朗肯循环以及在朗肯循环中使用的热交换器
阅读：17发布：2020-05-13
专利汇可以提供朗肯循环以及在朗肯循环中使用的热交换器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 提供一种 朗肯循环 ，其避免冷媒的 热分解 ，并提高与冷媒的热交换量。该朗肯循环（31）包含： 热交换器 （92、111），其将 发动机 的废热向第1冷媒回收；膨胀机（37），其使用该热交换器出口的第1冷媒而产生动 力 ； 冷凝器 （38），其使从该膨胀机排出的第1冷媒 凝结 ；以及冷媒 泵 （32），其将由该冷凝器凝结而得到的第1冷媒向上述热交换器供给，热交换器具有：第1热交换器（92），其将排气的热量向第2冷媒中回收；以及第2热交换器，其具有第2冷媒通路（112）以及第1冷媒通路（113）与 冷却 水 通路（114），它们用于在该第2冷媒与第1冷媒以及发动机的冷却水之间进行热交换。，下面是朗肯循环以及在朗肯循环中使用的热交换器专利的具体信息内容。
1.一种热交换器，其在使用第1冷媒而产生动力的朗肯循环中使用，其特征在于，所述热交换器，在被发动机排气的热量加热的第2冷媒、与所述第1冷媒以及所述发动机的冷却水之间进行热交换。
2.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，
向所述热交换器导入的第2冷媒，是被发动机排气的热量加热并汽化的气相冷媒，利用使所述气相的第2冷媒液化时的潜热，在其与所述第1冷媒以及所述冷却水之间进行热交换。
3.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，
所述第1冷媒与所述冷却水之间的热传递容易度，小于所述第2冷媒与所述第1冷媒之间、以及所述第2冷媒与所述冷却水之间的热传递容易度。
4.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，
使流过所述第1冷媒的第1冷媒通路以及流过所述冷却水的冷却水通路，与流过所述第2冷媒的第2冷媒通路相交叉而设置，并且第1冷媒通路与冷却水通路相比，配置在第2冷媒通路的上游侧。
5.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，
所述第1冷媒是制冷循环用的冷媒，所述第2冷媒是纯水，所述冷却水是LLC。
6.一种朗肯循环，其包含：将发动机的废热向第1冷媒回收的热交换器；使用该热交换器出口的第1冷媒而产生动力的膨胀机；使从该膨胀机排出的第1冷媒凝结的冷凝器；以及将来自该冷凝器的第1冷媒向所述热交换器中供给的冷媒泵，
其特征在于，所述热交换器具有：
第1热交换器，其将排气的热量向第2冷媒回收；以及
第2热交换器，其具有第2冷媒通路、第1冷媒通路、以及冷却水通路，它们用于在该第
2冷媒与所述第1冷媒以及所述发动机的冷却水之间进行热交换。
7.根据权利要求6所述的朗肯循环，其特征在于，具有：
第1冷却水通路，其将对发动机进行冷却而升温后的冷却水向散热器供给；
第2冷却水通路，其使来自该散热器的冷却水返回到发动机；
第1旁路冷却水通路，其从所述第1冷却水通路分支，绕过所述散热器而流过冷却水；
恒温阀，其对该第1旁路冷却水通路进行接通·断开；
冷却水泵，其对冷却水进行加压输送；以及
第2旁路冷却水通路，其从所述第2冷却水通路分支，在由第1冷却水通路以及第2冷却水通路组成的冷却水通路的区间中，绕过所述发动机而流过冷却水，其不与所述第1旁路冷却水通路重复，且不绕过所述冷却水泵；
将所述第2热交换器的冷却水通路安装到所述第2旁路冷却水通路中。
8.根据权利要求7所述的朗肯循环，其特征在于，
在所述第1热交换器中，利用排气的热量使所述第2冷媒汽化，在所述第2热交换器中，利用使该汽化后的第2冷媒液化时的潜热，在其与所述第1冷媒和所述冷却水的任意一个之间进行热交换。
9.根据权利要求8所述的朗肯循环，其特征在于，
在所述第2热交换器中的所述第1冷媒与所述冷却水之间的热交换容易度，小于在所述第2热交换器中的所述第2冷媒与所述第1冷媒之间、以及所述第2冷媒与所述冷却水之间的热传递容易度。
10.根据权利要求7至9中任意一项所述的朗肯循环，其特征在于，
对于所述第2热交换器具有的第1冷媒通路、第2冷媒通路、冷却水通路，使第1冷媒通路以及冷却水通路与第2冷媒通路相交叉而设置，并且第1冷媒通路与冷却水通路相比，设置在第2冷媒通路的上游侧。
11.根据权利要求10所述的朗肯循环，其特征在于，
设置阀，其对所述第2旁路冷却水通路进行接通·断开，
在所述朗肯循环的运转区域内，关闭该阀。
12.根据权利要求7所述的朗肯循环，其特征在于，
所述第1冷媒是制冷循环用的冷媒，所述第2冷媒是纯水，所述冷却水是LLC。
朗肯循环以及在朗肯循环中使用的热交换器
技术领域
[0001] 本发明涉及朗肯循环，特别是在朗肯循环中使用的热交换器的结构。
背景技术
[0002] 如果在朗肯循环中进行循环的冷媒与高温的排气（数百℃）之间进行热交换，由于会引起冷媒的热分解，所以为了避免该现象发生，存在一种首先将排气的热量向冷却水中回收，然后将冷却水的热向冷媒中回收的技术（参照专利文献）。
[0003] 专利文献1：日本特开2010－151023号公报
发明内容
[0004] 但是，在上述专利文献1的技术中，虽然可以抑制冷媒的热分解，但无法避免与冷媒的热交换量减小的问题。
[0005] 因此本发明的目的是提供一种避免冷媒的热分解，并且提高与冷媒的热交换量的朗肯循环。
[0006] 本发明的热交换器是以在使用第1冷媒而产生动力的朗肯循环中使用的热交换器作为前提。在本发明的热交换器中，在被发动机的排气的热量加热的第2冷媒与上述第1冷媒以及上述发动机的冷却水之间进行热交换。
[0007] 另外，本发明的朗肯循环包含：将发动机的废热向第1冷媒回收的热交换器；使用该热交换器的出口的第1冷媒而产生动力的膨胀机；使从该膨胀机排出的第1冷媒凝结的冷凝器；以及将由该冷凝器凝结而得到的第1冷媒向上述热交换器中供给的冷媒泵。并且，在本发明的朗肯循环中，所述热交换器具有：第1热交换器，其将排气的热量向第2冷媒回收；以及第2热交换器，其具有第2冷媒通路、第1冷媒通路及冷却水通路，它们用于在该第2冷媒与上述第1冷媒以及上述发动机的冷却水之间进行热交换。
[0008] 发明的效果
[0009] 根据本发明，在将发动机的排气的热量向朗肯循环的冷媒和发动机的冷却水中移动的前提下，排气只与第2冷媒进行热交换。由此，由于热交换器只拥有一种冷媒，因此热容量较小，在设置在排气通路上的催化剂的暖机过程中等，不希望使排气冷却的情况下，停止纯水的流动时，可以减少热交换机从排气中夺取的热量。
[0010] 另外，根据本发明，与在朗肯循环中进行循环的第1冷媒进行热交换的是第2冷媒。由此，为了使第2冷媒的温度不超过使第1冷媒热分解的高温度，将纯水的温度设定为比排气温度低的温度，从而可以避免第1冷媒的热分解，并且提高与冷媒的热交换量。附图说明
[0011] 图1是表示成为本发明的前提的朗肯循环的系统整体的概略结构图。
[0012] 图2A是使泵以及膨胀机一体化后的膨胀机泵的概略剖面图。
[0013] 图2B是冷媒泵的概略剖面图。
[0014] 图2C是膨胀机的概略剖面图。
[0015] 图3是表示冷媒类阀的功能的概略图。
[0016] 图4是混合动力车辆的概略结构图。
[0017] 图5是发动机的概略斜视图。
[0018] 图6是从车辆下方观察排气管的配置的概略图。
[0019] 图7A是朗肯循环运转区域的特性图。
[0020] 图7B是朗肯循环运转区域的特性图。
[0022] 图9是表示从朗肯循环的运转停止到再起动的情况的时序图。
[0023] 图10是表示本发明的第1实施方式的朗肯循环的系统整体的概略结构体。
[0024] 图11是表示本发明的第1实施方式的朗肯循环的系统整体的概略结构体。
[0025] 图12是表示本发明的第1实施方式的朗肯循环的系统整体的概略结构体。
[0026] 图13是热交换器的铅直方向的概略剖面图。
[0028] 图15是表示至下水箱的分支部的配置的概略斜视图。
[0029] 图16是表示第2热交换器的3种冷媒的流动方向的模型图。
[0030] 图17是第2热交换器中的冷媒通路以及冷却水通路的具体的结构图。
[0031] 图18是第1实施方式的控制系的框图。
[0032] 图19是用于说明2个开闭阀的驱动的流程图。
具体实施方式
[0033] 以下，参照附图，对本发明的实施方式进行说明。
[0034] 图1示出表示成为本发明的前提的朗肯循环的系统整体的概略结构图。图1的朗肯循环31，是与制冷循环51共用冷媒以及冷凝器38的结构，将朗肯循环31与制冷循环51组合后的循环，在此后称为组合循环30。图4是搭载组合循环30的混合动力车辆1的概略结构图。此外，所谓组合循环30，是指在朗肯循环31和制冷循环51的冷媒进行循环的回路（通路）以及其中途设置的泵、膨胀机、冷凝器等的结构要素的基础上，包含冷却水和排气的回路（通路）等在内的系统整体。
[0035] 在混合动力车辆1中，发动机2、电动发电机81、自动变速器82串联连接，自动变速器82的输出经由传动轴83、差动齿轮84传递至驱动轮85。在发动机2与电动发电机81之间设置第1驱动轴离合器86。另外，自动变速器82的摩擦接合要素的一个，作为第2驱动轴离合器87而构成。第1驱动轴离合器86和第2驱动轴离合器87与发动机控制器71连接，对应于混合动力车辆的运转条件而控制其接合/断开（连接状态）。在混合动力车辆1中，如图7B所示，在车速处于发动机2的效率低的EV行驶区域时，停止发动机2，切断第1驱动轴离合器86并将第2驱动轴离合器87接合，仅通过由电动发电机81产生的驱动力使混合动力车辆1行驶。另一方面，在车速离开EV行驶区域而转换至朗肯循环运转区域时，使发动机2运转并使朗肯循环31（后述）运转。发动机2具有排气通路3，排气通路3由排气歧管4和与排气歧管4的集合部连接的排气管5构成。排气管5在中途分支为旁路排气管6，在绕过旁路排气管6的区间的排气管5上，具有用于在排气与冷却水之间进行热交换的废热回收器22。废热回收器22和旁路排气管6如图6所示，作为将它们一体化而成的废热回收器单元23，配置在地板催化剂88和其下游的辅助消音器89之间。
[0036] 基于图1，首先，对发动机冷却水回路进行说明。在发动机2中流出的80～90℃程度的冷却水，分别流过穿过散热器11的冷却水通路13、和绕过散热器11的旁路冷却水通路14。在这之后，2个流路经过决定两个通路13、14中流过的冷却水流量的分配的恒温阀15而再次合流，并且经由冷却水泵16返回到发动机2中。冷却水泵16由发动机2驱动，其旋转速度与发动机旋转速度同步。恒温阀15在冷却水温度较高的情况下，扩大冷却水通路
13侧的阀的开度，而相对地增加通过散热器11的冷却水量，在冷却水温度较低的情况下，减小冷却水通路13侧的阀的开度，而相对地减少通过散热器11的冷却水量。在发动机2的暖机前等特别是冷却水温度较低的情况下，完全地绕过散热器11，使冷却水的全部流过旁路冷却水通路14侧。另一方面，恒温阀15构成为，在旁路冷却水通路14侧的阀的开度并未全闭，而流过散热器11的冷却水流量增加时，使流过旁路冷却水通路14的冷却水的流量，与冷却水全部流过旁路冷却水通路14侧的情况相比降低，但并不完全地停止流动。详细的说，恒温阀15是对应于冷却水温度而控制向散热器11中供给的冷却水流量的三位阀，具有阀主体15a、2个入口端口15b、15c以及1个出口端口15d。在2个入口端口15b、15c上分别连接穿过散热器11的冷却水通路13、和绕过散热器11的冷却水通路14，利用恒温阀15，对应冷却水温度而增加或减少向散热器11中供给的冷却水流量，从而适当地保持冷却水温度。绕过散热器11的旁路冷却水通路14，由从冷却水通路13分支而与后述的热交换器36直接连接的第1旁路冷却水通路24、从冷却水通路13分支而经由废热回收器22与热交换器36连接的第2旁路冷却水通路25构成。
13侧的阀的开度，而相对地增加通过散热器11的冷却水量，在冷却水温度较低的情况下，减小冷却水通路13侧的阀的开度，而相对地减少通过散热器11的冷却水量。在发动机2的暖机前等特别是冷却水温度较低的情况下，完全地绕过散热器11，使冷却水的全部流过旁路冷却水通路14侧。另一方面，恒温阀15构成为，在旁路冷却水通路14侧的阀的开度并未全闭，而流过散热器11的冷却水流量增加时，使流过旁路冷却水通路14的冷却水的流量，与冷却水全部流过旁路冷却水通路14侧的情况相比降低，但并不完全地停止流动。详细的说，恒温阀15是对应于冷却水温度而控制向散热器11中供给的冷却水流量的三位阀，具有阀主体15a、2个入口端口15b、15c以及1个出口端口15d。在2个入口端口15b、15c上分别连接穿过散热器11的冷却水通路13、和绕过散热器11的冷却水通路14，利用恒温阀15，对应冷却水温度而增加或减少向散热器11中供给的冷却水流量，从而适当地保持冷却水温度。绕过散热器11的旁路冷却水通路14，由从冷却水通路13分支而与后述的热交换器36直接连接的第1旁路冷却水通路24、从冷却水通路13分支而经由废热回收器22与热交换器36连接的第2旁路冷却水通路25构成。
[0037] 在旁路冷却水通路14中，具有与朗肯循环31的冷媒进行热交换的热交换器36。该热交换器36是将加热器和过热器组合而成。即，在热交换器36中2条冷却水通路36a、
36b大致一列地设置，另外，朗肯循环31的冷媒所流过的冷媒通路36c与冷却水通路36a、
36b相邻设置，以使冷媒与冷却水可以进行热交换。并且各通路36a、36b、36c构成为，在俯瞰热交换器36的整体而观察时，朗肯循环31的冷媒与冷却水彼此流动的方向为相反方向。
36b大致一列地设置，另外，朗肯循环31的冷媒所流过的冷媒通路36c与冷却水通路36a、
36b相邻设置，以使冷媒与冷却水可以进行热交换。并且各通路36a、36b、36c构成为，在俯瞰热交换器36的整体而观察时，朗肯循环31的冷媒与冷却水彼此流动的方向为相反方向。
[0038] 详细地说，对于朗肯循环31的冷媒来说位于上游（图1的左侧）侧的一个冷却水通路36a，安装在第1旁路冷却水通路24中。由该冷却水通路36a以及与该冷却水通路36a相邻的冷媒通路部分构成的热交换器左侧部分，是用于通过将从发动机2排出的冷却水直接导入至冷却水通路36a中，从而对流过冷媒通路36c的朗肯循环31的冷媒进行加热的加热器。
[0039] 在对于朗肯循环31的冷媒来说位于下游（图1的右侧）侧的另一个冷却水通路36b中，经由第2旁路冷却水通路25导入经过废热回收器22后的冷却水。由冷却水通路36b以及与该冷却水通路36b相邻的冷媒通路部分构成的热交换器右侧部分（对朗肯循环31的冷媒来说是下游侧），是通过将利用排气对发动机2的出口的冷却水进一步加热后而得到的冷却水导入至冷却水通路36b中，从而使流过冷媒通路36c的冷媒过热的过热器。
[0040] 废热回收器22的冷却水通路22a与排气管5相邻而设置。通过向废热回收器22的冷却水通路22a中导入发动机2的出口的冷却水，可以利用高温的排气将冷却水加热至例如110～115℃程度。在俯瞰废热回收器22的整体而观察时，以排气与冷却水彼此流动的方向相反的方式构成冷却水通路22a。
[0041] 在设置废热回收器22的第2旁路冷却水通路25中安装控制阀26。如果发动机2的出口的冷却水温度传感器74的检测温度大于或等于规定值，则减小该控制阀26的开度，以使得表示处于发动机内部的冷却水的温度的发动机水温，不超过用于防止例如发动机的效率恶化或发生爆震的容许温度（例如100℃）。如果发动机水温接近容许温度，则减少通过废热回收器22的冷却水量，因此，可以可靠地防止发动机水温超过容许温度。
[0042] 另一方面，通过减少第2旁路冷却水通路25的流量，利用废热回收器22而上升的冷却水温度会上升过度而使冷却水蒸发（沸腾），由此不仅使热交换器36的效率下降，还存在冷却水通路内的冷却水的流动变差从而温度过量地上升的可能性。为了避免上述情况发生，在旁路排气管6的分支部中，设置绕过废热回收器22的旁路排气管6、和对废热回收器22的排气通过量和旁路排气管6的排气通过量进行控制的恒温阀7。即，恒温阀7基于废热回收器22排出的冷却水温度，调节恒温阀的阀的开度，以使得废热回收器22排出的冷却水温度不会超过规定的温度（例如沸腾温度120℃）。
[0043] 热交换器36、恒温阀7和废热回收器22，作为废热回收单元23而一体化，并在车辆宽度方向大致中央的地板下，在排气管的中途配置。恒温阀7可以是使用双金属等的比较简易的感温阀，也可以是由输入温度传感器的输出的控制器进行控制的控制阀。由于由恒温阀7控制的排气向冷却水的热交换量的调节，存在比较大的延迟，因此，在单独使用恒温阀7进行调节的情况下，很难使发动机水温不超过容许温度。但是，由于基于发动机水温（出口温度）而控制第2旁路冷却水通路25的控制阀26，因此，迅速地降低热回收量，可以可靠地防止发动机水温超过容许温度。另外，如果发动机水温是距离容许温度还有富裕的状态，则可以在废热回收器22排出的冷却水温度达到超过发动机水温的容许温度程度的高温（例如110～115℃）为止进行热交换，可以增加废热回收量。冷却水通路36b排出的冷却水经由第2旁路冷却水通路25与第1旁路冷却水通路24合流。
[0044] 如果从旁路冷却水通路14流向恒温阀15的冷却水的温度，例如通过在热交换器36中与朗肯循环31的冷媒进行热交换而充分地降低，则减小恒温阀15的冷却水通路13侧的阀的开度，而相对地减少通过散热器11的冷却水量。相反地，如果从旁路冷却水通路14流向恒温阀15的冷却水的温度，由于朗肯循环31未运转等而导致很高，则扩大恒温阀15的冷却水通路13侧的阀开度，而相对地增加通过散热器11的冷却水量。基于上述的恒温阀15的动作，构成为可以适当地保持发动机2的冷却水温度，并使热量向朗肯循环31中适当地供给（回收）。
[0045] 下面，对朗肯循环进行叙述。在这里，朗肯循环31并不是单纯的朗肯循环，而是作为与制冷循环51组合后而形成的组合循环30的一部分而构成。以下，首先说明作为基础的朗肯循环31，然后说明制冷循环51。
[0046] 朗肯循环31是经由发动机2的冷却水而将发动机的废热向冷媒中回收，将回收的废热作为动力而再生的系统。朗肯循环31具有冷媒泵32、作为过热器的热交换器36、膨胀机37以及冷凝器（凝结器）38，各结构要素通过冷媒（R134a等）进行循环的冷媒通路41～44连接。
[0047] 冷媒泵32的轴与膨胀机37的输出轴同轴地连结配置，利用膨胀机37产生的输出（动力）驱动冷媒泵32，并且将产生的动力向发动机2的输出轴（曲柄轴）供给（参照图2A）。即，冷媒泵32的轴以及膨胀机37的输出轴，与发动机2的输出轴平行地配置，在冷媒泵32的轴的前端设置的泵带轮33与曲柄带轮2a之间架设传动带（参照图1），此外，本实施方式冷媒泵32采用齿轮式的泵，膨胀机37采用涡旋式的膨胀机（参照图2B、图2C）。
[0048] 另外，在泵带轮33与冷媒泵32之间设置电磁式的离合器（该离合器在以下称作“膨胀机离合器”）35(第1离合器)，冷媒泵32以及膨胀机37可以与发动机2接合/断开（参照图2A）。由此，在膨胀机37产生的输出超过冷媒泵32的驱动力以及旋转体所具有的摩擦的情况下（预测膨胀机扭矩为正的场合），通过连接膨胀机离合器35，可以利用膨胀机37产生的输出辅助发动机输出轴的旋转。这样，通过使用由废热回收而得到的能量辅助发动机输出轴的旋转，可以改善燃油消耗。另外，用于驱动使冷媒循环的冷媒泵32的能量，也可以通过回收的废热提供。
[0049] 来自冷媒泵32的冷媒经由冷媒通路41向热交换器36供给。热交换器36是在发动机2的冷却水与冷媒之间进行热交换，使冷媒汽化并过热的热交换器。
[0050] 来自热交换器36的冷媒经由冷媒通路42向膨胀机37供给。膨胀机37是通过使汽化并过热的冷媒膨胀而将热量变换成旋转能量的蒸汽涡轮机。通过膨胀机37回收的动力驱动冷媒泵32，并经由带传动机构传递至发动机2，从而辅助发动机2的转动。
[0051] 来自膨胀机37的冷媒经由冷媒通路43向冷凝器38中供给。冷凝器38是在外部气体与冷媒之间进行热交换，使冷媒冷却并液化的热交换器。由此，将冷凝器38与散热器11并列地配置，利用散热器风扇12进行冷却。
[0052] 通过冷凝器38液化后的冷媒，经由冷媒通路44返回到冷媒泵32。返回到冷媒泵32的冷媒通过冷媒泵32再次向热交换器中输送，在朗肯循环31的各结构要素中循环。
[0053] 下面，对制冷循环51进行叙述。由于制冷循环51共用在朗肯循环31中进行循环的冷媒，因此与朗肯循环31合并，制冷循环51的结构本身很简单。即，制冷循环51具有：压缩机52、冷凝器38、蒸发器55。
[0054] 压缩机52是将制冷循环51的冷媒压缩成高温高压的流体机械，利用发动机2驱动。即，如图4所示，在压缩机52的驱动轴上固定压缩机带轮53，在该压缩机带轮53与曲柄带轮2a之间架设传动带34。发动机2的驱动力经由该传动带34向压缩机带轮53传递，从而驱动压缩机52。另外，在压缩机带轮53与压缩机52之间设置电磁式的离合器（该离合器在以下称作“压缩机离合器”）54（第2离合器），其可以将压缩机52以及压缩机带轮53接合/断开。
[0055] 回到图1，来自压缩机52的冷媒经由冷媒通路56与冷媒通路43合流后，向冷凝器38供给。冷凝器38是通过与外部气体进行热交换而将冷媒凝结并液化的热交换器。来自冷凝器38的液态的冷媒经由从冷媒通路44分支出的冷媒通路57，向蒸发器55供给。蒸发器55与未图示的加热芯相同地配置在空调单元的壳体内。蒸发器55是使来自冷凝器38的液态冷媒蒸发，利用此时的蒸发潜热对来自送风机的空调空气进行冷却的热交换器。
[0056] 通过蒸发器55蒸发后的冷媒经由冷媒通路58返回到压缩机52中。此外，通过蒸发器55冷却后的空调空气与通过加热芯加热后的空调空气，对应于空气混合风门的开度而变更混合比率，从而调节为乘员所设定的温度。
[0057] 在由朗肯循环31与制冷循环51构成的组合循环30中，为了控制在循环内流动的冷媒，在回路中途适当地设置各种阀。例如，为了控制在朗肯循环31中进行循环的冷媒，在将制冷循环分支点45与冷媒泵32连接的冷媒通路44中具有泵上游阀61，在将热交换器36与膨胀机37连接的冷媒通路42中具有膨胀机上游阀62。另外，在将冷媒泵32与热交换器36连接的冷媒通路41中，具有用于防止冷媒从热交换器36向冷媒泵32回流的止回阀63。
在将膨胀机37与制冷循环合流点46连接的冷媒通路43中，也具有用于防止冷媒从制冷循环合流点46向膨胀机37回流的止回阀64。另外，设置从膨胀机上游阀62绕过膨胀机37而与止回阀64上游合流的膨胀机旁路通路65，在该膨胀机旁路通路65中设置旁通阀66。
并且，在绕过旁通阀66的通路67中设置压力调整阀68。对于制冷循环51侧，也在将制冷循环分支点45与蒸发器55连接的冷媒通路57中设置空调回路阀69。
在将膨胀机37与制冷循环合流点46连接的冷媒通路43中，也具有用于防止冷媒从制冷循环合流点46向膨胀机37回流的止回阀64。另外，设置从膨胀机上游阀62绕过膨胀机37而与止回阀64上游合流的膨胀机旁路通路65，在该膨胀机旁路通路65中设置旁通阀66。
并且，在绕过旁通阀66的通路67中设置压力调整阀68。对于制冷循环51侧，也在将制冷循环分支点45与蒸发器55连接的冷媒通路57中设置空调回路阀69。
[0058] 上述4个阀61、62、66、69均是电磁式的开闭阀。将通过压力传感器72检测出的膨胀机上游压力的信号、通过压力传感器73检测出的冷凝器38出口的冷媒压力Pd的信号、膨胀机37的旋转速度信号等向发动机控制器71输入。在发动机控制器71中，对应规定的运转条件，基于上述各输入信号，进行制冷循环51的压缩机52和散热器风扇12的控制，并且控制上述4个电磁式开闭阀61、62、66、69的开闭。
[0059] 例如，基于通过压力传感器72检测出的膨胀机上游侧压力以及膨胀机旋转速度，预测膨胀机扭矩（再生动力），在该预测膨胀机扭矩为正时（可以辅助发动机输出轴的转动时）将膨胀机离合器35接合，在预测膨胀机扭矩为零或负时断开膨胀机离合器35。通过基于传感器检测压力和膨胀机旋转速度，与根据排气温度预测膨胀机扭矩（再生动力）的情况相比，可以较高精度地预测膨胀机扭矩，可以对应于膨胀机扭矩的产生状况而适当地进行膨胀机离合器35的接合·断开（详细内容参照日本特开2010-190185号公报）。
[0060] 上述4个开闭阀61、62、66、69以及2个止回阀63、64是制冷系统阀。将这些制冷系统阀的功能重新在图3中示出。
[0061] 在图3中，泵上游阀61的作用是，在与制冷循环51的回路相比，冷媒容易向朗肯循环31的回路集中的规定条件下，使其关闭，从而防止冷媒（包含润滑成分）向朗肯循环31集中，如后述所示，与膨胀机37下游的止回阀64协同动作而将朗肯循环31的回路闭塞。膨胀机上游阀62，在来自热交换器36的冷媒压力为相对较低的情况下，将冷媒通路42断开，进行保持直至来自热交换器36的冷媒成为高压为止。由此，在不能得到足够的膨胀机扭矩的情况下，也促进冷媒的加热，可以缩短例如至朗肯循环31再起动（能够实际地进行再生）为止的时间。旁通阀66的作用是，在朗肯循环31的起动时等、朗肯循环31侧未存在足够的冷媒量等时使其开阀，从而绕过膨胀机37而使冷媒泵32可以进行动作，以缩短朗肯循环31的起动时间。如果通过绕过膨胀机37而使冷媒泵32动作，使冷凝器38的出口或者冷媒泵32的入口的冷媒温度成为与对应于该部位的压力的沸点相比低大于或等于规定温度的差（过冷度SC）的状态，则可以调整成为向朗肯循环31中供给足够的液体冷媒的状态。
[0062] 热交换器36上游的止回阀63是与旁通阀66、压力调整阀68、膨胀机上游阀62协同动作而将向膨胀机37中供给的冷媒保持高压的设备。在朗肯循环31的再生效率较低的条件下，停止朗肯循环31的运转，通过在热交换器36的前后区间将回路闭塞，预先使停止中的冷媒压力上升，可以利用高压冷媒而使朗肯循环31迅速地再起动。压力调整阀68在向膨胀机37中供给的冷媒的压力过高的情况下打开，具有使压力过高的冷媒外泄的安全阀的作用。
[0063] 膨胀机37下游的止回阀64是与上述的泵上游阀61协同动作，用于防止冷媒向朗肯循环31集中的设备。混合动力车辆1的运转刚开始后，如果发动机2未暖机，则朗肯循环31比制冷循环51温度低，有时冷媒会向朗肯循环31侧集中。虽然向朗肯循环31侧集中的概率不是很高，但例如对于在夏天车辆运转刚开始后，想尽快使车内冷却的情况，此时对冷气设备能力要求最高，因此存在下述要求：即使冷媒稍微集中也要消除，以确保制冷循环51的冷媒。因此，为了防止冷媒向朗肯循环31侧集中而设置止回阀64。
[0064] 压缩机52并不是在驱动停止时冷媒可以自由通过的构造，与空调回路阀69协同动作而可以防止冷媒向制冷循环51的集中。对其进行说明。在制冷循环51的运转停止时，冷媒会从稳定运转中的温度比较高的朗肯循环31侧向制冷循环51侧移动，存在使得在朗肯循环31中进行循环的冷媒不足的情况。在制冷循环51中，冷却设备刚停止后，蒸发器55的温度变低，在容积比较大且温度正在变低的蒸发器55中易于积存冷媒。在此情况下，通过停止压缩机52的驱动而切断冷媒从冷凝器38向蒸发器55的流动，并且关闭空调回路阀69，从而防止冷媒向制冷循环51的集中。
[0065] 下面，图5是表示发动机2整体组件的发动机2的概略斜视图。图5的特征，是热交换器36配置在排气歧管4的铅直上方。通过在排气歧管4的铅直上方的空间中配置热交换器36，使朗肯循环31向发动机2中的搭载性提高。另外，在发动机2中设置张紧轮8。
[0066] 下面，参照图7A以及图7B对朗肯循环31的基本的运转方法进行说明。
[0067] 首先，图7A以及图7B是朗肯循环31的运转范围图。在图7A中示出横轴为外部气温，纵轴为发动机水温（冷却水温度）时的朗肯循环31的运转区域，图7B中示出横轴为发动机旋转速度，纵轴为发动机扭矩（发动机负载）时的朗肯循环31的运转区域。
[0068] 在图7A以及图7B的任何一个中均满足规定的条件时，朗肯循环31进行运转，在满足上述两个条件的情况下，朗肯循环31进行运转。在图7A中，在优先进行发动机2的暖机的低水温侧的区域、和压缩机52的负载增大的高外部气温侧的区域中，停止朗肯循环31的运转。在排气温度低且回收效率较差的暖机时，不如通过不运转朗肯循环31而使冷却水温度迅速地上升。在要求较高的致冷能力的高外部温度时停止朗肯循环31，从而向制冷循环51提供足够的冷媒和冷凝器38的冷却能力。在图7B中，由于是混合动力车辆，因此，在EV行驶区域和膨胀机37的摩擦增大的高转速侧的区域中停止朗肯循环31的运转。由于膨胀机37难以成为在全部的旋转速度下摩擦较小且具有高效率的构造，因此，在图7B的情况下，膨胀机37构成（膨胀机37的各部分的规格等设定）为，在运转频率较高的发动机旋转速度区域中，使摩擦变小且具有高效率。
[0069] 图8是利用模型表示在利用膨胀机扭矩辅助发动机输出轴的旋转的中途，混合动力车辆1进行加速时的情况的时序图。此外，在图8的右侧，在膨胀机扭矩对应图上表示此时膨胀机37的运转状态推移的情况。利用膨胀机扭矩对应图的等高线隔开的范围中，膨胀机旋转速度低且膨胀机上游压力较高的部分（左上）膨胀机扭矩最大，膨胀机旋转速度高且膨胀机上游压力越变低（越向右下进入），存在膨胀机扭矩越变小的趋势。特别是阴影部分的范围表示在驱动冷媒泵的前提下，膨胀机扭矩变为负，相对于发动机而变成负载的区域。
[0070] 直至驾驶者踩下加速器踏板的t1为止，匀速行驶继续而膨胀机37产生正的扭矩，利用膨胀机扭矩对发动机输出轴的旋转进行辅助。
[0071] t1以后，膨胀机37的旋转速度，即，冷媒泵32的旋转速度与发动机旋转速度成正比而上升，但排气温度或者冷却水温度的上升相对于发动机旋转速度的上升具有迟延。因此，相对于通过冷媒泵32的旋转速度的上升而增大的冷媒量，可以回收的热量的比例降低。
[0072] 因此，随着膨胀机旋转速度上升，膨胀机上游的冷媒压力降低，膨胀机扭矩降低。
[0073] 由于该膨胀机扭矩的降低，如果不能得到足够的膨胀机扭矩（例如变为零附近的t2的定时），则膨胀机上游阀62从打开状态切换至关闭状态，从而避免再生效率的恶化（与膨胀机扭矩的过度的降低相伴，膨胀机37反而拖拽发动机2的现象）。
[0074] 膨胀机上游阀62从打开状态切换至关闭状态后，在t3的定时，膨胀机离合器35从连接（接合）切换至切断（断开）。通过使该膨胀机离合器35的切断时机与膨胀机上游阀62从打开状态切换至关闭状态时机相比具有少许迟延，从而使膨胀机上游的冷媒压力充分降低，可以防止断开膨胀机离合器35时的膨胀机37成为过度旋转状态。另外，利用冷媒泵
32将大量的冷媒向热交换器36内供给，通过在朗肯循环31停止中对冷媒也进行有效地加热，从而可以使朗肯循环31的恢复运转顺利地进行。
32将大量的冷媒向热交换器36内供给，通过在朗肯循环31停止中对冷媒也进行有效地加热，从而可以使朗肯循环31的恢复运转顺利地进行。
[0075] t3以后，由于发动机2的散热量的上升使膨胀机上游压力再次上升，在t4的定时，膨胀机上游阀62从关闭状态切换至打开状态，重新开始冷媒向膨胀机37中的供给。另外，t4时膨胀机离合器35被再次连接。通过该膨胀机离合器35的再次连接，重新开始利用膨胀机扭矩对发动机输出轴的旋转辅助。
[0076] 图9是利用模型表示从关闭膨胀机上游阀62并切断膨胀机离合器35后的状态下的朗肯循环的运转停止开始，与图8（t4的控制）不同的状态下的朗肯循环31的重新进行起动时的情况的时序图。
[0077] 在t11的定时，如果驾驶者踩下加速器踏板，则加速器开度增大。在t11时朗肯循环31的运转停止。因此，膨胀机扭矩维持为零。
[0078] 与从t11之后的发动机旋转速度的上升相伴，发动机2的散热量增大，由于该散热量的增大，流入热交换器36中的冷却水温度变高，热交换器36内的冷媒的温度上升。由于膨胀机上游阀62处于关闭，因此，通过由该热交换器36产生的冷媒温度的上升，使膨胀机上游阀62的上游的冷媒压力，即膨胀机上游压力开始上升（t11～t12）。
[0079] 通过该运转状态的变化，从朗肯循环非运转区域切换至朗肯循环运转区域。在没有膨胀机上游阀62而向朗肯循环运转区域转换时，如果立即将膨胀机离合器35从切断状态切换至连接状态，使膨胀机37与发动机输出轴连接，则膨胀机37成为发动机2的负载，会产生扭矩冲击。
[0080] 另一方面，在图9中，在向朗肯循环运转区域切换时，不立即将膨胀机上游阀62从关闭状态切换至打开状态。即，在向朗肯循环运转区域转换之后，也继续膨胀机上游阀62的关闭状态。
[0081] 不久，在膨胀机上游压力与膨胀机下游压力的压差变大，在成为大于或等于规定压力的t12的定时，判断可以运转（驱动）膨胀机37，将膨胀机上游阀62从关闭状态切换至打开状态。通过向该膨胀机上游阀62的打开状态的切换，向膨胀机37中供给规定压力的冷媒，使膨胀机旋转速度从零迅速地上升。
[0082] 在通过该膨胀机旋转速度的上升使膨胀机旋转速度达到发动机旋转速度的t13的定时，将膨胀机离合器35从切断状态切换至连接状态。通过在膨胀机37增加到足够的旋转速度之前使膨胀机离合器35连接，膨胀机37会成为发动机2的负载而发生扭矩冲击。与其相对，通过在与发动机输出轴的旋转速度差变为零的t13时，将膨胀机离合器35延迟连接，可以防止膨胀机37成为发动机负载，并可以防止与膨胀机离合器35接合相伴的扭矩冲击。
[0083] 图10、图11、图12是表示本发明的第1实施方式的朗肯循环的系统整体的概略结构图，各图表示3种运转时的不同之处。即，图10表示发动机刚冷起动后的催化剂暖机中的各通路的状态，图11是表示发动机2的暖机中的各通路的状态，图12是表示朗肯循环31的运转中的各通路的状态。
[0084] 在此，作为运转状态的推移，首先进行发动机刚冷起动后的催化剂暖机，在催化剂9的暖机结束后进行发动机2的暖机。催化剂9的暖机，只要从发动起动开始简单地进行预先规定的时间即可。并且，在发动机2的暖机结束后进入朗肯循环31的运转区域时，运转朗肯循环31。
[0085] 在各图中，利用实线记载通路的部分表示冷媒、纯水、冷却水循环，利用虚线记载各通路的部分表示冷媒、纯水、冷却水未循环。另外，关于开闭阀123、138，在将开闭阀123、138涂黑记载的情况下，表示开闭阀123、138处于完全关闭状态，在将开闭阀123、138用白色记载的情况下，表示开闭阀123、138处于完全打开状态。以下，使用图10对整体的结构进行说明，在说明3种运转时的各作用的不同时，会提及图11、图12。
[0086] 图1示出的成为本发明的前提的朗肯循环，是暂时将排气的热量向发动机冷却水回收，将该向发动机冷却水回收的热经由热交换器36向在朗肯循环31中进行循环的冷媒（第1冷媒）回收的结构。另一方面，本发明的第1实施方式是通过第1热交换器92将排气的热量向纯水（第2冷媒）回收，并将该向纯水回收的热通过第2热交换器111向在朗肯循环31中进行循环的冷媒（第1冷媒）回收的结构。
[0087] 在这里，与成为本发明的前提的朗肯循环的不同点是，将排气的热量不是向温度具有上限的冷却水回收，而是向作为温度上没有上限的冷媒的纯水回收。即，由于无法使冷却水沸腾，因此，无法使冷却水上升至超过温度的上限（例如110℃）。另一方面，由于作为冷媒的新导入的纯水与冷却水不同，不受温度限制，因此，可以使纯水温度上升至超过冷却水的温度上限。换言之，可以使纯水温度上升至使纯水成为汽化状态的温度为止，向第2热交换器111中供给汽化状态的纯水。并且，通过在该第2热交换器111中利用使汽化状态的纯水变成液化时的潜热而与冷媒之间进行热交换，从而确保更多的热交换量。
[0088] 并且，第2热交换器111构成为，在纯水与发动机的冷却水之间也可以进行热交换，在发动机2的暖机促进时等可以将纯水的热传给冷却水。因此，在使排气的热量向朗肯循环的冷媒和发动机的冷却水移动的前提下，排气仅与纯水（第2冷媒）进行热交换。由此，由于第2热交换器111仅拥有1种冷媒，因此，热容量变小，在排气通路中设置的催化剂的暖机中途等，在不想冷却排气的情况下而停止纯水的流动时，可以减少从排气中被夺取至第2热交换器中的热量。
[0089] 在图10中，纯水循环91由第1热交换器92、第2热交换器111、以及将上述2个热交换器92、111连接的2条纯水通路121、122构成。
[0090] 首先，利用图13对在排气歧管4中设置的第1热交换器92进行详述。在这里，图13是第1热交换器92的铅直方向的概略剖面图。在图13中，第1热交换器92主要由蒸发器93构成。蒸发器93是通过使从排气歧管4扩散的排气的热量与纯水之间进行热交换，从而不仅使纯水沸腾蒸发（汽化），而且使纯水温度上升至规定的温度的热交换器，其具有热交换部94、下水箱98以及上水箱99。
[0091] 热交换部94由例如在铅直方向上延伸的直筒状或者板状的多个套筒95、和在相邻套筒95之间的空间96中设置的散热片97构成。此外，虽然纯水的蒸发能力会降低，但以提高排气效率为目的或以提高耐久性为目的，也可以不设置散热片97。
[0092] 在热交换部94的铅直下部沿水平方向设置的下水箱98，是将向下水箱98中供给的凝结后的纯水向各套筒95中分配的设备。在热交换部94的铅直上部沿水平方向设置的上水箱99，是收集上升至各套筒95内的纯水的蒸汽的设备。利用上水箱99收集到的纯水的蒸汽，经由出口101向第2热交换器111供给，通过热交换器111排出的凝结后的纯水经由入口102返回到下水箱98中。
[0093] 在此，将第1热交换器92的规格确定为，将纯水在蒸汽的状态下向第2热交换器111中供给，且出口101处的纯水的蒸汽温度最高达到150℃。
[0094] 此外，在发动机2停止时下水箱98内的纯水的量不足的情况下，可以在发动机2初始起动时从未图示的纯水水箱经由通路105向下水箱98中供给一定量的纯水。
[0095] 在图13中，在第1热交换器92的右端设置将上水箱99与下水箱98连通的通路103，在该通路103的铅直下部形成圆锥状部104。
[0096] 在这里，对形成圆锥状部104的理由进行说明。在发动机2的运转前纯水处于规定值H1的液面高度。由于发动机2的运转中排气歧管4升成为高温，如果纯水进行沸腾蒸发，则纯水从规定值H1的液面高度下降至规定值H2的液面高度。在上述的液面高度下降后的情况下，下水箱98的液面与通路103的液面的差（水头差）变小，通常情况下向下水箱98中流动的纯水的循环量变小。另一方面，在本实施方式中，由于在通路103的下部形成圆锥状部104，因此，在由于纯水的沸腾蒸发使纯水从规定值H1下降至规定值H2的情况下，规定值H2处的液面的面积成为大于规定值H1处的液面的面积。如果H2处的液面的面积大于H1处的液面的面积，则由于即使蒸汽压力相同，也因为存在面积差的部分而使向铅直下方按压的蒸汽的力变大，因此，利用该变大的蒸汽的力可以维持使向下水箱98中流动的纯水的循环量不发生降低。由此，第1热交换器92的规格确定为，在纯水沸腾蒸发期间，使在该圆锥状部104处凝结后的纯水的液面下降。
[0097] 在排气歧管4中设置第1热交换器92的位置，实际如图14所示，即，由于排气歧管4由与各气缸的排气端口连接的各分支部4a、和将上述各分支部4a集合为一个的集合部4b构成，因此，优选在靠近集合部4b的各分支部4a（参照阴影）处设置第1热交换器92。
如果是图14示出的3气缸发动机的情况，则可以列举3处部位作为第1热交换器92的设置部位。在任何部位设置均可。
如果是图14示出的3气缸发动机的情况，则可以列举3处部位作为第1热交换器92的设置部位。在任何部位设置均可。
[0098] 图15是表示下水箱98至分支部4a的配置的概略斜视图。在假设图13示出的下水箱98是圆柱状的情况下，将该圆柱状的下水箱98沿着分支部4a内的排气流动设置。并且，使从第2热交换器111返回来的凝结后的纯水返回至排气流动的下游，使返回后的液态的纯水在下水箱98的内部流向排气流动的上游。如上所述通过将返回下水箱98的液态的纯水的流动，与在分支部4a内的排气的流动成为相对的流向，从而使用于使纯水沸腾蒸发的热源成为更高的温度。另外，可以扩大热交换的表面积，可以提高从排气向纯水回收的热量。
[0099] 下面，图10示出的第2热交换器111，是在朗肯循环31中进行循环的冷媒和发动机冷却水中的某一个、与通过第1热交换器92供给的纯水的蒸汽之间进行热交换的设备。
[0100] 使用图16、图17对该第2热交换器111进行详述。在这里，图16是表示第2热交换器111中的3种冷媒（纯水、冷媒、冷却水）的流动方向的模型图。如图16所示，第2热交换器111由纯水的蒸汽流动的纯水通路112、在朗肯循环31中进行循环的冷媒流动的冷媒通路113、发动机冷却水流动的冷却水通路114构成。在此情况下，将纯水通路112的中央部112c设置为比纯水通路112的入口112a以及出口112b更宽，在设置较宽的中央部112c中设置冷媒通路113和冷却水通路114。即，并列配置冷媒通路113和冷却水通路114，并且相对于在图16的纯水通路112中从上向下朝向而流动的纯水流动，使上述的2条通路113、114与其正交（相交叉）。这是为了增大与纯水的蒸汽接触的部分、即有助于进行热交换的面积。
[0101] 并且，冷媒通路113与冷却水通路114相比，设置在纯水通路112的上游侧。另外，在图16中，冷媒通路113的入口113a设置在左侧，冷却水通路114的入口114a设置在右侧，使冷媒与冷却水形成对流而流动。不仅限与此，也可以使2条通路113、114的入口113a、114a，出口113c、114c设置在同侧，使冷媒、冷却水向相同方向流动。
[0102] 图17是图16示出的第2热交换器111中的冷媒通路113以及冷却水通路114的具体的结构图。冷媒通路113由入口113a、向入口113a的左右方向延伸的通路113b、出口113c、向出口113c的左右方向延伸的通路113d、以及在上述2条通路113b、113d之间等间隔并列地配置的5条通路113e构成。冷却水通路114由入口114a、向入口114a的左右方向延伸的通路114b、出口114c、向出口114c的左右方向延伸的通路114d、以及在上述2条通路114b、114d之间等间隔并列地配置的4条通路114e构成。将上述的2条通路113、114在图17的左右方向错开配置时，在并列配置的5条通路113e与并列配置的4条通路114e之间产生8个空间115。即，以在并列配置的5条通路113e以及4条通路114e之间产生8个空间115的方式形成2条通路113、114。并且，使如上所述错开配置的2条通路113、114配置为，与在纯水通路112中流过的纯水流动正交。由此，在图17中通路113e、114e之间产生的8个空间115中，在沿着贯穿纸面的方向上通过纯水的蒸汽，在纯水的蒸汽与在朗肯循环31中进行循环的冷媒之间，或者在纯水的蒸汽与发动机冷却水之间进行热交换。
[0103] 在此情况下，在第2热交换器111中，利用使沸腾蒸发（汽化）后的纯水液化时的潜热，在其与冷媒或者冷却水之间进行热交换。由此，可以确保更多的热交换量。使在第2热交换器111中通过热交换而凝结后的纯水，向在第2热交换器111的铅直下方配置的存水部116中下落并储存（参照图10）。此外，并列配置的通路113e、114e的数量并不仅限于上述情况。
[0104] 并且，在第2热交换器111中的冷媒与冷却水之间的热传递容易度，小于在第2热交换器111中的纯水与冷媒之间、以及纯水与冷却水之间的热传递容易度。在此，所谓“热传递容易度”，是指在2条冷媒通路的冷媒的温度差相等并且温度本身也相同时，每单位时间在2条冷媒通路之间传递热量的大小。因此，如果热传递容易度为相对较大，在2条冷媒通路之间传递的热量的大小就变得较大，反之，如果热传递容易度为相对较小，则在2条冷媒通路之间传递的热量的大小变得较小。该热传递容易度根据构造、热通过部位的截面积、热通过部位的材料（热传导率）的不同而变化。例如，构造的不同是指与冷媒的接触面积大小（SV比）和翅片的有无（接触面积较大的情况与接触面积较小的情况相比，有翅片的情况与没有翅片的情况相比，热传递容易度变得较大）。热通过部位的截面积的不同是指通路直径的不同（冷媒通路较细的情况与冷媒通路较粗的情况相比，热传递容易度变得较大）。热通过部位的材料的不同是指材料的热传导率的不同（热传导率较大的材料的情况与热传导率较小的材料的情况相比，热传递容易度变得较大）。
[0105] 返回到图10，第1热交换器92的出口101与第2热交换器111的纯水通路112的入口112a（参照图16）通过纯水通路121连接，第2热交换器111的存水部116与第1热交换器92的入口102通过纯水通路122连接。并且，为了控制纯水的循环·停止，在纯水通路122中设置常闭的第1开闭阀123。
[0106] 发动机冷却水回路由通常的冷却水通路、和发动机冷却水任意地流动的冷却水通路构成。在这里，通常的冷却水通路是由4条冷却水通路13、131、132、134构成。即，冷却水通路13是将发动机2的出口的冷却水向恒温阀15中供给的通路，冷却水通路131是从恒温阀15经过散热器11的通路，第1旁路冷却水通路132是绕过散热器11的通路。冷却水通路134是使上述的2条冷却水通路131、132合流并返回到发动机2的通路。在该冷却水通路134中安装冷却水泵16。
[0107] 作为发动机冷却水任意地流动的冷却水通路，设置第2旁路冷却水通路135，在该第2旁路冷却水通路135中安装第2热交换器111的冷却水通路114。在这里，在第2热交换器111的前后，将第2旁路冷却水通路135划分为2条冷却水通路135a、135b。即，一条冷却水通路135a是从冷却水通路134分支而向第2热交换器111的冷却水通路113中供给冷却水的通路，另一条冷却水通路135b是使从第2热交换器111的冷却水通路113流出的冷却水与冷却水通路13合流的通路。并且，为了控制向第2旁路冷却水通路135中流入的冷却水的循环·停止，在冷却水通路135a中设置常闭的第2开闭阀138。
[0108] 并且，朗肯循环31具有：冷媒泵32、蒸发器141、第2热交换器111、膨胀机37以及冷凝器（凝结器），各结构要素通过使冷媒（R134a等）循环的冷媒通路41～44、47连接。
[0109] 图1示出的热交换器36是将加热器（蒸发器）与过热器组合而成。另一方面，在图10中，图1示出的热交换器36由蒸发器141与作为过热器的第2热交换器111构成。
[0110] 首先，在蒸发器141中，使用于热交换的冷却水通路141a与冷媒通路141b相邻而设置。将蒸发器141的冷却水通路141a安装在冷却水通路13中，并流过从发动机2排出的冷却水。
[0111] 将冷媒通路41与蒸发器141的冷媒通路141b连接，并导入冷媒泵32喷出的液体冷媒。由此，在液体冷媒与发动机2的出口的冷却水之间进行热交换，使液体冷媒蒸发而成为气体冷媒。
[0112] 将蒸发器141的冷媒通路141b排出的气体冷媒经由冷媒通路47向第2热交换器111的冷媒通路114中导入。由此，在气体冷媒与纯水的蒸汽之间进行热交换，气体冷媒的温度、压力上升。这样，使温度、压力上升后的气体冷媒经由冷媒通路42向膨胀机37中供给。
[0113] 下面，对发动机刚冷起动后的催化剂暖机中、发动机2的暖机中、朗肯循环31的运转中进行的各种控制进行说明。
[0114] 在这里，对控制方面作为前提的事项预先进行说明。在本实施方式中，采用R134作为在朗肯循环31中进行循环的冷媒（第1冷媒），采用LLC（Long Life Coolant；长寿防冻液）作为发动机冷却水。此时，纯水（第2冷媒）的沸点是100℃，R134的沸点是80℃～90℃，LLC的沸点是大约120℃。在3种冷媒的动作温度范围（负数十℃～超过100℃）中，纯水和R134在纯水循环91、朗肯循环31的各循环中，是气液混合物（不仅是气体冷媒，空气也存在）。另一方面，LLC在发动机冷却水回路中只是液体（除了空气积存，原则上不包含空气）。
[0115] 另外，在本实施方式中，为了确保从第1热交换器92至第2热交换器111为止，使纯水为蒸汽状态，在第1热交换器92的出口处使纯水的最高温度为150℃。为了确保从蒸发器141至第2热交换器111为止使R134为气体冷媒，在蒸发器141的出口处使R134的最高温度为120℃。为了不使LLC沸腾，在冷却水通路13的发动机2的出口处使LLC的最高温度为110℃。
[0116] （1）发动机刚冷起动后的催化剂暖机中
[0117] 为了使在排气歧管4的下游处设置的催化剂9从发动机2的冷态开始尽快地暖机完成，不从排气中回收热。因此，如图10所示，使第1开闭阀123处于完全关闭状态而停止纯水在纯水循环91中进行循环。另外，使第2开闭阀138处于完全关闭状态而不向第2热交换器111中供给LLC。
[0118] 此外，由于发动机刚冷起动后的催化剂暖机中，不处于朗肯循环31的运转区域内，所以朗肯循环31不运转。在这里，所谓“使朗肯循环31运转”，是指使冷媒（R134）在朗肯循环31的冷媒通路中循环。因此，在朗肯循环31不运转时，R134不在第2热交换器111的冷媒通路114中流动。
[0119] 将此时的第2热交换器111内的3种冷媒的动作，在用点划线包围的图10的右上图中表示。即，由于纯水不流过纯水通路112，因此，在其与R134或LLC之间不进行热交换。此外，图10的右上图中的箭头只表示流动方向，纯水、R134、LLC中任何一种均不流动。
[0120] （2）发动机2的暖机中
[0121] 在催化剂9的暖机完成后，为了使发动机2尽快地暖机完成，从排气中尽量多地回收热，使回收的热向LLC中移动。为此，如图11所示，使第1开闭阀123处于完全打开状态而使纯水的蒸汽向第2热交换器111中供给。另外，使第2开闭阀138处于完全打开状态，使冷却水泵16喷出的冷却水向第2热交换器111中供给。
[0122] 此外，由于发动机2的暖机中也不处于朗肯循环31的运转区域内，所以朗肯循环31不运转。
[0123] 将此时的第2热交换器111内的3种冷媒的动作，在用点划线包围的图11的右上图中表示。即，图11的右上图中的箭头表示纯水的蒸汽以及液态的LLC正在流动。即，纯水的蒸汽流过纯水通路112，在该纯水的蒸汽与流过冷却水通路114的液态的LLC之间进行热交换，从而加热低温的液态的LLC。该加热后的LLC从冷却水通路135b、恒温阀15、第2旁路冷却水通路132、冷却水通路134返回到发动机2中，对发动机进行暖机。此外，在冷媒通路113中的R134不强制地流动的情况下，只从高温部向低温部移动。
[0124] （3）朗肯循环31的运转中
[0125] 使朗肯循环31运转时，要从排气中尽量多地回收热，将回收的热向气态的R134转移。为此，如图12所示，使第1开闭阀123处于完全打开状态而使纯水的蒸汽向第2热交换器111中供给，并且将来自蒸发器141的气态的R134向第2热交换器111中供给。
[0126] 在这里，在朗肯循环31的运转中，由于仅希望与在朗肯循环31中进行循环的R134进行热交换，因此，为了使被LLC夺取的热量为最小限度，使第2开闭阀138处于完全关闭状态而使LLC不流向第2热交换器111中。如果LLC不流向第2热交换器111的冷却水通路114中，则通常，在冷却水通路114的内部LLC会局部地产生沸腾，但是，由于与LLC相邻存在的R134与纯水进行热交换，从而可以避免LLC的局部的沸腾。
[0127] 将此时的第2热交换器111内的3种冷媒的动作，在用点划线包围的图12的右上图中表示。即，图12的右上图中的箭头表示纯水的蒸汽以及气态的R134流动。即，纯水的蒸汽流过纯水通路112，在该纯水的蒸汽与流过冷媒通路113的气态的R134之间进行热交换，从而使气态的R134过热。将该过热后的气态的R134经由冷媒通路42向膨胀机37中供给，从而对膨胀机37进行旋转驱动，通过该旋转驱动而驱动冷媒泵32，使R134在朗肯循环31的冷媒通路中循环。
[0128] 图18是第1实施方式的控制系的框图。发动机控制器71中输入通过水温传感器141检测的发动机冷却水温度，通过外部气温传感器142检测的外部气温，通过曲轴转角传感器143检测的发动机旋转速度。在发动机控制器71中，基于上述信号控制上述2个开闭阀123、138的开闭。
[0129] 参照图19的流程图对通过发动机控制器71进行的上述控制进行说明。图19用于说明2个开闭阀123、138的驱动，图19的流程每隔一定时间（例如每10ms）执行一次。
[0130] 在步骤1中观察是否为发动机冷态。这可以从通过水温传感器141检测的发动机起动时的冷却水温度进行判断。在不是发动机冷态时，直接结束本次的处理。
[0131] 如果是发动机冷机状态，则进入步骤2，观察催化剂9的暖机是否完成。这只要简单地通过从发动机2的曲轴起动的开始起动第1定时器，使第1定时器值与第1规定值相比较而进行即可。作为第1规定值，预先设定催化剂9暖机完成的时间。在第1定时器值不足第1规定值时，判断为催化剂9处于暖机中而进入步骤3，为了排气的热量不被夺走，使第1、第2的开闭阀123、138均处于完全关闭状态（参照图10）。重复步骤3的操作直到第1定时器值达到第1规定值为止。
[0132] 在步骤2中，当第1定时器值到达规定值时，判断为催化剂9的暖机完成，进入步骤4。在步骤4中观察发动机2的暖机是否完成。这只要简单地通过从催化剂9的暖机完成开始起动第2定时器，使第2定时器值与第2规定值相比较而进行即可。作为第2规定值，预先设定发动机2完成暖机的时间。在第2定时器值不足第2规定值时，判断为发动机2处于暖机中而进入步骤5，为了从回收排气的热量的纯水中，将纯水的热进一步向发动机冷却水中回收，使第1、第2的开闭阀123、138均处于完全打开状态（参照图11）。重复步骤
5的操作直到第2定时器值达到第2规定值为止。
5的操作直到第2定时器值达到第2规定值为止。
[0133] 在步骤4中，当第2定时器值到达第2规定值时，判断为发动机2的暖机完成而进入步骤6。在步骤6中基于由水温传感器141检测的发动机冷却水温度、由外部气温传感器142检测的外部气温、由曲轴转角传感器143检测的发动机旋转速度、发动机扭矩，观察是否处于上述图7A、图7B示出的朗肯循环31的运转区域。在这里，预先作成将发动机旋转速度和燃料喷射量作为参数的对应图，发动机扭矩可以基于此时的发动机旋转速度和燃料喷射量，对上述的对应图进行检索而进行判断。如果不是处于朗肯循环31的运转区域，则结束本次的处理。
[0134] 在步骤6中，当处于朗肯循环31的运转区域时进入步骤7，为了从回收了排气的热量的纯水中，将纯水的热进一步向冷媒中回收，使第1开闭阀123处于完全打开状态，使第2开闭阀138处于完全关闭状态（参照图12）。
[0135] 在这里，对本实施方式的作用效果进行说明。
[0136] 在本实施方式中，第2热交换器111（热交换器）在使用冷媒（第1冷媒）而产生动力的朗肯循环31中使用，第2热交换器111在由发动机2的排气的热量加温后的纯水（第2冷媒）与上述冷媒（第1冷媒）以及发动机2的冷却水之间进行热交换。
[0137] 在本实施方式中，朗肯循环31包含：将发动机2的废热向冷媒（第1冷媒）中回收的热交换器（92、111）；使用该热交换器的出口的冷媒而产生动力的膨胀机37；使该膨胀机37排出的冷媒凝结的冷凝器38；以及将来自该冷凝器38的冷媒向上述热交换器（92、111）中供给的冷媒泵32，上述热交换器（92、111）具有：将排气的热量向纯水（第2冷媒）回收的第1热交换器92；以及第2热交换器111，其具有用于在该纯水与冷媒以及发动机2的冷却水之间进行热交换的纯水通路112（第2冷媒通路）、以及冷媒通路113（第1冷媒通路）和冷却水通路114。
[0138] 根据本实施方式，与在朗肯循环31中进行循环的冷媒（第1冷媒）进行热交换的是纯水（第2冷媒）。由此，通过将纯水的温度设定为比排气温度低的温度（第1热交换器的出口温度是150℃），以使得纯水的温度不超过使R134等冷媒热分解的高温度，从而可以避免冷媒的热分解，并且提高与冷媒的热交换量。
[0139] 另外，根据本发明，由于排气只与纯水（第2冷媒）进行热交换，因此，在不想冷却排气时，只要通过停止纯水向第2热交换器111中的供给，减少从排气中夺取的热量即可。在排气通路中具有催化剂9的发动机2中，要求在发动机2的冷起动时首先尽快使催化剂9暖机完成。在此情况下，根据本实施方式，在发动机2刚冷起动后，不想冷却排气时，只要通过停止纯水向第2热交换器111中的供给，减少从排气中夺取的热量即可，可以使催化剂9尽快暖机完成。
[0140] 根据本发明，具有：将冷却发动机2而升温后的冷却水向散热器11中供给的第1冷却水通路（13、131）；使来自该散热器11的冷却水返回到发动机2中的第2冷却水通路（131、134）；从第1冷却水通路（13）分支，绕过散热器11而流过冷却水的第1旁路冷却水通路132；对该第1旁路冷却水通路132进行接通·断开的恒温阀15；对冷却水进行加压输送的冷却水泵16；以及从第2冷却水通路（134）分支，绕过发动机2而流过冷却水的第2旁路冷却水通路135，第2热交换器111还具有与纯水（第2冷媒）之间进行热交换的冷却水通路114，将该冷却水通路114安装在第2旁路冷却水通路135中，因此，在停止朗肯循环31的运转的发动机2的暖机中途，通过将纯水（第2冷媒）向第2热交换器111中供给，使纯水与冷却水之间进行热交换，从而可以促进发动机2的暖机。
[0141] 根据本发明，在第1热交换器92中利用排气的热量将纯水（第2冷媒）汽化，在第2热交换器111中利用使该汽化后的纯水液化时的潜热，在其与冷媒（第1冷媒）和冷却水的任意一方之间进行热交换，因此，在纯水、冷媒和冷却水的任意一方之间进行热交换时，可以确保更多的热交换量。
[0142] 如果冷媒（第1冷媒）与冷却水之间的热交换量相对较大，则在希望仅从纯水（第2冷媒）向冷媒（第1冷媒）和冷却水中的任意一个、例如仅向冷媒中热移动时，会发生向冷却水中的热移动。另外，在仅希望向冷却水中热移动时，会发生向冷媒中的热移动。即，会向不希望发生热移动侧发生纯水（第2冷媒）的热泄漏。另一方面，根据本实施方式，由于第2热交换器111中的冷媒（第1冷媒）与冷却水之间的热传递容易度，小于第2热交换器111中的纯水（第2冷媒）与冷媒（第1冷媒）之间、以及纯水（第2冷媒）与冷却水之间的热传递容易度，因此，冷媒与冷却水之间的热交换量相对较少，在希望仅从纯水向冷媒与冷却水中的任意一个进行热交换时，可以抑制向不希望发生热移动侧（介质）发生的纯水（第2冷媒）的热泄露，可以提高热交换效率。
[0143] 根据本实施方式，对于具有第2热交换器111的冷媒通路113（第1冷媒通路）、纯水通路112（第2冷媒通路）、冷却水通路114，使冷媒通路113以及冷却水通路114与纯水通路112正交（相交叉）而设置，并且，由于冷媒通路113与冷却水通路114相比设置在纯水通路112的上游侧，因此，在停止朗肯循环31的运转的发动机2的暖机中途，通过将纯水（第2冷媒）向第2热交换器111中供给，在纯水（第2冷媒）与冷却水之间进行热交换，从而可以促进发动机2的暖机。此时，冷媒通路113的冷媒从温度较高的一方向较低的一方移动。
[0144] 根据本实施方式，由于设置将第2旁路冷却水通路135接通·断开的第2开闭阀138（阀），在朗肯循环31的运转区域中关闭该第2开闭阀138（参照图19的步骤6、7），因此，通过在发动机2的暖机完成后将纯水（第2冷媒）向第2热交换器111中供给，在纯水（第2冷媒）与冷媒（第1冷媒）之间进行热交换，从而可以使朗肯循环31运转。并且，如果LLC（冷却水）不流过冷却水通路114，则通常在冷却水通路114的内部LLC（冷却水）会产生局部地沸腾，但是，由于与LLC相邻存在的R134（第1冷媒）与纯水进行热交换，所以，可以避免LLC的局部地沸腾。
[0145] 根据本实施方式，由于第1冷媒是冷冻用的冷媒，第2冷媒是纯水，冷却水是LLC，因此，可以高效率地回收排气的热量。
[0146] 作为冷却水举出LLC，但是并不局限于LLC。
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