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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Fluidmaschine zum Sammeln von Wärmeenergie aus einem Arbeitsfluid, beispielsweise Kältemittel, durch einen Rankine-Kreislauf, und zum Umsetzen der Wärmeenergie in mechanische Drehkraft, insbesondere eine Expansionseinrichtung zum Nutzen von Abwärme von einem Verbrennungsmotor.
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DE 33 01 304 A1 beschreibt eine Kühlanlage mit einem Kompressor in Spiralbauweise, der in einem Gehäuse drehbar gelagert und über eine Welle mit einem Elektromotor in dem Gehäuse angetrieben wird, das somit einen Kompressorabschnitt und einen Motorabschnitt aufweist. Der Kompressorabschnitt ist über ein Saugrohr an einen Kältekreis angeschlossen und der Motorabschnitt ist über ein Abgaberohr ebenfalls mit dem Kältekreis über ein Vierwegeventil verbunden. Durch einen Innenwärmetauscher und einen Außenwärmetauscher wird ein Wärmepumpen-Hauptkühlmittelkreis gebildet.
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EP 0 348 601 A2 beschreibt einen Kompressor in Spiralbauweise, der in der gleichen Weise wie bei der zuvor beschriebenen Bauform in einem Gehäuse mit einem Elektromotor angeordnet ist, das am Kompressionsabschnitt ein Anschlussrohr und am Motorabschnitt ein Anschlussrohr aufweist. Einen ähnlichen Aufbau zeigt
US 5,106,279 A .
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US 6,464,467 B2 sowie
US 4,971,529 A beschreibt einen Kompressor in Spiralbauweise mit zwei Spiralelementen an den gegenüberliegenden Enden einer Welle, auf der ein Elektromotor angeordnet ist.
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In einer Fluidmaschine gemäß dem Stand der Technik, die beispielsweise in der
japanischen (nicht geprüften) Patentschrift H6-159855 gezeigt ist, sind eine Expansionseinrichtung und eine Kompressoreinrichtung in einem einzigen hermetisch abgedichteten Gehäuse untergebracht und Wärmeenergie wird durch einen Rankine-Kreislauf gesammelt, um die gesammelte Energie in eine Drehantriebskraft durch die Expansionseinrichtung umzusetzen, wobei der Verdichter durch die Drehantriebskraft angetrieben wird, um einen Kältekreis zu betreiben.
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Die herkömmliche Fluidmaschine für die Expansions- und Verdichtungseinrichtungen benötigt eine große Anzahl von Bauteilen für den Rankine-Kreislauf, und diese Bauteile werden unabhängig bereitgestellt. In einer derartigen Fluidmaschine ist deshalb das Gesamtsystem für den Rankine-Kreislauf und den Kältekreislauf unvermeidlich kompliziert und benötigt viel Platz. Das herkömmliche System und die Fluidmaschine sind deshalb zur Verwendung für ein Kraftfahrzeug weniger geeignet.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht angesichts der vorstehend genannten Probleme darin, eine Fluidmaschine zu schaffen, die einen einfachen Aufbau sowie kompaktere Baugröße besitzt und eine Expansionseinrichtung, die mit ihrem maximalen Wirkungsgrad betrieben werden kann.
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Eine erfindungsgemäße Fluidmaschine weist eine Expansionseinrichtung zum Sammeln von Abwärme von einem Verbrennungsmotor und zum Umsetzen der gesammelten Wärmeenergie in mechanische Drehkraft auf, eine elektrische Dreheinrichtung, die selektiv als elektrischer Stromgenerator und als Elektromotor betrieben wird, und eine Pumpeneinrichtung zum unter Druck setzen von Kältemittel für den Rankine-Kreislauf, wobei diese Bauteile betriebsmäßig miteinander durch eine einzige Drehwelle verbunden sind. Beim Anfahren des Rankine-Kreislaufs wird die elektrische Dreheinrichtung in Gestalt des Elektromotors derart betätigt, dass die Pumpeneinrichtung angetrieben wird, um Hochdruckkältemittel unter Druck zu setzen und herauszupumpen. Sobald die Expansionseinrichtung ihren Betrieb startet, wird die elektrische Dreheinrichtung durch die Expansionseinrichtung in Drehung versetzt, weshalb die Betriebsart der elektrischen Dreheinrichtung in die Stromerzeugungsbetriebsart umgeschaltet wird. Die Expansionseinrichtung wird mit ihrem maximalen Wirkungsgrad in Bezug auf die Wärmeenergie betrieben, die in den Rankine-Kreislauf eingegeben wird, und zwar durch Steuern der Stromerzeugung mit bzw. in der elektrischen Dreheinrichtung.
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In Übereinstimmung mit einem weiteren Merkmal der Erfindung sind die Expansionseinrichtung, die elektrische Dreheinrichtung und die Pumpeneinrichtung in einem einzigen hermetisch abgedichteten Gehäuse untergebracht, um eine komplizierte Dichtungsstruktur sowie Elemente überflüssig zu machen, die anderweitig erforderlich wären, um die Welle gegenüber den jeweiligen Gehäusen abzudichten.
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In Übereinstimmung mit einem weiteren Merkmal der Erfindung ist die elektrische Dreheinrichtung indem Kältemittel angeordnet (d. h., mit diesem gefüllt), so dass eine elektrische Entladung zwischen den Bürsten und einem Kommutator unterdrückt wird, um die Standzeit der Bürsten zu verlängern.
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In Übereinstimmung mit einem weiteren Merkmal der Erfindung sind die Expansionseinrichtung, die elektrische Dreheinrichtung und die Pumpeneinrichtung vertikal angeordnet, und ein Einlass für das abgekühlte Kältemittel ist auf einer Oberseite der elektrischen Dreheinrichtung gebildet. Außerdem ist ein Tank in einem am weitesten unten liegenden Abschnitt der Fluidmaschine vorgesehen, um das Flüssigphasenkältemittel zu bevorraten. In Übereinstimmung mit diesen Merkmalen können die elektrische Dreheinrichtung und die Pumpeneinrichtung durch das Kältemittel abgekühlt werden, um ihren Wirkungsgrad zu verbessern, und die Pumpeneinrichtung kann wirksamer betrieben werden, weil eine Erzeugung von Gasbläschen unterbunden werden kann.
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In Übereinstimmung mit einem weiteren Merkmal der Erfindung ist die Schnecken- bzw. Spiralexpansionseinrichtung betriebsmäßig mit der Welle über dem Kurbelmechanismus derart verbunden, dass die Expansionseinrichtung für den Betrieb der Pumpeneinrichtung durch die elektrische Dreheinrichtung selbst dann kein Hindernis darstellt, wenn die Expansionseinrichtung nicht von selbst in Drehung versetzt ist.
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Wenn die Expansionseinrichtung betriebsmäßig mit der Welle über eine Einwegkupplung verbunden ist, kann dieselbe Wirkung erzielt werden.
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In Übereinstimmung mit einem weiteren Merkmal der Erfindung handelt es sich bei der elektrischen Dreheinrichtung um eine elektrische Gleichstrommaschine, deren Dreheinrichtungen sowohl für eine Betätigung als Elektromotor wie eine Betätigung als Stromgenerator bzw. Lichtmaschine gleich gemacht sind. Hierdurch kann ein stabiler Betrieb der Bürsten erzielt werden, d. h., ein Springen der Bürsten von dem Kommutator (herunter) während des Betriebs kann unterbunden werden.
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In Übereinstimmung mit einem weiteren Merkmal der Erfindung ist die Motoreinrichtung mit einer Steuereinheit und einer Batterie verbunden, so dass die Betriebsart der elektrischen Dreheinrichtung durch die Steuereinheit gesteuert wird und die Elektrizität, die in der elektrischen Dreheinrichtung erzeugt wird, in die Batterie geladen wird. Ferner wird die in der elektrischen Dreheinrichtung zur Erzeugung der Elektrizität in Reaktion auf die Wärmeenergie gesteuert, die in den Rankine-Kreislauf eingegeben wird, so dass die Expansionseinrichtung mit ihrem maximalen Wirkungsgrad betrieben werden kann.
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In Übereinstimmung mit einem weiteren Merkmal der Erfindung ist ein Durchsatz- bzw. Strömungssteuerventil auf einer stromaufwärtigen Seite der Heizeinrichtung des Rankine-Kreislaufs vorgesehen, so dass die Wärmeenergie, die in den Rankine-Kreislauf eingespeist wird, maximal gesteuert werden kann abhängig von der Temperatur des Arbeitsfluids (von heißem Wasser des Motorkühlwassers).
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In Übereinstimmung mit einem weiteren Merkmal der Erfindung umfasst die Expansionseinrichtung eine Expansionseinrichtung variabler Kapazität, so dass die Expansionseinrichtung mit ihrem maximalen Wirkungsgrad abhängig von der Wärmeenergie betrieben werden kann, die in den Rankine-Kreislauf eingespeist wird, und der elektrische Strom in der elektrischen Dreheinrichtung so erzeugt werden kann, dass die Anforderung an die elektrische Last erfüllt wird.
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In Übereinstimmung mit einem weiteren Merkmal der Erfindung ist die Fluidmaschine integral mit der Heizeinrichtung und/oder einem Kondensator zusammengebaut, um ein Gesamtsystem bereitzustellen, das einen noch einfacheren Aufbau und eine noch kleinere Baugröße aufweist.
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In Übereinstimmung mit einem weiteren Merkmal der Erfindung ist eine Verdichtereinrichtung für einen Kältekreislauf integral an der Fluidmaschine fest angebracht, so dass die Verdichtereinrichtung durch die Expansionseinrichtung angetrieben wird. Wenn die vorstehend genannte Fluidmaschine für ein Kraftfahrzeug verwendet wird, wird elektrischer Strom erzeugt und der Verdichter für eine Kraftfahrzeugklimaanlage wird betätigt unter Verwendung der Abwärme von einem Motor, wodurch das Kraftstoffverbrauchsverhältnis bzw. die Kraftstoffausbeute verbessert wird.
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Die vorstehend genannte sowie weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung erschließen sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung unter Bezug auf die anliegenden Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine Querschnittsansicht einer Fluidmaschine in Übereinstimmung mit einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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2 eine Querschnittsansicht entlang der Linie II-II in 1 unter Darstellung einer Expansionseinrichtung,
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3A eine perspektivische Ansicht eines Kurbelmechanismus,
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3B eine Vorderansicht einer in 3A gezeigten Welle,
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4 eine Vorderansicht des Kurbelmechanismus in Richtung eines Pfeils IV in 3A gesehen,
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5A und 5D Darstellungen zur Erläuterung einer Arbeitsweise des Kurbelmechanismus,
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6 ein schematisches Diagramm eines Rankine-Kreislaufs Ra und einer elektrischen Schaltung in Übereinstimmung mit einer zweiten Ausführungsform,
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7 ein schematisches Diagramm unter Darstellung eines Rankine-Kreislaufs Ra und einer Durchsatzsteuereinrichtung in Übereinstimmung mit einer dritten Ausführungsform,
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8A und 9A Vorderansichten von Schnecken bzw. Spiralen für eine variable Kapazitätsexpansionseinrichtung,
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8B und 9B Querschnittsansichten entlang den Linien VIIIB-VIIIB in 8A und IXB-IXB in 9Al
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10A und 10B Vorderansichten von Schnecken bzw. Spiralen der Expansionseinrichtung zur Erläuterung der Arbeitsweise einer Kapazitätsveränderung,
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11 ein schematisches Diagramm der Fluidmaschine in Übereinstimmung mit einer fünften Ausführungsform,
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12 ein schematisches Diagramm einer Modifikation der in 11 gezeigten Fluidmaschine,
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13 ein schematisches Diagramm unter Darstellung der Fluidmaschine in Übereinstimmung mit einer sechsten Ausführungsform,
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14A eine Querschnittsansicht einer Expansionseinrichtung entlang einer Linie XIVA-XIVA in 13,
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14B eine Vorderansicht einer vorderen Seitenplatte der Expansionseinrichtung,
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15A bis 15D Querschnittsansichten der Expansionseinrichtung zur Erläuterung ihrer Arbeitsweise,
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16 eine Vorderansicht einer vorderen Seitenplatte, wenn die in 14A gezeigte Expansionseinrichtung in eine Expansionseinrichtung variabler Kapazität geändert wird,
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17A bis 17D Querschnittsansichten der Expansionseinrichtung von 16 zur Erläuterung ihrer Arbeitsweise, und
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18A bis 18D Querschnittsansichten der Expansionseinrichtung von 16 zur Erläuterung der Arbeitsweise ihrer Kapazitätsveränderung.
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(Erste Ausführungsform)
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Eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nunmehr unter Bezug auf 1 bis 5 erläutert. Eine Fluidmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung kommt beispielsweise für ein Kraftfahrzeug zum Einsatz und besteht aus einer Expansionseinrichtung 4, einer Pumpeneinrichtung 1 und einer elektrischen Dreheinrichtung 3 (auch als Elektromotor- bzw. Motoreinrichtung bezeichnet). Die Expansionseinrichtung 4 setzt die Wärmeenergie des Rankine-Kreislaufs Ra in eine Drehantriebskraft um, die Pumpeneinrichtung 1 wird durch die Expansionseinrichtung 4 betätigt, um Arbeitsfluid in dem Rankine-Kreislauf Ra unter Druck zu setzen, und die Motoreinrichtung 3 erzeugt eine Drehantriebskraft. Eine einzige Welle 21 wird gemeinsam für die Expansionseinrichtung 4, die Pumpeneinrichtung 1 und die Motoreinrichtung 3 verwendet. Es erübrigt sich, darauf hinzuweisen, dass jeweilige Wellen miteinander für die Expansionseinrichtung 4, die Pumpeneinrichtung 1 und die Motoreinrichtung 3 integral verbunden werden können.
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Der Rankine-Kreislauf Ra besteht aus der Pumpeneinrichtung 1 zum unter Druck setzen und Umwälzen des Arbeitsfluids (Kältemittel), einer Heizeinrichtung 2 mit einem Heißwasserdurchlass 2a, durch den heißes Wasser des Motorkühlwassers strömt, und einem Kältemitteldurchlass 2b, durch den das Kältemittel strömt, wobei die Heizeinrichtung 2 das Flüssigphasenkältemittel durch die Wärme des heißen Wassers von einem Motor (einer Wärmeerzeugungseinrichtung) erwärmt und verdampft, der Expansionseinrichtung 4 zum Expandieren von Hochdruckkältemittel zur Erzeugung von Drehkraft, und einem Kondensator 5 zum Abkühlen und Kondensieren des Kältemittels. Diese Bestandteile für den Rankine-Kreislauf Ra sind miteinander durch Rohre verbunden, um einen geschlossenen Kreislauf für das Kältemittel zu bilden.
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Die Expansionseinrichtung 4, die Pumpeneinrichtung 1 und die Motoreinrichtung 3 sind in einem einzigen hermetisch abgedichteten (oder als eine Einheit integriertem) Gehäuse untergebracht, durch das das Kältemittel strömt. Das Gehäuse besteht in Übereinstimmung mit dieser Ausführungsform aus einem Tankabschnitt 16 zur Aufnahme von Flüssigphasenkältemittel, einem Zylinderblock 17, einem Pumpengehäuse 18, einer Ventilplatte 19, einem Joch 31, einer Tragplatte 33, einem Expansionseinrichtungsgehäuse 52 und Dichtungselementen, wie etwa O-Ringen, wobei die vorstehend genannten Bauteile miteinander durch (nicht gezeigte) Durchgangsbolzen verbunden sind, um das einzige hermetisch abgedichtete Gehäuse zu bilden.
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In der Fluidmaschine gemäß dieser Ausführungsform ist die Pumpeneinrichtung 1 auf einer unteren Seite der Motoreinrichtung 3 (in der Expansionseinrichtung 4) in vertikaler Richtung angeordnet. Eine Einlassöffnung 36, durch die das Flüssigphasenkältemittel, das in dem Kondensator 5 kondensiert wurde, in das Gehäuse strömt, ist auf einer Oberseite der Motoreinrichtung 3 angeordnet. Der Tankabschnitt 16 ist am am weitesten unten liegenden Ende der Fluidmaschine derart gebildet, dass das Flüssigphasenkältemittel in diesem Tankabschnitt zu Beginn des Betriebs der Fluidmaschine bevorratet bzw. gehalten wird.
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Die Expansionseinrichtung 4 wird nunmehr unter Bezug auf 1 bis 5 näher erläutert. Die Expansionseinrichtung 4 ist eine so genannte Spiral- bzw. Schneckenexpansionseinrichtung und umfasst eine feststehende Schnecke bzw. Spirale 52b und eine bewegliche Schnecke bzw. Spirale 53, wobei ein Paar von Schneckenwindungen bzw. -hüllen der feststehenden und beweglichen Schnecken miteinander im Eingriff stehen, um mehrere Arbeitskammern zwischen den benachbarten Schneckenwindungen zu bilden. Das Hochdruckkältemittel strömt in die Expansionseinrichtung 4 durch eine Ansaugöffnung 52a, die in einem zentralen Abschnitt des Expansionseinrichtungsgehäuses 52 gebildet ist, und es wird innerhalb der Arbeitskammern expandiert. Die bewegliche Schnecke 53 wird (in einer Umlaufbewegungsbahn) durch diese Expansionsenergie in Drehung versetzt und das Kältemittel strömt aus der Expansionseinrichtung 4 über eine Austragöffnung 52d durch einen Austragdurchlass 52c.
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Die Expansionseinrichtung 4 ist betriebsmäßig mit einem Ende der Welle 51 durch einen Kurbelmechanismus 58 verbunden, um die Drehkraft von der Expansionseinrichtung 4 auf die Welle 21 zu übertragen. Der Kurbelmechanismus 58 variiert einen Radius der Umlaufbewegung der beweglichen Schnecke 53 mittels der Antriebskraft von der Expansionseinrichtung 4. 3A zeigt eine perspektivische Ansicht des Kurbelmechanismus 58 und 4 zeigt eine Vorderansicht des Kurbelmechanismus in Richtung eines Pfeils IV in 3A betrachtet. Wie in den Zeichnungen gezeigt, ist ein Keilabschnitt 21a auf einem Ende der Welle 21 gebildet und greift in eine Nut 55a ein, die in einer Buchse 55 gebildet ist. Der Keilabschnitt 21a ist an dem Ende der Welle 21 derart gebildet, dass eine Längsmittenlinie des Keilabschnitts 21a in Richtung auf eine Drehrichtung der Welle 21 um einen Winkel θ relativ zu einer Linie geneigt ist, die die Mitte der Welle 21 durchsetzt, wie in 3B und 4 gezeigt.
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Die Längserstreckung der Nut 55a ist länger als die Längserstreckung des Keilabschnitts 21a, so dass der Keilabschnitt 21a in seiner Längsrichtung relativ zur Nut 55a beweglich ist. Eine Bewegungsdistanz bzw. -strecke des Keilabschnitts 21a in der Nut ist kleiner als eine Distanz bzw. Strecke zwischen den Spiralwindungen der feststehenden und beweglichen Schnecken bzw. Spiralen 52 und 53 in einer Linie, die das Zentrum der Buchse 55 durchsetzt.
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Die Breite der Nut 55a ist geringfügig größer ausgebildet als die Breite des Keilabschnitts 21a, so dass der Keilabschnitt 21a in der Nut 55a in seiner Längsrichtung beweglich ist. Ein Ausgleichsgewicht 56 ist auf der Buchse 55 gebildet, um eine Zentrifugalkraft der beweglichen Schnecke 53 aufzuheben, die während ihrer Umlaufbewegung auftritt.
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5A und 5B zeigen die Arbeitenweise des Kurbelmechanismus 58, in dem der Radius der Umlaufbahn der beweglichen Schnecke 53 verändert wird. Wenn in 5A die Expansionseinrichtung 4 betätigt ist und dadurch eine Antriebskraft F1 an die Buchse 55 angelegt ist, wird eine Kraftkomponente F1θ erzeugt, um die Buchse 55 in Längsrichtung der Nut 55a in Aufwärtsrichtung zu schieben. Hierdurch wird eine Distanz zwischen dem Zentrum der Welle 21 und dem Zentrum der Buchse 55, d. h. ein Radius (R1), der Umlaufbewegung der beweglichen Schnecke 53 vergrößert.
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Wenn andererseits, und wie in
5B gezeigt, die Expansionseinrichtung
4 leer läuft und dadurch eine Widerstandskraft F2 für den Leerlauf an die Buchse
55 angelegt ist, wird eine Kraftkomponente F2θ erzeugt, um die Buchse
55 in Längsrichtung der Nut
55a nach unten zu ziehen. Hierdurch wird die Distanz zwischen den Zentren der Welle und der Buchse, d. h. der Radius (R2), der Umlaufbewegung reduziert. Die Arbeitsweise des Kurbelmechanismus ist im Stand der Technik beispielsweise im
japanischen Patent Nr. 2687873 näher erläutert.
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(Startbetriebsart)
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Wenn der Rankine-Kreislauf Ra gestartet wird, wird der Motoreinrichtung 3 elektrischer Strom von einer externen Stromquelle (nicht gezeigt) zugeführt. Die Motoreinrichtung 3 umfasst einen Stator 34, der auf einer Innenseite des Jochs 31 angeordnet ist, und einen Rotor 35, der durch ein Paar von Tragplatten 32 und 33 drehbar getragen ist. Wenn die Motoreinrichtung 3 damit beginnt, sich zu drehen, starten die Pumpeneinrichtung 1, die die Welle 21 aufweist, die gemeinsam für die Motoreinrichtung 3 genutzt wird, ihre Arbeitsweise.
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Wenn die Welle 21 gedreht wird, wird eine Zuführpumpe 15, die mit der Motoreinrichtung 3 über die gemeinsame Welle 21 verbunden ist, ebenfalls in Drehung versetzt, und das Flüssigphasenkältemittel, das in dem Tank 16 enthalten ist, wird in die Zuführpumpe 15 gesaugt und einem Ansaugdurchlass 17a zugeführt. Da vorliegend eine Trochoid-Zuführpumpe verwendet wird, wird das Flüssigphasenkältemittel sicher angesaugt und einem Kolben 13 zugeführt, und zwar selbst, wenn einige Gasbläschen in dem Flüssigphasenkältemittel enthalten sind.
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Ein Kurbelstift 11 ist an der Welle 21 derart gebildet, dass der Kurbelstift 11 in einer Kurbelbewegung bewegt wird, wenn die Welle 21 in Drehung versetzt ist. Ein Lager 12 ist auf einer Außenseite des Kurbelstifts 11 vorgesehen und wird in der Kurbelbewegung zusammen mit dem Kurbelstift 11 bewegt. Ein Sitzabschnitt 13a des Kolbens 13 sitzt auf einer äußeren Laufbahn des Trägers 12, so dass die Kurbelbewegung des Kurbelstifts 11 in eine hin und her laufende Bewegung des Kolbens 13 umgesetzt wird. Eine Feder 20 ist zwischen dem Sitzabschnitt 13a und dem Zylinderblock 17 vorgesehen, um den Kolben 13 in Richtung auf das Lager 12 zu drängen bzw. vorzuspannen.
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Durch die hin und her laufende Bewegung des Kolbens 13 wird Flüssigphasenkältemittel in eine Pumpenkammer der Pumpeneinrichtung 1 gesaugt und aus dieser herausgepumpt. Der Kolben 13 ist hin- und herlaufend in einer zylindrischen Bohrung 17b angeordnet, die in dem Zylinderblock 17 gebildet ist, um darin die Pumpenkammer zu bilden. Wenn der Kolben 13 nach links bewegt wird, wird die Pumpenkammer vergrößert, um das Flüssigphasenkältemittel in die Kammer zu saugen durch Öffnen eines Rückschlagventils 14, das in dem Ansaugdurchlass 17a vorgesehen ist. Wenn der Kolben 13 nach rechts bewegt wird, wird das Flüssigphasenkältemittel unter Druck gesetzt, um das Rückschlagventil 14 zu schließen und daraufhin aus der Heizeinrichtung 2 durch eine Herauspumpöffnung 17c gepumpt.
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Das unter Druck gesetzte Flüssigphasenkältemittel wird in der Heizeinrichtung 2 durch die Wärmeenergie von dem Motorkühlwasser verdampft und überhitztes Gasphasenkältemittel wird in die Expansionseinrichtung 4 durch die Ansaugöffnung 52a zugeführt. Das in die Expansionseinrichtung 4 zugeführte Gasphasenkältemittel wird daraufhin expandiert, um die bewegliche Schnecke 53 zu bewegen. Während einer Anlaufperiode gibt die Expansionseinrichtung 4 jedoch nicht ausreichend Antriebskraft ab, um die Welle 21 anzutreiben, weshalb die bewegliche Schnecke 53 durch die Drehung der Welle 21 mitgeschleppt wird, die durch die Motoreinrichtung 3 in Drehung versetzt ist, anstatt durch die Expansionsenergie des Kältemittels.
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Da der Kurbelmechanismus 58 zwischen der Welle 21 und der beweglichen Schnecke 53 vorgesehen ist, wird der Radius der Umlaufbewegung der beweglichen Schnecke 53 in verringerter Position gehalten, es sei denn, die Expansionseinrichtung 4 erzeugt ausreichend Antriebskraft, um die Welle 21 anzutreiben. Wenn der Radius der Umlaufbewegung auf seiner reduzierten Position gehalten wird, ist ein Spalt zwischen den benachbarten Schneckenwindungen der feststehenden und beweglichen Schnecken gebildet. Selbst dann, wenn die bewegliche Schnecke 53 durch die Motoreinrichtung 3 in Drehung versetzt ist, führt in dieser Situation die Expansionseinrichtung 4 keinerlei Fluidarbeiten durch, weshalb der Verbrauch an Antriebskraft für die bewegliche Schnecke 53 sehr gering ist.
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Falls der vorstehend genannte Leerlauf der beweglichen Schnecke 53 vermieden werden soll, kann eine Kraftübertragungssteuereinrichtung, beispielsweise eine Einwegkupplung, zwischen der Welle 21 und der beweglichen Schnecke anstelle des Kurbelmechanismus 58 vorgesehen sein. Bis die Expansionseinrichtung ausreichend Antriebskraft durch die Expansion des Kältemittels erzeugt, läuft die Expansionseinrichtung (die beweglichen Schnecke) leer auf Grund des Kurbelmechanismus 58 (bzw. der Einwegkupplung), und die Drehung der Motoreinrichtung 3 wird nicht beeinflusst bzw. beeinträchtigt.
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Wenn die Expansionsenergie in der Expansionseinrichtung 4 groß genug wird, um die Welle 21 anzutreiben, wird die Zufuhr des elektrischen Stroms zu der Motoreinrichtung 3 unterbrochen und der Betrieb der Pumpeneinrichtung 1 wird fortgesetzt durch die Antriebskraft, die in der Expansionseinrichtung 4 erzeugt wird. Zu diesem Zeitpunkt verlässt die bewegliche Schnecke 53 den Leerlaufzustand und die Welle 21 wird durch die Expansionseinrichtung 4 angetrieben. Die Pumpeneinrichtung 1 wird dadurch durch die Expansionseinrichtung 4 über die Welle 21 betätigt und die Expansionseinrichtung 4 wird so lange kontinuierlich betätigt, wie die Wärmeenergie dem Rankine-Kreislauf Ra zugeführt wird.
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(Stromerzeugungsbetriebsart)
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Sobald die Expansionseinrichtung 4 mit ihrem Betrieb startet, werden die Pumpeneinrichtung 1 und die Welle 21 durch die Expansionseinrichtung 4 angetrieben. In diesem Betriebsablauf wird die Motoreinrichtung 3 ebenfalls durch die Welle 21 in Drehung versetzt. Die elektrische Stromzufuhr zu der Motoreinrichtung 3 wird unterbrochen und daraufhin wird die Motoreinrichtung 3 als elektrischer Stromgenerator betrieben.
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Der in der Motoreinrichtung 3 erzeugte elektrische Strom kann anderen elektrischen Einrichtungen (elektrischen Lasten) zugeführt oder in eine Batterie geladen werden. Die Motoreinrichtung 3 besteht aus einem Gleichstrommotor, in dem die Welle 21 in derselben Richtung in beiden Fällen, nämlich im Fall der Erzeugung von Drehkraft als Motor und der Erzeugung von elektrischem Strom als Generator.
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Die kennzeichnenden Merkmale der vorstehend genannten Ausführungsform werden nunmehr erläutert. Der Rankine-Kreislauf umfasst die Pumpeneinrichtung 1 zum unter Druck setzen des Kältemittels, die Heizeinrichtung 2 zum Heizen und Verdampfen des Flüssigphasenkältemittels durch Wärmetausch zwischen dem Flüssigphasenkältemittel aus der Pumpeneinrichtung 1 und dem heißen Wasser von der Wärmeerzeugungseinrichtung (beispielsweise dem Motor), die Expansionseinrichtung 4 zum Umsetzen der Wärmeenergie des überhitzten Kältemittels in Drehkraft, den Kondensator 5 zum Kondensieren des Kältemittels von der Expansionseinrichtung 4. Die Fluidmaschine umfasst die Expansionseinrichtung 4, den Motor 3 (der selektiv als Motor bzw. Stromgenerator betrieben wird), und die Pumpeneinrichtung 1, und diese drei Bestandteile sind betriebsmäßig miteinander durch die einzige Welle 21 verbunden.
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Die Fluidmaschine in Übereinstimmung mit der Ausführungsform kann hierdurch einfacher ausgelegt werden und besitzt eine kleinere Bauform und ist kostengünstiger, weshalb sie für ein Kraftfahrzeug geeignet ist. In dem herkömmlichen System wird eine Pumpeneinrichtung üblicherweise durch einen Elektromotor angetrieben, weshalb es erforderlich ist, der Pumpeneinrichtung so lange elektrischen Strom zuzuführen, wie der Rankine-Kreislauf betrieben wird. Andererseits wird die Pumpeneinrichtung 1 durch die Expansionseinrichtung 4 in Übereinstimmung mit der vorstehend genannten Ausführungsform (gemäß der Erfindung) derart angetrieben, dass die Expansionseinrichtung 4 und die Pumpeneinrichtung 1 so lange kontinuierlich betrieben werden, wie Wärmeenergie dem Rankine-Kreislauf zugeführt wird. Sobald die Expansionseinrichtung 4 ihren Betrieb startet, ist es nicht mehr erforderlich, der Motoreinrichtung elektrischen Strom zuzuführen, damit die Pumpeneinrichtung am Laufen gehalten wird.
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Die Expansionseinrichtung 4, die Pumpeneinrichtung 1 und die Motoreinrichtung 3 sind in einem hermetisch abgedichteten einzigen Gehäuse untergebracht, was dazu führt, dass keine komplizierten Dichtungseinrichtungen erforderlich sind, um die Welle und dergleichen abzudichten, wodurch Kosten verringert werden. Die Expansionseinrichtung 4, die Pumpeneinrichtung 1 und die Motoreinrichtung 3 sind in ein und derselben Kältemittelatmosphäre angeordnet, die von der Umgebungsatmosphäre getrennt ist, so dass Korrosion und elektrische Leckage problemlos vermieden werden können. Da die Bürsten für die Motoreinrichtung 3 in dem Flüssigphasenkältemittel zu liegen kommen, wird eine elektrische Entladung zwischen den Bürsten und einem Kommutator unterbunden, wodurch die Standzeit der Bürsten verlängert ist.
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Die Pumpeneinrichtung 1 ist auf einer vertikal unteren Seite der Motoreinrichtung 3 und der Expansionseinrichtung 4 angeordnet, und die Einlassöffnung 36, durch die das Flüssigphasenkältemittel aus dem Kondensator 5 in die Fluidmaschine strömt, ist auf einer vertikal höheren Seite der Motoreinrichtung 3 gebildet. Die Abkühlwirkung des Flüssigphasenkältemittels verbessert dadurch den Wirkungsgrad der Motoreinrichtung 3 und/oder der Expansionseinrichtung 4.
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Der Tank 16 ist am unteren Ende der Fluidmaschine in vertikaler Richtung so angeordnet, dass das Flüssigphasenkältemittel im Tank 16 gehalten wird, aus dem das Kältemittel in die Pumpeneinrichtung 1 gesaugt wird. Die Menge an Gasbläschen, die in dem Flüssigphasenkältemittel enthalten ist, wird hierdurch verringert, wodurch der Wirkungsgrad der Pumpeneinrichtung 1 erhöht ist.
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Die Expansionseinrichtung 4 besteht aus der Spiral- bzw. Schneckenexpansionseinrichtung und die bewegliche Schnecke 53 ist mit der Welle 21 über den Kurbelmechanismus 58 betriebsmäßig derart verbunden, dass der Radius der Umlaufbewegung der beweglichen Schnecke durch die Antriebskraft verändert werden kann, die in der Expansionseinrichtung 4 erzeugt wird. Selbst dann, wenn die Expansionseinrichtung die Antriebskraft nicht erzeugt, stellt sie deshalb kein Hindernis für den Betrieb der Motoreinrichtung 3 und der Pumpeneinrichtung 1 dar.
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Die Motoreinrichtung 3 wird durch die Expansionseinrichtung 4 zur Erzeugung des elektrischen Stroms selektiv angetrieben. Dies ist von Vorteil, da kein zusätzlicher elektrischer Stromgenerator erforderlich ist und die Fluidmaschine bzw. das System einfacher und kleiner gemacht werden kann. Wenn beispielsweise die Fluidmaschine für ein Kraftfahrzeug zum Einsatz kommt, kann der Betrieb einer Lichtmaschine (eines Wechselstromgenerators), die an einem Motor angebracht ist, während einer Zeitdauer gestoppt werden, in der der elektrische Strom in der Fluidmaschine (der Motoreinrichtung 3) erzeugt wird unter Verwendung der Abwärme von dem Motor, was dazu führt, dass das Kraftstoffverbrauchsverhältnis bzw. die Ausnutzung des Kraftstoffs des Motors verbessert werden kann.
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Die Motoreinrichtung 3 besteht aus dem Gleichstrommotor, so dass siech eine zusätzliche Einrichtung, wie ein Inverter, erübrigt, wodurch die Struktur einfacher und kleiner und kostengünstiger gehalten wird. Wenn beispielsweise die Erfindung auf das Kraftfahrzeug angewendet wird, kann die Gleichstromquelle direkt für die erfindungsgemäße Fluidmaschine genutzt werden. In der Motoreinrichtung 3 ist vorgesehen, dass die Welle in derselben Drehrichtung in Drehung versetzt wird, und zwar sowohl dann, wenn diese Einrichtung als Elektromotor zur Erzeugung von Drehkraft verwendet wird, oder dann, wenn sie zur Erzeugung von elektrischem Strom als Generator verwendet wird. Ein stabiler Betrieb für die Bürsten kann dadurch erzielt werden, d. h., ein Springen der Bürsten von dem Kommutator (herunter) während des Betriebs kann vermieden werden.
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(Zweite Ausführungsform)
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Nunmehr wird unter Bezug auf 6 eine zweite Ausführungsform erläutert. Diese Figur zeigt schematisch den Rankine-Kreislauf Ra und eine elektrische Schaltung. Eine elektrische Steuereinheit 71 ist zum Steuern des Betriebs der Motoreinrichtung 3 vorgesehen und mit einer Batterie 72 sowie einer weiteren elektrischen Einrichtung 73 (elektrischen Lasten) verbunden.
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Wenn die Motoreinrichtung 3 betätigt wird, um die Pumpeneinrichtung 1 anzutreiben, wird der elektrische Strom von der Batterie 72 der Motoreinrichtung 3 zugeführt. In diesem Betriebsablauf steuert die elektrische Steuereinheit 71 die elektrische Spannung für die Motoreinrichtung 3 derart, dass die Anzahl von Umläufen der Pumpeneinrichtung 1 und dadurch die Fluidströmung bzw. der Fluiddurchsatz des Kältemittels gesteuert wird. In dem Fall, dass die Motoreinrichtung 3 als Generator betrieben wird, steuert die Steuereinheit 71 die erzeugte Spannung, um die elektrische Last für die Motoreinrichtung 3 zu verändern. Betriebsbedingungen, wie etwa die Drehzahl der Motoreinrichtung 3, der Druck des Kältemittels in dem Rankine-Kreislauf Ra und dergleichen werden hierdurch geregelt.
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(Anlaufbetriebsart)
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Wenn der Betrieb des Rankine-Kreislaufs Ra gestartet wird, wird der elektrische Strom von der Batterie 72 (der externen Stromquelle) der Motoreinrichtung 3 zugeführt. Während einer anfänglichen Stufe dieses Anlaufs kann es passieren, dass die Pumpeneinrichtung 1 Gasbläschen in das Kältemittel einträgt, wodurch der Pumpwirkungsgrad der Pumpeneinrichtung 1 reduziert ist. Die Pumpeneinrichtung 1 wird deshalb durch die elektrische Steuereinrichtung 71 derart gesteuert, dass die Drehzahl allmählich erhöht wird (die angelegte elektrische Spannung wird allmählich erhöht).
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Die Steuereinheit 71 steuert außerdem das Umschalten des Betriebs von der Drehung der Welle 21 durch die Motoreinrichtung 3 auf die Drehung durch die Expansionseinrichtung 4. Wenn die Antriebskraft, die in der Expansionseinrichtung 4 erzeugt werden soll, eine Antriebskraft übersteigt, die zum Antreiben der Motoreinrichtung 3 erforderlich ist, stoppt die Steuereinheit 71 die Zufuhr des elektrischen Stroms zu der Motoreinrichtung 3 und legt statt dessen die elektrische Last an. Der Umschaltvorgang erfolgt unter Verwendung eines Zeitgebers oder durch Ermittlung des Kältemitteldrucks auf der Hochdruckseite des Rankine-Kreislaufs Ra.
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(Stromerzeugungsbetriebsart)
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Nachdem der Betrieb auf die Stromerzeugungsbetriebsart umgeschaltet ist, steuert die Steuereinheit 71 die in der Motoreinrichtung 3 erzeugte Elektrizität. Wenn die Wärmeenergie von dem (Antriebs-)Motor (der externen Wärmeerzeugungseinrichtung) klein ist, wird die erzeugte Spannung durch die Steuereinrichtung 71 verringert, um dadurch die elektrische Last an die Motoreinrichtung 3 und die Elektrizität zu verringern bzw. zu verkleinern. Wenn die Wärmeenergie groß ist, wird die erzeugte Spannung erhöht, um dadurch die elektrische Last an die Motoreinrichtung 3 und die Elektrizität zu erhöhen bzw. zu vergrößern. Ob die Wärmenergie klein oder groß ist, kann ermittelt werden durch Überwachen der Temperatur des heißen Wassers, das durch die Heizeinrichtung 2 strömt, oder durch Überwachen des Drucks des Kältemittels auf einer Hochdruckseite in dem Rankine-Kreislauf.
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Bei der vorstehend erläuterten Elektrizitätssteuerung kann die Expansionseinrichtung 4 mit maximalem Wirkungsgrad betrieben werden. Wenn das Ansaugvolumen sowie das Austragvolumen der Expansionseinrichtung 4 fix bzw. festgelegt sind, kann es passieren, dass das Kältemittel in der Arbeitskammer ausgetragen wird, bevor es vollständig expandiert ist (dies entspricht einer unzureichenden Expansion), oder dass die Arbeitskammer einen Punkt nicht erreicht, an dem die Arbeitskammer mit der Austragöffnung der Expansionseinrichtung in Verbindung gebracht ist, und zwar selbst dann, wenn das Kältemittel vollständig expandiert worden ist, so dass das Kältemittel zusätzlich expandiert wird (hierbei handelt es sich um eine Überexpansion). Diese unzureichende Expansion und Überexpansion des Kältemittels verringert den Wirkungsgrad der Expansionseinrichtung 4.
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In Übereinstimmung mit dieser Ausführungsform ist es auf Grund der Steuereinheit 71 möglich, den Druck des Kältemittels auf der Hochdruckseite (d. h., auf der Ansaugöffnungsseite der Expansionseinrichtung 4) auf einen derartigen Wert zu steuern, mit dem die Expansionseinrichtung bei ihrem maximalen Wirkungsgrad betrieben wird. Die elektrische Last an der Motoreinrichtung 3 wird durch die Steuereinrichtung 71 vergrößert und dadurch wird die Drehzahl der Expansionseinrichtung 4 verringert, wenn es erforderlich ist, den Druck des Rankine-Kreislaufs auf der Hochdruckseite zu erhöhen, und umgekehrt. Diese Art von Steuerung kann erfolgen durch Ermitteln des Drucks des Kältemittels auf der Hochdruckseite sowie auf der Niederdruckseite, und die ermittelten Drücke werden in die Steuereinheit 71 rückgekoppelt. Außerdem kann die Temperatur des Kältemittels an den Einlass- und Auslassöffnungen bzw. -anschlüssen der Expansionseinrichtung 4 ermittelt werden, um einen präziseren Betrieb der Expansionseinrichtung durchzuführen.
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Wie vorstehend erläutert, sind in der vorstehend genannten Ausführungsform die Steuereinheit 71 und die Batterie 72 mit der Fluidmaschine verbunden, um den Betrieb der Motoreinrichtung 3 zu steuern und die Elektrizität, die in der Motoreinrichtung 3 erzeugt wird, in die Batterie 72 zu laden. Der Betriebsablauf des Rankine-Kreislaufs Ra kann dadurch gleichmäßig bzw. problemlos gestartet werden und die Betriebsart der Motoreinrichtung 3 kann problemlos umgeschaltet werden von der Motorbetriebsart auf die Stromerzeugungsbetriebsart, nachdem der Rankine-Kreislauf Ra seinen Betrieb gestartet hat. Dadurch kann der Stromerzeugungsbetrieb durchgeführt werden, während der maximale Wirkungsgrad der Expansionseinrichtung 4 beibehalten wird, und zwar abhängig von der Wärmeenergie, die in den Rankine-Kreislauf eingegeben werden soll.
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(Dritte Ausführungsform)
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Eine dritte Ausführungsform wird unter Bezug auf 7 erläutert. Eine Durchsatz- bzw. Strömungssteuereinrichtung (ein Ventil) 75 ist auf einer stromaufwärtigen Seite der Heizeinrichtung 2 derart vorgesehen, dass das Strömungsvolumen bzw. der Durchsatz des Motorkühlwassers (heißes Wasser) durch das Strömungssteuerventil 75 gesteuert wird. Das Strömungssteuerventil 75 wird durch elektrische Signale von einer Steuereinheit 74 betätigt. In dieser Ausführungsform werden die Drehzahl der Expansionseinrichtung 4 und der Pumpeneinrichtung 1 sowie die Elektrizität bzw. der elektrische Strom, der in der Motoreinrichtung 3 erzeugt wird, durch den Durchsatz des Motorkühlwassers zu der Heizeinrichtung 2 gesteuert.
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(Stromerzeugungsbetriebsart)
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Die in der Motoreinrichtung 3 erzeugte Elektrizität wird direkt durch die Eingabe der Wärmeenergie in die Heizeinrichtung 2 gesteuert, die durch die Steuereinheit 74 und das Strömungssteuerventil 75 gesteuert wird. Wenn der elektrische Strombedarf hoch ist, wird der Durchsatz des heißen Wassers vergrößert, während der Durchsatz bei geringerem elektrischen Strombedarf verringert wird. Wenn die Temperatur des heißen Wassers sinkt, wird der Durchsatz vergrößert, um die erforderliche Wärmeeingabemenge beizubehalten, während der Durchsatz bei höherer Temperatur des heißen Wassers verringert wird, so dass konstanter Strom erzielbar ist.
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Die vorstehend erläuterte Steuerung der Elektrizität bzw. des Stroms ermöglicht es, die Expansionseinrichtung 4 mit maximalem Wirkungsgrad zu betreiben. Im Fall unzureichender Expansion der Expansionseinrichtung 4 wird der Durchsatz des heißen Wassers vergrößert, um dadurch den Druck in dem Rankine-Kreislauf Ra auf der Hochdruckseite zu erhöhen. Im Fall der Überexpansion wird hingegen der Durchsatz verringert, um dadurch den Druck des Rankine-Kreislaufs auf der Hochdruckseite zu verringern. Für diesen Vorgang werden der Druck des Kältemittels in dem Rankine-Kreislauf Ra und/oder die Temperatur des Kältemittels auf den Ansaug- und Austragseiten der Expansionseinrichtung 4 ermittelt.
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Wie vorstehend angeführt, wird der Durchsatz des heißen Wassers zu der Heizeinrichtung 2 durch das Strömungssteuerventil 75 und die Steuereinheit 74 derart gesteuert, dass die in der Motoreinrichtung 3 erzeugte Elektrizität proportional zum Strombedarf gesteuert wird, und die Elektrizität kann mit einem konstanten Wert selbst dann gesteuert werden, wenn die Temperatur des heißen Wassers von der Wärmeenergiequelle (dem Motor) geändert wird. Die Expansionseinrichtung 4 wird dadurch mit ihrem maximalen Wirkungsgrad betrieben.
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(Vierte Ausführungsform)
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Eine vierte Ausführungsform wird unter Bezug auf 8 bis 10 erläutert. In dieser vierten Ausführungsform wird eine Expansionseinrichtung 4 variabler Kapazität verwendet, um unzureichende Expansion und Überexpansion zu verhindern, und 8A und 8B zeigen einen Zustand, in dem die Kapazität nicht verändert wird, während 9A und 9B einen Zustand zeigen, in dem die Kapazität geändert wird.
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Eine Spulenbohrung 52e ist in dem Gehäuse 52 der Expansionseinrichtung 4 gebildet und ein offenes Ende der Spulenbohrung 52e ist durch einen Stopfen 61 verschlossen. In der Spulenbohrung 52e ist eine Barbell-Spule 62 hin und her laufend angeordnet und eine Feder 63 ist außerdem in der Bohrung 52e angeordnet, um die Spule 62 in der Zeichnung in Aufwärtsrichtung vorzuspannen.
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Die Spulenbohrung 52e steht mit der Arbeitskammer in einer Niederdruckposition in Verbindung über eine Niederdruckkommunikationsöffnung 52g, und ein Paar von Umgehungsöffnungen 52h ist in dem Gehäuse 52 gebildet, um die Ansaugöffnung 52a zu verschließen. Wenn Hochdruck-Gasphasenkältemittel der Spulenbohrung 52e durch ein Steuerventil 64 zugeführt wird, wird die Spule 62 in der Zeichnung in Abwärtsrichtung auf Grund einer Druckdifferenz gegen die Federkraft der Feder 63 bewegt, wie in 8B gezeigt. Durch die Position der Spule 62 wird das Paar von Umgehungsöffnungen 52h durch Abschnitte großen Durchmessers der Spule 62 verschlossen und die Expansionseinrichtung 4 arbeitet normal.
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Wenn die Zufuhr des Hochdruck-Gasphasenkältemittels in die Spulenbohrung 52e durch das Steuerventil 64 gestoppt wird, wird die Spule in der Zeichnung durch die Federkraft der Feder 63 in Aufwärtsrichtung bewegt, wie in 9B gezeigt. In dieser Position der Spule 62 wird das Paar von Umgehungsöffnungen 52h geöffnet und mit der Arbeitskammer in Verbindung gebracht, die sich im Saughub befindet. Wenn die Umgehungsöffnungen 52h in Kommunikation bzw. Verbindung mit der Arbeitskammer gelangen, strömt das Hochdruck-Gasphasenkältemittel in die Arbeitskammer durch die Ansaugöffnung 52a und die Umgehungsöffnungen 52h und ein Schließzeitpunkt der Umgehungsöffnungen wird verzögert im Vergleich zu demjenigen der Ansaugöffnung 52a. Das Ansaugvolumen der Arbeitskammer wird dadurch größer und das Expansionsverhältnis wird kleiner. Zusätzliche Umgehungsöffnungen können in dem Gehäuse 52 gebildet werden und das Öffnen und Schließen dieser zusätzlichen Umgehungsöffnungen kann durch die Spule derart gesteuert werden, dass das Ansaugvolumen und das Expansionsverhältnis in mehreren Schritten zusätzlich geändert werden können.
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10A und 10B zeigen jeweils die Stellung der beweglichen Schnecke bzw. Spirale 53 in einer derartigen Position, in der der Ansaughub endet. In 10A arbeitet die Expansionseinrichtung 4 insbesondere mit ihrer normalen Kapazität, weshalb der Ansaughub endet, wenn die Ansaugöffnung 52a durch die bewegliche Schnecke 53 verschlossen wird. In 10B arbeitet die Expansionseinrichtung 4 mit geänderter Kapazität, so dass der Ansaughub endet, wenn die Umgehungsöffnungen 52h ebenso wie die Ansaugöffnung 52a durch die bewegliche Schnecke 53 geschlossen werden. Wie aus diesen Zeichnungen hervorgeht, ist das Ansaugvolumen in 10B größer als dasjenige in 10A.
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(Stromerzeugungsbetriebsart)
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Wenn eine Wahrscheinlichkeit besteht, dass unzureichende Expansion stattfindet, wird das Steuerventil 64 geschlossen, um die Umgehungsöffnungen 52h durch Einleiten des Hochdruck-Gasphasenkältemittels in die Spulenbohrung 52e zu schließen, so dass das Ansaugvolumen kleiner wird. Daraufhin wird das Volumenverhältnis (= Austragvolumen/Ansaugvolumen) größer, um unzureichende Expansion zu unterbinden. Wenn andererseits die Überexpansion wahrscheinlich stattfinden wird, wird das Steuerventil 64 gesteuert, um die Umgehungsöffnungen 52h zu öffnen und dadurch das Ansaugvolumen zu vergrößern. Daraufhin wird das Volumenverhältnis (= Austragvolumen/Ansaugvolumen) geringer, um Überexpansion zu unterbinden.
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Unzureichende Expansion und übermäßige Expansion werden verhindert, wie vorstehend angeführt, und das Volumenverhältnis der Expansionseinrichtung 4 wird optimal abhängig vom Druck des Kältemittels in dem Rankine-Kreislauf Ra gewählt. Hierdurch kann die Expansionseinrichtung 4 mit ihrem maximalen Wirkungsgrad betrieben werden. Dieser Betrieb kann dazu dienen, die Elektrizität zu steuern, die in der Motoreinrichtung 3 erzeugt wird. Wenn der elektrische Strombedarf gering ist, wird das Ansaugvolumen der Expansionseinrichtung 4 größer gemacht, woraufhin die Drehzahl der Expansionseinrichtung 4 verringert wird, weil die Drehzahl durch eine Bezugsgröße der Volumenströmung bzw. des Durchlasses in Bezug auf das Ansaugvolumen gegeben ist.
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Da die Drehzahl der Expansionseinrichtung 4 die Drehzahl der Pumpeneinrichtung 1 ist, und da die Drehzahl der Pumpeneinrichtung 1 dem Durchsatz des Kältemittels entspricht, kann der Durchsatz des Kältemittels in dem Rankine-Kreislauf Ra auf seinen optimalen Wert abhängig von dem elektrischen Strombedarf durch Steuern des Ansaugvolumens reguliert werden. Wenn der elektrische Strombedarf hoch ist, wird das Ansaugvolumen so gesteuert, dass es kleiner wird, um die Drehzahl der Expansionseinrichtung und dadurch der Pumpeneinrichtung 1 zu erhöhen.
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Ferner kann die Arbeitsweise der Expansionseinrichtung abhängig von der Wärmeenergie von dem Motorkühlwasser gesteuert werden, die in die Heizeinrichtung 2 eingegeben bzw. eingespeist wird. Wenn die einzuspeisende Wärmeenergie klein ist, wird das Ansaugvolumen der Expansionseinrichtung 4 auf einen größeren Wert gesteuert, so dass die Drehzahl der Expansionseinrichtung 4 geringer wird. Wenn die Drehzahl der Expansionseinrichtung 4 geringer wird, wird die Drehzahl der Pumpeneinrichtung 1 ebenfalls geringer und schließlich wird der Durchsatz des Kältemittels verringert. Wie vorstehend angesprochen, kann der Durchsatz des Rankine-Kreislaufs Ra optimal abhängig von der Wärmeenergie gesteuert werden, die in der Heizeinrichtung 2 gesammelt wird, durch Regulieren des Ansaugvolumens der Expansionseinrichtung 4.
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Wenn die einzuspeisende Wärmeenergie groß ist, wird das Ansaugvolumen der Expansionseinrichtung 4 auf einen kleineren Wert gesteuert, so dass die Drehzahl der Expansionseinrichtung 4 und der Pumpeneinrichtung 1 höher wird. Das Steuerventil 64 wird betätigt durch Ermitteln des Drucks des Kältemittels in dem Rankine-Kreislauf auf der Hoch- und Niederdruckseite und/oder der Temperatur des Motorkühlwassers.
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In Übereinstimmung mit der vorstehend erläuterten vierten Ausführungsform wird die Expansionseinrichtung variabler Kapazität verwendet, um die Expansionseinrichtung 4 mit ihrem maximalen Wirkungsgrad zu betreiben. Ferner kann die Expansionseinrichtung (d. h. zum Erzeugen von elektrischem Strom) optimal abhängig vom Strombedarf betrieben werden und zum Betreiben des Rankine-Kreislaufs abhängig von der eingespeisten Wärmeenergie.
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(Fünfte Ausführungsform)
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Eine fünfte Ausführungsform ist in 11 gezeigt, demnach die Fluidmaschine mit der Pumpeneinrichtung 1, der Motoreinrichtung 3 und der Expansionseinrichtung 4 an der Heizeinrichtung 2 und dem Kondensator 5 integral befestigt ist. Die Fluidmaschine, die Heizeinrichtung 2 und der Kondensator 5 sind aneinander durch (nicht gezeigte) Befestigungseinrichtungen fixiert. Wie in 11 gezeigt, wird das Flüssigphasenkältemittel, das aus der Pumpeneinrichtung 1 gepumpt, der Heizeinrichtung 2 zugeführt, und erwärmtes sowie verdampftes Gasphasenkältemittel strömt in die Expansionseinrichtung 4. Nachdem das Kältemittel in der Expansionseinrichtung 4 expandiert worden ist, wird es in den Kondensator 5 ausgetragen und strömt schließlich zurück zum bzw. in den Tank 16.
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12 zeigt eine Modifikation der vorstehend angeführten fünften Ausführungsform, demnach die Fluidmaschine an dem Kondensator 5 durch eine Stütze 65 befestigt ist. Ein Polsterelement 66, wie etwa Urethan, ist zwischen der Stütze 65 und dem Gehäuse der Fluidmaschine angeordnet, um eine Übertragung der Vibration von der Fluidmaschine (Vibration der Pumpeneinrichtung 1, der Motoreinrichtung 3 und/oder der Expansionseinrichtung 4) auf den Kondensator 5 zu verhindern.
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Die Fluidmaschine mit der Pumpeneinrichtung, der Motoreinrichtung und der Expansionseinrichtung ist integral an dem Kondensator 5 bzw. an der Heizeinrichtung 2 und dem Kondensator 5 in den vorstehend angeführten Ausführungsformen fest angebracht. Die Struktur der Bauteile ist deshalb einfacher und das System kann kostengünstiger hergestellt werden, so dass die Fluidmaschine sowie das gesamte System, das integral an der Fluidmaschine festgelegt ist, in dem Kraftfahrzeug installiert werden kann. In dem Fall, dass die Heizeinrichtung 2 und der Kondensator 5 integral aneinander angebracht sind (11), wird das System für den Rankine-Kreislauf durch diese Bauteile komplettiert und die Rohranordnung für das System kann minimiert werden.
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(Sechste Ausführungsform)
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Eine sechste Ausführungsform wird nunmehr unter Bezug auf 13 bis 18 erläutert. Die in 13 gezeigte Fluidmaschine unterscheidet sich von derjenigen in 1 dadurch, dass die Verdichtereinrichtung 8 für den Kältekreislauf integral an einem oberen Abschnitt der Fluidmaschine der ersten Ausführungsform festgelegt ist. Die Ausführungsform von 13 unterscheidet sich außerdem von derjenigen von 1 dadurch, dass eine Drehexpansionseinrichtung 4 anstelle der Spiral- bzw. Schneckenexpansionseinrichtung verwendet wird. Die Verdichtereinrichtung 8 ist derart angeordnet, dass sie betriebsmäßig mit der gemeinsamen Welle 21 für die Pumpeneinrichtung 1, die Motoreinrichtung 3 und die Expansionseinrichtung 4 verbunden ist.
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Die Verdichtereinrichtung 8 vom Schnecken- bzw. Spiraltyp in dieser Ausführungsform besitzt dieselbe Struktur wie die Schneckenexpansionseinrichtung 4 in 1. Eine feststehende Schnecke und eine bewegliche Schnecke 81 befinden sich im Eingriff miteinander, um eine Arbeits(verdichtungs)kammer für das Kältemittel zu bilden, das in der Arbeitskammer über eine Einlassöffnung 81a gesaugt wird, die auf einer Außenperipherie des Verdichtergehäuse 81 vorgesehen ist, wenn die bewegliche Schnecke 82 in Drehung versetzt ist, und es wird verdichtet und über eine Austragöffnung 81b herausgepumpt bzw. abgepumpt. Die Bezugsziffer 58 bezeichnet einen Kurbelmechanismus, der dieselbe Struktur und dieselbe Funktion aufweist wie diejenigen in der ersten Ausführungsform von 1.
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14A zeigt eine Querschnittsansicht der Expansionseinrichtung 4 entlang einer Linie XIVA-XIVA von 13, demnach die Expansionseinrichtung 4 die vorstehend genannte Drehexpansionseinrichtung ist. Eine hermetisch abgedichtet Arbeitskammer 49 ist in der Expansionseinrichtung 4 gebildet, um eine Drehantriebskraft zu erzeugen und diese Kraft auf die Welle 21 zu übertragen durch Einleiten von Hochdruckgas und expandieren dieses Gases in der Arbeitskammer 49. Die Arbeitskammer 49 ist so abgedichtet, wie vorstehend erläutert.
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Die Arbeitskammer 49 ist in der folgenden Weise gebildet. Durch eine Zylinderinnenseite eines Zylinders 42 und einer Zylinderaußenseite einer Buchse 47 ist ein Mondraum bzw. Lunarraum gebildet und die Zylinderaußenseite steht in Kontakt mit der Zylinderinnenseite entlang einer Rotorkontaktlinie 51. Ein Vorderende eines Flügels bzw. einer Schaufel 48 ist schwenkbar mit einem Gelenkabschnitt 48a der äußeren Zylinderseite der Buchse 47 verbunden, so dass der Lunarraum in zwei Räume unterteilt ist.
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Der Zylinder 42 ist zwischen einer Vorderseitenplatte 41 und einer Rückseitenplatte 43 angeordnet und die Buchse 47 und die Schaufel 48 sind in dem Lunarraum mit winzigen Spalten zwischen den Längsenden hiervon und den Innenseiten der Platten 41 und 43 angeordnet, so dass die Buchse 47 und die Schaufel 48 in dem Lunarraum beweglich sind. Zwei Arbeitskammern 49 und 50 sind dadurch wie vorstehend angesprochen gebildet.
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Ein Rotor 46 ist mit der Welle 21 über eine Einwegkupplung 45 verbunden und das Zentrum des Rotors ist exzentrisch in Bezug auf das Zentrum eines Kreises, der durch die Zylinderinnenseite des Zylinders 42 gebildet ist. Ein Ölfilm ist auf einer Außenseite des Rotors 46 gebildet und der Rotor 46 ist in die Buchse 47 eingesetzt, wobei ein winziger Spalt zwischen dem Rotor 46 und der Buchse 47 derart gebildet ist, dass diese Teile relativ zueinander beweglich sind.
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Eine Kreisnut 43b ist auf der Innenseite der Rückseitenplatte 43 gebildet, bei der es sich um eine Gleitfläche in Bezug auf bzw. für den Rotor 46 handelt. Ein Platteneinlassdurchlass 43a ist in der Rückseitenplatte 43 gebildet, ein Ende von ihr ist mit der Kreisnut 43b verbunden, während das andere Ende mit einer Expansionseinrichtungseinlassöffnung 31a verbunden ist, die in dem Joch 31 gebildet ist.
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Eine Rotoreinlassöffnung 46a ist in dem Rotor 46 gebildet, und ein Ende von ihr endet auf einer Seitenfläche des Rotors 46 und mündet in die Kreisnut 43b derart aus, dass ein Ende der Rotoreinlassöffnung 46a stets mit der Kreisnut 43b in Verbindung steht. Die Rotoreinlassöffnung 46a erstreckt sich in dem Rotor 46 in Längsrichtung und ihr anderes Ende steht mit einem Ende eines Rotorradialdurchlasses 46b in Verbindung, der in dem Rotor 46 gebildet ist und sich in radialer Richtung erstreckt und auf einer Außenumfangsfläche des Rotors 46 endet. Eine Buchseneinlassöffnung 47a ist in der Buchse 47 benachbart zu dem Flügel bzw. der Schaufel 48 gebildet und durchsetzt die Buchse in radialer Richtung.
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Ein Durchlass für das Kältemittel ist dadurch durch die Einlassöffnung 31a gebildet, die in dem Joch 31 gebildet ist, den Platteneinlassdurchlass 43a, der in der Rückseitenplatte 43 gebildet ist, die Kreisnut 43b, die ebenfalls in der Oberfläche der Rückseitenplatte 43 gebildet ist, die Rotoreinlassöffnung 46a, die in dem Rotor 46 gebildet ist, und den Rotorradialdurchlass 46b, der ebenfalls im Rotor 46 gebildet ist. Der vorstehend genannte Kältemitteldurchlass endet auf bzw. in einer Innenseite der Buchse 47 bzw. steht in Verbindung mit der Buchseneinlassöffnung 47a abhängig von der Drehstellung des Rotors 46.
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Da die Buchseneinlassöffnung 47a in der Buchse 47 mit einer bestimmten Winkellänge gebildet ist, strömt Kältemittel in die Arbeitskammer 49, solange das Außenende des Rotorradialdurchlasses 46b mit der Buchseneinlassöffnung 47a in Verbindung steht bzw. kommuniziert. Eine Flügel- bzw. Schaufelnut 42b ist in dem Zylinder 42 gebildet, und der Flügel bzw. die Schaufel 48 ist in diese Nut mit winzigen Spalten zwischen dem Flügel 48 und der Flügelnut 42b eingesetzt, so dass sich der Flügel 48 in der Nut 42b vor- und rückwärts bewegt unter Aufrechterhaltung einer Dichtungswirkung.
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Da ein Ende des Flügels 48 mit der Buchse 47 durch eine Gelenkverbindung am Gelenkabschnitt 48a verbunden ist, bewegt sich der Flügel 48 vor und zurück abhängig von einer Stellung der Umlaufbewegung der Buchse 47, d. h., der Drehstellung des Rotors 46. Zylindrische Dichtungselemente (nicht gezeigt) sind auf der Welle 21 zum Abdichten eines Spalts zwischen der Rückseitenplatte und der Welle 21 sowie eines Spalts zwischen der Vorderseitenplatte und der Welle 21 angeordnet.
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14B zeigt eine Vorderansicht der Vorderseitenplatte in 13 von rechts aus gesehen, wobei eine Bezugsziffer 41c eine Austragöffnung bezeichnet, die in der Vorderseitenplatte 41 gebildet ist, wobei ein Ende dieser Öffnung in den Raum ausmündet, der durch den Zylinder 42 und die Vorder- und Rückseitenplatten 41 und 43 gebildet ist, während das andere Ende der Öffnung mit dem Kondensator in Verbindung steht.
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Die Arbeitsweise der vorstehend erläuterten Fluidmaschine wird nunmehr unter Bezug auf 15A bis 15D erläutert. 15A zeigt eine Startstellung des Rotors 46, die 0 Grad des Drehwinkels des Rotors 46 entspricht. Wenn in dieser Stellung Hochdruckgas der Expansionseinrichtung aus dem Rankine-Kreislauf Ra zugeführt wird, strömt das Hochdruckgas in die Arbeitskammer 49 über das Joch 31, die Rückseitenplatte 43, den Rotor 46 und die Buchse 47. Das Hochdruckgas wird daraufhin in der Arbeitskammer 49 expandiert, die von der Innenseite des Zylinders 42, der Außenseite der Buchse 47, dem Flügel 48, der Vorderseitenplatte 41, der Rückseitenplatte 43, dem Gelenkabschnitt 48a und der Rotorkontaktlinie 51 umgeben ist.
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In dieser Stellung steht die weitere Kammer 50 in Verbindung mit der Austragöffnung 41c und Kältemittelgas, das in die Kammer 50 gefüllt ist, strömt durch die Austragöffnung 41c aus, wenn sich der Rotor 46 dreht.
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Die Expansionsenergie versetzt den Rotor 46 und die Buchse 47 in Drehung unter Bewegung der Rotorkontaktlinie 51 im Uhrzeigersinn in eine Position von 15B, die einen Drehwinkel des Rotors 46 von 90 Grad entspricht. Bei diesem Betriebsablauf ist der Rotor 46 mit der Welle 21 über die Einwegkupplung 45 derart verbunden, dass die Welle 21 ebenfalls um 90 Grad gedreht wird. Der Flügel 48 wird durch den Gelenkabschnitt 48a aus der Nut 42b während dieses Betriebsablaufs mit einer 90 Grad-Drehung herausgezogen, da der Flügel 48 mit der Buchse 47 an dem Gelenkabschnitt 48a durch die Gelenkverbindung verbunden ist.
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Die Buchse 47 wird um die Welle 21 in Reaktion auf die Expansion des Hochdruckgases in eine Position in 15C und eine Position in 15D gedreht, die jeweils einem Drehwinkel des Rotors 46 von 180 Grad bzw. 270 Grad entsprechen. Während dieser Drehung wird die Welle 21 über die Einwegkupplung 45 ebenfalls um 270 Grad gedreht.
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Wenn die Buchse 47 die Stellung in 15D erreicht, wird die Austragöffnung 41c durch die Seitenflächen der Buchse 47 und des Rotors 46 verschlossen.
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Wenn die Buchse 47 durch die Expansion des Hochdruckgases weitergedreht wird, gelangt die Stellung des Rotors 46 in die Startstellung von 15A und weiteres Hochdruckgas strömt in die Arbeitskammer 49, um den vorstehend genannten Betriebsablauf zu wiederholen. Solange das Hochdruckgas in die Arbeitskammer strömt, setzt die Buchse 47 ihre Drehung fort, wodurch die Welle 21 ebenfalls kontinuierlich gedreht wird.
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Außerdem kann in dieser Ausführungsform eine Expansionseinrichtung variabler Kapazität verwendet werden, die unter Bezug auf 16 bis 18 wird.
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16 zeigt eine Vorderansicht der Vorderseitenplatte 41, die in zwei Teile unterteilt ist (eine äußere Platte 41a und eine innere Platte 41b) im Vergleich zu der in 13 bis 15 gezeigten Ausführungsform. Die äußere Platte 41a weist eine zylindrische Bohrung auf, in die die innere Platte 41b drehbar eingesetzt ist, so dass die Relativstellung der inneren Platte 41b zu der äußeren Platte 41a geändert werden kann, und die innere Platte 41b wird durch eine (nicht gezeigte) Steuereinrichtung abhängig von der Betätigung bzw. dem Betrieb der Expansionseinrichtung 4 gedreht. Wie aus 16 hervorgeht, ist die Austragöffnung 41c ebenfalls in der inneren Platte 41b gebildet, so dass die Stellung der Austragöffnung 41c zusammen mit der inneren Platte 41b geändert werden kann.
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Die 17A bis 17D zeigen die jeweiligen Stellungen des Rotors 46 und der Buchse 47 in den Drehstellungen des Rotors 46 mit 0 Grad, 90 Grad, 180 Grad und 270 Grad, ebenso wie in 15A bis 15D. In der in 17A gezeigten Startstellung steht die Arbeitskammer 49 in Verbindung mit dem Rotorradialdurchlass 46b über die Buchseneinlassöffnung 47a, so dass Hochdruckkältemittelgas in die Arbeitskammer 49 strömt. Gleichzeitig nimmt die Arbeitskammer 50 ihre Verbindung mit der Austragöffnung 41c auf, so dass die Expansion des Kältemittelgases in der Kammer 50 stoppt und das expandierte Kältemittel durch diese Austragöffnung 41c ausströmt.
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Der Rotor 46 und die Buchse 47 werden in Reaktion auf die Expansion des Kältemittelgases in der Arbeitskammer 49 in Drehung versetzt und die Positionen des Rotors 46 und der Buchse 47 bewegen sich, wie in 17A, 17B, 17C und 17D gezeigt. Wenn der Rotor 46 und die Buchse 47 in die Stellung in 17D gelangen, wird die Austragöffnung 41c verschlossen und der Austraghub der Arbeitskammer 50 kommt zum Ende. Das Ende des Austraghubs wird demnach durch die Stellung der Austragöffnung 41c entschieden bzw. festgelegt.
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In 17A bis 17D kommt die Austragöffnung 41c an einem Punkt zu liegen, an dem die Austragöffnung 41c verschlossen wird, wenn der Rotor 46 und die Buchse 47 um 270 Grad aus der anfänglichen Stellung von 17A gedreht werden. Mit anderen Worten startet die Austragöffnung 41c die Verbindung bzw. Kommunikation mit der Arbeitskammer 50 unmittelbar bevor der Rotor 46 in seine Anfangsstellung von 17A gedreht wird. In dem Fall, dass ein Druck des Rankine-Kreislaufs Ra auf dessen Niederdruckseite höher wird, sollte das Kältemittel in der Arbeitskammer zu einem früheren Zeitpunkt ausgetragen werden, d. h., der Austraghub sollte zu einem früheren Zeitpunkt beendet werden. Der Druck in der Arbeitskammer wird anderweitig niedriger als der Druck des Rankine-Kreislaufs auf der Niederdruckseite, weshalb anstatt der Sammlung von Energie aus der Expansion des Kältemittelgases zusätzliche Energie erforderlich werden würde zur Verringerung des Drucks in der Arbeitskammer auf eine weitere Niederdruckseite, wodurch der Arbeitswirkungsgrad der Expansionseinrichtung verringert werden würde. (Dies wird als Überexpansionsphänomen bezeichnet.)
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Im Fall, dass der Druck des Rankine-Kreislaufs Ra auf seiner Niederdruckseite andererseits geringer wird, kann mehr Energie durch die Expansion des Kältemittelgases in der Arbeitskammer gesammelt werden. In einem derartigen Fall würde deshalb der Austraghub des Kältemittels zu eine späteren Zeitpunkt starten. Wenn die Austragöffnung 41c in einem derartigen früheren Punkt bzw. Zeitpunkt zu liegen kommen würde, kann selbst dann, wenn mehr Energie aus der Expansion des Kältemittelgases gesammelt wird, das Kältemittelgas über die Öffnung der Austragöffnung der Arbeitskammer ausströmen, wodurch der Arbeitswirkungsgrad der Expansionseinrichtung ebenfalls verringert werden würde. (Dies wird als Mangel-Expansionsphänomen bezeichnet.)
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18A bis 18D zeigen die verschiedenen Stellungen der Austragöffnung 41c zum Ändern des Expansionsvolumens des Kältemittelgases in der Arbeitskammer. 18A zeigt die Stellung der Austragöffnung 41c, die derjenigen entspricht, die in 17A gezeigt ist. 18B zeigt die Stellung der Austragöffnung 41c, die um 90 Grad entgegen Uhrzeigersinn gedreht ist. Diese Drehung erfolgt durch ein (nicht gezeigtes) Stellorgan durch Drehen der inneren Platte 41b. Wenn sich die Austragöffnung 41c in der Stellung in 18B befindet, endet der Austraghub der Arbeitskammer 50 früher als in der Position der Austragöffnung 41c von 18A, und zwar um 90 Grad. 18C und 18D zeigen in ähnlicher Weise weitere Stellungen der Austragöffnung 41c, wobei die Austragöffnung 41c entgegen Uhrzeigersinn um 180 Grad bzw. 270 Grad weitergedreht ist. Wie vorstehend angeführt, dass der Expansionsraum (das Volumen) der Arbeitskammer vor Einleiten des Austraghubs kleiner gemacht werden durch Bewegen der Austragöffnung 41c entgegen Uhrzeigersinn. Wenn der Druck des Rankine-Kreislaufs auf seiner Niederdruckseite erhöht wird, kann deshalb die Austragöffnung 41c entgegen Uhrzeigersinn in Reaktion auf diese Druckzunahme bewegt werden, um eine übermäßige Expansion des Kältemittelgases zu unterbinden und umgekehrt. Die Expansionseinrichtung 4 kann hierdurch mit ihrem höchsten Arbeitswirkungsgrad betrieben werden durch Ändern des Expansionsvolumens der Arbeitskammer in Übereinstimmung mit den Betriebsbedingungen des Rankine-Kreislaufs.
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In der vorstehend unter Bezug auf 13 bis 18 erläuterten Ausführungsform sind die Steuereinheit 71 und die Batterie 72 mit der Fluidmaschine in derselben Weise wie in der in 6 gezeigten zweiten Ausführungsform verbunden. Die Steuereinheit 71 steuert die Arbeitsweise der Motoreinrichtung 3 derart, dass der Motorbetrieb auf den Stromerzeugungsbetrieb umgeschaltet wird, um die in der Motoreinrichtung 3 erzeugte Elektrizität bzw. den dort erzeugten Strom in die Batterie 72 zu laden.
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Die Verdichtereinrichtung 8 wird durch die Motoreinrichtung 3 bzw. die Expansionseinrichtung 4 angetrieben, wobei die Welle 21 gemeinsam genutzt wird. Wenn die Welle 21 gedreht wird, wird die bewegliche Schnecke bzw. Spirale 82 mit einer Umlaufbewegung durch den Kurbelmechanismus 58 in Drehung versetzt. Die Arbeitskammer, die durch die feststehenden und beweglichen Schnecken bzw. Spiralen gebildet ist, ändert ihr Arbeitsvolumen, um das Kältemittel zu verdichten, und verdichtetes Kältemittel wird über die Austragöffnung 81b zu einem (nicht gezeigten) Kältekreis ausgepumpt, um Klimatisierungssteuerung, Kühlung und dergleichen durchzuführen.
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Wenn die Verdichtereinrichtung 8 sowie die Motoreinrichtung 3 durch die Expansionseinrichtung 4 angetrieben wird, wird die Drehzahl der Verdichtereinrichtung 8 verringert und dadurch wird die Verdichterleistung ebenfalls verringert, weil die Antriebskraft, die in der Expansionseinrichtung 4 erzeugt wird, aufgeteilt wird auf das Antreiben der Verdichtereinrichtung 8 und der Motoreinrichtung 3. Wenn die Drehzahl verringert wird, wird ein Gleichgewicht zwischen dem hohen Druck und dem niedrigen Druck in dem Rankine-Kreislauf Ra geändert, was ebenfalls zu einer Verringerung des Wirkungsgrads der Expansionseinrichtung 4 führt. Es ist jedoch möglich, den maximalen Arbeitswirkungsgrad in dieser Ausführungsform beizubehalten, weil die Expansionseinrichtung 4 die Funktion hat, die Betriebskapazität abhängig von verschiedenen Betriebsbedingungen des Systems zu ändern.
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Außerdem kann ein Verdichter variabler Kapazität verwendet werden anstelle der Verdichtereinrichtung 8, deren Struktur so wie bei der ersten Ausführungsform gewählt werden kann, demnach die Schnecken- bzw. Spiralenexpansionseinrichtung mit variabler Kapazität verwendet wird. Wenn die Kapazität der Verdichtereinrichtung abhängig vom Bedarf des Kältekreises geändert wird, kann das Verdichterleistungsvermögen gesteuert werden und gleichzeitig kann das Druckgleichgewicht des Rankine-Kreislaufs nicht auf ein größeres Ausmaß geändert werden, so dass der Betrieb der Verdichtereinrichtung 8 sowie der Motoreinrichtung 3 gleichmäßig erzielt werden können.
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Wie vorstehend erläutert, ist die Expansionseinrichtung 4 betriebsmäßig mit der Welle 21 über die Einwegkupplung 45 verbunden. Selbst dann, wenn die Expansionseinrichtung 4 nicht betrieben wird, stellt dies für die Motoreinrichtung 3, die Pumpeneinrichtung 1 und die Verdichtereinrichtung 8 kein Hindernis dar. Die Verdichtereinrichtung 8 ist betriebsmäßig mit der Welle 21 derart verbunden, dass die gesammelte Wärmeenergie und die Drehkraft, die in der Expansionseinrichtung 4 erzeugt wird, für den Kältekreislauf genutzt werden kann.
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In dem Fall, dass die erfindungsgemäße Fluidmaschine für ein Kraftfahrzeug zum Einsatz kommt, kann die Betätigung des herkömmlichen Verdichters und der Lichtmaschine, jeweils durch einen Antriebsmotor angetrieben, gestoppt werden, wenn die Verdichtereinrichtung und die Motoreinrichtung durch die Expansionseinrichtung jeweils angetrieben werden, so dass die Belastung des Motors verringert werden kann, wodurch das Kraftstoffverbrauchsverhältnis bzw. die Kraftstoffausbeute verbessert werden kann. Da die Verdichtereinrichtung 8 integral mit der Fluidmaschine verbunden ist, die die Expansionseinrichtung, die Motoreinrichtung und die Pumpeneinrichtung aufweist, wird die Struktur bzw. der Aufbau einfacher und kleiner und die Kosten hierfür können verringert werden und die Fluidmaschine kann dadurch in dem Kraftfahrzeug vorgesehen werden.
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Die Steuereinheit 71 zum Steuern der Motoreinrichtung 3 und der Batterie 72 zum Laden der Elektrizität bzw. des Stroms sind elektrisch mit der Fluidmaschine so verbunden, dass der Rankine-Kreislaufs Ra gleichmäßig bzw. problemlos angefahren werden kann und die Betriebsart der Motoreinrichtung 3 kann problemlos von der Motorbetriebsart auf die Stromerzeugungsbetriebsart umgeschaltet werden, nachdem der Rankine-Kreislauf Ra mit seiner Arbeistweise angelaufen ist. Ferner kann die Elektrizität erzeugt werden durch Aufrechterhalten des Wirkungsgrads der Expansionseinrichtung 4 abhängig von der Wärmeenergie, die in den Rankine-Kreislauf eingespeist wird. Die in der Expansionseinrichtung 4 erzeugte Antriebskraft kann auf die Verdichtereinrichtung 8 und die Motoreinrichtung 3 in nahezu optimaler Weise aufgeteilt werden durch Steuern der in der Motoreinrichtung 3 erzeugten Elektrizität, so dass die gesammelte Wärmeenergie und die Drehkraft, die in der Expansionseinrichtung erzeugt wird, effektiv optimal genutzt werden können.
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(Weitere Ausführungsformen)
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Es ist nicht unvermeidlich erforderlich, als Quelle zum Zuführen von Wärmeenergie zu dem Rankine-Kreislauf Ra einen Fahrmotor zu nutzen. Die Expansionseinrichtung 4 ist außerdem nicht auf den Schnecken- bzw. Spiraltyp bzw. Drehtyp beschränkt. Die Fluidmaschine kann außerdem nicht nur für ein Kraftfahrzeug zum Einsatz kommen, sondern auch für ein Motorantriebssystem eines stationären Motors, wie etwa einer Klimaanlage oder eines Kühlsystems mit stationärem Motor zum Antreiben dieses Systems.
