DE102005013510A1

DE102005013510A1 - Fluidmaschine

Info

Publication number: DE102005013510A1
Application number: DE102005013510A
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Nishio Ogawa; Tadashi Nishio Hotta; Shigeki Kariya Iwanami; Keiichi Kariya Uno
Original assignee: Denso Corp; Nippon Soken Inc
Current assignee: Denso Corp; Soken Inc
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2005-03-23
Publication date: 2005-11-03
Also published as: US20050220646A1; CN1676882A; US7344364B2; JP2005291037A

Abstract

Nachdem der Zahnabschnitt (102b) der stationären Spirale (102) und der Zahnabschnitt (103b) der umlaufenden Spirale (103) einander an einer Kontaktfläche (121) im Mittelteil der Spirale (dargestellt in Fig. 5A) kontaktiert werden, wird, wenn diese Kontaktfläche (121) zu zwei Gleitkontaktabschnitten (122, 123) verschoben wird, die Arbeitskammer (V) zwischen den zwei Gleitkontaktabschnitten (122, 123) gebildet (dargestellt in Fig. 5B), und der Kältemitteleinleitungsanschluss (105a) ist zu dem Bereich an der Kontaktfläche (121) offen. Demgemäß kann die Arbeitskammer augenblicklich gewechselt werden, während die Dichtungseigenschaft gewährleistet ist. Durch den obigen Aufbau kann die Dichtungseigenschaft zum Unterdrücken eines Austritts von der Hochdruckseite zur Zeit des Expansionsmodus zu der Ruheeigenschaft für einen ruhigen Wechsel der fortlaufend gebildeten Spiralarbeitskammer kompatibel sein.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spiraltyp-Fluidmaschine mit sowohl einem Kompressionsmodus (Pumpenmodus), in dem ein Fluid komprimiert und ausgegeben wird, als auch einem Expansionsmodus (Motormodus), in dem ein Fluiddruck zur Zeit der Expansion in kinetische Energie umgesetzt und als mechanische Energie ausgegeben wird. Die vorliegende Erfindung wird effektiv auf einen Kompressor angewendet, mit dem eine Expansionsvorrichtung in einen Körper integriert ist, und der für eine Dampfkompressions-Kältemaschine mit einem Wärmewiedergewinnungssystem wie beispielsweise dem Clausius-Rankine-Kreis, durch das Wärmeenergie wiedergewonnen wird, benutzt wird.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Wie zum Beispiel im Amtsblatt des japanischen Patents Nr. 2540738 gezeigt, wird im Fall einer mit dem Clausius-Rankine-Kreis versehenen herkömmlichen Dampfkompressions-Kältemaschine der Kompressor einer Dampfkompressions-Kältemaschine auch als Expansionsvorrichtung benutzt, d.h. der Kompressor wird sowohl als Kompressor als auch als Expansionsvorrichtung benutzt. Deshalb wird der Kompressor, falls Energie durch den Clausius-Rankine-Kreis wiedergewonnen wird, als Expansionsvorrichtung benutzt.

Bei der herkömmlichen Maschine können jedoch die folgenden Probleme auftauchen. Falls eine Spiraltyp-Pumpe als Kompressor/Expansionsvorrichtung wie oben beschrieben eingesetzt wird und eine Kompression/Expansion durch eine normale/umgekehrte Drehbewegung ausgeführt wird, ist die Maschine üblicherweise hauptsächlich als Kompressor konstruiert, der betrieben wird, wenn eine Dampfkompressions-Kältemaschine betrieben wird. Deshalb kann, wenn die Maschine als Expansionsvorrichtung betrieben wird, die Leistung des Kompressors nicht zufriedenstellend sein.

Insbesondere ist eines der Probleme die Öffnungs- und Schließbewegung des Sauganschlusses der Maschine, falls die Maschine als Expansionsvorrichtung benutzt wird. Falls die Spiralpumpe als Kompressor benutzt wird, wird gewöhnlicherweise ein Gegenstrom des Kältemittels von der Hochdruckseite zur Niederdruckseite durch ein Ausgabeventil verhindert, das durch eine Druckdifferenz geöffnet und geschlossen wird. Dieses Verfahren zum Verhindern des Gegenstroms des Kältemittels wird einfach ausgeführt. Falls jedoch die Spiralpumpe als Expansionsvorrichtung benutzt wird, ist das Anwenden eines Ventils zum Verhindern des Austritts des Kältemittels von der Hochdruckseite zur Niederdruckseite nicht einfach, weil die Konstruktion kompliziert wird und die Größe größer wird. Um einen Austritt des Kältemittels von der Hochdruckseite in die Arbeitskammer zur Zeit des Expansionsmodus zu verhindern, ist es deshalb bevorzugt, dass ein unbrauchbarer Austritt des Kältemittels durch Verbessern der Dichtungseigenschaft des Spiralabschnitts unterdrückt wird.

Die Dichtungseigenschaft, durch welche der Austritt des Kältemittels von der Hochdruckseite zur Niederdruckseite wie oben beschrieben unterdrückt wird, ist wichtig. Andererseits ist es wichtig, damit ein kontinuierlicher und stabiler Strom des Kältemittels erzielt wird, dass die Arbeitskammern, die nacheinander in der Spiralmitte zur Zeit des Expansionsmodus gebildet werden, augenblicklich gewechselt werden. Wenn der Ausgabeanschluss zur Zeit des Kompressionsmodus zur Zeit des Expansionsmodus als Sauganschluss benutzt wird, wird der Sauganschluss über eine zu lange Zeitdauer beim Wechseln der Arbeitskammer geschlossen, und die Arbeitskammer kann nicht ruhig gewechselt werden.

Die Erfinder berücksichtigten die obigen speziellen Probleme und fanden heraus, dass die Leistung zu der Zeit, wenn die Maschine als Expansionsvorrichtung betrieben wurde, durch ein geeignetes Setzen des Sauganschlusses und der Spiralmitte zur Zeit des Expansionsmodus verbessert werden konnte.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung wurde in Anbetracht der obigen Punkte gemacht. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Fluidmaschine vorzusehen, bei der die Dichtungseigenschaften des Unterdrückens des Austritts von Kältemittel von der Hochdruckseite zur Niederdruckseite zur Zeit des Expansionsmodus zur Eigenschaft des ruhigen Wechselns der Spiralkammern, die nacheinander gebildet werden, kompatibel ist.

Um die obige Aufgabe zu lösen, setzt die vorliegende Erfindung die folgenden technischen Maßnahmen ein.

Die vorliegende Erfindung sieht eine Fluidmaschine vor, mit einem stationären Spiralelement (102) mit einem ersten Zahnabschnitt (102b), dessen Form eine Spirale ist, und auch mit einem ersten Basisabschnitt (102a), um den ersten Zahnabschnitt (102b) zu halten; einem bewegbaren Spiralelement (103) mit einem zweiten Zahnabschnitt (103b), dessen Form eine Spirale ist, und auch mit einem zweiten Basisabschnitt (103a), um den zweiten Zahnabschnitt (103b) zu halten, wobei eine Seite des bewegbaren Spiralelements (103), an der der zweite Zahnabschnitt (103b) ausgebildet ist, einer Seite des stationären Spiralelements (102) gegenüber liegt, an der der erste Zahnabschnitt (102b) ausgebildet ist, wobei das bewegbare Spiralelement (103) umläuft, während eine Drehung des bewegbaren Spiralelements (103) verhindert ist; und einer Arbeitskammer (V), die zwischen zwei Gleitkontaktabschnitten (122, 123) mit dem ersten Zahnabschnitt (102b) und dem zweiten Zahnabschnitt (103b) zwischen den zwei Spiralelementen (102, 103) gebildet ist, wobei sich ein Volumen der Arbeitskammer (V) durch den Umlauf des bewegbaren Spiralelements (103) ändert, wobei die Fluidmaschine in einem Kompressionsmodus betrieben werden kann, in dem die Arbeitskammer (V) fortlaufend in einem Außenumfangsabschnitt des stationären Spiralelements (102) gebildet wird und das Volumen der Arbeitskammer (V) verkleinert wird, während die Arbeitskammer (V) zur Mitte bewegt wird, sodass ein Fluid in der Arbeitskammer (V) komprimiert und aus ihr ausgegeben werden kann, und auch in einem Expansionsmodus betrieben werden kann, in dem die Arbeitskammer (V) fortlaufend in der Mitte des stationären Spiralelements (102) gebildet wird und das Volumen der Arbeitskammer (V) vergrößert wird, während die Arbeitskammer (V) fortlaufend in der Mitte des stationären Spiralelements (102) gebildet und zum Außenumfangsabschnitt bewegt wird und ein Fluid in der Arbeitskammer (V) ausgedehnt und aus ihr ausgegeben wird, und wobei, wenn die Fluidmaschine im Expansionsmodus betrieben wird, nachdem der erste Zahnabschnitt (102b) und der zweite Zahnabschnitt (103b) einander an einer Kontaktfläche (121) in der Mitte kontaktieren, wenn die Kontaktfläche (121) zu den zwei Gleitkontaktabschnitten (122, 123) verschoben wird, die Arbeitskammer (V) zwischen den zwei Gleitkontaktabschnitten (122, 123) gebildet wird, und das stationäre Spiralelement (102) zu einem Bereich offen ist, der zu der Kontaktfläche (121) wird, und das stationäre Spiralelement (102) einen Einleitungsanschluss (105a) zum Einleiten des Fluids in die in der Mitte gebildete Arbeitskammer (V) besitzt.

Aufgrund dessen wird die Bildung der Arbeitskammer (V) in der Spiralmitte zur der Zeit gestartet, wenn eine Kontaktfläche (121) des ersten Zahnabschnitts (102b) mit dem zweiten Zahnabschnitt (103b) zu zwei Gleitkontaktabschnitten (122, 123) verschoben wird. Die Arbeitskammer (V) ist zu Beginn der Bildung der Arbeitskammer (V) zwischen die zwei Gleitkontaktabschnitte (122, 123) gesetzt. In diesem Fall ist der Beginn der Bildung der Arbeitskammer (V) als der Zeitpunkt definiert, zu dem ein Vorsprungbereich des Raums zwischen dem ersten und dem zweiten Zahnabschnitt in die Richtung der Umlaufachse des bewegbaren Spiralelements sich von Null auf einen positiven Wert ändert. Demgemäß ist es für das Fluid schwierig, in die zuvor gebildeten Arbeitskammer (V) auszutreten.

Die zuvor gebildete Arbeitskammer (V) wird zu dem Zeitpunkt geschlossen, zu dem der erste Zahnabschnitt (102b) und der zweite Zahnabschnitt (103b) einander kontaktieren. Unmittelbar nach dem Kontakt wird das Fluid von dem zu dem Bereich der Kontaktfläche (121) offenen Einleitungsanschluss (105a) eingeleitet und die nächste Arbeitskammer (V) wird gebildet. Demgemäß wird das Fluid kontinuierlich in die fortlaufend gebildeten Arbeitskammern IV) eingeleitet.

Wie oben beschrieben, können, während die Dichtungseigenschaft gewährleistet ist, sodass ein Austreten des Fluids von der Hochdruckseite unterdrückt werden kann, die Arbeitskammern, die fortlaufend gebildet werden, ruhig gewechselt werden.

Die vorliegende Erfindung sieht auch eine Fluidmaschine vor, in welcher sich der Einleitungsanschluss (105a) von dem ersten Basisabschnitt (102a) in die Richtung der Zahnhöhe des ersten Zahnabschnitts (102b) in dem Bereich der Kontaktfläche (121) des ersten Zahnabschnitts (102b) erstreckt.

Aufgrund dessen kann ein Öffnungsbereich des Einleitungsanschlusses (105a) im Bereich der Kontaktfläche (121) des ersten Zahnabschnitts (102a) mit dem zweiten Zahnabschnitt (103b) vergrößert werden. Demgemäß kann das Fluid schnell und sicher in die Arbeitskammer (V) eingeleitet werden, die gebildet wird, wenn eine Kontaktfläche (121) des ersten Zahnabschnitts (102b) mit dem zweiten Zahnabschnitt (103b) zu zwei Gleitkontaktabschnitten (122, 123) verschoben wird.

Die vorliegende Erfindung sieht auch eine Fluidmaschine vor, in welcher die Erstreckungslänge (L) des Einleitungsanschlusses (105a) in der Richtung der Zahnhöhe des ersten Zahnabschnitts (102b) kleiner als die Höhe (H) des ersten Zahnabschnitts (102b) in der Richtung der Zahnhöhe ist.

Aufgrund dessen erstreckt sich der Einleitungsanschluss (105a) nicht zu einem Abschnitt des Basisabschnitts (103a) des bewegbaren Spiralelements (103). Demgemäß ist es für das Fluid in dem Einleitungsanschluss (105a) schwierig, zwischen dem Zahnabschnitt (102b) des stationären Spiralelements (102) und dem Basisabschnitt (103a) des bewegbaren Spiralelements (103) in die Arbeitskammer (V), die zuvor gebildet wird, auszutreten. Auf diese Weise wird die Dichtungseigenschaft weiter verbessert, sodass ein Austreten von Fluid von der Hochdruckseite unterdrückt werden kann.

Im herkömmlichen Fall, wenn die Maschine als Kompressor konstruiert ist und als Expansionsvorrichtung betrieben wird, ist der Ausgabeanschluss (105) zur Zeit des Kompressionsmodus, der den Einleitungsanschluss (105b) bildet, üblicherweise zum Basisabschnitt (102a) des stationären Spiralelements (102) offen, d.h. der Ausgabeanschluss (105) zur Zeit des Kompressionsmodus ist nicht im Bereich der Kontaktfläche (121) zwischen den Zahnabschnitten (102b, 103b) vorgesehen. Falls eine Spandichtung (103e) an der Gleitkontaktfläche des Zahnabschnitts (103b) des bewegbaren Spiralelements (103) mit dem Basisabschnitt (102b) des stationären Spiralelements (102) vorgesehen ist, ist es, da es eine Möglichkeit gibt, dass die Spandichtung (103e) beschädigt wird, wenn die Ortskurve der Spandichtung (103e) mit dem Einleitungsanschluss (105b) des Basisabschnitts (102a) überlappt, wenn das bewegbare Spiralelement (103) umläuft, für die Spandichtung (103e) schwierig, sich zu einem vorderen Endabschnitt des Zahnabschnitts (103b) des bewegbaren Spiralelements (103) zu erstrecken.

Wenn jedoch der Einleitungsanschluss (105a) an der Kontaktfläche (121) des ersten Zahnabschnitts (102b) mit dem zweiten Zahnabschnitt (103b) vorgesehen ist, erstreckt sich die in der Spiralrichtung des zweiten Zahnabschnitts (103b) verlaufende Spandichtung (103e) in die Nähe eines vorderen Endabschnitts an der Mittelseite des zweiten Zahnabschnitts (103b) in einem nicht mit dem Einleitungsanschluss (105a) überlappenden Bereich, wenn das bewegbare Spiralelement (103) umläuft.

Aufgrund dessen ist es möglich, die Dichtungseigenschaft zwischen dem Basisabschnitt (102a) des stationären Spiralelements (102) und dem Zahnabschnitt (103b) des bewegbaren Spiralelements (103) zu verbessern.

Die vorliegende Erfindung wird aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung zusammen mit den beiliegenden Zeichnungen besser verständlich.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Modells der mit dem Clausius-Rankine-Kreis versehenen Dampfkompressions-Kältemaschine eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
2 eine Schnittansicht eines Kompressors, mit dem eine Expansionsvorrichtung in einen Körper integriert ist, in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
3 ein Nomogramm der Funktionsweise des Kompressors, mit dem eine Expansionsvorrichtung in einen Körper integriert ist, in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
4 eine Perspektivansicht eines vorderen Endabschnitts an der Mittelseite des Zahnabschnitts der stationären Spirale in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
5A bis 5D Schnittansichten entlang einer Linie V-V in 2, die einen Betriebszustand einer umlaufenden Spirale zeigen;
6 eine Darstellung einer Ortskurve der Spandichtung der umlaufenden Spirale eines Ausführungsbeispiels der Erfindung;
7A bis 7C Schnittansichten eines Betriebszustandes der umlaufenden Spirale, falls die herkömmliche Position des Einleitungsanschlusses verwendet wird; und
8 eine Darstellung einer Ortskurve der Spandichtung der umlaufenden Spirale, falls die herkömmliche Position des Einleitungsanschlusses verwendet wird.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Bezug nehmend auf die Zeichnungen wird nun ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben.
In diesem Ausführungsbeispiel ist die Fluidmaschine der vorliegenden Erfindung auf eine Dampfkompressions-Kältemaschine zur Fahrzeugnutzung, die mit dem Clausius-Rankine-Kreis versehen ist, angewendet. 1 ist eine schematische Darstellung eines Modells der Dampfkompressions-Kältemaschine bezüglich des vorliegenden Ausführungsbeispiels.
Die mit dem Clausius-Rankine-Kreis versehene Dampfkompressions-Kältemaschine bezüglich des vorliegenden Ausführungsbeispiels gewinnt Energie aus der von dem Motor 20, der ein Wärmemotor zum Erzeugen einer zum Fahren eines Fahrzeugs benutzten Antriebskraft ist, erzeugten Abwärme wieder. Gleichzeitig nutzt die Dampfkompressions-Kältemaschine Kälte und Hitze, die durch die Dampfkompressions-Kältemaschine erzeugt werden, für eine Klimatisierung. Die mit dem Clausius-Rankine-Kreis versehene Dampfkompressions-Kältemaschine wird wie folgt erläutert.
Der Kompressor 10, mit dem eine Expansionsvorrichtung in einen Körper integriert ist, ist eine Fluidmaschine mit sowohl einem Pumpenmodus (Kompressionsmodus), in dem ein Gasphasenkältemittel komprimiert und ausgegeben wird, als auch einem Motormodus (Expansionsmodus), in dem ein Fluiddruck zur Zeit einer Expansion eines überhitzten Dampfkältemittels in kinetische Energie umgesetzt wird, um so mechanische Energie auszugeben. Der Kühler 11 ist mit der Ausgabeseite (dem später beschriebenen Hochdruckanschluss 110) des Kompressors 10, mit dem eine Expansionsvorrichtung in einen Körper integriert ist, verbunden und kühlt das Kältemittel, während er Wärme davon abstrahlt. In diesem Zusammenhang wird der Kompressor 10, mit dem eine Expansionsvorrichtung in einen Körper integriert ist, später im Detail beschrieben.
Die Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 12 ist ein Auffanggefäß zum Trennen des Kältemittels, das aus dem Kühler 11 geströmt ist, in ein Gasphasenkältemittel und ein Flüssigphasenkältemittel, und der Dekompressor 13 dekomprimiert und dehnt das durch die Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 12 getrennte Flüssigphasenkältemittel. In diesem Ausführungsbeispiel wird das Kältemittel durch eine isenthalpische Änderung dekomprimiert, und ein thermisches Expansionsventil wird eingesetzt, welches den Drosselöffnungsgrad so steuert, dass der Überhitzungsgrad des in den Kompressor 10, mit dem eine Expansionsvorrichtung in einen Körper integriert ist, gesaugten Kältemittels ein bestimmter Wert sein kann.
Der Verdampfapparat 14 ist eine Wärmeabsorptionsvorrichtung, in der das durch den Dekompressor 13 dekomprimierte Kältemittel verdampft, um so die Wärmeabsorptisonswirkung zu zeigen. Die Dampfkompressions-Kältemaschine zum Entfernen von Wärme von der Niedertemperaturseite zur Hochtemperaturseite enthält den Kompressor 10, mit dem eine Expansionsvorrichtung in einen Körper integriert ist, den Kühler 11, die Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 12, den Dekompressor 13 und den Verdampfapparat 14.
Die Heizvorrichtung 30 ist in dem Kühlkreis zur Verbindung des Kompressors 10, mit dem eine Expansionsvorrichtung in einen Körper integriert ist, mit dem Kühler 11 vorgesehen. Die Heizvorrichtung 30 ist ein Wärmetauscher zum Heizen des Kältemittels durch Wärmeaustausch zwischen dem in dem Kühlkreis strömenden Kältemittel und dem Motorkühlmittel. Mittels des Dreiwegeventils 21 wird zwischen dem Fall, in dem das aus dem Motor 20 ausströmende Motorkühlmittel in der Heizvorrichtung 30 zirkuliert, und dem Fall, in dem das aus dem Motor 20 ausströmende Motorkühlmittel nicht in der Heizvorrichtung 30 zirkuliert, gewechselt. Das Dreiwegeventil wird durch eine in der Zeichnung nicht dargestellte elektronische Steuereinheit gesteuert.
Der erste Bypasskreis 31 ist ein Kältemittelkanal zum Einleiten des Flüssigphasenkältemittels, das durch die Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 12 getrennt wird, zu der Kältemitteleintrittsseite des Kühlers 11. In diesem ersten Bypasskreis 31 ist das Rückschlagventil 31a vorgesehen, das das Kältemittel nur von der Flüssigkeitspumpe 32 zum Zirkulieren des Flüssigphasenkältemittels und von der Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 12 zu der Seite der Heizvorrichtung 30 strömen lässt.
Der zweite Bypasskreis 33 ist ein Kältemittelkanal zur Verbindung der Kältemittelausgabeseite (dem später beschriebenen Niederdruckanschluss 111) zur Zeit des Betriebs des Kompressors 10, mit dem eine Expansionsvorrichtung in einen Körper integriert ist, im Motormodus mit der Eintrittsseite des Kältemittels des Kühlers 11. In diesem zweiten Bypasskreis 33 ist das Rückschlagventil 33a vorgesehen, welches das Kältemittel nur von dem Kompressor 10, mit dem eine Expansionsvorrichtung in einen Körper integriert ist, zur Kältemitteleintrittsseite des Kühlers 11 strömen lässt.
In diesem Zusammenhang lässt das Rückschlagventil 14a das Kältemittel nur von der Kältemittelaustrittsseite des Verdampfapparats 14 zur Kältemittelansaugseite (dem später beschriebenen Niederdruckanschluss 111) strömen, wenn der Kompressor 10, mit dem eine Expansionsvorrichtung in einen Körper integriert ist, im Pumpenmodus betrieben wird. Das Öffnungs- und Schließventil 34 ist ein elektromagnetisches Ventil zum Öffnen und Schließen des Kältemittelkanals und wird durch die in der Zeichnung nicht dargestellte elektronische Steuereinheit gesteuert.
In diesem Zusammenhang wird die Wasserpumpe 22 zum Zirkulieren des Motorkühlmittels benutzt. Der Kühler 23 ist ein Wärmetauscher zum Kühlen des Motorkühlmittels durch Wärmeaustausch zwischen dem Motorkühlmittel und der Außenluft. In diesem Zusammenhang ist die Wasserpumpe 22 eine Pumpe des mechanischen Typs, die durch den Motor 20 angetrieben wird. Natürlich kann die Wasserpumpe 22 jedoch auch eine Pumpe des elektrischen Typs sein, die durch einen Elektromotor angetrieben wird. In diesem Zusammenhang ist in 1 der Bypasskreis, um das Kühlmittel an dem Kühler 23 vorbei strömen zu lassen, weggelassen, und das Strömungsrateneinstellventil zum Einstellen der Strömungsrate des in dem Bypasskreis strömenden Kühlmittels und auch Einstellen der Strömungsrate des in dem Kühler 23 strömenden Kühlmittels ist weggelassen.
Als nächstes wird der Kompressor 10, mit dem eine Expansionsvorrichtung in einen Körper integriert ist, im Detail wie folgt beschrieben.
2 ist eine Schnittansicht des Kompressors 10, mit dem eine Expansionsvorrichtung in einen Körper integriert ist. Der Kompressor 10, mit dem eine Expansionsvorrichtung in einen Körper integriert ist, enthält einen Pumpen/Motor-Mechanismus 100 zum Komprimieren oder Expandieren eines Fluids (Gasphasenkältemittel in diesem Ausführungsbeispiel); eine elektrische Drehmaschine 200, die elektrische Energie ausgibt, wenn eine Drehenergie eingegeben wird, und die Drehenergie ausgibt, wenn elektrische Energie eingegeben wird; eine elektromagnetische Kupplung 300, die einen Kraftübertragungsmechanismus zum intermittierenden Übertragen von Kraft von dem Motor 20, der eine externe Antriebsquelle ist, zur Seite des Pumpen/Motor-Mechanismus 100 bildet; einen Pumpen/Motor-Mechanismus 100; und einen Drehzahländerungsgetriebemechanismus 400, der aus einem Planetenuntersetzungsgetriebemechanismus zum Wechseln des Kraftübertragungsweges zwischen der elektrischen Drehmaschine 200 und der elektromagnetischen Kupplung 300 und zum Verkleinern oder Vergrößern der Drehzahl der Drehkraft aufgebaut ist.
In diesem Fall besteht die elektrische Drehmaschine aus einem Stator 210 und einem in dem Stator 210 drehenden Rotor 220. Der Stator 210 ist eine Statorspule, in der Drähte gewickelt sind, und der Rotor 220 ist ein Magnetrotor, in dem Permanentmagneten eingebettet sind.
In diesem Ausführungsbeispiel wird der Rotor 220 gedreht, wenn dem Stator 210 elektrische Energie zugeführt wird, sodass die elektrische Drehmaschine 200 als Elektromotor zum Antreiben des Pumpen/Motor-Mechanismus 100 betrieben werden kann. Wenn ein Drehmoment zum Drehen des Rotors 220 eingegeben wird, kann die elektrische Drehmaschine 200 als Generator betrieben werden, welcher dem Wiedergewinnungsmechanismus der vorliegenden Erfindung zum Erzeugen elektrischer Energie entspricht.
Die elektromagnetische Kupplung 300 enthält eine Riemenscheibe 310 zum Aufnehmen einer Kraft von dem Motor 20 über einen V-Riemen; eine Erregerspule 320 zum Erzeugen eines Magnetfeldes; und eine durch eine elektromagnetische Kraft, die durch das durch die Erregerspule 320 induzierte Magnetfeld erzeugt wird, verschiebbare Reibungsplatte 330. Wenn die Seite des Motors 20 mit dem Kompressor 10, mit dem eine Expansionsvorrichtung in einen Körper integriert ist, verbunden ist, wird ein elektrischer Strom in die Erregerspule 320 geschickt. Wenn die Seite des Motors 20 von dem Kompressor 10, mit dem eine Expansionsvorrichtung in einen Körper integriert ist, getrennt ist, wird der in der Erregerspule 320 fließende elektrische Strom unterbrochen.
Der Aufbau des Pumpen/Motor-Mechanismus 100 ist etwa gleich dem Aufbau des wohlbekannten Spiralkompressormechanismus. Insbesondere enthält der Pumpen/- Motor-Mechanismus 100 eine stationäre Spirale (stationäres Spiralelement, Gehäuse) 102, die an dem Statorgehäuse 230 der elektrischen Drehmaschine 200 über das mittlere Gehäuse 101 befestigt ist; eine umlaufende Spirale (bewegbares Spiralelement) 103, die ein bewegbares Element ist, das in einem Raum zwischen dem mittleren Gehäuse 101 und der stationären Spirale 102 umläuft; und einen Ventilmechanismus 107 zum Öffnen und Schließen der Verbindungskanäle 105, 106 zum Verbinden der Arbeitskammer V mit der Hochdruckkammer 104.
In diesem Fall enthält die stationäre Spirale 102 einen Basisplattenabschnitt (erster Basisplattenabschnitt) 102a, dessen Form wie eine Platte ist; und einen Zahn abschnitt (einen ersten Zahnabschnitt) 102b, dessen Form eine Spirale ist, die von dem Basisplattenabschnitt 102a zur Seite der umlaufenden Spirale 103 vorsteht. Andererseits enthält die umlaufende Spirale 103 einen Zahnabschnitt (zweiter Zahnabschnitt) 103b, dessen Form eine Spirale ist, die mit dem Zahnabschnitt (102b) in Kontakt ist und in Eingriff steht; und einen Basisplattenabschnitt (zweiter Basisplattenabschnitt) 103a, in dem der Zahnabschnitt (103b) ausgebildet ist. Wenn die umlaufende Spirale 103 umläuft, während beide Zahnabschnitte 102b, 103b miteinander in Kontakt kommen, wird ein Volumen der Arbeitskammer V, die aus beiden Spiralen 102, 103 gebildet wird, erweitert und zusammengezogen.
Die Welle 108 ist eine Kurbelwelle mit einem Exzenterabschnitt 108a, der an einem Endabschnitt in der Längsrichtung der Welle 108 vorgesehen und bezüglich der Drehmittelachse exzentrisch ausgebildet ist. Dieser Exzenterabschnitt 108a ist mit der umlaufenden Spirale 103 über die Buchse 103d und das Lager 103c verbunden.
In diesem Zusammenhang kann die Buchse 103d bezüglich des Exzenterabschnitts 108a etwas verschoben sein. Daher bildet die Buchse 103d einen angetriebenen Kurbelmechanismus, um die umlaufende Spirale 103 in eine solche Richtung zu verschieben, dass der Kontaktdruck beider Zahnabschnitte 102b, 103b durch die auf die umlaufende Spirale 103 wirkende Kompressionsreaktionskraft vergrößert wird.
Der Drehverhinderungsmechanismus 109 arbeitet so, dass die umlaufende Spirale 103 einen Umlauf um den Exzenterabschnitt 108a gedreht werden kann, während sich die Welle 108 um eine Umdrehung dreht. Wenn die Welle 108 gedreht wird, wird daher die umlaufende Spirale 103 nicht gedreht, sondern läuft um die Mittelachse der Welle 108 um, und das Volumen der Arbeitskammer V wird verkleinert, wenn die Arbeitskammer V von der Außendurchmesserseite der umlaufenden Spirale 103 zur Mittelseite verschoben wird. In diesem Zusammenhang wird in diesem Ausführungsbeispiel ein Drehverhinderungsmechanismus des Stift/Ring- (Stift/Loch-) Typs als Drehverhinderungsmechanismus 109 eingesetzt.
Der Verbindungskanal 105 ist ein Ausgabeanschluss, aus dem das komprimierte Kältemittel ausgegeben wird, wenn die Arbeitskammer V, deren Volumen zur Zeit des Pumpenmodus minimal wird, mit der Hochdruckkammer 104 in Verbindung steht, und der Verbindungskanal 106 ist ein Einströmanschluss zum Einleiten des Kältemittels hoher Temperatur und hohen Drucks, d.h. zum Einleiten des überhitzten Dampfes in die Arbeitskammer V, wenn die Arbeitskammer V, deren Volumen zur Zeit des Motormodus minimal wird, mit der Hochdruckkammer 104 in Verbindung steht.
Der Verbindungskanal 106 ist in Verbindung mit dem Verbindungskanal 105 ausgebildet. Der Öffnungsabschnitt des Verbindungskanals 105 auf der Seite der Arbeitskammer V ist ein Einleitungsanschluss 105a zum Einleiten des Kältemittels in die Arbeitskammer V zur Zeit des Motormodus. Der Einleitungsanschluss 105 funktioniert als ein Ausgang, durch den das Kältemittel von der Arbeitskammer V zur Zeit des Pumpenmodus ausströmt. Die Form der Öffnung des Einleitungsanschlusses 105a ist ein wichtige Punkt der vorliegenden Erfindung und wird später im Detail beschrieben.
Die Hochdruckkammer 104 hat eine Funktion der Ausgabekammer zum Glätten einer Pulsation des von dem Verbindungskanal 105 (nachfolgend als ein Ausgabeanschluss 105 bezeichnet) ausgegebenen Kältemittels. In dieser Hochdruckkammer 104 ist der Hochdruckanschluss 110 vorgesehen, der mit der Seite der Heizvorrichtung 30 und des Kühlers 11 verbunden ist.
In diesem Zusammenhang ist der mit der Seite des Verdampfapparats 14 und des zweiten Bypasskreises 33 verbundene Niederdruckanschluss 111 in dem Statorgehäuse 230 vorgesehen und steht über das Innere des Statorgehäuses 230 mit einem Raum zwischen dem Statorgehäuse 230 und der stationären Spirale 102 in Verbindung.
Der Ausgabeanschluss 107a ist ein Rückschlagventil des Blatttyps, das auf der Seite der Hochdruckkammer 104 des Ausgabeanschlusses 105 angeordnet ist, um einen Gegenstrom des Kältemittels, das von dem Ausgabeanschluss 105 ausgegeben worden ist, von der Hochdruckkammer 104 in die Arbeitskammer V zu verhindern. Der Anschlag 107b ist eine Ventilplatte zum Regeln des maximalen Öffnungsgrades des Ausgabeventils 107a. Das Ausgabeventil 107a und der Anschlag 107b sind an dem Basisabschnitt 102a durch die Schraube 107c befestigt.
Die Spule 107d ist ein Ventilkörper zum Öffnen und Schließen des Verbindungskanals 106 (nachfolgend als ein Einströmanschluss 106 bezeichnet). Das elektromagnetische Ventil 107e ist ein Steuerventil zum Steuern des Drucks in der Gegendruckkammer 107f durch Steuern eines Verbindungszustandes zwischen dem Niederdruckanschluss 111 und der Gegendruckkammer 107f. Die Feder 107g ist eine elastische Einrichtung zum Ausüben einer elastischen Kraft, durch welche der Einströmanschluss 106 geschlossen werden kann, auf die Spule 107d. Die Drossel 107h ist eine Widerstandseinrichtung, die einen bestimmten Kanalwiderstand besitzt, zur Verbindung der Gegendruckkammer 107f mit der Hochdruckkammer 104.
Wenn das elektromagnetische Ventil 107e geöffnet wird, sinkt der Druck in der Gegendruckkammer 107f unter den Druck in der Hochdruckkammer 104. Während die Spule 107d durch die Feder 107g zusammengedrückt wird, wird sie deshalb nach rechts in der Zeichnung verschoben, und der Einströmanschluss 106 wird geöffnet. Da in diesem Zusammenhang ein Druckverlust in der Drossel 107h sehr groß ist, ist die Menge des von der Hochdruckkammer 104 in die Gegendruckkammer 107f strömenden Kältemittels vernachlässigbar klein.
Im Gegensatz dazu wird, wenn das elektromagnetische Ventil 107c geschlossen wird, der Druck in der Gegendruckkammer 107f gleich dem Druck in der Hochdruckkammer 104. Demgemäß wird die Spule 107d durch die Kraft der Feder 107g nach links in der Zeichnung verschoben, und der Einströmanschluss 106 wird geschlossen. Das heißt, ein elektrisches Öffnungs- und Schließventil des Schalttyps zum Öffnen und Schließen des Einströmanschlusses 106 ist aus der Spule 107d, dem elektromagnetischen Ventil 107e, der Gegendruckkammer 107f, der Feder 107g und der Drossel 107h aufgebaut.
Der Drehzahländerungsgetriebemechanismus 400 enthält ein am Mittelabschnitt angeordnetes Sonnenrad; einen Planetenträger 402, der mit dem Kleinrad 402a verbunden ist, das am Außenumfang des Sonnenrades 401 umläuft, während es sich dreht; und ein Hohlrad 403, dessen Form eine Ringform ist, das am Außenumfang des Kleinrades 402a angeordnet ist.
Das Sonnenrad 401 ist in einen Körper mit dem Rotor 220 der elektrischen Drehmaschine 200 integriert. Der Planetenträger 402 ist mit der Welle 331 in einen Körper integriert, der sich mit der Reibungsplatte 330 der elektromagnetischen Kupplung 300 integral dreht. Ferner ist das Hohlrad 403 in einen Körper mit dem anderen Endabschnitt (der der Seite des Exzenterabschnitts gegenüber liegenden Seite) der Welle 108 in der Längsrichtung integriert.
Die Einwegekupplung 500 lässt die Welle 331 nur in eine Richtung (die Drehrichtung des Riemenscheibenabschnitts 310) drehen. Das Lager 332 hält die Welle 331 drehbar. Das Lager 404 hält das Sonnenrad 401 drehbar, d.h. das Lager 404 hält den Rotor 220 bezüglich der Welle 331 drehbar. Das Lager 405 hält die Welle 331 (den Planetenträger 402) bezüglich der Welle 108 drehbar. Das Lager 108b hält die Welle 108 bezüglich des mittleren Gehäuses 101 drehbar.
Die Lippendichtung 333 ist eine Wellendichtungsvorrichtung zum Verhindern eines Austretens des Kältemittels aus dem Statorgehäuse 230 von einem Spalt zwischen der Welle 331 und dem Statorgehäuse 230.
Es folgen Erläuterungen betreffend den Einleitungsanschluss 105a zum Einleiten des Kältemittels in die Arbeitskammer V zur Zeit des Motormodus.
4 ist eine Perspektivansicht eines vorderen Endabschnitts (ein vorderer Endabschnitt auf der Seite der Spiralmitte, d.h. das was als Wicklungsstartabschnitt bezeichnet wird) des Zahnabschnitts 102b der stationären Spirale 102.
Wie in 4 dargestellt, ist bezüglich des Ausgabeanschlusses 105 (des Einströmanschlusses 106), der den Basisplattenabschnitt 102a der stationären Spirale 102 durchdringend ausgebildet ist, ein Teil des Ausgabeanschlusses 105 in dem Zahnabschnitt 102b ausgebildet, d.h. ein Teil des Ausgabeanschlusses 105 erstreckt sich in den Zahnabschnitt 102b. Der Einleitungsanschluss 105a, der das zuvor beschriebene offene Ende ist, ist in die Nähe des Zahnabschnitts 102b des Basisplattenabschnitts 102a offen. Gleichzeitig ist der Einleitungsanschluss 105a von dem Basisplattenabschnitt 102a in der Richtung der Zahnhöhe des Zahnabschnitts 102b verlaufend offen.
In dem Pumpen/Motor-Mechanismus 100 dieses Ausführungsbeispiels sind der Zahnabschnitt 102b der stationären Spirale 102 und der Zahnabschnitt 103b (dargestellt in 1 und 5A und 5D) der umlaufenden Spirale 103 in einer solchen Weise angeordnet, dass die Zahnabschnitte 102b, 103b zur Zeit des Motormodus miteinander an einer Kontaktfläche 121 an der Spiralmitte in Kontakt kommen und dann die Arbeitskammer V bilden.
Der gesamte Bereich des Einleitungsanschlusses 105a, der sich in der Zahnhöhenrichtung des Zahnabschnitts 102b erstreckt, ist zu dem Bereich (der Bereich zwischen zwei strichpunktierten Linien), der zu dieser Kontaktfläche 121 wird, in dem Zahnabschnitt 102b offen.
Die Erstreckungslänge L des Einleitungsanschlusses 105a in der Zahnhöhenrichtung des Zahnabschnitts 102b ist kleiner als die Höhe H des Zahnabschnitts 102b. Aufgrund dessen ist die Sperrwand 102d an der in der Zeichnung oberen Seite des Einleitungsanschlusses 105a gebildet. Die so gebildete Sperrwand 102d sperrt das aus dem Einströmanschluss 106 strömende Kältemittel zu dem Einleitungsanschluss 105a. Deshalb wird verhindert, dass das Kältemittel die in der Zeichnung obere Stirnseite (die Seite der Basisplatte der umlaufenden Spirale) des Zahnabschnitts 102b erreicht.
Als nächstes werden die Funktionsweise und die Funktionswirkung des Kompressors 10, mit dem eine Expansionsvorrichtung in einen Körper integriert ist, des vorliegenden Ausführungsbeispiels beschrieben.
1. Pumpenmodus (Kompressionsmodus)
Dieser Modus ist ein Betriebsmodus, in dem das Kältemittel durch Umlaufen der umlaufenden Spirale 103 des Pumpen/Motor-Mechanismus 100 angesaugt und komprimiert wird, wenn der Welle 108 ein Drehmoment gegeben wird.
Insbesondere wird das Öffnungs- und Schließventil 34 in dem Zustand geöffnet, dass die Flüssigkeitspumpe 32 abgeschaltet ist, und das Dreiwegeventil 21 wird so gewechselt, dass das Motorkühlmittel nicht zur Seite der Heizvorrichtung 30 zir kulieren kann. In dem Zustand, dass das elektromagnetische Ventil 107e geschlossen ist und der Einströmanschluss 106 durch die Spule 107d geschlossen ist, wird die Welle 108 gedreht.
Aufgrund dessen wird in der gleichen Weise wie bei dem wohlbekannten Spiralkompressor in dem Kompressor 10, mit dem eine Expansionsvorrichtung in einen Körper integriert ist, das Kältemittel von dem Niederdruckanschluss 111 angesaugt und in der sich von dem Außenumfangsabschnitt der Spirale zu dem Mittelabschnitt bewegenden Arbeitskammer V komprimiert. Dann wird das so komprimierte Kältemittel von dem Ausgabeanschluss 105 in die Hochdruckkammer 104 ausgegeben, und das komprimierte Kältemittel wird von dem Hochdruckanschluss 110 zur Seite des Kühlers 11 ausgegeben.
Hierbei gibt es zwei Fälle, wenn der Welle 108 ein Drehmoment gegeben wird. Einer ist ein Fall, bei dem die Seite des Motors 20 mit der Seite des Kompressors 10, mit dem eine Expansionsvorrichtung in einen Körper integriert ist, durch die elektromagnetische Kupplung verbunden ist, sodass durch die Antriebskraft des Motors 20 ein Drehmoment gegeben werden kann. Der andere ist ein Fall, in dem die Seite des Motors 20 von der Seite des Kompressors 10, mit dem eine Expansionsvorrichtung in einen Körper integriert ist, durch die elektromagnetische Kupplung 300 getrennt ist, sodass durch die elektrische Drehmaschine ein Drehmoment erzeugt werden kann.
In dem Fall, in dem die Seite des Motors 20 mit der Seite des Kompressors 10, mit dem eine Expansionsvorrichtung in einen Körper integriert ist, durch die elektromagnetische Kupplung 300 verbunden ist, sodass durch die Antriebskraft des Motors 20 ein Drehmoment gegeben werden kann, wird ein elektrischer Strom in die elektromagnetische Kupplung 300 geschickt, sodass die elektromagnetische Kupplung 300 verbunden werden kann, und ferner wird ein elektrischer Strom in die elektrische Drehmaschine 200 geschickt, sodass ein Drehmoment erzeugt wird, dessen Stärke so klein ist, dass das Sonnenrad 401, d.h. der Rotor 220 nicht gedreht werden kann.
Aufgrund dessen wird das zu dem Riemenscheibenabschnitt 310 übertragene Drehmoment des Motors 20 durch den Drehzahländerungsgetriebemechanismus 400 in der Drehzahl erhöht und zu dem Pumpen/Motor-Mechanismus 100 übertragen, sodass der Pumpen/Motor-Mechanismus 100 als Kompressor (Antrieb und Kompression durch den Motor in 3) betrieben werden kann.
In diesem Zusammenhang wird in dem Fall, wenn die Seite des Motors 20 von der Seite des Kompressors 10, mit dem eine Expansionsvorrichtung in einen Körper integriert ist, durch die elektromagnetische Kupplung 300 getrennt ist, sodass durch die elektrische Drehmaschine 200 ein Drehmoment gegeben werden kann, wenn ein der elektromagnetischen Kupplung zugeführter elektrischer Strom unterbrochen wird, um so die elektromagnetische Kupplung 300 zu trennen und ein elektrischer Strom in die elektrische Drehmaschine 200 geschickt wird, sodass die Maschine in die Gegenrichtung zur Drehrichtung des Riemenscheibenabschnitts 310 gedreht werden kann, der Pumpen/Motor-Mechanismus 100 als Kompressor betrieben.
Hierbei wird die Welle 331 (der Planetenträger 402) durch die Einwegekupplung 500 verriegelt, sodass die Welle 331 nicht gedreht werden kann. Deshalb wird das Drehmoment der elektrischen Drehmaschine 200 durch den Drehzahländerungsgetriebemechanismus 400 in der Drehzahl verringert und auf den Pumpen/Motor-Mechanismus 100 übertragen (elektrisch angetriebene Kompression in 3).
Das von dem Hochdruckanschluss 110 ausgegebene Kältemittel wird in dem Kühlkreis in der Reihenfolge der Heizvorrichtung 30 → des Öffnungs- und Schließventils 34 → des Kühlers 11 → der Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 12 → des Dekompressors 13 → des Verdampfapparats 14 → des Rückschlagventils 14a → des Niederdruckanschlusses 111 des Kompressors 10, mit dem eine Expansionsvorrichtung in einen Körper integriert ist, zirkuliert. Deshalb wird eine Kühlung durch Wärmeabsorption durch den Verdampfapparat 14 ausgeführt. Alternativ wird ein Heizen durch Wärmestrahlung durch den Kühler 11 ausgeführt. In diesem Zusammenhang wird, da das Motorkühlmittel nicht in der Heizvorrichtung 30 zirkuliert, das Kältemittel nicht durch die Heizvorrichtung 30 geheizt, und die Heizvorrichtung 30 funktioniert als einfacher Kanal des Kältemittels.
2. Motormodus (Expansionsmodus)
In diesem Modus läuft die umlaufende Spirale 103 um, um die Welle 108 zu drehen, sodass der mechanische Ausgang erzielt werden kann, wenn das überhitzte Dampfkältemittel hohen Drucks in der Hochdruckkammer 104, das durch die Heizvorrichtung geheizt wird, in den Pumpen/Motor-Mechanismus 100 eingeleitet und ausgedehnt wird.
In diesem Zusammenhang wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel der Rotor 220 durch den erhaltenen mechanischen Ausgang gedreht, und elektrische Energie wird durch die elektrische Drehmaschine 200 erzeugt, und die so erzeugte elektrische Energie wird in einer Batterie gespeichert.
Insbesondere wird die Flüssigkeitspumpe 32 in dem Zustand betrieben, dass das Öffnungs- und Schließventil 34 geschlossen ist, und das Motorkühlmittel wird auf die Seite der Heizvorrichtung 30 zirkuliert, wenn das Motorkühlmittel durch das Dreiwegeventil 21 umgeschaltet wird. Ferner wird in dem Zustand, dass ein der elektromagnetischen Kupplung 300 des Kompressors 10, mit dem eine Expansionsvorrichtung in einen Körper integriert ist, zugeführter elektrischer Strom unterbrochen wird, um so die elektromagnetische Kupplung 300 zu trennen, das elektromagnetische Ventil 107e geöffnet und der Einströmanschluss 106 wird durch die Spule 107d geöffnet und das überhitzte Dampfkältemittel des hohen Drucks in der Hochdruckkammer 104, das durch die Heizvorrichtung 30 geheizt wird, wird über den Einströmanschluss 106 in die Arbeitskammer V eingeleitet und in der am Mittelteil der Spirale gebildeten und zum Außenumfangsabschnitt bewegten Arbeitskammer V ausgedehnt.
Aufgrund dessen wird durch die Expansion des überhitzten Dampfes die umlaufende Spirale 103 in der Richtung entgegen der Richtung zur Zeit des Ausführens des Pumpenmodus gedreht. Deshalb strömt das ausgedehnte Kältemittel, dessen Druck gesenkt ist, von dem Niederdruckanschluss 111 zur Seite des Kühlers 11 aus, und die der umlaufenden Spirale 103 gegebene Drehenergie wird durch den Drehzahländerungsgetriebemechanismus 400 in der Drehzahl erhöht und auf den Rotor 220 der elektrischen Drehmaschine 200 übertragen.
Da die Welle 331 (der Planetenträger 402) durch die Einwegekupplung 500 verriegelt und zu dieser Zeit nicht gedreht wird, wird ein Drehmoment der umlaufenden Spirale 103 durch den Drehzahländerungsgetriebemechanismus 400 in seiner Drehzahl erhöht und auf die elektrische Drehmaschine 200 übertragen (die Expansionswiedergewinnung in 3).
Das von dem Niederdruckanschluss 111 ausströmende Kältemittel wird in der Reihenfolge des zweiten Bypasskreises 33 → des Rückschlagventils 33a → des Kühlers 11 → der Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 12 → des ersten Bypasskreises 31 → des Rückschlagventils 31a → der Flüssigkeitspumpe 32 → der Heizvorrichtung 30 → des Kompressors 10 (des Hochdruckanschlusses 110), mit dem eine Expansionsvorrichtung in einen Körper integriert ist, zirkuliert (die Zirkulation in dem Clausius-Rankine-Kreis). In diesem Zusammenhang schickt die Flüssigkeitspumpe 32 das Flüssigphasenkältemittel durch den Druck, bei dem das durch die Heizvorrichtung 30 geheizte und erzeugte überhitzte Dampfkältemittel nicht zurück zur Seite der Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 12 strömen kann, in die Heizvorrichtung 30.
In diesem Fall folgen Erläuterungen der Bildung der Arbeitskammer V an der Spiralmitte und der Einleitung des Kältemittels in die Arbeitskammer V zur Zeit des Motormodus.
5A bis 5D sind Schnittansichten des Kompressors 10, mit dem eine Expansionsvorrichtung in einen Körper integriert ist, entlang einer Linie V-V in 2. 5A bis 5D zeigen einen Zustand, in dem die umlaufende Spirale 103 um eine Umdrehung umläuft.
Zuerst kommen, wie in 5A dargestellt, der Zahnabschnitt 102b der stationären Spirale 102 und der Zahnabschnitt 103b der umlaufenden Spirale 103 miteinander an einer Kontaktfläche 121 in der Spiralmitte in Kontakt.
Als nächstes wird, wie in 5B dargestellt, der Zahnabschnitt 103b der umlaufenden Spirale 103 bewegt. Wenn die in 5 gezeigte Kontaktfläche 121 zu zwei Gleitkontaktabschnitten 122, 123 verschoben wird, wird die Arbeitskammer V zwischen den zwei Gleitkontaktabschnitten 122, 123 gebildet. Zu diesem Zeitpunkt wird das überhitzte Dampfkältemittel hohen Drucks von dem Einleitungsanschluss 105a in die Arbeitskammer V eingeleitet.
Da der Einleitungsanschluss 105a zu dem Bereich der Kontaktfläche 121 der stationären Spirale 102 zu dem Zeitpunkt, wenn die neue Arbeitskammer V in der Spiralmitte gebildet wird (zu dem Zeitpunkt, wenn der Vorsprungbereich in der Richtung der Umlaufachse der umlaufenden Spirale 103 in dem Raum zwischen den Zahnabschnitten 102b und 103b sich von Null auf einen positiven Wert ändert), offen ist, wird das Kältemittel von dem Einleitungsanschluss 105a in die Arbeitskammer V eingeleitet. Wie in 5C und 5D dargestellt, wird das Kältemittel hohen Drucks, wenn die Gleitkontaktabschnitte 122, 123 bewegt werden und die Arbeitskammer V ausgedehnt wird, kontinuierlich in die Arbeitskammer V im Mittelteil eingeleitet.
Wenn die umlaufende Spirale 103 zu dem in 5A gezeigten Zustand zurückkehrt, nachdem die umlaufende Spirale 103 um eine Umdrehung umgelaufen ist, wird der Einleitungsanschluss 105a der im Mittelteil gebildeten Arbeitskammer V durch den Kontaktabschnitt 121 der Zahnabschnitte 102b, 103b geschlossen, und die Einleitung des Kältemittels in die Arbeitskammer V wird gestoppt, und die Arbeitskammer V wird in zwei Arbeitskammern V geteilt und zum Außenumfangsteil der Spirale bewegt.
Unmittelbar nachdem der Zustand zu dem in 5A gezeigten Zustand zurückgekehrt ist, wie oben beschrieben, wird, wenn die Kontaktfläche 121 zu den zwei Gleitkontaktabschnitten 122, 123 verschoben wird, die neue Arbeitskammer V zwischen den zwei Gleitkontaktabschnitt 122, 123 gebildet. Zu dieser Zeit werden die zuvor gebildete Arbeitskammer V, die zu dem Außenumfangsteil der Spirale geteilt bewegt wird, und die neu gebildete Arbeitskammer V voneinander durch die Gleitkontaktabschnitte 122, 123 abgedichtet.
Demgemäß ist es für das Kältemittel hohen Drucks, das in die neu gebildete Arbeitskammer V eingeleitet wird, schwierig, in die zuvor gebildete Arbeitskammer V, in der das Kältemittel ausgedehnt wird, auszutreten.
Unmittelbar nachdem die Zahnabschnitte 102b, 103b einander an der Kontaktfläche 121 kontaktieren und die Einleitung des Kältemittels in die zuvor gebildete Arbeitskammer V gestoppt worden ist, wird die Einleitung des Kältemittels von dem Einleitungsanschluss 105a, der in dem Bereich der Kontaktfläche 121 offen ist, in die neu gebildete Arbeitskammer V begonnen. Demgemäß wird die Einleitung des Kältemittels in die fortlaufend gebildete Arbeitskammer V nicht unterbrochen.
Wie oben beschrieben, können zur Zeit des Motormodus, während die Dichtungseigenschaft sichergestellt ist, sodass ein Austreten des Kältemittels von der Hochdruckseite unterdrückt werden kann, die fortlaufend gebildeten Arbeitskammern V ruhig gewechselt werden.
In diesem Zusammenhang ist im herkömmlichen Fall, wenn die Maschine als Kompressor konstruiert ist und als Expansionsvorrichtung betrieben wird, wie in 7A bis 7C dargestellt, der Ausgabeanschluss 105 zur Zeit des Kompressionsmodus, welcher der Einleitungsanschluss 105b ist, üblicherweise zu dem Basisplattenabschnitt 102a der stationären Spirale 102 offen.
In der obigen Expansionsvorrichtung ist, selbst wenn die umlaufende Spirale 103 in der gleichen Weise wie beim vorliegenden Ausführungsbeispiel umläuft, in dem Prozess von dem Zustand, in dem die in 7A dargestellten Zahlenabschnitte 102b, 103b einander kontaktieren, zu dem Zustand, in dem der Raum zwischen den in 7C gezeigten Zahnabschnitten 102b, 103b gebildet wird, nachdem der Zustand durch den in 7B gezeigten Kontaktzustand gelaufen ist, der Einleitungsanschluss 105b geschlossen und die Einleitung des Kältemittels wird gestoppt. Demgemäß ist es für die Arbeitskammer V unmöglich, ruhig gewechselt zu werden.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Sperrwand 102d in dem Zahnabschnitt 102b der stationären Spirale 102 auf der Seite des Basisabschnitts 103a der umlaufenden Spirale 103 bezüglich des Einleitungsanschlusses 105 vorgesehen. Demgemäß ist es für das Kältemittel hohen Drucks schwierig, von dem Einströmanschluss 106 zu dem Abschnitt zwischen dem Zahnabschnitt 102b der stationären Spirale 102 und dem Basisplattenabschnitt 103a der umlaufenden Spirale 103 zu strömen. Demgemäß kann die Dichtungseigenschaft zum Unterdrücken des Austretens des Kältemittels von der Hochdruckseite weiter verbessert werden.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist, wie in 5A bis 5D dargestellt, auf der Gleitkontaktfläche (der Spiralstirnseite) des Zahnabschnitts 102b der stationären Spirale 102 mit dem Basisplattenabschnitt 103a der umlaufenden Spirale 103 die Spandichtung 102c vorgesehen, und auf der Gleitkontaktfläche (der Spiralstirnseite) des Zahnabschnitts 103b der umlaufenden Spirale 103 mit dem Basisplattenabschnitt 102a der stationären Spirale 102 ist die Spandichtung 103e vorgesehen, sodass die Dichtungseigenschaft jedes Gleitkontaktabschnitts verbessert werden kann.
Im herkömmlichen Fall, wenn die Maschine als Kompressor konstruiert und als Expansionsvorrichtung betrieben wird, wie in 8 dargestellt, ist der Ausgabeanschluss 105, welcher der Einleitungsanschluss 105b ist, zur Zeit des Kompressionsmodus üblicherweise zu den Basisplattenabschnitt 102a der stationären Spirale 102 offen. Deshalb ist der Ausgabeanschluss 105 zur Zeit des Kompressionsmodus nicht in dem Kontaktflächenbereich vorgesehen, in dem die Zahnabschnitte einander kontaktieren.
Falls die Spandichtung 103e in dem Zahnabschnitt 103b (gezeigt in 7A bis 7C) der umlaufenden Spirale 103 vorgesehen ist, ist es für die Spandichtung 103e unmöglich, sich zu einem vorderen Endabschnitt des Zahnabschnitts 103b der bewegbaren Spirale 103 (gezeigt in 7A bis 7C) zu erstrecken, da es eine Möglichkeit gibt, dass die Spandichtung 103e bricht, wenn die Ortskurve (die durch die doppelstrichpunktierte Linie in 8 gezeigte Ortskurve) der Spandichtung 103e zur Zeit eines Umlaufs der umlaufenden Spirale 103 mit dem Einleitungsanschluss 105b überlappt. In diesem Fall zeigt 8 nur eine Positionsbeziehung zwischen der stationären Spirale 102 und der Spandichtung 103e auf der Seite der umlaufenden Spirale.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann jedoch, wenn der Einleitungsanschluss 105a an der Kontaktfläche 121 des Zahnabschnitts 102b mit dem Zahnabschnitt 103b vorgesehen ist, wie in 6 dargestellt ist, in dem Bereich, in dem die Spandichtung 103e auf der Seite der umlaufenden Spirale nicht mit dem Einleitungsanschluss 105a überlappt, wenn die umlaufende Spirale 103 umläuft, sich die Spandichtung 103e auf der Seite der umlaufenden Spirale zu einem Teil nahe dem vorderen Ende auf der Seite des Mittelteils des Zahnabschnitts 103b erstrecken, während die Spandichtung 103e den Einleitungsanschluss 105a vermeidet (dargestellt in 5A bis 5D).
Aufgrund dessen kann die Dichtungseigenschaft zum Abdichten eines Abschnitts zwischen dem Basisplattenabschnitt 102a der stationären Spirale 102 und dem Zahnabschnitt 103b der umlaufenden Spirale 103 verbessert werden. 6 ist eine Darstellung nur einer Positionsbeziehung zwischen der stationären Spirale 102 und der Spandichtung 103e auf der Seite der umlaufenden Spirale.
In diesem Zusammenhang ist der Kontaktabschnitt oder der Gleitkontaktabschnitt in den Erläuterungen des vorliegenden Ausführungsbeispiels nicht notwendigerweise auf einen Abschnitt beschränkt, in dem ein Kontakt in der strengen Bedeutung des Begriffs gemacht ist. Der Kontaktabschnitt oder der Gleitkontaktabschnitt in den Erläuterungen des vorliegenden Ausführungsbeispiels enthält einen Abschnitt, in dem ein kleiner Freiraum zwischen zwei Flächen gebildet ist, sodass die Spirale einfach umlaufen kann. Das heißt, selbst wenn ein Kontakt oder Gleitkontakt in der strengen Bedeutung in dem Abschnitt nicht gemacht ist, kann, sofern der Abschnitt die Arbeitskammer teilt, d.h. sofern der Abschnitt zwischen den Arbeitskammern abdichtet, sodass jede Arbeitskammer funktioniert, der Abschnitt als Kontakt- oder Gleitkontaktabschnitt definiert werden. Mit anderen Worten kann, selbst wenn die Kontaktfläche oder die Gleitkontaktfläche kein Kontakt oder Gleitkontakt in der strengen Bedeutung des Begriffs ist, sofern sie die Arbeitskammer teilen kann, d.h. sofern sie zwischen den Arbeitskammern abdichten kann, sodass jede Arbeitskammer funktioniert, irgendein Kontakt oder Gleitkontakt auf dieses Ausführungsbeispiel angewendet werden. Somit kann ein grober Kontakt oder ein grober Gleitkontakt, bei dem ein kleiner Freiraum gebildet ist, als wesentlicher Kontakt oder wesentlicher Gleitkontakt bezeichnet werden.
In dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel erstreckt sich der Einleitungsanschluss 105a in der Zahnhöhenrichtung des Zahnabschnitts 102b und ist zu dem Bereich offen, der zu der Kontaktfläche 121 wird. Sofern jedoch der Einleitungsanschluss 105a zu dem Bereich der Kontaktfläche 121 der stationären Spirale 102 offen ist, kann er zum Beispiel nur zu dem Basisplattenabschnitt 102a offen sein, d.h. er kann zu einem Seitenteil auf der Seite des Basisplattenabschnitts 102 des Bereichs der Kontaktfläche 121 offen sein, d.h. irgendein Einleitungsanschluss 105a kann eingesetzt werden.
In dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wird die durch den Kompressor, mit dem eine Expansionsvorrichtung in einen Körper integriert ist, wiedergewonnene Energie in einer Batterie gespeichert. Die durch den Kompressor wiedergewonnene Energie kann jedoch auch als kinetische Energie mittels eines Schwungrades gespeichert werden oder kann als mechanische Energie wie beispielsweise eine elastische Energie mittels einer Feder gespeichert werden.
In dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel ist der Drehzahländerungsgetriebemechanismus 400 aus einem Planetenuntersetzungsgetriebemechanismus aufgebaut. Es sollte jedoch beachtet werden, dass die vorliegende Erfindung nicht auf das obige spezielle Ausführungsbeispiel beschränkt ist. Ein Übertragungsmechanismus, der das Übersetzungsverhältnis verändern kann, wie beispielsweise ein CVT (ein stufenloser Riemen-Übertragungsmechanismus) oder ein Toroid-Übertragungsmechanismus kann eingesetzt werden. Es ist möglich, die vorliegende Erfindung auf einen Kompressor, mit dem eine Expansionsvorrichtung in einen Körper integriert ist, ohne Übertragungsmechanismus anzuwenden.
In dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Fluidmaschine der vorliegenden Erfindung auf eine Dampfkompressions-Kältemaschine zur Fahrzeugnutzung mit dem Clausius-Rankine-Kreis angewendet. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf das obige spezielle Ausführungsbeispiel beschränkt.
Während die Erfindung unter Bezugnahme auf die speziellen Ausführungsbeispiele zu Veranschaulichungszwecken beschrieben worden ist, sollte es für den Fachmann offensichtlich sein, dass zahlreiche Modifikationen daran vorgenommen werden können, ohne das Grundkonzept und den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Fluidmaschine, mit einem stationären Spiralelement mit einem ersten Zahnabschnitt, dessen Form eine Spirale ist, und auch mit einem ersten Basisabschnitt, um den ersten Zahnabschnitt zu halten; einem bewegbaren Spiralelement mit einem zweiten Zahnabschnitt, dessen Form eine Spirale ist, und auch mit einem zweiten Basisabschnitt, um den zweiten Zahnabschnitt zu halten, wobei eine Seite des bewegbaren Spiralelements, an dem der zweite Zahnabschnitt ausgebildet ist, einer Seite des stationären Spiralelements, auf der der erste Zahnabschnitt gebildet ist, gegenüber liegt, wobei das bewegbare Spiralelement umläuft, während das bewegbare Spiralelement an einer Drehung gehindert ist; und einer Arbeitskammer (V), die zwischen zwei Gleitkontaktabschnitten mit dem ersten Zahnabschnitt und dem zweiten Zahnabschnitt zwischen den zwei Spiralelementen gebildet ist, wobei ein Volumen der Arbeitskammer (V) durch den Umlauf des bewegbaren Spiralelements verändert wird, wobei die Fluidmaschine in einem Kompressionsmodus betrieben werden kann, in dem die Arbeitskammer (V) fortlaufend in einem Außenumfangsteil des stationären Spiralelements gebildet wird und ein Volumen der Arbeitskammer (V) verkleinert wird, während die Arbeitskammer (V) zur Mitte bewegt wird, sodass ein Fluid in der Arbeitskammer (V) komprimiert und von ihr ausgegeben werden kann, und auch in einem Expansionsmodus betrieben werden kann, in dem die Arbeitskammer (V) fortlaufend in der Mitte des stationären Spiralelements gebildet wird und das Volumen der Arbeitskammer (V) vergrößert wird, während die Arbeitskammer (V) fortlaufend in der Mitte des stationären Spiralelements gebildet und zum Außenumfangsteil bewegt wird, und ein Fluid in der Arbeitskammer (V) ausgedehnt und von ihr ausgegeben wird, und wobei wenn die Fluidmaschine im Expansionsmodus betrieben wird, nachdem der erste Zahnabschnitt und der zweite Zahnabschnitt einander an einer Kontaktfläche in der Mitte kontaktieren, wenn die Kontaktfläche zu den zwei Gleit kontaktabschnitten verschoben wird, die Arbeitskammer (V) zwischen den zwei Gleitkontaktabschnitten gebildet wird, und das stationäre Spiralelement zu einem Bereich offen ist, der zu der Kontaktfläche wird, und das stationäre Spiralelement einen Einleitungsanschluss zum Einleiten des Fluids in die in der Mitte gebildete Arbeitskammer (V) besitzt.
Fluidmaschine nach Anspruch 1, bei welcher sich der Einleitungsanschluss von dem ersten Basisabschnitt in der Richtung der Zahnhöhe des ersten Zahnabschnitts in dem Kontaktflächenbereich des ersten Zahnabschnitts erstreckt.
Fluidmaschine nach Anspruch 2, bei welcher die Erstreckungslänge (L) des Einleitungsanschlusses in der Richtung der Zahnhöhe des ersten Zahnabschnitts kleiner als die Höhe (H) des ersten Zahnabschnitts in der Richtung der Zahnhöhe ist.
Fluidmaschine nach Anspruch 1, bei welcher der zweite Zahnabschnitt an der Gleitkontaktfläche mit dem ersten Basisabschnitt eine Spandichtung besitzt, die sich in der Spiralrichtung des zweiten Zahnabschnitts erstreckt, und sich die Spandichtung in die Nähe eines vorderen Endabschnitts auf der Mittelseite des zweiten Zahnabschnitts in einem Bereich erstreckt, der nicht mit dem Einleitungsanschluss überlappt, wenn das bewegbare Spiralelement umläuft.