(57)【要約】【課題】冷凍サイクル側の冷媒量が不足するのを防ぎ、高い冷房能力が得られる複合サイクル装置を提供する。【解決手段】加熱器３１０、膨張機３２０、凝縮部２２０及びポンプ３３０を有するランキンサイクル３００と、凝縮部２２０をランキンサイクル３００と共有するとともに、膨張弁２４０、蒸発器２５０及び圧縮機２１０を有する冷凍サイクル２００とを備えた複合サイクル装置であって、加熱器３１０は、冷媒が流入する流入口３１１と冷媒が流出する流出口３１３との間に高さの極小部分が形成されないように接続され、かつ凝縮部２２０よりも高さの高い位置に配置された冷媒流路３１２を有するように構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱機器（１０）の冷却水を加熱源として冷媒を加熱する加熱器（３１０）と、加熱された前記冷媒の膨張により駆動力を発生させる膨張機（３２０）と、膨張した前記冷媒を空気との熱交換により冷却して凝縮させる凝縮部（２２０）と、凝縮した前記冷媒を前記加熱器（３１０）側に圧送するポンプ（３３０）とを有するランキンサイクル（３００）と、
前記凝縮部（２２０）を前記ランキンサイクル（３００）と共有するとともに、前記凝縮部（２２０）で凝縮した前記冷媒を減圧膨張させる膨張弁（２４０）と、減圧膨張した前記冷媒を蒸発させる蒸発器（２５０）と、蒸発した前記冷媒を圧縮して前記凝縮部（２２０）側に吐出する圧縮機（２１０）とを有する冷凍サイクル（２００）とを備えた複合サイクル装置であって、
前記加熱器（３１０）は、前記冷媒が流入する流入口（３１１）と前記冷媒が流出する流出口（３１３）との間に高さの極小部分が形成されないように接続され、かつ前記凝縮部（２２０）の出口部よりも高さの高い位置に配置された冷媒流路（３１２）を有していることを特徴とする複合サイクル装置。
【請求項２】
前記冷媒流路（３１２）は、前記流入口（３１１）と前記流出口（３１３）との間に高さが一定又は単調に増加するように接続されていることを特徴とする請求項１に記載の複合サイクル装置。
【請求項３】
前記冷媒流路（３６２）は、前記流入口（３６１）と前記流出口（３６３）との間に高さの極大部分が形成されるように接続されていることを特徴とする請求項１に記載の複合サイクル装置。
【請求項４】
発熱機器（１０）の冷却水を加熱源として冷媒を加熱する加熱器（３０５）と、加熱された前記冷媒の膨張により駆動力を発生させる膨張機（３２０）と、膨張した前記冷媒を空気との熱交換により冷却して凝縮させる凝縮部（２２０）と、凝縮した前記冷媒を前記加熱器（３０５）側に圧送するポンプ（３３０）とを有するランキンサイクル（３００）と、
前記凝縮部（２２０）を前記ランキンサイクル（３００）と共有するとともに、前記凝縮部（２２０）で凝縮した前記冷媒を減圧膨張させる膨張弁（２４０）と、減圧膨張した前記冷媒を蒸発させる蒸発器（２５０）と、蒸発した前記冷媒を圧縮して前記凝縮部（２２０）側に吐出する圧縮機（２１０）とを有する冷凍サイクル（２００）と、
前記凝縮部（２２０）より下流側に位置し、前記ランキンサイクル（３００）と前記冷凍サイクル（２００）とが分岐する分岐点（２３０）と、
前記凝縮部（２２０）より上流側に位置し、前記ランキンサイクル（３００）と前記冷凍サイクル（２００）とが合流する合流点（２３１）と、
前記ランキンサイクル（３００）の前記分岐点（２３０）より下流側で前記加熱器（３０５）より上流側に設けられ、前記冷凍サイクル（２００）内で蒸発した前記冷媒を遮断可能な第１の弁機構（１００）と、
前記ランキンサイクル（３００）の前記加熱器（３０５）より下流側で前記合流点（２３１）より上流側に設けられ、前記冷凍サイクル（２００）内で蒸発した前記冷媒を遮断可能な第２の弁機構（１１０）と、
前記第１及び第２の弁機構（１００、１１０）の開閉状態を制御する制御部（５００）とを備えることを特徴とする複合サイクル装置。
【請求項５】
前記第１の弁機構（１００）は、前記分岐点（２３０）より下流側で前記ポンプ（３３０）より上流側に設けられていることを特徴とする請求項４に記載の複合サイクル装置。
【請求項６】
前記第１の弁機構（１００）は、前記ポンプ（３３０）より下流側で前記加熱器（３０５）より上流側に設けられていることを特徴とする請求項４に記載の複合サイクル装置。
【請求項７】
前記第２の弁機構（１１０）は、前記膨張機（３２０）より下流側で前記合流点（２３１）より上流側に設けられていることを特徴とする請求項４乃至６のいずれか１項に記載の複合サイクル装置。
【請求項８】
前記第２の弁機構（１１０）は、前記加熱器（３０５）より下流側で前記膨張機（３２０）より上流側に設けられていることを特徴とする請求項４乃至６のいずれか１項に記載の複合サイクル装置。
【請求項９】
前記第１及び第２の弁機構（１００、１１０）は互いに近接して設けられ、共通のアクチュエータ（１０２）により駆動されることを特徴とする請求項４乃至８のいずれか１項に記載の複合サイクル装置。
【請求項１０】
前記制御部（５００）は、前記ランキンサイクル（３００）が停止したときに前記第１及び第２の弁機構（１００、１１０）を閉状態とすることを特徴とする請求項４乃至９のいずれか１項に記載の複合サイクル装置。
【請求項１１】
前記冷却水の温度を検出する冷却水温度センサ（２５）と、外気温度を検出する外気温度センサ（５０１）とをさらに有し、
前記制御部（５００）は、前記ランキンサイクル（３００）が停止した後であって前記外気温度が前記冷却水の温度より高くなったときに、前記第１及び第２の弁機構（１００、１１０）を閉状態とすることを特徴とする請求項４乃至９のいずれか１項に記載の複合サイクル装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷凍サイクルとランキンサイクルとを備えた複合サイクル装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、空調装置用の冷凍サイクルと、エンジンの冷却廃熱を利用して駆動力を発生させるランキンサイクルとを備えた複合サイクル装置が開示されている。冷凍サイクルは、圧縮機、凝縮器、膨張弁及び蒸発器が順次接続された構成を有している。一方ランキンサイクルは、加熱器、膨張機、冷凍サイクルと共有される凝縮器、及びポンプが順次接続された構成を有している。冷凍サイクル及びランキンサイクルには、共通の冷媒が循環するようになっている。この複合サイクル装置では、冷房要求の有無及び冷却廃熱の回収可否に応じて、各サイクルの単独運転又は両サイクルの同時運転が可能になっている。
【特許文献１】特開２００６−４６７６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところが、上記の複合サイクル装置では、冷媒が加熱器に溜まり込んでしまう場合がある。両サイクルには共通の冷媒が循環するようになっているため、ランキンサイクル側に冷媒が偏って存在してしまうと、冷凍サイクルの単独運転を行う際に冷凍サイクル側で冷媒量が不足し、冷房能力を十分に発揮できなくなるという問題が生じる。
【０００４】
本発明の目的は、冷凍サイクル側の冷媒量が不足するのを防ぎ、高い冷房能力が得られる複合サイクル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に記載の発明は、発熱機器（１０）の冷却水を加熱源として冷媒を加熱する加熱器（３１０）と、加熱された冷媒の膨張により駆動力を発生させる膨張機（３２０）と、膨張した冷媒を空気との熱交換により冷却して凝縮させる凝縮部（２２０）と、凝縮した冷媒を加熱器（３１０）側に圧送するポンプ（３３０）とを有するランキンサイクル（３００）と、凝縮部（２２０）をランキンサイクル（３００）と共有するとともに、凝縮部（２２０）で凝縮した冷媒を減圧膨張させる膨張弁（２４０）と、減圧膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器（２５０）と、蒸発した冷媒を圧縮して凝縮部（２２０）側に吐出する圧縮機（２１０）とを有する冷凍サイクル（２００）とを備えた複合サイクル装置であって、加熱器（３１０）は、冷媒が流入する流入口（３１１）と冷媒が流出する流出口（３１３）との間に高さの極小部分が形成されないように接続され、かつ凝縮部（２２０）の出口部よりも高さの高い位置に配置された冷媒流路（３１２）を有していることを特徴としている。
【０００７】
ランキンサイクル（３００）側に冷媒が溜まり込んでしまうのは、ランキンサイクル（３００）停止中に、冷凍サイクル（２００）内で蒸発した冷媒が加熱器（３１０）内で凝縮する場合である。したがって、加熱器（３１０）の冷媒流路（３１２）が高さの極小部分を有さず、かつ凝縮部（２２０）の出口部よりも高さの高い位置に配置されることによって、冷凍サイクル（２００）内で蒸発した冷媒が加熱器（３１０）内で凝縮したとしても、凝縮した冷媒は自重により流入口（３１１）又は流出口（３１３）から流れ落ち、凝縮部（２２０）に戻るようになる。これにより、ランキンサイクル（３００）側に冷媒が溜まり込むのを防止できるため、冷凍サイクル（２００）側で冷媒が不足するのを防止でき、高い冷房能力を発揮できる。
【０００８】
請求項２に記載の発明のように、冷媒流路（３１２）は、流入口（３１１）と流出口（３１３）との間に高さが一定又は単調に増加するように接続されていてもよいし、請求項３に記載の発明のように、冷媒流路（３６２）は、流入口（３６１）と流出口（３６３）との間に高さの極大部分が形成されるように接続されていてもよい。
【０００９】
請求項４に記載の発明は、発熱機器（１０）の冷却水を加熱源として冷媒を加熱する加熱器（３０５）と、加熱された冷媒の膨張により駆動力を発生させる膨張機（３２０）と、膨張した冷媒を空気との熱交換により冷却して凝縮させる凝縮部（２２０）と、凝縮した冷媒を加熱器（３０５）側に圧送するポンプ（３３０）とを有するランキンサイクル（３００）と、凝縮部（２２０）をランキンサイクル（３００）と共有するとともに、凝縮部（２２０）で凝縮した冷媒を減圧膨張させる膨張弁（２４０）と、減圧膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器（２５０）と、蒸発した冷媒を圧縮して凝縮部（２２０）側に吐出する圧縮機（２１０）とを有する冷凍サイクル（２００）と、凝縮部（２２０）より下流側に位置し、ランキンサイクル（３００）と冷凍サイクル（２００）とが分岐する分岐点（２３０）と、凝縮部（２２０）より上流側に位置し、ランキンサイクル（３００）と冷凍サイクル（２００）とが合流する合流点（２３１）と、ランキンサイクル（３００）の分岐点（２３０）より下流側で加熱器（３０５）より上流側に設けられ、冷凍サイクル（２００）内で蒸発した冷媒を遮断可能な第１の弁機構（１００）と、ランキンサイクル（３００）の加熱器（３０５）より下流側で合流点（２３１）より上流側に設けられ、冷凍サイクル（２００）内で蒸発した冷媒を遮断可能な第２の弁機構（１１０）と、第１及び第２の弁機構（１００、１１０）の開閉状態を制御する制御部（５００）とを備えることを特徴としている。
【００１０】
これにより、第１及び第２の弁機構（１００、１１０）によって、冷凍サイクル（２００）内で蒸発した冷媒を加熱器（３０５）の上流側及び下流側で遮断して、加熱器（３０５）内に流入しないようにすることができる。したがって、ランキンサイクル（３００）側に冷媒が溜まり込むのを防止できるため、冷凍サイクル（２００）側で冷媒が不足するのを防止でき、高い冷房能力を発揮できる。
【００１１】
請求項５に記載の発明のように、第１の弁機構（１００）は、分岐点（２３０）より下流側でポンプ（３３０）より上流側に設けられてもよいし、請求項６に記載の発明のように、第１の弁機構（１００）は、ポンプ（３３０）より下流側で加熱器（３０５）より上流側に設けられてもよい。
【００１２】
また、請求項７に記載の発明のように、第２の弁機構（１１０）は、膨張機（３２０）より下流側で合流点（２３１）より上流側に設けられてもよいし、請求項８に記載の発明のように、第２の弁機構（１１０）は、加熱器（３０５）より下流側で膨張機（３２０）より上流側に設けられてもよい。
【００１３】
請求項９に記載の発明は、第１及び第２の弁機構（１００、１１０）は互いに近接して設けられ、共通のアクチュエータ（１０２）により駆動されることを特徴としている。これにより、複合サイクル装置を小型化できる。
【００１４】
請求項１０に記載の発明は、制御部（５００）は、ランキンサイクル（３００）が停止したときに第１及び第２の弁機構（１００、１１０）を閉状態とすることを特徴としている。
【００１５】
冷凍サイクル（２００）内で蒸発した冷媒が加熱器（３１０）内で凝縮する場合があるのはランキンサイクル（３００）の停止中であるため、ランキンサイクル（３００）が停止したときに第１及び第２の弁機構（１００、１１０）を閉状態とすることによって、ランキンサイクル（３００）側に冷媒が溜まり込むのを防止できる。
【００１６】
請求項１１に記載の発明は、冷却水温度を検出する冷却水温度センサ（２５）と、外気温度を検出する外気温度センサ（５０１）とをさらに有し、制御部（５００）は、ランキンサイクル（３００）が停止した後であって外気温度が冷却水温度より高くなったときに、第１及び第２の弁機構（１００、１１０）を閉状態とすることを特徴としている。
【００１７】
冷却水温度が外気温度より高いときには冷凍サイクル（２００）内で蒸発した冷媒が加熱器（３１０）内で凝縮することがないため、外気温度が冷却水温度より高くなってから第１及び第２の弁機構（１００、１１０）を閉状態としても、ランキンサイクル（３００）側に冷媒が溜まり込むのを防止できる。
【００１８】
ここで、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】
【００１９】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について図１乃至図５を用いて説明する。図１は、本実施形態における複合サイクル装置１の構成を示す模式図である。図１に示すように、複合サイクル装置１は、水冷式の内燃機関であるエンジン（発熱機器）１０を駆動源とする車両に搭載されており、冷凍サイクル２００とランキンサイクル３００とを有している。
【００２０】
エンジン１０には、当該エンジン１０を冷却するエンジン冷却水を循環させるラジエータ回路２０と、エンジン冷却水（温水）を熱源として空調空気を加熱するヒータ回路３０とが設けられている。またエンジン１０には、エンジン１０の駆動力を用いて発電を行うオルタネータ１１が設けられている。オルタネータ１１により発電された電力はバッテリー４０に充電され、バッテリー４０に充電された電力は車両の各種電気負荷（ヘッドランプ、ワイパ、オーディオ等）４１に供給されるようになっている。
【００２１】
ラジエータ回路２０は、エンジン冷却水を循環させる例えば電気式のポンプ２２と、外気との熱交換によりエンジン冷却水を冷却するラジエータ２１とを有している。またエンジン１０の下流側であってラジエータ２１の上流側には、後述するランキンサイクル３００を構成する加熱器３１０が設けられている。加熱器３１０内には、エンジン１０から流出する比較的高温のエンジン冷却水が流通するようになっている。エンジン１０と加熱器３１０との間には、エンジン１０から流出するエンジン冷却水の温度を検出する冷却水温度センサ２５が設けられている。冷却水温度センサ２５は、後述するシステム制御ＥＣＵ５００に検出信号を出力するようになっている。
【００２２】
ラジエータ回路２０には、ラジエータ２１を迂回するラジエータバイパス回路２３が設けられている。ラジエータ２１を流通するエンジン冷却水量とラジエータバイパス回路２３を流通するエンジン冷却水量は、サーモスタット２４により調節されるようになっている。
【００２３】
ヒータ回路３０には、ラジエータ回路２０と共通のポンプ２２によってエンジン冷却水が循環するようになっている。ヒータ回路３０は、空調装置４００の空調ケース４１０内に配置されたヒータコア３１を有している。ヒータコア３１は、送風機４２０によって送風される空調空気をエンジン冷却水との熱交換により加熱するようになっている。また、ヒータコア３１の送風機４２０側には、ヒータコア３１を通過する空調空気量を調節するエアミックスドア４３０が設けられている。
【００２４】
冷凍サイクル２００は、圧縮機２１０、凝縮部２２０、膨張弁２４０及び蒸発器２５０が順次環状に接続された閉回路である。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る。圧縮機２１０の駆動軸にはプーリ２１１が固定されている。圧縮機２１０は、ベルト１２及びプーリ２１１を介して伝達されたエンジン１０の駆動力により駆動される。プーリ２１１には、後述する空調制御ＥＣＵ５１０の制御により圧縮機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。
【００２５】
凝縮部２２０は、凝縮器２２１、気液分離器２２２及び過冷却器２２３を有する、いわゆるサブクールコンデンサである。凝縮器２２１は、圧縮機２１０の吐出側に接続され、外気との熱交換により冷媒を凝縮液化する熱交換器である。気液分離器２２２は、凝縮器２２１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、分離された液冷媒を過冷却器２２３側に流出させるようになっている。過冷却器２２３は、液冷媒をさらに冷却する熱交換器である。なお凝縮部２２０は、凝縮器２２１、気液分離器２２２及び過冷却器２２３が一体的に形成された気液分離器一体型サブクールコンデンサであってもよい。
【００２６】
膨張弁２４０は、過冷却器２２３から流出する冷却された液冷媒を減圧膨張させるようになっている。本実施形態では、冷媒を等エンタルピ的に減圧するとともに、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張弁が用いられている。
【００２７】
蒸発器２５０は、ヒータコア３１と同様に空調ケース４１０内に配置されている。蒸発器２５０は、膨張弁２４０によって減圧膨張した冷媒を蒸発させ、蒸発潜熱によって空調空気を冷却する熱交換器である。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に設定される。これにより、空調空気の温度は乗員の設定する温度に調節される。蒸発器２５０の冷媒出口は、圧縮機２１０の吸入側に接続されている。
【００２８】
ランキンサイクル３００は、エンジン冷却水の熱エネルギーを回収するとともに、この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。ランキンサイクル３００は、加熱器３１０、膨張機３２０、凝縮部２２０及びポンプ３３０が順次環状に接続された閉回路である。このうち凝縮部２２０は、冷凍サイクル２００とランキンサイクル３００とで共有されている。ランキンサイクル３００は、凝縮部２２０下流側の分岐点２３０で冷凍サイクル２００から分岐し、凝縮部２２０上流側の合流点２３１で冷凍サイクル２００に合流している。ランキンサイクル３００には、冷凍サイクル２００と共通の冷媒が循環する。
【００２９】
膨張機３２０は、電動機と発電機の両機能を備える電動発電機３２１の一端側に接続されている。電動発電機３２１の他端側は、ポンプ３３０に接続されている。膨張機３２０、電動発電機３２１及びポンプ３３０は一体的に形成されている。電動発電機３２１は、後述するインバータ５２０によって作動制御されるようになっている。即ち電動発電機３２１は、インバータ５２０から電力が供給されると電動機として膨張機３２０及びポンプ３３０を駆動させるとともに、膨張機３２０から駆動力を受けると発電機として作動するようになっている。電動発電機３２１で発電された電力は、インバータ５２０を介してバッテリー４０に充電される。
【００３０】
ポンプ３３０は、ランキンサイクル３００内の冷媒を循環させる流体機器である。加熱器３１０は、ラジエータ回路２０を流通する高温のエンジン冷却水との熱交換により、ポンプ３３０から圧送される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、凝縮部２２０に流入して凝縮する。
【００３１】
ランキンサイクル３００内には、膨張機３２０を迂回する膨張機バイパス流路３４０が設けられている。膨張機バイパス流路３４０には、開閉弁３４１が設けられている。開閉弁３４１は、例えばランキンサイクル３００の運転時に閉状態となり、ランキンサイクル３００の停止時に開状態となるように、後述するシステム制御ＥＣＵ５００により開閉制御されるようになっている。
【００３２】
また複合サイクル装置１は、外気温度を検出する外気温度センサ５０１を有している。外気温度センサ５０１は、後述するシステム制御ＥＣＵ５００に検出信号を出力するようになっている。
【００３３】
システム制御ＥＣＵ（制御部）５００は、冷凍サイクル２００及びランキンサイクル３００の総合的な制御を行う。システム制御ＥＣＵ５００には、相互に制御信号が授受される空調制御ＥＣＵ（Ａ／Ｃ  ＥＣＵ）５１０及びインバータ５２０が接続されている。空調制御ＥＣＵ５１０は、乗員の冷房要求、設定温度及び環境条件等に応じて、冷凍サイクル２００の基本作動を制御する。またインバータ５２０は、電動発電機３２１を電動機又は発電機として作動させることによって、ランキンサイクル３００の基本作動を制御する。
【００３４】
図２は、本実施形態の複合サイクル装置１における凝縮部２２０及び加熱器３１０の配置を示す模式図である。図２の上下方向は天地方向を表している。図２では、加熱器３１０に接続される冷却水配管の図示を省略している。図２に示すように、加熱器３１０は、冷媒配管３１４から液冷媒が流入する流入口３１１と、流入口３１１から流入した液冷媒が流通し、エンジン冷却水との熱交換により液冷媒が蒸発して蒸気冷媒となる冷媒流路３１２と、蒸気冷媒が流出する流出口３１３とを有している。流入口３１１は加熱器３１０の底面部に下向きに設けられ、流出口３１３は加熱器３１０の上面部に上向きに設けられている。ある水平面３５０を高さの基準にとると、流入口３１１の高さＨ１は流出口３１３の高さＨ２よりも低くなっている。
【００３５】
冷媒流路３１２は、内部に液体が溜まらないように、流入口３１１と流出口３１３との間を高さの極小部分が形成されないように接続している。ここで、冷媒流路３１２のある部分Ｘの高さをＨｘとしたとき、高さＨｘより低い高さを有する部分が部分Ｘの近傍に存在せず、かつ、高さＨｘより高い高さを有する部分が部分Ｘより流入口３１１側及び流出口３１３側の双方に存在する場合、部分Ｘは高さの極小部分となる。例えば、図２に示す構成では流入口３１１から流出口３１３まで高さが単調に増加しているため、冷媒流路３１２には高さの極小部分が形成されず、冷媒流路３１２内部に液体は溜まらない。
【００３６】
また冷媒流路３１２は、その全域が凝縮部２２０の出口部よりも高さの高い位置に配置されている。冷媒流路３１２のうち最も高さの低い部分である流入口３１１の高さＨ１は、少なくとも過冷却器２２３の冷媒出口２２５の高さＨ３より高い。また、本実施形態では、流入口３１１の高さＨ１は凝縮器２２１の冷媒入口２２４の高さＨ４より高くなっている。
【００３７】
次に、上記の構成に基づく複合サイクル装置１の作動について説明する。複合サイクル装置１では、以下の３つの基本運転（冷凍サイクル単独運転、ランキンサイクル単独運転、及び冷凍サイクルとランキンサイクルの同時運転）が可能になっている。
【００３８】
（１）冷凍サイクル単独運転
システム制御ＥＣＵ５００は、乗員からの冷房要求があり、エンジン１０始動直後の暖機中等で廃熱が十分に得られないとき、即ち冷却水温度センサ２５により得られる冷却水温度が所定温度に満たないと判断したときは、電動発電機３２１を停止させ、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を駆動させる。これにより、ランキンサイクル３００の膨張機３２０及びポンプ３３０が停止し、冷凍サイクル２００は単独運転する。この場合、冷凍サイクル２００は、通常の車両用空調装置の冷凍サイクルと同様に作動する。
【００３９】
（２）ランキンサイクル単独運転
システム制御ＥＣＵ５００は、冷房要求がなく、冷却水温度が所定温度以上となってエンジン１０の廃熱が十分得られると判断したときは、電磁クラッチ２１２を切断し、電動発電機３２１を電動機として作動させる。これにより、冷凍サイクル２００の圧縮機２１０が停止し、ランキンサイクル３００は単独運転する。そして、膨張機３２０の回転駆動力に伴う電動発電機３２１の発電作用により発電を行う。
【００４０】
この場合、凝縮部２２０の過冷却器２３１内の液冷媒は、ポンプ３３０によって昇圧されて加熱器３１０に送られる。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電動発電機３２１が作動する。そして、膨張機３２０での回転駆動力がポンプ３３０用の駆動力を超えると、電動発電機３２１は電力を発生させる発電機として作動し、得られた電力はインバータ５２０を介してバッテリー４０に充電される。充電された電力は車両電気負荷４１の作動に使用されるため、オルタネータ１１の負荷が軽減される。膨張機３２０で減圧された冷媒は凝縮器２２１で凝縮され、気液分離器２２２で気液分離される。分離された液冷媒は、過冷却器２２３で過冷却され、再びポンプ３３０へ吸引される。
【００４１】
（３）冷凍サイクルとランキンサイクルの同時運転
システム制御ＥＣＵ５００は、冷房要求があり、かつ廃熱も十分に得られると判断したときは、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。
【００４２】
この場合は、電磁クラッチ２１２を接続し、電動発電機３２１を作動させる。冷凍サイクル２００及びランキンサイクル３００が凝縮部２２０を共用しているため、凝縮部２２０から流出した冷媒は、分岐点２３０で分岐して各サイクル２００、３００の流路をそれぞれ循環し、合流点２３１で合流して凝縮部２２０に戻る。各サイクル２００、３００の作動については、それぞれ上記（１）、（２）の単独運転の場合と同じである。
【００４３】
ここで、従来の複合サイクル装置においては、冷凍サイクルを単独運転する際に、冷凍サイクル側の冷媒量が不足して十分な冷房能力を発揮できない場合がある。この理由について説明する。複合サイクル装置を備えた車両が例えば夜間にエンジン停止状態で長時間放置されると、エンジン冷却水の温度は外気温度にほぼ等しくなる。その後、朝になって外気温度が上昇したとき、エンジン冷却水の熱容量は空気の熱容量より大きいので、エンジン冷却水の温度は外気温度ほど早く上昇しない。このため、空気に晒されている凝縮部や蒸発器の温度は、エンジン冷却水に晒されている加熱器の温度よりも高くなる。したがって、凝縮部内や蒸発器内が冷媒の蒸発雰囲気となり、加熱器内が冷媒の凝縮雰囲気となる状態が起こり得る。この場合、凝縮部や蒸発器で蒸発した冷媒が加熱器に流入すると、加熱器の冷媒流路内壁面との熱伝達により冷媒が冷却されて凝縮し、液冷媒が加熱器内に溜まってしまう。
【００４４】
この状態でエンジンが起動されてその直後に冷房要求があると、冷却水温度が低いため、上記（１）の冷凍サイクル単独運転が行われる。ところが、液冷媒はランキンサイクル側（加熱器内）に偏って存在するため、冷凍サイクル側での冷媒量が不足し、十分な冷房能力を発揮できないことになる。
【００４５】
これに対し、本実施形態の複合サイクル装置１では、凝縮した冷媒が加熱器３１０内に溜まり込まないように、加熱器３１０の冷媒流路３１２が、流入口３１１から流出口３１３に向かって高さが単調増加するように形成されている。このため、冷媒流路３１２内で凝縮して内壁面に液滴として付着した冷媒は、自重によって流入口３１１から外部に流れ落ちるようになっている。
【００４６】
また、加熱器３１０の冷媒流路３１２は、凝縮部２２０よりも高さの高い位置に配置されている。このため、加熱器３１０の流入口３１１から流れ落ちた液冷媒は、冷凍サイクル２００と共有される凝縮部２２０まで戻るようになっている。
【００４７】
したがって本実施形態によれば、冷凍サイクル２００内で蒸発した冷媒が加熱器３１０内で凝縮したとしても、凝縮した冷媒は自重により凝縮部２２０まで戻るため、ランキンサイクル３００側（加熱器３１０内）に冷媒が偏って存在してしまうことがない。このため、エンジンが長時間停止状態を経て起動され、直後に冷房要求がある場合であっても、冷凍サイクル２００の単独運転を行う際に冷媒が不足するのを防止でき、高い冷房能力を発揮できる。
【００４８】
また本実施形態では、液冷媒が流入する流入口３１１が、液冷媒より比重の小さい蒸気冷媒が流出する流出口３１３よりも高さの低い位置に設けられている。これにより、ランキンサイクル３００運転時に冷媒流路３１２内で冷媒を円滑に流通させることができる。
【００４９】
なお図２に示す配置では、凝縮部２２０と加熱器３１０との間の冷媒配管３１４の全域がＨ３以上の高さに配置されているが、冷媒配管３１４の一部はＨ３より低い高さに配置されていてもよい。凝縮部２２０から加熱器３１０までの間の冷媒配管３１４中に凝縮部２２０よりも高さの低い部分があれば、加熱器３１０から流れ落ちた液冷媒がその部分に溜まり込むことがあり得る。しかしながら、冷媒配管３１４は管径が小さいため、冷媒配管３１４内に溜まり込む冷媒量は従来構成の加熱器内に溜まり込んでしまう冷媒量と比較すると極めて少ない。このため、冷媒配管３１４の一部に液冷媒が溜まり込んだとしても、冷凍サイクル２００の単独運転を行う際に冷媒が不足することはほとんどないと考えられる。
【００５０】
図３は、加熱器の構成の第１の変形例を示す模式図である。図３の上下方向は天地方向を表している。図３に示すように、本変形例の加熱器３７０は、複数の冷媒流路３７２ａ〜３７２ｉを有している。加熱器３７０には、冷媒流路３７２ａ〜３７２ｉ下端の流入部３７１ａ〜３７１ｉ同士を連通し、水平な一方向に延びる連通部３７４と、冷媒流路３７２ａ〜３７２ｉ上端の流出部３７３ａ〜３７３ｉ同士を連通し、水平な一方向に延びる連通部３７５とが設けられている。連通部３７４の底面部には流入口３７６が下向きに設けられ、連通部３７５の上面部には流出口３７７が上向きに設けられている。冷媒流路３７２ａ〜３７２ｉはほぼ鉛直方向に延び、流入部３７１ａ〜３７１ｉと流出部３７３ａ〜３７３ｉとの間をそれぞれ高さの極小部分が形成されないように接続している。冷媒流路３７２ａ〜３７２ｉの高さは、流入部３７１ａ〜３７１ｉから流出部３７３ａ〜３７３ｉまでそれぞれ単調に増加している。これにより、冷媒流路３７２ａ〜３７２ｉで凝縮した冷媒は、自重によってそれぞれ流入部３７１ａ〜３７１ｉから連通部３７４及び流出口３７６を介して外部に流れ落ちるようになっている。
【００５１】
図４は、加熱器の構成の第２の変形例を示す模式図である。図４の上下方向は天地方向を表している。図４に示すように、本変形例では、流入口３８１が加熱器３８０の底面部に下向きに設けられ、流出口３８３が加熱器３８０の上面部に上向きに設けられている。冷媒流路３８２は概ねコの字状に形成され、流入口３８１と流出口３８３との間を高さの極小部分が形成されないように接続している。冷媒流路３８２の高さは、流入口３８１から屈曲部３８４までは単調に増加し、屈曲部３８４から屈曲部３８５まではほぼ一定であり、屈曲部３８５から屈曲部３８６までは単調に増加している。また冷媒流路３８２の高さは、屈曲部３８６から屈曲部３８７まではほぼ一定であり、屈曲部３８７から流出口３８３までは単調に増加している。これにより、冷媒流路３８２で凝縮した冷媒は、自重によって流入口３８１から外部に流れ落ちるようになっている。
【００５２】
図５は、加熱器の構成の第３の変形例を示す模式図である。図５の上下方向は天地方向を表している。図５に示すように、本変形例では、流入口３９１が加熱器３９０の底面部に下向きに設けられ、流出口３９３が加熱器３９０の上面部に上向きに設けられている。冷媒流路３９２は概ねＳ字状に形成され、流入口３９１と流出口３９３との間を高さの極小部分が形成されないように接続している。冷媒流路３９２の高さは、流入口３９１から屈曲部３９４までは単調に増加し、屈曲部３９４から屈曲部３９５まではほぼ一定であり、屈曲部３９５から屈曲部３９６までは単調に増加し、屈曲部３９６から屈曲部３９７まではほぼ一定である。また冷媒流路３９２の高さは、屈曲部３９７から屈曲部３９８までは単調に増加し、屈曲部３９８から屈曲部３９９まではほぼ一定であり、屈曲部３９９から流出口３９３までは単調に増加している。これにより、冷媒流路３９２で凝縮した冷媒は、自重によって流入口３９１から外部に流れ落ちるようになっている。
【００５３】
図６は、加熱器の構成の第４の変形例を示す模式図である。図６の上下方向は天地方向を表している。図６に示すように、本変形例では、流入口３６１と流出口３６３とがいずれも加熱器３６０の底面部に下向きに設けられている。冷媒流路３６２は概ね逆Ｕ字状に形成され、流入口３６１と流出口３６３との間を高さの極小部分が形成されないように接続している。冷媒流路３６２の高さは、流入口３６１から屈曲部３６４までは単調に増加し、屈曲部３６４から屈曲部３６５まではほぼ一定であり、屈曲部３６５から流出口３６３までは単調に減少している。冷媒流路３６２における屈曲部３６４と屈曲部３６５との間は、高さの極大部分となっている。ここで、冷媒流路３６２のある部分Ｙの高さをＨｙとしたとき、高さＨｙより高い高さを有する部分が部分Ｙの近傍に存在せず、かつ、高さＨｙより低い高さを有する部分が部分Ｙより流入口３６１側及び流出口３６３側の双方に存在する場合、部分Ｙは高さの極大部分となる。これにより、冷媒流路３６２の流入口３６１から屈曲部３６４までの間で凝縮した冷媒は自重によって流入口３６１から外部に流れ落ち、屈曲部３６５から流出口３６３までの間で凝縮した冷媒は自重によって流出口３６３から外部に流れ落ち、屈曲部３６４から屈曲部３６５までの間で凝縮した冷媒は自重によって流入口３６１又は流出口３６３から外部に流れ落ちるようになっている。
【００５４】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図７及び図８を用いて説明する。図７は、本実施形態における複合サイクル装置２の構成を示す模式図である。図７に示すように、複合サイクル装置２は、ランキンサイクル３００のうち分岐点２３０より下流側でポンプ３３０より上流側（例えば分岐点２３０近傍）に設けられた弁機構１００と、膨張機３２０より下流側で合流点２３１より上流側（例えば合流点２３１近傍）に設けられた弁機構１１０とを有している。弁機構１００、１１０は、それぞれアクチュエータ１０１、１１１により駆動され、通電時に開となる電磁弁である。弁機構１００、１１０は、冷凍サイクル２００内で蒸発した冷媒を遮断できるようになっている。また本実施形態では、第１実施形態と異なり、加熱器３０５の構成及び配置位置に特別な制約はない。
【００５５】
システム制御ＥＣＵ５００は、ランキンサイクル３００の運転開始時にはアクチュエータ１０１、１１１への通電を開始し、ランキンサイクル３００の停止時にはアクチュエータ１０１、１１１への通電を停止する。これにより弁機構１００、１１０は、ランキンサイクル３００の運転中にはいずれも開状態となり、ランキンサイクル３００の停止中にはいずれも閉状態になる。
【００５６】
本実施形態では、ランキンサイクル３００の停止時に、ランキンサイクル３００のうち分岐点２３０より下流側で合流点２３１より上流側の部分が、弁機構１００、１１０によって冷凍サイクル２００から分離されるようになっている。このため、車両がエンジン停止状態で長時間放置された場合に、凝縮部２２０で蒸発した冷媒が加熱器３０５に流入するのを防止できる。したがって、加熱器３０５に冷媒が溜まってしまうこともないため、冷凍サイクル２００の単独運転を行う際に冷媒が不足するのを防止でき、高い冷房能力が得られる。
【００５７】
また本実施形態では、第１実施形態と比較すると加熱器３０５の構成及び配置位置に特別な制約がないため、車両への搭載性が向上する。
【００５８】
図８は、本実施形態における複合サイクル装置の構成の変形例を示す模式図である。図８に示すように、本変形例の複合サイクル装置３では、弁機構１００、１１０が互いに近接して設けられている。弁機構１００、１１０は、一体化した共通のアクチュエータ１０２により駆動され、通電時にいずれも開となるようになっている。
【００５９】
システム制御ＥＣＵ５００は、ランキンサイクル３００の運転開始時にはアクチュエータ１０２への通電を開始し、ランキンサイクル３００の停止時にはアクチュエータ１０２への通電を停止する。これにより弁機構１００、１１０は、ランキンサイクル３００の運転中にはいずれも開状態となり、ランキンサイクル３００の停止中にはいずれも閉状態になる。
【００６０】
本変形例では、２つの弁機構１００、１１０が共通のアクチュエータ１０２で駆動されるようになっているため、複合サイクル装置３の小型化が可能になる。
【００６１】
ここで、本実施形態では、弁機構１００、１１０がランキンサイクル３００の停止時に閉状態になるように制御されている。しかしながら、ランキンサイクル３００の停止直後には、加熱器３０５内に液冷媒が残存している場合があり、また冷却水温度が高く加熱器３０５内の温度が冷媒の沸点より高い場合がある。このとき弁機構１００、１１０が閉状態になると、加熱器３０５内に残存する液冷媒の蒸発（沸騰）により、加熱器３０５内等が高圧になってしまうおそれがある。一方で、冷凍サイクル２００内で蒸発した冷媒が加熱器３０５内で凝縮し得るのは、外気温度が冷却水温度より高いときである。したがって、ランキンサイクル３００が停止したときではなく、ランキンサイクル３００が停止した後であって外気温度が冷却水温度より高くなったときに、弁機構１００、１１０が閉状態になるようにしてもよい。
【００６２】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図９及び図１０を用いて説明する。図９は、本実施形態における複合サイクル装置４の構成を示す模式図である。図９に示すように、複合サイクル装置４は、ランキンサイクル３００のうちポンプ３３０より下流側で加熱器３０５より上流側（例えば加熱器３０５の流入口近傍）に設けられた弁機構１００と、加熱器３０５より下流側で膨張機３２０より上流側（例えば加熱器３０５の流出口近傍）に設けられた弁機構１１０とを有している。
【００６３】
本実施形態では、ランキンサイクル３００の停止時に、加熱器３０５の上流側及び下流側が弁機構１００、１１０により遮断されるようになっている。このため、第２実施形態と同様に、車両がエンジン停止状態で長時間放置された場合に、凝縮部２２０で蒸発した冷媒が加熱器３０５に流入するのを防止できる。したがって、冷凍サイクル２００の単独運転を行う際に冷媒が不足するのを防止でき、高い冷房能力が得られる。
【００６４】
また本実施形態では、第２実施形態と同様に加熱器３０５の構成及び配置位置に特別な制約がないため、車両への搭載性が向上する。
【００６５】
ここで、第２実施形態と同様に本実施形態においても、ランキンサイクル３００が停止した後であって外気温度が冷却水温度より高くなったときに、弁機構１００、１１０が閉状態になるようにしてもよい。
【００６６】
図１０は、本実施形態における複合サイクル装置の構成の変形例を示す模式図である。図１０に示すように、本変形例の複合サイクル装置５では、弁機構１００、１１０が互いに近接して設けられているとともに、一体化した共通のアクチュエータ１０２により駆動されるようになっている。
【００６７】
本変形例では、２つの弁機構１００、１１０が共通のアクチュエータ１０２で駆動されるようになっているため、複合サイクル装置５の小型化が可能になる。
【００６８】
（その他の実施形態）
上記実施形態では、凝縮部２２０としてサブクールコンデンサが用いられているが、必要とされる冷房能力に応じて過冷却器２２３を省略してもよい。
【００６９】
また上記実施形態では、発熱機器として車両用のエンジン１０が用いられているが、冷却水により冷却される他の発熱機器を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】第１実施形態における複合サイクル装置の構成を示す模式図である。
【図２】第１実施形態における凝縮部及び加熱器の配置を示す模式図である。
【図３】第１実施形態における加熱器の構成の第１の変形例を示す模式図である。
【図４】第１実施形態における加熱器の構成の第２の変形例を示す模式図である。
【図５】第１実施形態における加熱器の構成の第３の変形例を示す模式図である。
【図６】第１実施形態における加熱器の構成の第４の変形例を示す模式図である。
【図７】第２実施形態における複合サイクル装置の構成を示す模式図である。
【図８】第２実施形態における複合サイクル装置の構成の変形例を示す模式図である。
【図９】第３実施形態における複合サイクル装置の構成を示す模式図である。
【図１０】第３実施形態における複合サイクル装置の構成の変形例を示す模式図である。
【符号の説明】
【００７１】
１、２、３、４、５  複合サイクル装置
１０  エンジン（発熱機器）
２５  冷却水温度センサ
１００、１１０  弁機構
１０２  アクチュエータ
２００  冷凍サイクル
２１０  圧縮機
２２０  凝縮部
２３０  分岐点
２３１  合流点
２４０  膨張弁
２５０  蒸発器
３００  ランキンサイクル
３０５、３１０  加熱器
３１１  流入口
３１２  冷媒流路
３１３  流出口
３２０  膨張機
３３０  ポンプ
５００  システム制御ＥＣＵ（制御部）
５０１  外気温度センサ
【図１】
2008209085.tif 000003
【図２】
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【図３】
2008209085.tif 000005
【図４】
2008209085.tif 000006
【図５】
2008209085.tif 000007
【図６】
2008209085.tif 000008
【図７】
2008209085.tif 000009
【図８】
2008209085.tif 000010
【図９】
2008209085.tif 000011
【図１０】
2008209085.tif 000012