JP2005313878A - Rankine cycle system and control method for the same - Google Patents

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Keiichi Uno
慶一 宇野
Hirotomo Asa
弘知 麻
Atsushi Inaba
淳 稲葉
Takashi Yamanaka
隆 山中
Hideji Yoshida
秀治 吉田
Hiroshi Ogawa
博史 小川
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Denso Corp
Soken Inc
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a Rankine cycle system which is capable of efficient energy recovery by suppressing losses resulting upon changeover between the stoppage and operation of a Rankine cycle, and a control method for the system. <P>SOLUTION: The Rankine cycle system comprises the Rankine cycle 30A which includes a pump 32 that pressure transfers a medium flowing out of a first heat dissipator 11, a heater 30 that heats the medium transferred from the pump 32, and an expander 100 that expands the vapor medium from the heater 30 to convert the pressure energy of the medium into mechanical kinetic energy. The system also has a controller 40 which changes the operational state of the Rankine cycle 30A from stoppage to operation and vice versa. The controller 40 retards a change in an operating state of the expander 100 relative to a change in the same of the pump 32 when changing the operational state of the Rankine cycle 30A. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、自動車等の内燃機関の廃熱を利用する動力回収の技術に適用され、特に空調用冷凍サイクルにランキンサイクルを備えた内燃機関の廃熱利用装置に用いて好適なランキンサイクル装置およびその制御方法に関するものである。   The present invention is applied to a power recovery technology that uses waste heat of an internal combustion engine such as an automobile, and is particularly suitable for use in a waste heat utilization device of an internal combustion engine having a Rankine cycle in an air-conditioning refrigeration cycle, and It relates to the control method.

従来の内燃機関の廃熱利用装置として、例えば、特許文献1に示されるものが知られている。即ち、この廃熱利用装置は、空調用の冷凍サイクル中の蒸発器に対して並列と成るように、加圧ポンプと内燃機関の冷却水を加熱源とする加熱器(特許文献1中では高温蒸発器)とを設け、この加圧ポンプ、加熱器が三方弁によって、冷凍サイクルに選択的に接続されるようにしている。また、内燃機関を駆動源とする圧縮機を膨張機と兼用した構成としている。   As a conventional waste heat utilization device for an internal combustion engine, for example, one disclosed in Patent Document 1 is known. That is, this waste heat utilization device is a heater that uses a pressurizing pump and cooling water of an internal combustion engine as a heating source so as to be in parallel with an evaporator in a refrigeration cycle for air conditioning (high temperature in Patent Document 1). The pressure pump and the heater are selectively connected to the refrigeration cycle by a three-way valve. In addition, a compressor using an internal combustion engine as a drive source is also used as an expander.

これにより、三方弁の切替えによって冷媒を加圧ポンプ、加熱器側に流した時には、圧縮機を膨張機として使用するランキンサイクルを形成でき、冷却水から得られた熱エネルギーを膨張機で機械エネルギーとして回収できるようにしている。そして、この機械エネルギーを内燃機関に戻すことで、内燃機関の経済的な運転を可能としている。
特許第2540738号公報
As a result, when the refrigerant flows to the pressurizing pump and heater side by switching the three-way valve, a Rankine cycle that uses the compressor as an expander can be formed, and the thermal energy obtained from the cooling water can be mechanical energy So that it can be recovered. By returning this mechanical energy to the internal combustion engine, the internal combustion engine can be economically operated.
Japanese Patent No. 2540738

しかしながら、上記従来技術においては、冷凍サイクルあるいはランキンサイクル運転時の各機器(三方弁、加圧ポンプ、圧縮機等)の制御条件については記載されているものの、冷凍サイクルおよびランキンサイクルの両者の切替えを行う際に、ランキンサイクルの作動開始、作動停止に関わる最適な制御方法については、何ら記載されていない。   However, in the above prior art, although the control conditions of each device (three-way valve, pressure pump, compressor, etc.) at the time of refrigeration cycle or Rankine cycle operation are described, switching between both the refrigeration cycle and Rankine cycle There is no description of an optimal control method related to the start and stop of Rankine cycle operation.

即ち、本発明者は、冷凍サイクルによる冷房温度が充分に低い時に、ランキンサイクルを作動させてエネルギーの回収を測るというように、冷凍サイクルとランキンサイクルとを交互に作動させることを考え、実機での確認を行ってみた。   That is, the present inventor considered that the refrigeration cycle and the Rankine cycle are operated alternately, such as when the Rankine cycle is operated and energy recovery is measured when the cooling temperature by the refrigeration cycle is sufficiently low. I tried to confirm.

まず、冷凍サイクルからランキンサイクルに切替える際に、ランキンサイクルを作動開始させるために、加圧ポンプを作動させ、且つ膨張機を作動可能状態とすると、膨張機での冷媒の流れ(膨張作動)を許してしまうため、加圧ポンプでの冷媒加圧に時間を要し、効率的なエネルギーの回収ができない。短時間でエネルギーの回収ができなければ、冷房温度は上昇してしまい、冷房フィーリングが悪化してしまう。   First, when switching from the refrigeration cycle to the Rankine cycle, in order to start the Rankine cycle, when the pressure pump is operated and the expander is in an operable state, the refrigerant flow (expansion operation) in the expander is changed. Therefore, it takes time to pressurize the refrigerant with the pressurizing pump, and efficient energy recovery cannot be performed. If energy cannot be recovered in a short time, the cooling temperature will rise and the cooling feeling will deteriorate.

また、ランキンサイクルから冷凍サイクルに切替える際に、ランキンサイクルを作動停止させるために、加圧ポンプを停止させ、且つ膨張機を停止状態にすると、加圧ポンプで加圧された冷媒が加熱器に残り、膨張機での有効な動力として回収できないため、加圧ポンプでの冷媒加圧の仕事分を捨てることになり、加圧ポンプの動力損失となってしまう。   Further, when switching from the Rankine cycle to the refrigeration cycle, when the pressurization pump is stopped and the expander is stopped in order to stop the Rankine cycle, the refrigerant pressurized by the pressurization pump is transferred to the heater. Since the remaining power cannot be recovered as effective power in the expander, the work of refrigerant pressurization in the pressurization pump is discarded, resulting in power loss in the pressurization pump.

このように、ランキンサイクルの作動開始、作動停止においては、種々のロスが生じ、この廃熱利用装置が狙いとするエネルギー効率の向上が充分に得られないということが解った。   As described above, it was found that various losses occur in the start and stop of Rankine cycle operation, and the energy efficiency aimed by this waste heat utilization device cannot be sufficiently obtained.

本発明の目的は、上記問題に鑑み、ランキンサイクルの停止状態および運転状態の切替えを行う際のロスを抑制して、効率的なエネルギーの回収を可能とするランキンサイクル装置およびその制御方法を提供することにある。   In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a Rankine cycle device and a control method thereof that enable efficient energy recovery by suppressing loss when switching between the stopped state and the operating state of the Rankine cycle. There is to do.

本発明は上記目的を達成するために、以下の技術的手段を採用する。   In order to achieve the above object, the present invention employs the following technical means.

請求項1に記載の発明では、第1放熱器(11)から流出される媒体を圧送するポンプ(32)、ポンプ(32)から送られた媒体を加熱する加熱器(30)、加熱器(30)からの蒸気媒体を膨張さることにより媒体の圧力エネルギーを機械的運動エネルギーに変換する膨張機(100)を有するランキンサイクル(30A)と、ランキンサイクル(30A)の状態を停止状態と運転状態との間で切替える制御装置(40)とを備えるランキンサイクル装置において、制御装置(40)は、ランキンサイクル(30A)の状態を切替える際に、ポンプ(32)の運転状態の変化に対して膨張機(100)の運転状態の変化を遅れさせることを特徴としている。   In invention of Claim 1, the pump (32) which pumps the medium which flows out out of a 1st heat radiator (11), the heater (30) which heats the medium sent from the pump (32), a heater ( The Rankine cycle (30A) having an expander (100) that converts the pressure energy of the medium into mechanical kinetic energy by expanding the vapor medium from 30), and the Rankine cycle (30A) in a stopped state and an operating state. In the Rankine cycle device comprising the control device (40) for switching between the two, the control device (40) expands with respect to the change in the operating state of the pump (32) when switching the Rankine cycle (30A) state. It is characterized by delaying the change in the operating state of the machine (100).

これにより、ランキンサイクル(30A)の運転状態への切替え時においては、ポンプ(32)による媒体の加圧時間を短縮でき、また、ランキンサイクル(30A)の停止状態への切替え時においては、ポンプ(32)の加圧仕事分を無駄にすることがなくなり、総じてランキンサイクル(30A)による効率的なエネルギーの回収が可能となる。   Thereby, at the time of switching to the operation state of the Rankine cycle (30A), the pressurization time of the medium by the pump (32) can be shortened, and at the time of switching to the stop state of the Rankine cycle (30A), the pump The pressurized work of (32) is not wasted, and efficient energy recovery by the Rankine cycle (30A) is generally possible.

請求項2に記載の発明では、制御装置(40)は、ランキンサイクル(30A)を停止状態から運転状態に切替える時に、ポンプ(32)を作動開始させた後に、膨張機(100)を作動開始させることを特徴としている。   In the invention according to claim 2, the control device (40) starts the operation of the expander (100) after starting the operation of the pump (32) when the Rankine cycle (30A) is switched from the stopped state to the operating state. It is characterized by letting.

これにより、ポンプ(32)作動時は膨張機(100)からの冷媒の流出(膨張)が無く、短時間でポンプ(32)による冷媒の加圧が成され、その後に作動される膨張機(100)からの機械的運動エネルギーを充分に引き出すことができる。   Thereby, when the pump (32) is operated, there is no outflow (expansion) of the refrigerant from the expander (100), the refrigerant is pressurized by the pump (32) in a short time, and the expander ( The mechanical kinetic energy from 100) can be sufficiently extracted.

具体的には、請求項3に記載の発明のように、ポンプ(32)を作動開始させ、第1所定時間(t1)経過後に、膨張機(100)を作動開始させると良い。   Specifically, as in the invention described in claim 3, it is preferable to start the operation of the pump (32) and start the operation of the expander (100) after the first predetermined time (t1) has elapsed.

また、請求項4に記載の発明のように、ポンプ(32)によって加圧される媒体の圧力が第1所定圧力(P1)以上に上昇した後に、膨張機(100)を作動開始させるようにしても良い。   Further, as in the invention described in claim 4, after the pressure of the medium pressurized by the pump (32) rises to the first predetermined pressure (P1) or more, the expander (100) is started to operate. May be.

そして、請求項5に記載の発明では、膨張機(100)には、発電機および電動機の両機能を有する回転電機(200)が接続されており、制御装置(40)は、膨張機(100)を作動開始させる前に、回転電機(200)を電動機として作動させることを特徴としている。   In the invention according to claim 5, the expander (100) is connected to the rotating electrical machine (200) having both functions of a generator and an electric motor, and the control device (40) is connected to the expander (100). ), The rotating electric machine (200) is operated as an electric motor.

これにより、回転電機(200)を外力として予め膨張機(100)を起動できるので、膨張機(100)をスムースに作動させることができる。   Thereby, since the expander (100) can be started in advance using the rotating electrical machine (200) as an external force, the expander (100) can be operated smoothly.

請求項6に記載の発明では、制御装置(40)は、ランキンサイクル(30A)を運転状態から停止状態に切替える時に、ポンプ(32)を作動停止させた後に、膨張機(100)を作動停止させることを特徴としている。   In the invention described in claim 6, when the Rankine cycle (30A) is switched from the operation state to the stop state, the control device (40) stops the operation of the expander (100) after stopping the pump (32). It is characterized by letting.

これにより、ポンプ(32)を停止させた後も、まだ加圧された状態で残る加熱器(30)からの過熱蒸気媒体を用いて、膨張機(100)で膨張させ、媒体の熱エネルギーを無駄なく機械的運動エネルギーに回生できる。   Thus, even after the pump (32) is stopped, the superheated steam medium from the heater (30) that remains in the pressurized state is used to expand the expander (100), and the thermal energy of the medium is reduced. It can be regenerated to mechanical kinetic energy without waste.

具体的には、請求項7に記載の発明のように、ポンプ(32)を作動停止させ、第2所定時間(t2)経過後に、膨張機(100)を作動停止させると良い。   Specifically, as in the seventh aspect of the invention, the pump (32) is deactivated and the expander (100) is deactivated after the second predetermined time (t2) has elapsed.

また、請求項8に記載の発明のように、ポンプ(32)によって加圧された媒体の圧力が第2所定圧力(P2)以下に低下した後に、膨張機(100)を作動停止させるようにしたり、請求項9に記載の発明のように、ポンプ(32)の高圧側と低圧側との圧力差が所定圧力差(ΔP)以下に低下した後に、膨張機(100)を作動停止させるようにしても良い。更には、請求項10に記載の発明のように、膨張機(100)に発電機(200)を接続し、膨張機(100)による発電機(200)の発電量が所定発電量(W)以下に低下した後に、膨張機(100)を作動停止させるようにしても良い。   Further, as in the invention described in claim 8, after the pressure of the medium pressurized by the pump (32) has dropped below the second predetermined pressure (P2), the expander (100) is stopped. Or, as in the ninth aspect of the invention, after the pressure difference between the high pressure side and the low pressure side of the pump (32) has dropped below a predetermined pressure difference (ΔP), the expander (100) is deactivated. Anyway. Furthermore, as in the invention described in claim 10, the generator (200) is connected to the expander (100), and the power generation amount of the generator (200) by the expander (100) is a predetermined power generation amount (W). The expander (100) may be deactivated after being lowered below.

尚、請求項11に記載の発明のように、膨張機(100)に機械的運動エネルギーを電気エネルギーに回生する発電機としての回転電機(200)が接続されるようにすることで、効果的なエネルギーの回収ができる。   In addition, as in the invention described in claim 11, it is effective to connect the rotating electrical machine (200) as a generator that regenerates mechanical kinetic energy to electrical energy to the expander (100). Energy can be recovered.

請求項12に記載の発明のように、ランキンサイクル装置は、媒体を冷媒として用い、この冷媒を圧縮する圧縮機(100)、圧縮機(100)からの冷媒を冷却する第2放熱器(11)を有する冷凍サイクル(10A)を備えるものとしても良い。   As in the invention described in claim 12, the Rankine cycle device uses a medium as a refrigerant, a compressor (100) that compresses the refrigerant, and a second radiator (11) that cools the refrigerant from the compressor (100). It is good also as a thing provided with the refrigerating cycle (10A) which has).

そして、請求項13に記載の発明のように、制御装置(40)は、冷凍サイクル(10A)としての運転状態からランキンサイクル(30A)への運転状態へ切替える際には、ランキンサイクル(30A)の状態を停止状態から運転状態に切替えるようにすれば良い。   And like invention of Claim 13, when switching a control apparatus (40) from the driving | running state as a refrigerating cycle (10A) to the driving | running state to a Rankine cycle (30A), a Rankine cycle (30A) The state may be switched from the stopped state to the operating state.

請求項14に記載の発明では、膨張機(100)には、発電機および電動機の両機能を有する回転電機(200)が接続されており、冷媒を圧縮機(100)側、あるいは膨張機(100)側のいずれかに切替えて流入させる弁機構(107)を有し、制御装置(40)は、膨張機(100)を作動させる時には、回転電機(200)を電動機として作動させた後に、弁機構(107)によって冷媒の流入を圧縮機(100)側から膨張機(100)側に切替えることを特徴としている。   In the invention described in claim 14, the expander (100) is connected to a rotating electric machine (200) having both functions of a generator and an electric motor, and the refrigerant is supplied to the compressor (100) side or the expander ( 100) having a valve mechanism (107) for switching in and flowing in, and when the control device (40) operates the expander (100), after operating the rotating electrical machine (200) as an electric motor, The valve mechanism (107) switches the refrigerant inflow from the compressor (100) side to the expander (100) side.

これにより、冷凍サイクル(10A)からランキンサイクル(30A)へ運転を切替えて、ランキンサイクル(30A)を作動開始する時に、弁機構(107)の切替え直後から加熱された冷媒を膨張機(100)にて有効に動力に変換することができる。   Accordingly, when the operation is switched from the refrigeration cycle (10A) to the Rankine cycle (30A) and the Rankine cycle (30A) is started to operate, the refrigerant heated immediately after the switching of the valve mechanism (107) is transferred to the expander (100). Can be converted into power effectively.

そして、請求項15に記載の発明のように、制御装置(40)は、ランキンサイクル(30A)としての運転状態から冷凍サイクル(10A)への運転状態へ切替える際には、ランキンサイクル(30A)の状態を運転状態から停止状態に切替えるようにすれば良い。   And like invention of Claim 15, when switching a control apparatus (40) from the driving | running state as Rankine cycle (30A) to the driving | running state to a refrigerating cycle (10A), Rankine cycle (30A) The state may be switched from the operating state to the stopped state.

請求項16に記載の発明では、膨張機(100)には、発電機(200)が接続されており、冷媒を圧縮機(100)側、あるいは膨張機(100)側のいずれかに切替えて流入させる弁機構(107)を有し、制御装置(40)は、膨張機(100)を停止させる時には、弁機構(107)によって冷媒の流入を膨張機(100)側から圧縮機(100)側に切替えた後に、発電機(200)の回転を止めることを特徴としている。   In the invention described in claim 16, the generator (200) is connected to the expander (100), and the refrigerant is switched to either the compressor (100) side or the expander (100) side. The control device (40) has a valve mechanism (107) for inflow, and when the expansion device (100) is stopped, the control device (40) causes the valve mechanism (107) to inject the refrigerant from the expander (100) side to the compressor (100). After switching to the side, the rotation of the generator (200) is stopped.

これにより、ランキンサイクル(30A)から冷凍サイクル(10A)へ運転を切替えて、ランキンサイクル(30A)を作動停止する時に、膨張機(100)への冷媒の導入がなくなり膨張機(100)の回転力がなくなった上で発電機(200)の回転を停止させるので、発電機(200)が膨張機(100)の回転力を打ち消すブレーキとして作用することがなく、無駄な電力を消費することがない。   Accordingly, when the operation is switched from the Rankine cycle (30A) to the refrigeration cycle (10A) and the Rankine cycle (30A) is stopped, the refrigerant is not introduced into the expander (100) and the expander (100) rotates. Since the rotation of the generator (200) is stopped after the power is lost, the generator (200) does not act as a brake that counteracts the rotational force of the expander (100), and wasteful power can be consumed. Absent.

請求項17に記載の発明では、圧縮機(100)を駆動する電動機(200)を有し、制御装置(40)によって圧縮機(100)の駆動源として内燃機関(20)あるいは電動機(200)の少なくとも一方が選択されるようにしており、膨張機(100)を停止させて冷凍サイクル(10A)を運転する際に、電動機(200)の駆動力を用いた後に、内燃機関(20)の駆動力で圧縮機(100)を作動させることを特徴としている。   The invention according to claim 17 includes an electric motor (200) for driving the compressor (100), and the control device (40) serves as a drive source of the compressor (100) for the internal combustion engine (20) or the electric motor (200). Of the internal combustion engine (20) after using the driving force of the electric motor (200) when operating the refrigeration cycle (10A) with the expander (100) stopped. The compressor (100) is operated by a driving force.

これにより、圧縮機(100)を起動させるためのトルクが内燃機関(20)に掛からないようにすることができるので、内燃機関(20)にショックを与えることがなくなり、乗員に不快感を与えることが無い。   Thereby, the torque for starting the compressor (100) can be prevented from being applied to the internal combustion engine (20), so that the internal combustion engine (20) is not shocked and the passenger is uncomfortable. There is nothing.

上記電動機(200)による圧縮機(100)の作動要否は、請求項18に記載の発明のように、圧縮機(100)の低圧側圧力に応じて、決定するようにすれば良い。これにより、電動機(200)を無駄に作動させることを防止できる。   The necessity of operation of the compressor (100) by the electric motor (200) may be determined according to the low-pressure side pressure of the compressor (100) as in the invention described in claim 18. Thereby, it can prevent operating an electric motor (200) wastefully.

具体的には、請求項19に記載の発明のように、低圧側圧力が第3所定圧力(P3)以下になるまで電動機(200)によって圧縮機(100)を作動させるようにすれば良い。   Specifically, the compressor (100) may be operated by the electric motor (200) until the low-pressure side pressure becomes equal to or lower than the third predetermined pressure (P3) as in the invention described in claim 19.

また、請求項20に記載の発明のように、電動機(200)によって、第3所定時間(t3)圧縮機(100)を作動させるようにとしても良い。   In addition, as in the twentieth aspect, the compressor (100) may be operated by the electric motor (200) for a third predetermined time (t3).

上記請求項12〜請求項20に記載の発明においては、請求項21に記載の発明のように、第1放熱器(11)および第2放熱器(11)は、ランキンサイクル(30A)と冷凍サイクル(10A)とで共通使用されるものとするのが良く、コンパクトなランキンサイクル装置とすることができる。   In the inventions according to the twelfth to twentieth aspects, as in the invention according to the twenty-first aspect, the first radiator (11) and the second radiator (11) include the Rankine cycle (30A) and the refrigeration. It is good to use in common with a cycle (10A), and it can be set as a compact Rankine cycle apparatus.

請求項22に記載の発明では、膨張機(100)は、冷凍サイクル(10A)における圧縮機(100)を兼用するものであり、内燃機関(20)の動力が伝達されて、前記圧縮機(100)を駆動する動力伝達機構(300)を備えることを特徴としている。   In the invention described in claim 22, the expander (100) also serves as the compressor (100) in the refrigeration cycle (10A), and the power of the internal combustion engine (20) is transmitted to the compressor (100). 100) is provided with a power transmission mechanism (300).

これにより、コンパクトなランキンサイクル装置とすることができると共に、圧縮機(100)を内燃機関(20)の動力で駆動することができる。   Thereby, while being able to set it as a compact Rankine cycle apparatus, a compressor (100) can be driven with the motive power of an internal combustion engine (20).

請求項23に記載の発明では、膨張機(100)は、冷凍サイクル(10A)における圧縮機(100)を兼用するものであり、圧縮機(100)を駆動する電動機(200)を有することを特徴としている。   In the invention according to claim 23, the expander (100) also serves as the compressor (100) in the refrigeration cycle (10A), and has an electric motor (200) that drives the compressor (100). It is a feature.

これにより、コンパクトなランキンサイクル装置とすることができると共に、圧縮機(100)を電動機(200)の動力で駆動することができる。   Thereby, while being able to set it as a compact Rankine cycle apparatus, a compressor (100) can be driven with the motive power of an electric motor (200).

請求項23に記載の発明において、請求項24に記載の発明では、電動機(200)は、ポンプ(32)も駆動することを特徴としている。   In the invention described in claim 23, in the invention described in claim 24, the electric motor (200) also drives the pump (32).

これにより、ポンプ(32)の駆動源を圧縮機(100)の駆動源と共用できるので、ポンプ(32)専用の駆動源を不要とすることができる。   Thereby, since the drive source of the pump (32) can be shared with the drive source of the compressor (100), a drive source dedicated to the pump (32) can be dispensed with.

請求項25に記載の発明では、ポンプ(32)は、膨張機(100)に接続されたことを特徴としている。   The invention according to claim 25 is characterized in that the pump (32) is connected to the expander (100).

これにより、膨張機(100)の駆動力でポンプ(32)を作動できるので、ポンプ(32)専用の駆動源を不要とすることができる。   Thereby, since the pump (32) can be operated by the driving force of the expander (100), a driving source dedicated to the pump (32) can be dispensed with.

請求項26に記載の発明では、加熱器(30)における媒体を加熱する熱源は、内燃機関(20)の廃熱エネルギーとしたことを特徴としている。   In a twenty-sixth aspect of the present invention, the heat source for heating the medium in the heater (30) is waste heat energy of the internal combustion engine (20).

これにより、内燃機関(20)の廃熱を有効に活用することができる。   Thereby, the waste heat of an internal combustion engine (20) can be utilized effectively.

また、請求項27に記載の発明のように、圧縮機(100)を駆動する電動機(200)を設け、制御装置(40)によって圧縮機(100)の駆動源として内燃機関(20)あるいは電動機(200)の少なくとも一方が選択されるものに適用しても良い。   According to a twenty-seventh aspect of the present invention, an electric motor (200) for driving the compressor (100) is provided, and the internal combustion engine (20) or the electric motor is provided as a drive source for the compressor (100) by the control device (40). You may apply to what selects at least one of (200).

請求項28に記載の発明では、媒体を圧送するポンプ(32)、ポンプ(32)から送られた媒体を加熱する加熱器(30)、加熱器(30)からの蒸気媒体を膨張さることにより媒体の圧力エネルギーを機械的運動エネルギーに変換する膨張機(100)を有するランキンサイクルの制御方法において、ポンプ(32)によって媒体を加熱器(30)へ圧送すると共に、膨張機(100)によって媒体を膨張させる運転工程と、ポンプ(32)を停止させると共に、膨張機(100)を停止させる停止工程と、ポンプ(32)の運転状態の変化に対して膨張機(100)の運転状態の変化を遅れさせて、ランキンサイクルの状態を運転工程と停止工程との間で切替える切替え工程とを備えることを特徴としている。   In the invention of claim 28, the pump (32) for pumping the medium, the heater (30) for heating the medium sent from the pump (32), and the vapor medium from the heater (30) are expanded. In a method for controlling a Rankine cycle having an expander (100) that converts pressure energy of a medium into mechanical kinetic energy, the medium is pumped by a pump (32) to a heater (30) and the medium is expanded by the expander (100). Of the expansion machine (100) with respect to the change of the operation process of expanding the pump (32), the stop process of stopping the expander (100), and the operation process of stopping the pump (32) And a switching step for switching the state of the Rankine cycle between the operation step and the stop step.

これにより、請求項1に記載のランキンサイクル装置の制御方法とすることができる。   Thereby, it can be set as the control method of the Rankine-cycle apparatus of Claim 1.

請求項29に記載の発明のように、切替え工程としては、ポンプ(32)を作動開始させた後に、膨張機(100)を作動開始させて、ランキンサイクルを停止工程から運転工程に切替えるものとすることができる。   As in the invention described in claim 29, the switching step is to start the operation of the expander (100) after starting the operation of the pump (32) and switch the Rankine cycle from the stop step to the operation step. can do.

また、請求項30に記載の発明のように、切替え工程は、ポンプ(32)を作動停止させた後に、膨張機(100)を作動停止させて、ランキンサイクルを運転工程から停止工程に切替えるものとしても良い。   Further, as in the invention described in claim 30, the switching step is to switch the Rankine cycle from the operation step to the stop step by stopping the operation of the expander (100) after stopping the operation of the pump (32). It is also good.

尚、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。   In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each said means is an example which shows a corresponding relationship with the specific means as described in embodiment mentioned later.

(第1実施形態)
本実施形態は、本発明に係るランキンサイクル装置を走行条件に応じてエンジン(本発明における内燃機関に対応)20が停止されるアイドルストップ車両やハイブリッド車両等に適用したものである。ランキンサイクル装置は、エンジン20で発生した廃熱からエネルギーを回収するランキンサイクル30Aと制御装置40とから成るものであり、ランキンサイクル30Aは冷凍サイクル10Aを備えている。そして、ランキンサイクル30Aと冷凍サイクル10Aは制御装置40によって各作動が制御されるようになっており、全体として内燃機関の廃熱利用装置(以下、廃熱利用装置)1を形成している。以下、廃熱利用装置1の全体構成について図1を用いて説明する。
(First embodiment)
In the present embodiment, the Rankine cycle device according to the present invention is applied to an idle stop vehicle, a hybrid vehicle, or the like in which an engine (corresponding to the internal combustion engine in the present invention) 20 is stopped according to traveling conditions. The Rankine cycle device includes a Rankine cycle 30A that recovers energy from waste heat generated by the engine 20 and a control device 40. The Rankine cycle 30A includes a refrigeration cycle 10A. The operation of the Rankine cycle 30A and the refrigeration cycle 10A is controlled by the control device 40, and the waste heat utilization device (hereinafter, waste heat utilization device) 1 of the internal combustion engine is formed as a whole. Hereinafter, the whole structure of the waste heat utilization apparatus 1 is demonstrated using FIG.

膨脹機一体型圧縮機10は、気相冷媒(媒体)を加圧して吐出するポンプモードと、過熱蒸気冷媒(媒体)の膨張時の流体圧を運動エネルギーに変換して機械的エネルギーを出力するモータモードとを兼ね備える流体機械である。放熱器(本発明における第1放熱器、第2放熱器に対応)11は、膨脹機一体型圧縮機10の吐出側(後述する高圧ポート110)に接続されて放熱しながら冷媒を冷却する放冷器である。尚、膨脹機一体型圧縮機10の詳細については後述する。   The expander-integrated compressor 10 outputs a mechanical energy by converting a fluid pressure at the time of expansion of the superheated steam refrigerant (medium) into kinetic energy, and a pump mode in which the gas-phase refrigerant (medium) is pressurized and discharged. It is a fluid machine that also has a motor mode. A radiator (corresponding to the first radiator and the second radiator in the present invention) 11 is connected to a discharge side (a high-pressure port 110 described later) of the expander-integrated compressor 10, and is a discharge that cools the refrigerant while radiating heat. It is a refrigerator. The details of the expander-integrated compressor 10 will be described later.

気液分離器12は放熱器11から流出した冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離するレシーバであり、減圧器13は気液分離器12で分離された液相冷媒を減圧膨脹させるもので、本実施形態では、冷媒を等エンタルピ的に減圧すると共に、膨脹機一体型圧縮機10がポンプモードで作動している時に膨脹機一体型圧縮機10に吸入される冷媒の過熱度が所定値となるように絞り開度を制御する温度式膨脹弁を採用している。   The gas-liquid separator 12 is a receiver that separates the refrigerant that has flowed out of the radiator 11 into a gas-phase refrigerant and a liquid-phase refrigerant, and the decompressor 13 expands the liquid-phase refrigerant separated by the gas-liquid separator 12 under reduced pressure. In this embodiment, the refrigerant is decompressed in an enthalpy manner, and the degree of superheat of the refrigerant sucked into the expander-integrated compressor 10 when the expander-integrated compressor 10 is operating in the pump mode is predetermined. A temperature-type expansion valve that controls the throttle opening so as to be a value is adopted.

蒸発器14は、減圧器13にて減圧された冷媒を蒸発させて吸熱作用を発揮させる吸熱器であり、逆止弁14aは、蒸発器14の冷媒出口側から膨脹機一体型圧縮機10がポンプモードで作動する時の冷媒吸入側(後述する低圧ポート111)にのみ冷媒が流れることを許容するものである。   The evaporator 14 is a heat absorber that evaporates the refrigerant decompressed by the decompressor 13 and exerts an endothermic action. The check valve 14 a is connected to the compressor-integrated compressor 10 from the refrigerant outlet side of the evaporator 14. The refrigerant is allowed to flow only to the refrigerant suction side (low pressure port 111 described later) when operating in the pump mode.

これらの膨脹機一体型圧縮機10、放熱器11、気液分離器12、減圧器13および蒸発器14等にて低温側の熱を高温側に移動させる冷凍サイクル10Aが構成される。   These expander-integrated compressor 10, radiator 11, gas-liquid separator 12, decompressor 13, evaporator 14 and the like constitute a refrigeration cycle 10A that moves the heat on the low temperature side to the high temperature side.

加熱器30は、膨脹機一体型圧縮機10と放熱器11とを繋ぐ冷媒回路に設けられて、この冷媒回路を流れる冷媒とエンジン冷却水とを熱交換することにより冷媒を加熱する熱交換器であり、三方弁21によりエンジン20から流出したエンジン冷却水を加熱器30に循環させる場合と循環させない場合とが切替えられる。三方弁21は後述する制御装置40により制御される。   The heater 30 is provided in a refrigerant circuit that connects the expander-integrated compressor 10 and the radiator 11 and heat-exchanges the refrigerant flowing through the refrigerant circuit and the engine coolant to heat the refrigerant. The three-way valve 21 switches between the case where the engine cooling water flowing out from the engine 20 is circulated to the heater 30 and the case where it is not circulated. The three-way valve 21 is controlled by a control device 40 described later.

第1バイパス回路31は、気液分離器12で分離された液相冷媒(媒体)を加熱器30のうち放熱器11の冷媒入口側に導く冷媒通路であり、この第1バイパス回路31には、液相冷媒を循環させるための液ポンプ(本発明におけるポンプに対応)32および気液分離器12側から加熱器30側にのみ冷媒が流れることを許容する逆止弁31aが設けられている。尚、液ポンプ32は、本実施形態では、電動式のポンプを採用していおり、後述する制御装置40により制御される。   The first bypass circuit 31 is a refrigerant passage that guides the liquid-phase refrigerant (medium) separated by the gas-liquid separator 12 to the refrigerant inlet side of the radiator 11 in the heater 30, and the first bypass circuit 31 includes In addition, a liquid pump (corresponding to the pump in the present invention) 32 for circulating the liquid-phase refrigerant and a check valve 31a that allows the refrigerant to flow only from the gas-liquid separator 12 side to the heater 30 side are provided. . In this embodiment, the liquid pump 32 employs an electric pump and is controlled by a control device 40 described later.

また、第2バイパス回路33は、膨脹機一体型圧縮機10がモータモードで作動する時の冷媒出口側(後述する低圧ポート111)と放熱器11の冷媒入口側とを繋ぐ冷媒通路であり、この第2バイパス回路33には、膨脹機一体型圧縮機10側から放熱器11の冷媒入口側にのみ冷媒が流れることを許容する逆止弁33aが設けられている。   The second bypass circuit 33 is a refrigerant passage that connects the refrigerant outlet side (low-pressure port 111 described later) and the refrigerant inlet side of the radiator 11 when the expander-integrated compressor 10 operates in the motor mode. The second bypass circuit 33 is provided with a check valve 33 a that allows the refrigerant to flow only from the expander-integrated compressor 10 side to the refrigerant inlet side of the radiator 11.

開閉弁34は、放熱器11と加熱器30との間に設けられて、冷媒通路を開閉する電磁式のバルブとしており、後述する制御装置40により制御される。また、膨張機一体型圧縮機10がポンプモードで作動する時の冷媒吐出側(後述する高圧室104側)には、膨張機一体型圧縮機10の作動をポンプモードあるいはモータモードのいずれかに切替える弁機構107が設けられている。この詳細については膨張機一体型圧縮機10と共に後述する。   The on-off valve 34 is an electromagnetic valve that is provided between the radiator 11 and the heater 30 and opens and closes the refrigerant passage, and is controlled by a control device 40 described later. Further, on the refrigerant discharge side (the high pressure chamber 104 side described later) when the expander-integrated compressor 10 operates in the pump mode, the operation of the expander-integrated compressor 10 is set to either the pump mode or the motor mode. A valve mechanism 107 for switching is provided. This will be described later together with the expander-integrated compressor 10.

そして、上記冷凍サイクル10Aの放熱器11を共通使用して、気液分離器12、液ポンプ32、加熱器30、膨張機一体型圧縮機10等にてエンジン20で発生した廃熱からエネルギーを回収するランキンサイクル30Aが構成される。   Then, by using the radiator 11 of the refrigeration cycle 10A in common, the energy from the waste heat generated in the engine 20 by the gas-liquid separator 12, the liquid pump 32, the heater 30, the expander-integrated compressor 10 and the like is used. A Rankine cycle 30A to be collected is configured.

尚、水ポンプ22は、エンジン冷却水を循環させるもので、ラジエータ23はエンジン冷却水と外気とを熱交換してエンジン冷却水を冷却する熱交換器である。水ポンプ22はエンジン20から動力を得て稼動する機械式のポンプであるが、電動モータにて駆動される電動ポンプを用いても良い。   The water pump 22 circulates engine cooling water, and the radiator 23 is a heat exchanger that cools the engine cooling water by exchanging heat between the engine cooling water and outside air. The water pump 22 is a mechanical pump that operates by obtaining power from the engine 20, but an electric pump driven by an electric motor may be used.

また、エンジン20の出口側にはエンジン冷却水の温度を検出する水温センサ24が設けられており、この水温センサ24で検出(出力)された温度信号は、後述する制御装置40に入力される。   Further, a water temperature sensor 24 for detecting the temperature of the engine cooling water is provided on the outlet side of the engine 20, and a temperature signal detected (output) by the water temperature sensor 24 is input to a control device 40 described later. .

制御装置40は、乗員の設定する設定温度や環境条件等に基づいて決定されるA/C要求信号、水温センサ24からの信号等が入力され、これらの信号に基づいて三方弁21、液ポンプ32、開閉弁34、膨張機一体型圧縮機10(弁機構107、回転電機200(詳細後述)、電磁クラッチ300(詳細後述))の作動を制御する。   The control device 40 receives an A / C request signal determined based on a set temperature set by the occupant, environmental conditions, and the like, a signal from the water temperature sensor 24, and the like, and based on these signals, the three-way valve 21, the liquid pump 32, the on-off valve 34, the expander-integrated compressor 10 (valve mechanism 107, rotating electric machine 200 (detailed later), electromagnetic clutch 300 (detailed later)) are controlled.

尚、回転電機200には、バッテリ25からの電力を調整して回転電機200に供給する、あるいは、回転電機200で発生(回生)された電力をバッテリ25に充電するためのインバータ26が設けられている。そして、バッテリ25の電力は、車両の各種電気負荷(ヘッドライト、エンジン補機等)27に供給される。   The rotating electric machine 200 is provided with an inverter 26 for adjusting the electric power from the battery 25 and supplying the electric power to the rotating electric machine 200 or charging the battery 25 with electric power generated (regenerated) by the rotating electric machine 200. ing. The electric power of the battery 25 is supplied to various electric loads (headlights, engine accessories, etc.) 27 of the vehicle.

次に、膨脹機一体型圧縮機10の詳細について、図2を用いて説明する。図2は膨脹機一体型圧縮機10の断面図であり、膨脹機一体型圧縮機10は、気相冷媒を圧縮または膨脹させるポンプモータ機構100、ポンプモータ機構100のシャフト108にて連結された回転電機200、エンジン20からの動力を断続可能にポンプモータ機構100、つまりシャフト108に伝達する動力伝達機構を成す電磁クラッチ300等から構成されている。   Next, details of the expander-integrated compressor 10 will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a cross-sectional view of the expander-integrated compressor 10. The expander-integrated compressor 10 is connected by a pump motor mechanism 100 that compresses or expands a gas-phase refrigerant and a shaft 108 of the pump motor mechanism 100. The rotary electric machine 200 and the pump motor mechanism 100, that is, an electromagnetic clutch 300 constituting a power transmission mechanism for transmitting the power from the engine 20 to the shaft 108 so as to be able to be intermittently connected.

回転電機200は、ステータ210およびステータ210内で回転するロータ220等から成り、ステータハウジング230内に配設されている。本実施形態においては、この回転電機200は、インバータ26を介してバッテリ25からステータ210に電力が供給された場合には、ロータ220を回転させてポンプモータ機構100を駆動する電動機として作動し、また、ロータ220を回転させるトルクが入力された場合には電力を発生させ、この電力をインバータ26を介してバッテリ25に充電する発電機として作動するようにしている。この回転電機200の作動は上記制御装置40により制御される。   The rotating electrical machine 200 includes a stator 210 and a rotor 220 that rotates within the stator 210, and is disposed in the stator housing 230. In the present embodiment, when electric power is supplied from the battery 25 to the stator 210 via the inverter 26, the rotating electrical machine 200 operates as an electric motor that rotates the rotor 220 to drive the pump motor mechanism 100, Further, when a torque for rotating the rotor 220 is input, electric power is generated, and this electric power is operated as a generator that charges the battery 25 via the inverter 26. The operation of the rotating electrical machine 200 is controlled by the control device 40.

電磁クラッチ300は、Vベルトを介してエンジン20からの動力を受けるプーリ部310、磁界を発生させる励磁コイル320、および励磁コイル320により誘起された磁界により電磁力により変位するフリクションプレート330等から成るもので、エンジン20側と膨脹機一体型圧縮機10(シャフト108)側とを繋ぐ時は、励磁コイル320に通電し、エンジン20側と膨脹機一体型圧縮機10側とを切り離す時は、励磁コイル320への通電を遮断する。この電磁クラッチ300の作動は上記制御装置40により制御される。   The electromagnetic clutch 300 includes a pulley section 310 that receives power from the engine 20 via a V-belt, an excitation coil 320 that generates a magnetic field, a friction plate 330 that is displaced by an electromagnetic force by a magnetic field induced by the excitation coil 320, and the like. Therefore, when connecting the engine 20 side and the expander-integrated compressor 10 (shaft 108) side, energizing the excitation coil 320, and disconnecting the engine 20 side and the expander-integrated compressor 10 side, The energization to the exciting coil 320 is cut off. The operation of the electromagnetic clutch 300 is controlled by the control device 40.

そして、ポンプモータ機構100は、周知のスクロール型圧縮機構と同一構造を有するもので、具体的には、ステータハウジング230に対してミドルハウジング101を介して固定された固定スクロール(シェル)102、ミドルハウジング101と固定スクロール102との間の空間で旋回変位する旋回スクロール103、および作動室Vと高圧室104とを連通させる連通路105、106を開閉する弁機構107等から成るものである。   The pump motor mechanism 100 has the same structure as a known scroll-type compression mechanism. Specifically, the pump motor mechanism 100 has a fixed scroll (shell) 102 fixed to the stator housing 230 via the middle housing 101, a middle It comprises a turning scroll 103 that turns and displaces in a space between the housing 101 and the fixed scroll 102, a valve mechanism 107 that opens and closes communication passages 105 and 106 that connect the working chamber V and the high-pressure chamber 104, and the like.

ここで、固定スクロール102は、板状の基板部102aおよび基板部102aからミドルハウジング101側に突出した渦巻状の歯部102bを有して構成され、一方、旋回スクロール103は、歯部102bに接触して噛み合う渦巻状の歯部103b、および歯部103bが形成された基板部103aを有して構成されており、両歯部102b、103bが接触した状態で旋回スクロール103が旋回することにより、両スクロール102、103により形成される作動室Vの体積が縮小(ポンプモード時)、拡大(モータモード時)する。   Here, the fixed scroll 102 is configured to have a plate-like substrate portion 102a and a spiral tooth portion 102b protruding from the substrate portion 102a toward the middle housing 101, while the orbiting scroll 103 is formed on the tooth portion 102b. It is configured to have a spiral tooth portion 103b that contacts and meshes, and a base plate portion 103a on which the tooth portion 103b is formed. The volume of the working chamber V formed by the scrolls 102 and 103 is reduced (in the pump mode) and expanded (in the motor mode).

シャフト108は、ロータ220の回転軸を兼ねると共に、その長手方向端部に回転中心軸に対して偏心した偏心部108aを有するクランクシャフトであり、旋回スクロール103は、ベアリング103cを介して偏心部108aに回転可能に連結されている。   The shaft 108 serves as a rotation axis of the rotor 220 and is a crankshaft having an eccentric portion 108a that is eccentric with respect to the rotation center axis at the longitudinal end portion thereof. It is connected to be rotatable.

また、自転防止機構109は、シャフト108が1回転する間に旋回スクロール103が偏心部108a周りに1回転するようにするものである。このためシャフト108が回転すると、旋回スクロール103は、自転せずにシャフト108の回転中心軸周りを公転旋回し、且つ、作動室Vは、旋回スクロール103の外径側から中心側に変位するほど、その体積が縮小するように変化し、逆に、旋回スクロール103の中心側から外径側に変位するほど、その体積が拡大するように変化する。   Further, the rotation prevention mechanism 109 makes the orbiting scroll 103 rotate once around the eccentric portion 108a while the shaft 108 rotates once. For this reason, when the shaft 108 rotates, the orbiting scroll 103 revolves around the rotation center axis of the shaft 108 without rotating, and the working chamber V is displaced from the outer diameter side to the center side of the orbiting scroll 103. The volume changes so as to decrease, and conversely, as the displacement from the center side of the orbiting scroll 103 to the outer diameter side, the volume changes so as to increase.

また、連通路105は、ポンプモード時に最小体積となる作動室Vと高圧室104とを連通させて圧縮された冷媒を吐出する吐出ポートであり、連通路106はモータモード時に最小体積となる作動室Vと高圧室104とを連通させて高圧室104に導入された高温、高圧の冷媒、つまり過熱蒸気冷媒を作動室Vに導く流入ポートである。   The communication passage 105 is a discharge port that discharges the compressed refrigerant by communicating the working chamber V and the high-pressure chamber 104, which have a minimum volume in the pump mode, and the communication passage 106 has an operation that has the minimum volume in the motor mode. This is an inflow port that leads the high-temperature and high-pressure refrigerant introduced into the high-pressure chamber 104 through communication between the chamber V and the high-pressure chamber 104, that is, superheated vapor refrigerant to the working chamber V.

また、高圧室104は連通路105(以下、吐出ポート105と呼ぶ)から吐出された冷媒の脈動を平滑化する吐出室の機能を有するものであり、この高圧室104には、加熱器30および放熱器11側に接続される高圧ポート110が設けられている。   The high-pressure chamber 104 has a function of a discharge chamber that smoothes the pulsation of the refrigerant discharged from the communication passage 105 (hereinafter referred to as the discharge port 105). The high-pressure chamber 104 includes a heater 30 and A high-pressure port 110 connected to the radiator 11 side is provided.

尚、蒸発器14および第2バイパス回路33側に接続される低圧ポート111は、ステータハウジング230に設けられて、ステータハウジング230、ミドルハウジング101内を経由して両ハウジング101、230と固定スクロール102との間の空間に連通している。   The low-pressure port 111 connected to the evaporator 14 and the second bypass circuit 33 side is provided in the stator housing 230, and passes through the stator housing 230 and the middle housing 101 to both the housings 101, 230 and the fixed scroll 102. Communicated with the space between.

また、吐出弁107aは、吐出ポート105の高圧室104側に配置されて吐出ポート105から吐出された冷媒が高圧室104から作動室Vに逆流することを防止するリード弁状の逆止弁であり、ストッパ107bは吐出弁107aの最大開度を規制する弁止板であり、吐出弁107aおよび弁止板107bはボルト107cにて基板部102aに固定されている。   The discharge valve 107 a is a reed valve-like check valve that is disposed on the high-pressure chamber 104 side of the discharge port 105 and prevents the refrigerant discharged from the discharge port 105 from flowing back from the high-pressure chamber 104 to the working chamber V. The stopper 107b is a valve stop plate that restricts the maximum opening of the discharge valve 107a, and the discharge valve 107a and the valve stop plate 107b are fixed to the substrate portion 102a by bolts 107c.

スプール107dは、連通路106(以下、流入ポート106と呼ぶ)を開閉する弁体であり、電磁弁107eは低圧ポート111側と背圧室107fとの連通状態を制御することにより背圧室107f内の圧力を制御する制御弁であり、バネ107gは流入ポート106を閉じる向きの弾性力をスプール107dに作用させる弾性手段であり、絞り107hは所定の通路抵抗を有して背圧室107fと高圧室104とを連通させる抵抗手段である。   The spool 107d is a valve body that opens and closes the communication passage 106 (hereinafter referred to as the inflow port 106), and the electromagnetic valve 107e controls the communication state between the low pressure port 111 side and the back pressure chamber 107f, thereby controlling the back pressure chamber 107f. The spring 107g is an elastic means that acts on the spool 107d with an elastic force in a direction to close the inflow port 106, and the throttle 107h has a predetermined passage resistance and the back pressure chamber 107f. This is resistance means for communicating with the high-pressure chamber 104.

そして、電磁弁107eを開くと、背圧室107fの圧力が高圧室104より低下してスプール107dがバネ107gを押し縮めながら図2中の右側に変位するので、流入ポート106が開く。尚、絞り107hでの圧力損失は非常に大きいので、高圧室104から背圧室107fに流れ込む冷媒量は無視できるほど小さい。   When the electromagnetic valve 107e is opened, the pressure in the back pressure chamber 107f is lower than that in the high pressure chamber 104, and the spool 107d is displaced to the right in FIG. 2 while pushing and contracting the spring 107g, so that the inflow port 106 is opened. Since the pressure loss at the throttle 107h is very large, the amount of refrigerant flowing from the high pressure chamber 104 into the back pressure chamber 107f is negligibly small.

逆に、電磁弁107eを閉じると、背圧室107fの圧力と高圧室104との圧力が等しくなるので、スプール107dはバネ107gの力により図2中の左側に変位するので、流入ポート106が閉じる。つまり、スプール107d、電磁弁107e、背圧室107f、バネ107gおよび絞り107h等により流入ポート106を開閉するパイロット式の電気開閉弁が構成される。そして、この電気開閉弁と上記の吐出弁107aとによって、ポンプモータ機構100をポンプモードあるいはモータモードに切替えるための弁機構107が構成される。この弁機構107(具体的には電磁弁107e)の作動は上記制御装置40により制御される。   On the other hand, when the electromagnetic valve 107e is closed, the pressure in the back pressure chamber 107f and the pressure in the high pressure chamber 104 become equal, so the spool 107d is displaced to the left in FIG. 2 by the force of the spring 107g. close up. That is, a pilot type electric on-off valve that opens and closes the inflow port 106 is configured by the spool 107d, the electromagnetic valve 107e, the back pressure chamber 107f, the spring 107g, the throttle 107h, and the like. The electric on-off valve and the discharge valve 107a constitute a valve mechanism 107 for switching the pump motor mechanism 100 to a pump mode or a motor mode. The operation of the valve mechanism 107 (specifically, the electromagnetic valve 107e) is controlled by the control device 40.

次に、本実施形態に係る廃熱利用装置1の作動(制御装置40による制御)について、図3に示すメインフローチャートおよび図4〜図6に示すサブフローチャート(サブルーティン)を用いて説明する。尚、各フロー中、ポンプモータ機構100をポンプモードで作動させる場合を「圧縮機」、モータモードで作動させる場合を「膨張機」と表記し、また、回転電機200を発電に使用する場合を「発電機」、電動駆動源として使用する場合を「電動機」と表記している。   Next, the operation (control by the control device 40) of the waste heat utilization apparatus 1 according to the present embodiment will be described using the main flowchart shown in FIG. 3 and the sub-flowcharts (subroutines) shown in FIGS. In each flow, the case where the pump motor mechanism 100 is operated in the pump mode is expressed as “compressor”, the case where the pump motor mechanism 100 is operated in the motor mode is expressed as “expander”, and the case where the rotating electric machine 200 is used for power generation. A “generator” and a case where it is used as an electric drive source are described as “motor”.

まず、乗員からのA/C要求が有ると、制御装置40はステップS100で、空調(冷房)作動を実行する。即ち、膨張機一体型圧縮機10のシャフト108に回転力を与えることによりポンプモータ機構100の旋回スクロール103を旋回させて冷媒を吸入圧縮し(ポンプモード)、冷凍サイクル10Aを作動させる。   First, when there is an A / C request from the occupant, the control device 40 executes an air conditioning (cooling) operation in step S100. That is, by applying a rotational force to the shaft 108 of the expander-integrated compressor 10, the orbiting scroll 103 of the pump motor mechanism 100 is rotated to suck and compress the refrigerant (pump mode), thereby operating the refrigeration cycle 10A.

具体的には、液ポンプ32を停止させた状態で開閉弁34を開き、三方弁21の切替えによって、エンジン冷却水を加熱器30側に循環させないようにする。また、電磁弁107eを閉じてスプール107dによって流入ポート106を閉じた状態でシャフト108を回転させるようにする。   Specifically, the on / off valve 34 is opened with the liquid pump 32 stopped, and the engine cooling water is not circulated to the heater 30 side by switching the three-way valve 21. Further, the shaft 108 is rotated with the solenoid valve 107e closed and the inflow port 106 closed by the spool 107d.

この時、シャフト108に回転力を与えるに当たっては、主に電磁クラッチ300にてエンジン20側と膨脹機一体型圧縮機10側とを繋いでエンジン20の動力により回転力を与える場合(エンジン20作動時)と、電磁クラッチ300にてエンジン20側と膨脹機一体型圧縮機10側とを切り離して回転電機200により回転力を与える場合(エンジン20停止時)とがある。   At this time, when the rotational force is applied to the shaft 108, the rotational force is mainly applied by the power of the engine 20 by connecting the engine 20 side and the expander-integrated compressor 10 side with the electromagnetic clutch 300 (engine 20 operation). And the electromagnetic clutch 300 separates the engine 20 side and the expander-integrated compressor 10 side and applies a rotational force by the rotating electrical machine 200 (when the engine 20 is stopped).

因みに、本実施形態では、シャフト108はロータ220のロータシャフトと共用化されているので、エンジン20の動力によりシャフト108を回転させると、回転電機200が発電機として作動するので、回転電機200で発生した電力をバッテリ25に蓄える、またはステータ210に通電して回転電機200がエンジン20から見たときに動力負荷とならないようにすることが望ましい。   Incidentally, in this embodiment, since the shaft 108 is shared with the rotor shaft of the rotor 220, when the shaft 108 is rotated by the power of the engine 20, the rotating electrical machine 200 operates as a generator. It is desirable to store the generated power in the battery 25 or to energize the stator 210 so that the rotating electrical machine 200 does not become a power load when viewed from the engine 20.

これにより、膨脹機一体型圧縮機10は、周知のスクロール型圧縮機と同様に、低圧ポート111から冷媒を吸引して作動室Vにて圧縮した後、この圧縮した冷媒を吐出ポート105、高圧室104を通して高圧ポート110から吐出する。   As a result, the expander-integrated compressor 10 sucks the refrigerant from the low pressure port 111 and compresses it in the working chamber V, and then discharges the compressed refrigerant to the discharge port 105, the high pressure, as in the known scroll compressor. Discharge from the high-pressure port 110 through the chamber 104.

そして、高圧ポート110から吐出される冷媒は、加熱器30→開閉弁34→放熱器11→気液分離器12→減圧器13→蒸発器14→逆止弁14a→膨脹機一体型圧縮機10の低圧ポート111の順に循環(冷凍サイクル10Aを循環)する。空調空気は蒸発器14で蒸発する冷媒によって吸熱され、冷却されることになる。尚、この時、加熱器30にはエンジン冷却水が循環しないので、加熱器30にて冷媒は加熱されず、加熱器30は単なる冷媒通路として機能する。   The refrigerant discharged from the high-pressure port 110 is the heater 30 → the open / close valve 34 → the radiator 11 → the gas-liquid separator 12 → the decompressor 13 → the evaporator 14 → the check valve 14a → the expander-integrated compressor 10. The low-pressure port 111 is circulated in the order (circulates the refrigeration cycle 10A). The conditioned air is absorbed by the refrigerant evaporated in the evaporator 14 and cooled. At this time, since the engine coolant does not circulate through the heater 30, the refrigerant is not heated by the heater 30, and the heater 30 functions as a simple refrigerant passage.

そして、ステップS110で空調空気冷却の必要が有るか否かを判定する。これは、A/C要求信号における乗員の設定温度に対して、冷却された空調空気温度が高いか否かで判定を行う。このステップS110で冷却の必要ありと判定すると、ステップS120に進み、冷凍サイクル10Aを継続して作動(定常作動)させる。   In step S110, it is determined whether air-conditioning air cooling is necessary. This is determined by whether or not the cooled conditioned air temperature is higher than the set temperature of the occupant in the A / C request signal. If it is determined in step S110 that cooling is necessary, the process proceeds to step S120, and the refrigeration cycle 10A is continuously operated (steady operation).

一方、ステップS110で否、即ち、空調空気温度が充分冷却され、設定温度より低いと判定すると、ステップS130に進み、空調空気の冷却を中断する。これは、電磁クラッチ300を切り離す、あるいは、回転電機200を停止させて、ポンプモータ機構100を停止させることで行う。   On the other hand, if NO in step S110, that is, if it is determined that the conditioned air temperature is sufficiently cooled and lower than the set temperature, the process proceeds to step S130, and cooling of the conditioned air is interrupted. This is performed by disconnecting the electromagnetic clutch 300 or stopping the rotary electric machine 200 and stopping the pump motor mechanism 100.

そして、ステップS140でランキンサイクル30Aを作動させるための条件が成立しているか否かを判定する。これは、エンジン冷却水温度を検出する水温センサ24の検出信号から判定するものとしており、予め定めた所定冷却水温度より高い場合は、エンジン20の廃熱回収(冷却水の熱エネルギーを回収する)が可能であり、ランキンサイクル30Aを作動させるための条件成立と判定し、逆に、エンジン冷却水温度が所定冷却水温度より低いければ、このステップS130では否と判定する。   In step S140, it is determined whether a condition for operating Rankine cycle 30A is satisfied. This is determined from the detection signal of the water temperature sensor 24 that detects the engine coolant temperature. When the temperature is higher than a predetermined coolant temperature, the waste heat recovery of the engine 20 (recovers the heat energy of the coolant). If the engine cooling water temperature is lower than the predetermined cooling water temperature, it is determined NO in step S130.

上記ステップS140で条件成立と判定すれば、ステップS200でランキンサイクル起動作動を実行する。尚、否と判定すれば、ステップS110に戻る。   If it is determined in step S140 that the condition is satisfied, a Rankine cycle start operation is executed in step S200. If NO is determined, the process returns to step S110.

ステップS200は、本発明における第1の特徴部となるステップであり、液ポンプ32とポンプモータ機構100(モータモード)との作動タイミングを事細かに制御するようにしたものとしている。以下、その詳細について、図4に示すサブフローチャートを用いて説明する。   Step S200 is a step that is a first characteristic part in the present invention, and the operation timing of the liquid pump 32 and the pump motor mechanism 100 (motor mode) is finely controlled. The details will be described below using the sub-flowchart shown in FIG.

まず、ステップS210で冷凍サイクル10Aの作動からランキンサイクル30Aの作動に切替える。即ち、開閉弁34を閉じ、三方弁21の切替えによって、エンジン冷却水を加熱器30側に循環させるようにする。   First, in step S210, the operation of the refrigeration cycle 10A is switched to the operation of the Rankine cycle 30A. That is, the on-off valve 34 is closed and the engine cooling water is circulated to the heater 30 side by switching the three-way valve 21.

次に、ステップS220で液ポンプ32を起動し、気液分離器12から加熱器30に送る冷媒の圧力を上昇させる。この時、ポンプモータ機構100の流入ポート106は、まだスプール107dによって閉じられた状態にあるので、冷媒は高圧室104側から作動室Vに流入することは無く(冷媒の膨張が成されない)、液ポンプ32によって冷媒は速やかに上昇することになる。   Next, the liquid pump 32 is started in step S220, and the pressure of the refrigerant sent from the gas-liquid separator 12 to the heater 30 is increased. At this time, since the inflow port 106 of the pump motor mechanism 100 is still closed by the spool 107d, the refrigerant does not flow into the working chamber V from the high pressure chamber 104 side (the refrigerant does not expand). The liquid pump 32 quickly raises the refrigerant.

そして、ステップS230で所定時間(本発明における第1所定時間に対応)t1の経過を待って、ステップS240でポンプモータ機構100をモータモードとなるように(膨張機として)起動させる。尚、所定時間t1は、液ポンプ32によって加熱器30におけるエンジン冷却水の温度に応じた圧力まで冷媒圧力を充分に上昇させるのに必要とされる時間としている。また、モータモードの起動に当たっては、外力による起動が必要となることから、ここでは回転電機200を電動機として作動させ、旋回スクロール103を起動させるようにしている。そして、所定回転数まで上昇させる。因みに、旋回スクロール103の旋回方向はポンプモード時とは逆側となる。   In step S230, after a predetermined time (corresponding to the first predetermined time in the present invention) t1, the pump motor mechanism 100 is activated (as an expander) in the motor mode in step S240. The predetermined time t1 is a time required for the refrigerant pump 32 to sufficiently increase the refrigerant pressure to a pressure corresponding to the temperature of the engine coolant in the heater 30. In addition, since the motor mode needs to be activated by external force, the rotating electric machine 200 is operated as an electric motor and the orbiting scroll 103 is activated. And it raises to predetermined rotation speed. Incidentally, the turning direction of the turning scroll 103 is opposite to that in the pump mode.

更に、ステップS250で電磁弁107eを開き、スプール107dを図2中の右側に摺動させて、流入ポート106を開くことで、ポンプモータ機構100をモータモードが作動可能となるように切替える。以上でステップS200に対応するランキンサイクル30Aの起動作動のサブルーティン(ステップS210〜ステップS250)を終了し、メインフローのステップS300に進む。   Further, in step S250, the solenoid valve 107e is opened, the spool 107d is slid to the right in FIG. 2, and the inflow port 106 is opened, so that the pump motor mechanism 100 is switched so that the motor mode can be operated. This completes the startup operation subroutine (step S210 to step S250) of Rankine cycle 30A corresponding to step S200, and proceeds to step S300 of the main flow.

ステップS300ではランキンサイクル30Aの定常作動制御を行う。ここでは、高圧室104に加熱器30にて加熱された高圧の過熱蒸気冷媒をポンプモータ機構100に導入して膨脹させることにより、旋回スクロール103を旋回させてシャフト108を回転させ、機械的出力を得る。そして、得られた機械的出力によりロータ220を回転させて回転電機200により発電し、その発電された電力をバッテリ25に蓄えるようにしている。   In step S300, steady operation control of Rankine cycle 30A is performed. Here, the high-pressure superheated vapor refrigerant heated by the heater 30 is introduced into the high-pressure chamber 104 into the pump motor mechanism 100 to be expanded, thereby turning the orbiting scroll 103 and rotating the shaft 108 to obtain a mechanical output. Get. Then, the rotor 220 is rotated by the obtained mechanical output to generate electric power by the rotating electric machine 200, and the generated electric power is stored in the battery 25.

具体的には、高圧室104に加熱器30にて加熱された高圧の過熱蒸気冷媒を流入ポート106を経由させて作動室Vに導入して膨脹させる。これにより、上記ステップS240で回転電機200によって旋回を開始した旋回スクロール103が過熱蒸気の膨脹により旋回する。この時点で、回転電機200の電動機としての作動を停止する。そして、膨脹を終えて圧力が低下した冷媒は、低圧ポート111から流出すると共に、旋回スクロール103に与えられた回転エネルギーは、回転電機200のロータ220に伝達される。   Specifically, the high-pressure superheated vapor refrigerant heated by the heater 30 is introduced into the working chamber V via the inflow port 106 and expanded in the high-pressure chamber 104. As a result, the orbiting scroll 103 that has started turning by the rotary electric machine 200 in step S240 is turned by the expansion of the superheated steam. At this time, the operation of the rotating electric machine 200 as an electric motor is stopped. Then, the refrigerant whose pressure has been reduced after finishing the expansion flows out from the low pressure port 111, and the rotational energy given to the orbiting scroll 103 is transmitted to the rotor 220 of the rotating electrical machine 200.

そして、低圧ポート111から流出される冷媒は、第2バイパス回路33→逆止弁33a→放熱器11→気液分離器12→第1バイパス回路31→逆止弁31a→液ポンプ32→加熱器30→膨脹機一体型圧縮機10(高圧ポート110)の順に循環することになる(ランキンサイクル30Aを循環)。   And the refrigerant | coolant which flows out out of the low voltage | pressure port 111 is 2nd bypass circuit 33-> check valve 33a-> radiator 11-> gas-liquid separator 12-> 1st bypass circuit 31-> check valve 31a-> liquid pump 32-> heater 30 → The expansion unit-integrated compressor 10 (high pressure port 110) is circulated in this order (circulating through the Rankine cycle 30A).

ランキンサイクル30Aの作動中は、回転電機200で最大の発電電力が得られるように、エンジン冷却水温度に応じて回転電機200の回転数を調節する。即ち、エンジン冷却水温度に対して加熱器30を流通する冷媒の圧力が高すぎる場合は、回転電機200の回転数を上昇させ膨張を速めて圧力を低下させる。逆に、冷媒の圧力が低すぎる場合は、回転数を下降させ膨張速度を落として圧力を上昇させる。このようにしてランキンサイクル30Aの作動バランスを保ち、高い発電力を得るようにする。   During the operation of the Rankine cycle 30 </ b> A, the rotational speed of the rotating electrical machine 200 is adjusted according to the engine coolant temperature so that the maximum generated power can be obtained by the rotating electrical machine 200. That is, when the pressure of the refrigerant flowing through the heater 30 is too high with respect to the engine coolant temperature, the rotational speed of the rotating electrical machine 200 is increased to accelerate expansion and decrease the pressure. On the other hand, when the pressure of the refrigerant is too low, the number of rotations is decreased to increase the pressure by decreasing the expansion speed. In this way, the operation balance of the Rankine cycle 30A is maintained, and high power generation is obtained.

上記のランキンサイクル30Aの定常作動を行った後に、ステップS110と同様に、ステップS310で空調空気冷却の必要が有るか否かを判定する。これは、ランキンサイクル30Aを作動させている間は、冷凍サイクル10Aが停止されているため、空調空気が設定温度よりも高くなっていないかを確認するものである。   After performing the steady operation of the Rankine cycle 30A, it is determined in step S310 whether air-conditioning air cooling is necessary as in step S110. This is to confirm whether the conditioned air is higher than the set temperature because the refrigeration cycle 10A is stopped while the Rankine cycle 30A is being operated.

ステップS310で否と判定すれば、ステップS300を繰り返し、必要ありと判定すると、ステップS320でランキンサイクル30Aを中断する。ここでは、三方弁21の切替えによって、エンジン冷却水が加熱器30を流れないようにする。   If it is determined NO in step S310, step S300 is repeated. If it is determined that it is necessary, the Rankine cycle 30A is interrupted in step S320. Here, the engine cooling water is prevented from flowing through the heater 30 by switching the three-way valve 21.

そして、ステップS400で冷凍サイクル10Aの復帰作動を実行する。このステップS400は、本発明における第2の特徴部となるステップであり、液ポンプ32とポンプモータ機構100(モータモード)との停止タイミングおよびポンプモータ機構100(ポンプモード)の起動方法を事細かに制御するようにしたものとしている。以下、その詳細について、図5、図6に示すサブフローチャートを用いて説明する。   In step S400, the return operation of the refrigeration cycle 10A is executed. This step S400 is a step that is a second characteristic part in the present invention, and details a stop timing of the liquid pump 32 and the pump motor mechanism 100 (motor mode) and a starting method of the pump motor mechanism 100 (pump mode). It is supposed to be controlled. The details will be described below with reference to the sub-flow charts shown in FIGS.

まず、ステップS405で液ポンプ32を停止させる一方、ステップS410で回転電機200による発電回生を継続する。そして、ステップS415Aで液ポンプ32を停止してから所定時間(本発明における第2所定時間に対応)t2を経過したか否かを判定する。尚、所定時間t2は、液ポンプ32の停止に伴って、加熱器30からの過熱蒸気冷媒の圧力が低下していき、ポンプモータ機構100での膨張が得られなくなるまでに要する時間としている。   First, in step S405, the liquid pump 32 is stopped, and in step S410, power generation regeneration by the rotating electrical machine 200 is continued. Then, it is determined whether or not a predetermined time (corresponding to the second predetermined time in the present invention) t2 has elapsed since the liquid pump 32 was stopped in step S415A. The predetermined time t2 is a time required until the pressure of the superheated steam refrigerant from the heater 30 decreases as the liquid pump 32 stops, and expansion in the pump motor mechanism 100 cannot be obtained.

ステップS415Aで否と判定すればステップS410を繰り返し、経過したと判定するとステップS420でポンプモータ機構100を停止し、ポンプモード作動可能となるようにする。具体的には、電磁弁107eを閉じて、スプール107dによって流入ポート106を閉じる。そして、ステップS425で回転電機200を停止する(発電停止)。更に、ステップS430で開閉弁34を開くことによって、ランキンサイクル30Aから冷凍サイクル10Aへの切替えを行う。   If it is determined NO in step S415A, step S410 is repeated. If it is determined that the time has elapsed, the pump motor mechanism 100 is stopped in step S420 so that the pump mode can be operated. Specifically, the electromagnetic valve 107e is closed, and the inflow port 106 is closed by the spool 107d. In step S425, the rotating electrical machine 200 is stopped (power generation is stopped). Furthermore, switching from Rankine cycle 30A to refrigeration cycle 10A is performed by opening on-off valve 34 in step S430.

次に、冷凍サイクル10Aを作動(空調モードスタート)させるに当たって、ステップS435で直前までランキンサイクル30Aの作動が実行されていたか否かを判定し、実行していたと判定するとステップS440でポンプモータ機構100の低圧側圧力が所定圧力(本発明における第3所定圧力に対応)P3以上か否かを判定し、所定圧力P3以上であると判定すると、ステップS445に進む。尚、所定圧力P3は、ポンプモータ機構100をポンプモードで起動させる時に、低圧側圧力として過度の起動トルクを必要としない圧力としている。   Next, when operating the refrigeration cycle 10A (air-conditioning mode start), it is determined in step S435 whether or not the operation of the Rankine cycle 30A has been executed immediately before, and if it is determined that it has been executed, the pump motor mechanism 100 is determined in step S440. It is determined whether or not the low pressure side pressure is equal to or higher than a predetermined pressure (corresponding to the third predetermined pressure in the present invention) P3, and if it is determined to be equal to or higher than the predetermined pressure P3, the process proceeds to step S445. The predetermined pressure P3 is a pressure that does not require excessive starting torque as the low-pressure side pressure when the pump motor mechanism 100 is started in the pump mode.

ステップS445では回転電機200を電動機として作動させ、ポンプモータ機構100をポンプモードで起動させる。そして、低圧側圧力が所定圧力P3以下に低下した時点で、ステップS450でポンプモータ機構100の駆動を回転電機200からエンジン20に切替える。これは、回転電機200を停止させると共に、電磁クラッチ300を繋げることで行う。   In step S445, the rotary electric machine 200 is operated as an electric motor, and the pump motor mechanism 100 is activated in the pump mode. When the low-pressure side pressure drops below the predetermined pressure P3, the drive of the pump motor mechanism 100 is switched from the rotating electrical machine 200 to the engine 20 in step S450. This is done by stopping the rotating electrical machine 200 and connecting the electromagnetic clutch 300.

尚、ステップS435で否と判定すれば、低圧側圧力の判定は不要としてステップS445に進み、また、ステップS440で否と判定すれば、低圧側圧力が充分低下していると判断して、回転電機200でのポンプモータ機構100の起動を不要として、直接ステップS450でエンジン20による駆動を行うようにしている。そして、最初に説明したステップS120の冷凍サイクル10Aの定常作動に移行する。   If it is determined NO in step S435, the determination of the low-pressure side pressure is unnecessary, and the process proceeds to step S445. If NO is determined in step S440, it is determined that the low-pressure side pressure is sufficiently reduced, and the rotation is performed. The pump motor mechanism 100 is not required to be activated by the electric machine 200, and is directly driven by the engine 20 in step S450. And it transfers to the steady operation of refrigeration cycle 10A of step S120 demonstrated initially.

以上の構成説明および作動説明より、本実施形態では以下の作用効果が得られる。   From the above configuration description and operation description, the following operational effects are obtained in the present embodiment.

まず、冷凍サイクル10Aの作動からランキンサイクル30Aの作動に切替えるために、ランキンサイクル30Aを運転状態に切替える際に、液ポンプ32を作動させた後に所定時間t1経過してからポンプモータ機構100をモータモードで作動させるようにしているので(ステップS220〜ステップS240)、液ポンプ32作動時はポンプモータ機構100からの冷媒の流出(膨張)が無く、短時間で液ポンプ32による冷媒の加圧が成され、その後に作動されるポンプモータ機構100からの機械的エネルギーを充分に引き出すことができる。   First, in order to switch from the operation of the refrigeration cycle 10A to the operation of the Rankine cycle 30A, when the Rankine cycle 30A is switched to the operating state, the pump motor mechanism 100 is operated after a predetermined time t1 has elapsed after the liquid pump 32 is operated. Since the operation is performed in the mode (steps S220 to S240), there is no outflow (expansion) of the refrigerant from the pump motor mechanism 100 when the liquid pump 32 is operated, and the liquid pump 32 pressurizes the refrigerant in a short time. The mechanical energy from the pump motor mechanism 100 that is formed and subsequently operated can be sufficiently extracted.

そして、ポンプモータ機構100をモータモードで作動させる時に、回転電機200を外力として予め起動しておくので(ステップS240)、ポンプモータ機構100をスムースに作動させることができる。   When the pump motor mechanism 100 is operated in the motor mode, the rotary electric machine 200 is activated in advance as an external force (step S240), so that the pump motor mechanism 100 can be operated smoothly.

この時、回転電機200を電動機として作動させた後に、スプール107dによって流入ポート106を開いてポンプモードからモータモードに切替えるので(ステップS240〜ステップS250)、切替え直後から加熱された冷媒を有効に動力に変換することができる。   At this time, after the rotary electric machine 200 is operated as an electric motor, the inflow port 106 is opened by the spool 107d and the pump mode is switched to the motor mode (step S240 to step S250), so that the heated refrigerant is effectively powered immediately after the switching. Can be converted to

また、ランキンサイクル30Aの作動状態から冷凍サイクル10Aの作動状態に切替えるために、ランキンサイクル30Aを停止状態に切替える際に、液ポンプ32を停止させた後に(所定時間t2経過後に)、モータモードで作動中のポンプモータ機構100を停止させるようにしているので(ステップS405〜ステップS420)、まだ加圧された状態で残る加熱器30からの過熱蒸気冷媒を用いて、所定時間t2の間ポンプモータ機構100で膨張させ、冷媒の熱エネルギーを無駄なく機械的エネルギーに回生できる。   Further, in order to switch from the operating state of the Rankine cycle 30A to the operating state of the refrigeration cycle 10A, when the Rankine cycle 30A is switched to the stopped state, the liquid pump 32 is stopped (after the predetermined time t2 has elapsed), and then the motor mode Since the pump motor mechanism 100 in operation is stopped (steps S405 to S420), the pump motor is used for a predetermined time t2 by using the superheated vapor refrigerant from the heater 30 that remains pressurized. It is expanded by the mechanism 100, and the heat energy of the refrigerant can be regenerated to mechanical energy without waste.

この時、ポンプモータ機構100の作動によって冷媒の圧力が低下され、冷凍サイクル10Aを始動させる際に、ポンプモードで作動させるポンプモータ機構100の起動トルクが高くなるのを防止し、エンジン20に対する動力負荷を低減できる。   At this time, the pressure of the refrigerant is reduced by the operation of the pump motor mechanism 100, and when starting the refrigeration cycle 10A, the starting torque of the pump motor mechanism 100 operated in the pump mode is prevented from increasing, and the power to the engine 20 is increased. The load can be reduced.

更に、ポンプモータ機構100を停止させる時には、スプール107dによって流入ポート106を閉じてモータモードからポンプモードに切替えた後に、回転電機200の回転を止めるようにしているので(ステップS420〜ステップS425)、ポンプモータ機構100のモータモード(膨張)による回転力がなくなった上で回転電機200の回転を停止させることになり、回転電機200が膨張時の回転力を打ち消すブレーキとして作用することがなく、無駄な電力を消費することがない。   Furthermore, when the pump motor mechanism 100 is stopped, the rotation of the rotating electrical machine 200 is stopped after the inflow port 106 is closed by the spool 107d and the motor mode is switched to the pump mode (steps S420 to S425). The rotation of the rotary electric machine 200 is stopped after the rotational force due to the motor mode (expansion) of the pump motor mechanism 100 is lost, and the rotary electric machine 200 does not act as a brake that counteracts the rotational force at the time of expansion. Power consumption.

また、ポンプモータ機構100をポンプモードで作動させる時に、回転電機200で起動させた後にエンジン20で作動させるようにしているので(ステップS445〜ステップS450)、ポンプモータ機構100を起動させるためのトルクがエンジン20に掛からないようにすることができ、エンジン20にショックを与えることがなくなり、乗員に不快感を与えることが無い。   Further, when the pump motor mechanism 100 is operated in the pump mode, the pump motor mechanism 100 is activated by the rotary electric machine 200 and then the engine 20 (step S445 to step S450). Can be prevented from being applied to the engine 20, so that the engine 20 is not shocked and the passenger is not uncomfortable.

この時、ポンプモータ機構100の低圧側圧力に応じて、回転電機200による起動の要否を決定しているので(ステップS440〜ステップS445)、回転電機200を無駄に作動させることを防止できる。   At this time, since the necessity of activation by the rotating electrical machine 200 is determined according to the low-pressure side pressure of the pump motor mechanism 100 (steps S440 to S445), it is possible to prevent the rotating electrical machine 200 from operating wastefully.

更に、ポンプモータ機構100を圧縮機と膨張機とを兼用できるようにしているので、コンパクトな廃熱利用装置1とすることができる。   Furthermore, since the pump motor mechanism 100 can be used as both a compressor and an expander, a compact waste heat utilization apparatus 1 can be obtained.

尚、図4におけるサブフローチャートで、ステップS230の判定値を液ポンプ32起動からの時間(所定時間t1)に代えて、液ポンプ32によって加圧される冷媒の圧力としても良く、予め定めた所定圧力(本発明における第1所定圧力に対応)P1以上でポンプモータ機構100をモータモードで作動させるようにすれば良い。   In the sub-flowchart in FIG. 4, the determination value in step S230 may be the pressure of the refrigerant pressurized by the liquid pump 32 instead of the time from the start of the liquid pump 32 (predetermined time t1). The pump motor mechanism 100 may be operated in the motor mode at a pressure (corresponding to the first predetermined pressure in the present invention) P1 or higher.

また、図6におけるサブフローチャートで、ステップS440〜ステップS445のように、低圧側圧力に基づいて回転電機200によるポンプモータ機構100の作動を行うようにしたが、これに代えて、予め定めた所定時間(本発明における第3所定時間に対応)t3だけ回転電機200で作動させた後にエンジン20で作動させるようにしても良い。   In the sub-flowchart in FIG. 6, the pump motor mechanism 100 is operated by the rotating electrical machine 200 based on the low-pressure side pressure as in steps S440 to S445. The engine 20 may be operated after being operated by the rotating electrical machine 200 for a time (corresponding to the third predetermined time in the present invention) t3.

(第2実施形態)
本発明の第2実施形態を図7〜図9に示す。これは、図5で説明した冷凍サイクル10Aの復帰作動実行する際のフロー中ステップS415Aを変更したものである。
(Second Embodiment)
A second embodiment of the present invention is shown in FIGS. This is a modification of step S415A during the flow when the return operation of the refrigeration cycle 10A described in FIG. 5 is executed.

即ち、ステップS405の液ポンプ32を停止した後に、ステップS420のポンプモータ機構100のモータモードを停止し、ポンプモードへ切替えるための判定として、図7のステップS415Bに示すように、液ポンプ32によって加圧された冷媒の圧力(ランキンサイクル30Aの高圧側圧力)が、所定圧力(本発明における第2所定圧力に対応)P2以下に低下したか否かを判定するものにしても良い。尚、所定圧力P2は、ポンプモータ機構100での膨張が得られなくなる圧力としている。   That is, after stopping the liquid pump 32 in step S405, as a determination for stopping the motor mode of the pump motor mechanism 100 in step S420 and switching to the pump mode, as shown in step S415B of FIG. It may be determined whether or not the pressure of the pressurized refrigerant (high-pressure side pressure of Rankine cycle 30A) has decreased to a predetermined pressure (corresponding to the second predetermined pressure in the present invention) P2 or less. The predetermined pressure P2 is a pressure at which expansion in the pump motor mechanism 100 cannot be obtained.

また、図8のステップS415Cに示すように、液ポンプ32の高圧側と低圧側との圧力差が所定圧力差ΔP以下に低下したか否かを判定するものにしても良い。   Further, as shown in step S415C of FIG. 8, it may be determined whether or not the pressure difference between the high pressure side and the low pressure side of the liquid pump 32 has dropped below a predetermined pressure difference ΔP.

これによれば、所定圧力P2を用いた場合では(ステップS415B)、ランキンサイクル30Aの高圧側圧力が低いレベルで作動していると、所定圧力P2は甘い判定値となってしまうが、所定圧力差ΔPを用いることで、ポンプモータ機構100のモータモードを停止状態とする判定をより確実なものにすることができる。   According to this, when the predetermined pressure P2 is used (step S415B), if the high pressure side pressure of the Rankine cycle 30A is operating at a low level, the predetermined pressure P2 becomes a sweet judgment value. By using the difference ΔP, the determination that the motor mode of the pump motor mechanism 100 is stopped can be made more reliable.

更に、図9のステップS415Dに示すように、回転電機200の発電量が所定発電量W以下に低下したか否かを判定するものにしても良い。   Furthermore, as shown in step S415D of FIG. 9, it may be determined whether or not the power generation amount of the rotating electrical machine 200 has decreased to a predetermined power generation amount W or less.

(第3実施形態)
本発明の第3実施形態を図10に示す。第3実施形態は、上記第1実施形態に対して、膨張機一体型圧縮機10を変更したものである。
(Third embodiment)
A third embodiment of the present invention is shown in FIG. 3rd Embodiment changes the expander integrated compressor 10 with respect to the said 1st Embodiment.

ここでは、ポンプモータ機構100、回転電機200および電磁クラッチ300間において、動力伝達経路を切替えると共に、その回転動力の回転数を減速または増速して伝達する遊星歯車機構から成る変速機構400を追加している。   Here, a power transmission path is switched among the pump motor mechanism 100, the rotary electric machine 200, and the electromagnetic clutch 300, and a speed change mechanism 400 including a planetary gear mechanism that transmits the rotational power of the rotational power by reducing or increasing the speed is added. doing.

変速機構400は、中心部に設けられたサンギヤ401と、サンギヤ401の外周で自転しつつ公転するピニオンギヤ402aに連結されるプラネタリーキャリヤ402と、ピニオンギヤ402aの更に外周に設けられたリング状のリングギヤ403とから成るものである。   The speed change mechanism 400 includes a sun gear 401 provided in the center, a planetary carrier 402 connected to a pinion gear 402a that revolves around the outer periphery of the sun gear 401, and a ring-shaped ring gear provided further on the outer periphery of the pinion gear 402a. 403.

そして、サンギヤ401は、回転電機200のロータ220と一体化され、プラネタリーキャリヤ402は、電磁クラッチ300のフリクションプレート330と一体的に回転するシャフト331に一体化され、更に、リングギヤ403は、シャフト108に一体化されている。   The sun gear 401 is integrated with the rotor 220 of the rotating electrical machine 200, the planetary carrier 402 is integrated with the shaft 331 that rotates integrally with the friction plate 330 of the electromagnetic clutch 300, and the ring gear 403 is further integrated with the shaft 331. 108 is integrated.

シャフト331とステータハウジング230との間には、ワンウェイクラッチ500が介在されている。ワンウェイクラッチ500は、シャフト331が一方向(プーリ部310の回転方向)にのみ回転することを許容するものである。また、軸受け404はサンギヤ401、つまりロータ220をシャフト331に対して回転可能に支持するものであり、軸受け405はシャフト331(プラネタリーキャリヤ402)をシャフト108に対して回転可能に支持するものである。   A one-way clutch 500 is interposed between the shaft 331 and the stator housing 230. The one-way clutch 500 allows the shaft 331 to rotate only in one direction (the rotation direction of the pulley unit 310). The bearing 404 supports the sun gear 401, that is, the rotor 220 so as to be rotatable with respect to the shaft 331, and the bearing 405 supports the shaft 331 (planetary carrier 402) so as to be rotatable with respect to the shaft 108. is there.

そして、電磁クラッチ300にてエンジン20側と膨脹機一体型圧縮機10側とを繋いでエンジン20の動力により回転力を与える場合には、サンギヤ401、つまりロータ220が回転しない程度のトルクがロータ220に発生するように回転電機200に通電することで、ポンプモータ機構100が増速されてポンプモードで作動する。また、回転電機200の回転数を可変させることで、ポンプモータ機構100の変速(増速、減速)が可能となる。   When the electromagnetic clutch 300 connects the engine 20 side and the expander-integrated compressor 10 side to give a rotational force by the power of the engine 20, torque sufficient to prevent the sun gear 401, ie, the rotor 220, from rotating. By energizing the rotary electric machine 200 so as to be generated at 220, the pump motor mechanism 100 is accelerated and operates in the pump mode. Further, by changing the rotation speed of the rotating electrical machine 200, the pump motor mechanism 100 can be shifted (increased or decelerated).

尚、電磁クラッチ300にてエンジン20側と膨脹機一体型圧縮機10側とを切り離して回転電機200により回転力を与える場合には、回転電機200に通電して、プーリ部310の回転方向とは逆回転方向に作動させることで、ポンプモータ機構100がポンプモードで作動する。この時、シャフト331(プラネタリーキャリヤ402)は、ワンウェイクラッチ500によりロックされ回転しないので、回転電機200の回転力は、変速機構400にて減速されてポンプモータ機構100に伝達される。   When the electromagnetic clutch 300 separates the engine 20 side and the expander-integrated compressor 10 side to apply a rotational force by the rotating electrical machine 200, the rotating electrical machine 200 is energized to determine the rotation direction of the pulley unit 310. By operating in the reverse direction, the pump motor mechanism 100 operates in the pump mode. At this time, since the shaft 331 (planetary carrier 402) is locked by the one-way clutch 500 and does not rotate, the rotational force of the rotating electrical machine 200 is decelerated by the transmission mechanism 400 and transmitted to the pump motor mechanism 100.

そして、電磁クラッチ300を切り離した状態でポンプモータ機構100に加熱器30からの過熱蒸気冷媒を流入させることで、ポンプモータ機構100はモータモードで作動する。この時、シャフト331(プラネタリーキャリヤ402)は、ワンウェイクラッチ500によりロックされ回転しないので、ポンプモータ機構100の回転力は、変速機構400にて増速されて回転電機200に伝達され、回転電機200での発電が可能となる。   The pump motor mechanism 100 operates in the motor mode by allowing the superheated vapor refrigerant from the heater 30 to flow into the pump motor mechanism 100 with the electromagnetic clutch 300 disconnected. At this time, the shaft 331 (planetary carrier 402) is locked by the one-way clutch 500 and does not rotate. Therefore, the rotational force of the pump motor mechanism 100 is increased by the speed change mechanism 400 and transmitted to the rotating electrical machine 200. Power generation at 200 is possible.

このような膨張機一体型圧縮機10を用いた場合、冷凍サイクル10Aの作動中においては、ロータ220を回転許容状態にすることで回転電機200は発電機として作動されるので、冷凍サイクル10Aの復帰作動実行(図3中のステップS400)においては、図5中で説明したステップS425の発電機停止の制御は廃止するのが良く、停止させることによる回転電機200の減速、加速に伴う損失を無くして、省動力制御とすることができる。   When such an expander-integrated compressor 10 is used, during operation of the refrigeration cycle 10A, the rotating electric machine 200 is operated as a generator by setting the rotor 220 in a rotation-permitted state. In the return operation execution (step S400 in FIG. 3), the generator stop control in step S425 described in FIG. 5 is preferably abolished, and the loss associated with the deceleration and acceleration of the rotating electrical machine 200 due to the stop is good. Eliminating power saving control can be achieved.

(第4実施形態)
本発明の第4実施形態を図11に示す。上記第1〜第3実施形態における膨張機一体型圧縮機10は、動力伝達機構としての電磁クラッチ300を備え、ポンプモータ機構100をポンプモードで作動させる場合には、エンジン20の駆動力あるいは回転電機(電動機)200の駆動力を用いるものとしていたが、これに限らず、電磁クラッチ300を廃止して、回転電機(電動機)200の駆動力のみでポンプモードの作動を可能とするようにしても良い。
(Fourth embodiment)
A fourth embodiment of the present invention is shown in FIG. The expander-integrated compressor 10 in the first to third embodiments includes an electromagnetic clutch 300 as a power transmission mechanism, and when the pump motor mechanism 100 is operated in the pump mode, the driving force or rotation of the engine 20 Although the driving force of the electric machine (electric motor) 200 is used, the present invention is not limited to this, and the electromagnetic clutch 300 is abolished so that the pump mode can be operated only by the driving force of the rotating electric machine (electric motor) 200. Also good.

(第5実施形態)
本発明の第5実施形態を図12、図13に示す。第5実施形態は、上記第4実施形態に対して、液ポンプ32を熱媒ポンプ600に変更すると共に、熱媒ポンプ600を膨張機一体型圧縮機10に一体的に接続したものである。
(Fifth embodiment)
A fifth embodiment of the present invention is shown in FIGS. The fifth embodiment is different from the fourth embodiment in that the liquid pump 32 is changed to the heat medium pump 600 and the heat medium pump 600 is integrally connected to the expander-integrated compressor 10.

熱媒ポンプ600は、回転電機200の反ポンプモータ機構側に配設されて、ステータハウジング230に固定されるポンプハウジング601内に収容されている。熱媒ポンプ600は、ポンプモータ機構100と同様に、基板部602a、歯部602bから成る固定スクロール602と、基板部603a、歯部603bから成る旋回スクロール603とを有している。固定スクロール602は、ポンプハウジング601に固定され、旋回スクロール603は、ポンプハウジング601と固定スクロール602とによって形成される空間内に配設されている。尚、旋回スクロール603は、自転防止機構605によって、自転が防止されつつ、公転旋回可能となっている。   The heat medium pump 600 is disposed on the anti-pump motor mechanism side of the rotating electrical machine 200 and is accommodated in a pump housing 601 fixed to the stator housing 230. Similar to the pump motor mechanism 100, the heat medium pump 600 includes a fixed scroll 602 including a substrate portion 602a and a tooth portion 602b, and a turning scroll 603 including a substrate portion 603a and a tooth portion 603b. The fixed scroll 602 is fixed to the pump housing 601, and the orbiting scroll 603 is disposed in a space formed by the pump housing 601 and the fixed scroll 602. Note that the orbiting scroll 603 can be revolved while being prevented from rotating by the rotation prevention mechanism 605.

ポンプハウジング601には、気液分離器12側から接続されて、ポンプハウジング601の内部および旋回スクロール603側に連通する流入ポート601aが設けられている。また、固定スクロール602には、両スクロール602、603によって形成される作動室Pから加熱器30側に接続される吐出ポート602cが設けられている。   The pump housing 601 is provided with an inflow port 601a that is connected from the gas-liquid separator 12 side and communicates with the inside of the pump housing 601 and the orbiting scroll 603 side. Further, the fixed scroll 602 is provided with a discharge port 602c connected from the working chamber P formed by both scrolls 602 and 603 to the heater 30 side.

ポンプ軸604は、ポンプハウジング601に固定された軸受け604cによって回転可能に支持されて、一方の長手方向端部に回転中心軸に対して偏心した偏心部604aを有し、ブッシング604b、ベアリング603cを介して旋回スクロール603に連結されている。また、ポンプ軸604の他方の長手方向端部は、シャフト108の他端側と接続されている。ここで、ポンプ軸604の他方側には、穴部604dが設けられており、直径が細く形成されたシャフト108の他端側が挿入されている。そして、シャフト108とポンプ軸604との間には、ワンウェイクラッチ700が設けられている。このワンウェイクラッチ700は、シャフト108が逆方向回転した時に、ポンプ軸604に噛み合うことで、ポンプ軸604を回転させ、また、シャフト108が正方向回転した時に、ポンプ軸604との噛み合いが外れて、シャフト108とポンプ軸604とが切断される(ポンプ軸604が回転されない)ものとしている。   The pump shaft 604 is rotatably supported by a bearing 604c fixed to the pump housing 601. The pump shaft 604 has an eccentric portion 604a that is eccentric with respect to the rotation center axis at one longitudinal end portion, and a bushing 604b and a bearing 603c are provided. Via the orbiting scroll 603. The other longitudinal end of the pump shaft 604 is connected to the other end of the shaft 108. Here, a hole 604d is provided on the other side of the pump shaft 604, and the other end side of the shaft 108 having a small diameter is inserted. A one-way clutch 700 is provided between the shaft 108 and the pump shaft 604. The one-way clutch 700 rotates the pump shaft 604 by meshing with the pump shaft 604 when the shaft 108 rotates in the reverse direction, and disengages from the pump shaft 604 when the shaft 108 rotates in the forward direction. The shaft 108 and the pump shaft 604 are disconnected (the pump shaft 604 is not rotated).

尚、ステータハウジング230とポンプ軸604との間には、回転電機200と熱媒ポンプ600との間をシールする軸封装置としての軸シール800が設けられている。   A shaft seal 800 is provided between the stator housing 230 and the pump shaft 604 as a shaft seal device that seals between the rotating electrical machine 200 and the heat medium pump 600.

上記膨張機一体型圧縮機10を用いた廃熱利用装置1においては、制御装置40は、冷凍サイクル10Aを作動させる時に回転電機200を電動機として作動させ、シャフト108に回転力(正方向回転)を与えることによりポンプモータ機構100の旋回スクロール103を旋回させて冷媒を吸入圧縮させる(ポンプモード)。   In the waste heat utilization apparatus 1 using the expander-integrated compressor 10, the control device 40 operates the rotating electrical machine 200 as an electric motor when operating the refrigeration cycle 10A, and causes the shaft 108 to rotate (forward rotation). To turn the orbiting scroll 103 of the pump motor mechanism 100 to suck and compress the refrigerant (pump mode).

尚、上記ポンプモードにおいて、熱媒ポンプ600のポンプ軸604は、ワンウェイクラッチ700によってシャフト108との噛み合いが外れるので、熱媒ポンプ600は停止状態となって、回転電機200における作動抵抗とならない。   In the pump mode, since the pump shaft 604 of the heat medium pump 600 is disengaged from the shaft 108 by the one-way clutch 700, the heat medium pump 600 is stopped and does not become an operating resistance in the rotating electrical machine 200.

また、制御装置40は、ランキンサイクル30Aを起動させる時には、回転電機200を電動機として作動させる(逆方向回転)。この時、熱媒ポンプ600のポンプ軸604がワンウェイクラッチ700によってシャフト108と噛み合い、熱媒ポンプ600が駆動される。そして、加熱器30によって加熱された高圧の過熱蒸気冷媒が、ポンプモータ機構100の作動室Vに導入されて膨脹する(モータモード)。過熱蒸気冷媒の膨脹により旋回スクロール103がポンプモード時に対して逆方向に旋回し、シャフト108に与えられた駆動力は、回転電機200のロータ220に伝達される。そして、シャフト108に伝達された駆動力が熱媒ポンプ600駆動のための駆動力を超えると、ポンプモータ機構100によって熱媒ポンプ600は作動されることになり、また、回転電機200は発電機として作動されることになる。回転電機200によって得られた電力はインバータ26によってバッテリ25に充電される。   Moreover, the control apparatus 40 operates the rotary electric machine 200 as an electric motor (reverse direction rotation) when starting Rankine cycle 30A. At this time, the pump shaft 604 of the heat medium pump 600 is engaged with the shaft 108 by the one-way clutch 700, and the heat medium pump 600 is driven. Then, the high-pressure superheated vapor refrigerant heated by the heater 30 is introduced into the working chamber V of the pump motor mechanism 100 and expands (motor mode). Due to the expansion of the superheated steam refrigerant, the orbiting scroll 103 orbits in the opposite direction to that in the pump mode, and the driving force applied to the shaft 108 is transmitted to the rotor 220 of the rotating electrical machine 200. When the driving force transmitted to the shaft 108 exceeds the driving force for driving the heat medium pump 600, the heat medium pump 600 is operated by the pump motor mechanism 100, and the rotating electric machine 200 is a generator. Will be operated as. The electric power obtained by the rotating electric machine 200 is charged to the battery 25 by the inverter 26.

このように、熱媒ポンプ600の駆動源をポンプモータ機構100の駆動源(回転電機200)と共用でき、また、ポンプモータ機構100(モータモード)の駆動力で熱媒ポンプ600を作動できるので、熱媒ポンプ600専用の駆動源を不要とすることができる。   Thus, the drive source of the heat medium pump 600 can be shared with the drive source of the pump motor mechanism 100 (rotary electric machine 200), and the heat medium pump 600 can be operated by the drive force of the pump motor mechanism 100 (motor mode). The drive source dedicated to the heat medium pump 600 can be eliminated.

(その他の実施形態)
上述の各実施形態では、ランキンサイクル30Aに冷凍サイクル10Aを備えるものとしたが、ポンプモータ機構100を専用の膨張機として、冷凍サイクル10Aと切り離して、ランキンサイクル30Aの停止状態および運転状態との切替えに焦点を置いて制御装置40で制御するものとしても良い。
(Other embodiments)
In each of the above-described embodiments, the Rankine cycle 30A is provided with the refrigeration cycle 10A. Control may be performed by the control device 40 with a focus on switching.

また、上述の各実施形態では、ポンプモータ機構100を圧縮機と膨張機とが兼用されるものとしたが、それぞれが独立して設定され、蒸発器14と加熱器30との間で並列配置されるようにしても良い。   Further, in each of the above-described embodiments, the pump motor mechanism 100 is used both as a compressor and an expander. However, each is set independently, and is arranged in parallel between the evaporator 14 and the heater 30. You may be made to do.

また、上述の各実施形態では、スクロール型のポンプモータ機構100、熱媒ポンプ600を採用したが、本発明はこれに限定されるものはなく、ロータリ型、ピストン型、ベーン型等のその他の形式のポンプモータ機構、熱媒ポンプにも適用することができる。   In each of the above-described embodiments, the scroll type pump motor mechanism 100 and the heat medium pump 600 are employed. However, the present invention is not limited to this, and other types such as a rotary type, a piston type, and a vane type are used. It can also be applied to a type of pump motor mechanism and heat medium pump.

また、上述の各実施形態では、膨脹機一体型圧縮機10にて回収したエネルギー(電気エネルギー)をバッテリ25に蓄えたが、フライホィールによる運動エネルギーまたはバネによる弾性エネルギー等の機械的エネルギーとして蓄えても良い。   In each of the above-described embodiments, the energy (electric energy) recovered by the expander-integrated compressor 10 is stored in the battery 25. However, the energy is stored as mechanical energy such as kinetic energy by a flywheel or elastic energy by a spring. May be.

また、上述の各実施形態においては、加熱器30における冷媒を加熱する熱源として、車両用のエンジン(内燃機関)20としたが、これに限らず、例えば、外燃機関、燃料電池車両の燃料電池スタック、各種モータ、インバータ等のように作動時に発熱を伴い、温度制御のためにその熱の一部を捨てるもの(廃熱が発生するもの)であれば、広く適用することができる。   Further, in each of the above-described embodiments, the vehicle engine (internal combustion engine) 20 is used as the heat source for heating the refrigerant in the heater 30. Any battery stack, various motors, inverters, and the like that generate heat during operation and discard some of the heat for temperature control (waste heat is generated) can be widely applied.

本発明の実施形態に係る内燃機関の廃熱利用装置の全体構成を示す模式図である。It is a mimetic diagram showing the whole waste heat utilization device of an internal-combustion engine concerning an embodiment of the present invention. 第1実施形態における膨脹機一体型圧縮機を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the expander integrated compressor in 1st Embodiment. 冷凍サイクルとランキンサイクルとを交互に作動させる際の制御に用いられるメインフローチャートである。It is a main flowchart used for control at the time of operating a refrigerating cycle and a Rankine cycle alternately. ランキンサイクル起動作動実行の制御に用いられるサブフローチャートである。It is a subflowchart used for control of Rankine cycle starting operation execution. 第1実施形態における冷凍サイクル復帰作動実行の制御に用いられるサブフローチャート1である。3 is a sub-flowchart 1 used for controlling execution of a refrigeration cycle return operation in the first embodiment. 空調モードスタート実行の制御に用いられるサブフローチャートである。It is a sub-flowchart used for control of air-conditioning mode start execution. 第2実施形態における冷凍サイクル復帰作動実行の制御に用いられるサブフローチャート2である。It is a sub-flowchart 2 used for control of refrigerating cycle return operation execution in a 2nd embodiment. 第2実施形態における冷凍サイクル復帰作動実行の制御に用いられるサブフローチャート3である。It is a sub flow chart 3 used for control of refrigerating cycle return operation execution in a 2nd embodiment. 第2実施形態における冷凍サイクル復帰作動実行の制御に用いられるサブフローチャート4である。It is a sub flowchart 4 used for control of refrigerating cycle return operation execution in a 2nd embodiment. 第3実施形態における膨脹機一体型圧縮機を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the expander integrated compressor in 3rd Embodiment. 第4実施形態における膨脹機一体型圧縮機を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the expander integrated compressor in 4th Embodiment. 第5実施形態における内燃機関の廃熱利用装置の全体構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the whole structure of the waste-heat utilization apparatus of the internal combustion engine in 5th Embodiment. 第5実施形態における膨脹機一体型圧縮機を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the expander integrated compressor in 5th Embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

1 内燃機関の廃熱利用装置
10A 冷凍サイクル
10 膨張機一体型圧縮機
11 放熱器(第1放熱器、第2放熱器)
20 エンジン(内燃機関)
30A ランキンサイクル
30 加熱器
32 液ポンプ(ポンプ)
40 制御装置
100 ポンプモータ機構(膨張機、圧縮機)
107 弁機構
200 回転電機(電動機、発電機)
300 電磁クラッチ(動力伝達機構)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Waste heat utilization apparatus of internal combustion engine 10A Refrigeration cycle 10 Expander-integrated compressor 11 Radiator (first radiator, second radiator)
20 engine (internal combustion engine)
30A Rankine cycle 30 Heater 32 Liquid pump (pump)
40 Control device 100 Pump motor mechanism (expander, compressor)
107 Valve mechanism 200 Rotating electric machine (electric motor, generator)
300 Electromagnetic clutch (power transmission mechanism)

Claims (30)

第1放熱器(11)から流出される媒体を圧送するポンプ(32)、前記ポンプ(32)から送られた前記媒体を加熱する加熱器(30)、前記加熱器(30)からの蒸気媒体を膨張さることにより前記媒体の圧力エネルギーを機械的運動エネルギーに変換する膨張機(100)を有するランキンサイクル(30A)と、
前記ランキンサイクル(30A)の状態を停止状態と運転状態との間で切替える制御装置(40)とを備えるランキンサイクル装置において、
前記制御装置(40)は、前記ランキンサイクル(30A)の状態を切替える際に、前記ポンプ(32)の運転状態の変化に対して前記膨張機(100)の運転状態の変化を遅れさせることを特徴とするランキンサイクル装置。
A pump (32) for pumping the medium flowing out from the first radiator (11), a heater (30) for heating the medium sent from the pump (32), and a vapor medium from the heater (30) A Rankine cycle (30A) having an expander (100) that converts the pressure energy of the medium into mechanical kinetic energy by expanding
In the Rankine cycle device comprising the control device (40) for switching the state of the Rankine cycle (30A) between the stopped state and the operating state,
When the state of the Rankine cycle (30A) is switched, the control device (40) delays the change in the operation state of the expander (100) with respect to the change in the operation state of the pump (32). Characteristic Rankine cycle device.
前記制御装置(40)は、前記ランキンサイクル(30A)を停止状態から運転状態に切替える時に、前記ポンプ(32)を作動開始させた後に、前記膨張機(100)を作動開始させることを特徴とする請求項1に記載のランキンサイクル装置。   The control device (40) starts operating the expander (100) after starting the pump (32) when switching the Rankine cycle (30A) from a stopped state to an operating state. The Rankine cycle apparatus according to claim 1. 前記制御装置(40)は、前記ポンプ(32)を作動開始させ、第1所定時間(t1)経過後に、前記膨張機(100)を作動開始させることを特徴とする請求項2に記載のランキンサイクル装置。   The Rankine according to claim 2, wherein the control device (40) starts operating the pump (32) and starts operating the expander (100) after a first predetermined time (t1) has elapsed. Cycle equipment. 前記制御装置(40)は、前記ポンプ(32)によって加圧される前記媒体の圧力が第1所定圧力(P1)以上に上昇した後に、前記膨張機(100)を作動開始させることを特徴とする請求項2に記載のランキンサイクル装置。   The controller (40) starts the operation of the expander (100) after the pressure of the medium pressurized by the pump (32) rises to a first predetermined pressure (P1) or more. The Rankine cycle device according to claim 2. 前記膨張機(100)には、発電機および電動機の両機能を有する回転電機(200)が接続されており、
前記制御装置(40)は、前記膨張機(100)を作動開始させる前に、前記回転電機(200)を電動機として作動させることを特徴とする請求項2〜請求項4のいずれか1つに記載のランキンサイクル装置。
The expander (100) is connected to a rotating electric machine (200) having both functions of a generator and an electric motor,
The control device (40) operates the rotating electric machine (200) as an electric motor before starting the operation of the expander (100), according to any one of claims 2 to 4. The described Rankine cycle apparatus.
前記制御装置(40)は、前記ランキンサイクル(30A)を運転状態から停止状態に切替える時に、前記ポンプ(32)を作動停止させた後に、前記膨張機(100)を作動停止させることを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれか1つに記載のランキンサイクル装置。   The control device (40) stops the operation of the expander (100) after stopping the operation of the pump (32) when switching the Rankine cycle (30A) from an operation state to a stop state. The Rankine cycle apparatus according to any one of claims 1 to 5. 前記制御装置(40)は、前記ポンプ(32)を作動停止させ、第2所定時間(t2)経過後に、前記膨張機(100)を作動停止させることを特徴とする請求項6に記載のランキンサイクル装置。   The Rankine according to claim 6, wherein the control device (40) stops the operation of the pump (32) and stops the operation of the expander (100) after a second predetermined time (t2) has elapsed. Cycle equipment. 前記制御装置(40)は、前記ポンプ(32)によって加圧された媒体の圧力が第2所定圧力(P2)以下に低下した後に、前記膨張機(100)を作動停止させることを特徴とする請求項6に記載のランキンサイクル装置。   The control device (40) stops the operation of the expander (100) after the pressure of the medium pressurized by the pump (32) drops below a second predetermined pressure (P2). The Rankine cycle apparatus according to claim 6. 前記制御装置(40)は、前記ポンプ(32)の高圧側と低圧側との圧力差が所定圧力差(ΔP)以下に低下した後に、前記膨張機(100)を作動停止させることを特徴とする請求項6に記載のランキンサイクル装置。   The control device (40) stops the operation of the expander (100) after the pressure difference between the high pressure side and the low pressure side of the pump (32) falls below a predetermined pressure difference (ΔP). The Rankine cycle apparatus according to claim 6. 前記膨張機(100)には、発電機(200)が接続されており、
前記制御装置(40)は、前記膨張機(100)による前記発電機(200)の発電量が所定発電量(W)以下に低下した後に、前記膨張機(100)を作動停止させることを特徴とする請求項6に記載のランキンサイクル装置。
A generator (200) is connected to the expander (100),
The control device (40) stops the operation of the expander (100) after the power generation amount of the generator (200) by the expander (100) is reduced to a predetermined power generation amount (W) or less. The Rankine cycle apparatus according to claim 6.
前記膨張機(100)には、前記機械的運動エネルギーを電気エネルギーに回生する発電機としての回転電機(200)が接続されたことを特徴とする請求項1〜請求項4、請求項6〜請求項9のいずれか1つに記載のランキンサイクル装置。   The expander (100) is connected to a rotating electrical machine (200) as a generator that regenerates the mechanical kinetic energy into electrical energy. The Rankine cycle apparatus according to claim 9. 前記媒体を冷媒として用い、この冷媒を圧縮する圧縮機(100)、前記圧縮機(100)からの前記冷媒を冷却する第2放熱器(11)を有する冷凍サイクル(10A)を備えることを特徴とする請求項1〜請求項11のいずれか1つに記載のランキンサイクル装置。   A refrigeration cycle (10A) having a compressor (100) that compresses the refrigerant using the medium as a refrigerant and a second radiator (11) that cools the refrigerant from the compressor (100) is provided. The Rankine cycle apparatus according to any one of claims 1 to 11. 前記制御装置(40)は、前記冷凍サイクル(10A)としての運転状態から前記ランキンサイクル(30A)への運転状態へ切替える際に、前記ランキンサイクル(30A)の状態を停止状態から運転状態に切替えることを特徴とする請求項12に記載のランキンサイクル装置。   The control device (40) switches the state of the Rankine cycle (30A) from the stopped state to the operating state when switching from the operating state as the refrigeration cycle (10A) to the operating state to the Rankine cycle (30A). The Rankine cycle apparatus according to claim 12. 前記膨張機(100)には、発電機および電動機の両機能を有する回転電機(200)が接続されており、
前記冷媒を前記圧縮機(100)側、あるいは前記膨張機(100)側のいずれかに切替えて流入させる弁機構(107)を有し、
前記制御装置(40)は、前記膨張機(100)を作動させる時には、前記回転電機(200)を電動機として作動させた後に、前記弁機構(107)によって前記冷媒の流入を前記圧縮機(100)側から前記膨張機(100)側に切替えることを特徴とする請求項12または請求項13に記載のランキンサイクル装置。
The expander (100) is connected to a rotating electric machine (200) having both functions of a generator and an electric motor,
A valve mechanism (107) for switching the refrigerant to either the compressor (100) side or the expander (100) side to flow in;
When operating the expander (100), the control device (40) operates the rotating electric machine (200) as an electric motor, and then causes the valve mechanism (107) to inject the refrigerant into the compressor (100). The Rankine cycle apparatus according to claim 12 or 13, wherein the expander (100) side is switched from the) side.
前記制御装置(40)は、前記ランキンサイクル(30A)としての運転状態から前記冷凍サイクル(10A)への運転状態へ切替える際に、前記ランキンサイクル(30A)の状態を運転状態から停止状態に切替えることを特徴とする請求項12に記載のランキンサイクル装置。   The control device (40) switches the state of the Rankine cycle (30A) from the operation state to the stop state when switching from the operation state as the Rankine cycle (30A) to the operation state to the refrigeration cycle (10A). The Rankine cycle apparatus according to claim 12. 前記膨張機(100)には、発電機(200)が接続されており、
前記冷媒を前記圧縮機(100)側、あるいは前記膨張機(100)側のいずれかに切替えて流入させる弁機構(107)を有し、
前記制御装置(40)は、前記膨張機(100)を停止させる時には、前記弁機構(107)によって前記冷媒の流入を前記膨張機(100)側から前記圧縮機(100)側に切替えた後に、前記発電機(200)の回転を止めることを特徴とする請求項15に記載のランキンサイクル装置。
A generator (200) is connected to the expander (100),
A valve mechanism (107) for switching the refrigerant to either the compressor (100) side or the expander (100) side to flow in;
When the controller (40) stops the expander (100), the valve mechanism (107) switches the refrigerant inflow from the expander (100) side to the compressor (100) side. The Rankine cycle device according to claim 15, characterized in that the rotation of the generator (200) is stopped.
前記圧縮機(100)を駆動する電動機(200)を有し、前記制御装置(40)によって前記圧縮機(100)の駆動源として内燃機関(20)あるいは前記電動機(200)の少なくとも一方が選択されるようにしており、
前記制御装置(40)は、前記膨張機(100)を停止させて前記冷凍サイクル(10A)を運転する際に、前記電動機(200)の駆動力を用いた後に、前記内燃機関(20)の駆動力で前記圧縮機(100)を作動させることを特徴とする請求項15または請求項16のいずれかに記載のランキンサイクル装置。
An electric motor (200) for driving the compressor (100) is included, and the control device (40) selects at least one of the internal combustion engine (20) and the electric motor (200) as a driving source of the compressor (100). And
The controller (40) stops the expander (100) and operates the refrigeration cycle (10A), after using the driving force of the electric motor (200), the internal combustion engine (20) The Rankine cycle apparatus according to claim 15 or 16, wherein the compressor (100) is operated by a driving force.
前記制御装置(40)は、前記圧縮機(100)の低圧側圧力に応じて、前記電動機(200)による前記圧縮機(100)の作動要否を決定することを特徴とする請求項17に記載のランキンサイクル装置。   The said control apparatus (40) determines the necessity of operation | movement of the said compressor (100) by the said electric motor (200) according to the low voltage | pressure side pressure of the said compressor (100), The Claim 17 characterized by the above-mentioned. The described Rankine cycle apparatus. 前記制御装置(40)は、前記低圧側圧力が第3所定圧力(P3)以下になるまで前記電動機(200)によって前記圧縮機(100)を作動させることを特徴とする請求項18に記載のランキンサイクル装置。   The said control apparatus (40) operates the said compressor (100) with the said electric motor (200) until the said low voltage | pressure side pressure becomes below 3rd predetermined pressure (P3), The said control device (40) is characterized by the above-mentioned. Rankine cycle equipment. 前記制御装置(40)は、前記電動機(200)によって、第3所定時間(t3)前記圧縮機(100)を作動させることを特徴とする請求項17に記載のランキンサイクル装置。   18. The Rankine cycle device according to claim 17, wherein the control device (40) operates the compressor (100) for a third predetermined time (t3) by the electric motor (200). 前記第1放熱器(11)および前記第2放熱器(11)は、前記ランキンサイクル(30A)と前記冷凍サイクル(10A)とで共通使用されることを特徴とする請求項12〜請求項20のいずれか1つに記載のランキンサイクル装置。   The first radiator (11) and the second radiator (11) are commonly used in the Rankine cycle (30A) and the refrigeration cycle (10A). The Rankine cycle apparatus according to any one of the above. 前記膨張機(100)は、前記冷凍サイクル(10A)における圧縮機(100)を兼用するものであり、
内燃機関(20)の動力が伝達されて、前記圧縮機(100)を駆動する動力伝達機構(300)を備えることを特徴とする請求項12〜請求項21のいずれか1つに記載のランキンサイクル装置。
The expander (100) also serves as the compressor (100) in the refrigeration cycle (10A),
The rankine according to any one of claims 12 to 21, further comprising a power transmission mechanism (300) for driving power of the internal combustion engine (20) to drive the compressor (100). Cycle equipment.
前記膨張機(100)は、前記冷凍サイクル(10A)における圧縮機(100)を兼用するものであり、
前記圧縮機(100)を駆動する電動機(200)を有することを特徴とする請求項12〜請求項22のいずれか1つに記載のランキンサイクル装置。
The expander (100) also serves as the compressor (100) in the refrigeration cycle (10A),
The Rankine cycle device according to any one of claims 12 to 22, further comprising an electric motor (200) that drives the compressor (100).
前記電動機(200)は、前記ポンプ(32)も駆動することを特徴とする請求項23に記載のランキンサイクル装置。   24. The Rankine cycle device according to claim 23, wherein the electric motor (200) also drives the pump (32). 前記ポンプ(32)は、前記膨張機(100)に接続されたことを特徴とする請求項1〜請求項24のいずれか1つに記載のランキンサイクル装置。   The Rankine cycle device according to any one of claims 1 to 24, wherein the pump (32) is connected to the expander (100). 前記加熱器(30)における前記媒体を加熱する熱源は、内燃機関(20)の廃熱エネルギーとしたことを特徴とする請求項1〜請求項25のいずれか1つに記載のランキンサイクル装置。   The Rankine cycle apparatus according to any one of claims 1 to 25, wherein a heat source for heating the medium in the heater (30) is waste heat energy of the internal combustion engine (20). 前記圧縮機(100)を駆動する電動機(200)を有し、前記制御装置(40)によって前記圧縮機(100)の駆動源として前記内燃機関(20)あるいは前記電動機(200)の少なくとも一方が選択されることを特徴とする請求項1〜請求項16、請求項21〜請求項26のいずれか1つに記載のランキンサイクル装置。   An electric motor (200) for driving the compressor (100) is provided, and at least one of the internal combustion engine (20) and the electric motor (200) is used as a drive source of the compressor (100) by the control device (40). The Rankine cycle apparatus according to any one of claims 1 to 16, and 21 to 26, wherein the Rankine cycle apparatus is selected. 媒体を圧送するポンプ(32)、前記ポンプ(32)から送られた前記媒体を加熱する加熱器(30)、前記加熱器(30)からの蒸気媒体を膨張さることにより前記媒体の圧力エネルギーを機械的運動エネルギーに変換する膨張機(100)を有するランキンサイクルの制御方法において、
前記ポンプ(32)によって前記媒体を前記加熱器(30)へ圧送すると共に、前記膨張機(100)によって前記媒体を膨張させる運転工程と、
前記ポンプ(32)を停止させると共に、前記膨張機(100)を停止させる停止工程と、
前記ポンプ(32)の運転状態の変化に対して前記膨張機(100)の運転状態の変化を遅れさせて、前記ランキンサイクルの状態を前記運転工程と前記停止工程との間で切替える切替え工程とを備えることを特徴とするランキンサイクルの制御方法。
A pump (32) for pumping the medium, a heater (30) for heating the medium sent from the pump (32), and expanding the vapor medium from the heater (30) to increase the pressure energy of the medium. In a method for controlling a Rankine cycle having an expander (100) that converts mechanical kinetic energy,
An operation step of pumping the medium to the heater (30) by the pump (32) and expanding the medium by the expander (100);
Stopping the pump (32) and stopping the expander (100);
A switching step of delaying a change in the operating state of the expander (100) with respect to a change in the operating state of the pump (32) and switching the Rankine cycle state between the operating step and the stopping step; A Rankine cycle control method comprising:
前記切替え工程は、前記ポンプ(32)を作動開始させた後に、前記膨張機(100)を作動開始させて、前記ランキンサイクルを前記停止工程から前記運転工程に切替えることを特徴とする請求項28に記載のランキンサイクルの制御方法。   29. The switching step is characterized in that after the pump (32) is started to operate, the expander (100) is started to switch the Rankine cycle from the stop step to the operation step. The Rankine cycle control method described in 1. 前記切替え工程は、前記ポンプ(32)を作動停止させた後に、前記膨張機(100)を作動停止させて、前記ランキンサイクルを前記運転工程から前記停止工程に切替えることを特徴とする請求項28または請求項29に記載のランキンサイクルの制御方法。   29. The switching step is characterized in that after the pump (32) is deactivated, the expander (100) is deactivated to switch the Rankine cycle from the operation step to the stop step. Alternatively, the Rankine cycle control method according to claim 29.
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