JP2014196866A - 複合サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ランキンサイクルと冷凍サイクルとのそれぞれにおける冷媒量を調整することができる複合サイクル装置を提供する。【解決手段】 ランキンサイクル１と、前記ランキンサイクル１と共通の凝縮手段１４を備えた冷凍サイクル２と、を含んで構成された複合サイクル装置であって、冷媒量を制御する制御手段３と、凝縮手段１４により凝縮した冷媒の過冷却度Ｓを測定する過冷却度測定手段９と、を更に備える。前記制御手段３は、前記過冷却度測定手段９により測定された冷媒の過冷却度Ｓに基づき、冷媒量がランキンサイクル１側又は冷凍サイクル２側のどちらに偏っているかを判定する。【選択図】 図１

Description

本発明は、凝縮手段を共有するランキンサイクルと冷凍サイクルとの複合サイクル装置に関し、詳しくは、ランキンサイクルと冷凍サイクルとのそれぞれにおける冷媒量を調整することができる複合サイクル装置に関する。

従来の複合サイクル装置として、発熱機器の冷却水を加熱源として冷媒を加熱する加熱器と、加熱された前記冷媒の膨張により駆動力を発生させる膨張機と、膨張した前記冷媒を空気との熱交換により冷却して凝縮させる凝縮部と、凝縮した前記冷媒を前記加熱器側に圧送するポンプとを有するランキンサイクルと、前記凝縮部を前記ランキンサイクルと共有するとともに、前記凝縮部で凝縮した前記冷媒を減圧膨張させる膨張弁と、減圧膨張した前記冷媒を蒸発させる蒸発器と、蒸発した前記冷媒を圧縮して前記凝縮部側に吐出する圧縮機とを有する冷凍サイクルと、前記凝縮部より下流側に位置し、前記ランキンサイクルと前記冷凍サイクルとが分岐する分岐点と、前記凝縮部より上流側に位置し、前記ランキンサイクルと前記冷凍サイクルとが合流する合流点と、前記ランキンサイクルの前記分岐点より下流側で前記加熱器より上流側に設けられ、前記冷凍サイクル内で蒸発した前記冷媒を遮断可能な第１の弁機構と、前記ランキンサイクルの前記加熱器より下流側で前記合流点より上流側に設けられ、前記冷凍サイクル内で蒸発した前記冷媒を遮断可能な第２の弁機構と、前記第１及び第２の弁機構の開閉状態を制御する制御部とを備えるものがある（例えば、特許文献１参照）。

このような複合サイクル装置は、第１及び第２の弁機構によって、冷凍サイクル内で蒸発した冷媒を加熱器の上流側及び下流側で遮断して、加熱器内に流入しないようにすることができる。したがって、ランキンサイクル側に冷媒が溜まり込むのを防止できる。

特開２００８−２０９０８５号公報

しかし、前記従来の複合サイクル装置においては、ランキンサイクルと冷凍サイクルとの冷媒量の偏りに応じた冷媒量の制御は行われていなかった。したがって、ランキンサイクルと冷媒サイクルとの冷媒量に偏りが生じた場合であっても、これを緩和することができず、複合サイクルの効率が低下するおそれがあった。

そこで、このような問題点に対処し、本発明が解決しようとする課題は、ランキンサイクルと冷凍サイクルとの間の冷媒量を判定するとともに、両サイクルの冷媒量を制御することができる複合サイクル装置を提供することにある。

前記課題を解決するために、本発明による複合サイクル装置は、
冷媒を加熱する加熱器と、加熱された前記冷媒を膨張させる膨張機と、膨張した前記冷媒を凝縮し、過冷却する凝縮手段と、凝縮した前記冷媒を前記加熱器側に圧送するポンプとを備えたランキンサイクルと、
冷媒を昇圧する圧縮機と、前記ランキンサイクルの凝縮手段と共通に設けられ、前記圧縮機で昇圧された前記冷媒を凝縮する前記凝縮手段と、凝縮した前記冷媒を膨張させる膨張弁と、膨張した前記冷媒を蒸発させる蒸発器とを備えた冷凍サイクルと、
を含んで構成され、
前記ランキンサイクルを循環する冷媒と前記冷凍サイクルを循環する冷媒とは、前記凝縮手段の上流側の前記両サイクルの合流点で合流し、前記凝縮手段の下流側の前記両サイクルの分岐点で分岐する複合サイクル装置であって、
前記ランキンサイクルと前記冷凍サイクルとを循環する冷媒量を制御する制御手段と、
前記凝縮手段により凝縮した冷媒の過冷却度を測定する過冷却度測定手段と、を更に備え、
前記制御手段は、前記過冷却度測定手段により測定された冷媒の過冷却度に基づき冷媒量がランキンサイクル側又は冷凍サイクル側のどちらに偏っているかを判定する。

本発明による複合サイクル装置によれば、冷媒の過冷却度に応じてランキンサイクルと冷凍サイクルとの間の冷媒量を判定し、制御することができる。したがって、ランキンサイクルと冷凍サイクルとの間に冷媒量の偏りが生じた場合であっても、当該冷媒量の偏りを緩和し、複合サイクルの効率を向上させることができる。

本発明による複合サイクル装置の実施形態を示す概略図 前記複合サイクル装置の膨張機、ポンプ、圧縮機及びエンジンの連結状態を示す概略図 前記複合サイクル装置の冷凍サイクル単独作動時における、ランキンサイクル側への冷媒量の偏りを判定する制御を示すフローチャート 図３の制御において、冷媒量がランキンサイクル側に偏っていると判定された場合の冷媒量の制御を示すフローチャート 図４の制御における、膨張機作動時間を示すグラフ 前記冷凍サイクル単独作動時における、冷凍サイクル側への冷媒量の偏りの判定及び判定結果に基づく冷媒量の制御を示すフローチャート 図６の制御における、第２弁手段の開弁時間を示すグラフ 前記複合サイクル装置のランキンサイクル単独作動時における、冷凍サイクル側への冷媒量の偏りの判定及び判定結果に基づく冷媒量の制御を示すフローチャート 前記ランキンサイクル作動時における、第２弁手段の故障を判定する制御を示すフローチャート

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明による複合サイクル装置の実施形態を示す概略図である。この複合サイクル装置は、例えば、自動車等のエネルギー回生に使用されるものであって、ランキンサイクル１と、冷凍サイクル２と、過冷却度判定手段９と、制御手段３と、報知手段４と、蒸発器温度センサ５と、を備える。

前記ランキンサイクル１は、自動車のエンジン６１の排熱を利用してエンジン６１の回転を補助するものであって、加熱器１１と、膨張機１２と、第１弁手段１３と、凝縮手段１４と、第２弁手段１６と、ポンプ１７と、を備える。

前記加熱器１１は、エンジン６１の排熱を利用して冷媒を加熱するものであって、エンジン６１を冷却するエンジン冷却回路６と接続されている。ランキンサイクル１の冷媒は、エンジン冷却回路６の冷媒と熱交換することにより加熱される。

前記エンジン冷却回路６は、エンジン６１と、排ガス熱交換器６２と、加熱器１１と、を備える。エンジン冷却回路６の冷媒は、エンジン６１を冷却し、加熱される。加熱された前記冷媒は、排ガス熱交換器６２において、排ガス流路６３を通過するエンジン６１の排ガスとの熱交換により、エンジン６１の排熱を得てさらに加熱される。加熱された前記冷媒は、加熱器１１において、ランキンサイクル１の冷媒との熱交換により冷却される。冷却された前記冷媒は、再びエンジン６１に流入し、エンジン６１を冷却する。すなわち、前記冷媒は、加熱器１１において、ランキンサイクル１の冷媒を加熱する加熱媒体の役割を果たす。

ランキンサイクル１において、前記加熱器１１の下流には、膨張機１２が設けられている。膨張機１２は、前記加熱器１１において加熱された冷媒を膨張させ、得られた仕事（回転）によりエンジン６１の回転を補助する補助動力としての役割を果たすものである。図２に示すように、膨張機１２は、後述するポンプ１７と同軸に形成されており、シャフト（軸）の先端部にはクラッチ付きプーリ７１が設けられている。このクラッチ付きプーリ７１は、エンジン６１のクランクプーリ７２とベルト７３を介して接続されており、クラッチは制御手段３により制御される。膨張機１２は、クラッチ付きプーリ７１のクラッチが接続されると、冷媒の膨張から得られた仕事（回転）をエンジン６１に伝え、エンジン６１の回転を補助する。

図１に示すように、前記膨張機１２の下流には、第１弁手段１３が設けられている。この第１弁手段１３は、前記加熱器１１に冷媒が逆流するのを妨げる弁であり、逆止弁や制御手段３により逆流を妨げるように制御された電磁弁が使用される。また、第１弁手段１３は、前記加熱器１１と前記膨張機１２との間に設けられてもよい。さらに、第１弁手段１３と膨張機１２とは、一体構造とされてもよい。

前記第１弁手段１３の下流には、凝縮手段１４が設けられている。この凝縮手段１４は、冷媒を凝縮し、過冷却するものであり、回路内の冷媒量が所定量以上である場合、冷媒の過冷却度（サブクール）Ｓを０度より大きい値とすることができる。上記所定量は、例えば、冷凍サイクル２の単独作動時において、冷媒量がランキンサイクル１側に偏っていると判定されない下限量とすることができる。この場合、冷凍サイクル２の単独作動時において、回路内の冷媒量が前記所定量より少ない場合、冷媒量がランキンサイクル１側に偏っていると判定される。凝縮手段１４は、冷媒を凝縮する凝縮部と、冷媒を気相と液相とに分離する気液分離器と、冷媒を過冷却する過冷却部とを備えたサブクール凝縮器であってもよい。また、凝縮部、気液分離部、過冷却部は、それぞれ別体でもよく、さらに複数の凝縮器を組み合わせたものであってもよい。

前記凝縮手段１４の下流には、第２弁手段１６が設けられている。この第２弁手段１６は、ランキンサイクル１側への冷媒流入を制御する電磁弁であって、制御手段３により開閉を制御される。第２弁手段１６は、ランキンサイクル１の作動時には開弁されるが、冷凍サイクル２の単独作動時には通常閉弁されており、冷媒量が冷凍サイクル２側に偏っていると判定された時のみ開弁される。第２弁手段１６は、通電時に開弁し、非通電時に閉弁する。なお、この第２弁手段１６は、後述するポンプ１７と前記加熱器１１との間に設けられてもよい。

前記第２弁手段１６の下流には、ポンプ１７が設けられている。このポンプ１７は、凝縮手段１４により凝縮され、第２弁手段１６を通過した冷媒を前記加熱器１１側に圧送するものである。ポンプ１７の駆動軸と前記膨張機１２の駆動軸とは同軸に形成され、共通のクラッチ付きプーリ７１に連結されており、ポンプ１７は、ランキンサイクル１の作動開始時において、前記ベルト７３を介してエンジン６１から動力を得る。ポンプ１７により圧送された冷媒は、再び前記加熱器１１に流入し、加熱される。なお、このポンプ１７と前記第２弁手段１６とは、一体構造とされてもよい。

前記冷凍サイクル２は、自動車の冷暖房装置に利用されるものであって、圧縮機２１と、膨張弁２２と、蒸発器２３とを備え、前記凝縮手段１４をランキンサイクル１と共有する。

前記圧縮機２１は、冷媒を昇圧するものであり、例えば、往復（レシプロ）圧縮機、斜板式圧縮機、スクロール圧縮機及び他の種類のいずれかの圧縮機を使用することができる。図２に示すように、圧縮機２１のシャフトの先端部にはクラッチ付きプーリ７４が設けられている。このクラッチ付きプーリ７４は、エンジン６１のクランクプーリ７２とベルト７３を介して接続されており、クラッチは制御手段３により制御される。圧縮機２１は、クラッチ付きプーリ７４のクラッチが接続されると、エンジン６１から動力を得て作動する。

図１に示すように、前記圧縮機２１により昇圧された冷媒は、ランキンサイクル１と冷凍サイクル２との合流点８１において、前記第１弁手段１３を通過したランキンサイクル１の冷媒と合流する。合流した冷媒は、前記ランキンサイクル１と共通の前記凝縮手段１４により凝縮され、凝縮手段１４の下流の前記両サイクルの分岐点８２において、ランキンサイクル１側と冷凍サイクル２側とに分岐する。

冷凍サイクル２において、前記分岐点８２の下流には、膨張弁２２が設けられている。この膨張弁２２は、凝縮手段１４により凝縮され、冷凍サイクル２側に分岐した冷媒を膨張させる。

前記膨張弁２２の下流には、蒸発器２３が設けられている。この蒸発器２３は、膨張弁２２により膨張された冷媒と空気とを熱交換により蒸発させるものであり、自動車の冷暖房装置に使用される。蒸発器２３により蒸発された冷媒は、前記圧縮機２１に流入する。

前記過冷却度測定手段９は、前記凝縮手段１４により凝縮した冷媒の過冷却度Ｓを測定し、制御手段３に入力するものであり、検知手段９１と、算出手段９２とを含んで構成される。検知手段９１は、凝縮手段１４の下流側に設けられており、凝縮手段１４により凝縮された冷媒の状態を検知する。検知手段９１は、冷媒の温度を検知する温度センサ９１_Ｔと、冷媒の圧力を検知する第１圧力センサ９１_Ｐと、を備え、温度センサ９１_Ｔ及び第１圧力センサ９１_Ｐにより検知した冷媒の温度及び圧力の情報を、算出手段９２に入力する。算出手段９２は、例えば、冷媒の温度及び圧力に応じた過冷却度Ｓが記憶された過冷却度テーブルを参照して、過冷却度Ｓを算出する。検知手段９１により検知された冷媒の温度及び圧力と、算出手段９２により算出された過冷却度Ｓとは、制御手段３に入力される。なお、検知手段９１は、温度センサ９１_Ｔ及び第１圧力センサ９１_Ｐに限られず、他のセンサを含んで構成されてもよい。また、温度センサ９１_Ｔと第１圧力センサ９１_Ｐとは、一体型のものであってもよい。さらに、算出手段９２は、制御手段３に含まれてもよい。また、冷媒の温度を検知する際は、配管表面の温度で代替してもよい。

前記制御手段３は、ランキンサイクル１と冷凍サイクル２とを循環する冷媒量を制御するものであって、前記過冷却度測定手段９により測定された冷媒の過冷却度Ｓに基づき冷媒量がランキンサイクル１側又は冷凍サイクル２側のどちらに偏っているかを判定し、冷媒量を制御する。本実施形態において、制御手段３は、少なくとも膨張機１２（のクラッチ付きプーリ７１のクラッチ）と、第２弁手段１６と、圧縮機２１（のクラッチ付きプーリ７４のクラッチ）と、報知手段４と、を制御することができる。

制御手段３には、冷媒量が適正である場合の過冷却度Ｓの範囲が記憶された記憶部（図示省略）が設けられている。前記範囲は、この範囲の最小値である下限過冷却度Ｓminから、最大値である上限過冷却度Ｓmaxまでの範囲として表される。この範囲は、ランキンサイクル１の単独作動、冷凍サイクル２の単独作動、及び、ランキンサイクル１と冷凍サイクル２との同時作動の場合に対して、それぞれ記憶されている。

前記報知手段４は、制御手段３が複合サイクル装置全体に充填された冷媒量を不足又は過剰と判定した場合、当該判定を自動車の搭乗者に報知するものであって、制御手段３により制御される。この報知手段４による報知は、音声や画像表示により行うことができる。

前記蒸発器温度センサ５は、冷暖房装置の作動時、すなわち冷凍サイクル２の作動時において、蒸発器２３により冷却される前後の空気の温度を検知するものであって、入口側温度センサ５１と、出口側温度センサ５２とを備える。

入口側温度センサ５１は、蒸発器２３により冷却される前の、蒸発器２３の入口側の空気温度Ｔ_１を検知するものであって、冷暖房装置が自動車の外気を導入して送風する場合は、外気の温度を検知し、自動車の内気を循環させて送風する場合には、内気の温度を検知する。したがって、入口側温度センサ５１として、冷暖房装置が自動車の外気を導入して送風する場合は外気温度センサを使用し、自動車の内気を循環させて送風する場合には内気温度センサを使用してもよい。入口側温度センサ５１は、検知した空気温度Ｔ_１を、制御手段３に入力する。

出口側温度センサ５２は、蒸発器２３により冷却された後の、蒸発器２３の出口側の空気温度Ｔ_２を検知するものである。出口側温度センサ５２は、蒸発器２３の出口近傍に設けられるのが好ましい。出口側温度センサ５２は、検知した空気温度Ｔ_２を、制御手段３に入力する。

複合サイクル装置は、さらに第２圧力センサ１８を備える。第２圧力センサ１８は、第２弁手段１６を通過した冷媒の圧力を検知し、制御手段３に入力するものであり、前記第２弁手段１６と前記ポンプ１７との間に設けられている。この第２圧力センサ１８は、第２弁手段１６がポンプ１７の下流に設けられた場合には、第２弁手段１６と加熱器１１との間に設けられてよい。

以下、このように構成された複合サイクル装置における冷媒量の制御について、図３〜図９を参照して説明する。

〔冷凍サイクル単独作動時〕
まず、冷凍サイクル２の単独作動時において、冷媒量がランキンサイクル１側に偏っているか否かの判定及び判定結果に基づく冷媒量の制御について図３〜５を参照して説明する。制御手段３が作動要求を入力されると、図３に示す冷媒量がランキンサイクル１側に偏っているか否かを判定する判定制御が開始される。

ステップＳ１において、過冷却度測定手段９は、凝縮手段１４の下流の冷媒の過冷却度Ｓを測定する。過冷却度測定手段９において、算出手段９２は、検知手段９１の温度センサ９１_Ｔから冷媒の温度情報を入力され、圧力センサ９１_Ｐから圧力情報を入力される。算出手段９２は、この温度情報及び圧力情報から冷媒の過冷却度Ｓを算出する。算出された過冷却度Ｓは、制御手段３に入力される。

ステップＳ２において、制御手段３は、ステップＳ１で過冷却度測定手段９から入力された過冷却度Ｓが、冷凍サイクル２の単独作動時における前記下限過冷却度Ｓminより小さいか否かを判定する。下限過冷却度Ｓminは、例えば、１℃とすることができる。過冷却度Ｓ≧下限過冷却度Ｓminの場合、制御はステップＳ８に進み、冷媒量がランキンサイクル１側に偏っていないと判定する。過冷却度Ｓ＜下限過冷却度Ｓminの場合、制御はステップＳ３に進む。

ステップＳ３において、制御手段３は、過冷却度Ｓ＜下限過冷却度Ｓminの状態が継続する継続時間ｔ_１が、所定時間ｔ_２以上であるか否かを判定する。前記所定時間ｔ_２は、任意に設定することができ、例えば５秒とすることができる。また、所定時間ｔ_２は、外気温度やエンジン回転数等の作動条件に応じて変更可能であってもよい。継続時間ｔ_１＜所定時間ｔ_２の場合、制御はステップＳ８に進む。継続時間ｔ_１≧所定時間ｔ_２の場合、制御はステップＳ４に進む。

ステップＳ４において、制御手段３は、蒸発器２３の出口側の空気温度Ｔ_２の上限温度Ｔmaxを算出する。制御手段３は、蒸発器温度センサ５の入口側温度センサ５１より入力された空気温度Ｔ_１から所定温度Ｍを減算して上限温度Ｔmaxを算出する。所定温度Ｍは、冷暖房装置の風量が大きいほど小さい値とすることができ、例えば、５℃、７．５℃、１０℃とすることができる。所定温度Ｍは、制御手段３の記憶部に記憶されている。

ステップＳ５において、制御手段３は、圧縮機２１を作動開始してからの経過時間ｔ_３が、所定時間ｔ_４以上であるか否かを判定する。前記所定時間ｔ_４は、任意に設定することができ、例えば、１分とすることができる。経過時間ｔ_３＜所定時間ｔ_４の場合、制御はステップＳ３に戻る。経過時間ｔ_３≧所定時間ｔ_４の場合、制御はステップＳ６に進む。

ステップＳ６において、制御手段３は、蒸発器２３の出口側の空気温度Ｔ_２が、ステップＳ４で算出された上限温度Ｔmaxより大きいか否か判定する。空気温度Ｔ_２≦上限温度Ｔmaxの場合、制御はステップＳ８に進む。空気温度Ｔ_２＞上限温度Ｔmaxの場合、制御はステップＳ７に進む。

ステップＳ７において、制御手段３は、冷媒量がランキンサイクル１側に偏っていると判定する。ステップＳ７又はステップＳ８で判定制御は終了する。以上の判定制御は所定時間間隔で行うことができる。

冷媒量がランキンサイクル１側に偏っていると判定されると、この判定結果に基づいた、図４に示す冷媒量制御が開始される。なお、制御手段３が膨張機１２を作動させた回数をカウントするフラグＦの初期値は０に設定されている。

ステップＳ９において、制御手段３は、冷媒量がランキンサイクル１側に偏っているか否かを判定する。このステップＳ９として、図３に示す判定制御がそのまま使用される。制御手段３が、冷媒量がランキンサイクル１側に偏っていないと判定すると、制御はステップＳ１４に進み、制御手段３は、前記フラグＦを０にし、冷媒量制御を終了させる。制御手段３が、冷媒量がランキンサイクル１側に偏っていると判定すると、制御はステップＳ１０に進む。

ステップＳ１０において、制御手段３は、フラグＦが、所定回数Ｆ_１より小さいか否かを判定する。所定回数Ｆ_１は、任意に設定することができ、例えば５回とすることができる。フラグＦ＜所定回数Ｆ_１の場合、制御はステップＳ１１に進む。

ステップＳ１１において、制御手段３は、膨張機１２の作動時間ｔ_expを算出する。作動時間ｔ_expは、膨張機１２の回転数、すなわち、エンジン６１の回転数の増加に応じて減少する。例えば、図５に示すように、膨張機１２の回転数が８００rpm以下のとき作動時間ｔ_expが５秒となり、回転数が３０００rpmのとき作動時間ｔ_expを０秒となるように、回転数の増加に応じて一定の割合で作動時間ｔ_expを減少させてもよい。膨張機１２の回転数は、膨張機回転数計測手段（図示省略）から制御手段３に入力される。又は、エンジン回転数計測手段（図示省略）から制御手段３にエンジン回転数が入力されてもよい。このように、膨張機１２の回転数の増加に応じて膨張機１２の作動時間ｔ_expを減少させることにより、冷媒量を高い精度で制御することができる。

ステップＳ１２において、制御手段３は、膨張機１２を作動時間ｔ_expだけ作動させる。第１弁手段１３が加熱器１１への冷媒の逆流を防止し、第２弁手段１６が通常時閉弁しているため、冷凍サイクル２は、ランキンサイクル１から隔離された状態となっている。この状態で膨張機１２を作動させると、ランキンサイクル１の冷媒が冷凍サイクル２に流入し、流入した冷媒は冷凍サイクル２に留まり、冷凍サイクル２の冷媒量が増加する。したがって、冷凍サイクル２の冷媒量が不足し、冷媒量がランキンサイクル１側に偏った場合であっても、この冷媒量の偏りを緩和することができる。これにより、蒸発器２３による冷却効率が向上し、冷暖房装置の冷房効率を向上させることができる。

ステップＳ１３において、制御手段３は、前記フラグＦを１増加させ、冷媒量制御を終了させる。

前記ステップＳ１０において、フラグＦ≧所定回数Ｆ_１の場合、制御はステップＳ１５に進む。ステップＳ１５において、制御手段３は、冷媒の充填量を不足と判定する。ここでいう冷媒の充填量とは、ランキンサイクル１及び冷媒サイクル２を含む複合サイクル装置全体に充填された冷媒の充填量を意味する。

ステップＳ１６において、制御手段３は、報知手段４を作動させる。報知手段４は、ステップＳ１５で判定した冷媒の充填量不足を自動車の搭乗者に報知し、冷媒量制御は終了する。

ステップＳ１３，１４の後、終了した冷媒量制御は、再びステップＳ９に戻り、所定時間間隔で繰り返すことができる。この際、それぞれの制御終了時点のフラグＦは保持された状態で冷媒量制御が行われる。したがって、冷媒量がランキンサイクル１側に偏っている場合、冷媒量制御が繰り返される回数は、前記所定回数Ｆ_１に制限される。

次に、冷凍サイクル２の単独作動時において、冷媒量が冷凍サイクル２側に偏っているか否かの判定及び判定結果に基づく冷媒量の制御について図６，７を参照して説明する。制御手段３が作動要求を入力されると、図６に示す冷媒量が冷凍サイクル２側に偏っているか否かの判定制御及び冷媒量制御が開始される。なお、制御手段３が第２弁手段１６を開弁した回数をカウントするフラグＦの初期値は０に設定されている。

ステップＳ１７において、過冷却度測定手段９は、凝縮手段１４の下流の冷媒の過冷却度Ｓを算出し、制御手段３に入力する。このステップＳ１７は、図３に示す判定制御のステップＳ１と同様とすることができる。

ステップＳ１８において、制御手段３は、ステップＳ１７で過冷却度測定手段９から入力された過冷却度Ｓが、冷凍サイクル２の単独作動時における前記上限過冷却度Ｓmaxより大きいか否かを判定する。上限過冷却度Ｓmaxは、例えば、１５℃とすることができる。過冷却度Ｓ≦上限過冷却度Ｓmaxの場合、制御はステップＳ２５に進み、制御手段３は、冷媒量が冷凍サイクル２側に偏っていないと判定し、ステップＳ２６においてフラグＦを０にし、冷媒量制御を終了させる。過冷却度Ｓ＞上限過冷却度Ｓmaxの場合、制御はステップＳ１９に進む。

ステップＳ１９において、制御手段３は、過冷却度Ｓ＞上限過冷却度Ｓmaxの状態が継続する継続時間ｔ_５が、所定時間ｔ_６以上であるか否かを判定する。前記所定時間ｔ_６は、任意に設定することができ、例えば５秒とすることができる。また、所定時間ｔ_６は、外気温度やエンジン回転数等の作動条件に応じて変更可能であってもよい。所定時間ｔ_６は、前記ステップＳ３の所定時間ｔ_２と同じであってもよい。継続時間ｔ_５＜所定時間ｔ_６の場合、制御はステップＳ２５に進み、制御手段３は、冷媒量が冷凍サイクル２側に偏っていないと判定し、ステップＳ２６においてフラグＦを０にし、冷媒量制御を終了させる。継続時間ｔ_５≧所定時間ｔ_６の場合、制御はステップＳ２０に進む。

ステップＳ２０において、制御手段３は、冷媒量が冷凍サイクル２側に偏っていると判定し、制御はステップＳ２１に進む。

ステップＳ２１において、制御手段３は、フラグＦが所定回数Ｆ_２より小さいか否かを判定する。所定回数Ｆ_２は、任意に設定することができ、例えば５回とすることができる。なお、所定回数Ｆ_２は、前記ステップＳ１０の所定回数Ｆ_１と同じであってもよい。フラグＦ＜所定回数Ｆ_２の場合、制御はステップＳ２２に進む。

ステップＳ２２において、制御手段３は、第２弁手段１６の開弁時間ｔ_openを算出する。開弁時間ｔ_openは、前記エンジン冷却回路６の冷媒の温度、すなわち、前記加熱器１１の加熱媒体の温度の上昇に応じて増加する。例えば、図７に示すように、加熱媒体の温度が１０℃以下のとき開弁時間ｔ_openが０．１秒となり、前記温度が６０℃以上のとき開弁時間ｔ_openが０．５秒となるように、温度の上昇に応じて一定の割合で開弁時間ｔ_openが増加してもよい。エンジン冷却回路６の冷媒の温度は、エンジン冷却回路６に設けられた温度センサ（図示省略）から制御手段３に入力される。このように、エンジン冷却回路６の冷媒の温度の上昇に応じて第２弁手段１６の開弁時間ｔ_openを増加させることにより、冷媒量を高い精度で制御することができる。

ステップＳ２３において、制御手段３は、第２弁手段１６を開弁時間ｔ_openだけ開弁させる。第２弁手段１６が開弁しているため、この状態で冷凍サイクル２が作動すると、冷凍サイクル２の冷媒がランキンサイクル１に流入し、冷凍サイクル２の冷媒量が減少する。したがって、ランキンサイクル１の冷媒量が不足し、冷媒量が冷凍サイクル２側に偏った場合でもあっても、この冷媒量の偏りを緩和することができる。これにより、圧縮機２１における消費動力を低下させ、エンジン６１の燃費を向上させることができる。

ステップＳ２４において、制御手段３は、前記フラグＦを１増加させ、冷媒量制御を終了させる。

前記ステップＳ２１において、フラグＦ≧所定回数Ｆ_２の場合、制御はステップＳ２７に進む。ステップＳ２７において、制御手段３は、冷媒の充填量を過剰と判定する。ここでいう冷媒の充填量とは、ランキンサイクル１及び冷媒サイクル２を含む複合サイクル装置全体に充填された冷媒の充填量を意味する。

ステップＳ２８において、制御手段３は、報知手段４を作動させる。報知手段４は、ステップＳ２７で判定した冷媒の充填量過剰を自動車の搭乗者に報知し、冷媒量制御は終了する。

ステップＳ２４，２６の後、終了した冷媒量制御は、再びステップＳ１７に戻り、所定時間間隔で繰り返すことができる。この際、それぞれの制御終了時点のフラグＦは保持された状態で冷媒量制御が行われる。したがって、冷媒量が冷凍サイクル２側に偏った場合、冷媒量制御が繰り返される回数は、前記所定回数Ｆ_２に制限される。

〔ランキンサイクル単独作動時〕
次に、ランキンサイクル１の単独作動時において、冷媒量が冷凍サイクル２側に偏っているか否かの判定及び判定結果に基づく冷媒量の制御について図８を参照して説明する。

ランキンサイクル１が作動すると、図８に示す冷媒量が冷凍サイクル２側に偏っているか否かを判定する判定制御及び判定結果に基づく冷媒量制御が開始される。なお、制御手段３が圧縮機２１を作動させた回数をカウントするフラグＦの初期値は０に設定されている。

ステップＳ２９において、制御手段３は、冷媒量が冷凍サイクル２側に偏っているか否かを判定する。この判定は、冷凍サイクル２の単独作動時における冷媒量の偏りの判定と同様とすることができる。すなわち、制御手段３は、凝縮手段１４下流の過冷却度Ｓと、ランキンサイクル１の単独作動時の上限過冷却度Ｓmax及び下限過冷却度Ｓminと、を比較することにより、冷媒の偏りを判定することができる。具体的には、Ｓ＜Ｓminの場合に、冷媒量が冷凍サイクル２側に偏っていると判定でき、Ｓ＞Ｓmaxの場合に冷媒量がランキンサイクル１側に偏っていると判定できる。冷媒量が冷凍サイクル２側に偏っていないと判定された場合、制御はステップＳ３４に進み、フラグＦを０とし、制御は終了する。冷媒量が冷凍サイクル２側に偏っていると判定された場合、制御はステップＳ３０に進む。

ステップＳ３０において、制御手段３は、フラグＦが所定回数Ｆ_３より小さいか否か判定する。所定回数Ｆ_３は、任意に設定することができ、例えば５回とすることができる。なお、所定回数Ｆ_３は、前記所定回数Ｆ_１，Ｆ_２と同様とすることができる。フラグＦ＜所定回数Ｆ_３の場合、制御はステップＳ３１に進む。

ステップＳ３１において、制御手段３は、圧縮機２１の作動時間ｔ_compを算出する。作動時間ｔ_compは、圧縮機２１の回転数、すなわち、エンジン６１の回転数の増加に応じて減少する。作動時間ｔ_compは、例えば３秒とすることができる。圧縮機２１の回転数は、圧縮機回転数計測手段（図示省略）から制御手段３に入力されてもよい。また、エンジン回転数計測手段から制御手段３にエンジン回転数が入力されてもよい。このように、圧縮機２１の回転数の増加に応じて圧縮機２１の作動時間ｔ_compを減少させることにより、冷媒流量を高い精度で制御することができる。

ステップＳ３２において、制御手段３は、圧縮機２１を作動時間ｔ_compだけ作動させる。冷媒量が冷凍サイクル２側に偏っている場合には、圧縮機２１を作動させることにより、冷凍サイクル２の冷媒がランキンサイクル１に流入し、ランキンサイクル１の冷媒量が増加する。したがって、冷媒量が冷凍サイクル２側に偏った場合であっても、この冷媒量の偏りを緩和することができる。これにより、ランキンサイクル１の効率を向上させ、エンジン６１の燃費を向上させることができる。

ステップＳ３３において、制御手段３は、前記フラグＦを１増加させ、冷媒量制御を終了させる。

ステップＳ３０において、フラグＦ≧所定回数Ｆ_３の場合、制御はステップＳ３５に進む。ステップＳ３５において、制御手段３は、冷媒の充填量を不足又は過剰と判定する。ここでいう冷媒の充填量とは、ランキンサイクル１及び冷媒サイクル２を含む複合サイクル装置全体に充填された冷媒の充填量を意味する。

ステップＳ３６において、制御手段３は、報知手段４を作動させる。報知手段４は、ステップＳ３５で判定した冷媒の充填量不足又は充填量過剰を自動車の搭乗者に報知し、冷媒量制御は終了する。

ステップＳ３３，３４の後、終了した冷媒量制御は、再びステップＳ２９に戻り、所定時間間隔で繰り返すことができる。この際、それぞれの制御終了時点のフラグＦは保持された状態で冷媒量制御が行われる。したがって、冷媒量が冷凍サイクル２側に偏っている場合、冷媒量制御が繰り返される回数は、前記所定回数Ｆ_３に制限される。なお、偏っていると判定された冷媒量が、次の判定の際に偏っていないと判定された場合、フラグＦは０とされる。

〔ランキンサイクル作動時〕
さらに、ランキンサイクル１の作動時において、第２弁手段１６の故障を判定する故障判定制御について図９を参照して説明する。

ランキンサイクル１が作動すると、図９に示す故障判定制御が行われる。この際、冷凍サイクル２は作動していてもよいし、停止していてもよい。ステップＳ３７において、制御手段３は、第２弁手段１６の前後の圧力差を算出する。制御手段３は、検知手段９１の第１圧力センサ９１_Ｐから第２弁手段１６の上流の上流圧力Ｐ_１を入力され、第２圧力センサ１８から第２弁手段１６の下流の下流圧力Ｐ_２を入力される。前記圧力差は、上流圧力Ｐ_１−下流圧力Ｐ_２により算出される。

ステップＳ３８において、制御手段３は、ステップＳ３７で算出された圧力差が所定の圧力Ｐより小さいか否かを判定する。所定圧力Ｐは、任意に設定することができる。また、この所定圧力Ｐは、ポンプ１７の回転数の増加に比例して増加させるのが好ましい。これにより、第２弁手段１６の故障判定を正確に行うことができる。制御手段３は、ポンプ１７の回転数を、ポンプ回転数計測手段（図示省略）、膨張機回転数計測手段、エンジン回転数計測手段等から入力されればよい。上流圧力Ｐ_１−下流圧力Ｐ_２≦所定圧力Ｐの場合、制御はステップＳ３９に進む。上流圧力Ｐ_１−下流圧力Ｐ_２＞所定圧力Ｐの場合、制御はステップＳ４０に進む。

ステップＳ３９において、制御手段３は、第２弁手段１６を故障なしと判定し、制御を終了する。終了した制御は、所定時間間隔で再びステップＳ３７から繰り返すことができる。

ステップＳ４０において、制御手段３は、第２弁手段１６を故障と判定し、ランキンサイクル１を停止させる。ランキンサイクル１の停止は、前記クラッチ付きプーリ７１のクラッチの接続を解除することにより行うことができる。第２弁手段１６の故障の判定を、例えば報知手段４により、搭乗者に報知してもよい。

本実施形態において、複合サイクル装置は、自動車、特に乗用車に使用されるが、これに限られず、例えばトラック、バス、バイク等に使用されてもよい。膨張機１２とポンプ１７とは同軸でなくてもよく、膨張機１２は、発電機と接続されていてもよい。ランキンサイクル１には、膨張機１２をバイパスするバイパス回路が設けられてもよい。この場合、バイパス回路には電磁弁等の弁手段が設けられるのが好ましい。

また、冷凍サイクル２の単独作動時の制御について、冷媒量がランキンサイクル１側に偏っている場合と冷凍サイクル２側に偏っている場合とに分けて説明したが、これらの制御を単一の制御として行ってもよい。例えば、図４のステップＳ９において、制御手段３が、冷媒量がランキンサイクル側に偏っていないと判定した場合、制御は図６のステップＳ１８に進むようにしてもよい。

さらに、本実施形態において、ランキンサイクル１と冷凍サイクル２との同時作動時に、凝縮手段１４下流の冷媒の過冷却度Ｓを算出し、これを同時作動時の上限過冷却度Ｓmax及び下限過冷却度Ｓminと比較することで、複合サイクル装置全体の冷媒の充填量の過不足を判定し、報知する制御を行ってもよい。

１…ランキンサイクル
１１…加熱器
１２…膨張機
１３…第１弁手段
１４…凝縮手段
１６…第２弁手段
１７…ポンプ
１８…第２圧力センサ
２…冷凍サイクル
２１…圧縮機
２２…膨張弁
２３…蒸発器
３…制御手段
４…報知手段
５…蒸発器温度センサ
５１…入口側温度センサ
５２…出口側温度センサ
６…エンジン冷却回路
６１…エンジン
６２…排ガス熱交換器
６３…排ガス流路
８１…合流点
８２…分岐点
９…過冷却度測定手段
９１…検知手段
９１_Ｔ…温度センサ
９１_Ｐ…第１圧力センサ
９２…算出手段

Claims (18)

1. 冷媒を加熱する加熱器と、加熱された前記冷媒を膨張させる膨張機と、膨張した前記冷媒を凝縮し、過冷却する凝縮手段と、凝縮した前記冷媒を前記加熱器側に圧送するポンプとを備えたランキンサイクルと、
   冷媒を昇圧する圧縮機と、前記ランキンサイクルの凝縮手段と共通に設けられ、前記圧縮機で昇圧された前記冷媒を凝縮する前記凝縮手段と、凝縮した前記冷媒を膨張させる膨張弁と、膨張した前記冷媒を蒸発させる蒸発器とを備えた冷凍サイクルと、
   を含んで構成され、
   前記ランキンサイクルを循環する冷媒と前記冷凍サイクルを循環する冷媒とは、前記凝縮手段の上流側の前記両サイクルの合流点で合流し、前記凝縮手段の下流側の前記両サイクルの分岐点で分岐する複合サイクル装置であって、
   前記ランキンサイクルと前記冷凍サイクルとを循環する冷媒量を制御する制御手段と、
   前記凝縮手段により凝縮した冷媒の過冷却度を測定する過冷却度測定手段と、を更に備え、
   前記制御手段は、前記過冷却度測定手段により測定された冷媒の過冷却度に基づき冷媒量がランキンサイクル側又は冷凍サイクル側のどちらに偏っているかを判定することを特徴とする、複合サイクル装置。
2. 前記過冷却度測定手段は、前記凝縮手段により凝縮した冷媒の状態を検知する検知手段と、前記検知手段により検知された冷媒の状態に基づき冷媒の過冷却度を算出する算出手段と、を含んで構成されたことを特徴とする、請求項１記載の複合サイクル装置。
3. 前記検知手段は、前記凝縮手段の下流側かつ前記分岐点の上流側に設けられ、前記凝縮手段により凝縮した冷媒の温度、圧力をそれぞれ検知する温度センサと第１圧力センサとを含んで構成されたことを特徴とする、請求項２記載の複合サイクル装置。
4. 前記制御手段は、前記冷凍サイクルの単独作動時において、
   冷媒の過冷却度が所定の温度範囲の最小値である下限過冷却度より小さい場合、冷媒量がランキンサイクル側に偏っていると判定し、
   冷媒の過冷却度が前記温度範囲の最大値である上限過冷却度より大きい場合、冷媒量が冷凍サイクル側に偏っていると判定することを特徴とする、請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の複合サイクル装置。
5. 前記制御手段は、冷媒量がランキンサイクル側に偏っていると判定した場合、前記膨張機を所定時間作動させることを特徴とする、請求項４記載の複合サイクル装置。
6. 前記加熱器の下流側かつ前記合流点の上流側に設けられ、冷媒の逆流を防止する第１弁手段を更に備えたことを特徴とする、請求項５記載の複合サイクル装置。
7. 前記分岐点の下流側かつ前記加熱器の上流側に設けられ、前記制御手段により開閉可能な第２弁手段を更に備え、
   前記制御手段は、冷媒量がランキンサイクル側に偏っていると判定した場合、前記第２弁手段を閉弁することを特徴とする、請求項５又は請求項６記載の複合サイクル装置。
8. 前記制御手段は、前記膨張機を作動させる前記所定時間を、前記膨張機の回転数の増加に応じて減少させることを特徴とする、請求項５〜請求項７のいずれか１つに記載の複合サイクル装置。
9. 前記制御手段は、前記膨張機の作動が所定回以上行われた場合、前記ランキンサイクル及び冷凍サイクル全体に充填された冷媒量を不足と判定し、
   当該判定を報知する報知手段を更に備えたことを特徴とする、請求項５〜請求項８のいずれか１つに記載の複合サイクル装置。
10. 前記分岐点の下流側かつ前記加熱器の上流側に設けられ、前記制御手段により開閉可能な第２弁手段を更に備え、
    前記制御手段は、冷媒量が冷凍サイクル側に偏っていると判定した場合、前記第２弁手段を所定時間開弁することを特徴とする、請求項４記載の複合サイクル装置。
11. 前記制御手段は、前記冷凍サイクルの前記開弁時間を、前記加熱器の加熱媒体の温度の上昇に応じて増加させることを特徴とする、請求項１０記載の複合サイクル装置。
12. 前記制御手段は、前記第２弁手段の開弁が所定回以上行われた場合、前記ランキンサイクル及び冷凍サイクル全体に充填された冷媒量を過剰と判定し、
    当該判定を報知する報知手段を更に備えたことを特徴とする、請求項１０又は請求項１１記載の複合サイクル装置。
13. 前記凝縮器は、冷媒を凝縮する凝縮部と、冷媒を気相と液相とに分離する気液分離器と、冷媒を過冷却する過冷却部とを備えたサブクール凝縮器を含んで構成されることを特徴とする、請求項１〜請求項１２のいずれか１つに記載の複合サイクル装置。
14. 前記第２弁手段の下流側に、冷媒の圧力を検知する第２圧力センサを更に備え、
    前記制御手段は、前記第２弁手段に対して開を指示した場合において、前記第１圧力センサにより検知された冷媒の圧力と前記第２圧力センサにより検知された冷媒の圧力との差が所定値以上であるときは、前記第２弁手段の故障と判定し、ランキンサイクルを停止させることを特徴とする、請求項１〜請求項１３のいずれか１つに記載の複合サイクル装置。
15. 前記制御手段は、前記ランキンサイクルの単独作動時において、
    冷媒の過冷却度が所定の温度範囲の最小値である下限過冷却度より小さい場合、冷媒量が冷凍サイクル側に偏っていると判定し、
    冷媒の過冷却度が前記温度範囲の最大値である上限過冷却度より大きい場合、前記ランキンサイクル及び冷凍サイクル全体に充填された冷媒量が過剰と判定することを特徴とする、請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の複合サイクル装置。
16. 前記制御手段は、冷媒が冷凍サイクル側に偏っていると判定した場合、冷凍サイクルの圧縮機を所定時間作動させることを特徴とする、請求項１５記載の複合サイクル装置。
17. 前記制御手段は、前記圧縮機の作動が、所定回数以上、連続して繰り返された場合、前記ランキンサイクル及び冷凍サイクル全体に充填された冷媒量を不足と判定する、請求項１６記載の複合サイクル装置。
18. 前記充填された冷媒量の過剰又は不足を判定した場合に、当該判定を報知する報知手段を更に備えたことを特徴とする、請求項１５又は請求項１７記載の複合サイクル装置。