利用發(fā)動(dòng)機(jī)余熱的空調(diào)專利現(xiàn)狀分析和發(fā)展趨勢(shì)

劉亞妮

Liu Yani

（國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局機(jī)械發(fā)明審查部，北京 100088）

目前，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料利用率僅為35%左右，大約65%的熱能都被排氣、冷卻水及機(jī)器自身的散熱帶走了，因此燃料損耗較大。空調(diào)是汽車上必不可少的一項(xiàng)設(shè)備，汽車空調(diào)一般需要消耗發(fā)動(dòng)機(jī)8%～12%的動(dòng)力，增加了油耗，加大了廢氣排放量，加劇了空氣污染。因此，通過回收和利用發(fā)動(dòng)機(jī)余熱來驅(qū)動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)，是一種理想的節(jié)能方式。許多相關(guān)領(lǐng)域的企業(yè)或者公司均進(jìn)行了研究，并且在利用發(fā)動(dòng)機(jī)余熱作為空調(diào)驅(qū)動(dòng)力方面進(jìn)行了專利申請(qǐng)。

有關(guān)發(fā)動(dòng)機(jī)余熱利用的專利申請(qǐng)的國(guó)際專利分類號(hào)主要集中在F02G5/00和F01N5/00這兩個(gè)分類號(hào)上，通過采用分類號(hào)加關(guān)鍵詞的檢索方式在中國(guó)專利檢索數(shù)據(jù)庫和歐洲專利檢索數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行檢索，得到中國(guó)和外國(guó)的相關(guān)專利申請(qǐng)共200余篇，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了更加具體的分析統(tǒng)計(jì)，得到該項(xiàng)技術(shù)目前的專利現(xiàn)狀，并且對(duì)該領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了總結(jié)。

1 空調(diào)類型的申請(qǐng)量的分布情況和分析

通過對(duì)這些專利進(jìn)行研讀和分析，發(fā)現(xiàn)可以將利用發(fā)動(dòng)機(jī)的余熱作為空調(diào)動(dòng)力源的空調(diào)系統(tǒng)類型主要分為以下幾種：

（1）壓縮式空調(diào)：壓縮式空調(diào)由壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥和蒸發(fā)器組成。壓縮式空調(diào)是一種普遍采用的空調(diào)。

（2）熱泵式空調(diào)：熱泵式空調(diào)設(shè)有一個(gè)制冷劑回路，該回路包括室內(nèi)熱交換器、壓縮裝置、室外熱交換器和節(jié)流裝置等部件。熱泵式空調(diào)是一種冷熱兩用空調(diào)器，能夠有效地實(shí)現(xiàn)夏天制冷冬天制熱的功能，具有廣泛的市場(chǎng)。

（3）吸收式空調(diào)：吸收式空調(diào)利用一種液體作為吸收劑（例如濃硫酸、溴化鋰水溶液），利用另一種液體作為制冷劑（例如水）。與壓縮式空調(diào)相比，壓縮機(jī)的作用由吸收器、發(fā)生器、溶液泵、熱交換器、節(jié)流閥所取代。

（4）吸附式空調(diào)：吸附式空調(diào)利用某些固定物質(zhì)（吸附劑）的吸附和解吸的特性導(dǎo)致壓力變化，從而用吸附床代替了壓縮機(jī)，起到了壓縮機(jī)的作用。其他部件與壓縮式空調(diào)無差別。

（5）熱聲式空調(diào)：該空調(diào)系統(tǒng)利用一個(gè)包含熱端和冷端熱交換器的諧振管把熱能轉(zhuǎn)換成聲能，通過該聲能進(jìn)行制冷。

各種類型的空調(diào)的具體申請(qǐng)量分布狀況如圖1所示。

從圖1可以看到，熱泵式空調(diào)和壓縮式空調(diào)占有的比例最大，吸收式空調(diào)占有的比例其次，其余類型的空調(diào)占有的比例較小。這主要是由于熱泵式空調(diào)、壓縮式空調(diào)以及吸收式空調(diào)技術(shù)發(fā)展比較成熟，所以各企業(yè)投入的研發(fā)精力較多，因此申請(qǐng)量較大，并且這些類型的空調(diào)性能相對(duì)穩(wěn)定，比較適合于汽車。其他類型的空調(diào)還處于研究摸索階段，技術(shù)并未成熟，缺少一定的技術(shù)積累，因此申請(qǐng)量較少。

2 不同年份申請(qǐng)量的分布情況和分析

按照不同年份統(tǒng)計(jì)相關(guān)申請(qǐng)量，得到圖2分布狀況。

從圖2可以看到，發(fā)動(dòng)機(jī)余熱在空調(diào)上應(yīng)用的專利發(fā)展分為以下3個(gè)階段。

第一階段是1994－2000年，這一時(shí)期的專利申請(qǐng)量不高，維持在年均10件左右，可見在發(fā)動(dòng)機(jī)余熱空調(diào)這方面，尚屬于起步階段。

第二階段是2001－2007年，申請(qǐng)量呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，并且在2005年達(dá)到峰值。這主要是由于在外部政策和產(chǎn)業(yè)環(huán)境的雙重影響下，在積累了一定技術(shù)實(shí)力后，該項(xiàng)技術(shù)步入了高速發(fā)展的階段。

第三階段是2007－2010年，這段時(shí)間申請(qǐng)量呈緩慢下降的趨勢(shì)。主要是由于該技術(shù)發(fā)展趨于成熟，而各個(gè)企業(yè)在技術(shù)研究上未找到新的突破口或者新的技術(shù)還未研究成熟，因此申請(qǐng)量又逐漸下降。

3 不同申請(qǐng)人的申請(qǐng)量的分布情況和分析

按照不同申請(qǐng)人統(tǒng)計(jì)其申請(qǐng)量，得到主要申請(qǐng)人的申請(qǐng)量分布如圖3所示。

從圖3可以看到，申請(qǐng)量排名前3位的是LG電子株式會(huì)社、三菱、株式會(huì)社電裝3個(gè)公司，可見他們對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)余熱在空調(diào)上的應(yīng)用比較重視，投入了大量的精力并且申請(qǐng)了大量專利，而其他相關(guān)企業(yè)也投入了相當(dāng)一部分精力?？傮w上看，日本和韓國(guó)的申請(qǐng)量最多，德國(guó)次之，而中國(guó)相關(guān)申請(qǐng)非常少。目前，關(guān)于利用發(fā)動(dòng)機(jī)余熱的空調(diào)系統(tǒng)專利申請(qǐng)主要集中在韓國(guó)的LG電子株式會(huì)社、日本的三菱和株式會(huì)社電裝，其他的公司例如日立、三電、尼桑、愛信精機(jī)株式會(huì)社、德國(guó)的戴姆勒公司等也有一些申請(qǐng)。中國(guó)的申請(qǐng)主要集中在上海毅知實(shí)業(yè)有限公司、奇瑞汽車股份有限公司、蘇州賽爾科凌空調(diào)有限公司，但是這些企業(yè)的相關(guān)專利申請(qǐng)非常少，每個(gè)公司也僅有一件申請(qǐng)。由此可以看出，中國(guó)企業(yè)對(duì)于該領(lǐng)域的重視程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及日本和韓國(guó)。

4 外國(guó)主要申請(qǐng)人以及中國(guó)主要申請(qǐng)人專利申請(qǐng)的主要技術(shù)內(nèi)容

表1是各個(gè)主要公司專利申請(qǐng)的相關(guān)技術(shù)。

表1 專利申請(qǐng)人及相關(guān)專利技術(shù)

LG電子株式會(huì)社的專利申請(qǐng)主要涉及將發(fā)動(dòng)機(jī)余熱用于熱泵式空調(diào)，進(jìn)一步改進(jìn)的申請(qǐng)還涉及在空調(diào)系統(tǒng)中設(shè)置干燥器或者熱水器，將余熱用作再生干燥劑的熱源或者用于提供熱水。這些涉及熱泵式空調(diào)的專利申請(qǐng)大部分也在其他國(guó)家進(jìn)行了同族申請(qǐng)，此外還有少量申請(qǐng)涉及壓縮式空調(diào)和吸收式空調(diào)。由此可見，LG電子株式會(huì)社將主要研發(fā)精力放在熱泵式空調(diào)上，并且意圖形成自己的專利堡壘。

三菱的專利申請(qǐng)主要涉及熱泵式空調(diào)，也有少量的申請(qǐng)涉及壓縮式空調(diào)和吸收式空調(diào)。主要改進(jìn)點(diǎn)在結(jié)構(gòu)設(shè)置、控制方式等方面，例如通過控制空調(diào)所利用的發(fā)動(dòng)機(jī)余熱溫度來提高余熱的回收效率，通過計(jì)算燃料控制閥相對(duì)于空調(diào)功率的開度值來控制空調(diào)等等。

株式會(huì)社電裝的專利申請(qǐng)主要涉及壓縮式空調(diào)，并且還涉及改進(jìn)空調(diào)系統(tǒng)中的換熱器熱管，進(jìn)而提高換熱效率。該公司的發(fā)展戰(zhàn)略與LG電子株式會(huì)社和三菱不同，將主要研發(fā)精力投入在壓縮式空調(diào)上，該公司避開與三菱和LG電子株式會(huì)社的競(jìng)爭(zhēng)，圈出了自己的保護(hù)范圍。

愛信精機(jī)株式會(huì)社的專利申請(qǐng)主要涉及熱泵式空調(diào)和壓縮式空調(diào)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)。

豐田公司的專利申請(qǐng)分布比較均勻，并沒有將重點(diǎn)放在一種類型上。值得一提的是，豐田公司還申請(qǐng)了采用吸附式空調(diào)利用發(fā)動(dòng)機(jī)余熱以及熱電制冷的相關(guān)專利，這在其他公司的專利申請(qǐng)中并未涉及。其中吸附式空調(diào)利用發(fā)動(dòng)機(jī)余熱的相關(guān)專利主要是通過有效利用發(fā)動(dòng)機(jī)排氣余熱從而改進(jìn)換熱器性能或者除霜性能，確保空調(diào)運(yùn)行的安全性；還通過提高水的熱吸附性，從而改進(jìn)換熱效率并且抑制水溫下降。

其他外國(guó)公司，例如日立、大阪瓦斯株式會(huì)社、雅馬哈等的專利申請(qǐng)主要集中在熱泵式空調(diào)、壓縮式空調(diào)或者吸收式空調(diào)上，數(shù)量并不多，技術(shù)點(diǎn)主要是改進(jìn)結(jié)構(gòu)、控制方法等方面。

奇瑞汽車股份有限公司的專利申請(qǐng)涉及一種車用空調(diào)蒸發(fā)器的除水防霉裝置及其除水防霉方法。該發(fā)明申請(qǐng)除了將發(fā)動(dòng)機(jī)余熱用于空調(diào)加熱，并且還將余熱用于去除汽車空調(diào)蒸發(fā)器表面的冷凝水，防止霉變。蘇州賽爾科凌空調(diào)有限公司的專利申請(qǐng)涉及一種汽車的熱聲制冷裝置。用汽車的高溫尾氣對(duì)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的工質(zhì)進(jìn)行加熱，然后使其周期性壓縮和膨脹對(duì)外輸出動(dòng)力。空調(diào)系統(tǒng)的制冷機(jī)采用斯特林型的脈管制冷機(jī)與其相互配合，從而實(shí)現(xiàn)制冷。上海毅知實(shí)業(yè)有限公司的專利申請(qǐng)涉及一種車用內(nèi)燃機(jī)余熱回收利用機(jī)構(gòu)及方法，該發(fā)明申請(qǐng)并未獲得授權(quán)。

5 專利申請(qǐng)發(fā)展趨勢(shì)

（1）各種空調(diào)應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)

壓縮式空調(diào)和熱泵式空調(diào)為目前專利申請(qǐng)中采用的比較多的空調(diào)系統(tǒng)，技術(shù)比較成熟，性能也比較穩(wěn)定，實(shí)用性強(qiáng)，專利申請(qǐng)量相對(duì)較多，因此可進(jìn)行改進(jìn)的方面相對(duì)較少。如果想在這方面獲得專利保護(hù)，則需要避開現(xiàn)有的其他企業(yè)的專利技術(shù)進(jìn)行研究。

吸收式空調(diào)機(jī)械具有運(yùn)轉(zhuǎn)部件少、消耗電力少、噪聲小等優(yōu)點(diǎn)，但是操作維護(hù)復(fù)雜、對(duì)真空度要求嚴(yán)格，機(jī)組重量和尺寸較大、變工況特性較差，并且發(fā)生器、冷凝器、吸收器和蒸發(fā)器需要自由水平面，不適合經(jīng)常處于顛簸狀態(tài)的汽車。

吸附式空調(diào)系統(tǒng)存在冷量輸出的連續(xù)性、穩(wěn)定性較差，制冷量相對(duì)較小、體積較大等固有缺點(diǎn)，目前尚不能滿足空調(diào)用冷的要求。但是吸附式空調(diào)系統(tǒng)采用非氟氯烴類物質(zhì)作為制冷劑，系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng)部件少，因此具有節(jié)能、環(huán)保、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無噪音等突出優(yōu)點(diǎn)，并且相關(guān)專利申請(qǐng)僅豐田公司有幾件，數(shù)量甚少。如果能夠改進(jìn)缺點(diǎn)并且發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，在利用發(fā)動(dòng)機(jī)余熱研究方面更進(jìn)一步，那么將會(huì)有非常好的專利前景。

雖然熱聲制冷早在90年代開始研究，但是熱聲式空調(diào)與汽車結(jié)合利用發(fā)動(dòng)機(jī)余熱的相關(guān)專利申請(qǐng)還非常少。由于熱聲式空調(diào)沒有制冷劑，因此具有很好的發(fā)展前景。如果對(duì)該方面進(jìn)行深入研究，也將具有非常好的專利前景。

（2）專利申請(qǐng)的新思路

目前相關(guān)技術(shù)集中在國(guó)外一些大公司，特別是LG公司、三菱已經(jīng)申請(qǐng)了一系列相關(guān)專利，而中國(guó)則幾乎沒有自己的核心專利。分析其原因，主要是由于日本企業(yè)和韓國(guó)企業(yè)比較重視節(jié)能環(huán)保，因此在該方面投入的研究精力比較大。而中國(guó)起步較慢，技術(shù)積累不夠，并且汽車發(fā)展的重點(diǎn)并未集中在節(jié)能方面，因此專利申請(qǐng)較少。

近幾年來，國(guó)外公司并未有大量關(guān)于利用發(fā)動(dòng)機(jī)余熱作為空調(diào)系統(tǒng)動(dòng)力的專利申請(qǐng)，并且很多專利雖然獲得授權(quán)，但是其不再繳費(fèi)，使得專利已經(jīng)失效，例如LG電子株式會(huì)社就發(fā)動(dòng)機(jī)余熱用于熱泵式空調(diào)方面申請(qǐng)了一系列專利，但是目前大多已經(jīng)失效。分析其原因，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)余熱作為空調(diào)系統(tǒng)動(dòng)力的技術(shù)日趨成熟，很難再有新的改進(jìn)，因此國(guó)外專利申請(qǐng)日趨減少，而且由于其他大公司也具有相似的申請(qǐng)，因此繼續(xù)維持這些專利沒有太大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，因此放棄繳費(fèi)使其失效，這就需要申請(qǐng)人向其他方向擴(kuò)展進(jìn)行研究。例如，利用發(fā)動(dòng)機(jī)余熱的吸附式空調(diào)和熱聲式空調(diào)在專利申請(qǐng)中還很少見，國(guó)內(nèi)企業(yè)可以對(duì)其進(jìn)行重點(diǎn)研究，克服其缺點(diǎn)，發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)，從而獲得自己的專利領(lǐng)地。又如，奇瑞汽車股份有限公司不僅將發(fā)動(dòng)機(jī)余熱用于空調(diào)系統(tǒng)的蒸發(fā)器，還用于在空調(diào)關(guān)閉時(shí)除去冷凝水起到防霉的效果，也就是將發(fā)動(dòng)機(jī)余熱用于空調(diào)的其他方面，這為余熱在空調(diào)上的應(yīng)用研究提供了一個(gè)很好的思路。而蘇州賽爾科凌空調(diào)有限公司打破了傳統(tǒng)的思路，為發(fā)動(dòng)機(jī)余熱用于空調(diào)開辟了新的道路，提供了新的方向。中國(guó)企業(yè)可以通過拓寬思路，尋求自己的發(fā)展方向。

總的來說，目前發(fā)動(dòng)機(jī)余熱空調(diào)的專利申請(qǐng)數(shù)量并不多，專利堡壘并未形成，僅僅部分企業(yè)圈出了自己的一小塊專利保護(hù)地。目前，中國(guó)對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)能環(huán)保技術(shù)也日益重視起來，2010年5月8日在天津正式成立了節(jié)能環(huán)保內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，該聯(lián)盟聯(lián)合了我國(guó)9個(gè)汽車及發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)企業(yè)、7所高校、4個(gè)研究所以及行業(yè)協(xié)會(huì)等21個(gè)單位，針對(duì)我國(guó)節(jié)能環(huán)保內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵共性技術(shù)聯(lián)合攻關(guān)研究。國(guó)內(nèi)企業(yè)和高?？梢宰プ∵@次契機(jī)，集中力量進(jìn)行研究，避開其他外國(guó)企業(yè)的專利保護(hù)地，獲得自己的核心專利。