(57)【要約】【課題】排熱回収効率が低下せずに、コンパクトでコストを低減した車両用排熱回収システムを提供する。【解決手段】ランキンサイクル１０には、ポンプ１１、熱交換器１２、膨張機１３、及びコンデンサ１４が設けられ、フロンＲ１３４ａが循環されている。モータ／発電機１５が、ポンプ１１の回転軸及び膨張機１３の回転軸の両方に連結している。モータ／発電機１５は、バッテリー４の正極端子４ａと、インバータ６を介して電気的に接続されている。バッテリー４の負極端子４ｂは車両に接地されている。これにより、モータ／発電機１５は、モータとして、バッテリー４の電力によって駆動されてポンプ１１を駆動させると共に、発電機として、膨張機１３の動力を利用して発電を行うようになっている。【選択図】図１
2006242174.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両の排熱により作動流体を加熱する熱交換器、前記熱交換器で加熱された作動流体を膨張させる膨張機、前記膨張機で膨張された作動流体を冷却するコンデンサ、及び前記コンデンサで冷却された作動流体を循環するポンプを有するランキンサイクルと、
前記ポンプ及び前記膨張機に連結する負荷機と
を備え、
前記負荷機は、
モータとして前記ポンプを駆動すると共に発電機として前記膨張機の動力を利用して発電を行う
ことを特徴とする車両用排熱回収システム。
【請求項２】
前記ポンプ及び前記膨張機は、前記負荷機を介して連結されていることを特徴とする請求項１に記載の車両用排熱回収システム。
【請求項３】
前記負荷機は前記ポンプに連結され、前記ポンプは前記膨張機に連結されることを特徴とする請求項１に記載の車両用排熱回収システム。
【請求項４】
前記膨張機は、可変容量型の膨張機であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の車両用排熱回収システム。
【請求項５】
前記可変容量型の膨張機は、
高圧室から前記作動流体を吸入する吸入ポートと、
前記吸入ポートから吸入された前記作動流体を膨張させる作動室と、
前記作動室において前記作動流体を膨張させる途中過程の位置に設けられ、前記高圧室と前記作動室とを開閉可能に連通する、前記吸入ポートとは異なるバイパス口と
を備え、
前記バイパス口の前記開閉に応じて前記作動流体の膨張率が変化する膨張機である
ことを特徴とする、請求項４に記載の車両用排熱回収システム。
【請求項６】
前記負荷機および前記ポンプは、遮断壁を介して連結され、
前記ポンプは、その内部が前記遮断壁およびケーシングによって覆われ、
前記ポンプは、前記コンデンサで冷却された前記作動流体を吸入する吸入開口と、前記作動流体を前記熱交換器に向けて吐出する吐出開口とを備え、
前記吸入開口は前記ケーシングに形成され、前記吐出開口は前記遮断壁に形成される
ことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の車両用排熱回収システム。
【請求項７】
前記遮断壁および前記ケーシングの間に断熱材が配置される、請求項６に記載の車両用排熱回収システム。
【請求項８】
作動流体を圧縮するコンプレッサと、
前記コンプレッサで圧縮された作動流体と前記ランキンサイクルの前記膨張機で膨張された作動流体とが混合した作動流体を冷却する前記コンデンサと、
前記コンデンサで冷却された作動流体の少なくとも一部を前記ランキンサイクルの前記ポンプに流入させ、その残りの作動流体を減圧する減圧装置と、
前記減圧装置で減圧された作動流体を加熱する蒸発器と
を有する冷凍サイクルを備えることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の車両用排熱回収システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、車両用排熱回収システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の排熱によって冷却水を加熱して蒸気にし、この蒸気でタービンを駆動して動力を発生させ、この動力によってタービンに作動連結された発電機を駆動させて発電を行う車両用排熱回収システムが、例えば特許文献１に記載されている。
図１２は、このような従来の車両用排熱回収システムの構成図である。
ランキンサイクル６０を起動するために、エンジン５１の動力によって、ベルト６６を介してポンプ６１が駆動される。ポンプ６１から吐出されたフロン等の作動流体は、熱交換器６２において、冷却水循環経路５２を循環するエンジン冷却水と熱交換されて作動流体ガスとなり、膨張機６３へと送られて膨張される。膨張機６３で膨張された作動流体ガスはコンデンサ６４で冷却凝縮され、再びポンプ６１に吸入される。膨張機６３の動力によって発電機６５が駆動されて発電が行われ、車両の駆動等に使用される。
このような車両用排熱回収システムでは、エンジン５１の動力のかわりにモータを使用してポンプ６１を駆動してもよい。
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−３４５９１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、ポンプ６１の駆動を、ベルト６６を介してエンジン５１の動力で行う場合には、ポンプ６１の回転数がエンジン５１の回転数と同調するので、排熱量や外気温等に基づくランキンサイクル６０の作動状況に応じた作動流体の流量制御が困難であるといった問題点があった。
また、ポンプ６１をモータによって駆動する場合には、軸封装置による消費動力の増加を抑制するため、ポンプ６１は密閉式のものが好ましい。しかしながら、密閉式の場合には、ポンプ６１はモータ及びモータ制御用インバータを備えることになるので、サイズが大きくなり、コストも増加するといった問題点があった。
【０００５】
この発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、排熱回収効率が低下せずに、コンパクトでコストを低減した車両用排熱回収システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係る車両用排熱回収システムは、車両の排熱により作動流体を加熱する熱交換器、熱交換器で加熱された作動流体を膨張させる膨張機、膨張機で膨張された作動流体を冷却するコンデンサ、及びコンデンサで冷却された作動流体を循環するポンプを有するランキンサイクルと、ポンプ及び膨張機に連結する負荷機とを備え、負荷機は、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ことを特徴とする。負荷機は、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ことにより、車両用排熱回収システムがコンパクトとなり、コストも低減される。また、負荷機の回転数制御を通して、ポンプ及び膨張機の回転数が制御されるので、排熱回収効率が維持される。
ポンプ及び膨張機は、負荷機を介して連結されていてもよい。
負荷機はポンプに連結され、ポンプは膨張機に連結されていてもよい。
膨張機は、可変容量型の膨張機であってもよい。
可変容量型の膨張機は、高圧室から作動流体を吸入する吸入ポートと、吸入ポートから吸入された作動流体を膨張させる作動室と、作動室において作動流体を膨張させる途中過程の位置に設けられ、高圧室と作動室とを開閉可能に連通する、吸入ポートとは異なるバイパス口とを備え、バイパス口の開閉に応じて作動流体の膨張率が変化する膨張機であってもよい。
負荷機およびポンプは、遮断壁を介して連結され、ポンプは、その内部が遮断壁およびケーシングによって覆われ、ポンプは、コンデンサで冷却された作動流体を吸入する吸入開口と、作動流体を熱交換器に向けて吐出する吐出開口とを備え、吸入開口はケーシングに形成され、吐出開口は遮断壁に形成されてもよい。
遮断壁およびケーシングの間に断熱材が配置されてもよい。
作動流体を圧縮するコンプレッサと、コンプレッサで圧縮された作動流体とランキンサイクルの膨張機で膨張された作動流体とが混合した作動流体を冷却するコンデンサと、コンデンサで冷却された作動流体の少なくとも一部をランキンサイクルのポンプに流入させ、その残りの作動流体を減圧する減圧装置と、減圧装置で減圧された作動流体を加熱する蒸発器とを有する冷凍サイクルを備えていてもよい。
【発明の効果】
【０００７】
この発明によれば、ポンプ及び膨張機に連結する負荷機は、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ので、排熱回収効率が低下せずに、車両用排熱回収システムをコンパクトにし、コストを低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１に示されるように、この実施の形態に係る車両用排熱回収システム１は、エンジン２、エンジン２を冷却するための冷却水が循環する冷却水循環経路３、ランキンサイクル１０及び冷凍サイクル２０を備えている。
【０００９】
ランキンサイクル１０には、ポンプ１１（Ｐ）、熱交換器１２、膨張機１３（Ｅ）、及びコンデンサ１４が設けられ、作動流体であるフロンＲ１３４ａが循環されている。膨張機１３は、コンプレッサの吐出側と吸入側とを実質的に逆に接続した構造であり、吸入される作動流体によって駆動される。負荷機であるモータ／発電機１５（Ｍ／Ｇ）が、ポンプ１１の図示しない回転軸及び膨張機１３の図示しない回転軸の両方に連結すると共に、ポンプ１１及び膨張機１３の間に位置するように一体化されて設けられている。モータ／発電機１５は、バッテリー４の正極端子４ａと、インバータ６を介して電気的に接続されている。尚、バッテリー４の負極端子４ｂは車両に接地されている。これにより、モータ／発電機１５は、モータとしてバッテリー４の電力によって駆動されてポンプ１１を駆動させると共に、発電機として膨張機１３の動力を利用して発電を行うようになっている。ここで、図中、バッテリー４からモータ／発電機１５へ供給される電力の流れを破線Ａで表し、モータ／発電機１５によって発電された電力をバッテリー４へ供給する流れを一点鎖線Ｂで表す。なお、モータ／発電機１５によって発電された電力を車両の電機負荷へ直接供給するようにしてもよい。
【００１０】
冷凍サイクル２０には、コンプレッサ２１、コンデンサ１４、減圧装置である膨張弁２２及び蒸発器２３が設けられている。コンプレッサ２１は、モータ２４によって駆動され、冷凍サイクル２０内を、作動流体であるフロンＲ１３４ａが循環するようになっている。モータ２４は、バッテリー４の正極端子４ａと、インバータ５を介して電気的に接続されている。
コンプレッサ２１とコンデンサ１４との間において、ランキンサイクル１０と冷凍サイクル２０とが合流するようになっている。また、コンデンサ１４と膨張弁２２との間において、ランキンサイクル１０と冷凍サイクル２０とに分岐するようになっている。したがって、コンデンサ１４は、ランキンサイクル１０と冷凍サイクル２０とによって共有されている。
【００１１】
次に、モータ／発電機１５およびその周辺の構造について説明する。
図２に示されるように、一体ユニット１６は、ポンプ１１と、膨張機１３と、モータ／発電機１５と、その外側に取り付けられてこれを覆う円筒状のハウジング１３１とを含む。モータ／発電機１５は、ハウジング１３１内に回転可能に設けられたシャフト１３５を有している。シャフト１３５には、ロータ１５ａがシャフト１３５と共に回転可能に固定されている。ハウジング１３１の内周面には、ステータ１５ｂがロータ１５ａを取り囲むように固定されている。ステータ１５ｂは、ステータコア１４１にコイル１４０を巻回することにより構成されている。このようなモータ／発電機１５の構成により、モータ／発電機１５は、コイル１４０への通電によりロータ１５ａを回転させるモータとしての機能と、ロータ１５ａが回転駆動されることでコイル１４０に電力を生じさせる発電機としての機能とを有するようになっている。
【００１２】
また、一体ユニット１６は、モータ／発電機１５の後方側（図２において右側）のハウジング１３１内に、スクロール式コンプレッサの吐出側と吸入側とを実質的に逆に接続した構造の膨張機１３を備えている。ハウジング１３１の後方端１３１ａには円盤状のハウジング１３２が設けられ、ハウジング１３１を後方側から蓋をするようになっている。
シャフト１３５の後端１３５ａには、シャフト１３５の回転軸Ｌに対して偏心した位置に偏心軸１４３が設けられており、偏心軸１４３はシャフト１３５の回転により回転軸Ｌのまわりを旋回するようになっている。偏心軸１４３にはブッシュ１４４が固定されており、偏心軸１４３と共に回転軸Ｌのまわりを旋回するようになっている。ブッシュ１４４にはベアリング１５９を介して可動スクロール１４５が設けられ、可動スクロール１４５は偏心軸１４３及びブッシュ１４４と共に回転軸Ｌのまわりを旋回するようになっている。さらに、可動スクロール１４５は、ブッシュ１４４に対して偏心軸１４３を中心に回転するようになっている。可動スクロール１４５の円盤状の基板１４５ａには、ハウジング１３２に向かって延びると共に渦巻状に形成された渦巻壁１４５ｂが設けられている。また、ハウジング１３２の内面には、固定スクロール１４２が可動スクロール１４５に対向するように固定されている。固定スクロール１４２は、円盤状の基板１４２ａと、基板１４２ａの外周に沿って設けられた円筒状の外周壁１４２ｂと、基板１４２ａから可動スクロール１４５に向かって延びると共に渦巻状に形成された渦巻壁１４２ｃとを備えている。渦巻壁１４２ｃ，１４５ｂは互いに噛み合わされており、渦巻壁１４２ｃ，１４５ｂの先端面１４２ｃ１，１４５ｂ１はそれぞれ、先端に図示しないチップシールを備え、基板１４５ａ，１４２ａに該チップシールを介して互いに接している。固定スクロール１４２の基板１４２ａ及び渦巻壁１４２ｃと、可動スクロール１４５の基板１４５ａ及び渦巻壁１４５ｂとにより、作動室１４６が形成されている。また、固定スクロール１４２の外周壁１４２ｂと可動スクロール１４５の渦巻壁１４５ｂの最外周部とにより、低圧室１１８が形成されている。さらに、固定スクロール１４２の基板１４２ａとハウジング１３２の内面とにより、高圧室１１９が形成されている。
【００１３】
固定スクロール１４２の基板１４２ａの中心部には、作動室１４６の中心側と高圧室１１９とを連通する吸入ポート１４７が設けられている。ハウジング１３２の内部には、熱交換器１２（図１参照）及び膨張機１３を接続する作動流体循環経路１０ａと高圧室１１９とを連通する流通経路１５１が設けられている。また、固定スクロール１４２の外周壁１４２ｂからハウジング１３１にかけて、一端が低圧室１１８に連通する流通経路１５２が設けられている。ハウジング１３１の内周面には溝１３１ｂが設けられており、流通経路１５２の他端と連通している。これにより、低圧室１１８とハウジング１３１の空洞部１３１ｃとが連通されている。流通経路１５２と連通する溝１３１ｂは、コンデンサ１４（図１参照）及び膨張機１３を接続する作動流体循環経路１０ｂと連通している。
【００１４】
一体ユニット１６はさらに、ハウジング１３１の前方端１３１ｄに接続するように、ポンプ１１を備えている。ポンプ１１のハウジングは、ハウジング１３１の前方側（図２において左側）に設けられた遮断壁１５８と、遮断壁１５８よりもさらに前方側に設けられたケーシング１５３とから構成されている。ケーシング１５３に形成された凹部１６６の内部には、シャフト１３５と回転の軸を同一にするように、一端をシャフト１３５に接続した駆動シャフト１５４の他端が支持されている。つまり、シャフト１３５は駆動シャフト１５４を介してケーシング１５３に支持されている。
【００１５】
遮断壁１５８は、２３７Ｗ／（ｍ・Ｋ）という熱伝導率の大きいアルミで形成され、ポンプ１１とモータ／発電機１５とを隔てている。遮断壁１５８には駆動シャフト１５４が貫通する軸孔１６１が形成されている。また、遮断壁１５８とケーシング１５３とが接続される際に、遮断壁１５８とケーシング１５３との間にシリンダ１６２が形成されるようになっている。シリンダ１６２に連通するように、遮断壁１５８及びケーシング１５３にはそれぞれ、凹部１６４，１６５が形成されている。すなわち、凹部１６４，１６５及びシリンダ１６２によって、遮断壁５８とケーシング１５３との間に連続する１つの空間が形成されている。この空間は、遮断壁１５８とケーシング１５３とによって覆われる、ポンプ１１の内部である。
この空間内には、両端がそれぞれ凹部１６４，１６５に支持された従動シャフト１５６が設けられ、従動シャフト１５６と共にシリンダ１６２内を回転可能な従動ギヤ１５７が設けられている。また、シリンダ１６２内には、駆動シャフト１５４と共に回転可能な主動ギヤ１５５が、従動ギヤ１５７と噛み合うように設けられている。これにより、主動ギヤ１５５が回転すると、従動ギヤ１５７も回転するようになっている。
【００１６】
また、遮断壁１５８とケーシング１５３との間には、断熱材を含む断熱材膜１５０が配置され、遮断壁１５８とケーシング１５３とを断熱する。
軸孔１６１と駆動シャフト１５４との間にはシール部材１６３が配設されている。シール部材１６３は、シリンダ１６２内とモータ／発電機１５の空洞部１３１ｃとの間をシールしている。
遮断壁１５８のポンプ１１側の面には、シリンダ１６２を取り囲むように凹溝１６７が形成されている。凹溝１６７内には、Ｏリング１６８が配設されている。Ｏリング１６８は、遮断壁１５８とケーシング１５３との間を介して、一体ユニット１６の外部へシリンダ１６２内の作動流体が漏出することを防止している。
【００１７】
図３および図４に、図２に示されるＩＩＩ−ＩＩＩ線およびＩＶ−ＩＶ線に沿ってポンプ１１を切断したときの断面図をそれぞれ示す。ポンプ１１の吐出側及び吸入側に、シリンダ１６２から延びる吐出通路１７１及び吸入通路１７２が形成されている。
吐出通路１７１は遮断壁１５８に形成される。吸入通路１７２は、遮断壁１５８に形成される吸入通路１７２ａと、ケーシング１５３に形成される吸入通路１７２ｂとを含む。
吐出通路１７１は、凹溝１６７で囲まれた部分に形成され、遮断壁１５８の内部に形成された吐出孔１７３の一端に連通している。ここで、吐出通路１７１及び吐出孔１７３は遮断壁１５８の内部に形成された内部吐出経路を構成する。また吸入通路１７２ａは、吐出通路１７１と同様に凹溝１６７で囲まれた部分に形成され、ケーシング１５３に形成された吸入通路１７２ｂと連通している。吸入通路１７２ｂは、ケーシング１５３の内部に形成された吸入孔１７４の一端に連通している。ここで、吸入通路１７２ａ、吸入通路１７２ｂ、及び吸入孔１７４は、遮断壁１５８およびケーシング１５３の内部に形成された内部吸入経路を構成する。
図５に示されるように、図３および図４の矢印Ａの方向から見たポンプ１１の側面で、吐出孔１７３の他端である吐出開口１７３ａは、遮断壁１５８に形成され、吸入孔１７４の他端である吸入開口１７４ａは、ケーシング１５３に形成される。また、吐出開口１７３ａおよび吸入開口１７４ａは、図３および図４に示されるように、ランキンサイクル１０（図１参照）の作動流体循環経路１０ｄ，１０ｃにそれぞれ接続されている。ポンプ１１は、吸入開口１７４ａにおいて作動流体循環経路１０ｃからフロンＲ１３４ａを吸入し、吐出開口１７３ａにおいて作動流体循環経路１０ｄにフロンＲ１３４ａを吐出する。
【００１８】
次に、この実施の形態１に係る車両用排熱回収システムの動作について説明する。
図１に示されるように、エンジン２が始動すると、冷却水が冷却水循環経路３を循環する。冷却水は、エンジン２が暖機されると、温められて温度が上昇する。エンジン２の始動後、ランキンサイクル１０及び冷凍サイクル２０が稼動する。なお、図示しないエアコンスイッチがオフとされている場合は冷凍サイクル２０を起動しなくてもよい。
【００１９】
ランキンサイクル１０は、バッテリー４からの電力がインバータ６を介してモータ／発電機１５を始動させることにより（破線Ａ）、起動される。モータ／発電機１５がモータとして始動することにより、ポンプ１１が始動する。ポンプ１１から吐出されたフロンＲ１３４ａは、熱交換器１２へ流入し、高温の冷却水と熱交換することによってガスとなる。ガスとなったフロンＲ１３４ａは、膨張機１３に吸入されて膨張機１３を駆動する。膨張されたフロンＲ１３４ａは、後述する冷凍サイクル２０のコンプレッサ２１によって圧縮されたフロンＲ１３４ａガスと合流してコンデンサ１４に流入し、冷却されて液体のフロンＲ１３４ａとなる。その後、ランキンサイクル１０と冷凍サイクル２０とに分配され、ランキンサイクル１０に分配されたフロンＲ１３４ａはポンプ１１に吸入される。このようにして、フロンＲ１３４ａは、ランキンサイクル１０を循環する。
【００２０】
ここで、バッテリー４から電力が供給されてモータ／発電機１５が始動すると、図２に示されるように、ロータ１５ａが回転し、ロータ１５ａの回転によりシャフト１３５が回転軸Ｌを中心に回転する。すると、偏心軸１４３が回転軸Ｌのまわりを旋回し、ブッシュ１４４及び可動スクロール１４５が偏心軸１４３と共に回転軸Ｌのまわりを旋回する。このような可動スクロール１４５の旋回により、中心側の作動室１４６が容積を増大しつつ外周側へ移動するようになる。
熱交換器１２（図１参照）によって高温高圧となったフロンＲ１３４ａは、作動流体循環経路１０ａを流通し、一体ユニット１６内の流通経路１５１に流入することにより、膨張機１３に吸入される。流通経路１５１を流通するフロンＲ１３４ａは高圧室１１９に流入し、膨張機１３の上記動作によって、高圧室１１９内のフロンＲ１３４ａは吸入ポート１４７を介して中心側の作動室１４６に流入する。中心側の作動室１４６が容積を増大しつつ外周側へ移動することにより、フロンＲ１３４ａは外周側の作動室１４６へ移動しつつ膨張され、低圧室１１８に流入する。低圧室１１８に流入したフロンＲ１３４ａは、流通経路１５２及び溝１３１ｂを介して作動流体循環経路１０ｂを流通し、膨張機１３から流出する。フロンＲ１３４ａが溝１３１ｂを流通する際、その一部が空洞部１３１ｃに流出する。これにより、空洞部１３１ｃはフロンＲ１３４ａで充填されている。すなわち、モータ／発電機１５内は膨張機１３の吐出側雰囲気で、フロンＲ１３４ａ雰囲気となっている。
【００２１】
一方、コンデンサ１４（図１参照）で冷却されて液体となったフロンＲ１３４ａの一部は、図３および図４に示されるように、作動流体循環経路１０ｃを流通した後、吸入孔１７４及び吸入通路１７２を流通してシリンダ１６２に流入する。シリンダ１６２内で昇圧されたフロンＲ１３４ａは、シリンダ１６２から吐出されて吐出通路１７１及び吐出孔１７３を流通した後、作動流体循環経路１０ｄを流通する。
【００２２】
図２に示されるように、一体ユニット１６の内部において、膨張機１３によって膨張されたフロンＲ１３４ａと、ポンプ１１の内部のフロンＲ１３４ａとは、遮断壁１５８を介して熱交換を行う。すなわち、膨張機１３によって膨張されたフロンＲ１３４ａの方がポンプ１１の内部のフロンＲ１３４ａよりも高温なので、両者の温度差に基づいて、膨張機１３によって膨張されたフロンＲ１３４ａの熱が、ポンプ１１の内部のフロンＲ１３４ａに遮断壁１５８を介して奪われ、ポンプ１１の内部のフロンＲ１３４ａが昇温される。
膨張機１３によって膨張されたフロンＲ１３４ａはコンデンサ１４（図１参照）によってフロンＲ１３４ａが液化するまで放熱されるが、一体ユニット１６の内部における上記熱交換によって、この放熱されるはずの熱の一部が、ポンプ１１の内部のフロンＲ１３４ａを昇温するのに使用される。
内部吐出経路は遮断壁１５８内に形成されているので、内部吐出経路を流れるフロンＲ１３４ａも遮断壁１５８を介した熱交換の影響を受け、昇温される。一方、内部吸入通路については、吸入孔１７４がケーシング１５３の内部に形成されており、遮断壁１５８とは隔てられているので、内部吸入通路を流れるフロンＲ１３４ａの昇温は抑制される。また、ケーシング１５３は断熱材膜１５０によって遮断壁１５８から断熱されているので、内部吸入通路を流れるフロンＲ１３４ａの昇温はさらに抑制される。
【００２３】
一方、冷凍サイクル２０は、バッテリー４からの電力がインバータ５を介してモータ２４を始動させることにより、起動される。すなわち、モータ２４が始動すると、コンプレッサ２１が起動する。コンプレッサ２１によって圧縮されたフロンＲ１３４ａガスは、ランキンサイクル１０の膨張機１３によって膨張されたフロンＲ１３４ａガスと合流してコンデンサ１４に流入し、冷却されて液体のフロンＲ１３４ａとなる。その後、ランキンサイクル１０と冷凍サイクル２０とに分配され、冷凍サイクル２０に分配されたフロンＲ１３４ａは、膨張弁２２によって膨張され、蒸発器２３において、フロンＲ１３４ａは、車内へ向かう空気と熱交換されることによって加熱されてガスとなる。熱交換された空気は冷気として車内へ供給される。蒸発器２３で加熱されたガスは、再びコンプレッサ２１に吸入される。このようにして、フロンＲ１３４ａは、冷凍サイクル２０を循環する。
【００２４】
ランキンサイクル１０が起動した後、フロンＲ１３４ａがランキンサイクル１０を循環するようになり通常運転となると、モータ／発電機１５は発電機として、膨張機１３の動力を利用して発電を行い、膨張機１３の動力回収を行う。この実施の形態１では、このタイミングを、ランキンサイクル１０の起動後、所定時間が経過したときとする。
【００２５】
モータ／発電機１５が、モータとしてポンプ１１を駆動する動作から、発電機として膨張機１３の動力を利用して発電を行う動作に切り替わると、ポンプ１１は、膨張機１３の動力がモータ／発電機１５を介して伝達されることにより、駆動されるようになる。一般に、ランキンサイクル１０において、膨張機１３の最適回転数はポンプ１１の回転数とほぼ比例しているので、ポンプ１１は最適回転数で運転するようになる。また、エンジン２からの排熱量や外気温等に基づくランキンサイクル１０の作動状況によって膨張機１３の回転数が変化するが、モータ／発電機１５を介して、ポンプ１１の回転数が制御されるようになる。すなわち、モータ／発電機１５の回転数制御を通して、ポンプ１１及び膨張機１３の回転数が制御されるようになる。
【００２６】
膨張機１３の動力のうち、ポンプ１１を駆動させるために消費される以外の動力は、モータ／発電機１５が発電機として駆動するための動力として使用される。モータ／発電機１５によって発電された電力は、インバータ６を介してバッテリー４に蓄電される（一点鎖線Ｂ）。
【００２７】
このように、モータ／発電機１５をポンプ１１及び膨張機１３に連結し、モータ／発電機１５がモータとしてポンプ１１を駆動すると共に、発電機として膨張機１３の動力を利用して発電を行うようにしたので、車両用排熱回収システム１をコンパクトにすると共にコストを低減することができる。また、ランキンサイクル１０の作動状況に応じて膨張機１３の回転数が変化するが、モータ／発電機１５の回転数制御によってポンプ１１及び膨張機１３の回転数が制御されるので、車両用排熱回収システム１における排熱回収効率の低下を防ぐことができる。
【００２８】
また、一体ユニット１６の内部において、膨張機１３によって膨張されたフロンＲ１３４ａとポンプ１１の内部のフロンＲ１３４ａとが熱交換を行うことにより、コンデンサ１４によって放熱される熱の一部がポンプ１１の内部のフロンＲ１３４ａを加熱するために使用されるので、ランキンサイクル１０の効率を向上することができる。また、この熱交換を行うための熱交換器を別途設ける必要がないので、ランキンサイクル１０をコンパクトにすることができる。
【００２９】
実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２に係る車両用排熱回収システムについて説明する。尚、実施の形態２において、図１の参照符号と同一の符号は、同一又は同様な構成要素であるので、その詳細な説明は省略する。
この発明の実施の形態２に係る車両用排熱回収システムは、実施の形態１に対して、ポンプ１１及びモータ／発電機１５の配置を入れ換えたものである。
図６に示されるように、車両用排熱回収システム３０において、モータ／発電機１５が、ポンプ１１の図示しない回転軸に連結すると共に膨張機１３がポンプ１１の図示しない回転軸に連結している。これにより、モータ／発電機１５は、モータとしてバッテリー４の電力によって駆動されてポンプ１１を駆動させると共に、発電機としてポンプ１１を介して膨張機１３の動力によって発電を行うようになっている。その他の構成については、実施の形態１と同じである。
【００３０】
次に、この実施の形態２に係る車両用排熱回収システムの動作について説明する。
実施の形態１と同様に、エンジン２の始動後、バッテリー４の電力がモータ／発電機１５を始動させることにより、ランキンサイクル１０が稼動する。また、バッテリー４の電力がモータ２４を始動させることにより、冷凍サイクル２０が稼動する。
【００３１】
ランキンサイクル１０の起動後、所定時間が経過すると、モータ／発電機１５は、モータとしてポンプ１１を駆動する動作から、発電機として、ポンプ１１を介し膨張機１３の動力を利用して発電を行う動作に切り替わる。すなわち、膨張機１３の動力によって、ポンプ１１が駆動されるようになる。ランキンサイクル１０において、膨張機１３の最適回転数はポンプ１１の回転数とほぼ比例しているので、ポンプ１１は最適回転数で運転するようになる。
一方、モータ／発電機１５には、膨張機１３の動力がポンプ１１を介して間接的に伝達され、モータ／発電機１５が発電を行うようになる。モータ／発電機１５によって発電された電力は、インバータ６を介してバッテリー４に蓄電される（一点鎖線Ｂ）。
【００３２】
このように、モータ／発電機１５がポンプ１１に連結すると共にポンプ１１が膨張機１３に連結する構成でも、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
【００３３】
実施の形態３．
次に、この実施の形態３に係る車両用排熱回収システムの動作について説明する。
この発明の実施の形態３に係る車両用排熱回収システムは、実施の形態１に対して、膨張機及び負荷機の配置を入れ換え、膨張機を可変容量型にしたものである。なお、膨張機はスクロール式ではなく斜板式とする。
図７に示されるように、車両用排熱回収システム４０において、モータ／発電機１５が、膨張機２５の図示しない回転軸に連結すると共にポンプ１１が膨張機２５の図示しない回転軸に連結している。また、膨張機２５には、可変容量型である斜板式圧縮機の吐出側と吸入側とを実質的に逆に接続した構造の膨張機を用いている。これにより、モータ／発電機１５は、モータとしてバッテリー４の電力によって駆動されて膨張機２５を駆動させ、膨張機２５の動力によってポンプ１１を駆動させると共に、膨張機２５の動力によって駆動されて発電を行うようになっている。その他の構成については、実施の形態１と同じである。
【００３４】
次に、この実施の形態３に係る車両用排熱回収システムの動作について説明する。
エンジン２の始動後、バッテリー４の電力がモータ／発電機１５及びモータ２４を始動させることにより、ランキンサイクル１０及び冷凍サイクル２０が稼動する。
冷凍サイクル２０は、実施の形態１と同じ動作で稼動する。
一方、ランキンサイクル１０において、モータ／発電機１５が始動すると、モータ／発電機１５の動力が膨張機２５に伝達されて膨張機２５が始動する。さらに、膨張機２５の動力がポンプ１１に伝達されてポンプ１１が始動する。すなわち、モータ／発電機１５によって、膨張機２５を介して間接的に、ポンプ１１が駆動される。
【００３５】
ランキンサイクル１０において、ポンプ１１から吐出されたフロンＲ１３４ａは、熱交換器１２においてフロンＲ１３４ａガスとなった後、膨張機２５に吸入される。この際、膨張機２５は、モータ／発電機１５の動力によってポンプ１１と共に駆動されているので、モータ／発電機１５の回転数が、ポンプ１１の目的流量には適していても、膨張機２５から吐出されるフロンＲ１３４ａガスの流量には適合していない場合が考えられる。しかし、膨張機２５は斜板式の吐出側と吸入側とを実質的に逆に接続した構造であるため、斜板の傾きを容量調整機構２５ａにより調整することによって、膨張機２５の図示しない回転軸の回転数は変えずにフロンＲ１３４ａガスの流量に適合した吐出量に調整される。膨張機２５の回転軸の回転数は変わらないので、回転数が変わることなく、ポンプ１１の運転が継続される。なお、膨張機の容量可変方法としては、斜板傾角変更に限らず、実施の形態１に示されるスクロール式等、その他の周知の方式を採用することが可能である。
【００３６】
ランキンサイクル１０の起動後、モータ／発電機１５が、モータとしてポンプ１１を駆動する動作から、発電機として膨張機２５の動力を利用して発電を行う動作に切り替わると、ポンプ１１は膨張機２５の動力によって駆動されるようになる。ランキンサイクル１０において、膨張機２５の最適回転数はポンプ１１の回転数とほぼ比例しているので、ポンプ１１は最適回転数で運転するようになる。
一方、モータ／発電機１５は、膨張機２５の動力を利用して発電を行うようになる。モータ／発電機１５によって発電された電力は、インバータ６を介してバッテリー４に蓄電される（一点鎖線Ｂ）。
【００３７】
このように、モータ／発電機１５が膨張機２５に連結すると共に膨張機２５がポンプ１１に連結するようにした構成において、膨張機１３に可変容量型のものを使用することによって、実施の形態１、２と同様の効果を得ることができるとともに、ポンプ１１の回転数を変えることなく膨張機２５から吐出されるガスの流量を変更することができる。
【００３８】
実施の形態４．
次に、この発明の実施の形態４に係る車両用排熱回収システムについて説明する。実施の形態４に係る車両用排熱回収システムは、実施の形態１に対して、膨張機をスクロール式のままで可変容量型にしたものである。尚、実施の形態４において、図１の参照符号と同一の符号は、同一又は同様な構成要素であるので、その詳細な説明は省略する。
図８に、実施の形態４に係る車両用排熱回収システムの構成を示す。実施の形態４に係る車両用排熱回収システムに含まれる膨張機１３’は、高圧室１１９から作動室１４６へとフロンＲ１３４ａをバイパスする、バイパス通路１３’ａを有する。
図９および図１０に、実施の形態４に係る一体ユニットの構成を示す。図１０は、図９のＸ−Ｘ線における断面図である。図８のバイパス通路１３’ａは、実施の形態１における固定スクロール１４２に、図１０に示す開閉可能なバイパス口を設けて膨張機１３’とすることによって形成される。なお、実際にはバイパス口を開閉可能とするための構造を有するものであるが、図９においてはその図示を省略する。
その他の構成については、実施の形態１と同じである。
【００３９】
図１０は、実施の形態４に係る固定スクロール１４２’を示す。固定スクロール１４２’は、作動室１４６において、フロンＲ１３４ａを膨張させる途中過程の位置に設けられ、高圧室１１９と作動室１４６とを開閉可能に連通する、バイパス口１４８ａ〜１４８ｃを備える。
【００４０】
バイパス口１４８ａ、１４８ｂ、および１４８ｃは、膨張機１３’における膨張行程が進む方向に、この順で配置される。すなわち、吸入ポート１４７から吸入されたフロンＲ１３４ａは、可動スクロール１４５が回転するにつれて膨張するが、一定量膨張した後にまずバイパス口１４８ａが設けられた位置に達する。その後さらに可動スクロール１４５が回転すると、これに伴ってさらに膨張しつつ、バイパス口１４８ｂ、１４８ｃがそれぞれ設けられた位置にこの順で達する。
【００４１】
図１１は、バイパス口１４８ａ〜１４８ｃと、それぞれを開閉する弁体１４９との位置関係を概略的に示す図である。ここで、バイパス口１４８ａ〜１４８ｃは図１０に示すように直線上に形成されており、弁体１４９がこの直線上を摺動することによってそれぞれを開閉する。なお、図１１は弁体１４９に関連する作用を説明するための概略図であり、示される構造および各部の寸法は図９および図１０に示されるものとは必ずしも一致しない。
【００４２】
弁体１４９は、円筒状の空間に配置され、ソレノイドによって駆動される電磁弁の一部であり、図示されない制御装置によってその位置が制御される。この弁体１４９は、比較的大径の円筒状である複数の閉鎖部１４９ａと、比較的小径の円筒状である複数の開放部１４９ｂとを含む。閉鎖部１４９ａは、弁体１４９が配置される空間と摺動可能に嵌合し、その全断面積を塞ぐ。開放部１４９ｂの外周には空間が存在し、ここを通ってフロンＲ１３４ａが流れることができる。
【００４３】
図１１の（ａ）は、弁体１４９がその摺動範囲の一端に位置する状態を表す図である。この状態においては、バイパス口１４８ａ〜１４８ｃのすべてが閉鎖部１４９ａと接して閉鎖されている。このため、フロンＲ１３４ａが高圧室１１９から作動室１４６へと流入する経路は、吸入ポート１４７に限られる。
【００４４】
図１１の（ｂ）は、弁体１４９が（ａ）の位置、すなわちその摺動範囲の一端から、他端に向けて所定距離だけ移動した状態を表す図である。この状態においては、バイパス口１４８ａは開放部１４９ｂに対応する位置にあるので開放されており、バイパス口１４８ｂおよび１４８ｃは閉鎖部１４９ａによって閉鎖されている。このため、フロンＲ１３４ａが高圧室１１９から作動室１４６へと流入する経路は、吸入ポート１４７およびバイパス口１４８ａとなる。
【００４５】
図１１の（ｃ）は、弁体１４９が（ｂ）の位置から、さらに所定距離だけ他端に向けて移動した状態を表す図である。この状態においては、バイパス口１４８ａおよび１４８ｂは開放部１４９ｂに対応する位置にあるので開放されており、バイパス口１４８ｃは閉鎖部１４９ａによって閉鎖されている。このため、フロンＲ１３４ａが高圧室１１９から作動室１４６へと流入する経路は、吸入ポート１４７、バイパス口１４８ａ、およびバイパス口１４８ｂとなる。
【００４６】
図１１の（ｄ）は、弁体１４９が（ｃ）の位置から、さらに所定距離だけ他端に向けて移動した状態を表す図である。この状態においては、バイパス口１４８ａ〜１４８ｃのすべてが開放部１４９ｂに対応する位置にあるので開放されている。このため、フロンＲ１３４ａが高圧室１１９から作動室１４６へと流入する経路は、吸入ポート１４７およびバイパス口１４８ａ〜１４８ｃのすべてとなる。
【００４７】
次に、実施の形態４に係る膨張機の動作を説明する。
弁体１４９が（ａ）の位置にある場合は、フロンＲ１３４ａが吸入ポート１４７からのみ吸入されるので、吸入ポート１４７から低圧室１１８までが膨張行程となる。
弁体１４９が（ｂ）の位置にある場合は、フロンＲ１３４ａが吸入ポート１４７およびバイパス口１４８ａから吸入される。このため、バイパス口１４８ａから低圧室１１８までが膨張行程となる。
弁体１４９が（ｃ）の位置にある場合は、フロンＲ１３４ａが吸入ポート１４７、バイパス口１４８ａ、およびバイパス口１４８ｂから吸入される。このため、バイパス口１４８ｂから低圧室１１８までが膨張行程となる。
弁体１４９が（ｄ）の位置にある場合は、フロンＲ１３４ａが吸入ポート１４７およびバイパス口１４８ａ〜１４８ｃから吸入される。このため、バイパス口１４８ｃから低圧室１１８までが膨張行程となる。
このように、図１１の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、および（ｄ）の順で膨張行程が短くなり、膨張機１３’における膨張率が小さくなる。膨張機１３’はこのようにして膨張率を制御するものであり、バイパス口１４８ａ〜１４８ｃの開閉に応じて容量が変化する、可変容量型の膨張機である。
【００４８】
このように、実施の形態４に係る車両用排熱回収システムによれば、膨張機１３’において、弁体１４９の位置を制御することによってバイパス口１４８ａ〜１４８ｃを開閉し、バイパス通路１３’ａを形成して膨張行程の長さを変更することができる。これによって膨張機１３’の膨張率が変化するので、膨張機１３’の作動が不要である場合に、膨張機１３が消費するエネルギーを低減することができる。すなわち、膨張機１３’のＯＦＦ動力を低減することができる。
【００４９】
実施の形態１〜４では、モータ／発電機１５がポンプ１１を駆動する動作から、膨張機１３，２５の動力を利用して発電を行う動作に切り替えるタイミングを、ランキンサイクル１０の起動後、所定時間が経過したときとしたが、これに限定するものではない。センサによって、作動流体の温度や流量、膨張機の回転数、モータ／発電機１５へ流す電流等が所定値に達したことを検知し、モータ／発電機１５の駆動を切り替えるようにしてもよい。
【００５０】
実施の形態１〜４では、ランキンサイクル１０と冷凍サイクル２０とを備える車両用排熱回収システム１において説明したが、これに限定されるものではない。少なくともランキンサイクルを備えた排熱回収システムであれば、冷凍サイクルを備えていなくてもよい。
【００５１】
実施の形態１〜４では、作動流体としてフロンＲ１３４ａを使用したが、プロパンやイソブタン等の炭化水素を使用することができる。また、これらのほかに、混合冷媒も使用できる。混合冷媒としては、例えば、混合冷媒４０７Ｃ使用してもよい。
【００５２】
実施の形態１〜４では、コンプレッサ２１はモータ２４によって駆動されるが、エンジン２の動力によってベルトを介して駆動するようにしてもよい。また、ランキンサイクル１０や冷凍サイクル２０には、それぞれ公知の他の構成要素を適宜追加したり、公知の手法を用いて変更したりすることができる。
【００５３】
実施の形態１〜４では、エンジン２を冷却した冷却水とランキンサイクル１０の作動流体とを熱交換器１２において熱交換しているが、冷却水以外の排熱、すなわちエキゾーストパイプ等の車両における排熱と熱交換するようにしてもよく、複数の排熱と熱交換するようにしてもよい。
【００５４】
実施の形態１〜４では、ポンプ１１はギヤ形式のものであるが、これは、シャフト１３５の回転によって駆動するものであれば、プランジャー式ポンプやダイヤフラム式ポンプでもよい。
【００５５】
実施の形態１〜４では、遮断壁１５８をアルミ製としたが、この材質に限定するものではない。その他の材質として銅でもよく、アルミと同等またはそれ以上の熱伝導率、すなわち２３７Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の熱伝導率を有する材質であればどのような材質から製造してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】この発明の実施の形態１に係る車両用排熱回収システムの構成図である。
【図２】実施の形態１に係る一体ユニットの断面側面図である。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。
【図４】図２のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。
【図５】図３および図４を矢印Ａの方向から見た側面図である。
【図６】実施の形態２に係る車両用排熱回収システムの構成図である。
【図７】実施の形態３に係る車両用排熱回収システムの構成図である。
【図８】実施の形態４に係る車両用排熱回収システムの構成図である。
【図９】実施の形態４に係る一体ユニットの断面側面図である。
【図１０】実施の形態４に係る一体ユニットにおいて、図９のＸ−Ｘ線における断面図に相当する図である。
【図１１】実施の形態４に係る弁体１４９の動作を概略的に示す図である。
【図１２】従来の車両用排熱回収システムの構成図である。
【符号の説明】
【００５７】
１，３０，４０  車両用排熱回収システム、１０  ランキンサイクル、１１  ポンプ、１２  熱交換器、１３，１３’，２５  膨張機、１４  コンデンサ、１５  モータ／発電機（負荷機）、２０  冷凍サイクル、２１  コンプレッサ、２２  膨張弁（減圧装置）、２３  蒸発器、１１９  高圧室、１４６  作動室、１４７  吸入ポート、１４８ａ〜１４８ｃ  バイパス口、１５０  断熱材膜（断熱材）、１５３  ケーシング、１５８  遮断壁、１７３ａ  吐出開口、１７４ａ  吸入開口。
【図１】
2006242174.tif 000003
【図２】
2006242174.tif 000004
【図３】
2006242174.tif 000005
【図４】
2006242174.tif 000006
【図５】
2006242174.tif 000007
【図６】
2006242174.tif 000008
【図７】
2006242174.tif 000009
【図８】
2006242174.tif 000010
【図９】
2006242174.tif 000011
【図１０】
2006242174.tif 000012
【図１１】
2006242174.tif 000013
【図１２】
2006242174.tif 000014