JP2021008871A - 熱サイクルシステム - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンの廃熱回収とバッテリの温調との両方を効率的に行うことができる熱サイクルシステムを提供すること。【解決手段】熱サイクルシステム１は、エンジン２及びその排気と熱交換を行う冷却水が循環するエンジン冷却回路３と、バッテリ８１と熱交換を行う作動媒体が循環するバッテリ冷却回路４と、絶縁性の有機媒体が循環するランキンサイクル回路５と、を備える。ランキンサイクル回路５の主循環流路５０には、有機媒体の流れに沿って順に、有機媒体を減圧する膨張機５５と、有機媒体を外気によって冷却する凝縮器５６と、有機媒体を圧縮する第１ポンプ５１と、有機媒体とバッテリ８１の作動媒体との間で熱交換を行うチラー５２と、有機媒体とエンジン２の冷却水との間で熱交換を行う熱交換器５３及び蒸発器５４と、が設けられている。【選択図】図２

Description

本発明は、熱サイクルシステムに関する。より詳しくは、内燃機関の冷却回路と、ランキンサイクル回路と、を備える熱サイクルシステムに関する。

近年、ランキンサイクルを利用して、車両の内燃機関の廃熱から機械エネルギや電気エネルギを取り出す廃熱回収システムの開発が進められている。このような廃熱回生システムにおいて、廃熱からエネルギを取り出すランキンサイクルは、作動媒体を圧送するポンプと、作動媒体を内燃機関の廃熱で加熱する熱交換器と、熱交換器によって加熱された作動媒体を膨張させることにより機械エネルギや電気エネルギを発生する膨張機と、膨張機によって膨張された作動媒体を凝縮させるコンデンサと、を備えるランキンサイクル回路によって実現される（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−１１８７５４号公報

ところで駆動力発生源として内燃機関の他、電動機を備える所謂ハイブリッド車両には、電動機に電力を供給するバッテリを好ましい温度に維持するバッテリ温調システムが搭載される。しかしながら従来では、内燃機関の廃熱回収とバッテリの温調との両方を効率的に行うためには、バッテリ温調システムとランキンサイクル回路とをどのように組み合わせればよいか十分に検討されていなかった。

本発明は、内燃機関の廃熱回収とバッテリの温調との両方を効率的に行うことができる熱サイクルシステムを提供することを目的とする。

（１）本発明に係る熱サイクルシステム（例えば、後述の熱サイクルシステム１，１Ａ）は、内燃機関（例えば、後述のエンジン２）及びその排気と熱交換を行う冷却水が循環する内燃機関冷却回路（例えば、後述のエンジン冷却回路３）と、絶縁性の有機媒体が循環するランキンサイクル回路（例えば、後述のランキンサイクル回路５，５Ａ）と、を備えるものであって、前記ランキンサイクル回路の循環流路（例えば、後述の主循環流路５０，５０Ａ）には、有機媒体の流れに沿って順に、有機媒体を減圧する膨張機（例えば、後述の膨張機５５、圧縮膨張機５９）と、有機媒体を外気によって冷却する凝縮器（例えば、後述の凝縮器５６）と、有機媒体と電気装置（例えば、後述のバッテリ８１）又は当該電気装置と熱交換可能な作動媒体との間で熱交換を行う第１熱交換部（例えば、後述のチラー５２及びバッテリ容器６５）と、有機媒体と冷却水との間で熱交換を行う第２熱交換部（例えば、後述の熱交換器５３及び蒸発器５４）と、が設けられていることを特徴とする。

（２）この場合、前記熱サイクルシステムは、前記ランキンサイクル回路を操作する制御装置（例えば、後述の制御装置７，７Ａ）をさらに備え、前記循環流路のうち前記凝縮器と前記第１熱交換部との間には有機媒体を圧縮するポンプ（例えば、後述の第１ポンプ５１及び第２ポンプ６４）が設けられ、前記制御装置は、前記電気装置又は作動媒体が前記第１熱交換部において有機媒体の顕熱によって冷却されかつ冷却水が前記第２熱交換部において有機媒体の潜熱によって冷却されるように前記ポンプを操作することが好ましい。

（３）この場合、前記熱サイクルシステムは、前記電気装置と熱交換を行う作動媒体が循環する電気装置冷却回路（例えば、後述のバッテリ冷却回路４）を備え、前記電気装置冷却回路を循環する作動媒体は、前記第１熱交換部において有機媒体と熱交換可能であることが好ましい。

（４）この場合、前記熱サイクルシステムは、前記膨張機に接続されたモータジェネレータ（例えば、後述のモータジェネレータ５７）をさらに備えることが好ましい。

（１）本発明の熱サイクルシステムは、内燃機関及びその排気と熱交換を行う冷却水が循環する内燃機関冷却回路と、絶縁性の有機媒体が循環するランキンサイクル回路と、を備える。またランキンサイクル回路の循環流路には、有機媒体の流れに沿って順に、有機媒体を減圧する膨張機と、有機媒体を外気によって冷却する凝縮器と、有機媒体と電気装置又はこの電気装置と熱交換可能な作動媒体との間で熱交換を行う第１熱交換部と、有機媒体と冷却水との間で熱交換を行う第２熱交換部と、が設けられている。例えば電気装置と内燃機関との両方を搭載する車両では、多くの状況において温度帯は電気装置よりも内燃機関の方が高い。そこで本発明では、内燃機関よりも温度帯が低い電気装置又はその作動媒体と熱交換を行う第１熱交換部を、内燃機関の冷却水と熱交換を行う第２熱交換部よりも凝縮器に近い方に設ける。よって本発明によれば、膨張機、凝縮器、第１熱交換部、及び第２熱交換部の順で有機媒体を循環させることにより、第１熱交換部においてより温度帯の低い電気装置又はその作動媒体を冷却した後、第１熱交換部における熱交換によって加温された有機媒体でより温度帯の高い内燃機関の冷却水をさらに冷却できる。よって本発明によれば、ランキンサイクル回路を循環する有機媒体で、温度帯が異なる電気装置と内燃機関との両方を効率的に冷却できる。

（２）本発明の熱サイクルシステムにおいて、制御装置は、電気装置又はその作動媒体が第１熱交換部において有機媒体の顕熱によって冷却されかつ内燃機関の冷却水が第２熱交換部において有機媒体の潜熱によって冷却されるようにポンプを操作する。ここで有機媒体の潜熱によって冷却する場合、有機媒体の温度を所定の目標温度で一定に維持できるため、顕熱によって冷却する場合よりも効率的に冷却することができる。よって本発明によれば、循環流路を循環する有機媒体によって、電気装置と、これより温度帯が高い内燃機関との両方を効率的に冷却することができる。

（３）本発明の熱サイクルシステムは、電気装置と熱交換を行う作動媒体が循環する電気装置冷却回路を備える。また本発明において、電気装置冷却回路を循環する作動媒体は、第１熱交換部において有機媒体と熱交換可能とする。これにより、例えばランキンサイクル回路において有機媒体を循環させながら電気装置冷却回路における作動媒体の循環を停止することにより、内燃機関のみを積極的に冷却することができる。

（４）本発明の熱サイクルシステムは、膨張機に接続されたモータジェネレータをさらに備える。これにより、膨張機、凝縮器、第１熱交換部、及び第２熱交換部の順で有機媒体を循環させながらモータジェネレータをジェネレータとして機能させることにより、第１及び第２熱交換部における熱交換によって加温された有機媒体を膨張機において減圧する過程で、電気装置及び内燃機関の廃熱の一部を電気エネルギとして回収することができる。また本発明の熱サイクルシステムによれば、第１及び第２熱交換部において有機媒体と電気装置や冷却水との間で効果的な熱交換が行われるように、モータジェネレータを用いて第１及び第２熱交換部における有機媒体の圧力を制御することもできる。

本発明の第１実施形態に係る熱サイクルシステムの構成を示す図である。 ハイブリッド冷却モードで実現される有機媒体の流れを示す図である。 ハイブリッド冷却モードの実行時にランキンサイクル回路において実現される熱サイクルのモリエル線図である。 本発明の第２実施形態に係る熱サイクルシステムの構成を示す図である。 ハイブリッド冷却モードで実現される有機媒体の流れを示す図である。 ハイブリッド冷却モードの実行時にランキンサイクル回路において実現される熱サイクルのモリエル線図である。

＜第１実施形態＞
以下、本発明の第１実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態に係る熱サイクルシステム１の構成を示す図である。熱サイクルシステム１は、内燃機関２（以下、「エンジン２」という）及び駆動モータ（図示せず）を駆動発生源とするハイブリッド車両に搭載される。

熱サイクルシステム１は、エンジン２を冷却する冷却水が循環するエンジン冷却回路３と、上述の駆動モータに電力を供給するバッテリ８１を冷却する作動媒体が循環するバッテリ冷却回路４と、絶縁性の有機媒体が循環するランキンサイクル回路５と、これらエンジン冷却回路３、バッテリ冷却回路４及びランキンサイクル回路５を操作する制御装置７と、を備える。

エンジン冷却回路３は、エンジン２及びその排気と熱交換を行う冷却水が循環する冷却水の循環流路３３と、この循環流路３３に設けられた複数の装置によって構成される。より具体的には、エンジン冷却回路３は、ランキンサイクル回路５に設けられる後述の熱交換器５３及び蒸発器５４を流路に含む循環流路３３と、この循環流路３３の一部である第１冷却水流路３１と、循環流路３３の一部である第２冷却水流路３２と、循環流路３３において冷却水を圧送する第１ウォータポンプ３５及び第２ウォータポンプ３６と、循環流路３３を流れる冷却水によってキャビンを加温するヒータコア３７と、循環流路３３のうち第２冷却水流路３２、第２ウォータポンプ３６、及びヒータコア３７を迂回するバイパス流路３４と、を備える。

第１冷却水流路３１は、エンジン２のシリンダブロックに形成された冷却水の流路であり、冷却水とエンジン２との間の熱交換を促進する。第２冷却水流路３２は、冷却水と排気との間の熱交換を促進する冷却水の流路である。この第２冷却水流路３２は、排気管のうち排気浄化触媒２１よりも下流側に形成される。熱交換器５３及び蒸発器５４は、感情の循環流路３３において、第１ウォータポンプ３５及び第２ウォータポンプ３６で冷却水を循環させた場合に第２冷却水流路３２及びヒータコア３７より下流側でありかつ第１冷却水流路３１より上流側であるような位置に設けられる。

第１ウォータポンプ３５は、循環流路３３のうち熱交換器５３及び蒸発器５４と第１冷却水流路３１との間に設けられる。第１ウォータポンプ３５は、制御装置７からの制御信号に応じて作動し、循環流路３３内において熱交換器５３及び蒸発器５４側から第１冷却水流路３１側へ冷却水を圧送する。

バイパス流路３４は、循環流路３３のうち、第１冷却水流路３１と第２冷却水流路３２との間の第１分岐部３８と、熱交換器５３及び蒸発器５４の間の第２分岐部３９とを接続する。このため第１冷却水流路３１から流出する冷却水の一部は、このバイパス流路３４を介して熱交換器５３へ還流される。

第２ウォータポンプ３６は、循環流路３３のうち第１分岐部３８と第２冷却水流路３２との間に設けられる。第２ウォータポンプ３６は、制御装置７からの制御信号に応じて作動し、循環流路３３内において第１冷却水流路３１側から第２冷却水流路３２側へ冷却水を圧送する。

バッテリ冷却回路４は、バッテリ８１と熱交換を行う作動媒体が循環する作動媒体の循環流路４１と、この循環流路４１に設けられた複数の装置によって構成される。より具体的には、バッテリ冷却回路４は、ランキンサイクル回路５に設けられる後述のチラー５２を流路に含む循環流路４１と、この循環流路４１に設けられた熱交換器４２、第２ポンプ４３、及びバッテリ容器４５と、を備える。なお以下では、循環流路４１を循環する作動媒体としてオイルや有機媒体等の絶縁性の流体を用いた場合について説明するが、本発明はこれに限らない。循環流路４１を循環する作動媒体には、エンジン冷却回路３の循環流路３３を循環する冷却水を用いてもよい。

循環流路４１には、図１における時計回りの順で、チラー５２と、外気と作動媒体との間で熱交換を行う熱交換器４２と、作動媒体を圧縮する第２ポンプ４３と、バッテリ８１を収容するバッテリ容器４５と、が設けられている。

第２ポンプ４３は、循環流路４１のうち熱交換器４２とバッテリ容器４５との間に設けられている。第２ポンプ４３は、熱交換器４２側を入口としかつバッテリ容器４５を出口として循環流路４１に設けられている。第２ポンプ４３は、制御装置７からの制御信号に応じて作動し、熱交換器４２から供給される作動媒体を圧縮し、これをバッテリ容器４５へ供給する。第２ポンプ４３の回転数は、制御装置７によって調整される。

熱交換器４２は、循環流路４１のうちチラー５２と第２ポンプ４３との間に設けられている。熱交換器４２は、作動流体が通流する作動媒体流路と、この作動媒体流路に外気を供給するファンと、を備え、作動媒体と外気との間で熱交換を行う。

バッテリ容器４５は、循環流路４１のうち第２ポンプ４３とチラー５２との間に設けられる。バッテリ容器４５の内部には、作動媒体が通流する。またバッテリ容器４５の内部には、作動流体に浸漬するようにバッテリ８１が設けられている。このためバッテリ８１は、バッテリ容器４５内を通流する作動媒体との間で熱交換が可能となっている。

なお上述のように作動媒体として絶縁性を有しない冷却水を用いる場合、この冷却水とバッテリ８１とが接触しないように、バッテリ容器４５内に設けられたバッテリ８１と接触するウォータジャケット内に冷却水を通流させることが好ましい。これにより、バッテリ８１と冷却水との間の絶縁性を確保しながら、バッテリ８１と冷却水との間で熱交換を行うことができる。

制御装置７は、バッテリ８１を冷却する必要がある場合には、第２ポンプ４３を駆動することにより、チラー５２、熱交換器４２、第２ポンプ４３、及びバッテリ容器４５の順で所定の流量で作動媒体を循環させる。循環流路４１を循環する作動媒体は、チラー５２においてランキンサイクル回路５を循環する有機媒体との熱交換によって冷却され、熱交換器４２において外気との熱交換によって冷却され、バッテリ容器４５においてバッテリ８１との熱交換によって加温される。よって制御装置７は、第２ポンプ４３を用いて循環流路４１を循環する作動媒体の流量を調整することにより、バッテリ８１の温度を使用に適した所定の目標温度で維持することができる。

ランキンサイクル回路５は、冷却水より低沸点かつ低比熱でありさらに絶縁性の有機媒体が循環する環状の主循環流路５０と、この主循環流路５０に設けられた第１ポンプ５１と、チラー５２と、熱交換器５３と、蒸発器５４と、膨張機５５と、凝縮器５６と、を備える。

主循環流路５０には、図１における時計回りの順で、有機媒体を圧縮する第１ポンプ５１と、バッテリ冷却回路４の作動媒体と有機媒体との間で熱交換を行うチラー５２と、エンジン冷却回路３の冷却水と有機媒体との間で熱交換を行う熱交換器５３及び蒸発器５４と、蒸発器５４を経た有機媒体を減圧させる膨張機５５と、外気と有機媒体との間で熱交換を行う凝縮器５６と、が設けられている。

第１ポンプ５１は、主循環流路５０のうち凝縮器５６とチラー５２との間に設けられる。第１ポンプ５１は、凝縮器５６側を入口としかつチラー５２側を出口として主循環流路５０に設けられている。第１ポンプ５１は、制御装置７からの制御信号に応じて作動し、凝縮器５６から供給される有機媒体を圧縮し、これをチラー５２へ供給する。第１ポンプ５１の回転数は、制御装置７によって調整される。

チラー５２は、主循環流路５０のうち第１ポンプ５１と熱交換器５３との間に設けられる。チラー５２は、第１ポンプ５１の出口に接続される。チラー５２は、有機媒体が通流する有機媒体流路と、バッテリ冷却回路４の作動媒体が通流する作動媒体流路とを備え、有機媒体と作動媒体との間で熱交換を行う。

熱交換器５３は、主循環流路５０のうちチラー５２と蒸発器５４との間に設けられる。熱交換器５３は、有機媒体が通流する有機媒体流路と、エンジン冷却回路３の冷却水が通流する冷却水流路とを備え、有機媒体と冷却水との間で熱交換を行う。

蒸発器５４は、主循環流路５０のうち熱交換器５３と膨張機５５との間に設けられる。蒸発器５４は、有機媒体が通流する有機媒体流路と、エンジン冷却回路３の冷却水が通流する冷却水流路とを備え、有機媒体と冷却水との間で熱交換を行う。

凝縮器５６は、第１ポンプ５１の入口に接続される。凝縮器５６は、有機媒体が通流する有機媒体流路と、この有機媒体流路に外気を供給するファンと、を備え、有機媒体と外気との間で熱交換を行う。

膨張機５５は、蒸発器５４と凝縮器５６との間に設けられている。膨張機５５は、蒸発器５４から凝縮器５６へ流れる有機媒体を減圧する。膨張機５５の駆動軸５５ａには、モータジェネレータ５７が接続されている。このモータジェネレータ５７は、制御装置７からの制御信号に応じてバッテリ８１との間で電気エネルギの授受が可能となっている。このためモータジェネレータ５７は、バッテリ８１から供給される電力を用いて膨張機５５を回転させたり、膨張機５５において有機媒体を減圧させる過程で回収した機械エネルギで発電し、この発電電力でバッテリ８１を充電したりすることが可能となっている。

以上のような熱サイクルシステム１によれば、制御装置７によってランキンサイクル回路５の第１ポンプ５１、及びモータジェネレータ５７を操作することにより、バッテリ８１及びその作動媒体並びにエンジン２及びその冷却水を冷却するとともに、バッテリ８１やエンジン２の廃熱の一部を回収することができる。

図２は、バッテリ８１及びエンジン２の両方を冷却するハイブリッド冷却モードの実行時においてエンジン冷却回路３、バッテリ冷却回路４、及びランキンサイクル回路５において実現される冷却水等の流れを示す図である。制御装置７は、ハイブリッド冷却モードでは、図２において太矢印で示すように、第１ポンプ５１、チラー５２、熱交換器５３、蒸発器５４、膨張機５５、及び凝縮器５６の順で有機媒体が循環するようにランキンサイクル回路５を操作する。制御装置７は、ハイブリッド冷却モードでは、図２において太矢印で示すように、第２ポンプ４３、バッテリ容器４５、チラー５２、及び熱交換器４２の順で作動媒体が循環するようにバッテリ冷却回路４を操作する。また制御装置７は、ハイブリッド冷却モードでは、図２において太矢印で示すように、第１ウォータポンプ３５、第１冷却水流路３１、バイパス流路３４、及び熱交換器５３の順で構成される第１循環流路に沿って冷却水が循環するようにエンジン冷却回路３を操作する。また制御装置７は、ハイブリッド冷却モードにおいてエンジン２の排気の熱を回収する際には、上記第１循環流路に加えて、第１ウォータポンプ３５、第１冷却水流路３１、第２ウォータポンプ３６、第２冷却水流路３２、ヒータコア３７、蒸発器５４、及び熱交換器５３の順で構成される第２循環流路に沿って冷却水が循環するようにエンジン冷却回路３を操作する。ハイブリッド冷却モードでは、制御装置７によって上述のようにエンジン冷却回路３、バッテリ冷却回路４、及びランキンサイクル回路５を操作することによって、図３に示すような熱サイクルが実現される。

図３は、ハイブリッド冷却モードの実行時にランキンサイクル回路５において実現される熱サイクルを示すモリエル線図である。図３に示すように、ハイブリッド冷却モードの実行時には、有機媒体は、第１ポンプ５１によって圧縮され、過冷却液の状態でチラー５２に供給される。第１ポンプ５１によって圧縮された有機媒体は、チラー５２を流れる過程でバッテリ冷却回路４の循環流路４１を循環する作動媒体との熱交換によって加温され、熱交換器５３へ供給される。チラー５２から過冷却液の状態で流出した有機媒体は、熱交換器５３及び蒸発器５４を流れる過程で、エンジン冷却回路３の第１及び第２循環流路を循環する冷却水との熱交換によって加温され、これにより沸騰し、さらに過熱蒸気の状態となる。蒸発器５４から過熱蒸気の状態で流出した有機媒体は、膨張機５５において減圧され、過熱蒸気の状態で凝縮器５６に供給される。膨張機５５から供給された有機媒体は、凝縮器５６を流れる過程で外気との熱交換によって冷却され、過冷却液の状態で第１ポンプ５１に供給される。

ここで制御装置７は、ハイブリッド冷却モードでは、膨張機５５において有機媒体を減圧させる過程で駆動軸５７ａにおいて生じる機械エネルギを利用することによってモータジェネレータ５７によって発電させ、これによって得られる電力でバッテリ８１を充電する。このためハイブリッド冷却モードの実行時には、バッテリ８１の作動媒体の熱エネルギの一部及びエンジン２の冷却水の熱エネルギの一部が、外気に放出されるとともにモータジェネレータ５７によって電気エネルギとして回収されるため、これによりバッテリ８１及びその作動媒体並びにエンジン２及びその冷却水の温度が低下する。

ここで制御装置７は、ハイブリッド冷却モードでは、チラー５２からは沸点又は沸点よりもやや低い温度で有機媒体が流出し、かつ熱交換器５３及び蒸発器５４内において有機媒体が沸騰した状態で維持されるように、換言すれば、バッテリ８１の作動媒体がチラー５２において有機媒体の顕熱によって冷却され、かつエンジン２の冷却水が熱交換器５３及び蒸発器５４内において有機媒体の潜熱によって冷却されるように、第１ポンプ５１、及びモータジェネレータ５７を操作する。

ところで熱交換器５３及び蒸発器５４における有機媒体の沸点は、これら熱交換器５３及び蒸発器５４内における有機媒体の量及び圧力によって変化する。そこで制御装置７は、ハイブリッド冷却モードでは、チラー５２から流出する有機媒体の温度が沸点又は沸点よりもやや低い温度で流出し、かつ熱交換器５３及び蒸発器５４における有機媒体の沸点が冷却水の目標温度で維持されるように第１ポンプ５１及びモータジェネレータ５７を用いて熱交換器５３及び蒸発器５４における有機媒体の量及び圧力を制御する。より具体的には、制御装置７は、チラー５２からは有機媒体が沸点又は沸点よりもやや低い温度で流出しかつ熱交換器５３及び蒸発器５４における有機媒体の沸点が上記目標温度で維持されるように、熱交換器５３及び蒸発器５４における有機媒体の目標量及び目標圧を算出するとともに、これら目標量及び目標圧が実現するように第１ポンプ５１の回転数及びモータジェネレータ５７における発電量を調整する。

本実施形態の熱サイクルシステム１によれば、以下の効果を奏する。
（１）熱サイクルシステム１は、エンジン２及びその排気と熱交換を行う冷却水が循環するエンジン冷却回路３と、絶縁性の有機媒体が循環するランキンサイクル回路５と、を備える。またランキンサイクル回路５の主循環流路５０には、有機媒体の流れに沿って順に、有機媒体を減圧する膨張機５５と、有機媒体を外気によって冷却する凝縮器５６と、有機媒体とバッテリ８１の作動媒体との間で熱交換を行うチラー５２と、有機媒体と冷却水との間で熱交換を行う熱交換器５３及び蒸発器５４と、が設けられている。例えばバッテリ８１とエンジン２との両方を搭載するハイブリッド車両では、多くの状況において温度帯はバッテリ８１よりもエンジン２の方が高い。そこで熱サイクルシステム１では、エンジン２よりも温度帯が低いバッテリ８１の作動媒体と熱交換を行うチラー５２を、エンジン２の冷却水と熱交換を行う熱交換器５３及び蒸発器５４よりも凝縮器５６に近い方に設ける。よって熱サイクルシステム１によれば、膨張機５５、凝縮器５６、チラー５２、熱交換器５３及び蒸発器５４の順で有機媒体を循環させることにより、チラー５２においてより温度帯の低いバッテリ８１の作動媒体を冷却した後、チラー５２における熱交換によって加温された有機媒体でより温度帯の高いエンジン２の冷却水をさらに冷却できる。よって熱サイクルシステム１によれば、ランキンサイクル回路５を循環する有機媒体で、温度帯が異なるバッテリ８１とエンジン２との両方を効率的に冷却できる。

（２）熱サイクルシステム１において、制御装置７は、バッテリ８１の作動媒体がチラー５２において有機媒体の顕熱によって冷却されかつエンジン２の冷却水が熱交換器５３及び蒸発器５４において有機媒体の潜熱によって冷却されるように第１ポンプ５１を操作する。ここで有機媒体の潜熱によって冷却する場合、有機媒体の温度を所定の目標温度で一定に維持できるため、顕熱によって冷却する場合よりも効率的に冷却することができる。よって熱サイクルシステム１によれば、循環流路を循環する有機媒体によって、バッテリ８１と、これより温度帯が高いエンジン２との両方を効率的に冷却することができる。

（３）熱サイクルシステム１は、バッテリ８１と熱交換を行う作動媒体が循環するバッテリ冷却回路４を備える。また熱サイクルシステム１において、バッテリ冷却回路４を循環する作動媒体は、チラー５２において有機媒体と熱交換可能とする。これにより、例えばランキンサイクル回路５において有機媒体を循環させながらバッテリ冷却回路４における作動媒体の循環を停止することにより、エンジン２のみを積極的に冷却することができる。

（４）熱サイクルシステム１は、膨張機５５に接続されたモータジェネレータ５７をさらに備える。これにより、膨張機５５、凝縮器５６、チラー５２、熱交換器５３及び蒸発器５４の順で有機媒体を循環させながらモータジェネレータ５７をジェネレータとして機能させることにより、チラー５２、熱交換器５３、及び蒸発器５４における熱交換によって加温された有機媒体を膨張機５５において減圧する過程で、バッテリ８１及びエンジン２の廃熱の一部を電気エネルギとして回収することができる。また熱サイクルシステム１によれば、チラー５２、熱交換器５３及び蒸発器５４において有機媒体とバッテリ８１の作動媒体やエンジン２の冷却水との間で効果的な熱交換が行われるように、モータジェネレータ５７を用いてチラー５２、熱交換器５３及び蒸発器５４における有機媒体の圧力を制御することもできる。

＜第２実施形態＞
以下、本発明の第２実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図４は、本実施形態に係る熱サイクルシステム１Ａの構成を示す図である。熱サイクルシステム１Ａは、第１実施形態に係る熱サイクルシステム１と、ランキンサイクル回路５Ａの構成が異なる。なお以下の熱サイクルシステム１Ａの説明において、熱サイクルシステム１と同じ構成については同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。

ランキンサイクル回路５Ａは、冷却水より低沸点かつ低比熱でありさらに絶縁性の有機媒体が循環する主循環流路５０Ａと、この主循環流路５０Ａに設けられた第１ポンプ５１Ａ、電子膨張弁５８、バッテリ容器６５、熱交換器５３、蒸発器５４、圧縮膨張機５９、及び凝縮器５６と、主循環流路５０Ａに設けられた複数の装置の一部を迂回するバイパス流路６０と、このバイパス流路６０に設けられた第２ポンプ６４と、を備える。

圧縮膨張機５９は、主循環流路５０Ａのうち蒸発器５４と凝縮器５６との間に設けられる。圧縮膨張機５９は、主循環流路５０Ａを蒸発器５４側から凝縮器５６側へ流れる有機媒体を減圧し（以下、この流れ方向を「第１の流れ方向Ｆ１」ともいう）、主循環流路５０Ａを凝縮器５６側から蒸発器５４側へ流れる有機媒体を圧縮する（以下、この流れ方向を「第２の流れ方向Ｆ２」ともいう）。圧縮膨張機５９は、主循環流路５０Ａを有機媒体が第１の流れ方向Ｆ１に沿って流れる正転時には、蒸発器５４を経た有機媒体を減圧して凝縮器５６へ供給する。また圧縮膨張機５９は、主循環流路５０Ａを有機媒体が第２の流れ方向Ｆ２に沿って流れる逆転時には、凝縮器５６を経た有機媒体を圧縮して蒸発器５４へ供給する。

また圧縮膨張機５９の駆動軸５９ａには、モータジェネレータ５７が接続されている。このモータジェネレータ５７は、制御装置７Ａからの制御信号に応じて、バッテリ８１との間で電気エネルギの授受が可能となっている。このためモータジェネレータ５７は、バッテリ８１から供給される電力を用いて圧縮膨張機５９を正転又は逆転させたり、圧縮膨張機５９において有機媒体を減圧させる過程で回収した機械エネルギで発電し、この発電電力でバッテリ８１を充電したりすることが可能となっている。

凝縮器５６は、主循環流路５０Ａにおいて第１の流れ方向Ｆ１に沿って圧縮膨張機５９の下流側に設けられる。蒸発器５４は、主循環流路５０Ａにおいて第１の流れ方向Ｆ１に沿って圧縮膨張機５９の上流側に設けられる。熱交換器５３は、主循環流路５０Ａにおいて第１の流れ方向Ｆ１に沿って蒸発器５４の上流側に設けられる。

バッテリ容器６５は、主循環流路５０Ａにおいて第１の流れ方向Ｆ１に沿って熱交換器５３の上流側に設けられる。バッテリ容器６５の内部には、有機媒体が通流する。またバッテリ容器６５の内部には、有機媒体に浸漬するようにバッテリ８１が設けられている。このためバッテリ８１は、バッテリ容器６５内を通流する有機媒体との間で熱交換が可能となっている。

主循環流路５０Ａのうち凝縮器５６とバッテリ容器６５との間の部分は、第１分岐路５０１と第２分岐路５０２とに枝分かれしている。また第１分岐路５０１には第１ポンプ５１Ａが設けられ、第２分岐路５０２には電子膨張弁５８が設けられている。すなわちこれら第１ポンプ５１Ａ及び電子膨張弁５８は、主循環流路５０Ａにおいて並列に設けられている。

第１ポンプ５１Ａは、第１分岐路５０１において第１の流れ方向Ｆ１に沿って凝縮器５６の下流側かつバッテリ容器６５の上流側に設けられている。第１ポンプ５１Ａは、制御装置７Ａからの制御信号に応じて作動し、第１分岐路５０１において第１の流れ方向Ｆ１に沿って流れる有機媒体を圧縮する。第１ポンプ５１Ａの回転数は、制御装置７Ａによって調整される。

電子膨張弁５８は、第２分岐路５０２において第２の流れ方向Ｆ２に沿ってバッテリ容器６５の下流側かつ凝縮器５６の上流側に設けられている。電子膨張弁５８は、絞り弁であり、第２分岐路５０２において第２の流れ方向Ｆ２に沿って流れる有機媒体を減圧する。電子膨張弁５８の開度は、制御装置７Ａからの制御信号に応じて調整される。

以上より、第１の流れ方向Ｆ１に沿った順では、主循環流路５０Ａには、圧縮膨張機５９と、凝縮器５６と、第１ポンプ５１Ａと、バッテリ容器６５と、熱交換器５３と、蒸発器５４と、が設けられている。また第２の流れ方向Ｆ２に沿った順では、主循環流路５０Ａには、圧縮膨張機５９と、蒸発器５４と、熱交換器５３と、バッテリ容器６５と、電子膨張弁５８と、凝縮器５６と、が設けられている。

バイパス流路６０は、主循環流路５０Ａのうち凝縮器５６及び分岐路５０１，５０２の間と、バッテリ容器６５及び熱交換器５３の間とを接続する。すなわちバイパス流路６０は、主循環流路５０Ａにおいて第１ポンプ５１Ａ、電子膨張弁５８、及びバッテリ容器６５を迂回する流路を形成する。

第２ポンプ６４は、制御装置７Ａからの制御信号に応じて作動し、主循環流路５０Ａにおいて第１の流れ方向Ｆ１に沿って流れる有機媒体を圧縮する。第２ポンプ６４の回転数は、制御装置７Ａによって調整される。すなわちこの第２ポンプ６４をオンにすることにより、凝縮器５６から第１の流れ方向Ｆ１に沿って流出する有機媒体の一部を第１ポンプ５１Ａ、電子膨張弁５８、及びバッテリ容器６５から迂回して熱交換器５３へ還流させる。

以上のような熱サイクルシステム１Ａによれば、制御装置７Ａによってランキンサイクル回路５Ａの第１ポンプ５１Ａ、モータジェネレータ５７、電子膨張弁５８、及び第２ポンプ６４等を操作することにより、様々な制御モードでランキンサイクル回路５Ａを作動させることができる。

図５は、バッテリ８１及びエンジン２の両方を冷却するハイブリッド冷却モードの実行時においてエンジン冷却回路３及びランキンサイクル回路５Ａにおいて実現される冷却水等の流れを示す図である。制御装置７Ａは、ハイブリッド冷却モードでは、図５において太矢印で示すように、第１ポンプ５１Ａ、バッテリ容器６５、熱交換器５３、蒸発器５４、圧縮膨張機５９、及び凝縮器５６の順で構成される第１循環流路と、第２ポンプ６４、熱交換器５３、蒸発器５４、圧縮膨張機５９、及び凝縮器５６の順で構成される第２循環流路と、の２つの循環流路に沿って有機媒体が循環するように、ランキンサイクル回路５Ａを操作する。また制御装置７Ａは、ハイブリッド冷却モードでは、図５において太矢印で示すように、第１ウォータポンプ３５、第１冷却水流路３１、バイパス流路３４、及び熱交換器５３の順で構成される第３循環流路に沿って冷却水が循環するようにエンジン冷却回路３を操作する。また制御装置７Ａは、ハイブリッド冷却モードにおいてエンジン２の排気の熱を回収する際には、上記第３循環流路に加えて、第１ウォータポンプ３５、第１冷却水流路３１、第２ウォータポンプ３６、第２冷却水流路３２、ヒータコア３７、蒸発器５４、及び熱交換器５３の順で構成される第４循環流路に沿って冷却水が循環するようにエンジン冷却回路３を操作する。ハイブリッド冷却モードでは、制御装置７Ａによって上述のようにエンジン冷却回路３及びランキンサイクル回路５Ａを操作することによって、図６に示すような熱サイクルが実現される。

図６は、ハイブリッド冷却モードの実行時にランキンサイクル回路５Ａにおいて実現される熱サイクルを示すモリエル線図である。図６に示すように、ハイブリッド冷却モードの実行時には、有機媒体は、第１ポンプ５１Ａによって圧縮され、過冷却液の状態でバッテリ容器６５に供給される。第１ポンプ５１Ａによって圧縮された有機媒体は、バッテリ容器６５を流れる過程でバッテリ８１との熱交換によって加温され、液体の状態で熱交換器５３に供給される。バッテリ容器６５から液体の状態で流出した有機媒体は、熱交換器５３及び蒸発器５４を流れる過程で冷却水との熱交換によってさらに加温され、過熱蒸気又は沸騰した状態で圧縮膨張機５９に供給される。蒸発器５４から過熱蒸気の状態で流出した有機媒体は、圧縮膨張機５９において減圧され、過熱蒸気の状態で凝縮器５６に供給される。圧縮膨張機５９から供給された有機媒体は、凝縮器５６を流れる過程で外気との熱交換によって冷却され、過冷却液の状態で第１ポンプ５１Ａに供給される。また上述のようにハイブリッド冷却モードでは、第１ポンプ５１Ａに加えて第２ポンプ６４をオンにする。このため、凝縮器５６から過冷却液の状態で流出する有機媒体の一部は、第２ポンプ６４によって圧縮され、過冷却液の状態で熱交換器５３及び蒸発器５４に供給される。

ここで制御装置７Ａは、ハイブリッド冷却モードでは、圧縮膨張機５９において有機媒体を減圧させる過程で駆動軸５９ａにおいて生じる機械エネルギを利用することによってモータジェネレータ５７によって発電させ、これによって得られる電力でバッテリ８１を充電する。このためハイブリッド冷却モードの実行時には、バッテリ８１の熱エネルギの一部及びエンジン２の冷却水の熱エネルギの一部が、外気に放出されるとともにモータジェネレータ５７によって電気エネルギとして回収されるため、これによりバッテリ８１及び冷却水及びエンジン２の温度が低下する。

ここで制御装置７Ａは、ハイブリッド冷却モードでは、バッテリ容器６５からは沸点よりもやや低い温度で有機媒体が流出し、かつ熱交換器５３及び蒸発器５４内において有機媒体が沸騰した状態で維持されるように、換言すれば、バッテリ８１がバッテリ容器６５内において有機媒体の顕熱によって冷却され、かつ冷却水が熱交換器５３及び蒸発器５４内において有機媒体の潜熱によって冷却されるように、第１ポンプ５１Ａ、第２ポンプ６４、及びモータジェネレータ５７を操作する。

また制御装置７Ａは、ハイブリッド冷却モードでは、バッテリ容器６５から流出する有機媒体の温度が沸点よりもやや低い温度で流出し、かつ熱交換器５３及び蒸発器５４における有機媒体の沸点が冷却水の目標温度で維持されるように、第１ポンプ５１Ａ、第２ポンプ６４、及びモータジェネレータ５７を用いて熱交換器５３及び蒸発器５４における有機媒体の量及び圧力を制御する。より具体的には、制御装置７Ａは、バッテリ容器６５からは有機媒体が沸点よりもやや低い温度で流出しかつ熱交換器５３及び蒸発器５４における有機媒体の沸点が上記目標温度で維持されるように、バッテリ容器６５における有機媒体の目標量並びに熱交換器５３及び蒸発器５４における有機媒体の目標量及び目標圧を算出するとともに、バッテリ容器６５における有機媒体の量が上記目標量になるように第１ポンプ５１Ａの回転数を調整し、熱交換器５３及び蒸発器５４における有機媒体の量が上記目標量になるように第２ポンプ６４の回転数を調整し、さらに熱交換器５３及び蒸発器５４における有機媒体の圧力が上記目標圧になるようにモータジェネレータ５７における発電量を調整する。

本実施形態の熱サイクルシステム１Ａによれば、以下の効果を奏する。
（５）熱サイクルシステム１Ａは、内燃機関及びその排気と熱交換を行う冷却水が循環するエンジン冷却回路３と、絶縁性の有機媒体が循環するランキンサイクル回路５Ａと、を備える。またランキンサイクル回路５Ａの主循環流路５０Ａには、有機媒体の流れに沿って順に、有機媒体を減圧する圧縮膨張機５９と、有機媒体を外気によって冷却する凝縮器５６と、有機媒体とバッテリ８１との間で熱交換を行うバッテリ容器６５と、有機媒体とエンジン２の冷却水との間で熱交換を行う熱交換器５３及び蒸発器５４と、が設けられている。また熱サイクルシステム１Ａでは、エンジン２よりも温度帯が低いバッテリ８１と熱交換を行うバッテリ容器６５を、エンジン２の冷却水と熱交換を行う熱交換器５３及び蒸発器５４よりも凝縮器５６に近い方に設ける。よって熱サイクルシステム１Ａによれば、圧縮膨張機５９、凝縮器５６、バッテリ容器６５、熱交換器５３及び蒸発器５４の順で有機媒体を循環させることにより、バッテリ容器６５においてより温度帯の低いバッテリ８１を冷却した後、バッテリ容器６５における熱交換によって加温された有機媒体でより温度帯の高いエンジン２の冷却水をさらに冷却できる。よって本発明によれば、ランキンサイクル回路５Ａを循環する有機媒体で、温度帯が異なるエンジン２との両方を効率的に冷却できる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限らない。本発明の趣旨の範囲内で、細部の構成を適宜変更してもよい。

１，１Ａ…熱サイクルシステム
２…エンジン（内燃機関）
３…エンジン冷却回路（内燃機関冷却回路）
４…バッテリ冷却回路（電気装置冷却回路）
５，５Ａ…ランキンサイクル回路
５０，５０Ａ…主循環流路（循環流路）
５１，５１Ａ…第１ポンプ（ポンプ）
５２…チラー（第１熱交換部）
５３…熱交換器（第２熱交換部）
５４…蒸発器（第２熱交換部）
５５…膨張機
５６…凝縮器
５９…圧縮膨張機（膨張機）
５７…モータジェネレータ
６５…バッテリ容器（第１熱交換部）
７，７Ａ…制御装置
８１…バッテリ（電気装置）

Claims (4)

1. 内燃機関及びその排気と熱交換を行う冷却水が循環する内燃機関冷却回路と、絶縁性の有機媒体が循環するランキンサイクル回路と、を備える熱サイクルシステムであって、
   前記ランキンサイクル回路の循環流路には、有機媒体の流れに沿って順に、
   有機媒体を減圧する膨張機と、
   有機媒体を外気によって冷却する凝縮器と、
   有機媒体と電気装置又は当該電気装置と熱交換可能な作動媒体との間で熱交換を行う第１熱交換部と、
   有機媒体と冷却水との間で熱交換を行う第２熱交換部と、が設けられていることを特徴とする熱サイクルシステム。
2. 前記ランキンサイクル回路を操作する制御装置をさらに備え、
   前記循環流路のうち前記凝縮器と前記第１熱交換部との間には有機媒体を圧縮するポンプが設けられ、
   前記制御装置は、前記電気装置又は作動媒体が前記第１熱交換部において有機媒体の顕熱によって冷却されかつ冷却水が前記第２熱交換部において有機媒体の潜熱によって冷却されるように前記ポンプを操作することを特徴とする請求項１に記載の熱サイクルシステム。
3. 前記電気装置と熱交換を行う作動媒体が循環する電気装置冷却回路を備え、
   前記電気装置冷却回路を循環する作動媒体は、前記第１熱交換部において有機媒体と熱交換可能であることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱サイクルシステム。
4. 前記膨張機に接続されたモータジェネレータをさらに備えることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の熱サイクルシステム。

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