JP4543920B2 - 熱機関の廃熱利用装置 - Google Patents

Description

本発明は、熱エネルギーを回収するランキンサイクルを備える熱機関に関するもので、熱機関として内燃機関（エンジン）を採用し、且つ、冷凍サイクル（空調装置）を備える車両に適用して有効である。

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、冷凍サイクルの構成部品（凝縮器）を共用して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エンジンに付加するものが知られている。
特開昭６３−９６４４９号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の廃熱利用装置では、ランキンサイクルの作動については、冷凍サイクルを停止させた時に、冷媒流路を切替えて加圧ポンプを作動させるという内容に留まっているので、冷凍サイクルとランキンサイクルとをどのような条件下で切替えるのか、あるいは、ランキンサイクルをどのように制御したら効率的な廃熱の回収が可能となるのかという点についての詳細な記載がなく、現実的な実施が難しい。

本発明の目的は、上記問題に鑑み、ランキンサイクルの作動条件を明確にして、効率的な廃熱回収を可能とする熱機関の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、ポンプ（３３）によって循環される作動流体を、熱機関（１０）の廃熱によって加熱して過熱蒸気とする加熱器（３４）、加熱器（３４）からの過熱蒸気の膨張によって駆動力を発生する膨張機（２１）、外気に放熱することで膨張機（２１）からの過熱蒸気を凝縮してポンプ（３３）側に流出する凝縮器（２２）を有するランキンサイクル（３０Ａ）と、ランキンサイクル（３０Ａ）の作動を制御する制御手段（４０）とを備える熱機関の廃熱利用装置において、
制御手段（４０）は、熱機関（１０）の廃熱温度が予め定めた所定廃熱温度以上となる時に、
凝縮器（２２）の作動条件下で凝縮器（２２）が放熱しうる放熱量（Ｑｃ）を算出し、
加熱器（３４）が熱機関（１０）から回収すべき熱量を、算出された放熱量（Ｑｃ）に見合う回収熱量（Ｑｈ）として算出し、
回収熱量（Ｑｈ）と放熱量（Ｑｃ）との差によって定まり、更に、膨張機（２１）の出入り口におけるエンタルピ差と作動流体の流量（Ｇ）との積として得られる膨張機（２１）の動力（Ｌ）が、作動流体の流量（Ｇ）に対して極大値を示す流量決定マップを予め備えており、この流量決定マップに基づいて動力（Ｌ）が最大動力（Ｌｍａｘ）となる作動流体の流量（Ｇ）を決定し、
前記ポンプ（３３）によって循環される作動流体の流量（Ｇ）が、決定された作動流体の流量（Ｇ）となるように制御することを特徴としている。

これにより、廃熱温度に基づいて、熱機関（１０）から過度に熱量を奪うことなく、ランキンサイクル（３０Ａ）を稼動させることが可能となる。そして、凝縮器（２２）側と加熱器（３４）側との熱バランスをとりながら膨張機（２１）での最適な動力（Ｌ）を回生できるので、ランキンサイクル（３０Ａ）における回生効率を向上させることができる。

そして、請求項２に記載の発明では、制御手段（４０）は、作動流体の加熱器（３４）側となる圧力（Ｐｈ）が、廃熱温度に応じて定まる目標圧力（Ｐｈｏ）となるように、膨張機（２１）の回転数を制御することを特徴としている。

これにより、廃熱温度の変化に応じて、安定した膨張機（２１）の動力（Ｌ）を得ることができる。

請求項３に記載の発明のように、熱機関（１０）は、車両に搭載され、凝縮器（２２）に車両の走行時の車速風が供給されるものとした時に、制御手段（４０）は、車両の走行速度および外気温度を凝縮器（２２）の作動条件として回収熱量（Ｑｈ）を算出することが可能である。

尚、請求項４に記載の発明のように、制御手段（４０）は、上記車両の走行速度を熱機関（１０）の作動回転数で代用しても良い。

また、請求項５に記載の発明のように、制御手段（４０）は、作動流体の凝縮器（２２）側となる圧力（Ｐｃ）を凝縮器（２２）の作動条件として放熱量（Ｑｃ）を算出し、算出された放熱量（Ｑｃ）に見合う回収熱量（Ｑｈ）を算出しても良い。

そして、作動流体の流量（Ｇ）制御については、請求項６に記載の発明のように、制御手段（４０）は、ポンプ（３３）の回転数を可変することで対応が可能である。

また、請求項７に記載の発明のように、ポンプ（３３）を一回転あたりの吐出容量が可変可能なものとして、制御手段（４０）は、ポンプ（３３）の吐出容量を可変することで作動流体の流量（Ｇ）を制御するようにしても良い。

また、請求項８に記載の発明のように、流路面積を可変可能として、ポンプ（３３）をバイパスするバイパス流路（３６）を設けて、制御手段（４０）は、バイパス流路（３６）の流路面積を可変することで作動流体の流量（Ｇ）を制御するようにしても良い。

尚、請求項１、請求項２、請求項５〜請求項８に記載の発明においては、請求項９に記載の発明のように、熱機関（１０）は、車両用のものを対象として好適である。

因みに、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。

（第１実施形態）
本実施形態は、本発明に係る熱機関の廃熱利用装置（以下、廃熱利用装置）２０を、走行用駆動源となる内燃機関としてのエンジン（本発明における熱機関に対応）１０が搭載される車両に適用したものである。廃熱利用装置２０は、エンジン１０で発生した廃熱からエネルギーを回収するものであり、空調装置用の冷凍サイクル２０Ａを構成する機器を一部共用して形成されるランキンサイクル３０Ａと制御装置４０とを有している。以下、廃熱利用装置２０の全体構成について図１を用いて説明する。

まず、冷凍サイクル２０Ａは、低温側の熱を高温側に移動させて冷熱および温熱を空調に利用するもので、膨張機兼圧縮機２１、凝縮器２２、気液分離器２３、減圧器２４、蒸発器２５等が環状に接続されて形成されている。

膨脹機兼圧縮機（本発明における膨張機に対応）２１は、気相冷媒を加圧して吐出する圧縮モード（圧縮機として作動）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膨張モード（膨張機として作動）とを兼ね備える流体機械である。ここでは、膨脹機兼圧縮機２１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としており、圧縮モード時の吐出側には、弁機構２１ａが設けられている。

弁機構２１ａは、膨脹機兼圧縮機２１の圧縮モード時に加圧冷媒を吐出させつつ、その逆流を阻止する逆止弁としての機能を果たすと共に、膨張モード時には冷媒流路を開くことで、後述する加熱器３４からの過熱蒸気冷媒を膨張機兼圧縮機２１に流入させる開閉弁としての機能を果たす。上記弁機構２１ａの逆止弁あるいは開閉弁としての切替えは、後述する制御装置４０によって制御されるようになっている。

また、膨張機兼圧縮機２１には、発電機兼電動機２１ｂが接続されている。発電機兼電動機２１ｂは、図示しないステータおよびロータを有し、後述する制御装置４０によって制御され、図示しないバッテリからステータに電力が供給された場合には、ロータを回転させて、膨張機兼圧縮機２１を（圧縮機として）駆動する電動機として作動する。また、膨張機兼圧縮機２１の膨張モード時に発生した駆動力によってロータを回転させるトルクが入力された場合には、電力を発生させる発電機として作動する。そして、得られた電力は、制御装置４０によってバッテリに充電されるようになっている。尚、膨張モード時の膨張機兼圧縮機２１の回転数は、制御装置４０から発電機兼電動機２１ｂに供給される電流信号（あるいは電圧信号）によって、調節可能となっている。

凝縮器２２は、膨張機兼圧縮機２１（圧縮モード時）の冷媒吐出側に設けられ、高温高圧に圧縮された冷媒と外気との間で熱交換して（冷媒の熱を外気に放熱して）冷媒を冷却し、凝縮液化する熱交換器である。凝縮器２２は、車両のグリルおよびバンパーの後方に配設され、熱交換用の外気として、車両走行時の走行風が凝縮器２２に供給されるようになっている。尚、アイドリング時や低速登坂時等には走行風の供給が期待できないため、凝縮器２２に設けられた冷却ファン２２ａからの冷却風が供給されるようになっている。

気液分離器２３は、凝縮器２２で凝縮された冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して液相冷媒を流出させるレシーバである。減圧器２４は、気液分離器２３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、圧縮モード時の膨張機兼圧縮機２１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２５は、減圧器２４にて減圧された冷媒を蒸発させて吸熱作用を発揮する熱交換器であり、この吸熱作用によって送風機２５ａからの空調空気を冷却する。そして、蒸発器２５の冷媒流出側には、蒸発器２５側から膨張機兼圧縮機２１側にのみ冷媒が流れることを許容する逆止弁２５ｂが設けられている。

ランキンサイクル３０Ａは、エンジン１０で発生した廃熱からエネルギー（膨張機兼圧縮機２１の膨張モード時における駆動力）を回収するものである。ランキンサイクル３０Ａは、上記冷凍サイクル２０Ａに対して、凝縮器２２、気液分離器２３が共用されると共に、凝縮器２２をバイパスするように気液分離器２３から膨張機兼圧縮器２１および凝縮器２２の間（Ａ点）に接続される第１バイパス流路３１と、膨張機兼圧縮機２１および逆止弁２５ｂの間（Ｂ点）から凝縮器２２およびＡ点の間（Ｃ点）に接続される第２バイパス流路３２とが設けられて、以下のように形成されている。

即ち、第１バイパス流路３１には、ポンプ部３３ａが配設されると共に、気液分離器２３側からポンプ部３３ａ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、ポンプ部３３ａにはモータ部３３ｂが接続されており、ポンプ部３３ａはモータ部３３ｂによって駆動される。ポンプ部３３ａは一回転あたりの吐出容量が所定吐出容量となる固定容量型のものとしており、ポンプ部３３ａとモータ部３３ｂとによって冷媒ポンプ（本発明におけるポンプに対応）３３が形成され、冷媒ポンプ３３（モータ部３３ｂ）は、後述する制御装置４０によって制御されるようになっている。

また、Ａ点と膨張機兼圧縮機２１との間には、加熱器３４が設けられている。加熱器３４は、冷媒ポンプ３３から送られる冷媒（本発明における作動流体に対応）とエンジン１０における温水回路１０Ａのエンジン冷却水（温水）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り、三方弁１１によりエンジン１０から流出したエンジン冷却水を加熱器３４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１１の流路切替えは、後述する制御装置４０によって行われるようになっている。

尚、水ポンプ１２は温水回路１０Ａ内でエンジン冷却水を循環させるポンプ（例えば、エンジン１０によって駆動される機械式ポンプあるいは電動モータによって駆動される電動ポンプ）であり、ラジエータ１３はエンジン冷却水と外気との間で熱交換してエンジン冷却水を冷却する熱交換器である。

また、エンジン１０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１４が設けられており、この水温センサ１４で検出（出力）されたエンジン冷却水温度信号（以下、冷却水温度信号）は、後述する制御装置４０に入力される。

そして、第２バイパス流路３２には、膨脹機兼圧縮機２１側から凝縮器２２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３２ａが設けられている。また、Ａ点とＣ点との間には開閉弁３５が設けられている。開閉弁３５は、冷媒流路を開閉する電磁式のバルブであり、後述する制御装置４０により制御されるようになっている。

上記気液分離器２３、第１バイパス流路３１、冷媒ポンプ３３、加熱器３４、膨張機兼圧縮機２１、第２バイパス流路３２、凝縮器２２等にてランキンサイクル３０Ａが形成される。

制御装置（本発明における制御手段に対応）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、図示しない外気温センサからの外気温度信号、図示しない車速センサからの車速信号、水温センサ１４からの冷却水温度信号等が入力され、これらの信号に基づいて三方弁１１、弁機構２１ａ、発電機兼電動機２１ｂ、冷媒ポンプ３３、開閉弁３５の作動を制御する。尚、制御装置４０には、後述する放熱量算出マップ（図３）、回収熱量算出マップ（図４）、流量決定マップ（図５）、冷媒ポンプ回転数決定マップ（図６）が予め記憶されており、これらマップに基づき冷媒ポンプ３３の作動を制御するようになっている（詳細後述）。

次に、本実施形態に係る廃熱利用装置２０の作動（制御装置４０による制御）について、図２〜図６を用いて説明する。

図２は、制御装置４０が冷凍サイクル２０Ａおよびランキンサイクル３０Ａを制御する際のフローチャートであり、まず、制御装置４０はステップＳ１００で乗員からのＡ／Ｃ要求が有ると、ステップＳ１１０で空調（冷房）作動のために冷凍サイクル２０Ａを稼動させる（ランキンサイクル３０Ａは非稼動）。即ち、冷媒ポンプ３３を停止させた状態で開閉弁３５を開き、三方弁１１の切替えによって、エンジン冷却水を加熱器３４側に循環させないようにする。また、弁機構２１ａを逆止弁として機能するように切替える。そして、発電機兼圧縮機２１ｂを電動機として駆動し、膨張機兼圧縮機２１を作動させて冷媒を吸入圧縮し（圧縮モード）、冷凍サイクル２０Ａを作動させる。

この時、膨張機兼圧縮機２１で圧縮吐出された冷媒は、弁機構２１ａ→加熱器３４→開閉弁３５→凝縮器２２→気液分離器２３→減圧器２４→蒸発器２５→逆止弁２５ｂ→膨張機兼圧縮機２１の順に循環（冷凍サイクル２０Ａを循環）する。そして、送風機２５ａからの空調空気は蒸発器２５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、加熱器３４にはエンジン冷却水が循環しないので、加熱器３４にて冷媒は加熱されず、加熱器３４は単なる冷媒通路として機能する。

しかし、ステップＳ１００で乗員からのＡ／Ｃ要求が無いと判定した場合は、ステップＳ１２０で水温センサ１４からの冷却水温度（本発明における廃熱温度に対応）が予め定めた所定温度（本発明における所定廃熱温度に対応し、例えば８０℃設定）以上にあるか否かを判定する。

ステップＳ１２０で否と判定すると（ステップＳ１２０の０の表示）、エンジン１０からの廃熱が充分に得られない場合であり、ステップＳ１３０で冷凍サイクル２０Ａを非稼動とすると共に、ランキンサイクル３０Ａも非稼動とする。即ち、発電機兼電動機２１ｂ、冷媒ポンプ３３を停止状態とする。

一方、ステップＳ１２０でエンジン冷却水温度が所定温度以上あると判定すると（ステップＳ１２０の１の表示）、エンジン１０からの廃熱が充分に得られる場合であり、ステップＳ１４０（ステップＳ１４１〜ステップＳ１４４）でランキンサイクル３０Ａを稼動させる。

即ち、ステップＳ１４１で車速、外気温度を読込み、ステップＳ１４２で凝縮器２２での放熱量Ｑｃを算出すると共に、加熱器３４における回収熱量Ｑｈを算出する。そして、最適な冷媒流量Ｇを決定して、冷媒ポンプ３３の回転数を決定する。ここで、放熱量Ｑｃは図３に示す放熱量算出マップに基づき算出し、回収熱量Ｑｈは図４に示す回収熱量算出マップに基づき算出する。そして、冷媒流量Ｇを図５に示す流量決定マップから決定し、冷媒ポンプ３３の回転数を図６に示す冷媒ポンプ回転数決定マップから決定する。

放熱量算出マップ（図３）は、凝縮器２２の作動条件として外気温度と車速（本発明における車両の走行速度に対応）とを用いて、外気温度をパラメータとして、車速に対する凝縮器２２で放熱しうる放熱量Ｑｃを予め関係付けたものである。制御装置４０はステップＳ１４１で読込んだ車速および外気温度から放熱量Ｑｃを算出する。尚、凝縮器２２においては、車速が高いほど凝縮器２２に供給される走行風は増加し、また、外気温度が低いほど凝縮器２２での冷媒との温度差が大きく取れることから、放熱量Ｑｃが増加する。

ここで、膨張モード時の膨張機兼圧縮機２１での発生駆動力（以下、動力Ｌ）は、加熱器３４における回収熱量Ｑｈと凝縮器２２での上記放熱量Ｑｃとの差（Ｑｈ−Ｑｃ）で得られ、各熱量Ｑｈ、Ｑｃは、加熱器３４、凝縮器２２における各エンタルピ差ｉｈ、ｉｃと冷媒流量Ｇとの積として得られることから、動力Ｌ＝Ｇ×ｉｈ−Ｇ×ｉｃ＝Ｇ×（ｉｈ−ｉｃ）と表すことができる（図５）。

上記（ｉｈ−ｉｃ）は、膨張機兼圧縮機２１の出入り口におけるエンタルピ差であって、放熱量Ｑｃが少なく凝縮器２２の性能に余裕がある場合は、膨脹機兼圧縮機２１の出口圧力が低くなるため、出入り口圧力差が大きくなり、（ｉｈ−ｉｃ）も大きくなる。逆に冷媒流量Ｇが増加するほど凝縮器２２における放熱量Ｑｃが多くなり圧力が上昇するため、膨脹機兼圧縮機２１の出口圧力が高くなり、圧力差が小さくなるため、（ｉｈ−ｉｃ）が小さくなる（図５中の右下がりの特性）。このため、冷媒流量Ｇと（ｉｈ−ｉｃ）とを掛け合わせて得られる動力Ｌは、極大値（最大動力Ｌｍａｘ）を取る特性（図５中の上に凸の特性）となる。

また、冷却水温度が高い場合は、膨脹機兼圧縮機２１の入口圧力を高くすることが可能となるため、出入り口圧力差が大きくなり、（ｉｈ−ｉｃ）、即ち、動力Ｌが大きくなる。

このような特性を踏まえて、車速、外気温度、冷却水温度をパラメータにまとめたものが回収熱量算出マップ（図４）であり、また、冷媒流量Ｇに対する膨張機兼圧縮機２１での動力Ｌを予め関係付けて、外気温度、車速、冷却水温度ごとにまとめたものが流量決定マップ（図５）である。回収熱量算出マップにおいては、車速が高いほど、また、外気温度が低いほど上記のように凝縮器２２での放熱量Ｑｃが増加するため、それに応じて回収熱量Ｑｈも増加する。制御装置４０は、この回収熱量算出マップを用いて、ステップＳ１２０で読込んだ冷却水温度、ステップＳ１４１で読込んだ車速および外気温度から回収熱量Ｑｈを算出する。また、流量決定マップを用いて、最大動力Ｌｍａｘに対応する冷媒流量Ｇを決定する。例えば、冷却水温度が９０℃、車速が６０ｋｍ／ｈ、外気温度が２５℃の場合、回収熱量Ｑｃは図４中の破線矢印で示すように、７．４ｋｗと算出され、冷媒流量Ｇは１４２ｋｇ／ｈと決定される（回収熱量は冷媒流量に略比例する）。

冷媒ポンプ回転数決定マップ（図６）は、冷媒流量Ｇと冷媒ポンプ３３の回転数とを関係付けたものである。冷媒ポンプ３３が固定容量型であることから、冷媒流量Ｇは冷媒ポンプ３３の回転数に比例し、制御装置４０は、上記のように決定した冷媒流量Ｇから、対応する冷媒ポンプ３３の回転数を決定する。

次に、ステップＳ１４３でランキンサイクル３０Ａへの切替えを行う。即ち、三方弁１１の切替えによって、エンジン冷却水を加熱器３４側に循環させるようにする。また、開閉弁３５を閉じ、弁機構２１ａによって冷媒流路を開いて膨張機兼圧縮機２１が膨張モードで作動可能となるようにする。

そして、ステップＳ１４４で冷媒ポンプ３３を上記ステップＳ１４２で決定した回転数で作動させ、また、発電機兼回転電機２１ｂを発電機として作動させる。この時、制御装置４０は、加熱器３４側の冷媒圧力Ｐｈが冷却水温度に応じて定まる目標圧力Ｐｈｏとなるように、発電機兼電動機２１ｂへの電流信号（あるいは電圧信号）を可変して、発電機兼電動機２１ｂの回転数、即ち、膨張機兼圧縮機２１の回転数を調節する。具体的には、冷媒圧力Ｐｈが目標圧力Ｐｈｏよりも高いと、回転数を上げ、逆に、冷媒圧力Ｐｈが目標圧力Ｐｈｏよりも低いと、回転数を下げる。

冷媒ポンプ３３から吐出された冷媒は、加熱器３４で回収熱量Ｑｈ分だけ加熱され、過熱蒸気冷媒となって弁機構２１ａを通り膨張機兼圧縮機２１で膨張する（膨張モード）。この時、膨張機兼圧縮機２１は動力Ｌを発生し、この動力Ｌによって発電機兼電動機２１ｂが作動され、発電が行われる。そして、制御装置４０は、発電された電力をバッテリに蓄えるようにしている。

そして、膨張機兼圧縮機２１から流出される冷媒は、第２バイパス流路３２→逆止弁３２ａ→凝縮器２２→気液分離器２３→第１バイパス流路３１→逆止弁３１ａ→液ポンプ３３の順に循環することになる（ランキンサイクル３０Ａを循環）。

以上のように、本実施形態においては、冷却水温度に応じてランキンサイクル３０Ａの稼動可否を判定しているので（ステップＳ１２０）、エンジン１０から過度に熱量を奪うことなく、ランキンサイクル３０Ａを稼動させることが可能となる。

また、ランキンサイクル３０Ａの稼動にあたって、凝縮器２２の放熱量Ｑｃに見合うように加熱器３４での回収熱量Ｑｈを算出して、その回収熱量Ｑｈと放熱量Ｑｃとによって定まる膨張機兼圧縮機２１での発生動力Ｌが増大するように冷媒流量Ｇを決定して制御するようにしているので（ステップＳ１４０）、凝縮器２２側と加熱器３４側との熱バランスをとりながら膨張機兼圧縮機２１での最適な動力Ｌを回生でき、ランキンサイクル３０Ａにおける回生効率を向上させることができる。

そして、加熱器３４側の冷媒圧力Ｐｈが冷却水温度に応じて定まる目標圧力Ｐｈｏとなるように、膨張機兼圧縮機２１の回転数を調節するようにしているので、冷却水温度の変化に応じて、安定した膨張機兼圧縮機２１での動力Ｌを得ることができる。

図７に示すタイムチャートは、本実施形態での車速に対する回収熱量Ｑｈ、回生電力を定量的に示したものである（机上シミュレーション結果）。尚、図８に示すタイムチャートは、凝縮器２２での放熱量Ｑｃを加味せずに、回収熱量Ｑｈを一定（約６ｋｗ）とした場合の図７に対する比較結果である。

図７に示すように、例えば、車速が低い場合は、凝縮器２２に供給される走行風量は少なく、凝縮器２２での放熱量Ｑｃが小さくなるので、その分、回収熱量Ｑｈも小さくすることで、凝縮器２２での冷媒圧力を低くすると共に、冷却水温度の低下を防止して、ランキンサイクル３０Ａの回生効率の悪化を防止できる。

また、車速が高い場合は、凝縮器２２に供給される走行風量が増大され、凝縮器２２での放熱量Ｑｃが大きくなるので、その分、回収熱量Ｑｈを大きくすることで、ランキンサイクル３０Ａの動力Ｌ（電力）の回生量を向上でき、ひいては、車両燃費を向上できる。

尚、外気温度が高い場合は、凝縮器２２における冷媒との温度差が小さくなることから、凝縮器２２での放熱量Ｑｃが小さくなり、回収熱量Ｑｈを小さくすることで上記車速が低い場合と同様にランキンサイクル３０Ａの回生効率の悪化を防止できる。また、外気温度が低い場合は、凝縮器２２における冷媒との温度差が大きくなることから、凝縮器２２での放熱量Ｑｃが大きくなり、回収熱量Ｑｈを大きくすることで上記車速が高い場合と同様に、ランキンサイクル３０Ａの動力Ｌ（電力）の回生量を向上できる。

図８に示す結果では、車両の燃費向上効果は２．７％であったが、図７に示す本実施形態の結果では車両の燃費向上効果が３．３％となった。

尚、上記第１実施形態では、回収熱量Ｑｈを算出する際に、凝縮器２２の放熱量Ｑｃ推定のための作動条件を車速と外気温度としたが、車速については、エンジン１０の回転数で代用するようにしても良い。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態を図９〜図１１に示す。第２実施形態は上記第１実施形態に対して、回収熱量Ｑｈの算出方法を変更したものである。

ここでは、図９に示すように、凝縮器２２の気液分離器２３側に冷媒の圧力を検出する圧力センサ２２ｂを設け、圧力センサ２２ｂで検出された圧力信号（凝縮器側圧力Ｐｃ）を制御装置４０に入力するようにしている。尚、第１実施形態で説明した外気温度信号、車速信号の入力は廃止している。

そして、図１０に示すように、制御装置４０用のフローチャートにおいて、ランキンサイクル３０Ａ稼動のためのステップＳ１４０をステップＳ１４０Ａとして、その中のステップＳ１４１、Ｓ１４２をステップＳ１４１Ａ、Ｓ１４２Ａに変更している。

制御装置４０が行う制御について、上記変更点を中心に以下説明する。ステップＳ１２０で冷却水温度が所定温度以上あると判定すると、ステップＳ１４１Ａで凝縮器側圧力Ｐｃを読込み、ステップＳ１４２Ａで上記凝縮器側圧力Ｐｃから回収熱量Ｑｈを算出する。ここでは、回収熱量Ｑｈは図１１に示す回収熱量算出マップから算出する。この回収熱量算出マップは、凝縮器２２の作動条件として凝縮器側圧力Ｐｃを用いており、凝縮器側圧力Ｐｃに対する回収熱量Ｑｈを予め関係付けたものとしている。即ち、凝縮器側圧力Ｐｃが低いほど、凝縮器２２での放熱量Ｑｃは大きいことになり、この放熱量Ｑｃに見合うように回収熱量Ｑｈを算出するようにしている。以下、上記第１実施形態と同様に、得られた回収熱量Ｑｈおよび放熱量Ｑｃから冷媒流量Ｇを決定し、この冷媒流量Ｇに対応する冷媒ポンプ３３の回転数を決定する。

そして、ステップＳ１４３でランキンサイクル３０Ａの切替えを行い、ステップＳ１４４で冷媒ポンプ３３を作動させ、膨張機兼圧縮機２１の回転数を調節して、ランキンサイクル３０Ａを稼動させる。

これにより、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。ここでは、凝縮器２２での放熱量Ｑｃおよび加熱器３４での回収熱量Ｑｈ算出のために、センサとして圧力センサ２２ｂの１つのみを使用するので、第１実施形態に対して、センサ数を減らすことができる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態を図１２、図１３に示す。第３実施形態は、上記第１実施形態に対して冷媒流量Ｇの制御方法を変更したものである。

ここでは、図１２に示すように、冷媒ポンプ３３をバイパスするバイパス流路３６と、開度を変更することでバイパス流路３６の流路面積を可変する流量制御弁３６ａとを設けている。流量制御弁３６ａの開度は制御装置４０によって制御されるようにしている。

そして、図１３に示すように、制御装置４０用のフローチャートにおいて、ランキンサイクル３０Ａ稼動のためのステップＳ１４０をステップＳ１４０Ｂとして、その中のステップＳ１４２、Ｓ１４４をステップＳ１４２Ｂ、Ｓ１４４Ｂに変更している。

制御装置４０が行う制御について、上記変更点を中心に以下説明する。ステップＳ１２０で冷却水温度が所定温度以上あると判定すると、ステップＳ１４１で車速、外気温度を読込み、ステップＳ１４２Ｂで回収熱量Ｑｈを算出して、冷媒流量Ｇを決定し（上記第１実施形態と同一の要領）、流量制御弁３６ａの開度を決定する。ここで、冷媒ポンプ３３を最大能力（最大回転数）で作動させた時に、冷媒流量Ｇが大きいほど冷媒ポンプ３３から吐出される冷媒が加熱器３４側に流れるようにするために、流量制御弁３６ａの開度を小さく決定する。逆に、冷媒流量Ｇが小さいほど冷媒ポンプ３３から吐出される冷媒がバイパス流路３６側に流れるようにするために、流量制御弁３６ａの開度を大きく決定する。

そして、ステップＳ１４３でランキンサイクル３０Ａへの切替えを行い、ステップＳ１４４で冷媒ポンプ３３を最大回転数で作動させ、膨張機兼圧縮機２１の回転数を調節して、流量制御弁３６ａの開度をステップＳ１４２Ｂで決定した開度に制御する。

これにより、流量制御弁３６ａの開度に応じた冷媒流量Ｇに制御され、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

（その他の実施形態）
上記第１〜第３実施形態では、冷媒ポンプ３３（ポンプ部３３ａ）は固定容量型のものを使用したが、制御装置４０によって一回転あたりの吐出容量が可変される可変容量型（例えば、斜板式やバイパス式等）のものとして、加熱器３４に循環させる冷媒の流量を制御するようにしても良い。

また、熱機関はエンジン１０のような内燃機関に限らず、外燃機関としても良い。更に熱機関は定置型のものでもよく、この場合は、凝縮器２２での放熱量Ｑｃ算出のための作動条件を車速に代えて、冷却ファン２２ａの送風量に対応する回転数等とすれば良い。

また、廃熱利用装置２０として、冷凍サイクル２０Ａに対してランキンサイクル３０Ａが独立して形成されると共に、ランキンサイクル３０Ａ内に配設される膨張機兼圧縮機２１が膨張機として、また、発電機兼電動機２１ｂが発電機として独立して形成されるものに適用しても良い。

また、膨張機兼圧縮機２１で回収した動力Ｌで発電機兼電動機２１ｂを作動させて、電気エネルギーとしてバッテリに蓄えるようにしたが、フライホイ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。

第１実施形態における熱機関の廃熱利用装置の全体構成を示す模式図である。 第１実施形態におけるランキンサイクル稼動制御用のフローチャートである。 第１実施形態における放熱量算出用のマップである。 第１実施形態における回収熱量算出用のマップである。 第１実施形態における冷媒流量決定用のマップである。 第１実施形態における冷媒ポンプ回転数決定用のマップである。 第１実施形態における効果を定量的に示すタイムチャートである。 本発明適用前の回収熱量と回生電力とを示すタイムチャートである。 第２実施形態における熱機関の廃熱利用装置の全体構成を示す模式図である。 第２実施形態におけるランキンサイクル稼動制御用のフローチャートである。 第２実施形態における回収熱量算出用のマップである。 第３実施形態における熱機関の廃熱利用装置の全体構成を示す模式図である。 第３実施形態におけるランキンサイクル稼動制御用のフローチャートである。

符号の説明

１０ エンジン（熱機関）
２０ 熱機関の廃熱利用装置
２１ 膨張機兼圧縮機（膨張機）
２２ 凝縮器
３０Ａ ランキンサイクル
３３ 冷媒ポンプ（ポンプ）
３４ 加熱器
３６ バイパス流路
４０ 制御装置（制御手段）

Claims (9)

1. ポンプ（３３）によって循環される作動流体を、熱機関（１０）の廃熱によって加熱して過熱蒸気とする加熱器（３４）、前記加熱器（３４）からの前記過熱蒸気の膨張によって駆動力を発生する膨張機（２１）、外気に放熱することで前記膨張機（２１）からの前記過熱蒸気を凝縮して前記ポンプ（３３）側に流出する凝縮器（２２）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）の作動を制御する制御手段（４０）とを備える熱機関の廃熱利用装置において、
   前記制御手段（４０）は、前記熱機関（１０）の廃熱温度が予め定めた所定廃熱温度以上となる時に、
   前記凝縮器（２２）の作動条件下で前記凝縮器（２２）が放熱しうる放熱量（Ｑｃ）を算出し、
   前記加熱器（３４）が前記熱機関（１０）から回収すべき熱量を、算出された前記放熱量（Ｑｃ）に見合う回収熱量（Ｑｈ）として算出し、
   前記回収熱量（Ｑｈ）と前記放熱量（Ｑｃ）との差によって定まり、更に、前記膨張機（２１）の出入り口におけるエンタルピ差と前記作動流体の流量（Ｇ）との積として得られる前記膨張機（２１）の動力（Ｌ）が、前記作動流体の流量（Ｇ）に対して極大値を示す流量決定マップを予め備えており、この流量決定マップに基づいて前記動力（Ｌ）が最大動力（Ｌｍａｘ）となる前記作動流体の流量（Ｇ）を決定し、
   前記ポンプ（３３）によって循環される前記作動流体の流量（Ｇ）が、前記決定された前記作動流体の流量（Ｇ）となるように制御することを特徴とする熱機関の廃熱利用装置。
2. 前記制御手段（４０）は、前記作動流体の前記加熱器（３４）側となる圧力（Ｐｈ）が、前記廃熱温度に応じて定まる目標圧力（Ｐｈｏ）となるように、前記膨張機（２１）の回転数を制御することを特徴とする請求項１に記載の熱機関の廃熱利用装置。
3. 前記熱機関（１０）は、車両に搭載され、
   前記凝縮器（２２）には、前記車両の走行時の車速風が供給されるものであり、
   前記制御手段（４０）は、前記車両の走行速度および外気温度を前記凝縮器（２２）の作動条件として前記回収熱量（Ｑｈ）を算出することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱機関の廃熱利用装置。
4. 前記制御手段（４０）は、前記車両の走行速度を前記熱機関（１０）の作動回転数で代用することを特徴とする請求項３に記載の熱機関の廃熱利用装置。
5. 前記制御手段（４０）は、前記作動流体の前記凝縮器（２２）側となる圧力（Ｐｃ）を前記凝縮器（２２）の作動条件として前記放熱量（Ｑｃ）を算出し、算出された前記放熱量（Ｑｃ）に見合う前記回収熱量（Ｑｈ）を算出することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱機関の廃熱利用装置。
6. 前記制御手段（４０）は、前記ポンプ（３３）の回転数を可変することで前記作動流体の流量（Ｇ）を制御することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の熱機関の廃熱利用装置。
7. 前記ポンプ（３３）は、一回転あたりの吐出容量を可変可能とするものであり、
   前記制御手段（４０）は、前記ポンプ（３３）の前記吐出容量を可変することで前記作動流体の流量（Ｇ）を制御することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の熱機関の廃熱利用装置。
8. 流路面積を可変可能として、前記ポンプ（３３）をバイパスするバイパス流路（３６）を有し、
   前記制御手段（４０）は、前記バイパス流路（３６）の前記流路面積を可変することで前記作動流体の流量（Ｇ）を制御することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の熱機関の廃熱利用装置。
9. 前記熱機関（１０）は、車両用であることを特徴とする請求項１、請求項２、請求項５〜請求項８のいずれか１つに記載の熱機関の廃熱利用装置。

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