JP2007239505A - 廃熱利用装置 - Google Patents

Abstract

【課題】蓄電器に対する蓄電の余剰が生ずる時に蓄電器への不具合を防止すると共に、蓄電必要時にランキンサイクルの作動効率を低下させることなく蓄電対応を可能とする廃熱利用装置を提供することにある。
【解決手段】発熱機器１０の廃熱により加熱された冷媒の膨張によって、膨張機３２０で駆動力を発生するランキンサイクル３００と、膨張機３２０に接続されると共に、膨張機３２０の駆動力によって駆動されて発電する発電機３２１と、発電機３２１で得られた電気エネルギーを蓄電する蓄電器４０とを備える廃熱利用装置において、ランキンサイクル３００の作動に伴う発電機３２１の駆動によって、蓄電器４０に対する蓄電余剰が生じた時に、ランキンサイクル３００の作動を継続させながら、蓄電器４０への蓄電を回避する回避手段を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、発熱機器の廃熱を利用して動力を回収する廃熱利用装置に関するものであり、例えば内燃機関を搭載する車両用に用いて好適である。

従来の廃熱利用装置として、例えば特許文献１に示されるように、車両用蒸気圧縮式冷凍機にランキンサイクルが備えられたものが知られている。即ち、ランキンサイクルは、液ポンプ、加熱器、膨張機、放熱器が環状に接続されたものであり、膨張機には発電機が接続されている。そして、エンジンの冷却水（廃熱）によって加熱器で加熱された高圧の過熱蒸気冷媒が膨張機に流入され、この冷媒が膨張することで膨張機が駆動されて、発電機で発電するようにしている。更に、発電機によって得られた電力は蓄電器（バッテリ）に蓄えられるようにしている。
特開２００４−２３２４９２号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の技術においては、エンジン等の熱機関の廃熱を利用して、発電機を有するランキンサイクルを用いて電気エネルギーとして回収する内容に留まっており、蓄電器に対する蓄電（充電）が余剰となって、蓄電器が過充電状態になってしまう場合の対処方法については、何ら触れられていない。

即ち、車両の各種補機によって消費される電力よりも発電量が多くなり、蓄電器の過充電状態が続くと蓄電器が破損するという問題に繋がる。このように充電が余剰となる場合には、単純にランキンサイクル自体を停止させれば良いと考えられるが、蓄電器での充電状態に応じて、ランキンサイクルを起動・停止させると、そのたびに起動・停止によるロスを伴い、本来発電を必要とする場合のランキンサイクルの作動効率が低下してしまう。

本発明の目的は、上記問題に鑑み、蓄電器に対する蓄電の余剰が生ずる時に蓄電器への不具合を防止すると共に、蓄電必要時にランキンサイクルの作動効率を低下させることなく蓄電対応を可能とする廃熱利用装置を提供することにある。

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。

請求項１に記載の発明では、発熱機器（１０）の廃熱により加熱された冷媒の膨張によって、膨張機（３２０）で駆動力を発生するランキンサイクル（３００）と、膨張機（３２０）に接続されると共に、膨張機（３２０）の駆動力によって駆動されて発電する発電機（３２１）と、発電機（３２１）で得られた電気エネルギーを蓄電する蓄電器（４０）とを備える廃熱利用装置において、ランキンサイクル（３００）の作動に伴う発電機（３２１）の駆動によって、蓄電器（４０）に対する蓄電余剰が生じた時に、ランキンサイクル（３００）の作動を継続させながら、蓄電器（４０）への蓄電を回避する回避手段（６０１、６０２、６０３）を設けたことを特徴としている。

これにより、蓄電余剰が生じた時の蓄電器（４０）への蓄電が回避されるので、蓄電器（４０）に生じ得る不具合を防止できる。そして、ランキンサイクル（３００）が作動状態のままで上記の蓄電回避を行うので、蓄電器（４０）への蓄電が必要になった場合に、ランキンサイクル（３００）の起動・停止ロスを伴うことなく蓄電を再開できる。

請求項２に記載の発明では、蓄電器（４０）に蓄電された電気エネルギーの電圧を検出する電圧検出手段（４１）を有し、回避手段（６０１、６０２、６０３）は、電圧検出手段（４１）によって検出された電圧値が予め定めた所定電圧値を超える場合に、蓄電余剰と判定することを特徴としている。

これにより、蓄電器（４０）における蓄電余剰状態を確実に判定することができるので、回避手段を作動させるタイミングを明確にすることができる。

請求項１に記載の発明において、回避手段（６０１、６０２、６０３）は、請求項３に記載の発明のように、電気エネルギーをこの電気エネルギーとは異なるエネルギーにして蓄える蓄エネルギー手段（６０１）とすることができる。

これにより、蓄電余剰が生じた時の蓄電器（４０）への蓄電が回避されて、電気エネルギーが異なるエネルギーとして蓄えられるので、蓄電器（４０）に生じ得る不具合を防止すると共に、ランキンサイクル（３００）で得られた電気エネルギーを別の形にして有効に活用することができる。そして、ランキンサイクル（３００）が作動状態のままで上記の蓄電回避を行うので、蓄電器（４０）への蓄電が必要になった場合に、ランキンサイクル（３００）の起動・停止ロスを伴うことなく蓄電を再開できる。

そして、請求項４に記載の発明のように、蓄エネルギー手段（６０１）としては、電気エネルギーとは異なるエネルギーとして、冷熱エネルギーを蓄えるものとすることができる。

請求項５に記載の発明では、蓄エネルギー手段（６０１）は、複数のペルチェ素子（２６２ａ、２６２ｂ）から成るペルチェモジュール（２６２）によって、電気エネルギーから冷熱エネルギーを生成して、蓄えることを特徴としている。

これにより、電気エネルギーを容易に冷熱エネルギーにして蓄えるこことができる。

請求項６に記載の発明では、蓄えられた冷熱エネルギーは、空調装置（４００）に使用されることを特徴としている。

これにより、空調装置（４００）における空調空気冷却用に必要とされるエネルギーを低減することができる。

請求項７に記載の発明では、空調装置（４００）は、冷凍サイクル（２００）を備えており、冷熱エネルギーは、冷凍サイクル（２００）内の冷媒冷却に使用されることを特徴としている。

これにより、冷凍サイクル（２００）の圧縮機（２１０）の駆動用エネルギーを低減することができる。

請求項８に記載の発明では、冷却される冷媒は、冷凍サイクル（２００）の凝縮器（２２０）から流出される冷媒であることを特徴としている。

これにより、冷凍サイクル（２００）の蒸発器（２５０）に流入する冷媒の温度を低下させることができるので、蒸発器（２５０）における空調空気の冷却能力を増加させることができる。

請求項１に記載の発明において、回避手段（６０１、６０２、６０３）は、請求項９に記載の発明のように、電気エネルギーを熱エネルギーにして放熱する放熱手段（６０２）とすることができる。

これにより、蓄電余剰が生じた時の蓄電器（４０）への蓄電を容易に回避することができ、蓄電器（４０）に生じ得る不具合を防止することができる。そして、ランキンサイクル（３００）が作動状態のままで上記の蓄電回避を行うので、蓄電器（４０）への蓄電が必要になった場合に、ランキンサイクル（３００）の起動・停止ロスを伴うことなく蓄電を再開できる。

請求項１０に記載の発明では、放熱手段（６０２）は、電気エネルギーを電気抵抗部（５１ａ）に供給することで熱エネルギーを生成し、空気中に放熱することを特徴としている。

これにより、電気エネルギーを容易に熱エネルギーとすることができ、空気中に放熱することで、蓄電器（４０）への蓄電を回避できる。

請求項１１に記載の発明では、空気は、送風機（５１ｂ）によって供給される送風空気であることを特徴としている。

これにより、効果的に空気中に放熱することができる。

請求項１２に記載の発明では、送風機（５１ｂ）は、電動機（５１ｃ）によって作動され、電動機（５１ｃ）は、電気エネルギーによって作動されることを特徴としている。

これにより、電動機（５１ｃ）においても電気エネルギーを消費することができるので、蓄電器（４０）への蓄電回避効果を高めることができる。

請求項１３に記載の発明では、放熱手段（６０２）は、電気エネルギーを電気抵抗部（５１ａ）に供給することで熱エネルギーを生成し、発熱機器（１０）冷却用の冷却媒体に放熱することを特徴としている。

これにより、効果的に冷却媒体に放熱することができる。

請求項１に記載の発明において、回避手段（６０１、６０２、６０３）は、請求項１４に記載の発明のように、電気負荷（５０ａ、５０ｂ）を有する車両に搭載されるものにおいて、電気エネルギーを電気負荷（５０ａ、５０ｂ）の作動用に供給する供給手段（６０３）とすることができる。

これにより、新たな機器を増設することなく、蓄電余剰となった電気エネルギーを電気エネルギーのまま消費することができるので、蓄電器（４０）に生じ得る不具合を防止することができる。そして、ランキンサイクル（３００）が作動状態のままで上記の蓄電回避を行うので、蓄電器（４０）への蓄電が必要になった場合に、ランキンサイクル（３００）の起動・停止ロスを伴うことなく蓄電を再開できる。

電気負荷（５０ａ、５０ｂ）としては、請求項１５、請求項１６に記載の発明のように、発熱機器（１０）用のラジエータ（２１）を冷却する電動式送風機（５０ａ）や、リヤウインド曇り防止用のリヤデフォッガー（５０ｂ）とすることができる。

尚、上記各手段の括弧内の符号は、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ものである。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態を図１、図２に示し、まず、具体的な構成について説明する。本発明の廃熱利用装置１００は、エンジン１０を走行用駆動源とする一般乗用車（車両）に適用されるものとしており、冷凍サイクル２００と、この冷凍サイクル２００内の一部の機器（後述する凝縮器２２０、気液分離器２３０、過冷却器２３１）を共用すると共に電動発電機３２１を備えるランキンサイクル３００と、冷凍サイクル２００およびランキンサイクル３００の作動を制御する制御装置５００（５００ａ〜５００ｄ）とを有している。

図１に示すように、エンジン１０は水冷式の内燃機関（本発明における発熱機器に対応）であり、エンジン冷却水（以下、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を有している。尚、エンジン１０には、ベルト１２を介して伝達されるエンジン１０の駆動力によって駆動されて発電するオルタネータ１１が設けられている。オルタネータ１１によって発電された電力はバッテリ（本発明における蓄電器に対応）４０に充電されると共に、バッテリ４０に充電された電力は、車両電気負荷（ヘッドランプ、ワイパー、オーディオ、後述するラジエータ２１用の電動ファン、リヤデフォッガー等）５０に供給されるようになっている。

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。ここでは温水ポンプ２２は、エンジン１０によって駆動される機械式ポンプとしており、エンジン１０の回転数（以下、エンジン回転数）に対して所定の回転数比で作動されるようになっている。尚、温水ポンプ２２は、上記機械式ポンプに代えて、電動機によって駆動される電動式ポンプとしても良い。

また、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、水温センサ２５と、後述するランキンサイクル３００の加熱器３１０が配設されている。水温センサ２５は、エンジン１０の出口側における冷却水温度を検出する水温検出手段であり、この水温センサ２５によって検出される温度信号は、後述する制御装置５００（システム制御ＥＣＵ５００ａ）に出力されるようになっている。また、加熱器３１０内にはエンジン１０から流出する冷却水が流通するようになっている。

尚、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を流通する冷却水流量とラジエータバイパス流路２３を流通する冷却水流量とが調節さ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ようになっている。ヒータコア３１は、空調ユニット（本発明における空調装置に対応）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。尚、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を通過する空調空気量が調整される。

冷凍サイクル２００は、圧縮機２１０、凝縮器２２０、気液分離器２３０、過冷却器２３１、膨張弁２４０、蒸発器２５０を有し、これらが順次環状に接続されて閉回路を形成している。

圧縮機２１０は、冷凍サイクル２００内の冷媒を高温高圧に圧縮する流体機器であり、エンジン１０の駆動力によって駆動されるようになっている。即ち、圧縮機２１０の駆動軸には駆動手段としてのプーリ２１１が固定されており、エンジン１０の駆動力がベルト１２を介してプーリ２１１に伝達され、圧縮機２１０は駆動される。尚、圧縮機２１０とプーリ２１１との間には、両者２１０、２１１の間を断続する電磁クラッチ２１２が設けられており、この電磁クラッチ２１２の断続により、圧縮機２１０の作動はＯＮ−ＯＦＦされる。電磁クラッチ２１２の断続は、後述する制御装置５００（エアコン制御ＥＣＵ５００ｃ）によって制御されるようになっている。

凝縮器２２０は、外気との熱交換によって冷媒を凝縮液化する熱交換器であり、例えば車両エンジンルーム内の前方に配設されている。凝縮器２２０の熱交換部には車両走行時の車速風が外気として流入するようになっている。尚、冷却ファン２２１は、凝縮器２２０に強制的に冷却風を送るものである。気液分離器２３０は、凝縮器２２０で凝縮された冷媒を気液二層に分離するレシーバである。過冷却器２３１は、気液分離器２３１から流出される液冷媒を更に冷却する熱交換器である。凝縮器２２０、気液分離器２３０、過冷却器２３１は、いわゆる気液分離器を有するサブクールコンデンサの形態となっている。尚、凝縮器２２０、気液分離器２３０、過冷却器２３１は、一体的に形成される気液分離器一体型サブクールコンデンサとしても良い。

膨張弁２４０は、過冷却器２３１から流出される液冷媒を減圧膨脹させる減圧手段であり、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、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脹弁を採用している。

蒸発器２５０は、ヒータコア３１と同様に空調ユニット４００の空調ケース４１０内に配設されている。蒸発器２５０は、膨張弁２４０によって減圧膨張された冷媒を蒸発させて、その時の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、圧縮機２１０の吸入側に接続されている。尚、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、乗員の設定する室内設定温度に調節される。

ランキンサイクル３００は、エンジン１０で発生した廃熱エネルギー（冷却水の熱エネルギー）を回収すると共に、この廃熱エネルギーを電気エネルギーに変換して利用するものである。以下、ランキンサイクル３００について説明する。

ランキンサイクル３００は、ポンプ３３０、加熱器３１０、膨張機３２０、凝縮器２２０、気液分離器２３０、過冷却器２３１を有し、これらが順次接続されて閉回路を形成している。尚、凝縮器２２０、気液分離器２３０、過冷却器２３１は上記冷凍サイクル２００のものが共用されるようにしており、ランキンサイクル３００内を流通する作動流体は、冷凍サイクル２００の冷媒と同一のものとなっている。

本ランキンサイクル３００においては、膨張機３２０に電動機と発電機の両機能を備える電動発電機（本発明における発電機に対応）３２１が接続されると共に、ポンプ３３０が膨張機３２０に接続されるようになっている。具体的には、膨張機３２０に電動発電機３２１の一端側が接続され、更に、電動発電機３２１の他端側がポンプ３３０と接続され、膨張機３２０、電動発電機３２１、ポンプ３３０が一体的に形成されている。

電動発電機３２１は、後述する制御装置５００（インバータ５００ｄ）によって作動制御されるようになっている。即ち、電動発電機３２１は、後述するインバータ５００ｄから電力供給されると、電動機として膨張機３２０、およびポンプ３３０を駆動（起動）させる。また、電動発電機３２１は、膨張機３２０から駆動力を受けると発電機として作動する。この時、電動発電機３２１はインバータ５００ｄによって回転数制御され、これに伴って発電量が調整される。そして、発電された電力は、インバータ５００ｄによってバッテリ４０に充電されるようになっている。

ポンプ３３０は、ランキンサイクル３００内の冷媒を循環させる流体機器であり、膨張機３２０の駆動力によって作動される。加熱器３１０は、ポンプ３３０から送られる冷媒とラジエータ回路２０を流通する高温の冷却水との間で熱交換することにより冷媒を加熱する熱交換器である。膨張機３２０は、加熱器３１０で加熱された高温高圧の過熱蒸気冷媒の膨張によって回転駆動力を発生させる流体機器である。そして、膨張機３２０の冷媒吐出側は、凝縮器２２０に合流するように接続され、また、過冷却器２３１の冷媒流出側で冷凍サイクル２００から分岐して、ポンプ３３０に接続されている。

ポンプ３３０と加熱器３１０との間には、ランキンサイクル３００の高圧側となる冷媒圧力（以下、ランキン高圧側圧力）を検出する圧力検出手段としての冷媒圧力センサ３４１が設けられている。この冷媒圧力センサ３４１によって検出される圧力信号は、後述する制御装置５００（システム制御ＥＣＵ５００ａ）に出力されるようになっている。

また、過冷却器２３１と膨張弁２４０との間、更に具体的には過冷却器２３１と後述する蓄冷器２６０との間には、冷凍サイクル２００の高圧側（ランキンサイクル３００の低圧側）となる冷媒圧力（以下、冷凍高圧側圧力）を検出する圧力検出手段としての冷媒圧力センサ３４２が設けられている。この冷媒圧力センサ３４２によって検出される圧力信号は、後述する制御装置５００（システム制御ＥＣＵ５００ａ）に出力されるようになっている。

そして、本実施形態では、バッテリ４０への蓄電回避のための回避手段としての蓄エネルギー手段６０１を冷凍サイクル２００に設けるようにしている。蓄エネルギー手段６０１は、電圧センサ４１、蓄冷器２６０、スイッチ２６３を有しており、後述する制御装置５００（システム制御ＥＣＵ５００ａ）によって制御されるようにしている。

電圧センサ４１は、バッテリ４０の電圧を検出することで充電量（蓄電量）を把握する電圧検出手段であり、バッテリ４０に設けられている。この電圧センサ４１によって検出される電圧値は後述する制御装置５００（システム制御ＥＣＵ５００ａ）に出力されるようになっている。

蓄冷器２６０は、電気エネルギーを冷熱エネルギーとして蓄えるものであり、蓄冷タンク２６１とペルチェモジュール２６２とを有して、冷凍サイクル２００の過冷却器２３１と膨張弁２４０との間に配設されている。

図２に示すように、蓄冷タンク２６１は、内部に蓄冷材（例えばパラフィンや氷等）が充填された密閉容器体であり、この蓄冷タンク２６１内を冷凍サイクル２００の冷媒配管２０１が、上記蓄冷材との接触面積を拡大するように例えば蛇行しながら貫通するようになっている。

ペルチェモジュール２６２は、複数のペルチェ素子としてのＰ型熱電素子２６２ａとＮ型熱電素子２６２ｂとが電極部材２６２ｃによって交互に直列となるように接続された熱電素子組立て体である。ペルチェモジュール２６２は、バッテリ４０と電気的に接続されて、バッテリ４０からの電力（電流）が供給されると、電流の流れ方向に応じて一方側面で発熱し、他方側面で吸熱するようになっており、吸熱する側の面が蓄冷タンク２６１の外表面に接触するように配設されている。

スイッチ２６３は、バッテリ４０とペルチェモジュール２６２との間で両者４０、２６２間の電気的接続を断続する断続手段として設けられており、後述する制御装置５００（システム制御ＥＣＵ５００ａ）によって、その断続が制御されるようになっている。

制御装置５００は、上記冷凍サイクル２００およびランキンサイクル３００の各種機器の作動を制御する制御手段であり、システム制御ＥＣＵ５００ａ、車両制御ＥＣＵ５００ｂ、エアコン制御ＥＣＵ５００ｃ、インバータ５００ｄを有している。

システム制御ＥＣＵ５００ａには、車両制御ＥＣＵ５００ｂとエアコン制御ＥＣＵ５００ｃとインバータ５００ｄとが接続されて、相互に制御信号が授受されるようになっている。

システム制御ＥＣＵ５００ａは、冷凍サイクル２００およびランキンサイクル３００の総合的な制御を行うと共に、後述するようにランキンサイクル３００の作動時にバッテリ４０に対する充電が余剰となる時に、蓄冷器２６０の作動（スイッチ２６３のＯＮ−ＯＦＦ）を制御する。

車両制御ＥＣＵ５００ｂは、主にエンジン１０の制御を行うものであり、水温センサ２５からの冷却水温度、エンジン回転数、スロットルバルブ開度等から算出されるエンジン負荷（エンジントルク）等から、燃料（ガソリン）の燃焼効率が最適になるように、燃料噴射量（燃料供給量）を制御する。尚、車両制御ＥＣＵ５００ｂは、エンジン回転数、および図示しない変速機の変速比等から車両の速度、即ち車速を算出する。

エアコン制御ＥＣＵ５００ｃは、乗員のエアコン要求、室内設定温度、実際の室内温度、蒸発器２５０で冷却された空気温度、環境条件（外気温度、日射量等）、冷媒圧力センサ３４２からの冷凍高圧側圧力等に応じて、冷凍サイクル２００の基本作動を制御する。

また、インバータ５００ｄは、水温センサ２５からの冷却水温度、冷媒圧力センサ３４１からのランキン高圧側圧力等に応じて、電動発電機３２１を作動させ、また、その回転数を調整することで、ランキンサイクル３００の作動を制御する。

次に、上記構成に基づく廃熱利用装置１００の作動について説明する。本廃熱利用装置１００においては、以下の冷凍サイクル単独運転、ランキンサイクル単独運転、冷凍サイクル・ランキンサイクル併用運転に加えて蓄冷運転を可能とする。

１．冷凍サイクル単独運転
制御装置５００は、エンジン１０始動直後の暖機中等で廃熱が充分に得られない場合、即ち、水温センサ２５によって得られる冷却水温度が所定冷却水温度に満たない場合で、乗員からのエアコン要求があると判定した時は、電動発電機３２１を停止（膨張機３２０、ポンプ３３０を停止）させて、冷凍サイクル２００を単独運転させる。

制御装置５００（エアコン制御ＥＣＵ５００ｃ）は、冷凍サイクル２００の運転において、実際の室内温度、外気温度、日射量等の条件から、実際の室内温度が設定室内温度となるように必要吹出し温度を演算して、蒸発器２５０における冷却空気温度が所定温度（例えば４℃）となるように圧縮機２１０の作動を制御しつつ（電磁クラッチ２１２の断続によるＯＮ−ＯＦＦ制御）、エアミックスドア４３０の開度を制御する。蒸発器２５０で冷却された空調空気と、ヒータコア３１によって加熱された空調空気は、エアミックスドア４３０によって所定比に混合されて乗員の設定する設定室内温度に調節される。また、冷凍高圧側圧力および車速に応じて、凝縮器２２０での凝縮能力調整のために冷却ファン２２１の作動回転数を制御する。

２．ランキンサイクル単独運転
制御装置５００は、エアコン要求が無く、水温センサ２５によって得られる冷却水温度が所定冷却水温度以上となってエンジン１０の廃熱が充分得られると判定した時は、電磁クラッチ２１２を切断（圧縮機２１０は停止）し、電動発電機３２１（膨張機３２０、ポンプ３３０）を作動させて、ランキンサイクル３００を運転させる。そして、膨張機３２０の回転駆動力に伴う電動発電機３２１の発電作用により発電を行う。

更に詳述すると、ポンプ３３０によって過冷却器２３１からの液冷媒が昇圧されて加熱器３１０に送られ、加熱器３１０において液冷媒は高温のエンジン冷却水によって加熱され、過熱蒸気冷媒となって膨張機３２０に送られる。膨張機３２０において過熱蒸気冷媒は等エントロピー的に膨張減圧され、その熱エネルギーと圧力エネルギーの一部が回転駆動力に変換され、膨張機３２０で取り出された回転駆動力によって電動発電機機３２１が作動される。そして、膨張機３２０での回転駆動力がポンプ３３０用の駆動力を超えると、電動発電機３２１は、電力を発生させる発電機として作動し、得られた電力はインバータ５００ｄによってバッテリ４０に充電される。充電された電力は、車両電気負荷５０の作動に使用される。よってオルタネータ１１の負荷が軽減される。尚、膨張機３２０で減圧された冷媒は凝縮器２２０で凝縮され、気液分離器２３０で気液分離され、過冷却器２３１で過冷却されて、再びポンプ３３０へ吸引される。

３．冷凍サイクル・ランキンサイクル併用運転
制御装置５００は、乗員からのエアコン要求があり、且つ廃熱が充分に得られると判定した時は、冷凍サイクル２００とランキンサイクル３００とを併用運転させ、空調と発電との両方を行う。

この場合は、電磁クラッチ２１２を接続し、電動発電機３２１（膨張機３２０、ポンプ３３０）を作動させる。すると、膨張機３２０、および圧縮機２１０から吐出される冷媒は、合流して凝縮器２２０、気液分離器２３０、過冷却器２３１を流通し、その後に膨張弁２４０側とポンプ３３０側とに分岐して、２つのサイクル２００、３００を循環する。冷凍サイクル２００およびランキンサイクル３００の作動内容は上記の冷凍サイクル単独運転およびランキンサイクル単独運転と同一である。

４．蓄冷運転
制御装置５００は、ランキンサイクル３００の運転に伴って得られる発電量が車両電気負荷５０で消費される電力量よりも上回って、電圧センサ４１によって得られる電圧値が予め定めた所定電圧値（許容充電量に基づく電圧値）を超えると、ランキンサイクル３００を運転状態としたままで、スイッチ２６３をＯＮにして、電動発電機３２１から蓄冷器２６０のペルチェモジュール２６２に通電する。すると、一方側で発熱、他方側で吸熱するペルチェモジュール２６２の吸熱側の作用によって、蓄冷タンク２６１内の蓄冷材は冷却される。即ち、電動発電機３２１からの電気エネルギーは、蓄冷器２６０内に冷熱エネルギーに変換されて蓄えられることになる。

ここで、冷凍サイクル２００が停止状態（圧縮機２１０が停止状態）であれば、冷媒配管２０１内の冷媒は停止状態となって、蓄冷材には最大で液相から完全凝固するまでの冷熱（凝固潜熱）が蓄えられる。また、冷凍サイクル２００が運転状態（圧縮機２１０が運転状態）となると、過冷却器２３１（凝縮器２２０）から流出して蓄冷タンク２６１の冷媒配管２０１内を流通する冷媒が蓄冷材によって冷却されることになる。

一方、制御装置５００は、ペルチェモジュール２６２への通電の間に、電圧センサ４１によって得られる電圧値が予め定めた所定電圧値を下回ると、スイッチ２６３をＯＦＦにして、ペルチェモジュール２６２への通電を遮断することで、ランキンサイクル３００によって得られる発電電力をバッテリ４０に充電する。

以上のように、本実施形態では、冷凍サイクル２００にランキンサイクル３００を設けることで、冷凍サイクル単独運転、ランキンサイクル単独運転、冷凍サイクル・ランキンサイクル併用運転を可能としている。

そして、蓄冷器２６０のペルチェモジュール２６２によって蓄冷タンク２６１内の蓄冷材を冷却（蓄冷）する蓄エネルギー手段６０１を設けて、バッテリ４０の充電状態に応じてペルチェモジュール２６２を作動させるようにしているので、充電余剰が生じた時の電力をペルチェモジュール２６２側に廻して、バッテリ４０への充電を回避することができ、バッテリ４０に生じ得る不具合（過充電状態による破損等）を防止できる。ペルチェモジュール２６２で使用された電力によって蓄冷材は蓄冷されて、この蓄冷材によって冷凍サイクル２００作動時の冷媒が冷却されることになり、蒸発器２５０での空調空気の冷却能力を向上させることができ、その分、圧縮機２１０での必要動力を低減することができる。

上記蓄冷材への蓄冷運転は、ランキンサイクル３００が作動状態のままで行うようにしているので、車両電気負荷５０の電力消費によってバッテリ４０への充電が必要になった場合に、蓄冷運転を停止することで（スイッチ２６３をＯＦＦにすることで）、ランキンサイクル３００の起動・停止ロスを伴うことなく充電を再開することができる。

ここでは、蓄エネルギー手段６０１としてペルチェモジュール２６２を使用するようにしているので、電気エネルギーを容易に冷熱エネルギーに変換することができる。

また、電圧検出手段としての電圧センサ４１を設けて、バッテリ４０の充電状態を把握するようにしているので、バッテリ４０における充電余剰状態を確実に判定することができ、蓄エネルギー手段６０１を作動させるタイミングを明確にすることができる。

尚、上記においては、蓄冷器２６０は冷凍サイクル２００内の冷媒を冷却するものとしたが、これに限らず、例えば蓄冷材が充填される蓄冷タンク２６１を複数のチューブが互いに連通する容器として、このチューブ間に放熱用フィンを介在させて、空調ケース４１０内に配設しても良い。これにより、空調空気を直接冷却でき、上記と同様の効果を得ることができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態を図３〜図５に示す。第２実施形態は上記第１実施形態に対して、ランキンサイクル３００の駆動系を変更すると共に、回避手段として蓄エネルギー手段６０１を放熱手段６０２に変更したものである。

即ち、図３に示すように、電動発電機３２１に代えて発電機能のみを有する発電機３２２を膨張機３２０に接続し、ポンプには専用の電動機３３１を接続して、発電機３２２はインバータ５００ｅによって制御され、電動機３３１はシステム制御ＥＣＵ５００ａによって制御されるようにしている。よって、ランキンサイクル３００は、電動機３３１によってポンプ３３０が駆動されることで作動されるようにしている。

インバータ５００ｅは、図４に示すように、通常、内部に設けられる複数のスイッチング素子を廃止して、発電機３２２から発電される成り行きの電力（交流電力）をダイオードによって直流電力に整流してバッテリ４０に充電する機能のみを持たせたものとしている。そして、放熱手段６０２としては、電圧センサ４１からの電圧値に応じて緊急電気負荷５１がシステム制御ＥＣＵ５００ａによって作動制御されるものとしている。

緊急電気負荷５１は、図５に示すように、ケーシング５１ｄに複数の電気抵抗（本発明における電気抵抗部に対応）５１ａと電動ファン（本発明における送風機に対応）５１ｂとを設けたものとしている。ケーシング５１ｄは、矩形状の箱体であり、１つの面に複数のスリットが形成されて、この面と対向する側が開口されている。複数の電気抵抗５１ａは、バッテリ４０に対して並列に接続されると共に、ケーシング５１ｄ内でスリットの形成された面に沿うように配設されている。電気抵抗５１ａの一方側にはバッテリ４０との電気的接続を断続する断続手段としてのスイッチ５１ｅが設けられている。スイッチ５１ｅの断続は、システム制御装置５００ａによって制御される。電動ファン５１ｂは、モータ（電動機）５１ｃによって駆動されるようにしており、このモータ５１ｃは、各電気抵抗５１ａと並列となるように接続されている。

第２実施形態においては、第１実施形態の蓄冷運転に代えて、放熱運転を行う。即ち、制御装置５００（システム制御ＥＣＵ５００ａ）は、ランキンサイクル３００の運転に伴って得られる発電量が車両電気負荷５０で消費される電力量よりも上回って、電圧センサ４１によって得られる電圧値が予め定めた所定電圧値を超えると、ランキンサイクル３００を運転状態としたままで、スイッチ５１ｅをＯＮにして、発電機３２２から緊急電気負荷５１の電気抵抗５１ａおよび電動ファン５１ｂに通電する。すると、電気抵抗５１ａで発熱して、その熱が電動ファン５１ｂによって供給される送風空気（冷却風）に放熱される。即ち、発電機３２２からの電気エネルギーが熱エネルギーに変換されて空気中に放熱されることになる。

一方、制御装置５００は、緊急電気負荷５１への通電の間に、電圧センサ４１によって得られる電圧値が予め定めた所定電圧値を下回ると、スイッチ５１ｅをＯＦＦにして、緊急電気負荷５１への通電を遮断することで、ランキンサイクル３００によって得られる発電電力をバッテリ４０に充電する。

これにより、充電余剰が生じた時のバッテリ４０への充電を容易に回避することができ、バッテリ４０に生じ得る不具合を防止することができる。そして、ランキンサイクル３００が作動状態のままで上記の充電回避を行うので、バッテリ４０への充電が必要になった場合に、ランキンサイクル３００の起動・停止ロスを伴うことなく充電を再開できる。

ここでは、電気抵抗５１ａを用いることで、容易に電気エネルギーを熱エネルギーに変換することができる。

また、熱エネルギーを空気中に放熱させるために電動ファン５１ｂを用いているので、効果的な放熱を可能とすると共に、電気エネルギーを電動ファン５１ｂでも消費することで、バッテリ４０への充電回避効果を高めることができる。

また、インバータ５００ｅは、通常組込まれる複数のスイッチング素子を廃止して発電機３２２からの電力を整流するのみのものとして、バッテリ４０の充電余剰が生じた時に放熱手段６０２にその電力を廻すようにしているので、安価なインバータとして対応することができる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態を図６〜図７に示す。第３実施形態は上記第２実施形態に対して、図６に示すように、緊急電気負荷５１を緊急電気負荷５２として、この緊急電気負荷５２をラジエータ回路２０の途中に配設した放熱手段６０２としている。

即ち、緊急電気負荷５２は、図７に示すように、例えば筒状のケーシング５２ａ内に複数の電気抵抗５１ａを設けたものとしている。複数の電気抵抗５１ａは、バッテリ４０に対して並列に接続されると共に、ケーシング５２ａ内で筒状の長手方向に沿うように配設されている。電気抵抗５１ａの一方側にはバッテリ４０との電気的接続を断続する断続手段としてのスイッチ５１ｅが設けられている。スイッチ５１ｅの断続は、システム制御装置５００ａによって制御される。ケーシング５２ａの筒状の長手方向の両端部には冷却水用の入口部および出口部が開口されており、ラジエータ回路２０内の冷却水（本発明における冷却媒体に対応）がケーシング５２ａ内を流通するようにしている。

第３実施形態の放熱運転においては、上記第２実施形態と同様に、制御装置５００（システム制御ＥＣＵ５００ａ）は、ランキンサイクル３００の運転に伴って得られる発電量が車両電気負荷５０で消費される電力量よりも上回って、電圧センサ４１によって得られる電圧値が予め定めた所定電圧値を超えると、ランキンサイクル３００を運転状態としたままで、スイッチ５１ｅをＯＮにして、発電機３２２から緊急電気負荷５２の電気抵抗５１ａに通電する。すると、電気抵抗５１ａで発熱して、その熱がラジエータ回路２０内の冷却水に放熱される。即ち、発電機３２２からの電気エネルギーが熱エネルギーに変換されて冷却水に放熱されることになる。

一方、制御装置５００は、緊急電気負荷５２への通電の間に、電圧センサ４１によって得られる電圧値が予め定めた所定電圧値を下回ると、スイッチ５１ｅをＯＦＦにして、緊急電気負荷５２への通電を遮断することで、ランキンサイクル３００によって得られる発電電力をバッテリ４０に充電する。

これにより、上記第２実施形態と同様に、充電余剰が生じた時のバッテリ４０への充電を容易に回避することができ、バッテリ４０に生じ得る不具合を防止することができる。そして、ランキンサイクル３００が作動状態のままで上記の充電回避を行うので、バッテリ４０への充電が必要になった場合に、ランキンサイクル３００の起動・停止ロスを伴うことなく充電を再開できる。

ここでは、発電機３２２からの電気エネルギーを電気抵抗５１ａによって熱エネルギーに変換して、この熱エネルギーを冷却水に放熱させるようにしているので、効果的な放熱が可能となる。

（第４実施形態）
本発明の第４実施形態を図８に示す。第４実施形態は上記第２、第３実施形態に対して、通常車両に搭載される車両電気負荷５０を流用すると共に、回避手段として放熱手段６０２を供給手段６０３に変更したものである。

即ち、図８に示すように、車両電気負荷５０としては、例えばラジエータ２１用の電動ファン（本発明における電動式送風機に対応）５０ａや、リヤウインド曇り防止用のリヤデフォッガー５０ｂを対象として、バッテリ４０との間にそれぞれスイッチ５０ｃ、５０ｄを設けて、供給手段６０３を形成している。スイッチ５０ｃ、５０ｄの断続は、システム制御装置５００ａによって制御されるようにしている。

第４実施形態においては、上記第２、第３実施形態の放熱運転に代えて、電動ファン５０ａ、リヤデフォッガー５０ｂに対して電流を供給する供給運転を行う。つまり、上記第２、第３実施形態と同様に、制御装置５００（システム制御ＥＣＵ５００ａ）は、ランキンサイクル３００の運転に伴って得られる発電量が車両電気負荷５０で消費される電力量よりも上回って、電圧センサ４１によって得られる電圧値が予め定めた所定電圧値を超えると、ランキンサイクル３００を運転状態としたままで、スイッチ５０ｃ、５０ｄをＯＮにして、電動ファン５０ａ、リヤデフォッガー５０ｂを強制的に作動させる。すると、バッテリ４０に対する充電余剰分の電力はこの電動ファン５０ａ、リヤデフォッガー５０ｂで消費される。

一方、制御装置５００は、電動ファン５０ａ、リヤデフォッガー５０ｂへの通電の間に、電圧センサ４１によって得られる電圧値が予め定めた所定電圧値を下回ると、スイッチ５０ｃ、５０ｄをＯＦＦにして、電動ファン５０ａ、リヤデフォッガー５０ｂへの通電を遮断することで、ランキンサイクル３００によって得られる発電電力をバッテリ４０に充電する。

これにより、新たな機器を増設することなく、充電余剰となった電気エネルギーを電気エネルギーのまま消費することができるので、バッテリ４０に生じ得る不具合を防止することができる。そして、ランキンサイクル３００が作動状態のままで上記の充電回避を行うので、バッテリ４０への蓄電が必要になった場合に、ランキンサイクル３００の起動・停止ロスを伴うことなく蓄電を再開できる。

尚、供給手段６０３を構成する車両電気負荷としては、電動ファン５０ａ、リヤデフォッガー５０ｂ以外のものを対象としても良い。

（その他の実施形態）
上記各実施形態では、冷凍サイクル２００の凝縮器２２０、気液分離器２３０、過冷却器２３１を共用するランキンサイクル３００として説明したが、それぞれが独立して形成されるサイクルとしても良い。

また、過冷却器２３１は、必要に応じて、廃止しても良い。

また、発熱機器として、車両用のエンジン（内燃機関）１０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。その場合、加熱器３１０に対する加熱源は、各種廃熱機器の冷却用の流体となる。

第１実施形態における廃熱利用装置全体を示す模式図である。 図１における蓄冷器の詳細を示す断面図である。 第２実施形態における廃熱利用装置全体を示す模式図である。 図３におけるインバータを示す回路図である。 図３における緊急電気負荷を示す模式図である。 第３実施形態における廃熱利用装置全体を示す模式図である。 図６における緊急電気負荷を示す模式図である。 第４実施形態における供給手段を示す模式図である。

符号の説明

１０ エンジン（発熱機器、内燃機関）
２１ ラジエータ
４０ バッテリ（蓄電器）
４１ 電圧センサ（電圧検出手段）
５０ａ 電動ファン（電気負荷、電動式送風機）
５０ｂ リヤデフォッガー（電気負荷）
５１ａ 電気抵抗（電気抵抗部）
５１ｂ 電動ファン（送風機）
５１ｃ モータ（電動機）
１００ 廃熱利用装置
２００ 冷凍サイクル
２２０ 凝縮器
２６２ ペルチェモジュール
２６２ａ Ｐ型熱電素子（複数のペルチェ素子）
２６２ｂ Ｎ型熱電素子（複数のペルチェ素子）
３００ ランキンサイクル
３２０ 膨張機
３２０ 電動発電機（発電機）
４００ 空調ユニット（空調装置）
６０１ 蓄エネルギー手段（回避手段）
６０２ 放熱手段（回避手段）
６０３ 供給手段（回避手段）

Claims (16)

1. 発熱機器（１０）の廃熱により加熱された冷媒の膨張によって、膨張機（３２０）で駆動力を発生するランキンサイクル（３００）と、
   前記膨張機（３２０）に接続されると共に、前記膨張機（３２０）の駆動力によって駆動されて発電する発電機（３２１）と、
   前記発電機（３２１）で得られた電気エネルギーを蓄電する蓄電器（４０）とを備える廃熱利用装置において、
   前記ランキンサイクル（３００）の作動に伴う前記発電機（３２１）の駆動によって、前記蓄電器（４０）に対する蓄電余剰が生じた時に、前記ランキンサイクル（３００）の作動を継続させながら、前記蓄電器（４０）への蓄電を回避する回避手段（６０１、６０２、６０３）を設けたことを特徴とする廃熱利用装置。
2. 前記蓄電器（４０）に蓄電された電気エネルギーの電圧を検出する電圧検出手段（４１）を有し、
   前記回避手段（６０１、６０２、６０３）は、前記電圧検出手段（４１）によって検出された電圧値が予め定めた所定電圧値を超える場合に、前記蓄電余剰と判定することを特徴とする請求項１に記載の廃熱利用装置。
3. 前記回避手段（６０１、６０２、６０３）は、前記電気エネルギーをこの電気エネルギーとは異なるエネルギーにして蓄える蓄エネルギー手段（６０１）としたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の廃熱利用装置。
4. 前記蓄エネルギー手段（６０１）は、前記電気エネルギーとは異なるエネルギーとして、冷熱エネルギーを蓄えることを特徴とする請求項３に記載の廃熱利用装置。
5. 前記蓄エネルギー手段（６０１）は、複数のペルチェ素子（２６２ａ、２６２ｂ）から成るペルチェモジュール（２６２）によって、前記電気エネルギーから前記冷熱エネルギーを生成して、蓄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. 前記蓄えられた冷熱エネルギーは、空調装置（４００）に使用されることを特徴とする請求項５に記載の廃熱利用装置。
7. 前記空調装置（４００）は、冷凍サイクル（２００）を備えており、
   前記冷熱エネルギーは、前記冷凍サイクル（２００）内の冷媒冷却に使用されることを特徴とする請求項６に記載の廃熱利用装置。
8. 前記冷却される冷媒は、前記冷凍サイクル（２００）の凝縮器（２２０）から流出される冷媒であることを特徴とする請求項７に記載の廃熱利用装置。
9. 前記回避手段（６０１、６０２、６０３）は、前記電気エネルギーを熱エネルギーにして放熱する放熱手段（６０２）としたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の廃熱利用装置。
10. 前記放熱手段（６０２）は、前記電気エネルギーを電気抵抗部（５１ａ）に供給することで前記熱エネルギーを生成し、空気中に放熱することを特徴とする請求項９に記載の廃熱利用装置。
11. 前記空気は、送風機（５１ｂ）によって供給される送風空気であることを特徴とする請求項１０に記載の廃熱利用装置。
12. 前記送風機（５１ｂ）は、電動機（５１ｃ）によって作動され、
    前記電動機（５１ｃ）は、前記電気エネルギーによって作動されることを特徴とする請求項１１に記載の廃熱利用装置。
13. 前記放熱手段（６０２）は、前記電気エネルギーを電気抵抗部（５１ａ）に供給することで前記熱エネルギーを生成し、前記発熱機器（１０）冷却用の冷却媒体に放熱することを特徴とする請求項９に記載の廃熱利用装置。
14. 電気負荷（５０ａ、５０ｂ）を有する車両に搭載されて、
    前記回避手段（６０１、６０２、６０３）は、前記電気エネルギーを前記電気負荷（５０ａ、５０ｂ）の作動用に供給する供給手段（６０３）としたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の廃熱利用装置。
15. 前記電気負荷（５０ａ、５０ｂ）は、前記発熱機器（１０）用のラジエータ（２１）を冷却する電動式送風機（５０ａ）であることを特徴とする請求項１４に記載の廃熱利用装置。
16. 前記電気負荷（５０ａ、５０ｂ）は、リヤウインド曇り防止用のリヤデフォッガー（５０ｂ）であることを特徴とする請求項１４に記載の廃熱利用装置。

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