JP4196817B2 - 蒸気圧縮式冷凍機 - Google Patents

Description

本発明は、熱エネルギを回収するランキンサイクル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。

従来のランキンサイクルを備える蒸気圧縮式冷凍機では、ランキンサイクルにてエネル
ギ回収を行う場合には、蒸気圧縮式冷凍機の圧縮機を膨脹機として利用している（例えば
、特許文献１〜３参照）。
特許第３３５６４４９号公報 実開昭６３−９２０２１号公報 特許第２５４０７３８号公報

特許文献１に記載の装置では、１つの熱交換器を、冷凍サイクル時には空気から熱を奪い、冷媒を蒸発させる蒸発器として機能させ、ランキンサイクル時には高温熱源により冷媒を加熱する加熱器として機能させている。このように、加熱器と蒸発器を兼用した場合、この二つの機能する温度帯が非常に異なるために、蒸発器として適合するよう構成すると、加熱器として外部の廃熱を有効に回収することが困難になってしまう。

ところで、圧縮機は、外部から機械的エネルギを与えて気相冷媒等のガスを作動室内に
吸入した後、作動室の体積を縮小させてガスを圧縮して吐出するものである。一方、膨脹
機は、高圧のガスを作動室内に流入させて、そのガス圧により作動室を膨脹させて機械的
エネルギ等を取り出すものである。このため、スクロール型など回転式の圧縮機を膨脹機
として利用するには、冷媒流れを逆転させる必要がある。

しかし、特許文献２に記載の装置は、圧縮機を、冷凍能力を発揮させる際の圧縮機として作動させる場合も、エネルギ回収を行う際の膨脹機として作動させる場合も、圧縮機部分での冷媒流れは同一であり、圧縮機として作動させる場合と膨脹機として作動させる場合とで圧縮機部分での冷媒流れを逆転させるものではない。

さらに、特許文献３に記載の装置では、エネルギ回収を行う際の膨脹機（圧縮機）の冷
媒入口側及び冷媒出口側が、蒸気圧縮式冷凍機にて冷凍能力を発揮させる場合の圧縮機（
膨脹機）の冷媒入口側及び冷媒出口側と同じ側に設定されているので、スクロール型圧縮
機を用いた場合、１台の圧縮機を膨脹機として作動させることはできず、現実的には、ラ
ンキンサイクル作動及び蒸気圧縮式冷凍機のうちいずれか一方は正常作動しない。

本発明は、上記点に鑑み、実現可能なランキンサイクルを備える蒸気圧縮式冷凍機を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明では、冷媒を吸入圧縮する圧縮機（１０）と、圧縮機（１０）の冷媒吐出側に設けられ、冷媒を冷却する放熱器（１１）と、放熱器（１１）から流出した冷媒を減圧する減圧器（１３）と、減圧器（１３）にて減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器（１４）とを備え、蒸発器（１４）にて冷凍能力を発揮させる場合には、冷媒を圧縮機（１０）→放熱器（１１）→減圧器（１３）→蒸発器（１４）→圧縮機（１０）の順に循環させる蒸気圧縮式冷凍機において、圧縮機（１０）の冷媒吐出側から放熱器（１１）へ向けての冷媒の流れを遮断可能な冷媒遮断手段（３４ｃ）と、冷媒を加熱する加熱器（３０）と、冷媒遮断手段（３４ｃ）をバイパスして冷媒を加熱器（３０）に供給する冷媒供給手段（３１、３１ａ、３２）と、加熱器（３０）から流出した冷媒を膨脹させて加熱器（３０）により冷媒に与えられた熱エネルギを回収するエネルギ回収機（３３）とを備え、加熱器（３０）は、圧縮機（１０）と放熱器（１１）とを繋ぐ冷媒回路に設けられ、エネルギ回収機（３３）にてエネルギを回収する場合には、冷媒遮断手段（３４ｃ）により圧縮機（１０）の冷媒吐出側から放熱器へ向けての冷媒の流れを遮断するとともに、冷媒供給手段（３１、３１ａ、３２）により冷媒を加熱器（３０）→エネルギ回収機（３３）→放熱器（１１）→加熱器（３０）の順に循環させることを特徴とする。

これにより、ランキンサイクルを確実に作動させて廃熱を回収することができる。

また、蒸発器は空調用に空気を冷やし、加熱器は高温熱源により冷媒を加熱するものであり、機能が異なっているとともに、温度帯が非常に異なっている。したがって、蒸発器と加熱器を独立して設けることにより、それぞれの用途に適合した仕様にすることができるとともに、冷凍サイクルとランキンサイクルを即時に切り替えることができる。

請求項２に記載の発明のように、圧縮機（１００）は、加熱器（３０）から流出した冷媒が流入するときにはエネルギ回収機（３３）として機能するものを用いてもよい。

請求項３に記載の発明のように、エネルギ回収機（３３）を圧縮機（１０）と並列に接続してもよい。

請求項４に記載の発明では、冷媒を吸入圧縮する圧縮機（１０）と、圧縮機（１０）の冷媒吐出側に設けられ、冷媒を冷却する放熱器（１１）と、放熱器（１１）から流出した冷媒を減圧する減圧器（１３）と、減圧器（１３）にて減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器（１４）とを備え、蒸発器（１４）にて冷凍能力を発揮させる場合には、冷媒を圧縮機（１０）→放熱器（１１）→減圧器（１３）→蒸発器（１４）→圧縮機（１０）の順に循環させる蒸気圧縮式冷凍機において、圧縮機（１０）の冷媒吐出側から放熱器（１１）へ向けての冷媒の流れを遮断可能な冷媒遮断手段（３４ｃ）と、冷媒を加熱する加熱器（３０）と、冷媒遮断手段（３４ｃ）をバイパスして冷媒を加熱器（３０）に供給する冷媒供給手段（３１、３１ａ、３２）と、加熱器（３０）から流出した冷媒を膨脹させて加熱器（３０）により冷媒に与えられた熱エネルギを回収するエネルギ回収機（３３）とを備え、圧縮機（１０）の冷媒吐出側とエネルギ回収機（３３）の冷媒入口側は、合流点（Ａ）にて合流して放熱器（１１）に繋がれ、加熱器（３０）は、エネルギ回収機（３３）の冷媒入口側と合流点（Ａ）とを繋ぐ冷媒回路に設けられ、エネルギ回収機（３３）にてエネルギを回収する場合には、冷媒遮断手段（３４ｃ）により圧縮機（１０）の冷媒吐出側から放熱器へ向けての冷媒の流れを遮断するとともに、冷媒供給手段（３１、３１ａ、３２）により冷媒を加熱器（３０）→エネルギ回収機（３３）→放熱器（１１）→加熱器（３０）の順に循環させることを特徴とする。

請求項５に記載の発明のように、放熱器（１１）から流出した冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離する気液分離器（１２）を備え、気液分離器（１２）により分離された液相冷媒を冷媒供給手段（３１、３１ａ、３２）により加熱器（３０）に供給するようにしてもよい。

請求項６に記載の発明では、エネルギ回収機（３３）にて回収したエネルギを蓄える畜
エネルギ手段を備えることを特徴とするものである。

請求項７に記載の発明では、畜エネルギ手段は、蓄電器にて構成されていることを特徴
とするものである。

請求項８に記載の発明では、畜エネルギ手段は、回収したエネルギを機械的エネルギとして蓄えることを特徴とするものである。

請求項９に記載の発明では、エネルギ回収機（３３）は回収したエネルギにて電気エネルギを発生させることを特徴とするものである。

請求項１０に記載の発明では、圧縮機（１０）は電動モータにより駆動されることを特
徴とするものである。

請求項１１に記載の発明では、圧縮機（１０）は複数種類の駆動源により駆動され得る
ことを特徴とするものである。

請求項１２に記載の発明では、圧縮機（１０）は、電動モータ以外の駆動源により駆動
され得ることを特徴とするものである。

請求項１３に記載の発明では、熱機関から排出される排気ガスの熱により冷媒を加熱する補助加熱器（２６）が、加熱器（３０）とは別に設けられていることを特徴とする。

これによると、排気ガスの熱で冷媒をさらに加熱することによって、廃熱の回収量を増やすことができるとともに、温度帯を高くすることができるので、エネルギ回収機でのエネルギ回収量と回収効率を高めることができる。

請求項１４に記載の発明では、加熱器（３０）は、熱機関にて発生する廃熱にて冷媒を
加熱することを特徴とするものである。

請求項１５に記載の発明では、加熱器（３０）は、熱機関から排出される排気ガスの熱により冷媒を加熱することを特徴とするものである。

請求項１６に記載の発明では、加熱器（３０）は、車両に搭載された機器から発生する廃熱にて冷媒を加熱することを特徴とするものである。

請求項１７に記載の発明では、加熱器（３０）は、複数の熱源により冷媒を加熱することを特徴とするものである。

請求項１８に記載の発明では、冷媒として、ＨＦＣ１３４ａ、ＨＦＣ１５２ａ、ブタン
、プロパンおよびアンモニアのうち少なくとも１つ主成分とするものが用いられているこ
とを特徴とするものである。

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、本発明に係るランキンサイクルを備える蒸気圧縮式冷凍機を車両に適用
したものであって、図１は本実施形態に係る蒸気圧縮式冷凍機の模式図である。

そして、本実施形態に係るランキンサイクルを備える蒸気圧縮式冷凍機は、走行用動力
を発生させる熱機関をなすエンジン２０で発生した廃熱からエネルギを回収するとともに
、蒸気圧縮式冷凍機で発生した冷熱及び温熱を空調に利用するものである。以下、ランキ
ンサイクルを備える蒸気圧縮式冷凍機について述べる。

圧縮機１０は電動モータから動力を得て冷媒を吸入圧縮するものであり、放熱器１１は
、圧縮機１０の吐出側に接続されて放熱しながら冷媒を冷却する放冷器である。ファン１６は、放熱器１１に放熱用の風を送るものであり、放熱器１１とともにエンジンルーム内に配置される。

気液分離器１２は放熱器１１から流出した冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離するレシ
ーバであり、減圧器１３は気液分離器１２で分離された液相冷媒を減圧膨脹させるもので
、本実施形態では、冷媒を等エンタルピ的に減圧するとともに、圧縮機１０に吸入される
冷媒の過熱度が所定値となるように絞り開度を制御する温度式膨脹弁を採用している。

蒸発器１４は、減圧器１３にて減圧された冷媒を蒸発させて吸熱作用を発揮させる吸熱
器であり、圧縮機１０、放熱器１１、気液分離器１２、減圧器１３及び蒸発器１４等にて
低温側の熱を高温側に移動させる蒸気圧縮式冷凍機が構成される。ファン１７は、空調用に外気もしくは車室内の空気を蒸発器１４に送り出すものであり、エアコンユニット内に配置される。

加熱器３０は、圧縮機１０と放熱器１１とを繋ぐ冷媒回路に設けられて、この冷媒回路
を流れる冷媒とエンジン冷却水とを熱交換することにより冷媒を加熱する熱交換器であり
、三方弁２１によりエンジン２０から流出したエンジン冷却水を加熱器３０に循環させる
場合と循環させない場合とが切り替えられる。

第１バイパス回路３１は、気液分離器１２で分離された液相冷媒を加熱器３０のうち放
熱器１１側の冷媒出入口側に導く冷媒通路であり、この第１バイパス回路３１には、液相
冷媒を循環させるための液ポンプ３２及び気液分離器１２側から加熱器３０側にのみ冷媒
が流れることを許容する逆止弁３１ａが設けられており、本実施形態では、液ポンプ３２
、第１バイパス回路３１及び逆止弁３１ａ等により特許請求の範囲に記載された冷媒供給手段が構成されている。なお、液ポンプ３２は、本実施形態では、電動式のポンプである。

そして、圧縮機１０と並列な冷媒回路には、加熱器３０から流出した過熱蒸気を膨脹さ
せて加熱器３０に与えられた熱エネルギを回収するエネルギ回収機３３が設けられている
。なお、本実施形態では、膨脹機３３ａ及び膨脹機３３ａから出力される機械的出力によ
る駆動される発電機３３ｂによりエネルギ回収機３３が構成されている。

また、第２バイパス回路３４は、膨脹機３３ａの冷媒出口側と放熱器１１の冷媒入口側
とを繋ぐ冷媒通路であり、この第２バイパス回路３４には、膨脹機３３ａの冷媒出口側か
ら放熱器１１の冷媒入口側にのみ冷媒が流れることを許容する逆止弁３４ｄが設けられて
いる。

なお、逆止弁１４ａは蒸発器１４の冷媒出口側から圧縮機１０の吸入側にのみ冷媒が流
れることを許容するもので、開閉弁３４ａ〜３４ｃは冷媒通路を開閉する電磁式のバルブ
であり、開閉弁３４ａ〜３４ｃ及び三方弁２１等は電子制御装置により制御されている。開閉弁３４ｃは、後述する廃熱回収運転モード時に、圧縮機１０の冷媒吐出側から放熱器１１へ向けての冷媒の流れを遮断するものであり、本発明の冷媒遮断手段に相当する。

ところで、水ポンプ２２はエンジン冷却水を循環させるもので、ラジエータ２３はエン
ジン冷却水と外気とを熱交換してエンジン冷却水を冷却する熱交換器であり、バイパス回
路２４は、ラジエータ２３を迂回させて冷却水を流す迂回路であり、サーもスタット２５
は、バイパス回路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。

因みに、水ポンプ２２はエンジン２０から動力を得て稼動する機械式のポンプであるが
、電動モータにて駆動される電動ポンプを用いてもよいことは言うまでもない。

次に、本実施形態に係る蒸気圧縮式冷凍機の作動及びその効果を述べる。

１．空調運転モード（図２参照）
この運転モードは、蒸発器１４にて冷凍能力を発揮させながら放熱器１１にて冷媒を放
冷する運転モードである。なお、本実施形態では、蒸気圧縮式冷凍機で発生する冷熱、つ
まり吸熱作用を利用した冷房運転及び除湿運転にのみ蒸気圧縮式冷凍機を稼動させており
、放熱器１１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
も蒸気圧縮式冷凍機の作動は冷房運転及び除湿運転時と同じである。

具体的には、液ポンプ３２を停止させた状態で開閉弁３４ａ、３４ｃを開き、かつ、開
閉弁３４ｂを閉じて圧縮機１０を稼動させるとともに、三方弁２１を図２に示すように作
動させて加熱器３０を迂回させて冷却水を循環させるものである。

これにより、冷媒は、圧縮機１０→加熱器３０→放熱器１１→気液分離器１２→減圧器
１３→蒸発器１４→圧縮機１０の順に循環する。なお、加熱器３０にエンジン冷却水が循
環しないので、加熱器３０にて冷媒は加熱されず、加熱器３０は単なる冷媒通路として機
能する。

したがって、減圧器１３にて減圧された低圧冷媒は、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圧縮機１０にて圧縮されて高温となって放熱器１１にて
室外空気にて冷却されて凝縮する。

なお、本実施形態では、冷媒としてフロン（ＨＦＣ１３４ａ）を利用しているが、高圧
側にて冷媒が液化する冷媒であれば、ＨＦＣ１３４ａに限定されるものではなく、例えば
ＨＦＣ１３４ａ、ＨＦＣ１５２ａ、ブタン、プロパンおよびアンモニアのうち少なくとも
１つ主成分とするものを用いてもよい。

２．廃熱回収運転モード（図３参照）
この運転モードは、空調装置、つまり圧縮機１０を停止させてエンジン２０の廃熱を利
用可能なエネルギとして回収するモードである。

具体的には、開閉弁３４ａ、３４ｃを閉じた状態で液ポンプ３２を稼動させ、かつ、開
閉弁３４ｂを開いて圧縮機１０を停止させるとともに、三方弁２１を図３に示すように作
動させてエンジン２０から流出したエンジン冷却水を加熱器３０に循環させるものである
。

これにより、冷媒は、気液分離器１２→第１バイパス回路３１→加熱器３０→エネルギ
回収機３３（膨脹機３３ａ）→第２バイパス回路３４→放熱器１１→気液分離器１２の順
に循環する。

したがって、膨脹機３３ａには、加熱器３０にて加熱された過熱蒸気が流入し、膨脹機
３３ａに流入した蒸気冷媒は、膨脹機３３ａ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３３ａは、低下したエンタルピに相当する機
械的エネルギを発電機３３ｂに与え、発電機３３ｂ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。

また、膨脹機３３ａから流出した冷媒は、放熱器１１にて冷却されて凝縮し、気液分離
器１２に蓄えられ、気液分離器１２内の液相冷媒は、液ポンプ３２にて加熱器３０側に送
られる。なお、液ポンプ３２は、加熱器３０にて加熱されて生成された過熱蒸気が、気液
分離器１２側に逆流しない程度の圧力にて液相冷媒を加熱器３０に送り込む。

以上に述べたように、本実施形態では、ラジエータ２３にて熱として大気中に捨てられ
ていた熱エネルギを電力等の容易に利用することができるエネルギに変換するので、車両
の燃費、つまりエンジン２０の燃料消費量を低減することができ得る。

また、本実施形態では、エンジン２０の廃熱により発電するので、オルタネータ等の発
電機をエンジン２０にて駆動する必要性が低減し、エンジン２０の燃料消費量をさらに低
減することができる。

また、蒸発器１４は空調用に空気を冷やし、加熱器３０は高温熱源により冷媒を加熱するものであり、機能が異なっているとともに、温度帯が非常に異なっている。したがって、本実施形態のように、蒸発器１４と加熱器３０を独立して設けることにより、それぞれの用途に適合した仕様にすることができるとともに、冷凍サイクルとランキンサイクルを即時に切り替えることができる。

なお、本実施形態では、圧縮機１０の吐出側と膨脹機３３ａの冷媒入口側との合流点Ａ（図１参照）よりも放熱器１１側の冷媒回路に加熱器３０を設けたが、加熱器３０は、膨脹機３３ａの冷媒入口側と合流点Ａをつなぐ冷媒回路に設けてもよい。

（第２実施形態）
本実施形態は、図４に示すように、気液分離器１２にて分離された液相冷媒を冷却して
冷媒の過冷却度を高める過冷却器１５を設けたものである。

なお、本実施形態では、第１バイパス回路３１の気液分離器１２側を過冷却器１５の冷
媒出口側に接続することにより、液ポンプ３２に吸引される液相冷媒が気化してしまうこ
とを防止してキャビテーションによる液ポンプ３２の損傷及びポンプ効率の低下を防止し
ているが、第１バイパス回路３１の気液分離器１２側を、第１実施形態と同様に、気液分
離器１２に接続してもよい。

（第３実施形態）
本実施形態は、図５に示すように、開閉弁３４ａ〜３４ｃに代えて、切替え弁３５にて冷媒通路を切り替えるものである。より詳細には、この切替え弁３５は、２つの冷媒通路のうち一方の冷媒通路を開通し、他方の冷媒通路を閉通するものである。

なお、図５は第１実施形態に対して本実施形態を適用したものであるが、第２実施形態
に対して本発明を適用してもよい。

（第４実施形態）
本実施形態は、図６に示すように、圧縮機１０とエネルギ回収機３３（膨脹機３３ａ）
とが一体となった膨脹機一体型圧縮機１００を用いた例である。

１．空調運転モード
液ポンプ３２を停止させた状態で開閉弁３４ｃを開いて圧縮機１０を稼動させるととも
に、三方弁２１を作動させて加熱器３０を迂回させて冷却水を循環させるものである。

なお、本実施形態では、膨脹機一体型圧縮機１００を圧縮機として作動させる際には、
発電機３３ｂを電動モータとして作動させている。

これにより、冷媒は、膨脹機一体型圧縮機１００→加熱器３０→放熱器１１→気液分離
器１２→減圧器１３→蒸発器１４→膨脹機一体型圧縮機１００の順に循環する。なお、加
熱器３０にエンジン冷却水が循環しないので、加熱器３０にて冷媒は加熱されず、加熱器
３０は単なる冷媒通路として機能する。

したがって、減圧器１３にて減圧された低圧冷媒は、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圧縮機１０にて圧縮されて高温となって放熱器１１にて
室外空気にて冷却されて凝縮する。

２．廃熱回収運転モード
開閉弁３４ｃを閉じた状態で液ポンプ３２を稼動させ、かつ、三方弁２１を作動させて
エンジン２０から流出したエンジン冷却水を加熱器３０に循環させるものである。

これにより、冷媒は、気液分離器１２→第１バイパス回路３１→加熱器３０→膨脹機一
体型圧縮機１００→第２バイパス回路３４→放熱器１１→気液分離器１２の順に循環する
。

したがって、膨脹機一体型圧縮機１００には、加熱器３０にて加熱された過熱蒸気が流
入し、膨脹機一体型圧縮機１００に流入した蒸気冷媒は、膨脹機一体型圧縮機１００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、膨脹機一体
型圧縮機１００は、低下したエンタルピに相当する機械的エネルギを発電機３３ｂに与え
、発電機３３ｂ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
。

なお、図７（ａ）は膨脹機一体型圧縮機１００が圧縮機として作動する場合を示し、図
７（ｂ）は膨脹機一体型圧縮機１００が膨脹機よして作動する場合を示すものであり、本
実施形態では、ベーン型の流体機械にて膨脹機一体型圧縮機を構成している。

また、制御弁３６は、膨脹機一体型圧縮機１００を圧縮機として作動する際には吐出弁
、つまり逆止弁として作動し、膨脹機として作動させるには開くバルブである。

因みに、図６は第１実施形態に対して本実施形態を適用したものであるが、第２実施形
態に対して本発明を適用してもよい。

（第５実施形態）
本実施形態は、図８に示すように、膨脹機一体型圧縮機１００として、エンジン２０が
稼動しているときは、電動モータ以外の駆動源、つまりエンジン２０から動力を得て冷媒
を吸入圧縮し、エンジン２０が停止しているときには電動モータから動力を得て冷媒を吸
入圧縮する、いわゆるハイブリッド型のものを採用したものである。

なお、本実施形態においても、膨脹機一体型圧縮機１００を圧縮機として作動させる際
には、発電機３３ｂを電動モータとして作動させている。

因みに、図８は第１実施形態に対して本実施形態を適用したものであるが、第２実施形
態に対して本発明を適用してもよい。

（第６実施形態）
本実施形態は、図９に示すように、廃熱回収運転モード時に、放熱器１１から流出した
冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離する第２の気液分離器３７を設け、かつ、第２の気液
分離器３７の液相冷媒出口から流出した冷媒を開閉弁３４ｃを迂回させて加熱器３０に導
く第３バイパス通路３８に液ポンプ３２を設けるとともに、第２バイパス回路３４の放熱
器１１側を、放熱器１１のうち気液分離器１２（以下、第１の気液分離器１２呼ぶ。）側
に接続したものである。

そして、空調運転モード時には、液ポンプ３２を停止させた状態で開閉弁３４ａ、３４
ｃを開き、かつ、開閉弁３４ｂを閉じて圧縮機１０を稼動させるとともに、三方弁２１を
作動させて加熱器３０を迂回させて冷却水を循環させるものである。

これにより、冷媒は、圧縮機１０→加熱器３０→放熱器１１→第１の気液分離器１２→
減圧器１３→蒸発器１４→圧縮機１０の順に循環する。なお、加熱器３０にエンジン冷却
水が循環しないので、加熱器３０にて冷媒は加熱されず、加熱器３０は単なる冷媒通路と
して機能する。

したがって、減圧器１３にて減圧された低圧冷媒は、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圧縮機１０にて圧縮されて高温となって放熱器１１にて
室外空気にて冷却されて凝縮する。

また、廃熱回収運転モード時には、開閉弁３４ａ、３４ｃを閉じた状態で液ポンプ３２
を稼動させ、かつ、開閉弁３４ｂを開いて圧縮機１０を停止させるとともに、三方弁２１
を作動させてエンジン２０から流出したエンジン冷却水を加熱器３０に循環させるもので
ある。

これにより、冷媒は、第２の気液分離器３７→第３バイパス回路３８→加熱器３０→エ
ネルギ回収機３３（膨脹機３３ａ）→第２バイパス回路３４→放熱器１１→第２の気液分
離器３７の順に循環し、放熱器１１内を流れる冷媒は空調運転モード時と逆転する。

したがって、膨脹機３３ａには、加熱器３０にて加熱された過熱蒸気が流入し、膨脹機
３３ａに流入した蒸気冷媒は、膨脹機３３ａ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３３ａは、低下したエンタルピに相当する機
械的エネルギを発電機３３ｂに与え、発電機３３ｂ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。

なお、本実施形態は、膨脹機一体型圧縮機１００を用いても実施することができる。

（第７実施形態）
第１〜６実施形態では、三方弁２１にてエンジン２０にて廃熱を回収したエンジン冷却
水を加熱器３０に供給する場合と供給しない場合とを切り換えていたが、本実施形態は、
図１０に示すように、気液分離器１２と膨脹機一体型圧縮機１００とを直接的に繋ぐ冷媒
回路３１ｂを設け、この冷媒回路３１ｂに液ポンプ３２および加熱器３０を配置するとと
もに、三方弁２１を廃止したものである。

このため、本実施形態では、エンジン２０が稼動している間は、常に加熱器３０にエン
ジン冷却水が循環し、液ポンプ３２を稼動させるか否かによりエンジン冷却水から廃熱を
回収するか否を制御する。

また、制御弁３６は、膨脹機一体型圧縮機１００を圧縮機として作動する際には吐出弁
、つまり逆止弁として作動し、膨脹機として作動させるには開くバルブである。

以下に、具体的な作動を説明する。

１．空調運転モード
液ポンプ３２を停止させた状態で開閉弁３４ｃを開くとともに、発電機３３ｂを電動モ
ータとして作動させて圧縮機１０を稼動させる。

これにより、冷媒は、膨脹機一体型圧縮機１００→放熱器１１→気液分離器１２→減圧
器１３→蒸発器１４→膨脹機一体型圧縮機１００の順に循環する。

したがって、減圧器１３にて減圧された低圧冷媒は、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圧縮機１０にて圧縮されて高温となって放熱器１１にて
室外空気にて冷却されて凝縮する。

２．廃熱回収運転モード
開閉弁３４ｃを閉じた状態で液ポンプ３２を稼動させる。

これにより、冷媒は、気液分離器１２→冷媒回路３１ｂ→加熱器３０→膨脹機一体型圧
縮機１００→第２バイパス回路３４→放熱器１１→気液分離器１２の順に循環する。

したがって、膨脹機一体型圧縮機１００には、加熱器３０にて加熱された過熱蒸気が流
入し、膨脹機一体型圧縮機１００に流入した蒸気冷媒は、膨脹機一体型圧縮機１００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、膨脹機一体型圧縮機１００は、低下したエンタルピに相当する機械的エネル
ギを発電機３３ｂに与え、発電機３３ｂ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。

以上に述べたように、本実施形態では、三方弁２１を廃止できるので、エンジン冷却水
の回路を簡素なものとすることができるので、蒸気圧縮式冷凍機の製造原価を低減するこ
とができる。

なお、図１０は、第４実施形態に示される蒸気圧縮式冷凍機に本実施形態を適用したも
のであるが、本実施形態は、これに限定されるものではなく、第１〜３、５、６実施形態
のいずれかにも適用することができることは言うまでもない。

（第８実施形態）
第１〜７実施形態では、冷媒を加熱する熱源としてエンジン冷却水のみを用いたが、本実施形態は、冷媒を加熱する熱源としてエンジン２０の排気ガスを併用するようにしたものである。

本実施形態では、図１１に示すように、気液分離器１２と膨脹機一体型圧縮機１００とを直接的に繋ぐ冷媒回路３１ｂを、エンジン２０の排気管２６側に経由させて排気管２６の外壁面に接触させることにより、エンジン冷却水で加熱された冷媒を排気ガスの熱でさらに加熱させるようにしている。なお、排気管２６は本発明の補助加熱器に相当する。

したがって、本実施形態では、排気ガスの熱で冷媒をさらに加熱することによって、廃熱の回収量を増やすことができるとともに、温度帯を高くすることができるので、膨脹機一体型圧縮機１００でのエネルギ回収量と回収効率を高めることができる。

（その他の実施形態）
上述の実施形態では、エネルギ回収機３３にて回収したエネルギを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又はバネにより弾性エネルギ等の機械的エネルギと
して蓄えてもよい。

また、第１〜３実施形態（図１、図５および図６）では、加熱器３０を放熱器１１と圧
縮機１０との間に直列に配置したが、加熱器３０にて冷媒を加熱するのは、廃熱回収運転
時のみであることから、加熱器３０を放熱器１１と膨脹機３３ａとの間（例えば、図１に
おいて、Ａ点より膨脹機３３ａ側の冷媒回路）に直列に配置してもランキンサイクルを稼
動させることができる。

また、冷媒を加熱する熱源として、車両に搭載された各種機器から発生する廃熱、例えば、ターボの吸気熱、インバーターの発生熱、補機の廃熱を用いてもよい。そして、１つの熱源のみを用いて冷媒を加熱してもよいし、複数の熱源を併用して冷媒を加熱してもよい。

また、本発明は、特許請求の範囲に記載された発明の趣旨に合致するものであればよく
、上述の実施形態に限定されるものではない。

本発明の第１実施形態に係るランキン蒸気圧縮式冷凍機の模式図である。 本発明の第１実施形態に係るランキン蒸気圧縮式冷凍機の模式図である。 本発明の第１実施形態に係るランキン蒸気圧縮式冷凍機の模式図である。 本発明の第２実施形態に係るランキン蒸気圧縮式冷凍機の模式図である。 本発明の第３実施形態に係るランキン蒸気圧縮式冷凍機の模式図である。 本発明の第４実施形態に係るランキン蒸気圧縮式冷凍機の模式図である。 本発明の第４実施形態に係る膨脹機一体型圧縮機の模式図である。 本発明の第５実施形態に係るランキン蒸気圧縮式冷凍機の模式図である。 本発明の第６実施形態に係るランキン蒸気圧縮式冷凍機の模式図である。 本発明の第７実施形態に係るランキン蒸気圧縮式冷凍機の模式図である。 本発明の第８実施形態に係るランキン蒸気圧縮式冷凍機の模式図である。

符号の説明

１０…圧縮機、１１…放熱器、１２…気液分離器、１３…減圧器、
１４…蒸発器１４、２０…エンジン、２０…加熱器、
３１…第１バイパス回路、３２…液ポンプ、３３…エネルギ回収機、
３３ａ…膨脹機、３３ｂ…発電機。

Claims (18)

1. 冷媒を吸入圧縮する圧縮機（１０）と、
   前記圧縮機（１０）の冷媒吐出側に設けられ、冷媒を冷却する放熱器（１１）と、
   前記放熱器（１１）から流出した冷媒を減圧する減圧器（１３）と、
   前記減圧器（１３）にて減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器（１４）とを備え、
   前記蒸発器（１４）にて冷凍能力を発揮させる場合には、冷媒を前記圧縮機（１０）→前記放熱器（１１）→前記減圧器（１３）→前記蒸発器（１４）→前記圧縮機（１０）の順に循環させる蒸気圧縮式冷凍機において、
   前記圧縮機（１０）の冷媒吐出側から前記放熱器（１１）へ向けての冷媒の流れを遮断可能な冷媒遮断手段（３４ｃ）と、
   冷媒を加熱する加熱器（３０）と、
   前記冷媒遮断手段（３４ｃ）をバイパスして冷媒を前記加熱器（３０）に供給する冷媒供給手段（３１、３１ａ、３２）と、
   前記加熱器（３０）から流出した冷媒を膨脹させて前記加熱器（３０）により冷媒に与えられた熱エネルギを回収するエネルギ回収機（３３）とを備え、
   前記加熱器（３０）は、前記圧縮機（１０）と前記放熱器（１１）とを繋ぐ冷媒回路に設けられ、
   前記エネルギ回収機（３３）にてエネルギを回収する場合には、前記冷媒遮断手段（３４ｃ）により前記圧縮機（１０）の冷媒吐出側から前記放熱器へ向けての冷媒の流れを遮断するとともに、前記冷媒供給手段（３１、３１ａ、３２）により冷媒を前記加熱器（３０）→前記エネルギ回収機（３３）→前記放熱器（１１）→前記加熱器（３０）の順に循環させることを特徴とする蒸気圧縮式冷凍機。
2. 前記圧縮機（１００）は、前記加熱器（３０）から流出した冷媒が流入するときには前記エネルギ回収機（３３）として機能す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. 前記エネルギ回収機（３３）は前記圧縮機（１０）と並列に接続されてい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。
4. 冷媒を吸入圧縮する圧縮機（１０）と、
   前記圧縮機（１０）の冷媒吐出側に設けられ、冷媒を冷却する放熱器（１１）と、
   前記放熱器（１１）から流出した冷媒を減圧する減圧器（１３）と、
   前記減圧器（１３）にて減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器（１４）とを備え、
   前記蒸発器（１４）にて冷凍能力を発揮させる場合には、冷媒を前記圧縮機（１０）→前記放熱器（１１）→前記減圧器（１３）→前記蒸発器（１４）→前記圧縮機（１０）の順に循環させる蒸気圧縮式冷凍機において、
   前記圧縮機（１０）の冷媒吐出側から前記放熱器（１１）へ向けての冷媒の流れを遮断可能な冷媒遮断手段（３４ｃ）と、
   冷媒を加熱する加熱器（３０）と、
   前記冷媒遮断手段（３４ｃ）をバイパスして冷媒を前記加熱器（３０）に供給する冷媒供給手段（３１、３１ａ、３２）と、
   前記加熱器（３０）から流出した冷媒を膨脹させて前記加熱器（３０）により冷媒に与えられた熱エネルギを回収するエネルギ回収機（３３）とを備え、
   前記圧縮機（１０）の冷媒吐出側と前記エネルギ回収機（３３）の冷媒入口側は、合流点（Ａ）にて合流して前記放熱器（１１）に繋がれ、
   前記加熱器（３０）は、前記エネルギ回収機（３３）の冷媒入口側と前記合流点（Ａ）とを繋ぐ冷媒回路に設けられ、
   前記エネルギ回収機（３３）にてエネルギを回収する場合には、前記冷媒遮断手段（３４ｃ）により前記圧縮機（１０）の冷媒吐出側から前記放熱器へ向けての冷媒の流れを遮断するとともに、前記冷媒供給手段（３１、３１ａ、３２）により冷媒を前記加熱器（３０）→前記エネルギ回収機（３３）→前記放熱器（１１）→前記加熱器（３０）の順に循環させることを特徴とする蒸気圧縮式冷凍機。
5. 前記放熱器（１１）から流出した冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離する気液分離器（１２）を備え、前記気液分離器（１２）により分離された液相冷媒を前記冷媒供給手段（３１、３１ａ、３２）により前記加熱器（３０）に供給することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の蒸気圧縮式冷凍機。
6. 前記エネルギ回収機（３３）にて回収したエネルギを蓄える畜エネルギ手段を備えることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の蒸気圧縮式冷凍機。
7. 前記畜エネルギ手段は、蓄電器にて構成されていることを特徴とする請求項６に記載の蒸気圧縮式冷凍機。
8. 前記畜エネルギ手段は、回収したエネルギを機械的エネルギとして蓄えることを特徴とする請求項６に記載の蒸気圧縮式冷凍機。
9. 前記エネルギ回収機（３３）は回収したエネルギにて電気エネルギを発生させることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の蒸気圧縮式冷凍機。
10. 前記圧縮機（１０）は電動モータにより駆動されることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１つに記載の蒸気圧縮式冷凍機。
11. 前記圧縮機（１０）は複数種類の駆動源により駆動され得ることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１つに記載の蒸気圧縮式冷凍機。
12. 前記圧縮機（１０）は、電動モータ以外の駆動源により駆動され得ることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１つに記載の蒸気圧縮式冷凍機。
13. 熱機関から排出される排気ガスの熱により冷媒を加熱する補助加熱器（２６）が、前記加熱器（３０）とは別に設けられていることを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１つに記載の蒸気圧縮式冷凍機。
14. 前記加熱器（３０）は、熱機関にて発生する廃熱にて冷媒を加熱することを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１つに記載の蒸気圧縮式冷凍機。
15. 前記加熱器（３０）は、熱機関から排出される排気ガスの熱により冷媒を加熱することを特徴とする請求項１４に記載の蒸気圧縮式冷凍機。
16. 前記加熱器（３０）は、車両に搭載された機器から発生する廃熱にて冷媒を加熱することを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１つに記載の蒸気圧縮式冷凍機。
17. 前記加熱器（３０）は、複数の熱源により冷媒を加熱することを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１つに記載の蒸気圧縮式冷凍機
18. 冷媒として、ＨＦＣ１３４ａ、ＨＦＣ１５２ａ、ブタン、プロパンおよびアンモニアのうち少なくとも１つ主成分とするものが用いられていることを特徴とする請求項１ないし１７のいずれか１つに記載の蒸気圧縮式冷凍機。

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