(57)【要約】【課題】吸入冷媒の圧力を適切な範囲内に維持できるスクロール膨張機およびランキンサイクルを提供する。【解決手段】スクロール型の膨張機１００は、メイン吸入ポート３０と、複数のサブ吸入ポート３１ａおよび３１ｂと、サブ吸入ポート毎に設けられるサブポート弁とを備える。各サブポート弁が開くべき順序をあらかじめ決めておく。吸入冷媒の圧力が上限圧力を超えると各サブポート弁を順に開いてゆき、吸入冷媒の圧力が下限圧力未満になると各サブポート弁をその逆順に閉じてゆく。【選択図】図５
2013113193.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
メイン吸入ポートと、第１〜第ｎのサブ吸入ポート（ただしｎ≧２）と、前記サブ吸入ポート毎に設けられて前記サブ吸入ポートを開閉する第１〜第ｎのサブポート弁とを備え、前記サブポート弁の開閉により膨張機吸入容積を可変とする、スクロール膨張機において、
前記スクロール膨張機は、膨張機吸入冷媒の圧力を検出する圧力検出手段を備え、
前記サブポート弁がいずれも閉じている状態において、前記圧力が所定の上限圧力を超えている場合には第１の前記サブポート弁を開き、
第ｋのサブポート弁（ただし１≦ｋ≦ｎ−１）が開いており、かつ第ｋ＋１〜第ｎのサブポート弁がいずれも閉じている状態において、前記圧力が前記上限圧力を超えている場合には第ｋ＋１のサブポート弁を開く、スクロール膨張機。
【請求項２】
メイン吸入ポートと、第１〜第ｎのサブ吸入ポート（ただしｎ≧２）と、前記サブ吸入ポート毎に設けられて前記サブ吸入ポートを開閉する第１〜第ｎのサブポート弁とを備え、前記サブポート弁の開閉により膨張機吸入容積を可変とする、スクロール膨張機において、
前記スクロール膨張機は、膨張機吸入冷媒の圧力を検出する圧力検出手段を備え、
前記サブポート弁がいずれも開いている状態において、前記圧力が所定の下限圧力未満である場合には第ｎの前記サブポート弁を閉じ、
第ｍのサブポート弁（ただし１≦ｍ≦ｎ−１）が開いており、かつ第ｍ＋１〜第ｎのサブポート弁がいずれも閉じている状態において、前記圧力が前記下限圧力未満である場合には第ｍのサブポート弁を閉じる、スクロール膨張機。
【請求項３】
前記サブポート弁がいずれも開いている状態において、前記圧力が所定の下限圧力未満である場合には第ｎの前記サブポート弁を閉じ、
第ｍのサブポート弁（ただし１≦ｍ≦ｎ−１）が開いており、かつ第ｍ＋１〜第ｎのサブポート弁がいずれも閉じている状態において、前記圧力が前記下限圧力未満である場合には第ｍのサブポート弁を閉じる、請求項１に記載のスクロール膨張機。
【請求項４】
メイン吸入ポートと、第１〜第ｎのサブ吸入ポート（ただしｎ≧２）と、前記サブ吸入ポート毎に設けられて前記サブ吸入ポートを開閉する第１〜第ｎのサブポート弁とを備え、前記サブポート弁の開閉により膨張機吸入容積を可変とする、スクロール膨張機において、
前記スクロール膨張機は、膨張機吸入冷媒の圧力を検出する圧力検出手段と、前記膨張機吸入冷媒の温度を検出する温度検出手段とを備え、
前記サブポート弁がいずれも閉じている状態において、前記圧力が所定の上限圧力を超え、かつ、前記温度が所定の上限温度を超えている場合には、第１の前記サブポート弁を開き、
第ｋのサブポート弁（ただし１≦ｋ≦ｎ−１）が開いており、かつ第ｋ＋１〜第ｎのサブポート弁がいずれも閉じている状態において、前記圧力が前記上限圧力を超え、かつ、前記温度が前記上限温度を超えている場合には、第ｋ＋１のサブポート弁を開く、スクロール膨張機。
【請求項５】
メイン吸入ポートと、第１〜第ｎのサブ吸入ポート（ただしｎ≧２）と、前記サブ吸入ポート毎に設けられて前記サブ吸入ポートを開閉する第１〜第ｎのサブポート弁とを備え、前記サブポート弁の開閉により膨張機吸入容積を可変とする、スクロール膨張機において、
前記スクロール膨張機は、膨張機吸入冷媒の圧力を検出する圧力検出手段と、前記膨張機吸入冷媒の温度を検出する温度検出手段とを備え、
前記サブポート弁がいずれも開いている状態において、前記圧力が所定の下限圧力未満であり、かつ、前記温度が所定の下限温度未満である場合には、第ｎの前記サブポート弁を閉じ、
第ｍのサブポート弁（ただし１≦ｍ≦ｎ−１）が開いており、かつ第ｍ＋１〜第ｎのサブポート弁がいずれも閉じている状態において、前記圧力が前記下限圧力未満であり、かつ、前記温度が前記下限温度未満である場合には、第ｍのサブポート弁を閉じる、スクロール膨張機。
【請求項６】
前記サブポート弁がいずれも開いている状態において、前記圧力が所定の下限圧力未満であり、かつ、前記温度が所定の下限温度未満である場合には、第ｎの前記サブポート弁を閉じ、
第ｍのサブポート弁（ただし１≦ｍ≦ｎ−１）が開いており、かつ第ｍ＋１〜第ｎのサブポート弁がいずれも閉じている状態において、前記圧力が前記下限圧力未満であり、かつ、前記温度が前記下限温度未満である場合には、第ｍのサブポート弁を閉じる、請求項４に記載のスクロール膨張機。
【請求項７】
前記スクロール膨張機は少なくとも１つの膨張室を備え、
前記第１〜第ｎのサブ吸入ポートは、それぞれいずれかの膨張室において、当該膨張室における膨張工程の位相が進行する順序に従って配置される、請求項１〜６のいずれか一項に記載のスクロール膨張機。
【請求項８】
請求項４〜６のいずれか一項に記載のスクロール膨張機、または、請求項４〜６のいずれか一項を引用する場合の請求項７に記載のスクロール膨張機と、
冷媒の流量を調節する流量調節手段と
を備え、
前記流量調節手段は、前記温度検出手段によって検出された前記温度と、前記圧力検出手段によって検出された前記圧力に対応する目標温度に調整するように、前記流量を調節する、ランキンサイクル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はスクロール膨張機に関し、とくに複数のサブ吸入ポートを開閉して容積を可変とする可変容量型のスクロール膨張機に関する。
【背景技術】
【０００２】
スクロール膨張機は、ランキンサイクル等において冷媒を膨張させるために用いられ、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。可変容量型のものは、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容量を変更する。複数のサブ吸入ポートを備え、容量を多段階に変更するスクロール膨張機の例は、特許文献１に示される。また、複数のバイパスポートを開閉することにより容量制御を行なうスクロール圧縮機の例が、特許文献２、３に示される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−３０３８６号公報
【特許文献２】特開昭５９−１０５９９４号公報
【特許文献３】特開昭６２−２９１４９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来のスクロール膨張機では、各サブ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ポート開閉制御については記載がない。
【０００５】
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あり、吸入冷媒の圧力を適切な範囲内に維持できるスクロール膨張機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述の問題点を解決するため、この発明に係るスクロール膨張機は、メイン吸入ポートと、第１〜第ｎのサブ吸入ポート（ただしｎ≧２）と、サブ吸入ポート毎に設けられてサブ吸入ポートを開閉する第１〜第ｎのサブポート弁とを備え、サブポート弁の開閉により膨張機吸入容積を可変とする、スクロール膨張機において、
スクロール膨張機は、膨張機吸入冷媒の圧力を検出する圧力検出手段を備え、
サブポート弁がいずれも閉じている状態において、圧力が所定の上限圧力を超えている場合には第１のサブポート弁を開き、
第ｋのサブポート弁（ただし１≦ｋ≦ｎ−１）が開いており、かつ第ｋ＋１〜第ｎのサブポート弁がいずれも閉じている状態において、圧力が上限圧力を超えている場合には第ｋ＋１のサブポート弁を開く。
【０００７】
このような構成によれば、吸入冷媒の圧力が高すぎる場合に第１〜第ｎのサブポート弁が番号の順に開いてゆく。
【０００８】
また、この発明に係るスクロール膨張機は、メイン吸入ポートと、第１〜第ｎのサブ吸入ポート（ただしｎ≧２）と、サブ吸入ポート毎に設けられてサブ吸入ポートを開閉する第１〜第ｎのサブポート弁とを備え、サブポート弁の開閉により膨張機吸入容積を可変とする、スクロール膨張機において、
スクロール膨張機は、膨張機吸入冷媒の圧力を検出する圧力検出手段を備え、
サブポート弁がいずれも開いている状態において、圧力が所定の下限圧力未満である場合には第ｎのサブポート弁を閉じ、
第ｍのサブポート弁（ただし１≦ｍ≦ｎ−１）が開いており、かつ第ｍ＋１〜第ｎのサブポート弁がいずれも閉じている状態において、圧力が下限圧力未満である場合には第ｍのサブポート弁を閉じる。
【０００９】
このような構成によれば、吸入冷媒の圧力が低すぎる場合に第１〜第ｎのサブポート弁が番号の逆順に閉じてゆく。
上述の、上限圧力に基づく制御と下限圧力に基づく制御とを組み合わせてもよい。
【００１０】
また、この発明に係るスクロール膨張機は、メイン吸入ポートと、第１〜第ｎのサブ吸入ポート（ただしｎ≧２）と、サブ吸入ポート毎に設けられてサブ吸入ポートを開閉する第１〜第ｎのサブポート弁とを備え、サブポート弁の開閉により膨張機吸入容積を可変とする、スクロール膨張機において、
スクロール膨張機は、膨張機吸入冷媒の圧力を検出する圧力検出手段と、膨張機吸入冷媒の温度を検出する温度検出手段とを備え、
サブポート弁がいずれも閉じている状態において、圧力が所定の上限圧力を超え、かつ、温度が所定の上限温度を超えている場合には、第１のサブポート弁を開き、
第ｋのサブポート弁（ただし１≦ｋ≦ｎ−１）が開いており、かつ第ｋ＋１〜第ｎのサブポート弁がいずれも閉じている状態において、圧力が上限圧力を超え、かつ、温度が上限温度を超えている場合には、第ｋ＋１のサブポート弁を開く。
【００１１】
このような構成によれば、吸入冷媒の圧力および温度が高すぎる場合に第１〜第ｎのサブポート弁が番号の順に開いてゆく。
【００１２】
また、この発明に係るスクロール膨張機は、メイン吸入ポートと、第１〜第ｎのサブ吸入ポート（ただしｎ≧２）と、サブ吸入ポート毎に設けられてサブ吸入ポートを開閉する第１〜第ｎのサブポート弁とを備え、サブポート弁の開閉により膨張機吸入容積を可変とする、スクロール膨張機において、
スクロール膨張機は、膨張機吸入冷媒の圧力を検出する圧力検出手段と、膨張機吸入冷媒の温度を検出する温度検出手段とを備え、
サブポート弁がいずれも開いている状態において、圧力が所定の下限圧力未満であり、かつ、温度が所定の下限温度未満である場合には、第ｎのサブポート弁を閉じ、
第ｍのサブポート弁（ただし１≦ｍ≦ｎ−１）が開いており、かつ第ｍ＋１〜第ｎのサブポート弁がいずれも閉じている状態において、圧力が下限圧力未満であり、かつ、温度が下限温度未満である場合には、第ｍのサブポート弁を閉じる。
【００１３】
このような構成によれば、吸入冷媒の圧力および温度が低すぎる場合に第１〜第ｎのサブポート弁が番号の逆順に閉じてゆく。
上述の、上限圧力および上限温度に基づく制御と、下限圧力および下限温度に基づく制御とを組み合わせてもよい。
【００１４】
スクロール膨張機は少なくとも１つの膨張室を備え、第１〜第ｎのサブ吸入ポートは、それぞれいずれかの膨張室において、当該膨張室における膨張工程の位相が進行する順序に従って配置されてもよい。
【００１５】
また、この発明に係るランキンサイクルは、上述のスクロール膨張機と、冷媒の流量を調節する流量調節手段とを備え、流量調節手段は、温度検出手段によって検出された温度と、圧力検出手段によって検出された圧力に対応する目標温度に調整するように、流量を調節する。
【００１６】
このような構成によれば、流量調節が、目標温度に基づいて吸入冷媒の温度を制御する。
【発明の効果】
【００１７】
この発明に係るスクロール膨張機によれば、吸入冷媒の圧力を適切な範囲内に維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施の形態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２】図１の膨張機の構成を示す図である。
【図３】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４】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５】図１のＥＣＵによるサブポート弁の制御の例を示す図である。
【図６】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。
【図７】図６のＥＣＵ８ａの制御アルゴリズムの例を示す図である。
【図８】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。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
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、本発明の実施の形態１に係る膨張機１００を含むランキンサイクルＲ１の構成を示す。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量可変型膨張機であり、ランキンサイクルＲ１に流通する冷媒を吸入し、膨張して吐出する。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
膨張機１００は、膨張機１００に吸入される冷媒（膨張機吸入冷媒）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ＥＣＵ８を備える。ＥＣＵ８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１００の動作を制御する。たとえば、後述するように、膨張機１００のサブポート弁の開閉を制御する。
【００２３】
図２は膨張機１００の構成を示す。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。
【００２４】
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する。
【００２５】
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に向かって突出する。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。
【００２６】
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。
【００２７】
また、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。
また、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。
【００２８】
また、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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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、複数のサブ吸入ポート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。
【００３４】
サブ吸入ポート３１ａおよび３１ｂには、それぞれ対応するサブポート弁（図示せず）が設けられ、これらのサブポート弁が開閉することによりサブ吸入ポート３１ａおよび３１ｂが開閉する。本実施形態では、サブ吸入ポート３１ａを第１のサブ吸入ポートとし、サブ吸入ポート３１ｂを第２のサブ吸入ポートとし、サブ吸入ポート３１ａのサブポート弁を第１のサブポート弁とし、サブ吸入ポート３１ｂのサブポート弁を第２のサブポート弁とする。
【００３５】
サブポート弁はすべてＥＣＵ８（図１）に接続されており、ＥＣＵ８からの制御信号に応じて開閉する。なお、サブポート弁の具体的な構成はとくに示さないが、当業者であれば公知技術を用いて適切なサブポート弁を構成することができる。たとえば特許文献１〜３に記載されるようなサブポート弁を用いてもよい。
【００３６】
図３は、サブ吸入ポート３１ａおよび３１ｂのサブポート弁がいずれも閉じている場合の、吸入完了時点に対応する可動スクロール１２の位置を示す。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３１ａおよび３１ｂがいずれも閉じている場合、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。
【００３７】
図４は、サブ吸入ポート３１ａおよび３１ｂのサブポート弁がいずれも開いている場合の、吸入完了時点に対応する可動スクロール１２の位置を示す。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。
【００３８】
図３および図４に示すように、サブ吸入ポート３１ａおよび３１ｂが開いている場合（図４）には、これらが閉じている場合（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。このように、膨張機１００の吸入容積は、各サブポートに対応するサブポート弁の開閉により可変となる。
【００３９】
次に、図１〜図４を用いて、この発明の実施の形態１に係る膨張機１００およびその周辺の動作を説明する。
図１を参照すると、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。このとき、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。
【００４０】
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。
【００４１】
図２をあわせて参照すると、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、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。
【００４２】
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。
【００４３】
図５は、ＥＣＵ８によるサブポート弁の制御の例を示す。図５に示すように、時間とともに吸入冷媒の圧力が変動しているとする。ＥＣＵ８（図１）は、圧力センサＳ１によって検出される吸入冷媒の圧力に応じて各サブポート弁を制御する。たとえば、各サブポート弁が開くべき順序をあらかじめ決めておき、吸入冷媒の圧力が所定の上限圧力ＰＨを超えると順次サブポート弁を開いてゆく。一方、吸入冷媒の圧力が所定の下限圧力ＰＬ未満になると、その逆の順でサブポート弁を閉じてゆく。上限圧力ＰＨはたとえば３．３ＭＰａＧであり、下限圧力ＰＬはたとえば２．７ＭＰａＧである。
【００４４】
図５において、時刻ｔ１より前では２つのサブポート弁がいずれも閉じており、また吸入冷媒の圧力は下限圧力ＰＬと上限圧力ＰＨの間にある。この状態において、吸入冷媒の圧力が上昇し、時刻ｔ１において上限圧力ＰＨを超えたとする。これに応じ、ＥＣＵ８はサブ吸入ポート３１ａのサブポート弁（第１のサブポート弁）を開く。これによって膨張室４０ａの吸入容積が大きくなり、結果として吸入冷媒の圧力が低下する。
【００４５】
時刻ｔ１と時刻ｔ２の間では、サブ吸入ポート３１ａのサブポート弁が開いており、サブ吸入ポート３１ｂのサブポート弁は閉じている。この状態において、吸入冷媒の圧力が再び上昇し、時刻ｔ２において上限圧力ＰＨを超えたとする。これに応じ、ＥＣＵ８はサブ吸入ポート３１ｂのサブポート弁（第２のサブポート弁）を開く。これによって膨張室４０ｂの吸入容積が大きくなり、結果として吸入冷媒の圧力が低下する。
【００４６】
時刻ｔ２と時刻ｔ３の間では、２つのサブポート弁がいずれも開いている。この状態において、吸入冷媒の圧力が低下し、時刻ｔ３において下限圧力ＰＬ未満になったとする。これに応じ、ＥＣＵ８はサブ吸入ポート３１ｂのサブポート弁（第２のサブポート弁）を閉じる。これによって膨張室４０ｂの吸入容積が小さくなり、結果として吸入冷媒の圧力が上昇する。
【００４７】
時刻ｔ３と時刻ｔ４の間では、サブ吸入ポート３１ａのサブポート弁が開いており、サブ吸入ポート３１ｂのサブポート弁は閉じている。この状態において、吸入冷媒の圧力が再び低下し、時刻ｔ４において下限圧力ＰＬ未満になったとする。これに応じ、ＥＣＵ８はサブ吸入ポート３１ａのサブポート弁（第１のサブポート弁）を閉じる。これによって膨張室４０ａの吸入容積が小さくなり、結果として吸入冷媒の圧力が上昇する。時刻ｔ４より後では２つのサブポート弁がいずれも閉じている。
【００４８】
以上のように、本発明の実施の形態１に係る膨張機１００によれば、吸入冷媒の圧力が高すぎる場合に、第１および第２のサブポート弁がこの順に開いてゆくので、吸入冷媒の圧力を適切な範囲内に維持することができる。また、吸入冷媒の圧力が低すぎる場合に、第１および第２のサブポート弁が逆順に閉じてゆくので、吸入冷媒の圧力を適切な範囲内に維持することができる。
【００４９】
上述の実施の形態１ではサブ吸入ポートの数は２であるが、３以上のサブ吸入ポートが設けられてもよい。同一の膨張室に複数のサブ吸入ポートが設けられる場合には、それらのサブ吸入ポートの開閉順は、その膨張室における膨張行程の位相が進行する順序に従って決定されてもよい。
【００５０】
ｎ個のサブ吸入ポートが設けられている場合のＥＣＵの制御は、たとえば次のようになる（ただしｎ≧２とする。ｎ＝２とすると実施の形態１と同等である）。
サブポート弁がいずれも閉じている状態において、吸入冷媒の圧力が上限圧力ＰＨを超えている場合には、第１のサブポート弁を開く。また、第ｋのサブポート弁（ただし１≦ｋ≦ｎ−１）が開いており、かつ第ｋ＋１〜第ｎのサブポート弁がいずれも閉じている状態において、吸入冷媒の圧力が上限圧力ＰＨを超えている場合には、第ｋ＋１のサブポート弁を開く。（なお、第ｋ＋１のサブポート弁と同時に、第ｋ＋２またはそれ以降のサブポート弁も開くという制御を除外するものではない。）
【００５１】
また、サブポート弁がいずれも開いている状態において、吸入冷媒の圧力が下限圧力ＰＬ未満である場合には、第ｎのサブポート弁（すなわち最後のサブポート弁）を閉じる。また、第ｍのサブポート弁（ただし１≦ｍ≦ｎ−１）が開いており、かつ第ｍ＋１〜第ｎのサブポート弁がいずれも閉じている状態において、吸入冷媒の圧力が下限圧力ＰＬ未満である場合には、第ｍのサブポート弁（すなわち最後に開いたサブポート弁）を閉じる。（なお、第ｍのサブポート弁と同時に、第ｍ−１またはそれ以前のサブポート弁も閉じるという制御を除外するものではない。）
【００５２】
異なる膨張室のサブ吸入ポートの開閉順序については自由に決定してもよく、たとえば実施の形態１においてサブ吸入ポート３１ａのサブポート弁を第２のサブポート弁とし、サブ吸入ポート３１ｂのサブポート弁を第１のサブポート弁としてもよい。
いずれかまたは双方の膨張室に複数のサブ吸入ポートが設けられている場合には、たとえば、各膨張室のサブポート弁を交互に開いてゆく制御としてもよいし、一方の膨張室のサブポート弁を順次開いてゆき、すべてのサブポート弁が開かれた後に他方の膨張室のサブポート弁を開きはじめる制御としてもよい。
【００５３】
実施の形態１では、各サブポート弁を開く順序と閉じる順序とは互いに逆となっているが、これらは互いに逆でなくともよい。たとえば、サブポート弁を開く場合にだけ実施の形態１と同様の制御を行い、サブポート弁を閉じる場合には同時にすべてのサブポート弁を閉じる制御を行ってもよい。あるいは、サブポート弁を閉じる場合にだけ実施の形態１と同様の制御を行ってもよい。このような制御であっても、サブポート弁を開いてゆく過程または閉じてゆく過程のうち少なくともいずれか一方では、本願発明の効果を得ることができる。
【００５４】
なお、実施の形態１では、サブポート弁の開閉に伴う吸入冷媒の圧力の変動は、圧力の測定周期に対して十分に早く進行するものと仮定しているが、そうでない場合には、サブポート弁の開閉直後に所定の余裕時間を設け、この余裕時間はサブポート弁の開閉制御の対象外としてもよい。
【００５５】
実施の形態１では、上限圧力ＰＨおよび下限圧力ＰＬはそれぞれ単一の閾値のみが用いられる。変形例として、いずれかまたは双方において複数の閾値を用いてもよい。たとえば、第１上限圧力ＰＨ１および第２上限圧力ＰＨ２（ただしＰＨ１＜ＰＨ２）を定義しておき、吸入冷媒の圧力がＰＨ１を超えＰＨ２以下である場合には次のサブポート弁のみを開き、吸入冷媒の圧力がＰＨ２を超えた場合には次およびその次のサブポート弁を２つ同時に開く制御としてもよい。同様に、第１下限圧力ＰＬ１および第２下限圧力ＰＬ２（ただしＰＬ１＞ＰＬ２）を定義しておき、吸入冷媒の圧力がＰＬ１未満ＰＬ２以上である場合には直前のサブポート弁のみを閉じ、吸入冷媒の圧力がＰＬ２未満となった場合には直前およびその前のサブポート弁を２つ同時に閉じる制御としてもよい。このようにすると、急激な圧力変動に対して短時間で応答可能な制御を実現することができる。
【００５６】
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。
【００５７】
実施の形態２．
実施の形態２は、吸入冷媒の圧力のみならず温度にも基づく制御を行うものである。
図６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の構成を示す。膨張機１００ａは、膨張機１００ａに吸入される冷媒（膨張機吸入冷媒）の温度を検出する温度検出手段として、温度センサＳ２を備える。また、ランキンサイクルＲ２には、ポンプ１と並列に、ポンプ１を経由しないバイパスＢが設けられる。バイパスＢには、冷媒の流量を調節する流量可変バルブＶが設けられる。
【００５８】
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て出力する。また、ＥＣＵ８ａは、圧力センサＳ１および温度センサＳ２からの電気信号を受信し、これに基づいて膨張機１００ａおよび流量可変バルブＶの動作を制御する。このように、本実施形態においては、ＥＣＵ８ａおよび流量可変バルブＶが流量調節手段を構成する。
【００５９】
図７は、ＥＣＵ８ａの制御アルゴリズムの例を示す。ＥＣＵ８ａは、吸入冷媒の状態を、圧力と、温度と、目標温度とに基づいて決定される複数の制御領域に分割し、各制御領域においてそれぞれ特定の制御を実行する。
ＥＣＵ８ａは、所定の目標温度線に基づいて制御領域を決定する。この目標温度線は、吸入冷媒の圧力に応じて最適な温度を決定するものであり、たとえば冷媒の等エントロピ線とすることができる。目標温度線において、所定の上限圧力ＰＨに対応する温度が上限温度ＴＨであり、所定の下限圧力ＰＬに対応する温度が下限温度ＴＬである。上限圧力ＰＨはたとえば３．３ＭＰａＧであり、下限圧力ＰＬはたとえば２．７ＭＰａＧであり、上限温度ＴＨはたとえば１２５℃であり、下限温度ＴＬはたとえば１１０℃である。
【００６０】
図７における右上領域、すなわち吸入冷媒の圧力が上限圧力ＰＨを超えており、かつ、吸入冷媒の温度が上限温度ＴＨを超えている領域が、サブポート開弁領域Ａ１である。吸入冷媒の状態がこのサブポート開弁領域Ａ１にある場合、ＥＣＵ８ａは次のサブポート弁を開く。
【００６１】
すなわち、サブポート弁がいずれも閉じている状態において、圧力が上限圧力ＰＨを超え、かつ、温度が上限温度ＴＨを超えている場合には、第１のサブポート弁を開く。また、第ｋのサブポート弁が開いており、かつ第ｋ＋１〜第ｎのサブポート弁がいずれも閉じている状態において、圧力が上限圧力ＰＨを超え、かつ、温度が上限温度ＴＨを超えている場合には、第ｋ＋１のサブポート弁を開く。この結果として、吸入冷媒の圧力が低下するとともに温度も低下し、吸入冷媒の状態は図７の左下方向に移動する。
【００６２】
図７における左下領域、すなわち吸入冷媒の圧力が所定の下限圧力ＰＬ未満であり、かつ、吸入冷媒の温度が所定の下限温度ＴＬ未満である領域が、サブポート閉弁領域Ａ２である。吸入冷媒の状態がこのサブポート閉弁領域Ａ２にある場合、ＥＣＵ８ａは直前のサブポート弁を閉じる。
【００６３】
すなわち、サブポート弁がいずれも開いている状態において、圧力が下限圧力ＰＬ未満であり、かつ、温度が下限温度ＴＬ未満である場合には、第ｎのサブポート弁を閉じる。また、第ｍのサブポート弁が開いており、かつ第ｍ＋１〜第ｎのサブポート弁がいずれも閉じている状態において、圧力が下限圧力ＰＬ未満であり、かつ、温度が下限温度ＴＬ未満である場合には、第ｍのサブポート弁を閉じる。この結果として、吸入冷媒の圧力が上昇するとともに温度も上昇し、吸入冷媒の状態は図７の右上方向に移動する。
【００６４】
サブポート開弁領域Ａ１およびサブポート閉弁領域Ａ２以外の部分において、ＥＣＵ８ａは、吸入冷媒の温度と、圧力に対応する目標温度に調整するように、ランキンサイクルＲ２における冷媒の流量を調節する。
サブポート開弁領域Ａ１およびサブポート閉弁領域Ａ２以外の部分において、温度が目標温度線よりも高い側の領域が、流量増加領域Ａ３である。吸入冷媒の状態がこの流量増加領域Ａ３にある場合、ＥＣＵ８ａは流量可変バルブＶを制御して冷媒の流量を増加させる。この結果として、吸入冷媒の温度が低下し、吸入冷媒の状態は図７の左方向に移動して目標温度線に近づく。
【００６５】
サブポート開弁領域Ａ１およびサブポート閉弁領域Ａ２以外の部分において、温度が目標温度線よりも低い側の領域が、流量減少領域Ａ４である。吸入冷媒の状態がこの流量減少領域Ａ４にある場合、ＥＣＵ８ａは流量可変バルブＶを制御して冷媒の流量を減少させる。この結果として、吸入冷媒の温度が上昇し、吸入冷媒の状態は図７の右方向に移動して目標温度線に近づく。
【００６６】
以上のように、実施の形態２に係るランキンサイクルＲ２によれば、吸入冷媒の温度と、吸入冷媒の圧力に対応する目標温度に調整されるように、ランキンサイクルＲ２における冷媒の流量が調節される。さらに、実施の形態１と同様に、吸入冷媒の圧力に応じたサブポート弁の開閉制御を行う。この結果、吸入冷媒の状態は、目標温度線上の目標領域Ａ５に向かうよう制御されることになるので、吸入冷媒の圧力および温度を適切な範囲内に維持することができる。
【００６７】
実施の形態２では、サブポート開弁領域Ａ１およびサブポート閉弁領域Ａ２においては流量の増減制御を行わないが、変形例として、サブポート開弁領域Ａ１およびサブポート閉弁領域Ａ２においても流量の増減制御を行い、温度を目標温度線に近づける制御としてもよい。
また、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。
【００６８】
実施の形態３．
実施の形態３は、実施の形態２において、流量制御手段の構成を変更するものである。
図８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の構成を示す。ランキンサイクルＲ３は流量可変ポンプ１ａを備える。流量可変ポンプ１ａは、回転数可変モータ４ａによって駆動され、液体の冷媒をボイラー２に圧送する。温度センサＳ２は、吸入冷媒の温度を電気信号に変換し、ＥＣＵ８ｂおよび８ｃに出力する。ＥＣＵ８ｂは、温度センサＳ２からの電気信号を受信し、これに基づいて回転数可変モータ４ａの回転数を制御し、結果としてランキンサイクルＲ３における冷媒の流量を調節する。このように、本実施形態においては、ＥＣＵ８ｂおよび回転数可変モータ４ａが流量調節手段を構成する。
【００６９】
ＥＣＵ８ｂは、実施の形態２と同様の流量制御を行う。すなわち、吸入冷媒の状態が図７の流量増加領域Ａ３にある場合には回転数可変モータ４ａを制御して冷媒の流量を増加させ、吸入冷媒の状態が流量減少領域Ａ４にある場合には回転数可変モータ４ａを制御して冷媒の流量を減少させる。この結果として、吸入冷媒の状態は目標温度線に近づく。
【００７０】
また、ＥＣＵ８ｃは、実施の形態２と同様のサブポート弁開閉制御を行う。すなわち、圧力センサＳ１および温度センサＳ２からの電気信号を受信し、吸入冷媒の状態が図７のサブポート開弁領域Ａ１にある場合には次のサブポート弁を開き、サブポート閉弁領域Ａ２にある場合には直前のサブポート弁を閉じる。
【００７１】
以上のように、実施の形態３に係るランキンサイクルＲ３によれば、吸入冷媒の温度と、吸入冷媒の圧力に対応する目標温度に調整されるように、ランキンサイクルＲ３における冷媒の流量が調節される。さらに、実施の形態１と同様に、吸入冷媒の圧力に応じたサブポート弁の開閉制御を行う。この結果、吸入冷媒の状態は、図７の目標温度線上の目標領域Ａ５に向かうよう制御されることになるので、吸入冷媒の圧力および温度を適切な範囲内に維持することができる。
【００７２】
図８ではＥＣＵ８ｂおよび８ｃはそれぞれ独立したＥＣＵであるが、これらは単一のＥＣＵによって構成されてもよい。
また、実施の形態３においても、実施の形態１および２と同様の変形を施すことができる。
【符号の説明】
【００７３】
１  ポンプ、１ａ  流量可変ポンプ（流量調節手段）、２  ボイラー、３  コンデンサ、４  モータ、４ａ  回転数可変モータ（流量調節手段）、８、８ａ、８ｃ  ＥＣＵ、８ｂ  ＥＣＵ（流量調節手段）、３０  メイン吸入ポート、３１ａ、３１ｂ  サブ吸入ポート、４０、４０ａ、４０ｂ  膨張室、１００、１００ａ、１００ｂ  膨張機、Ｖ  流量可変バルブ（流量調節手段）、Ｒ１〜Ｒ３  ランキンサイクル、Ｓ１  圧力センサ（圧力検出手段）、Ｓ２  温度センサ（温度検出手段）、ＰＨ  上限圧力、ＰＬ  下限圧力、ＴＨ  上限温度、ＴＬ  下限温度、Ａ１  サブポート開弁領域、Ａ２  サブポート閉弁領域、Ａ３  流量増加領域、Ａ４  流量減少領域、Ａ５  目標領域。
【図１】
2013113193.tif 000003
【図２】
2013113193.tif 000004
【図３】
2013113193.tif 000005
【図４】
2013113193.tif 000006
【図５】
2013113193.tif 000007
【図６】
2013113193.tif 000008
【図７】
2013113193.tif 000009
【図８】
2013113193.tif 000010