(57)【要約】【課題】コストを削減したランキンサイクルシステムを提供する。【解決手段】エンジン２に取り付けられ、冷媒を送出する冷媒ポンプ３２と、エンジン２に取り付けられ、エンジン２の廃熱を冷媒に回収する熱交換器３６と、エンジン２に取り付けられ、熱交換器３６によって温度が高くなった冷媒を膨張させることによって冷媒に回収された廃熱を動力に変換する膨張機３７と、車体に取り付けられ、膨張機３７によって膨張した冷媒を凝縮させる凝縮器３８とを備えるランキンサイクルシステム３０において、膨張機３７と凝縮器３８の間と、凝縮器３８と冷媒ポンプ３２の間とを、他と比べて柔性の大きなフレキシブル配管４３ａ、４４ｂで接続する。【選択図】図１
2013076373.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンに取り付けられ、冷媒を送出する冷媒ポンプと、
前記エンジンに取り付けられ、前記エンジンの廃熱を前記冷媒に回収する熱交換器と、
前記エンジンに取り付けられ、前記熱交換器によって温度が高くなった前記冷媒を膨張させることによって前記冷媒に回収された前記廃熱を動力に変換する膨張機と、
車体に取り付けられ、前記膨張機によって膨張した前記冷媒を凝縮させる凝縮器とを備えるランキンサイクルシステムにおいて、
前記膨張機と前記凝縮器の間と、前記凝縮器と前記冷媒ポンプの間とを、他と比べて柔性の大きなフレキシブル配管で接続したことを特徴とするランキンサイクルシステム。
【請求項２】
前記凝縮器及び前記冷媒を共用する冷凍サイクルを備え、
前記冷凍サイクルに設けられたコンプレッサを前記エンジンに取り付けるとともに、前記膨張機と前記凝縮器の間の配管と、前記コンプレッサと前記凝縮器の間の配管とを、エンジン側に支持した状態で合流させ、当該合流点と前記凝縮器の間をフレキシブル配管で接続したことを特徴とする請求項１に記載のランキンサイクルシステム。
【請求項３】
前記膨張機の出力軸とエンジン出力軸とが動力伝達可能に構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のランキンサイクルシステム。
【請求項４】
エンジンに取り付けられ、前記エンジンの廃熱を冷媒に回収する熱交換器と、
前記エンジンに取り付けられ、前記熱交換器によって温度が高くなった前記冷媒を膨張させることによって前記冷媒に回収された前記廃熱を動力に変換する膨張機と、
車体に取り付けられ、前記膨張機によって膨張した前記冷媒を凝縮させる凝縮器と、
前記凝縮器及び前記冷媒を共用するエアコンの冷凍サイクルとを備えるランキンサイクルシステムにおいて、
前記膨張機に接続する第１配管と、
前記第１配管と、前記冷凍サイクルのコンプレッサに接続する第２配管とに接続し、前記凝縮器に前記冷媒を導入する第３配管とを備え、
前記第１配管、前記第３配管のいずれか一方の配管は、もう一方の配管よりも柔性が大きいことを特徴とするランキンサイクルシステム。
【請求項５】
前記コンプレッサは車体に取り付けられ、
前記第１配管は、前記第２配管および前記第３配管よりも柔性が大きいことを特徴とする請求項４に記載のランキンサイクルシステム。
【請求項６】
前記コンプレッサは前記エンジンに取り付けられ、
前記第１配管および前記第２配管は、前記第３配管よりも柔性が大きいことを特徴とする請求項４に記載のランキンサイクルシステム。
【請求項７】
前記コンプレッサは前記エンジンに取り付けられ、
前記第３配管は、前記第１配管および前記第２配管よりも柔性が大きいことを特徴とする請求項４に記載のランキンサイクルシステム。
【請求項８】
前記凝縮器によって凝縮した前記冷媒を前記熱交換器に供給する冷媒ポンプと、
前記冷媒ポンプに接続する第４配管と、
前記第４配管と、前記冷凍サイクルの蒸発器に接続する第５配管とに接続し、前記凝縮器から排出された前記冷媒が流れる第６配管とを備え、
前記第４配管、前記第６配管のいずれか一方の配管は、もう一方の配管よりも柔性が大きいことを特徴とする請求項４から７のいずれか一つに記載のランキンサイクルシステム。
【請求項９】
前記膨張機の出力軸と、前記エンジンの出力軸とは動力伝達可能であることを特徴とする請求項４から８のいずれか一つに記載のランキンサイクルシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はランキンサイクルシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、車載用のランキンサイクルシステムにおいて、蒸発器と膨張器とをエンジンに取り付けるものが、特許文献１に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−１８２５０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
蒸発器および膨張器は、配管を介して他の部材、例えば車体に取り付けられる凝縮器などに接続されている。エンジンに取り付けられた部材と、車体に取り付けられた部材とでは振動数が異なるので、エンジンに取り付けられた部材と車体に取り付けられた部材とはフレキシブル配管によって接続される。フレキシブル配管は、例えばステンレス配管、アルミ配管などの剛性が高い配管よりも高価なため、使用量を少なくすることが望ましい。
【０００５】
しかし、上記の発明では、このような点については考慮されておらず、ランキンサイクルシステムのコストが高くなる、といった問題点がある。
【０００６】
本発明はこのような問題点を解決するために発明されたもので、フレキシブル配管の使用量を少なくし、ランキンサイクルシステムのコストを削減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のある態様に係るランキンサイクルシステムは、エンジンに取り付けられ、冷媒を送出する冷媒ポンプと、エンジンに取り付けられ、エンジンの廃熱を冷媒に回収する熱交換器と、エンジンに取り付けられ、熱交換器によって温度が高くなった冷媒を膨張させることによって冷媒に回収された廃熱を動力に変換する膨張機と、車体に取り付けられ、膨張機によって膨張した冷媒を凝縮させる凝縮器とを備える。ランキンサイクルシステムは、膨張機と凝縮器の間と、凝縮器と冷媒ポンプの間とを、他と比べて柔性の大きなフレキシブル配管で接続する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、比較的高価なフレキシブル配管の数を少なくし、コストを抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１実施形態の統合サイクルの概略構成図である。
【図２Ａ】ポンプ及び膨張機を一体化した膨張機ポンプの概略断面図である。
【図２Ｂ】冷媒ポンプの概略断面図である。
【図２Ｃ】膨張機の概略断面図である。
【図３】冷媒系バルブの機能を示す概略図である。
【図４】ハイブリッド車両の概略構成図である。
【図５】エンジンの概略斜視図である。
【図６】排気管の配置を車両の下方から見た概略図である。
【図７Ａ】ランキンサイクル運転域の特性図である。
【図７Ｂ】ランキンサイクル運転域の特性図である。
【図８】第１実施形態の統合サイクルの配管の様子を模式的に示した図である。
【図９】本発明の第２実施形態のハイブリッド車両の概略構成図である。
【図１０】本発明の第２実施形態の統合サイクルの概略構成図である。
【図１１】第２実施形態の統合サイクルの配管の様子を模式的に示した図である。
【図１２】第３実施形態の統合サイクルの配管の様子を模式的に示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
【００１１】
図１は本発明の前提となるランキンサイクル３１のシステム全体を表した概略構成図を示している。図１のランキンサイクル３１は、冷凍サイクル５１と冷媒および凝縮器３８を共有する構成になっており、ランキンサイクル３１と冷凍サイクル５１を統合したランキンサイクルシステムのことを、これ以降統合サイクル３０と表現する。図４は統合サイクル３０が搭載されるハイブリッド車両１の概略構成図である。尚、統合サイクル３０は、ランキンサイクル３１と冷凍サイクル５１の冷媒が循環する回路（通路）及びその途中に設けられたポンプ、膨張機、凝縮器等の構成要素に加え、冷却水や排気の回路（通路）等を含めたシステム全体を指すものとする。
【００１２】
ハイブリッド車両１では、エンジン２、モータジェネレータ８１、自動変速機８２が直列に連結され、自動変速機８２の出力はプロペラシャフト８３、ディファレンシャルギヤ８４を介して駆動輪８５に伝達される。エンジン２とモータジェネレータ８１の間には第１駆動軸クラッチ８６を設けている。また、自動変速機８２の摩擦締結要素の一つが第２駆動軸クラッチ８７として構成されている。第１駆動軸クラッチ８６と第２駆動軸クラッチ８７は、エンジンコントローラ７１に接続されており、ハイブリッド車両の運転条件に応じてその断接（接続状態）が制御される。ハイブリッド車両１では、図７Ｂに示すように、車速がエンジン２の効率が悪いＥＶ走行領域にあるときには、エンジン２を停止し第１駆動軸クラッチ８６を遮断し第２駆動軸クラッチ８７を接続してモータジェネレータ８１による駆動力のみでハイブリッド車両１の走行を行わせる。一方、車速がＥＶ走行領域を外れてランキンサイクル運転域に移行したときには、エンジン２を運転してランキンサイクル３１（後述する）を運転する。エンジン２は排気通路３を備え、排気通路３は、排気マニホールド４と、排気マニホールド４の集合部に接続される排気管５とから構成される。排気管５は途中でバイパス排気管６と分岐しており、バイパス排気管６にバイパスされる区間の排気管５には、排気と冷却水との間で熱交換を行なうための廃熱回収器２２を備える。廃熱回収器２２とバイパス排気管６は、図６に示すように、これらを一体化した廃熱回収ユニット２３として、床下触媒８８とその下流のサブマフラー８９との間に配置される。
【００１３】
エンジン２は、ハイブリッド車両１の車体骨格をなすフレームメンバに、図示しないエンジンマウントを介して固定され、車体に搭載されている。エンジンマウントは、エンジン２と車体の間を伝わる振動を低減する（減衰させる）役割を果たし、エンジン２の振動を車体に伝え難くするとともに、車体の振動をエンジン２に伝え難くする。この結果、エンジン２と車体とは異なる振動を生じるので、エンジン２に固定されたエンジン２側部品と車体に固定された車体側部品も異なる振動を生じる。一般的には剛性の高い接続部品で接続される部品同士であっても、それらがエンジン２側と車体側とに分かれて搭載される場合、振動による相対変位を吸収するため、柔性の大きい（柔軟性に優れた）接続部品で接続する必要がある。
【００１４】
図１に基づき、まず、エンジン冷却水回路について説明する。エンジン２を出た８０〜９０℃程度の冷却水は、ラジエータ１１を通る冷却水通路１３と、ラジエータ１１をバイパスするバイパス冷却水通路１４とに別れて流れる。その後、２つの流れは、両通路１３、１４を流れる冷却水流量の配分を決めるサーモスタットバルブ１５で再び合流し、さらに冷却水ポンプ１６を経てエンジン２に戻る。冷却水ポンプ１６はエンジン２によって駆動され、その回転速度はエンジン回転速度と同調している。サーモスタットバルブ１５は、冷却水温度が高い場合に冷却水通路１３側のバルブ開度を大きくしてラジエータ１１を通過する冷却水量を相対的に増やし、冷却水温度が低い場合に冷却水通路１３側のバルブ開度を小さくしてラジエータ１１を通過する冷却水量を相対的に減らす。エンジン２の暖機前など特に冷却水温度が低い場合には、完全にラジエータ１１をバイパスさせて冷却水の全量がバイパス冷却水通路１４側を流れる。一方、バイパス冷却水通路１４側のバルブ開度は全閉になることはなく、ラジエータ１１を流れる冷却水流量が多くなったときに、バイパス冷却水通路１４を流れる冷却水の流量は、冷却水の全量がバイパス冷却水通路１４側を流れる場合と比べて低下するが、流れが完全に停止することがないようにサーモスタットバルブ１５が構成されている。ラジエータ１１をバイパスするバイパス冷却水通路１４は、冷却水通路１３から分岐して後述の熱交換器３６に直接接続する第１バイパス冷却水通路２４と、冷却水通路１３から分岐して廃熱回収器２２を経た後に熱交換器３６に接続する第２バイパス冷却水通路２５とからなる。
【００１５】
バイパス冷却水通路１４には、ランキンサイクル３１の冷媒と熱交換を行なう熱交換器３６を備える。この熱交換器３６は蒸発器と過熱器とを統合したものである。すなわち、熱交換器３６には２つの冷却水通路３６ａ、３６ｂがほぼ一列に、また、冷媒と冷却水が熱交換可能なようにランキンサイクル３１の冷媒が流れる冷媒通路３６ｃは冷却水通路３６ａ、３６ｂと隣接して設けられている。さらに熱交換器３６の全体を俯瞰して見たときにランキンサイクル３１の冷媒と冷却水が互いに流れ方向が逆向きとなるように各通路３６ａ、３６ｂ、３６ｃが構成されている。
【００１６】
詳細には、ランキンサイクル３１の冷媒にとって上流（図１の左）側に位置する一方の冷却水通路３６ａは、第１バイパス冷却水通路２４に介装されている。この冷却水通路３６ａ及びこの冷却水通路３６ａに隣接する冷媒通路部分からなる熱交換器左側部分は、エンジン２から出た冷却水を冷却水通路３６ａに直接導入することで、冷媒通路３６ｃを流れるランキンサイクル３１の冷媒を加熱するための蒸発器である。
【００１７】
ランキンサイクル３１の冷媒にとって下流（図１の右）側に位置する他方の冷却水通路３６ｂには、第２バイパス冷却水通路２５を介して廃熱回収器２２を経た冷却水が導入される。冷却水通路３６ｂ及びこの冷却水通路３６ｂに隣接する冷媒通路部分からなる熱交換器右側部分（ランキンサイクル３１の冷媒にとって下流側）は、エンジン２の出口の冷却水を排気によってさらに加熱した冷却水を冷却水通路３６ｂに導入することで、冷媒通路３６ｃを流れる冷媒を過熱する過熱器である。
【００１８】
廃熱回収器２２の冷却水通路２２ａは排気管５に隣接して設けている。廃熱回収器２２の冷却水通路２２ａにエンジン２の出口の冷却水を導入することで、冷却水を高温の排気によって例えば１１０〜１１５℃程度まで加熱することができる。廃熱回収器２２の全体を俯瞰して見たときに、排気と冷却水とが互いに流れる向きが逆向きとなるように冷却水通路２２ａが構成されている。
【００１９】
廃熱回収器２２を設けた第２バイパス冷却水通路２５には制御弁２６が介装されている。エンジン２の内部にある冷却水の温度を指すエンジン水温が、例えばエンジン２の効率悪化やノックを発生させないための許容温度（例えば１００℃）を超えないように、エンジン２の出口の冷却水温度センサ７４の検出温度が所定値以上になると、この制御弁２６の開度を減少させるようにしている。エンジン水温が許容温度に近づくと、廃熱回収器２２を通過する冷却水量を減少させるので、エンジン水温が許容温度を超えてしまうことを確実に防ぐことができる。
【００２０】
一方、第２バイパス冷却水通路２５の流量が減少したことによって、廃熱回収器２２により上昇する冷却水温度が上がりすぎて冷却水が蒸発（沸騰）してしまったのでは、冷却水通路内の冷却水の流れが悪くなって部品温度が過剰に上昇してしまう恐れがある。これを避けるため、廃熱回収器２２をバイパスするバイパス排気管６と、廃熱回収器２２の排気通過量とバイパス排気管６の排気通過量とをコントロールするサーモスタットバルブ７をバイパス排気管６の分岐部に設けている。すなわち、サーモスタットバルブ７は、そのバルブ開度が廃熱回収器２２を出た冷却水温度が所定の温度（例えば沸騰温度１２０℃）を超えないように、廃熱回収器２２を出た冷却水温度に基づいて調節される。
【００２１】
熱交換器３６とサーモスタットバルブ７と廃熱回収器２２とは、廃熱回収ユニット２３として一体化されていて、車幅方向略中央の床下において排気管途中に配設されている。サーモスタットバルブ７は、バイメタル等を用いた比較的簡易な感温弁でも良いし、温度センサ出力が入力されるコントローラによって制御される制御弁であっても良い。サーモスタットバルブ７による排気から冷却水への熱交換量の調節は比較的大きな遅れを伴うため、サーモスタットバルブ７を単独で調節したのではエンジン水温が許容温度を超えないようにするのが難しい。しかしながら、第２バイパス冷却水通路２５の制御弁２６をエンジン水温（出口温度）に基づき制御するようにしてあるので、熱回収量を速やかに低減し、エンジン水温が許容温度を超えるのを確実に防ぐことができる。また、エンジン水温が許容温度までに余裕がある状態であれば、廃熱回収器２２を出る冷却水温度がエンジン水温の許容温度を越えるほどの高温（例えば１１０〜１１５℃）になるまで熱交換を行って、廃熱回収量を増加させることができる。冷却水通路３６ｂを出た冷却水は、第２バイパス冷却水通路２５を介して第１バイパス冷却水通路２４に合流されている。
【００２２】
バイパス冷却水通路１４からサーモスタットバルブ１５に向かう冷却水の温度が、例えば熱交換器３６でランキンサイクル３１の冷媒と熱交換することによって十分低下していれば、サーモスタットバルブ１５の冷却水通路１３側のバルブ開度が小さくされて、ラジエータ１１を通過する冷却水量は相対的に減らされる。逆にバイパス冷却水通路１４からサーモスタットバルブ１５に向かう冷却水の温度が、ランキンサイクル３１が運転されていないことなどによって高くなると、サーモスタットバルブ１５の冷却水通路１３側のバルブ開度が大きくされて、ラジエータ１１を通過する冷却水量は相対的に増やされる。このようなサーモスタットバルブ１５の動作に基づいて、エンジン２の冷却水温度が適当に保たれ、熱がランキンサイクル３１へ適当に供給（回収）されるように構成されている。
【００２３】
次に、ランキンサイクル３１について述べる。ここでは、ランキンサイクル３１は、単純なランキンサイクルでなく、冷凍サイクル５１と統合した統合サイクル３０の一部として構成されている。以下では、基本となるランキンサイクル３１を先に説明し、その後に冷凍サイクル５１に言及する。
【００２４】
ランキンサイクル３１は、エンジン２の冷却水を介してエンジン２の廃熱を冷媒に回収し、回収した廃熱を動力として回生するシステムである。ランキンサイクル３１は、冷媒ポンプ３２、過熱器としての熱交換器３６、膨張機３７及び凝縮器（コンデンサ）３８を備え、各構成要素は冷媒（Ｒ１３４ａ等）が循環する冷媒通路４１〜４４により接続されている。冷媒通路４１〜４４は、一般的には冷媒のシール性の確保が容易な、比較的剛性の高い一般的な金属配管（鋼管）により構成されるが、本実施形態においては一部に柔性の高いフレキシブル配管を用いており、詳細は後述する。
【００２５】
冷媒ポンプ３２の軸は同一の軸上で膨張機３７の出力軸と連結配置され、膨張機３７の発生する出力（動力）によって冷媒ポンプ３２を駆動すると共に、発生動力をエンジン２の出力軸（クランク軸）に供給する構成である（図２Ａ参照）。冷媒ポンプ３２の軸及び膨張機３７の出力軸は、エンジン２の出力軸と平行に配置され、冷媒ポンプ３２の軸の先端に設けたポンププーリ３３と、クランクプーリ２ａとの間にベルト３４を掛け回している（図１参照）。すなわち、膨張機３７の出力軸とエンジン２の出力軸とは動力伝達可能に構成されている。なお、本実施形態の冷媒ポンプ３２としてはギヤ式のポンプを、膨張機３７としてはスクロール式の膨張機を採用している（図２Ｂ、図２Ｃ参照）。冷媒ポンプ３２および膨張機３７は、図５に示すようにエンジン２に取り付けられている。
【００２６】
また、ポンププーリ３３と冷媒ポンプ３２との間に電磁式のクラッチ（このクラッチを以下「膨張機クラッチ」という。）３５（第１クラッチ）を設けて、冷媒ポンプ３２及び膨張機３７とを、エンジン２と断接可能にしている（図２Ａ参照）。このため、膨張機３７の発生する出力が冷媒ポンプ３２の駆動力及び回転体が有するフリクションを上回る場合（予測膨張機トルクが正の場合）に膨張機クラッチ３５を接続することで、膨張機３７の発生する出力によってエンジン出力軸の回転をアシスト（補助）することができる。このように廃熱回収によって得たエネルギを用いてエンジン出力軸の回転をアシストすることで、燃費を向上できる。また、冷媒を循環させる冷媒ポンプ３２を駆動するためのエネルギも、回収した廃熱で賄うことができる。なお、膨張機クラッチ３５は、エンジン２から冷媒ポンプ３２及び膨張機３７に至る動力伝達経路の途中であればどこに設けられていてもよい。
【００２７】
冷媒ポンプ３２からの冷媒は冷媒通路４１を介して熱交換器３６に供給される。熱交換器３６は、エンジン２の冷却水と冷媒との間で熱交換を行わせ、冷媒を気化し過熱する熱交換器である。
【００２８】
熱交換器３６からの冷媒は冷媒通路４２を介して膨張機３７に供給される。膨張機３７は、気化し過熱された冷媒を膨張させることにより熱を回転エネルギに変換する蒸気タービンである。膨張機３７で回収された動力は冷媒ポンプ３２を駆動し、ベルト伝動機構を介してエンジン２に伝達され、エンジン２の回転をアシストする。
【００２９】
膨張機３７からの冷媒は冷媒通路４３ａ、４３ｂを介して凝縮器３８に供給される。凝縮器３８は、外気と冷媒との間で熱交換を行わせ、冷媒を冷却し液化する熱交換器である。このため、凝縮器３８をラジエータ１１と並列に配置し、ラジエータファン１２によって冷却するようにしている。凝縮器３８は、車体に取り付けられている。
【００３０】
冷媒通路４３ａは、膨張機３７に接続する。冷媒通路４３ｂは冷媒通路４３ａと凝縮器３８とを接続する。冷媒通路４３ａと冷媒通路４３ｂとは、後述する冷凍サイクル合流点４６において接続する。
【００３１】
エンジン２側部品と車体側部品を接続する冷媒通路４３ａは、振動による相対変位を吸収するため、冷媒通路４３ｂよりも柔性が大きい冷媒用フレキシブル配管である。柔性が大きいとは、剛性が低く、変形自在であることを言う。柔性を備えるために、フレキシブル配管は、蛇腹状の形状であったり、材料として柔らかく柔軟性に優れた素材を用いたりするものである。そのため、冷媒通路４３ａは、途中の部分を自在に曲げることができ、振動が伝達された場合には振動を吸収することができる。冷媒通路４３ａのエンジン２に取り付けられた膨張機３７側の部分は、エンジン２や膨張機３７と共に振動する。
【００３２】
冷媒通路４３ｂは凝縮器３８に接続し、冷媒通路４３ａよりも柔性が小さい、つまり剛性が高い、例えばステンレス配管、アルミ配管である。冷媒通路４３ｂは、車体に取り付けられた凝縮器３８と共に振動する。
【００３３】
冷媒通路４３ａは、エンジン２に取り付けられた膨張機３７に接続している。また、冷媒通路４３ｂは、車体に取り付けられた凝縮器３８に接続している。そのため、車両が駆動されている場合には冷媒通路４３ａの振動数と冷媒通路４３ｂの振動数とは異なる。本実施形態では、冷媒通路４３ａを冷媒用フレキシブル配管とすることで、冷媒通路４３ａによって冷媒通路４３ａのエンジン２側部分と冷媒通路４３ｂとの間の振動差を吸収する。
【００３４】
凝縮器３８により液化された冷媒は、冷媒通路４４ａ、４４ｂを介して冷媒ポンプ３２に戻される。冷媒ポンプ３２に戻された冷媒は、冷媒ポンプ３２により再び熱交換器３６に送られ、ランキンサイクル３１の各構成要素を循環する。
【００３５】
冷媒通路４４ａは、凝縮器３８に接続する。冷媒通路４４ｂは冷媒通路４３ａと冷媒ポンプ３２とを接続する。冷媒通路４４ａと冷媒通路４４ｂとは、後述する冷凍サイクル分岐点４５において接続する。
【００３６】
冷媒通路４４ａは、冷媒通路４４ｂよりも柔性が小さい、例えばステンレス配管、アルミ配管である。冷媒通路４４ａは凝縮器３８と共に振動する。
【００３７】
エンジン２側部品と車体側部品を接続する冷媒通路４４ｂは、振動による相対変位を吸収するため、冷媒通路４４ａよりも柔性が大きい冷媒用フレキシブル配管である。冷媒通路４４ｂのエンジン２側部分はエンジン２の振動が伝達されてエンジン２と共に振動する。
【００３８】
冷媒通路４４ｂを冷媒用フレキシブル配管とすることで、冷媒通路４４ｂによって冷媒通路４４ａと冷媒通路４４ｂとの間の振動差を吸収することができる。
【００３９】
次に、冷凍サイクル５１について述べる。冷凍サイクル５１は、ランキンサイクル３１を循環する冷媒を共用するため、ランキンサイクル３１と統合され、冷凍サイクル５１の構成そのものは簡素になっている。すなわち、冷凍サイクル５１は、コンプレッサ（圧縮機）５２、凝縮器３８、エバポレータ（蒸発器）５５を備える。
【００４０】
コンプレッサ５２は冷凍サイクル５１の冷媒を高温高圧に圧縮する流体機械である。コンプレッサ５２は、車体に取り付けられている。コンプレッサ５２は電動コンプレッサであり、図示しないバッテリなどから電力が供給される。
【００４１】
コンプレッサ５２からの冷媒は冷媒通路５６を介し、冷凍サイクル合流点４６で冷媒通路４３ａと合流した後に冷媒通路４３ｂを介して凝縮器３８に供給される。冷媒通路５６は、比較的剛性の高い一般的な金属配管（鋼管）により構成されている。凝縮器３８は外気との熱交換によって冷媒を凝縮し液化する熱交換器である。凝縮器３８からの液状の冷媒は、冷凍サイクル分岐点４５において冷媒通路４４ａから分岐する冷媒通路５７を介してエバポレータ（蒸発器）５５に供給される。冷媒通路５７についても、比較的剛性の高い一般的な金属配管（鋼管）により構成されている。エバポレータ５５は、図示しないヒータコアと同様にエアコンユニットのケース内に配設されている。エバポレータ５５は、凝縮器３８からの液状冷媒を蒸発させ、そのときの蒸発潜熱によってブロアファンからの空調空気を冷却する熱交換器である。
【００４２】
エバポレータ５５によって蒸発した冷媒は冷媒通路５８を介してコンプレッサ５２に戻される。なお、エバポレータ５５によって冷却された空調空気とヒータコアによって加熱された空調空気は、エアミックスドアの開度に応じて混合比率が変更され、乗員の設定する温度に調節される。
【００４３】
ランキンサイクル３１と冷凍サイクル５１とからなる統合サイクル３０には、サイクル内を流れる冷媒を制御するため、回路途中に各種の弁が適宜設けられている。例えば、ランキンサイクル３１を循環する冷媒を制御するため、冷凍サイクル分岐点４５と冷媒ポンプ３２とを連絡する冷媒通路４４ｂにポンプ上流弁６１、熱交換器３６と膨張機３７とを連絡する冷媒通路４２に膨張機上流弁６２を備える。また、冷媒ポンプ３２と熱交換器３６とを連絡する冷媒通路４１には、熱交換器３６から冷媒ポンプ３２への冷媒の逆流を防止するため逆止弁６３を備えている。膨張機３７と冷凍サイクル合流点４６とを連絡する冷媒通路４３ａにも、冷凍サイクル合流点４６から膨張機３７への冷媒の逆流を防止するため逆止弁６４を備えている。また、膨張機上流弁６２上流から膨張機３７をバイパスして逆止弁６４上流に合流する膨張機バイパス通路６５を設け、この膨張機バイパス通路６５にバイパス弁６６を設けている。さらに、バイパス弁６６をバイパスする通路６７に圧力調整弁６８を設けている。冷凍サイクル５１側についても、冷凍サイクル分岐点４５とエバポレータ５５とを接続する冷媒通路５７にエアコン回路弁６９を設けている。
【００４４】
上記４つの弁６１、６２、６６、６９はいずれも電磁式の開閉弁である。圧力センサ７２により検出される膨張機上流圧力の信号、圧力センサ７３により検出される凝縮器３８の出口の冷媒圧力Ｐｄの信号、膨張機３７の回転速度信号等がエンジンコントローラ７１に入力されている。エンジンコントローラ７１では、所定の運転条件に応じ、これらの各入力信号に基づいて、冷凍サイクル５１のコンプレッサ５２や、ラジエータファン１２の制御を行なうとともに、上記４つの電磁式開閉弁６１、６２、６６、６９の開閉を制御する。
【００４５】
例えば、圧力センサ７２により検出される膨張機上流側圧力及び膨張機回転速度に基づいて膨張機トルク（回生動力）を予測し、この予測膨張機トルクが正のとき（エンジン出力軸の回転をアシストすることができるとき）に膨張機クラッチ３５を締結し、予測膨張機トルクがゼロないし負のときに膨張機クラッチ３５を解放する。センサ検出圧力と膨張機回転速度とに基づくことで、排気温度から膨張機トルク（回生動力）を予測する場合とくらべ、高い精度で膨張機トルクを予測することができ、膨張機トルクの発生状況に応じて膨張機クラッチ３５の締結・解放を適切に行うことができる（詳細は特開２０１０−１９０１８５号公報参照）。
【００４６】
上記４つの開閉弁６１、６２、６６、６９及び２つの逆止弁６３、６４は、冷媒系バルブである。これらの冷媒系バルブの機能を改めて図３に示す。
【００４７】
図３において、ポンプ上流弁６１は、ランキンサイクル３１の停止中等、冷凍サイクル５１の回路に比べてランキンサイクル３１の回路に冷媒が偏り易くなる所定の条件で閉じることで、ランキンサイクル３１への冷媒（潤滑成分含む）の偏りを防止するためのもので、後述するように、膨張機３７下流の逆止弁６４と協働してランキンサイクル３１の回路を閉塞させる。膨張機上流弁６２は、熱交換器３６からの冷媒圧力が相対的に低い場合に冷媒通路４２を遮断し熱交換器３６からの冷媒が高圧になるまで保持することができるようにするものである。これによって、膨張機トルクが十分得られない場合でも冷媒の加熱を促し、例えばランキンサイクル３１が再起動（回生が実際に行なえるようになる）するまでの時間を短縮させることができる。バイパス弁６６は、ランキンサイクル３１の始動時等にランキンサイクル３１側に存在する冷媒量が十分でないときなどに、膨張機３７をバイパスさせた上で冷媒ポンプ３２の作動が行えるように開弁し、ランキンサイクル３１の起動時間を短縮するためのものである。膨張機３７をバイパスさせた上で冷媒ポンプ３２を作動させることで、凝縮器３８の出口あるいは冷媒ポンプ３２の入口の冷媒温度が、その部位の圧力を考慮した沸点から所定温度差（サブクール度SC）以上に低下した状態が実現されれば、ランキンサイクル３１には十分な液体冷媒が供給できる状態が整ったことになる。
【００４８】
熱交換器３６上流の逆止弁６３は、バイパス弁６６、圧力調整弁６８、膨張機上流弁６２と協働して膨張機３７に供給される冷媒を高圧に保持するためのものである。ランキンサイクルの回生効率が低い条件ではランキンサイクルの運転を停止し、熱交換器の前後区間に亘って回路を閉塞することで、停止中の冷媒圧力を上昇させておき、高圧冷媒を利用してランキンサイクルが速やかに再起動できるようにする。圧力調整弁６８は膨張機３７に供給される冷媒の圧力が高くなり過ぎた場合に開いて、高くなり過ぎた冷媒を逃すリリーフ弁の役割を有している。
【００４９】
膨張機３７下流の逆止弁６４は、上述のポンプ上流弁６１と協働してランキンサイクル３１への冷媒の偏りを防止するためのものである。ハイブリッド車両１の運転開始直後、エンジン２が暖まっていないとランキンサイクル３１が冷凍サイクル５１より低温となり、冷媒がランキンサイクル３１側に偏ることがある。ランキンサイクル３１側に偏る確率はそれほど高くないものの、例えば夏場の車両運転開始直後には、車内を早く冷やしたい状況にあって冷房能力が最も要求されることから、冷媒の僅かな偏在も解消して冷凍サイクル５１の冷媒を確保したいという要求がある。そこで、ランキンサイクル３１側への冷媒の偏在を防止するため逆止弁６４を設けたものである。
【００５０】
コンプレッサ５２は、駆動停止時に冷媒が自由通過できる構造ではなく、エアコン回路弁６９と協働して冷凍サイクル５１への冷媒の偏りを防止することができる。これについて説明する。冷凍サイクル５１の運転が停止したとき、定常運転中の比較的高い温度のランキンサイクル３１側から冷凍サイクル５１側へと冷媒が移動して、ランキンサイクル３１を循環する冷媒が不足することがある。冷凍サイクル５１の中で、冷房停止直後はエバポレータ５５の温度が低くなっていて、比較的容積が大きく温度が低くなっているエバポレータ５５に冷媒が溜まり易い。この場合に、コンプレッサ５２の駆動停止によって凝縮器３８からエバポレータ５５への冷媒の動きを遮断するとともに、エアコン回路弁６９を閉じることで、冷凍サイクル５１への冷媒の偏りを防止するのである。
【００５１】
次に、図５はエンジン２全体のパッケージを示すエンジン２の概略斜視図である。図５において特徴的なのは、熱交換器３６が排気マニホールド４の鉛直上方に配置されていることである。つまり、熱交換器３６はエンジン２に取り付けられている。排気マニホールド４の鉛直上方のスペースに熱交換器３６を配置することによって、ランキンサイクル３１のエンジン２への搭載性を向上させている。また、エンジン２にはテンションプーリ８が設けられる。
【００５２】
次に、ランキンサイクル３１の基本的な運転方法を図７Ａ及び図７Ｂを参照して説明する。
【００５３】
まず、図７Ａ及び図７Ｂはランキンサイクル３１の運転領域図である。図７Ａには横軸を外気温、縦軸をエンジン水温（冷却水温度）としたときのランキンサイクル３１の運転域を、図７Ｂには横軸をエンジン回転速度、縦軸をエンジントルク（エンジン負荷）としたときのランキンサイクル３１の運転域を示している。
【００５４】
図７Ａ及び図７Ｂのいずれにおいても所定の条件を満たしたときにランキンサイクル３１を運転するもので、これら両方の条件が満たされた場合にランキンサイクル３１を運転する。図７Ａにおいては、エンジン２の暖機を優先する低水温側の領域と、コンプレッサ５２の負荷が増大する高外気温側の領域でランキンサイクル３１の運転を停止している。排気温度が低く回収効率が悪い暖機時は、むしろランキンサイクル３１を運転しないことで冷却水温度を速やかに上昇させる。高い冷房能力が要求される高外気温時はランキンサイクル３１を止めて、冷凍サイクル５１に十分な冷媒と凝縮器３８の冷却能力を提供する。図７Ｂにおいては、ハイブリッド車両であるので、ＥＶ走行領域と、膨張機３７のフリクションが増大する高回転速度側の領域でランキンサイクル３１の運転を停止している。膨張機３７は全ての回転速度でフリクションが少ない高効率な構造とすることが難しいことから、図７Ｂの場合では、運転頻度の高いエンジン回転速度域でフリクションが小さく高効率となるように、膨張機３７が構成（膨張機３７各部のディメンジョン等が設定）されている。
【００５５】
本発明の第１実施形態の効果について説明する。
【００５６】
図８は、第１実施形態の統合サイクル３０の配管の様子を模式的に示している。上述の通り、ランキンサイクル３１の冷媒ポンプ３２、熱交換器３６、膨張機３７はそれぞれエンジン２に取り付けられ、凝縮器３８は車体側に取り付けられている。冷媒ポンプ３２と熱交換器３６の間と、熱交換器３６と膨張機３７の間は、比較的剛性の高い一般的な金属配管（鋼管）１０１で接続され、膨張機３７と凝縮器３８の間と、凝縮器３８と冷媒ポンプ３２の間は、少なくとも途中の一部にフレキシブル配管１００を含んでなる柔性の大きな通路（管路）で結ばれている。これにより、エンジン２側に取り付けられた膨張機３７や冷媒ポンプ３２と、車体側に取り付けられた凝縮器３８の間の振動の違い（相対位置の変化）は、フレキシブル配管１００によって吸収され、これによって部品信頼性を高め、或いは、乗員に不快な振動が伝わるのを抑制する。
【００５７】
特に、本実施形態では、冷媒ポンプ３２をエンジン２側に取り付けて、エンジン２で冷媒ポンプ３２を駆動することができるように構成しただけでなく、膨張機３７をエンジン２側に取り付けた上で膨張機３７の回生出力によっても冷媒ポンプ３２を駆動することがきるように構成し、エンジン２の動力によって冷媒ポンプ３２を駆動できるようにしてランキンサイクル３１の運転自由度を増しつつ、膨張機３７の回生出力を利用しても冷媒ポンプ３２を駆動できるようにしてエネルギ効率を改善することができる。このような前提の下で、さらに、冷媒ポンプ３２と膨張機３７の間に設けられる熱交換器３６をエンジン２側に取り付けるようにしたため、冷媒ポンプ３２と熱交換器３６の間と、熱交換器３６と膨張機３７の間は、比較的剛性の高い通路（管路）１０１で接続することができ、膨張機３７と凝縮器３８の間と、凝縮器３８と冷媒ポンプ３２の間だけに限って、柔性の大きなフレキシブル配管１００で結ぶことができるようにした。これによって、比較的高価なフレキシブル配管１００の数を少なくし、コストを抑えることができるようになっている。すなわち、ランキンサイクル３１の回路途中にフレキシブル配管１００は２つしか設けられていない。
【００５８】
具体的には、エンジン２に取り付けられた膨張機３７に接続する冷媒通路４３ａの少なくとも一部を、車体に取り付けられた凝縮器３８に接続する冷媒通路４３ｂよりも柔性が大きい冷媒用フレキシブル配管とする。これにより、冷媒通路４３ａのエンジン２側部分と冷媒通路４３ｂとの振動差を冷媒通路４３ａによって吸収することができる。また、冷媒通路４３ｂを冷媒用フレキシブル配管よりも安価な例えば銅管、ステンレス配管、アルミ配管などの金属配管とすることができ、高価な冷媒用フレキシブル配管を少なくすることができる。そのため、統合サイクル３０のコストを削減することができる。
【００５９】
冷媒通路４３ａの少なくとも一部に冷媒用フレキシブル配管を用いることで、膨張機３７と凝縮器３８とを接続する配管の長さを短くすることができ、配管における圧損を小さくすることができ、統合サイクル３０の効率を良くすることができる。
【００６０】
エンジン２に取り付けられた冷媒ポンプ３２に接続する冷媒通路４４ｂの少なくとも一部を、凝縮器３８に接続する冷媒通路４４ａよりも柔性が大きい冷媒用フレキシブル配管とする。これにより、冷媒通路４４ａと冷媒通路４４ｂのエンジン２側部分との振動差を冷媒通路４４ｂによって吸収することができる。また、冷媒通路４４ａを冷媒用フレキシブル配管よりも安価な金属配管とすることができ、高価な冷媒用フレキシブル配管を少なくすることができる。そのため、統合サイクル３０のコストを削減することができる。
【００６１】
冷媒通路４３ａの少なくとも一部に冷媒用フレキシブル配管を用いることで、凝縮器３８と冷媒ポンプ３２とを接続する配管の長さを短くすることができ、配管における圧損を小さくすることができ、統合サイクル３０の効率を良くすることができる。
【００６２】
膨張機３７の出力軸とエンジン２の出力軸とを動力伝達可能に構成した統合サイクル３０において、冷媒通路４３ａを冷媒用フレキシブル配管とし、冷媒通路４３ｂを例えば金属配管とすることで、上記効果をより得ることができる。
【００６３】
次に本発明の第２実施形態について図９、１０を用いて説明する。
【００６４】
図９は、本実施形態におけるハイブリッド車両の概略構成図である。図１０は本実施形態における統合サイクルの概略構成図である。第２実施形態については第１実施形態と異なる部分を中心に説明する。第１実施形態と同じ構成については第１実施形態と同じ符号を付し、ここでの説明は省略する。
【００６５】
コンプレッサ５９は、エンジン２に取り付けられており、エンジン２によって駆動される。図９に示すようにコンプレッサ５９の駆動軸にはコンプレッサプーリ５３が固定され、このコンプレッサプーリ５３とクランクプーリ２ａとにベルト３４を掛け回している。エンジン２の駆動力がこのベルト３４を介してコンプレッサプーリ５３に伝達され、コンプレッサ５９が駆動される。また、コンプレッサプーリ５３とコンプレッサ５９との間に電磁式のクラッチ５４を設けて、コンプレッサ５９とコンプレッサプーリ５３とを断接可能にしている。
【００６６】
コンプレッサ５９に接続する冷媒通路５６は、冷媒通路４３ｂよりも柔性が大きい冷媒用フレキシブル配管である。
【００６７】
コンプレッサ５９と蒸発器５５との間に設けられ、コンプレッサ５９と接続する冷媒通路５８は、冷媒通路５６と同様に冷媒用フレキシブル配管である。
【００６８】
コンプレッサ５９がエンジン２に取り付けられると、車両が駆動されている場合にはコンプレッサ５９に接続する冷媒通路５６の振動数と、凝縮器３８に接続する冷媒通路４３ｂの振動数とは異なる。本実施形態では、冷媒通路５６を冷媒用フレキシブル配管とすることで、冷媒通路５６と冷媒通路４３ｂとの振動差を冷媒通路５６によって吸収する。
【００６９】
本発明の第２実施形態の効果について説明する。
【００７０】
図１１は、第２実施形態の統合サイクル３０の配管の様子を模式的に示している。第１実施形態との違いは、コンプレッサ５９がエンジン２側に取り付けられていることから、コンプレッサ５９前後の冷媒通路がフレキシブル配管１００によって構成されていることである。第２実施形態によっても、比較的高価なフレキシブル配管１００の数を少なくし、コストを抑えることができるようになっている。すなわち、ランキンサイクル３１の回路途中にフレキシブル配管１００は２つしか設けられておらず、統合サイクル３０全体で見た場合に、フレキシブル配管１００の数は４つに抑えられている。
【００７１】
具体的には、冷媒通路５６の少なくとも一部を冷媒用フレキシブル配管とし、冷媒通路５６を冷凍サイクル合流点４６において冷媒通路４３ｂと接続する。これにより、冷媒通路４３ｂと冷媒通路５６との振動差を冷媒通路４３ｂによって吸収することができる。
【００７２】
次に本発明の第３実施形態について説明する。
【００７３】
第３実施形態については第２実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００７４】
第３実施形態では、冷媒通路４３ｂを冷媒通路４３ａおよび冷媒通路５６よりも柔性が大きいフレキシブル配管とする。また、冷媒通路４３ａおよび冷媒通路５６を柔性が小さい例えばステンレス配管、アルミ配管とする。
【００７５】
本発明の第３実施形態の効果について説明する。
【００７６】
図１２は、第３実施形態の統合サイクル３０の配管の様子を模式的に示している。第２実施形態との違いは、膨張機３７と凝縮器３８とを接続する配管と、コンプレッサ５９と凝縮器３８とを接続する配管とを途中で互いに合流し、合流した後の部位がフレキシブル配管１００で構成されていることである。第３実施形態によっても、比較的高価なフレキシブル配管１００の数を少なくし、コストを抑えることができるようになっている。すなわち、ランキンサイクル３１の回路途中にフレキシブル配管１００は２つしか設けられておらず、統合サイクル３０全体で見た場合に、フレキシブル配管１００の数は３つに抑えられている。
【００７７】
具体的には、凝縮器３８に接続する冷媒通路４３ｂを冷媒用フレキシブル配管とし、膨張機３７に接続する冷媒通路４３ａ、およびコンプレッサ５９に接続する冷媒通路５６とを、冷媒用フレキシブル配管よりも安価な例えばステンレス配管、アルミ配管とする。これにより、冷媒通路４３ｂと、冷媒通路４３ａと冷媒通路５６との振動差を吸収することができる。また、冷媒通路４３ａおよび冷媒通路５６を安価な配管とすることができ、統合サイクル３０のコストを削減することができる。
【００７８】
なお、冷媒通路４４ａを冷媒用フレキシブル配管とし、冷媒通路４４ｂをステンレス配管、アルミ配管などとしても良い。
【００７９】
冷媒通路の少なくとも一部に冷媒用フレキシブル配管を用いることで、膨張機３７およびコンプレッサ５９と凝縮器３８とを接続する配管、凝縮器３８と冷媒ポンプ３２とを接続する配管の長さを短くすることができ、配管における圧損を小さくすることができ、統合サイクル３０の効率を良くすることができる。
【００８０】
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。例えば、振動による相対変位を吸収するための、柔性の大きな通路配管として、一般的な金属配管の一部に（途中に）柔性が大きい冷媒用フレキシブル配管を含んで構成されたものを採用しても良いのはもちろんである。
【符号の説明】
【００８１】
２    エンジン
３０  統合サイクル（ランキンサイクルシステム）
３２  冷媒ポンプ
３６  熱交換器
３７  膨張機
３８  凝縮器
４３ａ  冷媒通路（第１配管）
４３ｂ  冷媒通路（第３配管）
４４ａ  冷媒通路（第６配管）
４４ｂ  冷媒通路（第４配管）
５１  冷凍サイクル
５２  コンプレッサ
５６  冷媒通路（第２配管）
５７  冷媒通路（第５配管）
【図１】
2013076373.tif 000003
【図２Ａ】
2013076373.tif 000004
【図２Ｂ】
2013076373.tif 000005
【図２Ｃ】
2013076373.tif 000006
【図３】
2013076373.tif 000007
【図４】
2013076373.tif 000008
【図５】
2013076373.tif 000009
【図６】
2013076373.tif 000010
【図７Ａ】
2013076373.tif 000011
【図７Ｂ】
2013076373.tif 000012
【図８】
2013076373.tif 000013
【図９】
2013076373.tif 000014
【図１０】
2013076373.tif 000015
【図１１】
2013076373.tif 000016
【図１２】
2013076373.tif 000017