(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
空調空気を冷却する蒸発器（２５０）側から吸入した低圧の冷媒を高温高圧に圧縮して凝縮器（２２０）側に吐出する圧縮機（２１０）を有する冷凍サイクル（２００）と、
前記凝縮器（２２０）を共用すると共に、ポンプ（３３０）により圧送されて発熱機器（１０）の廃熱により加熱された冷媒の膨張によって膨張機（３２０）で機械的エネルギーを回収するランキンサイクル（３００）と、
前記冷凍サイクル（２００）および前記ランキンサイクル（３００）の作動を制御する制御手段（５００）とを有する廃熱利用装置において、
前記制御手段（５００）は、前記冷凍サイクル（２００）の負荷が所定負荷よりも低い場合に、前記圧縮機（２１０）の作動状態にかかわらず前記ランキンサイクル（３００）を連続的に運転する連続制御を実行すると共に、
前記冷凍サイクル（２００）の負荷が所定負荷よりも高くなる高負荷状態の場合に、前記ランキンサイクル（３００）を断続的に運転する断続制御を実行することを特徴とする廃熱利用装置。
【請求項２】
前記高負荷状態は、前記圧縮機（２１０）と前記膨張機（３２０）との同時運転による前記圧縮機（２１０）の駆動用エネルギーの増加分が、前記膨張機（３２０）で回収される機械的エネルギーを上回る状態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。
【請求項３】
前記制御手段（５００）は、前記断続制御の実行に際して、前記圧縮機（２１０）を断続運転すると共に、この断続運転に対して逆作動となるように前記ランキンサイクル（３００）を断続的に運転す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。
【請求項４】
前記圧縮機（２１０）は、駆動源（１０）によって駆動されると共に、一回転当たりの吐出容量が所定量となる固定容量圧縮機（２１０）であり、
前記制御手段（５００）は、前記圧縮機（２１０）の断続運転を、前記駆動源（１０）とのクラッチ（２１２）の断続、あるいは前記駆動源（１０）のＯＮ−ＯＦＦによって行うことを特徴とする請求項３に記載の廃熱利用装置。
【請求項５】
前記圧縮機（２１０）は、一回転当たりの吐出容量を調整可能とする可変容量圧縮機（２１０）であり、
前記制御手段（５００）は、前記圧縮機（２１０）の断続運転を、第１の吐出容量と前記第１の吐出容量よりも多い第２の吐出容量との切替えによって行うことを特徴とする請求項３に記載の廃熱利用装置。
【請求項６】
前記ランキンサイクル（３００）内を循環する前記冷媒の冷媒流路を開閉する開閉手段（３２２）を有し、
前記制御手段（５００）は、前記断続制御の実行に際して、前記ランキンサイクル（３００）を停止させる時に、前記開閉手段（３２２）を閉じることを特徴とする請求項３〜請求項５のいずれか１つに記載の廃熱利用装置。
【請求項７】
前記制御手段（５００）は、前記開閉手段（３２２）を閉じた後に、前記ポンプ（３３０）を停止させることを特徴とする請求項６に記載の廃熱利用装置。
【請求項８】
前記開閉手段（３２２）は、前記膨張機（３２０）の冷媒流入側に設けられたことを特徴とする請求項６または請求項７に記載の廃熱利用装置。
【請求項９】
前記膨張機（３２０）をバイパスするバイパス通路（３２３）と、
前記バイパス通路（３２３）を開閉するバイパス開閉手段（３２４）とを有し、
前記制御手段（５００）は、前記断続制御の実行に際して、前記ランキンサイクル（３００）を停止させる時に、前記バイパス開閉手段（３２４）を開くことを特徴とする請求項３〜請求項５のいずれか１つに記載の廃熱利用装置。
【請求項１０】
前記膨張機（３２０）に接続されると共に、前記機械的エネルギーによって駆動されて発電する発電機（３２１Ａ）を有し、
前記制御手段（５００）は、前記バイパス開閉手段（３２４）を開いた後に、前記発電機（３２１Ａ）を停止させることを特徴とする請求項９に記載の廃熱利用装置。
【請求項１１】
前記制御手段（５００）は、前記冷凍サイクル（２００）の負荷を、外気温度によって把握することを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれか１つに記載の廃熱利用装置。
【請求項１２】
前記制御手段（５００）は、前記冷凍サイクル（２００）の負荷を、前記発熱機器（１０）制御用の情報と、前記冷凍サイクル（２００）制御用の情報とから複合的に把握することを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれか１つに記載の廃熱利用装置。
【請求項１３】
前記発熱機器（１０）は、車両用の内燃機関（１０）であり、
前記発熱機器（１０）制御用の情報は、前記車両の速度、前記内燃機関（１０）の回転数、外気温度、前記内燃機関（１０）の冷却用媒体温度のうちの少なくとも１つとしたことを特徴とする請求項１２に記載の廃熱利用装置。
【請求項１４】
前記冷凍サイクル（２００）制御用の情報は、室内温度、目標室内温度、前記蒸発器（２５０）で冷却された空調空気温度、前記冷凍サイクル（２００）内の冷媒圧力のうちの少なくとも１つとしたことを特徴とする請求項１２に記載の廃熱利用装置。
【請求項１５】
前記制御手段（５００）は、前記高負荷状態を、前記膨張機（３２０）の低圧側となる低圧側圧力（ＰＬ）に対する前記膨張機（３２０）の高圧側となる高圧側圧力（ＰＨ）の比率で示される膨張圧力比（ＰＨ／ＰＬ）によって把握することを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれか１つに記載の廃熱利用装置。
【請求項１６】
前記制御手段（５００）は、前記膨張圧力比（ＰＨ／ＰＬ）を前記発熱機器（１０）の廃熱温度、および前記膨張機（３２０）の下流側となる前記凝縮器（２２０）における前記冷媒の流量、前記凝縮器（２２０）における外気の温度、前記外気の速度から推定することを特徴とする請求項１５に記載の廃熱利用装置。
【請求項１７】
空調空気を冷却する蒸発器（２５０）側から吸入した低圧の冷媒を高温高圧に圧縮して凝縮器（２２０）側に吐出する圧縮機（２１０）を有する冷凍サイクル（２００）と、
前記凝縮器（２２０）を共用すると共に、ポンプ（３３０）により圧送されて発熱機器（１０）の廃熱により加熱された冷媒の膨張によって膨張機（３２０）で機械的エネルギーを回収するランキンサイクル（３００）とを有する廃熱利用装置の制御方法であって、
前記冷凍サイクル（２００）の負荷が所定負荷よりも低い場合に、前記圧縮機（２１０）の作動状態にかかわらず前記ランキンサイクル（３００）を連続的に運転する連続制御を実行すると共に、
前記冷凍サイクル（２００）の負荷が所定負荷よりも高くなる高負荷状態の場合に、前記ランキンサイクル（３００）を断続的に運転する断続制御を実行することを特徴とする廃熱利用装置の制御方法。
【請求項１８】
前記高負荷状態は、前記圧縮機（２１０）と前記膨張機（３２０）との同時運転による前記圧縮機（２１０）の駆動用エネルギーの増加分が、前記膨張機（３２０）で回収される機械的エネルギーを上回る状態であることを特徴とする請求項１７に記載の廃熱利用装置の制御方法。
【請求項１９】
前記断続制御の実行に際して、前記圧縮機（２１０）を断続運転すると共に、この断続運転に対して逆作動となるように前記ランキンサイクル（３００）を断続的に運転することを特徴とする請求項１７または請求項１８に記載の廃熱利用装置の制御方法。
【請求項２０】
前記圧縮機（２１０）は、駆動源（１０）によって駆動されると共に、一回転当たりの吐出容量が所定量となる固定容量圧縮機（２１０）であり、
前記圧縮機（２１０）の断続運転を、前記駆動源（１０）とのクラッチ（２１２）の断続、あるいは前記駆動源（１０）のＯＮ−ＯＦＦによって行うことを特徴とする請求項１９に記載の廃熱利用装置の制御方法。
【請求項２１】
前記圧縮機（２１０）は、一回転当たりの吐出容量を調整可能とする可変容量圧縮機（２１０）であり、
前記圧縮機（２１０）の断続運転を、第１の吐出容量と前記第１の吐出容量よりも多い第２の吐出容量との切替えによって行うことを特徴とする請求項１９に記載の廃熱利用装置の制御方法。
【請求項２２】
前記断続制御の実行に際して、前記ランキンサイクル（３００）を停止させる時に、前記ランキンサイクル（３００）内を循環する前記冷媒の冷媒流路を閉じることを特徴とする請求項１９〜請求項２１のいずれか１つに記載の廃熱利用装置の制御方法。
【請求項２３】
前記冷媒流路を閉じた後に、前記ポンプ（３３０）を停止させることを特徴とする請求項２２に記載の廃熱利用装置の制御方法。
【請求項２４】
前記冷媒流路のうち、前記膨張機（３２０）の冷媒流入側を閉じることを特徴とする請求項２２または請求項２３に記載の廃熱利用装置の制御方法。
【請求項２５】
前記断続制御の実行に際して、前記ランキンサイクル（３００）を停止させる時に、前記膨張機（３２０）への前記冷媒の流れをバイパスさせることを特徴とする請求項１９〜請求項２１のいずれか１つに記載の廃熱利用装置の制御方法。
【請求項２６】
前記膨張機（３２０）に接続されると共に、前記機械的エネルギーによって駆動されて発電する発電機（３２１Ａ）を有し、
前記膨張機（３２０）への前記冷媒の流れをバイパスさせた後に、前記発電機（３２１Ａ）を停止させることを特徴とする請求項２５に記載の廃熱利用装置の制御方法。
【請求項２７】
前記冷凍サイクル（２００）の負荷を、外気温度によって把握することを特徴とする請求項１７〜請求項２６のいずれか１つに記載の廃熱利用装置の制御方法。
【請求項２８】
前記冷凍サイクル（２００）の負荷を、前記発熱機器（１０）制御用の情報と、前記冷凍サイクル（２００）制御用の情報とから複合的に把握することを特徴とする請求項１７〜請求項２６のいずれか１つに記載の廃熱利用装置の制御方法。
【請求項２９】
前記発熱機器（１０）は、車両用の内燃機関（１０）であり、
前記発熱機器（１０）制御用の情報は、前記車両の速度、前記内燃機関（１０）の回転数、外気温度、前記内燃機関（１０）の冷却用媒体温度のうちの少なくとも１つとしたことを特徴とする請求項２８に記載の廃熱利用装置の制御方法。
【請求項３０】
前記冷凍サイクル（２００）制御用の情報は、室内温度、目標室内温度、前記蒸発器（２５０）で冷却された空調空気温度、前記冷凍サイクル（２００）内の冷媒圧力のうちの少なくとも１つとしたことを特徴とする請求項２８に記載の廃熱利用装置の制御方法。
【請求項３１】
前記高負荷状態を、前記膨張機（３２０）の低圧側となる低圧側圧力（Ｐ２）に対する前記膨張機（３２０）の高圧側となる高圧側圧力（Ｐ１）の比率で示される膨張圧力比（Ｐ１／Ｐ２）によって把握することを特徴とする請求項１７〜請求項２６のいずれか１つに記載の廃熱利用装置の制御方法。
【請求項３２】
前記膨張圧力比（Ｐ１／Ｐ２）を前記発熱機器（１０）の廃熱温度、および前記膨張機（３２０）の下流側となる前記凝縮器（２２０）における前記冷媒の流量、前記凝縮器（２２０）における外気の温度、前記外気の速度から推定することを特徴とする請求項３１に記載の廃熱利用装置の制御方法。
【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およびその制御方法に関するものであり、例えば内燃機関を搭載する車両用に用いて好適である。
【背景技術】
【０００２】
従来の廃熱利用装置として、例えば特許文献１に示されるものが知られている。即ち、この廃熱利用装置は、空調用の冷凍サイクルと、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を有している。冷凍サイクル内には内燃機関の動力によって駆動されて冷媒を圧縮吐出する圧縮機が、また、ランキンサイクルには冷却廃熱によって加熱された冷媒の膨張によって作動される膨張機がそれぞれ独立して配設されている。そして、ランキンサイクルは、冷凍サイクル内の凝縮器（放熱器）が共用されて構成されている。
【０００３】
この廃熱利用装置においては、空調の必要性と、冷却廃熱の回収可否に応じて、冷凍サイクル、ランキンサイクルの単独運転、あるいは冷凍サイクルとランキンサイクルとの同時運転を可能としている。
【特許文献１】特開２００５−３０７９５１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、上記の廃熱利用装置において冷凍サイクルとランキンサイクルとを同時運転する場合で、夏場など冷凍サイクル側の冷房負荷が大きい場合（例えば外気温が高い場合）には、ランキンサイクルで冷却廃熱の回収を行っているにもかかわらず、廃熱利用装置全体で見てみると返ってエネルギーをロスしていることが分かった。以下、この問題点について詳細に説明する。
【０００５】
まず、冷凍サイクル単独で運転している場合を考える。冷凍サイクルの冷房負荷に対する圧縮機の動力は、図１５のように表すことができる。また、冷凍サイクルの作動状態は、図１６のようにモリエル線図（Ｐ−ｈ線図）で表すことができる。
【０００６】
次に、冷凍サイクルとランキンサイクルとを同時に運転させた場合を考える。上記と同様に圧縮機の動力は、図１７のようになり、単独運転時（図１７中の実線）よりも同時運転時（図１７中の破線）の方が圧縮機動力は非常に高くなる。この理由としては、凝縮器には冷凍サイクル側からの熱とランキンサイクル側からの熱の両方が流入してくるため、同時運転時の凝縮器の凝縮圧力は単独運転時の場合と比較して高くなるからである。つまり、図１８のモリエル線図に示すように、凝縮器における凝縮圧力の上昇に伴い、その分、圧縮機の圧縮比（＝吐出圧力／吸入圧力）が高くなり動力が悪化（動力増加）してしまう。
【０００７】
上記内容について、廃熱利用装置の運転における環境条件を外気温とし、凝縮器での放熱状態と圧縮機での動力悪化との関係について図１９を用いて補足説明する。図１９では、冷房に必要な冷媒流量を流した時の、凝縮器での外気温に対する必要放熱量をエアコン放熱量として表している。また、凝縮器の最大流量（所定の圧損となる流量）を流した時の外気温に対する放熱量を放熱能力として表している。ここで、ランキンサイクル運転時の外気温に対する必要放熱量をランキン放熱量とすると、エアコン放熱量とランキン放熱量との和、即ち同時運転時における凝縮器での必要放熱量は、外気温が高い時ほど増加の度合いが高くなり、ある外気温を超えると放熱能力を上回ってしまう。よって、外気温が高い時ほど、凝縮器における冷媒流量の増加分も大きくなり圧損も上昇する。凝縮器における圧損が増加すれば圧縮機の高圧が上昇し消費動力が増加することになる。
【０００８】
ここで、外気温に対する廃熱利用装置のエネルギー収支を考えてみると、図２０に示すようになる。即ち、外気温が上昇すると冷房負荷が増えるので、上記で説明したように、圧縮機の動力増加分は悪化する（図２０中の実線）。また、ランキンサイクルでは外気温が上昇すると、上記で説明したように、凝縮器における放熱が厳しくなり、膨張機前後の圧力差（膨張圧力比）が減少し回収エネルギーが減少する（図２０中の点線）。この２つの特性線は、ある外気温で交差する。このポイントは廃熱利用装置のエネルギー収支がゼロとなる点となる。つまり、このポイントにおいてはランキンサイクルでエネルギーを回収しても、この回収エネルギーが冷凍サイクル（圧縮機）の動力エネルギーの増加分と相殺される点となる。言い換えると、このポイント以下の外気温ではランキンサイクルは有効に機能するが、このポイント以上の外気温ではランキンサイクルを稼動させてしまうと、返ってエネルギーの収支がマイナスとなり、内燃機関の燃費を悪化させてしまうことになる。
【０００９】
本発明の目的は、上記問題に鑑み、冷凍サイクルとランキンサイクルとの同時運転時に、ランキンサイクル作動による圧縮機の動力増加を防止して、エネルギー収支の向上を可能とする廃熱利用装置およびその制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
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。
【００１１】
請求項１に記載の発明では、空調空気を冷却する蒸発器（２５０）側から吸入した低圧の冷媒を高温高圧に圧縮して凝縮器（２２０）側に吐出する圧縮機（２１０）を有する冷凍サイクル（２００）と、凝縮器（２２０）を共用すると共に、ポンプ（３３０）により圧送されて発熱機器（１０）の廃熱により加熱された冷媒の膨張によって膨張機（３２０）で機械的エネルギーを回収するランキンサイクル（３００）と、冷凍サイクル（２００）およびランキンサイクル（３００）の作動を制御する制御手段（５００）とを有する廃熱利用装置において、制御手段（５００）は、冷凍サイクル（２００）の負荷が所定負荷よりも低い場合に、圧縮機（２１０）の作動状態にかかわらずランキンサイクル（３００）を連続的に運転する連続制御を実行すると共に、冷凍サイクル（２００）の負荷が所定負荷よりも高くなる高負荷状態の場合に、ランキンサイクル（３００）を断続的に運転する断続制御を実行することを特徴としている。
【００１２】
これにより、冷凍サイクル（２００）の負荷が所定負荷よりも低い場合においては、ランキンサイクル（３００）で回収される機械的エネルギーが圧縮機（２１０）駆動用のエネルギーを上回るので、エネルギー収支をプラスとすることができ、ランキンサイクル（３００）を連続的に運転することで、発熱機器（１０）の廃熱を有効に活用することができる。
【００１３】
更に、冷凍サイクル（２００）の負荷が高負荷状態の場合においては、ランキンサイクル（３００）の断続制御を行うことで、圧縮機（２１０）の動力増加を防止して、エネルギー収支を向上させることができる。
【００１４】
請求項２に記載の発明のように、上記の高負荷状態を、圧縮機（２１０）と膨張機（３２０）との同時運転による圧縮機（２１０）の駆動用エネルギーの増加分が、膨張機（３２０）で回収される機械的エネルギーを上回る状態として定めることで、エネルギー収支をプラスにし得る判断基準を明確にすることができる。
【００１５】
請求項３に記載の発明では、制御手段（５００）は、断続制御の実行に際して、圧縮機（２１０）を断続運転すると共に、この断続運転に対して逆作動となるようにランキンサイクル（３００）を断続的に運転することを特徴としている。
【００１６】
これにより、断続制御の実行に際して、圧縮機（２１０）が停止している時、即ち圧縮機（２１０）駆動用のエネルギーを使用していない時にランキンサイクル（３００）作動させることになり、膨張機（３２０）による機械的エネルギーが回収されるので、確実にエネルギー収支をプラスとすることができる。
【００１７】
請求項４に記載の発明のように、圧縮機（２１０）は、駆動源（１０）によって駆動されると共に、一回転当たりの吐出容量が所定量となる固定容量圧縮機（２１０）であり、制御手段（５００）は、駆動源（１０）とのクラッチ（２１２）の断続、あるいは駆動源（１０）のＯＮ−ＯＦＦによって行うようにすれば、圧縮機（２１０）の断続運転を行うことが可能となる。
【００１８】
また、請求項５に記載の発明のように、圧縮機（２１０）は、一回転当たりの吐出容量を調整可能とする可変容量圧縮機（２１０）であり、制御手段（５００）は、第１の吐出容量とこの第１の吐出容量よりも多い第２の吐出容量との切替えを行うようにすれば、圧縮機（２１０）の断続運転を行うことが可能となる。
【００１９】
請求項６に記載の発明では、ランキンサイクル（３００）内を循環する冷媒の冷媒流路を開閉する開閉手段（３２２）を有し、制御手段（５００）は、断続制御の実行に際して、ランキンサイクル（３００）を停止させる時に、開閉手段（３２２）を閉じることを特徴としている。
【００２０】
これにより、冷媒の循環を停止できるので、即座にランキンサイクル（３００）を停止させることができる。
【００２１】
請求項７に記載の発明では、制御手段（５００）は、開閉手段（３２２）を閉じた後に、ポンプ（３３０）を停止させることを特徴としている。
【００２２】
これにより、冷媒の圧送を停止して、確実にランキンサイクル（３００）を停止させることができる。
【００２３】
請求項８に記載の発明では、開閉手段（３２２）は、膨張機（３２０）の冷媒流入側に設けられたことを特徴としている。
【００２４】
これにより、膨張機（３２０）に対する冷媒の流入を停止して冷媒の膨張を阻止できるので、即座に且つ効果的にランキンサイクル（３００）を停止させることができる。
【００２５】
請求項９に記載の発明では、膨張機（３２０）をバイパスするバイパス通路（３２３）と、バイパス通路（３２３）を開閉するバイパス開閉手段（３２４）とを有し、制御手段（５００）は、断続制御の実行に際して、ランキンサイクル（３００）を停止させる時に、バイパス開閉手段（３２４）を開くことを特徴としている。
【００２６】
これにより、膨張機（３２０）の高圧側と低圧側とを均圧させて、膨張機（３２０）を容易に停止させることができるので、ランキンサイクル（３００）を安全且つ確実に停止させることができる。
【００２７】
請求項１０に記載の発明では、膨張機（３２０）に接続されると共に、機械的エネルギーによって駆動されて発電する発電機（３２１Ａ）を有し、制御手段（５００）は、バイパス開閉手段（３２４）を開いた後に、発電機（３２１Ａ）を停止させることを特徴としている。
【００２８】
膨張機（３２０）においては、バイパス開閉手段（３２４）を開く前に発電機（３２１Ａ）を停止させると、負荷の軽くなった膨張機（３２０）は冷媒の膨張によって一気に高回転側で作動してしまい、停止させられなくなる。よって、ランキンサイクル（３００）の高圧側と低圧側とを均圧した後に、発電機（３２１Ａ）を停止させることで、上記の高回転作動を防止して、安全且つ確実に膨張機（３２０）を停止させることができるようになる。
【００２９】
請求項１１に記載の発明では、制御手段（５００）は、冷凍サイクル（２００）の負荷を、外気温度によって把握することを特徴としている。
【００３０】
外気温度は、冷凍サイクル（２００）の負荷に相関するものであり、これにより、複雑な検出手段や検出方法を用いずに容易に冷凍サイクル（２００）の負荷を把握することができる。
【００３１】
請求項１２に記載の発明では、制御手段（５００）は、冷凍サイクル（２００）の負荷を、発熱機器（１０）制御用の情報と、冷凍サイクル（２００）制御用の情報とから複合的に把握することを特徴としている。
【００３２】
これにより、断続制御を実行すべき条件をより細かく正確に把握できるので、エネルギー収支プラス化の精度を高めることができる。
【００３３】
請求項１３に記載の発明のように、発熱機器（１０）は、車両用の内燃機関（１０）であり、発熱機器（１０）制御用の情報としては、車両の速度、内燃機関（１０）の回転数、外気温度、内燃機関（１０）の冷却用媒体温度のうちの少なくとも１つを採用することができる。
【００３４】
また、請求項１４に記載の発明のように、冷凍サイクル（２００）制御用の情報としては、室内温度、目標室内温度、蒸発器（２５０）で冷却された空調空気温度、冷凍サイクル（２００）内の冷媒圧力のうちの少なくとも１つを採用することができる。
【００３５】
請求項１５に記載の発明では、制御手段（５００）は、高負荷状態を、膨張機（３２０）の低圧側となる低圧側圧力（ＰＬ）に対する膨張機（３２０）の高圧側となる高圧側圧力（ＰＨ）の比率で示される膨張圧力比（ＰＨ／ＰＬ）によって把握することを特徴としている。
【００３６】
これにより、複雑な検出手段や検出方法を用いずに容易に高負荷状態を把握することができる。
【００３７】
上記膨張圧力比（Ｐ１／Ｐ２）は、請求項１６に記載の発明のように、発熱機器（１０）の廃熱温度、および膨張機（３２０）の下流側となる凝縮器（２２０）における冷媒の流量、凝縮器（２２０）における外気の温度、外気の速度から推定することができる。
【００３８】
請求項１７〜請求項３２に記載の発明は、廃熱利用装置（１００）における制御方法に関するものであり、その技術的意義は上記請求項１〜請求項１６に記載の廃熱利用装置と本質的に同じである。
【００３９】
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】
【００４０】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態を図１〜図５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１００は、エンジン１０を走行用駆動源とする一般乗用車（車両）に適用されるものとしており、冷凍サイクル２００と、この冷凍サイクル２００内の一部の機器（凝縮器２２０、気液分離器２３０、過冷却器２３１）を共用すると共に発電機３２１を備えるランキンサイクル３００と、冷凍サイクル２００およびランキンサイクル３００の作動を制御する制御装置５００（５００ａ〜５００ｄ）とを有している。
【００４１】
図１に示すように、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（以下、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を有している。尚、エンジン１０には、ベルト１２を介して伝達されるエンジン１０の駆動力によって駆動されて発電するオルタネータ１１が設けられている。オルタネータ１１によって発電された電力はバッテリ４０に充電されると共に、バッテリ４０に充電された電力は、車両電気負荷（ヘッドランプ、ワイパー、オーディオ等）４１に供給されるようになっている。
【００４２】
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。ここでは温水ポンプ２２は、エンジン１０によって駆動される機械式ポンプとしており、エンジン１０の回転数（以下、エンジン回転数）に対して所定の回転数比で作動されるようになっている。尚、温水ポンプ２２は、上記機械式ポンプに代えて、電動機によって駆動される電動式ポンプとしても良い。
【００４３】
また、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、水温センサ２５と、後述するランキンサイクル３００の加熱器３１０が配設されている。水温センサ２５は、エンジン１０の出口側における冷却水温度を検出する水温検出手段であり、この水温センサ２５によって検出される温度信号は、後述する制御装置５００（システム制御ＥＣＵ５００ａ）に出力されるようになっている。また、加熱器３１０内にはエンジン１０から流出する冷却水が流通するようになっている。
【００４４】
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を流通する冷却水流量とラジエータバイパス流路２３を流通する冷却水流量とが調節されるようになっている。
【００４５】
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なっている。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を通過する空調空気量が調整される。
【００４６】
冷凍サイクル２００は、圧縮機２１０、凝縮器２２０、気液分離器２３０、過冷却器２３１、膨張弁２４０、蒸発器２５０を有し、これらが順次環状に接続されて閉回路を形成している。
【００４７】
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、一回転当たりの吐出容量が所定量となる固定容量圧縮機としており、エンジン（本発明における駆動源に対応）１０の駆動力によって駆動されるようになっている。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１２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（本発明におけるクラッチに対応）２１２が設けられている。電磁クラッチ２１２の断続により、圧縮機２１０の作動はＯＮ−ＯＦＦされる。電磁クラッチ２１２の断続は、後述する制御装置５００（エアコン制御ＥＣＵ５００ｃ）によって制御されるようになっている。
【００４８】
凝縮器２２０は、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り、例えば車両エンジンルーム内の前方に配設されている。凝縮器２２０の熱交換部には車両走行時の車速風が外気として流入するようになっている。尚、外気の流入量は車両の速度（車速）に応じて増加する。気液分離器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る。過冷却器２３１は、気液分離器２３１から流出される液冷媒を更に冷却する熱交換器である。凝縮器２２０、気液分離器２３０、過冷却器２３１は、いわゆる気液分離器を有するサブクールコンデンサの形態となっている。尚、凝縮器２２０、気液分離器２３０、過冷却器２３１は、一体的に形成される気液分離器一体型サブクールコンデンサとしても良い。
【００４９】
膨張弁２４０は、過冷却器２３１から流出される液冷媒を減圧膨脹させる減圧手段であり、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。
【００５０】
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内に配設されている。蒸発器２５０は、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。
【００５１】
蒸発器２５０の空調空気流れ下流側には、冷却された空調空気の温度（以下、冷却空気温度）を検出する温度検出手段としての温度センサ２５１が設けられており、この温度センサ２５１によって検出される温度信号は、後述する制御装置５００（エアコン制御ＥＣＵ５００ｃ）に出力されるようになっている。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、乗員の設定する室内設定温度に調節される。
【００５２】
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。
【００５３】
ランキンサイクル３００は、ポンプ３３０、加熱器３１０、膨張機３２０、凝縮器２２０、気液分離器２３０、過冷却器２３１を有し、これらが順次接続されて閉回路を形成している。尚、凝縮器２２０、気液分離器２３０、過冷却器２３１は上記冷凍サイクル２００のものが共用されるようにしており、ランキンサイクル３００内を流通する作動流体は、冷凍サイクル２００の冷媒と同一のものとなっている。
【００５４】
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り、電動機３３１の駆動力によって作動されるようになっている。電動機３３１の作動は、後述する制御装置５００（インバータ５００ｄ）によって制御されるようになっている。
【００５５】
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して高温高圧の過熱蒸気冷媒とする熱交換器である。
【００５６】
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（本発明における機械的エネルギーに対応）を発生させる流体機器である。本ランキンサイクル３００においては、上記膨張機３２０に発電機３２１が接続されて、膨張機３２０と発電機３２１とが一体的に形成されている。
【００５７】
発電機３２１は、後述する制御装置５００（インバータ５００ｄ）によって作動制御されるようになっている。即ち、発電機３２１は、膨張機３２０から駆動力を受けると、インバータ５００ｄによって回転数制御され、これに伴って発電量が調整される。そして、発電された電力は、インバータ５００ｄによってバッテリ４０に充電されるようになっている。
【００５８】
そして、膨張機３２０の冷媒吐出側は、凝縮器２２０に合流するように接続され、また、過冷却器２３１の冷媒流出側で冷凍サイクル２００から分岐して、ポンプ３３０に接続されている。
【００５９】
上記ランキンサイクル３００には、このサイクル内の冷媒流路を開閉するための開閉手段が設けられている。ここでは開閉手段は、膨張機３２０の冷媒流入側において、この流入側流路を開閉する膨張機停止弁３２２としている。膨張機停止弁３２２は、例えば電磁弁によって構成され、後述する制御装置５００（システム制御ＥＣＵ５００ａ）によって開閉制御されるようになっている。
【００６０】
そして、ポンプ３３０と加熱器３１０との間には、ランキンサイクル３００の高圧側となる冷媒圧力（以下、ランキン高圧側圧力）を検出する圧力検出手段としての冷媒圧力センサ３４１が設けられている。この冷媒圧力センサ３４１によって検出される圧力信号は、後述する制御装置５００（システム制御ＥＣＵ５００ａ）に出力されるようになっている。
【００６１】
また、過冷却器２３１と膨張弁２４０との間には、冷凍サイクル２００の高圧側（ランキンサイクル３００の低圧側）となる冷媒圧力（以下、冷凍高圧側圧力）を検出する圧力検出手段としての冷媒圧力センサ３４２が設けられている。この冷媒圧力センサ３４２によって検出される圧力信号は、後述する制御装置５００（システム制御ＥＣＵ５００ａ）に出力されるようになっている。
【００６２】
制御装置５００は、上記冷凍サイクル２００およびランキンサイクル３００の各種機器の作動を制御する制御手段であり、システム制御ＥＣＵ５００ａ、車両制御ＥＣＵ５００ｂ、エアコン制御ＥＣＵ５００ｃ、インバータ５００ｄを有している。
【００６３】
システム制御ＥＣＵ５００ａには、車両制御ＥＣＵ５００ｂとエアコン制御ＥＣＵ５００ｃとインバータ５００ｄとが接続されて、相互に制御信号が授受されるようになっている。システム制御ＥＣＵ５００ａには、外気温度を検出する外気温検出手段としての外気温センサ５１０からの検出信号が入力されるようになっている。
【００６４】
システム制御ＥＣＵ５００ａは、冷凍サイクル２００およびランキンサイクル３００の総合的な制御を行うと共に、後述するように冷凍サイクル２００とランキンサイクル３００との同時運転において、冷凍サイクル２００の負荷（以下、冷房負荷）に応じて圧縮機２１０駆動用のエネルギーとランキンサイクル３００での回収エネルギーとの収支がプラスとなるようにインバータ５００ｄを介してランキンサイクル３００の作動を制御する。
【００６５】
車両制御ＥＣＵ５００ｂは、主にエンジン１０の制御を行うものであり、水温センサ２５からの冷却水温度、エンジン回転数、スロットルバルブ開度等から算出されるエンジン負荷（エンジントルク）等から、燃料（ガソリン）の燃焼効率が最適になるように、燃料噴射量（燃料供給量）を制御する。尚、車両制御ＥＣＵ５００ｂは、エンジン回転数、および図示しない変速機の変速比等から車両の速度、即ち車速を算出する。
【００６６】
エアコン制御ＥＣＵ５００ｃは、乗員のエアコン要求、設定室内温度、実際の室内温度、蒸発器２５０で冷却された空気温度、環境条件（外気温度、日射量等）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５００ｄは、発電機３２１および電動機３３１を作動させ、また、その回転数を調整することで、ランキンサイクル３００の作動を制御する。
【００６７】
次に、上記構成に基づく廃熱利用装置１００の作動について説明する。本廃熱利用装置１００においては、以下の冷凍サイクル単独運転、ランキンサイクル単独運転に加えて、冷凍サイクル・ランキンサイクル併用運転を可能とする。
【００６８】
１．冷凍サイクル単独運転
制御装置５００は、エンジン１０始動直後の暖機中等で廃熱が充分に得られない場合、即ち、水温センサ２５によって得られる冷却水温度が所定冷却水温度に満たない場合で、乗員からのエアコン要求があると判定した時は、発電機３２１、電動機３３１を停止（膨張機３２０、ポンプ３３０を停止）させて、冷凍サイクル２００を単独運転させる。
【００６９】
制御装置５００（エアコン制御ＥＣＵ５００ｃ）は、冷凍サイクル２００の運転において、実際の室内温度、外気温度、日射量等の条件から、実際の室内温度が設定室内温度となるように必要吹出し温度を演算して、蒸発器２５０における冷却空気温度が所定温度（例えばヒステリシスを持たせた３℃〜４℃）となるように圧縮機２１０の作動を制御しつつ、エアミックスドア４３０の開度を制御する。
【００７０】
圧縮機２１０の制御においては、図２に示すように、制御装置５００は、温度センサ２５１によって得られる冷却空気温度が所定温度（上限側の４℃）を超えると電磁クラッチ２１２を接続することで圧縮機２１０をＯＮさせ、また、冷却空気温度が所定温度（下限側の３℃）を下回ると電磁クラッチ２１２を切断して圧縮機２１０をＯＦＦさせる（ＯＮ−ＯＦＦ制御）。
【００７１】
２．ランキンサイクル単独運転
制御装置５００は、エアコン要求が無く、水温センサ２５によって得られる冷却水温度が所定冷却水温度以上となってエンジン１０の廃熱が充分得られると判定した時は、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（起動）させ、膨張弁停止弁３２２を開き、ランキンサイクル３００を運転させる。そして、膨張機３２０の回転駆動力に伴う発電機３２１の発電作用により発電を行う。
【００７２】
更に詳述すると、ポンプ３３０によって過冷却器２３１から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冷却水によって加熱される。加熱された過熱蒸気冷媒は、開状態となる膨張機停止弁３２２を通り、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、膨張機３２０で取り出された回転駆動力によって発電機３２１が作動される。そして、発電機３２１で得られた電力はインバータ５００ｄによってバッテリ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。よってオルタネータ１１の負荷が軽減される。尚、膨張機３２０で減圧された冷媒は凝縮器２２０で凝縮され、気液分離器２３０で気液分離され、過冷却器２３１で過冷却されて、再びポンプ３３０へ吸引される。
【００７３】
３．冷凍サイクル・ランキンサイクル併用運転
制御装置５００は、乗員からのエアコン要求があり、且つ廃熱が充分に得られると判定した時は、冷凍サイクル２００とランキンサイクル３００とを併用運転させ、空調と発電との両方を行う。ここでは冷凍サイクル２００の負荷に応じて、ランキンサイクル３００の連続運転、あるいは断続運転の切替えを行うようにしており、以下、図３に示す制御フローチャート、および図４、図５に示すタイムチャートを加えて説明する。
【００７４】
まず、制御装置５００は、図３中のステップＳ１００で、上記冷凍サイクル単独運転と同様に、電磁クラッチ２１２を断続することで圧縮機２１０をＯＮ−ＯＦＦさせて、冷凍サイクル２００の作動を制御する中で、ステップＳ１１０にて、冷房負荷が所定負荷よりも高いか否かを判定する。
【００７５】
ここで、冷房負荷は、冷凍サイクル２００の運転における各種制御条件、つまり設定室内温度、実際の室内温度、外気温度、日射量を用いて把握することができる。実際の室内温度、外気温度、日射量が高いほど、また、設定室内温度が低いほど、冷房負荷は高いものとなる。ここでは、上記各種制御条件のうち、外気温度センサ５１０によって得られる外気温度を冷房負荷とするようにしている。そして、「課題」の項の図２０で説明したように、圧縮機２１０駆動用のエネルギー（圧縮機動力）増加分とランキンサイクル３００による回収エネルギー（発電エネルギー）との収支がゼロとなるポイントを所定負荷（所定温度）として予め定めている。
【００７６】
よって、ステップＳ１１０では外気温度と所定外気温度とを比較して、外気温度が所定外気温度以下であれば、冷房負荷が低い状態にあると判定して、ステップＳ１２０のランキンサイクル連続制御に進み、外気温度が所定外気温度より高ければ、冷凍サイクル２００の負荷が高い状態にあると判定して、ステップＳ１３０のランキンサイクル断続制御に進む。
【００７７】
ステップＳ１２０のランキンサイクル連続制御では、図４に示すように、ＯＮ−ＯＦＦ制御される圧縮機２１０の作動状態にかかわらず、ランキンサイクル３００を連続的に運転する。つまり、電動機３３１（ポンプ３３０）を作動させ、膨張機停止弁３２２を開状態として、ランキンサイクル３００内で冷媒を循環させ、発電機３２１で発電させる。
【００７８】
一方、ステップＳ１３０のランキンサイクル断続制御では、図５に示すように、ステップＳ１４０でＯＮ−ＯＦＦ制御される圧縮機２１０が今ＯＮ状態にあるか否かを判定し、ＯＮであるとステップＳ１５０でランキンサイクル３００を停止させ、ＯＦＦであるとステップＳ１６０でランキンサイクル３００を作動させる。ランキンサイクル３００の停止にあたっては、膨張機停止弁３２２を閉状態とし、電動機３３１（ポンプ３３０）を停止させる。また、ランキンサイクル３００の作動にあたっては、ステップＳ１２０と同様に電動機３３１（ポンプ３３０）を作動させて、膨張機停止弁３２２を開状態とする。そして、ステップＳ１５０、ステップＳ１６０の後はステップＳ１１０に戻るようにしている。
【００７９】
尚、上記ランキンサイクル３００を停止させるために膨張機停止弁３３２を閉じることにより、圧力センサ３４１によって得られるランキン高圧側圧力が所定の許容圧力を超える場合は、ランキンサイクル３００の保護のために、緊急的に膨張機停止弁３２２を開くようにする。
【００８０】
以上のように、本実施形態では、冷凍サイクル・ランキンサイクル併用運転時において、冷房負荷が所定負荷よりも低い場合では、ランキンサイクル３００で回収される電気エネルギーが圧縮機２１０駆動用のエネルギーを上回るので、エネルギー収支をプラスとすることができ、圧縮機２１０の作動状態にかかわらずランキンサイクル連続制御を行うことで、エンジン１０の廃熱を有効に活用することができる。
【００８１】
また、冷房負荷が所定負荷よりも高い場合では、ランキンサイクル断続制御（圧縮機ＯＦＦ時にランキンサイクルＯＮ）を行うようにしているので、膨張機３２０で回収される電気エネルギーが圧縮機２１０駆動用のエネルギーを下回ることがなくなり、上記同様にエネルギー収支を確実にプラスとすることができ、エンジン１０の廃熱を有効に活用することができる。総じてエンジン１０の燃費を向上させることができる。
【００８２】
また、冷凍サイクル２００の運転に際して、電磁クラッチ２１２を有する固定容量の圧縮機２１０を用いてＯＮ−ＯＦＦ制御（断続運転）するようにしているので、冷房負荷が高い場合に、圧縮機２１０のＯＦＦの時にランキンサイクル３００をＯＮとするランキンサイクル断続制御を容易に形成することができる。
【００８３】
また、ランキンサイクル３００内に、具体的には膨張機３２０の冷媒流入側に開閉手段としての膨張機停止弁３２２を設けて、ランキンサイクル断続制御の際に膨張機停止弁３２２を閉じるようにし、更にその後にポンプ３３０を停止するようにしているので、即座に、且つ確実にランキンサイクル３００を停止させることができる。
【００８４】
また、ランキンサイクル断続制御のために用いる冷房負荷を外気温度で把握するようにしているので、複雑な検出手段や検出方法を用いずに容易に対応が可能となる。
【００８５】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態を図６〜図１０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２１０Ａを例えば斜板の傾斜角度を可変することで一回転当たりの吐出容量を調整可能とする容量可変圧縮機に変更し、また、冷凍サイクル・ランキンサイクル併用運転における制御方法を変更したものである。
【００８６】
図６に示すように、圧縮機２１０Ａは、第１実施形態における圧縮機２１０に対して、電磁クラッチ２１２が廃止されており、本来吐出し得る吐出容量を１００％吐出容量とした時に、吐出容量を０％から１００％まで連続的に可変できるようになっている。よって、吐出容量０％においては、圧縮機２１０Ａはベルト１２を介してエンジン１０の駆動力によって回転駆動されるが、実質的には圧縮仕事を伴わない（エンジン１０の駆動力を食わない）ＯＦＦ状態となる。圧縮機２１０Ａは、図７に示すように、冷凍サイクル２００の運転時において、冷却空気温度が所定温度（例えば４℃）となるように、制御装置５００（エアコン制御ＥＣＵ５００ｃ）によって吐出容量が連続的に制御されるようになっている。
【００８７】
そして、制御装置５００は、図８に示す制御フローチャートに基づいて、冷凍サイクル・ランキンサイクル併用運転を行う。尚、図８のフローチャートは、図３で説明したフローチャートに対して、ステップＳ１００、Ｓ１３０、Ｓ１４０をそれぞれステップＳ１００Ａ、Ｓ１３０Ａ、Ｓ１４０Ａに変更すると共に、ステップＳ１１０とステップＳ１４０Ａとの間にステップＳ１３５を追加したものとしている。
【００８８】
即ち、制御装置５００は、図８中のステップＳ１００Ａで、圧縮機２１０Ａの吐出容量を連続的に可変させて（連続容量可変）、冷凍サイクル２００の作動を制御する中で、ステップＳ１１０にて、冷房負荷が所定負荷よりも高いか否かを判定する。ここでは、第１実施形態と同様に外気温度によってこの負荷を判定する。
【００８９】
ステップＳ１１０で外気温度が所定外気温度以下であれば、冷房負荷が低い状態にあると判定して、ステップＳ１２０のランキンサイクル連続制御に進み、外気温度が所定外気温度より高ければ、冷房負荷が高い状態にあると判定して、ステップＳ１３０Ａのランキンサイクル断続制御に進む。
【００９０】
ステップＳ１２０のランキンサイクル連続制御では、上記第１実施形態と同一であり、図９に示すように、連続容量可変される圧縮機２１０Ａの作動状態（吐出容量）にかかわらず、ランキンサイクル３００を連続的に運転する。つまり、電動機３３１（ポンプ３３０）を作動させ、膨張機停止弁３２２を開状態として、ランキンサイクル３００内で冷媒を循環させ、発電機３２１で発電させる。
【００９１】
一方、ステップＳ１３０Ａのランキンサイクル断続制御では、図１０に示すように、ステップＳ１３５で圧縮機２１０Ａの吐出容量制御を上記の連続容量可変から、所定の吐出容量（本発明における第１の吐出容量に対応し、ここでは０％設定としている）と、それより大きい吐出容量（本発明における第２の吐出容量に対応し、ここでは１００％設定としている）とを交互に行う制御（断続容量可変）に切替えて、冷却空気温度が所定温度（例えば４℃）となるようにする。尚、所定の吐出容量というのは、圧縮機２１０Ａの駆動用エネルギーがランキンサイクル３００で回収できるエネルギーを超えないように設定される容量であり、上記のように０％の容量とするのが好ましい。吐出容量０％と１００％とによる断続容量可変においては、可変容量圧縮機を用いながらも、第１実施形態の固定容量圧縮機２１０と同一の作動（ＯＮ−ＯＦＦ作動）をさせるものとなる。
【００９２】
そして、ステップＳ１４０Ａで圧縮機２１０Ａが今吐出容量１００％状態にあるか否かを判定し、吐出容量１００％であるとステップＳ１５０でランキンサイクル３００を停止させ、吐出容量１００％でない（吐出容量０％である）とステップＳ１６０でランキンサイクル３００を作動させる。
【００９３】
これにより、圧縮機２１０Ａを可変容量圧縮機とした場合で、ランキンサイクル断続制御（ステップＳ１３０Ａ）を行う際に、吐出容量を所定の吐出容量（０％）と、それより大きい吐出容量（１００％）との間で交互に切替えるようにすることで、第１実施形態と同様の作用を果たすことができるので、エネルギー収支を確実にプラスとすることができ、エンジン１０の廃熱を有効に活用することができる。
【００９４】
尚、ステップＳ１３５、ステップＳ１４０Ａにおける圧縮機２１０Ａの所定の吐出容量としては、０％に限定されるものではなく、圧縮機２１０Ａの駆動用エネルギーがランキンサイクル３００で回収できるエネルギーを超えないようにすれば良く、０％の近傍となる値としても良い。また、大きい側の吐出容量としては、冷房負荷が高い状態であっても冷却空気温度を所定温度に維持できる容量であれば、１００％に限定されるものではなく、他の値としても良い。
【００９５】
（第３実施形態）
第３実施形態は、上記第１実施形態に対して、冷房負荷を判定する際の判定方法を変更したものである。ここでは、冷房負荷をエンジン１０の制御に用いる複数の情報と、冷凍サイクル２００の制御に用いる複数の情報とを複合的に用いている。
【００９６】
まず、エンジン１０の制御情報として、車速を用いている。車速が増加するに従って、凝縮器２２０に流入する車速風が増大し、冷媒との熱交換が促進されることから、車速が大きいほど冷房負荷が小さくなることを意味する。
【００９７】
また、冷凍サイクル２００の制御情報としては、外気温度に加えて、日射量、実際の室内温度、設定室内温度、冷凍高圧側圧力を用いている。外気温度、日射量、実際の室内温度、設定室内温度の冷房負荷に対する意味については上記第１実施形態で説明したとおりである。冷凍高圧側圧力については、冷凍高圧側圧力が高いほど凝縮器２２０における凝縮能力がオーバーワークとなり、冷房負荷は高いことを意味する。
【００９８】
図１１は、制御装置５００が実行する冷凍サイクル・ランキンサイクル併用運転における制御フローチャートを示すものであり、上記第１実施形態で説明した図３の制御フローチャートに対して、ステップＳ１１１〜ステップＳ１１５を追加したものとしている。
【００９９】
制御装置５００は、ステップＳ１００の後に、ステップＳ１１０で外気温度により冷房負荷を判定し、更にこの場合の冷房負荷が低いと判定すると（ＹＥＳ判定）、以下ステップＳ１１１〜ステップＳ１１５で、日射量、車速、室内温度、設定室内温度、冷凍高圧側圧力（圧力センサ３４２によって得られる圧力値の平均値）から冷房負荷を判定し、いずれも冷房負荷が低いと判定すると（ＹＥＳ判定）、ステップＳ１２０でランキンサイクル連続制御を行い、逆に、いずれも負荷が低いと判定すると（ＮＯ判定）、ステップＳ１３０でランキンサイクル断続制御を行う。
【０１００】
これにより、ランキンサイクル断続制御を実行すべき条件をより細かく正確に把握できるので、エネルギー収支プラス化の精度を高めることができる。
【０１０１】
尚、上記冷房負荷の判定においては、上記各制御情報の少なくとも１つを用いるものとしても良く、また、上記の他にエンジン回転数、冷却水温度、エンジン負荷等を用いても良い。
【０１０２】
（第４実施形態）
本発明の第４実施形態を図１２〜図１４に示す。第４実施形態は、上記第１実施形態に対して、冷凍サイクル２００の負荷が高くなる高負荷状態を膨張機３２０の膨張圧力比ＰＨ／ＰＬにて把握して、ランキンサイクル断続制御を行なうようにしたものである。
【０１０３】
本実施形態では、ランキンサイクル３００において、膨張機３２０をバイパスするバイパス通路３２３と、このバイパス通路３２３を開閉するバイパス開閉弁（本発明におけるバイパス開閉手段に対応）３２４とを設けるようにしている。図１２は模式的に示した図としているが、ここでは、バイパス通路３２３およびバイパス開閉弁３２４は、膨張機３２０の内部に形成されるようにしている。即ち、バイパス通路３２３は、膨張機３２０の内部において冷媒吸入側となる高圧室と冷媒吐出側となる低圧室とを直接的に繋ぐ連通路として形成されている。また、バイパス開閉弁３２４は、上記連通路として形成されたバイパス通路３２３の途中に配設されて、例えば電磁弁によって構成され、制御装置５００（システム制御ＥＣＵ５００ａ）によって開閉制御されるようになっている。尚、バイパス通路３２３およびバイパス開閉弁３２４は、ランキンサイクル３００の冷媒通路において文字どおり膨張機３２０自身をバイパスするように設けるようにしても良い。
【０１０４】
上記第１実施形態にて気液分離器２３０の冷媒流れ下流側に設けた過冷却器２３１は、ここでは廃止している。
【０１０５】
膨張機３２０には、発電機３２１に代えて、発電機および電動機としての両機能を有する電動発電機３２１Ａを接続している。電動発電機３２１Ａはインバータ５００ｄによって電動機としてあるいは発電機として制御されるようになっている。
【０１０６】
ポンプ３３０駆動用の電動機３３１は廃止されており、ポンプ３３０は、電動発電機３２１Ａと共に膨張機３２０に一体的に接続されている。電動発電機３２１Ａが電動機として作動されることで、ポンプ３３０は起動されるようになっている。そして、膨張機３２０の作動に伴って発生する回転駆動力がポンプ３３０の駆動に必要とされる駆動力を超えると、ポンプ３３０は膨張機３２０によって駆動される。また、電動発電機３２１Ａも膨張機３２０によって駆動されて、電動発電機３２１Ａは発電機として機能し、発電を行なう。
【０１０７】
また、ランキンサイクル３００内において、冷媒圧力センサ３４１を加熱機３１０と膨張機３２０との間に設け、また、冷媒圧力センサ３４２を気液分離器２３０とポンプ３３０との間に設けるようにしている。冷媒圧力センサ３４１は上記第１実施形態と同様に、ランキンサイクル３００（膨張機３２０）の高圧側となる冷媒圧力ＰＨ（ランキン高圧側圧力）を検出し、また、冷媒圧力センサ３４２はランキンサイクル３００（膨張機３２０）の低圧側となる冷媒圧力ＰＬ（ランキン低圧側圧力）を検出する。冷媒圧力センサ３４１、３４２によって検出される圧力信号は、制御装置５００（システム制御ＥＣＵ５００ａ）に出力される。
【０１０８】
そして、制御装置５００は、冷媒圧力ＰＬに対する冷媒圧力ＰＨの比率を膨張圧力比ＰＨ／ＰＬとして算出して、この膨張圧力比ＰＨ／ＰＬの値を冷凍サイクル２００の高負荷状態を判定するために使用するようにしている。
【０１０９】
ここで、図１３に示すように、膨張機３２０の冷媒吸入時の作動室の容積をＶｉｎ、冷媒吐出時の作動室の容積をＶｏｕｔとすると（Ｖｉｎ＜Ｖｏｕｔ）、膨張圧力比ＰＨ／ＰＬを所定値とした時に、膨張機３２０においては適正膨張作動が得られる（図１３（ｂ））。本実施形態では、使用する膨張機３２０の仕様から上記所定値を２と設定している。
【０１１０】
このような適正膨張作動に対して、冷凍サイクル２００の負荷が高まり、凝縮器２２０での圧力、つまりランキン低圧側圧力ＰＬが上昇すると、作動時の膨張圧力比ＰＨ／ＰＬが所定値（２）よりも小さくなり、膨張機３２０においては過膨張作動となる。過膨張作動となると真空ポンプ作用により膨張機３２０の本来の膨張仕事が減少してしまう（図１３（ａ））。また、ランキン低圧側圧力ＰＬが低下すると、作動時の膨張圧力比ＰＨ／ＰＬが所定値（２）よりも大きくなり、膨張機３２０においては不足膨張作動となる。不足膨張となると本来膨張によって得られるべき仕事を無駄に捨ててしまうことになる（図１３（ｃ））。
【０１１１】
本実施形態では、冷凍サイクル・ランキンサイクル併用運転時において、冷凍サイクル２００の負荷に応じて膨張圧力比ＰＨ／ＰＬが所定値より小さくなった場合にロスを伴う過膨張作動を防止しつつ、エネルギー収支がプラスとなるような制御を行なうようにしている。
【０１１２】
以下、図１４に示すフローチャートを用いて制御装置５００が実行する制御内容を説明する。図１４のフローチャートは、上記第１実施形態の図３で説明したフローチャートに対して、ステップＳ１１０、Ｓ１２０、Ｓ１３０、Ｓ１５０、Ｓ１６０をそれぞれステップＳ１１０Ａ、Ｓ１２０Ａ、Ｓ１３０Ｂ、Ｓ１５０Ａ、Ｓ１６０Ａに変更したものである。
【０１１３】
まず、制御装置５００は、図１４中のステップＳ１００で、電磁クラッチ２１２を断続することで圧縮機２１０をＯＮ−ＯＦＦさせて、冷凍サイクル２００の作動を制御する中で、ステップＳ１１０Ａにて、膨張圧力比ＰＨ／ＰＬが所定値よりも高いか否かを判定する。
【０１１４】
ここで、膨張圧力比ＰＨ／ＰＬが所定値よりも高ければ冷凍サイクル２００の負荷は低い状態にあると判定して、ステップＳ１２０Ａのランキンサイクル連続制御に進み、膨張圧力比ＰＨ／ＰＬが所定値より低ければ冷凍サイクル２００の負荷が高い状態にあると判定して、ステップＳ１３０Ｂのランキンサイクル断続制御に進む。
【０１１５】
ステップＳ１２０Ａのランキンサイクル連続制御では、ＯＮ−ＯＦＦ制御される圧縮機２１０の作動状態にかかわらず、ランキンサイクル３００を連続的に運転する。つまり、ポンプ３３０を作動させ、バイパス開閉弁３２４を閉状態として、ランキンサイクル３００内で冷媒を循環させ、電動発電機３２１Ａで発電させる。
【０１１６】
一方、ステップＳ１３０Ｂのランキンサイクル断続制御では、ステップＳ１４０でＯＮ−ＯＦＦ制御される圧縮機２１０が今ＯＮ状態にあるか否かを判定し、ＯＮであるとステップＳ１５０Ａでランキンサイクル３００を停止させ、ＯＦＦであるとステップＳ１６０Ａでランキンサイクル３００を作動させる。ランキンサイクル３００の停止にあたっては、バイパス開閉弁３２４を開状態とし、その後に電動発電機３２１Ａおよびポンプ３３０を停止させる。また、ランキンサイクル３００の作動にあたっては、ステップＳ１２０Ａと同様に電動発電機３２１Ａおよびポンプ３３０を作動させて、バイパス開閉弁３２４を閉状態とする。そして、ステップＳ１５０Ａ、ステップＳ１６０Ａの後はステップＳ１１０に戻るようにしている。
【０１１７】
これにより、上記第１実施形態と同様に、冷凍サイクル・ランキンサイクル併用運転時において、冷房負荷が低く膨張圧力比ＰＨ／ＰＬが所定値よりも大きくなる場合では、圧縮機２１０の作動状態にかかわらずランキンサイクル連続制御を行うことで、エンジン１０の廃熱を有効に活用することができる。また、冷房負荷が高く膨張圧力比ＰＨ／ＰＬが所定値よりも小さくなる場合では、ランキンサイクル断続制御（圧縮機ＯＦＦ時にランキンサイクルＯＮ）を行うことで、膨張機３２０で回収される電気エネルギーが圧縮機２１０駆動用のエネルギーを下回ることがなくなり、エネルギー収支を確実にプラスとすることができ、エンジン１０の廃熱を有効に活用することができる。総じてエンジン１０の燃費を向上させることができる。そして、ランキンサイクル連続制御、断続制御共に、過膨張作動のない状態で膨張機３２０を作動させることができるので効率的な電気エネルギーの回収が可能となる。
【０１１８】
また、ランキンサイクル断続制御において、バイパス通路３２３に設けたバイパス開閉弁３２４を開くことで膨張機３２０の高圧側と低圧側とを均圧させて、膨張機３２０を容易に停止させることができるので、ランキンサイクル３００を安全且つ確実に停止させることができる。
【０１１９】
また、膨張機３２０においては、バイパス開閉弁３２４を開く前に電動発電機３２１Ａを停止させると、負荷の軽くなった膨張機３２０は冷媒の膨張によって一気に高回転側で作動してしまい、停止させられなくなるが、ここではバイパス開閉弁３２４を開いてランキンサイクル３００の高圧側と低圧側とを均圧した後に、電動発電機３２１Ａを停止させるようにしているので、上記の高回転作動を防止して、安全且つ確実に膨張機３２０を停止させることができる。
【０１２０】
上記第４実施形態においては、冷媒圧力センサ３４１、３４２の設定位置は、上記第１実施形態で説明した位置としても良い。即ち、高圧側圧力としては、ポンプ３３０−加熱器３１０−膨張機３２０の間における冷媒圧力が検出され、また低圧側圧力としては、膨張機３２０−凝縮器２２０−気液分離器２３０−ポンプ３３０の間、あるいは膨張機３２０−凝縮器２２０−気液分離器２３０−膨張弁２４０の間における冷媒圧力が検出されるようにすれば良い。
【０１２１】
また、膨張圧力比ＰＨ／ＰＬを把握する際の低圧側の冷媒圧力ＰＬは、凝縮器２２０における凝縮能力に相関する物理量を用いて推定するようにしても良い。例えば、膨張機３２０の回転数（電動発電機３２１Ａ０の回転数）と、固定容量型圧縮機２１０の回転数（エンジン回転数×プーリ比）とから凝縮器２２０に供給される冷媒流量が推定でき、それに応じた凝縮能力から低圧側の冷媒圧力ＰＬを推定できる。あるいは、圧縮機２１０が可変容量型であれば、圧縮機２１０の回転数×１回転あたりの吐出容量として凝縮器２２０に供給される冷媒流量が推定できる。また、冷媒圧力ＰＬは、膨張機３２０の回転数（電動発電機３２１Ａ０の回転数）と、冷房負荷（例えば外気温度、蒸発器２５０における冷却空気温度）とから推定することもできる。
【０１２２】
更には、膨張圧力比Ｐ１／Ｐ２は、加熱器２１０における加熱量と、凝縮器２２０における放熱量との比として算出するようにしても良い。加熱器２１０における加熱量は、加熱器２１０を流通するエンジン冷却水の温度および流量から算出でき、また、凝縮器２２０における放熱量は、凝縮器２２０を流通する冷媒流量、外気温度、外気の速度（車速）から算出できる。
【０１２３】
（その他の実施形態）
上記第１〜第３実施形態では、ランキンサイクル３００を停止させる際に用いた膨張機停止弁３２２を膨張機３２０の冷媒流入側に設けたが、これに限らず、ポンプ３３０の冷媒流入側等、他の部位に設けるようにしても良い。
【０１２４】
また、膨張機３２０で回収した駆動力で発電機３２１を作動させて、電気エネルギーとしてバッテリ４０に蓄えるようにしたが、フライホイールによる運動エネルギー、またはバネによる弾性エネルギー等の機械的エネルギーとして蓄えても良い。
【０１２５】
また、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。その場合、加熱器３１０に対する加熱源は、各種廃熱機器の冷却用の流体となる。
【図面の簡単な説明】
【０１２６】
【図１】第１実施形態における廃熱利用装置全体を示す模式図である。
【図２】第１実施形態における冷凍サイクル制御時の電磁クラッチと冷却空気温度との関係を示すタイムチャートである。
【図３】第１実施形態における冷凍サイクル・ランキンサイクル併用運転を実行するための制御フローチャートである。
【図４】第１実施形態におけるランキンサイクル連続制御時の電磁クラッチとランキンサイクルの作動状態との関係を示すタイムチャートである。
【図５】第１実施形態におけるランキンサイクル断続制御時の電磁クラッチとランキンサイクルの作動状態との関係を示すタイムチャートである。
【図６】第２実施形態における廃熱利用装置全体を示す模式図である。
【図７】第２実施形態における冷凍サイクル制御時の圧縮機吐出容量と冷却空気温度との関係を示すタイムチャートである。
【図８】第２実施形態における冷凍サイクル・ランキンサイクル併用運転を実行するための制御フローチャートである。
【図９】第２実施形態におけるランキンサイクル連続制御時の圧縮機吐出容量とランキンサイクルの作動状態との関係を示すタイムチャートである。
【図１０】第２実施形態におけるランキンサイクル断続制御時の圧縮機吐出容量とランキンサイクルの作動状態と冷却空気温度との関係を示すタイムチャートである。
【図１１】第３実施形態における冷凍サイクル・ランキンサイクル併用運転を実行するための制御フローチャートである。
【図１２】第４実施形態における廃熱利用装置全体を示す模式図である。
【図１３】膨張機の作動状態を示す圧力−容積線図である。
【図１４】第４実施形態における冷凍サイクル・ランキンサイクル併用運転を実行するための制御フローチャートである。
【図１５】冷房負荷と圧縮機動力との関係を示すグラフである。
【図１６】冷凍サイクルの作動状態を示すモリエル線図（Ｐ−ｈ線図）である。
【図１７】冷凍サイクルとランキンサイクルとを同時に運転させた場合の冷房負荷と圧縮機動力との関係を示すグラフである。
【図１８】冷凍サイクルとランキンサイクルとを同時に運転させた場合の両サイクルの作動状態を示すモリエル線図（Ｐ−ｈ線図）である。
【図１９】外気温度に対する凝縮器の放熱特性を示すグラフである。
【図２０】冷房負荷に対する圧縮機動力用エネルギー増加とランキンサイクルによる回収エネルギーとを示すグラフである。
【符号の説明】
【０１２７】
１０  エンジン（発熱機器、内燃機関、駆動源）
１００  廃熱利用装置
２００  冷凍サイクル
２１０  圧縮機
２１２  電磁クラッチ（クラッチ）
２２０  凝縮器
２５０  蒸発器
３００  ランキンサイクル
３２０  膨張機
３２１Ａ  電動発電機（発電機）
３２２  膨張機停止弁（開閉手段）
３２３  バイパス通路
３２４  バイパス開閉弁（バイパス開閉手段）
３３０  ポンプ
５００  制御装置（制御手段）
【図１】
0004699972.tif 000002
【図２】
0004699972.tif 000003
【図３】
0004699972.tif 000004
【図４】
0004699972.tif 000005
【図５】
0004699972.tif 000006
【図６】
0004699972.tif 000007
【図７】
0004699972.tif 000008
【図８】
0004699972.tif 000009
【図９】
0004699972.tif 000010
【図１０】
0004699972.tif 000011
【図１１】
0004699972.tif 000012
【図１２】
0004699972.tif 000013
【図１３】
0004699972.tif 000014
【図１４】
0004699972.tif 000015
【図１５】
0004699972.tif 000016
【図１６】
0004699972.tif 000017
【図１７】
0004699972.tif 000018
【図１８】
0004699972.tif 000019
【図１９】
0004699972.tif 000020
【図２０】
0004699972.tif 000021