(57)【要約】  作動媒体と、前記作動媒体を膨張させることにより、燃焼エンジン（１０）の熱エネルギーを電気エネルギーに変換する減圧ユニット（３）とを備える膨張回路（７）。前記減圧ユニットは、作動媒体を圧縮する圧縮器として、空調回路（２）の一部分を成す。減圧ユニット（３）は、作動媒体が膨張する期間と作動媒体が圧縮される期間とで、同じ方向に動作する。
2010513791.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動媒体と、
前記作動媒体を膨張させることにより、燃焼エンジン（１０）の熱エネルギーを電気エネルギーに変換する減圧ユニット（３）とを備え、
前記減圧ユニット（３）は、作動媒体を圧縮する圧縮器として、空調回路（２）の一部分を成し、
前記減圧ユニット（３）は、作動媒体が膨張する期間と作動媒体が圧縮される期間とで、同じ方向に動作することを特徴とする膨張回路（７）。
【請求項２】
請求項１に記載の膨張回路において、
前記膨張回路（７）と前記空調回路（２）とに共通して作動媒体を使用するために、前記膨張回路（７）と前記空調回路（２）とが接続されていることを特徴とする膨張回路。
【請求項３】
請求項１または２に記載の膨張回路において、
前記空調回路（２）の一部分を成す凝縮器（４）をさらに備えることを特徴とする膨張回路。
【請求項４】
請求項１−３のいずれか１項に記載の膨張回路において、
前記エンジン（１０）の冷却装置からの熱エネルギーを回収する熱交換器（９）をさらに備えることを特徴とする膨張回路。
【請求項５】
請求項１−４に記載の膨張回路において、
前記膨張回路（７）と前記エンジン（１０）の冷却回路とに共通して作動媒体を使用するために、前記膨張回路（７）は前記エンジン（１０）の前記冷却回路に接続されていることを特徴とする膨張回路。
【請求項６】
請求項１−５のいずれか１項に記載の膨張回路において、
前記膨張回路（７）とブレーキ回路の前記冷却回路とに共通して作動媒体を使用するために、前記膨張回路（７）が前記ブレーキ回路の前記冷却回路に接続されていることを特徴とする膨張回路。
【請求項７】
請求項１−６のいずれか１項に記載の膨張回路において、
前記膨張回路（７）とギヤボックスの前記冷却回路とに共通して作動媒体を使用するために、前記膨張回路が前記ギヤボックスの前記冷却回路に接続されていることを特徴とする膨張回路。
【請求項８】
請求項１−７のいずれか１項に記載の膨張回路において、
前記膨張回路（７）と電気機器および／または付随する電力回路の前記冷却回路とに共通して作動媒体を使用するために、前記膨張回路（７）が前記電気機器および／または前記付随する電力回路の前記冷却回路に接続されていることを特徴とする膨張回路。
【請求項９】
請求項１−８のいずれか１項に記載の膨張回路において、
前記エンジン（１０）の排気システムから熱エネルギーを回収するための熱交換器をさらに備えることを特徴とする膨張回路。
【請求項１０】
請求項１−９のいずれか１項に記載の膨張回路において、
前記減圧ユニット（３）の機能を、前記膨張回路（７）の一部分としての減圧器とするか、あるいは前記空調回路（２）の一部分としての圧縮器とするか、が制御システムにより指定されることを特徴とする膨張回路。
【請求項１１】
請求項１−１０のいずれか１項に記載の膨張回路を有する燃焼エンジンを備えることを特徴とする自動車。
【請求項１２】
請求項１−１０のいずれか１項に記載の膨張回路（７）において使用されることを特徴とする減圧ユニット（３）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、作動媒体と、この作動媒体を膨張させることにより燃焼機関の熱エネルギーを電気エネルギーに変換する減圧装置とを備える、膨張回路に関する。本発明は更に、このような回路を備える燃焼モーターを有する車両、このような回路に用いる減圧装置、および熱エネルギーを電気エネルギーに変換する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば米国特許公開公報Ｎｏ．２００５／２２９５９５により、燃焼エンジンの熱エネルギーを電気エネルギーに変換する膨張回路が知られている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
膨張回路は、燃焼エンジンと共に、燃料効率を高めるために用いられる。燃焼エンジンでは燃料エネルギーの比較的大きな部分が機械エネルギーの代わりに熱エネルギーに変換されている。膨張回路は、例えば熱せられた排気ガスやエンジンの冷却液からの熱エネルギーを機械または電気エネルギーに変換し、これによりエネルギー損失を極小化して、エネルギー効率を極大化する。しかしながら、膨張回路の問題は、回路が大きく、高価なことである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の目的は、上記の問題を少なくとも部分的に解決した、膨張回路を提供することである。このため、本発明は請求項１による膨張回路を提供する。本発明はさらに請求項１１による燃焼エンジンを提供し、請求項１２による減圧ユニットを提供する。
【０００５】
本発明の膨張回路は、減圧ユニットが、作動媒体が膨張する期間と作動媒体が圧縮される期間で、同じ方向に動作することを特徴とする。前記減圧ユニットは、この膨張する作動媒体により駆動され、前記膨張回路で電気エネルギーを生成する発電機として、また、電気的に駆動されて空調回路において作動媒体を圧縮する圧縮器としても用いることができる。これを背景として、空調回路は圧縮器、凝縮器、膨張バルブと蒸発器からなるものと理解される。
【０００６】
前記空調回路の前記圧縮器を前記膨張回路の減圧ユニットとして、そして空調回路においては圧縮器として用いることで、減圧器と圧縮器を共に用いるものに比べ費用が少なくて済む。また、前記膨張回路と前記空調回路は部分的に一体化できる。これにより膨張回路と空調回路を別々に持つものに比べ空間が有効に利用される。
【０００７】
前記減圧ユニットは、作動媒体が膨張する期間と作動媒体が圧縮される期間、同じ方向に動作する。前記減圧ユニットは減圧器としても、また、前記減圧ユニットを通過するこの作動媒体の流れを反転することなく、圧縮器としても用いることができる。これは空調モードと膨張モードで切り替える場合に都合が良い。前記膨張回路と前記空調回路を構築する場合、逆止弁を構成から省くことができるので費用が削減できる。
【０００８】
本発明の個別の実施形態は従属項に記載されている。
【０００９】
本発明のさらなる特徴、効果および詳細については、実施例を参照して明細書で説明する。実施例のいくつかは図面で示す。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本発明による膨張回路の一実施の形態に、空調回路を組み合わせた実施例の概略図を示す。
【図２】図２は、図１において、空調回路部分を強調した概略図を示す。
【図３】図３は、図１において、膨張回路部分を強調した概略図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は、本発明による膨張回路７を空調回路２と組み合わせた拡大膨張回路１を示す。膨張回路７と空調回路２とは、作動媒体を双方の回路で使用するように互いに接続されている。好ましくは、共通の作動媒体が双方の回路に使用され、この作動媒体が膨張回路７の中で、または空調回路２の中で循環するように、複数の切替バルブ（図示せず）が使用される。
【００１２】
図３に強調して図示してある膨張回路７は、矢印で示される方向に作動媒体を循環するポンプ８を備える。図１から分かるように、膨張回路７における作動媒体の流れは空調回路２における作動媒体の流れと同じ方向となっている。膨張回路７はさらに、作動媒体を凝縮する凝縮器４と、作動媒体を蒸発させるための熱交換器９と、作動媒体を膨張させることにより電気エネルギーを発生するための減圧ユニット３とを備える。熱交換器９は燃焼エンジン１０の冷却装置の一部であり、作動媒体を蒸発するためにエンジン１０の熱を用いるためのものである。本発明による膨張回路７は、燃焼エンジンのエネルギー損失を制限するのに適しており、とりわけハイブリッド自動車のエンジンに適している。
【００１３】
膨張回路７は、ランキンサイクル（Rankine Cycle）を利用することにより、熱エネルギーを機械エネルギーに変換する。動力は、密閉回路で作動媒体の蒸発と凝縮を交互に行うことで発生される。ランキンサイクルには４つの過程があり、各々で作動流体の状態を変化させる。これを以下に示す。
【００１４】
作動媒体（例として標準的な冷媒、たとえばＲ１３４ａ）は、凝縮器４によって外気との熱交換により冷却される。
【００１５】
続いて作動媒体は、循環ポンプ８により高圧状態にされる。また、ポンプ８は、作動媒体を回路７内において矢印で示される方向に循環する。
【００１６】
加圧された作動媒体は、次に、加熱されて熱交換器９において一定圧力で蒸発される。例えば、熱交換器９は、この熱交換器をエンジン冷却回路に設置して、エンジン冷却液の熱エネルギーを作動媒体に移すことができる。エンジン冷却液は熱交換器で回流し、この冷却液の熱エネルギーは膨張回路７の作動媒体に移動する。従って、この段階での作動媒体の温度はエンジン冷却液の温度より低いことが好ましく、動作条件に依存するが、通常はエンジン１０に流入するときは７５℃で、エンジン１０から流出するときは９０℃である。作動媒体と冷媒の温度差が大きい場合は、比較的小さな熱交換器が使用される。
【００１７】
次に、蒸発した高圧の作動媒体は減圧ユニット３で膨張する。この作動媒体の膨張は減圧ユニット３を駆動し、作動媒体のエネルギーが機械エネルギーに変換される。この機械エネルギーは電気エネルギーの生成に用いられる。
【００１８】
次に、膨張した作動媒体は再度、凝縮器４で冷却され、ランキンサイクルは終了する。
【００１９】
エンジン冷却液の熱を作動媒体に移動する代わりに、作動媒体を直接エンジン冷却液として用いることができる。これにより熱交換器９を無くすことができ、エンジン１０のもっと精密な温度制御が可能となり、効率を高められる。
【００２０】
更に、作動媒体は他の熱源を冷却するために使用できる。可能性のあるものとして、Ｒ２３４ａを用いた直接冷却により、自動車の部品である、例えばハイブリッドエンジンの部品やブレーキ装置を冷却できる。また、作動媒体を、燃焼エンジン１０の排気ガスシステム内に組み込まれた熱交換器を通るように導入してもよい。熱交換器９に加えて、例えば、熱交換器を膨張回路７内に組み込み、熱交換器９と減圧ユニット３との間に設置して、作動媒体が減圧ユニット３に流入する前に更に加熱してもよい。作動媒体を、さらに熱交換器９に流入する前に加熱してもよい。例えば、ギヤボックスを経由するように、またはエンジン１０のターボとインタークーラーの間に追加された熱交換器を経由するように、作動媒体を導入してもよい。
【００２１】
膨張回路７により回収された電気エネルギーは再利用のためバッテリーに蓄える、または直接使用することができる。ハイブリッド自動車においては、エネルギーは、例えば回生ブレーキエネルギーを補助するために用いられる。これにより、そのままであれば浪費されたであろう回生エネルギーを、例えば自動車の駆動やオンボード電子回路のエネルギーとして供給し、自動車のエネルギー効率を高めることができる。
【００２２】
図２で強調されて図示されている、空調回路２は、膨張回路７に部分的に一体化されている。空調回路２は、減圧ユニット３を圧縮器として動作させるために膨張回路７と共有しており、作動媒体を冷却するために凝縮器４を膨張回路７と共有している。減圧ユニット３は、空調回路の場合も同様に、膨張回路７において同じ方向で作動するように設定されている。空調回路２は、さらに作動媒体を膨張させる膨張バルブ５と、作動媒体を蒸発させる蒸発器６を備える。
【００２３】
作動媒体は空調回路内を矢印で示された方向に循環する。これは膨張回路における方向と同じである。凝縮器４において、作動媒体は熱交換器で液化、すなわち冷却される。例えば、外気によって温度６０℃から温度４０℃に冷却される。
【００２４】
液化された媒体は、次にバルブ５において膨張し、蒸発器６に輸送される。蒸発器は、代替実施形態として、膨張バルブ５に組み込んだり、一体化してもよい。蒸発器において、作動媒体は外気との熱交換により蒸発される。冷却された外気は続いて、例えば自動車の乗客室の冷却に利用される。
【００２５】
蒸発器６を通過した後、蒸発した作動媒体は減圧ユニット３によって圧縮される。この減圧ユニットは、圧縮器として用いられる時は、好ましくは電気的に駆動される。
【００２６】
蒸発器６から圧縮ユニット３への流路は、蒸発器９と減圧ユニット３の間で、減圧ユニット３への流路の入口に接続されている。これにより、空調回路２の出口の流路は、蒸発器９と圧縮ユニット３の間で、膨張回路７の出口の流路に接続されている。
【００２７】
減圧ユニット３は、このように、膨張回路７の減圧器として使用でき、また、空調回路２の圧縮器として使用できる。減圧ユニット３は、膨張回路７において作動媒体が膨張している間と、空調回路２において作動媒体が圧縮されている間は、同じ方向に作動する。減圧ユニット３を通る膨張回路７および／または空調回路２の作動媒体の流れを逆転する必要がないので、有利である。これにより、膨張回路７および／または空調回路２から逆止めバルブを削除することができ、回路を簡単化することになるため、さらにコストを節約できる。
【００２８】
膨張システム１は、減圧ユニット３を、膨張回路７の一部分として減圧器として機能させるか、あるいは空調回路２の一部分として圧縮器として機能させるか、を指定する制御システムを備える。この制御システムは、好ましくは減圧ユニット３を空調回路２の圧縮器として使用することを優先して指示し、エンジン冷却液の温度が所定の限界レベルに達したときにのみ、エンジンから電気エネルギーを回収するために減圧ユニットを使用する。
【００２９】
例えば、エンジン冷却液の温度が限界温度、すなわち動作温度、に到達すると、減圧ユニット３の機能は圧縮ユニットから減圧ユニットに切り替えられ、膨張回路７はエンジン１０および／またはエンジン冷却液の冷却に使用される。エンジン冷却液の温度が動作温度より低い時、例えばエンジン１０が切られていた場合、または長時間の冷却の後に、減圧ユニット３は再び空調回路２の作動媒体を圧縮する圧縮器として使用される。
【００３０】
もう１つの方法として、空調回路２が切られた時は常に、膨張ユニット７をエネルギー回生のために用いてもよい。好ましい実施形態では、空調回路２は大量の空気、例えば自動車の乗客室の空気、を冷却するが、少量の空気を冷却する期間と乗客室の温度変化を測定する期間とを切り替える繰り返しプロセスによって冷却する。温度が測定される期間に、減圧ユニット３の機能を、エネルギー回生のため圧縮器から減圧器に切り替えることができる。このようにして、空調回路２と減圧回路７は交互に使用することができる。減圧ユニット３を通る作動媒体の流れは逆転される必要がないので、空調モードと減圧モードの切り替えは比較的速く行うことができる。
【００３１】
制御システムは、好ましくは、エンジン冷却液の温度と外気の温度をモニターする。これにより回生して得られるエネルギーがわかる。この入力に基づき、圧縮器３とポンプ８の速度が制御される。制御システムは、更にエンジン冷却回路のサーモスタット、ポンプとファンを制御して、エンジン冷却液の温度を制御する。
【００３２】
本発明の減圧器３は、とりわけ燃焼エンジン（motor）の自動車での使用に適している。多くの燃料エネルギーが熱に変換されるので、このような燃焼エンジンの効率は比較的低い。エンジン冷却液によるエネルギー損失と排気ガスによる損失は、その時に供給されるエンジン出力とほぼ同程度の大きさとなる。おおまかな目安で、出力１０ｋＷのエンジンは冷却液によって１０ｋＷを放散し、１０ｋＷを排気ガスによって大気に放出する。このようにして、燃料エネルギーの３分の２は熱エネルギーに変換される。
【００３３】
好ましくは、本発明の膨張回路７は、ハイブリッドエンジンで駆動される自動車に用いられる。ハイブリッドエンジンは、電気運転の間、および停止状態の間、すなわち燃焼エンジン１０が切られている時は、冷却する必要が無い。このようにして減圧ユニット３は、燃焼エンジン１０が動作している間は、減圧回路７において、エネルギーを発生するための減圧器として使用することができ、燃焼エンジン１０が切られているときは、空調回路２において、作動媒体を圧縮する圧縮器として使用することができる。
【００３４】
電気エネルギーを発生するために、減圧ユニット３は、減圧回路７において循環する加熱・圧縮された作動媒体の膨張により駆動される。減圧ユニット３は、また圧縮器として空調回路２の一部分となっている。圧縮器として使用するには、減圧ユニットは好ましくは電気的に駆動される。減圧ユニット３は、例えば、従来の電気駆動の圧縮器でよく、これにより圧縮器の電気モーターは電気エネルギーを発生するために使用することができる。
【００３５】
減圧ユニット３は、空調回路２の一部分であると共に、膨張回路７の一部分であるため、別の減圧ユニットと圧縮器は不要である。これにより、たとえば自動車のフードの下のエンジンコンパートメントの限られた空間において、スペースを節約できる。
【００３６】
また、只１個のユニットのみ設置され、効率良く使用される。従って、本発明の膨張回路７は比較的安価である。
【００３７】
なお、上記で説明した実施形態は本発明を限定するものでなく、添付した請求項の範囲から外れることなく、種々の代替が可能である。例えば、膨張回路と空調回路は作動媒体を冷却するための凝縮器を共有してもよく、また共有しなくともよい。
【００３８】
また、当業者であれば、添付した請求項の範囲から外れることなく、複数の代替を設計することが可能である。これらの請求項において、括弧内に記載されたいかなる引用記号も請求項を限定するように解釈されるものではない。‘a’という単語は‘at least one’（少なくとも一つ）という表現と等価である。単に、所定の複数の手段が互いに異なる複数の請求項に記載されているが、これは単なる記載のしかたであって、これらの手段を有利に使用するために組み合わせることができない、ということを示すものではない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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