DE102005009752A1

DE102005009752A1 - Fluidmaschine

Info

Publication number: DE102005009752A1
Application number: DE200510009752
Authority: DE
Inventors: Shigeki Kariya Iwanami; Hironori Kariya Asa; Keiichi Kariya Uno; Yasuhiro Kariya Takeuchi; Hiroshi Kariya Ogawa
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2004-03-03
Filing date: 2005-03-03
Publication date: 2005-09-22
Also published as: US20050193734A1; US7263828B2; CN1664471A; CN1321301C; JP2005248809A

Abstract

Eine Expansions- und Kompressionsvorrichtung (100) einer Fluidmaschine besitzt einen Pumpenmodusbetrieb, in dem die Expansions- und Kompressionsvorrichtung durch eine Antriebskraft von einer Antriebsquelle (20) zum Komprimieren eines Arbeitsfluids gedreht wird, und einen Motormodusbetrieb, in dem der Fluiddruck in Bewegungsenergie zum Ausgeben kinetischer Energie umgewandelt wird. Die Fluidmaschine weist ferner eine Übertragungsvorrichtung (400) zum Übertragen der Antriebskraft von der Antriebsquelle (20) mit erhöhter Drehzahl, wenn die Expansions- und Kompressionsvorrichtung (100) im Pumpenmodusbetrieb arbeitet, auf.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Fluidmaschine mit einem Pumpenmodusbetrieb zur Druckerhöhung und Ausgabe eines Fluids und einem Motormodusbetrieb zum Umwandeln eines Fluiddrucks während einer Fluidexpansion in Bewegungsenergie und Ausgeben kinetischer Energie, wobei die Fluidmaschine bevorzugt als eine Expansions- und Kompressionsvorrichtung für ein Abwärmesammelsystem mit einem Clausius-Rankine-Kreis zum Sammeln von Wärmeenergie verwendet wird.

Bei einer Fluidmaschine des Standes der Technik, wie sie zum Beispiel in dem japanischen Patent Nr. 2540738 offenbart ist, wird eine Kompressionsvorrichtung für einen Dampfkompressionskühlkreis auch als eine Expansionsvorrichtung benutzt, und die Kompressionsvorrichtung wird als Expansionsvorrichtung benutzt, wenn Energie durch einen Clausius-Rankine-Kreis gesammelt wird.

Bei der obigen Fluidmaschine, in welcher die Expansionsvorrichtung und die Kompressionsvorrichtung gemeinsam benutzt werden, ist die Kapazität für die Fluidmaschine im Allgemeinen auf ein solches Maß eingestellt, das für die Kompressionsvorrichtung unter dem Umstand notwendig ist, dass der Kühlkreis effizient arbeitet. Als Ergebnis ist die Kapazität für die Fluidmaschine als Expansionsvorrichtung durch eine solches Maß unvermeidbar entschieden. Demgemäß ist die Konstruktionsflexibilität für die Expansionsvorrichtung verringert und ein optimaler Wirkungsgrad der Fluidmaschine zum Sammeln der Abwärme kann kaum erzielt werden.

Zum Beispiel ist der Druck des Kältemittels bei Betrieb des Clausius-Rankine-Kreises höher als beim Betrieb des Kühlkreises, eine Volumenströmungsrate für den Betrieb des Clausius-Rankine-Kreises wird kleiner als jene des Kühlkreises, selbst wenn die Menge (das Gewicht) des Kältemittels gleich ist. Dann wird eine Drehzahl der Fluidmaschine kleiner, wenn sie als Expansionsvorrichtung betrieben wird, ein Einfluss eines Kältemittelaustritts je Umdrehung würde größer werden (eine Austritts geschwindigkeit wird höher als eine Expansionsgeschwindigkeit), und dadurch wird das Leistungsvermögen der Expansionsvorrichtung vermindert.

Es ist deshalb in Anbetracht der oben genannten Probleme eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Fluidmaschine vorzusehen, die nicht nur eine Leistungsfähigkeit für einen Pumpenmodusbetrieb gewährleisten kann, sondern auch ihren Wirkungsgrad für einen Motormodusbetrieb verbessert, wobei die Fluidmaschine den Pumpenmodusbetrieb zur Druckerhöhung und Ausgabe eines Fluids und den Motormodusbetrieb zum Umwandeln eines Fluiddrucks während einer Fluidexpansion in Bewegungsenergie und Ausgeben kinetischer Energie aufweist.

Gemäß einem Merkmal der vorliegenden Erfindung weist eine Fluidmaschine eine Expansions- und Kompressionsvorrichtung auf, die einen Pumpenmodusbetrieb, in welchem ein Fluid durch eine Drehkraft von einer Antriebsquelle im Druck erhöht wird, und einen Motormodusbetrieb, in welchem ein Fluiddruck während einer Fluidexpansion in Bewegungsenergie umgewandelt wird und kinetische Energie ausgegeben wird, besitzt. Die Fluidmaschine weist ferner eine Übertragungsvorrichtung zum Übertragen der Drehkraft von der Antriebsquelle auf die Expansions- und Kompressionsvorrichtung mit einer erhöhten Drehzahl im Pumpenmodusbetrieb auf.

Bei der obigen Fluidmaschine ist ein Volumen der Arbeitskammern der Expansions- und Kompressionsvorrichtung kleiner konstruiert, sodass die Expansions- und Kompressionsvorrichtung in einem optimalen Zustand betrieben werden kann, um die kinetische Energie effektiv auszugeben, selbst wenn eine Volumenströmungsrate aufgrund eines höheren Betriebsdrucks im Motormodusbetrieb als ein Betriebsdruck im Pumpenmodusbetrieb verringert ist. Falls das Volumen der Arbeitskammer wie oben reduziert ist, kann ein ausreichender Kühlbetrieb nicht erzielt werden, wenn die Expansions- und Kompressionsvorrichtung als Kompressionsvorrichtung im Pumpenmodusbetrieb arbeitet. Ein solcher Leistungsabfall des Kühlbetriebs (des Pumpenmodusbetriebs) kann jedoch durch Antreiben der Kompressionsvorrichtung mit einer höheren Drehzahl vermieden werden.

Gemäß dem obigen Merkmal kann deshalb die notwendige Ausgabemenge des komprimierten Kältemittels während des Pumpenmodusbetriebs durch die erhöhte Drehzahl erzielt werden, selbst wenn die Kapazität je Umdrehung der Expansions- und Kompressionsvorrichtung auf ein kleineres Maß eingestellt ist. Als Ergebnis kann, da die Expansions- und Kompressionsvorrichtung mit der für die Volumenströmungsrate des Kältemittels im Motormodusbetrieb geeigneten Kapazität betrieben werden kann, der Drehzahlabfall vermieden werden, und dadurch kann der Einfluss des Austritts je Umdrehung reduziert werden (indem die Expansionsgeschwindigkeit höher als die Austrittsgeschwindigkeit des Kältemittels gemacht wird), um schließlich den Betriebswirkungsgrad der Fluidmaschine zu verbessern.

Demgemäß kann die Fluidmaschine nicht nur einem Leistungsvermögen für den Pumpenmodusbetrieb genügen, sondern verbessert auch ihren Wirkungsgrad für den Motormodusbetrieb.

Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Antriebsquelle bevorzugt eine äußere Quelle, wie beispielsweise ein Verbrennungsmotor.

Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung ist eine Wiedergewinnungsvorrichtung, wie beispielsweise ein Stromgenerator, zum Umwandeln der kinetischen Energie in Energie in einer bevorzugten oder gewünschten Form vorgesehen, wenn die Fluidmaschine im Motormodusbetrieb betrieben wird.

Gemäß einem noch weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung sind die Expansions- und Kompressionsvorrichtung, die Übertragungsvorrichtung und die elektrische Drehvorrichtung auf der gleichen Achse angeordnet, oder diese Komponenten sind integral untergebracht. Und dadurch kann die Fluidmaschine von kleiner Konstruktion gemacht sein.

Obige sowie weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen besser verständlich. Darin zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Kühlkreises und eines Abwärmesammelkreises, auf die eine Fluidmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung angewendet ist;
2 eine Querschnittsansicht einer Fluidmaschine gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3 ein Diagramm einer Funktionsweise der Fluidmaschine gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel; und
4 ein Druck-Enthalpie-Diagramm von Zuständen des Kältemittels im Pumpenmodusbetrieb und im Motormodusbetrieb.
(Erstes Ausführungsbeispiel)
Ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nun Bezug nehmend auf 1 bis 3 erläutert. Eine Fluidmaschine der vorliegenden Erfindung wird zum Beispiel für ein Motorfahrzeug benutzt, das mit einem Klimasystem und einem Abwärmenutzungssystem ausgestattet ist. Das Abwärmenutzungssystem besteht aus einem Clausius-Rankine-Kreis, der Abwärme von einem Verbrennungsmotor sammelt, der eine Antriebskraft für das Motorfahrzeug erzeugt. Außerdem wird in der Fluidmaschine der vorliegenden Erfindung die durch die Fluidmaschine erzeugte Wärme (Heiz- oder Kühlenergie) zum Durchführen eines Klimabetriebs für das Motorfahrzeug genutzt.
In 1 bezeichnet eine Bezugsziffer 10 eine Fluidmaschine mit einer Expansions- und Kompressionsvorrichtung, sodass die Fluidmaschine als Kompressor zum Komprimieren eines Gasphasen-Kältemittels (dies wird als Pumpenmodusbetrieb bezeichnet) und auch als Generator zum Erzeugen einer mechanischen Antriebskraft durch Umwandeln eines Fluiddrucks eines überhitzten Dampfes in kinetische Energie (dies wird als ein Motormodusbetrieb bezeichnet) arbeitet. Eine Bezugsziffer 11 bezeichnet eine Wärmestrahlvorrichtung, die mit einer Auslassseite (einer später beschriebenen Hochdrucköffnung 110) der Fluidmaschine 10 verbunden ist, zum Abkühlen des Kältemittelgases durch Wärmestrahlung. (Die Wärmestrahlvorrichtung 11 wird auch als Kondensator bezeichnet).
Eine Bezugsziffer 12 bezeichnet ein Auffanggerät zum Teilen des Kältemittels aus dem Kondensator 11 in ein Gasphasen-Kältemittel und ein Flüssigphasen-Kältemittel. Eine Bezugsziffer 13 ist ein Expansionsventil eines temperaturabhängigen Typs zum Ausdehnen und Druckvermindern des Flüssigphasen-Kältemittels aus dem Auffanggefäß 12, insbesondere zur Druckverminderung des Kältemittels in einer isenthalpischen Weise und Steuern eines Öffnungsgrades eines Kanals für das Kältemittel derart, dass der Überhitzungsgrad des in die Fluidmaschine 10 zu saugenden Kältemittels auf einem vorbestimmten Wert gehalten wird, wenn die Fluidmaschine 10 im Pumpenmodusbetrieb arbeitet.
Eine Bezugsziffer 14 bezeichnet eine Wärmeabsorptionsvorrichtung (auch als Verdampfapparat bezeichnet) zum Verdampfen des im Druck verminderten Kältemittels aus dem Expansionsventil 13 und dadurch Absorbieren von Wärme. Die obige Fluidmaschine 10, der Kondensator 11, das Auffanggefäß 12, das Expansionsventil 13 und der Verdampfapparat 14 bilden einen Kühlkreis zum Übertragen der Wärme von einer Niedertemperaturseite zu einer Hochtemperaturseite.
Eine Heizvorrichtung 30 ist in einem zwischen der Fluidmaschine 10 und dem Kondensator 11 verbundenen Kältemittelkanal angeordnet und heizt das durch den Kältemittelkanal strömende Kältemittel durch einen Wärmeaustausch des Kältemittels mit einem durch die Heizvorrichtung 3 strömenden Motorkühlwasser. Ein Wechselventil 21 eines Dreiwegeventils ist in einem Kreis für das Motorkühlwasser (ein Heißwasserkreis) vorgesehen, sodass die Strömung des Kühlwassers durch die Heizvorrichtung 30 ein- und ausgeschaltet werden kann. Das Wechselventil 21 wird durch eine elektronische Steuereinheit 40 gesteuert.
Ein erster Bypasskanal 31 ist zwischen dem Auffanggefäß 12 (Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung) und der Heizvorrichtung 30 verbunden, sodass das Flüssigphasen-Kältemittel von dem Auffanggefäß 12 zu einer Einlassseite der Heizvorrichtung 30 strömt, wenn eine Flüssigkeitspumpe 32 arbeitet. Ein Rückschlagventil 31a ist in diesem ersten Bypasskanal 31 vorgesehen, um nur den Strom des Kältemittels vom Auffanggefäß 12 zur Heizvorrichtung 30 zu erlauben. Die Flüssigkeitspumpe 32 ist in diesem Ausführungsbeispiel eine elektrisch angetriebene Pumpe, die durch die elektronische Steuereinheit 40 gesteuert wird.
Ein zweiter Bypasskanal 33 ist zwischen einer Auslassseite der Fluidmaschine 10 (einer später beschriebenen Niederdrucköffnung 111), wenn sie in einem Motormodusbetrieb arbeitet, und der Einlassseite des Kondensators 11 verbunden, und ein Rückschlagventil 33a ist in diesem Bypasskanal 33 angeordnet, sodass das Kältemittel von der Fluidmaschine 10 nur zum Kondensator 11 strömen kann, wenn die Fluidmaschine 10 im Motormodusbetrieb arbeitet.
Ein Rückschlagventil 14a ist in dem Kühlkreis vorgesehen, sodass das Kältemittel von der Auslassseite des Verdampfapparats 14 zur Einlassseite (der Niederdrucköffnung 111) der Fluidmaschine 10 strömen kann, wenn die Fluidmaschine 10 im Pumpenmodusbetrieb arbeitet. Ein/Aus-Ventil 34 ist ein elektromagnetischer Typ zum Öffnen und Schließen des Durchgangs für den Kältemittelkanal und wird durch die elektronische Steuereinheit 40 gesteuert.
Eine Wasserpumpe 22 zirkuliert das Motorkühlwasser, und ein Kühler 23 ist ein Wärmetauscher zum Wärmeaustausch der Wärme des Motorkühlwassers mit der Umgebungsluft, um das Motorkühlwasser abzukühlen. Die Wasserpumpe 22 ist in diesem Ausführungsbeispiel eine mechanische Pumpe, die durch den Motor 20 angetrieben wird. Es ist jedoch möglich, sie durch eine durch einen Elektromotor betriebene elektrische Pumpe zu ersetzen. Ein Bypasskanal zum Umgehen des Kühlers 23 und ein Strömungsratenregelventil zum Steuern einer Menge des durch den Kühler 23 strömenden Motorkühlwassers sind in 1 weggelassen.
Nun wird die Fluidmaschine 10 unter Bezugnahme auf 2 erläutert. Die Fluidmaschine 10 gemäß dem Ausführungsbeispiel weist die Expansions- und Kompressionsvorrichtung 100 zum wahlweisen Ausdehnen oder Komprimieren des Kältemittels (das Gasphasen-Kältemittel in diesem Ausführungsbeispiel), eine elektrische Drehvorrichtung 200 zum Erzeugen elektrischer Energie, wenn eine Drehkraft darauf ausgeübt wird, und zum Erzeugen einer Drehkraft, wenn die elektrische Energie daran angelegt wird, eine elektromagnetische Kupplung 300 zum Steuern (Ein- und Ausschalten) eines Getriebezuges einer Drehkraft von dem Motor 20 zu der Expansions- und Kompressionsvorrichtung 100, und eine Übertragungsvorrichtung 400 mit einem Planetengetriebe zum Verändern eines Pfades für den Antriebszug aus der Expansions- und Kompressionsvorrichtung 100, der elektrischen Drehvorrichtung 200 und der elektromagnetischen Kupplung 300 und zum Erhöhen und Erniedrigen der zu übertragenden Drehzahl auf.
Die elektrische Drehvorrichtung 200 weist einen Stator 210 und einen in einem Raum des Stators 210 drehenden Rotor 220 auf, wobei eine Wicklung um den Stator 210 gewickelt ist und ein Permanentmagnet am Rotor 220 befestigt ist.
Wenn dem Stator 210 elektrische Energie zugeführt wird, wird der Rotor 220 gedreht, um als Elektromotor zu arbeiten, sodass er die Expansions- und Kompressionsvorrichtung 100 antreibt, während er als Stromgenerator arbeitet, wenn an den Rotor 220 eine Drehkraft angelegt wird.
Die elektromagnetische Kupplung 300 weist eine mit dem Motor 20 über einen V-Riemen zu verbindende Riemenscheibe 310, eine elektromagnetische Spule 320 und eine Reibungsplatte 330, die durch eine an der elektromagnetischen Spule 320, wenn sie erregt ist, erzeugte elektromagnetische Kraft verschoben wird, auf. Die Spule 320 wird erregt, wenn die Drehkraft vom Motor auf die Fluidmaschine 10 übertragen wird, und die Zufuhr der elektrischen Energie zur Spule 320 wird gesperrt, wenn die Übertragung der Drehkraft abgebrochen werden soll.
Die Expansions- und Kompressionsvorrichtung 100 hat den gleichen Aufbau wie ein wohlbekannter Spiralkompressor und weist ein an einem Statorgehäuse 230 der elektrischen Drehvorrichtung 200 befestigtes mittleres Gehäuse 101, eine mit dem mittleren Gehäuse 101 verbundene feste Spirale 102 und eine in einem durch das mittlere Gehäuse 101 und die feste Spirale 102 definierten Raum angeordnete bewegbare Spirale 103 auf. Die bewegbare Spirale 103 wird in dem Raum mit einer Umlaufbewegung gedreht, um mehrere Arbeitskammern V zu bilden. Die Vorrichtung 100 weist ferner eine Hochdruckkammer 104, die Arbeitskammer V mit der Hockdruckkammer 104 operativ verbindende Kanäle 105 und 106, und einen Ventilmechanismus 107 zum Steuern eines Öffnens und Schließens der Kanäle 105, 106 auf.
Die feste Spirale 102 weist eine Basisplatte 102a und eine von der Basisplatte 102a zu dem mittleren Gehäuse 101 vorstehende Spiralführung 102b auf, während die bewegbare Spirale analog eine Basisplatte 103a und eine von der Basisplatte 103a zur festen Spirale vorstehende Spiralführung 103b aufweist, wobei Wandabschnitte der Spiralführungen 102b und 103b miteinander in Kontakt sind, um die Arbeits kammern V zu bilden. Wenn die bewegbare Spirale 103 gedreht wird, wird der Raum der Arbeitskammer V ausgedehnt oder verkleinert.
Eine Welle 108a ist durch das mittlere Gehäuse 101 drehbar gehalten und mit einem Hohlrad 403, das ein Teil der Übertragungsvorrichtung 400 ist, versehen. Die Welle 108 ist ferner mit einer Exzenterwelle 108a versehen, die von einer Drehachse der Welle 108 exzentrisch ist, um als Kurbelarm zu arbeiten, und mit der bewegbaren Spirale 103 über eine Buchse 103d und ein Lager 103c wirkverbunden ist.
Die Buchse 103d ist mit der Exzenterwelle 108a in einer solchen Weise verbunden, das die Buchse 103d um einen gewissen kleinen Weg in einer Ebene senkrecht zur Achse der Exzenterwelle 108a verschoben wird, sodass die bewegbare Spirale 103 in einer Richtung verschoben wird, in der ein Kontaktdruck zwischen den Spiralführungen 102b und 103b mittels einer Reaktionskraft zur Kompression erhöht wird.
Eine Bezugsziffer 109 bezeichnet einen Eigendrehungsverhinderungsmechanismus zum Verhindern der Eigendrehung der bewegbaren Spirale 103 und zum Zulassen ihrer Umlaufbewegung. Wenn die Welle 108 um eine Umdrehung gedreht wird, wird die bewegbare Spirale 103 mit der Umlaufbewegung um die Welle 108 bewegt, und das Volumen der Arbeitskammer V wird verringert, wenn die Arbeitskammer von der äußeren Position zur inneren Position bewegt wird. Der Mechanismus 109 weist hier einen Ring und ein Paar Stifte auf.
Der Kanal 105 funktioniert als Auslassöffnung zum Auspumpen des unter Druck gesetzten Kältemittels durch Verbinden der Arbeitskammer V, die während des Pumpenmodusbetriebs ihr minimales Volumen erreicht, mit der Hochdruckkammer 104, während der Kanal 106 als Einlassöffnung zum Einleiten eines Hochtemperatur- und Hochdruck-Kältemittels, d.h. eines überhitzten Dampfes des Kältemittels von der Hochdruckkammer 104 in die Arbeitskammer V, deren Volumen während des Motormodusbetriebs minimal wird, dient.
Die Hochdruckkammer 104 hat eine Funktion eines Druckausgleichs des Kältemittels durch Glätten einer Pulsation des ausgepumpten Kältemittels durch den Kanal 105 (auch als eine Ausgabeöffnung 105 bezeichnet). Die Hochdrucköffnung 110 ist in einem Gehäuse ausgebildet, das die Hochdruckkammer 104 bildet, und die Hochdrucköffnung 110 ist mit der Heizvorrichtung 30 und der Wärmestrahlvorrichtung 11 verbunden.
Die Niederdrucköffnung 111 ist in dem Statorgehäuse 230 zum Verbinden eines durch das Statorgehäuse 230 und die feste Spirale 102 definierten Raums mit dem Verdampfapparat 14 und dem zweiten Bypasskanal 33 ausgebildet.
Ein Ausgabeventil 107a und ein Ventilanschlag 107b sind an der Basisplatte 102a der festen Spirale 102 durch eine Schraube 107c befestigt, wobei das Ventil 107a ein Rückschlagventil eines Blattventiltyps zum Verhindern des Rückströmens des ausgepumpten Kältemittels aus der Hochdruckkammer 104 zur Arbeitskammer V ist, und der Anschlag 107b ist ein Platte zum Begrenzen der Bewegung des Blattventils 107a.
Eine Spule 107d ist ein Ventil zum Öffnen und Schließen des Kanals 106 (auch als die Einlassöffnung 106 bezeichnet), und ein elektromagnetisches Ventil 107e ist ein Regelventil zum Steuern eines Drucks in einer Gegendruckkammer 107f durch Steuern einer Verbindung der Gegendruckkammer 107f mit der Hochdruckkammer 104 oder einem Raum auf einer Seite der Niederdrucköffnung 111. Eine Feder 107g ist in der Gegendruckkammer 107f angeordnet, um die Spule 107d in eine Richtung zum Schließen der Einlassöffnung 106 zu drücken, und eine Öffnung 107h mit einem bestimmten Strömungswiderstand ist in dem die Hochdruckkammer 104 mit der Gegendruckkammer 107f verbindenden Kanal ausgebildet.
Wenn das elektromagnetische Ventil 107e geöffnet ist, steht die Gegendruckkammer 107f mit dem durch das Statorgehäuse 230 definierten Raum (der Niederdruckseite) in Verbindung, dann wird der Druck in der Gegendruckkammer 107f niedriger als jener in der Hochdruckkammer 104 gesenkt, und schließlich wird die Spule 107d gegen die Federkraft der Feder 107g in eine Richtung zum Öffnen der Einlassöffnung 106 bewegt. Der Druckabfall an der Öffnung 107h ist so hoch, dass eine aus der Hochdruckkammer 104 in die Gegendruckkammer 107f strömende Kältemittelmenge vernachlässigbar klein ist.
Wenn dagegen das elektromagnetische Ventil 107e geschlossen ist, wird der Druck in der Gegendruckkammer 107f gleich jenem in der Hochdruckkammer 104, und dann wird die Spule 107d in die Richtung zum Schließen der Einlassöffnung 106 bewegt. Wie oben erläutert, bilden die Spule 107d, das elektromagnetische Ventil 107e, die Gegendruckkammer 107f und die Öffnung 107h ein elektrisches Schaltventil zum Öffnen und Schließen der Einlassöffnung 106.
Die Übertragungsvorrichtung 400 weist ein an einer Mitte der Vorrichtung 400 vorgesehenes Sonnenrad 401, einen Planetenträger 402 mit mehren Planetenrädern 402a, die sich um das Sonnenrad 401 bewegen und auf ihren eigenen Achsen drehen, und ein ringförmiges Innenrad (Hohlrad) 403, das an Außenumfängen der Planetenräder 402a vorgesehen ist, auf.
Das Sonnenrad 402 ist integral mit dem Rotor 220 der elektrischen Drehvorrichtung 200 ausgebildet, der Planetenträger 402 ist integral an einer Welle 331 befestigt, mit der die Reibungsplatte 330 verbunden ist, und das Hohlrad 403 ist mit der Welle 108 verbunden.
Eine Einwegekupplung 500 überträgt eine Drehkraft von der Riemenscheibe 310 zur Welle 331 nur in einer Drehrichtung (einer Drehrichtung der Riemenscheibe 310), ein Lager 332 trägt die Welle 331 drehbar, ein Lager 404 trägt das Sonnenrad 401, d.h. den Rotor 220 bezüglich der Welle 331 drehbar, ein Lager 405 trägt die Welle 331 (den Planetenträger 402) bezüglich der Welle 108 drehbar, und ein Lager 108b trägt die Welle 108 bezüglich des mittleren Gehäuses 101 drehbar.
Eine Spaltdichtung 333 ist eine Dichtung zum Verhindern des Ausströmens des Kältemittels durch einen Spalt zwischen der Welle 331 und dem Statorgehäuse 230 aus dem Statorgehäuse 230.
Es wird nun eine Funktionsweise der oben beschriebenen Fluidmaschine 10 erläutert.
(1. Pumpenmodusbetrieb)
Der Pumpenmodusbetrieb ist der Betrieb, in dem eine Drehkraft auf die Welle 108 ausgeübt wird und die Expansions- und Kompressionsvorrichtung 100 dadurch zum Komprimieren des Kältemittels durch Drehen der bewegbaren Spirale 103 mit der Umlaufbewegung arbeitet.
Insbesondere wird das Ein/Aus-Ventil 34 geöffnet, während die Flüssigkeitspumpe 32 ihren Nichtbetriebszustand beibehält, und das Motorkühlwasser wird durch das Schaltventil 21 an einer Strömung durch die Heizvorrichtung 30 gehindert. Außerdem ist die Einlassöffnung 106 durch die Spule 107d als Ergebnis des Schließens des elektromagnetischen Ventils 107e geschlossen. Und die Welle 108 wird unter der obigen Bedingung gedreht.
Demgemäß saugt die Expansions- und Kompressionsvorrichtung 100 (auch einfach als Kompressorvorrichtung 100 bezeichnet) in der gleichen Weise wie ein wohlbekannter Spiralkompressor das Kältemittel aus der Niederdrucköffnung 111 an, komprimiert das Kältemittel durch die Arbeitskammern V, pumpt das unter Druck gesetzte Kältemittel durch die Ausgabeöffnung 105 zur Hochdruckkammer 104 aus, und gibt schließlich das Hochdruck-Kältemittel durch die Hockdrucköffnung 110 an die Wärmestrahlvorrichtung (Kondensator) 11 aus.
In diesem Betrieb gibt es zwei Verfahren zum Ausüben der Drehkraft auf die Welle 108, d.h. eines von ihnen ist ein Verfahren, bei dem die Kompressorvorrichtung 100 über die elektromagnetische Kupplung 300 mechanisch mit dem Motor 20 verbunden ist und dadurch die Antriebskraft vom Motor 20 an die Kompressorvorrichtung 100 angelegt wird. Und in dem anderen Verfahren wird die Zufuhr der elektrischen Energie zur elektromagnetischen Kupplung 300 gesperrt und dadurch wird die Kompressorvorrichtung 100 mechanisch von der Riemenscheibe 310 getrennt und dann wird die elektrische Drehvorrichtung 200 durch Zuführen der elektrischen Energie als Elektromotor betrieben, sodass die Drehkraft der Vorrichtung 200 an die Kompressorvorrichtung 100 angelegt wird.
Falls der elektromagnetischen Kupplung 300 elektrische Energie zugeführt wird, um die Kompressorvorrichtung 100 mechanisch mit dem Motor 20 zu verbinden und die Drehkraft vom Motor 20 zur Kompressorvorrichtung 100 zu übertragen, wird die elektrische Energie auch der elektrischen Drehvorrichtung 200 zugeführt, um am Stator eine elektromagnetische Kraft zu erzeugen und dadurch an den Rotor 220 ein Drehmoment anzulegen, sodass das Sonnenrad 401 und der Rotor 220 nicht gedreht werden können.
Als Ergebnis wird die vom Motor 20 zur Riemenscheibe 310 übertragene Drehkraft durch die Übertragungsvorrichtung 400 unter Erhöhung der Drehzahl weiter zur Kompressorvorrichtung 100 übertragen (siehe "Kompression durch Motorbetrieb" in 3).
Falls die Kompressorvorrichtung 100 durch die elektromagnetische Kupplung 300 vom Motor 20 getrennt wird und die Drehkraft durch die elektrische Drehvorrichtung 200 angelegt wird, wird die Zufuhr elektrischer Energie zur elektromagnetischen Kupplung 300 gesperrt, während die elektrische Energie der elektrischen Drehvorrichtung 200 zugeführt wird, um den Rotor 220 in einer Richtung entgegen der Riemenscheibendrehung zu drehen, und dadurch wird die Kompressorvorrichtung 100 als Kompressor betrieben.
Da in diesem Betrieb die Welle 331 (der Planetenträger 402) wegen der Einwegekupplung 500 nicht gedreht wird, wird die Drehkraft der elektrischen Drehvorrichtung 200 durch die Übertragungsvorrichtung 400 unter Reduzierung der Drehzahl auf die Kompressorvorrichtung 100 übertragen (siehe auch "Kompression durch elektrische Drehvorrichtung" in 3).
Das aus der Hochdrucköffnung 110 ausgegebene Kältemittel wird in dem Kühlkreis zirkuliert, der die Heizvorrichtung 30, das Ein/Aus-Ventil 34, die Wärmestrahlvorrichtung (Kondensator) 11, die Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung (Auffanggefäß) 12, das Expansionsventil (Druckverminderungsvorrichtung) 13, den Verdampfapparat 14, das Rückschlagventil 14a und die Niederdrucköffnung 111 der Kompressorvorrichtung 100 aufweist, wobei ein Kühlbetrieb durch die Wärmeabsorption am Verdampfapparat 14 (oder ein Heizbetrieb durch die Wärmeabstrahlung an der Wärmestrahlvorrichtung 11) durchgeführt wird. Da das Motorkühlerwasser nicht durch die Heizvorrichtung 30 strömt, wird das Kältemittel nicht an der Heizvorrichtung 30 geheizt, welche in diesem Betriebsmodus nur als ein Teil des Kältemittelkanals dient.
(2. Motormodusbetrieb)
Der Motormodusbetrieb ist der Betrieb, in dem ein überhitzter Hochdruck-Dampf des Kältemittels, das durch die Heizvorrichtung 30 überhitzt wird, in die Expansions- und Kompressionsvorrichtung 100 eingeleitet wird und das Kältemittel in den Arbeitskammern V ausgedehnt wird, sodass durch Drehen der bewegbaren Spirale 103 mit der Umlaufbewegung in der anderen Drehrichtung zu jener für den Pumpenmodusbetrieb eine Drehkraft erzeugt wird. In diesem Betrieb wird die Expansions- und Kompressionsvorrichtung 100 auch als Expansionsvorrichtung 100 bezeichnet.
Die an der Expansionsvorrichtung 100 erzeugte Drehkraft wird zum Drehen des Rotors 220 benutzt, um die elektrische Energie an der elektrischen Drehvorrichtung 200 zu erzeugen, und die erzeugte elektrische Energie wird in eine Batterie geladen.
Die elektrische Drehvorrichtung 200 wird auch als Energierückgewinnungsvorrichtung zum Umwandeln der an der Expansionsvorrichtung 100 erzeugten kinetischen Energie in elektrische Energie bezeichnet.
Insbesondere ist das Ein/Aus-Ventil 34 geschlossen und die Flüssigkeitspumpe 32 arbeitet, und das Motorkühlwasser wird durch das Schaltventil 21 in die Heizvorrichtung 30 zirkuliert. Außerdem ist die Einlassöffnung 106 durch die Spule 107d als Ergebnis des Öffnens des elektromagnetischen Ventils 107e geöffnet, sodass das durch die Heizvorrichtung 30 geheizte und in die Hochdruckkammer 104 geleitete, überhitzte Hochdruck-Kältemittel durch die Einlassöffnung 106 in die Arbeitskammer V eingeleitet wird, um das Kältemittel darin auszudehnen.
Die bewegbare Spirale 103 wird in der Gegenrichtung zu jener des Pumpenmodusbetriebs durch die Expansion des überhitzten Dampfes gedreht. Die an die bewegbare Spirale 103 gelegte Drehenergie wird durch die Übertragungsvorrichtung 400 unter Erhöhung der Drehzahl zum Rotor 220 der elektrischen Drehvorrichtung 200 übertragen. Das Kältemittelgas, dessen Druck nach der Expansion reduziert ist, strömt durch die Niederdrucköffnung 111 zur Wärmestrahlvorrichtung 11.
In dem obigen Betrieb wird, da die Welle 331 (der Planententräger 402) wegen der Einwegekupplung 500 nicht gedreht wird, die Drehkraft der bewegbaren Spirale 103 durch die Übertragungsvorrichtung 400 unter Erhöhung der Drehzahl zur elektrischen Drehvorrichtung 200 übertragen (siehe auch "Energierückgewinnung durch Expansion" in 3).
Das aus der Niederdrucköffnung 111 ausströmende Kältemittel wird in dem Clausius-Rankine-Kreis zirkuliert, der den zweiten Bypasskanal 33, das Rückschlagventil 33a, die Wärmestrahlvorrichtung 11, die Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 12, das Rückschlagventil 31a, den ersten Bypasskanal 31, die Flüssigkeitspumpe 32, die Heizvorrichtung 30 und die Hochdrucköffnung 110 der Expansionsvorrichtung 100 aufweist. Die Flüssigkeitspumpe 32 drückt das Flüssigphasen-Kältemittel in die Heizvorrichtung 30 mit einem solchen Druck, bei dem das in der Heizvorrichtung 30 geheizte überhitzte Kältemittel nicht zur Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 12 zurückströmen kann.
In der obigen Expansions- und Kompressionsvorrichtung 100, in welcher die Expansions- und Kompressionsvorrichtung gemeinsam ausgebildet und in dem Kühlkreis mit dem Clausius-Rankine-Kreis benutzt wird, ist der Druck des Kältemittels beim Betrieb des Clausius-Rankine-Kreis höher als jener beim Betrieb des Kühlkreises, wie in 4 dargestellt.
Falls beide Kreise mit dem gleichen Zirkulationsvolumen des Kältemittels betrieben werden (für den Pumpenmodus und den Motormodus), ist die Volumenströmungsrate für den Motormodusbetrieb um den Betriebsdruckunterschied kleiner als jene für den Pumpenmodusbetrieb (d.h. die Kältemitteldichte wird höher), und dadurch wird die Drehzahl der Expansions- und Kompressionsvorrichtung 100 im Motormodusbetrieb kleiner. Als Ergebnis würde eine Austrittsgeschwindigkeit höher als eine Expansionsgeschwindigkeit werden. Und ein Einfluss des Austritts würde höher werden, selbst wenn ein Austrittsraum gleich wäre. Demgemäß könnte ein optimaler Wirkungsgrad kaum erzielt werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird jedoch die vom Motor 20 zur elektromagnetischen Kupplung 300 übertragene Drehkraft durch die Übertragungsvorrichtung 400 in ihrer Drehzahl erhöht und zur Expansions- und Kompressionsvorrichtung 100 übertragen. Demgemäß kann die notwendige Ausgabemenge des komprimierten Kältemittels durch die erhöhte Drehzahl erzielt werden, und dadurch kann die Ausgabemenge je Umdrehung der Expansions- und Kompressionsvorrichtung 100 auf ein kleineres Maß gesetzt werden.
Die Fluidmaschine 10 (die Expansions- und Kompressionsvorrichtung 100) kann als Reaktion auf die reduzierte Volumenströmungsrate des Kältemittels in einer optimalen Weise betrieben werden (d.h. die Kapazität der Expansionsvorrichtung wird kleiner gemacht, um unter optimalen Bedingungen zu arbeiten), selbst wenn die Volumenströmungsrate des Kältemittels im Motormodusbetrieb verringert ist. Der Abfall der Drehzahl kann vermieden werden und dadurch kann der Einfluss des Austritts je Umdrehung reduziert werden (indem die Expansionsgeschwindigkeit höher als die Austrittsgeschwindigkeit des Kältemittels gemacht wird), um schließlich den Wirkungsgrad der Fluidmaschine 10 zu verbessern.
Die Fluidmaschine 10 (die Expansions- und Kompressionsvorrichtung 100) kann die Kühlleistung für den Pumpenmodusbetrieb durch Drehen der Kompressorvorrichtung 100 mit einer höheren Drehzahl erfüllen und verbessert gleichzeitig den Wirkungsgrad für den Motormodusbetrieb.
Da die durch den Motormodusbetrieb erhaltene kinetische Energie zum Erzeugen der elektrischen Energie an der elektrischen Drehvorrichtung 200 benutzt wird und die erzeugte elektrische Energie in die Batterie geladen wird, kann eine Abwärme vom Motor 20 effektiv genutzt werden.
Die Fluidmaschine 10 kann von einer kleinen Konstruktion gemacht sein, da die Expansions- und Kompressionsvorrichtung 100, die Übertragungsvorrichtung 400 und die elektrische Drehvorrichtung 200 auf der gleichen Achse angeordnet sind und diese Komponenten integral in den Gehäusen 101, 230 und der festen Spirale 102 untergebracht sind.
(Weitere Ausführungsbeispiele)
Die Übertragungsvorrichtung 400 des Planetengetriebezugs kann durch beliebige Arten anderer Übertragungsvorrichtungen, wie beispielsweise CVT (kontinuierliches Verstellgetriebe) oder ein Toroidgetriebe ohne Riemen und dergleichen ersetzt werden.
Die Expansions- und Kompressionsvorrichtung 100 des Spiraltyps kann auch durch irgendeinen anderen Typ von Expansions- und Kompressionsvorrichtungen, wie beispielsweise einen Drehtyp, eine Kolbentyp, einen Schiebertyp und dergleichen ersetzt werden.
Obwohl die gesammelte Abwärmeenergie vom Motor in dem obigen Ausführungsbeispiel durch die Expansions- und Kompressionsvorrichtung 100 in elektrische Energie umgewandelt und in die Batterie geladen wird, kann die gesammelte Energie zum Beispiel auch in mechanische Energie, durch ein Schwungrad in kinetische Energie oder durch Federn in elastische Potentialenergie umgewandelt werden.
Die Fluidmaschine soll nicht auf eine Verwendung für Motorfahrzeuge beschränkt sein.

Claims

Fluidmaschine mit, einer Expansions- und Kompressionsvorrichtung (100) mit einem Pumpenmodusbetrieb, in dem die Expansions- und Kompressionsvorrichtung durch eine Antriebskraft von einer Antriebsquelle (20) zum Komprimieren eines Arbeitsfluids gedreht wird, und einem Motormodusbetrieb, in dem ein Fluiddruck des Arbeitsfluids in Bewegungsenergie zum Ausgeben kinetischer Energie umgewandelt wird; und einer Übertragungsvorrichtung (400) zum Übertragen der Antriebskraft von der Antriebsquelle (20) unter Erhöhung der Drehzahl auf die Expansions- und Kompressionsvorrichtung (100), wenn die Expansions- und Kompressionsvorrichtung (100) im Pumpenmodusbetrieb betrieben wird.
Fluidmaschine nach Anspruch 1, bei welcher die Antriebsquelle (20) eine außerhalb der Fluidmaschine vorgesehene Antriebsquelle ist.
Fluidmaschine nach Anspruch 1 oder 2, ferner mit einer Energierückgewinnungsvorrichtung (200) zum Rückgewinnen der kinetischen Energie als Energie einer vorbestimmten Form.
Fluidmaschine nach Anspruch 3, bei welcher die Energierückgewinnungsvorrichtung (200) eine elektrische Drehvorrichtung zum Umwandeln der kinetischen Energie in elektrische Energie ist.
Fluidmaschine nach Anspruch 3 oder 4, bei welcher die Expansions- und Kompressionsvorrichtung (100), die Übertragungsvorrichtung (400) und die Energierückgewinnungsvorrichtung (200) integral in einem Gehäuse (101, 102, 230) ausgebildet sind.
Fluidmaschine nach einem der Ansprüche 3 bis 5, bei welcher die Expansions- und Kompressionsvorrichtung (100), die Übertragungsvorrichtung (400) und die Energierückgewinnungsvorrichtung (200) koaxial zueinander angeordnet sind.
Fluidmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welcher die Expansions- und Kompressionsvorrichtung (100) eine Arbeitskammer aufweist und als Kompressorvorrichtung betrieben wird, wenn das Arbeitsfluid komprimiert wird, und die Expansions- und Kompressionsvorrichtung (100) als Expansionsvorrichtung zum Ausdehnen des Arbeitsfluids in der obigen Arbeitskammer betrieben wird, wenn die Expansions- und Kompressionsvorrichtung (100) im Motormodusbetrieb betrieben wird, um den Fluiddruck in die Bewegungsenergie umzuwandeln.