(57)【要約】【課題】エンジンの冷却水を暖めるランキンサイクルシステムを提供する。【解決手段】冷媒を循環させる冷媒ポンプ３２と、エンジン２の廃熱を冷媒に回収する熱交換器３６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３７と、膨張機３７によって膨張した冷媒を凝縮させる凝縮器３８とを備えるランキンサイクル３１と、冷媒を循環させるコンプレッサ５２と、冷媒を蒸発させる蒸発器５５とを備え、凝縮器３８及び冷媒を共用する冷凍サイクル５１とを備えるランキンサイクルシステム３０であって、冷凍サイクル５１は、エンジン２が冷機状態から始動する場合に、コンプレッサ５２を駆動し、蒸発器５５によって吸熱して冷媒を加熱し、ランキンサイクル３１は、エンジン２が冷機状態から始動する場合に、蒸発器５５によって吸熱した冷媒の熱によって熱交換器３６でエンジン２の冷却水を暖める。【選択図】図１
2014238007.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を循環させる冷媒ポンプと、エンジンの廃熱を前記冷媒に回収する熱交換器と、前記冷媒を膨張させることによって前記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前記冷媒を凝縮させる凝縮器とを備えるランキンサイクルと、
前記冷媒を循環させるコンプレッサと、前記冷媒を蒸発させる蒸発器とを備え、前記凝縮器及び前記冷媒を共用する冷凍サイクルとを備えるランキンサイクルシステムであって、
前記冷凍サイクルは、
前記エンジンが冷機状態から始動する場合に、前記コンプレッサを駆動し、前記蒸発器によって吸熱して前記冷媒を加熱し、
前記ランキンサイクルは、
前記エンジンが前記冷機状態から始動する場合に、前記蒸発器によって吸熱した前記冷媒によって前記熱交換器で前記エンジンの冷却水を暖めることを特徴とするランキンサイクルシステム。
【請求項２】
前記エンジンが前記冷機状態から始動し、前記コンプレッサが駆動される場合に、前記凝縮器への前記冷媒の流入を防止する流入防止手段を備えることを特徴とする請求項１に記載のランキンサイクルシステム。
【請求項３】
前記冷媒ポンプをバイパスするバイパス通路と、
前記エンジンが前記冷機状態から始動する場合に、前記冷媒を前記バイパス通路に流入させる流入手段とを備えることを特徴とする請求項１または２に記載のランキンサイクルシステム。
【請求項４】
前記冷凍サイクルは、ランキンサイクルシステムが搭載された車両の車室内の空気を暖める温調制御手段を備え、
前記温調制御手段は、前記エンジンが前記冷機状態から始動し、前記車室の暖機または温調要求がある場合に、内気循環モードで前記空気を暖めることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載のランキンサイクルシステム。
【請求項５】
前記コンプレッサは、前記エンジンの回転が伝達されて駆動することを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載のランキンサイクルシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はランキンサイクルシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、暖房機能を向上するために、コンデンサ内の冷媒をホットガス冷媒回路に補給するものが、特許文献１に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平５−２７２８１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上記の発明では、エンジンの冷却水の温度が低い場合に、エンジンの冷却水を暖める点については考慮されておらず、エンジンの冷却水の温度が低い場合にコンデンサ内の冷媒を用いてエンジンの冷却水を暖めることができない、といった問題点がある。
【０００５】
本発明はこのような問題点を解決するために発明されたもので、エンジンの冷却水を冷凍サイクルの冷媒によって暖めることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のある態様に係るランキンサイクルシステムは、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ランキンサイクルと、冷媒を循環させるコンプレッサと、冷媒を蒸発させる蒸発器とを備え、凝縮器及び冷媒を共用する冷凍サイクルとを備えるランキンサイクルシステムである。冷凍サイクルは、エンジンが冷機状態から始動する場合に、コンプレッサを駆動し、蒸発器によって吸熱して冷媒を加熱する。ランキンサイクルは、エンジンが冷機状態から始動する場合に、蒸発器によって吸熱した冷媒によって熱交換器でエンジンの冷却水を暖める。
【発明の効果】
【０００７】
この態様によると、エンジンが冷機状態から始動する場合に、冷凍サイクルのコンプレッサを駆動することで、冷凍サイクルの冷媒によってエンジンの冷却水を暖めることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の第１実施形態の統合サイクルの概略構成図である。
【図２Ａ】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】冷媒ポンプの概略断面図である。
【図２Ｃ】膨張機の概略断面図である。
【図３】冷媒系バルブの機能を示す概略図である。
【図４】ハイブリッド車両の概略構成図である。
【図５】エンジンの概略斜視図である。
【図６】排気管の配置を車両の下方から見た概略図である。
【図７Ａ】ランキンサイクル運転域の特性図である。
【図７Ｂ】ランキンサイクル運転域の特性図である。
【図８】本発明の第２実施形態の統合サイクルの概略構成図である。
【図９】本発明の第３実施形態の統合サイクルの概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
【００１０】
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を統合したランキンサイクルシステムのことを、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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。さらに冷却水通路１３を流れる冷却水の一部はヒータコア２８を通る冷却水通路２７に流れる。冷却水通路２７には電磁弁である冷却水弁２９が設けられている。ヒータコア２８を通った冷却水は、ラジエータ１１の下流でラジエータ１１を通った冷却水と合流する。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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良いし、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良い。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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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、本実施形態の冷媒ポンプ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）。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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、ヒータコア２８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。
【００３３】
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２８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。
【００３４】
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。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には、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下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。また、冷却水通路２７に冷却水弁２９を設けている。
【００３５】
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。
【００３６】
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）。
【００３７】
上記４つの開閉弁６１、６２、６６、６９及び逆止弁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。
【００３８】
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、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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
一方、冷却水弁２９は、冷却水系バルブである。乗員の暖房または温調要求に応じて冷却水弁２９の開度がエンジンコントローラ７１によって制御される。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。なお、ランキンサイクル３１を運転しない（運転停止）とは、ランキンサイクル３１を運転している場合の冷媒の流れ方向とは逆方向に冷媒が流れている状態を含む。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。
【００４７】
次に本実施形態の作用について説明する。
【００４８】
低外気温であり、エンジン２の冷却水の温度が低くなっている冷機状態からエンジン２を始動する場合には、エンジン２の始動後にランキンサイクル３１を運転せずにコンプレッサ５２を駆動させる。コンプレッサ５２の駆動により冷媒はエバポレータ５５によって吸熱し、さらにエンジン２によってコンプレッサ５２を駆動させる際に発生する熱を吸熱し、温度が高くなる。温度が高くなった冷媒は、冷媒ポンプ３２が停止しているランキンサイクル３１内を、ランキンサイクル３１の運転時とは逆方向に流れ、熱交換器３６でエンジン２の冷却水を暖める。具体的には、冷媒は、冷媒通路５６、冷媒通路４３、膨張機バイパス通路６５、冷媒通路４２を通って熱交換器３６に流入する。冷媒の熱は熱交換器３６によって冷却水に伝えられ、冷却水の温度が高くなる。冷却水への伝熱により温度が低くなった冷媒は、熱交換器３６から排出され、冷媒通路４１、冷媒ポンプ３２、冷媒通路４４、冷媒通路５７、エバポレータ５５、冷媒通路５８を通ってコンプレッサ５２に流入する。このようにして冷媒は、冷凍サイクル５１、ランキンサイクル３１を循環する。なお、膨張機クラッチ３５は解放している。
【００４９】
また、冷機状態からエンジン２を始動し、乗員によって暖房または温調要求がある場合には、内気循環モードによって車室内の温度を調整し、エンジン２の冷却水を暖める。内気循環モードとは、車室内の空気を循環させるモードである。コンプレッサ５２を駆動すると、エバポレータ５５による吸熱により、エバポレータ５５の周りの空気温度は低くなるが、ヒータコア２８によってエバポレータ５５の周りの空気を暖めることで、乗員による暖房または温調要求を満たしつつ、エンジン２の冷却水を暖める。
【００５０】
冷機状態からエンジン２を始動した場合に、冷媒によるエンジン２の冷却水の暖機は、車両発進直後などの減速時にも実行される。車両が減速している場合でも、コンプレッサクラッチ５４は締結しており、コンプレッサ５２は駆動する。そのため、車両が減速している場合でも、コンプレッサ５２によって冷媒をランキンサイクル３１に循環させて、熱交換器３６によってエンジン２の冷却水を暖める。
【００５１】
本実施形態の効果について説明する。
【００５２】
エンジン２を冷機状態から始動させる場合に、ランキンサイクル３１を運転せずに冷凍サイクル５１のコンプレッサ５２を駆動する。これによって、冷凍サイクル５１のエバポレータ５５による吸熱とコンプレッサ５２の仕事によって与えられた熱とにより、熱交換器３６でエンジン２の冷却水を冷媒によって暖めることができる。すなわち冷却水は、エバポレータ５５によって車室内空気から受け取った熱（気化潜熱）と、コンプレッサ５２の駆動により発生した熱との、両者で暖められた冷媒と熱交換を行なうことにより、効果的に昇温する。しかも、ランキンサイクル３１と冷凍サイクル５１とにおいて、冷媒を共用することで、新たな熱交換器や回路を追加することなくエンジン２の冷却水を冷媒によって暖めることができる。従って、統合システム３０によって回収可能な熱によってエンジン２の冷却水を暖めることで、エンジン２の冷却水を暖めるための新たな暖機手段を用いずに、エンジン２の冷却水を素早く暖めることができる。
【００５３】
冷媒によってエンジン２の冷却水を暖め、乗員によって暖房または温調要求がある場合に、内気循環モードによって車室内の温度を調整することで、外気を車室内に取り入れる外気導入モード（外から取り入れた空気を加熱するモード）によって温度を調整する場合と比較して換気損失を低減することができる。外気導入モードでは、車室内の空気が車室外へと換気されるため、結露による窓ガラスの曇りが生じにくいものの、ヒータコア２８では多くの空気を加熱する必要が生じ、車室内暖房に多くの熱が奪われて冷却水が温まりにくい。これにより、エンジン２の暖機に時間がかかるだけでなく、車室内を暖めることについても時間がかかってしまう可能性がある。これに対して、内気循環モードでは、換気分を暖める必要が無くなるために冷却水を効果的に昇温することができ、しかもエバポレータ５５によって車室内空気の湿度が低下させられるので、結露による窓ガラスの曇りが生じにくい。すなわち、外気導入モードと同じエネルギを供給したとしても、冷却水の昇温が一層早まり、エンジン２の暖機と車室内を暖めることの双方が速やかに達成され、しかも、結露による窓ガラスの曇りを抑制することができる。尚、乗員による暖房の要求が無い場合であっても、エバポレータ５５によって車室内空気の温度が低下する分、空気をヒータコア２８で加熱することによって、車室内空気の温度が下がり過ぎないようにすることもできる。
【００５４】
ハイブリッド車両において回生エネルギを蓄えることができない低温時にも車両の減速エネルギの一部を用いてエンジン２の冷却水を暖めることができ、車両の減速エネルギを利用することができる。
【００５５】
次に本発明の第２実施形態について図８を用いて説明する。
【００５６】
図８は第２実施形態のランキンサイクル３１のシステム全体を表した概略構成図を示している。ここでは第１実施形態と異なる箇所について説明する。本実施形態は冷凍サイクル分岐点４５と凝縮器３８との間に電磁弁であるコンデンサ弁４７を備える。
【００５７】
コンデンサ弁４７の開閉は、エンジンコントローラ７１によって制御される。ランキンサイクル３１の運転時にはコンデンサ弁４７は開き、冷機状態からエンジン２を始動する場合にはコンデンサ弁４７は閉じている。
【００５８】
本実施形態の効果について説明する。
【００５９】
冷機状態からエンジン２を始動する場合には、コンデンサ弁４７を閉じることで冷媒が凝縮器３８に流れることを防ぎ、冷媒の全流量を熱交換器３６に流入させることができ、熱交換器３６においてエンジン２の冷却水を効率良く暖めることができる。
【００６０】
次に本発明の第３実施形態について図９を用いて説明する。
【００６１】
図９は第３実施形態のランキンサイクル３１のシステム全体を表した概略構成図を示している。ここでは第２実施形態と異なる箇所について説明する。本実施形態はランキンサイクル３１に、冷媒ポンプ３２をバイパスするバイパス通路３９と、バイパス通路３９に設けたポンプバイパス弁６３とを備える。
【００６２】
ポンプバイパス弁６３の開閉は、エンジンコントローラ７１によって制御され、ランキンサイクル３１の運転時にはポンプバイパス弁６３は閉じ、冷機状態からエンジン２を始動する場合にポンプバイパス弁６３は開いている。
【００６３】
本実施形態の効果について説明する。
【００６４】
冷機状態からエンジン２を始動する場合には、ポンプバイパス弁６３を開くことで冷媒が冷媒ポンプ３２に流れることを抑制し、圧力損失を低減することができる。
【００６５】
なお、ポンプバイパス弁６３は、バイパス通路３９と冷媒通路４１との合流点と、冷媒ポンプ３２との間に設けてもよい。この場合には、ランキンサイクル３１の運転時にポンプバイパス弁６３は開き、冷機状態からエンジン２を始動する場合にポンプバイパス弁６３は閉じる。さらには、バイパス通路３９およびバイパス通路３９と冷媒通路４１との合流点と、冷媒ポンプ３２との間に弁、ランキンサイクル３１の運転時には冷媒ポンプ３２にのみ冷媒を流し、冷機状態からエンジン２を始動する場合には、バイパス通路３９にのみ冷媒が流れるようにしても良い。これらによって、冷機状態からエンジン２を始動する場合に冷媒ポンプ３２に冷媒が流れることを抑制することができ、圧力損失をさらに低減することができる。
【００６６】
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００６７】
２    エンジン
２８  ヒータコア（温調制御手段）
３０  統合サイクル（ランキンサイクルシステム）
３２  冷媒ポンプ
３６  熱交換器
３７  膨張機
３８  凝縮器
３９  バイパス通路
４７  コンデンサ弁（流入防止手段）
５１  冷凍サイクル
５２  コンプレッサ
６３  ポンプバイパス弁（流入手段）
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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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７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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