JP4631426B2 - 蒸気圧縮式冷凍機 - Google Patents

Description

本発明は、発熱機器の廃熱を利用して動力を回収するランキンサイクルと、発熱機器に対する加熱を可能とするホットガスサイクルとを備える蒸気圧縮式冷凍機に関するもので、車両用空調装置に適用して有効である。

従来の蒸気圧縮式冷凍機においては、例えば特許文献１に示されるように、冷凍サイクルの構成部品（凝縮器）を共用してランキンサイクルを形成し、圧縮機と兼用する膨張機によって車両用エンジン（発熱機器）の廃熱を動力として回収し、その回収した動力をエンジンに付加するものが知られている。

また、エンジンの廃熱は、ヒータ回路中のヒータに供給されることで、暖房用の熱源にも使用されている。
特許第２５４０７３８号公報

近年普及し始めたハイブリッドカーでは低速運転においてはエンジン稼働率が低く設定されており、エンジン自体の発熱（廃熱）が少ないために、特に冬場ではエンジンの廃熱をヒータ用の熱源として充分に供給することができないという問題がある。よって、ハイブリッドカーでは、ヒータの熱源を確保するため、燃費性能を犠牲にして、低速運転においてもエンジンを稼動しなければならなかった。

また、一般車においても近年、エンジンの高効率化が進み、以前よりエンジンの冷却廃熱が少なくなってきており、ハイブリッドカーと同じようなヒータの熱源不足の問題が発生している。一般車の場合ではその熱源不足を補うために例えば専用のＰＴＣヒ−タを搭載する等して対応しているが、コストが高くなってしまっていた。

そこで本出願人は、先に特願２００４−３０４８４０において、冷凍サイクルおよびランキンサイクル中の圧縮機、凝縮器および加熱器を活用すると共に、加熱器と凝縮器との間に絞り部を設けることで、ヒートポンプサイクル（圧縮機→加熱器→絞り部→凝縮器）を形成して、凝縮器で吸熱機能を発揮させ、加熱器で加熱機能を発揮させてエンジンの暖機を促進させるものを提案した。

しかしながら、外気温度が極めて低い場合（例えば−１０℃以下）においては、ヒートポンプサイクルとして凝縮器で外気から吸熱するためには、凝縮器内を流通する冷媒温度を外気よりも更に下げる必要があり、即ち、冷媒圧力を下げる必要があり、それによって、圧縮機における吸入側と吐出側との圧力差が非常に大きくなり、冷媒の流量が大きく低下する。よって、加熱器における加熱能力が充分に引き出せないという問題があった。

本発明の目的は、上記問題に鑑み、発熱機器の廃熱を有用活用するランキンサイクルを備えるもので、発熱機器の廃熱が少ない時で、外気温度が極めて低い場合であっても発熱機器を逆に加熱可能とすることで、ひいては廃熱を用いる他の機器の能力不足を補うことのできる蒸気圧縮式冷凍機を提供することにある。

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。

請求項１に記載の発明では、圧縮機（２１０）によって冷媒が吸入圧縮され、冷媒が凝縮器（２２０）、減圧器（２４０）、蒸発器（２５０）の順に循環して、蒸発器（２５０）にて冷凍機能を発揮する冷凍サイクル（２００）を備える蒸気圧縮式冷凍機において、
冷媒を吐出するポンプ（３１０）、発熱機器（１０）の廃熱を加熱源として冷媒を加熱する加熱器（３２０）、膨張機（３３０）、凝縮器（２２０）の順に冷媒が循環し、加熱器（３２０）からの冷媒の膨張によって膨張機（３３０）で動力を回収するランキンサイクル（３００）と、
ポンプ（３１０）および加熱器（３２０）の間から、圧縮機（２１０）の吸入側への接続を可能として、第１絞り部（５１２）を有する切替え流路（５１０）が設けられ、発熱機器（１０）を冷却する冷却水の温度が低く、且つ、冷凍サイクル（２００）が作動されない時に、圧縮機（２１０）によって冷媒が、加熱器（３２０）、切替え流路（５１０）の順に循環し、加熱器（３２０）にて発熱機器（１０）に対する加熱機能を発揮するホットガスサイクル（５００）と、
ポンプ（３１０）をバイパス可能として、第２絞り部（４１２）を有するバイパス流路（４１０）が設けられ、圧縮機（２１０）によって冷媒が、加熱器（３２０）、バイパス流路（４１０）、凝縮器（２２０）の順に循環し、凝縮器（２２０）にて吸熱機能を果たすと共に、加熱器（３２０）にて発熱機器（１０）に対する加熱機能を発揮するヒートポンプサイクル（４００）とが備えられたことを特徴としている。

これにより、冷凍機能が不要の場合で、発熱機器（１０）自身からの発熱（廃熱）が充分得られる時には、ランキンサイクル（３００）を作動させることで、膨張機（３３０）にて動力を回収でき、発熱機器（１０）の廃熱を有効に活用することができる。そして、発熱機器（１０）自身の発熱（廃熱）が少ない時には、ホットガスサイクル（５００）を作動させることで、外気温度が極めて低い場合であっても加熱器（３２０）を介して発熱機器（１０）を間接的に加熱でき、発熱機器（１０）の暖機性能を高めることができる。
また、発熱機器（１０）自身の発熱（廃熱）が少ない時には、ヒートポンプサイクル（４００）を作動させることで、加熱器（３２０）を介して発熱機器（１０）を間接的に加熱でき、発熱機器（１０）の暖機性能を高めることができる。
ヒートポンプサイクル（４００）においては、上記ホットガスサイクル（５００）のように外気温度が極めて低い場合には、上記従来技術の項で説明したように、加熱器（３２０）での加熱能力が充分に引き出せない。しかしながら、凝縮器（２２０）における吸熱可能な外気温度条件であれば、この吸熱分と圧縮機の仕事分に相当する熱を加熱器（３２０）で放熱することができるので（ホットガスサイクルでは圧縮機の仕事分に相当する放熱）、ホットガスサイクル（５００）よりも高い加熱能力を発揮することができる。

上記発熱機器（１０）は、請求項２に記載の発明のように、熱機関（１０）を対象として好適である。

請求項３に記載の発明では、発熱機器（１０）の廃熱を加熱源とする暖房器（２６）を有することを特徴としている。

これにより、発熱機器（１０）自身の発熱（廃熱）が少なく、これを加熱源とする暖房器（２６）の能力が充分に出せない場合に、請求項１に記載の発明のようにホットガスサイクル（５００）を作動させて間接的に発熱機器（１０）を加熱することで、暖房器（２６）の能力不足を補うことができる。

請求項４に記載の発明では、加熱器（３２０）は、圧縮機（２１０）と凝縮器（２２０）とを繋ぐ冷媒流路に設けられたことを特徴としている。

これにより、発熱機器（１０）自身の発熱が少ない場合に、蒸発器（２５０）にて本来の冷凍機能を発揮している時においても、圧縮機（２１０）から吐出される高温高圧の冷媒を加熱器（３２０）に流すことができるので、加熱器（３２０）によって発熱機器（１０）を間接的に加熱することができ、発熱機器（１０）の暖機性能を高めることができる。

併せて、冷媒にとっては本来の凝縮器（２２０）に加えて上記の加熱器（３２０）によっても冷却（放熱）されることになるので、冷媒圧力を低下させることができ、圧縮機（２１０）の動力を低減することができる。

請求項５に記載の発明では、圧縮機（２１０）は、加熱器（２２０）から流出した冷媒が流入する時には、膨張機（３３０）として機能することを特徴としている。

これにより、圧縮機（２１０）、膨張機（３３０）を膨張機一体型圧縮機（２０１）としてコンパクトな流体機械とすることができる。

請求項６に記載の発明では、凝縮器（２２０）は、ランキンサイクル（３００）作動時に、凝縮器（２２０）から流出する冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離する気液分離器（２３０）と、気液分離器（２３０）から流出する液相冷媒を過冷却する過冷却器（２３１）とを有することを特徴としている。

これにより、ランキンサイクル（３００）作動時に、凝縮器（２２０）から流出して気液分離器（２３０）で分離された液相冷媒を、過冷却器（２３１）で更に冷却してポンプ（３１０）に供給できる。よって、ポンプ（３１０）が冷媒を吸引する際の圧力低下（負圧となる）があっても、冷媒が沸騰して気化するのを防止することができるので、キャビテーションによるポンプ（３１０）の損傷およびポンプ効率低下を防止できる。

請求項７に記載の発明では、ホットガスサイクル（５００）作動時に、圧縮機（２１０）の吸入側で冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して、気相冷媒を圧縮機（２１０）に供給するアキュムレータ（４２０）が設けられたことを特徴としている。

これにより、圧縮機（２１０）における冷媒の液圧縮を防止することができる。

請求項７に記載の発明において、請求項８に記載の発明では、アキュムレータ（４２０）は、蒸発器（２５０）が冷凍機能を発揮する時の冷媒流路から外れて配置されたことを特徴としている。

これにより、蒸発器（２５０）で冷凍機能を発揮する際の冷媒流通圧損を低減できる。

尚、本蒸気圧縮式冷凍装置（１００）は、請求項９に記載の発明のように、走行用駆動源として、発熱機器（１０）としての熱機関（１０）と、走行用モータとを備えるハイブリッド車両に適用して有効である。

因みに、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。

（第１実施形態）
本実施形態は、本発明に係る蒸気圧縮式冷凍機１００を、走行用駆動源としての水冷式のエンジン（熱機関、内燃機関）１０と、走行用モータとを備えるハイブリッド車両の空調装置に適用したものであり、図１は本実施形態に係る蒸気圧縮式冷凍機１００を示す模式図である。尚、エンジン１０は本発明において、温度制御のために廃熱を伴う発熱機器に対応する。

蒸気圧縮式冷凍機１００は、図１に示すように、周知の冷凍サイクル２００をベースとして、ランキンサイクル３００、ヒートポンプサイクル４００、ホットガスサイクル５００を組み込んだものとしている。以下、各サイクル２００、３００、４００、５００について順に説明する。

まず、冷凍サイクル２００は、低温側の熱を高温側に移動させて冷熱および温熱を空調に利用するもので、圧縮機２１０、凝縮器２２０、気液分離器２３０、減圧器２４０、蒸発器２５０等が環状に接続されて形成されている。

圧縮機２１０は、冷媒を吸入して高温高圧に圧縮する流体機械であるが、ここでは、後述するランキンサイクル３００に用いられる膨張機３３０と兼用となる膨張機一体型圧縮機２０１としている。圧縮機２１０と膨張機３３０は、例えばスクロール型をベースとしたものであり、冷媒流れの高圧側に制御弁２１１を有している。制御弁２１１は、膨張機一体型圧縮機２０１の圧縮機２１０と膨張機３３０との切替えを可能とするもので、圧縮機２１０として作動させる時（正回転作動）は、制御弁２１１は吐出弁（即ち、逆止弁）として機能し、また、膨張機３３０として作動させる時（逆回転作動）は、高圧側冷媒流路を開く弁として機能する。尚、制御弁２１１は図示しない制御装置によって制御される。また、この圧縮機２１０、膨張機３３０には発電機および電動機の両機能を併せ持ち、図示しない制御装置によって制御される回転電機２１２が接続されている。

圧縮機２１０の冷媒吐出側には、高温高圧に圧縮された冷媒を冷却して、凝縮液化する凝縮器２２０が設けられている。尚、ファン２２１は、凝縮器２２０に冷却風（車室外空気）を供給するものである。

気液分離器２３０は、凝縮器２２０で凝縮された冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して液相冷媒を流出させるレシーバである。減圧器２４０は、気液分離器２３０で分離された液相冷媒を減圧膨脹させる減圧手段であり、本実施形態では、冷媒を等エンタルピ的に減圧すると共に、圧縮機２１０に吸入される冷媒の過熱度が所定値となるように絞り開度を制御する温度式膨脹弁を採用している。

蒸発器２５０は、減圧器２４０にて減圧された冷媒を蒸発させて吸熱作用を発揮する熱交換器であり、ファン２５１によって供給される車室外空気（外気）あるいは車室内空気（内気）を冷却する。そして、蒸発器２５０の冷媒流出側には、蒸発器２５０側から圧縮機２１０側にのみ冷媒が流れることを許容する逆止弁２５２が設けられている。

ランキンサイクル３００は、上記冷凍サイクル２００に対して、凝縮器２２０を共用すると共に、この凝縮器２２０をバイパスするように気液分離器２３０から凝縮器２２０および膨張機３３０の間（Ａ点）に接続される第１バイパス流路３０１と、膨張機３３０および逆止弁２５２の間（Ｂ点）から凝縮器２２０とＡ点との間に接続される第２バイパス流路３０２とを設けて以下のように形成している。

即ち、第１バイパス流路３０１には、気液分離器２３０で分離された液相冷媒を循環させる液ポンプ（ポンプ）３１０が設けられている。尚、ここでは液ポンプ３１０は電動式のポンプとしており、図示しない制御装置によって制御されるようになっている。また、Ａ点と膨張機３３０との間に加熱器３２０が設けられている。

加熱器３２０は、液ポンプ３１０から送られる冷媒と、エンジン１０における温水回路２０のエンジン冷却水（温水）との間で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１０から流出したエンジン冷却水を加熱器３２０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。尚、三方弁２１の流路切替えは、図示しない制御装置によって行われるようになっている。

因みに、水ポンプ２２は温水回路２０内でエンジン冷却水を循環させるポンプ（例えば、エンジン１０によって駆動される機械式ポンプあるいは電動モータによって駆動される電動ポンプ）であり、ラジエータ２３はエンジン冷却水と外気との間で熱交換してエンジン冷却水を冷却する熱交換器であり、ラジエータバイパス流路２４はラジエータ２３を迂回させてエンジン冷却水を流す迂回流路であり、サーモスタット２５はラジエータバイパス流路２４に流す冷却水量とラジエータ２３に流す冷却水量とを調節する流量調整弁である。そして、温水回路２０内には、エンジン冷却水を加熱源として、空調空気を加熱する空調装置用のヒータコア（本発明における暖房器に対応）２６が設けられている。

そして、第２バイパス流路３０２の凝縮器２２０側の接続部には、サイクル切替え手段としてのサイクル切替え弁１１０が設けられている。サイクル切替え弁１１０は、凝縮器２２０に対して、Ａ点側流路あるいはＢ点側流路のいずれかを開くことで冷凍サイクル２００、ランキンサイクル３００、後述するヒートポンプサイクル４００の形成を切替える弁（三方弁）であり、図示しない制御装置によって制御されるようになっている。

上記液ポンプ３１０、第１バイパス流路３０１、加熱器３２０、膨張機３３０、第２バイパス流路３０２、凝縮器２２０等にてエンジン１０の廃熱から膨張機３３０による駆動力を回収するランキンサイクル３００が形成される。

ヒートポンプサイクル４００は、上記ランキンサイクル３００をベースとして、液ポンプバイパス流路４１０を設けることで形成されるものとしている。

液ポンプバイパス流路４１０は、液ポンプ３１０をバイパスする流路としており、液ポンプバイパス流路４１０には、この流路を開閉する開閉弁４１１と、開度が所定値に固定された絞り（本発明における第２絞り部に対応）４１２とが設けられている。尚、開閉弁４１１は図示しない制御装置によって制御されるようになっている。また、Ｂ点と圧縮機２１０との間には、サイクル中の冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して、気相冷媒のみを圧縮機２１０に供給するアキュムレータ４２０が設けられている。

上記圧縮機２１０、加熱器３２０、液ポンプバイパス流路４１０、絞り４１２、凝縮器２２０、アキュムレータ４２０等によってヒートポンプサイクル４００が形成される。尚、ヒートポンプサイクル４００においては、凝縮器２２０は外気から吸熱する熱交換器として機能し、また、加熱器３２０は圧縮機２１０からの高温高圧の冷媒によってエンジン冷却水を加熱する加熱用熱交換器として機能する。

更に、ホットガスサイクル５００は、上記ヒートポンプサイクル４００の一部を活用して、切替え流路５１０を設けることで形成されるものとしている。

即ち、切替え流路５１０は、液ポンプ３１０および加熱器３２０の間（Ｃ点）から、圧縮機２１０の吸入側（Ｄ点）に接続される流路としており、切替え流路５１０には、この流路を開閉する開閉弁５１１と、開度が所定値に固定された絞り（本発明における第１絞り部に対応）５１２とが設けられている。尚、開閉弁５１１は図示しない制御装置によって制御されるようになっている。

上記圧縮機２１０、加熱器３２０、切替え流路５１０、絞り５１２、アキュムレータ４２０等によってホットガスサイクル５００が形成される。

次に、本実施形態に係る蒸気圧縮式冷凍機１００の作動およびその作用効果について図２〜図６を用いて説明する。

１．クーラモード（図２参照）
この運転モードは、冷凍サイクル２００を作動させて、凝縮器２２０にて冷媒を冷却しながら、蒸発器２５０にて冷凍能力を発揮させる運転モードである。尚、本実施形態では、冷凍サイクル２００で発生する冷熱、つまり吸熱作用を利用した冷房運転および除湿運転にのみ冷凍サイクル２００を作動させており、凝縮器２２０で発生する温熱を利用した暖房運転は行っていないが、暖房運転時であっても冷凍サイクル２００の作動は冷房運転および除湿運転時と同じである。

具体的には、図示しない制御装置は、サイクル切替え弁１１０を切替えて凝縮器２２０とＡ点側流路とを接続すると共に、三方弁２１を切替えてエンジン冷却水が加熱器３２０を迂回するようにし、制御弁２１１を吐出弁として機能する側に切替え、液ポンプ３１０を停止状態とし、開閉弁４１１、５１１を閉じる。そして、回転電機２１２を電動機として作動（正回転作動）させ、膨張機一体型圧縮機２０１を圧縮機（２１０）として作動させる。

この時、冷媒は、圧縮機２１０→加熱器３２０→サイクル切替え弁１１０→凝縮器２２０→気液分離器２３０→減圧器２４０→蒸発器２５０→逆止弁２５２→アキュムレータ４２０→圧縮機２１０の順に循環する。尚、加熱器３２０にはエンジン冷却水が循環しないので、加熱器３２０にて冷媒は加熱されず、加熱器３２０は単なる冷媒通路として機能する。

そして、圧縮機２１０にて圧縮されて高温高圧となった冷媒は、凝縮器２２０にて外気によって冷却されて凝縮し、減圧器２４０にて減圧され、蒸発器２５０にて車室内に吹き出す空気から吸熱して蒸発し、この蒸発した気相冷媒は再び圧縮機２１０に戻る。

２．クーラ＋暖機モード（図３参照）
この運転モードは、エンジン１０始動直後のようにエンジン冷却水温が低く、且つ、冷凍サイクル２００による上記クーラモードを実行する場合に、低温状態にあるエンジン冷却水を積極的に加熱する運転モードである。

具体的には、図示しない制御装置は、上記クーラモードに対して、三方弁２１を切替えてエンジン冷却水が加熱器３２０を流通するようにする。この時、エンジン冷却水の温度は、圧縮機２１０で圧縮され高温高圧となった冷媒の温度よりも低く、加熱器３２０にて冷媒とエンジン冷却水との間で熱交換され、エンジン冷却水が加熱される。逆に言うと、冷媒は加熱器３２０で冷却されることになる。このように、クーラ＋暖機モードにおいては、加熱器３２０は、冷媒の熱をエンジン冷却水（エンジン１０）側に放熱する放熱器として機能する（エンジン冷却水加熱機能）。

３．ランキン発電モード（図４参照）
この運転モードは、エンジン冷却水温が充分に上昇して所定温度以上となった時に、ランキンサイクル３００を作動させて、エンジン１０の廃熱を他の機器等に利用可能なエネルギーとして回収する運転モードである。

具体的には、図示しない制御装置は、サイクル切替え弁１１０を切替えて凝縮器２２０とＢ点側流路（第２バイパス流路３０２）とを接続すると共に、三方弁２１を切替えてエンジン冷却水が加熱器３２０を流通するようにし、制御弁２１１を開く側に切替え、液ポンプ３１０を作動状態とし、開閉弁４１１、５１１を閉じる。そして、回転電機２１２を発電機として作動させる。

この時、冷媒は、気液分離器２３０→第１バイパス流路３０１→液ポンプ３１０→加熱器３２０→膨脹機３３０→アキュムレータ４２０→第２バイパス流路３０２→サイクル切替え弁１１０→凝縮器２２０→気液分離器２３０の順に循環する。

そして、膨脹機３３０には加熱器３２０にて加熱された過熱蒸気冷媒が流入し、膨脹機３３０に流入した過熱蒸気冷媒は、膨脹機３３０内で等エントロピ的に膨脹しながらそのエンタルピを低下させていく。このため、膨脹機３３０は、低下したエンタルピに相当する機械的エネルギーを回転電機２１２に与える。即ち、膨張機３３０は、過熱蒸気冷媒の膨張によって回転駆動され、この時の駆動力によって回転電機（発電機）２１２を作動（逆回転作動）させる。回転電機２１２により発電された電力は、バッテリやキャパシタ等の蓄電器に蓄えられる。更には他の機器の作動に使用される。

また、膨脹機３３０から流出した冷媒は、凝縮器２２０にて冷却されて凝縮し、気液分離器２３０に蓄えられ、気液分離器２３０内の液相冷媒は、液ポンプ３１０にて加熱器３２０側に送られる。尚、液ポンプ３１０は、加熱器３２０にて加熱されて生成された過熱蒸気冷媒が、気液分離器２３０側に逆流しない程度の圧力にて液相冷媒を加熱器３２０に送り込む。

４．ヒートポンプ暖機モード（図５参照）
この運転モードは、エンジン１０始動直後のようにエンジン冷却水温が低く、且つ、上記クーラモードの実行が無い時に、ヒートポンプサイクル４００を作動させて、低温状態にあるエンジン冷却水を積極的に加熱する運転モードである。

具体的には、図示しない制御装置は、サイクル切替え弁１１０を切替えて凝縮器２２０とＢ点側流路（第２バイパス流路３０２）とを接続すると共に、三方弁２１を切替えてエンジン冷却水が加熱器３２０を流通するようにし、制御弁２１１を吐出弁として機能する側に切替え、液ポンプ３１０を停止状態とし、開閉弁４１１を開き、開閉弁５１１を閉じる。そして、回転電機２１２を電動機として作動（正回転作動）させ、膨張機一体型圧縮機２０１を圧縮機（２１０）として作動させる。

この時、冷媒は、圧縮機２１０→加熱器３２０→第１バイパス流路３０１→液ポンプバイパス流路４１０→開閉弁４１１→絞り４１２→凝縮器２２０→サイクル切替え弁１１０→第２バイパス流路３０２→アキュムレータ４２０→圧縮機２１０の順に循環する。

そして、上記のクーラ＋暖機モード実行時と同様に、加熱器３２０にて冷媒とエンジン冷却水との間で熱交換され、エンジン冷却水が加熱される。更に、サイクル内の冷媒は、絞り４１２にて減圧され、凝縮器２２０にて外気から吸熱して蒸発し、この蒸発した気相冷媒はアキュムレータ４２０で気液分離されて、気相冷媒が再び圧縮機２１０に戻る。

このように、ヒートポンプ暖機モードにおいては、加熱器３２０は、冷媒の熱をエンジン冷却水（エンジン１０）側に放熱する放熱器として機能し（エンジン冷却水加熱機能）、また、凝縮器２２０は、外気から冷媒に吸熱する吸熱用熱交換器として機能することになる。尚、加熱器３２０での加熱能力は、凝縮器２２０での吸熱分と圧縮機２１０の仕事分に相当する。

５．ホットガス暖機モード（図６参照）
この運転モードは、外気温度が極めて低い場合（例えば−１０℃以下）でのエンジン１０始動直後のように、エンジン冷却水温が低く、且つ、上記クーラモードの実行が無い時に、上記ヒートポンプサイクル４００に代えてホットガスサイクル５００を作動させて、低温状態にあるエンジン冷却水を積極的に加熱する運転モードである。

具体的には、図示しない制御装置は、サイクル切替え弁１１０を切替えて凝縮器２２０とＢ点側流路（第２バイパス流路３０２）とを接続すると共に、三方弁２１を切替えてエンジン冷却水が加熱器３２０を流通するようにし、制御弁２１１を吐出弁として機能する側に切替え、液ポンプ３１０を停止状態とし、開閉弁４１１閉じ、開閉弁５１１を開く。そして、回転電機２１２を電動機として作動（正回転作動）させ、膨張機一体型圧縮機２０１を圧縮機（２１０）として作動させる。

この時、冷媒は、圧縮機２１０→加熱器３２０→切替え流路５１０→開閉弁５１１→絞り５１２→第２バイパス流路３０２→アキュムレータ４２０→圧縮機２１０の順に循環する。

そして、上記のヒートポンプ暖機モード実行時と同様に、加熱器３２０にて冷媒とエンジン冷却水との間で熱交換され、エンジン冷却水が加熱される。更に、サイクル内の冷媒は、絞り５１２にて減圧され、アキュムレータ４２０で気液分離されて、気相冷媒が再び圧縮機２１０に戻る。

このように、ホットガス暖機モードにおいては、加熱器３２０は、圧縮機２１０の仕事分に相当する熱をエンジン冷却水（エンジン１０）側に放熱する放熱器として機能（エンジン冷却水加熱機能）することになる。

以上のように、本実施形態においては、冷凍サイクル２００の凝縮器２２０を共用するランキンサイクル３００を設けているので、冷凍サイクル２００の作動が不要の場合で、エンジン１０自身からの発熱（廃熱）が充分得られる時には、ランキンサイクル３００を作動することで、膨張機３３０にて動力を回収して発電することができ、エンジン１０の廃熱（従来、ラジエータ２３にて熱として大気中に捨てられていた熱エネルギー）を有効に活用することができる。即ち、エンジン１０の燃費を向上させることができる。

そして、上記ランキンサイクル３００を活用して、ヒートポンプサイクル４００を設けているので、冷凍サイクル２００の作動が不要の時、且つ、エンジン１０自身の発熱（廃熱）が少ない時には、このヒートポンプサイクル４００を作動させることで、加熱器３２０を介してエンジン冷却水（エンジン１０自身）を加熱でき、エンジン１０の暖機性能を高めることができる。即ち、エンジン１０の燃費を向上させることができる。更には、エンジン冷却水を加熱源とするヒータコア２６の能力不足を補うことができる。

更に、圧縮機２１０、加熱器３２０、絞り５１２を有する切替え流路５１０によって形成されるホットガスサイクル５００を設けているので、外気温度が極めて低い場合であっても、ヒートポンプサイクル４００に代えて、ホットガスサイクル５００を作動させることで、加熱器３２０を介してエンジン冷却水（エンジン１０自身）加熱でき、エンジン１０の暖機性能を高めることができる。即ち、エンジン１０の燃費を向上させることができる。更には、エンジン冷却水を加熱源とするヒータコア２６の能力不足を補うことができる。

また、加熱器３２０を圧縮機２１０と凝縮器２２０とを繋ぐ冷媒流路に設けるようにしているので、冷凍サイクル２００の作動時で、エンジン１０自身の発熱が少ない場合には、圧縮機２１０から吐出される高温高圧の冷媒を加熱器３２０に流すことができる。そして、エンジン冷却水を加熱器３２０側に流すことで、加熱器３２０によってエンジン冷却水（エンジン１０）を加熱することができ、エンジン１０の暖機性能を高めることができる。即ち、エンジン１０の燃費を向上させることができる。更には、ヒータコア２６の能力不足を補うことができる。

この時、冷凍サイクル２００を流通する冷媒は、本来の凝縮器２２０に加えて上記の加熱器３２０によっても冷却（放熱）されることになるので、冷媒圧力を低下させることができ、圧縮機２１０の動力を低減することができる。

尚、圧縮機２１０および膨張機３３０は、互いに兼用される膨張機一体型圧縮機２０１として形成しているので、コンパクトな流体機械とすることができる。

また、圧縮機２１０の吸入側にはアキュムレータ４２０を設けるようにしているので、ヒートポンプサイクル４００、ホットガスサイクル５００作動時において、圧縮機２１０に液冷媒が吸入されるのを防止でき、冷媒の液圧縮を防止することができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態を図７に示す。第２実施形態は、上記第１実施形態に対して凝縮器２２０を変更したものである。具体的には、凝縮器２２０において、ランキンサイクル３００作動時における冷媒の流出側に、気液分離器２３０、過冷却器２３１を順に設けた、いわゆる気液分離器を有するサブクールコンデンサの形態としている。尚、凝縮器２２０、気液分離器２３０、過冷却器２３１は、一体的に形成される気液分離器一体型サブクールコンデンサとしても良い。

これにより、ランキンサイクル３００作動時に、凝縮器２２０から流出して気液分離器２３０で分離された液相冷媒を、過冷却器２３１で更に冷却して液ポンプ３１０に供給できる。よって、液ポンプ３１０が冷媒を吸引する際の圧力低下（負圧となる）があっても、冷媒が沸騰して気化するのを防止することができるので、キャビテーションによる液ポンプ３１０の損傷およびポンプ効率低下を防止できる。

尚、上記第２実施形態において、液ポンプバイパス流路４１０のヒートポンプサイクル４００作動時（図５）の冷媒流れ下流側を、凝縮器２２０と過冷却器２３１との間、更に具体的には凝縮器２２０と気液分離器２３０との間に接続しても良い。

これにより、ヒートポンプサイクル４００作動時において、加熱器３２０からの気液混合状態の冷媒が過冷却器２３１を流通せずに凝縮器２２０に流入するようにできる。通常、過冷却器２３１は凝縮器２２０に比べて、体格は小さく設定され、冷媒流路としても狭いものとなるので、特に気相冷媒流通時の圧損が増大する。よって、上記のように冷媒が過冷却器２３１を流通しないようにすることで、ヒートポンプサイクル４００作動時の冷媒流通圧損を低減することができる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態を図８に示す。第３実施形態は、上記第１実施形態に対して、アキュムレータ４２０の設定位置を変更したものである。

ここでは、アキュムレータ４２０は、冷凍サイクル２００作動時（蒸発器２５０が冷凍機能を発揮する時）の冷媒流路から外れて配置されるようにしている。具体的には、アキュムレータ４２０をサイクル切替え弁１１０とＢ点との間（第２バイパス流路３０２）に設けるようにしている。

これにより、冷凍サイクル２００作動時に冷媒がアキュムレータ４２０を通らないようにすることができるので、冷媒流通圧損を低減でき、冷凍能力を向上させることができる。

（第４実施形態）
本発明の第４実施形態を図９に示す。第４実施形態は、上記第１実施形態に対して、ヒートポンプサイクル４００を廃止したものである。具体的には、液ポンプバイパス流路４１０、開閉弁４１１、絞り４１２を廃止している。

第４実施形態においては、低温時のエンジン冷却水の加熱をホットガスサイクル５００のみによって行う（ホットガス暖機モードのみの実行）。

これにより、ヒートポンプサイクル４００に比べてホットガスサイクル５００の加熱能力は低下するものの、上記構成機器（４１０、４１１、４１２）廃止に伴うコストダウンが可能となる。

（第５実施形態）
本発明の第５実施形態を図１０に示す。第５実施形態は、上記第１実施形態に対して、切替え流路５１０をサイクル切替え弁１１０ａと一体化したものである。

ここでは、サイクル切替え弁１１０ａにおいて、凝縮器２２０に対するＡ点側流路およびＢ点側流路に加えて、Ａ点側およびＢ点側を繋ぎ、この間を開閉可能とするもう１つの流路５１０ａを形成して、この流路５１０ａに絞り５１２を設けている。

これにより、シンプルな構成による冷媒流路とすることができる。

（その他の実施形態）
上記第１〜第５実施形態においては、発熱機器として、車両用のエンジン（熱機関、内燃機関）１０としたが、これに限らず、例えば、外燃機関、燃料電池車両の燃料電池スタック、各種モータ、インバータ等のように作動時に発熱を伴い、温度制御のためにその熱の一部を捨てるもの（廃熱が発生するもの）であれば、広く適用することができる。

また、冷凍サイクル２００作動時におけるエンジン１０の暖機（クーラ＋暖機モード）はできなくなるが、主としてヒートポンプサイクル４００あるいはホットガスサイクル５００の作動によりエンジン１０の暖機を考えるならば、加熱器３２０は、冷凍サイクル２００の圧縮機２１０と凝縮器２２０とを繋ぐ冷媒流路から外れて配設されるようにしても良い。

また、圧縮機２１０と膨張機３３０とが兼用された膨張機一体型圧縮機２０１として説明したが、それぞれ独立して設けられたものとしても良い。

また、第１〜第４実施形態において、サイクル切替え弁１１０は、三方弁に代えて、Ａ点側流路あるいはＢ点側流路をそれぞれ開閉する開閉弁としても良い。

また、膨張機３３０にて回収した駆動力で回転電機（発電機）２１２を作動させて、電気エネルギーとして蓄電器にて蓄えたが、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。

また、本発明を車両用として適用する場合に、上記第１〜第５実施形態ではハイブリッド車両を例にして説明したが、走行用駆動源として通常の水冷式のエンジンのみを搭載する車両を対象にしても良い。

本発明の第１実施形態における蒸気圧縮式冷凍機を示す模式図である。 図１においてクーラモードで作動する場合のエンジン冷却水および冷媒流れ方向を示す模式図である。 図１においてクーラ＋暖機モードで作動する場合のエンジン冷却水および冷媒流れ方向を示す模式図である。 図１においてランキン発電モードで作動する場合のエンジン冷却水および冷媒流れ方向を示す模式図である。 図１においてヒートポンプ暖機モードで作動する場合のエンジン冷却水および冷媒流れ方向を示す模式図である。 図１においてホットガス暖機モードで作動する場合のエンジン冷却水および冷媒流れ方向を示す模式図である。 本発明の第２実施形態における蒸気圧縮式冷凍機を示す模式図である。 本発明の第３実施形態における蒸気圧縮式冷凍機を示す模式図である。 本発明の第４実施形態における蒸気圧縮式冷凍機を示す模式図である。 本発明の第５実施形態における蒸気圧縮式冷凍機を示す模式図である。

符号の説明

１０ エンジン（発熱機器、熱機関）
２６ ヒータコア（暖房器）
１００ 蒸気圧縮式冷凍機
２１０ 圧縮機
２２０ 凝縮器
２３０ 気液分離器
２３１ 過冷却器
２４０ 減圧器
２５０ 蒸発器
３００ ランキンサイクル
３１０ 液ポンプ（ポンプ）
３２０ 加熱器
３３０ 膨張機
４００ ヒートポンプサイクル
４１０ 液ポンプバイパス流路（バイパス流路）
４１２ 絞り（第２絞り部）
４２０ アキュムレータ
５００ ホットガスサイクル
５１０ 切替え流路
５１２ 絞り（第１絞り部）

Claims (9)

1. 圧縮機（２１０）によって冷媒が吸入圧縮され、前記冷媒が凝縮器（２２０）、減圧器（２４０）、蒸発器（２５０）の順に循環して、前記蒸発器（２５０）にて冷凍機能を発揮する冷凍サイクル（２００）を備える蒸気圧縮式冷凍機において、
   前記冷媒を吐出するポンプ（３１０）、発熱機器（１０）の廃熱を加熱源として前記冷媒を加熱する加熱器（３２０）、膨張機（３３０）、前記凝縮器（２２０）の順に前記冷媒が循環し、前記加熱器（３２０）からの前記冷媒の膨張によって前記膨張機（３３０）で動力を回収するランキンサイクル（３００）と、
   前記ポンプ（３１０）および前記加熱器（３２０）の間から、前記圧縮機（２１０）の吸入側への接続を可能として、第１絞り部（５１２）を有する切替え流路（５１０）が設けられ、前記発熱機器（１０）を冷却する冷却水の温度が低く、且つ、前記冷凍サイクル（２００）が作動されない時に、前記圧縮機（２１０）によって前記冷媒が、前記加熱器（３２０）、前記切替え流路（５１０）の順に循環し、前記加熱器（３２０）にて前記発熱機器（１０）に対する加熱機能を発揮するホットガスサイクル（５００）と、
   前記ポンプ（３１０）をバイパス可能として、第２絞り部（４１２）を有するバイパス流路（４１０）が設けられ、前記圧縮機（２１０）によって前記冷媒が、前記加熱器（３２０）、前記バイパス流路（４１０）、前記凝縮器（２２０）の順に循環し、前記凝縮器（２２０）にて吸熱機能を果たすと共に、前記加熱器（３２０）にて前記発熱機器（１０）に対する加熱機能を発揮するヒートポンプサイクル（４００）とが備えられたことを特徴とする蒸気圧縮式冷凍機。
2. 前記発熱機器（１０）は、熱機関（１０）であることを特徴とする請求項１に記載の蒸気圧縮式冷凍機。
3. 前記発熱機器（１０）の廃熱を加熱源とする暖房器（２６）を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の蒸気圧縮式冷凍機。
4. 前記加熱器（３２０）は、前記圧縮機（２１０）と前記凝縮器（２２０）とを繋ぐ冷媒流路に設けられたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の蒸気圧縮式冷凍機。
5. 前記圧縮機（２１０）は、前記加熱器（２２０）から流出した前記冷媒が流入する時には、前記膨張機（３３０）として機能することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の蒸気圧縮式冷凍機。
6. 前記凝縮器（２２０）は、前記ランキンサイクル（３００）作動時に、前記凝縮器（２２０）から流出する前記冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離する気液分離器（２３０）と、
   前記気液分離器（２３０）から流出する前記液相冷媒を過冷却する過冷却器（２３１）とを有することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の蒸気圧縮式冷凍装置。
7. 前記ホットガスサイクル（５００）作動時に、前記圧縮機（２１０）の吸入側で前記冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して、前記気相冷媒を前記圧縮機（２１０）に供給するアキュムレータ（４２０）が設けられたことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載の蒸気圧縮式冷凍機。
8. 前記アキュムレータ（４２０）は、前記蒸発器（２５０）が冷凍機能を発揮する時の冷媒流路から外れて配置されたことを特徴とする請求項７に記載の蒸気圧縮式冷凍機。
9. 走行用駆動源として、前記発熱機器（１０）としての熱機関（１０）と、走行用モータとを備えるハイブリッド車両に適用されることを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか１つに記載の蒸気圧縮機式冷凍機。

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