ランキンサイクルシステム
【課題】熱交換器において冷媒の温度を効率よく高くするランキンサイクルシステムを提供する。
【解決手段】車両に搭載され、冷媒を循環させる冷媒ポンプ３２と、エンジンを冷却する冷却水と冷媒との間で熱交換を行う熱交換器３６と、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、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、熱交換器３６は、エンジンの排気通路３に隣接して設けられる。
【解決手段】車両に搭載され、冷媒を循環させる冷媒ポンプ３２と、エンジンを冷却する冷却水と冷媒との間で熱交換を行う熱交換器３６と、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、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、熱交換器３６は、エンジンの排気通路３に隣接して設けられる。
【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、車両用のランキンサイクルにおいて、蒸発器によって水を蒸発させて、高温高圧蒸気を膨張機に供給し、膨張機で出力を発生させるものが特許文献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】
しかし、上記発明では、内燃機関の冷却水とランキンサイクルの冷媒との間で熱交換を行う熱交換器を有するランキンサイクルについては考慮されていない。
【０００５】
冷却水と冷媒との間で熱交換を行う熱交換器を用いたランキンサイクルでは、内燃機関の熱が冷却水を介して冷媒に伝えられるために、運転条件によっては熱交換効率が悪くなる、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、内燃機関の冷却水とランキンサイクルの冷媒との間で熱交換を行う熱交換器において熱交換効率を改善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、車両に搭載され、冷媒を循環させる冷媒ポンプと、エンジンを冷却する冷却水と冷媒との間で熱交換を行う熱交換器と、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、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である。熱交換器は、エンジンの排気通路に隣接して設けられる。
【発明の効果】
【０００８】
この態様によると、温度が高くなる排気通路に隣接して熱交換器が設けられるので、排気通路からの熱によって熱交換器を暖め、熱交換効率を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の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】ハイブリッド車両を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。
【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】
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を通過する冷却水の流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を通過する冷却水の流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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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を通過する冷却水の流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を通過する冷却水の流量は相対的に増やされる。このようにサーモスタットバルブ１５の動作によって、エンジン水温（エンジン２内の冷却水温度）を適当に保ちつつ、ランキンサイクル３１への熱の供給も適当に行なわれるように構成されている。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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）。すなわち、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）。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）。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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は、図５に示すようにエンジン２に搭載されている。熱交換器３６と膨張機３７とを接続する冷媒通路４２は、排気マニホールド４の近傍に配置される。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。
【００２８】
膨張機３７からの冷媒は冷媒通路４３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。
【００２９】
凝縮器３８により液化された冷媒は、冷媒通路４４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。
【００３０】
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。
【００３１】
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、エンジン２によって駆動される。すなわち、図４にも示したようにコンプレッサ５２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５２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５２との間に電磁式のクラッチ（このクラッチを以下「コンプレッサクラッチ」という。）５４（第２クラッチ）を設けて、コンプレッサ５２とコンプレッサプーリ５３とを断接可能にしている。
【００３２】
図１に戻り、コンプレッサ５２からの冷媒は冷媒通路５６を介して冷媒通路４３に合流した後、凝縮器３８に供給される。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、冷媒通路４４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。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。
【００３３】
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。
【００３４】
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４４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４３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。
【００３５】
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。
【００３６】
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）。
【００３７】
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。
【００３８】
図３において、ポンプ上流弁６１は、冷媒ポンプ３２の入口に設けられるポンプ上流弁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が再起動する（回生が実際に行なえるようになる）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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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がエンジン２の排気通路３に隣接して配置されていることである。具体的には、熱交換器３６は排気マニホールド４の鉛直上方に排気マニホールド４に隣接して配置されている。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を排気マニホールド４と隣接して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、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を隣接して配置することによって、排気マニホールド４を流れる排気ガスの熱により、熱交換器３６を暖めることができる。また、エンジン２にはテンションプーリ８が設けられる。
【００４３】
排気マニホールド４を流れる排気ガスの温度は、エンジン２が高負荷、または高回転速度となると高くなる。そのため、エンジン２が高負荷、または高回転速度となるにつれて排気マニホールド４から熱交換器３６へ伝わる熱量が多くなる。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。エンジン２の排気ガスの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。
【００４７】
次に本実施形態の効果について説明する。
【００４８】
熱交換器４を排気通路３に隣接して設けることで、排気通路３内の排気ガスの熱によって熱交換器３６を暖め、熱交換器３６によって冷媒を効率よく暖めることができる。特に温度が高い排気ガスが流れる排気マニホールド４に隣接して熱交換器３６を設けることで、熱交換器３６によって冷媒を効率よく暖めることができる。またエンジン２付近の空き空間を有効に利用することができ、レイアウト効率を良くすることができる。
【００４９】
エンジン２が高負荷、または高回転速度となると冷却水の温度が高くなるので、サーモスタットバルブ１５によってラジエータ１１に冷却水を循環させる冷却水通路１３への冷却水の流量は相対的に多くなり、エンジン２内の冷却水温度は適温に保たれる。この場合、熱交換器３６に流れる冷却水の流量が相対的に少なくなり、冷却水から熱交換器３６に伝わる熱量が少なくなる。冷却水の温度が高く、熱交換器３６を流れる冷却水の流量が相対的に少なくなった場合でも、本実施形態では排気通路３、特に排気マニホールド４に隣接して熱交換器３６を設けることで、熱交換器３６の温度が低下することを抑制することができる。エンジン２が高負荷、または高回転速度となっている場合には、排気ガスの温度も高くなっているので、排気ガスの熱によって熱交換器３６の温度が低下することを抑制することができる。
【００５０】
また、エンジン２の負荷および回転速度が比較的小さく、冷却水の温度が低くなると、熱交換器３６を流れる冷却水の流量が相対的に多くなる。そのため熱交換器３６において冷却水から冷媒に伝わる熱量が多くなるが、排気ガスの温度が比較的低いので排気通路３（排気マニホールド４）から熱交換器３６に伝わる熱量は少なくなり、熱交換器３６の温度が過剰に上昇することを防止することができる。
【００５１】
このように、本実施形態では、エンジン２の冷却水の温度を適温に保ちつつ、熱交換器３６の温度も適温に保つことができる。
【００５２】
エンジン、ランキンサイクルを停止した後に熱交換器が急速に温度低下すると、熱交換器に冷媒が滞留する。冷媒を冷凍サイクル５１と共用している場合に、熱交換器３６に冷媒が滞留すると、次回の始動時に冷凍サイクル５１で冷媒不足が生じ、冷凍サイクル５１を素早く運転させることができなくなるおそれがある。本実施形態では、熱交換器３６を排気通路３（排気マニホールド４）に隣接して設けているので、エンジン２、ランキンサイクル３１の運転を停止した後であっても、しばらく間は排気通路３（排気マニホールド４）の熱によって熱交換器３６の温度低下を抑制することができる。そのため、エンジン２、ランキンサイクル３１を停止した後に熱交換器３６に冷媒が滞留することを抑制することができる。そのため、次回の始動時に、冷凍サイクル５１における冷媒不足を抑制することができ、冷凍サイクル５１を素早く運転させることができる。
【００５３】
熱交換器３６と膨張機３７とを接続する冷媒通路４２を排気マニホールド４に隣接して配置することで、冷媒通路４２の長さを短くすることができ、コストを削減することができる。また、冷媒通路４２における圧力損失を低減することができ、ランキンサイクル３１の効率を向上することができる。
【００５４】
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。
【００５５】
本実施形態では、熱交換器における冷却水の循環をサーモスタットバルブ１５によって制御したが、エンジンコントローラ７１によってバルブなどを制御することで行っても良い。この場合には、冷却水の水温に基づいてバルブなどが制御される。
【符号の説明】
【００５６】
２ エンジン
３ 排気通路
４ 排気マニホールド
１１ ラジエータ
１３ 冷却水通路
１４ バイパス冷却水通路（バイパス通路）
１５ サーモスタットバルブ（流量制御手段）
３０ 統合サイクル（ランキンサイクルシステム）
３１ ランキンサイクル
３２ 冷媒ポンプ
３６ 熱交換器
３７ 膨張機
３８ 凝縮器
４２ 冷媒通路
５１ 冷凍サイクル
【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、車両用のランキンサイクルにおいて、蒸発器によって水を蒸発させて、高温高圧蒸気を膨張機に供給し、膨張機で出力を発生させるものが特許文献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】
しかし、上記発明では、内燃機関の冷却水とランキンサイクルの冷媒との間で熱交換を行う熱交換器を有するランキンサイクルについては考慮されていない。
【０００５】
冷却水と冷媒との間で熱交換を行う熱交換器を用いたランキンサイクルでは、内燃機関の熱が冷却水を介して冷媒に伝えられるために、運転条件によっては熱交換効率が悪くなる、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、内燃機関の冷却水とランキンサイクルの冷媒との間で熱交換を行う熱交換器において熱交換効率を改善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、車両に搭載され、冷媒を循環させる冷媒ポンプと、エンジンを冷却する冷却水と冷媒との間で熱交換を行う熱交換器と、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、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である。熱交換器は、エンジンの排気通路に隣接して設けられる。
【発明の効果】
【０００８】
この態様によると、温度が高くなる排気通路に隣接して熱交換器が設けられるので、排気通路からの熱によって熱交換器を暖め、熱交換効率を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の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】ハイブリッド車両を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。
【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】
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を通過する冷却水の流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を通過する冷却水の流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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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を通過する冷却水の流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を通過する冷却水の流量は相対的に増やされる。このようにサーモスタットバルブ１５の動作によって、エンジン水温（エンジン２内の冷却水温度）を適当に保ちつつ、ランキンサイクル３１への熱の供給も適当に行なわれるように構成されている。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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）。すなわち、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）。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）。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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は、図５に示すようにエンジン２に搭載されている。熱交換器３６と膨張機３７とを接続する冷媒通路４２は、排気マニホールド４の近傍に配置される。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。
【００２８】
膨張機３７からの冷媒は冷媒通路４３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。
【００２９】
凝縮器３８により液化された冷媒は、冷媒通路４４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。
【００３０】
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。
【００３１】
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、エンジン２によって駆動される。すなわち、図４にも示したようにコンプレッサ５２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５２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５２との間に電磁式のクラッチ（このクラッチを以下「コンプレッサクラッチ」という。）５４（第２クラッチ）を設けて、コンプレッサ５２とコンプレッサプーリ５３とを断接可能にしている。
【００３２】
図１に戻り、コンプレッサ５２からの冷媒は冷媒通路５６を介して冷媒通路４３に合流した後、凝縮器３８に供給される。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、冷媒通路４４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。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。
【００３３】
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。
【００３４】
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４４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４３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。
【００３５】
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。
【００３６】
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）。
【００３７】
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。
【００３８】
図３において、ポンプ上流弁６１は、冷媒ポンプ３２の入口に設けられるポンプ上流弁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が再起動する（回生が実際に行なえるようになる）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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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がエンジン２の排気通路３に隣接して配置されていることである。具体的には、熱交換器３６は排気マニホールド４の鉛直上方に排気マニホールド４に隣接して配置されている。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を排気マニホールド４と隣接して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、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を隣接して配置することによって、排気マニホールド４を流れる排気ガスの熱により、熱交換器３６を暖めることができる。また、エンジン２にはテンションプーリ８が設けられる。
【００４３】
排気マニホールド４を流れる排気ガスの温度は、エンジン２が高負荷、または高回転速度となると高くなる。そのため、エンジン２が高負荷、または高回転速度となるにつれて排気マニホールド４から熱交換器３６へ伝わる熱量が多くなる。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。エンジン２の排気ガスの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。
【００４７】
次に本実施形態の効果について説明する。
【００４８】
熱交換器４を排気通路３に隣接して設けることで、排気通路３内の排気ガスの熱によって熱交換器３６を暖め、熱交換器３６によって冷媒を効率よく暖めることができる。特に温度が高い排気ガスが流れる排気マニホールド４に隣接して熱交換器３６を設けることで、熱交換器３６によって冷媒を効率よく暖めることができる。またエンジン２付近の空き空間を有効に利用することができ、レイアウト効率を良くすることができる。
【００４９】
エンジン２が高負荷、または高回転速度となると冷却水の温度が高くなるので、サーモスタットバルブ１５によってラジエータ１１に冷却水を循環させる冷却水通路１３への冷却水の流量は相対的に多くなり、エンジン２内の冷却水温度は適温に保たれる。この場合、熱交換器３６に流れる冷却水の流量が相対的に少なくなり、冷却水から熱交換器３６に伝わる熱量が少なくなる。冷却水の温度が高く、熱交換器３６を流れる冷却水の流量が相対的に少なくなった場合でも、本実施形態では排気通路３、特に排気マニホールド４に隣接して熱交換器３６を設けることで、熱交換器３６の温度が低下することを抑制することができる。エンジン２が高負荷、または高回転速度となっている場合には、排気ガスの温度も高くなっているので、排気ガスの熱によって熱交換器３６の温度が低下することを抑制することができる。
【００５０】
また、エンジン２の負荷および回転速度が比較的小さく、冷却水の温度が低くなると、熱交換器３６を流れる冷却水の流量が相対的に多くなる。そのため熱交換器３６において冷却水から冷媒に伝わる熱量が多くなるが、排気ガスの温度が比較的低いので排気通路３（排気マニホールド４）から熱交換器３６に伝わる熱量は少なくなり、熱交換器３６の温度が過剰に上昇することを防止することができる。
【００５１】
このように、本実施形態では、エンジン２の冷却水の温度を適温に保ちつつ、熱交換器３６の温度も適温に保つことができる。
【００５２】
エンジン、ランキンサイクルを停止した後に熱交換器が急速に温度低下すると、熱交換器に冷媒が滞留する。冷媒を冷凍サイクル５１と共用している場合に、熱交換器３６に冷媒が滞留すると、次回の始動時に冷凍サイクル５１で冷媒不足が生じ、冷凍サイクル５１を素早く運転させることができなくなるおそれがある。本実施形態では、熱交換器３６を排気通路３（排気マニホールド４）に隣接して設けているので、エンジン２、ランキンサイクル３１の運転を停止した後であっても、しばらく間は排気通路３（排気マニホールド４）の熱によって熱交換器３６の温度低下を抑制することができる。そのため、エンジン２、ランキンサイクル３１を停止した後に熱交換器３６に冷媒が滞留することを抑制することができる。そのため、次回の始動時に、冷凍サイクル５１における冷媒不足を抑制することができ、冷凍サイクル５１を素早く運転させることができる。
【００５３】
熱交換器３６と膨張機３７とを接続する冷媒通路４２を排気マニホールド４に隣接して配置することで、冷媒通路４２の長さを短くすることができ、コストを削減することができる。また、冷媒通路４２における圧力損失を低減することができ、ランキンサイクル３１の効率を向上することができる。
【００５４】
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。
【００５５】
本実施形態では、熱交換器における冷却水の循環をサーモスタットバルブ１５によって制御したが、エンジンコントローラ７１によってバルブなどを制御することで行っても良い。この場合には、冷却水の水温に基づいてバルブなどが制御される。
【符号の説明】
【００５６】
２ エンジン
３ 排気通路
４ 排気マニホールド
１１ ラジエータ
１３ 冷却水通路
１４ バイパス冷却水通路（バイパス通路）
１５ サーモスタットバルブ（流量制御手段）
３０ 統合サイクル（ランキンサイクルシステム）
３１ ランキンサイクル
３２ 冷媒ポンプ
３６ 熱交換器
３７ 膨張機
３８ 凝縮器
４２ 冷媒通路
５１ 冷凍サイクル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両に搭載され、冷媒を循環させる冷媒ポンプと、
エンジンを冷却する冷却水と前記冷媒との間で熱交換を行う熱交換器と、
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廃熱を動力に変換する膨張機と、
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、
前記熱交換器は、前記エンジンの排気通路に隣接して設けられることを特徴とするランキンサイクルシステム。
【請求項２】
前記冷却水の温度を下げるラジエータと、
前記ラジエータに前記冷却水を循環させる冷却水通路と、
前記ラジエータをバイパスして前記熱交換器に前記冷却水を循環させるバイパス通路と、
前記冷却水通路を流れる前記冷却水の流量と前記バイパス通路を流れる前記冷却水の流量とを制御する流量制御手段とを備え、
前記流量制御手段は、前記冷却水の温度が高くなるにつれて前記バイパス通路を流れる前記冷却水の流量を多くす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システム。
【請求項３】
前記熱交換器は、前記エンジンの排気マニホールドに隣接して設けられることを特徴とする請求項１または２に記載のランキンサイクルシステム。
【請求項４】
前記熱交換器と前記膨張機とを接続し、前記排気マニホールド近傍に配置された冷媒通路を備えることを特徴とする請求項３に記載のランキンサイクルシステム。
【請求項５】
前記冷媒は、エアコンの冷凍サイクルと共用されることを特徴とする請求項１から４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１】
車両に搭載され、冷媒を循環させる冷媒ポンプと、
エンジンを冷却する冷却水と前記冷媒との間で熱交換を行う熱交換器と、
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廃熱を動力に変換する膨張機と、
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、
前記熱交換器は、前記エンジンの排気通路に隣接して設けられることを特徴とするランキンサイクルシステム。
【請求項２】
前記冷却水の温度を下げるラジエータと、
前記ラジエータに前記冷却水を循環させる冷却水通路と、
前記ラジエータをバイパスして前記熱交換器に前記冷却水を循環させるバイパス通路と、
前記冷却水通路を流れる前記冷却水の流量と前記バイパス通路を流れる前記冷却水の流量とを制御する流量制御手段とを備え、
前記流量制御手段は、前記冷却水の温度が高くなるにつれて前記バイパス通路を流れる前記冷却水の流量を多くす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システム。
【請求項３】
前記熱交換器は、前記エンジンの排気マニホールドに隣接して設けられることを特徴とする請求項１または２に記載のランキンサイクルシステム。
【請求項４】
前記熱交換器と前記膨張機とを接続し、前記排気マニホールド近傍に配置された冷媒通路を備えることを特徴とする請求項３に記載のランキンサイクルシステム。
【請求項５】
前記冷媒は、エアコンの冷凍サイクルと共用されることを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載のランキンサイクルシステム。
【図１】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【公開番号】特開２０１３−７６３７１（Ｐ２０１３−７６３７１Ａ）
【公開日】平成２５年４月２５日（２０１３．４．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２１６７６７（Ｐ２０１１−２１６７６７）
【出願日】平成２３年９月３０日（２０１１．９．３０）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【出願人】（０００００１８４５）サンデン株式会社 (1,791)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月２５日（２０１３．４．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月３０日（２０１１．９．３０）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【出願人】（０００００１８４５）サンデン株式会社 (1,791)
【Ｆターム（参考）】
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