利用發動機余熱的空調專利現狀分析和發展趨勢

劉亞妮

Liu Yani

（國家知識產權局機械發明審查部，北京 100088）

目前，發動機的燃料利用率僅為35%左右，大約65%的熱能都被排氣、冷卻水及機器自身的散熱帶走了，因此燃料損耗較大。空調是汽車上必不可少的一項設備，汽車空調一般需要消耗發動機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，通過回收和利用發動機余熱來驅動空調系統，是一種理想的節能方式。許多相關領域的企業或者公司均進行了研究，并且在利用發動機余熱作為空調驅動力方面進行了專利申請。

有關發動機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這兩個分類號上，通過采用分類號加關鍵詞的檢索方式在中國專利檢索數據庫和歐洲專利檢索數據庫中進行檢索，得到中國和外國的相關專利申請共200余篇，在此基礎上進行了更加具體的分析統計，得到該項技術目前的專利現狀，并且對該領域的發展趨勢進行了總結。

1 空調類型的申請量的分布情況和分析

通過對這些專利進行研讀和分析，發現可以將利用發動機的余熱作為空調動力源的空調系統類型主要分為以下幾種：

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

（2）熱泵式空調：熱泵式空調設有一個制冷劑回路，該回路包括室內熱交換器、壓縮裝置、室外熱交換器和節流裝置等部件。熱泵式空調是一種冷熱兩用空調器，能夠有效地實現夏天制冷冬天制熱的功能，具有廣泛的市場。

（3）吸收式空調：吸收式空調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）。與壓縮式空調相比，壓縮機的作用由吸收器、發生器、溶液泵、熱交換器、節流閥所取代。

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

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

各種類型的空調的具體申請量分布狀況如圖1所示。

從圖1可以看到，熱泵式空調和壓縮式空調占有的比例最大，吸收式空調占有的比例其次，其余類型的空調占有的比例較小。這主要是由于熱泵式空調、壓縮式空調以及吸收式空調技術發展比較成熟，所以各企業投入的研發精力較多，因此申請量較大，并且這些類型的空調性能相對穩定，比較適合于汽車。其他類型的空調還處于研究摸索階段，技術并未成熟，缺少一定的技術積累，因此申請量較少。

2 不同年份申請量的分布情況和分析

按照不同年份統計相關申請量，得到圖2分布狀況。

從圖2可以看到，發動機余熱在空調上應用的專利發展分為以下3個階段。

第一階段是1994－2000年，這一時期的專利申請量不高，維持在年均10件左右，可見在發動機余熱空調這方面，尚屬于起步階段。

第二階段是2001－2007年，申請量呈現快速增長的態勢，并且在2005年達到峰值。這主要是由于在外部政策和產業環境的雙重影響下，在積累了一定技術實力后，該項技術步入了高速發展的階段。

第三階段是2007－2010年，這段時間申請量呈緩慢下降的趨勢。主要是由于該技術發展趨于成熟，而各個企業在技術研究上未找到新的突破口或者新的技術還未研究成熟，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

按照不同申請人統計其申請量，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個公司，可見他們對發動機余熱在空調上的應用比較重視，投入了大量的精力并且申請了大量專利，而其他相關企業也投入了相當一部分精力。總體上看，日本和韓國的申請量最多，德國次之，而中國相關申請非常少。目前，關于利用發動機余熱的空調系統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業有限公司、奇瑞汽車股份有限公司、蘇州賽爾科凌空調有限公司，但是這些企業的相關專利申請非常少，每個公司也僅有一件申請。由此可以看出，中國企業對于該領域的重視程度遠遠不及日本和韓國。

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內容

表1是各個主要公司專利申請的相關技術。

表1 專利申請人及相關專利技術

LG電子株式會社的專利申請主要涉及將發動機余熱用于熱泵式空調，進一步改進的申請還涉及在空調系統中設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的專利申請大部分也在其他國家進行了同族申請，此外還有少量申請涉及壓縮式空調和吸收式空調。由此可見，LG電子株式會社將主要研發精力放在熱泵式空調上，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，也有少量的申請涉及壓縮式空調和吸收式空調。主要改進點在結構設置、控制方式等方面，例如通過控制空調所利用的發動機余熱溫度來提高余熱的回收效率，通過計算燃料控制閥相對于空調功率的開度值來控制空調等等。

株式會社電裝的專利申請主要涉及壓縮式空調，并且還涉及改進空調系統中的換熱器熱管，進而提高換熱效率。該公司的發展戰略與LG電子株式會社和三菱不同，將主要研發精力投入在壓縮式空調上，該公司避開與三菱和LG電子株式會社的競爭，圈出了自己的保護范圍。

愛信精機株式會社的專利申請主要涉及熱泵式空調和壓縮式空調的結構改進。

豐田公司的專利申請分布比較均勻，并沒有將重點放在一種類型上。值得一提的是，豐田公司還申請了采用吸附式空調利用發動機余熱以及熱電制冷的相關專利，這在其他公司的專利申請中并未涉及。其中吸附式空調利用發動機余熱的相關專利主要是通過有效利用發動機排氣余熱從而改進換熱器性能或者除霜性能，確保空調運行的安全性；還通過提高水的熱吸附性，從而改進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、壓縮式空調或者吸收式空調上，數量并不多，技術點主要是改進結構、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蒸發器的除水防霉裝置及其除水防霉方法。該發明申請除了將發動機余熱用于空調加熱，并且還將余熱用于去除汽車空調蒸發器表面的冷凝水，防止霉變。蘇州賽爾科凌空調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動機的工質進行加熱，然后使其周期性壓縮和膨脹對外輸出動力。空調系統的制冷機采用斯特林型的脈管制冷機與其相互配合，從而實現制冷。上海毅知實業有限公司的專利申請涉及一種車用內燃機余熱回收利用機構及方法，該發明申請并未獲得授權。

5 專利申請發展趨勢

（1）各種空調應用的發展趨勢

壓縮式空調和熱泵式空調為目前專利申請中采用的比較多的空調系統，技術比較成熟，性能也比較穩定，實用性強，專利申請量相對較多，因此可進行改進的方面相對較少。如果想在這方面獲得專利保護，則需要避開現有的其他企業的專利技術進行研究。

吸收式空調機械具有運轉部件少、消耗電力少、噪聲小等優點，但是操作維護復雜、對真空度要求嚴格，機組重量和尺寸較大、變工況特性較差，并且發生器、冷凝器、吸收器和蒸發器需要自由水平面，不適合經常處于顛簸狀態的汽車。

吸附式空調系統存在冷量輸出的連續性、穩定性較差，制冷量相對較小、體積較大等固有缺點，目前尚不能滿足空調用冷的要求。但是吸附式空調系統采用非氟氯烴類物質作為制冷劑，系統中運動部件少，因此具有節能、環保、結構簡單、無噪音等突出優點，并且相關專利申請僅豐田公司有幾件，數量甚少。如果能夠改進缺點并且發揮其優勢，在利用發動機余熱研究方面更進一步，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，但是熱聲式空調與汽車結合利用發動機余熱的相關專利申請還非常少。由于熱聲式空調沒有制冷劑，因此具有很好的發展前景。如果對該方面進行深入研究，也將具有非常好的專利前景。

（2）專利申請的新思路

目前相關技術集中在國外一些大公司，特別是LG公司、三菱已經申請了一系列相關專利，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和韓國企業比較重視節能環保，因此在該方面投入的研究精力比較大。而中國起步較慢，技術積累不夠，并且汽車發展的重點并未集中在節能方面，因此專利申請較少。

近幾年來，國外公司并未有大量關于利用發動機余熱作為空調系統動力的專利申請，并且很多專利雖然獲得授權，但是其不再繳費，使得專利已經失效，例如LG電子株式會社就發動機余熱用于熱泵式空調方面申請了一系列專利，但是目前大多已經失效。分析其原因，隨著發動機余熱作為空調系統動力的技術日趨成熟，很難再有新的改進，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，因此繼續維持這些專利沒有太大的經濟價值，因此放棄繳費使其失效，這就需要申請人向其他方向擴展進行研究。例如，利用發動機余熱的吸附式空調和熱聲式空調在專利申請中還很少見，國內企業可以對其進行重點研究，克服其缺點，發揮其優點，從而獲得自己的專利領地。又如，奇瑞汽車股份有限公司不僅將發動機余熱用于空調系統的蒸發器，還用于在空調關閉時除去冷凝水起到防霉的效果，也就是將發動機余熱用于空調的其他方面，這為余熱在空調上的應用研究提供了一個很好的思路。而蘇州賽爾科凌空調有限公司打破了傳統的思路，為發動機余熱用于空調開辟了新的道路，提供了新的方向。中國企業可以通過拓寬思路，尋求自己的發展方向。

總的來說，目前發動機余熱空調的專利申請數量并不多，專利堡壘并未形成，僅僅部分企業圈出了自己的一小塊專利保護地。目前，中國對于發動機的節能環保技術也日益重視起來，2010年5月8日在天津正式成立了節能環保內燃機產業技術創新戰略聯盟，該聯盟聯合了我國9個汽車及發動機的優勢企業、7所高校、4個研究所以及行業協會等21個單位，針對我國節能環保內燃機產業關鍵共性技術聯合攻關研究。國內企業和高校可以抓住這次契機，集中力量進行研究，避開其他外國企業的專利保護地，獲得自己的核心專利。