专利名称：车辆用排热回收装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及车辆用排热回收装置，特别是涉及利用兰肯循环的车辆用排热回收装置。
背景技术：
应减少ニ氧化碳(CO2)排出量的社会要求，要求汽车等具有发动机的车辆提高燃料消耗率，以往开发有用于有效地利用已排出的由车辆生成的能量的技木。其中，存在利用兰肯循环的排热利用装置，该兰肯循环用于将从冷却水的热量、废气的热量等从发动机排出的热量变换为发电机等的动力。并且，兰肯循环构成为包括锅炉，其对兰肯循环的工作 流体亦即液相流体进行等压加热并产生过热蒸气；膨胀机，其使过热蒸气断热膨胀并获取动カ；冷凝器，其对经膨胀机膨胀后的蒸气进行等压冷却并使其液化；以及泵，其将液化了的液相流体输送到锅炉。作为这样现有的兰肯循环，日本特开2010-65587号公报记载有利用由膨胀机回收的排热的能量进行发动机的输出辅助的兰肯循环。一般地，兰肯循环进行如下控制由于工作流体的压カ越高效率越好，故通过对在锅炉流通的工作流体的质量流量进行调整，使从锅炉流出的工作流体的压カ处于高压极限(上限压力)附近。然而，由于发动机的转速与发动机的排热即由锅炉回收的热量的比值一般不是恒定的，因此例如在锅炉内的热量的回收相对于流入到锅炉的工作流体的质量流量过大而从锅炉流出的工作流体的温度上升的情况下，为了将工作流体的压カ设定在上限压カ以下，需要減少在锅炉流通的工作流体的质量流量并降低工作流体的密度、或者限制在锅炉的热交換量。其结果是，存在不能有效地利用发动机的排热、兰肯循环的热效率降低的问题。
发明内容
本发明是为了解决这样的问题而形成的，其目的在于提供具备即使发动机的转速与排热量的比值发生变动，也能够抑制热效率降低的兰肯循环的车辆用排热回收装置。本发明所涉及的车辆用排热回收装置具备兰肯循环，其由下述部分构成，即输送工作流体的泵、使工作流体膨胀而获取机械能量的膨胀机、将从泵排出后的工作流体引导至膨胀机的高压路径、将从膨胀机排出后的工作流体引导至泵的低压路径、热交換器和冷凝器，热交換器设置于高压路径，利用车辆的发动机的排热对工作流体进行加热，冷凝器设置于低压路径，使膨胀后的工作流体冷凝；温度掌握机构，其对从热交換器流出的工作流体的温度进行掌握；压力掌握机构，其对从热交換器流出的工作流体的压カ进行掌握；以及吸入容积可变机构，其对膨胀机的吸入容积进行调整，膨胀机以能够传递动力的方式与发动机连结，对由温度掌握机构掌握的温度以及由压カ掌握机构掌握的压カ中的一方预先设定阀值，在该一方超过阀值的情况下，吸入容积可变机构増加膨胀机的吸入容积，并基于由温度掌握机构掌握的温度以及由压カ掌握机构掌握的压カ中的另一方来调整在热交换器流通的工作流体的流量。
图I是本发明的实施方式I所涉及的车辆用排热回收装置的结构图。图2是在实施方式I所涉及的车辆用排热回收装置设置的膨胀机的膨胀机构部的俯视剖视图。图3是在实施方式I所涉及的车辆用排热回收装置设置的膨胀机的膨胀机构部的横向剖视图。图4是实施方式2所涉及的车辆用排热回收装置的结构图。图5A以及图5B是在实施方式3所涉及的车辆用排热回收装置设置的膨胀机的膨 胀机构部的横向剖视图。图6是在实施方式4所涉及的车辆用排热回收装置设置的膨胀机的膨胀机构部的横向剖视图。
具体实施例方式以下，基于附图对本发明的实施方式进行说明。实施方式I如图I所示，本实施方式I所涉及的车辆用排热回收装置具备由泵2、锅炉3、作为涡旋膨胀机的膨胀机4、以及冷凝器5构成的兰肯循环I。锅炉3是使在兰肯循环I循环的制冷剂(工作流体)吸收车辆中的排热、例如对发动机6进行冷却后的冷却水7中所含热量的热交換器。泵2与膨胀机4共用相同的驱动轴8。在驱动轴8的一端设置带轮9，在该带轮9、与在发动机6的曲柄轴10设置的带轮11间架设皮带12。图2表示膨胀机4的膨胀机构部的俯视剖视图。在膨胀机构部内固定漩涡形状的固定涡管21，旋转涡管22被设置为与固定涡管21啮合且相对于固定涡管21能够旋转。当旋转涡管22进行旋转时，通过在局部与固定涡管21接触，从而在固定涡管21与旋转涡管22之间形成容积不同的多个膨胀空间(图2中，由符号31、32、33、34表示)。在膨胀机构部的中心部分设置有用于供制冷剂流入到膨胀机构部内的主端ロ 23。主端ロ 23与位于膨胀机构部的最中央部分的膨胀空间31直接连通。另外，在膨胀机构部设置有与膨胀空间31的旁边的膨胀空间32连通的副端ロ 24。如图3所示，设置有从与各膨胀空间的存在侧的相反一侧对副端ロ 24进行开闭的电磁阀25。当电磁阀25关闭副端ロ 24时，制冷剂仅经由主端ロ 23而仅流入到膨胀空间31。另ー方面，当电磁阀25打开副端ロ 24时，制冷剂经由主端ロ 23以及副端ロ 24而流入到膨胀空间31以及32两者。即，通过电磁阀25对副端ロ 24进行开闭，膨胀机4可改变在一定循环中吸入的制冷剂的容积，进而改变膨胀比。该吸入容积能够通过细微地调整副端ロ 24的开度(电磁阀25的位移)而连续地变化。此处，副端ロ 24以及电磁阀25构成对膨胀机4的吸入容积进行调整的吸入容积可变机构。如图I所示，在兰肯循环I设置有旁通通路13，该旁通通路13的高压路径侧端部13a位于泵2与锅炉3之间，并且低压路径侧端部13b位于冷凝器5与泵2之间。在旁通通路13设置有对在旁通通路13流通的制冷剂的流量进行调整的流量控制机构亦即流量控制阀14。另外，兰肯循环I在锅炉3与膨胀机4之间设置有对制冷剂的温度进行检测的温度掌握机构亦即温度传感器15、与对制冷剂的压力进行检测的压力掌握机构亦即压カ传感器16。流量控制阀14、温度传感器15、压カ传感器16、以及设置于膨胀机4的电磁阀25分别与车辆的控制装置亦即E⑶20电连接。E⑶20具有存储部20a，该存储部20a存储关于温度传感器15检测的温度的上限温度Ttl、作为阀值的设定温度T1、关于压カ传感器16检测的压カ的上限压カP。、以及作为阀值的设定压力Pi。此外，上限温度T。、设定温度T1、上限压カPo、以及设定压カP1分别是根据制冷剂的种类、兰肯循环的标准等而适当设定的值。另外，在存储部20a装入根据温度传感器15的检测值来确定吸入容积即与该吸入容积相当的电磁阀25的位移的设定表(map)。接着，对本实施方式I所涉及的车辆用排热回收装置的工作进行说明。如图I所示，当发动机6工作时,发动机6的动カ经由皮带12传递到驱动轴8,并对泵2进行驱动。从泵2排出的液体的制冷剂，利用锅炉3而与发动机6的冷却水7进行热交换而成为气体。成为气体的制冷剂被抽吸至膨胀机4并对膨胀机4进行驱动。利用膨胀机4而膨胀的制冷剂由冷凝器5冷却冷凝并被再次抽吸到泵2，由此在兰肯循环I中循环。 利用由膨胀机4产生的动カ，未图示的发电机被驱动并进行发电，由膨胀机4产生的动カ经由驱动轴8被传递到发动机6。制冷剂在兰肯循环I循环的过程中，温度传感器15以及压力传感器16分别对制冷剂的温度以及压カ进行检测，并将各自的检测值传送到E⑶20。只要由温度传感器15检测出的温度被在上限温度Ttl以下，E⑶20便基于压カ传感器16的检测值与在泵2流通的制冷剂的质量流量(由发动机6的转速算出)对流量控制阀14的开度进行调整，以此对在旁通通路13流通的制冷剂的质量流量进行调整。当对在旁通通路13流通的制冷剂的流量进行调整时，在锅炉3流通的制冷剂的质量流量发生变化，其结果是，从锅炉3流出的制冷剂、即被抽吸到膨胀机4的制冷剂的压力发生变化。通过将该压カ在上限温度Ttl以下的条件下尽可能地调整为接近上限压カP。的值，能够较高地维持兰肯循环I的热效率。此处，当发动机6的转速与排热量的比值发生变动、发动机6的排热量相对于转速增加时，锅炉3中的对于制冷剂的加热量会増加，从锅炉3流出的制冷剂的温度将上升。当ECU20检测出温度传感器15的检测值超过作为被设定为低于上限温度Ttl的阀值的设定温度T1后，ECU20基于在存储部20a装入的设定表，根据温度传感器15的检测值来确定电磁阀25的位移，将电磁阀25调整为该位移而增加膨胀机4的吸入容积。由此，抑制从锅炉3流出的制冷剂的压力上升，并产生増加在锅炉3流通的制冷剂的质量流量的余地。通过ECU20对流量控制阀14的开度进行调整来増加在锅炉3流通的制冷剂的质量流量，由此能够抑制从锅炉3流出的制冷剂的温度上升，无需限制在锅炉的热交换量，即可增加回收的排热能量。通过对在锅炉3流通的制冷剂的质量流量进行调整，以使得在上限温度Ttl以下的条件下尽可能地形成为接近上限压カPtl的压力，能够最小限度抑制兰肯循环I的热效率的降低。此外，在即使膨胀机4的吸入容积达到最大而温度传感器15的检测值仍超过上限温度Ttl的情况下，将对向锅炉3供给的冷却水7进行供水限制等。相反地，当发动机6的转速与排热量的比值发生变动而发动机6的排热量相对于转速减少时，锅炉3中的对于制冷剂的加热量会減少，从锅炉3流出的制冷剂的温度将降低，在膨胀机4使制冷剂膨胀时制冷剂液化，从而导致获取不到动カ。在该情况下，ECU20基于在存储部20a装入的设定表，根据温度传感器15的检测值来决定电磁阀25的位移，将电磁阀25调整为该位移而减少膨胀机4的吸入容积。在该条件下，当ECU20増大流量控制阀14的开度、減少在锅炉3流通的制冷剂的质量流量时，由于从锅炉3流出的制冷剂的温度上升、制冷剂的压力也随之上升，因此从锅炉3流出的制冷剂被控制为在上限温度Ttl以下的条件下尽可能地接近上限压カPtl的压力。其结果是，能够最小限度地抑制兰肯循环I的热效率的降低。这样，当发动机6的转速与排热量的比值发生变动而温度传感器15的检测值超过预先设定的设定温度T1的情况下，通过电磁阀25増大副端ロ 24的开度并増加膨胀机4的吸入容积，能够增加在锅炉3流通的制冷剂的质量流量。由于通过増加在锅炉3流通的制冷剂的质量流量，能够抑制从锅炉3流出的制冷剂的温度上升，并且将压カ控制为在上限压カPtl附近，故能够增加锅炉3中对制冷剂的加热量、増加回收的排热能量。由此，即使发动机6的转速与排热量的比值发生变动，也能够抑制兰肯循环I的热效率的降低。在实施方式I中，副端ロ 24的开度虽能够细微地调整，但也可以仅用电磁阀25对副端ロ 24进行开闭。在该情况下，不需要在存储部20a装入的用于确定电磁阀25的位移 的设定表，电磁阀25以设定温度T1为基准而对副端ロ 24进行开闭。实施方式2接着，对本发明的实施方式2所涉及的车辆用排热回收装置进行说明。此外，在以下的实施方式中，由于与图I 图3的附图标记相同的标记是相同或同样的结构元件，故省略其详细的说明。本发明的实施方式2所涉及的车辆用排热回收装置，相对于实施方式I变更为只有膨胀机4能够传递动カ地与发动机6连结。如图4所示，在一端设置带轮9的驱动轴8的另一端与膨胀机4的未图示的旋转轴连结。泵2由马达60驱动。马达60与E⑶20电连接。实施方式2的其他的结构除了相对于实施方式I不存在旁通通路13以及流量控制阀14(參照图I)タト，其余与实施方式I相同。在实施方式I中，虽通过E⑶20对流量控制阀14 (參照图I)的开度进行控制，来进行在锅炉3流通的冷媒的质量流量的调整，但在实施方式2中，通过ECU20对马达60的转速进行控制，来对在兰肯循环I整体循环的制冷剂的质量流量进行调整，并进行在锅炉3流通的制冷剂的质量流量的调整。此外，该质量流量能够根据马达60的转速而算出。除此之外的工作，实施方式2也与实施方式I中的工作相同。实施方式3接着，对本发明的实施方式3所涉及的车辆用排热回收装置进行说明。本发明的实施方式3所涉及的车辆用排热回收装置相对于实施方式I变更了吸入容积可变机构的方式。如图5A所示，在副端ロ 24内，固定板41固定在与各膨胀空间的存在侧的相反一侧的端部，在固定板41连接有弹簧42的一端。在弹簧42的另一端连接有卷盘43。卷盘43利用弹簧42的弹カ而与旋转涡管22抵接，从而膨胀空间31与膨胀空间32被隔离。弹簧42的弾力被调整为当作为低于上限压カP。的阈值的设定压力P1施加于卷盘43时弹簧42收缩。实施方式3的其他的结构除了不在存储部20a装入设定表外，与实施方式I相同。E⑶20基于温度传感器15的检测值、与在泵2流通的制冷剂的质量流量来调整流量控制阀14的开度。随着发动机6的转速与排热量的比值发生变动、发动机6的排热量相对于转速増加、从锅炉3 (參照图I)流出的制冷剂的温度上升，调整流量控制阀14的开度，以便增加在锅炉3流通的制冷剂的质量流量。另外，随着制冷剂的温度上升，制冷剂的压力也上升。当制冷剂的压カ达到低于上限压カP。的设定压力P1时，通过在吸入过程中膨胀空间31内的压カ施加于卷盘43，如图5B所示，弹簧42收缩，卷盘43与旋转涡管22分离，膨胀空间31与膨胀空间32经由副端ロ 24连通。于是，从主端ロ 23流入到膨胀空间31的制冷剂的一部分，经由副端ロ 24流入到膨胀空间32。由此，膨胀机4(參照图I)的吸入容积増加，能够抑制从锅炉3流出的制冷剂的压力上升，无需限制利用锅炉的热交换量，能使回收的排热能量増加。这样，由于能够利用从锅炉3流出的制冷剂所流入的膨胀空间31内的压カ变化自律地调整膨胀机4的吸入容积，故在实施方式3中，也能够得到与实施方式I相同的效果。此外，弹簧42以及卷盘43、副端ロ 24构成吸入容积可变机构。该吸入容积可变机构能够通过细微地调整卷盘43的位移而连续地变更吸入容积。
实施方式4接着，对本发明的实施方式4所涉及的车辆用排热回收装置进行说明。本发明的实施方式4所涉及的车辆用排热回收装置，相对于实施方式I变更吸入容积可变机构的方式。如图6所示，设置有从与各膨胀空间存在侧的相反一侧对副端ロ 24进行开闭的双金属阀50。双金属阀50是粘合热膨胀系数不同的两块金属板而成的。两块金属板中的、靠副端ロ 24侧的金属板使用热膨胀系数比相反侧的金属板小的金属，双金属阀50在温度低的情况下，朝向副端ロ 24翘曲而形成凸起，关闭副端ロ 24(在图6中由实线描绘)。当双金属阀50的温度因高温的制冷剂与双金属阀50接触而上升时，翘曲情况会因构成双金属阀50的金属板的热膨胀系数之差而发生变化，从而打开副端ロ 24(在图6中由虚线描绘)。此外，双金属阀50的形状与温度之间的关系能够通过适当地选择两块金属板的材质来进行设定。实施方式4的其他的结构除了不存在温度传感器15、不在存储部20a装入设定表外，与实施方式I相同。在本实施方式中，双金属阀50兼作温度掌握机构与吸入容积可变机构的一部分。当由锅炉3增加对制冷剂的加热量而从锅炉3流出的制冷剂的温度上升吋，与制冷剂接触的双金属阀50的温度也上升。在制冷剂的温度超过作为阀值的设定温度T1后，如图6的虚线所示，双金属阀50的形状发生变化且副端ロ 24的开度増大。由此，制冷剂经由主端ロ 23以及副端ロ 24两者流入到膨胀空间31以及32，膨胀机4的吸入容积增加。伴随于此，抑制从锅炉3流出的制冷剂的压力上升。另外根据压カ传感器16的检测值与在泵2流通的制冷剂的质量流量来调整流量控制阀14的开度。如果压カ传感器16的检测值在上限压カPtl以下，则控制为增加流向锅炉3的制冷剂的流量，使从锅炉3流出的制冷剂的压カ上升而成为接近上限压カP。的压力。由此，无需限制在锅炉3的热交换量，即可增加回收的排热能量，能够最小限度地抑制兰肯循环I的热效率的降低。这样，使用根据从锅炉3流出的制冷剂的温度而对副端ロ 24进行开闭的双金属阀50也能够调整对于膨胀机4的吸入容积，因此在实施方式4中也能够得到与实施方式I相同的效果。此外，双金属阀50与副端ロ 24构成吸入容积可变机构。吸入容积能够通过双金属阀50对副端ロ 24进行细微地调整而连续地变更。在实施方式1、3、以及4中，旁通通路13的低压路径侧端部13b虽位于冷凝器5与泵2之间，但并不局限于该方式。也可以使低压路径侧端部13b位于膨胀机4与冷凝器5之间。在前者的情况下，由于只有经膨胀机4膨胀后的制冷剂被冷凝器5冷凝，故具有能够减轻冷凝器5的负荷、难以引起低压的上升的效果。另ー方面，在后者的情况下，在经膨胀机4膨胀后的制冷剂与在旁通通路13流通的制冷剂两者被冷凝器5冷凝之后，由于被抽吸至泵2，故具有能够防止在泵2产生气穴(cavitation)的效果。在实施方式I 4各个实施方式之中，能够设置对由泵2加压输送的制冷剂、与由膨胀机4膨胀的制冷剂进行热交换的内部热交換器。在设置该内部热交換器的方式中，当从锅炉3流出的制冷剂的温度变低吋，由膨胀机4膨胀的制冷剂形成为位于莫尔里图中饱和蒸气线附近的状态，内部热交換器中的热交换量变小。但是，利用在实施方式I 4中说明的工作对从锅炉3流出的制冷剂的温度进行控制，由此能够増大内部热交換器中的热交换量。 在实施方式I 4中，温度掌握机构虽是对从锅炉3流出的制冷剂的温度进行直接检测的温度传感器15，但并不局限于此。由于从锅炉3流出的制冷剂的温度与车辆的加速器开度、被吸入到发动机6的进气量关联，故温度掌握机构也可以是加速器开度传感器、进气量传感器等。
权利要求
1.ー种车辆用排热回收装置，其特征在干， 所述车辆用排热回收装置具备 兰肯循环，其包括下述部分输送工作流体的泵、使工作流体膨胀而获取机械能量的膨胀机、将从所述泵排出后的工作流体引导至所述膨胀机的高压路径、将从所述膨胀机排出后的工作流体引导至所述泵的低压路径、热交換器以及冷凝器，所述热交換器设置于所述高压路径，利用车辆的发动机的排热对工作流体进行加热，所述冷凝器设置于所述低压路径，使膨胀后的工作流体冷凝； 温度掌握机构，其对从所述热交換器流出的工作流体的温度进行掌握； 压カ掌握机构，其对从所述热交換器流出的工作流体的压カ进行掌握；以及 吸入容积可变机构，其对所述膨胀机的吸入容积进行调整， 所述膨胀机以能够传递动力的方式与所述发动机连结，在由所述温度掌握机构掌握的温度以及由所述压カ掌握机构掌握的压カ中的一方预先设定有阀值，在该一方超过所述阀值的情况下，所述吸入容积可变机构増加所述膨胀机的吸入容积，并基于由所述温度掌握机构掌握的温度以及由所述压カ掌握机构掌握的压カ中的另一方来调整在所述热交換器流通的所述工作流体的流量。
2.根据权利要求I所述的车辆用排热回收装置，其特征在干， 所述泵还以能够传递动力的方式与所述发动机连结， 所述兰肯循环还具备 旁通通路，其连通所述低压路径和所述高压路径上的所述泵与所述热交換器之间的位置；以及 流量控制机构，其被设置于该旁通通路，且对在该旁通通路流通的所述工作流体的流量进行调整， 所述流量控制机构对在所述旁通通路流通的所述工作流体的流量进行调整，以此来调整在所述热交換器流通的所述工作流体的流量。
3.根据权利要求I或2所述的车辆用排热回收装置，其特征在干， 在由所述温度掌握机构掌握的温度超过所述阀值的情况下，所述吸入容积可变机构增加所述膨胀机的吸入容积，基于由所述压カ掌握机构掌握的压カ而调整在所述热交換器流通的所述工作流体的流量。
4.根据权利要求3所述的车辆用排热回收装置，其特征在干， 所述吸入容积可变机构具备 双金属阀，其由热膨胀系数不同的两块金属板粘合而成；以及 端ロ，利用所述双金属阀对所述端ロ进行开闭，在所述热交換器流通的所述工作流体的一部分在被吸入到所述膨胀机时通过所述端ロ， 所述双金属阀通过打开所述端ロ来使所述膨胀机的吸入容积增加。
5.根据权利要求2所述的车辆用排热回收装置，其特征在干， 所述旁通通路的低压路径侧端部位于所述泵与所述冷凝器之间。
6.根据权利要求2所述的车辆用排热回收装置，其特征在干， 所述旁通通路的低压路径侧端部位于所述冷凝器与所述膨胀机之间。
全文摘要
一种车辆用排热回收装置，ECU(20)在温度传感器(15)的检测值超过设定温度(T1)之后，对电磁阀(25)进行控制从而增大副端口(24)的开度并增加膨胀机(4)的吸入容积。ECU(20)对在锅炉(3)流通的制冷剂的质量流量进行调整，以使得在上限温度(T0)以下的条件下，压力传感器(16)的检测值尽可能地形成为接近上限压力(P0)的压力。
文档编号F01K23/08GK102691539SQ201210080229
公开日2012年9月26日 申请日期2012年3月23日 优先权日2011年3月25日
发明者井口雅夫, 森英文, 榎岛史修 申请人:株式会社丰田自动织机