(57)【要約】【課題】蒸気サイクル制御のための方法および装置、特に自動車の駆動部の一部を形成する蒸気サイクル装置を提供する。【解決手段】本発明は、液状作動媒体のための貯蔵タンクと、蒸発器であって、作動媒体が熱の供給によって該蒸発器内で蒸発され、蒸気を伴った前記作動媒体が膨張および機械的な作動を実行するために膨張器に供給され、且つそれに続いて前記作動媒体が前記貯蔵タンクと接続された凝縮器内で液化される蒸発器と、前記貯蔵タンクから前記蒸発器への供給ラインへと前記作動媒体を供給するための作動媒体供給ポンプと、前記作動媒体の流れのためのフィードバック制御ユニットと、を具備した蒸気サイクル装置に関する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液状作動媒体のための貯蔵タンク（１）と、
蒸発器（４）であって、作動媒体が熱の供給によって該蒸発器内で蒸発され、蒸気を伴った前記作動媒体が膨張および機械的な動作を実行するために膨張器に供給され、且つそれに続いて前記作動媒体が前記貯蔵タンク（１）と接続された凝縮器（６）内で液化される蒸発器（４）と、
前記貯蔵タンク（１）から前記蒸発器への供給ライン（３）へと前記作動媒体を供給するための作動媒体供給ポンプ（２）と、
前記作動媒体の流れのためのフィードバック制御ユニット（７）と、
を具備した蒸気サイクル装置において、
前記作動媒体ポンプ（２）は、該作動媒体ポンプの入力側（１０）と該作動媒体ポンプの出力側（９）との間の接続を形成しているバイパスライン（８）を具備し、該バイパスラインは該バイパスライン（８）内に配置された制御されたオーバーフローバルブ（１１）を備え、該制御要素は前記蒸発器への供給ライン（３）内の作動媒体の圧力および／または体積流量を調整するための、作動媒体のための前記フィードバック制御ユニット（７）によって起動するきっかけを与えられていることを特徴とする蒸気サイクル装置。
【請求項２】
前記制御されたオーバーフローバルブ（１１）は外部から制御された圧力制限バルブ（１２）であることを特徴とする、請求項１に記載の蒸気サイクル装置。
【請求項３】
前記外部から制御された圧力制限バルブ（１２）の制御要素は圧力減少バルブ（１３）によって圧力制御され、該圧力減少バルブは電磁作動ユニットを利用して外部から制御されていることを特徴とする、請求項２に記載の蒸気サイクル装置。
【請求項４】
前記蒸気サイクル装置は圧力維持バルブ（１４）をさらに具備し、該バルブは前記蒸発器への供給ライン（３）によって供給され、且つ前記外部から制御された圧力減少バルブ（１３）のための一定の供給圧力を発生していることを特徴とする、請求項３に記載の蒸気サイクル装置。
【請求項５】
前記作動媒体ポンプ（２）はギアポンプとして、特に内部ギアポンプとして配置されてい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蒸気サイクル装置。
【請求項６】
前記バイパスライン（８）は出力側にインジェクタポンプ（２３）を具備し、該ポンプは前記作動媒体ポンプの入力側（９）に供給された前記貯蔵タンク（１）からの作動媒体内を吸引してい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蒸気サイクル装置。
【請求項７】
前記バイパスライン（８）は前記貯蔵タンク（１）内に開口しているか、または前記貯蔵タンク（１）を貫通し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蒸気サイクル装置。
【請求項８】
前記作動媒体のためのフィルタ（２２）が前記バイパスライン（８）内に配置されていることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の蒸気サイクル装置。
【請求項９】
前記蒸発器への供給ライン（３）は非復元バルブ（２４）を具備し、該バルブは前記蒸発器（４）へ前記作動媒体が流入するための最小圧力を設定してい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蒸気サイクル装置。
【請求項１０】
前記蒸気サイクル装置は圧力制限バルブを具備し、該バルブは前記貯蔵タンク（１）に接続されて、最大システム圧力を設定するための安全バルブ（２１）として使用されていることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の蒸気サイクル装置。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか一項に記載の蒸気サイクル装置と、
内燃エンジンであって、該エンジンの排気ガスが前記蒸発器（４）に供給されている内燃エンジンと、
を具備した自動車のための駆動ユニットにおいて、
前記内燃エンジンは少なくとも間接的に前記作動媒体ポンプを駆動していることを特徴とする自動車のための駆動ユニット。
【請求項１２】
少なくとも請求項１〜１０に記載の蒸気サイクル装置を制御する方法において、
前記作動媒体ポンプ（２）が搬送する体積流量は、前記蒸発器への供給ライン（３）内の前記作動媒体の圧力および／または体積流量に関して独立した設定値を設定し、作動媒体の流れのための前記フィードバック制御ユニット（７）は前記バイパスライン（８）を介して前記作動媒体ポンプ（２）の入力側へ作動媒体の連続的な戻りの流れを制御し、該制御は前記蒸発器への供給ライン（３）内の前記作動媒体の圧力および／または体積流量に関する目的とする設定値に依存していることを特徴とする制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は蒸気サイクル制御のための方法および装置、特に自動車の駆動部の一部を形成している蒸気サイクル装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
クラウジウス−ランキン工程のような熱の流れから機械的なパワーを発生させるための蒸気サイクル工程が知られており、例えば結合された熱−パワーデバイス内で分離されたバーナーユニットによって駆動されることが可能である。自動車に関して、蒸気サイクル装置は内燃エンジンが消費した熱を利用するために好適に使用され、内燃エンジンの冷却水流または好適にその排気流のいずれかが作動媒体の選択および蒸気サイクルの温度ガイダンスによって熱源として使用されている。
【０００３】
蒸気サイクルのパワーを制御するために、作動媒体の蒸発器への体積流量の調整が特許文献１によって提案されている。この文献は、蒸発器への供給ライン内の作動媒体に関する所定の体積流量および／または圧力を設定するために、作動媒体ポンプが搬送体積流量の可変手段を備えることを要求している。この要求を実現するために、可変速度駆動が作動媒体ポンプに与えられており、これによって、電気的に駆動されるポンプのための電気モータを必要としている。しかしながら、このことは必要とする組み付け空間によって、自動車駆動に関して欠点となる。さらに、そのことは付加的な電気を消費する要素を現している。蒸気サイクル装置が内燃エンジンとともに自動車駆動部の一部であるとするならば、作動媒体ポンプは制御カップリングを利用して可変速度で内燃エンジンによって代替的に駆動される。そのような解決策は構成の観点から複雑であり、追加の制御カップリングのための組み付け空間を必要とする。
【０００４】
蒸発器への供給ライン内における作動媒体の体積流量のためのさらなる制御装置は、特許文献２および特許文献３から周知である。第１の明細書は複数のポンプの配置を開示しており、それらのポンプは、蒸発器と作動媒体の蒸気相のための過熱器との間に配置された貯蔵タンクまたは媒体コンテナから、作動媒体を除去する。これらのポンプの１つは制御可能なインジェクションポンプとして配置されており、そのポンプは一定速で稼動され、その搬送体積は入力側と出力側との間の圧力差の関数とされている。インジェクションポンプの設定に依存して、作動媒体は後続のポンプへの媒体コンテナまたは貯蔵タンクのいずれかから供給される。蒸気サイクルの特別な始動操作部が設けられたこの装置を備えることで、蒸気サイクルのためのパワー制御の期間内で、蒸発器への作動媒体の体積流量を精密に調整することが不可能となる。
【０００５】
蒸気サイクル装置は上述の特許文献３からも周知であり、その文献の装置はバーナーユニットによって稼動されている。膨張器内で発生される機械的パワーの一部はポンプの稼働のために使用され、作動媒体を蒸発器へと搬送し、且つバーナーユニットへ燃料を供給している。この手段の結果、蒸発器におけるパワー出力と定常状態において必要な蒸気の供給との間でバランスが平衡しており、そのバランスは作動媒体ライン内の圧力およびバーナー温度に依存している。このバランスにおいてかく乱が発生した場合、ポンプのバイパスライン内のバルブは開放され、作動媒体または燃料のポンプ入力側への再循環が可能となる。バイパスライン内のバルブは方向性制御バルブとして作動し、その手段はオン状態とオフ状態との位置をとることが可能であるように切り替わるものである。さらに、バイパスライン内には絞り位置があり、これはポンプ内の圧力差を維持するためである。開示されたバイパスラインの配置を通して、単に圧力ピークはバイパスラインが開口した場合に除去され、開示された装置は設定された曲線に沿った蒸発器への供給ライン内における作動媒体の体積流量および／または圧力を任意に調整することが不可能である。その代わりに、上述の開示された手段は単に過剰圧力の場合に形成される。同じことがバーナーへの供給タイン内におけるポンプ装置に適用される。
【特許文献１】独国特許出願公開第１０２２９２５０号明細書
【特許文献２】米国特許第４５７３３２３号明細書
【特許文献３】米国特許第４０２０６３７号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、蒸気サイクル装置の提供およびその作動方法に基づくものであり、作動媒体のための分離したエンジンを省略することが可能である。その装置は可変速度の規則において設定可能であり、特に自動車の駆動装置内のアプリケーションのためのものであり、パワー調整の目的のために蒸発器へ供給される作動媒体の搬送体積を変化することが可能であり、または目標とする設定値によって蒸発器への供給ライン内の作動媒体の圧力を変化して設定することが可能である。その装置は、構成および生産の点では容易で且つ破損した場合には蒸気サイクル装置内で決められた圧力設定に導かれ、さらに高効率な方式において稼働することを追及している。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この目的は、独立請求項の特徴によって達成される。本発明による装置は、作動媒体ポンプへのバイパスラインを具備し、そのライン内には制御されたオーバーフローバルブが配置されている。このオーバーフローバルブは作動媒体流のためのフィードバック制御ユニットによって起動され、作動媒体ポンプの出力側から入力側への連続的な再循環を可能にしている。その体積流量は、作動媒体の体積流量および／または蒸発器への供給ライン内の圧力に関する目標値から始動する。
【０００８】
ステッピングモータのような駆動ユニットを利用して設定されたニードルバルブが、制御されたオーバーフローバルブとして使用されることが可能である。しかしながら、本発明の実施形態は好適に、その外部から制御された圧力制限バルブは圧力減少バルブによって発生された特別好適な方法による圧力制御に従っており、その圧力減少バルブの出力側の圧力は電磁作動ユニットを利用して設定されている。一定の供給圧が圧力減少バルブの供給のために使用され、その圧力は蒸発器への供給ラインから供給された圧力維持バルブによって発生されている。したがって、制御ラインのための供給ポンプが省略可能であり、同時にバイパスライン内の外部から制御された圧力制限バルブの制御要素を起動するきっかけのために必要な制御された高い圧力を発生することが可能である。
【０００９】
そのような実施形態のさらなる利点は、損傷した場合、システムは決定された制御位置をとることである。さたに、高効率な方法で作動されることが可能であり、組み付け空間をコンパクトなデザインとすることが可能である。さらに、標準化された流体部品の使用が可能である。
【００１０】
本発明による蒸気サイクル装置は、作動媒体を蒸発器へ供給するための作動媒体ポンプを、蒸発器への供給ライン内の必要な体積流量とは無関係に且つ蒸発器への供給ライン内の圧力設定値とは無関係に選択されることが可能な駆動速度で駆動することが可能である。ポンプは作動媒体ポンプとして好適に選択され、その搬送流量は駆動速度に比例しており、ギアポンプまたは特に内部ギアポンプの方式が考慮され得る。作動媒体ポンプは好適に直接駆動され、ポンプのための分離された駆動方式は省略されている。その代わりに、蒸気サイクル装置が自動車の駆動部内に内燃エンジンとともに一体化された場合、作動媒体ポンプは内燃エンジンのシャフトに少なくとも間接的に接続されている。ギアまたはカップリングユニットが間に入れられることが可能である。しかしながら、装置に、作動媒体ポンプの駆動速度が蒸発器への供給ラインないにおける必要な体積流量に依存した相対値に設定されることを提供することは、本発明においては必要とされていない。
【００１１】
バイパスライン内における作動媒体ポンプの入力側への作動媒体の再循環は、作動媒体のための貯蔵タンクが非復元バルブを利用することによって、バイパスラインに対して区切られるようにして好適に発生する。それは作動媒体ポンプの圧送効率を増大するためである。それに加えて、またはそれとは代替的に、インジェクタポンプはベンチュリ管を具備した非復元バルブの代わりに使用されることが可能である。
【００１２】
実施形態はさらに好適に、ポンプの出力側から入力側への作動媒体の再循環が、貯蔵タンクを介してバイパスラインを利用して行われており、それはバイパスラインが貯蔵タンク内に開口していることを意味している。この方式の理由は、ポンプの連続的な再圧送のパワー損失の結果がポンプとバイパスラインとを介して循環している作動媒体の加熱を引き起こすためである。貯蔵タンクの熱的な緩衝はこの加熱を制限するために使用されており、作動媒体の蒸発は確実に除外されている。貯蔵タンクを貫通する流れの代わりに、本実施形態は、バイパスラインが貯蔵タンクを介してガイドされた中から選択されることが可能であり、それは比較的高圧の下にある作動媒体が、貯蔵タンク内において作動媒体に導かれた熱を伴ってバイパスライン内に残存し、結果的にバイパスラインの通路が貯蔵タンクを介して誘導しているということを意味している。さらなる実施形態によれば、バイパスラインは貯蔵タンク内のインジェクタポンプのベンチュリ管内に開口しており、バイパスライン内で作動媒体を加圧するエネルギは、貯蔵タンクから現実の作動媒体ポンプの入力側へ作動媒体を供給するために使用されている。
【００１３】
さらに有利な実施形態は、バイパスライン内に作動媒体のためのフィルタを提供しており、そのフィルタは制御されたオーバーフローバルブに対して出力側に好適に配置されている。さらなる圧力制限バルブが安全上の理由で蒸気サイクル装置内に設けられており、そのバルブはシステムの最大圧力を超えた場合に作動媒体を貯蔵タンクへと確実に移動させている。有利な実施形態によれば、その過剰圧力安全バルブは、有利な実施形態による膨張器と凝縮器との間に設けられている。
【００１４】
蒸発器への供給ラインからインジェクタポンプへの作動媒体の一部を枝分かれさせることも可能であり、そのポンプは凝縮器の出力側に配置されている。したがって、蒸気サイクル装置の効率の増大はインジェクタポンプを備えることで達成され、そのポンプは制御可能な態様で配置された凝縮器の出力側に好適に配置されている。
【００１５】
本発明は、図に示された実施形態を参照することによって、ここにより詳細に説明されている。図は詳細を示している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１は蒸気サイクル装置の基本的な構成要素の簡略化した概略図を示している。流動性作動媒体は作動媒体ポンプ２を利用して、貯蔵タンク１から蒸発器３への供給ライン内にポンプ輸送される。作動媒体の蒸発は蒸発器４内で発生し、この目的のために要求される熱エネルギはバーナーユニットから供給されている。その様子はここには詳細には示されていない。蒸気サイクル装置は特に好適に内燃エンジンを備えた自動車駆動部の一部とされており、そのエンジンで消費された熱が蒸発器４を加熱している。内燃エンジンの排気ガスは特にこの場合考慮され、この目的のために要求される構成要素は図の簡略化のために図1に示されていない。蒸発器４は様々なステージに配置されることが可能である。過熱ユニットは特に気相のために設けられることが可能である。作動媒体の気相は蒸発器4によって膨張器５に供給され、媒体はそこで膨張の下で機械的動作を実行する。膨張器５の後、作動媒体は凝縮器６内で液化され、貯蔵タンク１へ戻される。
【００１７】
内部ギアポンプは作動媒体ポンプ２として好適に使用され、そのポンプの速度は蒸発器への供給ライン３内で要求される堆積流量のごとに単独で設定される。第１の実施形態によれば、作動媒体ポンプ２は分離された定速の駆動ユニットによって作動され、そのポンプがほぼ定量ポンプとして作動するようにされている。好適な実施形態によれば、作動媒体ポンプを駆動するための分離された駆動ユニットは省略され且つ替わりに直接的に駆動され、剛体のギア変速比を備えた中間ギアを追加的に介して設けられた、内燃エンジンのシャフトへの剛体接続を特に備えている。代替的に、この接続はスイッチカップリングを利用して形成されることが可能である。作動媒体ポンプ２を駆動するための構成要素は、図１には詳細に示されていない。
【００１８】
本発明によれば、バイパスライン８が、作動媒体ポンプの出力側９と作動媒体ポンプの入力側１０との間に設けられ、連続的な再循環が通常作動において発生し、その体積流量は制御されたオーバーフローバルブを利用して設定される。図示された実施形態において、外部から制御された圧制限バルブ１２が、制御されたオーバーフローバルブ１１として使用されている。外部から制御された圧力制限バルブ１２の制御は制御された圧力ライン１６を介して実行され、制御圧力は外部から制御された圧力減少バルブ１３を利用して好適な実施形態に関して与えられている。外部から制御された圧力減少バルブ１３は圧力維持バルブ１４から媒体が供給され、圧力維持バルブは蒸発器４と接続されており、供給圧力ライン１５内の圧力を一定に維持している。制御圧力ライン１６で設定した圧力は外部から制御された圧力減少バルブ１３の電磁作動要素を利用して現われ、圧力減少バルブの設定は作動媒体流のためのフィードバック制御ユニット７によって決定される。この作動媒体流のためのフィードバック制御ユニット７はセンサ（図１では省略）からの信号を使用しており、その信号は蒸発器への供給ライン３内の圧力および／または体積流量を測定したものである。それに応じて、バイパスライン８の体積流量は、体積流量および／または圧力の経過が蒸発器からの供給ライン３内において設定された規定の曲線を追従するように調整される。その曲線は膨張器５において要求される性能から得られたものである。作動媒体流のためのフィードバック制御ユニット７は自立した制御／フィードバック制御ユニットとして配置されることが可能であり、または上位集合の自動車制御システム内に統合されることが可能である。図１に示された作動媒体のためのさらなるライン接続は、上述の圧力ラインの漏出カレントライン１７．１，１７．２および１７．３を示している。
【００１９】
図２は本発明による蒸気サイクル装置のさらなる実施形態を示しており、図１と同一の参照符号は同一の構成要素について使用されている。図示された実施形態に関して、バイパスライン８は作動媒体のために貯蔵タンク１内へと開口しており、バイパスライン８の放出側の端部において作動媒体のために設けられたフィルタ２２を備えている。バイパスライン８は、インジェクタポンプ２３のベンチュリ管内において、貯蔵タンク１内にさらに開口している。そのような実施形態において、バイパスライン８内の加圧された作動媒体のエネルギの一部を、貯蔵タンク１から作動媒体ポンプ２へと供給するために利用すること、およびその安全な充填を保証することが可能である。内部ギアポンプが作動媒体ポンプ２として使用された場合、その搬送体積は回転速度にほぼ比例し、作動媒体ポンプ２およびバイパスライン８内での作動媒体の予期しない蒸発を伴っている。その蒸発は図示された貯蔵タンク１から作動媒体ポンプ２への操作媒体の供給によって確実に防止されており、その蒸発が起きた場合でさえ、作動媒体ポンプ２は作動温度に到達する。このことはバイパスライン８から貯蔵タンクへの供給の結果である冷却効果に続いて起こる。代替的な実施形態（図示略）によれば、バイパスライン８は水流の接続を除外して貯蔵タンク１に熱的な接続をもたらすことが可能である。この場合、バイパスライン８は作動媒体ポンプの出力側１０の非復元バルブを利用して貯蔵タンク１から離間されている。このことは図２には詳細に示されていない。
【００２０】
図２に示された実施形態に関して、非復元バルブは蒸発器への供給ライン３の蒸発器２４の前に設けられている。そのバルブにはフラットバルブが設けられており、蒸発器４への流入を可能にするために、超過する必要のある定義された強化圧力を設定するために使用されている。さらに、蒸発器４は破損した場合は蒸発器への供給ライン３から離間される。蒸発器の前の非復元バルブ２４は、蒸発器への供給ライン内の作動媒体圧力を、２０〜６０バールの範囲で５バールの圧力強化を設定することが可能である。
【００２１】
図２はさらに流体制御要素を示しており、その要素は膨張器５を制御するために使用されている。主制御バルブ２０はパイロットバルブ１９に適合されており、主制御バルブはパイロットバルブ１９の供給を伴って要求された制御圧力を発生している。有利な実施形態によれば、その圧力は圧力維持バルブ１４を介して再度発生し、圧力維持バルブはバイパスライン８内の外部から制御された圧力制限バルブを制御するために外部から制御された圧力減少バルブ１３に供給するためにも使用されている。
【００２２】
図２に示された実施形態に関して、安全バルブ２１は膨張器５と凝縮器６との間に配置された、蒸気サイクル装置のさらなる構成要素として提供されており、それは凝縮器６を介して貯蔵タンク１への作動媒体の放出を確実にするためのものであり、凝縮器内では最大システム圧力を超えて液化が発生し、その圧力は本実施形態では７０バールである。
【００２３】
本発明のさらなる実施形態は体積流量制御部または圧力制御オーバーフローバルブを備えたバイパスライン８を具備しており、その形態は請求項の保護範囲から得られるものである。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明による蒸気サイクル装置の実施形態の簡略化した概略図を示している。
【図２】本発明による蒸気サイクル装置のさらなる実施形態を示した図である。
【符号の説明】
【００２５】
１        貯蔵タンク
２        作動媒体ポンプ
３        蒸発器への供給ライン
４        蒸発器
５        膨張器
６        凝縮器
７        作動媒体流のためのフィードバック制御ユニット
８        バイパスライン
９        作動媒体ポンプの出力側
１０      作動媒体ポンプの入力側
１１      制御されたオーバーフローバルブ
１２      外部から制御された圧力制限バルブ
１３      外部から制御された圧力減少バルブ
１４      圧力維持バルブ
１５      供給圧力ライン
１６      制御圧力ライン
１７．１，１７．２，１７．３      漏出カレントライン
１８      絞り
１９      パイロットバルブ
２０      主制御バルブ
２１      安全バルブ
２２      フィルタ
２３      インジェクタポンプ
２４      蒸発器の前の非復元バルブ
【図１】
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【図２】
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【外国語明細書】
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