JP2006105518A - 廃熱利用装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 暖房利用時の廃熱回生能力の減少を防止することが可能な廃熱利用装置を提供すること。
【解決手段】 ランキンサイクル３００運転時に車室内暖房の要求があった場合には、膨張機一体型圧縮機２１０における膨張により熱エネルギーを回収された後の冷媒熱により蒸発器２５０において暖房を行なうようになっている。したがって、エンジン冷却水の廃熱回生に利用できる熱量が減少し難く、暖房利用時の廃熱回生能力の減少を防止することができる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、発熱体の廃熱により加熱された作動流体を膨張させて熱エネルギーを回収する廃熱利用装置に関する。

従来技術として、下記特許文献１に開示された廃熱利用装置がある。この車両搭載用の廃熱利用装置では、空調用の冷凍サイクル回路および内燃機関の冷却水を循環する温水回路を利用し、温水回路を通る冷却水を熱源とする高温蒸発器と、加圧ポンプとを、冷凍サイクル回路の蒸発器と並列に設けるとともに、内燃機関を駆動源とする冷凍サイクル回路の圧縮機を膨張機兼用に構成している。

そして、高温蒸発器および加圧ポンプ側に冷媒流路を切り替え、冷媒を作動流体として膨張機兼用圧縮機を膨張作動させ、高温蒸発器で冷却水から冷媒に与えられた熱エネルギーを回収するランキンサイクルを形成するようになっている。

また、高温蒸発器は、車室内を暖房する暖房用熱交換器であるヒータコアと並列に温水回路に接続されており、ランキンサイクル回路形成時には、温水回路の温水が高温蒸発器に供給され、冷媒はこの温水で加熱されるようになっている。
特許第２５４０７３８号公報

しかしながら、上記従来技術の廃熱利用装置では、冷凍サイクルを運転不要でランキンサイクルを形成した場合で、かつ車室内の暖房が必要な場合には、内燃機関の冷却水をヒータコアに通過放熱させて暖房を行なうことになる。

したがって、暖房負荷分の熱量が廃熱回生に利用できず、冬季など暖房時の廃熱回生能力が減ってしまうという問題がある。

本発明は、上記点に鑑みてなされたものであり、暖房利用時の廃熱回生能力の減少を防止することが可能な廃熱利用装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、
発熱体（１０）の廃熱により加熱された作動流体を膨張させて作動流体に与えられた熱エネルギーを回収する膨張機（２１０）を有するランキンサイクル（３００）を備える廃熱利用装置であって、
膨張機（２１０）から流出した作動流体と室内へ吹き出す空気とを熱交換する熱交換手段（２５０）を具備することを特徴としている。

これによると、膨張機（２１０）で熱エネルギーを回収した後の作動流体の熱により熱交換手段（２５０）を介して室内の暖房を行なうことができる。したがって、廃熱回生に利用できる熱量が減少し難い。このようにして、暖房利用時の廃熱回生能力の減少を防止することができる。

また、請求項２に記載の発明では、膨張機（２１０）から流出した作動流体の熱交換手段（２５０）への流入量を調節する流入量調節手段（３０２ｂ、３０３ｂ）を備えることを特徴としている。

これによると、流入量調節手段（３０２ｂ、３０３ｂ）により熱交換手段（２５０）への作動流体流入量を調節制御することで、熱交換手段（２５０）における暖房能力を可変することができる。

また、請求項３に記載の発明では、流量制御手段（３０２ｂ、３０３ｂ）は、電気入力に応じて作動する電動調節手段（３０２ｂ、３０３ｂ）であることを特徴としている。

これによると、熱交換手段（２５０）への作動流体流入量の調節制御を容易に行なうことができる。

また、請求項４に記載の発明では、
冷凍サイクル（２００）中に設けられ冷媒を蒸発して室内へ吹き出す空気を冷却するための蒸発器（２５０）を備え、
この冷媒をランキンサイクル（３００）の作動流体とし、蒸発器（２５０）を熱交換手段（２５０）として利用することを特徴としている。

これによると、膨張機（２１０）で廃熱回生した後の作動流体により暖房を行なうための熱交換手段を別に設ける必要がない。すなわち、熱交換器の増設が不要であり、構成を簡素化することができる。

また、請求項５に記載の発明では、冷媒を凝縮する凝縮器（２２０）と、蒸発器（２５０）を熱交換手段（２５０）として利用したときに、蒸発器（２５０）から流出した冷媒を凝縮器（２２０）に導入する冷媒経路（３０３）とを備えることを特徴としている。

これによると、蒸発器（２５０）を利用して暖房を行なった後の冷媒を、冷媒回路（３０３）を介して凝縮器（２２０）に導き放熱凝縮することができる。

また、請求項６に記載の発明では、冷凍サイクル（２００）中に設けられ冷媒を蒸発して室内へ吹き出す空気を冷却するための蒸発器（２５０）を備え、熱交換手段（３４０）は、蒸発器（２５０）に併設された熱交換器（３４０）であることを特徴としている。

これによると、膨張機（２１０）で廃熱回生をした後の作動流体により暖房を行なうための熱交換器（３４０）を蒸発器（２５０）に対し別に設けることになる。したがって、蒸発器（２５０）を暖房用の熱交換器として利用するための構成が不要である。

また、請求項７に記載の発明では、
発熱体（１０）の冷却媒体と室内へ吹き出す空気とを熱交換する、熱交換手段（２５０）とは異なる暖房用熱交換器（３１）を備え、
室内を暖房するときに、室内へ吹き出す空気を熱交換手段（２５０）により優先的に加熱し、暖房熱量が不足するときには暖房用熱交換器（３１）により熱量を補うことを特徴としている。

これによると、膨張機（２１０）で廃熱回生をした後の作動流体により熱交換手段（２５０）で暖房を行なったとしても暖房熱量が不足するときに、発熱体（１０）の冷却媒体を直接用いた暖房により熱量を補うことができる。発熱体（１０）の冷却媒体を直接用いた暖房を優先的に行なうことがないので、廃熱回生に利用できる熱量が比較的減少し難い。このようにして、暖房利用時の廃熱回生能力の減少を抑制することができる。

また、請求項８に記載の発明のように、
暖房用熱交換器（３１）をバイパスして室内へ吹き出す空気を流通するバイパス通路（４１１）と、
暖房用熱交換器（３１）を流通する空気とバイパス通路（４１１）を流通する空気との風量割合を調節する風量割合調節手段（４３０）とを備え、
風量割合調節手段（４３０）により、暖房用熱交換器（３１）により補う熱量を容易に調節することができる。

なお、上記各手段に付した括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。

（第１の実施形態）
本発明の第１実施形態を図１に示し、まず、具体的な構成について説明する。本実施形態の廃熱利用装置（実質的には廃熱利用装置を備える冷凍装置）１００は、エンジン１０を駆動源とする車両に適用されるものとしている。廃熱利用装置１００には冷凍サイクル２００およびランキンサイクル３００が設けられており、各サイクル２００、３００の作動が図示しない電子制御装置によって制御されるようにしている。

エンジン１０は、水冷式の内燃機関（本発明における発熱体に対応）であり、エンジン冷却水の循環によってエンジン１０が冷却されるラジエータ回路２０、および冷却水（温水）を熱源として空調空気を加熱するヒータ回路３０が設けられている。

ラジエータ回路２０にはラジエータ２１が設けられており、ラジエータ２１は、温水ポンプ２２によって循環される冷却水を外気との熱交換により冷却する。温水ポンプ２２は、ここでは電動式のポンプとしている。

エンジン１０の出口側の流路（エンジン１０とラジエータ２１の間の流路）には、後述するランキンサイクル３００の加熱器３１０が配設されており、冷却水がこの加熱器３１０内を流通するようにしている。

なお、ラジエータ回路２０中にはラジエータ２１を迂回して冷却水が流通するラジエータバイパス流路２３が設けられており、サーモスタット２４によってラジエータ２１を流通する冷却水量とラジエータバイパス流路２３を流通する冷却水量とが調節されるようにしている。

また、ラジエータ回路２０中には、加熱器３１０を迂回して冷却水が流通する加熱器バイパス流路２５が設けられており、三方弁２６によりエンジン１０から流出した冷却水を加熱機３１０に循環する場合と循環しない場合とが切り替えられるようになっている。

ヒータ回路３０にはヒータコア３１が設けられており、上記の温水ポンプ２２によって冷却水（温水）が循環されるようにしている。ヒータコア３１は、空調ユニット４００の空調ケース４１０内に配設されており、送風機４２０によって送風される空調空気を温水との熱交換により加熱する。なお、ヒータコア３１にはエアミックスドア４３０が設けられており、このエアミックスドア４３０の開閉により、ヒータコア３１を流通する空調空気量が可変される。

膨張機一体型圧縮機２１０は、気相冷媒を圧縮加圧して吐出するポンプモード（圧縮モード）と、過熱蒸気冷媒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（膨張モード）とを兼ね備える流体機械であり、流体（本実施形態では、気相冷媒）を圧縮または膨張させるポンプモータ機構２１１、回転エネルギーが入力されることにより電気エネルギーを出力し、電力が入力されることにより回転エネルギーを出力する回転電機２１２、外部駆動源（駆動減）を成すエンジン１０からの動力を断続可能にポンプモータ機構１００側に伝達するためのクラッチ機構を備えたプーリ２１３等から構成されている。

そして、本実施形態では、回転電機２１２は、電力が供給された場合にはポンプモータ機構２１１を駆動する電動モータとして作動し、回転トルクが入力された場合には電力を発生させる発電機（回生機構に相当）として作動する。

凝縮器２２０は、膨張機一体型圧縮機２１０のポンプモード吐出側に接続されて放熱しながら冷媒を冷却する放熱器である。

気液分離器２３０は凝縮器２２０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（受液器）であり、減圧器２４０は気液分離器２３０で分離された液相冷媒を減圧膨張させるもので、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、膨張機一体型圧縮機２１０がポンプモードで作動している時に膨張機一体型圧縮機２１０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張弁を採用している。

蒸発器２５０は、減圧器２４０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、ヒータコア３１と同様に空調ユニット４００の空調ケース４１０内に配設されており、冷媒蒸発潜熱によって送風機４２０からの空調空気を冷却する熱交換器である。

そして、蒸発器２５０の冷媒出口側は、膨張機一体型圧縮機２１０のポンプモード吸入側に接続されている。なお、蒸発器２５０によって冷却された空調空気とヒータコア３１によって再加熱された空調空気は、エアミックスドア４３０の開度に応じて混合比率が可変され、乗員の設定する温度に調節される。

これらの膨張機一体型圧縮機２１０、凝縮器２２０、気液分離器２３０、減圧器２４０および蒸発器２５０等にて低温側の熱を高温側に移動させる冷凍サイクル（蒸気圧縮式冷凍機）２００が構成される。

加熱器３１０は、膨張機一体型圧縮機２１０と凝縮器放熱器２２０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る。

第１バイパス回路３０１は、気液分離器２３０で分離された液相冷媒を加熱器３１０のうち凝縮器２２０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３０１には、液相冷媒を循環させるための液ポンプ３３０および気液分離器２３０側から加熱器３１０側にのみ冷媒が流れることを許容する逆止弁３０１ａが設けられている。なお、液ポンプ３３０は、本実施形態では、電動式のポンプを採用しており、図示しない電子制御装置により制御される。

また、第２バイパス回路３０２は、膨張機一体型圧縮機２１０がモータモードで作動するときの冷媒出口側と凝縮器２２０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３０２には、膨張機一体型圧縮機２１０側から凝縮器２２０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３０２ａが設けられている。

また、第３バイパス回路（請求項６に記載の冷媒経路に相当）３０３は、膨張機一体型圧縮機２１０がモータモードで（膨張機として）作動するときの蒸発器２５０冷媒出口側（減圧器２４０側）と第２バイパス回路３０２の逆止弁３２０ａ上流側とを繋ぐ冷媒通路であり、この第３バイパス回路３０３には、蒸発器２５０冷媒出口側（減圧器２４０側）から第２バイパス回路３０２側にのみ冷媒が流れることを許容する逆止弁３０３ａが設けられている。

また、開閉弁３１０ａ、３０２ｂ、３０３ｂは各冷媒通路を開閉する電磁式のバルブであり、図示しない電子制御装置により制御される。開閉弁３０２ｂ、３０３ｂは、膨張機一体型圧縮機２１０がモータモードで作動するときの吐出冷媒を蒸発器２５０に循環する場合と循環しない場合とが切り替えられるようになっている。

上記の加熱機３１０、膨張機一体型圧縮機２１０、凝縮器２２０、気液分離器２３０およびポンプ３３０等にて加熱機３１０において冷却水から冷媒に与えられた熱エネルギーを回収するランキンサイクル３００が構成される。

上述の構成から明らかなように、ランキンサイクル３００の作動流体は冷凍サイクル２００の冷媒と同一であり、膨張機一体型圧縮機２１０、凝縮器２２０、気液分離器２３０は、冷凍サイクル２００のものを兼用するようにしている。

次に、上記構成に基づき、本実施形態の廃熱利用装置１００の作動について説明する。

１．冷凍サイクル運転
図示しない制御装置は、エアコン要求信号を入力したときには、冷凍サイクル２００を運転する。

具体的には、開閉弁３１０ａ、３０３ｂを開き、開閉弁３０２ｂを閉じる。そして、エンジン１０からの動力もしくは回転電機２１２からの回転力の少なくともいずれかにより、膨張機一体型圧縮機２１０のポンプモータ機構２１１をポンプモード（圧縮モード）で作動させる。

なお、このとき、三方弁２６は、冷却水流路を冷却水が加熱機３１０を迂回する加熱器バイパス流路２５側に切り替える。

これにより、図２に示すように冷媒が循環し、膨張機一体型圧縮機２１０のポンプモータ機構２１１が駆動され冷媒を吸入、圧縮し吐出する。吐出ガス冷媒は凝縮器２２０で冷却され凝縮液化し、気液分離器２３０で気液分離された液状冷媒が減圧器２４０で減圧霧化し、蒸発器２５０内で蒸発し車室内へ送風される空気の冷却を行なう。

空気が十分冷えると図示しない制御装置が冷却停止の判定を行ない、膨張機一体型圧縮機２１０の作動を停止させる。

空調中断時にエンジン冷却水の温度が十分上がり、廃熱回生するだけの熱が得られると図示しない制御装置が判断したら、冷凍サイクル２００から、ランキンサイクル３００へ切り替えが行なわれる。

２．ランキンサイクル運転
図示しない制御装置は、冷凍サイクル２００が運転不要で、エンジン冷却水から廃熱回生が可能であると判断したときには、ランキンサイクル３００を運転する。

具体的には、開閉弁３１０ａを閉じ、ポンプ３３０を作動する。なお、このとき、三方弁２６は、冷却水流路を加熱器３１０側に切り替える。このとき制御装置が暖房要求信号を入力したときには、開閉弁３０２ｂを閉じ、開閉弁３０３ｂを開く。

これにより、図３に示すように作動流体である冷媒が循環し、加熱機３１０においてエンジン冷却水の熱で冷媒を加熱してガス化し、膨張機一体型圧縮機２１０のポンプモータ機構２１１に圧縮モード時の吐出口からガス冷媒を流入させポンプモータ機構２１１を逆転させ、ガス状冷媒を膨張させてエネルギー回収を行なう。

ポンプモータ機構２１１の駆動力によって回転電機２１２が作動され、回転電機２１２によって発電される電力は、図示しないバッテリや補機等に給電される。

ポンプモータ機構２１１で膨張した後のガス冷媒は、蒸発器２５０へ導かれ、送風機４２０によって送られた空気と熱交換を行ない放熱して、車室内の暖房が行なわれる。このとき、エアミックスドア４３０はヒータコア３１側を閉じており、ヒータコア３１における放熱を抑止している。

蒸発器２５０における熱交換だけでは、車室内への暖房熱量が不足するときには、エアミックスドア４３０はヒータコア３１側を若干開いて、不足熱量分をヒータコア３１から放熱させる。

蒸発器２５０で放熱した後の冷媒は、第３バイパス回路３０３、第２バイパス回路３０２を介して凝縮器２２０へ流入する。

凝縮器２２０に流入した冷媒は、外気と熱交換して冷却され凝縮液化し、気液分離器２３０で気液分離された液状冷媒が、ポンプ３３０により第１バイパス回路３０１を介して加熱器３１０に圧送される。

なお、暖房要求がないときには、図示しない制御装置は、開閉弁３０２ｂを開き、開閉弁３０３ｂを閉じる。これにより、ポンプモータ機構２１１で膨張した後のガス冷媒は、第２バイパス回路３０２を介して凝縮器２２０へ流入し、凝縮される。

両開閉弁３０２ｂ、３０３ｂは電磁弁（電動調節手段）からなり、暖房要求の有無に応じて、ポンプモータ機構２１１で膨張した後のガス冷媒の蒸発器２５０への流入量を速やかに切り替え制御する流入量調節手段である。

上述の構成および作動によれば、ランキンサイクル運転時に車室内暖房の要求があった場合には、膨張機一体型圧縮機２１０における膨張により熱エネルギーを回収された後の冷媒熱により暖房を行なうようになっている。したがって、エンジン冷却水の廃熱回生に利用できる熱量が減少し難く、暖房利用時の廃熱回生能力の減少を防止することができる。

例えば、暖房負荷２ＱｋＷ、エンジンの廃熱６ＱｋＷとする場合、従来のように、加熱機に対し並列に設けたヒータコアで暖房を行なう場合には、廃熱回生可能な熱量は、下記数式１により４ＱｋＷとなる。
（数式１）
６ＱｋＷ−２ＱｋＷ＝４ＱｋＷ
この場合の膨張機出力を１ＬｋＷとすると、本発明を適用した場合の廃熱回生可能な熱量は６ＱｋＷであり、この場合の膨張機出力は、下記数式２により１．５ＬｋＷとなる。
（数式２）
１ＬｋＷ×６Ｑ／４Ｑ＝１．５ＬｋＷ
したがって、暖房負荷のない場合と同等の膨張回生出力が得られる。ただし、膨張後ガス冷媒の暖房では熱量が不十分な場合は、エンジン冷却水の熱を暖房に利用する必要があるが、その場合でも従来より回生出力は多く得られる。

また、冷凍サイクル２００とランキンサイクル３００とは、膨張機一体型圧縮機２１０、凝縮器２２０、気液分離器２３０、および蒸発器２５０を兼用している。したがって、サイクル構成部品点数を抑制することができる。特に蒸発器２５０は、ランキンサイクル運転時において冷媒による暖房用熱交換器（熱交換手段）としているので、空調ケース４１０内への熱交換器の増設が不要であり、空調ユニット４００の体格が大きくなることを防止できる。

なお、本実施形態では、ランキンサイクル運転時に蒸発器２５０への冷媒流入量を切り替える手段として開閉弁３０２ｂ、３０３ｂを設けていたが、三方弁等により流入量切り替えを行なうものであってもよい。

また、第２バイパス回路３０２側に対し蒸発器２５０側の圧力損失が大きく、暖房が不要のときに開閉弁３０２ｂを開状態としても蒸発器２５０側に冷媒がほとんど流れない場合には、開閉弁３０３ｂは廃止することができる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について図４ないし図６に基づいて説明する。

本第２の実施形態は、前述の第１の実施形態と比較して、膨張後の作動流体と空気とを熱交換する手段として蒸発器とは異なる熱交換器を採用した点が異なる。

なお、第１の実施形態と同様の部分については、同一の符号をつけ、その説明を省略する。

図４に示すように、本実施形態では、第２バイパス回路３０２の経路中に熱交換器（本実施形態における熱交換手段）３４０を設け、この熱交換器３４０を空調ケース４１０内の蒸発器２５０空気流れ下流側に併設している。

第２バイパス回路３０２には、熱交換器３４０より膨張機一体型圧縮機２１０側と、熱交換器３４０をバイパスする経路中とに、電磁式のバルブからなる開閉弁３０４、３０５がそれぞれ設けられ、膨張機一体型圧縮機２１０がモータモードで作動するときの吐出冷媒を熱交換器３４０に循環する場合と循環しない場合とが切り替えられるようになっている。開閉弁３０４、３０５は、本実施形態における流入量調節手段である。

また、本実施形態の冷凍サイクル時の蒸発器２５０冷媒出口側には、蒸発器２５０から膨張機一体型圧縮機２１０側にのみ冷媒が流れることを許容する逆止弁２５０ａが設けられている。なお、本実施形態では第３バイパス回路３０３は設けられていない。

上述の構成の廃熱利用装置においても、開閉弁３１０ａを開き、膨張機一体型圧縮機２１０を圧縮モードで作動することにより、図５に示すように冷媒を循環して、冷凍サイクル運転を行なうことができる。

また、開閉弁３１０ａを閉じ、ポンプ３３０を作動することにより、図６に示すように冷媒を循環して、ランキンサイクル運転を行なうことができる。

このとき、暖房要求がある場合には、開閉弁３０４を開き、開閉弁３０５を閉じれば、膨張機一体型圧縮機２１０で膨張した後の冷媒を熱交換器３４０に導入し、車室内への送風を加熱して暖房を行なうことができる。

また、暖房要求がない場合には、開閉弁３０４を閉じ、開閉弁３０５を開けば、膨張機一体型圧縮機２１０で膨張した後の冷媒を熱交換器３４０をバイパスして凝縮器２２０に導くことができる。

本実施形態の構成および作動によれば、第１の実施形態と同様に、ランキンサイクル運転時に車室内暖房の要求があった場合には、膨張機一体型圧縮機２１０における膨張により熱エネルギーを回収された後の冷媒熱により暖房を行なうことができる。したがって、エンジン冷却水の廃熱回生に利用できる熱量が減少し難く、暖房利用時の廃熱回生能力の減少を防止することができる。

また、膨張後の冷媒により暖房を行なうための専用の熱交換器３４０を蒸発器２５０に対し別に設けている。したがって、第１の実施形態において、蒸発器２５０を暖房用の熱交換器として利用するために設けた第３バイパス回路３０３等の構成が不要である。

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について図７ないし図９に基づいて説明する。

本第３の実施形態は、前述の第１の実施形態と比較して、本発明を冷凍サイクルとランキンサイクルとを同時に運転することが可能なシステムに適用した点が異なる。

なお、第１の実施形態と同様の部分については、同一の符号をつけ、その説明を省略する。

図７に示すように、本実施形態では、膨張機一体型圧縮機２１０は、圧縮動作を行なうポンプ機構２１１Ａと、膨張動作を行なうモータ機構２１１Ｂとを備えており、両機構はクラッチ機構を介して回転電機２１２の回転軸に取り付けられている。

そして、凝縮器２２０および気液分離器２３０を共用して、ポンプ機構２１１Ａ→凝縮器２２０→気液分離器２３０→減圧器２４０→蒸発器２５０→ポンプ機構２１１Ａと冷媒を循環する冷凍サイクル２００と、加熱器３１０→モータ機構２１１Ｂ→凝縮器２２０→気液分離器２３０→ポンプ３３０→加熱器３１０と冷媒を循環するランキンサイクル３００とを同時に形成できるようになっている。

第１バイパス回路５０１は、モータ機構２１１Ｂから吐出された冷媒を蒸発器２５０の冷凍サイクル時ポンプ機構２１１Ａ側出口に導く冷媒通路であり、第１バイパス回路５０１には、この経路を開閉する電磁式バルブからなる開閉弁５０１ａが設けられている。

また、第２バイパス回路（請求項６に記載の冷媒経路に相当）５０２は、モータ機構２１１Ｂから吐出された冷媒が第１バイパス回路５０１を介して蒸発器２５０に導かれたときの、蒸発器２５０冷媒出口側（減圧器２４０側）と凝縮器２２０上流側とを繋ぐ冷媒通路であり、第２バイパス回路５０２には、この経路を開閉する電磁式バルブからなる開閉弁５０２ａが設けられている。

また、凝縮器２２０の上流側には、第２バイパス回路５０２接続点より上流側に、ポンプ機構２１１Ａおよびモータ機構２１１Ｂから凝縮器２２０への冷媒経路を開閉する電磁式バルブからなる開閉弁２１１ａが設けられている。

上述の構成の廃熱利用装置では、開閉弁２１１ａを開き、開閉弁５０１ａ、５０２ａを閉じて、ポンプ機構２１１Ａおよびポンプ３３０を作動することにより、図８に示すように冷媒を循環して、冷凍サイクル運転およびランキンサイクル運転を同時に行なうことができる。

また、開閉弁２１１ａを閉じ、開閉弁５０１ａ、５０２ａを開いて、ポンプ３３０を作動し、ポンプ機構２１１Ａを停止することにより、図９に示すように冷媒を循環して、ランキンサイクル運転を行なうとともに、モータ機構２１１Ｂで膨張した後の冷媒を蒸発器２５０に導入し、車室内への送風を加熱して暖房を行なうことができる。

ランキンサイクル運転中に暖房の要求がなければ、開閉弁５０１ａを閉じ、開閉弁２１１ａを開くことにより、ランキンサイクルを運転しつつ、蒸発器２５０による暖房を中止することができる。開閉弁２１１ａ、５０１ａが、本実施形態における流入量調節手段である。

本実施形態の構成および作動によれば、第１の実施形態と同様に、車室内暖房の要求があった場合には、ランキンサイクル運転を行ないつつ、モータ機構２１１Ｂにおける膨張により熱エネルギーを回収された後の冷媒熱により蒸発器２５０において暖房を行なうことができる。したがって、エンジン冷却水の廃熱回生に利用できる熱量が減少し難く、暖房利用時の廃熱回生能力の減少を防止することができる。

（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態について図１０ないし図１２に基づいて説明する。

本第４の実施形態は、前述の第３の実施形態と同様に、本発明を冷凍サイクルとランキンサイクルとを同時に運転することが可能なシステムに適用したものであるが、圧縮機と膨張機とを別体とした点が異なる。

なお、第１、第３の実施形態と同様の部分については、同一の符号をつけ、その説明を省略する。

図１０に示すように、本実施形態では、圧縮動作を行なうポンプ機構２１１Ａを有する圧縮機２１０Ａと、膨張動作を行なうモータ機構２１１Ｂとを有する膨張機２１０Ｂとを別体で備えている。

そして、第３の実施形態と同様に、凝縮器２２０および気液分離器２３０を共用して、ポンプ機構２１１Ａ→凝縮器２２０→気液分離器２３０→減圧器２４０→蒸発器２５０→ポンプ機構２１１Ａと冷媒を循環する冷凍サイクル２００と、加熱器３１０→モータ機構２１１Ｂ→凝縮器２２０→気液分離器２３０→ポンプ３３０→加熱器３１０と冷媒を循環するランキンサイクル３００とを同時に形成できるようになっている。

上述の構成の廃熱利用装置においても、開閉弁２１１ａを開き、開閉弁５０１ａ、５０２ａを閉じて、ポンプ機構２１１Ａおよびポンプ３３０を作動することにより、図１１に示すように冷媒を循環して、冷凍サイクル運転およびランキンサイクル運転を同時に行なうことができる。

また、開閉弁２１１ａを閉じ、開閉弁５０１ａ、５０２ａを開いて、ポンプ３３０を作動することにより、図１２に示すように冷媒を循環して、ランキンサイクル運転を行なうとともに、モータ機構２１１Ｂで膨張した後の冷媒を蒸発器２５０に導入し、車室内への送風を加熱して暖房を行なうことができる。

ランキンサイクル運転中に暖房の要求がなければ、開閉弁５０１ａを閉じ、開閉弁２１１ａを開くことにより、ランキンサイクルを運転しつつ、蒸発器２５０による暖房を中止することができる。開閉弁２１１ａ、５０１ａが、本実施形態における流入量調節手段である。

本実施形態の構成および作動によっても、第１、第３の実施形態と同様に、車室内暖房の要求があった場合には、ランキンサイクル運転を行ないつつ、モータ機構２１１Ｂにおける膨張により熱エネルギーを回収された後の冷媒熱により蒸発器２５０において暖房を行なうことができる。したがって、エンジン冷却水の廃熱回生に利用できる熱量が減少し難く、暖房利用時の廃熱回生能力の減少を防止することができる。

（他の実施形態）
上記第２の実施形態では、第２バイパス回路３０２の経路中に熱交換器３４０を設け、空調ケース４１０内において、膨張後の冷媒と空気とを熱交換していたが、他の熱媒体を介在させて熱交換するものであってもよい。例えば、図１３に示すように、熱交換器３４０に２次冷媒（例えば、エンジン冷却水と同様なＬＬＣを含む水）を循環するブライン回路３４１を形成し、このブライン回路３４１に、２次冷媒とランキンサイクルの膨張後の冷媒とを熱交換する熱交換器３４２および循環ポンプ３４３を設け、２次冷媒を介して、ランキンサイクルの膨張後の冷媒と空調ケース４１０内を流れる空気とを熱交換するものであってもよい。この場合には、熱交換器３４０、３４２、ブライン回路３４１、循環ポンプ３４３からなる構成が、本発明の熱交換手段に対応する。

また、上記各実施形態では、ランキンサイクル３００を循環する作動流体は、冷凍サイクル２００を循環する冷媒であったが、ランキンサイクル３００を冷凍サイクル２００に対し独立したサイクルとした場合や、冷凍サイクルを備えない廃熱利用装置の場合には、他の作動流体を採用してもかまわない。

また、上記各実施形態では、冷凍サイクル２００およびランキンサイクル３００中に逆止弁や開閉弁を配置していたが、各実施形態で説明した冷媒循環が成立するものであれば、逆止弁や開閉弁の配設位置や数は上記例に限定されるものではない。また、逆止弁や開閉弁以外の循環経路制御手段を採用してもかまわない。

また、上記各実施形態では、発熱体は車両用のエンジン（内燃機関）１０としたが、これに限定されるものではなく、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、作動時に発熱を伴ない、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可能である。また、車両用に限らず、例えば、定置式の廃熱利用装置に適用するものであってもかまわない。

本発明を適用した第１の実施形態における廃熱利用装置の模式構成図である。 第１の実施形態の廃熱利用装置において冷凍サイクル運転をした場合の冷媒循環経路を示す図である。 第１の実施形態の廃熱利用装置においてランキンサイクル運転をした場合の冷媒循環経路を示す図である。 本発明を適用した第２の実施形態における廃熱利用装置の模式構成図である。 第２の実施形態の廃熱利用装置において冷凍サイクル運転をした場合の冷媒循環経路を示す図である。 第２の実施形態の廃熱利用装置においてランキンサイクル運転をした場合の冷媒循環経路を示す図である。 本発明を適用した第３の実施形態における廃熱利用装置の模式構成図である。 第３の実施形態の廃熱利用装置において冷凍サイクル・ランキンサイクル同時運転をした場合の冷媒循環経路を示す図である。 第３の実施形態の廃熱利用装置においてランキンサイクル運転をしつつ暖房を行なった場合の冷媒循環経路を示す図である。 本発明を適用した第４の実施形態における廃熱利用装置の模式構成図である。 第４の実施形態の廃熱利用装置において冷凍サイクル・ランキンサイクル同時運転をした場合の冷媒循環経路を示す図である。 第４の実施形態の廃熱利用装置においてランキンサイクル運転をしつつ暖房を行なった場合の冷媒循環経路を示す図である。 他の実施形態における廃熱利用装置の要部模式構成図である。

符号の説明

１０ エンジン（発熱体）
３１ ヒータコア（暖房用熱交換器）
１００ 廃熱利用装置
２００ 冷凍サイクル
２１０ 膨張機一体型圧縮機（膨張機）
２１０Ｂ 膨張機
２１１ａ、３０２ｂ、３０３ｂ、３０４、３０５、５０１ａ 開閉弁（流入量調節手段、電動調節手段）
２２０ 凝縮器
２５０ 蒸発器（熱交換手段）
３００ ランキンサイクル
３０３ 第３バイパス回路（冷媒経路）
３４０ 熱交換器（熱交換手段、蒸発器に併設された熱交換器）
４１１ バイパス通路
４３０ エアミックスドア（風量割合調節手段）
５０２ 第２バイパス回路（冷媒経路）

Claims (8)

1. 発熱体（１０）の廃熱により加熱された作動流体を膨張させて前記作動流体に与えられた熱エネルギーを回収する膨張機（２１０）を有するランキンサイクル（３００）を備える廃熱利用装置であって、
   前記膨張機（２１０）から流出した前記作動流体と室内へ吹き出す空気とを熱交換する熱交換手段（２５０）を具備することを特徴とする廃熱利用装置。
2. 前記膨張機（２１０）から流出した前記作動流体の前記熱交換手段（２５０）への流入量を調節する流入量調節手段（３０２ｂ、３０３ｂ）を備えることを特徴とする請求項１に記載の廃熱利用装置。
3. 前記流入量調節手段（３０２ｂ、３０３ｂ）は、電気入力に応じて作動する電動調節手段（３０２ｂ、３０３ｂ）であることを特徴とする請求項２に記載の廃熱利用装置。
4. 冷凍サイクル（２００）中に設けられ冷媒を蒸発して前記室内へ吹き出す空気を冷却するための蒸発器（２５０）を備え、
   前記冷媒を前記ランキンサイクル（３００）の作動流体とし、前記蒸発器（２５０）を前記熱交換手段（２５０）として利用することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１つに記載の廃熱利用装置。
5. 前記冷媒を凝縮する凝縮器（２２０）と、
   前記蒸発器（２５０）を前記熱交換手段（２５０）として利用したときに、前記蒸発器（２５０）から流出した冷媒を前記凝縮器（２２０）に導入する冷媒経路（３０３）とを備えることを特徴とする請求項４に記載の廃熱利用装置。
6. 冷凍サイクル（２００）中に設けられ冷媒を蒸発して前記室内へ吹き出す空気を冷却するための蒸発器（２５０）を備え、
   前記熱交換手段（３４０）は、前記蒸発器（２５０）に併設された熱交換器（３４０）であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１つに記載の廃熱利用装置。
7. 前記発熱体（１０）の冷却媒体と前記室内へ吹き出す空気とを熱交換する、前記熱交換手段（２５０）とは異なる暖房用熱交換器（３１）を備え、
   前記室内を暖房するときに、前記室内へ吹き出す空気を前記熱交換手段（２５０）により優先的に加熱し、暖房熱量が不足するときには前記暖房用熱交換器（３１）により熱量を補うことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１つに記載の廃熱利用装置。
8. 前記暖房用熱交換器（３１）をバイパスして前記室内へ吹き出す空気を流通するバイパス通路（４１１）と、
   前記暖房用熱交換器（３１）を流通する前記空気と前記バイパス通路（４１１）を流通する前記空気との風量割合を調節する風量割合調節手段（４３０）とを備え、
   前記風量割合調節手段（４３０）により、前記暖房用熱交換器（３１）により補う熱量を調節することを特徴とする請求項７に記載の廃熱利用装置。

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