DE102005014129B4

DE102005014129B4 - Abwärme eines Verbrennungsmotors nutzendes System

Info

Publication number: DE102005014129B4
Application number: DE102005014129A
Authority: DE
Inventors: Keiichi Kariya Uno; Hironori Kariya Asa; Atsushi Kariya Inaba; Takashi Kariya Yamanaka; Hideji Kariya Yoshida; Hiroshi Nishio Ogawa
Original assignee: Denso Corp; Nippon Soken Inc
Current assignee: Denso Corp; Soken Inc
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2005-03-29
Publication date: 2007-12-20
Anticipated expiration: 2025-03-30
Also published as: DE102005014129A1; CN100340826C; US7181919B2; US20050217288A1; CN1677022A

Abstract

System, das eine Abwärme einer Energiequelle (20) nutzt, mit einem Clausius-Rankine-Kreis (30A), der einen ein Kältemittel kühlenden Kondensator (11), eine das Kältemittel aus dem Kondensator (11) pumpende Pumpe (32); eine das durch die Pumpe (32) gepumpte Kältemittel mit der Abwärme der Energiequelle (20) heizende Heizvorrichtung (30); und eine Druckenergie des Kältemittels von der Heizvorrichtung in kinetische Energie durch Ausdehnen des Kältemittels von der Heizvorrichtung (30) umwandelnde Expansionsvorrichtung (100) enthält; und einer Steuerung (40), die einen Betriebszustand der Pumpe (32) und der Expansionsvorrichtung (100) schaltet, um den Clausius-Rankine-Kreis (30A) zu aktivieren oder zu deaktivieren, wobei die Steuerung (40) eine Zeitverzögerung zwischen dem Schalten des Betriebszustandes der Pumpe (32) und dem Schalten des Betriebszustandes der Expansionsvorrichtung (100) erzielt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System, das Abwärme eines Verbrennungsmotors nutzt. Das System gewinnt die Abwärme des Verbrennungsmotors, insbesondere des Verbrennungsmotors mit einem Kühlkreis und einem Clausius-Rankine-Kreis, wieder.
Das japanische Patent Nr.2540738 zeigt ein herkömmliches System, das eine Abwärme eines Verbrennungsmotors nutzt. Dieses System enthält eine Druckpumpe und eine Heizvorrichtung, die beide parallel zu einem Verdampfapparat des Kühlkreises angeordnet sind. Die Druckpumpe setzt ein Kältemittel in dem Kühlkreis unter Druck, und die Heizvorrichtung heizt das Kältemittel in dem Kühlkreis durch Durchführen eines Wärmeaustausches zwischen dem Motorkühlmittel und dem Kältemittel. Ein Dreiwegeventil kann in einer solchen Weise geschaltet werden, dass die Druckpumpe und die Heizvorrichtung wahlweise mit dem Kühlkreis in Fluidverbindung stehen. Ein durch den Verbrennungsmotor angetriebener Kompressor dient als Expansionsvorrichtung, die ein Kältemittel ausdehnt, um einen Kältemitteldruck in einen kinetischen Druck umzuwandeln.
Wenn das Kältemittel durch die Druckpumpe und die Heizvorrichtung strömt, ist ein Clausius-Rankine-Kreis mit dem Kompressor als Expansionsvorrichtung eingerichtet. Die aus dem Motorkühlmittel abgeleitete Wärmeenergie wird als kinetische Energie wiedergewonnen. Die kinetische Energie wird dem Motor zurückgeführt, um den Kraftstoffverbrauch zu verbessern.
Das obige japanische Patent zeigt Steuerzustände jeder Komponente, wie beispielsweise des Dreiwegeventils, der Druckpumpe und des Kompressors. Es zeigt jedoch keine geeignete Steuerung, um den Kreis zwischen dem Kühlkreis und dem Clausius-Rankine-Kreis zu wechseln.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung bestätigten experimentell die folgenden Tatsachen. Falls der Betriebskreis von dem Kühlkreis zu dem Clausius-Rankine-Kreis ge wechselt wird, strömt das Kältemittel, falls die Druckpumpe betrieben wird und die Expansionsvorrichtung in Betrieb ist, in die Expansionsvorrichtung und wird darin ausgedehnt, sodass die Druckpumpe eine Schwierigkeit hat, den Druck des Kältemittels in einer kurzen Zeitdauer zu erhöhen, wodurch die Energie kaum effektiv wiedergewonnen wird. Falls die Energie nicht in einer kurzen Zeitdauer wiedergewonnen wird, kann die Klimatisierung verschlechtert werden.
Außerdem ist, wenn der Clausius-Rankine-Kreis in den Kühlkreis gewechselt wird, da der Druck des Kältemittels auf der Niederdruckseite beim Starten des Kompressors höher als beim gewöhnlichen Starten des Kompressors im Kühlkreis ist, ein höheres Startdrehmoment als üblich notwendig, um den Kompressor zu starten. Somit ist der Druckverlust des Kompressors erhöht, sodass der Motor kaum ruhig startet. Wenn der Betriebskreis in den Kühlkreis gewechselt wird, während das durch die Druckpumpe im Druck erhöhte Kältemittel nicht als effektive Energie verwendet wird, ist die Arbeit der Druckpumpe vergeudet und der Druckverlust der Druckpumpe erhöht.
Wie oben beschrieben, werden, wenn der Kühlkreis und der Clausius-Rankine-Kreis abwechselnd betrieben werden, verschiedene Verluste erzeugt und der energetische Wirkungsgrad ist nicht besonders gut.
Aus EP 0 045 179 B1 ist eine Raumkonditioniereinrichtung mit einer Brayton-Prozessschaltung bekannt, wobei eine Rankine-Prozess-Wärmepumpenschaltung mit Innen- und Außenwärmetauscherrohrschlangen vorgesehen ist, sowie eine Vorrichtung zur Ableitung von Energie für den Antrieb des Rankine-Prozess-Kompressors aus der Brayton-Prozessschaltung. Weiterhin ist eine Vorrichtung zur Erzeugung nutzbarer Energie aus Abgaswärme in der Brayton-Prozessschaltung mit einem Boiler vorgesehen, der die Brayton-Prozessschaltung und die Rankine-Prozessschaltung so miteinander verbindet, dass das Kühlmittel in der Rankine-Prozessschaltung aus der Abwärme in der Brayton-Prozessschaltung verdampft wird.
Die vorliegende Erfindung ist in Anbetracht der obigen Erläuterungen gemacht und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Abwärme eines Verbrennungsmotors nutzendes System vorzusehen, das einen Energieverlust beim Wechseln zwischen dem Kühlkreis und dem Clausius-Rankine-Kreis reduzieren und Energie effizient wiedergewinnen kann.
Gemäß einem Wärmetauscher der vorliegenden Erfindung enthält das System einen Kühlkreis, den Clausius-Rankine-Kreis und eine Steuerung. Der Kühlkreis enthält einen Kompressor und einen Kondensator. Der Kompressor komprimiert ein Kältemittel, wobei er eine Antriebskraft von dem Verbrennungsmotor empfängt. Der Kondensator kühlt das von dem Kompressor ausgegebene Kältemittel. Der Clausius-Rankine-Kreis enthält einen Kondensator, der gemeinsam mit dem Kühlkreis benutzt wird; eine das aus dem Kondensator ausströmende Kältemittel unter Druck setzende Pumpe; eine das aus der Pumpe ausgegebene Kältemittel mit der Abwärme des Ver brennungsmotors heizende Heizvorrichtung und eine kinetische Energie durch Ausdehnen des aus der Heizvorrichtung strömenden Gasphasen-Kältemittels erzeugende Expansionsvorrichtung. Die Steuerung wechselt einen Betriebskreis zwischen dem Kühlkreis und dem Clausius-Rankine-Kreis und steuert Funktionsweisen des Kühlkreises und des Clausius-Rankine-Kreises. Die Steuerung startet einen Betrieb der Expansionsvorrichtung, nachdem die Pumpe in Betrieb genommen ist, wenn der Kühlkreis in den Clausius-Rankine-Kreis gewechselt wird.
Obige sowie weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen, in denen gleiche Teile durch gleiche Bezugsziffern gekennzeichnet sind, besser verständlich. Dabei zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Abwärme eines Verbrennungsmotors nutzenden Systems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 einen Längsschnitt einer Expansions/Kompressions-Vorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3 ein Hauptflussdiagramm, in dem ein Kühlkreis und ein Clausius-Rankine-Kreis abwechselnd betrieben werden;
4 ein Unterflussdiagramm, in dem der Clausius-Rankine-Kreis seinen Betrieb beginnt;
5 ein Unterflussdiagramm, in dem der Kühlkreis wieder gestartet wird, gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
6 ein Unterflussdiagramm, in dem ein Luftkühlmodus ausgeführt wird;
7 ein Unterflussdiagramm, in dem der Kühlkreis wieder gestartet wird, gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
8 ein Unterflussdiagramm, in dem der Kühlkreis wieder gestartet wird, gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
9 ein Unterflussdiagramm, in dem der Kühlkreis wieder gestartet wird, gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
10 einen Längsschnitt einer Expansions/Kompressions-Vorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
11 einen Längsschnitt einer Expansions/Kompressions-Vorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
12 eine schematische Darstellung eines Abwärme eines Verbrennungsmotors nutzenden Systems gemäß dem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
13 einen Längsschnitt einer Anordnung der Flüssigkeitspumpe, der elektrischen Drehmaschine und eines Pumpen/Motor-Mechanismus.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
(Erstes Ausführungsbeispiel)
In einem ersten Ausführungsbeispiel ist ein Abwärme eines Verbrennungsmotors nutzendes System an einem Hybridfahrzeug oder einem Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, der im Leerlauf abgeschaltet wird, montiert. Das Abwärme des Verbrennungsmotors nutzende System wird nachfolgend als Abwärmenutzungssystem 1 bezeichnet, und der Verbrennungsmotor wird nachfolgend als Motor 20 bezeichnet. Das Abwärmenutzungssystem 1 enthält einen Kühlkreis 10A und einen Clausius-Rankine-Kreis 30A, die Energie aus der in dem Motor 20 erzeugten Abwärme wiedergewinnen. Eine elektronische Steuereinheit 40, die nachfolgend als ECU 40 bezeichnet wird, steuert jeden der Kreise 10A und 30A. Bezug nehmend auf 1 wird eine Gesamtanordnung des Abwärmenutzungssystems 1 beschrieben.
Eine Expansions/Kompressions-Vorrichtung 10 ist eine Fluidmaschine, die in einem Pumpenmodus, in dem ein Gasphasen-Kältemittel komprimiert und ausgegeben wird, und in einem Motormodus, in dem ein expandierender Fluiddruck des überhitzten Gasphasen-Kältemittels in kinetische Energie umgewandelt wird, um eine mechanische Energie auszugeben, arbeitet. Ein Kondensator 11, der mit einem Auslass (Hochdruckanschluss 110, nachfolgend beschrieben) der Expansions/Kompressions-Vorrichtung 10 in Verbindung steht, kühlt das Kältemittel, indem die Wärme davon abgestrahlt wird. Eine Konstruktion der Expansions/Kompressions-Vorrichtung 10 ist unten im Detail beschrieben.
Eine Gas/Flüssigkeits-Trennvorrichtung 12 ist ein Auffanggefäß, welches das aus dem Kondensator 11 geströmte Kältemittel in das Gasphasen-Kältemittel und das Flüssigphasen-Kältemittel trennt. Eine Dekompressionsvorrichtung 13 ist ein thermisch betriebenes Expansionsventil, welches das Flüssigphasen-Kältemittel unter einer konstanten Enthalpie durch Einstellen einer Öffnung davon dekomprimiert und ausdehnt. So wird ein Überhitzungsgrad des Kältemittels stromauf der Expansions/Kompressions-Vorrichtung 10 auf einem bestimmten Wert gehalten, falls die Expansions/Kompressions-Vorrichtung 10 im Pumpenmodus arbeitet.
Ein Verdampfapparat 14 verdampft das hindurch strömende Kältemittel. Wenn die Expansions/Kompressions-Vorrichtung 10 im Pumpenmodus arbeitet, erlaubt ein Rückschlagventil 14a einen Strom des Kältemittels zu einem Ansauganschluss (Niederdruckanschluss 111, nachfolgend beschrieben).
Der Kühlkreis 10A weist die Expansions/Kompressions-Vorrichtung 10, den Kondensator 11, die Gas/Flüssigkeits-Trennvorrichtung 12, die Dekompressionsvorrichtung 13 und den Verdampfapparat 14 auf.
Eine Heizvorrichtung 30 ist in einem Kühlkreis zwischen der Expansions/Kompressions-Vorrichtung 10 und dem Kondensator 11 vorgesehen. Die Heizvorrichtung 30 führt einen Wärmeaustausch zwischen dem hindurch strömenden Kältemittel und einem Motorkühlmittel durch, sodass das Kältemittel geheizt wird. Ein Dreiwegeventil 21 wechselt zwischen einer Stellung, in der das Motorkühlmittel in die Heizvorrichtung 30 strömt, und einer Stellung, in der das Motorkühlmittel nicht in die Heizvorrichtung 30 strömt. Die ECU 40 steuert das Dreiwegeventil 21.
Ein erster Bypasskanal 31 leitet das Flüssigphasen-Kältemittel in der Trennvorrichtung 12 zum Einlass der Heizvorrichtung 30. Eine Flüssigkeitspumpe 32, die einer Pumpe der vorliegenden Erfindung entspricht, und ein einen Strom zur Heizvorrichtung 30 erlaubendes Rückschlagventil 31a sind in dem ersten Bypasskanal 31 vorgesehen. Die Flüssigkeitspumpe 32 ist in diesem Ausführungsbeispiel eine elektrische Pumpe und wird durch die ECU 40 gesteuert.
Ein zweiter Bypasskanal 33 stellt im Motormodus eine Fluidverbindung der Ausgabeseite des Niederdruckanschlusses 111 der Expansions/Kompressions-Vorrichtung 10 mit der Einlassseite des Kondensators 11 her. Der zweite Bypasskanal 33 ist mit einem Rückschlagventil 33a versehen, das einen Kältemittelstrom von der Expansions/Kompressions-Vorrichtung zu dem Kondensator 11 erlaubt.
Ein Auf/Zu-Ventil 34 ist ein elektromagnetisches Ventil, das zwischen dem Kondensator 11 und der Heizvorrichtung 30 angeordnet ist. Die ECU 40 steuert das Auf/Zu-Ventil 34. Ein Ventilmechanismus 107 ist auf der Ausgabeseite (Hochdruckkammer 104, nachfolgend beschrieben) der Expansions/Kompressions-Vorrichtung 10 vorgesehen. Der Ventilmechanismus 107 schaltet den Betrieb der Expansions/Kompressions-Vorrichtung 10 zwischen dem Pumpenmodus und dem Motormodus.
Der Clausius-Rankine-Kreis 30A, der Energie aus der Abwärme mittels der Expansions/Kompressions-Vorrichtung 10 wiedergewinnt, weist die Gas/Flüssigkeits-Trennvorrichtung 12, die Flüssigkeitspumpe 32, die Heizvorrichtung 30 und den Kondensator 11 auf, die gemeinsam mit dem Kühlkreis 10A benutzt werden.
Eine Wasserpumpe 22 zirkuliert ein Motorkühlmittel zwischen dem Motor 20, einem Kühler 23 und der Heizvorrichtung 30. Der Kühler 23 führt einen Wärmeaustausch zwischen dem Motorkühlmittel und einer Umgebungsluft durch, um das Motorkühlmittel zu kühlen. Die Wasserpumpe 22 ist eine durch den Motor 20 angetriebene mechanische Pumpe. Eine durch einen Elektromotor angetriebene elektrische Pumpe kann anstelle der mechanischen Pumpe ebenfalls als Wasserpumpe 22 verwendet werden.
Ein Wassertemperatursensor 24 erfasst eine Temperatur des aus dem Motor 20 ausströmenden Motorkühlmittels, um ein Kältemitteltemperatursignal an die ECU 40 auszugeben.
Die ECU 40 empfängt ein Klimasignal, das basierend auf einer durch einen Fahrgast eingerichteten Solltemperatur, einem Umgebungszustand und dergleichen bestimmt wird. Die ECU 40 steuert die Funktionen des Dreiwegeventils 21, der Flüssigkeitspumpe 32, des Auf/Zu-Ventils 34 und der Expansions/Kompressions-Vorrichtung 10 einschließlich des Ventilmechanismus 107, einer elektrischen Drehmaschine 200 und einer elektromagnetischen Kupplung 300.
Eine Batterie 25 führt der elektrischen Drehmaschine 200 einen geregelten Strom zu. Ein Wechselrichter 26 ist zwischen der Batterie 25 und der elektrischen Drehmaschine 200 vorgesehen, um Wechselstrom in Gleichstrom umzuwandeln. Die durch die elektrische Drehmaschine 200 erzeugte elektrische Energie wird in die Batterie 25 geladen, um elektrischen Verbrauchern 27 wie beispielsweise Scheinwerfern und Hilfsausrüstungen zugeführt zu werden.
Bezug nehmend auf 2 wird nachfolgend ein Aufbau der Expansions/Kompressions-Vorrichtung 10 im Detail beschrieben.
Die Expansions/Kompressions-Vorrichtung 10 weist einen Pumpen/Motor-Mechanismus 100, der das Kältemittel komprimiert oder ausdehnt, die mit einer Welle des Pumpen/Motor-Mechanismus 100 verbundene elektrische Drehmaschine 200 und die elektromagnetische Kupplung 300, die ein Drehmoment auf die Welle 108 überträgt, auf.
Die elektrische Drehmaschine 200 weist einen Statur 210 und einen Rotor 220, der sich in dem Stator 210 dreht, auf. Ein Statorgehäuse 230 nimmt den Stator 210 und den Rotor 220 auf. Wenn dem Statur 210 von der Batterie 25 durch den Wechselrichter 26 Strom zugeführt wird, treibt der Rotor 220 den Pumpen/Motor- Mechanismus 100 an, sodass die elektrische Drehmaschine 200 als ein Elektromotor funktioniert. Wenn dagegen dem Rotor 220 ein Drehmoment zugeführt wird, funktioniert die elektrische Drehmaschine 200 als Generator, der Strom erzeugt.
Die elektromagnetische Kupplung 300 weist eine Riemenscheibe 310, eine Spule 320 und eine Reibungsplatte 330 auf. Die Riemenscheibe 310 empfängt eine Drehkraft von dem Motor 20 durch einen V-Riemen (nicht dargestellt). Die Spule 320 erzeugt ein Magnetfeld. Wenn die Spule 320 erregt wird, wird die Reibungsplatte 330 verschoben, um das Drehmoment von der Riemenscheibe 310 auf die Welle 108 zu übertragen.
Der Pumpen/Motor-Mechanismus 100 hat den gleichen Aufbau wie ein wohlbekannter Spiralkompressor. Das heißt, ein mittleres Gehäuse 101 ist mit dem Statorgehäuse 230 verbunden, an dem eine feste Spirale 102 befestigt ist. Das mittlere Gehäuse 101 und die feste Spirale 102 nehmen eine bewegbare Spirale 103 auf. Die bewegbare Spirale 103 läuft relativ zu der festen Spirale 102 um. Die feste Spirale 102 und die bewegbare Spirale 103 bilden zwischen sich Arbeitskammern „V". Die Hochdruckkammer 104 ist vorgesehen, um ein Hochdruck-Kältemittel aufzunehmen. Der Ventilmechanismus 107 öffnet/schließt Verbindungskanäle 105, 106, die zwischen der Arbeitskammer „V" und der Hockdruckkammer 104 eine Fluidverbindung herstellen.
Die feste Spirale 102 enthält eine Basisplatte 102a und ein festes Spiralblatt 102b, das von der Basisplatte 102a ragt. Die bewegbare Spirale 103 enthält eine Basisplatte 103a und ein bewegbares Spiralblatt 103b, das mit dem festen Spiralblatt 102b der festen Spirale 102 in Eingriff steht. Die bewegbare Spirale 103 läuft um, während das feste Spiralblatt 102b und das bewegbare Spiralblatt 103b miteinander in Eingriff stehen, sodass das Volumen der Arbeitskammer „V" im Pumpenmodus kleiner und im Motormodus größer wird.
Die Welle 108 funktioniert als Drehachse des Rotors 220 und hat an einem Ende davon einen exzentrischen Abschnitt 108a. Die bewegbare Spirale 103 ist durch ein Lager 103c drehbar mit dem exzentrischen Abschnitt 108a verbunden.
Ein Antidrehmechanismus 109 macht es möglich, dass die bewegbare Spirale 103 umläuft, aber eine Eigendrehung von ihr verhindert wird. Wenn die Welle 108 dreht, läuft die bewegbare Spirale 103 bezüglich der Welle 108 um, sodass das Volumen der Arbeitskammer „V" kleiner wird, wenn sie sich dem Zentrum der bewegbaren Spirale 103 nähert, und das Volumen der Arbeitskammer „V" größer wird, wenn sie sich von dem Zentrum weg bewegt.
Der Verbindungskanal 105 ist ein Auslassanschluss, der eine Fluidverbindung der Arbeitskammer „V" in einem minimalen Volumen mit der Hochdruckkammer 104 herstellt, um das komprimierte Kältemittel zu der Hochdruckkammer 104 auszugeben. Der Verbindungskanal 106 ist ein Einlassanschluss, der eine Fluidverbindung der Arbeitskammer „V" in einem maximalen Volumen mit der Hochdruckkammer 104 herstellt, um das überhitzte Gasphasen-Kältemittel in der Hochdruckkammer 104 in die Arbeitskammer „V" einzuleiten. Der Verbindungskanal 105 wird als Auslassanschluss 105 bezeichnet, und der Verbindungskanal 106 wird als Einlassanschluss 106 bezeichnet.
Die Hochdruckkammer 104 hat eine Funktion, dass eine Pulsation des ausgegebenen Kältemittels reduziert wird. Die Hochdruckkammer 104 ist mit einem Hochdruckanschluss 110 versehen, der mit der Heizvorrichtung 30 und dem Kondensator 11 in Fluidverbindung steht.
Das Statorgehäuse 230 ist mit einem Niederdruckanschluss 111 versehen, das mit dem Verdampfapparat 14 und dem zweiten Bypasskanal 33 in Fluidverbindung steht. Der Niederdruckanschluss 111 steht auch mit einem Raum zwischen dem Statorgehäuse 230, dem mittleren Gehäuse 101 und der festen Spirale 102 in Fluidverbindung.
Ein Ausgabeventil 107a ist ein Rückschlagventil, das an dem Auslassanschluss 105 vorgesehen ist und ein Rückströmen des ausgegebenen Kältemittels in der Hochdruckkammer 104 in die Arbeitskammer „V" verhindert. Ein Ventilanschlag 107b ist an der Basisplatte 102a mit einer Schraube 107c befestigt, um einen maximalen Hub des Ventils 107a zu beschränken.
Eine Spule 107a ist ein Ventilkörper, der den Einlassanschluss 106 öffnet/schließt. Ein elektromagnetisches Ventil 107e steuert einen Druck in einer Gegendruckkammer 107f durch Steuern einer Verbindung zwischen dem Niederdruckanschluss 111 und der Gegendruckkammer 107f. Eine Feder 107g drückt die Spule 107a in eine Richtung, dass der Einlassanschluss 106 geschlossen wird. Eine Verengung 107h stellt eine Fluidverbindung der Gegendruckkammer 107f mit der Hochdruckkammer 104 mit einem bestimmten Maß eines Fluidwiderstandes her.
Wenn das elektromagnetische Ventil 107e geöffnet wird, wird der Druck in der Gegendruckkammer 107f niedriger als jener in der Hochdruckkammer 104. Dann bewegt sich die Spule 107d nach rechts in 2, um ein Öffnen des Einlassanschlusses 106 zu bewirken. Da ein Druckverlust an der Verengung 107h sehr klein ist, ist die Menge des aus der Hochdruckkammer 104 zur Gegendruckkammer 107f strömenden Kältemittels vernachlässigbar.
Wenn dagegen das elektromagnetische Ventil 107e geschlossen wird, wird die Spule 107d durch eine Vorspannkraft der Feder 107g nach links in 2 verschoben, sodass der Einlassanschluss geschlossen wird. Das heißt, ein elektrisches Schaltventil, das den Einlassanschluss 106 öffnet/schließt, ist durch die Spule 107d, das elektromagnetische Ventil 107e, die Gegendruckkammer 107f, die Feder 107g und die Verengung 107h aufgebaut. Der Ventilmechanismus 107 weist das elektrische Schaltventil und das Ausgabeventil 107a auf, wobei der Ventilmechanismus 107 den Pumpen/Motor-Mechanismus 100 zwischen dem Pumpenmodus und dem Motormodus schaltet. Die ECU 40 steuert den Betrieb des Ventilmechanismus 107, genauer des elektromagnetischen Ventils 107e.
Bezug nehmend auf 3 bis 6 wird nachfolgend die Funktionsweise des Systems 1 beschrieben. 3 ist ein Hauptflussdiagramm und 4 bis 6 sind Unterflussdiagramme. In diesen Flussdiagrammen wird der Pumpen/Motor-Mechanismus 100 als Kompressor bezeichnet, wenn der Pumpen/Motor-Mechanismus 100 im Pumpenmodus arbeitet, und der Pumpen/Motor-Mechanismus 100 wird als Expansionsvorrichtung bezeichnet, wenn er im Motormodus arbeitet. Wenn die elektrische Drehmaschine 200 Strom erzeugt, wird die elektrische Drehmaschine 200 als Generator bezeichnet. Wenn die elektrische Drehmaschine 200 als elektrische Stromquelle benutzt wird, wird die elektrische Drehmaschine 200 als Motor bezeichnet.
Wenn die ECU 40 ein Klimaanforderungssignal von einem Fahrgast empfängt, startet die ECU 40 in Schritt S100 den Klimabetrieb. Der Pumpen/Motor-Mechanismus 100 beginnt, das Kältemittel in dem Kühlkreis 10A zu komprimieren.
Das Auf/Zu-Ventil 34 wird geöffnet, während die Flüssigkeitspumpe 32 nicht angetrieben wird. Das Dreiwegeventil 21 wird in einer solchen Weise gedreht, dass kein Motorkühlmittel in die Heizvorrichtung 30 strömt. Das elektrische Ventil 107e wird geschlossen, um den Einlassanschluss 106 mittels der Spule 107d zu schließen.
Wenn der Motor 20 läuft, wird die Drehkraft des Motors 20 mit der eingekoppelten elektromagnetischen Kupplung 300 auf die Welle 108 übertragen. Wenn der Motor 20 abgeschaltet wird, dreht die elektrische Drehmaschine 200 die Welle 108 bei ausgekoppelter elektromagnetischer Kupplung 300.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Welle 108 gemeinsam durch den Rotor 220 und den Pumpen/Motor-Mechanismus 100 benutzt. Wenn die Welle 108 durch den Motor angetrieben wird, arbeitet die elektrische Drehmaschine 200 als Generator. Es ist daher bevorzugt, dass der erzeugte Strom in die Batterie 25 geladen wird oder die elektrische Drehmaschine 200 keine Last für den Motor 20 darstellt, der Strom von dem Stator 210 empfängt.
Die Expansions/Kompressions-Vorrichtung 10 saugt das Kältemittel in die Arbeitskammer „V" durch den Niederdruckanschluss 111 und komprimiert das Kältemittel darin. Das komprimierte Kältemittel wird durch den Auslassanschluss 105, die Hochdruckkammer 104 und den Hochdruckanschluss 110 in der gleichen Weise wie bei einem wohlbekannten Spiralkompressor zum Kondensator 11 ausgegeben.
Das ausgegebenen Kältemittel zirkuliert durch die Heizvorrichtung 30, das Auf/Zu-Ventil 34, den Kondensator 11, die Gas/Flüssigkeits-Trennvorrichtung 12, die Dekompressionsvorrichtung 13, den Verdampfapparat 14, das Rückschlagventil 14a und den Niederdruckanschluss 111 der Expansions/Kompressions-Vorrichtung 10 in dieser Reihenfolge, wodurch der Kühlkreis 10A eingerichtet ist. Der Verdampfapparat 14 nimmt Wärme aus der Luft auf, die in das Innere des Fahrzeugs eingeleitet werden soll. Da das Motorkühlmittel nicht in die Heizvorrichtung 30 strömt, wird das Kältemittel nicht durch das Motorkühlmittel geheizt. Die Heizvorrichtung 30 ist nur ein Kanal, durch welchen das Kältemittel in diesem Kreis strömt.
Als nächstes geht der Prozess weiter zu Schritt S110, in dem die ECU 40 basierend auf dem Klimaanforderungssignal und dergleichen bestimmt, ob die Luftkühlung beibehalten werden soll. Bei „Y" in Schritt S110 geht der Prozess weiter zu Schritt S120, in dem der Kühlkreis in Betrieb gehalten wird (Dauerbetrieb).
Wenn die Bestimmung in Schritt S110 „N" ist, geht der Prozess weiter zu Schritt S130, in dem der Luftkühlbetrieb beendet wird. Das heißt, die elektromagnetische Kupplung 300 wird ausgekoppelt oder der Betrieb des Pumpen/Motor-Mechanismus 100 wird gestoppt.
In Schritt S140 bestimmt die ECU 40 basierend auf dem erfassten Signal des Wassertemperatursensors 24, ob der Zustand für den Betrieb des Clausius-Rankine-Kreises eingerichtet ist. Wenn die Temperatur des Motorkühlmittels höher als ein bestimmter Wert ist, wird bestimmt, dass der Zustand zum Betrieb des Clausius-Rankine-Kreises erfüllt ist, sodass die Energie der Abwärme wiedergewonnen wird. Wenn dagegen die Temperatur des Motorkühlmittels niedriger als der bestimmte Wert ist, wird bestimmt, das der Zustand noch nicht eingerichtet ist.
Bei einer Bestimmung „Y" in Schritt S140 geht der Prozess weiter zu Schritt S200, in dem der Clausius-Rankine-Kreis seinen Betrieb beginnt. Bei „N" geht der Prozess zurück zu Schritt S110.
In Schritt S200 werden die Flüssigkeitspumpe 32 und der Pumpen/Motor-Mechanismus 100 im Motormodus exakt gesteuert. Bezug nehmend auf 4 wird nachfolgend der Betrieb des Clausius-Rankine-Kreises beschrieben.
In Schritt S210 wird der Betrieb vom Kühlkreis 10A zum Clausius-Rankine-Kreis 30A gewechselt. Das heißt, das Auf/Zu-Ventil 34 wird geschlossen und das Dreiwege ventil 21 wird so gedreht, dass das Motorkühlmittel zur Heizvorrichtung 30 zirkuliert.
In Schritt S220 startet die Flüssigkeitspumpe 32 ihren Betrieb, um den Druck des von der Gas/Flüssigkeits-Trennvorrichtung 12 in die Heizvorrichtung 30 strömenden Kältemittels zu erhöhen. Da hierbei der Einlassanschluss durch die Spule 107d geschlossen wird, strömt das Kältemittel kaum in die Arbeitskammer „V".
In Schritt S230 wird bestimmt, ob eine bestimmte Zeitdauer t1 (entsprechend einer ersten bestimmten Zeitdauer der vorliegenden Erfindung) verstrichen ist. In Schritt S240 beginnt der Pumpen/Motor-Mechanismus 100, im Motormodus als Expansionsvorrichtung angetrieben zu werden. Die bestimmte Zeitdauer t1 ist eine Zeitdauer, in der die Temperatur des Kältemittels in der Heizvorrichtung 30 relativ zur Temperatur des Motorkühlmittels ausreichend steigen kann. Beim Starten des Pumpen/Motor-Mechanismus 100 im Motormodus ist es notwendig, den Pumpen/Motor-Mechanismus 100 durch eine externe Kraft anzutreiben. In diesem Ausführungsbeispiel wird die elektrische Drehmaschine 200 als Motor betrieben, um zuerst die bewegbare Spirale 103 bis zu einer bestimmten Drehzahl umlaufen zu lassen. Die Drehrichtung der bewegbaren Spirale 103 im Motormodus ist entgegengesetzt zu jener der bewegbaren Spirale 103 im Pumpenmodus.
In Schritt S250 wird das elektromagnetische Ventil 107e geöffnet, sodass sich die Spule 107d nach rechts in 2 bewegt, um den Einlassanschluss 106 zu öffnen, wodurch der Pumpen/Motor-Mechanismus 100 im Motormodus betrieben werden kann. Dann endet die Unterroutine des Startens des Clausius-Rankine-Kreis 30A, um weiter zu Schritt S300 zu gehen.
In Schritt S300 wird der Clausius-Rankine-Kreis kontinuierlich betrieben. Das Kältemittel wird durch die Heizvorrichtung geheizt und in die Hochdruckkammer 104 eingeleitet. Das überhitzte Gasphasen-Kältemittel in der Hochdruckkammer 104 wird durch den Einlassanschluss 106 in die Arbeitskammer „V" eingeleitet, um die bewegbare Spirale anzutreiben, um die Drehung der Antriebswelle 108 zu erhalten. Die Welle 108 dreht den Rotor 220, um durch die elektrische Drehmaschine Strom zu erzeugen. Der erzeugte Strom wird in die Batterie 25 geladen.
Das eingeleitete Kältemittel in der Arbeitskammer „V" wird ausgedehnt, sodass die bewegbare Spirale 103 in Drehung gehalten wird. Wie oben beschrieben, wird die bewegbare Spirale 103 zu Beginn durch die elektrische Drehmaschine 200 gedreht. Nachdem die bewegbare Spirale 103 ihre Drehung durch die Kraft des ausdehnenden Kältemittels begonnen hat, stoppt die elektrische Drehmaschine 200 ihren Betrieb als Motor. Das ausgedehnte und dekomprimierte Kältemittel wird durch den Niederdruckanschluss 111 ausgegeben, und die Drehenergie der bewegbaren Spirale 103 wird auf den Rotor 220 der elektrischen Drehmaschine 200 übertragen.
Das durch den Niederdruckanschluss 111 ausgegebene Kältemittel zirkuliert durch den zweiten Bypasskanal 33, das Rückschlagventil 33a, den Kondensator 11, die Gas/Flüssigkeits-Trennvorrichtung 12, den ersten Bypasskanal 31, das Rückschlagventil 31a, die Flüssigkeitspumpe 32, die Heizvorrichtung 30, den Hochdruckanschluss 110 der Expansions/Kompressions-Vorrichtung 100 in dieser Reihenfolge, um den Clausius-Rankine-Kreis 30A einzurichten.
Während der Clausius-Rankine-Kreis 30A betrieben wird, wird die Drehzahl der elektrischen Drehmaschine 200 basierend auf der Temperatur des Motorkühlmittels so gesteuert, dass der maximale Strom erzielt wird. Das heißt, wenn der Druck des durch die Heizvorrichtung 30 strömenden Kältemittels bezüglich der Temperatur des Motorkühlmittels zu hoch ist, wird die Drehzahl der elektrischen Drehmaschine erhöht, um die Expansion zu beschleunigen, um dessen Druck zu senken. Wenn dagegen der Druck des Kältemittels zu niedrig ist, wird die Drehzahl der elektrischen Drehmaschine verringert, um den Druck zu erhöhen. Der Clausius-Rankine-Kreis 30A wird betrieben, um den Strom zu erhalten, wie oben beschrieben.
Nachdem der Clausius-Rankine-Kreis 30A kontinuierlich betrieben wird, wird in Schritt S310 in der gleichen Weise wie in Schritt S110 bestimmt, ob die Luftkühlung notwendig ist. Das heißt, während der Clausius-Rankine-Kreis 30A betrieben wird, wird der Kühlkreis 10A gestoppt, sodass die Innentemperatur des Fahrzeugs höher als die voreingestellte Temperatur sein kann.
Bei „N" in Schritt S310 wird der Prozess des Schritts S300 wiederholt. Bei „Y" in Schritt S310 wird der Betrieb des Clausius-Rankine-Kreises 30A gestoppt, in dem das Dreiwegeventil 21 in einer solchen Weise gedreht wird, dass das Motorkühlmittel kaum durch die Heizvorrichtung 30 strömt.
Dann wird in Schritt S400 der Kühlkreis 10A wieder in Betrieb genommen. Die Abschaltzeit der Flüssigkeitspumpe 32 und des Pumpen/Motor-Mechanismus 100 im Motormodus wird in Schritt S400 genau gesteuert. Die Startzeit des Pumpen/Motor-Mechanismus 100 im Pumpenmodus wird ebenfalls in Schritt S400 genau gesteuert. Bezug nehmend auf 5 und 6 wird der Prozess nachfolgend im Detail beschrieben.
In Schritt S405 wird die Flüssigkeitspumpe 32 abgeschaltet, während die Wiedergewinnung des Stroms durch die elektrische Drehmaschine 200 in Schritt S410 beibehalten wird. Dann wird in Schritt S415A bestimmt, ob eine bestimmte Zeitdauer t2, welche einer zweiten bestimmten Zeitdauer in der vorliegenden Erfindung entspricht, verstrichen ist, seitdem die Flüssigkeitspumpe abgeschaltet ist. Die bestimmte Zeitdauer t2 ist eine Zeitdauer, in welcher der Druck des von der Heizvorrichtung 30 ausgegebenen überhitzten Gasphasen-Kältemittels sinkt, bis keine Expansion mehr erzielt wird.
Bei „N" in Schritt S41 SA wird der Prozess von Schritt S410 wiederholt. Bei „Y" in Schritt S41 SA wird der Pumpen/Motor-Mechanismus 100 in den Pumpenmodus gewechselt. Das elektromagnetische Ventil 107e wird geschlossen, sodass die Spule 107d den Einlassanschluss 106 schließt. Dann stoppt die elektrische Drehmaschine 200, um in Schritt S425 die Stromerzeugung zu stoppen. Das Auf/Zu-Ventil 34 öffnet in Schritt S430, sodass der Kreisbetrieb vom Clausius-Rankine-Kreis 30A zum Kühlkreis 10A gewechselt wird.
Wenn der Kühlkreis 10A betrieben wird, wird in Schritt S435 bestimmt, ob der Clausius-Rankine-Kreis 30A im vorherigen Schritt in Betrieb gewesen ist. Bei „Y" in Schritt S440 geht der Prozess weiter zu Schritt S440, in dem bestimmt wird, ob der Druck auf der Niederdruckseite des Pumpen/Motor-Mechanismus 100 nicht niedriger als ein bestimmter Wert P3 ist, der einem dritten bestimmten Druck in der vor liegenden Erfindung entspricht. Wenn bestimmt wird, dass der Druck nicht niedriger als der bestimmte Wert P3 ist, geht der Prozess weiter zu Schritt S445. Der bestimmte Druck P3 ist ein Druck, mit dem der Pumpen/Motor-Mechanismus 100 im Pumpenmodus ohne ein übermäßiges Anfangsdrehmoment betrieben werden kann.
In Schritt S445 wird die elektrische Drehmaschine 200 als Elektromotor betrieben, der den Pumpen/Motor-Mechanismus 100 im Pumpenmodus antreibt. Zu dem Zeitpunkt, wenn der Druck auf der Niederdruckseite unter den bestimmten Druck P3 sinkt, wird die Antriebswelle des Pumpen/Motor-Mechanismus 100 in Schritt S450 von der elektrischen Drehmaschine 200 zum Motor 20 gewechselt. Dies erfolgt durch Abschalten der elektrischen Drehmaschine 200 und durch Einkoppeln der elektromagnetischen Kupplung 300.
Bei „N" in Schritt S435 geht der Prozess weiter zu Schritt S445. Bei „N" in Schritt S440 wird bestimmt, dass der Druck auf der Niederdruckseite nicht ausreicht, um den Pumpen/Motor-Mechanismus 100 durch die elektrische Drehmaschine 200 anzutreiben, weshalb der Prozess dann zu Schritt S450 geht, in dem der Pumpen/Motor-Mechanismus 100 durch den Motor 20 angetrieben wird. Anschließend geht der Prozess weiter zu Schritt S120, in dem der Kühlkreis 10A wie oben beschrieben kontinuierlich betrieben wird.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel können folgende Effekt erzielt werden.
Wenn der Kreisbetrieb vom Kühlkreis 10A zum Clausius-Rankine-Kreis 30A gewechselt wird, wird der Pumpen/Motor-Mechanismus 100 zum Betrieb im Motormodus gebracht, nachdem die bestimmte Zeitdauer t1 verstrichen ist, seitdem die Flüssigkeitspumpe 32 in Betrieb genommen wird (Schritte S220 bis S240).
Nachdem die elektrische Drehmaschine 200 als Motor betrieben wird, öffnet zu diesem Zeitpunkt die Spule 104d den Einlassanschluss 106, um den Betriebsmodus vom Pumpenmodus zum Motormodus zu wechseln (Schritte S240 bis 250). So kann die Energie des geheizten Kältemittels effizient in kinetische Energie umgesetzt werden.
Wenn der Kreisbetrieb vom Clausius-Rankine-Kreis 30A zum Kühlkreis 10A gewechselt wird, wird der Pumpen/Motor-Mechanismus 100 im Motormodus gestoppt, nachdem die Flüssigkeitspumpe 32 abgeschaltet wird und die bestimmte Zeitdauer t2 verstrichen ist (Schritte S405 bis S420). So wird das überhitzte Gasphasen-Kältemittel in dem Pumpen/Motor-Mechanismus 100 in der bestimmten Zeit t2 ausgedehnt, um die Wärmeenergie des Kältemittels effizient wiederzugewinnen.
Hierbei wird der Druck des Kältemittels durch den Betrieb des Pumpen/Motor-Mechanismus 100 reduziert, und das Anfangsdrehmoment zum Antreiben des Pumpen/Motor-Mechanismus 100 im Pumpenmodus wird daran gehindert, hoch zu werden. So wird die Last des Motors 20 reduziert.
Außerdem wird, wenn der Pumpen/Motor-Mechanismus 100 gestoppt wird, die elektrische Drehmaschine 200 gestoppt, nachdem die Spule 107d den Einlassanschluss 106 schließt, um den Betriebsmodus vom Motormodus zum Pumpenmodus zu wechseln (Schritte S420 bis S425). So wird, nachdem die Drehkraft des Pumpen/Motor-Mechanismus 100 im Motormodus (Expansion) verbraucht ist, die elektrische Drehmaschine 200 gestoppt, sodass die elektrische Drehmaschine 200 nicht als Bremse zum Aufheben der Expansionsenergie dient. Das heißt, unnötiger Strom wird kaum verbraucht.
Wenn der Pumpen/Motor-Mechanismus 100 seinen Betrieb im Pumpenmodus startet, treibt die elektrische Drehmaschine 200 zunächst den Pumpen/Motor-Mechanismus 100 an, dann treibt der Motor 20 den Pumpen/Motor-Mechanismus 100 anstelle der elektrischen Drehmaschine 200 an (Schritte S445 bis S450). So muss der Motor 20 nicht beginnen, den Pumpen/Motor-Mechanismus 100 zu Beginn anzutreiben, sodass eine Schwankung der Motordrehzahl beschränkt ist.
Hierbei wird bestimmt, ob die elektrische Drehmaschine 200 in Betrieb gesetzt werden sollte (Schritte S440 bis S445), sodass verhindert wird, dass die elektrische Drehmaschine 200 unnötig betrieben wird.
Außerdem wird das System 1 kompakt, da der Pumpen/Motor-Mechanismus 100 als Kompressor und als Expansionsvorrichtung dient.
In Schritt S230 des in 4 dargestellten Unterflussdiagramms kann die bestimmte Zeitdauer t1 durch einen bestimmten Druck P1 des Kältemittels (einen ersten bestimmten Druck in der vorliegenden Erfindung) ersetzt werden. Wenn der Druck des durch die Flüssigkeitspumpe komprimierten Kältemittels höher als der bestimmte Druck P1 wird, kann der Pumpen/Motor-Mechanismus 100 seinen Betrieb im Motormodus starten.
In den Schritten S440 bis S445 des Unterflussdiagramms in 6 betreibt die elektrische Drehmaschine 200 den Pumpen/Motor-Mechanismus 100 entsprechend dem Druck auf der Niederdruckseite. Statt dessen kann, nachdem die elektrische Drehmaschine 200 den Pumpen/Motor-Mechanismus 100 für eine bestimmte Zeitdauer t3 (eine dritte bestimmte Zeitdauer der vorliegenden Erfindung) antreibt, der Motor 20 die elektrische Drehmaschine 200 betreiben.
(Zweites Ausführungsbeispiel)
Bezug nehmend auf 7 bis 9 wird nachfolgend das zweite Ausführungsbeispiel beschrieben. Der Unterschied zwischen 5 und 7 besteht darin, das Schritt S41 SA in 5 durch Schritt S415B in 7 ersetzt ist.
Das heißt, nachdem die Flüssigkeitspumpe 32 in Schritt S405 abgeschaltet ist, wird in Schritt S415b bestimmt, ob der Druck des Kältemittels auf der Hochdruckseite unter den bestimmten Druck P2 (ein zweiter bestimmter Druck der vorliegenden Erfindung) gesunken ist. Der zweite bestimmte Druck P2 ist ein Druck, bei dem keine Expansion in dem Pumpen/Motor-Mechanismus 100 stattfindet.
Alternativ kann, wie in Schritt S415C in 8 angegeben, bestimmt werden, ob der Druckunterschied zwischen dem Druck auf der Hochdruckseite und dem Druck auf der Niederdruckseite der Flüssigkeitspumpe 32 unter eine bestimmte Druckdifferenz ΔP gesunken ist.
Wenn der bestimmte Druck P2 in Schritt S415B benutzt wird, ist der bestimmte Druck P2 nicht immer genau, falls der Druck auf der Hochdruckseite des Clausius-Rankine-Kreises 30A niedrig ist. Durch Verwenden der bestimmten Druckdifferenz ΔP wird die Bestimmung, bei welcher der Pumpen/Motor-Mechanismus 100 im Motormodus gestoppt wird, genau ausgeführt.
Alternativ kann, wie in Schritt S415D in 9 angegeben, bestimmt werden, ob die Menge des durch die elektrische Drehmaschine erzeugten Stroms unter eine bestimmte Menge erzeugten Stroms W sinkt.
(Drittes Ausführungsbeispiel)
10 zeigt das dritte Ausführungsbeispiel, in dem die Expansions/Kompressions-Vorrichtung 10 im Vergleich zu dem ersten und dem zweiten Ausführungsbeispiel geändert ist.
Die Expansions/Kompressions-Vorrichtung 10 hat einen variablen Geschwindigkeitsmechanismus 400 mit einem Planetengetriebemechanismus, der einen Kraftübertragungsweg umschalten und die Drehgeschwindigkeit erhöhen/verringern kann.
Der variable Geschwindigkeitsmechanismus 400 hat ein Sonnenrad 401 in seiner Mitte, ein kleines Zahnrad 402a, einen Planetenträger 402 und ein Hohlrad 403. Das Sonnenrad 401 ist mit dem Rotor 220 der elektrischen Drehmaschine 200 integriert. Der Planetenträger 402 ist mit der Welle 331 integriert, die mit der Reibungsplatte 330 der elektromagnetischen Kupplung 300 dreht. Das Hohlrad 403 ist mit der Welle 408 integriert.
Eine Einwegekupplung 500 ist zwischen der Welle 331 und dem Statorgehäuse 230 angeordnet. Die Einwegekupplung 500 erlaubt die Drehung der Welle 331 in einer Richtung, welche der Drehrichtung der Riemenscheibe 310 entspricht. Ein Lager 404 hält das Sonnenrad 401 und den Rotor 220 bezüglich der Welle 331 drehbar und ein Lager 405 hält die Welle 331 (den Planetenträger 402) bezüglich der Welle 108 drehbar.
Wenn die elektromagnetische Kupplung 300 eingekoppelt ist, um die Drehkraft von dem Motor 20 auf die Expansions/Kompressions-Vorrichtung 10 zu übertragen, wird der Pumpen/Motor-Mechanismus 100 im Pumpenmodus mit hoher Geschwindigkeit betrieben, indem der Strom an die elektrische Drehmaschine 200 in einer solchen Weise angelegt wird, dass das Drehmoment in dem Rotor 220 erzeugt wird, um so das Sonnenrad 401 und den Rotor 220 nicht zu drehen. Die Drehgeschwindigkeit des Pumpen/Motor-Mechanismus 100 wird durch Verändern der Drehzahl der elektrischen Drehmaschine 200 verändert.
Wenn die elektromagnetische Kupplung 300 ausgekoppelt ist, empfängt die elektrische Drehmaschine 200 den Strom, um den Pumpen/Motor-Mechanismus 100 in einer solchen Weise zu drehen, das die elektrische Drehmaschine 200 in der Gegenrichtung zur Drehung der Riemenscheibe 310 dreht, sodass der Pumpen/Motor-Mechanismus 100 im Pumpenmodus betrieben wird. In diesem Moment drehen die Welle 331 und der Planetenträger 402 durch die Einwegekupplung 500 nicht, sodass die Drehkraft der elektrischen Drehmaschine 200 durch den variablen Geschwindigkeitsmechanismus 400 reduziert und zum Pumpen/Motor-Mechanismus 100 übertragen wird.
Der Pumpen/Motor-Mechanismus 100 wird im Motormodus betrieben, in dem er das überhitzte Kältemittel aus der Heizvorrichtung 30 in dem Zustand empfängt, dass die elektromagnetische Kupplung 300 ausgekoppelt ist. Hierbei dreht die Welle 331 durch die Einwegekupplung 500 nicht, sodass die Drehkraft des Pumpen/Motor-Mechanismus 100 beschleunigt zur elektrischen Drehmaschine 200 übertragen wird, um den Strom zu erzeugen.
In der Expansions/Kompressions-Vorrichtung 10 wird während des Betriebs des Kühlkreises 10A die elektrische Drehmaschine 200 als Generator betrieben. So kann, wenn der Kühlkreis 10A in Schritt S400 in 3 wieder in Betrieb genommen wird, der Schritt S425 in 5 übersprungen werden, um den Energieverlust durch das Beschleunigen und Bremsen der elektrischen Drehmaschine 200 zu reduzieren.
(Weitere Ausführungsbeispiele)
In den obigen Ausführungsbeispielen hat der Pumpen/Motor-Mechanismus 100 eine Funktion eines Kompressors und eine Funktion einer Expansionsvorrichtung. Alternativ können der Kompressor und die Expansionsvorrichtung separat vorgesehen sein, die parallel zwischen dem Verdampfapparat 14 und der Heizvorrichtung 30 angeordnet sind.
Der Pumpen/Motor-Mechanismus 100 kann außer einem Spiraltyp auch einen Drehtyp, einen Kolbentyp, einen Schiebertyp und dergleichen annehmen. Der erzeugte Strom kann mittels eines Schwungrades oder einer Feder in elektrische Energie umgewandelt werden.
Obwohl der Pumpen/Motor-Mechanismus 100 in den obigen Ausführungsbeispielen durch den Motor 20 angetrieben wird, kann der Pumpen/Motor-Mechanismus 100 auch durch die elektrische Drehmaschine 200 angetrieben werden, wie in 11 dargestellt. In 11 werden die gleichen Beschreibungen der gleichen Teile und Komponenten von 2 nicht wiederholt.
Außerdem kann die Flüssigkeitspumpe 32 in einer solchen Weise angeordnet werden, dass die Drehwelle der Flüssigkeitspumpe 32 mit der Drehwelle der elektrischen Drehmaschine 200 verbunden ist, wie in 12 dargestellt. 13 ist ein Längsschnitt einer Anordnung der Flüssigkeitspumpe 32, der elektrischen Drehmaschine 200 und eines Pumpen/Motor-Mechanismus 100. Die gleichen Beschreibungen der gleichen Teile und Komponenten in 1 und 2 werden nicht wiederholt.

Claims

System, das eine Abwärme einer Energiequelle (20) nutzt, mit einem Clausius-Rankine-Kreis (30A), der einen ein Kältemittel kühlenden Kondensator (11), eine das Kältemittel aus dem Kondensator (11) pumpende Pumpe (32); eine das durch die Pumpe (32) gepumpte Kältemittel mit der Abwärme der Energiequelle (20) heizende Heizvorrichtung (30); und eine Druckenergie des Kältemittels von der Heizvorrichtung in kinetische Energie durch Ausdehnen des Kältemittels von der Heizvorrichtung (30) umwandelnde Expansionsvorrichtung (100) enthält; und einer Steuerung (40), die einen Betriebszustand der Pumpe (32) und der Expansionsvorrichtung (100) schaltet, um den Clausius-Rankine-Kreis (30A) zu aktivieren oder zu deaktivieren, wobei die Steuerung (40) eine Zeitverzögerung zwischen dem Schalten des Betriebszustandes der Pumpe (32) und dem Schalten des Betriebszustandes der Expansionsvorrichtung (100) erzielt.
System nach Anspruch 1, bei welchem die Steuerung (40) den Betriebszustand der Pumpe (32) und der Expansionsvorrichtung (100) schaltet, um den Clausius-Rankine-Kreis (30A) zu aktivieren und zu deaktivieren.
System nach Anspruch 1, ferner mit einem Kühlkreis (10A), der den Kondensator (11) enthält, der gemeinsam in dem Clausius-Rankine-Kreis (30A) benutzt wird.
System nach Anspruch 3, bei welchem die Steuerung den Betriebszustand der Pumpe (32) und der Expansionsvorrichtung (100) schaltet, um den aktivierten Kreis vom Kühlkreis (10A) zum Clausius-Rankine-Kreis (30A) zu wechseln.
System nach Anspruch 3, bei welchem die Steuerung (40) den Betriebszustand der Pumpe (32) und der Expansionsvorrichtung (100) schaltet, um den aktivierten Kreis vom Clausius-Rankine-Kreis (30A) zum Kühlkreis (10A) zu wechseln.
System, das eine Abwärme eines Verbrennungsmotors (20) nutzt, mit einem Kühlkreis (10A), der einen Kompressor (100) und einen Kondensator (11) enthält, wobei der Kompressor (100) ein Kältemittel komprimiert und eine Antriebskraft von dem Verbrennungsmotor (20) empfängt, und wobei der Kondensator (11) das vom Kompressor (100) ausgegebene Kältemittel kühlt; einem Clausius-Rankine-Kreis (30A), der den gemeinsam in dem Kühlkreis (10A) benutzten Kondensator (11); eine das aus dem Kondensator (11) strömende Kältemittel im Druck erhöhende Pumpe (32); eine das von der Pumpe (32) ausgegebene Kältemittel mit der Abwärme des Verbrennungsmotors (20) heizende Heizvorrichtung (30); und eine eine kinetische Energie durch Ausdehnen des aus der Heizvorrichtung (30) strömenden Gasphasen-Kältemittels erzeugende Expansionsvorrichtung (100) enthält; und einer Steuerung (40), die einen Betriebskreis zwischen dem Kühlkreis (10A) und dem Clausius-Rankine-Kreis (30A) schaltet und Funktionen des Kühlkreises (10A) und des Clausius-Rankine-Kreises (30A) steuert, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (40) einen Betrieb der Expansionsvorrichtung (100) startet, nachdem die Pumpe (32) in Betrieb ist, wenn der Kühlkreis (10A) in den Clausius-Rankine-Kreis (30A) gewechselt wird.
System nach Anspruch 6, bei welchem die Steuerung (40) den Betrieb der Expansionsvorrichtung (100) startet, nachdem eine erste bestimmte Zeitdauer (t1) verstrichen ist, seitdem die Pumpe (32) gestartet wurde.
System nach Anspruch 6, bei welchem die Steuerung (40) den Betrieb der Expansionsvorrichtung (100) startet, nachdem der Druck des durch die Pumpe (32) im Druck erhöhten Kältemittels auf mindestens einen ersten bestimmten Druck (P1) erhöht worden ist.
System nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei welchem die Expansionsvorrichtung (100) mit der elektrischen Drehmaschine (200), die Funktionen eines Generators (200) und eines Elektromotors (200) hat, gekoppelt ist; und die Steuerung (40) einen Betrieb der elektrischen Drehmaschine (200) als Elektromotor (200) startet, bevor die Expansionsvorrichtung (100) in Betrieb gesetzt wird.
System nach Anspruch 9, ferner mit einem Ventilmechanismus (107), der zwischen dem Kompressor (100) und der Expansionsvorrichtung (100) schaltet, in die das Kältemittel strömt, wobei die Steuerung (40), wenn die Expansionsvorrichtung (100) betrieben wird, den Ventilmechanismus (107) in einer solchen Weise steuert, dass der Kompressor (100) zur Expansionsvorrichtung (100), in die das Kältemittel strömt, geschaltet wird, nachdem die elektrische Drehmaschine (200) als Elektromotor (200) betrieben worden ist.
System, das eine Abwärme eines Verbrennungsmotors (20) nutzt, mit einem Kühlkreis (10A), der einen Kompressor (100) und einen Kondensator (11) enthält, wobei der Kompressor (100) ein Kältemittel komprimiert und eine Antriebskraft von dem Verbrennungsmotor (20) empfängt, und wobei der Kondensator (11) das vom Kompressor (100) ausgegebene Kältemittel kühlt; einem Clausius-Rankine-Kreis (30A), der den gemeinsam mit dem Kühlkreis (10A) benutzten Kondensator (11); eine das aus dem Kondensator (11) ausströmende Kältemittel im Druck erhöhende Pumpe (32); eine das von der Pumpe (32) ausgegebene Kältemittel mit der Abwärme des Verbrennungsmotors (20) heizende Heizvorrichtung (30); und eine eine kinetische Energie durch Ausdehnen des aus der Heizvorrichtung (30) ausströmenden Gasphasen-Kältemittels erzeugende Expansionsvorrichtung (100) enthält; und einer Steuerung (40), die einen Betriebskreis zwischen dem Kühlkreis (10A) und dem Clausius-Rankine-Kreis (30A) schaltet und Funktionen des Kühlkreises (10A) und des Clausius-Rankine-Kreises (30A) steuert, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (40) einen Betrieb der Expansionsvorrichtung (100) stoppt, nachdem die Pumpe (32) gestoppt worden ist, wenn der Clausius-Rankine-Kreis (30A) in den Kühlkreis (10A) gewechselt wird.
System nach Anspruch 11, bei welchem die Steuerung (40) den Betrieb der Expansionsvorrichtung (100) stoppt, nachdem eine zweite bestimmte Zeitdauer (t2) verstrichen ist, seitdem die Pumpe (32) gestoppt wurde.
System nach Anspruch 11, bei welchem die Steuerung (40) den Betrieb der Expansionsvorrichtung (100) stoppt, nachdem der Druck des durch die Pumpe (32) im Druck erhöhten Kältemittels unter einen zweiten bestimmten Druck (P2) gefallen ist.
System nach Anspruch 11, bei welchem die Steuerung (40) den Betrieb der Expansionsvorrichtung (100) stoppt, nachdem eine Druckdifferenz zwischen einem Druck auf einer Hochdruckseite und einem Druck auf der Niederdruckseite der Pumpe (32) unter eine bestimmte Druckdifferenz (ΔP) gefallen ist.
System nach Anspruch 11, bei welchem die Expansionsvorrichtung (100) mit einem Generator (200) gekoppelt ist und die Steuerung (40) einen Betrieb der Expansionsvorrichtung (100) stoppt, nachdem eine durch den Generator (200) erzeugte Strommenge unter eine bestimmte Stromerzeugungsmenge (W) gefallen ist.
System nach einem der Ansprüche 11 bis 15, ferner mit einem Ventilmechanismus (107), der zwischen dem Kompressor (100) und der Expansionsvorrichtung (100) schaltet, in die das Kältemittel strömt, wobei die Expansionsvorrichtung (100) mit einem Generator (200) gekoppelt ist, und wenn die Expansionsvorrichtung (100) gestoppt wird, die Steuerung (40) den Ventilmechanismus (107) in einer solchen Weise steuert, dass der Generator (200) gestoppt wird, nachdem die Expansionsvorrichtung (100) zum Kompressor (100), in den das Kältemittel strömt, geschaltet ist.
System nach einem der Ansprüche 11 bis 16, ferner mit einem den Kompressor (100) antreibenden Elektromotor (200), wobei die Steuerung (40) wenigstens einen des Elektromotors (200) und des Verbrennungsmotors (200) als Antriebsquelle des Kompressors (100) auswählt, und wenn die Expansionsvorrichtung (100) gestoppt wird, um den Kühlkreis (10A) zu betreiben, die Steuerung (40) den Kompressor (100) in einer solchen Weise steuert, dass der Kompressor (100) durch den Verbrennungsmotor (20) angetrieben wird, nachdem er durch den Elektromotor (200) angetrieben wurde.
System nach Anspruch 17, bei welchem die Steuerung (40) basierend auf einem Druck auf der Niederdruckseite des Kompressors (100) bestimmt, ob es notwendig ist, den Kompressor (100) durch den Elektromotor (200) anzutreiben.
System nach Anspruch 18, bei welchem die Steuerung (40) den Elektromotor (200) in einer solchen Weise steuert, um den Kompressor (100) anzutreiben, bis der Druck auf der Niederdruckseite des Kompressors (100) niedriger als ein dritter bestimmter Druck (P3) wird.
System nach Anspruch 17, bei welchem die Steuerung (40) den Kompressor (100) in einer solchen Weise steuert, dass der Kompressor (100) durch den Elektromotor (200) für eine dritte bestimmte Zeitdauer (t3) betrieben wird.
System nach einem der Ansprüche 6 bis 20, bei welchem, wenn der Kompressor (100) das Kältemittel aus der Heizvorrichtung (30) empfängt, der Kompressor (100) als Expansionsvorrichtung (100) dient.
System nach einem der Ansprüche 6 bis 8, 11 bis 14 und 17 bis 21, bei welchem die Expansionsvorrichtung (100) mit einem Generator (100) gekoppelt ist, der die kinetische Energie in elektrische Energie umsetzt.
System nach einem der Ansprüche 6 bis 15, 21 und 22, ferner mit einem den Kompressor (100) antreibenden Elektromotor (200), wobei die Steuerung (40) einen des Elektromotors (200) und des Verbrennungsmotors (20) als Antriebsquelle des Kompressors (100) auswählt.