回転させるものである。
なお、膨張機２６の出力軸は、電動発電機２７の入力軸を駆動するものである。ここで、膨張機２６の出力軸、電動発電機２７の入力軸、冷媒ポンプ２５の駆動軸は、１本の共通回転軸２９として設けられている。このため、膨張機２６が回転出力を発生すると、その回転出力によって電動発電機２７と冷媒ポンプ２５が駆動され、電動発電機２７が回転出力を発生すると、その回転出力によって膨張機２６と冷媒ポンプ２５が駆動される。
【００２７】
ここで、ランキンサイクル２は、膨張機２６の高圧側と低圧側との連通または遮断を行う均圧化手段３０を備える。この実施例の均圧化手段３０は、後述するように膨張機２６の内部に設けられるものであるが、膨張機２６の外部に設けるものであっても良い。なお、この均圧化手段３０は、膨張機２６を作動させない時、および膨張機２６の作動を停止する時に膨張機２６の高圧側と低圧側を連通させて圧力差を小さくするものであり、詳細は後述する。
【００２８】
インバータ２８は、電動発電機２７の作動を制御するものであり、電動発電機２７を電動機として作動させる時に、バッテリ１１から電動発電機２７に供給する電力を制御する。
また、インバータ２８は、電動発電機２７が膨張機２６の駆動力によってジェネレータとして作動する時に、バッテリ１１の充電状態に応じて発電電力をバッテリ１１に与える充電動作を行う。
【００２９】
（ＥＣＵ２１の説明）
ＥＣＵ２１は、上記インバータ２８の作動を制御するとともに、ランキンサイクル２および冷凍サイクル３の各電気機能部品の制御を行うものである。このＥＣＵ２１には、電源スイッチ（例えば、イグニッションスイッチ）３１が接続されており、電源スイッチ３１がＯＦＦされるとバッテリ１１からの電力供給が停止されて、ＥＣＵ２１はもとより、インバータ２８、ランキンサイクル２および冷凍サイクル３の作動が停止される。
【００３０】
〔ポンプ膨張発電機の説明〕
上述した冷媒ポンプ２５、膨張機２６、電動発電機２７は、図２に示されるように、同軸上で連結されて、ポンプ膨張発電機として一体的に設けられている。
なお、共通回転軸２９は、ポンプ膨張発電機の内部において、第１、第２ベアリング３２、３３によって回転自在に支持されている。
【００３１】
ポンプ膨張発電機は、図２の左から右に向かって、第１〜５ケース３４〜３８からなるハウジングを備え、各ケースが軸方向（図２の左右方向）にボルト等の締結手段によって強固に締結されている。
第１ケース３４は均圧化手段３０を内蔵し、第２ケース３５は膨張機２６の固定スクロール４１として用いられ、第３ケース３６は膨張機２６の可動スクロール４２および電動発電機２７を内蔵し、第４ケース３７は冷媒ポンプ２５を内蔵し、第５ケース３８は第４ケース３７における冷媒ポンプ２５の収納室を閉塞する。
なお、第３ケース３６の一部は、第１ベアリング３２を支持するシャフトハウジング３９によって構成されている。
【００３２】
（ポンプ膨張発電機における膨張機２６の説明）
膨張機２６は、周知のスクロール型圧縮機と同一構造で、スクロール型圧縮機の入出力を逆にしたものである。
膨張機２６は、第２ケース３５に形成された固定スクロール４１、この固定スクロール４１に噛み合わされた状態で固定スクロール４１に対して公転円運動を行う可動スクロール４２、この可動スクロール４２が自転するのを阻止する自転阻止機構４３、可動スクロール４２の公転円運動から回転出力を発生させる出力取出部４４から構成される。
【００３３】
固定スクロール４１は、第２ケース３５に設けられたものであり、固定底壁４１ａおよび固定ラップ４１ｂを備える。
固定底壁４１ａは、図２右側の面が軸方向に対して垂直な平面に設けられ、後述する可動ラップ４２ｂの先端に設けられたシール部が摺接する。
固定ラップ４１ｂは、固定底壁４１ａから軸方向へ直立した渦巻体である。
【００３４】
第１ケース３４と第２ケース３５の間には、高圧室４５が形成されている。この高圧室４５は、固定底壁４１ａの中心に設けられた入力ポート４６と、冷媒加熱器７から加熱蒸気冷媒が供給される冷媒入口４７とを連通する内部空間である。
一方、第３ケース３６の内部には、低圧室４８が形成されている。この低圧室４８は、固定スクロール４１と可動スクロール４２の外周側に形成される隙間（以下、排出部４９と称す）と、冷媒凝縮器１５の入口側に冷媒を戻す冷媒排出口５０とを連通する内部空間であり、この内部空間内に電動発電機２７が収容される。
【００３５】
可動スクロール４２は、固定スクロール４１と対をなし、固定スクロール４１に対して公転円運動を行うものであり、シャフトハウジング３９によって固定スクロール４１に押し付けられ、固定スクロール４１と可動スクロール４２で囲まれる空間によって、図３に示すように複数の作動室（膨張室）Ｖが形成される。なお、可動スクロール４２とシャフトハウジング３９との間には、可動スクロール４２の回転を円滑にするための摺動プレート５２が配置されている。
【００３６】
可動スクロール４２は、可動底壁４２ａおよび可動ラップ４２ｂを備える。
可動底壁４２ａは、図２左側の面が軸方向に対して垂直な平面に設けられ、上述の固定ラップ４１ｂの先端に設けられたシール部が摺接する。
可動ラップ４２ｂは、可動底壁４２ａから軸方向へ直立した渦巻体であり、図３に示されるように、固定ラップ４１ｂに対して略１８０°ずらした状態で固定ラップ４１ｂに噛み合わされる。
【００３７】
そして、固定スクロール４１と可動スクロール４２とで囲まれる作動室Ｖが、中心側から外側へ容積を増加しながら移動することで、可動スクロール４２が公転円運動を行う。具体的に、入力ポート４６から中心側の作動室Ｖに加熱蒸気冷媒が供給されると、加熱蒸気冷媒の膨張エネルギーが、作動室Ｖの容積を大きくする方向に作用する。この作動室Ｖに加わる膨張エネルギーにより可動スクロール４２が変位することで、作動室Ｖの容積が大きくなるとともに、可動スクロール４２が公転円運動を行う。そして、作動室Ｖが外側に移動して、作動室Ｖと排出部４９とが連通することで、作動室Ｖ内の冷媒が低圧室４８に排出される。
【００３８】
自転阻止機構４３は、可動スクロール４２の自転を阻止し、公転円運動を許容するものである。具体的にこの実施例の自転阻止機構４３は、可動スクロール４２に固定された軸方向に伸びるピン５１と、シャフトハウジング３９に形成された半径方向に伸びる溝５１ａとの嵌まり合いにより、可動スクロール４２の自転を阻止しつつ、公転円運動を許容する。
【００３９】
出力取出部４４は、上述したように、可動スクロール４２の公転円運動から回転出力を発生させるものであり、円筒ボス５３および偏心シャフト５４で構成される。
円筒ボス５３は、可動スクロール４２と一体に設けられたものであり、可動底壁４２ａから図２右側へ突出する円筒体である。
偏心シャフト５４は、共通回転軸２９の図２左端に形成されて共通回転軸２９の回転中心に対して偏心して回転するものであり、円筒ボス５３の内側にベアリング５５を介して挿入されている。
この構造により、可動スクロール４２の公転円運動に伴う円筒ボス５３の公転によって、偏心シャフト５４が回転して共通回転軸２９が回転する。
即ち、加熱蒸気冷媒の膨張エネルギーによる可動スクロール４２の公転円運動が、偏心シャフト５４の回転となって共通回転軸２９に与えられる。
【００４０】
（均圧化手段３０の説明）
均圧化手段３０は、膨張機２６の高圧側と低圧側との連通または遮断を行うものであり、均圧化手段３０の主要な構成は第１ケース３４に設けられている。
均圧化手段３０は、均圧バイパス５６、均圧バルブ５７および電磁弁５８で構成される。
均圧バイパス５６は、高圧室４５と、排出部４９を連通させる通路であり、第２ケース３５に形成されている。
【００４１】
均圧バルブ５７は、第１ケース３４に形成された軸方向に伸びるシリンダ内において摺動自在に支持されたピストン５７ａ、このピストン５７ａと一体化されて均圧バイパス５６を開閉する弁体５７ｂ、シリンダによる背圧室５７ｃ内においてピストン５７ａを閉弁側（均圧バイパス５６が閉じる側）に付勢する圧縮バネ５７ｄからなり、背圧室５７ｃの圧力を高めることで、弁体５７ｂが均圧バイパス５６を閉塞する構造になっている。
【００４２】
電磁弁５８は、ＥＣＵ２１により通電状態が制御されて背圧室５７ｃの圧力をコントロールするものであり、通電された状態で高圧室４５の高圧圧力を背圧室５７ｃに導き、通電が遮断された状態で低圧室４８の低圧圧力を背圧室５７ｃに導くものである。
そして、電磁弁５８が通電されると、背圧室５７ｃの圧力が高まり、圧縮バネ５７ｄの付勢力とともに弁体５７ｂが強く均圧バイパス５６を塞ぐ。これにより、均圧バイパス５６による高圧室４５と低圧室４８の連通が遮断される。
逆に、電磁弁５８の通電が遮断されると、背圧室５７ｃの圧力が低下し、高圧室４５の圧力によって弁体５７ｂが圧縮バネ５７ｄを押し縮めて、弁体５７ｂが図２左側へ変位して均圧バイパス５６を開く。これにより、均圧バイパス５６によって高圧室４５と低圧室４８が連通し、高圧側と低圧側の圧力が均圧化される。
【００４３】
（ポンプ膨張発電機における電動発電機２７の説明）
電動発電機２７は、ステータ６１およびロータ６２で構成される。
ステータ６１は、第３ケース３６によるモータハウジング３６ａの内周面に固定されたステータコア６１ａと、このステータコア６１ａに巻回されたステータコイル６１ｂとからなる。
ロータ６２は、共通回転軸２９の周囲に固定されたロータコアに永久磁石を埋設した構造を備える。
そして、ステータコイル６１ｂがインバータ２８を介して通電を受けるとロータ６２および共通回転軸２９が回転する。また、共通回転軸２９が回転駆動されると、ロータ６２の回転によりステータコイル６１ｂで電力が発生する。
【００４４】
具体的に、電動発電機２７は、ランキンサイクル２の起動時において、バッテリ１１からインバータ２８を介してステータ６１に電力が供給されることで、ロータ６２を回転させて、膨張機２６および冷媒ポンプ２５を駆動する電動モータとして作動する。
逆に、膨張機２６の作動時は、膨張機２６の発生した回転出力によって、冷媒ポンプ２５およびロータ６２が駆動されて、電動発電機２７が電力を発生させるジェネレータとして作動する。そして、電動発電機２７で発生した電力は、インバータ２８を介してバッテリ１１に充電される。
【００４５】
（ポンプ膨張発電機における冷媒ポンプ２５の説明）
冷媒ポンプ２５は、第４ケース３７内に配置れたローリングピストン型のポンプであり、ポンプハウジング６３、偏心カム６４、ポンプロータ６５およびベーン６６を備える。  ポンプハウジング６３は、略円筒形状を呈する中央ハウジング６３ａと、この中央ハウジング６３ａの両側を挟む第１、第２サイドハウジング６３ｂ、６３ｃとから構成され、ボルト等の締結手段によって軸方向に積層された状態で第４ケース３７に固定されている。なお、図２左側の第１サイドハウジング６３ｂは、第２ベアリング３３を支持する。
【００４６】
偏心カム６４は、共通回転軸２９の図２右端に形成されて、中央ハウジング６３ａの内周中心において共通回転軸２９の回転中心に対して偏心して回転する断面円形のカムである。
ポンプロータ６５は、偏心カム６４の外周に装着された円筒体である。このポンプロータ６５の外周径は、中央ハウジング６３ａの内周径より小さいものであり、偏心カム６４の回転によって中央ハウジング６３ａ内を公転する。なお、共通回転軸２９の内部には、低圧室４８内の冷媒（具体的には冷媒に混入された潤滑油）をポンプロータ６５の内側に導く潤滑路２９ａが設けられ、この潤滑路２９ａのポンプロータ６５側の端部には、オリフィス２９ｂが設けられている。
【００４７】
ベーン６６は、中央ハウジング６３ａによって半径方向へ摺動自在に支持され、図示しない付勢手段によって内径方向に付勢されて、ポンプロータ６５と中央ハウジング６３ａの間のポンプ室Ｐを区画する。
ポンプハウジング６３には、ベーン６６に近接して、ベーン６６を挟むように冷媒吸入口６７と、冷媒吐出口（図示されない）とが設けられている。
冷媒吸入口６７には、冷媒ポンプ２５を収容する第４ケース３７を貫通する冷媒導入管６８が接続されている。この冷媒導入管６８は、配管類を介してレシーバ１６の液相冷媒流出口に接続される。
冷媒吐出口は、冷媒ポンプ２５を収容する第４ケース３７内で構成される吐出室６９に連通している。冷媒ポンプ２５を収容する第４ケース３７には、吐出室６９内の冷媒を外部に導く冷媒吐出管７１が設けられている。この冷媒吐出管７１は、配管類を介して冷媒加熱器７の入口側に接続される。なお、冷媒吐出口における吐出室６９の開口部には、冷媒を冷媒吐出口→吐出室６９のみに流す一方向弁７２が設けられている。
【００４８】
冷媒ポンプ２５は、共通回転軸２９の回転によるポンプロータ６５の公転作動によって、冷媒導入管６８→冷媒吸入口６７→ポンプ室Ｐの順で冷媒を吸引するととも、ポンプ室Ｐ→冷媒吐出口→吐出室６９→冷媒吐出管７１の順で冷媒を圧送する。
【００４９】
（ランキンサイクル２の作動説明）
ＥＣＵ２１は、バッテリ１１の充電量が所定の充電量以下で、且つランキンサイクル２の運転が可能な状態（即ち、エンジン冷却水の温度が所定温度以上）であると判断すると、ランキンサイクル２の運転を実行する。具体的に、起動直後は、電磁弁５８をＯＦＦして均圧バルブ５７による均圧バイパス５６の遮断を解除した状態で、電動発電機２７を電動モータとして作動させて冷媒ポンプ２５および膨張機２６を駆動する。
【００５０】
この時、冷媒ポンプ２５はレシーバ１６から冷媒を吸引して冷媒加熱器７に圧送する。冷媒加熱器７に圧送された冷媒は、エンジン冷却水と熱交換して膨張機２６に圧送される。ここで、膨張機２６の均圧バイパス５６は、高圧室４５に導かれた冷媒の圧力により開かれるため、冷媒入口４７から膨張機２６に導かれた冷媒は、高圧室４５から均圧バイパス５６を介して直接的に低圧室４８に流れ、冷媒排出口５０を経て冷媒凝縮器１５の入口側へ戻される。
【００５１】
電動発電機２７を電動モータとして起動後、所定時間（冷媒加熱器７にて冷媒が十分加熱されて加熱蒸気となりえる時間）が経過すると、ＥＣＵ２１は電磁弁５８をＯＮして均圧バルブ５７により均圧バイパス５６を遮断する。これにより、膨張機２６の高圧室４５に流入した加熱蒸気冷媒が、入力ポート４６から作動室Ｖに導かれる。
入力ポート４６から中心側の作動室Ｖに導かれた加熱蒸気冷媒は、加熱蒸気冷媒の有する膨張エネルギーにより可動スクロール４２を公転円運動させることで、作動室Ｖの容積を増加させる。作動室Ｖは容積増加に伴い外周側へ移動し、排出部４９と連通することで、作動室Ｖの冷媒が低圧室４８に排出される。低圧室４８に排出された冷媒は、冷媒排出口５０を経て冷媒凝縮器１５の入口側へ戻され、冷媒凝縮器１５→レシーバ１６→冷媒ポンプ２５→冷媒加熱器７→膨張機２６を循環する。
【００５２】
可動スクロール４２の公転円運動は、出力取出部４４により回転運動に変換され、共通回転軸２９を回転駆動する。これにより、冷媒ポンプ２５および電動発電機２７が駆動される。
膨張機２６の回転出力が冷媒ポンプ２５を正常駆動する出力に達すると、ＥＣＵ２１は電動発電機２７をジェネレータに切り換え、電動発電機２７で発電された電気エネルギーをインバータ２８を介してバッテリ１１に与え、バッテリ１１の充電を行う。
【００５３】
ＥＣＵ２１は、バッテリ１１が所定充電量に達した場合や、異常を検知した場合、電磁弁５８の通電を停止する。これによって均圧バイパス５６が開かれ、高圧室４５に供給された加熱蒸気冷媒は均圧バイパス５６を通って低圧室４８に流れ、膨張機２６の入口側と出口側の圧力差が均圧化される。この膨張機２６の入口側と出口側の圧力差の低下により、膨張機２６の回転が停止し、ランキンサイクル２の運転が停止する。
【００５４】
〔実施例１の背景〕
ランキンサイクル２において、膨張機２６に与えられる高圧圧力は、エンジン冷却水により冷媒を加熱して得られる加熱蒸気冷媒によるものである。エンジン６の冷却水の温度は、サーモスタット４ｂの働きにより、８０℃〜１００℃の範囲内で安定しているため、膨張機２６に与えられる高圧圧力は通年において安定している。
一方、膨張機２６に与えられる低圧圧力は、冷媒凝縮器１５の冷媒凝縮能力によって変動する。このため、暖機が完了した定常運転時であっても、外気温度が変動することで冷媒凝縮能力が変動して膨張機２６に与えられる低圧圧力が大きく変動する。
【００５５】
この実施例のように、膨張機２６が固定容積タイプの場合、膨張機２６の膨張容積比は、１年間を通して考える必要がある。
ここで、膨張容積比は、中心側（高圧側）の作動室Ｖに入力ポート４６が開口した後に入力ポート４６が遮断された直後の入口側容積（図３中、符号Ｖｉｎ１、Ｖｉｎ２参照）に対する、外側に変位した作動室Ｖが排出部４９に連通を開始する直前の出口側容積（図３中、符号Ｖｏｕｔ１、Ｖｏｕｔ２参照）の比（入口側容積／出口側容積：即ち、Ｖｏｕｔ１／Ｖｉｎ１、Ｖｏｕｔ２／Ｖｉｎ２）である。
エンジン冷却水が略一定で高圧側が略一定であることを考えると、外気温度の出現頻度を考慮して、回生効果が最大となる膨張容積比を選ぶことになる。即ち、通常の設計手法では、年間の略平均気温に基づいて適正膨張となる膨張容積比が選ばれる。
【００５６】
このようにして膨張容積比を選択すると、適正膨張となる外気温度では、図４（ｂ）に示すように、過膨張および不足膨張が発生しない。
しかし、適正膨張となる外気温度より低い条件下では、図４（ｃ）に示すように、不足膨張となる。
また、適正膨張となる外気温度より高い条件下では、図４（ａ）に示すように、過膨張となる。
なお、図４中のハッチングＡは、膨張機２６における加熱蒸気冷媒の流入→膨張→排出によって得られる実質パワーを示し、図４中の破線Ｂは、理論パワーを示し、破線Ｂ内の白エリアＣは減少パワーを示すものである。また、図４中のＰＨは、膨張機２６の高圧側の圧力であり、図４中のＰＬは、膨張機２６の低圧側の圧力である。
ここで、図４（ａ）に示す過膨張の状態では、過膨張による損失が発生することになる。即ち、夏期など外気温度が高いと、過膨張による損失によってジェネレータから必要な発電量が得られなくなってしまう。
【００５７】
〔実施例１の特徴〕
従来では、エンジン冷却水の熱から最大の仕事量を取り出すことを優先していたが、発電量を取り出す場合は、発電量を大きくすることよりも、車両に必要な電力を常時発生させることの方が望ましい。
即ち、年間を通じて最大の発電量を得るよりも、夏期など、外気温度が高い状態であっても損失を抑えて必要な電力を取り出す方が好ましい。
【００５８】
そこで、この実施例１では、次の手段を採用している。
膨張機２６における膨張容積比は、エンジン６の暖機が完了し、且つランキンサイクル２が定常運転している状態における高圧と低圧の圧力差の変動範囲のうち、圧力差が小さい側において過膨張や不足膨張のない適正膨張となるように設けられている。
具体的に、この実施例では、高圧側が略安定するが、低圧側が外気温度の影響によって変動し、夏期において高圧側と低圧側の圧力差が小さくなる。そこで、例えば、夏期最盛期の日中における路上の予測温度、または、夏期の日中の最高予測気温、あるいは、年間で最も暑い月の日中の最高気温の平均温度など、夏期の日中の外気温度が高い状態において、過膨張や不足膨張のない適正膨張となるように膨張機２６の膨張容積比を決定するものである。
【００５９】
さらに具体的に説明する。この実施例に示すランキンサイクル２は、冷凍サイクル３と共通の冷媒凝縮器１５を用いるもので冷媒の凝縮能力が大きい。また、ランキンサイクル２の冷媒は、冷凍サイクル３と共通の冷媒を用いるものであるため、使用される冷媒は自動車の空調用として一般に使用される冷凍サイクル３の冷媒（例えば、ＨＦＣ等の化学冷媒や、ＨＣ等の自然冷媒等）である。
このようなランキンサイクル２の場合、膨張機２６の高圧側（入口側）の圧力は、エンジン冷却水の変動範囲が８０℃〜１００℃内で安定するため、通常２．０ＭＰａ〜２．５ＭＰａで安定する。
一方、冷媒凝縮器１５の凝縮能力に影響を及ぼす外気温度は通年において大きく変動する。このため、外気温度が３０℃だと膨張機２６の低圧側（出口側）の圧力は約１．１ＭＰａに上昇し、外気温度が０℃だと膨張機２６の低圧側（出口側）の圧力は約０．５ＭＰａに下降する。
【００６０】
ここで、外気温度（５℃〜３０℃）に応じた膨張容積比と膨張性能比との関係を、図５に示す。
図５から読み取れるように、外気温度が高い状態では、膨張容積比が２付近で適正膨張が得られ、外気温度が低くなるに従い適正膨張となる膨張容積比が大きくなる。
【００６１】
そして、この実施例では、上述したように、膨張機２６の膨張容積比を、夏期において過膨張や不足膨張のない適正膨張とするものであり、外気温度が高い３０℃において、高圧側の圧力が２．０ＭＰａ〜２．５ＭＰａ、低圧側の圧力が約１．１ＭＰａであり、膨張容積比に直すと約２前後が望ましい。
即ち、この実施例の膨張機２６の膨張容積比は、夏期の昼間で外気温度が高い時（例えば、外気温度が３０℃〜３５℃の時）において適正膨張となるように、膨張機２６の膨張容積比は１．５〜２．５の範囲内に設けられるものであり、好ましくは膨張容積比は１．８〜２．２の範囲、さらに好ましくは約２に設けられるものである。
【００６２】
（実施例１の効果）
実施例１に示す排熱回収装置は、上述したように、膨張機２６の膨張容積比が、定常運転時における高圧と低圧の圧力差の変動範囲のうち、圧力差が小さい側において適正膨張となるように設けられる。即ち、膨張容積比は、外気温度の変動に伴う低圧側の変動範囲のうち、低圧側が高くなる夏期において適正膨張となる１．５〜２．５の範囲内に設けられる。
これにより、夏期などに外気温度が上昇して低圧が上昇しても、膨張機２６における過膨張が防がれることになる。この結果、車両が使用される広い温度範囲内において安定した発電量を得ることができる。
また、夏期において適正膨張となる膨張容積比としたことで、通年において安定した発電量を得ることができるため、従来技術で示したようなバイパス通路やバルブ機構を設けなくても済む。
即ち、膨張機２６の複雑化やコスト上昇を招くことなく、過膨張による損失の発生を防いで、年間を通して車両に必要な電力を得ることができる。また、膨張機２６の複雑化を招かないため、膨張機２６の故障確率を減らし、ランキンサイクル２の信頼性を高めることができる。
【００６３】
〔変形例〕
上記の実施例では、膨張機２６を電動発電機２７および冷媒ポンプ２５と一体化する例を示したが、それぞれを独立して設けても良い。
上記実施例では、冷媒ポンプ２５が膨張機２６によって駆動される例を示したが、冷媒ポンプ２５用に設けた電動モータによって駆動されるものであっても良い。
上記の実施例では、膨張機２６がジェネレータ（実施例中では電動発電機２７）を駆動する例を示したが、送風機、過給機、冷媒圧縮機１４など、他の機能物を駆動させても良い。または、膨張機２６によってバネやフライホイール等を駆動して機械的なエネルギーを蓄えるようにしても良い。
上記の実施例では、ランキンサイクル２と冷凍サイクル３とを一部共用化する例を示したが、ランキンサイクル２が独立したものであっても良い。
【００６４】
上記の実施例では、エンジン冷却水を用いて熱媒体（実施例中では冷媒）を加熱して、高圧エネルギーを得る例を示したが、エンジン６の排気ガス、バッテリ１１の発熱、インバータ２８の発熱、過給機の加圧空気の熱など、他の排熱を用いて熱媒体を加熱しても良い。
上記の実施例では、排熱を利用して熱媒体（実施例中では冷媒）を加熱する例を示したが、バーナ等による燃焼エネルギーや、太陽熱等により熱媒体を加熱しても良い。
上記の実施例では、回転動力発生手段としてランキンサイクル２を用い、熱媒体の一例として冷媒を用いる例を示したが、圧力差を利用して膨張機２６を駆動するものであればランキンサイクル２以外による圧力差を利用して膨張機２６を駆動させても良い。
【００６５】
上記の実施例では、外気により熱媒体（実施例中では冷媒）を冷却して、高圧側に対する低圧側を作り出す例を示したが、熱媒体の加熱手段がエンジン６の排気ガスを用いる場合など高圧側の熱媒体の加熱能力が大きい場合は、低圧側を作り出す手段としてエンジン冷却水を用いても良い。
その場合は、低圧側の圧力が安定することになるため、高圧と低圧の圧力差の変動範囲のうち、高圧側が低下した状態において適正膨張となる膨張容積比に設けるものである。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】エンジン冷却水回路、冷凍サイクル、ランキンサイクルの概略模式図である。
【図２】ポンプ膨張発電機の軸方向に沿う断面図である。
【図３】固定スクロールと可動スクロールの噛み合わせ状態を示す説明図である。
【図４】膨張機に与えられる圧力と作動室の容積との関係を示すＰ−Ｖ線図である。
【図５】外気温度に対する膨張容積比と膨張性能比との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６７】
２  ランキンサイクル
３  冷凍サイクル
７  冷媒加熱器（熱媒体加熱器、高圧発生手段）
１５  冷媒凝縮器（熱媒体冷却器、低圧発生手段）
２６  膨張機
２７  電動発電機（ジェネレータ）
２９  共通回転軸（膨張機の出力軸、ジェネレータの入力軸、冷媒ポンプの駆動軸）
【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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