(57)【要約】【課題】  ランキンサイクルの停止状態および運転状態の切替えを行う際のロスを抑制して、効率的なエネルギーの回収を可能とするランキンサイクル装置およびその制御方法を提供する【解決手段】  第１放熱器１１から流出される媒体を圧送するポンプ３２、ポンプ３２から送られた媒体を加熱する加熱器３０、加熱器３０からの蒸気媒体を膨張さることにより媒体の圧力エネルギーを機械的運動エネルギーに変換する膨張機１００を有するランキンサイクル３０Ａと、ランキンサイクル３０Ａの状態を停止状態と運転状態との間で切替える制御装置４０とを備えるランキンサイクル装置において、制御装置４０は、ランキンサイクル３０Ａの状態を切替える際に、ポンプ３２の運転状態の変化に対して膨張機１００の運転状態の変化を遅れさせるようにする。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１放熱器（１１）から流出される媒体を圧送するポンプ（３２）、前記ポンプ（３２）から送られた前記媒体を加熱する加熱器（３０）、前記加熱器（３０）からの蒸気媒体を膨張さることにより前記媒体の圧力エネルギーを機械的運動エネルギーに変換する膨張機（１００）を有するランキンサイクル（３０Ａ）と、
前記ランキンサイクル（３０Ａ）の状態を停止状態と運転状態との間で切替える制御装置（４０）とを備えるランキンサイクル装置において、
前記制御装置（４０）は、前記ランキンサイクル（３０Ａ）の状態を切替える際に、前記ポンプ（３２）の運転状態の変化に対して前記膨張機（１００）の運転状態の変化を遅れさせることを特徴とするランキンサイクル装置。
【請求項２】
前記制御装置（４０）は、前記ランキンサイクル（３０Ａ）を停止状態から運転状態に切替える時に、前記ポンプ（３２）を作動開始させた後に、前記膨張機（１００）を作動開始させることを特徴とする請求項１に記載のランキンサイクル装置。
【請求項３】
前記制御装置（４０）は、前記ポンプ（３２）を作動開始させ、第１所定時間（ｔ１）経過後に、前記膨張機（１００）を作動開始させることを特徴とする請求項２に記載のランキンサイクル装置。
【請求項４】
前記制御装置（４０）は、前記ポンプ（３２）によって加圧される前記媒体の圧力が第１所定圧力（Ｐ１）以上に上昇した後に、前記膨張機（１００）を作動開始させることを特徴とする請求項２に記載のランキンサイクル装置。
【請求項５】
前記膨張機（１００）には、発電機および電動機の両機能を有する回転電機（２００）が接続されており、
前記制御装置（４０）は、前記膨張機（１００）を作動開始させる前に、前記回転電機（２００）を電動機として作動させることを特徴とする請求項２〜請求項４のいずれか１つに記載のランキンサイクル装置。
【請求項６】
前記制御装置（４０）は、前記ランキンサイクル（３０Ａ）を運転状態から停止状態に切替える時に、前記ポンプ（３２）を作動停止させた後に、前記膨張機（１００）を作動停止させることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載のランキンサイクル装置。
【請求項７】
前記制御装置（４０）は、前記ポンプ（３２）を作動停止させ、第２所定時間（ｔ２）経過後に、前記膨張機（１００）を作動停止させることを特徴とする請求項６に記載のランキンサイクル装置。
【請求項８】
前記制御装置（４０）は、前記ポンプ（３２）によって加圧された媒体の圧力が第２所定圧力（Ｐ２）以下に低下した後に、前記膨張機（１００）を作動停止させることを特徴とする請求項６に記載のランキンサイクル装置。
【請求項９】
前記制御装置（４０）は、前記ポンプ（３２）の高圧側と低圧側との圧力差が所定圧力差（ΔＰ）以下に低下した後に、前記膨張機（１００）を作動停止させることを特徴とする請求項６に記載のランキンサイクル装置。
【請求項１０】
前記膨張機（１００）には、発電機（２００）が接続されており、
前記制御装置（４０）は、前記膨張機（１００）による前記発電機（２００）の発電量が所定発電量（Ｗ）以下に低下した後に、前記膨張機（１００）を作動停止させることを特徴とする請求項６に記載のランキンサイクル装置。
【請求項１１】
前記膨張機（１００）には、前記機械的運動エネルギーを電気エネルギーに回生する発電機としての回転電機（２００）が接続されたことを特徴とする請求項１〜請求項４、請求項６〜請求項９のいずれか１つに記載のランキンサイクル装置。
【請求項１２】
前記媒体を冷媒として用い、この冷媒を圧縮する圧縮機（１００）、前記圧縮機（１００）からの前記冷媒を冷却する第２放熱器（１１）を有する冷凍サイクル（１０Ａ）を備えることを特徴とする請求項１〜請求項１１のいずれか１つに記載のランキンサイクル装置。
【請求項１３】
前記制御装置（４０）は、前記冷凍サイクル（１０Ａ）としての運転状態から前記ランキンサイクル（３０Ａ）への運転状態へ切替える際に、前記ランキンサイクル（３０Ａ）の状態を停止状態から運転状態に切替えることを特徴とする請求項１２に記載のランキンサイクル装置。
【請求項１４】
前記膨張機（１００）には、発電機および電動機の両機能を有する回転電機（２００）が接続されており、
前記冷媒を前記圧縮機（１００）側、あるいは前記膨張機（１００）側のいずれかに切替えて流入させる弁機構（１０７）を有し、
前記制御装置（４０）は、前記膨張機（１００）を作動させる時には、前記回転電機（２００）を電動機として作動させた後に、前記弁機構（１０７）によって前記冷媒の流入を前記圧縮機（１００）側から前記膨張機（１００）側に切替えることを特徴とする請求項１２または請求項１３に記載のランキンサイクル装置。
【請求項１５】
前記制御装置（４０）は、前記ランキンサイクル（３０Ａ）としての運転状態から前記冷凍サイクル（１０Ａ）への運転状態へ切替える際に、前記ランキンサイクル（３０Ａ）の状態を運転状態から停止状態に切替えることを特徴とする請求項１２に記載のランキンサイクル装置。
【請求項１６】
前記膨張機（１００）には、発電機（２００）が接続されており、
前記冷媒を前記圧縮機（１００）側、あるいは前記膨張機（１００）側のいずれかに切替えて流入させる弁機構（１０７）を有し、
前記制御装置（４０）は、前記膨張機（１００）を停止させる時には、前記弁機構（１０７）によって前記冷媒の流入を前記膨張機（１００）側から前記圧縮機（１００）側に切替えた後に、前記発電機（２００）の回転を止めることを特徴とする請求項１５に記載のランキンサイクル装置。
【請求項１７】
前記圧縮機（１００）を駆動する電動機（２００）を有し、前記制御装置（４０）によって前記圧縮機（１００）の駆動源として内燃機関（２０）あるいは前記電動機（２００）の少なくとも一方が選択されるようにしており、
前記制御装置（４０）は、前記膨張機（１００）を停止させて前記冷凍サイクル（１０Ａ）を運転する際に、前記電動機（２００）の駆動力を用いた後に、前記内燃機関（２０）の駆動力で前記圧縮機（１００）を作動させることを特徴とする請求項１５または請求項１６のいずれかに記載のランキンサイクル装置。
【請求項１８】
前記制御装置（４０）は、前記圧縮機（１００）の低圧側圧力に応じて、前記電動機（２００）による前記圧縮機（１００）の作動要否を決定することを特徴とする請求項１７に記載のランキンサイクル装置。
【請求項１９】
前記制御装置（４０）は、前記低圧側圧力が第３所定圧力（Ｐ３）以下になるまで前記電動機（２００）によって前記圧縮機（１００）を作動させることを特徴とする請求項１８に記載のランキンサイクル装置。
【請求項２０】
前記制御装置（４０）は、前記電動機（２００）によって、第３所定時間（ｔ３）前記圧縮機（１００）を作動させることを特徴とする請求項１７に記載のランキンサイクル装置。
【請求項２１】
前記第１放熱器（１１）および前記第２放熱器（１１）は、前記ランキンサイクル（３０Ａ）と前記冷凍サイクル（１０Ａ）とで共通使用されることを特徴とする請求項１２〜請求項２０のいずれか１つに記載のランキンサイクル装置。
【請求項２２】
前記膨張機（１００）は、前記冷凍サイクル（１０Ａ）における圧縮機（１００）を兼用するものであり、
内燃機関（２０）の動力が伝達されて、前記圧縮機（１００）を駆動する動力伝達機構（３００）を備えることを特徴とする請求項１２〜請求項２１のいずれか１つに記載のランキンサイクル装置。
【請求項２３】
前記膨張機（１００）は、前記冷凍サイクル（１０Ａ）における圧縮機（１００）を兼用するものであり、
前記圧縮機（１００）を駆動する電動機（２００）を有することを特徴とする請求項１２〜請求項２２のいずれか１つに記載のランキンサイクル装置。
【請求項２４】
前記電動機（２００）は、前記ポンプ（３２）も駆動することを特徴とする請求項２３に記載のランキンサイクル装置。
【請求項２５】
前記ポンプ（３２）は、前記膨張機（１００）に接続されたことを特徴とする請求項１〜請求項２４のいずれか１つに記載のランキンサイクル装置。
【請求項２６】
前記加熱器（３０）における前記媒体を加熱する熱源は、内燃機関（２０）の廃熱エネルギーとしたことを特徴とする請求項１〜請求項２５のいずれか１つに記載のランキンサイクル装置。
【請求項２７】
前記圧縮機（１００）を駆動する電動機（２００）を有し、前記制御装置（４０）によって前記圧縮機（１００）の駆動源として前記内燃機関（２０）あるいは前記電動機（２００）の少なくとも一方が選択されることを特徴とする請求項１〜請求項１６、請求項２１〜請求項２６のいずれか１つに記載のランキンサイクル装置。
【請求項２８】
媒体を圧送するポンプ（３２）、前記ポンプ（３２）から送られた前記媒体を加熱する加熱器（３０）、前記加熱器（３０）からの蒸気媒体を膨張さることにより前記媒体の圧力エネルギーを機械的運動エネルギーに変換する膨張機（１００）を有するランキンサイクルの制御方法において、
前記ポンプ（３２）によって前記媒体を前記加熱器（３０）へ圧送すると共に、前記膨張機（１００）によって前記媒体を膨張させる運転工程と、
前記ポンプ（３２）を停止させると共に、前記膨張機（１００）を停止させる停止工程と、
前記ポンプ（３２）の運転状態の変化に対して前記膨張機（１００）の運転状態の変化を遅れさせて、前記ランキンサイクルの状態を前記運転工程と前記停止工程との間で切替える切替え工程とを備えることを特徴とするランキンサイクルの制御方法。
【請求項２９】
前記切替え工程は、前記ポンプ（３２）を作動開始させた後に、前記膨張機（１００）を作動開始させて、前記ランキンサイクルを前記停止工程から前記運転工程に切替えることを特徴とする請求項２８に記載のランキンサイクルの制御方法。
【請求項３０】
前記切替え工程は、前記ポンプ（３２）を作動停止させた後に、前記膨張機（１００）を作動停止させて、前記ランキンサイクルを前記運転工程から前記停止工程に切替えることを特徴とする請求項２８または請求項２９に記載のランキンサイクルの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車等の内燃機関の廃熱を利用する動力回収の技術に適用され、特に空調用冷凍サイクルにランキンサイクルを備えた内燃機関の廃熱利用装置に用いて好適なランキンサイクル装置およびその制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の内燃機関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中の蒸発器に対して並列と成るように、加圧ポンプと内燃機関の冷却水を加熱源とする加熱器（特許文献１中では高温蒸発器）とを設け、この加圧ポンプ、加熱器が三方弁によって、冷凍サイクルに選択的に接続されるようにしている。また、内燃機関を駆動源とする圧縮機を膨張機と兼用した構成としている。
【０００３】
これにより、三方弁の切替えによって冷媒を加圧ポンプ、加熱器側に流した時には、圧縮機を膨張機として使用するランキンサイクルを形成でき、冷却水から得られた熱エネルギーを膨張機で機械エネルギーとして回収できるようにしている。そして、この機械エネルギーを内燃機関に戻すことで、内燃機関の経済的な運転を可能としている。
【特許文献１】特許第２５４０７３８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、上記従来技術においては、冷凍サイクルあるいはランキンサイクル運転時の各機器（三方弁、加圧ポンプ、圧縮機等）の制御条件については記載されているものの、冷凍サイクルおよびランキンサイクルの両者の切替えを行う際に、ランキンサイクルの作動開始、作動停止に関わる最適な制御方法については、何ら記載されていない。
【０００５】
即ち、本発明者は、冷凍サイクルによる冷房温度が充分に低い時に、ランキンサイクルを作動させてエネルギーの回収を測るというように、冷凍サイクルとランキンサイクルとを交互に作動させることを考え、実機での確認を行ってみた。
【０００６】
まず、冷凍サイクルからランキンサイクルに切替える際に、ランキンサイクルを作動開始させるために、加圧ポンプを作動させ、且つ膨張機を作動可能状態とすると、膨張機での冷媒の流れ（膨張作動）を許してしまうため、加圧ポンプでの冷媒加圧に時間を要し、効率的なエネルギーの回収ができない。短時間でエネルギーの回収ができなければ、冷房温度は上昇してしまい、冷房フィーリングが悪化してしまう。
【０００７】
また、ランキンサイクルから冷凍サイクルに切替える際に、ランキンサイクルを作動停止させるために、加圧ポンプを停止させ、且つ膨張機を停止状態にすると、加圧ポンプで加圧された冷媒が加熱器に残り、膨張機での有効な動力として回収できないため、加圧ポンプでの冷媒加圧の仕事分を捨てることになり、加圧ポンプの動力損失となってしまう。
【０００８】
このように、ランキンサイクルの作動開始、作動停止においては、種々のロスが生じ、この廃熱利用装置が狙いとするエネルギー効率の向上が充分に得られないということが解った。
【０００９】
本発明の目的は、上記問題に鑑み、ランキンサイクルの停止状態および運転状態の切替えを行う際のロスを抑制して、効率的なエネルギーの回収を可能とするランキンサイクル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、第１放熱器（１１）から流出される媒体を圧送するポンプ（３２）、ポンプ（３２）から送られた媒体を加熱する加熱器（３０）、加熱器（３０）からの蒸気媒体を膨張さることにより媒体の圧力エネルギーを機械的運動エネルギーに変換する膨張機（１００）を有するランキンサイクル（３０Ａ）と、ランキンサイクル（３０Ａ）の状態を停止状態と運転状態との間で切替える制御装置（４０）とを備えるランキンサイクル装置において、制御装置（４０）は、ランキンサイクル（３０Ａ）の状態を切替える際に、ポンプ（３２）の運転状態の変化に対して膨張機（１００）の運転状態の変化を遅れさせることを特徴としている。
【００１２】
これにより、ランキンサイクル（３０Ａ）の運転状態への切替え時においては、ポンプ（３２）による媒体の加圧時間を短縮でき、また、ランキンサイクル（３０Ａ）の停止状態への切替え時においては、ポンプ（３２）の加圧仕事分を無駄にすることがなくなり、総じてランキンサイクル（３０Ａ）による効率的なエネルギーの回収が可能となる。
【００１３】
請求項２に記載の発明では、制御装置（４０）は、ランキンサイクル（３０Ａ）を停止状態から運転状態に切替える時に、ポンプ（３２）を作動開始させた後に、膨張機（１００）を作動開始させることを特徴としている。
【００１４】
これにより、ポンプ（３２）作動時は膨張機（１００）からの冷媒の流出（膨張）が無く、短時間でポンプ（３２）による冷媒の加圧が成され、その後に作動される膨張機（１００）からの機械的運動エネルギーを充分に引き出すことができる。
【００１５】
具体的には、請求項３に記載の発明のように、ポンプ（３２）を作動開始させ、第１所定時間（ｔ１）経過後に、膨張機（１００）を作動開始させると良い。
【００１６】
また、請求項４に記載の発明のように、ポンプ（３２）によって加圧される媒体の圧力が第１所定圧力（Ｐ１）以上に上昇した後に、膨張機（１００）を作動開始させるようにしても良い。
【００１７】
そして、請求項５に記載の発明では、膨張機（１００）には、発電機および電動機の両機能を有する回転電機（２００）が接続されており、制御装置（４０）は、膨張機（１００）を作動開始させる前に、回転電機（２００）を電動機として作動させることを特徴としている。
【００１８】
これにより、回転電機（２００）を外力として予め膨張機（１００）を起動できるので、膨張機（１００）をスムースに作動させることができる。
【００１９】
請求項６に記載の発明では、制御装置（４０）は、ランキンサイクル（３０Ａ）を運転状態から停止状態に切替える時に、ポンプ（３２）を作動停止させた後に、膨張機（１００）を作動停止させることを特徴としている。
【００２０】
これにより、ポンプ（３２）を停止させた後も、まだ加圧された状態で残る加熱器（３０）からの過熱蒸気媒体を用いて、膨張機（１００）で膨張させ、媒体の熱エネルギーを無駄なく機械的運動エネルギーに回生できる。
【００２１】
具体的には、請求項７に記載の発明のように、ポンプ（３２）を作動停止させ、第２所定時間（ｔ２）経過後に、膨張機（１００）を作動停止させると良い。
【００２２】
また、請求項８に記載の発明のように、ポンプ（３２）によって加圧された媒体の圧力が第２所定圧力（Ｐ２）以下に低下した後に、膨張機（１００）を作動停止させるようにしたり、請求項９に記載の発明のように、ポンプ（３２）の高圧側と低圧側との圧力差が所定圧力差（ΔＰ）以下に低下した後に、膨張機（１００）を作動停止させるようにしても良い。更には、請求項１０に記載の発明のように、膨張機（１００）に発電機（２００）を接続し、膨張機（１００）による発電機（２００）の発電量が所定発電量（Ｗ）以下に低下した後に、膨張機（１００）を作動停止させるようにしても良い。
【００２３】
尚、請求項１１に記載の発明のように、膨張機（１００）に機械的運動エネルギーを電気エネルギーに回生する発電機としての回転電機（２００）が接続されるようにすることで、効果的なエネルギーの回収ができる。
【００２４】
請求項１２に記載の発明のように、ランキンサイクル装置は、媒体を冷媒として用い、この冷媒を圧縮する圧縮機（１００）、圧縮機（１００）からの冷媒を冷却する第２放熱器（１１）を有する冷凍サイクル（１０Ａ）を備えるものとしても良い。
【００２５】
そして、請求項１３に記載の発明のように、制御装置（４０）は、冷凍サイクル（１０Ａ）としての運転状態からランキンサイクル（３０Ａ）への運転状態へ切替える際には、ランキンサイクル（３０Ａ）の状態を停止状態から運転状態に切替えるようにすれば良い。
【００２６】
請求項１４に記載の発明では、膨張機（１００）には、発電機および電動機の両機能を有する回転電機（２００）が接続されており、冷媒を圧縮機（１００）側、あるいは膨張機（１００）側のいずれかに切替えて流入させる弁機構（１０７）を有し、制御装置（４０）は、膨張機（１００）を作動させる時には、回転電機（２００）を電動機として作動させた後に、弁機構（１０７）によって冷媒の流入を圧縮機（１００）側から膨張機（１００）側に切替えることを特徴としている。
【００２７】
これにより、冷凍サイクル（１０Ａ）からランキンサイクル（３０Ａ）へ運転を切替えて、ランキンサイクル（３０Ａ）を作動開始する時に、弁機構（１０７）の切替え直後から加熱された冷媒を膨張機（１００）にて有効に動力に変換することができる。
【００２８】
そして、請求項１５に記載の発明のように、制御装置（４０）は、ランキンサイクル（３０Ａ）としての運転状態から冷凍サイクル（１０Ａ）への運転状態へ切替える際には、ランキンサイクル（３０Ａ）の状態を運転状態から停止状態に切替えるようにすれば良い。
【００２９】
請求項１６に記載の発明では、膨張機（１００）には、発電機（２００）が接続されており、冷媒を圧縮機（１００）側、あるいは膨張機（１００）側のいずれかに切替えて流入させる弁機構（１０７）を有し、制御装置（４０）は、膨張機（１００）を停止させる時には、弁機構（１０７）によって冷媒の流入を膨張機（１００）側から圧縮機（１００）側に切替えた後に、発電機（２００）の回転を止めることを特徴としている。
【００３０】
これにより、ランキンサイクル（３０Ａ）から冷凍サイクル（１０Ａ）へ運転を切替えて、ランキンサイクル（３０Ａ）を作動停止する時に、膨張機（１００）への冷媒の導入がなくなり膨張機（１００）の回転力がなくなった上で発電機（２００）の回転を停止させるので、発電機（２００）が膨張機（１００）の回転力を打ち消すブレーキとして作用することがなく、無駄な電力を消費することがない。
【００３１】
請求項１７に記載の発明では、圧縮機（１００）を駆動する電動機（２００）を有し、制御装置（４０）によって圧縮機（１００）の駆動源として内燃機関（２０）あるいは電動機（２００）の少なくとも一方が選択されるようにしており、膨張機（１００）を停止させて冷凍サイクル（１０Ａ）を運転する際に、電動機（２００）の駆動力を用いた後に、内燃機関（２０）の駆動力で圧縮機（１００）を作動させることを特徴としている。
【００３２】
これにより、圧縮機（１００）を起動させるためのトルクが内燃機関（２０）に掛からないようにすることができるので、内燃機関（２０）にショックを与えることがなくなり、乗員に不快感を与えることが無い。
【００３３】
上記電動機（２００）による圧縮機（１００）の作動要否は、請求項１８に記載の発明のように、圧縮機（１００）の低圧側圧力に応じて、決定するようにすれば良い。これにより、電動機（２００）を無駄に作動させることを防止できる。
【００３４】
具体的には、請求項１９に記載の発明のように、低圧側圧力が第３所定圧力（Ｐ３）以下になるまで電動機（２００）によって圧縮機（１００）を作動させるようにすれば良い。
【００３５】
また、請求項２０に記載の発明のように、電動機（２００）によって、第３所定時間（ｔ３）圧縮機（１００）を作動させるようにとしても良い。
【００３６】
上記請求項１２〜請求項２０に記載の発明においては、請求項２１に記載の発明のように、第１放熱器（１１）および第２放熱器（１１）は、ランキンサイクル（３０Ａ）と冷凍サイクル（１０Ａ）とで共通使用されるものとするのが良く、コンパクトなランキンサイクル装置とすることができる。
【００３７】
請求項２２に記載の発明では、膨張機（１００）は、冷凍サイクル（１０Ａ）における圧縮機（１００）を兼用するものであり、内燃機関（２０）の動力が伝達されて、前記圧縮機（１００）を駆動する動力伝達機構（３００）を備えることを特徴としている。
【００３８】
これにより、コンパクトなランキンサイクル装置とすることができると共に、圧縮機（１００）を内燃機関（２０）の動力で駆動することができる。
【００３９】
請求項２３に記載の発明では、膨張機（１００）は、冷凍サイクル（１０Ａ）における圧縮機（１００）を兼用するものであり、圧縮機（１００）を駆動する電動機（２００）を有することを特徴としている。
【００４０】
これにより、コンパクトなランキンサイクル装置とすることができると共に、圧縮機（１００）を電動機（２００）の動力で駆動することができる。
【００４１】
請求項２３に記載の発明において、請求項２４に記載の発明では、電動機（２００）は、ポンプ（３２）も駆動することを特徴としている。
【００４２】
これにより、ポンプ（３２）の駆動源を圧縮機（１００）の駆動源と共用できるので、ポンプ（３２）専用の駆動源を不要とすることができる。
【００４３】
請求項２５に記載の発明では、ポンプ（３２）は、膨張機（１００）に接続されたことを特徴としている。
【００４４】
これにより、膨張機（１００）の駆動力でポンプ（３２）を作動できるので、ポンプ（３２）専用の駆動源を不要とすることができる。
【００４５】
請求項２６に記載の発明では、加熱器（３０）における媒体を加熱する熱源は、内燃機関（２０）の廃熱エネルギーとしたことを特徴としている。
【００４６】
これにより、内燃機関（２０）の廃熱を有効に活用することができる。
【００４７】
また、請求項２７に記載の発明のように、圧縮機（１００）を駆動する電動機（２００）を設け、制御装置（４０）によって圧縮機（１００）の駆動源として内燃機関（２０）あるいは電動機（２００）の少なくとも一方が選択されるものに適用しても良い。
【００４８】
請求項２８に記載の発明では、媒体を圧送するポンプ（３２）、ポンプ（３２）から送られた媒体を加熱する加熱器（３０）、加熱器（３０）からの蒸気媒体を膨張さることにより媒体の圧力エネルギーを機械的運動エネルギーに変換する膨張機（１００）を有するランキンサイクルの制御方法において、ポンプ（３２）によって媒体を加熱器（３０）へ圧送すると共に、膨張機（１００）によって媒体を膨張させる運転工程と、ポンプ（３２）を停止させると共に、膨張機（１００）を停止させる停止工程と、ポンプ（３２）の運転状態の変化に対して膨張機（１００）の運転状態の変化を遅れさせて、ランキンサイクルの状態を運転工程と停止工程との間で切替える切替え工程とを備えることを特徴としている。
【００４９】
これにより、請求項１に記載のランキンサイクル装置の制御方法とすることができる。
【００５０】
請求項２９に記載の発明のように、切替え工程としては、ポンプ（３２）を作動開始させた後に、膨張機（１００）を作動開始させて、ランキンサイクルを停止工程から運転工程に切替えるものとすることができる。
【００５１】
また、請求項３０に記載の発明のように、切替え工程は、ポンプ（３２）を作動停止させた後に、膨張機（１００）を作動停止させて、ランキンサイクルを運転工程から停止工程に切替えるものとしても良い。
【００５２】
尚、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】
【００５３】
（第１実施形態）
本実施形態は、本発明に係るランキンサイクル装置を走行条件に応じてエンジン（本発明における内燃機関に対応）２０が停止されるアイドルストップ車両やハイブリッド車両等に適用したものである。ランキンサイクル装置は、エンジン２０で発生した廃熱からエネルギーを回収するランキンサイクル３０Ａと制御装置４０とから成るものであり、ランキンサイクル３０Ａは冷凍サイクル１０Ａを備えている。そして、ランキンサイクル３０Ａと冷凍サイクル１０Ａは制御装置４０によって各作動が制御されるようになっており、全体として内燃機関の廃熱利用装置（以下、廃熱利用装置）１を形成している。以下、廃熱利用装置１の全体構成について図１を用いて説明する。
【００５４】
膨脹機一体型圧縮機１０は、気相冷媒（媒体）を加圧して吐出するポンプモードと、過熱蒸気冷媒（媒体）の膨張時の流体圧を運動エネルギーに変換して機械的エネルギーを出力するモータモードとを兼ね備える流体機械である。放熱器（本発明における第１放熱器、第２放熱器に対応）１１は、膨脹機一体型圧縮機１０の吐出側（後述する高圧ポート１１０）に接続されて放熱しながら冷媒を冷却する放冷器である。尚、膨脹機一体型圧縮機１０の詳細については後述する。
【００５５】
気液分離器１２は放熱器１１から流出した冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離するレシーバであり、減圧器１３は気液分離器１２で分離された液相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、膨脹機一体型圧縮機１０がポンプモードで作動している時に膨脹機一体型圧縮機１０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。
【００５６】
蒸発器１４は、減圧器１３にて減圧された冷媒を蒸発させて吸熱作用を発揮させる吸熱器であり、逆止弁１４ａは、蒸発器１４の冷媒出口側から膨脹機一体型圧縮機１０がポンプモードで作動する時の冷媒吸入側（後述する低圧ポート１１１）にのみ冷媒が流れることを許容するものである。
【００５７】
これらの膨脹機一体型圧縮機１０、放熱器１１、気液分離器１２、減圧器１３および蒸発器１４等にて低温側の熱を高温側に移動させる冷凍サイクル１０Ａが構成される。
【００５８】
加熱器３０は、膨脹機一体型圧縮機１０と放熱器１１とを繋ぐ冷媒回路に設けられて、この冷媒回路を流れる冷媒とエンジン冷却水とを熱交換することにより冷媒を加熱する熱交換器であり、三方弁２１によりエンジン２０から流出したエンジン冷却水を加熱器３０に循環させる場合と循環させない場合とが切替えられる。三方弁２１は後述する制御装置４０により制御される。
【００５９】
第１バイパス回路３１は、気液分離器１２で分離された液相冷媒（媒体）を加熱器３０のうち放熱器１１の冷媒入口側に導く冷媒通路であり、この第１バイパス回路３１には、液相冷媒を循環させるための液ポンプ（本発明におけるポンプに対応）３２および気液分離器１２側から加熱器３０側にのみ冷媒が流れることを許容する逆止弁３１ａが設けられている。尚、液ポンプ３２は、本実施形態では、電動式のポンプを採用していおり、後述する制御装置４０により制御される。
【００６０】
また、第２バイパス回路３３は、膨脹機一体型圧縮機１０がモータモードで作動する時の冷媒出口側（後述する低圧ポート１１１）と放熱器１１の冷媒入口側とを繋ぐ冷媒通路であり、この第２バイパス回路３３には、膨脹機一体型圧縮機１０側から放熱器１１の冷媒入口側にのみ冷媒が流れることを許容する逆止弁３３ａが設けられている。
【００６１】
開閉弁３４は、放熱器１１と加熱器３０との間に設けられて、冷媒通路を開閉する電磁式のバルブとしており、後述する制御装置４０により制御される。また、膨張機一体型圧縮機１０がポンプモードで作動する時の冷媒吐出側（後述する高圧室１０４側）には、膨張機一体型圧縮機１０の作動をポンプモードあるいはモータモードのいずれかに切替える弁機構１０７が設けられている。この詳細については膨張機一体型圧縮機１０と共に後述する。
【００６２】
そして、上記冷凍サイクル１０Ａの放熱器１１を共通使用して、気液分離器１２、液ポンプ３２、加熱器３０、膨張機一体型圧縮機１０等にてエンジン２０で発生した廃熱からエネルギーを回収するランキンサイクル３０Ａが構成される。
【００６３】
尚、水ポンプ２２は、エンジン冷却水を循環させるもので、ラジエータ２３はエンジン冷却水と外気とを熱交換してエンジン冷却水を冷却する熱交換器である。水ポンプ２２はエンジン２０から動力を得て稼動する機械式のポンプであるが、電動モータにて駆動される電動ポンプを用いても良い。
【００６４】
また、エンジン２０の出口側にはエンジン冷却水の温度を検出する水温センサ２４が設けられており、この水温センサ２４で検出（出力）された温度信号は、後述する制御装置４０に入力される。
【００６５】
制御装置４０は、乗員の設定する設定温度や環境条件等に基づいて決定されるＡ／Ｃ要求信号、水温センサ２４からの信号等が入力され、これらの信号に基づいて三方弁２１、液ポンプ３２、開閉弁３４、膨張機一体型圧縮機１０（弁機構１０７、回転電機２００（詳細後述）、電磁クラッチ３００（詳細後述））の作動を制御する。
【００６６】
尚、回転電機２００には、バッテリ２５からの電力を調整して回転電機２００に供給する、あるいは、回転電機２００で発生（回生）された電力をバッテリ２５に充電するためのインバータ２６が設けられている。そして、バッテリ２５の電力は、車両の各種電気負荷（ヘッドライト、エンジン補機等）２７に供給される。
【００６７】
次に、膨脹機一体型圧縮機１０の詳細について、図２を用いて説明する。図２は膨脹機一体型圧縮機１０の断面図であり、膨脹機一体型圧縮機１０は、気相冷媒を圧縮または膨脹させるポンプモータ機構１００、ポンプモータ機構１００のシャフト１０８にて連結された回転電機２００、エンジン２０からの動力を断続可能にポンプモータ機構１００、つまりシャフト１０８に伝達する動力伝達機構を成す電磁クラッチ３００等から構成されている。
【００６８】
回転電機２００は、ステータ２１０およびステータ２１０内で回転するロータ２２０等から成り、ステータハウジング２３０内に配設されている。本実施形態においては、この回転電機２００は、インバータ２６を介してバッテリ２５からステータ２１０に電力が供給された場合には、ロータ２２０を回転させてポンプモータ機構１００を駆動する電動機として作動し、また、ロータ２２０を回転させるトルクが入力された場合には電力を発生させ、この電力をインバータ２６を介してバッテリ２５に充電する発電機として作動するようにしている。この回転電機２００の作動は上記制御装置４０により制御される。
【００６９】
電磁クラッチ３００は、Ｖベルトを介してエンジン２０からの動力を受けるプーリ部３１０、磁界を発生させる励磁コイル３２０、および励磁コイル３２０により誘起された磁界により電磁力により変位するフリクションプレート３３０等から成るもので、エンジン２０側と膨脹機一体型圧縮機１０（シャフト１０８）側とを繋ぐ時は、励磁コイル３２０に通電し、エンジン２０側と膨脹機一体型圧縮機１０側とを切り離す時は、励磁コイル３２０への通電を遮断する。この電磁クラッチ３００の作動は上記制御装置４０により制御される。
【００７０】
そして、ポンプモータ機構１００は、周知のスクロール型圧縮機構と同一構造を有するもので、具体的には、ステータハウジング２３０に対してミドルハウジング１０１を介して固定された固定スクロール（シェル）１０２、ミドルハウジング１０１と固定スクロール１０２との間の空間で旋回変位する旋回スクロール１０３、および作動室Ｖと高圧室１０４とを連通させる連通路１０５、１０６を開閉する弁機構１０７等から成るものである。
【００７１】
ここで、固定スクロール１０２は、板状の基板部１０２ａおよび基板部１０２ａからミドルハウジング１０１側に突出した渦巻状の歯部１０２ｂを有して構成され、一方、旋回スクロール１０３は、歯部１０２ｂに接触して噛み合う渦巻状の歯部１０３ｂ、および歯部１０３ｂが形成された基板部１０３ａを有して構成されており、両歯部１０２ｂ、１０３ｂが接触した状態で旋回スクロール１０３が旋回することにより、両スクロール１０２、１０３により形成される作動室Ｖの体積が縮小（ポンプモード時）、拡大（モータモード時）する。
【００７２】
シャフト１０８は、ロータ２２０の回転軸を兼ねると共に、その長手方向端部に回転中心軸に対して偏心した偏心部１０８ａを有するクランクシャフトであり、旋回スクロール１０３は、ベアリング１０３ｃを介して偏心部１０８ａに回転可能に連結されている。
【００７３】
また、自転防止機構１０９は、シャフト１０８が１回転する間に旋回スクロール１０３が偏心部１０８ａ周りに１回転するようにするものである。このためシャフト１０８が回転すると、旋回スクロール１０３は、自転せずにシャフト１０８の回転中心軸周りを公転旋回し、且つ、作動室Ｖは、旋回スクロール１０３の外径側から中心側に変位するほど、その体積が縮小するように変化し、逆に、旋回スクロール１０３の中心側から外径側に変位するほど、その体積が拡大するように変化する。
【００７４】
また、連通路１０５は、ポンプモード時に最小体積となる作動室Ｖと高圧室１０４とを連通させて圧縮された冷媒を吐出する吐出ポートであり、連通路１０６はモータモード時に最小体積となる作動室Ｖと高圧室１０４とを連通させて高圧室１０４に導入された高温、高圧の冷媒、つまり過熱蒸気冷媒を作動室Ｖに導く流入ポートである。
【００７５】
また、高圧室１０４は連通路１０５（以下、吐出ポート１０５と呼ぶ）から吐出された冷媒の脈動を平滑化する吐出室の機能を有するものであり、この高圧室１０４には、加熱器３０および放熱器１１側に接続される高圧ポート１１０が設けられている。
【００７６】
尚、蒸発器１４および第２バイパス回路３３側に接続される低圧ポート１１１は、ステータハウジング２３０に設けられて、ステータハウジング２３０、ミドルハウジング１０１内を経由して両ハウジング１０１、２３０と固定スクロール１０２との間の空間に連通している。
【００７７】
また、吐出弁１０７ａは、吐出ポート１０５の高圧室１０４側に配置されて吐出ポート１０５から吐出された冷媒が高圧室１０４から作動室Ｖに逆流することを防止するリード弁状の逆止弁であり、ストッパ１０７ｂは吐出弁１０７ａの最大開度を規制する弁止板であり、吐出弁１０７ａおよび弁止板１０７ｂはボルト１０７ｃにて基板部１０２ａに固定されている。
【００７８】
スプール１０７ｄは、連通路１０６（以下、流入ポート１０６と呼ぶ）を開閉する弁体であり、電磁弁１０７ｅは低圧ポート１１１側と背圧室１０７ｆとの連通状態を制御することにより背圧室１０７ｆ内の圧力を制御する制御弁であり、バネ１０７ｇは流入ポート１０６を閉じる向きの弾性力をスプール１０７ｄに作用させる弾性手段であり、絞り１０７ｈは所定の通路抵抗を有して背圧室１０７ｆと高圧室１０４とを連通させる抵抗手段である。
【００７９】
そして、電磁弁１０７ｅを開くと、背圧室１０７ｆの圧力が高圧室１０４より低下してスプール１０７ｄがバネ１０７ｇを押し縮めながら図２中の右側に変位するので、流入ポート１０６が開く。尚、絞り１０７ｈでの圧力損失は非常に大きいので、高圧室１０４から背圧室１０７ｆに流れ込む冷媒量は無視できるほど小さい。
【００８０】
逆に、電磁弁１０７ｅを閉じると、背圧室１０７ｆの圧力と高圧室１０４との圧力が等しくなるので、スプール１０７ｄはバネ１０７ｇの力により図２中の左側に変位するので、流入ポート１０６が閉じる。つまり、スプール１０７ｄ、電磁弁１０７ｅ、背圧室１０７ｆ、バネ１０７ｇおよび絞り１０７ｈ等により流入ポート１０６を開閉するパイロット式の電気開閉弁が構成される。そして、この電気開閉弁と上記の吐出弁１０７ａとによって、ポンプモータ機構１００をポンプモードあるいはモータモードに切替えるための弁機構１０７が構成される。この弁機構１０７（具体的には電磁弁１０７ｅ）の作動は上記制御装置４０により制御される。
【００８１】
次に、本実施形態に係る廃熱利用装置１の作動（制御装置４０による制御）について、図３に示すメインフローチャートおよび図４〜図６に示すサブフローチャート（サブルーティン）を用いて説明する。尚、各フロー中、ポンプモータ機構１００をポンプモードで作動させる場合を「圧縮機」、モータモードで作動させる場合を「膨張機」と表記し、また、回転電機２００を発電に使用する場合を「発電機」、電動駆動源として使用する場合を「電動機」と表記している。
【００８２】
まず、乗員からのＡ／Ｃ要求が有ると、制御装置４０はステップＳ１００で、空調（冷房）作動を実行する。即ち、膨張機一体型圧縮機１０のシャフト１０８に回転力を与えることによりポンプモータ機構１００の旋回スクロール１０３を旋回させて冷媒を吸入圧縮し（ポンプモード）、冷凍サイクル１０Ａを作動させる。
【００８３】
具体的には、液ポンプ３２を停止させた状態で開閉弁３４を開き、三方弁２１の切替えによって、エンジン冷却水を加熱器３０側に循環させないようにする。また、電磁弁１０７ｅを閉じてスプール１０７ｄによって流入ポート１０６を閉じた状態でシャフト１０８を回転させるようにする。
【００８４】
この時、シャフト１０８に回転力を与えるに当たっては、主に電磁クラッチ３００にてエンジン２０側と膨脹機一体型圧縮機１０側とを繋いでエンジン２０の動力により回転力を与える場合（エンジン２０作動時）と、電磁クラッチ３００にてエンジン２０側と膨脹機一体型圧縮機１０側とを切り離して回転電機２００により回転力を与える場合（エンジン２０停止時）とがある。
【００８５】
因みに、本実施形態では、シャフト１０８はロータ２２０のロータシャフトと共用化されているので、エンジン２０の動力によりシャフト１０８を回転させると、回転電機２００が発電機として作動するので、回転電機２００で発生した電力をバッテリ２５に蓄える、またはステータ２１０に通電して回転電機２００がエンジン２０から見たときに動力負荷とならないようにすることが望ましい。
【００８６】
これにより、膨脹機一体型圧縮機１０は、周知のスクロール型圧縮機と同様に、低圧ポート１１１から冷媒を吸引して作動室Ｖにて圧縮した後、この圧縮した冷媒を吐出ポート１０５、高圧室１０４を通して高圧ポート１１０から吐出する。
【００８７】
そして、高圧ポート１１０から吐出される冷媒は、加熱器３０→開閉弁３４→放熱器１１→気液分離器１２→減圧器１３→蒸発器１４→逆止弁１４ａ→膨脹機一体型圧縮機１０の低圧ポート１１１の順に循環（冷凍サイクル１０Ａを循環）する。空調空気は蒸発器１４で蒸発する冷媒によって吸熱され、冷却されることになる。尚、この時、加熱器３０にはエンジン冷却水が循環しないので、加熱器３０にて冷媒は加熱されず、加熱器３０は単なる冷媒通路として機能する。
【００８８】
そして、ステップＳ１１０で空調空気冷却の必要が有るか否かを判定する。これは、Ａ／Ｃ要求信号における乗員の設定温度に対して、冷却された空調空気温度が高いか否かで判定を行う。このステップＳ１１０で冷却の必要ありと判定すると、ステップＳ１２０に進み、冷凍サイクル１０Ａを継続して作動（定常作動）させる。
【００８９】
一方、ステップＳ１１０で否、即ち、空調空気温度が充分冷却され、設定温度より低いと判定すると、ステップＳ１３０に進み、空調空気の冷却を中断する。これは、電磁クラッチ３００を切り離す、あるいは、回転電機２００を停止させて、ポンプモータ機構１００を停止させることで行う。
【００９０】
そして、ステップＳ１４０でランキンサイクル３０Ａを作動させるための条件が成立しているか否かを判定する。これは、エンジン冷却水温度を検出する水温センサ２４の検出信号から判定するものとしており、予め定めた所定冷却水温度より高い場合は、エンジン２０の廃熱回収（冷却水の熱エネルギーを回収する）が可能であり、ランキンサイクル３０Ａを作動させるための条件成立と判定し、逆に、エンジン冷却水温度が所定冷却水温度より低いければ、このステップＳ１３０では否と判定する。
【００９１】
上記ステップＳ１４０で条件成立と判定すれば、ステップＳ２００でランキンサイクル起動作動を実行する。尚、否と判定すれば、ステップＳ１１０に戻る。
【００９２】
ステップＳ２００は、本発明における第１の特徴部となるステップであり、液ポンプ３２とポンプモータ機構１００（モータモード）との作動タイミングを事細かに制御するようにしたものとしている。以下、その詳細について、図４に示すサブフローチャートを用いて説明する。
【００９３】
まず、ステップＳ２１０で冷凍サイクル１０Ａの作動からランキンサイクル３０Ａの作動に切替える。即ち、開閉弁３４を閉じ、三方弁２１の切替えによって、エンジン冷却水を加熱器３０側に循環させるようにする。
【００９４】
次に、ステップＳ２２０で液ポンプ３２を起動し、気液分離器１２から加熱器３０に送る冷媒の圧力を上昇させる。この時、ポンプモータ機構１００の流入ポート１０６は、まだスプール１０７ｄによって閉じられた状態にあるので、冷媒は高圧室１０４側から作動室Ｖに流入することは無く（冷媒の膨張が成されない）、液ポンプ３２によって冷媒は速やかに上昇することになる。
【００９５】
そして、ステップＳ２３０で所定時間（本発明における第１所定時間に対応）ｔ１の経過を待って、ステップＳ２４０でポンプモータ機構１００をモータモードとなるように（膨張機として）起動させる。尚、所定時間ｔ１は、液ポンプ３２によって加熱器３０におけるエンジン冷却水の温度に応じた圧力まで冷媒圧力を充分に上昇させるのに必要とされる時間としている。また、モータモードの起動に当たっては、外力による起動が必要となることから、ここでは回転電機２００を電動機として作動させ、旋回スクロール１０３を起動させるようにしている。そして、所定回転数まで上昇させる。因みに、旋回スクロール１０３の旋回方向はポンプモード時とは逆側となる。
【００９６】
更に、ステップＳ２５０で電磁弁１０７ｅを開き、スプール１０７ｄを図２中の右側に摺動させて、流入ポート１０６を開くことで、ポンプモータ機構１００をモータモードが作動可能となるように切替える。以上でステップＳ２００に対応するランキンサイクル３０Ａの起動作動のサブルーティン（ステップＳ２１０〜ステップＳ２５０）を終了し、メインフローのステップＳ３００に進む。
【００９７】
ステップＳ３００ではランキンサイクル３０Ａの定常作動制御を行う。ここでは、高圧室１０４に加熱器３０にて加熱された高圧の過熱蒸気冷媒をポンプモータ機構１００に導入して膨脹させることにより、旋回スクロール１０３を旋回させてシャフト１０８を回転させ、機械的出力を得る。そして、得られた機械的出力によりロータ２２０を回転させて回転電機２００により発電し、その発電された電力をバッテリ２５に蓄えるようにしている。
【００９８】
具体的には、高圧室１０４に加熱器３０にて加熱された高圧の過熱蒸気冷媒を流入ポート１０６を経由させて作動室Ｖに導入して膨脹させる。これにより、上記ステップＳ２４０で回転電機２００によって旋回を開始した旋回スクロール１０３が過熱蒸気の膨脹により旋回する。この時点で、回転電機２００の電動機としての作動を停止する。そして、膨脹を終えて圧力が低下した冷媒は、低圧ポート１１１から流出すると共に、旋回スクロール１０３に与えられた回転エネルギーは、回転電機２００のロータ２２０に伝達される。
【００９９】
そして、低圧ポート１１１から流出される冷媒は、第２バイパス回路３３→逆止弁３３ａ→放熱器１１→気液分離器１２→第１バイパス回路３１→逆止弁３１ａ→液ポンプ３２→加熱器３０→膨脹機一体型圧縮機１０（高圧ポート１１０）の順に循環することになる（ランキンサイクル３０Ａを循環）。
【０１００】
ランキンサイクル３０Ａの作動中は、回転電機２００で最大の発電電力が得られるように、エンジン冷却水温度に応じて回転電機２００の回転数を調節する。即ち、エンジン冷却水温度に対して加熱器３０を流通する冷媒の圧力が高すぎる場合は、回転電機２００の回転数を上昇させ膨張を速めて圧力を低下させる。逆に、冷媒の圧力が低すぎる場合は、回転数を下降させ膨張速度を落として圧力を上昇させる。このようにしてランキンサイクル３０Ａの作動バランスを保ち、高い発電力を得るようにする。
【０１０１】
上記のランキンサイクル３０Ａの定常作動を行った後に、ステップＳ１１０と同様に、ステップＳ３１０で空調空気冷却の必要が有るか否かを判定する。これは、ランキンサイクル３０Ａを作動させている間は、冷凍サイクル１０Ａが停止されているため、空調空気が設定温度よりも高くなっていないかを確認するものである。
【０１０２】
ステップＳ３１０で否と判定すれば、ステップＳ３００を繰り返し、必要ありと判定すると、ステップＳ３２０でランキンサイクル３０Ａを中断する。ここでは、三方弁２１の切替えによって、エンジン冷却水が加熱器３０を流れないようにする。
【０１０３】
そして、ステップＳ４００で冷凍サイクル１０Ａの復帰作動を実行する。このステップＳ４００は、本発明における第２の特徴部となるステップであり、液ポンプ３２とポンプモータ機構１００（モータモード）との停止タイミングおよびポンプモータ機構１００（ポンプモード）の起動方法を事細かに制御するようにしたものとしている。以下、その詳細について、図５、図６に示すサブフローチャートを用いて説明する。
【０１０４】
まず、ステップＳ４０５で液ポンプ３２を停止させる一方、ステップＳ４１０で回転電機２００による発電回生を継続する。そして、ステップＳ４１５Ａで液ポンプ３２を停止してから所定時間（本発明における第２所定時間に対応）ｔ２を経過したか否かを判定する。尚、所定時間ｔ２は、液ポンプ３２の停止に伴って、加熱器３０からの過熱蒸気冷媒の圧力が低下していき、ポンプモータ機構１００での膨張が得られなくなるまでに要する時間としている。
【０１０５】
ステップＳ４１５Ａで否と判定すればステップＳ４１０を繰り返し、経過したと判定するとステップＳ４２０でポンプモータ機構１００を停止し、ポンプモード作動可能となるようにする。具体的には、電磁弁１０７ｅを閉じて、スプール１０７ｄによって流入ポート１０６を閉じる。そして、ステップＳ４２５で回転電機２００を停止する（発電停止）。更に、ステップＳ４３０で開閉弁３４を開くことによって、ランキンサイクル３０Ａから冷凍サイクル１０Ａへの切替えを行う。
【０１０６】
次に、冷凍サイクル１０Ａを作動（空調モードスタート）させるに当たって、ステップＳ４３５で直前までランキンサイクル３０Ａの作動が実行されていたか否かを判定し、実行していたと判定するとステップＳ４４０でポンプモータ機構１００の低圧側圧力が所定圧力（本発明における第３所定圧力に対応）Ｐ３以上か否かを判定し、所定圧力Ｐ３以上であると判定すると、ステップＳ４４５に進む。尚、所定圧力Ｐ３は、ポンプモータ機構１００をポンプモードで起動させる時に、低圧側圧力として過度の起動トルクを必要としない圧力としている。
【０１０７】
ステップＳ４４５では回転電機２００を電動機として作動させ、ポンプモータ機構１００をポンプモードで起動させる。そして、低圧側圧力が所定圧力Ｐ３以下に低下した時点で、ステップＳ４５０でポンプモータ機構１００の駆動を回転電機２００からエンジン２０に切替える。これは、回転電機２００を停止させると共に、電磁クラッチ３００を繋げることで行う。
【０１０８】
尚、ステップＳ４３５で否と判定すれば、低圧側圧力の判定は不要としてステップＳ４４５に進み、また、ステップＳ４４０で否と判定すれば、低圧側圧力が充分低下していると判断して、回転電機２００でのポンプモータ機構１００の起動を不要として、直接ステップＳ４５０でエンジン２０による駆動を行うようにしている。そして、最初に説明したステップＳ１２０の冷凍サイクル１０Ａの定常作動に移行する。
【０１０９】
以上の構成説明および作動説明より、本実施形態では以下の作用効果が得られる。
【０１１０】
まず、冷凍サイクル１０Ａの作動からランキンサイクル３０Ａの作動に切替えるために、ランキンサイクル３０Ａを運転状態に切替える際に、液ポンプ３２を作動させた後に所定時間ｔ１経過してからポンプモータ機構１００をモータモードで作動させるようにしているので（ステップＳ２２０〜ステップＳ２４０）、液ポンプ３２作動時はポンプモータ機構１００からの冷媒の流出（膨張）が無く、短時間で液ポンプ３２による冷媒の加圧が成され、その後に作動されるポンプモータ機構１００からの機械的エネルギーを充分に引き出すことができる。
【０１１１】
そして、ポンプモータ機構１００をモータモードで作動させる時に、回転電機２００を外力として予め起動しておくので（ステップＳ２４０）、ポンプモータ機構１００をスムースに作動させることができる。
【０１１２】
この時、回転電機２００を電動機として作動させた後に、スプール１０７ｄによって流入ポート１０６を開いてポンプモードからモータモードに切替えるので（ステップＳ２４０〜ステップＳ２５０）、切替え直後から加熱された冷媒を有効に動力に変換することができる。
【０１１３】
また、ランキンサイクル３０Ａの作動状態から冷凍サイクル１０Ａの作動状態に切替えるために、ランキンサイクル３０Ａを停止状態に切替える際に、液ポンプ３２を停止させた後に（所定時間ｔ２経過後に）、モータモードで作動中のポンプモータ機構１００を停止させるようにしているので（ステップＳ４０５〜ステップＳ４２０）、まだ加圧された状態で残る加熱器３０からの過熱蒸気冷媒を用いて、所定時間ｔ２の間ポンプモータ機構１００で膨張させ、冷媒の熱エネルギーを無駄なく機械的エネルギーに回生できる。
【０１１４】
この時、ポンプモータ機構１００の作動によって冷媒の圧力が低下され、冷凍サイクル１０Ａを始動させる際に、ポンプモードで作動させるポンプモータ機構１００の起動トルクが高くなるのを防止し、エンジン２０に対する動力負荷を低減できる。
【０１１５】
更に、ポンプモータ機構１００を停止させる時には、スプール１０７ｄによって流入ポート１０６を閉じてモータモードからポンプモードに切替えた後に、回転電機２００の回転を止めるようにしているので（ステップＳ４２０〜ステップＳ４２５）、ポンプモータ機構１００のモータモード（膨張）による回転力がなくなった上で回転電機２００の回転を停止させることになり、回転電機２００が膨張時の回転力を打ち消すブレーキとして作用することがなく、無駄な電力を消費することがない。
【０１１６】
また、ポンプモータ機構１００をポンプモードで作動させる時に、回転電機２００で起動させた後にエンジン２０で作動させるようにしているので（ステップＳ４４５〜ステップＳ４５０）、ポンプモータ機構１００を起動させるためのトルクがエンジン２０に掛からないようにすることができ、エンジン２０にショックを与えることがなくなり、乗員に不快感を与えることが無い。
【０１１７】
この時、ポンプモータ機構１００の低圧側圧力に応じて、回転電機２００による起動の要否を決定しているので（ステップＳ４４０〜ステップＳ４４５）、回転電機２００を無駄に作動させることを防止できる。
【０１１８】
更に、ポンプモータ機構１００を圧縮機と膨張機とを兼用できるようにしているので、コンパクトな廃熱利用装置１とすることができる。
【０１１９】
尚、図４におけるサブフローチャートで、ステップＳ２３０の判定値を液ポンプ３２起動からの時間（所定時間ｔ１）に代えて、液ポンプ３２によって加圧される冷媒の圧力としても良く、予め定めた所定圧力（本発明における第１所定圧力に対応）Ｐ１以上でポンプモータ機構１００をモータモードで作動させるようにすれば良い。
【０１２０】
また、図６におけるサブフローチャートで、ステップＳ４４０〜ステップＳ４４５のように、低圧側圧力に基づいて回転電機２００によるポンプモータ機構１００の作動を行うようにしたが、これに代えて、予め定めた所定時間（本発明における第３所定時間に対応）ｔ３だけ回転電機２００で作動させた後にエンジン２０で作動させるようにしても良い。
【０１２１】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態を図７〜図９に示す。これは、図５で説明した冷凍サイクル１０Ａの復帰作動実行する際のフロー中ステップＳ４１５Ａを変更したものである。
【０１２２】
即ち、ステップＳ４０５の液ポンプ３２を停止した後に、ステップＳ４２０のポンプモータ機構１００のモータモードを停止し、ポンプモードへ切替えるための判定として、図７のステップＳ４１５Ｂに示すように、液ポンプ３２によって加圧された冷媒の圧力（ランキンサイクル３０Ａの高圧側圧力）が、所定圧力（本発明における第２所定圧力に対応）Ｐ２以下に低下したか否かを判定するものにしても良い。尚、所定圧力Ｐ２は、ポンプモータ機構１００での膨張が得られなくなる圧力としている。
【０１２３】
また、図８のステップＳ４１５Ｃに示すように、液ポンプ３２の高圧側と低圧側との圧力差が所定圧力差ΔＰ以下に低下したか否かを判定するものにしても良い。
【０１２４】
これによれば、所定圧力Ｐ２を用いた場合では（ステップＳ４１５Ｂ）、ランキンサイクル３０Ａの高圧側圧力が低いレベルで作動していると、所定圧力Ｐ２は甘い判定値となってしまうが、所定圧力差ΔＰを用いることで、ポンプモータ機構１００のモータモードを停止状態とする判定をより確実なものにすることができる。
【０１２５】
更に、図９のステップＳ４１５Ｄに示すように、回転電機２００の発電量が所定発電量Ｗ以下に低下したか否かを判定するものにしても良い。
【０１２６】
（第３実施形態）
本発明の第３実施形態を図１０に示す。第３実施形態は、上記第１実施形態に対して、膨張機一体型圧縮機１０を変更したものである。
【０１２７】
ここでは、ポンプモータ機構１００、回転電機２００および電磁クラッチ３００間において、動力伝達経路を切替えると共に、その回転動力の回転数を減速または増速して伝達する遊星歯車機構から成る変速機構４００を追加している。
【０１２８】
変速機構４００は、中心部に設けられたサンギヤ４０１と、サンギヤ４０１の外周で自転しつつ公転するピニオンギヤ４０２ａに連結されるプラネタリーキャリヤ４０２と、ピニオンギヤ４０２ａの更に外周に設けられたリング状のリングギヤ４０３とから成るものである。
【０１２９】
そして、サンギヤ４０１は、回転電機２００のロータ２２０と一体化され、プラネタリーキャリヤ４０２は、電磁クラッチ３００のフリクションプレート３３０と一体的に回転するシャフト３３１に一体化され、更に、リングギヤ４０３は、シャフト１０８に一体化されている。
【０１３０】
シャフト３３１とステータハウジング２３０との間には、ワンウェイクラッチ５００が介在されている。ワンウェイクラッチ５００は、シャフト３３１が一方向（プーリ部３１０の回転方向）にのみ回転することを許容するものである。また、軸受け４０４はサンギヤ４０１、つまりロータ２２０をシャフト３３１に対して回転可能に支持するものであり、軸受け４０５はシャフト３３１（プラネタリーキャリヤ４０２）をシャフト１０８に対して回転可能に支持するものである。
【０１３１】
そして、電磁クラッチ３００にてエンジン２０側と膨脹機一体型圧縮機１０側とを繋いでエンジン２０の動力により回転力を与える場合には、サンギヤ４０１、つまりロータ２２０が回転しない程度のトルクがロータ２２０に発生するように回転電機２００に通電することで、ポンプモータ機構１００が増速されてポンプモードで作動する。また、回転電機２００の回転数を可変させることで、ポンプモータ機構１００の変速（増速、減速）が可能となる。
【０１３２】
尚、電磁クラッチ３００にてエンジン２０側と膨脹機一体型圧縮機１０側とを切り離して回転電機２００により回転力を与える場合には、回転電機２００に通電して、プーリ部３１０の回転方向とは逆回転方向に作動させることで、ポンプモータ機構１００がポンプモードで作動する。この時、シャフト３３１（プラネタリーキャリヤ４０２）は、ワンウェイクラッチ５００によりロックされ回転しないので、回転電機２００の回転力は、変速機構４００にて減速されてポンプモータ機構１００に伝達される。
【０１３３】
そして、電磁クラッチ３００を切り離した状態でポンプモータ機構１００に加熱器３０からの過熱蒸気冷媒を流入させることで、ポンプモータ機構１００はモータモードで作動する。この時、シャフト３３１（プラネタリーキャリヤ４０２）は、ワンウェイクラッチ５００によりロックされ回転しないので、ポンプモータ機構１００の回転力は、変速機構４００にて増速されて回転電機２００に伝達され、回転電機２００での発電が可能となる。
【０１３４】
このような膨張機一体型圧縮機１０を用いた場合、冷凍サイクル１０Ａの作動中においては、ロータ２２０を回転許容状態にすることで回転電機２００は発電機として作動されるので、冷凍サイクル１０Ａの復帰作動実行（図３中のステップＳ４００）においては、図５中で説明したステップＳ４２５の発電機停止の制御は廃止するのが良く、停止させることによる回転電機２００の減速、加速に伴う損失を無くして、省動力制御とすることができる。
【０１３５】
（第４実施形態）
本発明の第４実施形態を図１１に示す。上記第１〜第３実施形態における膨張機一体型圧縮機１０は、動力伝達機構としての電磁クラッチ３００を備え、ポンプモータ機構１００をポンプモードで作動させる場合には、エンジン２０の駆動力あるいは回転電機（電動機）２００の駆動力を用いるものとしていたが、これに限らず、電磁クラッチ３００を廃止して、回転電機（電動機）２００の駆動力のみでポンプモードの作動を可能とするようにしても良い。
【０１３６】
（第５実施形態）
本発明の第５実施形態を図１２、図１３に示す。第５実施形態は、上記第４実施形態に対して、液ポンプ３２を熱媒ポンプ６００に変更すると共に、熱媒ポンプ６００を膨張機一体型圧縮機１０に一体的に接続したものである。
【０１３７】
熱媒ポンプ６００は、回転電機２００の反ポンプモータ機構側に配設されて、ステータハウジング２３０に固定されるポンプハウジング６０１内に収容されている。熱媒ポンプ６００は、ポンプモータ機構１００と同様に、基板部６０２ａ、歯部６０２ｂから成る固定スクロール６０２と、基板部６０３ａ、歯部６０３ｂから成る旋回スクロール６０３とを有している。固定スクロール６０２は、ポンプハウジング６０１に固定され、旋回スクロール６０３は、ポンプハウジング６０１と固定スクロール６０２とによって形成される空間内に配設されている。尚、旋回スクロール６０３は、自転防止機構６０５によって、自転が防止されつつ、公転旋回可能となっている。
【０１３８】
ポンプハウジング６０１には、気液分離器１２側から接続されて、ポンプハウジング６０１の内部および旋回スクロール６０３側に連通する流入ポート６０１ａが設けられている。また、固定スクロール６０２には、両スクロール６０２、６０３によって形成される作動室Ｐから加熱器３０側に接続される吐出ポート６０２ｃが設けられている。
【０１３９】
ポンプ軸６０４は、ポンプハウジング６０１に固定された軸受け６０４ｃによって回転可能に支持されて、一方の長手方向端部に回転中心軸に対して偏心した偏心部６０４ａを有し、ブッシング６０４ｂ、ベアリング６０３ｃを介して旋回スクロール６０３に連結されている。また、ポンプ軸６０４の他方の長手方向端部は、シャフト１０８の他端側と接続されている。ここで、ポンプ軸６０４の他方側には、穴部６０４ｄが設けられており、直径が細く形成されたシャフト１０８の他端側が挿入されている。そして、シャフト１０８とポンプ軸６０４との間には、ワンウェイクラッチ７００が設けられている。このワンウェイクラッチ７００は、シャフト１０８が逆方向回転した時に、ポンプ軸６０４に噛み合うことで、ポンプ軸６０４を回転させ、また、シャフト１０８が正方向回転した時に、ポンプ軸６０４との噛み合いが外れて、シャフト１０８とポンプ軸６０４とが切断される（ポンプ軸６０４が回転されない）ものとしている。
【０１４０】
尚、ステータハウジング２３０とポンプ軸６０４との間には、回転電機２００と熱媒ポンプ６００との間をシールする軸封装置としての軸シール８００が設けられている。
【０１４１】
上記膨張機一体型圧縮機１０を用いた廃熱利用装置１においては、制御装置４０は、冷凍サイクル１０Ａを作動させる時に回転電機２００を電動機として作動させ、シャフト１０８に回転力（正方向回転）を与えることによりポンプモータ機構１００の旋回スクロール１０３を旋回させて冷媒を吸入圧縮させる（ポンプモード）。
【０１４２】
尚、上記ポンプモードにおいて、熱媒ポンプ６００のポンプ軸６０４は、ワンウェイクラッチ７００によってシャフト１０８との噛み合いが外れるので、熱媒ポンプ６００は停止状態となって、回転電機２００における作動抵抗とならない。
【０１４３】
また、制御装置４０は、ランキンサイクル３０Ａを起動させる時には、回転電機２００を電動機として作動させる（逆方向回転）。この時、熱媒ポンプ６００のポンプ軸６０４がワンウェイクラッチ７００によってシャフト１０８と噛み合い、熱媒ポンプ６００が駆動される。そして、加熱器３０によって加熱された高圧の過熱蒸気冷媒が、ポンプモータ機構１００の作動室Ｖに導入されて膨脹する（モータモード）。過熱蒸気冷媒の膨脹により旋回スクロール１０３がポンプモード時に対して逆方向に旋回し、シャフト１０８に与えられた駆動力は、回転電機２００のロータ２２０に伝達される。そして、シャフト１０８に伝達された駆動力が熱媒ポンプ６００駆動のための駆動力を超えると、ポンプモータ機構１００によって熱媒ポンプ６００は作動されることになり、また、回転電機２００は発電機として作動されることになる。回転電機２００によって得られた電力はインバータ２６によってバッテリ２５に充電される。
【０１４４】
このように、熱媒ポンプ６００の駆動源をポンプモータ機構１００の駆動源（回転電機２００）と共用でき、また、ポンプモータ機構１００（モータモード）の駆動力で熱媒ポンプ６００を作動できるので、熱媒ポンプ６００専用の駆動源を不要とすることができる。
【０１４５】
（その他の実施形態）
上述の各実施形態では、ランキンサイクル３０Ａに冷凍サイクル１０Ａを備えるものとしたが、ポンプモータ機構１００を専用の膨張機として、冷凍サイクル１０Ａと切り離して、ランキンサイクル３０Ａの停止状態および運転状態との切替えに焦点を置いて制御装置４０で制御するものとしても良い。
【０１４６】
また、上述の各実施形態では、ポンプモータ機構１００を圧縮機と膨張機とが兼用されるものとしたが、それぞれが独立して設定され、蒸発器１４と加熱器３０との間で並列配置されるようにしても良い。
【０１４７】
また、上述の各実施形態では、スクロール型のポンプモータ機構１００、熱媒ポンプ６００を採用したが、本発明はこれに限定されるものはなく、ロータリ型、ピストン型、ベーン型等のその他の形式のポンプモータ機構、熱媒ポンプにも適用することができる。
【０１４８】
また、上述の各実施形態では、膨脹機一体型圧縮機１０にて回収したエネルギー（電気エネルギー）をバッテリ２５に蓄えたが、フライホィ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。
【０１４９】
また、上述の各実施形態においては、加熱器３０における冷媒を加熱する熱源として、車両用のエンジン（内燃機関）２０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】
【０１５０】
【図１】本発明の実施形態に係る内燃機関の廃熱利用装置の全体構成を示す模式図である。
【図２】第１実施形態における膨脹機一体型圧縮機を示す断面図である。
【図３】冷凍サイクルとランキンサイクルとを交互に作動させる際の制御に用いられるメインフローチャートである。
【図４】ランキンサイクル起動作動実行の制御に用いられるサブフローチャートである。
【図５】第１実施形態における冷凍サイクル復帰作動実行の制御に用いられるサブフローチャート１である。
【図６】空調モードスタート実行の制御に用いられるサブフローチャートである。
【図７】第２実施形態における冷凍サイクル復帰作動実行の制御に用いられるサブフローチャート２である。
【図８】第２実施形態における冷凍サイクル復帰作動実行の制御に用いられるサブフローチャート３である。
【図９】第２実施形態における冷凍サイクル復帰作動実行の制御に用いられるサブフローチャート４である。
【図１０】第３実施形態における膨脹機一体型圧縮機を示す断面図である。
【図１１】第４実施形態における膨脹機一体型圧縮機を示す断面図である。
【図１２】第５実施形態における内燃機関の廃熱利用装置の全体構成を示す模式図である。
【図１３】第５実施形態における膨脹機一体型圧縮機を示す断面図である。
【符号の説明】
【０１５１】
１  内燃機関の廃熱利用装置
１０Ａ  冷凍サイクル
１０  膨張機一体型圧縮機
１１  放熱器（第１放熱器、第２放熱器）
２０  エンジン（内燃機関）
３０Ａ  ランキンサイクル
３０  加熱器
３２  液ポンプ（ポンプ）
４０  制御装置
１００  ポンプモータ機構（膨張機、圧縮機）
１０７  弁機構
２００  回転電機（電動機、発電機）
３００  電磁クラッチ（動力伝達機構）
【図１】
2005313878.tif 000003
【図２】
2005313878.tif 000004
【図３】
2005313878.tif 000005
【図４】
2005313878.tif 000006
【図５】
2005313878.tif 000007
【図６】
2005313878.tif 000008
【図７】
2005313878.tif 000009
【図８】
2005313878.tif 000010
【図９】
2005313878.tif 000011
【図１０】
2005313878.tif 000012
【図１１】
2005313878.tif 000013
【図１２】
2005313878.tif 000014
【図１３】
2005313878.tif 000015