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    • 专利摘要:
    EineFluidmaschine fürein Abwärmesammelsystemfür einenVerbrennungsmotor hat eine Aufgabe, den meisten Nutzen aus der gesammelten Abwärme zu ziehen,und ein Betrieb eines Kompressors, eines Wechselstromgeneratorsoder dergleichen durch eine Drehantriebskraft von einer Expansionsvorrichtung funktionierenauch gut, währendein Motorlauf gestoppt ist. Die Fluidmaschine gemäß der vorliegendenErfindung besitzt eine Riemenscheibe, die mit dem Verbrennungsmotor verbundenist, eine Expansionsvorrichtung zum Erzeugen einer Drehantriebskraftaus der gesammelten Abwärme, einedurch die Riemenscheibe angetriebene Kompressorvorrichtung, unddie Expansionsvorrichtung, wobei eine Drehwelle gemeinsam für die Riemenscheibe,die Expansionsvorrichtung und die Kompressorvorrichtung benutzt wird.Die Expansionsvorrichtung ist eine Expansionsvorrichtung zum Ändern ihresExpansionsvolumens, sodass der Clausius-Rankine-Kreis zum Sammelnder Abwärme ameffektivsten betrieben werden kann.
    公开号:DE102004018860A1
    申请号:DE200410018860
    申请日:2004-04-19
    公开日:2004-11-25
    发明作者:Shigeru Kariya Hisanaga；Yasushi Kariya Yamanaka
    申请人:Denso Corp；
    IPC主号:F01C1-02
    专利说明:
    [0001] Dievorliegende Erfindung betrifft eine Fluidmaschine, insbesondereeine Fluidmaschine fürein Kraftfahrzeug mit einer Kompressorvorrichtung für einenKühlkreisund einer Expansionsvorrichtung zum Sammeln von Abwärme voneinem Verbrennungsmotor, um eine Drehantriebskraft zum Antreibendes Kompressors zu erzeugen.
    [0002] AlsStand der Technik ist eine Fluidmaschine bekannt, wie sie in derjapanischen PatentveröffentlichungNr. H9-250474 gezeigt ist. Bei diesem Stand der Technik sind eineExpansionsvorrichtung und eine Kompressorvorrichtung zu einem einzigen,hermetisch geschlossenen Gehäusezusammengebaut, die Expansionsvorrichtung wandelt Wärmeenergiein eine Drehantriebskraft in einem Clausius-Rankine-Kreis um, unddie Kompressorvorrichtung wird durch die durch die Expansionsvorrichtungerzeugte Drehkraft angetrieben, um den Kühlkreis zu betreiben.
    [0003] Indem obigen Stand der Technik kann jedoch die an der Expansionsvorrichtungerzeugte Drehantriebskraft nicht für andere Zwecke als das Antreibender Kompressorvorrichtung verwendet werden, weil die Expansionsvorrichtungund die Kompressorvorrichtung in dem hermetisch geschlossenen Gehäuse integralverbunden sind. Falls die obige herkömmliche Maschine in einem Kraftfahrzeuginstalliert wäre,um die Kompressorvorrichtung mittels der Abwärme von einem Verbrennungsmotor anzutreiben,wäre esaußerdemnicht immer möglich, genugWärmeenergiezu erhalten, um die Kompressorvorrichtung in Abhängigkeit von Fahrzuständen desKraftfahrzeugs anzutreiben. In einem solchen Fall würde dieKompressorvorrichtung nicht betrieben werden, und deshalb bestünde einNachteil darin, dass ein Klimabetrieb basierend auf dem Kühlkreisdurch die Kompressorvorrichtung nicht möglich sein kann.
    [0004] Esist deshalb in Anbetracht der oben genannten Probleme eine Aufgabeder vorliegenden Erfindung, eine Fluidmaschine vorzusehen, welche einean einer Expansionsvorrichtung erzeugte Drehantriebskraft nichtnur zu einer Kompressor vorrichtung, sondern auch zu anderen Vorrichtungen übertragenkann, und welche selbst in einem solchen Fall, dass eine ausreichendeWärmeenergiefür denClausius-Rankine-Kreisnicht erzielt werden kann, kein Hindernis zum Antreibender anderenVorrichtungen werden würde.
    [0005] Esist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Fluidmaschinezum effektivsten Sammeln von Abwärmevon einem Verbrennungsmotor durch den Clausius-Rankine-Kreis, umeine Drehantriebskraft zu erzeugen, vorzusehen.
    [0006] Gemäß einemder Merkmale der vorliegenden Erfindung sind eine mit einem Verbrennungsmotor über einenRiemen zu verbindende Riemenscheibe, eine Expansionsvorrichtungdes Clausius-Rankine-Kreises zum Sammeln von Abwärme und Erzeugen einer Drehantriebskraftsowie ein durch den Fahrzeugmotor durch die Riemenscheibe oder durch dieExpansionsvorrichtung anzutreibender Kompressor durch eine einzigeDrehwelle wirkverbunden und die Expansionsvorrichtung ist von einemsolchen Typ, der ein Expansionsvolumen in Abhängigkeit von dem Betriebszustanddes Clausius-Rankine-Kreises variierenkann, um die Abwärmeam effektivsten zu sammeln.
    [0007] Gemäß einemweiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Expansionsvorrichtungvon einem Spiraltyp und die Drehwelle und die Expansionsvorrichtungsind übereinen Kurbelmechanismus wirkverbunden, sodass ein Radius einer Umlaufbewegungeiner bewegbaren Spirale in Abhängigkeit vondem Betriebszustand der Fluidmaschine, nämlich einem Betrieb, in welchemdie Drehwelle durch die Drehung der Expansionsvorrichtung angetrieben wird,oder einem Betrieb, in welchem die Expansionsvorrichtung durch dieDrehung der Welle leer läuft,automatisch variiert werden kann. Gemäß dem Kurbelmechanismus ist,selbst wenn die bewegbare Spirale der Expansionsvorrichtung durchdie Welle währendeiner solchen Periode gedreht wird, in welcher die zu sammelndeAbwärmesehr klein ist und die Expansionsvorrichtung nicht durch den Clausius-Rankine-Kreisbetrieben wird, die Last zum Drehen der bewegbaren Spirale sehrklein.
    [0008] Obigesowie weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindungwerden aus der folgenden detaillierten Beschreibung unter Bezugnahmeauf die beiliegenden Zeichnungen besser verständlich. Darin zeigen:
    [0009] 1 eine Querschnittsansichteiner Fluidmaschine gemäß einemersten Ausführungsbeispiel dervorliegenden Erfindung;
    [0010] 2A eine Querschnittsansichteiner Expansionsvorrichtung entlang einer Linie IIA-IIA in 1;
    [0011] 2B eine Vorderansicht einerFrontplatte einer Expansionsvorrichtung;
    [0012] 3A bis 3D Querschnittsansichten der Expansionsvorrichtung,die Betriebsmodi der Expansionsvorrichtung zeigen;
    [0013] 4 eine Querschnittsansichteiner Fluidmaschine gemäß einemzweiten Ausführungsbeispielder vorliegenden Erfindung;
    [0014] 5 eine Vorderansicht einerFrontplatte einer Expansionsvorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispielder vorliegenden Erfindung;
    [0015] 6A bis 6D Querschnittsansichten der Expansionsvorrichtung,die Betriebsmodis davon zeigen;
    [0016] 7A bis 7D Querschnittsansichten der Expansionsvorrichtung,welche eine Verstellvorrichtung ist, die Betriebsmodi davon zeigen;
    [0017] 8 eine Querschnittsansichteines Dichtabschnitts einer Fluidmaschine gemäß einem vierten Ausführungsbeispielder vorliegenden Erfindung;
    [0018] 9 eine schematische Darstellungeines Kühlkreisesmit einem Heißgas-Bypasskanal gemäß einemfünftenAusführungsbeispielder vorliegenden Erfindung;
    [0019] 10 eine Querschnittsansichteiner Fluidmaschine gemäß einemsechsten Ausführungsbeispielder vorliegenden Erfindung;
    [0020] 11 eine Querschnittsansichteiner Expansionsvorrichtung entlang einer Linie XI-XI in 10;
    [0021] 12A eine Perspektivansichteines Kurbelmechanismus;
    [0022] 12B eine Vorderansicht einerin 12A dargestelltenWelle;
    [0023] 13 eine Vorderansicht desin 12A dargestelltenKurbelmechanismus; und
    [0024] 14A und 14B Vorderansichten des Kurbelmechanismuszur Erläuterungdessen Funktionsweise.
    [0025] Einerstes Beispiel der vorliegenden Erfindung wird nun Bezug nehmendauf 1 erläutert. In diesemAusführungsbeispielist eine Fluidmaschine in einem Kraftfahrzeug installiert, wobeidie Fluidmaschine eine in einem Kühlkreis für eine automatische Klimaanlagearbeitende Kompressorvorrichtung 7, die eine Drehantriebskraftvon einem Verbrennungsmotor empfängt,und eine in einem Clausius-Rankine-Kreis L, in welchem ein Kältemitteldurch Abwärmevon dem Fahrzeugmotor geheizt wird, arbeitende Expansionsvorrichtung 4,um eine Drehkraft zu erzeugen, aufweist.
    [0026] DieFluidmaschine weist ferner eine Riemenscheibe 6, welchedurch einen Verbrennungsmotor (nicht dargestellt) angetrieben wird,und eine Welle 21, welche gemeinsam als Drehwelle für die Expansionsvorrichtung,die Kompressorvorrichtung 7 und die Riemenscheiben verwendetwird, auf.
    [0027] DieRiemenscheibe 6 ist eine DL-Riemenscheibe (Dämpfer- undBegrenzerriemenscheibe), die einen Dämpferabechnitt 62 zumAbsorbieren von Drehmomentschwankungen der Expansionsvorrichtung 4 undder Kompressorvorrichtung 7 sowie einen Begrenzerabschnitt 63 zumAbbrechen einer Übertragungeiner Drehantriebskraft von dem Fahrzeugmotor auf die Kompressorvorrichtung 7 mitLeerlauf in diesem Abschnitt, wenn ein Drehmoment zum Antreibender Kompressorvorrichtung 7 notwendigerweise größer alsein vorbestimmter Wert ist, zum Beispiel wenn die Kompressorvorrichtung 7 ausirgendwelchen Gründenblockiert, sodass eine Überlastan den Verbrennungsmotor unterdrücktwerden kann, aufweist. Die Riemenscheibe 6 ist mit derWelle 21 übereine Einwegekupplung 61 wirkverbunden. Es ist möglich, eineAntriebsquelle (zum Beispiel einen Elektromotor) an dem Ende derWelle anstelle der Riemenscheibe 6 vorzusehen.
    [0028] DerClausius-Rankine-Kreis L weist eine Pumpe zum Zirkulieren einesKältemittels,eine Heizvorrichtung 2, die das durch einen Kältemittelkanal 2b strömende Flüssigphasen-Kältemitteldurch Wärmevon einem durch einen Kühlwasserkanal 2a strömenden Motorkühlwasserheizt und verdampft, die Expansionsvorrichtung 4, um dieDrehantriebskraft durch Ausdehnen des Hochdruck-Kältemittelszu erzeugen, und einen Kondensator 5 zum Abkühlen und Kondensierendes Kältemittelsauf, wobei die oben genannten Vorrichtungen und Bauteile in Reihe durchRohre verbunden sind, um einen geschlossenen Kreis zu bilden. Indiesem Ausführungsbeispiel wirddas gleiche Kältemittelfür denKühlkreisauch für denClausius-Rankine-Kreis L verwendet, sodass es dahingehend vorteilhaftist, dass die Dichtung zwischen der Expansionsvorrichtung und derKompressorvorrichtung nicht unbedingt erforderlich ist. Ein Ein/Aus-Ventil 3 (eineSchalteinrichtung) eines elektromagnetischen Ventils ist an einerstromaufwärtigenSeite der Expansionsvorrichtung 4 zum Steuern einer Strömung desKältemittelsvorgesehen.
    [0029] 2A ist eine Querschnittsansichtder Expansionsvorrichtung 4 entlang einer Linie IIA-IIAvon 1, bei welcher dieExpansionsvorrichtung 4 ein Drehtyp ist. Eine hermetischgeschlossene Arbeitskammer 49 ist in der Expansionsvorrichtung 4 ausgebildet,um durch Einleiten eines Hochdruck-Gases in die Arbeitskammer 49 undAusdehnen desselben darin eine Drehantriebskraft zu erzeugen unddie Kraft auf die Welle 21 zu übertragen.
    [0030] DieArbeitskammer 49 ist in der folgenden Weise ausgebildet.Ein Mondraum ist durch eine zylindrische Innenfläche eines Zylinders 42 undeine zylindrische Außenfläche einerHülse 47 gebildet, wobeidie zylindrische Außenfläche mitder zylindrischen Innenflächean einer Rotorkontaktlinie 51 in Kontakt ist. Ein vorderesEnde eines Flügels 48 ist schwenkbarmit einem Drehgelenkabschnitt 48a der zylindrischen Außenfläche derHülse 47 verbunden, sodassder Mondraum in zwei Räumegeteilt ist.
    [0031] DerZylinder 42 ist zwischen eine Front- und eine Rückplatte 41 und 43 gesetzt,wobei die Hülse 47 undder Flügel 48 indem Mondraum mit winzigen Spalten zwischen den Längsenden davon und Innenflächen derPlatten 41 und 43 angeordnet sind, sodass dieHülse 47 undder Flügel 48 indem Mondraum bewegbar sind. Wie oben erwähnt, sind zwei Arbeitskammern 49 und 50 gebildet.
    [0032] EinRotor 46 ist übereine Einwegekupplung 45 mit der Welle 21 verbunden,und das Zentrum des Rotors ist von einem Zentrum eines durch diezylindrische Innenflächedes Zylinders 42 gebildeten Kreises exzentrisch. Ein Ölfilm istan einer Außenfläche desRotors 46 gebildet, und der Rotor 46 ist in die Hülse 47 eingesetzt,wobei ein winziger Spalt zwischen dem Rotor 46 und derHülse 47 gebildetist, sodass sie relativ zueinander bewegbar sind.
    [0033] EineKreisnut 43b ist an der Innenfläche der Rückplatte 43 ausgebildet,welche eine Gleitfläche zudem Rotor 46 ist. Ein Platteneinlasskanal 43a ist inder Rückplatte 43 ausgebildet,dessen eines Ende mit der Kreisnut 43b verbunden ist unddessen anderes Ende mit einer in einem vorderen Gehäuse 71 ausgebildetenExpansionsvorrichtungseinlassöffnung 71a verbundenist.
    [0034] EineRotoreinlassöffnung 46a istin dem Rotor 46 ausgebildet, deren eines Ende an einerSeitenflächedes Rotors 46 endet und zu der Kreisnut 43b offenist, sodass ein Ende der Rotoreinlassöffnung 46a immer mitder Kreisnut 43b in Verbindung steht. Die Rotoreinlassöffnung 46a verläuft in demRotor 46 in einer Längsrichtungund das andere Ende davon steht mit einem Ende eines radialen Rotorkanals 46b inVerbindung, welcher in dem Rotor 46 ausgebildet ist undsich in einer radialen Richtung erstreckt und an der Außenumfangsfläche desRotors 46 endet. Eine Hülseneinlassöffnung 47a istin der Hülse 47 angrenzendan den Flügel 48 unddurch die Hülsein der radialen Richtung laufend ausgebildet.
    [0035] EinKanal fürdas Kältemittelist so durch die in dem vorderen Gehäuse 71 ausgebildeteEinlassöffnung 71a,den in der Rückplatte 43 ausgebildeten Platteneinlasskanal 43a,die ebenfalls in der Oberflächeder Rückplatte 43 ausgebildeteKreisnut 43b, die in dem Rotor 46 ausgebildeteRotoreinlassöffnung 46a undden ebenfalls in dem Rotor 46 ausgebildeten radialen Rotorkanal 46b gebildet.Und der obige Kältemittelkanalendet an der Innenflächeder Hülse 47 odersteht mit der Hülseneinlassöffnung 47a inVerbindung, in Abhängigkeitvon einer Drehstellung des Rotors 46.
    [0036] Dadie Hülseneinlassöffnung 47a inder Hülse 47 miteiner gewissen Winkellängegebildet ist, wird das Kältemittelso lange in die Arbeitskammer 49 strömen, wie das äußere Endedes radialen Rotorkanals 46b mit der Hülseneinlassöffnung 47a in Verbindungsteht. Eine Flügelnut 42b istin dem Zylinder 42 ausgebildet, in welche der Flügel 48 mitwinzigen Spalten zwischen dem Flügel 48 undder Flügelnut 42b eingesetztist, sodass sich der Flügel 48 inder Nut 42b zurückund vor bewegt, wobei eine Dichtwirkung gehalten wird.
    [0037] Daein Ende des Flügels 48 mitder Hülse 47 durcheine Drehgelenkverbindung an dem Drehgelenkabschnitt 48a verbundenist, bewegt sich der Flügel 48 inAbhängigkeitvon einer Stellung einer Umlaufbewegung der Hülse 47, nämlich derDrehstellung des Rotors 46 zurück und vor. Ein Dichtelement 22 istan der Welle 21 zum Abdichten eines Spalts zwischen derRückplatteund der Welle 21 angeordnet.
    [0038] 2B zeigt eine Vorderansichtder Frontplatte von rechts in 1,wobei eine Bezugsziffer 41c eine in der Frontplatte 41 ausgebildeteAusgabeöffnungbezeichnet, deren eines Ende zu dem durch den Zylinder 42 unddie Front- und die Rückplatte 41 und 43 gebildetenRaum offen ist und deren anderes Ende mit einem in dem vorderenGehäuse 71 ausgebildetenAusgabekanal (nicht dargestellt) in Verbindung steht.
    [0039] EineFunktionsweise der oben erläuterten Fluidmaschinewird unter Bezugnahme auf 3A bis 3D erläutert. 3A zeigt eine Startstellung des Rotors 46,welche einem Drehwinkel des Rotors 46 von 0° entspricht.Wenn in dieser Stellung ein Hochdruckgas der Expansionsvorrichtungvon dem Clausius-Rankine-Kreis L zugeführt wird, strömt das Hochdruckgasdurch das vordere Gehäuse 71,die Rückplatte 43,den Rotor 46 und die Hülse 47 indie Arbeitskammer 49. Das Hochdruckgas wird dann in derArbeitskammer 49 ausgedehnt, welche von der Innenfläche desZylinders 42, der Außenfläche der Hülse 47,der Schaufel 48, der Frontplatte 41, der Rückplatte 43,dem Drehgelenkabschnitt 48a und der Rotorkontaktlinie 51 umgebenist.
    [0040] Indieser Stellung steht die andere Kammer 50 mit der Ausgabeöffnung 41c inVerbindung, das in die Kammer 50 gefüllte Kältemittelgas wird durch die Ausgabeöffnung 41c ausströmen, wennsich der Rotor 46 dreht.
    [0041] DieExpansionsenergie dreht den Rotor 46 und die Hülse 47,was die Rotorkontaktlinie 51 im Uhrzeigersinn zu einerStellung von 3B bewegt, welcheeinem Drehwinkel des Rotors 46 von 90° entspricht. Bei diesem Vorgangist der Rotor 46 mit der Welle 21 über dieEinwegekupplung 45 verbunden, sodass die Welle 21 ebensoum 90° gedrehtwird. Der Flügel 48 wirdwährenddieses Vorgangs einer 90°-Drehung durch denDrehgelenkabschnitt 48a aus der Nut 42b herausgezogen, da der Flügel 48 mitder Hülse 47 andem Drehgelenkabschnitt 48a durch die Drehgelenkverbindungverbunden ist.
    [0042] DieHülse 47 wirdals Reaktion auf die Dehnung des Hochdruckgases weiter um die Welle 21 zu einerStellung in 3C und zueiner Stellung in 3D gedreht,die einem Drehwinkel des Rotors 46 von 180° bzw. 270° entsprechen.Währenddieser Drehung wird die Welle 21 über die Einwegekupplung 45 ebensoum 270° gedreht.
    [0043] Wenndie Hülse 47 zuder Stellung in 3D kommt,wird die Ausgabeöffnung 41C durchdie Seitenflächender Hülse 47 undden Rotor 46 geschlossen.
    [0044] Wenndie Hülse 47 durchdie Dehnung des Hochdruckgases weiter gedreht wird, kommt die Stellungdes Rotors 46 zu der Startstellung von 3A und ein weiteres Hochdruckgas wirdin die Arbeitskammer strömen,um den obigen Vorgang zu wiederholen. Solange das Hochdruckgas indie Arbeitskammer strömt,dreht sich daher die Hülse 47 weiterund dadurch wird auch die Welle 21 kontinuierlich gedreht.
    [0045] EineFunktionsweise der Fluidmaschine wird unter Bezugnahme auf 1 einschließlich einerBeschreibung eines Aufbaus der Kompressorvorrichtung 7 weitererläutert.Die Kompressorvorrichtung 7 ist ein Verstell- und Taumelscheibenkompressor,der seine Kompressionskapazitätvariieren kann.
    [0046] Wennein Klimabetrieb notwendig ist, wird die Drehantriebskraft von demVerbrennungsmotor durch den Riemen und die Riemenscheibe 6 aufdie Welle 21 übertragen,und eine an der Welle 21 befestigte Platte 76 wirddemgemäß gedreht.Ein Neigungswinkelverstellmechanismus 77 und eine Taumelscheibe 78 werdenebenso gedreht und diese Drehung wird über Schuhe 78a ineine Hubbewegung fürKolben 79 umgesetzt.
    [0047] EinKältemittelgaswird durch die Hubbewegung der Kolben 79 komprimiert undin dem Kühlkreis(nicht dargestellt) zirkuliert. In 1 bezeichnet eineBezugsziffer 72 ein Kurbelgehäuse, 73 ein Zylindergehäuse, 74 einhinteres Gehäuseund 75 eine Ventilplatte, die einen wohlbekannten Kompressor bilden.
    [0048] Wenneine hohe Klimaleistung nicht notwendig ist, wird der Neigungswinkelder Taumelscheibe 78 durch ein Regelventil 80 aufeinen kleinen Winkel geregelt, sodass ein Hub des Kolbens 79 kleinergemacht wird und dadurch die Kompressionsleistung der Kompressorvorrichtung 7 reduziertwird. Demgemäß kann einAntriebsenergieverbrauch von dem Verbrennungsmotor als Reaktionauf die Kühllast verringertwerden. Wenn der Klimabetrieb nicht notwendig ist, wird der Neigungswinkelder Taumelscheibe 78 zu Null gemacht, wobei die Taumelscheibe 78 senkrechtzu der Welle 21 ist, und der Hub des Kolbens 79 wirdzu Null. Als Ergebnis dieses Vorgangs kann der Antriebsenergieverbrauchvon dem Verbrennungsmotor auf seinen Minimalwert gemacht werden.
    [0049] Fallsder Klimabetrieb notwendig ist, aber die Abwärme von dem Verbrennungsmotorzum Antreiben der Expansionsvorrichtung nicht genügt, wirddie Pumpe 1 des Clausius-Rankine-Kreises nicht betriebenund dadurch wird das Hochdruckgas nicht der Expansionsvorrichtung 4 zugeleitet.Da die Welle 21 überdie Einwegekupplung 45 mit der Expansionsvorrichtung 4 wirkverbundenist, wird der Nicht-Betrieb der Expansionsvorrichtung 4 zukeinem Hindernis fürdie Drehbewegung der durch den Verbrennungsmotor angetriebenen Welle 21,d.h. fürden Betrieb der Kompressorvorrichtung 7, selbst wenn die Expansionsvorrichtungnicht läuft.Und der Anstieg des Antriebsenergieverbrauchs von dem Verbrennungsmotorkann auf sein minimales Maß gedrückt werden.
    [0050] Fallsdagegen der Klimabetrieb notwendig ist und Abwärme von dem Verbrennungsmotorausreichend gesammelt werden kann, wird das Kältemittelgas für den Clausius-Rankine-Kreisdurch die Pumpe 1 unter Druck gesetzt und die Expansionsvorrichtung 4 wirdbetrieben. Eis eine Drehzahl der Expansionsvorrichtung 4 eineDrehzahl der Welle 21 erreicht, welche durch den Verbrennungsmotorangetrieben wird, wird die Drehkraft der Expansionsvorrichtung 4 wegender Einwegekupplung 45 nicht auf die Welle übertragen,und deshalb wird die Drehung der Expansionsvorrichtung 4 für die Drehungder Kompressorvorrichtung 7 zu keinem Hindernis.
    [0051] Während desobigen Betriebs wird eine Last auf die Expansionsvorrichtung 4 ausgeübt, dieDrehzahl wird schnell erhöhtund erreicht die Drehzahl der Welle 21. Dann werden dieExpansionsvorrichtung 4 und die Welle 21 vereintund die Drehkraft der Expansionsvorrichtung 4 wird aufdie Welle 21 ausgeübt, sodassdie Drehkräftevon dem Verbrennungsmotor und der Expansionsvorrichtung 4 sichdie Last zum Antreiben der Kompressorvorrichtung 7 teilen.Als Ergebnis kann der Antriebsenergieverbrauch von dem Verbrennungsmotorreduziert werden.
    [0052] Fallsder Klimabetrieb notwendig ist, auch wenn der Verbrennungsmotornicht läuft,wenn zum Beispiel der Motorbetrieb an einer roten Verkehrsampelgestoppt ist, wird die Kompressorvorrichtung 7 durch diean der Expansionsvorrichtung 4 erzeugte Drehkraft fortlaufendbetrieben. Wenn der Motorbetrieb gestoppt ist, kann die Expansionsvorrichtung fortlaufenddie Drehkraft erzeugen, falls die Abwärme von dem Verbrennungsmotorausreichend gesammelt werden kann. In dieser Situation läuft derVerbrennungsmotor nicht und dadurch wird auch die mit dem Verbrennungsmotor über denRiemen verbundene Riemenscheibe 6 nicht gedreht. Da dieEinwegekupplung 61 zwischen die Riemenscheibe 6 und dieWelle 21 gesetzt ist, kann die Welle 21 durchdie Expansionsvorrichtung 4 gedreht werden, selbst wennsich die Riemenscheibe 6 nicht dreht.
    [0053] Wieoben erwähnt,wird die Kompressorvorrichtung 7 durch die Expansionsvorrichtung 4 fortlaufendgedreht und der Klimabetrieb wird fortgesetzt, selbst wenn der Motorbetriebgestoppt ist. Mit anderen Worten kann die Leerlaufabschaltung desVerbrennungsmotors möglichsein, währendder Klimamodus aufrecht erhalten wird, und dadurch kann eine Verbesserungdes Kraftstoffverbrauchsverhältnisses erzieltwerden. In diesem Betrieb wird insbesondere die Kompressorvorrichtung 7 nurdurch die Drehkraft von der Expansionsvorrichtung 4 betrieben,das Kompressionsvolumen der Kompressorvorrichtung 7 istauf ein derart kleines Maß gemacht,bei welchem der minimale Klimabetrieb ausgeführt werden kann, indem derNeigungswinkel der Taumelscheibe 78 ein kleinerer Winkelist.
    [0054] Indem obigen Ausführungsbeispielist die Einwegekupplung 45 zwischen der Expansionsvorrichtung 4 undder Welle 21 angeordnet. Es ist jedoch möglich, dieEinwegekupplung 45 wegzulassen. In diesem Fall ist, obwohldie Expansionsvorrichtung 4 eine Last für den Verbrennungsmotor werdenwürde, dieLast selbst vernachlässigbarklein, weil das Kältemittelgasin der Expansionsvorrichtung 4 einfach verwirbelt wird.
    [0055] Inder obigen Modifikation, insbesondere in dem Fall, dass die Einwegekupplung 45 zwischen derExpansionsvorrichtung und der Welle entfernt ist, kann das Ein/Aus-Ventil 3 aneiner stromaufwärtigen Seiteder Expansionsvorrichtung 4 zum Steuern der Zufuhr desKältemittelgaseszu der Expansionsvorrichtung 4 vorgesehen sein. Es istfür einKraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor notwendig, diesen in einerkürzerenZeit aufzuwärmen,um ein Kraftstoffverbrauchsverhältniszu verbessern und Abgase zu reinigen, insbesondere während desWinters. Fürdiesen Zweck werden in manchen Fällen Zusatzgeräte, wiebeispielsweise eine viskose Kupplung, vorgesehen, um die Last für den Verbrennungsmotorzu erhöhenund das Aufwärmendavon zu beschleunigen.
    [0056] ImFall der obigen Modifikation wird, wenn das Ein/Aus-Ventil 3 während derAufwärmperiode geschlossenist, die Last fürden Verbrennungsmotor höherund die Aufwärmperiodewird kürzer,weil beim Drehen der Expansionsvorrichtung 4 mit dem geschlossenenEin/Aus-Ventil der Druck der Arbeitskammern der Expansionsvorrichtungim Verhältnis zuder Expansion der Arbeitskammer sinkt.
    [0057] Fernerwird in der obigen Modifikation, wenn das Aufwärmen des Verbrennungsmotorsnicht notwendig ist und der Clausius-Rankine-Kreis betrieben wird,das Ein/Aus-Ventil 3 geöffnet.Dann wird die Last fürden Verbrennungsmotor nicht stark erhöht, weil das Kältemittelgasin der Expansionsvorrichtung 4 bei diesem Betrieb einfachverwirbelt wird.
    [0058] Dain dem obigen Ausführungsbeispieldie Expansionsvorrichtung 4 zwischen der Riemenscheibe 6 undder Kompressorvorrichtung 7 angeordnet ist, kann der Aufbauder Kompressorvorrichtung 7 gleich dem gewöhnlichenKompressor sein und kleiner gemacht sein.
    [0059] Dain dem obigen Ausführungsbeispielaußerdemdie Verstellkompressorvorrichtung 7 verwendet wird, kanndie Betriebslast fürdie Expansionsvorrichtung 4 kleiner gemacht werden, wenndie Kompressorvorrichtung 7 nur durch die Expansionsvorrichtung 4 angetriebenwird, wohingegen die Betriebslast für den Verbrennungsmotor größer gemachtwerden kann, wenn das Aufwärmendes Verbrennungsmotors in einer kürzeren Zeit notwendig ist.
    [0060] 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel dervorliegenden Erfindung, welches sich von dem ersten Ausführungsbeispieldarin unterscheidet, dass die Riemenscheibe 6 entferntist und stattdessen eine elektrische Drehmaschine 9 zwischender Expansionsvorrichtung 4 und dem Kompressor 7 vorgesehenist, wobei die elektrische Drehmaschine 9 als Elektromotoroder als Generator arbeitet. Die Fluidmaschine dieses zweiten Ausführungsbeispielsist bevorzugt im Fahrzeug eines Brennstoffzellentyps eingebaut,in welchem die Kompressorvorrichtung 7 für den Kühlkreisdurch den Elektromotor 9 angetrieben wird, wohingegen dieExpansionsvorrichtung 4 für den Clausius-Rankine-KreisL durch Abwärme vonBrennstoffzellenstapeln (FC-Stapel) betrieben wird.
    [0061] Dieelektrische Drehmaschine 9 ist in dem vorderen Gehäuse 71 ausgebildetund weist einen Stator 91 und einen Rotor 92 auf,wobei die Welle 21 fürdie Expansionsvorrichtung 4, die elektrische Drehmaschine 9 unddie Kompressorvorrichtung 7 gemeinsam benutzt wird. DerBetrieb dieses zweiten Ausführungsbeispielswird erläutert.
    [0062] Wennder Klimabetrieb notwendig ist, wird die Welle 21 durchden Elektromotor 9 gedreht und dadurch wird die Kompressorvorrichtung 7 angetrieben.Dann wird das Kältemittelkomprimiert und in dem Kühlkreis(nicht dargestellt) zirkuliert, um den Klimabetrieb durchzuführen. Indiesem Klimabetrieb wird, falls die Abwärme von den FC-Stapeln nicht ausreichendhoch ist, das Kältemittelfür denClausius-Rankine-KreisL nicht durch die Pumpe unter Druck gesetzt und der Expansionsvorrichtung 4 wird keinHochdruck-Kältemittelgaszugeleitet. D.h. die Expansionsvorrichtung 4 wird nichtbetätigt.
    [0063] Dadie Welle 21 überdie Einwegekupplung 45 mit der Expansionsvorrichtung 4 wirkverbunden ist,werden die Drehung der Welle 21 und der Betrieb der Kompressorvorrichtung 7 durchden Nicht-Betrieb der Expansionsvorrichtung 4 nicht beeinflusst unddeshalb ist die zusätzlicheAntriebsenergie des Elektromotors 9, die für die Drehungder Welle 21 notwendig ist, aufgrund der Wirkverbindungmit der Expansionsvorrichtung vernachlässigbar klein. Andererseitsgibt es eine ausreichend hohe Abwärme von den FC-Stapeln während desKlimabetriebs, das Kältemittelgasfür denClausius-Rankine-Kreis L wird durch die Pumpe unter Druck gesetztund das Hochdruck-Kältemittelgaswird der Expansionsvorrichtung 4 zugeführt, um deren Betrieb zu starten.
    [0064] DieExpansionsvorrichtung 4 befindet sich über die Einwegekupplung 45 imLeerlauf, bis ihre Drehzahl die Drehzahl der Welle 21 (undder Kompressorvorrichtung 7) erreicht, während welcherZeit die Drehung der Welle 21 nicht durch die Expansionsvorrichtung 4 beeinflusstist. Und auch während dieserPeriode wird, da keine Drehlast auf die Expansionsvorrichtung 4 ausgeübt wird,die Drehzahl der Expansionsvorrichtung 4 schnell auf dieDrehzahl der Welle 21 und der Kompressorvorrichtung 7 erhöht.
    [0065] Wenndie Drehzahl der Expansionsvorrichtung 4 jene der Welle 21 erreicht,werden dann die Expansionsvorrichtung 4 und die Welle 21 alseine Einheit gedreht und die Drehantriebskraft wird auf die Kompressorvorrichtung 7 ausgeübt, um sichdie Antriebskraft fürdie Kompressorvorrichtung 7 mit dem Elektromotor 9 zuteilen, sodass die notwendige Antriebskraft von dem Elektromotor 9 reduziertwird.
    [0066] Fallsein Mangel an elektrischer Energie von einer Batterie (nicht dargestellt)besteht, wird die Zufuhr der elektrischen Energie gesperrt und derBetrieb der Kompressorvorrichtung 7 wird durch die Drehantriebskraftvon der Expansionsvorrichtung 4 fortgesetzt, solange dieAbwärmevon den FC-Stapeln zur Verfügungsteht. In diesem Fall werden, selbst wenn die Zufuhr der elektrischenEnergie zu der elektrischen Drehmaschine 9 gesperrt ist,die Welle 21 und der Rotor 92 durch die Expansionsvorrichtung 4 gedreht.Und deshalb arbeitet die elektrische Drehmaschine in diesem Fallals Stromgeneratormaschine, um elektrische Energie zu erzeugen. Die erzeugteelektrische Energie wird in die Batterie geladen oder irgendeineranderen elektrischen Vorrichtung zugeführt.
    [0067] Wieoben erwähnt,kann der Klimabetrieb durch Nutzung der Abwärme fortgesetzt werden, selbstwährenddie elektrische Drehmaschine 9 nicht als Elektromotor zumErzeugen der Drehantriebskraft betrieben wird. Zusätzlich wirdeine Energieeinsparung durch das Betreiben der Maschine 9 als Stromgeneratormaschinemöglich.Währenddes obigen Betriebs kann die Kompressorleistung kleiner gemachtwerden, indem der Neigungswinkel der Taumelscheibe 78 zueinem kleineren Winkel gemacht wird, weil die Kompressorvorrichtung 7 nurdurch die Drehantriebskraft von der Expansionsvorrichtung 4 betriebenwird.
    [0068] Eindrittes Ausführungsbeispielwird nun unter Bezugnahme auf 5 erläutert, welchessich von dem ersten Ausführungsbeispieldarin unterscheidet, dass das Volumen der Arbeitskammer für die Expansionsvorrichtung 4 variabelgemacht ist. 5 zeigteine Vorderansicht der Frontplatte 41, welche im Vergleichzu dem ersten Ausführungsbeispielin zwei Teile (eine äußere Platte 41a undeine innere Platte 41b) geteilt ist. Die äußere Platte 41a besitzteine Zylinderbohrung, in welche die innere Platte 41b drehbareingesetzt ist, sodass die Relativposition der inneren Platte 41b zuder äußeren Platte 41a veränderbarwird und die innere Platte 41b in Abhängigkeit von dem Betrieb derExpansionsvorrichtung 4 durch eine Steuereinrichtung (nichtdargestellt) gedreht wird. Wie aus 5 erkennbar,ist die Ausgabeöffnung 41c ebenfallsin der inneren Platte 41b ausgebildet, sodass die Positionder Ausgabeöffnung 41c zusammenmit der inneren Platte 41b veränderbar sein kann.
    [0069] 6A bis 6D zeigen die jeweiligen Stellungen desRotors 46 und der Hülse 47 inden Drehstellungen des Rotors 46 von 0°, 90°, 180° und 270° in der gleichen Weise wie 3A bis 3D. In der in 6A gezeigten Startstellung steht dieArbeitskammer 49 mit dem radialen Rotorkanal 46b durchdie Hülseneinlassöffnung 47a inVerbindung, sodass ein Hochdruck-Kältemittelgas in die Arbeitskammer 49 strömt. Gleichzeitigbeginnt die Arbeitskammer 50 mit der Ausgabeöffnung 41c inVerbindung zu stehen, sodass die Expansion des Kältemittelgases in der Kammer 50 stopptund durch diese Ausgabeöffnung 41c ausströmt.
    [0070] DerRotor 46 und die Hülse 47 werdenentsprechend der Expansion des Kältemittelgasesin der Arbeitskammer 49 gedreht, und die Stellungen des Rotors 46 undder Hülse 47 bewegensich von 6A zu 6B, 6C und 6D. Wenn der Rotor 46 und dieHülse 47 zuder Stellung in 6D kommen,wird die Ausgabeöffnung 41c geschlossenund der Ausgabehub der Arbeitskammer 50 kommt zu einemEnde. Demgemäß wird dasEnde des Ausgabehubes durch die Stellung der Ausgabeöffnung 41c entschieden.
    [0071] In 6A bis 6D ist die Ausgabeöffnung 41c an einemsolchen Punkt positioniert, dass die Ausgabeöffnung 41c geschlossenwird, wenn der Rotor 46 und die Hülse 47 von der Ausgangsstellungvon 6A um 270° gedrehtwerden. Mit anderen Worten startet die Ausgabeöffnung 41c die Kommunikationmit der Arbeitskammer 50, kurz bevor der Rotor 46 inseine Ausgangsstellung von 6A gedreht wird.Falls ein Druck des Clausius-Rankine-Kreises L auf seiner Niederdruckseitehöher wird,sollte das Kältemittelgasin der Arbeitskammer an einem früherenPunkt ausgegeben werden, insbesondere soll der Ausgabehub an demfrüherenPunkt beendet werden. Sonst wird der Druck in der Arbeitskammer niedrigerals der Druck des Clausius-Rankine-Kreises auf seiner Niederdruckseiteund dadurch würde anstelledes Sammelns der Energie aus der Expansion des Kältemittelgases eine zusätzlicheEnergie zum Verringern des Drucks in der Arbeitskammer auf eineSeite eines noch niedrigeren Drucks notwendig werden, was den Wirkungsgradder Expansionsvorrichtung reduziert. (Dies wird als übermäßiges Expansionsphänomen bezeichnet.)
    [0072] Fallsdagegen der Druck des Clausius-Rankine-Kreises L auf seiner Niederdruckseiteniedriger wird, kann mehr Energie durch die Expansion des Kältemittelgasesin der Arbeitskammer gesammelt werden. Und deshalb sollte in einemsolchen Fall der Ausgabehub des Kältemittelgases an einem späteren Punktbeginnen. Wenn die Ausgabeöffnung 41c aneinem solchen früherenPunkt positioniert ist, wird, selbst wenn mehr Energie aus der Expansiondes Kältemittelgasesgesammelt werden kann, das Kältemittelgasdurch die Öffnungder Ausgabeöffnungin die Arbeitskammer ausströmen,was auch den Wirkungsgrad der Expansionsvorrichtung reduziert. (Dieswird als ungenügendesExpansionsphänomen bezeichnet.)
    [0073] 7A bis 7D zeigen die verschiedenen Positionender Ausgabeöffnung 41c zum Ändern des Expansionsvolumensdes Kältemittelgasesin der Arbeitskammer. 7A zeigtdie Position der Ausgabeöffnung 41c,welche gleich der in 6A dargestelltenist. 7B zeigt die Positionder Ausgabeöffnung 41c,welche um 90° imGegenuhrzeigersinn gedreht ist. Diese Drehung wird durch ein Stellglied(nicht dargestellt) durch Drehen der inneren Platte 41b vorgenommen.Mit der Ausgabeöffnung 41c ander Position in 1B wirdder Ausgabehub der Arbeitskammer 50 bei 90° früher beendetals mit der Position der Ausgabeöffnung 41c von 7A. 7C und 7D zeigenebenfalls andere Positionen der Ausgabeöffnung 41c, wobeidie Ausgabeöffnung 41c imUhrzeigersinn weiter um 180° bzw.270° gedrehtist. Wie oben erwähnt,kann der Expansionsraum (das Volumen) der Arbeitskammer vor demStart des Ausgabehubs durch Bewegen der Ausgabeöffnung 41c im Gegenuhrzeigersinnkleiner gemacht werden. Demgemäß kann,wenn der Druck des Clausius-Rankine-Kreises auf seiner Niederdruckseiteerhöhtwird, die Ausgabeöffnung 41c alsReaktion auf einen solchen Druckanstieg im Gegenuhrzeigersinn bewegt werden,um die übermäßige Expansiondes Kältemittelgaseszu unterdrückenund umgekehrt. Als Ergebnis kann die Expansionsvorrichtung 4 durchVeränderndes Expansionsvolumens der Arbeitskammer entsprechend dem Betriebszustanddes Clausius-Rankine-Kreises mit ihrem höchsten Wirkungsgrad betriebenwerden.
    [0074] DerDruck des Clausius-Rankine-Kreises L auf der Niederdruckseite wirdin Abhängigkeitvon den verschiedenen äußeren Bedingungen,zum Beispiel der Menge der gesammelten Abwärme, der Menge des durch denKreis strömendenKältemittelgases,usw. stark verändert.Es kann möglichsein, den Clausius-Rankine-Kreis in einer solchen Weise zu betreiben,dass der Druck des Clausius-Rankine-Kreises auf seiner Niederdruckseiteauf einen gewissen konstanten Wert geregelt wird, sodass die Expansionsvorrichtungmit ihrem höchstenWirkungsgrad betrieben werden kann. Gemäß dem dritten Ausführungsbeispielder vorliegenden Erfindung wird jedoch der höchste Wirkungsgrad der Expansionsvorrichtungdurch Veränderndes Expansionsvolumens des Kältemittelgasesin der Arbeitskammer der Expansionsvorrichtung in Abhängigkeitvon den Betriebszuständendes Clausius-Rankine-Kreises erzielt.
    [0075] 8 zeigt eine vergrößerte Teilquerschnittsansichteiner Dichtkonstruktion fürdie Fluidmaschine gemäß einemvierten Ausführungsbeispielder vorliegenden Erfindung.
    [0076] Indem in 1 dargestelltenersten Ausführungsbeispielist das Dichtelement 22 zwischen der Expansionsvorrichtung 4 undder Kompressorvorrichtung 7 angeordnet, und deshalb können unterschiedlicheKältemittelgasefür denClausius-Rankine-Kreisund den Kühlkreisverwendet werden. Falls die gleiche oder eine ähnliche Art Kältemittelgasfür beideKreise verwendet wird, ist es nicht notwendig, zwischen der Expansionsvorrichtung 4 undder Kompressorvorrichtung 7 streng abzudichten.
    [0077] Indem in 8 dargestelltenvierten Ausführungsbeispielist anstelle des Dichtelements 22 ein zylindrischer Dichtabschnitt 43c aneiner Innenfläche derRückplatte 43 derWelle 21 zugewandt ausgebildet. Der zylindrische Dichtabschnitt 43c indiesem Ausführungsbeispielbedeutet eine solche Innenflächeder Rückplatte 43,dass sie der Außenfläche der Welle 21 miteinem winzigen Spalt zugewandt ist, sodass an der Außenfläche derWelle 21 einfach ein Ölfilmgebildet sein kann und das Kältemittelgasim Wesentlichen an einem Durchströmen zwischen der Expansionsvorrichtungund der Kompressorvorrichtung mit Hilfe des sich in der Längsrichtungerstreckenden winzigen Spalts gehindert werden kann.
    [0078] Esist deshalb im Vergleich zu dem Dichtelement 22 vorteilhafter,dass ein Montageprozess einfacher wird und es keinen durch das Dichtelement verursachtenmechanischen Verlust gibt, um die Energieeinsparung zu verbessern.
    [0079] DasfünfteAusführungsbeispielder vorliegenden Erfindung ist ein Ausführungsbeispiel, in welchemdie Fluidmaschine der vorliegenden Erfindung auf einen KühlkreisR mit einem Heißgas-Bypasskreisangewendet ist, von dem eine schematische Darstellung in 9 gezeigt ist. Die Expansionsvorrichtung 4 unddie Kompressorvorrichtung 7 sind über die Riemenscheibe 6 miteinem Verbrennungsmotor (nicht dargestellt) verbunden. Mit einerAuslassseite der Kompressorvorrichtung 7 ist ein Kondensator 11 über einerstes elektromagnetisches Ventil 10 verbunden, und eineerste Druckverminderungsvorrichtung 13 ist mit dem Kondensator 11 über einRückschlagventil 12 verbunden,wobei die erste Druckverminderungsvorrichtung 13 aus einemKapillarrohr (einer festen Öffnung)aufgebaut ist.
    [0080] EinVerdampfapparat 14 ist mit einer Auslassseite der erstenDruckverminderungsvorrichtung 13 verbunden und auch anseiner stromabwärtigen Seite über einenSpeicher 15 mit der Einlassseite der Kompressorvorrichtung 7 verbunden.Ein Heißgas-Bypasskanal 16 verbindetdie Auslassseite der Kompressorvorrichtung 7 mit der Einlassseitedes Verdampfapparats 14 durch ein zweites elektromagnetischesVentil 17 und eine zweite Druckverminderungsvorrichtung 18,sodass er an dem Ventil 10, dem Kondensator 11,dem Rückschlagventil 12 und derDruckverminderungsvorrichtung 13 vorbei führt. Diezweite Druckverminderungsvorrichtung 18 ist ein Konstantdruckventil,welches geöffnetwird, wenn ein Druck des Kältemittelgasesaus der Kompressorvorrichtung 7 höher als ein vorbestimmter Wertwird.
    [0081] DerVerdampfapparat 14 ist in einem Klimagehäuse (doppelstrichpunktierteLinien) angeordnet und kühltdie Luft aus einem Gebläselüfter 19 während desKlimabetriebs ab. In einem Heizbetrieb strömt ein Hochdruck- und Hochtemperatur-Kältemittelgas(heißesGas) durch den Bypasskanal 16 in den Verdampfapparat 14,um die Luft aus dem Gebläselüfter 19 zuheizen, sodass der Verdampfapparat 14 in diesem Betriebals Wärmestrahlvorrichtungarbeitet. Ein Wärmetauscher 20 istan einer stromabwärtigenSeite des Verdampfapparats 14 in dem Klimagehäuse zumHeizen der hindurch strömendenLuft mittels Motorkühlwassersals Heizquelle angeordnet. Demgemäß wird die klimatisierte Luftdurch Luftleitungen (nicht dargestellt) in eine Fahrgastzelle ausgeblasen.
    [0082] Fallses notwendig ist, den Verbrennungsmotor aufzuwärmen, ist die Temperatur desMotorkühlwassersnicht ausreichend hoch genug, um die Fahrgastzelle zu heizen. Indiesem Fall wird das schnelle Aufwärmen des Verbrennungsmotorsdurch Betreiben der Kompressorvorrichtung 7 so, dass sie eineLast fürden Verbrennungsmotor ist, und Zuführen des Kältemittelgases (heißes Gas)aus der Kompressorvorrichtung 7 durch den Bypasskanal 16 zu demVerdampfapparat 14 erzielt.
    [0083] 10 zeigt ein sechstes Ausführungsbeispielder vorliegenden Erfindung, bei dem die Fluidmaschine gemäß der vorliegendenErfindung in dem Kraftfahrzeug montiert ist und ein Wechselstromgenerator 8 durcheinen Verbrennungsmotor und eine durch Abwärme gedrehte Expansionsvorrichtungangetrieben wird.
    [0084] DieFluidmaschine in diesem Ausführungsbeispielweist die Expansionsvorrichtung 4, den Wechselstromgenerator 8 unddie Riemenscheibe 6 auf, wobei die Welle 21 gemeinsamfür dieobigen Vorrichtungen benutzt wird.
    [0085] DieRiemenscheibe 6 ist mit der Welle 21 über eineEinwegekupplung 61 verbunden. Der Wechselstromgenerator 8 besitzteinen wohlbekannten Aufbau, bei welchem ein Stator 83 undein Rotor 84 in einem vorderen Gehäuse 81 und einem hinterenGehäuse 82 angeordnetsind. Ein Spannungsregler 86 ist in dem hinteren Gehäuse 82 undeinem mittleren Gehäuse 85 angeordnet.
    [0086] DieExpansionsvorrichtung 4 eines Spiraltyps ist an einem derRiemenscheibe 6 abgewandten Ende angeordnet und weist einefeste Spirale 52 und eine bewegbare Spirale 53 auf,deren Spiralwindungen 52b und 53a jeweils miteinanderin Eingriff stehen, um mehrere Arbeitskammern zu bilden. Das aus einerin einem Gehäuse 52 (= die feste Spirale) ausgebildeten Einlassöffnung 52a in dieArbeitskammer strömendeHochdruck-Kältemittelgaswird ausgedehnt und dadurch wird die bewegbare Spirale 53 durchdiese Expansionsenergie gedreht, und das Kältemittelgas strömt durcheinen Auslasskanal 52c durch eine Auslassöffnung 52d aus.
    [0087] DieExpansionsvorrichtung 4 ist mit der Welle 21 über einenKurbelmechanismus 58 wirkverbunden, sodass die Drehungder Welle 21 auf die bewegbare Spirale 53 übertragenwird und ein Radius der Umlaufbewegung der bewegbaren Spule 53 variiert werdenkann. 12A zeigt einePerspektivansicht des Kurbelmechanismus 58, und 13 zeigt eine schematischeDarstellung des Kurbelmechanismus 58 aus einer Richtungeines durch XIII in 12A gekennzeichnetenPfeils, in welcher ein Schlüsselabschnitt 21a andem Ende der Welle 21 befestigt und in eine in einer Buchse 55 ausgebildetenNut 55a eingesetzt ist. Der Schlüsselabschnitt 21a istso ausgebildet, dass eine Längsmittelliniedes Schlüsselabschnitts 21a zueiner Drehrichtung der Welle 21 um einen Winkel θ bezüglich einerauf der Mitte der Welle 21 laufenden Linie geneigt ist,wie in 12B oder 13 dargestellt. Eine Längslänge derNut 55a ist längerals eine Längslänge desSchlüsselabschnitts 21a,sodass der Schlüsselabschnitt 21a inseiner Längsrichtungrelativ zu der Nut 55a bewegbar ist. Ein Bewegungsweg desSchlüsselabschnitts 21a in derNut 55a ist kleiner als ein Abstand zwischen den Spiralwicklungender festen und der bewegbaren Spiral 52 und 53 ineiner auf der Mitte der Buchse 55 laufenden Linie.
    [0088] DieBreite der Nut 55a ist etwas größer als die Breite des Schlüsselabschnitts 21a gemacht,sodass der Schlüsselabschnitt 21a inder Nut 55a bewegbar ist, wie bereits oben erwähnt. EinGegengewicht 56 ist an der Buchse 55 ausgebildet,um eine währendihrer Umlaufbewegung auftretende Zentrifugalkraft der bewegbarenSpirale 53 aufzuheben.
    [0089] DieBuchse 55 ist in eine in der bewegbaren Spirale 53 ausgebildeteZylinderbohrung eingesetzt. Wenn die Welle 21 gedreht wird,wird die Buchse 55 auf einer Achse der Welle 21 gedreht.Demgemäß wird dieUmlaufbewegung der Buchse 55 auf die bewegbare Spirale 53 übertragenund umgekehrt.
    [0090] Wenndie Expansionsvorrichtung betrieben wird und die Drehantriebskraftvon der Expansionsvorrichtung 4 auf die Welle 21 ausgeübt wird,wird die Kraft F1 von der Buchse 55 auf den Schlüsselabschnitt 21a ausgeübt, sodasseine Kraftkomponente F1θ erzeugtwird, um die Buchse 55 in die Richtung dieser Kraftkomponentezu drücken.Als Ergebnis wird ein Abstand zwischen der Mitte der Welle 21 und derMitte der Buchse 55, welcher gleich einem Radius R1 derUmlaufbewegung der bewegbaren Spirale 53 ist, größer.
    [0091] Wenndagegen die Expansionsvorrichtung 4 im Leerlauf ist, tritteine Widerstandskraft F2 an der Buchse 55 auf, sodass eineKraftkomponente F2θ erzeugtwird, um die Buchse 55 in ihre Richtung zu drücken. Dannwird der Radius R2 der Umlaufbewegung der bewegbaren Spirale 53,welcher ein Abstand zwischen der Mitte der Welle 21 undder Mitte der Buchse 55 ist, kleiner. Die Funktionsweisedes Kurbelmechanismus ist in mehr Einzelheiten in einem weiteren Standder Technik beschrieben, zum Beispiel in dem japanischen PatentNr. 2-687873.
    [0092] EineFunktionsweise dieses sechsten Ausführungsbeispiels wird erläutert. Wennein Bedarf an elektrischer Energie hoch ist, wird die Welle 21 durch einenRiemen durch einen Verbrennungsmotor gedreht und der Wechselstromgenerator 8 wirdbetrieben. Die erzeugte elektrische Energie wird in eine Batterie(nicht dargestellt) geladen oder anderen elektrischen Geräten zugeführt. Wennder elektrische Energiebedarf niedrig ist, wird die Erzeugung der elektrischenEnergie durch einen Spannungsregler 86 gesteuert, um denEnergieverbrauch von dem Verbrennungsmotor zu senken. Wenn der elektrische Energiebedarfsehr niedrig ist, wird an dem Wechselstromgenerator 8 keineelektrische Energie erzeugt.
    [0093] Indem obigen Stromgeneratorbetrieb wird, wenn die von dem Verbrennungsmotorzu sammelnde Abwärmeklein ist, das Kältemittelgasdes Clausius-Rankine-Kreises L nicht durch eine Pumpe (nicht dargestellt)unter Druck gesetzt und der Expansionsvorrichtung 4 wirdkein Hochdruckgas zugeführt.Da jedoch die Welle 21 durch den Verbrennungsmotor gedrehtwird, werden der Kurbelmechanismus 58 und die bewegbareSpirale 53 gedreht.
    [0094] Wieoben erwähnt,wird, wenn die bewegbare Spirale über den Kurbelmechanismus 58 durchdie Welle 21 gedreht wird, der Radius der Umlaufbewegungder bewegbaren Spirale kleiner und dadurch wird zwischen den Spiralwindungender festen und der bewegbaren Spirale 52 und 53 einRaum gebildet. Als Ergebnis wird, selbst wenn die bewegbare Spirale 53 mitder Umlaufbewegung gedreht wird, sie nicht als Fluidmaschine arbeitenund deshalb ist der Energieverbrauch zum Bewegen der bewegbaren Spiralesehr klein.
    [0095] Fallses erwünschtist, den Leerlauf der bewegbaren Spirale 53 zu vermeiden,kann eine Einwegekraftübertragungseinrichtung,wie beispielsweise eine Einwegekupplung, anstelle des Kurbelmechanismus 58 zwischender Welle 21 und der bewegbaren Spirale 53 vorgesehensein. Mit diesem Kurbelmechanismus 58 oder der Einwegekupplungfunktionieren die Drehung der Welle 21 und der Betriebdes Wechselstromgenerators 8 gut, selbst wenn die Expansionsvorrichtungnicht in Betrieb ist. Und der Energieverbrauch von dem Verbrennungsmotorkann auf ein minimales Maß gedrückt werden.
    [0096] Indem obigen Stromgeneratorbetrieb wird, wenn die von dem Verbrennungsmotorzu sammelnde Abwärmeausreichend hoch ist, das Kältemittelgasdes Clausius-Rankine-KreisesL durch die Pumpe (nicht dargestellt) unter Druck gesetzt und das Hochdruckgaswird der Expansionsvorrichtung 4 zugeführt, um diese zu betreiben.Bis eine Drehzahl der Expansionsvorrichtung 4 eine Drehzahlder Welle 21 erreicht, befindet sich die Expansionsvorrichtung durchden Kurbelmechanismus 58 (oder die Einwegekupplung) imLeerlauf, sodass die Drehung der Expansionsvorrichtung 4 für die Drehungder Welle 21 kein Hindernis darstellt.
    [0097] Während desobigen Betriebs wird keine Last auf die Expansionsvorrichtung 4 ausgeübt, und deshalbwird die Drehzahl davon schnell auf die Drehzahl der Welle 21 steigen.An diesem Punkt kommt der Kurbelmechanismus 58 (oder dieEinwegekupplung) aus dem Leerlauf, und die Welle 21 wird zusammenmit der Expansionsvorrichtung 4 gedreht. Die Drehantriebskraftvon der Expansionsvorrichtung 4 wird demgemäß auf dieWelle 21 übertragen,und die Expansionsvorrichtung 4 und die durch den Verbrennungsmotorangetriebene Welle 21 teilen sich die Drehkraft für den Wechselstromgenerator 8,um dadurch den Energieverbrauch von dem Verbrennungsmotor zu senken.Obwohl in diesem Ausführungsbeispieldie Expansionsvorrichtung des Spiraltyps verwendet wird, kann auchein anderer Typ der Expansionsvorrichtung benutzt werden, um dengleichen Effekt zu erzielen.
    [0098] Derelektrische Energiebedarf existiert nicht nur während einer Leerlaufabschaltdauerdes Verbrennungsmotors, sondern auch während der Motorbetrieb in eineranderen Situation gestoppt ist. Falls ein Mangel an elektrischerEnergie von der Batterie vorliegt, ist die Stromerzeugung notwendigund deshalb wird in einem solchen Fall die Expansionsvorrichtung 4 betrieben,um den Wechselstromgenerator 8 anzutreiben. Dieser Betriebist möglich,solange es eine ausreichende Menge an von dem Verbrennungsmotorzu sammelnder Abwärmegibt, ob der Verbrennungsmotor in Betrieb ist oder nicht.
    [0099] Dadie Einwegekupplung 61 zwischen der Riemenscheibe 6 undder Welle 21 angeordnet ist, wird die Drehung der Welle 21 durchdie Expansionsvorrichtung 4 nicht durch die Riemenscheibe 6,welche durch den Nicht-Betrieb des Verbrennungsmotors nicht gedrehtwird, beeinflusst.
    [0100] Mitanderen Worten ist es möglich,den Betrieb des Verbrennungsmotors zu stoppen, während die Stromerzeugung aufrechterhalten wird, um eine Reduzierung des Kraftstoffverbrauchsverhältnisses zuerzielen. In diesem Betrieb kann der Wechselstromgenerator 8 durchden Spannungsregler so betrieben werden, dass die minimale Mengeder notwendigen elektrischen Energie erzeugt wird, weil der Wechselstromgenerator 8 durchdie Drehantriebskraft nur von der Expansionsvorrichtung 4 angetriebenwird.
    [0101] Fallsdie Batterie vollständiggeladen ist oder der Verbrennungsmotor mit seinem minimalen Kraftstoffverbrauchsverhältnis betriebenwerden sollte, kann der Betrieb des Wechselstromgenerators 8 durchden Spannungsregler gestoppt werden. Auch in diesem Fall wird, wennes eine ausreichende Abwärmevon dem Verbrennungsmotor gibt, der Clausius-Rankine-Kreis L betriebenund die Drehantriebskraft von der Expansionsvorrichtung 4 kanndurch die Welle 21, die Einwegekupplung 61, dieRiemenscheibe 6 und den Riemen auf den Verbrennungsmotor übertragenwerden, um den Lauf des Verbrennungsmotors zu unterstützen. AlsErgebnis wird die Last auf den Verbrennungsmotor verringert undder Motorbetrieb mit einem geringeren Kraftstoffverbrauch kann erzieltwerden.
    [0102] Wieaus dem obigen sechsten Ausführungsbeispielverständlich,ist die Expansionsvorrichtung 4 an dem Wechselstromgeneratorauf der der Riemenscheibe abgewandten Seite angebracht. Demgemäß kann derWechselstromgenerator gemeinsam für den Verbrennungsmotor (oderein Kraftfahrzeug) benutzt werden, ob die Expansionsvorrichtungnotwendig ist oder nicht. Die Expansionsvorrichtung 4 desSpiraltyps wird hier verwendet, sodass die Welle 21 nichtin die Expansionsvorrichtung 4 ragt, und dadurch kann maneinen kompakten und einfachen Aufbau für die Fluidmaschine erzielen.
    [0103] Dader Kurbelmechanismus 58 zwischen der Weile 21 undder Expansionsvorrichtung 4 angeordnet ist und der Radiusder Umlaufbewegung variiert werden kann, kann eine höhere Dichtwirkungzwischen der festen und der bewegbaren Spirale erzielt werden unddie Last zum Antreiben der Expansionsvorrichtung während ihresNicht-Betriebs durch den Clausius-Rankine-Kreis kann minimiert werden.
    [0104] Dader Wechselstromgenerator 8 als Motorzusatzgerät zwischender Riemenscheibe 6 und der Expansionsvorrichtung 4 angeordnetist, kann ein solcher Wechselstromgenerator mit einem allgemeinenAufbau hier verwendet werden und ein Strom von Kühlluft für den Wechselstromgeneratorwird durch die Expansionsvorrichtung 4 nicht beeinträchtigt.
    [0105] Inden obigen Ausführungsbeispielenwerden die Kompressorvorrichtung und der Wechselstromgenerator alsZusatzgerätebenutzt, welche durch die Expansionsvorrichtung angetrieben werden.Es ist jedoch auch möglich,andere Gerätewie beispielsweise eine Ölpumpefür einServolenkgerät, eineWasserpumpe zum Zirkulieren von Motorkühlwasser, ein viskoses Kupplungsgerät zum Erzeugen einerWärmeenergiewährendeiner Aufwärmperiode beisehr niedriger Umgebungstemperatur, usw. zu verwenden. Die Fluidmaschinegemäß der vorliegendenErfindung kann nicht nur fürdas Kraftfahrzeug, sondern auch für eine Drehmaschine für einenstationärenVerbrennungsmotor eines Klimasystems und dergleichen verwendet werden.
    权利要求:
    Claims (13)
    [1] Fluidmaschine für ein System mit einem Verbrennungsmotor,mit: einem Abwärmesammelkreis(L) zum Sammeln von Abwärmevon dem Verbrennungsmotor und mit einer Expansionsvorrichtung (4)zum Erzeugen einer Drehantriebskraft aus der gesammelten Abwärme; und einemMotorzusatzgerät(7, 8), das mit dem Verbrennungsmotor wirkverbundenist und durch eine Antriebskraft von dem Verbrennungsmotor angetrieben wird,wobei eine Drehwelle (21) gemeinsam als Wellen für die Expansionsvorrichtung(4) und das Motorzusatzgerät (7, 8)verwendet wird, und die Expansionsvorrichtung (4)eine Expansionsvorrichtung zum Verändern ihres Expansionsvolumens ist.
    [2] Fluidmaschine nach Anspruch 1, ferner mit einem Ein/Aus-Regelventil(3) an einer stromaufwärtigenSeite der Expansionsvorrichtung (4).
    [3] Fluidmaschine fürein System mit einem Verbrennungsmotor, mit: einem Abwärmesammelkreis(L) zum Sammeln von Abwärmevon dem Verbrennungsmotor und mit einer Expansionsvorrichtung (4)zum Erzeugen einer Drehantriebskraft aus der gesammelten Abwärme; einerRiemenscheibe (6), die mit dem Verbrennungsmotor wirkverbundenist und durch eine Drehantriebskraft des Verbrennungsmotors angetrieben wird; einerKompressorvorrichtung (7), die einen Kühlkreis (R) bildet; und einerDrehwelle (21), die gemeinsam als Wellen für die Expansionsvorrichtung(4), die Riemenscheibe (6) und die Kompressorvorrichtung(7) verwendet wird.
    [4] Fluidmaschine nach Anspruch 3, ferner mit einer zylindrischenDichtung (43c), die zwischen der Expansionsvorrichtung(4) und der Kompressorvorrichtung (7) vorgesehenist.
    [5] Fluidmaschine nach Anspruch 3, ferner mit einem Heißgas-Bypasskanal(16) zum Zuführeneines Kältemittelgasesaus der Kompressorvorrichtung (7) zu einem Verdampfapparat(14) des Kühlkreises(R).
    [6] Fluidmaschine nach Anspruch 1 oder 3, bei welcherdie Expansionsvorrichtung (4) eine Expansionsvorrichtungdes Spiraltyps ist, bei welcher eine bewegbare Spirale (53)mit einer Umlaufbewegung um eine feste Spirale (52) gedrehtwird.
    [7] Fluidmaschine nach Anspruch 6, ferner mit einem Kurbelmechanismus(58), der zwischen der Welle (21) und der Expansionsvorrichtung(4) angeordnet ist, um einen Radius der Umlaufbewegungder bewegbaren Spirale (53) durch die Drehantriebskraft vonder Expansionsvorrichtung (4) zu variieren.
    [8] Fluidmaschine nach Anspruch 1, bei welcher das Motorzusatzgerät ein Wechselstromgenerator (8)zum Erzeugen elektrischer Energie, wenn er durch die Drehantriebskraftvon dem Verbrennungsmotor und/oder der Expansionsvorrichtung (4)betrieben wird, ist.
    [9] Fluidmaschine nach Anspruch 8, bei welcher derWechselstromgenerator (8) zwischen der Riemenscheibe (6)und der Expansionsvorrichtung (4) angeordnet ist.
    [10] Fluidmaschine fürein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, mit einer Riemenscheibe(6), die mit dem Verbrennungsmotor wirkverbunden ist unddurch eine Drehantriebskraft von dem Verbrennungsmotor drehend angetriebenwird; einem Abwärmesammelkreis(L) zum Sammeln von Abwärmevon dem Verbrennungsmotor und mit einer Expansionsvorrichtung (4)zum Erzeugen einer Drehantriebskraft aus der gesammelten Abwärme; einerKompressorvorrichtung (7), die einen Kühlkreis (R) bildet und mitder Riemenscheibe wirkverbunden ist und durch die Drehantriebskraftvon dem Verbrennungsmotor überdie Riemenscheibe angetrieben wird; und einer Drehwelle (21),die gemeinsam als Wellen für dieRiemenscheibe (6), die Expansionsvorrichtung (4)und die Kompressorvorrichtung (7) verwendet wird, wobeidie Expansionsvorrichtung (4) eine Expansionsvorrichtungzum Verändernihres Expansionsvolumens ist.
    [11] Fluidmaschine fürein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, mit einem Abwärmesammelkreis(L) zum Sammeln von Abwärmevon dem Verbrennungsmotor und mit einer Expansionsvorrichtung (4)zum Erzeugen einer Drehantriebskraft aus der gesammelten Abwärme; einerelektrischen Drehmaschine (19), die wahlweise als Stromgeneratorund als Elektromotor arbeitet; einer Kompressorvorrichtung(7), die einen Kühlkreis (R)bildet und mit der Expansionsvorrichtung (4) und der elektrischenDrehmaschine (9) wirkverbunden ist und durch die Antriebskraftvon der Expansionsvorrichtung (4) und/oder der elektrischenDrehmaschine (9) angetrieben wird; und einer Drehwelle(21), die gemeinsam als Wellen für die Expansionsvorrichtung(4), die elektrische Drehmaschine (9) und dieKompressorvorrichtung (7) verwendet wird.
    [12] Fluidmaschine fürein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, mit einer Riemenscheibe(6), die mit dem Verbrennungsmotor wirkverbunden ist unddurch eine Drehantriebskraft von dem Verbrennungsmotor drehend angetriebenwird; einem Abwärmesammelkreis(L) zum Sammeln von Abwärmevon dem Verbrennungsmotor und mit einer Expansionsvorrichtung (4)zum Erzeugen einer Drehantriebskraft aus der gesammelten Abwärme; einerKompressorvorrichtung (7), die einen Kühlkreis (R) bildet und mitder Riemenscheibe wirkverbunden ist und durch die Antriebskraftvon dem Verbrennungsmotor überdie Riemenscheibe angetrieben wird; einem Heißgas-Bypasskanal(16), der die Auslassseite der Kompressorseite mit einerEinlassseite eines Verdampfapparats des Kühlkreises (R) verbindet; einerVentileinrichtung (17), die in dem Heißgas-Bypasskanal (16)zum wahlweisen Öffnenund Schließendes Bypasskanals (16) vorgesehen ist; und einer Drehwelle(21), die gemeinsam als Wellen für die Riemenscheibe (6),die Expansionsvorrichtung (4) und die Kompressorvorrichtung(7) verwendet wird.
    [13] Fluidmaschine fürein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, mit einer Riemenscheibe(6), die mit dem Verbrennungsmotor wirkverbunden ist unddurch eine Drehantriebskraft von dem Verbrennungsmotor drehend angetriebenwird; einem Abwärmesammelkreis(L) zum Sammeln von Abwärmevon dem Verbrennungsmotor und mit einer Expansionsvorrichtung (4)zum Erzeugen einer Drehantriebskraft aus der gesammelten Abwärme; einemWechselstromgenerator (8) zum Erzeugen elektrischer Energie,der mit der Riemenscheibe (6) und der Expansionsvorrichtung(41 wirkverbunden ist, sodass der Wechselstromgenerator(8) durch die Antriebskraft von dem Verbrennungsmotor und/oder derExpansionsvorrichtung (41 angetrieben wird; und einerDrehwelle (21), die gemeinsam als Wellen für die Riemenscheibe 16),den Wechselstromgenerator (8) und die Expansionsvorrichtung(4) verwendet wird.
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
    US20040211180A1|2004-10-28|
    US7104061B2|2006-09-12|
    US20060179843A1|2006-08-17|
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2010-09-23| 8110| Request for examination paragraph 44|
    2014-06-05| R002| Refusal decision in examination/registration proceedings|
    2014-07-11| R003| Refusal decision now final|
    2014-10-02| R003| Refusal decision now final|Effective date: 20140711 |
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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