(57)【要約】【課題】  発熱機器の廃熱がない場合でも空調を可能とする廃熱利用装置を備える冷凍装置を提供する。【解決手段】  圧縮機２１０、凝縮器２２０、膨張弁２４０、蒸発器２５０が順次接続されて形成される冷凍サイクル２００と、発熱機器（例えば内燃機関）１０の廃熱を加熱源とする加熱器３１０、膨張機３２０、上記の凝縮器２２０、ポンプ３３０を順次接続することで形成されるランキンサイクル３００とを有する廃熱利用装置を備える冷凍装置において、圧縮機２１０および膨張機３２０の各駆動軸を互いに切り離すようにする。そして、膨張機３２０の出力を主に発電用に使用する。【選択図】    図１
2006046763.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機（２１０）、凝縮器（２２０）、膨張弁（２４０）、蒸発器（２５０）が順次接続されて形成される冷凍サイクル（２００）と、
発熱機器（１０）の廃熱を加熱源とする加熱器（３１０）、膨張機（３２０）、前記凝縮器（２２０）、ポンプ（３３０）を順次接続することで形成されるランキンサイクル（３００）とを有する廃熱利用装置を備える冷凍装置において、
前記圧縮機（２１０）および前記膨張機（３２０）の各駆動軸は、互いに切り離されていることを特徴とする廃熱利用装置を備える冷凍装置。
【請求項２】
前記発熱機器（１０）は、内燃機関（１０）であることを特徴とする請求項１に記載の廃熱利用装置を備える冷凍装置。
【請求項３】
前記膨張機（３２０）の出力は、発電用に使用されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の廃熱利用装置を備える冷凍装置。
【請求項４】
前記膨張機（３２０）の出力は、前記ポンプ（３３０）の駆動用に使用されることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の廃熱利用装置を備える冷凍装置。
【請求項５】
前記圧縮機（２１０）は、前記内燃機関（１０）によって駆動されることを特徴とする請求項２〜請求項４のいずれかに記載の廃熱利用装置を備える冷凍装置。
【請求項６】
前記圧縮機（２１０）は、電動機（２１３）によって駆動されることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の廃熱利用装置を備える冷凍装置。
【請求項７】
前記圧縮機（２１０）は、前記内燃機関（１０）、あるいは電動機（２１３）の少なくとも一方によって駆動されることを特徴とする請求項２〜請求項４のいずれかに記載の廃熱利用装置を備える冷凍装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発熱機器の廃熱を利用して動力を回収する廃熱利用装置を備える冷凍装置に関するものであり、例えば内燃機関を備える車両用に用いて好適である。
【背景技術】
【０００２】
従来の冷凍装置として、例えば特許文献１に示されるものが知られている。即ち、この冷凍装置は、発熱機器としての内燃機関の冷却廃熱を利用するランキンサイクルと冷凍サイクルとを有しており、ランキンサイクル内の膨張機の出力軸を冷凍サイクル内の圧縮機の軸に接続している。これにより、ランキンサイクルから回収される動力（膨張機の出力）を用いて圧縮機を駆動でき、内燃機関にかかる負荷を軽減しつつ、空調を可能としている。
【特許文献１】特開昭５６−４３０１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記冷凍装置においては、内燃機関の暖機中のように廃熱が回収できない時には、空調することができない。例えば、この冷凍装置を車両用として適用した場合、夏の炎天下放置後のクールダウンが必要とされる時に、空調の要求が非常に高いにもかかわらず、エンジンが暖機できていない間は、膨張機による圧縮機の駆動ができず、空調の対応ができないことになる。
【０００４】
本発明の目的は、上記問題に鑑み、発熱機器の廃熱がない場合でも空調を可能とする廃熱利用装置を備える冷凍装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は上記目的を達成するために、以下の技術的手段を採用する。
【０００６】
請求項１に記載の発明では、圧縮機（２１０）、凝縮器（２２０）、膨張弁（２４０）、蒸発器（２５０）が順次接続されて形成される冷凍サイクル（２００）と、発熱機器（１０）の廃熱を加熱源とする加熱器（３１０）、膨張機（３２０）、上記の凝縮器（２２０）、ポンプ（３３０）を順次接続することで形成されるランキンサイクル（３００）とを有する廃熱利用装置を備える冷凍装置において、圧縮機（２１０）および膨張機（３２０）の各駆動軸は、互いに切り離されていることを特徴としている。
【０００７】
これにより、発熱機器（１０）の廃熱が充分に得られず、膨張機（３２０）を作動させることができない場合でも、圧縮機（２１０）による冷凍サイクル（２００）の作動は可能であるので、空調を行うことができる。
【０００８】
発熱機器（１０）としては、請求項２に記載の発明のように、内燃機関（１０）を用いて好適である。
【０００９】
上記請求項１または請求項２に記載の発明において、請求項３に記載の発明のように、膨張機（３２０）の出力を発電用に使用するのが良く、これにより、発電にかかる内燃機関（１０）の負荷を低減することができる。
【００１０】
また、請求項４に記載の発明のように、膨張機（３２０）の出力をポンプ（３３０）の駆動用に使用しても良く、これにより、ポンプ（３３０）駆動用のエネルギーを低減することができる。
【００１１】
請求項５に記載の発明では、圧縮機（２１０）は、内燃機関（１０）によって駆動されることを特徴としており、これにより、膨張機（３２０）の出力の有無に関わらず、圧縮機（２１０）を作動させることができると共に、膨張機（３２０）の出力に応じて、内燃機関（１０）の廃熱を有効に利用することができる。
【００１２】
また、請求項６に記載の発明のように、圧縮機（２１０）は、電動機（２１３）によって駆動されるものとしたり、請求項７に記載の発明のように、内燃機関（１０）、あるいは電動機（２１３）の少なくとも一方によって駆動されるものとしても良い。
【００１３】
尚、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態を図１に示し、まず、具体的な構成について説明する。本発明の廃熱利用装置を備える冷凍装置（以下、冷凍装置）１００は、エンジン１０を駆動源とする車両に適用されるものとしている。冷凍装置１００には冷凍サイクル２００およびランキンサイクル３００が設けられており、各サイクル２００、３００の作動が図示しない制御装置によって制御されるようにしている。
【００１５】
エンジン１０は、水冷式の内燃機関（本発明における発熱機器に対応）であり、エンジン冷却水の循環によってエンジン１０が冷却されるラジエータ回路２０、および冷却水（温水）を熱源として空調空気を加熱するヒータ回路３０が設けられている。
【００１６】
ラジエータ回路２０にはラジエータ２１が設けられており、ラジエータ２１は、温水ポンプ２２によって循環される冷却水を外気との熱交換により冷却する。温水ポンプ２２は、ここでは電動式のポンプとしている。エンジン１０の出口側の流路（エンジン１０とラジエータ２１の間の流路）には、後述するランキンサイクル３００の加熱器３１０が配設されており、冷却水がこの加熱器３１０内を流通するようにしている。尚、ラジエータ回路２０中にはラジエータ２１を迂回して冷却水が流通するラジエータバイパス流路２３が設けられており、サーモスタット２４によってラジエータ２１を流通する冷却水量とラジエータバイパス流路２３を流通する冷却水量とが調節されるようにしている。
【００１７】
ヒータ回路３０にはヒータコア３１が設けられており、上記の温水ポンプ２２によって冷却水（温水）が循環されるようにようにしている。ヒータコア３１は、空調ユニット４００の空調ケース４１０内に配設されており、送風機４２０によって送風される空調空気を温水との熱交換により加熱する。尚、ヒータコア３１にはエアミックスドア４３０が設けられており、このエアミックスドア４３０の開閉により、ヒータコア３１を流通する空調空気量が可変される。
【００１８】
冷凍サイクル２００は、周知のように圧縮機２１０、凝縮器２２０、受液器２３０、膨張弁２４０、蒸発器２５０から成り、これらが順次接続されて閉回路を形成している。圧縮機２１０は、冷凍サイクル２００内の冷媒を高温高圧に圧縮する流体機器であり、ここではエンジン１０の駆動力によって駆動されるようにしている。即ち、圧縮機２１０の駆動軸には駆動手段としてのプーリ２１１が固定されており、エンジン１０の駆動力がベルト１１を介してプーリ２１１に伝達され、圧縮機２１０は駆動される。尚、プーリ２１１には、圧縮機２１０とプーリ２１１との間を断続する電磁クラッチ２１２が設けられている。電磁クラッチ２１２の断続は、図示しない制御装置によって制御される。
【００１９】
凝縮器２２０は、圧縮機２１０の吐出側に接続され、外気との熱交換によって冷媒を凝縮液化する熱交換器である。受液器２３０は、凝縮器２２０で凝縮された冷媒を気液二層に分離するレシーバであり、ここで分離された液化冷媒のみを膨張弁２４０側に流出させる。膨張弁２４０は、受液器２３０からの液化冷媒を減圧膨脹させるもので、本実施形態では、冷媒を等エンタルピ的に減圧すると共に、圧縮機２１０に吸入される冷媒の過熱度が所定値となるように絞り開度を制御する温度式膨脹弁を採用している。
【００２０】
蒸発器２５０は、ヒータコア３１と同様に空調ユニット４００の空調ケース４１０内に配設されており、膨張弁２４０によって減圧膨張された冷媒を蒸発させて、その時の蒸発潜熱によって送風機４２０からの空調空気を冷却する熱交換器である。そして、蒸発器２５０の冷媒出口側は、圧縮機２１０の吸入側に接続されている。尚、蒸発器２５０によって冷却された空調空気とヒータコア３１によって加熱された空調空気は、エアミックスドア４３０の開度に応じて混合比率が可変され、乗員の設定する温度に調節される。
【００２１】
一方、ランキンサイクル３００は、エンジン１０で発生した廃熱エネルギー（冷却水の熱エネルギー）を回収すると共に、この廃熱エネルギーを電気エネルギーに変換して利用するものである。以下、ランキンサイクル３００について説明する。
【００２２】
ランキンサイクル３００は、加熱器３１０、膨張機３２０、凝縮器２２０、受液器２３０、ポンプ３３０から成り、これらが順次接続されて閉回路を形成している。尚、このランキンサイクル３００内を流通する作動流体は、上記冷凍サイクル２００の冷媒と同一としており、凝縮器２２０、受液器２３０は冷凍サイクル２００のものを兼用するようにしている。
【００２３】
ポンプ３３０は、図示しない制御装置によって作動される電動機３３１を駆動源として、ランキンサイクル３００内の冷媒を循環させる電動式のポンプである。加熱器３１０は、ポンプ３３０から送られる冷媒とラジエータ回路２０を流通する高温の冷却水との間で熱交換することにより冷媒を加熱する熱交換器である。膨張機３２０は、加熱器３１０で加熱された過熱蒸気冷媒の膨張によって回転駆動力を発生させる流体機器である。膨張機３２０から流出される冷媒は、上記で説明した凝縮器２２０、受液器２３０に至る。
【００２４】
本発明においては、膨張機３２０の駆動軸と、圧縮機２１０の駆動軸とは完全に切り離されており、膨張機３２０には発電機３２１が接続されるようにしている。そして、後述するように膨張機３２０の駆動力によって発電機３２１が作動され、発電機３２１によって発電される電力は、制御回路４１を介してバッテリ４０に充電されるようにしている。
【００２５】
次に、上記構成に基づく作動およびその作用効果について説明する。
【００２６】
１．冷凍サイクル単独運転
エンジン１０始動直後の暖機中等で廃熱が得られない時は、ポンプ３３０の電動機３３１を停止（膨張機３２０は停止）させ、電磁クラッチ２１２を接続し、エンジン１０の駆動力によって圧縮機２１０を駆動させ、冷凍サイクル２００を単独運転させる。この場合は、通常の車両用エアコンと同じ作動をする。
【００２７】
２．ランキンサイクル単独運転
エアコン要求が無く、エンジン１０の廃熱が充分ある時は、電磁クラッチ２１２を切断（圧縮機２１０は停止）し、電動機３３１（ポンプ３３０）を作動させ、ランキンサイクル３００を単独運転させて発電を行う。
【００２８】
この場合は、ポンプ３３０によって受液器２３０の液冷媒が昇圧されて加熱器３１０に送られ、加熱器３１０において液冷媒は高温のエンジン冷却水によって加熱され、過熱蒸気冷媒となって膨張機３２０に送られる。膨張機３２０において過熱蒸気冷媒は等エントロピー的に膨張減圧され、その熱エネルギーと圧力エネルギーの一部が回転駆動力に変換される。膨張機３２０で取り出された回転駆動力によって発電機３２１が作動され、発電機３２１は発電する。そして、発電機３２１によって得られた電力は、制御回路４１を介してバッテリ４０に充電され、各種補機の作動に使用される。尚、膨張機３２０で減圧された冷媒は凝縮器２２０で凝縮され、受液器２３０で気液分離され、再びポンプ３３０へ吸引される。
【００２９】
３．冷凍サイクル、ランキンサイクル同時運転
エアコン要求があり、且つ廃熱が充分にある時は、冷凍サイクル２００とランキンサイクル３００を同時運転させ、空調と発電の両方を行う。
【００３０】
この場合は、電磁クラッチ２１２を接続し、電動機３３１（ポンプ３３０）を作動させる。２つのサイクル２００、３００は、凝縮器２２０を共用し、冷媒は、受液器２３０にて分岐して、それぞれの流路を循環する。各サイクル２００、３００の作動については、上記単独運転の場合と同じである。
【００３１】
これにより、エンジン１０の廃熱が充分に得られず、膨張機３２０を作動させることができない場合でも、圧縮機２１０は膨張機３２０から切り離されていることから、冷凍サイクル２００の作動が可能となり、空調を行うことができる。
【００３２】
そして、エンジン１０の廃熱が充分に得られる時には、冷凍サイクル２００の作動の有無に関わらず、エンジン１０の廃熱を利用して発電が可能となり、発電にかかるエンジン１０の負荷（オルタネータ作動用の負荷）を低減することができ、燃費を向上させることができる。
【００３３】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態を図２に示す。第２実施形態は、上記第１実施形態に対して、圧縮機２１０の駆動手段を変更したものである。即ち、ここでは、圧縮機２１０は、電動機２１３に接続されており（電動圧縮機としており）、電動機２１３の駆動力によって駆動されるようにしている。これにより、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００３４】
尚、圧縮機２１０は、駆動手段として、エンジン１０あるいは電動機２１３の少なくとも一方を選択するハイブリッドコンプレッサとしても良い。
【００３５】
（第３実施形態）
本発明の第３実施形態を図３に示す。第３実施形態は、上記第１実施形態に対して、ポンプ３３０の駆動源を変更したものである。ここでは、上記第１、第２実施形態における電動機３２１に代えて、電動機と発電機の両機能を備える電動発電機３２２を膨張機３２０に接続しており、更に、ポンプ３３０と電動発電機３２２とを接続するようにしている。
【００３６】
本第３実施形態においては、ランキンサイクル３００を運転する際には、まず、電動発電機３２２を電動機として作動させ、ポンプ３３０を駆動する。そして、エンジン１０からの廃熱が充分に得られ、膨張機３２０での駆動力がポンプ３３０の動力を上回ったら、電動発電機３２２を発電機として作動させ、発電を行う。
【００３７】
これにより、ポンプ３３０を駆動するための専用の駆動源（上記第１、第２実施形態における電動機３３１）を無くすことができ、構成を簡素化できると共に、ポンプ３３０駆動用のエネルギーを低減することができる。
【００３８】
（その他の実施形態）
上記第１〜第３実施形態においては、発熱機器として、車両用のエンジン（内燃機関）１０としたが、これに限らず、例えば、外燃機関、燃料電池車両の燃料電池スタック、各種モータ、インバータ等のように作動時に発熱を伴い、温度制御のためにその熱の一部を捨てるもの（廃熱が発生するもの）であれば、広く適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の第１実施形態における廃熱利用装置を備える冷凍装置全体を示す模式図である。
【図２】本発明の第２実施形態における廃熱利用装置を備える冷凍装置全体を示す模式図である。
【図３】本発明の第３実施形態における廃熱利用装置を備える冷凍装置全体を示す模式図である。
【符号の説明】
【００４０】
１０  エンジン（発熱機器、内燃機関）
１００  廃熱利用装置を備える冷凍装置
２００  冷凍サイクル
２１０  圧縮機
２１３  電動機
２２０  凝縮器
２４０  膨張弁
２５０  蒸発器
３００  ランキンサイクル
３１０  加熱器
３２０  膨張機
２３０  ポンプ
【図１】
2006046763.tif 000003
【図２】
2006046763.tif 000004
【図３】
2006046763.tif 000005