DE102007013817A1

DE102007013817A1 - Abwärmesammelsystem mit Expansionsvorrichtung

Info

Publication number: DE102007013817A1
Application number: DE102007013817A
Authority: DE
Inventors: Yasuhiro Nishio Takeuchi; Kazuhide Nishio Utida; Keiichi Kariya Uno; Atsushi Kariya Inaba; Hiroshi Kariya Ogawa; Hironori Kariya Asa; Hiroshi Nishio Kishita
Original assignee: Denso Corp; Nippon Soken Inc
Current assignee: Denso Corp; Soken Inc
Priority date: 2006-03-23
Filing date: 2007-03-22
Publication date: 2007-10-25
Anticipated expiration: 2027-03-23
Also published as: US20070227472A1; DE102007013817B4

Abstract

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Abwärmesammelsystem mit einer Expansionsvorrichtung (112) vorzusehen, in dem eine Überexpansion eines Kältemittels verhindert wird, sodass ein durch die Überexpansion bewirkter Verlust vermieden wird. Ein Volumenverhältnis der Expansion für die Expansionsvorrichtung (112) wird auf einen Wert ausgewählt, bei dem eine richtige Expansion des Kältemittels erzielt wird, wenn der Druckunterschied zwischen dem Hochdruck und dem Niederdruck minimal ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Abwärmesammelsystem mit einer Expansionsvorrichtung, die durch eine Expansion eines Hochdruck- und Hochtemperatur-Kältemittels zum Drehen angetrieben wird, um eine Drehantriebskraft zu erzeugen.
Gemäß einer herkömmlichen Technik, bei welcher man eine Drehkraft durch Nutzen der in einem Fahrzeug erzeugten Abwärme erhält, wird ein Kältemittel durch eine Heizvorrichtung durch Nutzen der im Fahrzeug erzeugten Wärme erwärmt, um ein Hochdruckkältemittel zu erzeugen. Das Hochdruckkältemittel wird einer Hochdruckkammer einer Expansionsvorrichtung zugeführt, sodass eine Ausgangswelle durch einen Druckunterschied zwischen der Hochdruckkammer und einer Niederdruckkammer der Expansionsvorrichtung gedreht wird. Eine Ausgangsleistung (Arbeitsvolumen) der Expansionsvorrichtung wird durch „an der Ausgangswelle erzeugtes Drehmoment × Drehzahl" bestimmt.
Die Expansionsvorrichtung ergibt ein größeres Arbeitsvolumen, wenn der Druckunterschied zwischen dem Hochdruck in der Hochdruckkammer und dem Niederdruck in der Niederdruckkammer größer wird. Deshalb wird das aus der Niederdruckkammer ausgegebene Kältemittel durch eine Kondensationsvorrichtung abgekühlt.
Ein Clausius-Rankine-Kreis ist in der Technik als eine Vorrichtung zum Erzeugen der Drehkraft durch Nutzen des Druckunterschiedes des Kältemittels bekannt, wobei das Kältemittel in einem Kreislauf mit einer Kältemittelpumpe, einer Heizvorrichtung, einer Expansionsvorrichtung und einer Kondensationsvorrichtung zirkuliert wird.
Wenn der Clausius-Rankine-Kreis im Fahrzeug installiert ist, variiert der Druckunterschied zwischen der Hochdruckseite und der Niederdruckseite in Abhängigkeit von einer Veränderung der Umgebungstemperatur aufgrund eines Jahreszeitenwechsels, selbst nachdem ein Aufwärmen eines Motors beendet ist.
Zum Beispiel wird die Temperatur des Motorkühlwassers auf einem Wert zwischen 80°C und 100°C gehalten, sodass der Druck auf der Hochdruckseite in einem solchen System, in dem das Kältemittel in einer Heizvorrichtung durch das Motorkühlwasser (heißes Wasser) erwärmt wird und das Kältemittel in einer Kondensationsvorrichtung durch die Umgebungsluft abgekühlt wird, stabil auf einen konstanten Wert gesteuert. Andererseits variiert die Temperatur der Umgebungsluft in einem Bereich von 0°C bis 35°C in Abhängigkeit von den Jahreszeitenwechseln. Deshalb variiert auch die Kondensationskapazität für das Kältemittel, sodass der Druck auf der Niederdruckseite stark schwankt.
Wenn man ein Volumenverhältnis der Expansion für die Expansionsvorrichtung betrachtet, wird eine Expansionsleistung maximal, wenn eine richtige Expansion erzielt wird, ohne eine Überexpansion oder eine ungenügende Expansion des Kältemittels zu verursachen. Die richtige Expansion des Kältemittels wird im Fall der Expansionsvorrichtung eines festen Kapazitätstyps bei einem Druckzustand realisiert, der ein bestimmtes Druckverhältnis erfüllt.
Das Volumenverhältnis der Expansion für die Expansionsvorrichtung sollte in Anbetracht der über das Jahr bewirkten Einflüsse berücksichtigt werden. Das Volumenverhältnis der Expansion, bei dem eine Abwärmesammelleistung maximal wird, wird in Anbetracht der Veränderung der Umgebungstemperatur ausgewählt, weil der Druck auf der Hochdruckseite durch das Motorkühlwasser, das auf beinahe eine konstante Temperatur gesteuert wird, auf einen konstanten Wert geregelt wird. D.h. allgemein wird ein solches Volumenverhältnis der Expansion, bei dem die richtige Expansion bei einer Durchschnittstemperatur über das Jahr erzielt wird, ausgewählt.
Falls das Volumenverhältnis der Expansion in der obigen Weise ausgewählt wird, kann die ungenügende Expansion auftreten, wenn die Ist-Temperatur niedriger als die Umgebungstemperatur für die richtige Expansion ist, während die Überexpansion auftreten kann, wenn die Ist-Temperatur höher als die Umgebungstemperatur für die richtige Expansion ist.
Wenn die Überexpansion stattfindet, wird durch eine solche Überexpansion ein Verlust erzeugt. Als Ergebnis sinkt die Ausgangsleistung der Expansionsvorrichtung und das notwendige Arbeitsvolumen kann nicht erreicht werden, wenn die Ist-Temperatur höher ist als die Umgebungstemperatur für die richtige Expansion ist.
Zum Beispiel kann in einem System oder einer Vorrichtung, in dem/der ein Motorgenerator durch die Expansionsvorrichtung angetrieben wird, eine notwendige elektrische Energie aufgrund des durch die Überexpansion bewirkten Verlusts nicht erzeugt werden, wenn die Umgebungstemperatur zum Beispiel im Sommer hoch ist.
Es ist deshalb eine Verbesserung notwendig, den durch die Überexpansion bewirkten Verlust zu vermindern.
Es wird in der Technik zum Beispiel vorgeschlagen, wie in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. H10-266980 offenbart, dass ein Bypasskanal zum Verbinden einer Arbeitskammer (eine Expansionskammer) mit einer Niederdruckseite vorgesehen wird, wobei die Arbeitskammer in einem Expansionsprozess (d.h. der Expansionsprozess ist noch nicht beendet) gleichmäßig ist. Eine Ventilvorrichtung ist weiter vorgesehen, um den Bypasskanal zu öffnen, wenn der Druck in der Arbeitskammer einen vorbestimmten Druck {einen Druck, bei dem die Überexpansion auftreten kann) erreicht. Als Ergebnis wird die Überexpansion verhindert.
Gemäß dem obigen Stand der Technik wird jedoch die Expansionsvorrichtung im Aufbau komplizierter, weil der Bypasskanal und die Ventilvorrichtung in der Expansionsvorrichtung vorgesehen sind. Und die Kosten der Expansionsvorrichtung steigen ebenfalls. Außerdem wird eine Fehlerwahrscheinlichkeit höher, falls eine zusätzliche Vorrichtung (die Ventilvorrichtung) vorgesehen wird.
Es ist eine weitere herkömmliche Expansionsvorrichtung in der Technik bekannt, wie sie zum Beispiel in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. H10-266980 offenbart ist. Gemäß einer solchen herkömmlichen Expansionsvorrichtung ist hier eine Vorrichtung des Spiraltyps derart, dass eine Expansionskammer zwischen einer festen Spirale und einer bewegbaren Spirale ausgebildet ist. In der Expansionsvorrichtung ist ein Steuerkanal zum Verbinden der Expansionskammer mit einem auf einer Ausgabeseite des Arbeitsfluids gebildeten Ausgaberaum vorgesehen. Eine Ventilvorrichtung ist im Steuerkanal zum Öffnen und Schließen des Steuerkanals entsprechend einem Druckunterschied zwischen der Expansionskammer und dem Ausgaberaum vorgesehen. Falls der Druckunterschied zwischen der Hochdruckseite und der Niederdruckseite der Expansionsvorrichtung niedriger als ein vorbestimmter Wert wird, wird die Expansionskammer auf ein solches Volumen erweitert, auf welches das Arbeitsfluid unter einem solchen Druckunterschied erweitert werden kann. Wenn dann der Druck in der Expansionskammer niedriger als der Druck im Ausgaberaum wird, wird die Ventilvorrichtung betätigt, den Steuerkanal zu öffnen. Als Ergebnis werden die Drücke in der Expansionskammer und im Ausgaberaum ausgeglichen, um die weitere Expansion des Arbeitsfluids zu stoppen. Demgemäß wird ein Vorgang der Überexpansion verhindert, um einen effizienten Betrieb zu erreichen.
Die vorliegende Erfindung ist in Anbetracht der obigen Probleme gemacht. Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Abwärmesammelsystem mit einer Expansionsvorrichtung vorzusehen, welche durch die Expansion des Kältemittels angetrieben wird, um die Drehantriebskraft zu erzeugen, wobei ein durch die Überexpansion des Kältemittels bewirkter Verlust unterdrückt wird, ohne einen komplizierten Aufbau der Expansionsvorrichtung und einen Kostenanstieg zu erhöhen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Abwärmesammelsystem mit einer Expansionsvorrichtung vorzusehen, in welcher die Überexpansion des Kältemittels verhindert wird, um einen stabilen Betrieb für die Expansion zu erhalten.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist eine Abwärmesammelvorrichtung für ein Fahrzeug auf: einen Motorkühlkreis (1), durch den ein Motorkühlwasser zirkuliert wird; und einen Clausius-Rankine-Kreis (110) mit einer Expansionsvorrichtung (112), einer Kondensationsvorrichtung (113), einer Kältemittelpumpe (114) und einer Heizvorrichtung (111), die in einem geschlossenen Kreis verbunden sind, sodass ein Kältemittel in geschlossenem Kreis durch den Betrieb der Kältemittelpumpe (114) zirkuliert wird.
Die Heizvorrichtung (111) ist im Motorkühlkreis (1) zum Heizen des Kältemittels des Clausius-Rankine-Kreises mit der Wärme des Motorkühlwassers angeordnet, sodass das Kältemittel in ein Hochdruck- und Hochtemperatur-Kältemittel umgewandelt wird. Die Heizvorrichtung (111) ist mit einer Einlassseite der Expansionsvorrichtung (112) zum Zuführen des Hochdruckkältemittels zur Expansionsvorrichtung (112) verbunden.
Die Kondensationsvorrichtung (113) ist mit einer Auslassseite der Expansionsvorrichtung (112) zum Abkühlen und Kondensieren des Kältemittels aus der Expansionsvorrichtung (112) durch Wärmeaustausch mit der Umgebungsluft verbunden, sodass der Druck des Kältemittels auf der Auslassseite der Expansionsvorrichtung (112) von einer Kondensationskapazität der Kondensationsvorrichtung (113) abhängt.
Die Expansionsvorrichtung (112) ist eine Fluidmaschine mit fester Verdrängung und eine Ausgangswelle (29) der Expansionsvorrichtung (112) wird durch eine Expansion des Kältemittels in einer Arbeitskammer (V) davon zum Drehen angetrieben, wobei die Expansion des Kältemittels durch einen Druckunterschied des Kältemittels zwischen dem Hochdruck auf der Einlassseite und dem Niederdruck auf der Auslassseite der Expansionsvorrichtung (112) durchgeführt wird.
Ein Volumenverhältnis der Expansion für die Expansionsvorrichtung (112) wird auf einen Wert ausgewählt, bei dem eine richtige Expansion des Kältemittels erzielt wird, wenn der Druckunterschied zwischen dem Hochdruck und dem Niederdruck minimal ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung besitzt eine Abwärmesammelvorrichtung für ein Fahrzeug einen Clausius-Rankine-Kreis (110), der aufweist: eine Expansionsvorrichtung (112); eine Kondensationsvorrichtung (113); eine Kältemittelpumpe (114) und eine Heizvorrichtung (111), wobei die Expansionsvorrichtung (112), die Kondensationsvorrichtung (113), die Kältemittelpumpe (114) und die Heizvorrichtung (111) in einem geschlossenen Kreis verbunden sind, sodass ein Kältemittel im geschlossenen Kreis durch den Betrieb der Kältemittelpumpe (114) zirkuliert wird, wobei die Expansionsvorrichtung (112) eine Drehantriebskraft durch Expansion des Kältemittels erzeugt.
Die Abwärmesammelvorrichtung weist ferner auf: einen Stromgenerator (120), der mit der Expansionsvorrichtung (112) zum Erzeugen von Strom wirkverbunden ist, wenn er durch die Drehantriebskraft der Expansionsvorrichtung (112) zum Drehen angetrieben wird; eine Druckerfassungsvorrichtung (130) zum Erfassen eines Druckunterschiedes (ΔP) des Kältemittels zwischen einem Druck auf einer Hochdruckseite der Expansionsvorrichtung (112) und einem Druck auf der Niederdruckseite der Expansionsvorrichtung (1121; und eine Druckerhöhungseinrichtung (140) zum Vergrößern des Druckunterschiedes (ΔP), wenn der durch die Druckerfassungsvorrichtung (130) erfasste Druckunterschied (ΔP) niedriger als ein vorbestimmter Druckunterschied (ΔPth) ist, sodass der Druckunterschied (ΔP) näher zum vorbestimmten Druckunterschied (ΔPth) wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung besitzt eine Drehkrafterzeugungsvorrichtung eine Hochdruckerzeugungsvorrichtung (111) zum Erzeugen eines Hochdrucks eines Arbeitsfluids; eine Niederdruckerzeugungsvorrichtung (113) zum Erzeugen eines Niederdrucks des Arbeitsfluids; und eine Expansionsvorrichtung (112) mit einer festen Verdrängung, die eine Ausgangswelle (29) durch einen Druckunterschied des Arbeitsfluids zwischen dem durch die Hochdruckerzeugungsvorrichtung (111) erzeugten Hochdruck und dem durch die Niederdruckerzeugungsvorrichtung (113) erzeugten Niederdruck dreht.
In der Drehkrafterzeugungsvorrichtung wird ein Volumenverhältnis der Expansion für die Expansionsvorrichtung (112) auf einen Wert ausgewählt, bei dem eine richtige Expansion des Arbeitsfluids erreicht wird, wenn der Druckunterschied zwischen dem Hochdruck und dem Niederdruck minimal ist.
Gemäß einem noch weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist ein Steuersystem für eine Expansionsvorrichtung auf: eine Expansionsvorrichtung (112) zum Erzeugen einer Drehantriebskraft durch Expansion eines Hochdruck- und Hochtemperatur-Arbeitsfluids; einen durch die Drehantriebskraft der Expansionsvorrichtung (112) angetriebenen Stromgenerator (120); und eine Druckerfassungsvorrichtung (130) zum Erfassen eines Druckunterschiedes (ΔP) des Arbeitsfluids zwischen einem Druck auf einer Hochdruckseite der Expansionsvorrichtung (112) und einem Druck auf einer Niederdruckseite der Expansionsvorrichtung (112).
Das Steuersystem für die Expansionsvorrichtung besitzt eine Druckerhöhungseinrichtung (140) zum Vergrößern des Druckunterschiedes (ΔP), wenn der durch die Druckerfassungsvorrichtung (130) erfasste Druckunterschied (ΔP) niedriger als ein vorbestimmter Druckunterschied (ΔPth) ist, sodass der Druckunterschied (ΔP) näher zum vorbestimmten Druckunterschied (ΔPth) wird.
Obige sowie weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen besser verständlich. Darin zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Aufbaus eines Motorkühlkreises, eines Kühlkreises und eines Clausius-Rankine-Kreises gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 eine schematische Querschnittsansicht einer Fluidmaschine;
3 eine schematische Darstellung einer festen Spirale und einer bewegbaren Spirale, die miteinander in Eingriff stehen;
4A bis 4C pV-Diagramme, die jeweils eine Beziehung zwischen einem auf einer Expansionsvorrichtung ausgeübten Druck und einem Volumen einer Arbeitskammer zeigen;
5 ein Diagramm einer Beziehung zwischen einem Volumenverhältnis der Expansion und einem Kapazitätsverhältnis der Expansion relativ zu einer Umgebungstemperatur;
6 eine schematische Darstellung eines Systemaufbaus eines zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
7 ein Flussdiagramm einer Routine zum Ausführen einer Erhöhung eines Druckunterschiedes im zweiten Ausführungsbeispiel;
8 eine schematische Darstellung eines Systemaufbaus eines dritten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
9 ein Flussdiagramm einer Routine zum Ausführen der Erhöhung des Druckunterschiedes im dritten Ausführungsbeispiel;
10 eine schematische Darstellung eines Systemaufbaus eines vierten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung; und
11 ein Flussdiagramm einer Routine zum Ausführen der Erhöhung des Druckunterschiedes im vierten Ausführungsbeispiel.
(Erstes Ausführungsbeispiel)
Ein Systemaufbau einer Abwärmesammelvorrichtung wird Bezug nehmend auf 1 erläutert. Die Abwärmesammelvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung bekommt eine Drehenergie mittels eines Clausius-Rankine-Kreises 110 aus einer Wärme in einem in einem Motorkühlkreis zirkulierten Motorkühlwasser (heißes Wasser), um Strom zu erzeugen. Wie in 1 dargestellt, wird ein Teil des Clausius-Rankine-Kreises 110 auch in einem Kühlkreis 3 für eine in einem Kraftfahrzeug installierte Klimaanlage benutzt.
Der Motorkühlkreis 1 hat einen Hauptkreis, in dem das Motorkühlwasser von einem Kühler 4, einer Wasserpumpe 5, einem Motor (einem Wassermantel), einer Heizvorrichtung 111 und zurück zum Kühler 4 umläuft. Der Motorkühlkreis 1 besitzt einen Klimaanlagen-Heißwasserkreis, in dem das Motorkühlwasser (heißes Wasser) vom Motor (Wassermantel) zu einem Heizkern 8 und zurück zum Motor umläuft. Die Heizvorrichtung 111 ist eine Komponente des Clausius-Rankine-Kreises 110, der nachfolgend erläutert wird.
Der Kühler 4 kühlt das Motorkühlwasser durch Wärmeaustausch zwischen dem Motorkühlwasser und der Außenluft, die dem Kühler 4 durch eine Fahrzeugfahrt und/oder einen Kühlerlüfter zugeführt wird, ab. Ein Kühler-Bypasskanal 4a ist vorgesehen, um einen Wärmetauschabschnitt des Kühlers 4 zu umgehen, und ein Thermostat 4b ist zum Steuern eines Strömungsverhältnisses zwischen einer Strömungsmenge zum Wärmetauschabschnitt und zum Bypasskanal 4a vorgesehen. Das Thermostat 4b hat ein Ventil, das einen Fluidkanal öffnet und schließt oder einen Öffnungsgrad des Fluidkanals verändert, entsprechend einer Temperatur des Motorkühlwassers, um die Strömungsmenge des durch den Wärmetauschabschnitt des Kühlers 4 strömenden Motorkühlwassers zu steuern. Als Ergebnis wird die Temperatur des Motorkühlwassers stabil auf einen Wert zwischen 80°C und 100°C gesteuert.
Die Wasserpumpe 5 wird durch den Strom von einer im Fahrzeug installierten Batterie 11 betrieben oder durch einen Ausgang des Motors 6 angetrieben, um das Motorkühlwasser im Motorkühlkreis zu zirkulieren.
Der Motor 6 ist ein Verbrennungsmotor zum Erzeugen einer Drehkraft durch Verbrennung eines Kraftstoffs. Die Temperatur des Motors 6 wird durch das durch den im Motor 6 ausgebildeten Wassermantel strömende Motorkühlwasser so gesteuert, dass die Temperatur auf einen Wert in einem vorbestimmten Bereich geregelt wird.
Der Heizkern 8 ist ein Wärmetauscher, der in einer Gehäuseeinheit 12 der Klimaanlage zum Heizen der in einen Fahrgastraum durch eine Gebläsevorrichtung 13 geblasenen Luft durch Wärmeaustausch zwischen der Luft und dem Motorkühlwasser vorgesehen ist.
Der Kühlkreis 3 besitzt einen geschlossenen Kreis, durch den das Kältemittel von einem Kompressor 14, einer Kondensationsvorrichtung 113, einem Auffanggefäß 16, einer Druckverminderungsvorrichtung 17, einem Verdampfapparat 18, und zurück zum Kompressor 14 zirkuliert wird. Ein Betrieb des Kühlkreises 3 wird durch eine elektronische Steuereinheit (ECU) 133 gesteuert.
Der Kompressor 14 ist mit dem Motor 6 über ein elektromagnetisches Ventil 14b, eine Riemenscheibe 14a und einen Antriebsriemen 22 wirkverbunden, sodass die Drehantriebskraft des Motors 6 auf den Kompressor 14 übertragen wird. Der Kompressor 14 saugt demgemäß das Kältemittel an und komprimiert es und pumpt es aus.
Die Kondensationsvorrichtung 113 ist ein Wärmetauscher zum Kühlen des Hochdruck- und Hochtemperatur-Kältemittels aus dem Kompressor 14 durch Wärmeaustausch mit ihm durch die Fahrzeugfahrt oder durch einen Kondensatorlüfter 142 zugeführter Außenluft, sodass das Kältemittel kondensiert und verflüssigt wird. Der Kondensatorlüfter 142 kann auch als der Kühlerlüfter benutzt werden.
Das Auffanggefäß 16 trennt das Kältemittel, das an der Kondensationsvorrichtung 113 kondensiert, in ein Flüssigphasen-Kältemittel und ein Gasphasen-Kältemittel und führt das Flüssigphasen-Kältemittel der Druckverminderungsvorrichtung 17 zu.
Die Druckverminderungsvorrichtung führt eine adiabatische Expansion des am Auffanggefäß 16 getrennten Flüssigphasen-Kältemittels aus.
Der Verdampfapparat 18 ist in der Gehäuseeinheit 12 der Klimaanlage zum Kühlen der durch den Verdampfapparat strömenden Luft durch Wärmeaustausch zwischen atomisiertem Kältemittel und der in den Fahrgastraum durch die Gebläsevorrichtung 13 geblasenen Luft angeordnet. Das atomisierte Kältemittel wird im Verdampfapparat 18 durch Aufnehmen von Verdampfungswärme verdampft, sodass die durch den Verdampfapparat 18 strömende Luft abgekühlt wird.
Das im Verdampfapparat 18 verdampfte Gasphasen-Kältemittel wird wieder in den Kompressor 14 gesaugt, sodass der obige Vorgang so lange wiederholt wird wie der Kompressor 14 in Betrieb ist.
Die Gehäuseeinheit 12 weist die Gebläsevorrichtung 13, die durch den Strom von der Batterie 11 betrieben wird, den Verdampfapparat 18 zum Abkühlen der in den Fahrgastraum durch die Gebläsevorrichtung 13 geblasenen Luft und den Heizkern 8 zum Heizen der Luft auf.
Ein Heizkern-Bypasskanal 23 ist in der Gehäuseeinheit 12 ausgebildet und eine Luftmischklappe 24 ist stromauf des Heizkerns 8 zum Steuern eines Verhältnisses des Luftstroms, d.h. eines Verhältnisses des Luftstroms zwischen der durch den Heizkern 8 strömenden Luft und der durch den Heizkern-Bypasskanal 23 strömenden Luft, vorgesehen. Die Luftmischklappe 24 wird manuell oder durch einen durch die ECU 133 gesteuerten Stellantrieb gesteuert. Die Temperatur der in den Fahrgastraum geblasenen Luft wird durch Verändern des Verhältnisses des Luftstroms durch die Luftmischklappe 24 gesteuert.
Der Clausius-Rankine-Kreis 110 ist aus einem geschlossenen Kreis gebildet, in dem das Kältemittel von der Kondensationsvorrichtung 113, dem Auffanggefäß 16, einer Kältemittelpumpe 114, der Heizvorrichtung 111, einer Expansionsvorrichtung 112 und zurück zur Kondensationsvorrichtung 113 umläuft. Ein Betrieb des Clausius-Rankine-Kreises 110 wird durch die ECU 133 gesteuert.
Die Kondensationsvorrichtung 113 und das Auffanggefäß 16 werden im Clausius-Rankine-Kreis 110 und im Kühlkreis 3 gemeinsam benutzt. Und das in beiden Kreisen zirkulierte Kältemittel ist das Gleiche.
Die Kondensationsvorrichtung 113 ist stromab der Expansionsvorrichtung 112 vorgesehen und kühlt das Kältemittel im Clausius-Rankine-Kreis 110 ab. Deshalb funktioniert die Kondensationsvorrichtung 113 als ein Niederdruckgenerator zum Erzeugen von Niederdruck auf einer Auslassseite der Expansionsvorrichtung 112 und funktioniert auch als ein Wärmetauscher zum Abkühlen des Kältemittels. Das Kältemittel auf der Einlassseite der Kondensationsvorrichtung 113 ist auf hohem Druck und hoher Temperatur, wenn der Kühlkreis 3 in Betrieb ist, wohingegen der Druck des Kältemittels auf der Einlassseite der Kondensationsvorrichtung 113 niedriger als jener auf der Auslassseite der Heizvorrichtung 111 ist, wenn der Clausius-Rankine-Kreis 110 in Betrieb ist.
Das Auffanggefäß 16 führt das Gasphasen-Kältemittel der Kältemittelpumpe 114 während des Betriebs des Clausius-Rankine-Kreises 110 zu.
Die Kältemittelpumpe 114 wird durch einen Elektromotor (einen Motorgenerator) 120 zum Drehen angetrieben, um das Kältemittel aus dem Auffanggefäß 16 unter Druck zu setzen und es der Heizvorrichtung 111 zuzuführen. Der Motorgenerator 120 erzeugt eine Drehkraft, um die Kältemittelpumpe 114 anzutreiben, wenn ihm von der Batterie 11 durch einen Wechselrichter 114 Strom zugeführt wird. Anderer seits erzeugt der Motorgenerator 120 Strom, wenn er durch den Ausgang der Expansionsvorrichtung 112 zum Drehen angetrieben wird.
Das durch die Kältemittelpumpe 114 unter Druck gesetzte Flüssigphasen-Kältemittel wird an der Heizvorrichtung 111 durch den Wärmeaustausch mit dem im Hauptkreis des Motorkühlkreises zirkulierenden Motorkühlwasser geheizt. Deshalb wird das Kältemittel auf einen überhitzten Dampf des Kältemittels geheizt, dem Expansionsenergie gegeben ist. Die Heizvorrichtung 111 arbeitet als eine Hochdruckerzeugungsvorrichtung zum Erzeugen von Hochdruckenergie auf der Einlassseite der Expansionsvorrichtung 112.
Die Expansionsvorrichtung 112 ist eine Expansionsvorrichtung des festen Kapazitätstyps, deren Ausgangswelle durch den Druckunterschied zwischen dem Hochdruck und dem Niederdruck gedreht wird. D.h. der überhitzte Dampf des durch die Heizvorrichtung 111 strömenden Kältemittels wird der Einlassseite der Expansionsvorrichtung 112 zugeführt und die Auslassseite der Expansionsvorrichtung 112 ist mit der Einlassseite der Kondensationsvorrichtung 113 verbunden. Demgemäß wird die Ausgangswelle der Expansionsvorrichtung 112 durch den Druckunterschied zwischen dem Hochdruck des überhitzten Dampfes des Kältemittels auf der Einlassseite der Expansionsvorrichtung 112 und dem an der Kondensationsvorrichtung 113 erzeugten Niederdruck auf der Auslassseite der Expansionsvorrichtung 112 gedreht.
Die Ausgangswelle der Expansionsvorrichtung 112 treibt eine Eingangswelle des Motorgenerators 120 an. Die Ausgangswelle der Expansionsvorrichtung 112, die Eingangswelle des Motorgenerators 120 und eine Antriebswelle der Kältemittelpumpe 114 sind als eine gemeinsame Welle 29 ausgebildet. Demgemäß werden, wenn die Expansionsvorrichtung 112 die Drehkraft erzeugt, der Motorgenerator 120 sowie die Kältemittelpumpe 114 durch eine solche Drehkraft gedreht. Andererseits werden, wenn die Drehkraft am Motorgenerator 120 erzeugt wird, die Expansionsvorrichtung 112 sowie die Kältemittelpumpe 114 durch die Drehkraft gedreht.
Der Clausius-Rankine-Kreis 110 hat eine Druckausgleichsvorrichtung 30, die eine Verbindung zwischen der Hochdruckseite und der Niederdruckseite der Expansions vorrichtung 112 öffnet oder schließt. Die Druckausgleichsvorrichtung 30 ist innerhalb der Expansionsvorrichtung 112 vorgesehen, wie nachfolgend beschrieben. Sie kann jedoch auch außerhalb der Expansionsvorrichtung 112 vorgesehen werden. Die Druckausgleichsvorrichtung 30 macht den Druckunterschied durch Verbinden der Hochdruckseite und der Niederdruckseite der Expansionsvorrichtung 112 miteinander kleiner, wenn die Expansionsvorrichtung 112 nicht betrieben wird oder wenn der Betrieb der Expansionsvorrichtung 112 gestoppt wird.
Der Wechselrichter 114 steuert den Betrieb des Motorgenerators 120. D.h. der Wechselrichter 141 steuert die Stromzufuhr von der Batterie 11 zum Motorgenerator 120, wenn der Motorgenerator 120 als Elektromotor betrieben wird, wohingegen der Wechselrichter den Ladestrom vom Motorgenerator 120 zur Batterie 11 in Abhängigkeit von ihrem Ladungszustand steuert, wenn der Motorgenerator 120 durch die an der Expansionsvorrichtung 112 erzeugte Drehkraft als Stromgenerator betrieben wird.
Die ECU 133 steuert zusätzlich zum obigen Betrieb des Wechselrichters 141 auch die elektrischen Komponenten für den Clausius-Rankine-Kreis 110 und den Kühlkreis 3. Ein Stromschalter (zum Beispiel ein Zündschalter) 31 ist für die ECU 133 vorgesehen, um den Betrieb der ECU 133, des Clausius-Rankine-Kreises 110 und des Kühlkreises 3 durch Unterbrechen der Stromzufuhr von der Batterie 11 zu stoppen, wenn der Hauptschalter 31 ausgeschaltet wird.
Die Kältemittelpumpe 114, die Expansionsvorrichtung 112 und der Motorgenerator 120 sind koaxial angeordnet und integral als eine Fluidmaschine einer Pumpen/Expansions/Generator-Vorrichtung ausgebildet, wie in 2 dargestellt.
Die gemeinsame Welle 29 ist durch ein erstes und ein zweites Lager 32 und 33 in der Fluidmaschine drehbar gehalten.
Die Fluidmaschine hat erste bis fünfte Gehäuseteile 34 bis 38, die durch zum Beispiel Schrauben in einer axialen Richtung fest miteinander verbunden sind.
Das erste Gehäuseteil 34 nimmt die Druckausgleichsvorrichtung 30 auf, das zweite Gehäuseteil 35 wird als eine feste Spirale 41 der Expansionsvorrichtung 112 benutzt, das dritte Gehäuseteil 36 nimmt eine bewegbare Spirale 42 der Expansionsvorrichtung 112 und den Motorgenerator 120 auf, das vierte Gehäuseteil 37 nimmt die Kältemittelpumpe 114 auf und das fünfte Gehäuseteil 38 schließt eine Aufnahmekammer für die Kältemittelpumpe 114.
Ein Teil des dritten Gehäuseteils 36 ist als ein Wellengehäuse 39 zum Halten des ersten Lagers 32 ausgebildet.
Die Expansionsvorrichtung 112 hat eine Konstruktion ähnlich einem wohlbekannten Spiralkompressor, wobei Einlassseite und Auslassseite vertauscht sind.
Die Expansionsvorrichtung 112 hat die feste Spirale 41 integral als das zweite Gehäuseteil 35 ausgebildet, die bewegbare Spirale 42 in Eingriff mit der festen Spirale 41 und in einer Umlaufbewegung gedreht, eine Eigendrehverhinderungsvorrichtung 43 zum Verhindern der Eigendrehung der bewegbaren Spirale 42 und einen Ausgangsabschnitt 44 zum Erzeugen der Drehkraft aus der Umlaufbewegung der bewegbaren Spirale 42.
Die feste Spirale 41, die integral als das zweite Gehäuseteil 35 ausgebildet ist, weist eine Basisplatte 41a und eine feste Spiralwindung 41b auf.
Eine rechte Seite der Basisplatte 41a (in 2) ist in einer Ebene senkrecht zu einer Axialrichtung ausgebildet, und ein am vorderen Ende der bewegbaren Spiralwindung 41b ausgebildetes Dichtungselement (später beschrieben) gleitet auf der Basisplatte 41a.
Die feste Spiralwindung 41b ist eine Wirbelwindung, die in der axialen Richtung von der Basisplatte 41a verläuft.
Eine Hochdruckkammer 45 ist zwischen dem ersten und dem zweiten Gehäuseteil 34 und 35 ausgebildet. Die Hochdruckkammer 45 ist ein Raum zum Verbinden eines an der Basisplatte 41a gebildeten Einlassanschlusses 46 mit einem Hochdruck anschluss 47, durch den der überhitzte Dampf des Kältemittels von der Heizvorrichtung 111 eingeleitet wird.
Eine Niederdruckkammer 48 ist innerhalb des dritten Gehäuseteils 36 ausgebildet. Die Niederdruckkammer 48 ist ein Raum zum Verbinden eines an einem Außenumfang der festen und der bewegbaren Spirale 41 und 42 gebildeten Raums (als ein Ausgabeabschnitt 49 bezeichnet) mit einem Niederdruckanschluss 50, durch den das Kältemittel zurück zur Kondensationsvorrichtung 113 strömt. Der Motorgenerator 120 ist im obigen Raum aufgenommen.
Die bewegbare Spirale 42 bildet ein Paar mit der festen Spirale 41 und dreht sich relativ zur festen Spirale 41 mit der Umlaufbewegung. Die bewegbare Spirale 42 wird durch das Wellengehäuse 39 zur festen Spirale gedrückt, sodass mehrere Arbeitskammern (Expansionskammern) V durch Räume gebildet werden, die von der festen Spirale 41 und der bewegbaren Spirale 42 umgeben sind, wie in 3 dargestellt. Eine Gleitplatte 52 ist zwischen die bewegbare Spirale 42 und das Wellengehäuse 39 gesetzt, um eine ruhige Drehung der bewegbaren Spirale 42 zu ermöglichen.
Die bewegbare Spirale 42 hat eine Basisplatte 42a und eine bewegbare Spiralwindung 42b.
Eine linke Seite der Basisplatte 42a (in 2) ist in einer Ebene senkrecht zur Axialrichtung ausgebildet und ein an einem vorderen Ende der festen Spiralwindung 41b ausgebildetes Dichtungselement gleitet auf der Basisplatte 42a.
Die bewegbare Spiralwindung 42b ist eine Wirbelwindung, die sich in der Axialrichtung von der Basisplatte 42a erstreckt. Wie in 3 dargestellt, steht die bewegbare Spiralwindung 42b mit der festen Spiralwindung 41b an einer solchen Position in Eingriff, an der die bewegbare Spirale 42 um einen Winkel von 180° zur festen Spirale 41 verschoben ist.
Wenn sich die bewegbare Spirale 42 mit der Umlaufbewegung dreht, bewegt sich die von der festen und der bewegbaren Spirale 41 und 42 umschlossene Arbeits kammer V von einem Mittelabschnitt zu einem Außenumfang und ein Volumen der Arbeitskammer V wird entsprechend der obigen Bewegung zum Außenumfang vergrößert. Wenn der überhitzte Dampf des Kältemittels vom Einlassanschluss 46 in die Arbeitskammer V am Mittelabschnitt eingeleitet wird, arbeitet die Expansionsenergie des überhitzen Dampfes, das Volumen der Arbeitskammer V auszudehnen. Wenn die bewegbare Spirale 42 durch die obige Expansionsenergie in der Arbeitskammer V gedreht wird, wird die bewegbare Spirale 42 durch die Umlaufbewegung gedreht. Wenn sich die Arbeitskammer V zum Außenumfang der Spiralen 41 und 42 bewegt und die Arbeitskammer V mit dem Ausgabeabschnitt 49 in Verbindung steht, wird das Kältemittel von der Arbeitskammer V zur Niederdruckkammer 48 ausgegeben.
Die Eigendrehverhinderungsvorrichtung 43 (eine gekröpfte Vorrichtung 43) verhindert die Eigendrehung der bewegbaren Spirale 43, um die Umlaufbewegung zu erreichen. Die Eigendrehverhinderungsvorrichtung 43 hat einen Stift 51, der an der bewegbaren Spirale 42 befestigt ist und sich in der axialen Richtung erstreckt, und eine Nut 51a, die im Wellengehäuse 39 ausgebildet ist und sich in einer Radialrichtung erstreckt, wobei der Stift 51 mit der Nut 51a in Eingriff steht, um die Eigendrehung zu verhindern, aber die Umlaufbewegung der bewegbaren Spirale 42 zu erlauben.
Der Ausgangsabschnitt 44 erzeugt die Drehkraft aus der Umlaufbewegung der bewegbaren Spirale 42, wie bereits erläutert, und weist einen zylindrischen Vorsprung 53 und einen Exzenterwellenabschnitt 54 auf. Der zylindrische Vorsprung 53 ist integral mit der bewegbaren Spirale 42 ausgebildet und erstreckt sich von der Basisplatte 42a nach rechts. Der Exzenterwellenabschnitt 54 ist an einem linken Ende der gemeinsamen Welle 29 ausgebildet, wobei der Wellenabschnitt 54 zur Drehmitte der gemeinsamen Welle 29 exzentrisch ist. Der exzentrische Wellenabschnitt 29 wird ins Innere des zylindrischen Vorsprungs 53 eingesetzt und über ein Lager 55 drehbar mit dem zylindrischen Vorsprung verbunden.
Gemäß dem obigen Aufbau dreht sich der zylindrische Vorsprung 53 mit der Umlaufbewegung zusammen mit der bewegbaren Spirale 42 und der exzentrische Wellenabschnitt 54 wird zusammen mit der gemeinsamen Welle 29 gedreht.
Wie oben erläutert, wird die durch die Expansionsenergie des Kältemittels bewirkte Umlaufbewegung der bewegbaren Spirale 42 durch die Drehung des exzentrischen Wellenabschnitts 54 in die Drehung der gemeinsamen Welle 29 umgesetzt.
Die Druckausgleichsvorrichtung 30 verbindet oder unterbricht die Verbindung zwischen der Hochdruckseite und der Niederdruckseite der Expansionsvorrichtung 112. Ein Hauptteil der Druckausgleichsvorrichtung 30 ist im ersten Gehäuseteil 34 aufgenommen.
Die Druckausgleichsvorrichtung 30 hat einen Bypasskanal 56, eine Ventilvorrichtung 57 und ein elektromagnetisches Ventil 58. Der Bypasskanal 56 ist ein im zweiten Gehäuseteil 35 ausgebildeter Verbindungskanal zum Verbinden der Hochdruckkammer 45 mit dem Ausgabeabschnitt 49.
Die Ventilvorrichtung 57 weist einen Kolben 57a auf, der verschiebbar in einen im ersten Gehäuseteil 34 ausgebildeten Zylinder eingesetzt ist und sich in der axialen Richtung erstreckt. Die Ventilvorrichtung 57 weist ferner einen mit dem Kolben 57a verbundenen Ventilkörper 57b zum Öffnen und Schließen des Bypasskanals 56 auf. Eine Kompressionsschraubenfeder 57d ist in eine durch den Zylinder gebildete Gegendruckkammer 57c zum Vorspannen des Kolbens 57a in eine Ventilschließrichtung (in eine Richtung zum Schließen den Bypasskanals 56) eingesetzt. Der Bypasskanal 56 wird durch den Ventilkörper 57b geschlossen, wenn der Druck in der Gegendruckkammer 57c erhöht wird.
Das elektromagnetische Ventil 58 wird durch die ECU 133 betätigt, um den Druck in der Gegendruckkammer 57c zu steuern. Wenn dem elektromagnetischen Ventil 58 Strom zugeführt wird, wird der Gegendruckkammer 57c von der Hochdruckkammer der Hochdruck zugeführt, wohingegen der Gegendruckkammer 57c von der Niederdruckkammer der Niederdruck zugeführt wird, wenn die Stromzufuhr zum elektromagnetischen Ventil 58 unterbrochen ist.
Deshalb wird, wenn dem elektromagnetischen Ventil 58 Strom zugeführt wird, der Druck in der Gegendruckkammer 57c erhöht, sodass der Ventilkörper 57b zusammen mit der Federkraft der Feder 57d fest zum Bypasskanal 56 gedrückt wird, um den Bypasskanal 56 zu schließen. Die Verbindung zwischen der Hochdruckkammer 45 und der Niederdruckkammer 48 durch den Bypasskanal 56 wird unterbrochen.
Wenn andererseits die Stromzufuhr zum elektromagnetischen Ventil 58 unterbrochen ist, wird der Druck in der Gegendruckkammer 57c vermindert, sodass der Kolben 57a die Feder 57d durch den Druck in der Hochdruckkammer 45 komprimiert. Der Ventilkörper 57b wird nach links bewegt, um den Bypasskanal 56 zu öffnen. Demgemäß stehen die Hochdruckkammer 45 und die Niederdruckkammer 48 miteinander durch den Bypasskanal 56 in Verbindung, um den Druck auf der Hochdruckseite und der Niederdruckseite auszugleichen.
Der Motorgenerator 120 hat einen Ständer 61 und einen Rotor 62. Der Ständer 61 hat einen an einer Innenumfangsfläche eines durch das dritte Gehäuseteil 36 gebildeten Motorgehäuses 36a befestigten Ständerkern 61a und eine um den Ständerkern 61a gewickelte Ständerspule 61b. Der Rotor 62 weist Permanentmagnete auf, die in einem an der gemeinsamen Welle 29 befestigten Rotorkern fest eingesetzt und gehalten sind.
Wenn der Ständerspule 61b durch den Wechselrichter 141 Strom zugeführt wird, werden der Rotor 62 und die gemeinsame Welle 29 zum Drehen angetrieben. Wenn dagegen die gemeinsame Welle 29 gedreht wird, wird an der Ständerspule 61b durch die Drehung des Rotors 62 Strom erzeugt.
Genauer wird der Ständerspule 61b von der Batterie 11 durch den Wechselrichter 141 beim Startvorgang der Clausius-Rankine-Kreises 110 Strom zugeführt. Der Rotor 62 wird dadurch zum Drehen angetrieben, um den Motorgenerator 120 zum Antreiben der Expansionsvorrichtung 112 und der Kältemittelpumpe 114 als Elektromotor zu betreiben.
Wenn dagegen die Expansionsvorrichtung 112 in Betrieb ist, werden die Kältemittelpumpe 114 und der Rotor 62 durch die an der Expansionsvorrichtung 112 erzeugte Drehantriebskraft zum Drehen angetrieben, sodass der Motorgenerator 120 als Stromgenerator betrieben wird. Der am Motorgenerator 120 erzeugte Strom wird in die Batterie 11 geladen.
Die Kältemittelpumpe 114 ist eine im vierten Gehäuseteil 37 angeordnete Pumpe des Wälzkolbentyps und besitzt ein Pumpengehäuse 63, einen Exzenternocken 64, einen Pumpenrotor 65 und einen Schieber 66.
Das Pumpengehäuse besitzt ein zylindrisches mittleres Gehäuse 63a und ein erstes und ein zweites Seitengehäuse 63b und 63c, die mit dem vierten Gehäuseteil 37 durch eine Befestigungseinrichtung wie beispielsweise Schrauben verbunden sind. Das erste Seitengehäuse 63b hält das zweite Lager 33.
Der Exzenternocken 64 ist an einem rechten Ende der gemeinsamen Welle 29 ausgebildet. Der Exzenternocken 64 mit einem kreisförmigen Querschnitt ist zum Drehzentrum der gemeinsamen Welle 29 exzentrisch und innerhalb des mittleren Gehäuses 63a aufgenommen. Der Pumpenrotor 65 ist ein ringförmiges Element, das an einem Außenumfang des Exzenternockens 64 vorgesehen ist. Ein Außendurchmesser des Pumpenrotors 65 ist kleiner als ein Innendurchmesser des mittleren Gehäuses 63a. Der Pumpenrotor 65 dreht sich mit einer Umlaufbewegung im Raum des mittleren Gehäuses 63a entsprechend der Drehung des Exzenternockens 64.
Ein Schmierkanal 29a ist in der gemeinsamen Welle 29 zum Einleiten des Kältemittels (zusammen mit im Kältemittel enthaltenem Schmieröl) von der Niederdruckkammer 48 ins Innere des Pumpenrotors 65 ausgebildet. Eine Blendenöffnung 29a ist an einem Ende des Schmierkanals 29a auf einer Seite des Pumpenrotors 65 ausgebildet.
Der Schieber 66 ist durch das mittlere Gehäuse 63a in einer radialen Richtung verschiebbar gehalten und durch eine Feder (nicht dargestellt) in der radialen Richtung nach innen vorgespannt. Der Schieber 66 definiert eine Pumpenkammer P zwischen dem Pumpenrotor 65 und dem mittleren Gehäuse 63a.
Eine Pumpeneinlassöffnung 67 und eine Pumpenauslassöffnung (nicht dargestellt) sind auf beiden Seiten des Pumpenrotors 65 angrenzend an den Schieber 66 aus gebildet. Ein mit der Pumpeneinlassöffnung 67 verbundenes Pumpeneinlassrohr 68 ist am vierten Gehäuseteil 37 vorgesehen, das die Kältemittelpumpe 114 aufnimmt. Das Pumpeneinlassrohr 68 ist an seinem anderen Ende mit einer Auslassöffnung des Auffanggefäßes 16 für das Flüssigphasen-Kältemittel verbunden.
Die Pumpenauslassöffnung (nicht dargestellt) steht mit einer Pumpenausgabekammer 69 in Verbindung, die im vierten Gehäuseteil 37 zum Aufnehmen der Kältemittelpumpe 114 ausgebildet ist. Ein Pumpenauslassrohr 71 ist im vierten Gehäuseteil 37 zur Verbindung der Pumpenausgabekammer 69 mit der Einlassseite der Heizvorrichtung 111 vorgesehen. Ein Rückschlagventil 72 ist an einem Öffnungsabschnitt der Pumpenauslassöffnung, die die Pumpenausgabekammer 69 öffnet, vorgesehen, sodass das Kältemittel nur in einer Richtung von der Pumpenauslassöffnung zur Pumpenausgabekammer 69 strömen kann.
In der Kältemittelpumpe 114 wird das Kältemittel von dem Pumpeneinlassrohr 68 durch die Pumpeneinlassöffnung 67 entsprechend der Drehung (der Umlaufbewegung) des durch die gemeinsame Welle 29 angetriebenen Pumpenrotors 65 in die Pumpenkammer P gesaugt. Das Kältemittel wird dann von der Pumpenkammer P durch die Pumpenauslassöffnung (nicht dargestellt) und die Pumpenausgabekammer 69 zum Pumpenauslassrohr 71 ausgepumpt.
Es wird nun eine Funktionsweise des Clausius-Rankine-Kreises erläutert. Die ECU 133 startet den Betrieb des Clausius-Rankine-Kreises 110, wenn die ECU 133 bestimmt, dass die Ladungsmenge des Stroms in der Batterie niedriger als ein vorbestimmter Wert ist, und dass ein Zustand vorliegt, in dem der Betrieb des Clausius-Rankine-Kreises möglich ist (d.h. wenn die Temperatur des Motorkühlwassers höher als eine vorbestimmte Temperatur ist). Insbesondere wird die Stromzufuhr zum elektromagnetischen Ventil 58 während einer Zeitdauer kurz nach dem Starten des Clausius-Rankine-Kreises 110 unterbrochen, sodass der Bypasskanal 56 durch die Ventilvorrichtung 57 geöffnet wird. Und der Motorgenerator 120 wird als Elektromotor betrieben, um die Kältemittelpumpe 114 und die Expansionsvorrichtung 112 anzutreiben.
In diesem Betrieb saugt die Kältemittelpumpe 114 das Kältemittel aus dem Auffanggefäß 16 und pumpt das unter Druck gesetzte Kältemittel zur Heizvorrichtung 111 aus. Das Kältemittel wird an der Heizvorrichtung 111 durch den Wärmeaustausch mit dem Motorkühlwasser erwärmt und in die Expansionsvorrichtung 112 geleitet. Das in die Expansionsvorrichtung 112 durch die Hochdrucköffnung 47 eingeleitete Kältemittel strömt von der Hochdruckkammer 45 durch den Bypasskanal 56 direkt zur Niederdruckkammer 48, weil der Bypasskanal 56 durch das in die Hochdruckkammer 45 eingeleitete Hochdruckkältemittel geöffnet ist. Dann kehrt das Kältemittel durch die Niederdrucköffnung 50 zur Einlassseite der Kondensationsvorrichtung 113 zurück.
Wenn eine vorbestimmte Zeit (eine Zeit, während der das Kältemittel an der Heizvorrichtung 111 ausreichend auf überhitzten Dampf des Kältemittels erwärmt ist) verstrichen ist, seit der Motorgenerator 120 als Elektromotor betrieben worden ist, schaltet die ECU 133 das elektromagnetische Ventil 58 ein, um den Bypasskanal 56 durch die Ventilvorrichtung 57 zu schließen. Als Ergebnis wird der überhitzte Dampf des Kältemittels in der Hochdruckkammer 45 durch den Einlassanschluss 46 in die Arbeitskammer V eingeleitet.
Der in die Arbeitskammer V am mittleren Abschnitt eingeleitete überhitzte Dampf des Kältemittels vergrößert das Volumen der Arbeitskammer V durch seine Expansionsenergie, sodass die bewegbare Spirale 42 mit der Umlaufbewegung gedreht wird. Die Arbeitskammer V bewegt sich vom mittleren Abschnitt zum Außenumfang, wenn das Volumen der Arbeitskammer V größer wird. Wenn die Arbeitskammer V mit dem Ausgabeabschnitt 49 in Verbindung tritt, strömt das Kältemittel aus der Arbeitskammer V zur Niederdruckkammer 48 aus. Das Kältemittel kehrt durch die Niederdrucköffnung 50 zur Einlassseite der Kondensationsvorrichtung 113 zurück, sodass das Kältemittel durch die Kondensationsvorrichtung 113, das Auffanggefäß 16, die Kältemittelpumpe 114, die Heizvorrichtung 111 und die Expansionsvorrichtung 112 zirkuliert wird.
Die Umlaufbewegung der bewegbaren Spirale 42 wird in die Drehung am Ausgangsabschnitt 44 umgesetzt, um die gemeinsame Welle 29 zu drehen. Die Kältemittelpumpe 114 und der Motorgenerator 120 werden dadurch zum Drehen angetrieben.
Wenn die Drehantriebskraft der Expansionsvorrichtung 112 einen solchen Wert erreicht, bei dem die Kältemittelpumpe 114 in einem normalen Zustand gedreht werden kann, wechselt die ECU 133 den Betrieb des Motorgenerators 120 vom Elektromotor zum Stromgenerator, sodass der am Motorgenerator 120 erzeugte Strom durch den Umrichter 141 in die Batterie 11 geladen wird.
Die ECU 133 unterbricht die Stromzufuhr zum elektromagnetischen Ventil 58, wenn die Ladungsmenge in der Batterie 11 eine vorbestimmte Ladungsmenge erreicht oder wenn die ECU 133 einen anormalen Zustand bestimmt. Dann wird der Bypasskanal 56 geöffnet, um den Druck auf der Einlassseite und der Auslassseite der Expansionsvorrichtung 112 auszugleichen, weil der der Hochdruckkammer 45 zugeführte überhitzte Dampf des Kältemittels durch den Bypasskanal 56 zur Niederdruckkammer 48 strömt. Die Drehung der Expansionsvorrichtung 112 wird als Ergebnis der Verringerung des Druckunterschiedes zwischen der Einlassseite und der Auslassseite gestoppt, sodass der Betrieb des Clausius-Rankine-Kreises 110 gestoppt wird.
Im obigen Clausius-Rankine-Kreis 110 erhält man den an die Expansionsvorrichtung 112 anzulegenden Hochdruck durch den überhitzten Dampf des Kältemittels, der durch das Motorkühlwasser erwärmt wird. Die Temperatur des Motorkühlwassers wird durch den Betrieb des Thermostats 4b auf einer Temperatur von 80°C bis 100°C gehalten. Deshalb ist der an die Expansionsvorrichtung 112 angelegte Hochdruck über das Jahr stabil.
Andererseits ändert sich der an die Expansionsvorrichtung 112 angelegte Niederdruck in Abhängigkeit von der Kondensationskapazität der Kondensationsvorrichtung 113. Die Kondensationskapazität der Kondensationsvorrichtung 113 ändert sich entsprechend einer Veränderung der Umgebungstemperatur. Demgemäß ändert sich der an die Expansionsvorrichtung 112 angelegte Niederdruck selbst während eines normalen konstanten Betriebs nach einem Startvorgang des Clausius-Rankine-Kreises 110 stark.
Ein Volumenverhältnis der Expansion für die Expansionsvorrichtung 112 sollte im Fall der Expansionsvorrichtung fester Kapazität unter Berücksichtigung der Umstände über das Jahr entschieden werden.
Das Volumenverhältnis der Expansion wird durch die folgende Gleichung ausgedrückt:
Volumenverhältnis = Vout1/Vin1 = Vout2/Vin2,
wobei "Vin1" oder "Vin2" ein Volumen der am mittleren Abschnitt (der Hochdruckseite) gebildeten Arbeitskammer V kurz nach dem Schließen des Einlassanschlusses 46 ist, während "Vout1 " oder "Vout2" das Volumen der am Außenumfang gebildeten Arbeitskammer V kurz vor der Verbindung der Arbeitskammer V mit dem Ausgabeabschnitt 49 ist, wie in 3 angegeben.
Das Volumenverhältnis der Expansion wird allgemein auf einem solchen Wert ausgewählt, bei dem die Energiesammelwirkung maximal ist. Wenn der Hochdruck zur Expansionsvorrichtung 112 aufgrund der konstanten Temperatur des Motorkühlwassers konstant ist, sollte die Schwankung der Umgebungstemperatur berücksichtig werden. D.h. das Volumenverhältnis der Expansion wird basierend auf einer durchschnittlichen Temperatur über das Jahr auf einem solchen Wert ausgewählt, bei dem eine richtige Expansion realisiert wird.
Falls das Volumenverhältnis der richtigen Expansion wie oben ausgewählt wird, kann eine Überexpansion oder eine ungenügende Expansion bei einer vorbestimmten Umgebungstemperatur, bei der die richtige Expansion realisiert wird, nicht auftreten, wie in 4B dargestellt.
Die ungenügende Expansion tritt jedoch auf, wie in 4C dargestellt, wenn die Umgebungstemperatur niedriger als die vorbestimmte Umgebungstemperatur für die richtige Expansion ist. Und die Überexpansion tritt auf, wie in 4A dargestellt, wenn die Umgebungstemperatur höher als die vorbestimmte Umgebungstemperatur für die richtige Expansion ist.
Ein schraffierter Bereich A in jeder der 4A bis 4C zeigt eine tatsächliche Expansionsleistung (Energie), welche man an der Expansionsvorrichtung 112 durch das Einströmen, die Expansion und das Ausströmen des überhitzten Dampfes des Kältemittels erhält. Ein durch eine gepunktete Linie B in jeder der 4A bis 4C umgebener Bereich zeigt eine theoretische Expansionsleistung. Ein weißer Bereich C zeigt einen Leistungsverlust. PH bezeichnet den Druck auf der Hochdruckseite der Expansionsvorrichtung 112 und PL bezeichnet den Druck auf der Niederdruckseite der Expansionsvorrichtung 112.
Wie in 4A dargestellt, gibt es einen durch die Überexpansion bewirkten Verlust, wenn die Überexpansion des Kältemittels stattfindet. Wenn die Umgebungstemperatur zum Beispiel im Sommer sehr hoch ist, kann man eine notwendige Menge Strom am Motorgenerator 120 wegen des durch die Überexpansion bewirkten Verlusts nicht erhalten.
Im herkömmlichen System wird eine Priorität gesetzt, um das maximale Arbeitsvolumen aus der Wärme des Motorkühlwassers zu bekommen. Es ist jedoch bevorzugter, den für das Fahrzeug notwendigen Strom konstant zu erzeugen als die Menge des erzeugten Stroms zu erhöhen, falls der Strom erzeugt wird.
Mit anderen Worten ist es bevorzugter, den Verlust zu unterdrücken und den notwendigen Strom im Umstand der hohen Umgebungstemperatur wie beispielsweise im Sommer zu bekommen als die maximal erzeugte Strommenge über das Jahr zu bekommen.
Gemäß dem obigen Ausführungsbeispiel wird jedoch das Volumenverhältnis der Expansion wie folgt entschieden. Der Druckunterschied der Hochdruckseite und der Niederdruckseite der Expansionsvorrichtung 112 variiert in einem bestimmten Bereich, selbst wenn sich der Clausius-Rankine-Kreis 110 im konstanten Betrieb befindet, nachdem der Startvorgang für den Motor 6 geendet hat. Das Volumenverhältnis der Expansion für die Expansionsvorrichtung 112 wird auf einen solchen Wert ausgewählt, bei dem die richtige Expansion realisiert wird (mit anderen Worte die Überexpansion oder die ungenügende Expansion nicht auftreten kann), selbst wenn der Druckunterschied auf einem minimalen Maß im obigen Bereich ist.
Genauer ist der Druck auf der Hochdruckseite der Expansionsvorrichtung 112 über das Jahr beinahe konstant, aber der Druck auf der Niederdruckseite variiert in Abhängigkeit von der Veränderung der Umgebungstemperatur, sodass der Druckunterschied zwischen der Hochdruckseite und Niederdruckseite im Sommer kleiner wird. Das Volumenverhältnis der Expansion für die Expansionsvorrichtung 112 wird auf einem solchen Wert ausgewählt, bei dem die richtige Expansion selbst bei der höchsten Umgebungstemperatur am Tag im Sommer, zum Beispiel bei einer geschätzten Straßentemperatur am Tag im Sommer bei einer geschätzten höchsten Temperatur am Tag im Sommer oder einer Durchschnittstemperatur der höchsten Temperaturen des Tages über einen Monat, in dem die Durchschnittstemperatur die höchste unter den Monaten ist, realisiert wird (mit anderen Worten die Überexpansion oder die ungenügende Expansion nicht auftreten können).
Gemäß dem obigen Ausführungsbeispiel wird die Kondensationsvorrichtung 113 gemeinsam für den Clausius-Rankine-Kreis 110 und den Kühlkreis 3 verwendet, sodass die Kondensationskapazität für das Kältemittel relativ groß ist. Das Kältemittel für den Clausius-Rankine-Kreis 110 ist das gleiche wie für den Kühlkreis 3, zum Beispiel HFC, HC oder dergleichen.
Im obigen Clausius-Rankine-Kreis 110 wird der Druck auf der Hochdruckseite der Expansionsvorrichtung 112 stabil auf einem Wert zwischen 2,0 MPa und 2,5 MPa gehalten, weil die Temperatur des Motorkühlwassers stabil auf dem Wert zwischen 80°C bis 100°C gehalten wird.
Andererseits variiert die Umgebungstemperatur, welche die Kondensationskapazität der Kondensationsvorrichtung 113 beeinflusst, über das Jahr stark. Der Druck auf der Niederdruckseite (der Auslassseite) der Expansionsvorrichtung 112 wird auf 1,1 MPa erhöht, wenn die Umgebungstemperatur 30°C beträgt, während der Druck auf der Niederdruckseite (der Auslassseite) der Expansionsvorrichtung 112 auf 0,5 MPa verringert wird, wenn die Umgebungstemperatur 0°C beträgt.
Eine Beziehung zwischen dem Volumenverhältnis der Expansion und einem Kapazitätsverhältnis der Expansion relativ zur Umgebungstemperatur (5°C bis 30°C) ist in 5 dargestellt.
Wie in 5 gezeigt, kann die richtige Expansion beim Volumenverhältnis der Expansion von etwa 2 erzielt werden, wenn die Umgebungstemperatur hoch ist (bei 30°C). Das Volumenverhältnis der Expansion, bei welchem die richtige Expansion erzielt wird, wird größer, wenn die Umgebungstemperatur sinkt.
Gemäß dem obigen Ausführungsbeispiel wird das Volumenverhältnis der Expansion für die Expansionsvorrichtung 112 auf dem Wert ausgewählt, bei dem die richtige Expansion (keine Überexpansion, keine ungenügende Expansion) im Sommer erzielt wird. Genauer liegt der Druck auf der Hochdruckseite zwischen 2,0 MPa und 2,5 MPa, der Druck auf der Niederdruckseite beträgt etwa 1,1 MPa und das Volumenverhältnis der Expansion beträgt etwa 2,0.
D.h. das Volumenverhältnis der Expansion für die Expansionsvorrichtung 112 wird auf dem Wert ausgewählt, bei dem die richtige Expansion bei der hohen Umgebungstemperatur im Sommer (zum Beispiel bei einer Temperatur zwischen 30°C und 35°C) erzielt wird. Das Volumenverhältnis der Expansion wird vorzugsweise auf einem Wert zwischen 1,8 und 2,2 und am bevorzugtesten auf dem Wert von 2,0 ausgewählt.
Gemäß der Abwärmesammelvorrichtung des obigen Ausführungsbeispiels wird das Volumenverhältnis der Expansion für die Expansionsvorrichtung 112 auf einem solchen Wert ausgewählt, bei dem die richtige Expansion auf einer Seite der kleineren Druckdifferenz in einem Schwankungsbereich für die Druckdifferenz ausgeführt wird. D.h. das Volumenverhältnis der Expansion wird auf dem Wert in einem Bereich von 1,5 bis 2,5 ausgewählt, bei dem die richtige Expansion im Sommer ausgeführt wird, wenn der Druck auf der Niederdruckseite höher wird. Der Druck auf der Niederdruckseite variiert in Abhängigkeit von der Veränderung der Umgebungstemperatur.
Gemäß der obigen Konstruktion kann die Überexpansion in der Expansionsvorrichtung 112 verhindert werden, selbst wenn der Druck auf der Niederdruckseite als Ergebnis des Anstiegs der Umgebungstemperatur größer wird. Als Ergebnis kann ein stabiler Betrieb für die Stromerzeugung in einem weiten Temperaturbereich realisiert werden, in dem das Fahrzeug tatsächlich benutzt wird.
Ferner wird, wenn das Volumenverhältnis der Expansion auf einem solchen Wert ausgewählt wird, bei dem die richtige Expansion im Sommer ausgeführt wird, eine stabile Strommenge über das Jahr erzeugt. Und der herkömmliche Bypasskanal und die Ventilvorrichtung, die im Stand der Technik erforderlich sind, sind nicht länger notwendig.
Die Erzeugung des durch die Überexpansion bewirkten Verlusts kann verhindert werden, ohne die komplizierte Konstruktion und den Kostenanstieg für die Expansionsvorrichtung 112 zu verursachen. Die notwendige Strommenge für das Fahrzeug kann über das Jahr erzeugt werden. Eine Fehlerwahrscheinlichkeit für die Expansionsvorrichtung 112 wird als Ergebnis des einfachen Aufbaus der Expansionsvorrichtung 112 verringert und dadurch kann eine Zuverlässigkeit des Clausius-Rankine-Kreises 110 erhöht werden.
Das oben erläuterte Ausführungsbeispiel kann in verschiedenen Weisen modifiziert werden, wie nachfolgend erläutert.
Die Kältemittelpumpe 114, die Expansionsvorrichtung 112 und der Motorgenerator 120 sind in der einen Fluidmaschine integral ausgebildet. Diese Komponenten können jedoch jeweils auch als unabhängige Fluidmaschinen gebildet werden.
Die Kältemittelpumpe wird durch die Expansionsvorrichtung 112 angetrieben. Jedoch kann die Kältemittelpumpe 114 auch durch einen Elektromotor angetrieben werden, der ausschließlich für die Kältemittelpumpe vorgesehen ist.
Der Motorgenerator 120 wird durch die Expansionsvorrichtung 112 zum Drehen angetrieben. Jedoch können durch die Expansionsvorrichtung 112 auch weitere Komponenten angetrieben werden, wie beispielsweise eine Gebläselüftervorrichtung, eine Turboladervorrichtung, der Kompressor 14, usw.
Ferner kann die Drehkraft der Expansionsvorrichtung 112 auch als kinetische Energie in einer Feder, einem Schwungrad und dergleichen geladen oder gespeichert werden.
Einige der Komponenten werden gemeinsam für den Clausius-Rankine-Kreis 110 und den Kühlkreis 3 verwendet. Der Clausius-Rankine-Kreis 110 und der Kühlkreis 3 können auch als unabhängige Kreise gebildet werden.
Im obigen Ausführungsbeispiel wird die Abwärme vom Motor (die Wärme im Motorkühlwasser) benutzt, um das Kältemittel zu erwärmen, um die Hochdruckenergie zu erhalten. Das Kältemittel kann jedoch auch durch die Abwärme wie beispielsweise die Wärme im Abgas des Motors 6, die an der Batterie 11 erzeugte Wärme, die am Umrichter 141 erzeugte Wärme, die Wärme in der durch einen Turbolader komprimierten Luft, usw. erwärmt werden.
Das Kältemittel kann außerdem durch eine Verbrennungsenergie in einem Brenner, die Sonnenenergie, usw. erwärmt werden.
Im obigen Ausführungsbeispiel wird der Clausius-Rankine-Kreis 110 zum Sammeln der Abwärme benutzt, um die gesammelte Wärme in die Drehkraft umzusetzen. Eine beliebige andere Vorrichtung als der Clausius-Rankine-Kreis 110 kann zum Betreiben der Expansionsvorrichtung 112, die durch den Druckunterschied angetrieben wird, benutzt werden.
Im obigen Ausführungsbeispiel wird das Kältemittel durch die Außenluft abgekühlt, um den Niederdruck zu erzeugen. Das Motorkühlwasser kann ebenfalls verwendet werden, um das Kältemittel abzukühlen, wenn die Heizkapazität zum Heizen des Kältemittels groß ist, zum Beispiel im Fall des Heizens des Kältemittels durch Abgas des Motors 6.
In einem solchen Fall wird der Druck auf der Niederdruckseite stabil werden, während der Druck auf der Hochdruckseite schwankt. Deshalb wird das Volumenverhältnis für die Expansion auf dem Wert ausgewählt, bei dem die richtige Expansion erzielt wird, selbst wenn der Druck auf der Hochdruckseite in einem Schwankungsbereich für den Druckunterschied verringert wird.
(Zweites Ausführungsbeispiel)
Ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird Bezug nehmend auf 6 und 7 erläutert. Ein Aufbau wird unter Bezug auf 6 erläutert. Das zweite Ausführungsbeispiel zeigt ein Steuersystem für eine Expansionsvorrichtung, das auf eine in einem an einem Kraftfahrzeug installierten Clausius-Rankine-Kreis 110 zu benutzende Expansionsvorrichtung 112 angewendet ist.
Das Fahrzeug, auf das die vorliegende Erfindung angewendet ist, ist ein gewöhnlicher Personenkraftwagen, der mit einem wassergekühlten Verbrennungsmotor (nicht dargestellt) als Antriebsquelle zum Fahren ausgestattet ist. Ein Wechselstromgenerator 150 ist im Fahrzeug montiert, der durch den Motor zum Erzeugen von Strom angetrieben wird. Der durch den Wechselstromgenerator 150 erzeugte Strom wird durch einen Umrichter 141 in eine Batterie 11 geladen, und der in der Batterie 11 geladene Strom wird elektrischen Lasten 160 des Fahrzeugs, wie beispielsweise Scheinwerfern, einem Scheibenwischermotor, einem Audiogerät, usw. zugeführt.
Der Clausius-Rankine-Kreis 110 sammelt am Motor erzeugte Abwärme (Wärmeenergie des Motorkühlwassers), um die Verlustenergie in elektrische Energie umzuwandeln und sie zu benutzen. Der Clausius-Rankine-Kreis 110 weist eine Flüssigkeitspumpe 114, eine Heizvorrichtung 111, die Expansionsvorrichtung 112 und eine Kondensationsvorrichtung 113 auf, wobei diese Komponenten in einem geschlossen Kreis verbunden sind.
Die Pumpe 114 ist eine durch einen Elektromotor (nicht dargestellt) angetriebene Fluidmaschine zum Zirkulieren eines Kältemittels (Arbeitsfluid) im Clausius-Rankine-Kreis 110. Ein Betrieb des Elektromotors wird durch einen Pumpenumrichter (nicht dargestellt) gesteuert.
Die Heizvorrichtung 111 ist ein Wärmetauscher mit zwei in ihrem Innern ausgebildeten Fluidkanälen, wobei das Kältemittel von der Pumpe 114 und das Hochtemperatur-Motorkühlwasser durch die jeweiligen Fluidkanäle strömen. Die Heizvorrichtung 111 heizt das Kältemittel durch einen Wärmeaustausch zwischen dem Kältemittel und dem Motorkühlwasser, sodass das Kältemittel auf einen Hochdruck- und Hochtemperatur-Überhitzungsdampf des Kältemittels geheizt wird.
Die Expansionsvorrichtung 112 ist eine Fluidmaschine zum Erzeugen einer Drehantriebskraft durch Expansion des überhitzten Dampfes des durch die Heizvorrichtung 111 geheizten Kältemittels. Die Expansionsvorrichtung 112 ist als Expansionsvorrichtung des Spiraltyps mit einer festen Spirale und einer bewegbaren Spirale ausgebildet.
Eine Expansionskammer ist zwischen der festen Spirale und der bewegbaren Spirale gebildet, wobei die bewegbare Spirale relativ zur festen Spirale mit einer Umlaufbewegung gedreht wird, wenn der überhitzte Dampf des Kältemittels in der Expansionskammer ausgedehnt wird. Eine Kurbelvorrichtung ist an der bewegbaren Spirale vorgesehen, sodass die Drehantriebskraft entsprechend der Umlaufbewegung der bewegbaren Spirale entnommen werden kann.
Die Kurbelvorrichtung hat einen Antriebsstift, der zu einer Welle exzentrisch ist, und eine zylindrische Hülse mit einem zur Welle exzentrischen Loch. Die Kurbelvorrichtung spannt die bewegbare Spirale während der Expansion des Kältemittels zur festen Spirale vor.
Die Kondensationsvorrichtung 113 ist ein Wärmetauscher zum Kondensieren und Verflüssigen des Kältemittels durch den Wärmeaustausch mit Kühlluft. Eine Gebläsevorrichtung 142 ist für die Kondensationsvorrichtung 113 zum Zuführen der Kühlluft zu einem Wärmetauschabschnitt der Kondensationsvorrichtung 113 vorgesehen. Eine Auslassseite der Kondensationsvorrichtung 113 ist mit der Flüssigkeitspumpe 114 verbunden.
Ein Drucksensor 131 einer Hochdruckseite ist auf einer Einlassseite der Expansionsvorrichtung 112, d.h. zwischen der Heizvorrichtung 111 und der Expansionsvorrichtung 112, zum Erfassen des Kältemitteldrucks der Hochdruckseite des Clausius-Rankine-Kreises 110 (nachfolgend auch als ein hochdruckseitiger Druck P1 bezeichnet) vorgesehen. Ein am Drucksensor 131 erfasstes Drucksignal wird einer Steuerung 133 (später beschrieben) ausgegeben.
Ein Drucksensor 132 einer Niederdruckseite ist auf einer Auslassseite der Expansionsvorrichtung 112, d.h. zwischen der Expansionsvorrichtung 112 und der Kondensationsvorrichtung 113, zum Erfassen des Kältemitteldrucks der Niederdruckseite des Clausius-Rankine-Kreises 110 (nachfolgend auch als ein niederdruckseitiger Druck P2 bezeichnet) vorgesehen. Ein am Drucksensor 132 erfasstes Drucksignal wird ebenfalls an die Steuerung 133 ausgegeben.
Die Steuerung 133 hat einen Berechnungsabschnitt zum Berechnen eines Druckunterschiedes ΔP an der Expansionsvorrichtung 112, der eine Differenz zwischen dem hochdruckseitigen Druck P1 und dem niederdruckseitigen Druck P2 ist, die an den Drucksensoren 131 bzw. 132 erfasst werden. Der berechnete Druckunterschied ΔP wird dem Umrichter 141 ausgegeben.
Ein Stromgenerator 120 (z.B. ein Synchrongenerator) ist mit der Expansionsvorrichtung 112 verbunden. Der Stromgenerator 120 ist zum Beispiel ein Dreiphasenwechselstromgenerator, der einen mit der Kurbelvorrichtung (der Welle) der Expansionsvorrichtung 112 verbundenen Rotor 121 (zum Beispiel einen Rotor mit Permanentmagneten) und einen an einem Außenumfang des Rotors 121 angeordneten Ständer 122 mit einer Dreiphasenspule aufweist. Der Stromgenerator 120 erzeugt am Ständer 122 entsprechend einer Drehung des durch die Drehantriebskraft der Expansionsvorrichtung 112 angetriebenen Rotors 121 elektrischen Strom.
Ein Betrieb des obigen Generators 120 wird durch den mit dem Ständer 122 verbundenen Umrichter gesteuert. D.h. der Umrichter 141 steuert den elektrischen Strom am Ständer 122, um die Drehzahl des Rotors 121 während eines Betriebs der Stromerzeugung am Generator 120 zu steuern. Demgemäß wird die erzeugte Strommenge gesteuert. Der erzeugte Strom wird in die Batterie 11 geladen. Der Umrichter 141 steuert die Drehzahl des Rotors 121 entsprechend der von der Steuerung 133 zugeführten Druckdifferenz ΔP.
Eine Funktionsweise des Steuersystems für die Expansionsvorrichtung (den Clausius-Rankine-Kreis 110) wird unter Bezug auf ein in 7 dargestelltes Flussdiagramm erläutert.
Die Flüssigkeitspumpe 114 und die Gebläsevorrichtung 142 werden aktiviert, um den Betrieb des Clausius-Rankine-Kreises 110 zu starten, wenn die Temperatur des Motorkühlwassers höher als eine vorbestimmte Temperatur wird, sodass eine ausreichende Abwärmemenge vom Motor erhalten werden kann.
Genauer wird das Flüssigphasen-Kältemittel aus der Kondensationsvorrichtung 113 durch die Flüssigkeitspumpe 114 unter Druck gesetzt und zur Heizvorrichtung 111 geleitet. Das Flüssigphasen-Kältemittel wird an der Heizvorrichtung 111 durch den Wärmeaustausch mit dem Hochtemperatur-Motorkühlwasser auf den überhitzten Dampf des Kältemittels erwärmt. Der überhitzte Dampf des Kältemittels wird zur Expansionsvorrichtung 112 geleitet. Der überhitzte Dampf des Kältemittels wird in der Expansionsvorrichtung in einer isentropischen Weise ausgedehnt und im Druck vermindert. Als Ergebnis wird die bewegbare Spirale mit der Umlaufbewegung gedreht, um durch die mit der bewegbaren Spirale verbundene Kurbelvorrichtung die Drehantriebskraft zu erzeugen. Der Stromgenerator 120 wird durch die Drehantriebskraft angetrieben und der am Generator 120 erzeugte Strom wird durch den Umrichter 141 in die Batterie 11 geladen. Der in der Batterie geladene Strom wird für die elektrischen Lasten 160 des Fahrzeugs verwendet. Als Ergebnis wird eine Last des Wechselstromgenerators 150 vermindert. Das in der Expansionsvorrichtung 112 im Druck verminderte Kältemittel wird in der Kondensationsvorrichtung 113 kondensiert und verflüssigt und in die Flüssigkeitspumpe 114 gesaugt.
Im obigen Betrieb des Clausius-Rankine-Kreises 110 wird eine Druckerhöhungskapazität der Flüssigkeitspumpe 114 unter Berücksichtigung einer Heizkapazität an der Heizvorrichtung 111 und einer Kondensationskapazität an der Kondensationsvorrichtung 113 eingestellt. Weiter wird die Druckerhöhungskapazität der Flüssigkeitspumpe 114 so eingestellt, dass die Druckdifferenz ΔP an der Expansionsvorrichtung 112 auf eine vorbestimmte Druckdifferenz ΔPth (auch als ein voreingestellter Druckunterschied bezeichnet) gesteuert wird, die für die Expansionsvorrichtung 112 und den Stromgenerator 120 notwendig ist, um eine Soll-Drehzahl für den effizienten Betrieb (Stromerzeugung) zu erzielen.
Falls die jeweiligen Kapazitäten für die Heizvorrichtung, die Kondensationsvorrichtung, usw. aus irgendeinem Grund während des Betriebs des Clausius-Rankine-Kreises 110 außer Gleichgewicht geraten, kann die Ist-Druckdifferenz ΔP niedriger als die vorbestimmte Druckdifferenz ΔPth werden. Falls dies passiert, würde ein Vorgang einer Überexpansion in der Expansionsvorrichtung 112 stattfinden. Demgemäß wird die Drehzahl des Stromgenerators 120 entsprechend der durch eine Druckerfassungsvorrichtung 130 (die Drucksensoren 131 und 132) erfassten Druckdifferenz ΔP aktiv gesteuert.
Wie in 7 dargestellt, startet die Steuerung 133 (der Umrichter 141) den Betrieb des Clausius-Rankine-Kreises 110 in einem Schritt S100. Die Steuerung 133 bestimmt in einem Schritt S110, ob die Druckdifferenz ΔP niedriger als die vorbestimmte Druckdifferenz ΔPth ist. Wie bereits oben erläutert, wird die Druckdifferenz ΔP durch die Steuerung 133 basierend auf dem hochdruckseitigen Druck P1 und dem niederdruckseitigen Druck P2, die durch die Drucksensoren 131 und 132 erfasst werden, berechnet. Die Steuerung 133 steuert den Umrichter 141 in einem Schritt S120 so, dass die Drehzahl des Stromgenerators 120 um ein vorbestimmtes Maß reduziert wird, wenn die Druckdifferenz ΔP niedriger als die vorbestimmte Druckdifferenz ΔPth ist.
Im Fall von "N" in Schritt S110, d.h. wenn die Druckdifferenz ΔP höher als die vorbestimmte Druckdifferenz ΔPth ist, steuert die Steuerung 133 den Umrichter 141 in einem Schritt S130 so, dass die Drehzahl des Stromgenerators 120 auf die Soll-Drehzahl geregelt wird. Der Prozess geht von Schritt S120 oder S130 zu Schritt S110 zurück, um den obigen Vorgang zu wiederholen.
Wie oben erläutert, wird die Drehzahl des Stromgenerators 120 in Schritt S120 reduziert. Die Drehzahl der Expansionsvorrichtung 112 wird entsprechend verringert. Da die Expansionsvorrichtung 112 als ein Fluidströmungswiderstand für das Kältemittel wirkt, das im Clausius-Rankine-Kreis 110 zirkuliert wird, kann der hochdruckseitige Druck P1 der Expansionsvorrichtung 112 erhöht werden. Demgemäß wird die Druckdifferenz ΔP zur vorbestimmten Druckdifferenz ΔPth erhöht. Wie oben erläutert, kann, da die Ist-Druckdifferenz ΔP auf den Wert höher als die vorbestimmte Druckdifferenz ΔPth gesteuert wird, der Vorgang der Überexpansion an der Ex pansionsvorrichtung 112 verhindert werden und ein stabiler Expansionsvorgang kann realisiert werden.
Die Expansionsvorrichtung 112 ist als Expansionsvorrichtung des Spiraltyps mit der Kurbelvorrichtung zum Verhindern einer Eigendrehung einer bewegbaren Spirale ausgebildet. In der Expansionsvorrichtung des Spiraltyps 112 mit der Kurbelvorrichtung wird eine Amplitudenbeziehung zwischen dem Druck in der Arbeitskammer (der Expansionskammer) und dem Druck in einem Ausgaberaum für das Kältemittel durch den Betrieb der Kurbelvorrichtung wiederholt umgekehrt, wenn die Überexpansion stattfindet. Dann werden die bewegbare und die feste Spirale voneinander getrennt oder miteinander in Kontakt gebracht, sodass dadurch ein ratterndes Geräusch erzeugt wird. Ferner wird im Vorgang der Überexpansion der Expansionsvorrichtung des Spiraltyps 112 eine Kraft zum Vorspannen der bewegbaren Spirale zu einer Druckplatte der festen Spirale kleiner, sodass die bewegbare Spirale gegen die feste Spirale geneigt werden kann. Als Ergebnis kann ein Schrägstellungsverschleiß verursacht werden. Wie oben erläutert, ist die Expansionsvorrichtung des Spiraltyps 112 mit der Kurbelvorrichtung, um die Überexpansion zu unterdrücken, zum Verhindern der Erzeugung des ratternden Geräusch und des Schrägstellungsverschleißes extrem effektiv.
Wenn die Druckdifferenz ΔP niedriger als die vorbestimmte Druckdifferenz ΔPth wird, kann ein Erregerstrom des Stromgenerators 120 erhöht werden, um als Einrichtung zum Erhöhen der Druckdifferenzen ΔP anstelle des Umrichters 141 des Stromgenerators 120 (die Einrichtung zum Reduzieren der Drehzahl) die magnetische Flussdichte zu erhöhen. D.h. der Rotor 121 des Stromgenerators 120 ist durch die elektrische Spule gebildet, anstelle der Permanentmagnete, und die magnetische Flussdichte wird durch Erhöhen des Erregerstroms zu einer solchen elektrischen Spule erhöht. Als Ergebnis wird das notwendige Drehmoment für den Stromgenerator 120 erhöht, um dadurch die Drehzahl zu verringern. Demgemäß kann die Druckdifferenz ΔP vergrößert werden.
(Drittes Ausführungsbeispiel)
Ein drittes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in 8 und 9 dargestellt. Im dritten Ausführungsbeispiel sind die Kondensationsvorrichtung 113 und die Gebläsevorrichtung 142 als Einrichtung 140A zum Erhöhen der Druckdifferenz ΔP ausgebildet. Die gleichen Bezugsziffern werden im dritten Ausführungsbeispiel verwendet, um die gleichen oder ähnlichen Komponenten und Teile wie im zweiten Ausführungsbeispiel zu kennzeichnen.
Die Gebläsevorrichtung 142 des dritten Ausführungsbeispiels ist als eine elektrische Gebläsevorrichtung zum Blasen der Kühlluft zur Kondensationsvorrichtung 113 ausgebildet, wie in 8 dargestellt. Eine Drehzahl der elektrischen Gebläsevorrichtung 142 wird durch die Steuerung 133 gesteuert. Eine Funktionsweise des dritten Ausführungsbeispiels wird durch ein in 9 dargestelltes Flussdiagramm gesteuert. In 9 sind die Schritte S120 und S130 von 7 durch Schritte S120A und S130A ersetzt.
Wenn die Steuerung 133 in Schritt S110 bestimmt, dass die Druckdifferenz ΔP an der Expansionsvorrichtung 112 niedriger als die vorbestimmte Druckdifferenz ΔPth ist, steuert die Steuerung 133 eine Erhöhung der Drehzahl der Gebläsevorrichtung 142 um eine vorbestimmte Drehzahl. D.h. die Menge der der Kondensationsvorrichtung 113 zugeführten Kühlluft wird um ein vorbestimmtes Maß erhöht.
In Fall von "N" in Schritt S110, d.h. wenn die Druckdifferenz ΔP höher als die vorbestimmte Druckdifferenz ΔPth ist, steuert die Steuerung 133 die Gebläsevorrichtung 142 in einem Schritt S130A so, dass die Drehzahl der elektrischen Gebläsevorrichtung 142 auf die Soll-Drehzahl geregelt wird. Der Prozess geht von Schritt S120A oder S130A zurück zu Schritt S110, um den obigen Vorgang zu wiederholen.
Wie oben erläutert, wird der Vorgang zum Kondensieren des Kältemittels in der Kondensationsvorrichtung 113 erleichtert, wenn die Drehzahl der Gebläsevorrichtung 142 in Schritt S120A erhöht wird, sodass der Druck P2 auf der Niederdruckseite verringert wird. Als Ergebnis wird die Druckdifferenz ΔP vergrößert, um nahe zur vorbestimmten Druckdifferenz ΔPth zu werden. Die Überexpansion der Expansionsvorrichtung 112 wird in der gleichen Weise wie im dritten Ausführungsbeispiel ebenfalls verhindert. Und der stabile Expansionsvorgang kann basierend auf der vorbestimmten Druckdifferenz ΔPth erzielt werden.
(Viertes Ausführungsbeispiel)
Ein viertes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in 10 und 11 dargestellt. Im vierten Ausführungsbeispiel sind die Flüssigkeitspumpe 114, ein Elektromotor 143 zum Antreiben der Flüssigkeitspumpe 114 und ein Umrichter 144 zum Steuern des Elektromotors 143 als Einrichtung 140B zum Erhöhen der Druckdifferenz ΔP ausgebildet. Der Umrichter 144 liest die Druckdifferenz ΔP aus der Steuerung 133, um den Elektromotor 143 zu steuern. Die gleichen Bezugsziffern werden im vierten Ausführungsbeispiel verwendet, um die gleichen oder ähnlichen Komponenten und Teile wie im zweiten Ausführungsbeispiel zu bezeichnen.
Ein Betrieb des vierten Ausführungsbeispiels wird durch ein in 11 dargestelltes Flussdiagramm gesteuert. In 11 sind die Schritte S120 und S130 von 7 durch Schritte S120B und S130B ersetzt.
Wenn die Steuerung 133 in Schritt S110 bestimmt, dass die Druckdifferenz ΔP an der Expansionsvorrichtung 112 niedriger als die vorbestimmte Druckdifferenz ΔPth ist, steuert die Steuerung 133 eine Erhöhung der Drehzahl des Elektromotors 143 durch den Umrichter 144 um eine vorbestimmte Drehzahl. D.h. eine Druckerhöhungskapazität der Flüssigkeitspumpe 114 wird um ein vorbestimmtes Maß erhöht.
Im Fall von "N" in Schritt S110, d.h. wenn die Druckdifferenz ΔP höher als die vorbestimmte Druckdifferenz ΔPth ist, steuert die Steuerung 133 den Elektromotor 143 in einem Schritt S130B so, dass die Drehzahl der Flüssigkeitspumpe 114 auf die Soll-Drehzahl geregelt wird. Der Prozess geht von Schritt S120B oder S130B zurück zu Schritt S110, um den obigen Vorgang zu wiederholen.
Wie oben erläutert, wird die Druckerhöhungskapazität der Flüssigkeitspumpe 114 in Schritt S120B erhöht, sodass der Druck P1 auf der Hochdruckseite erhöht wird. Als Ergebnis wird die Druckdifferenz ΔP vergrößert, um nahe zur vorbestimmten Druckdifferenz ΔPth zu werden. Die Überexpansion der Expansionsvorrichtung 112 wird in der gleichen Weise wie im zweiten Ausführungsbeispiel ebenfalls verhindert. Und der stabile Expansionsvorgang kann basierend auf der vorbestimmten Druckdifferenz ΔPth erzielt werden.
Wenn die Druckdifferenz ΔP niedriger als die vorbestimmte Druckdifferenz ΔPth wird, kann ein Erregerstrom des Elektromotors 143 verringert werden, um als Einrichtung zum Erhöhen der Druckdifferenz ΔP anstelle des Umrichters 144 des Elektromotors 143 (der Einrichtung zum Erhöhen der Drehzahl) eine magnetische Flussdichte zu verringern. D.h. der Rotor des Elektromotors 143 ist aus einer elektrischen Spule gebildet, die magnetische Flussdichte wird durch Verringern des Erregerstroms zu einer solchen elektrischen Spule verringert. Als Ergebnis wird das notwendige Drehmoment für den Elektromotor 143 vermindert, um dadurch die Drehzahl zu erhöhen. Demgemäß wird die Druckerhöhungskapazität der Flüssigkeitspumpe 114 erhöht, sodass die Druckdifferenz ΔP erhöht werden kann.
(Weitere Modifikationen)
In den obigen Ausführungsbeispielen sind der Drucksensor 131 auf der Hochdruckseite und der Drucksensor 132 auf der Niederdruckseite zwischen der Heizvorrichtung 111 und der Expansionsvorrichtung 112 bzw. zwischen der Expansionsvorrichtung 112 und der Kondensationsvorrichtung 113 angeordnet. Der Drucksensor 131 kann jedoch auch zwischen der Flüssigkeitspumpe 114 und der Heizvorrichtung 111 angeordnet werden, während der Drucksensor 132 auch zwischen der Kondensationsvorrichtung 113 und der Flüssigkeitspumpe 114 angeordnet werden kann.
Das Expansionsvorrichtungssteuersystem der vorliegenden Erfindung ist auf das Steuersystem für die Expansionsvorrichtung 112 für den Clausius-Rankine-Kreis 110 angewendet. Das Steuersystem der vorliegenden Erfindung kann jedoch auch auf ein Steuersystem für eine Expansionsvorrichtung für einen Braytonkreis (eine Turbinenvorrichtung) angewendet werden.
Der Clausius-Rankine-Kreis 110 ist auf das Fahrzeug angewendet, er kann jedoch auch für andere industrielle Zwecke verwendet werden.

Claims

Abwärmesammelvorrichtung für ein Fahrzeug, mit einem Motorkühlkreis (1), durch den ein Motorkühlwasser zirkuliert wird; und einem Clausius-Rankine-Kreis (110) mit einer Expansionsvorrichtung (112), einer Kondensationsvorrichtung (1131, einer Kältemittelpumpe (114) und einer Heizvorrichtung (111), die in einem geschlossenen Kreis verbunden sind, sodass ein Kältemittel im geschlossenen Kreis durch den Betrieb der Kältemittelpumpe (114) zirkuliert wird, wobei die Heizvorrichtung (111) im Motorkühlkreis (1) zum Heizen des Kältemittels des Clausius-Rankine-Kreises mit der Wärme des Motorkühlwassers angeordnet ist, sodass das Kältemittel in ein Hochdruck- und Hochtemperatur-Kältemittel umgewandelt wird, die Heizvorrichtung (111) mit einer Einlassseite der Expansionsvorrichtung (112) zum Zuführen des Hochdruckkältemittels zur Expansionsvorrichtung (112) verbunden ist, die Kondensationsvorrichtung (113) mit einer Auslassseite der Expansionsvorrichtung (112) zum Abkühlen und Kondensieren des Kältemittels aus der Expansionsvorrichtung (112) durch Wärmeaustausch mit der Umgebungsluft verbunden ist, sodass der Druck des Kältemittels auf der Auslassseite der Expansionsvorrichtung (112) von einer Kondensationskapazität der Kondensationsvorrichtung (113) abhängt, die Expansionsvorrichtung (112) eine Fluidmaschine mit fester Verdrängung ist und eine Ausgangswelle (29) der Expansionsvorrichtung (112) durch eine Expansion des Kältemittels in einer Arbeitskammer (V) davon zum Drehen angetrieben wird, wobei die Expansion des Kältemittels durch einen Druckunterschied des Kältemittels zwischen dem Hochdruck auf der Einlassseite und dem Niederdruck auf der Auslassseite der Expansionsvorrichtung (112) durchgeführt wird, und ein Volumenverhältnis der Expansion für die Expansionsvorrichtung (112) auf einem Wert ausgewählt wird, bei dem eine richtige Expansion des Kältemittels erzielt wird, wenn der Druckunterschied zwischen dem Hochdruck und dem Niederdruck minimal ist.
Abwärmesammelvorrichtung nach Anspruch 1, ferner mit einem Kühlkreis (3) mit einer Kompressorvorrichtung (14), die mit einem Motor (6) wirkverbunden und durch ihn angetrieben wird, einem Kondensator und einem Verdampfapparat (18), wobei die Kondensationsvorrichtung (113) des Clausius-Rankine-Kreises (110) auch als der Kondensator für den Kühlkreis (3) benutzt wird.
Abwärmesammelvorrichtung nach Anspruch 2, bei welcher das Volumenverhältnis der Expansion für die Expansionsvorrichtung (112) auf einem Wert zwischen 1,5 und 2,5 ausgewählt ist.
Abwärmesammelvorrichtung für ein Fahrzeug, mit einem Clausius-Rankine-Kreis (110) mit einer Expansionsvorrichtung (112), einer Kondensationsvorrichtung (113), einer Kältemittelpumpe (114) und einer Heizvorrichtung (111), wobei die Expansionsvorrichtung (112), die Kondensationsvorrichtung (113), die Kältemittelpumpe (114) und die Heizvorrichtung (111) in einem geschlossenen Kreis verbunden sind, sodass durch den Betrieb der Kältemittelpumpe (114) ein Kältemittel in dem geschlossenen Kreis zirkuliert wird, wobei die Expansionsvorrichtung (112) durch eine Expansion des Kältemittels eine Drehantriebskraft erzeugt; einem Stromgenerator (120), der mit der Expansionsvorrichtung (112) wirkverbunden ist, um den Strom zu erzeugen, wenn er durch die Drehantriebskraft der Expansionsvorrichtung (112) zum Drehen angetrieben wird; einer Druckerfassungsvorrichtung (130) zum Erfassen eines Druckunterschiedes (ΔP) des Kältemittels zwischen einem Druck auf einer Hochdruckseite der Expansionsvorrichtung (112) und einem Druck auf einer Niederdruckseite der Expansionsvorrichtung (112); und einer Druckerhöhungseinrichtung (140) zum Erhöhen des Druckunterschiedes (ΔP), wenn der durch die Druckerfassungsvorrichtung (130) erfasste Druckunterschied (ΔP) niedriger als ein vorbestimmter Druckunterschied (ΔPth) ist, sodass der Druckunterschied (ΔP) näher zum vorbestimmten Druckunterschied (ΔPth) wird.
Drehkrafterzeugungsvorrichtung, mit einer Hochdruckerzeugungsvorrichtung (111) zum Erzeugen eines Hochdrucks eines Arbeitsfluids; einer Niederdruckerzeugungsvorrichtung (113) zum Erzeugen eines Niederdrucks des Arbeitsfluids; einer Expansionsvorrichtung (112), die eine feste Verdrängung besitzt und eine Ausgangswelle (29) durch einen Druckunterschied des Arbeitsfluids zwischen dem durch die Hochdruckerzeugungsvorrichtung (111) erzeugten Hochdruck und dem durch die Niederdruckerzeugungsvorrichtung (113) erzeugten Niederdruck dreht, wobei ein Volumenverhältnis einer Expansion für die Expansionsvorrichtung (112) auf einem Wert ausgewählt ist, bei dem eine richtige Expansion des Arbeitsfluids erzielt wird, wenn der Druckunterschied zwischen dem Hochdruck und dem Niederdruck minimal ist.
Drehkrafterzeugungsvorrichtung nach Anspruch 5, bei welcher die Hochdruckerzeugungsvorrichtung (111) eine Heizvorrichtung zum Heizen des Arbeitsfluids mit von einem Fahrzeug erzeugter Wärme aufweist.
Drehkrafterzeugungsvorrichtung nach Anspruch 6, bei welcher die Hochdruckerzeugungsvorrichtung (111) eine Heizvorrichtung zum Heizen des Arbeitsfluids mit Wärme eines Motorkühlwassers aufweist.
Drehkrafterzeugungsvorrichtung nach Anspruch 5, bei welcher die Niederdruckerzeugungsvorrichtung (113) eine Kondensationsvorrichtung zum Abkühlen des Arbeitsfluids durch Umgebungsluft aufweist, um so den Druck des Arbeitsfluids zu vermindern, und das Volumenverhältnis der Expansion für die Expansionsvorrichtung (112) auf einem Wert ausgewählt ist, bei dem die richtige Expansion des Arbeitsfluids im Sommer erzielt wird, wenn der an der Niederdruckerzeugungsvorrichtung (113) erzeugte Druck höher als die Drücke in anderen Jahreszeiten wird.
Drehkrafterzeugungsvorrichtung nach Anspruch 5, bei welcher die Niederdruckerzeugungsvorrichtung (113) eine Kondensationsvorrichtung aufweist, die auch für einen Clausius-Rankine-Kreis (110) und einen Kühlkreis (3) benutzt wird, und das Volumenverhältnis der Expansion für die Expansionsvorrichtung (112) auf einem Wert zwischen 1,5 und 2,5 ausgewählt ist.
Drehkrafterzeugungsvorrichtung nach Anspruch 5, bei welcher ein Motorgenerator (120) durch die Ausgangswelle (29) zum Erzeugen von Strom angetrieben wird.
Steuersystem für eine Expansionsvorrichtung, mit einer Expansionsvorrichtung (112) zum Erzeugen einer Drehantriebskraft durch Expansion eines Hochdruck- und Hochtemperatur-Arbeitsfluids; einem durch die Drehantriebskraft der Expansionsvorrichtung (112) angetriebenen Stromgenerator (120); einer Druckerfassungsvorrichtung (130) zum Erfassen eines Druckunterschiedes (ΔP) des Arbeitsfluids zwischen einem Druck auf einer Hochdruckseite der Expansionsvorrichtung (112) und einem Druck auf einer Niederdruckseite der Expansionsvorrichtung (1121; und einer Druckerhöhungseinrichtung (140) zum Erhöhen des Druckunterschiedes (ΔP), wenn der durch die Druckerfassungsvorrichtung (130) erfasste Druckunterschied (ΔP) kleiner als ein vorbestimmter Druckunterschied (ΔPth) ist, sodass der Druckunterschied (ΔP) näher zum vorbestimmten Druckunterschied (ΔPth) wird.
Steuersystem für eine Expansionsvorrichtung nach Anspruch 11, bei welcher die Expansionsvorrichtung (112) eine Vorrichtung des Spiraltyps ist, die aufweist: eine bewegbare Spirale, die durch die Expansion des Arbeitsfluids relativ zu einer festen Spirale mit einer Umlaufbewegung gedreht werden soll; und eine an der bewegbaren Spirale vorgesehene Kurbelvorrichtung zum Erzeugen der Drehantriebskraft entsprechend der Umlaufbewegung der bewegbaren Spirale, wobei die feste Spirale und die bewegbare Spirale als Funktion der Kurbelvorrichtung während der Expansion des Arbeitsfluids gegeneinander gedrückt werden.
Steuersystem für eine Expansionsvorrichtung nach Anspruch 11, bei welcher die Druckerfassungsvorrichtung (130) aufweist: einen Drucksensor (131) zum Erfassen eines hochdruckseitigen Drucks (P1) und einen Drucksensor (132) zum Erfassen eines niederdruckseitigen Drucks (P2) der Expansionsvorrichtung (112); und eine Steuerung (133) zum Berechnen einer Differenz zwischen dem hochdruckseitigen Druck (P1) und dem niederdruckseitigen Druck (P2) als den Druckunterschied (ΔP).
Steuersystem für eine Expansionsvorrichtung nach Anspruch 11, bei welcher die Druckerhöhungseinrichtung (140) aufweist: den Stromgenerator (1201; und eine Vorrichtung (141) zum Reduzieren einer Drehzahl des Stromgenerators (120).
Steuersystem für eine Expansionsvorrichtung nach Anspruch 14, bei welchem die Vorrichtung (141) zum Reduzieren der Drehzahl des Stromgenerators (120) ein Umrichter zum Steuern der Drehzahl des Stromgenerators (120) ist.
Steuersystem für eine Expansionsvorrichtung nach Anspruch 14, bei welchem die Vorrichtung (141) zum Reduzieren der Drehzahl des Stromgenerators (120) eine Magnetflussdichte-Erhöhungseinrichtung zum Erhöhen der magnetischen Flussdichte durch Erhöhen einer Erregung einer Spule für einen Rotor des Stromgenerators (120) aufweist.
Steuersystem für eine Expansionsvorrichtung nach Anspruch 11, bei welchem die Expansionsvorrichtung (112) für einen Clausius-Rankine-Kreis (110) benutzt wird; und die Druckerhöhungseinrichtung (140) aufweist: eine auf einer Niederdruckseite des Clausius-Rankine-Kreises (110) vorgesehene Kondensationsvorrichtung (113) und eine Vorrichtung (142) zum Erhöhen der Kondensationskapazität an der Kondensationsvorrichtung (113).
Steuersystem für eine Expansionsvorrichtung nach Anspruch 17, bei welchem die Vorrichtung (142) zum Erhöhen der Kondensationskapazität an der Kondensationsvorrichtung (113) eine Gebläsevorrichtung zum Blasen von Luft zur Kondensationsvorrichtung (113) aufweist, wobei die Gebläsevorrichtung (142) die Luftmenge zur Kondensationsvorrichtung (113) erhöht.
Steuersystem für eine Expansionsvorrichtung nach Anspruch 11, bei welchem die Expansionsvorrichtung (112) für einen Clausius-Rankine-Kreis (110) verwendet wird; und die Druckerhöhungseinrichtung (140) aufweist: eine Flüssigkeitspumpe (114) zur Druckerhöhung des Arbeitsfluids auf der Niederdruckseite des Clausius-Rankine-Kreises (110) und zum Leiten des im Druck erhöhten Arbeitsfluids zur Hochdruckseite des Clausius-Rankine-Kreises (110) und eine Vorrichtung (144) zum Erhöhen einer Drehzahl der Flüssigkeitspumpe (114).
Steuersystem für eine Expansionsvorrichtung nach Anspruch 19, bei welchem die Vorrichtung (144) zum Erhöhen der Drehzahl der Flüssigkeitspumpe (114) einen Umrichter (144) zum Steuern einer Drehzahl eines Elektromotors (143) zum Antreiben der Flüssigkeitspumpe (114) aufweist.
Steuersystem für eine Expansionsvorrichtung nach Anspruch 20, bei welchem die Vorrichtung (144) zum Erhöhen der Drehzahl der Flüssigkeitspumpe (114) eine Einrichtung zum Verringern einer magnetischen Flussdichte des Elektromotors (143) zum Antreiben der Flüssigkeitspumpe (114) durch Verringern der Erregung für den Elektromotor (143) aufweist.