JP2013536351A - 作動媒体回路内で使用するための膨張装置及び膨張装置の作動方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、作動媒体回路内で使用するための膨張装置（１）に関し、作動媒体回路の範囲内で、クラウジウス・ランキン・サイクル又は有機ランキン・サイクルに該当するプロセスサイクルが実施可能である。本発明に基づき、この膨張装置（１）は、スクロール型機械として形成されており、このスクロール型機械を、作業媒体回路（ＡＫ）内を循環する作動媒体（ＡＭ）が膨張方向に通過可能であり、スクロール型機械の膨張比及び／又はスクロール型機械への作動媒体（ＡＭ）の供給は変更可能である。さらに、本発明は、膨張装置（１）の作動方法にも関する。
【選択図】図２

Description

本発明は、請求項１の前提部分の特徴に基づく作動媒体回路内で使用するための膨張装置に関する。さらに、本発明は、請求項１０の前提部分に基づく膨張装置の作動方法にも関する。

今日の内燃機関の効率は、４０パーセントにまで達する。損失は、ほとんどが熱としてクーラントに送られ、排出ガス熱として排出される。

従来技術には、排気ガス熱及び／又はクーラント熱から、電気的及び／又は機械的エネルギーを得る様々な方法及び装置がある。

この場合は、クラウジウス・ランキン・サイクル又は有機ランキン・サイクルを利用して、熱エネルギーが機械的エネルギーに変換される。このようなクラウジウス・ランキン・サイクルには、通常、アキシャルピストン機構又はピストン式膨張器として形成されている膨張装置が配置されている。

本発明は、特にエネルギー効率を改善した、作動媒体回路内で使用するための膨張装置及び膨張装置の改善された作動方法を提供するという課題に基づいている。

この装置に関して、この課題は、請求項１の特徴を備える、作業媒体回路内で使用するための膨張装置によって解決される。方法に関して、この課題は、本発明に基づき、請求項１０の特徴を備える膨張装置の作動方法によって解決される。

本発明の好ましい実施形態および発展形態は、従属請求項の中に示されている。

作動媒体回路内で使用するための膨張装置は、作動媒体回路の範囲内で、クラウジウス・ランキン・サイクル又は有機ランキン・サイクルに該当するプロセスサイクルが実施可能であり、本発明に基づき、スクロール型機械として形成され、このスクロール型機械を、作業媒体回路内を循環する作動媒体が膨張方向に通過可能であり、その際、スクロール型機械の膨張比及び／又はスクロール型機械への作動媒体の供給は変更可能である。

特に有利には、本発明に基づく膨張装置により、例えば電気ジェネレータを駆動するための回転運動を直接発生させることができる。

この回転運動から、結果的に、特に従来のピストン式膨張器の往復運動に比べ、振動のない膨張装置の動作が生じる。従来のピストン式膨張器では、さらに、この往復運動は摩擦をもつ歯車装置によって回転運動に変換されなければならない。

可能な実施形態では、この膨張装置は、固定スクロールエレメント、可動スクロールエレメント、偏心ドライブを特徴とし、
固定スクロールエレメントは、固定スクロールベースプレートと、この固定スクロールベースプレートから延びる固定スクロールスパイラルウォールとを有し、 可動スクロールエレメントは、可動スクロールベースプレートと、この可動スクロールベースプレートから延びる可動スクロールスパイラルウォールとを有し、
可動スクロールスパイラルウォールと固定スクロールスパイラルウォールとは互いにかみ合っているため、これらは可動スクロールエレメントと固定スクロールエレメントとの間に少なくとも１つの膨張範囲を形成し、
可動スクロールエレメントは、偏心ギヤによって固定スクロールエレメントに対して円運動が可能であり、この円運動の間に膨張範囲の広さは膨張経路に沿って変化することができる。そのような膨張装置においては、有利には、例えばアキシャルピストン機構又はピストン型膨張器として形成されている従来の膨張装置と比べ、構成部品数が顕著に減少している。可動部品の数は、特に少ない。

有利であるのは、作動媒体回路の作動媒体が膨張装置の中心に供給可能なことである。

本発明の実施形態では、作動媒体回路内を循環する膨張装置の作動媒体が、固定スクロールベースプレート内にある中央のインレットを使って供給可能である。

もう１つの実施形態では、この膨張装置の作動媒体回路の作動媒体が、固定スクロールベースプレート内にある他のインレットを使って膨張経路に沿って供給可能である。

有利な実施形態では、この膨張装置の作動媒体回路の作動媒体が、少なくとも１つのタイミングバルブによって制御及び／又は調整される形で供給可能である。

有利な実施形態では、固定スクロールベースプレート内にあるそれぞれのインレットには、個別のタイミングバルブが割り当てられており、特に有利には、このタイミングバルブが個別に制御及び／又は調整可能である。

結果的に、膨張装置への作業媒体のこのような可変的供給から、有利には、膨張装置内での作動媒体の圧力レベルの可変調整及び膨張装置内での作動媒体流速の可変調節が可能となる。

この単純な作動媒体流の制御及び／調整により、作動媒体回路のシステム設計が単純化される。

膨張装置内部の膨張圧力勾配は、スクロールスパイラルウォールの形状に左右される。従って、この形状は、膨張装置設計の際に、作動媒体回路のそれぞれの条件に適切に適合させることができる。

これらのスクロールスパイラルウォールは、有利にはアルキメデスらせんとして形成されており、時計回りに互いに１８０度ねじれた状態で配置されている。

これにより、非常に簡単な方法で、作動媒体回路及び／又は膨張装置内の作動媒体流を、作動媒体回路内に配置されているフィードユニットのポンプ流速とは無関係に、変更することが可能である。

特に有利には、作動媒体回路の高圧範囲と低圧範囲との差（以下、膨張勾配とも呼ぶ）を、膨張経路に沿って配置されているタイミングバルブ数を増加することによって縮小及び／又は調節することができる。

そのような縮小によって、結果的に、例えば、作動媒体回路内の作動媒体流速を同時に上昇させることにより作動媒体の過熱を防止することができるなど、多くの利点が生じる。

通常、低いエンジン負荷範囲では低い膨張勾配が有利であり、高いエンジン負荷範囲では高い膨張勾配が望ましい。この膨張装置により、作動媒体の可変的膨張が実現可能であり、それにより、作動媒体回路及び／又は膨張装置を、変動する熱量入力に柔軟に適合させることができる。

作動媒体回路内の膨張装置の作動方法では、この場合、クラウジウス・ランキン・サイクル又は有機ランキン・サイクルに該当するプロセスサイクルが作動媒体回路の範囲内で実施され、本発明に基づき、可動スクロールエレメントは、偏心ギヤによって固定スクロールエレメントに対して円運動を行い、可動スクロールエレメントと固定スクロールエレメントとの間に形成される膨張範囲の広さは、この円運動の間に膨張経路に沿って変化することができる。

膨張装置に供給される作動媒体流は、有利には、前述のタイミングバルブ又は個別及び／又は一緒に作動可能なタイミングバルブによって調整及び／又は制御される。

本方法によって、特に有利には、膨張装置内の作動媒体の可変的膨張が可能になる。

従って、内燃機関の作動中に生じる損失熱エネルギーのほぼ全部が、作動媒体回路内及び膨張装置内で利用可能であり、この膨張装置は、作動状態に応じて生じる様々な損失熱エネルギー量に適合することができる。

このことから、本発明の利点として、作動媒体回路及び膨張装置の効率上昇が達成される。内燃機関の損失熱の利用により、さらに、内燃機関の効率も上昇する。

膨張装置及びこの膨張装置の作動方法は、特に有利には、内燃機関の最適な排熱利用を実現するため、クラウジウス・ランキン・サイクル又は有機ランキン・サイクルの原理に従って、それぞれ作動する作動媒体回路の範囲内で使用することができる。

本発明の実施例を、図に基づいて以下に詳しく説明する。

膨張装置を備える作動媒体回路を示す概略図である。 膨張装置の実施形態のバリーションを示す概略図である。 膨張装置の代替の実施形態のバリーションを示す概略図である。 膨張装置の作動プロセスサイクルを示した概略図である。

互いに対応する部品は、全ての図の中で同一の記号が付されている。

図１に示されているように、膨張装置１は、作動媒体ＡＭが通る作動媒体回路ＡＫの一部であり、作動媒体回路ＡＫ内で実施されるプロセスサイクルは、いわゆるクラウジウス・ランキン・サイクル又は有機ランキン・サイクルに該当する。

この作動媒体回路ＡＫは、フィードユニットＦ、熱交換器Ｗ、膨張装置１及びコンデンサＫを有する。

クラウジウス・ランキン・サイクル又は有機ランキン・サイクルのプロセスサイクルでは、作動媒体流内の液状の作動媒体ＡＭがフィード装置Ｆによって熱交換器Ｗに供給される。熱交換器Ｗ内では、一定の圧力下にある液状の作動媒体が、内燃機関の損失熱を利用して加熱され、気化する。

この場合、熱交換器Ｗは、例えば排気ガス熱交換器、排気ガス再循環熱交換器及び／又はクーラント熱交換器として、内燃機関の排気ガス熱及び／又はクーラント熱を利用して、液状の作動媒体ＡＭを加熱及び気化させることができる。

高圧下にある気体状の作動媒体ＡＭは、膨張装置１に送られ、断熱膨張において又は断熱膨張に近い中で、通常の圧力を備える気体状の作動媒体ＡＭに膨張する。この場合、膨張装置１では、気体状の作動媒体ＡＭの運動エネルギーが機械的エネルギーに変換される。

例えば、発生した機械的エネルギーは、膨張装置１をジェネレータ（詳しく図示されていない）に連結する際に電気エネルギーに変換することができる。この電気エネルギーは、例えば、内燃機関に補助的に作用する電気モータ（詳しく図示されていない）の駆動に利用することができる。さらに、膨張装置１によって生成された機械的エネルギーは、内燃機関を支援するために、詳しく図示されていない構成を介して、内燃機関に直接送ることができる。

膨張の後、気体状の作動媒体ＡＭは、コンデンサＫに送られ、このコンデンサの中で低圧又はほぼ低圧で冷却されることにより凝縮されて、液状の物理的状態に移行するため、フィードユニットＦには、入口側で液状の作動媒体ＡＭが供給可能である。

図２には、膨張装置１の実施形態のバリエーションが示されている。

膨張装置１は、好ましくはスクロール型機械として形成されており、このスクロール型機械を、作業媒体回路ＡＫ内を循環する作動媒体ＡＭが膨張方向に通過することができる。

このために、膨張装置１は、固定スクロールエレメント２と可動スクロールエレメント３とを含んでいる。固定スクロールエレメント２は、円形又は板状の固定スクロールベースプレート４と固定スクロールスパイラルウォール５とを有し、このスパイラルウォールは、固定スクロールベースプレート４から可動スクロールエレメント３の方向に延びている。インレット６．１は、固定スクロールベースプレート４のほぼ中央に、例えば中心に形成されており、作動媒体回路ＡＫからの作動媒体ＡＭが流れることができる。

可動スクロールエレメント３は、円形又は板状の可動スクロールベースプレート７と可動スクロールスパイラルウォール８とを有し、このスパイラルウォールは、可動スクロールベースプレート７から固定スクロールエレメント２の方向に延びている。

これらのスクロールスパイラルウォール５及び８は、いわゆるアルキメデスらせんとして形成されており、時計回りに互いに１８０度ねじれた状態で配置されている。

膨張装置１の内部における膨張比は、膨張装置１の高圧範囲と低圧範囲との間にある圧力差を示し、スクロールスパイラルウォール５及び８の形状に左右される。従って、この形状は、膨張装置１を設計する際に、作動媒体回路ＡＫのそれぞれの条件に適切に適合させることができる。

固定スクロールスパイラルウォール５と可動スクロールスパイラルウォール８とは、これらが、固定スクロールエレメント２と可動スクロールエレメント３との間に少なくとも１つの膨張範囲９．１を形成するようにかみ合っている。

スクロールスパイラルウォール５及び８の形状に応じて、固定スクロールエレメント２と可動スクロールエレメント３の間には、図３に示されているように、さらなる膨張範囲９．２〜９．５を形成することができる。

この膨張範囲９．１〜９．５は、広さが変化し、さらに説明される方法で、スクロールスパイラルウォール５と８との間の膨張経路に沿って円形に動く。

膨張経路は、固定スクロールエレメント２に対して可動スクロールエレメント３が円運動を行う間に、それぞれの膨張範囲９．１〜９．５が描く経路である。

可動スクロールベースプレート７には、偏心ギヤ（図示されていない）が配置されており、この偏心ギヤは、一方で固定スクロールエレメント２に対する可動スクロールエレメント３の円運動を可能にし、他方では、偏心ギヤに接続されているシャフト（図示されていない）の回転運動という形で機械的エネルギーを発生させる。

この偏心ギヤは、有利には、可動スクロールエレメント３が固定スクロールエレメント２に対して円運動で移動可能であるように形成され、その際、可動スクロールエレメント３はそれ自身の軸を中心に回転運動を行うことはない。

作動媒体回路ＡＫ内を循環する作動媒体ＡＭは、インレット６．１によって膨張装置１に供給可能である。詳しく図示されていないが、このインレット６．１には、従来のタイミングバルブが割り当てられており、このタイミングバルブは、膨張装置１に供給可能な作動媒体流の制御及び／又は調整を行うことができる。

両方のアウトレット１０．１及び１０．２によって、膨張した作動媒体ＡＭは膨張装置１から流出することができる。これらのアウトレット１０．１及び１０．２は、固定スクロールエレメント２に対する可動スクロールエレメント３の円運動に応じて、スクロールスパイラルウォール５及び８のそれぞれの外側の端部１１．１及び１１．２に周期的に形成することができる。

図３には、膨張装置１の代替の実施形態のバリエーションが示されている。

図１に示されているインレット６．１以外に、その他のインレット６．２〜６．５が固定スクロールベースプレート４の中に配置されている。これらのインレット６．２〜６．５は、膨張経路に沿って配置され、膨張範囲９．１〜９．５が動いている間、インレット６．２〜６．４からの作動媒体ＡＭがこれらの膨張範囲を膨張経路に沿って流れることができるようになっている。

詳しく図示されていないが、それぞれのインレット６．１〜６．５には、個別のタイミングバルブが割り当てられている。個別又は一緒に作動可能なタイミングバルブにより、インレット６．１〜６．５を使って、膨張装置１に供給可能な作動媒体流の調整及び／又は制御が可能となる。

図４には、膨張装置１の作動プロセスサイクルが示されている。

膨張装置１の作動プロセスを示すために、図４には、工程Ｓ１〜Ｓ４が円線図で表示されている。

工程Ｓ１では、中心に配置された膨張範囲９．１を、インレット６．１を使って、作動媒体回路ＡＫからの、高圧下にある気体状の作動媒体ＡＭが流れる。アウトレット１０．１及び１０．２は閉まっている。スクロールスパイラルウォール５と８との間には、膨張経路に沿って、その他の膨張範囲９．２〜９．５が形成される。

作動媒体ＡＭの拡大又は膨張によって生じる運動エネルギーと、その結果生じる、スクロールスパイラルウォール５及び８に作用する力とにより、可動スクロールスパイラルウォール８と可動スクロールエレメント３とは、固定スクロールエレメント２に対して円運動を開始する。

工程Ｓ２では、時計回りに９０°動作振幅した後の円運動が示されている。膨張範囲９．１〜９．３は、その容積が増加している。その結果、以下に膨張とも呼ばれる、作動媒体ＡＭの圧力及び／又は温度減少が生じる。膨張範囲９．４及び９．５は、最大の容積拡大に達し、アウトレット１０．１及び１０．２が開く。アウトレット１０．１及び１０．２により、膨張した作動媒体ＡＭは、作動媒体回路ＡＫに送られ、コンデンサＫ内で液化する。

工程Ｓ３では、１８０°の動作振幅後の可動スクロールエレメント３の円運動が示されている。膨張範囲９．１〜９．３は、膨張経路に沿って動いている間に容積が増大する。アウトレット１０．１及び１０．２は最大開口断面積に達し、作動媒体ＡＭが作動媒体回路ＡＫ内に戻るのを支援する。

工程Ｓ４では、２７０°の動作振幅後の可動スクロールエレメント３の円運動が示されている。固定スクロールエレメント２に対する可動スクロールエレメント３の円運動により、新しい膨張範囲９．１′が生じ、一方で膨張範囲９．１〜９．３はさらに拡大し、それらの膨張経路に沿った動きはアウトレット１０．１〜１０．２の方向へさらに進行する。アウトレット１０．１及び１０．２はほぼ完全に閉められ、その結果、膨張範囲９．４及び９．５は、可動スクロールエレメント３の円運動の経過の中で消滅する。

固定スクロールエレメント２に対する可動スクロールエレメント３の円運動が完全に終了すると、工程Ｓ１のプロセスの流れが新しく開始される。

作動媒体ＡＭが膨張する際に生じる力により、偏心ギヤを用いて膨張装置１のシャフト（図示されていない）が駆動される。これにより、例えば電気ジェネレータを、膨張装置１によって直接駆動することができる。

有利には、膨張装置１のシャフトのこの回転運動から、結果的に振動のない膨張装置１の動作が生じる。

図４には図示されていないが、膨張経路に沿って、その他のインレット６．２〜６．５を固定スクロールベースプレート４の中に配置することができる。これらの追加のインレット６．２〜６．５を使って、膨張範囲９．１〜９．５では、それらのサイクルの間、作動媒体回路ＡＫからの、高圧下にある気体状の作動媒体ＡＭが流れる。

結果的に、膨張装置１への作業媒体ＡＭのこのような可変的供給から、有利には、膨張装置１内での作動媒体ＡＭの圧力レベルの可変調整、及び／又は膨張装置１内での作動媒体ＡＭの流速の可変調整が可能となる。

膨張装置１内の作動媒体流ＡＭのこの単純な制御及び／又は調整により、有利には、作動媒体回路ＡＫのシステム設計と作動媒体回路ＡＫの制御及び／又は調整が単純化される。

１ 膨張装置
２ 固定スクロールエレメント
３ 可動スクロールエレメント
４ 固定スクロールベースプレート
５ 固定スクロールスパイラルウォール
６．１〜６．５ インレット
７ 可動スクロールベースプレート
８ 可動スクロールスパイラルウォール
９．１〜９．５ 膨張範囲
９．１′ 膨張範囲
１０．１、１０．２ アウトレット
１１．１、１１．２ 端部
ＡＫ 作動媒体回路
ＡＭ 作動媒体
Ｆ フィードユニット
Ｋ コンデンサ
Ｓ１〜Ｓ４ 工程
Ｗ 熱交換器

Claims (10)

1. 作動媒体回路（ＡＫ）内で使用するための膨張装置（１）であり、前記作動媒体回路の範囲内で、クラウジウス・ランキン・サイクル又は有機ランキン・サイクルに該当するプロセスサイクルが実施可能である膨張装置（１）であって、
   前記膨張装置（１）は、スクロール型機械（１）として形成され、該スクロール型機械を、前記作業媒体回路（ＡＫ）内を循環する作動媒体（ＡＭ）が膨張方向に通過することができ、前記スクロール型機械の膨張比及び／又は前記スクロール型機械への前記作動媒体（ＡＭ）の供給が変更可能であることを特徴とする、膨張装置（１）。
2. 固定スクロールエレメント（２）、可動スクロールエレメント（３）及び偏心ギヤを有することを特徴とする請求項１に記載の膨張装置であって、
   前記固定スクロールエレメント（２）は、固定スクロールベースプレート（４）と、該固定スクロールベースプレート（４）から延びる固定スクロールスパイラルウォール（５）と、を有しており、
   前記可動スクロールエレメント（３）は、可動スクロールベースプレート（７）と、該可動スクロールベースプレート（７）から延びる可動スクロールスパイラルウォール（８）と、を有しており、
   前記可動スクロールスパイラルウォール（８）と前記固定スクロールスパイラルウォール（５）とは、互いにかみ合っているため、前記可動スクロールエレメント（３）と前記固定スクロールエレメント（２）との間に少なくとも１つの膨張範囲（９．１〜９．５）を形成し、
   前記可動スクロールエレメント（３）は、偏心ギヤによって前記固定スクロールエレメント（２）に対して円運動が可能であり、前記膨張範囲（９．１〜９．５）の広さは、前記円運動の間に膨張経路に沿って変化することができる、
   膨張装置（１）。
3. 前記作動媒体回路（ＡＫ）の作動媒体（ＡＭ）が中心に供給可能なことであることを特徴とする、請求項１に記載の膨張装置（１）。
4. 前記作動媒体回路（ＡＫ）内の前記作動媒体（ＡＭ）が、前記固定スクロールベースプレート（４）内にある中央のインレット（６．１）を使って供給可能であることを特徴とする、請求項１〜３のうちいずれか一項に記載の膨張装置（１）。
5. 前記作動媒体回路（ＡＫ）の前記作動媒体（ＡＭ）が、前記固定スクロールベースプレート（４）内にある他のインレット（６．２〜６．５）を使って前記膨張経路に沿って供給可能であることを特徴とする、請求項１〜４のうちいずれか一項に記載の膨張装置（１）。
6. 前記作動媒体回路（ＡＫ）の前記作動媒体（ＡＭ）が、少なくとも１つのタイミングバルブによって制御及び／又は調整される形で供給可能であることを特徴とする、請求項１〜５のうちいずれか一項に記載の膨張装置（１）。
7. 前記固定スクロールベースプレート（４）内にあるそれぞれの前記インレット（６．１〜６．５）には、個別のタイミングバルブが割り当てられていることを特徴とする、請求項６に記載の膨張装置（１）。
8. 前記膨張装置（１）の内部における膨張圧力勾配は、前記スクロールスパイラルウォール（５及び８）の形状に左右されることを特徴とする、請求項１〜７のうちいずれか一項に記載の膨張装置（１）。
9. 前記スクロールスパイラルウォール（５及び８）は、アルキメデスらせんとして形成されることを特徴とする、請求項２又は８に記載の膨張装置（１）。
10. 作動媒体回路（ＡＫ）内の膨張装置（１）の作動方法であり、クラウジウス・ランキン・サイクル又は有機ランキン・サイクルに該当するプロセスサイクルが前記作動媒体回路（ＡＫ）の範囲内で実施される方法であって、
    可動スクロールエレメント（３）は、偏心ギヤによって固定スクロールエレメント（２）に対して円運動を行い、前記可動スクロールエレメント（３）と前記固定スクロールエレメント（２）との間に形成される膨張範囲（９．１〜９．５）の広さは、この円運動の間に膨張経路に沿って変化することを特徴とする、方法。
    
    
    

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