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In den letzten Jahren wurde die Kraftstoffverbrauchsleistung für ein Kraftfahrzeug in Anbetracht von Umweltproblemen deutlich verbessert, und auf dem Markt ist ein so genanntes Leerlaufabschaltfahrzeug oder ein Hybridfahrzeug erhältlich.
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Es ist ein Hybridkompressor für den Klimabetrieb für solche Fahrzeuge bekannt, welcher durch eine Antriebskraft von einem Motor oder einem Elektromotor betrieben wird. Diese Art von Hybridkompressor hält den Klimabetrieb aufrecht, während der Motor abgeschaltet ist, wobei er die Kraftstoffverbrauchsleistung für die Fahrzeuge verbessert.
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Die Anmelderin der vorliegenden Erfindung schlug in der nicht vorveröffentlichten
JP 2004-232 492 A eine Fluidmaschine vor, die eine Funktion des Sammelns von Abwärme von dem Motor besitzt und Gebrauch von der gesammelten Energie macht, um eine weitere Verbesserung der Kraftstoffverbrauchsleistung zu erzielen.
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Als herkömmliche Technik ist eine Abwärmenutzungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor bekannt, wie sie in der
JP 2 540 738 B2 gezeigt ist. In dieser Vorrichtung ist ein Clausius-Rankine-Kreis unter Verwendung von Komponenten eines Kühlkreises gebildet, in welchem ein Kompressor auch als Expansionsvorrichtung zum Sammeln von Abwärme von einem Verbrennungsmotor und Zuleiten der gesammelten Energie zurück zu dem Verbrennungsmotor verwendet wird. In der obigen herkömmlichen Vorrichtung ist es jedoch nachteilig, dass das Sammeln der Abwärme von dem Motor nur möglich ist, wenn ein Betrieb des Kühlkreises nicht notwendig ist.
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Bei der oben erwähnten Fluidmaschine, nämlich der durch die gleichen Anmelder vorgeschlagenen Fluidmaschine nach
JP 2004-232 492 A wird ein Kompressorabschnitt des Hybridkompressors auch als Expansionsvorrichtung verwendet, wobei der Kompressorabschnitt durch einen Motor oder einen Elektromotor als Kompressor betrieben wird, um das Kältemittel in einem Kühlkreis zu komprimieren, wenn der Klimabetrieb notwendig ist, während der Kompressorabschnitt als Expansionsvorrichtung betrieben wird, um elektrische Energie an dem Elektromotor zu erzeugen, wenn der Klimabetrieb nicht notwendig ist, und dies in einer solchen Weise, dass das Kältemittel eines überhitzten Dampfes dem Kompressorabschnitt zugeleitet wird und der überhitzte Dampf in dem Kompressorabschnitt ausgedehnt wird, um eine Drehantriebskraft zu erzeugen. Es sollte hier jedoch angemerkt werden, dass die oben erwähnte Fluidmaschine kein Stand der Technik der vorliegenden Erfindung ist.
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DE 100 35 720 A1 beschreibt eine Vorrichtung für einen Lastkraftwagen mit Kühlraum. Sie umfasst eine erste und eine zweite Turbine in einer Abgasleitung eines Dieselmotors, wobei ein Kompressor, der in einer Einlassleitung vorgesehen ist, durch die erste Turbine angetrieben wird (Abgasturbolader). Die zweite Turbine treibt einen Gleichstromgenerator an. Ein Dreiphasenmotor wird über einen an dem Gleichstromgenerator angeschlossenen Wechselrichter betrieben. Der Dreiphasenmotor weist einen Anschluss zum Anschluss an eine Energiezufuhrquelle auf, für den Fall, dass der Dieselmotor nicht in Betrieb ist. Ein Kompressor für eine Kühleinrichtung ist an den Dreiphasenmotor angeschlossen, so dass sie generell durch den Dreiphasenmotor angetrieben wird. Ferner ist eine kleine Verbrennungskraftmaschine an den Kompressor angeschlossen.
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Wenn der Dieselmotor gestoppt wird, wird keine elektrische Energie durch den Gleichstromgenerator erzeugt. Daher wird der Dreiphasenmotor an die äußere Elektroenergiequelle über den Anschluss angeschlossen, so dass der Kompressor kontinuierlich durch den Dreiphasenmotor angetrieben wird. Falls die äußere Elektroenergiequelle nicht verwendet werden kann, wird die kleine Verbrennungskraftmaschine eingesetzt, um den Kompressor fortgesetzt anzutreiben.
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DE 695 16 870 T2 beschreibt eine Anordnung zum Regeln der Motorbremswirkung eines durch einen Kompressor aufgeladenen Verbrennungsmotors. Dabei ist der Turbokompressor über ein CVT-Getriebe mit dem Verbrennungsmotor verbunden.
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DE 43 09 119 A1 beschreibt eine Anordnung, welche Kühlluft für eine Kältemaschine erzeugt. Dabei wird ein Turbinenrad von einem Elektromotor angetrieben und es kann zwischen dem Turbinenrad und dem Elektromotor eine Kupplung angeordnet sein.
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JP S63-96 449 A beschreibt eine Abwärmenutzungseinrichtung.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Abwärmesammelsystem für einen Verbrennungsmotor vorzusehen, bei welchem die Abwärme unabhängig von einem Betrieb oder Nicht-Betrieb eines Kühlkreises gesammelt werden kann und außerdem die gesammelte Abwärmenergie für viele Zwecke verwendet werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch ein Abwärmenutzungssystem gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
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Gemäß einem Merkmal der vorliegenden Erfindung weist ein Abwärmenutzungssystem eine äußere Antriebseinrichtung (z. B. eine durch einen Verbrennungsmotor angetriebene Riemenscheibe), eine Kompressorvorrichtung, die mit der äußeren Antriebseinrichtung wirkverbunden ist und durch diese angetrieben wird und die einen Teil des Kühlkreises bildet, zum Komprimieren eines Kältemittels des Kreises, und eine Expansionsvorrichtung, die mit der Kompressorvorrichtung wirkverbunden ist und einen Teil eines Abwärmesammelkreises bildet, um eine Drehantriebskraft unter Verwendung der gesammelten Abwärmeenergie zu erzeugen, sodass die Drehantriebskraft auf die Kompressorvorrichtung ausgeübt wird, auf. Als Ergebnis dieses Merkmals kann die Kompressorvorrichtung durch die Antriebskraft von der Expansionsvorrichtung kontinuierlich betrieben werden, selbst während der Motorbetrieb gestoppt ist.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung weist ein Abwärmenutzungssystem ferner eine elektrische Drehmaschinenvorrichtung auf, welche mit der äußeren Antriebseinrichtung und mit der Kompressorvorrichtung verbunden ist, wobei die Drehmaschine als ein Elektromotor und als ein elektrischer Generator betrieben werden kann. Als Ergebnis dieses Merkmals kann die Kompressorvorrichtung, wenn die elektrische Drehmaschine als ein eine Drehantriebskraft erzeugender Elektromotor betrieben wird, durch die Antriebskraft von der elektrischen Drehmaschine kontinuierlich betrieben werden, selbst während der Motorbetrieb gestoppt ist.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die elektrische Drehmaschine mit der Expansionsvorrichtung wirkverbunden, sodass die Drehmaschine durch die Antriebskraft von der Expansionsvorrichtung betrieben werden kann, um elektrische Energie zu erzeugen. Diese elektrische Energieerzeugung wird am effektivsten durchgeführt, wenn die Kompressorvorrichtung nicht betrieben werden muss und die an der Expansionsvorrichtung erzeugte Antriebskraft genug ist, die elektrische Drehmaschine anzutreiben.
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Es wird somit ein Abwärmesammelsystem vorgesehen, das im Betrieb eine optimale Verbesserung der Kraftstoffverbrauchsleistung erzielt, indem die gesammelte Abwärmeenergie am meisten ausgenutzt wird, um ein Fluid (Kältemittel eines Kühlkreises) zu komprimieren oder elektrische Energie zu erzeugen.
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Die obigen sowie weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen besser verständlich. Darin zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Abwärmenutzungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung;
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2 eine Querschnittansicht einer in 1 dargestellten Fluidmaschine;
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3 eine Querschnittansicht entlang einer Linie III-III in 2;
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4 eine Querschnittansicht entlang einer Linie IV-IV in 2;
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5 eine Querschnittansicht einer Fluidmaschine gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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6 eine Querschnittansicht einer Fluidmaschine gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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7 eine Querschnittansicht einer Fluidmaschine gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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8 eine Querschnittansicht einer Fluidmaschine gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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9 eine schematische Darstellung eines Abwärmenutzungssystems gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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10 eine schematische Darstellung einer Verbindung einer Expansionsvorrichtung, einer Kompressorvorrichtung, einer Riemenscheibe und einer elektrischen Drehmaschine, die in 9 gezeigt sind;
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11 eine schematische Darstellung eines Abwärmenutzungssystems gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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12 eine schematische Darstellung eines Abwärmenutzungssystems gemäß einem achten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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13 eine schematische Darstellung der Verbindung einer Expansionsvorrichtung, einer Kompressorvorrichtung und einer Riemenscheibe von 12;
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14 eine schematische Darstellung eines Abwärmenutzungssystems gemäß einem neunten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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15 eine schematische Darstellung der Verbindung einer Expansionsvorrichtung, einer Kompressorvorrichtung und einer elektrischen Drehmaschine von 14;
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16 eine schematische Darstellung der Verbindung einer Expansionsvorrichtung, einer Kompressorvorrichtung und einer elektrischen Drehmaschine gemäß einem zehnten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
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17 eine schematische Darstellung eines Abwärmenutzungssystems gemäß einem elften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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(Erstes Ausführungsbeispiel)
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Ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nun Bezug nehmend auf 1 bis 4 erläutert. Ein Abwärmenutzungssystem der vorliegenden Erfindung wird zum Beispiel für ein Motorfahrzeug verwendet, welches mit einem Klimasystem ausgerüstet ist. Insbesondere kann das vorliegende System für ein sogenanntes Leerlaufabschaltfahrzeug verwendet werden, bei welchem ein Motorbetrieb gestoppt wird, wenn das Fahrzeug nicht fährt, wenn zum Beispiel das Fahrzeug an einer roten Ampel stehen bleibt.
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In 1 weist das Abwärmenutzungssystem eine Fluidmaschine 100 auf, welche eine durch ein Riemenscheibenlager 112 (2) drehbar gehaltene und mit einem Verbrennungsmotor 10 über einen Riemen 11 verbundene Riemenscheibe 110, eine elektromagnetische Kupplung 120, eine elektrische Drehmaschine 130, die sowohl als ein Elektromotor als auch als ein elektrischer Generator betrieben werden kann, eine einen Teil eines Kühlkreises 200 bildende Kompressorvorrichtung 140 und eine einen Teil eines Abwärmesammelkreises 300 (zum Beispiel Clausius-Rankine-Kreis) bildende Expansionsvorrichtung 150 aufweist.
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In dem Abwärmenutzungssystem ist ein Wechselrichter 170 mit der elektrischen Drehmaschine 130 und mit einer Batterie 20 verbunden. Ein Klimasignal, ein Leerlaufabschaltsignal und dergleichen werden einer elektronischen Steuereinheit 160 eingegeben, welche entsprechend diesen Signalen das Ein- und Ausschalten der elektromagnetischen Kupplung 120, den Betrieb der elektronischen Drehmaschine 130 über den Wechselrichter 170 und den Betrieb der Pumpe 320 steuert.
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In dem Kühlkreis 200 ist ein Kondensator 210 mit einem Auslass der in der Fluidmaschine, welche später erläutert wird, integrierten Kompressorvorrichtung 140 verbunden und ist ein Wärmetauscher zum Kondensieren des Kältemittels durch Wärmestrahlung. Ein Expansionsventil 220 dekomprimiert und dehnt das durch den Kondensator 210 kondensierte Kältemittel. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Expansionsventil von einem temperaturabhängigen Typ, bei welchem eine Drosselfläche so geregelt wird, dass das Kältemittel mit einer konstanten Entalphie dekomprimiert wird und eine Überhitzung des in die Kompressorvorrichtung 140 zu saugenden Kältemittels auf einem vorbestimmten Wert gehalten wird.
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Ein Verdampfapparat 230 ist ein Wärmetauscher zum Verdampfen des Kältemittels, welches durch das Expansionsventil dekomprimiert und gedehnt ist, und dann Abkühlen der Luft mittels der Verdampfungswärme. Ein Auslass des Verdampfapparats 230 ist mit einem Einlass der Kompressorvorrichtung 140 verbunden. Die Kompressorvorrichtung 140, der Kondensator 210, das Expansionsventil 220 und der Verdampfapparat 230 sind in einem geschlossenen Kreislauf verbunden, um den Kühlkreis 200 zu bilden.
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Der Abwärmesammelkreis 300 weist eine in der Fluidmaschine 100, welche später erläutert wird, integrierte Expansionsvorrichtung 150, eine Wärmestrahlvorrichtung 310, eine Pumpe 320 und eine Heizvorrichtung 330 auf. Die Wärmestrahlvorrichtung ist ein Wärmetauscher zum Kondensieren des aus der Expansionsvorrichtung 150 ausströmenden Kältemittels. Die Pumpe 320 zirkuliert das Kältemittel von der Wärmestrahlvorrichtung 310 zu der Heizvorrichtung 330 in dem Abwärmesammelkreis 300. Die Pumpe 320 ist in diesem Ausführungsbeispiel von einem elektrisch angetriebenen Typ. Die Heizvorrichtung 330 ist ein Wärmetauscher zum Heizen des Kältemittels durch Wärmeaustausch zwischen dem durch einen Kältemittelkanal strömenden Kältemittel und einem Motorkühlmittel. Das Kältemittel des durch die Heizvorrichtung 330 erhitzten Überhitzungsdampfes wird der Expansionsvorrichtung 150 zugeleitet.
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Der detaillierte Aufbau der Fluidmaschine 100 wird Bezug nehmend auf 2 bis 4 erläutert.
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Die Riemenscheibe 110 bildet einen äußeren Antriebsabschnitt, welcher durch das an einem vorderen Gehäuse 101 befestigte Riemenscheibenlager 112 drehbar gehalten ist und durch eine von dem Motor 10 über den Riemen 11 übertragene Antriebskraft gedreht wird. Eine Antriebswelle 111 ist an einem Mittelabschnitt der Riemenscheibe 110 vorgesehen und ist durch ein an dem vorderen Gehäuse 101 befestigtes Lager 113 drehbar gehalten. Die Antriebswelle 111 wird aus der durch einen Pfeil A in 2 dargestellten Richtung betrachtet im Uhrzeigersinn als ihre normale Drehrichtung gedreht.
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Die elektromagnetische Kupplung 120 bildet eine Ein- und Ausschaltvorrichtung zum intermittierenden Übertragen der Antriebskraft von der Riemenscheibe 110 auf die Antriebswelle 111, und weist eine an dem vorderen Gehäuse 101 befestigte Spule 121 und eine an einem Ende der Antriebwelle 111 befestigte Nabe 122 auf. Bekanntermaßen wird, wenn die elektrische Energie der Spule 121 zugeführt wird, die Nabe 122 angezogen und durch die Riemenscheibe festgehalten, sodass die elektromagnetische Kupplung 120 die Antriebskraft von der Riemenscheibe 110 auf die Antriebswelle 111 überträgt (eingeschalteter Zustand der Kupplung). Wenn dagegen die elektrische Energie gesperrt ist, wird die Nabe 122 von der Riemenscheibe 110 weggezogen, sodass die Übertragung der Antriebskraft der Riemenscheibe 110 gesperrt ist (ausgeschalteter Zustand der Kupplung).
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Die elektrische Drehmaschine 130 (nachfolgend als Elektromotor bezeichnet) hat eine Funktion eines elektrischen Motors und eine Funktion eines elektrischen Generators, welcher einen Rotorabschnitt 132 und einen Statorabschnitt 133 aufweist und in einem durch das vordere Gehäuse 101, ein hinteres Gehäuse 102 und eine Trennwand 103 gebildeten Raum angeordnet ist. Der Rotorabschnitt 132 ist an einer Elektromotorwelle 131 befestigt und ein Magnet (ein Permanentmagnet) 132a ist an seinem Außenumfang vorgesehen. Die Motorwelle 131 ist koaxial mit der Antriebswelle 111 verbunden und durch Lager 113 und 114 drehbar gehalten.
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Der mit einer Spule 133a versehene Statorabschnitt 133 ist in eine Innenfläche des vorderen Gehäuses 131 unter Druck eingepasst. Wenn eine elektrische Energie von der Batterie 20 (1) über den Wechselrichter 170 (1) der Spule 133a zugeführt wird, wird der Rotorabschnitt 132 (aus Sicht des Pfeils A im Uhrzeigersinn) gedreht. Falls der Motorabschnitt durch die Antriebskraft von der Riemenscheibe 110 oder der unten erläuterten Expansionsvorrichtung 150 als elektrische Energieerzeugungsmaschine arbeitet, wird die an der Spule 133a erzeugte elektrische Energie über den Wechselrichter 170 in die Batterie 20 geladen.
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Die Kompressorvorrichtung 140, welche hier ein Kompressor eines Schiebertyps und eines festen Ausgabetyps ist, ist in dem hinteren Gehäuse 102 und an einer der Riemenscheibe abgewandten Seite des Elektromotors 130 angeordnet. Wie in 2 und 3 dargestellt, ist ein Rotor 142 an einer Kompressorwelle 141 befestigt und viele Schieber 143 (fünf Schieber in diesem Ausführungsbeispiel) sind in dem Rotor 142 in radialen Richtungen bewegbar angeordnet. Der Rotor 142 und die Schieber 143 sind in einer Zylinderbohrung 144a einer ovalen Konstruktion angeordnet, die in einem Gehäuse 144 ausgebildet ist, sodass viele Arbeitskammern 144b durch den Rotor 142, die Schieber 143 und die zylindrische Bohrung 144a gebildet sind. Die Kompressorwelle 141 ist koaxial mit der Motorwelle 131, nämlich der Antriebswelle 111, verbunden und drehbar durch das Lager 114 gehalten.
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Ansaugöffnungen 145 (zwei Öffnungen) sind in der Trennwand 103 vorgesehen, und ein in dem vorderen Gehäuse 101 vorgesehener Kompressoreinlass 148 einer Riemenscheibenseite und die Arbeitskammern 144b sind miteinander durch die Ansaugöffnungen 145 verbunden. Ausgabeöffnungen 146 und Ausgabeventile 147 (zwei Öffnungen und Ventile) sind in dem Gehäuse 144 vorgesehen, und die Arbeitskammern 144b sind mit einem in dem hinteren Gehäuse 102 vorgesehenen Kompressorauslass 149 durch die Ausgabeöffnungen 146 und die Ausgabeventile 147 verbunden. Der Kompressoreinlass 148 ist mit dem Verdampfapparat 230 verbunden, während der Kompressorauslass 149 mit dem Kondensator 210 verbunden ist.
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Bei dieser Kompressorvorrichtung 140 wird die Antriebskraft der Riemenscheibe 110 oder der später erläuterten Expansionsvorrichtung 150 auf die Kompressorwelle 141 übertragen, und der Rotor 142 und die Schieber 143 werden (im Uhrzeigersinn in 3) gedreht, sodass das durch den Kompressoreinlass 148 und die Ansaugöffnungen 145 angesaugte Kältemittel in den Arbeitskammern 144b komprimiert und dann durch die Ausgabeöffnungen 146 und die Ausgabeventile 147 aus dem Kompressorauslass 149 ausgegeben wird. Da das Kältemittel durch das Innere des Elektromotors 130 strömt, kann an dem Elektromotor durch das Kältemittel ein Kühleffekt erzielt werden.
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Die Expansionsvorrichtung 150 hat einen Grundaufbau des gleichen Schiebertyps wie die Kompressorvorrichtung 140 und ist in dem hinteren Gehäuse 102 auf einer der Riemenscheibe abgewandten Seite der Kompressorvorrichtung 140 angeordnet. Die Expansionsvorrichtung 150 ist von der Kompressorvorrichtung 140 durch eine Zwischenplatte 104 in dem hinteren Gehäuse 102 isoliert. Wie in 2 und 4 dargestellt, hat ein Rotor 152 viele Schieber 153 (fünf Schieber in diesem Ausführungsbeispiel) und ist an einer Expansionsvorrichtungswelle 151 befestigt. Der Rotor 152 und die Schieber 153 sind in einer zylindrischen Bohrung 154a einer ovalen Konstruktion angeordnet, welche in einem Gehäuse 154 ausgebildet ist, sodass durch den Rotor 152, die Schieber 153 und die zylindrische Bohrung 154a viele Arbeitskammern 154b gebildet werden. Die Expansionsvorrichtungswelle 151 ist koaxial mit der Kompressorweile 141, nämlich mit der Motorwelle 131 und der Antriebswelle 111 verbunden und durch das Lager 114 drehbar gehalten.
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Eine Einwegekupplung 151a ist zwischen der Expansionsvorrichtungswelle 151 und dem Rotor 152 vorgesehen. Wenn der Rotor 152 (im Uhrzeigersinn in 4) gedreht wird, steht die Einwegekupplung 151a mit der Expansionsvorrichtungswelle 151 in Eingriff. Mit anderen Worten ist die Expansionsvorrichtungswelle 151, wenn der Rotor 152 in einem nicht drehenden Zustand ist, frei von der Drehung im Uhrzeigersinn.
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Eine Endplatte 105 ist auf einer der Kompressorvorrichtung abgewandten Seite des Rotors 152 und des Gehäuses 154 vorgesehen. Ansaugöffnungen 155 (zwei Öffnungen) sind in dem Gehäuse 154 vorgesehen, und ein Einlass 158 der in dem hinteren Gehäuse 102 vorgesehenen Expansionsvorrichtung und die Arbeitskammern 154a sind miteinander durch die Ansaugöffnungen 155 verbunden. Ausgabeöffnungen 156 (zwei Öffnungen) sind in der Endplatte 105 vorgesehen, und die Arbeitskammern 154b sind durch die Ausgabeöffnungen 156 mit einem Auslass 159 der in dem hinteren Gehäuse 102 vorgesehenen Expansionsvorrichtung verbunden. Der Einlass 158 ist mit der Heizvorrichtung 330 verbunden, während der Auslass 159 mit der Wärmestrahlvorrichtung 310 verbunden ist.
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Es wird nun eine Funktionsweise des obigen Ausführungsbeispiels erläutert.
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(i) Zuerst wird eine Funktionsweise des Klimamodus erläutert, während welchem Abwärme gesammelt wird.
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Die Steuereinheit 160 betreibt die Pumpe 320 des Abwärmesammelkreises 300. Die elektromagnetische Kupplung 120 ist in den eingeschalteten Zustand gesetzt, während der Motor 10 läuft. Dann wird die Antriebskraft des Motors 10 von der Riemenscheibe 110 auf die Antriebswelle 111, die Motorwelle 131 und die Kompressorwelle 141 übertragen, sodass die Kompressorvorrichtung 140 betrieben wird. Dann wird das Kältemittel in dem Kühlkreis 200 durch die Kompressorvorrichtung 140 komprimiert. Und die Luft wird durch den Verdampfapparat 230 abgekühlt. Da bei diesem Betrieb der Rotorabschnitt 132 des Elektromotors 130 ebenso durch die Riemenscheibe 110 gedreht wird, wird der Elektromotor 130 als elektrischer Generator betrieben, um elektrische Energie zu erzeugen.
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In der Expansionsvorrichtung 150 strömt das durch die Heizvorrichtung 330 erwärmte Kältemittel des Überhitzungsdampfes durch den Betrieb der Pumpe 320 durch den Einlass 158 und die Ansaugöffnungen 155 in die Arbeitskammern 154b. Wenn das Kältemittel des Überhitzungsdampfes in den Arbeitskammern 154a ausgedehnt wird, wird der Rotor 152 angetrieben, um in die gleiche Drehrichtung (Uhrzeigersinn) der Kompressorvorrichtung 140 und des Elektromotors 130 zu drehen. Die Welle 151 wird dann über die Einwegekupplung 151a mit dem Rotor 152 in Eingriff gebracht und zusammen mit dem Rotor 152 gedreht. Die an der Expansionsvorrichtung 150 erzeugte Antriebskraft wird so auf die Kompressorvorrichtung 140 und den Elektromotor (Generator) 130 ausgeübt.
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Wenn der Betrieb des Motors aufgrund eines Leerlaufabschaltsignals gestoppt wird, bringt die Steuereinheit 160 die elektromagnetische Kupplung 120 in einen ausgeschalteten Zustand und startet den Betrieb des Elektromotors 130 als elektrischen Motor. Die Kompressorvorrichtung 140 wird dann durch die Antriebskraft des Elektromotors 130 angetrieben, sodass der Klimabetrieb möglich wird, selbst während der Motor 10 abgeschaltet ist. Bei diesem Betrieb wird die Expansionsvorrichtung 150 durch das Kältemittel des Überhitzungsdampfes weiter gedreht und die Antriebskraft wird auf die Kompressorvorrichtung 140 ausgeübt.
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Wenn jedoch der Betrieb des Motors durch ein Leerlaufabschaltsignal gestoppt wird, wenn die an der Expansionsvorrichtung 150 erzeugte Antriebskraft hoch genug ist, um die Kompressorvorrichtung 140 und den Elektromotor 130 anzutreiben, wird die elektromagnetische Kupplung 120 in ihrem ausgeschalteten Zustand gehalten und der Elektromotor 130 wird dann durch die Antriebskraft von der Expansionsvorrichtung 150 als elektrischer Generator betrieben.
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(ii) Zweitens wird eine Funktionsweise des Klimamodus erläutert, während welchem Abwärme nicht gesammelt werden kann.
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Die Steuereinheit 160 stoppt den Betrieb der Pumpe 320 des Abwärmesammelkreises 300. Wenn der Motor 10 läuft, ist die elektromagnetische Kupplung 120 in den eingeschalteten Zustand gesetzt. Dann wird die Kompressorvorrichtung 140 durch die Antriebskraft von dem Motor 10 betrieben, um den Klimabetrieb auszuführen. Da bei diesem Betrieb der Rotorabschnitt 132 des Elektromotors 130 ebenso gedreht wird, wird der Elektromotor 130 als elektrischer Generator betrieben.
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Da bei diesem Betrieb die Pumpe 320 abgeschaltet ist, strömt das Kältemittel des Überhitzungsdampfes nicht in die Expansionsvorrichtung 140 und der Rotor 152 bleibt in seinem nicht drehenden Zustand. Die Welle 151 wird von dem Rotor 152 über die Einwegekupplung 151a getrennt, sodass die Welle 151 ohne Erfahren einer Beschränkung des Rotors 152 gedreht werden kann.
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Wenn der Betrieb des Motors durch ein Leerlaufabschaltsignal gestoppt wird, bringt die Steuereinheit 160 die elektromagnetische Kupplung 120 in den ausgeschalteten Zustand und startet den Betrieb des Elektromotors 130 als elektrischen Motor. Die Kompressorvorrichtung 140 wird deshalb durch die Antriebskraft des Elektromotors 130 angetrieben, sodass der Klimabetrieb möglich wird, selbst während der Motor 10 abgeschaltet ist.
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Bei diesem Betrieb wird die Welle 151 über die Einwegekupplung 151a in einem von dem Rotor 152 getrennten Zustand gehalten, sodass die Welle 151 ebenso ohne Erfahren einer Beschränkung des Rotors 152 gedreht werden kann.
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(iii) Drittens wird ein Funktionsmodus erläutert, falls der Klimabetrieb nicht notwendig ist.
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In diesem Fall stoppt die Steuereinheit 160 den Betrieb der Pumpe 320 des Abwärmesammelkreises 300, bringt die elektromagnetische Kupplung 120 in den ausgeschalteten Zustand, um den Elektromotor 130 nicht zu betreiben, ob die Abwärme gesammelt werden kann oder nicht oder ob der Motor 10 arbeitet oder nicht.
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Gemäß dem obigen Aufbau und der obigen Funktionsweise des ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung können die folgenden Wirkungen erzielt werden.
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Da die Expansionsvorrichtung 150 mit dem Elektromotor 130 und mit der Kompressorvorrichtung 140 verbunden ist und die Antriebskraft von der Expansionsvorrichtung 150 zusätzlich auf die Kompressorvorrichtung 140 oder den Elektromotor (Generator) 130 ausgeübt wird, wenn die Kompressorvorrichtung 140 durch den Motor 10 betrieben wird, kann die Antriebslast für den Motor 10 kleiner gemacht werden, um eine Verbesserung der Kraftstoffverbrauchsleistung zu erreichen.
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Die Antriebskraft von dem Motor 10 kann über die elektromagnetische Kupplung 120 wahlweise auf die Kompressorvorrichtung 140 übertragen werden, sodass die Kompressorvorrichtung 140 durch den Elektromotor 130 betrieben werden kann, selbst während der Motor 10 abgeschaltet ist. Da außerdem in der obigen Situation die Antriebskraft von der Expansionsvorrichtung 150 auf die Kompressorvorrichtung 140 ausgeübt werden kann, kann die Antriebskraft von dem Elektromotor 130 verringert werden, sodass ein kleinerer Elektromotor verwendet werden kann.
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Da die Welle 151 von dem Rotor 152 der Expansionsvorrichtung 150 über die Einwegekupplung 151a entkoppelt wird, können die Motorwelle 131 und die Kompressorwelle 141 ohne Erfahren einer Beschränkung von der Expansionsvorrichtung gedreht werden, wenn die Expansionsvorrichtung 150 nicht in einem Betrieb der Abwärmesammlung ist.
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(Zweites Ausführungsbeispiel)
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In einem in 5 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel ist die Kompressorvorrichtung 140 zu einem solchen Verstellkompressor geändert, der die Ausgabemenge je Drehung variieren kann. Genauer wird ein wohlbekannter Taumelscheibenkompressor für die Kompressorvorrichtung 140 verwendet. Eine Taumelscheibe 140B ist in einer Taumelscheibenkammer 140A angeordnet und über einen am Umfang der Taumelscheibe 140B vorgesehenen Schuh 140C mit einem Kolben 140D wirkverbunden. In diesem Kompressor wird der Druck in der Taumelscheibenkammer 140A durch die Steuereinheit 160 gesteuert, sodass eine Neigung der Taumelscheibe 140B verändert werden kann, um den Hub des Kolbens 140D zu variieren. Die Ausgabemenge kann von ihrem Maximalwert auf im Wesentlichen Null variabel sein.
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Im Klimabetrieb wird die Kompressorvorrichtung 140 so betrieben, dass die Ausgabemenge entsprechend der Kühllast variiert wird, zum Beispiel wird die Ausgabemenge zu im Wesentlichen Null, wenn es keinen Bedarf für den Betrieb der Klimaanlage gibt.
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Wenn die Abwärme gesammelt wird, während der Motor 10 arbeitet, betreibt die Steuereinheit 160 die Pumpe 320 und bringt die elektromagnetische Kupplung 120 in den ausgeschalteten Zustand, und der Elektromotor 130 wird durch die Expansionsvorrichtung 150 als elektrischer Generator betrieben (in diesem Betrieb ist die Kompressorvorrichtung 140 im Leerlauf). Alternativ wird, wenn die elektromagnetische Kupplung 120 in den eingeschalteten Zustand gebracht ist, dann die Antriebskraft der Expansionsvorrichtung 150 auf die Riemenscheibe 110 ausgeübt, während der Elektromotor 130 als Generator betrieben wird.
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Wenn die Abwärme nicht gesammelt werden kann, wird der Betrieb der Pumpe 320 gestoppt und die elektromagnetische Kupplung 120 wird in den eingeschalteten Zustand gebracht, sodass der Motor 130 als Generator betrieben wird.
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Da die Kompressorvorrichtung 140 in dem obigen zweiten Ausführungsbeispiel ein Kompressor des Verstelltyps ist, kann die Einschränkung der Kompressorvorrichtung 140 durch Einstellen der Ausgabemenge auf ihren maximalen Wert minimiert werden, wenn der Betrieb der Kompressorvorrichtung 140 nicht notwendig ist (im Fall des Nicht-Betriebs der Klimaanlage), und dadurch kann die Last für die elektrische Energieerzeugung an dem Elektromotor 130 durch die Expansionsvorrichtung 150 oder die Last für den Motor 10 reduziert werden. Außerdem kann, wenn die Abwärme nicht gesammelt wird, die elektrische Energieerzeugung an dem Elektromotor 130 durch den Motor 10 ohne Erfahren der Beschränkung von der Kompressorvorrichtung 140 durchgeführt werden.
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Da im zweiten Ausführungsbeispiel der Elektromotor 130 durch Minimieren der Beschränkung der Kompressorvorrichtung 140 im Fall des Nicht-Betriebs der Klimaanlage als elektrischer Generator betrieben werden kann, kann die Fluidmaschine 100 die Abwärme von dem Motor 10 über das gesamte Jahr effektiv nutzen.
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(Drittes Ausführungsbeispiel)
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Das dritte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in 6 gezeigt, in welcher die elektromagnetische Kupplung 120 im zweiten Ausführungsbeispiel durch eine Einwegekupplung 111a ersetzt ist.
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Die Einwegekupplung 111a ist zwischen der Riemenscheibe 110 und der Antriebswelle 111 vorgesehen, sodass die Welle 111 mit der Riemenscheibe 110 in Eingriff kommt, wenn die Riemenscheibe in der normalen Drehrichtung (im Uhrzeigersinn) gedreht wird. Mit anderen Worten ist die Antriebswelle 111, wenn die Riemenscheibe 110 durch den Nicht-Betrieb des Motors 10 nicht gedreht wird, frei von der Drehung in der normalen Drehrichtung.
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Wenn der Motor 10 arbeitet und die Klimaanlage betrieben wird, arbeitet die Einwegekupplung 111a demgemäß in der gleichen Weise, dass die elektromagnetische Kupplung 120 in ihrem eingeschalteten Zustand ist, sodass die Antriebskraft des Motors 10 auf die Antriebswelle 111 übertragen werden kann. Wenn der Motor 10 abgeschaltet ist, arbeitet die Einwegekupplung 111a in der gleichen Weise, dass die elektromagnetische Kupplung 120 in ihrem ausgeschalteten Zustand ist (die Antriebswelle 111 wird von der Riemenscheibe 110 entkuppelt), sodass die Kompressorvorrichtung 140 durch den Elektromotor 130 betrieben werden kann. Als Ergebnis wird das Ausführungsbeispiel im Vergleich zu der Verwendung der elektromagnetischen Kupplung 120 kostengünstiger.
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(Viertes und fünftes Ausführungsbeispiel)
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In den obigen ersten bis dritten Ausführungsbeispielen sind sowohl der Elektromotor 130 als auch die Kompressorvorrichtung 140 in der Fluidmaschine 100 vorgesehen. Es kann jedoch auch entweder der Elektromotor 130 oder die Kompressorvorrichtung 140 aus der Fluidmaschine 100 weggenommen sein. In dem in 7 dargestellten vierten Ausführungsbeispiel ist der Elektromotor entfernt und die Kompressorvorrichtung 140 ist in der Fluidmaschine 100 vorgesehen. In diesem Ausführungsbeispiel wird die Antriebskraft der Expansionsvorrichtung 105 auf die Kompressorvorrichtung 140 unabhängig davon, ob Bedarf für den Klimabetrieb ist, ausgeübt. Da die Kompressorvorrichtung 140 durch die Expansionsvorrichtung 150 betrieben werden kann, selbst während der Motor bei seinem Leerlaufabschaltmodus abgeschaltet ist, ist der Klimabetrieb im Leerlaufabschaltmodus ohne Verbrauch der elektrischen Energie am Elektromotor möglich. Bei diesem Betrieb kann es passieren, dass die Antriebskraft von der Expansionsvorrichtung 150 verringert wird und es kann durch den Mangel der Antriebskraft ein ungeeigneter Betrieb der Kompressorvorrichtung 140 bewirkt werden. In einem solchen Fall kann die Kompressorvorrichtung durch Einstellen der Ausgabemenge auf ihren kleineren Wert betrieben werden. Da außerdem die Einwegekupplung 111a für die Riemenscheibe 110 vorgesehen ist, kann die Antriebskraft der Expansionsvorrichtung 150 auf die Kompressorvorrichtung 140 ohne die elektromagnetische Kupplung übertragen werden, selbst wenn die Kompressorvorrichtung 140 durch den Motor 10 betrieben wird oder wenn der Motor in seinem Leerlaufabschaltmodus abgeschaltet ist.
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In dem in 8 dargestellten fünften Ausführungsbeispiel ist der Elektromotor 130 in der Fluidmaschine 100 vorgesehen. Das Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem dritten Ausführungsbeispiel darin, dass die Kompressorvorrichtung entfernt ist. Die Antriebskraft der Expansionsvorrichtung kann auf den Elektromotor 130 ausgeübt werden, selbst während der Elektromotor 130 durch den Motor 10 als elektrischer Generator betrieben wird. Und die elektrische Energieerzeugung ist durch die Antriebskraft von der Expansionsvorrichtung 150 auch möglich, wenn der Motor 10 abgeschaltet ist, sodass dies effektiv ist, eine verkürzte Lebensdauer der Batterie 20 zu verhindern, was durch den Energieverbrauch in dem Leerlaufabschaltmodus des Motors verursacht werden kann.
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In den in 7 und 8 dargestellten Ausführungsbeispielen wird die Einwegekupplung 111a anstelle der elektromagnetischen Kupplung verwendet, um in der gleichen Weise wie die elektromagnetische Kupplung zu arbeiten. Wenn die Antriebskraft von der Expansionsvorrichtung 150 während des Betriebs des Motors 10 auf die Kompressorvorrichtung 140 ausgeübt wird und wenn es bevorzugt ist, die Kompressorvorrichtung 140 in einem stabileren Zustand zu betreiben, dann ist die elektromagnetische Kupplung bevorzugter als die Einwegekupplung.
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(Sechstes Ausführungsbeispiel)
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Das sechste Ausführungsbeispiel ist in 9 und 10 dargestellt, in welchen die gleichen Bezugsziffern die gleichen Komponenten wie in den obigen ersten bis fünften Ausführungsbeispielen angeben.
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Der Verbrennungsmotor 10 ist ein wassergekühlter Typ und besitzt eine Kühlerschaltung 20 zum Kühlen des Motors durch Zirkulieren eines Motorkühlmittels und einen Heizkreis 30 zum Heizen der Luft mittels des Motorkühlwassers als Wärmequelle.
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Ein Kühler 21 ist in dem Kühlerkreis 20 vorgesehen und der Kühler 21 kühlt das durch eine Wasserpumpe 22 zirkulierte Motorkühlmittel durch Wärmeaustausch zwischen dem Motorkühlmittel und der Umgebungsluft. Die Wasserpumpe 22 ist in diesem Ausführungsbeispiel die elektrisch angetriebene Pumpe. Eine Auslassöffnung des Fahrzeugmotors 10 ist mit der Heizvorrichtung 330 des Clausius-Rankine-Kreises verbunden. Ein Bypasskanal 23 ist vorgesehen und ein Kanal des Motorkühlmittels ist wahlweise durch ein Dreiwegeventil 24 gebildet, sodass entweder der Kanal für die Heizvorrichtung 330 oder der Bypasskanal 23 geöffnet ist. Ein Kühlerbypasskanal 25, durch welchen das Motorkühlmittel strömt und an dem Kühler 21 vorbei strömt, ist ferner in dem Kühlerkreis 20 vorgesehen, und ein Thermostat 26 steuert die Menge des durch den Kühler 21 und den Bypasskanal 25 strömenden Motorkühlmittels.
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Ein Heizkern 31 ist in dem Heizkreis 30 vorgesehen, und das Motorkühlmittel (heißes Wasser) strömt durch den Heizkern 31 durch den Betrieb der Wasserpumpe 22. Der Heizkern 31 ist in einem Gehäuse 710 einer Klimaeinheit 700 angeordnet, und ein Gebläselüfter 720 bläst Luft zu dem Heizkern 31, sodass die Luft durch Wärmeaustausch zwischen dem heißen Wasser und der Luft erwärmt wird. Eine Luftmischklappe 730 ist an dem Heizkern 31 vorgesehen, und die Menge der durch den Heizkern 31 strömenden Luft wird durch einen Öffnungsgrad der Luftmischklappe 730 gesteuert.
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Der Abwärmesammelkreis 300 weist in diesem Ausführungsbeispiel ferner zusätzlich zu der Heizvorrichtung 330, dem Expansionsventil 150, dem Kondensator 310 und der Pumpe 250 eine Auffangvorrichtung 340 auf. Die Auffangvorrichtung 340 teilt das Arbeitsfluid in dem Kreis, welches durch den Kondensator 310 kondensiert wird, in eine flüssige und eine gasförmige Phase und gibt das Arbeitsfluid der flüssigen Phase zu der Pumpe 320 aus.
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Der Kühlkreis 200 in diesem Ausführungsbeispiel weist zusätzlich zu der Kompressorvorrichtung 140, dem Kondensator 210, dem Expansionsventil 220 und dem Verdampfapparat 230 ferner eine Auffangvorrichtung 240 auf. Die Kompressorvorrichtung 140 in diesem Ausführungsbeispiel ist ein Kompressor mit fester Verdrängung. Die Auffangvorrichtung 240 teilt das Kältemittel, welches durch den Kondensator 210 kondensiert wird, in eine flüssige und eine gasförmige Phase und gibt das Kältemittel der flüssigen Phase zu dem Expansionsventil 220 aus.
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Der Verdampfapparat 230 ist in dem Gehäuse 710 angeordnet, und die durch den Verdampfapparat 230 abgekühlte Luft und die durch den Heizkern 31 erwärmte Luft werden vermischt, wobei das Mischungsverhältnis durch den Öffnungsgrad der Luftmischklappe 730 gesteuert wird, sodass die Temperatur der gemischten Luft auf eine durch einen Fahrgast eingestellte Temperatur geregelt wird.
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Die Kompressorvorrichtung 140, die Riemenscheibe 110 und die elektrische Drehmaschine (Elektromotor) 130 sind mit einem Planetengetriebe 540, das als Kraftübertragungseinheit arbeitet, verbunden. Das Planentengetriebe 540 weist bekanntermaßen ein in seiner Mitte vorgesehenes Sonnenrad 541, ein mit Ritzeln 542a verbundenes Planetenrad 542, das sich um das Sonnenrad 541 bewegt und sich um seine eigene Achse dreht, und ein Hohlrad 543 einer Ringform, das an einem Außenumfang der Ritzel 542a vorgesehen ist, auf.
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In diesem Ausführungsbeispiel ist die Kompressorvorrichtung 140 mit dem Hohlrad 543 verbunden, die Riemenscheibe 110 ist mit dem Planetenrad 542 verbunden, und die elektrische Drehmaschine (Elektromotor) 130 ist mit dem Sonnenrad 541 verbunden. Eine Einwegekupplung 530 ist auf der Antriebswelle 111 zwischen der Riemenscheibe 110 und dem Planetengetriebe 540 (dem Planetenrad 542) vorgesehen. Die Einwegekupplung 530 wird mit der Antriebswelle 111 in Eingriff gebracht und treibt diese an, wenn die Riemenscheibe 110 gedreht wird. Wenn dagegen die Riemenscheibe nicht gedreht wird, ist die Antriebswelle 111 frei von der Drehung in eine Richtung der Arbeitsrichtung der Riemenscheibe.
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Die Steuereinheit 160 empfängt das Klimasteuersignal, das Leerlaufabschaltsteuersignal und dergleichen, und entsprechend diesen Signalen steuert die Steuereinheit 160 die Wasserpumpe 22, das Dreiwegeventil 24, die Pumpe 320, die Zufuhr der elektrischen Energie zu der elektrischen Drehmaschine 130 über den Wechselrichter 170 oder die elektrische Energieladung von der elektrischen Drehmaschine 130, die Ein/Aus-Steuerung der elektromagnetischen Kupplung 120 und dergleichen.
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Eine Funktionsweise des obigen Ausführungsbeispiels wird nun erläutert.
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(i) Normalbetriebsmodus des Kühlkreises
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Dies ist der Betriebsmodus der Klimaanlage, in welchem eine Klimaanlage betrieben wird, kurz nachdem der Motor gestartet wird und deshalb die Temperatur des Motorkühlmittels nicht ausreichend hoch (z. B. höher als 80°C) ist.
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Die Steuereinheit 160 betreibt die Wasserpumpe 22 des Kühlkreises 20 und das Dreiwegeventil 24 so, dass der Bypasskanal 23 für das Motorkühlmittel geöffnet ist. Der Betrieb der Pumpe 320 wird gestoppt und der Abwärmesammelkreis bleibt in seinem Nicht-Betriebszustand. Die elektromagnetische Kupplung 120 wird in den eingeschalteten Zustand gebracht.
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Die Antriebskraft wird dann von dem Motor 10 über die Riemenscheibe 110 und das Planetengetriebe 540 auf die Kompressorvorrichtung 140 übertragen, sodass der Kompressor 140 zu laufen beginnt und der Kühlkreis 200 arbeitet.
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Bei diesem Betrieb kann, wenn die elektrische Drehmaschine 130 als Elektromotor betrieben wird, die Antriebskraft von dem Motor 10 und die Antriebskraft des Elektromotors 130 auf vielfache Weise zu dem Kompressor 310 mittels der Kraftübertragungseinheit des Planetengetriebes 540 ausgeübt werden. Insbesondere wird, wenn der Elektromotor 130 mit einer höheren Geschwindigkeit gedreht wird, dann die Drehzahl der Kompressorvorrichtung 140 niedriger als jene der Riemenscheibe 110. Wenn dagegen der Elektromotor 130 mit einer niedrigeren Geschwindigkeit gedreht wird, dann wird die Drehzahl der Kompressorvorrichtung 140 höher als jene der Riemenscheibe 110. Wie oben kann die Steuerung der Ausgabemenge des Kältemittels entsprechend der Kühllast erzielt werden.
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Wenn die Zufuhr der elektrischen Energie über den Wechselrichter 170 gesperrt wird, um die Drehung des Elektromotors 130 zu stoppen, wird die Kompressorvorrichtung 140 allein durch die Antriebskraft von der Riemenscheibe 110 betrieben. Außerdem kann, wenn der Elektromotor 130 in eine Gegenrichtung gedreht wird, die Kompressorvorrichtung 140 mit einer viel höheren Drehzahl betrieben werden. Wenn die Zufuhr der elektrischen Energie zu der elektromagnetischen Kupplung 120 gesperrt wird und der Elektromotor 130 in die Gegenrichtung gedreht wird, wird die Riemenscheibenwelle 111 durch die Einwegekupplung 530 blockiert, sodass die Antriebskraft allein auf die Kompressorvorrichtung 140 ausgeübt werden kann.
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(ii) Betriebmodus des Kühlkreises unter Verwendung des Abwärmesammelkreises
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Dies ist der Betriebsmodus der Klimaanlage, bei welchem der Abwärmesammelkreis 300 in einem solchen Zustand betrieben wird, dass es genug Abwärme von dem Motor 10 gibt, und die davon erhaltene Antriebskraft wird auf die Kompressorvorrichtung 140 ausgeübt, um den Kühlkreis 200 zu betreiben.
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Die Steuereinheit 160 betreibt die Wasserpumpe 22 des Kühlkreises 20 und das Dreiwegeventil 24 so, dass der Kanal für das Motorkühlmittel durch die Heizvorrichtung 210 geöffnet ist. Der Betrieb der Pumpe 320 wird gestartet und der Abwärmesammelkreis beginnt zu arbeiten. Die Zufuhr der elektrischen Energie zu der elektromagnetischen Kupplung 510 wird gesperrt, und der Betrieb der elektrischen Drehmaschine 130 wird gestoppt.
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(iii) Mehrbetriebsmodus des Kühlkreises und des Abwärmesammelkreises
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Dies ist der Betriebsmodus der Klimaanlage, in welchem die Kompressorvorrichtung 140 auf vielfache Weise durch die Antriebskraft der Expansionsvorrichtung 150 und die Antriebskraft von dem Motor 10 oder der elektrischen Drehmaschine 130 betrieben wird, wenn die Kühllast im Sommer sehr hoch ist, auch wenn es eine große Menge Abwärme von dem Motor 10 gibt.
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Die Steuereinheit 160 betreibt die Wasserpumpe 22 des Kühlkreises 20 und das Dreiwegeventil 24 so, dass der Kanal für das Motorkühlmittel durch die Heizvorrichtung 330 geöffnet ist. Der Betrieb der Pumpe 320 wird gestartet und der Abwärmesammelkreis beginnt zu arbeiten. Die elektrische Energie wird der elektromagnetischen Kupplung 510 zugeführt, während der Betrieb der elektrischen Drehmaschine 130 gestoppt ist.
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Dann wird die Antriebskraft von dem Motor 10 zusätzlich zu der Antriebskraft der Expansionsvorrichtung 150 auf die Kompressorvorrichtung 140 ausgeübt, sodass die Ausgabemenge des Kältemittels erhöht wird, um eine Kühlleistung zu verbessern.
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Wenn es erforderlich ist, die Kühlleistung weiter zu erhöhen, betreibt die Steuereinheit 160 die elektrische Drehmaschine (Elektromotor) 130 so, dass der Kompressorvorrichtung 140 ferner die Antriebskraft des Elektromotors 130 hinzugefügt wird. In diesem Fall wird die elektrische Drehmaschine 420 in der Gegenrichtung zu der Riemenscheibe 110 gedreht, sodass die Drehzahl der Kompressorvorrichtung 140 über das Planetengetriebe 540 erhöht wird.
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Es ist auch möglich, dass die Kompressorvorrichtung 140 durch die Antriebskraft der Expansionsvorrichtung 150 und die Antriebskraft der elektrischen Drehmaschine (Elektromotor) 130 betrieben wird, wobei die Zufuhr der elektrischen Energie zu der elektromagnetischen Kupplung 510 gesperrt ist und die elektrische Drehmaschine (Elektromotor) 130 in die Gegenrichtung gedreht wird. Bei diesem Betrieb ist die Antriebswelle 111 durch die Einwegekupplung 530 blockiert, sodass die Antriebskraft der elektrischen Drehmaschine (Elektromotor) 130 der Kompressorvorrichtung 140 hinzugefügt werden kann.
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(iv) Betriebmodus des Kühlkreises, während der Motor abgeschaltet ist
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Dies ist der Betriebsmodus der Klimaanlage, in welchem der Motor 10 wegen einer so genannten Leerlaufabschaltfunktion abgeschaltet ist, aber die Kompressorvorrichtung 140 wird durch die Expansionsvorrichtung 150 betrieben.
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Die Steuereinheit 160 betreibt die Wasserpumpe 22 des Kühlkreises 20 und das Dreiwegeventil 24 so, dass der Kanal für das Motorkühlmittel durch die Heizvorrichtung 210 geöffnet ist. Der Betrieb der Pumpe 320 wird gestartet und der Abwärmesammelkreis 300 beginnt zu arbeiten. Die Zufuhr der elektrischen Energie zu der elektromagnetischen Kupplung 510 ist gesperrt, und der Betrieb der elektrischen Drehmaschine 130 ist gestoppt.
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Die Kompressorvorrichtung 140 wird durch die Antriebskraft der Expansionsvorrichtung 150 betrieben. Es ist jedoch ferner möglich, die Kompressorvorrichtung 140 durch die Antriebskräfte von der Expansionsvorrichtung 150 und der elektrischen Drehmaschine (Elektromotor) 130 anzutreiben, wenn der Elektromotor 130 unabhängig von der Kühllast in die Gegenrichtung gedreht wird.
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Wenn der Abwärmesammelkreis 300 in Betrieb gehalten wird, während der Motor 10 abgeschaltet ist, wird die Temperatur des Motorkühlmittels verringert, was ein Problem der Verringerung der Kraftstoffverbrauchsleistung beim Neustart des Motors bewirkt. Wenn die Temperatur des Motorkühlmittels auf eine Temperatur niedriger als ein vorbestimmter Wert (z. B. 80°C) verringert wird, stoppt demgemäß die Steuereinheit 160 den Betrieb des Abwärmesammelkreises 300 (die Pumpe 320) und startet die Drehung des Elektromotors 130 in die Gegenrichtung, um so die Kompressorvorrichtung 140 anzutreiben. Bei diesem Betrieb wird die Welle 141 wegen der Einwegekupplung 151a von der Expansionsvorrichtung getrennt, sodass die Antriebskraft des Elektromotors 130 auf die Kompressorvorrichtung 140 ausgeübt werden kann, ohne irgendeinen Widerstand von der Expansionsvorrichtung 150 zu empfangen.
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(v) Betriebsmodus des Kühlkreises unter Verwendung des Abwärmesammelkreises und Sammeln der Energie
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Dies ist der Betriebsmodus der Klimaanlage, in welchem die überschüssige Menge der Antriebskraft, die durch den Abwärmesammelkreis 300 erzielt wird, auf den Motor 10 ausgeübt oder zum Erzeugen elektrischer Energie an der elektrischen Drehmaschine 130 verwendet wird, wenn die Kühllast während des Frühjahrs oder Herbstes relativ niedrig ist.
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Die Steuereinheit 160 betreibt die Wasserpumpe 22 des Kühlkreises 20 und das Dreiwegeventil 24 so, dass der Kanal für das Motorkühlmittel durch die Heizvorrichtung 330 geöffnet ist. Der Betrieb der Pumpe 320 wird gestartet und der Abwärmesammelkreis beginnt zu arbeiten. Die elektrische Energie wird der elektromagnetischen Kupplung 510 zugeführt, und die elektrische Drehmaschine 130 arbeitet als elektrische Energieerzeugungsmaschine.
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Ein Teil der Antriebskraft von der Expansionsvorrichtung 150 wird im Verhältnis zu der Kühllast auf die Kompressorvorrichtung 140 übertragen, und die überschüssige Menge der Antriebskraft von der Expansionsvorrichtung 150 wird der Riemenscheibe 110 und der elektrischen Drehmaschine 130 zugeführt, sodass zusätzlich zu dem Betrieb der Kompressorvorrichtung 140 die Antriebskraft des Motors 10 reduziert werden kann und gleichzeitig die Erzeugung der elektrischen Energie an der elektrischen Drehmaschine 130 möglich wird.
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Gemäß der obigen Konstruktion und Funktionsweise des Ausführungsbeispiels können die folgenden Wirkungen erzielt werden.
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Da der Abwärmesammelkreis 300 unabhängig von dem Kühlkreis 200 vorgesehen ist, kann die Expansionsvorrichtung 150 unabhängig von dem Betrieb oder Nicht-Betrieb des Kühlkreises 200 betrieben werden, und da die Kompressorvorrichtung 140 durch die Antriebskraft von der Expansionsvorrichtung 150 betrieben wird, wird es möglich, die Antriebslast des Motors 10 zu verringern und dadurch die Kraftstoffverbrauchsleistung zu erhöhen.
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Da außerdem die Kompressorvorrichtung 140 unabhängig von der Kühllast allein durch die Antriebskraft der Expansionsvorrichtung 150 betrieben wird, ohne die Energie von dem Motor 10 oder der Batterie 20 zu verwenden, oder wenn eine überschüssige Menge der Antriebskraft von der Expansionsvorrichtung 150, welche für das Antreiben der Kompressorvorrichtung 140 zuviel ist, auf die Riemenscheibe 110 oder die elektrische Drehmaschine ausgeübt wird, kann die Betriebskraft für den Motor 10 reduziert werden und die Erzeugung der elektrischen Energie an der elektrischen Drehmaschine 130 wird möglich.
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Da die Einwegekupplung 151a zwischen der Expansionsvorrichtung 150 und der Kompressorvorrichtung 140 vorgesehen ist, kann die Kompressorvorrichtung 140 durch die Energie von dem Motor 10 (die Riemenscheibe 110), der Batterie 20 (die elektrische Drehmaschine 130) und dergleichen betrieben werden, ohne irgendeine Beschränkung der Expansionsvorrichtung 150 zu empfangen, wenn der Betrieb des Abwärmesammelkreises 300 gestoppt ist.
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Da außerdem das als Kraftübertragungseinheit dienende Planentengetriebe 540 zwischen die Kompressorvorrichtung 140, die Riemenscheibe 110 und die elektrische Drehmaschine 130 gesetzt ist, kann die Drehzahl der Kompressorvorrichtung 140 durch Einstellen der Drehzahl der elektrischen Drehmaschine 130 steuerbar sein, und deshalb kann die Ausgabemenge des Kältemittels variabel gemacht werden, selbst wenn die Kompressorvorrichtung 140 des Typs fester Verdrängung benutzt wird.
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Falls ein Kompressor eines Verstelltyps verwendet wird und die Menge der Ausgabe aus dem Kompressor durch die Steuereinheit 160 auf Null geregelt wird, wenn der Betrieb der Klimaanlage nicht notwendig ist, dann kann ein zusätzlicher Betriebsmodus (vi) des Sammelns der Energie zusätzlich zu den oben genannten Betriebsmodi (i) bis (v) möglich sein.
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Genauer wird die Ausgabemenge der Kompressorvorrichtung 140 durch die Steuereinheit 160 im Wesentlichen zu Null gemacht, und die elektrische Energiezufuhr zu der elektromagnetischen Kupplung 510 wird gesperrt. Dann wird die Antriebskraft der Expansionsvorrichtung 150 ohne irgendeine Beschränkung von der Kompressorvorrichtung 140 auf die elektrische Drehmaschine 130 übertragen, und die Erzeugung der elektrischen Energie an der elektrischen Drehmaschine 130 kann vollständig durchgeführt werden. Wenn die elektrische Energie zu der elektromagnetischen Kupplung 510 zugeführt wird, kann die Übertragung der Antriebskraft auf den Motor 10 möglich sein, während die elektrische Energie an der elektrischen Drehmaschine 130 erzeugt wird.
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(Siebtes Ausführungsbeispiel)
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Das siebte Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung ist in 11 dargestellt, in welcher das gleiche Fluid für den Kühlkreis 200 als Arbeitsfluid für den Abwärmesammelkreis 200 verwendet wird und der Kondensator 210 aus dem Kühlkreis 200 entfernt ist, sodass der Kondensator 310 des Abwärmesammelkreises 300 auch als Kondensator für den Kühlkreis verwendet wird.
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Gemäß diesem Ausführungsbeispiel kann das Abwärmenutzungssystem 100 weniger kostenintensiv gemacht werden, obwohl die durch die Expansionsvorrichtung 150 erhaltene Antriebskraft verringert wird, während die Antriebskraft für die Kompressorvorrichtung 140 erhöht wird.
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(Achtes Ausführungsbeispiel)
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Das achte Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung ist in 12 und 13 dargestellt, in welchen die elektrische Drehmaschine 130 und das Planetengetriebe 540 von dem in 9 und 10 dargestellten sechsten Ausführungsbeispiel entfernt sind. Der Wechselrichter 170 und die Batterie 20 sind ebenfalls von dem Abwärmenutzungssystem 100 entfernt. Der Verstellkompressor 140 wird anstelle des Kompressors mit fester Verdrängung, in welchem die Ausgabemenge durch die Steuereinheit 160 geregelt wird, verwendet.
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Die Expansionsvorrichtung 150 ist durch die Einwegekupplung 120 mit der Kompressorvorrichtung 140 verbunden, während die Kompressorvorrichtung 140 über die Einwegekupplung 530 und die elektromagnetische Kupplung 120 mit der Riemenscheibe 110 verbunden ist.
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Da die elektrische Drehmaschine 130 in diesem Ausführungsbeispiel entfernt ist, existieren im Vergleich zu den Betriebsmodi des sechsten Ausführungsbeispiels der Betriebsmodus der elektrischen Energieerzeugung an dem Elektromotor 130 und die Zufuhr der Antriebskraft von dem Elektromotor 130 zu der Kompressorvorrichtung 140 nicht länger. Der ”Betriebsmodus (v) des Kühlkreises unter Verwendung des Abwärmesammelkreises und des Sammelns von Energie” wird nämlich zu einem ”Betriebsmodus (vii) des Kühlkreises unter Verwendung des Abwärmesammelkreises und einem Motorassistenten”. Ferner wird der ”Betriebsmodus (vi) des Sammelns der Energie” zu einem ”Betriebsmodus (viii) eines Motorassistenten”, wobei die an der Expansionsvorrichtung 150 erzeugte Antriebskraft auf die Kompressorvorrichtung 140 und auf den Motor 10 ausgeübt wird, sodass die Kraftstoffverbrauchsleistung des Motors 10 erzielt wird.
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(Neuntes Ausführungsbeispiel)
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Das neunte Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung ist in 14 und 15 dargestellt, wobei die Riemenscheibe 110 (der Riemen 11), die Einwegekupplung 530 und das Planetengetriebe 540 von dem sechsten Ausführungsbeispiel entfernt sind. Der Verstellkompressor 140 wird anstelle des Kompressors fester Ausgabe, bei welchem die Ausgabemenge durch die Steuereinheit 160 gesteuert wird, verwendet.
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Die Expansionsvorrichtung 150 ist über die Kupplung 151a mit der Kompressorvorrichtung 140 verbunden, während die Kompressorvorrichtung 140 über die elektromagnetische Kupplung 120 mit der elektrischen Drehmaschine 130 verbunden ist.
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Da die Riemenscheibe 110 in diesem Ausführungsbeispiel nicht vorgesehen ist, existiert im Vergleich zu dem Betriebsmodi des sechsten Ausführungsbeispiels die Übertragung der Antriebskraft auf die Kompressorvorrichtung 140 über die Riemenscheibe oder der Antriebskraft von der Expansionsvorrichtung 150 zu dem Motor nicht.
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Es ist jedoch möglich, die an der elektrischen Drehmaschine 130 erzeugte Antriebskraft zum Antreiben der Kompressorvorrichtung 140 zu verringern, weil die an der Expansionsvorrichtung 150 erzeugte Antriebskraft auf die Kompressorvorrichtung 140 ausgeübt werden kann. Ferner kann ein Hauptteil der Antriebskraft der Expansionsvorrichtung 150 auf die elektrische Drehmaschine 130 ausgeübt werden, wenn die Ausgabemenge der Kompressorvorrichtung 140 klein ist, sodass eine ausreichende Ladung der elektrischen Energie erzielt werden kann. Wie oben kann der Betrieb der Kompressorvorrichtung 140 und die elektrische Energieerzeugung an der elektrischen Drehmaschine 130 ohne Verwendung der Ausgangsleistung von dem Motor 10 durchgeführt werden.
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(Zehntes Ausführungsbeispiel)
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Das zehnte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in 16 dargestellt, wobei das als Kraftübertragungseinheit dienende Planentengetriebe 540 im Vergleich zu dem obigen neunten Ausführungsbeispiel zwischen der Expansionsvorrichtung 150, der Kompressorvorrichtung 140 und der elektrischen Drehmaschine 130 vorgesehen ist. Die Expansionsvorrichtung 150 ist mit dem Planentenrad 542 des Planentengetriebes 540 verbunden, die Kompressorvorrichtung 140 ist mit dem Hohlrad 543 verbunden, und die elektrische Drehmaschine 130 ist mit dem Sonnenrad 541 verbunden. Eine elektromagnetische Kupplung 550 und die Einwegekupplung 151a sind auf einer Welle 180 zwischen der Expansionsvorrichtung 150 und dem Planetenrad 542 gesetzt. Die Kompressorvorrichtung 140 ist von dem Typ fester Ausgabe. Das zehnte Ausführungsbeispiel arbeitet in den folgenden Betriebsmodi.
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(i) Normalbetrieb des Kühlkreises
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Die Steuereinheit 160 sperrt die Zufuhr der elektrischen Energie zu der elektromagnetischen Kupplung 550 und treibt die elektrische Drehmaschine 130 in einer Drehrichtung entgegen der Drehrichtung der Kompressorvorrichtung 140 an. Dann wird die Welle 180 wegen der Einwegekupplung 151a blockiert und dadurch wird die Kompressorvorrichtung 140 durch die Antriebskraft von der elektrischen Drehmaschine gedreht. Die Drehzahl der Kompressorvorrichtung 140 kann durch Einstellen der Drehzahl der elektrischen Drehmaschine 130 variiert werden.
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(ii) Betriebsmodus des Kühlkreises unter Verwendung des Abwärmesammelkreises
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Die Steuereinheit 160 führt die elektrische Energie der elektromagnetischen Kupplung 550 zu und stoppt den Betrieb der elektrischen Drehmaschine 130. Dann wird die Antriebskraft der Expansionsvorrichtung 150 über das Planetengetriebe 540 auf die Kompressorvorrichtung 140 übertragen und die Kompressorvorrichtung 140 beginnt zu arbeiten.
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(iii) Mehrfachbetriebsmodus des Kühlkreises und des Abwärmesammelkreises
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Die Steuereinheit 160 führt die elektrische Energie der elektromagnetischen Kupplung 550 zu und betreibt die elektrische Drehmaschine 130. Dann wird die Kompressorvorrichtung 140 durch die Antriebskräfte von der Expansionsvorrichtung 150 und der elektrischen Drehmaschine 130 angetrieben, sodass die Kompressorvorrichtung selbst bei einer hohen Kühllast betrieben werden kann. Insbesondere kann, wenn die Drehzahl der elektrischen Drehmaschine auf eine niedrigere Geschwindigkeit als jene der Expansionsvorrichtung 150 gesteuert wird, die Drehzahl der Kompressorvorrichtung 140 erhöht werden, um die Ausgabe des Kältemittels zu erhöhen.
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(iv) Betriebsmodus des Kühlkreises, während der Fahrzeugmotor abgeschaltet ist
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Die Steuereinheit 160 führt die elektrische Energie der elektromagnetischen Kupplung 550 zu und stoppt den Betrieb der elektrischen Drehmaschine 130, sodass die Kompressorvorrichtung 140 durch die Antriebskraft der Expansionsvorrichtung 150 betrieben wird. Wenn dagegen die Temperatur des Motorkühlmittels niedriger als ein vorbestimmter Wert wird, wird die Zufuhr der elektrischen Energie zu der elektromagnetischen Kupplung 550 gesperrt und die elektrische Drehmaschine 130 wird betrieben, um in die Gegenrichtung zu drehen, sodass die Kompressorvorrichtung 140 durch die Antriebskraft der elektrischen Drehmaschine 130 betrieben wird. Dies ist gleich dem normalen Betriebsmodus des Kühlkreises des obigen Modus (i).
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(v) Betriebsmodus des Kühlkreises unter Verwendung des Abwärmesammelkreises und Sammelns von Energie
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Die Steuereinheit 160 führt die elektrische Energie der elektromagnetischen Kupplung 550 zu und betreibt die elektrische Drehmaschine 130 als elektrische Energie erzeugende Maschine. Dann macht sie es möglich, die elektrische Energie zu erzeugen, während die Kompressorvorrichtung 140 durch die Antriebskraft der Expansionsvorrichtung 150 betrieben wird.
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(vi) Betriebsmodus des Sammelns der Energie
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Die Steuereinheit 160 steuert die elektrische Drehmaschine 130 in einer solchen Weise, dass die Drehzahl der Kompressorvorrichtung 130 beinahe zu Null wird, während die Drehzahl der elektrischen Drehmaschine 130 stattdessen erhöht wird, um die elektrische Energie zu erzeugen.
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Wie oben kann im zehnten Ausführungsbeispiel, da die Ausgabemenge des Kältemittels durch Einstellen der Drehzahl der Kompressorvorrichtung 140 mittels des Planetengetriebes 540 variiert werden kann, im Vergleich zu dem neunten Ausführungsbeispiel der Kompressor des Typs fester Ausgabe verwendet werden, sodass das System weniger kostenintensiv gemacht werden kann.
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(Elftes Ausführungsbeispiel)
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Das elfte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in 17 dargestellt, bei welcher das Arbeitsfluid in dem Abwärmesammelkreis 300 ausgewählt ist, um das gleiche Fluid wie das Kältemittel des Kühlkreises 200 zu sein, und Verbindungskanäle 260 und 270 sind zwischen dem Kondensator 310 des Abwärmesammelkreises 300 und dem Kondensator 210 des Kühlkreises 200 vorgesehen.
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Der Verbindungskanal 260 verbindet Einlässe beider Kondensatoren 310 und 210 miteinander, und ein elektromagnetisches Ventil (Ventil) 261 ist vorgesehen, um so den Verbindungskanal 260 zu öffnen und/oder zu schließen. Der Verbindungskanal 270 verbindet Auslässe beider Kondensatoren 310 und 210 miteinander, und ein elektromagnetisches Ventil (Ventil) 271 ist so vorgesehen, dass es den Verbindungskanal 270 öffnet und/oder schließt. Die Ventile 261 und 271 werden durch die Steuereinheit 160 gesteuert.
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Die Steuereinheit 160 öffnet die elektromagnetischen Ventile 261 und 271, wenn der Abwärmesammelkreis 300 im Fall des Betriebsmodus des Sammeln der Energie, in welchem kein Bedarf für den Klimabetrieb existiert, allein betrieben wird oder wenn der Kühlkreis 200 im Fall des normalen Betriebsmodus des Kühlkreises 200 allein betrieben wird. Und dann werden beide Kondensatoren 310 und 210 der jeweiligen Kreise 200 und 300 gemeinsam benutzt.
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Gemäß dem obigen Ausführungsbeispiel kann der Ausgangsdruck der Expansionsvorrichtung 150 im Fall des Einzelbetriebs des Abwärmesammelkreises 300 niedriger gemacht werden, sodass die an dem Expansionsventil erzeugte Antriebskraft vergrößert werden kann. Ferner kann der Ausgangsdruck der Kompressorvorrichtung 140 im Fall des Einzelbetriebs des Kühlkreises 200 niedriger gemacht werden, sodass die Antriebskraft für die Kompressorvorrichtung 140 verringert werden kann.
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(Weitere Ausführungsbeispiele)
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Die vorliegende Erfindung ist in den obigen Ausführungsbeispielen erläutert, in welchen die Erfindung auf ein Kraftfahrzeug mit einer Leerlaufabschaltfunktion angewendet ist. Die vorliegende Erfindung kann jedoch auch für ein Hybridfahrzeug verwendet werden, welches einen Elektromotor zum Fahren des Fahrzeugs besitzt und in welchem ein Betrieb eines Verbrennungsmotors während eines vorbestimmten Fahrzustandes gestoppt wird, selbst während das Fahrzeug fährt. Die vorliegende Erfindung kann auch für das Hybridfahrzeug verwendet werden, bei welchem der Betrieb des Motors nicht abgeschaltet wird.
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Die Kompressorvorrichtung sollte nicht auf den Schiebertyp des Typs fester Ausgabe begrenzt sein, und es können als Kompressorvorrichtung auch andere Arten des Drehtyps, des Spiraltyps und dergleichen verwendet werden.
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Die Pumpe 320 des Abwärmesammelkreises 300 ist als elektrische Pumpe erläutert. Es ist jedoch möglich, dass auch eine solche Pumpe verwendet werden kann, die durch die Antriebskraft der Expansionsvorrichtung 150 angetrieben wird. Bei dieser Modifikation kann die gesammelte Energie weiter auf die vielfache Weise verwendet werden.
