(57)【要約】【課題】ポンプ一体型膨張機を備えた排熱回生システムにあっては、高温の膨張機から熱がポンプに伝わりポンプの温度が上昇し、ポンプ入り口で冷媒が蒸発気化し、冷媒を昇圧して循環させることが不可能となり、排熱回生システムが動作不能となる問題点があった。さらに、排熱回生システムの運転を停止させると冷媒による冷却効果が無くなるため、容易にポンプ部の温度が上昇し、ポンプ一体型膨張機全体の温度が低下するまで排熱回生システムを再度、運転することができないという問題点もあった。【解決手段】この発明に係る排熱回生システムは、ポンプから吐出された冷媒の全てまたは一部が凝縮器に送られ冷却されポンプに循環するように構成したものである。【選択図】図１
2010174687.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒との熱交換によりエンジン冷却水を冷却する蒸発器と、前記蒸発器を経由し加熱された冷媒を膨張させて駆動力を発生する膨張機と、前記膨張機を経由する冷媒を冷却し凝縮させる凝縮器と、前記凝縮器を経由し冷却された冷媒を圧送するポンプとを備えた排熱回生システムにおいて、前記ポンプから送出された冷媒が前記凝縮器のみに流通可能となることを特徴とする排熱回生システム。
【請求項２】
前記ポンプから送出された冷媒が前記蒸発器または前記凝縮器のいずれかに流通するための切り替え制御可能な三方弁を設え、前記三方弁の切り替えにより冷媒が前記凝縮器のみに流通可能となることを特徴とする請求項１記載の排熱回生システム。
【請求項３】
前記切り替え制御はバイメタルを用いた温感スイッチによりなされることを特徴とする請求項２記載の排熱回生システム。
【請求項４】
前記切り替え制御は、前記ポンプの入り口の冷媒の圧力、温度、前記ポンプの筐体の温度、前記ポンプ筐体近傍の温度、前記ポンプを循環する冷媒の流量、または、前記ポンプの運転周波数のいずれか一つ以上の測定値に基づいてなされることを特徴とする請求項２記載の排熱回生システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、自動車等のエンジンにおける冷却水または排気ガスの排熱をランキンサイクルにより動力等として回生する排熱回生システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ランキンサイクルに用いられて、ランキンサイクル中の液冷媒を圧送する流体ポンプと、過熱蒸気冷媒の膨張によって機械的エネルギーを出力する膨張機とが一体的に形成された膨張機付き流体ポンプとして、膨張仕事を終えて膨張機出口側通路を流通する作動流体の熱がポンプ出口側通路を流通する作動流体に伝達することで、膨張機の流入側となる作動流体の過熱量を増加し、膨張機での膨張仕事を増加させることができるものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、圧縮機、膨張機、駆動モータ及び循環ポンプが一体的に設けられた複合流体機械において、断続切替え手段によって、ポンプは回転電機から切断されて、ポンプが回転電機の作動抵抗となるのを防止でき、更に、作動流体の膨張が充分に得られるものの、圧縮機の作動が不要な時は、膨張機の駆動力で回転電気を発電機として作動させて、発電することが可能となり、膨張エネルギーを電気エネルギーとして回生することができるものがある（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
さらに、作動流体（冷媒ともいう）が循環するランキンサイクルに設けられ、作動流体を昇圧するポンプと、作動流体を膨張させる膨張機と、モータとしてポンプを駆動すると共に発電機として膨張機の動力を利用して発電を行う負荷機とが連結して構成される一体ユニットであって、膨張機とポンプ（または、ポンプの入口側と出口側）との間に両者間の熱伝達を抑制する遮断壁が設けられたものがある（例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２６６２３８号公報（請求項１、第４−５頁）
【特許文献２】特開２００６−１２５３４０号公報（請求項１、第４頁）
【特許文献３】特開２００７−１３８７９７号公報（請求項１、第２−３頁）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前記特許文献１記載の排熱回生システムでは、膨張機の作動流体出口側となる膨張機出口側通路の一部を、ポンプの作動流体出口側となるポンプ出口側通路の一部の近傍に配置したことにより、膨張機の流入側となる作動流体の過熱量を増加させ、膨張機での膨張仕事を増加させる構造としているが、ポンプ側に熱が伝わりやすくなりポンプの温度が上昇することで、ポンプ入り口で液体冷媒（以下、単に冷媒と記載）が蒸発気化し、冷媒を昇圧して循環させることが困難となるためランキンサイクルが動作不能となる問題があった。
【０００７】
また、前記特許文献２記載の排熱回生システムでは、圧縮機が回転電機によって駆動される時に、回転電機とポンプとの接続状態を切断状態に切替え可能とする断続切替え手段が設けられたことにより、膨張機作動時の駆動力によって、ポンプの駆動が可能であり、ポンプ作動用の専用駆動源を不要とする構造としているが、上記特許文献１と比較し、冷媒の流量を制御することで、ポンプに循環して、その冷媒による冷却効果が得られるが、ランキンサイクルと並行して動作しているため、ポンプの温度上昇を効率的に抑えることができない。そのため、ポンプ入り口で冷媒が蒸発気化し、冷媒を昇圧して循環させることが困難となるためランキンサイクルが動作不能となる問題があった。
【０００８】
なお、排熱回生システムの運転動作中は、その冷媒による冷却効果が得られるが、冷媒循環量が減少した場合、特に運転を停止させると冷媒による冷却効果が無くなるため、ポンプ部の温度が上昇し、ポンプ一体型膨張機全体の温度が低下するまで数時間以上もランキンサイクルを再度、動作させることができないという問題もあった。
【０００９】
また、前記特許文献３記載の排熱回生システムでは、膨張機とポンプとの間には遮断壁が設けられ、遮断壁を介して、膨張機によって膨張された作動流体と、ポンプの内部の作動流体とが区画され、一体ユニットの内部において、ポンプによって昇圧された作動流体と膨張機によって膨張された作動流体とが熱交換を行うことにより、別途熱交換器を設ける必要がなく、コンパクトな構造をもつランキンサイクルを提供しているが、上記特許文献同様、ポンプの温度上昇を効率的に抑えることができないため、ポンプ入り口で冷媒が蒸発気化し、冷媒を昇圧して循環させることが困難となるためランキンサイクルが動作不能となる問題があった。
【００１０】
この発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、ポンプ一体型膨張機のポンプの温度上昇を防止できるとともに、ポンプ温度が上昇した場合には、速やかに（例えば、数分程度で）冷却することができ、再起動も含めて常に安定して運転可能な排熱回生システムを得ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明に係る排熱回生システムは、冷媒との熱交換によりエンジン冷却水を冷却する蒸発器と、前記蒸発器を経由し加熱された冷媒を膨張させて駆動力を発生する膨張機と、前記膨張機を経由する冷媒を冷却し凝縮させる凝縮器と、前記凝縮器を経由し冷却された冷媒を圧送するポンプとを備えた排熱回生システムで、前記ポンプから送出された冷媒が前記凝縮器のみに流通可能としたものである。
【発明の効果】
【００１２】
この発明によれば、ポンプと膨張機の筐体が一体化された排熱回生システムにおいて、ポンプから吐出された冷媒の少なくとも一部が凝縮器に送られ、冷却されポンプに循環するように構成されているので、ポンプ一体型膨張機のポンプの温度上昇を防止できるとともに、ポンプ温度が上昇した場合には、速やかに冷却することができ、再起動も含めて安定した動作が行えるランキンシステムを提供するものである。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】この発明の実施の形態１における排熱回生システムの一例を示す構成図である。
【図２】この発明の実施の形態１における排熱回生システムの他の一例を示す構成図である。
【図３】この発明の実施の形態１における排熱回生システムの温度センサー等を用いた場合の他の一例を示す構成図である。
【図４】この発明の実施の形態１における排熱回生システムの流量センサー等を用いた場合の他の一例を示す構成図である。
【図５】この発明の実施の形態１における排熱回生システムのシステム制御フローを示すフロー図である。
【図６】この発明の実施の形態１における排熱回生システムにおける膨張機とポンプを示す構成図である。
【図７】この発明の実施の形態２における排熱回生システムを示す構成図である。
【図８ａ】この発明の実施の形態２におけるポンプ内の流路の概略を示す正面図である。
【図８ｂ】この発明の実施の形態２におけるポンプ内の流路の概略を示す側面図である。
【図９】冷媒にＲ１３４ａを用いた場合のモリエル線図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における排熱回生システムを示す構成図である。エンジン１は自動車走行用駆動力を発生させる内燃機関である。エンジン１により加熱されたエンジン冷却水は戻り冷却水回路２ａを通り蒸発器３で冷却され、行き冷却水回路２ｂ通り再びエンジン１の冷却に利用される。
【００１５】
ランキンサイクル４は、冷媒によりエンジン冷却水を冷却するための蒸発器３と、高温高圧の蒸気となった冷媒を膨張する膨張機５と、膨張された冷媒を冷却し凝縮する凝縮器６と、膨張機５と出力軸７により連結されたポンプ８と、冷媒の流路を切り替える三方弁９と、蒸発器３と膨張機５とを接続する第一配管２１と、膨張機５と凝縮器６とを接続する第二配管２２及び第三配管２３と、凝縮器６とポンプ８とを接続する第四配管２４と、ポンプ８と三方弁９及び三方弁９と蒸発器３とをそれぞれ接続する第五配管２５及び第六配管２６とから構成されるが、三方弁９は各配管と同様ランキンサイクル４を動作させるための構成要素ではあるが、ランキンサイクル４には直接関係していない。なお、膨張機５とポンプ８は筐体１０で一体化し、軸７を介してモータージェネレーター４１と接続されている。
【００１６】
次に通常時のランキンサイクル４の動作について説明する。ランキンサイクル４内には、例えば、Ｒ１３４ａのような冷媒が充填されている。エンジン１により通常９０℃〜１００℃程度にまで加熱されたエンジン冷却水は戻り冷却水回路２ａを通り蒸発器３で冷却される。この過程で冷媒は加熱され約９０℃の高温高圧の蒸気となる。高温高圧の蒸気となった冷媒は第一配管２１を通り、膨張機５に送られ、膨張機５で膨張する過程で動力を発生する。ここで得られた動力は自動車の駆動用や発電などに利用される。
【００１７】
膨張後に約６０℃の蒸気となった冷媒は第二配管２２及び第三配管２３を通り、自動車走行時の走行風やファン等による冷却機能を有する凝縮器６に送られ、凝縮器６で冷却され凝縮し、約３０℃の液体となり、第四配管２４を通りポンプ８に送られる。
【００１８】
液体状態の冷媒はポンプ８により昇圧され、三方弁９を介して接続された第五配管２５及び第六配管２６を通って蒸発器３に送られる。蒸発器３に送られた冷媒はエンジン１により通常９０℃〜１００℃程度にまで加熱されたエンジン冷却水を冷却するとともに自身は約９０℃の高温高圧の蒸気となり、エンジン冷却水は行き冷却水回路２ｂ通り再びエンジン１の冷却に利用されるとともに、冷媒は上記過程を繰り返し、ランキンサイクル４を継続動作させる。
【００１９】
このようなランキンサイクル４の過程において、膨張機５で発生した動力の一部は出力軸７により連結されたポンプ８の駆動に利用され、残る動力は出力軸７により外部に取り出される。その結果、エンジン駆動の補助や発電などに利用されて自動車の燃費が向上する等、エネルギー効率の改善につながる。
【００２０】
次に、ポンプ８部の温度が上昇し、ポンプ８の入り口で冷媒が蒸発気化し冷媒を昇圧して循環させることが困難となり、ランキンサイクル４が動作不能時の動作について説明する。この発明の実施の形態１では、ポンプ８と蒸発器３を連結する第五配管２５と第六配管２６との間に三方弁９を備えている。三方弁９は、ポンプ８と蒸発器３または凝縮器６のいずれか一方に流通可能となるような切替機能を有する形で設けられ、ポンプ８から吐出された冷媒が蒸発器３または凝縮器６のいずれか一方に流れるような構成としている。
【００２１】
このような構成によれば、三方弁９によりポンプ８から吐出された冷媒が蒸発器３に流通可能となるように切り替えられた場合、すなわち、上記通常時の動作状態では、エンジン１からの排熱によりランキンサイクル４を動作させ、動力を発生させることでエンジン駆動の補助や発電などに利用し自動車の燃費が向上する等エネルギー効率の改善につながる。
【００２２】
代わって、エンジン１の出力が低下すると、エンジン冷却水の排熱が減少し、その結果、冷媒の循環量も減少して蒸発器３での熱交換量も減少する。ランキンサイクル４は熱交換量の減少に対応しては運転されるが、このような現象が進むと、循環する冷媒による冷却効果の低減によりポンプ８の温度が上昇し、ポンプ８入り口で冷媒が蒸発気化し、冷媒の循環と昇圧が不可能となり、ランキンサイクル４が動作不能となる。
【００２３】
このような場合、三方弁９をポンプ８と接続された第五配管２５と凝縮器６と接続された第七配管２７及び第三配管２３が流通するように切り替えて、ポンプ８から吐出された冷媒が全て凝縮器６に送られることにより、冷媒は蒸発器３で加熱される工程を経ずに効率よく凝縮器６で冷却されてポンプ８に戻るとともに、さらに加えて、蒸発器３には冷媒が送られないため膨張機５には高温の冷媒が循環してくることが無い。そのため、膨張機５の加熱の影響によるポンプ８の温度上昇も無く、ポンプ８は非常に効率良く冷却される。この場合、ランキンサイクル４による動力は得られないため、ポンプ８は出力軸７に連結されたモータージェネレーター４１などにより駆動される。
【００２４】
このようにポンプ８部の温度が上昇し、ポンプ８の入り口で冷媒が蒸発気化し冷媒を昇圧して循環させることが困難となり、ランキンサイクル４が動作不能となった場合に、三方弁９を切り替えて運転することにより、効率良くポンプ８を冷却することで、短時間でポンプ８の運転動作が可能となり、ランキンサイクル４を長時間安定して動作させることが可能となり、自動車の燃費が向上する等、更なるエネルギー効率の改善につながる。
【００２５】
さらに、例えばエンジン１が停止し、それに対応してランキンサイクル４も動作停止し、ポンプ８の温度が上昇した場合が想定されるが、このような場合においても、三方弁９を切り替えてポンプ８から吐出された冷媒が凝縮器６に流通可能なようにすることで、効率よく冷却された冷媒がポンプ８を循環するため、速やかに（通常、数分程度）ポンプ８近傍は冷却され、その後、エンジン１を再起動したときに、三方弁９によりポンプ８から吐出された冷媒が蒸発器３に流通可能となるように切り替えることにより、エンジン１の始動時からランキンサイクル４が停止するような状況が回避され、効率よくランキンサイクル４を動作させることが可能となる。
【００２６】
ここでの、三方弁９の切り替え制御は、ポンプ８の入り口の冷媒の圧力または温度、ポンプ８の筐体または近傍の温度、あるいは冷媒の流量またはポンプの運転周波数等を計測するセンサーを設け、ランキンサイクル４の動作停止とこれらの関係の相関をとることで容易に実施可能である。図３は、ポンプ８の入り口近傍の冷媒の温度を測定する温度センサー５１と同位置に接続する第四配管２４の圧力を測定する圧力センサー５２を設置した場合のこの発明の実施の形態１における排熱回生システムを示す構成図である。図３において、温度センサー５１としては、例えばサーミスタあるいは熱電対を、圧力センサー５２としては例えば抵抗ひずみゲージ式圧力センサーなどが考えられる。
【００２７】
図５は、温度センサー５１と圧力センサー５２によるポンプ８の入り口近傍の冷媒の圧力Ｐと温度ＴＰの測定値を用いたシステム動作のフロー図を示す。以下、図５を用いてシステム制御の具体的一例を説明する。
【００２８】
先ず、温度センサー５１と圧力センサー５２によりポンプ８の入り口近傍の冷媒の温度ＴＰと圧力Ｐとを測定する。使用冷媒の圧力Ｐにおける飽和蒸気温度ＴＬを算定する。ＴＬ−ＴＰがあらかじめ設定した温度差△ＴＳＥＴ以上の値である場合、三方弁９は第五配管２５と第六配管２６が流通可能に切り替え、エンジン１を始動し運転を開始するとともに、ランキンサイクル４を動作させて、膨張機５により動力を発生する。
【００２９】
一方、ポンプ８の入り口近傍の冷媒の温度ＴＰが上昇し、ＴＬ−ＴＰがあらかじめ設定した温度差△ＴＳＥＴより小さい値である場合、三方弁９をポンプ８と接続された第五配管２５と凝縮器６と接続された第七配管２７及び第三配管２３が流通可能となるように切り替えて、ポンプ８から吐出された冷媒が全て凝縮器６に送られる状態にする。この場合、冷媒は蒸発器３で加熱される工程を経ずに効率よく凝縮器６で冷却されてポンプ８に戻るとともに、蒸発器３には冷媒が送られないため膨張機５には高温の冷媒が循環してくることが無い。
【００３０】
そのため、膨張機５の加熱の影響によるポンプ８の温度上昇も無く、ポンプ８は非常に効率良く冷却される。この場合、ランキンサイクル４による動力は得られないため、ポンプ８は出力軸７に連結されたモータージェネレーター４１などにより駆動される。その後、温度センサー５１と圧力センサー５２によるポンプ８の入り口近傍の冷媒の温度ＴＰと圧力Ｐとの測定を所定間隔で繰り返し、ＴＬ−ＴＰがあらかじめ設定した温度差△ＴＳＥＴ以上の値となると、エンジン１を始動、運転する。
【００３１】
また、エンジン１とランキンサイクル４が運転動作中も、温度センサー５１と圧力センサー５２によるポンプ８の入り口近傍の冷媒の温度ＴＰと圧力Ｐとの測定を所定間隔で繰り返し、ＴＬ−ＴＰがあらかじめ設定した温度差△ＴＳＥＴより小さい値となった場合、三方弁９をポンプ８と接続された第五配管２５と凝縮器６と接続された第七配管２７及び第三配管２３が流通するように切り替えて、ポンプ８から吐出された冷媒が全て凝縮器６に送られる状態にする。この場合、冷媒は蒸発器３で加熱される工程を経ずに効率よく凝縮器６で冷却されてポンプ８に戻るとともに、蒸発器３には冷媒が送られないため膨張機５には高温の冷媒が循環してくることが無い。
【００３２】
そのため、膨張機５の加熱の影響によるポンプ８の温度上昇も無く、ポンプ８は非常に効率良く冷却される。再びＴＬ−ＴＰがあらかじめ設定した温度差△ＴＳＥＴ以上の値になると、三方弁９は第五配管２５と第六配管２６が流通可能に切り替え、再びエンジン１とランキンサイクル４は通常の運転動作を継続する。ここで、△ＴＳＥＴは理論上０℃以上で、可能な限り小さい方が高いランキンサイクル効率を得ることができるが、安定動作のため通常５℃程度に設定される。
【００３３】
なお、短時間で切り替える設定をとり、蒸発器３には冷媒が送られない時間を短時間にする方がエンジン冷却水の上昇する時間を短時間に抑えることが可能であり、エンジン１への負担も少ない。なお、このようなシステム制御を行うことにより、エンジン冷却水の温度に多少の揺らぎが生じることが想定されるが、安全な温度内での制御を行うことにより、特にエンジン１に影響を与えることにはならないことは言うまでもない。
【００３４】
以上の説明では、冷媒の圧力と温度に基づく三方弁９の切り替え制御例を示したが、図４で示すように冷媒の流量とポンプ８の運転周波数をそれぞれ流量センサー５３及び周波数センサー５４で計測し、これらの値に基づき切り替え制御を行うことも可能である。図４において、流量センサー５３は第五配管２５の任意の位置に設置され、第五配管２５内を流れる冷媒の流量を測定する。周波数センサー５４はポンプ８に連結される出力軸７の単位時間当たりの回転数を検出する。
【００３５】
通常、ポンプ８には、ベーン式ポンプ、トロコイド式ポンプ及びギアー式ポンプなどの容積型のポンプが用いられるため、その運転周波数から冷媒流量は一意的に算定可能である。流量センサー５３により計測された流量Ｑと、周波数センサー５４により計測された周波数から算定される流量Ｑ０との誤差（Ｑ０−Ｑ）／Ｑ０より、あらかじめ設定した流量誤差△ＱＳＥＴより大きな値となる場合に、ポンプ８が高温になったと判断し、前記の冷媒の圧力と温度に基づく三方弁９の切り替え制御でＴＬ−ＴＰがあらかじめ設定した温度差△ＴＳＥＴより小さな値となった場合と同様に判断し、図５に示すフローと同様に運転することが可能となる。その他のシステム制御の方法は、前記の冷媒の圧力と温度に基づくシステム制御の方法と同様であるため、説明を省略する。ここで、△ＱＳＥＴは、通常０．０５程度より大きな値に設定される。
【００３６】
図９は、冷媒にＲ１３４ａを用いた場合のモリエル線図を示す。図９において、圧力と温度がわかると、そのときの冷媒の３つの状態、すなわち液体状、気体状、または液体と気体が混合した状態のどの状態であるかを判定することが可能となる。前記図５で示した冷媒の圧力と温度に基づくシステム制御の方法において、例えば冷媒にＲ１３４ａを用いた場合の圧力Ｐ、ポンプ８の入り口近傍の冷媒の温度ＴＰ及び圧力Ｐにおける飽和蒸気温度ＴＬの関係は、図９を用いれば、具体的な冷媒（ここでは、Ｒ１３４ａ）に対応して図中に示すような関係であることが容易に判断できる。
【００３７】
一般的なシステム制御の方法では、冷媒が気体の状態あるいは液体と気体が混合した状態であると判断されると、ポンプ８が高温であると判断することができる。また、たとえ冷媒の状態が液体状の状態であっても、ポンプ８が高温と判断されるまでの尤度、すなわち、ポンプ８で冷媒が蒸発気化する温度までの尤度を計測値との差を評価することで可能となる。そこで、あらかじめ設定した温度に達した時点で、前もってポンプ８を冷却することにより、常に安定してランキンサイクル４を動作運転することが可能となる。
【００３８】
また、ポンプ８は、前記説明のとおり、その特性から運転周波数に基づき一意的に、流量を算定評価することができる。正常にランキンサイクル４が運転される場合には、運転周波数から算定された流量とランキンサイクル４を循環する冷媒流量の測定値とは、ほぼ一致するため、あらかじめ設定した両者の流量差設定値以上になった場合に、ポンプ８が高温となったと判断して、ポンプ８を冷却することが可能となり、安定してランキンサイクル４を動作運転することが可能となる。
【００３９】
なお、上記示したポンプ８の入り口近傍の冷媒の温度等、それらの値を直接計測することが困難な場合であっても、ラジエータ温度と流体温度の相関関係等を利用して、いわゆる当業者であれば容易に知りえる。また、センサーをどの位置に設けるかは設計上の問題であり、エンジン構造等により異なることは言うまでも無い。
【００４０】
この発明の実施の形態１に係る発明では、三方弁の切り替えで冷媒を凝縮器に流し、ポンプと凝縮器を冷媒が循環するようにしたことで、直接的にポンプを冷却するような構造としているため、著しいポンプの冷却効果を発揮させることができる。これによりポンプは通常１分以内の短時間で冷却可能であり、そのため、これらのセンサーによる計測値をもとに制御を行った場合であっても、瞬時に対応可能となり、ピストンなどの焼き付き等によるエンジン破損を起こさない。
【００４１】
また、上記センサーを用いた三方弁９の切り替え制御を行うまでも無く、あらかじめ設定しておいた温度で切り替え可能となるようなバイメタルを用いた温感スイッチを用いることでも同様な効果を有する。
【００４２】
なお、従来例との比較において、例えば、特許文献２に係る発明では、ポンプの温度が上昇した場合に、ポンプを冷却するため、冷媒回路を切り替えてポンプと一体となっている膨張機を逆回転させて、冷凍サイクルを動作させ、低温の冷媒を膨張機に循環させることで、その一体となっている筐体全体を冷却し、間接的にポンプを冷却するようにしているため、ポンプの冷却に長時間を要する。
【００４３】
そのため、この発明の実施の形態１に示す位置に三方弁を設けることは困難であり、仮に設けた場合には、冷媒流路を切り替え冷媒が蒸発器に流れなくなり、長時間エンジンからの排熱を蒸発器で放熱することができなくなるため、ピストンなどの焼き付き等によるエンジン破損の原因となる。
【００４４】
この発明の実施の形態１に係る発明では、三方弁の切り替えで冷媒を凝縮器に流すようにし、ポンプと凝縮器を冷媒が循環するようにしたことで、直接的にポンプを冷却するように構成しているため、著しいポンプの冷却効果を発揮させることができ、これによりポンプは通常1分以内の短時間で冷却可能で、ピストンなどの焼き付き等によるエンジン破損も発生せず、切替を短時間で制御することができ、安定してランキンサイクルを動作させることが可能である。
【００４５】
以上からも明らかなように前記従来例に係る発明とこの発明の実施の形態１に係る発明とでは技術的思想の異なる別発明であり、発明の奏する効果も著しく異なる。
【００４６】
また、三方弁９の代わりに、同位置に第六配管２６と第七配管２７との双方の流量を調整する流量調整弁を設けることで、状況に応じて各配管を流れる冷媒を適切に調整することで同様な効果が得られる。
【００４７】
なお、図１では、ランキンサイクル４による動力が得られず、ポンプ８が動作しない場合、出力軸７に連結されたモータージェネレーター４１によりポンプ８を駆動する構成を示したが、図２で示すように、モータージェネレーター４１の代わりに出力軸７に設けられた第一プーリー４２と、エンジン１のエンジン出力軸４３に設けられた第二プーリー４４とをベルト４５を介して接続し、連結されたエンジン１によりポンプ８を駆動する構成としてもよい。
【００４８】
また、図１では、膨張機５とポンプ８とが出力軸７で直結され、膨張機５とポンプ８が同時に運転される場合について示した（なお、三方弁９を切り替えてポンプ８から吐出された冷媒が凝縮器６に流通可能なようにした場合、ランキンサイクル４には冷媒が流通しないため、膨張機５が動作していても、膨張機５を冷媒は流通しない。）が、図６に示すように、膨張機５とポンプ８が連結器１２を介して接続されても良い。この場合には、膨張機５を切り離しポンプ８のみの運転が可能となるため、より少ない動力で冷媒をポンプ８と凝縮器６の間を循環することが可能となり、更なるエネルギー効率の改善につながる。
【００４９】
実施の形態２．
図７は、この発明の実施の形態２における排熱回生システムを示す構成図である。ランキンサイクル４の構成及び動作等は、前記実施の形態１と同様であるため説明を省略する。
【００５０】
図７において、ポンプ８は凝縮器６に対して相対的に最下部近傍、ここで最下部近傍とは、具体的には凝縮器６の高さ方向全体の下方１／３から下を指す、となるように設置され、凝縮器６とポンプ８とを連通するための第八配管２８は、ポンプ８を内包する筐体１０内においてポンプ８の下方に接続され、流量調整弁１３を介して第九配管２９に接続されている。第九配管２９は凝縮器６の上部、ここで上部とは、具体的には凝縮器６の高さ方向全体の上方１／３から上を指す、及び第二配管２２に接続するように構成している。なお、ポンプ８と蒸発器３との間には、冷媒を圧送するための第十配管３０が設けられている。
【００５１】
図８ａは、この発明の実施の形態２におけるポンプ内の流路の概略を示す正面図である。また、図８ｂは、には、この発明の実施の形態２におけるポンプ内の流路の概略を示す側面図である。図８ａ及び図８ｂは、この発明の実施の形態２におけるポンプ８の一例として、トロコイド型ポンプを示したものである。図８ａ及び図８ｂにおいて、第四配管２４に接続される筐体１０内部の第四流路２４ａには、第八配管２８に接続される第八流路２８ａが分岐して設けられ、筐体１０内部を下方から上方に一方向に冷媒が流通可能なように構成されている。
【００５２】
このような構成をとる実施の形態２における排熱回生システムでは、ランキンサイクル４が動作中は、流量調整弁１３を閉止し、エンジン１からの排熱により駆動されるランキンサイクル４により、膨張機５で動力を発生することで自動車の燃費が向上する。
【００５３】
一方、ランキンサイクル４が停止した場合には流量調整弁１３を開く。ポンプ８が高温になると、ポンプ８近傍の筐体１０内部の冷媒が蒸発気化し、筐体１０内部に位置する第四流路２４ａ内で蒸発気化した冷媒は、液体と気体の密度差により第四流路２４ａから分岐して設けられた第八流路２８ａ流通し、第八配管２８に送られる。そのため、冷媒は凝縮器６に流れて冷却液化し、再びポンプ８に戻り自然循環する。この発明の実施の形態２における排熱回生システムでは、外部に動力源を持たなくてもポンプ８近傍とポンプ８を効率良く冷却することができる。よって、ランキンサイクル４の再起動時には、ポンプ８の運転動作が可能であり、安定して排熱回生システムを動作させることができる。
【００５４】
また、この発明の実施の形態２では、外部に動力源を持たなくてもポンプ８近傍とポンプ８を効率良く冷却することができる方法について述べてきたが、第八配管２８または第九配管２９の任意の場所に新たに第二ポンプ１４を設け、流量調整弁１３と連動する形で動作させることで、ランキンサイクル４の運転・停止に関わらず、安定した冷却効果が得られる。
【００５５】
なお、このような構成をとった場合、流量調整弁１３を除去した場合でも、第二ポンプ１４の動作状態を制御することにより、例えば、第二ポンプ１４の停止時は、第二ポンプ１４自身が抵抗となり、冷媒がほとんど流れず、第二ポンプ１４の最大能力で動作させた場合には冷媒を最大限流すことができ、第二ポンプ１４の能力を制御することで冷媒の流量を制御できる。このため、上記記載の実施の形態２における排熱回生システムと同様な効果が得られる。
【符号の説明】
【００５６】
１  エンジン、２ａ  戻り冷却水回路、２ｂ  行き冷却水回路、３  蒸発器、４  ランキンサイクル、５  膨張機、６  凝縮器、７  出力軸、８  ポンプ、９  三方弁、１０  筐体、１２  連結器、１３  流量調整弁、１４  第二ポンプ、２１  第一配管、２２  第二配管、２３  第三配管、２４第四配管、２４ａ  第四流路、２５  第五配管、２６  第六配管、２７  第七配管、２８  第八配管、２８ａ  第八流路、２９  第九配管、３０  第十配管、４１  モータージェネレーター、４２  第一プーリー、４３  エンジン出力軸、４４  第二プーリー、４５  ベルト、５１  温度センサー、５２  圧力センサー、５３  流量センサー、５４  周波数センサー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図９】
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