JP3886924B2

JP3886924B2 - 内燃機関の廃熱利用装置

Info

Publication number: JP3886924B2
Application number: JP2003098461A
Authority: JP
Inventors: 淳稲葉; 滋久永; 重樹岩波; 鉱一坂; 隆山中; 康司山中; 忠資堀田
Original assignee: Denso Corp; Nippon Soken Inc
Current assignee: Denso Corp; Soken Inc
Priority date: 2003-04-01
Filing date: 2003-04-01
Publication date: 2007-02-28
Anticipated expiration: 2023-04-01
Also published as: JP2004308424A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
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を備えた内燃機関の廃熱利用装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の内燃機関の廃熱利用装置に関する技術として、例えば特許文献１に示されるものが知られている。これは冷凍サイクルの構成部品を利用し、ランキンサイクルを形成し、圧縮機と兼用する膨張機によって車両用エンジン（内燃機関）の廃熱を動力として回収し、その回収した動力を内燃機関に付加するものである。
【０００３】
【特許文献１】
特許第２５４０７３８号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術においては、冷凍サイクルの圧縮機をランキンサイクルの膨張機として兼用しているので、冷房不要時しかエンジンの廃熱回収ができないという問題があった。
【０００５】
また、上記従来技術においては、回収した動力を単に車両用エンジンに戻すものであって、近年、燃費向上のために開発されたアイドルストップ車両やハイブリッド車両のように、エンジン自身の使い方やエンジン回りの補機等が高機能、複雑化する中で、本発明者はそれらを視野に入れた多面的な廃熱の活用が重要になると考えた。
【０００６】
本発明の目的は、上記問題に鑑み、冷凍サイクルの作動、停止に関わらずランキンサイクルによる廃熱回収を可能とすると共に、加えてその回収エネルギーを多面的に活用可能とする内燃機関の廃熱回収装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
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。
【０００８】
請求項１に記載の発明では、内燃機関（１０）の廃熱エネルギーによって加熱される蒸気流体を膨張させて駆動力を発生する膨張機（２２０）を備えるランキンサイクル（２００）と、外部エネルギーを動力源として駆動する外部駆動機構（４１０、４２０）によって作動され、内部を流通する冷媒を圧縮する圧縮機（３１０）を備える冷凍サイクル（３００）とを有し、膨張機（２２０）は、圧縮機（３１０）に接続され、圧縮機（３１０）は、外部駆動機構（４１０、４２０）に接続され、圧縮機（３１０）および外部駆動機構（４１０）の間には第１断続手段（５１０）が設けられ、ランキンサイクル（２００）作動時の膨張機（２２０）の駆動力は、圧縮機（３１０）および外部駆動機構（４１０、４２０）のうち、少なくとも圧縮機（３１０）に付加されるようになっており、膨張機（２２０）の駆動力が圧縮機（３１０）に付加される時には、第１断続手段（５１０）が切断される、あるいは外部駆動機構（４２０）の作動が停止されることを特徴としている。
【０００９】
これにより、ランキンサイクル（２００）と冷凍サイクル（３００）とを独立して設けているので、冷凍サイクル（３００）の作動の有無に関わらず膨張機（２２０）を作動させることができる。そして、膨張機（２２０）の駆動力によって、圧縮機（３１０）駆動用の外部駆動機構（４１０、４２０）の動力を低減することができる。更には、圧縮機（３１０）への必要動力に対して膨張機（２２０）の駆動力が余剰と成る時は、外部駆動機構（４１０、４２０）自身にもその余剰分の駆動力を付加することができ、外部エネルギーを低減できる。このように、冷凍サイクル（３００）の作動、停止に関わらずランキンサイクル（２００）による廃熱回収を可能とすると共に、加えてその回収エネルギーを圧縮機（３１０）や外部駆動機構（４１０、４２０）等に多面的に活用することができる。また、膨張機（２２０）の駆動力が圧縮機（３１０）に付加される時には、外部エネルギーを使用する事無く、廃熱エネルギーのみで圧縮機（３１０）を作動させることができる。
【００１０】
上記の外部駆動機構（４１０、４２０）は、請求項２に記載の発明のように、外部エネルギーとして内燃機関（１０）の動力によって回転駆動するプーリ（４１０）、あるいは電動機、発電機の両機能を備え外部エネルギーとして電源（４０）の電力によって回転駆動する回転機（４２０）の少なくとも一方とすることができる。
【００１１】
そして、請求項３に記載の発明のように、プーリ（４１０）あるいは回転機（４２０）にも膨張機（２２０）の駆動力が付加される時には、プーリ（４１０）はその駆動力を更に内燃機関（１０）に伝達する、あるいは、回転機（４２０）は発電機として作動するようにすることで、廃熱エネルギーを有効に活用することができる。
【００１３】
請求項４に記載の発明では、膨張機（２２０）および圧縮機（３１０）の間には第２断続手段（５２０）が設けられ、ランキンサイクル（２００）が停止される時に、第２断続手段（５２０）が切断されることを特徴としている。
【００１４】
これにより、ランキンサイクル（２００）が停止される時には、膨張機（２２０）が抵抗になる事無く、外部エネルギーで圧縮機（３１０）を作動させることができる。
【００１５】
請求項５に記載の発明では、外部駆動機構（４１０、４２０）は、プーリ（４１０）および回転機（４２０）より成り、圧縮機（３１０）、プーリ（４１０）、回転機（４２０）は、一方の動力を他の二方に分配可能とする動力分配機構（５４０）によって接続されたことを特徴としている。
【００１６】
これにより、回転機（４２０）の回転数を調節することで圧縮機（３１０）の回転数が可変されるので、固定容量型の圧縮機（３１０）でも冷媒吐出量を可変することができる。
【００１７】
請求項６に記載の発明では、外部駆動機構（４２０）は、回転機（４２０）より成り、膨張機（２２０）、圧縮機（３１０）、回転機（４２０）は、一方の動力を他の二方に分配可能とする動力分配機構（５４０）によって接続されたことを特徴としている。
【００１８】
これにより、請求項５と同様の効果を得ることができる。そして、冷房の必要が無い時に圧縮機（３１０）の冷媒吐出量がゼロ側になるように作動させることで、圧縮機（３１０）の抵抗を受けずに回転機（４２０）によって発電することができる。
【００１９】
請求項７に記載の発明では、ランキンサイクル（２００）中の流体は、冷凍サイクル（３００）中の冷媒を用いており、ランキンサイクル（２００）および冷凍サイクル（３００）中の冷媒を凝縮する凝縮器（２３０、３２０）は、１つの凝縮器（２３０）で兼用されるように回路形成されたことを特徴としており、安価な対応が可能となる。
【００２０】
請求項８に記載の発明では、ランキンサイクル（２００）中の流体は、冷凍サイクル（３００）中の冷媒を用いており、ランキンサイクル（２００）中の冷媒、および冷凍サイクル（３００）中の冷媒をそれぞれ凝縮する第１凝縮器（２３０）および第２凝縮器（３２０）を有し、両凝縮器（２３０、３２０）の冷媒の流入側同士を接続する流入側接続流路（２６０）と、両凝縮器（２３０、３２０）の冷媒の流出側同士を接続する流出側接続流路（２７０）と、流入側接続流路（２６０）、流出側接続流路（２７０）をそれぞれ開閉するバルブ（２６１、２７１）とを設け、両サイクル（２００、３００）のうち、一方のサイクル（２００）のみを単独で作動させる際に、バルブ（２６１、２７１）を開いて、他方のサイクル（３００）の凝縮器（３２０）にも冷媒が流通するようにしたことを特徴としている。
【００２１】
これにより、ランキンサイクル（２００）のみの運転時に膨張機（２２０）の出口圧力を低くすることができ、膨張機（２２０）からの回収動力を増大させることができる。また、冷凍サイクル（３００）のみの運転時に圧縮機（３１０）の吐出圧力を低くすることができ、圧縮機（３１０）の動力を低減することができる。
【００２２】
請求項９に記載の発明では、内燃機関（１０）の廃熱エネルギーによって加熱される蒸気流体を膨張させて駆動力を発生する膨張機（２２０）を備えるランキンサイクル（２００）と、外部エネルギーを動力源として駆動する外部駆動機構（４１０、４２０）によって作動され、内部を流通する冷媒を圧縮する圧縮機（３１０）を備える冷凍サイクル（３００）とを有し、膨張機（２２０）は、圧縮機（３１０）に接続され、ランキンサイクル（２００）作動時の膨張機（２２０）の駆動力は、圧縮機（３１０）および外部駆動機構（４１０、４２０）のうち、少なくとも圧縮機（３１０）に付加されるようになっており、外部駆動機構（４１０、４２０）は、外部エネルギーとして内燃機関（１０）の動力によって回転駆動するプーリ（４１０）、および電動機、発電機の両機能を備え外部エネルギーとして電源（４０）の電力によって回転駆動する回転機（４２０）より成り、圧縮機（３１０）、プーリ（４１０）、回転機（４２０）は、一方の動力を他の二方に分配可能とする動力分配機構（５４０）によって接続されたことを特徴としている。また、請求項１０に記載の発明では、内燃機関（１０）の廃熱エネルギーによって加熱される蒸気流体を膨張させて駆動力を発生する膨張機（２２０）を備えるランキンサイクル（２００）と、外部エネルギーを動力源として駆動する外部駆動機構（４１０、４２０）によって作動され、内部を流通する冷媒を圧縮する圧縮機（３１０）を備える冷凍サイクル（３００）とを有し、膨張機（２２０）は、圧縮機（３１０）に接続され、ランキンサイクル（２００）作動時の膨張機（２２０）の駆動力は、圧縮機（３１０）および外部駆動機構（４１０、４２０）のうち、少なくとも圧縮機（３１０）に付加されるようになっており、外部駆動機構（４２０）は、電動機、発電機の両機能を備え外部エネルギーとして電源（４０）の電力によって回転駆動する回転機（４２０）より成り、膨張機（２２０）、圧縮機（３１０）、回転機（４２０）は、一方の動力を他の二方に分配可能とする動力分配機構（５４０）によって接続されたことを特徴としている。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。
【００２３】
【発明の実施の形態】
（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。
【００２４】
本発明の内燃機関の廃熱利用装置（以下、廃熱利用装置）１００は、走行運転中一時停車した時にエンジン１０が停止されるいわゆるアイドルストップ車両に適用されるものとしている。廃熱利用装置１００にはランキンサイクル２００および冷凍サイクル３００が設けられており、各サイクル２００、３００中の膨張機２２０、圧縮機３１０および外部駆動機構４１０、４２０等の作動が制御装置６００によって制御されるようにしている。
【００２５】
エンジン１０は、水冷式の内燃機関であり、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。
【００２６】
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の出口側の流路は、後述するランキンサイクル２００の加熱器２１０を流通するようにしている。また加熱器２１０に対しては加熱器バイパス流路２３が設けられており、三方弁２４によって加熱器２１０側の流路あるいは加熱器バイパス流路２３のいずれかへの切替えが可能となるようにしている。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２５が設けられており、サーモスタット２６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２５を流通する冷却水量とが調節されるようにしている。
【００２７】
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している。ヒータコア３１は、空調ユニット７００の空調ケース７１０内に配設されており、送風機７２０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７３０が設けられており、このエアミックスドア７３０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。
【００２８】
ランキンサイクル２００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冷凍サイクル３００の圧縮機３１０および外部駆動機構４１０、４２０に利用するものである。以下、ランキンサイクル２００について説明する。
【００２９】
ランキンサイクル２００は、加熱器２１０、膨張機２２０、凝縮器２３０、受液器２４０、ポンプ２５０から成り、これらが順次接続されて閉回路を形成している。このランキンサイクル２００の内部には作動流体が封入されており、電動式のポンプ２５０によって作動流体が循環される。加熱器２１０は、ポンプ２５０から送られる作動流体とラジエータ回路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作動流体を加熱する熱交換器である。膨張機２２０は、加熱器２１０で加熱された過熱蒸気作動流体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。凝縮器２３０は、膨張機２２０から吐出される作動流体を外気との熱交換によって凝縮液化する熱交換器である。受液器２４０は、凝縮器２３０で凝縮された作動流体を気液二層に分離するレシーバであり、ここで分離された液化作動流体のみをポンプ２５０側に流出させる。
【００３０】
一方、冷凍サイクル３００は、圧縮機３１０、凝縮器３２０、受液器３３０、膨張弁３４０、蒸発器３５０から成り、これらが順次接続されて閉回路を形成している。圧縮機３１０は、冷凍サイクル３００内の冷媒を高温高圧に圧縮する流体機器であり、ここでは１回転当たりの吐出容量が所定量となる固定容量型の圧縮機としている。凝縮器３２０は、圧縮機３１０の吐出側に接続され、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る。受液器３３０は、凝縮器３２０で凝縮された冷媒を気液二層に分離するレシーバであり、ここで分離された液化冷媒のみを膨張弁３４０側に流出させる。膨張弁３４０は、受液器３３０からの液化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、圧縮機３１０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。
【００３１】
蒸発器３５０は、ヒータコア３１と同様に空調ユニット７００の空調ケース７１０内に配設されており、膨張弁３４０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７２０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３５０の冷媒出口側は、圧縮機３１０の吸入側に接続されている。尚、蒸発器３５０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７３０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。
【００３２】
そして、膨張機２２０は圧縮機３１０に接続され、膨張機２２０で発生された回転駆動力は、圧縮機３１０に伝達されるようにしている。ここで膨張機２２０および圧縮機３１０間の膨張機軸２２１には一方向クラッチ（本発明の第２断続手段に対応）５２０が設けられている。一方向クラッチ５２０は、膨張機２２０が作動する際に膨張機軸２２１と噛み合い、膨張機軸２２１を回転させる（接続状態）。逆に言えば、膨張機２２０が停止している時には、膨張機軸２２１は、膨張機２２０の作動方向の回転が許容されるものとしている（切断状態）。
【００３３】
更に、圧縮機３１０の反膨張機側には外部駆動機構としてのプーリ４１０と回転機４２０が設けられている。プーリ４１０は、ベルト１１を介してエンジン１０の駆動力を受けて回転駆動する回転体であり、このプーリ４１０には電磁クラッチ（本発明の第１断続手段に対応）５１０が設けられている。
【００３４】
回転機４２０は、電動機および発電機としての両機能を有するものとしており、バッテリ４０からの電力がインバータ４２１を介して供給されると電動機として作動し、後述するように膨張機２２０からの駆動力によって回転されると発電機として作動し、その時の発電電力をインバータ４２１を介してバッテリ４０に充電する。
【００３５】
そして、圧縮機３１０、プーリ４１０、回転機４２０は、動力分配機構を成す遊星歯車５４０に接続されている。遊星歯車５４０は、周知のように、中心部に設けられたサンギヤ５４１と、サンギヤ５４１の外周で自転しつつ公転するピニオンギヤ５４２ａに連結されるプラネタリーキャリヤ５４２と、ピニオンギヤ５４２ａの更に外周に設けられたリング状のリングギヤ５４３とから成るものである。
【００３６】
ここでは、圧縮機３１０はリングギヤ５４３に接続され、プーリ４１０はプラネタリーキャリヤ５４２に接続され、回転機４２０はサンギヤ５４１に接続されるようにしている。尚、プーリ４１０と遊星歯車５４０（プラネタリーキャリヤ５４２）の間のプーリ軸４１１には、一方向クラッチ５３０が設けられている。一方向クラッチ５３０は、プーリ４１０が作動する際にプーリ軸４１１と噛み合い、プーリ軸４１１を回転させる。逆に言えば、プーリ４１０が停止している時には、プーリ軸４１１は、プーリ４１０の作動方向の回転が許容されるものとしている。
【００３７】
制御装置６００は、Ａ／Ｃ要求信号、アイドルストップ要求信号等が入力されて、これらの信号に基づいて上記温水ポンプ２２の作動、三方弁２４の切替え、ポンプ２５０の作動、インバータ４２１を介した回転機４２０への電力の供給あるいは回転機４２０からの発電電力の充電、電磁クラッチ５１０の断続等を制御するものとしている。
【００３８】
次に、上記構成に基づく作動について説明する。
【００３９】
▲１▼通常冷凍サイクル運転モード
これは、Ａ／Ｃ要求がある場合で、主にエンジン１０を作動させた直後において、冷却水が充分に昇温（例えば８０℃以上）していない場合の運転モードである。
【００４０】
制御装置６００は、ラジエータ回路２０の温水ポンプ２２を作動させ、三方弁２４によって冷却水の流路として加熱器バイパス流路２３側が開くようにする。そして、ポンプ２５０を停止させランキンサイクル２００を停止状態とする。また、電磁クラッチ５１０を接続する。
【００４１】
すると、エンジン１０からの駆動力がプーリ４１０、遊星歯車５４０を介して圧縮機３１０に伝達され、圧縮機３１０が作動され、冷凍サイクル３００が作動する。
【００４２】
この時、回転機４２０を作動させれば遊星歯車５４０の動力分配機能によってエンジン１０（プーリ４１０）と回転機４２０との両者の駆動力を複合的に用いた圧縮機３１０の作動が可能となる。即ち、回転機４２０をプーリ４１０よりも高回転側に作動させることで圧縮機３１０の回転数をプーリ４１０の回転数よりも低回転側にし、また、回転機４２０をプーリ４１０よりも低回転側に作動させることで圧縮機３１０の回転数をプーリ４１０よりも高回転側にすることができ、冷房負荷に応じた冷媒吐出量の可変が可能となる。
【００４３】
尚、インバータ４２１からの電力供給を停止して回転機４２０を停止状態とすれば、プーリ４１０の駆動力のみで圧縮機３１０の作動が可能となる。また、回転機４２０を逆回転側に作動させることで、圧縮機３１０をより高回転側で作動させることができる。また、電磁クラッチ５１０を切断して、回転機４２０を逆回転側に作動させることで、一方向クラッチ５３０によりプーリ軸４１１がロックされ、回転機４２０のみの駆動力で圧縮機３１０を作動させることができる。
【００４４】
▲２▼ランキンサイクルによる冷凍サイクル運転モード
これは、Ａ／Ｃ要求がある場合で、エンジン１０による廃熱が充分に得られる時に、ランキンサイクル２００を作動させ、そこから得られた駆動力を圧縮機３１０に付加して冷凍サイクル３００を作動させるモードである。
【００４５】
制御装置６００は、ラジエータ回路２０の温水ポンプ２２を作動させ、三方弁２４によって冷却水の流路として加熱器２１０側が開くようにする。そして、ポンプ２５０を作動させランキンサイクル２００を作動状態とする。また、電磁クラッチ５１０は切断し、回転機４２０は停止状態とする。
【００４６】
ランキンサイクル２００においては、ポンプ２５０によって作動流体が昇圧されて加熱器２１０に送られ、加熱器２１０において作動流体は高温のエンジン冷却水によって加熱され、過熱蒸気作動流体となって膨張機２２０に送られる。膨張機２２０において作動流体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る。そして、減圧された作動流体は凝縮器２３０で凝縮され、受液器２４０で気液分離され、液化作動流体が再びポンプ２５０へ吸引される。
【００４７】
このように膨張機２２０で得られた駆動力は、圧縮機３１０に伝達され、圧縮機３１０はエンジン１０あるいは回転機４２０からの駆動力を不要として作動する。
【００４８】
▲３▼ランキンサイクルと通常冷凍サイクルの複合運転モード
これは、Ａ／Ｃ要求がある場合で、エンジン１０の廃熱は充分あるものの、夏場などで冷房負荷の高い場合に、膨張機２２０の駆動力とエンジン１０または回転機４２０の駆動力を複合的に用いて圧縮機３１０を作動させるモードである。
【００４９】
制御装置６００は、ラジエータ回路２０の温水ポンプ２２を作動させ、三方弁２４によって冷却水の流路として加熱器２１０側が開くようにする。そして、ポンプ２５０を作動させランキンサイクル２００を作動状態とする。また、電磁クラッチ５１０は接続状態にし、回転機４２０は停止状態とする。
【００５０】
すると、圧縮機３１０には膨張機２２０からの駆動力とエンジン１０からの駆動力とが加えられて、冷媒吐出量を増加させて冷房能力を高める。
【００５１】
更に、冷房能力を上げたい場合は、制御装置６００は回転機４２０を作動させて、回転機４２０の駆動力も圧縮機３１０に付加するようにする。尚、この時は、回転機４２０をプーリ４１０に対して逆回転方向に作動させることによって、遊星歯車５４０を介して圧縮機３１０を増速させる。
【００５２】
また、制御装置６００は、電磁クラッチ５１０を切断して、回転機４２０を逆回転方向に作動させることで、膨張機２２０と回転機４２０の両駆動力によって圧縮機３１０を作動させることもできる。この時は、一方向クラッチ５３０の作用によってプーリ軸４１１はロックされ、回転機４２０の駆動力が圧縮機３１０に付加できることになる。
【００５３】
▲４▼エンジン停止時の冷凍サイクル運転モード
これは、Ａ／Ｃ要求がある場合で、アイドルストップ機能によってエンジン１０が停止された場合に、膨張機２２０の駆動力によって圧縮機３１０を作動させるモードである。
【００５４】
制御装置６００は、ラジエータ回路２０の温水ポンプ２２を作動させ、三方弁２４によって冷却水の流路として加熱器２１０側が開くようにする。そして、ポンプ２５０を作動させランキンサイクル２００を作動状態とする。また、電磁クラッチ５１０は切断し、回転機４２０は停止状態とする。
【００５５】
すると、膨張機２２０の駆動力によって圧縮機３１０が作動される。または、冷房負荷に応じて回転機４２０を逆回転側に作動させることで、膨張機２２０と回転機４２０の両駆動力で圧縮機３１０を作動させる。
【００５６】
ここで、エンジン１０停止時において、ランキンサイクル２００を作動し続けると、エンジン冷却水の温度は低下していき、エンジン再始動時の燃料消費量の悪化を招くため、冷却水の温度が所定値（例えば８０℃）を下回ったら、制御装置６００はランキンサイクル２００（ポンプ２５０）を停止させ、回転機４２０を逆回転側に作動させて、圧縮機３１０を作動させる。この時は、一方向クラッチ５２０の作用によって膨張機軸２２１は噛み合いが解除され（切断状態）、膨張機２２０の抵抗を受ける事無く、回転機４２０の駆動力を圧縮機３１０に付加できる。
【００５７】
▲５▼ランキンサイクルによる冷凍サイクル運転とエネルギー回生モード
これは、Ａ／Ｃ要求がある場合で、春秋などで冷房負荷が比較的低い時には、ランキンサイクル２００で得られる駆動力が余剰と成る分をエンジン１０へ付加する、あるいは回転機４２０で発電を行うモードである。
【００５８】
制御装置６００は、ラジエータ回路２０の温水ポンプ２２を作動させ、三方弁２４によって冷却水の流路として加熱器２１０側が開くようにする。そして、ポンプ２５０を作動させランキンサイクル２００を作動状態とする。また、電磁クラッチ５１０は接続状態にし、回転機４２０を発電機として作動させる。
【００５９】
すると、圧縮機３１０には膨張機２２０からの駆動力が冷房負荷に見合った分だけ加えられ、圧縮機３１０は作動すると共に、余剰となる膨張機２２０の駆動力はプーリ４１０および回転機４２０に付加され、エンジン１０の駆動力を低減し、また回転機４２０での発電を可能とする。
【００６０】
以上の構成説明および作動説明より、本実施形態においては以下のような作用効果が得られる。
【００６１】
まず、ランキンサイクル２００と冷凍サイクル３００とを独立して設けているので、冷凍サイクル３００の作動の有無に関わらず膨張機２２０を作動させることができ、膨張機２２０の駆動力で圧縮機３１０を作動させることができるので、エンジン１０の動力を低減して燃費向上に繋げることができる。
【００６２】
そして、冷房負荷に応じて、エンジン１０やバッテリ４０等のエネルギーを使用する事無く、膨張機２２０の駆動力のみで圧縮機３１０を作動させたり、圧縮機３１０への必要動力に対して膨張機２２０の駆動力が余剰と成る時は、プーリ４１０や回転機４２０にもその余剰分の駆動力を付加することでエンジン１０の動力を低減し、また回転機４２０での発電を可能とすることができる。
【００６３】
また、膨張機２２０および圧縮機３１０の間には一方向クラッチ５２０を設けているので、ランキンサイクル２００が停止される時には、膨張機２２０が抵抗になる事無く、エンジン１０（プーリ４１０）やバッテリ４０（回転機４２０）等のエネルギーで圧縮機３１０を作動させることができる。
【００６４】
更に、圧縮機３１０、プーリ４１０、回転機４２０の間には動力分配機構としての遊星歯車５４０を介在させているので、回転機４２０の回転数を調節することで圧縮機３１０の回転数が可変することができ、固定容量型の圧縮機３１０でも冷媒吐出量を可変することができる。
【００６５】
尚、上記実施形態において制御装置６００によって圧縮機３１０の吐出容量が可変される可変容量型のものとすれば、Ａ／Ｃ要求が無い場合で、圧縮機３１０の吐出容量をほぼゼロと成るようにしてやれば、上記▲１▼〜▲５▼の運転モードに加えて、▲６▼としてエネルギー回生モードが可能となる。
【００６６】
即ち、制御装置６００は、圧縮機３１０の吐出容量をほぼゼロにし、電磁クラッチ５１０を切断する。すると膨張器２２０の駆動力は圧縮機３１０の抵抗を受けずに回転機４２０に伝達され、回転機４２０でフルに発電が可能となる。また、電磁クラッチ５１０を接続すれば、回転機４２０で発電しつつ、エンジン１０への動力付加が可能となる。
【００６７】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態を図３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２００中の作動流体を冷凍サイクル３００中の冷媒と同一にし、冷凍サイクル３００中の凝縮器３２０を廃止して、ランキンサイクル２００中の凝縮器２３０と兼用するようにしたものである。
【００６８】
これにより、膨張機２２０における発生駆動力の低下、および圧縮機３１０における動力増加が伴うものの、廃熱利用装置１００として安価にすることができる。
【００６９】
（第３実施形態）
本発明の第３実施形態を図４、図５に示す。第３実施形態は、上記第１実施形態に対して、回転機４２０、遊星歯車５４０を廃止したものである。回転機４２０の廃止に伴い、当然のことながらインバータ４２１、バッテリ４０も廃熱利用装置１００から排除している。また、圧縮機３１０は、制御装置６００によって吐出容量が可変される可変容量型のものとしている。
【００７０】
膨張機２２０は、一方向クラッチ５２０を介して圧縮機３１０に接続され、圧縮機３１０は、一方向クラッチ５３０および電磁クラッチ５１０を介してプーリ４１０に接続されている。
【００７１】
ここでは、回転機４２０を有さないので、第１実施形態の各運転モードに対して、回転機４２０による発電作用および回転機４２０による圧縮機３１０への動力付加が無くなる。即ち、第１実施形態における、▲５▼ランキンサイクルによる冷凍サイクル運転とエネルギー回生モードは、ここでは▲７▼ランキンサイクルによる冷凍サイクル運転とエンジンアシストモードとなる。また、▲６▼エネルギー回生モードは、ここでは▲８▼エンジンアシストモードとなり、膨張機２２０で発生する駆動力は、圧縮機３１０に付加されると共にエンジン１０に付加され、エンジン１０の燃費向上に繋がる。
【００７２】
（第４実施形態）
本発明の第４実施形態を図６、図７に示す。第４実施形態は、上記第１実施形態に対して、プーリ４１０（ベルト１１）、一方向クラッチ５３０、遊星歯車５４０を廃止したものである。また、圧縮機３１０は、制御装置６００によって吐出容量が可変される可変容量型のものとしている。
【００７３】
膨張機２２０は、一方向クラッチ５２０を介して圧縮機３１０に接続され、圧縮機３１０は、電磁クラッチ５１０を介して回転機４２０に接続されている。
【００７４】
ここでは、プーリ４１０を有さないので、第１実施形態の各運転モードに対して、プーリ４１０を介した圧縮機３１０への動力付加あるいは、膨張機２２０からエンジン１０への駆動力の付加が無くなる。
【００７５】
しかしながら、回転機４２０で圧縮機３１０を作動させる時の回転機４２０の動力を膨張機２２０からの駆動力によって低減することができ、また、圧縮機３１０の冷媒吐出量に応じて（冷媒吐出量が少ない場合）、膨張機２２０の駆動力が主に回転機４２０に付加され、充分な発電が成される。このように、エンジン１０の動力を使用する事無く、圧縮機３１０の作動、回転機４２０による発電が可能となる訳である。
【００７６】
（第５実施形態）
本発明の第５実施形態を図８に示す。第５実施形態は、上記第４実施形態に対して、膨張機２２０、圧縮機３１０、回転機４２０の間に動力分配機構としての遊星歯車５４０を追加したものである。ここでは、膨張機２２０は、遊星歯車５４０のプラネタリーキャリヤ５４２に接続され、圧縮機３１０はリングギヤ５４３に接続され、回転機４２０はサンギヤ５４１に接続されるものとしている。そして、膨張機２２０とプラネタリーキャリヤ５４２の間の膨張機軸２２１には、電磁クラッチ５５０および一方向クラッチ５２０が設けられている。また、圧縮機３１０は固定容量型の圧縮機としている。この第５実施形態においては各運転モードにおいて以下のように作動する。
【００７７】
▲１▼通常冷凍サイクル運転モード
制御装置６００は、電磁クラッチ５５０を切断し、回転機４２０を圧縮機３１０の作動回転方向とは逆回転方向に作動させる。すると、一方向クラッチ５２０の作用により膨張機軸２２１はロックされ、回転機４２０の駆動力によって圧縮機３１０が作動される。回転機４２０の回転数を調節することで圧縮機３１０の回転数は可変される。
【００７８】
▲２▼ランキンサイクルによる冷凍サイクル運転モード
制御装置６００は、電磁クラッチ５５０を接続して、回転機４２０を停止状態とする。すると、膨張機２２０の駆動力が遊星歯車５４０を介して圧縮機３１０に伝達され、圧縮機３１０が作動する。
【００７９】
▲３▼ランキンサイクルと通常冷凍サイクルの複合運転モード
制御装置６００は、電磁クラッチ５５０を接続し、回転機４２０を作動させる。すると、圧縮機３１０は、膨張機２２０と回転機４２０の駆動力を受けて作動し、冷房負荷の高い場合の対応が可能となる。特に回転機４２０の回転数を膨張機２２０の回転数よりも低回転側に調節することで圧縮機３１０を増速させ、吐出量を増加させることができる。
【００８０】
▲４▼エンジン停止時の冷凍サイクル運転モード
制御装置６００は、電磁クラッチ５５０を接続して、回転機４２０を停止状態として膨張機２２０の駆動力で圧縮機３１０を作動させる。あるいは、エンジン冷却水の温度が所定値を下回ったら、電磁クラッチ５５０を切断して回転機４２０を逆回転方向に作動させ、回転機４２０の駆動力で圧縮機３１０を作動させる。これは上記▲１▼の通常冷凍サイクル運転モードと同一である。
【００８１】
▲５▼ランキンサイクルによる冷凍サイクル運転とエネルギー回生モード
制御装置６００は、電磁クラッチ５５０を接続し、回転機４２０を発電機として作動させる。すると、膨張機２２０の駆動力によって圧縮機３１０を作動させつつ、発電を可能とする。
【００８２】
▲６▼エネルギー回生モード
制御装置６００は、圧縮機３１０の回転数がほぼゼロに成る側まで回転機４２０の回転数を上げて発電を行う。
【００８３】
このように、第５実施形態においては、遊星歯車５４０によって圧縮機３１０の回転数を調節して吐出量を可変できるので、上記第４実施形態に対して固定容量型の圧縮機での対応が可能となり、安価にすることができる。
【００８４】
（第６実施形態）
本発明の第６実施形態を図９に示す。第６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２００中の作動流体を冷凍サイクル３００中の冷媒と同一にし、ランキンサイクル２００中の凝縮器（本発明の第１凝縮器に対応）２３０と、冷凍サイクル３００中の凝縮器（本発明の第２凝縮器に対応）３２０との間に流入側接続流路２６０と流出側接続流路２７０とを設けたものである。
【００８５】
流入側接続流路２６０は、両凝縮器２３０、３２０の流入側同士を接続したものであり、この流入側接続流路２６０を開閉する電磁弁（バルブ）２６１が設けられている。また、流出側接続流路２７０は、両凝縮器２３０、３２０の流出側同士を接続したものであり、この流出側接続流路２７０を開閉する電磁弁（バルブ）２７１が設けられている。そして、電磁弁２６１、２７１は、制御装置６００によって開閉されるようにしている。
【００８６】
制御装置６００は、Ａ／Ｃ要求の無いエネルギー回生モードのようにランキンサイクル２００のみを作動させる場合、あるいは通常冷凍サイクル運転モードのように冷凍サイクル３００のみを作動させる場合には、電磁弁２６１、２７１を開き、各サイクル２００、３００において凝縮器２３０、３２０の両方を使用して作動させるようにしている。
【００８７】
これにより、ランキンサイクル２００のみの運転時に膨張機２２０の出口圧力を低くすることができ、膨張機２２０からの回収動力を増大させることができる。また、冷凍サイクル３００のみの運転時に圧縮機３１０の吐出圧力を低くすることができ、圧縮機３１０の動力を低減することができる。
【００８８】
（その他の実施形態）
上記実施形態では本発明をアイドルストップ車両に適用したものとして説明したが、対象とする車両としては、走行用モータを有し、走行中においても所定の走行条件に応じてエンジン１０が停止されるいわゆるハイブリッド車両としても良いし、エンジン１０の停止を伴わない通常の車両に適用しても良い。
【００８９】
また、ランキンサイクル２００中のポンプ２５０は、電動式のものとして説明したが、膨張機２２０の駆動力で作動されるものとしても良く、これによれば更に回収エネルギーの多面的な活用を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態における内燃機関の廃熱利用装置全体を示す模式図である。
【図２】図１における膨張機、圧縮機、プーリ、回転機の接続状態を示す模式図である。
【図３】本発明の第２実施形態における内燃機関の廃熱利用装置全体を示す模式図である。
【図４】本発明の第３実施形態における内燃機関の廃熱利用装置全体を示す模式図である。
【図５】図４における膨張機、圧縮機、プーリの接続状態を示す模式図である。
【図６】本発明の第４実施形態における内燃機関の廃熱利用装置全体を示す模式図である。
【図７】図６における膨張機、圧縮機、回転機の接続状態を示す模式図である。
【図８】本発明の第５実施形態における膨張機、圧縮機、回転機の接続状態を示す模式図である。
【図９】本発明の第６実施形態における内燃機関の廃熱利用装置全体を示す模式図である。
【符号の説明】
１０エンジン（内燃機関）
４０バッテリ（電源）
１００内燃機関の廃熱利用装置
２００ランキンサイクル
２２０膨張機
２３０凝縮器（第１凝縮器）
２６０流入側接続流路
２６１電磁弁（バルブ）
２７０流出側接続流路
２７１電磁弁（バルブ）
３００冷凍サイクル
３１０圧縮機
３２０凝縮器（第２凝縮器）
４１０プーリ（外部駆動機構）
４２０回転機（外部駆動機構）
５１０電磁クラッチ（第１断続手段）
５２０一方向クラッチ（第２断続手段）
５４０遊星歯車（動力分配機構）

Claims

内燃機関（１０）の廃熱エネルギーによって加熱される蒸気流体を膨張させて駆動力を発生する膨張機（２２０）を備えるランキンサイクル（２００）と、
外部エネルギーを動力源として駆動する外部駆動機構（４１０、４２０）によって作動され、内部を流通する冷媒を圧縮する圧縮機（３１０）を備える冷凍サイクル（３００）とを有し、
前記膨張機（２２０）は、前記圧縮機（３１０）に接続され、
前記圧縮機（３１０）は、前記外部駆動機構（４１０、４２０）に接続され、
前記圧縮機（３１０）および前記外部駆動機構（４１０）の間には第１断続手段（５１０）が設けられ、
前記ランキンサイクル（２００）作動時の前記膨張機（２２０）の駆動力は、前記圧縮機（３１０）および前記外部駆動機構（４１０、４２０）のうち、少なくとも前記圧縮機（３１０）に付加されるようになっており、
前記膨張機（２２０）の駆動力が前記圧縮機（３１０）に付加される時には、前記第１断続手段（５１０）が切断される、あるいは前記外部駆動機構（４２０）の作動が停止されることを特徴とする内燃機関の廃熱利用装置。
前記外部駆動機構（４１０、４２０）は、前記外部エネルギーとして前記内燃機関（１０）の動力によって回転駆動するプーリ（４１０）、あるいは電動機、発電機の両機能を備え前記外部エネルギーとして電源（４０）の電力によって回転駆動する回転機（４２０）の少なくとも一方であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の廃熱利用装置。
前記プーリ（４１０）あるいは前記回転機（４２０）にも前記膨張機（２２０）の駆動力が付加される時には、前記プーリ（４１０）はその駆動力を更に前記内燃機関（１０）に伝達する、
あるいは、前記回転機（４２０）は発電機として作動することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の廃熱利用装置。
前記膨張機（２２０）および前記圧縮機（３１０）の間には第２断続手段（５２０）が設けられ、前記ランキンサイクル（２００）が停止される時に、前記第２断続手段（５２０）が切断されることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の内燃機関の廃熱利用装置。
前記外部駆動機構（４１０、４２０）は、前記プーリ（４１０）および前記回転機（４２０）より成り、
前記圧縮機（３１０）、前記プーリ（４１０）、前記回転機（４２０）は、一方の動力を他の二方に分配可能とする動力分配機構（５４０）によって接続されたことを特徴とする請求項２〜請求項４のいずれかに記載の内燃機関の廃熱利用装置。
前記外部駆動機構（４２０）は、前記回転機（４２０）より成り、
前記膨張機（２２０）、前記圧縮機（３１０）、前記回転機（４２０）は、一方の動力を他の二方に分配可能とする動力分配機構（５４０）によって接続されたことを特徴とする請求項２〜請求項４のいずれかに記載の内燃機関の廃熱利用装置。
前記ランキンサイクル（２００）中の前記流体は、前記冷凍サイクル（３００）中の前記冷媒を用いており、
前記ランキンサイクル（２００）および前記冷凍サイクル（３００）中の前記冷媒を凝縮する凝縮器（２３０、３２０）は、１つの凝縮器（２３０）で兼用されるように回路形成されたことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかに記載の内燃機関の廃熱利用装置。
前記ランキンサイクル（２００）中の前記流体は、前記冷凍サイクル（３００）中の前記冷媒を用いており、
前記ランキンサイクル（２００）中の前記冷媒、および前記冷凍サイクル（３００）中の前記冷媒をそれぞれ凝縮する第１凝縮器（２３０）および第２凝縮器（３２０）を有し、
前記両凝縮器（２３０、３２０）の前記冷媒の流入側同士を接続する流入側接続流路（２６０）と、
前記両凝縮器（２３０、３２０）の前記冷媒の流出側同士を接続する流出側接続流路（２７０）と、
前記流入側接続流路（２６０）、前記流出側接続流路（２７０）をそれぞれ開閉するバルブ（２６１、２７１）とを設け、
前記両サイクル（２００、３００）のうち、一方のサイクル（２００）のみを単独で作動させる際に、前記バルブ（２６１、２７１）を開いて、他方のサイクル（３００）の凝縮器（３２０）にも前記冷媒が流通するようにしたことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかに記載の内燃機関の廃熱利用装置。
内燃機関（１０）の廃熱エネルギーによって加熱される蒸気流体を膨張させて駆動力を発生する膨張機（２２０）を備えるランキンサイクル（２００）と、
外部エネルギーを動力源として駆動する外部駆動機構（４１０、４２０）によって作動され、内部を流通する冷媒を圧縮する圧縮機（３１０）を備える冷凍サイクル（３００）とを有し、
前記膨張機（２２０）は、前記圧縮機（３１０）に接続され、
前記ランキンサイクル（２００）作動時の前記膨張機（２２０）の駆動力は、前記圧縮機（３１０）および前記外部駆動機構（４１０、４２０）のうち、少なくとも前記圧縮機（３１０）に付加されるようになっており、
前記外部駆動機構（４１０、４２０）は、前記外部エネルギーとして前記内燃機関（１０）の動力によって回転駆動するプーリ（４１０）、および電動機、発電機の両機能を備え前記外部エネルギーとして電源（４０）の電力によって回転駆動する回転機（４２０）より成り、
前記圧縮機（３１０）、前記プーリ（４１０）、前記回転機（４２０）は、一方の動力を他の二方に分配可能とする動力分配機構（５４０）によって接続されたことを特徴とする内燃機関の廃熱利用装置。
内燃機関（１０）の廃熱エネルギーによって加熱される蒸気流体を膨張させて駆動力を発生する膨張機（２２０）を備えるランキンサイクル（２００）と、
外部エネルギーを動力源として駆動する外部駆動機構（４１０、４２０）によって作動され、内部を流通する冷媒を圧縮する圧縮機（３１０）を備える冷凍サイクル（３００）とを有し、
前記膨張機（２２０）は、前記圧縮機（３１０）に接続され、
前記ランキンサイクル（２００）作動時の前記膨張機（２２０）の駆動力は、前記圧縮機（３１０）および前記外部駆動機構（４１０、４２０）のうち、少なくとも前記圧縮機（３１０）に付加されるようになっており、
前記外部駆動機構（４２０）は、電動機、発電機の両機能を備え前記外部エネルギーとして電源（４０）の電力によって回転駆動する回転機（４２０）より成り、
前記膨張機（２２０）、前記圧縮機（３１０）、前記回転機（４２０）は、一方の動力を他の二方に分配可能とする動力分配機構（５４０）によって接続されたことを特徴とする内燃機関の廃熱利用装置。