(57)【要約】  本発明は、エネルギー又はトルクを生産するためのシステム（１００）であって、ジェネレータの吸入口において導入されるガスからエネルギー又はトルクを発生させるように設けられているジェネレータと、ジェネレータの吸入口においてガスを圧縮するための少なくとも二つのコンプレッサ（１０１、１０２）と、パイプ（１０１ａ、１０２ａ、１０１ｂ、１０２ｂ、Ｃｅ、Ｃｓ）が、前記コンプレッサ（１０１、１０２）を直列に又は並列に選択的に位置付けることを目的として開閉され得るように設けられている輸送経路システム（１０３）と、を備えるシステムに関する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エネルギー又はトルクを生産するためのシステム（１００）であって、
‐ジェネレータ（Ｇ）であって、前記ジェネレータの吸入口の中へ供給されるガスからエネルギー又はトルクを発生させるように設けられているジェネレータと、
‐前記ジェネレータの前記吸入口におけるガスのための、少なくとも二つのコンプレッサ（１０１、１０２）と、
‐前記コンプレッサ（１０１、１０２）を直列に又は並列に選択的に並べることを目的として開閉されるようにダクト（１０１ａ、１０２ａ、１０１ｂ、１０２ｂ、Ｃｅ、Ｃｓ）が設けられている、ダクトシステム（１０３）と、を備えるシステム。
【請求項２】
‐各コンプレッサ（１０１、１０２）のガス注入口は、前記コンプレッサの中へガスを運び込むための、それぞれの第１ダクト（１０１ａ、１０２ａ）に接続されており、前記第１ダクト（１０１ａ、１０２ａ）は、共有ガス吸入口ダクト（Ｃｅ）に接続されており、前記共有ガス吸入口ダクト（Ｃｅ）と、少なくとも一つの前記第１ダクト（１０１ａ、１０２ａ）と、の間の流量を制御するように、少なくとも一つのガス案内装置（Ｄ１）が設けられており、
‐各コンプレッサ（１０１、１０２）のガス排出口は、前記コンプレッサの外へガスを運び出すための、それぞれの第２ダクト（１０１ｂ、１０２ｂ）に接続されており、前記第２ダクト（１０１ｂ、１０２ｂ）は、共有ガス排出口ダクト（Ｃｓ）に接続されており、少なくとも一つの前記第２ダクト（１０１ｂ、１０２ｂ）と、前記共有ガス排出口ダクト（Ｃｓ）と、の間の流量を制御するように、少なくとも一つのガス案内装置（Ｄ２）が設けられている、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
第３ダクト（Ｃ３）が、一つの前記コンプレッサ（１０１）のガス排出口を他の前記コンプレッサ（１０２）のガス注入口に接続しており、
ガス案内装置（Ｄ３）が、前記第３ダクト内のガスの流れを妨げ、又は可能にするように前記ダクト（Ｃ３）内に配置されており、これにより、例えば二つの前記コンプレッサを直列に又はその他の態様で選択的に並べる、請求項１又は２に記載のシステム。
【請求項４】
前記第３ダクト（Ｃ３）は、下流に位置する前記コンプレッサ（１０２）内の流入ガスを冷却するよう設けられている熱交換器（Ｅ）を含む、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記ダクトシステム（１０３）もまた、前記コンプレッサがいかなるガスも受け入れず、又は放出しないように、少なくとも一つのコンプレッサ（１０２）を分離するように設けられている、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項６】
前記コンプレッサ（１０１、１０２）は、交互に動作するように設けられている、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項７】
少なくとも一つの前記コンプレッサ（１０２）は、前記ジェネレータ（Ｇ）から供給された排気ガスによって駆動される、請求項１乃至６のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項８】
少なくとも一つの前記コンプレッサ（１０１）は、電気エネルギーによって駆動される、請求項１乃至７のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項９】
前記ジェネレータ（Ｇ）は、トルクを供給する燃焼エンジンである、請求項１乃至８のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１０】
前記ジェネレータ（Ｇ）は、電気エネルギーを供給する燃料電池である、請求項１乃至８のいずれか１項に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エネルギー又はトルクを生産するためのシステムに関する。特に、本発明は、燃焼エンジンと、燃料電池を含むエネルギー生産システムと、を含むトルクを生産するためのシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の使用は、車により排出される汚染ガスを削減するための実行可能な解決策と考えられている。典型的には、燃料電池は、空気と水素のような反応物から、電気を供給する。このような電気生産は、水蒸気しか排出しないため、汚染の観点において有利である。生産される電気は、車に、車を駆動し、又は車の構成要素に動力を供給するために使われ得るエネルギーを供給する。反応物の圧縮をより高めるためにコンプレッサを用いることが、特に燃料電池に空気を供給する場合において、燃料電池の効率を向上するのに役立つ。しかしながら、コンプレッサを用いることは、エネルギーの観点からはコストが大きい。
【０００３】
さらに、エンジンのシリンダー容積を小さくしながらエンジンの性能を維持するために燃焼エンジンの空気吸入口において過給器を使用することが知られており、「ダウンサイジング」として知られているプロセスである。燃料電池の場合と同様に、コンプレッサを用いることは、エネルギーの観点からはコストが大きい。
【０００４】
解決策は、それ故に、燃焼エンジンを含むシステム又は燃料電池を含むシステムなどのトルク又はエネルギーの生産システムの、吸入口におけるガス圧縮の使用に関してコストを削減することが求められる。
【発明の概要】
【０００５】
本発明は、エネルギー又はトルクを生産するためのシステムであって、
‐ジェネレータであって、ジェネレータの吸入口の中へ供給されるガスからエネルギー又はトルクを発生させるように設けられているジェネレータと、
‐ジェネレータの吸入口におけるガスのための、少なくとも二つのコンプレッサと、
‐コンプレッサを直列に又は並列に選択的に並べることを目的として開閉されるようにダクトが設けられている、ダクトシステムと、を含むシステムに関する。
【０００６】
特に、生産システムは、車内に置かれている。すなわち、車を駆動するトルク、又は車を駆動する、及び／又は構成要素に動力を供給する電気エネルギーを発生させるように設けられているジェネレータは、車内に置かれている。
【０００７】
コンプレッサの効率は、例えばその注入口圧力と排出口圧力との比、その空気流量及びその回転速度など、その動作条件の関数である。二つ以上のコンプレッサを用いることにより、各コンプレッサは、コンプレッサの最適な効率の領域内において使用されることができる。ダクトシステムは、コンプレッサが、直列に又は並列に接続されることを可能にし、各コンプレッサが、ジェネレータの動作状態を考慮した有利な効率の領域内において動作することを可能にする。
【０００８】
一実施の形態によれば、
‐各コンプレッサのガス注入口は、コンプレッサの中へガスを運び込むための、それぞれの第１ダクトに接続されており、第１ダクトは、共有ガス吸入口ダクトに接続されており、共有ガス吸入口ダクトと、少なくとも一つの第１ダクトと、の間の流量を制御するように、少なくとも一つのガス案内装置が設けられており、
‐各コンプレッサのガス排出口は、コンプレッサの外へガスを運び出すための、それぞれの第２ダクトに接続されており、第２ダクトは、共有ガス排出口ダクトに接続されており、少なくとも一つの第２ダクトと、共有ガス排出口ダクトと、の間の流量を制御するように、少なくとも一つのガス案内装置が設けられている。
【０００９】
特に、ガス案内装置は三方向バルブである。
【００１０】
一実施の形態によれば、第３ダクトが、一つのコンプレッサのガス排出口を他のコンプレッサのガス注入口に接続しており、ガス案内装置が、第３ダクト内のガスの流れを妨げ、又は可能にするようにダクト内に配置されており、これにより、例えば二つのコンプレッサを直列に又はその他の態様で選択的に並べる。
【００１１】
一変形例によれば、第３ダクトは、下流に位置するコンプレッサ内の流入ガスを冷却するよう設けられている熱交換器を含む。
【００１２】
一実施の形態によれば、ダクトシステムもまた、コンプレッサがいかなるガスも受け入れず、又はいかなるガスも放出しないように、少なくとも一つのコンプレッサを分離するように設けられている。これは、二つのうち一つのコンプレッサだけが供給されることを可能にする。これは、システムを置いている車の、低負荷における効率を向上することを助ける。
【００１３】
一実施の形態によれば、コンプレッサは、交互に動作するように設けられている。特に、生産システムが動作中のとき、各コンプレッサは、交互に、ある時間周期の間に動作する。複数のコンプレッサのうちの一つは、各時間周期の間に機能し、言い換えれば、ジェネレータの吸入口においてガスを圧縮する。その間、その他のジエネレータは、ジェネレータの吸入口へ向けて、吸入口へ、いかなるガスも供給せず、そして、特に、このジェネレータは停止しているか、又は待機状態にある。これは、コンプレッサのベアリングが過熱されることを防ぐ。例えば、時間周期は３秒から１５秒の間、またはちょうど１５秒である。
【００１４】
一実施の形態によれば、少なくとも一つのコンプレッサは、ジェネレータから供給された排気ガスによって駆動される。
【００１５】
一実施の形態によれば、少なくとも一つのコンプレッサは、電気エネルギーによって駆動される。特に、電気エネルギーは、バッテリー、特にシステムを置いている車のバッテリーのような電気エネルギー貯蔵装置により送られる。一変形例によれば、コンプレッサは、スイッチドリラクタンス電気モーターによって駆動される。
【００１６】
一実施の形態によれば、ジェネレータは、トルクを供給する燃焼エンジンである。特に、このトルクは、システムを置いている車の運動を推進するよう設けられている。この目的のため、トルクは、車の一つ以上のタイヤに伝えられ得る。
【００１７】
一実施の形態によれば、ジェネレータは、電気エネルギーを供給する燃料電池である。特に、この電気エネルギーは、システムを置いている車を動かすための電気モーターを駆動する目的で作られている。
【００１８】
本発明の他の目的、特徴、及び利点が、例として与えられた、添付図の参照を伴う以下に与えられた説明から、よりよく理解でき、かつ以下に与えられた説明により明確に表される。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】コンプレッサのパラメータの関数としての、一つのコンプレッサの効率を示すグラフ。
【図２】本発明によるシステムの並列動作モードを示す略図である。
【図３】本発明によるシステムの直列動作モードを示す略図である。
【図４】一つのコンプレッサのみが動作する本発明によるシステムの動作モードを示す略図である。
【図５】一つのコンプレッサがタービンによって駆動されるシステムの並列の動作を示す図である。
【図６】一つのコンプレッサがタービンによって駆動されるシステムの直列の動作を示す図である。
【図７】ダクトシステム内に熱交換器を含む同一のシステムの直列動作モードを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下の説明において、コンプレッサは、ガスコンプレッサを参照しており、特に、空気コンプレッサを参照している。空気コンプレッサは、容積式又は他の方式であり、例えば遠心式圧縮、すなわち半径方向に圧縮するものであり、燃焼エンジンなどのトルクジェネレータに過給するため、又は電気エネルギーを発生させるよう燃料電池に供給する反応物を圧縮するために、ガスを圧縮する。本発明の一実施の形態によれば、コンプレッサは、空気過給機である。
【００２１】
これ以降、システムは、燃料電池を有するものとして説明される。しかし、説明は、燃焼エンジンを有する場合も同じであり得る。
【００２２】
図１は、コンプレッサの効率を、注入口圧力に対する排出口圧力の比に応じてＹ軸に示し、空気の流量（ｋｇ／ｓ、ｍ3／ｈ、又はｍ3／ｓ）をＸ軸に示す。線１は、単位が回転／分の速度等高線である。
【００２３】
最適な効率の領域２は、７５％より大きな効率に相当する。仮に、単独のコンプレッサが燃料電池に供給される空気を圧縮するために使われる場合、燃料電池の動作状態に応じて、コンプレッサは、低効率の領域、例えば３０％未満の効率に相当する領域３内において、動作し得る。
【００２４】
本発明による一例のシステム１００が図２に示されている。システム１００は、二つのコンプレッサ１０１、１０２と、空気吸入口をコンプレッサ１０１、１０２の注入口に接続し、コンプレッサ１０１、１０２の排出口を燃料電池の注入口（図示せず）に接続し、第１コンプレッサ１０１の排出口を第２コンプレッサ１０２の注入口に接続するダクトシステム１０３と、を含む。
【００２５】
第１コンプレッサ１０１、１０２は、その空気注入口を通じて、空気吸入のための各第１ダクト１０１ａ、１０２ａと接続される。第１ダクト１０１ａ、１０２ａは、共有空気吸入口ダクトＣｅを通じて吸入空気を受ける。その一方で、第１コンプレッサ１０１、１０２は、同一物の空気排出口を通じて、燃料電池への空気排出のための各第２ダクト１０１ｂ、１０２ｂと接続される。二つのダクト１０１ｂ、１０２ｂは、共有空気排出口ダクトＣｓに空気を供給する。
【００２６】
第３ダクトＣ３は、第１コンプレッサ１０１の空気排出口を第２コンプレッサ１０２の空気注入口に接続する。
【００２７】
ガス案内装置Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３は、ダクトシステム１０３のダクトがコンプレッサ１０１、１０２を直列に又は並列に並べるように開閉されることを可能にする。第１ガス案内装置Ｄ１は、共有ガス吸入口ダクトＣｅと第１ダクト１０１ａ、１０２ａとの間の流量を制御するために、第１ダクト１０１ａ、１０２ａと吸入口ダクトＣｅの交差点に配置されている。第２ガス案内装置Ｄ２は、第２ダクト１０１ｂ、１０２ｂと共有空気排出口ダクトＣｓとの間の流量を制御するために、第２ダクト１０１ｂ、１０２ｂと排出口ダクトＣｓの交差点に位置付けられている。第１ガス案内装置Ｄ１と第２ガス案内装置Ｄ２は、それぞれ、ダクトが対を成した連絡に至らせられることを可能にする三方向バルブであり得る。第３ガス案内装置Ｄ３は、第１コンプレッサ１０１と第２コンプレッサ１０２との間の空気の流れを妨げ、又は可能にするように、第３ダクト内に配置されている。
【００２８】
図２において、コンプレッサ１０１、１０２は並列に動作する。第１ガス案内装置Ｄ１は、第１ダクト１０１ａ、１０２ａが共有吸入口ダクトＣｅを通された空気を受けることを可能にするように、第１ダクト１０１ａ、１０２ａが開いた状態を保つ。また、第２ガス案内装置Ｄ２は、第２ダクト１０１ｂ、１０２ｂが共有排出口ダクトＣｓに空気を供給することを可能にするように、第２ダクト１０１ｂ、１０２ｂが開いた状態を保つ。第３ガス案内装置Ｄ３は、第１コンプレッサ１０１と第２コンプレッサ１０２との間において空気が交換されるのを妨げるように、第３ダクトを閉じる。この並列動作モードは、燃料電池が全負荷のもと、例えば７５％を上回る負荷のもとで機能している場合に、特に有利である。
【００２９】
図２の動作モードの変形例において、コンプレッサ１０１、１０２は交互に動作する。第１コンプレッサ１０１が、ある時間周期、例えば１５秒動作し、その間、もう一方のコンプレッサ１０２は停止しているか、又は待機状態にある。次の時間周期の間には、第２コンプレッサが動作中であり、その間、もう一方のコンプレッサ１０１は停止しているか、又は待機状態にある。この交互の動作は、二つのコンプレッサの間において、コンプレッサの動作に関連した加熱を分配するのを助ける。この加熱は、特にコンプレッサのベアリングの温度の上昇により生じる。複数のコンプレッサのうちの一つが空気を圧縮している間、その他のコンプレッサは、それが冷却されることを可能にするように、機能していない。これは、二つのコンプレッサ１０１、１０２が電気的に駆動される場合に、特に有利である。
【００３０】
図３において、コンプレッサ１０１、１０２は直列に動作する。第１ガス案内装置Ｄ１は、共有吸入口ダクトＣｅを通された空気が第１コンプレッサ１０１のみを通って流れるように、第１コンプレッサ１０１の第１ダクト１０１ａを開いた状態に保ち、第２コンプレッサ１０２の第１ダクト１０２ａを閉じる。第３ガス案内装置Ｄ３は、第１コンプレッサ１０１によって圧縮された空気が第２コンプレッサ１０２に入ることを可能にするように、開かれている。第２ガス案内装置Ｄ２は、共有排出口ダクトＣｓへ供給される空気が第２コンプレッサ１０２のみから来るように、第２コンプレッサ１０２の第２ダクト１０２ｂを開いた状態に保ち、第１コンプレッサ１０１の第２ダクト１０１ｂを閉じる。この直列動作モードは、燃料電池が、中間の、例えば５０％から７５％の間の負荷のもとで機能している場合に、特に有利である。例えば、第１コンプレッサ１０１に向かってダクトに通される空気の圧力Ｐ０が１バールであり、第１コンプレッサ１０１の排出口圧力Ｐ１が１．５バールであり、第２コンプレッサ１０２の排出口圧力Ｐ２が２．２５バールである。
【００３１】
図４において、第１コンプレッサ１０１のみが動作中であり、第２コンプレッサ１０２は停止しているか、又は待機状態にある。ガス案内装置Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３は、それぞれ、第２コンプレッサ１０２の第１ダクト１０２ａ、第２コンプレッサ１０２の第２ダクト１０２ｂ、及び第３ダクトＣ３を閉じ、それによって第２コンプレッサ１０２がダクトシステム１０３内の空気の流れから分離されることを可能にする。この動作モードは、燃料電池が、中間の、例えば２５％から５０％の間の負荷のもとで機能している場合に、特に有利である。一変形例において、第２コンプレッサ１０２が動作中であり、その間、第１コンプレッサ１０１は停止しているか、又は待機状態にある。コンプレッサ１０１、１０２の一方又は他方の選択は、例えばコンプレッサの以前の動作に関連した、コンプレッサの過熱により決定されてもよい。それ故、例えば、最も低い温度のコンプレッサが、この動作モードのために選択されてもよい。
【００３２】
コンプレッサ１０１、１０２は、電気的に、又は燃料電池によって生産された排気ガスによって駆動されてもよい。例えば、二つのコンプレッサ１０１、１０２は、コンプレッサの中に形成された電気モーターによって、電気的に駆動される。
【００３３】
電気コンプレッサの電気モーターは、同期ＡＣモーター又はＤＣモーター、又はコンプレッサを駆動するのに適したあらゆる他の電気モーターであってもよい。より具体的には、電気モーターは、スイッチドリラクタンスモーター（ＳＲＭ）であってもよい。
【００３４】
図５及び図６に示す例において、第１コンプレッサ１０１は電気的に駆動され、第２コンプレッサ１０２は燃料電池Ｇによって生産された排気ガスを受けるタービンにより駆動される。図５において、コンプレッサ１０１、１０２は並列である。図６において、コンプレッサ１０１、１０２は直列である。
【００３５】
システム１００は、燃料電池に送られる空気、そして例えば第１機械式コンプレッサ１０１から来るガスを冷却する熱交換器Ｅを含んでもよい。この熱交換器Ｅは、特に、当業者に給気冷却器として知られている交換器である。熱交換器Ｅは、吸入ガスと熱交換器Ｅの熱伝達流体との間の熱交換をもたらす。熱交換器Ｅの排出口においては、ガスは、熱交換器Ｅの熱伝達流体の温度に近い温度である。
【００３６】
図７の例において、第１コンプレッサ１０１と第２コンプレッサ１０２とが直列に並べられるとき、熱交換器Ｅは、第１コンプレッサ１０１と第２コンプレッサ１０２との間の空気を冷却するように、第３ダクトＣ３上に位置する。熱交換器Ｅは、また、燃料電池Ｇから送られる排気ガスを、例えばこれらのガスがコンプレッサ１０２のタービンＴを駆動した後に、冷却し得る。
【００３７】
図２から図７は、燃料電池を有するものとして説明された。しかしながら、燃料電池は、実質的に説明を変更することなく、燃焼エンジンに置き換えられ得る。さらに、空気以外の吸入ガスが、燃料電池を動作させるように使用される反応物に応じて使用され得る。
【００３８】
本発明の範囲は、上記に記載した詳細に限られず、本発明の範囲を離れない多様な他の個別の形態に及ぶ。それ故、本実施の形態は、特許請求の範囲により規定される範囲の外へ出ることなしに変更され得る例示であると理解すべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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2018510288.tif 000011
2018510288.tif 000012
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