利用发动机余热的空调专利现状分析和发展趋势

刘亚妮

Liu Yani

（国家知识产权局机械发明审查部，北京 100088）

目前，发动机的燃料利用率仅为35%左右，大约65%的热能都被排气、冷却水及机器自身的散热带走了，因此燃料损耗较大。空调是汽车上必不可少的一项设备，汽车空调一般需要消耗发动机8%～12%的动力，增加了油耗，加大了废气排放量，加剧了空气污染。因此，通过回收和利用发动机余热来驱动空调系统，是一种理想的节能方式。许多相关领域的企业或者公司均进行了研究，并且在利用发动机余热作为空调驱动力方面进行了专利申请。

有关发动机余热利用的专利申请的国际专利分类号主要集中在F02G5/00和F01N5/00这两个分类号上，通过采用分类号加关键词的检索方式在中国专利检索数据库和欧洲专利检索数据库中进行检索，得到中国和外国的相关专利申请共200余篇，在此基础上进行了更加具体的分析统计，得到该项技术目前的专利现状，并且对该领域的发展趋势进行了总结。

1 空调类型的申请量的分布情况和分析

通过对这些专利进行研读和分析，发现可以将利用发动机的余热作为空调动力源的空调系统类型主要分为以下几种：

（1）压缩式空调：压缩式空调由压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器组成。压缩式空调是一种普遍采用的空调。

（2）热泵式空调：热泵式空调设有一个制冷剂回路，该回路包括室内热交换器、压缩装置、室外热交换器和节流装置等部件。热泵式空调是一种冷热两用空调器，能够有效地实现夏天制冷冬天制热的功能，具有广泛的市场。

（3）吸收式空调：吸收式空调利用一种液体作为吸收剂（例如浓硫酸、溴化锂水溶液），利用另一种液体作为制冷剂（例如水）。与压缩式空调相比，压缩机的作用由吸收器、发生器、溶液泵、热交换器、节流阀所取代。

（4）吸附式空调：吸附式空调利用某些固定物质（吸附剂）的吸附和解吸的特性导致压力变化，从而用吸附床代替了压缩机，起到了压缩机的作用。其他部件与压缩式空调无差别。

（5）热声式空调：该空调系统利用一个包含热端和冷端热交换器的谐振管把热能转换成声能，通过该声能进行制冷。

各种类型的空调的具体申请量分布状况如图1所示。

从图1可以看到，热泵式空调和压缩式空调占有的比例最大，吸收式空调占有的比例其次，其余类型的空调占有的比例较小。这主要是由于热泵式空调、压缩式空调以及吸收式空调技术发展比较成熟，所以各企业投入的研发精力较多，因此申请量较大，并且这些类型的空调性能相对稳定，比较适合于汽车。其他类型的空调还处于研究摸索阶段，技术并未成熟，缺少一定的技术积累，因此申请量较少。

2 不同年份申请量的分布情况和分析

按照不同年份统计相关申请量，得到图2分布状况。

从图2可以看到，发动机余热在空调上应用的专利发展分为以下3个阶段。

第一阶段是1994－2000年，这一时期的专利申请量不高，维持在年均10件左右，可见在发动机余热空调这方面，尚属于起步阶段。

第二阶段是2001－2007年，申请量呈现快速增长的态势，并且在2005年达到峰值。这主要是由于在外部政策和产业环境的双重影响下，在积累了一定技术实力后，该项技术步入了高速发展的阶段。

第三阶段是2007－2010年，这段时间申请量呈缓慢下降的趋势。主要是由于该技术发展趋于成熟，而各个企业在技术研究上未找到新的突破口或者新的技术还未研究成熟，因此申请量又逐渐下降。

3 不同申请人的申请量的分布情况和分析

按照不同申请人统计其申请量，得到主要申请人的申请量分布如图3所示。

从图3可以看到，申请量排名前3位的是LG电子株式会社、三菱、株式会社电装3个公司，可见他们对发动机余热在空调上的应用比较重视，投入了大量的精力并且申请了大量专利，而其他相关企业也投入了相当一部分精力。总体上看，日本和韩国的申请量最多，德国次之，而中国相关申请非常少。目前，关于利用发动机余热的空调系统专利申请主要集中在韩国的LG电子株式会社、日本的三菱和株式会社电装，其他的公司例如日立、三电、尼桑、爱信精机株式会社、德国的戴姆勒公司等也有一些申请。中国的申请主要集中在上海毅知实业有限公司、奇瑞汽车股份有限公司、苏州赛尔科凌空调有限公司，但是这些企业的相关专利申请非常少，每个公司也仅有一件申请。由此可以看出，中国企业对于该领域的重视程度远远不及日本和韩国。

4 外国主要申请人以及中国主要申请人专利申请的主要技术内容

表1是各个主要公司专利申请的相关技术。

表1 专利申请人及相关专利技术

LG电子株式会社的专利申请主要涉及将发动机余热用于热泵式空调，进一步改进的申请还涉及在空调系统中设置干燥器或者热水器，将余热用作再生干燥剂的热源或者用于提供热水。这些涉及热泵式空调的专利申请大部分也在其他国家进行了同族申请，此外还有少量申请涉及压缩式空调和吸收式空调。由此可见，LG电子株式会社将主要研发精力放在热泵式空调上，并且意图形成自己的专利堡垒。

三菱的专利申请主要涉及热泵式空调，也有少量的申请涉及压缩式空调和吸收式空调。主要改进点在结构设置、控制方式等方面，例如通过控制空调所利用的发动机余热温度来提高余热的回收效率，通过计算燃料控制阀相对于空调功率的开度值来控制空调等等。

株式会社电装的专利申请主要涉及压缩式空调，并且还涉及改进空调系统中的换热器热管，进而提高换热效率。该公司的发展战略与LG电子株式会社和三菱不同，将主要研发精力投入在压缩式空调上，该公司避开与三菱和LG电子株式会社的竞争，圈出了自己的保护范围。

爱信精机株式会社的专利申请主要涉及热泵式空调和压缩式空调的结构改进。

丰田公司的专利申请分布比较均匀，并没有将重点放在一种类型上。值得一提的是，丰田公司还申请了采用吸附式空调利用发动机余热以及热电制冷的相关专利，这在其他公司的专利申请中并未涉及。其中吸附式空调利用发动机余热的相关专利主要是通过有效利用发动机排气余热从而改进换热器性能或者除霜性能，确保空调运行的安全性；还通过提高水的热吸附性，从而改进换热效率并且抑制水温下降。

其他外国公司，例如日立、大阪瓦斯株式会社、雅马哈等的专利申请主要集中在热泵式空调、压缩式空调或者吸收式空调上，数量并不多，技术点主要是改进结构、控制方法等方面。

奇瑞汽车股份有限公司的专利申请涉及一种车用空调蒸发器的除水防霉装置及其除水防霉方法。该发明申请除了将发动机余热用于空调加热，并且还将余热用于去除汽车空调蒸发器表面的冷凝水，防止霉变。苏州赛尔科凌空调有限公司的专利申请涉及一种汽车的热声制冷装置。用汽车的高温尾气对热声发动机的工质进行加热，然后使其周期性压缩和膨胀对外输出动力。空调系统的制冷机采用斯特林型的脉管制冷机与其相互配合，从而实现制冷。上海毅知实业有限公司的专利申请涉及一种车用内燃机余热回收利用机构及方法，该发明申请并未获得授权。

5 专利申请发展趋势

（1）各种空调应用的发展趋势

压缩式空调和热泵式空调为目前专利申请中采用的比较多的空调系统，技术比较成熟，性能也比较稳定，实用性强，专利申请量相对较多，因此可进行改进的方面相对较少。如果想在这方面获得专利保护，则需要避开现有的其他企业的专利技术进行研究。

吸收式空调机械具有运转部件少、消耗电力少、噪声小等优点，但是操作维护复杂、对真空度要求严格，机组重量和尺寸较大、变工况特性较差，并且发生器、冷凝器、吸收器和蒸发器需要自由水平面，不适合经常处于颠簸状态的汽车。

吸附式空调系统存在冷量输出的连续性、稳定性较差，制冷量相对较小、体积较大等固有缺点，目前尚不能满足空调用冷的要求。但是吸附式空调系统采用非氟氯烃类物质作为制冷剂，系统中运动部件少，因此具有节能、环保、结构简单、无噪音等突出优点，并且相关专利申请仅丰田公司有几件，数量甚少。如果能够改进缺点并且发挥其优势，在利用发动机余热研究方面更进一步，那么将会有非常好的专利前景。

虽然热声制冷早在90年代开始研究，但是热声式空调与汽车结合利用发动机余热的相关专利申请还非常少。由于热声式空调没有制冷剂，因此具有很好的发展前景。如果对该方面进行深入研究，也将具有非常好的专利前景。

（2）专利申请的新思路

目前相关技术集中在国外一些大公司，特别是LG公司、三菱已经申请了一系列相关专利，而中国则几乎没有自己的核心专利。分析其原因，主要是由于日本企业和韩国企业比较重视节能环保，因此在该方面投入的研究精力比较大。而中国起步较慢，技术积累不够，并且汽车发展的重点并未集中在节能方面，因此专利申请较少。

近几年来，国外公司并未有大量关于利用发动机余热作为空调系统动力的专利申请，并且很多专利虽然获得授权，但是其不再缴费，使得专利已经失效，例如LG电子株式会社就发动机余热用于热泵式空调方面申请了一系列专利，但是目前大多已经失效。分析其原因，随着发动机余热作为空调系统动力的技术日趋成熟，很难再有新的改进，因此国外专利申请日趋减少，而且由于其他大公司也具有相似的申请，因此继续维持这些专利没有太大的经济价值，因此放弃缴费使其失效，这就需要申请人向其他方向扩展进行研究。例如，利用发动机余热的吸附式空调和热声式空调在专利申请中还很少见，国内企业可以对其进行重点研究，克服其缺点，发挥其优点，从而获得自己的专利领地。又如，奇瑞汽车股份有限公司不仅将发动机余热用于空调系统的蒸发器，还用于在空调关闭时除去冷凝水起到防霉的效果，也就是将发动机余热用于空调的其他方面，这为余热在空调上的应用研究提供了一个很好的思路。而苏州赛尔科凌空调有限公司打破了传统的思路，为发动机余热用于空调开辟了新的道路，提供了新的方向。中国企业可以通过拓宽思路，寻求自己的发展方向。

总的来说，目前发动机余热空调的专利申请数量并不多，专利堡垒并未形成，仅仅部分企业圈出了自己的一小块专利保护地。目前，中国对于发动机的节能环保技术也日益重视起来，2010年5月8日在天津正式成立了节能环保内燃机产业技术创新战略联盟，该联盟联合了我国9个汽车及发动机的优势企业、7所高校、4个研究所以及行业协会等21个单位，针对我国节能环保内燃机产业关键共性技术联合攻关研究。国内企业和高校可以抓住这次契机，集中力量进行研究，避开其他外国企业的专利保护地，获得自己的核心专利。