用于废热回收系统的冷却装置的制作方法

本发明涉及根据权利要求1的前序部分所述的用于废热回收系统的冷却装置。

背景技术：

废热回收(whr)系统能够被用在车辆中，用以回收废热能并将其转化为机械能或电能。废热回收系统包括泵，泵对工作介质加压并使工作介质在闭合回路中循环。回路包括一个或多个蒸发器，工作介质在蒸发器中被一个或多个热源(例如来自内燃机的废气)加热并蒸发。受压并受热的气态工作介质引导到膨胀器中并在膨胀器中膨胀。膨胀器产生机械能，该机械能能够用于操作车辆或车辆上的设备。可选地，膨胀器连接至用于产生电能的发电机。离开膨胀器的工作介质引导到冷凝器。工作介质在冷凝器中冷却至使工作介质冷凝的温度。液态工作介质重新引导到泵中，泵对工作介质加压。这样，能够借助废热回收系统回收例如来自车辆中的内燃机的废气的废热能。因此，废热回收系统能够降低车辆中的燃料消耗量。

为了实现废热回收系统中的高热效率，冷凝器中的工作介质要冷却至尽量低的冷凝温度并且基本上没有局部冷却。因此，为了实现废热回收系统中的高热效率，工作介质必须冷却至适当的冷却效果。然而，在不同的操作条件期间，冷凝器中的工作介质的适当冷却效果例如随着从例如废气供应至蒸发器的热效果而变化。由于从废气供应来的热能可能迅速地变化，所以难以持续地提供废热回收系统的适当冷却效果和高热效率。

us2013/0118423示出一种冷却回路，该冷却回路具有循环的冷却剂，用以冷却发动机。冷却回路包括：冷却管线，其中，冷却剂冷却废热回收系统的冷凝器中的工作介质；以及旁路管线，其引导介质绕过冷凝器。利用在特定压力下打开的泄压阀对穿过旁路管线的冷却剂流进行控制。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种冷却装置，该冷却装置能够以使得废热回收系统基本上持续地以高热效率操作的方式提供废热回收系统的冷凝器中的工作介质的冷却效果。

上述目的是利用根据权利要求1的特征部分所述的冷却装置实现的。为了持续地保持废热回收系统中的高热效率，需要在不同的操作条件期间调节冷凝器中的工作介质的冷却效果。冷却装置包括两条冷却回路，它们具有两种不同温度的冷却剂。上述冷却回路中的一条冷却回路中的冷却剂用于冷却冷凝器中的工作介质。冷却装置包括控制单元，用以基本上持续地从传感器接收与冷凝器中的工作介质的冷却相关的参数有关的信息。如果参数指示冷却剂提供的冷凝器中的工作介质的冷却过差或过高，则控制单元控制冷却调节构件，以便借助另一个冷却回路中的温度不同的冷却剂调节被引导到冷凝器中的冷却剂的温度。被引导到冷凝器的冷却剂的温度能够以相对简单且迅速的方式进行这种调节。结果，能够在不同的操作条件期间获得废热回收系统的基本上持续的高热效率。

根据本发明的实施例，上述冷却调节构件包括：热交换器，其接收被引导到冷凝器中的冷却剂；以及控制阀，其配置成将另一个冷却回路中的冷却剂的可调节部分引导到热交换器，以便调节被引导到冷凝器中的冷却剂的温度。借助这种控制阀，能够改变另一个冷却回路中进入热交换器的冷却剂流。结果，能够调节被引导到冷凝器中的冷却剂的冷却或加热，从而达到使冷凝器中的工作介质获得适当冷却的温度。

根据本发明的实施例，上述冷却调节构件包括控制阀，该控制阀配置成将可调节的冷却剂流引导到冷凝器中。冷却剂的冷却效果与被引导到冷凝器中的冷却剂的温度及流动相关。在这种情况下，控制阀控制通向冷凝器的冷却剂流。当然，能够调节被引导到冷凝器中的冷却剂的温度和流动两者。

根据本发明的实施例，上述传感器检测与冷凝器中的冷凝压力相关的参数。为了实现废热回收系统中的膨胀器的热效率，冷凝器中的冷凝压力应该尽量低。传感器可以是压力传感器，它检测冷凝器中或紧靠废热回收回路中的冷凝器的下游位置的压力。可选地，传感器可以是温度传感器，用以检测冷凝器中或紧靠冷凝器的下游位置的介质的冷凝温度。对工作介质而言，冷凝温度对应特定的冷凝压力。

根据本发明的实施例，冷却装置配置成冷却冷凝器中的工作介质，以使工作介质达到处于预定压力范围内的冷凝压力。由于实际原因，许多时候适宜避免废热回收系统中出现负压。在这种情况下，适宜获得刚好高于1bar的冷凝压力。预定压力范围可以例如是1.1bar至1.5bar。对工作介质而言，预定压力范围对应相应的温度范围。

根据本发明的实施例，冷却装置包括温度传感器，温度传感器配置成检测冷却剂经过冷凝器后的温度差异。利用经过冷凝器后的温度差异的信息、冷却剂流以及冷却剂的比热容，能够计算冷凝器中的工作介质的冷却效果。控制单元可以具有与不同操作条件期间的适当冷却效果有关的信息。如果冷却效果过低，则对冷却调节构件进行控制，以使被引导到冷凝器中的冷却剂获得更低的温度。如果冷却效果过高，则对冷却调节构件进行控制，以使被引导到冷凝器中的冷却剂获得更高的温度。

根据本发明的实施例，第一冷却回路中的冷却剂配置成冷却内燃机。在这种情况下，第一冷却中的冷却剂具有处于90℃至100℃的温度范围内的相对较高的温度。在这种情况下，第一冷却回路是用于车辆中的内燃机的常规冷却系统。第二冷却回路中的冷却剂优选地具有低得多的温度。第二冷却回路可以是低温冷却回路。低温冷却回路可以例如冷却增压空气冷却器中的增压空气、ac冷却器中的制冷剂、油冷却器中的变速箱油以及egr冷却器中的再循环废气。

根据本发明的实施例，冷却剂在相应的散热器中被空气流冷却，其中，第二散热器布置在第一散热器的上游位置。这样，与第一散热器中的冷却剂相比，第二散热器中的冷却剂被温度更低的空气冷却。因此，第二冷却回路中的冷却剂冷却至比第一散热器中的冷却剂更低的温度。空气流可以是由车辆的向前移动而产生的冲击空气。通常，当废热回收系统启动时，散热器风扇关闭。

根据本发明的实施例，上述冷却回路中的至少一个冷却回路包括控制阀，该控制阀能够将冷却回路中的一部分冷却剂流引导到散热器并将冷却剂的其余部分引导到绕过散热器的旁路管线，其中，不同的各部分在冷却剂进入热交换器之前混合。在这种情况下，能够在一条冷却回路中生成大小不同的两种温度水平并将它们混合，以使引导到热交换器的冷却剂达到限定温度。

根据本发明的实施例，热交换器布置在分支管线中，该分支管线从第一冷却回路的第一管线接收冷却剂并将冷却剂返回第一冷却回路的第二管线，其中，在第二管线中冷却剂的温度低于第一管线中的冷却剂的温度。在这种情况下，来自第一冷却回路的更温暖部分的冷却剂引导到热交换器并冷却至更低的温度。适宜使冷却剂返回到第一冷却回路的具有对应温度的部分。分支管线可以从第一冷却回路中的发动机出口管线接收冷却剂。在这种情况下，分支管线接收第一冷却回路中温度最高的冷却剂。

根据本发明的实施例，第一冷却回路与第二冷却回路构成具有独立的冷却剂的独立的回路。在这种情况下，第二冷却回路中的冷却剂能够达到非常低的温度，并且第一冷却回路与第二冷却回路中的冷却剂之间存在较大的温度差异。

根据本发明的实施例，工作介质在废热回收系统的蒸发器中被来自驱动车辆的内燃机的废气加热。废气含有大量热能，这些热能通常供应到环境中。借助废热回收系统，能够回收废气中的大部分热能。

根据本发明的实施例，废热回收系统中的工作介质是乙醇。乙醇在1bar的压力下的蒸发温度大约为78℃。相对容易达到低于乙醇的蒸发温度的适当水平的冷却剂温度并将冷凝器中的乙醇冷却至大约78℃的冷凝温度。然而，可以使用其他工作介质，例如r245fa。r245fa在1bar下的蒸发温度大约为15℃。在这种情况下，冷却剂需要实质上更低的蒸发温度。

附图说明

在下文中参考附图来描述本发明的作为实例的优选实施例，其中：

图1示出本装置的第一实施例；并且

图2示出本装置的第二实施例。

具体实施方式

图1示出用于驱动示意性地公开的车辆1的内燃机2。内燃机2可以是柴油机。车辆1可以是重型车辆。车辆1包括第一高温冷却回路。第一冷却回路包括发动机入口管线3，该发动机入口管线设置有第一泵4，第一泵使第一冷却剂在第一冷却回路中循环。第一泵4将冷却剂引导至内燃机2。当冷却剂已经循环穿过内燃机2时，它进入发动机出口管线6，该发动机出口管线包括延时器冷却器5。在启动延时器期间，冷却剂用于冷却延时器冷却器5中的油。恒温器7布置在发动机出口管线6的端部。如果冷却剂的温度低于恒温器7的调节温度，则冷却剂经由第一返回管线8被引导返回第一泵4。如果冷却剂的温度高于恒温器7的调节温度，则冷却剂引导到布置在车辆1的前部的第一散热器9。冲击空气和散热器风扇10能够提供穿过第一散热器8的冷却空气流。当冷却剂循环穿过第一散热器9时，冷却剂经由第二返回管线11被引导返回发动机入口管线3和第一泵4。第一冷却回路包括分支管线12。分支管线12从发动机出口管线6接收冷却剂。分支管线12包括控制阀13，用以控制分支管线12和热交换器中的冷却剂流。分支管线12包括出口，以使冷却剂返回到第一冷却回路的常规部分的第二返回管线11。

车辆1包括第二低温冷却回路。该低温冷却回路包括第二泵4，第二泵使第二冷却剂在第二冷却回路中循环。第二泵16经由冷凝器入口管线17将冷却剂引导到废热回收系统的冷凝器19。冷凝器入口管线17包括第一温度传感器18a，用以检测冷凝器19的上游位置的冷却剂的温度。冷却剂经由冷凝器出口管线20离开冷凝器19。冷凝器出口管线20包括第二温度传感器18b，用以检测冷凝器19的下游位置的冷却剂的温度。冷凝器出口管线将冷却剂引导到控制阀21。控制阀21将冷却剂引导到旁路管线22或经由散热器入口管线23将冷却剂引导到第二散热器25。

在由散热器风扇10限定的空气流方向上，第二散热器25布置在车辆1的前部、第一散热器9的上游位置。因此，与第一散热器9中的冷却剂相比，第二散热器25中的冷却剂被温度更低的空气冷却。离开第二散热器25的冷却剂冷却增压空气冷却器26中的增压空气、ac冷却器27中的制冷剂以及油冷却器28中的变速箱油。第二冷却回路中的冷却剂经由热交换器入口管线29从上述冷却器26-28引导到热交换器14。热交换器入口管线29连接至旁路管线22。这样，热交换器入口管线29从旁路管线22和/或第二散热器25接收冷却剂。离开热交换器14的冷却剂被引导回到第二泵4和冷凝器入口管线17。控制单元24从第一温度传感器18a和第二温度传感器18b接收与冷却剂进入冷凝器19之前和之后的温度有关的信息。

车辆设置有废热回收系统(whr)。废热回收系统包括泵31，该泵对工作介质加压并使工作介质在闭合回路30中循环。在这种情况下，工作介质是乙醇。然而，可以使用其他类型的工作介质，例如r245fa。泵31对工作介质加压并使工作介质循环进入蒸发器32。工作介质在蒸发器32中被废气加热。废气经由排气管线33从内燃机2供应至蒸发器32。排气管线33分支成热管线33a和旁路管线33b，该热管线贯穿蒸发器32，该旁路管线引导废气绕过蒸发器32。由第一阀门34a控制穿过热管线33a的废气流，并由第二阀门34b控制穿过旁路管线33b的废气流。控制单元24控制第一阀门34a和第二阀门34b，由此控制穿过蒸发器32的废气流。在大多数操作条件下，引导全部废气流穿过热管线33a。工作介质被蒸发器32中的废气加热至使工作介质蒸发的温度。

工作介质以气态形式从蒸发器32循环至膨胀器35。受压并受热的工作介质在膨胀器35中膨胀。膨胀器35产生旋转运动，该旋转运动可以经由适当的传动机构传递到车辆1的传动系的轴。可选地，膨胀器35可以连接至发电机，用以将膨胀器的旋转运动转换成电能。电能可以存储在电池中。当工作介质已经穿过膨胀器35时，它被引导到冷凝器19中。工作介质在冷凝器19中被第二冷却回路中的冷却剂冷却至使工作介质冷凝的温度。压力传感器37在紧靠冷凝器19下游的位置检测回路30中的压力。控制单元24从压力传感器37接收冷凝器19中的冷凝压力的信息。工作介质从冷凝器19引导到接收器36中。泵31从接收器36的底部吸取工作介质，以确保只有呈液态形式的工作介质被供应到泵31。

在操作内燃机2期间，第一泵4使第一冷却回路中的冷却剂循环，从而冷却内燃机2。第二泵4使第二冷却回路中的冷却剂循环，从而在该冷却剂冷却冷凝器19中的工作介质之前冷却冷却器26至28中的上述介质。为了实现废热回收系统中的高热效率，冷凝器19中的工作介质被在不同的操作条件期间变化的冷却效果冷却。由于废气向蒸发器32供应可变的加热效果，所以需要提供冷凝器19中的工作介质对应地可变的冷却效果。有利的是，在不同的操作条件下建立尽量低的冷凝压力并且不使工作介质局部冷却。此外，由于实际原因，适宜避免废热回收系统中出现负压。考虑到这些现实，适宜为冷凝器19中的冷却工作介质提供刚好高于1bar的冷凝压力并且不发生局部冷却。考虑到从内燃机2供应的热能，为了保持高热效率，需要调节冷凝器19中的工作介质的冷却效果，以使冷凝压力将会刚好高于1bar。工作介质乙醇在1bar下的冷凝温度为78℃。在这种情况下，适宜在冷凝器19中达到刚好高于78℃的冷凝温度。

在大多数操作条件下，控制单元24将控制阀21设置在如下位置：第二冷却回路中的冷却剂在该位置引导到第一散热器25中，冷却剂在第一散热器中冷却至更低的温度。当冷却剂已经冷却过冷却器26至28中的上述介质冷却时，冷却剂仍然具有相对较低的温度。在大多数操作条件下，第二冷却回路中的冷却剂提供冷凝器19中的工作介质的过重冷却效果。然而，能够利用控制阀21将冷却剂流的第一部分引导到旁路管线22并将冷却剂流的第二部分引导到第二散热器25。来自旁路管线22的冷却剂流的第一未冷却部分与来自第二散热器25的冷却剂的已冷却的第二部分在热交换器入口管线29中混合。在这种情况下，能够将第二冷却管线中的温度可变的冷却剂引导到冷凝器19中。

在这种情况下，控制单元24配置成将冷凝器19中的冷凝压力保持在例如1.1bar至1.5bar的压力范围内。控制单元24基本上持续地从压力传感器37接收与冷凝器19中当前的冷凝压力有关的信息。如果控制单元24接收到指示冷凝压力低于1.1bar的信息，则废热回收系统中存在负压的风险。因此，第二冷却回路中的冷却剂提供冷凝器19中的工作介质的过高冷却效果。控制单元24对控制阀13进行控制，以便将发动机出口管线6中的冷却剂的可调节部分引导到分支管线12和热交换器14。因此，在第二冷却回路中的冷却剂进入冷凝器19之前，第一冷却回路中更温暖的冷却剂会将第二冷却回路中的冷却剂加热至适当的温度。由于控制单元24能够利用控制阀13、21调节进入冷凝器19的冷却剂的温度，所以能够以简单且迅速的方式改变冷凝器19中的工作介质的冷却效果。

如果冷凝压力变得高于1.5bar，则冷凝器19中的工作介质的冷却效果过低。在这种情况下，控制单元24对控制阀13进行控制，以便将发动机出口管线6中更小部分的冷却剂流引导到分支管线12。结果，第二冷却回路中的冷却剂在热交换器14中被分支管线12中减少的冷却剂流冷却至更低的温度。因此，第二冷却回路中进入冷凝器19的冷却剂具有更低的温度，由此导致冷凝器19中的工作介质的冷却效果提高。此外，控制单元24从温度传感器18a、18b接收与经过冷凝器19后的温度差异有关的信息。基于该信息、穿过冷凝器19的冷却剂流以及工作介质的比热容，控制单元24能够计算冷凝器19中的冷却效果。

图2示出本冷却装置的可选实施例。在这种情况下，冷却装置也包括：第一高温冷却回路，其包括第一散热器9；以及第二低温冷却回路，其包括第二散热器25。在这种情况下，分支管线12中的第一冷却剂经由热交换器14被引导到冷凝器19中。分支管线12还包括冷凝器出口管线39，用以经由第二返回管线11将冷却剂引导到第一冷却回路的常规部分。在这种情况下，第二冷却中的第二冷却剂用于在热交换器14中冷却分支管线12中的冷却剂。第二冷却回路包括旁路管线40，该旁路管线引导冷却剂绕过热交换器14并进入第二冷却回路的热交换器出口管线41。第二泵16使热交换器出口管线41中的冷却剂经由返回管线42循环至控制阀21。旁路管线40包括控制阀43，控制单元24利用该控制阀对穿过旁路管线40的冷却剂流进行控制。

当第一冷却回路中的冷却剂已经冷却过内燃机2时，它通常温度较高。在大多数操作条件期间，发动机出口管线6中的冷却剂的温度过高，以致不能以期望的方式冷却冷凝器19中工作介质。另外，在这种情况下，控制单元24配置成将冷凝压力保持在例如1.1bar至1.5bar的压力范围内。控制单元24基本上持续地从压力传感器37接收与冷凝器19中的冷凝压力有关的信息。

由于分支管线12中的冷却剂的温度较高，所以它通常提供冷凝器19中的工作介质的过低冷却效果。结果，冷凝压力高于1.5bar。在这种情况下，控制单元24可以对控制阀43进行控制，以便将第二冷却回路中的冷却剂流的适当部分引导到旁路管线38中并绕过热交换器14。第二冷却回路中的冷却剂流的其余部分被引导穿过热交换器14，由此冷却分支管线12中的冷却剂。冷却剂流的其余部分的规模能够将分支管线12中的冷却剂冷却至期望的温度，以便在处于上述压力范围内的压力下将冷凝器19中的工作介质冷却至蒸发温度。可选地或组合地，控制单元24对控制阀13进行控制，以便以适当的方式调节分支管线12中的冷却剂流。控制单元24还能够对控制阀21进行控制，以便调节进入热交换器14的第二冷却回路中的冷却剂的温度。

如果控制单元24接收到指示冷凝压力低于1.1bar的信息，则废热回收系统中存在负压的风险。因此，冷却剂提供冷凝器19中的工作介质的过高冷却效果。在这种情况下，控制单元24对控制阀43进行控制，从而将第二冷却回路中更小部分的冷却剂流引导到旁路管线38中。第二冷却回路中更大部分的冷却剂用于冷却分支管线12中的冷却剂。可选地或组合地，控制单元24对控制阀13进行控制，以便以适当的方式调节分支管线12中的冷却剂流。控制单元24还能够对控制阀21进行控制，以便调节进入热交换器14的第二冷却回路中的冷却剂的温度。由于控制单元24能够利用控制阀13、43、21调节通向冷凝器19的冷却剂的温度和流动，所以能够以简单且迅速的方式改变冷凝器19中的工作介质的冷却效果。

本发明不限制于以上描述的实施例，而可以在权利要求书的范围内自由地改变。