複合流体機械
【課題】膨張機部が駆動された状態で切替手段により圧縮機部と回転電機とを接続状態に切り替えるときに、回転電機に脱調が発生することを防止することができる複合流体機械を提供する。
【解決手段】複合流体機械４０において、膨張機部８５から出力された機械的エネルギーによりモータ・ジェネレータ５０が回転するとともに圧縮機部６０が駆動されておらず、かつ切替手段Ｃにより圧縮機部６０とモータ・ジェネレータ５０とが切断状態にある状況において、制御部５６は、圧縮機部６０とモータ・ジェネレータ５０とを接続状態とする旨の要求を受領すると、モータ・ジェネレータ５０の回転数を減少させる。その後、制御部５６は、モータ・ジェネレータ５０の回転数が予め設定された所定回転数より小さい場合に、切替手段Ｃによりモータ・ジェネレータ５０と圧縮機部６０とを接続状態に切り替える。
【解決手段】複合流体機械４０において、膨張機部８５から出力された機械的エネルギーによりモータ・ジェネレータ５０が回転するとともに圧縮機部６０が駆動されておらず、かつ切替手段Ｃにより圧縮機部６０とモータ・ジェネレータ５０とが切断状態にある状況において、制御部５６は、圧縮機部６０とモータ・ジェネレータ５０とを接続状態とする旨の要求を受領すると、モータ・ジェネレータ５０の回転数を減少させる。その後、制御部５６は、モータ・ジェネレータ５０の回転数が予め設定された所定回転数より小さい場合に、切替手段Ｃによりモータ・ジェネレータ５０と圧縮機部６０とを接続状態に切り替える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ランキンサイクル用作動流体の膨張によって機械的エネルギーを出力する膨張機部と、冷凍サイクル用作動流体を圧縮する圧縮機部と、発電機又は電動機として機能する回転電機と、回転電機と圧縮機部とを、接続状態又は切断状態に切り替える切替手段と、を備えた複合流体機械に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
この種の複合流体機械として、例えば特許文献１の流体機械が挙げられる。この流体機械は、流体を圧縮する圧縮機部と、外部駆動源の排熱エネルギーによって回転駆動力を発生する膨張機部と、電動機及び発電機の両機能を備える回転電機部とを有している。膨張機部は、圧縮機部及び回転電機部に接続されている。また、圧縮機部と回転電機部とは、切替手段によって接続状態を切断状態に切替可能になっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−３０７９５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、特許文献１には、切替手段を切断状態から接続状態へ切り替える際の流体機械の制御については何ら開示されていない。そして、流体機械において、圧縮機部が駆動されず、ランキンサイクルの冷媒の膨張によって膨張機部のみが駆動されて回転電機部が回転している状況では、圧縮機部の回転数が回転電機部の回転数より小さくなっている。この状況で圧縮機部の駆動要求があると、膨張機部から出力された動力が圧縮機部を駆動させるために要求される動力を越えていないと、回転電機部に給電がなされ回転数を上昇させた状態で、切替手段により圧縮機部と回転電機部とが接続状態に切替えられる。このとき、圧縮機部と回転電機部との回転数に差があると、回転電機部の駆動軸に負荷がかかることにより、回転電機部の回転数が低下し、回転電機部への制御パルスとの同期がとれなくなる現象、所謂脱調が発生してしまう。また、回転電機部に給電がなされていなくても回転数に差があると回転電機部に脱調が発生してしまう。
【０００５】
本発明は、このような従来の技術に存在する問題点に着目してなされたものである。その目的は、膨張機部が駆動された状態で切替手段により圧縮機部と回転電機とを接続状態に切り替えるときに、回転電機に脱調が発生することを防止することができる複合流体機械を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記問題点を解決するために、請求項１に記載の複合流体機械は、ランキンサイクル用作動流体の膨張によって機械的エネルギーを出力する膨張機部と、冷凍サイクル用作動流体を圧縮する圧縮機部と、発電機又は電動機として機能する回転電機と、前記回転電機と前記圧縮機部とを、接続状態又は切断状態に切り替える切替手段と、を備える。さらに、複合流体機械は、前記回転電機の回転数を検出する回転数検出手段と、前記回転数検出手段の検出結果に基づき前記回転電機の回転数が予め設定された所定回転数より小さいか否かを判定する回転数判定手段と、前記切替手段及び回転電機の駆動を制御する制御手段と、を備える。そして、前記機械的エネルギーにより前記回転電機が回転するとともに、前記切替手段により前記圧縮機部と前記回転電機とが切断状態にある状況において、前記制御手段は、前記圧縮機部と前記回転電機とを接続状態とする旨の要求を受領すると、前記回転数判定手段の判定結果が肯定判定の場合に、前記切替手段により前記圧縮機部と前記回転電機とを前記接続状態に切り替える。
【０００７】
これによれば、制御手段は、圧縮機部と回転電機とを接続状態とする旨の要求を受領すると、切替手段により接続状態とする前において、回転電機の回転数が所定回転数より小さくなったときに切替手段により回転電機と圧縮機部とを接続状態とするため、回転電機に脱調が発生することを防止することができる。よって、脱調時に生じる過電流に対応できるように、複合流体機械に容量の大きい電気素子を用いる必要がなく、複合流体機械の製造コストを抑えることができる。
【０００８】
また、前記制御手段は、前記回転数判定手段の判定結果が否定判定の場合には前記回転電機の回転数を減少させ、その後、前記回転数判定手段による前記判定が行われ、前記所定回転数より小さくなる迄、前記回転数を減少させる制御及び前記回転数判定手段による判定が繰り返されてもよい。これによれば、圧縮機部と回転電機とを接続状態とする旨の要求を受領すれば、回転電機の回転数が予め設定された所定回転数まで減少し続けることとなるため、最終的には圧縮機部と回転電機とを脱調を発生させることなく接続することができる。
【０００９】
また、前記圧縮機部の吐出圧領域と吸入圧領域との差圧を検出する差圧検出手段を備え、前記制御手段は、前記圧縮機部と前記回転電機とを接続状態とする旨の要求を受領すると、前記差圧検出手段の検出結果に基づき前記差圧が所定差圧より大きい場合には前記回転電機の回転数を減少させ、その後、前記回転数判定手段の判定が行われる一方で、前記差圧が所定差圧より小さい場合には前記回転電機の回転数を減少させることなく前記切替手段により前記圧縮機部と前記回転電機とを前記接続状態に切り替えてもよい。
【００１０】
これによれば、圧縮機部の差圧が所定差圧より大きく、回転電機の回転数を大きくする必要がある場合は、回転電機の回転数を一旦減少させることで、圧縮機部と回転電機とが接続状態に切り替えられたときの負荷を減らして脱調の発生を防止することができる。一方、圧縮機部の差圧が所定差圧より小さい場合は、そのまま切替手段により接続状態に切り替えても負荷が小さいので脱調が発生しない。よって、脱調を防止しながら切替手段により圧縮機部と回転電機とを接続状態とする際に、回転電機の回転数を変動させる機会を少なくして、騒音や振動の発生を抑えることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、膨張機部が駆動された状態で切替手段により圧縮機部と回転電機とを接続状態に切り替えるときに、回転電機に脱調が発生することを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施形態の車両用排熱回収システムを示す模式図。
【図２】実施形態の複合流体機械を示す断面図。
【図３】制御手段の処理を示すフローチャート。
【図４】制御手段の処理の別例を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
（第１の実施形態）
以下、本発明を具体化した第１の実施形態を図１〜図３にしたがって説明する。
まず、本実施形態の複合流体機械４０を備えた車両用排熱回収システム１１の全体構成について説明する。図１に示すように、車両用排熱回収システム１１は、排熱源としてのエンジン１２を備えるとともに、別々のサイクルで構成された冷凍サイクル３０と、ランキンサイクル２０とを併せ持つ。冷凍サイクル３０内は、車両空調用のために冷凍サイクル用作動流体としての冷媒が循環する。一方、ランキンサイクル２０内は、エンジン１２からの排熱によって加熱されるランキンサイクル用作動流体としての冷媒が循環する。そして、車両用排熱回収システム１１において、複合流体機械４０は、ランキンサイクル２０の一部及び冷凍サイクル３０の一部を構成している。
【００１４】
次に、車両に搭載される複合流体機械４０について説明する。なお、以下の説明において、複合流体機械４０の「前」及び「後」は、図２に示す矢印Ｙの方向を前後方向とする。
【００１５】
図２に示すように、複合流体機械４０は、アルミニウム合金よりなるハウジング４１を備える。ハウジング４１は、筒状をなすセンタハウジング４２を備える。このセンタハウジング４２の前端（一端）にはフロントハウジング４３が接合されている。また、ハウジング４１において、センタハウジング４２の後端（他端）には、隔壁部４４を介してリヤハウジング４５が接合されている。
【００１６】
センタハウジング４２の内周面には、センタハウジング４２の内側に向けて延びる仕切壁４２ａが形成されるとともに、この仕切壁４２ａによってセンタハウジング４２内が前後２つの空間に仕切られている。仕切壁４２ａより後側の空間と隔壁部４４との間には回転電機としてのモータ・ジェネレータ５０が収容されている。モータ・ジェネレータ５０は駆動軸５１を有するとともに、この駆動軸５１は、仕切壁４２ａ及び隔壁部４４に設けられた軸受４６によって回転可能に支持されている。駆動軸５１には、モータロータ５２ａが駆動軸５１と一体回転可能に固定されている。また、センタハウジング４２の内周面には、ステータ５２ｂがモータロータ５２ａを取り囲むように固定されている。そして、モータ・ジェネレータ５０は、ステータ５２ｂのコイル５２ｃへの給電によりモータロータ５２ａを回転させる電動機としての機能と、モータロータ５２ａが回転されることでステータ５２ｂのコイル５２ｃに電力を生じさせる発電機としての機能とを併せ持つ。
【００１７】
図１に示すように、モータ・ジェネレータ５０にはインバータ５４を介してバッテリ５５が接続され、モータ・ジェネレータ５０で生じた電力はインバータ５４を介してバッテリ５５に蓄えられるようになっている。また、バッテリ５５に蓄電された電力は、インバータ５４を介してモータ・ジェネレータ５０に供給されるようになっている。そして、本実施形態では、インバータ５４は、モータ・ジェネレータ５０の回転数を検出する回転数検出手段を構成している。
【００１８】
インバータ５４には、複合流体機械４０を全般に亘って制御する制御手段としての制御部５６が接続されている。また、制御部５６は、記憶手段（図示せず）に記憶された所定のプログラムデータ及び各種データに従って各種の処理を実行するようになっている。制御部５６は、インバータ５４からの検出信号に基づきモータ・ジェネレータ５０の回転数が予め設定された所定回転数より小さいか否かを判定するようになっている。よって、本実施形態では、制御部５６が、インバータ５４の検出結果に基づきモータ・ジェネレータ５０の回転数が予め設定された所定回転数より小さいか否かを判定する回転数判定手段を構成している。
【００１９】
図２に示すように、センタハウジング４２内において、仕切壁４２ａより前側の空間内には支持ブロック４２ｂが固設されている。仕切壁４２ａより前側の空間内には、圧縮機部６０の圧縮機軸４７が支持ブロック４２ｂに設けられた軸受４８によって回転可能に支持されるとともに、この圧縮機軸４７は駆動軸５１と同軸上に配置されている。駆動軸５１において、圧縮機軸４７と対向する端部には、第１クラッチ板４９ａが固定されるとともに、圧縮機軸４７において駆動軸５１と対向する端部には、第２クラッチ板４９ｂが固定されている。
【００２０】
そして、制御部５６による電磁コイル４９ｃへの給電により第１クラッチ板４９ａと第２クラッチ板４９ｂとを吸着させることで、駆動軸５１と圧縮機軸４７とを接続可能になっている。逆に、制御部５６による電磁コイル４９ｃへの給電の停止により第１クラッチ板４９ａと第２クラッチ板４９ｂとを離間させることで、駆動軸５１と圧縮機軸４７とを切断可能になっている。よって、第１クラッチ板４９ａと、第２クラッチ板４９ｂと、電磁コイル４９ｃとから、モータ・ジェネレータ５０と圧縮機部６０とを接続状態又は切断状態に切り替える切替手段Ｃが構成されている。また、電磁コイル４９ｃへの給電が制御部５６により制御されることによって、切替手段Ｃの駆動が制御されるようになっている。
【００２１】
複合流体機械４０において、センタハウジング４２内における仕切壁４２ａより前側の空間と、フロントハウジング４３との間には、スクロール型の圧縮機部６０が設けられている。圧縮機軸４７の前端には、圧縮機軸４７の中心軸に対して偏心した位置に偏心軸６１が設けられるとともに、偏心軸６１は圧縮機軸４７の回転により圧縮機軸４７の中心軸の周りを公転するようになっている。偏心軸６１にはブッシュ６２が固定されるとともに、ブッシュ６２は偏心軸６１と共に中心軸の周りを公転するようになっている。このブッシュ６２には軸受装置６３を介して可動スクロール６４が回転可能に支持されるとともに、カウンタウェイト６５が固定されている。
【００２２】
可動スクロール６４は、軸受装置６３に支持された円盤状をなす可動側端板６４ａと、この可動側端板６４ａから突設された渦巻状の可動側渦巻壁６４ｂとからなる。また、センタハウジング４２内には固定スクロール６７が可動スクロール６４と対向するように固設されている。固定スクロール６７は、円盤状をなす固定側端板６７ａと、この固定側端板６７ａから可動スクロール６４に向けて突設された渦巻状の固定側渦巻壁６７ｂとを一体に備えている。そして、可動スクロール６４の可動側渦巻壁６４ｂと、固定スクロール６７の固定側渦巻壁６７ｂとは互いに噛み合わされて容積変更可能な作動室６８を区画する。
【００２３】
また、固定スクロール６７における固定側端板６７ａの中央部には吐出口６７ｃが形成されるとともに、この吐出口６７ｃは固定側端板６７ａに設けられた吐出弁６９により開閉可能になっている。固定側端板６７ａとフロントハウジング４３との間には、吐出圧領域としての吐出チャンバ７０が区画されるとともに、この吐出チャンバ７０には吐出口６７ｃを介して圧縮後の作動室６８に連通している。また、フロントハウジング４３には、吐出チャンバ７０に連通する吐出ポート４３ａが形成されている。
【００２４】
さらに、固定スクロール６７の内周面と、可動スクロール６４における可動側渦巻壁６４ｂの最外周面との間には、吸入圧領域としての吸入チャンバＳが区画形成されるとともに、フロントハウジング４３には吸入チャンバＳに連通する吸入ポート（図示せず）が形成されている。図１に示すように、複合流体機械４０は、圧縮機部６０における吐出チャンバ７０と、吸入チャンバＳとの差圧を検出する圧力センサ６６を備えている。この圧力センサ６６は、制御部５６に接続されており、圧力センサ６６の検出信号が制御部５６に入力されるようになっている。そして、この圧力センサ６６は差圧検出手段を構成している。
【００２５】
図２に示すように、リヤハウジング４５及びセンタハウジング４２の後側には、隔壁部４４に対向するように第１サイドプレート７１が固設されるとともに、第２サイドプレート７２が第１サイドプレート７１と対向するように間隔を空けて固設されている。そして、駆動軸５１は、隔壁部４４、第１サイドプレート７１及び第２サイドプレート７２を貫通している。また、隔壁部４４と第１サイドプレート７１との間にはギヤポンプ７５が設けられている。
【００２６】
隔壁部４４とリヤハウジング４５とによって区画された空間内には膨張機部８５が設けられている。リヤハウジング４５において、第１サイドプレート７１と第２サイドプレート７２の間には筒状をなすシリンダブロック７７が収容されている。シリンダブロック７７内において、駆動軸５１には円筒状をなすロータ７９が駆動軸５１に一体回転可能に止着されるとともに、ロータ７９の外周面には、ロータ７９の軸方向全体に亘って延びるベーン８０が出没可能に収容されている。そして、駆動軸５１の回転に伴うロータ７９の回転によってベーン８０の先端面がシリンダブロック７７の内周面に接触すると、ロータ７９の外周面と、シリンダブロック７７の内周面と、隣り合うベーン８０と、第１及び第２サイドプレート７１，７２との間に作動室８１が区画されるようになっている。
【００２７】
また、膨張機部８５において、リヤハウジング４５と第２サイドプレート７２との間には吐出空間８６が区画されるとともに、リヤハウジング４５には吐出空間８６に連通する吐出ポート８７が形成されている。また、膨張機部８５において、リヤハウジング４５には作動室８１に連通する吸入ポート（図示せず）が形成されている。
【００２８】
次に、上記複合流体機械４０を備えた車両用排熱回収システム１１におけるランキンサイクル２０及び冷凍サイクル３０について説明する。図１に示すように、冷凍サイクル３０は、複合流体機械４０における圧縮機部６０、凝縮器３４、膨張弁３９、及び、蒸発器３５が環状に接続されて形成されている。圧縮機部６０の吐出ポート４３ａには圧縮側吐出流路３２を介して凝縮器３４が接続されている。そして、圧縮機部６０で高温高圧に圧縮され吐出チャンバ７０へ吐出された冷媒は圧縮側吐出流路３２を介して凝縮器３４に導入され、凝縮器３４で冷却される。凝縮器３４の吐出側には流路３３を介して蒸発器３５が接続されるとともに、流路３３上には膨張弁３９が設けられている。そして、膨張弁３９は、凝縮器３４で冷却された冷媒を減圧膨張させ、蒸発器３５は膨張弁３９によって減圧された冷媒を蒸発させる。
【００２９】
また、蒸発器３５の吐出側には、圧縮側吸入流路３１を介して圧縮機部６０の吸入ポートが接続されるとともに圧縮側吸入流路３１上には逆止弁３７が設けられ、逆止弁３７は蒸発器３５側から圧縮機部６０側のみに冷媒が流れることを許容する。そして、冷媒は、圧縮機部６０で圧縮された後、凝縮器３４、膨張弁３９、蒸発器３５、及び逆止弁３７を通過して圧縮機部６０に吸入され、冷凍サイクル３０を循環するようになっている。
【００３０】
次に、ランキンサイクル２０を説明すると、ギヤポンプ７５の吐出側には第１流路２１ａを介して第１ボイラ２６の吸熱器２６ａが接続されている。第１ボイラ２６は、吸熱器２６ａに加え放熱器２６ｂを備える。この放熱器２６ｂは、エンジン１２に接続された冷却水循環経路１３上に設けられている。冷却水循環経路１３上にはラジエータ１３ａが設けられている。そして、車両のエンジン１２を冷却した冷却水（高温流体）は、冷却水循環経路１３を循環して放熱器２６ｂ及びラジエータ１３ａで放熱する。
【００３１】
第１ボイラ２６において、吸熱器２６ａの吐出側には接続通路２１ｃを介して第２ボイラ２７の吸熱器２７ａが接続されている。第２ボイラ２７は、吸熱器２７ａに加え放熱器２７ｂを備える。この放熱器２７ｂは、エンジン１２に接続された排気通路１４上に設けられている。そして、エンジン１２からの排気は、放熱器２７ｂで放熱した後、マフラ１５から排気される。よって、ギヤポンプ７５から吐出された冷媒は、第１及び第２ボイラ２６，２７の吸熱器２６ａ，２７ａと放熱器２６ｂ，２７ｂとの間での熱交換によりエンジン１２からの排熱によって加熱される。
【００３２】
第２ボイラ２７において吸熱器２７ａの吐出側には、膨張側吸入流路２２ａを介して膨張機部８５における吸入ポートが接続され、第１及び第２ボイラ２６，２７で加熱された高温の冷媒は膨張側吸入流路２２ａを介して膨張機部８５に導入されるようになっている。そして、膨張機部８５で膨張した低温低圧の冷媒は、吐出空間８６に吐出されるようになっている。
【００３３】
また、膨張機部８５の吐出ポート８７には、膨張側吐出流路２２ｂを介して凝縮器２３が接続されている。そして、膨張機部８５で膨張した低温低圧の冷媒は、吐出ポートから膨張側吐出流路２２ｂを介して凝縮器２３へ吐出されるようになっている。凝縮器２３の吐出側には第２流路２１ｂを介してギヤポンプ７５の冷媒導入側が接続されている。
【００３４】
そして、ランキンサイクル２０内の冷媒は、ギヤポンプ７５のポンプ作用により、膨張機部８５、凝縮器２３、ギヤポンプ７５、第１ボイラ２６、及び第２ボイラ２７を通過してランキンサイクル２０を循環するようになっている。
【００３５】
次に、制御部５６による複合流体機械４０の制御について、図３のフローチャートを用いて説明する。なお、車両用排熱回収システム１１は、圧縮機部６０の駆動要求がない場合とする。また、複合流体機械４０は、切替手段Ｃが切断状態とされ、圧縮機部６０の駆動が停止されるとともに、エンジン１２の排熱量が得られ、ランキンサイクル２０における冷媒の膨張により膨張機部８５が機械的エネルギー（駆動力）を出力しモータ・ジェネレータ５０が回転している状況とする。また、モータ・ジェネレータ５０には、モータ・ジェネレータ５０を回転させるための給電がなされていないものとする。
【００３６】
さて、エアコンスイッチがＯＮされ、制御部５６が、切替手段Ｃを接続状態に切り替える旨の要求を受領すると（ステップＳ１）、制御部５６はモータ・ジェネレータ５０の回転数を、膨張機部８５が駆動していたときの回転数より減少させる（ステップＳ２）。
【００３７】
次に、制御部５６は、インバータ５４からの検出信号に基づき、モータ・ジェネレータ５０の回転数が予め設定された所定回転数より小さいか否かを判定する（ステップＳ３）。なお、この所定回転数とは、切替手段Ｃにおいて、第１クラッチ板４９ａと第２クラッチ板４９ｂとを接続した際に、モータ・ジェネレータ５０に脱調が発生しないと保証できるモータ・ジェネレータ５０の回転数のうち最も高い値である。また、脱調とは、第１クラッチ板４９ａと第２クラッチ板４９ｂとを接続した際に、その接続に起因してモータ・ジェネレータ５０の駆動軸５１に負荷がかかることによりモータ・ジェネレータ５０の回転数が減少して、モータ・ジェネレータ５０への給電により生成される制御パルスとの同期がとれなくなる現象のことである。
【００３８】
そして、ステップＳ３の判定結果が否定判定である場合、制御部５６は、ステップＳ２に戻り、モータ・ジェネレータ５０の回転数をさらに減少させる。ステップＳ３の判定結果が肯定判定である場合、制御部５６は、切替手段Ｃの電磁コイル４９ｃに給電し、第１クラッチ板４９ａと第２クラッチ板４９ｂとを接続状態とし（ステップＳ４）、圧縮機部６０とモータ・ジェネレータ５０とを接続状態に切り替える。次に、制御部５６は、モータ・ジェネレータ５０に給電し、モータ・ジェネレータ５０の回転数を、エアコン側の要求を満たす回転数及び接続前の回転数のうち多い方にまで回転数を上昇させる（ステップＳ５）。
【００３９】
次に、車両用排熱回収システム１１の作用について説明する。なお、複合流体機械４０は、圧縮機部６０の駆動が停止されている状況とする。
さて、車両のエンジン１２が駆動されると、第１ボイラ２６及び第２ボイラ２７において、吸熱器２６ａ，２７ａと放熱器２６ｂ，２７ｂとの間での熱交換により、ランキンサイクル２０における冷媒がエンジン１２からの排熱によって加熱される。加熱後の高圧の冷媒は、膨張側吸入流路２２ａを介して吸入ポートから膨張機部８５に導入されて膨張し、この膨張により膨張機部８５が機械的エネルギー（駆動力）を出力する。すなわち、この駆動力によってモータ・ジェネレータ５０の駆動軸５１が回転されるとともにギヤポンプ７５が駆動される。
【００４０】
このとき、エンジン１２からの排熱量が大きく、膨張機部８５からの出力により、駆動軸５１が予め設定された要求回転数を越えて回転する場合には、モータ・ジェネレータ５０を発電機として機能させて駆動軸５１の回転数を抑えるようにする。そして、要求回転数を越える出力は電力に変換され、インバータ５４を介してバッテリ５５に充電される。
【００４１】
膨張を終えて圧力が低下した冷媒は、吐出空間８６に吐出された後、吐出ポート８７を介して膨張側吐出流路２２ｂへ吐出される。膨張側吐出流路２２ｂへ吐出された冷媒は、凝縮器２３を通過し、第２流路２１ｂを介してギヤポンプ７５に導入される。そして、膨張機部８５からの出力により駆動されるギヤポンプ７５により、冷媒は第１ボイラ２６及び第２ボイラ２７へ供給される。したがって、エンジン１２が駆動されている間は、冷媒はランキンサイクル２０を循環する。
【００４２】
さて、エアコンスイッチがＯＮされ、制御部５６が切替手段Ｃを接続状態にする旨の要求を受領するとモータ・ジェネレータ５０の回転数を、膨張機部８５からの出力によって駆動されていたときの回転数より減少させる。その後、制御部５６は、減少させたモータ・ジェネレータ５０の回転数が、脱調を発生させないように予め設定された所定回転数より小さい場合には、電磁コイル４９ｃに給電し、第１クラッチ板４９ａと第２クラッチ板４９ｂとを接続し、圧縮機部６０とモータ・ジェネレータ５０とを接続状態とする。一方、制御部５６は、減少させたモータ・ジェネレータ５０の回転数が、脱調を発生させないように予め設定された所定回転数より大きい場合には、モータ・ジェネレータ５０の回転数をさらに減少させる。そして、制御部５６は、モータ・ジェネレータ５０の回転数が所定回転数より小さくなると、電磁コイル４９ｃに給電し、第１クラッチ板４９ａと第２クラッチ板４９ｂとを接続し、圧縮機部６０とモータ・ジェネレータ５０とを接続状態とする。
【００４３】
その接続後、制御部５６は、モータ・ジェネレータ５０に給電し、モータ・ジェネレータ５０の回転数を、エアコン側の要求を満たす回転数及び接続前の回転数のうち多い方にまで回転数を上昇させる。すると、モータ・ジェネレータ５０の駆動力によって駆動軸５１が回転されるとともに圧縮機軸４７が回転し圧縮機部６０が駆動される。すなわち、圧縮機部６０が駆動される際、必要とされる動力の一部がモータ・ジェネレータ５０により負担される。その後、膨張機部８５からの出力により、圧縮機部６０がエアコン要求を満たすための回転数又は接続前の回転数で回転可能になると、制御部５６はモータ・ジェネレータ５０への給電を停止し、その後、圧縮機部６０は膨張機部８５からの出力により駆動される。
【００４４】
そして、圧縮機部６０で圧縮された冷媒は、所定の圧力まで圧縮されると吐出口６７ｃから吐出チャンバ７０に吐出される。さらに、圧縮された冷媒は、凝縮器３４、膨張弁３９、蒸発器、及び逆止弁３７を経由して圧縮側吸入流路３１から圧縮機部６０に吸入される。
【００４５】
エアコンスイッチがＯＦＦされる、又はエアコンによる圧縮機部６０の駆動要求がない場合は、制御部５６は電磁コイル４９ｃへの給電を停止し、第１クラッチ板４９ａと第２クラッチ板４９ｂとの接続状態が切断状態となる。すると、圧縮機部６０の駆動が停止される。
【００４６】
上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）膨張機部８５のみが駆動され、圧縮機部６０とモータ・ジェネレータ５０とが切断状態にある状況で、圧縮機部６０とモータ・ジェネレータ５０とを接続状態にする旨の要求があると、制御部５６はモータ・ジェネレータ５０の回転数を減少させる。そして、モータ・ジェネレータ５０の回転数が、脱調を発生させないように予め設定された所定回転数より小さくなると、切替手段Ｃによりモータ・ジェネレータ５０と圧縮機部６０とを接続状態とする。このため、接続状態としたときに、その接続に伴い駆動軸５１に負荷がかかり、その負荷によってモータ・ジェネレータ５０の回転数が低下してしまうことを防止することができる。その結果として、モータ・ジェネレータ５０の回転数の低下による脱調の発生を防止することができる。よって、脱調時に生じる過電流に対応できるように、インバータ５４に容量の大きい電気素子を用いる必要がなく、複合流体機械４０の製造コストを抑えることができる。
【００４７】
（２）制御部５６は、モータ・ジェネレータ５０の回転数を減少させた後に、インバータ５４の検出結果に基づきモータ・ジェネレータ５０の回転数が所定回転数より小さいか否かを判定し、モータ・ジェネレータ５０の回転数が所定回転数より小さくなるまで、モータ・ジェネレータ５０の回転数を減少させ続ける。このため、最終的には、モータ・ジェネレータ５０の回転数を所定回転数より小さくすることができ、切替手段Ｃにより接続状態に切り替えたときにモータ・ジェネレータ５０に脱調が発生することを確実に防止することができる。
【００４８】
（３）制御部５６は、モータ・ジェネレータ５０の回転数が所定回転数より小さくなり、切替手段Ｃにより接続状態とした後、圧縮機部６０がエアコン要求を満たすための回転数又は接続前の回転数で回転可能になるように、モータ・ジェネレータ５０に給電する。このため、圧縮機部６０とモータ・ジェネレータ５０とが接続された後は、圧縮機部６０によってエアコン要求に適正に応じることができる。
【００４９】
（第２の実施形態）
以下、本発明を具体化した第２の実施形態を図４にしたがって説明する。なお、以下の説明では、既に説明した実施形態と同一構成について同一符号を付すなどし、その重複する説明を省略又は簡略する。
【００５０】
さて、図４のフローチャートに示すように、エアコンスイッチがＯＮされ、制御部５６が切替手段Ｃを接続状態に切り替える旨の要求を受領すると（ステップＳ１１）、制御部５６は、圧力センサ６６からの検出信号に基づき、圧縮機部６０における差圧（吐出圧−吸入圧）が予め設定された所定差圧より大きいか否かを判定する（ステップＳ１２）。なお、この差圧が大きければ大きい程、圧縮機部６０の回転数が増加する。そして、所定差圧は、第１クラッチ板４９ａと第２クラッチ板４９ｂとを接続した瞬間に、モータ・ジェネレータ５０に脱調が生じないと保証できる圧縮機部６０の回転数のうち最も高い値のことであり、低回転時の回転数のことである。
【００５１】
ステップＳ１２の判定結果が肯定判定である場合、制御部５６はモータ・ジェネレータ５０の回転数を、膨張機部８５が駆動していたときの回転数より減少させる（ステップＳ１３）。次に、制御部５６は、インバータ５４からの検出信号に基づき、モータ・ジェネレータ５０の回転数が予め設定された所定回転数より小さいか否かを判定する（ステップＳ１４）。なお、この所定回転数とは、切替手段Ｃにおいて、第１クラッチ板４９ａと第２クラッチ板４９ｂとを接続した際に、モータ・ジェネレータ５０に脱調が発生しないと保証できるモータ・ジェネレータ５０の回転数のうち最も高い値である。
【００５２】
そして、ステップＳ１４の判定結果が否定判定である場合、制御部５６は、ステップＳ１３に戻り、モータ・ジェネレータ５０の回転数をさらに減少させる。ステップＳ１４の判定結果が肯定判定である場合、制御部５６は、切替手段Ｃの電磁コイル４９ｃに給電し、第１クラッチ板４９ａと第２クラッチ板４９ｂとを接続し（ステップＳ１５）、圧縮機部６０とモータ・ジェネレータ５０とを接続状態に切り替える。
【００５３】
なお、ステップＳ１２の判定結果が否定判定である場合、制御部５６は、ステップＳ１５に移行する。次に、制御部５６は、モータ・ジェネレータ５０に給電し、モータ・ジェネレータ５０の回転数を、エアコン側の要求を満たす回転数及び接続前の回転数のうち多い方にまで回転数を上昇させる（ステップＳ１６）。
【００５４】
上記第２の実施形態によれば、第１の実施形態の効果（１）〜（３）と同様の効果に加えて、以下に示す効果を得ることができる。
（４）膨張機部８５のみが駆動され、圧縮機部６０とモータ・ジェネレータ５０とが切断状態にある状況で、圧縮機部６０とモータ・ジェネレータ５０とを接続状態にする旨の要求があると、制御部５６は圧縮機部６０の差圧が所定差圧より大きいか否かを判定し、大きい場合にモータ・ジェネレータ５０の回転数を減少させる。圧縮機部６０の差圧が所定差圧より大きい場合は、モータ・ジェネレータ５０の回転数を大きくする必要がある場合であるため、モータ・ジェネレータ５０の回転数を一旦減少させ、圧縮機部６０とモータ・ジェネレータ５０との回転数の差を小さくすることで、接続状態に切り替えられた際の負荷を小さくし脱調の発生を防止することができる。一方、圧縮機部６０の差圧が所定差圧より小さい場合は、モータ・ジェネレータ５０の回転数が大きくないため、そのまま切替手段Ｃにより接続状態に切り替えても負荷が小さく脱調が発生しない。よって、脱調を防止しながら切替手段Ｃにより圧縮機部６０とモータ・ジェネレータ５０とを接続状態とする際に、モータ・ジェネレータ５０の回転数を変動させる機会を少なくして、騒音や振動の発生を抑えることができる。
【００５５】
なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 実施形態において、ポンプはギヤポンプ７５の他の形態のポンプとしてもよい。
○ 実施形態において、圧縮機部６０はスクロール型とは他の形式の圧縮機構であってもよい。
【００５６】
○ 実施形態において、膨張機部８５はベーン式とは他の形式の膨張機構であってもよい。
次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について以下に追記する。
【００５７】
（イ）前記回転数検出手段はインバータである請求項１〜請求項３のうちいずれか一項に記載の複合流体機械。
（ロ）ランキンサイクル用作動流体の膨張によって機械的エネルギーを出力する膨張機部と、冷凍サイクル用作動流体を圧縮する圧縮機部と、発電機又は電動機として機能する回転電機と、前記回転電機と前記圧縮機部とを、接続状態又は切断状態に切り替える切替手段と、を備えた複合流体機械の制御方法であって、
前記機械的エネルギーにより前記回転電機が回転するとともに、前記切替手段により前記圧縮機部と前記回転電機とが切断状態にある状況において、前記圧縮機部と前記回転電機と接続状態とする旨の要求を受領すると、前記回転電機の回転数が予め設定された所定回転数より小さい場合に、前記切替手段により前記圧縮機部と前記回転電機とを前記接続状態に切り替えることを特徴とする複合流体機械の制御方法。
【符号の説明】
【００５８】
Ｃ…切替手段、４０…複合流体機械、５０…回転電機としてのモータ・ジェネレータ、５４…回転数検出手段としてのインバータ、５６…回転数判定手段及び制御手段としての制御部、６０…圧縮機部、６６…差圧検出手段としての圧力センサ、８５…膨張機部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ランキンサイクル用作動流体の膨張によって機械的エネルギーを出力する膨張機部と、冷凍サイクル用作動流体を圧縮する圧縮機部と、発電機又は電動機として機能する回転電機と、回転電機と圧縮機部とを、接続状態又は切断状態に切り替える切替手段と、を備えた複合流体機械に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
この種の複合流体機械として、例えば特許文献１の流体機械が挙げられる。この流体機械は、流体を圧縮する圧縮機部と、外部駆動源の排熱エネルギーによって回転駆動力を発生する膨張機部と、電動機及び発電機の両機能を備える回転電機部とを有している。膨張機部は、圧縮機部及び回転電機部に接続されている。また、圧縮機部と回転電機部とは、切替手段によって接続状態を切断状態に切替可能になっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−３０７９５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、特許文献１には、切替手段を切断状態から接続状態へ切り替える際の流体機械の制御については何ら開示されていない。そして、流体機械において、圧縮機部が駆動されず、ランキンサイクルの冷媒の膨張によって膨張機部のみが駆動されて回転電機部が回転している状況では、圧縮機部の回転数が回転電機部の回転数より小さくなっている。この状況で圧縮機部の駆動要求があると、膨張機部から出力された動力が圧縮機部を駆動させるために要求される動力を越えていないと、回転電機部に給電がなされ回転数を上昇させた状態で、切替手段により圧縮機部と回転電機部とが接続状態に切替えられる。このとき、圧縮機部と回転電機部との回転数に差があると、回転電機部の駆動軸に負荷がかかることにより、回転電機部の回転数が低下し、回転電機部への制御パルスとの同期がとれなくなる現象、所謂脱調が発生してしまう。また、回転電機部に給電がなされていなくても回転数に差があると回転電機部に脱調が発生してしまう。
【０００５】
本発明は、このような従来の技術に存在する問題点に着目してなされたものである。その目的は、膨張機部が駆動された状態で切替手段により圧縮機部と回転電機とを接続状態に切り替えるときに、回転電機に脱調が発生することを防止することができる複合流体機械を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記問題点を解決するために、請求項１に記載の複合流体機械は、ランキンサイクル用作動流体の膨張によって機械的エネルギーを出力する膨張機部と、冷凍サイクル用作動流体を圧縮する圧縮機部と、発電機又は電動機として機能する回転電機と、前記回転電機と前記圧縮機部とを、接続状態又は切断状態に切り替える切替手段と、を備える。さらに、複合流体機械は、前記回転電機の回転数を検出する回転数検出手段と、前記回転数検出手段の検出結果に基づき前記回転電機の回転数が予め設定された所定回転数より小さいか否かを判定する回転数判定手段と、前記切替手段及び回転電機の駆動を制御する制御手段と、を備える。そして、前記機械的エネルギーにより前記回転電機が回転するとともに、前記切替手段により前記圧縮機部と前記回転電機とが切断状態にある状況において、前記制御手段は、前記圧縮機部と前記回転電機とを接続状態とする旨の要求を受領すると、前記回転数判定手段の判定結果が肯定判定の場合に、前記切替手段により前記圧縮機部と前記回転電機とを前記接続状態に切り替える。
【０００７】
これによれば、制御手段は、圧縮機部と回転電機とを接続状態とする旨の要求を受領すると、切替手段により接続状態とする前において、回転電機の回転数が所定回転数より小さくなったときに切替手段により回転電機と圧縮機部とを接続状態とするため、回転電機に脱調が発生することを防止することができる。よって、脱調時に生じる過電流に対応できるように、複合流体機械に容量の大きい電気素子を用いる必要がなく、複合流体機械の製造コストを抑えることができる。
【０００８】
また、前記制御手段は、前記回転数判定手段の判定結果が否定判定の場合には前記回転電機の回転数を減少させ、その後、前記回転数判定手段による前記判定が行われ、前記所定回転数より小さくなる迄、前記回転数を減少させる制御及び前記回転数判定手段による判定が繰り返されてもよい。これによれば、圧縮機部と回転電機とを接続状態とする旨の要求を受領すれば、回転電機の回転数が予め設定された所定回転数まで減少し続けることとなるため、最終的には圧縮機部と回転電機とを脱調を発生させることなく接続することができる。
【０００９】
また、前記圧縮機部の吐出圧領域と吸入圧領域との差圧を検出する差圧検出手段を備え、前記制御手段は、前記圧縮機部と前記回転電機とを接続状態とする旨の要求を受領すると、前記差圧検出手段の検出結果に基づき前記差圧が所定差圧より大きい場合には前記回転電機の回転数を減少させ、その後、前記回転数判定手段の判定が行われる一方で、前記差圧が所定差圧より小さい場合には前記回転電機の回転数を減少させることなく前記切替手段により前記圧縮機部と前記回転電機とを前記接続状態に切り替えてもよい。
【００１０】
これによれば、圧縮機部の差圧が所定差圧より大きく、回転電機の回転数を大きくする必要がある場合は、回転電機の回転数を一旦減少させることで、圧縮機部と回転電機とが接続状態に切り替えられたときの負荷を減らして脱調の発生を防止することができる。一方、圧縮機部の差圧が所定差圧より小さい場合は、そのまま切替手段により接続状態に切り替えても負荷が小さいので脱調が発生しない。よって、脱調を防止しながら切替手段により圧縮機部と回転電機とを接続状態とする際に、回転電機の回転数を変動させる機会を少なくして、騒音や振動の発生を抑えることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、膨張機部が駆動された状態で切替手段により圧縮機部と回転電機とを接続状態に切り替えるときに、回転電機に脱調が発生することを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施形態の車両用排熱回収システムを示す模式図。
【図２】実施形態の複合流体機械を示す断面図。
【図３】制御手段の処理を示すフローチャート。
【図４】制御手段の処理の別例を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
（第１の実施形態）
以下、本発明を具体化した第１の実施形態を図１〜図３にしたがって説明する。
まず、本実施形態の複合流体機械４０を備えた車両用排熱回収システム１１の全体構成について説明する。図１に示すように、車両用排熱回収システム１１は、排熱源としてのエンジン１２を備えるとともに、別々のサイクルで構成された冷凍サイクル３０と、ランキンサイクル２０とを併せ持つ。冷凍サイクル３０内は、車両空調用のために冷凍サイクル用作動流体としての冷媒が循環する。一方、ランキンサイクル２０内は、エンジン１２からの排熱によって加熱されるランキンサイクル用作動流体としての冷媒が循環する。そして、車両用排熱回収システム１１において、複合流体機械４０は、ランキンサイクル２０の一部及び冷凍サイクル３０の一部を構成している。
【００１４】
次に、車両に搭載される複合流体機械４０について説明する。なお、以下の説明において、複合流体機械４０の「前」及び「後」は、図２に示す矢印Ｙの方向を前後方向とする。
【００１５】
図２に示すように、複合流体機械４０は、アルミニウム合金よりなるハウジング４１を備える。ハウジング４１は、筒状をなすセンタハウジング４２を備える。このセンタハウジング４２の前端（一端）にはフロントハウジング４３が接合されている。また、ハウジング４１において、センタハウジング４２の後端（他端）には、隔壁部４４を介してリヤハウジング４５が接合されている。
【００１６】
センタハウジング４２の内周面には、センタハウジング４２の内側に向けて延びる仕切壁４２ａが形成されるとともに、この仕切壁４２ａによってセンタハウジング４２内が前後２つの空間に仕切られている。仕切壁４２ａより後側の空間と隔壁部４４との間には回転電機としてのモータ・ジェネレータ５０が収容されている。モータ・ジェネレータ５０は駆動軸５１を有するとともに、この駆動軸５１は、仕切壁４２ａ及び隔壁部４４に設けられた軸受４６によって回転可能に支持されている。駆動軸５１には、モータロータ５２ａが駆動軸５１と一体回転可能に固定されている。また、センタハウジング４２の内周面には、ステータ５２ｂがモータロータ５２ａを取り囲むように固定されている。そして、モータ・ジェネレータ５０は、ステータ５２ｂのコイル５２ｃへの給電によりモータロータ５２ａを回転させる電動機としての機能と、モータロータ５２ａが回転されることでステータ５２ｂのコイル５２ｃに電力を生じさせる発電機としての機能とを併せ持つ。
【００１７】
図１に示すように、モータ・ジェネレータ５０にはインバータ５４を介してバッテリ５５が接続され、モータ・ジェネレータ５０で生じた電力はインバータ５４を介してバッテリ５５に蓄えられるようになっている。また、バッテリ５５に蓄電された電力は、インバータ５４を介してモータ・ジェネレータ５０に供給されるようになっている。そして、本実施形態では、インバータ５４は、モータ・ジェネレータ５０の回転数を検出する回転数検出手段を構成している。
【００１８】
インバータ５４には、複合流体機械４０を全般に亘って制御する制御手段としての制御部５６が接続されている。また、制御部５６は、記憶手段（図示せず）に記憶された所定のプログラムデータ及び各種データに従って各種の処理を実行するようになっている。制御部５６は、インバータ５４からの検出信号に基づきモータ・ジェネレータ５０の回転数が予め設定された所定回転数より小さいか否かを判定するようになっている。よって、本実施形態では、制御部５６が、インバータ５４の検出結果に基づきモータ・ジェネレータ５０の回転数が予め設定された所定回転数より小さいか否かを判定する回転数判定手段を構成している。
【００１９】
図２に示すように、センタハウジング４２内において、仕切壁４２ａより前側の空間内には支持ブロック４２ｂが固設されている。仕切壁４２ａより前側の空間内には、圧縮機部６０の圧縮機軸４７が支持ブロック４２ｂに設けられた軸受４８によって回転可能に支持されるとともに、この圧縮機軸４７は駆動軸５１と同軸上に配置されている。駆動軸５１において、圧縮機軸４７と対向する端部には、第１クラッチ板４９ａが固定されるとともに、圧縮機軸４７において駆動軸５１と対向する端部には、第２クラッチ板４９ｂが固定されている。
【００２０】
そして、制御部５６による電磁コイル４９ｃへの給電により第１クラッチ板４９ａと第２クラッチ板４９ｂとを吸着させることで、駆動軸５１と圧縮機軸４７とを接続可能になっている。逆に、制御部５６による電磁コイル４９ｃへの給電の停止により第１クラッチ板４９ａと第２クラッチ板４９ｂとを離間させることで、駆動軸５１と圧縮機軸４７とを切断可能になっている。よって、第１クラッチ板４９ａと、第２クラッチ板４９ｂと、電磁コイル４９ｃとから、モータ・ジェネレータ５０と圧縮機部６０とを接続状態又は切断状態に切り替える切替手段Ｃが構成されている。また、電磁コイル４９ｃへの給電が制御部５６により制御されることによって、切替手段Ｃの駆動が制御されるようになっている。
【００２１】
複合流体機械４０において、センタハウジング４２内における仕切壁４２ａより前側の空間と、フロントハウジング４３との間には、スクロール型の圧縮機部６０が設けられている。圧縮機軸４７の前端には、圧縮機軸４７の中心軸に対して偏心した位置に偏心軸６１が設けられるとともに、偏心軸６１は圧縮機軸４７の回転により圧縮機軸４７の中心軸の周りを公転するようになっている。偏心軸６１にはブッシュ６２が固定されるとともに、ブッシュ６２は偏心軸６１と共に中心軸の周りを公転するようになっている。このブッシュ６２には軸受装置６３を介して可動スクロール６４が回転可能に支持されるとともに、カウンタウェイト６５が固定されている。
【００２２】
可動スクロール６４は、軸受装置６３に支持された円盤状をなす可動側端板６４ａと、この可動側端板６４ａから突設された渦巻状の可動側渦巻壁６４ｂとからなる。また、センタハウジング４２内には固定スクロール６７が可動スクロール６４と対向するように固設されている。固定スクロール６７は、円盤状をなす固定側端板６７ａと、この固定側端板６７ａから可動スクロール６４に向けて突設された渦巻状の固定側渦巻壁６７ｂとを一体に備えている。そして、可動スクロール６４の可動側渦巻壁６４ｂと、固定スクロール６７の固定側渦巻壁６７ｂとは互いに噛み合わされて容積変更可能な作動室６８を区画する。
【００２３】
また、固定スクロール６７における固定側端板６７ａの中央部には吐出口６７ｃが形成されるとともに、この吐出口６７ｃは固定側端板６７ａに設けられた吐出弁６９により開閉可能になっている。固定側端板６７ａとフロントハウジング４３との間には、吐出圧領域としての吐出チャンバ７０が区画されるとともに、この吐出チャンバ７０には吐出口６７ｃを介して圧縮後の作動室６８に連通している。また、フロントハウジング４３には、吐出チャンバ７０に連通する吐出ポート４３ａが形成されている。
【００２４】
さらに、固定スクロール６７の内周面と、可動スクロール６４における可動側渦巻壁６４ｂの最外周面との間には、吸入圧領域としての吸入チャンバＳが区画形成されるとともに、フロントハウジング４３には吸入チャンバＳに連通する吸入ポート（図示せず）が形成されている。図１に示すように、複合流体機械４０は、圧縮機部６０における吐出チャンバ７０と、吸入チャンバＳとの差圧を検出する圧力センサ６６を備えている。この圧力センサ６６は、制御部５６に接続されており、圧力センサ６６の検出信号が制御部５６に入力されるようになっている。そして、この圧力センサ６６は差圧検出手段を構成している。
【００２５】
図２に示すように、リヤハウジング４５及びセンタハウジング４２の後側には、隔壁部４４に対向するように第１サイドプレート７１が固設されるとともに、第２サイドプレート７２が第１サイドプレート７１と対向するように間隔を空けて固設されている。そして、駆動軸５１は、隔壁部４４、第１サイドプレート７１及び第２サイドプレート７２を貫通している。また、隔壁部４４と第１サイドプレート７１との間にはギヤポンプ７５が設けられている。
【００２６】
隔壁部４４とリヤハウジング４５とによって区画された空間内には膨張機部８５が設けられている。リヤハウジング４５において、第１サイドプレート７１と第２サイドプレート７２の間には筒状をなすシリンダブロック７７が収容されている。シリンダブロック７７内において、駆動軸５１には円筒状をなすロータ７９が駆動軸５１に一体回転可能に止着されるとともに、ロータ７９の外周面には、ロータ７９の軸方向全体に亘って延びるベーン８０が出没可能に収容されている。そして、駆動軸５１の回転に伴うロータ７９の回転によってベーン８０の先端面がシリンダブロック７７の内周面に接触すると、ロータ７９の外周面と、シリンダブロック７７の内周面と、隣り合うベーン８０と、第１及び第２サイドプレート７１，７２との間に作動室８１が区画されるようになっている。
【００２７】
また、膨張機部８５において、リヤハウジング４５と第２サイドプレート７２との間には吐出空間８６が区画されるとともに、リヤハウジング４５には吐出空間８６に連通する吐出ポート８７が形成されている。また、膨張機部８５において、リヤハウジング４５には作動室８１に連通する吸入ポート（図示せず）が形成されている。
【００２８】
次に、上記複合流体機械４０を備えた車両用排熱回収システム１１におけるランキンサイクル２０及び冷凍サイクル３０について説明する。図１に示すように、冷凍サイクル３０は、複合流体機械４０における圧縮機部６０、凝縮器３４、膨張弁３９、及び、蒸発器３５が環状に接続されて形成されている。圧縮機部６０の吐出ポート４３ａには圧縮側吐出流路３２を介して凝縮器３４が接続されている。そして、圧縮機部６０で高温高圧に圧縮され吐出チャンバ７０へ吐出された冷媒は圧縮側吐出流路３２を介して凝縮器３４に導入され、凝縮器３４で冷却される。凝縮器３４の吐出側には流路３３を介して蒸発器３５が接続されるとともに、流路３３上には膨張弁３９が設けられている。そして、膨張弁３９は、凝縮器３４で冷却された冷媒を減圧膨張させ、蒸発器３５は膨張弁３９によって減圧された冷媒を蒸発させる。
【００２９】
また、蒸発器３５の吐出側には、圧縮側吸入流路３１を介して圧縮機部６０の吸入ポートが接続されるとともに圧縮側吸入流路３１上には逆止弁３７が設けられ、逆止弁３７は蒸発器３５側から圧縮機部６０側のみに冷媒が流れることを許容する。そして、冷媒は、圧縮機部６０で圧縮された後、凝縮器３４、膨張弁３９、蒸発器３５、及び逆止弁３７を通過して圧縮機部６０に吸入され、冷凍サイクル３０を循環するようになっている。
【００３０】
次に、ランキンサイクル２０を説明すると、ギヤポンプ７５の吐出側には第１流路２１ａを介して第１ボイラ２６の吸熱器２６ａが接続されている。第１ボイラ２６は、吸熱器２６ａに加え放熱器２６ｂを備える。この放熱器２６ｂは、エンジン１２に接続された冷却水循環経路１３上に設けられている。冷却水循環経路１３上にはラジエータ１３ａが設けられている。そして、車両のエンジン１２を冷却した冷却水（高温流体）は、冷却水循環経路１３を循環して放熱器２６ｂ及びラジエータ１３ａで放熱する。
【００３１】
第１ボイラ２６において、吸熱器２６ａの吐出側には接続通路２１ｃを介して第２ボイラ２７の吸熱器２７ａが接続されている。第２ボイラ２７は、吸熱器２７ａに加え放熱器２７ｂを備える。この放熱器２７ｂは、エンジン１２に接続された排気通路１４上に設けられている。そして、エンジン１２からの排気は、放熱器２７ｂで放熱した後、マフラ１５から排気される。よって、ギヤポンプ７５から吐出された冷媒は、第１及び第２ボイラ２６，２７の吸熱器２６ａ，２７ａと放熱器２６ｂ，２７ｂとの間での熱交換によりエンジン１２からの排熱によって加熱される。
【００３２】
第２ボイラ２７において吸熱器２７ａの吐出側には、膨張側吸入流路２２ａを介して膨張機部８５における吸入ポートが接続され、第１及び第２ボイラ２６，２７で加熱された高温の冷媒は膨張側吸入流路２２ａを介して膨張機部８５に導入されるようになっている。そして、膨張機部８５で膨張した低温低圧の冷媒は、吐出空間８６に吐出されるようになっている。
【００３３】
また、膨張機部８５の吐出ポート８７には、膨張側吐出流路２２ｂを介して凝縮器２３が接続されている。そして、膨張機部８５で膨張した低温低圧の冷媒は、吐出ポートから膨張側吐出流路２２ｂを介して凝縮器２３へ吐出されるようになっている。凝縮器２３の吐出側には第２流路２１ｂを介してギヤポンプ７５の冷媒導入側が接続されている。
【００３４】
そして、ランキンサイクル２０内の冷媒は、ギヤポンプ７５のポンプ作用により、膨張機部８５、凝縮器２３、ギヤポンプ７５、第１ボイラ２６、及び第２ボイラ２７を通過してランキンサイクル２０を循環するようになっている。
【００３５】
次に、制御部５６による複合流体機械４０の制御について、図３のフローチャートを用いて説明する。なお、車両用排熱回収システム１１は、圧縮機部６０の駆動要求がない場合とする。また、複合流体機械４０は、切替手段Ｃが切断状態とされ、圧縮機部６０の駆動が停止されるとともに、エンジン１２の排熱量が得られ、ランキンサイクル２０における冷媒の膨張により膨張機部８５が機械的エネルギー（駆動力）を出力しモータ・ジェネレータ５０が回転している状況とする。また、モータ・ジェネレータ５０には、モータ・ジェネレータ５０を回転させるための給電がなされていないものとする。
【００３６】
さて、エアコンスイッチがＯＮされ、制御部５６が、切替手段Ｃを接続状態に切り替える旨の要求を受領すると（ステップＳ１）、制御部５６はモータ・ジェネレータ５０の回転数を、膨張機部８５が駆動していたときの回転数より減少させる（ステップＳ２）。
【００３７】
次に、制御部５６は、インバータ５４からの検出信号に基づき、モータ・ジェネレータ５０の回転数が予め設定された所定回転数より小さいか否かを判定する（ステップＳ３）。なお、この所定回転数とは、切替手段Ｃにおいて、第１クラッチ板４９ａと第２クラッチ板４９ｂとを接続した際に、モータ・ジェネレータ５０に脱調が発生しないと保証できるモータ・ジェネレータ５０の回転数のうち最も高い値である。また、脱調とは、第１クラッチ板４９ａと第２クラッチ板４９ｂとを接続した際に、その接続に起因してモータ・ジェネレータ５０の駆動軸５１に負荷がかかることによりモータ・ジェネレータ５０の回転数が減少して、モータ・ジェネレータ５０への給電により生成される制御パルスとの同期がとれなくなる現象のことである。
【００３８】
そして、ステップＳ３の判定結果が否定判定である場合、制御部５６は、ステップＳ２に戻り、モータ・ジェネレータ５０の回転数をさらに減少させる。ステップＳ３の判定結果が肯定判定である場合、制御部５６は、切替手段Ｃの電磁コイル４９ｃに給電し、第１クラッチ板４９ａと第２クラッチ板４９ｂとを接続状態とし（ステップＳ４）、圧縮機部６０とモータ・ジェネレータ５０とを接続状態に切り替える。次に、制御部５６は、モータ・ジェネレータ５０に給電し、モータ・ジェネレータ５０の回転数を、エアコン側の要求を満たす回転数及び接続前の回転数のうち多い方にまで回転数を上昇させる（ステップＳ５）。
【００３９】
次に、車両用排熱回収システム１１の作用について説明する。なお、複合流体機械４０は、圧縮機部６０の駆動が停止されている状況とする。
さて、車両のエンジン１２が駆動されると、第１ボイラ２６及び第２ボイラ２７において、吸熱器２６ａ，２７ａと放熱器２６ｂ，２７ｂとの間での熱交換により、ランキンサイクル２０における冷媒がエンジン１２からの排熱によって加熱される。加熱後の高圧の冷媒は、膨張側吸入流路２２ａを介して吸入ポートから膨張機部８５に導入されて膨張し、この膨張により膨張機部８５が機械的エネルギー（駆動力）を出力する。すなわち、この駆動力によってモータ・ジェネレータ５０の駆動軸５１が回転されるとともにギヤポンプ７５が駆動される。
【００４０】
このとき、エンジン１２からの排熱量が大きく、膨張機部８５からの出力により、駆動軸５１が予め設定された要求回転数を越えて回転する場合には、モータ・ジェネレータ５０を発電機として機能させて駆動軸５１の回転数を抑えるようにする。そして、要求回転数を越える出力は電力に変換され、インバータ５４を介してバッテリ５５に充電される。
【００４１】
膨張を終えて圧力が低下した冷媒は、吐出空間８６に吐出された後、吐出ポート８７を介して膨張側吐出流路２２ｂへ吐出される。膨張側吐出流路２２ｂへ吐出された冷媒は、凝縮器２３を通過し、第２流路２１ｂを介してギヤポンプ７５に導入される。そして、膨張機部８５からの出力により駆動されるギヤポンプ７５により、冷媒は第１ボイラ２６及び第２ボイラ２７へ供給される。したがって、エンジン１２が駆動されている間は、冷媒はランキンサイクル２０を循環する。
【００４２】
さて、エアコンスイッチがＯＮされ、制御部５６が切替手段Ｃを接続状態にする旨の要求を受領するとモータ・ジェネレータ５０の回転数を、膨張機部８５からの出力によって駆動されていたときの回転数より減少させる。その後、制御部５６は、減少させたモータ・ジェネレータ５０の回転数が、脱調を発生させないように予め設定された所定回転数より小さい場合には、電磁コイル４９ｃに給電し、第１クラッチ板４９ａと第２クラッチ板４９ｂとを接続し、圧縮機部６０とモータ・ジェネレータ５０とを接続状態とする。一方、制御部５６は、減少させたモータ・ジェネレータ５０の回転数が、脱調を発生させないように予め設定された所定回転数より大きい場合には、モータ・ジェネレータ５０の回転数をさらに減少させる。そして、制御部５６は、モータ・ジェネレータ５０の回転数が所定回転数より小さくなると、電磁コイル４９ｃに給電し、第１クラッチ板４９ａと第２クラッチ板４９ｂとを接続し、圧縮機部６０とモータ・ジェネレータ５０とを接続状態とする。
【００４３】
その接続後、制御部５６は、モータ・ジェネレータ５０に給電し、モータ・ジェネレータ５０の回転数を、エアコン側の要求を満たす回転数及び接続前の回転数のうち多い方にまで回転数を上昇させる。すると、モータ・ジェネレータ５０の駆動力によって駆動軸５１が回転されるとともに圧縮機軸４７が回転し圧縮機部６０が駆動される。すなわち、圧縮機部６０が駆動される際、必要とされる動力の一部がモータ・ジェネレータ５０により負担される。その後、膨張機部８５からの出力により、圧縮機部６０がエアコン要求を満たすための回転数又は接続前の回転数で回転可能になると、制御部５６はモータ・ジェネレータ５０への給電を停止し、その後、圧縮機部６０は膨張機部８５からの出力により駆動される。
【００４４】
そして、圧縮機部６０で圧縮された冷媒は、所定の圧力まで圧縮されると吐出口６７ｃから吐出チャンバ７０に吐出される。さらに、圧縮された冷媒は、凝縮器３４、膨張弁３９、蒸発器、及び逆止弁３７を経由して圧縮側吸入流路３１から圧縮機部６０に吸入される。
【００４５】
エアコンスイッチがＯＦＦされる、又はエアコンによる圧縮機部６０の駆動要求がない場合は、制御部５６は電磁コイル４９ｃへの給電を停止し、第１クラッチ板４９ａと第２クラッチ板４９ｂとの接続状態が切断状態となる。すると、圧縮機部６０の駆動が停止される。
【００４６】
上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）膨張機部８５のみが駆動され、圧縮機部６０とモータ・ジェネレータ５０とが切断状態にある状況で、圧縮機部６０とモータ・ジェネレータ５０とを接続状態にする旨の要求があると、制御部５６はモータ・ジェネレータ５０の回転数を減少させる。そして、モータ・ジェネレータ５０の回転数が、脱調を発生させないように予め設定された所定回転数より小さくなると、切替手段Ｃによりモータ・ジェネレータ５０と圧縮機部６０とを接続状態とする。このため、接続状態としたときに、その接続に伴い駆動軸５１に負荷がかかり、その負荷によってモータ・ジェネレータ５０の回転数が低下してしまうことを防止することができる。その結果として、モータ・ジェネレータ５０の回転数の低下による脱調の発生を防止することができる。よって、脱調時に生じる過電流に対応できるように、インバータ５４に容量の大きい電気素子を用いる必要がなく、複合流体機械４０の製造コストを抑えることができる。
【００４７】
（２）制御部５６は、モータ・ジェネレータ５０の回転数を減少させた後に、インバータ５４の検出結果に基づきモータ・ジェネレータ５０の回転数が所定回転数より小さいか否かを判定し、モータ・ジェネレータ５０の回転数が所定回転数より小さくなるまで、モータ・ジェネレータ５０の回転数を減少させ続ける。このため、最終的には、モータ・ジェネレータ５０の回転数を所定回転数より小さくすることができ、切替手段Ｃにより接続状態に切り替えたときにモータ・ジェネレータ５０に脱調が発生することを確実に防止することができる。
【００４８】
（３）制御部５６は、モータ・ジェネレータ５０の回転数が所定回転数より小さくなり、切替手段Ｃにより接続状態とした後、圧縮機部６０がエアコン要求を満たすための回転数又は接続前の回転数で回転可能になるように、モータ・ジェネレータ５０に給電する。このため、圧縮機部６０とモータ・ジェネレータ５０とが接続された後は、圧縮機部６０によってエアコン要求に適正に応じることができる。
【００４９】
（第２の実施形態）
以下、本発明を具体化した第２の実施形態を図４にしたがって説明する。なお、以下の説明では、既に説明した実施形態と同一構成について同一符号を付すなどし、その重複する説明を省略又は簡略する。
【００５０】
さて、図４のフローチャートに示すように、エアコンスイッチがＯＮされ、制御部５６が切替手段Ｃを接続状態に切り替える旨の要求を受領すると（ステップＳ１１）、制御部５６は、圧力センサ６６からの検出信号に基づき、圧縮機部６０における差圧（吐出圧−吸入圧）が予め設定された所定差圧より大きいか否かを判定する（ステップＳ１２）。なお、この差圧が大きければ大きい程、圧縮機部６０の回転数が増加する。そして、所定差圧は、第１クラッチ板４９ａと第２クラッチ板４９ｂとを接続した瞬間に、モータ・ジェネレータ５０に脱調が生じないと保証できる圧縮機部６０の回転数のうち最も高い値のことであり、低回転時の回転数のことである。
【００５１】
ステップＳ１２の判定結果が肯定判定である場合、制御部５６はモータ・ジェネレータ５０の回転数を、膨張機部８５が駆動していたときの回転数より減少させる（ステップＳ１３）。次に、制御部５６は、インバータ５４からの検出信号に基づき、モータ・ジェネレータ５０の回転数が予め設定された所定回転数より小さいか否かを判定する（ステップＳ１４）。なお、この所定回転数とは、切替手段Ｃにおいて、第１クラッチ板４９ａと第２クラッチ板４９ｂとを接続した際に、モータ・ジェネレータ５０に脱調が発生しないと保証できるモータ・ジェネレータ５０の回転数のうち最も高い値である。
【００５２】
そして、ステップＳ１４の判定結果が否定判定である場合、制御部５６は、ステップＳ１３に戻り、モータ・ジェネレータ５０の回転数をさらに減少させる。ステップＳ１４の判定結果が肯定判定である場合、制御部５６は、切替手段Ｃの電磁コイル４９ｃに給電し、第１クラッチ板４９ａと第２クラッチ板４９ｂとを接続し（ステップＳ１５）、圧縮機部６０とモータ・ジェネレータ５０とを接続状態に切り替える。
【００５３】
なお、ステップＳ１２の判定結果が否定判定である場合、制御部５６は、ステップＳ１５に移行する。次に、制御部５６は、モータ・ジェネレータ５０に給電し、モータ・ジェネレータ５０の回転数を、エアコン側の要求を満たす回転数及び接続前の回転数のうち多い方にまで回転数を上昇させる（ステップＳ１６）。
【００５４】
上記第２の実施形態によれば、第１の実施形態の効果（１）〜（３）と同様の効果に加えて、以下に示す効果を得ることができる。
（４）膨張機部８５のみが駆動され、圧縮機部６０とモータ・ジェネレータ５０とが切断状態にある状況で、圧縮機部６０とモータ・ジェネレータ５０とを接続状態にする旨の要求があると、制御部５６は圧縮機部６０の差圧が所定差圧より大きいか否かを判定し、大きい場合にモータ・ジェネレータ５０の回転数を減少させる。圧縮機部６０の差圧が所定差圧より大きい場合は、モータ・ジェネレータ５０の回転数を大きくする必要がある場合であるため、モータ・ジェネレータ５０の回転数を一旦減少させ、圧縮機部６０とモータ・ジェネレータ５０との回転数の差を小さくすることで、接続状態に切り替えられた際の負荷を小さくし脱調の発生を防止することができる。一方、圧縮機部６０の差圧が所定差圧より小さい場合は、モータ・ジェネレータ５０の回転数が大きくないため、そのまま切替手段Ｃにより接続状態に切り替えても負荷が小さく脱調が発生しない。よって、脱調を防止しながら切替手段Ｃにより圧縮機部６０とモータ・ジェネレータ５０とを接続状態とする際に、モータ・ジェネレータ５０の回転数を変動させる機会を少なくして、騒音や振動の発生を抑えることができる。
【００５５】
なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 実施形態において、ポンプはギヤポンプ７５の他の形態のポンプとしてもよい。
○ 実施形態において、圧縮機部６０はスクロール型とは他の形式の圧縮機構であってもよい。
【００５６】
○ 実施形態において、膨張機部８５はベーン式とは他の形式の膨張機構であってもよい。
次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について以下に追記する。
【００５７】
（イ）前記回転数検出手段はインバータである請求項１〜請求項３のうちいずれか一項に記載の複合流体機械。
（ロ）ランキンサイクル用作動流体の膨張によって機械的エネルギーを出力する膨張機部と、冷凍サイクル用作動流体を圧縮する圧縮機部と、発電機又は電動機として機能する回転電機と、前記回転電機と前記圧縮機部とを、接続状態又は切断状態に切り替える切替手段と、を備えた複合流体機械の制御方法であって、
前記機械的エネルギーにより前記回転電機が回転するとともに、前記切替手段により前記圧縮機部と前記回転電機とが切断状態にある状況において、前記圧縮機部と前記回転電機と接続状態とする旨の要求を受領すると、前記回転電機の回転数が予め設定された所定回転数より小さい場合に、前記切替手段により前記圧縮機部と前記回転電機とを前記接続状態に切り替えることを特徴とする複合流体機械の制御方法。
【符号の説明】
【００５８】
Ｃ…切替手段、４０…複合流体機械、５０…回転電機としてのモータ・ジェネレータ、５４…回転数検出手段としてのインバータ、５６…回転数判定手段及び制御手段としての制御部、６０…圧縮機部、６６…差圧検出手段としての圧力センサ、８５…膨張機部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ランキンサイクル用作動流体の膨張によって機械的エネルギーを出力する膨張機部と、
冷凍サイクル用作動流体を圧縮する圧縮機部と、
発電機又は電動機として機能する回転電機と、
前記回転電機と前記圧縮機部とを、接続状態又は切断状態に切り替える切替手段と、
を備えた複合流体機械であって、
前記回転電機の回転数を検出する回転数検出手段と、
前記回転数検出手段の検出結果に基づき前記回転電機の回転数が予め設定された所定回転数より小さいか否かを判定する回転数判定手段と、
前記切替手段及び回転電機の駆動を制御する制御手段と、を備え、
前記機械的エネルギーにより前記回転電機が回転するとともに、前記切替手段により前記圧縮機部と前記回転電機とが切断状態にある状況において、前記制御手段は、前記圧縮機部と前記回転電機とを接続状態とする旨の要求を受領すると、前記回転数判定手段の判定結果が肯定判定の場合に、前記切替手段により前記圧縮機部と前記回転電機とを前記接続状態に切り替えることを特徴とする複合流体機械。
【請求項２】
前記制御手段は、前記回転数判定手段の判定結果が否定判定の場合には前記回転電機の回転数を減少させ、その後、前記回転数判定手段による前記判定が行われ、前記所定回転数より小さくなる迄、前記回転数を減少させる制御及び前記回転数判定手段による判定が繰り返される請求項１に記載の複合流体機械。
【請求項３】
前記圧縮機部の吐出圧領域と吸入圧領域との差圧を検出する差圧検出手段を備え、前記制御手段は、前記圧縮機部と前記回転電機とを接続状態とする旨の要求を受領すると、前記差圧検出手段の検出結果に基づき前記差圧が所定差圧より大きい場合には前記回転電機の回転数を減少させ、その後、前記回転数判定手段の判定が行われる一方で、前記差圧が所定差圧より小さい場合には前記回転電機の回転数を減少させることなく前記切替手段により前記圧縮機部と前記回転電機とを前記接続状態に切り替える請求項１又は請求項２に記載の複合流体機械。
【請求項１】
ランキンサイクル用作動流体の膨張によって機械的エネルギーを出力する膨張機部と、
冷凍サイクル用作動流体を圧縮する圧縮機部と、
発電機又は電動機として機能する回転電機と、
前記回転電機と前記圧縮機部とを、接続状態又は切断状態に切り替える切替手段と、
を備えた複合流体機械であって、
前記回転電機の回転数を検出する回転数検出手段と、
前記回転数検出手段の検出結果に基づき前記回転電機の回転数が予め設定された所定回転数より小さいか否かを判定する回転数判定手段と、
前記切替手段及び回転電機の駆動を制御する制御手段と、を備え、
前記機械的エネルギーにより前記回転電機が回転するとともに、前記切替手段により前記圧縮機部と前記回転電機とが切断状態にある状況において、前記制御手段は、前記圧縮機部と前記回転電機とを接続状態とする旨の要求を受領すると、前記回転数判定手段の判定結果が肯定判定の場合に、前記切替手段により前記圧縮機部と前記回転電機とを前記接続状態に切り替えることを特徴とする複合流体機械。
【請求項２】
前記制御手段は、前記回転数判定手段の判定結果が否定判定の場合には前記回転電機の回転数を減少させ、その後、前記回転数判定手段による前記判定が行われ、前記所定回転数より小さくなる迄、前記回転数を減少させる制御及び前記回転数判定手段による判定が繰り返される請求項１に記載の複合流体機械。
【請求項３】
前記圧縮機部の吐出圧領域と吸入圧領域との差圧を検出する差圧検出手段を備え、前記制御手段は、前記圧縮機部と前記回転電機とを接続状態とする旨の要求を受領すると、前記差圧検出手段の検出結果に基づき前記差圧が所定差圧より大きい場合には前記回転電機の回転数を減少させ、その後、前記回転数判定手段の判定が行われる一方で、前記差圧が所定差圧より小さい場合には前記回転電機の回転数を減少させることなく前記切替手段により前記圧縮機部と前記回転電機とを前記接続状態に切り替える請求項１又は請求項２に記載の複合流体機械。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１１−８０４４７（Ｐ２０１１−８０４４７Ａ）
【公開日】平成２３年４月２１日（２０１１．４．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２３５２３３（Ｐ２００９−２３５２３３）
【出願日】平成２１年１０月９日（２００９．１０．９）
【出願人】（０００００３２１８）株式会社豊田自動織機 (4,162)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年４月２１日（２０１１．４．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１０月９日（２００９．１０．９）
【出願人】（０００００３２１８）株式会社豊田自動織機 (4,162)
【Ｆターム（参考）】
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