JP4699972B2 - Waste heat utilization apparatus and control method thereof - Google Patents

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Description

本発明は、発熱機器の廃熱を利用して動力を回収する廃熱利用装置およびその制御方法に関するものであり、例えば内燃機関を搭載する車両用に用いて好適である。   The present invention relates to a waste heat utilization apparatus that recovers power using waste heat of a heat-generating device and a control method thereof, and is suitable for use in, for example, a vehicle equipped with an internal combustion engine.

従来の廃熱利用装置として、例えば特許文献1に示されるものが知られている。即ち、この廃熱利用装置は、空調用の冷凍サイクルと、発熱機器としての内燃機関の冷却廃熱を利用するランキンサイクルとを有している。冷凍サイクル内には内燃機関の動力によって駆動されて冷媒を圧縮吐出する圧縮機が、また、ランキンサイクルには冷却廃熱によって加熱された冷媒の膨張によって作動される膨張機がそれぞれ独立して配設されている。そして、ランキンサイクルは、冷凍サイクル内の凝縮器(放熱器)が共用されて構成されている。   As a conventional waste heat utilization apparatus, for example, one disclosed in Patent Document 1 is known. That is, this waste heat utilization apparatus has a refrigeration cycle for air conditioning and a Rankine cycle that utilizes cooling waste heat of an internal combustion engine as a heat generating device. A compressor that is driven by the power of the internal combustion engine to compress and discharge the refrigerant is provided in the refrigeration cycle, and an expander that is operated by the expansion of the refrigerant heated by the cooling waste heat is independently provided in the Rankine cycle. It is installed. The Rankine cycle is configured by sharing a condenser (heat radiator) in the refrigeration cycle.

この廃熱利用装置においては、空調の必要性と、冷却廃熱の回収可否に応じて、冷凍サイクル、ランキンサイクルの単独運転、あるいは冷凍サイクルとランキンサイクルとの同時運転を可能としている。
特開2005−307951号公報
In this waste heat utilization device, the refrigeration cycle, the Rankine cycle can be operated independently, or the refrigeration cycle and the Rankine cycle can be operated simultaneously, depending on the necessity of air conditioning and whether or not the cooling waste heat can be recovered.
JP 2005-307951 A

しかしながら、上記の廃熱利用装置において冷凍サイクルとランキンサイクルとを同時運転する場合で、夏場など冷凍サイクル側の冷房負荷が大きい場合(例えば外気温が高い場合)には、ランキンサイクルで冷却廃熱の回収を行っているにもかかわらず、廃熱利用装置全体で見てみると返ってエネルギーをロスしていることが分かった。以下、この問題点について詳細に説明する。   However, when the refrigeration cycle and the Rankine cycle are operated simultaneously in the above waste heat utilization device and the cooling load on the refrigeration cycle side is large (for example, when the outside air temperature is high) such as in summer, the waste heat cooled by the Rankine cycle is used. Despite the recovery of wastewater, it was found that the entire waste heat utilization device returned and lost energy. Hereinafter, this problem will be described in detail.

まず、冷凍サイクル単独で運転している場合を考える。冷凍サイクルの冷房負荷に対する圧縮機の動力は、図15のように表すことができる。また、冷凍サイクルの作動状態は、図16のようにモリエル線図(P−h線図)で表すことができる。   First, consider the case where the refrigeration cycle is operating alone. The power of the compressor with respect to the cooling load of the refrigeration cycle can be expressed as shown in FIG. Further, the operating state of the refrigeration cycle can be represented by a Mollier diagram (Ph diagram) as shown in FIG.

次に、冷凍サイクルとランキンサイクルとを同時に運転させた場合を考える。上記と同様に圧縮機の動力は、図17のようになり、単独運転時(図17中の実線)よりも同時運転時(図17中の破線)の方が圧縮機動力は非常に高くなる。この理由としては、凝縮器には冷凍サイクル側からの熱とランキンサイクル側からの熱の両方が流入してくるため、同時運転時の凝縮器の凝縮圧力は単独運転時の場合と比較して高くなるからである。つまり、図18のモリエル線図に示すように、凝縮器における凝縮圧力の上昇に伴い、その分、圧縮機の圧縮比(=吐出圧力/吸入圧力)が高くなり動力が悪化(動力増加)してしまう。   Next, consider the case where the refrigeration cycle and Rankine cycle are operated simultaneously. Similarly to the above, the power of the compressor is as shown in FIG. 17, and the compressor power is much higher during the simultaneous operation (broken line in FIG. 17) than during the single operation (solid line in FIG. 17). . The reason for this is that both the heat from the refrigeration cycle and the heat from the Rankine cycle flow into the condenser, so the condensation pressure of the condenser during simultaneous operation is compared to that during single operation. Because it becomes high. That is, as shown in the Mollier diagram of FIG. 18, as the condensation pressure in the condenser increases, the compression ratio (= discharge pressure / suction pressure) of the compressor increases correspondingly, and the power deteriorates (power increases). End up.

上記内容について、廃熱利用装置の運転における環境条件を外気温とし、凝縮器での放熱状態と圧縮機での動力悪化との関係について図19を用いて補足説明する。図19では、冷房に必要な冷媒流量を流した時の、凝縮器での外気温に対する必要放熱量をエアコン放熱量として表している。また、凝縮器の最大流量(所定の圧損となる流量)を流した時の外気温に対する放熱量を放熱能力として表している。ここで、ランキンサイクル運転時の外気温に対する必要放熱量をランキン放熱量とすると、エアコン放熱量とランキン放熱量との和、即ち同時運転時における凝縮器での必要放熱量は、外気温が高い時ほど増加の度合いが高くなり、ある外気温を超えると放熱能力を上回ってしまう。よって、外気温が高い時ほど、凝縮器における冷媒流量の増加分も大きくなり圧損も上昇する。凝縮器における圧損が増加すれば圧縮機の高圧が上昇し消費動力が増加することになる。   About the said content, the environmental conditions in the operation | movement of a waste-heat utilization apparatus are made into external temperature, and it supplementarily demonstrates the relationship between the thermal radiation state in a condenser, and the power deterioration in a compressor using FIG. In FIG. 19, the necessary heat radiation amount with respect to the outside air temperature in the condenser when the refrigerant flow rate necessary for cooling is supplied is represented as the air conditioner heat radiation amount. Further, the heat radiation amount with respect to the outside air temperature when the maximum flow rate of the condenser (the flow rate at which the predetermined pressure loss is caused) flows is expressed as the heat radiation capability. Here, if the required heat dissipation amount for the outside air temperature during Rankine cycle operation is the Rankine heat dissipation amount, the sum of the air conditioner heat dissipation amount and the Rankine heat dissipation amount, that is, the required heat dissipation amount in the condenser during simultaneous operation is high The degree of increase increases as time goes on, and if it exceeds a certain outside temperature, it will exceed the heat dissipation capacity. Therefore, the higher the outside air temperature, the larger the increase in the refrigerant flow rate in the condenser and the higher the pressure loss. If the pressure loss in the condenser increases, the high pressure of the compressor rises and the power consumption increases.

ここで、外気温に対する廃熱利用装置のエネルギー収支を考えてみると、図20に示すようになる。即ち、外気温が上昇すると冷房負荷が増えるので、上記で説明したように、圧縮機の動力増加分は悪化する(図20中の実線)。また、ランキンサイクルでは外気温が上昇すると、上記で説明したように、凝縮器における放熱が厳しくなり、膨張機前後の圧力差(膨張圧力比)が減少し回収エネルギーが減少する(図20中の点線)。この2つの特性線は、ある外気温で交差する。このポイントは廃熱利用装置のエネルギー収支がゼロとなる点となる。つまり、このポイントにおいてはランキンサイクルでエネルギーを回収しても、この回収エネルギーが冷凍サイクル(圧縮機)の動力エネルギーの増加分と相殺される点となる。言い換えると、このポイント以下の外気温ではランキンサイクルは有効に機能するが、このポイント以上の外気温ではランキンサイクルを稼動させてしまうと、返ってエネルギーの収支がマイナスとなり、内燃機関の燃費を悪化させてしまうことになる。   Here, when the energy balance of the waste heat utilization apparatus with respect to the outside air temperature is considered, it is as shown in FIG. That is, since the cooling load increases as the outside air temperature rises, as described above, the power increase of the compressor deteriorates (solid line in FIG. 20). Further, when the outside air temperature rises in the Rankine cycle, as described above, the heat radiation in the condenser becomes severe, the pressure difference (expansion pressure ratio) before and after the expander decreases, and the recovered energy decreases (in FIG. 20). dotted line). These two characteristic lines intersect at a certain outside temperature. This point is the point where the energy balance of the waste heat utilization device becomes zero. In other words, at this point, even if energy is recovered in the Rankine cycle, this recovered energy is offset by an increase in power energy of the refrigeration cycle (compressor). In other words, the Rankine cycle functions effectively at an outside temperature below this point, but if the Rankine cycle is operated at an outside temperature above this point, the energy balance will be negative and the fuel efficiency of the internal combustion engine will deteriorate. I will let you.

本発明の目的は、上記問題に鑑み、冷凍サイクルとランキンサイクルとの同時運転時に、ランキンサイクル作動による圧縮機の動力増加を防止して、エネルギー収支の向上を可能とする廃熱利用装置およびその制御方法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 waste heat utilization device capable of preventing an increase in power of a compressor due to Rankine cycle operation and improving an energy balance during simultaneous operation of a refrigeration cycle and a Rankine cycle, and its It is to provide a control method.

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、空調空気を冷却する蒸発器(250)側から吸入した低圧の冷媒を高温高圧に圧縮して凝縮器(220)側に吐出する圧縮機(210)を有する冷凍サイクル(200)と、凝縮器(220)を共用すると共に、ポンプ(330)により圧送されて発熱機器(10)の廃熱により加熱された冷媒の膨張によって膨張機(320)で機械的エネルギーを回収するランキンサイクル(300)と、冷凍サイクル(200)およびランキンサイクル(300)の作動を制御する制御手段(500)とを有する廃熱利用装置において、制御手段(500)は、冷凍サイクル(200)の負荷が所定負荷よりも低い場合に、圧縮機(210)の作動状態にかかわらずランキンサイクル(300)を連続的に運転する連続制御を実行すると共に、冷凍サイクル(200)の負荷が所定負荷よりも高くなる高負荷状態の場合に、ランキンサイクル(300)を断続的に運転する断続制御を実行することを特徴としている。   According to the first aspect of the present invention, the refrigeration includes the compressor (210) that compresses the low-pressure refrigerant sucked from the evaporator (250) side that cools the conditioned air into high-temperature and high-pressure and discharges the refrigerant to the condenser (220) side. The cycle (200) and the condenser (220) are shared, and mechanical energy is supplied to the expander (320) by expansion of the refrigerant pumped by the pump (330) and heated by the waste heat of the heat generating device (10). In the waste heat utilization apparatus having the Rankine cycle (300) to be recovered and the control means (500) for controlling the operation of the refrigeration cycle (200) and the Rankine cycle (300), the control means (500) includes the refrigeration cycle (200). ) Continuous control for continuously operating the Rankine cycle (300) regardless of the operating state of the compressor (210) when the load is lower than the predetermined load. And it executes, if the high-load state where the load of the refrigeration cycle (200) is higher than the predetermined load, is characterized by performing the intermittent operation intermittently controlling the Rankine cycle (300).

これにより、冷凍サイクル(200)の負荷が所定負荷よりも低い場合においては、ランキンサイクル(300)で回収される機械的エネルギーが圧縮機(210)駆動用のエネルギーを上回るので、エネルギー収支をプラスとすることができ、ランキンサイクル(300)を連続的に運転することで、発熱機器(10)の廃熱を有効に活用することができる。   As a result, when the load of the refrigeration cycle (200) is lower than the predetermined load, the mechanical energy recovered in the Rankine cycle (300) exceeds the energy for driving the compressor (210), so the energy balance is increased. By operating the Rankine cycle (300) continuously, the waste heat of the heat generating device (10) can be effectively utilized.

更に、冷凍サイクル(200)の負荷が高負荷状態の場合においては、ランキンサイクル(300)の断続制御を行うことで、圧縮機(210)の動力増加を防止して、エネルギー収支を向上させることができる。   Further, when the load of the refrigeration cycle (200) is in a high load state, the intermittent control of the Rankine cycle (300) is performed to prevent an increase in power of the compressor (210) and improve the energy balance. Can do.

請求項2に記載の発明のように、上記の高負荷状態を、圧縮機(210)と膨張機(320)との同時運転による圧縮機(210)の駆動用エネルギーの増加分が、膨張機(320)で回収される機械的エネルギーを上回る状態として定めることで、エネルギー収支をプラスにし得る判断基準を明確にすることができる。   According to the second aspect of the present invention, the increase in the driving energy of the compressor (210) due to the simultaneous operation of the compressor (210) and the expander (320) corresponds to the high load state. By setting the state as exceeding the mechanical energy recovered in (320), it is possible to clarify the criteria for making the energy balance positive.

請求項3に記載の発明では、制御手段(500)は、断続制御の実行に際して、圧縮機(210)を断続運転すると共に、この断続運転に対して逆作動となるようにランキンサイクル(300)を断続的に運転することを特徴としている。   In the invention according to claim 3, the control means (500) intermittently operates the compressor (210) when executing the intermittent control, and the Rankine cycle (300) so as to be reverse to the intermittent operation. It is characterized by driving intermittently.

これにより、断続制御の実行に際して、圧縮機(210)が停止している時、即ち圧縮機(210)駆動用のエネルギーを使用していない時にランキンサイクル(300)作動させることになり、膨張機(320)による機械的エネルギーが回収されるので、確実にエネルギー収支をプラスとすることができる。   Accordingly, when performing the intermittent control, the Rankine cycle (300) is operated when the compressor (210) is stopped, that is, when the energy for driving the compressor (210) is not used. Since the mechanical energy according to (320) is recovered, the energy balance can be positively ensured.

請求項4に記載の発明のように、圧縮機(210)は、駆動源(10)によって駆動されると共に、一回転当たりの吐出容量が所定量となる固定容量圧縮機(210)であり、制御手段(500)は、駆動源(10)とのクラッチ(212)の断続、あるいは駆動源(10)のON−OFFによって行うようにすれば、圧縮機(210)の断続運転を行うことが可能となる。   As in the invention described in claim 4, the compressor (210) is a fixed capacity compressor (210) that is driven by the drive source (10) and has a predetermined amount of discharge capacity per revolution, The control means (500) can perform intermittent operation of the compressor (210) if the clutch (212) is connected to or disconnected from the drive source (10) or the drive source (10) is turned on and off. It becomes possible.

また、請求項5に記載の発明のように、圧縮機(210)は、一回転当たりの吐出容量を調整可能とする可変容量圧縮機(210)であり、制御手段(500)は、第1の吐出容量とこの第1の吐出容量よりも多い第2の吐出容量との切替えを行うようにすれば、圧縮機(210)の断続運転を行うことが可能となる。   Further, as in the fifth aspect of the invention, the compressor (210) is a variable capacity compressor (210) capable of adjusting a discharge capacity per one rotation, and the control means (500) includes the first If the discharge capacity is switched to the second discharge capacity larger than the first discharge capacity, the intermittent operation of the compressor (210) can be performed.

請求項6に記載の発明では、ランキンサイクル(300)内を循環する冷媒の冷媒流路を開閉する開閉手段(322)を有し、制御手段(500)は、断続制御の実行に際して、ランキンサイクル(300)を停止させる時に、開閉手段(322)を閉じることを特徴としている。   The invention according to claim 6 further includes opening / closing means (322) for opening / closing a refrigerant flow path of the refrigerant circulating in the Rankine cycle (300), and the control means (500) performs the Rankine cycle when performing intermittent control. When stopping (300), the opening / closing means (322) is closed.

これにより、冷媒の循環を停止できるので、即座にランキンサイクル(300)を停止させることができる。   Thereby, since circulation of a refrigerant can be stopped, a Rankine cycle (300) can be stopped immediately.

請求項7に記載の発明では、制御手段(500)は、開閉手段(322)を閉じた後に、ポンプ(330)を停止させることを特徴としている。   The invention according to claim 7 is characterized in that the control means (500) stops the pump (330) after closing the opening / closing means (322).

これにより、冷媒の圧送を停止して、確実にランキンサイクル(300)を停止させることができる。   Thereby, pumping of a refrigerant | coolant can be stopped and a Rankine cycle (300) can be stopped reliably.

請求項8に記載の発明では、開閉手段(322)は、膨張機(320)の冷媒流入側に設けられたことを特徴としている。   The invention according to claim 8 is characterized in that the opening / closing means (322) is provided on the refrigerant inflow side of the expander (320).

これにより、膨張機(320)に対する冷媒の流入を停止して冷媒の膨張を阻止できるので、即座に且つ効果的にランキンサイクル(300)を停止させることができる。   Thereby, since the inflow of the refrigerant | coolant with respect to an expander (320) can be stopped and expansion | swelling of a refrigerant | coolant can be stopped, a Rankine cycle (300) can be stopped immediately and effectively.

請求項9に記載の発明では、膨張機(320)をバイパスするバイパス通路(323)と、バイパス通路(323)を開閉するバイパス開閉手段(324)とを有し、制御手段(500)は、断続制御の実行に際して、ランキンサイクル(300)を停止させる時に、バイパス開閉手段(324)を開くことを特徴としている。   In invention of Claim 9, it has a bypass passage (323) which bypasses an expander (320), and bypass opening-and-closing means (324) which opens and closes a bypass passage (323), and control means (500) includes In performing the intermittent control, when the Rankine cycle (300) is stopped, the bypass opening / closing means (324) is opened.

これにより、膨張機(320)の高圧側と低圧側とを均圧させて、膨張機(320)を容易に停止させることができるので、ランキンサイクル(300)を安全且つ確実に停止させることができる。   Thereby, the high pressure side and the low pressure side of the expander (320) can be equalized, and the expander (320) can be easily stopped, so that the Rankine cycle (300) can be stopped safely and reliably. it can.

請求項10に記載の発明では、膨張機(320)に接続されると共に、機械的エネルギーによって駆動されて発電する発電機(321A)を有し、制御手段(500)は、バイパス開閉手段(324)を開いた後に、発電機(321A)を停止させることを特徴としている。   The invention according to claim 10 includes a generator (321A) which is connected to the expander (320) and is driven by mechanical energy to generate electric power, and the control means (500) includes the bypass opening / closing means (324). ), The generator (321A) is stopped.

膨張機(320)においては、バイパス開閉手段(324)を開く前に発電機(321A)を停止させると、負荷の軽くなった膨張機(320)は冷媒の膨張によって一気に高回転側で作動してしまい、停止させられなくなる。よって、ランキンサイクル(300)の高圧側と低圧側とを均圧した後に、発電機(321A)を停止させることで、上記の高回転作動を防止して、安全且つ確実に膨張機(320)を停止させることができるようになる。   In the expander (320), if the generator (321A) is stopped before the bypass opening / closing means (324) is opened, the expander (320) having a lighter load operates on the high rotation side at once due to the expansion of the refrigerant. Will be stopped. Therefore, after equalizing the high-pressure side and the low-pressure side of the Rankine cycle (300), the generator (321A) is stopped to prevent the above-mentioned high-rotation operation, and the expander (320) can be safely and reliably. Can be stopped.

請求項11に記載の発明では、制御手段(500)は、冷凍サイクル(200)の負荷を、外気温度によって把握することを特徴としている。   The invention according to claim 11 is characterized in that the control means (500) grasps the load of the refrigeration cycle (200) from the outside air temperature.

外気温度は、冷凍サイクル(200)の負荷に相関するものであり、これにより、複雑な検出手段や検出方法を用いずに容易に冷凍サイクル(200)の負荷を把握することができる。   The outside air temperature correlates with the load of the refrigeration cycle (200), whereby the load of the refrigeration cycle (200) can be easily grasped without using complicated detection means and detection methods.

請求項12に記載の発明では、制御手段(500)は、冷凍サイクル(200)の負荷を、発熱機器(10)制御用の情報と、冷凍サイクル(200)制御用の情報とから複合的に把握することを特徴としている。   In the invention according to claim 12, the control means (500) combines the load of the refrigeration cycle (200) from information for controlling the heat generating device (10) and information for controlling the refrigeration cycle (200). It is characterized by grasping.

これにより、断続制御を実行すべき条件をより細かく正確に把握できるので、エネルギー収支プラス化の精度を高めることができる。   As a result, the condition for executing the intermittent control can be grasped in more detail and accurately, so that the accuracy of the energy balance plus can be improved.

請求項13に記載の発明のように、発熱機器(10)は、車両用の内燃機関(10)であり、発熱機器(10)制御用の情報としては、車両の速度、内燃機関(10)の回転数、外気温度、内燃機関(10)の冷却用媒体温度のうちの少なくとも1つを採用することができる。   As in the invention described in claim 13, the heat generating device (10) is an internal combustion engine (10) for a vehicle, and information for controlling the heat generating device (10) includes the speed of the vehicle, the internal combustion engine (10). At least one of the number of rotations, the outside air temperature, and the cooling medium temperature of the internal combustion engine (10) can be employed.

また、請求項14に記載の発明のように、冷凍サイクル(200)制御用の情報としては、室内温度、目標室内温度、蒸発器(250)で冷却された空調空気温度、冷凍サイクル(200)内の冷媒圧力のうちの少なくとも1つを採用することができる。   Further, as in the invention described in claim 14, the information for controlling the refrigeration cycle (200) includes the room temperature, the target room temperature, the temperature of the conditioned air cooled by the evaporator (250), and the refrigeration cycle (200). At least one of the internal refrigerant pressures can be employed.

請求項15に記載の発明では、制御手段(500)は、高負荷状態を、膨張機(320)の低圧側となる低圧側圧力(PL)に対する膨張機(320)の高圧側となる高圧側圧力(PH)の比率で示される膨張圧力比(PH/PL)によって把握することを特徴としている。   In the invention according to claim 15, the control means (500) causes the high load state to be a high pressure side which is a high pressure side of the expander (320) with respect to a low pressure side pressure (PL) which is a low pressure side of the expander (320). It is characterized by grasping by the expansion pressure ratio (PH / PL) indicated by the ratio of pressure (PH).

これにより、複雑な検出手段や検出方法を用いずに容易に高負荷状態を把握することができる。   Thereby, a high load state can be easily grasped without using complicated detection means and detection methods.

上記膨張圧力比(P1/P2)は、請求項16に記載の発明のように、発熱機器(10)の廃熱温度、および膨張機(320)の下流側となる凝縮器(220)における冷媒の流量、凝縮器(220)における外気の温度、外気の速度から推定することができる。   The expansion pressure ratio (P1 / P2) is equal to the waste heat temperature of the heat generating device (10) and the refrigerant in the condenser (220) on the downstream side of the expander (320), as in the invention described in claim 16. , The temperature of the outside air in the condenser (220), and the speed of the outside air.

請求項17〜請求項32に記載の発明は、廃熱利用装置(100)における制御方法に関するものであり、その技術的意義は上記請求項1〜請求項16に記載の廃熱利用装置と本質的に同じである。   The invention described in claims 17 to 32 relates to a control method in the waste heat utilization apparatus (100), and its technical significance is essentially the same as that of the waste heat utilization apparatus according to claims 1 to 16. Are the same.

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。   In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each said means shows a corresponding relationship with the specific means of embodiment description mentioned later.

(第1実施形態)
本発明の第1実施形態を図1〜図5に示し、まず、具体的な構成について説明する。本発明の廃熱利用装置100は、エンジン10を走行用駆動源とする一般乗用車(車両)に適用されるものとしており、冷凍サイクル200と、この冷凍サイクル200内の一部の機器(凝縮器220、気液分離器230、過冷却器231)を共用すると共に発電機321を備えるランキンサイクル300と、冷凍サイクル200およびランキンサイクル300の作動を制御する制御装置500(500a〜500d)とを有している。
(First embodiment)
A first embodiment of the present invention is shown in FIGS. 1 to 5, and a specific configuration will be described first. The waste heat utilization apparatus 100 of the present invention is applied to a general passenger car (vehicle) using the engine 10 as a driving source for travel. The refrigeration cycle 200 and some devices (condenser) in the refrigeration cycle 200 are used. 220, the gas-liquid separator 230, the supercooler 231) and the Rankine cycle 300 including the generator 321, and the controller 500 (500 a to 500 d) for controlling the operation of the refrigeration cycle 200 and the Rankine cycle 300. is doing.

図1に示すように、エンジン10は水冷式の内燃機関(本発明における発熱機器に対応)であり、エンジン冷却水(以下、冷却水)の循環によってエンジン10が冷却されるラジエータ回路20、および冷却水(温水)を熱源として空調空気を加熱するヒータ回路30を有している。尚、エンジン10には、ベルト12を介して伝達されるエンジン10の駆動力によって駆動されて発電するオルタネータ11が設けられている。オルタネータ11によって発電された電力はバッテリ40に充電されると共に、バッテリ40に充電された電力は、車両電気負荷(ヘッドランプ、ワイパー、オーディオ等)41に供給されるようになっている。   As shown in FIG. 1, the engine 10 is a water-cooled internal combustion engine (corresponding to the heat generating device in the present invention), a radiator circuit 20 that cools the engine 10 by circulation of engine cooling water (hereinafter referred to as cooling water), and It has a heater circuit 30 that heats conditioned air using cooling water (hot water) as a heat source. The engine 10 is provided with an alternator 11 that is driven by the driving force of the engine 10 transmitted through the belt 12 to generate electric power. The electric power generated by the alternator 11 is charged in the battery 40, and the electric power charged in the battery 40 is supplied to a vehicle electrical load (headlamp, wiper, audio, etc.) 41.

ラジエータ回路20にはラジエータ21が設けられており、ラジエータ21は、温水ポンプ22によって循環される冷却水を外気との熱交換により冷却する。ここでは温水ポンプ22は、エンジン10によって駆動される機械式ポンプとしており、エンジン10の回転数(以下、エンジン回転数)に対して所定の回転数比で作動されるようになっている。尚、温水ポンプ22は、上記機械式ポンプに代えて、電動機によって駆動される電動式ポンプとしても良い。   The radiator circuit 20 is provided with a radiator 21, and the radiator 21 cools the cooling water circulated by the hot water pump 22 by heat exchange with the outside air. Here, the hot water pump 22 is a mechanical pump driven by the engine 10 and is operated at a predetermined rotation speed ratio with respect to the rotation speed of the engine 10 (hereinafter referred to as engine rotation speed). The hot water pump 22 may be an electric pump driven by an electric motor instead of the mechanical pump.

また、エンジン10の出口側の流路(エンジン10とラジエータ21の間の流路)には、水温センサ25と、後述するランキンサイクル300の加熱器310が配設されている。水温センサ25は、エンジン10の出口側における冷却水温度を検出する水温検出手段であり、この水温センサ25によって検出される温度信号は、後述する制御装置500(システム制御ECU500a)に出力されるようになっている。また、加熱器310内にはエンジン10から流出する冷却水が流通するようになっている。   In addition, a water temperature sensor 25 and a heater 310 of a Rankine cycle 300 to be described later are disposed in a flow path on the outlet side of the engine 10 (flow path between the engine 10 and the radiator 21). The water temperature sensor 25 is a water temperature detecting means for detecting the cooling water temperature on the outlet side of the engine 10, and a temperature signal detected by the water temperature sensor 25 is output to a control device 500 (system control ECU 500a) described later. It has become. Further, cooling water flowing out from the engine 10 circulates in the heater 310.

尚、ラジエータ回路20中にはラジエータ21を迂回して冷却水が流通するラジエータバイパス流路23が設けられており、サーモスタット24によってラジエータ21を流通する冷却水流量とラジエータバイパス流路23を流通する冷却水流量とが調節されるようになっている。   The radiator circuit 20 is provided with a radiator bypass passage 23 through which the coolant flows around the radiator 21, and the coolant flow through the radiator 21 and the radiator bypass passage 23 are circulated by the thermostat 24. The cooling water flow rate is adjusted.

ヒータ回路30にはヒータコア31が設けられており、上記の温水ポンプ22によって冷却水(温水)が循環されるようにようになっている。ヒータコア31は、空調ユニット400の空調ケース410内に配設されており、送風機420によって送風される空調空気を温水との熱交換により加熱する。尚、ヒータコア31にはエアミックスドア430が設けられており、このエアミックスドア430の開閉により、ヒータコア31を通過する空調空気量が調整される。   A heater core 31 is provided in the heater circuit 30, and cooling water (hot water) is circulated by the hot water pump 22. The heater core 31 is disposed in the air conditioning case 410 of the air conditioning unit 400, and heats the conditioned air blown by the blower 420 by heat exchange with hot water. The heater core 31 is provided with an air mix door 430, and the amount of conditioned air passing through the heater core 31 is adjusted by opening and closing the air mix door 430.

冷凍サイクル200は、圧縮機210、凝縮器220、気液分離器230、過冷却器231、膨張弁240、蒸発器250を有し、これらが順次環状に接続されて閉回路を形成している。   The refrigeration cycle 200 includes a compressor 210, a condenser 220, a gas-liquid separator 230, a supercooler 231, an expansion valve 240, and an evaporator 250, which are sequentially connected in a ring to form a closed circuit. .

圧縮機210は、冷凍サイクル200内の冷媒を高温高圧に圧縮する流体機器であり、ここでは、一回転当たりの吐出容量が所定量となる固定容量圧縮機としており、エンジン(本発明における駆動源に対応)10の駆動力によって駆動されるようになっている。即ち、圧縮機210の駆動軸には駆動手段としてのプーリ211が固定されており、エンジン10の駆動力がベルト12を介してプーリ211に伝達され、圧縮機210は駆動される。尚、プーリ211には、圧縮機210とプーリ211との間を断続する電磁クラッチ(本発明におけるクラッチに対応)212が設けられている。電磁クラッチ212の断続により、圧縮機210の作動はON−OFFされる。電磁クラッチ212の断続は、後述する制御装置500(エアコン制御ECU500c)によって制御されるようになっている。   The compressor 210 is a fluid device that compresses the refrigerant in the refrigeration cycle 200 to a high temperature and a high pressure. Here, the compressor 210 is a fixed capacity compressor having a predetermined discharge capacity per revolution, and is an engine (the drive source in the present invention). It is driven by a driving force of 10. That is, a pulley 211 as a driving means is fixed to the drive shaft of the compressor 210, and the driving force of the engine 10 is transmitted to the pulley 211 via the belt 12 to drive the compressor 210. The pulley 211 is provided with an electromagnetic clutch (corresponding to the clutch in the present invention) 212 that connects and disconnects between the compressor 210 and the pulley 211. The operation of the compressor 210 is turned on and off by the electromagnetic clutch 212 being engaged and disengaged. The on / off state of the electromagnetic clutch 212 is controlled by a control device 500 (air conditioner control ECU 500c) described later.

凝縮器220は、外気との熱交換によって冷媒を凝縮液化する熱交換器であり、例えば車両エンジンルーム内の前方に配設されている。凝縮器220の熱交換部には車両走行時の車速風が外気として流入するようになっている。尚、外気の流入量は車両の速度(車速)に応じて増加する。気液分離器230は、凝縮器220で凝縮された冷媒を気液二層に分離するレシーバである。過冷却器231は、気液分離器231から流出される液冷媒を更に冷却する熱交換器である。凝縮器220、気液分離器230、過冷却器231は、いわゆる気液分離器を有するサブクールコンデンサの形態となっている。尚、凝縮器220、気液分離器230、過冷却器231は、一体的に形成される気液分離器一体型サブクールコンデンサとしても良い。   The condenser 220 is a heat exchanger that condenses and liquefies the refrigerant by exchanging heat with the outside air, and is disposed, for example, in front of the vehicle engine room. The vehicle speed wind at the time of traveling of the vehicle flows into the heat exchange part of the condenser 220 as outside air. The inflow of outside air increases according to the vehicle speed (vehicle speed). The gas-liquid separator 230 is a receiver that separates the refrigerant condensed in the condenser 220 into gas-liquid two layers. The subcooler 231 is a heat exchanger that further cools the liquid refrigerant flowing out of the gas-liquid separator 231. The condenser 220, the gas-liquid separator 230, and the supercooler 231 are in the form of a subcool condenser having a so-called gas-liquid separator. 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.

膨張弁240は、過冷却器231から流出される液冷媒を減圧膨脹させる減圧手段であり、本実施形態では、冷媒を等エンタルピ的に減圧すると共に、圧縮機210に吸入される冷媒の過熱度が所定値となるように絞り開度を制御する温度式膨脹弁を採用している。   The expansion valve 240 is a decompression unit that decompresses and expands the liquid refrigerant flowing out from the supercooler 231. In this embodiment, the expansion valve 240 decompresses the refrigerant in an enthalpy manner, and also superheats the refrigerant sucked into the compressor 210. A temperature type expansion valve that controls the opening degree of the throttle so that becomes a predetermined value is employed.

蒸発器250は、ヒータコア31と同様に空調ユニット400の空調ケース410内に配設されている。蒸発器250は、膨張弁240によって減圧膨張された冷媒を蒸発させて、その時の蒸発潜熱によって送風機420からの空調空気を冷却する熱交換器である。そして、蒸発器250の冷媒出口側は、圧縮機210の吸入側に接続されている。   The evaporator 250 is disposed in the air conditioning case 410 of the air conditioning unit 400 in the same manner as the heater core 31. The evaporator 250 is a heat exchanger that evaporates the refrigerant decompressed and expanded by the expansion valve 240 and cools the conditioned air from the blower 420 by the latent heat of evaporation at that time. The refrigerant outlet side of the evaporator 250 is connected to the suction side of the compressor 210.

蒸発器250の空調空気流れ下流側には、冷却された空調空気の温度(以下、冷却空気温度)を検出する温度検出手段としての温度センサ251が設けられており、この温度センサ251によって検出される温度信号は、後述する制御装置500(エアコン制御ECU500c)に出力されるようになっている。尚、蒸発器250によって冷却された空調空気とヒータコア31によって加熱された空調空気は、エアミックスドア430の開度に応じて混合比率が可変され、乗員の設定する室内設定温度に調節される。   A temperature sensor 251 as temperature detecting means for detecting the temperature of the cooled conditioned air (hereinafter referred to as cooling air temperature) is provided on the downstream side of the conditioned air flow of the evaporator 250, and is detected by this temperature sensor 251. The temperature signal is output to a control device 500 (air conditioner control ECU 500c) described later. The air-conditioning air cooled by the evaporator 250 and the air-conditioning air heated by the heater core 31 have a mixing ratio varied according to the opening of the air mix door 430 and are adjusted to the indoor set temperature set by the occupant.

ランキンサイクル300は、エンジン10で発生した廃熱エネルギー(冷却水の熱エネルギー)を回収すると共に、この廃熱エネルギーを電気エネルギーに変換して利用するものである。以下、ランキンサイクル300について説明する。   The Rankine cycle 300 collects waste heat energy (cooling water heat energy) generated in the engine 10 and converts the waste heat energy into electric energy for use. Hereinafter, the Rankine cycle 300 will be described.

ランキンサイクル300は、ポンプ330、加熱器310、膨張機320、凝縮器220、気液分離器230、過冷却器231を有し、これらが順次接続されて閉回路を形成している。尚、凝縮器220、気液分離器230、過冷却器231は上記冷凍サイクル200のものが共用されるようにしており、ランキンサイクル300内を流通する作動流体は、冷凍サイクル200の冷媒と同一のものとなっている。   The Rankine cycle 300 includes a pump 330, a heater 310, an expander 320, a condenser 220, a gas-liquid separator 230, and a supercooler 231, which are sequentially connected to form a closed circuit. Note that the condenser 220, the gas-liquid separator 230, and the supercooler 231 are commonly used in the refrigeration cycle 200, and the working fluid flowing through the Rankine cycle 300 is the same as the refrigerant in the refrigeration cycle 200. Has become.

ポンプ330は、ランキンサイクル300内の冷媒を循環させる流体機器であり、電動機331の駆動力によって作動されるようになっている。電動機331の作動は、後述する制御装置500(インバータ500d)によって制御されるようになっている。   The pump 330 is a fluid device that circulates the refrigerant in the Rankine cycle 300, and is operated by the driving force of the electric motor 331. The operation of the electric motor 331 is controlled by a control device 500 (inverter 500d) described later.

加熱器310は、ポンプ330から送られる冷媒とラジエータ回路20を流通する高温の冷却水との間で熱交換することにより冷媒を加熱して高温高圧の過熱蒸気冷媒とする熱交換器である。   The heater 310 is a heat exchanger that heats the refrigerant to exchange high-temperature and high-pressure superheated vapor refrigerant by exchanging heat between the refrigerant sent from the pump 330 and the high-temperature cooling water flowing through the radiator circuit 20.

膨張機320は、加熱器310で加熱された過熱蒸気冷媒の膨張によって回転駆動力(本発明における機械的エネルギーに対応)を発生させる流体機器である。本ランキンサイクル300においては、上記膨張機320に発電機321が接続されて、膨張機320と発電機321とが一体的に形成されている。   The expander 320 is a fluid device that generates a rotational driving force (corresponding to the mechanical energy in the present invention) by the expansion of the superheated steam refrigerant heated by the heater 310. In the Rankine cycle 300, a generator 321 is connected to the expander 320, and the expander 320 and the generator 321 are integrally formed.

発電機321は、後述する制御装置500(インバータ500d)によって作動制御されるようになっている。即ち、発電機321は、膨張機320から駆動力を受けると、インバータ500dによって回転数制御され、これに伴って発電量が調整される。そして、発電された電力は、インバータ500dによってバッテリ40に充電されるようになっている。   The operation of the generator 321 is controlled by a control device 500 (inverter 500d) described later. That is, when the generator 321 receives a driving force from the expander 320, the number of revolutions is controlled by the inverter 500d, and the amount of power generation is adjusted accordingly. The generated power is charged into the battery 40 by the inverter 500d.

そして、膨張機320の冷媒吐出側は、凝縮器220に合流するように接続され、また、過冷却器231の冷媒流出側で冷凍サイクル200から分岐して、ポンプ330に接続されている。   The refrigerant discharge side of the expander 320 is connected so as to merge with the condenser 220, and is branched from the refrigeration cycle 200 on the refrigerant outflow side of the subcooler 231 and connected to the pump 330.

上記ランキンサイクル300には、このサイクル内の冷媒流路を開閉するための開閉手段が設けられている。ここでは開閉手段は、膨張機320の冷媒流入側において、この流入側流路を開閉する膨張機停止弁322としている。膨張機停止弁322は、例えば電磁弁によって構成され、後述する制御装置500(システム制御ECU500a)によって開閉制御されるようになっている。   The Rankine cycle 300 is provided with opening / closing means for opening / closing the refrigerant flow path in the cycle. Here, the opening / closing means is an expander stop valve 322 that opens and closes the inflow side flow path on the refrigerant inflow side of the expander 320. The expander stop valve 322 is constituted by, for example, an electromagnetic valve, and is controlled to be opened and closed by a control device 500 (system control ECU 500a) described later.

そして、ポンプ330と加熱器310との間には、ランキンサイクル300の高圧側となる冷媒圧力(以下、ランキン高圧側圧力)を検出する圧力検出手段としての冷媒圧力センサ341が設けられている。この冷媒圧力センサ341によって検出される圧力信号は、後述する制御装置500(システム制御ECU500a)に出力されるようになっている。   And between the pump 330 and the heater 310, the refrigerant | coolant pressure sensor 341 as a pressure detection means which detects the refrigerant | coolant pressure (henceforth Rankine high-pressure side pressure) used as the high voltage | pressure side of Rankine cycle 300 is provided. The pressure signal detected by the refrigerant pressure sensor 341 is output to a control device 500 (system control ECU 500a) described later.

また、過冷却器231と膨張弁240との間には、冷凍サイクル200の高圧側(ランキンサイクル300の低圧側)となる冷媒圧力(以下、冷凍高圧側圧力)を検出する圧力検出手段としての冷媒圧力センサ342が設けられている。この冷媒圧力センサ342によって検出される圧力信号は、後述する制御装置500(システム制御ECU500a)に出力されるようになっている。   Between the supercooler 231 and the expansion valve 240, pressure detecting means for detecting a refrigerant pressure (hereinafter referred to as a refrigeration high pressure side pressure) that becomes a high pressure side of the refrigeration cycle 200 (low pressure side of the Rankine cycle 300). A refrigerant pressure sensor 342 is provided. The pressure signal detected by the refrigerant pressure sensor 342 is output to a control device 500 (system control ECU 500a) described later.

制御装置500は、上記冷凍サイクル200およびランキンサイクル300の各種機器の作動を制御する制御手段であり、システム制御ECU500a、車両制御ECU500b、エアコン制御ECU500c、インバータ500dを有している。   The control device 500 is a control means for controlling the operation of various devices of the refrigeration cycle 200 and Rankine cycle 300, and includes a system control ECU 500a, a vehicle control ECU 500b, an air conditioner control ECU 500c, and an inverter 500d.

システム制御ECU500aには、車両制御ECU500bとエアコン制御ECU500cとインバータ500dとが接続されて、相互に制御信号が授受されるようになっている。システム制御ECU500aには、外気温度を検出する外気温検出手段としての外気温センサ510からの検出信号が入力されるようになっている。   A vehicle control ECU 500b, an air conditioner control ECU 500c, and an inverter 500d are connected to the system control ECU 500a, and control signals are exchanged between them. The system control ECU 500a receives a detection signal from an outside air temperature sensor 510 as outside air temperature detecting means for detecting the outside air temperature.

システム制御ECU500aは、冷凍サイクル200およびランキンサイクル300の総合的な制御を行うと共に、後述するように冷凍サイクル200とランキンサイクル300との同時運転において、冷凍サイクル200の負荷(以下、冷房負荷)に応じて圧縮機210駆動用のエネルギーとランキンサイクル300での回収エネルギーとの収支がプラスとなるようにインバータ500dを介してランキンサイクル300の作動を制御する。   The system control ECU 500a performs comprehensive control of the refrigeration cycle 200 and the Rankine cycle 300, and in the simultaneous operation of the refrigeration cycle 200 and the Rankine cycle 300 as described later, the load on the refrigeration cycle 200 (hereinafter referred to as cooling load). Accordingly, the operation of the Rankine cycle 300 is controlled via the inverter 500d so that the balance between the energy for driving the compressor 210 and the energy recovered in the Rankine cycle 300 becomes positive.

車両制御ECU500bは、主にエンジン10の制御を行うものであり、水温センサ25からの冷却水温度、エンジン回転数、スロットルバルブ開度等から算出されるエンジン負荷(エンジントルク)等から、燃料(ガソリン)の燃焼効率が最適になるように、燃料噴射量(燃料供給量)を制御する。尚、車両制御ECU500bは、エンジン回転数、および図示しない変速機の変速比等から車両の速度、即ち車速を算出する。   The vehicle control ECU 500b mainly controls the engine 10, and determines the fuel (engine torque) calculated from the coolant temperature from the water temperature sensor 25, the engine speed, the throttle valve opening, etc. The fuel injection amount (fuel supply amount) is controlled so that the combustion efficiency of gasoline is optimized. The vehicle control ECU 500b calculates the speed of the vehicle, that is, the vehicle speed, from the engine speed, the transmission gear ratio (not shown), and the like.

エアコン制御ECU500cは、乗員のエアコン要求、設定室内温度、実際の室内温度、蒸発器250で冷却された空気温度、環境条件(外気温度、日射量等)等に応じて、冷凍サイクル200の基本作動を制御する。また、インバータ500dは、発電機321および電動機331を作動させ、また、その回転数を調整することで、ランキンサイクル300の作動を制御する。   The air conditioner control ECU 500c performs the basic operation of the refrigeration cycle 200 according to the passenger's air conditioner request, the set room temperature, the actual room temperature, the air temperature cooled by the evaporator 250, the environmental conditions (outside air temperature, solar radiation amount, etc.), etc. To control. The inverter 500d controls the operation of the Rankine cycle 300 by operating the generator 321 and the electric motor 331 and adjusting the number of rotations thereof.

次に、上記構成に基づく廃熱利用装置100の作動について説明する。本廃熱利用装置100においては、以下の冷凍サイクル単独運転、ランキンサイクル単独運転に加えて、冷凍サイクル・ランキンサイクル併用運転を可能とする。   Next, the operation of the waste heat utilization apparatus 100 based on the above configuration will be described. In the waste heat utilization apparatus 100, in addition to the following refrigeration cycle single operation and Rankine cycle single operation, a combined refrigeration cycle and Rankine cycle operation can be performed.

1.冷凍サイクル単独運転
制御装置500は、エンジン10始動直後の暖機中等で廃熱が充分に得られない場合、即ち、水温センサ25によって得られる冷却水温度が所定冷却水温度に満たない場合で、乗員からのエアコン要求があると判定した時は、発電機321、電動機331を停止(膨張機320、ポンプ330を停止)させて、冷凍サイクル200を単独運転させる。
1. The refrigeration cycle single operation control device 500 is a case where sufficient waste heat cannot be obtained during warming up immediately after the engine 10 is started, that is, when the cooling water temperature obtained by the water temperature sensor 25 is less than a predetermined cooling water temperature. When it is determined that there is an air conditioner request from the occupant, the generator 321 and the electric motor 331 are stopped (the expander 320 and the pump 330 are stopped), and the refrigeration cycle 200 is operated alone.

制御装置500(エアコン制御ECU500c)は、冷凍サイクル200の運転において、実際の室内温度、外気温度、日射量等の条件から、実際の室内温度が設定室内温度となるように必要吹出し温度を演算して、蒸発器250における冷却空気温度が所定温度(例えばヒステリシスを持たせた3℃〜4℃)となるように圧縮機210の作動を制御しつつ、エアミックスドア430の開度を制御する。   The control device 500 (air conditioner control ECU 500c) calculates the necessary blowout temperature so that the actual room temperature becomes the set room temperature from the conditions such as the actual room temperature, the outside air temperature, and the amount of solar radiation during the operation of the refrigeration cycle 200. Thus, the opening degree of the air mix door 430 is controlled while controlling the operation of the compressor 210 so that the cooling air temperature in the evaporator 250 becomes a predetermined temperature (for example, 3 ° C. to 4 ° C. with hysteresis).

圧縮機210の制御においては、図2に示すように、制御装置500は、温度センサ251によって得られる冷却空気温度が所定温度(上限側の4℃)を超えると電磁クラッチ212を接続することで圧縮機210をONさせ、また、冷却空気温度が所定温度(下限側の3℃)を下回ると電磁クラッチ212を切断して圧縮機210をOFFさせる(ON−OFF制御)。   In the control of the compressor 210, as shown in FIG. 2, when the cooling air temperature obtained by the temperature sensor 251 exceeds a predetermined temperature (4 ° C. on the upper limit side), the control device 500 connects the electromagnetic clutch 212. When the compressor 210 is turned on and the cooling air temperature falls below a predetermined temperature (3 ° C. on the lower limit side), the electromagnetic clutch 212 is disconnected and the compressor 210 is turned off (ON-OFF control).

2.ランキンサイクル単独運転
制御装置500は、エアコン要求が無く、水温センサ25によって得られる冷却水温度が所定冷却水温度以上となってエンジン10の廃熱が充分得られると判定した時は、電磁クラッチ212を切断(圧縮機210は停止)し、電動機331(ポンプ330)を作動(起動)させ、膨張弁停止弁322を開き、ランキンサイクル300を運転させる。そして、膨張機320の回転駆動力に伴う発電機321の発電作用により発電を行う。
2. When the Rankine cycle independent operation control device 500 determines that there is no air conditioner request and the cooling water temperature obtained by the water temperature sensor 25 is equal to or higher than the predetermined cooling water temperature and sufficient waste heat of the engine 10 is obtained, the electromagnetic clutch 212 is provided. (The compressor 210 is stopped), the electric motor 331 (pump 330) is operated (started), the expansion valve stop valve 322 is opened, and the Rankine cycle 300 is operated. Then, power is generated by the power generation action of the power generator 321 accompanying the rotational driving force of the expander 320.

更に詳述すると、ポンプ330によって過冷却器231からの液冷媒が昇圧されて加熱器310に送られ、加熱器310において液冷媒は高温の冷却水によって加熱される。加熱された過熱蒸気冷媒は、開状態となる膨張機停止弁322を通り、膨張機320に送られる。膨張機320において過熱蒸気冷媒は等エントロピー的に膨張減圧され、その熱エネルギーと圧力エネルギーの一部が回転駆動力に変換され、膨張機320で取り出された回転駆動力によって発電機321が作動される。そして、発電機321で得られた電力はインバータ500dによってバッテリ40に充電される。充電された電力は、車両電気負荷41の作動に使用される。よってオルタネータ11の負荷が軽減される。尚、膨張機320で減圧された冷媒は凝縮器220で凝縮され、気液分離器230で気液分離され、過冷却器231で過冷却されて、再びポンプ330へ吸引される。   More specifically, the liquid refrigerant from the supercooler 231 is boosted by the pump 330 and sent to the heater 310, and the liquid refrigerant is heated by the high-temperature cooling water in the heater 310. The heated superheated vapor refrigerant passes through the expander stop valve 322 that is in an open state, and is sent to the expander 320. In the expander 320, the superheated steam refrigerant is expanded and reduced in an isentropic manner, a part of the heat energy and pressure energy is converted into a rotational driving force, and the generator 321 is operated by the rotational driving force extracted by the expander 320. The The electric power obtained by the generator 321 is charged to the battery 40 by the inverter 500d. The charged electric power is used for the operation of the vehicle electric load 41. Therefore, the load on the alternator 11 is reduced. Note that the refrigerant decompressed by the expander 320 is condensed by the condenser 220, separated into gas and liquid by the gas / liquid separator 230, supercooled by the subcooler 231, and sucked into the pump 330 again.

3.冷凍サイクル・ランキンサイクル併用運転
制御装置500は、乗員からのエアコン要求があり、且つ廃熱が充分に得られると判定した時は、冷凍サイクル200とランキンサイクル300とを併用運転させ、空調と発電との両方を行う。ここでは冷凍サイクル200の負荷に応じて、ランキンサイクル300の連続運転、あるいは断続運転の切替えを行うようにしており、以下、図3に示す制御フローチャート、および図4、図5に示すタイムチャートを加えて説明する。
3. Refrigeration cycle / Rankine cycle combined operation When the control device 500 determines that there is an air conditioner request from a passenger and sufficient waste heat is obtained, the control device 500 operates the refrigeration cycle 200 and the Rankine cycle 300 together for air conditioning and power generation. And do both. Here, the continuous operation or intermittent operation of the Rankine cycle 300 is switched according to the load of the refrigeration cycle 200. Hereinafter, the control flowchart shown in FIG. 3 and the time charts shown in FIGS. In addition, it explains.

まず、制御装置500は、図3中のステップS100で、上記冷凍サイクル単独運転と同様に、電磁クラッチ212を断続することで圧縮機210をON−OFFさせて、冷凍サイクル200の作動を制御する中で、ステップS110にて、冷房負荷が所定負荷よりも高いか否かを判定する。   First, at step S100 in FIG. 3, the control device 500 controls the operation of the refrigeration cycle 200 by turning on and off the compressor 210 by connecting and disconnecting the electromagnetic clutch 212 in the same manner as the refrigeration cycle single operation. In step S110, it is determined whether or not the cooling load is higher than a predetermined load.

ここで、冷房負荷は、冷凍サイクル200の運転における各種制御条件、つまり設定室内温度、実際の室内温度、外気温度、日射量を用いて把握することができる。実際の室内温度、外気温度、日射量が高いほど、また、設定室内温度が低いほど、冷房負荷は高いものとなる。ここでは、上記各種制御条件のうち、外気温度センサ510によって得られる外気温度を冷房負荷とするようにしている。そして、「課題」の項の図20で説明したように、圧縮機210駆動用のエネルギー(圧縮機動力)増加分とランキンサイクル300による回収エネルギー(発電エネルギー)との収支がゼロとなるポイントを所定負荷(所定温度)として予め定めている。   Here, the cooling load can be grasped by using various control conditions in the operation of the refrigeration cycle 200, that is, the set indoor temperature, the actual indoor temperature, the outside air temperature, and the amount of solar radiation. The higher the actual room temperature, the outside air temperature, and the amount of solar radiation, and the lower the set room temperature, the higher the cooling load. Here, among the various control conditions, the outside air temperature obtained by the outside air temperature sensor 510 is set as the cooling load. Then, as described in FIG. 20 in the “Problem” section, the point at which the balance between the increase in energy for driving the compressor 210 (compressor power) and the energy recovered by the Rankine cycle 300 (power generation energy) becomes zero. It is predetermined as a predetermined load (predetermined temperature).

よって、ステップS110では外気温度と所定外気温度とを比較して、外気温度が所定外気温度以下であれば、冷房負荷が低い状態にあると判定して、ステップS120のランキンサイクル連続制御に進み、外気温度が所定外気温度より高ければ、冷凍サイクル200の負荷が高い状態にあると判定して、ステップS130のランキンサイクル断続制御に進む。   Therefore, in step S110, the outside air temperature is compared with the predetermined outside air temperature. If the outside air temperature is equal to or lower than the predetermined outside air temperature, it is determined that the cooling load is low, and the process proceeds to Rankine cycle continuous control in step S120. If the outside air temperature is higher than the predetermined outside air temperature, it is determined that the load of the refrigeration cycle 200 is high, and the routine proceeds to Rankine cycle intermittent control in step S130.

ステップS120のランキンサイクル連続制御では、図4に示すように、ON−OFF制御される圧縮機210の作動状態にかかわらず、ランキンサイクル300を連続的に運転する。つまり、電動機331(ポンプ330)を作動させ、膨張機停止弁322を開状態として、ランキンサイクル300内で冷媒を循環させ、発電機321で発電させる。   In the Rankine cycle continuous control in step S120, as shown in FIG. 4, the Rankine cycle 300 is continuously operated regardless of the operating state of the compressor 210 that is ON-OFF controlled. That is, the electric motor 331 (pump 330) is operated, the expander stop valve 322 is opened, the refrigerant is circulated in the Rankine cycle 300, and the generator 321 generates power.

一方、ステップS130のランキンサイクル断続制御では、図5に示すように、ステップS140でON−OFF制御される圧縮機210が今ON状態にあるか否かを判定し、ONであるとステップS150でランキンサイクル300を停止させ、OFFであるとステップS160でランキンサイクル300を作動させる。ランキンサイクル300の停止にあたっては、膨張機停止弁322を閉状態とし、電動機331(ポンプ330)を停止させる。また、ランキンサイクル300の作動にあたっては、ステップS120と同様に電動機331(ポンプ330)を作動させて、膨張機停止弁322を開状態とする。そして、ステップS150、ステップS160の後はステップS110に戻るようにしている。   On the other hand, in the Rankine cycle intermittent control in step S130, as shown in FIG. 5, it is determined whether or not the compressor 210 that is ON-OFF controlled in step S140 is now in the ON state. Rankine cycle 300 is stopped, and when it is OFF, Rankine cycle 300 is operated in step S160. In stopping Rankine cycle 300, expander stop valve 322 is closed, and electric motor 331 (pump 330) is stopped. Further, when the Rankine cycle 300 is operated, the electric motor 331 (pump 330) is operated as in step S120, and the expander stop valve 322 is opened. After step S150 and step S160, the process returns to step S110.

尚、上記ランキンサイクル300を停止させるために膨張機停止弁332を閉じることにより、圧力センサ341によって得られるランキン高圧側圧力が所定の許容圧力を超える場合は、ランキンサイクル300の保護のために、緊急的に膨張機停止弁322を開くようにする。   In order to protect the Rankine cycle 300, if the Rankine high pressure side pressure obtained by the pressure sensor 341 exceeds a predetermined allowable pressure by closing the expander stop valve 332 to stop the Rankine cycle 300, The expander stop valve 322 is urgently opened.

以上のように、本実施形態では、冷凍サイクル・ランキンサイクル併用運転時において、冷房負荷が所定負荷よりも低い場合では、ランキンサイクル300で回収される電気エネルギーが圧縮機210駆動用のエネルギーを上回るので、エネルギー収支をプラスとすることができ、圧縮機210の作動状態にかかわらずランキンサイクル連続制御を行うことで、エンジン10の廃熱を有効に活用することができる。   As described above, in this embodiment, when the cooling load is lower than the predetermined load during the combined operation of the refrigeration cycle and the Rankine cycle, the electrical energy recovered by the Rankine cycle 300 exceeds the energy for driving the compressor 210. Therefore, the energy balance can be made positive, and the waste heat of the engine 10 can be effectively utilized by performing Rankine cycle continuous control regardless of the operating state of the compressor 210.

また、冷房負荷が所定負荷よりも高い場合では、ランキンサイクル断続制御(圧縮機OFF時にランキンサイクルON)を行うようにしているので、膨張機320で回収される電気エネルギーが圧縮機210駆動用のエネルギーを下回ることがなくなり、上記同様にエネルギー収支を確実にプラスとすることができ、エンジン10の廃熱を有効に活用することができる。総じてエンジン10の燃費を向上させることができる。   Further, when the cooling load is higher than the predetermined load, Rankine cycle intermittent control is performed (the Rankine cycle is ON when the compressor is OFF), so that the electric energy recovered by the expander 320 is used for driving the compressor 210. As a result, the energy balance can be positively positive as described above, and the waste heat of the engine 10 can be used effectively. Overall, the fuel consumption of the engine 10 can be improved.

また、冷凍サイクル200の運転に際して、電磁クラッチ212を有する固定容量の圧縮機210を用いてON−OFF制御(断続運転)するようにしているので、冷房負荷が高い場合に、圧縮機210のOFFの時にランキンサイクル300をONとするランキンサイクル断続制御を容易に形成することができる。   Further, when the refrigeration cycle 200 is operated, the fixed capacity compressor 210 having the electromagnetic clutch 212 is used for ON-OFF control (intermittent operation), so that the compressor 210 is turned off when the cooling load is high. In this case, the Rankine cycle intermittent control in which the Rankine cycle 300 is turned on can be easily formed.

また、ランキンサイクル300内に、具体的には膨張機320の冷媒流入側に開閉手段としての膨張機停止弁322を設けて、ランキンサイクル断続制御の際に膨張機停止弁322を閉じるようにし、更にその後にポンプ330を停止するようにしているので、即座に、且つ確実にランキンサイクル300を停止させることができる。   Further, in the Rankine cycle 300, specifically, an expander stop valve 322 as an opening / closing means is provided on the refrigerant inflow side of the expander 320 so that the expander stop valve 322 is closed during Rankine cycle intermittent control, Further, since the pump 330 is stopped thereafter, the Rankine cycle 300 can be stopped immediately and reliably.

また、ランキンサイクル断続制御のために用いる冷房負荷を外気温度で把握するようにしているので、複雑な検出手段や検出方法を用いずに容易に対応が可能となる。   In addition, since the cooling load used for Rankine cycle intermittent control is grasped from the outside air temperature, it is possible to easily cope with it without using complicated detection means and detection methods.

(第2実施形態)
本発明の第2実施形態を図6〜図10に示す。第2実施形態は、上記第1実施形態に対して、圧縮機210Aを例えば斜板の傾斜角度を可変することで一回転当たりの吐出容量を調整可能とする容量可変圧縮機に変更し、また、冷凍サイクル・ランキンサイクル併用運転における制御方法を変更したものである。
(Second Embodiment)
A second embodiment of the present invention is shown in FIGS. The second embodiment is different from the first embodiment in that the compressor 210A is changed to a variable capacity compressor that can adjust the discharge capacity per rotation by changing the inclination angle of the swash plate, for example. The control method in the combined operation of the refrigeration cycle and Rankine cycle is changed.

図6に示すように、圧縮機210Aは、第1実施形態における圧縮機210に対して、電磁クラッチ212が廃止されており、本来吐出し得る吐出容量を100%吐出容量とした時に、吐出容量を0%から100%まで連続的に可変できるようになっている。よって、吐出容量0%においては、圧縮機210Aはベルト12を介してエンジン10の駆動力によって回転駆動されるが、実質的には圧縮仕事を伴わない(エンジン10の駆動力を食わない)OFF状態となる。圧縮機210Aは、図7に示すように、冷凍サイクル200の運転時において、冷却空気温度が所定温度(例えば4℃)となるように、制御装置500(エアコン制御ECU500c)によって吐出容量が連続的に制御されるようになっている。   As shown in FIG. 6, in the compressor 210A, the electromagnetic clutch 212 is abolished with respect to the compressor 210 in the first embodiment, and when the discharge capacity that can be discharged is assumed to be 100%, the discharge capacity Can be continuously varied from 0% to 100%. Therefore, when the discharge capacity is 0%, the compressor 210A is rotationally driven by the driving force of the engine 10 via the belt 12, but does not substantially involve compression work (does not consume the driving force of the engine 10). It becomes a state. As shown in FIG. 7, the compressor 210A has a continuous discharge capacity by the control device 500 (air conditioner control ECU 500c) so that the cooling air temperature becomes a predetermined temperature (for example, 4 ° C.) during the operation of the refrigeration cycle 200. To be controlled.

そして、制御装置500は、図8に示す制御フローチャートに基づいて、冷凍サイクル・ランキンサイクル併用運転を行う。尚、図8のフローチャートは、図3で説明したフローチャートに対して、ステップS100、S130、S140をそれぞれステップS100A、S130A、S140Aに変更すると共に、ステップS110とステップS140Aとの間にステップS135を追加したものとしている。   And the control apparatus 500 performs a refrigerating cycle and Rankine cycle combined operation based on the control flowchart shown in FIG. 8 is different from the flowchart described in FIG. 3 in that steps S100, S130, and S140 are changed to steps S100A, S130A, and S140A, respectively, and step S135 is added between steps S110 and S140A. It is assumed that

即ち、制御装置500は、図8中のステップS100Aで、圧縮機210Aの吐出容量を連続的に可変させて(連続容量可変)、冷凍サイクル200の作動を制御する中で、ステップS110にて、冷房負荷が所定負荷よりも高いか否かを判定する。ここでは、第1実施形態と同様に外気温度によってこの負荷を判定する。   That is, the control device 500 continuously varies the discharge capacity of the compressor 210A in step S100A in FIG. 8 (continuous capacity variable) and controls the operation of the refrigeration cycle 200. In step S110, It is determined whether or not the cooling load is higher than a predetermined load. Here, this load is determined by the outside air temperature as in the first embodiment.

ステップS110で外気温度が所定外気温度以下であれば、冷房負荷が低い状態にあると判定して、ステップS120のランキンサイクル連続制御に進み、外気温度が所定外気温度より高ければ、冷房負荷が高い状態にあると判定して、ステップS130Aのランキンサイクル断続制御に進む。   If the outside air temperature is equal to or lower than the predetermined outside air temperature in step S110, it is determined that the cooling load is in a low state, the process proceeds to the Rankine cycle continuous control in step S120, and if the outside air temperature is higher than the predetermined outside air temperature, the cooling load is high. It determines with it being in a state, and progresses to Rankine cycle intermittent control of step S130A.

ステップS120のランキンサイクル連続制御では、上記第1実施形態と同一であり、図9に示すように、連続容量可変される圧縮機210Aの作動状態(吐出容量)にかかわらず、ランキンサイクル300を連続的に運転する。つまり、電動機331(ポンプ330)を作動させ、膨張機停止弁322を開状態として、ランキンサイクル300内で冷媒を循環させ、発電機321で発電させる。   The Rankine cycle continuous control in step S120 is the same as that in the first embodiment. As shown in FIG. 9, the Rankine cycle 300 is continuously performed regardless of the operating state (discharge capacity) of the compressor 210A continuously variable. Drive. That is, the electric motor 331 (pump 330) is operated, the expander stop valve 322 is opened, the refrigerant is circulated in the Rankine cycle 300, and the generator 321 generates power.

一方、ステップS130Aのランキンサイクル断続制御では、図10に示すように、ステップS135で圧縮機210Aの吐出容量制御を上記の連続容量可変から、所定の吐出容量(本発明における第1の吐出容量に対応し、ここでは0%設定としている)と、それより大きい吐出容量(本発明における第2の吐出容量に対応し、ここでは100%設定としている)とを交互に行う制御(断続容量可変)に切替えて、冷却空気温度が所定温度(例えば4℃)となるようにする。尚、所定の吐出容量というのは、圧縮機210Aの駆動用エネルギーがランキンサイクル300で回収できるエネルギーを超えないように設定される容量であり、上記のように0%の容量とするのが好ましい。吐出容量0%と100%とによる断続容量可変においては、可変容量圧縮機を用いながらも、第1実施形態の固定容量圧縮機210と同一の作動(ON−OFF作動)をさせるものとなる。   On the other hand, in the Rankine cycle intermittent control in step S130A, as shown in FIG. 10, in step S135, the discharge capacity control of the compressor 210A is changed from the above-mentioned continuous capacity variable to the predetermined discharge capacity (the first discharge capacity in the present invention). Corresponding control is here set to 0%), and control to alternately perform larger discharge capacity (corresponding to the second discharge capacity in the present invention, which is set to 100% here) (intermittent capacity variable) And the cooling air temperature is set to a predetermined temperature (for example, 4 ° C.). The predetermined discharge capacity is a capacity that is set so that the driving energy of the compressor 210A does not exceed the energy that can be recovered by the Rankine cycle 300, and is preferably 0% as described above. . In the intermittent capacity variable with the discharge capacities of 0% and 100%, the same operation (ON-OFF operation) as that of the fixed capacity compressor 210 of the first embodiment is performed while using the variable capacity compressor.

そして、ステップS140Aで圧縮機210Aが今吐出容量100%状態にあるか否かを判定し、吐出容量100%であるとステップS150でランキンサイクル300を停止させ、吐出容量100%でない(吐出容量0%である)とステップS160でランキンサイクル300を作動させる。   In step S140A, it is determined whether or not the compressor 210A is currently in a discharge capacity 100% state. If the discharge capacity is 100%, the Rankine cycle 300 is stopped in step S150, and the discharge capacity is not 100% (discharge capacity 0). In step S160, the Rankine cycle 300 is activated.

これにより、圧縮機210Aを可変容量圧縮機とした場合で、ランキンサイクル断続制御(ステップS130A)を行う際に、吐出容量を所定の吐出容量(0%)と、それより大きい吐出容量(100%)との間で交互に切替えるようにすることで、第1実施形態と同様の作用を果たすことができるので、エネルギー収支を確実にプラスとすることができ、エンジン10の廃熱を有効に活用することができる。   Thus, when the compressor 210A is a variable capacity compressor, when performing Rankine cycle intermittent control (step S130A), the discharge capacity is set to a predetermined discharge capacity (0%) and a larger discharge capacity (100%). ), The same effect as in the first embodiment can be achieved, so that the energy balance can be positively positively and the waste heat of the engine 10 is effectively utilized. can do.

尚、ステップS135、ステップS140Aにおける圧縮機210Aの所定の吐出容量としては、0%に限定されるものではなく、圧縮機210Aの駆動用エネルギーがランキンサイクル300で回収できるエネルギーを超えないようにすれば良く、0%の近傍となる値としても良い。また、大きい側の吐出容量としては、冷房負荷が高い状態であっても冷却空気温度を所定温度に維持できる容量であれば、100%に限定されるものではなく、他の値としても良い。   Note that the predetermined discharge capacity of the compressor 210A in step S135 and step S140A is not limited to 0%, so that the driving energy of the compressor 210A does not exceed the energy that can be recovered by the Rankine cycle 300. It may be a value close to 0%. Further, the discharge capacity on the large side is not limited to 100% as long as the cooling air temperature can be maintained at a predetermined temperature even when the cooling load is high.

(第3実施形態)
第3実施形態は、上記第1実施形態に対して、冷房負荷を判定する際の判定方法を変更したものである。ここでは、冷房負荷をエンジン10の制御に用いる複数の情報と、冷凍サイクル200の制御に用いる複数の情報とを複合的に用いている。
(Third embodiment)
3rd Embodiment changes the determination method at the time of determining cooling load with respect to the said 1st Embodiment. Here, a plurality of pieces of information used for controlling the cooling load of the engine 10 and a plurality of pieces of information used for controlling the refrigeration cycle 200 are used in combination.

まず、エンジン10の制御情報として、車速を用いている。車速が増加するに従って、凝縮器220に流入する車速風が増大し、冷媒との熱交換が促進されることから、車速が大きいほど冷房負荷が小さくなることを意味する。   First, vehicle speed is used as control information for the engine 10. As the vehicle speed increases, the vehicle speed wind flowing into the condenser 220 increases and heat exchange with the refrigerant is promoted, which means that the cooling load decreases as the vehicle speed increases.

また、冷凍サイクル200の制御情報としては、外気温度に加えて、日射量、実際の室内温度、設定室内温度、冷凍高圧側圧力を用いている。外気温度、日射量、実際の室内温度、設定室内温度の冷房負荷に対する意味については上記第1実施形態で説明したとおりである。冷凍高圧側圧力については、冷凍高圧側圧力が高いほど凝縮器220における凝縮能力がオーバーワークとなり、冷房負荷は高いことを意味する。   Further, as control information for the refrigeration cycle 200, in addition to the outside air temperature, the amount of solar radiation, the actual room temperature, the set room temperature, and the refrigeration high pressure are used. The meaning of the outside air temperature, the amount of solar radiation, the actual room temperature, and the set room temperature with respect to the cooling load is as described in the first embodiment. As for the refrigeration high-pressure side pressure, the higher the refrigeration high-pressure side pressure, the more the condensation capacity in the condenser 220 becomes overwork, which means that the cooling load is higher.

図11は、制御装置500が実行する冷凍サイクル・ランキンサイクル併用運転における制御フローチャートを示すものであり、上記第1実施形態で説明した図3の制御フローチャートに対して、ステップS111〜ステップS115を追加したものとしている。   FIG. 11 shows a control flowchart in the combined operation of the refrigeration cycle and Rankine cycle executed by the controller 500. Steps S111 to S115 are added to the control flowchart of FIG. 3 described in the first embodiment. It is assumed that

制御装置500は、ステップS100の後に、ステップS110で外気温度により冷房負荷を判定し、更にこの場合の冷房負荷が低いと判定すると(YES判定)、以下ステップS111〜ステップS115で、日射量、車速、室内温度、設定室内温度、冷凍高圧側圧力(圧力センサ342によって得られる圧力値の平均値)から冷房負荷を判定し、いずれも冷房負荷が低いと判定すると(YES判定)、ステップS120でランキンサイクル連続制御を行い、逆に、いずれも負荷が低いと判定すると(NO判定)、ステップS130でランキンサイクル断続制御を行う。   If the control device 500 determines the cooling load based on the outside air temperature in step S110 after step S100 and further determines that the cooling load in this case is low (YES determination), the solar radiation amount and the vehicle speed are determined in steps S111 to S115. If the cooling load is determined from the room temperature, the set room temperature, and the refrigeration high pressure (average value of the pressure values obtained by the pressure sensor 342), and it is determined that all the cooling loads are low (YES determination), Rankin is performed in step S120. If cycle continuous control is performed and conversely it is determined that the load is low (NO determination), Rankine cycle intermittent control is performed in step S130.

これにより、ランキンサイクル断続制御を実行すべき条件をより細かく正確に把握できるので、エネルギー収支プラス化の精度を高めることができる。   As a result, the conditions under which Rankine cycle intermittent control should be executed can be grasped in more detail and accurately, so that the accuracy of energy balance plus can be increased.

尚、上記冷房負荷の判定においては、上記各制御情報の少なくとも1つを用いるものとしても良く、また、上記の他にエンジン回転数、冷却水温度、エンジン負荷等を用いても良い。   In the determination of the cooling load, at least one of the above control information may be used, and in addition to the above, the engine speed, the coolant temperature, the engine load, and the like may be used.

(第4実施形態)
本発明の第4実施形態を図12〜図14に示す。第4実施形態は、上記第1実施形態に対して、冷凍サイクル200の負荷が高くなる高負荷状態を膨張機320の膨張圧力比PH/PLにて把握して、ランキンサイクル断続制御を行なうようにしたものである。
(Fourth embodiment)
A fourth embodiment of the present invention is shown in FIGS. Compared to the first embodiment, the fourth embodiment grasps a high load state in which the load of the refrigeration cycle 200 is high by the expansion pressure ratio PH / PL of the expander 320 and performs Rankine cycle intermittent control. It is a thing.

本実施形態では、ランキンサイクル300において、膨張機320をバイパスするバイパス通路323と、このバイパス通路323を開閉するバイパス開閉弁(本発明におけるバイパス開閉手段に対応)324とを設けるようにしている。図12は模式的に示した図としているが、ここでは、バイパス通路323およびバイパス開閉弁324は、膨張機320の内部に形成されるようにしている。即ち、バイパス通路323は、膨張機320の内部において冷媒吸入側となる高圧室と冷媒吐出側となる低圧室とを直接的に繋ぐ連通路として形成されている。また、バイパス開閉弁324は、上記連通路として形成されたバイパス通路323の途中に配設されて、例えば電磁弁によって構成され、制御装置500(システム制御ECU500a)によって開閉制御されるようになっている。尚、バイパス通路323およびバイパス開閉弁324は、ランキンサイクル300の冷媒通路において文字どおり膨張機320自身をバイパスするように設けるようにしても良い。   In the present embodiment, in the Rankine cycle 300, a bypass passage 323 that bypasses the expander 320 and a bypass opening / closing valve (corresponding to the bypass opening / closing means in the present invention) 324 that opens and closes the bypass passage 323 are provided. FIG. 12 is a diagram schematically showing, but here, the bypass passage 323 and the bypass on-off valve 324 are formed inside the expander 320. That is, the bypass passage 323 is formed as a communication passage that directly connects the high pressure chamber on the refrigerant suction side and the low pressure chamber on the refrigerant discharge side in the expander 320. Further, the bypass opening / closing valve 324 is disposed in the middle of the bypass passage 323 formed as the communication passage, and is configured by, for example, an electromagnetic valve, and is controlled to be opened / closed by the control device 500 (system control ECU 500a). Yes. The bypass passage 323 and the bypass opening / closing valve 324 may be provided so as to literally bypass the expander 320 itself in the refrigerant passage of the Rankine cycle 300.

上記第1実施形態にて気液分離器230の冷媒流れ下流側に設けた過冷却器231は、ここでは廃止している。   The supercooler 231 provided on the downstream side of the refrigerant flow of the gas-liquid separator 230 in the first embodiment is omitted here.

膨張機320には、発電機321に代えて、発電機および電動機としての両機能を有する電動発電機321Aを接続している。電動発電機321Aはインバータ500dによって電動機としてあるいは発電機として制御されるようになっている。   Instead of the generator 321, a motor generator 321 </ b> A having both functions as a generator and a motor is connected to the expander 320. The motor generator 321A is controlled as an electric motor or a generator by an inverter 500d.

ポンプ330駆動用の電動機331は廃止されており、ポンプ330は、電動発電機321Aと共に膨張機320に一体的に接続されている。電動発電機321Aが電動機として作動されることで、ポンプ330は起動されるようになっている。そして、膨張機320の作動に伴って発生する回転駆動力がポンプ330の駆動に必要とされる駆動力を超えると、ポンプ330は膨張機320によって駆動される。また、電動発電機321Aも膨張機320によって駆動されて、電動発電機321Aは発電機として機能し、発電を行なう。   The electric motor 331 for driving the pump 330 is abolished, and the pump 330 is integrally connected to the expander 320 together with the motor generator 321A. The pump 330 is started by operating the motor generator 321A as an electric motor. When the rotational driving force generated by the operation of the expander 320 exceeds the driving force required for driving the pump 330, the pump 330 is driven by the expander 320. In addition, the motor generator 321A is also driven by the expander 320, and the motor generator 321A functions as a generator to generate power.

また、ランキンサイクル300内において、冷媒圧力センサ341を加熱機310と膨張機320との間に設け、また、冷媒圧力センサ342を気液分離器230とポンプ330との間に設けるようにしている。冷媒圧力センサ341は上記第1実施形態と同様に、ランキンサイクル300(膨張機320)の高圧側となる冷媒圧力PH(ランキン高圧側圧力)を検出し、また、冷媒圧力センサ342はランキンサイクル300(膨張機320)の低圧側となる冷媒圧力PL(ランキン低圧側圧力)を検出する。冷媒圧力センサ341、342によって検出される圧力信号は、制御装置500(システム制御ECU500a)に出力される。   In the Rankine cycle 300, the refrigerant pressure sensor 341 is provided between the heater 310 and the expander 320, and the refrigerant pressure sensor 342 is provided between the gas-liquid separator 230 and the pump 330. . Similarly to the first embodiment, the refrigerant pressure sensor 341 detects the refrigerant pressure PH (Rankine high pressure side pressure) on the high pressure side of the Rankine cycle 300 (expander 320), and the refrigerant pressure sensor 342 includes the Rankine cycle 300. The refrigerant pressure PL (Rankine low pressure side pressure) on the low pressure side of the (expander 320) is detected. Pressure signals detected by the refrigerant pressure sensors 341 and 342 are output to the control device 500 (system control ECU 500a).

そして、制御装置500は、冷媒圧力PLに対する冷媒圧力PHの比率を膨張圧力比PH/PLとして算出して、この膨張圧力比PH/PLの値を冷凍サイクル200の高負荷状態を判定するために使用するようにしている。   Then, control device 500 calculates the ratio of refrigerant pressure PH to refrigerant pressure PL as expansion pressure ratio PH / PL, and determines the value of expansion pressure ratio PH / PL to determine the high load state of refrigeration cycle 200. I am trying to use it.

ここで、図13に示すように、膨張機320の冷媒吸入時の作動室の容積をVin、冷媒吐出時の作動室の容積をVoutとすると(Vin<Vout)、膨張圧力比PH/PLを所定値とした時に、膨張機320においては適正膨張作動が得られる(図13(b))。本実施形態では、使用する膨張機320の仕様から上記所定値を2と設定している。   Here, as shown in FIG. 13, when the volume of the working chamber at the time of refrigerant suction of the expander 320 is Vin and the volume of the working chamber at the time of refrigerant discharge is Vout (Vin <Vout), the expansion pressure ratio PH / PL is When the predetermined value is set, an appropriate expansion operation is obtained in the expander 320 (FIG. 13B). In the present embodiment, the predetermined value is set to 2 from the specifications of the expander 320 to be used.

このような適正膨張作動に対して、冷凍サイクル200の負荷が高まり、凝縮器220での圧力、つまりランキン低圧側圧力PLが上昇すると、作動時の膨張圧力比PH/PLが所定値(2)よりも小さくなり、膨張機320においては過膨張作動となる。過膨張作動となると真空ポンプ作用により膨張機320の本来の膨張仕事が減少してしまう(図13(a))。また、ランキン低圧側圧力PLが低下すると、作動時の膨張圧力比PH/PLが所定値(2)よりも大きくなり、膨張機320においては不足膨張作動となる。不足膨張となると本来膨張によって得られるべき仕事を無駄に捨ててしまうことになる(図13(c))。   When the load on the refrigeration cycle 200 increases and the pressure in the condenser 220, that is, the Rankine low pressure PL increases, with respect to such an appropriate expansion operation, the expansion pressure ratio PH / PL during operation is a predetermined value (2). Therefore, the expander 320 is overexpanded. When the overexpansion operation is performed, the original expansion work of the expander 320 is reduced by the vacuum pump action (FIG. 13A). Moreover, when Rankine low-pressure side pressure PL falls, expansion pressure ratio PH / PL at the time of operation will become larger than predetermined value (2), and expansion machine 320 will be underexpanded operation. If the expansion is insufficient, the work that should originally be obtained by the expansion will be discarded wastefully (FIG. 13C).

本実施形態では、冷凍サイクル・ランキンサイクル併用運転時において、冷凍サイクル200の負荷に応じて膨張圧力比PH/PLが所定値より小さくなった場合にロスを伴う過膨張作動を防止しつつ、エネルギー収支がプラスとなるような制御を行なうようにしている。   In the present embodiment, during combined operation of the refrigeration cycle and Rankine cycle, energy is prevented while preventing overexpansion operation with loss when the expansion pressure ratio PH / PL becomes smaller than a predetermined value according to the load of the refrigeration cycle 200. Control is performed so that the balance is positive.

以下、図14に示すフローチャートを用いて制御装置500が実行する制御内容を説明する。図14のフローチャートは、上記第1実施形態の図3で説明したフローチャートに対して、ステップS110、S120、S130、S150、S160をそれぞれステップS110A、S120A、S130B、S150A、S160Aに変更したものである。   Hereinafter, the control contents executed by the control device 500 will be described using the flowchart shown in FIG. The flowchart in FIG. 14 is obtained by changing steps S110, S120, S130, S150, and S160 to steps S110A, S120A, S130B, S150A, and S160A with respect to the flowchart described in FIG. 3 of the first embodiment. .

まず、制御装置500は、図14中のステップS100で、電磁クラッチ212を断続することで圧縮機210をON−OFFさせて、冷凍サイクル200の作動を制御する中で、ステップS110Aにて、膨張圧力比PH/PLが所定値よりも高いか否かを判定する。   First, in step S <b> 110 </ b> A in FIG. 14, the control device 500 turns on and off the compressor 210 by connecting and disconnecting the electromagnetic clutch 212 to control the operation of the refrigeration cycle 200. It is determined whether the pressure ratio PH / PL is higher than a predetermined value.

ここで、膨張圧力比PH/PLが所定値よりも高ければ冷凍サイクル200の負荷は低い状態にあると判定して、ステップS120Aのランキンサイクル連続制御に進み、膨張圧力比PH/PLが所定値より低ければ冷凍サイクル200の負荷が高い状態にあると判定して、ステップS130Bのランキンサイクル断続制御に進む。   Here, if the expansion pressure ratio PH / PL is higher than a predetermined value, it is determined that the load of the refrigeration cycle 200 is in a low state, the process proceeds to Rankine cycle continuous control in step S120A, and the expansion pressure ratio PH / PL is a predetermined value. If it is lower, it is determined that the load of the refrigeration cycle 200 is high, and the routine proceeds to Rankine cycle intermittent control in step S130B.

ステップS120Aのランキンサイクル連続制御では、ON−OFF制御される圧縮機210の作動状態にかかわらず、ランキンサイクル300を連続的に運転する。つまり、ポンプ330を作動させ、バイパス開閉弁324を閉状態として、ランキンサイクル300内で冷媒を循環させ、電動発電機321Aで発電させる。   In the Rankine cycle continuous control in step S120A, the Rankine cycle 300 is continuously operated regardless of the operating state of the compressor 210 that is ON-OFF controlled. That is, the pump 330 is operated, the bypass opening / closing valve 324 is closed, the refrigerant is circulated in the Rankine cycle 300, and the motor generator 321A generates power.

一方、ステップS130Bのランキンサイクル断続制御では、ステップS140でON−OFF制御される圧縮機210が今ON状態にあるか否かを判定し、ONであるとステップS150Aでランキンサイクル300を停止させ、OFFであるとステップS160Aでランキンサイクル300を作動させる。ランキンサイクル300の停止にあたっては、バイパス開閉弁324を開状態とし、その後に電動発電機321Aおよびポンプ330を停止させる。また、ランキンサイクル300の作動にあたっては、ステップS120Aと同様に電動発電機321Aおよびポンプ330を作動させて、バイパス開閉弁324を閉状態とする。そして、ステップS150A、ステップS160Aの後はステップS110に戻るようにしている。   On the other hand, in the Rankine cycle intermittent control in Step S130B, it is determined whether or not the compressor 210 that is ON-OFF controlled in Step S140 is now in the ON state. If it is ON, the Rankine cycle 300 is stopped in Step S150A, If it is OFF, Rankine cycle 300 is operated in step S160A. When the Rankine cycle 300 is stopped, the bypass opening / closing valve 324 is opened, and then the motor generator 321A and the pump 330 are stopped. Further, when the Rankine cycle 300 is operated, the motor generator 321A and the pump 330 are operated as in step S120A, and the bypass on-off valve 324 is closed. After step S150A and step S160A, the process returns to step S110.

これにより、上記第1実施形態と同様に、冷凍サイクル・ランキンサイクル併用運転時において、冷房負荷が低く膨張圧力比PH/PLが所定値よりも大きくなる場合では、圧縮機210の作動状態にかかわらずランキンサイクル連続制御を行うことで、エンジン10の廃熱を有効に活用することができる。また、冷房負荷が高く膨張圧力比PH/PLが所定値よりも小さくなる場合では、ランキンサイクル断続制御(圧縮機OFF時にランキンサイクルON)を行うことで、膨張機320で回収される電気エネルギーが圧縮機210駆動用のエネルギーを下回ることがなくなり、エネルギー収支を確実にプラスとすることができ、エンジン10の廃熱を有効に活用することができる。総じてエンジン10の燃費を向上させることができる。そして、ランキンサイクル連続制御、断続制御共に、過膨張作動のない状態で膨張機320を作動させることができるので効率的な電気エネルギーの回収が可能となる。   Thus, as in the first embodiment, when the cooling load is low and the expansion pressure ratio PH / PL is larger than a predetermined value during the combined operation of the refrigeration cycle and Rankine cycle, the operation state of the compressor 210 is affected. By performing the Rankine cycle continuous control, the waste heat of the engine 10 can be effectively utilized. In addition, when the cooling load is high and the expansion pressure ratio PH / PL is smaller than a predetermined value, the Rankine cycle intermittent control (Rankine cycle ON when the compressor is OFF) performs the electrical energy recovered by the expander 320. The energy for driving the compressor 210 is not lowered, the energy balance can be positively surely, and the waste heat of the engine 10 can be effectively utilized. Overall, the fuel consumption of the engine 10 can be improved. In addition, since both the Rankine cycle continuous control and the intermittent control can operate the expander 320 in a state where there is no overexpansion operation, it is possible to efficiently recover electrical energy.

また、ランキンサイクル断続制御において、バイパス通路323に設けたバイパス開閉弁324を開くことで膨張機320の高圧側と低圧側とを均圧させて、膨張機320を容易に停止させることができるので、ランキンサイクル300を安全且つ確実に停止させることができる。   In Rankine cycle intermittent control, the expander 320 can be easily stopped by equalizing the high pressure side and the low pressure side of the expander 320 by opening the bypass on-off valve 324 provided in the bypass passage 323. The Rankine cycle 300 can be stopped safely and reliably.

また、膨張機320においては、バイパス開閉弁324を開く前に電動発電機321Aを停止させると、負荷の軽くなった膨張機320は冷媒の膨張によって一気に高回転側で作動してしまい、停止させられなくなるが、ここではバイパス開閉弁324を開いてランキンサイクル300の高圧側と低圧側とを均圧した後に、電動発電機321Aを停止させるようにしているので、上記の高回転作動を防止して、安全且つ確実に膨張機320を停止させることができる。   Further, in the expander 320, if the motor generator 321A is stopped before the bypass opening / closing valve 324 is opened, the expander 320, which has become lighter in load, operates at a high speed due to the expansion of the refrigerant, and is stopped. However, since the motor generator 321A is stopped after opening the bypass opening / closing valve 324 and equalizing the high pressure side and the low pressure side of the Rankine cycle 300, the high rotation operation is prevented. Thus, the expander 320 can be stopped safely and reliably.

上記第4実施形態においては、冷媒圧力センサ341、342の設定位置は、上記第1実施形態で説明した位置としても良い。即ち、高圧側圧力としては、ポンプ330−加熱器310−膨張機320の間における冷媒圧力が検出され、また低圧側圧力としては、膨張機320−凝縮器220−気液分離器230−ポンプ330の間、あるいは膨張機320−凝縮器220−気液分離器230−膨張弁240の間における冷媒圧力が検出されるようにすれば良い。   In the fourth embodiment, the setting positions of the refrigerant pressure sensors 341 and 342 may be the positions described in the first embodiment. That is, the refrigerant pressure between the pump 330, the heater 310, and the expander 320 is detected as the high-pressure side pressure, and the expander 320-condenser 220-gas-liquid separator 230-pump 330 as the low-pressure side pressure. Or the refrigerant pressure between the expander 320, the condenser 220, the gas-liquid separator 230, and the expansion valve 240 may be detected.

また、膨張圧力比PH/PLを把握する際の低圧側の冷媒圧力PLは、凝縮器220における凝縮能力に相関する物理量を用いて推定するようにしても良い。例えば、膨張機320の回転数(電動発電機321A0の回転数)と、固定容量型圧縮機210の回転数(エンジン回転数×プーリ比)とから凝縮器220に供給される冷媒流量が推定でき、それに応じた凝縮能力から低圧側の冷媒圧力PLを推定できる。あるいは、圧縮機210が可変容量型であれば、圧縮機210の回転数×1回転あたりの吐出容量として凝縮器220に供給される冷媒流量が推定できる。また、冷媒圧力PLは、膨張機320の回転数(電動発電機321A0の回転数)と、冷房負荷(例えば外気温度、蒸発器250における冷却空気温度)とから推定することもできる。   Moreover, the refrigerant pressure PL on the low pressure side when grasping the expansion pressure ratio PH / PL may be estimated using a physical quantity that correlates with the condensation capacity in the condenser 220. For example, the flow rate of refrigerant supplied to the condenser 220 can be estimated from the rotation speed of the expander 320 (rotation speed of the motor generator 321A0) and the rotation speed of the fixed displacement compressor 210 (engine rotation speed × pulley ratio). The low-pressure side refrigerant pressure PL can be estimated from the condensing capacity corresponding thereto. Alternatively, if the compressor 210 is a variable capacity type, the refrigerant flow rate supplied to the condenser 220 as the discharge capacity per number of revolutions of the compressor 210 x one rotation can be estimated. The refrigerant pressure PL can also be estimated from the rotation speed of the expander 320 (rotation speed of the motor generator 321A0) and the cooling load (for example, the outside air temperature, the cooling air temperature in the evaporator 250).

更には、膨張圧力比P1/P2は、加熱器210における加熱量と、凝縮器220における放熱量との比として算出するようにしても良い。加熱器210における加熱量は、加熱器210を流通するエンジン冷却水の温度および流量から算出でき、また、凝縮器220における放熱量は、凝縮器220を流通する冷媒流量、外気温度、外気の速度(車速)から算出できる。   Furthermore, the expansion pressure ratio P1 / P2 may be calculated as a ratio between the heating amount in the heater 210 and the heat radiation amount in the condenser 220. The heating amount in the heater 210 can be calculated from the temperature and flow rate of the engine cooling water flowing through the heater 210, and the heat release amount in the condenser 220 is the refrigerant flow rate, the outside air temperature, and the outside air speed flowing through the condenser 220. It can be calculated from (vehicle speed).

(その他の実施形態)
上記第1〜第3実施形態では、ランキンサイクル300を停止させる際に用いた膨張機停止弁322を膨張機320の冷媒流入側に設けたが、これに限らず、ポンプ330の冷媒流入側等、他の部位に設けるようにしても良い。
(Other embodiments)
In the first to third embodiments, the expander stop valve 322 used when stopping the Rankine cycle 300 is provided on the refrigerant inflow side of the expander 320. However, the present invention is not limited to this, and the refrigerant inflow side of the pump 330 or the like. Alternatively, it may be provided in another part.

また、膨張機320で回収した駆動力で発電機321を作動させて、電気エネルギーとしてバッテリ40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。   Further, the generator 321 is operated by the driving force recovered by the expander 320 and stored in the battery 40 as electric energy. However, it is stored as mechanical energy such as kinetic energy by a flywheel or elastic energy by a spring. Also good.

また、発熱機器として、車両用のエンジン(内燃機関)10としたが、これに限らず、例えば、外燃機関、燃料電池車両の燃料電池スタック、各種モータ、インバータ等のように作動時に発熱を伴い、温度制御のためにその熱の一部を捨てるもの(廃熱が発生するもの)であれば、広く適用することができる。その場合、加熱器310に対する加熱源は、各種廃熱機器の冷却用の流体となる。   Further, although the vehicle engine (internal combustion engine) 10 is used as the heat generating device, the heat generating device is not limited to this. For example, an external combustion engine, a fuel cell stack of a fuel cell vehicle, various motors, an inverter, and the like generate heat during operation. Along with this, any part of the heat for temperature control (those that generate waste heat) can be widely applied. In that case, the heating source for the heater 310 is a fluid for cooling various waste heat equipment.

第1実施形態における廃熱利用装置全体を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the whole waste heat utilization apparatus in 1st Embodiment. 第1実施形態における冷凍サイクル制御時の電磁クラッチと冷却空気温度との関係を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows the relationship between the electromagnetic clutch at the time of the refrigerating cycle control in 1st Embodiment, and cooling air temperature. 第1実施形態における冷凍サイクル・ランキンサイクル併用運転を実行するための制御フローチャートである。It is a control flowchart for performing the refrigerating cycle and Rankine cycle combined operation in 1st Embodiment. 第1実施形態におけるランキンサイクル連続制御時の電磁クラッチとランキンサイクルの作動状態との関係を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows the relationship between the electromagnetic clutch at the time of Rankine cycle continuous control in 1st Embodiment, and the operating state of a Rankine cycle. 第1実施形態におけるランキンサイクル断続制御時の電磁クラッチとランキンサイクルの作動状態との関係を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows the relationship between the electromagnetic clutch at the time of Rankine cycle intermittent control in 1st Embodiment, and the operating state of a Rankine cycle. 第2実施形態における廃熱利用装置全体を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the whole waste heat utilization apparatus in 2nd Embodiment. 第2実施形態における冷凍サイクル制御時の圧縮機吐出容量と冷却空気温度との関係を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows the relationship between the compressor discharge capacity | capacitance at the time of the refrigerating cycle control in 2nd Embodiment, and cooling air temperature. 第2実施形態における冷凍サイクル・ランキンサイクル併用運転を実行するための制御フローチャートである。It is a control flowchart for performing the refrigerating cycle and Rankine cycle combined operation in 2nd Embodiment. 第2実施形態におけるランキンサイクル連続制御時の圧縮機吐出容量とランキンサイクルの作動状態との関係を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows the relationship between the compressor discharge capacity | capacitance at the time of Rankine cycle continuous control in 2nd Embodiment, and the operating state of a Rankine cycle. 第2実施形態におけるランキンサイクル断続制御時の圧縮機吐出容量とランキンサイクルの作動状態と冷却空気温度との関係を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows the relationship between the compressor discharge capacity | capacitance at the time of Rankine cycle intermittent control in 2nd Embodiment, the operating state of Rankine cycle, and cooling air temperature. 第3実施形態における冷凍サイクル・ランキンサイクル併用運転を実行するための制御フローチャートである。It is a control flowchart for performing the refrigerating cycle and Rankine cycle combined operation in 3rd Embodiment. 第4実施形態における廃熱利用装置全体を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the whole waste heat utilization apparatus in 4th Embodiment. 膨張機の作動状態を示す圧力−容積線図である。It is a pressure-volume diagram which shows the operating state of an expander. 第4実施形態における冷凍サイクル・ランキンサイクル併用運転を実行するための制御フローチャートである。It is a control flowchart for performing the refrigerating cycle and Rankine cycle combined operation in 4th Embodiment. 冷房負荷と圧縮機動力との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between a cooling load and compressor power. 冷凍サイクルの作動状態を示すモリエル線図(P−h線図)である。It is a Mollier diagram (Ph diagram) showing an operating state of the refrigeration cycle. 冷凍サイクルとランキンサイクルとを同時に運転させた場合の冷房負荷と圧縮機動力との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the cooling load at the time of making a refrigerating cycle and a Rankine cycle drive simultaneously, and compressor power. 冷凍サイクルとランキンサイクルとを同時に運転させた場合の両サイクルの作動状態を示すモリエル線図(P−h線図)である。It is a Mollier diagram (Ph diagram) which shows the operating state of both cycles at the time of operating a refrigerating cycle and a Rankine cycle simultaneously. 外気温度に対する凝縮器の放熱特性を示すグラフである。It is a graph which shows the heat dissipation characteristic of the condenser with respect to outside temperature. 冷房負荷に対する圧縮機動力用エネルギー増加とランキンサイクルによる回収エネルギーとを示すグラフである。It is a graph which shows the energy increase for compressor power with respect to cooling load, and the recovery energy by Rankine cycle.

符号の説明Explanation of symbols

10 エンジン(発熱機器、内燃機関、駆動源)
100 廃熱利用装置
200 冷凍サイクル
210 圧縮機
212 電磁クラッチ(クラッチ)
220 凝縮器
250 蒸発器
300 ランキンサイクル
320 膨張機
321A 電動発電機(発電機)
322 膨張機停止弁(開閉手段)
323 バイパス通路
324 バイパス開閉弁(バイパス開閉手段)
330 ポンプ
500 制御装置(制御手段)
10 Engine (heat generating equipment, internal combustion engine, drive source)
100 Waste heat utilization device 200 Refrigeration cycle 210 Compressor 212 Electromagnetic clutch (clutch)
220 condenser 250 evaporator 300 Rankine cycle 320 expander 321A motor generator (generator)
322 Expander stop valve (opening / closing means)
323 Bypass passage 324 Bypass opening / closing valve (Bypass opening / closing means)
330 Pump 500 Control device (control means)

Claims (32)

空調空気を冷却する蒸発器(250)側から吸入した低圧の冷媒を高温高圧に圧縮して凝縮器(220)側に吐出する圧縮機(210)を有する冷凍サイクル(200)と、
前記凝縮器(220)を共用すると共に、ポンプ(330)により圧送されて発熱機器(10)の廃熱により加熱された冷媒の膨張によって膨張機(320)で機械的エネルギーを回収するランキンサイクル(300)と、
前記冷凍サイクル(200)および前記ランキンサイクル(300)の作動を制御する制御手段(500)とを有する廃熱利用装置において、
前記制御手段(500)は、前記冷凍サイクル(200)の負荷が所定負荷よりも低い場合に、前記圧縮機(210)の作動状態にかかわらず前記ランキンサイクル(300)を連続的に運転する連続制御を実行すると共に、
前記冷凍サイクル(200)の負荷が所定負荷よりも高くなる高負荷状態の場合に、前記ランキンサイクル(300)を断続的に運転する断続制御を実行することを特徴とする廃熱利用装置。
A refrigeration cycle (200) having a compressor (210) that compresses the low-pressure refrigerant sucked from the evaporator (250) side that cools the conditioned air into high-temperature and high-pressure and discharges it to the condenser (220) side;
Rankine cycle (in which the condenser (220) is shared, and mechanical energy is recovered by the expander (320) by expansion of the refrigerant pumped by the pump (330) and heated by the waste heat of the heat generating device (10) 300),
In the waste heat utilization apparatus having control means (500) for controlling the operation of the refrigeration cycle (200) and the Rankine cycle (300),
The control means (500) continuously operates the Rankine cycle (300) regardless of the operating state of the compressor (210) when the load of the refrigeration cycle (200) is lower than a predetermined load. While performing the control,
A waste heat utilization apparatus that performs intermittent control for intermittently operating the Rankine cycle (300) when the load of the refrigeration cycle (200) is in a high load state where the load is higher than a predetermined load.
前記高負荷状態は、前記圧縮機(210)と前記膨張機(320)との同時運転による前記圧縮機(210)の駆動用エネルギーの増加分が、前記膨張機(320)で回収される機械的エネルギーを上回る状態であることを特徴とする請求項1に記載の廃熱利用装置。   In the high load state, a machine in which an increase in driving energy of the compressor (210) due to simultaneous operation of the compressor (210) and the expander (320) is recovered by the expander (320). The waste heat utilization apparatus according to claim 1, wherein the waste heat utilization apparatus is in a state in which the thermal energy is exceeded. 前記制御手段(500)は、前記断続制御の実行に際して、前記圧縮機(210)を断続運転すると共に、この断続運転に対して逆作動となるように前記ランキンサイクル(300)を断続的に運転することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の廃熱利用装置。   The control means (500) intermittently operates the compressor (210) when performing the intermittent control, and intermittently operates the Rankine cycle (300) so as to be reverse to the intermittent operation. The waste heat utilization apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that: 前記圧縮機(210)は、駆動源(10)によって駆動されると共に、一回転当たりの吐出容量が所定量となる固定容量圧縮機(210)であり、
前記制御手段(500)は、前記圧縮機(210)の断続運転を、前記駆動源(10)とのクラッチ(212)の断続、あるいは前記駆動源(10)のON−OFFによって行うことを特徴とする請求項3に記載の廃熱利用装置。
The compressor (210) is a fixed capacity compressor (210) that is driven by a drive source (10) and has a predetermined discharge capacity per rotation.
The control means (500) performs the intermittent operation of the compressor (210) by intermittently engaging a clutch (212) with the drive source (10) or turning on and off the drive source (10). The waste heat utilization apparatus according to claim 3.
前記圧縮機(210)は、一回転当たりの吐出容量を調整可能とする可変容量圧縮機(210)であり、
前記制御手段(500)は、前記圧縮機(210)の断続運転を、第1の吐出容量と前記第1の吐出容量よりも多い第2の吐出容量との切替えによって行うことを特徴とする請求項3に記載の廃熱利用装置。
The compressor (210) is a variable capacity compressor (210) capable of adjusting a discharge capacity per one rotation,
The control means (500) performs intermittent operation of the compressor (210) by switching between a first discharge capacity and a second discharge capacity larger than the first discharge capacity. Item 4. A waste heat utilization apparatus according to Item 3.
前記ランキンサイクル(300)内を循環する前記冷媒の冷媒流路を開閉する開閉手段(322)を有し、
前記制御手段(500)は、前記断続制御の実行に際して、前記ランキンサイクル(300)を停止させる時に、前記開閉手段(322)を閉じることを特徴とする請求項3〜請求項5のいずれか1つに記載の廃熱利用装置。
Opening and closing means (322) for opening and closing the refrigerant flow path of the refrigerant circulating in the Rankine cycle (300),
The said control means (500) closes the said opening-and-closing means (322), when stopping the said Rankine cycle (300) in execution of the said intermittent control, The any one of Claims 3-5 Waste heat utilization equipment described in 1.
前記制御手段(500)は、前記開閉手段(322)を閉じた後に、前記ポンプ(330)を停止させることを特徴とする請求項6に記載の廃熱利用装置。   The waste heat utilization apparatus according to claim 6, wherein the control means (500) stops the pump (330) after the opening / closing means (322) is closed. 前記開閉手段(322)は、前記膨張機(320)の冷媒流入側に設けられたことを特徴とする請求項6または請求項7に記載の廃熱利用装置。   The waste heat utilization apparatus according to claim 6 or 7, wherein the opening / closing means (322) is provided on a refrigerant inflow side of the expander (320). 前記膨張機(320)をバイパスするバイパス通路(323)と、
前記バイパス通路(323)を開閉するバイパス開閉手段(324)とを有し、
前記制御手段(500)は、前記断続制御の実行に際して、前記ランキンサイクル(300)を停止させる時に、前記バイパス開閉手段(324)を開くことを特徴とする請求項3〜請求項5のいずれか1つに記載の廃熱利用装置。
A bypass passage (323) for bypassing the expander (320);
Bypass opening and closing means (324) for opening and closing the bypass passage (323),
The said control means (500) opens the said bypass opening / closing means (324), when stopping the said Rankine cycle (300) in the case of execution of the said intermittent control. Waste heat utilization apparatus as described in one.
前記膨張機(320)に接続されると共に、前記機械的エネルギーによって駆動されて発電する発電機(321A)を有し、
前記制御手段(500)は、前記バイパス開閉手段(324)を開いた後に、前記発電機(321A)を停止させることを特徴とする請求項9に記載の廃熱利用装置。
A generator (321A) connected to the expander (320) and driven by the mechanical energy to generate electricity;
The waste heat utilization apparatus according to claim 9, wherein the control means (500) stops the generator (321A) after opening the bypass opening / closing means (324).
前記制御手段(500)は、前記冷凍サイクル(200)の負荷を、外気温度によって把握することを特徴とする請求項1〜請求項10のいずれか1つに記載の廃熱利用装置。   The waste heat utilization apparatus according to any one of claims 1 to 10, wherein the control means (500) grasps a load of the refrigeration cycle (200) based on an outside air temperature. 前記制御手段(500)は、前記冷凍サイクル(200)の負荷を、前記発熱機器(10)制御用の情報と、前記冷凍サイクル(200)制御用の情報とから複合的に把握することを特徴とする請求項1〜請求項10のいずれか1つに記載の廃熱利用装置。   The said control means (500) grasps | ascertains the load of the said refrigerating cycle (200) from the information for the said heat generating apparatus (10) control, and the information for the said refrigerating cycle (200) control. The waste heat utilization apparatus according to any one of claims 1 to 10. 前記発熱機器(10)は、車両用の内燃機関(10)であり、
前記発熱機器(10)制御用の情報は、前記車両の速度、前記内燃機関(10)の回転数、外気温度、前記内燃機関(10)の冷却用媒体温度のうちの少なくとも1つとしたことを特徴とする請求項12に記載の廃熱利用装置。
The heat generating device (10) is an internal combustion engine (10) for a vehicle,
The information for controlling the heat generating device (10) is at least one of the speed of the vehicle, the rotational speed of the internal combustion engine (10), the outside air temperature, and the cooling medium temperature of the internal combustion engine (10). The waste heat utilization apparatus according to claim 12, wherein the apparatus is a waste heat utilization apparatus.
前記冷凍サイクル(200)制御用の情報は、室内温度、目標室内温度、前記蒸発器(250)で冷却された空調空気温度、前記冷凍サイクル(200)内の冷媒圧力のうちの少なくとも1つとしたことを特徴とする請求項12に記載の廃熱利用装置。   The information for controlling the refrigeration cycle (200) is at least one of an indoor temperature, a target indoor temperature, an air-conditioning air temperature cooled by the evaporator (250), and a refrigerant pressure in the refrigeration cycle (200). The waste heat utilization apparatus according to claim 12. 前記制御手段(500)は、前記高負荷状態を、前記膨張機(320)の低圧側となる低圧側圧力(PL)に対する前記膨張機(320)の高圧側となる高圧側圧力(PH)の比率で示される膨張圧力比(PH/PL)によって把握することを特徴とする請求項1〜請求項10のいずれか1つに記載の廃熱利用装置。   The control means (500) sets the high load state to a high pressure side pressure (PH) which is a high pressure side of the expander (320) with respect to a low pressure side pressure (PL) which is a low pressure side of the expander (320). It is grasped | ascertained by the expansion pressure ratio (PH / PL) shown by a ratio, The waste heat utilization apparatus as described in any one of Claims 1-10 characterized by the above-mentioned. 前記制御手段(500)は、前記膨張圧力比(PH/PL)を前記発熱機器(10)の廃熱温度、および前記膨張機(320)の下流側となる前記凝縮器(220)における前記冷媒の流量、前記凝縮器(220)における外気の温度、前記外気の速度から推定することを特徴とする請求項15に記載の廃熱利用装置。   The control means (500) sets the expansion pressure ratio (PH / PL) to the waste heat temperature of the heating device (10) and the refrigerant in the condenser (220) downstream of the expander (320). The waste heat utilization apparatus according to claim 15, wherein the waste heat utilization apparatus is estimated from a flow rate of air, a temperature of outside air in the condenser (220), and a speed of the outside air. 空調空気を冷却する蒸発器(250)側から吸入した低圧の冷媒を高温高圧に圧縮して凝縮器(220)側に吐出する圧縮機(210)を有する冷凍サイクル(200)と、
前記凝縮器(220)を共用すると共に、ポンプ(330)により圧送されて発熱機器(10)の廃熱により加熱された冷媒の膨張によって膨張機(320)で機械的エネルギーを回収するランキンサイクル(300)とを有する廃熱利用装置の制御方法であって、
前記冷凍サイクル(200)の負荷が所定負荷よりも低い場合に、前記圧縮機(210)の作動状態にかかわらず前記ランキンサイクル(300)を連続的に運転する連続制御を実行すると共に、
前記冷凍サイクル(200)の負荷が所定負荷よりも高くなる高負荷状態の場合に、前記ランキンサイクル(300)を断続的に運転する断続制御を実行することを特徴とする廃熱利用装置の制御方法。
A refrigeration cycle (200) having a compressor (210) that compresses the low-pressure refrigerant sucked from the evaporator (250) side that cools the conditioned air into high-temperature and high-pressure and discharges it to the condenser (220) side;
Rankine cycle (in which the condenser (220) is shared, and mechanical energy is recovered by the expander (320) by expansion of the refrigerant pumped by the pump (330) and heated by the waste heat of the heat generating device (10) 300) and a method for controlling a waste heat utilization apparatus,
When the load of the refrigeration cycle (200) is lower than a predetermined load, continuous control for continuously operating the Rankine cycle (300) regardless of the operating state of the compressor (210) is performed.
Control of a waste heat utilization apparatus, wherein intermittent control is performed to intermittently operate the Rankine cycle (300) when the load of the refrigeration cycle (200) is higher than a predetermined load. Method.
前記高負荷状態は、前記圧縮機(210)と前記膨張機(320)との同時運転による前記圧縮機(210)の駆動用エネルギーの増加分が、前記膨張機(320)で回収される機械的エネルギーを上回る状態であることを特徴とする請求項17に記載の廃熱利用装置の制御方法。   In the high load state, a machine in which an increase in driving energy of the compressor (210) due to simultaneous operation of the compressor (210) and the expander (320) is recovered by the expander (320). The method for controlling a waste heat utilization apparatus according to claim 17, wherein the control method is a state in which the energy exceeds the dynamic energy. 前記断続制御の実行に際して、前記圧縮機(210)を断続運転すると共に、この断続運転に対して逆作動となるように前記ランキンサイクル(300)を断続的に運転することを特徴とする請求項17または請求項18に記載の廃熱利用装置の制御方法。   When the intermittent control is executed, the compressor (210) is intermittently operated, and the Rankine cycle (300) is intermittently operated so as to be reverse to the intermittent operation. The control method of the waste heat utilization apparatus of Claim 17 or Claim 18. 前記圧縮機(210)は、駆動源(10)によって駆動されると共に、一回転当たりの吐出容量が所定量となる固定容量圧縮機(210)であり、
前記圧縮機(210)の断続運転を、前記駆動源(10)とのクラッチ(212)の断続、あるいは前記駆動源(10)のON−OFFによって行うことを特徴とする請求項19に記載の廃熱利用装置の制御方法。
The compressor (210) is a fixed capacity compressor (210) that is driven by a drive source (10) and has a predetermined discharge capacity per rotation.
The intermittent operation of the compressor (210) is performed by intermittent connection of a clutch (212) with the drive source (10) or ON / OFF of the drive source (10). Control method of waste heat utilization equipment.
前記圧縮機(210)は、一回転当たりの吐出容量を調整可能とする可変容量圧縮機(210)であり、
前記圧縮機(210)の断続運転を、第1の吐出容量と前記第1の吐出容量よりも多い第2の吐出容量との切替えによって行うことを特徴とする請求項19に記載の廃熱利用装置の制御方法。
The compressor (210) is a variable capacity compressor (210) capable of adjusting a discharge capacity per one rotation,
The waste heat utilization according to claim 19, wherein the intermittent operation of the compressor (210) is performed by switching between a first discharge capacity and a second discharge capacity larger than the first discharge capacity. Control method of the device.
前記断続制御の実行に際して、前記ランキンサイクル(300)を停止させる時に、前記ランキンサイクル(300)内を循環する前記冷媒の冷媒流路を閉じることを特徴とする請求項19〜請求項21のいずれか1つに記載の廃熱利用装置の制御方法。   The refrigerant flow path of the refrigerant circulating in the Rankine cycle (300) is closed when the Rankine cycle (300) is stopped when the intermittent control is executed. A method for controlling a waste heat utilization apparatus according to claim 1. 前記冷媒流路を閉じた後に、前記ポンプ(330)を停止させることを特徴とする請求項22に記載の廃熱利用装置の制御方法。   The method for controlling a waste heat utilization apparatus according to claim 22, wherein the pump (330) is stopped after the refrigerant flow path is closed. 前記冷媒流路のうち、前記膨張機(320)の冷媒流入側を閉じることを特徴とする請求項22または請求項23に記載の廃熱利用装置の制御方法。   24. The method for controlling a waste heat utilization apparatus according to claim 22 or 23, wherein a refrigerant inflow side of the expander (320) is closed in the refrigerant flow path. 前記断続制御の実行に際して、前記ランキンサイクル(300)を停止させる時に、前記膨張機(320)への前記冷媒の流れをバイパスさせることを特徴とする請求項19〜請求項21のいずれか1つに記載の廃熱利用装置の制御方法。   The flow of the refrigerant to the expander (320) is bypassed when the Rankine cycle (300) is stopped when the intermittent control is executed. Control method of waste heat utilization apparatus as described in 1. 前記膨張機(320)に接続されると共に、前記機械的エネルギーによって駆動されて発電する発電機(321A)を有し、
前記膨張機(320)への前記冷媒の流れをバイパスさせた後に、前記発電機(321A)を停止させることを特徴とする請求項25に記載の廃熱利用装置の制御方法。
A generator (321A) connected to the expander (320) and driven by the mechanical energy to generate electricity;
The method of controlling a waste heat utilization apparatus according to claim 25, wherein the generator (321A) is stopped after the flow of the refrigerant to the expander (320) is bypassed.
前記冷凍サイクル(200)の負荷を、外気温度によって把握することを特徴とする請求項17〜請求項26のいずれか1つに記載の廃熱利用装置の制御方法。   27. The method for controlling a waste heat utilization apparatus according to any one of claims 17 to 26, wherein a load of the refrigeration cycle (200) is grasped based on an outside air temperature. 前記冷凍サイクル(200)の負荷を、前記発熱機器(10)制御用の情報と、前記冷凍サイクル(200)制御用の情報とから複合的に把握することを特徴とする請求項17〜請求項26のいずれか1つに記載の廃熱利用装置の制御方法。   The load of the refrigeration cycle (200) is determined in combination from the information for controlling the heat generating device (10) and the information for controlling the refrigeration cycle (200). 26. A method for controlling a waste heat utilization apparatus according to any one of 26. 前記発熱機器(10)は、車両用の内燃機関(10)であり、
前記発熱機器(10)制御用の情報は、前記車両の速度、前記内燃機関(10)の回転数、外気温度、前記内燃機関(10)の冷却用媒体温度のうちの少なくとも1つとしたことを特徴とする請求項28に記載の廃熱利用装置の制御方法。
The heat generating device (10) is an internal combustion engine (10) for a vehicle,
The information for controlling the heat generating device (10) is at least one of the speed of the vehicle, the rotational speed of the internal combustion engine (10), the outside air temperature, and the cooling medium temperature of the internal combustion engine (10). The method for controlling a waste heat utilization apparatus according to claim 28, characterized in that:
前記冷凍サイクル(200)制御用の情報は、室内温度、目標室内温度、前記蒸発器(250)で冷却された空調空気温度、前記冷凍サイクル(200)内の冷媒圧力のうちの少なくとも1つとしたことを特徴とする請求項28に記載の廃熱利用装置の制御方法。   The information for controlling the refrigeration cycle (200) is at least one of an indoor temperature, a target indoor temperature, an air-conditioning air temperature cooled by the evaporator (250), and a refrigerant pressure in the refrigeration cycle (200). The method for controlling a waste heat utilization apparatus according to claim 28. 前記高負荷状態を、前記膨張機(320)の低圧側となる低圧側圧力(P2)に対する前記膨張機(320)の高圧側となる高圧側圧力(P1)の比率で示される膨張圧力比(P1/P2)によって把握することを特徴とする請求項17〜請求項26のいずれか1つに記載の廃熱利用装置の制御方法。   The high load state is an expansion pressure ratio (P1) indicated by a ratio of a high pressure side pressure (P1) which is a high pressure side of the expander (320) to a low pressure side pressure (P2) which is a low pressure side of the expander (320). The control method of the waste heat utilization apparatus according to any one of claims 17 to 26, wherein the control is performed by P1 / P2). 前記膨張圧力比(P1/P2)を前記発熱機器(10)の廃熱温度、および前記膨張機(320)の下流側となる前記凝縮器(220)における前記冷媒の流量、前記凝縮器(220)における外気の温度、前記外気の速度から推定することを特徴とする請求項31に記載の廃熱利用装置の制御方法。   The expansion pressure ratio (P1 / P2) is the waste heat temperature of the heat generating device (10), the flow rate of the refrigerant in the condenser (220) on the downstream side of the expander (320), the condenser (220 32. The method of controlling a waste heat utilization apparatus according to claim 31, wherein the temperature is estimated from the temperature of the outside air and the speed of the outside air.
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