(57)【要約】  本発明は、作業媒体循環路を備えた車両における内燃機関の排熱流からエネルギーを回収するための装置に関し、前記作業媒体循環路は搬送ユニットと熱交換器と膨張装置とコンデンサとを有し、前記作業媒体循環路の内部でクラウジウス−ランキンサイクルが実行可能であり、前記膨張装置は発電機を含み、または発電機と連結されている装置である。本発明に基づき、前記発電機は分割型発電機（１）として形成され、前記作業媒体循環路の作業媒体（ＡＭ）が前記発電機を通って流れる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
作業媒体循環路を備えた車両における内燃機関の排熱流からエネルギーを回収するための装置であって、前記作業媒体循環路は搬送ユニットと熱交換器と膨張装置とコンデンサとを有し、前記作業媒体循環路の内部でクラウジウス−ランキンサイクルが実行可能であり、前記膨張装置は発電機を含み、または発電機と連結されている装置において、
前記発電機が分割型発電機（１）として形成され、前記作業媒体循環路の作業媒体（ＡＭ）が前記発電機を通って流れることを特徴とする装置。
【請求項２】
前記分割型発電機（１）は固定子（２）と回転子（３）とを含み、前記回転子（３）は袖状の電気的絶縁性で媒体不透過である分離要素（１１）によって取り囲まれていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記作業媒体（ＡＭ）は、前記分割型発電機（１）の前記回転子（３）または前記固定子（２）を通って流れることを特徴とする、請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
前記分割型発電機（１）の前記作業媒体（ＡＭ）が流されていない部分は、熱媒油（Ｔ）で満たされることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項５】
前記分離要素（１１）によって熱媒油（Ｔ）と作業媒体（ＡＭ）が、前記分割型発電機（１）の内部で互いに分離されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項６】
前記分離要素（１１）は、プラスチックまたはプラスチックの混合物から形成されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項７】
前記分離要素（１１）は、前記分割型発電機（１）のフレームに固定されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項８】
前記分離要素（１１）は、前記分割型発電機（１）に回転可能に配置されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項９】
前記分離要素（１１）は、少なくとも固定子（２）と回転子（３）の間の間隙（１２）に配置されることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念の特徴に基づく、作業媒体循環路を備えた車両における内燃機関の排熱流からエネルギーを回収するための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在の内燃機関の効率は４０％までである。損失は主に熱として冷却剤へ、および排ガス熱として排出される。
【０００３】
従来技術においては、排ガス熱および／または冷却剤の熱から電気的および／または力学的エネルギーが得られる、様々な方法および装置が存在する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の課題は、車両における内燃機関の排熱流からのエネルギー回収のための改善された装置を提示することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
その装置に関してこの課題は本発明に基づき、請求項１の特徴によって、車両における内燃機関の排熱流からエネルギーを回収するための装置を用いて解決される。
【０００６】
本発明の好ましい形態と発展形態は従属クレームに記載する。
【０００７】
作業流体の循環路を備えた車両における内燃機関の排熱流からエネルギーを回収するための装置において、作業流体の循環路は搬送ユニットと熱交換器と膨張装置とコンデンサとを有し、作業媒体循環路の内部でクラウジウス−ランキンサイクルが実行可能であり、膨張装置は発電機を含み、または発電機と連結されており、発電機は本発明に基づき分割型発電機として形成され、作業媒体循環路の作業媒体がその発電機を通って流れる。
【０００８】
従来型の発電機を車両において作業媒体を有する作業媒体循環路とその冷却に利用する際、作業媒体循環路が切断された状態では、安全上の理由から抵抗測定が車両の高圧電源の発電機でなされる。ここで作業媒体が流された発電機による測定結果は作業媒体の特徴に依存して、規定可能なオームの法則による閾値の下にあることができ、これによって車両の高圧電源の機能が停止される。
【０００９】
別の言い方をすれば、従来型の作業媒体は、車両の高圧電源の短絡によるシャットダウンが引き起こされるような導電性を備える。
【００１０】
標準的には導電性を持たない作業媒体は、これに応じた低い導電性かまたは非導電性の作業媒体循環路に利用される。しかしながら、これによって潜在的な作業媒体の選択肢が大きく制限される。
【００１１】
分割型発電機の固定子と回転子とを電気的かつ媒体不透過に分離する分離要素が間隙に配置された、本発明に基づく分割型発電機の利用により、作業媒体循環路において従来型の作業媒体を利用することができる。
【００１２】
この際作業媒体は分割型発電機の回転子または固定子を通って流れ、これによって分割型発電機の十分な冷却が可能となる。
【００１３】
分割型発電機の作業媒体が流されていない部分は熱媒油で満たされており、この際分離要素によって熱媒油と作業媒体は分割型発電機の内部で互いに分離される。これによって、分離要素を通したガスの拡散が回避され、一定の作業媒体の質が確保される。
【００１４】
この分割型発電機により車載の高圧電源での抵抗測定に合格し、車両の高圧電源の短絡によるシャットダウンが回避されると特に有利である。
【００１５】
以下、本発明の実施例を図によって詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に基づく分割型発電機の前面の概略図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１は本発明に基づく分割型発電機１の前面図を概略的に示す。
【００１８】
このような分割型発電機１は、従来型のここには示していない、作業媒体循環路を備えた車両の内燃機関の排熱流からのエネルギー回収のための装置の一部である。作業媒体循環路には作業媒体ＡＭが流され、この際作業媒体循環路で実行されるプロセスは、いわゆるクラウジウス−ランキンサイクルのプロセスに相応する。
【００１９】
このような作業媒体循環路は少なくとも搬送ユニット、熱交換器、膨張装置およびコンデンサを含む。
【００２０】
クラウジウス−ランキンサイクルのプロセスの経過においては、液状の作業媒体ＡＭが作業媒体の流れにおいて搬送ユニットから熱交換器へと導かれる。熱交換器では液状の作業媒体ＡＭが一定またはほぼ一定の圧力のもとで、内燃機関の損失熱の利用により蒸発および過熱するか、または少なくとも蒸発するように熱せられる。
【００２１】
搬送ユニットは例えば従来型の供給ポンプとして形成され、例えば電動で実施されると好ましい。ここでは例えば、供給ポンプを駆動する図示されていない電動モーターが備えられている。
【００２２】
この際熱交換器は、例えば排ガス熱交換機、排ガス再循環熱交換器および／または冷却剤熱交換器として、排ガス熱および／または内燃機関の冷却剤の熱を利用し、液状の作業媒体ＡＭを熱し、蒸発させることができる。
【００２３】
高い圧力のもと過熱されたか、または蒸発した作業媒体ＡＭは膨張装置へ導かれ、断熱的あるいはほぼ断熱的な膨張において蒸気質の作業媒体ＡＭへと標準圧力によって膨張され、この際冷却される。この際膨張装置において、作業媒体ＡＭの蒸気質の運動エネルギーが力学的エネルギーに転換される。
【００２４】
例えば力学的エネルギーは膨張装置と発電機との連結において電気エネルギーに転換され得る。この電気エネルギーは例えば、詳細に示されていない、内燃機関に対して補助的に作用する電気モーターの駆動のために利用することができる。発電機は電気的に、例えばアキュムレータ、車両バッテリー、リチウムイオン電池またはスーパーキャパシタのような従来型の電気的エネルギー貯蔵装置と連結することができ、またこれらを膨張装置の稼働において充電することができる。
【００２５】
本発明に基づき発電機は分割型発電機１として形成され、この際膨張装置は分割型発電機１と機械的に連結されるか、または分割型発電機１を含む。
【００２６】
膨張装置は例えばスクロール作業機として形成されてもよく、これを通って膨張方向へ作業媒体循環路を循環する作業媒体ＡＭが流れることが可能である。スクロール作業機の代わりに例えばピストン式膨張装置またはタービンのような別の膨張装置を使用してもよい。膨張装置が蒸気タービンまたは別の蒸気膨張装置として実施されると特に好ましい。
【００２７】
蒸気質の作業媒体ＡＭは膨張された後コンデンサへと導かれ、ここでは蒸気質の作業媒体ＡＭが冷却によって等圧またはほぼ等圧に凝縮されることで液状へと転換され、これによって搬送ユニットの入口側へ液状の作業媒体ＡＭを導くことができる。コンデンサは例えば従来型の車両用ラジエータとして形成されてもよく、排熱を車両の周囲環境へ移すことができる。あるいはコンデンサはいわゆる熱交換器として形成されてもよく、別の、ここには図示していないエネルギー回収装置へ移送することができる。
【００２８】
利用された作業媒体循環路の作業媒体ＡＭは液状の、特に有機および／または無機の、特に例えばメタノール、エタノール、アンモニア、エーテル、その他の液体、および／またはこれらの溶液といった炭化水素含有の媒体である。つまり、必ずしも水または水の混合物を使用しなくてもよく、例えば典型的には約４００℃まで安定した状態にある炭化水素含有の凍結可能な作業流体を使用してもよい。
【００２９】
分割型発電機１は基本的に従来型の分割型発電機１として形成され、少なくとも固定子２と回転子３を含む。この際固定子２は、それぞれ主磁極５および隈取磁極６へと分割される、打出し層構造の極４を有する電気的積層板の束から形成される。
【００３０】
固定子の巻線は同軸に配置され、主巻線７および隈取巻線１０として形成される。いわゆるメインストランドである主巻線７は、極本体とも称されるいわゆる固定子ヨーク８に巻きつけられる。
【００３１】
隈取磁極６は隈取磁極６を主磁極５から分離する溝９により形成される。それぞれの隈取磁極６の周囲には、通常１から３の巻数を有する隈取巻線１０が巻きつけられている。この隈取巻線１０は短絡環とも称され、主巻線７とともに稼働中に短絡変圧器を形成する。
【００３２】
図１の実施形態では分割型発電機１は内部ローターとして形成されている。ここに示されていない実施形態においては、分割型発電機１は外部ローターとして形成されてもよい。
【００３３】
分割型発電機１はここに示していない形式で接続要素を備え、この助けによって作業媒体循環路の作業媒体ＡＭは分割型発電機１を通って流れることができ、またこれを稼働中に冷却する。
【００３４】
作業媒体循環路での従来型の発電機の利用、および車両における作業媒体ＡＭによるその冷却の際、作業媒体循環路が切断された状態では、安全上の理由から車両の高圧電源における発電機で抵抗測定がなされる。ここで作業媒体ＡＭが流された発電機による測定結果は作業媒体ＡＭの特徴に依存して、規定可能なオームの法則による閾値の下にあることができ、これによって車両の高圧電源の機能が停止される。
【００３５】
別の言い方をすれば、従来型の作業媒体ＡＭは、車両の高圧電源の短絡によるシャットダウンが引き起こされるような導電性を備える。
【００３６】
これは本発明に基づく分割型発電機１の利用によって確実に回避される。
【００３７】
分割型発電機１の回転子３は、袖状の絶縁性で媒体不透過性である分離要素１１に取り囲まれている。この際分離要素１１は、少なくとも固定子２と回転子３との間の間隙１２に配置されている。
【００３８】
分離要素１１はプラスチックまたはプラスチックの混合物から形成されると好ましい。
【００３９】
第一の実施形態では分離要素１１は分割型発電機１に回転可能に配置されている。
【００４０】
別の実施形態では分離要素１１は分割型発電機１のフレームに固定されている。
【００４１】
分割型発電機１の冷却のために固定子２を通って作業媒体ＡＭが流される。
【００４２】
別の、ここに示さない実施形態では、回転子３を通って作業媒体ＡＭが流される。
【００４３】
分割型発電機１の作業媒体ＡＭが流されていない部分は従来型の熱媒油Ｔで満たされていると好ましい。図１の実施形態では回転子３は熱媒油Ｔで満たされている。
【００４４】
このように、分離要素１１によって熱媒油Ｔと作業媒体ＡＭは分割型発電機１の内部で互いに分離される。
【００４５】
回転子３における熱媒油Ｔの配置によって、分離要素１１を通した作業媒体ＡＭの内部へのガスの拡散が回避され、一定の作業媒体の質が確保される。
【００４６】
分割型発電機１の固定子２と回転子３とを電気的かつ媒体不透過に分離する分離要素１１が間隙１２に配置された、本発明に基づく分割型発電機１の利用によって、従来型の作業媒体ＡＭは作業媒体循環路において利用可能である。この電気的かつ媒体不透過性の分離により車載の高圧電源での抵抗測定に合格し、車両の高圧電源の短絡によるシャットダウンが回避されると特に有利である。
【００４７】
この際作業媒体ＡＭは分割型発電機１の回転子３または固定子２のいずれかを通って流れ、これによって分割型発電機１の十分な冷却が可能となる。
【符号の説明】
【００４８】
１  分割型発電機
２  固定子
３  ローター
４  極
５  主磁極
６  隈取磁極
７  主巻線
８  固定子ヨーク
９  溝
１０  隈取巻線
１１  分離要素
１２  間隙
ＡＭ  作業媒体
Ｔ  熱媒油
【図１】
2015512237.tif 000003
【手続補正書】
【提出日】平成26年8月21日(2014.8.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
作業媒体循環路を備えた車両における内燃機関の排熱流からエネルギーを回収するための装置であって、前記作業媒体循環路は搬送ユニットと熱交換器と膨張装置とコンデンサとを有し、前記作業媒体循環路の内部でクラウジウス−ランキンサイクルが実行可能であり、前記膨張装置は発電機を含み、または発電機と連結されている装置において、
前記発電機が分割型発電機（１）として形成され、固定子（２）と、回転子（３）と、前記固定子（２）と前記回転子（３）との間の間隙（１２）とを有し、前記固定子（２）と前記回転子（３）とを媒体不透過に電気的に分離する電気的絶縁性分離要素（１１）が配置されており、
前記作業媒体循環路の作業媒体（ＡＭ）が前記発電機を通って流れることを特徴とする装置。
【請求項２】
前記回転子（３）は、媒体不透過である袖状の前記電気的絶縁性分離要素（１１）によって取り囲まれていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記作業媒体（ＡＭ）は、前記分割型発電機（１）の前記回転子（３）または前記固定子（２）を通って流れることを特徴とする、請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
前記分割型発電機（１）の前記作業媒体（ＡＭ）が流されていない部分は、熱媒油（Ｔ）で満たされることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項５】
前記分離要素（１１）によって熱媒油（Ｔ）と作業媒体（ＡＭ）が、前記分割型発電機（１）の内部で互いに分離されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項６】
前記分離要素（１１）は、プラスチックまたはプラスチックの混合物から形成されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項７】
前記分離要素（１１）は、前記分割型発電機（１）のフレームに固定されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項８】
前記分離要素（１１）は、前記分割型発電機（１）に回転可能に配置されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項９】
前記分離要素（１１）は、少なくとも固定子（２）と回転子（３）の間の間隙（１２）に配置されることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の装置。
【国際調査報告】
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