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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Fluidmaschine, insbesondere
eine Fluidmaschine für
ein Kraftfahrzeug mit einer Kompressorvorrichtung für einen
Kühlkreis
und einer Expansionsvorrichtung zum Sammeln von Abwärme von
einem Verbrennungsmotor, um eine Drehantriebskraft zum Antreiben
des Kompressors zu erzeugen.
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Als
Stand der Technik ist eine Fluidmaschine bekannt, wie sie in der
japanischen Patentveröffentlichung
Nr. H9-250474 gezeigt ist. Bei diesem Stand der Technik sind eine
Expansionsvorrichtung und eine Kompressorvorrichtung zu einem einzigen,
hermetisch geschlossenen Gehäuse
zusammengebaut, die Expansionsvorrichtung wandelt Wärmeenergie
in eine Drehantriebskraft in einem Clausius-Rankine-Kreis um, und
die Kompressorvorrichtung wird durch die durch die Expansionsvorrichtung
erzeugte Drehkraft angetrieben, um den Kühlkreis zu betreiben.
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In
dem obigen Stand der Technik kann jedoch die an der Expansionsvorrichtung
erzeugte Drehantriebskraft nicht für andere Zwecke als das Antreiben
der Kompressorvorrichtung verwendet werden, weil die Expansionsvorrichtung
und die Kompressorvorrichtung in dem hermetisch geschlossenen Gehäuse integral
verbunden sind. Falls die obige herkömmliche Maschine in einem Kraftfahrzeug
installiert wäre,
um die Kompressorvorrichtung mittels der Abwärme von einem Verbrennungsmotor anzutreiben,
wäre es
außerdem
nicht immer möglich, genug
Wärmeenergie
zu erhalten, um die Kompressorvorrichtung in Abhängigkeit von Fahrzuständen des
Kraftfahrzeugs anzutreiben. In einem solchen Fall würde die
Kompressorvorrichtung nicht betrieben werden, und deshalb bestünde ein
Nachteil darin, dass ein Klimabetrieb basierend auf dem Kühlkreis
durch die Kompressorvorrichtung nicht möglich sein kann.
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Es
ist deshalb in Anbetracht der oben genannten Probleme eine Aufgabe
der vorliegenden Erfindung, eine Fluidmaschine vorzusehen, welche eine
an einer Expansionsvorrichtung erzeugte Drehantriebskraft nicht
nur zu einer Kompressor vorrichtung, sondern auch zu anderen Vorrichtungen übertragen
kann, und welche selbst in einem solchen Fall, dass eine ausreichende
Wärmeenergie
für den
Clausius-Rankine-Kreis
nicht erzielt werden kann, kein Hindernis zum Antreibender anderen
Vorrichtungen werden würde.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Fluidmaschine
zum effektivsten Sammeln von Abwärme
von einem Verbrennungsmotor durch den Clausius-Rankine-Kreis, um
eine Drehantriebskraft zu erzeugen, vorzusehen.
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Gemäß einem
der Merkmale der vorliegenden Erfindung sind eine mit einem Verbrennungsmotor über einen
Riemen zu verbindende Riemenscheibe, eine Expansionsvorrichtung
des Clausius-Rankine-Kreises zum Sammeln von Abwärme und Erzeugen einer Drehantriebskraft
sowie ein durch den Fahrzeugmotor durch die Riemenscheibe oder durch die
Expansionsvorrichtung anzutreibender Kompressor durch eine einzige
Drehwelle wirkverbunden und die Expansionsvorrichtung ist von einem
solchen Typ, der ein Expansionsvolumen in Abhängigkeit von dem Betriebszustand
des Clausius-Rankine-Kreises variieren
kann, um die Abwärme
am effektivsten zu sammeln.
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Gemäß einem
weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Expansionsvorrichtung
von einem Spiraltyp und die Drehwelle und die Expansionsvorrichtung
sind über
einen Kurbelmechanismus wirkverbunden, sodass ein Radius einer Umlaufbewegung
einer bewegbaren Spirale in Abhängigkeit von
dem Betriebszustand der Fluidmaschine, nämlich einem Betrieb, in welchem
die Drehwelle durch die Drehung der Expansionsvorrichtung angetrieben wird,
oder einem Betrieb, in welchem die Expansionsvorrichtung durch die
Drehung der Welle leer läuft,
automatisch variiert werden kann. Gemäß dem Kurbelmechanismus ist,
selbst wenn die bewegbare Spirale der Expansionsvorrichtung durch
die Welle während
einer solchen Periode gedreht wird, in welcher die zu sammelnde
Abwärme
sehr klein ist und die Expansionsvorrichtung nicht durch den Clausius-Rankine-Kreis
betrieben wird, die Last zum Drehen der bewegbaren Spirale sehr
klein.
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Obige
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 Querschnittsansicht
einer Fluidmaschine gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung;
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2A eine Querschnittsansicht
einer Expansionsvorrichtung entlang einer Linie IIA-IIA in 1;
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2B eine Vorderansicht einer
Frontplatte einer Expansionsvorrichtung;
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3A bis 3D Querschnittsansichten der Expansionsvorrichtung,
die Betriebsmodi der Expansionsvorrichtung zeigen;
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4 eine Querschnittsansicht
einer Fluidmaschine gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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5 eine Vorderansicht einer
Frontplatte einer Expansionsvorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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6A bis 6D Querschnittsansichten der Expansionsvorrichtung,
die Betriebsmodis davon zeigen;
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7A bis 7D Querschnittsansichten der Expansionsvorrichtung,
welche eine Verstellvorrichtung ist, die Betriebsmodi davon zeigen;
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8 eine Querschnittsansicht
eines Dichtabschnitts einer Fluidmaschine gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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9 eine schematische Darstellung
eines Kühlkreises
mit einem Heißgas-Bypasskanal gemäß einem
fünften
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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10 eine Querschnittsansicht
einer Fluidmaschine gemäß einem
sechsten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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11 eine Querschnittsansicht
einer Expansionsvorrichtung entlang einer Linie XI-XI in 10;
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12A eine Perspektivansicht
eines Kurbelmechanismus;
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12B eine Vorderansicht einer
in 12A dargestellten
Welle;
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13 eine Vorderansicht des
in 12A dargestellten
Kurbelmechanismus; und
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14A und 14B Vorderansichten des Kurbelmechanismus
zur Erläuterung
dessen Funktionsweise.
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Erstes Ausführungsbeispiel
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Ein
erstes Beispiel der vorliegenden Erfindung wird nun Bezug nehmend
auf 1 erläutert. In diesem
Ausführungsbeispiel
ist eine Fluidmaschine in einem Kraftfahrzeug installiert, wobei
die Fluidmaschine eine in einem Kühlkreis für eine automatische Klimaanlage
arbeitende Kompressorvorrichtung 7, die eine Drehantriebskraft
von einem Verbrennungsmotor empfängt,
und eine in einem Clausius-Rankine-Kreis L, in welchem ein Kältemittel
durch Abwärme
von dem Fahrzeugmotor geheizt wird, arbeitende Expansionsvorrichtung 4,
um eine Drehkraft zu erzeugen, aufweist.
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Die
Fluidmaschine weist ferner eine Riemenscheibe 6, welche
durch einen Verbrennungsmotor (nicht dargestellt) angetrieben wird,
und eine Welle 21, welche gemeinsam als Drehwelle für die Expansionsvorrichtung,
die Kompressorvorrichtung 7 und die Riemenscheiben verwendet
wird, auf.
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Die
Riemenscheibe 6 ist eine DL-Riemenscheibe (Dämpfer- und
Begrenzerriemenscheibe), die einen Dämpferabechnitt 62 zum
Absorbieren von Drehmomentschwankungen der Expansionsvorrichtung 4 und
der Kompressorvorrichtung 7 sowie einen Begrenzerabschnitt 63 zum
Abbrechen einer Übertragung
einer Drehantriebskraft von dem Fahrzeugmotor auf die Kompressorvorrichtung 7 mit
Leerlauf in diesem Abschnitt, wenn ein Drehmoment zum Antreiben
der Kompressorvorrichtung 7 notwendigerweise größer als
ein vorbestimmter Wert ist, zum Beispiel wenn die Kompressorvorrichtung 7 aus
irgendwelchen Gründen
blockiert, sodass eine Überlast
an den Verbrennungsmotor unterdrückt
werden kann, aufweist. Die Riemenscheibe 6 ist mit der
Welle 21 über
eine Einwegekupplung 61 wirkverbunden. Es ist möglich, eine
Antriebsquelle (zum Beispiel einen Elektromotor) an dem Ende der
Welle anstelle der Riemenscheibe 6 vorzusehen.
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Der
Clausius-Rankine-Kreis L weist eine Pumpe zum Zirkulieren eines
Kältemittels,
eine Heizvorrichtung 2, die das durch einen Kältemittelkanal 2b strömende Flüssigphasen-Kältemittel
durch Wärme
von einem durch einen Kühlwasserkanal 2a strömenden Motorkühlwasser
heizt und verdampft, die Expansionsvorrichtung 4, um die
Drehantriebskraft durch Ausdehnen des Hochdruck-Kältemittels
zu erzeugen, und einen Kondensator 5 zum Abkühlen und Kondensieren
des Kältemittels
auf, wobei die oben genannten Vorrichtungen und Bauteile in Reihe durch
Rohre verbunden sind, um einen geschlossenen Kreis zu bilden. In
diesem Ausführungsbeispiel wird
das gleiche Kältemittel
für den
Kühlkreis
auch für den
Clausius-Rankine-Kreis L verwendet, sodass es dahingehend vorteilhaft
ist, dass die Dichtung zwischen der Expansionsvorrichtung und der
Kompressorvorrichtung nicht unbedingt erforderlich ist. Ein Ein/Aus-Ventil 3 (eine
Schalteinrichtung) eines elektromagnetischen Ventils ist an einer
stromaufwärtigen
Seite der Expansionsvorrichtung 4 zum Steuern einer Strömung des
Kältemittels
vorgesehen.
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2A ist eine Querschnittsansicht
der Expansionsvorrichtung 4 entlang einer Linie IIA-IIA
von 1, bei welcher die
Expansionsvorrichtung 4 ein Drehtyp ist. Eine hermetisch
geschlossene Arbeitskammer 49 ist in der Expansionsvorrichtung 4 ausgebildet,
um durch Einleiten eines Hochdruck-Gases in die Arbeitskammer 49 und
Ausdehnen desselben darin eine Drehantriebskraft zu erzeugen und
die Kraft auf die Welle 21 zu übertragen.
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Die
Arbeitskammer 49 ist in der folgenden Weise ausgebildet.
Ein Mondraum ist durch eine zylindrische Innenfläche eines Zylinders 42 und
eine zylindrische Außenfläche einer
Hülse 47 gebildet, wobei
die zylindrische Außenfläche mit
der zylindrischen Innenfläche
an einer Rotorkontaktlinie 51 in Kontakt ist. Ein vorderes
Ende eines Flügels 48 ist schwenkbar
mit einem Drehgelenkabschnitt 48a der zylindrischen Außenfläche der
Hülse 47 verbunden, sodass
der Mondraum in zwei Räume
geteilt ist.
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Der
Zylinder 42 ist zwischen eine Front- und eine Rückplatte 41 und 43 gesetzt,
wobei die Hülse 47 und
der Flügel 48 in
dem Mondraum mit winzigen Spalten zwischen den Längsenden davon und Innenflächen der
Platten 41 und 43 angeordnet sind, sodass die
Hülse 47 und
der Flügel 48 in
dem Mondraum bewegbar sind. Wie oben erwähnt, sind zwei Arbeitskammern 49 und 50 gebildet.
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Ein
Rotor 46 ist über
eine Einwegekupplung 45 mit der Welle 21 verbunden,
und das Zentrum des Rotors ist von einem Zentrum eines durch die
zylindrische Innenfläche
des Zylinders 42 gebildeten Kreises exzentrisch. Ein Ölfilm ist
an einer Außenfläche des
Rotors 46 gebildet, und der Rotor 46 ist in die Hülse 47 eingesetzt,
wobei ein winziger Spalt zwischen dem Rotor 46 und der
Hülse 47 gebildet
ist, sodass sie relativ zueinander bewegbar sind.
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Eine
Kreisnut 43b ist an der Innenfläche der Rückplatte 43 ausgebildet,
welche eine Gleitfläche zu
dem Rotor 46 ist. Ein Platteneinlasskanal 43a ist in
der Rückplatte 43 ausgebildet,
dessen eines Ende mit der Kreisnut 43b verbunden ist und
dessen anderes Ende mit einer in einem vorderen Gehäuse 71 ausgebildeten
Expansionsvorrichtungseinlassöffnung 71a verbunden
ist.
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Eine
Rotoreinlassöffnung 46a ist
in dem Rotor 46 ausgebildet, deren eines Ende an einer
Seitenfläche
des Rotors 46 endet und zu der Kreisnut 43b offen
ist, sodass ein Ende der Rotoreinlassöffnung 46a immer mit
der Kreisnut 43b in Verbindung steht. Die Rotoreinlassöffnung 46a verläuft in dem
Rotor 46 in einer Längsrichtung
und das andere Ende davon steht mit einem Ende eines radialen Rotorkanals 46b in
Verbindung, welcher in dem Rotor 46 ausgebildet ist und
sich in einer radialen Richtung erstreckt und an der Außenumfangsfläche des
Rotors 46 endet. Eine Hülseneinlassöffnung 47a ist
in der Hülse 47 angrenzend
an den Flügel 48 und
durch die Hülse
in der radialen Richtung laufend ausgebildet.
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Ein
Kanal für
das Kältemittel
ist so durch die in dem vorderen Gehäuse 71 ausgebildete
Einlassöffnung 71a,
den in der Rückplatte 43 ausgebildeten Platteneinlasskanal 43a,
die ebenfalls in der Oberfläche
der Rückplatte 43 ausgebildete
Kreisnut 43b, die in dem Rotor 46 ausgebildete
Rotoreinlassöffnung 46a und
den ebenfalls in dem Rotor 46 ausgebildeten radialen Rotorkanal 46b gebildet.
Und der obige Kältemittelkanal
endet an der Innenfläche
der Hülse 47 oder
steht mit der Hülseneinlassöffnung 47a in
Verbindung, in Abhängigkeit
von einer Drehstellung des Rotors 46.
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Da
die Hülseneinlassöffnung 47a in
der Hülse 47 mit
einer gewissen Winkellänge
gebildet ist, wird das Kältemittel
so lange in die Arbeitskammer 49 strömen, wie das äußere Ende
des radialen Rotorkanals 46b mit der Hülseneinlassöffnung 47a in Verbindung
steht. Eine Flügelnut 42b ist
in dem Zylinder 42 ausgebildet, in welche der Flügel 48 mit
winzigen Spalten zwischen dem Flügel 48 und
der Flügelnut 42b eingesetzt
ist, sodass sich der Flügel 48 in
der Nut 42b zurück
und vor bewegt, wobei eine Dichtwirkung gehalten wird.
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Da
ein Ende des Flügels 48 mit
der Hülse 47 durch
eine Drehgelenkverbindung an dem Drehgelenkabschnitt 48a verbunden
ist, bewegt sich der Flügel 48 in
Abhängigkeit
von einer Stellung einer Umlaufbewegung der Hülse 47, nämlich der
Drehstellung des Rotors 46 zurück und vor. Ein Dichtelement 22 ist
an der Welle 21 zum Abdichten eines Spalts zwischen der
Rückplatte
und der Welle 21 angeordnet.
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2B zeigt eine Vorderansicht
der Frontplatte von rechts in 1,
wobei eine Bezugsziffer 41c eine in der Frontplatte 41 ausgebildete
Ausgabeöffnung
bezeichnet, deren eines Ende zu dem durch den Zylinder 42 und
die Front- und die Rückplatte 41 und 43 gebildeten
Raum offen ist und deren anderes Ende mit einem in dem vorderen
Gehäuse 71 ausgebildeten
Ausgabekanal (nicht dargestellt) in Verbindung steht.
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Eine
Funktionsweise der oben erläuterten Fluidmaschine
wird unter Bezugnahme auf 3A bis 3D erläutert. 3A zeigt eine Startstellung des Rotors 46,
welche einem Drehwinkel des Rotors 46 von 0° entspricht.
Wenn in dieser Stellung ein Hochdruckgas der Expansionsvorrichtung
von dem Clausius-Rankine-Kreis L zugeführt wird, strömt das Hochdruckgas
durch das vordere Gehäuse 71,
die Rückplatte 43,
den Rotor 46 und die Hülse 47 in
die Arbeitskammer 49. Das Hochdruckgas wird dann in der
Arbeitskammer 49 ausgedehnt, welche von der Innenfläche des
Zylinders 42, der Außenfläche der Hülse 47,
der Schaufel 48, der Frontplatte 41, der Rückplatte 43,
dem Drehgelenkabschnitt 48a und der Rotorkontaktlinie 51 umgeben
ist.
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In
dieser Stellung steht die andere Kammer 50 mit der Ausgabeöffnung 41c in
Verbindung, das in die Kammer 50 gefüllte Kältemittelgas wird durch die Ausgabeöffnung 41c ausströmen, wenn
sich der Rotor 46 dreht.
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Die
Expansionsenergie dreht den Rotor 46 und die Hülse 47,
was die Rotorkontaktlinie 51 im Uhrzeigersinn zu einer
Stellung von 3B bewegt, welche
einem Drehwinkel des Rotors 46 von 90° entspricht. Bei diesem Vorgang
ist der Rotor 46 mit der Welle 21 über die
Einwegekupplung 45 verbunden, sodass die Welle 21 ebenso
um 90° gedreht
wird. Der Flügel 48 wird
während
dieses Vorgangs einer 90°-Drehung durch den
Drehgelenkabschnitt 48a aus der Nut 42b heraus
gezogen, da der Flügel 48 mit
der Hülse 47 an
dem Drehgelenkabschnitt 48a durch die Drehgelenkverbindung
verbunden ist.
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Die
Hülse 47 wird
als Reaktion auf die Dehnung des Hochdruckgases weiter um die Welle 21 zu einer
Stellung in 3C und zu
einer Stellung in 3D gedreht,
die einem Drehwinkel des Rotors 46 von 180° bzw. 270° entsprechen.
Während
dieser Drehung wird die Welle 21 über die Einwegekupplung 45 ebenso
um 270° gedreht.
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Wenn
die Hülse 47 zu
der Stellung in 3D kommt,
wird die Ausgabeöffnung 41C durch
die Seitenflächen
der Hülse 47 und
den Rotor 46 geschlossen.
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Wenn
die Hülse 47 durch
die Dehnung des Hochdruckgases weiter gedreht wird, kommt die Stellung
des Rotors 46 zu der Startstellung von 3A und ein weiteres Hochdruckgas wird
in die Arbeitskammer strömen,
um den obigen Vorgang zu wiederholen. Solange das Hochdruckgas in
die Arbeitskammer strömt,
dreht sich daher die Hülse 47 weiter
und dadurch wird auch die Welle 21 kontinuierlich gedreht.
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Eine
Funktionsweise der Fluidmaschine wird unter Bezugnahme auf 1 einschließlich einer
Beschreibung eines Aufbaus der Kompressorvorrichtung 7 weiter
erläutert.
Die Kompressorvorrichtung 7 ist ein Verstell- und Taumelscheibenkompressor,
der seine Kompressionskapazität
variieren kann.
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Klimamodus
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Wenn
ein Klimabetrieb notwendig ist, wird die Drehantriebskraft von dem
Verbrennungsmotor durch den Riemen und die Riemenscheibe 6 auf
die Welle 21 übertragen,
und eine an der Welle 21 befestigte Platte 76 wird
demgemäß gedreht.
Ein Neigungswinkelverstellmechanismus 77 und eine Taumelscheibe 78 werden
ebenso gedreht und diese Drehung wird über Schuhe 78a in
eine Hubbewegung für
Kolben 79 umgesetzt.
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Ein
Kältemittelgas
wird durch die Hubbewegung der Kolben 79 komprimiert und
in dem Kühlkreis
(nicht dargestellt) zirkuliert. In 1 bezeichnet eine
Bezugsziffer 72 ein Kurbelgehäuse, 73 ein Zylindergehäuse, 74 ein
hinteres Gehäuse
und 75 eine Ventilplatte, die einen wohlbekannten Kompressor bilden.
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Wenn
eine hohe Klimaleistung nicht notwendig ist, wird der Neigungswinkel
der Taumelscheibe 78 durch ein Regelventil 80 auf
einen kleinen Winkel geregelt, sodass ein Hub des Kolbens 79 kleiner
gemacht wird und dadurch die Kompressionsleistung der Kompressorvorrichtung 7 reduziert
wird. Demgemäß kann ein
Antriebsenergieverbrauch von dem Verbrennungsmotor als Reaktion
auf die Kühllast verringert
werden. Wenn der Klimabetrieb nicht notwendig ist, wird der Neigungswinkel
der Taumelscheibe 78 zu Null gemacht, wobei die Taumelscheibe 78 senkrecht
zu der Welle 21 ist, und der Hub des Kolbens 79 wird
zu Null. Als Ergebnis dieses Vorgangs kann der Antriebsenergieverbrauch
von dem Verbrennungsmotor auf seinen Minimalwert gemacht werden.
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Falls
der Klimabetrieb notwendig ist, aber die Abwärme von dem Verbrennungsmotor
zum Antreiben der Expansionsvorrichtung nicht genügt, wird
die Pumpe 1 des Clausius-Rankine-Kreises nicht betrieben
und dadurch wird das Hochdruckgas nicht der Expansionsvorrichtung 4 zugeleitet.
Da die Welle 21 über
die Einwegekupplung 45 mit der Expansionsvorrichtung 4 wirkverbunden
ist, wird der Nicht-Betrieb der Expansionsvorrichtung 4 zu
keinem Hindernis für
die Drehbewegung der durch den Verbrennungsmotor angetriebenen Welle 21,
d.h. für
den Betrieb der Kompressorvorrichtung 7, selbst wenn die Expansionsvorrichtung
nicht läuft.
Und der Anstieg des Antriebsenergieverbrauchs von dem Verbrennungsmotor
kann auf sein minimales Maß gedrückt werden.
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Falls
dagegen der Klimabetrieb notwendig ist und Abwärme von dem Verbrennungsmotor
ausreichend gesammelt werden kann, wird das Kältemittelgas für den Clausius-Rankine-Kreis
durch die Pumpe 1 unter Druck gesetzt und die Expansionsvorrichtung 4 wird
betrieben. Eis eine Drehzahl der Expansionsvorrichtung 4 eine
Drehzahl der Welle 21 erreicht, welche durch den Verbrennungsmotor
angetrieben wird, wird die Drehkraft der Expansionsvorrichtung 4 wegen
der Einwegekupplung 45 nicht auf die Welle übertragen,
und deshalb wird die Drehung der Expansionsvorrichtung 4 für die Drehung
der Kompressorvorrichtung 7 zu keinem Hindernis.
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Während des
obigen Betriebs wird eine Last auf die Expansionsvorrichtung 4 ausgeübt, die
Drehzahl wird schnell erhöht
und erreicht die Drehzahl der Welle 21. Dann werden die
Expansionsvorrichtung 4 und die Welle 21 vereint
und die Drehkraft der Expansionsvorrichtung 4 wird auf
die Welle 21 ausgeübt, sodass
die Drehkräfte
von dem Verbrennungsmotor und der Expansionsvorrichtung 4 sich
die Last zum Antreiben der Kompressorvorrichtung 7 teilen.
Als Ergebnis kann der Antriebsenergieverbrauch von dem Verbrennungsmotor
reduziert werden.
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Leerlaufabschaltbetriebsmodus
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Falls
der Klimabetrieb notwendig ist, auch wenn der Verbrennungsmotor
nicht läuft,
wenn zum Beispiel der Motorbetrieb an einer roten Verkehrsampel
gestoppt ist, wird die Kompressorvorrichtung 7 durch die
an der Expansionsvorrichtung 4 erzeugte Drehkraft fortlaufend
betrieben. Wenn der Motorbetrieb gestoppt ist, kann die Expansionsvorrichtung fortlaufend
die Drehkraft erzeugen, falls die Abwärme von dem Verbrennungsmotor
ausreichend gesammelt werden kann. In dieser Situation läuft der
Verbrennungsmotor nicht und dadurch wird auch die mit dem Verbrennungsmotor über den
Riemen verbundene Riemenscheibe 6 nicht gedreht. Da die
Einwegekupplung 61 zwischen die Riemenscheibe 6 und die
Welle 21 gesetzt ist, kann die Welle 21 durch
die Expansionsvorrichtung 4 gedreht werden, selbst wenn
sich die Riemenscheibe 6 nicht dreht.
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Wie
oben erwähnt,
wird die Kompressorvorrichtung 7 durch die Expansionsvorrichtung 4 fortlaufend
gedreht und der Klimabetrieb wird fortgesetzt, selbst wenn der Motorbetrieb
gestoppt ist. Mit anderen Worten kann die Leerlaufabschaltung des
Verbrennungsmotors möglich
sein, während
der Klimamodus aufrecht erhalten wird, und dadurch kann eine Verbesserung
des Kraftstoffverbrauchsverhältnisses erzielt
werden. In diesem Betrieb wird insbesondere die Kompressorvorrichtung 7 nur
durch die Drehkraft von der Expansionsvorrichtung 4 betrieben,
das Kompressionsvolumen der Kompressorvorrichtung 7 ist
auf ein derart kleines Maß gemacht,
bei welchem der minimale Klimabetrieb ausgeführt werden kann, indem der
Neigungswinkel der Taumelscheibe 78 ein kleinerer Winkel
ist.
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In
dem obigen Ausführungsbeispiel
ist die Einwegekupplung 45 zwischen der Expansionsvorrichtung 4 und
der Welle 21 angeordnet. Es ist jedoch möglich, die
Einwegekupplung 45 wegzulassen. In diesem Fall ist, obwohl
die Expansionsvorrichtung 4 eine Last für den Verbrennungsmotor werden
würde, die
Last selbst vernachlässigbar
klein, weil das Kältemittelgas
in der Expansionsvorrichtung 4 einfach verwirbelt wird.
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In
der obigen Modifikation, insbesondere in dem Fall, dass die Einwegekupplung 45 zwischen der
Expansionsvorrichtung und der Welle entfernt ist, kann das Ein/Aus-Ventil 3 an
einer stromaufwärtigen Seite
der Expansionsvorrichtung 4 zum Steuern der Zufuhr des
Kältemittelgases
zu der Expansionsvorrichtung 4 vorgesehen sein. Es ist
für ein
Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor notwendig, diesen in einer
kürzeren
Zeit aufzuwärmen,
um ein Kraftstoffverbrauchsverhältnis
zu verbessern und Abgase zu reinigen, insbesondere während des
Winters. Für
diesen Zweck werden in manchen Fällen Zusatzgeräte, wie
beispielsweise eine viskose Kupplung, vorgesehen, um die Last für den Verbrennungsmotor
zu erhöhen
und das Aufwärmen
davon zu beschleunigen.
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Im
Fall der obigen Modifikation wird, wenn das Ein/Aus-Ventil 3 während der
Aufwärmperiode geschlossen
ist, die Last für
den Verbrennungsmotor höher
und die Aufwärmperiode
wird kürzer,
weil beim Drehen der Expansionsvorrichtung 4 mit dem geschlossenen
Ein/Aus-Ventil der Druck der Arbeitskammern der Expansionsvorrichtung
im Verhältnis zu
der Expansion der Arbeitskammer sinkt.
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Ferner
wird in der obigen Modifikation, wenn das Aufwärmen des Verbrennungsmotors
nicht notwendig ist und der Clausius-Rankine-Kreis betrieben wird,
das Ein/Aus-Ventil 3 geöffnet.
Dann wird die Last für
den Verbrennungsmotor nicht stark erhöht, weil das Kältemittelgas
in der Expansionsvorrichtung 4 bei diesem Betrieb einfach
verwirbelt wird.
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Da
in dem obigen Ausführungsbeispiel
die Expansionsvorrichtung 4 zwischen der Riemenscheibe 6 und
der Kompressorvorrichtung 7 angeordnet ist, kann der Aufbau
der Kompressorvorrichtung 7 gleich dem gewöhnlichen
Kompressor sein und kleiner gemacht sein.
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Da
in dem obigen Ausführungsbeispiel
außerdem
die Verstellkompressorvorrichtung 7 verwendet wird, kann
die Betriebslast für
die Expansionsvorrichtung 4 kleiner gemacht werden, wenn
die Kompressorvorrichtung 7 nur durch die Expansionsvorrichtung 4 angetrieben
wird, wohingegen die Betriebslast für den Verbrennungsmotor größer gemacht
werden kann, wenn das Aufwärmen
des Verbrennungsmotors in einer kürzeren Zeit notwendig ist.
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Zweites Ausführungsbeispiel
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4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung, welches sich von dem ersten Ausführungsbeispiel
darin unterscheidet, dass die Riemenscheibe 6 entfernt
ist und stattdessen eine elektrische Drehmaschine 9 zwischen
der Expansionsvorrichtung 4 und dem Kompressor 7 vorgesehen
ist, wobei die elektrische Drehmaschine 9 als Elektromotor
oder als Generator arbeitet. Die Fluidmaschine dieses zweiten Ausführungsbeispiels
ist bevorzugt im Fahrzeug eines Brennstoffzellentyps eingebaut,
in welchem die Kompressorvorrichtung 7 für den Kühlkreis
durch den Elektromotor 9 angetrieben wird, wohingegen die
Expansionsvorrichtung 4 für den Clausius-Rankine-Kreis
L durch Abwärme von
Brennstoffzellenstapeln (FC-Stapel) betrieben wird.
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Die
elektrische Drehmaschine 9 ist in dem vorderen Gehäuse 71 ausgebildet
und weist einen Stator 91 und einen Rotor 92 auf,
wobei die Welle 21 für
die Expansionsvorrichtung 4, die elektrische Drehmaschine 9 und
die Kompressorvorrichtung 7 gemeinsam benutzt wird. Der
Betrieb dieses zweiten Ausführungsbeispiels
wird erläutert.
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Klimamodus
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Wenn
der Klimabetrieb notwendig ist, wird die Welle 21 durch
den Elektromotor 9 gedreht und dadurch wird die Kompressorvorrichtung 7 angetrieben.
Dann wird das Kältemittel
komprimiert und in dem Kühlkreis
(nicht dargestellt) zirkuliert, um den Klimabetrieb durchzuführen. In
diesem Klimabetrieb wird, falls die Abwärme von den FC-Stapeln nicht ausreichend
hoch ist, das Kältemittel
für den
Clausius-Rankine-Kreis
L nicht durch die Pumpe unter Druck gesetzt und der Expansionsvorrichtung 4 wird kein
Hochdruck-Kältemittelgas
zugeleitet. D.h. die Expansionsvorrichtung 4 wird nicht
betätigt.
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Da
die Welle 21 über
die Einwegekupplung 45 mit der Expansionsvorrichtung 4 wirkverbunden ist,
werden die Drehung der Welle 21 und der Betrieb der Kompressorvorrichtung 7 durch
den Nicht-Betrieb der Expansionsvorrichtung 4 nicht beeinflusst und
deshalb ist die zusätzliche
Antriebsenergie des Elektromotors 9, die für die Drehung
der Welle 21 notwendig ist, aufgrund der Wirkverbindung
mit der Expansionsvorrichtung vernachlässigbar klein. Andererseits
gibt es eine ausreichend hohe Abwärme von den FC-Stapeln während des
Klimabetriebs, das Kältemittelgas
für den
Clausius-Rankine-Kreis L wird durch die Pumpe unter Druck gesetzt
und das Hochdruck-Kältemittelgas
wird der Expansionsvorrichtung 4 zugeführt, um deren Betrieb zu starten.
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Die
Expansionsvorrichtung 4 befindet sich über die Einwegekupplung 45 im
Leerlauf, bis ihre Drehzahl die Drehzahl der Welle 21 (und
der Kompressorvorrichtung 7) erreicht, während welcher
Zeit die Drehung der Welle 21 nicht durch die Expansionsvorrichtung 4 beeinflusst
ist. Und auch während dieser
Periode wird, da keine Drehlast auf die Expansionsvorrichtung 4 ausgeübt wird,
die Drehzahl der Expansionsvorrichtung 4 schnell auf die
Drehzahl der Welle 21 und der Kompressorvorrichtung 7 erhöht.
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Wenn
die Drehzahl der Expansionsvorrichtung 4 jene der Welle 21 erreicht,
werden dann die Expansionsvorrichtung 4 und die Welle 21 als
eine Einheit gedreht und die Drehantriebskraft wird auf die Kompressorvorrichtung 7 ausgeübt, um sich
die Antriebskraft für
die Kompressorvorrichtung 7 mit dem Elektromotor 9 zu
teilen, sodass die notwendige Antriebskraft von dem Elektromotor 9 reduziert
wird.
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Stromgeneratormodus
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Falls
ein Mangel an elektrischer Energie von einer Batterie (nicht dargestellt)
besteht, wird die Zufuhr der elektrischen Energie gesperrt und der
Betrieb der Kompressorvorrichtung 7 wird durch die Drehantriebskraft
von der Expansionsvorrichtung 4 fortgesetzt, solange die
Abwärme
von den FC-Stapeln zur Verfügung
steht. In diesem Fall werden, selbst wenn die Zufuhr der elektrischen
Energie zu der elektrischen Drehmaschine 9 gesperrt ist,
die Welle 21 und der Rotor 92 durch die Expansionsvorrichtung 4 gedreht.
Und deshalb arbeitet die elektrische Drehmaschine in diesem Fall
als Stromgeneratormaschine, um elektrische Energie zu erzeugen. Die erzeugte
elektrische Energie wird in die Batterie geladen oder irgendeiner
anderen elektrischen Vorrichtung zugeführt.
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Wie
oben erwähnt,
kann der Klimabetrieb durch Nutzung der Abwärme fortgesetzt werden, selbst
während
die elektrische Drehmaschine 9 nicht als Elektromotor zum
Erzeugen der Drehantriebskraft betrieben wird. Zusätzlich wird
eine Energieeinsparung durch das Betreiben der Maschine 9 als Stromgeneratormaschine
möglich.
Während
des obigen Betriebs kann die Kompressorleistung kleiner gemacht
werden, indem der Neigungswinkel der Taumelscheibe 78 zu
einem kleineren Winkel gemacht wird, weil die Kompressorvorrichtung 7 nur
durch die Drehantriebskraft von der Expansionsvorrichtung 4 betrieben
wird.
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Drittes Ausführungsbeispiel
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Ein
drittes Ausführungsbeispiel
wird nun unter Bezugnahme auf 5 erläutert, welches
sich von dem ersten Ausführungsbeispiel
darin unterscheidet, dass das Volumen der Arbeitskammer für die Expansionsvorrichtung 4 variabel
gemacht ist. 5 zeigt
eine Vorderansicht der Frontplatte 41, welche im Vergleich
zu dem ersten Ausführungsbeispiel
in zwei Teile (eine äußere Platte 41a und
eine innere Platte 41b) geteilt ist. Die äußere Platte 41a besitzt
eine Zylinderbohrung, in welche die innere Platte 41b drehbar
eingesetzt ist, sodass die Relativposition der inneren Platte 41b zu
der äußeren Platte 41a veränderbar
wird und die innere Platte 41b in Abhängigkeit von dem Betrieb der
Expansionsvorrichtung 4 durch eine Steuereinrichtung (nicht
dargestellt) gedreht wird. Wie aus 5 erkennbar,
ist die Ausgabeöffnung 41c ebenfalls
in der inneren Platte 41b ausgebildet, sodass die Position
der Ausgabeöffnung 41c zusammen
mit der inneren Platte 41b veränderbar sein kann.
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6A bis 6D zeigen die jeweiligen Stellungen des
Rotors 46 und der Hülse 47 in
den Drehstellungen des Rotors 46 von 0°, 90°, 180° und 270° in der gleichen Weise wie 3A bis 3D. In der in 6A gezeigten Startstellung steht die
Arbeitskammer 49 mit dem radialen Rotorkanal 46b durch
die Hülseneinlassöffnung 47a in
Verbindung, sodass ein Hochdruck-Kältemittelgas in die Arbeitskammer 49 strömt. Gleichzeitig
beginnt die Arbeitskammer 50 mit der Ausgabeöffnung 41c in
Verbindung zu stehen, sodass die Expansion des Kältemittelgases in der Kammer 50 stoppt
und durch diese Ausgabeöffnung 41c ausströmt.
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Der
Rotor 46 und die Hülse 47 werden
entsprechend der Expansion des Kältemittelgases
in der Arbeitskammer 49 gedreht, und die Stellungen des Rotors 46 und
der Hülse 47 bewegen
sich von 6A zu 6B, 6C und 6D. Wenn der Rotor 46 und die
Hülse 47 zu
der Stellung in 6D kommen,
wird die Ausgabeöffnung 41c geschlossen
und der Ausgabehub der Arbeitskammer 50 kommt zu einem
Ende. Demgemäß wird das
Ende des Ausgabehubes durch die Stellung der Ausgabeöffnung 41c entschieden.
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In 6A bis 6D ist die Ausgabeöffnung 41c an einem
solchen Punkt positioniert, dass die Ausgabeöffnung 41c geschlossen
wird, wenn der Rotor 46 und die Hülse 47 von der Ausgangsstellung
von 6A um 270° gedreht
werden. Mit anderen Worten startet die Ausgabeöffnung 41c die Kommunikation
mit der Arbeitskammer 50, kurz bevor der Rotor 46 in
seine Ausgangsstellung von 6A gedreht wird.
Falls ein Druck des Clausius-Rankine-Kreises L auf seiner Niederdruckseite
höher wird,
sollte das Kältemittelgas
in der Arbeitskammer an einem früheren
Punkt ausgegeben werden, insbesondere soll der Ausgabehub an dem
früheren
Punkt beendet werden. Sonst wird der Druck in der Arbeitskammer niedriger
als der Druck des Clausius-Rankine-Kreises auf seiner Niederdruckseite
und dadurch würde anstelle
des Sammelns der Energie aus der Expansion des Kältemittelgases eine zusätzliche
Energie zum Verringern des Drucks in der Arbeitskammer auf eine
Seite eines noch niedrigeren Drucks notwendig werden, was den Wirkungsgrad
der Expansionsvorrichtung reduziert. (Dies wird als übermäßiges Expansionsphänomen bezeichnet.)
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Falls
dagegen der Druck des Clausius-Rankine-Kreises L auf seiner Niederdruckseite
niedriger wird, kann mehr Energie durch die Expansion des Kältemittelgases
in der Arbeitskammer gesammelt werden. Und deshalb sollte in einem
solchen Fall der Ausgabehub des Kältemittelgases an einem späteren Punkt
beginnen. Wenn die Ausgabeöffnung 41c an
einem solchen früheren
Punkt positioniert ist, wird, selbst wenn mehr Energie aus der Expansion
des Kältemittelgases
gesammelt werden kann, das Kältemittelgas
durch die Öffnung
der Ausgabeöffnung
in die Arbeitskammer ausströmen,
was auch den Wirkungsgrad der Expansionsvorrichtung reduziert. (Dies
wird als ungenügendes
Expansionsphänomen bezeichnet.)
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7A bis 7D zeigen die verschiedenen Positionen
der Ausgabeöffnung 41c zum Ändern des Expansionsvolumens
des Kältemittelgases
in der Arbeitskammer. 7A zeigt
die Position der Ausgabeöffnung 41c,
welche gleich der in 6A dargestellten
ist. 7B zeigt die Position
der Ausgabeöffnung 41c,
welche um 90° im
Gegenuhrzeigersinn gedreht ist. Diese Drehung wird durch ein Stellglied
(nicht dargestellt) durch Drehen der inneren Platte 41b vorgenommen.
Mit der Ausgabeöffnung 41c an
der Position in 1B wird
der Ausgabehub der Arbeitskammer 50 bei 90° früher beendet
als mit der Position der Ausgabeöffnung 41c von 7A. 7C und 7D zeigen
ebenfalls andere Positionen der Ausgabeöffnung 41c, wobei
die Ausgabeöffnung 41c im
Uhrzeigersinn weiter um 180° bzw.
270° gedreht
ist. Wie oben erwähnt,
kann der Expansionsraum (das Volumen) der Arbeitskammer vor dem
Start des Ausgabehubs durch Bewegen der Ausgabeöffnung 41c im Gegenuhrzeigersinn
kleiner gemacht werden. Demgemäß kann,
wenn der Druck des Clausius-Rankine-Kreises auf seiner Niederdruckseite
erhöht
wird, die Ausgabeöffnung 41c als
Reaktion auf einen solchen Druckanstieg im Gegenuhrzeigersinn bewegt werden,
um die übermäßige Expansion
des Kältemittelgases
zu unterdrücken
und umgekehrt. Als Ergebnis kann die Expansionsvorrichtung 4 durch
Verändern
des Expansionsvolumens der Arbeitskammer entsprechend dem Betriebszustand
des Clausius-Rankine-Kreises mit ihrem höchsten Wirkungsgrad betrieben
werden.
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Der
Druck des Clausius-Rankine-Kreises L auf der Niederdruckseite wird
in Abhängigkeit
von den verschiedenen äußeren Bedingungen,
zum Beispiel der Menge der gesammelten Abwärme, der Menge des durch den
Kreis strömenden
Kältemittelgases,
usw. stark verändert.
Es kann möglich
sein, den Clausius-Rankine-Kreis in einer solchen Weise zu betreiben,
dass der Druck des Clausius-Rankine-Kreises auf seiner Niederdruckseite
auf einen gewissen konstanten Wert geregelt wird, sodass die Expansionsvorrichtung
mit ihrem höchsten
Wirkungsgrad betrieben werden kann. Gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird jedoch der höchste Wirkungsgrad der Expansionsvorrichtung
durch Verändern
des Expansionsvolumens des Kältemittelgases
in der Arbeitskammer der Expansionsvorrichtung in Abhängigkeit
von den Betriebszuständen
des Clausius-Rankine-Kreises erzielt.
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Viertes Ausführungsbeispiel
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8 zeigt eine vergrößerte Teilquerschnittsansicht
einer Dichtkonstruktion für
die Fluidmaschine gemäß einem
vierten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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In
dem in 1 dargestellten
ersten Ausführungsbeispiel
ist das Dichtelement 22 zwischen der Expansionsvorrichtung 4 und
der Kompressorvorrichtung 7 angeordnet, und deshalb können unterschiedliche
Kältemittelgase
für den
Clausius-Rankine-Kreis
und den Kühlkreis
verwendet werden. Falls die gleiche oder eine ähnliche Art Kältemittelgas
für beide
Kreise verwendet wird, ist es nicht notwendig, zwischen der Expansionsvorrichtung 4 und
der Kompressorvorrichtung 7 streng abzudichten.
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In
dem in 8 dargestellten
vierten Ausführungsbeispiel
ist anstelle des Dichtelements 22 ein zylindrischer Dichtabschnitt 43c an
einer Innenfläche der
Rückplatte 43 der
Welle 21 zugewandt ausgebildet. Der zylindrische Dichtabschnitt 43c in
diesem Ausführungsbeispiel
bedeutet eine solche Innenfläche
der Rückplatte 43,
dass sie der Außenfläche der Welle 21 mit
einem winzigen Spalt zugewandt ist, sodass an der Außenfläche der
Welle 21 einfach ein Ölfilm
gebildet sein kann und das Kältemittelgas
im Wesentlichen an einem Durchströmen zwischen der Expansionsvorrichtung
und der Kompressorvorrichtung mit Hilfe des sich in der Längsrichtung
erstreckenden winzigen Spalts gehindert werden kann.
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Es
ist deshalb im Vergleich zu dem Dichtelement 22 vorteilhafter,
dass ein Montageprozess einfacher wird und es keinen durch das Dichtelement verursachten
mechanischen Verlust gibt, um die Energieeinsparung zu verbessern.
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Fünftes Ausführungsbeispiel
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Das
fünfte
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist ein Ausführungsbeispiel, in welchem
die Fluidmaschine der vorliegenden Erfindung auf einen Kühlkreis
R mit einem Heißgas-Bypasskreis
angewendet ist, von dem eine schematische Darstellung in 9 gezeigt ist. Die Expansionsvorrichtung 4 und
die Kompressorvorrichtung 7 sind über die Riemenscheibe 6 mit
einem Verbrennungsmotor (nicht dargestellt) verbunden. Mit einer
Auslassseite der Kompressorvorrichtung 7 ist ein Kondensator 11 über ein
erstes elektromagnetisches Ventil 10 verbunden, und eine
erste Druckverminderungsvorrichtung 13 ist mit dem Kondensator 11 über ein
Rückschlagventil 12 verbunden,
wobei die erste Druckverminderungsvorrichtung 13 aus einem
Kapillarrohr (einer festen Öffnung)
aufgebaut ist.
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Ein
Verdampfapparat 14 ist mit einer Auslassseite der ersten
Druckverminderungsvorrichtung 13 verbunden und auch an
seiner stromabwärtigen Seite über einen
Speicher 15 mit der Einlassseite der Kompressorvorrichtung 7 verbunden.
Ein Heißgas-Bypasskanal 16 verbindet
die Auslassseite der Kompressorvorrichtung 7 mit der Einlassseite
des Verdampfapparats 14 durch ein zweites elektromagnetisches
Ventil 17 und eine zweite Druckverminderungsvorrichtung 18,
sodass er an dem Ventil 10, dem Kondensator 11,
dem Rückschlagventil 12 und der
Druckverminderungsvorrichtung 13 vorbei führt. Die
zweite Druckverminderungsvorrichtung 18 ist ein Konstantdruckventil,
welches geöffnet
wird, wenn ein Druck des Kältemittelgases
aus der Kompressorvorrichtung 7 höher als ein vorbestimmter Wert
wird.
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Der
Verdampfapparat 14 ist in einem Klimagehäuse (doppelstrichpunktierte
Linien) angeordnet und kühlt
die Luft aus einem Gebläselüfter 19 während des
Klimabetriebs ab. In einem Heizbetrieb strömt ein Hochdruck- und Hochtemperatur-Kältemittelgas
(heißes
Gas) durch den Bypasskanal 16 in den Verdampfapparat 14,
um die Luft aus dem Gebläselüfter 19 zu
heizen, sodass der Verdampfapparat 14 in diesem Betrieb
als Wärmestrahlvorrichtung
arbeitet. Ein Wärmetauscher 20 ist
an einer stromabwärtigen
Seite des Verdampfapparats 14 in dem Klimagehäuse zum
Heizen der hindurch strömenden
Luft mittels Motorkühlwassers
als Heizquelle angeordnet. Demgemäß wird die klimatisierte Luft
durch Luftleitungen (nicht dargestellt) in eine Fahrgastzelle ausgeblasen.
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Falls
es notwendig ist, den Verbrennungsmotor aufzuwärmen, ist die Temperatur des
Motorkühlwassers
nicht ausreichend hoch genug, um die Fahrgastzelle zu heizen. In
diesem Fall wird das schnelle Aufwärmen des Verbrennungsmotors
durch Betreiben der Kompressorvorrichtung 7 so, dass sie eine
Last für
den Verbrennungsmotor ist, und Zuführen des Kältemittelgases (heißes Gas)
aus der Kompressorvorrichtung 7 durch den Bypasskanal 16 zu dem
Verdampfapparat 14 erzielt.
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Sechstes Ausführungsbeispiel
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10 zeigt ein sechstes Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung, bei dem die Fluidmaschine gemäß der vorliegenden
Erfindung in dem Kraftfahrzeug montiert ist und ein Wechselstromgenerator 8 durch
einen Verbrennungsmotor und eine durch Abwärme gedrehte Expansionsvorrichtung
angetrieben wird.
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Die
Fluidmaschine in diesem Ausführungsbeispiel
weist die Expansionsvorrichtung 4, den Wechselstromgenerator 8 und
die Riemenscheibe 6 auf, wobei die Welle 21 gemeinsam
für die
obigen Vorrichtungen benutzt wird.
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Die
Riemenscheibe 6 ist mit der Welle 21 über eine
Einwegekupplung 61 verbunden. Der Wechselstromgenerator 8 besitzt
einen wohlbekannten Aufbau, bei welchem ein Stator 83 und
ein Rotor 84 in einem vorderen Gehäuse 81 und einem hinteren
Gehäuse 82 angeordnet
sind. Ein Spannungsregler 86 ist in dem hinteren Gehäuse 82 und
einem mittleren Gehäuse 85 angeordnet.
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Die
Expansionsvorrichtung 4 eines Spiraltyps ist an einem der
Riemenscheibe 6 abgewandten Ende angeordnet und weist eine
feste Spirale 52 und eine bewegbare Spirale 53 auf,
deren Spiralwindungen 52b und 53a jeweils miteinander
in Eingriff stehen, um mehrere Arbeitskammern zu bilden. Das aus einer
in einem Gehäuse 52 (
= die feste Spirale) ausgebildeten Einlassöffnung 52a in die
Arbeitskammer strömende
Hochdruck-Kältemittelgas
wird ausgedehnt und dadurch wird die bewegbare Spirale 53 durch
diese Expansionsenergie gedreht, und das Kältemittelgas strömt durch
einen Auslasskanal 52c durch eine Auslassöffnung 52d aus.
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Die
Expansionsvorrichtung 4 ist mit der Welle 21 über einen
Kurbelmechanismus 58 wirkverbunden, sodass die Drehung
der Welle 21 auf die bewegbare Spirale 53 übertragen
wird und ein Radius der Umlaufbewegung der bewegbaren Spule 53 variiert werden
kann. 12A zeigt eine
Perspektivansicht des Kurbelmechanismus 58, und 13 zeigt eine schematische
Darstellung des Kurbelmechanismus 58 aus einer Richtung
eines durch XIII in 12A gekennzeichneten
Pfeils, in welcher ein Schlüsselabschnitt 21a an
dem Ende der Welle 21 befestigt und in eine in einer Buchse 55 ausgebildeten
Nut 55a eingesetzt ist. Der Schlüsselabschnitt 21a ist
so ausgebildet, dass eine Längsmittellinie
des Schlüsselabschnitts 21a zu
einer Drehrichtung der Welle 21 um einen Winkel θ bezüglich einer
auf der Mitte der Welle 21 laufenden Linie geneigt ist,
wie in 12B oder 13 dargestellt. Eine Längslänge der
Nut 55a ist länger
als eine Längslänge des
Schlüsselabschnitts 21a,
sodass der Schlüsselabschnitt 21a in
seiner Längsrichtung
relativ zu der Nut 55a bewegbar ist. Ein Bewegungsweg des
Schlüsselabschnitts 21a in der
Nut 55a ist kleiner als ein Abstand zwischen den Spiralwicklungen
der festen und der bewegbaren Spiral 52 und 53 in
einer auf der Mitte der Buchse 55 laufenden Linie.
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Die
Breite der Nut 55a ist etwas größer als die Breite des Schlüsselabschnitts 21a gemacht,
sodass der Schlüsselabschnitt 21a in
der Nut 55a bewegbar ist, wie bereits oben erwähnt. Ein
Gegengewicht 56 ist an der Buchse 55 ausgebildet,
um eine während
ihrer Umlaufbewegung auftretende Zentrifugalkraft der bewegbaren
Spirale 53 aufzuheben.
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Die
Buchse 55 ist in eine in der bewegbaren Spirale 53 ausgebildete
Zylinderbohrung eingesetzt. Wenn die Welle 21 gedreht wird,
wird die Buchse 55 auf einer Achse der Welle 21 gedreht.
Demgemäß wird die
Umlaufbewegung der Buchse 55 auf die bewegbare Spirale 53 übertragen
und umgekehrt.
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Wenn
die Expansionsvorrichtung betrieben wird und die Drehantriebskraft
von der Expansionsvorrichtung 4 auf die Welle 21 ausgeübt wird,
wird die Kraft F1 von der Buchse 55 auf den Schlüsselabschnitt 21a ausgeübt, sodass
eine Kraftkomponente F1θ erzeugt
wird, um die Buchse 55 in die Richtung dieser Kraftkomponente
zu drücken.
Als Ergebnis wird ein Abstand zwischen der Mitte der Welle 21 und der
Mitte der Buchse 55, welcher gleich einem Radius R1 der
Umlaufbewegung der bewegbaren Spirale 53 ist, größer.
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Wenn
dagegen die Expansionsvorrichtung 4 im Leerlauf ist, tritt
eine Widerstandskraft F2 an der Buchse 55 auf, sodass eine
Kraftkomponente F2θ erzeugt
wird, um die Buchse 55 in ihre Richtung zu drücken. Dann
wird der Radius R2 der Umlaufbewegung der bewegbaren Spirale 53,
welcher ein Abstand zwischen der Mitte der Welle 21 und
der Mitte der Buchse 55 ist, kleiner. Die Funktionsweise
des Kurbelmechanismus ist in mehr Einzelheiten in einem weiteren Stand
der Technik beschrieben, zum Beispiel in dem japanischen Patent
Nr. 2-687873.
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Stromgeneratormodus
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Eine
Funktionsweise dieses sechsten Ausführungsbeispiels wird erläutert. Wenn
ein Bedarf an elektrischer Energie hoch ist, wird die Welle 21 durch einen
Riemen durch einen Verbrennungsmotor gedreht und der Wechselstromgenerator 8 wird
betrieben. Die erzeugte elektrische Energie wird in eine Batterie
(nicht dargestellt) geladen oder anderen elektrischen Geräten zugeführt. Wenn
der elektrische Energiebedarf niedrig ist, wird die Erzeugung der elektrischen
Energie durch einen Spannungsregler 86 gesteuert, um den
Energieverbrauch von dem Verbrennungsmotor zu senken. Wenn der elektrische Energiebedarf
sehr niedrig ist, wird an dem Wechselstromgenerator 8 keine
elektrische Energie erzeugt.
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In
dem obigen Stromgeneratorbetrieb wird, wenn die von dem Verbrennungsmotor
zu sammelnde Abwärme
klein ist, das Kältemittelgas
des Clausius-Rankine-Kreises L nicht durch eine Pumpe (nicht dargestellt)
unter Druck gesetzt und der Expansionsvorrichtung 4 wird
kein Hochdruckgas zugeführt.
Da jedoch die Welle 21 durch den Verbrennungsmotor gedreht
wird, werden der Kurbelmechanismus 58 und die bewegbare
Spirale 53 gedreht.
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Wie
oben erwähnt,
wird, wenn die bewegbare Spirale über den Kurbelmechanismus 58 durch
die Welle 21 gedreht wird, der Radius der Umlaufbewegung
der bewegbaren Spirale kleiner und dadurch wird zwischen den Spiralwindungen
der festen und der bewegbaren Spirale 52 und 53 ein
Raum gebildet. Als Ergebnis wird, selbst wenn die bewegbare Spirale 53 mit
der Umlaufbewegung gedreht wird, sie nicht als Fluidmaschine arbeiten
und deshalb ist der Energieverbrauch zum Bewegen der bewegbaren Spirale
sehr klein.
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Falls
es erwünscht
ist, den Leerlauf der bewegbaren Spirale 53 zu vermeiden,
kann eine Einwegekraftübertragungseinrichtung,
wie beispielsweise eine Einwegekupplung, anstelle des Kurbelmechanismus 58 zwischen
der Welle 21 und der bewegbaren Spirale 53 vorgesehen
sein. Mit diesem Kurbelmechanismus 58 oder der Einwegekupplung
funktionieren die Drehung der Welle 21 und der Betrieb
des Wechselstromgenerators 8 gut, selbst wenn die Expansionsvorrichtung
nicht in Betrieb ist. Und der Energieverbrauch von dem Verbrennungsmotor
kann auf ein minimales Maß gedrückt werden.
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In
dem obigen Stromgeneratorbetrieb wird, wenn die von dem Verbrennungsmotor
zu sammelnde Abwärme
ausreichend hoch ist, das Kältemittelgas
des Clausius-Rankine-Kreises
L durch die Pumpe (nicht dargestellt) unter Druck gesetzt und das Hochdruckgas
wird der Expansionsvorrichtung 4 zugeführt, um diese zu betreiben.
Bis eine Drehzahl der Expansionsvorrichtung 4 eine Drehzahl
der Welle 21 erreicht, befindet sich die Expansionsvorrichtung durch
den Kurbelmechanismus 58 (oder die Einwegekupplung) im
Leerlauf, sodass die Drehung der Expansionsvorrichtung 4 für die Drehung
der Welle 21 kein Hindernis darstellt.
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Während des
obigen Betriebs wird keine Last auf die Expansionsvorrichtung 4 ausgeübt, und deshalb
wird die Drehzahl davon schnell auf die Drehzahl der Welle 21 steigen.
An diesem Punkt kommt der Kurbelmechanismus 58 (oder die
Einwegekupplung) aus dem Leerlauf, und die Welle 21 wird zusammen
mit der Expansionsvorrichtung 4 gedreht. Die Drehantriebskraft
von der Expansionsvorrichtung 4 wird demgemäß auf die
Welle 21 übertragen,
und die Expansionsvorrichtung 4 und die durch den Verbrennungsmotor
angetriebene Welle 21 teilen sich die Drehkraft für den Wechselstromgenerator 8,
um dadurch den Energieverbrauch von dem Verbrennungsmotor zu senken.
Obwohl in diesem Ausführungsbeispiel
die Expansionsvorrichtung des Spiraltyps verwendet wird, kann auch
ein anderer Typ der Expansionsvorrichtung benutzt werden, um den
gleichen Effekt zu erzielen.
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Leerlaufabschaltbetriebmodus
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Der
elektrische Energiebedarf existiert nicht nur während einer Leerlaufabschaltdauer
des Verbrennungsmotors, sondern auch während der Motorbetrieb in einer
anderen Situation gestoppt ist. Falls ein Mangel an elektrischer
Energie von der Batterie vorliegt, ist die Stromerzeugung notwendig
und deshalb wird in einem solchen Fall die Expansionsvorrichtung 4 betrieben,
um den Wechselstromgenerator 8 anzutreiben. Dieser Betrieb
ist möglich,
solange es eine ausreichende Menge an von dem Verbrennungsmotor
zu sammelnder Abwärme
gibt, ob der Verbrennungsmotor in Betrieb ist oder nicht.
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Da
die Einwegekupplung 61 zwischen der Riemenscheibe 6 und
der Welle 21 angeordnet ist, wird die Drehung der Welle 21 durch
die Expansionsvorrichtung 4 nicht durch die Riemenscheibe 6,
welche durch den Nicht-Betrieb des Verbrennungsmotors nicht gedreht
wird, beeinflusst.
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Mit
anderen Worten ist es möglich,
den Betrieb des Verbrennungsmotors zu stoppen, während die Stromerzeugung aufrecht
erhalten wird, um eine Reduzierung des Kraftstoffverbrauchsverhältnisses zu
erzielen. In diesem Betrieb kann der Wechselstromgenerator 8 durch
den Spannungsregler so betrieben werden, dass die minimale Menge
der notwendigen elektrischen Energie erzeugt wird, weil der Wechselstromgenerator 8 durch
die Drehantriebskraft nur von der Expansionsvorrichtung 4 angetrieben
wird.
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Betriebsmodus ohne Stromerzeugung
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Falls
die Batterie vollständig
geladen ist oder der Verbrennungsmotor mit seinem minimalen Kraftstoffverbrauchsverhältnis betrieben
werden sollte, kann der Betrieb des Wechselstromgenerators 8 durch
den Spannungsregler gestoppt werden. Auch in diesem Fall wird, wenn
es eine ausreichende Abwärme
von dem Verbrennungsmotor gibt, der Clausius-Rankine-Kreis L betrieben
und die Drehantriebskraft von der Expansionsvorrichtung 4 kann
durch die Welle 21, die Einwegekupplung 61, die
Riemenscheibe 6 und den Riemen auf den Verbrennungsmotor übertragen
werden, um den Lauf des Verbrennungsmotors zu unterstützen. Als
Ergebnis wird die Last auf den Verbrennungsmotor verringert und
der Motorbetrieb mit einem geringeren Kraftstoffverbrauch kann erzielt
werden.
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Wie
aus dem obigen sechsten Ausführungsbeispiel
verständlich,
ist die Expansionsvorrichtung 4 an dem Wechselstromgenerator
auf der der Riemenscheibe abgewandten Seite angebracht. Demgemäß kann der
Wechselstromgenerator gemeinsam für den Verbrennungsmotor (oder
ein Kraftfahrzeug) benutzt werden, ob die Expansionsvorrichtung
notwendig ist oder nicht. Die Expansionsvorrichtung 4 des
Spiraltyps wird hier verwendet, sodass die Welle 21 nicht
in die Expansionsvorrichtung 4 ragt, und dadurch kann man
einen kompakten und einfachen Aufbau für die Fluidmaschine erzielen.
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Da
der Kurbelmechanismus 58 zwischen der Weile 21 und
der Expansionsvorrichtung 4 angeordnet ist und der Radius
der Umlaufbewegung variiert werden kann, kann eine höhere Dichtwirkung
zwischen der festen und der bewegbaren Spirale erzielt werden und
die Last zum Antreiben der Expansionsvorrichtung während ihres
Nicht-Betriebs durch den Clausius-Rankine-Kreis kann minimiert werden.
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Da
der Wechselstromgenerator 8 als Motorzusatzgerät zwischen
der Riemenscheibe 6 und der Expansionsvorrichtung 4 angeordnet
ist, kann ein solcher Wechselstromgenerator mit einem allgemeinen
Aufbau hier verwendet werden und ein Strom von Kühlluft für den Wechselstromgenerator
wird durch die Expansionsvorrichtung 4 nicht beeinträchtigt.
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Weitere Ausführungsbeispiele
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In
den obigen Ausführungsbeispielen
werden die Kompressorvorrichtung und der Wechselstromgenerator als
Zusatzgeräte
benutzt, welche durch die Expansionsvorrichtung angetrieben werden.
Es ist jedoch auch möglich,
andere Geräte
wie beispielsweise eine Ölpumpe
für ein
Servolenkgerät, eine
Wasserpumpe zum Zirkulieren von Motorkühlwasser, ein viskoses Kupplungsgerät zum Erzeugen einer
Wärmeenergie
während
einer Aufwärmperiode bei
sehr niedriger Umgebungstemperatur, usw. zu verwenden. Die Fluidmaschine
gemäß der vorliegenden
Erfindung kann nicht nur für
das Kraftfahrzeug, sondern auch für eine Drehmaschine für einen
stationären
Verbrennungsmotor eines Klimasystems und dergleichen verwendet werden.