DE102005051428B4

DE102005051428B4 - Abwärmenutzungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102005051428B4
Application number: DE102005051428.6A
Authority: DE
Inventors: Keiichi Uno; Hironori Asa; Yasuhiro Takeuchi; Hideji Yoshida; Akihiro Imura; Atsushi Inaba; Koichi Ban; Takashi Yamanaka; Shigeki Iwanami; Hiroshi Kishita; Hiroshi Ogawa
Original assignee: Denso Corp; Nippon Soken Inc
Current assignee: Denso Corp; Soken Inc
Priority date: 2004-10-29
Filing date: 2005-10-27
Publication date: 2015-05-28
Anticipated expiration: 2025-10-28
Also published as: US20060107681A1; US7418824B2; DE102005051428A1; US20080184706A1; US7992400B2

Abstract

Abwärmenutzungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor, mit einem Clausius-Rankine-Kreis (40) mit einer Pumpe (130a) zum Zirkulieren eines Arbeitsfluids und einer Expansionsvorrichtung (110) zum Erzeugen einer Antriebskraft durch Expandieren des Arbeitsfluids, welches mittels Abwärme von dem Verbrennungsmotor (10) geheizt wird; einem Stromgenerator (120), der durch die an der Expansionsvorrichtung (110) erzeugte Antriebskraft angetrieben werden soll, zum Erzeugen elektrischer Energie; und einer Steuereinheit (400) zum Steuern von Funktionen des Clausius-Rankine-Kreises (40) und des Stromgenerators (120), wobei die Steuereinheit (400) den Betrieb der Pumpe (130a) stoppt, wenn ein Steuersignal für den Stromgenerator (120) aus einem Sollbereich herausfällt, der Stromgenerator (120) einen bürstenlosen Generator mit mehreren Statorwicklungen (U, V, W) aufweist, die Steuereinheit (400) einen Schaltabschnitt (420) mit mehreren Paaren von elektrischen Schaltvorrichtungen (420a–420f) aufweist, wobei jedes Paar eine batterieseitige Schaltvorrichtung (420a–420c) und eine masseseitige Schaltvorrichtung (420d–420f) aufweist, der Betrieb des Stromgenerators (120) durch Einschalten und Ausschalten dieser elektrischen Schaltvorrichtungen (420a–420f) gesteuert wird, wobei die Steuereinheit (400) die masseseitige Schaltvorrichtung (420d–420f) einschaltet, um geschlossene Schaltungen für die jeweiligen Statorwicklungen (U, V, W) zu bilden, nachdem der Betrieb der Pumpe (130a) gestoppt ist, um den Betrieb der Expansionsvorrichtung (110) zu stoppen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abwärmenutzungsvorrichtung.
Offenbart wird eine Kühlvorrichtung mit einem Kühlkreis zum Durchführen eines Kühlbetriebs und einem Clausius-Rankine-Kreis zum Sammeln von Abwärme von einem Wärme erzeugenden Gerät, wie beispielsweise einem Verbrennungsmotor. Offenbart wird weiter eine komplexe Fluidmaschine, die auf die Kühlvorrichtung anzuwenden ist, wobei die Fluidmaschine eine Funktion einer Kompressorvorrichtung zum Komprimieren und Auspumpen eines Arbeitsfluids sowie einer Expansionsvorrichtung zum Ausgeben mechanischer Energie durch Expandieren des in dem Clausius-Rankine-Kreis arbeitenden Arbeitsfluids besitzt. Offenbart wird ferner ein Verfahren zum Steuern eines Betriebs der Kühlvorrichtung, insbesondere betrifft sie ein Verfahren zum Stoppen des Betriebs des Clausius-Rankine-Kreises.
Eine komplexe Fluidmaschine, in welcher eine Kompressorvorrichtung, eine Expansionsvorrichtung, ein Antriebsmotor und eine Pumpe integral ausgebildet sind, ist in der Technik bekannt, wie zum Beispiel in der JP H8-86289 A gezeigt (es ist eine Drehmaschine eines Walztypkolbens gezeigt). Bei der obigen komplexen Fluidmaschine sind die jeweiligen Komponenten in Reihe angeordnet und koaxial miteinander verbunden (die Kompressorvorrichtung ist über eine Magnetkupplungsvorrichtung oder direkt mit der Expansionsvorrichtung verbunden). Die Kompressorvorrichtung wird zum Komprimieren eines Kältemittels in einem Kühlkreis benutzt, während die Expansionsvorrichtung durch ein Arbeitsfluid in einem Clausius-Rankine-Kreis betrieben wird.
Gemäß der obigen Fluidmaschine wird die Expansionsvorrichtung durch den Antriebsmotor für eine bestimmte Dauer während einer Anfangs-(Start-)Stufe angetrieben, bis ein Betrieb der Expansionsvorrichtung stabil wird. Dann wird die Expansionsvorrichtung durch die Expansion des Arbeitsfluids (das durch einen Brenner geheizt wird, um in ein Hochdruck- und Hochtemperatur-Arbeitsfluid umgewandelt zu werden) in dem Clausius-Rankine-Kreis angetrieben, sodass sie durch ihre eigene Antriebskraft gedreht wird. Die Antriebskraft wird direkt oder indirekt (über die Magnetkupplung) auf die Kompressorvorrichtung übertragen, um selbige zu betreiben, sodass das Arbeitsfluid komprimiert wird. Die Pumpe wird ebenfalls durch die an der Expansionsvorrichtung erzeugte Antriebskraft zum Zirkulieren eines Arbeitsfluids in dem Clausius-Rankine-Kreis betrieben.
Wie oben erläutert, ist eine Wärmeerzeugungsvorrichtung (wie beispielsweise der Brenner) in der oben genannten herkömmlichen Vorrichtung speziell notwendig. Die Erfinder haben eine Kühlvorrichtung entwickelt, die für ein Kraftfahrzeug zu verwenden ist, bei welcher Abwärme von einem Verbrennungsmotor gesammelt und zum Betreiben des Clausius-Rankine-Kreises genutzt wird, sodass in Anbetracht der Kriechwärmung der Energieverbrauch reduziert werden kann.
Falls die oben genannte herkömmliche Vorrichtung für das Kraftfahrzeug verwendet wird, bei welchem die Abwärme von dem Motor als eine Wärmequelle (anstelle des Brenners) verwendet wird, kann die Antriebskraft nicht durch die Expansionsvorrichtung erzielt werden, wenn eine Menge der Abwärme von dem Motor klein ist. Während einer solchen Periode kann die Kompressorvorrichtung durch den Antriebsmotor betrieben werden. In einem solchen Fall wird jedoch zusammen mit der Kompressorvorrichtung auch die Pumpe durch den Antriebsmotor betrieben, was den Wirkungsgrad des Betriebs für den Kompressor durch den Antriebsmotor reduziert.
Andererseits wird, falls der Betrieb der Kompressorvorrichtung nicht notwendig ist (ein Kühlbetrieb durch den Kühlkreis ist nicht erforderlich), der Betrieb der Expansionsvorrichtung gestoppt, selbst wenn die Abwärme von dem Motor ausreichend erzielt werden kann. Als Ergebnis kann die Abwärme nicht effizient zum Sammeln der Energie durch die Expansionsvorrichtung genutzt werden.
Gemäß einer weiteren herkömmlichen Fluidmaschine, die zum Beispiel in der JP 2004-232492 A dargestellt ist, hat die Fluidmaschine in ähnlicher Weise eine Funktion einer Kompressorvorrichtung und eine Funktion einer Expansionsvorrichtung. Gemäß dieser herkömmlichen Fluidmaschine wird die Kompressorvorrichtung auch als die Expansionsvorrichtung betrieben, wobei die Strömungsrichtung des Arbeitsfluids im Fall des Betriebs als Kompressorvorrichtung entgegen jener des Arbeitsfluids im Fall des Betriebs als Expansionsvorrichtung ist. Eine erste Fluid(ausgabe)öffnung und eine erste (Ausgabe)Ventilvorrichtung sind in der Fluidmaschine vorgesehen, sodass das komprimierte Arbeitsfluid durch die erste Fluid(ausgabe)öffnung ausgepumpt wird. Weiter sind eine zweite Fluid(einlass)öffnung und eine zweite (Einlass)Ventilvorrichtung in der Fluidmaschine vorgesehen, sodass das Hochdruck- und Hochtemperatur-Arbeitsfluid in die Expansionsvorrichtung geleitet wird. Die zweite Fluid(einlass)öffnung wird durch die zweite Ventilvorrichtung (eine elektrisch betriebene EIN/AUS-Ventilvorrichtung) geschlossen, wenn die Fluidmaschine als Kompressorvorrichtung betrieben wird.
Gemäß der obigen Fluidvorrichtung wird jedoch ein Volumen der zweiten Fluidöffnung für einen Kompressionsbetrieb der Fluidmaschine unvermeidbar zu einem Totvolumen (Totvolumen: ein Volumen des Arbeitsfluids, das nicht ausgepumpt wird und während des Kompressionsbetriebs in einer Arbeitskammer verbleibt). Es ist ein Problem, insbesondere wenn ein Innendurchmesser der zweiten Fluidöffnung zum Zwecke des Strömenlassens einer großen Menge des Arbeitsfluids in die Arbeitskammer der Expansionsvorrichtung größer konstruiert ist oder wenn die Menge des von der Kompressorvorrichtung ausgepumpten Arbeitsfluids für jede Drehung kleiner konstruiert ist.
Gemäß einer weiteren herkömmlichen Kühlvorrichtung, die zum Beispiel in der JP S56-43018 A gezeigt ist, wird die Kühlvorrichtung für das Kraftfahrzeug verwendet, wobei eine Kompressorvorrichtung mit eine Expansionsvorrichtung so verbunden ist, dass die Kompressorvorrichtung durch eine Antriebskraft angetrieben wird, die durch die mittels einer Abwärme von einem Motor betriebene Expansionsvorrichtung erzeugt wird. In einer solchen Kühlvorrichtung kann jedoch ein Kühlbetrieb nicht durchgeführt werden, falls die Abwärme während eines Aufwärmbetriebs des Motors nicht gesammelt werden kann. Insbesondere ist selbst in dem Fall, dass eine große Kühlleistung zum schnellen Abkühlen eines Innenraums des Fahrzeugs erforderlich ist, nachdem das Fahrzeug unter der brennenden Sonne im Sommer geparkt worden ist, der Kühlbetrieb nicht möglich, solange die ausreichende Abwärme nicht von dem Motor gesammelt werden kann.
Deshalb haben die Erfinder in ihrer JP 2004-227006 A eine Kühlvorrichtung für ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, in welcher eine Kompressorvorrichtung von einer Expansionsvorrichtung getrennt ist, die Kompressorvorrichtung durch einen Motor oder einen antreibenden Elektromotor angetrieben wird, und die Energie von der Expansionsvorrichtung zum Erzeugen einer elektrischen Energie und/oder zum Antreiben einer Pumpe zum Zirkulieren des Arbeitsfluids in dem Clausius-Rankine-Kreis benutzt wird. Gemäß der oben vorgeschlagenen Kühlvorrichtung wird der Kühlbetrieb möglich, selbst wenn es keine Abwärme gibt, wohingegen die Energie durch den Clausius-Rankine-Kreis effizient gesammelt werden kann, wenn es eine ausreichende Menge der Abwärme gibt.
Gemäß der oben vorgeschlagenen Kühlvorrichtung kann jedoch der Kühlbetrieb nicht durchgeführt werden, wenn der Motorbetrieb vorübergehend gestoppt ist, falls die Kühlvorrichtung in Anbetracht des Umweltschutzes auf ein solches Fahrzeug mit einem Leerlaufabschaltbetrieb angewendet wird.
Gemäß einem noch weiteren Stand der Technik, wie er zum Beispiel in der JP 2004-108220 A gezeigt ist, wird eine elektrische Energie an einem Generator erzeugt, der durch eine Expansionsvorrichtung angetrieben wird, die in einem Clausius-Rankine-Kreis zum Sammeln von Abwärme betrieben werden soll.
Der Stromgenerator wird üblicherweise durch ein sensorfreies Steuerverfahren betrieben, gemäß dem eine Drehphase des Generators ohne Verwendung eines Phasensensors vorhergesagt wird, sodass ein Generator von niedrigen Kosten realisiert wird.
Es ist in einem solchen sensorfreien Steuerverfahren nicht möglich, ein Außer-Kontrolle-Geraten eines Betriebs des Generators als Ergebnis der Arbeitsschritte außerhalb seiner normalen Betriebsbedingung vollständig zu verhindern. Demgemäß wird der Betrieb des Generators im Allgemeinen gestoppt, falls der Betrieb des Generators (welcher durch die Expansionsvorrichtung angetrieben wird) aus seinem normalen Betriebszustand tritt. Dann kann, da eine Last auf die Expansionsvorrichtung entfernt wird, die Drehung der Expansionsvorrichtung beschleunigt werden und kann ein Toleranzdrehniveau überschreiten. Falls dies passieren würde, kann an der Expansionsvorrichtung Lärm erzeugt werden, und gegebenenfalls kann die Expansionsvorrichtung beschädigt werden. Außerdem kann am Generator eine höhere Spannung erzeugt werden, was ein Problem dahingehend verursacht, dass zugehörige elektrische Teile oder Vorrichtungen beschädigt werden können.
Selbst falls ein Betrieb des Generators durch Signale von Positionssensoren gesteuert wird, kann der Betrieb des Generators außer Kontrolle geraten, wenn eine Steuerung (Wechselrichter) für den Generator außer Betrieb gerät, und die Drehung der Expansionsvorrichtung kann beschleunigt und beschädigt werden.
Die vorliegende Erfindung ist in Anbetracht der obigen Probleme gemacht.
WO 2003/072384 A1 beschreibt ein Abwärme-Solarenergiesystem, bei welchem unter Druck gesetztes Kältemittel bei Umgebungstemperatur durch einen Wärmetauscher gepumpt wird, der an einer Abwärme/Solarquelle angeschlossen ist, um Wärmeenergie während Umwandlung in ein Hochdruckgas zu extrahieren. Erwärmtes und unter Druck gesetztes Kältemittelgas wird in einen Expander eingeleitet, um eine Abgabewelle während der Expansion des Fluids in ein gekühltes Gas anzutreiben.
US 2003/0188728 A1 bezieht sich auf einen Abgaswärmetauscher.
EP 1 326 009 A1 bezieht sich auf einen Clausius-Rankine-Kreis für einen Verbrennungsmotor.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Abwärme effektiv zu sammeln und zu nutzen, selbst wenn ein Kühlbetrieb durch die Kompressorvorrichtung nicht erforderlich ist.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kühlvorrichtung vorzusehen, in welcher Abwärme von einer Wärmeerzeugungsvorrichtung, zum Beispiel einem Verbrennungsmotor für ein Kraftfahrzeug, gesammelt wird und ein Kühlbetrieb fortlaufend durchgeführt werden kann, selbst wenn ein Betrieb der Wärmeerzeugungsvorrichtung vorübergehend abschaltet wird. Die Kühlvorrichtung kann den Kühlbetrieb vorsehen, selbst wenn eine Anforderung für den Kühlbetrieb vorübergehend und stark erhöht ist.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Abwärmenutzungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor und ein Verfahren zum Steuern eines Betriebs der Vorrichtung vorzusehen, bei welchen ein Betrieb einer Expansionsvorrichtung sicherheitshalber abgeschaltet wird, um eine Beschleunigung der Expansionsvorrichtung zu verhindern, wenn ein Betrieb für einen Stromgenerator außer Kontrolle gerät.
Obige sowie weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen besser verständlich. Darin zeigen:
1 eine schematische Querschnittsansicht einer komplexen Fluidmaschine gemäß einem ersten nicht unter den Anspruchswortlaut fallenden Ausführungsbeispiel;
2 eine schematische Darstellung eines Systemaufbaus gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;
3 eine schematische Querschnittsansicht einer Modifikation der komplexen Fluidmaschine des ersten Ausführungsbeispiels;
4 eine schematische Darstellung eines Systemaufbaus gemäß einem zweiten nicht unter den Anspruchswortlaut fallenden Ausführungsbeispiel;
5 bis 9 schematische Darstellungen des Systemaufbaus gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel, in welchen Kältemittelströme in jeweiligen Betriebsmodi gezeigt sind;
10 eine schematische Querschnittsansicht einer komplexen Fluidmaschine gemäß einem dritten nicht unter den Anspruchswortlaut fallenden Ausführungsbeispiel;
11 und 12 vergrößerte Querschnittsansichten einer Ventilvorrichtung der Fluidmaschine gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel;
13 eine schematische Darstellung eines Systemaufbaus gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel, bei welchem die Fluidmaschine von 10 angewendet ist;
14 bis 16 vergrößerte Querschnittsansichten, die jeweils eine Ventilvorrichtung der Fluidmaschine gemäß Modifikationen des dritten Ausführungsbeispiels zeigen;
17 eine schematische Querschnittsansicht einer komplexen Fluidmaschine gemäß einem fünften nicht unter den Anspruchswortlaut fallenden Ausführungsbeispiel;
18 eine schematische Querschnittsansicht einer komplexen Fluidmaschine gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel;
19 eine schematische Darstellung eines Systemaufbaus gemäß einem sechsten nicht unter den Anspruchswortlaut fallenden Ausführungsbeispiel;
20 bis 24 schematische Darstellungen des Systemaufbaus gemäß dem obigen sechsten Ausführungsbeispiel, in denen Kältemittelströme in jeweiligen Betriebsmodi gezeigt sind;
25 eine schematische Darstellung eines Systemaufbaus gemäß einem siebten nicht unter den Anspruchswortlaut fallenden Ausführungsbeispiel;
26 eine schematische Darstellung eines Systemaufbaus gemäß einem achten nicht unter den Anspruchswortlaut fallenden Ausführungsbeispiel;
27 bis 31 schematische Darstellungen des Systemaufbaus gemäß dem obigen achten Ausführungsbeispiel, in denen Kältemittelströme in jeweiligen Betriebsmodi gezeigt sind;
32 eine schematische Darstellung eines Systemaufbaus gemäß einem neunten Ausführungsbeispiel;
33 eine schematische Querschnittsansicht einer komplexen Fluidmaschine gemäß dem neunten Ausführungsbeispiel, die auf das System von 23 angewendet ist;
34 eine schematische Darstellung einer elektrischen Schaltung einer in dem System von 32 zu verwendenden Steuerung;
35 ein Flussdiagramm zum Steuern eines Betriebs des Systems von 32;
36 ein Zeitdiagramm zur Erläuterung des Betriebs des Systems von 32;
37 eine schematische Querschnittsansicht einer komplexen Fluidmaschine gemäß einer Modifikation des obigen neunten Ausführungsbeispiels;
38 eine schematische Darstellung einer elektrischen Schaltung einer Steuerung und eines Motor/Generators gemäß einer Modifikation des obigen neunten Ausführungsbeispiels;
39 ein Flussdiagramm zum Steuern eines Betriebs des System von 32, das durch 38 modifiziert ist;
40 eine schematische Darstellung eines Systemaufbaus gemäß einem zehnten Ausführungsbeispiel;
41 ein Flussdiagramm zum Steuern eines Betriebs des Systems von 40;
42 eine schematische Darstellung eines Systemaufbaus gemäß einem elften Ausführungsbeispiel;
43 ein Flussdiagramm zum Steuern eines Betriebs des Systems von 42;
44 ein Flussdiagramm zum Steuern eines Betriebs einer Modifikation des Systems von 42;
45 eine schematische Darstellung eines Systemaufbaus gemäß einer Modifikation des elften Ausführungsbeispiels (42);
46 ein Flussdiagramm zum Steuern eines Betriebs des Systems von 45; und
47 ein Flussdiagramm zum Steuern eines Betriebs einer weiteren Modifikation des Systems von 42.
(Erstes Ausführungsbeispiel)
Ein erstes nicht unter den Anspruchswortlaut fallendes Ausführungsbeispiel betrifft eine Kraftfahrzeug-Klimavorrichtung, bei welcher eine komplexe Fluidmaschine 100 auf einen Kühlkreis 30 mit einem Clausius-Rankine-Kreis 40 angewendet ist.
Zuerst wird eine Konstruktion der komplexen Fluidmaschine Bezug nehmend auf 1 erläutert. Die komplexe Fluidmaschine 100 weist eine Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 mit beiden Funktionen einer Kompressorvorrichtung und einer Expansionsvorrichtung, einen Motor/Generator 120 mit beiden Funktionen eines Stromgenerators und eines Elektromotors, sowie eine Kältemittelpumpe 130 auf.
Die Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 hat den gleichen Aufbau wie ein wohlbekannter Spiraltypkompressor und weist eine zwischen einem vorderen Gehäuse 111a und einem Motorgehäuse 121 vorgesehene feste Spirale 112, eine der festen Spirale 112 zugewandte und relativ zu dieser drehenden bewegbare Spirale 113, eine Ausgabeöffnung 115 zur Verbindung einer Arbeitskammer V mit einer Hochdruckkammer 114, eine Einlassöffnung 116 und eine Ventilvorrichtung 117 zum Öffnen und Schließen der Einlassöffnung 116 auf.
Die feste Spirale 112 hat eine Basisplatte 112a und eine von der Basisplatte 112a zur bewegbaren Spirale 113 verlaufende Wirbelspiralwindung 112b, wohingegen die bewegbare Spirale 113 eine die Wirbelspiralwindung 112 kontaktierende und greifende Wirbelspiralwindung 113b sowie eine Basisplatte 113a, auf welcher die Spiralwindung 113b ausgebildet ist, hat. Die Arbeitskammer V ist zwischen der festen Spirale 112 und der bewegbaren Spirale 113, deren Spiralwindungen 112b und 113b miteinander wirkverbunden sind, ausgebildet. Das Volumen der Arbeitskammer V wird geändert (erweitert oder geschrumpft), wenn die bewegbare Spirale 113 relativ zur festen Spirale 112 gedreht wird (sich um die feste Spirale bewegt).
Eine Welle 118 ist eine Kurbelwelle, die durch ein an dem Motorgehäuse 121 befestigtes Lager 118c drehbar gehalten ist und die einen Kurbelabschnitt 118a an ihrem einen axialen Ende besitzt, wobei der Kurbelabschnitt 118a bezüglich einer Drehmitte der Welle 118 exzentrisch ist. Der Kurbelabschnitt 118a ist mit der bewegbaren Spirale 113 über eine Buchse 118b und ein Lager 113c verbunden.
Ein Eigendrehverhinderungsmechanismus 119 ist zwischen der bewegbaren Spirale 113 und dem Motorgehäuse 121 vorgesehen, sodass sich die bewegbare Spirale 113 um den Kurbelabschnitt 118a eine Drehung dreht, wenn die Welle 118 eine Umdrehung gedreht wird. Das heißt, die bewegbare Spirale 113 wird an einer Drehung um ihre Achse gehindert, aber wird um die Drehmitte der Welle 118 (in einer Umlaufbewegung) gedreht. Das Volumen der Arbeitskammer V wird kleiner, wenn die Arbeitskammer von dem Außenabschnitt der bewegbaren Spiralen 113 zu ihrer Mitte bewegt wird, wenn die Welle 118 in einer Vorwärtsrichtung gedreht wird. Andererseits wird das Volumen der Arbeitskammer V größer, wenn die Arbeitskammer von ihrer Mitte zum Außenabschnitt der bewegbaren Spirale 113 bewegt wird, wenn die Welle 118 in einer umgekehrten Richtung gedreht wird.
Die Ausgabeöffnung ist an einem Mittelabschnitt der Basisplatte 112a ausgebildet, sodass die Arbeitskammer V, welche ihr minimales Volumen erreicht, wenn die Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 als eine Kompressorvorrichtung betrieben wird (nachfolgend als ein Kompressionsmodus bezeichnet), mit der in dem vorderen Gehäuse 111a ausgebildeten Hochdruckkammer 114 in Verbindung steht, um das komprimierte Kältemittel (das komprimierte Arbeitsfluid) auszugeben (auszupumpen). Die Einlassöffnung 116 ist in ähnlicher Weise in der Basisplatte 112a (angrenzend an die Ausgabeöffnung 115) ausgebildet, um die Hochdruckkammer 114 mit der Arbeitskammer V zu verbinden, welche ihr minimales Volumen einreicht, wenn die Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 als eine Expansionsvorrichtung betrieben wird (nachfolgend als ein Expansionsmodus bezeichnet), sodass das in die Hochdruckkammer 114 geleitete Hochdruck- und Hochtemperatur-Kältemittel (d. h. überhitztes verdampftes Kältemittel) in die Arbeitskammer V eingeleitet wird.
Die Hochdruckkammer 114 hat eine Funktion zum Glätten einer Pulsation des von der Ausgabeöffnung 115 ausgepumpten Kältemittels, und eine mit einer Heizvorrichtung 43 und einem Kondensator 31 zu verbindende Hochdrucköffnung 111c ist an der Hochdruckkammer 114 ausgebildet.
Eine Niederdrucköffnung 121a, welche mit einem Verdampfapparat 34 und einem zweiten Bypasskanal 42 verbunden ist, ist in dem Motorgehäuse 121 ausgebildet und steht mit einer Seite der festen Spirale 112 durch einen Innenraum des Motorgehäuses 121 in Verbindung.
Eine Ventilvorrichtung 117 weist eine Ausgabeöffnungsventilvorrichtung mit einem Ausgabeventil 117a, eine Einlassöffnungsventilvorrichtung mit einem Ventilkörper 117d, ein elektromagnetisches Ventil 117h, usw. auf. Das Ausgabeventil 117a ist in der Hochdruckkammer 114 angeordnet und ist ein Rückschlagventil einer Blattventilform zum Verhindern des Rückströmens des von der Ausgabeöffnung 115 ausgepumpten Kältemittels von der Hochdruckkammer 114 in die Arbeitskammer V. Ein Anschlag 117b ist eine Ventilanschlagplatte zum Beschränken eines maximalen Öffnungsgrades des Ausgabeventils 117a. Das Ausgabeventil 117a und der Anschlag 117b sind an der Basisplatte 112a durch eine Schraube 117c befestigt.
Der Ventilkörper 117d ist ein Schaltventil zum Schalten vom Kompressionsmodus zum Expansionsmodus und umgekehrt durch Öffnen oder Schließen der Einlassöffnung 116. Ein rückwärtiger Abschnitt des Ventilkörpers 117d ist verschiebbar in eine in dem Vorderen Gehäuse 111a ausgebildete Gegendruckkammer 117e eingesetzt. Eine Feder 117f (eine Vorspanneinrichtung) ist im Innern der Gegendruckkammer 117e zum Vorspannen des Ventilkörpers 117d in eine Ventilschließrichtung, d. h. in eine Richtung, in welcher ein vorderer Teil des Ventilkörpers 117d die Einlassöffnung 116 schließt, angeordnet. Eine Drosselöffnung 117g ist in dem vorderen Gehäuse 111a an einem die Gegendruckkammer 117e mit der Hochdruckkammer 114 verbindenden Durchgang ausgebildet, wobei die Drosselöffnung 117g einen bestimmten Strömungswiderstand besitzt.
Des elektromagnetische Ventil 117h ist ein Steuerventil zum Steuern des Drucks in der Gegendruckkammer 117e durch Steuern eines Verbindungszustandes zwischen der Niederdruckseite (der Niederdrucköffnung 121a) und der Gegendruckkammer 117e. Das Steuerventil 117h wird durch eine elektronische Steuereinheit (nicht dargestellt) betätigt.
Wenn das elektromagnetische Ventil 117h geöffnet wird, wird der Druck in der Gegendruckkammer 117e verringert, sodass er niedriger als jener in der Hochdruckkammer 114 wird. Der Ventilkörper 117d wird nach rechts in 1 bewegt, wobei er die Feder 117f zusammendrückt, um die Einlassöffnung 116 zu öffnen. Der Druckverlust an der Drosselöffnung 117g ist extrem hoch, und dadurch ist die Strömungsmenge des Kältemittels aus der Hochdruckkammer 114 in die Gegendruckkammer 117e vernachlässigbar klein.
Wenn das elektromagnetische Ventil 117h geschlossen wird, wird der Druck in der Gegendruckkammer 117e durch die Öffnung 117g gleich jenem in der Hochdruckkammer 114. Dann wird der Ventilkörper 117d durch die Federkraft der Feder 117f nach links in 1 bewegt, um die Einlassöffnung 116 zu schließen. Wie oben erläutert, bilden der Ventilkörper 117d, die Gegendruckkammer 117e, die Feder 117f, die Drosselöffnung 117g und das elektromagnetische Ventil 117h ein elektrisches Schaltventil eines Servotyps, um die Einlassöffnung 116 zu öffnen und zu schließen. Die Einlassöffnung 116 und der Ventilkörper 117d bilden eine Schaltvorrichtung zum Schalten eines Fluidkanals zwischen der Arbeitskammer V und der Hochdruckkammer 114.
Der Motor/Generator 120 weist einen Stator 122 und einen im Innern des Stators 122 drehenden Rotor 123 auf und ist in dem an der festen Spirale 112 befestigten Motorgehäuse 121 (in dem Niederdruckraum der Fluidmaschine 100) aufgenommen. Der Stator 122 ist eine mit elektrischen Drähten gewickelte Statorspule und ist an einer Innenumfangsseite des Motorgehäuses 121 befestigt. Der Rotor 123 ist ein Magnetrotor, in dem Permanentmagnete vorgesehen sind, und ist an einer Motorwelle 124 befestigt. Ein Ende der Motorwelle 124 ist mit der Welle 118 der Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 verbunden, und ein Loch 124a ist am anderen Ende der Motorwelle 124 ausgebildet, mit welcher einer Pumpenwelle 134 der Kältemittelpumpe 130 wirkverbunden ist.
Der Motor/Generator 120 wird als ein Motor (der Elektromotor) zum Antreiben der Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 (Betrieb als Kompressorvorrichtung) betrieben, wenn dem Stator 122 durch einen Wechselrichter 12 von einer Batterie 13 Strom zugeführt und dadurch der Rotor 123 (in der Vorwärtsrichtung) gedreht wird. Der Motor/Generator 120 wird auch als der Motor (der Elektromotor) zum Antreiben der Kältemittelpumpe 130 betrieben, wenn der Rotor 123 (in der umgekehrten Richtung) gedreht wird, wie unten beschrieben. Der Motor/Generator 120 wird außerdem als ein Generator (ein Stromgenerator) zum Erzeugen von Strom betrieben, wenn ein Drehmoment zum Drehen des Rotors 123 (in der umgekehrten Richtung) durch eine durch die Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 in ihrem Expansionsmodus erzeugte Antriebskraft eingegeben wird. Der so erhaltene Strom wird durch den Wechselrichter 12 in die Batterie 13 geladen.
Die Kältemittelpumpe 130 ist an einer benachbarten Position zum Motor/Generator 120 und an der abgewandten Seite der Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 angeordnet und in einem an dem Motorgehäuse 121 befestigten Pumpengehäuse 131 aufgenommen. Die Kältemittelpumpe 130 weist in der gleichen Weise wie die Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 eine feste Spirale 132 mit einer Basisplatte 132a und einer Spiralwindung 132b sowie eine bewegbare Spirale 133 mit einer Basisplatte 133a und einer Spiralwindung 133b auf. Die feste Spirale 132 ist an dem Pumpengehäuse 131 befestigt, während die bewegbare Spirale 133 in einem Raum angeordnet ist, der durch das Pumpengehäuse 131 und die feste Spirale 132 definiert ist. Die bewegbare Spirale 133 dreht sich in einer Umlaufbewegung, und eine Eigendrehung um ihre Achse wird durch einen Eigendrehungsverhinderungsmechanismus 135 verhindert.
Das Pumpengehäuse 131 ist mit einer Einlassöffnung 131a ausgebildet, welche mit einer Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 32 verbunden ist und mit einer Seite der bewegbaren Spirale 133 und dem Innern des Pumpengehäuses 131 in Verbindung steht. Die feste Spirale 132 ist mit einer Auslassöffnung 132c ausgebildet, durch welche eine durch die feste und die bewegbare Spirale 132 und 133 gebildete Arbeitskammer P mit der Heizvorrichtung 43 (später beschrieben) in Verbindung steht.
Die Pumpenwelle 134 ist durch ein an dem Pumpengehäuse 131 befestigtes Lager 134c drehbar gehalten und besitzt einen Kurbelabschnitt 134a an ihrem einen axialen Ende, wobei der Kurbelabschnitt 134a bezüglich einer Drehmitte der Pumpenwelle 34 exzentrisch ist. Der Kurbelabschnitt 134a ist mit der bewegbaren Spirale 133 über eine Buchse 134b und ein Lager 133c verbunden. Des andere axiale Ende der Pumpenwelle 134 ist mit einem kleinen Durchmesserabschnitt 134d ausgebildet, welcher von kleinerem Durchmesser als der übrige Abschnitt der Pumpenwelle 134 (ein durch das Lager 134c gehaltener Abschnitt) ist, und der kleine Durchmesserabschnitt 134d ist in das an dem axialen Ende der Motorwelle 124 ausgebildete Loch 124a eingesetzt.
Eine Einwegekupplung 140 ist zwischen der Motorwelle 124 und der Pumpenwelle 134 (dem kleinen Durchmesserabschnitt 134d) vorgesehen. Die Einwegekupplung 140 steht mit der Pumpenwelle 134 (dem keinen Durchmesserabschnitt 134d) in Eingriff, wenn die Motorwelle 124 in der Gegenrichtung (in der Drehrichtung des Expansionsmodus) gedreht wird, um die Pumpenwelle 134 zu drehen. Andererseits wird die Einwegekupplung 140 von der Pumpenwelle 134 (dem kleinen Durchmesserabschnitt 134d) getrennt, wenn die Motorwelle 124 in der Vorwärtsrichtung (in der Drehrichtung des Kompressionsmodus) gedreht wird, um die Pumpenwelle 134 von der Motorwelle 124 zu trennen (um die Pumpenwelle 134 nicht zu drehen).
Ein Wellendichtungselement 150 ist zwischen dem Pumpengehäuse 131 und dem kleinen Durchmesserabschnitt 134d der Pumpenwelle 134 vorgesehen, um den Innenraum des Motor/Generators 120 von dem Innenraum der Kältemittelpumpe 130 (dem Raum der Niederdruckseite, welcher mit der Einlassöffnung 131a von der bewegbaren Spirale 133 in Verbindung steht) abzudichten.
Die obige komplexe Fluidmaschine 100 ist in den Kühlkreis 30 mit dem Clausius-Rankine-Kreis 40 integriert, um eine Kühlvorrichtung 1 (die Kraftfahrzeug-Klimavorrichtung) zu bilden. Insbesondere ist die Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 (die Kompressorvorrichtung im Kompressionsmodus) in den Kühlkreis 30 integriert, während die Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 (die Expansionsvorrichtung im Expansionsmodus) und die Kältemittelpumpe 130 in den Clausius-Rankine-Kreis 40 integriert sind. Die Kühlvorrichtung 1 wird unter Bezugnahme auf 2 erläutert.
Der Kühlkreis 20 überträgt die Wärme von einer Niedertemperaturseite zu einer Hochtemperaturseite und nutzt seine Kälte und Hitze für einen Klimabetrieb. Der Kühlkreis 30 weist die Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110, den Kondensator 31, die Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 32, eine Druckverminderungsvorrichtung 33, den Verdampfapparat 34, usw. auf, wobei diese Komponenten in einem Kreis verbunden sind.
Der Kondensator 31 ist ein an einer Kältemittelausgabeseite der Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 im Fall des Kompressionsmodus angeschlossener Wärmetauscher und dient dem Abkühlen des Hochdruck- und Hochtemperatur-Kältemittels, um das Kältemittel zu kondensieren (zu verflüssigen). Ein Lüfter 31a bläst Kühlluft (Außenluft) zum Kondensator 31.
Die Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 32 ist ein Auffanggefäß zum Trennen des in dem Kondensator 31 kondensierten Kältemittels in ein Gasphasenkältemittel und ein Flüssigphasenkältemittel, um das Flüssigphasenkältemittel auszugeben. Die Druckverminderungsvorrichtung 33 ist ein temperaturabhängiges Expansionsventil zur Druckverminderung und Expansion des an der Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 32 getrennten Flüssigphasenkältemittels, wobei ein Öffnungsgrad des Ventils so gesteuert wird, dass das Kältemittel in einer isenthalphischen Weise im Druck vermindert wird und dass ein Überhitzungsgrad des in die Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 im Kompressionsmodus zu saugenden Kältemittels auf einen vorbestimmten Wert gesteuert wird.
Der Verdampfapparat 34 ist ein Wärmetauscher zum Durchführen eines Wärmeabsorptionsvorgangs durch Verdampfen des durch die Druckverminderungsvorrichtung 33 im Druck verminderten Kältemittels, um Luft außerhalb eines Fahrzeugs (die Außenluft) oder Luft innerhalb des Fahrzeugs (die Innenluft), die durch einen Lüfter 34a durch den Verdampfapparat geblasen wird, abzukühlen. Ein Rückschlagventil 34b ist an einer Kältemittelauslassseite des Verdampfapparats 34 vorgesehen, um das Kältemittel nur von dem Verdampfapparat 34 zur Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 strömen zu lassen.
Der Clausius-Rankine-Kreis 40 sammelt Energie (eine Antriebskraft im Expansionsmodus der Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110) aus einer an einem Motor 10, der eine Antriebskraft für das Fahrzeug erzeugt, erzeugten Abwärme. Der Kondensator 31 wird gemeinsam in sowohl dem Kühlkreis 30 als auch dem Clausius-Rankine-Kreis 40 verwendet. Ein erster Bypasskanal 41 ist zwischen der Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 32 und einer Verbindungsstelle A, die ein Zwischenpunkt zwischen dem Kondensator 31 und der Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 ist, vorgesehen, wobei der erste Bypasskanal 41 den Kondensator 31 umgeht. Der zweite Bypasskanal 42 ist zwischen Verbindungsstellen B und C vorgesehen, wobei die Verbindungsstelle B ein Zwischenpunkt zwischen der Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 und dem Rückschlagventil 34b ist, während die Verbindungsstelle C ein Zwischenpunkt zwischen dem Kondensator 31 und der Verbindungsstelle A ist. Der Clausius-Rankine-Kreis 40 ist in der folgenden Weise gebildet.
Die Kältemittelpumpe 130 der komplexen Fluidmaschine 100 und ein Rückschlagventil 41a sind in dem ersten Bypasskanal 41 angeordnet, wobei das Rückschlagventil 41a das Kältemittel nur von der Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 32 zur Kältemittelpumpe 130 strömen lässt. Die Heizvorrichtung 43 ist zwischen der Verbindungsstelle A und der Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 vorgesehen.
Die Heizvorrichtung 43 ist ein Wärmetauscher zum Heizen des Kältemittels durch einen Wärmeaustausch zwischen dem durch die Kältemittelpumpe 130 zugeführten Kältemittel und einem Motorkühlwasser (heißen Wasser) eines Motorkühlkreises 20 (Heißwasserkreis) des Motors 10. Ein Dreiwegeventil 21 ist in dem Heißwasserkreis 20 vorgesehen. Ein Heizvorrichtungs-Bypasskanal 21a ist zwischen dem Dreiwegeventil 21 und dem Motor 10 vorgesehen. Das Dreiwegeventil 21 schaltet von einem Heißwasser-Umlaufmodus zu einem Heißwasser-Nichtumlaufmodus (einem Heißwasser-Bypassmodus) um und umgekehrt, sodass das heiße Wasser von dem Motor 10 so gesteuert wird, dass es der Heizvorrichtung 43 zugeführt oder nicht zugeführt wird. Ein Schaltvorgang des Dreiwegeventils 21 wird durch eine elektronische Steuereinheit (nicht dargestellt) gesteuert.
Ein Wechselstromerzeuger 11 ist an dem Motor 10 vorgesehen, wobei der Wechselstromerzeuger 11 durch den Motor 10 angetrieben wird und der an dem Wechselstromerzeuger 11 erzeugte Strom durch den Wechselrichter 12 in die Batterie 13 geladen wird.
Eine Wasserpumpe 22, welche zum Beispiel eine durch den Motor 10 angetriebene mechanische Pumpe ist, ist in dem Heißwasserkreis 20 zum Zirkulieren des Motorkühlwassers vorgesehen, und ein Kühler 23 ist ein Wärmetauscher zum Wärmeaustausch des Motorkühlwassers mit der Außenluft zum Abkühlen des Motorkühlwassers.
Ein Rückschlagventil 42a ist in dem zweiten Bypasskanal 42 vorgesehen, um das Kältemittel nur von der Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 zu einer Einlassseite des Kondensators 31 strömen zu lassen. Ein EIN/AUS-Ventil 44 ist in einem Kanal zwischen den Verbindungsstellen A und C vorgesehen. Das Ventil 44 ist ein elektromagnetisches Ventil zum Öffnen oder Schließen des Kanals und wird durch die elektronische Steuereinheit (nicht dargestellt) gesteuert.
Der Clausius-Rankine-Kreis 40 ist durch die Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 32, den ersten Bypasskanal 41, die Kältemittelpumpe 130, die Heizvorrichtung 43, die Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110, den zweiten Bypasskanal 42, den Kondensator 31, usw. gebildet.
Eine Funktionsweise und Wirkungen der komplexen Fluidmaschine 100 des ersten Ausführungsbeispiels werden erläutert.
(Kompressionsmodus)
Im Kompressionsmodus wird der Motor/Generator 120 als Elektromotor betrieben, wenn ein Kühlvorgang durch den Kühlkreis notwendig ist, eine Drehkraft wird auf die Motorwelle 124 (in der Vorwärtsrichtung) ausgeübt, um die bewegbare Spirale 113 der Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 zu drehen, sodass das Kältemittel in dem Kühlkreis angesaugt und komprimiert wird.
Insbesondere wird das EIN/AUS-Ventil 44 durch die Steuereinheit (nicht dargestellt) geöffnet, und ein Strömen des Motorkühlwassers in die Heizvorrichtung 43 wird durch das Dreiwegeventil 21 verhindert. Das elektromagnetische Ventil 117h wird geschlossen, um die Einlassöffnung 116 durch den Ventilkörper 117d zu schließen, und der Strom wird dem Stator 122 des Motor/Generators 120 von der Batterie 13 durch den Wechselrichter 12 zugeführt, um die Motorwelle 124 zu drehen.
Während dieses Betriebs saugt die Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 in der gleiche Weise wie bei dem wohlbekannten Spiraltypkompressor das Kältemittel von der Niederdrucköffnung 121a an, komprimiert dieses in der Arbeitskammer V, pumpt das komprimierte Kältemittel aus der Ausgabeöffnung 115 in die Hochdruckkammer 114 und gibt das komprimierte Kältemittel von der Hochdrucköffnung 111c zum Kondensator 31 aus.
Das aus der Hochdrucköffnung 111c ausgegebene Kältemittel wird in dem Kühlkreis 30 der Heizvorrichtung 43, des EIN/AUS-Ventils 44, des Kondensators 31, der Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 32, der Druckverminderungsvorrichtung 33, des Verdampfapparats 34, des Rückschlagventils 34b, der Niederdrucköffnung 121a der Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 zirkuliert, sodass der Kühlbetrieb durch den Wärmeabsorptionsvorgang am Verdampfapparat 34 durchgeführt wird. Da das Motorkühlwasser (das heiße Wasser) nicht in die Heizvorrichtung 43 strömt, wird das Kältemittel in der Heizvorrichtung 43 nicht geheizt, und dadurch arbeitet die Heizvorrichtung 43 einfach als ein Teil des Kältemittelkanals.
Da die Pumpenwelle 134 (der kleine Durchmesserabschnitt 134d) von der Motorwelle 124 wegen der Einwegekupplung 140 getrennt wird, wird die Kältemittelpumpe 130 in diesem Modus nicht betrieben.
(Expansionsmodus)
Im Expansionsmodus wird das durch die Heizvorrichtung 43 geheizte Hochdruck-Überhitzungs-Kältemittel in die Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 geleitet, um des Kältemittel in der Expansionsvorrichtung 110 zu expandieren, wenn der Kühlbetrieb durch den Kühlkreis 30 nicht notwendig ist und wenn von dem Motor 10 eine ausreichende Abwärme erzielt werden kann (wenn die Temperatur des Motorkühlwassers ausreichend hoch ist). Die bewegbare Spirale 113 wird durch die Expansion des Kältemittels gedreht, um eine Antriebskraft (mechanische Energie) zum Drehen der Motorwelle 124 zu erhalten. Der Rotor 123 des Motor/Generators 120 wird durch die so erhaltene Antriebskraft gedreht, um den Strom zu erzeugen und den erzeugten Strom in die Batterie 13 zu laden.
Insbesondere wird durch die Steuereinheit (nicht dargestellt) das EIN/AUS-Ventil 44 geschlossen und das Motorkühlwasser wird durch das Dreiwegeventil 21 zirkuliert, um in die Heizvorrichtung 43 zu strömen. Der Motor/Generator 120 wird als der Stromgenerator betrieben (Drehung in der umgekehrten Richtung), und des elektromagnetische Ventil 117h wird geöffnet, um die Einlassöffnung 116 durch den Ventilkörper 117d zu öffnen.
In diesem Betrieb wird die Pumpenwelle 134 (der kleine Durchmesserabschnitt 134d) der Kältemittelpumpe 130 durch die Einwegekupplung 140 in Eingriff mit der Motorwelle 124 gebracht, sodass die Kältemittelpumpe 130 zur Drehung angetrieben wird. Das durch die Heizvorrichtung 43 geheizte Hochdruck-Überhitzungs-Kältemittel wird durch die Hochdrucköffnung 111c, die Hochdruckkammer 114 und die Einlassöffnung 116 in die Arbeitskammer V geleitet, sodass das Kältemittel in der Arbeitskammer V expandiert wird. Die bewegbare Spirale 113 wird durch die Expansion des Kältemittels in der umgekehrten Richtung entgegen jener im Kompressionsmodus gedreht, die auf die Welle 118 ausgeübte Drehantriebskraft wird auf die Motorwelle 124 und den Rotor 123 des Motor/Generators 120 übertragen. Wenn die auf die Motorwelle 124 übertragene Antriebskraft höher als eine für die Kältemittelpumpe 130 notwendige Antriebskraft wird, beginnt der Motor/Generator, sich als Stromgenerator zu drehen. Und der erhaltene Strom wird durch den Wechselrichter 12 in die Batterie 13 geladen.
Das Kältemittel, dessen Druck als Ergebnis der Expansion gesunken ist, strömt aus der Niederdrucköffnung 121a. Das aus der Niederdrucköffnung 121a ausströmende Kältemittel wird in dem Clausius-Rankine-Kreis 40 zirkuliert, der den zweiten Bypasskanal 42, das Rückschlagventil 42a, den Kondensator 31, die Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 32, den ersten Bypasskanal 41, das Rückschlagventil 41a, die Kältemittelpumpe 130, die Heizvorrichtung 43 und die Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 (die Hochdrucköffnung 111c) aufweist. Die Kältemittelpumpe 130 führt das Flüssigphasenkältemittel aus der Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 32 der Heizvorrichtung 43 zu, wobei das Kältemittel auf einen solchen Druck entsprechend der Temperatur des an der Heizvorrichtung 43 erzeugten überhitzten, verdampften Kältemittels unter Druck gesetzt wird.
Wie oben erläutert, kann gemäß der komplexen Fluidmaschine der vorliegenden Erfindung der Betrieb des Kompressionsmodus an der Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 durch den Motor/Generator 120 unabhängig davon durchgeführt werden, ob es eine Expansionsenergie im Kältemittel gibt. In diesem Kompressionsmodus wird verhindert, dass die Kältemittelpumpe 130 von dem Motor/Generator 120 durch den Betrieb der Einwegekupplung 140 getrennt wird, da die Kältemittelpumpe 130 als Widerstand gegen den Betrieb des Motor/Generators 120 wirkt.
Außerdem hat die Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 beide Funktionen der Kompressorvorrichtung (110) und der Expansionsvorrichtung (110), und dadurch wirkt die Expansionsvorrichtung (110) nicht als Widerstand gegen den Betrieb des Motor/Generators 120, wenn die Kompressorvorrichtung (110) durch den Motor/Generator 120 im Kompressionsmodus betrieben wird.
Außerdem kann, falls die ausreichende Expansionsenergie von dem Kältemittel erzielt werden kann und der Betrieb der Kompressorvorrichtung (110) nicht notwendig ist, die Kältemittelpumpe 130 durch die durch die Expansionsvorrichtung (110) in ihrem Expansionsmodus erzeugte Drehantriebskraft gedreht werden, sodass eine spezielle Vorrichtung zum Antreiben der Kältemittelpumpe 130 nicht erforderlich ist. Und der Motor/Generator 120 wird als Stromgenerator betrieben, um die Expansionsenergie als elektrische Energie zu sammeln. In diesem Betrieb muss der Wechselstromgenerator 11 nicht notwendigerweise zum Erzeugen des Stroms betrieben werden, sodass die Antriebskraft für den Wechselstromgenerator reduziert werden kann, um dadurch einen Kraftstoffverbrauch zu verbessern.
Außerdem ist die Kältemittelpumpe 130 an einem axialen Ende der komplexen Fluidmaschine 100 angeordnet, und die Einwegekupplung 140 ist zwischen der Kältemittelpumpe 130 und der angrenzenden Vorrichtung (dem Motor/Generator 120) vorgesehen. Die Einwegekupplung 140 kann ohne eine komplizierte Wellenkonstruktion in der Fluidmaschine 100 unabhängig von der Anordnung der Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 und des Motor/Generators 120 einfach angeordnet werden.
Außerdem wird verhindert, da das Wellendichtungselement 150 an der Pumpenwelle 134 vorgesehen ist, um einen Austritt des Kältemittels durch einen Spalt zwischen dem Motor/Generator 120 und der Kältemittelpumpe 130 zu verhindern, dass das Wellendichtungselement 150 als Widerstand gegen den Betrieb des Motor/Generators 120 wirkt, wenn die Kältemittelpumpe 130 durch die Einwegekupplung 140 von dem Motor/Generator 120 getrennt wird.
Ein Energieverlust am Wellendichtungselement 150, wenn die Kältemittelpumpe 130 durch den Motor/Generator 120 betrieben wird, ist im Verhältnis zu einer Spannkraft des Wellendichtungselements 150 an die Pumpenwelle 134 und einer Drehgeschwindigkeit eines mit dem Wellendichtungselement 150 in Kontakt stehenden Kontaktabschnitts der Pumpenwelle 134. Das Wellendichtungselement 150 ist an dem kleinen Durchmesserabschnitt (dem Kontaktabschnitt) 134d der Pumpenwelle 134 vorgesehen, um die Drehzahl am Außenumfang des Kontaktabschnitts zu reduzieren und den Energieverlust zu reduzieren.
Eine Modifikation der komplexen Fluidmaschine 100 ist in 3 dargestellt. Die gleichen Bezugsziffern in 3 bezeichnen die gleichen oder im Wesentlichen gleichen Abschnitte wie bei der Konstruktion der in 1 dargestellten komplexen Fluidmaschine.
Unterschiedliche Abschnitte werden nachfolgend unter Bezugnahme auf 3 erläutert.
Das Motorgehäuse 120 von 1 ist in zwei Teile geteilt, von denen eines ein Motorgehäuse 121b und ein Wellengehäuse 111b ist.
Ein linkes Ende der Motorwelle 124 ist mit einem kleinen Durchmesserabschnitt 124b ausgebildet, während ein rechtes Ende der Pumpenwelle 134 mit einem Loch 134e ausgebildet ist, wobei der kleine Durchmesserabschnitt 124b in das Loch 134e eingesetzt ist. Die Einwegekupplung 140 ist zwischen dem kleinen Durchmesserabschnitt 124b und der Pumpenwelle 134 vorgesehen, sodass die Pumpenwelle 134 von der Motorwelle 124 operativ getrennt wird, wenn der Motor/Generator 120 als Elektromotor betrieben wird und die Motorwelle 124 in der Vorwärtsrichtung gedreht wird, wohingegen die Pumpenwelle 134 mit der Motorwelle 124 wirkverbunden wird, wenn der Motor/Generator 120 als Stromgenerator betrieben wird und die Motorwelle 124 in der Gegenrichtung gedreht wird.
Das vordere Ende des Ventilkörpers 117d ist als eine ebene Fläche ausgebildet, wie in 3 dargestellt, welche senkrecht zu einer Axiallinie seiner Bewegung ist. Die ebene Fläche kann jedoch so ausgebildet werden, dass sie bezüglich der axialen Linie geneigt ist, um eine Dichtungsleistung an der Einlassöffnung 116 zu erhöhen, wenn sie durch den Ventilkörper 117d geschlossen wird.
Gemäß der komplexen Fluidmaschine 100 des ersten Ausführungsbeispiels (einschließlich der obigen Modifikation) sind die Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110, der Motor/Generator 120 und die Kältemittelpumpe 130 in Reihe angeordnet, sodass die Kältemittelpumpe 130 durch die an der Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 erzeugte Drehantriebskraft angetrieben werden kann, wenn sie als die Expansionsvorrichtung betrieben wird. Demgemäß ist keine spezielle Vorrichtung zum Antreiben der Kältemittelpumpe 130 erforderlich.
Außerdem ist der Motor/Generator 120 in dem Raum angeordnet, der mit der Niederdruckseite der Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 in Verbindung steht und in dem das Niederdruckkältemittel strömt. Demgemäß kann der Motor/Generator 120 durch das durch den Motor/Generator 120 strömende Kältemittel einer niedrigeren Temperatur effektiv gekühlt werden.
Die Niederdruckseite der Kältemittelpumpe 130 steht mit dem Motor/Generator 120 in Verbindung, und das Wellendichtungselement 150 ist zwischen dem Motor/Generator 120 und der Kältemittelpumpe 130 vorgesehen. Demgemäß kann ein Druckunterschied des Kältemittels zwischen dem Motor/Generator 120 und der Kältemittelpumpe 130 klein gemacht werden, sodass verhindert wird, dass das Kältemittel aus der Kältemittelpumpe 130 in den Motor/Generator 120 austritt.
(Zweites Ausführungsbeispiel)
Ein zweites nicht unter den Anspruchswortlaut fallendes Ausführungsbeispiel ist in 4 dargestellt, welches sich vom ersten Ausführungsbeispiel darin unterscheidet, dass die Klimavorrichtung 1 auf ein Fahrzeug angewendet ist, bei welchem ein Betrieb des Motors 10 in Abhängigkeit von einem Fahrzustand des Fahrzeugs (beispielsweise ein Leerlaufbetrieb, ein Fahren mit niedriger Geschwindigkeit und dergleichen) vorübergehend abgeschaltet wird (z. B. ein Leerlaufabschaltfahrzeug, ein Hybridfahrzeug). Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich weiter vom ersten Ausführungsbeispiel darin, dass eine Hauptkompressorvorrichtung 35 in dem Kühlkreis 30 vorgesehen ist und Verbindungskanäle 51, 52 und EIN/AUS-Ventile 51a, 52a, 53a vorgesehen sind.
Wie oben beschrieben, ist die Hauptkompressorvorrichtung 35 unabhängig von der Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 in dem Kühlkreis 30 vorgesehen. Der Kühlkreis 30 dieses Ausführungsbeispiels weist die Hauptkompressorvorrichtung 35, den Kondensator 31, die Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 32, den Verdampfapparat 34 auf, die in einem Kreis verbunden sind.
Die Hauptkompressorvorrichtung 35 ist mit einer Riemenscheibenvorrichtung 35a mit einer Riemenscheibe und einer als eine Antriebskraftübertragungsvorrichtung arbeitenden elektromagnetischen Kupplung versehen. Die Riemenscheibenvorrichtung 35a ist mit dem Motor 10 über einen Antriebsriemen 14 wirkverbunden. Die Hauptkompressorvorrichtung 35 wird durch die Antriebskraft des Motors 10 angetrieben, wenn die elektromagnetische Kupplung der Riemenscheibenvorrichtung 35a verbunden ist, während der Betrieb der Hauptkompressorvorrichtung 35 gestoppt wird, wenn die elektromagnetische Kupplung getrennt wird. Die elektromagnetische Kupplung wird durch die Steuereinheit (nicht dargestellt) gesteuert.
Der Clausius-Rankine-Kreis 40 weist in der gleichen Weise wie im ersten Ausführungsbeispiel die Kältemittelpumpe 130, die Heizvorrichtung 43, die Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110, den Kondensator 31 und die Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 32 auf, die in einem Kreis verbunden sind.
Ein erster Verbindungskanal 51 ist zwischen einer Kältemitteleinlassseite (einer Verbindungsstelle D) der Hauptkompressorvorrichtung 35 und einer Niederdruckseite (einer Verbindungsstelle E) der Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 vorgesehen. Ein zweiter Verbindungskanal 52 ist zwischen einer Hochdruckseite (einer Verbindungsstelle F) der Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 und einer Kältemittelauslassseite (einer Verbindungsstelle G) der Hauptkompressorvorrichtung 35 vorgesehen.
Erste bis dritte EIN/AUS-Ventile 51a, 52a und 53a sind in dem ersten Verbindungskanal 51, dem zweiten Verbindungskanal 52 bzw. einem den Kondensator 31 mit der Verbindungsstelle E verbindenden Kanal vorgesehen. Diese EIN/AUS-Ventile sind elektromagnetische Ventile, die durch die Steuereinheit (nicht dargestellt) gesteuert werden, zum Öffnen oder Schließen der jeweiligen Kanäle.
Eine Bezugsziffer 450 bezeichnet eine Klimaanlageneinheit mit einem Einheitengehäuse 460, in dem der Verdampfapparat 34 und ein Heizkern 431 vorgesehen sind. Eine Ziffer 431a ist eine Luftmischklappe zum Steuern einer Strömungsrate der am Verdampfapparat 34 abgekühlten und durch den Heizkern 431 strömenden Luft, sodass die Temperatur der in einen Fahrgastraum des Fahrzeugs ausgeblasenen Luft durch Mischen der abgekühlten Luft aus dem Verdampfapparat 34 und der geheizten Luft aus dem Heizkern 431 geregelt wird. Eine Ziffer 430 ist ein Heizkreis zum Leiten des Motorkühlwassers (des heißen Wassers) durch den Heizkern 431. Eine Ziffer 23a ist ein Kühlerbypasskanal, und eine Ziffer 24 ist ein Thermostat zum Steuern einer Strömungsrate des an dem Kühler 23 vorbei strömenden Motorkühlwassers.
Eine Funktionsweise des zweiten Ausführungsbeispiels wird Bezug nehmend auf 5 bis 9 erläutert.
(Alleiniger Betriebsmodus des Hauptkühlbetriebs: Fig. 5)
In diesem Betriebsmodus wird die Hauptkompressorvorrichtung 35 betrieben, wenn der Kühlbetrieb für das Fahrzeug erforderlich ist, falls keine ausreichende Menge Abwärme von dem Motor 10 erzielt werden kann, wenn zum Beispiel der Motor 10 in seinem Warmlaufzustand ist, oder falls die Batterie 13 ausreichend mit der elektrischen Energie geladen ist und kein weiteres Laden der elektrischen Energie notwendig ist.
In diesem Betriebsmodus wird die Zufuhr des Motorkühlwassers zur Heizvorrichtung 43 durch den Betrieb des Dreiwegeventils 21 gestoppt. Alle EIN/AUS-Ventile 51a, 52a und 53a sind geschlossen, und die elektromagnetische Kupplung der Riemenscheibenvorrichtung 35a für die Hauptkompressorvorrichtung 35 ist verbunden.
Dann wird die Hauptkompressorvorrichtung 35 durch den Motor 10 angetrieben, um das Kältemittel zu komprimieren und auszupumpen (auszugeben), und das ausgegebene Kältemittel wird in dem Kühlkreis 30 zirkuliert, wie durch Pfeile einer durchgezogenen Linie in 5 angezeigt, sodass ein Kühlbetrieb durch den Wärmeabsorptionsvorgang am Verdampfapparat 34 durchgeführt wird. In diesem Betriebsmodus ist der Betrieb der komplexen Fluidmaschine 100 abgeschaltet.
(Alleiniger Betriebsmodus des Clausius-Rankine-Kreisbetriebs: Fig. 6)
In diesem Betriebsmodus wird die Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 als Expansionsvorrichtung betrieben, wenn der Kühlbetrieb für das Fahrzeug nicht erforderlich ist, falls eine ausreichende Menge Abwärme von dem Motor 10 während des fahrenden Fahrzeugs erzielt werden kann und falls das Laden der elektrischen Energie zur Batterie 13 notwendig ist. Dieser Betriebsmodus entspricht dem Expansionsmodus des ersten Ausführungsbeispiels.
Das Motorkühlwasser kann aufgrund des Betriebs des Dreiwegeventils 21 zur Heizvorrichtung 43 geleitet werden. Das erste und das zweite EIN/AUS-Ventil 51a und 52a sind geschlossen, wohin gegen das dritte EIN/AUS-Ventil 53a geöffnet ist. Die elektromagnetische Kupplung der Riemenscheibenvorrichtung 35a für die Hauptkompressorvorrichtung 35 ist getrennt. Der Motor/Generator 120 wird als Stromgenerator betrieben (in der Gegenrichtung gedreht), und das elektromagnetische Ventil 117h (1) der Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 wird geöffnet.
Dann wird die Kältemittelpumpe 130 betrieben, die Drehantriebskraft wird an der Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 durch die Expansion des überhitzten Kältemittels aus der Heizvorrichtung 43 erzeugt, und der Motor/Generator 120 wird durch die Drehantriebskraft angetrieben. Wenn die an der Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 erzeugte Antriebskraft höher als die für die Kältemittelpumpe 130 notwendige Antriebskraft wird, beginnt der Motor/Generator 120, sich als Stromgenerator zu drehen. Und die erhaltene elektrische Energie wird durch den Wechselrichter 12 in die Batterie 13 geladen. Das aus der Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 ausgegebene Kältemittel wird in dem Clausius-Rankine-Kreis 40 zirkuliert, wie durch Pfeile einer gestrichelten Linie in 6 angezeigt. In diesem Betriebsmodus ist der Betrieb der Hauptkompressorvorrichtung 35 abgeschaltet.
(Doppelbetriebsmodus des Hauptkühl- & Clausius-Rankine-Kreisbetriebs: Fig. 7)
In diesem Betriebsmodus wird die Hauptkompressorvorrichtung 35 zusätzlich zu dem obigen alleinigen Betriebsmodus des Clausius-Rankine-Kreises weiter betrieben, wenn der Kühlbetrieb für das Fahrzeug erforderlich ist, falls eine ausreichende Menge Abwärme von dem Motor 10 während des fahrenden Fahrzeugs erzielt werden kann und falls das Laden der elektrischen Energie zur Batterie 13 notwendig ist.
Das Motorkühlwasser kann aufgrund des Betriebs des Dreiwegeventils 21 zur Heizvorrichtung 43 geleitet werden. Das erste und das zweite EIN/AUS-Ventil 51a und 52a sind geschlossen, während das dritte EIN/AUS-Ventil 53a geöffnet ist. Der Motor/Generator 120 wird als Stromgenerator betrieben (in der Gegenrichtung gedreht), und das elektromagnetische Ventil 117h (1) der Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 wird geöffnet. Und die elektromagnetische Kupplung der Riemenscheibenvorrichtung 35a für die Hauptkompressorvorrichtung 35 ist verbunden.
Ein Betrieb wird in dem Clausius-Rankine-Kreis 40 in der gleichen Weise wie bei dem obigen alleinigen Betriebsmodus des Clausius-Rankine-Kreises ausgeführt, sodass die am Motor/Generator 120 durch die an der Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 erzeugte Antriebskraft erzeugt wird. Das Kältemittel wird zirkuliert, wie durch Pfeile der gestrichelten Linie in 7 angezeigt.
Ein Betrieb wird ferner im Kühlkreis 30 in der gleichen Weise wie bei dem obigen alleinigen Betriebmodus der Hauptkompressorvorrichtung 35 ausgeführt, sodass die Hauptkompressorvorrichtung 35 durch den Motor 10 angetrieben wird und der Kühlbetrieb durch den Wärmeabsorptionsvorgang am Verdampfapparat 34 durchgeführt wird. Das Kältemittel wird zirkuliert, wie durch Pfeile der durchgezogenen Linie in 7 angezeigt.
(Hilfsbetriebsmodus für den Hauptkühlbetrieb: Fig. 8)
In diesem Betriebsmodus wird die Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 zusätzlich zu dem Betrieb der Hauptkompressorvorrichtung 35 als Kompressorvorrichtung betrieben, wenn eine große Kühlleistung zum schnellen Abkühlen des Innenraums des Fahrzeugs erforderlich ist, falls das Fahrzeug unter der brennende Sonne im Sommer geparkt worden ist.
In diesem Betriebsmodus wird die Zufuhr des Motorkühlwassers zur Heizvorrichtung 43 durch den Betrieb des Dreiwegeventils 21 gestoppt. Das erste und das zweite EIN/AUS-Ventil 51a und 52a werden geöffnet, während das dritte EIN/AUS-Ventil 53a geschlossen wird. Das elektromagnetische Ventil 117h (1) der Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 wird geschlossen, und der Strom wird dem Statur 122 des Motor/Generators 120 zugeführt, sodass er als Elektromotor betrieben wird (die Drehung in der Vorwärtsrichtung). Die elektromagnetische Kupplung der Riemenscheibenvorrichtung 35a für die Hauptkompressorvorrichtung 35 ist verbunden.
Dann wird die Hauptkompressorvorrichtung 35 durch den Motor 10 angetrieben, um das Kältemittel zu komprimieren und auszupumpen (auszugeben), und das ausgegebene Kältemittel wird in dem Kühlkreis 30 zirkuliert, wie durch Pfeile der durchgezogenen Linie in 8 angezeigt. Die Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 wird durch den Motor/Generator 120 im Kompressionsmodus betrieben, sodass ein Teil des im Kühlkreis 30 zirkulierende Kältemittels von der Einlassseite (der Verbindungsstelle D) der Hauptkompressorvorrichtung 35 durch den ersten Verbindungskanal 51 und das erste EIN/AUS-Ventil 51a in die Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 strömt, das Kältemittel durch die Kompressorvorrichtung (110) komprimiert und aus ihr ausgepumpt (ausgegeben) wird, und das Kältemittel durch den zweiten Verbindungskanal 52 und das zweite EIN/AUS-Ventil 52a in den Kondensator 31 strömt. Das Kältemittel wird zirkuliert, wie durch Pfeile einer strichpunktierten Linie in 8 angezeigt.
Wie oben erläutert, wird eine große Menge des Kältemittels durch die Hauptkompressorvorrichtung 35 und die Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 komprimiert und ausgegeben, welche parallel zueinander im Kühlkreis 30 angeordnet sind, sodass eine Strömungsmenge des durch den Verdampfapparat 34 und den Kondensator 31 strömenden Kältemittels erhöht ist, um dadurch die Kühlleistung am Verdampfapparat 34 zu erhöhen. In diesem Betriebsmodus wird die Kältemittelpumpe 130 von dem Motor/Generator 120 durch die Einwegekupplung 140 getrennt, und der Betrieb der Kältemittelpumpe 130 wird gestoppt.
(Alleiniger Betriebsmodus eines Unterkühlungsbetriebs: Fig. 9)
In diesem Betriebsmodus wird die Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 anstelle der Hauptkompressorvorrichtung 35 als Kompressorvorrichtung betrieben, wenn der Kühlbetrieb erforderlich ist, selbst wenn der Motorbetrieb gestoppt ist. Dieser Betriebsmodus entspricht dem Kompressionsmodus des ersten Ausführungsbeispiels.
In diesem Betriebsmodus wird die Zufuhr des Motorkühlwassers zur Heizvorrichtung 43 durch den Betrieb des Dreiwegeventils 21 gestoppt. Das erste und das zweite EIN/AUS-Ventil 51a und 52a werden geöffnet, wohingegen des dritte EIN/AUS-Ventil 53a geschlossen wird. Das elektromagnetische Ventil 117h (1) der Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 wird geschlossen, und der Strom wird dem Stator 122 des Motor/Generators 120 zugeführt, sodass er als Elektromotor betrieben wird (die Drehung in der Vorwärtsrichtung).
In diesem Betrieb wird der Betrieb der Hauptkompressorvorrichtung 35 zusammen mit dem Betriebsstopp des Motors 10 gestoppt. Die Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 wird durch den Motor/Generator 120 als Kompressorvorrichtung betrieben. Das Kältemittel aus dem Verdampfapparat 43 wird durch den ersten Verbindungskanal 51, das erste EIN/AUS-Ventil 51a, die Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110, den zweiten Verbindungskanal 52, das zweite EIN/AUS-Ventil 52a, den Kondensator 31, die Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 32, die Druckverminderungsvorrichtung 33 und den Verdampfapparat 34 zirkuliert, wobei der Kältemittelkreis, in dem das Kältemittel strömt, als der Kühlkreis gebildet ist. In diesem Betriebsmodus wird die Kältemittelpumpe 130 von dem Motor/Generator 120 durch die Einwegekupplung 140 getrennt, und der Betrieb der Kältemittelpumpe 130 wird gestoppt.
Wie oben erläutert, ist gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel die durch den Motor 10 angetriebene Hauptkompressorvorrichtung 35 in dem Kühlkreis 30 vorgesehen, und die Verbindungskanäle 51 und 52 sowie die ersten bis dritten EIN/AUS-Ventile 51a, 52a und 53a sind zwischen dem Kühlkreis 30 und dem Clausius-Rankine-Kreis 40 vorgesehen. Als Ergebnis können der Kühlbetrieb und der Stromerzeugungsbetrieb unabhängig oder gleichzeitig durchgeführt werden, während der Motor 10 in Betrieb ist, abhängig von den verschiedenen Betriebszuständen, wie beispielsweise dem Zustand der Abwärme vom Motor 10, dem Erfordernis des Kühlbetriebs, dem Erfordernis der Stromerzeugung und dergleichen.
Außerdem kann die Kühlleistung erhöht werden, wenn eine höhere Kühlleistung erforderlich ist, weil die Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 zusätzlich zur Hauptkompressorvorrichtung 35 als Kompressorvorrichtung betrieben werden kann, wobei die Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 und die Hauptkompressorvorrichtung 35 parallel zueinander für den Kühlkreis angeordnet sind.
Außerdem kann der kontinuierliche Kühlbetrieb erzielt werden, selbst wenn der Motorbetrieb gestoppt wird, da die Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 anstelle der Hauptkompressorvorrichtung 35 als Kompressorvorrichtung betrieben werden kann, wenn der Motorbetrieb gestoppt ist.
In den obigen ersten und zweiten Ausführungsbeispielen kann die Einwegekupplung 140 durch ein elektromagnetisches Ventil ersetzt werden, welches durch ein elektrisches Signal von der elektronischen Steuereinheit (nicht dargestellt) gesteuert wird.
Gemäß einer solchen Anordnung kann die Menge des in dem Clausius-Rankine-Kreis 40 zirkulierenden Kältemittels durch EIN/AUS-Schalten des elektromagnetischen Ventils, nämlich das Ein- und Ausschalten des Betriebs der Kältemittelpumpe 130 gesteuert werden, während die Fluidmaschine 100 als Expansionsvorrichtung betrieben wird.
Die Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 in den obigen Ausführungsbeispielen ist als eine Fluidmaschine ausgebildet, die gemeinsam beide Funktionen der Kompressorvorrichtung und der Expansionsvorrichtung besitzt. Jedoch können die Kompressorvorrichtung und die Expansionsvorrichtung auch unabhängig ausgebildet sein.
Eine Fluidmaschine des Drehtyps, des Kolbentyps, des Schiebertyps oder irgendeines anderen Typs kann als Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 oder unabhängig als Kompressorvorrichtung und als Expansionsvorrichtung verwendet werden.
In den obigen Ausführungsbeispielen sind die Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110, der Motor/Generator 120 und die Kältemittelpumpe 130 in dieser Reihenfolge angeordnet. Die Reihenfolge zum Anordnen der obigen drei Vorrichtungen ist jedoch nicht auf die in den Zeichnungen dargestellten beschränkt.
Der Verbrennungsmotor 10 ist in den obigen Ausführungsbeispielen als die Wärmeerzeugungsvorrichtung erläutert. Andere Geräte oder Vorrichtungen können ebenfalls als Wärmeerzeugungsvorrichtung 10 verwendet werden, wie beispielsweise eine Kraftmaschine mit äußerer Verbrennung, Brennstoffzellenstapel, Elektromotoren, Wechselrichter und dergleichen, die während ihres Betriebs Wärme erzeugen und die Wärme (als Abwärme) zum Zwecke des Steuerns der Temperaturen ihrer eigenen Geräte oder Vorrichtungen abgeben (abstrahlen).
(Drittes Ausführungsbeispiel)
Ein drittes nicht unter den Anspruchswortlaut fallendes Ausführungsbeispiel ist in 10 bis 13 dargestellt, welches sich von dem ersten und dem zweiten Ausführungsbeispiel in den folgenden Punkten unterscheidet.
Zuerst werden die Unterschiedspunkte im Aufbau einer Fluidmaschine 100B Bezug nehmend auf 10 erläutert.
Die Kältemittelpumpe 130 des ersten Ausführungsbeispiels ist von der Fluidmaschine 100B des dritten Ausführungsbeispiels entfernt. Das axiale Ende der Motorwelle 124 ist durch ein an dem Motorgehäuse 121 befestigtes Lager 141 drehbar gehalten.
Die Einlassöffnung 116 steht mit der Arbeitskammer V an ihrem einen Ende in Verbindung. Und an ihrem anderen Ende ist die Einlassöffnung 116 zur Hochdruckkammer 114 an einer Stelle angrenzend an die Ausgabeöffnung 115 geöffnet, wobei eine Durchgangsfläche der Einlassöffnung 116 groß genug konstruiert ist, um keinen Druckverlust für das Kältemittel zu erzeugen, wenn das überhitzte, verdampfte Kältemittel durch die Einlassöffnung 116 in die Arbeitskammer V strömt. Wie in 11 dargestellt, ist die Einlassöffnung 116 in der Basisplatte 112a der festen Spirale 112 ausgebildet und in eine L-Form geformt. Die Einlassöffnung 116 ist an einem Zwischenabschnitt davon gebogen, und ein Dichtungsabschnitt 116a, an welchem ein Rückschlagventilabschnitt 322b einer Spule 322 wirkverbunden ist, ist an dem Zwischenabschnitt ausgebildet. Ein Kanalabschnitt 116b der Einlassöffnung 116 zwischen dem Dichtungsabschnitt 116a und dem einen Ende der Einlassöffnung 116 an der Ausgabeöffnung 115 wird als ein arbeitskammerseitiger Kanal bezeichnet, während ein Kanalabschnitt 116c der Einlassöffnung 116 zwischen dem Dichtungsabschnitt 116a und dem anderen Ende der Einlassöffnung 116 als ein hochdruckseitiger Kanal bezeichnet wird. Der arbeitskammerseitige Kanal 116b ist in der Basisplatte 112a so ausgebildet, dass er bezüglich der Ausgabeöffnung 115 geneigt ist.
Eine Ausgabeöffnungsventilvorrichtung weist das Ausgabeventil 117a, den Anschlag 117b und die Schraube 117c auf, deren Konstruktion gleich dem ersten Ausführungsbeispiel ist.
Eine Einlassöffnungsventilvorrichtung 300 weist einen Spulentyp-Ventilkörper 322 auf, der einen Gleitabschnitt 322a, den Rückschlagventilabschnitt 322b und einen vorstehenden Abschnitt 322c hat. Der Gleitabschnitt 322a ist ein Hauptkörperabschnitt des Ventilkörpers 322 und ist an seinem rückwärtigen Ende in eine zylindrische Form geformt, sodass ein zylindrischer Raum gebildet wird. Ein Außendurchmesser des Gleitabschnitts 322a ist größer als jener der anderen Abschnitte des Ventilkörpers 322 (des Rückschlagventilabschnitts 322b und des vorstehenden Abschnitts 322c) gemacht. Der Rückschlagventilabschnitt 322b ist an einer Position angrenzend an ein vorderes Ende des Ventilkörpers 322 ausgebildet und in eine kreisförmige Flanschform geformt. Der vorstehende Abschnitt 322c ist an dem vorderen Ende des Ventilkörpers 322 ausgebildet und in eine zylindrische Form geformt, deren Außendurchmesser kleiner als jener des Rückschlagventilabschnitts 322b gemacht ist. Ein Kubikvolumen des vorstehenden Abschnitts 322c ist beinahe gleich jenem des arbeitskammerseitigen Kanals 116b gemacht. Der Gleitabschnitt 322a, der Rückschlagventilabschnitt 322b und der vorstehende Abschnitt 322c sind koaxial angeordnet.
Ein zylindrischer Raum ist in der Basisplatte 112a der festen Spirale 112 ausgebildet, wobei er koaxial zum arbeitskammerseitigen Kanal 116b ist. Ein äußeres Ende des zylindrischen Raums ist zur Außenseite der Fluidmaschine 100b geöffnet. Ein Dichtungselement 324 ist an einem Außenumfangsabschnitt des Gleitabschnitts 322a angeordnet. Der Ventilkörper 322 ist verschiebbar in dem zylindrischen Raum in einer solchen Weise angeordnet, dass der vorstehende Abschnitte 322c dem arbeitskammerseitigen Kanal 116b zugewandt ist. Das äußere Ende des zylindrischen Raums ist durch ein Stopfenelement 323 geschlossen, und ein durch den Gleitabschnitt 322a und das Stopfenelement 323 definierter Raum ist als eine Gegendruckkammer ausgebildet. Ein zum Gleitabschnitt 322a verlaufender zylindrischer Führungsabschnitt 323a ist an dem Stopfenelement 323 ausgebildet, wobei ein Außendurchmesser des Führungsabschnitts 323a kleiner als jener des Stopfenelements 323 gemacht ist. In einem Zustand, in welchem der Rückschlagventilabschnitt 322a mit dem Dichtungsabschnitt 116a in Kontakt gebracht ist, wird ein Spalt zwischen dem Gleitabschnitt 322a und dem Stopfenelement 323 gebildet, sodass sich der Ventilkörper 322 axial bewegen kann.
Der hochdruckseitige Kanal 116c ist an einer vorderen Stirnseite des Gleitabschnitts 322a positioniert, sodass der Hochdruck P1 des Kältemittels in der Hochdruckkammer 144 immer an der vorderen Stirnseite des Gleitabschnitts 322a anliegt. Eine Gasöffnung 327 ist in der Basisplatte 112a zum Verbinden der Gegendruckkammer 326 mit einer Drucksteuerkammer 117j (10) ausgebildet, sodass der Druck P2 des Kältemittels in der Drucksteuerkammer 117j an der Gegendruckkammer 326, d. h. einer Rückseite des Gleitabschnitts 322a anliegt.
Eine Feder 325 ist zwischen dem Gleitabschnitt 322a und dem Stopfenelement 323 angeordnet, wobei sie durch den zylindrischen Führungsabschnitt 323a geführt wird. Eine Vorspannkraft F wird dadurch an den Ventilkörper 322 in einer Ventilschließrichtung angelegt, sodass der Rückschlagventilabschnitt 322b mit dem Dichtungsabschnitt 116a in Kontakt gebracht wird, um die Einlassöffnung 116 zu schließen. Die Vorspannkraft F ist zu einem solchen Wert konstruiert, bei welchem der Ventilkörper 322 nicht zum Stopfenelement 323 (in einer Ventilöffnungsrichtung) bewegt wird, selbst wenn ein Hochdruck in der Arbeitskammer V während des Kompressionsmodus der Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 erzeugt wird und ein solcher Hochdruck an dem vorstehenden Abschnitt 322c des Ventilkörpers 322 durch die Ausgabeöffnung 115 anliegt.
Eine axiale Länge und ein Außendurchmesser des vorstehenden Abschnitts 322c sind so konstruiert, dass das Kubikvolumen des vorstehenden Abschnitts 322c beinahe gleich dem Kubikvolumen des arbeitskammerseitigen Kanals 116b wird. Insbesondere ist die axiale Länge des vorstehenden Abschnitts 322 so konstruiert, dass der vorstehende Abschnitt 322c vollständig aus dem arbeitskammerseitigen Kanal 116b herausgezogen wird, wenn der Ventilkörper 322 in der Ventilöffnungsrichtung bewegt wird. Und der vorstehende Abschnitt 322c ist von dem Dichtungsabschnitt 116a getrennt, um einen kreisförmigen Strömungskanal zwischen dem vorstehenden Abschnitt 322c und dem Dichtungsabschnitt 116a zu bilden, wobei der kreisförmige Strömungskanal eine Strömungsfläche besitzt, die erlaubt, dass eine notwendige Menge des Kältemittels durch den kreisförmigen Strömungskanal strömen kann. Wie oben erläutert, ist ein bewegbarer Bereich des Ventilkörpers 322 in einer solchen Weise konstruiert, dass der vorstehende Abschnitt 322c in dem arbeitskammerseitigen Kanal 116b aufgenommen ist, wenn der Ventilkörper in der Ventilschließrichtung bewegt wird, wohingegen der vorstehende Abschnitt 322c vollständig aus dem arbeitskammerseitigen Kanal 116b herausgezogen und von dem Dichtungsabschnitt 116a getrennt wird, um den Spalt (den kreisförmigen Strömungskanal) zu bilden, wenn der Ventilkörper 322 in der Ventilöffnungsrichtung bewegt wird.
Wie in 10 dargestellt, ist die Drosselöffnung 117g in der Basisplatte 112a zum Verbinden der Hochdruckkammer 114 mit der Drucksteuerkammer 117j, welche durch ein in der Basisplatte 112a gebildetes Loch und das elektromagnetische Ventil 117h definiert ist, in der gleichen Weise wie beim ersten Ausführungsbeispiel ausgebildet. Die Drosselöffnung 117g hat einen bestimmten Strömungswiderstand. Eine Verbindungsöffnung 117k ist in der Basisplatte 112a ausgebildet, sodass die Drucksteuerkammer 117j mit der Niederdruckseite der Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 in Wirkverbindung steht. Eine weitere Gasöffnung 117m ist ebenfalls in der Basisplatte 112a ausgebildet, welche mit der Gasöffnung 327 der Gegendruckkammer 326 über einen Verbindungskanal 328 in Verbindung steht. Der Druck des Kältemittels in der Drucksteuerkammer 117j wird durch das elektromagnetische Ventil 117h so gesteuert, dass der Druck P2 der Drucksteuerkammer 117j an der Gegendruckkammer 326 anliegt.
Insbesondere wird, wenn das elektromagnetische Ventil 117h geschlossen wird, die Verbindungsöffnung 117k geschlossen und die Drucksteuerkammer 117j durch die Drosselöffnung 117g mit der Hochdruckkammer 114 verbunden, sodass der Druck in der Drucksteuerkammer 117j auf den Hochdruck P1 der Hochdruckkammer 114 geregelt wird. Dann wird der Hochdruck P1 durch den Verbindungskanal 328 an die Gegendruckkammer 326 angelegt, und dadurch wird der Hochdruck P1 an sowohl die vordere Stirnseite als auch die hintere Stirnseite des Gleitabschnitts 322a angelegt. Der Ventilkörper 322 wird durch die Federkraft F der Feder 325 in der Ventilschließrichtung (in einer Richtung nach oben in 11) bewegt, der Rückschlagventilabschnitt 322b wird mit dem Dichtungsabschnitt 116a in Kontakt gebracht, und die Einlassöffnung 116 wird geschlossen. Der Druckverlust an der Öffnung 117g ist extrem hoch, und dadurch ist die Strömungsmenge des Kältemittels aus der Hochdruckkammer 114 in die Gegendruckkammer 326 vernachlässigbar klein.
Wenn dagegen das elektromagnetische Ventil 117h geöffnet wird, wird die Verbindungsöffnung 117k geöffnet, sodass der Hochdruck in der Gegendruckkammer 326 durch den Verbindungskanal 328, die Drucksteuerkammer 117j und die Verbindungsöffnung 117k zur Niederdruckseite (zur Niederdrucköffnung 121a) der Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 freigegeben wird. Als Ergebnis wird der Niederdruck P2 (niedriger als der Druck P1) an die Gegendruckkammer 326 angelegt. Eine Druckdifferenz ΔP (P1 – P2) wird an dem Gleitabschnitt 322a erzeugt. Wenn eine durch die Druckdifferenz erhaltene Wirkkraft (= ΔP × Querschnittsfläche des Gleitabschnitts 322a) größer als die Federkraft F wird, wird der Ventilkörper 322 in der Rückwärtsrichtung (der Ventilöffnungsrichtung = einer Richtung nach unten in 11) bewegt, der Rückschlagventilabschnitt 322b wird von dem Dichtungsabschnitt 116a getrennt, um die Einlassöffnung 116 zu öffnen. Wie oben erläutert, bilden der Ventilkörper 322, die Gegendruckkammer 326, die Feder 325, der Verbindungskanal 328, die Drosselöffnung 117g, das elektromagnetische Ventil 117h, usw. ein elektrisches Schaltventil eines Servotyps, um die Einlassöffnung 116 zu öffnen und zu schließen.
Wenn der Ventilkörper 322 in der Richtung nach hinten bewegt wird, wird die Einlassöffnung 116 ausreichend geöffnet. Das rückwärtige Ende des Gleitabschnitts 322a wird mit dem Stopfenelement 323 in Kontakt gebracht, und dadurch wird die Abwärtsbewegung des Ventilkörpers 322 beschränkt, wie in 12 dargestellt. Wie oben beschrieben, ist die Querschnittsfläche des Gleitabschnitts 322a so konstruiert, dass die Wirkkraft (= ΔP × Querschnittsfläche des Gleitabschnitts 322a) größer als die Federkraft F wird.
Die Fluidmaschine 100B der obigen Konstruktion (10) wird in dem Kühlkreis 30 und dem Clausius-Rankine-Kreis 40 benutzt, die in 13 dargestellt sind.
Punkte von 13 (dem dritten Ausführungsbeispiel) unterschiedlich von 2 (dem ersten Ausführungsbeispiel) werden erläutert.
Im ersten Ausführungsbeispiel ist die Kältemittelpumpe 130, die integral in der Fluidmaschine 100 ausgebildet ist, in dem Kältemittelkanal von der Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 32 zur Verbindungsstelle A angeordnet (2). Wie oben beschrieben, ist die Kältemittelpumpe jedoch nicht in der Fluidmaschine 100B des dritten Ausführungsbeispiels (10) vorgesehen, und stattdessen ist eine unabhängige Flüssigkeitspumpe 130a anstelle der Kältemittelpumpe 130 in dem Kältemittelkanal von der Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 32 zur Verbindungsstelle A vorgesehen.
Eine Ziffer 300 bezeichnet eine Ventilvorrichtung, die in dem Kältemittelkanal zwischen der Heizvorrichtung 43 und der Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 vorgesehen ist. Die Ventilvorrichtung 300 weist den Ventilkörper 322, die Gegendruckkammer 326, die Feder 325, das elektromagnetische Ventil 117h, usw. auf, wie oben unter Bezugnahme auf 10 beschrieben.
Eine Ziffer 15 bezeichnet einen Temperatursensor zum Erfassen der Temperatur des Motorkühlwassers.
Eine Ziffer 400 bezeichnet eine elektronische Steuereinheit (ECU) zum Steuern des Dreiwegeventils 21, der Einlassöffnungsventilvorrichtung 300 und dergleichen in Abhängigkeit von einem Befehlssignal für den Klimabetrieb (Klimabefehlssignal) und dem Temperatursignal von dem Temperatursensor 15 und dergleichen.
Eine Ziffer 170 bezeichnet elektrische Lasten, wie beispielsweise Scheinwerfer, Motorhilfsgeräte.
Die übrige Konstruktion des Kühlkreises 30 und des Clausius-Rankine-Kreises 40, in denen die gleichen Bezugsziffern wie beim ersten Ausführungsbeispiel für die gleichen oder im Wesentlichen gleichen Komponenten und Teile verwendet werden, ist grundsätzlich identisch zum ersten Ausführungsbeispiel.
Eine Funktionsweise und Wirkungen der Fluidmaschine 100B des dritten Ausführungsbeispiels werden erläutert.
(Kompressionsmodus)
Der Kompressionsmodus ist der Betriebsmodus, der durchzuführen ist, wenn der Kühlbetrieb durch einen Fahrzeug-Fahrgast befohlen wird.
Der Betrieb des Kompressionsmodus ist gleich jenem des ersten Ausführungsbeispiels. Das heißt, die Zufuhr des heißen Motorkühlwassers in die Heizvorrichtung 43 wird durch den Schaltvorgang des Dreiwegeventils 21 gestoppt. Das elektromagnetische Ventil 117h wird geschlossen, sodass die Einlassöffnung 116 geschlossen wird. Der Strom wird dem Motor/Generator 120 zugeführt, um ihn als Elektromotor zu betreiben, sodass eine Drehantriebskraft des Motor/Generators an der Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 (als Kompressorvorrichtung arbeitend) anliegt. Das Kältemittel wird durch die Kompressorvorrichtung 110 durch die Niederdrucköffnung 121a angesaugt und durch die Arbeitskammer V komprimiert, um das komprimierte Hochdruckkältemittel durch die Ausgabeöffnung 115 auszupumpen. Das ausgegebene Kältemittel wird in dem Kühlkreis 30 zirkuliert, welcher die Hochdrucköffnung 111c, die Heizvorrichtung 43, den Kondensator 31, die Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 32, die Druckverminderungsvorrichtung 33, den Verdampfapparat 34, das Rückschlagventil 34b und die Niederdrucköffnung 121a der Fluidmaschine 100B aufweist.
(Expansionsmodus)
Der Expansionsmodus ist der Betriebsmodus, der durchzuführen ist, wenn die ausreichende Wärmeenergie aus dem Motorkühlwasser gesammelt werden kann, um an der Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 die mechanische Energie (die Drehantriebskraft) zu erzeugen, um den Motor/Generator 120 zu drehen, um den Strom zu erzeugen.
Die Funktionsweise des Expansionsmodus ist ebenfalls gleich jener des ersten Ausführungsbeispiels.
Das heißt, die Zufuhr des heißen Motorkühlwassers in die Heizvorrichtung 43 wird durch den Schaltvorgang des Dreiwegeventils 21 gestartet, wenn die Temperatur des Motorkühlwassers (durch den Temperatursensor 15 erfasst) höher als ein vorbestimmter Wert ist und wenn der Kühlbetrieb nicht erforderlich ist.
Das elektromagnetische Ventil 117h wird geöffnet, sodass die Einlassöffnung 116 geöffnet wird. Der Strom wird der Flüssigkeitspumpe 130a zugeführt, um die Zirkulation des Kältemittels im Clausius-Rankine-Kreis 40 zu starten.
Das überhitzte verdampfte Kältemittel wird von der Heizvorrichtung 43 durch die geöffnete Einlassöffnung 116 in die Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 (als Expansionsvorrichtung arbeitend) zugeführt. Das Kältemittel wird in der Arbeitskammer V expandiert, um die Drehantriebskraft zu erzeugen, um den Rotor 123 zu drehen, sodass der Strom am Stator 122 erzeugt wird. Der erzeugte Strom wird durch den Wechselrichter (Steuerung) 12 in die Batterie 13 geladen.
Das expandierte Kältemittel des niedrigen Drucks wird im Clausius-Rankine-Kreis 40 zirkuliert, welcher die Niederdrucköffnung 121a, den zweiten Bypasskanal 42, das Rückschlagventil 42a, den Kondensator 31, die Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 32, den ersten Bypasskanal 41, das Rückschlagventil 41a, die Flüssigkeitspumpe 130a, die Heizvorrichtung 43 und die Hochdrucköffnung 111c der Fluidmaschine 100B aufweist.
(Wirkungen des dritten Ausführungsbeispiels)
Gemäß dem obigen dritten Ausführungsbeispiel ist der vorstehende Abschnitt 322c am Ventilkörper 322 in einer solchen Weise ausgebildet, dass das Kubikvolumen des vorstehenden Abschnitts 322c etwa gleich dem Kubikvolumen des arbeitskammerseitigen Kanals 116b ist. Der Innenraum des arbeitskammerseitigen Kanals 116b ist beinahe zu Null gemacht, wenn die Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 im Kompressionsmodus als Kompressorvorrichtung arbeitet. Das heißt, ein Totraum des arbeitskammerseitigen Kanals 116b kann etwa zu Null gemacht werden, um dadurch einen Kompressionsverlust des Kältemittels zu vermindern.
Gemäß dem obigen dritten Ausführungsbeispiel sind der Rückschlagventilabschnitt 322b und der vorstehende Abschnitt 322c koaxial zu dem Gleitabschnitt 322a angeordnet. Es ist deshalb einfacher, den Ventilkörper 322 herzustellen, und es wird unnötig, den Ventilkörper 322 bei der Montage des Ventilkörpers 322 in die Fluidmaschine 100B bezüglich einer Drehrichtung um die axiale Linie zu positionieren.
Falls die Einlassöffnung 116 (der arbeitskammerseitige Kanal 116b) in der Basisplatte 112a parallel zur Ausgabeöffnung 115 (senkrecht zur Basisplatte 112a) ausgebildet wurde, wobei die Einlassöffnung durch den in der parallelen Richtung bewegten Ventilkörper geöffnet und geschlossen wird, würde eine Länge der Fluidmaschine 100B in Längsrichtung länger werden. Falls dagegen die Einlassöffnung 116 (der arbeitskammerseitige Kanal 116b) in der Basisplatte 112a in einer Richtung senkrecht zur Ausgabeöffnung 115 ausgebildet würde und der Ventilkörper 322 in einer solchen senkrechten Richtung bewegt wird, würde es unnötig werden, eine Dicke der Basisplatte 112a länger zu machen. Darm würde die Ausgabeöffnung 115 entsprechend länger werden, und dadurch würde ein durch die Ausgabeöffnung 115 gebildeter Totraum länger werden.
Gemäß dem obigen dritten Ausführungsbeispiel ist jedoch die Einlassöffnung 116 (der arbeitskammerseitige Kanal 116b) in der Basisplatte 112a so ausgebildet, dass sie bezüglich der Ausgabeöffnung 115 geneigt ist, und der Ventilkörper 322 ist in der Einlassöffnung 116 so angeordnet, dass er sich in der gleichen Richtung zu einer Axiallinie des arbeitskammerseitigen Kanals 116b bewegt. Als Ergebnis kann die Länge der Fluidmaschine 100B in Längsrichtung auf einen kleineren Wert gedrückt werden, und der in der Ausgabeöffnung 115 gebildete Totraum kann kleiner gemacht werden.
Außerdem ist gemäß dem obigen dritten Ausführungsbeispiel die Basisplatte 112a aus einem dünnwandigen Abschnitt (einem Abschnitt der oberen Hälfte in 10) und einem dickwandigen Abschnitt (einem Abschnitt der unteren Hälfte in 10) gebildet. Die Ausgabeöffnung 115 ist in dem dünnwandigen Abschnitt ausgebildet, wobei die Ausgabeöffnung 115 in einer Mitte der Basisplatte 112a ausgebildet ist und sich in einer Axialrichtung der Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 erstreckt. Der arbeitskammerseitige Kanal 116b und der Raum für den Ventilkörper 322 sind in dem dickwandigen Abschnitt ausgebildet, wobei der arbeitskammerseitige Kanal 116b und der Raum für den Ventilkörper 322 in der radialen Richtung verlaufen. Die Einlassöffnung 116 ist in die L-Form geformt, wie bereits beschrieben, und der hochdruckseitige Kanal 116c ist parallel zur Ausgabeöffnung 115 verlaufend und mit dem arbeitskammerseitigen Kanal 116b in Verbindung stehend in dem dickwandigen Abschnitt ausgebildet. Gemäß der obigen Konstruktion der Basisplatte 112a können die Ausgabeöffnung 115 sowie der arbeitskammerseitige Kanal 116b in der Basisplatte 112a ausgebildet werden, und der Ventilkörper 322 kann in der Basisplatte 112a aufgenommen werden, ohne die Länge der Ausgabeöffnung 115 unnötigerweise länger zu machen.
Gemäß dem obigen dritten Ausführungsbeispiel ist ein kreisförmiger Außenumfangswandabschnitt integral mit der Basisplatte 112a ausgebildet, wobei sich der Wandabschnitt von der Basisplatte 112a in der Längsrichtung (in der abgewandten Seite der bewegbaren Spirale 113) der Fluidmaschine erstreckt, und eine vordere Gehäuseplatte 111a ist an dem Längsende des Wandabschnitts befestigt, um darin die Hochdruckkammer 114 zu bilden. Der Raum für den Ventilkörper 322 und das Stopfenelement 323 ist in dem dickwandigen Abschnitt und dem kreisförmigen Umfangswandabschnitt ausgebildet, wobei sich der Raum in der radialen Richtung durch den kreisförmigen Umfangswandabschnitt erstreckt. Gemäß einem solchen Aufbau kann die feste Spirale 112 kleiner gemacht werden.
Außerdem ist gemäß dem obigen dritten Ausführungsbeispiel das Dichtungselement 324 an der Außenumfangsseite des Gleitabschnitts 322a vorgesehen, der Austritt des Kältemittels aus dem arbeitskammerseitigen Kanal 11 ob zur Gegendruckkammer 326 kann verhindert werden. Eine Länge des Gleitabschnitts 322a in Längsrichtung ist länger als ein Außendurchmesser davon gemacht, sodass der Gleitabschnitt 322a ruhig in der Gegendruckkammer 326 bewegt werden kann. Die Feder 325 wird durch den Führungsabschnitt 323a des Stopfenelements 323 geführt, und dadurch kann auch ein Knicken der Feder 325 beim Zusammendrücken verhindert werden, wenn der Ventilkörper 322 zurück (in der Ventilöffnungsrichtung) bewegt wird.
(Modifikationen des dritten Ausführungsbeispiels)
Eine Modifikation des dritten Ausführungsbeispiels ist in 14 dargestellt, in welcher der vorstehende Abschnitt 322c in seiner Längsrichtung weiter erweitert ist, sodass sein vorderes Ende in die Ausgabeöffnung 115 ragt. Außerdem ist ein Innendurchmesser der Ausgabeöffnung 115 auf einer Seite zur Hochdruckkammer 114 kleiner als jener des übrigen Abschnitts der Ausgabeöffnung gemacht. Der kleine Durchmesserabschnitt 115a der Ausgabeöffnung 115 ist mit einem optimalen Wert für die Strömungsmenge des von der Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 ausgepumpten Kältemittels konstruiert.
Gemäß der obigen Modifikation kann das Volumen der Ausgabeöffnung 115 für den Kompressionsmodus durch den vorstehenden Abschnitt 322c verringert werden, d. h. das Totvolumen der Ausgabeöffnung 115 kann reduziert werden. Der kleine Durchmesserabschnitt 115a funktioniert im Wesentlichen als Ausgabeöffnung.
Eine weitere Modifikation des dritten Ausführungsbeispiels ist in 15 dargestellt, bei welcher der Führungsabschnitt 323a weggelassen ist. Stattdessen ist ein Positionierungsabschnitt 323b an dem Stopfenelement 323 zum Positionieren der Feder 125 an ihrer richtigen Position vorgesehen.
Eine weitere Modifikation des dritten Ausführungsbeispiels ist in 16 gezeigt. Eine Gleitplatte 323d ist in ein Loch des Ventilkörpers 322 eingesetzt, sodass die Gleitplatte 322d zwischen der Feder 325 und einem Boden des Lochs gesetzt ist. Falls eine Härte des Materials (z. B. Aluminium oder ein Material auf Aluminiumbasis) für den Ventilkörper 322 geringer als jene eines Materials (z. B. Eisen oder ein Material auf Eisenbasis) für die Feder 325 ist, wird ein Material für die Gleitplatte 322d aus Materialien mit einer Härte gleich dem Material der Feder 325 ausgewählt oder es erfolgt eine Oberflächenhärtungsbehandlung an der Oberfläche der Gleitplatte 322d zum Beispiel durch einen Plattierungsprozess, sodass ein Verschleiß der Gleitplatte 322d aufgrund einer Gleitbewegung der Gleitplatte 322d relativ zur Feder 325 verhindert werden kann. Ein Führungsabschnitt 322e kann für die Gleitplatte 322d zur Führung der Feder 325 vorgesehen sein.
Die Einlassöffnungsventilvorrichtung 300 des dritten Ausführungsbeispiels kann auch für die Fluidmaschine 100 des ersten und des zweiten Ausführungsbeispiels verwendet werden.
(Viertes Ausführungsbeispiel)
Ein viertes nicht unter den Anspruchswortlaut fallendes Ausführungsbeispiel (eine Fluidmaschine 100C) ist in 17 gezeigt, bei welchem eine elektromagnetische Kupplung 340 und eine Kraftübertragungsvorrichtung 350 an der komplexen Fluidmaschine 100B des dritten Ausführungsbeispiels (10) vorgesehen sind, und die Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110, der Motor/Generator 120 und die elektromagnetische Kupplung 340 sind mit der Kraftübertragungsvorrichtung 350 wirkverbunden.
Die elektromagnetische Kupplung 340 weist eine Riemenscheibe 341, die durch die Antriebskraft des Motors 10 über einen V-Riemen (nicht dargestellt) gedreht werden soll, eine Erregerspule 342 zum Erzeugen eines Magnetfeldes, eine durch eine elektromagnetische Kraft des durch die Erregerspule 342 erzeugten Magnetfelds verschobene und mit der Riemenscheibe 341 wirkverbundene Reibungsplatte 343, eine mit der Reibungsplatte 343 verbundene Welle 344 und dergleichen auf. Eine Einwegekupplung 344a und eine Rippendichtung 344b sind an der Welle 344 vorgesehen.
Die Einwegekupplung 344a ist eine Kupplung, um die Welle 344 nur in eine Richtung (eine Drehrichtung der Riemenscheibe 341) drehen zu lassen. Die Rippendichtung 344b ist ein Dichtungselement zum Verhindern des Austretens des Kältemittels aus dem Innern der Fluidmaschine durch einen Spalt zwischen der Welle 344 und dem Motorgehäuse 121 zur Außenseite des Motorgehäuses 121.
Die Kraftübertragungsvorrichtung 350 weist ein in ihrer Mitte vorgesehenes Sonnenrad 351, einen Planetenträger 352 mit mehreren mit dem Sonnenrad 351 in Eingriff stehende Ritzeln 352a und ein mit den Ritzeln 352a in Eingriff stehendes Hohlrad 353 auf, wobei die Ritzel um ihre eigenen Achsen und um das Sonnenrad 351 drehen. Das Sonnenrad 351 ist integral mit dem Rotor 123 des Motor/Generators 120 ausgebildet, der Planetenträger 352 ist integral mit der Welle 344 der elektromagnetischen Kupplung 340 verbunden und das Hohlrad 353 ist mit einer Welle 317 für die Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 verbunden.
Gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel werden der Motor 10 und der Motor/Generator 120 wahlweise als Antriebsquelle für die Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 während ihres Kompressionsmodus in Abhängigkeit von einem Betriebszustand des Motors (während seines Betriebs oder Nicht-Betriebs) verwendet. Das heißt, in einem Fall wird die Expansions/Kompressor-Vorrichtung 100 durch die elektromagnetische Kupplung 340 mit dem Motor 10 verbunden, um die Drehkraft vom Motor 10 auf die Welle 317 der Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 zu übertragen. Im anderen Fall wird die Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 durch die elektromagnetische Kupplung 340 vom Motor 10 getrennt, und der Motor/Generator 120 wird als Elektromotor betrieben, um die Drehkraft für die Expansions/Kompressor-Vorrichtung 100 zu erzeugen.
Insbesondere wird der elektromagnetischen Kupplung 340 während des Motorbetriebs der Strom zugeführt, um die elektromagnetische Kupplung 340 zu verbinden, und der Strom wird auch dem Motor/Generator 120 zugeführt, um am Rotor 123 ein solches Drehmoment zu erzeugen, dass sich das Sonnenrad 351 (d. h. der Rotor 123) nicht dreht. Dann wird die vom Motor auf die Riemenscheibe 341 übertragene Drehantriebskraft in ihrer Drehzahl durch die Kraftübertragungsvorrichtung 350 erhöht und auf die Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 übertragen, sodass sie als die Kompressorvorrichtung betrieben wird.
Die Zufuhr des Stroms zur elektromagnetischen Kupplung 340 wird unterbrochen, wenn der Motorbetrieb gestoppt wird (oder während des Motorbetriebs), um die Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 vom Motor 10 zu trennen. Und der Strom wird dem Motor/Generator 120 zugeführt, um den Rotor 123 in einer Richtung entgegen der Drehrichtung der Riemenscheibe 341 zu drehen, sodass die Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 als die Kompressorvorrichtung betrieben wird. In diesem Betrieb wird die Welle 344 (der Planetenträger 352) nicht gedreht, weil die Drehung der Welle 344 in dieser Drehrichtung durch die Einwegekupplung 344a blockiert ist. Als Ergebnis wird die am Motor/Generator 120 erzeugte Drehkraft in ihrer Drehzahl durch die Kraftübertragungsvorrichtung 350 verringert und auf die Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 übertragen.
Falls die Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 als Expansionsvorrichtung betrieben wird, wird die Zufuhr des Stroms zur elektromagnetischen Kupplung 340 unterbrochen, um die Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 vom Motor 10 zu trennen. Dann wird die bewegbare Spirale 113 durch die Expansion des überhitzten Kältemittels in der Gegenrichtung zur Richtung des Kompressionsmodus gedreht, und die Drehkraft der bewegbaren Spirale 113 wird auf den Motor/Generator 120 übertragen. In diesem Betrieb wird die Drehkraft der bewegbaren Spirale 113 in ihrer Drehzahl durch die Kraftübertragungsvorrichtung 350 erhöht und auf den Motor/Generator übertragen, weil die Drehung der Welle 344 in dieser Drehrichtung durch die Einwegekupplung 344a blockiert ist.
(Fünftes Ausführungsbeispiel)
Ein fünftes nicht unter den Anspruchswortlaut fallendes Ausführungsbeispiel (eine Fluidmaschine 100D)
ist in 18 gezeigt, bei welchem die elektromagnetische Kupplung 340 an der Fluidmaschine 100B des dritten Ausführungsbeispiels (10) vorgesehen ist. In diesem Ausführungsbeispiel
ist die Welle 344 der elektromagnetischen Kupplung 340 integral mit der Welle 124 des Motor/Generators 120 verbunden.
Gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel sind in der gleichen Weise wie im vierten Ausführungsbeispiel (17) der Motor 10 und der Motor/Generator 120 als Antriebsquelle für die Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 während ihres Kompressionsmodus in Abhängigkeit von einem Betriebszustand des Motors (während seines Betriebs oder Nicht-Betriebs) verwendet. Falls die Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 als Expansionsvorrichtung betrieben wird, wird die Zufuhr des Stroms durch die elektromagnetische Kupplung unterbrochen, um die Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 vom Motor 10 zu trennen. Dann wird die bewegbare Spirale 113 durch die Expansion des überhitzten Kältemittels gedreht, und die Drehkraft der bewegbaren Spirale 113 wird auf den Motor/Generator 120 übertragen.
Eine Fluidmaschine eines Drehtyps, eines Kolbentyps, eines Schiebertyps oder irgendeines anderen Typs kann als Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 oder unabhängig als Kompressorvorrichtung und Expansionsvorrichtung verwendet werden.
In den obigen Ausführungsbeispielen wird die durch die Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 gesammelte Energie in die Batterie 15 geladen. Die gesammelte Energie kann jedoch auch als Bewegungsenergie durch ein Schwungrad oder als eine andere kinetische Energie wie beispielsweise eine elastische Potentialenergie durch eine Feder geladen werden.
Die Fluidmaschine der obigen Ausführungsbeispiele kann nicht nur auf die die Abwärme nutzende Vorrichtung mit einem Clausius-Rankine-Kreis zum Sammeln von Abwärme von dem Verbrennungsmotor angewendet werden, sondern auch auf beliebige andere Vorrichtungen zum Sammeln und Nutzen der Abwärme von irgendwelchen Wärme erzeugenden Vorrichtungen.
(Sechstes Ausführungsbeispiel)
Ein sechstes nicht unter den Anspruchswortlaut fallendes Ausführungsbeispiel ist in 19 bis 24 dargestellt, welches sich von dem zweiten Ausführungsbeispiel (4 bis 9) in den folgenden Punkten unterscheidet.
In dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wird die Fluidmaschine 100 benutzt, bei der die Fluidmaschine 100 die Expansions/Kompressor-Vorrichtung 100, den Motor/Generator 120 und die Kältemittelpumpe 130 besitzt, die integral in einer Einheit ausgebildet sind, wie in 1 dargestellt.
Gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel wird eine Fluidmaschine benutzt, bei der die Fluidmaschine die Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 und den Motor/Generator 120 besitzt, die integral in einer Einheit ausgebildet sind, wie zum Beispiel in 10, 17, und 18 gezeigt. Und die Flüssigkeitspumpe 130a ist anstelle der Kältemittelpumpe 130 in dem Clausius-Rankine-Kreis vorgesehen.
In 19 bezeichnen die Nummern 35b und 35c eine Riemenscheibe bzw. eine elektromagnetische Kupplung, welche der Riemenscheibenvorrichtung 35a des zweiten Ausführungsbeispiels (4) entsprechen.
Obwohl das Dreiwegeventil 21 und der Heizvorrichtungsbypasskanal 21a im sechsten Ausführungsbeispiel nicht vorgesehen sind, können sie zu diesem Ausführungsbeispiel hinzugefügt werden.
Der übrige Aufbau des sechsten Ausführungsbeispiels ist identisch zu jenem des zweiten Ausführungsbeispiels (4), und seine Funktionsweise ist ebenfalls im Wesentlichen gleich dem zweiten Ausführungsbeispiel. Die Funktionsweise wird kurz unter Bezugnahme auf 20 bis 24 erläutert.
(Alleiniger Betriebsmodus des Hauptkühlbetriebs: Fig. 20)
In diesem Betriebsmodus wird die Hauptkompressorvorrichtung 35 betrieben, wenn der Kühlbetrieb für das Fahrzeug erforderlich ist, falls keine ausreichende Menge Abwärme vom Motor 10 erzielt werden kann, wenn zum Beispiel der Motor 10 in seinem Warmlaufzustand ist, oder falls die Batterie 13 ausreichend mit elektrischer Energie geladen ist und kein weiteres Laden der elektrischen Energie notwendig ist.
Die Hauptkompressorvorrichtung 35 wird über die elektromagnetische Kupplung 35c mit dem Motor 10 verbunden, und das durch die Hauptkompressorvorrichtung 35 komprimierte Kältemittel wird in dem Kühlkreis 30 zirkuliert, wie durch Pfeile einer durchgezogenen Linie in 20 angegeben.
(Alleiniger Betriebsmodus des Clausius-Rankine-Kreis: Fig. 21)
In diesem Betriebsmodus wird die Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 als Expansionsvorrichtung betrieben, wenn der Kühlbetrieb für das Fahrzeug nicht erforderlich ist, falls eine ausreichende Menge Abwärme vom Motor 10 während des fahrenden Fahrzeugs erzielt werden kann und falls das Laden der elektrischen Energie zur Batterie 13 notwendig ist.
Die Hauptkompressorvorrichtung 35 wird von dem Motor 10 getrennt, und das durch die Heizvorrichtung 43 geheizte Kältemittel wird durch die Flüssigkeitspumpe 130a in dem Clausius-Rankine-Kreis 40 zirkuliert, wie durch Pfeile einer gestrichelten Linie in 20 angezeigt.
(Doppelbetriebsmodus des Hauptkühl- & Clausius-Rankine-Kreisbetriebs: Fig. 22)
In diesem Betriebsmodus wird die Hauptkompressorvorrichtung 35 zusätzlich zu dem obigen alleinigen Betriebsmodus des Clausius-Rankine-Kreises weiter betrieben, wenn der Kühlbetrieb für das Fahrzeug erforderlich ist, falls eine ausreichende Menge Abwärme vom Motor 10 während des fahrenden Fahrzeugs erzielt werden kann und falls das Laden der elektrischen Energie zur Batterie 13 notwendig ist.
Die Hauptkompressorvorrichtung 35 ist über die elektromagnetische Kupplung 35c mit dem Motor 10 verbunden, und das durch die Hauptkompressorvorrichtung 35 komprimierte Kältemittel wird in dem Kühlkreis 30 zirkuliert, wie durch Pfeile der durchgezogenen Linie in 22 angezeigt. Zusätzlich wird das durch die Heizvorrichtung 43 geheizte Kältemittel durch die Flüssigkeitspumpe 130a in dem Clausius-Rankine-Kreis 40 zirkuliert, wie durch Pfeile der gestrichelten Linie in 22 angegeben.
(Hilfsbetriebsmodus für den Hauptkühlbetrieb: Fig. 23)
In diesem Betriebsmodus wird die Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 zusätzlich zum Betrieb der Hauptkompressorvorrichtung 35 als Kompressorvorrichtung betrieben, wenn eine große Kühlleistung zum schnellen Abkühlen des Innenraums des Fahrzeugs erforderlich ist, falls das Fahrzeug unter der brennenden Sonne im Sommer geparkt worden ist.
Die Hauptkompressorvorrichtung 35 wird über die elektromagnetische Kupplung 35c mit dem Motor 10 verbunden, und das durch die Hauptkompressorvorrichtung 35 komprimierte Kältemittel wird in dem Kühlkreis 30 zirkuliert, wie durch Pfeile der durchgezogenen Linie in 23 angezeigt. Zusätzlich wird das durch die Kompressorvorrichtung 110 komprimierte Kältemittel im Kühlkreis zirkuliert, wie durch Pfeile einer strichpunktierten Linie in 23 angezeigt.
(Alleiniger Betriebsmodus des Unterkühlungsbetriebs: Fig. 24)
In diesem Betriebsmodus wird die Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 anstelle der Hauptkompressorvorrichtung 35 als Kompressorvorrichtung betrieben, wenn der Kühlbetrieb erforderlich ist, selbst falls der Motorbetrieb gestoppt ist.
Der Betrieb der Hauptkompressorvorrichtung 35 wird aufgrund des Stoppens des Motorbetriebs gestoppt, ob die Hauptkompressorvorrichtung 35 über die elektromagnetische Kupplung 35c mit dem Motor 10 verbunden ist oder nicht. Das durch die Kompressorvorrichtung 110 komprimierte Kältemittel wird in dem Kühlkreis zirkuliert, wie durch Pfeile der strichpunktierten Linie in 24 angezeigt.
Die für die ersten bis fünften Ausführungsbeispiele erläuterten Fluidmaschinen 100 und 100A bis 100D können als Fluidmaschine für das sechste Ausführungsbeispiel verwendet werden.
(Siebtes Ausführungsbeispiel)
Ein siebtes nicht unter den Anspruchswortlaut fallendes Ausführungsbeispiel ist in 25 dargestellt, bei welchem das erste und das dritte EIN/AUS-Ventil 51a und 53a des sechsten Ausführungsbeispiels (19) durch Rückschlagventile 51b und 53b ersetzt sind.
Die Rückschlagventile 51b und 53b lassen jeweils das Kältemittel nur in eine Richtung strömen, nämlich von der Hauptkompressorvorrichtung 35 in dem ersten Verbindungskanal 51 zur Expansions/Kompressor-Vorrichtung 100 und von der Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 zum Kondensator 31, wenn das System mit dem Clausius-Rankine-Kreis 40 arbeitet.
Die Rückschlagventile 51b und 53b sind kostengünstiger als die EIN/AUS-Ventile (die elektromagnetischen Ventile) 51a und 53a, sodass das System des Ausführungsbeispiels bei niedrigeren Kosten ausgeführt werden kann.
(Achtes Ausführungsbeispiel)
Ein achtes nicht unter den Anspruchswortlaut fallendes Ausführungsbeispiel ist in 26 bis 31 gezeigt, welches sich vom sechsten Ausführungsbeispiel (19 bis 24) im Aufbau der Expansions/Kompressor-Vorrichtung und der Verbindungskanäle unterscheidet.
Eine Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110B ist aus einer Kolbentyp-Fluidmaschine anstelle der Spiraltyp-Fluidmaschine gebildet. Zeitventile sind vorgesehen, um die Öffnungs- und Schließzeiten der Arbeitskammer so zu steuern, dass das Einströmen und Ausströmen des Kältemittels gesteuert wird. Und die Strömungsrichtung des Kältemittels zur Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110B ist in beiden Fällen, in denen die Expansions/Kompressor-Vorrichtung als die Expansionsvorrichtung und die Kompressorvorrichtung betrieben wird, auf eine Richtung festgelegt.
Ein Verbindungskanal 510 ist zum Verbinden der Saugseite der Hauptkompressorvorrichtung 35 und einer Einlassseite der Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110B (einer Saugseite beim Betrieb als Unterkompressorvorrichtung) vorgesehen, und ein EIN/AUS-Ventil 511 ist in dem Verbindungskanal 510 zum Öffnen oder Schließen des Verbindungskanals 510 vorgesehen.
Gemäß dem achten Ausführungsbeispiel wird der alleinige Betriebsmodus des Hauptkühlbetriebs in einer solchen Weise durchgeführt, dass der Verbindungskanal 510 durch das EIN/AUS-Ventil 511 geschlossen wird, der Betrieb der Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 gestoppt wird, und die Hauptkompressorvorrichtung 35 durch den Motor 10 angetrieben wird. Das durch die Hauptkompressorvorrichtung 35 komprimierte Kältemittel wird in dem Kühlkreis zirkuliert, wie durch Pfeile der durchgezogenen Linie in 27 angegeben.
Der alleinige Betriebsmodus des Clausius-Rankine-Kreisbetriebs wird in einer solchen Weise durchgeführt, dass der Verbindungskanal 510 durch das EIN/AUS-Ventil 511 geschlossen wird, die Hauptkompressorvorrichtung 35 von dem Motor 10 durch Unterbrechen der elektromagnetischen Kupplung 35c getrennt wird, und die Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110B als Expansionsvorrichtung betrieben wird. Das durch die Heizvorrichtung 43 geheizte Kältemittel wird durch die Flüssigkeitspumpe 130a im Clausius-Rankine-Kreis zirkuliert, wie durch Pfeile der gestrichelten Linie in 28 angezeigt.
Der Doppelbetriebsmodus des Hauptkühl- & Clausius-Rankine-Kreisbetriebs wird in einer solchen Weise durchgeführt, dass der Verbindungskanal 510 durch das EIN/AUS-Ventil 511 geschlossen wird, die Hauptkompressorvorrichtung 35 mit dem Motor 10 verbunden und durch ihn angetrieben wird, und die Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110B als Expansionsvorrichtung betrieben wird. Dann wird das durch die Hauptkompressorvorrichtung 35 komprimierte Kältemittel im Kühlkreis zirkuliert, wie durch Pfeile der durchgezogenen Linie in 29 angezeigt, während das durch die Heizvorrichtung 43 geheizte Kältemittel durch die Flüssigkeitspumpe 130a im Clausius-Rankine-Kreis zirkuliert wird, wie durch Pfeile der gestrichelten Linie in 29 angezeigt.
Der Hilfsbetriebsmodus für den Hauptkühlbetrieb wird in einer solchen Weise durchgeführt, dass der Verbindungskanal 510 durch das EIN/AUS-Venti 511 geöffnet wird, die Hauptkompressorvorrichtung 35 mit dem Motor 10 verbunden und durch ihn angetrieben wird, und der Motor/Generator 120 als Elektromotor betrieben wird, sodass die Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110B als Unterkompressorvorrichtung betrieben wird. Dann wird das durch die Hauptkompressorvorrichtung 35 komprimierte Kältemittel im Kühlkreis zirkuliert, wie durch Pfeile der durchgezogenen Linie in 30 angezeigt, während das durch die Unterkompressorvorrichtung 110B komprimierte Kältemittel zirkuliert wird, wie durch Pfeile der strichpunktierten Linie in 30 angezeigt.
Der alleinige Betriebsmodus des Unterkühlungsbetriebs wird in einer solchen Weise durchgeführt, dass der Verbindungskanal 510 durch das EIN/AUS-Ventil 511 geöffnet wird, die Hauptkompressorvorrichtung 35 von dem Motor 10 getrennt wird (oder mit dem Motor 10 verbunden wird, aber der Betrieb der Hauptkompressorvorrichtung 35 gestoppt wird), und der Motor/Generator 120 als Elektromotor betrieben wird, sodass die Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110B als Unterkompressorvorrichtung betrieben wird. Dann wird das durch die Hauptkompressorvorrichtung 110 komprimierte Kältemittel zirkuliert, wie durch Pfeile der strichpunktierten Linie in 31 angezeigt.
Wie oben erläutert, können die fünf verschiedenen Betriebsmodi gemäß dem achten Ausführungsbeispiel mit einem einfachen Aufbau des Verbindungskanals durchgeführt werden.
Die für die ersten bis fünften Ausführungsbeispiele erläuterten Fluidmaschinen 100 und 100A bis 100D können in ähnlicher Weise als Fluidmaschine für das siebte und das achte Ausführungsbeispiel verwendet werden.
Eine Fluidmaschine des Drehtyps, des Kolbentyps, des Schiebertyps oder irgendeines anderen Typs kann ebenfalls als Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 oder unabhängig als Kompressorvorrichtung und Expansionsvorrichtung benutzt werden.
Eine Kraftmaschine mit äußerer Verbrennung kann anstelle des Verbrennungsmotors 10 als eine Wärmeerzeugungseinrichtung benutzt werden.
(Neuntes Ausführungsbeispiel)
Ein neuntes Ausführungsbeispiel ist in 32 bis 36 dargestellt.
Eine Konstruktion eines Systems für die in 32 dieses neunten Ausführungsbeispiels gezeigten Kühlkreise ist ähnlich der des in 2 dargestellten ersten Ausführungsbeispiels, wohingegen eine Konstruktion einer Fluidmaschine 100F ähnlich der in 18 gezeigten Fluidmaschine 100D (dem fünften Ausführungsbeispiel) ist. Deshalb werden nachfolgend nur solche Teile erläutert, die sich von dem ersten Ausführungsbeispiel (2) und dem fünften Ausführungsbeispiel (18) unterscheiden.
Die Kältemittelpumpe 130 ist gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel integral in der Fluidmaschine 100 ausgebildet. Gemäß dem neunten Ausführungsbeispiel ist die Flüssigkeitspumpe 130a (entsprechend der Kältemittelpumpe 130) separat von der Fluidmaschine 100F in dem ersten Bypasskanal 41 vorgesehen.
Die Fluidmaschine 100F weist, wie in 33 dargestellt, die Expansions/ Kompressor-Vorrichtung 110, den Motor/Generator 120 und die Riemenscheibenvorrichtung 35a (die der Riemenscheibenvorrichtung 35a von 4 entspricht und die Riemenscheibe 35b und die elektromagnetische Kupplung 35c aufweist) auf. Die Riemenscheibenvorrichtung 35a ist mit dem Motor 10 über den V-Riemen verbunden, sodass die Fluidmaschine 100F mit dem Motor 10 verbunden ist.
Wie in 32 und 34 dargestellt, weist die elektronische Steuereinheit 400 die Steuerung 12 und eine Haupt-ECU 401 auf, und elektronische Signale werden zwischen der Steuerung 12 und der Haupt-ECU 401 kommuniziert. Eingegeben in die Haupt-ECU 401 werden ein Klimabefehlssignal, welches basierend auf einer durch einen Fahrzeug-Fahrgast eingestellten Einstelltemperatur und Umgebungsbedingungen, usw. entschieden wird, und ein durch den Temperatursensor 15 erfasstes Temperatursignal. Betriebe des Dreiwegeventils 21, der Flüssigkeitspumpe 130a, der Ventilvorrichtung 117 (des elektromagnetischen Ventils 117h) der Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110, der elektromagnetischen Kupplung 35c und dergleichen werden basierend auf den oben genannten eingegebenen Signalen gesteuert.
Wie in 34 dargestellt, weist die Steuerung 12 einen Betriebssteuerabschnitt 410 und einen Schaltabschnitt 420 auf, wobei der Betriebssteuerabschnitt 410 mit der Haupt-ECU 401 verbunden ist und der Schaltabschnitt 420 mit der Batterie 13 und dem Motor/Generator 120 (den jeweiligen Wicklungen der U-Phase, der V-Phase und der W-Phase des Stators 122) verbunden ist.
Der Betriebssteuerabschnitt 410 steuert Schaltvorgänge (EIN oder AUS) der jeweiligen (sechs) Schaltvorrichtungen 420a bis 420f des Schaltabschnitts 420 entsprechend einem Befehlssignal von der Haupt-ECU 401, sodass die Drehzahl des Motor/Generators 120 durch Steuern der elektrischen Energie (des elektrischen Stroms und/oder der elektrischen Spannung) am Motor/Generator 120 gesteuert wird. Der Betriebssteuerabschnitt 410 gibt Signale bezüglich des elektrischen Stroms, der elektrischen Spannung und/oder der Drehzahl an die Haupt-ECU 401 aus, wenn der Motor/Generator 120 in Betrieb ist.
Es wird eine Funktionsweise des neunten Ausführungsbeispiels erläutert. Wenn der Kühlbetrieb durch den Fahrzeug-Fahrgast gefordert wird, wird die Kompressorvorrichtung 110 mit dem Motor 10 über die Riemenscheibenvorrichtung 35a verbunden, sodass die Kompressorvorrichtung 110 durch den Motor 10 angetrieben wird. Falls der Motorbetrieb vorübergehend gestoppt wird, wird dem Motor/Generator 120 die elektrische Energie zugeführt, um die Drehkraft zu erzeugen, sodass die Kompressorvorrichtung 110 durch den Motor/Generator 120 angetrieben wird.
Wenn der Betrieb der Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 als Kompressorvorrichtung gestartet wird, wird das komprimierte Kältemittel in dem Kühlkreis 30 zirkuliert, um den Kühlbetrieb durchzuführen.
Wenn die Kompressorvorrichtung 110 durch die Antriebskraft vom Motor 10 angetrieben wird, wird der Motor/Generator 120 ebenfalls durch die Motorantriebskraft angetrieben, um die elektrische Energie zu erzeugen, welche in die Batterie 13 geladen wird.
Im obigen Kühlbetrieb wird der Betrieb der Flüssigkeitspumpe 130a gestoppt, das EIN/AUS-Ventil 44 wird geöffnet, das Dreiwegeventil 21 wird zur Stellung des Heißwasserbypassmodus geschaltet, in welchem das heiße Wasser aus dem Motor 10 an einem Strömen in die Heizvorrichtung 43 gehindert wird. Das elektromagnetische Ventil 117h wird geschlossen, um die Einlassöffnung 116 zu schließen.
Falls der Kühlbetrieb nicht erforderlich ist und es eine ausreichende Abwärme vom Motor 10 gibt, zum Beispiel die durch den Temperatursensor 15 erfasste Temperatur höher als ein vorbestimmter Wert ist, wird die Fluidmaschine 100F vom Kompressor 110 getrennt oder der Betrieb der Fluidmaschine 100F als Kompressorvorrichtung 110 durch die Drehung des Motor/Generators 120 gestoppt.
Das EIN/AUS-Ventil 44 wird geöffnet, und das Dreiwegeventil 21 wird zur anderen Stellung geschaltet, sodass das heiße Wasser aus dem Motor 10 in die Heizvorrichtung 43 strömen kann.
Der Betrieb der Flüssigkeitspumpe 140 wird gestartet, um den Druck des von der Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 32 zur Heizvorrichtung 43 zuzuführenden Kältemittels zu erhöhen. Zu diesem Zeitpunkt befindet sich die Einlassöffnung 116 noch durch den Ventilkörper 117d in ihrer geschlossenen Stellung, und das Kältemittel strömt nicht von der Hochdruckkammer 114 in die Arbeitskammer. Demgemäß wird der Druck des Kältemittels durch den Betrieb der Flüssigkeitspumpe 130a schnell erhöht.
Der Motor/Generator 120 wird als Elektromotor betrieben, um in der Richtung entgegen dem Kompressionsmodus zu drehen, um die bewegbare Spirale 113 anzutreiben, um ihre Drehung zu beginnen. Die Drehzahl der bewegbaren Spirale 113 wird durch die Antriebskraft des Motor/Generators 120 auf eine vorbestimmte Geschwindigkeit erhöht. Dann wird das elektromagnetische Ventil 117h geöffnet, um die Einlassöffnung 116 zu öffnen, sodass die Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 beginnt, als Expansionsvorrichtung zu arbeiten.
Wenn ein stabiler Betrieb des Clausius-Rankine-Kreises 40 erreicht wird, wird die bewegbare Spirale 113 durch die Expansion des überhitzten Kältemittels gedreht, um die Drehkraft auszugeben. Der Motor/Generator 120 wird dann durch die an der Expansionsvorrichtung 110 erhaltene Drehkraft gedreht, um die elektrische Energie zu erzeugen, welche in die Batterie 13 geladen wird.
Die Drehgeschwindigkeit der Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 (der bewegbaren Spirale 113) wird in Abhängigkeit von der Temperatur des heißen Motorkühlwassers gesteuert, sodass die maximale elektrische Energie während des Betriebs des Clausius-Rankine-Kreises 40 erzielt werden kann. Die Temperatur des durch die Heizvorrichtung 43 strömenden Kältemittels wird durch die Temperatur des heißen Wassers entschieden. Der Druck des Kältemittels kann durch Erhöhen der Drehzahl des Motors/Generators 120 und dadurch Erhöhen der Expansionsgeschwindigkeit des Kältemittels verringert werden, während der Kältemitteldruck durch Verkleinern der Drehzahl des Motors/Generators 120 und dadurch Vermindern der Expansionsgeschwindigkeit vergrößert werden kann. Demgemäß wird die effektive Expansionsarbeit an der Expansionsvorrichtung 110 erzielt, und ein Betriebsgleichgewicht des Clausius-Rankine-Kreises 40 wird beibehalten, sodass das Kältemittel mit einem bestimmten Überhitzungsgrad nach seiner Expansion dem Kondensator 31 zugeleitet wird. Wie oben erläutert, kann die höhere elektrische Energie erzielt werden.
Gemäß dem neunten Ausführungsbeispiel wird der Betrieb des Clausius-Rankine-Kreises 40 zwangsweise gestoppt, wenn der Betrieb des Motor/Generators 120 als Ergebnis, dass der Betrieb des Motor/Generators 120 während des Betriebs des Clausius-Rankine-Kreises 40 aus seinem normalen Betrieb ausschert, unkontrollierbar wird. Dieser Betrieb wird weiter unter Bezugnahme auf ein Flussdiagramm von 35 und ein Zeitdiagramm von 36A bis 36D erläutert.
In einem Schritt S100 wird der Betrieb des Clausius-Rankine-Kreises 40 gestartet und eine normale Steuerung für den Betrieb des Motor/Generators 120 wird in einem Schritt S110 ausgeführt. In einem Schritt S120 bestimmt die elektronische Steuereinheit 400, ob der Betrieb des Motor/Generators 120 in seinem normalen Zustand ist oder nicht, d. h. ob der Betrieb des Motor/Generators 120 von seinem normalen Betrieb abweicht.
Die Bestimmung, ob der Betrieb des Motor/Generators 120 normal ist oder nicht, wird basierend auf Stromsignalen ausgeführt. Das heißt, die elektronische Steuereinheit 400 bestimmt, dass der Betrieb des Motor/Generators 120 in seinem normalen Zustand ist, wenn der elektrische Strom des Motor/Generators 120 während seines Betriebs innerhalb eines vorbestimmten Soll-Strombereichs (ein in 36A gezeigter Ausschreitungs-Bestimmungsbereich) liegt. Andererseits wird bestimmt, dass der Betrieb des Motor/Generators 120 in einem anormalen Zustand ist, wenn der Strom außerhalb des Soll-Strombereichs liegt. Falls die Bestimmung in Schritt S120 N ist, d. h. wenn der Betrieb des Motor/Generators 120 in seinem normalen Zustand ist, geht der Prozess weiter zu Schritt S110, um die normale Steuerung für den Betrieb des Motor/Generators 120 fortzusetzen. Falls die Bestimmung in Schritt S120 Y ist, d. h. wenn der Betrieb ungewöhnlich ist, geht der Prozess zu einem Schritt S130, um den Betrieb der Flüssigkeitspumpe 130a zu stoppen.
In Schritt S130 wird der Betrieb der Flüssigkeitspumpe 130a sofort gestoppt, wie in 36B dargestellt. In einem Schritt S140 werden alle Schaltvorrichtungen 420a bis 420f des Schaltabschnitts 420 zuerst ausgeschaltet, und dann werden die drei Schaltvorrichtungen 420d bis 420f, die auf einer Masseseite der Batterie 13 liegen, eingeschaltet, wie in 36A angegeben. In einem Schritt S150 wird das elektromagnetische Ventil 117h der Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 geschlossen, um die Einlassöffnung 116 durch den Ventilkörper 117d zu schließen, wie in 36C angezeigt.
Wie oben erläutert, wird die Zirkulation des Kältemittels im Clausius-Rankine-Kreis wegen des Abschaltens des Flüssigkeitspumpe 130a gestoppt, sodass die Zufuhr des Kältemittels zur Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 verringert wird. Die drei Schaltvorrichtungen 420d bis 420f auf der Masseseite werden eingeschaltet, um geschlossene Kreise für die jeweiligen Wicklungen U, V und W zu bilden, sodass der Strom durch die geschlossenen Kreise fließen kann. Als Ergebnis wird eine elektrische Bremskraft am Motor/Generator 120 erzeugt, um die Drehung des Motor/Generators 120 schnell zu stoppen, wie in 36D angezeigt. Dann wird die Einlassöffnung 116 durch den Ventilkörper 117d geschlossen, um das Einströmen des Kältemittels in die Expansionsvorrichtung 110 vollständig zu stoppen, wie in 36C angezeigt.
Wie oben erläutert, kann der Betrieb der Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 und des Motor/Generators 120 sicher gestoppt werden, wenn der Betrieb der Steuerung für den Motor/Generator 120 aus seinem normalen Betrieb abweicht und der Betrieb für den Motor/Generator 120 unkontrollierbar wird.
Das heißt, als Ergebnis des Verhinderns einer Beschleunigung der Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 kann eine mögliche Beschädigung der Fluidmaschine vermieden werden, welche auftreten könnte, wenn die Drehzahl der Fluidmaschine ein vorbestimmtes Toleranzniveau überschreitet. Weiter kann die Erzeugung von Geräuschen unterdrückt werden, welche zwischen der bewegbaren und der festen Spirale erzeugt werden könnten, wenn der Eigendrehverhinderungsmechanismus 119 nicht gut arbeitet. Außerdem wird die Erzeugung einer extrem hohen Spannung, welche zugehörige elektrische Vorrichtungen zerstören kann, verhindert. Da die elektrische Bremskraft zum schnellen Stoppen der Drehung der Fluidmaschine verwendet wird, werden die Kosten für die Fluidmaschine im Vergleich zu einer solchen Fluidmaschine, in welche eine mechanische Bremsvorrichtung eingesetzt wird, niedriger.
Signale für die elektrische Spannung oder die Drehzahl der Fluidmaschine können in Schritt S120 anstelle des elektrischen Stroms zum Zweck des Bestimmens, ob der Betrieb des Motor/Generators 120 in seinem normalen Betriebszustand ist, verwendet werden.
Die Schritte S130 bis S150 werden zum Stoppen des Betriebs des Clausius-Rankine-Kreises 40 ausgeführt, wenn der ungewöhnliche Zustand aufgetreten ist. Jedoch kann auch nur einer der Schritte S130 (Stoppen der Flüssigkeitspumpe 130a), S140 (Ausschalten aller Schaltvorrichtungen und dann Einschalten der Vorrichtungen 420d bis 420f) und S150 (Schließen der Einlassöffnung durch den Ventilkörper) zum Stoppen des Betriebs des Clausius-Rankine-Kreises 40 ausgeführt werden.
Als eine Modifikation der Fluidmaschine für das neunte Ausführungsbeispiel kann die elektromagnetische Kupplung 35c von der Fluidmaschine 100F entfernt werden, wie in 37 dargestellt. Gemäß einem solchen Aufbau (der Fluidmaschine 100G) wird die Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 immer durch den Motor/Generator 120 angetrieben, wenn sie als Kompressorvorrichtung in Betrieb ist.
Die für die ersten bis fünften Ausführungsbeispiele erläuterten Fluidmaschinen 100 und 100A bis 100D können als die Fluidmaschine für das neunte Ausführungsbeispiel verwendet werden.
38 und 39 zeigen eine weitere Modifikation des neunten Ausführungsbeispiels, bei welchem eine elektrische Bremsschaltung für den Motor/Generator 120 modifiziert ist.
Gemäß der Modifikation, wie sie in 38 gezeigt ist, ist eine elektrische Bremsschaltung 125 mit einem elektrischen Widerstand 125a und einer Schaltvorrichtung 125b zwischen zwei Wicklungen U und V des Stators 122 vorgesehen, um operativ einen geschlossenen Kreis durch die Wicklungen U und V, den Widerstand 125a und die Schaltvorrichtung 125b zu bilden.
Wie in 39 dargestellt, wird, wenn der ungewöhnliche Betriebszustand des Motor/Generators 120 in Schritt S120 erfasst wird, die Schaltvorrichtung 125b in einem Schritt S141 geschlossen, nachdem der Betrieb der Flüssigkeitspumpe 130a gestoppt ist.
Als Ergebnis fließt der elektrische Strom durch den geschlossenen Kreis der Wicklungen U und V und den elektrischen Widerstand 125a, um die elektrische Bremskraft für den Motor/Generator 120 zu erzeugen.
Der Schritt S150 kann gegebenenfalls aus dem in 39 gezeigten Prozess beseitigt werden.
(Zehntes Ausführungsbeispiel)
Die Erfindung des obigen neunten Ausführungsbeispiels kann auf eine weitere Form der Systemkonstruktion angewendet werden.
Ein zehntes Ausführungsbeispiel ist in 40 und 41 gezeigt, wobei eine Konstruktion eines Systems für die in 40 gezeigten Kühlkreise im Wesentlichen gleich jener des in 2 gezeigten ersten Ausführungsbeispiels ist, und die für die ersten bis fünften Ausführungsbeispiele erläuterten Fluidmaschinen 100 und 100A bis 100D können als Fluidmaschinen für das System von 40 verwendet werden. Auf die detaillierte Erläuterung wird deshalb verzichtet.
Der Aufbau der elektronischen Steuereinheit 400, insbesondere der Steuerung 12 von 14 ist identisch zu dem in 34 gezeigten.
Gemäß dem Flussdiagramm von 41 werden, wenn der ungewöhnliche Betriebszustand des Motor/Generators 120 in Schritt S120 erfasst wird, die Schaltvorrichtungen (420a bis 420f) in der gleichen Weise wie im neunten Ausführungsbeispiel gesteuert, um den Betrieb des Motor/Generators 120 schnell zu stoppen. In diesem Ausführungsbeispiel wird auf den Schritt (S130) zum Abschalten der Flüssigkeitspumpe 130a verzichtet.
(Elftes Ausführungsbeispiel)
Ein elftes Ausführungsbeispiel ist in 42 und 43 dargestellt.
Ein Aufbau eines Systems für die in 42 gezeigten Kühlkreises dieses elften Ausführungsbeispiels ist ähnlich jenem des in 4 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiels, wohingegen ein Aufbau einer Fluidmaschine 100H ähnlich der in 1 dargestellten Fluidmaschine 100 ist. Deshalb werden nur solche Teile nachfolgend erläutert, die sich von dem ersten Ausführungsbeispiel (1) und dem zweiten Ausführungsbeispiel (4) unterscheiden.
Gemäß dem elften Ausführungsbeispiel wird die Fluidmaschine 100A ausschließlich als Expansionsvorrichtung benutzt, wohingegen die Hauptkompressorvorrichtung 35 in der gleichen Weise wie bei dem in 4 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel ausschließlich als Kompressorvorrichtung benutzt wird.
Obwohl die detaillierte Konstruktion der Fluidmaschine 100H nicht gezeigt ist, ist ihr Grundaufbau ähnlich dem der in 1 dargestellten Fluidmaschine 100. Da jedoch die Fluidmaschine 100A ausschließlich als Expansionsvorrichtung benutzt wird, sind einige Modifikationen an der Fluidmaschine 100 von 1 vorgenommen. Zum Beispiel sind die Ausgabeöffnung 115 und das Ausgabeventil 117a von der Fluidmaschine 100 von 1 weggelassen, während die Einlassöffnung 116 und die Einlassöffnungsventilvorrichtung 117 (der Ventilkörper 117d, die Gegendruckkammer 117e, das elektromagnetische Ventil 117h, usw.) so ausgebildet sind, wie sie in 1 dargestellt sind, sodass die Einlassöffnung 116 geöffnet und/oder geschlossen wird, wenn der Clausius-Rankine-Kreis in Betrieb ist.
Der Aufbau des Systems für die in 42 gezeigten Kühlkreise ist durch Modifizieren des Aufbaus von 4 so gebildet, dass die Fluidmaschine 100h ausschließlich als Expansionsvorrichtung betrieben werden kann. Insbesondere ist ein Expansionsvorrichtungsbypasskanal 36 zum Verbinden einer Hochdruckseite mit einer Niederdruckseite der Expansionsvorrichtung 100H vorgesehen, und ein EIN/AUS-Ventil 36a ist in dem Expansionsvorrichtungsbypasskanal 36 zum Öffnen oder Schließen des Kanals 36 vorgesehen. Der Betrieb des EIN/AUS-Ventil 36a wird durch die elektronische Steuereinheit 400 gesteuert.
Die elektronische Steuereinheit 400 weist in der gleichen Weise wie in 32 und 34 die Haupt-ECU 401 und die Steuerung 12 auf, und die elektronischen Signale werden zwischen der Steuerung 12 und der Haupt-ECU 401 kommuniziert. Eingegeben in die Haupt-ECU 401 werden ein Klimabefehlssignal, welches basierend auf einer durch einen Fahrzeug-Fahrgast eingestellten Einstelltemperatur und Umgebungsbedingungen und dergleichen entschieden wird, und ein durch den Temperatursensor 15 erfasstes Temperatursignal. Funktionen des EIN/AUS-Ventils 36a, der Ventilvorrichtung 117 (des elektromagnetischen Ventils 117h) der Expansionsvorrichtung 110H, der elektromagnetischen Kupplung 35c und dergleichen werden basierend auf den oben genannten eingegebenen Signalen gesteuert.
Die Steuerung 12 steuert die elektrische Energie (die elektrische Spannung und/oder den elektrischen Strom) des Motor/Generators 120 entsprechend einem Befehlssignal von der Haupt-ECU 401, sodass die Drehzahl des Motor/Generators 120 gesteuert wird. Die Steuerung 12 gibt Signale betreffend den elektrischen Strom, die elektrische Spannung und/oder die Drehzahl an die Haupt-ECU 401 aus, während der Motor/Generator 120 in Betrieb ist. Die Steuerung 12 arbeitet auch als eine Vorrichtung zur Erfassung eines ungewöhnlichen Zustandes, welche einen ungewöhnlichen Betriebszustand des Motor/Generators 120 erfasst.
Wenn der ungewöhnliche Betriebszustand durch die Steuerung 12 erfasst wird, während der Clausius-Rankine-Kreis 40 in Betrieb ist, wird der Betrieb des Clausius-Rankine-Kreises 40 entsprechend dem Prozess des in 43 gezeigten Flussdiagramms gestoppt.
Insbesondere bestimmt die Steuerung 12 in einem Schritt S200A, ob es den ungewöhnlichen Betriebszustand als Ergebnis, dass der Betrieb des Motor/Generators 120 von seinem normalen Betrieb abweicht, gibt. In Schritt S200A wird die Bestimmung basierend auf der Drehzahl des Motors/Generators 120 ausgeführt. Die Steuerung 12 bestimmt, dass der Motor/Generator 120 im normalen Zustand arbeitet, wenn die Drehzahl innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt, während sie den ungewöhnlichen Zustand bestimmt, wenn die Drehzahl außerhalb des vorbestimmten Geschwindigkeitsbereichs liegt.
Falls die Steuerung 12 in Schritt S200A bestimmt, dass es den ungewöhnlichen Betriebszustand gibt, geht der Prozess weiter zu einem Schritt S210, in welchem eine Funktion zum Abschalten der Expansionsvorrichtung 110H und des Motor/Generators 120 ausgeführt wird.
Das heißt, das EIN/AUS-Ventil 36a wird in Schritt S210 geöffnet. Das elektromagnetische Ventil 117h wird in einem Schritt S220 geschlossen, um die Einlassöffnung 116 durch den Ventilkörper 117d zu schließen.
Als Ergebnis stehen die Hochdruckseite und die Niederdruckseite der Expansionsvorrichtung 110H durch das EIN/AUS-Ventil 36a miteinander in Verbindung, und das überhitzte Kältemittel aus der Heizvorrichtung 43 wird an einem Strömen in die Expansionsvorrichtung 110H gehindert. Dann sind die Drücke der Hochdruckseite und der Niederdruckseite ausgeglichen, und die Antriebsenergie (Kraft) für die Expansionsvorrichtung 110H ist davon entfernt. Das Einströmen des Kältemittels in die Expansionsvorrichtung 110H wird durch Schließen der Einlassöffnung 116 durch den Ventilkörper 117d vollständig gestoppt.
Wie oben erläutert, wird die beschleunigte Drehung der Expansionsvorrichtung 110H verhindert, und der Betrieb der Expansionsvorrichtung 110H sowie des Motor/Generators 120 kann sicher gestoppt werden, wenn der Betrieb der Steuerung für den Motor/Generator 120 von seinem normalen Betrieb abweicht und der Betrieb für den Motor/Generator 120 unkontrollierbar wird.
Im obigen Ausführungsbeispiel wird die Drehzahl des Motor/Generators 120 als Information zum Bestimmen des ungewöhnlichen Betriebszustandes davon in Schritt S200A benutzt. Jedoch können auch die Signale bezüglich der elektrischen Spannung und/oder des elektrischen Stroms als Informationen für die Bestimmung verwendet werden.
Außerdem können die Signale bezüglich des Drucks und/oder der Temperatur des Kältemittels im Clausius-Rankine-Kreis 40 als Information für die Bestimmung verwendet werden. In diesem Fall sind ein Drucksensor und/oder ein Temperatursensor zum Erfassen des Drucks und/oder der Temperatur des Kältemittels im Clausius-Rankine-Kreis 40 an geeigneten Stellen vorgesehen, und die Bestimmung wird ausgeführt, ob der erfasste Druck und/oder die erfasste Temperatur innerhalb eines vorbestimmten Druck- oder Temperaturbereichs liegen.
Außerdem können der Expansionsvorrichtungsbypasskanal 36 und das EIN/AUS-Ventil 36a durch den Pumpenbypasskanal und ein weiteres EIN/AUS-Ventil ersetzt werden, wobei der Pumpenbypasskanal eine Hochdruckseite der Kältemittelpumpe 130 mit einer Niederdruckseite davon verbindet, wenn das weitere EIN/AUS-Ventil geöffnet ist. Gemäß einer solchen modifizierten Anordnung des Pumpenbypasskanals wird die Zirkulation des Kältemittels (der Druckanstieg des Kältemittels) gestoppt, um schließlich den Betrieb der Expansionsvorrichtung 110H zu stoppen. Weiter kann der obige Pumpenbypasskanal zusätzlich zu dem Expansionsvorrichtungsbypasskanal 36 vorgesehen sein. Weiter kann der Bypasskanal an irgendwelchen anderen Positionen vorgesehen sein, sodass die Zirkulation des Kältemittels für den Clausius-Rankine-Kreis 40 im Wesentlichen gestoppt wird oder der Betrieb des Clausius-Rankine-Kreises 40 im Wesentlichen verhindert wird, zum Beispiel an solchen Positionen, an denen das Kältemittel an der Heizvorrichtung 43 oder dem Kondensator 31 vorbei strömt.
Ferner ist die Ventilvorrichtung 117 im obigen Ausführungsbeispiel an der Einlassseite der Expansionsvorrichtung 110H vorgesehen. Jedoch kann eine Ventilvorrichtung zum Stoppen des Stroms des Kältemittels im Clausius-Rankine-Kreis 40 an irgendwelchen anderen Positionen, zum Beispiel an einer Einlassseite der Kältemittelpumpe 130 vorgesehen sein.
Außerdem kann einer der Schritte S210 und S220 in 43 aus dem Prozess zum Stoppen des Betriebs des Clausius-Rankine-Kreises 40 weggelassen werden.
(Modifikation des elften Ausführungsbeispiels)
Eine weitere Modifikation des elften Ausführungsbeispiels wird unter Bezugnahme auf 44 erläutert.
Gemäß der Modifikation bestimmt die Steuerung 12 weiter einen ungewöhnlichen Betrieb beim Betrieb des Clausius-Rankine-Kreises 40 basierend auf dem Steuersignal von der Steuerung zum Motor/Generator 120.
Insbesondere ist die Steuerung 12 so konstruiert, dass sie die Steuerung des Motor/Generators 120 stoppt, falls ein Überstrom in der Steuerung 12 fließt (oder eine Überspannung an der Steuerung 12 anliegt oder eine Temperatur der Steuerung 12 höher als ein vorbestimmtes Toleranzniveau wird), zum Beispiel als Ergebnis, dass ein bestimmter ungewöhnlicher Zustand im Motor/Generator 120 erzeugt worden ist. Dies dient dem Schutz der Steuerung 12 selbst. Die elektronische Steuereinheit 400 erfasst eine solche Situation, in welcher die Steuerung 12 die Steuerung des Motor/Generators 120 zum Schutz desselben in einem Schritt S200B in 44 stoppt. Wenn eine solche Situation erfasst wird, geht der Prozess zu den Schritten S210 und S220, um das EIN/AUS-Ventil 36a zu öffnen und die Einlassöffnung 116 durch den Ventilkörper 117d zu schließen, in der gleichen Weise bei dem Prozess von 43.
Gemäß der obigen Modifikation kann der Betrieb der Expansionsvorrichtung 110H sowie des Motor/Generators 120 selbst in einem solchen ungewöhnlichen Zustand, in dem die Steuerung 12 die Steuerung für den Motor/Generator 120 stoppt, schnell gestoppt werden.
(Modifikation des elften Ausführungsbeispiels)
Eine weitere Modifikation des elften Ausführungsbeispiels wird Bezug nehmend auf 45 und 46 erläutert.
In den obigen neunten bis elften Ausführungsbeispielen wird der Betrieb des Clausius-Rankine-Kreises 40 sowie des Motor/Generators 120 gestartet, wenn die bestimmte Bedingung erfüllt ist, wenn zum Beispiel ausreichend Abwärme existiert, wohingegen der Betrieb des Clausius-Rankine-Kreises 40 sowie des Motor/Generators 120 gestoppt wird, wenn irgendein ungewöhnlicher Zustand aufgetreten ist. Gemäß der Modifikation ist ein Handschalter 500 vorgesehen, wie in 45 dargestellt, sodass der Betrieb des Clausius-Rankine-Kreises 40 sowie des Motor/Generators 120 durch Absicht (einen Schaltvorgang) des Fahrzeug-Fahrgasts gestartet oder gestoppt werden kann. Wie in 45 dargestellt, wird ein Signal des Handschalters 500 in die elektronische Steuereinheit 400 eingegeben.
Wie in 46 dargestellt, geht, wenn die elektronische Steuereinheit 400 in Schritt S200C bestimmt, dass es ein Befehlssignal zum Stoppen des Betriebs des Clausius-Rankine-Kreises gibt, der Prozess zu den Schritten S210 und S220, um in der gleichen Weise wie bei dem Prozess von 43 das EIN/AUS-Ventil 36a zu öffnen und die Einlassöffnung 116 durch den Ventilkörper 117d zu schliefen. Der Betrieb des Clausius-Rankine-Kreises 40 sowie des Motor/Generators 120 kann demgemäß schnell gestoppt werden.
Falls das Fahrzeug zusätzlich zu dem Clausius-Rankine-Kreis mit anderen Stromerzeugungsvorrichtungen, wie beispielsweise dem Wechselstromgenerator, einem Stromgenerator zum Sammeln von Energie aus einer Geschwindigkeitsreduzierung und dergleichen versehen ist und die Erzeugung der elektrischen Energie vollständig durch ein Gesamtenergieerzeugungssystem gesteuert wird, wird Schritt S200C durch einen solchen Schritt ersetzt, in dem die elektronische Steuereinheit bestimmt, ob es ein Befehlssignal zum Stoppen des Betriebs des Clausius-Rankine-Kreises 40 von dem Gesamtenergieerzeugungssystem gibt.
In einem Stromerzeugungsgerät mit mehreren Stromerzeugungsvorrichtungen wird die geeignetste Stromerzeugungsvorrichtung für den Betrieb ausgewählt, sodass die elektrische Energie am effektivsten erzeugt werden kann. In einer solchen Vorrichtung muss das Schalten des Betriebs von einer Stromerzeugungsvorrichtung zur anderen Erzeugungsvorrichtung schnell erfolgen. Demgemäß ist es notwendig, den Betrieb des Clausius-Rankine-Kreises schnell zu stoppen, wenn der Betrieb für die Stromerzeugung von der Stromerzeugung durch den Clausius-Rankine-Kreis zur Stromerzeugung durch den Stromgenerator zum Sammeln von Energie aus einer Geschwindigkeitsreduzierung geschaltet wird.
(Modifikation des elften Ausführungsbeispiels)
Eine weitere Modifikation des elften Ausführungsbeispiels wird Bezug nehmend auf 47 erläutert.
In dem Clausius-Rankine-Kreis 40, wie er zum Beispiel in 45 dargestellt ist, wird, wenn ein Zündschalter (nicht dargestellt) ausgeschaltet wird, der Betrieb der elektronischen Steuereinheit 400 sowie des Motor/Generators 120 gestoppt. Ein normalerweise geöffnetes elektromagnetisches Ventils wird üblicherweise für das in dem Bypasskanal 36 vorgesehene EIN/AUS-Ventil 36a verwendet, sodass das EIN/AUS-Ventil 36a geöffnet wird, wenn die Zufuhr des elektrischen Stroms zum Ventil 36a unterbrochen wird. Ein normalerweise geschlossenes elektromagnetisches Ventil wird üblicherweise für die Ventilvorrichtung 117 verwendet, sodass die Ventilvorrichtung 117 geschlossen wird, wenn die Zufuhr des elektrischen Stroms zur Ventilvorrichtung 117 unterbrochen wird.
Mit einer solchen Anordnung wird der Betrieb der Expansionsvorrichtung 110H durch den Restdruck des Kältemittels an der stromaufwärtigen Seite der Expansionsvorrichtung 110H fortgesetzt, selbst wenn der Zündschalter ausgeschaltet wird. Zusätzlich kann der Betrieb (die Drehung) der Expansionsvorrichtung 110H sogar beschleunigt werden, weil die Last des Motor/Generators 120 nicht an der Expansionsvorrichtung 110H anliegt, da der Motor/Generator 120 abgeschaltet worden ist.
Gemäß der Modifikation des elften Ausführungsbeispiels wird deshalb, wenn das Ausschalten des Zündschalters in einem Schritt S200D in 47 erfasst wird, das EIN/AUS-Ventil 36a des Bypasskanals 36 geöffnet (in Schritt S210) und die Ventilvorrichtung 117 in Schritt S220 geschlossen (die Einlassöffnung 116 wird durch den Ventilkörper 117d geschlossen), sodass der Betrieb der Expansionsvorrichtung 110H schnell und sicher gestoppt wird.
In den obigen Ausführungsbeispielen wird der Stromgenerator (der Motor/Generator) 120 als ein Generator ohne Phasensensor erläutert. Jedoch kann ein Drehpositionssensor an dem Generator zum Erfassen einer Drehstellung eines Rotors bezüglich eines Stators davon zum Steuern eines Betriebs des Generators vorgesehen sein.
Eine mechanische Bremsvorrichtung kann an dem Motor/Generator 120 anstelle des elektrischen Bremsbetriebs vorgesehen werden, sodass der Betrieb des Motor/Generators 120 schnell gestoppt werden kann.
Die Erfindung der obigen Ausführungsbeispiele kann weiter auf eine solche Abwärmenutzungsvorrichtung angewendet werden, bei welcher der Kühlkreis und der Clausius-Rankine-Kreis unabhängig vorgesehen sind und der Motor/Generator 120 separat von der Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 vorgesehen ist.
Der Expansionsvorrichtungsbypasskanal 36 kann durch einen Bypasskanal ersetzt werden, der zwischen einer stromaufwärtigen Seite und einer stromabwärtigen Seite der Heizvorrichtung 34 verbunden ist, sodass das Kältemittel die Heizvorrichtung 34 umgehen kann, wenn ein in dem Bypasskanal vorgesehenes EIN/AUS-Ventil geöffnet wird. Als Ergebnis wird ein Heizen des in die Expansionsvorrichtung strömenden Kältemittels verhindert, und dadurch kann der Betrieb des Clausius-Rankine-Kreises (der Expansionsvorrichtung 110H) gestoppt werden.
Wie oben erläutert, wurden verschiedene Verfahren zum Steuern der Kühlvorrichtung, insbesondere verschiedene Verfahren zum Stoppen des Betriebs des Clausius-Rankine-Kreises und der Expansionsvorrichtung in den neunten bis elften Ausführungsbeispielen erläutert.

Claims

Abwärmenutzungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor, mit einem Clausius-Rankine-Kreis (40) mit einer Pumpe (130a) zum Zirkulieren eines Arbeitsfluids und einer Expansionsvorrichtung (110) zum Erzeugen einer Antriebskraft durch Expandieren des Arbeitsfluids, welches mittels Abwärme von dem Verbrennungsmotor (10) geheizt wird; einem Stromgenerator (120), der durch die an der Expansionsvorrichtung (110) erzeugte Antriebskraft angetrieben werden soll, zum Erzeugen elektrischer Energie; und einer Steuereinheit (400) zum Steuern von Funktionen des Clausius-Rankine-Kreises (40) und des Stromgenerators (120), wobei die Steuereinheit (400) den Betrieb der Pumpe (130a) stoppt, wenn ein Steuersignal für den Stromgenerator (120) aus einem Sollbereich herausfällt, der Stromgenerator (120) einen bürstenlosen Generator mit mehreren Statorwicklungen (U, V, W) aufweist, die Steuereinheit (400) einen Schaltabschnitt (420) mit mehreren Paaren von elektrischen Schaltvorrichtungen (420a–420f) aufweist, wobei jedes Paar eine batterieseitige Schaltvorrichtung (420a–420c) und eine masseseitige Schaltvorrichtung (420d–420f) aufweist, der Betrieb des Stromgenerators (120) durch Einschalten und Ausschalten dieser elektrischen Schaltvorrichtungen (420a–420f) gesteuert wird, wobei die Steuereinheit (400) die masseseitige Schaltvorrichtung (420d–420f) einschaltet, um geschlossene Schaltungen für die jeweiligen Statorwicklungen (U, V, W) zu bilden, nachdem der Betrieb der Pumpe (130a) gestoppt ist, um den Betrieb der Expansionsvorrichtung (110) zu stoppen.
Abwärmenutzungsvorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher das Steuersignal ein elektrischer Strom von dem Stromgenerator (120) ist.
Abwärmenutzungsvorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher das Steuersignal eine elektrische Spannung von dem Stromgenerator (120) ist.
Abwärmenutzungsvorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher das Steuersignal eine Drehzahl des Stromgenerators (120) ist.
Abwärmenutzungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, weiter mit einer Ventilvorrichtung (117, 300), zum Öffnen und Schließen eines Fluidkanals für das Arbeitsfluid, das in die Expansionsvorrichtung (110) zugeführt werden soll, wobei die Steuereinheit (400) die Ventilvorrichtung (117, 300) zum Schließen des Fluidkanals steuert, nachdem der Betrieb der Pumpe (130a) gestoppt ist, um den Betrieb der Expansionsvorrichtung (110) zu stoppen.
Abwärmenutzungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welcher eine Ventilvorrichtung (117, 300) zum Öffnen und Schließen eines Fluidkanals für das Arbeitsfluid, das in die Expansionsvorrichtung (110) zugeführt werden soll, vorgesehen ist, wobei die Steuereinheit (400), nachdem der Betrieb der Pumpe (130a) gestoppt ist, die Ventilvorrichtung (117, 300) zum Schließen des Fluidkanals steuert.
Abwärmenutzungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor, mit einem Clausius-Rankine-Kreis (40) mit einer Pumpe (130a) zum Zirkulieren eines Arbeitsfluids und einer Expansionsvorrichtung (110) zum Erzeugen einer Antriebskraft durch Expandieren des Arbeitsfluids, welches mittels Abwärme von dem Verbrennungsmotor (10) geheizt wird; einem Stromgenerator (120), der durch die an der Expansionsvorrichtung (110) erzeugte Antriebskraft angetrieben werden soll, zum Erzeugen elektrischer Energie; und einer Steuereinheit (400) zum Steuern von Funktionen des Clausius-Rankine-Kreises (40) und des Stromgenerators (120), wobei die Steuereinheit (400) den Betrieb der Pumpe (130a) stoppt, wenn ein Steuersignal für den Stromgenerator (120) aus einem Sollbereich herausfällt, der Stromgenerator (120) einen bürstenlosen Generator mit mehreren Statorwicklungen (U, V, W) verschiedener Phasen aufweist, die Steuereinheit (400) einen Schaltabschnitt (420) mit mehreren Paaren von elektrischen Schaltvorrichtungen (420a–420f) aufweist, wobei jedes Paar eine batterieseitige Schaltvorrichtung (420a–420c) und eine masseseitige Schaltvorrichtung (420d–420f) aufweist, der Betrieb des Stromgenerators (120) durch Einschalten und Ausschalten dieser elektrischen Schaltvorrichtungen (420a–420f) gesteuert wird, die Steuereinheit (400) weiter eine elektrische Bremsschaltung (125) mit einem elektrischen Widerstand (125a) und einem Schaltelement (125b) aufweist, wobei die elektrische Bremsschaltung (125) mit wenigstens einer der Statorwicklungen (U, V, W) verbunden ist, um eine geschlossene Schaltung zu bilden, wenn das Schaltelement (125b) geschlossen wird, und die Steuereinheit (400) das Schaltelement (125b) schließt, nachdem der Betrieb der Pumpe (130a) gestoppt ist, um den Betrieb der Expansionsvorrichtung (110) zu stoppen.
Abwärmenutzungsvorrichtung nach Anspruch 7, bei welcher eine Ventilvorrichtung (117, 300) zum Öffnen und Schließen eines Fluidkanals für das Arbeitsfluid, das in die Expansionsvorrichtung (110) zugeführt werden soll, vorgesehen ist, und wobei die Steuereinheit (400), nachdem der Betrieb der Pumpe (130a) gestoppt ist, die Ventilvorrichtung (117, 300) zum Schließen des Fluidkanals steuert.