DE102004019668A1 - Wärmetauscher und diesen verwendendes kombiniertes Kreislaufsystem - Google Patents

Wärmetauscher und diesen verwendendes kombiniertes Kreislaufsystem Download PDF

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Abstract

Ein Kühler (2) für einen Dampfkompressions-Kühlkreis und ein Kondensator (12) für einen Rankine-Kreis sind integriert, um einen Wärmetauscher (30) zu bilden. Der Wärmetauscher enthält einen Kernabschnitt (33) zum Durchführen eines Wärmeaustausches und ist so angeordnet, dass er einen als Kühler benutzten ersten Funktionsabschnitt und einen als Kondensator benutzten zweiten Führungsabschnitt aufweist. Eine Funktionsverhältnis-Änderungseinheit (35-43) enthält ein Verstellelement, wie beispielsweise einen Kolben (35), das in einem Verteilerbehälter (34) des Wärmetauschers angeordnet ist, und verändert ein Verhältnis zwischen dem ersten Funktionsabschnitt und dem zweiten Funktionsabschnitt. Zum Beispiel teilt das Verstellelement einen Innendruck des Verteilerbehälters in zwei Raumteile, wenn sowohl der Dampfkompressions-Kühlkreis als auch der Rankine-Kreis betrieben werden, und trennt den Innenraum nicht, wenn nur einer des Dampfkompressions-Kühlkreises und des Rankine-Kreises betrieben wird.

Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmetauscher für ein kombiniertes Kreislaufsystem mit einem Dampfkompressions-Kühlkreis und einem Rankine-Kreis. Das kombinierte Kreislaufsystem wird geeigneterweise für eine Fahrzeug-Klimaanlage verwendet.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • In einer in dem japanischen Patent Nr. 2540738 beschriebenen Fahrzeug-Klimaanlage wird ein durch Abwärme eines Verbrennungsmotors (bezeichnet als Motor) erzeugter Überhitzungsdampf einem Kompressor zugeführt, und der Kompressor wird als Expansionsvorrichtung betrieben, sodass Energie aus der Abwärme rückgewonnen wird. Wenn ein Dampfkompressions-Kühlkreis im Sommer betrieben wird, wird der Kompressor nicht als Expansionsvorrichtung betrieben, und es kann keine Energie aus der Abwärme des Fahrzeugs rückgewonnen werden.
  • Im Gegensatz dazu ist in einem in der JP-A-55-99561 beschriebenen kombinierten Kreislaufsystem ein Rankine-Kreis zum Rückgewinnen von Energie aus Abwärme separat zu einem Dampfkompressions-Kühlkreis vorgesehen, und die in dem Rankine-Kreis rückgewonnene Energie wird einem Kompressor des Dampfkompressions-Kühlkreises zugeführt. Deshalb können der Rankine-Kreis und der Dampfkompressions-Kühlkreis gleichzeitig betrieben werden. In diesem Fall müssen jedoch ein Kühler (Kondensator) für den Dampfkompressions-Kühlkreis und ein Kondensator für den Rankine-Kreis vorgesehen sein, und ein großer Bauraum zum Montieren sowohl des Kühlers als auch des Kondensators ist erforderlich. Deshalb ist es für das kombinierte Kreislaufsystem schwierig, in einem kleinen Bauraum montiert zu werden.
  • Im Allgemeinen ist ein Kondensationsdruck in dem Rankine-Kreis höher als ein Druck des Hochdruck-Kältemittels in dem Dampfkompressions-Kühlkreis. Wenn der Kühler des Dampfkompressions-Kühlkreises und der Kondensator des Rankine-Kreises gemeinsam benutzt werden, während die gleiche Art Fluid als Kältemittel des Dampfkompressions-Kühlkreises als Zirkulationsfluid des Rankine-Kreises benutzt wird, steigt daher der Druck des Hochdruck-Kältemittels des Dampfkompressions-Kühlkreises, um den Kondensationsdruck des Rankine-Kreises zu erreichen. Deshalb wird ein Ausgabedruck des Kompressors erhöht, und ein Energieverbrauch in dem Kompressor steigt. Als Ergebnis ist der Wirkungsgrad des Dampfkompressions-Kühlkreises verschlechtert, und eine ausreichende Kühlleistung kann in dem Dampfkompressions-Kühlkreis nicht erzielt werden, wenn der Dampfkompressions-Kühlkreis als Fahrzgeug-Klimaanlage verwendet wird.
    •
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • In Anbetracht der oben beschriebenen Probleme ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das Einbauverhalten eines Wärmetauschers für ein kombiniertes Kreislaufsystem mit einem Dampfkompressions-Kühlkreis und einem Rankine-Kreis zu verbessern.
  • Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein kombiniertes Kreislaufsystem mit dem Wärmetauscher vorzusehen, bei welchem ein Energieverbrauch eines Kompressors eines Dampfkompressions-Kühlkreises effektiv reduziert werden kann, während die Leistung des Dampfkompressions-Kühlkreises verbessert werden kann.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung enthält ein Wärmetauscher für ein kombiniertes Kreislaufsystem mit einem Dampfkompressions-Kühlkreis und einem Rankine-Kreis einen Kernabschnitt, in welchem wenigstens ein Mittel eines Kältemittels in dem Dampfkompressions-Kühlkreis und eines Fluids in dem Rankine-Kreis strömt. Der Wärmetauscher ist so vorgesehen, dass er wenigstens einen Abschnitt eines als Kühler des Dampfkompressions-Kühlkreises verwendeten ersten Funktionsabschnitts und eines als Kondensator des Rankine-Kreises verwendeten zweiten Funktionsabschnitts aufweist. In dem Wärmetauscher ist eine Funktionsverhältnis-Änderungseinheit vorgesehen, um ein Verhältnis zwischen dem ersten Funktionsabschnitt und dem zweiten Funktionsabschnitt in dem Kernabschnitt zu verändern.
  • Wenn zum Beispiel sowohl der Dampfkompressions-Kühlkreis als auch der Rankine-Kreis betrieben werden, wird die Funktionsverhältnis-Änderungseinheit so betrieben, dass sie sowohl den ersten Funktionsabschnitt als auch den zweiten Funktionsabschnitt in dem Kernabschnitt aufweist. Wenn nur der Dampfkompressions-Kühlkreis betrieben wird, wird die Funktionsverhältnis-Änderungseinheit so betrieben, dass sie nur den ersten Funktionsabschnitt in dem Kernabschnitt aufweist. Außerdem wird, wenn nur der Rankine-Kreis betrieben wird, die Funktionsverhältnis-Änderungseinheit so betrieben, dass sie nur den zweiten Funktionsabschnitt in dem Kernabschnitt aufweist. In diesem Fall ist im Allgemeinen das in dem Rankine-Kreis verwendete Fluid das gleiche Material wie das Kältemittel.
  • Vorzugsweise enthält in dem Wärmetauscher der Kernabschnitt mehrere Rohre, durch welche wenigstens eines des Kältemittels und des Fluids strömt, und ein erster und ein zweiter Verteilerbehälter sind in einer Rohrlängsrichtung an zwei Stirnseiten jedes Rohrs so angeordnet, dass sie jeweils in einer Behälterlängsrichtung senkrecht zu der Rohrlängsrichtung verlaufen und mit den Rohren in Verbindung stehen. Ferner ist die Funktionsverhältnis-Änderungseinheit in jedem des ersten und des zweiten Verteilerbehälters angeordnet, um das Verhältnis zwischen dem ersten Funktionsabschnitt und dem zweiten Funktionsabschnitt in dem Kernabschnitt zu verändern.
  • Zum Beispiel enthält die Funktionsverhältnis-Änderungseinheit ein Verstellelement, das in einer Richtung senkrecht zu der Behälterlängsrichtung verschoben wird, um durch das Verstellelement zwischen einem ersten Fall, in welchem ein Innenraum jedes Verteilerbehälters in mehrere Raumteile geteilt ist, und einem zweiten Fall, in welchem der Innenraum jedes Verteilerbehälters ein einziger Verbindungsraum ohne Trennung ist, zu wechseln. Ferner verändert die Funktionsverhältnis-Änderungseinheit das Verhältnis zwischen dem ersten Funktionsabschnitt und dem zweiten Funktionsabschnitt in dem Kernabschnitt durch Wechseln zwischen dem ersten Fall und dem zweiten Fall.
  • Alternativ enthält die Funktionsverhältnis-Änderungseinheit einen Ventilkörper mit einem Durchgangsloch, der in jedem des ersten und des zweiten Verteilerbehälters angeordnet ist, und der Ventilkörper ist in jedem des ersten und des zweiten Verteilerbehälters angeordnet, um zwischen dem ersten Fall und dem zweiten Fall zu wechseln. Ferner verändert die Funktionsverhältnis-Änderungseinheit das Verhältnis zwischen dem ersten Funktionsabschnitt und dem zweiten Funktionsabschnitt in dem Kernabschnitt durch Wechseln zwischen dem ersten Fall und dem zweiten Fall.
  • Alternativ enthält die Funktionsverhältnis-Änderungseinheit einen Flügelventilkörper, der in jedem des ersten und des zweiten Verteilerbehälters angeordnet ist, und der Ventilkörper ist in jedem des ersten und des zweiten Verteilerbehälters angeordnet, um zwischen dem ersten Fall und dem zweiten Fall zu wechseln. Ferner verändert die Funktionsverhältnis-Änderungseinheit das Verhältnis zwischen dem ersten Funktionsabschnitt und dem zweiten Funktionsabschnitt in dem Kernabschnitt durch Wechseln zwischen dem ersten Fall und dem zweiten Fall.
  • Alternativ enthält die Funktionsverhältnis-Änderungseinheit ein Verstellelement, das in der Behälterlängsrichtung verschoben wird, um zwischen dem ersten Fall und dem zweiten Fall zu wechseln. Hierbei kann die Funktionsverhältnis-Änderungseinheit das Verhältnis zwischen dem ersten Funktionsabschnitt und dem zweiten Funktionsabschnitt in dem Kernabschnitt kontinuierlich verändern.
    •
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 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:
  • 1 eine schematische Darstellung eines kombinierten Kreislaufsystems mit einem Dampfkompressions-Kühlkreis und einem Rankine-Kreis gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 2A eine Vorderansicht eines für das kombinierte Kreislaufsystem verwendeten Wärmetauschers, wenn sowohl der Dampfkompressions-Kühlkreis als auch der Rankine-Kreis gleichzeitig betrieben werden, gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;
  • 2B eine vergrößerte Teilschnittansicht eines in 2A angegebenen Abschnitts A;
  • 3A eine Vorderansicht eines für das kombinierte Kreislaufsystem verwendeten Wärmetauschers, wenn nur der Dampfkompressions-Kühlkreis betrieben wird, gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;
  • 3B eine vergrößerte Teilschnittansicht eines in 3A angegebenen Abschnitts A;
  • 4A eine Vorderansicht des für das kombinierte Kreislaufsystem verwendeten Wärmetauschers, wenn nur der Rankine-Kreis betrieben wird, gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;
  • 4B eine vergrößerte Teilschnittansicht eines in 4A angegebenen Abschnitts A;
  • 5A eine Vorderansicht eines für ein kombiniertes Kreislaufsystem verwendeten Wärmetauschers, wenn sowohl der Dampfkompressions-Kühlkreis als auch der Rankine-Kreis gleichzeitig betrieben werden, gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 5B eine Teildraufsicht des Wärmetauschers in 5A;
  • 6 eine vergrößerte Teilschnittansicht eines Ausschnitts A in 5A;
  • 7A eine Vorderansicht des Wärmetauschers des kombinierten Kreislaufsystems, wenn nur der Dampfkompressions-Kühlkreis betrieben wird, gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel;
  • 7B eine Teildraufsicht des Wärmetauschers in 7A;
  • 8 eine vergrößerte Teilschnittansicht eines Ausschnitts A in 7A;
  • 9A eine Vorderansicht des Wärmetauschers des kombinierten Kreislaufsystems, wenn nur der Rankine-Kreis betrieben wird, gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel;
  • 9B eine Teildraufsicht des Wärmetauschers in 9A;
  • 10 eine vergrößerte Teilschnittansicht eines Ausschnitts A in 9A;
  • 11A eine Vorderansicht eines für ein kombiniertes Kreislaufsystem verwendeten Wärmetauschers, wenn ein Dampfkompressions-Kühlkreis und ein Rankine-Kreis gleichzeitig betrieben werden, gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 11B eine Teildraufsicht des Wärmetauschers in 11A;
  • 12 eine vergrößerte Teilschnittansicht eines Ausschnitts A in 11A;
  • 13A eine Vorderansicht des Wärmetauschers des kombinierten Kreislaufsystems, wenn nur der Dampfkompressions-Kühlkreis betrieben wird, gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel;
  • 13B eine Teildraufsicht des Wärmetauschers in 13A;
  • 14 eine vergrößerte Teilschnittansicht eines Ausschnitts A in 13A;
  • 15A eine Vorderansicht des Wärmetauschers des kombinierten Kreislaufsystems, wenn nur der Rankine-Kreis betrieben wird, gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel;
  • 15B eine Teildraufsicht des Wärmetauschers in 15A;
  • 16 eine vergrößerte Teilschnittansicht eines Ausschnitts A in 15A;
  • 17A eine Vorderansicht eines für ein kombiniertes Kreislaufsystem verwendeten Wärmetauschers, wenn ein Dampfkompressions-Kühlkreis und ein Rankine-Kreis gleichzeitig betrieben werden, gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 17B eine Teildraufsicht des Wärmetauschers in 17A;
  • 18 eine vergrößerte Teilschnittansicht eines Ausschnitts A in 17A;
  • 19A eine Vorderansicht des Wärmetauschers des kombinierten Kreislaufsystems, wenn nur der Dampfkompressions-Kühlkreis betrieben wird, gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel;
  • 19B eine vergrößerte Teilschnittansicht eines Ausschnitts A in 19A;
  • 20A eine Vorderansicht des Wärmetauschers des kombinierten Kreislaufsystems, wenn nur der Rankine-Kreis betrieben wird, gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel; und
  • 20B eine vergrößerte Schnittansicht eines Ausschnitts A in 20A.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE (Erstes Ausführungsbeispiel)
  • Das erste Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nun Bezug nehmend auf 1 – 4B beschrieben. Im ersten Ausführungsbeispiel wird ein Wärmetauscher der vorliegenden Erfindung typischerweise für ein kombiniertes Kreislaufsystem für ein Fahrzeug verwendet. 1 zeigt ein Fahrzeug-Klimaanlage, die das kombinierte Kreislaufsystem verwendet.
  • Ein Kompressor ist zum Ansaugen und Komprimieren eines Kältemittels vorgesehen. Ein Kühler 2 (Kondensator) ist ein Hochdruck-Wärmetauscher zum Kühlen des aus dem Kompressor 1 ausgegebenen Hochdruck-Kältemittels durch Abstrahlen von Wärme an die Atmosphäre. Weil in diesem Ausführungsbeispiel Freon (R134a) als Kältemittel verwendet wird, sinkt die Enthalpie des Kältemittels in dem Kühler 2, während das aus dem Kompressor 1 ausgegebene gasförmige Kältemittel in dem Kühler 2 kondensiert und verflüssigt wird.
  • Das aus dem Kühler 2 ausgegebene Kältemittel strömt in ein Auffanggefäß 3 (Gas/ Flüssigkeit-Trennvorrichtung) und wird in dem Auffanggefäß 3 in ein flüssiges Kältemittel und ein gasförmiges Kältemittel getrennt. Überschüssiges Kältemittel in dem Dampfkompressions-Kühlkreis wird in dem Auffanggefäß 3 gespeichert. Das von dem Auffanggefäß 3 zugeführte flüssige Hochdruck-Kältemittel wird in einem Expansionsventil 4 dekomprimiert. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Expansionsventil 4 ein Wärmeexpansionsventil, bei welchem ein Drosselöffnungsgrad des Expansionsventils 4 so gesteuert wird, dass ein Überhitzungsgrad des in den Kompressor 1 zu saugenden Kältemittels zu einem vorbestimmten Wert wird.
  • Ein Verdampfapparat 5 ist ein Niederdruck-Wärmetauscher, in welchem das in dem Expansionsventil 4 dekomprimierte Niederdruck-Kältemittel durch Durchführen eines Wärmeaustausches zwischen dem Niederdruck-Kältemittel und einer in einen Raum eines Fahrzeugs zu blasenden Luft verdampft wird. Deshalb wird die durch den Verdampfapparat 5 strömende Luft gekühlt und entfeuchtet.
  • In diesem Ausführungsbeispiel sind der Kompressor 1, der Kühler 2, das Auffanggefäß 3, das Expansionsventil 4 und der Verdampfapparat 5 verbunden, um den Dampfkompressions-Kühlkreis zu bilden, in welchem Wärme von einer Niedertemperaturseite zu einer Hochtemperaturseite übertragen wird.
  • Eine Heizvorrichtung 6 heizt die in den Raum des Fahrzeugs zu blasende Luft mittels heißen Wassers, das durch Abwärme in dem Fahrzeug erwärmt wird, als Wärmequelle. Zum Beispiel wird die Abwärme in dem Motor 20 erzeugt. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Heizvorrichtung 6 in einem Luftkanal stromab des Verdampfapparats 5 angeordnet. Ferner ist die Heizvorrichtung 6 in dem Luftkanal so angeordnet, dass ein Bypasskanal gebildet wird, durch welchen Luft aus dem Verdampfapparat 5 an der Heizvorrichtung 6 vorbei strömt. Eine Luftmischklappe 7 ist in dem Luftkanal angeordnet, um ein Verhältnis zwischen einer durch die Heizvorrichtung 6 strömenden Luftmenge und einer durch den Bypasskanal gelangenden Luftmenge einzustellen. Deshalb kann die Luftmischklappe 7 die Temperatur der in den Raum des Fahrzeugs zu blasenden Luft einstellen.
  • Als nächstes wird nun ein Rankine-Kreis beschrieben. Eine Expansionsvorrichtung 10 ist eine Energierückgewinnungsvorrichtung zum Rückgewinnen mechanischer Energie durch Ausdehnen eines dampfförmigen Überhitzungsfluids. In diesem Ausführungsbeispiel wird die in der Expansionsvorrichtung 10 rückgewonnene mechanische Energie durch eine Kraftübertragungsvorrichtung zum intermittierenden Über tragen von Kraft, wie beispielsweise einer elektromagnetischen Kupplung 11, zu dem Kompressor 1 übertragen.
  • Ein Kondensator 12 ist ein Kühler zum Kondensieren des dampfförmigen Fluids aus der Expansionsvorrichtung 10 durch Durchführen eines Wärmeaustausches zwischen dem dampfförmigen Fluid aus der Expansionsvorrichtung 10 und Außenluft. Ein Auffanggefäß 13 ist eine Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung, die das aus dem Kondensator 12 strömende Fluid in ein gasförmiges Fluid und ein flüssiges Fluid trennt und das flüssige Fluid darin als überschüssiges Fluid speichert.
  • Eine Pumpe 14 ist eine elektrische Pumpe zum Ansaugen des flüssigen Fluids aus dem Auffanggefäß 13 und zum Schicken des angesaugten flüssigen Fluids zu einer Heizeinheit 15. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Heizeinheit 15 eine Überhitzungserzeugungseinheit, in welcher das aus der Pumpe 14 ausgegebene Fluid erwärmt wird, um einen Überhitzungsdampf zu erzeugen. Im Allgemeinen heizt die Heizeinheit 15 das Fluid, um den Überhitzungsdampf zu erzeugen, mittels heißen Wassers, das durch die in dem Fahrzeug, wie beispielsweise in dem Motor 20, erzeugte Abwärme geheizt wird.
  • In diesem Ausführungsbeispiel bilden die Expansionsvorrichtung 10, der Kondensator 12, das Auffanggefäß 13, die Pumpe 14 und die Heizeinheit 15 den Rankine-Kreis zum Rückgewinnen von Energie aus der Abwärme. In diesem Beispiel von 1 sind der Kondensator 12 und der Kühler 2 integriert und das Kältemittel des Dampfkompressions-Kühlkreises kann in den Kondensator 12 strömen. Deshalb ist das Arbeitsfluid in dem Rankine-Kreis im Allgemeinen das gleiche Fluid wie das Kältemittel in dem Dampfkompressions-Kühlkreis.
  • Als nächstes wird ein Motorwasserkreis beschrieben. Ein Kühler 21 ist ein Wärmetauscher zum Kühlen des Motorkühlwassers durch Durchführen eines Wärmeaustausches zwischen dem aus dem Motor 20 strömenden Motorkühlwasser und Außenluft. Ein Thermostat 22 ist angeordnet, um die Temperatur des Motorkühlwassers, d.h. die Temperatur des Motors 20 einzustellen. Insbesondere stellt das Thermostat 22 eine in den Kühler 21 strömende Menge des Motorkühlwassers und eine an dem Kühler 21 vorbei strömende Menge des Motorkühlwassers ein, um so die Temperatur des Motors 20 einzustellen.
  • Eine Wasserpumpe 23 zum Zirkulieren des Motorkühlwassers in dem Motorwasserkreis wird durch die Kraft von dem Motor 20 angetrieben. Jedoch kann als Wasserpumpe 23 auch eine elektrische Pumpe verwendet werden.
  • Ein Ventil 24 ist ein Dreiwegeventil zum Wechseln zwischen einem Fall, in welchem das Hochtemperatur-Motorkühlwasser in die Heizeinheit 15 strömt, und einem Fall, in welchem das Hochtemperatur-Motorkühlwasser nicht in die Heizeinheit 15 strömt. Das Ventil 14 wird so betrieben, dass es elektrisch mit einem Betrieb der Pumpe 14 verbunden ist.
  • In diesem Ausführungsbeispiel sind der Kühler 2 und der Kondensator 12 integriert, um einen integrierten Wärmetauscher 30 zu bilden, wie in 1 und 2A dargestellt. Wie in 2A dargestellt, enthält der Wärmetauscher 30 einen Kernabschnitt 33 und zwei Verteilerbehälter 34, die an zwei Enden des Kernabschnitts 33 angeordnet sind. Der Kernabschnitt 33 enthält mehrere Rohre 31, durch welche das Kältemittel (Fluid) strömt, und Wellrippen 32, die mit den Außenseiten der Rohre 31 verbunden sind, um eine Wärmeübertragungsfläche mit der Luft zu vergrößern. Die Verteilerbehälter 34 verlaufen in einer Richtung senkrecht zu einer Längsrichtung der Rohre 31, um mit den Rohren 31 an zwei Längsenden jedes Rohres 31 in Verbindung zu stehen.
  • Zwei Einlassabschnitte 34a sind in einem Verteilerbehälter 34 an zwei Seiten in der Längsrichtung des Verteilerbehälters 34 vorgesehen. Zum Beispiel ist ein Einlassabschnitt 34a an einem etwa mittleren Abschnitt zwischen einem Längsende des Verteilerbehälters 34 und einer Mitte des Verteilerbehälters 34 in der Längsrichtung positioniert, und der andere Einlassabschnitt 34a ist an einem etwa mittleren Abschnitt zwischen dem anderen Längsende des Verteilerbehälters 34 und einer Mitte des Verteilerbehälters 34 in der Längsrichtung positioniert. Analog sind zwei Auslassabschnitte 34b in dem anderen Verteilerbehälter 34 an Stellen entsprechend den Positionen der Einlassabschnitte 34a in der Längsrichtung des Verteilerbehälters 34 vorgesehen. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Wärmetauscher 30 ein Mehrstromtyp.
  • Wie in 2B dargestellt, ist in dem Verteilerbehälter 34 an einem etwa mittleren Abschnitt des Verteilerbehälters 34 in der Längsrichtung des Verteilerbehälters 34 ein Kolben 35 so vorgesehen, dass er in einer Richtung senkrecht zu der Längsrichtung des Verteilerbehälters 34 verstellbar ist. Der Kolben 35 wird bewegt, um zwischen einem ersten Fall, in welchem ein Innenraum des Verteilerbehälters 34 in einen oberen und einen unteren Raumteil geteilt ist, und einem zweiten Fall, in dem die zwei Raumteile des Verteilerbehälters 34 nicht voneinander getrennt sind, zu wechseln. Im zweiten Fall ist der Innenraum des Verteilerbehälters 34 ein einziger Verbindungsraum. In diesem Ausführungsbeispiel wird der Kolben 35 durch ein elastisches Element, wie beispielsweise eine Schraubenfeder 36 und eine Erregerspule 37 verschoben.
  • Wenn die Erregerspule 37 abgeregt wird, wird der Kolben 35 durch die elastische Kraft der Schraubenfeder 36 zu dem Kernabschnitt 33 verschoben, um die zwei Raumteile des Verteilerbehälters 34 voneinander zu trennen. Wenn dagegen die Erregerspule 37 erregt wird, wird der Kolben 35 durch die elektromagnetische Kraft der Erregerspule 37 zu einer dem Kernabschnitt 33 abgewandten Seite verschoben, um die zwei Raumteile des Verteilerbehälters 34 miteinander zu verbinden. In diesem Ausführungsbeispiel kann der linke Verteilerbehälter 34 den gleichen Aufbau wie der rechte Verteilerbehälters 34 haben.
  • Als nächstes wird die Funktionsweise des kombinierten Kreislaufsystems mit dem Wärmetauscher 30 beschrieben. Hierbei ist das in dem Rankine-Kreis zirkulierende Fluid das gleiche Material wie das in dem Dampfkompressions-Kühlkreis zirkulierende Kältemittel.
  • Wenn sowohl der Dampfkompressions-Kühlkreis als auch der Rankine-Kreis gleichzeitig betrieben werden, wird die Erregerspule 37 abgeregt, sodass der Innenraum des Verteilerbehälters 34 in den oberen und den unteren Raumteil geteilt wird, wie in 2B dargestellt. In diesem Fall werden der Kompressor 1 und die Pumpe 14 betrieben, und das Hochtemperatur-Motorkühlwasser wird zu der Heizeinheit 15 zirkuliert.
  • Wenn sowohl der Dampfkompressions-Kühlkreis als auch der Rankine-Kreis betrieben werden, strömt demgemäß das aus dem Kompressor 1 ausgegebene Kälte mittel durch den unteren Raumteil des Verteilerbehälters 34 in eine etwa untere Hälfte des Kernabschnitts 33, und das aus der Expansionsvorrichtung 10 ausgegebene Kältemittel strömt durch eine etwa obere Hälfte des Kernabschnitts 33. In diesem Beispiel strömt das aus dem Kompressor 1 ausgegebene Kältemittel (Fluid) durch den unteren Raumteil des Verteilerbehälters 34 in die untere Hälfte des Kernabschnitts 33, und das aus der Expansionsvorrichtung 10 ausgegebene Kältemittel (Fluid) strömt durch die obere Hälfte des Kernabschnitts 33. Diese Anordnung der unteren Hälfte und der oberen Hälfte in dem Kernabschnitt 33 kann jedoch geändert werden. Zum Beispiel kann das aus dem Kompressor 1 ausgegebene Kältemittel durch den oberen Raumteil des Verteilerbehälters 34 in die obere Hälfte des Kernabschnitts 33 strömen, und das aus der Expansionsvorrichtung 10 ausgegebene Kältemittel kann in die untere Hälfte des Kernabschnitts 33 strömen.
  • Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ist, wenn sowohl der Dampfkompressions-Kühlkreis als auch der Rankine-Kreis betrieben werden, der Innenraum in jedem Verteilerbehälter 34 in den oberen Raumteil und den unteren Raumteil geteilt, sodass eine etwa Hälfte des Kernabschnitts 33 als Kühler 2 benutzt wird und die andere etwa Hälfte des Kernabschnitts 33 als Kondensator 12 benutzt wird. Somit zirkuliert im Dampfkompressions-Kühlkreis das Kältemittel in dieser Reihenfolge des Kompressors 1 → des Wärmetauschers 30 (Kühler 2) → des Auffanggefäßes 3 → des Expansionsventils 4 → des Verdamptapparats 5 → des Kompressors 1 . Deshalb wird das Kältemittel im Verdampfapparat 5 durch Aufnehmen von Wärme aus der in die Fahrgastzelle zu blasenden Luft verdampft, während die Wärme von dem in dem Verdampfapparat 5 verdampften gasförmigen Kältemittel in dem in dem Wärmetauscher 30 konstruierten Kühler 2 abgestrahlt wird. Im Gegensatz dazu wird im Rankine-Kreis der in der Heizeinheit 15 erzeugte Überhitzungskältemitteldampf in der Expansionsvorrichtung 10 isentropisch dekomprimiert und ausgedehnt, und eine mechanische Energie entsprechend der Expansionsenergie wird ausgegeben. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Ausgangswelle der Expansionsvorrichtung 10 mit einer Drehwelle des Kompressors 1 durch die elektromagnetische Kupplung 11 gekoppelt. Deshalb kann die in der Expansionsvorrichtung 10 rückgewonnene Energie dem Kompressor 1 zugeführt werden.
  • Der Kompressor 1 kann auch durch Kraft von dem Motor 20 durch die Kraftübertragungsvorrichtung zum intermittierenden Zuführen der Kraft von dem Motor betrieben werden. Daher wird, wenn eine notwendige Kühlleistung erzielt werden kann, während der Kompressor 1 nur unter Verwendung der von der Expansionsvorrichtung 10 rückgewonnenen Energie betrieben wird, eine Kraftzufuhr von dem Motor 20 zu dem Kompressor 1 gestoppt.
  • Wenn nur der Dampfkompressions-Kühlkreis betrieben wird, wird die Erregerspule erregt, sodass der obere und der untere Raumteil in jedem Verteilerbehälter 34 miteinander in Verbindung stehen. Ferner wird der Kompressor 1 betrieben, während die elektromagnetische Kupplung 11 getrennt ist. Deshalb strömt das von dem Kompressor 1 ausgegebene Hochdruck-Kältemittel in den gesamten Bereich des Kernabschnitts 33 des Wärmetauschers 30, und der gesamte Bereich des Kernabschnitts 33 des Wärmetauschers 30 wird im Dampfkompressions-Kühlkreis als Kühler 2 verwendet. So zirkuliert im Dampfkompressions-Kühlkreis das Kältemittel in dieser Reihenfolge des Kompressors 1 → des Wärmetauschers 30 (Kühler 2) → des Auffanggefäßes 3 → des Expansionsventils 4 → des Verdampfapparats 5 → des Kompressors 1. Deshalb wird das Kältemittel in dem Verdampfapparat durch Aufnehmen von Wärme aus in die Fahrgastzelle zu blasender Luft verdampft, während die Wärme von dem in dem Verdampfapparat 5 verdampften gasförmigen Kältemittel in dem in dem Wärmetauscher 30 aufgebauten Kühler 2 abgestrahlt wird.
  • Wenn nur der Rankine-Kreis betrieben wird, wird der Erregerspule 37 elektrische Energie zugeführt, sodass der obere und der untere Raumteil in jedem der Verteilerbehälter 34 miteinander in Verbindung stehen. Ferner wird die Pumpe 14 betrieben, während die elektromagnetische Kupplung 11 getrennt ist. So wird der gesamte Bereich des Kernabschnitts 33 des Wärmetauschers 30 als Kondensator 12 benutzt, und das aus der Expansionsvorrichtung 10 ausströmende Kältemittel strömt in etwa den gesamten Bereich des Kernabschnitts 33 des Wärmetauschers 30.
  • So wird im Rankine-Kreis der in der Heizeinheit 15 erzeugte Überhitzungskältemitteldampf (Fluiddampf) in der Expansionsvorrichtung 10 mit konstanter Entropie dekomprimiert und ausgedehnt, und mechanische Energie entsprechend der Expansionsenergie wird ausgegeben. Weil der Dampfkompressions-Kühlkreis gestoppt ist, kann die in der Expansionsvorrichtung 10 rückgewonnene Energie einem Generator zugeführt werden. In diesem Fall wird der Generator betrieben und die rückgewonnene Energie kann als elektrische Energie in einer Batterie gespeichert werden.
  • Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist eine Funktionsverhältnis-Änderungseinheit zum Verändern eines Verhältnisses zwischen einem ersten Funktionsabschnitt und einem zweiten Funktionsabschnitt in dem Kernabschnitt 33 des Wärmetauschers 30 mit dem Kolben 35, der Schraubenfeder 36 und der Erregerspule 37 aufgebaut. Hierbei ist der erste Funktionsabschnitt ein Abschnitt, der als Kühler 2 benutzt wird, in welchen das Hochdruck-Kältemittel aus dem Kompressor 1 strömt, und der zweite Funktionsabschnitt ist ein Abschnitt, der als Kondensator 12 benutzt wird, in welchen das dampfförmige Kältemittel nach der Expansion strömt. Weil das Verhältnis zwischen dem ersten Funktionsabschnitt und dem zweiten Funktionsabschnitt in dem Kernabschnitt 33 des Wärmetauschers 30 mittels der Funktionsverhältnis-Änderungseinheit verändert werden kann, ist es möglich, sowohl die Funktionen des Kühlers 2 als auch des Kondensators 12 in dem einzelnen Wärmetauscher 30 zu erzielen.
  • Ferner sind der Kühler 2 und der Kondensator 12 als ein Wärmetauscher 30 integriert, und das Verhältnis zwischen dem als Kühler 2 benutzten ersten Funktionsabschnitt und dem als Kondensator 12 benutzten zweiten Funktionsabschnitt kann durch Verstellen der Position des Kolbens 35 verändert werden. Deshalb kann ein Raum zum Einbauen des Kühlers 2 und des Kondensators 12 in dem Fahrzeug in dem kombinierten Kreislaufsystem effektiv reduziert werden.
  • Zusätzlich sind der als Kühler 2 benutzte erste Funktionsabschnitt und der als Kondensator 12 benutzte zweite Funktionsabschnitt voneinander in dem einen Wärmetauscher 30 getrennt. Deshalb kann ein Anstieg des Drucks des Hochdruck-Kältemittels des Dampfkompressions-Kühlkreises auf einen Kondensationsdruck in dem Rankine-Kreis verhindert werden, wodurch verhindert wird, dass der Druck in dem ersten Funktionsabschnitt und der Druck in dem zweiten Funktionsabschnitt gleich sind.
  • Als Ergebnis kann, selbst wenn der erste und der zweite Funktionsabschnitt beide als ein Wärmetauscher 30 integriert sind, ein Anstieg des Energieverbrauchs in dem Kompressor 1 durch einen Anstieg des Ausgabedrucks des Kompressors 1 ver hindert werden. Deshalb kann eine Verschlechterung des Wirkungsgrades (COP) im Dampfkompressions-Kühlkreis verhindert werden, und eine ausreichende Kühlleistung kann in dem Dampfkompressions-Kühlkreis erzielt werden.
  • (Zweites Ausführungsbeispiel)
  • Das zweite Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nun Bezug nehmend auf 5A bis 10 beschrieben. In dem oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel wird der Kolben 35 verschoben, um so zwischen einem Fall, in welchem der Innenraum des Verteilerbehälters 34 in mehrere Raumteile geteilt ist, und einem Fall, in welchem der Innenraum des Verteilerbehälters 34 nicht in mehrere Raumteile geteilt ist, zu wechseln. Im Gegensatz dazu ist im zweiten Ausführungsbeispiel, wie in 5A – 6 dargestellt, ein Kugelventilkörper 38 mit einem Durchgangsloch 38a in jedem Verteilerbehälter 34 so vorgesehen, dass er durch ein Stellglied 39 wie beispielsweise einen Servomotor und einen Schrittmotor in dem Verteilerbehälter 34 drehbar ist, um so den Fall, in welchem der Innenraum des Verteilerbehälters 34 in die mehreren Raumteile (z.B. zwei Raumteile) geteilt ist, oder den Fall, in welchem der Innenraum des Verteilerbehälters 34 nicht geteilt ist, zu schalten.
  • Wenn sowohl der Dampfkompressions-Kühlkreis als auch der Rankine-Kreis gleichzeitig betrieben werden, wird der Ventilkörper 38 so gedreht, dass eine Öffnungsrichtung des Durchgangslochs 38a etwa senkrecht zu der Längsrichtung des Verteilerbehälters 34 ist, sodass der Innenraum des Verteilerbehälters 34 in einen oberen und einen unteren Raumteil geteilt wird. Ferner werden der Kompressor 1 und die Pumpe 14 betrieben, sodass das Hochtemperatur-Motorkühlwasser in die Heizeinheit 15 zirkuliert wird.
  • Wenn sowohl der Dampfkompressions-Kühlkreis als auch der Rankine-Kreis betrieben werden, strömt demgemäß das aus dem Kompressor 1 ausgegebene Kältemittel (Fluid) durch den unteren Raumteil des Verteilerbehälters 34 in eine etwa untere Hälfte des Kernabschnitts 33, und das aus der Expansionsvorrichtung 10 ausgegebene Kältemittel (Fluid) strömt durch den oberen Raumteil des Verteilerbehälters 34 in eine etwa obere Hälfte des Kernabschnitts 33. In diesem Beispiel strömt das aus dem Kompressor 1 ausgegebene Kältemittel durch den unteren Raumteil des Verteilerbehälters 34 in die etwa untere Hälfte des Kernabschnitts 33, und das aus der Expansionsvorrichtung 10 ausgegebene Kältemittel strömt durch die etwa obere Hälfte des Kernabschnitts 33. Diese Anordnung der unteren Hälfte und der oberen Hälfte in dem Kernabschnitt 33 kann jedoch auch geändert werden. Zum Beispiel kann das aus dem Kompressor 1 ausgegebene Kältemittel auch durch den oberen Raumteil des Verteilerbehälters 34 in die obere Hälfte des Kernabschnitts 33 strömen, und das aus der Expansionsvorrichtung 10 ausgegebene Kältemittel kann durch den unteren Raumteil des Verteilerbehälters 34 in die untere Hälfte des Kernabschnitts 33 strömen.
  • Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ist, wenn sowohl der Dampfkompressions-Kühlkreis als auch der Rankine-Kreis betrieben werden, der Innenraum in jedem Verteilerbehälter 34 in den oberen Raumteil und den unteren Raumteil geteilt, sodass die etwa eine Hälfte des Kernabschnitts 33 als Kühler 2 benutzt wird und die etwa andere Hälfte des Kernabschnitts 33 als Kondensator 12 benutzt wird. So zirkuliert im Dampfkompressions-Kühlkreis das Kältemittel in dieser Reihenfolge des Kompressors 1 → des Wärmetauschers 30 (Kühler 2) → des Auffanggefäßes 3 → des Expansionsventils 4 → des Verdampfapparats 5 → des Kompressors 1 . Deshalb wird das Kältemittel in dem Verdampfapparat 5 durch Aufnehmen von Wärme aus in die Fahrgastzelle zu blasender Luft verdampft, während die Wärme von dem in dem Verdampfapparat 5 verdampften gasförmigen Kältemittel in dem in dem Wärmetauscher 30 aufgebauten Kühler 2 abgestrahlt wird.
  • Im Gegensatz dazu wird im Rankine-Kreis der in der Heizeinheit 15 erzeugte Überhitzungskältemitteldampf in der Expansionsvorrichtung 10 mit konstanter Entropie dekomprimiert und ausgedehnt, und mechanische Energie entsprechend der Expansionsenergie wird ausgegeben.
  • Als nächstes wird nun die Funktionsweise des kombinierten Kreislaufsystems in einem Fall beschrieben, in welchem nur der Dampfkompressions-Kühlkreis betrieben wird. Wenn nur der Dampfkompressions-Kühlkreis betrieben wird, ist, wie in 7A, 7B, 8 dargestellt, die Öffnungsrichtung des Durchgangslochs 38a in der Längsrichtung des Verteilerbehälters 34, sodass der obere und der untere Raumteil in jedem Verteilerbehälter 34 miteinander in Verbindung stehen. Ferner wird der Kompressor 1 betrieben, während die elektromagnetische Kupplung 11 getrennt ist. Deshalb strömt das aus dem Kompressor 1 ausgegebene Hochdruck-Kältemittel in etwa den gesamten Bereich des Kernabschnitts 33 des Wärmetauschers 30, und im Dampfkompressions-Kühlkreis wird der etwa gesamte Bereich des Kernabschnitts 33 des Wärmetauschers 30 als Kühler 2 benutzt.
  • So zirkuliert im Dampfkompressions-Kühlkreis das Kältemittel in dieser Reihenfolge des Kompressors 1 → des Wärmetauschers 30 (Kühler 2) → des Auffanggefäßes 3 → des Expansionsventils 4 → des Verdampfapparats 5 → des Kompressors 1.
  • Deshalb wird das Kältemittel in dem Verdampfapparat 5 durch Aufnehmen von Wärme aus in die Fahrgastzelle zu blasender Luft verdampft, während die Wärme von dem in dem Verdampfapparat 5 verdampften gasförmigen Kältemittel in dem in dem Wärmetauscher 30 aufgebauten Kühler 2 abgestrahlt wird. Deshalb kann die durch den Verdampfapparat 5 laufende Luft ausreichend gekühlt werden.
  • Als nächstes wird nun die Funktionsweise des kombinierten Kreislaufsystems in einem Fall beschrieben, in welchem nur der Rankine-Kreis betrieben wird. Wenn nur der Rankine-Kreis betrieben wird, wie in 9A, 9B, 10 dargestellt, ist die Öffnungsrichtung des Durchgangslochs 38a in der Längsrichtung des Verteilerbehälters 34 positioniert, sodass der obere und der untere Raumteil in jedem der Verteilerbehälter 34 miteinander in Verbindung stehen. Ferner wird die Pumpe 14 betrieben, während die elektromagnetische Kupplung 11 getrennt ist. Daher wird etwa der gesamte Bereich des Kernabschnitts 33 des Wärmetauschers 30 als Kondensator 12 benutzt, und das aus der Expansionsvorrichtung 10 ausströmende Kältemittel strömt in etwa den gesamten Bereich des Kernabschnitts 33 des Wärmetauschers 30.
  • Daher wird im Rankine-Kreis der in der Heizeinheit 15 erzeugte Überhitzungskältemitteldampf in der Expansionsvorrichtung 10 bei konstanter Entropie dekomprimiert und ausgedehnt und mechanische Energie entsprechend der Expansionsenergie kann rückgewonnen werden. Deshalb kann die Abwärme durch den Rankine-Kreis effektiv rückgewonnen werden.
  • (Drittes Ausführungsbeispiel)
  • Das dritte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nun Bezug nehmend auf 11A bis 16 beschrieben. In dem oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel wird der Kolben 35 verschoben, um so zwischen einem Fall, in welchem der Innenraum des Verteilerbehälters 34 in mehrere Raumteile geteilt ist, und einem Fall, in welchem der Innenraum des Verteilerbehälters 34 nicht geteilt ist, zu wechseln. Dagegen ist im dritten Ausführungsbeispiel, wie in 11A – 12 dargestellt, ein scheibenförmiger Flügelventilkörper 40 in jedem Verteilerbehälter 34 so angeordnet, dass er durch ein Stellglied 39 wie beispielsweise einen Servomotor und einen Schrittmotor gedreht wird, um so den Fall, in welchem der Innenraum des Verteilerbehälters 34 in die mehreren Raumteile (z.B. zwei Raumteile) geteilt ist, oder den Fall, in welchem der Innenraum des Verteilerbehälters 34 nicht geteilt ist, zu schalten.
  • Wenn sowohl der Dampfkompressions-Kühlkreis als auch der Rankine-Kreis gleichzeitig betrieben werden, wird der Ventilkörper 40 so gedreht, dass eine flache Oberfläche des Ventilkörpers 40 etwa senkrecht zu der Längsrichtung des Verteilerbehälters 34 ist, sodass der Innenraum des Verteilerbehälters 34 in einen oberen und einen unteren Raumteil geteilt ist. Ferner werden der Kompressor 1 und die Pumpe 14 so betrieben, dass das Hochtemperatur-Motorkühlwasser in die Heizeinheit 15 zirkuliert wird.
  • Wenn sowohl der Dampfkompressions-Kühlkreis als auch der Rankine-Kreis betrieben werden, strömt demgemäß das aus dem Kompressor 1 ausgegebene Kältemittel durch den unteren Raumteil des Verteilerbehälters 34 in eine etwa untere Hälfte des Kernabschnitts 33, und das aus der Expansionsvorrichtung 10 ausgegebene Kältemittel strömt durch den oberen Raumteil des Verteilerbehälters 34 in eine etwa obere Hälfte des Kernabschnitts 33. In diesem Beispiel strömt das aus dem Kompressor 1 ausgegebene Kältemittel durch den unteren Raumteil des Verteilerbehälters 34 in die untere Hälfte des Kernabschnitts 33, und das aus der Expansionsvorrichtung 10 ausgegebene Kältemittel strömt durch den oberen Raumteil des Verteilerbehälters 34 in die obere Hälfte des Kernabschnitts 33. Jedoch kann diese Anordnung der unteren Hälfte und der oberen Hälfte in dem Kernabschnitt 33 auch geändert werden. Zum Beispiel kann das aus dem Kompressor 1 ausgegebene Kältemittel durch den oberen Raumteil des Verteilerbehälters 34 in die obere Hälfte des Kernabschnitts 33 strömen, und das aus der Expansionsvorrichtung 10 ausgegebene Kältemittel kann in die untere Hälfte des Kernabschnitts 33 strömen.
  • Gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird, wenn sowohl des Dampfkompressions-Kühlkreis als auch der Rankine-Kreis betrieben werden, der Innenraum in jedem Verteilerbehälter 34 in den oberen Raumteil und den unteren Raumteil geteilt, sodass eine etwa Hälfte des Wärmetauschers 30 als Kühler 2 benutzt wird und die andere etwa Hälfte des Wärmetauschers 30 als Kondensator benutzt wird. So können sowohl der Dampfkompressions-Kühlkreis als auch der Rankine-Kreis unter Verwendung des einen Wärmetauschers 30 als Kühler 2 des Dampfkompressions-Kühlkreises und des Kondensators 12 des Rankine-Kreises betrieben werden.
  • Wenn nur der Dampfkompressions-Kühlkreis betrieben wird, wie in 13A, 13B, 14 dargestellt, ist die flache Oberfläche des Ventilkörpers 40 parallel zu der Längsrichtung des Verteilerbehälters 34, sodass der obere und der unter Raumteil in jedem Verteilerbehälter 34 miteinander in Verbindung stehen. Ferner wird der Kompressor 1 betrieben, während die elektromagnetische Kupplung 11 getrennt ist. Deshalb strömt das aus dem Kompressor 1 ausgegebene Hochdruck-Kältemittel in den gesamten Bereich des Kernabschnitts 33 des Wärmetauschers 30, und der gesamte Bereich des Kernabschnitts 33 des Wärmetauschers wird im Dampfkompressions-Kühlkreis als Kühler 2 verwendet. Als Ergebnis kann der Dampfkompressions-Kühlkreis unter Verwendung des gesamten Kernabschnitts 33 des Wärmetauschers 30 als Kühler 2 effektiv betrieben werden.
  • Wenn nur der Rankine-Kreis betrieben wird, wie in 15A, 15B, 16 dargestellt, ist die flache Oberfläche des Durchgangslochs 38a etwa parallel zu der Längsrichtung des Verteilerbehälters 34, sodass der obere und der untere Raumteil in jedem der Verteilbehälter 34 miteinander in Verbindung stehen. Ferner wird die Pumpe 14 betrieben, während die elektromagnetische Kupplung 11 getrennt ist. So wird der gesamte Bereich des Kernabschnitts 33 des Wärmetauschers 30 als Kondensator 12 benutzt, und das aus der Expansionsvorrichtung 10 ausströmende Kältemittel (Fluid) strömt in den gesamten Bereich des Kernabschnitts 33 des Wärmetauschers 30. Als Ergebnis kann der Rankine-Kreis unter Verwendung des gesamten Kernabschnitts 33 des Wärmetauschers 30 als Kondensator 12 effektiv betrieben werden.
  • (Viertes Ausführungsbeispiel)
  • Das vierte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nun Bezug nehmend auf 17A bis 20B beschrieben. In den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen wird etwa der gesamte Bereich des Kernabschnitts 33 nur als Kühler 2 oder Kondensator 12 benutzt, wenn der Dampfkompressions-Kühlkreis oder der Rankine-Kreis betrieben wird. Im Gegensatz dazu kann im vierten Ausführungsbeispiel ein Verhältnis zwischen einem als Kühler 2 benutzten ersten Funktionsabschnitt in dem Kernabschnitt 33 und einem als Kondensator 12 benutzten zweiten Funktionsabschnitt in dem Kernabschnitt 33 kontinuierlich von 0% bis 100% verändert werden.
  • Insbesondere ist, wie in 17A, 17B und 18 dargestellt, ein Permanentmagnet-Ventilkörper 41 in jedem Verteilerbehälter 34 so angeordnet, dass er in dem Verteilerbehälter 34 in der axialen Richtung bewegbar ist. Ferner umschließt ein kreisbogenförmiger Permanentmagnet 42 einen Teil des Ventilkörpers 41 von einer Außenseite des Verteilerbehälters 34, um den Ventilkörper 41 anzuziehen. Wenn der Permanentmagnet 42 in der Längsrichtung des Verteilerbehälters 34 verschoben wird, bewegt sich deshalb der Ventilkörper 41 in der Längsrichtung zusammen mit der Verschiebung des Permanentmagneten 42. Der Permanentmagnet 42 wird in der Längsrichtung des Verteilerbehälters 34 durch ein Stellglied 43 wie beispielsweise einen Motor verschoben. Deshalb ist die Funktionsverhältnis-Änderungseinheit aus dem Ventilkörper 41, dem Permanentmagnet 42 und dem Stellglied 43 aufgebaut. Hier kann der Innenraum des Verteilerbehälters 34 in mehrere Raumteile (z.B. zwei Raumteile in diesem Ausführungsbeispiel) geteilt werden, wenn der Ventilkörper 41 zwischen zwei Endabschnitten (dem oberen und dem unteren Endabschnitt in 17A) des Verteilerbehälters 34 in der Längsrichtung des Verteilerbehälters 34 positioniert wird. Wenn der Ventilkörper 41 an einem Endabschnitt des Verteilerbehälters 34 in der Längsrichtung des Verteilerbehälters 34 positioniert ist, ist der Innenraum des Verteilerbehälters 34 nicht geteilt und bildet einen einzigen Verbindungsraum.
  • Ferner sind in diesem Ausführungsbeispiel beide Einlassabschnitte 34a in einem Verteilerbehälter 34 an zwei Längsenden des Verteilerbehälters 34 vorgesehen, und beide Auslassabschnitte 34b sind in dem andern Verteilerbehälter 34 an zwei Längsenden des Verteilerbehälters 34 vorgesehen.
  • Im vierten Ausführungsbeispiel ist ein Kleinrad in dem Stellglied 43 vorgesehen, um mit einer an einer Außenwandfläche des Verteilerbehälters 34 vorgesehenen Zahnstange in Eingriff zu stehen, und es wird gedreht, sodass der Permanentmagnet 42 in der Längsrichtung des Verteilerbehälters 34 verschoben wird. Jedoch ist der Aufbau des Stellglieds 43 nicht hierauf beschränkt. Zum Beispiel kann das Stellglied 43 auch aus einem Linearmotor aufgebaut sein.
  • Als nächstes wird nun die Funktionsweise des kombinierten Kreislaufsystems gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben.
  • Wenn sowohl der Dampfkompressions-Kühlkreis als auch der Rankine-Kreis betrieben werden, wie in 17A und 18 dargestellt, wird der Innenraum in jedem Verteilerbehälter 34 an einer geeigneten Position (z.B, etwa mittlerer Position) in den oberen Raumteil und den unteren Raumteil geteilt, sodass ein oberer Teil des Kernabschnitts 33 als Kühler 2 benutzt wird und der andere Teil des Kernabschnitts 33 als Kondensator 12 benutzt wird. So können sowohl der Dampfkompressions-Kühlkreis als auch der Rankine-Kreis mittels des einen Wärmetauschers 30 als Kühler 2 des Dampfkompressions-Kühlkreises und des Kondensators 12 des Rankine-Kreises betrieben werden.
  • Ferner kann das Verhältnis zwischen dem als Kühler 2 benutzten ersten Funktionsabschnitt in dem Kernabschnitt 33 und dem als Kondensator 12 benutzten zweiten Funktionsabschnitt in dem Kernabschnitt 33 entsprechend einer Wärmelast des Dampfkompressions-Kühlkreises und einer in dem Rankine-Kreis rückzugewinnenden Energiemenge kontinuierlich verändert werden.
  • Wenn nur der Dampfkompressions-Kühlkreis betrieben wird, wie in 19A, 19B dargestellt, wird der Ventilkörper 41 zu einem Längsende des Verteilerbehälters 34 bewegt, sodass etwa der gesamte Kernabschnitt 33 als Kühler 2 benutzt wird. Ferner wird der Kompressor 1 betrieben, während die elektromagnetische Kupplung 11 getrennt ist. Deshalb strömt das von dem Kompressor 1 ausgegebene Hochdruck-Kältemittel in etwa den gesamten Bereich des Kernabschnitts 33 des Wärmetauschers 30, und der etwa gesamte Bereich des Kernabschnitts 33 des Wärmetauschers 30 wird im Dampfkompressions-Kühlkreis als Kühler 2 benutzt. Als Ergebnis kann der Dampfkompressions-Kühlkreis durch Benutzung des gesamten Kernabschnitts 33 des Wärmetauschers 30 als Kühler 2 effektiv betrieben werden.
  • Wenn nur der Rankine-Kreis betrieben wird, wie in 20A, 20B dargestellt, wird der Ventilkörper 41 zu dem anderen Längsende des Verteilerbehälters 34 bewegt, sodass etwa der gesamte Bereich des Kernabschnitts 33 als Kondensator 12 benutzt wird. Ferner wird die Pumpe 14 betrieben, während die elektromagnetische Kupplung 11 getrennt ist. So wird etwa der gesamte Bereich des Kernabschnitts 33 des Wärmetauschers 30 als Kondensator 12 benutzt, und das aus der Expansionsvorrichtung 10 ausströmende Kältemittel strömt in etwa den gesamten Bereich des Kernabschnitts 33 des Wärmetauschers 30. Als Ergebnis kann der Rankine-Kreis durch Benutzung etwa des gesamten Wärmetauschers 30 als Kondensator 12 effektiv betrieben werden.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung in Zusammenhang mit den bevorzugten Ausführungsbeispielen davon unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen vollständig beschrieben worden ist, ist anzumerken, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen für den Fachmann offensichtlich sein werden.
  • Zum Beispiel ist in den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen die vorliegende Erfindung typischerweise auf ein kombiniertes Kreislaufsystem für ein Fahrzeug angewendet, die vorliegende Erfindung kann jedoch auch auf andere Anwendungen angewendet werden
  • Ferner wird in den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen das Expansionsventil 4 zum Dekomprimieren des Kältemittels bei konstanter Enthalpie für den Dampfkompressions-Kühlkreis verwendet. Jedoch kann auch eine andere Dekompressionsvorrichtung, wie beispielsweise eine Ejektorpumpe, zum Dekomprimieren des Kältemittels mit konstanter Enthalpie in dem Dampfkompressions-Kühlkreis verwendet werden.
  • In den oben beschriebenen ersten bis dritten Ausführungsbeispielen ist die Funktionsverhältnis-Änderungseinheit in jedem der Verteilerbehälter 34 angeordnet. Jedoch kann die Funktionsverhältnis-Änderungseinheit auch nur in einem Verteilerbehälter vorgesehen sein.
  • Derartige Änderungen und Modifikationen liegen selbstverständlich im Schutzumfang der vorliegenden Erfindung, wie er durch die anhängenden Ansprüche definiert ist.

Claims (17)

  1. Wärmetauscher für ein kombiniertes Kreislaufsystem, das enthält: einen Dampfkompressions-Kühlkreis mit einem Kompressor (1) zum Komprimieren eines Kältemittels, einen Kühler (2) zum Kühlen des aus dem Kompressor ausgegebenen Hochdruck-Kältemittels und einem Verdampfapparat (5) zum Verdampfen des Niederdruck-Kältemittels nach der Dekomprimierung; und einen Rankine-Kreis, welcher Energie durch Ausdehnen eines dampfförmigen Überhitzungsfluids rückgewinnt und einen Kondensator (12) zum Kühlen und Kondensieren des dampfförmigen Fluids nach der Expansion aufweist, wobei der Wärmetauscher auf weist: einen Kernabschnitt (33), in welchem wenigstens eines des Kältemittels und des Fluids strömt, um einen Wärmeaustausch durchzuführen, wobei der Kernabschnitt mit wenigstens einem eines als Kühler benutzten ersten Funktionsabschnitts und eines als Kondensator benutzten zweiten Funktionsabschnitts versehen ist; und eine Funktionsverhältnis-Änderungseinheit (35–43), welche ein Verhältnis zwischen dem ersten Funktionsabschnitt und dem zweiten Funktionsabschnitt in dem Kernabschnitt verändert.
  2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, bei welchem das Fluid das gleiche Material wie das Kältemittel ist.
  3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem der Kernabschnitt mehrere Rohre (31) enthält, durch welche wenigstens eines des Kältemittels und des Fluids strömt, wobei der Wärmetauscher ferner einen ersten und einen zweiten Verteilerbehälter (341 aufweist, die jeweils an zwei Stirnseiten jedes Rohres in einer Rohrlängsrichtung angeordnet sind; jeder des ersten und des zweiten Verteilerbehälters in einer Behälterlängsrichtung senkrecht zu der Rohrlängsrichtung verläuft, um mit den Rohren in Verbindung zu stehen; und die Funktionsverhältnis-Änderungseinheit in jedem des ersten und des zweiten Verteilerbehälters angeordnet ist, um das Verhältnis zwischen dem ersten Funktionsabschnitt und dem zweiten Funktionsabschnitt in dem Kernabschnitt zu verändern.
  4. Wärmetauscher nach Anspruch 3, bei welchem die Funktionsverhältnis-Änderungseinheit ein Verstellelement (35–37) enthält, welches in einer Richtung senkrecht zu der Behälterlängsrichtung verschoben wird, um zwischen einem ersten Fall, in welchem ein Innenraum jedes Verteilerbehälters in mehrere Teilräume geteilt ist, und einem zweiten Fall, in dem der Innenraum jedes Verteilerbehälters ein einzelner Verbindungsraum ohne Trennung durch das Verstellelement ist, zu wechseln; und die Funktionsverhältnis-Änderungseinheit das Verhältnis zwischen dem ersten Funktionsabschnitt und dem zweiten Funktionsabschnitt in dem Kernabschnitt durch Wechseln zwischen dem ersten Fall und dem zweiten Fall verändert.
  5. Wärmetauscher nach Anspruch 3, bei welchem die Funktionsverhältnis-Änderungseinheit einen Ventilkörper (38) mit einem Durchgangsloch (38a) enthält, der in jedem des ersten und des zweiten Verteilerbehälters angeordnet ist; der Ventilkörper in jedem des ersten und des zweiten Verteilerbehälters angeordnet ist, um zwischen einem ersten Fall, in welchem ein Innenraum jedes Verteilerbehälters in mehrere Raumteile geteilt ist, und einen zweiten Fall, in dem der Innenraum jedes Verteilerbehälters ein einziger Verbindungsraum ohne Trennung ist, zu wechseln; und die Funktionsverhältnis-Änderungseinheit das Verhältnis zwischen dem ersten Funktionsabschnitt und dem zweiten Funktionsabschnitt in dem Kernabschnitt durch Wechseln zwischen dem ersten Fall und dem zweiten Fall verändert.
  6. Wärmetauscher nach Anspruch 3, bei welchem die Funktionsverhältnis-Änderungseinheit einen Flügelventilkörper (40) enthält, der in jedem des ersten und des zweiten Verteilerbehälters angeordnet ist; der Ventilkörper in jedem des ersten und des zweiten Verteilerbehälters angeordnet ist, um zwischen einem ersten Fall, in welchem ein Innenraum jedes Verteilerbehälters in mehrere Raumteile geteilt ist, und einem zweiten Fall, in welchem der Innenraum jedes Verteilerbehälters ein einziger Verbindungsraum ohne Trennung ist, zu wechseln; und die Funktionsverhältnis-Änderungseinheit das Verhältnis zwischen dem ersten Funktionsabschnitt und dem zweiten Funktionsabschnitt in dem Kernabschnitt durch Wechseln zwischen dem ersten Fall und dem zweiten Fall verändert.
  7. Wärmetauscher nach Anspruch 3, bei welchem die Funktionsverhältnis-Änderungseinheit ein Verstellelement (41, 42) enthält, welches in der Behälterlängsrichtung verschoben wird, um zwischen einem ersten Fall, in welchem ein Innenraum jedes Verteilerbehälters in mehrere Raumteile geteilt ist, und einem zweiten Fall, in welchem der Innenraum jedes Verteilerbehälters ein einziger Verbindungsraum ohne Trennung ist, zu wechseln; und die Funktionsverhältnis-Änderungseinheit das Verhältnis zwischen dem ersten Funktionsabschnitt und dem zweiten Funktionsabschnitt in dem Kernabschnitt durch Wechseln zwischen dem ersten Fall und dem zweiten Fall verändert.
  8. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem der Kernabschnitt mehrere Rohre (31) enthält, durch welche wenigstens eines des Kältemittels und des Fluids strömt; der Wärmetauscher ferner einen Verteilerbehälter (34) aufweist, der an einer Stirnseite jedes Rohres in einer Rohrlängsrichtung so angeordnet ist, dass er in einer Behälterlängsrichtung senkrecht zu der Rohrlängsrichtung verläuft, um mit den Rohren in Verbindung zu stehen; und die Funktionsverhältnis-Änderungseinheit in dem Verteilerbehälter angeordnet ist, um das Verhältnis zwischen dem ersten Funktionsabschnitt und dem zweiten Funktionsabschnitt in dem Kernabschnitt zu verändern.
  9. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei welchem die Funktionsverhältnis-Änderungseinheit das Verhältnis zwischen dem ersten Funktionsabschnitt und dem zweiten Funktionsabschnitt kontinuierlich verändert.
  10. Kombiniertes Kreislaufsystem, mit einem Dampfkompressions-Kühlkreis mit einem Kompressor (1) zum Komprimieren eines Fluids, einem Kühler (2) zum Kühlen eines von dem Kompressor ausgegebenen Hochdruck-Fluids und einem Verdampfapparat (5) zum Verdampfen eines Niederdruck-Fluids nach der Dekomprimierung; und einem Rankine-Kreis mit einer Expansionsvorrichtung (10), welche ein Überhitzungsfluid zum Rückgewinnen von Energie ausdehnt, und einem Kondensator (12) zum Kühlen und Kondensieren des aus der Expansionsvorrichtung strömenden Fluids; wobei der Kühler und der Kondensator integriert sind, um einen Wärmetauscher (30) mit einem Kernabschnitt (33) zu bilden, in welchem das Fluid strömt, um einen Wärmeaustausch durchzuführen, wobei der Wärmetauscher so aufgebaut ist, dass er wenigstens einen eines als Kühler benutzten ersten Funktionsabschnitts und eines als Kondensator benutzten zweiten Funktionsabschnitts aufweist; und wobei das kombinierte Kreislaufsystem ferner eine Funktionsverhältnis-Änderungseinheit (35–43) aufweist, die in dem Wärmetauscher vorgesehen ist, um ein Verhältnis zwischen dem ersten Funktionsabschnitt und dem zweiten Funktionsabschnitt in dem Kernabschnitt zu verändern.
  11. Kombiniertes Kreislaufsystem nach Anspruch 10, bei welchem der Kernabschnitt mehrere Rohre (31) enthält, durch welche das Fluid strömt; der Wärmetauscher ferner einen ersten und einen zweiten Verteilerbehälter enthält, die jeweils an zwei Stirnseiten jedes Rohres in einer Rohrlängsrichtung angeordnet sind; jeder des ersten und des zweiten Verteilerbehälters in einer Behälterlängsrichtung senkrecht zu der Rohrlängsrichtung verläuft, um mit den Rohren in Verbindung zu stehen; und die Funktionsverhältnis-Änderungseinheit in jedem des ersten und des zweiten Verteilerbehälters angeordnet ist, um das Verhältnis zwischen dem ersten Funktionsabschnitt und dem zweiten Funktionsabschnitt in dem Kernabschnitt zu verändern.
  12. Kombiniertes Kreislaufsystem nach Anspruch 11, bei welchem die Funktionsverhältnis-Änderungseinheit ein Verstellelement (35–37) enthält, welches in einer Richtung senkrecht zu der Behälterlängsrichtung verschoben wird, um zwischen einem ersten Fall, in welchem ein Innenraum jedes Ver teilerbehälters in mehrere Raumteile geteilt ist, und einem zweiten Fall, in dem der Innenraum jedes Verteilerbehälters ein einzelner Verbindungsraum ohne Trennung durch das Verstellelement ist, zu wechseln; und die Funktionsverhältnis-Änderungseinheit das Verhältnis zwischen dem ersten Funktionsabschnitt und dem zweiten Funktionsabschnitt in dem Kernabschnitt durch Wechseln zwischen dem ersten Fall und dem zweiten Fall verändert.
  13. Kombiniertes Kreislaufsystem nach Anspruch 11, bei welchem die Funktionsverhältnis-Änderungseinheit einen Ventilkörper (38) mit einem Durchgangsloch (38a) enthält, der in jedem des ersten und des zweiten Verteilerbehälters angeordnet ist; der Ventilkörper in jedem des ersten und des zweiten Verteilerbehälters angeordnet ist, um zwischen einem ersten Fall, in welchem ein Innenraum jedes Verteilerbehälters in mehrere Raumteile geteilt ist, und einem zweiten Fall, in welchem der Innenraum jedes Verteilerbehälters ein einziger Verbindungsraum ohne Trennung ist, zu wechseln; und die Funktionsverhältnis-Änderungseinheit das Verhältnis zwischen dem ersten Funktionsabschnitt und dem zweiten Funktionsabschnitt in dem Kernabschnitt durch Wechseln zwischen dem ersten Fall und dem zweiten Fall verändert.
  14. Wärmetauscher nach Anspruch 11, bei welchem die Funktionsverhältnis-Änderungseinheit einen Flügelventilkörper (40) enthält, der in jedem des ersten und des zweiten Verteilerbehälters angeordnet ist; der Ventilkörper in jedem des ersten und des zweiten Verteilerbehälters angeordnet ist, um zwischen einem ersten Fall, in welchem ein Innenraum jedes Verteilerbehälters in mehrere Raumteile geteilt ist, und einem zweiten Fall, in welchem der Innenraum jedes Verteilerbehälters ein einziger Verbindungsraum ohne Trennung ist, zu wechseln; und die Funktionsverhältnis-Änderungseinheit das Verhältnis zwischen dem ersten Funktionsabschnitt und dem zweiten Funktionsabschnitt in dem Kernabschnitt durch Wechseln zwischen dem ersten Fall und dem zweiten Fall verändert.
  15. Kombiniertes Kreislaufsystem nach Anspruch 11, bei welchem die Funktionsverhältnis-Änderungseinheit ein Verstellelement (41, 42) enthält, welches in der Behälterlängsrichtung verschoben wird, um zwischen einem ersten Fall, in welchem ein Innenraum jedes Verteilerbehälters in mehrere Raumteile geteilt ist, und einem zweiten Fall, in welchem der Innenraum jedes Verteilerbehälters ein einziger Verbindungsraum ohne Trennung ist, zu wechseln; und die Funktionsverhältnis-Änderungseinheit das Verhältnis zwischen dem ersten Funktionsabschnitt und dem zweiten Funktionsabschnitt in dem Kernabschnitt durch Wechseln zwischen dem ersten Fall und dem zweiten Fall verändert.
  16. Kombiniertes Kreislaufsystem nach einem der Ansprüche 10 bis 15, bei welchem wenn sowohl der Dampfkompressions-Kühlkreis als auch der Rankine-Kreis betrieben werden, die Funktionsverhältnis-Änderungseinheit so betrieben wird, dass sie sowohl den ersten Funktionsabschnitt als auch den zweiten Funktionsabschnitt in dem Kernabschnitt aufweist; wenn nur der Dampfkompressions-Kühlkreis betrieben wird, die Funktionsverhältnis-Änderungseinheit so betrieben wird, dass sie nur den ersten Funktionsabschnitt in dem Kernabschnitt aufweist; und wenn nur der Rankine-Kreis betrieben wird, die Funktionsverhältnis-Änderungseinheit so betrieben wird, dass sie nur den zweiten Funktionsabschnitt in dem Kernabschnitt aufweist.
  17. Kombiniertes Kreislaufsystem nach einem der Ansprüche 10 bis 16, bei welchem die Funktionsverhältnis-Änderungseinheit das Verhältnis zwischen dem ersten Funktionsabschnitt und dem zweiten Funktionsabschnitt entsprechend einer Wärmelast des Dampfkompressions-Kühlkreises und einer in dem Rankine-Kreis rückzugewinnenden Energiemenge kontinuierlich verändert.
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