JP4631426B2

JP4631426B2 - Vapor compression refrigerator

Info

Publication number: JP4631426B2
Application number: JP2004369882A
Authority: JP
Inventors: 淳稲葉; 鉱一坂; 義昭高野
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2004-12-21
Filing date: 2004-12-21
Publication date: 2011-02-16
Anticipated expiration: 2024-12-21
Also published as: JP2006177588A

Description

本発明は、発熱機器の廃熱を利用して動力を回収するランキンサイクルと、発熱機器に対する加熱を可能とするホットガスサイクルとを備える蒸気圧縮式冷凍機に関するもので、車両用空調装置に適用して有効である。 The present invention relates to a vapor compression refrigerator having a Rankine cycle that recovers power using waste heat of a heat generating device and a hot gas cycle that enables heating of the heat generating device, and is applied to a vehicle air conditioner It is effective.

従来の蒸気圧縮式冷凍機においては、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（発熱機器）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。 In a conventional vapor compression refrigerator, for example, as shown in Patent Document 1, a Rankine cycle is formed by sharing components (condensers) of a refrigeration cycle, and an engine for a vehicle is used by an expander that also serves as a compressor. It is known to recover the waste heat of (heat generating equipment) as power and add the recovered power to the engine.

また、エンジンの廃熱は、ヒータ回路中のヒータに供給されることで、暖房用の熱源にも使用されている。
特許第２５４０７３８号公報 Further, the waste heat of the engine is supplied to the heater in the heater circuit, and is also used as a heat source for heating.
Japanese Patent No. 2540738

近年普及し始めたハイブリッドカーでは低速運転においてはエンジン稼働率が低く設定されており、エンジン自体の発熱（廃熱）が少ないために、特に冬場ではエンジンの廃熱をヒータ用の熱源として充分に供給することができないという問題がある。よって、ハイブリッドカーでは、ヒータの熱源を確保するため、燃費性能を犠牲にして、低速運転においてもエンジンを稼動しなければならなかった。 In hybrid cars that have begun to spread in recent years, the engine operating rate is set low during low-speed operation, and the engine itself generates little heat (waste heat). Therefore, especially in winter, the waste heat of the engine is sufficient as a heat source for the heater. There is a problem that it cannot be supplied. Therefore, in the hybrid car, in order to secure the heat source of the heater, the engine must be operated even at low speed operation at the expense of fuel efficiency.

また、一般車においても近年、エンジンの高効率化が進み、以前よりエンジンの冷却廃熱が少なくなってきており、ハイブリッドカーと同じようなヒータの熱源不足の問題が発生している。一般車の場合ではその熱源不足を補うために例えば専用のＰＴＣヒ−タを搭載する等して対応しているが、コストが高くなってしまっていた。 In general cars, the efficiency of engines has been increasing in recent years, and engine cooling waste heat has been reduced more than before, and there is a problem of insufficient heat sources for heaters similar to hybrid cars. In the case of a general vehicle, in order to compensate for the shortage of the heat source, for example, a dedicated PTC heater is installed, but the cost has been increased.

そこで本出願人は、先に特願２００４−３０４８４０において、冷凍サイクルおよびランキンサイクル中の圧縮機、凝縮器および加熱器を活用すると共に、加熱器と凝縮器との間に絞り部を設けることで、ヒートポンプサイクル（圧縮機→加熱器→絞り部→凝縮器）を形成して、凝縮器で吸熱機能を発揮させ、加熱器で加熱機能を発揮させてエンジンの暖機を促進させるものを提案した。 Therefore, the present applicant previously made use of the compressor, condenser and heater in the refrigeration cycle and Rankine cycle in Japanese Patent Application No. 2004-304840, and provided a constricted portion between the heater and condenser. , A heat pump cycle (compressor → heater → throttle part → condenser) was formed, the heat absorption function was exhibited by the condenser, and the heating function was exhibited by the heater to promote engine warm-up. .

しかしながら、外気温度が極めて低い場合（例えば−１０℃以下）においては、ヒートポンプサイクルとして凝縮器で外気から吸熱するためには、凝縮器内を流通する冷媒温度を外気よりも更に下げる必要があり、即ち、冷媒圧力を下げる必要があり、それによって、圧縮機における吸入側と吐出側との圧力差が非常に大きくなり、冷媒の流量が大きく低下する。よって、加熱器における加熱能力が充分に引き出せないという問題があった。 However, when the outside air temperature is extremely low (for example, −10 ° C. or lower), in order to absorb heat from the outside air in the condenser as a heat pump cycle, it is necessary to further lower the temperature of the refrigerant circulating in the condenser than the outside air. That is, it is necessary to lower the refrigerant pressure, and thereby, the pressure difference between the suction side and the discharge side in the compressor becomes very large, and the flow rate of the refrigerant is greatly reduced. Therefore, there was a problem that the heating capacity in the heater could not be sufficiently extracted.

本発明の目的は、上記問題に鑑み、発熱機器の廃熱を有用活用するランキンサイクルを備えるもので、発熱機器の廃熱が少ない時で、外気温度が極めて低い場合であっても発熱機器を逆に加熱可能とすることで、ひいては廃熱を用いる他の機器の能力不足を補うことのできる蒸気圧縮式冷凍機を提供することにある。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a Rankine cycle that makes effective use of waste heat of a heat generating device. When the waste heat of the heat generating device is low and the outside air temperature is extremely low, On the contrary, it is intended to provide a vapor compression refrigerator that can compensate for the lack of capacity of other equipment that uses waste heat by enabling heating.

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。 In order to achieve the above object, the present invention employs the following technical means.

請求項１に記載の発明では、圧縮機（２１０）によって冷媒が吸入圧縮され、冷媒が凝縮器（２２０）、減圧器（２４０）、蒸発器（２５０）の順に循環して、蒸発器（２５０）にて冷凍機能を発揮する冷凍サイクル（２００）を備える蒸気圧縮式冷凍機において、
冷媒を吐出するポンプ（３１０）、発熱機器（１０）の廃熱を加熱源として冷媒を加熱する加熱器（３２０）、膨張機（３３０）、凝縮器（２２０）の順に冷媒が循環し、加熱器（３２０）からの冷媒の膨張によって膨張機（３３０）で動力を回収するランキンサイクル（３００）と、
ポンプ（３１０）および加熱器（３２０）の間から、圧縮機（２１０）の吸入側への接続を可能として、第１絞り部（５１２）を有する切替え流路（５１０）が設けられ、発熱機器（１０）を冷却する冷却水の温度が低く、且つ、冷凍サイクル（２００）が作動されない時に、圧縮機（２１０）によって冷媒が、加熱器（３２０）、切替え流路（５１０）の順に循環し、加熱器（３２０）にて発熱機器（１０）に対する加熱機能を発揮するホットガスサイクル（５００）と、
ポンプ（３１０）をバイパス可能として、第２絞り部（４１２）を有するバイパス流路（４１０）が設けられ、圧縮機（２１０）によって冷媒が、加熱器（３２０）、バイパス流路（４１０）、凝縮器（２２０）の順に循環し、凝縮器（２２０）にて吸熱機能を果たすと共に、加熱器（３２０）にて発熱機器（１０）に対する加熱機能を発揮するヒートポンプサイクル（４００）とが備えられたことを特徴としている。 In the first aspect of the present invention, the refrigerant is sucked and compressed by the compressor (210), and the refrigerant circulates in the order of the condenser (220), the decompressor (240), and the evaporator (250), and the evaporator (250). In a vapor compression refrigerator having a refrigeration cycle (200) that exhibits a refrigeration function in
The refrigerant circulates in the order of the pump (310) that discharges the refrigerant, the heater (320) that heats the refrigerant using the waste heat of the heat generating device (10) as a heating source, the expander (330), and the condenser (220) in this order. A Rankine cycle (300) for recovering power in the expander (330) by expansion of the refrigerant from the vessel (320);
From between the pump (310) and a heater (320), as a possible connection to the suction side of the compressor (210), the switching flow path having first aperture portion (512) (510) is provided, heating equipment When the temperature of the cooling water for cooling (10) is low and the refrigeration cycle (200) is not operated , the refrigerant is circulated by the compressor (210) in the order of the heater (320) and the switching channel (510). A hot gas cycle (500) that exhibits a heating function for the heat generating device (10) in the heater (320);
A bypass flow path (410) having a second throttle part (412) is provided so that the pump (310) can be bypassed, and the compressor (210) supplies the refrigerant to the heater (320), the bypass flow path (410), A heat pump cycle (400) that circulates in the order of the condenser (220), performs the heat absorption function in the condenser (220), and exhibits the heating function for the heating device (10) in the heater (320) is provided. It is characterized by that.

これにより、冷凍機能が不要の場合で、発熱機器（１０）自身からの発熱（廃熱）が充分得られる時には、ランキンサイクル（３００）を作動させることで、膨張機（３３０）にて動力を回収でき、発熱機器（１０）の廃熱を有効に活用することができる。そして、発熱機器（１０）自身の発熱（廃熱）が少ない時には、ホットガスサイクル（５００）を作動させることで、外気温度が極めて低い場合であっても加熱器（３２０）を介して発熱機器（１０）を間接的に加熱でき、発熱機器（１０）の暖機性能を高めることができる。
また、発熱機器（１０）自身の発熱（廃熱）が少ない時には、ヒートポンプサイクル（４００）を作動させることで、加熱器（３２０）を介して発熱機器（１０）を間接的に加熱でき、発熱機器（１０）の暖機性能を高めることができる。
ヒートポンプサイクル（４００）においては、上記ホットガスサイクル（５００）のように外気温度が極めて低い場合には、上記従来技術の項で説明したように、加熱器（３２０）での加熱能力が充分に引き出せない。しかしながら、凝縮器（２２０）における吸熱可能な外気温度条件であれば、この吸熱分と圧縮機の仕事分に相当する熱を加熱器（３２０）で放熱することができるので（ホットガスサイクルでは圧縮機の仕事分に相当する放熱）、ホットガスサイクル（５００）よりも高い加熱能力を発揮することができる。 As a result, when the refrigeration function is unnecessary and when sufficient heat generation (waste heat) is obtained from the heat generating device (10) itself, the Rankine cycle (300) is operated to power the expander (330). The waste heat of the heat generating device (10) can be effectively utilized. When the heat generating device (10) itself generates little heat (waste heat), the hot gas cycle (500) is operated to generate the heat generating device via the heater (320) even when the outside air temperature is extremely low. (10) can be heated indirectly, and the warm-up performance of the heat generating device (10) can be enhanced.
Also, when the heat generating device (10) itself generates little heat (waste heat), the heat generating device (10) can be indirectly heated via the heater (320) by operating the heat pump cycle (400). The warm-up performance of the device (10) can be improved.
In the heat pump cycle (400), when the outside air temperature is extremely low as in the hot gas cycle (500), the heating capacity in the heater (320) is sufficient as described in the section of the prior art. I can't pull it out. However, if the outside air temperature conditions allow heat absorption in the condenser (220), the heat corresponding to the heat absorption and the work of the compressor can be dissipated by the heater (320) (compression in the hot gas cycle). Heat dissipation equivalent to the work of the machine) and higher heating capacity than the hot gas cycle (500).

上記発熱機器（１０）は、請求項２に記載の発明のように、熱機関（１０）を対象として好適である。 The heat generating device (10) is suitable for the heat engine (10) as in the second aspect of the invention.

請求項３に記載の発明では、発熱機器（１０）の廃熱を加熱源とする暖房器（２６）を有することを特徴としている。 The invention according to claim 3 is characterized in that it has a heater (26) using the waste heat of the heat generating device (10) as a heating source.

これにより、発熱機器（１０）自身の発熱（廃熱）が少なく、これを加熱源とする暖房器（２６）の能力が充分に出せない場合に、請求項１に記載の発明のようにホットガスサイクル（５００）を作動させて間接的に発熱機器（１０）を加熱することで、暖房器（２６）の能力不足を補うことができる。 As a result, when the heating device (10) itself generates little heat (waste heat) and the capacity of the heater (26) using this as a heat source cannot be sufficiently exerted, it is hot as in the invention according to claim 1. Insufficient capacity of the heater (26) can be compensated by operating the gas cycle (500) to indirectly heat the heating device (10).

請求項４に記載の発明では、加熱器（３２０）は、圧縮機（２１０）と凝縮器（２２０）とを繋ぐ冷媒流路に設けられたことを特徴としている。 The invention according to claim 4 is characterized in that the heater (320) is provided in a refrigerant flow path connecting the compressor (210) and the condenser (220).

これにより、発熱機器（１０）自身の発熱が少ない場合に、蒸発器（２５０）にて本来の冷凍機能を発揮している時においても、圧縮機（２１０）から吐出される高温高圧の冷媒を加熱器（３２０）に流すことができるので、加熱器（３２０）によって発熱機器（１０）を間接的に加熱することができ、発熱機器（１０）の暖機性能を高めることができる。 Thus, when the heat generating device (10) itself generates little heat, the high-temperature and high-pressure refrigerant discharged from the compressor (210) is discharged even when the evaporator (250) performs its original refrigeration function. Since it can be made to flow to a heater (320), a heating device (10) can be heated indirectly by a heater (320), and warming-up performance of a heating device (10) can be improved.

併せて、冷媒にとっては本来の凝縮器（２２０）に加えて上記の加熱器（３２０）によっても冷却（放熱）されることになるので、冷媒圧力を低下させることができ、圧縮機（２１０）の動力を低減することができる。 In addition, since the refrigerant is cooled (heat radiation) by the heater (320) in addition to the original condenser (220), the refrigerant pressure can be reduced, and the compressor (210) The power of can be reduced.

請求項５に記載の発明では、圧縮機（２１０）は、加熱器（２２０）から流出した冷媒が流入する時には、膨張機（３３０）として機能することを特徴としている。 The invention according to claim 5 is characterized in that the compressor (210) functions as an expander (330) when the refrigerant flowing out of the heater (220) flows in.

これにより、圧縮機（２１０）、膨張機（３３０）を膨張機一体型圧縮機（２０１）としてコンパクトな流体機械とすることができる。 Thereby, a compressor (210) and an expander (330) can be made into a compact fluid machine as an expander integrated compressor (201).

請求項６に記載の発明では、凝縮器（２２０）は、ランキンサイクル（３００）作動時に、凝縮器（２２０）から流出する冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離する気液分離器（２３０）と、気液分離器（２３０）から流出する液相冷媒を過冷却する過冷却器（２３１）とを有することを特徴としている。 In the invention according to claim 6, the condenser (220) is a gas-liquid separator that separates the refrigerant flowing out of the condenser (220) into a gas-phase refrigerant and a liquid-phase refrigerant when the Rankine cycle (300) is operated. 230) and a supercooler (231) for supercooling the liquid-phase refrigerant flowing out from the gas-liquid separator (230).

これにより、ランキンサイクル（３００）作動時に、凝縮器（２２０）から流出して気液分離器（２３０）で分離された液相冷媒を、過冷却器（２３１）で更に冷却してポンプ（３１０）に供給できる。よって、ポンプ（３１０）が冷媒を吸引する際の圧力低下（負圧となる）があっても、冷媒が沸騰して気化するのを防止することができるので、キャビテーションによるポンプ（３１０）の損傷およびポンプ効率低下を防止できる。 As a result, when the Rankine cycle (300) is operated, the liquid phase refrigerant flowing out of the condenser (220) and separated by the gas-liquid separator (230) is further cooled by the supercooler (231) and then pump (310 ). Therefore, even if there is a pressure drop (negative pressure) when the pump (310) sucks the refrigerant, it is possible to prevent the refrigerant from boiling and vaporizing, so that the pump (310) is damaged by cavitation. In addition, a reduction in pump efficiency can be prevented.

請求項７に記載の発明では、ホットガスサイクル（５００）作動時に、圧縮機（２１０）の吸入側で冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して、気相冷媒を圧縮機（２１０）に供給するアキュムレータ（４２０）が設けられたことを特徴としている。 In the invention according to claim 7, when the hot gas cycle (500) is operated, the refrigerant is separated into the gas phase refrigerant and the liquid phase refrigerant on the suction side of the compressor (210), and the gas phase refrigerant is converted into the compressor (210). ) Is provided with an accumulator (420).

これにより、圧縮機（２１０）における冷媒の液圧縮を防止することができる。 Thereby, liquid compression of the refrigerant in the compressor (210) can be prevented.

請求項７に記載の発明において、請求項８に記載の発明では、アキュムレータ（４２０）は、蒸発器（２５０）が冷凍機能を発揮する時の冷媒流路から外れて配置されたことを特徴としている。 The invention according to claim 7 is characterized in that, in the invention according to claim 8, the accumulator (420) is arranged away from the refrigerant flow path when the evaporator (250) performs the refrigeration function. Yes.

これにより、蒸発器（２５０）で冷凍機能を発揮する際の冷媒流通圧損を低減できる。 Thereby, the refrigerant | coolant circulation pressure loss at the time of exhibiting a refrigerating function with an evaporator (250) can be reduced.

尚、本蒸気圧縮式冷凍装置（１００）は、請求項９に記載の発明のように、走行用駆動源として、発熱機器（１０）としての熱機関（１０）と、走行用モータとを備えるハイブリッド車両に適用して有効である。 In addition, this vapor compression refrigeration apparatus (100) includes a heat engine (10) as a heat generating device (10) and a travel motor as a travel drive source, as in a ninth aspect of the invention. It is effective when applied to hybrid vehicles.

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。 Incidentally, the reference numerals in parentheses of each means described above are an example showing the correspondence with the specific means described in the embodiments described later.

（第１実施形態）
本実施形態は、本発明に係る蒸気圧縮式冷凍機１００を、走行用駆動源としての水冷式のエンジン（熱機関、内燃機関）１０と、走行用モータとを備えるハイブリッド車両の空調装置に適用したものであり、図１は本実施形態に係る蒸気圧縮式冷凍機１００を示す模式図である。尚、エンジン１０は本発明において、温度制御のために廃熱を伴う発熱機器に対応する。 (First embodiment)
In this embodiment, the vapor compression refrigerator 100 according to the present invention is applied to an air conditioner for a hybrid vehicle including a water-cooled engine (heat engine, internal combustion engine) 10 as a driving source for driving and a driving motor. FIG. 1 is a schematic diagram showing a vapor compression refrigerator 100 according to the present embodiment. In the present invention, the engine 10 corresponds to a heat generating device with waste heat for temperature control.

蒸気圧縮式冷凍機１００は、図１に示すように、周知の冷凍サイクル２００をベースとして、ランキンサイクル３００、ヒートポンプサイクル４００、ホットガスサイクル５００を組み込んだものとしている。以下、各サイクル２００、３００、４００、５００について順に説明する。 As shown in FIG. 1, the vapor compression refrigerator 100 includes a Rankine cycle 300, a heat pump cycle 400, and a hot gas cycle 500 based on a known refrigeration cycle 200. Hereinafter, each cycle 200, 300, 400, 500 will be described in order.

まず、冷凍サイクル２００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、圧縮機２１０、凝縮器２２０、気液分離器２３０、減圧器２４０、蒸発器２５０等が環状に接続されて形成されている。 First, the refrigeration cycle 200 moves the low-temperature side heat to the high-temperature side and uses the cold and hot heat for air conditioning. The compressor 210, the condenser 220, the gas-liquid separator 230, the decompressor 240, and the evaporator 250 are used. Etc. are formed in a circular connection.

圧縮機２１０は、冷媒を吸入して高温高圧に圧縮する流体機械であるが、ここでは、後述するランキンサイクル３００に用いられる膨張機３３０と兼用となる膨張機一体型圧縮機２０１としている。圧縮機２１０と膨張機３３０は、例えばスクロール型をベースとしたものであり、冷媒流れの高圧側に制御弁２１１を有している。制御弁２１１は、膨張機一体型圧縮機２０１の圧縮機２１０と膨張機３３０との切替えを可能とするもので、圧縮機２１０として作動させる時（正回転作動）は、制御弁２１１は吐出弁（即ち、逆止弁）として機能し、また、膨張機３３０として作動させる時（逆回転作動）は、高圧側冷媒流路を開く弁として機能する。尚、制御弁２１１は図示しない制御装置によって制御される。また、この圧縮機２１０、膨張機３３０には発電機および電動機の両機能を併せ持ち、図示しない制御装置によって制御される回転電機２１２が接続されている。 The compressor 210 is a fluid machine that sucks the refrigerant and compresses the refrigerant to high temperature and high pressure. Here, the compressor 210 is an expander-integrated compressor 201 that also serves as an expander 330 used in the Rankine cycle 300 described later. The compressor 210 and the expander 330 are based on, for example, a scroll type, and have a control valve 211 on the high-pressure side of the refrigerant flow. The control valve 211 enables switching between the compressor 210 and the expander 330 of the expander-integrated compressor 201. When the control valve 211 is operated as a compressor 210 (forward rotation operation), the control valve 211 is a discharge valve. (That is, functions as a check valve), and when operated as the expander 330 (reverse rotation operation), functions as a valve that opens the high-pressure side refrigerant flow path. The control valve 211 is controlled by a control device (not shown). The compressor 210 and the expander 330 are connected to a rotating electric machine 212 having both functions of a generator and an electric motor and controlled by a control device (not shown).

圧縮機２１０の冷媒吐出側には、高温高圧に圧縮された冷媒を冷却して、凝縮液化する凝縮器２２０が設けられている。尚、ファン２２１は、凝縮器２２０に冷却風（車室外空気）を供給するものである。 On the refrigerant discharge side of the compressor 210, there is provided a condenser 220 that cools the refrigerant compressed to high temperature and pressure and condenses it. Note that the fan 221 supplies cooling air (air outside the passenger compartment) to the condenser 220.

気液分離器２３０は、凝縮器２２０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２４０は、気液分離器２３０で分離された液相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。 The gas-liquid separator 230 is a receiver that separates the refrigerant condensed by the condenser 220 into a gas-phase refrigerant and a liquid-phase refrigerant and causes the liquid-phase refrigerant to flow out. The decompressor 240 is a decompression unit that decompresses and expands the liquid-phase refrigerant separated by the gas-liquid separator 230. In the present embodiment, the decompressor 240 decompresses the refrigerant in an enthalpy manner and supplies the refrigerant sucked into the compressor 210. A temperature-type expansion valve that controls the throttle opening so that the degree of superheat becomes a predetermined value is adopted.

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する熱交換器であり、ファン２５１によって供給される車室外空気（外気）あるいは車室内空気（内気）を冷却する。そして、蒸発器２５０の冷媒流出側には、蒸発器２５０側から圧縮機２１０側にのみ冷媒が流れることを許容する逆止弁２５２が設けられている。 The evaporator 250 is a heat exchanger that exerts an endothermic effect by evaporating the refrigerant decompressed by the decompressor 240, and cools the vehicle interior air (outside air) or the vehicle interior air (inside air) supplied by the fan 251. To do. A check valve 252 is provided on the refrigerant outlet side of the evaporator 250 to allow the refrigerant to flow only from the evaporator 250 side to the compressor 210 side.

ランキンサイクル３００は、上記冷凍サイクル２００に対して、凝縮器２２０を共用すると共に、この凝縮器２２０をバイパスするように気液分離器２３０から凝縮器２２０および膨張機３３０の間（Ａ点）に接続される第１バイパス流路３０１と、膨張機３３０および逆止弁２５２の間（Ｂ点）から凝縮器２２０とＡ点との間に接続される第２バイパス流路３０２とを設けて以下のように形成している。 The Rankine cycle 300 shares the condenser 220 with the refrigeration cycle 200 and also passes from the gas-liquid separator 230 to the condenser 220 and the expander 330 (point A) so as to bypass the condenser 220. A first bypass flow path 301 to be connected and a second bypass flow path 302 connected between the expander 330 and the check valve 252 (point B) and between the condenser 220 and the point A are provided below. It is formed like this.

即ち、第１バイパス流路３０１には、気液分離器２３０で分離された液相冷媒を循環させる液ポンプ（ポンプ）３１０が設けられている。尚、ここでは液ポンプ３１０は電動式のポンプとしており、図示しない制御装置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３３０との間に加熱器３２０が設けられている。 That is, the first bypass flow path 301 is provided with a liquid pump (pump) 310 that circulates the liquid-phase refrigerant separated by the gas-liquid separator 230. Here, the liquid pump 310 is an electric pump and is controlled by a control device (not shown). A heater 320 is provided between the point A and the expander 330.

加熱器３２０は、液ポンプ３１０から送られる冷媒と、エンジン１０における温水回路２０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２１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３２０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。尚、三方弁２１の流路切替えは、図示しない制御装置によって行われるようになっている。 The heater 320 is a heat exchanger that heats the refrigerant by exchanging heat between the refrigerant sent from the liquid pump 310 and the engine cooling water (hot water) of the hot water circuit 20 in the engine 10. The case where the engine cooling water flowing out from the engine 10 is circulated to the heater 320 and the case where it is not circulated are switched. The flow path switching of the three-way valve 21 is performed by a control device (not shown).

因みに、水ポンプ２２は温水回路２０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２３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り、ラジエータバイパス流路２４はラジエータ２３を迂回させてエンジン冷却水を流す迂回流路であり、サーモスタット２５はラジエータバイパス流路２４に流す冷却水量とラジエータ２３に流す冷却水量とを調節する流量調整弁である。そして、温水回路２０内には、エンジン冷却水を加熱源として、空調空気を加熱する空調装置用のヒータコア（本発明における暖房器に対応）２６が設けられている。 Incidentally, the water pump 22 is a pump that circulates engine cooling water in the hot water circuit 20 (for example, a mechanical pump driven by the engine 10 or an electric pump driven by an electric motor), and the radiator 23 is connected to the engine cooling water. It is a heat exchanger that cools engine cooling water by exchanging heat with outside air, the radiator bypass channel 24 is a bypass channel that bypasses the radiator 23 and flows engine cooling water, and the thermostat 25 is a radiator bypass flow It is a flow rate adjustment valve that adjusts the amount of cooling water that flows to the passage 24 and the amount of cooling water that flows to the radiator 23. The warm water circuit 20 is provided with a heater core (corresponding to the heater in the present invention) 26 for an air conditioner that heats conditioned air using engine coolant as a heating source.

そして、第２バイパス流路３０２の凝縮器２２０側の接続部には、サイクル切替え手段としてのサイクル切替え弁１１０が設けられている。サイクル切替え弁１１０は、凝縮器２２０に対して、Ａ点側流路あるいはＢ点側流路のいずれかを開くことで冷凍サイクル２００、ランキンサイクル３００、後述するヒートポンプサイクル４００の形成を切替える弁（三方弁）であり、図示しない制御装置によって制御されるようになっている。 A cycle switching valve 110 as a cycle switching means is provided at the connection portion of the second bypass flow path 302 on the condenser 220 side. The cycle switching valve 110 is a valve that switches the formation of the refrigeration cycle 200, the Rankine cycle 300, and the heat pump cycle 400 (described later) by opening either the point A side channel or the point B side channel with respect to the condenser 220 ( Three-way valve), which is controlled by a control device (not shown).

上記液ポンプ３１０、第１バイパス流路３０１、加熱器３２０、膨張機３３０、第２バイパス流路３０２、凝縮器２２０等にてエンジン１０の廃熱から膨張機３３０による駆動力を回収するランキンサイクル３００が形成される。 Rankine cycle in which the driving force of the expander 330 is recovered from the waste heat of the engine 10 by the liquid pump 310, the first bypass channel 301, the heater 320, the expander 330, the second bypass channel 302, the condenser 220, and the like. 300 is formed.

ヒートポンプサイクル４００は、上記ランキンサイクル３００をベースとして、液ポンプバイパス流路４１０を設けることで形成されるものとしている。 The heat pump cycle 400 is formed by providing the liquid pump bypass passage 410 based on the Rankine cycle 300.

液ポンプバイパス流路４１０は、液ポンプ３１０をバイパスする流路としており、液ポンプバイパス流路４１０には、この流路を開閉する開閉弁４１１と、開度が所定値に固定された絞り（本発明における第２絞り部に対応）４１２とが設けられている。尚、開閉弁４１１は図示しない制御装置によって制御されるようになっている。また、Ｂ点と圧縮機２１０との間には、サイクル中の冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して、気相冷媒のみを圧縮機２１０に供給するアキュムレータ４２０が設けられている。 The liquid pump bypass flow path 410 is a flow path that bypasses the liquid pump 310. The liquid pump bypass flow path 410 includes an on-off valve 411 that opens and closes the flow path, and a throttle (with an opening degree fixed at a predetermined value). 412 corresponding to the second aperture portion in the present invention). The on-off valve 411 is controlled by a control device (not shown). Further, an accumulator 420 is provided between point B and the compressor 210 to separate the refrigerant in the cycle into a gas phase refrigerant and a liquid phase refrigerant and supply only the gas phase refrigerant to the compressor 210. .

上記圧縮機２１０、加熱器３２０、液ポンプバイパス流路４１０、絞り４１２、凝縮器２２０、アキュムレータ４２０等によってヒートポンプサイクル４００が形成される。尚、ヒートポンプサイクル４００においては、凝縮器２２０は外気から吸熱する熱交換器として機能し、また、加熱器３２０は圧縮機２１０からの高温高圧の冷媒によってエンジン冷却水を加熱する加熱用熱交換器として機能する。 A heat pump cycle 400 is formed by the compressor 210, the heater 320, the liquid pump bypass passage 410, the throttle 412, the condenser 220, the accumulator 420, and the like. In the heat pump cycle 400, the condenser 220 functions as a heat exchanger that absorbs heat from the outside air, and the heater 320 heats the engine cooling water with high-temperature and high-pressure refrigerant from the compressor 210. Function as.

更に、ホットガスサイクル５００は、上記ヒートポンプサイクル４００の一部を活用して、切替え流路５１０を設けることで形成されるものとしている。 Further, the hot gas cycle 500 is formed by providing a switching channel 510 by utilizing a part of the heat pump cycle 400.

即ち、切替え流路５１０は、液ポンプ３１０および加熱器３２０の間（Ｃ点）から、圧縮機２１０の吸入側（Ｄ点）に接続される流路としており、切替え流路５１０には、この流路を開閉する開閉弁５１１と、開度が所定値に固定された絞り（本発明における第１絞り部に対応）５１２とが設けられている。尚、開閉弁５１１は図示しない制御装置によって制御されるようになっている。 That is, the switching flow path 510 is a flow path connected between the liquid pump 310 and the heater 320 (point C) to the suction side (point D) of the compressor 210. An opening / closing valve 511 for opening and closing the flow path and a throttle (corresponding to the first throttle portion in the present invention) 512 whose opening degree is fixed to a predetermined value are provided. The on-off valve 511 is controlled by a control device (not shown).

上記圧縮機２１０、加熱器３２０、切替え流路５１０、絞り５１２、アキュムレータ４２０等によってホットガスサイクル５００が形成される。 A hot gas cycle 500 is formed by the compressor 210, the heater 320, the switching channel 510, the throttle 512, the accumulator 420, and the like.

次に、本実施形態に係る蒸気圧縮式冷凍機１００の作動およびその作用効果について図２〜図６を用いて説明する。 Next, the operation of the vapor compression refrigerator 100 according to the present embodiment and the operation and effects thereof will be described with reference to FIGS.

１．クーラモード（図２参照）
この運転モードは、冷凍サイクル２００を作動させて、凝縮器２２０にて冷媒を冷却しながら、蒸発器２５０にて冷凍能力を発揮させる運転モードである。尚、本実施形態では、冷凍サイクル２００で発生する冷熱、つまり吸熱作用を利用した冷房運転および除湿運転にのみ冷凍サイクル２００を作動させており、凝縮器２２０で発生する温熱を利用した暖房運転は行っていないが、暖房運転時であっても冷凍サイクル２００の作動は冷房運転および除湿運転時と同じである。 1. Cooler mode (see Fig. 2)
This operation mode is an operation mode in which the refrigeration cycle 200 is operated and the refrigerant is cooled by the condenser 220 while the evaporator 250 exhibits the refrigeration capacity. In the present embodiment, the refrigeration cycle 200 is operated only for the cooling heat generated in the refrigeration cycle 200, that is, the cooling operation and the dehumidifying operation using the endothermic effect, and the heating operation using the warm heat generated in the condenser 220 is performed. Although not performed, the operation of the refrigeration cycle 200 is the same as in the cooling operation and the dehumidifying operation even during the heating operation.

具体的には、図示しない制御装置は、サイクル切替え弁１１０を切替えて凝縮器２２０とＡ点側流路とを接続すると共に、三方弁２１を切替えてエンジン冷却水が加熱器３２０を迂回するようにし、制御弁２１１を吐出弁として機能する側に切替え、液ポンプ３１０を停止状態とし、開閉弁４１１、５１１を閉じる。そして、回転電機２１２を電動機として作動（正回転作動）させ、膨張機一体型圧縮機２０１を圧縮機（２１０）として作動させる。 Specifically, the control device (not shown) switches the cycle switching valve 110 to connect the condenser 220 and the point A side flow path, and switches the three-way valve 21 so that the engine coolant bypasses the heater 320. The control valve 211 is switched to the side functioning as a discharge valve, the liquid pump 310 is stopped, and the on-off valves 411 and 511 are closed. Then, the rotary electric machine 212 is operated as an electric motor (forward rotation operation), and the expander-integrated compressor 201 is operated as a compressor (210).

この時、冷媒は、圧縮機２１０→加熱器３２０→サイクル切替え弁１１０→凝縮器２２０→気液分離器２３０→減圧器２４０→蒸発器２５０→逆止弁２５２→アキュムレータ４２０→圧縮機２１０の順に循環する。尚、加熱器３２０にはエンジン冷却水が循環しないので、加熱器３２０にて冷媒は加熱されず、加熱器３２０は単なる冷媒通路として機能する。 At this time, the refrigerant is in the order of compressor 210 → heater 320 → cycle switching valve 110 → condenser 220 → gas-liquid separator 230 → decompressor 240 → evaporator 250 → check valve 252 → accumulator 420 → compressor 210. Circulate. In addition, since engine cooling water does not circulate through the heater 320, the refrigerant is not heated by the heater 320, and the heater 320 functions as a simple refrigerant passage.

そして、圧縮機２１０にて圧縮されて高温高圧となった冷媒は、凝縮器２２０にて外気によって冷却されて凝縮し、減圧器２４０にて減圧され、蒸発器２５０にて車室内に吹き出す空気から吸熱して蒸発し、この蒸発した気相冷媒は再び圧縮機２１０に戻る。 Then, the refrigerant that has been compressed by the compressor 210 to become high temperature and pressure is cooled and condensed by the outside air in the condenser 220, depressurized by the decompressor 240, and is blown into the vehicle interior by the evaporator 250. It absorbs heat and evaporates, and the vapor phase refrigerant thus evaporated returns to the compressor 210 again.

２．クーラ＋暖機モード（図３参照）
この運転モードは、エンジン１０始動直後のようにエンジン冷却水温が低く、且つ、冷凍サイクル２００による上記クーラモードを実行する場合に、低温状態にあるエンジン冷却水を積極的に加熱する運転モードである。 2. Cooler + warm-up mode (see Fig. 3)
This operation mode is an operation mode in which the engine cooling water temperature is low just after the engine 10 is started and the engine cooling water in a low temperature state is positively heated when the cooler mode by the refrigeration cycle 200 is executed. .

具体的には、図示しない制御装置は、上記クーラモードに対して、三方弁２１を切替えてエンジン冷却水が加熱器３２０を流通するようにする。この時、エンジン冷却水の温度は、圧縮機２１０で圧縮され高温高圧となった冷媒の温度よりも低く、加熱器３２０にて冷媒とエンジン冷却水との間で熱交換され、エンジン冷却水が加熱される。逆に言うと、冷媒は加熱器３２０で冷却されることになる。このように、クーラ＋暖機モードにおいては、加熱器３２０は、冷媒の熱をエンジン冷却水（エンジン１０）側に放熱する放熱器として機能する（エンジン冷却水加熱機能）。 Specifically, a control device (not shown) switches the three-way valve 21 to allow the engine coolant to flow through the heater 320 with respect to the cooler mode. At this time, the temperature of the engine cooling water is lower than the temperature of the refrigerant compressed by the compressor 210 to become a high temperature and high pressure, and heat is exchanged between the refrigerant and the engine cooling water in the heater 320, and the engine cooling water is Heated. In other words, the refrigerant is cooled by the heater 320. Thus, in the cooler + warm-up mode, the heater 320 functions as a radiator that radiates the heat of the refrigerant to the engine coolant (engine 10) side (engine coolant heating function).

３．ランキン発電モード（図４参照）
この運転モードは、エンジン冷却水温が充分に上昇して所定温度以上となった時に、ランキンサイクル３００を作動させて、エンジン１０の廃熱を他の機器等に利用可能なエネルギーとして回収する運転モードである。 3. Rankine power generation mode (see Fig. 4)
This operation mode is an operation mode in which the Rankine cycle 300 is activated and the waste heat of the engine 10 is recovered as energy that can be used for other devices or the like when the engine cooling water temperature sufficiently rises to a predetermined temperature or more. It is.

具体的には、図示しない制御装置は、サイクル切替え弁１１０を切替えて凝縮器２２０とＢ点側流路（第２バイパス流路３０２）とを接続すると共に、三方弁２１を切替えてエンジン冷却水が加熱器３２０を流通するようにし、制御弁２１１を開く側に切替え、液ポンプ３１０を作動状態とし、開閉弁４１１、５１１を閉じる。そして、回転電機２１２を発電機として作動させる。 Specifically, the control device (not shown) switches the cycle switching valve 110 to connect the condenser 220 and the B-point side flow path (second bypass flow path 302), and switches the three-way valve 21 to change engine cooling water. Is allowed to flow through the heater 320, the control valve 211 is switched to the opening side, the liquid pump 310 is activated, and the on-off valves 411 and 511 are closed. Then, the rotating electrical machine 212 is operated as a generator.

この時、冷媒は、気液分離器２３０→第１バイパス流路３０１→液ポンプ３１０→加熱器３２０→膨脹機３３０→アキュムレータ４２０→第２バイパス流路３０２→サイクル切替え弁１１０→凝縮器２２０→気液分離器２３０の順に循環する。 At this time, the refrigerant is gas-liquid separator 230 → first bypass flow path 301 → liquid pump 310 → heater 320 → expander 330 → accumulator 420 → second bypass flow path 302 → cycle switching valve 110 → condenser 220 → The gas-liquid separator 230 is circulated in this order.

そして、膨脹機３３０には加熱器３２０にて加熱された過熱蒸気冷媒が流入し、膨脹機３３０に流入した過熱蒸気冷媒は、膨脹機３３０内で等エントロピ的に膨脹しながらそのエンタルピを低下させていく。このため、膨脹機３３０は、低下したエンタルピに相当する機械的エネルギーを回転電機２１２に与える。即ち、膨張機３３０は、過熱蒸気冷媒の膨張によって回転駆動され、この時の駆動力によって回転電機（発電機）２１２を作動（逆回転作動）させる。回転電機２１２により発電された電力は、バッテリやキャパシタ等の蓄電器に蓄えられる。更には他の機器の作動に使用される。 The superheated steam refrigerant heated by the heater 320 flows into the expander 330, and the superheated steam refrigerant that flows into the expander 330 lowers its enthalpy while expanding isentropically in the expander 330. To go. For this reason, the expander 330 provides the rotating electrical machine 212 with mechanical energy corresponding to the lowered enthalpy. That is, the expander 330 is rotationally driven by the expansion of the superheated steam refrigerant, and operates the rotating electric machine (generator) 212 (reverse rotation operation) by the driving force at this time. The electric power generated by the rotating electrical machine 212 is stored in a battery such as a battery or a capacitor. Furthermore, it is used for the operation of other equipment.

また、膨脹機３３０から流出した冷媒は、凝縮器２２０にて冷却されて凝縮し、気液分離器２３０に蓄えられ、気液分離器２３０内の液相冷媒は、液ポンプ３１０にて加熱器３２０側に送られる。尚、液ポンプ３１０は、加熱器３２０にて加熱されて生成された過熱蒸気冷媒が、気液分離器２３０側に逆流しない程度の圧力にて液相冷媒を加熱器３２０に送り込む。 The refrigerant flowing out of the expander 330 is cooled and condensed by the condenser 220 and stored in the gas-liquid separator 230. The liquid-phase refrigerant in the gas-liquid separator 230 is heated by the liquid pump 310. 320 side. The liquid pump 310 sends the liquid-phase refrigerant to the heater 320 at such a pressure that the superheated vapor refrigerant generated by being heated by the heater 320 does not flow back to the gas-liquid separator 230 side.

４．ヒートポンプ暖機モード（図５参照）
この運転モードは、エンジン１０始動直後のようにエンジン冷却水温が低く、且つ、上記クーラモードの実行が無い時に、ヒートポンプサイクル４００を作動させて、低温状態にあるエンジン冷却水を積極的に加熱する運転モードである。 4). Heat pump warm-up mode (see Fig. 5)
In this operation mode, when the engine coolant temperature is low just after the engine 10 is started and the cooler mode is not executed, the heat pump cycle 400 is operated to actively heat the engine coolant in a low temperature state. It is an operation mode.

具体的には、図示しない制御装置は、サイクル切替え弁１１０を切替えて凝縮器２２０とＢ点側流路（第２バイパス流路３０２）とを接続すると共に、三方弁２１を切替えてエンジン冷却水が加熱器３２０を流通するようにし、制御弁２１１を吐出弁として機能する側に切替え、液ポンプ３１０を停止状態とし、開閉弁４１１を開き、開閉弁５１１を閉じる。そして、回転電機２１２を電動機として作動（正回転作動）させ、膨張機一体型圧縮機２０１を圧縮機（２１０）として作動させる。 Specifically, the control device (not shown) switches the cycle switching valve 110 to connect the condenser 220 and the B-point side flow path (second bypass flow path 302), and switches the three-way valve 21 to change engine cooling water. The control valve 211 is switched to the side that functions as a discharge valve, the liquid pump 310 is stopped, the on-off valve 411 is opened, and the on-off valve 511 is closed. Then, the rotary electric machine 212 is operated as an electric motor (forward rotation operation), and the expander-integrated compressor 201 is operated as a compressor (210).

この時、冷媒は、圧縮機２１０→加熱器３２０→第１バイパス流路３０１→液ポンプバイパス流路４１０→開閉弁４１１→絞り４１２→凝縮器２２０→サイクル切替え弁１１０→第２バイパス流路３０２→アキュムレータ４２０→圧縮機２１０の順に循環する。 At this time, the refrigerant is compressor 210 → heater 320 → first bypass flow path 301 → liquid pump bypass flow path 410 → open / close valve 411 → throttle 412 → condenser 220 → cycle switching valve 110 → second bypass flow path 302. It circulates in order of → accumulator 420 → compressor 210.

そして、上記のクーラ＋暖機モード実行時と同様に、加熱器３２０にて冷媒とエンジン冷却水との間で熱交換され、エンジン冷却水が加熱される。更に、サイクル内の冷媒は、絞り４１２にて減圧され、凝縮器２２０にて外気から吸熱して蒸発し、この蒸発した気相冷媒はアキュムレータ４２０で気液分離されて、気相冷媒が再び圧縮機２１０に戻る。 Then, as in the case of executing the cooler + warm-up mode, heat is exchanged between the refrigerant and the engine coolant in the heater 320, and the engine coolant is heated. Further, the refrigerant in the cycle is depressurized by the throttle 412, absorbs heat from the outside air by the condenser 220 and evaporates, and the vapor phase refrigerant thus evaporated is gas-liquid separated by the accumulator 420, and the gas phase refrigerant is compressed again. Return to machine 210.

このように、ヒートポンプ暖機モードにおいては、加熱器３２０は、冷媒の熱をエンジン冷却水（エンジン１０）側に放熱する放熱器として機能し（エンジン冷却水加熱機能）、また、凝縮器２２０は、外気から冷媒に吸熱する吸熱用熱交換器として機能することになる。尚、加熱器３２０での加熱能力は、凝縮器２２０での吸熱分と圧縮機２１０の仕事分に相当する。 Thus, in the heat pump warm-up mode, the heater 320 functions as a radiator that radiates the heat of the refrigerant to the engine cooling water (engine 10) side (engine cooling water heating function), and the condenser 220 It functions as an endothermic heat exchanger that absorbs heat from the outside air into the refrigerant. The heating capacity in the heater 320 corresponds to the heat absorption in the condenser 220 and the work in the compressor 210.

５．ホットガス暖機モード（図６参照）
この運転モードは、外気温度が極めて低い場合（例えば−１０℃以下）でのエンジン１０始動直後のように、エンジン冷却水温が低く、且つ、上記クーラモードの実行が無い時に、上記ヒートポンプサイクル４００に代えてホットガスサイクル５００を作動させて、低温状態にあるエンジン冷却水を積極的に加熱する運転モードである。 5. Hot gas warm-up mode (see Fig. 6)
This operation mode is performed when the engine cooling water temperature is low and the cooler mode is not executed, such as immediately after the engine 10 is started when the outside air temperature is extremely low (for example, −10 ° C. or lower). Instead, it is an operation mode in which the hot gas cycle 500 is operated to actively heat the engine coolant in a low temperature state.

具体的には、図示しない制御装置は、サイクル切替え弁１１０を切替えて凝縮器２２０とＢ点側流路（第２バイパス流路３０２）とを接続すると共に、三方弁２１を切替えてエンジン冷却水が加熱器３２０を流通するようにし、制御弁２１１を吐出弁として機能する側に切替え、液ポンプ３１０を停止状態とし、開閉弁４１１閉じ、開閉弁５１１を開く。そして、回転電機２１２を電動機として作動（正回転作動）させ、膨張機一体型圧縮機２０１を圧縮機（２１０）として作動させる。 Specifically, the control device (not shown) switches the cycle switching valve 110 to connect the condenser 220 and the B-point side flow path (second bypass flow path 302), and switches the three-way valve 21 to change engine cooling water. The control valve 211 is switched to the side that functions as a discharge valve, the liquid pump 310 is stopped, the on-off valve 411 is closed, and the on-off valve 511 is opened. Then, the rotary electric machine 212 is operated as an electric motor (forward rotation operation), and the expander-integrated compressor 201 is operated as a compressor (210).

この時、冷媒は、圧縮機２１０→加熱器３２０→切替え流路５１０→開閉弁５１１→絞り５１２→第２バイパス流路３０２→アキュムレータ４２０→圧縮機２１０の順に循環する。 At this time, the refrigerant circulates in the order of the compressor 210 → the heater 320 → the switching flow path 510 → the on-off valve 511 → the throttle 512 → the second bypass flow path 302 → the accumulator 420 → the compressor 210.

そして、上記のヒートポンプ暖機モード実行時と同様に、加熱器３２０にて冷媒とエンジン冷却水との間で熱交換され、エンジン冷却水が加熱される。更に、サイクル内の冷媒は、絞り５１２にて減圧され、アキュムレータ４２０で気液分離されて、気相冷媒が再び圧縮機２１０に戻る。 Then, similarly to the execution of the heat pump warm-up mode, heat is exchanged between the refrigerant and the engine coolant in the heater 320, and the engine coolant is heated. Further, the refrigerant in the cycle is depressurized by the throttle 512 and is separated into gas and liquid by the accumulator 420, and the gas-phase refrigerant returns to the compressor 210 again.

このように、ホットガス暖機モードにおいては、加熱器３２０は、圧縮機２１０の仕事分に相当する熱をエンジン冷却水（エンジン１０）側に放熱する放熱器として機能（エンジン冷却水加熱機能）することになる。 Thus, in the hot gas warm-up mode, the heater 320 functions as a radiator that dissipates heat corresponding to the work of the compressor 210 to the engine coolant (engine 10) side (engine coolant heating function). Will do.

以上のように、本実施形態においては、冷凍サイクル２００の凝縮器２２０を共用するランキンサイクル３００を設けているので、冷凍サイクル２００の作動が不要の場合で、エンジン１０自身からの発熱（廃熱）が充分得られる時には、ランキンサイクル３００を作動することで、膨張機３３０にて動力を回収して発電することができ、エンジン１０の廃熱（従来、ラジエータ２３にて熱として大気中に捨てられていた熱エネルギー）を有効に活用することができる。即ち、エンジン１０の燃費を向上させることができる。 As described above, in the present embodiment, the Rankine cycle 300 that shares the condenser 220 of the refrigeration cycle 200 is provided. Therefore, when the operation of the refrigeration cycle 200 is unnecessary, the heat generated from the engine 10 itself (waste heat) When the Rankine cycle 300 is operated, power can be recovered by the expander 330 to generate power, and the waste heat of the engine 10 (conventionally discarded as heat by the radiator 23 in the atmosphere). It is possible to effectively use the heat energy). That is, the fuel consumption of the engine 10 can be improved.

そして、上記ランキンサイクル３００を活用して、ヒートポンプサイクル４００を設けているので、冷凍サイクル２００の作動が不要の時、且つ、エンジン１０自身の発熱（廃熱）が少ない時には、このヒートポンプサイクル４００を作動させることで、加熱器３２０を介してエンジン冷却水（エンジン１０自身）を加熱でき、エンジン１０の暖機性能を高めることができる。即ち、エンジン１０の燃費を向上させることができる。更には、エンジン冷却水を加熱源とするヒータコア２６の能力不足を補うことができる。 Since the Rankine cycle 300 is used to provide the heat pump cycle 400, when the operation of the refrigeration cycle 200 is unnecessary and when the engine 10 itself generates little heat (waste heat), the heat pump cycle 400 is By operating, engine cooling water (engine 10 itself) can be heated via the heater 320, and the warm-up performance of the engine 10 can be improved. That is, the fuel consumption of the engine 10 can be improved. Furthermore, it is possible to make up for a lack of capacity of the heater core 26 using the engine coolant as a heat source.

更に、圧縮機２１０、加熱器３２０、絞り５１２を有する切替え流路５１０によって形成されるホットガスサイクル５００を設けているので、外気温度が極めて低い場合であっても、ヒートポンプサイクル４００に代えて、ホットガスサイクル５００を作動させることで、加熱器３２０を介してエンジン冷却水（エンジン１０自身）加熱でき、エンジン１０の暖機性能を高めることができる。即ち、エンジン１０の燃費を向上させることができる。更には、エンジン冷却水を加熱源とするヒータコア２６の能力不足を補うことができる。 Furthermore, since the hot gas cycle 500 formed by the switching channel 510 having the compressor 210, the heater 320, and the throttle 512 is provided, even when the outside air temperature is extremely low, instead of the heat pump cycle 400, By operating the hot gas cycle 500, the engine coolant (the engine 10 itself) can be heated via the heater 320, and the warm-up performance of the engine 10 can be enhanced. That is, the fuel consumption of the engine 10 can be improved. Furthermore, it is possible to make up for a lack of capacity of the heater core 26 using the engine coolant as a heat source.

また、加熱器３２０を圧縮機２１０と凝縮器２２０とを繋ぐ冷媒流路に設けるようにしているので、冷凍サイクル２００の作動時で、エンジン１０自身の発熱が少ない場合には、圧縮機２１０から吐出される高温高圧の冷媒を加熱器３２０に流すことができる。そして、エンジン冷却水を加熱器３２０側に流すことで、加熱器３２０によってエンジン冷却水（エンジン１０）を加熱することができ、エンジン１０の暖機性能を高めることができる。即ち、エンジン１０の燃費を向上させることができる。更には、ヒータコア２６の能力不足を補うことができる。 In addition, since the heater 320 is provided in the refrigerant flow path connecting the compressor 210 and the condenser 220, when the refrigeration cycle 200 is operated and the engine 10 itself generates little heat, the compressor 210 The discharged high-temperature and high-pressure refrigerant can be passed through the heater 320. And by flowing engine cooling water to the heater 320 side, engine cooling water (engine 10) can be heated by the heater 320, and the warm-up performance of the engine 10 can be improved. That is, the fuel consumption of the engine 10 can be improved. Furthermore, the lack of capacity of the heater core 26 can be compensated.

この時、冷凍サイクル２００を流通する冷媒は、本来の凝縮器２２０に加えて上記の加熱器３２０によっても冷却（放熱）されることになるので、冷媒圧力を低下させることができ、圧縮機２１０の動力を低減することができる。 At this time, the refrigerant flowing through the refrigeration cycle 200 is cooled (heat dissipated) by the heater 320 in addition to the original condenser 220, so that the refrigerant pressure can be reduced. The power of can be reduced.

尚、圧縮機２１０および膨張機３３０は、互いに兼用される膨張機一体型圧縮機２０１として形成しているので、コンパクトな流体機械とすることができる。 In addition, since the compressor 210 and the expander 330 are formed as the expander-integrated compressor 201 that is also used as a mutual, it can be a compact fluid machine.

また、圧縮機２１０の吸入側にはアキュムレータ４２０を設けるようにしているので、ヒートポンプサイクル４００、ホットガスサイクル５００作動時において、圧縮機２１０に液冷媒が吸入されるのを防止でき、冷媒の液圧縮を防止することができる。 Further, since the accumulator 420 is provided on the suction side of the compressor 210, the refrigerant can be prevented from being sucked into the compressor 210 when the heat pump cycle 400 and the hot gas cycle 500 are operated. Compression can be prevented.

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態を図７に示す。第２実施形態は、上記第１実施形態に対して凝縮器２２０を変更したものである。具体的には、凝縮器２２０において、ランキンサイクル３００作動時における冷媒の流出側に、気液分離器２３０、過冷却器２３１を順に設けた、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している。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。 (Second Embodiment)
A second embodiment of the present invention is shown in FIG. 2nd Embodiment changes the condenser 220 with respect to the said 1st Embodiment. Specifically, the condenser 220 is configured as a subcool condenser having a so-called gas-liquid separator in which a gas-liquid separator 230 and a supercooler 231 are sequentially provided on the refrigerant outflow side when the Rankine cycle 300 is operated. . The condenser 220, the gas-liquid separator 230, and the supercooler 231 may be a gas-liquid separator integrated subcool condenser that is integrally formed.

これにより、ランキンサイクル３００作動時に、凝縮器２２０から流出して気液分離器２３０で分離された液相冷媒を、過冷却器２３１で更に冷却して液ポンプ３１０に供給できる。よって、液ポンプ３１０が冷媒を吸引する際の圧力低下（負圧となる）があっても、冷媒が沸騰して気化するのを防止することができるので、キャビテーションによる液ポンプ３１０の損傷およびポンプ効率低下を防止できる。 As a result, when the Rankine cycle 300 is operated, the liquid phase refrigerant flowing out of the condenser 220 and separated by the gas-liquid separator 230 can be further cooled by the supercooler 231 and supplied to the liquid pump 310. Therefore, even if there is a pressure drop (a negative pressure) when the liquid pump 310 sucks the refrigerant, it is possible to prevent the refrigerant from boiling and vaporizing. Efficiency reduction can be prevented.

尚、上記第２実施形態において、液ポンプバイパス流路４１０のヒートポンプサイクル４００作動時（図５）の冷媒流れ下流側を、凝縮器２２０と過冷却器２３１との間、更に具体的には凝縮器２２０と気液分離器２３０との間に接続しても良い。 In the second embodiment, the refrigerant flow downstream side of the liquid pump bypass passage 410 during the operation of the heat pump cycle 400 (FIG. 5) is more specifically condensed between the condenser 220 and the subcooler 231. It may be connected between the vessel 220 and the gas-liquid separator 230.

これにより、ヒートポンプサイクル４００作動時において、加熱器３２０からの気液混合状態の冷媒が過冷却器２３１を流通せずに凝縮器２２０に流入するようにできる。通常、過冷却器２３１は凝縮器２２０に比べて、体格は小さく設定され、冷媒流路としても狭いものとなるので、特に気相冷媒流通時の圧損が増大する。よって、上記のように冷媒が過冷却器２３１を流通しないようにすることで、ヒートポンプサイクル４００作動時の冷媒流通圧損を低減することができる。 As a result, when the heat pump cycle 400 is operated, the gas-liquid mixed refrigerant from the heater 320 can flow into the condenser 220 without flowing through the supercooler 231. Usually, the subcooler 231 is set to be smaller than the condenser 220 and has a narrow refrigerant flow path, which increases the pressure loss particularly when the gas-phase refrigerant flows. Therefore, by preventing the refrigerant from flowing through the supercooler 231 as described above, it is possible to reduce the refrigerant flow pressure loss during the operation of the heat pump cycle 400.

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態を図８に示す。第３実施形態は、上記第１実施形態に対して、アキュムレータ４２０の設定位置を変更したものである。 (Third embodiment)
A third embodiment of the present invention is shown in FIG. 3rd Embodiment changes the setting position of the accumulator 420 with respect to the said 1st Embodiment.

ここでは、アキュムレータ４２０は、冷凍サイクル２００作動時（蒸発器２５０が冷凍機能を発揮する時）の冷媒流路から外れて配置されるようにしている。具体的には、アキュムレータ４２０をサイクル切替え弁１１０とＢ点との間（第２バイパス流路３０２）に設けるようにしている。 Here, the accumulator 420 is arranged away from the refrigerant flow path when the refrigeration cycle 200 is operated (when the evaporator 250 exhibits the refrigeration function). Specifically, the accumulator 420 is provided between the cycle switching valve 110 and the point B (second bypass flow path 302).

これにより、冷凍サイクル２００作動時に冷媒がアキュムレータ４２０を通らないようにすることができるので、冷媒流通圧損を低減でき、冷凍能力を向上させることができる。 Thereby, since it is possible to prevent the refrigerant from passing through the accumulator 420 when the refrigeration cycle 200 is operated, the refrigerant flow pressure loss can be reduced and the refrigeration capacity can be improved.

（第４実施形態）
本発明の第４実施形態を図９に示す。第４実施形態は、上記第１実施形態に対して、ヒートポンプサイクル４００を廃止したものである。具体的には、液ポンプバイパス流路４１０、開閉弁４１１、絞り４１２を廃止している。 (Fourth embodiment)
A fourth embodiment of the present invention is shown in FIG. 4th Embodiment abolishes the heat pump cycle 400 with respect to the said 1st Embodiment. Specifically, the liquid pump bypass channel 410, the on-off valve 411, and the throttle 412 are eliminated.

第４実施形態においては、低温時のエンジン冷却水の加熱をホットガスサイクル５００のみによって行う（ホットガス暖機モードのみの実行）。 In the fourth embodiment, heating of the engine coolant at low temperatures is performed only by the hot gas cycle 500 (execution only in the hot gas warm-up mode).

これにより、ヒートポンプサイクル４００に比べてホットガスサイクル５００の加熱能力は低下するものの、上記構成機器（４１０、４１１、４１２）廃止に伴うコストダウンが可能となる。 Thereby, although the heating capability of the hot gas cycle 500 is lower than that of the heat pump cycle 400, it is possible to reduce the cost due to the abolition of the constituent devices (410, 411, 412).

（第５実施形態）
本発明の第５実施形態を図１０に示す。第５実施形態は、上記第１実施形態に対して、切替え流路５１０をサイクル切替え弁１１０ａと一体化したものである。 (Fifth embodiment)
A fifth embodiment of the present invention is shown in FIG. In the fifth embodiment, the switching channel 510 and the cycle switching valve 110a are integrated with respect to the first embodiment.

ここでは、サイクル切替え弁１１０ａにおいて、凝縮器２２０に対するＡ点側流路およびＢ点側流路に加えて、Ａ点側およびＢ点側を繋ぎ、この間を開閉可能とするもう１つの流路５１０ａを形成して、この流路５１０ａに絞り５１２を設けている。 Here, in the cycle switching valve 110a, in addition to the point A side channel and the point B side channel with respect to the condenser 220, another point channel 510a that connects the point A side and the point B side and can be opened and closed between these points. And a throttle 512 is provided in the flow path 510a.

これにより、シンプルな構成による冷媒流路とすることができる。 Thereby, it can be set as the refrigerant | coolant flow path by a simple structure.

（その他の実施形態）
上記第１〜第５実施形態においては、発熱機器として、車両用のエンジン（熱機関、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。 (Other embodiments)
In the first to fifth embodiments, the vehicle engine (heat engine, internal combustion engine) 10 is used as the heat generating device. However, the present invention is not limited to this. For example, an external combustion engine, a fuel cell stack of a fuel cell vehicle, The present invention can be widely applied to various motors, inverters, and the like that generate heat during operation and discard a part of the heat for temperature control (waste heat is generated).

また、冷凍サイクル２００作動時におけるエンジン１０の暖機（クーラ＋暖機モード）はできなくなるが、主としてヒートポンプサイクル４００あるいはホットガスサイクル５００の作動によりエンジン１０の暖機を考えるならば、加熱器３２０は、冷凍サイクル２００の圧縮機２１０と凝縮器２２０とを繋ぐ冷媒流路から外れて配設されるようにしても良い。 In addition, although the engine 10 cannot be warmed up (cooler + warm-up mode) when the refrigeration cycle 200 is operated, the heater 320 is mainly considered when the engine 10 is warmed up by the operation of the heat pump cycle 400 or the hot gas cycle 500. May be disposed out of the refrigerant flow path connecting the compressor 210 and the condenser 220 of the refrigeration cycle 200.

また、圧縮機２１０と膨張機３３０とが兼用された膨張機一体型圧縮機２０１として説明したが、それぞれ独立して設けられたものとしても良い。 Further, although the description has been made as the expander-integrated compressor 201 in which the compressor 210 and the expander 330 are combined, the compressor 210 and the expander 330 may be provided independently of each other.

また、第１〜第４実施形態において、サイクル切替え弁１１０は、三方弁に代えて、Ａ点側流路あるいはＢ点側流路をそれぞれ開閉する開閉弁としても良い。 In the first to fourth embodiments, the cycle switching valve 110 may be an open / close valve that opens and closes the point A side channel or the point B side channel instead of the three-way valve.

また、膨張機３３０にて回収した駆動力で回転電機（発電機）２１２を作動させて、電気エネルギーとして蓄電器にて蓄えたが、フライホィ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。 In addition, the rotating electrical machine (generator) 212 is operated by the driving force recovered by the expander 330 and stored in the battery as electric energy. However, mechanical energy such as kinetic energy by a flywheel or elastic energy by a spring is used. May be stored as

また、本発明を車両用として適用する場合に、上記第１〜第５実施形態ではハイブリッド車両を例にして説明したが、走行用駆動源として通常の水冷式のエンジンのみを搭載する車両を対象にしても良い。 Further, when the present invention is applied to a vehicle, the first to fifth embodiments have been described by taking a hybrid vehicle as an example. However, the present invention is intended for a vehicle equipped with only a normal water-cooled engine as a driving source for traveling. Anyway.

本発明の第１実施形態における蒸気圧縮式冷凍機を示す模式図である。It is a mimetic diagram showing the vapor compression refrigeration machine in a 1st embodiment of the present invention. 図１においてクーラモードで作動する場合のエンジン冷却水および冷媒流れ方向を示す模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram illustrating engine coolant and refrigerant flow directions when operating in a cooler mode in FIG. 1. 図１においてクーラ＋暖機モードで作動する場合のエンジン冷却水および冷媒流れ方向を示す模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing engine coolant and refrigerant flow directions when operating in a cooler + warm-up mode in FIG. 1. 図１においてランキン発電モードで作動する場合のエンジン冷却水および冷媒流れ方向を示す模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing engine coolant and refrigerant flow directions when operating in the Rankine power generation mode in FIG. 1. 図１においてヒートポンプ暖機モードで作動する場合のエンジン冷却水および冷媒流れ方向を示す模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing engine coolant and refrigerant flow directions when operating in a heat pump warm-up mode in FIG. 1. 図１においてホットガス暖機モードで作動する場合のエンジン冷却水および冷媒流れ方向を示す模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing engine coolant and refrigerant flow directions when operating in a hot gas warm-up mode in FIG. 1. 本発明の第２実施形態における蒸気圧縮式冷凍機を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the vapor compression refrigerator in 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第３実施形態における蒸気圧縮式冷凍機を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the vapor | steam compression refrigerator in 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第４実施形態における蒸気圧縮式冷凍機を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the vapor compression type refrigerator in 4th Embodiment of this invention. 本発明の第５実施形態における蒸気圧縮式冷凍機を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the vapor compression type refrigerator in 5th Embodiment of this invention.

Explanation of symbols

１０エンジン（発熱機器、熱機関）
２６ヒータコア（暖房器）
１００蒸気圧縮式冷凍機
２１０圧縮機
２２０凝縮器
２３０気液分離器
２３１過冷却器
２４０減圧器
２５０蒸発器
３００ランキンサイクル
３１０液ポンプ（ポンプ）
３２０加熱器
３３０膨張機
４００ヒートポンプサイクル
４１０液ポンプバイパス流路（バイパス流路）
４１２絞り（第２絞り部）
４２０アキュムレータ
５００ホットガスサイクル
５１０切替え流路
５１２絞り（第１絞り部） 10 Engine (heat generating equipment, heat engine)
26 Heater core (heater)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Vapor compression refrigerator 210 Compressor 220 Condenser 230 Gas-liquid separator 231 Supercooler 240 Decompressor 250 Evaporator 300 Rankine cycle 310 Liquid pump (pump)
320 Heater 330 Expander 400 Heat Pump Cycle 410 Liquid Pump Bypass Channel (Bypass Channel)
412 Aperture (second aperture)
420 accumulator 500 hot gas cycle 510 switching channel 512 throttle (first throttle)

Claims

The refrigerant is sucked and compressed by the compressor (210), and the refrigerant circulates in the order of the condenser (220), the decompressor (240), and the evaporator (250), and exhibits the refrigeration function in the evaporator (250). In a vapor compression refrigerator comprising a refrigeration cycle (200)
The refrigerant is discharged in the order of a pump (310) that discharges the refrigerant, a heater (320) that heats the refrigerant using waste heat of the heat generating device (10) as a heating source, an expander (330), and the condenser (220). A Rankine cycle (300) that circulates and recovers power in the expander (330) by expansion of the refrigerant from the heater (320);
A switching channel (510) having a first throttle (512) is provided to enable connection between the pump (310) and the heater (320) to the suction side of the compressor (210). When the temperature of the cooling water for cooling the heat generating device (10) is low and the refrigeration cycle (200) is not operated, the compressor (210) causes the refrigerant to change to the heater (320) and the switching. A hot gas cycle (500) that circulates in the order of the flow path (510) and exhibits a heating function for the heating device (10) in the heater (320);
A bypass flow path (410) having a second constriction (412) is provided so that the pump (310) can be bypassed, and the compressor (210) causes the refrigerant to flow into the heater (320) and the bypass flow. The condenser (220) circulates in order of the path (410) and the condenser (220). The condenser (220) performs an endothermic function, and the heater (320) exhibits a heating function for the heating device (10). A vapor compression refrigerator having a heat pump cycle (400).

The vapor compression refrigerator according to claim 1, wherein the heat generating device (10) is a heat engine (10).

The vapor compression refrigerator according to claim 1 or 2, further comprising a heater (26) that uses waste heat of the heat generating device (10) as a heating source.

The said heater (320) was provided in the refrigerant | coolant flow path which connects the said compressor (210) and the said condenser (220), The Claim 1 characterized by the above-mentioned. Vapor compression refrigerator.

The compressor (210) functions as the expander (330) when the refrigerant flowing out of the heater (220) flows in. The vapor compression refrigerator described in 1.

The condenser (220) includes a gas-liquid separator (230) that separates the refrigerant flowing out of the condenser (220) into a gas-phase refrigerant and a liquid-phase refrigerant when the Rankine cycle (300) operates.
The vapor compression according to any one of claims 1 to 5, further comprising a supercooler (231) for supercooling the liquid-phase refrigerant flowing out of the gas-liquid separator (230). Type refrigeration equipment.

When the hot gas cycle (500) is operated, the refrigerant is separated into a gas phase refrigerant and a liquid phase refrigerant on the suction side of the compressor (210), and the gas phase refrigerant is supplied to the compressor (210). The vapor compression refrigerator according to any one of claims 1 to 6, wherein an accumulator (420) is provided.

The vapor compression refrigerator according to claim 7, wherein the accumulator (420) is disposed away from a refrigerant flow path when the evaporator (250) exhibits a refrigeration function.

9. The vehicle according to claim 1, wherein the vehicle is applied to a hybrid vehicle including a heat engine (10) as the heat generating device (10) and a motor for driving as a driving source for driving. The vapor compressor type refrigerator described in 1.