DE102004055695A1

DE102004055695A1 - Abwärmesammelsystem mit einem Clausius-Rankine-Kreis und einem Heizkreis

Info

Publication number: DE102004055695A1
Application number: DE102004055695A
Authority: DE
Inventors: Atsushi Kariya Inaba; Shinichi Kariya Hamada; Shigeru Kariya Hisanaga; Tadashi Kariya Hotta
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2003-11-20
Filing date: 2004-11-18
Publication date: 2005-06-30
Also published as: JP2005155336A; US20050109031A1; US6928820B2

Abstract

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen für eine Verwendung für ein Motorfahrzeug geeigneten Clausius-Rankine-Kreis vorzusehen. In einem Abwärmesammelsystem mit dem Clausius-Rankine-Kreis und einem Kühlkreis wird, wenn die ECU (40) ein Klimasignal von einer Klima-ECU (42) empfängt, der Kühlkreis betätigt, indem er dem Betrieb des Clausius-Rankine-Kreises vorgeht. Falls es kein Klimasignal gibt und eine Temperatur eines Motorkühlwassers höher als ein vorbestimmter Wert ist, wird der Clausius-Rankine-Kreis nicht betrieben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Abwärmesammelsystem mit einem Clausius-Rankine-Kreis zum Sammeln von Wärmeenergie von einer Wärmekraftmaschine, insbesondere eine Dampfkompressions-Kühlvorrichtung (ein Klimagerät) für ein Fahrzeugmotor, bei der ein Verbrennungsmotor als Wärmekraftmaschine verwendet wird.

Ein Clausius-Rankine-Kreis weist ein Dampferzeugungsgerät zum Erzeugen eines überhitzten Dampfes durch Heizen eines flüssigen Fluids, ein Expansionsgerät zum Erzeugen einer kinetischen Energie durch Ausdehnen des überhitzten Dampfes in einer isenthropischen Weise, einen Kondensator zum Verflüssigen des an dem Expansionsgerät ausgedehnten Dampfes, eine Flüssigkeitspumpe zum Zuführen eines flüssigen Fluids zu dem Dampferzeugungsgerät, usw. auf, wie in dem japanischen Patent Nr. 1540256 oder der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 2002-188402 offenbart.

In einer herkömmlichen Dampfkompressions-Kühlvorrichtung (einer Klimavorrichtung für ein Motorfahrzeug) mit dem Clausius-Rankine-Kreis, wird, wie in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. S63-96449 offenbart, ein Kompressorgerät auch als Expansionsgerät benutzt.

Bei der obigen herkömmlichen Dampfkompressions-Kühlvorrichtung (JP S63-96449) können ein Kühlkreis und der Clausius-Rankine-Kreis nicht gleichzeitig betrieben werden, weil das Kompressorgerät als Expansionsgerät benutzt wird.

Außerdem kann es schwierig sein, die Erfindung des Standes der Technik (JP S63-96449) in der Praxis auszuführen, weil nicht vollständig offenbart ist, wie der Kühlkreis und der Clausius-Rankine-Kreis von einem zum anderen gewechselt werden und wie der Clausius-Rankine-Kreis durchgeführt wird.

Demgemäß ist die vorliegende Erfindung in Anbetracht der obigen Probleme gemacht. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen neuen Clausius-Rankine-Kreis vorzusehen, und es ist eine weitere Aufgabe, einen neuen Rankine-Kreis vorzusehen, der für eine Verwendung für ein Motorfahrzeug mit einer Wärmekraftmaschine wie beispielsweise einem Verbrennungsmotor geeignet ist.

Gemäß einem Merkmal der vorliegenden Erfindung weist ein Abwärmesammelsystem mit einem Clausius-Rankine-Kreis auf: ein Dampferzeugungsgerät (30) zum Erzeugen eines überhitzten Dampfes durch Heizen eines flüssigen Fluids mit einer Abwärme von einer Wärmekraftmaschine (20); ein Expansionsgerät (10) zum Erzeugen einer kinetischen Energie durch Ausdehnen des überhitzten Dampfes in einer isenthropischen Weise; ein Kondensationsgerät (11) zum Kondensieren des in dem Expansionsgerät (10) ausgedehnten Dampfes, um den Dampf in das flüssige Fluid umzuwandeln; eine Flüssigkeitspumpe (32) zum Pumpen des flüssigen Fluids zu dem Dampferzeugungsgerät (30); und eine Einstelleinrichtung (21, 40) zum Einstellen einer von der Wärmekraftmaschine (20) zum dem Dampferzeugungsgerät (30) zuzuführenden Menge Abwärme, sodass die Zufuhr des überhitzten Dampfes von dem Dampferzeugungsgerät (30) zu dem Expansionsgerät (10) entsprechend gesteuert wird, wobei die Einstelleinrichtung (21, 40) die Abwärme von der Wärmekraftmaschine (20) zu dem Dampferzeugungsgerät (30) zuführt, wenn eine Temperatur (Tw) der Abwärme höher als ein vorbestimmter Wert ist, und die Zufuhr der Abwärme von der Wärmekraftmaschine (20) zu dem Dampferzeugungsgerät (30) stoppt, wenn die Temperatur (Tw) der Abwärme niedriger als der vorbestimmte Wert ist.

Gemäß diesem Merkmal der Erfindung kann man eine kinetische Energie aus der Abwärme von der Wärmekraftmaschine erhalten, ohne einen Abfall eines Kraftstoffverbrauchsverhältnisses für den Motor zu verursachen, weil ein Anstieg des Reibwiderstandes (Reibungsverlust) aufgrund eines Temperaturabfalls der Wärmekraftmaschine 120) unterdrückt werden kann.

Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung startet die Einstelleinrichtung (21, 40) die Zufuhr der Abwärme zu dem Dampferzeugungsgerät (30) beim einem ersten vorbestimmten Wert, der höher als ein zweiter vorbestimmter Wert ist, bei dem die Einstelleinrichtung (21, 40) die Zufuhr der Abwärme zu dem Dampferzeugungsgerät (30) stoppt.

Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung ist ein Temperaturunterschied der zwischen dem ersten und dem zweiten vorbestimmten Wert größer als 5 Grad und kleiner als 10 Grad.

Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung weist die Einstelleinrichtung (21, 40) eine Umschalteinrichtung (21) zum Starten oder Stoppen der Zufuhr der Abwärme von der Wärmekraftmaschine (20) zu dem Dampferzeugungsgerät (30) auf, deren Betrieb durch eine elektronische Steuereinheit (40) gesteuert wird.

Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung weist ein Abwärmesammelsystem weiter auf: einen Dampfkompressions-Kühlkreis (10, 11, 12, 13, 14) zum Aufnehmen von Wärme von einem Kühlfluid durch Ausdehnen desselben; eine Klimasteuereinheit (42) zum Steuern eines Betriebs des Kühlkreises; und eine Steuereinrichtung (36, 40) zum Umschalten von dem Betrieb des Clausius-Rankine-Kreises zum Betrieb des Kühlkreises oder umgekehrt, wobei die Steuereinrichtung (36, 40) den Kühlkreis ohne Betreiben des Clausius-Rankine-Kreises betreibt, wenn sie ein Steuersignal von der Klimasteuereinheit (42) empfängt.

Demgemäß kann man eine kinetische Energie aus der Abwärme von der Wärmekraftmaschine erhalten, ohne einen Abfall eines Kraftstoffverbrauchsverhältnisses für den Motor zu verursachen, weil ein Anstieg des Reibwiderstandes (Reibungsverlust) aufgrund eines Temperaturabfalls der Wärmekraftmaschine (20) unterdrückt werden kann. Zusätzlich kann der Kühlkreis betrieben werden.

Bei dem obigen Betrieb des Kühlkreises wird das Expansionsgerät (10) als Kompressorgerät betrieben.

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 Dampfkompressions-Kühlkreises gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2A und 2B schematische Ansichten einer Fluidmaschine (ein Expansionsgerät und ein Kompressorgerät sind integral ausgebildet) gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3 ein Diagramm eines Betriebs der Fluidmaschine gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;
4 ein Erläuterungsdiagramm für eine Wassertemperaturbestimmung; und
5 eine schematische Darstellung eines Dampfkompressions-Kühlkreises gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
(Erstes Ausführungsbeispiel)
1 ist eine schematische Darstellung einer Dampfkompressions-Kühlvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei der ein Kühlkreis mit einem Clausius-Rankine-Kreis für eine Klimavorrichtung für ein Motorfahrzeug verwendet wird.
Die Dampfkompressions-Kühlvorrichtung mit dem Clausius-Rankine-Kreis sammelt Energie aus einer Abwärme von einem Verbrennungsmotor zum Erzeugen einer Antriebskraft für ein Fahrzeug, wobei der Verbrennungsmotor als Wärmekraftmaschine betrieben wird. Die Kühlvorrichtung macht Gebrauch von einer dort erzeugten thermischen Energie zum Durchführen eines Klimabetriebs für das Fahrzeug.
In 1 ist ein Kompressorgerät 10, das integral mit einem Expansionsgerät ausgebildet ist, eine Fluidmaschine mit einer Funktion eines Kompressors zum Komprimieren eines Kältemittels und einer Funktion einer Expansionsvorrichtung zum Erzeugen einer Antriebskraft durch Ausdehnen eines überhitzten Dampfes in einer isenthropischen Weise.
Eine Bezugsziffer 10a bezeichnet eine elektrische Drehmaschine (einen Motor-Generator), der als Elektromotor zum Erzeugen und Zuführen einer Drehantriebskraft zu der Fluidmaschine 10 arbeitet, wenn er als Kompressorgerät betrieben wird, und der als Stromerzeugungsmaschine zum Erzeugen elektrischer Energie aus einer an der Fluidmaschine 10 erzeugten Drehkraft arbeitet, wenn er als Expansionsgerät betrieben wird. Ein detaillierterer Aufbau der Fluidmaschine 10 wird später beschrieben.
Ein Wärmestrahlgerät 11 ist ein Wärmetauscher (Kondensator), der mit der Fluidmaschine 10 an ihrer Ausgabeseite verbunden ist, wenn die Fluidmaschine 10 als Kompressorgerät arbeitet, und ein Kältemittel durch Abstrahlen der Wärme von dem Kältemittel abkühlt (kondensiert). Wie in 1 dargestellt, sind ein Regelventil 34c, ein Heizgerät 30 und ein weiteres Regelventil 36 zwischen dem Wärmestrahlgerät 11 und der Fluidmaschine 10 verbunden. Eine Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 12 ist ein Auffanggefäß zum Teilen des Kältemittels aus dem Wärmestrahlgerät 11 in ein gasförmiges und ein flüssiges Kältemittel.
Ein Druckverminderungsgerät 13 ist ein Expansionsventil zum Druckvermindern und Ausdehnen des flüssigen Kältemittels aus der Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 12. In diesem Ausführungsbeispiel vermindert das Druckverminderungsgerät 13 den Druck des Kältemittels in isenthalpischer Weise und weist ein Expansionsventil eines temperaturabhängigen Typs auf, um einen Öffnungsgrad davon so zu steuern, dass ein Überhitzungsgrad für das in die Fluidmaschine 10 (das Kompressorgerät) zu saugende Kältemittel einen vorbestimmten Wert nicht übersteigen kann, wenn die Fluidmaschine 10 als Kompressorgerät betrieben wird.
Ein Verdampfapparat 14 ist eine Wärmeabsorptionsvorrichtung zum Durchführen einer Wärmeabsorptionsfunktion durch Verdampfen des an dem Druckverminderungsgerät 13 im Druck verminderten Kältemittels.
Ein Dampfkompressions-Kühlkreis ist durch die Fluidmaschine 10 (das Expansions- und Kompressorgerät), das Wärmestrahlgerät 11, die Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 12, das Druckverminderungsgerät 13 und den Verdampfapparat 14 aufgebaut, wobei Wärme von einer Niedertemperaturseite zu einer Hochtemperaturseite transportiert wird.
Ein Heizgerät 30 ist ein Dampferzeugungsgerät, das in einem die Fluidmaschine 10 und das Wärmestrahlgerät 11 verbindenden Kühlkreislauf vorgesehen ist, und erzeugt einen Dampf durch Heizen des in dem Kühlkreislauf strömenden Kältemittels durch einen Wärmeaustausch zwischen dem Kältemittel und einem eine Abwärme von einem Verbrennungsmotor 20 sammelnden Motorkühlwasser. Ein Dreiwegeventil 21 ist eine Umschalteinrichtung zum Steuern des Stroms des Motorkühlwassers in das Heizgerät 30.
Ein erster Bypass-Kreislauf 31 ist ein Kältemittelkanal zum Verbinden der Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 12 mit dem Heizgerät 30, wobei eine Flüssigkeitspumpe 32 und ein Rückschlagventil 31a in dem ersten Bypass-Kreislauf 31 so vorgesehen sind, dass das Kältemittel von der Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 12 durch das Rückschlagventil 31a zu dem Heizgerät 30 zirkuliert werden kann, wenn die Flüssigkeitspumpe 32 in Betrieb ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist eine Flüssigphasenkältemittel-Zufuhreinrichtung aus dem ersten Bypass-Kreislauf 31, dem Rückschlagventil 31a und der Flüssigkeitspumpe 32 aufgebaut.
Die Flüssigkeitspumpe 32 ist eine elektrisch angetriebene Pumpe. Ein Betrieb der Flüssigkeitspumpe 32 sowie des Dreiwegeventils 21 wird durch eine elektronische Steuereinheit (ECU) 40 gesteuert.
Ein zweiter Bypass-Kreislauf 34 ist ein Kältemittelkanal zum Verbinden der Ausgabeseite der Fluidmaschine 10 (des Expansionsgeräts) mit einer Einlassseite des Wärmestrahlgeräts 11, wenn die Fluidmaschine 10 als Expansionsgerät betrieben wird, wobei ein Rückschlagventil 34a in dem zweiten Bypass-Kreislauf 34 so vorgesehen ist, dass das Kältemittel von dem Expansionsgerät 10 zu dem Wärmestrahlgerät 11 strömen kann.
Ein Rückschlagventil 14a ist in einem Kältemittelkanal vorgesehen, der den Verdampfapparat 14 und die Fluidmaschine 10 verbindet, sodass das Kältemittel von dem Verdampfapparat 14 zu der Fluidmaschine 10 strömen kann, wenn sie als Kompressorgerät arbeitet.
Ein Regelventil 36 ist in einem Kältemittelkanal vorgesehen, das die Fluidmaschine 10 und das Heizgerät 30 verbindet, wobei das Regelventil 36 zum Beispiel ein durch die ECU 40 zu steuerndes, elektromagnetisch geregeltes Ventil ist. Das Regelventil 36 arbeitet als Ausgabeventil (Rückschlagventil), wenn die Fluidmaschine 10 als Kompressorgerät arbeitet, während es als normalerweise geöffnetes Ventil arbeitet, wenn die Fluidmaschine 10 als Expansionsgerät arbeitet.
Eine Wasserpumpe 22 zirkuliert das Motorkühlwasser, und ein Kühler 23 ist ein Wärmetauscher zum Abstrahlen von Wärme von dem Motorkühlwasser durch Wärmeaustausch mit der Umgebungsluft.
Ein Bypasskanal 24 ist ein Kanal zum Leiten des Motorkühlwassers derart, dass es an dem Kühler 23 vorbei strömt. Ein Thermostat 25 ist ein Strömungsregelventil zum Steuern von Mengen des durch den Kühler 23 bzw. den Bypass-Kanal 24 strömenden Motorkühlwassers.
Die Wasserpumpe 22 ist in diesem Ausführungsbeispiel eine durch den Motor 20 angetriebene mechanische Pumpe. Sie kann jedoch durch eine elektrisch angetriebene Pumpe ersetzt werden, die durch einen Elektromotor angetrieben wird.
Ein Wassertemperatursensor 41 erfasst eine Temperatur des Motorkühlwassers und ein Messsignal wird der ECU 40 zugeführt. Ein Klimasteuersignal wird an einer Klimasteuereinheit 42 erzeugt und der ECU 40 zugeführt. Die ECU 40 führt einen Steuerprozess entsprechend einem vorbestimmten Programm basierend auf der erfassten Temperatur an dem Wassertemperatursensor 41 (d.h. einer Temperatur Tw der Abwärme) und dem Klimasteuersignal durch, damit die ECU 40 das Regelventil 36, die Flüssigkeitspumpe 32, das Dreiwegeventil 21, usw. steuert.
In diesem Ausführungsbeispiel bilden das Dreiwegeventil 21 und die ECU 40 zum Steuern des Dreiwegeventils 21 eine Einstelleinrichtung für eine Abwärme-Zufuhrmenge, die Klimasteuereinheit 42 bildet eine Steuereinrichtung für die Dampfkompressions-Kühlvorrichtung, und die Fluidmaschine 10, das Wärmestrahlgerät 11, die Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 12 und die Flüssigkeitspumpe 32 bilden den Clausius-Rankine-Kreis.
Ein grober Aufbau und eine Funktionsweise der Fluidmaschine 10 werden erläutert.
2A zeigt die Fluidmaschine 10, wenn sie als Kompressorgerät betrieben wird, während 2B die Fluidmaschine 10 zeigt, wenn sie als Expansionsgerät betrieben wird, wobei die Fluidmaschine 10 eine allgemein bekannte Flügeltyp-Fluidmaschine aufweist.
Wenn die Fluidmaschine 10 als Kompressorgerät arbeitet, wird ein Rotor 10b der Fluidmaschine durch die elektrische Drehmaschine 10a (die als Elektromotor arbeitet) drehend angetrieben, um das Kältemittel anzusaugen und dieses zu komprimieren. Bei diesem Betrieb wird ein Rückstrom des Kältemittels, d.h. eine Strömung des Hochdruck-Kältemittels zurück zu Arbeitskammern des Kompressorgeräts 10, durch das Regelventil 36 verhindert.
Wenn die Fluidmaschine 10 als Expansionsgerät arbeitet, wird das Regelventil 36 geöffnet, um den an dem Heizgerät 30 erzeugten überhitzten Dampf (Kältemittel) in die Arbeitskammern des Expansionsgeräts 10 einzuleiten, sodass der Rotor 10b gedreht wird, um die Wärmeenergie in kinetische Energie umzusetzen.
Eine Funktionsweise der Dampfkompressions-Kühlvorrichtung mit dem Clausius-Rankine-Kreis gemäß dem Ausführungsbeispiel wird erläutert.
Die Vorrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel hat einen Klimabetriebsmodus und einen Abwärmesammelbetriebsmodus in Abhängigkeit von dem Klimasteuersignal und der Temperatur Tw der Abwärme.
(1. Klimabetriebsmodus)
In diesem Betriebsmodus führt der Verdampfapparat 14 einen Wärmeabsorptionsbetrieb durch, während das Wärmestrahlgerät 11 einen Wärmestrahlbetrieb durchführt.
Diesbezüglich wird der Betrieb der Flüssigkeitspumpe 32 gestoppt, das Regelventil 34c wird geöffnet und das Regelventil 36 wird als Rückschlagventil betrieben, sodass das Kältemittel von der Fluidmaschine 10 zu dem Wärmestrahlgerät 11 strömen kann. Dann wird die elektrische Energie der elektrischen Drehmaschine 10a zugeführt, um sie als Elektromotor zu betreiben, sodass der Rotor 10b durch den Elektromotor 10a in einer durch einen Pfeil in 2A angegebenen Richtung drehend angetrieben wird. In diesem Betriebsmodus wird das Motorkühlwasser durch das Dreiwegeventil 21 gesteuert, um an dem Heizgerät 30 vorbei zu strömen, wie durch eine gepunktete Linie an dem Dreiwegeventil 21 in 1 angedeutet.
Das durch die Fluidmaschine 10 (die als Kompressorgerät arbeitet) komprimierte Kältemittel strömt zu dem Heizgerät 30 und zirkuliert durch das Wärmestrahlgerät 11, die Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 12, das Druckverminderungsgerät 13, den Verdampfapparat 14 und dann zurück zu dem Kompressorgerät 10. Wie oben beschrieben, strömt das Motorkühlwasser in diesem Betriebsmodus nicht durch das Heizgerät 30 und hierdurch führt das Heizgerät 30 einen einfachen Fluidkanal für das Kältemittel durch.
Das an dem Druckverminderungsgerät 13 im Druck verminderte Kältemittel wird an dem Verdampfapparat 14 durch Aufnehmen von Wärme aus der Umgebungsluft, welche dann in eine Fahrgastzelle des Fahrzeugs geblasen wird, verdampft. Das durch die Verdampfung in das gasförmige Kältemittel übertragene Kältemittel wird in das Kompressorgerät 10 gesaugt, sodass das Kältemittel auf ein Hochdruck- und Hochtemperatur-Kältemittel komprimiert wird. Das Hochtemperatur-Kältemittel wird dann durch das Wärmestrahlgerät 11 abgekühlt, um das Kältemittel zu kondensieren.
Im obigen Ausführungsbeispiel kann Freon-Gas (HFC134a) oder irgendein anderes Kältemittelfluid verwendet werden. Außerdem kann, obwohl die obige Funktionsweise für den Kühlbetrieb oder den Entfeuchtungsbetrieb erläutert ist, der Kühlkreis in der gleichen Weise auch für einen Heizbetrieb betrieben werden.
(2. Abwärmesammelbetriebsmodus)
In diesem Betriebsmodus wird der Betrieb der Fluidmaschine 10 als Kompressorgerät gestoppt und sie wird stattdessen als Expansionsgerät betrieben, um die Abwärme von dem Motor 20 zu sammeln und kinetische Energie zu erhalten.
In diesem Betrieb wird das Regelventil 34c geschlossen, das Regelventil 36 wird geöffnet, die Flüssigkeitspumpe 32 wird betrieben und der Kanal des Dreiwegeventils 21 wird von der gepunkteten Linie zu einer durchgezogenen Linie um geschaltet, wie in 1 angegeben, sodass das Motorkühlwasser von dem Motor 20 durch das Heizgerät 30 zirkuliert.
Bei diesem Betrieb strömt das Kältemittel von der Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 12 durch den ersten Bypass-Kreislauf 31 und die Flüssigkeitspumpe 32 zu dem Heizgerät 30 und zirkuliert durch die Fluidmaschine 10 (die als Expansionsgerät arbeitet), den zweiten Bypass-Kreislauf 34 und das Wärmestrahlgerät 11 zu der Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 12 zurück.
Demgemäß strömt der an dem Heizgerät 30 erwärmte überhitzte Dampf des Kältemittels in das Expansionsgerät 10, wobei der überhitzte Dampf in dem Expansionsgerät in isenthropischer Weise ausgedehnt wird, um seine Enthalpie zu verringern. Als Ergebnis wird das Expansionsgerät 10 in einer durch einen Pfeil in 2B angegebenen Richtung gedreht, um kinetische Energie entsprechend einem Verringerungsmaß der Enthalpie zu erzeugen, welche an die als Stromgenerator arbeitende elektrische Drehmaschine 10a angelegt wird. Der an der elektrischen Drehmaschine 10a erzeugte Strom wird dann in eine Batterie oder irgendeine andere Energiespeichereinrichtung geladen.
Das aus dem Expansionsgerät 10 kommende Kältemittel wird an dem Wärmestrahlgerät 11 abgekühlt und kondensiert und in der Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 12 gespeichert. Das flüssige Kältemittel wird durch die Flüssigkeitspumpe 32 aus der Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 12 zu dem Heizgerät 30 ausgepumpt.
Die Flüssigkeitspumpe 32 pumpt das Kältemittel mit einem solchen Druck aus, dass das überhitzte Kältemittel an dem Heizgerät 30 nicht in einer Gegenrichtung von dem Heizgerät 30 zu der Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 12 zurück strömen kann.
Wie bei dem obigen Abwärmesammelbetrieb kann die Abwärme von dem Motor 20 gesammelt und in elektrische Energie umgewandelt werden, welche wieder für den Betrieb des Fahrzeugs verwendet werden kann. Als Ergebnis kann ein Kraftstoffverbrauchsverhältnis des Motors 20 verbessert werden.
Außerdem kann, da die elektrische Energie aus der Abwärme von dem Motor 20 in dem Abwärmesammelbetrieb erzeugt wird, eine notwendige Antriebsenergie für eine elektrische Stromerzeugungsmaschine (einen Wechselstromgenerator) für das Fahrzeug reduziert werden, sodass das Kraftstoffverbrauchsverhältnis weiter verbessert werden kann.
Im Betrieb des obigen Ausführungsbeispiels geht, wenn das Klimasignal von der Klima-ECU 42 an die ECU 40 angelegt wird, der Klimabetrieb dem Abwärmesammelbetrieb vor, sodass die Fluidmaschine als Kompressorgerät betrieben wird und die Zufuhr des Motorkühlwassers in das Heizgerät 30 gestoppt wird.
Falls das Klimasteuersignal nicht von der Klima-ECU 42 an die ECU 40 angelegt wird und die Temperatur Tw der Abwärme einen vorbestimmten Wert übersteigt, wird der Abwärmesammelbetrieb durch Zuführen des Motorkühlwassers zu dem Heizgerät 30 und Betreiben der Fluidmaschine als Expansionsgerät durchgeführt.
Andererseits wird in dem Fall, dass das Klimasteuersignal nicht von der Klima-ECU 42 an die ECU 40 angelegt wird, aber die Temperatur Tw der Abwärme den vorbestimmten Wert nicht übersteigt, das Motorkühlwasser nicht von dem Motor 20 zu dem Heizgerät 30 zugeführt und die elektrische Energie wird auch nicht der elektrischen Drehmaschine 10a zugeführt.
3 ist ein Flussdiagramm zum Steuern des obigen Ausführungsbeispiels. Wenn der Motorbetrieb gestartet wird, bestimmt die ECU 40 in einem Schritt S1, ob es das Klimasteuersignal von der Klima-ECU 42 gibt. Falls die ECU 40 das Klimasteuersignal von der Klima-ECU 42 bestätigt, geht der Prozess zu einem Schritt S2, bei dem der Clausius-Rankine-Kreis nicht betrieben wird und der Klimabetrieb durchgeführt wird.
Falls das Klimasteuersignal nicht von der Klima-ECU 42 an die ECU 40 angelegt wird, geht der Prozess von Schritt S1 zu einem Schritt S3, in dem die ECU 40 bestimmt, ob die Temperatur Tw der Abwärme den vorbestimmten Wert übersteigt.
Wenn in dem Schritt S3 bestimmt wird, dass die Temperatur Tw den vorbestimmten Wert übersteigt, geht der Prozess zu einem Schritt S4, in dem der Betrieb des Clausius-Rankine-Kreises gestartet wird, sodass der Abwärmesammelbetrieb durchgeführt wird.
In Schritt S4 wird die Temperatur Tw der Abwärme durch Vergleichen mit dem vorbestimmten Wert mit einer Hystereseschleife bestimmt, wie in 4 dargestellt. Falls die Temperatur Tw der Abwärme (= des Motorkühlwassers) sinkt, wird durch die ECU 40 bestimmt, dass die Temperatur Tw den vorbestimmten Wert übersteigt, wenn die Temperatur Tw höher als ein Wert Tw1 ist. Andererseits wird in dem Fall, dass die Temperatur Tw der Abwärme (= des Motorkühlwassers) steigt, durch die ECU 40 bestimmt, dass die Temperatur Tw den vorbestimmten Wert übersteigt, wenn die Temperatur Tw höher als ein Wert Tw2 ist, welcher größer als Tw1 ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist ein Temperaturunterschied zwischen den Werten von Tw1 und Tw2 auf einen Wert zwischen 5 bis 10 Grad eingestellt.
Wenn die Temperatur des Motors 20, d.h. die Temperatur des Motorkühlwassers niedrig ist, wird das Kraftstoffverbrauchsverhältnis wahrscheinlich geringer, weil eine Ölviskosität höher wird und dadurch ein Reibungsverlust im Motor 20 größer wird.
Und deshalb wird, falls der Clausius-Rankine-Kreis betrieben wird, wenn die Temperatur Tw der Abwärme niedrig ist, die Temperatur des Motorkühlwassers weiter verringert, um die Temperatur des Motors 20 zu senken.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird jedoch der Clausius-Rankine-Kreis betrieben, um die Abwärme zu sammeln, wenn die Temperatur Tw des Motorkühlwassers hoch genug (höhers als Tw1 oder Tw2) ist, um die Abwärme zu sammeln. Als Ergebnis kann die kinetische Energie aus der Abwärme von dem Motor 20 ohne Verursachen einer Verringerung des Kraftstoffverbrauchsverhältnisses erzielt werden.
(Zweites Ausführungsbeispiel)
Im obigen ersten Ausführungsbeispiel weist die Fluidmaschine 10 das Kompressorgerät auf, das integral mit dem Expansionsgerät ausgebildet ist. In 5, die ein zweites Ausführungsbeispiel zeigt, sind jedoch ein Kompressorgerät 33a und ein Expansionsgerät 33b unabhängig vorgesehen, wobei das Kompressorgerät 33a und das Expansionsgerät 33b miteinander durch eine Einwegekupplung (nicht dargestellt) wirkverbunden sind.
Regelventile 34a und 34b sind mit dem Kompressorgerät 33a bzw. dem Expansionsgerät 33b verbunden und ein Öffnen und Schließen davon wird durch die ECU 40 gesteuert. Für den Klimabetrieb wird das Regelventil 34a geöffnet und das Regelventil 34b geschlossen, während für den Abwärmesammelbetrieb das Regelventil 34a geschlossen und das Regelventil 34b geöffnet wird.
(Drittes Ausführungsbeispiel)
Im obigen ersten Ausführungsbeispiel wird das Dreiwegeventil 21 so umgeschaltet, dass das Motorkühlwasser während des Abwärmesammelbetriebsmodus von dem Motor 20 durch das Heizgerät 30 strömen kann. Der Betrieb der Abwärmesammlung kann jedoch in der folgenden Weise modifiziert werden. Das Motorkühlwasser wird weiter durch das Heizgerät 30 geleitet, und die Wasserpumpe 22 und/oder die Flüssigkeitspumpe 32 wird durch die ECU 40 in Abhängigkeit von der Temperatur des Motorkühlwassers so gesteuert, dass der Abwärmesammelbetrieb durchgeführt wird, wenn die Temperatur Tw der Abwärme einen vorbestimmten Wert übersteigt.
(Weitere Ausführungsbeispiele)
Die vorliegende Erfindung soll nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt sein, und viele weitere Modifikationen können möglich sein.
Zum Beispiel kann die an dem Expansionsgerät erzeugte kinetische Energie als Bewegungsenergie in einem Schwungrad oder als elastische potenzielle Energie in einer Feder gespeichert werden.
Andere Arten der Fluidmaschine als der Flügeltyp können für das Kompressorgerät und das Expansionsgerät verwendet werden.
In dem Abwärmesammelbetrieb muss die Hysterese für die Temperaturbestimmung nicht immer notwendig sein.
Die vorliegende Erfindung kann für andere Zwecke als das Motorfahrzeug verwendet werden.
Irgendein anderes Gerät als der Verbrennungsmotor kann als Wärmekraftmaschine verwendet werden.

Claims

Abwärmesammelsystem mit einem Clausius-Rankine-Kreis, mit einem Dampferzeugungsgerät (30) zum Erzeugen eines überhitzten Dampfes durch Heizen eines flüssigen Fluids mit einer Abwärme von einer Wärmekraftmaschine (20); einem Expansionsgerät (10) zum Erzeugen einer kinetischen Energie durch Ausdehnen des überhitzten Dampfes in einer isenthropischen Weise; einem Kondensationsgerät (11) zum Kondensieren des in dem Expansionsgerät (10) ausgedehnten Dampfes, um den Dampf in das flüssige Fluid umzuwandeln; einer Flüssigkeitspumpe (32) zum Pumpen des flüssigen Fluids zu dem Dampferzeugungsgerät (30); und einer Einstelleinrichtung (21, 22, 32, 40) zum Einstellen einer dem Dampferzeugungsgerät (30) von der Wärmekraftmaschine (20) zuzuführenden Menge Abwärme, sodass die Zufuhr des überhitzten Dampfes von dem Dampferzeugungsgerät (30) zu dem Expansionsgerät (10) entsprechend gesteuert wird, wobei die Einstelleinrichtung (21, 22, 32, 40) die Abwärme von der Wärmekraftmaschine (20) dem Dampferzeugungsgerät (30) zuführt, wenn eine Temperatur (Tw) der Abwärme höher als ein vorbestimmter Wert ist, und die Zufuhr der Abwärme von der Wärmekraftmaschine (20) zu dem Dampferzeugungsgerät (30) stoppt, wenn die Temperatur (Tw) der Abwärme niedriger als der vorbestimmte Wert ist.
Abwärmesammelsystem nach Anspruch 1, bei welchem ein erster vorbestimmter Wert, bei dem die Einstelleinrichtung (21, 22, 32, 40) die Zufuhr der Abwärme zu dem Dampferzeugungsgerät (30) startet, höher als ein zweiter vorbestimmter Wert ist, bei dem die Einstelleinrichtung (21, 22, 32, 40) die Zufuhr der Abwärme zu dem Dampferzeugungsgerät (30) stoppt.
Abwärmesammelsystem nach Anspruch 2, bei welchem ein Temperaturunterschied zwischen dem ersten und dem zweiten vorbestimmten Wert größer als 5 Grad und kleiner als 10 Grad ist.
Abwärmesammelsystem nach Anspruch 1, bei welchem die Einstelleinrichtung (21, 22, 32, 40) eine Umschalteinrichtung (21) zum Starten oder Stoppen der Zufuhr der Abwärme von der Wärmekraftmaschine (20) zu dem Dampferzeugungsgerät (30) und eine elektronische Steuereinheit (40) zum Steuern eines Betriebs der Umschalteinrichtung (21) aufweist.
Abwärmesammelsystem nach Anspruch 1, ferner mit einem Dampfkompressions-Kühlkreis (10, 11, 12, 13, 14) zum Aufnehmen von Wärme von einem Kühlfluid durch Ausdehnen desselben; einer weiteren elektronischen Steuereinheit (42) zum Steuern eines Betriebs des Kühlkreises; und einer Steuereinrichtung (36, 40) zum Umschalten von dem Betrieb des Clausius-Rankine-Kreises zum Betrieb des Kühlkreises oder umgekehrt, wobei die Steuereinrichtung (36, 40) den Kühlkreis ohne Betreiben des Clausius-Rankine-Kreises betätigt, wenn sie ein Steuersignal von der weiteren elektronischen Steuereinheit (42) empfängt.
Abwärmesammelsystem nach Anspruch 5, bei welchem das Expansionsgerät (10) während des Betriebs des Kühlkreises als Kompressorgerät betrieben wird.