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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung mit
einer Abgaswärmerückgewinnungsvorrichtung zum
Betreiben einer Expansionseinheit, die Abgaswärme von einem
Fahrzeug, zum Beispiel einem Verbrennungsmotor, als eine Heizquelle
verwendet.
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Eine
herkömmliche Kühlvorrichtung mit einer Abgaswärmerückgewinnungsvorrichtung
ist zum Beispiel in
JP-A-2006-46763 bekannt.
Die Kühlvorrichtung umfasst einen Kältemittelkreislauf
und einen Rankine-Kreislauf, der Abgaswärme beim Kühlen
eines Verbrennungsmotors verwendet, welcher als ein Wärmegenerator
dient. Ein Kompressor zum Komprimieren und Ausstoßen von
Kältemittel in dem Kältemittelkreislauf und eine
Expansionseinheit, die geeignet ist, in dem Rankine-Kreislauf durch
Expansion von Kältemittel, das von der Abgaswärme
geheizt wird, zum Kühlen des Verbrennungsmotors betrieben zu
werden, sind jeweils unabhängig angeordnet. Ein Kondensator
(Strahler) in dem Rankine-Kreislauf wird ebenfalls verwendet und
als ein Kondensator für den Kältemittelkreislauf
aufgebaut.
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Eine
derartige Kühlvorrichtung erlaubt den unabhängigen
Betrieb des Kältemittelkreislaufs oder des Rankine-Kreislaufs
oder den gleichzeitigen Betrieb sowohl des Kältemittelkreislaufs
als auch des Rankine-Kreislaufs entsprechend dem Bedarf für
den Kühlbetrieb für einen Fahrzeugraum und der
Möglichkeit der Rückgewinnung der Abgaswärme
beim Kühlen.
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Wenn
in der vorstehend erwähnten Kühlvorrichtung jedoch
der Kältemittelkreislauf und der Rankine-Kreislauf gleichzeitig
angetrieben werden, kondensiert der Kondensator gleichzeitig das
Kältemittel in beiden Kreisläufen (d. h. strahlt
Wärme von beiden Kreisläufen ab), was zu einer
Zunahme des Kältemitteldrucks an dem Kondensator führt.
Folglich wird eine Druckdifferenz zwischen dem Einlass und dem Auslass
einer Expansionseinheit des Rankine- Kreislaufs kleiner, wodurch
eine durch die Expansionseinheit erhaltene regenerative Leistung
verringert wird.
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Ferner
kann der alleinige Betrieb nur des Rankine-Kreislaufs entsprechend
einer Druckzunahme des Kältemittels an dem Kondensator
eine Druckdifferenz zwischen dem Kondensator und dem Verdampfer
bewirken, obwohl der Kältemittelkreislauf angehalten ist,
wodurch zugelassen wird, dass das Kältemittel in der Kältemittelkreislaufseite
(Verdampferseite) gesammelt wird. Dies kann zu einer Abnahme der
Menge des Kältemittels auf der Rankine-Kreislaufseite führen,
so dass eine inhärente Fähigkeit des Rankine-Kreislaufs
nicht ausreichend gezeigt werden kann. Da in dem Kältemittel
enthaltenes Schmieröl ebenfalls in dem Kältemittelkreislauf
gesammelt werden kann, kann außerdem eine Schmierungsknappheit
der Expansionseinheit oder einer Kältemittelpumpe verursacht
werden, was folglich zur Verringerung der Zuverlässigkeit
der Expansionseinheit und der Kältemittelpumpe führt.
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Die
Erfindung wurde angesichts der vorangehenden Probleme gemacht, und
es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Kühlvorrichtung
mit einer Abgaswärmerückgewinnungsvorrichtung
zur Verfügung zu stellen, die einen Kältemittelkreislauf
und einen Rankine-Kreislauf umfasst und die für den Rankine-Kreislauf
eine ausreichende Leistung zeigen kann, während dessen
Zuverlässigkeit sichergestellt wird.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst eine Kühlvorrichtung
mit einer Abgaswärmerückgewinnungsvorrichtung,
die auf ein Fahrzeug montiert ist: einen Kältemittelkreislauf,
um ein Kältemittel für die Kühlung durch
ihn hindurch zirkulieren zu lassen; und einen Rankine-Kreislauf,
um ein Kältemittel für den Rankine-Kreislauf durch
ihn hindurch zirkulieren zu lassen. Der Kältemittelkreislauf
umfasst einen Kompressor, einen Kältemittelkreislaufkondensator,
ein Expansionsventil und einen Verdampfer, die in einer Kreisform
verbunden sind. Der Rankine-Kreislauf umfasst eine Pumpe, eine Heizung,
die Abgaswärme von einer Wärmekraftmaschine des
Fahrzeugs als eine Heizquelle verwendet, eine Expansionseinheit
und einen Rankine-Kreislaufkondensator, die in einer Kreisform verbunden
sind. In der Kühlvorrichtung sind der Kältemittelkreislaufkondensator
und der Rankine- Kreislaufkondensator an in Bezug auf eine Strömungsrichtung
der externen Luft zum Kühlen vorgegebenen Positionen des
Fahrzeugs angeordnet, und der Kältemittelkreislaufkondensator
ist auf einer stromaufwärtigen Seite der externen Luft
in Bezug auf den Rankine-Kreislaufkondensator angeordnet.
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Folglich
lässt der Rankine-Kreislaufkondensator ungeachtet des Vorhandenseins
oder Nichtvorhandenseins des Betriebs des Kältemittelkreislaufs beständig
zu, dass ein externes Fluid, dessen Temperatur gleich der Temperatur
der Außenluft ist, in ihn einströmt. Folglich
führt dies nicht zu einer Verringerung einer Druckdifferenz
zwischen dem Kältemitteleinlass und Auslass der Expansionseinheit
und einer Verringerung einer regenerativen Leistung, ohne den Kältemitteldruck
in dem Rankine-Kreislauf zu erhöhen.
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Beim
alleinigen Betrieb des Rankine-Kreislaufs baut ferner jeder Kreislauf
einen entsprechenden unabhängigen Kältemittelkreis
auf, und folglich werden das Kältemittel und das Schmieröl
nicht aus dem Rankine-Kreislauf in den Kältemittelkreislauf
gesammelt. Folglich kann er die inhärente Kapazität des
Rankine-Kreislaufs ausreichend zeigen und die Zuverlässigkeit
der Expansionseinheit und der Pumpe sicherstellen.
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Folglich
kann die Kühlvorrichtung mit der Abgaswärmerückgewinnungsvorrichtung
ausreichend Leistung für den Rankine-Kreislauf zeigen, während
dessen Zuverlässigkeit sichergestellt wird.
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Zum
Beispiel umfasst die Kühlvorrichtung mit einer Abgaswärmerückgewinnungsvorrichtung eine
Steuereinrichtung zum Steuern der Betriebe des Kältemittelkreislaufs
und des Rankine-Kreislaufs. Außerdem kann die Steuereinrichtung
den Betrieb des Rankine-Kreislaufs unter einer Bedingung, in der
ein Leistungszunahmebetrag aufgrund des Betriebs des Rankine-Kreislaufs
zum Betreiben des Kältemittelkreislaufs höher
als eine regenerative Leistung in dem Rankine-Kreislauf ist, ausschalten,
wenn sowohl der Kältemittelkreislauf als auch der Rankine-Kreislauf
gleichzeitig betrieben werden.
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Folglich
kann sie verhindern, dass die regenerative Leistungsmenge stärker
gesenkt wird als der Leistungszunahmebetrag, wodurch ein unnötiger Betrieb
des Rankine-Kreislaufs verhindert wird. Da außerdem externes
Fluid, dessen Temperatur gleich der Temperatur von Außenluft
ist, in den Kältemittelkreislaufkondensator strömt,
kann sie eine Zunahme des Kältemitteldrucks in dem Kältemittelkreislaufkondensator,
eine Zunahme der in dem Kompressor verbrauchten Leistung, die Verringerung
seiner Zuverlässigkeit und/oder eine Verringerung des Leistungskoeffizienten
des Kältemittelkreislaufs verhindern.
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Alternativ
kann die Steuereinrichtung die Anzahl der Umdrehungen der Expansionseinheit
steuern, so dass eine regenerative Leistung des Rankine-Kreislaufs
unter einer Bedingung, in der ein Leistungszunahmebetrag zum Betreiben
des Kältemittelkreislaufs aufgrund des Betriebs des Rankine-Kreislaufs
kleiner als die regenerative Leistung des Rankine-Kreislaufs ist,
einen optimalen Wert hat, wenn sowohl der Kältemittelkreislauf
als auch der Rankine-Kreislauf gleichzeitig betrieben werden.
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Die
Steuereinrichtung kann den Leistungszunahmebetrag und den optimalen
Wert basierend auf einem vorher definierten Kennfeld berechnen. Folglich
können der Druckzunahmebetrag des Kältemittelkreislaufs
und der optimale Wert der regenerativen Leistung des Rankine-Kreislaufs
leicht berechnet werden.
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Alternativ
kann die Steuereinrichtung den Leistungszunahmebetrag und den optimalen
Wert basierend auf einer Wärmegleichgewichtsformel einer
Hochdruckseite und einer Niederdruckseite jeweils in dem Kältemittelkreislauf
und dem Rankine-Kreislauf berechnen. Auf diese Weise können
der Druckzunahmebetrag des Kältemittelkreislaufs und der
optimale Wert der regenerativen Leistung des Rankine-Kreislaufs
genau berechnet werden.
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Die
Positionen eines Einlasses und eines Auslasses des Kältemittels
in dem Rankine-Kreislaufkondensator können aus der Strömungsrichtung der
externen Luft gesehen in dem gleichen Bereich festgelegt werden
wie die eines Einlasses und eines Auslasses des Kältemittels
in dem Kältemittelkreislaufkondensator.
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Folglich
können ein Zustrombereich und ein Abflussbereich des Kältemittels
in dem Rankine-Kreislaufkondensator die gleiche Positionsbeziehung
haben wie die eines Zustrombereichs und eines Abflussbereichs des
Kältemittels in dem Kältemittelkreislaufkondensator.
Der Zunahmebetrag der Temperatur der externen Luft, die den Rankine-Kreislaufkondensator
durchlaufen hat, ist auf der Zustromseite des Kältemittels
des Rankine-Kreislaufkondensators hoch und wird in Richtung seiner
Abflussseite niedriger. Es ist offensichtlich, dass die Temperatur des
Kältemittels in dem Kältemittelkreislaufkondensator
von seiner Zustromseite in Richtung seiner Abflussseite durch Wärmeaustausch
niedriger wird. Dies kann eine derartige Positionsbeziehung bereitstellen,
dass die Temperaturverteilung der externen Luft, die in den Kältemittelkreislaufkondensator strömt,
die gleiche Richtung hat, wie die des Kältemittels, das
in den Kältemittelkreislaufkondensator strömt.
Folglich kann eine Temperaturdifferenz zwischen der externen Luft
und dem Kältemittel für die Kühlung in
dem Kältemittelkreislaufkondensator vollständig
gleichmäßig gemacht werden, und dadurch kann wirksam
Wärme von dem Kältemittelkreislaufkondensator
abgestrahlt werden.
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Folglich
kann die Kältemittelkreislaufvorrichtung ferner umfassen:
einen Lufteinleitungsströmungswegabschnitt, um zu erlauben,
dass die externe Luft von einer stromaufwärtigen Seite
der externen Luft des Rankine-Kreislaufkondensators durch einen
Raum zwischen dem Rankine-Kreislaufkondensator und dem Kältemittelkreislaufkondensator
in den Kältemittelkreislaufkondensator eingeleitet wird; und
einen Öffnungseinstellungsabschnitt zum Einstellen einer
Fläche einer Öffnung in Richtung des Rankine-Kreislaufkondensators
und einer Fläche einer Öffnung in Richtung des
Lufteinleitungsströmungswegabschnitts, indem er unter der
Steuerung der Steuereinrichtung bewegt wird. Folglich kann die Menge
der externen Luft, die in jeden Kondensator strömt, entsprechend
der notwendigen Menge an Wärme, die von jedem der Kondensatoren
für den Kältemittelkreislauf und den Rankine-Kreislauf
abgestrahlt wird, eingestellt werden, um die wirksame Wärmeabstrahlung
an den jeweiligen Kondensatoren zu ermöglichen.
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Außerdem
kann eine Fläche einer vorderen Oberfläche des
Rankine-Kreislaufkondensators kleiner als die einer vorderen Oberfläche
des Kältemittelkreislaufkondensators gemacht werden, und
der Kältemittelkreislaufkondensator hat einen Bereich auf
einer stromaufwärtigen Seite der externen Luft, wo der Rankine-Kreislaufkondensator
nicht überlagernd ist. Folglich kann die externe Luft,
deren Temperatur gleich der Außenlufttemperatur ist, und
die nicht dem Wärmeaustausch an dem Rankine-Kreislaufkondensator
unterzogen wird, direkt in den Kältemittelkreislaufkondensator
strömen, so dass die Strahlungskapazität des Strahlers
für den Kältemittelkreislauf verbessert werden
kann.
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Ferner
kann eine Größe des Rankine-Kreislaufkondensators
in einer Strömungsrichtung der externen Luft größer
festgelegt werden als die des Kältemittelkreislaufkondensators.
Folglich ist es möglich, eine höhere Wärmestrahlungskapazität
in dem Rankine-Kreislaufkondensator zu erhalten, indem eine Größe
der externen Luft in der Strömungsrichtung erhöht
wird, und ohne weiteres eine Fläche der vorderen Oberfläche
des Rankine-Kreislaufkondensators zu verringern.
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Ein
Einlass und ein Auslass des Kältemittels in dem Rankine-Kreislaufkondensator
können derart bereitgestellt werden, dass sie in einer
Strömungsrichtung der externen Luft in Richtung einer stromaufwärtigen
Seite geöffnet sind. Folglich ist es bei der Rohrleitungsstreckenplanung
für Kältemittel in dem Kältemittelkreislaufkondensator
nicht notwendig, Rohrleitungen zwischen dem Rankine-Kreislaufkondensator
und dem Kältemittelkreislaufkondensator anzuordnen. Außerdem
ermöglicht dies den leichten Anschluss der Rohrleitungen
an dem Kältemittelkreislaufkondensator.
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Außerdem
können der Einlass und der Auslass des Kältemittels
in dem Kältemittelkreislaufkondensator derart bereitgestellt
sein, dass sie in eine Richtung senkrecht zu einer Strömungsrichtung
der externen Luft geöffnet sind.
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Zusätzliche
Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der
folgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
leichter offensichtlich, wenn sie zusammen mit den beigefügten
Zeichnungen genommen werden, wobei:
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1 ein
schematisches Diagramm ist, das ein Gesamtsystem einer Kühlvorrichtung
mit einer Abgaswärmerückgewinnungsvorrichtung
gemäß einer ersten Ausführungsform der
Erfindung zeigt;
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2 eine
Seitenansicht ist, die einen Montagezustand eines Kältemittelkreislaufkondensators, eines
Rankine-Kreislaufkondensators und eines Strahlers auf einem Fahrzeug
in der ersten Ausführungsform zeigt;
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3 eine
perspektivische Ansicht ist, die einen Einlass und einen Auslass
für Kältemittel jeweils des Kältemittelkreislaufkondensators
und des Rankine-Kreislaufkondensators in der ersten Ausführungsform
zeigt;
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4 eine
perspektivische Ansicht ist, die Anschlussrichtungen von Rohrleitungen
mit den Einlässen und Auslässen für Kältemittel
und für Kühlmittel jeweils in dem Kältemittelkreislaufkondensator, dem
Rankine-Kreislaufkondensator und dem Strahler in der ersten Ausführungsform
zeigt;
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5 ein
Steuercharakteristikdiagramm ist, das eine Betriebsart eines elektrischen
Ventilators in Bezug auf einen Kältemitteldruck in der
ersten Ausführungsform zeigt;
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6 ein
Flussdiagramm ist, das ein Steuerverfahren zum gleichzeitigen Betreiben
des Kältemittelkreislaufs und des Rankine-Kreislaufs in
der ersten Ausführungsform zeigt;
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7 ein
Kennfeld zum Berechnen einer optimalen Drehzahl (Anzahl von Umdrehungen)
einer Expansionseinheit gemäß der ersten Ausführungsform
ist;
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8 eine
Draufsicht ist, die einen Kanal und eine Führung in einer
zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
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9 eine
perspektivische Ansicht ist, die einen Kältemittelkreislaufkondensator
und einen Rankine-Kreislaufkondensator in einer dritten Ausführungsform
der Erfindung zeigt; und
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10 eine
perspektivische Ansicht für die ergänzende Erklärung
ist, die den Kältemittelkreislaufkondensator und den Rankine-Kreislaufkondensator
in der dritten Ausführungsform zeigt.
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(Erste Ausführungsform)
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Eine
erste Ausführungsform der Erfindung ist in 1 bis 6 gezeigt.
Zuerst wird die spezifische Struktur der ersten Ausführungsform
nachstehend beschrieben. 1 ist ein schematisches Diagramm,
das ein Gesamtsystem einer Kühlvorrichtung 100A mit
einer Abgaswärmerückgewinnungsvorrichtung (auf
die hier nachstehend als „Kühlvorrichtung" Bezug
genommen wird) zeigt. 2 ist eine Seitenansicht, die
einen Montagezustand eines Rankine-Kreislaufkondensators 340 (auf
den hier nachstehend als „RA-Kondensator" Bezug genommen
wird), eines Kältemittelkreislaufkondensators 220 (auf
den hier nachstehend als ein „AC-Kondensator" Bezug genommen
wird) und eines Strahlers 21 auf einem Fahrzeug zeigt. 3 ist
eine perspektivische Ansicht, die Einlässe 340a und 220a und
Auslässe 340b und 220b für Kältemittel
des RA-Kondensators 340 und des AC-Kondensators 220 zeigt. 4 ist
eine perspektivische Ansicht, die Anschlussrichtungen von Rohrleitungen
mit den Einlässen 340a, 220a und 21a und
den Auslässen 340b, 220b und 21b für
Kältemittel und Kühlmittel des RA-Kondensators 340, des
AC-Kondensators 220 und des Strahlers 21 zeigt. 5 ist
ein Steuercharakteristikdiagramm, das Betriebsarten eines elektrischen
Ventilators 260 in Bezug auf Kältemitteldrücke
zeigt. 6 ist ein Flussdiagramm 1, das ein Steuerverfahren
zum gleichzeitigen Betreiben eines Kältemittelkreislaufs 200 und
eines Rankine-Kreislaufs 300 zeigt. Außerdem ist 7 ein
Kennfeld zum Berechnen einer optimalen Anzahl von Umdrehungen einer
Expansionseinheit.
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Wie
in 1 gezeigt, wird die Kühlvorrichtung 100A der
ersten Ausführungsform auf ein Fahrzeug angewendet, das
einen Motor 10 als eine Antriebsquelle verwendet. Die Kühlvorrichtung 100A ist mit
dem Kältemittelkreislauf 200 und dem Rankine-Kreislauf 300 versehen.
Die Betriebe der jeweiligen Kreisläufe 200 und 300 werden
durch eine Energiespeisungssteuerschaltung 50 gesteuert.
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Der
Motor 10 ist ein wassergekühlter Verbrennungsmotor
(der in der Erfindung einer Wärmekraftmaschine entspricht)
und ist mit einem Strahlerkreis 20 zum Kühlen
des Motors 10 durch die Zirkulation von Motorkühlmittel
und einem Heizungskreis 30 zum Heizen klimatisierter Luft
(d. h. Luft, die klimatisiert werden soll) unter Verwendung des
Kühlmittels (warmes Wasser) als einer Heizquelle versehen.
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Der
Strahlerkreis 20 ist mit dem Strahler 21 versehen,
der das Kühlmittel kühlt, das durch eine Warmwasserpumpe 22 zirkuliert,
indem ein Wärmeaustausch mit Außenluft durchgeführt
wird. Die Warmwasserpumpe 22 kann entweder eine elektrische
Pumpe oder eine mechanische Pumpe sein. Eine Heizung 320 in
dem Rankine-Kreislauf 300, der später beschrieben
werden soll, ist in einem Strömungsweg auf der Auslassseite
des Motors (in einem Strömungsweg zwischen dem Motor 10 und
dem Strahler 21) angeordnet, so dass das Kühlmittel durch
die Heizung 320 strömt. Ein Strahlerumleitungsströmungsweg 23 zum
Umgehen des Strahlers 21 und zum Zulassen, dass das Kühlmittel
hindurch strömt, ist in dem Strahlerkreis 20 bereitgestellt.
Ein Thermostat 24 stellt eine Menge an Kühlmittel,
das durch den Strahler 21 strömt, und eine Menge
an Kühlmittel, das durch den Strahlerumleitungsströmungsweg 23 strömt,
ein.
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Der
Heizungskreis 30 ist mit einem Heizungskern 31 versehen
und erlaubt, dass das Kühlmittel (Warmwasser) durch die
vorstehend erwähnte Warmwasserpumpe 22 durch ihn
zirkuliert. Der Heizungskern 31 ist in einem Klimaanlagengehäuse 410 einer
Klimatisierungseinheit 400 angeordnet und heizt die von
dem Gebläse 420 geblasene Luft durch den Wärmeaustausch
mit warmem Wasser. Der Heizungskern 31 ist mit einer Luftmischklappe 430 versehen.
Die Luftmischklappe 430 wird geöffnet oder geschlossen,
um die Menge der klimatisierten Luft einzustellen, die durch den
Heizungskern 31 strömt.
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Der
Kältemittelkreislauf 200 umfasst einen Kompressor 210,
einen AC-Kondensator 220, einen Flüssigkeitssammler 230,
ein Expansionsventil 240 und einen Verdampfer 250,
die in einer Ringform verbunden sind, um einen geschlossenen Kreis
zu bilden. Der Kompressor 210 ist eine Fluidvorrichtung zum
Komprimieren von Kältemittel in dem Kältemittelkreislauf 200 mit
einer hohen Temperatur und einem hohen Druck (hier entspricht das
Kältemittel in der Erfindung Kältemittel für
die Kühlung, worauf hier nachstehend als ein „AC-Kältemittel"
Bezug genommen wird). Der Kompressor 210 wird von einer
Antriebskraft des Motors 10 angetrieben. Das heißt, eine
Riemenscheibe 211, die als Antriebseinrichtung dient, ist
an einer Antriebswelle des Kompressors 210 befestigt, so
dass die Antriebskraft des Motors 10 über einen
Riemen 11 an die Riemenscheibe 211 übertragen
wird, um den Kompressor 210 anzutreiben. Die Riemenscheibe 211 ist
mit einer nicht gezeigten elektromagnetischen Kupplung versehen, um
intermittierend zwischen dem Kompressor 210 und der Riemenscheibe 211 zu
verbinden. Die intermittierende Verbindung der elektromagnetischen Kupplung
wird von der Energiespeisungssteuerschaltung 50, die später
beschrieben werden soll, gesteuert. Das AC-Kältemittel
zirkuliert durch den Betrieb des Kompressors 210 durch
den Kältemittelkreislauf 200.
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Der
AC-Kondensator 220 ist mit der Ausstoßseite des
Kompressors 210 verbunden. Der Kondensator 220 ist
ein Wärmetauscher zum Kondensieren und Verflüssigen
des AC-Kältemittels, das durch ihn hindurchströmt,
durch den Wärmeaustausch mit Kühlluft (entspricht
in der Erfindung externer Luft). Der Flüssigkeitssammler 230 ist
ein Sammler zum Abscheiden des AC-Kältemittels, das von
dem AC-Kondensator 220 kondensiert wird, in zwei Flüssig-Gasphasen
und erlaubt, dass nur das abgeschiedene verflüssigte AC-Kältemittel
in Richtung des Expansionsventils 240 ausströmt.
Das Expansionsventil 240 dekomprimiert und expandiert das
von dem Flüssigkeitssammler 230 verflüssigte
AC-Kältemittel. Diese Ausführungsform verwendet
ein thermisches Expansionsventil zum isentropen Dekomprimieren des
AC-Kältemittels und zum Steuern eines Öffnungsgrads
einer Drossel, so dass ein Überhitzungsgrad des von dem
Verdampfer 250 in den Kompressor 210 gesaugten
Kältemittels einen vorgegebenen Wert hat.
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Der
Verdampfer 250 ist wie der Heizungskern 31 in
dem Klimaanlagengehäuse 410 der Klimatisierungseinheit 400 angeordnet.
Der Verdampfer 250 ist ein Wärmetauscher zum Verdampfen
des AC-Kältemittels, das von dem Expansionsventil 240 dekomprimiert
und expandiert wird, und zum Kühlen der klimatisierten
Luft von dem Gebläse 420 durch die latente Wärme
der Verdampfung zu diesem Zeitpunkt. Die Kältemittelauslassseite
des Verdampfers 250 ist mit der Ansaugseite des Kompressors 210 verbunden.
Ein Mischungsverhältnis von Luft, die von dem Verdampfer 250 gekühlt
wird, zu Luft, die von dem Heizungskern 31 geheizt wird,
wird entsprechend dem Öffnungsgrad der Luftmischklappe 430 geändert,
so dass die Temperatur der klimatisierten Luft auf eine gewisse
Temperatur eingestellt wird, die von einem Fahrgast festgelegt wird.
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Ein
Drucksensor 201 befindet sich zwischen dem Kompressor 210 und
dem AC-Kondensator 220, um einen Druck (hochdruckseitigen
Druck PHa) des AC-Kältemittels zu erfassen. Das von dem
Drucksensor 201 erfasste Drucksignal (PHa) wird an die
Energiespeisungssteuerschaltung 50 ausgegeben.
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Im
Gegensatz dazu ist der Rankine-Kreislauf 300 geeignet,
die von dem Motor 10 erzeugte Abgaswärmeenergie
(Wärme von dem Kühlmittel) zurückzugewinnen
und die Abgaswärmeenergie im Gebrauch in mechanische Energie
(z. B. eine Antriebskraft der Expansionseinheit 330) und
ferner in elektrische Energie (d. h. elektrische Leistung, die von
einem elektrischen Generator 331 erzeugt wird) umzuwandeln.
Der Rankine-Kreislauf 300 wird nachstehend beschrieben.
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Der
Rankine-Kreislauf 300 umfasst eine Pumpe 310,
eine Heizung 320, eine Expansionseinheit 330,
einen Kondensator 340 und einen Flüssigkeitssammler 350,
die in einer Ringform verbunden sind, um einen geschlossenen Kreis
zu bilden.
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Die
Pumpe 310 ist eine elektrische Pumpe, um das Kältemittel
in dem Rankine-Kreislauf 300 hindurch zirkulieren zu lassen
(was dem Kältemittel für den Rankine-Kreislauf
in der Erfindung entspricht und worauf hier nachstehend als ein „RA-Kältemittel" Bezug
genommen wird), wobei ein Elektromotor 311 als eine Antriebsquelle
verwendet wird. Der Elektromotor 311 wird durch die Energiespeisungssteuerschaltung 50 betrieben,
die später beschrieben werden soll. Das RA-Kältemittel
ist das gleiche Kältemittel wie das vorstehend erwähnte
AC-Kältemittel. Die Heizung 320 ist ein Wärmetauscher
zum Heizen des RA-Kältemittels durch den Wärmeaustausch
zwischen dem von der Pumpe 310 zugeführten RA-Kältemittel
und dem Hochtemperaturkühlmittel, das durch den Strahlerkreis 20 zirkuliert.
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Die
Expansionseinheit 330 ist eine Fluidvorrichtung zum Erzeugen
einer Rotationsantriebskraft durch die Expansion des überhitzten
RA-Dampfkältemittels, das von der Heizung 320 geheizt
wird. Der elektrische Generator 331 ist mit einer Antriebswelle der
Expansionseinheit 330 verbunden. Der elektrische Generator 331 wird,
wie später beschrieben wird, von der Antriebskraft der
Expansionseinheit 330 betrieben, so dass die von dem elektrischen
Generator 331 erzeugte elektrische Leistung über
einen Stromrichter 51, der in der später zu beschreibenden Energiespeisungssteuerschaltung 50 enthalten
ist, in eine Batterie 40 geladen wird. Das RA-Kältemittel, das
aus der Expansionseinheit 330 strömt, mündet
in den RA-Kondensator 340.
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Der
RA-Kondensator 340 ist mit der Ausstoßseite der
Expansionseinheit 330 verbunden. Der Kondensator 340 ist
ein Wärmetauscher zum Kondensieren und Verflüssigen
des durch ihn strömenden RA-Kältemittels durch
den Wärmeaustausch mit Kühlluft (entspricht in
der Erfindung externer Luft). Der Flüssigkeitssammler 350 ist
ein Sammler zum Abscheiden des von dem RA-Kondensator 340 verflüssigten
RA-Kältemittels in zwei Flüssig-Gasphasen, und
erlaubt, dass nur das abgeschiedene flüssige RA-Kältemittel
in Richtung der Pumpe 310 ausströmt.
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Ein
Temperatursensor 101 befindet sich auf einer Zustromseite
des RA-Kondensators 340, von dem die Kühlluft
zu dem RA-Kondensator 340 strömt, um die Temperatur
der Kühlluft (d. h. die Zustromlufttemperatur Ta) zu erfassen.
Das von dem Temperatursensor 101 erfasste Temperatursignal
(Ta) wird an die Energiespeisungssteuerschaltung 50 ausgegeben,
die später beschrieben wird.
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Wie
in 2 gezeigt, sind der RA-Kondensator 340 in
dem Rankine-Kreislauf 300, der AC-Kondensator 220 in
dem Kältemittelkreislauf 200 und der Strahler 21 in
dem Strahlerkreis 20 auf der Rückseite eines Fahrzeugkühlergrills,
das heißt, auf der Vorderseite eines Motorraums, angeordnet.
Beim Laufenlassen des Fahrzeugs strömt die Kühlluft
(externe Luft) von dem Fahrzeugkühlergrill in den Motorraum. Der
RA-Kondensator 340, der AC-Kondensator 220 und
der Strahler 21 sind in Bezug auf die Strömungsrichtung
der Kühlluft von der stromaufwärtigen Seite zu
der stromabwärtigen Seite in dieser Reihenfolge hintereinander
angeordnet und auf dem Fahrzeug montiert. Auf die stromaufwärtige
Seite der Strömungsrichtung der Kühlluft wird
als eine „Vorderseite" und auf die stromabwärtige
Seite der Strömungsrichtung als eine „Rückseite"
in Bezug auf die Vorder-/Rückrichtung des Fahrzeugs Bezug
genommen.
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Wie
in 3 gezeigt, sind der Einlass 340a und
der Auslass 340b für das RA-Kältemittel
auf einer Endseite in der horizontalen Richtung des RA- Kondensators 220 (beim
Montieren des Kondensators auf dem Fahrzeug auf der rechten Seite)
bereitgestellt. Der Einlass 340a ist auf der oberen Seite (beim
Montieren auf der oberen rechten Seite) und der Auslass 340b auf
der unteren Seite (beim Montieren auf der unteren rechten Seite)
angeordnet. Der Einlass 220a und Auslass 220b des
AC-Kältemittels sind in Bezug auf den AC-Kondensator 220 in
den gleichen jeweiligen Bereichen angeordnet wie die des Einlasses 340a und
des Auslasses 340b des RA-Kondensators 340. Das
heißt, die Positionen des Einlasses 340a des RA-Kondensators 340 und
des Einlasses 220a des AC-Kondensators 220 sind
beim Einbau der Kondensatoren auf dem Fahrzeug auf der oberen rechten
Seite positioniert. Die Positionen des Auslasses 340b des
RA-Kondensators 340 und des Auslasses 220b des
AC-Kondensators 220 sind beim Montieren auf der unteren
rechten Seite positioniert.
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Ferner
sind der Einlass 340a und der Auslass 340b des
RA-Kondensators 340, wie in 4 gezeigt,
zu der Vorderseite (der Kühlergrillseite) geöffnet,
und die Kältemittelrohrleitung ist von der Vorderseite
mit der Rückseite verbunden. Der Einlass 220a und
der Auslass 220b des AC-Kondensators 220 sind
in die Richtung senkrecht zu der Strömungsrichtung der
Kühlluft (auf der rechten Seite in der Breitenrichtung
des Fahrzeugs) geöffnet, und die Kältemittelrohrleitung
ist von der rechten Seite mit der linken Seite in der Breitenrichtung
verbunden. Der Einlass 21a und der Auslass 21b des
Kühlmittels des Strahlers 21 sind in Richtung
der Rückseite (in Richtung der Seite des Motors 10)
geöffnet, und die Kühlmittelrohrleitung ist von
der Rückseite mit der Vorderseite verbunden.
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Ein
elektrischer Ventilator 260, in dem ein axialer Gebläseventilator
von einem elektrischen Motor, der als eine Antriebsquelle dient,
rotierend angetrieben wird, ist auf der Rückseite des Strahlers 21 zwischen
dem RA-Kondensator 340, dem AC-Kondensator 20 und
dem Strahler 21 angeordnet, die hintereinander in dem Motorraum
angeordnet sind (siehe 1). Der elektrische Ventilator 260 ist
die sogenannte Ansauggebläseeinrichtung zum erzwungenen
Zuführen der Kühlluft an den RA-Kondensator 340,
den AC-Kondensator 220 und den Strahler 21 von
der Vorderseite zu der Rückseite durch rotierendes Antreiben
des Ventilators. Wenn die ausreichende Menge an Zustrom der Kühlluft
von dem Fahrzeugkühlergrill nicht erwartet wird (z. B.
im Leerlauf, beim Hochfahren eines Hangs mit niedrigen Drehzahlen
oder ähnlichem) und auch wenn die Strahlungskapazitäten
des RA-Kondensators 340, des AC-Kondensators 220 und
des Strahlers 21 nicht hinreichend abgeleitet werden können,
wird der elektrische Ventilator 260 derart betrieben, dass
die Zufuhr der Kühlluft gefördert wird.
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Insbesondere
wird der Betrieb des elektrischen Ventilators 260, wie
in 5 gezeigt, durch die Energiespeisungssteuerschaltung 50 gesteuert,
die später beschrieben werden soll. Wenn der hochdruckseitige
Druck PHa in dem Kältemittelkreislauf 200 unter
Verwendung des Drucksensors 201 gleich oder kleiner als μ bestimmt
wird (oder wenn eine Temperatur des Kühlmittels gleich
oder kleiner als eine vorgegebene Temperatur ist), wird der elektrische
Ventilator 260 in einer schwachen Betriebsart (Lo-Betriebsart)
betrieben. Wenn ferner der hochdruckseitige Druck PHa in dem Kältemittelkreislauf 200 gleich
oder höher als α + β ist (oder wenn eine Temperatur
des Kühlmittels gleich oder höher als eine vorgegebene
Temperatur + γ ist), wird der elektrische Ventilator 260 in
einer starken Betriebsart (Hi-Betriebsart) betrieben.
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Die
Energiespeisungssteuerschaltung 50 ist die Steuereinrichtung
zum Steuern der Betriebe verschiedener Vorrichtungen in dem vorstehend
erwähnten Kältemittelkreislauf 200 und
dem Rankine-Kreislauf 300 und umfasst den Stromrichter 51 und
eine Steuerung 52.
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Der
Stromrichter 51 soll den Betrieb des elektrischen Generators 331 steuern,
der mit der Expansionseinheit 330 verbunden ist. Wenn der
elektrische Generator 331 durch die Antriebskraft des Expansionsventils 330 betätigt
wird, lädt der Stromrichter 51 die erzeuge Leistung
in die Batterie 40.
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Die
Steuerung 52 steuert den Betrieb des Stromrichters 51.
Auch steuert die Steuerung 52 die elektromagnetische Kupplung,
den elektrischen Ventilator 260, den elektrischen Motor 311 der
Pumpe 310 und ähnliches, indem beim Betrieb des
Kältemittelkreislaufs 200 und des Rankine-Kreislaufs 300 Erfassungssignale
von den Drucksensoren 301 und 302 gewonnen werden.
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Nun
werden die Betriebe und Auswirkungen dieser Anordnung nachstehend
beschrieben.
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1. Alleinbetrieb des Kältemittelkreislaufs
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Wenn
während des Aufwärmens oder ähnlichem
direkt nach dem Start des Motors 10 eine Klimatisierungsanforderung
gestellt wird, während keine Abgaswärme erhalten
wird, stoppt die Energiespeisungssteuerschaltung 50 den
Elektromotor 311 der Pumpe 310, während
die Expansionseinheit 320 gestoppt wird) kuppelt die elektromagnetische
Kupplung ein, treibt den Kompressor 210 durch die Antriebskraft
des Motors 10 an und treibt allein den Kältemittelkreislauf 200 an.
In diesem Fall arbeitet der Kältemittelkreislauf 200 in
der gleichen Weise wie eine normale Klimaanlage für ein
Fahrzeug.
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2. Alleinbetrieb des Rankine-Kreislaufs
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Wenn
von dem Motor 10 ohne eine Klimatisierungsanforderung die
ausreichende Abgaswärme erzeugt wird, trennt die Energiespeisungssteuerschaltung 50 die
elektromagnetische Kupplung (stoppt den Kompressor 210),
betreibt den Elektromotor 311 (die Pumpe 310)
und betreibt allein den Rankine-Kreislauf 300, um dadurch
Elektrizität zu erzeugen.
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In
diesem Fall hat das flüssige RA-Kältemittel in
dem Flüssigkeitssammler 350 einen Druck, der von
der Pumpe 310 erhöht wird, um an die Heizung 320 zugeführt
zu werden. Durch die Heizung 320 wird das flüssige
RA-Kältemittel von einem Hochtemperatur-Motorkühlmittel
geheizt, um überhitztes RA-Dampfkältemittel zu
werden, das an die Expansionseinheit 330 zugeführt
wird. Das überhitzte RA-Dampfkältemittel wird
von der Expansionseinheit 330 isentrop expandiert und dekomprimiert,
und ein Teil seiner Wärmeenergie und Druckenergie wird
in eine Rotationsantriebskraft umgewandelt. Die von der Expansionseinheit 330 genommene
Rotationsantriebskraft betreibt den elektrischen Generator 331,
der dann die Elektrizität erzeugt. Die von dem elektrischen
Generator 331 erzeugte Elektrizität wird über
den Stromrichter 51 in die Batterie 40 geladen und
dann für den Betrieb vielfältiger Zusatzgeräte verwendet.
Das von der Expansionseinheit 330 dekomprimierte RA-Kältemittel
wird von dem RA-Kondensator 340 kondensiert, von dem Flüssigkeitssammler 350 in
flüssige und Gasphasen abgeschieden und erneut in die Pumpe 310 gesaugt.
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3. Gleichzeitiger Betrieb des Kältemittelkreislaufs und
des Rankine-Kreislaufs
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Wenn
in diesem Fall bei einer gestellten Klimatisierungsanforderung ausreichend
Abgaswärme erzeugt wird, treibt die Energiespeisungssteuerschaltung 50 gleichzeitig
sowohl den Kältemittelkreislauf 200 als auch den
Rankine-Kreislauf 300 an und betreibt diese, wodurch sowohl
die Klimatisierung als auch die Elektrizitätserzeugung
durchgeführt werden.
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In
diesem Fall ist die elektromagnetische Kupplung verbunden oder in
Eingriff, um den Elektromotor 311 (die Pumpe 310)
zu betreiben. Das AC-Kältemittel und das RA-Kältemittel
zirkulieren jeweils durch den Kältemittelkreislauf 200 und
den Rankine-Kreislauf 300. Der Betrieb jedes der Kreisläufe 200 und 300 ist
der gleiche wie der bei ihrem alleinigen Betrieb.
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Da
der AC-Kondensator 220 auf der Rückseite des RA-Kondensators 240 angeordnet
ist, strömt die Kühlluft mit der Außenlufttemperatur
beim gleichzeitigen Betrieb des vorstehend beschriebenen Kältemittelkreislaufs
und des Rankine-Kreislaufs in den RA-Kondensator 340, und
die Kühlluft, die an dem RA-Kondensator 340 Wärme
austauscht, wobei ihre Temperatur erhöht wird, strömt
in den AC-Kondensator 220. Folglich verringert der AC-Kondensator 220 eine
Wärmeabstrahlungskapazität im Vergleich zu einem
Fall, in dem nur die Kühlluft mit der Außenlufttemperatur
(der externen Luft, die dem Wärmeaustausch nicht unterzogen
wird) in ihn einströmt. Dementsprechend wird der hochdruckseitige Druck
PHa in dem Kältemittelkreislauf 220 erhöht. Wenn
der hochdruckseitige Druck PHa erhöht wird, kann die Leistung
des Kompressors 210 oder des elektrischen Ventilators 260 erhöht
werden, was die Zuverlässigkeit des Kompressors 210 und
des elektrischen Ventilators 260 (Elektromotor) verringert, was
zu einer Abnahme des Leistungskoeffizienten des Kältemittelkreislaufs 200 führt.
Wenn folglich eine Bilanz zwischen einem Leistungszunahmebetrag
des Kältemittelkreislaufs 200 und einem Betrag der
regenerativen Leistung in dem Rankine-Kreislauf 300 berücksichtigt
wird, das heißt, um zuzulassen, dass die regenerative Leistung
den Leistungszunahmebetrag übersteigt, führt die
Energiespeisungssteuerschaltung 50 basierend auf einem
in 6 gezeigten Flussdiagramm und einem in 7 gezeigten Kennfeld
die Steuerung zur Verhinderung der Verschlechterung der Bilanz in
dem Rankine-Kreislauf 300 durch.
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Das
heißt, wenn der Kältemittelkreislauf und der Rankine-Kreislauf
in dem in 6 gezeigten Schritt S100 gleichzeitig
betrieben werden, liest die Energiespeisungssteuerschaltung 50 in
Schritt S110 verschiedene Arten von Daten. Die verschiedenen Arten
von Daten umfassen einen Gesichtsdurchsatz Gw von Kühlmittel,
der entsprechend der Anzahl der Umdrehungen der Warmwasserpumpe 22 berechnet wird,
eine Kühlmitteltemperatur Tw, die mit der Motorsteuerung
verbunden ist, und einen Gewichtsdurchsatz Ga der Kühlluft,
der entsprechend einer Fahrzeuggeschwindigkeit und einem Betriebszustand
des elektrischen Ventilators 260 berechnet wird. Die Daten
umfassen auch eine Zustromlufttemperatur Ta, die von dem Temperatursensor 101 erfasst
wird, und einen hochdruckseitigen Druck PHa, der von dem Drucksensor 201 erfasst
wird.
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Dann
wird in Schritt S120 unter Verwendung des in 7 gezeigten
Kennfelds eine mögliche regenerative Leistung Lrp in dem
Rankine-Kreislauf 300 berechnet. Das Kennfeld in 7 zeigt
eine vorgegebene Beziehung einer regenerativen Leistung Le der Expansionseinheit 330 in
Bezug auf die Anzahl von Umdrehungen Ne (Drehzahl) der Expansionseinheit 330 unter
Verwendung jeweils des Gewichtsdurchsatzes Gw des Kühlmittels,
der Kühlmitteltemperatur Tw, des Gewichtsdurchsatzes Ga
der Kühlluft und der Zustromlufttemperatur (Außenlufttemperatur)
Ta als Parameter. Die regenerative Leistung Le hat eine derartige
Eigenschaft, dass sie mit zunehmender Anzahl der Umdrehungen Ne
der Expansionseinheit steigt, so dass sie einen Maximalwert hat.
Dann wird ein Kennfeld, das dem Kältemittelgewichtsdurchsatz
Gw, der Kühlmitteltemperatur Tw, dem Kühlluftgewichtsdurchsatz
Ga und der Zustromlufttemperatur Ta, die in Schritt S110 gelesen werden,
entspricht, ausgewählt, so dass der Maximalwert der regenerativen
Leistung Le unter dieser Bedingung als eine mögliche regenerative
Leistung Lep berechnet wird.
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In
Schritt S130 wird die Anzahl der Umdrehungen Ne (Drehzahl) der Expansionseinheit 330, die
der in Schritt S120 berechneten möglichen regenerativen
Leistung Lep entspricht, in Schritt S130 berechnet, und die tatsächliche
Drehzahl der Expansionseinheit 330 während des
Betriebs wird eingestellt, so dass sie die berechnete Anzahl von
Umdrehungen Ne wird.
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Dann
werden in Schritt S140 eine Leistung Lc1 des Kompressors 210 und
eine Leistung Lf1 des elektrischen Ventilators 260 berechnet,
die zum Betreiben des Kältemittelkreislaufs 200 beim
Betrieb des Rankine-Kreislaufs 300 benötigt werden,
und beide Leistungen Lc1 und Lf1 werden zusammen addiert, um eine
Gesamtleistung L1 zu berechnen. In diesem Fall wird die Temperatur
der Kühlluft, die durch den RA-Kondensator 340 in
den AC-Kondensator 220 strömt (Durchgangslufttemperatur
Ta), auf einen höheren Pegel erhöht als die Zustromlufttemperatur
Ta, so dass der AC-Kondensator 220 unter Verwendung der
Kühlluft mit der Durchgangslufttemperatur Tas Wärme
austauscht.
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Die
Berechnung der Kompressorleitung Lc1 und der elektrischen Ventilatorleistung
Lf1, wie vorstehend beschrieben, wird wie folgt durchgeführt. Das
heißt, eine Druckdifferenz ΔP1 des Kompressors 210 wird
aus dem in Schritt S110 gelesenen hochdruckseitigen Druck PHa, der
Anzahl von Umdrehungen des Kompressors 210, die entsprechend
der Anzahl der Umdrehungen des Motors berechnet wird, und dem Durchsatz
des AC-Kältemittels berechnet. Dann wird die Kompressorleistung
Lc1 basierend auf der auf diese Weise erhaltenen Druckdifferenz
AP1 berechnet. Ferner wird die elektrische Ventilatorleistung Lf1
aus dem Betriebszustand (Hi oder Lo) des elektrischen Ventilators 260 berechnet,
der entsprechend dem hochdruckseitigen Druck PHa bestimmt wird.
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Wenn
dann in Schritt 5150 angenommen wird, dass der Rankine-Kreislauf 300 ausgeschaltet ist
(AUS), werden die Leistung Lc2 des Kompressors 210 und
die Leistung Lf2 des elektrischen Ventilators 260, die
zum Betreiben des Kältemittelkreislaufs 200 benötigt
werden, berechnet, und beide Leistungen Lc2 und Lf2 werden zusammen
addiert, um dadurch die Gesamtleistung L2 zu berechnen. Da der RA-Kondensator 340 in
diesem Fall keine Wärme austauscht, ist die Temperatur
der Kühlluft, die durch den RA-Kondensator 340 in
den AC-Kondensator 220 strömt, die gleiche wie
die Zustromlufttemperatur Ta, so dass der AC-Kondensator 220 unter
Verwendung von Kühlluft mit der Zustromlufttemperatur Ta Wärme
austauscht. Das heißt, die Wärmestrahlungskapazität
des AC-Kondensators 220 wird erhöht, um den hochdruckseitigen
Druck PHa im Vergleich zu einem Fall, in dem der Rankine-Kreislauf 300 betrieben wird,
zu senken, wobei der hochdruckseitige Druck zu diesem Zeitpunkt
als ein geschätzter hochdruckseitiger Druck PHa2 berechnet
wird.
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Die
Berechnung der Kompressorleistung Lc2 und der elektrischen Ventilatorleistung
Lf2, wie vorstehend erwähnt, wird wie folgt durchgeführt.
Das heißt, eine Druckdifferenz ΔP2 des Kompressors 210 wird
aus dem hochdruckseitigen Druck PHa2, der wie vorstehend beschrieben
geschätzt wird, der Anzahl der Umdrehungen des Kompressors 210,
die entsprechend der Anzahl der Umdrehungen des Motors berechnet
wird, und dem Durchsatz des AC-Kältemittels berechnet.
Dann wird die Kompressorleistung Lc2 basierend auf der auf diese
Weise erhaltenen Druckdifferenz ΔP2 berechnet. Ferner wird
die elektrische Ventilatorleistung Lf2 aus dem Betriebszustand (Hi
oder Lo) des elektrischen Ventilators 260 berechnet, der
entsprechend dem geschätzten hochdruckseitigen Druck PHa2
bestimmt wird.
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Dann
wird in Schritt S160 ein Leistungszunahmebetrag ΔL berechnet,
indem eine Subtraktion zwischen der Gesamtleistung L1 und der Gesamtleistung
L2 ausgeführt wird, die jeweils in den Schritten S140 und 150 berechnet
werden.
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In
dem Schritt S170 wird bestimmt, ob ein durch Subtrahieren des Leistungszunahmebetrags ΔL
von der möglichen regenerativen Leistung Lep erhaltener
Wert positiv ist oder nicht. Wenn der durch die Subtraktion erhaltene
Wert positiv wird, deckt die mögliche regenerative Leistung
Lep den Betrieb des Kältemittelkreislaufs 200 ab,
und es wird beim gleichzeitigen Betrieb des Kältemittelkreislaufs
und des Rankine-Kreislaufs eine überschüssige
regenerative Leistung erhalten.
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Wenn
der durch die Subtraktion erhaltene Wert in Schritt S170 als positiv
bestimmt wird (wenn JA), wird der Betrieb des Rankine-Kreislaufs 300 in Schritt
S180 fortgesetzt, wodurch eine effektive regenerative Leistung erhalten
wird. Wenn in Schritt S170 NEIN, dann wird der Betrieb des Rankine-Kreislaufs 300 in
Schritt S190 ausgeschaltet.
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Wie
vorstehend erwähnt, sind der Kältemittelkreislauf 200 und
der Rankine-Kreislauf 300 in dieser Ausführungsform
jeweils mit dem zweckbestimmten AC-Kondensator 220 und
RA-Kondensator 340 versehen, und der RA-Kondensator 340 ist
auf der Vorderseite des AC-Kondensators 220 (auf der stromaufwärtigen
Seite des Kühlluftstroms) positioniert. Im Betrieb des
Rankine-Kreislaufs 300 kann die Kühlluft, deren
Temperatur gleich der Außenlufttemperatur ist, ungeachtet
des Vorhandenseins oder Nichtvorhandenseins des Betriebs des Kältemittelkreislaufs 200 beständig
in den RA-Kondensator 340 strömen. Dies erhöht
den Kältemitteldruck in dem RA-Kondensator 340 nicht
und führt folglich nicht zu einer Verringerung der Druckdifferenz
zwischen dem Einlass und dem Auslass der Expansionseinheit 330 und
der Verringerung der regenerativen Leistung.
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Beim
alleinigen Betrieb des Rankine-Kreislaufs 300 bilden die
jeweiligen Kreisläufe 200 und 300 die
unabhängigen Kältemittelkreisläufe, und
folglich werden das Kältemittel und das Schmieröl
nicht von dem Rankine-Kreislauf 300 in den Kältemittelkreislauf 200 gesammelt,
so kann er die inhärente Kapazität des Rankine-Kreislaufs 300 hinreichend zeigen
und die Zuverlässigkeit der Expansionseinheit 330 und
der Pumpe 310 sicherstellen.
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Im
Allgemeinen kann dies die Kühlvorrichtung 100A bereitstellen,
die die ausreichende Leistung des Rankine-Kreislaufs 300 zeigen
kann, während dessen Zuverlässigkeit sichergestellt
wird.
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Bei
dem gleichzeitigen Betrieb des Kältemittelkreislaufs und
des Rankine-Kreislaufs wird die Anzahl der Umdrehungen Ne der Expansionseinheit derart
eingestellt, dass die regenerative Leistung Le unter einer Bedingung,
in der der Leistungszunahmebetrag des Kältemittelkreislaufs 200 kleiner
als die regenerative Leistung Le des Rankine-Kreislaufs 300 ist,
einen optimalen Wert (mögliche regenerative Leistung Lep)
hat. Dies kann den Kältemittelkreislauf und den Rankine-Kreislauf
gleichzeitig betreiben, wodurch sicher die optimale regenerative
Leistung Le erhalten wird.
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Beim
gleichzeitigen Betrieb des Kältemittelkreislaufs und des
Rankine-Kreislaufs wird der Rankine-Kreislauf 300 unter
einer Bedingung, in der ein Leistungszunahmebetrag ΔL des
Kältemittelkreislaufs 200 höher als die
regenerative Leistung Le des Rankine-Kreislaufs 300 ist,
ausgeschaltet. Dies kann verhindern, dass die regenerative Leistung
Le unter den Leistungszunahmebetrag ΔL sinkt, wodurch ein Verschwendungsbetrieb
des Rankine-Kreislaufs 300 beseitigt wird. Da die externe
Luft, deren Temperatur die gleiche wie die der Außenluft
ist, in den AC-Kondensator 220 strömt, kann dies
eine Erhöhung des AC-Kältemitteldrucks, eine Leistungserhöhung
des Kompressors 210, die Verringerung seiner Zuverlässigkeit
und eine Verringerung des Leistungskoeffizienten des Kältemittelkreislaufs 200 verhindern.
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Eine
mögliche regenerative Leistung Lep wird unter Verwendung
eines in 7 gezeigten Kennfelds als der
optimale Wert der regenerativen Leistung Le der Expansionseinheit 330 berechnet. Dies
kann ohne weiteres den Leistungszunahmebetrag ΔL des Kältemittelkreislaufs 200 und
den optimalen Wert der regenerativen Leistung Le des Rankine-Kreislaufs 300 berechnen.
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Die
Positionen des Einlasses 340a und Auslasses 340b des
RA-Kondensators 340 sind in der Strömungsrichtung
der Kühlluft betrachtet in den gleichen jeweiligen Bereichen
positioniert wie die des Einlasses 220a und des Auslasses 220b des AC-Kondensators 220.
Folglich können der Zustrombereich und der Abflussbereich
für das RA-Kältemittel in dem RA-Kondensator 340 die
gleiche Positionsbeziehung wie die des Zustrombereichs und des Abflussbereichs
für das AC-Kältemittel in dem AC-Kondensator 220 haben.
Der Erhöhungsbetrag der Temperatur von Kühlluft,
die den RA-Kondensator 340 durchläuft, ist auf
der Einlassseite des RA-Kältemittels hoch und wird in Richtung
der Abflussseite niedriger. Es ist offensichtlich, dass die Temperatur
des AC-Kältemittels in dem AC-Kondensator 220 durch den
Wärmeaustausch von der Zustromseite in Richtung der Abflussseite
niedriger wird. Dies kann eine derartige Positionsbeziehung bereitstellen,
dass die Temperaturverteilung von Kühlluft, die in den AC-Kondensator 220 strömt,
die gleiche Richtung hat wie die des AC-Kältemittels in
den AC-Kondensator 220. Folglich kann die Temperaturdifferenz
zwischen der Kühlluft und dem AC-Kältemittel vollständig gleichmäßig
gemacht werden, wodurch es möglich ist, wirksam Wärme
von dem AC-Kondensator 220 abzustrahlen.
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Der
Einlass 340a und der Auslass 340b des RA-Kondensators 340 sind
in Richtung der Vorderseite geöffnet. Folglich ist es bei
der Streckenplanung von Rohrleitungen für das RA-Kältemittel
zu dem RA-Kondensator 340 nicht notwendig, Rohrleitungen zwischen
dem RA-Kondensator 340 und dem AC-Kondensator 220 anzuordnen.
Dies verschlechtert eine Abmessungsgenauigkeit zwischen beiden Kondensatoren 220 und 340 nicht
und kann die Verbindung der Rohrleitung mit dem RA-Kondensator 340 erleichtern.
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Der
Einlass 220a und der Auslass 220b des AC-Kondensators 220 sind
in die Richtung senkrecht zu der Strömungsrichtung der
Kühlluft geöffnet. Folglich ist es bei der Streckenplanung
von Rohrleitungen für das AC-Kältemittel zu dem
AC-Kondensator 220 nicht notwendig, Rohrleitungen zwischen
dem RA-Kondensator 340 und dem AC-Kondensator 220 anzuordnen
oder Rohrleitungen von der Vorderseite zu der Rückseite
anzuordnen. Folglich kann dies die Verschlechterung einer Abmessungsgenauigkeit
zwischen beiden Kondensatoren 220 und 340 oder
eine Verringerung Fläche der vorderen Oberfläche
des RA-Kondensators 340 verhindern. Ferner kann dies auch
die Verbindung der Rohrleitung mit dem AC-Kondensator 220 erleichtern.
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In
einer Bilanzverschlechterungsverhinderungssteuerung, wie basierend
auf 6 erklärt, werden in den Schritten S140
und S150 die Druckdifferenzen ΔP1 und ΔP2 aus
dem hochdruckseitigen Druck PHa, der von dem Drucksensor 201 erhalten wird,
der Anzahl der Umdrehungen des Kompressors 210, und dem
AC-Kältemitteldurchsatz berechnet, und ferner werden die
Kompressorleistungen Lc1 und Lc2 basierend auf den Druckdifferenzen ΔP1 und ΔP2
berechnet. Alternativ können derartige physikalische Größen
früher in einem Kennfeld zusammengestellt werden, aus dem
die Kompressorleistungen Lc1 und Lc2 bestimmt werden können.
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In
den Schritten S120 und S130 werden eine mögliche regenerative
Leistung Lep und die dementsprechende Anzahl der Umdrehungen Ne
der Expansionseinheit unter Verwendung des Kennfelds berechnet.
Alternativ können diese Elemente aus einer Gleichgewichtsformel
basierend auf einer Wärmebilanz zwischen der Seite der
Heizung 320 und der Seite des RA-Kondensators 340 des
Rankine-Kreislaufs 300 berechnet werden.
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Außerdem
können in den Schritten S140 und S150 die Kompressorleistungen
Lc1 und Lc2 und die Gesamtleistungen L1 und L2 aus einer Gleichgewichtsformel
basierend auf der Wärmebilanz zwischen der Seite des AC-Kondensators 220 und
der Seite des Verdampfers 250 des Kältemittelkreislaufs 200 berechnet
werden.
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(Zweite Ausführungsform)
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8 zeigt
eine zweite Ausführungsform der Erfindung. In der zweiten
Ausführungsform sind relativ zu dem RA-Kondensator 340 und
dem AC-Kondensator 220 der ersten Ausführungsformen
Kanäle 103, die als ein Einleitungsströmungsweg
dienen, und Führungen 104, die als ein Öffnungseinstellungsabschnitt
dienen, bereitgestellt.
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Die
Kanäle 103, von denen jeder ein plattenartiges
Element ist, das zum Einleiten von Luft geeignet ist, sind auf beiden
Enden des AC-Kondensators 220 in der Fahrzeugbreitenrichtung
bereitgestellt. Die Kanäle 103 sind derart ausgebildet,
dass sie sich von beiden Enden des AC-Kondensators 220 zu
der Vorderseite des RA-Kondensators 340 ausdehnen. Wie durch
den gestrichelten Pfeil in 8 angezeigt,
sind die Kanäle 103 derart ausgebildet, dass sie
erlauben, dass Kühlluft zwischen dem RA-Kondensator 340 und
dem AC-Kondensator 220 hindurch direkt auf beiden Enden
in den AC-Kondensator 220 eingeleitet wird, ohne die Kühlluft
von der Vorderseite des RA-Kondensators 340 durch den RA-Kondensator 340 strömen
zu lassen.
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Die
Führungen 104, von denen jede als ein plattenartiges
Element ausgebildet ist, sind auf beiden Enden des RA-Kondensators 340 in
der Fahrzeugbreitenrichtung angeordnet und geeignet, durch die Energiespeisungssteuerschaltung 50 drehbar
um die jeweiligen Enden in der Fahrzeugbreitenrichtung betrieben
zu werden. Wenn die Führung 104, wie durch den
durchgezogenen Pfeil in 8 angezeigt, in Richtung der
Außenseite in der Fahrzeugbreitenrichtung gedreht wird,
wird eine Fläche einer Öffnung des RA-Kondensators 340 vergrößert,
um eine Zustrommenge der Kühlluft in den RA-Kondensator 340 zu
erhöhen. Wenn die Führung 104 im Gegensatz dazu,
wie durch den gestrichelten Pfeil in 8 angezeigt,
in Richtung des Inneren in der Fahrzeugbreitenrichtung gedreht wird,
wird eine Fläche der Öffnung in dem durch den
Kanal 103 gebildeten Strömungsweg, das heißt
einem Strömungsweg, der in die Richtung zwischen dem RA-Kondensator 340 und
dem AC-Kondensator 220 geht, vergrößert,
um eine Menge des Zustroms der Kühlluft in den AC-Kondensator 220 zu
erhöhen.
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In
der auf diese Weise erhaltenen zweiten Ausführungsform
wird die Drehposition der Führung 104 von der
Energiespeisungssteuerschaltung 50 entsprechend einer notwendigen
Menge an Wärme, die jeweils von dem RA-Kondensator 340 und
dem AC-Kondensator 220 abgestrahlt wird, gesteuert. Mit anderen
Worten werden beim alleinigen Betrieb des Kältemittelkreislaufs 200 die
Führungen 104 derart gesteuert, so dass sie entsprechend
der notwendigen Menge an Wärme, die von dem AC-Kondensator 220 abgestrahlt
wird, gedreht werden. Das Drehen der Führung 104 in
Richtung des Inneren in der Fahrzeugbreitenrichtung erhöht
eine Zustrommenge der Kühlluft in den AC-Kondensator 220,
ohne einen Widerstand an dem RA-Kondensator 340 aufzunehmen,
wodurch die Verbesserung der Wärmeabstrahlungscharakteristiken
des AC-Kondensators 220 ermöglicht wird.
-
Beim
alleinigen Betreiben des Rankine-Kreislaufs werden die Führungen 104 derart
gesteuert, dass sie entsprechend der notwendigen Menge an Wärme,
die von dem RA-Kondensator 340 abgestrahlt wird, gedreht
werden. Das Drehen der Führung 104 in Richtung
der Außenseite in der Fahrzeugbreitenrichtung erhöht
eine Zustrommenge der Kühlluft in den RA-Kondensator 340,
wodurch die Verbesserung der Wärmeabstrahlungsleistung
des RA-Kondensators 340 ermöglicht wird. Zu diesem Zeitpunkt
kann die Führung 104 verhindern, dass die Kühlluft,
die den RA-Kondensator 340 durchlaufen hat, erneut in den
RA-Kondensator 340 strömt.
-
Außerdem
werden beim gleichzeitigen Betrieb des Kältemittelkreislaufs
und des Rankine-Kreislaufs die Führungen 104 derart
gesteuert, dass sie entsprechend der notwendigen Wärmemenge,
die von beiden Kondensatoren 220 und 340 abgestrahlt
wird, gedreht werden. In diesem Fall werden die Führungen 104 in
Richtung der Außenseite in der Fahrzeugbreitenrichtung
gedreht, wodurch erlaubt wird, dass die Kühlluft, deren
Temperatur die gleiche wie die der Außenluft ist, in den
AC-Kondensator 220 strömt, wodurch die Wärmestrahlungsleistung
des AC-Kondensators 220 verbessert wird.
-
Auf
diese Weise werden die Zustrommengen der Kühlluft in die
Kondensatoren 220 und 340 entsprechend den notwendigen
Mengen an Wärme, die von dem AC-Kondensator 220 und
dem RA-Kondensator 340 abgestrahlt werden, eingestellt,
wodurch die effektive Wärmeabstrahlung an jedem der Kondensatoren 220 und 340 ermöglicht
wird. (Dritte Ausführungsform)
-
9 und 10 zeigen
eine dritte Ausführungsform der Erfindung. In der dritten
Ausführungsform ist eine Fläche einer vorderen
Oberfläche des RA-Kondensators 340 kleiner festgelegt
als die einer vorderen Oberfläche des AC-Kondensators 220,
um eine Fläche (z. B. einen in 9 und 10 gezeigten
Bereich A) zu bilden, bei der beide Kondensatoren 220 und 340 nicht
miteinander überlappen.
-
Die
Abmessung in der vertikalen Richtung des RA-Kondensators 340 ist
kleiner als die des AC-Kondensators 220, um den Bereich
zu bilden, in dem die beiden Kondensatoren 220 und 340 einander
auf der Unterseite des AC-Kondensators 220 nicht überlagert
sind.
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Wenn
die Abmessung in der vertikalen Richtung des RA-Kondensators 340 einfach
verringert wird, kann die Wärmestrahlungskapazität
des RA-Kondensators 340 klein werden. Folglich wird die Dickenabmessung
D eines Wärmeaustauschabschnitts (d. h. einer Abmessung
in der Strömungsrichtung der Kühlluft) des RA-Kondensators 340,
wie in 10 gezeigt, größer
festgelegt als die eines Wärmeaustauschabschnitts des AC-Kondensators 340,
um die Wärmeabstrahlungskapazität des RA-Kondensators 340 sicherzustellen.
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Folglich
kann die Kühlluft, die keinem Wärmeaustausch an
dem RA-Kondensator 340 unterzogen wird und deren Temperatur
gleich der der Außenluft ist, direkt in den AC-Kondensator 220 strömen, wodurch
die Wärmeabstrahlungskapazität des AC-Kondensators 220 verbessert
wird.
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Die
Dickenabmessung D des Wärmeaustauschabschnitts des RA-Kondensators 340 wird
durch eine Flächenverringerung der vorderen Oberfläche des
RA-Kondensators 340 erhöht, um die Wärmeabstrahlungskapazität
zu erhalten. Dies erleichtert die Verringerung der Fläche
der vorderen Oberfläche des RA-Kondensators 340.
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(Andere Ausführungsformen)
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Obwohl
die vorliegende Erfindung in Verbindung mit ihren bevorzugten Ausführungsformen
unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen vollständig beschrieben
wurde, muss bemerkt werden, dass für Fachleute der Technik
vielfältige Änderungen und Modifikationen offensichtlich
werden.
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Zum
Beispiel sind die festgelegten Positionen und Öffnungsrichtungen
der Einlässe 220a und 340a und der Auslässe 220b und 340b des
AC-Kondensators 220 und des RA-Kondensators 340 nicht auf
die Inhalte beschränkt, die in jeder der vorstehend erwähnten
Ausführungsformen beschrieben sind, und können
jede andere Position und Richtung sein.
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Der
Kompressor 210 in dem Kältemittelkreislauf 200 ist
nicht auf einen motorbetriebenen Kompressor, der von dem Motor 10 angetrieben
wird, beschränkt und kann auch ein elektrischer Kompressor, der
von einem Elektromotor angetrieben wird, oder ein Hybridkompressor,
der von einem Motor und einem Verbrennungsmotor und einem Elektromotor angetrieben
wird, sein.
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In
dem Rankine-Kreislauf 300 wird die Pumpe 310 von
dem Elektromotor 311 angetrieben, und der elektrische Generator 331 ist
mit der Expansionseinheit 330 verbunden. Alternativ kann
der Elektromotor 311 weggelassen werden, und der elektrische Generator 331 kann
als ein Motorgenerator dienen, der beide Funktionen, die eines Elektromotors
und eines elektrischen Generators hat. Die Pumpe 310 und die
Expansionseinheit 330 können mit dem Motorgenerator
verbunden sein.
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In
diesem Fall arbeitet der Motorgenerator beim Betreiben des Rankine-Kreislaufs 300 zuerst als
ein Elektromotor, um die Pumpe 310 anzutreiben. Wenn ausreichend
Abgaswärme von dem Motor 10 erhalten wird und
die Antriebskraft an der Expansionseinheit 330 die Leistung
der Pumpe 310 übersteigt, wirkt der Motor als
ein elektrischer Generator zum Erzeugen von Elektrizität.
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Dies
kann eine Antriebsquelle eliminieren, die zum Antreiben der Pumpe 310 (in
jeder der vorstehend erwähnten Ausführungsformen
der Elektromotor 311) zweckbestimmt ist, wodurch die Struktur des
Kreislaufs vereinfacht wird, während die Energie zum Betreiben
der Pumpe 310 gesenkt wird.
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Es
versteht sich, dass derartige Änderungen und Modifikationen
innerhalb des Bereichs der vorliegenden Erfindung liegen, wie er
durch die beigefügten Patentansprüche definiert
ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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