Die
vorliegende Erfindung ist in Anbetracht der obigen Probleme gemacht.
Und es ist deshalb eines Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
Fluidpumpe mit einer Expansionsvorrichtung sowie ein Clausius-Rankine-Kreissystem
mit einer solchen Fluidpumpe vorzusehen, bei denen ein hoher Wirkungsgrad
des Clausius-Rankine-Kreises realisiert werden kann.
Es
ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Fluidpumpe
mit einer Expansionsvorrichtung und ein Clausius-Rankine-Kreissystem
mit einer solchen Fluidpumpe vorzusehen, in denen die Wärme des
Arbeitsfluids an einer Auslassseite der Expansionsvorrichtung (nach
der Expansion) auf das Arbeitsfluid an einer Auslassseite der Fluidpumpe übertragen
werden kann.
Es
ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Fluidpumpe
mit einer Expansionsvorrichtung sowie ein Clausius-Rankine-Kreissystem
mit einer solchen Fluidpumpe vorzusehen, in denen eine Wärmeübertragung
von dem Arbeitsfluid an eine Auslassseite der Expansionsvorrichtung
auf das Arbeitsfluid an einer Einlassseite der Fluidpumpe unterdrückt werden
kann.
Es
ist eine noch weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Fluidpumpe
mit einer Expansionsvorrichtung sowie ein Clausius-Rankine-Kreissystem
mit einer solchen Fluidpumpe vorzusehen, in denen die an einem Stromgenerator
erzeugte Wärme
auf das Arbeitsfluid an einer Auslassseite der Fluidpumpe übertragen
werden kann.
Es
ist eine noch weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Fluidpumpe
mit einer Expansionsvorrichtung sowie ein Clausius-Rankine-Kreissystem
mit einer solchen Fluidpumpe vorzusehen, die sehr zuverlässig sind.
Gemäß einem
Merkmal der vorliegenden Erfindung hat eine Fluidmaschine eine Pumpe
(130) zum Unter-Druck-Setzen und Auspumpen eines Flüssigphasen-Arbeitsfluids
und eine mit der Pumpe in Reihe verbundene Expansionsvorrichtung
(110) zum Erzeugen einer Antriebskraft durch Expansion des
Arbeitsfluids, welches geheizt wird, um zu einem Gasphasen-Arbeitsfluid
zu werden. In der obigen Fluidmaschine ist ein Abschnitt eines in
der Fluidmaschine (100) ausgebildeten auslassseitigen Kanals (131b),
durch den das Arbeitsfluid aus der Expansionsvorrichtung (110)
strömt,
angrenzend an einen Abschnitt eines in der Fluidmaschine (100)
ausgebildeten pumpenauslassseitigen Kanals (131d) angeordnet,
durch den das Arbeitsfluid aus der Pumpe (130) strömt, sodass
eine Wärme
des Arbeitsfluids in dem auslassseitigen Kanal (131b) auf
das Arbeitsfluid in dem pumpenauslassseitigem Kanal (131d) übertragen
wird.
Gemäß dem obigen
Merkmal der vorliegenden Erfindung kann die Wärme des Kältemittels, das expandiert
worden ist und durch den auslassseitigen Kanal (131b) strömt, auf
das in dem pumpenauslassseitigen Kanal (131d) strömende Kältemittel übertragen
werden. Dies deshalb, weil der auslassseitige Kanal (131b)
und der pumpenauslassseitige Kanal (131d) angrenzend aneinander
angeordnet sind. Dies resultiert darin, dass ein Überhitzungsmaß des Kältemittels
an der Einlassseite der Expansions/Kompressor-Vorrichtung (110)
erhöht
werden kann und das Arbeitsvolumen an der Expansions/Kompressor-Vorrichtung
(110) dadurch erhöht wird.
Als Ergebnis bringt die komplexe Fluidmaschine (100) einen
hohen Wirkungsgrad in dem Clausius-Rankine-Kreis (40) hervor.
Gemäß einem
weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung hat eine Fluidmaschine
eine Expansions/Kompressor-Vorrichtung (110) zum Komprimieren
eines Arbeitsfluids und Auspumpen des komprimierten Arbeitsfluids,
wenn die Expansions/Kompressor-Vorrichtung (110) als eine
Kompressorvorrichtung arbeitet, während die Expansions/Kompressor-Vorrichtung
(110) eine Drehantriebskraft durch Expandieren des Arbeitsfluids
erzeugt, wenn die Expansions/Kompressor-Vorrichtung (110)
als Expansionsvorrichtung betrieben wird. Die Fluidmaschine besitzt
ferner eine Pumpe (130) zum Zirkulieren der Arbeitsfluids,
um dieses in die Expansionsvorrichtung (110) zu leiten,
und einen Motor/Generator (120) mit einer Funktion eines
Elektromotors und einer Funktion eines Stromgenerators.
Die
Fluidmaschine weist ferner auf: ein Gehäuse (111a, 111, 121, 131, 132)
zum Aufnehmen der Expansions/Kompressor-Vorrichtung (110),
des Motor/Generators (120) und der Pumpe (130)
darin; eine Trennwand (131e) zum Aufteilen eines durch das
Gehäuse
definierten Raums in einen ersten Raum für die Expansions/Kompressor-Vorrichtung (110)
und den Motor/Generator (120) und einen zweiten Raum für die Pumpe
(130); eine an dem Gehäuse (131)
vorgesehene und mit einem Innern des ersten Raums in Verbindung
stehende Niederdrucköffnung (131a);
einen in dem ersten Raum ausgebildeten auslassseitigen Kanal (131b),
durch den das Arbeitsfluid aus der Expansionsvorrichtung (110)
zur Niederdrucköffnung
(131a) strömt;
eine an dem Gehäuse 131 vorgesehene
und mit einem Innern des zweiten Raums in Verbindung stehende Auslassöffnung (131c);
und einen in dem zweiten Raum ausgebildeten pumpenauslassseitigen
Kanal (131d), durch den das Arbeitsfluid aus der Pumpe
(130) zur Auslassöffnung
(131c) strömt.
In
der obigen Fluidmaschine sind der auslassseitige Kanal 131b und
der pumpenauslassseitige Kanal (131d) jeweils auf einer
Seite der Trennwand (131e) ausgebildet, sodass die Wärme des
Arbeitsfluids in dem auslassseitigen Kanal (131b) über die
Trennwand (131e) auf das Arbeitsfluid in dem pumpenauslassseitigen
Kanal (131d) übertragen wird,
wenn die Expansions/Kompressor-Vorrichtung (110) als Expansionsvorrichtung
(110) beschrieben wird.
Gemäß einem
weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung ist der auslassseitige
Kanal (131b) auf einer Seite der Trennwand (131e)
in einer Kreisform geformt, und der pumpenauslassseitige Kanal (131d)
ist in einer Kreisform auf der anderen Seite der Trennwand (131e)
geformt.
Gemäß einem
noch weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung sind Rippen (131f)
in der Trennwand (131e) ausgebildet und in dem ersten Raum
angeordnet, und die Rippen (131f) sind in einer Kreisform
geformt.
Gemäß einem
noch weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung weist das Gehäuse mehrere Gehäuseteile
(111a, 111, 121, 131, 132)
auf, und ein Endgehäuseteil
(132) und ein Pumpengehäuseteil (131)
bilden ein Pumpengehäuse
zum Definieren des zweiten Raums darin zusammen mit der Trennwand (131e).
Eine Einlassöffnung
(132c) ist in dem Endgehäuseteil (132) ausgebildet,
durch welche das Arbeitsfluid in die Pumpe (130) gesaugt
wird, während die
Auslassöffnung
(131c) in dem Pumpengehäuseteil
(131) ausgebildet ist. Ein Wärmeisolationselement (160)
ist zwischen dem Endgehäuseteil
(132) und dem Pumpengehäuseteil
(131) vorgesehen, sodass eine Wärmeübertragung von dem durch den pumpenauslassseitigen
Kanal (131d) strömenden Arbeitsfluid
auf das durch die Einlassöffnung
(132c) strömende
Arbeitsfluid unterdrückt
wird.
Obige
sowie weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme
auf die beiliegenden Zeichnungen besser verständlich. Darin zeigen:
1 eine
schematische Darstellung eines Kühlsystems
gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
2 eine
schematische Querschnittsansicht einer komplexen Fluidmaschine gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel:
3 eine
schematische Querschnittsansicht einer komplexen Fluidmaschine gemäß einem zweiten
Ausführungsbeispiel;
4 eine
schematische Querschnittsansicht entlang einer Linie IV-IV in 3;
5 eine
schematische Querschnittsansicht einer komplexen Fluidmaschine gemäß einem dritten
Ausführungsbeispiel;
6 eine
schematische Querschnittsansicht einer komplexen Fluidmaschine gemäß einem vierten
Ausführungsbeispiel;
und
7 eine
schematische Querschnittsansicht einer Variante der komplexen Fluidmaschine gemäß dem vierten
Ausführungsbeispiel.
(Erstes Ausführungsbeispiel)
Gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
ist eine Fluidpumpe mit einer Expansionsvorrichtung auf eine komplexe
Fluidmaschine 100 angewendet, in welcher eine Kältemittelpumpe,
die Expansionsvorrichtung, eine elektrische Drehvorrichtung (ein
Elektromotor und ein Stromgenerator) sowie eine Kompressorvorrichtung
integral in einer Fluidmaschine ausgebildet sind. Und die komplexe
Fluidmaschine 100 ist auf eine Kühlvorrichtung für ein Kraftfahrzeug angewendet,
das einen Kühlkreis 30 und
einen Clausius-Rankine-Kreis 40 hat.
Insbesondere
sind eine Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110, ein Motor/Generator 120 und
eine Kältemittelpumpe 130 integral
in der komplexen Fluidmaschine 100 ausgebildet. Die Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 (die
Kompressorvorrichtung im Kompressionsmodus) ist 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
zunächst
unter Bezugnahme auf 1 erläutert.
Der
Kühlkreis 30 überträgt die Wärme von
einer Niedertemperaturseite zu einer Hochtemperaturseite und nutzt
seine Kälte
und seine Hitze für
einen Klimabetrieb. Der Kühlkreis 30 weist
die Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110, einen Kondensator 130,
eine Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 32, eine
Druckverminderungsvorrichtung 33, einen Verdampfapparat 34,
usw. auf, wobei diese Komponenten in einem Kreislauf verbunden sind.
Der
Kondensator 31 ist ein Wärmetauscher, der im Fall des
Kompressionsmodus an einer Kältemittelausgabeseite
der Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 angeschlossen
ist und dem Abkühlen des
Hochdruck- und Hochtemperatur-Kältemittels dient,
um das Kältemittel
zu kondensieren (zu verflüssigen).
Ein Kondensatorlüfter 31a bläst Kühlluft (Außenluft)
zum Kondensator 31.
Die
Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 32 ist ein
Auffanggefäß zum Trennen
des an dem Kondensator 31 kondensierten Kältemittels
in ein Gasphasen-Kältemittel
und ein Flüssigphasen-Kältemittel, um
das Flüssigphasen-Kältemittel
auszugeben. Die Druckverminderungsvorrichtung 33 ist ein
temperaturabhängiges
Expansionsventil zur Druckverminderung und Expansion des an der
Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 32 getrennten
Flüssigphasen-Kältemittels,
wobei ein Öffnungsgrad
des Ventils so gesteuert wird, dass das Kältemittel in einer isenthalpischen
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 geregelt 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) abzukühlen, welche
durch den Verdampfapparat durch einen Gebläselüfter 34a geblasen
wird. 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 benutzt.
Ein erster Bypasskanal 41 ist zwischen der Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 32 und
einer Verbindungsstelle A vorgesehen, welche ein Zwischenpunkt zwischen dem
Kondensator 31 und der Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 ist,
wobei der erste Bypasskanal 41 den Kondensator 31 umgeht.
Ein zweiter 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. Eine
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
(heißes
Wasser) eines Motorkühlkreises 20 (Heißwasserkreis)
des Motors 10. Ein Dreiwegeventil 21 ist in den
Heißwasserkreis 20 vorgesehen. Ein
Heizvorrichtungs-Bypasskanal 21a ist zwischen dem Dreiwegeventil 21 und
dem Motor 10 vorgesehen. Das Dreiwegeventil 21 schaltet
von einem Heißwasserumlaufmodus
zu einem Heißwassernichtumlaufmodus
(einem Heißwasserbypassmodus)
und umgekehrt, sodass das heiße
Wasser von dem Motor 10 so geregelt wird, dass es der Heizvorrichtung 43 zugeführt wird
oder nicht. 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 einen Umrichter 12 in eine Batterie 13 geladen
wird.
Eine
Wasserpumpe 22, welche zum Beispiel eine durch den Motor 10 angetriebene
mechanische Pumpe oder eine durch einen Elektromotor angetriebene
elektrische 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
EIN/AUS-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.
Es
wird nun ein Aufbau der komplexen Fluidmaschine 100 unter
Bezug auf 2 erläutert. Wie oben beschrieben,
weist die komplexe Fluidmaschine 100 die Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 mit
Funktionen sowohl der Kompressorvorrichtung als auch der Expansionsvorrichtung,
den Motor/Generator 120 mit Funktionen sowohl des Stromgenerators
als auch des Elektromotors, und die Kältemittelpumpe 130 auf.
Die
Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 hat die gleiche Konstruktion
wie ein wohlbekannter Spiralkompressor und weist ein Gehäuse 111 für die Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 auf, das
aus einer festen Spirale 112 besteht, die zwischen einem
vorderen Gehäuse 111a und
einem Wellengehäuse 111b vorgesehen
ist. Die Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 weist weiter
eine bewegbare Spirale 113, die der festen Spirale 112 zugewandt
ist und relativ zu ihr gedreht wird, eine Ausgabeöffnung 115 zum
Verbinden einer Arbeitskammer V mit einer Hochdruckkammer 114,
eine Einlassöffnung 116 und
eine Ventilvorrichtung 117 zum Öffnen und Schließen der
Einlassöffnung
auf.
Die
feste Spirale 112 hat eine Basisplatte 112a und
eine Spiralwindung 112b, die sich von der Basisplatte 112a zur
bewegbaren Spirale 113 erstreckt, während die bewegbare Spirale 113 eine
Spiralwindung 113b, die mit der Spiralwindung 112b in Kontakt
ist und in Eingriff steht, und eine Basisplatte 113a, an
der die Spiralwindung 113b ausgebildet ist, aufweist. Die
Arbeitskammer V wird zwischen der festen Spirale 112 und
der bewegbaren Spirale 113 gebildet, deren Spiralwindungen 112b und 113b miteinander
wirkverbunden sind. Das Volumen der Arbeitskammer V wird verändert (erweitert
oder verringert), wenn die bewegbare Spirale 113 relativ
zur festen Spirale gedreht wird (sich um die feste Spirale bewegt).
Eine
Welle 118 ist eine Kurbelwelle, die durch ein an dem Wellengehäuse 111b befestigtes Lager 118b drehbar
gehalten ist und die an ihrem einen axialen Ende einen Kurbelabschnitt 118a besitzt, wobei
der Kurbelabschnitt 118a bezüglich einer Drehmitte der Welle 118 exzentrisch
ist. Der Kurbelabschnitt 118a ist mit der bewegbaren Spirale 113 über ein
Lager 113c verbunden.
Ein
Eigendrehverhinderungsmechanismus 119 ist zwischen der
bewegbaren Spirale 113 und dem Wellengehäuse 111b vorgesehen,
sodass sich die bewegbare Spirale 113 eine Umdrehung um
den Kurbelabschnitt 118a dreht, wenn die Welle 118 eine Umdrehung
gedreht wird. Das heißt,
die bewegbare Spirale 113 wird an einer Drehung um ihre
Achse gehindert, aber sie wird um die Drehmitte der Welle 118 gedreht
(eine Umlaufbewegung). Das Volumen der Arbeitskammer V wird kleiner,
wenn die Arbeitskammer von dem Außenabschnitt der bewegbaren
Spirale 113 zu ihrer Mitte bewegt wird, wenn die Welle 118 in
einer Vorwärtsrichtung
gedreht wird. Dagegen 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 Rückwärtsrichtung
gedreht wird.
Die
Ausgabeöffnung 115 ist
an einem Mittelabschnitt der Basisplatte 112a ausgebildet,
sodass die Arbeitskammer V, die zu einem minimalen Volumen geworden
ist, wenn die Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 als
die 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
analog in der Basisplatte 112a (angrenzend an die Ausgabeöffnung 115)
ausgebildet, um die Hochdruckkammer 114 mit der Arbeitskammer
V zu verbinden, die zu ihrem minimalen Volumen geworden ist, wenn
die Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 als die Expansionsvorrichtung
betrieben wird (nachfolgend als ein Expansionsmodus bezeichnet),
sodass das in die Hochdruckkammer 114 zugeführte Hochdruck-
und Hochtemperatur-Kältemittel
(d.h. überhitztes
Dampfkältemittel
= Gasphasen-Arbeitsfluid)
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 der Heizvorrichtung 43 und dem Kondensator 31 zu verbindende
Hochdrucköffnung 111c ist
an der Hochdruckkammer 114 ausgebildet.
Eine
Niederdrucköffnung 131a,
die mit dem Verdampfapparat 34 und dem zweiten Bypasskanal 42 verbunden
ist, ist in einem Pumpengehäuse 131 für die Kältemittelpumpe 130 ausgebildet.
Die Niederdrucköffnung 131a steht
mit einer Niederdruckseite (einem Außenumfangsabschnitt) der festen
und der bewegbaren Spirale 112 und 113 der Expansions/Kompressor-Vorrichtung 110 durch
eine in dem Wellengehäuse 111b ausgebildete
Verbindungsöffnung 111d und
weitere in einem Motorgehäuse 121 ausgebildete
Verbindungsöffnungen 121a in
Verbindung, wobei diese Verbindungsöffnungen 111d und 121a einen
Teil eines auslassseitigen Kanals 131b für die Expansionsvorrichtung
bilden. Mit anderen Worten steht der auslassseitige Kanal 131b mit
der Niederdrucköffnung 131a durch
das Innere des Motor/Generators 120 in Verbindung. Eine
detailliertere Erläuterung
folgt zusammen mit einem pumpenauslassseitigen Kanal 131d für die Kältemittelpumpe 130.
Die
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 in den Expansionsmodus
und umgekehrt durch Öffnen
oder Schließen
der Einlassöffnung 116.
Ein hinterer Abschnitt des Ventilkörpers 117d ist verschiebbar
in eine in dem vorderen Gehäuse 111a ausgebildete Gegendruckkammer 117e eingesetzt.
Eine Feder 117f (eine Vorspannungseinrichtung) ist im Innern der
Gegendruckkammer 117e zum Vorspannen des Ventilkörpers 117d in
eine Ventilschließrichtung, d.h. in
eine Richtung, in welcher ein vorderer Abschnitt des Ventilkörpers 117d die
Einlassöffnung 116 schließt, angeordnet.
Eine Öffnung 117g ist
in dem vorderen Gehäuse 111a an
einem die Gegendruckkammer 117e mit der Hochdruckkammer 114 verbindenden
Durchgang ausgebildet, wobei die Öffnung 117g einen
bestimmten Strömungswiderstand
besitzt.
Das
elektromagnetische Ventil 117h ist ein Steuerventil zum
Steuern des Drucks in der Gegendruckkammer 117e durch Steuern
eines Verbindungszustandes zwischen der Niederdruckseite (der Niederdrucköffnung 131a)
und der Gegendruckkammer 117e. Das Steuerventil 117h wird
durch eine elektronische Steuereinheit (nicht dargestellt) betätigt.
Wenn
das elektromagnetische Ventil 117h geöffnet ist, wird der Druck in
der Gegendruckkammer 117e verringert, um niedriger als
jener in der Hochdruckkammer 114 zu werden. Der Ventilkörper 117d wird
nach rechts in 2 bewegt, wodurch die Feder 117f komprimiert
wird, um die Einlassöffnung 116 zu öffnen. Der
Druckverlust an der Öffnung 117g ist
extrem hoch, und dadurch ist die Strömungsmenge des Kältemittels
von der Hochdruckkammer 114 in die Gegendruckkammer 117e vernachlässigbar klein.
Wenn
das elektromagnetische Ventil 117h geschlossen ist, wird
der Druck in der Gegendruckkammer 117e durch die Öffnung 117g gleich
dem der Hochdruckkammer 114. Dann wird der Ventilkörper 117d durch
die Federkraft der Feder 117f nach links in 2 bewegt,
um die Einlassöffnung 116 zu schließen. Wie
oben erläutert,
bilden der Ventilkörper 117d,
die Gegendruckkammer 117e, die Feder 117f, die Öffnung 117g und
das elektromagnetische Ventil 117h ein elektrisches Schaltventil
eines Servotyps, um die Einlassöffnung 116 zu öffnen und
zu schließen.
Der
Motor/Generator 120 weist einen Stator 122 und
einen im Innern des Stators 122 drehenden Rotor 123 auf
und ist in dem am Wellengehäuse 111b befestigten
Motorgehäuse 121 (im
Niederdruckraum der Fluidmaschine 100) aufgenommen. Der
Stator 122 ist eine mit elektrischen Drähten gewickelte Statorspule
und ist an einer Innenumfangsfläche
des Motorgehäuses 121 befestigt.
Der Rotor 123 ist ein Magnetrotor, in dem Permanentmagnete
vorgesehen sind, und ist an einer Motor welle 124 befestigt.
Ein Ende der Motorwelle 124 ist mit der Welle 118 der
Expansions/Kompressor-Vorrichtung (110) verbunden, und
das andere Ende ist in einen Abschnitt kleinen Durchmessers ausgebildet,
der mit einer Pumpenwelle 134 für die Kältemittelpumpe 130 wirkverbunden
ist, wie unten beschrieben.
Der
Motor/Generator 120 wird als ein Motor (Elektromotor) zum
Antreiben der Expansions/Kompressor-Vorrichtung (110) (als
Kompressorvorrichtung arbeitend) betrieben, wenn dem Stator 120 von der
Batterie 13 durch den Umrichter 12 Strom zugeführt und
dadurch der Rotor 123 (in der Vorwärtsrichtung) gedreht wird.
Der Motor/Generator 120 wird auch als Motor (Elektromotor)
zum Antreiben der Kältemittelpumpe 130 betrieben,
wenn der Rotor 123 (in der Gegenrichtung) gedreht wird,
wie unten beschrieben. Der Motor/Generator 120 wird ferner
als Generator (Stromgenerator) zum Erzeugen von Strom betrieben,
wenn ein Drehmoment zum Drehen des Rotors 123 (in der Gegenrichtung)
durch eine durch die Expansions/Kompressor-Vorrichtung (110)
in ihrem Expansionsmodus erzeugte Antriebskraft eingegeben wird.
Der so erhaltene Strom wird durch den Umrichter 12 in die
Batterie 13 geladen.
Die
Kältemittelpumpe 130 ist
an einer zum Motor/Generator 120 angrenzenden Position
und auf der abgewandten Seite der Expansions/Kompressor-Vorrichtung
(110) angeordnet und in dem am Motorgehäuse 121 befestigten
Pumpengehäuse 131 aufgenommen.
Ein
Wandabschnitt (eine Trennwand) 131e des Pumpengehäuses 131 teilt
einen durch ein Gehäuse
der Fluidmaschine 100 definierten Raum in einen ersten
Raum für
die Expansions/Kompressor-Vorrichtung (110) und den Motor/Generator 120 und
einen zweiten Raum für
die Kältemittelpumpe 130.
Wie in der Zeichnung dargestellt, ist das Gehäuse der Fluidmaschine 100 durch
das vordere Gehäuse 111a,
den Außenumfangsabschnitt
der festen Spirale 112, das Gehäuse 111 für die Expansions/Kompressor-Vorrichtung
(110), das Motorgehäuse 121, das
Pumpengehäuse 131 und
einen Teil einer festen Spirale 132 (der nachfolgend beschrieben
wird) gebildet.
Die
Kältemittelpumpe 130 weist
in der gleichen Weise wie die Expansions/Kompressor-Vorrichtung
(110) die feste Spirale 132 mit einer Basisplatte 132a und
einer Spiralwindung 132b und eine bewegbare Spirale 133 mit
einer Basisplatte 133a und einer Spiralwindung 133b auf.
Die feste Spirale 132 ist an dem Pumpengehäuse 131 befestigt,
um einen Endabschnitt für
die Kältemittelpumpe 130 zu
bilden, wohingegen die bewegbare Spirale 133 in dem durch das
Pumpengehäuse 131 und
die feste Spirale 132 definierten zweiten Raum angeordnet
ist. Die bewegbare Spirale 133 dreht sich in einer Umlaufbewegung,
und eine Eigendrehung um ihre Achse wird durch einen Eigendrehverhinderungsmechanismus 135 verhindert.
Eine
Einlassöffnung 132c,
die mit der Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 32 verbunden
ist, ist an einem Mittelabschnitt der festen Spirale 132 ausgebildet.
Ein pumpeneinlassseitiger Kanal 132d (eine Arbeitskammer
P) ist zwischen den Spiralwindungen 132b, 133b der
festen und der bewegbaren Spirale 132 und 133 gebildet,
während
ein pumpenauslassseitiger Kanal 131d einer Kreisform zwischen einer
Innenumfangsfläche
des Pumpengehäuses 131 und
einer Außenumfangsfläche der
bewegbaren Spirale 133 gebildet ist. Eine Auslassöffnung 131c ist in
dem Pumpengehäuse 131 ausgebildet,
die sich in einer Richtung entgegengesetzt zu jener der Niederdrucköffnung 131a nach
außen
erstreckt. Die Einlassöffnung 132c,
der pumpeneinlassseitige Kanal 132d, der pumpenauslassseitige
Kanal 131d und die Auslassöffnung 131c stehen
in dieser Reihenfolge in Verbindung, und die Auslassöffnung 131c ist
mit der Heizvorrichtung 43 verbunden.
Die
Pumpenwelle 134 ist durch ein an dem Pumpengehäuse 131 befestigtes
Lager 134c drehbar gehalten und hat an ihrem einen axialen
Ende einen Kurbelabschnitt 134a, wobei der Kurbelabschnitt 134a bezüglich einer
Drehmitte der Pumpenwelle 134 exzentrisch ist. Der Kurbelabschnitt 134a ist
mit der bewegbaren Spirale 133 über eine Buchse 134b und
ein Lager 133c verbunden. Das andere axiale Ende der Pumpenwelle 134 ist
mit einem Lochabschnitt 134d ausgebildet, in den der Abschnitt
kleinen Durchmessers der Motorwelle 124 eingesetzt ist. Eine
Einwegekupplung 140 ist zwischen der Motorwelle 124 und
der Pumpenwelle 134 vorgesehen. Die Einwegekupplung 140 wird
von der Pumpenwelle 134 ausgekoppelt, wenn die Motorwelle 124 in
der Vorwärtsrichtung
gedreht wird, um die Pumpenwelle 134 von der Motorwelle 124 zu
trennen (um die Pumpenwelle 134 nicht zu drehen). Wenn
dagegen die Motorwelle 124 in der Gegenrichtung gedreht
wird, wird die Motorwelle 124 mit der Pumpenwelle 134 in Eingriff
gebracht, um diese zu drehen.
Ein
Wellendichtungselement 150 ist zwischen dem Motorgehäuse 121 und
der Pumpenwelle 134 vorgesehen, um den Innenraum des Motor/Generators 120 (den
ersten Raum der Fluidmaschine) von der Kältemittelpumpe 130 (einem
Teil des zweiten Raums der Hochdruckseite, der mit dem pumpenauslassseitigen
Kanal 131c in Verbindung steht) abzudichten.
Gemäß der obigen
komplexen Fluidmaschine 100 ist sie in Anordnungen des
auslassseitigen Kanals 131b für die Expansions/Kompressor-Vorrichtung
(110), den pumpeneinlassseitigen Kanal 132d und
den pumpenauslassseitigen Kanal 131d für die Kältemittelpumpe 130 gekennzeichnet.
Das
heißt,
die Niederdrucköffnung 131a und der
pumpenauslassseitige Kanal 131c sind in dem Pumpengehäuse 131 ausgebildet,
und der pumpenauslassseitige Kanal 131d für die Kältemittelpumpe 130 ist
auf einer Seite angeordnet, die näher zu der Expansions/Kompressor-Vorrichtung
(110) (dem Motor/Generator 120) als der pumpeneinlassseitige
Kanal 132d ist. Demgemäß ist ein
Teil des auslassseitigen Kanals 131b für die Expansionsvorrichtung
(110) angrenzend an einen Abschnitt des pumpenauslassseitigen
Kanals 131d angeordnet und der auslassseitige Kanal 131b für die Expansionsvorrichtung
(110) ist an einer solchen Position angeordnet, die von
dem pumpeneinlassseitige Kanal 132d über den pumpenauslassseitigen
Kanal 131d getrennt ist.
Der
auslassseitige Kanal 131b ist zwischen den Verbindungsöffnungen 121a und
der Niederdrucköffnung 131a entsprechend
dem kreisförmigen pumpenauslassseitigen
Kanal 131d in eine Kreisform geformt. Mehrere Rippen 131f sind
an einem Wandabschnitt 131e des Pumpengehäuses 131 vorgesehen,
sodass die Rippen 131f in die Kreisform geformt und in
dem kreisförmigen
auslassseitigen Kanal 131b angeordnet sind. Der Wandabschnitt 131e trennt
den Raum für
den pumpenauslassseitigen Kanal 131d von dem Raum für den auslassseitigen
Kanal 131b. Die Rippen 131f sind zum Vergrößern der
Oberfläche
des Wandabschnitts 131e vorgesehen.
Ein
Wärmeisolationselement
(eine Dichtung) 160 ist zwischen dem pumpenauslassseitigen
Kanal 131d und dem pumpeneinlassseitigen Kanal 132d, genauer
zwischen dem Pumpengehäuse 131 und der
festen Spirale 132 vorgesehen. Die Dichtung 160 ist
aus Gummi, Kunstharz oder dergleichen mit einer niedrigeren Wärmeleitfähigkeit
als ein die feste Spirale 132 bildendes Metall (z.B. Aluminium)
gemacht.
Eine
Funktionsweise und Vorteile der komplexen Fluidmaschine 100 gemäß dem obigen
Ausführungsbeispiel
werden nun erläutert.
(Kompressionsmodus)
Im
Kompressionsmodus wird der Motor/Generator 120 als Elektromotor
betrieben, wenn ein Kühlbetrieb
durch den Kühlkreis
notwendig ist. Eine Drehkraft wird auf die Motorwelle 124 (in
der Vorwärtsrichtung)
ausgeübt,
um die bewegbare Spirale 113 der Expansions-Kompressorvorrichtung 110 zu drehen,
sodass das Kältemittel
im 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 dem Stator 122 des Motor/Generators 120 wird
von der Batterie 13 durch den Umrichter 12 Strom
zugeführt,
um die Motorwelle 124 zu drehen.
Während dieses
Betriebs saugt die Expansions-Kompressorvorrichtung 110 in
der gleichen Weise wie bei dem wohlbekannten Spiralkompressor das Kältemittel
von der Niederdrucköffnung 131a (durch den
auslassseitigen Kanal 131b) an, komprimiert es in der Arbeitskammer
V, pumpt das komprimierte Kältemittel
von der Ausgabeöffnung 115 in
die Hochdruckkammer 114 aus und gibt das komprimierte Kältemittel
von der Hochdrucköffnung 111c an
den Kondensator 31 aus.
Das
von der Hochdrucköffnung 111c ausgegebene
Kältemittel
wird in dem Kühlkreis 30 durch die
Heizvorrichtung 43, das EIN/AUS-Ventil 44, den Kondensator 31,
die Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 32,
Die Druckverminderungsvorrichtung 33, den Verdampfapparat 34,
das Rückschlagventil 34b,
die Niederdrucköffnung 131a der
Expansions-Kompressorvorrichtung 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 funktioniert
die Heizvorrichtung 43 einfach als ein Teil des Kältemittelkanals.
Da
die Pumpenwelle 134 für
die Kältemittelpumpe 130 von
der Motorwelle 124 wegen der Einwegekupplung 140 entkoppelt
wird, wird die Kältemittelpumpe 130 in
diesem Modus nicht betrieben, d.h. die Kältemittelpumpe 130 wirkt
nicht als Arbeitswiderstand. Das Arbeitsfluid (das Kältemittel)
in der Kältemittelpumpe 130 wird
durch das Niedertemperatur- und Niederdruck-Kältemittel aus der Niederdrucköffnung 131a abgekühlt.
(Expansionsmodus)
Im
Expansionsmodus wird das durch die Heizvorrichtung 43 geheizte
Hochdruck/Überhitzungs-Kältemittel
in die Expansions-Kompressorvorrichtung 110 geleitet, um
das Kältemittel
in der Expansionsvorrichtung 110 zu expandieren, wenn der Kühlbetrieb
durch den Kühlkreis 30 nicht
notwendig ist und wenn eine ausreichende Abwärme von dem Motor 10 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 24 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.
Genauer
wird das EIN/AUS-Ventil 44 durch die Steuereinheit (nicht
dargestellt) geschlossen und das Motorkühlwasser durch das Dreiwegeventil 21 zirkuliert,
um in die Heizvorrichtung 43 zu strömen. Der Motor/Generator 120 wird
als Stromgenerator betrieben (Drehung in der Gegenrichtung), und
das elektromagnetische Ventil 117h wird geöffnet, um
die Einlassöffnung 116 durch
den Ventilkörper 117d zu öffnen.
In
diesem Betrieb wird die Pumpenwelle 134 der Kältemittelpumpe 130 durch
die Einwegekupplung 140 mit der Motorwelle 124 in
Eingriff gebracht, sodass die Kältemittelpumpe
zum Drehen 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 Gegenrichtung 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 seine Drehung als
Stromgenerator. Und der erhaltene Strom wird durch den Umrichter 12 in
die Batterie 13 geladen.
Das
Kältemittel,
dessen Druck als Ergebnis der Expansion gesunken ist, strömt von der
Niederdrucköffnung 131a durch
den auslassseitigen Kanal 131b aus. Das von der Niederdrucköffnung 131a 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
Einlassöffnung 132c,
den pumpeneinlassseitigen Kanal 132d, den pumpenauslassseitigen
Kanal 131d und die Auslassöffnung 131c), die
Heizvorrichtung 43 und die Expansions/Kompressorvorrichtung 110 (die
Hochdrucköffnung 111c)
aufweist. Die Kältemittelpumpe 130 führt das
Flüssigphasen-Kältemittel
aus der Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 32 der
Heizvorrichtung 32 zu, wobei das Kältemittel auf einen solchen
Druck entsprechend der Temperatur des an der Heizvorrichtung 43 erzeugten überhitzten
Dampfkältemittels
unter Druck gesetzt wird.
Bei
der Zirkulation des Kältemittels
wird die Wärme
des durch den auslassseitigen Kanal 131b für die Expansionsvorrichtung 110 strömenden Kältemittels
auf das in dem pumpenauslassseitigen Kanal 131d strömende Kältemittel über die
Rippen 131f und den Wandabschnitt 131e übertragen.
Mit anderen Worten wird die Übertragung
der Wärme
von dem in dem auslassseitigen Kanal 131b strömenden Kältemittel
auf das durch den pumpeneinlassseitigen Kanal 132d strömende Kältemittel
unterdrückt.
Außerdem wird
die Übertragung
der Wärme von
dem in dem pumpenauslassseitigen Kanal 131d strömende Kältemittel
auf das durch den pumpeneinlassseitigen Kanal 132d strömende Kältemittel
durch die Dichtung 160 unterdrückt.
Im
obigen Betrieb des Expansionsmodus, in dem der Kühlbetrieb nicht notwendig ist
und die ausreichende Menge der Abwärme von dem Motor 10 erzielt
werden kann, wird der Motor/Generator 120 als Generator
betrieben, um den Strom zu erzeugen, sodass die Abwärmeenergie
als elektrische Energie gesammelt wird. Bei diesem Betrieb kann
die Antriebskraft zum Antreiben des Wechselstromerzeugers reduziert
werden, sodass der Kraftstoffverbrauch für den Motor 10 verbessert
werden kann. Da ferner die Kältemittelpumpe 130 durch
die Ausgangskraft der Expansionsvorrichtung 110 angetrieben
wird, kann eine Antriebskraft zum ausschließlichen Antreiben der Kältemittelpumpe 130 eliminiert
werden.
In
dem Betrieb des Kompressionsmodus wird der Motor/Generator 120 als
Elektromotor betrieben, ob es die ausreichende Abwärme von
dem Motor 10 gibt oder nicht, sodass die Expansions-Kompressorvorrichtung 110 als
Kompressorvorrichtung betrieben wird. Da die Expansions-Kompressorvorrichtung 110 als
Kompressorvorrichtung betrieben wird, kann die Expansionsvorrichtung
nicht als Widerstand gegen den Betrieb des Motor/Generators 120 wirken.
Die
Wärme des
Kältemittels,
das expandiert worden ist und durch den auslassseitigen Kanal 131b gelangt,
kann auf das in dem pumpenauslassseitigen Kanal 131d strömende Kältemittel übertragen
werden, wie oben beschrieben. Dies deshalb, weil der auslassseitige
Kanal 131b und der pumpenauslassseitige Kanal 131d angrenzend
zueinander angeordnet sind. Dies bedeutet, dass ein Überhitzungsmaß des Kältemittels
auf der Einlassseite (der Seite der Heizvorrichtung 43)
der Expansions/Kompressorvorrichtung 110 erhöht werden
kann, und das Arbeitsvolumen an der Expansions/Kompressorvorrichtung 110 wird
dadurch erhöht.
Als Ergebnis erbringt die komplexe Fluidmaschine 110 einen
hohen Wirkungsgrad in dem Clausius-Rankine-Kreis 40.
Wie
ebenfalls oben erläutert,
wird die Übertragung
der Wärme
von dem im auslassseitigen Kanal 131b strömenden Kältemittel
auf das durch den pumpeneinlass seitigen Kanal 132d strömende Kältemittel
unterdrückt.
Dies resultiert darin, dass das in die Kältemittelpumpe 130 strömende Kältemittel
an einem Sieden gehindert wird und die Volumenleistung erhöht werden
kann.
Die
Kältemittelpumpe 130 ist
als Spiralpumpe ausgebildet, in welcher das Kältemittel in die Pumpe von
ihrem Mittelabschnitt angesaugt und von ihrem Außenumfangsabschnitt ausgepumpt
wird und der pumpenauslassseitige Kanal 131d auf der Seite zur
Expansions/Kompressorvorrichtung 110 angeordnet ist. Demgemäß können der
auslassseitige Kanal 131b und der pumpenauslassseitige
Kanal 131d angrenzend zueinander angeordnet werden.
Der
Teil des auslassseitigen Kanal 131b und der pumpenauslassseitige
Kanal 131d sind in die Kreisform geformt und beide sind
angrenzend zueinander angeordnet. Dies bedeutet, dass jede Länge der
Kanäle 131b und 131d länger gemacht
werden kann und die Menge der Wärmeübertragung
von dem durch den auslassseitigen Kanal 131b strömenden Kältemittel
auf das in dem pumpenauslassseitigen Kanal 131d strömende Kältemittel
erhöht
werden kann.
Ferner
wird, da die Rippen 131f an dem Wandabschnitt 131e (der
den Abschnitt des auslassseitigen Kanals 131b von dem pumpenauslassseitigen
Kanal 131d trennt) vorgesehen sind, die Oberfläche des
Wandabschnitts 131e vergrößert. Dies erhöht auch
das Maß der
Wärmeübertragung
von dem durch den auslassseitigen Kanal 131b strömenden Kältemittel
auf das in dem pumpenauslassseitigen Kanal 131d strömende Kältemittel.
Die Rippen 131b sind in einem Raum vorgesehen, der beinahe
den gesamten Bereich des kreisförmigen
auslassseitigen Kanals 131b abdeckt. Dies erhöht die Wärmeübertragungsmenge
weiter.
Die
Dichtung 160 (als das Wärmeisolationselement)
ist zwischen dem pumpenauslassseitigen Kanal 131d und dem
pumpeneinlassseitigen Kanal 132d vorgesehen. Dies bedeutet,
dass die Wärmeübertragung
von dem in dem auslassseitigen Kanal 131b strömenden Kältemittel
auf das durch den pumpeneinlassseitigen Kanal 132d strömende Kältemittel
unterdrückt
wird und dass ein Sieden des in die Kältemittelpumpe 130 strömenden Kältemittels
dadurch verhindert wird und die Volumenleistung erhöht werden
kann.
Ein
Teil des auslassseitigen Kanals 131b ist im Innenraum des
Motor/Generators 120 ausgebildet, sodass der Motor/Generator 120 durch
das Kältemittel
aus der Expansions/Kompressorvorrichtung 110 abgekühlt werden
kann. Als Ergebnis kann die Zuverlässigkeit des Motor/Generators 120 erhöht werden.
Die Wärme,
die von dem Motor/Generator 120 durch das durch den Motor/Generator 120 strömende Kältemittel
absorbiert wird, kann zusätzlich auf
das durch den pumpenauslassseitigen Kanal 131d strömende Kältemittel übertragen
werden. Dies bedeutet, dass das Überhitzungsmaß des Kältemittels
an der Einlassseite (der Seite der Heizvorrichtung 43)
der Expansions-Kompressorvorrichtung 110 erhöht werden
kann, und das Arbeitsvolumen an der Expansions-Kompressorvorrichtung 110 wird
dadurch erhöht.
Falls
die Temperatur des Kältemittels
an dem pumpeneinlassseitigen Kanal 132d hoch ist (die Temperatur
so hoch ist, dass Gasphasen-Kältemittel enthalten
sein kann), nachdem der Motorbetrieb gestartet worden ist, und die
Kavitation dadurch in der Kältemittelpumpe 130 verursacht
wird, kann der Betrieb des Clausius-Rankine-Kreises 40 nicht ruhig gestartet
werden. In einem solchen Fall wird der Kühlkreis 30 für eine bestimmte
Zeitdauer betrieben, d.h. die Expansions-Kompressorvorrichtung 110 wird
als Kompressorvorrichtung betrieben, sodass das Niedertemperatur-
und Niederdruck-Kältemittel
von der Niederdrucköffnung 131a in
die Kompressorvorrichtung gesaugt wird. Als Ergebnis wird das Kältemittel in
dem pumpeneinlassseitigen Kanal 132d abgekühlt.
Weiter
wird, falls die Temperatur des Kältemittels
an dem pumpeneinlassseitigen Kanal 132d während des
Betriebs des Clausius-Rankine-Kreises 40 hoch wird und
die Kavitation in der Kältemittelpumpe 130 verursacht
werden kann, der Kühlkreis 30 analog
für die
bestimmte Zeitdauer betrieben.
(Zweites Ausführungsbeispiel)
Ein
zweites Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist in 3 und 4 dargestellt. Gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel
ist der Kühlkreis 30 von
der Kühlvorrichtung 1 weggelassen, und
eine Expansionsvorrichtung 110A ist in einer komplexen
Fluidmaschine 100A vorgesehen, in welcher die Expansionsvorrichtung 110A ausschließlich als
die Expansionsvorrichtung betrieben wird. Der Umrichter 12 ist
integral in einem Motor/Generator 120A ausgebildet. Eine
Konstruktion des pumpeneinlassseitigen Kanals 132d ist
modifiziert.
Ein
Gehäuse 121b für den Umrichter 12 ist an
einem Außenumfangsabschnitt
des Motorgehäuses 121 ausgebildet.
Schaltvorrichtungen 12a, die unter den Elementen des Umrichters 12 am
meisten Wärme
erzeugen, sind an einem solchen Abschnitt des Gehäuses 121b angeordnet,
der nahe dem pumpenauslassseitigen Kanal 131d ist.
In
der Expansionsvorrichtung 110A sind die Ventilvorrichtung 117 (das
Ausgabeventil 117a, der Ventilkörper 11d, das elektromagnetische
Ventil 117h, usw.), die Einlassöffnung 116, usw. im
Vergleich zu der Expansions/Kompressorvorrichtung 110 des
ersten Ausführungsbeispiels
weggelassen. Eine Ausgabeöffnung
der Expansionsvorrichtung 110A ist als die Hochdrucköffnung 111c ausgebildet.
Der
auslassseitige Kanal 131b ist in die Kreisform auf einer
Seite der Kältemittelpumpe 130A geformt,
wobei der auslassseitige Kanal 131b mit der Expansionsvorrichtung 110A durch
den Innenraum des Motorgehäuses 121 und
die Verbindungsöffnung 111d in
Verbindung steht. Der auslassseitige Kanal 131b steht weiter
mit der in dem Motor/Generator 121 ausgebildeten Niederdrucköffnung 131a in
Verbindung, wie durch eine doppelstrichpunktierte Linie in 3 angedeutet.
Der
pumpenauslassseitige Kanal 131d für die Kältemittelpumpe 130A ist
in die Kreisform auf einer Seite gegenüber der festen Spirale und
um einen Außenumfangsabschnitt
der bewegbaren Spirale geformt. Der pumpenauslassseitige Kanal 131d steht mit
der Auslassöffnung 131c durch
mehrere an der Außenumfangsseite
des Motorgehäuses 121 und zwischen
dem Motorgehäuse 121 und
dem Umrichter 12 (den Schaltvorrichtungen 12a)
ausgebildete Kanäle
in Verbindung.
Der
Wandabschnitt 131e, der durch einen Teil des Motorgehäuses 121 und
einen Teil des Pumpengehäuses 131 gebildet
wird, trennt den kreisförmigen
auslassseitigen Kanal 131b von dem kreisförmigen pumpenauslassseitigen
Kanal 131d. Eine Dicke des Wandabschnitts 131e ist
so klein wie möglich gemacht.
Der Wand abschnitt 131e des Pumpengehäuses 131 ist mit mehreren
Rippen 131f ausgebildet, die in dem pumpenauslassseitigen
Kanal 131d angeordnet sind.
Da
die Expansionsvorrichtung 110A so ausgebildet ist, dass
sie die alleinige Funktion des Expansionsbetriebs hat, ist eine
Einrichtung (entsprechend der Einwegekupplung 140 im ersten
Ausführungsbeispiel)
zum Verbinden oder Trennen des Motor/Generators 120A mit
oder von der Kältemittelpumpe 130A nicht
notwendig. Die Motorwelle 124 ist deshalb direkt mit der
Pumpenwelle 134 verbunden.
Gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel wird,
obwohl der Kühlbetrieb
durch den Kühlkreis 30 nicht
durchgeführt
werden kann, der Motor/Generator 120A durch die an der
Expansionsvorrichtung 110A erzeugte Antriebskraft als Generator
zum Erzeugen des Stroms betrieben. Die Kältemittelpumpe 130A wird
analog durch die Expansionsvorrichtung 110A betrieben.
Gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel kann
die Wärme
des durch den auslassseitigen Kanal 131b strömenden Kältemittels
sowie die Wärme von
dem Umrichter 12 (den Schaltvorrichtungen 12a) effektiv
auf das durch den pumpenauslassseitigen Kanal 131d strömende Kältemittel übertragen
werden. Dies bedeutet, dass das Überhitzungsmaß des Kältemittels
an der Einlassseite (der Seite der Heizvorrichtung 43)
der Expansionsvorrichtung 110A erhöht werden kann, und das Arbeitsvolumen
in der Expansionsvorrichtung 110A wird dadurch größer. Als Ergebnis
leistet die komplexe Fluidmaschine 100A in dem Clausius-Rankine-Kreis
einen hohen Wirkungsgrad. Weiter wird der Umrichter 12 durch
das Kältemittel
abgekühlt,
und dadurch kann die Zuverlässigkeit
des Umrichters 12 erhöht
werden.
(Drittes Ausführungsbeispiel)
Ein
drittes Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist in 5 dargestellt,
in welcher der Kühlkreis 30 ebenfalls
weggelassen ist und eine Expansionsvorrichtung 110A in
einer komplexen Fluidmaschine 100B (in der gleichen Weise
wie im zweiten Ausführungsbeispiel)
vorgesehen ist. Außerdem sind
der Motor/Generator 120 und die Kältemittelpumpe 130 direkt
verbunden, d.h. die Motorwelle 124 ist direkt mit der Pumpenwelle 134 verbunden,
und die Einwegekupplung 140 des ersten Ausführungsbeispiels
ist weggelassen.
Der
Kühlbetrieb
kann auch in diesem dritten Ausführungsbeispiel
in der gleichen Weise wie beim zweiten Ausführungsbeispiel nicht durchgeführt werden.
Der Betrieb des Clausius-Rankine-Kreises 40 und die Vorteile
sind gleich jenen des ersten Ausführungsbeispiels.
(Viertes Ausführungsbeispiel)
Ein
viertes Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist in 6 dargestellt,
in welcher der Kühlkreis 30 analog
weggelassen ist und die Expansionsvorrichtung 110A in einer
komplexen Fluidmaschine 100C (in der gleichen Weise wie
im zweiten Ausführungsbeispiel)
vorgesehen ist. Eine Kältemittelpumpe 130B ist
anstelle der Spiralpumpe als eine Rollkolbenpumpe ausgebildet.
Die
Kältemittelpumpe 130B weist
einen Zylinder 136a, einen Rotor 137, usw. auf,
die im Innern des Pumpengehäuses 131a ausgebildet
sind. Der Zylinder 136a ist an einem Mittelabschnitt eines
Zylinderblocks 136 als eine Kreisform ausgebildet. Ein Nockenabschnitt 134e einer
Kreisform ist an der Pumpenwelle 134 ausgebildet, wobei
der Nockenabschnitt 134e bezüglich der Pumpenwelle 134 exzentrisch
ist. Der Rotor 137 einer Ringform ist an einem Außenumfang
des Nockenabschnitts 134a angeordnet. Ein Außendurchmesser
des Rotors 137 ist kleiner als ein Innendurchmesser des
Zylinders 136a gemacht, sodass der Rotor 137 in
einem durch den Zylinder 136a definierten Raum aufgenommen
ist. Der Rotor 137 bewegt sich um die Pumpenwelle 134 in dem
durch den Zylinder 136a definierten Raum entsprechend der
Drehung des Nockenabschnitts 134e. Ein Schieber 138 ist
verschiebbar in einen in dem Rotor 137 ausgebildeten Schlitz
eingesetzt, sodass sich der Schieber 138 in einer radialen
Richtung bewegt. Ein durch den Rotor 137 und den Schieber 138 in dem
Zylinder 136a definierter Raum ist als eine Pumpenarbeitskammer
P ausgebildet.
Eine
Kältemitteleinlassöffnung 136b und eine
Kältemittelauslassöffnung (nicht
dargestellt) sind in dem Zylinderblock 136 ausgebildet.
Die Einlassöffnung 136b steht
mit der Einlassöffnung 132c in
Verbindung, während
die Auslassöffnung
(nicht dargestellt) über
ein Ausgabeventil 136c mit einer Hochdruckkammer 139 in
Verbindung steht, die durch das Pumpengehäuse 131A und den Zylinderblock 136 gebildet
ist. Die Hochdruckkammer 139 ist mit der Auslassöffnung 131c verbunden,
welche in dem Pumpengehäuse 131A an
einer solchen Position nahe dem Motor/Generator 120 ausgebildet
ist.
Gemäß der Kältemittelpumpe 130B dieses Ausführungsbeispiels
sind Teile und Komponenten, die die Pumpenarbeitskammer P bilden,
von der Atmosphäre
der Hochdruckkammer 139 umgeben, welche von der Atmosphärenluftseite
durch das Pumpengehäuse 131A getrennt
ist. Die Hochdruckkammer 139 bildet einen Teil des pumpenauslassseitigen
Kanals 131d, und der Abschnitt des pumpenauslassseitigen
Kanals 131d ist angrenzend an den Abschnitt des auslassseitigen
Kanals 131b für
die Expansionsvorrichtung 110A angeordnet.
Gemäß der Kältemittelpumpe 130B strömt das Kältemittel
durch die Einlassöffnung 132c und die
Einlassöffnung 136b in
die Pumpenarbeitskammer P, wenn der Rotor 137 um die Pumpenwelle 134 gedreht
wird, und das Kältemittel
wird von der Auslassöffnung 131c durch
die Auslassöffnung
(nicht dargestellt), das Ausgabeventil 136c und die Hochdruckkammer 139 ausgepumpt.
Wie
oben erläutert,
kann die Wärme
des durch den auslassseitigen Kanal 131b der Expansionsvorrichtung 110A strömenden Kältemittels
auf das durch die Hochdruckkammer 139 (den pumpenauslassseitigen
Kanal 131d) der Kältemittelpumpe 130B strömende Kältemittel übertragen
werden. Dies bedeutet, dass das Überhitzungsmaß des Kältemittels
auf der Einlassseite (der Seite der Heizvorrichtung 43)
der Expansionsvorrichtung 110A erhöht werden kann, und das Arbeitsvolumen
an der Expansionsvorrichtung 110A wird dadurch erhöht. Als
Ergebnis erzielt die komplexe Fluidmaschine 100C einen
hohen Wirkungsgrad in dem Clausius-Rankine-Kreis 40. Außerdem ist
die Auslassöffnung 131c an
der Position nahe dem Motor/Generator 120 vorgesehen, sodass
das durch die Auslassöffnung 131c strömende Kältemittel
durch das durch den auslassseitigen Kanal 131b der Expansionsvorrichtung 110A strömende Kältemittel
ebenfalls effektiv geheizt werden kann. Da die Wärmeübertragung von dem Kältemittel
auf der Seite der Expansionsvorrichtung 110A zu dem durch
die Pumpenarbeitskammer P strömenden
Kältemittel
durch die Hochdruckkammer 139 der Kältemittelpumpe 130B unterdrückt wird,
wird ein Sieden des in die Kältemittelpumpe 130B strömenden Kältemittels
verhindert und die Volumenleistung davon kann erhöht werden.
Eine
Variante des vierten Ausführungsbeispiels
ist in 7 gezeigt, wobei die auslassseitige Öffnung 131c an
einem axialen Ende des Pumpengehäuses 131A vorgesehen
ist.
(Weitere Modifikationen)
Die
Spiral- oder Rollkolben-Kältemittelpumpe 130, 130A, 130B ist
in dem obigen Ausführungsbeispiel
auf die komplexe Fluidmaschine angewendet. Weitere Arten von Pumpen,
wie beispielsweise Zahnradtyp, Trochoidentyp oder dergleichen, können in
der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Dies kann auch auf
die Art der Expansions/Kompressorvorrichtung 110 oder der
Expansionsvorrichtung 110A angewendet werden.
Der
Innenraum des Motor/Generators 120 kann mit dem von der
Kältemittelpumpe 130 ausgepumpten
Kältemittel
gefüllt
sein. In einem solchen Fall ist die Expansions/Kompressorvorrichtung
hydraulisch von dem Motor/Generator getrennt, indem zum Beispiel
eine Wellendichtungsvorrichtung zwischen der Expansions/Kompressorvorrichtung 110 (oder
der Expansionsvorrichtung 110A) und dem Motor/Generator 120 vorgesehen
ist.
In
den obigen Ausführungsbeispielen
ist der Motor 10 für
das Kraftfahrzeug als die Wärme
erzeugende Vorrichtung erläutert.
Jedoch können
auch eine Kraftmaschine mit äußerer Verbrennung,
Brennstoffzellenstapel für
Brennstoffzellenautos, verschiedene Arten von Motoren, Umrichtern
und dergleichen, die während
ihres Betriebes Wärme
erzeugen, wobei die Wärme
als Abwärme
abgegeben werden würde,
als Wärme
erzeugende Vorrichtung verwendet werden.