DE102005018313A1

DE102005018313A1 - Fluidmaschine

Info

Publication number: DE102005018313A1
Application number: DE102005018313A
Authority: DE
Inventors: Yasuhiro Kariya Takeuchi; Shigeki Kariya Iwanami; Hironori Kariya Asa; Yasushi Kariya Yamanaka; Atsushi Kariya Inaba; Hiroshi Nishio Ogawa
Original assignee: Denso Corp; Nippon Soken Inc
Current assignee: Denso Corp; Soken Inc
Priority date: 2004-04-26
Filing date: 2005-04-20
Publication date: 2006-06-29
Also published as: JP4034291B2; CN1690362A; CN100362210C; US20050235670A1; US7260952B2; JP2005307951A

Abstract

Eine Fluidmaschine (100) weist eine Kompressoreinrichtung (140) zum Komprimieren von Kältemittel eines Kälteerzeugungskreises (20) für ein Automobil, eine elektrische Rotationseinrichtung (130), welches als ein Elektromotor zum Erzeugen einer Rotationsantriebskraft zum Antrieb der Kompressoreinrichtung oder als ein Elektroenergieerzeuger arbeitet, eine Expansionseinrichtung (150) zum Sammeln von Abwärme von einem Motor und zum Erzeugen einer Drehantriebskraft zum Antrieb der elektrischen Rotationseinrichtung und/oder der Kompressoreinrichtung (140) und eine Schalteinrichtung (140e) zum Verbinden oder Trennen der Kompressoreinrichtung (140) mit oder von der Expansionseinrichtung (150) auf. In der Fluidmaschine kann die Abwärme von dem Motor stets durch die Expansionseinrichtung gesammelt werden, unabhängig davon, ob oder ob nicht die Kompressoreinrichtung für einen Luftklimatisierungsbetrieb in Betrieb gesetzt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Fluidmaschine mit multiplen Funktionen der Gaskompression, elektrischer Energieerzeugung, des Sammelns und Verwendens von Abwärme, und insbesondere bezieht sie sich auf eine Fluidmaschine, welche für einen Kälteerzeugungskreis für ein Motorfahrzeug mit einem Rankine-Kreis zum Sammeln der Abwärme verwendet wird.

In einer Fluidmaschine bekannter Technik, wie sie beispielsweise in dem japanischen Patent Nr. 2540738 offenbart ist, wird eine Kompressoreinrichtung für einen Dampfkompressions-Kälteerzeugungskreis allgemein als eine Expansionseinrichtung verwendet, und die Kompressoreinrichtung wird als die Expansionseinrichtung verwendet, wenn Energie durch den Rankine-Kreis gesammelt wird.

Bei der vorstehenden Fluidmaschine wird die Kompressoreinrichtung als ein Kompressor für einen Luftklimatisierungsbetrieb verwendet, wobei die Kompressoreinrichtung das Kältemittel in dem Kälteerzeugungskreis komprimiert. Die Kompressoreinrichtung wird als eine Expansionseinrichtung verwendet, wenn der Luftklimatisierungsbetrieb gestoppt wird, wobei überheizter Dampf des Kältemittels, welcher in dem Rankine-Kreis unter Verwendung der Abwärme aus dem Motor erzeugt wird, der Fluidmaschine zugeführt wird. Das Kältemittel wird in der Fluidmaschine expandiert, um als die Expansionseinrichtung zu arbeiten, und Energie, welche durch die Expansionseinrichtung erzeugt wird, wird auf die Maschine angewandt.

Bei der vorstehenden Fluidmaschine bekannter Technik, in welcher die Kompressoreinrichtung ebenfalls als die Expansionseinrichtung verwendet wird, kann die Fluidmaschine als die Expansionseinrichtung nur während einer Zeitperiode ver wendet werden, in welcher der Luftklimatisierungsbetrieb nicht nötig ist. Als ein Ergebnis kann die Fluidmaschine bekannter Technik ein Kraftstoffverbrauchsverhältnis für den Motor nicht mit höchster Wirksamkeit verbessern.

Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben eine Fluidmaschine in einer früheren japanischen Patentanmeldung (JP 2003-82760) vorgeschlagen, in welcher eine Kompressoreinrichtung 140 und eine Expansionseinrichtung 150 unabhängig vorgesehen und miteinander über eine Antriebswelle 111 verbunden sind, so dass die Expansionseinrichtung 150 zum Sammeln und Verwenden der Abwärme unabhängig davon betrieben werden kann, ob oder ob nicht die Kompressoreinrichtung 140 für einen Luftklimatisierungsbetrieb in Betrieb gesetzt ist. Gemäß der vorstehenden, vorgeschlagenen Fluidmaschine ist die Kompressoreinrichtung 140 ein Kompressor variabler Kapazität (ein Taumelscheibentyp), und eine Abgabemenge der Kompressoreinrichtung 140 ist dahingehend eingestellt, Null zu werden, wenn der Luftklimatisierungsbetrieb nicht erforderlich ist. Demgemäß wird ein Widerstand der Kompressoreinrichtung 140 reduziert, wenn die Expansionseinrichtung 150 in Betrieb ist.

Bei der vorstehenden, vorgeschlagenen Fluidmaschine kann, obwohl die Abgabemenge der Kompressoreinrichtung 140 dahingehend eingestellt ist, Null zu werden, um den Widerstand durch die Kompressoreinrichtung 140 auf die Expansionseinrichtung 150 zu reduzieren, mechanischer Verlust infolge von Reibung in gleitenden Abschnitten eines Kapazitäts-Variierungsmechanismus (wie beispielsweise eine Taumelscheibe 140B in einer Taumelscheibenkammer 140A, und Schuhe 140C) nicht vermieden werden. Als ein Ergebnis kann die Expansionseinrichtung 150 nicht hinreichend Abwärme sammeln und verwenden.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, mit Blick auf die vorstehend genannten Probleme eine Fluidmaschine bereitzustellen, in welcher eine Expansionseinrichtung stets zum Sammeln und Verwenden unabhängig von dem Betrieb einer Kompressoreinrichtung betrieben werden kann, und die Abwärme ef fektiv gesammelt und verwendet werden kann, ohne dass ein mechanischer Verlust bewirkt wird.

Gemäß einem Merkmal der vorliegenden Erfindung weist eine Fluidmaschine eine Kompressoreinrichtung zum Komprimieren von Kältemittel eines Kälteerzeugungskreises für ein Automobil, eine elektrische Rotationseinrichtung, die als ein Elektromotor zum Erzeugen einer Rotationsantriebskraft zum Antrieb der Kompressoreinrichtung oder als ein elektrischer Energieerzeuger arbeitet, eine Expansionseinrichtung zum Sammeln von Abwärme von einem Motor und zum Erzeugen einer Rotationsantriebskraft, um die elektrische Rotationseinrichtung und/oder die Kompressoreinrichtung anzutreiben, und eine Schalteinrichtung zum Verbinden oder Trennen der Kompressoreinrichtung mit oder von der Expansionseinrichtung, auf.

Gemäß dem vorstehenden Merkmal der vorliegenden Erfindung kann die Abwärme von dem Motor stets durch die Expansionseinrichtung gesammelt werden, unabhängig davon, ob die Kompressoreinrichtung für einen Luftklimatisierungsbetrieb in Betrieb ist. Bei diesem Betrieb ist die Kompressoreinrichtung mit der Expansionseinrichtung verbunden, und dadurch kann die Kompressoreinrichtung nicht nur durch die Antriebskraft von dem Motor sondern auch durch die Antriebskraft, welche bei der Expansionseinrichtung erzeugt wird, angetrieben werden.

Gemäß dem vorstehenden Merkmal wird die Kompressoreinrichtung von der Expansionseinrichtung getrennt, wenn der Betrieb der Kompressoreinrichtung nicht nötig ist. Demgemäß kann die Expansionseinrichtung ohne Aufnahme eines Widerstands von der Kompressoreinrichtung betrieben werden.

In Übereinstimmung mit einem anderen Merkmal der vorliegenden Erfindung weist eine Fluidmaschine eine Kompressoreinrichtung zum Komprimieren von Kältemittel eines Kälteerzeugungskreises für ein Automobil eine elektrische Rotationseinrichtung, welche als ein Elektromotor zum Erzeugen einer Rotationsantriebskraft zum Antrieb der Kompressoreinrichtung oder als ein Elektroenergieer zeuger arbeitet, eine Expansionseinrichtung zum Sammeln von Abwärme von einem Motor und Erzeugen einer Rotationsantriebskraft zum Antrieb der elektrischen Rotationseinrichtung und/oder der Kompressoreinrichtung, und eine Schalteinrichtung zum Verbinden oder Trennen der Expansionseinrichtung mit oder von der elektrischen Rotationseinrichtung auf. Die Kompressoreinrichtung dieser Fluidmaschine weist eine weitere Funktion einer Expansionseinrichtung auf, so dass die Kompressoreinrichtung als die Expansionseinrichtung verwendet werden kann, wenn der Luftklimatisierungsbetrieb nicht erforderlich ist.

Die Fluidmaschine weist ferner eine Übertragungseinrichtung auf, welche zwischen der Kompressoreinrichtung und der elektrischen Rotationseinrichtung vorgesehen ist. Wenn die Antriebskraft von der Kompressoreinrichtung zu der elektrischen Rotationseinrichtung oder umgekehrt übertragen wird, wird die Drehzahl durch die Übertragungseinrichtung geändert, so dass die elektrische Rotationseinrichtung in ihrer Größe kleiner gemacht werden kann, und eine höhere Ausgangsleistung der elektrischen Energie aus der elektrischen Rotationseinrichtung erhalten werden kann.

Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung ermöglicht die Schalteinrichtung, welche zwischen der Expansionseinrichtung und der elektrischen Rotationseinrichtung vorgesehen ist, eine Übertragung der Antriebskraft von der Expansionseinrichtung auf die elektrische Rotationseinrichtung und verhindert eine Übertragung der Antriebskraft von der elektrischen Rotationseinrichtung auf die Expansionseinrichtung. Als ein Ergebnis kann, wenn die elektrische Rotationseinrichtung durch die Rotationsantriebskraft in Drehung versetzt wird, welche an der Kompressoreinrichtung (welche als die Expansionseinrichtung arbeitet) erzeugt wird, die elektrische Rotationseinrichtung ohne Aufnahme eines Widerstands von der Expansionseinrichtung betrieben werden.

Die vorstehenden und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden genauen Beschreibung ersichtlicher, welche unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen ausgeführt wird. In den Zeichnungen ist:
1 ein schematisches Diagramm, welches ein Gesamtsystem für einen Kälteerzeugungskreis und einen Abwärmesammelkreis gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 eine schematische Querschnittsansicht einer Fluidmaschine gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 ein schematisches Diagramm, welches ein Gesamtsystem für einen Kälteerzeugungskreis und einen Abwärmesammelkreis gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
4 eine schematische Querschnittsansicht einer Fluidmaschine gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5 ein Betriebsdiagramm der Fluidmaschine gemäß der zweiten Ausführungsform; und
6 eine schematische Querschnittsansicht einer Fluidmaschine, welche in einer früheren japanischen Patentanmeldung durch die Erfinder der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen wurde.
(Erste Ausführungsform)
Eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die 1 und 2 erläutert. In der Ausführungsform wird eine Fluidmaschine 100 der vorliegenden Erfindung beispielsweise für einen Kälteerzeugungskreis 20 mit einem Rankine-Kreis 30 für ein Motorfahrzeug verwendet, in welchem ein Motor 10 zeitweilig in Abhängigkeit von einem Fahrzustand des Fahrzeugs gestoppt wird (einem Leerlaufstoppbetrieb), oder welches mit einem Hybridan triebsmotor versehen ist. Der Kälteerzeugungskreis 20 mit dem Rankine-Kreis 30 sammelt Abwärme, welche an dem Motor 10 zum Antrieb des Fahrzeugs erzeugt wird, und verwendet die kalte und warme Energie, welche an dem Kälteerzeugungskreis 20 zum Durchführen eines Luftklimatisierungsbetriebs erzeugt wird. Der Kälteerzeugungskreis mit dem Rankine-Kreis 30 wird erläutert.
Wie in 1 gezeigt, ist ein Radiatorkreislauf 11 an dem Motor 10 (einer externen Antriebsquelle) vorgesehen, wobei in dem Motor Kühlwasser durch eine Radiatorpumpe 12 zirkuliert wird. Eine Heizeinrichtung 13 ist in dem Radiatorkreislauf 11 vorgesehen, um das Motorkühlwasser durch Wärmetausch mit Abgas aus dem Motor 10 zu heizen. Das Motorkühlwasser, welches durch die Heizeinrichtung 13 erhitzt wurde, wird durch einen Radiator 14 abgekühlt, nachdem das Kühlwasser Kältemittel des Kältemittelerzeugungskreises erhitzt hat, wenn das Kältemittel durch eine Kältemittelheizeinrichtung 33 strömt, welche in dem Rankine-Kreis 30 vorgesehen ist. Die Radiatorpumpe 12 ist von mechanischer Art, welche durch eine Antriebskraft des Motors 10 angetrieben bzw. betrieben wird. Diese kann jedoch durch eine durch einen Elektromotor angetriebene Pumpe ersetzt werden.
Die Fluidmaschine 100 umfasst eine Kompressoreinrichtung 140 und eine Expansionseinrichtung 150. Eine Wärmeabstrahleinrichtung 21 ist an einer Abgabeseite (einer Hochdrucköffnung 149a) der Kompressoreinrichtung 140 angeschlossen, wie später beschrieben wird, an welcher das Kältemittel durch Abstrahlen der Wärme abgekühlt wird. Der genauere Aufbau der Fluidmaschine 100 wird später beschrieben.
Ein Gas/Flüssigkeits-Abscheider 22, eine Druckentlastungs- bzw. Druckreduzierungseinrichtung 23 und ein Verdampfer 24 sind in dieser Reihenfolge an einer stromabwärtigen Seite der Wärmeabstrahleinrichtung 21 verbunden, und dann an einer Einlassseite (einer Niedrigdrucköffnung 149b) der Kompressoreinrichtung 140 angeschlossen.
Der Gas/Flüssigkeits-Abscheider 22 ist ein Aufnehmer zum Abscheiden des Kältemittels aus der Wärmeabstrahleinrichtung 21 in ein gasphasiges Kältemittel und ein flüssigphasiges Kältemittel. Die Druckentlastungseinrichtung 23 ist ein Expansionsventil von temperaturabhängiger Art zum Expandieren und Senken des Drucks des flüssigphasigen Kältemittels aus dem Gas/Flüssigkeits-Abscheider 22, genauer zum Senken des Drucks des Kältemittels in isenthalpischer Weise und zum Steuern eines Öffnungsgrads eines Durchtritts für Kältemittel, so dass der Grad eines Überheizens des Kältemittels, welches in die Kompressoreinrichtung 140 zu saugen ist, auf einem vorbestimmten Wert gehalten wird. Der Verdampfer 24 ist ein Wärmetauscher zum Abkühlen der Luft für einen Luftklimatisierungsbetrieb als ein Ergebnis von Absorption der Wärme aus der Luft durch Verdampfen des Kältemittels, welches durch das Expansionsventil 23 druckreduziert wurde.
Die Kompressoreinrichtung 140, die Wärmeabstrahleinrichtung 21, der Gas/Flüssigkeits-Abscheider 22, die Druckentlastungseinrichtung 23 und der Verdampfer 24 bilden den Kälteerzeugungskreis zum Transferieren der Wärme von einer Niedrigtemperaturseite auf eine Hochtemperaturseite.
Ein erster Bypass-Durchtritt 31 ist zwischen dem Gas/Flüssigkeits-Abscheider 22 und der Expansionseinrichtung 150 (einer Einlassöffnung 156, welche später beschrieben wird) vorgesehen. Eine Kältemittelpumpe 32 ist in dem ersten Bypass-Durchtritt 31 zum Zirkulieren des Kältemittels zu der Expansionseinrichtung 150 vorgesehen. Die Kältemittelheizeinrichtung 33 ist ebenso in dem ersten Bypass-Durchtritt 31 vorgesehen, in welchem das Kältemittel durch das Motorkühlwasser erhitzt wird. Die Kältemittelpumpe 32 ist in dieser Ausführungsform eine elektrische Pumpe, und sie wird durch eine (nicht gezeigte) Steuereinheit betrieben und gesteuert.
Ein zweiter Bypass-Durchtritt 35 ist zwischen der Expansionseinrichtung 150 (einer Auslassöffnung 157, welche später beschrieben wird) und der Wärmeabstrahleinrichtung 21 vorgesehen. Ein Absperrventil 35a ist in dem zweiten Bypass- Durchtritt 35 vorgesehen, um es dem Kältemittel zu ermöglichen, von der Expansionseinrichtung 150 zu der Wärmeabstrahleinrichtung 21 zu strömen.
Der Rankine-Kreis 30 ist durch die Wärmeabstrahleinrichtung 21, den Gas/Flüssigkeits-Abscheider 22, die Kältemittelpumpe 32, die Kältemittelheizeinrichtung 33 und die Expansionseinrichtung 150 gebildet, so dass die bei dem Motor 10 erzeugte Wärme gesammelt wird.
Ein Aufbau der Fluidmaschine 100 wird unter Bezugnahme auf 2 beschrieben. Die Fluidmaschine 100 umfasst eine Riemenscheibe 110, eine elektromagnetische Kupplung 120, einen Elektromotor (eine elektrische Rotationseinrichtung) 130, die Kompressoreinrichtung 140 und die Expansionseinrichtung 150. Die vorstehenden Komponenten sind in Reihe angeordnet und in einem Gehäuse 101 untergebracht.
Die Riemenscheibe 110 (ein externer Antriebsabschnitt) wird drehbar durch das Gehäuse 101 über ein Riemenscheibenlager 112 getragen, welches an dem Gehäuse 101 befestigt ist und durch einen Riemen 15 in Drehung versetzt wird (1), welcher durch den Motor 10 angetrieben wird. Eine Antriebswelle 111 ist an einer Mitte der Riemenscheibe 110 vorgesehen und erstreckt sich zu der Kompressoreinrichtung 140, wie später beschrieben wird. Die Antriebswelle wird drehbar durch Lager 114, 115 getragen, welche an dem Gehäuse 101 befestigt sind. Nachfolgend wird eine Drehrichtung der Riemenscheibe 110 (der Antriebswelle 111) als eine Vorwärtsrichtung bezeichnet, wohingegen eine umgekehrte Richtung als eine Rückwärtsrichtung bezeichnet wird. Eine Wellendichtung 119 ist an dem Lager 114 zum hermetischen Abdichten des Lagers 114 vorgesehen.
Die elektromagnetische Kupplung 120 (eine Ein/Aus-Einrichtung) umfasst eine elektromagnetische Spule 121, welche an dem Gehäuse 101 befestigt ist, und eine Reibplatte 122, welche an einem Ende der Antriebswelle 111 vorgesehen ist. Wie wohlbekannt ist wird, wenn elektrische Leistung bzw. Energie der elektromagnetischen Spule 121 durch die Steuereinheit zugeführt wird, die Reibplatte 122 verschoben und mit der Riemenscheibe 110 verbunden, so dass die Drehkraft der Riemenscheibe 110 auf die Antriebswelle 111 übertragen wird (Ein-Zustand der Kupplung). Wenn die Zufuhr der elektrischen Leistung zu der Spule 121 unterbrochen wird, wird die Reibplatte 122 von der Riemenscheibe 110 getrennt und die Übertragung der Antriebskraft wird unterbrochen (Aus-Zustand der Kupplung).
Der Elektromotor 130 hat zwei Funktionen, d.h. die als der Elektromotor und die als Elektroenergieerzeuger, und umfasst einen Rotorabschnitt 132 und einen Statorabschnitt 133. Der Elektromotor 130 ist in dem Gehäuse 101 auf einer Seite zu der Riemenscheibe 110 eingefasst. Der Rotorabschnitt 132 ist an der Antriebswelle 111 (auch als Motorwelle bezeichnet) angeschlossen und Permanentmagnete 132a sind an einem äußeren Umfang des Rotorabschnitts 132 vorgesehen.
Der Statorabschnitt 133 weist einen Spulenabschnitt 133a auf und ist in eine innere Oberfläche des Gehäuses 101 pressgepasst. Wenn elektrische Energie von einer (nicht gezeigten) Batterie durch einen (nicht gezeigten) Gleichstromumrichter zu dem Spulenabschnitt 133a zugeführt wird, wird der Rotorabschnitt 132 in der Vorwärtsrichtung in Drehung versetzt. Wenn andererseits der Rotorabschnitt 132 durch die Riemenscheibe 110 oder durch die Expansionseinrichtung 150 (wie später beschrieben wird) gedreht wird, und weil der Elektromotor 30 als der Elektroenergieerzeuger betrieben wird, wird die bei dem Spulenabschnitt 133a erzeugte elektrische Energie in die Batterie durch den Gleichstromumrichter geladen, oder anderen elektrischen Teilen (Verbrauchern) zugeführt.
Die Kompressoreinrichtung 140 in dieser Ausführungsform ist ein Flügelradkompressor mit fester Kapazität bzw. Leistung, und in dem Gehäuse 101 auf einer Seite gegenüber der Riemenscheibe 110 angeordnet. Eine Kompressorwelle 141 ist auf einem äußeren Umfang der Antriebswelle 111 vorgesehen, so dass die Kompressorwelle 141 bezüglich der Antriebswelle 111 relativ verdrehbar ist. Die Kompressorwelle 141 wird durch Lager 141a und 141b auf der Antriebswelle 111 getragen.
Ein Rotor 140a ist an der Kompressorwelle 141 befestigt und mehrere Flügel 140b sind in den Rotor 140a derart eingesetzt, dass die Flügel 140b gleitend in den Radialrichtungen des Rotors 140a beweglich sind. Die Flügel 140b sind in einer ovalen zylindrischen Bohrung 140c aufgenommen und der Rotor 140a, die Flügel 140b und die zylindrische Bohrung 140c bilden mehrere Arbeitskammern 140d.
Eine Hochdrucköffnung 149a und eine Niedrigdrucköffnung 149b sind bei dem Gehäuse 101 vorgesehen, wobei die Niedrigdrucköffnung 149b mit der Arbeitskammer 140d kommunizierend in Verbindung steht. Die Arbeitskammer 140d ist mit der Hochdrucköffnung 149a operativ durch ein (nicht gezeigtes) Abgabeventil kommunizierend verbunden. Die Niedrigdrucköffnung 149b ist an dem Verdampfer 24 und die Hochdrucköffnung 149a ist an der Wärmeabstrahleinrichtung 21 angeschlossen.
In der Kompressoreinrichtung 140 werden, wenn die Antriebskraft von der Riemenscheibe 110, dem elektrischen Motor 130 oder der Expansionseinrichtung 150 (später beschrieben) auf die Kompressorwelle 141 ausgeübt wird (wenn, wie später erläutert wird, ein Umschaltmittel verbunden ist), werden der Rotor 140a sowie die Flügelräder 140b in der Vorwärtsrichtung in Drehung versetzt. Das Kältemittel wird dann aus der Niedrigdrucköffnung 149b in die Arbeitskammern gesogen, wo das Kältemittel komprimiert wird, und wird durch das Abgabeventil aus der Hochdrucköffnung 149a abgegeben.
Die Expansionseinrichtung 150 ist eine Flügelradeinrichtung ähnlich der Kompressoreinrichtung 140, und ist in dem Gehäuse 101 zwischen dem Elektromotor 130 und der Kompressoreinrichtung 140 angeordnet. Ein Rotor 152 mit mehreren Flügeln 153 ist an der Antriebswelle 111 angeschlossen. Der Rotor 152 und die Flügel 153 sind in einer ovalen zylindrischen Bohrung 154 aufgenommen, wobei der Rotor 152, die Flügel 153 und die zylindrische Bohrung 154 mehrere Arbeitskammern 155 bilden.
Eine Einweg-Kupplung 151a ist zwischen dem Rotor 152 und der Antriebswelle 111 vorgesehen, wobei der Rotor 152 mit der Antriebswelle 111 in Eingriff steht, wenn der Rotor 152 in der Vorwärtsrichtung gedreht wird. Mit anderen Worten kann, wenn der Rotor 152 nicht in Drehung versetzt oder in der Vorwärtsrichtung in Drehung versetzt wird, aber bei einer niedrigeren Geschwindigkeit als die Antriebswelle 111, die Antriebswelle 111 in ihrer Vorwärtsrichtung bezüglich des Rotors 152 gedreht werden.
Eine Einlassöffnung 156 und eine Auslassöffnung 157 sind in dem Gehäuse 101 vorgesehen, wobei die Einlass- und Auslassöffnungen 156 und 157 jeweils mit der Arbeitskammer 155 kommunizierend verbunden sind. Die Einlassöffnung 156 wird an die Kältemittelheizeinrichtung 33 und die Auslassöffnung 157 wird an die Wärmeabstrahleinrichtung 21 angeschlossen.
Wenn der überhitzte Dampf des Kältemittels, welcher bei der Kältemittelheizeinrichtung 33 erhitzt wird, zu der Expansionseinrichtung 150 durch die Einlassöffnung 156 zugeführt wird, das Kältemittel in den Arbeitskammern expandiert, um den Rotor 152 in der Vorwärtsrichtung zu rotieren. Als ein Ergebnis wird eine Arbeitskraft auf die Antriebswelle 11 übertragen. Das Kältemittel des niedrigen Drucks nach der Expansion wird aus der Auslassöffnung 157 ausgestoßen.
Eine Schalteinrichtung 140e ist zwischen dem der Kompressoreinrichtung 140 und der Expansionseinrichtung 150 vorgesehen, um die Kompressoreinrichtung 140 und die Expansionseinrichtung 150 zu koppeln und zu entkoppeln. Die Schalteinrichtung 140e umfasst eine elektromagnetische Kupplung mit einer beweglichen Platte 111a, welche an einem gegenüberliegenden Ende der Antriebswelle 111 befestigt ist, und eine elektromagnetische Spule 141c, welche an der Kompressorwelle 141 befestigt ist. Wenn die elektromagnetische Kupplung 140e eingeschaltet ist, werden die Antriebswelle 111 und die Kompressorwelle 141 miteinander verbunden, wohingegen diese entkoppelt werden, wenn die elektromagnetische Kupplung 140e abgeschaltet wird. Die elektromagnetische Kupplung 140e wird durch die Steuereinheit (nicht gezeigt) gesteuert.
Ein Betrieb der vorstehenden Fluidmaschine wird erläutert.
(1. Betrieb, wenn der Luftklimatisierungsbetrieb durchgeführt wird)
Die Kältemittelpumpe 32 des Rankine-Kreises 30 wird zunächst durch die Steuereinheit betätigt. Im Fall, dass der Motor 10 in Betrieb ist, sind die elektromagnetischen Kupplungen 120 und 140e eingeschaltet, so dass die Antriebskraft des Motors 10 auf die Kompressorwelle 141 über die Riemenscheibe 110 und die Antriebswelle 111 übertragen wird, und der Kompressor dahingehend betrieben wird, das Kältemittel in dem Kälteerzeugungskreis 20 zu komprimieren.
Das Kältemittel wird in der Reihenfolge der Kompressoreinrichtung 140, der Wärmeabstrahleinrichtung 21, dem Gas/Flüssigkeits-Abscheider 22, der Druckentlastungseinrichtung 23, dem Verdampfer 24 und der Kompressoreinrichtung 140 zirkuliert. Die Luft für einen Luftklimatisierungsbetrieb (Kühlbetrieb) wird bei dem Verdampfer 24 heruntergekühlt. Bei diesem Vorgang wird der Rotor 132 des elektrischen Motors 130 gleichzeitig in Drehung versetzt, so dass die elektrische Energie ebenfalls bei dem elektrischen Motor 130 erzeugt wird.
Infolge des Betriebs der Kältemittelpumpe 32 wird der überheizte Dampf des Kältemittels, welcher bei der Kältemittelheizeinrichtung 33 erhitzt wird, in die Arbeitskammern 155 der Expansionseinrichtung 150 durch die Einlassöffnung 156 zugeführt. Der Rotor 152 wird dadurch in der Vorwärtsrichtung in Drehung versetzt. Wenn die Drehgeschwindigkeit des Rotors 152 höher als die der Antriebswelle 111 ist, tritt die Einweg-Kupplung 151a mit der Antriebswelle 111 in Eingriff, so dass die bei der Expansionseinrichtung 150 erzeugte Drehkraft auf die Kompressoreinrichtung 140 und den Elektromotor 130 ausgeübt wird. Das Kältemittel des niedrigen Drucks nach der Expansion in der Expansionseinrichtung 150 strömt zurück zu der Kältemittelpumpe 32 von der Auslassöffnung 157 durch den zweiten Bypass-Durchtritt 35, das Absperrventil 35a, die Wärmeabstrahleinrichtung 21, den Gas/Flüssigkeits-Abscheider 22, den ersten Bypass-Durchtritt 31.
Wenn die Drehgeschwindigkeit des Rotors 152 niedriger als die der Antriebswelle 111 ist, tritt die Einweg-Kupplung 151a außerhalb des Eingriffs mit der Antriebswelle 111, so dass die Expansionseinrichtung 150 die Drehung der Antriebswelle 111 (den Betrieb der Kompressoreinrichtung 140 und des Elektromotors 130) nicht beeinträchtigt.
Im Fall, dass der Motorbetrieb infolge eines Leerlaufstoppbetriebs gestoppt wird oder bei einem Lauf des Fahrzeugs mit Niedriggeschwindigkeit (mit Hybridmotor), wird die elektromagnetische Kupplung 120 durch die Steuereinheit ausgeschaltet, wohingegen die elektromagnetische Kupplung 140 in ihrem "Ein"-Zustand gehalten wird. Dann wird der elektrische Motor 130 als der Motor betrieben, so dass die Kompressoreinrichtung 140 durch die Antriebskraft des elektrischen Motors 130 betrieben wird. Wie oben beschrieben wird, selbst im Fall, dass der Motor zeitweilig gestoppt wird, der Betrieb der Kompressoreinrichtung 140 und dadurch der Luftklimatisierungsbetrieb fortgesetzt. In diesem Betrieb wird die Expansionseinrichtung 150 durch den überheizten Dampf des Kältemittels betrieben (in Drehung versetzt) und die Drehkraft der Expansionseinrichtung 150 wird auf die Kompressoreinrichtung 140 und den elektrischen Motor 130 ausgeübt.
Im Fall, dass die Abwärme hinreichend von dem Motor 10 gesammelt wird und eine hinreichende Antriebskraft an der Expansionseinrichtung 150 erhalten werden kann, wird die elektromagnetische Kupplung 120 durch die Steuereinheit abgeschaltet, obschon der Motor 10 in Betrieb ist oder nicht. In einem solchen Fall wird die Kompressoreinrichtung 140 nur durch die Antriebskraft von der Expansionseinrichtung 140 betrieben. Die Antriebskraft der Expansionseinrichtung 150 wird ebenfalls auf den elektrischen Motor 130 ausgeübt, um diesen als elektrischen Energieerzeuger zu betätigen.
(2. Betrieb, wenn der Luftklimatisierungsbetrieb gestoppt ist)
Die Kälteerzeugungspumpe 32 wird durch die Steuereinheit unabhängig davon betrieben, ob der Motor 10 betrieben oder gestoppt wird. Die elektromagnetischen Kupplungen 120 und 140e werden abgeschaltet. Der Rotor 152 des Expansionsventils 150 wird durch überheizten Dampf des Kältemittels in Drehung versetzt. Die Einweg-Kupplung 150a wird mit der Antriebswelle 111 in Eingriff gebracht, so dass die bei der Expansionseinrichtung 150 erzeugte Antriebskraft auf den Elektromotor 130 ausgeübt wird (welcher als der Elektroenergieerzeuger betrieben wird). Da die elektromagnetische Kupplung 140e ebenfalls ausgeschaltet ist, wird die an der Expansionseinrichtung 150 erzeugte Antriebskraft nicht auf die Kompressoreinheit 140 übertragen.
Gemäß der vorstehend beschriebenen Ausführungsform weist die Fluidmaschine die nachfolgenden Vorteile auf.
Die Expansionseinrichtung 150 ist in der Fluidmaschine 100 vorgesehen und operativ an die Kompressoreinrichtung 140 und den Elektromotor 130 angeschlossen, und die elektromagnetische Kupplung 140e ist zwischen der Expansionseinrichtung 150 und der Kompressoreinrichtung 140 vorgesehen. Als ein Ergebnis kann die Rotationsantriebskraft an der Expansionseinrichtung 150 durch Sammeln der Abwärme aus dem Motor 10 unabhängig davon erhalten werden, ob die Kompressoreinrichtung 140 in Betrieb ist oder nicht.
Im Fall, dass die Kompressoreinrichtung 140 für den Luftklimatisierungsvorgang in Betrieb gesetzt ist, wird die Expansionseinrichtung 150 mit der Kompressoreinrichtung 140 durch die elektromagnetische Kupplung 140e betrieben. Als ein Ergebnis kann die Rotationsantriebskraft, welche an der Expansionseinrichtung 150 erzeugt wird, auf die Kompressoreinrichtung 140 und/oder dem Elektromotor 130 ausgeübt werden.
Im Fall, dass die Kompressoreinrichtung 140 nicht in Betrieb ist, wird die Kompressoreinrichtung 140 von der Expansionseinrichtung 150 durch die elektromagnetische Kupplung 140e entkoppelt, so dass die Expansionseinrichtung 150 in Drehung versetzt werden kann, ohne durch die Kompressoreinrichtung 140 beeinträchtigt zu werden. Die Expansionseinrichtung 150 kann deshalb wirksam die Drehkraft erzeugen und die erzeugte Drehkraft auf den Elektromotor 130 ausüben (welcher als der Elektroenergieerzeuger arbeitet).
Da die Rotationsantriebskraft, welche bei der Expansionseinrichtung 150 erzeugt wird, auf die Kompressoreinrichtung 140 oder auf den Elektromotor 130 ausgeübt wird, kann die Antriebskraft des Motors 10 reduziert werden, um das Kraftstoffverbrauchsverhältnis zu verbessern.
Da ferner die Riemenscheibe 110, welche die elektromagnetische Kupplung 120 aufweist, an der Kompressoreinrichtung 140 angeschlossen wird, kann die Antriebskraft von dem Motor 10 selektiv auf die Kompressoreinrichtung 140 zusätzlich zu der Rotationskraft der Expansionseinrichtung 150 und dem Elektromotor 130 ausgeübt werden.
Da der Elektromotor 130, die Expansionseinrichtung 150 und die Kompressoreinrichtung 140 in Reihe angeordnet und integral in dem Gehäuse 101 aufgenommen sind, kann die Verbindung zwischen ihnen einfach erhalten werden. Die Fluidmaschine 100 kann in ihrer Größe kleiner ausgeführt werden, und kann für den Fahrzeugeinbau einfach ausgeführt werden.
Eine Übertragungseinrichtung (eine Drehzahländerungs-Getriebeeinrichtung) kann zwischen der Kompressoreinrichtung 140 und der Expansionseinrichtung 150 vorgesehen werden, so dass ein Übersetzungsverhältnis in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit der Expansionseinrichtung 150 geändert werden kann, und dadurch kann die Kompressoreinrichtung 140 wirksam bei einer gewünschten Drehgeschwindigkeit betrieben werden.
(Zweite Ausführungsform)
Eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird in den 3 bis 5 gezeigt, welche sich von der ersten Ausführungsform in den folgenden Punkten unterscheidet. Die Kompressoreinrichtung 140 der Fluidmaschine 100 weist eine Funktion der Expansionseinrichtung auf. Die Kompressoreinrichtung 140 und die Expansionseinrichtung 150 sind mit dem Elektromotor 130 verbunden, und eine Schalteinrichtung 158 ist zwischen dem Elektromotor 130 und der Expansionseinrichtung 150 vorgesehen. Ein Übertragungseinrichtung 160 ist ferner zum Ändern eines Kraftübertragungspfads zwischen der Riemenscheibe 110, dem Elektromotor 130 und der Kompressoreinrichtung 140 vorgesehen, und ebenso zum Ändern (Erhöhen oder Senken) der Drehzahl der Antriebskraft, welche zu übertragen ist. Diese Einrichtungen sind in einer Reihenfolge der Riemenscheibe 110, der Expansionseinrichtung 150, des Elektromotors 130, der Übertragungseinrichtung 160 und der Kompressoreinrichtung 140 angeordnet und in dem Gehäuse 101 eingefasst, welches ein vorderes Gehäuse 101a, ein mittleres Gehäuse 101b und ein hinteres Gehäuse 101c aufweist.
In 3, welche ein Gesamtsystem darstellt, umfasst ein Kälteerzeugungskreis 20 ein Ein/Aus-Ventil 25 (das aus einem elektromagnetischen Ventil hergestellt ist), welches zwischen einer Wärmeabstrahleinrichtung 21 und der Kompressoreinrichtung 140 vorgesehen ist, wobei ein Kältemitteldurchtritt durch das Ein/Aus-Ventil 25 geöffnet oder geschlossen wird. Das Ein/Aus-Ventil wird durch eine Steuereinheit (nicht gezeigt) gesteuert. Ein Absperrventil 24a ist an einer Auslassseite eines Verdampfers 24 vorgesehen, so dass dem Kältemittel möglich ist, nur durch eine Einlassseite der Kompressoreinrichtung 140 zu strömen. Ein dritter Bypass-Durchtritt 36 ist zum Anschluss der Einlassseite (eine Niedrigdrucköffnung) der Kompressoreinrichtung 140 an einer Einlassseite der Wärmeabstrahleinrichtung 21 vorgesehen. Ein Absperrventil 36a ist in dem dritten Bypass-Durchtritt 36 vorgesehen, so dass dem Kältemittel möglich ist, nur aus der Kompressoreinrichtung 140 zu der Wärmeabstrahleinrichtung 21 zu strömen.
In einem Rankine-Kreis 30 ist ein Schaltventil 34 in einem ersten Bypass-Durchtritt 31 vorgesehen, so dass überheizter Dampf des Kältemittels, der bei einer Kältemittelheizeinrichtung 33 erhitzt wurde, selektiv entweder der Kompressoreinrichtung 140 oder der Expansionseinrichtung 150 zugeführt wird. Das Schaltventil wird durch die Steuereinheit (nicht gezeigt) gesteuert.
Wie in 4 gezeigt, umfasst die Fluidmaschine 100 ein vorderes Gehäuse 101a, ein mittleres Gehäuse 101b und ein hinteres Gehäuse 101c. Die Kompressoreinrichtung 140 weist einen Aufbau auf, welcher im Wesentlichen einem Spiralkompressor identisch ist, welcher eine feste Spirale 142, die an dem vorderen Gehäuse 101 über das mittlere Gehäuse 101b befestigt ist, eine bewegliche Spirale 143, welche in einem durch das mittlere Gehäuse 101b und die feste Spirale 142 begrenzten Raum beweglich ist, Arbeitskammern V, welche durch die festen und beweglichen Spiralen 142 und 143 ausgebildet werden, eine Hochdruckkammer 145, die zwischen der festen Spirale und dem hinteren Gehäuse 101c ausgebildet ist, Kommunikationsöffnungen 146 und 147 zum operativen kommunizierenden Verbinden der Arbeitskammern V mit der Hochdruckkammer 145, und ein Ventilmittel 148 (umfassend ein Abgabeventil 148a, eine Wicklung 148d und so weiter, wie später beschrieben wird), umfasst, um die Kommunikationsöffnungen 146 und 147 zu öffnen und zu schließen.
Jede feste und bewegliche Spirale 142, 143 weist einen Basisplattenabschnitt 142a und 143a und eine spiralförmige Spiralumhüllung 142b und 143b auf, welche sich jeweils von dem Basisplattenabschnitt zu der anderen Spirale hin erstrecken, wobei die Spiralumhüllungen in Berührung gebracht werden, um mehrere Arbeitskammern V auszubilden, deren Volumen vergrößert oder vermindert wird, wenn die bewegliche Spirale 143 in Drehung versetzt wird.
Eine Kompressorwelle 141 ist eine Kurbelwelle mit einem exzentrischen Abschnitt 141d an einem Ende der Kompressorwelle 141, wobei der exzentrische Abschnitt 141d exzentrisch zu einer Drehachse der Kompressorwelle 141 ist. Der exzentri sche Abschnitt 141d ist an der beweglichen Spirale 143 über eine Buchse 141e und ein Lager 141f angeschlossen.
Die Bezugsziffer 144 bezeichnet einen Selbstdrehungs-Verhinderungsmechanismus zum Verhindern der Selbstdrehung der beweglichen Spirale 143 und zum Ermöglichen der orbitierenden Bewegung derselben. Wenn die Kompressorwelle 141 um eine Umdrehung gedreht wird, wird die bewegliche Spirale 143 um die Kompressorwelle 141 mit der orbitierenden Bewegung bewegt, und das Volumen der Arbeitskammer V wird vermindert, sowie die Arbeitskammer aus der äußeren Position zu der inneren Position bewegt wird. Andererseits wird das Volumen der Arbeitskammer V vergrößert, sowie sich die Arbeitskammer von der inneren Position zu der äußeren Position bewegt.
Die Kommunikationsöffnung 146 arbeitet als eine Auslassöffnung zum Abgeben des unter Druck gesetzten Kältemittels durch kommunizierende Verbindung der Arbeitskammer V, welche ihr Minimalvolumen während des Kompressionsbetriebs erreicht, mit der Hochdruckkammer 145. Die Kommunikationsöffnung 147 arbeitet als eine Einlassöffnung zum Einleiten von Hochtemperatur- und Hochdruckkältemittel, nämlich überheizter Dampf des Kältemittels, von der Hochdruckkammer 145 in die Arbeitskammer V, wobei dessen Volumen während des Expansionsbetriebs seinen Minimalwert annimmt.
Die Hochdruckkammer 145 weist eine Funktion des Kältemittel-Druckausgleichs durch Glätten von Pulsation des abgegebenen Kältemittels durch den Kommunikationsdurchtritt 145 (auch als die Abgabeöffnung 145 bezeichnet) auf. Die Hochdrucköffnung 149a, welche an die Wärmeabstrahleinrichtung 21 angeschlossen ist, ist in dem hinteren Gehäuse 101c ausgebildet. Ein Ölabscheider (nicht gezeigt) ist in der Hochdrucköffnung 149a zum Abscheiden von Öl (Schmieröl) von dem Kältemittel vorgesehen.
Die Niedrigdrucköffnung 149b ist in dem vorderen Gehäuse 101a zur kommunizierenden Verbindung eines Raums, welcher durch das mittlere Gehäuse 101b und die feste Spirale 142 begrenzt ist, mit dem Verdampfer 24 und dem dritten Bypass-Durchtritt 36 über einen innenseitigen Raum des vorderen Gehäuses 101a ausgebildet.
Das Abgabeventil 148a und ein Ventilanschlag 148b sind an der Basisplatte 142a der festen Spirale 142 durch einen Bolzen 148c befestigt, wobei das Abgabeventil 148 ein Absperrventil vom Reed-Ventiltyp zum Verhindern ist, dass das abgegebene Kältemittel aus der Hochdruckkammer 145 zurück zu der Arbeitskammer V strömt, und der Anschlag 148b ist eine Platte zum Begrenzen der Bewegung des Reed-Ventils 148a.
Die Wicklung 148d ist ein Schaltventil zum Öffnen und Schließen der Kommunikationsöffnung 147 (auch als die Einlassöffnung 147 bezeichnet), so dass der Betrieb der Kompressoreinrichtung 140 von dem Kompressionsbetrieb zu dem Expansionsbetrieb oder umgekehrt umgeschaltet wird. Die Wicklung 148d ist gleitend in einem hinteren Druckraum 148e angeordnet, welcher in dem hinteren Gehäuse 101c ausgebildet ist. Eine Feder 148f ist in dem hinteren Druckraum 148e dahingehend angeordnet, die Wicklung 148d in Schließrichtung der Einlassöffnung 147 zu drängen.
Ein Steuerventil (ein nicht gezeigtes Elektromagnetventil) ist in dem hinteren Gehäuse 101c zum Steuern des Drucks in der hinteren Druckkammer 148e vorgesehen, dies durch kommunizierendes Verbinden der hinteren Druckkammer 148e mit einem Raum auf einer Seite der Niedrigdrucköffnung 149b oder mit der Hochdruckkammer 145. Das Steuerventil wird durch die (nicht gezeigte) Steuereinheit gesteuert.
Wenn das elektromagnetische Ventil durch die Steuereinheit geöffnet wird, wird der Druck in der hinteren Druckkammer 148e weiter abgesenkt als der in der Hochdruckkammer 145. Dann wird die Wicklung 148d gegen die Federkraft der Feder 148f in einer Richtung (in der Rechtsrichtung in 4) zum Öffnen der Einlassöffnung 147 bewegt.
Wenn das Elektromagnetventil geschlossen ist, wird der Druck in der hinteren Druckkammer 148e gleich dem in der Hochdruckkammer 145, und die Wicklung 148d wird durch die Federkraft der Feder 148f in der Richtung (in der Linksrichtung in 4) zum Schließen der Einlassöffnung 147 bewegt. Wie vorstehend beschrieben, bilden die Wicklung 148d, die hintere Druckkammer 148e, die Feder 148f, das Elektromagnetventil ein Pilot- bzw. Führungstyp-Elektroventil zum Öffnen und Schließen der Einlassöffnung 147.
Die Übertragungseinrichtung 160 umfasst ein Sonnenrad 161, welches in der Mitte einer Einrichtung 160 vorgesehen ist, einen Planetenträger 162 mit mehren Ritzelzahnrädern 162a, welche sich um das Sonnenrad 161 herum bewegen, und auf deren eigenen Achsen rotieren, und ein ringförmiges Innenzahnrad (Ringzahnrad) 163, welches an äußeren Umfängen der Ritzelzahnräder 162a vorgesehen ist.
Das Sonnenrad 161 ist mit einem Rotorabschnitt 132 des Elektromotors 130 integral ausgebildet, der Planetenträger 162 ist integral an der Antriebswelle 111 befestigt und das Ringzahnrad 163 ist an der Kompressorwelle 141 auf der gegenüberliegenden Seite des exzentrischen Abschnitts angeschlossen.
Eine Einweg-Kupplung 111b ist auf der Antriebswelle 111 derart vorgesehen, dass eine Rotation der Antriebswelle 111 nur in einer Richtung (einer Vorwärtsrichtung) ermöglicht ist. Lager 116 und 117 tragen das Sonnenrad 161 drehbar, nämlich den Rotorabschnitt 132 bezüglich der Antriebswelle 111, ein Lager 118 trägt drehbar die Antriebswelle 111 (den Planetenträger 162) bezüglich der Kompressorwelle 141, und ein Lager 141g trägt die Kompressorwelle 141 bezüglich des mittleren Gehäuses 101b drehbar.
Eine Wellendichtung 119 ist eine Dichtung zum Verhindern, dass Kältemittel aus dem vorderen Gehäuse 101a durch einen Spalt zwischen der Antriebswelle 111 und dem vorderen Gehäuse 101a ausströmt.
Die Expansionseinrichtung 150 ist eine flügelartige Einrichtung identisch zu derjenigen der ersten Ausführungsform, und ist an einer Seite des Elektromotors 130 zu der Riemenscheibe 110 angeordnet. Der Rotor 152 der Expansionseinrichtung ist angeordnet, um durch den überheizten Dampf des Kältemittels in Rückwärtsrichtung in Drehung versetzt zu werden. Der Rotor 152 ist bezüglich der Antriebswelle 111 drehbar und an dem Rotorabschnitt 132 des Elektromotors 130 über die Schalteinrichtung 158 (eine Umkehreingabe-Abschaltkupplung) verbunden. Die Schalteinrichtung 158 ist eine Kupplung, welche eine Kraftübertragung von einer Seite zu der anderen Seite ermöglicht, aber eine Kraftübertragung von der anderen Seite zu der einen Seite verhindert. Genauer kann die Rotationsantriebskraft, welche bei der Expansionseinrichtung 150 (dem Rotor 152) erzeugt wird, zu dem Elektromotor 130 (dem Rotorabschnitt 132) übertragen werden, unabhängig davon, ob die Drehrichtung in der Vorwärts- oder in der Rückwärtsrichtung ist. Andererseits kann die Drehkraft des Elektromotors 130 (des Rotorabschnitts 132) nicht auf die Expansionseinrichtung 150 (den Rotor 152) übertragen werden.
Nachfolgend wird ein Betrieb der vorstehend beschriebenen Fluidmaschine 100 erläutert.
(1. Betrieb, wenn der Luftklimatisierungsbetrieb durchgeführt wird)
Das Ein/Aus-Ventil des Kälteerzeugungskreises 20 wird durch die Steuereinheit (nicht gezeigt) geöffnet, die Kältemittelpumpe 32 des Rankine-Kreises 30 wird betätigt und das Schaltventil 34 wird zu der Expansionseinrichtung 150 geschaltet. Das elektromagnetische Ventil in dem hinteren Gehäuse 101c wird geschlossen und dadurch die Einlassöffnung 147 durch die Wicklung 148d geschlossen. Wenn der Motor 10 läuft, wird das Elektromagnetventil 120 eingeschaltet.
Die Antriebskraft des Motors 10 wird auf die Kompressoreinrichtung 140 über die Riemenscheibe 110, die Antriebswelle 111, die Übertragungseinrichtung 160 (die Drehzahl wird vergrößert) und die Kompressorwelle 141 übertragen (dieser Be trieb entspricht einer Linie "a" in 5. Die Kompressoreinrichtung 140 wird wie der gewöhnliche Spiralkompressor betrieben. Die Kompressoreinrichtung 140 saugt das Kältemittel von der Niedrigdrucköffnung 149b an, komprimiert das Kältemittel in den Arbeitskammern V, gibt das komprimierte Kältemittel zu der Hochdruckkammer 145 über die Abgabeöffnung 146 ab, und gibt schließlich das Hochdruckkältemittel durch die Hochdrucköffnung 149a ab.
Das abgegebene Kältemittel wird von der Kompressionseinrichtung 140 zirkuliert und zurück zirkuliert, dies durch das Ein/Aus-Ventil 25, die Wärmeabstrahleinrichtung 21, den Gas/Flüssigkeits-Abscheider 22, die Druckentlastungseinrichtung 23, den Verdampfer 24 und das Absperrventil 24a. Die Luft wird bei dem Verdampfer 24a abgekühlt.
Eine bestimmte Ölmenge ist in dem Kältemittel enthalten und das Öl kühlt und schmiert die jeweiligen Komponenten in der Fluidmaschine, wenn das Kältemittel (welches das Öl enthält) in die Fluidmaschine 100 durch die Niedrigdrucköffnung 149b strömt, und zu der Kompressoreinrichtung 140 durch die Expansionseinrichtung 150, den Elektromotor 130 und die Übertragungseinrichtung 160 strömt. Wenn das Kältemittel durch die Hochdrucköffnung 149a abgegeben wird, wird das Öl von dem Kältemittel durch den Ölabscheider abgeschieden, welcher in dem hinteren Gehäuse 101c vorgesehen ist, so dass ein Ausströmen des Öls in den Kälteerzeugungskreis unterdrückt wird.
In der Expansionseinrichtung 150 wird der überhitzte Dampf des Kältemittels, welcher durch die Kältemittelheizeinrichtung 33 erhitzt wird, in die Einlassöffnung 156 der Expansionseinrichtung 150 infolge des Betriebs der Kältemittelpumpe 32 zugeführt. Das überhitzte Kältemittel wird in die Arbeitskammern V eingeleitet und darin expandiert, so dass der Rotor 152 in der Rückwärtsrichtung gedreht wird.
Die Drehantriebskraft, welche an der Expansionseinrichtung 150 erzeugt wird, wird von dem Rotor 152 auf den Rotor 132 des Elektromotors 130 über die Schalteinrichtung (Umkehreingabe-Trennkupplung) 158 übertragen. Der Rotor 132 des Elektromotors 130 wird dadurch in der Rückwärtsrichtung gedreht und als der Elektroenergieerzeuger betrieben. (Der Elektromotor 130 kann jedoch als Elektromotor während des vorstehend beschriebenen Betriebs betrieben werden.) Infolge der Energieerzeugung an der Expansionseinrichtung 150 und der Übertragungseinrichtung 160 kann die Kompressoreinrichtung 140 mit höherer Geschwindigkeit angetrieben werden (dieser Betrieb entspricht einer Linie "b" in 5).
Das Kältemittel des niedrigen Drucks nach der Expansion an der Expansionseinrichtung 150 strömt aus der Auslassöffnung 157. Das Kältemittel strömt zurück zu der Kältemittelpumpe 32, durch den zweiten Bypass-Durchtritt 35, das Absperrventil 35a, die Wärmeabstrahleinrichtung 21, den Gas/Flüssigkeits-Abscheider 22 und den ersten Bypass-Durchtritt 31.
Im Fall, dass der Motorbetrieb infolge eines Leerlaufstoppbetriebs oder bei Fahrt mit niedriger Geschwindigkeit des Fahrzeugs (mit einem Hybridmotor), wird die Elektromagnetkupplung 120 durch die Steuereinheit ausgeschaltet und der Elektromotor 130 als der gewöhnliche Motor betrieben, um Rotationskraft zu erzeugen. Bei diesem Betrieb wird der Elektromotor 130 in der Rückwärtsrichtung in Drehung versetzt. Wenn die Antriebswelle 111 dazu neigt, in der Rückwärtsrichtung über die Übertragungseinrichtung 160 zu rotieren, wird die Rotation der Antriebswelle 111 durch die Einweg-Kupplung 111b verhindert. Als ein Ergebnis wird die Rotationsantriebskraft des Elektromotors 130 zu der Kompressoreinrichtung 140 über die Übertragungseinrichtung 160 übertragen, wobei die Drehzahl des Elektromotors 130 infolge der Übertragungseinrichtung 160 reduziert wird. Wie vorstehend beschrieben, kann die Kompressoreinrichtung 140 kontinuierlich betrieben werden und dadurch kann der Luftklimatisierungsbetrieb fortgesetzt werden, selbst wenn der Motorbetrieb zeitweilig gestoppt wird. Bei dem vorstehenden Betrieb wird die Expansionseinrichtung 150 kontinuierlich durch das überheizte Kältemittel betrieben, und die an der Expansionseinrichtung 150 erzeugte Antriebskraft wird kontinuierlich auf den Elektromotor 130 und die Kompressoreinrichtung 140 ausgeübt (dieser Betrieb entspricht einer Linie "c" in 5).
Im Fall, dass die Abwärme hinreichend von dem Motor 10 gesammelt wurde und eine hinreichende Antriebskraft an der Expansionseinrichtung 150 erhalten werden kann, wird die elektromagnetische Kupplung 120 durch die Steuereinheit abgeschaltet, ob der Motor 10 in Betrieb ist oder nicht. In einem solchen Fall wird die Kompressoreinrichtung 140 nur durch die Antriebskraft von der Expansionseinrichtung 140 betrieben. Die Antriebskraft der Expansionseinrichtung 150 wird ebenso auf den Elektromotor 130 ausgeübt, um diesen als den Elektroenergieerzeuger zu betreiben.
(2. Betrieb, wenn der Luftklimatisierungsbetrieb gestoppt ist)
Das Ein/Aus-Ventil 25 ist geschlossen, die Kälteerzeugungspumpe 32 ist in Betrieb, und das Umschaltventil 34 wird zu der Kompressoreinrichtung 140 durch die Steuereinheit (nicht gezeigt) geschaltet, unabhängig davon, ob der Motor 10 in Betrieb ist oder gestoppt ist. Das Elektromagnetventil in dem hinteren Gehäuse 101c wird geöffnet und dadurch wird die Einlassöffnung 147 durch die Wicklung 148d geöffnet. Die elektromagnetische Kupplung 120 wird ausgeschaltet.
Der überhitzte Hochdruckdampf des Kältemittels, welcher durch die Kältemittelheizeinrichtung 33 erhitzt wurde, wird in die Arbeitskammern V der Kompressoreinrichtung 140, durch das Umschaltventil 34, die Hochdrucköffnung 149a, die Hochdruckkammer 145 und die Einlassöffnung 147 zugeführt. Da der überhitzte Dampf des Kältemittels nicht aus der Kältemittelheizeinrichtung 33 zu dem Expansionsventil 150 zugeführt wird, wird die Expansionseinrichtung 150 nicht betrieben.
Infolge des Betriebs der Kompressoreinrichtung 140 als die Expansionseinrichtung wird die bewegliche Spirale 143 in der Rückwärtsrichtung in Drehung versetzt. Die Drehantriebskraft, welche an der Kompressoreinrichtung 140 erzeugt wird, neigt zur Rotation der Antriebswelle 111 in der Rückwärtsrichtung, dies über die Übertragungseinrichtung 160. Die Rotation der Antriebswelle 111 in der Rückwärtsrichtung ist jedoch durch die Einweg-Kupplung 111b verhindert. Als ein Er gebnis wird die Drehantriebskraft, welche bei der Kompressoreinrichtung 140 erzeugt wird, auf den Elektromotor 130 über die Übertragungseinrichtung 160 übertragen, wobei die Drehzahl erhöht wird. Der Elektromotor 130 wird dadurch als der Elektroenergieerzeuger betrieben (dieser Betrieb entspricht einer Linie "d" in 5). Bei diesem Betrieb kann der Elektromotor 130 in Drehung versetzt werden, ohne durch die Expansionseinrichtung 150 beeinträchtigt zu werden, da die Rotationsantriebskraft, welche an der Kompressoreinrichtung 140 erzeugt wird, durch die Umschalteinrichtung 158 daran gehindert wird, auf die Expansionseinrichtung 150 übertragen zu werden.
Das Kältemittel des niedrigen Drucks nach der Expansion bei der Kompressoreinrichtung 140 (welche als Expansionseinrichtung arbeitet) strömt aus der Niedrigdrucköffnung 149b. Das Kältemittel strömt durch die Niedrigdrucköffnung 149b, den dritten Bypass-Durchtritt 36, das Absperrventil 36a, die Wärmeabstrahleinrichtung 21, den Gas/Flüssigkeits-Separator 22, den ersten Bypass-Durchtritt 31, die Kältemittelpumpe 32, die Kältemittelheizeinrichtung 33, das Schaltventil 34 und zurück zu der Kompressoreinrichtung 140 (welche als die Expansionseinrichtung arbeitet).
Gemäß der vorstehend beschriebenen zweiten Ausführungsform hat die Fluidmaschine die folgenden Vorteile.
Die Kompressoreinrichtung 140 der Fluidmaschine 100 weist Funktionen des Kompressionsbetriebs und des Expansionsbetriebs auf. Der Elektromotor 130 ist an der Kompressoreinrichtung 140 und der Expansionseinrichtung 150 angeschlossen, und die Schalteinrichtung 158 ist zwischen dem Elektromotor 130 und der Expansionseinrichtung 150 zum Trennen der Übertragung der Drehkraft von dem Elektromotor 130 auf die Expansionseinrichtung 150 vorgesehen.
Demgemäß kann die Abwärme von dem Motor 10 stets durch die Expansionseinrichtung 150 oder den Expansionsbetrieb der Kompressoreinrichtung 140 gesam melt werden, unabhängig davon, ob der Kompressionsbetrieb durch die Kompressoreinrichtung 140 durchgeführt wird oder nicht.
Wenn die Kompressoreinrichtung 140 als der Kompressor arbeitet, wird die Expansionseinrichtung 150 an dem Elektromotor 130 über die Schalteinrichtung 158 angeschlossen, so dass die Drehantriebskraft, welche an der Expansionseinrichtung 150 erzeugt wird, auf den Elektromotor 130 übertragen wird, oder auf sowohl den Elektromotor 130 als auch die Kompressoreinrichtung 140.
Wenn die Kompressoreinrichtung 140 als die Expansionseinrichtung arbeitet, wird die Expansionseinrichtung 150 von dem Elektromotor infolge der Schalteinrichtung 158 abgekoppelt, so dass die Kompressoreinrichtung 140 als die Expansionseinrichtung ohne Aufnahme eines Widerstands von der Expansionseinrichtung 150 arbeiten kann. Demgemäß kann der Expansionsbetrieb durch die Kompressoreinrichtung 140 effektiv ohne Energieverlust durchgeführt werden, und die erzeugte Drehantriebskraft kann auf den Elektromotor 130 ausgeübt werden.
Darüber hinaus kann, da die Übertragungseinrichtung 160 zwischen der Kompressoreinrichtung 140 und dem Elektromotor 130 vorgesehen ist, die Drehzahl des Elektromotors 130, welche auf die Kompressoreinrichtung 140 zu übertragen ist, gesenkt werden. Als ein Ergebnis kann ein Hochgeschwindigkeits- und Niedrigdrehmoment-Elektromotor als der Elektromotor 130 verwendet werden, und dadurch kann der Elektromotor 130 in seiner Größe kleiner gemacht werden. Ferner kann die Drehzahl der an der Kompressoreinrichtung 140 erzeugten und an den Elektromotor 130 übertragenen Antriebskraft vergrößert werden. Als ein Ergebnis kann die Menge der elektrischen Energie, welche bei dem Elektromotor 130 erzeugt wird, vergrößert werden.
Da das Kältemittel, welches in die Kompressoreinrichtung 140 zu saugen ist, aus der Niedrigdrucköffnung 149b zu der Kompressoreinrichtung 140 durch das Innere des Gehäuses 101 strömt, nämlich durch die Expansionseinrichtung 150, den Elektromotor 130, die Übertragungseinrichtung 160, können diese Einrichtungen durch das Kältemittel abgekühlt werden, um dadurch die Lebensdauer dieser Einrichtungen zu verbessern.
Ferner werden die Einrichtungen 150, 130, 160 und 140 durch in dem Kältemittel enthaltenes Öl geschmiert, um die Lebensdauer von gleitenden Abschnitten dieser Einrichtungen zu verbessern.
Eine Elektromagnetkupplung kann als die Schalteinrichtung 158 (die Umkehreingabe-Abtrennkupplung) verwendet werden.
(Andere Ausführungsformen)
Die Anordnung des Elektromotors 130, des Kompressors 140 und der Expansionseinrichtung 150 in dem Gehäuse 101 ist nicht auf die in den vorstehenden Ausführungsformen gezeigte Reihenfolge beschränkt.
Bei den vorstehenden Ausführungsformen sind der Elektromotor 130, der Kompressor 140 und die Expansionseinrichtung 150 integral in dem Gehäuse ausgebildet. Alternativ kann jedoch der Elektromotor 130 und das Expansionsventil 150 integral ausgebildet sein, und ein Kompressor der herkömmlichen Einrichtung kann mit dem Elektromotor und der Expansionseinrichtung verbunden werden.
Andere Typen der Kompressoreinrichtung oder der Expansionseinrichtung können verwendet werden. Beispielsweise kann ein Taumelscheiben- oder ein Rotationskompressor verwendet werden.
Die Erfindung der vorstehenden Ausführungsformen ist als Beispiel zur Verwendung in Motorfahrzeugen mit Leerlaufstoppfunktion oder Hybrid-Motor beschrieben. Die vorliegende Erfindung kann für andere Arten von Fahrzeugen verwendet werden.

Claims

Fluidmaschine, umfassend eine Kompressoreinrichtung (140) zum Komprimieren von Arbeitsfluid; eine Expansionseinrichtung (150) zum Erzeugen einer Rotationsantriebskraft durch Sammeln von Abwärme von einer externen Antriebsquelle (10); eine elektrische Rotationseinrichtung (130) mit Funktionen eines Elektromotors und eines Elektroenergieerzeugers, wobei die Expansionseinrichtung (150) operativ mit der elektrischen Rotationseinrichtung (130) und der Kompressoreinrichtung (140) verbunden ist; und eine Schalteinrichtung (140e), welche zwischen der Kompressoreinrichtung (140) und der Expansionseinrichtung (150) zum Verbinden oder zum Trennen der Kompressoreinrichtung (140) mit bzw. von der Expansionseinrichtung (150) vorgesehen ist.
Fluidmaschine gemäß Anspruch 1, des Weiteren umfassend: eine Übertragungseinrichtung zwischen der Kompressoreinrichtung (140) und der Expansionseinrichtung (150) zur Übertragung der Antriebskraft von der Expansionseinrichtung (150) auf die Kompressoreinrichtung (140), wobei eine Drehzahl der übertragenen Antriebskraft geändert wird.
Fluidmaschine, umfassend: eine Kompressoreinrichtung (140) mit einer Funktion des Komprimierens von Arbeitsfluid und einer Funktion des Expandierens des Arbeitsfluids; eine Expansionseinrichtung (150) zum Erzeugen einer Rotationsantriebskraft durch Sammeln von Abwärme von einer externen Antriebsquelle (10); eine elektrische Rotationseinrichtung (130) mit Funktionen eines Elektromotors und eines Elektroenergieerzeugers, wobei die elektrische Rotationseinrichtung (130) operativ an der Kompressoreinrichtung (140) und der Expansionseinrichtung (150) angeschlossen ist; und eine Schalteinrichtung (158), welche zwischen der elektrischen Rotationseinrichtung (130) und der Expansionseinrichtung (150) zum Verbinden oder Tren nen der elektrischen Rotationseinrichtung (130) mit bzw. von der Expansionseinrichtung (150) vorgesehen ist.
Fluidmaschine gemäß Anspruch 3, des Weiteren umfassend: eine Übertragungseinrichtung (160) zwischen der Kompressoreinrichtung (140) und der elektrischen Rotationseinrichtung (130), wobei die Übertragungseinrichtung (160) an die elektrische Rotationseinrichtung (130) eine Rotationsantriebskraft überträgt, welche an der Kompressoreinrichtung (140) erzeugt wird, wenn sie als Expansionseinrichtung betrieben wird, und wobei eine an die elektrische Rotationseinrichtung (130) zu übertragende Drehzahl geändert wird, und die Übertragungseinrichtung (160) ferner eine an der Expansionseinrichtung erzeugte Rotationsantriebskraft an die Kompressoreinrichtung (140) durch die elektrische Rotationseinrichtung (130) überträgt, und eine an die Kompressoreinrichtung (140) zu übertragende Drehzahl geändert wird.
Fluidmaschine gemäß Anspruch 1, des Weiteren umfassend: einen externen Antriebsabschnitt (110), welcher durch die externe Antriebsquelle (10) anzutreiben ist, wobei der externe Antriebsabschnitt (110) an einem ausgewählt aus Kompressoreinrichtung (140), Expansionseinrichtung (150) und elektrische Rotationseinrichtung (130) angeschlossen ist, und der externe Antriebsabschnitt (110) ein Schaltmittel (120) zum selektiven Übertragen der Antriebskraft von der externen Antriebsquelle (10) zu einem ausgewählt aus Kompressoreinrichtung (140), Expansionseinrichtung (150) und elektrische Rotationseinrichtung (130) aufweist.
Fluidmaschine gemäß Anspruch 1, wobei die Schalteinrichtung (140e) ein Elektromagnetventil umfasst.
Fluidmaschine gemäß Anspruch 3, wobei die Schalteinrichtung (158) eine Umkehreingabe-Trennkupplung zum Übertragen einer Antriebskraft von der Expansionseinrichtung (150) auf die elektrische Rotationseinrichtung (130) umfasst, wobei die Schalteinrichtung (158) die Übertragung der Rotationskraft von der elektrischen Rotationseinrichtung (130) auf die Expansionseinrichtung (150) verhindert.
Fluidmaschine gemäß Anspruch 1, wobei die Kompressoreinrichtung (140), die elektrische Rotationseinrichtung (130) und die Expansionseinrichtung (150) integral in einem Gehäuse (101) ausgebildet sind.
Fluidmaschine gemäß Anspruch 1, wobei die Kompressoreinrichtung (140), die Expansionseinrichtung (150) und die elektrische Rotationseinrichtung (130) in Reihe angeordnet sind.
Fluidmaschine gemäß Anspruch 8, wobei das Arbeitsfluid innerhalb des Gehäuses (101) strömt.
Fluidmaschine gemäß Anspruch 1, wobei das Arbeitsfluid Schmieröl enthält.