(57)【要約】【課題】  ハイブリッド車両において走行用エンジンの稼働率を暖房要求によって不要に上げることなく、暖機性に優れ、ひいてはエンジンの廃熱を用いる他の機器の能力向上を可能とする車両用廃熱利用装置を提供する。【解決手段】  エンジン１０およびモータ３０を走行用駆動源としており、エンジン１０を冷却するエンジン冷却回路２０と、モータ３０を冷却するモータ冷却回路４０とを有するハイブリッド車両に適用される車両用廃熱利用装置であって、サイクル内に流体を循環させる圧縮機１１１の低圧側で、流体に吸熱する吸熱器１１４と、圧縮機１１１の高圧側で流体の熱を放熱する放熱器１１２とを有するヒートポンプサイクル１１０を備え、吸熱器１１４を、モータ冷却回路４０に配設し、放熱器１１２を、エンジン冷却回路２０に配設する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジン（１０）およびモータ（３０）を走行用駆動源としており、前記エンジン（１０）を冷却するエンジン冷却回路（２０）と、前記モータ（３０）を冷却するモータ冷却回路（４０）とを有するハイブリッド車両に適用されるものであって、
サイクル内に流体を循環させる圧縮機（１１１）の低圧側で、前記流体に吸熱する吸熱器（１１４）と、
前記圧縮機（１１１）の高圧側で前記流体の熱を放熱する放熱器（１１２）とを有するヒートポンプサイクル（１１０）を備え、
前記吸熱器（１１４）を、前記モータ冷却回路（４０）に配設し、
前記放熱器（１１２）を、前記エンジン冷却回路（２０）に配設したことを特徴とする車両用廃熱利用装置。
【請求項２】
前記圧縮機（１１１）の作動状態に応じて、前記ヒートポンプサイクル（１１０）の吸熱、放熱による熱移動量が調整されると共に、
前記モータ冷却回路（４０）の冷却温度が所定温度範囲に制御されることを特徴とする請求項１に記載の車両用廃熱利用装置。
【請求項３】
前記ヒートポンプサイクル（１１０）には、前記吸熱器（１１４）をバイパス可能とするバイパス流路（１１９、１１６）、およびこのバイパス流路（１１６）に配設される外気吸熱器（１１６ａ）、
あるいは、前記放熱器（１１２）の下流側で前記流体を減圧して前記圧縮機（１１１）の低圧側への接続を可能とする接続流路（１３１）が設けられたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の車両用廃熱利用装置。
【請求項４】
前記ヒートポンプサイクル（１１０）には、前記放熱器（１１２）から流出された前記流体を直接前記吸熱器（１１４）に流入させて、前記吸熱器（１１４）から流出された流体を減圧して、前記圧縮機（１１１）の低圧側への接続を可能とする切替え流路（１３４、１３５）が設けられたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の車両用廃熱利用装置。
【請求項５】
前記モータ冷却回路（４０）には、この回路（４０）内を循環する冷却液を冷却する冷却用熱交換器（４２）への冷却液流量を前記冷却液の温度に応じて調節する流量調節手段（４３、４４）が設けられたことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の車両用廃熱利用装置。
【請求項６】
前記モータ冷却回路（４０）には、前記モータ（３０）への電力供給用の電源部（３３）が配設されたことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の車両用廃熱利用装置。
【請求項７】
前記エンジン冷却回路（２０）には、この回路（２０）を循環する冷却液を加熱源とする暖房器（２６）が配設されたことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載の車両用廃熱利用装置。
【請求項８】
前記ヒートポンプサイクル（１１０）は、前記放熱器（１１２）を、前記エンジン冷却回路（２０）からの熱によって前記流体を加熱する加熱器（１１２）として、
前記加熱器（１１２）から流出される前記流体を膨張機（１１１ａ）で膨張させて動力を回収するランキンサイクル（１２０）を有することを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１つに記載の車両用廃熱利用装置。
【請求項９】
前記膨張機（１１１ａ）は、前記流体の流れが流路切替え機構によって逆方向に切替えられて、前記圧縮機（１１１）として機能することを特徴とする請求項８に記載の車両用廃熱利用装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ハイブリッド車両における走行用モータの廃熱を熱機関の加熱用に活用可能とする車両用廃熱利用装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、車両の走行用駆動源としてエンジンとモータとを備え、走行条件に応じて両駆動源を使い分けることで、エンジンの燃費性能に優れるハイブリッド車両が普及し始めている。この車両においては、エンジンの廃熱がヒータ回路中のヒータコアに供給されることで、暖房用の熱源に使用されている（特許文献１）。
【特許文献１】特開平１０−２７８５６９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、上記ハイブリッド車両においては、低速運転時にエンジン稼働率が低く設定されており、エンジンの暖機時間がかかる、あるいは暖機自体が充分に行われない面があるために、特に冬場ではエンジンの廃熱をヒータコア用の熱源として充分に供給することができないという問題がある。よって、ハイブリッド車両では、ヒータコアの熱源を確保するため、あえて燃費性能を犠牲にして、低速運転時においてもエンジンを稼動しなければならなかった。
【０００４】
本発明の目的は、上記問題に鑑み、ハイブリッド車両において走行用エンジンの稼働率を暖房要求によって不要に上げることなく、暖機性に優れ、ひいてはエンジンの廃熱を用いる他の機器の能力向上を可能とする車両用廃熱利用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、エンジン（１０）およびモータ（３０）を走行用駆動源としており、エンジン（１０）を冷却するエンジン冷却回路（２０）と、モータ（３０）を冷却するモータ冷却回路（４０）とを有するハイブリッド車両に適用される車両用廃熱利用装置であって、サイクル内に流体を循環させる圧縮機（１１１）の低圧側で、流体に吸熱する吸熱器（１１４）と、圧縮機（１１１）の高圧側で流体の熱を放熱する放熱器（１１２）とを有するヒートポンプサイクル（１１０）を備え、吸熱器（１１４）を、モータ冷却回路（４０）に配設し、放熱器（１１２）を、エンジン冷却回路（２０）に配設したことを特徴としている。
【０００７】
これにより、従来無駄に捨てていたモータ冷却回路（４０）の廃熱をヒートポンプサイクル（１１０）によって、エンジン冷却回路（２０）に伝達でき、エンジン（１０）の稼働率を不要に上げることなく、エンジン（１０）の暖機性を向上させることができる。ひいてはエンジン（１０）の廃熱を用いる他の機器の能力向上が可能となる。
【０００８】
請求項２に記載の発明では、圧縮機（１１１）の作動状態に応じて、ヒートポンプサイクル（１１０）の吸熱、放熱による熱移動量が調整されると共に、モータ冷却回路（４０）の冷却温度が所定温度範囲に制御されることを特徴としている。
【０００９】
これにより、モータ冷却回路（４０）の廃熱の一部をヒートポンプサイクル（１１０）の吸熱器（１１４）に放熱して熱バランスさせることができるので、モータ冷却回路（４０）における冷却能力を小さくすることができる。
【００１０】
請求項３に記載の発明では、ヒートポンプサイクル（１１０）には、吸熱器（１１４）をバイパス可能とするバイパス流路（１１９、１１６）、およびこのバイパス流路（１１６）に配設される外気吸熱器（１１６ａ）、あるいは、放熱器（１１２）の下流側で流体を減圧して圧縮機（１１１）の低圧側への接続を可能とする接続流路（１３１）が設けられたことを特徴としている。
【００１１】
これにより、バイパス流路（１１６）に外気吸熱器（１１６ａ）を設けることで、主として圧縮機（１１１）、放熱器（１１２）、外気吸熱器（１１６ａ）によって、外気から吸熱してエンジン冷却回路（２０）に熱を伝達するヒートポンプサイクルを形成できるので、モータ冷却回路（４０）の温度が低い場合に、モータ冷却回路（４０）から過度に熱を奪ってしまうのを防止できる。
【００１２】
また、接続流路（１３１）を設けることで、主として圧縮機（１１１）、放熱器（１１２）によって、圧縮機（１１１）の圧縮仕事分の熱を放熱器（１１２）から放熱可能とするホットガスサイクル（１３０）を形成できるので、極めて外気温度が低い場合に、上記ヒートポンプサイクルで外気から吸熱できない場合でも、エンジン冷却回路（２０）に熱を伝達することができる。
【００１３】
請求項４に記載の発明では、ヒートポンプサイクル（１１０）には、放熱器（１１２）から流出された流体を直接吸熱器（１１４）に流入させて、吸熱器（１１４）から流出された流体を減圧して、圧縮機（１１１）の低圧側への接続を可能とする切替え流路（１３４、１３５）が設けられたことを特徴としている。
【００１４】
これにより、主として圧縮機（１１１）、放熱器（１１２）、吸熱器（１１４）によって、圧縮機（１１１）の圧縮仕事分の熱を放熱器（１１２）、吸熱器（１１４）から放熱可能とするホットガスサイクル（１３０Ａ）を形成できるので、エンジン冷却回路（２０）、モータ冷却回路（４０）が共に低温である場合に、両者（２０、４０）を同時に加熱することができる。
【００１５】
請求項５に記載の発明では、モータ冷却回路（４０）には、この回路（４０）内を循環する冷却液を冷却する冷却用熱交換器（４２）への冷却液流量を冷却液の温度に応じて調節する流量調節手段（４３、４４）が設けられたことを特徴としている。
【００１６】
これにより、冷却液の温度に応じて冷却用熱交換器（４２）による冷却能力が調節されるので、モータ冷却回路（４０）の温度を容易に所望温度に制御できる。
【００１７】
請求項６に記載の発明では、モータ冷却回路（４０）には、モータ（３０）への電力供給用の電源部（３３）が配設されたことを特徴としている。
【００１８】
これにより、電源部（３３）はモータ冷却回路（４０）の温度に維持されるので、低温環境下にて生ずる性能低下を防止できる。
【００１９】
請求項７に記載の発明では、エンジン冷却回路（２０）には、この回路（２０）を循環する冷却液を加熱源とする暖房器（２６）が配設されたことを特徴としている。
【００２０】
これにより、エンジン（１０）の廃熱を用いる機器として、暖房器（２６）の能力を向上することができる。
【００２１】
請求項８に記載の発明では、ヒートポンプサイクル（１１０）は、放熱器（１１２）を、エンジン冷却回路（２０）からの熱によって流体を加熱する加熱器（１１２）として、加熱器（１１２）から流出される流体を膨張機（１１１ａ）で膨張させて動力を回収するランキンサイクル（１２０）を有することを特徴としている。
【００２２】
これにより、エンジン（１０）の暖機が完了して、逆にエンジン（１０）からの廃熱が得られる場合には、ランキンサイクル（１２０）を作動させることで、エンジン（１０）の廃熱から動力を回収することができる。
【００２３】
請求項９に記載の発明では、膨張機（１１１ａ）は、流体の流れが流路切替え機構によって逆方向に切替えられて、圧縮機（１１１）として機能することを特徴としている。
【００２４】
これにより、圧縮機（１１１）および膨張機（１１１ａ）を膨張機兼圧縮機（１１１ａ）としてコンパクトな流体機械とすることができ、ランキンサイクル（１２０）を小型にすることができる。
【００２５】
因みに、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
（第１実施形態）
本実施形態は、本発明に係る車両用廃熱利用装置（以下、廃熱利用装置）１００を、走行用駆動源として水冷式のエンジン１０と、走行用のモータ３０とを備えるハイブリッド車両に適用したものであり、図１は本実施形態に係る廃熱利用装置１００を示す模式図である。
【００２７】
図１に示すように、ハイブリッド車両のエンジン１０にはエンジン冷却回路２０が、また、モータ３０にはモータ冷却回路４０が設けられている。
【００２８】
エンジン冷却回路２０は、内部を流通するエンジン冷却水により、作動時に発熱するエンジン１０を冷却して所定温度に維持する回路であり、エンジン１０の駆動力によって作動される機械式のウォータポンプ２１によってエンジン冷却水が循環するラジエータ回路２０Ａと、ヒータ回路２０Ｂとを有している。尚、ヒータ回路２０Ｂには、エンジン１０（ウォータポンプ２１）が停止中であっても、ヒータ回路２０Ｂ内のエンジン冷却水の循環が可能となるように、電動モータによって作動される電動式のウォータポンプ２５が配設されている。ウォータポンプ２５は、図示しない制御装置によってその作動が制御されるようになっている。
【００２９】
ラジエータ回路２０Ａには、エンジン冷却水を外部空気との熱交換によって冷却するラジエータ２２が設けられている。また、ラジエータ回路２０Ａにはラジエータ２２をバイパスするバイパス流路２３と、ラジエータ２２およびバイパス流路２３の下流側合流点に設けられて、エンジン冷却水の温度に応じてラジエータ２２側、バイパス流路２３側の開度が可変されるサーモスタット２４とが設けられている。そして、ラジエータ２２を流通するエンジン冷却水の流量は、バイパス流路２３とサーモスタット２４とによって調節されるようになっている。
【００３０】
ヒータ回路２０Ｂは、上記ラジエータ回路２０Ａとは異なるエンジン部位からエンジン冷却水が流出して、サーモスタット２４を介してウォータポンプ２１に接続されており、その途中にエンジン冷却水（温水）を加熱源とする暖房用のヒータコア（本発明における暖房器に対応）２６が設けられている。ヒータコア２６は、図示しない空調装置の空調ダクト内に配設されて、空調ダクト内を流通する空調空気を加熱する。
【００３１】
尚、ウォータポンプ２１は、機械式のものに代えて電動式のものとしても良く、この場合は、ヒータ回路２０Ｂのウォータポンプ２５は廃止しても良い。
【００３２】
一方、モータ冷却回路４０は、内部を流通するモータ冷却水（本発明における冷却液に対応）により、作動時に発熱するモータ３０を冷却してモータ所定温度に維持する回路であり、電動モータによって作動される電動式のウォータポンプ４１によってモータ冷却水が循環される。尚、ウォータポンプ４１は図示しない制御装置によってその作動が制御されるようになっている。
【００３３】
モータ冷却回路４０には、モータ冷却水を外部空気との熱交換によって冷却するサブラジエータ（本発明における冷却用熱交換器に対応）４２が設けられている。また、モータ冷却回路４０にはサブラジエータ４２をバイパスするバイパス流路４３と、サブラジエータ４２およびバイパス流路４３の下流側合流点に設けられて、モータ冷却水の温度に応じてサブラジエータ４２側、バイパス流路４３側の開度が可変されるサーモスタット４４とが設けられている。そして、サブラジエータ４２を流通するモータ冷却水の流量は、バイパス流路４３とサーモスタット４４とによって調節されるようになっている。尚、バイパス流路４３およびサーモスタット４４は、本発明における流量調節手段に対応する。
【００３４】
そして、モータ３０とウォータポンプ４１との間には、モータ３０と同様に作動時に発熱を伴うコンバータ３１とインバータ３２とが配設されている。コンバータ３１は、モータ３０用の直流バッテリ（図示せず）からの高電圧を所定電圧に電圧変換するもので、インバータ３２は、コンバータ３１からの直流電力を交流電力に変換すると共に、モータ３０への供給電力量を調整してモータ３０の作動を制御するものである。
【００３５】
廃熱利用装置１００は、ヒートポンプサイクル１１０内の放熱器１１２および吸熱器１１４が、上記エンジン冷却回路２０のヒータ回路２０Ｂ、モータ冷却回路４０に配設されて形成されている。
【００３６】
ヒートポンプサイクル１１０は、モータ冷却回路４０側の廃熱をエンジン冷却回路２０（ヒータ回路２０Ｂ）に移動させるものであり、基本構成として、圧縮機１１１、放熱器１１２、絞り１１３、吸熱器１１４、アキュムレータ１１５が環状に接続されて形成されている。
【００３７】
圧縮機１１１は、冷媒（本発明における流体に対応）を吸入して高温高圧に圧縮する流体機械である。圧縮機１１１の駆動源としては、エンジン１０のみ、電動モータのみ、エンジン１０と電動モータとの選択的併用等とすることができる。
【００３８】
放熱器１１２は、圧縮機１１１の冷媒吐出側に設けられて、高温高圧に圧縮された冷媒とヒータ回路２０Ｂ内（ここではサーモスタット２４とヒータコア２６との間）のエンジン冷却水との間で熱交換する熱交換器であり、具体的には、冷媒の熱をエンジン冷却水に放熱することで冷媒を凝縮液化させる。絞り１１３は、放熱器１１２で凝縮液化された液相冷媒を等エンタルピ的に減圧膨脹させる減圧手段である。
【００３９】
吸熱器１１４は、絞り１１３にて減圧された冷媒とモータ冷却回路４０内（ここではモータ３０とバイパス流路４３との間）のモータ冷却水との間で熱交換する熱交換器であり、モータ冷却水から吸熱することで冷媒を蒸発気化させる。アキュムレータ１１５は、吸熱器１１４から流出される冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して気相冷媒を圧縮機１１１に戻すレシーバである。
【００４０】
上記ヒートポンプサイクル１１０には、放熱器１１２をバイパスするバイパス流路１１６が設けられており、このバイパス流路１１６には外部空気との熱交換によって、圧縮機１１１からの冷媒を凝縮液化する凝縮器１１６ａが配設されている。そして、バイパス流路１１６の圧縮機１１１側となる分岐点には三方弁１１６ｂが設けられ、この三方弁１１６ｂによって圧縮機１１１からの冷媒が放熱器１１２側、あるいは凝縮器１１６ａ側のいずれかに流通可能となるようにしている。また、バイパス流路１１６の凝縮器１１６ａ下流側には、このバイパス流路１１６を開閉する電磁弁１１６ｃが設けられている。三方弁１１６ｂによる流路切替え、電磁弁１１６ｃによる流路開閉は、図示しない制御装置によって制御されるようになっている。
【００４１】
また、ヒートポンプサイクル１１０には、上記バイパス流路１１６に加えて、吸熱器１１４をバイパスするバイパス流路１１７が設けられている。このバイパス流路１１７には、放熱器１１２あるいは凝縮器１１６ａから流出される冷媒を減圧膨張させる絞り１１７ａと、ヒータコア２６と同様に空調ダクト内に配設されて絞り１１７ａからの冷媒を空調空気との熱交換（空調空気から吸熱）によって蒸発させて空調空気を冷却する蒸発器１１７ｂと、蒸発器１１７ｂ側から圧縮機１１１側にのみ冷媒が流れることを許容する逆止弁１１７ｃとが設けられている。
【００４２】
尚、ヒートポンプサイクル１１０の吸熱器１１４とアキュムレータ１１５との間には電磁弁１１８が設けられており、この電磁弁１１８の開閉によって、冷媒が吸熱器１１４側あるいは蒸発器１１７ｂ側のいずれかに流通可能となるようにしている。電磁弁１１８による流路の開閉は、図示しない制御装置によって制御されるようになっている。
【００４３】
上記圧縮機１１１、凝縮器１１６ａ、絞り１１７ａ、蒸発器１１７ｂによって、冷凍サイクル１１６Ａが形成される。
【００４４】
次に、上記構成に基づく廃熱利用装置１００の作動およびその作用効果について、図２〜図５を加えて説明する。
【００４５】
１．ヒートポンプ暖機モード（図１参照）
この運転モードは、主に冬場のような低温時において、ヒートポンプサイクル１１０を作動させることで、モータ冷却回路４０の廃熱を吸熱器１１４で吸熱し、放熱器１１２でヒータ回路２０Ｂに放熱させる（エンジン１０の暖機を促進させる）運転モードである。
【００４６】
具体的には、図示しない制御装置は、車両の始動（エンジン１０のＯＮ、あるいはモータ３０のＯＮ）に伴い、三方弁１１６ｂを放熱器１１２側が開くように切替えて、電磁弁１１８を開き、電磁弁１１６ｃを閉じる。そして、ウォータポンプ４１、圧縮機１１１を作動させる。尚、ウォータポンプ２５については、エンジン１０が停止している場合に作動させる。
【００４７】
上記始動後は、エンジン冷却回路２０におけるエンジン冷却水温度は低い状態にあり、サーモスタット２４はバイパス流路２３側を開いており、エンジン１０作動時はウォータポンプ２１によってエンジン冷却水はラジエータ回路２０Ａのバイパス流路２３側を循環する。また、ウォータポンプ２１あるいはウォータポンプ２５によって、エンジン冷却水はヒータ回路２０Ｂ内を循環する。また、モータ冷却回路４０におけるモータ冷却水温度も低い状態にあり、サーモスタット４４はバイパス流路４３側を開いており、モータ冷却水はウォータポンプ４１の作動によってバイパス流路４３、コンバータ３１、インバータ３２、モータ３０側を循環する。
【００４８】
一方、ヒートポンプサイクル１１０内の冷媒は、圧縮機１１１→三方弁１１６ｂ→放熱器１１２→絞り１１３→吸熱器１１４→電磁弁１１８→アキュムレータ１１５→圧縮機１１１の順に循環する。この時、モータ冷却回路４０に配設されたモータ３０、コンバータ３１、インバータ３２の作動に伴う熱がモータ冷却回路４０内のモータ冷却水に伝達され、更にこの熱が吸熱器１１４によって吸熱されてヒートポンプサイクル１１０の冷媒に移動される。そして、冷媒に移動された熱は放熱器１１２によってヒータ回路２０Ｂのエンジン冷却水に放熱され、エンジン冷却水が積極的に加熱される（エンジン１０が積極的に暖機される）ことになる。
【００４９】
尚、エンジン冷却水温度の上昇に伴って、サーモスタット２４がラジエータ２２側を開くようになると、圧縮機１１１、即ちヒートポンプサイクル１１０の作動が停止され、エンジン冷却水はラジエータ２２によって冷却されるようになり、エンジン冷却水の温度が所定温度（例えば８０〜１００℃）に維持される。
【００５０】
また、モータ冷却回路４０においては、ヒートポンプサイクル１１０の作動中においては、モータ冷却水は吸熱器１１４にその熱が吸熱されることで冷却される。また、ヒートポンプサイクル１１０の停止後においては、モータ冷却水温度が上昇していくと、サーモスタット４４がサブラジエータ４２側を開き、モータ冷却水はサブラジエータ４２によって冷却される。総じて、モータ冷却水の温度はモータ所定温度（例えば２０〜４０℃）に維持される。
【００５１】
２．冷凍サイクル冷房モード（図２参照）
この運転モードは、主に夏場のような高温時において、ヒートポンプサイクル１１０内に設けた冷凍サイクル１１６Ａを作動させて通常の車室内冷房を行うモードである。
【００５２】
具体的には、図示しない制御装置は、三方弁１１６ｂを凝縮器１１６ａ側が開くように切替えて、電磁弁１１６ｃを開き、電磁弁１１８を閉じる。そして、圧縮機１１１を作動させる。
【００５３】
すると、冷凍サイクル１１６Ａ内の冷媒は、圧縮機１１１→三方弁１１６ｂ→凝縮器１１６ａ→電磁弁１１６ｃ→絞り１１７ａ→蒸発器１１７ｂ→逆止弁１１７ｃ→圧縮機１１１の順に循環する。そして、空調ダクト内を流通する空調空気は、蒸発器１１７ｂによって冷却され、車室内の冷房が行われることになる。
【００５４】
尚、エンジン冷却回路２０内のエンジン冷却水は、ラジエータ２２によって冷却されて所定温度に維持される。また、モータ冷却回路４０内のモータ冷却水は、ウォータポンプ４１の作動によって循環されると共に、サブラジエータ４２によって冷却されてモータ所定温度に維持される。
【００５５】
３．冷凍サイクル冷房＋暖機モード（図３参照）
この運転モードは、主に夏場のような高温時において、ヒートポンプサイクル１１０内の放熱器１１２を凝縮器として用いた冷凍サイクル１１６Ｂを作動させて通常の車室内冷房、およびエンジン１０の暖機を行うモードである。
【００５６】
具体的には、図示しない制御装置は、三方弁１１６ｂを放熱器１１２側が開くように切替えて、電磁弁１１６ｃ、１１８を閉じる。そして、圧縮機１１１を作動させる。尚、ウォータポンプ２５については、エンジン１０が停止している場合に作動させる。
【００５７】
すると、冷媒は、圧縮機１１１→三方弁１１６ｂ→放熱器１１２→絞り１１７ａ→蒸発器１１７ｂ→逆止弁１１７ｃ→圧縮機１１１の順に循環する（冷凍サイクル１１６Ｂ作動）。そして、空調ダクト内を流通する空調空気は、蒸発器１１７ｂによって冷却され、車室内の冷房が行われることになる。
【００５８】
また、冷凍サイクル１１６Ｂ内の冷媒の熱は放熱器１１２によってヒータ回路２０Ｂのエンジン冷却水に放熱され、エンジン１０が積極的に暖機されることになる。ここで、圧縮機１１１の駆動源として電動モータを用いるものとすれば、車両の始動前段階から圧縮機１１１、ウォータポンプ２５を作動させることで、冷房（プレ冷房）と暖機（プレ暖機）とが同時に実行可能となる。
【００５９】
尚、エンジン冷却水温度の上昇に伴って、サーモスタット２４がラジエータ２２側を開くようになると、エンジン冷却水はラジエータ２２によって冷却されるようになり、エンジン冷却水の温度が所定温度に維持される。あるいは、エンジン１０の暖機終了後は、図２で説明した冷凍サイクル冷房モードに切替えても良い。
【００６０】
また、モータ冷却回路４０内のモータ冷却水は、ウォータポンプ４１の作動によって循環されると共に、サブラジエータ４２によって冷却されてモータ所定温度に維持される。
【００６１】
４．冷凍サイクル冷房＋モータ冷却モード（図４参照）
この運転モードは、主に真夏時のように極めて高温となる時において、冷凍サイクル１１６Ａによる冷凍サイクル冷房モードを実行している場合で、モータ冷却回路４０におけるモータ冷却水の冷却がサブラジエータ４２だけでは厳しい場合に、電磁弁１１８の開閉切替えにより、モータ冷却水の冷却を補助するモードである。
【００６２】
具体的には、図示しない制御装置は、三方弁１１６ｂを凝縮器１１６ａ側が開くように切替えて、電磁弁１１６ｃを開き、電磁弁１１８を閉じ、圧縮機１１１およびウォータポンプ４１を作動させることで、通常の車室内冷房を行うと共に、サブラジエータ４２によってモータ冷却回路４０内のモータ冷却水を冷却する中で（図２）、モータ冷却水温度がモータ所定温度を越えると、電磁弁１１８を開く。
【００６３】
すると、冷凍サイクル１１６Ａ内の冷媒は、凝縮器１１６ａから流出した後に、絞り１１３→吸熱器１１４→電磁弁１１８を通り圧縮機１１１に戻るように循環する。そして、モータ冷却水は、サブラジエータ４２による冷却に加えて、吸熱器１１４にその熱が吸熱されることで冷却されることになる。
【００６４】
尚、図示しない制御装置は、蒸発器１１７ｂによる空調空気の冷却が大きく阻害されないように、電磁弁１１８の開閉を断続的（例えば５秒開、５５秒閉）に行う。
【００６５】
以上のように、本実施形態においてはモータ冷却回路４０から吸熱して、エンジン冷却回路２０（ヒータ回路２０Ｂ）に放熱するヒートポンプサイクル１１０を設けているので、図１で説明したように、従来無駄に捨てていたモータ冷却回路４０の廃熱をヒートポンプサイクル１１０によって、エンジン冷却回路２０に伝達でき、エンジン１０の稼働率を不要に上げることなく、エンジン１０の暖機性を向上させることができる。ひいてはエンジン１０の廃熱を用いるヒータコア２６の暖房性能を向上させることができる。
【００６６】
尚、図５は北米走行モード（Ｃｏｌｄスタート時のＬＡ＃４モード）において、モータ冷却回路４０から１ｋＷ程度を吸熱して、エンジン冷却回路２０（ヒータ回路２０Ｂ）に２ｋＷを放熱（加熱）した場合の、シミュレーション結果を示すものである。本実施形態では、モータ冷却回路４０において発生する熱（従来サブラジエータ４２から捨てられていた熱）を有効に使ってエンジン冷却水の加熱が可能となり、従来技術に対してヒータコア２６による暖房効果が充分得られる水温６０℃までの上昇時間が大きく短縮（２１０秒短縮）でき、始動時からの水温６０℃までの到達時間として約１／２に短縮できることを確認した。
【００６７】
また、圧縮機１１１を可変容量型として吐出容量を制御してやる、あるいは電動式として回転数を制御してやることで、ヒートポンプサイクル１１０の熱移動量を調整することができ、モータ冷却回路４０におけるモータ冷却水の温度を容易にモータ所定温度範囲に制御することができる。
【００６８】
また、モータ冷却回路４０には、サブラジエータ４２に対する流量調節手段としてのバイパス流路４３およびサーモスタット４４を設けるようにしているので、モータ冷却水の温度に応じてサブラジエータ４２による冷却能力が調節されるので、モータ冷却回路４０の温度を容易にモータ所定温度に制御できる。
【００６９】
また、ヒートポンプサイクル１１０内に凝縮器１１６ａ、絞り１１７ａ、蒸発器１１７ｂ等を設け、圧縮機１１１を兼用とした冷凍サイクル１１６Ａを形成しているので、車室内の冷房が可能となる（図２）。また、放熱器１１２を凝縮器とした冷凍サイクル１１６Ｂを作動させることで、冷房を行いつつ、エンジン１０の早期暖機が可能である（図３）。
【００７０】
更には、冷凍サイクル１１６Ａによる冷房を行いつつ、電磁弁１１８を開くことでモータ冷却水の冷却が可能となり（図４）、サブラジエータ４２の体格を小さくすることができる。
【００７１】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態を図６に示す。第２実施形態は、上記第１実施形態に対して、ヒートポンプサイクル１１０内の冷凍サイクル１１６Ａを、具体的には、バイパス流路１１６、凝縮器１１６ａ、三方弁１１６ｂ、電磁弁１１６ｃ、バイパス流路１１７、絞り１１７ａ、蒸発器１１７ｂ、逆止弁１１７ｃを廃止したものである。
【００７２】
第２実施形態においては、上記第１実施形態における冷凍サイクル冷房モード（図２）、冷凍サイクル冷房＋暖機モード（図３）、冷凍サイクル冷房＋モータ冷却モード（図４）の実行はできないが、本発明の基本とするヒートポンプ暖機モードの実行が可能であり、モータ冷却回路４０の廃熱を有効活用して、エンジン１０の稼働率を不要に上げることなく、エンジン冷却水温度を早期に上昇させてエンジン１０の暖機性を向上させることができる。ひいてはエンジン１０の廃熱を用いるヒータコア２６の暖房性能を向上させることができる。
【００７３】
（第３実施形態）
本発明の第３実施形態を図７に示す。第３実施形態は、上記第１実施形態に対して、ヒートポンプサイクル１１０内にランキンサイクル１２０を追加したものである。
【００７４】
ここでは、圧縮機１１１に代えて膨張機としての機能を併せ持つ膨張機兼圧縮機１１１ａとしている。膨張機兼圧縮機１１１ａは図示しない流路切替え機構によって、冷媒の流れ方向が切替え可能となるようになっている。具体的には、流路切替え機構によって流路に逆止弁機能が付加されて低圧側から高圧側へ冷媒が流れるように切替えられると、膨張機兼圧縮機１１１ａは圧縮機として機能し、また、流路切替え機構によって流路が開かれて高圧側から低圧側へ冷媒が流れるように切替えられると、膨張機兼圧縮機１１１ａは膨張機として機能する。
【００７５】
そして、膨張機兼圧縮機１１１ａには発電機兼電動機１１１ｂが接続されている。発電機兼電動機１１１ｂは、図示しないバッテリから電力が供給されると電動機として作動し（例えば正方向回転）、膨張機兼圧縮機１１１ａを圧縮機として作動させる。また、膨張機兼圧縮機１１１ａが膨張機として作動されて、その時に得られる駆動力によって発電機兼電動機１１１ｂが作動されると（逆方向回転）、発電機兼電動機１１１ｂは発電機として作動し、図示しないバッテリに電力を蓄える。
【００７６】
放熱器１１２と電磁弁１１６ｃとの間には、両者１１２、１１６ｃ間を開閉する電磁弁１２１が設けられ、更に、この電磁弁１２１をバイパスするポンプ流路１２２に冷媒ポンプ１２３が設けられている。電磁弁１２１、冷媒ポンプ１２３、は、図示しない制御装置によってその作動が制御されるようになっている。
【００７７】
また、膨張機兼圧縮機１１１ａの低圧側と、凝縮器１１６ａおよび三方弁１１６ｂの間とを繋ぐ低圧側流路１２４が設けられ、この低圧側流路１２４には、膨張機として作動する場合の膨張機兼圧縮機１１１ａ側から凝縮器１１６ａ側にのみ冷媒が流れることを許容する逆止弁１２５が設けられている。
【００７８】
上記冷媒ポンプ１２３、放熱器１１２、膨張機兼圧縮機１１１ａ、凝縮器１１６ａによって、ランキンサイクル１２０が形成される。
【００７９】
本第３実施形態においては、上記第１実施形態で説明した、４つのモード（図１〜図４）に加えて、ランキンサイクル１２０によるエンジン１０の廃熱回収（膨張機兼圧縮機１１１ａと発電機兼電動機１１１ｂによる電力回生）を可能とする（ランキン発電モード）。
【００８０】
即ち、図７に示すように、図示しない制御装置は、ヒートポンプサイクル１１０および冷凍サイクル１１６Ａを使用していない場合で、エンジン冷却回路２０のエンジン冷却水温度が予め定めた温度以上であると、三方弁１１６ｂを放熱器１１２側が開くように切替えて、電磁弁１１６ｃを開き、電磁弁１１８、１２１を閉じる。そして、膨張機兼圧縮機１１１ａの流路切替え機構を膨張機用に切替え、冷媒ポンプ１２３を作動させる。尚、ウォータポンプ２５については、エンジン１０が停止している場合に作動させる。
【００８１】
すると、冷媒は、冷媒ポンプ１２３→放熱器１１２→三方弁１１６ｂ→膨張機兼圧縮機１１１ａ→逆止弁１２５→凝縮器１１６ａ→電磁弁１１６ｃ→冷媒ポンプ１２３の順に循環する（ランキンサイクル１２０作動）。
【００８２】
そして、放熱器１１２はヒータ回路２０Ｂのエンジン冷却水を加熱源として冷媒を加熱する加熱器として機能し、放熱器１１２によって冷媒が加熱される。加熱された過熱蒸気冷媒は膨張機兼圧縮機１１１ａに流入し、膨張機兼圧縮機１１１ａは過熱蒸気冷媒の膨張によって回転駆動され、この時の駆動力によって発電機兼電動機１１１ｂが発電機として作動（逆回転作動）させる。発電機兼電動機１１１ｂにより発電された電力は、バッテリに蓄えられる。更には他の機器の作動に使用される。
【００８３】
このように、エンジン１０の暖機が完了して、逆にエンジン１０からの廃熱が得られる場合には、ランキンサイクル１２０を作動させることで、エンジン１０の廃熱から動力を回収して、更には発電機兼電動機１１１ｂで電力を蓄えることができる。
【００８４】
尚、本実施形態では、圧縮機と膨張機とを兼用するようにしているので、膨張機兼圧縮機１１１ａとしてコンパクトな流体機械とすることができ、ランキンサイクル１２０を小型にすることができる。
【００８５】
（第４実施形態）
本発明の第４実施形態を図８、図９に示す。第４実施形態は、モータ３０用のバッテリ（本発明における電源部に対応）３３をモータ冷却回路４０に配設して（コンバータ３１とウォータポンプ４１との間）、モータ３０と共にバッテリ３３も冷却されるようにしたものである。
【００８６】
ここで、第１実施形態の図１で説明したヒートポンプ暖機モードを実行すると、特に低温時においてはモータ冷却回路４０が過冷却となって、バッテリ３３の性能が悪化するため、本実施形態では低温時にモータ冷却回路４０に影響を与えない加熱手段（以下説明するホットガスサイクル１３０、およびヒートポンプサイクル１１０Ａ）を設けて対応するようにしている。
【００８７】
本第４実施形態は、上記第３実施形態をベースとして以下のようにしている。即ち、アキュムレータ１１５を膨張機兼圧縮機１１１ａの低圧側直下に配設して、低圧側流路１２４の逆止弁１２５を電磁弁１２４ａに変更している。そして、放熱器１１２および冷媒ポンプ１２３の間と、アキュムレータ１１５および電磁弁１２４ａの間とを接続する接続流路１３１が設けられ、この接続流路１３１には絞り１３２と電磁弁１３３とが設けられている。膨張機兼圧縮機１１１ａ、放熱器１１２、絞り１３２、アキュムレータ１１５によって、ホットガスサイクル１３０が形成される。
【００８８】
また、冷媒ポンプ１２３をバイパスするパイパス流路１１９が設けられ、このバイパス流路１１９には、絞り１１９ａと電磁弁１１９ｂとが設けられている。膨張機兼圧縮機１１１ａ、放熱器１１２、絞り１１９ａ、凝縮器１１６ａ、アキュムレータ１１５によって、凝縮器１１６ａを外部空気から吸熱する外気吸熱器とするヒートポンプサイクル１１０Ａが形成される。
【００８９】
尚、上記電磁弁１２４ａ、１３３、１１９ｂによる各流路の開閉は、図示しない制御装置によって制御されるようになっている。
【００９０】
本第４実施形態においては、上記第１実施形態で説明した、４つのモード（図１〜図４）と、第３実施形態で説明したランキン発電モード（図７）に加えて、ホットガスサイクル１３０による極寒時のエンジン１０の暖機（ホットガス暖機モード）、およびヒートポンプサイクル１１０Ａによる低温時のエンジン１０の暖機（外気吸熱ヒートポンプ暖機モード）を可能とする。
【００９１】
１．ホットガス暖機モード（図８参照）
極寒時（例えば外気温度が−１０℃以下）において、図示しない制御装置は、三方弁１１６ｂを放熱器１１２側が開くように切替えて、電磁弁１３３を開き、電磁弁１２１、１２４ａ、１１９ｂを閉じる。そして、発電機兼電動機１１１ｂを電動機として作動させ、膨張機兼圧縮機１１１ａを圧縮機として作動させる。また、ウォータポンプ４１を作動させる。尚、ウォータポンプ２５については、エンジン１０が停止している場合に作動させる。
【００９２】
すると、冷媒は、膨張機兼圧縮機１１１ａ→三方弁１１６ｂ→放熱器１１２→電磁弁１３３→絞り１３２→アキュムレータ１１５→膨張機兼圧縮機１１１ａの順に循環する（ホットガスサイクル１３０作動）。この時、膨張機兼圧縮機１１１ａの圧縮仕事分の熱が放熱器１１２によってヒータ回路２０Ｂのエンジン冷却水に放熱され、エンジン冷却水が積極的に加熱される（エンジン１０が積極的に暖機される）ことになる。このように、ホットガスサイクル１３０は、極寒時のように外部空気から吸熱できない場合であっても、膨張機兼圧縮機１１１ａの圧縮仕事分の熱を移動させることで、エンジン冷却水の加熱を可能とする。
【００９３】
モータ冷却回路４０においては、モータ冷却水温度は低い状態にあり、サーモスタット４４によってバイパス流路４３側が開かれ、モータ冷却水はサブラジエータ４２によって冷却されることなく、早期に温度上昇していく。
【００９４】
２．外気吸熱ヒートポンプ暖機モード（図９参照）
低温時（例えば外気温度が−１０〜１０℃）においては、図示しない制御装置は、三方弁１１６ｂを放熱器１１２側が開くように切替えて、電磁弁１１９ｂ、１１６ｃ、１２４ａを開き、電磁弁１２１、１３３、１１８を閉じる。そして、発電機兼電動機１１１ｂを電動機として作動させ、膨張機兼圧縮機１１１ａを圧縮機として作動させる。また、ウォータポンプ４１を作動させる。尚、ウォータポンプ２５については、エンジン１０が停止している場合に作動させる。
【００９５】
すると、冷媒は、膨張機兼圧縮機１１１ａ→三方弁１１６ｂ→放熱器１１２→電磁弁１１９ｂ→絞り１１９ａ→電磁弁１１６ｃ→凝縮器１１６ａ→電磁弁１２４ａ→アキュムレータ１１５→膨張機兼圧縮機１１１ａの順に循環する（ヒートポンプサイクル１１０Ａ作動）。この時、凝縮器１１６ａによって外部空気から吸熱されてヒートポンプサイクル１１０Ａの冷媒に移動される。そして、冷媒に移動された熱は放熱器１１２によってヒータ回路２０Ｂのエンジン冷却水に放熱され、エンジン冷却水が積極的に加熱される（エンジン１０が積極的に暖機される）ことになる。このように、ヒートポンプサイクル１１０Ａは、低温時のように外部空気から吸熱できる場合は、凝縮器１１６ａからの吸熱分と、膨張機兼圧縮機１１１ａの圧縮仕事分との熱を移動させることで、エンジン冷却水の加熱を可能とする。
【００９６】
モータ冷却回路４０においては、上記ホットガス暖機モードと同様に、モータ冷却水はバイパス流路４３側を流れ、サブラジエータ４２によって冷却されることなく、更に温度上昇していく。
【００９７】
尚、モータ冷却回路４０のモータ冷却水温度が充分に上昇した後は、図１で説明したヒートポンプ暖機モードに切替えて（ヒートポンプサイクル１１０を作動）、モータ冷却水温度がモータ所定温度（２０〜４０℃）となるように、膨張機兼圧縮機１１１ａの回転数（あるいは吐出容量）を可変してヒートポンプサイクル１１０の熱移動量を制御する。
【００９８】
以上のように、極寒時あるいは低温時において、ホットガスサイクル１３０、あるいはヒートポンプサイクル１１０Ａを作動させることで、モータ冷却回路４０から熱を奪うことなく、バッテリ３３の性能低下を防止しつつ、エンジン１０の早期暖機が可能となる。
【００９９】
（第５実施形態）
本発明の第５実施形態を図１０に示す。第５実施形態は、上記第１実施形態に対して、モータ冷却回路４０内にバッテリ３３を配設すると共に、ホットガスサイクル１３０Ａを設けることで、極寒時にモータ冷却回路４０を加熱して、バッテリ３３を早期に最適温度に維持するようにしたものである。
【０１００】
ここでは、絞り１１３をバイパスするバイパス流路（本発明における切替え流路に対応）１３４を設け、このバイパス流路１３４の分岐点に絞り１１３側あるいはバイパス流路１３４側のいずれかに冷媒流れを切替える三方弁１３４ａを設けている。
【０１０１】
また、吸熱器１１４の下流側で絞り１３５ａを有するバイパス流路（本発明における切替え流路に対応）１３５を設け、このバイパス流路１３５の分岐点に本来のヒートポンプサイクル１１０側あるいはバイパス流路１３５側のいずれかに冷媒流れを切替える三方弁１３５ｂを設けている。圧縮機１１１、放熱器１１２、吸熱器１１４、絞り１３５ａ、アキュムレータ１１５によって、放熱器１１２、吸熱器１１４を共に放熱器とするホットガスサイクル１３０Ａが形成される。
【０１０２】
尚、上記三方弁１３４ａ、１３５ｂによる各流路の切替えは、図示しない制御装置によって制御されるようになっている。
【０１０３】
本第５実施形態においては、上記第１実施形態で説明した、４つのモード（図１〜図４）に加えて、ホットガスサイクル１３０Ａによる極寒時のエンジン冷却回路２０（ヒータ回路２０Ｂ）、およびモータ冷却回路４０の同時加熱（ホットガスダブル暖機モード）を可能とする。
【０１０４】
即ち、極寒時（例えば外気温度が−１０℃以下）において、図示しない制御装置は、三方弁１１６ｂを放熱器１１２側が開くように、三方弁１３４ａをバイパス流路１３４側が開くように、三方弁１３５ｂをバイパス流路１３５側が開くように切替えて、電磁弁１１６ｃを閉じる。そして、圧縮機１１１、ウォータポンプ４１を作動させる。尚、ウォータポンプ２５については、エンジン１０が停止している場合に作動させる。
【０１０５】
すると、冷媒は、圧縮機１１１→三方弁１１６ｂ→放熱器１１２→三方弁１３４ａ→吸熱器１１４→三方弁１３５ｂ→絞り１３５ａ→アキュムレータ１１５→圧縮機１１１の順に循環する（ホットガスサイクル１３０Ａ作動）。この時、膨張機兼圧縮機１１１ａの圧縮仕事分の熱が放熱器１１２によってヒータ回路２０Ｂのエンジン冷却水に放熱され、併せて吸熱器１１４によってモータ冷却回路４０のモータ冷却水に放熱され、エンジン冷却水およびモータ冷却水が積極的に加熱される（エンジン１０およびバッテリ３３が積極的に暖機される）ことになる。
【０１０６】
尚、上記ホットガスサイクル１３０Ａの作動により、モータ冷却回路４０のモータ冷却水温度がモータ所定温度に上昇されると、図示しない制御装置は、三方弁１３４ａを絞り１１３側が開くように、また、三方弁１３５ｂをヒートポンプサイクル１１０側が開くように切替えて、図１で説明したヒートポンプ暖機モードに切替える。
【０１０７】
これにより、本実施形態ではエンジン冷却回路２０、モータ冷却回路４０が共に低温である場合に、ホットガスサイクル１３０Ａによって、圧縮機１１１の圧縮仕事分の熱を放熱器１１２、吸熱器１１４から放熱して、両者２０、４０を同時に加熱することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０８】
【図１】本発明の第１実施形態における車両用廃熱利用装置を示す模式図である（ヒートポンプ暖機モード）。
【図２】本発明の第１実施形態における車両用廃熱利用装置を示す模式図である（冷凍サイクル冷房モード）。
【図３】本発明の第１実施形態における車両用廃熱利用装置を示す模式図である（冷凍サイクル冷房＋暖機モード）。
【図４】本発明の第１実施形態における車両用廃熱利用装置を示す模式図である（冷凍サイクル冷房＋モータ冷却モード）。
【図５】ヒートポンプ暖機モード実行時の車両始動後時間に対するエンジン冷却水温度変化を示すグラフである。
【図６】本発明の第２実施形態における車両用廃熱利用装置を示す模式図である。
【図７】本発明の第３実施形態における車両用廃熱利用装置を示す模式図である（ランキン発電モード）。
【図８】本発明の第４実施形態における車両用廃熱利用装置を示す模式図である（ホットガス暖機モード）。
【図９】本発明の第４実施形態における車両用廃熱利用装置を示す模式図である（外気吸熱ヒートポンプ暖機モード）。
【図１０】本発明の第５実施形態における車両用廃熱利用装置を示す模式図である（ホットガスダブル暖機モード）。
【符号の説明】
【０１０９】
１０  エンジン
２０  エンジン冷却回路
２６  ヒータコア（暖房器）
３０  モータ
３３  バッテリ（電源部）
４０  モータ冷却回路
４２  サブラジエータ（冷却用熱交換器）
４３  バイパス流路（流量調節手段）
４４  サーモスタット（流量調節手段）
１００  車両用廃熱利用装置
１１０  ヒートポンプサイクル
１１１  圧縮機
１１１ａ  膨張機兼圧縮機（膨張機）
１１２  放熱器（加熱器）
１１４  吸熱器
１１６  バイパス流路
１１６ａ  凝縮器（外気吸熱器）
１２０  ランキンサイクル
１３１  接続流路
１３４  バイパス流路（切替え流路）
１３５  バイパス流路（切替え流路）
【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】
2006321389.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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