特許 7103714 スクロール膨張機

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-07-11

(45)【発行日】2022-07-20

(54)【発明の名称】スクロール膨張機

(51)【国際特許分類】

   F03C 2/02 20060101AFI20220712BHJP

   F01C 21/18 20060101ALI20220712BHJP

【ＦＩ】

F03C2/02 Z

F01C21/18

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2018142104

(22)【出願日】2018-07-30

(65)【公開番号】P2020020263

(43)【公開日】2020-02-06

【審査請求日】2021-06-14

(73)【特許権者】

【識別番号】515098886

【氏名又は名称】サンデン・オートモーティブコンポーネント株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100129425

【弁理士】

【氏名又は名称】小川 護晃

(74)【代理人】

【識別番号】100087505

【氏名又は名称】西山 春之

(74)【代理人】

【識別番号】100099623

【弁理士】

【氏名又は名称】奥山 尚一

(74)【代理人】

【識別番号】100168642

【弁理士】

【氏名又は名称】関谷 充司

(72)【発明者】

【氏名】中村 慎二

【審査官】落合 弘之

(56)【参考文献】

【文献】特開２００９－１０３０３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－２４２１３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－３８４８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－１２５９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－１３３７８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－２７８２４２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０３Ｃ ２／０２

Ｆ０１Ｃ １／０２，２０／１０－２０／２６，２１／１８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１基板部及び前記第１基板部に立設された渦巻状の第１スクロール壁を有する固定スクロールと、
第２基板部及び前記第２基板部に立設された渦巻状の第２スクロール壁を有し、前記第２スクロール壁が前記固定スクロールの前記第１スクロール壁に噛み合うように配設される共に前記固定スクロールに対して旋回可能に保持された可動スクロールと、
前記第１スクロール壁と前記第２スクロール壁とによってスクロール中心部近傍に形成され、前記可動スクロールの旋回によって容積が変化する吸入室と、
作動流体を前記吸入室に導く流体通路と、
を含み、
前記吸入室が前記可動スクロールの旋回によって二つの膨張室に区画され、前記作動流体が前記二つの膨張室で膨張することによって前記可動スクロールがさらに旋回するように構成されたスクロール膨張機であって、
前記作動流体を前記吸入室に導入するために前記流体通路を開放すると共に前記吸入室が前記二つの膨張室に区画される前に前記流体通路を閉鎖する弁装置をさらに含む、
スクロール膨張機。

【請求項2】

前記弁装置は、前記可動スクロールの旋回に連動して前記流体通路を開閉するように構成されている、請求項１に記載のスクロール膨張機。

【請求項3】

前記流体通路は、前記固定スクロールの前記第１基板部に形成されて外部から前記作動流体が流入する入口孔と、前記固定スクロールの前記第１スクロール壁の中心側始端部の側面に形成されて前記入口孔から流入した前記作動流体が前記吸入室に流出する出口孔とを含み、
前記弁装置は、前記可動スクロールの旋回に連動して前記流体通路の前記出口孔を開閉するように構成されている、
請求項２に記載のスクロール膨張機。

【請求項4】

前記固定スクロールの前記第１スクロール壁の前記中心側始端部の上面には凹部が形成されていると共に、前記凹部の内面には前記入口孔の一端及び前記出口孔の一端がそれぞれ開口しており、
前記弁装置は、前記凹部に回転自在に収容された回転体を含み、前記回転体が前記可動スクロールの旋回に連動して回転することによって前記出口孔を開閉するロータリーバルブとして構成されている、
請求項３に記載のスクロール膨張機。

【請求項5】

前記回転体は、前記可動スクロールの旋回中心線上に配置され、前記可動スクロールと前記回転体とを連結するピン部材を介して回転駆動される、請求項４に記載のスクロール膨張機。

【請求項6】

少なくとも前記弁装置が前記流体通路の前記出口孔を閉鎖しているときに前記入口孔と前記出口孔とを連通させる連通路をさらに含む、請求項３～５のいずれか一つに記載のスクロール膨張機。

【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、特にランキンサイクルに組み込まれて好適なスクロール膨張機に関する。

【背景技術】

【0002】

従来のスクロール膨張機は、通常、次のような動作を繰り返すように構成されている。まず、固定スクロールのスクロール壁と可動スクロールのスクロール壁とがスクロール中心部近傍で当接する。次いで、前記可動スクロールが旋回して前記可動スクロールの前記スクロール壁が移動することで前記スクロール中心部近傍に吸入室が形成され、過熱蒸気冷媒などの高圧の作動流体が前記固定スクロールに設けられた導入部を介して前記吸入室に導入される。前記作動流体の前記吸入室への導入は、前記可動スクロールの旋回による前記吸入室の拡張に伴って継続される。次いで、前記可動スクロールが１回転（１周旋回）して前記固定スクロールの前記スクロール壁と前記可動スクロールの前記スクロール壁とが前記スクロール中心部近傍で再び当接すると、前記吸入室が二つの膨張室（密閉空間）に区画（分割）される。これにより、前記作動流体の導入が停止されると共に前記吸入室に導入された前記作動流体が前記二つの膨張室に取り込まれる。次いで、取り込まれた前記作動流体が前記二つの膨張室内で膨張し、これによって、前記可動スクロールが旋回すると共に、前記二つの膨張室が拡張しながらスクロール外周部に向かって移動する。そして、前記二つの膨張室がスクロール外周部近傍まで移動して吐出ポートに連通すると、前記作動流体の膨張が完了すると共に、前記二つの膨張室内で膨張して低圧となった前記作動流体が前記吐出ポートから吐出される。

【0003】

従来のスクロール膨張機においては、上述のように、前記吸入室が前記二つの膨張室に区画されるまで前記作動流体の導入が継続される。そして、基本的には、前記吐出ポートに連通する（スクロール外周部側の）前記二つの膨張室の容積（以下「吐出容積」という）と前記作動流体を取り込む（スクロール中心部側の）前記二つの膨張室の容積（以下「取り込み容積」という）との比、すなわち、前記吐出ポートに連通する前記二つの膨張室の底面積（以下「吐出容積の底面積」という）と前記作動流体を取り込む前記二つの膨張室の底面積（以下「取り込み容積の底面積」という）との比が、スクロール膨張機の容積比となる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２００６－２４２１３３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

従来のスクロール膨張機において、前記スクロール壁は、通常、円のインボリュート曲線に沿って形成されており、用途に応じて、前記スクロール壁の基礎円の半径、厚さ及び伸開角などのパラメータが決定される。そして、決定されたパラメータから前記取り込み容積の底面積がほぼ定まる。このため、同種の用途に使用されるスクロール膨張機において、前記取り込み容積の底面積を大幅に変更することは難しい。また、前記吐出容積の底面積、換言すれば、前記スクロール壁の巻数（スクロール外径）は前記取り込み容積の底面積とスクロール膨張機に要求される容積比とによって決定され、これによって、スクロール膨張機のサイズ（径方向のサイズ）もほぼ定まる。

【0006】

したがって、従来は、同種の用途に使用されるスクロール膨張機において、容積比を維持しながらサイズを小型化したり、サイズの大型化を招くことなく容積比を高くしたりすることが難しいという課題があった。近年、スクロール膨張機の小型化や高出力化のニーズがますます増えており、このようなニーズに対応できるようにすることが望まれる。

【0007】

そこで、本発明は、サイズの大型化を招くことなく容積比を高くすること、又は、容積比を維持しながらサイズの小型化を図ることの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】

【0008】

本発明の一側面によると、スクロール膨張機は、第１基板部及び前記第１基板部に立設された渦巻状の第１スクロール壁を有する固定スクロールと、第２基板部及び前記第２基板部に立設された渦巻状の第２スクロール壁を有し、前記第２スクロール壁が前記固定スクロールの前記第１スクロール壁に噛み合うように配設される共に前記固定スクロールに対して旋回可能に保持された可動スクロールと、前記第１スクロール壁と前記第２スクロール壁とによってスクロール中心部近傍に形成され、前記可動スクロールの旋回によって容積が変化する吸入室と、作動流体を前記吸入室に導く流体通路と、を含み、前記吸入室が前記可動スクロールの旋回によって二つの膨張室に区画され、前記作動流体が前記二つの膨張室で膨張することによって前記可動スクロールがさらに旋回するように構成されている。前記スクロール膨張機は、前記作動流体を前記吸入室に導入するために前記流体通路を開放すると共に前記吸入室が前記二つの膨張室に区画される前に前記流体通路を閉鎖する弁装置をさらに含む。

【発明の効果】

【0009】

前記スクロール膨張機によれば、前記吸入室が前記二つの膨張室に区画される前に前記弁装置によって前記流体通路が閉鎖されて前記作動流体の導入が停止される。このため、前記吸入室が前記二つの膨張室に区画されるまで前記作動流体の導入が継続される構成の従来のスクロール膨張機に比べて、前記作動流体の前記取り込み容積の底面積を小さくすることができる。その結果、スクロール膨張機のサイズを大型化することなくスクロール膨張機の容積比を高くしたり、スクロール膨張機の容積比を維持しながらスクロール膨張機のサイズを小型化したりすることが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の一実施形態に係るスクロール膨張機が適用された廃熱回収装置の概略構成を示す図である。

【図2】前記スクロール膨張機の概略断面図である。

【図3】図２の要部拡大図である。

【図4】図２のＡ－Ａ断面図である。

【図5】弁装置を構成する回転体の斜視図である。

【図6】前記スクロール膨張機の動作の一例を説明するための図である。

【図7】前記回転体の変形例を示す図である。

【図8】前記回転体の他の変形例を示す図である。

【図9】前記回転体のさらに他の変形例を示す図である。

【図10】前記スクロール膨張機の変形例の要部拡大断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

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、本発明の一実施形態に係るスクロール膨張機が適用された廃熱回収装置１の概略構成を示している。廃熱回収装置１は、車両に搭載され、当該車両のエンジン２０の廃熱を回収して利用するように構成されている。

【0012】

図１に示されるように、廃熱回収装置１は、ランキンサイクル２と、伝達機構３と、制御ユニット４と、を含む。また、エンジン２０は、水冷式エンジンであり、冷却水循環路２１を循環するエンジン冷却水によって冷却される。冷却水循環路２１には、ランキンサイクル２の構成要素である加熱器６（後述する）が配置されており、エンジン２０から熱を吸収した（高温の）エンジン冷却水が加熱器６内を通過する。

【0013】

ランキンサイクル２は、前記エンジン冷却水からエンジン２０の廃熱を回収して動力（駆動力）に変換して出力する装置である。ランキンサイクル２は、作動流体としての冷媒が循環する冷媒循環路５を有する。冷媒循環路５には、加熱器６、スクロール膨張機７、凝縮器８及びポンプ９が、前記冷媒の循環方向に沿って、この順に配設されている。特に制限されないが、前記作動流体（冷媒）としては、例えば、エタノール、ＨＦＣ－１３４ａ、ＨＦＣ－２４５ｆａ又はＨＦＯ－１２３３ｚｄが用いられ得る。

【0014】

加熱器６は、エンジン２０から熱を吸収した（高温の）前記エンジン冷却水とランキンサイクル２の前記冷媒との間で熱交換を行わせる熱交換器である。前記冷媒は、加熱器６を通過する際に前記エンジン冷却水により加熱されて高圧の過熱蒸気冷媒（高圧の作動流体）となる。

【0015】

スクロール膨張機７は、加熱器６からの前記過熱蒸気冷媒を膨張させて動力（駆動力）を発生する。後述するように、スクロール膨張機７は、固定スクロールと可動スクロールを含み、前記固定スクロールと前記可動スクロールとの間に形成される膨張室で前記過熱蒸気冷媒を膨張させることによって前記可動スクロールが駆動されるように構成されている。駆動された前記可動スクロールは旋回運動を行い、前記可動スクロールの旋回運動が出力軸の回転運動に変換されて駆動力として出力される。そして、前記膨張室で膨張して低圧となった前記冷媒（低圧の作動流体）がスクロール膨張機７から吐出される。

【0016】

凝縮器８は、スクロール膨張機７から吐出された前記冷媒、すなわち、低圧の前記冷媒と外気との間で熱交換を行わせる熱交換器である。低圧の前記冷媒は、凝縮器８を通過する際に外気により冷却されて凝縮（液化）する。なお、図示は省略するが、凝縮器８の近傍に凝縮器８に向かって外気を送風するファンが設けられてもよい。

【0017】

ポンプ９は、機械式のポンプであり、駆動軸を介して駆動されることによって凝縮器８を通過して凝縮（液化）した前記冷媒を加熱器６へと圧送する。そして、ポンプ９が動作することで、前記冷媒がランキンサイクル２の各要素、すなわち、加熱器６、スクロール膨張機７、凝縮器８及びポンプ９を循環することになる。

【0018】

ここで、本実施形態において、スクロール膨張機７とポンプ（機械式ポンプ）９とは回転軸１０ａによって一体的に連結されてポンプ一体型膨張機１０として構成されている。すなわち、ポンプ一体型膨張機１０の回転軸１０ａは、スクロール膨張機７の前記出力軸としての機能及びポンプ９の前記駆動軸としての機能を有している。

【0019】

また、本実施形態において、冷媒循環路５は、スクロール膨張機７を迂回して前記冷媒を循環させるためのバイパス路５１と、バイパス路５１を開閉するバイパス弁５２とを有している。バイパス弁５２の作動、すなわち、バイパス路５１の開閉は、制御ユニット４によって制御される。

【0020】

伝達機構３は、エンジン２０とランキンサイクル２との間で動力を伝達する。具体的には、伝達機構３は、エンジン２０の出力トルクをポンプ一体型膨張機１０（のポンプ９）に伝達すると共に、ランキンサイクル２の出力であるポンプ一体型膨張機１０のトルク（軸トルク）をエンジン２０に伝達する。

【0021】

伝達機構３は、ポンプ一体型膨張機１０の回転軸１０ａの端部に電磁クラッチ３１を介して取り付けられたプーリ３２と、エンジン２０のクランクシャフト２２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部材３４と、を有する。そして、電磁クラッチ３１がＯＮ（締結）されると、エンジン２０とランキンサイクル２（ポンプ一体型膨張機１０）との間で動力の伝達が行われ、電磁クラッチ３１がＯＦＦ（解放）されると、エンジン２０とランキンサイクル２（ポンプ一体型膨張機１０）との間の動力の伝達が遮断される。電磁クラッチ３１のＯＮ（締結）／ＯＦＦ（解放）は、制御ユニット４によって制御される。

【0022】

制御ユニット４は、例えば次のように電磁クラッチ３１及びバイパス弁５２を制御してランキンサイクル２の作動を制御する。ランキンサイクル２を起動させる場合、制御ユニット４は、バイパス弁５２を開き、電磁クラッチ３１をＯＮ（締結）してエンジン２０によってポンプ９を駆動する。これにより、ランキンサイクル２において、前記冷媒がスクロール膨張機７を迂回して循環する。そして、制御ユニット４は、例えばスクロール膨張機７前後の圧力差が所定値以上となると、バイパス弁５２を閉じる。これにより、ランキンサイクル２において、前記冷媒がスクロール膨張機７を経由して循環し、スクロール膨張機７は、加熱器６からの前記過熱蒸気冷媒を膨張させることによって駆動力を発生し始める。その後、スクロール膨張機７が十分な駆動力を発生するようになると、スクロール膨張機７で発生した駆動力の一部がポンプ９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２０に伝達されてエンジン２０の出力（駆動力）をアシストする。また、制御ユニット４は、ランキンサイクル２を停止させる場合、電磁クラッチ３１をＯＦＦ（解放）し、ポンプ９を停止（すなわち、前記冷媒の循環を停止）させる。なお、図示は省略するが、スクロール膨張機７で発生した駆動力によって発電機を駆動し、発電機で発電した電力をバッテリ等に蓄電するようにしてもよい。この場合、前記バッテリ等からの電力によって動作する電動ポンプがポンプ９として用いられ得る。

【0023】

次に、本実施形態におけるスクロール膨張機７、すなわち、ポンプ一体型膨張機１０の膨張機部分について説明する。なお、ポンプ９（ポンプ一体型膨張機１０のポンプ部分）についての説明は省略するが、ポンプ９としては、回転軸１０ａによってスクロール膨張機７と連結可能な構成を有する公知の機械式ポンプ（ギヤポンプやベーンポンプなど）が採用され得る。

【0024】

図２は、スクロール膨張機７の概略断面図であり、図３は、図２の要部拡大図であり、図４は、図２のＡ－Ａ断面図である。図２～図４に示されるように、本実施形態に係るスクロール膨張機７は、固定スクロール７１と、可動スクロール７２と、を含む。

【0025】

固定スクロール７１は、円盤状の基板部（以下「第１基板部」という）７１１と、第１基板部７１１の一方の面７１１ａ上に立設された渦巻状のスクロール壁（以下「第１スクロール壁」という）７１２と、を有する。固定スクロール７１は、例えばスクロール膨張機７のハウジング部材（図示省略）に形成され又は固定される。

【0026】

可動スクロール７２は、固定スクロール７１と同様、円盤状の基板部（以下「第２基板部」という）７２１と、第２基板部７２１の一方の面７２１ａ上に立設された渦巻状のスクロール壁（以下「第２スクロール壁」という）７２２と、を有する。

【0027】

固定スクロール７１及び可動スクロール７２は、アルミニウムやアルミニウム合金などのアルミニウム系材料、又は、鋳鉄や鋼等などの鉄系材料から形成される。また、固定スクロール７１の第１スクロール壁７１２及び可動スクロール７２の第２スクロール壁７２２は、円のインボリュート曲線に沿って形成される。そして、可動スクロール７２は、第２スクロール壁７２２が固定スクロール７１の第１スクロール壁７１２に噛み合うように配置され、かつ、固定スクロール７１に対して旋回可能に保持されている。具体的には、可動スクロール７２は、固定スクロール７１と一定の偏心距離を保ちながら旋回運動を行うことが可能である。

【0028】

本実施形態において、固定スクロール７１の第１スクロール壁７１２の中心側始端部（以下「第１中心側始端部」という）７１２ａ及び可動スクロール７２の第２スクロール壁７２２の中心側始端部（以下「第２中心側始端部」という）７２２ａは、弓形（半円状）の横断面を有して形成され、互いの平坦な側面同士が略対面している（図４を参照）。

【0029】

本実施形態において、可動スクロール７２の第２基板部７２１の他方の面７２１ｂとスクロール膨張機７の固定部分（図示省略）との間には、可動スクロール７２の自転を阻止するための自転阻止機構４１（例えば、ボールカップリング）が配置されている。また、可動スクロール７２は、偏心軸受４２及び従動クランク機構４３などを介してポンプ一体型膨張機１０の回転軸１０ａに連結されており、これによって、可動スクロール７２の旋回運動が回転軸１０ａの回転運動に変換される。

【0030】

固定スクロール７１において、第１スクロール壁７１２の第１中心側始端部７１２ａの上面には、第１スクロール壁７１２の高さとほぼ同じ深さを有した円柱状の凹部（穴部）７１２ｂが形成されている。凹部７１２ｂの中心線は、可動スクロール７２の旋回中心線Ｏに一致している。

【0031】

凹部７１２ｂの内部空間は、第１基板部７１１に形成された第１孔部７１１ｃを介して、スクロール膨張機７の外部、具体的には、冷媒循環路５におけるスクロール膨張機７の入口側の通路部分（加熱器６とスクロール膨張機７との間の通路部分）に連通している。本実施形態において、第１孔部７１１ｃは、第１基板部７１１を厚さ方向に貫通するように形成されている。そして、第１孔部７１１ｃの一端は、凹部７１２ｂの内面、具体的には、凹部７１２ｂの内底面に開口し、第１孔部７１１ｃの他端は、第１基板部７１１の他方の面７１１ｂに開口している。但し、これに限られるものではなく、第１孔部７１１ｃは、一端が凹部７１２ｂの前記内底面に開口し、他端が第１基板部７１１の周側面に開口するように形成されてもよい。

【0032】

また、凹部７１２ｂの前記内部空間は、第１スクロール壁７１２の第１中心側始端部７１２ａの前記平坦な側面に形成された第２孔部７１２ｃを介して、固定スクロール７１の第１スクロール壁７１２と可動スクロール７２の第２スクロール壁７２２によってスクロール中心部近傍に形成される吸入室８０に連通している。すなわち、第２孔部７１２ｃの一端は、凹部７１２ｂの前記内面、具体的には、凹部７１２ｂの内側面に開口し、第２孔部７１２ｃの他端は、吸入室８０内に開口している。なお、本実施形態においては、二つの第２孔部７１２ｃが第１スクロール壁７１２の高さ方向に並んで形成されている。しかし、これに限られるものではなく、第２孔部７１２ｃは一つであってもよい。

【0033】

第１中心側始端部７１２ａの前記上面に形成された凹部７１２ｂには、回転体７４１が回転自在に収容されている。すなわち、回転体７４１は、可動スクロール７２の旋回中心線Ｏ上に配置されている。図５は、回転体７４１の斜視図である。図４、図５に示されるように、回転体７４１は、有底円筒状に形成されており、その開口端が凹部７１２ｂの前記内底面側に位置するように、凹部７１２ｂに収容されている。したがって、回転体７４１の底壁の外側面（底面）は、可動スクロール７２の第２基板部７２１の一方の面７２１ａに対面している。

【0034】

回転体７４１の周壁には、第２孔部７１２ｃの開口面積より大きな開口面積を有する開口部７４１ａが形成されている。本実施形態においては、二つの第２孔部７１２ｃに対応する一つの開口部７４１ａが回転体７４１の前記周壁に形成されている。しかし、これに限られるものではなく、第２孔部７１２ｃと同様、二つの開口部７４１ａが回転体７４１の前記周壁に形成されてよい。

【0035】

また、回転体７４１の前記底面における回転体７４１の中心線（＝凹部７１２ｂの中心線＝可動スクロール７２の旋回中心線Ｏ）から可動スクロール７２の旋回半径Ｒだけシフトされた位置にはピン穴７４１ｂが形成されている。ピン穴７４１ｂには、可動スクロール７２の第２基板部７２１の一方の面７２１ａに基端部が固定された駆動ピン７４２の先端部が装着（挿入）される。

【0036】

回転体７４１は、可動スクロール７２が旋回することによって、駆動ピン７４２を介して凹部７１２ｂ内で回転駆動される。すなわち、回転体７４１は、可動スクロール７２の旋回に連動して動作するように構成されている。そして、回転体７４１は、開口部７４１ａが第２孔部７１２ｃに重ならない位置にあるときに第２孔部７１２ｃを閉鎖し、開口部７４１ａが第２孔部７１２ｃに重なる位置まで回転したときに第２孔部７１２ｃを開放するように構成されている。

【0037】

回転体７４１によって第２孔部７１２ｃが開放されると、第１孔部７１１ｃと第２孔部７１２ｃとが回転体７４１の内部空間７４１ｃを介して連通する。この場合、加熱器６からの前記過熱蒸気冷媒が第１孔部７１１ｃからスクロール膨張機７内に流入し、回転体７４１の内部空間７４１ｃ及び第２孔部７１２ｃを通過して吸入室８０に流出する。すなわち、前記過熱蒸気冷媒が吸入室８０に導入される。一方、回転体７４１によって第２孔部７１２ｃが閉鎖されると、第１孔部７１１ｃと第２孔部７１２ｃとの連通が遮断されるため、前記過熱蒸気冷媒が吸入室８０に導入されない。すなわち、前記過熱蒸気冷媒の吸入室８０への導入が停止される。

【0038】

したがって、本実施形態においては、主に第１孔部７１１ｃ、回転体７４１の内部空間７４１ｃ、回転体７４１の開口部７４１ａ及び第２孔部７１２ｃによって、前記過熱蒸気冷媒を吸入室８０に導く流体通路７３が形成されている。また、第１孔部７１１ｃは、外部から前記過熱蒸気冷媒が流入する入口孔を構成し、第２孔部７１２ｃは、前記過熱蒸気冷媒が吸入室８０に流出する出口孔を構成し、回転体７４１の内部空間７４１ｃ及び開口部７４１ａは、前記入口孔と前記出口孔とを接続する接続部を構成する。さらに、本実施形態においては、主に回転体７４１及び駆動ピン７４２によって、可動スクロール７２の旋回に連動して流体通路７３（の前記出口孔）を開閉する弁装置（ロータリーバルブ）７４が構成されている。

【0039】

また、本実施形態においては、弁装置７４（の回転体７４１）によって流体通路７３（の前記出口孔）が閉鎖された状態で停止しているスクロール膨張機７（の可動スクロール７２）を始動させるため、第１孔部７１１ｃ（前記入口孔）と第２孔部７１２ｃ（前記出口孔）とを常時連通させる連通路（絞り通路）７５が設けられている。連通路７５は、凹部７１２ｂの前記内底面に形成された第１溝部７５１と、凹部７１２ｂの前記内側面に形成されて前記第１溝部７５１に接続する第２溝部７５２とによって形成されている。

【0040】

次に、図６（Ａ）～（Ｆ）を参照してスクロール膨張機７の動作の一例を説明する。

【0041】

まず、図６（Ａ）に示されるように、固定スクロール７１の第１スクロール壁７１２の第１中心側始端部７１２ａと可動スクロール７２の第２スクロール壁７２２の第２中心側始端部７２２ａとがスクロール中心部近傍で当接する。具体的には、第１中心側始端部７１２ａの平坦な側面と第２中心側始端部７２２ａの平坦な側面とが前記スクロール中心部近傍で当接する。このとき、回転体７４１の開口部７４１ａは、第２孔部７１２ｃに重ならない位置にある。したがって、弁装置７４は、第２孔部７１２ｃ、すなわち、流体通路７３（の前記出口孔）を閉鎖している。なお、第２孔部７１２ｃは、第２中心側始端部７２２ａの前記平坦な側面によっても閉鎖される。

【0042】

上述のように、第１孔部７１１ｃ（前記入口孔）と第２孔部７１２ｃ（前記出口孔）とは連通路７５を介して常時連通している。このため、加熱器６からスクロール膨張機７に前記過熱蒸気冷媒が供給されると、可動スクロール７２の第２スクロール壁７２２の第２中心側始端部７２２ａが前記過熱蒸気冷媒の圧力を受ける。これにより、図６（Ｂ）に示されるように、可動スクロール７２が旋回して第２スクロール壁７２２（の第２中心側始端部７２２ａ）が移動し、第１スクロール壁７１２と第２スクロール壁７２２とによって前記スクロール中心部近傍に吸入室８０が形成される。また、可動スクロール７２の旋回に伴って回転体７４１の開口部７４１ａが第２孔部７１２ｃに重なる位置まで移動する。したがって、弁装置７４は、第２孔部７１２ｃ、すなわち、流体通路７３（の前記出口孔）を開放する。これにより、前記過熱蒸気冷媒が流体通路７３を介して吸入室８０に導入される。すなわち、前記過熱蒸気冷媒の吸入室８０への導入が開始される。

【0043】

前記過熱蒸気冷媒が吸入室８０に導入されると、可動スクロール７２が旋回し、第２スクロール壁７２２が移動して吸入室８０が拡張される（吸入室８０の容積が増加する）。また、弁装置７４は、第２孔部７１２ｃ、すなわち、流体通路７３（の前記出口孔）の開放状態を維持する。このため、吸入室８０の拡張及び前記過熱蒸気冷媒の吸入室８０への導入が継続される（図６（Ｃ）、図６（Ｄ））。

【0044】

その後、可動スクロール７２が図６（Ａ）に示される状態から所定角度まで旋回したときに、回転体７４１の開口部７４１ａが第２孔部７１２ｃに重ならない位置まで移動し、弁装置７４は、第２孔部７１２ｃ、すなわち、流体通路７３（の前記出口孔）を閉鎖する（図６（Ｅ））。これにより、前記過熱蒸気冷媒の吸入室８０への導入が停止されると共に吸入室８０が密閉されて膨張室８０′となる。そして、このときの吸入室８０（膨張室８０′）の容積がスクロール膨張機７の前記取り込み容積となり、このときの吸入室８０（膨張室８０′）の底面積が前記取り込み容積の底面積となる。

【0045】

なお、前記過熱蒸気冷媒の吸入室８０への導入が停止された後においても、すでに吸入室８０（膨張室８０′）に導入されている（取り込まれている）前記過熱蒸気冷媒が膨張することによって可動スクロール７２の旋回は継続される（図６（Ｆ））。

【0046】

そして、可動スクロール７２が１回転（１旋回）して図６（Ａ）に示される状態に戻ると、前記スクロール中心部近傍に形成された吸入室８０が二つの密閉空間である第１膨張室８１及び第２膨張室８２に区画（分割）される。詳細には、吸入室８０は、まず弁装置７４が流体通路７３を閉鎖することによって一つの密閉空間である膨張室８０′になり、その後の前記過熱蒸気冷媒の膨張による可動スクロール７２の旋回によって前記二つの密閉空間である第１膨張室８１及び第２膨張室８２に区画される。このとき、吸入室８０に導入された前記過熱蒸気冷媒、換言すれば、膨張室８０′に取り込まれた前記過熱蒸気冷媒が第１膨張室８１及び第２膨張室８２のそれぞれに取り込まれる。

【0047】

第１膨張室８１及び第２膨張室８２のそれぞれに取り込まれた前記過熱蒸気冷媒は、第１膨張室８１内及び第２膨張室８２内で膨張する。これにより、可動スクロール７２がさらに旋回すると共に、第１膨張室８１及び第２膨張室８２が拡張しながらスクロール外周部に向かって移動する。

【0048】

そして、第１膨張室８１及び第２膨張室８２がスクロール外周部近傍まで移動して図示省略の吐出ポートに連通すると、第１膨張室８１内及び第２膨張室８２内での前記過熱蒸気冷媒の膨張が完了すると共に、第１膨張室８１内及び第２膨張室８２内で膨張することによって低圧となった前記冷媒が前記吐出ポートから吐出される。前記吐出ポートから吐出された（低圧の）前記冷媒は、凝縮器８に向かって流れる。

【0049】

スクロール膨張機７は、上記の動作を繰り返すことにより、前記過熱蒸気冷媒の膨張を可動スクロール７２の旋回運動に変換する。そして、上述のように、可動スクロール７２の旋回運動が偏心軸受４２及び従動クランク機構４３などによって回転軸１０ａの回転運動に変換される。

【0050】

以上説明したように、本実施形態に係るスクロール膨張機７は、吸入室８０に加熱器６からの前記過熱蒸気冷媒（作動流体）を導く流体通路７３と、流体通路７３を開閉する弁装置７４とを有している。弁装置７４は、前記過熱蒸気冷媒を吸入室８０に導入するために流体通路７３を開放すると共に、吸入室８０が二つの膨張室（第１膨張室８１及び第２膨張室８２）に区画される前に流体通路７３を閉鎖して前記過熱蒸気冷媒の導入を停止させるように構成されている（図６（Ｂ）、図６（Ｅ））。

【0051】

ここで、上述のように、本実施形態に係るスクロール膨張機７においては、前記過熱蒸気冷媒の吸入室８０への導入が停止されたときの吸入室８０（膨張室８０′）の底面積が前記取り込み容積の底面積であり、この底面積は、前記二つの膨張室（第１膨張室８１及び第２膨張室８２）の底面積よりも小さい。このため、本実施形態に係るスクロール膨張機７においては、吸入室が二つの膨張室に区画されるまで作動流体の導入が継続される構成の従来のスクロール膨張機に比べて、前記過熱蒸気冷媒の前記取り込み容積の底面積を小さくすることができる。このことは、前記吐出容積の底面積（及び前記取り込み容積）を変えることなく容積比を高くできること、及び、容積比（及び前記取り込み容積）を変えることなく前記吐出容積の底面積を小さくできること（前記スクロール壁の巻数（スクロール外径）を減らすことができること）を意味する。したがって、本実施形態に係るスクロール膨張機７によれば、サイズ（特に径方向のサイズ）を大型化することなく容積比を高くすること、又は、容積比を維持しながらサイズ（特に径方向のサイズ）を小型化することが可能になる。その結果、本実施形態にスクロール膨張機７は、同種の用途に使用されるほぼ同じサイズの従来のスクロール膨張機に比べて高い容積比を実現することができ、又は、同種の用途に使用されるほぼ同じ容積比を実現する従来のスクロール膨張機に比べてサイズを小さくすることができる。

【0052】

ここで、従来のスクロール膨張機の多くは、前記二つ膨張室のうちの一方の膨張室が他方の膨張室よりも先に密閉され、及び／又は、前記二つの膨張室に区画される直前の前記吸入室において前記二つの膨張室に対応する領域への流通抵抗の間に差があり、前記二つの膨張室に取り込まれる作動流体の体積（ひいては、前記二つの膨張室の圧力）に差が生じていた。この点、本実施形態によるスクロール膨張機７において、流体通路７３は、吸入室８０が二つの膨張室（第１膨張室８１及び第２膨張室８２）に区画される前に弁装置７４によって閉鎖されている。このため、前記二つの膨張室（第１膨張室８１及び第２膨張室８２）はほぼ同時に密閉される。また、吸入室８０が第１膨張室８１及び第２膨張室８２に区画される過程の各段階において第１膨張室８１に対応する領域と第２膨張室８２に対応する領域とが同形状（対称形状）であり、第１膨張室８１に対応する領域への流通抵抗と第２膨張室８２に対応する領域への流通抵抗との間の差もほとんど生じない。したがって、本実施形態に係るスクロール膨張機７によれば、前記過熱蒸気冷媒が前記二つの膨張室（第１膨張室８１及び第２膨張室８２）にバランスよく取り込まれ、前記二つの膨張室間における圧力のアンバランスも抑制される。この結果、本実施形態に係るスクロール膨張機７は、従来のスクロール膨張機よりも、安定且つ効率的な動作が可能になる。

【0053】

また、本実施形態において、弁装置７４は、可動スクロール７２の旋回に連動して流体通路７３を開閉するように、具体的には、流体通路７３の一部を構成する第２孔部７１２ｃ（前記出口孔）を開閉するように構成されている。このため、適切なタイミングで流体通路７３を開放して吸入室８０に前記過熱蒸気冷媒を導入すること、適切なタイミングで流体通路７３を閉鎖して前記過熱蒸気冷媒の導入を停止すること、及び、前記二つの膨張室に取り込まれる前記過熱蒸気冷媒の体積のバラツキを抑制することが可能である。

【0054】

特に、弁装置７４は、第１中心側始端部７１２ａの上面に形成された凹部７１２ｂに回転自在に収容された回転体７４１を含み、回転体７４１が可動スクロール７２の旋回に連動して回転することによって、一端が凹部７１２ｂの前記内側面に開口する第２孔部７１２ｃ（すなわち、流体通路７３の前記出口孔）を開閉するように構成されている。具体的には、回転体７４１（及び凹部７１２ｂ）は可動スクロール７２の旋回中心線Ｏ上に配置されており、回転体７４１は、可動スクロール７２に固定された駆動ピン７４２によって凹部７１２ｂ内で回転駆動される。このため、弁装置７４を設けることによるスクロール膨張機７のサイズの大型化が防止されると共に、弁装置７４（回転体７４１）の駆動源を設ける必要がない。また、開口部７４１ａの大きさを調整して流体通路７３を閉鎖するタイミングを調整することにより、前記取り込み容積の底面積を調整し、サイズ（特に径方向のサイズ）を大型化することなくスクロール膨張機７の容積比を調整することも可能である。

【0055】

なお、上述の実施形態において、加熱器６は、前記エンジン冷却水とランキンサイクル２の前記冷媒との間で熱交換を行わせるように構成されている。しかし、これに限られるものではない。加熱器６は、エンジン２０の排気とランキンサイクル２の前記冷媒との間で熱交換を行わせるように構成されてもよい。エンジン２０の排気は前記エンジン冷却水よりも高温であり、ランキンサイクル２においてより大きな温度差が得られるため、ランキンサイクル２の出力が高くなる。図示は省略するが、この場合、前記エンジン冷却水に代えてエンジン２０の排気が加熱器６内を通過するように構成される。

【0056】

加熱器６がエンジン２０の排気とランキンサイクル２の前記冷媒との間で熱交換を行わせるように構成される場合、特性値（臨界温度、臨界圧力など）から、エタノールが適切な前記冷媒として選択され得る。但し、エタノールは前記アルミニウム系材料を腐食させるおそれがある。このため、前記冷媒としてエタノールが選択された場合、スクロール膨張機７においては、前記鉄系材料から形成された固定スクロール７１及び可動スクロール７２が用いられることになる。

【0057】

前記鉄系材料から形成された固定スクロール７１及び可動スクロール７２は、前記アルミニウム系材料から形成されたそれらよりも重量が大きい。また、固定スクロール７１及び可動スクロール７２の重量が大きくなると、前記スクロール壁の巻数（スクロール外径）が同じ場合でも、バランスをとるための部位や強度を確保するための形状などが増加し及び／又は大型化し、その結果、スクロール膨張機７全体のサイズが大型化する。

【0058】

したがって、前記鉄系材料から形成された固定スクロール７１及び可動スクロール７２は、前記アルミニウム系材料から形成されたそれらに比べて前記スクロール壁の巻数（スクロール外径）を減少させる必要性がより高いといえる。この点に関し、上述のように、本実施形態に係るスクロール膨張機７は、容積比を変えることなく前記スクロール壁の巻数（スクロール外径）を減らすことが可能であるので、前記鉄系材料から形成された固定スクロール７１及び可動スクロール７２が用いられる場合に特に有効である。

【0059】

また、上述の実施形態において、回転体７４１は、可動スクロール７２に固定された駆動ピン７４２によって回転駆動されるように構成されている。しかし、これに限られるものではない。図７に示されるように、回転体７４１が、可動スクロール７２の第２基板部７２１の一方の面７２１ａに向かって突出するピン部材７４１ｄをピン穴７４１ｂの代わりに有すると共に、可動スクロール７２の第２基板部７２１の一方の面７２１ａに、ピン部材７４１ｄの先端部が装着（挿入）されるピン穴（図示省略）が駆動ピン７４２の代わりに設けられてもよい。すなわち、回転体７４１は、可動スクロール７２と回転体７４１とを連結するピン部（駆動ピン７４２、ピン部７４１ｄ）を介して回転駆動されるように構成されていればよい。

【0060】

さらに、上述の実施形態においては、第１孔部７１１ｃ（前記入口孔）と第２孔部７１２ｃ（前記出口孔）とを常時連通させる連通路７５が設けられている。しかし、これに限られるものではない。連通路７５は、必ずしも第１孔部７１１ｃと第２孔部７１２ｃとを常時連通させる必要はなく、少なくとも弁装置７４が流体通路７３を閉鎖しているときに第１孔部７１１ｃと第２孔部７１２ｃとを連通させればよい。

【0061】

例えば、図８に示されるように、回転体７４１の前記周壁の外側面に開口部７４１ａの周方向の一端から他端まで延びる溝７４１ｅが形成される。この場合、回転体７４１の内部空間７４１ｃと溝７４１ｅとによって連通路７５が形成され、形成された連通路７５は弁装置７４が流体通路７３を閉鎖しているときに第１孔部７１１ｃと第２孔部７１２ｃとを連通させる。あるいは、図９に示されるように、溝７４１ｅに代えて複数の貫通孔７４１ｆが回転体７４１の前記周壁に形成される。この場合、回転体７４１の内部空間７４１ｃと複数の貫通孔７４１ｆの少なくとも一つとによって連通路７５が形成され、形成された連通路７５は弁装置７４が流体通路７３を閉鎖しているときに第１孔部７１１ｃと第２孔部７１２ｃとを連通させる。なお、図示は省略するが、回転体７４１の前記周壁の前記外側面と凹部７１２ｂの前記内側面との隙間と、回転体７４１の内部空間７４１ｃとによって、第１孔部７１１ｃと第２孔部７１２ｃとを常時連通させる連通路７５が形成されてもよい。

【0062】

さらにまた、上述の実施形態において、流体通路７３の前記出口孔を構成する第２孔部７１２ｃは、第１スクロール壁７１２の第１中心側始端部７１２ａの前記平坦な側面における高さ方向の中間位置に形成されており、これに対応するように、回転体７４１の開口部７４１ａは、回転体７４１の前記周壁における高さ方向の中間位置に形成されている。しかし、これに限られるものではない。図１０に示されるように、第１スクロール壁７１２の第１中心側始端部７１２ａにおいて、第２孔部７１２ｃに代えて、第１スクロール壁７１２の第１中心側始端部７１２ａの上面に凹部７１２ｂの前記内側面から第１中心側始端部７１２ａの前記平坦な側面まで延びる溝部７１２ｄが形成されてもよい。この場合、回転体７４１においては、開口部７４１ａに代えて、回転体７４１の前記底壁の一部及び前記周壁の一部を切り欠いた切欠部７４１ｇが形成される。そして、主に第１孔部７１１ｃ、回転体７４１の内部空間７４１ｃ、回転体７４１の切欠部７４１ｇ及び溝部７１２ｄによって流体通路７３が形成され、第１孔部７１１ｃが流体通路７３の前記入口孔を構成し、溝部７１２ｄが流体通路７３の前記出口孔を構成する。このようにしても上述の実施形態と同様の効果が得られる。

【0063】

なお、上述の各変形例は、適宜組み合わせて適用され得る。

【0064】

以上、本発明の実施形態及びその変形例について説明したが、本発明は上述の実施形態や変形例に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて更なる変形や変更が可能である。

【符号の説明】

【0065】

７…スクロール膨張機、７１…固定スクロール、７２…可動スクロール、７３…流体通路、７４…弁装置、７５…連通路、８０…吸入室、８０′…膨張室、８１…第１膨張室、８２…第２膨張室、７１１…固定スクロールの基板部、７１１ｃ…第１孔部（入口孔）、７１２…固定スクロールのスクロール壁（第１スクロール壁）、７１２ａ…第１スクロール壁の中心側始端部、７１２ｂ…凹部、７１２ｃ…第２孔部（出口孔）、７１２ｄ…溝部（出口孔）、７２１…可動スクロールの基板部、７２２…可動スクロールのスクロール壁（第２スクロール壁）、７２２ａ…第２スクロール壁の中心側始端部、７４１…回転体、７４１ａ…開口部、７４１ｂ…ピン穴、７４１ｃ…回転体の内部空間、７４１ｄ…ピン部材（ピン部）、７４２…駆動ピン（ピン部）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】