DE102006060435A1 - Fluidmaschine für einen Clausius-Rankine-Kreis - Google Patents

Fluidmaschine für einen Clausius-Rankine-Kreis Download PDF

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Yasuhiro Kariya Takeuchi
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Hiroshi Nishio Kishita
Kazuhide Nishio Uchida
Yasuhiro Nishio Kawase
Atsushi Kariya Inaba
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Abstract

Es ist eine Aufgabe, eine Fluidmaschine vorzusehen, die von einfachem Aufbau ist und bei der ein Schmieröl mit einer kleineren Menge Arbeitsfluid Gleitabschnitten einer Expansionsvorrichtung zugeführt wird. Die Fluidmaschine weist die Expansionsvorrichtung (110) zum Erzeugen einer Antriebskraft durch Expansion des Arbeitsfluids, welches das Schmieröl enthält und in einen Gasphasenzustand erhitzt ist, auf. Die Fluidmaschine besitzt ferner eine Stromerzeugungsvorrichtung (120), die durch die Antriebskraft der Expansionsvorrichtung (110) angetrieben wird und Strom erzeugt. Ein Ölsammelabschnitt (101) ist in einem Fluidkanal, durch den das von der Expansionsvorrichtung (110) ausgegebene Arbeitsfluid strömt, so ausgebildet, dass das im Arbeitsfluid enthaltene Schmieröl mit wenigstens einem Gleitabschnitt (113c, 125) der Expansionsvorrichtung (110) und der Stromerzeugungsvorrichtung (120) in Kontakt gebracht wird. Und eine Heizeinheit (122, 151, 152) ist vorgesehen, um das Arbeitsfluid im Ölsammelabschnitt (101) zu heizen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Fluidmaschine, die allgemein eine in einem Clausius-Rankine-Kreis mit Abwärme eines Verbrennungsmotors als Wärmequelle angeordnete Expansionsvorrichtung, eine durch die Expansionsvorrichtung zum Erzeugen von Strom angeordnete Stromerzeugungsvorrichtung und/oder eine Pumpe zum Zirkulieren eines Arbeitsfluids im Clausius-Rankine-Kreis enthält.
  • Es ist in der Technik bekannt, wie in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. S58-32908 offenbart, dass eine Öltrennvorrichtung in einer Clausius-Rankine-Vorrichtung vorgesehen ist. Ein Wärmetauscher ist in der Öltrennvorrichtung zum Zuführen von Wärmeenergie in einen Ölspeicherabschnitt vorgesehen, sodass geschmolzenes Kältemittel in Schmieröl verdampft wird. Dann wird das Schmieröl mit einer kleineren Menge des Kältemittels einer Expansionsvorrichtung der Clausius-Rankine-Vorrichtung zugeführt.
  • Die obige Öltrennvorrichtung ist jedoch unabhängig von der Expansionsvorrichtung vorgesehen. Demgemäß wird die Konstruktion für die Clausius-Rankine-Vorrichtung komplizierter und Verbindungsabschnitte in der Clausius-Rankine-Vorrichtung werden mehr. Als Ergebnis ist es schwierig, die Clausius-Rankine-Vorrichtung auf ein Fahrzeug anzuwenden, in dem strenge Montagebedingungen vorherrschen.
  • Es ist eine weitere Fluidmaschine in der Technik bekannt, wie in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 2004-232492 offenbart, bei welcher eine Pumpen/Motor-Vorrichtung (die die Expansionsvorrichtung ist, welche auch als ein Kompressor benutzt wird) und eine elektrische Drehvorrichtung integral in einem Gehäuse ausgebildet sind. Gemäß der herkömmlichen Fluidmaschine wird die Fluidmaschine so benutzt, dass eine Arbeitsachse in einer horizontalen Ebene angeordnet ist. Eine Ventilvorrichtung ist in der Pumpen/Motor-Vorrichtung vorgesehen, um die Strömungsrichtung des Arbeitsfluids zu wechseln, sodass die Pumpen/Motor-Vorrichtung entweder als die Kompressorvorrichtung oder als die Expansionsvorrichtung betrieben wird. Ein Niederdruckanschluss ist in dem Gehäuse an einer solchen Seitenposition der elektrischen Drehvorrichtung vorgesehen, die der Pumpen/Motor-Vorrichtung gegenüberliegt. Wenn die Pumpen/Motor-Vorrichtung als Expansionsvorrichtung betrieben wird, strömt das von der Expansionsvorrichtung ausgegebene Arbeitsfluid durch das Innere der elektrischen Drehvorrichtung und strömt aus dem Niederdruckanschluss aus.
  • Das Schmieröl ist im Allgemeinen mit dem Arbeitsfluid in der obigen Fluidmaschine vermischt, sodass Gleitabschnitte der Expansionsvorrichtung oder der elektrischen Drehvorrichtung durch das Schmieröl geschmiert werden. Wenn die Fluidmaschine in einer solchen Position benutzt wird, dass die elektrische Drehvorrichtung an einer oberen Seite der Expansionsvorrichtung angeordnet ist, strömt das von der Expansionsvorrichtung ausgegebene Arbeitsfluid von einer unteren Seite der elektrischen Drehvorrichtung zu einer oberen Seite davon, sodass das Arbeitsfluid von dem Niederdruckanschluss ausströmt. Demgemäß wird das Schmieröl durch das Arbeitsfluid, das kontinuierlich von der Expansionsvorrichtung ausgegeben wird, aus dem Niederdruckanschluss ausgetragen, selbst wenn das Schmieröl von dem Arbeitsfluid in einem im Gehäuse gebildeten Raum der elektrischen Drehvorrichtung getrennt ist. Deshalb ist es schwierig, das Schmieröl am unteren Abschnitt des Raums für die elektrische Drehvorrichtung zu sammeln. Ferner ist die Temperatur des Arbeitsfluids an einer Auslassseite der Expansionsvorrichtung höher als jene an einer Einlassseite davon. Eine größere Menge des Arbeitsfluids wird in Schmieröl geschmolzen, um dadurch die Viskosität des Schmieröls zu vermindern. Als Ergebnis kann man ein ausreichendes Maß für eine Dicke eines Ölfilms an den Gleitabschnitten kaum erhalten.
  • Gemäß einem weiteren Stand der Technik, beispielsweise die japanische Patentveröffentlichung Nr. H5-79481, ist ein solcher Kompressor oder eine solche Pumpenvorrichtung auch als eine Fluidmaschine bekannt, gemäß welcher angesaugtes Arbeitsfluid unter Druck gesetzt und ausgepumpt wird. D.h. der Kompressor oder die Pumpenvorrichtung der Fluidmaschine ist ein Walzentyp, bei dem eine Walze (d.h. ein zylindrischer Kolben) verschiebbar an einem Exzenterwellenabschnitt einer Antriebswelle vorgesehen ist und die Walze in einer Orbitalbewegung in einem Zylinder bewegt wird, sodass das in den Zylinder gesaugte Arbeitsfluid unter Druck gesetzt und ausgepumpt wird. Das Schmieröl wird zu Gleitflächen zwischen dem Exzenterwellenabschnitt und der Walze geleitet.
  • Beide axialen Endabschnitte des Exzenterwellenabschnitts sind als Wellenabschnitte kleinen Durchmessers ausgebildet, und ringförmige Dichtungselemente sind an solchen Positionen vorgesehen, die zwischen einem Außenumfangsabschnitt eines Wellenabschnitts großen Durchmessers und einer Innenumfangsfläche der Walze liegen und die an beiden axialen Enden des Wellenabschnitts großen Durchmessers sind, um zu verhindern, dass das Schmieröl in eine Arbeitskammer des Zylinders strömt. Kleine Räume sind zwischen der Innenumfangsfläche der Walze und den Wellenabschnitten kleinen Durchmessers ausgebildet, sodass die kleinen Räume einen Teil des aus der Hochdruck-Arbeitskammer zu einer Seite der Gleitabschnitte austretenden Arbeitsfluids aufnehmen. In einer Anfangsstufe eines Ansaughubs stehen die kleinen Räume mit einem Saugkanal in Verbindung, sodass das Arbeitsfluid von den kleinen Räumen in den Saugkanal ausströmt.
  • In der als Flüssigkeitspumpe zum Zirkulieren des Arbeitsfluids im Clausius-Rankine-Kreis verwendeten Fluidmaschine wird es schwieriger, den Ölfilm an den Gleitabschnitten zu bilden, wenn das Flüssigphasen-Arbeitsfluid mit niedriger Viskosität in die Gleitabschnitte strömt. Demgemäß ist es notwendig, das Schmieröl der hohen Viskosität zu den Gleitabschnitten zu leiten und das Strömen des Flüssigphasen-Arbeitsfluids in die Gleitabschnitte zu verhindern, um sicher eine gute Schmierung an den Gleitabschnitten zu erzielen.
  • Wenn die obige Fluidmaschine zum Beispiel als Flüssigkeitspumpe für solche Fälle verwendet wird, wird es möglich, das Schmieröl der hohen Viskosität zu den Gleitabschnitten zu leiten und ein Strömen des Flüssigphasen-Arbeitsfluids von der Arbeitskammer in die Gleitabschnitte zu verhindern.
  • Die obige Fluidmaschine hat jedoch eine komplizierte Konstruktion, und es ist deshalb ein Problem in der Vergrößerung der Anzahl der Bauteile und einer Vergrößerung der Montageschritte, wenn die Wellenabschnitte kleinen Durchmessers an dem Exzenterwellenabschnitt gebildet sind und ringförmige Nuten an dem Wellen abschnitt großen Durchmessers gebildet sind, um darin die Dichtungselemente vorzusehen.
  • Ferner ist eine weitere Clausius-Rankine-Vorrichtung bekannt, wie sie zum Beispiel in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. S59-138707 offenbart ist. Die Clausius-Rankine-Vorrichtung enthält eine Kältemittepumpe, eine Dampferzeugungsvorrichtung, eine Expansionsvorrichtung und eine Kondensationsvorrichtung die in einem Kreis verbunden sind. Ein Bypasskanal, der eine Einlassseite und eine Auslassseite miteinander verbindet, ist außerhalb der Kältemittelpumpe vorgesehen. Eine Bypasskanal-Schließvorrichtung ist im Bypasskanal vorgesehen. Ein Rückschlagventil ist an der Einlassseite der Dampferzeugungsvorrichtung vorgesehen, eine expansionsseitige Schließvorrichtung ist an der Einlassseite der Expansionsvorrichtung vorgesehen, und Druckerfassungsvorrichtungen sind an der Einlass- und der Auslassseite der Expansionsvorrichtung vorgesehen.
  • In der Clausius-Rankine-Vorrichtung wird die expansionsseitige Schließvorrichtung beim Starten der Clausius-Rankine-Vorrichtung geöffnet. Die Bypasskanal-Schließvorrichtung wird geschlossen, wenn eine durch die Druckerfassungsvorrichtungen erfasste Druckdifferenz höher als ein vorbestimmter Wert wird. Die Bypasskanal-Schließvorrichtung wird beim Abschalten der Clausius-Rankine-Vorrichtung geöffnet. Die expansionsseitige Schließvorrichtung wird geschlossen, wenn die durch die Druckerfassungsvorrichtungen erfasste Druckdifferenz kleiner als der vorbestimmte Wert wird.
  • Gemäß der obigen Konstruktion und Funktionsweise werden der Druck auf einer Hochdruckseite und der Druck auf einer Niederdruckseite durch Öffnen der im Bypasskanal vorgesehenen Bypasskanal-Schließvorrichtung ausgeglichen. Ein Änderungsverhältnis des Differenzdrucks zwischen der Hochdruckseite und der Niederdruckseite je Zeiteinheit ist kleiner gemacht. Als Ergebnis wird ein sicherer Start- und Abschaltvorgang realisiert.
  • Beim Startvorgang der Clausius-Rankine-Vorrichtung befindet sich das Arbeitsfluid in der Dampferzeugungsvorrichtung im Flüssigphasenzustand, weil das Arbeitsfluid noch nicht ausreichend erwärmt ist. Deshalb strömt das Flüssigphasen-Arbeitsfluid von der Dampferzeugungsvorrichtung in die Expansionsvorrichtung. In der Fluidmaschine ist wie in der obigen Expansionsvorrichtung Schmieröl im Arbeitsfluid enthalten, sodass eine Schmierung an den Gleitabschnitten in der Expansionsvorrichtung durch Zirkulieren des Schmieröls zusammen mit dem Arbeitsfluid erzielt wird. Falls das Arbeitsfluid im Flüssigphasenzustand ist, ist die Viskosität des Schmieröls extrem vermindert. Als Ergebnis kann eine ausreichende Schmierung an den Gleitabschnitten nicht erzielt werden.
  • Es wird als effektiv angesehen, den Bypasskanal auf der Seite der Expansionsvorrichtung vorzusehen, um den Druck zum Zweck eines sichereren Betriebs der Clausius-Rankine-Vorrichtung auszugleichen und gleichzeitig das obige Problem zu lösen. Wenn jedoch der Bypasskanal wie in der Vorrichtung der obigen japanischen Patentveröffentlichung vorgesehen ist, sind eine Montageleistung der Vorrichtung in einem begrenzten Raum verschlechtert und Kosten für den Bypasskanal erhöht, weil der Bypasskanal außerhalb der Expansionsvorrichtung vorgesehen ist.
    •
  • Die vorliegende Erfindung ist in Anbetracht der obigen Probleme gemacht. Und es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Fluidmaschine einer vereinfachten Konstruktion vorzusehen, gemäß welcher Schmieröl Gleitabschnitten einer Expansionsvorrichtung zugeleitet wird, selbst wenn eine kleinere Menge Arbeitsfluid im Schmieröl enthalten ist.
  • Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Fluidmaschine vorzusehen, gemäß welcher Schmieröl in einem Gehäuse gesammelt wird, die Viskosität des Schmieröls erhöht ist, und das Schmieröl sicher den Gleitabschnitten zugeführt wird.
  • Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Fluidmaschine vorzusehen, die von einfacher Konstruktion ist, um ein angesaugtes Arbeitsfluid unter Druck zu setzen und auszupumpen und Gleitabschnitte sicher zu schmieren.
  • Es ist eine noch weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Expansionsvorrichtung und eine Steuervorrichtung dafür vorzusehen, gemäß welchen ein Arbeitsfluid bei Bedarf durch eine Bypassvorrichtung umgeleitet wird und welche hinsichtlich Montageleistung und Kosten vorteilhaft sind.
  • Gemäß einem Merkmal der vorliegenden Erfindung weist eine Fluidmaschine auf: eine Expansionsvorrichtung (110) zum Erzeugen einer Antriebskraft durch Expansion eines Arbeitsfluids, welches Schmieröl enthält und erwärmt wird, um in einen Gasphasenzustand zu gelangen; einen durch die Antriebskraft der Expansionsvorrichtung (110) angetriebenen Stromgenerator (120) zum Erzeugen von Strom; einen Ölsammelabschnitt (101), der in einem Kanal vorgesehen ist, durch den das von der Expansionsvorrichtung (110) ausgegebene Arbeitsfluid strömt, zum Sammeln des im Arbeitsfluid enthaltenen Schmieröls, sodass das Schmieröl in Kontakt mit wenigstens einem Gleitabschnitt (113c, 125) der Expansionsvorrichtung (110) und des Stromgenerators (120) ist; und eine Heizeinheit (122, 151, 152) zum Heizen des Arbeitsfluids im Ölsammelabschnitt (101).
  • Demgemäß ist die unabhängige Öltrennvorrichtung, die in Zusammenhang mit dem obigen Stand der Technik erläutert wurde, nicht notwendig. Das Schmieröl der hohen Viskosität wird den Gleitabschnitten (113c, 125) zugeführt, weil das Arbeitsfluid im Ölsammelabschnitt (101) durch die Heizeinheit (122, 151, 152) geheizt wird und dadurch das Arbeitsfluid aus dem Schmieröl verdampft.
  • Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung weist eine Fluidmaschine auf: eine Expansionsvorrichtung (110) zum Erzeugen einer Antriebskraft durch Expansion eines Arbeitsfluids, das Schmieröl enthält und geheizt wird, um in einen Gasphasenzustand zu gelangen; einen mit der Expansionsvorrichtung (110) betriebenen Stromgenerator (120); und ein Gehäuse (111, 121) zum Aufnehmen der Expansionsvorrichtung (1101 und des Stromgenerators (120). Die Fluidmaschine weist ferner auf: einen Öltrennabschnitt zum Trennen des in dem von der Expansionsvorrichtung (110) ausgegebenen Arbeitsfluid enthaltenen Schmieröls; einen im Gehäuse (111, 121) vorgesehenen Ölsammelabschnitt (101) zum Sammeln des vom Arbeitsfluid getrennten Schmieröls; eine Heizeinheit zum Heizen des Schmieröls; und einen Ölzufuhrabschnitt (102) zum Zuführen des im Ölsammelabschnitt (101) gesammelten Schmieröls zu Gleitabschnitten (113c, 113d) der Expansionsvorrichtung (110).
  • Demgemäß kann das vom Arbeitsfluid getrennte Schmieröl sicher im Ölsammelabschnitt (101) des Gehäuses (111, 121) gesammelt werden. Dann kann das Schmieröl geheizt werden, um das im Schmieröl enthaltene Arbeitsfluid zu verdampfen. Deshalb wird das Schmieröl hoher Viskosität den Gleitabschnitten (113c, 113d) der Expansionsvorrichtung (110) durch den Ölzufuhrabschnitt (102) zugeführt.
  • Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung weist eine Fluidmaschine auf: einen flachen und ringförmigen Zylinder (408) zum Bilden einer Zylinderkammer (480); einen in der Zylinderkammer (480) aufgenommenen ringförmigen Kolben (405); eine in einen Mittelabschnitt des ringförmigen Kolbens (405) eingesetzte und durch eine externe Antriebsquelle (120B) angetrieben Antriebswelle (401); und Lager (431, 441) zum drehbaren Halten der Antriebswelle (401). In einer solchen Fluidmaschine wird der ringförmige Kolben (405) in der Zylinderkammer (480) durch Drehung der Antriebswelle (401) betrieben, sodass ein in die Zylinderkammer (480) gesaugtes Arbeitsfluid unter Druck gesetzt und ausgepumpt wird, eine Ölspeicherkammer (410) ist so um die Antriebswelle (401) ausgebildet, dass sie Kontaktabschnitte der Antriebswelle (4011, die mit dem ringförmigen Kolben (405) und den Lagern (431, 441) in Kontakt sind, überdeckt, wobei die Ölspeicherkammer (410) mit Schmieröl mit einer höheren Viskosität als das Arbeitsfluid gefüllt ist, und ein kleiner Raum (451, 453) ist an einer axialen Seitenfläche (450) des ringförmigen Kolbens (405) und an einer Außenseite der Ölspeicherkammer (410) ausgebildet, wobei der kleine Raum (451, 453) auf einem Druck niedriger als jener der Ölspeicherkammer (410) gehalten wird.
  • Wie oben angegeben, ist die Ölspeicherkammer (410) so ausgebildet, dass sie die Kontaktabschnitte der Antriebswelle (401), die in Kontakt mit dem ringförmigen Kolben (405) und den Lagern (431, 441) sind, überdeckt. Die gleichmäßige Schmierung der Gleitabschnitte wird durch Füllen der Ölspeicherkammer mit dem Schmieröl hoher Viskosität gewährleistet. Außerdem sind die kleinen Räume (451, 453) an den axialen Seitenflächen (450) des ringförmigen Kolbens (405) und an der Außenseite der Ölspeicherkammer (410) ausgebildet, wobei der Druck in den kleinen Räumen (451, 453) auf einem solchen Druck niedriger als der Druck in der Öl speicherkammer (410) gehalten wird. Als Ergebnis wird das Arbeitsfluid niedriger Viskosität, das von der in der Zylinderkammer (480) ausgebildeten Pumpenkammer zu den axialen Seitenfläche (450) des ringförmigen Kolbens (405) strömt, in den kleinen Räumen (451, 453) gesammelt, sodass verhindert wird, dass das Arbeitsfluid in die Ölspeicherkammer (410) strömt. Schließlich wird vermieden, dass das Schmieröl in der Ölspeicherkammer (410) verdünnt wird und das verdünnte Schmieröl die Bildung des Ölfilms an den Gleitabschnitten blockiert.
  • Es ist möglich, die kleinen Räume (451, 453), deren Druck auf dem Druck niedriger als jener in der Ölspeicherkammer (410) gehalten wird, ohne Erhöhen der Anzahl der Bauteile und der Montageschritte zu konstruieren. Demgemäß kann die Schmierung an den Gleitabschnitten durch eine einfach Konstruktion, bei welcher die Ölspeicherkammer (410) und die kleinen Räume (451, 453) ausgebildet sind, sicher ausgeführt werden.
  • Gemäß einem noch weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung weist eine Expansionsvorrichtung auf: eine Hochdruckkammer (114), in welche ein auf einen Hochdruckdampf geheiztes Arbeitsfluid eingeleitet wird; einen angetriebenen Abschnitt (113), der durch eine Expansion des Arbeitsfluids des Hochdruckdampfes aus der Hochdruckkammer (114) angetrieben wird; einen Niederdruckabschnitt (113e), aus dem das Arbeitsfluid, dessen Druck als Ergebnis der Expansion niedriger wird, aus der Expansionsvorrichtung ausströmt; und ein Gehäuse (111) zum Aufnehmen der obigen Hochdruckkammer (114), des angetriebenen Abschnitts (113) und des Niederdruckabschnitts (113e). Die Expansionsvorrichtung (110) weist ferner auf: einen im Gehäuse (111) ausgebildeten Verbindungsanschluss (116) zum Umgehen des angetriebenen Abschnitts (113e) und zum direkten Verbinden der Hochdruckkammer (114) mit dem Niederdruckabschnitt (113e); und eine Schaltvorrichtung (117) zum Öffnen und Schließen des Verbindungsanschlusses (116).
  • Wie oben angegeben, ist eine Expansionsvorrichtung realisiert; bei welcher es für das Arbeitsfluid möglich ist, den angetriebenen Abschnitt (113) bei Bedarf durch Öffnen der Schaltvorrichtung (117) zu umgehen. D.h. es ist in der Expansionsvorrichtung (110) möglich, den Druck zwischen der Hochdruckkammer (114) und dem Niederdruckabschnitt (113e) einfach auszugleichen, sodass es möglich wird, die Expansionsvorrichtung (110) sicher zu stoppen. Der Verbindungsanschluss (116) und die Schaltvorrichtung (117) sind im Raum des Gehäuses (111) vorgesehen. Deshalb ist die externe Rohranordnung, wie sie im Stand der Technik notwendig ist, unnötig, und außerdem ist die Expansionsvorrichtung der Erfindung hinsichtlich Montageleistung und Kosten vorteilhaft.
    •
  • Obige sowie weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen besser verständlich. Darin zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung eines Systemaufbaus gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
  • 2 eine Querschnittsansicht einer Fluidmaschine (eine kombinierte Maschine einer Kältemittelpumpe, einer Expansionsvorrichtung und einer Stromerzeugungsvorrichtung) gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 3 ein Flussdiagramm zum Erhöhen einer Viskosität eines Schmieröls vor dem Starten des System des ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
  • 4 ein Kennliniendiagramm, das Löslichkeitskurven bezüglich Temperatur und Druck zeigt;
  • 5 ein Kennliniendiagramm, das eine Viskosität eines Schmieröls bezüglich Temperatur zeigt;
  • 6 ein Flussdiagramm zum Erhöhen einer Viskosität eines Schmieröls während eines normalen Betriebs des Systems des ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
  • 7 ein Flussdiagramm zum Erhöhen einer Viskosität eines Schmieröls vor dem Starten des Systems gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 8 eine schematische Darstellung einer Heizvorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 9 eine schematische Darstellung einer Heizvorrichtung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 10 eine schematische Querschnittsansicht einer Fluidmaschine gemäß einer ersten Modifikation der weiteren Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung;
  • 11 eine schematische Querschnittsansicht einer Fluidmaschine gemäß einer zweiten Modifikation der weiteren Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung;
  • 12 eine schematische Querschnittsansicht der Fluidmaschine gemäß einer dritten Modifikation der weiteren Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung;
  • 13 eine schematische Querschnittsansicht einer Fluidmaschine gemäß einer vierten Modifikation der weiteren Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung;
  • 14 eine schematische Querschnittsansicht einer Fluidmaschine gemäß einer fünften Modifikation der weiteren Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung;
  • 15 eine schematische Darstellung eines Systemaufbaus gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 16 eine Querschnittsansicht einer Fluidmaschine (einer kombinierten Maschine einer Kältemittelpumpe, einer Expansionsvorrichtung und einer Stromerzeugungsvorrichtung) gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 17 eine Querschnittsansicht einer Fluidmaschine (einer kombinierten Maschine einer Kältemittelpumpe, einer Expansionsvorrichtung und einer Stromerzeugungsvorrichtung) gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 18 eine Querschnittsansicht einer Fluidmaschine (einer kombinierten Maschine einer Kältemittelpumpe, einer Expansionsvorrichtung und einer Stromerzeugungsvorrichtung) gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 19 eine Querschnittsansicht einer Fluidmaschine (einer kombinierten Maschine einer Kältemittelpumpe, einer Expansionsvorrichtung und einer Stromerzeugungsvorrichtung) gemäß einem achten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 20 eine Querschnittsansicht einer Fluidmaschine (einer kombinierten Maschine einer Kältemittelpumpe, einer Expansionsvorrichtung und einer Stromerzeugungsvorrichtung) gemäß einem neunten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 21 eine schematische Darstellung eines Gesamtaufbaus eines Abwärmenutzungssystems gemäß einem zehnten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 22 eine Querschnittsansicht einer detaillierten Konstruktion einer Kältemittelpumpe des zehnten Ausführungsbeispiels;
  • 23 eine Querschnittsansicht entlang einer Linie XXIII-XXIII in 22;
  • 24 eine Querschnittsansicht einer detaillierten Konstruktion einer Kältemittelpumpe gemäß einem elften Ausführungsbeispiel;
  • 25 eine schematische Darstellung eines Gesamtaufbaus eines Abwärmenutzungssystems gemäß einem zwölften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 26 eine schematische Darstellung eines Gesamtaufbaus eines Abwärmenutzungssystems gemäß einem dreizehnten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 27 eine schematische Darstellung eines Gesamtaufbaus eines Abwärmenutzungssystems gemäß einem vierzehnten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 28 eine schematische Darstellung eines Systemaufbaus gemäß einem fünfzehnten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 29 eine Querschnittsansicht einer Fluidmaschine (einer kombinierten Maschine einer Kältemittelpumpe, einer Expansionsvorrichtung und einer Stromerzeugungsvorrichtung) gemäß dem fünfzehnten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 30 ein Flussdiagramm zum Steuern eines Betriebs eines Clausius-Rankine-Kreises gemäß dem fünfzehnten Ausführungsbeispiel; und
  • 31A bis 31D Zeitendiagramme, die eine Funktionsweise eines elektromagnetischen Ventils und eines Motorgenerators gemäß dem fünfzehnten Ausführungsbeispiel zeigen, wenn eine Stromzufuhr zum System abgeschaltet wird.
  • (Erstes Ausführungsbeispiel)
  • In einem ersten Ausführungsbeispiel ist eine Fluidmaschine als eine solche Vorrichtung 100 ausgebildet, die integral eine Kältemittelpumpe, eine Expansions vorrichtung und einen Stromgenerator aufweist (nachfolgend auch als eine Pumpen/Expansions/Generator-Vorrichtung bezeichnet). Die Pumpen/Expansions/Generator-Vorrichtung 100 ist auf einen Clausius-Rankine-Kreis 30 für ein Fahrzeug angewendet. Die Pumpen/Expansions/Generator-Vorrichtung 100 weist die Expansionsvorrichtung (d.h. einen Expansionsabschnitt der vorliegenden Erfindung) 110, einen Motorgenerator (d.h. den Stromgenerator der vorliegenden Erfindung) 120 als einen Elektromotor und als den Stromgenerator, und die Kältemittelpumpe 130 auf, wobei diese Komponenten integral ausgebildet sind. Ein Systemaufbau wird nachfolgend Bezug nehmend auf 1 erläutert.
  • Der Clausius-Rankine-Kreis sammelt Energie (als eine Antriebskraft, die an der Expansionsvorrichtung 110 erzeugt wird) aus Abwärme, die an einem Motor 10 (d.h. einer externen Wärmeenergiequelle der vorliegenden Erfindung) erzeugt wird. Der Clausius-Rankine-Kreis ist aus der Kältemittepumpe 130, einer Heizvorrichtung 31, der Expansionsvorrichtung 110 und einer Kondensationsvorrichtung 32 gebildet, die nacheinander verbunden sind.
  • Die Kältemittelpumpe 130 pumpt ein Kältemittel (d.h. ein Arbeitsfluid der vorliegenden Erfindung) des Clausius-Rankine-Kreises zur Heizvorrichtung 31 aus, um so das Kältemittel im Clausius-Rankine-Kreis zu zirkulieren. Einzelheiten davon werden nachfolgend als ein Teil der Pumpen/Expansions/Generator-Vorrichtung 100 erläutert.
  • Die Heizvorrichtung 31 ist ein Wärmetauscher zum Heizen des Kältemittels (Umwandeln des Kältemittels in überhitzten Dampf) durch Wärmeaustausch des durch die Kältemittelpumpe 130 zugeführten Kältemittels und Motorkühlwasser (heißem Wasser) eines für den Motor 10 vorgesehenen Heißwasserkreises 20.
  • Eine Wasserpumpe 21 eines elektrisch betriebenen Typs ist im Heißwasserkreis 20 zum Zirkulieren des Motorkühlwassers vorgesehen. Ein Kühler 22 ist ebenfalls im Heißwasserkreis 20 zum Abkühlen des Motorkühlwassers durch den Wärmeaustausch mit der Außenluft vorgesehen. Ein Kühler-Bypasskanal 25 ist für den Kühler 22 vorgesehen, sodass eine Menge des durch den Kühler 22 strömenden Motorkühlwassers durch ein Thermostat 24 eingestellt wird, von dem ein Ventil abschnitt abhängig von der Temperatur des Motorkühlwassers geöffnet oder geschlossen wird.
  • Die Expansionsvorrichtung 110 erzeugt die Antriebskraft durch Expansion des von der Heizvorrichtung 31 zugeführten überhitzten Dampfes des Kältemittels (d.h. des Gasphasen-Arbeitsfluids der vorliegenden Erfindung). Einzelheiten davon werden nachfolgend als ein Teil der Pumpen/Expansions/Generator-Vorrichtung 100 erläutert. Die Kondensationsvorrichtung 32 ist ein Wärmetauscher zum Abkühlen eines expandierten und von der Expansionsvorrichtung 110 ausgegebenen Niederdruckkältemittels, um das Kältemittel zu kondensieren (zu verflüssigen).
  • Eine Steuereinheit 50 ist zum Steuern eines Betriebs des Motorgenerators 120 der Pumpen/Expansions/Generator-Vorrichtung 100 vorgesehen. Die Steuereinheit 50 weist einen Wechselrichter 51 und eine Steuerung 52 auf.
  • Der Wechselrichter 51 steuert die Stromzufuhr von einer Batterie 11 des Fahrzeugs zum Motorgenerator 120, wenn der Motorgenerator 120 als Elektromotor betrieben wird. Andererseits lädt der Wechselrichter 51 den erzeugten Strom in die Batterie 11, wenn der Motorgenerator 120 durch die Antriebskraft der Expansionsvorrichtung 110 als Stromgenerator betrieben wird. Die Steuerung 52 steuert den Betrieb des Wechselrichters 51.
  • Ein Aufbau der Pumpen/Expansions/Generator-Vorrichtung 100 wird unter Bezug auf 2 erläutert. In der Pumpen/Expansions/Generator-Vorrichtung 100 sind die Expansionsvorrichtung 110, der Motorgenerator 120 und die Kältemittelpumpe 130 koaxial angeordnet und integral ausgebildet. Eine Arbeitswelle der Pumpen/Expansions/Generator-Vorrichtung 100 ist vertikal angeordnet, sodass die Expansionsvorrichtung 110, der Motorgenerator 120 und die Kältemittelpumpe 130 in dieser Reihenfolge von einem unteren Ende aus angeordnet sind.
  • Die Expansionsvorrichtung 110 hat den gleichen Aufbau wie ein wohlbekannter Spiralkompressor. Die Expansionsvorrichtung 110 weist ein vorderes Gehäuse 111a und eine feste Spirale 112 auf, wobei das vordere Gehäuse 111a und die feste Spirale 112 ein Gehäuse 11 für die Expansionsvorrichtung bilden. Die Expansions vorrichtung 110 weist ferner eine bewegbare Spiral 113, die der festen Spirale 112 zugewandt ist und sich relativ zu ihr dreht, und einen Einlassanschluss 115, der durch eine Hochdruckkammer 114 mit einer Arbeitskammer V in Verbindung steht, auf.
  • Die feste Spirale 112 hat eine Basisplatte 112a und eine sich von der Basisplatte 112a zur bewegbaren Spirale 113 erstreckende Wirbelspiralwindung 112b, wohingegen die bewegbare Spirale 113 eine Wirbelspiralwindung 113b, die mit der Wirbelspiralwindung 112b in Kontakt stehen und in Eingriff stehen soll, und eine Basisplatte 113a, an der die Spiralwindung 113b ausgebildet ist, aufweist. Die Arbeitskammer V ist zwischen der festen Spirale 112 und der bewegbaren Spirale 113 ausgebildet, deren Spiralwindungen 112b und 113b miteinander wirkverbunden sind. Das Volumen der Arbeitskammer V wird erweitert und zusammengezogen, wenn die bewegbare Spirale 113 relativ zur festen Spirale 112 gedreht wird.
  • Die Hochdruckkammer 114 ist ein zwischen dem vorderen Gehäuse 111a und der festen Spirale 112 gebildeter Raum. Ein Hochdruckanschluss 111c ist am vorderen Gehäuse 111a ausgebildet, sodass ein Innenraum der Hochdruckkammer 114 mit der Außenseite in Verbindung steht. Der Hochdruckanschluss 111c ist mit der Heizvorrichtung 31 verbunden.
  • Der Einlassanschluss 115 ist an einem Mittelabschnitt der Basisplatte 112a ausgebildet, sodass die Hochdruckkammer 114 mit der Arbeitskammer V in Verbindung steht, die zu ihrem minimalen Volumen geworden ist. Das Hochtemperatur- und Hochdruckkältemittel, d.h. der überhitzte Dampf des Kältemittels, der der Hochdruckkammer 114 zugeführt wird, wird in die Arbeitskammer V eingeleitet.
  • Eine Welle 118 der Expansionsvorrichtung 110 ist mit einer Motorwelle 124 des Motorgenerators 120, der später erläutert werden wird, verbunden, d.h. integral damit ausgebildet. Ein Kurbelabschnitt 118a ist an einem Ende Welle 118 (einem unteren Ende in 2) vorgesehen, wobei der Kurbelabschnitt 118a bezüglich einer Drehmitte der Welle 118 exzentrisch ist. Der Kurbelabschnitt 118a ist über ein Lager 113d (d.h. einem Gleitabschnitt der vorliegenden Erfindung) mit der bewegbaren Spirale 113 verbunden. Im Kurbelabschnitt 118a ist eine Hülse 118c drehbar an einer Exzenterwelle 118b vorgesehen.
  • Eine Gleitplatte 113c (d.h. der Gleitabschnitt der vorliegenden Erfindung) ist zwischen der bewegbaren Spirale 113 und einem später erläuterten Motorgehäuse 121 vorgesehen, um eine ruhige Orbitalbewegung der bewegbaren Spirale 113 zu unterstützen. Ein Eigendrehungsverhinderungsmechanismus 119 ist an der bewegbaren Spirale 113 vorgesehen, sodass sich die bewegbare Spirale 113 nicht um ihre eigene Achse, aber mit der Orbitalbewegung um die Welle 118 (d.h. die Motorwelle 124) dreht. Das Volumen der Arbeitskammer V wird größer, wenn die Arbeitskammer entsprechend der Expansion des überhitzten Dampfes des Kältemittels aus der Heizvorrichtung 31 oder der Drehung der Motorwelle 124 (d.h. der Antriebskraft vom Motorgenerator 120) von ihrer Mitte zum Außenabschnitt der bewegbaren Spirale 113 bewegt wird.
  • Der Motorgenerator 120 ist eine elektrische Drehvorrichtung eines Wechselstromtyps, der einen Stator 122 und einen innerhalb des Stators 122 drehenden Rotor 123 aufweist und im Motorgehäuse 121 aufgenommen ist. Das Motorgehäuse 121 ist in eine zylindrische Form geformt und hat eine Bodenplatte und eine obere Platte an seinen beiden Enden einer Längsrichtung.
  • Der Stator 122 ist eine mit elektrischen Drähten gewickelte Statorspule und ist an einer Innenumfangsfläche des Motorgehäuses 121 befestigt. Der Stator 122 entspricht einer Heizeinheit und/oder einem Anker der vorliegenden Erfindung. Der Rotor 123 ist ein Magnetrotor, in dem Permanentmagnete vorgesehen sind, und ist an der Motorwelle 124 befestigt. Die Motorwelle 124 ist durch Lager 125, 126 (die dem Gleitabschnitt der vorliegenden Erfindung entsprechen) drehbar gehalten, die an der Bodenplatte bzw. der oberen Platte des Motorgehäuses 121 befestigt sind. Ein Ende der Motorwelle 124 auf einer Seite der Expansionsvorrichtung 110 (d.h. der unteren Seite in 2) ist mit der Welle 118 und dem Kurbelabschnitt 118a der Expansionsvorrichtung 110 verbunden. Das andere Ende der Motorwelle 124 auf einer Seite der Kältemittelpumpe 130 (d.h. einer oberen Seite in 2) ist so ausgebildet, dass sein Durchmesser kleiner ist, und ist mit einer später erläuterten Pumpenwelle 132 verbunden.
  • Ein Abschnitt angrenzend an das Lager 125 für die Bodenplatte des Motorgehäuses 121 ist zu einer Seite der bewegbaren Spiral 113 geöffnet, sodass das Innere des Motorgehäuses 121 mit einer oberen Seite der bewegbaren Spirale 113, d.h. mit dem Lager 113d und der Gleitplatte 113c in Verbindung steht. Ein Filter 127 ist an einem umliegenden Bereich (d.h. einer oberen und einer unteren Umfangsseite) des Lagers 125 vorgesehen, um zu verhindern, dass in das Kältemittel und das Schmieröl gemischte Fremdmaterialien an dem Lager 125 anhaften.
  • Ein Ausgabegaskanal 121a ist an einem Seitenabschnitt des Motorgehäuses 121 (auf einer linken Seite in 2) vorgesehen, um die Niederdruckseite (die Außenumfangsseite der Spiralen) der Spiralen 112, 113 der Expansionsvorrichtung 110 mit einem oberen Abschnitt im Motorgehäuse 121 zu verbinden. Ein Niederdruckanschluss 121b ist am oberen Abschnitt des Motorgehäuses 121, der eine den Ausgabegaskanal 121a abgewandte Seite (auf einer rechten Seite in 2) ist, vorgesehen, damit das Innere des Motorgehäuses 121 mit seinem Äußeren in Verbindung steht. Der Niederdruckanschluss 121b ist mit der Kondensationsvorrichtung 32 verbunden.
  • Demgemäß strömt in der Pumpen/Expansions/Generator-Vorrichtung 100 des Ausführungsbeispiels, wie oben erläutert, das von der Expansionsvorrichtung 110 ausgegebene Kältemittel durch den Ausgabegaskanal 121a ins Innere des Motorgehäuses 121 und strömt vom Niederdruckanschluss 121b aus. Ein Innenraum des Motorgehäuses 121 unter dem Niederdruckanschluss 121b sowie der zwischen der Bodenplatte des Motorgehäuses 121 und der bewegbaren Spiral 113 ausgebildete und mit dem Innenraum über die untere Seite des Lagers 125 in Verbindung stehende Raum ist als ein Ölsammelabschnitt 101 ausgebildet.
  • Ein Temperatursensor 141 ist in dem zwischen der Bodenplatte des Motorgehäuses 121 und der bewegbaren Spirale gebildeten Raum vorgesehen. Ein vom Temperatursensor 141 erfasstes Temperatursignal wird der Steuerung 52 (1) eingegeben. Ein Drucksensor 142 ist am Niederdruckanschluss 121b zum Erfassen des Drucks des Kältemittels vorgesehen. Ein vom Drucksensor 142 erfasstes Drucksignal wird der Steuerung 52 (1) eingegeben.
  • Der Motorgenerator 120 wird als Motor (Elektromotor) betrieben, um den Rotor 123 zu drehen, um so die Expansionsvorrichtung 110 und die Kältemittepumpe 130 (später beschrieben) anzutreiben, wenn dem Stator 122 von der Batterie 11 über den Wechselrichter 51 beim Starten des Clausius-Rankine-Kreises Strom zugeführt wird. Wenn dagegen ein Drehmoment zum Drehen des Rotors 123 durch die durch die Expansion an der Expansionsvorrichtung 110 erzeugte Antriebskraft eingegeben wird, wird die Kältemittelpumpe 130 angetrieben. Und wenn die an der Expansionsvorrichtung 110 erzeugte Antriebskraft die Antriebskraft für die Kältemittelpumpe 130 übersteigt, wird der Motorgenerator 120 als Generator (Stromgenerator) zum Erzeugen von Strom betrieben. Der so erhaltene Strom wird über den Wechselrichter 512 in die Batterie 11 geladen.
  • Die Kältemittelpumpe 130 ist eine zweistufige Pumpe eines Wälzkolbentyps. Die Kältemittelpumpe 130 ist auf einer Seite des Motorgenerators 120 gegenüber der Expansionsvorrichtung 110 angeordnet und in einem am Motorgehäuse 121 befestigten Pumpengehäuse 131 aufgenommen.
  • Die Kältemittelpumpe 130 weist die Pumpenwelle 132, Zylinder 133a, Rotoren 134, usw. auf, die im Innern des Pumpengehäuses 131 ausgebildet sind. Die Zylinder 133a sind an einem Mittelabschnitt eines Zylinderblocks 133 in eine zylindrische Form geformt.
  • Die Pumpenwelle 132 ist mittels eines Keils mit der Motorwelle 124 verbunden und durch an Endplatten 137, zwischen denen die Zylinderblöcke 133 gesetzt sind, befestigten Lagern 132d und 132c drehbar gehalten. Ein Kreisnockenabschnitt 132a ist so an der Pumpenwelle 132 ausgebildet, dass der Nockenabschnitt 132a zur Pumpenwelle 132 exzentrisch ist. Zylindrische Flachrotoren 134 sind an Außenumfängen des Nockenabschnitts 132a vorgesehen. Ein Außendurchmesser der Rotoren 134 ist kleiner gemacht als ein Innendurchmesser des Zylinders 133a. Die Rotoren 134 sind innerhalb des Zylinders 133a angeordnet, sodass die Rotoren 134 im Zylinder 133a mit der Orbitalbewegung durch den Nockenabschnitt 132a gedreht werden. Schaufeln 135 sind an Außenumfängen der Rotoren 134 so vorgesehen, dass die Schaufeln 135 relativ zu den Rotoren 134 in einer radialen Richtung ver schiebbar und zu einer Mitte der Rotoren 134 vorgespannt sind. Von den Rotoren 134 und den Schaufeln eingeschlossene Räume sind als Pumpenkammer P im Zylinder 133a ausgebildet.
  • Ein Kältemitteleinlassabschnitt 133b und ein Kältemittelauslassabschnitt (nicht dargestellt) sind im Zylinderblock an solchen Abschnitten nahe den Schaufeln 135 vorgesehen, dass sie mit dem Innern des Zylinders 133a in Verbindung stehen. Der Kältemitteleinlassabschnitt 133b steht mit einem das Pumpengehäuse 131 durchdringenden Ansauganschluss 131a in Verbindung, während der Kältemittelauslassabschnitt durch ein Ausgabeventil 133c mit einer Hochdruckkammer 136 in Verbindung steht, die zwischen dem Pumpengehäuse 131 und dem Zylinderblock 133 (d.h. den Endplatten 137) ausgebildet ist. Die Hochdruckkammer 136 steht mit einem an einer Seitenwand des Pumpengehäuses 131 auf einer Seite zum Motorgenerator 120 ausgebildeten Ausgabeanschluss in Verbindung.
  • In der Kältemittelpumpe 130 wird das Kältemittel durch die Orbitalbewegung der Rotoren 134 durch den Ansauganschluss 131a und den Kältemitteleinlassabschnitt 133b in die Pumpenkammern P gesaugt und durch den Kältemittelauslassabschnitt, das Ausgabeventil 133c und die Hochdruckkammer 136 vom Ausgabeanschluss 131b ausgegeben.
  • Ein Wellenkanal 103 ist im Innern der Welle 118, der Motorwelle 124 und der Pumpenwelle 132, die integral miteinander ausgebildet sind, so ausgebildet, dass ein Längsendabschnitt der Hülse 118c mit dem Außenumfangsabschnitt des Nockenabschnitts 132a in Verbindung steht. Ein Innendurchmesser eines Teils des Wellenkanals 103, das näher zum Außenumfangsabschnitt des Nockenabschnitts 132a liegt, ist kleiner gemacht, sodass der Teil des Wellenkanals einen gewissen Strömungswiderstand besitzt.
  • Eine Funktionsweise der Pumpen/Expansions/Generator-Vorrichtung 100 gemäß dem Ausführungsbeispiel wird nun Bezug nehmend auf 3 bis 6 erläutert.
  • 1. Vor dem Starten des Clausius-Rankine-Kreises
  • Falls eine ausreichende Menge Abwärme vom Motor 10 erhalten werden kann (d.h. wenn die Temperatur des Motorkühlwassers ausreichend hoch ist), heizt die Steuerung 52 das Kältemittel in den Ölsammelabschnitten 101 im Motorgehäuse 121 und über der bewegbaren Spirale 113, indem der Stator 122 des Motorgenerators 120 entsprechend dem in 3 dargestellten Steuerablauf als Heizeinheit genutzt wird, bevor der Clausius-Rankine-Kreis 30 gestartet wird.
  • D.h. die Steuerung 52 erfasst die Temperatur und den Druck des Kältemittels im Motorgehäuse 121 in einem in 3 gezeigten Schritt S100 von dem Temperatursensor 141 und dem Drucksensor 142.
  • Dann wird in einem Schritt S110 die Viskosität des Schmieröls aus der erfassten Temperatur und dem erfassten Druck des Kältemittels berechnet. D.h. eine Löslichkeitskennlinie für das Kältemittel bezüglich Temperatur/Druck (nachfolgend die Kältemittellöslichkeitskennliniel, dargestellt in 4, sowie eine Viskositätskennlinie für das Schmieröl bezüglich der Temperatur (nachfolgend die Schmierölviskositätskennlinie), dargestellt in 5, sind im Voraus in der Steuerung gespeichert, sodass die Viskosität des Schmieröls aus beiden Kennlinien berechnet werden kann.
  • Genauer zeigt die Kältemittellöslichkeitskennlinie eine Beziehung zwischen der Temperatur und dem Druck, wobei die Löslichkeit des Kältemittels als ein Parameter gewählt ist. Zum Beispiel ist die Löslichkeit des Kältemittels bei höherer Temperatur geringer, falls der Druck konstant ist, während die Löslichkeit des Kältemittels bei höherem Druck höher ist, falls die Temperatur konstant ist. Die Löslichkeit „Y1" des Kältemittels wird entschieden, wenn die Temperatur „T1 " und der Druck „P1 " erfasst werden, wie in 4 dargestellt.
  • Weiter zeigt die Schmiermittelviskositätskennlinie eine Beziehung zwischen der Temperatur und der Viskosität des Schmieröls, wobei die Löslichkeit des Kältemittels als ein Parameter gewählt ist. Zum Beispiel ist die Viskosität des Schmieröls bei höherer Temperatur geringer, falls die Löslichkeit des Kältemittels konstant ist, wohingegen die Viskosität des Schmieröls bei kleinerer Löslichkeit des Kältemittels höher ist. Die Viskosität „N1" wird entschieden, wenn die Temperatur „T1" erfasst wird und die Löslichkeit „Y1 " des Kältemittels aus der Kältemittellöslichkeitskennlinie berechnet wird, wie in 5 dargestellt.
  • In einem Schritt S120 bestimmt die Steuerung, ob die oben erhaltene Viskosität „N1" niedriger als eine vorbestimmte Viskosität (die einem vorbestimmten Wert der vorliegenden Erfindung entspricht) ist oder nicht. Wenn „Y" bestimmt wird, führt die Steuerung einen vorbestimmten Gleichstrom dem Stator 122 des Generators 120 bei einer vorbestimmten Spannung zu und berechnet eine Stromzufuhrdauer für den Betrieb des Stators 122 als Heizeinheit in Schritt S130. D.h. die Steuerung berechnet basierend auf der in Schritt 110 berechneten Kältemittellöslichkeit, welche Menge des aktuellen Kältemittels zum Verdampfen geheizt wird (mit wie viel Wärmeenergie), sodass die Viskosität des Schmieröls höher als die vorbestimmte Viskosität wird. Die Steuerung berechnet weiter eine zum Erreichen der Wärmemenge notwendige Zeitdauer (vorbestimmte Spannung x vorbestimmter Strom x Zeitdauer) als die obige Stromzufuhrdauer.
  • In einem Schritt S140 gibt die Steuerung 52 ein Befehlssignal an den Wechselrichter 51 aus, sodass der Strom der vorbestimmten Spannung und des vorbestimmten Stroms während der obigen Stromzufuhrdauer vom Wechselrichter 51 dem Stator 122 zugeführt wird. Bei diesem Vorgang wird die Stromzufuhr mit einem Befehl ausgeführt, dass eine Drehung Null ist, sodass der Rotor 123 durch die Stromzufuhr zum Stator 122 nicht gedreht wird. Demgemäß wird am Stator 122 Wärme erzeugt, sodass das Kältemittel im Motorgehäuse 121 und im Raum über der bewegbaren Spirale 113, d.h. das in den Ölsammelabschnitten 101 gesammelte Kältemittel, geheizt wird. Als Ergebnis, dass das Kältemittel geheizt wird, wird die Löslichkeit des Kältemittels verringert und die Viskosität des im Kältemittel enthaltenen Schmieröls erhöht. Deshalb wird das Schmieröl mit der hohen Viskosität den Gleitabschnitten der Expansionsvorrichtung 110 und des Motorgenerators 120, d.h. dem Lager 113d, den Gleitplatten 113c und den Lagern 125 und 126, zugeführt.
  • Wenn die Stromzufuhrdauer in einem Schritt S150 vorüber ist, stoppt die Steuerung die Stromzufuhr und der Prozess geht zu einem Schritt S160, in dem ein Startvorgang für einen normalen Betrieb des Clausius-Rankine-Kreises 30 ausgeführt wird. Falls in Schritt S120 die Viskosität des Schmieröls höher als die vorbestimmte Viskosität ist, geht der Prozess ohne Ausführen der Schritte S130 bis S150 zu Schritt S160.
  • 2. Starten des Clausius-Rankine-Kreises
  • Beim Starten des Clausius-Rankine-Kreises 30 betätigt die Steuerung 52 den Motorgenerator 120 als Elektromotor durch Zuführen des Stroms vom Wechselrichter 51, um so die Expansionsvorrichtung 110 und die Kältemittelpumpe 130 anzutreiben. Dann wird das Kältemittel von der Kältemittelpumpe 130 der Heizvorrichtung 31 zugeführt, und das zugeführte Kältemittel wird durch die Heizvorrichtung 31 geheizt.
  • Der überhitzte Dampf des Kältemittels, der durch die Heizvorrichtung 31 auf hohe Temperatur und hohen Druck geheizt ist, wird in die Arbeitskammer V der Expansionsvorrichtung 110 eingeleitet und darin ausgedehnt. Wenn die bewegbare Spirale 113 durch die Expansion des überhitzten Dampfes des Kältemittels gedreht wird, werden der Motorgenerator 120 und die Kältemittelpumpe, die mit der bewegbaren Spirale 113 verbunden sind, angetrieben. Wenn die Antriebskraft der Expansionsvorrichtung 110 eine Antriebskraft zum Antreiben der Kältemittelpumpe 130 übersteigt, wird der Motorgenerator 120 als Stromgenerator betrieben, sodass die Steuerung 52 den durch den Motorgenerator 120 erzeugten Strom durch den Wechselrichter 51 in die Batterie 11 lädt.
  • Das Niederdruckkältemittel, dessen Druck nach Beendigung der Expansion an der Expansionsvorrichtung 110 vermindert ist, wird durch die Kondensationsvorrichtung 32, die Kältemittelpumpe 130, die Heizvorrichtung 31 und die Expansionsvorrichtung 110 (den Kreislauf im Clausius-Rankine-Kreis 20) zirkuliert.
  • 3. Normalbetrieb
  • Die Steuerung 52 steuert die Wärme des Kältemittels im Motorgehäuse 121 und im Ölsammelabschnitt 101 über der bewegbaren Spirale 113 gemäß einem in 6 dargestellten Steuerablauf selbst während eines Normalbetriebs, nachdem der Clausius-Rankine-Kreis 30 wie oben erläutert gestartet worden ist. Im Steuerablauf von 6 sind die Schritte nach Schritt S120 gegenüber dem in Bezug auf 3 erläuterten modifiziert.
  • D.h. die Steuerung 52 führt die Schritte S100 bis S120 in der gleichen Weise wie die obigen Schritte (3) aus, und in einem Schritt S131 vermindert die Steuerung 52 den Wirkungsgrad und berechnet einen Leistungsfaktor zum Betrieb des Stators 122 als Heizeinheit, wenn die Steuerung 52 in Schritt S120 bestimmt, dass die Viskosität des Schmieröls kleiner als die vorbestimmte Viskosität ist. D.h. die Steuerung berechnet basierend auf der in Schritt S110 berechneten Kältemittellöslichkeit während des Normalbetriebs, welche Menge des aktuellen Kältemittels zum Verdampften geheizt wird (mit wie viel Wärmemenge), sodass die Viskosität des Schmieröls größer als die vorbestimmte Viskosität wird. Und weiter berechnet die Steuerung den Leistungsfaktor, um die Wärmemenge zu erreichen. Der Leistungsfaktor ist gleich einem Kosinus einer Phasendifferenz des elektrischen Stroms relativ zur elektrischen Spannung.
  • Die Steuerung 52 gibt in einem Schritt S141 an den Wechselrichter 51 ein Befehlssignal für die Stromphasendifferenz entsprechend dem oben berechneten Leistungsfaktor aus und treibt in einem Schritt S161 den Motorgenerator 120 an. Dann erzeugt der Stator 122 mehr Wärme als zur Zeit vor dem Ausgeben des Befehlssignals für die Stromphasendifferenz.
  • Der überhitzte Dampf des Kältemittels, der durch die Heizvorrichtung 31 auf den Hochdruckdampf geheizt ist, strömt während des Normalbetriebs des Clausius-Rankine-Kreises 30 durch den Hochdruckanschluss 111c in die Hochdruckkammer 114. Das Kältemittel strömt in den Einlassanschluss 115, die Arbeitskammer V, die Niederdruckseiten (die Außenumfangsseiten) der Spiralen 112, 113, den Ausgabegaskanal 121a, das Motorgehäuse 121 und den Niederdruckanschluss 121b und strömt zur Kondensationsvorrichtung 32.
  • Wenn der überhitzte Dampf des Kältemittels vom Ausgabegaskanal 121a in das Motorgehäuse 121 strömt, wird seine Strömungsgeschwindigkeit durch eine Vergrößerung des Strömungskanals verringert, und das Schmieröl wird vom Kältemittel getrennt, um das Lager 126 zu erreichen. Das Schmieröl gelangt aufgrund seines Eigengewichts durch die Wicklungen des Stators 122 und des Rotors 123 des Motorgenerators 120 nach unten, sodass es das Lager 12, das Lager 113d und die Gleitplatte 133c erreicht. Bei diesem Vorgang wird das Kältemittel durch die am Stator 122 als Resultat der Verminderung des Leistungsfaktor erzeugte Wärme aktiv geheizt, sodass die Löslichkeit des Kältemittels vermindert und die Viskosität des Schmieröls erhöht wird. Demgemäß wird das Schmieröl der hohen Viskosität den Lagern 126, 125, dem Lager 113d und der Gleitplatte 113c zugeführt.
  • Ferner strömt das das Lager 113d erreichende Schmieröl durch den Wellenkanal 103 und die Rotoren 134 der Kältemittelpumpe 130 zu den Lagern 132b, 132c. Das die Lager 132b, 132c erreichende Schmieröl wird im Flüssigphasenkältemittel in den Pumpenkammern P der Kältemittelpumpe 130 wieder geschmolzen, sodass das Schmieröl wiederholt im Clausius-Rankine-Kreis 30 zirkuliert wird.
  • Falls in Schritt S120 die Viskosität des Schmieröls höher als die vorbestimmte Viskosität ist, geht der Prozess ohne Ausführen der Schritte S131 bis S141 zu Schritt S161, um den normalen Betrieb des Clausius-Rankine-Kreises 30 fortzusetzen.
  • Wie oben erläutert, wird in der Pumpen/Expansions/Generator-Vorrichtung 100 gemäß dem Ausführungsbeispiel der Stator 122 in Abhängigkeit von der Viskosität des Schmieröls im Kältemittel als Heizeinheit betrieben, um das Kältemittel zu heizen, um so die Viskosität des Schmieröls zu erhöhen. Demgemäß kann, da das Schmieröl mit der hohen Viskosität den jeweiligen Gleitabschnitten 126, 125, 113c und 113d zugeführt werden kann, die Schmiereigenschaft an den jeweiligen Gleitabschnitten 126, 125, 113c und 113d erhöht werden, um dadurch die Zuverlässigkeit (Haltbarkeit) zu verbessern. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist eine unabhängige Öltrennvorrichtung, die im Stand der Technik erläutert ist, nicht notwendig. Die vorliegende Erfindung ist in ihrer Montageleistung vorteilhafter, insbesondere wenn die Erfindung wie im obigen Ausführungsbeispiel für das Fahrzeug verwendet wird.
  • Ferner ist es möglich, die Schmiereigenschaft durch Verwenden der ursprünglichen Komponenten für den Motorgenerator 120 zu verbessern, weil der Stator 122 als Heizeinheit betrieben wird.
  • Außerdem wird gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Wärme am Stator 122 erzeugt, um die Viskosität des Schmieröls zu erhöhen, bevor der Clausius-Rankine-Kreis 30 gestartet wird. Die Viskosität des Schmieröls ist in einem äußerst geringen Zustand, da das Kältemittel im Allgemeinen im Ölsammelabschnitt 101 gesammelt wird, bevor die Expansionsvorrichtung 110 gestartet wird. Deshalb ist die Schmiereigenschaft an den jeweiligen Gleitabschnitten 126, 125, 113c und 113d beim Startvorgang gering. Demgemäß wird, wenn beim Startvorgang die Wärme am Stator 122 erzeugt wird, die Viskosität des Schmieröls erhöht, um die Schmiereigenschaft an den jeweiligen Gleitabschnitten 126, 125, 113c und 113d beim Startvorgang zu verbessern.
  • Während des Normalbetriebs des Clausius-Rankine-Kreises 30 wird die Wärme analog am Stator 122 in Abhängigkeit von der Viskosität des Schmieröls erzeugt, um die Viskosität des Schmieröls zu erhöhen, sodass die Schmiereigenschaft auch im Normalbetrieb sicher verbessert wird.
  • (Zweites Ausführungsbeispiel)
  • Ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in 7 gezeigt. Im zweiten Ausführungsbeispiel ist eine Steuerung (ein Steuerablauf) vor dem Starten des Clausius-Rankine-Kreises 30 von dem für das erste Ausführungsbeispiel verschieden.
  • Im Steuerablauf des zweiten Ausführungsbeispiels sind die Schritte S130 und S150 des ersten Ausführungsbeispiels (3) weggelassen. D.h. wenn die Steuerung 52 in Schritt S120 bestimmt, dass die Viskosität des Schmieröls niedriger als die vorbestimmte Viskosität ist, gibt die Steuerung 52 in Schritt S140 ein Befehlssignal für die Stromzufuhr an den Stator 122 aus, um so das Kältemittel in den Ölsammelabschnitten 101 zu heizen, ohne die Stromzufuhrdauer zum Stator 122 des Motorgenerators 120 zu berechnen. Der Prozess geht zurück zu Schritt S100, um die Temperatur und den Druck des Kältemittels durch den Temperatursensor 141 und den Drucksensor 142 zu erfassen. Falls die Viskosität des Schmieröls in Schritt S120 durch Wiederholen der obigen Schritte S100 bis S140 höher als die vorbestimmte Viskosität wird, geht der Prozess weiter zu einem Schritt S160, um den Clausius-Rankine-Kreis 30 zu starten.
  • Gemäß dem obigen zweiten Ausführungsbeispiel ist es nicht notwendig, die Stromzufuhrdauer zum Stator 122 zu berechnen. Stattdessen werden die Temperatur und der Druck des Kältemittels fortlaufend erfasst, um die Viskosität des Schmieröls zu erfassen, bevor der Clausius-Rankine-Kreis 30 gestartet wird, sodass die Viskosität des Schmieröls höher als die vorbestimmte Viskosität gemacht ist.
  • (Drittes Ausführungsbeispiel)
  • Ein drittes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in 8 dargestellt. Im dritten Ausführungsbeispiel ist eine Heizeinheit zum Heizen des Kältemittels in den Ölsammelabschnitten 101 im Vergleich zum ersten Ausführungsbeispiel modifiziert.
  • Ein Wassermantel 151 ist an einem Außenumfangsabschnitt des Motorgehäuses 121 vorgesehen, und ein Bypasskanal 151a ist mit dem Wassermantel 151 verbunden, wobei der Bypasskanal 151a die Heizvorrichtung 31 umgeht. Der Wassermantel 151 und der Bypasskanal 151a entsprechen einem Wärmemedienkanal, um die Heizeinheit zu bilden. Ein Ein/Aus-Ventil 151b ist am Bypasskanal 151a vorgesehen, wobei das Ein/Aus-Ventil durch die Steuerung 52 zum Öffnen oder Schließen des Kanals gesteuert wird.
  • Gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel berechnet die Steuerung 52 die Viskosität des Schmieröls in den Ölsammelabschnitten 101 vor dem Starten des Clausius-Rankine-Kreises 30 sowie während des Normalbetriebs. Und die Steuerung 52 öffnet das Ein/Aus-Ventil 151b, sodass das Motorkühlwasser vom Motor 10 zum Wassermantel 151 strömt, wenn die Viskosität des Schmieröls niedriger als die vorbestimmte Viskosität ist. Das Motorkühlwasser entspricht einem Wärmemedium von einer äußeren Hochtemperatur-Heizquelle der vorliegenden Erfindung. Dann wird das Kältemittel in den Ölsammelabschnitten 101 durch den Wärmeübergang von dem durch den Wassermantel 151 strömenden Motorkühlwasser (heißes Wasser) geheizt, und dadurch wird die Viskosität des Schmieröls erhöht. Mit anderen Worten ist die Heizeinheit durch effektives Nutzen des Wärmemediums (des Motorkühlwassers) der äußeren Hochtemperatur-Wärmequelle im Clausius-Rankine-Kreis 30 gebildet.
  • (Viertes Ausführungsbeispiel)
  • Ein viertes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in 9 dargestellt.
  • Im vierten Ausführungsbeispiel ist eine Heizeinheit zum Heizen des Kältemittels in den Ölsammelabschnitten 101 im Vergleich zum ersten Ausführungsbeispiel modifiziert.
  • Eine elektrische Heizvorrichtung 152 ist am Außenumfangsabschnitt des Motorgehäuses 121 vorgesehen, und elektrischer Strom wird der elektrischen Heizvorrichtung 152 durch die Steuerung von der Batterie 11 zugeführt. Die elektrische Heizvorrichtung 152 bildet die Heizeinheit.
  • Gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel berechnet die Steuerung 52 die Viskosität des Schmieröls in den Ölsammelabschnitten 101 vor dem Starten des Clausius-Rankine-Kreises 30 sowie während des Normalbetriebs. Und der Strom wird der elektrischen Heizvorrichtung 152 zugeführt, wenn die Viskosität des Schmieröls niedriger als die vorbestimmte Viskosität ist. Dann wird das Kältemittel in den Ölsammelabschnitten 101 durch die an der elektrischen Heizvorrichtung 152 erzeugten Wärme geheizt, und dadurch wird die Viskosität des Schmieröls erhöht.
  • (Weitere Modifikationen)
  • Gemäß den obigen Ausführungsbeispielen sind die Expansionsvorrichtung 110, der Motorgenerator 120 und die Kältemittelpumpe 130 integral als Pumpen/Expansions/Generator-Vorrichtung 100 ausgebildet, wobei die Expansionsvorrichtung 110, der Motorgenerator 120 und die Kältemittepumpe 130 von der unteren Seite aus angeordnet sind. Jedoch können die Konstruktion, die Anordnung und die Betriebsstellung der Fluidmaschine in verschiedenen Weisen wie folgt modifiziert werden.
  • Eine erste Modifikation ist in 10 dargestellt. In einer Fluidmaschine 100A der ersten Modifikation sind die Kältemittelpumpe 130, der Motorgenerator 120 und die Expansionsvorrichtung 110 im Vergleich zur Pumpen/Expansions/Generator-Vorrichtung 100 des ersten Ausführungsbeispiels in dieser Reihenfolge vom unteren Ende aus angeordnet. Außerdem ist der Hochdruckanschluss 111c, durch den der überhitzte Dampf des Kältemittels von der Heizvorrichtung 31 in das Motorgehäuse 121 strömt, an einem oberen Abschnitt des Motorgehäuses 121 vorgesehen, wohingegen der Niederdruckanschluss 121b zum Ausgeben des ausgedehnten Nieder druckkältemittels an einem Seitenwandabschnitt der Expansionsvorrichtung 110 vorgesehen ist.
  • Gemäß der ersten Modifikation sind die Lager 125 und 126, die dem Gleitabschnitt des Motorgenerators 120 entsprechen, in dem Ölsammelabschnitt 101 angeordnet. Das Kältemittel im Ölsammelabschnitt 101 wird durch die durch den Stator 122 gebildete Heizvorrichtung geheizt, sodass die Viskosität des Schmieröls erhöht wird. Die Schmiereigenschaft für die Lager 125 und 126 wird durch das Schmieröl verbessert, dessen Viskosität erhöht ist.
  • Eine zweite Modifikation ist in 11 dargestellt. Eine Fluidmaschine 100B ist so angeordnet, dass ihre Betriebsstellung im Vergleich zur Pumpen/Expansions/Generator-Vorrichtung 100 des ersten Ausführungsbeispiels in einer horizontalen Ebene liegt. Und der Niederdruckanschluss 121d ist an einem oberen Abschnitt des Motorgehäuses 121 vorgesehen, der auf einer Seite zur Kältemittelpumpe 130 ist.
  • Gemäß der zweiten Modifikation kann ein Raum unter dem Niederdruckanschluss 121b als Ölsammelabschnitt 101 ausgebildet sein, in dem das Lager 113d, die Gleitplatte 113c und die Lager 125, 126 angeordnet sind, wobei das Lager 113d, die Gleitplatte 113c und die Lager 125, 126 die Gleitabschnitte der Expansionsvorrichtung 110 und des Motorgenerators 120 bilden. Das Kältemittel im Ölsammelabschnitt 101 wird durch die durch den Stator 122 gebildete Heizvorrichtung geheizt, sodass die Viskosität des Schmieröls erhöht wird. Die Schmiereigenschaft für das Lager 113d, die Gleitplatte 113c und die Lager 125 und 126 wird durch das Schmieröl verbessert, dessen Viskosität erhöht ist.
  • Eine dritte Modifikation ist in 12 gezeigt. Die Fluidmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung weist als Grundkomponenten die Expansionsvorrichtung 110 und den Motorgenerator 120 auf. Wie durch eine Fluidmaschine 1000 der dritten Modifikation dargestellt, kann die Kältemittelpumpe 130 aus der Pumpen/Expansions/Generator-Vorrichtung 100 des ersten Ausführungsbeispiels weggelassen sein.
  • Wie in 13 dargestellt, kann die Fluidmaschine wie eine vierte Modifikation (eine Fluidmaschine 100D) modifiziert werden, bei welcher vertikale Positionen der Expansionsvorrichtung 110 und des Motorgenerators 120 getauscht sind, oder wie in 14 dargestellt, kann die Fluidmaschine wie eine fünfte Modifikation (eine Fluidmaschine 100E) modifiziert werden, bei welcher eine Betriebsstellung im Vergleich zur dritten Modifikation in der horizontalen Ebene angeordnet ist.
  • Der Wechselrichter 51 kann integral am Außenumfangsabschnitt des Motorgehäuses 121 vorgesehen werden, um so als Heizeinheit zum Heizen des Kältemittels zu dienen. Außerdem ist in den obigen Ausführungsbeispielen die Expansionsvorrichtung 110 durch die Spiralvorrichtung ausgebildet, und die Kältemittelpumpe 130 ist durch die Wälzkolbenvorrichtung ausgebildet. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Art beschränkt. Ein Zahnradpumpentyp, ein Trochoidentyp oder irgendwelche anderen Arten können ebenfalls verwendet werden.
  • In den obigen Ausführungsbeispielen wird der Motor 10 für das Fahrzeug (das Motorkühlwasser) als Heizquelle für die Heizvorrichtung 31 verwendet. Irgendwelche anderen Vorrichtungen, die bei ihrem Betrieb Wärme erzeugen und einen Teil der Wärme zum Zwecke ihrer Temperaturregelung abgeben (d.h. die Abwärme erzeugen), wie beispielsweise ein Verbrennungsmotor, Brennstoffzellenstapel für einen Brennstoffzellenwagen, verschiedene Arten von Motoren, können im weitesten Sinne für die vorliegende Erfindung verwendet werden.
  • (Fünftes Ausführungsbeispiel)
  • Gemäß dem Ausführungsbeispiel ist die Pumpen/Expansions/Generator-Vorrichtung 100 auf den Clausius-Rankine-Kreis 30 angewendet, bei dem die Kondensationsvorrichtung 32 und eine Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 33 für einen Fahrzeug-Kühlkreis 40 gemeinsam benutzt werden. Der Systemaufbau wird unter Bezug 15 erläutert.
  • Zuerst wird kurz der Kühlkreis 40 erläutert. Der Kühlkreis 40 transportiert Wärme von einer Niedertemperaturseite zu einer Hochtemperaturseite, sodass Kälte und Hitze für einen Klimabetrieb verwendet werden. Eine Kompressorvorrichtung 41, die Kondensationsvorrichtung 32, die Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 33, eine Druck verminderungsvorrichtung 44 und ein Verdampfapparat 45 sind nacheinander in einem Kreis verbunden.
  • Eine Antriebskraft des Fahrzeugmotors 10 wird über einen Antriebsriemen, eine Riemenscheibe 41a und eine elektromagnetische Kupplung 41b auf die Kompressorvorrichtung 41 übertragen, sodass die Kompressorvorrichtung 41 betrieben wird, um das Kältemittel im Kühlkreis 40 auf das Hochtemperatur- und Hochdruckkältemittel zu komprimieren. Die Kondensationsvorrichtung 32 ist ein Wärmetauscher zum Abkühlen des durch die Kompressorvorrichtung 41 auf das Hochtemperatur- und Hochdruckkältemittel komprimierten Kältemittels, um das Kältemittel zu kondensieren und zu verflüssigen. Ein Lüfter 32a bläst Kühlluft (Fahrzeug-Außenluft) zur Kondensationsvorrichtung 32. Die Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 33 ist ein Auffanggefäß zum Trennen des an der Kondensationsvorrichtung 32 kondensierten Kältemittels in ein Gasphasenkältemittel und ein Flüssigphasenkältemittel, um das Flüssigphasenkältemittel auszugeben.
  • Die Druckverminderungsvorrichtung 44 ist ein Expansionsventil zur Druckverminderung und Expansion des an der Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 33 getrennten Flüssigphasenkältemittels. Der Verdampfapparat 45 ist ein Wärmetauscher zum Durchführen eines Wärmeabsorptionsvorgangs durch Verdampfen des durch die Druckverminderungsvorrichtung 44 im Druck verminderten Kältemittels, und der Verdampfapparat 45 ist in einem Klimaeinheitengehäuse 42 vorgesehen. Und die durch einen Lüfter 45a in das Klimaeinheitengehäuse 42 eingeleitete Luft (Außen- oder Innenluft) wird abgekühlt.
  • Der Clausius-Rankine-Kreis 30 sammelt Energie (die an der Expansionsvorrichtung 110 erzeugte Antriebskraft) aus am Motor 10 erzeugter Abwärme. Der Clausius-Rankine-Kreis 30 ist so ausgebildet, dass die Kondensationsvorrichtung 32 und die Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 33 des Kühlkreises 40 gemeinsam für den Clausius-Rankine-Kreis 30 benutzt werden. Ein Bypasskanal 36, der die Kondensationsvorrichtung 32 und die Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 33 umgeht, ist vorgesehen. Die Kältemittelpumpe 130, die Heizvorrichtung 31 und die Expansionsvorrichtung 110 sind in dem Bypasskanal 36 von einer Seite der Gas/Flüssigkeit- Trennvorrichtung 33 aus angeordnet und mit der Kondensationsvorrichtung 32 verbunden, sodass der Clausius-Rankine-Kreis 30 gebildet ist.
  • Ein Heizkern 23 ist zusätzlich zur Wasserpumpe 21 und zum Kühler 22 im Heißwasserkreis 20 vorgesehen, um die Luft zum Klimabetrieb unter Verwendung des Motorkühlwassers (heißes Wasser) als Heizquelle zu heizen. Der Heizkern 23 ist zusammen mit dem Verdampfapparat 45 in dem Klimaeinheitengehäuse 42 angeordnet, sodass die Luft für den Klimabetrieb auf eine durch einen Fahrgast eingestellte Temperatur eingestellt wird.
  • Die Steuereinheit 50 ist zum Steuern der Vorgänge der jeweiligen Komponenten für den Kühlkreis 40 und den Clausius-Rankine-Kreis 30 vorgesehen. Die Steuereinheit 50 weist den Wechselrichter 51 und die Steuerung 52 auf.
  • Die Steuerung 52 steuert die elektromagnetische Kupplung 41b, den Lüfter 32a, ein Druckausgleichsventil (ein elektromagnetische Ventil) 117e (16) in der Expansionsvorrichtung 110, usw. beim Betreiben des Kühlkreises 40 und des Clausius-Rankine-Kreises 30 zusätzlich zur Steuerung des Betriebs für den Wechselrichter 51.
  • Es wird nun der Aufbau der Pumpen/Expansions/Generator-Vorrichtung 100 Bezug nehmend auf 16 erläutert. Die Pumpen/Expansions/Generator-Vorrichtung 100 hat beinahe den gleichen Aufbau wie die in 2 gezeigte Pumpen/Expansions/Generator-Vorrichtung 100. Die Expansionsvorrichtung 110, der Motorgenerator 120 und die Kältemittelpumpe 130 sind koaxial verbunden und integral ausgebildet.
  • Die Expansionsvorrichtung 110 weist den Einlassanschluss 115 zum Verbinden der Hochdruckkammer 114 mit der Arbeitskammer V, das Druckausgleichsventil 117 zum Öffnen und Schließen eines Verbindungsanschlusses 116 und dergleichen auf.
  • Die Gleitplatte 113c ist zwischen die bewegbare Spirale 113 und ein Wellengehäuse 111b gesetzt, und das im Kältemittel enthaltene Schmieröl wird, wie nachfolgend erläutert, der Gleitplatte 113c zum Erleichtern der gleichmäßigen Bewegung der bewegbaren Spirale 113 zugeführt.
  • Die Welle 118 wird durch das am Wellengehäuse 111b befestigte Lager 125 drehbar gehalten.
  • Der Niederdruckanschluss 121d ist am oberen Abschnitt (d.h. auf der Seite zur Kältemittepumpe 130) des Motorgehäuses 121 (entspricht dem Gehäuse der vorliegenden Erfindung) zum Verbinden der Expansionsvorrichtung 110 mit der Kondensationsvorrichtung 32 vorgesehen. Der Ausgabegaskanal 121a (der einem Fluidkanal der vorliegenden Erfindung entspricht) ist an der Seitenwand des Motorgehäuses 121 gegenüber dem Niederdruckanschluss 121b ausgebildet, wobei der Ausgabegaskanal 121a von der Niederdruckseite (d.h. dem Außenumfangsabschnitt der Spirale) durch das Motorgehäuse 121 nach oben verläuft. Demgemäß stehen der Niederdruckanschluss 121b und die Niederdruckseite (d.h. der Außenumfangsabschnitt der Spirale) der Expansionsvorrichtung 110 durch den Ausgabegaskanal 121a sowie den Innenraum des Motorgehäuses 121 miteinander in Verbindung: Das Druckausgleichsventil 117 ist ein derartiges Ventil zum sicheren Stoppen des Betriebs der Expansionsvorrichtung 110, wenn ein anormaler Betrieb (zum Beispiel eine anormale Drehung des Motorgenerators 120, eine unmöglich Situation zum Steuern des Motorgenerators 120) im Clausius-Rankine-Kreis 30 auftritt. Dies erfolgt durch zwangsweises Öffnen des die Hochdruckkammer 114 mit der Niederdruckseite der Spiralen 112 und 113 verbindenden Verbindungsanschlusses 116, sodass der Vorgang zum Ausdehnen des überhitzten Dampfes des Kältemittels in der Arbeitskammer V nicht ausgeführt werden kann. Das Druckausgleichsventil 117 weist einen durch eine in einer Gegendruckkammer 117b vorgesehene Feder 117c vorgespannten Ventilkörper 117a, eine Öffnung 117d mit einem bestimmten Strömungswiderstand und die Gegendruckkammer 117d mit der Hochdruckkammer 114 verbindend, und das elektromagnetische Ventil 117e zum Einstellen des Drucks in der Gegendruckkammer 117b durch Öffnen oder Schließen der Gegendruckkammer 117b zu oder von der Seite der Hochdruckkammer 114 oder der Niederdruckseite auf.
  • Der Ein/Ausschaltvorgang des elektromagnetischen Ventils 117e wird durch die Steuerung 52 gesteuert. Wenn die Niederdruckseite des elektromagnetischen Ventils 117e geöffnet wird, wird der Druck in der Gegendruckkammer 117b zur Nieder druckseite freigegeben, sodass der Druck niedriger als jener der Hochdruckkammer 114 wird. Der Ventilkörper 117a wird durch den Druck der Hochdruckkammer 114 in der Richtung nach unten in 16 verschoben, wobei die Feder 117c komprimiert wird, sodass der Verbindungsanschluss 116 geöffnet wird.
  • Die Kältemittelpumpe 130 ist eine einstufige Pumpe des Wälzkolbentyps. Die Kältemittelpumpe 130 ist auf der Seite des Motorgenerators 120 gegenüber der Expansionsvorrichtung 110 angeordnet, und sie ist in dem am Motorgehäuse 121 befestigten Pumpengehäuse 131 aufgenommen.
  • Gemäß der Pumpen/Expansions/Generator-Vorrichtung 100 ist eine solche Einrichtung zum Sammeln des in der Pumpen/Expansions/Generator-Vorrichtung 100 zusammen mit dem Kältemittel zirkulierten Schmieröls und zum Erhöhen der Viskosität des Schmieröls und Zuführen des Schmieröls zu den Gleitabschnitten vorgesehen.
  • D.h. der Ölsammelabschnitt 101 ist über der Expansionsvorrichtung 110 aber unter dem Motorgenerator 120 zum Sammeln des vom Kältemittel getrennten Schmieröls vorgesehen. Genauer ist der Ölsammelabschnitt 101 in einem nutenförmigen Abschnitt auf einer Seite des Wellengehäuses 111b noch niedriger als das untere Ende des Stators 122 des Motorgenerators 120, d.h. näher zur Gleitplatte 113c als der Gleitabschnitt der Expansionsvorrichtung 110 ausgebildet. Der nutenförmige Abschnitt ist durch Aufgraben eines Teils des Wellengehäuses 111b ausgebildet.
  • Ein unteres Ende des Wellengehäuses ist als ein Trennabschnitt 101a zwischen dem Ölsammelabschnitt 101 und der Gleitplatte 113c ausgebildet. Eine Dicke des Trennabschnitts 101a ist dünner als jene anderer Teile des Wellengehäuses 111b gemacht. Ein Ölkanal 102 ist am Trennabschnitt 101a als ein solcher Kanal zum Verbinden des unteren Abschnitts des Ölsammelabschnitts 101 mit einem oberen Abschnitt der Gleitplatte 113c ausgebildet.
  • Der Wellenkanal 103 ist im Innern der Welle 118, der Motorwelle 124 und der Pumpenwelle 132, die integral miteinander ausgebildet sind, so ausgebildet, dass der Längsendabschnitt des Kurbelabschnitts 118a mit dem Außenumfangsabschnitt des Nockenabschnitts 132a in Verbindung steht. Eine Öffnung 104 mit einem bestimmten Strömungswiderstand ist in dem Wellenkanal 103 an einer solchen Position ausgebildet, die näher zum Außenumfangsabschnitt des Nockenabschnitts 132a ist.
  • Es werden nun eine Funktionsweise und ein Vorteil der Pumpen/Expansions/Generator-Vorrichtung 100 gemäß dem Ausführungsbeispiel erläutert.
  • Fall eine ausreichende Menge Abwärme vom Motor 10 erzielt werden kann (d.h. wenn die Temperatur des Motorkühlwassers ausreichend hoch ist), betätigt die Steuerung 52 den Motorgenerator 120 als Elektromotor durch Zuführen des Stroms vom Wechselrichter 51 zum Motorgenerator 120, sodass die Expansionsvorrichtung 110 und die Kältemittelpumpe 130 betrieben werden, wenn der Clausius-Rankine-Kreis 30 gestartet wird. Dann wird das Kältemittel von der Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 33 angesaugt und der Heizvorrichtung 31 zugeführt, sodass das zugeführte Kältemittel durch die Heizvorrichtung 31 geheizt wird.
  • Der überhitzte Dampf des Kältemittels, der durch die Heizvorrichtung 31 auf die hohe Temperatur und den hohen Druck geheizt ist, wird in die Arbeitskammer V der Expansionsvorrichtung 110 eingeleitet und darin ausgedehnt. Wenn die bewegbare Spirale 113 durch die Expansion des überhitzten Dampfes des Kältemittels gedreht wird, werden der Motorgenerator 120 und die Kältemittelpumpe, die mit der bewegbaren Spirale 113 verbunden sind, angetrieben. Wenn die Antriebskraft der Expansionsvorrichtung 110 eine Antriebskraft zum Antreiben der Kältemittelpumpe 130 übersteigt, wird der Motorgenerator 120 als Stromgenerator betrieben, sodass die Steuerung 52 den durch den Motorgenerator 120 erzeugten Strom durch den Wechselrichter 51 in die Batterie 11 lädt.
  • Das Niederdruckkältemittel, dessen Druck nach Beendigung der Expansion an der Expansionsvorrichtung 110 vermindert ist, wird durch die Kondensationsvorrichtung 32, die Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 33, den Bypasskanal 36, die Kältemittelpumpe 130, die Heizvorrichtung 31 und die Expansionsvorrichtung 110 zirkuliert (die Zirkulation im Clausius-Rankine-Kreis 30).
  • Die Steuerung 52 stoppt den Betrieb der Expansionsvorrichtung 110 durch Öffnen des Druckausgleichsventils 117 sicher, um so den überhitzten Dampf des Kältemittels nicht in die Arbeitskammer V einzuleiten, wenn ein anormaler Vorgang im Clausius-Rankine-Kreis 30 auftritt. Falls der Klimabetrieb durch den Fahrgast gefordert wird, wird die Riemenscheibe 41a mittels der elektromagnetischen Kupplung 41b mit der Kompressorvorrichtung 41 verbunden, sodass die Kompressorvorrichtung durch die Antriebskraft des Motors 10 angetrieben wird, um den Klimabetrieb durch den Kühlkreis 40 durchzuführen. Zusätzlich wird die Drehzahl des Lüfters 32a gesteuert, um die Kapazität für die Kondensationsleistung der Kondensationsvorrichtung 32 einzustellen.
  • Gemäß der obigen Pumpen/Expansions/Generator-Vorrichtung 100 strömt der überhitzte Dampf des Kältemittels, der durch die Heizvorrichtung 31 auf den Hochdruckdampf geheizt ist, während des normalen Betriebs des Clausius-Rankine-Kreises 30 durch den Hochdruckanschluss 111c in die Hochdruckkammer 114. Das Kältemittel strömt durch den Einlassanschluss 115, die Arbeitskammer V, die Niederdruckseiten (die Außenumfangsseiten) der Spiralen 112, 113, den Ausgabegaskanal 121a, den Innenraum des Motorgehäuses 121 und den Niederdruckanschluss 121b und strömt zur Kondensationsvorrichtung 32.
  • Wenn der überhitzte Dampf des Kältemittels vom Ausgabegaskanal 121a in das Motorgehäuse 121 strömt, wird seine Strömungsgeschwindigkeit durch die Vergrößerung des Strömungskanals verringert, und das Schmieröl wird vom Kältemittel getrennt. D.h. der Ausgabegaskanal 121a und das Motorgehäuses 121 funktionieren als eine Trenneinrichtung zum Trennen des Schmieröls vom Kältemittel im vorliegenden Ausführungsbeispiel. Das getrennte Schmieröl läuft aufgrund seines Eigenwichts durch Wicklungen des Stators 122, den Rotor 123 des Motorgenerators 120 oder Räume zwischen den Teilen nach unten und wird im Ölsammelabschnitt 101 an der untersten Stelle gesammelt. Das im Ölsammelabschnitt 101 gesammelte Schmieröl wird durch Empfangen von Wärme (durch die Wärmeübertragung) von der Arbeitskammer V und die Hochdruckkammer 114 der Expansionsvorrichtung 110, die ein Hochtemperaturabschnitt ist (d.h. ein Bereich der Hochtemperaturseite) geheizt.
  • Wenn das Schmieröl wie oben geheizt wird, wird das im Schmieröl enthaltene Kältemittel verdampft, sodass die Viskosität des Schmieröls erhöht wird. Zum Beispiel ist das ausgedehnte und von der Expansionsvorrichtung 110, die bei der Temperatur von 80°C arbeitet, ausgegebene Kältemittel unter dem Umstand einer Umgebungstemperatur von 25°C auf 1,0 MPa und 45°C. Unter dieser Bedingung werden 40% (Massenanteil) des Kältemittels im Schmieröl geschmolzen. Deshalb ist die Viskosität des Schmieröls auf etwa einen Wert von 7 cSt verringert. Wenn das Schmieröl jedoch auf eine Temperatur von 60°C geheizt wird, wird mehr als die Hälfte des Schmieröls verdampft, und die Viskosität wird auf einen Wert von 10 cSt erhöht, was ein geeigneter Viskositätswert für die Expansionsvorrichtung 110 ist.
  • Das Schmieröl, das geheizt und dessen Viskosität erhöht ist, strömt aufgrund seines Eigengewichts durch den Ölkanal 102 weiter nach unten. Ferner wird das Schmieröl durch eine Druckdifferenz zwischen der Expansionsvorrichtung 110 und der Kältemittelpumpe 130 angesaugt, sodass es zu der Gleitplatte 113c und dem Lager 113d der Gleitabschnitte der Expansionsvorrichtung 110 strömt. Dann strömt das Schmieröl durch den Wellenkanal 103 weiter zu den Lagern 132b und 132c der Gleitabschnitte vom Rotor 134 der Kältemittelpumpe. Das die Lager 132b und 132c erreichende Schmieröl wird im Flüssigphasenkältemittel in den Pumpenkammern P der Kältemittelpumpe 130 wieder geschmolzen, sodass das Schmieröl wiederholt im Clausius-Rankine-Kreis 30 zirkuliert wird. Die Menge des durch den Wellenkanal 103 strömenden Schmieröls wird durch die Öffnung 104 eingestellt. D.h. obwohl das Kältemittel durch den Wellenkanal 103 strömen kann, kann eine große Menge des Schmieröls aufgrund seines Strömungswiderstandes nicht vom Motorgehäuse 121 direkt durch den Wellenkanal 103 in die Kältemittelpumpe strömen.
  • Wie oben erläutert, ist gemäß der Pumpen/Expansions/Generator-Vorrichtung 100 des Ausführungsbeispiels der Ausgabegaskanal 121a zum Einleiten des von der Expansionsvorrichtung 110 ausgepumpten Kältemittels zum oberen Abschnitt des Motorgehäuses 121 vorgesehen. Wenn das Kältemittel von dem Ausgabegaskanal 121a in den Raum des Motorgehäuses 121 strömt, wird das im Kältemittel enthaltene Schmieröl aufgrund des Abfalls der Strömungsgeschwindigkeit des Kältemittels vom Kältemittel getrennt. Außerdem sind der Ölsammelabschnitt 101 und der Ölkanal 102 vorgesehen. Da das vom Kältemittel getrennte Schmieröl im Motor gehäuse 121 durch sein Eigengewicht nach unten strömt, strömt das Schmieröl nicht zusammen mit dem Kältemittel aus dem Motorgehäuse 121 heraus. Demgemäß kann das Schmieröl sicher im Ölsammelabschnitt 101 gesammelt werden. Dann kann das Schmieröl im Ölsammelabschnitt 101 geheizt werden, um das im Schmieröl enthaltene Kältemittel zu verdampfen. Als Ergebnis kann das Schmieröl mit höherer Viskosität der Gleitplatte 113c und dem Lager 113d der Expansionsvorrichtung 110 durch den Ölkanal 102 zugeführt werden.
  • Eine Dicke eines Ölfilms hängt von der Viskosität des Schmieröls ab. Direkte Kontakte der Teile können ohne eine strenge Polierbearbeitung an den Gleitabschnitten für die Oberflächenrauheit durch den Ölfilm vermieden werden, wenn die ausreichende Viskosität gewährleistet ist. Demgemäß kann die Zuverlässigkeit der Expansionsvorrichtung 110 auch durch eine vernünftige maschinelle Bearbeitung erzielt werden. Zusätzlich kann kein ungewöhnlich starker Abrieb am Lager 113d vor seiner Lebensdauer auftreten, wenn das Lager in der Umgebung der hohen Viskosität benutzt wird. Demgemäß kann die Zuverlässigkeit selbst bei einem solchen Lager mit vernünftigen Kosten gewährleistet werden.
  • Die Dicke des Trennabschnitts 101a, der den Ölsammelabschnitt 101 und den Hochtemperaturabschnitt (die Arbeitskammer V, die Hochdruckammer 114) trennt, ist kleiner als jene der anderen Teile gemacht, sodass der Wärmewiderstand am Trennabschnitt 101a verringert ist, um die Wärmeübertragungsleistung vom Hochtemperaturabschnitt zum Ölsammelabschnitt 101 zu verbessern.
  • Das von der Expansionsvorrichtung 110 ausgegebene und in das Motorgehäuse 121 strömende Kältemittel fließt aufgrund seines Eigengewichts durch Wicklungen des Stators 122, den Rotor 123 des Motorgenerators 120 oder Räume zwischen den Teilen nach unten. Demgemäß kann das Schmieröl durch die am Stator 122 und am Rotor 123 während ihres Betriebs erzeugte Wärme geheizt werden, das im Schmieröl enthaltene Kältemittel kann während des Stroms ebenfalls verdampft werden, sodass die Viskosität des Schmieröls noch vor dem Erreichen des Ölsammelabschnitts 101 erhöht werden kann.
  • Ferner ist der Wellenkanal 103 so vorgesehen, dass das Schmieröl durch die Druckdifferenz zwischen der Expansionsvorrichtung 110 und der Kältemittelpumpe 130 zur Kältemittelpumpe 130 gesaugt wird. Das Schmieröl kann gleichmäßig und sicher den Gleitabschnitten (113c, 113d) zugeführt werden. Das Schmieröl der hohen Viskosität kann der Kältemittelpumpe 130 zugeführt werden.
  • (Sechstes Ausführungsbeispiel)
  • Ein sechstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in 17 gezeigt. Im sechsten Ausführungsbeispiel wird im Vergleich zum fünften Ausführungsbeispiel die Hochdruckkammer (der Bereich der Hochdruckseite) 114 der Expansionsvorrichtung 110 hauptsächlich als Hochtemperaturabschnitt zum Ölsammelabschnitt 101 benutzt. Genauer ist die Hochdruckkammer 114 an einem Seitenabschnitt der Expansionsvorrichtung 110 angeordnet, sodass die Hochdruckkammer 114 näher zum Ölsammelabschnitt 101 ist.
  • Mit einer solchen Anordnung kann das Schmieröl im Ölsammelabschnitt 101 durch einen solchen überhitzten Dampf des Kältemittels, der sich im Hochtemperaturzustand höher als jener des Kältemittels in der Arbeitskammer V befindet, geheizt werden. Demgemäß kann das im Schmieröl enthaltene Kältemittel effektiver verdampft werden als im fünften Ausführungsbeispiel.
  • (Siebtes Ausführungsbeispiel)
  • Ein siebtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in 18 dargestellt. Im siebten Ausführungsbeispiel wird im Vergleich zum fünften Ausführungsbeispiel der Wechselrichter 51A für den Motorgenerator 120 als Hochtemperaturabschnitt zum Heizen des im Ölsammelabschnitt 101 gesammelten Schmieröls benutzt.
  • Der Wechselrichter 51A ist am Außenumfangsabschnitt des Motorgehäuses 121 des Motorgenerators 120 integral ausgebildet. Ein Wärmeerzeugungsabschnitt 51B des Wechselrichters 51A ist näher zum Ölsammelabschnitt 101 angeordnet.
  • Mit einer solchen Anordnung wird der Wechselrichter 51A (der Wärmeerzeugungsabschnitt 51B) als Wärmequelle benutzt, ohne auf den Bereich der Hochdruckseite der Expansionsvorrichtung 110 beschränkt zu sein, um das Schmieröl im Ölsammelabschnitt 101 zu heizen.
  • (Achtes Ausführungsbeispiel)
  • Ein achtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in 19 dargestellt. Im achten Ausführungsbeispiel sind Rippen 101b an einer Innenfläche des Ölsammelabschnitts 101 des fünften Ausführungsbeispiels vorgesehen, um eine Fläche der Wärmeübertragung (Kontaktfläche) zu vergrößern. Die Rippen 101b sind als mehrere dünne Metallbögen, die von dem Trennabschnitt 101a, welcher der Bodenabschnitt des Ölsammelabschnitts 101 ist, nach oben aufstehen, ausgebildet.
  • Mit einer solchen Anordnung kann die Wärme vom Hochtemperaturabschnitt (der Arbeitskammer V) effektiv übertragen werden, um die Verdampfungswirkung des Kältemittels zu verbessern.
  • (Neuntes Ausführungsbeispiel)
  • Ein neuntes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in 20 dargestellt. Im neunten Ausführungsbeispiel sind die Positionen der Expansionsvorrichtung 110, des Motorgenerators 120 und der Kältemittelpumpe 130 der Pumpen/Expansions/Generator-Vorrichtung 100 geändert, und eine Konstruktion zum Zuführen des Schmieröls zu den Gleitabschnitten der Expansionsvorrichtung 110 und der Kältemittelpumpe 130 ist geändert, im Vergleich zum fünften Ausführungsbeispiel.
  • Wie in 20 dargestellt, sind die Expansionsvorrichtung 110, der Motorgenerator 120 und die Kältemittelpumpe 130 in dieser Reihenfolge von oben nach unten in der Pumpen/Expansions/Generator-Vorrichtung 100 angeordnet. Das Gehäuse 111 der Expansionsvorrichtung 110 weist das vordere Gehäuse 111a und die feste Spirale 112 auf. Die Niederdruckseite der Spiralen 112 und 113 steht mit dem Innenraum des Motorgehäuses 121 (dem Raum über dem Stator 122) in Verbindung.
  • Der Ausgabegaskanal 121a (entspricht dem Fluidkanal der vorliegenden Erfindung) verläuft vertikal und ist an der Seitenwand des Motorgehäuses 121 des Motorgenerators 120 ausgebildet. Das obere Ende des Ausgabegaskanals 121a bildet den Niederdruckanschluss 121b, der zur Außenseite der Fluidmaschine 100 öffnet. Der Ausgabegaskanal 121a steht durch einen Verbindungsanschluss 111e, der am Motorgehäuse 121 direkt unter dem Niederdruckanschluss 121b ausgebildet ist, mit dem Innern des Motorgehäuses 121 in Verbindung.
  • Eine Zentrifugaltrennvorrichtung 106 ist zwischen dem Verbindungsanschluss 111e und dem Niederdruckanschluss 121b vorgesehen. Die Zentrifugaltrennvorrichtung 106 verläuft vertikal und hat ein rohrförmiges Element mit einem Durchmesser kleiner als der Innendurchmesser des Ausgabegaskanals 121a. Ein Abschnitt großen Durchmessers ist am oberen Ende des rohrförmigen Elements ausgebildet, sodass die Außenumfangsfläche des Abschnitts großen Durchmessers in Kontakt mit der Innenumfangsfläche des Ausgabegaskanals 121a gebracht ist, um einen Durchgang zwischen dem Verbindungsanschluss 111e und dem Niederdruckanschluss 121b zu schließen. Der Verbindungsanschluss 111e und der Niederdruckanschluss 121b stehen jedoch miteinander durch den Innenraum des rohrförmigen Elements in Verbindung. Das untere Ende des Ausgabegaskanals 121a steht mit dem Ölsammelabschnitt 101 in Verbindung, der an einer unteren Seite der Kältemittelpumpe 130 ausgebildet ist, wie später erläutert.
  • In der Kältemittelpumpe 130 ist der untere Raum des Pumpengehäuses 131 als der Ölsammelabschnitt 101 ausgebildet. Der Zylinderblock 133 ist zwischen die Endplatten 137 gesetzt. Ein ausnahmeförmiger Pumpenaufnahmeabschnitt 102b ist an der oberen Seite der unteren Endplatte 137 gegenüber dem Rotor 134 (dem Wellenhalteabschnitt des Rotors 134) ausgebildet. Eine Ölpumpe 105, die durch die Drehung der Pumpenwelle 132 angetrieben wird, ist im Pumpenaufnahmeabschnitt 101b vorgesehen. Die Ölpumpe 105 ist als Trochoidenpumpe ausgebildet, wobei ein Außenzahnrad (eines Innenrotors) mit einem Innenzahnrad (eines Außenrotors) in Eingriff steht und der Innen- und der Außenrotor gedreht werden, um das Fluid (das Schmieröl) auszupumpen. Ein Rohr 102a ist in der Endplatte 137 zum Verbinden des Ölsammelabschnitts mit dem Pumpenaufnahmeabschnitt 102b ausgebildet.
  • Der Wellenkanal 103 ist im Innern der Welle 118, der Motorwelle 124 und der Pumpenwelle 132, die integral miteinander ausgebildet sind, so ausgebildet, dass der Wellenkanal 103 den oberen Abschnitt des Rotors 134 mit dem Längsendabschnitt des Kurbelabschnitt 118a verbindet. Der untere Endabschnitt des Wellen kanals 103 steht mit der Seite des Rotors 134 in Verbindung, während sein oberer Endabschnitt mit dem Innenraum des Motorgehäuses 121 durch das Lager 113d und das Lager 125 in Verbindung steht.
  • Das Rohr 102a, der Pumpenaufnahmeabschnitt 102b, die Ölpumpe 105, der Rotor 134, der Wellenkanal 103 und der Innenraum des Motorgehäuses 121 stehen nacheinander in Verbindung, um einen Ölkanal 102A zu bilden. Zusätzlich stehen das Motorgehäuse 121, der Verbindungsanschluss 111e, der Ausgabegaskanal 121a und der Ölsammelabschnitt 101 nacheinander mit dem Ölkanal 102A in Verbindung, um einen Zirkulationskanal für das Schmieröl zu bilden.
  • Eine Öldichtung 107 ist an der Motorwelle 124 (d.h. der Pumpenwelle 132) zwischen dem Motorgenerator 120 und der Kältemittelpumpe 130 vorgesehen, um beide Komponenten 120 und 130 gegeneinander abzudichten, um ein Strömen des Schmieröls von der einen zur anderen zu verhindern.
  • Als nächstes werden eine Funktionsweise und ein Vorteil der Pumpen/Expansions/Generator-Vorrichtung 100 gemäß diesem Ausführungsbeispiel erläutert.
  • Gemäß der Pumpen/Expansions/Generator-Vorrichtung 100 strömt der überhitzte Dampf des Kältemittels, der durch die Heizvorrichtung 31 geheizt ist, durch den Hochdruckanschluss 111c in die Hochdruckkammer 114 und strömt weiter über den Einlassanschluss 115, die Arbeitkammer V und die Niederdruckseiten der Spiralen (den Außenumfangsabschnitt der Spiralen) in den Innenraum des Motorgehäuses 121, wenn der Clausius-Rankine-Kreis 30 in Betrieb ist.
  • Der überhitzte Dampf des Kältemittels strömt aus dem Innenraum des Motorgehäuses 121 durch den Verbindungsanschluss 111e in den Ausgabegaskanal 121a. Der überhitzte Dampf des Kältemittels strömt im Ausgabegaskanal 121a nach unten, wobei das Kältemittel entlang der Außenumfangsfläche der Zentrifugaltrennvorrichtung 106 verwirbelt wird. Da das im Kältemittel enthaltene Schmieröl ein größeres Gewichts/Volumen-Verhältnis als das Kältemittel hat, wird das Schmieröl vom Kältemittel getrennt und an der Innenumfangsfläche des Ausgabegaskanals 121a gesammelt. Dann strömt das Schmieröl aufgrund seines Eigengewichts weiter nach unten und wird im Ölsammelabschnitt 101 gesammelt. Das Kältemittel, von dem das Schmieröl durch die Zentrifugaltrennvorrichtung 106 getrennt ist, strömt durch den Innenraum des rohrförmigen Elements der Zentrifugaltrennvorrichtung 106 aus dem Niederdruckanschluss 121b aus.
  • Das im Ölsammelabschnitt 101 gesammelte Schmieröl wird durch das Rohr 102a von der Ölpumpe 105 angesaugt, die durch die Drehung der Pumpenwelle 132 angetrieben wird. Das Schmieröl strömt durch den Wellenhalteabschnitt für den Rotor 134 in den Wellenkanal 103. Das Schmieröl wird den Lagern 132b und 132c in dem obigen Strom des Schmieröls zugeführt.
  • Das durch den Wellenkanal 103 strömende Schmieröl wird dem Lager 113d und dem Lager 125 zugeführt und strömt in den Innenraum des Motorgehäuses 121. Bei diesem Vorgang strömt das Schmieröl in den überhitzten Dampf des Kältemittels, der von der Expansionsvorrichtung 110 ausgegeben wird und in den Innenraum des Motorgehäuses 121 strömt, sodass das Schmieröl geheizt wird, um die Viskosität des Schmieröls zu erhöhen. Das Schmieröl strömt zusammen mit dem überhitzten Dampf des Kältemittels durch den Verbindungsanschluss 111e in den Ausgabegaskanal 121a. Das Schmieröl und das Kältemittel, die die Zentrifugaltrennvorrichtung 106 erreichen, werden wieder voneinander getrennt, um die obige Zirkulation des Schmieröls zu wiederholen.
  • Gemäß der obigen Anordnung, bei welcher die Expansionsvorrichtung 110, der Motorgenerator 120 und die Kältemittelpumpe 130 in dieser Reihenfolge von oben her angeordnet sind, ist der Zirkulationskanal durch den mit dem Innenraum des Motorgehäuses 121 und dem Ölkanal 120a in Verbindung stehenden Ausgabegaskanal 121a gebildet, sodass das Schmieröl durch die Ölpumpe 105 zirkuliert. Und das Schmieröl aus dem Ölkanal 102A wird am Schnittpunkt am Innern des Motorgehäuses 121 durch das von der Expansionsvorrichtung 110 ausgegebene Hochtemperaturkältemittel erwärmt, um die Viskosität des Schmieröls zu erhöhen. Demgemäß kann das Schmieröl mit höherer Viskosität den Gleitabschnitten (den Lagern 113d, 125) der Expansionsvorrichtung 110 und den Gleitabschnitten (den Lagern 132b, 132c) der Kältemittelpumpe 130 zugeführt werden.
  • Der Wellenkanal 103 ist im Innern der Welle 118, der Motorwelle 124 und der Pumpenwelle 132 ausgebildet, die integral miteinander ausgebildet sind, sodass der Wellenkanal 103 den oberen Teil des Rotors 134 mit dem Längsendabschnitt des Kurbelabschnitts 118a verbindet. Demgemäß kann der Ölkanal 102A leicht gebildet werden.
  • Da der überhitzte Dampf des Kältemittels durch die Zentrifugaltrennvorrichtung 106 im Druck vermindert wird, erscheint ein Druckunterschied zwischen dem Innern des Motorgehäuses 121 und dem Innern des Pumpengehäuses 131 (d.h. der Druck im Motorgehäuse 121 ist höher als jener im Pumpengehäuse 131). Jedoch kann das Schmieröl nicht von der Seite des Motorgenerators 120 zur Seite der Kältemittelpumpe 130 austreten, weil die Öldichtung 107 zwischen dem Motorgenerator 120 und der Kältemittelpumpe 130 vorgesehen ist.
  • (Weitere Modifikationen)
  • Ein Öltrenneinrichtung, wie beispielsweise eine Zentrifugaltrenneinrichtung, kann zwischen der Ausgabeseite der Expansionsvorrichtung 110 und dem Ölsammelabschnitt vorgesehen sein, um das Schmieröl aktiv von dem von der Expansionsvorrichtung 110 ausgegebenen Kältemittel zu trennen. Das durch die Trenneinrichtung getrennte Schmieröl kann im Ölsammelabschnitt gesammelt werden, sodass die Viskosität des Schmieröls effektiv weiter erhöht werden kann.
  • Der Wärmeerzeugungsabschnitt 51B des Wechselrichters 51A, der im obigen siebten Ausführungsbeispiel erläutert wurde, kann im Zwischenteil des Motorgehäuses 121 vorgesehen werden, sodass das durch die Spulen des Stators 122 oder den Rotor 123 oder die Räume zwischen den Teilen strömende und aufgrund seines Eigengewichts nach unten fließende Kältemittel erwärmt werden kann.
  • In den obigen Ausführungsbeispielen ist die Expansionsvorrichtung 110 durch die Vorrichtung des Spiraltyps gebildet, und die Kältemittelpumpe 130 ist durch die Vorrichtung des Wälzkolbentyps gebildet. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Arten beschränkt. Ein Zahnradpumpentyp, ein Trochoidentyp oder irgendwelche anderen Typen können verwendet werden.
  • In den obigen Ausführungsbeispielen wird der Motor 10 für das Fahrzeug (das Motorkühlwasser) als Wärmequelle für die Heizvorrichtung 31 benutzt. Irgendwelche anderen Vorrichtungen, die Wärme bei Ihrem Betrieb erzeugen und einen Teil der Wärme zum Zweck ihrer Temperaturregelung abgeben (d.h. die Abwärme erzeugen), wie beispielsweise ein Verbrennungsmotor, Brennstoffzellenstapel für ein Brennstoffzellenfahrzeug, verschiedene Arten von Motoren und der Wechselrichter, können allgemein ebenfalls für die vorliegende Erfindung verwendet werden.
  • (Zehntes Ausführungsbeispiel)
  • Ein zehntes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in 21 bis 23 dargestellt.
  • Ein Gesamtaufbau einer Abwärmenutzungsvorrichtung 100 wird Bezug nehmend auf 21 unter Fokussierung auf die Unterschiede zur Konstruktion von 1 erläutert.
  • Ein Temperatursensor 400 ist im Heißwasserkreis 20 stromab des Motors 10 zum Erfassen einer Temperatur des Motorkühlwassers vorgesehen. Ein Temperatursignal des Temperatursensors 400 wird der Steuereinheit 52 eingegeben.
  • Der Clausius-Rankine-Kreis 30 weist die Heizvorrichtung 31, die Expansionsvorrichtung 110, eine Trennvorrichtung 35, die Kondensationsvorrichtung 32, ein Auffanggefäß und die Kältemittelpumpe 130 auf, wobei diese Komponenten nacheinander in einem geschlossenen Kreis verbunden sind. Das Kältemittel wird durch die Kältemittelpumpe in dem geschlossenen Kreis zirkuliert. HFC134a wird in dem Ausführungsbeispiel als Kältemittel für den Clausius-Rankine-Kreis 30 verwendet.
  • Die Kältemittelpumpe 130 ist von einer durch einen Elektromotor angetriebenen Art, bei welcher die Pumpe durch einen Elektromotor 120B (entspricht einer externen Antriebsquelle) angetrieben wird und der Betrieb des Elektromotors 120B durch die Steuereinheit 52 gesteuert wird. Ein detaillierter Aufbau der Kältemittelpupe 130 wird nachfolgend erläutert.
  • Die Expansionsvorrichtung 110 ist eine Fluidmaschine zum Erzeugen der Antriebskraft durch die Expansion des an der Heizvorrichtung 31 erzeugten überhitzten Dampfes des Kältemittels. Die Expansionsvorrichtung 110 ist mit dem Stromgenerator 120A verbunden, sodass der Stromgenerator 120A durch die Antriebskraft durch die Expansionsvorrichtung 110 betrieben wird und der am Stromgenerator 120A erzeugte Strom durch die Steuerschaltung 51 in die Batterie 11 geladen wird.
  • Die Trennvorrichtung 35 trennt das Öl vom Gasphasenkältemittel an der Auslassseite der Expansionsvorrichtung 110. Das an der Trennvorrichtung 35 getrennte Öl wird der Kältemittelpumpe 130 durch einen Ölzufuhrkanal 460 zugeführt. Das Öl wird als Schmieröl in der Kältemittelpumpe 130 verwendet. Die Einzelheiten werden nachfolgend erläutert.
  • Die Kondensationsvorrichtung 32 ist ein Wärmetauscher zum Abkühlen des vom Auslass der Expansionsvorrichtung 110 durch die Trennvorrichtung 35 zugeführten Gasphasenkältemittels durch den Wärmeaustausch mit der Außenluft und zum Verflüssigen des Kältemittels.
  • Das Auffanggefäß 33 ist ein Auffanggefäß zum Trennen des an der Kondensationsvorrichtung 32 kondensierten Kältemittels in das Gasphasen- und das Flüssigphasenkältemittel, und leitet das Flüssigphasenkältemittel aus.
  • Die Steuereinheit 52 steuert den gesamten Betrieb der Abwärmenutzungsvorrichtung 100, einschließlich des Betriebs des Clausius-Rankine-Kreises 30. Die Steuereinheit 51 ist mit der Steuereinheit 52 verbunden, sodass Steuersignale gegenseitig ausgetauscht werden. Das Temperatursignal für das Motorkühlwasser vom Temperatursensor 400 wird der Steuereinheit 52 eingegeben.
  • Es wird nun die detaillierte Konstruktion der Kältemittelpumpe 130 Bezug nehmend auf 22 und 23 erläutert. 22 ist eine Querschnittsansicht der Innenkoristruktion der Kältemittelpumpe 130, und 23 ist eine Querschnittsansicht entlang einer Linie XXIII-XXIII in 22.
  • Die Kältemittelpumpe 130 ist eine Pumpe des so genannten Wälzkolbentyps, die aus einem flachen ringförmigen Zylinder 408, der darin eine Zylinderkammer 480 bildet, einem ringförmigen Kolben 405 und einer Welle 401 zum Antreiben des ringförmigen Kolbens 405 aufgebaut ist.
  • Der Zylinder 408 ist in Sandwichweise zwischen einem vorderen Gehäuse 403 und einem hinteren Gehäuse 404 angeordnet, wobei Seitenwandabschnitte 430 und 440 (entsprechen einem Stirnwandabschnitt der vorliegenden Erfindung) auf beiden Seiten des Zylinders 408 ausgebildet sind. Eine hintere Platte 407 ist am hinteren Gehäuse 404 auf der dem Zylinder 408 abgewandten Seite angeordnet, sodass eine Ausgabekammer 470 gebildet ist.
  • Die Zylinderkammer 480 ist in der Mitte des Zylinders 408 gebildet. Der ringförmige Kolben 405 ist in eine flache Ringform geformt, wobei der Außendurchmesser kleiner als ein Innendurchmesser des Zylinders 408 gemacht ist, sodass der Kolben 405 in die Zylinderkammer 408 eingesetzt ist.
  • Die Welle 401 ist drehbar durch die Lager 431 und 441 gehalten, die am vorderen Gehäuse 403 bzw. am hinteren Gehäuse 404 befestigt sind. Die Welle 401 ist mit dem Elektromotor 120B verbunden und wird durch ihn angetrieben. Die Welle 401 weist einen ringförmigen Kurbelabschnitt (Welle) 411 (entspricht einem Exzenterabschnitt der vorliegenden Erfindung) auf, der bezüglich der Welle 401 exzentrisch ist. Der ringförmige Kolben 405 ist verschiebbar an einem Außenumfangsabschnitt des Kurbelabschnitts (Welle) 411 vorgesehen, sodass der ringförmige Abschnitt 405 in der Zylinderkammer 480 mit einer Orbitalbewegung entsprechend der Drehung der Welle 401 gedreht wird.
  • Ein Raum ist um die Welle 401 von dem vorderen Gehäuse 403 zum hinteren Gehäuse 404 so gebildet, dass der Raum die Gleitflächen zwischen dem Kurbelabschnitt (Welle) 411 und dem ringförmigen Kolben 405, welche die Gleitabschnitte sind, wenn die Kältemittelpumpe 130 in Betrieb ist, und die Lager 431 und 441 überdeckt. Gemäß dem Ausführungsbeispiel wird der Raum als eine mit dem Schmieröl gefüllte Ölspeicherkammer 410 benutzt. Die detaillierte Konstruktion der Ölspeicherkammer 410 sowie ihrer zugehörigen Teile wird nachfolgend erläutert.
  • Wie in 23 dargestellt, ist ein Schieber 414 an der Außenumfangsfläche des ringförmigen Kolbens 405 vorgesehen, wobei der Schieber 414 verschiebbar in eine im Zylinder 408 ausgebildete Nut eingesetzt und in einer Radialrichtung des ringförmigen Kolbens 405 bewegbar darin gehalten ist. Das eine Ende des Schiebers 414 steht in Gleitkontakt mit der Außenumfangsfläche des ringförmigen Kolbens 405. Eine Feder 415 ist in der Nut 485 angeordnet, um den Schieber 414 zur Mitte des ringförmigen Kolbens 405 vorzuspannen.
  • Gemäß der obigen Konstruktion gleitet der Schieber 414 entsprechend der Drehung des ringförmigen Kolbens 405 in der Orbitalbewegung in der Nut 485 und der Schieber wird in Gleitkontakt mit der Außenumfangsfläche des ringförmigen Kolbens 405 gehalten, um so eine ansaugseitige Kammer und eine ausgabeseitige Kammer zu definieren. Wie oben erläutert, ist eine Pumpenkammer in der Zylinderkammer 480 durch die Außenumfangsfläche des ringförmigen Kolbens 405, die Innenumfangsfläche des Zylinders 408 und den Schieber 414 gebildet.
  • Ein Ansaugkanal 481 und ein mit der Zylinderkammer 480 in Verbindung stehender Ausgabekanal 482 sind im Zylinder 408 angrenzend an den Schieber 414 so ausgebildet, dass der Schieber 414 in Sandwichweise zwischen den Kanälen 481 und 482 angeordnet ist.
  • Ein Einlassanschluss 442 ist im hinteren Gehäuse 404 zum Ansaugen des Kältemittels vom Auffanggefäß 33 in die Kältemittelpumpe 130 ausgebildet. Der Einlassanschluss 442 steht mit dem Ansaugkanal 481 des Zylinders 408 in Verbindung, wie in 22 dargestellt. Demgemäß strömt das zum Einlassanschluss 442 gesaugte Kältemittel durch den Ansaugkanal 481 in die Zylinderkammer 480.
  • Der Ausgabekanal 482 des Zylinders 408 steht durch einen im hinteren Gehäuse 404 ausgebildeten Verbindungskanal (nicht dargestellt) mit der Ausgabekammer 470 in Verbindung. Ein Rückschlagventil 417 ist an einem Öffnungsabschnitt des Verbindungskanals vorgesehen, der zur Ausgabekammer 470 hin offen ist.
  • Die Ausgabekammer 470 hat eine Funktion zum Glätten der Pulsation des von der Zylinderkammer 480 ausgegebenen Kältemittels. Der Ausgabeanschluss 471 ist an den hinteren Platten einer Seite der Ausgabekammer 470 gegenüber dem hinteren Gehäuse 404 zum Ausgeben des Kältemittels zur Heizvorrichtung 31 vorgesehen.
  • Es werden nun die Einzelheiten der Ölspeicherkammer 410 sowie ihre zugehörigen Konstruktionen erläutert. Die Ölspeicherkammer 410 ist um die Welle 401 so ausgebildet, dass die Ölspeicherkammer 10 die Gleitabschnitte der Kältemittelpumpe 130 überdeckt. Ein Endabschnitt der Ölspeicherkammer 410 ist auf einer mit dem Elektromotor 120B zu verbindenden Seite der Welle durch ein zwischen der Außenumfangsfläche der Welle 401 und dem vorderen Gehäuse 403 angeordnetes Dichtungselement 412 abgedichtet.
  • Ein Ölzufuhranschluss 432 ist am vorderen Gehäuse 403 zum Zuführen des Schmieröls von außen in die Ölspeicherkammer 410 ausgebildet. Das Schmieröl schmiert die Gleitfläche zwischen dem Kurbelabschnitt 411 (als den Gleitabschnitt) und dem ringförmigen Kolben 405 sowie die Lager 431, 441. Gemäß dem Ausführungsbeispiel wird das an der an der Auslassseite der Expansionsvorrichtung 110 vorgesehenen Trennvorrichtung vom Kältemittel getrennte Öl für den Clausius-Rankine-Kreis 30 durch den Ölzufuhrkanal 460 direkt der Kältemittelpumpe 130 zugeführt, sodass das Öl als das Schmieröl durch den Ölzufuhranschluss in die Ölspeicherkammer 410 zugeführt wird.
  • Wie in 22 und 23 dargestellt, sind Kreisnuten 451, 453 an beiden axialen Seitenflächen 450 (die axialen Seitenflächen der vorliegenden Erfindung entsprechen) des ringförmigen Kolbens 405 ausgebildet. Durchmesser der Nuten 451, 453 sind so gewählt, dass die Nuten an der Außenseite der Ölspeicherkammer 410 positioniert sind. In dem Ausführungsbeispiel entspricht die an der axialen Seitenfläche 450 auf einer Seite zum vorderen Gehäuse ausgebildete Nut 451 des ringförmigen Kolbens 405 einem kleinen Raum, einem Nutenabschnitt und einem ersten Raum der vorliegenden Erfindung. Die Nut 453 auf einer Seite zum hinteren Gehäuse 404 entspricht einem kleinen Raum, einem Nutenabschnitt und einem zweiten Raum der vorliegenden Erfindung.
  • Die an den axialen Seitenflächen 450 des ringförmigen Kolbens 405 ausgebildeten Ringnuten 451 und 453 stehen miteinander durch ein Verbindungsloch 452 in Verbindung, das den ringförmigen Kolben 405 in einer Richtung parallel zu einer Axialrichtung durchdringend ausgebildet ist.
  • Ein Bypasskanal 443 ist im hinteren Gehäuse 404 an einer solchen Position ausgebildet, an welcher der Bypasskanal 443 mit den Ringnuten 451, 453 des ringförmigen Kolbens 405 in Verbindung gebracht ist. Der Bypasskanal 443 verbindet die Nut 453, die auf der dem hinteren Gehäuse 404 zugewandten Seitenfläche 450 des ringförmigen Kolbens 405 ausgebildet ist, mit dem Einlassanschluss 442. Gemäß der obigen Konstruktion wird der Druck an den Nuten 451, 453 an beiden axialen Seitenflächen 450 des ringförmigen Kolbens 405 auf einem solchen Druck (dem Pumpenansaugdruck) gleich dem Druck am Einlassanschluss 442 gehalten.
  • Das Kältemittel wird dem Einlassanschluss 442 von der Trennvorrichtung 35 auf der Auslassseite der Expansionsvorrichtung 110 des Clausius-Rankine-Kreises 30 durch die Kondensationsvorrichtung 32 und das Auffanggefäß 33 zugeführt. Andererseits wird das vom Kältemittel getrennte Öl durch den Ölzufuhrkanal 460 direkt in die Ölspeicherkammer 410 zugeführt. Der Druck in der Ölspeicherkammer 410 ist um einen Druckverlust an der Kondensationsvorrichtung 32 und am Auffanggefäß 33 höher als jener im Einlassanschluss 442 (der Pumpenansaugdruck).
  • Gemäß dem Ausführungsbeispiel beträgt die Breite der Nuten 451, 453 2,5 mm ihre Tiefe 1 mm und der Durchmesser des Verbindungslochs 1 mm. Die Kältemittelpumpe 130 ist aus Eisen mittels Gießens, Schneidens oder dergleichen gemacht.
  • Eine Funktionsweise der Abwärmenutzungsvorrichtung 100 (gesteuert durch die Steuereinheit 52) des Ausführungsbeispiels wird erläutert. Die Steuereinheit 52 startet den Betrieb des Clausius-Rankine-Kreises 30, wenn die Steuereinheit 52 bestimmt, dass die durch den Temperatursensor 400 erfasste Temperatur des Motorkühlwassers höher als eine vorbestimmte Temperatur ist, d.h. wenn die Steuereinheit 52 bestimmt, dass die Temperatur des durch die Heizvorrichtung 31 strömenden Motorkühlwassers ausreichend hoch genug ist, um die Abwärme vom Motor 10 zu erhalten. Genauer wird die Kältemittelpumpe 130 durch Betreiben des Elektromotors 120B gestartet.
  • Wenn der Clausius-Rankine-Kreis 30 in Betrieb ist, wird das Flüssigphasenkältemittel des Auffanggefäßes 33 durch die Kältemittelpumpe 130 unter Druck gesetzt und der Heizvorrichtung 31 zugeführt, sodass das Flüssigphasenkältemittel durch das Hochtemperatur-Motorkühlwasser mit der Abwärme aus dem Motor 10 geheizt wird. Das Kältemittel wird auf den überhitzten Dampf des Kältemittels geheizt und der Expansionsvorrichtung 110 zugeführt. Der überhitzte Dampf des Kältemittels wird in einer isentropischen Weise so ausgedehnt und im Druck vermindert, dass ein Teil der thermischen Energie und der Druckenergie in eine Drehantriebskraft umgewandelt wird. Der Stromgenerator 120A wird durch die an der Expansionsvorrichtung 110 erzeugte Drehantriebskraft angetrieben, um den Strom zu erzeugen. Der am Stromgenerator 120A erhaltene Strom wird über die Steuerschaltung 51 in die Batterie 11 geladen, sodass der Strom zum Betreiben der verschiedenen Hilfsmittel verwendet wird. Das an der Expansionsvorrichtung 110 im Druck verminderte Kältemittel wird an der Kondensationsvorrichtung 32 kondensiert, nachdem das Öl an der Trennvorrichtung 35 getrennt ist, und wieder in die Kältemittelpumpe 130 gesaugt, nachdem das Kältemittel durch das Auffanggefäß (die Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung) 33 in das Flüssigphasen- und das Gasphasenkältemittel getrennt ist.
  • Wenn dagegen die Steuereinheit 52 bestimmt, dass die Temperatur des Motorkühlwassers niedriger als die vorbestimmte Temperatur ist, wird der Betrieb der Kältemittelpumpe 130 durch Abschalten des Elektromotors 120A gestoppt, um dadurch den Betrieb des Clausius-Rankine-Kreises 30 zu stoppen. Eine geeignete Hystereseschleife ist der Bestimmung für die Temperatur des Motorkühlwassers gegeben, um irgendein Nachlaufphänomen des Ein/Ausschaltvorgangs des Clausius-Rankine-Kreises 30 zu verhindern.
  • Während des Betriebs des Clausius-Rankine-Kreises 30 wird die Welle 401 durch den Elektromotor 120B angetrieben, um die Kältemittelpumpe 130 zu betreiben. Der ringförmige Kolben 405 wird mit der Orbitalbewegung in der Zylinderkammer 480 um die Welle gedreht, wobei der Kolben 405 sich mit dem Kurbelabschnitt (Kurbelwelle) 411 bewegt. Das Kältemittel wird dadurch durch den Einlassanschluss 442 und den Ansaugkanal 481 in die Zylinderkammer (die Pumpenkammer) 480 gesaugt, darin unter Druck gesetzt, und durch den Ausgabekanal 482, das Rückschlagventil 417, die Ausgabekammer 470 und den Ausgabeanschluss 471 zur Heizvorrichtung 31 ausgepumpt.
  • Während des obigen Betriebs strömt das aus der Pumpenkammer in die Räume zwischen den axialen Seitenflächen 450 des ringförmigen Kolbens 405 und des vorderen Gehäuses 403 sowie des hinteren Gehäuses 404 austretende Kältemittel nicht in die Ölspeicherkammer 410, sondern in die Nuten 451, 453 des Pumpenansaugdrucks (d.h. des Niederdrucks). Dann strömt das Kältemittel durch den Bypasskanal 443 zum Einlassanschluss 442.
  • Ein Teil des von der Ölspeicherkammer 410 in die Räume zwischen den axialen Seitenflächen 450 des ringförmigen Kolbens 405 und dem vorderen Gehäuse 403 sowie dem hinteren Gehäuse 404 austretenden Schmieröls kehrt nicht zur Ölspeicherkammer 410 zurück, sondern strömt in die Nuten 451, 453. Dann strömt das Schmieröl weiter durch den Bypasskanal 443 zum Einlassanschluss 442.
  • Wie oben erläutert, ist gemäß dem Ausführungsbeispiel die Ölspeicherkammer 410 so ausgebildet, dass sie die Gleitabschnitte der Kältemittelpumpe 130 überdeckt und die Kammer 410 mit dem Öl gefüllt ist. Die Schmierung der Gleitabschnitte ist daher gewährleistet. Ferner wird der Druck in der Ölspeicherkammer 410 auf einem Wert höher als der Pumpenansaugdruck gehalten, und die Nuten 451, 453 sind an den axialen Seitenfläche 450 des ringförmigen Kolbens 405 und an der Außenseite der Ölspeicherkammer 410 ausgebildet, wobei der Druck in den Nuten 451, 453 auf dem Druck gleich dem Pumpenansaugdruck gehalten wird. Demgemäß wird verhindert, dass das Kältemittel geringer Viskosität von der Pumpenkammer in die Ölspeicherkammer 410 strömt. Es wird deshalb vermieden, dass das verdünnte Schmieröl die Ausbildung des Ölfilms an den Gleitabschnitten blockiert.
  • Wie oben erläutert, kann gemäß dem Ausführungsbeispiel, da die Nuten 451, 453 und das Verbindungsloch 452 in dem ringförmigen Kolben 405 ausgebildet sind und der Bypasskanal 443 im hinteren Gehäuse 404 ausgebildet ist, die Schmierung an den Gleitabschnitten durch einen einfacheren Aufbau ohne Erhöhen der Anzahl Bau teile sowie der Anzahl Montageschritte im Vergleich zur herkömmlichen Pumpe gewährleistet werden.
  • (Elftes Ausführungsbeispiel)
  • Ein elftes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in 24 dargestellt. Im obigen zehnten Ausführungsbeispiel sind die Nuten 451, 453 am ringförmigen Kolben 405 des Kältemittels 130 ausgebildet. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind jedoch Nuten 435 und 445 am vorderen Gehäuse 403 und hinteren Gehäuse 404 der Kältemittelpumpe 130 (die einer Fluidmaschine der vorliegenden Erfindung entspricht) ausgebildet. In dem Ausführungsbeispiel entspricht die am vorderen Gehäuse 403 ausgebildete Nut 435 dem kleinen Raum, dem Nutenabschnitt und dem ersten Raum der vorliegenden Erfindung. Die am hinteren Gehäuse 404 ausgebildete Nut 445 entspricht dem kleinen Raum, dem Nutenabschnitt und dem zweiten Raum der vorliegenden Erfindung.
  • Das Verbindungsloch 452, das den Kolben 405 parallel zu seiner Axialrichtung durchdringt, ist in der gleichen Weise wie bei dem obigen zehnten Ausführungsbeispiel im ringförmigen Kolben 405 ausgebildet. Die Ringnuten 435 und 445 sind jeweils an den Stirnflächen 430 und 440 des vorderen Gehäuses 403 und des hinteren Gehäuses 404 ausgebildet, wobei die Nuten 435 und 445 jeweils nahe gegenüber den axialen Seitenflächen 450 des ringförmigen Kolbens 405 sind und die Nuten 435 und 445 an einer solchen Position entsprechend dem Verbindungsloch 452 ausgebildet sind. Deshalb stehen die Nuten 435 und 445 miteinander durch das Verbindungsloch 452 in Verbindung.
  • Der Bypasskanal 443 ist in der gleichen Weise wie bei dem obigen zehnten Ausführungsbeispiel im hinteren Gehäuse 404 ausgebildet, sodass die Nut 445 und der Einlassanschluss 442 miteinander in Verbindung stehen. Gemäß dem obigen Aufbau wird der Druck an den Nuten 435 und 445 des vorderen Gehäuses 403 und des hinteren Gehäuses 404 auf einem solchen Druck (dem Pumpenansaugdruck) gleich dem Druck am Einlassanschluss 442 gehalten.
  • Der Aufbau und die Funktionsweise der Abwärmenutzungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung sind gleich jenen des obigen zehnten Ausführungsbeispiels, außer bezüglich des Aufbaus und der Funktionsweise der Kältemittelpumpe 130. Demgemäß wird das vom Kältemittel an der Trennvorrichtung 35, die an der Auslassseite der Expansionsvorrichtung 110 für den Clausius-Rankine-Kreis 30 vorgesehen ist, getrennte Öl der Ölspeicherkammer 410 durch den Ölzufuhranschluss 432 der Kältemittelpumpe 130 über den Ölzufuhrkanal 460 zugeführt.
  • Der Druck in der Ölspeicherkammer 410 wird auf im Vergleich zu dem Druck (dem Pumpenansaugdruck) im Einlassanschluss 442, dem des Kältemittel nach Durchströmen der Kondensationsvorrichtung 32 und des Auffanggefäßes 33 zugeführt wird, um einen Druckverlust an der Kondensationsvorrichtung 32 und dem Auffanggefäß 33 höheren Wert gehalten.
  • Wie oben erläutert, ist gemäß dem Ausführungsbeispiel die Ölspeicherkammer 410 so ausgebildet, dass sie die Gleitabschnitte der Kältemittelpumpe 130 überdeckt, und die Kammer 410 ist mit dem Öl gefüllt. Der Druck in der Ölspeicherkammer 410 wird auf einem Wert höher als der Pumpensaugdruck gehalten, und die Nuten 435 und 445 sind an den Stirnflächen 430 und 440 der Zylinderkammer 480 ausgebildet, wobei der Druck in den Nuten 435 und 445 auf dem Druck gleich dem Pumpenansaugdruck gehalten wird. Als Ergebnis wird die Schmierung der Gleitabschnitte durch einen einfacheren Aufbau gewährleistet.
  • (Zwölftes Ausführungsbeispiel)
  • Ein zwölftes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in 25 gezeigt. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist im Vergleich zur Abwärmenutzungsvorrichtung 100 des obigen zehnten Ausführungsbeispiels für den Ölzufuhrkanal 460 für den Clausius-Rankine-Kreis 30 zusätzlich eine Ölförderpumpe 461 vorgesehen.
  • Die Ölförderpumpe 461 ist eine elektrische Pumpe, die durch einen Elektromotor 462 angetrieben wird, dessen Betrieb durch die Steuereinheit 52 gesteuert wird. Beim Starten des Clausius-Rankine-Kreises 30 wird der Elektromotor 462 angetrieben, um die Ölförderpumpe 461 zu betreiben. Dann wird das vom Kältemittel an der Trennvorrichtung 35 getrennte Öl unter Druck gesetzt und durch den Ölzufuhranschluss 432 in die Ölspeicherkammer 410 der Kältemittelpumpe 130 geleitet.
  • Der Aufbau und die Funktionsweise der Abwärmenutzungsvorrichtung 100 sowie der Kältemittelpumpe 130 der vorliegenden Erfindung sind gleich jenen des obigen zehnten Ausführungsbeispiels, außer dem obigen Aufbau und der obigen Funktion.
  • Wie oben erläutert, ist gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Ölförderpumpe 461 im Ölzufuhrkanal 460 vorgesehen. Der Druck in der Ölspeicherkammer 410 wird im Vergleich zum zehnten Ausführungsbeispiel auf einem höheren Wert gehalten, sodass eine Druckdifferenz zwischen dem Druck der Ölspeicherkammer 410 und dem Druck in den an den axialen Seitenflächen 450 des ringförmigen Kolbens 405 ausgebildeten Nuten 451 und 453, in denen der Druck auf dem Pumpenansaugdruck gehalten wird, größer gemacht ist. Als Ergebnis wird sicher verhindert, dass das Kältemittel niedriger Viskosität von der Pumpenkammer in die Ölspeicherkammer 410 strömt, um die Schmierung an den Gleitabschnitten zu gewährleisten.
  • (Dreizehntes Ausführungsbeispiel)
  • Ein dreizehntes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in 26 dargestellt. Im obigen zwölften Ausführungsbeispiel wird die Ölförderpumpe 461 durch den exklusiven Elektromotor 462 angetrieben. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird jedoch die Antriebsquelle für die Kältemittelpumpe 130 zum Zirkulieren des Kältemittels im Clausius-Rankine-Kreis 30 gemeinsam benutzt. Die Ölförderpumpe 461 wird durch den Elektromotor 120B angetrieben, der die Kältemittelpumpe 130 antreibt.
  • Der Aufbau und die Funktionsweise der Abwärmenutzungsvorrichtung 100 sowie der Kältemittelpumpe 130 des vorliegenden Ausführungsbeispiels sind gleich jenen des obigen zwölften Ausführungsbeispiels, außer hinsichtlich der obigen Konstruktion und Funktionsweise.
  • Wie oben erläutert, wird gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der Elektromotor 120B gemeinsam als Antriebsquelle für die Kältemittelpumpe für den Clausius-Rankine-Kreis 30 und für die Ölförderpumpe 461 im Ölzufuhrkanal 460 benutzt. Deshalb ist die Konstruktion im Vergleich zum zwölften Ausführungsbeispiel einfacher gemacht.
  • (Vierzehntes Ausführungsbeispiel)
  • Ein vierzehntes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in 27 dargestellt. Im obigen dreizehnten Ausführungsbeispiel ist der Elektromotor 120B als Antriebsquelle für die Kältemittelpumpe 130 für den Clausius-Rankine-Kreis 30 und für die Ölförderpumpe 461 im Ölzufuhrkanal 460 ausgebildet. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist jedoch der Motorgenerator 120 (der einer externen Antriebsquelle entspricht) mit der Funktion des Stromgenerators an die Expansionsvorrichtung 110 angeschlossen. Die Kältemittelpumpe 130 und die Ölförderpumpe 461 sind mit dem Motorgenerator 120 auf der der Expansionsvorrichtung 110 abgewandten Seite verbunden. Die Kältemittelpumpe 130 und die Ölförderpumpe 461 werden durch den Motorgenerator 120 angetrieben, wenn der Motorgenerator 120 als Elektromotor betrieben wird.
  • Die Funktionsweise des Motorgenerators 120 wird durch die Steuereinheit 52 über die Steuerschaltung 51 gesteuert. Die Steuereinheit 52 betätigt zuerst den Motorgenerator 120 als Elektromotor beim Starten des Clausius-Rankine-Kreises 30, um so die Kältemittelpumpe 130 und die Ölförderpumpe 461 anzutreiben.
  • Und wenn man eine ausreichende Menge Abwärme vom Motor 10 erhalten kann und wenn die an der Expansionsvorrichtung 110 erzeugte Drehantriebskraft größer als die Antriebskraft für die Kältemittelpumpe 130 sowie die Ölförderpumpe 461 wird, wird der Motorgenerator 120 als Stromgenerator betrieben, um den Strom zu erzeugen.
  • Aufbau und Funktionsweise der Abwärmenutzungsvorrichtung 100 sowie der Kältemittelpumpe 130 des vorliegenden Ausführungsbeispiels sind gleich jenen des obigen dreizehnten Ausführungsbeispiels, außer hinsichtlich der obigen Konstruktion und Funktionsweise.
  • Wie oben erläutert, wird gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der mit der Expansionsvorrichtung 110 verbundene Motorgenerator 120 als Antriebsquelle für die Kältemittelpumpe 130 des Clausius-Rankine-Kreises 30 und für die Ölförderpumpe 461 des Ölzufuhrkanals 460 benutzt. Der Aufbau ist verglichen mit dem dreizehnten Ausführungsbeispiel viel einfacher gemacht. Und die Energie zum Antreiben der Kältemittelpumpe 130 und der Ölförderpumpe 461 ist reduziert.
  • (Weitere Modifikationen)
  • Die Kältemittelpumpe 130 für Clausius-Rankine-Kreis 30, die identisch zu jener für das zehnte Ausführungsbeispiel ist, wird in den obigen zwölften, dreizehnten und vierzehnten Ausführungsbeispielen verwendet. Es kann jedoch auch die Kältemittelpumpe mit der gleichen Konstruktion wie im elften Ausführungsbeispiel verwendet werden.
  • In den obigen Ausführungsbeispielen sind die an den axialen Seitenflächen 450 des ringförmigen Kolbens 405 ausgebildeten oder an den Stirnflächen 430, 440 der Zylinderkammer 480 ausgebildeten Nuten 451, 453, 435, 445 als kreisförmige Form gemacht. Die Form der Nuten 451, 453, 435, 445 muss jedoch nicht auf die Kreisform beschränkt sein, sondern kann auch als andere Formen, zum Beispiel elliptische Form, ausgebildet werden, mit der die Nuten das Kältemittel in irgendwelchen Richtungen aufnehmen können, das aus der Pumpenkammer zu den Räumen zwischen den axialen Seitenflächen 450 und den Stirnflächen 430 und 440 austritt.
  • In den obigen Ausführungsbeispielen ist die Ölspeicherkammer 410 so ausgebildet, dass sie das Lager 431 auf der Seite des vorderen Gehäuses 403 und das Lager 441 auf der Seite des hinteren Gehäuses 404 überdeckt. Sie kann jedoch auch so konstruiert sein, dass das Lager 431 auf der Seite des vorderen Gehäuses 403 nicht durch die Ölspeicherkammer 410 überdeckt ist. Bei einer solchen Modifikation ist die Ölspeicherkammer 410 so konstruiert, dass sie den Gleitabschnitt zwischen dem Kurbelabschnitt und dem ringförmigen Kolben 405 und das Lager 441 auf der Seite des hinteren Gehäuses 404 überdeckt. Außerdem ist ein Dichtungselement an einem Außenumfang der Welle 401 zwischen dem ringförmigen Kolben und dem Lager 431 am vorderen Gehäuse 403 vorgesehen.
  • In den obigen Ausführungsbeispielen ist die Wälzkolbenpumpe auf die vorliegende Erfindung angewendet. Es können jedoch auch eine Kinney-Pumpe, die anstelle des den Raum der Ansaugseite und den Raum der Ausgabeseite definierenden Schiebers 414 einen oszillierenden Kolben aufweist, eine Flügelpumpe mit Schaufeln, die sich zusammen mit dem ringförmigen Kolben drehen, oder irgendwelche anderen Rotationspumpen auf die vorliegende Erfindung angewendet werden. Die vorliegende Erfindung kann ferner auch auf Rotationskompressoren anstelle der Pumpe angewendet werden.
  • In den obigen Ausführungsbeispielen kann der Clausius-Rankine-Kreis so ausgebildet sein, dass die Kondensationsvorrichtung 32 und das Auffanggefäß 33 gemeinsam nicht nur für den Clausius-Rankine-Kreis 30, sondern auch für den Kühlkreis verwendet werden können.
  • In den obigen Ausführungsbeispielen ist die vorliegende Erfindung auf die Kältemittelpumpe 130 angewendet, die das Kältemittel im Clausius-Rankine-Kreis für die am Fahrzeug zu montierende Abwärmenutzungsvorrichtung zirkuliert. Die Abwärmenutzungsvorrichtung muss nicht auf jene für das Fahrzeug beschränkt sein. Die Wärmequelle zum Zuführen der Abwärme zur Heizvorrichtung 31 ist nicht auf den Motor (den Verbrennungsmotor) 10 beschränkt. Andere Vorrichtungen, beispielsweise ein externer Verbrennungsmotor, Stapel für Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenfahrzeugs, verschiedene Arten von Motoren, die Wechselrichter und dergleichen, die während ihres Betriebs Wärme erzeugen und einen Teil der Wärme (d.h. die Abwärme) zum Zweck der Temperaturregelung abgeben, können verwendet werden. In jedem der obigen Fälle ist die Quelle für die Heizvorrichtung 31 ein Arbeitsfluid zum Kühlen der Vorrichtungen mit der Abwärme.
  • In den obigen Ausführungsbeispielen wird das Schmieröl von außerhalb der Kältemittelpumpe 130 durch den Ölzufuhranschluss 432 in die Ölspeicherkammer 410 zugeführt. Es ist jedoch so modifizierbar, dass der Ölsammelabschnitt in der Fluidmaschine (in der Pumpe oder dem Kompressor) vorgesehen ist und das Schmieröl vom Ölsammelabschnitt zur Ölspeicherkammer 410 zugeführt wird. Bei einer solchen Modifikation wird das auf der Auslassseite getrennte Öl in dem im Gehäuse ausgebildeten Ölsammelabschnitt gesammelt, und das Schmieröl kann der Ölspeicherkammer 410 durch eine exklusive Pumpe zugeführt werden.
  • Die vorliegende Erfindung ist vorzugsweise auf die Fluidmaschine angewendet, wie die Kältemittelpumpe für den Clausius-Rankine-Kreis 30 gemäß den obigen Ausführungsbeispielen, die unter einer relativ hohen Last betrieben wird und das Arbeitsfluid ausgibt. Die vorliegende Erfindung kann außer auf die Kältemittelpumpe 130 für den Clausius-Rankine-Kreis 30 auch auf eine Kältemittelpumpe zum Zirkulieren eines Kältemittels in einem Kühlkreis eines Thermospeicher-Klimasystems angewendet werden, welches Eis oder heißes Wasser in einem Speicherbehälter unter Verwendung eines Nachtstroms speichert und es für den Klimabetrieb am Tage nutzt.
  • (Fünfzehntes Ausführungsbeispiel)
  • Gemäß der Pumpen/Expansions/Generator-Vorrichtung 100 des vorliegenden Ausführungsbeispiels sind die Expansionsvorrichtung 110, der Motorgenerator 120 für den Elektromotor und den Stromgenerator und die Kältemittelpumpe 130 in ähnlicher Weise integral ausgebildet. Eine Konstruktion des Gesamtsystems wird unter Bezug auf 28 erläutert. Das vorliegende Ausführungsbeispiel ist ähnlich dem in 15 dargestellten Systemaufbau, und es werden Unterschiedspunkte erläutert.
  • Die Steuereinheit 52 steuert nicht nur den Betrieb des Wechselrichters 51, sondern auch die Funktionen einer elektromagnetischen Kupplung 41b eines Lüfters 32a, des Druckausgleichsventils 117 der Expansionsvorrichtung 110, usw. beim Starten des Kühlkreises 40 und des Clausius-Rankine-Kreises 30. Ein Hauptschalter 53 (z.B. ein Zündschalter) ist mit der Steuereinheit 52 verbunden. Wenn der Hauptschalter 53 ausgeschaltet ist, ist die Stromzufuhr von der Batterie 11 unterbrochen, sodass die Funktionen der Steuereinheit 52 sowie des Wechselrichters 51, des Kühlkreises 40 und des Clausius-Rankine-Kreises 30 gestoppt sind.
  • Als nächstes wird eine Konstruktion der Pumpen/Expansions/Generator-Vorrichtung 100 Bezug nehmend auf 29 erläutert. In der Pumpen/Expansions/Generator-Vorrichtung 100 sind die Expansionsvorrichtung 110, der Motorgenerator 120 und die Kältemittepumpe 130 koaxial verbunden und integral ausgebildet.
  • Die Pumpen/Expansions/Generator-Vorrichtung 100 von 29 hat einen ähnlichen Aufbau wie die Pumpen/Expansions/Generator-Vorrichtung 100 von 16, aber unterscheidet sich von der Pumpen/Expansions/Generator-Vorrichtung 100 von 16 in den folgenden Punkten.
  • D.h. in der Pumpen/Expansions/Generator-Vorrichtung 100 von 29 sind die Expansionsvorrichtung 110, der Motorgenerator 120 und die Kältemittelpumpe 130 nicht in der vertikalen Richtung, sondern in der horizontalen Richtung angeordnet. Und die Pumpen/Expansions/Generator-Vorrichtung 100 von 29 hat keine Konstruktion entsprechend dem Ölsammelabschnitt 101 und dem Ausgabegaskanal 121a der Pumpen/Expansions/Generator-Vorrichtung 100 von 16.
  • Eine Funktionsweise (eine Steuerung) der Pumpen/Expansions/Generator-Vorrichtung 100 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird Bezug nehmend auf ein in 30 gezeigtes Flussdiagramm erläutert.
  • Zuerst bestimmt die Steuereinheit 52 in einem Schritt S500, ob es einen Bedarf zur Stromerzeugung gibt. Die Bestimmung für den Bedarf der Stromerzeugung erfolgt basierend auf einem Ladungszustand der Batterie 11, welcher durch den Wechselrichter 51 erfasst wird. Die Steuereinheit 52 bestimmt, dass es den Bedarf zur Stromerzeugung gibt, wenn die aktuelle Ladungsmenge niedriger als eine vorbestimmte Ladungsmenge ist. Wenn die Steuereinheit 52 im Schritt S500 bestimmt, dass es den Bedarf der Stromerzeugung gibt, unterbricht die Steuereinheit 52 die Stromzufuhr zum elektromagnetischen Ventil 117e in einem Schritt S510, sodass das elektromagnetische Ventil 117e geöffnet wird, um den Verbindungsanschluss 116 durch Bewegen des Ventilkörpers 117a zur Gegendruckkammer 117b zu öffnen. Der Motorgenerator 120 wird als Elektromotor betrieben. Die Kältemittelpumpe 130 und die Expansionsvorrichtung 110 werden durch den Motorgenerator 120 angetrieben, um den Betrieb des Clausius-Rankine-Kreises 30 zu starten.
  • Bei diesem Vorgang wird das Kältemittel durch die Kältemittelpumpe 130 von der Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 33 angesaugt, unter Druck gesetzt und der Heizvorrichtung 31 zugeführt, und das von der Heizvorrichtung 31 ausgegebene Kältemittel wird der Expansionsvorrichtung 110 zugeführt. Da der Verbindungsanschluss 116 bei diesem Vorgang geöffnet gehalten wird, umgeht das Kältemittel die Arbeitskammer V und strömt von der Hochdruckkammer 114 direkt in die Niederdruckkammer 113e. Dann strömt das Kältemittel durch das Innere des Motorgehäuses 121 und wird vom Niederdruckanschluss 121b ausgegeben. Das Kältemittel strömt weiter durch die Kondensationsvorrichtung 32 zur Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 33.
  • Wenn ab dem Schritt S510 eine vorbestimmte Zeitdauer vorüber ist (d.h. wenn in einem Schritt S520 „Y" bestimmt wird), wird in einem Schritt S530 dem elektromagnetischen Ventil 117e Strom zugeführt, sodass das elektromagnetische Ventil 117e geschlossen wird, um den Verbindungsanschluss 116 durch Bewegen des Ventilkörpers 117a zur Basisplatte 112a zu schließen. Die obige vorbestimmte Zeitdauer ist eine solche vorbestimmte Zeitdauer, während der das Kältemittel durch die Heizvorrichtung 31 ausreichend geheizt wird, um zum überhitzten Dampf des Kältemittels zu werden, selbst wenn die Temperatur des Motorkühlwassers niedrig ist.
  • Wenn der Verbindungsanschluss 116 geschlossen wird, strömt das in die Expansionsvorrichtung 110 geleitete Kältemittel durch die Hochdruckkammer 114, den Einlassanschluss 115, die Arbeitskammer V und die Niederdruckkammer 113e.
  • In einem Schritt S540 wird ein Normalbetrieb für die Stromerzeugung durch den Clausius-Rankine-Kreis 30 ausgeführt. D.h. der überhitzte Dampf des Kältemittels, der durch die Heizvorrichtung 31 auf das Hochtemperatur- und Hochdruckkältemittel geheizt ist, wird in die Arbeitskammer V der Expansionsvorrichtung 110 eingeleitet und darin ausgedehnt. Wenn die bewegbare Spirale 113 durch die Expansion des überhitzten Dampfes des Kältemittels gedreht wird, werden der Motorgenerator 120 und die Kältemittelpumpe 130, die mit der bewegbaren Spirale 113 verbunden sind, zum Drehen angetrieben. Wenn die Antriebsdrehkraft der Expansionsvorrichtung 110 größer als die zum Antreiben der Kältemittelpumpe 130 notwendige Antriebskraft wird, wird der Motorgenerator 52 als Stromgenerator betrieben und die Steuereinheit 52 steuert den Wechselrichter 51 so, dass der am Motorgenerator 120 erzeugte Strom über den Wechselrichter 51 in die Batterie 11 geladen wird. Das Kältemittel, das in der Expansionsvorrichtung 110 ausgedehnt worden ist und dessen Druck vermindert ist, wird durch die Kondensationsvorrichtung 32, die Gas/ Flüssigkeit-Trennvorrichtung 33, den Bypasskanal 36, die Kältemittelpumpe 130, die Heizvorrichtung 31 und zur Expansionsvorrichtung 110 zirkuliert (im Clausius-Rankine-Kreis 30 zirkuliert).
  • Im obigen Normalbetrieb für die Stromerzeugung durch Schritt S540 bestimmt die Steuereinheit 52 in einem Schritt S550, ob es irgendeinen ungewöhnlichen Zustand gibt. Beispiele der ungewöhnlichen Zustände sind eine ungewöhnliche Drehung, bei welcher es unmöglich ist, die Position des Motorgenerators 120 durch den Wechselrichter 51 zu erfassen, eine Situation, bei der die Steuerung des Motorgenerators 120 aufgrund einer Fehlfunktion des Wechselrichters 51 selbst nicht möglich ist, oder dergleichen.
  • Wenn die Steuereinheit 52 im Schritt S550 bestimmt, dass es keinen ungewöhnlichen Zustand gibt, wird der Normalbetrieb für die Stromerzeugung fortgesetzt. Und in einem Schritt S560 bestimmt die Steuereinheit 52, ob es einen Bedarf zum Stoppen der Stromerzeugung gibt. Wenn die Batterie 11 durch den Normalbetrieb zur Stromerzeugung vollständig geladen ist, gibt es keine Notwendigkeit, die Stromerzeugung fortzusetzen. Der Prozess geht zu einem Schritt S570, weil die Stromerzeugung nicht notwendig ist und der Betrieb des Clausius-Rankine-Kreises gestoppt werden muss. Wenn die Ladungsmenge in der Batterie nicht vollständig ist, geht der Prozess zurück zu Schritt S540.
  • Im Schritt S570 wird die Drehzahl des Motorgenerators 170 zum Zweck des Stoppens des Clausius-Rankine-Kreises 30 verringert. In einem Schritt S580 wird die Stromzufuhr zum elektromagnetischen Ventil 117e unterbrochen, damit das elektromagnetische Ventil 117e durch Bewegen des Ventilkörpers 117a zur Gegendruckkammer 117b geöffnet wird, um den Verbindungsanschluss 116 zu öffnen. Bei diesem Vorgang strömt das der Expansionsvorrichtung 110 zugeführte Kältemittel durch den Verbindungsanschluss 116, sodass der Expansionsvorgang des Kältemittels in der Arbeitskammer V vermieden wird. In einem Schritt S590 wird der Betrieb des Motorgenerators 120 vollständig gestoppt, und der Prozess geht zurück zu Schritt S500.
  • Wenn die Steuereinheit 52 im Schritt S550 bestimmt, dass es den ungewöhnlichen Zustand gibt, wird durch die Schritte S600 bis S630 ein Vorgang (d.h. ein Vorgang zur Notabschaltung) zum schnellen Stoppen des Clausius-Rankine-Kreises 30 ausgeführt.
  • D.h. im Schritt S600 wird die Stromzufuhr zum elektromagnetischen Ventil 117e unterbrochen, sodass das elektromagnetische Ventil 117e durch Bewegen des Ventilkörpers 117a zur Gegendruckkammer 117b geöffnet wird, um den Verbindungsanschluss 116 zu öffnen. Demgemäß strömt das der Expansionsvorrichtung 110 zugeführte Kältemittel durch den Verbindungsanschluss 116, sodass der Expansionsvorgang des Kältemittels in der Arbeitskammer V vermieden wird.
  • Im Schritt 610 wird der Betrieb des Wechselrichters 51 gestoppt, um den Motorgenerator 120 (und die Expansionsvorrichtung 110 und die Kältemittelpumpe 130) abzuschalten. Im Schritt S620 wird eine Schaltungsprüfung für den Wechselrichter 51 ausgeführt. Wenn ein Ergebnis für die Schaltungsprüfung im Schritt S630 „OK" ist, geht der Prozess zurück zu Schritt S510.
  • Die Steuereinheit 52 verbindet die Riemenscheibe 41a durch die elektromagnetische Kupplung 41b mit dem Kompressor 41, wenn es durch den Fahrzeuginsassen einen Bedarf für den Klimabetrieb gibt, sodass der Kompressor 41 durch die Antriebskraft des Motors 10 angetrieben wird, um den Klimabetrieb durch den Kühlkreis 40 auszuführen. Eine Drehzahl des Lüfters 32a wird zum Zweck des Einstellens der Kondensationsleistung der Kondensationsvorrichtung 32 gesteuert.
  • Wie oben erläutert, sind gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der Verbindungsanschluss 116 zum direkten Verbinden der Hochdruckkammer 114 mit der Niederdruckkammer 113e und das Druckausgleichsventil 117 zum Öffnen und Schließen des Verbindungsanschlusses 116 vorgesehen. Demgemäß wird es in der Expansionsvorrichtung durch Öffnen des Druckausgleichsventils 117 bei Bedarf möglich, dass das Kältemittel an der Arbeitskammer V vorbeiströmt. In diesem Ausführungsbeispiel ist keine externe Rohranordnung für die Expansionsvorrichtung 110 notwendig, und dies ist für die Expansionsvorrichtung 110 hinsichtlich Montageschritten und -kosten von Vorteil, weil der Verbindungsanschluss 116 und das Druckausgleichsventil 117 in dem Gehäuse 111 für die Expansionsvorrichtung vorgesehen sind.
  • Mit dem Aufbau des Verbindungsanschlusses 116 und des Druckausgleichsventils 117 werden die Drücke auf der Hochdruckseite und der Niederdruckseite einfach durch Öffnen des Verbindungsanschlusses 116 ausgeglichen, wenn es notwendig ist, die Expansionsvorrichtung 110 während des Betriebs des Clausius-Rankine-Kreises 30 normal oder schnell zu stoppen. Da die Expansion des Kältemittels in der Arbeitskammer V vermieden werden kann, kann dann der Betrieb der Expansionsvorrichtung 110 sicher gestoppt werden.
  • Wenn die Expansionsvorrichtung 110 vor Öffnen des Druckausgleichsventils 117 abgeschaltet werden soll, kann die Expansionsvorrichtung 110 plötzlich unter kleinerer Last und bei einer höheren Drehzahl betrieben werden. Dann wäre es schwierig, die Expansionsvorrichtung 110 zu stoppen. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird jedoch der Betrieb der Expansionsvorrichtung 11 gestoppt, nachdem die Drücke auf der Hochdruckseite und der Niederdruckseite des Clausius-Rankine-Kreises 30 durch Öffnen des Druckausgleichsventils 117 ausgeglichen sind. Deshalb wird der obige Vorgang bei hoher Drehzahl verhindert und der Betrieb der Expansionsvorrichtung 110 kann sicher gestoppt werden.
  • Außerdem wird das Druckausgleichsventil 117 beim Starten des Clausius-Rankine-Kreises 30 geschlossen, nachdem eine vorbestimmte Zeitdauer ab seiner Öffnung verstrichen ist. Das Kältemittel in der Heizvorrichtung 31 befindet sich beim Starten des Clausius-Rankine-Kreises 30 gegebenenfalls in der Flüssigphase (insbesondere wenn der Clausius-Rankine-Kreis 30 das erste Mal seit dem Fahren des Fahrzeugs gestartet wird). Selbst wenn das Kältemittel der Flüssigphase der Expansionsvorrichtung 110 zugeführt wird, kann die Expansionsarbeit nicht von der Arbeitskammer V erhalten werden. Demgemäß wird verhindert, dass das Flüssigphasenkältemittel von der Heizvorrichtung 31 in die Arbeitskammer V strömt, indem das Druckausgleichsventil 117 während der vorbestimmten Zeitdauer geöffnet wird. Wenn das Druckausgleichsventil 117 nach der vorbestimmten Zeitdauer geschlossen wird, während welcher das Kältemittel ausreichend an der Heizvorrichtung 31 geheizt wird, um zum überhitzten Dampf zu werden, kann der überhitzte Dampf in die Arbeitskammer V eingeleitet werden, um die Expansionsvorrichtung 110 wie die ursprüngliche Expansionsvorrichtung zu betreiben.
  • Ferner ist, wenn das Schmieröl mit dem Kältemittel vermischt ist, die Viskosität des Schmieröls niedrig, falls sich das Kältemittel in einem Niedertemperaturzustand und in der flüssigen Phase befindet. Deshalb kann die primäre Schmierwirkung nicht erzielt werden. Demgemäß kann ein Problem des Abriebs an den Gleitabschnitten, der aufgrund eines Mangels des Schmieröls auftreten kann, durch Verhindern des Einströmens des Flüssigphasenkältemittels in die Arbeitskammer V während der vorbestimmten Zeitdauer nach dem Starten des Clausius-Rankine-Kreises 30 vermieden werden.
  • Außerdem kann die Stromerzeugung effektiver ausgeführt werden, wenn die Heizleistung der Heizvorrichtung 31 (z.B. die Temperatur des Motorkühlwassers) beim Starten des Clausius-Rankine-Kreises 30 erfasst wird, und die Ein/Aus-Steuerung des Druckausgleichsventils 117 wird ausgeführt (die Schritte S510 bis S530), wenn die Heizleistung niedriger als ein vorbestimmtes Niveau ist.
  • Der Verbindungsanschluss 116 ist in der Basisplatte 112a ausgebildet, welche die Hochdruckkammer 114 und die Arbeitskammer V (die Niederdruckkammer 113e) trennt. Deshalb kann der Anschluss 116 ausgebildet werden.
  • Das Druckausgleichsventil 117 besteht aus dem Ventilkörper 117a, der Gegendruckkammer 117b, der Feder 117c, der Öffnung 117d und dem elektromagnetischen Ventil 117e. Demgemäß kann die Ein/Aus-Schaltvorrichtung einfach ausgebildet werden.
  • Das Druckausgleichsventil 117 (das elektromagnetische Ventil 117e) ist so konstruiert, dass das Ventil geöffnet wird, wenn die Stromzufuhr unterbrochen wird. Demgemäß kann die Expansionsvorrichtung 110 sicher abgeschaltet werden, wenn die Stromzufuhr aufgrund des ungewöhnlichen Zustandes unterbrochen wird. Wie in 31A bis 31D dargestellt, wird, falls die Stromzufuhr während des Betriebs des Clausius-Rankine-Kreises 30 aufgrund irgendwelcher ungewöhnlicher Zustände oder des Ausschaltens des Hauptschalters (des Zündschalters) 53 durch den Fahrgast unterbrochen wird (31A), als Ergebnis des Unterbrechens der Stromzufuhr zum elektromagnetischen Ventil 117e der Motorgenerator 120 gestoppt und das elektromagnetische Ventil 117e geöffnet (31B), und der Verbindungsanschluss 116 wird mit einer bestimmten Zeitverzögerung geöffnet (31C). Die Last der Expansionsvorrichtung 110 wird entsprechend dem Stoppen des Motorgenerators 120 schnell erleichtert. Die Drehzahl wird dadurch für einen Moment zur Hochgeschwindigkeitsseite bewegt (31D). Jedoch wird die Expansionsvorrichtung 110 in ihrer Drehzahl reduziert, um den Betrieb der Expansionsvorrichtung 110 sicher zu stoppen, weil der Expansionsvorgang des Kältemittels in der Arbeitskammer V durch Öffnen des Verbindungsanschlusses 116 vermieden wird.
  • Der Innenraum des Motorgenerators 120 (des Motorgehäuses 121) und die Niederdruckkammer 113e stehen miteinander durch den Ausgabegaskanal 121a in Verbindung, sodass das Kältemittel von der Hochdruckkammer 114 durch die Niederdruckkammer 113 zum Innenraum des Motorgenerators 120 strömt, wenn das Druckausgleichsventil 117 geöffnet ist. Demgemäß funktioniert der Innenraum des Motorgenerators 120 als ein Speicher zum Vermindern einer Pulsation, die gemäß dem Ein/Ausschaltvorgang des Druckausgleichsventils 117 erzeugt wird. Durch die Druckpulsation verursachte Geräusche werden dadurch verringert.
  • (Weitere Modifikationen)
  • Im obigen Ausführungsbeispiel ist das Druckausgleichsventil 117 als Ventilkörper 117a ausgebildet, der den Verbindungsanschluss 116 gemäß dem Ein/Ausschaltvorgang des elektromagnetischen Ventils 117e öffnet oder schließt. Das Druckausgleichsventil 117 ist nicht auf das Ventil der obigen Art beschränkt, sondern kann auch als ein elektromagnetisches Ventil gebildet sein, das den Verbindungsanschluss 116 direkt öffnet oder schließt.
  • Im obigen Ausführungsbeispiel wird die von der Expansionsvorrichtung 110 erhaltene Drehantriebskraft benutzt, um den Motorgenerator 120 zu betreiben, sodass die elektrische Energie in die Batterie 11 geladen wird. Die durch die Expansionsvorrichtung erhaltene Energie kann jedoch auch als Bewegungsenergie in einem Schwungrad oder als kinetische Energie wie beispielsweise elastische Potentialenergie in der Feder geladen werden.
  • Im obigen Ausführungsbeispiel ist die Kältemittelpumpe 130 mit der Expansionsvorrichtung 110 verbunden. Die obigen zwei Komponenten können jedoch auch voneinander getrennt sein und die Kältemittelpumpe 130 kann durch einen exklusiven Elektromotor angetrieben werden.
  • Außerdem ist im obigen Ausführungsbeispiel die Expansionsvorrichtung 110 durch die Vorrichtung des Spiraltyps gebildet und die Kältemittelpumpe 130 ist durch die Vorrichtung des Wälzkolbentyps gebildet. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Art beschränkt. Ein Zahnradpumpentyp, ein Trochoidentyp oder irgendwelche anderen Arten können verwendet werden.
  • Im obigen Ausführungsbeispiel ist der Kühlkreis 40 auf den Clausius-Rankine-Kreis 30 vorgesehen. Die vorliegende Erfindung kann jedoch auf die Abwärmenutzungsvorrichtung mit nur dem Clausius-Rankine-Kreis 30 angewendet werden.
  • Jede Vorrichtung, die bei ihrem Betrieb Wärme erzeugt und einen Teil der Wärme zum Zweck ihrer Temperaturregelung abgibt (d.h. die Abwärme erzeugt), wie beispielsweise ein externer Verbrennungsmotor, Brennstoffzellenstapel für ein Brennstoffzellenfahrzeug, verschiedene Arten von Motoren, können allgemein als Heizquelle für die Heizvorrichtung 31 außer dem Motor 10 verwendet werden. In jedem obigen Fall ist die Quelle für die Heizvorrichtung 31 das Arbeitsfluid zum Kühlen der Vorrichtungen mit der Abwärme.

Claims (42)

  1. Fluidmaschine, mit einer Expansionsvorrichtung (110) zum Erzeugen einer Antriebskraft durch Expansion eines Arbeitsfluids, das ein Schmieröl enthält und geheizt wird, um in einen Gasphasenzustand zu gelangen; einem durch die Antriebskraft der Expansionsvorrichtung (110) angetriebenen Stromgenerator (120) zum Erzeugen von Strom; einem in einem Kanal, durch den das von der Expansionsvorrichtung (110) ausgegebene Arbeitsfluid strömt, vorgesehenen Ölsammelabschnitt (101) zum Sammeln des im Arbeitsfluid enthaltenen Schmieröls derart, dass das Schmieröl in Kontakt mit wenigstens einem Gleitabschnitt (113c, 125) der Expansionsvorrichtung (110) und des Stromgenerators (120) steht; und einer Heizeinheit (122, 151, 152) zum Heizen des Arbeitsfluids im Ölsammelabschnitt (101).
  2. Fluidmaschine nach Anspruch 1, bei welcher die Heizeinheit (122, 151, 152) beim Starten der Expansionsvorrichtung (110) betätigt wird.
  3. Fluidmaschine nach Anspruch 1, bei welcher die Heizeinheit (122, 151, 152) während eines Normalbetriebs der Expansionsvorrichtung (110) betrieben wird.
  4. Fluidmaschine nach Anspruch 1, bei welcher die Heizeinheit (122, 151, 152) betätigt wird, wenn eine Viskosität des Schmieröls oder irgendeine mit der Viskosität zusammenhängende physikalische Größe niedriger als ein vorbestimmter Wert ist.
  5. Fluidmaschine nach Anspruch 1, bei welcher die Heizeinheit (122, 151, 152) einen Stator (122) des Stromgenerators (120) aufweist, wobei der Stator (122) die Wärme erzeugt, wenn dem Stator (122) Strom in einer solchen Weise zugeführt wird, dass ein Leistungsfaktor verringert wird.
  6. Fluidmaschine nach Anspruch 1, bei welcher die Heizeinheit (122, 151, 152) einen Fluidkanal (151) aufweist, durch den ein Wärmemedium von einer externen Hochtemperaturquelle (10) strömt.
  7. Fluidmaschine nach Anspruch 1, bei welcher die Heizeinheit (122, 151, 152) eine elektrische Heizvorrichtung (152) aufweist.
  8. Fluidmaschine, mit einer Expansionsvorrichtung (110) zum Erzeugen einer Antriebskraft durch Expansion eines Arbeitsfluids, das ein Schmieröl enthält und geheizt wird, um in einen Gasphasenzustand zu gelangen; einem mit der Expansionsvorrichtung (110) betriebenen Stromgenerator (120); und einem Gehäuse (111, 121) zum Aufnehmen der Expansionsvorrichtung (110) und des Stromgenerators (120), wobei die Fluidmaschine ferner aufweist: einen Öltrennabschnitt zum Trennen des in dem von der Expansionsvorrichtung (110) ausgegebenen Arbeitsfluid enthaltenen Schmieröls; einen im Gehäuse (111, 121) vorgesehenen Ölsammelabschnitt (101) zum Sammeln des vom Arbeitsfluid getrennten Schmieröls; eine Heizeinheit zum Heizen des Schmieröls; und einen Ölzufuhrabschnitt (102) zum Zuführen des im Ölsammelabschnitt (101) gesammelten Schmieröls zu Gleitabschnitten (113c, 113d) der Expansionsvorrichtung (110).
  9. Fluidmaschine nach Anspruch 8, bei welcher der Stromgenerator (120) an einer oberen Seite der Expansionsvorrichtung (110) angeordnet ist, ein Fluidkanal (121a) in dem Gehäuse (111, 121) zum Einleiten des von der Expansionsvorrichtung (110) ausgegebenen Arbeitsfluids zu einem oberen Bereich des Gehäuses (111, 121) vorgesehen ist, der Öltrennabschnitt so aufgebaut ist, dass das Schmieröl vom Arbeitsfluid entsprechend einem Abfall einer Strömungsgeschwindigkeit des Arbeitsfluids getrennt wird, wenn das Arbeitsfluid vom Fluidkanal (121a) in einen Innenraum des Gehäuses (111, 121) strömt, der Ölsammelabschnitt (101) an einer oberen Seite der Expansionsvorrichtung (110) ausgebildet ist, die Heizeinheit einen Hochtemperaturabschnitt (V) aufweist, dessen Temperatur höher als jene des von der Expansionsvorrichtung (110) ausgegebenen Arbeitsfluids ist, und der Ölzufuhrabschnitt (102) einen Ölkanal (102) zum Zuführen des Schmieröls vom Ölsammelabschnitt (101) zu den Gleitabschnitten (113c, 113d) der Expansionsvorrichtung (110) aufweist.
  10. Fluidmaschine nach Anspruch 9, bei welcher der Hochtemperaturabschnitt (V) einem Hochtemperaturbereich (V) der Expansionsvorrichtung (110) entspricht.
  11. Fluidmaschine nach Anspruch 9, bei welcher ein Trennabschnitt (101a), der den Ölsammelabschnitt (101) und den Motorgenerator (120) trennt, als ein gegenüber den anderen Teilen dünnwandiger Abschnitt ausgebildet ist.
  12. Fluidmaschine nach Anspruch 8, bei welcher der Ölsammelabschnitt (101) an einer unteren Seite des Motorgenerators (120) angeordnet ist.
  13. Fluidmaschine nach Anspruch 12, bei welcher das von der Expansionsvorrichtung (110) ausgegebene Arbeitsfluid durch das Innere des Motorgenerators (120) oder durch einen Teil angrenzend an einen Wechselrichter (51), der einen Betrieb des Motorgenerators (120) steuert, zum Ölsammelabschnitt (101) strömt.
  14. Fluidmaschine nach Anspruch 9, bei welcher eine Pumpenvorrichtung (130) integral an der Expansionsvorrichtung (110) auf einer Ausgabeseite des Arbeitsfluids zum Zirkulieren des Arbeitsfluids vorgesehen ist, und das Schmieröl des Ölsammelabschnitts (101) durch eine Druckdifferenz zwischen der Expansionsvorrichtung (110) und der Pumpenvorrichtung 1130) angesaugt wird, sodass das Schmieröl durch den Ölkanal (102) den Gleitabschnitten (113c, 113d) zugeführt wird.
  15. Fluidmaschine nach Anspruch 14, bei welcher das den Gleitabschnitten (113c, 113d) zugeführte Schmieröl weiter Gleitabschnitten (132b, 132c) der Pumpenvorrichtung (130) zugeführt wird.
  16. Fluidmaschine nach Anspruch 8, bei welcher Rippen (101b) am Ölsammelabschnitt (101) vorgesehen sind, um die Kontaktfläche mit dem Schmieröl zu vergrößern.
  17. Fluidmaschine nach Anspruch 8, bei welcher der Öltrennabschnitt zwischen der Ausgabeseite der Expansionsvorrichtung (110) für das Arbeitsfluid und dem Ölsammelabschnitt (101) vorgesehen ist, um das Schmieröl vom Arbeitsfluid zu trennen.
  18. Fluidmaschine nach Anspruch 8, bei welcher eine Pumpenvorrichtung (130) an der Expansionsvorrichtung (110) auf einer Ausgabeseite des Arbeitsfluids zum Zirkulieren des Arbeitsfluids vorgesehen ist, der Motorgenerator (120) an einer unteren Seite der Expansionsvorrichtung (110) angeordnet ist, die Pumpenvorrichtung (130) an einer unteren Seite des Motorgenerators (120) angeordnet ist, und der Ölsammelabschnitt (101) an einer unteren Seite der Pumpenvorrichtung (130) angeordnet ist, wobei die Fluidmaschine ferner aufweist: einen Fluidkanal (121a), der zum Leiten des von der Expansionsvorrichtung (110) ausgegebenen Arbeitsfluids zum Ölsammelabschnitt (101) vorgesehen ist, einen Ölkanal (A) zum Verbinden des Ölsammelabschnitts (101) durch die Pumpengleitabschnitte (132b, 132c) der Pumpenvorrichtung (130) und die Gleitabschnitte (113c, 113d) für die Expansionsvorrichtung (110) mit dem Fluidkanal (121a), und eine Ölpumpe (105) zum Leiten des Schmieröls vom Ölsammelabschnitt (101) zu den Pumpengleitabschnitten (132b, 132c) und den Gleitabschnitten (113c, 113d) für die Expansionsvorrichtung (110), wobei der Öltrennabschnitt im Fluidkanal (121a) stromab eines Zusammenflusspunkts, an dem der Ölkanal (102A) in den Fluidkanal (121a) einströmt, vorgesehen ist, der Ölzufuhrabschnitt aus dem Ölkanal (102A) und der Ölpumpe (105) besteht, und die Heizeinheit das Arbeitsfluid aufweist, das von der Expansionsvorrichtung (110) ausgegeben wird und an dem Zusammenflusspunkt des Ölkanals (102A) positioniert ist.
  19. Fluidmaschine nach Anspruch 18, bei welcher der Fluidkanal (121a) so ausgebildet ist, dass ein Teil des Fluidkanal (121a) im Innenraum des Gehäuses (121) für den Motorgenerator (120) ausgebildet ist und der übrige Teil davon außerhalb des Gehäuses (121) ausgebildet ist und mit dem Ölsammelabschnitt (101) in Verbindung steht, und der Ölkanal (102A) mit dem Innenraum des Gehäuses (121) durch die Gleitabschnitte (113c, 113d) für die Expansionsvorrichtung (110) in Verbindung steht.
  20. Fluidmaschine nach Anspruch 18, bei welcher die Expansionsvorrichtung (110), der Motorgenerator (120) und die Pumpenvorrichtung (130) miteinander durch eine einzige Welle (118, 124, 132) verbunden sind, und ein Teil (103) des Ölkanals (102A) in der Welle (118, 124, 132) ausgebildet ist.
  21. Fluidmaschine nach Anspruch 19, bei welcher eine Öldichtung (107) zwischen dem Motorgenerator (120) und der Pumpenvorrichtung (130) vorgesehen ist, um einen Austritt des Schmieröls von einer Seite des Motorgenerators (120) zu einer Seite der Pumpenvorrichtung (130) zu blockieren).
  22. Fluidmaschine, mit einem flachen und ringförmigen Zylinder (408) zum Bilden einer Zylinderkammer (480); einem in der Zylinderkammer (480) aufgenommen ringförmigen Kolben (405); einer Antriebswelle (401), die in einen Mittelabschnitt des ringförmigen Kolbens (405) eingesetzt ist und durch eine externe Antriebsquelle (120B) angetrieben wird; und Lagern (431, 441) zum drehbaren Halten der Antriebswelle (401), wobei der ringförmige Kolben (405) in der Zylinderkammer (480) durch Drehung der Antriebswelle (401) betrieben wird, sodass ein in die Zylinderkammer (480) gesaugtes Arbeitsfluid unter Druck gesetzt und ausgepumpt wird, eine Ölspeicherkammer (410) so um die Antriebswelle (401) herum ausgebildet ist, um Kontaktabschnitte der Antriebswelle (401) zu überdecken, die mit dem ringförmigen Kolben (405) und den Lagern (431, 441) in Kontakt stehen, wobei die Ölspeicherkammer (410) mit einem Schmieröl mit einer höheren Viskosität als das Arbeitsfluid gefüllt ist, und ein kleiner Raum (451, 453) an einer axialen Seitenfläche (450) des ringförmigen Kolbens (405) und an einer Außenseite der Ölspeicherkammer (410) ausgebildet ist, wobei der kleine Raum (451, 453) auf einem Druck niedriger als jener der Ölspeicherkammer (4101 gehalten wird.
  23. Fluidmaschine nach Anspruch 22, bei welcher der kleine Raum eine Nut (451, 453) aufweist, die an der axialen Seitenfläche (450) ausgebildet ist.
  24. Fluidmaschine nach Anspruch 22, ferner mit Stirnflächenabschnitten (430, 440), die nahe und gegenüber der axialen Seitenfläche (450) angeordnet sind um ein Ende der Zylinderkammer (480) abzudichten, wobei der kleine Raum eine Nut (435, 445) aufweist, die an den Stirnflächenabschnitten (430, 440) ausgebildet ist.
  25. Fluidmaschine nach Anspruch 22, bei welcher der kleine Raum (451, 453) in einer Ringform an der axialen Seitenfläche (450) ausgebildet ist.
  26. Fluidmaschine nach Anspruch 22, bei welcher der kleine Raum einen ersten Raum (4511 und einen zweiten Raum (453) aufweist, die jeweils an den axialen Seitenfläche (45) des ringförmigen Kolbens (405) ausgebildet sind.
  27. Fluidmaschine nach Anspruch (26), bei welcher ein Verbindungsloch (452) so ausgebildet ist, dass es den ringförmigen Kolben (405) in der axialen Richtung durchdringt, sodass der erste Raum (451) und der zweite Raum (453) miteinander an einer vorbestimmten Position in Verbindung stehen.
  28. Fluidmaschine nach Anspruch 22, ferner mit einem Einlassanschluss (452) zum Ansaugen des Arbeitsfluids von außen in die Zylinderkammer (480), wobei der kleine Raum (451, 453) mit dem Einlassanschluss (442) in Verbindung steht.
  29. Fluidmaschine nach Anspruch 22, bei welcher das Schmieröl durch eine exklusive Ölförderpumpe (461) unter Druck gesetzt und der Ölspeicherkammer (410) zugeführt wird.
  30. Fluidmaschine nach Anspruch 29, bei welcher die Ölförderpumpe (461) gemeinsam durch die externe Antriebsquelle (120B) angetrieben wird.
  31. Fluidmaschine nach Anspruch 22, bei welcher die Antriebswelle (401) einen Kurbelabschnitt (411) besitzt, und der ringförmige Kolben (405) an einem Außenumfang des Kurbelabschnitts (411) verschiebbar angeordnet ist, sodass der ringförmige Kolben (405) an dem Kurbelabschnitt (411) gleitet und gemäß der Drehung der Antriebswelle (401) mit einer Orbitalbewegung in der Zylinderkammer (480) gedreht wird.
  32. Fluidmaschine nach Anspruch 22, bei welcher das Arbeitsfluid ein Arbeitsfluid ist, das in einem Clausius-Rankine-Kreis (30) zirkuliert, der durch eine Heizvorrichtung (31), eine Expansionsvorrichtung (110) und eine Kondensationsvorrichtung (32) gebildet ist, wobei diese Komponenten nacheinander in einem Kreis verbunden sind.
  33. Fluidmaschine nach Anspruch 32, bei welcher das vom Arbeitsfluid auf eine Ausgabeseite der Expansionsvorrichtung (110) getrennte Öl der Ölspeicherkammer (410) durch einen Ölzufuhrkanal (460), der die Kondensationsvorrichtung (32) umgeht, als das Schmieröl zugeführt wird.
  34. Fluidmaschine nach Anspruch 32, bei welcher die externe Antriebsquelle einen mit der Expansionsvorrichtung (110) verbundenen Elektromotor (120) aufweist.
  35. Expansionsvorrichtung, mit einer Hochdruckkammer (114), in die ein auf einen Hochdruckdampf geheiztes Arbeitsfluid eingeleitet wird; einem angetriebenen Abschnitt (113), der durch eine Expansion des Arbeitsfluids des Hochdruckdampfes aus der Hochdruckkammer (114) angetrieben wird; einem Niederdruckabschnitt (113), von dem das Arbeitsfluid, dessen Druck als Ergebnis der Expansion niedriger wird, herausströmt; und einem Gehäuse (111) zum Aufnehmen der obigen Hochdruckkammer (114), des angetrieben Abschnitts (113) und des Niederdruckabschnitts (113e), wobei die Expansionsvorrichtung (110) ferner aufweist: einen im Gehäuse (111) ausgebildeten Verbindungsanschluss (116) zum Umgehen des angetrieben Abschnitts (113e) und zur direkten Verbindung der Hochdruckkammer (114) mit dem Niederdruckabschnitt (113e); und eine Schaltvorrichtung (117) zum Öffnen und Schließen des Verbindungsanschlusses (116).
  36. Expansionsvorrichtung nach Anspruch 35, ferner mit einem zwischen der Hochdruckkammer (114) und dem angetriebene Abschnitt (113) vorgesehenen Trennabschnitt (112a) zum Trennen der Hochdruckkammer (114) und des angetriebenen Abschnitts (113) voneinander, wobei der Verbindungsanschluss (116) in dem Trennabschnitt (112a) derart ausgebildet ist, dass der Verbindungsanschluss (116) den Trennabschnitt (112a) durchdringt.
  37. Expansionsvorrichtung nach Anspruch 35, bei welcher die Schaltvorrichtung (117) ein elektromagnetisches Ventil zum Öffnen und Schließen des Verbindungsanschlusses (116) als Reaktion auf ein externes elektrisches Signal oder einen Ventilkörper (117a) zum Öffnen und Schließen des Verbindungsanschlusses (116) zusammen mit einem elektromagnetischen Ventil (117) aufweist.
  38. Expansionsvorrichtung nach Anspruch 37, bei welcher das elektromagnetische Ventil oder der Ventilkörper (117a) den Verbindungsanschluss (116) schließt, wenn ihm das externe elektrische Signal zugeführt wird, und den Verbindungsanschluss (116) öffnet, wenn das externe elektrische Signal zu ihm unterbrochen wird.
  39. Expansionsvorrichtung nach Anspruch 35, ferner mit einem Stromgenerator (120), der auf einer Seite des Niederdruckabschnitts (113e) vorgesehen und mit dem angetriebenen Abschnitt (113) verbunden ist, wobei der Niederdruckabschnitt (113e) mit dem Innern des Stromgenerators (120) in Verbindung steht.
  40. Expansionsvorrichtung nach Anspruch 35, bei welcher die Expansionsvorrichtung (110) in einem Clausius-Rankine-Kreis (30) vorgesehen ist, eine Steuereinheit (50) zum Steuern eines Betriebs der Expansionsvorrichtung (110) vorgesehen ist, und die Steuereinheit (50) die Schaltvorrichtung (117) öffnet, wenn ein Betrieb des Clausius-Rankine-Kreises (30) gestoppt wird.
  41. Expansionsvorrichtung nach Anspruch 40, bei welcher die Steuereinheit (50) den Betrieb der Expansionsvorrichtung (110) nach dem Öffnen der Schaltvorrichtung (117) stoppt.
  42. Expansionsvorrichtung nach Anspruch 40, bei welcher die Steuereinheit (50) die Schaltvorrichtung (117) beim Starten des Betriebs des Clausius-Rankine- Kreis (30) öffnet und die Schaltvorrichtung (117) schließt, nachdem eine vorbestimmte Zeitdauer vorüber ist.
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