(57)【要約】  二酸化炭素冷媒が、圧縮機と、ガスクーラと、膨張装置と、蒸発器と、を含む蒸気圧縮システムを通して循環している。二酸化炭素は、燃焼炭化水素燃料の燃焼生成物を含む自動車排気流から抽出される。抽出された二酸化炭素は、初期の二酸化炭素冷媒の供給をシステム冷媒の所望の（もしくは所定の）レベルに維持するように補充するために用いられる。システムは、冷媒量を測定し監視するセンサアセンブリを備える。一例として、センサがシステム中の二酸化炭素冷媒量が閾値を下回ることを検出すると、抽出された二酸化炭素は貯蔵タンクからシステムへと自動的に追加される。別の一例として、抽出された二酸化炭素はシステムへ直接追加され、センサがシステム中の二酸化炭素冷媒量が閾値を超えたと検出すると、二酸化炭素冷媒がシステムから除去される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）内燃機関から流体の流れを作り出すステップと、
（ｂ）前記流体の流れから冷媒を抽出するステップと、
（ｃ）前記冷媒を蒸気圧縮システムへ自動的に追加するステップと、
を備えてなる冷媒を蒸気圧縮システムへ自動的に追加する方法。
【請求項２】
ステップ（ｃ）の前に、前記冷媒を貯蔵するステップをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の冷媒を蒸気圧縮システムへ自動的に追加する方法。
【請求項３】
前記蒸気圧縮システムの冷媒量を感知するステップと、前記冷媒量を閾値と比較するステップと、前記冷媒量が前記閾値を下回るとき、前記ステップ（ｂ）で抽出した冷媒を前記蒸気圧縮システムに自動的に追加するステップと、をさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の冷媒を蒸気圧縮システムへ自動的に追加する方法。
【請求項４】
前記蒸気圧縮システムの冷媒量を感知するステップと、前記冷媒量を閾値と比較するステップと、前記冷媒量が前記閾値を上回るとき、所定量の冷媒を前記蒸気圧縮システムから自動的に除去するステップと、をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の冷媒を蒸気圧縮システムへ自動的に追加する方法。
【請求項５】
前記流体の流れが内燃機関排気流であり、前記冷媒が二酸化炭素であることを特徴とする請求項１に記載の冷媒を蒸気圧縮システムへ自動的に追加する方法。
【請求項６】
前記ステップ（ｂ）が、前記冷媒を吸収剤で吸収し、前記冷媒を前記吸収剤から脱離するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の冷媒を蒸気圧縮システムへ自動的に追加する方法。
【請求項７】
前記冷媒が二酸化炭素であり、前記吸収剤がゼオライト結晶であり、前記二酸化炭素を脱離するステップが前記ゼオライト結晶の加熱を含むことを特徴とする請求項６に記載の冷媒を蒸気圧縮システムへ自動的に追加する方法。
【請求項８】
前記ステップ（ｂ）が、前記冷媒を金属塩水溶液の金属塩で吸収し、前記冷媒を前記金属塩から熱で脱離することを特徴とする請求項１に記載の冷媒を蒸気圧縮システムへ自動的に追加する方法。
【請求項９】
前記冷媒が二酸化炭素であり、前記ステップ（ｂ）が、流体の流れの二酸化炭素選択膜への通過を含むことを特徴とする請求項１に記載の冷媒を蒸気圧縮システムへ自動的に追加する方法。
【請求項１０】
前記冷媒を高圧に圧縮するステップと、前記冷媒を冷却するステップと、前記冷媒を膨張させて低圧にするステップと、冷媒を蒸発させるステップと、をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の冷媒を蒸気圧縮システムへ自動的に追加する方法。
【請求項１１】
前記蒸気圧縮システムに追加される前記冷媒の圧力を、前記高圧に上昇させるステップをさらに含むことを特徴とする請求項１０に記載の冷媒を蒸気圧縮システムへ自動的に追加する方法。
【請求項１２】
前記内燃機関が、自動車によって利用されることを特徴とする請求項１に記載の冷媒を蒸気圧縮システムへ自動的に追加する方法。
【請求項１３】
（ａ）冷媒初期量を有する蒸気圧縮システムを提供するステップと、
（ｂ）補充用冷媒を含む流体の流れを生み出すステップと、
（ｃ）前記システム冷媒を高圧に圧縮するステップと、
（ｄ）前記システム冷媒を冷却するステップと、
（ｅ）前記システム冷媒を膨張させて低圧にするステップと、
（ｆ）前記システム冷媒を蒸発させるステップと、
（ｇ）前記冷媒の供給補充を前記流体の流れから抽出するステップと、
（ｈ）前記冷媒の供給補充を、冷媒の所定最低量を維持するように前記蒸気圧縮システムに自動的に追加するステップと、
を備えてなる冷媒を蒸気圧縮システムへ自動的に追加する方法。
【請求項１４】
前記蒸気圧縮システムの冷媒量を感知するステップと、前記冷媒量を閾値と比較するステップと、前記ステップ（ｇ）で抽出した冷媒を自動的に追加するステップと、をさらに含むことを特徴とする請求項１３に記載の冷媒を蒸気圧縮システムへ自動的に追加する方法。
【請求項１５】
前記流体の流れが自動車排気流であり、前記冷媒が二酸化炭素であることを特徴とする請求項１４に記載の冷媒を蒸気圧縮システムへ自動的に追加する方法。
【請求項１６】
冷媒源と、
前記冷媒源から前記冷媒を抽出する抽出システムと、
蒸気圧縮システムにおける冷媒の所定最低量を維持するように、前記冷媒を前記蒸気圧縮システムに自動的に追加する代替システムと、
を備える蒸気圧縮システム。
【請求項１７】
前記蒸気圧縮システムの冷媒量を測定するセンサをさらに備えることを特徴とする請求項１６に記載の蒸気圧縮システム。
【請求項１８】
前記代替システムが、前記冷媒を貯蔵する貯蔵タンクを備えるとともに、前記蒸気圧縮システムの前記冷媒量が閾値を下回るとき、前記貯蔵タンクから前記蒸気圧縮システムに前記冷媒を自動的に追加することを特徴とする請求項１７に記載の蒸気圧縮システム。
【請求項１９】
前記蒸気圧縮システムの前記冷媒量が閾値を上回るとき、前記蒸気圧縮システムから前記冷媒を除去する、除去システムを含むことを特徴とする請求項１７に記載の蒸気圧縮システム。
【請求項２０】
前記冷媒源が自動車排気流であり、前記冷媒が二酸化炭素であることを特徴とする請求項１６に記載の蒸気圧縮システム。
【請求項２１】
前記冷媒が二酸化炭素であり、前記抽出システムが二酸化炭素交換膜を備えるとともに、前記二酸化炭素を、前記冷媒源から抽出するように、前記二酸化炭素交換膜に透過させることを特徴とする請求項１６に記載の蒸気圧縮システム。
【請求項２２】
前記冷媒を高圧に圧縮する圧縮装置と、前記冷媒を冷却する放熱熱交換器と、前記冷媒を低圧に減少させる膨張装置と、前記冷媒を蒸発させる吸熱熱交換器と、をさらに備えることを特徴とする請求項１６に記載の蒸気圧縮システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して内燃機関の排気から二酸化炭素を抽出し、この抽出した二酸化炭素を冷媒としての用途で蒸気圧縮システムに自動的に追加する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
塩素をベースとする冷媒は、環境に有害な影響を及ぼす可能性から世界中の多くの国で撤廃されつつある。ヒドロフルオロカーボン（ＨＦＣｓ）が代替冷媒として使用されているが、これらの冷媒もなお環境に有害となりうる。
【０００３】
二酸化炭素やプロパンのような、「天然の」冷媒が代替冷媒として挙げられている。二酸化炭素は自動車空調システムやそのほか冷暖房への応用に用いることができる。二酸化炭素は臨界点が低く、大抵の状況下で、ほとんどの空調システムは臨界点を超えて、もしくは部分的に臨界点を超えて運転される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
蒸気圧縮システムが二酸化炭素で稼動すると、高い稼動圧力のために冷媒漏れの可能性が高まる。二酸化炭素システムは概して大きい容積を持つため、二酸化炭素蒸気圧縮システムは通常の冷媒を用いるシステムより充填量が少ない。したがって、二酸化炭素システムの冷媒漏れは、通常の冷媒を用いるシステムの冷媒漏れ以上にシステム性能に重大な影響をもたらす。充填物が漏れると、追加の冷媒がシステムに加えられなければならない。従来、冷媒の追加は手動で行われている。しかしながら、蒸気圧縮システムへの充填物の追加はコストも労力もかかる。
【０００５】
したがって、その他先行技術の上記の欠陥を克服するとともに、労力やコストをかけずに、二酸化炭素冷媒を自動的に追加する方法を提供することが望ましい。
【０００６】
本発明は、概して冷媒を蒸気圧縮システムに自動的に追加する方法に関する。内燃機関は排気を生じ、この排気流から冷媒が抽出され、蒸気圧縮システムに自動的に追加される。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
一実施例では、二酸化炭素蒸気圧縮システムが、圧縮機と、放熱熱交換器と、膨張装置と、蒸発器とを備える。圧縮機は冷媒を高圧、高エンタルピに圧縮する。冷媒がガスクーラを通して流れるに従い、冷媒は液状媒体に熱を放出し、放熱熱交換器を低エンタルピ、高圧で出る。その後冷媒は膨張弁で膨張され低圧となる。膨張後、冷媒は蒸発器を通して流れ、外気から熱を吸収する。冷媒は蒸発器を高エンタルピ、低圧で出る。蒸発後、冷媒は再び圧縮機に入り、サイクルを完了する。二酸化炭素冷媒は閉回路システムを循環する。
【０００８】
自動車燃料中の炭化水素が酸素の存在下で燃焼されると、二酸化炭素を含む燃焼生成物が放出される。二酸化炭素は、二酸化炭素抽出システムを用いることにより燃焼生成物から抽出される。例えば、二酸化炭素抽出システムは、固体吸着剤や、金属塩水溶液、もしくは二酸化炭素選択膜でもよい。
【０００９】
一例として、抽出された二酸化炭素は直接貯蔵タンクに送られる。センサがシステム中の二酸化炭素冷媒量が閾値を下回ることを検出すると、センサはコントローラに信号を送る。コントローラは貯蔵タンクからシステムに自動的に二酸化炭素を供給するように貯蔵タンクのバルブを開ける。センサがシステム中の冷媒量が閾値を上回ることを検出すると、コントローラはバルブを閉めるよう信号を送る。
【００１０】
別の一例として、抽出された二酸化炭素は燃焼生成物から抽出された後、直接システムに追加される。センサがシステム中の二酸化炭素量が閾値を上回ることを検出すると、センサはコントローラに信号を送る。コントローラはシステムから二酸化炭素を自動的に除去するようにバルブを開ける。センサがシステム中の冷媒量が閾値を下回ることを検出すると、コントローラはバルブを閉めるよう信号を送る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１は、圧縮機２２と、放熱熱交換器（トランスクリティカルサイクルのガスクーラ）２４と、膨張装置２６と、吸熱熱交換器（蒸発器）２８と、を備える蒸気圧縮システム２０の例を示す。二酸化炭素冷媒が蒸気圧縮システム２０を通して循環している。システム２０はさらに、システム中の冷媒量を測定、予測、あるいは監視するセンサアセンブリ５６を備える。
【００１２】
冷媒は圧縮機２２を高圧、高エンタルピで出る。それから冷媒は放熱熱交換器２４を通して高圧で流れる。水もしくは空気のような流動媒体３０が、放熱熱交換器２４のヒートシンク３２を通して流れ、放熱熱交換器２４を通して流れる冷媒と熱を交換する。放熱熱交換器２４では、冷媒は流動媒体３０に熱を放出し、冷媒は放熱熱交換器２４を低エンタルピ、高圧で出る。ポンプもしくはファン３４は流動媒体を、ヒートシンク３２を通して汲み出す。冷却された流動媒体３０はヒートシンク入口すなわちリターン部３６でヒートシンク３２に入り、冷媒の流れと反対方向に流れることができる。冷媒と熱の交換後、熱水３８はヒートシンク出口すなわちサプライ部４０でヒートシンク３０を出る。
【００１３】
その後、冷媒は膨張弁２６を通過し、膨張して冷媒圧力を減少させる。膨張装置２６は電子膨張弁（ＥＸＶ）もしくはその他の周知の膨張装置でよい。
【００１４】
膨張後、冷媒は蒸発器２８の通路を通して流れ、高エンタルピ、低圧で出る。蒸発器２８では、冷媒は、空気や水のような熱源流体４４から熱を吸収する。熱源流体４４はヒートシンク４６を通して流れ、蒸発器２８を通過する冷媒と周知のように熱を交換する。熱源流体４４はヒートシンク入口すなわちリターン部４８を通してヒートシンク４６に入り、冷媒の流れと反対方向に流れる。冷媒と熱の交換後、冷却された熱源流体５０はヒートシンク出口すなわちサプライ部５２を通してヒートシンク４６を出る。冷媒が蒸発器２８を通して流れる際に、外気４４と蒸発器２８の冷媒との温度差によって、外気４４から冷媒へ熱エネルギーが移送される。ファンもしくはポンプ５４が熱源流体４４を、蒸発器２８を横切って移動させ、温度差を維持しつつ冷媒を蒸発させている。その後冷媒は再びコンプレッサ２２に入り、サイクルを完了する。
【００１５】
二酸化炭素冷媒は通常使用される冷媒と比較して相対的に高い蒸気圧を持つ。システムの冷媒漏れ率は概して圧力と相関する。二酸化炭素システムは通常の冷媒システムと比べて漏れやすい。
【００１６】
二酸化炭素冷媒は臨界点が低く、蒸気圧縮システムは臨界点を超えて、もしくは部分的に臨界点を超えて運転しうる。トランスクリティカル蒸気圧縮システムでは、放熱熱交換器はガスクーラ２４として作動し、このガスクーラ２４の圧力はずっと高く、システム２０からの冷媒漏れやすさを増加させる。蒸気圧縮システム２０が臨界を超えて運転すると、冷媒がシステム２０から漏れる可能性が高くなる。二酸化炭素蒸気圧縮システムは概して高い容積を有しており、それゆえ冷媒として二酸化炭素を用いる蒸気圧縮システムは、通常の冷媒を用いる蒸気圧縮システムと比べて充填量が少ない。冷媒として二酸化炭素を使用する蒸気圧縮システムの充填量が少ないため、冷媒漏れはシステム性能に多大な影響を及ぼす。本発明の主題は既存の供給源から二酸化炭素を抽出することにより自動的にシステムを再充填することである。
【００１７】
内燃機関燃料は炭化水素を含む。燃料内の炭化水素が酸素の存在下で燃えると、燃焼生成物を含む排出ガスが生み出される。燃焼生成物は二酸化炭素や、水、そして一酸化炭素や窒素酸化物およびその他の未燃焼炭化水素のような他の物質も含む。
【００１８】
第一の実施例では、図１に示すように、内燃機関５８が二酸化炭素６４を含む燃焼生成物６０の排気ガス流を生み出す。二酸化炭素６４は燃焼生成物６０から二酸化炭素抽出システム６２によって抽出される。抽出された二酸化炭素６４はその後貯蔵タンク６６へ送られ、貯蔵される。ポンプもしくはコンプレッサ９０が、二酸化炭素をシステム２０によってより簡単に利用できるようにするために、貯蔵タンク６６の二酸化炭素の圧力を増加するべく用いられうる。燃焼生成物６０から二酸化炭素６４を抽出することにより、大気中に排出される二酸化炭素量は減少し、汚染を減少させる。
【００１９】
センサシステム５６がシステム２０の冷媒量を検出する。センサ５６が、システム２０の冷媒量が閾値を下回ることを検出もしくは予測するとき、充填物はシステムから漏れている。センサシステム５６はコントローラ６８へ信号を送り、冷媒レベルが閾値を下回ることを指示する。コントローラ６８は、二酸化炭素を貯蔵タンク６６からシステム２０の冷媒流に自動的に供給するように、貯蔵タンク６６のバルブ７１を開ける信号を送信する。閾値は、蒸気圧縮システム２０の大きさなどの多くの要因に依存し、どのような閾値を用いるべきであるかは当業者にとって理解できるであろう。
【００２０】
システム２０に追加される二酸化炭素量は、システム２０から漏れた充填物の量に依存する。センサシステム５６が、システム２０の冷媒量が閾値を上回ることを検出もしくは予測すると、二酸化炭素のシステム２０への流入を止めるようにバルブ７１が閉められる。二酸化炭素６４はシステム２０のいかなる地点からも追加することができる。望ましくは、二酸化炭素６４は、システム２０の圧力が最低となるような圧縮機２２の吸入側９２で追加される。
【００２１】
一実施例では、図２に示すように、二酸化炭素抽出システム６２が、燃焼生成物６０中の二酸化炭素６４を、ゼオライト結晶７０のような固体吸着剤で吸収することにより、抽出している。ゼオライト結晶７０はトンネルや室が相互に連結したハニカム状ネットワークを有する剛性結晶である。アルミナのような結合剤がまた、ゼオライト結晶７０の機械的強度を増加させるように加えられうる。
【００２２】
ゼオライト結晶７０はシリンダ７２の内部に備えられている。燃焼生成物６０は排気入口７４を通してシリンダ７２に入り、シリンダ７０を通してゼオライト結晶７２の周囲に流れる。燃焼生成物６０中の二酸化炭素６４はゼオライト結晶７２に吸収され、燃焼生成物６０から二酸化炭素６４を抽出する。シリンダ７２への燃焼生成物６４の流れが止まった後、二酸化炭素６４がゼオライト結晶７０から脱離される。一例として、ゼオライト結晶７０が二酸化炭素６４を脱離するように熱せられる。二酸化炭素６４の脱離にどのような加熱温度を用いればよいかは当業者にとって理解できるであろう。その後脱離された二酸化炭素は貯蔵タンク６６に送られる。
【００２３】
図２に示す別の一例では、燃焼生成物６０から二酸化炭素６４を脱離するようにパージガス７６が利用される。パージガス７６はガス入口７８を通してシリンダ７２に入り、ゼオライト結晶７０の周囲に流れて二酸化炭素６４を脱離する。パージガス７６は燃焼生成物６０の圧力に比べて低い圧力を持つ。圧力の低下がゼオライト結晶７０から二酸化炭素６４を取り除き、抽出された二酸化炭素６４が二酸化炭素排出口８０を通してシリンダ７２を出る。
【００２４】
二酸化炭素６４は金属塩水溶液を利用することにより燃焼生成物６０から抽出することもできる。燃焼生成物６０は金属塩水溶液と接触する。燃焼生成物６０中の二酸化炭素６４は水溶液中の金属塩に吸収される。燃焼生成物６０の流れが止まった後、水溶液は熱せられる。熱せられると、二酸化炭素は脱離し、水溶液から二酸化炭素６４を抽出する。
【００２５】
図３に示すように、二酸化炭素６４はまた、燃焼生成物６０を二酸化炭素選択膜８２に通過させることにより、燃焼生成物６０から抽出することができる。燃焼生成物６０が二酸化炭素選択膜８２を通して流れるに従い、二酸化炭素６４だけが二酸化炭素選択膜８２を透過する。水や一酸化炭素、未燃焼炭化水素のような、燃焼生成物６０の他の成分は、二酸化炭素選択膜８２を透過せず、二酸化炭素６４を燃焼生成物６０から分離する。
【００２６】
吸着剤ゼオライト結晶７０、金属塩水溶液、二酸化炭素選択膜８２について述べてきたが、他のあらゆる二酸化炭素抽出方法が用いられうることを理解されたい。どのようにして二酸化炭素６４を燃焼生成物６０から抽出するかは当業者にとって理解できるであろう。
【００２７】
図４は本発明の第２の実施例を概略的に示す。二酸化炭素６４が二酸化炭素抽出システム６２により燃焼生成物６０から抽出された後、二酸化炭素６４はシステム２０に直接追加される。小さなポンプもしくはコンプレッサ９０が、抽出システム６１からの二酸化炭素の圧力をシステム２０の圧力へ上昇させるように用いられうる。二酸化炭素６４はシステム２０のいかなる地点からも追加することができる。望ましくは、二酸化炭素６４は、システム２０の圧力が最低となるような圧縮機２２の吸入側９２で追加される。
【００２８】
センサシステム５６は蒸気圧縮システム２０の二酸化炭素冷媒量を検出もしくは予測する。センサシステム５６が、システム２０の冷媒量が閾値を上回ることを検出もしくは予測するとき、システム２０には過剰の充填物が存在する。センサシステム５６はコントローラ６８へ信号を送り、冷媒レベルが閾値を上回ることを指示する。コントローラ６８は、システム２０から二酸化炭素冷媒を除去するように、システム２０の冷媒ラインのバルブ７２を開ける信号を送信する。バルブ７２は蒸気圧縮システム２０の冷媒ラインのあらゆる場所に設置することができる。センサシステム５６が、システム２０の冷媒量が閾値を下回ることを検出もしくは予測すると、コントローラ６８は、システム２０から二酸化炭素冷媒の除去を停止するように、バルブ７２を閉める信号を送信する。閾値は、蒸気圧縮システム２０の大きさなどの多くの要因に依存し、どのような閾値を用いるべきであるかは当業者にとって理解できるであろう。
【００２９】
二酸化炭素が排出ガスの燃焼生成物から得られることを開示したが、二酸化炭素はあらゆる供給源から得られることを理解されたい。例えば、二酸化炭素は空気から得ることができる。
【００３０】
前記の記述は本発明の原理の説明にすぎない。種々の修正および代案が上記の教義を踏まえて考案されうる。本発明の最良の実施例を説明したが、当業者には特定の修正も本発明の範囲内であることが理解できるであろう。したがって、本発明は特定の形式としてではなく実例となるものとして本発明の付記の特許請求の範囲内に含まれることを理解されたい。したがって、請求の範囲が本発明の真の範囲を画定するために検討されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の蒸気圧縮システムの第一の実施例の概略図。
【図２】ゼオライト結晶を含む二酸化炭素抽出システムの一例の概略図。
【図３】二酸化炭素選択膜を含む二酸化炭素抽出システムの一例の概略図。
【図４】本発明の蒸気圧縮システムの第二の実施例の概略図。
【図１】
2007513315.tif 000003
【図２】
2007513315.tif 000004
【図３】
2007513315.tif 000005
【図４】
2007513315.tif 000006
【国際調査報告】
2007513315.tif 000007