WO2013046885A1 - ランキンサイクル - Google Patents

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WO2013046885A1
WO2013046885A1 PCT/JP2012/068485 JP2012068485W WO2013046885A1 WO 2013046885 A1 WO2013046885 A1 WO 2013046885A1 JP 2012068485 W JP2012068485 W JP 2012068485W WO 2013046885 A1 WO2013046885 A1 WO 2013046885A1
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refrigerant
rankine cycle
compressor
air conditioner
pump
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真一朗 溝口
貴幸 石川
永井　宏幸
利矢子 岩橋
智 荻原
今井　智規
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日産自動車株式会社
サンデン株式会社
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    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/62—Hybrid vehicles

Definitions

  • This invention relates to a Rankine cycle that recovers engine waste heat as power.
  • Rankine cycle consists of a refrigerant pump that circulates refrigerant, a waste heat recovery unit that recovers engine waste heat into refrigerant, an expander that converts waste heat recovered into refrigerant by expanding the refrigerant, and expansion A condenser for condensing the refrigerant expanded by the machine.
  • the power extracted by the expander is transmitted to the engine output shaft and the generator via a belt or the like.
  • the refrigerant When the Rankine cycle stops operating, the refrigerant is unevenly distributed due to the temperature difference in the cycle (pressure difference caused by evaporation or condensation of the refrigerant).
  • JP2005-337063A is arranged so that the inlet of the refrigerant pump is below the liquid level of the condenser so that a sufficient liquid phase refrigerant exists at the inlet of the refrigerant pump.
  • the Rankine system may be arranged in a limited space in the engine room, and it may not be possible to employ an arrangement in which the inlet of the refrigerant pump is below the liquid level of the condenser. Even if such an arrangement is adopted, depending on the temperature difference in the cycle and the stop time of the Rankine cycle, there is a possibility that sufficient liquid phase refrigerant does not exist at the inlet of the refrigerant pump due to uneven distribution of the refrigerant.
  • the object of the present invention is to eliminate the shortage of liquid phase refrigerant at the inlet of the refrigerant pump when operating the Rankine cycle.
  • the Rankine cycle powers the refrigerant pump that circulates the refrigerant, the heat exchanger that recovers engine waste heat to the refrigerant, and the waste heat recovered by the refrigerant by expanding the refrigerant. And an condenser that condenses the refrigerant expanded by the expander.
  • the Rankine cycle also shares a condenser and a refrigerant with the refrigeration cycle of the air conditioner.
  • the refrigerant passage connected to the outlet of the condenser branches at the branch point and connects to the refrigerant pump and the evaporator of the refrigeration cycle.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an integration cycle.
  • FIG. 2A is a schematic cross-sectional view of an expander pump in which the pump and the expander are integrated.
  • FIG. 2B is a schematic cross-sectional view of the refrigerant pump.
  • FIG. 2C is a schematic cross-sectional view of the expander.
  • FIG. 3 is a schematic view showing the function of the refrigerant system valve.
  • FIG. 4 is a schematic configuration diagram of the hybrid vehicle.
  • FIG. 5 is a schematic perspective view of the engine.
  • FIG. 6 is a schematic view of the arrangement of the engine as viewed from below the vehicle.
  • FIG. 7A is a map showing the Rankine cycle operating region.
  • FIG. 7B is a map showing the Rankine cycle operating region.
  • FIG. 7A is a map showing the Rankine cycle operating region.
  • FIG. 7B is a map showing the Rankine cycle operating region.
  • FIG. 8 is a schematic view showing a specific arrangement of refrigerant passages connected to the refrigerant pump.
  • FIG. 9 is a flowchart showing the contents of the starting control.
  • FIG. 10 is a table of correction coefficients for correcting the preparation time.
  • FIG. 11 is an explanatory diagram for explaining the flow of the refrigerant during start-up control.
  • FIG. 12 is a flowchart showing the contents of the refrigerant shortage elimination control (second embodiment).
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing the entire system of a Rankine cycle 31 which is a premise of the present invention.
  • the Rankine cycle 31 in FIG. 1 is configured to share the refrigeration cycle 51 and the refrigerant and the condenser 38, and a cycle in which the Rankine cycle 31 and the refrigeration cycle 51 are integrated is hereinafter expressed as an integrated cycle 30.
  • FIG. 4 is a schematic configuration diagram of the hybrid vehicle 1 on which the integrated cycle 30 is mounted.
  • the integrated cycle 30 includes a circuit (passage) in which the refrigerant of the Rankine cycle 31 and the refrigeration cycle 51 circulates and components such as a pump, an expander, and a condenser provided in the middle of the circuit, and a circuit for cooling water and exhaust. It shall refer to the entire system including (passage).
  • the engine 2 In the hybrid vehicle 1, the engine 2, the motor generator 81, and the automatic transmission 82 are connected in series, and the output of the automatic transmission 82 is transmitted to the drive wheels 85 via the propeller shaft 83 and the differential gear 84.
  • a first drive shaft clutch 86 is provided between the engine 2 and the motor generator 81.
  • One of the frictional engagement elements of the automatic transmission 82 is configured as a second drive shaft clutch 87.
  • the first drive shaft clutch 86 and the second drive shaft clutch 87 are connected to the engine controller 71, and their connection / disconnection (connected state) is controlled according to the driving conditions of the hybrid vehicle.
  • the engine 2 when the vehicle speed is in the EV traveling region where the efficiency of the engine 2 is poor, the engine 2 is stopped, the first drive shaft clutch 86 is disconnected, and the second drive shaft clutch 87 is connected. Thus, the hybrid vehicle 1 is caused to travel only by the driving force of the motor generator 81. On the other hand, when the vehicle speed deviates from the EV travel region and shifts to the Rankine cycle operation region, the engine 2 is operated to operate the Rankine cycle 31 (described later).
  • the engine 2 includes an exhaust passage 3, and the exhaust passage 3 includes an exhaust manifold 4 and an exhaust pipe 5 connected to a collective portion of the exhaust manifold 4.
  • the exhaust pipe 5 branches off from the bypass exhaust pipe 6 on the way, and the exhaust pipe 5 in the section bypassed by the bypass exhaust pipe 6 has a waste heat recovery unit for exchanging heat between the exhaust and the cooling water. 22.
  • the waste heat recovery unit 22 and the bypass exhaust pipe 6 are disposed between the underfloor catalyst 88 and the sub muffler 89 downstream thereof as a waste heat recovery unit 23 in which these are integrated.
  • the cooling water at about 80 to 90 ° C. leaving the engine 2 flows separately into a cooling water passage 13 that passes through the radiator 11 and a bypass cooling water passage 14 that bypasses the radiator 11. Thereafter, the two flows are merged again by a thermostat valve 15 that determines the distribution of the flow rate of the cooling water flowing through both passages 13 and 14, and then returns to the engine 2 via the cooling water pump 16.
  • the cooling water pump 16 is driven by the engine 2 and its rotation speed is synchronized with the engine rotation speed.
  • the thermostat valve 15 relatively increases the amount of cooling water passing through the radiator 11 by increasing the valve opening on the cooling water passage 13 side when the cooling water temperature is high, and on the cooling water passage 13 side when the cooling water temperature is low.
  • the amount of cooling water passing through the radiator 11 is relatively reduced by reducing the valve opening.
  • the radiator 11 When the coolant temperature is particularly low, such as before the engine 2 is warmed up, the radiator 11 is completely bypassed and the entire amount of coolant flows through the bypass coolant passage 14 side.
  • the valve opening on the bypass cooling water passage 14 side is not fully closed, and when the flow rate of the cooling water flowing through the radiator 11 is increased, the flow rate of the cooling water flowing through the bypass cooling water passage 14 is However, the thermostat valve 15 is configured so that the flow does not stop completely.
  • a bypass cooling water passage 14 that bypasses the radiator 11 is branched from the cooling water passage 13 and directly connected to a heat exchanger 36, which will be described later, and from the cooling water passage 13 to recover waste heat.
  • the second bypass cooling water passage 25 connected to the heat exchanger 36 after passing through the vessel 22.
  • the bypass cooling water passage 14 includes a heat exchanger 36 that exchanges heat with the refrigerant of the Rankine cycle 31.
  • This heat exchanger 36 is an integrated evaporator and superheater. That is, two cooling water passages 36a and 36b are arranged in a row in the heat exchanger 36, and a refrigerant passage 36c through which the refrigerant of the Rankine cycle 31 flows so that heat can be exchanged between the refrigerant and the cooling water is a cooling water passage 36a, It is provided adjacent to 36b. Further, the passages 36a, 36b, and 36c are configured so that the refrigerant and the cooling water of the Rankine cycle 31 are in opposite directions when viewed from the whole heat exchanger 36.
  • one cooling water passage 36 a located on the upstream side (left side in FIG. 1) for the refrigerant of Rankine cycle 31 is interposed in the first bypass cooling water passage 24.
  • the left side portion of the heat exchanger composed of the cooling water passage 36a and the refrigerant passage portion adjacent to the cooling water passage 36a flows through the refrigerant passage 36c by directly introducing the cooling water from the engine 2 into the cooling water passage 36a. It is an evaporator for heating the refrigerant of Rankine cycle 31.
  • Cooling water that has passed through the waste heat recovery device 22 is introduced into the other cooling water passage 36b located downstream (right in FIG. 1) for the refrigerant of the Rankine cycle 31 via the second bypass cooling water passage 25.
  • the right side portion of the heat exchanger (downstream side for the refrigerant of Rankine cycle 31) composed of the cooling water passage 36b and the refrigerant passage portion adjacent to the cooling water passage 36b is a cooling water obtained by further heating the cooling water at the outlet of the engine 2 by exhaust gas. Is a superheater that superheats the refrigerant flowing through the refrigerant passage 36c by introducing the refrigerant into the cooling water passage 36b.
  • the cooling water passage 22 a of the waste heat recovery unit 22 is provided adjacent to the exhaust pipe 5. By introducing the cooling water at the outlet of the engine 2 into the cooling water passage 22a of the waste heat recovery unit 22, the cooling water can be heated to, for example, about 110 to 115 ° C. by high-temperature exhaust.
  • the cooling water passage 22a is configured so that the exhaust and cooling water flow in opposite directions when the waste heat recovery device 22 is viewed from above.
  • a control valve 26 is interposed in the second bypass cooling water passage 25 provided with the waste heat recovery unit 22. Cooling water temperature at the outlet of the engine 2 so that the engine water temperature, which indicates the temperature of the cooling water inside the engine 2, does not exceed the allowable temperature (for example, 100 ° C.) for preventing deterioration of the efficiency of the engine 2 and knocking, for example When the detected temperature of the sensor 74 becomes equal to or higher than a predetermined value, the opening degree of the control valve 26 is decreased. When the engine water temperature approaches the permissible temperature, the amount of cooling water passing through the waste heat recovery device 22 is reduced, so that it is possible to reliably prevent the engine water temperature from exceeding the permissible temperature.
  • the allowable temperature for example, 100 ° C.
  • a bypass exhaust pipe 6 that bypasses the waste heat recovery unit 22 and a thermostat valve 7 that controls the exhaust passage amount of the waste heat recovery unit 22 and the exhaust passage amount of the bypass exhaust pipe 6 are provided in the bypass exhaust pipe 6. It is provided at the branch.
  • the thermostat valve 7 is configured such that the valve opening degree of the cooling water exiting the waste heat recovery unit 22 does not exceed a predetermined temperature (for example, boiling temperature 120 ° C.). Adjusted based on temperature.
  • the heat exchanger 36, the thermostat valve 7, and the waste heat recovery unit 22 are integrated as a waste heat recovery unit 23, and are disposed in the middle of the exhaust pipe under the floor in the center of the vehicle width direction.
  • the thermostat valve 7 may be a relatively simple temperature-sensing valve using bimetal or the like, or may be a control valve controlled by a controller to which a temperature sensor output is input. Adjustment of the amount of heat exchange from the exhaust gas to the cooling water by the thermostat valve 7 involves a relatively large delay. Therefore, if the thermostat valve 7 is adjusted alone, it is difficult to prevent the engine water temperature from exceeding the allowable temperature.
  • the control valve 26 of the second bypass cooling water passage 25 is controlled based on the engine water temperature (exit temperature), the heat recovery amount can be quickly reduced and the engine water temperature can be surely exceeded the allowable temperature. Can be prevented. Further, if the engine water temperature has a margin to the allowable temperature, heat exchange is performed until the temperature of the cooling water exiting the waste heat recovery unit 22 becomes high enough to exceed the allowable temperature of the engine water temperature (for example, 110 to 115 ° C.). To increase the amount of recovered waste heat. The cooling water that has exited the cooling water passage 36 b is joined to the first bypass cooling water passage 24 via the second bypass cooling water passage 25.
  • the cooling water passage 13 side of the thermostat valve 15 If the temperature of the cooling water from the bypass cooling water passage 14 toward the thermostat valve 15 is sufficiently lowered by exchanging heat with the refrigerant of the Rankine cycle 31 by the heat exchanger 36, for example, the cooling water passage 13 side of the thermostat valve 15 The amount of cooling water passing through the radiator 11 is relatively reduced. Conversely, when the temperature of the cooling water from the bypass cooling water passage 14 toward the thermostat valve 15 becomes high due to the Rankine cycle 31 not being operated, the valve opening of the thermostat valve 15 on the cooling water passage 13 side is increased. The amount of cooling water passing through the radiator 11 is relatively increased. Based on the operation of the thermostat valve 15, the cooling water temperature of the engine 2 is appropriately maintained, and heat is appropriately supplied (recovered) to the Rankine cycle 31.
  • Rankine cycle 31 is not a simple Rankine cycle, but is configured as a part of integrated cycle 30 integrated with refrigeration cycle 51.
  • the basic Rankine cycle 31 will be described first, and then the refrigeration cycle 51 will be referred to.
  • Rankine cycle 31 is a system that recovers waste heat of engine 2 to a refrigerant via cooling water of engine 2 and regenerates the recovered waste heat as power.
  • the Rankine cycle 31 includes a refrigerant pump 32, a heat exchanger 36 as a superheater, an expander 37, and a condenser (condenser) 38, and each component is connected by refrigerant passages 41 to 44 through which a refrigerant (R134a and the like) circulates.
  • R134a and the like refrigerant
  • the shaft of the refrigerant pump 32 is connected to the output shaft of the expander 37 on the same shaft, and the refrigerant pump 32 is driven by the output (power) generated by the expander 37 and the generated power is used as the output shaft of the engine 2 ( (Refer to FIG. 2A). That is, the shaft of the refrigerant pump 32 and the output shaft of the expander 37 are arranged in parallel with the output shaft of the engine 2, and the belt 34 is provided between the pump pulley 33 provided at the tip of the shaft of the refrigerant pump 32 and the crank pulley 2a. (See FIG. 1).
  • a gear type pump is used as the refrigerant pump 32, and a scroll type expander is used as the expander 37 (see FIGS. 2B and 2C).
  • an electromagnetic clutch (hereinafter referred to as “expander clutch”) 35 (first clutch) is provided between the pump pulley 33 and the refrigerant pump 32, and the refrigerant pump 32 and the expander 37 are connected to the engine. 2 (see FIG. 2A). Therefore, the expander 37 is connected by connecting the expander clutch 35 when the output generated by the expander 37 exceeds the driving force of the refrigerant pump 32 and the friction of the rotating body (when the predicted expander torque is positive). Rotation of the engine output shaft can be assisted (assisted) by the output generated. Thus, fuel efficiency can be improved by assisting rotation of an engine output shaft using energy obtained by waste heat recovery. Further, the energy for driving the refrigerant pump 32 that circulates the refrigerant can also be covered by the recovered waste heat.
  • the expander clutch 35 may be provided anywhere in the power transmission path from the engine 2 to the refrigerant pump 32 and the expander 37.
  • the refrigerant from the refrigerant pump 32 is supplied to the heat exchanger 36 through the refrigerant passage 41.
  • the heat exchanger 36 is a heat exchanger that causes heat exchange between the coolant of the engine 2 and the refrigerant, vaporizes the refrigerant, and superheats the refrigerant.
  • the refrigerant from the heat exchanger 36 is supplied to the expander 37 through the refrigerant passage 42.
  • the expander 37 is a steam turbine that converts heat into rotational energy by expanding the vaporized and superheated refrigerant.
  • the power recovered by the expander 37 drives the refrigerant pump 32 and is transmitted to the engine 2 via the belt transmission mechanism to assist the rotation of the engine 2.
  • the refrigerant from the expander 37 is supplied to the condenser 38 via the refrigerant passage 43.
  • the condenser 38 is a heat exchanger that causes heat exchange between the outside air and the refrigerant to cool and liquefy the refrigerant. For this reason, the condenser 38 is arranged in parallel with the radiator 11 and is cooled by the radiator fan 12.
  • the refrigerant liquefied by the condenser 38 is returned to the refrigerant pump 32 through the refrigerant passage 44.
  • the refrigerant returned to the refrigerant pump 32 is sent again to the heat exchanger 36 by the refrigerant pump 32 and circulates through each component of the Rankine cycle 31.
  • the refrigerant passage 44 extends upward from the inlet of the refrigerant pump 32, as shown in FIG.
  • the refrigeration cycle 51 Since the refrigerating cycle 51 shares the refrigerant circulating through the Rankine cycle 31, it is integrated with the Rankine cycle 31, and the configuration of the refrigerating cycle 51 itself is simplified. That is, the refrigeration cycle 51 includes a compressor (compressor) 52, a condenser 38, and an evaporator (evaporator) 55.
  • compressor compressor
  • condenser condenser
  • evaporator evaporator
  • the compressor 52 is a fluid machine that compresses the refrigerant of the refrigeration cycle 51 to a high temperature and a high pressure, and is driven by the engine 2. That is, as shown in FIG. 4, the compressor pulley 53 is fixed to the drive shaft of the compressor 52, and the belt 34 is wound around the compressor pulley 53 and the crank pulley 2a. The driving force of the engine 2 is transmitted to the compressor pulley 53 via the belt 34, and the compressor 52 is driven.
  • An electromagnetic clutch (hereinafter referred to as “compressor clutch”) 54 (second clutch) is provided between the compressor pulley 53 and the compressor 52 so that the compressor 52 and the compressor pulley 53 can be connected and disconnected. ing.
  • the refrigerant from the compressor 52 joins the refrigerant passage 43 via the refrigerant passage 56 and is then supplied to the condenser 38.
  • the condenser 38 is a heat exchanger that condenses and liquefies the refrigerant by heat exchange with the outside air.
  • the liquid refrigerant from the condenser 38 is supplied to an evaporator (evaporator) 55 through a refrigerant passage 57 branched from the refrigerant passage 44.
  • the evaporator 55 is disposed in the case of the air conditioner unit in the same manner as a heater core (not shown).
  • the evaporator 55 is a heat exchanger that evaporates the liquid refrigerant from the condenser 38 and cools the conditioned air from the blower fan by the latent heat of evaporation at that time.
  • the refrigerant evaporated by the evaporator 55 is returned to the compressor 52 through the refrigerant passage 58. Note that the mixing ratio of the conditioned air cooled by the evaporator 55 and the conditioned air heated by the heater core is adjusted to a temperature set by the occupant according to the opening of the air mix door.
  • the evaporator 55, a part of the refrigerant passage 44 that connects the condenser 38 and the evaporator 55, and the refrigerant passage 57 are arranged at a position higher than the inlet of the refrigerant pump 32.
  • the refrigerant passage 44 branches at the refrigeration cycle branch point 45 and is connected to the refrigerant passage 57 (see FIG. 8).
  • various valves are appropriately provided in the circuit in order to control the refrigerant flowing in the cycle.
  • the refrigerant passage 44 that connects the pump upstream valve 61, the heat exchanger 36, and the expander 37 to the refrigerant passage 44 that connects the refrigeration cycle branch point 45 and the refrigerant pump 32. 42 is provided with an expander upstream valve 62.
  • the refrigerant passage 41 that connects the refrigerant pump 32 and the heat exchanger 36 is provided with a check valve 63 to prevent the refrigerant from flowing backward from the heat exchanger 36 to the refrigerant pump 32.
  • the refrigerant passage 43 that connects the expander 37 and the refrigeration cycle merge point 46 is also provided with a check valve 64 to prevent the refrigerant from flowing back from the refrigeration cycle merge point 46 to the expander 37.
  • a check valve 64 to prevent the refrigerant from flowing back from the refrigeration cycle merge point 46 to the expander 37.
  • an expander bypass passage 65 that bypasses the expander 37 from the upstream of the expander upstream valve 62 and merges upstream of the check valve 64 is provided, and a bypass valve 66 is provided in the expander bypass passage 65.
  • a pressure regulating valve 68 is provided in a passage 67 that bypasses the bypass valve 66.
  • an air conditioner circuit valve 69 is provided in the refrigerant passage 57 that connects the refrigeration cycle branch point 45 and the evaporator 55.
  • the above four valves 61, 62, 66, 69 are all electromagnetic on-off valves.
  • An expander upstream pressure signal detected by the pressure sensor 72, a refrigerant pressure Pd signal at the outlet of the condenser 38 detected by the pressure sensor 73, a rotation speed signal of the expander 37, and the like are input to the engine controller 71. .
  • the engine controller 71 controls the compressor 52 of the refrigeration cycle 51 and the radiator fan 12 based on these input signals in accordance with predetermined operating conditions, and also controls the four electromagnetic on-off valves 61, 62, 66. , 69 is controlled.
  • the expander torque (regenerative power) is predicted based on the expander upstream pressure detected by the pressure sensor 72 and the expander rotational speed, and when the predicted expander torque is positive (assist rotation of the engine output shaft).
  • the expander clutch 35 is engaged, and when the predicted expander torque is zero or negative, the expander clutch 35 is released.
  • the expander torque can be predicted with higher accuracy than when the expander torque (regenerative power) is predicted from the exhaust temperature. Accordingly, the expander clutch 35 can be appropriately engaged and disengaged (refer to Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2010-190185 for details).
  • the four on-off valves 61, 62, 66 and 69 and the two check valves 63 and 64 are refrigerant valves. The functions of these refrigerant valves are shown again in FIG.
  • the pump upstream valve 61 is provided at the inlet of the refrigerant pump 32 (see FIG. 8).
  • the pump upstream valve 61 has a circuit in the Rankine cycle 31 compared to the circuit in the refrigeration cycle 51, such as when the Rankine cycle 31 is stopped. This is to prevent the refrigerant (including the lubricating component) from being biased to the Rankine cycle 31 by closing under a predetermined condition that makes the refrigerant easily biased. As will be described later, it cooperates with a check valve 64 downstream of the expander 37. Acts to block the circuit of Rankine cycle 31.
  • the expander upstream valve 62 blocks the refrigerant passage 42 when the refrigerant pressure from the heat exchanger 36 is relatively low so that the refrigerant from the heat exchanger 36 can be held until the pressure becomes high. is there. Thereby, even when the expander torque cannot be sufficiently obtained, the heating of the refrigerant is promoted, and for example, the time until the Rankine cycle 31 is restarted (regeneration can actually be performed) can be shortened.
  • the bypass valve 66 is opened so that the refrigerant pump 32 can be operated after the expander 37 is bypassed when the amount of refrigerant existing on the Rankine cycle 31 side is insufficient when the Rankine cycle 31 is started. This is for shortening the startup time of the Rankine cycle 31.
  • the refrigerant temperature at the outlet of the condenser 38 or the inlet of the refrigerant pump 32 has a predetermined temperature difference (subcool degree SC) from the boiling point considering the pressure at that portion. ) If the state lowered as described above is realized, the Rankine cycle 31 is ready to supply a sufficient liquid refrigerant.
  • the check valve 63 upstream of the heat exchanger 36 is for maintaining the refrigerant supplied to the expander 37 at a high pressure in cooperation with the bypass valve 66, the pressure adjusting valve 68, and the expander upstream valve 62.
  • the Rankine cycle operation is stopped, the circuit is closed over the front and rear sections of the heat exchanger, the refrigerant pressure during the stop is increased, and the high-pressure refrigerant is used. Allow the Rankine cycle to restart quickly.
  • the pressure regulating valve 68 functions as a relief valve that opens when the pressure of the refrigerant supplied to the expander 37 becomes too high and releases the refrigerant that has become too high.
  • the check valve 64 downstream of the expander 37 is for preventing the bias of the refrigerant to the Rankine cycle 31 in cooperation with the pump upstream valve 61 described above. If the engine 2 is not warmed immediately after the start of the operation of the hybrid vehicle 1, the Rankine cycle 31 becomes cooler than the refrigeration cycle 51, and the refrigerant may be biased toward the Rankine cycle 31 side. Although the probability of being biased toward the Rankine cycle 31 is not so high, for example, immediately after the start of vehicle operation in summer, the cooling capacity is most demanded in the situation where it is desired to cool the interior quickly, so the slight uneven distribution of refrigerant is also eliminated. Therefore, there is a demand for securing the refrigerant for the refrigeration cycle 51. Therefore, a check valve 64 is provided to prevent uneven distribution of refrigerant to the Rankine cycle 31 side.
  • the compressor 52 does not have a structure in which the refrigerant can freely pass when the drive is stopped, and can prevent the refrigerant from being biased to the refrigeration cycle 51 in cooperation with the air conditioner circuit valve 69. This will be described.
  • the refrigerant may move from the relatively high temperature Rankine cycle 31 side to the refrigeration cycle 51 side during steady operation, and the refrigerant circulating through the Rankine cycle 31 may be insufficient.
  • the temperature of the evaporator 55 is low immediately after the cooling is stopped, and the refrigerant tends to accumulate in the evaporator 55 having a relatively large volume and a low temperature.
  • the movement of the refrigerant from the condenser 38 to the evaporator 55 is interrupted by stopping the driving of the compressor 52, and the air conditioner circuit valve 69 is closed to prevent the refrigerant from being biased to the refrigeration cycle 51.
  • FIG. 5 is a schematic perspective view of the engine 2 showing a package of the entire engine 2. 5 is characterized in that the heat exchanger 36 is arranged vertically above the exhaust manifold 4. By placing the heat exchanger 36 in the space vertically above the exhaust manifold 4, the mountability of the Rankine cycle 31 to the engine 2 is improved.
  • the engine 2 is provided with a tension pulley 8.
  • FIGS. 7A and 7B are operation region diagrams of Rankine cycle 31.
  • FIG. FIG. 7A shows the operating range of Rankine cycle 31 when the horizontal axis is the outside air temperature and the vertical axis is the engine water temperature (cooling water temperature).
  • FIG. 7B the horizontal axis is the engine speed and the vertical axis is the engine torque (engine The operating range of the Rankine cycle 31 is shown.
  • the Rankine cycle 31 is operated when a predetermined condition is satisfied, and the Rankine cycle 31 is operated when both of these conditions are satisfied.
  • FIG. 7A the operation of the Rankine cycle 31 is stopped in a region on the low water temperature side where priority is given to warm-up of the engine 2 and a region on the high outside air temperature side where the load on the compressor 52 increases.
  • the Rankine cycle 31 is not operated, so that the coolant temperature is quickly raised.
  • the Rankine cycle 31 is stopped at a high outside air temperature where high cooling capacity is required, and sufficient refrigerant and cooling capacity of the condenser 38 are provided to the refrigeration cycle 51.
  • FIG. 7A the operation of the Rankine cycle 31 is stopped in a region on the low water temperature side where priority is given to warm-up of the engine 2 and a region on the high outside air temperature side where the load on the compressor 52 increases.
  • the Rankine cycle 31 is not operated, so that the coolant temperature is quickly raised.
  • the Rankine cycle 31 is stopped
  • the operation of the Rankine cycle 31 is stopped in the EV traveling region and the region on the high rotational speed side where the friction of the expander 37 increases. Since it is difficult to make the expander 37 have a high-efficiency structure with little friction at all rotation speeds, in the case of FIG. 7B, the expansion is performed so that the friction is small and the efficiency is high in the engine rotation speed range where the operation frequency is high.
  • the machine 37 is configured (the dimensions of each part of the expander 37 are set).
  • a pump upstream valve 61, a check valve 64, and an air conditioner circuit valve 69 are provided in order to prevent the refrigerant (including lubricating components) in the Rankine cycle 31 or the refrigeration cycle 51 from being biased.
  • the refrigerant including lubricating components
  • FIG. 3 Depending on the distribution state of the refrigerant when the Rankine cycle 31 is stopped, even when all of them are closed, the uneven distribution during the stop (when the ignition is off) cannot be completely prevented.
  • the distribution of the refrigerant may change variously in the process in which the temperature of the entire plant (integrated cycle) decreases after the operation is stopped.
  • Sufficient liquid-phase refrigerant is prepared when the refrigerant in a predetermined state necessary for operating the Rankine cycle 31 is present at the inlet of the refrigerant pump 32.
  • the inlet of the refrigerant pump 32 is used.
  • the outlet of the condenser 38 is at a temperature at which the temperature reduction margin (subcool degree) from the boiling point considering the pressure in the field becomes a predetermined value or more.
  • the compressor 52 of the refrigeration cycle 51 is operated for a predetermined preparation time even when there is no operation request for the air conditioner. This control is preferentially supplied to the inlet.
  • FIG. 9 is a flowchart showing the contents of the starting control. This control is started when the vehicle is turned on, and each process is repeatedly executed by the engine controller 71 at predetermined short time intervals. In addition, both the end flag and the timer used in this control are reset to 0 when the vehicle is keyed off.
  • the engine controller 71 determines the value of the end flag (S1). When this control is executed for the first time when the vehicle is turned on, the end flag is 0, and the process proceeds from S1 to S2.
  • the engine controller 71 sets a preparation time (drive time of the compressor 52).
  • the preparation time is a time required from when the compressor 52 of the refrigeration cycle 51 is started until sufficient refrigerant is prepared at the inlet of the refrigeration pump 32.
  • the air conditioner circuit valve 69 is provided and is closed when stopped, the refrigeration pump 32 in consideration of the uneven distribution amount (some) of refrigerant to the refrigeration cycle 51 side that may occur during the operation of the integrated cycle.
  • the time required until sufficient refrigerant is prepared at the inlet of the gas is defined as the reference time. If the uneven distribution amount immediately before the stop can be estimated, the reference time for the next start may be set based on the estimated value.
  • the correction coefficient is set by the time from the time when the vehicle is keyed off to the time when the key is turned on this time (hereinafter referred to as “stop time”).
  • the correction coefficient is set to zero when the stop time is zero, set to a value larger than 1 when the stop time is short, and when the stop time is sufficiently long (for example, the cooling water of the engine 2 is at room temperature). Is set to 1).
  • the stop time When the stop time is short, the coolant temperature of the engine 2 is high, so that the refrigerant evaporates in the heat exchanger 36, the refrigerant on the Rankine cycle 31 side moves to the refrigeration cycle 51 side, and the refrigerant is highly unevenly distributed. Because it becomes.
  • the temperature on the Rankine cycle 31 side decreases as the cooling water temperature of the engine 2 decreases, and a part of the refrigerant on the refrigeration cycle 51 side returns to the Rankine cycle 31 side. Because it settles in.
  • the engine controller 71 determines whether the timer is longer than the preparation time (S3). When this process is executed for the first time when the vehicle is turned on, the timer is 0, and the process proceeds from S3 to S4.
  • the engine controller 71 closes the air conditioner circuit valve 69 and starts driving the compressor 52. Further, the engine controller 71 starts counting up the timer.
  • the compressor 52 is driven with the air conditioner circuit valve 69 closed, the liquid phase refrigerant drawn out of the evaporator 55 or pushed out of the condenser 38 preferentially passes through the refrigerant passage 44 to the inlet of the refrigerant pump 32. Supplied.
  • the engine controller 71 determines whether there is an air conditioner operation request (S5). Whether there is an air conditioner operation request is determined based on, for example, a signal from a controller of the air conditioner.
  • the engine controller 71 permits the operation of the blower fan when there is a request for operation of the air conditioner (S6), and prohibits the operation of the blower fan when there is no request (S7). This is to suppress occupant discomfort or discomfort caused by operating the blower fan in a situation where there is no request for operating the air conditioner.
  • the engine controller 71 repeatedly executes the processing from S1 to S7 until the timer reaches the preparation time or more.
  • the engine controller 71 sets 1 to the end flag, and permits the operation of the Rankine cycle 31. In this state, sufficient liquid-phase refrigerant is prepared at the inlet of the refrigerant pump 32. After that, if the operation conditions (FIGS. 7A and 7B) of the Rankine cycle 31 are satisfied, the operation of the Rankine cycle 31 is started.
  • the engine controller 71 determines whether the air conditioner circuit valve 69 is open (S9). If the air conditioner circuit valve 69 is closed, the air conditioner circuit valve 69 is opened after waiting for an air conditioner operation request (see FIG. S10, S11).
  • the start-up control for driving the compressor 52 of the refrigeration cycle 51 is performed even if there is no request for operating the air conditioner (S4).
  • the compressor 52 By driving the compressor 52, the refrigerant is supplied to the inlet of the refrigerant pump 32, and a sufficient liquid phase refrigerant can be prepared at the inlet of the refrigerant pump 32.
  • the Rankine cycle 31 can be started up reliably in a short time, and since the refrigerant contains a lubricating component, the refrigerant pump 32 is also lubricated.
  • the air conditioner circuit valve 69 is closed at least while the compressor 52 is being driven (S4).
  • the refrigerant exiting the condenser 38 is preferentially supplied to the inlet of the refrigerant pump 32 as shown by an arrow in FIG. 11, and compared with the case where the air conditioner circuit valve 69 is not closed.
  • the shortage of refrigerant at the inlet of the refrigerant pump 32 can be resolved in a short time.
  • the opening degree of the air conditioner circuit valve 69 may be decreased by a predetermined amount or more (suppressing the refrigerant toward the refrigeration cycle).
  • the refrigerant that has left 38 is preferentially supplied to the inlet of the refrigerant pump 32, and the above effect can be expected.
  • the refrigerant when only the Rankine cycle 31 is operated, the refrigerant gradually moves to the refrigeration cycle 51 side, the refrigerant becomes insufficient in the Rankine cycle 31, and the output of the Rankine cycle 31 decreases.
  • the air conditioner circuit valve 69 is closed (or reduced in opening degree) until the air conditioner is operated, that is, until the refrigeration cycle 51 is operated (S9 to S11), the refrigerant moves to the refrigeration cycle 51 side. , And a decrease in the output of the Rankine cycle 31 can be suppressed.
  • the evaporator 55 is disposed at a position higher than the refrigerant pump 32, and the refrigerant passage (a part of the refrigerant passage 44 and the refrigerant passage 57) from the condenser 38 to the evaporator 55 is a refrigerant pump. It was arranged at a position higher than 32 entrances (FIG. 8). According to this configuration, the refrigerant can be easily supplied to the inlet of the refrigerant pump 32 when the compressor 52 is driven.
  • a refrigerant passage 44 connected to the inlet of the refrigerant pump 32 extends upward from the inlet of the refrigerant pump 32, and a pump upstream valve 61 that is closed when the Rankine cycle 31 is stopped is provided at the inlet of the refrigerant pump 32. (FIG. 8).
  • the refrigerant remains above the pump upstream valve 61 even after the compressor 52 is stopped, and further, the refrigerant is accumulated when the compressor 52 is driven, and this is supplied to the refrigerant pump 32 when the Rankine cycle 31 starts operation. Insufficient refrigerant and poor lubrication in the refrigerant pump 32 can be further suppressed.
  • the driving time of the compressor 52 in the start-up control (preparation time of S2) is set according to the time (vehicle stop time) from when the vehicle is keyed off until it is keyed on this time. Since the degree of uneven distribution of the refrigerant in the Rankine cycle 31 varies depending on the stop time of the vehicle, the amount of refrigerant supplied to the inlet of the refrigerant pump 32 is set by setting the drive time of the compressor 52 according to the stop time of the vehicle. It can be prevented from becoming excessive or insufficient.
  • the compressor suction refrigerant pressure may become negative, so the drive time of the compressor 52 should be short. Is desirable.
  • the driving of the compressor 52 may be stopped.
  • the compressor 52 is driven with the blower fan stopped, the refrigerant that is not evaporated by the evaporator 55 may be sucked into the compressor 52. Therefore, even when there is such a possibility, the driving of the compressor 52 is performed. May be stopped.
  • the compressor 52 is driven by the engine 2, if the engine rotation speed when the compressor 52 is temporarily driven is a relatively high rotation speed, the possibility of occurrence of these problems increases. As a control, when the compressor 52 is driven when there is no request for operating the air conditioner, the drive time of the compressor 52 may be shortened as the rotation speed of the compressor 52 increases.
  • the configuration of the Rankine cycle 31 is the same as that of the first embodiment, but the control content of the engine controller 71 is different from that of the first embodiment.
  • the shortage of refrigerant in the liquid phase at the inlet of the refrigerant pump 32 when the Rankine cycle 31 is operated is performed by performing the refrigerant shortage elimination control described later in place of the start-up control. It was resolved quickly.
  • the liquid-phase refrigerant discharged from the condenser 38 is driven by driving the compressor 52 of the refrigeration cycle 51 for a predetermined preparation time simultaneously with the start of the operation of the Rankine cycle 31 even if there is no operation request for the air conditioner.
  • the refrigerant pump 32 is preferentially supplied to the inlet.
  • FIG. 12 is a flowchart showing the contents of the refrigerant shortage elimination control. This control is started when the operating conditions (FIGS. 7A and 7B) of the Rankine cycle 31 are satisfied, and each process is repeatedly executed by the engine controller 71 at predetermined short time intervals. Further, the RC operation completion flag and the timer used in this control are both reset to 0 when the shortage of the liquid phase refrigerant at the inlet of the refrigerant pump 32 is resolved by the refrigerant shortage elimination control.
  • the engine controller 71 determines the value of the RC operation completed flag (S21).
  • the RC operation completed flag is a flag that is set to 1 when the Rankine cycle 31 is operated even once after the vehicle key is turned on.
  • the RC operation completed flag is 0, and the process proceeds from S21 to S22.
  • the engine controller 71 sets a preparation time (drive time of the compressor 52).
  • the preparation time is a time required from the start of driving of the compressor 52 of the refrigeration cycle 51 until the shortage of refrigerant at the inlet of the refrigeration pump 32 is resolved.
  • the preparation time is set based on the stop time of the vehicle, etc., performed before starting the Rankine cycle operation, similarly to the processing in S2 of FIG.
  • the reference time and the correction coefficient used for setting the preparation time are different from those in the first embodiment.
  • the engine controller 71 determines whether the timer is longer than the preparation time. When Rankine cycle 31 is operated for the first time after the vehicle is turned on, the timer is 0, and the process proceeds from S23 to S24.
  • the engine controller 71 starts operation of the Rankine cycle 31, closes the air conditioner circuit valve 69, and starts driving the compressor 52. That is, the operation of the Rankine cycle 31 and the driving of the compressor 32 are started simultaneously. Further, the engine controller 71 starts counting up the timer.
  • the air-conditioner circuit valve 69 is closed in S24, you may only reduce an opening more than predetermined. Even in that case, the refrigerant that has exited the condenser 38 can be preferentially supplied to the inlet of the refrigerant pump 32.
  • the engine controller 71 determines whether there is an air conditioner operation request. Whether there is an air conditioner operation request is determined based on, for example, a signal from a controller of the air conditioner.
  • the engine controller 71 permits the operation of the blower fan when there is a request for the operation of the air conditioner (S26). If not, the engine controller 71 prohibits the operation of the blower fan so as not to cause discomfort or discomfort to the occupant (S27).
  • the engine controller 71 repeatedly executes the processing from S21 to S27 until the timer reaches the preparation time or more.
  • the air conditioner is separately controlled by the air conditioner controller, and if there is an air conditioner operation request, the air conditioner circuit valve 69 is opened and the compressor 52 is driven.
  • the refrigerant shortage elimination control for driving the compressor 52 of the refrigeration cycle 51 is performed even if there is no request for operating the air conditioner (S24). Since the driving of the compressor 52 is started simultaneously with the start of the operation of the Rankine cycle 31, the shortage of the liquid phase refrigerant at the inlet of the refrigerant pump 32 can be quickly resolved.
  • the compressor 52 when the compressor 52 is driven, there is a possibility that the compressor suction refrigerant pressure becomes negative, or when the blower fan is stopped, the evaporator 55 evaporates.
  • the driving of the compressor 52 may be stopped. Further, the higher the rotational speed of the compressor 52, the shorter the driving time of the compressor 52 (preparation time of S22).
  • the driving of the compressor 52 is started before the operation of the Rankine cycle 31 is started when the vehicle is keyed (first embodiment), or the driving of the compressor 52 is started simultaneously with the start of the operation of the Rankine cycle 31.
  • the drive start timing of the compressor 52 is not limited to this.
  • the compressor 52 may be driven even if there is no request for operating the air conditioner. .
  • Whether the liquid-phase refrigerant is insufficient at the inlet of the refrigerant pump 32 can be determined based on, for example, the elapsed time from the previous stop of the Rankine cycle 31, and in this case, the Rankine cycle 31 stops. While continuing, the compressor 52 is periodically driven. Such modifications are also included in the technical scope of the present invention.

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Abstract

　ランキンサイクル（３１）は、冷媒ポンプ（３２）と、熱交換器（３６）と、膨張機（３７）と、凝縮器（３８）とを備える。ランキンサイクル（３１）は、凝縮器（３８）及び冷媒をエアコンの冷凍サイクルと共用する。凝縮器（３８）の出口に接続する冷媒通路は冷凍サイクル分岐点（４５）において分岐して冷媒ポンプ（３２）及び冷凍サイクルのエバポレータ（５５）に接続する。ランキンサイクルを運転する場合に、エアコンを運転させる要求がなくても冷凍サイクルのコンプレッサ（５２）を駆動する。

Description

ランキンサイクル
　この発明は、エンジンの廃熱を動力として回収するランキンサイクルに関する。
　ランキンサイクルは、冷媒を循環させる冷媒ポンプと、エンジンの廃熱を冷媒に回収する廃熱回収器と、冷媒を膨張させることによって冷媒に回収された廃熱を動力に変換する膨張機と、膨張機によって膨張した冷媒を凝縮させる凝縮器とを備える。膨張機によって取り出された動力は、ベルト等を介してエンジンの出力軸や発電機に伝達される。
　ランキンサイクルが運転を停止すると、サイクル内の温度差（冷媒が蒸発又は凝縮することによる圧力差）によって、冷媒の偏在が生じるのであるが、ランキンサイクルの運転を開始する時には、冷媒ポンプの入口に十分な液相の冷媒が存在することが重要である。これは、冷媒ポンプの入口に十分な液相の冷媒がないと、冷媒ポンプは熱交換器に冷媒を送ることができず、また、冷媒には潤滑油が混合されており、これが冷媒ポンプの入口にないと、冷媒ポンプを十分に潤滑できないからである。
　そこで、ＪＰ２００５－３３７０６３Ａは、冷媒ポンプの入口が凝縮器の液面よりも下になるように配置し、冷媒ポンプの入口に十分な液相の冷媒が存在するようにしている。
　しかしながら、ランキンシステムはエンジンルーム内の限られたスペースに配置されることがあり、冷媒ポンプの入口が凝縮器の液面よりも下になる配置を採用できない場合もある。また、このような配置を採用しても、サイクル内の温度差及びランキンサイクルの停止時間によっては、冷媒の偏在によって冷媒ポンプの入口に十分な液相の冷媒が存在しない可能性がある。
　本発明の目的は、ランキンサイクルを運転する場合に冷媒ポンプの入口における液相の冷媒の不足を解消することである。
　本発明のある態様によれば、ランキンサイクルは、冷媒を循環させる冷媒ポンプと、エンジンの廃熱を冷媒に回収する熱交換器と、冷媒を膨張させることによって冷媒に回収された廃熱を動力に変換する膨張機と、膨張機によって膨張した冷媒を凝縮させる凝縮器とを備える。また、ランキンサイクルは、凝縮器及び冷媒をエアコンの冷凍サイクルと共用する。凝縮器の出口に接続する冷媒通路は分岐点において分岐して冷媒ポンプ及び冷凍サイクルのエバポレータに接続する。ランキンサイクルを運転する場合に、エアコンを運転させる要求がなくても冷凍サイクルのコンプレッサを駆動する。
　本発明の実施形態及び本発明の利点については、添付された図面を参照しながら以下に詳細に説明する。
図１は、統合サイクルの概略構成図である。 図２Ａは、ポンプ及び膨張機を一体化した膨張機ポンプの概略断面図である。 図２Ｂは、冷媒ポンプの概略断面図である。 図２Ｃは、膨張機の概略断面図である。 図３は、冷媒系バルブの機能を示す概略図である。 図４は、ハイブリッド車両の概略構成図である。 図５は、エンジンの概略斜視図である。 図６は、エンジンの配置を車両の下方から見た概略図である。 図７Ａは、ランキンサイクル運転域を示したマップである。 図７Ｂは、ランキンサイクル運転域を示したマップである。 図８は、冷媒ポンプに接続する冷媒通路の具体的配置を示した概略図である。 図９は、始動時制御の内容を示したフローチャートである。 図１０は、準備時間を補正するための補正係数のテーブルである。 図１１は、始動時制御中の冷媒の流れを説明するための説明図である。 図１２は、冷媒不足解消制御の内容を示したフローチャートである（第２実施形態）。
　＜第１実施形態＞
　図１は本発明の前提となるランキンサイクル３１のシステム全体を表した概略構成図を示している。図１のランキンサイクル３１は、冷凍サイクル５１と冷媒および凝縮器３８を共有する構成になっており、ランキンサイクル３１と冷凍サイクル５１を統合したサイクルのことを、これ以降統合サイクル３０と表現する。図４は統合サイクル３０が搭載されるハイブリッド車両１の概略構成図である。尚、統合サイクル３０は、ランキンサイクル３１と冷凍サイクル５１の冷媒が循環する回路（通路）及びその途中に設けられたポンプ、膨張機、凝縮器等の構成要素に加え、冷却水や排気の回路（通路）等を含めたシステム全体を指すものとする。
　ハイブリッド車両１では、エンジン２、モータジェネレータ８１、自動変速機８２が直列に連結され、自動変速機８２の出力はプロペラシャフト８３、ディファレンシャルギヤ８４を介して駆動輪８５に伝達される。エンジン２とモータジェネレータ８１の間には第１駆動軸クラッチ８６を設けている。また、自動変速機８２の摩擦締結要素の一つが第２駆動軸クラッチ８７として構成されている。第１駆動軸クラッチ８６と第２駆動軸クラッチ８７は、エンジンコントローラ７１に接続されており、ハイブリッド車両の運転条件に応じてその断接（接続状態）が制御される。ハイブリッド車両１では、図７Ｂに示すように、車速がエンジン２の効率が悪いＥＶ走行領域にあるときには、エンジン２を停止し第１駆動軸クラッチ８６を遮断し第２駆動軸クラッチ８７を接続してモータジェネレータ８１による駆動力のみでハイブリッド車両１の走行を行わせる。一方、車速がＥＶ走行領域を外れてランキンサイクル運転域に移行したときには、エンジン２を運転してランキンサイクル３１（後述する）を運転する。エンジン２は排気通路３を備え、排気通路３は、排気マニホールド４と、排気マニホールド４の集合部に接続される排気管５とから構成される。排気管５は途中でバイパス排気管６と分岐しており、バイパス排気管６にバイパスされる区間の排気管５には、排気と冷却水との間で熱交換を行なうための廃熱回収器２２を備える。廃熱回収器２２とバイパス排気管６は、図６に示すように、これらを一体化した廃熱回収ユニット２３として、床下触媒８８とその下流のサブマフラー８９との間に配置される。
　図１に基づき、まず、エンジン冷却水回路について説明する。エンジン２を出た８０～９０℃程度の冷却水は、ラジエータ１１を通る冷却水通路１３と、ラジエータ１１をバイパスするバイパス冷却水通路１４とに別れて流れる。その後、２つの流れは、両通路１３、１４を流れる冷却水流量の配分を決めるサーモスタットバルブ１５で再び合流し、さらに冷却水ポンプ１６を経てエンジン２に戻る。冷却水ポンプ１６はエンジン２によって駆動され、その回転速度はエンジン回転速度と同調している。サーモスタットバルブ１５は、冷却水温度が高い場合に冷却水通路１３側のバルブ開度を大きくしてラジエータ１１を通過する冷却水量を相対的に増やし、冷却水温度が低い場合に冷却水通路１３側のバルブ開度を小さくしてラジエータ１１を通過する冷却水量を相対的に減らす。エンジン２の暖機前など特に冷却水温度が低い場合には、完全にラジエータ１１をバイパスさせて冷却水の全量がバイパス冷却水通路１４側を流れる。一方、バイパス冷却水通路１４側のバルブ開度は全閉になることはなく、ラジエータ１１を流れる冷却水流量が多くなったときに、バイパス冷却水通路１４を流れる冷却水の流量は、冷却水の全量がバイパス冷却水通路１４側を流れる場合と比べて低下するが、流れが完全に停止することがないようにサーモスタットバルブ１５が構成されている。ラジエータ１１をバイパスするバイパス冷却水通路１４は、冷却水通路１３から分岐して後述の熱交換器３６に直接接続する第１バイパス冷却水通路２４と、冷却水通路１３から分岐して廃熱回収器２２を経た後に熱交換器３６に接続する第２バイパス冷却水通路２５とからなる。
　バイパス冷却水通路１４には、ランキンサイクル３１の冷媒と熱交換を行なう熱交換器３６を備える。この熱交換器３６は蒸発器と過熱器とを統合したものである。すなわち、熱交換器３６には２つの冷却水通路３６ａ、３６ｂがほぼ一列に、また、冷媒と冷却水が熱交換可能なようにランキンサイクル３１の冷媒が流れる冷媒通路３６ｃは冷却水通路３６ａ、３６ｂと隣接して設けられている。さらに熱交換器３６の全体を俯瞰して見たときにランキンサイクル３１の冷媒と冷却水が互いに流れ方向が逆向きとなるように各通路３６ａ、３６ｂ、３６ｃが構成されている。
　詳細には、ランキンサイクル３１の冷媒にとって上流（図１の左）側に位置する一方の冷却水通路３６ａは、第１バイパス冷却水通路２４に介装されている。この冷却水通路３６ａ及びこの冷却水通路３６ａに隣接する冷媒通路部分からなる熱交換器左側部分は、エンジン２から出た冷却水を冷却水通路３６ａに直接導入することで、冷媒通路３６ｃを流れるランキンサイクル３１の冷媒を加熱するための蒸発器である。
　ランキンサイクル３１の冷媒にとって下流（図１の右）側に位置する他方の冷却水通路３６ｂには、第２バイパス冷却水通路２５を介して廃熱回収器２２を経た冷却水が導入される。冷却水通路３６ｂ及びこの冷却水通路３６ｂに隣接する冷媒通路部分からなる熱交換器右側部分（ランキンサイクル３１の冷媒にとって下流側）は、エンジン２の出口の冷却水を排気によってさらに加熱した冷却水を冷却水通路３６ｂに導入することで、冷媒通路３６ｃを流れる冷媒を過熱する過熱器である。
　廃熱回収器２２の冷却水通路２２ａは排気管５に隣接して設けている。廃熱回収器２２の冷却水通路２２ａにエンジン２の出口の冷却水を導入することで、冷却水を高温の排気によって例えば１１０～１１５℃程度まで加熱することができる。廃熱回収器２２の全体を俯瞰して見たときに、排気と冷却水とが互いに流れる向きが逆向きとなるように冷却水通路２２ａが構成されている。
　廃熱回収器２２を設けた第２バイパス冷却水通路２５には制御弁２６が介装されている。エンジン２の内部にある冷却水の温度を指すエンジン水温が、例えばエンジン２の効率悪化やノックを発生させないための許容温度（例えば１００℃）を超えないように、エンジン２の出口の冷却水温度センサ７４の検出温度が所定値以上になると、この制御弁２６の開度を減少させるようにしている。エンジン水温が許容温度に近づくと、廃熱回収器２２を通過する冷却水量を減少させるので、エンジン水温が許容温度を超えてしまうことを確実に防ぐことができる。
　一方、第２バイパス冷却水通路２５の流量が減少したことによって、廃熱回収器２２により上昇する冷却水温度が上がりすぎて冷却水が蒸発（沸騰）してしまったのでは、冷却水通路内の冷却水の流れが悪くなって部品温度が過剰に上昇してしまう恐れがある。これを避けるため、廃熱回収器２２をバイパスするバイパス排気管６と、廃熱回収器２２の排気通過量とバイパス排気管６の排気通過量とをコントロールするサーモスタットバルブ７をバイパス排気管６の分岐部に設けている。すなわち、サーモスタットバルブ７は、そのバルブ開度が廃熱回収器２２を出た冷却水温度が所定の温度（例えば沸騰温度１２０℃）を超えないように、廃熱回収器２２を出た冷却水温度に基づいて調節される。
　熱交換器３６とサーモスタットバルブ７と廃熱回収器２２とは、廃熱回収ユニット２３として一体化されていて、車幅方向略中央の床下において排気管途中に配設されている。サーモスタットバルブ７は、バイメタル等を用いた比較的簡易な感温弁でもよいし、温度センサ出力が入力されるコントローラによって制御される制御弁であってもよい。サーモスタットバルブ７による排気から冷却水への熱交換量の調節は比較的大きな遅れを伴うため、サーモスタットバルブ７を単独で調節したのではエンジン水温が許容温度を超えないようにするのが難しい。しかしながら、第２バイパス冷却水通路２５の制御弁２６をエンジン水温（出口温度）に基づき制御するようにしてあるので、熱回収量を速やかに低減し、エンジン水温が許容温度を超えるのを確実に防ぐことができる。また、エンジン水温が許容温度までに余裕がある状態であれば、廃熱回収器２２を出る冷却水温度がエンジン水温の許容温度を越えるほどの高温（例えば１１０～１１５℃）になるまで熱交換を行って、廃熱回収量を増加させることができる。冷却水通路３６ｂを出た冷却水は、第２バイパス冷却水通路２５を介して第１バイパス冷却水通路２４に合流されている。
　バイパス冷却水通路１４からサーモスタットバルブ１５に向かう冷却水の温度が、例えば熱交換器３６でランキンサイクル３１の冷媒と熱交換することによって十分低下していれば、サーモスタットバルブ１５の冷却水通路１３側のバルブ開度が小さくされて、ラジエータ１１を通過する冷却水量は相対的に減らされる。逆にバイパス冷却水通路１４からサーモスタットバルブ１５に向かう冷却水の温度が、ランキンサイクル３１が運転されていないことなどによって高くなると、サーモスタットバルブ１５の冷却水通路１３側のバルブ開度が大きくされて、ラジエータ１１を通過する冷却水量は相対的に増やされる。このようなサーモスタットバルブ１５の動作に基づいて、エンジン２の冷却水温度が適当に保たれ、熱がランキンサイクル３１へ適当に供給（回収）されるように構成されている。
　次に、ランキンサイクル３１について述べる。ここでは、ランキンサイクル３１は、単純なランキンサイクルでなく、冷凍サイクル５１と統合した統合サイクル３０の一部として構成されている。以下では、基本となるランキンサイクル３１を先に説明し、その後に冷凍サイクル５１に言及する。
　ランキンサイクル３１は、エンジン２の冷却水を介してエンジン２の廃熱を冷媒に回収し、回収した廃熱を動力として回生するシステムである。ランキンサイクル３１は、冷媒ポンプ３２、過熱器としての熱交換器３６、膨張機３７及び凝縮器（コンデンサ）３８を備え、各構成要素は冷媒（Ｒ１３４ａ等）が循環する冷媒通路４１～４４により接続されている。
　冷媒ポンプ３２の軸は同一の軸上で膨張機３７の出力軸と連結配置され、膨張機３７の発生する出力（動力）によって冷媒ポンプ３２を駆動すると共に、発生動力をエンジン２の出力軸（クランク軸）に供給する構成である（図２Ａ参照）。すなわち、冷媒ポンプ３２の軸及び膨張機３７の出力軸は、エンジン２の出力軸と平行に配置され、冷媒ポンプ３２の軸の先端に設けたポンププーリ３３と、クランクプーリ２ａとの間にベルト３４を掛け回している（図１参照）。なお、冷媒ポンプ３２としてはギヤ式のポンプを、膨張機３７としてはスクロール式の膨張機を採用している（図２Ｂ、図２Ｃ参照）。
　また、ポンププーリ３３と冷媒ポンプ３２との間に電磁式のクラッチ（このクラッチを以下「膨張機クラッチ」という。）３５（第１クラッチ）を設けて、冷媒ポンプ３２及び膨張機３７とを、エンジン２と断接可能にしている（図２Ａ参照）。このため、膨張機３７の発生する出力が冷媒ポンプ３２の駆動力及び回転体が有するフリクションを上回る場合（予測膨張機トルクが正の場合）に膨張機クラッチ３５を接続することで、膨張機３７の発生する出力によってエンジン出力軸の回転をアシスト（補助）することができる。このように廃熱回収によって得たエネルギを用いてエンジン出力軸の回転をアシストすることで、燃費を向上できる。また、冷媒を循環させる冷媒ポンプ３２を駆動するためのエネルギも、回収した廃熱で賄うことができる。なお、膨張機クラッチ３５は、エンジン２から冷媒ポンプ３２及び膨張機３７に至る動力伝達経路の途中であればどこに設けられていてもよい。
　冷媒ポンプ３２からの冷媒は冷媒通路４１を介して熱交換器３６に供給される。熱交換器３６は、エンジン２の冷却水と冷媒との間で熱交換を行わせ、冷媒を気化し過熱する熱交換器である。
　熱交換器３６からの冷媒は冷媒通路４２を介して膨張機３７に供給される。膨張機３７は、気化し過熱された冷媒を膨張させることにより熱を回転エネルギに変換する蒸気タービンである。膨張機３７で回収された動力は冷媒ポンプ３２を駆動し、ベルト伝動機構を介してエンジン２に伝達され、エンジン２の回転をアシストする。
　膨張機３７からの冷媒は冷媒通路４３を介して凝縮器３８に供給される。凝縮器３８は、外気と冷媒との間で熱交換を行わせ、冷媒を冷却し液化する熱交換器である。このため、凝縮器３８をラジエータ１１と並列に配置し、ラジエータファン１２によって冷却するようにしている。
　凝縮器３８により液化された冷媒は、冷媒通路４４を介して冷媒ポンプ３２に戻される。冷媒ポンプ３２に戻された冷媒は、冷媒ポンプ３２により再び熱交換器３６に送られ、ランキンサイクル３１の各構成要素を循環する。
　なお、冷媒通路４４は、図８に示されるように、冷媒ポンプ３２の入口から上方に延びている。
　次に、冷凍サイクル５１について述べる。冷凍サイクル５１は、ランキンサイクル３１を循環する冷媒を共用するため、ランキンサイクル３１と統合され、冷凍サイクル５１の構成そのものは簡素になっている。すなわち、冷凍サイクル５１は、コンプレッサ（圧縮機）５２、凝縮器３８、エバポレータ（蒸発器）５５を備える。
　コンプレッサ５２は冷凍サイクル５１の冷媒を高温高圧に圧縮する流体機械で、エンジン２によって駆動される。すなわち、図４にも示したようにコンプレッサ５２の駆動軸にはコンプレッサプーリ５３が固定され、このコンプレッサプーリ５３とクランクプーリ２ａとにベルト３４を掛け回している。エンジン２の駆動力がこのベルト３４を介してコンプレッサプーリ５３に伝達され、コンプレッサ５２が駆動される。また、コンプレッサプーリ５３とコンプレッサ５２との間に電磁式のクラッチ（このクラッチを以下「コンプレッサクラッチ」という。）５４（第２クラッチ）を設けて、コンプレッサ５２とコンプレッサプーリ５３とを断接可能にしている。
　図１に戻り、コンプレッサ５２からの冷媒は冷媒通路５６を介して冷媒通路４３に合流した後、凝縮器３８に供給される。凝縮器３８は外気との熱交換によって冷媒を凝縮し液化する熱交換器である。凝縮器３８からの液状の冷媒は、冷媒通路４４から分岐する冷媒通路５７を介してエバポレータ（蒸発器）５５に供給される。エバポレータ５５は、図示しないヒータコアと同様にエアコンユニットのケース内に配設されている。エバポレータ５５は、凝縮器３８からの液状冷媒を蒸発させ、そのときの蒸発潜熱によってブロアファンからの空調空気を冷却する熱交換器である。
　エバポレータ５５によって蒸発した冷媒は冷媒通路５８を介してコンプレッサ５２に戻される。なお、エバポレータ５５によって冷却された空調空気とヒータコアによって加熱された空調空気は、エアミックスドアの開度に応じて混合比率が変更され、乗員の設定する温度に調節される。
　なお、エバポレータ５５、及び、凝縮器３８とエバポレータ５５とを接続する冷媒通路４４の一部及び冷媒通路５７は、冷媒ポンプ３２の入口よりも高い位置に配置される。また、冷媒通路４４は、冷凍サイクル分岐点４５において分岐し、冷媒通路５７に接続する（図８参照）。
　ランキンサイクル３１と冷凍サイクル５１とからなる統合サイクル３０には、サイクル内を流れる冷媒を制御するため、回路途中に各種の弁が適宜設けられている。例えば、ランキンサイクル３１を循環する冷媒を制御するため、冷凍サイクル分岐点４５と冷媒ポンプ３２とを連絡する冷媒通路４４にポンプ上流弁６１、熱交換器３６と膨張機３７とを連絡する冷媒通路４２に膨張機上流弁６２を備える。また、冷媒ポンプ３２と熱交換器３６とを連絡する冷媒通路４１には、熱交換器３６から冷媒ポンプ３２への冷媒の逆流を防止するため逆止弁６３を備えている。膨張機３７と冷凍サイクル合流点４６とを連絡する冷媒通路４３にも、冷凍サイクル合流点４６から膨張機３７への冷媒の逆流を防止するため逆止弁６４を備えている。また、膨張機上流弁６２上流から膨張機３７をバイパスして逆止弁６４上流に合流する膨張機バイパス通路６５を設け、この膨張機バイパス通路６５にバイパス弁６６を設けている。さらに、バイパス弁６６をバイパスする通路６７に圧力調整弁６８を設けている。冷凍サイクル５１側についても、冷凍サイクル分岐点４５とエバポレータ５５とを接続する冷媒通路５７にエアコン回路弁６９を設けている。
　上記４つの弁６１、６２、６６、６９はいずれも電磁式の開閉弁である。圧力センサ７２により検出される膨張機上流圧力の信号、圧力センサ７３により検出される凝縮器３８の出口の冷媒圧力Ｐｄの信号、膨張機３７の回転速度信号等がエンジンコントローラ７１に入力されている。エンジンコントローラ７１では、所定の運転条件に応じ、これらの各入力信号に基づいて、冷凍サイクル５１のコンプレッサ５２や、ラジエータファン１２の制御を行なうとともに、上記４つの電磁式開閉弁６１、６２、６６、６９の開閉を制御する。
　例えば、圧力センサ７２により検出される膨張機上流側圧力及び膨張機回転速度に基づいて膨張機トルク（回生動力）を予測し、この予測膨張機トルクが正のとき（エンジン出力軸の回転をアシストすることができるとき）に膨張機クラッチ３５を締結し、予測膨張機トルクがゼロないし負のときに膨張機クラッチ３５を解放する。センサ検出圧力と膨張機回転速度とに基づくことで、排気温度から膨張機トルク（回生動力）を予測する場合とくらべ、高い精度で膨張機トルクを予測することができ、膨張機トルクの発生状況に応じて膨張機クラッチ３５の締結・解放を適切に行うことができる（詳細は特開２０１０－１９０１８５号公報参照）。
　上記４つの開閉弁６１、６２、６６、６９及び２つの逆止弁６３、６４は、冷媒系バルブである。これらの冷媒系バルブの機能を改めて図３に示す。
　図３において、ポンプ上流弁６１は、冷媒ポンプ３２の入口に設けられる（図８参照）ポンプ上流弁６１は、ランキンサイクル３１の停止中等、冷凍サイクル５１の回路に比べてランキンサイクル３１の回路に冷媒が偏り易くなる所定の条件で閉じることで、ランキンサイクル３１への冷媒（潤滑成分含む）の偏りを防止するためのもので、後述するように、膨張機３７下流の逆止弁６４と協働してランキンサイクル３１の回路を閉塞させる。膨張機上流弁６２は、熱交換器３６からの冷媒圧力が相対的に低い場合に冷媒通路４２を遮断し熱交換器３６からの冷媒が高圧になるまで保持することができるようにするものである。これによって、膨張機トルクが十分得られない場合でも冷媒の加熱を促し、例えばランキンサイクル３１が再起動する（回生が実際に行なえるようになる）までの時間を短縮させることができる。バイパス弁６６は、ランキンサイクル３１の始動時等にランキンサイクル３１側に存在する冷媒量が十分でないときなどに、膨張機３７をバイパスさせた上で冷媒ポンプ３２の作動が行えるように開弁し、ランキンサイクル３１の起動時間を短縮するためのものである。膨張機３７をバイパスさせた上で冷媒ポンプ３２を作動させることで、凝縮器３８の出口あるいは冷媒ポンプ３２の入口の冷媒温度が、その部位の圧力を考慮した沸点から所定温度差（サブクール度SC）以上に低下した状態が実現されれば、ランキンサイクル３１には十分な液体冷媒が供給できる状態が整ったことになる。
　熱交換器３６上流の逆止弁６３は、バイパス弁６６、圧力調整弁６８、膨張機上流弁６２と協働して膨張機３７に供給される冷媒を高圧に保持するためのものである。ランキンサイクルの回生効率が低い条件ではランキンサイクルの運転を停止し、熱交換器の前後区間に亘って回路を閉塞することで、停止中の冷媒圧力を上昇させておき、高圧冷媒を利用してランキンサイクルが速やかに再起動できるようにする。圧力調整弁６８は膨張機３７に供給される冷媒の圧力が高くなり過ぎた場合に開いて、高くなり過ぎた冷媒を逃すリリーフ弁の役割を有している。
　膨張機３７下流の逆止弁６４は、上述のポンプ上流弁６１と協働してランキンサイクル３１への冷媒の偏りを防止するためのものである。ハイブリッド車両１の運転開始直後、エンジン２が暖まっていないとランキンサイクル３１が冷凍サイクル５１より低温となり、冷媒がランキンサイクル３１側に偏ることがある。ランキンサイクル３１側に偏る確率はそれほど高くないものの、例えば夏場の車両運転開始直後には、車内を早く冷やしたい状況にあって冷房能力が最も要求されることから、冷媒の僅かな偏在も解消して冷凍サイクル５１の冷媒を確保したいという要求がある。そこで、ランキンサイクル３１側への冷媒の偏在を防止するため逆止弁６４を設けたものである。
　コンプレッサ５２は 、駆動停止時に冷媒が自由通過できる構造ではなく、エアコン回路弁６９と協働して冷凍サイクル５１への冷媒の偏りを防止することができる。これについて説明する。冷凍サイクル５１の運転が停止したとき、定常運転中の比較的高い温度のランキンサイクル３１側から冷凍サイクル５１側へと冷媒が移動して、ランキンサイクル３１を循環する冷媒が不足することがある。冷凍サイクル５１の中で、冷房停止直後はエバポレータ５５の温度が低くなっていて、比較的容積が大きく温度が低くなっているエバポレータ５５に冷媒が溜まり易い。この場合に、コンプレッサ５２の駆動停止によって凝縮器３８からエバポレータ５５への冷媒の動きを遮断するとともに、エアコン回路弁６９を閉じることで、冷凍サイクル５１への冷媒の偏りを防止するのである。
　次に、図５はエンジン２全体のパッケージを示すエンジン２の概略斜視図である。図５において特徴的なのは、熱交換器３６が排気マニホールド４の鉛直上方に配置されていることである。排気マニホールド４の鉛直上方のスペースに熱交換器３６を配置することによって、ランキンサイクル３１のエンジン２への搭載性を向上させている。また、エンジン２にはテンションプーリ８が設けられる。
　次に、ランキンサイクル３１の基本的な運転方法を図７Ａ及び図７Ｂを参照して説明する。
　まず、図７Ａ及び図７Ｂはランキンサイクル３１の運転領域図である。図７Ａには横軸を外気温、縦軸をエンジン水温（冷却水温度）としたときのランキンサイクル３１の運転域を、図７Ｂには横軸をエンジン回転速度、縦軸をエンジントルク（エンジン負荷）としたときのランキンサイクル３１の運転域を示している。
　図７Ａ及び図７Ｂのいずれにおいても所定の条件を満たしたときにランキンサイクル３１を運転するもので、これら両方の条件が満たされた場合にランキンサイクル３１を運転する。図７Ａにおいては、エンジン２の暖機を優先する低水温側の領域と、コンプレッサ５２の負荷が増大する高外気温側の領域でランキンサイクル３１の運転を停止している。排気温度が低く回収効率が悪い暖機時は、むしろランキンサイクル３１を運転しないことで冷却水温度を速やかに上昇させる。高い冷房能力が要求される高外気温時はランキンサイクル３１を止めて、冷凍サイクル５１に十分な冷媒と凝縮器３８の冷却能力を提供する。図７Ｂにおいては、ハイブリッド車両であるので、ＥＶ走行領域と、膨張機３７のフリクションが増大する高回転速度側の領域でランキンサイクル３１の運転を停止している。膨張機３７は全ての回転速度でフリクションが少ない高効率な構造とすることが難しいことから、図７Ｂの場合では、運転頻度の高いエンジン回転速度域でフリクションが小さく高効率となるように、膨張機３７が構成（膨張機３７各部のディメンジョン等が設定）されている。
　ところで、統合サイクル３０においては、ランキンサイクル３１あるいは冷凍サイクル５１における冷媒（潤滑成分含む。）の偏りを防止するために、ポンプ上流弁６１及び逆止弁６４、エアコン回路弁６９を設けているが（図３参照）、ランキンサイクル３１が停止する時の冷媒の分布状態などによっては、これらを全て閉弁したからといって停止中（イグニッションオフ時）の偏在を完全に防止できる訳ではない。また、これらの弁を閉弁しない場合は、運転停止後にプラント（統合サイクル）全体の温度が低下していく過程で、冷媒の分布は様々に変化する可能性がある。特に、ランキンサイクル３１の運転を開始するためには、冷媒ポンプ３２の入口に十分な液相の冷媒が準備できていることが重要である。
　十分な液相の冷媒が準備されるとは、ランキンサイクル３１を運転させるのに必要な所定状態の冷媒が冷媒ポンプ３２の入口に存在する状態であり、具体的には、冷媒ポンプ３２の入口（又は凝縮器３８の出口）が、その場の圧力を考慮した沸点からの温度低下代（サブクール度）が所定以上となる温度になっていることである。
　そこで、ランキンサイクル３１の運転を開始する場合、運転開始前に以下に説明する始動時制御を行い、冷媒ポンプ３２の入口における冷媒不足を解消する。
　始動時制御は、車両のキーオン時に、エアコンの運転要求がなくても冷凍サイクル５１のコンプレッサ５２を所定の準備時間だけ運転させることによって、凝縮器３８から出た液相の冷媒を冷媒ポンプ３２の入口に優先的に供給する制御である。
　図９は、始動時制御の内容を示したフローチャートである。本制御は車両のキーオン時に開始され、各処理は、エンジンコントローラ７１によって所定の短い時間間隔で繰り返し実行される。また、本制御で使用される終了フラグ及びタイマは、いずれも車両のキーオフ時に０にリセットされる。
　まず、エンジンコントローラ７１は、終了フラグの値を判断する（Ｓ１）。車両のキーオン時に本制御が初めて実行される場合は、終了フラグは０であり、処理がＳ１からＳ２に進む。
　Ｓ２では、エンジンコントローラ７１は準備時間（コンプレッサ５２の駆動時間）を設定する。
　準備時間は、冷凍サイクル５１のコンプレッサ５２の駆動を開始してから、冷凍ポンプ３２の入口に十分な冷媒が準備されるまでに必要な時間である。具体的には、エアコン回路弁６９を備え、停止時にこれを閉じるとした場合、統合サイクルの運転中に生じ得る冷凍サイクル５１側への冷媒の偏在量（多少）を考慮して、冷凍ポンプ３２の入口に十分な冷媒が準備されるまでに必要な時間を基準時間とする。停止直前の偏在量を推定できるなら、推定値に基づき次回始動時の基準時間を設定するようにしてもよい。また、エアコン回路弁６９を備えないシステムの場合には、車両がキーオフされて十分長い時間が経った状態でコンプレッサ５２の駆動を開始した場合に、冷凍ポンプ３２の入口に十分な冷媒が準備されるまでに必要な時間を基準時間とし、基準時間に図１０に示すテーブルを参照して得られる補正係数を掛けた値が準備時間として設定することもできる。
　図１０に示すテーブルでは、補正係数は、前回車両がキーオフされた時から今回キーオンされた時までの時間（以下、「停止時間」という。）によって設定される。補正係数は、停止時間がゼロのときはゼロに設定され、停止時間が短い場合は１よりも大きな値に設定され、停止時間が十分に長い場合（例えば、エンジン２の冷却水が常温になるまでの時間以上）は１に設定される。
　これは、停止時間がゼロの場合は、冷媒の偏在が生じず、冷媒の偏在を解消するためにコンプレッサ５２を駆動する必要がないからである。
　また、停止時間が短い場合は、エンジン２の冷却水温度が高いので、熱交換器３６において冷媒が蒸発し、ランキンサイクル３１側の冷媒が冷凍サイクル５１側に移動して、冷媒の偏在が大きくなるからである。
　また、停止時間が十分に長い場合は、エンジン２の冷却水の温度低下に伴いランキンサイクル３１側の温度が下がり、冷凍サイクル５１側の冷媒の一部がランキンサイクル３１側に戻り、ある偏在状態に落ち着くからである。
　次に、エンジンコントローラ７１は、タイマが準備時間以上かを判断する（Ｓ３）。車両のキーオン時に本処理が初めて実行される場合は、タイマは０であり、処理がＳ３からＳ４に進む。
　Ｓ４では、エンジンコントローラ７１は、エアコン回路弁６９を閉じ、コンプレッサ５２の駆動を開始する。また、エンジンコントローラ７１は、タイマのカウントアップを開始する。エアコン回路弁６９を閉じた状態でコンプレッサ５２を駆動すると、エバポレータ５５から引き出され、あるいは凝縮器３８を押し出された液相の冷媒は、冷媒通路４４を通って冷媒ポンプ３２の入口に優先的に供給される。
　次に、エンジンコントローラ７１は、エアコンの運転要求があるかを判断する（Ｓ５）。エアコンの運転要求があるかは、例えば、エアコンのコントローラからの信号に基づき判断する。
　エンジンコントローラ７１は、エアコンの運転要求がある場合はブロアファンの運転を許可するが（Ｓ６）、ない場合はブロアファンの運転を禁止する（Ｓ７）。これは、エアコンの運転要求がない状況でブロアファンが運転されることによる乗員の不快感又は違和感を抑えるためである。
　エンジンコントローラ７１は、タイマが準備時間以上になるまでＳ１からＳ７の処理を繰り返し実行する。
　その後、タイマが準備時間以上になると、処理がＳ３からＳ８に進み、エンジンコントローラ７１は終了フラグに１をセットし、ランキンサイクル３１の運転を許可する。この状態では、冷媒ポンプ３２の入口に十分な液相の冷媒が準備されており、以後、ランキンサイクル３１の運転条件（図７Ａ及び図７Ｂ）が成立すれば、ランキンサイクル３１の運転が開始される。
　エンジンコントローラ７１は、その後、エアコン回路弁６９が開いているか判断し（Ｓ９）、エアコン回路弁６９が閉じている場合は、エアコンの運転要求ありになるのを待ってエアコン回路弁６９を開く（Ｓ１０、Ｓ１１）。
　続いて、第１実施形態の作用効果について説明する。
　第１実施形態では、ランキンサイクル３１の運転を開始する前に、エアコンを運転させる要求がなくても冷凍サイクル５１のコンプレッサ５２を駆動する始動時制御を行うようにした（Ｓ４）。コンプレッサ５２を駆動することによって、冷媒ポンプ３２の入口に冷媒が供給され、冷媒ポンプ３２の入口に十分な液相の冷媒を準備することができる。これによって、ランキンサイクル３１の起動を短時間のうちに確実に行うことが可能になり、また、冷媒には潤滑成分が含まれているので、冷媒ポンプ３２に潤滑も確保される。
　始動時制御においては、少なくともコンプレッサ５２を駆動している間はエアコン回路弁６９を閉じるようにした（Ｓ４）。これによって、凝縮器３８を出た冷媒は、図１１に矢印で示されるように、冷媒ポンプ３２の入口に優先的に供給されるようになり、エアコン回路弁６９を閉じない場合と比べてより短い時間で冷媒ポンプ３２の入口における冷媒不足を解消することができる。
　なお、始動時制御においてエアコン回路弁６９を閉じているが、エアコン回路弁６９の開度を所定以上減少させる（冷凍サイクルに向かう冷媒を抑制する）だけでもよく、その場合であっても凝縮器３８を出た冷媒が優先的に冷媒ポンプ３２の入口に供給され、上記効果が期待できる。
　また、ランキンサイクル３１のみを運転していると冷媒が冷凍サイクル５１側に徐々に移動し、ランキンサイクル３１において冷媒が不足してランキンサイクル３１の出力が低下する。しかしながら、エアコンを運転させるまで、すなわち、冷凍サイクル５１が運転するまでエアコン回路弁６９を閉弁（又は開度減少）させるようにしたので（Ｓ９～Ｓ１１）、冷凍サイクル５１側への冷媒の移動を抑え、ランキンサイクル３１の出力低下を抑えることができる。
　また、上記始動時制御に加え、エバポレータ５５を冷媒ポンプ３２よりも高い位置に配置し、さらに、凝縮器３８からエバポレータ５５までの冷媒通路（冷媒通路４４の一部及び冷媒通路５７）が冷媒ポンプ３２の入口よりも高い位置に配置されるようにした（図８）。この構成によれば、コンプレッサ５２を駆動した時に冷媒が冷媒ポンプ３２の入口に供給されやすくすることができる。
　また、冷媒ポンプ３２の入口に接続する冷媒通路４４は冷媒ポンプ３２の入口から上方に延びるとともに、冷媒ポンプ３２の入口にはランキンサイクル３１の停止中に閉弁されるポンプ上流弁６１を設けた（図８）。この構成によれば、コンプレッサ５２停止後もポンプ上流弁６１の上方に冷媒が残り、さらにコンプレッサ５２を駆動した時に冷媒が溜まり、これがランキンサイクル３１の運転開始時に冷媒ポンプ３２に供給されるので、冷媒ポンプ３２における冷媒不足及び潤滑不良をより一層抑えることができる。
　また、始動時制御においては、エアコンを運転させる要求がない時はエアコンのブロアファンを停止するようにした（Ｓ７）。これにより、エアコンを運転させる要求がないにもかかわらずブロアファンが運転することによる不快感又は違和感を抑えることができる。
　また、始動時制御におけるコンプレッサ５２の駆動時間（Ｓ２の準備時間）を、車両がキーオフされてから今回キーオンされるまでの時間（車両の停止時間）に応じて設定するようにした。ランキンサイクル３１における冷媒の偏在の度合いは車両の停止時間に応じて異なるので、コンプレッサ５２の駆動時間を車両の停止時間に応じて設定することによって、冷媒ポンプ３２の入口への冷媒の供給量が過剰になったり不足したりするのを防止することができる。
　尚、エバポレータ５５手前のエアコン回路弁６９を閉じた状態でコンプレッサ５２を作動させると、コンプレッサ吸入冷媒圧力が負圧になってしまう可能性があるので、コンプレッサ５２の駆動時間は短い時間にするのが望ましい。コンプレッサ吸入冷媒圧力が負圧になってしまう可能性があるときには、コンプレッサ５２の駆動を停止させるようにしてもよい。また、ブロワファンが停止された状態でコンプレッサ５２を駆動すると、エバポレータ５５で蒸発されない冷媒がコンプレッサ５２に吸入される可能性もあるので、そのような可能性があるときにも、コンプレッサ５２の駆動を停止させるようにしてもよい。また、コンプレッサ５２はエンジン２によって駆動されているので、コンプレッサ５２を一時的に駆動する際のエンジン回転速度が比較的高い回転速度であると、これらの問題が生じる可能性が高まるので、始動時制御として、エアコンを運転させる要求が無い時にコンプレッサ５２を駆動する場合は、コンプレッサ５２の回転速度が高いほど、コンプレッサ５２の駆動時間を短くするようにしてもよい。
　＜第２実施形態＞
　第２実施形態は、ランキンサイクル３１の構成は第１実施形態と同一であるが、エンジンコントローラ７１の制御内容が第１実施形態と相違する。具体的には、第２実施形態では、上記始動時制御に代えて後述する冷媒不足解消制御を行うことにより、ランキンサイクル３１を運転する場合に冷媒ポンプ３２の入口における液相の冷媒の不足が速やかに解消されるようにした。
　冷媒不足解消制御は、エアコンの運転要求がなくてもランキンサイクル３１の運転開始と同時に冷凍サイクル５１のコンプレッサ５２を所定の準備時間だけ駆動することによって、凝縮器３８から出た液相の冷媒を冷媒ポンプ３２の入口に優先的に供給する制御である。
　図１２は、冷媒不足解消制御の内容を示したフローチャートである。本制御は、ランキンサイクル３１の運転条件（図７Ａ及び図７Ｂ）が成立した場合に開始され、各処理は、エンジンコントローラ７１によって所定の短い時間間隔で繰り返し実行される。また、本制御で使用されるＲＣ運転済みフラグ及びタイマは、いずれも冷媒不足解消制御によって冷媒ポンプ３２の入口における液相の冷媒の不足が解消した時に０にリセットされる。
　まず、エンジンコントローラ７１は、ＲＣ運転済みフラグの値を判断する（Ｓ２１）。ＲＣ運転済みフラグは、車両のキーオン後にランキンサイクル３１が一度でも運転されている場合は１にセットされるフラグである。車両のキーオン後にランキンサイクル３１が初めて運転される場合は、ＲＣ運転済みフラグが０であり、処理がＳ２１からＳ２２に進む。
　Ｓ２２では、エンジンコントローラ７１は準備時間（コンプレッサ５２の駆動時間）を設定する。準備時間は、冷凍サイクル５１のコンプレッサ５２の駆動を開始してから冷凍ポンプ３２の入口における冷媒の不足が解消するまでに必要な時間である。準備時間は、図９のＳ２における処理と同様にランキンサイクルの運転を開始する前になされた車両の停止時間等に基づき設定される。ただし、第２実施形態ではランキンサイクル３１を運転させつつコンプレッサ５２を駆動するので、準備時間の設定に用いる基準時間及び補正係数は第１実施形態とは異なる値になる。
　Ｓ２３では、エンジンコントローラ７１は、タイマが準備時間以上かを判断する。車両のキーオン後にランキンサイクル３１が初めて運転される場合は、タイマは０であり、処理がＳ２３からＳ２４に進む。
　Ｓ２４では、エンジンコントローラ７１は、ランキンサイクル３１の運転を開始し、エアコン回路弁６９を閉じ、コンプレッサ５２の駆動を開始する。すなわち、ランキンサイクル３１の運転とコンプレッサ３２の駆動は同時に開始される。また、エンジンコントローラ７１は、タイマのカウントアップを開始する。
　エアコン回路弁６９を閉じた状態でコンプレッサ５２を駆動すると、エバポレータ５５から引き出され、あるいは凝縮器３８を押し出された液相の冷媒は、冷媒通路４４を通って冷媒ポンプ３２の入口に優先的に供給される。これにより、冷媒ポンプ３２の入口における冷媒の不足は速やかに解消へと向かう。
　なお、Ｓ２４ではエアコン回路弁６９を閉じているが、開度を所定以上減少させるだけであってもよい。その場合であっても、凝縮器３８を出た冷媒を優先的に冷媒ポンプ３２の入口に供給することができる。
　Ｓ２５では、エンジンコントローラ７１は、エアコンの運転要求があるかを判断する。エアコンの運転要求があるかは、例えば、エアコンのコントローラからの信号に基づき判断する。
　エンジンコントローラ７１は、エアコンの運転要求がある場合はブロアファンの運転を許可するが（Ｓ２６）、ない場合は乗員に不快感又は違和感を与えないようにブロアファンの運転を禁止する（Ｓ２７）。
　エンジンコントローラ７１は、タイマが準備時間以上になるまでＳ２１からＳ２７の処理を繰り返し実行する。
　その後、タイマが準備時間以上になると、処理がＳ２３からＳ２８に進み、エンジンコントローラ７１はＲＣ運転済みフラグに１をセットし、タイマをリセットする。
　ＲＣ運転済みフラグに１がセットされると、以後、処理がＳ２１からリターンに流れるようになり、冷媒不足解消制御によるコンプレッサ５２の駆動は行われない。これは、ランキンサイクル３１が一度でも運転すれば、冷媒ポンプ３２の入口における液相の冷媒の不足が解消するからである。
　以後、エアコンは、エアコンのコントローラによって別途制御され、エアコンの運転要求があれば、エアコン回路弁６９が開かれ、コンプレッサ５２が駆動される。
　続いて、第２実施形態の作用効果について説明する。
　第２実施形態では、ランキンサイクル３１を運転する場合に、エアコンを運転させる要求がなくても冷凍サイクル５１のコンプレッサ５２を駆動する冷媒不足解消制御を行うようにした（Ｓ２４）。ランキンサイクル３１の運転開始と同時にコンプレッサ５２の駆動を開始するので、冷媒ポンプ３２の入口における液相の冷媒の不足を速やかに解消することができる。
　冷媒ポンプ３２の入口において液相の冷媒が不足する時間は短時間であるので、液相の冷媒が不足することによるランキンサイクル３１の出力の低下及び冷媒ポンプ３２の潤滑不足が問題になることはない。
　その他の作用効果は第１実施形態の作用効果と同じであるので説明を省略する。
　なお、第２実施形態においても、第１実施形態と同様に、コンプレッサ５２を駆動することでコンプレッサ吸入冷媒圧力が負圧になる可能性があるとき、又は、ブロワファン停止中にエバポレータ５５で蒸発されない冷媒がコンプレッサ５２に吸入される可能性があるときは、コンプレッサ５２の駆動を停止させるようにしてもよい。また、コンプレッサ５２の回転速度が高いほど、コンプレッサ５２の駆動時間（Ｓ２２の準備時間）を短くするようにしてもよい。
　以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例を示したものであり、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
　例えば、上記実施形態では、車両のキーオン時でランキンサイクル３１の運転を開始する前にコンプレッサ５２の駆動を開始する（第１実施形態）、又は、ランキンサイクル３１の運転開始と同時にコンプレッサ５２の駆動を開始する（第２実施形態）が、コンプレッサ５２の駆動開始時期はこれに限定されない。
　例えば、冷媒ポンプ３２の入口において液相の冷媒が不足しているか判断し、不足していると判断された場合に、エアコンを運転させる要求がなくてもコンプレッサ５２を駆動するようにしてもよい。冷媒ポンプ３２の入口において液相の冷媒が不足しているかの判断は、例えば、ランキンサイクル３１の前回の運転停止からの経過時間に基づき判断することができ、この場合、ランキンサイクル３１が停止し続ける間は、定期的にコンプレッサ５２が駆動される。このような変形例も本発明の技術的範囲に含まれる。
　本願は日本国特許庁に２０１１年９月３０日に出願された特願２０１１－２１６７４７号に基づく優先権を主張し、この出願の全ての内容は参照により本明細書に組み込まれる。

Claims (12)

  1. 　冷媒を循環させる冷媒ポンプと、エンジンの廃熱を冷媒に回収する熱交換器と、冷媒を膨張させることによって冷媒に回収された廃熱を動力に変換する膨張機と、前記膨張機によって膨張した冷媒を凝縮させる凝縮器とを備え、前記凝縮器及び冷媒をエアコンの冷凍サイクルと共用するランキンサイクルであって、
    　前記凝縮器の出口に接続する冷媒通路は分岐点において分岐して前記冷媒ポンプ及び前記冷凍サイクルのエバポレータに接続し、
    　前記ランキンサイクルを運転する場合に、前記エアコンを運転させる要求がなくても前記冷凍サイクルのコンプレッサを駆動する制御部を備えた、
    ランキンサイクル。
  2. 　請求項１に記載のランキンサイクルであって、
    　前記制御部は、前記ランキンサイクルの運転を開始する前に、前記エアコンを運転させる要求がなくても前記冷凍サイクルのコンプレッサを駆動する、
    ランキンサイクル。
  3. 　請求項１又は２に記載のランキンサイクルであって、
    　前記分岐点と前記エバポレータとの間にはエアコン回路弁が設けられており、
    　前記制御部は、少なくとも前記コンプレッサを駆動している間は前記エアコン回路弁を閉じる、又は、前記エアコン回路弁の開度を減少させる、
    ランキンサイクル。
  4. 　請求項１から３のいずれか一つに記載のランキンサイクルであって、
    　前記制御部は、前記エアコン回路弁の閉弁又は開度減少を、前記エアコンを運転させる要求があるまで継続する、
    ランキンサイクル。
  5. 　請求項１から４のいずれか一つに記載のランキンサイクルであって、
    　前記エバポレータが前記冷媒ポンプよりも高い位置に配置される、
    ランキンサイクル。
  6. 　請求項１から５のいずれか一つに記載のランキンサイクルであって、
    　前記凝縮器から前記エバポレータまでの冷媒通路が前記冷媒ポンプの入口よりも高い位置に配置される、
    ランキンサイクル。
  7. 　請求項１から６のいずれか一つに記載のランキンサイクルであって、
    　前記冷媒ポンプの入口に接続する冷媒通路は前記冷媒ポンプの入口から上方に延びるとともに、前記冷媒ポンプの入口には前記ランキンサイクル停止中に閉弁されるポンプ上流弁が設けられる、
    ランキンサイクル。
  8. 　請求項１から７のいずれか一つに記載のランキンサイクルであって、
    　前記制御部は、前記エアコンを運転させる要求がない時に前記コンプレッサを駆動する場合は、前記エアコンのブロアファンを停止する、
    ランキンサイクル。
  9. 　請求項１から８のいずれか一つに記載のランキンサイクルであって、
    　前記制御部は、前記ランキンサイクルの運転を開始する前になされた前記車両の停止時間に応じて前記コンプレッサの駆動時間を設定する、
    ランキンサイクル。
  10. 　請求項１から９のいずれか一つに記載のランキンサイクルであって、
    　前記制御部は、前記エアコンを運転させる要求がない時に前記コンプレッサを駆動する場合は、前記コンプレッサの回転速度が高いほど、コンプレッサ駆動時間を短くする、
    ランキンサイクル。
  11. 　請求項１から９のいずれか一つに記載のランキンサイクルであって、
    　前記制御部は、前記エアコンを運転させる要求がない時に前記コンプレッサを駆動する場合に、コンプレッサ吸入冷媒圧力が負圧になってしまう可能性があるときには、前記コンプレッサの駆動を停止させる、
    ランキンサイクル。
  12. 　請求項８に記載のランキンサイクルであって、
    　ブロワファン停止中に、前記冷凍サイクルの蒸発器で蒸発されない冷媒が前記コンプレッサに吸入される可能性があるときには、前記コンプレッサの駆動を停止する、
    ランキンサイクル。
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