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

劉亞妮

Liu Yani

（國家知識產(chǎn)權(quán)局機(jī)械發(fā)明審查部，北京 100088）

目前，發(fā)動機(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)動機(jī)8%～12%的動力，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)動機(jī)余熱來驅(qū)動空調(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)動機(jī)余熱作為空調(diào)驅(qū)動力方面進(jìn)行了專利申請。

有關(guān)發(fā)動機(jī)余熱利用的專利申請的國際專利分類號主要集中在F02G5/00和F01N5/00這兩個(gè)分類號上，通過采用分類號加關(guān)鍵詞的檢索方式在中國專利檢索數(shù)據(jù)庫和歐洲專利檢索數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行檢索，得到中國和外國的相關(guān)專利申請共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，并且對該領(lǐng)域的發(fā)展趨勢進(jìn)行了總結(jié)。

1 空調(diào)類型的申請量的分布情況和分析

通過對這些專利進(jìn)行研讀和分析，發(fā)現(xiàn)可以將利用發(fā)動機(jī)的余熱作為空調(diào)動力源的空調(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。

（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，因此申請量較大，并且這些類型的空調(diào)性能相對穩(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，因此申請量較少。

2 不同年份申請量的分布情況和分析

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

從圖2可以看到，發(fā)動機(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)期的專利申請量不高，維持在年均10件左右，可見在發(fā)動機(jī)余熱空調(diào)這方面，尚屬于起步階段。

第二階段是2001－2007年，申請量呈現(xiàn)快速增長的態(tài)勢，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)間申請量呈緩慢下降的趨勢。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，因此申請量又逐漸下降。

3 不同申請人的申請量的分布情況和分析

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

從圖3可以看到，申請量排名前3位的是LG電子株式會社、三菱、株式會社電裝3個(gè)公司，可見他們對發(fā)動機(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。總體上看，日本和韓國的申請量最多，德國次之，而中國相關(guān)申請非常少。目前，關(guān)于利用發(fā)動機(jī)余熱的空調(diào)系統(tǒng)專利申請主要集中在韓國的LG電子株式會社、日本的三菱和株式會社電裝，其他的公司例如日立、三電、尼桑、愛信精機(jī)株式會社、德國的戴姆勒公司等也有一些申請。中國的申請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)專利申請非常少，每個(gè)公司也僅有一件申請。由此可以看出，中國企業(yè)對于該領(lǐng)域的重視程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及日本和韓國。

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

表1是各個(gè)主要公司專利申請的相關(guān)技術(shù)。

表1 專利申請人及相關(guān)專利技術(shù)

LG電子株式會社的專利申請主要涉及將發(fā)動機(jī)余熱用于熱泵式空調(diào)，進(jìn)一步改進(jìn)的申請還涉及在空調(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)的專利申請大部分也在其他國家進(jìn)行了同族申請，此外還有少量申請涉及壓縮式空調(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。

三菱的專利申請主要涉及熱泵式空調(diào)，也有少量的申請涉及壓縮式空調(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)算燃料控制閥相對于空調(diào)功率的開度值來控制空調(diào)等等。

株式會社電裝的專利申請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電子株式會社的競爭，圈出了自己的保護(hù)范圍。

愛信精機(jī)株式會社的專利申請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，豐田公司還申請了采用吸附式空調(diào)利用發(fā)動機(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中并未涉及。其中吸附式空調(diào)利用發(fā)動機(jī)余熱的相關(guān)專利主要是通過有效利用發(fā)動機(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。

其他外國公司，例如日立、大阪瓦斯株式會社、雅馬哈等的專利申請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)明申請除了將發(fā)動機(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涉及一種汽車的熱聲制冷裝置。用汽車的高溫尾氣對熱聲發(fā)動機(jī)的工質(zhì)進(jìn)行加熱，然后使其周期性壓縮和膨脹對外輸出動力。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)明申請并未獲得授權(quán)。

5 專利申請發(fā)展趨勢

（1）各種空調(diào)應(yīng)用的發(fā)展趨勢

壓縮式空調(diào)和熱泵式空調(diào)為目前專利申請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)，專利申請量相對較多，因此可進(jìn)行改進(jìn)的方面相對較少。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)動部件少，因此具有節(jié)能、環(huán)保、結(jié)構(gòu)簡單、無噪音等突出優(yōu)點(diǎn)，并且相關(guān)專利申請僅豐田公司有幾件，數(shù)量甚少。如果能夠改進(jìn)缺點(diǎn)并且發(fā)揮其優(yōu)勢，在利用發(fā)動機(jī)余熱研究方面更進(jìn)一步，那么將會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)動機(jī)余熱的相關(guān)專利申請還非常少。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）專利申請的新思路

目前相關(guān)技術(shù)集中在國外一些大公司，特別是LG公司、三菱已經(jīng)申請了一系列相關(guān)專利，而中國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，因此專利申請較少。

近幾年來，國外公司并未有大量關(guān)于利用發(fā)動機(jī)余熱作為空調(diào)系統(tǒng)動力的專利申請，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電子株式會社就發(fā)動機(jī)余熱用于熱泵式空調(diào)方面申請了一系列專利，但是目前大多已經(jīng)失效。分析其原因，隨著發(fā)動機(jī)余熱作為空調(diào)系統(tǒng)動力的技術(shù)日趨成熟，很難再有新的改進(jìn)，因此國外專利申請日趨減少，而且由于其他大公司也具有相似的申請，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，這就需要申請人向其他方向擴(kuò)展進(jìn)行研究。例如，利用發(fā)動機(jī)余熱的吸附式空調(diào)和熱聲式空調(diào)在專利申請中還很少見，國內(nèi)企業(yè)可以對其進(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)動機(jī)余熱空調(diào)的專利申請數(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，中國對于發(fā)動機(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9個(gè)汽車及發(fā)動機(jī)的優(yōu)勢企業(yè)、7所高校、4個(gè)研究所以及行業(yè)協(xié)會等21個(gè)單位，針對我國節(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。國內(nèi)企業(yè)和高校可以抓住這次契機(jī)，集中力量進(jìn)行研究，避開其他外國企業(yè)的專利保護(hù)地，獲得自己的核心專利。