专利名称：废热利用系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种废热利用系统。
背景技术：
近年来，鉴于环境问题，机动车辆的燃料消耗比得以显著提高，市场上出现了所谓的空闲停止(idle-stop)车辆或者混合动力型型车辆。这种车辆用空调操作混合压缩机是公知技术，其通过来自引擎或者电机的驱动力进行操作。此种混合压缩机使得在引擎停止时保持空调操作，而其提高了车辆的燃料消耗比。本发明的申请人在其以前的专利申请No.2003-19139中，提出了具有收集来自引擎的废热功能的流体机械并利用所收集的能量，以实现燃料消耗比的进一步提高。
作为现有技术，在日本专利No.2540738中公开了一种内燃机引擎的废热利用装置。在此装置中兰金循环通过使用制冷循环成分形成，其中压缩机也被用作膨胀装置来从内燃机引擎中收集废热并将所收集的能量提供回给内燃机引擎。但是在上述现有技术中，不利之处在于，自引擎所收集的废热只在制冷循环不是必要的操作时才是有可能的。
在上述提及的流体机械中，即相同申请人所提出的流体机械(现有专利申请No.2003-19139)中，混合压缩机的压缩机部分也被用在膨胀装置，其中，压缩机部分在空调操作必须时作为压缩机通过引擎或者电机来压缩制冷循环中的致冷剂，而压缩机部分作为膨胀装置操作来在空调操作不是必须时在电机中产生电功率，其方式是过热的蒸气的致冷剂被提供给压缩机部分，过热蒸气在压缩机部分中膨胀以产生转动驱动力。此处需要注意的是，上述提及的流体机械不是本发明的现有技术。
发明内容
因此，鉴于上述所提及的问题，本发明的目的之一是提供一种废热收集系统，其可以通过在其被操作以压缩流体(制冷循环的致冷剂)或者产生电功率时通过最大利用所收集的废热能量而提高燃料消耗比以实现最佳效果。
本发明的另一目的是提供一种内燃机引擎用废热收集系统，其中废热可以不论是制冷循环的操作还是非制冷循环操作而被收集，此外所收集的废热能量可以被用作多种用途。
根据本发明的特征，废热利用系统包括外部驱动装置(即由内燃机所驱动的滑轮)、压缩机装置，其可操作地连接到并被外部驱动装置所驱动并构成压缩致冷剂循环的制冷循环的一部分，膨胀装置，其可操作地连接到压缩机装置并构成废热收集循环的一部分以通过利用所收集的废热能量来产生转动驱动力，这样转动驱动力被施加到压缩机装置。此特征的结果是，压缩机装置通过来自膨胀装置的驱动力即使在引擎操作停止时也可以连续操作。
根据本发明的另外的特征，废热利用系统还包括可操作地连接到外部驱动装置以及压缩机装置的电子转动机械装置，其中转动机械可以作为电力电机和作为电力发电机进行操作。此特征的结果是，当电力转动机械作为产生转动驱动力的电力电机时，即使在引擎操作停止时，压缩机装置可以通过来自电力转动机械的驱动力连续进行操作。
根据本发明的另外的特征，电力转动机械可操作地连接到膨胀装置，这样转动机械可以通过来自膨胀装置的驱动力以产生电功率。这种电功率的产生，在压缩机装置不必工作以及膨胀装置中所产生的驱动力足以驱动电力转动机械时，执行得最为有效。
本发明的上述和其它目标、特征和优点将从下述的详细说明并结合附图变得更加明显，在附图中图1是根据本发明的废热利用系统的第一实施例的示意图；图2是图1中所示的流体机械的横截面图；图3是图2中沿线III-III所取的横截面图；图4是沿图2中线IV-IV所取的横截面图；
图5是根据本发明的第二实施例的流体机械的横截面图；图6是根据本发明的第三实施例的流体机械的横截面图；图7是根据本发明的第四实施例的流体机械的横截面图；图8是根据本发明的第五实施例的流体机械的横截面图；图9是根据本发明的第六实施例的废热利用系统的示意图；图10是图9中所示的膨胀装置、压缩机装置、滑轮和电力转动机械的连接示意图；图11是根据本发明的第七实施例的废热利用系统的示意图；图12是根据本发明的第八实施例的废热利用系统的示意图；图13是图12中所示的膨胀装置、压缩机装置、滑轮和电力转动机械的连接示意图；图14是根据本发明的第九实施例的废热利用系统的示意图；图15是图14中所示的膨胀装置、压缩机装置、滑轮和电力转动机械的连接示意图；图16是根据本发明的第十实施例的膨胀装置、压缩机装置和电力转动机械的连接示意图；以及图17是根据本发明的第十一实施例的废热利用系统的示意图。
具体实施例方式
(第一实施例)本发明的第一实施例将结合图1至图4说明。本发明的废热利用系统被用于诸如机动车辆，所述机动车辆装配空调系统。具体而言，本发明可以用于所谓的空闲停止车辆，其中在车辆不运行时引擎操作停止，例如，当车辆在交通红灯处停止。
在图1中，废热利用系统具有流体机械100，其包括通过滑轮轴承112(图2)所转动支撑并通过带11连接到内燃机引擎10的滑轮110、电磁离合器120、电力转动机械130，其可以作为电力电机也可以作为电力发电机进行操作、构成制冷循环200的一部分的压缩机装置140，以及构成废热收集循环300的一部分的膨胀装置150(例如兰金循环)。
在废热利用系统中，逆变器170连接到电力转动机械130和电池20。空调信号、空闲停止信号等被输入到电力控制单元160，根据这些信号，电力控制单元160通过逆变器170以及泵320的操作控制电磁离合器120的开和关和电力转动机械130的操作。
在制冷循环200中，冷凝器210连接到并入流体机械100中的压缩机装置140的出口，其流体机械100将在下面进行说明，并是通过热辐射用于冷凝致冷剂的热交换器。膨胀阀220减压和膨胀通过冷凝器210所冷凝的致冷剂。在此实施例中，所使用的膨胀阀是温度依赖型的，其中节流阀区域被控制使得致冷剂以等焓的方式减压，将被吸入压缩机装置140的致冷剂的过热被保持在预定的值。
蒸发器230是用于蒸发致冷剂的热交换器，所述致冷剂通过膨胀阀220减压并膨胀，然后通过蒸发潜热冷却空气。蒸发器230的出口被连接到压缩机装置140的入口。压缩机装置140、冷凝器210、膨胀阀220和蒸发器230以闭合回路连接以形成制冷循环200。
废热收集循环300包括并入流体机械100中的膨胀装置150(流体机械将在下面进行说明)，热辐射装置310、泵320和加热装置330。热辐射装置310是用于冷凝自膨胀装置150流出的致冷剂的换热器。在废热收集循环300中，泵320将致冷剂自热辐射装置310循环至加热装置330。泵320在此实施例中是电力驱动型。加热装置330通过流经致冷剂通道的致冷剂和引擎冷却剂之间的热交换而被用于加热致冷剂的换热器。由加热装置330加热的过热蒸气状态的致冷剂被提供给膨胀装置150。
流体机械100的详细结构将参照图2至4进行说明。
滑轮110构成外部驱动部分，其通过固定至前部外壳101的滑轮轴承112转动地支撑，并通过皮带11由从引擎10传输的驱动力而转动。驱动轴111设置在滑轮110的中心部分上并可转动地通过固定在前部外壳101上的轴承113所支撑。驱动轴111在从图2中箭头A所示的方向观察时，沿作为其通常转动方向的顺时针方向转动。
电磁离合器120构成自滑轮110间断地将驱动力传输至驱动轴111的开和关装置，并包括固定到前部外壳101的线圈121和固定到驱动轴111端部的毂122。众所周知，当电源提供给线圈121，毂122被拖动并紧紧被滑轮110所保持，这样电磁离合器120将驱动力自滑轮110传输到驱动轴111(离合器开状态)。另一方面，当电源被切断，毂122将自滑轮110脱离，这样滑轮110的驱动力的传输将被切断(离合器关闭状态)。
电力转动机械130(此后称为电机)具有电力电机的功能和电力发电机的功能，其包括转子部分132和定子部分133并设置在通过前部外壳101、后部外壳102和间隔壁103所形成的空间中。转子部分132固定到电机轴承131，磁铁(永久磁铁)132a设置在其外周上。电机轴132同轴连接到驱动轴111并被轴承113和114转动支撑。
设有线圈133a的定子部分133压力配合到前部外壳101的内表面中。当电源自电池20(图1)通过逆变器170(图1)提供给线圈133a，转子部分132将转动(当从箭头A的方向观察时沿顺时针方向)。在通过来自滑轮110或者下述的膨胀装置150的驱动力使得电机部分作为电源发电机工作的情况下，线圈133a中所产生的电源将通过逆变器170充电到电池20。
压缩机装置140安置在后部外壳102内并与滑轮相对的电机130的一侧上，所述压缩机140是叶片型和排量固定型压缩机。如图2和图3所示，转子142被固定到压缩机轴141，多个叶片143(此实施例中为5个叶片)可移动地设置在径向方向中的转子142中。转子142和叶片143设置在椭圆结构的圆柱孔144a中，所述椭圆结构形成在外壳144中，这样多个工作腔144b通过转子142、叶片143和圆柱孔144a形成。压缩机轴141同轴连接到电机轴131，即连接到驱动轴111，并被轴承114可转动支撑。
吸入端口145(两个端口)设置在间隔壁103上，设置在滑轮侧面的前部外壳101中的压缩机入口148与工作腔144b通过吸入端口145彼此连接。排放端口146和排放阀门147(两个端口和阀门)设置在外壳144中，工作腔144b通过排放端口146和排放阀门147连接到设置在后部外壳102上到压缩机出口149。压缩机入口148连接到蒸发器230，而压缩机出口149连接到冷凝器210。
在此压缩机装置140中，滑轮110或者将在下面说明膨胀装置150的驱动力传输给压缩机轴141，转子142和叶片143被转动(在图3中沿顺时针方向)，这样通过压缩机入口148和吸入端口145所吸入的致冷剂在工作腔144b中压缩，然后通过排放端口146和排放阀门147自压缩机出口149排放。由于致冷剂流经电机130的内部，可以通过致冷剂在电机上获得冷却效果。
膨胀装置150具有与压缩机装置140相同叶片型的基本结构并设置在与滑轮相对的压缩机装置140的侧面上的后部外壳102内。膨胀装置150通过后部外壳102中的中间板104与压缩机装置140分离。如图2和4中所示，转子152具有多个叶片153(在此实施例中为5个叶片)并固定到膨胀装置轴151。转子152和叶片153设置在椭圆结构的圆柱孔154a中，椭圆结构形成在外壳154中，这样多个工作腔154b通过转子152、叶片153和圆柱孔154a形成。膨胀装置轴151同轴连接到压缩机轴141，即连接到电机轴131和驱动轴111，并可转动地被轴承114支撑。
单向离合器151a设置在膨胀装置轴151和转子152之间。当转子152转动(在图4中沿顺时针方向)，单向离合器151a与膨胀装置轴151配合。换句话说，当转子152在非转动的状态中，膨胀装置轴151在顺时针方向中不发生转动。
端板105设置在转子152和外壳154的与压缩机装置相对侧面上。吸入端口155(两个端口)设置在外壳154中，设置在后部外壳102中的膨胀装置的入口158与工作腔154a通过吸入端口155相互连接。排放端口156(两个端口)设置在端板105内，工作腔154b通过排放端口156连接到设置在后部外壳102中的膨胀装置的出口159。入口158连接到加热装置330，而出口159连接到热辐射装置310。
下面将说明上述实施例的操作。(i)首先，将对空调模式的操作进行解释，在上述模式中废热将被收集。
控制单元160启动废热收集循环300的泵320。电磁离合器120在引擎10运行的过程中，被设置在开启状态。然后，引擎10的驱动力将自滑轮110传输到驱动轴111，电机轴131和压缩机轴141，这样压缩机装置140开始工作。然后，制冷循环200中的致冷剂将通过压缩机装置140压缩。空气将通过蒸发器230冷却下来。在此操作中，由于电机130的转子部分132同样被滑轮110转动，电机130作为电力发电机操作来产生电功率。
在膨胀装置150中，由加热装置330所加热的过热蒸气状态的致冷剂由于泵320的操作通过入口158和吸入端口155而流入工作腔154b。当过热蒸气状态的致冷剂在工作腔154a中膨胀，转子152被驱动以在与压缩机装置140和电机130的相同的转动方向(顺时针方向)转动。轴151然后与转子152在单向离合器151a之上配合并与转子152一起转动。由此，在膨胀装置150中所产生的驱动力，被施加到压缩机装置140和电机(发电机)130。
当引擎操作由于空闲停止信号而制动，控制单元160使得电磁离合器120处于关闭状态，并将电机130作为电力电机启动操作。压缩装置140然后通过电机130的驱动力驱动，这样即使在引擎10停止操作时空调操作也可以实现。在此操作中，膨胀装置150通过过热蒸气状态的致冷剂而连续转动，并且驱动力施加到压缩机装置140。
但是，当引擎操作由于空闲停止信号而制动，当膨胀装置150所产生的驱动力足够高，以驱动压缩机装置140和电机130，电磁离合器120保持在关闭状态，电机130然后将通过膨胀装置140的驱动力而作为电力发电机进行操作。
(ii)其次，将对其中废热不能收集的空调模式的操作进行说明。
控制单元160使废热收集循环300的泵320停止运行。当引擎10运转时，电磁离合器120被设置在开启状态。然后，压缩机装置140将通过引擎10的驱动力操作以执行空调操作。在此操作中，由于电机130的转子部分132同样地转动，电机130作为电力发电机进行操作。
在此操作中，由于泵320被停止，过热蒸气状态的致冷剂不会流入膨胀装置140，转子152保留在非转动状态中。轴151将在单向离合器151a上与转子152分离，这样轴151可以不受到转子152的限制而转动。
当引擎操作由于空闲停止信号而停止时，控制单元160使得电磁离合器120处于关闭状态，并将电机130作为电力电机启动操作。压缩装置140然后通过电机130的驱动力驱动，这样即使在引擎10停止操作时，空调操作也可以实现。
在此操作中，轴151在单向离合器151a上与转子152保持分离状态，这样轴151可以同样不受转子152的限制而转动。
(iii)第三，将对在空调操作不必要的情况下的操作模式进行说明在此情况下，控制单元160停止废热收集循环300的泵320的操作，并使得电磁离合器120处于关闭状态以不操作电机130，而不论废热可以收集与否，或者不论引擎10是否运转。
根据上述结构和本发明的第一实施例的操作，将获得下述效果。
由于膨胀装置150连接到电机130并连接到压缩机装置140，自膨胀装置150的驱动力额外地施加在压缩机装置140或者电机(发电机)130上，当压缩机装置140被引擎10操作时，用于引擎10的驱动载荷可以变得更小以实现燃料消耗比率的提高。
引擎10的驱动力可选择地被传输到电磁离合器120上的压缩机装置140，这样即使在引擎10停止时压缩机装置140也可被电机130所操作。此外，由于膨胀装置150的驱动力可以施加在上述情形中的压缩机装置140上，电机130的驱动力可以减小，这样可以使用更小尺寸的电机。
由于轴151在单向离合器151a上与膨胀装置150的转子152脱离配合，在膨胀装置150不处于废热收集操作中时，电机轴131和压缩轴141可以不受来自膨胀装置的限制而转动。
(第二实施例)在图5所示的第二实施例中，压缩机装置140被改变为这样的可变排量型压缩机其可以根据每次转动的排放量而变化。更具体而言，公知的旋转斜板型压缩机被用作压缩机装置140。旋转斜板140B设置在旋转斜板室140A中并可操作地通过设置在旋转斜板140B的外围上的靴体140C上而连接到活塞140D。在此压缩机中，旋转斜板室140A中的压力通过控制单元160进行控制，这样旋转斜板140B的倾斜可以改变以变化活塞140D的行程。排放量可以从其最大量变化到基本为0。
在空调操作中，压缩机装置140操作，使得排放量响应冷却载荷而变化，例如，排放量在不需要空调操作时基本为0。
当废热在引擎10运转的过程中收集时，控制单元160启动泵320，并使得电磁离合器120处于关闭状态，电机130将通过膨胀装置150作为电力发电机操作(在此操作中，压缩机装置140处于空闲状态)。可选地，当电磁离合器120处于打开状态时，则膨胀装置150的驱动力施加到滑轮110，同时电机130作为发电机操作。
当废热不能收集时，泵320的操作停止，电磁离合器120被设置为打开状态，这样电机130作为发电机操作。
由于压缩机装置140是如上所述第二实施例中的可变排量型压缩机，压缩机装置140的限制可以在压缩机装置140的操作不是必要时通过将排放量调整到最小量而最小化(在空调的非操作的情况下)，由此通过膨胀装置150降低在电机130上的电力发电或者引擎10的载荷。此外，当废热不用收集时，通过引擎10在电机130上所产生的电力可以不受压缩机装置140的限制而执行。
在第二实施例中，由于电机130在空调的非操作情况下通过最小化压缩机装置140的限制而可以作为电力发电机进行操作，流体机械可以常年有效地利用引擎10中的废热。
(第三实施例)本发明的第三实施例显示在图6中，其中第二实施例中的电磁离合器120被单向离合器111a所替代。
单向离合器111a设置在滑轮110和驱动轴111之间，这样轴111将在滑轮在通常的转动方向中转动(顺时针方向)时与滑轮110配合。换言之，当滑轮110由于引擎10的不运转而不转动时，驱动轴111不产生沿通常的转动方向的转动。
相应地，当引擎10运转且空调将开始工作，单向离合器111a与电磁离合器120处于开启状态中以相同的方式操作，这样引擎10的驱动力可以被传输到驱动轴111。当引擎10停止时，单向离合器111a与电磁离合器处于其关闭状态中(驱动轴111与滑轮110脱离配合)相同的方式操作，这样压缩机装置140可以被电机130操作。结果，在与使用电磁离合器120的实施例相比就较为便宜。
(第四和第五实施例)在上述第一至第三实施例中，电机130和压缩机140设置在流体机械100中。但是，电机130和压缩机装置140之一可以自流体机械100拿开。
在图7的第四实施例中，电机被拿开，压缩机装置140设置在流体机械100中。在此实施例中，膨胀装置150的驱动力被施加到压缩机装置140，而不论是否需要空调操作。由于压缩机装置140可以通过膨胀装置150即使在引擎停止在其空闲停止模式中也可以操作，可以在空闲停止模式下实现空调操作而不消耗电机的电源。在此操作中，可能发生膨胀装置150的驱动力降低，这可能导致由于缺少驱动力而导致压缩机装置140的不适当的操作。在此情况下，压缩机装置可以通过将其排放量调整至最小量而进行操作。此外，由于单向离合器111a设置到滑轮110上，膨胀装置150的驱动力可以在不使用电磁离合器时传输到压缩机装置140，即使压缩机装置140通过引擎10进行操作或者引擎在其空闲停止模式中被停止。
在图8中所示的第五实施例中，电机130设置在流体机械100中。所述实施例和第三实施例的不同之处在于压缩机装置被取走。即使在电机130通过引擎10用作电力发电机进行操作，膨胀装置的驱动力可以施加到电机130。在引擎10制动时通过膨胀装置140的驱动力也可以实现电功率的产生，这样就有效地防止了电池20在引擎的空闲停止模式时电源消耗所导致的寿命的减短。
在图7和图8中所示的实施例中，单向离合器111a被用于取代电磁离合器以与电磁离合器以相同的方式操作。当膨胀装置150的驱动力在引擎10运转的过程中施加到压缩机装置140，并当优选地在更为平稳的条件下操作压缩机装置140时，那么，电磁离合器比单向离合器更为优选。
(第六实施例)第六实施例显示在图9和图10中，其中相同的附图标号表示与第一至第五实施例中相同的部件。
内燃机引擎10是水冷型并具有通过循环引擎冷却剂冷却引擎的散热器回路20以及使用作为热源的引擎致冷剂用于加热空气的加热器回路30。
散热器21设置在散热器回路20中，散热器21利用水泵22通过引擎致冷剂和周围的空气之间的热交换而将循环的致冷剂引擎冷却下来。水泵22在此实施例中是电力驱动泵。引擎10的出口端口连接到兰金循环的加热装置330。旁路通道23被设置，引擎致冷剂的通道被可选地通过三路阀门24形成，这样，用于加热装置330的通道和旁路通道23之一打开。引擎致冷剂从其流过并旁路通过散热器21的散热旁路通道25进一步设置在散热器回路20中，恒温器26控制流经散热器21和旁路通道25的引擎致冷剂量。
加热器芯31设置在加热器回路30中，引擎冷却剂(热水)通过水泵22的操作流经加热器芯31。加热器芯31设置在空调单元700的外壳710中，吹风机风扇720将空气吹到加热器芯31中，这样空气通过热水和空气之间的热交换而被加热。空气混合门730设置在加热器芯31上，流经加热器芯31的空气流量通过空气混合门730的开启程度得以控制。
在此实施例中的废热收集循环300，除了加热装置330、膨胀装置150、冷凝器310和泵250之外，还包括接收器340。接收器340将循环中通过冷凝器310冷凝的工作流体分为液相和汽相并将液相的工作流体排放到泵320中。
此实施例中的制冷循环200，除了压缩机装置140、冷凝器210、膨胀阀220和蒸发器230之外，还包括接收器240。此实施例中的压缩机装置140是固定位移压缩机。接收器240将冷凝器210所冷凝的致冷剂分为液相和汽相，并将液相的致冷剂排放到膨胀阀220中。
蒸发器230设置在外壳710中，被蒸发器230所冷却下来的空气和被加热器芯31所加热的空气相混合，混合比率被空气混合门730的开启程度所控制，这样混合空气的温度可以被控制在由乘客所设置的温度。
压缩机装置140、滑轮110和电力转动机械(电机)130连接到作为动力传输单元使用的行星齿轮540。行星齿轮540如公知的那样包括设置在中央的中心齿轮541、连接到行星小齿轮542a的行星齿轮542，行星小齿轮围绕中心齿轮541移动并在其自身的轴线上转动，以及设置在行星小齿轮542a的外周上的环形齿轮543。
在此实施例中，压缩机装置140连接到环形齿轮543，滑轮110连接到行星齿轮542，电力转动机械(电机)130连接到中心齿轮541。单向离合器530设置在滑轮110和行星齿轮540(行星齿轮542)之间的驱动轴111上。单向离合器530将与驱动轴111配合并在滑轮110转动时驱动驱动轴111。另一方面，当滑轮不转动时，驱动轴111在滑轮的操作方向的方向中不产生转动。
控制单元160接收空调控制信号、空闲停止控制信号等信号，并根据这些信号，控制单元160控制水泵22、三向阀24、泵320，通过逆变器170或者自电力转动机械130充电的电源将电能提供给电力转动机械130、电磁离合器120的开关控制等。
上述实施例的操作将在下面进行说明。
(i)制冷循环的普通操作模式这是空调的下述操作模式，其中空调在引擎启动后很快操作，由此引擎冷却剂的温度不是特别高(例如高于80摄氏度)。
控制单元160操作散热器回路20的水泵22和三向阀24，这样引擎冷却剂用旁路通道23打开。泵320的操作停止，废热收集循环保持在非操作状态。电磁离合器120设置在开启状态。
驱动力然后自引擎10通过滑轮110和行星齿轮540传输到压缩机装置140，这样压缩机140开始运转，制冷循环200将操作。
在此操作中，当电力转动机械130作为电机操作时，自引擎10的驱动力和电机130的驱动力可以以多种方式通过行星齿轮540的动力传输单元施加到压缩机310。即，当电机130以更高的速度转动时，则压缩机装置140的转动速度将低于滑轮110的转动速度。另一方面，当电机130在较低的速度转动时，压缩机装置140的转动速度将高于滑轮110的的转动速度。如上所述，可以根据冷却载荷实现致冷剂的排放量的控制。
当电源通过逆变器170的供给被切断以停止电机130的转动时，压缩机装置140将通过来自滑轮110的驱动力单独进行操作。此外，当电机130在相反的方向转动时，压缩机装置140可以在更高的转动速度下进行操作。当供给到电磁离合器120的电源被切断，电机130在相反的方向中转动时，滑轮轴111将被单向离合器530锁定，这样驱动力可以单独地施加在压缩机装置140上。
(ii)通过使用废热收集循环的制冷循环的操作模式这是空调的下述操作模式，其中废热收集循环300在来自引擎10的废热比较充分的情况下进行操作，由此获得的驱动力将施加到压缩机装置140以操作制冷循环200。
控制单元160操作散热器回路20的水泵22和三向阀24，这样通过加热装置210的引擎冷却剂的通道被打开。泵320的操作被启动，废热收集循环开始操作。提供给电磁离合器510的电源供给被切断，电力转动机械130的操作停止。
(iii)制冷循环和废热收集循环的多操作模式这是空调的下述操作模式，其中当冷却载荷在夏天非常高时，即使引擎10的废热非常高，压缩机装置140通过膨胀装置150的驱动力和来自引擎10或者电力转动机械130的驱动力在多模式中操作。
控制单元160操作散热器回路20的水泵22和三向阀24，这样经过加热单元330的引擎冷却剂通道被打开。泵320的操作被启动，废热收集循环开始操作。电源提供给电磁离合器510，同时电力转动机械130的操作停止。
然后，引擎10的驱动力施加到压缩机140，除了膨胀装置150的驱动力之外，这样致冷剂的排放量将被增加以提高制冷性能。
当需要进一步提高制冷性能，控制单元160操作电力转动机械(电机)130，这样电机130的驱动力将进一步增加到压缩机装置140。在此情况下，电力转动机械420在与滑轮110转动方向相反的方向转动，这样压缩机140的转动速度将通过行星齿轮540增加。
也有可能的是，压缩机装置140将通过膨胀装置150的驱动力和电力转动机械(电机)130操作，其中供给到电磁离合器510的电源被切断，电力转动机械(电机)130在相反的方向转动。在此操作中，驱动轴111由于单向离合器530的原因而锁定，这样电力转动机械(电机)130的驱动力可以增加到压缩机装置140。
(iv)在引擎制动过程中制冷循环的操作模式这是空调的下述操作模式，其中引擎10由于所谓的空闲停止功能而停止，但是压缩机装置140通过膨胀装置150进行操作。
控制单元160操作散热器回路20的水泵22和三向阀24，这样通过加热装置210的引擎冷却剂的通道被打开。泵320的操作启动，废热收集循环300开始操作。电源提供给电磁离合器510，电力转动机械130的操作停止。
压缩机装置140通过膨胀装置150的驱动力进行操作。但是，此外有可能当电机130在依赖于制冷载荷的相反方向中转动时，通过来自膨胀装置150和电力转动机械(电机)130的驱动力驱动压缩机装置140。
当废热收集循环300保持操作，而引擎10制动，引擎冷却剂的温度降低，导致的一个问题是引擎重新启动时燃料消耗比率的增加。相应地，当引擎致冷剂的温度减小到低于预定量(例如80摄氏度)的温度时，控制单元160停止废热收集循环300的操作(泵320)并开始在相反的方向中转动电机130，以驱动压缩机装置140。在此操作中，轴141由于单向离合器151a的原因而自膨胀装置分离，这样电机130的驱动力可以在不受到来自膨胀装置150的任何阻力的情况下施加到压缩机装置140。
(v)使用废热收集循环的制冷循环的操作模式和能量的收集这是空调的下述操作模式，其中，在春季或者秋季中冷却载荷相对较低时，从废热收集循环300所获得的过量的驱动力施加到引擎10，或者用于在电力转动机械130上产生电功率。
控制单元160操作散热器回路20的水泵22和三向阀24，这样经过加热单元330的引擎冷却剂通道被打开。泵320的操作被启动，废热收集循环开始操作。电源提供给电磁离合器510，电力转动机械130作为电源发电机进行操作。
与冷却载荷成比例的膨胀装置150的驱动力的一部分被传输到压缩机装置140，过量的膨胀装置150的驱动力被提供给滑轮110和电力转动机械130，这样，除了压缩机装置140的操作之外，引擎10的驱动力可以减小，同时，可以实现在电力转动机械130上产生电功率。
根据上述结构和实施例的操作，将获得下述效果。
由于废热收集循环300独立于制冷循环200设置，膨胀装置150可以不论制冷循环200操作还是非操作而操作膨胀装置150，在压缩机装置140通过膨胀装置150的驱动力操作时，就有可能减小引擎10的驱动载荷并由此增加燃料消耗比率。
此外，由于压缩机装置140根据制冷载荷通过膨胀装置150的驱动力单独操作，而没有使用来自引擎10或者电池20的能量，或者因为膨胀装置150的驱动力的多余载荷施加到滑轮110或者电力转动机械130，所述驱动力对于驱动压缩机装置140而言是过量的，引擎10的操作力可以减小，可以实现电力转动机械130上电功率的产生。
由于单向离合器151a设置在膨胀装置150和压缩机装置140之间，压缩机装置140在废热收集循环300的操作停止时，可以通过来自引擎10(滑轮110)、电池20(电力转动机械130)等的能量进行操作，而不受膨胀装置150的任何限制。
此外，由于用作动力传输单元的行星齿轮540设置在压缩机装置140、滑轮110和电力转动机械130之间，压缩机装置140的转动速度可以通过调整电力转动机械130的转动速度而得以控制，由此致冷剂的排放量即使在使用固定排量型压缩机装置140时也可以进行变化。
在使用变化排量型压缩机的情况中，压缩机的排放量通过控制单元160在空调操作不是必要时控制在0处，则除了上述提及的操作模式(i)至(v)外，收集能量的额外操作模式(vi)也成为可能。
更具体而言，压缩机装置140的排放量通过控制单元160而被基本设置为0，供给到电磁离合器510的电源供给被切断。然后，膨胀装置150的驱动力被传输到电力转动机械130，而没有受到来自压缩机装置140的任何限制，电力转动机械130的电源产生可以被完全执行。当电源被提供给电磁离合器510，驱动力就有可能传输到引擎10，而电源在电力转动机械130上产生。
(第七实施例)根据本发明的第七实施例显示在图11中，其中相同的制冷循环200用流体被用作废热收集循环200的工作流体，冷凝器210自制冷循环200取走，这样废热收集循环300的冷凝器310也被用作制冷循环的冷凝器。
根据本实施例，废热利用系统100可以变得更便宜，虽然通过膨胀装置150所获得的驱动力将减小，而压缩机装置140的驱动力将增加。
(第八实施例)根据本发明的第八实施例显示在图12和图13中，其中电力转动机械130和行星齿轮540自图9和图10中所示的第六实施例中取走。逆变器170和电池20也自废热利用系统100取走。变化排量型压缩机140取代固定排量型压缩机使用，其中排放量受控制单元160控制。
膨胀装置150通过单向离合器120连接到压缩机装置140，而压缩机装置140通过单向离合器530和电磁离合器120连接到滑轮110。
当电力转动机械130在此实施例中取走时，当与第六实施例中的操作模式进行比较时，电机130中所产生的电源和自电机130提供给压缩机装置140的驱动力的操作模式不再存在。即，“通过使用废热收集循环和能量收集的制冷循环的操作模式(v)”将变成“通过使用废热收集循环和引擎协助的制冷循环的操作模式(vii)”。此外，“收集能量的操作模式(vi)”将是“引擎协助的操作模式(viii)”，其中膨胀装置150所产生的驱动力施加到压缩机装置140和引擎10，这样实现了引擎10的燃料消耗比率的提高。
(第九实施例)根据本发明的第九实施例显示在图14和15中，其中滑轮110(带11)，单向离合器530和行星齿轮540自第六实施例中取走。变化排量型压缩机140替代固定排量型压缩机使用，其中排放量由控制单元160进行控制。
膨胀装置150通过离合器151a连接到压缩机装置140，而压缩机装置140通过电磁离合器120连接到电力转动机械130。
由于滑轮110没有在此实施例中设置，在与第六实施例中的操作模式相比，通过滑轮或者将驱动力传输至压缩机装置140或者将膨胀装置150的驱动力传输至引擎10就不再存在。
但是，有可能减小用于驱动压缩机装置140的电力转动机械130所产生的驱动力，因为膨胀装置150所产生的驱动力可以施加到压缩机装置140。此外，当压缩机装置140的排放量非常小时，膨胀装置150的驱动力的主要部分可以施加到电力转动机械130，这样可以实现电源的充分充电。如上所述，压缩机装置140的操作和电力转动机械130上的电功率的产生可以在不使用引擎10的输出功率的情况下完成。
(第十实施例)本发明的第十实施例显示在图8中，其中在与上述第九实施例相比时，用作动力传输单元的行星齿轮540设置在膨胀装置150、压缩机装置140和电力转动机械130之间。膨胀装置150连接到行星齿轮540的行星齿轮542，压缩机装置140连接到环形齿轮543，电力转动机械130连接到中心齿轮541。电磁离合器550和单向离合器151a设置在轴180上并位于膨胀装置150与行星齿轮541之间。压缩装置140是固定排量型。第十实施例按如下操作模式进行操作。
(i)制冷循环的普通操作模式控制单元160切断对电磁离合器550的电源供给并驱动电力转动机械130在与压缩机装置140的转动方向相反的方向转动。然后，轴180由于单向离合器151a而被锁定，由此压缩机装置140将通过来自电力转动机械130的驱动力所驱动。压缩机装置140的转动速度可以通过调整电力转动机械130的转动速度而变化。
(ii)同时使用废热收集循环的制冷循环的操作模式控制单元160将电源提供给电磁离合器550并停止电力转动机械130的操作。然后，膨胀装置150的驱动力将通过行星齿轮540传输到压缩机装置140，压缩机装置140开始操作。
(iii)制冷循环和废热收集循环的多操作模式控制单元160将电源提供给电磁离合器550并操作电力转动机械130。然后，压缩机装置140将通过来自膨胀装置150和电力转动机械130的驱动力而驱动，这样压缩机装置即使在较高的冷却载荷情况下也能够进行操作。特别地，当电力转动机械130的转动速度被控制在低于膨胀装置150的转动速度时，压缩机装置140的转动速度可以被增加以增加致冷剂的排放。
(iv)引擎制动过程中的制冷循环的操作模式控制单元160将电源提供给电磁离合器550并停止电力转动机械130的操作，这样压缩机装置140通过膨胀装置150的驱动力进行操作。另一方面，当引擎冷却剂的温度比预定的值要低时，提供给电磁离合器550的电源将被切断，电力转动机械130将进行操作以沿相反的方向转动。这样压缩机装置140将通过电力转动机械130的驱动力进行操作。这与上述模式(i)的制冷循环的普通操作模式相同。
(v)利用废热收集循环和能量收集的致冷剂循环的操作模式控制单元160将电源提供给电磁离合器550并将电力转动机械130作为电源发电机使用。然后，就有可能产生电功率，同时压缩机装置140通过膨胀装置150的驱动力进行操作。
(vi)收集能量的操作模式控制单元160按下述方式控制电力转动机械130，使得压缩机装置130的转动速度几乎下降到0，而电力转动机械的转动速度反而增加以产生电能。
如上所述，在第十实施例中，由于致冷剂的排放量可以借助行星齿轮540通过调整压缩机装置140的转动速度而变化，在与第九实施例相比时，可以使用固定排量型的压缩机，这样系统可以变得更加便宜。
(第十一实施例)本发明的第十一实施例显示在图17中，其中废热收集循环300中的工作流体选择为与制冷循环200中的致冷剂流体相同，并且连接通道260和270设置在废热收集循环300的冷凝器310和制冷循环200的冷凝器210之间。
连接通道260将冷凝器310和210的入口彼此连接，电磁阀门(阀门)261被设置以打开和/或者关闭连接通道260。连接通道270将冷凝器310和320的出口彼此连接，电磁阀门(阀门)271被设置以打开和/或者关闭连接通道270。阀门261和271通过控制单元160进行控制。
控制单元160打开电磁阀门261和271，废热收集循环300在收集能量的操作模式中将单独操作，其中不需要进行空调操作，或者在制冷循环200的普通操作模式下制冷循环200将单独操作。然后，各循环200和300的冷凝器310和210被共同使用。
根据上述实施例，膨胀装置150的出口压力可以在废热收集循环300的单操作中变低，这样膨胀阀所产生的驱动力增加。此外，压缩机装置140的出口压力可以在制冷循环200的单操作情况下变低，这样压缩机装置140的驱动力可以被减小。
(其它实施例)本发明在上述实施例中进行了说明，其中所述发明被应用到具有空闲停止功能的汽车中。但是本发明可以用于混合汽车中，所述混合汽车中具有使得车辆运转的电机，其中内燃机引擎的操作在预定的运行条件过程中被停止，即使在车辆运行的过程中。本发明可以用于混合汽车中，其中引擎的操作将不会停止。
压缩机装置不限于固定排量型叶片型，其它旋转型、螺旋型等也可以用作压缩机装置。
废热收集循环300的泵320解释为电力型泵。但是，由膨胀装置150的驱动力所驱动的泵也有可能被使用。在此实施例中，所收集的能量可以被进一步以多种方式使用。
权利要求
1.一种汽车废热利用系统，包括用于收集内燃机引擎(10)的废热的废热收集循环(300)，并具有用于自所收集的废热产生转动驱动力的膨胀装置(150)；具有用于压缩致冷剂的压缩机装置(140)的制冷循环(200)；以及由外部驱动源(10、20)所驱动的动力传输装置(110、130)并可操作地连接到压缩机装置(14)以可转动地驱动所述压缩机装置(14)，其中膨胀装置(150)可操作地连接到压缩机装置(140)以可转动地驱动压缩机装置(140)。
2.根据权利要求1所述的废热收集系统，其特征在于，外部驱动源是内燃机引擎(10)。
3.根据权利要求2所述的废热收集系统，其特征在于，还包括设置在动力传输装置(110、130)和压缩机装置(140)之间的开关装置(120)，用于间断地将驱动力从动力传输装置(110、130)传输至压缩机装置(140)。
4.根据权利要求1-3中任何一项所述的废热收集系统，其特征在于，还包括设置在膨胀装置(150)和压缩机装置(140)之间的单向离合器(151a、520)，用于将来自膨胀装置(150)的驱动力传输至压缩机装置(140)。
5.根据权利要求1-3中任何一项所述的废热收集系统，其特征在于，还包括设置在动力传输装置(110、130)和压缩机装置(140)之间的单向离合器(111a、530)，用于将来自动力传输装置(110、130)的驱动力传输至压缩机装置(140)。
6.根据权利要求1-3中任何一项所述的废热收集系统，其特征在于，压缩机装置(140)包括变化排量型压缩机。
7.根据权利要求1-3中任何一项所述的废热收集系统，其特征在于，还包括电力转动机械(130)，所述电力转动机械可以既作为电力电机又作为电力发电机进行操作，其中电力转动机械(130)可操作地连接到压缩机装置(140)。
8.一种汽车废热利用系统，包括用于收集内燃机引擎(10)的废热的废热收集循环(300)并具有膨胀装置(150)，用于通过膨胀被所收集的废热所加热的过热工作流体而产生转动驱动力；动力传输装置(110)，所述动力传输装置由驱动力产生装置可转动地驱动；以及可转动地连接到动力传输装置(110)并由动力传输装置(110)可转动地驱动的电力转动机械(130)；其中膨胀装置(150)可操作地连接到电力转动机械(130)以可转动地驱动电力转动机械(130)。
9.根据权利要求8所述的废热利用系统，还包括设置在动力传输装置(110)和电力转动机械(130)之间的单向离合器(111a)，其中动力传输装置(110)、电力转动机械(130)和膨胀装置(150)同轴并可操作地彼此连接。
10.一种汽车废热利用系统，包括用于收集内燃机引擎(10)的废热的废热收集循环(300)，并具有膨胀装置(150)，用于通过膨胀被所收集的废热所加热的过热工作流体而产生转动驱动力；具有用于压缩致冷剂的压缩机装置(140)的制冷循环(200)；以及动力传输装置(110)，所述动力传输装置由外部驱动源驱动并可操作地连接到压缩机装置(140)以可转动地驱动压缩机装置(140)；其中膨胀装置(150)可操作地连接到压缩机装置(140)以可转动地驱动压缩机装置(140)。
11.根据权利要求10所述的废热利用系统，其特征在于，动力传输装置包括下列部件中的至少一个滑轮(110)，所述滑轮可操作地连接到内燃机引擎(10)并由内燃机引擎(10)可转动地驱动；以及电力转动机械(130)，所述电力转动机械既具有产生转动驱动力的电力电机的功能又具有在被外部驱动源所驱动时产生电功率的电力发电机的功能。
12.根据权利要求11所述的废热利用系统，其特征在于，膨胀装置(150)可操作地连接到动力传输装置(110、130)的滑轮(110)，在膨胀装置(150)所产生的驱动力施加到滑轮(110)时，滑轮(110)将驱动力从膨胀装置(150)传输到内燃机引擎(10)。
13.根据权利要求11所述的废热利用系统，其特征在于，膨胀装置(150)可操作地连接到动力传输装置(110、130)的电力转动机械(130)，在膨胀装置(150)所产生的驱动力施加到电力转动机械(130)时，电力转动机械(130)将作为电力发电机进行操作。
14.根据权利要求10-13中任何一项所述的废热利用系统，其特征在于，还包括设置在动力传输装置(110)和压缩机装置(140)之间的第一开关装置(120)，用于间断地将动力传输装置(110)的驱动力传输到压缩机装置(140)，其中当膨胀装置(150)的驱动力被传输到压缩机装置(140)时，第一开关装置(120)转换到其关闭状态。
15.根据权利要求10-15中任何一项所述的废热利用系统，其特征在于，还包括设置在膨胀装置(150)和压缩机装置(140)之间的第二开关装置(151a)，用于间断地将膨胀装置(150)的驱动力传输到压缩机装置(140)，其中当废热收集循环(300)的驱动力不被操作时，第二开关装置(151a)转换到其关闭状态。
16.根据权利要求10所述的废热利用系统，其特征在于，动力传输装置包括滑轮(110)，所述滑轮可操作地连接到内燃机引擎(10)并由内燃机引擎(10)可转动地驱动；以及电力转动机械(130)，其既具有用于产生转动驱动力的电机的功能，又具有当由外部驱动源驱动时用于产生电功率的电力发电机的功能，其中压缩机装(140)、滑轮(110)和电力转动机械(130)通过动力分配和传输装置(540)可操作地相互连接，所述动力分配和传输装置将膨胀装置(150)的驱动力分配并传输到压缩机装置(140)和电力转动机械(130)。
17.根据权利要求10所述的废热利用系统，其特征在于，动力传输装置包括滑轮(110)，所述滑轮可操作地连接到内燃机引擎(10)并由内燃机引擎(10)可转动地驱动；以及电力转动机械(130)，所述电力转动机械既具有产生转动驱动力的电力电机的功能，又具有在被外部驱动源所驱动时产生电功率的电力发电机的功能，其中压缩机装置(140)、滑轮(110)和电力转动机械(130)通过动力分配和传输装置(540)可操作地相互连接，所述动力分配和传输装置将滑轮(110)的驱动力分配并传输到压缩机装置(140)和电力转动机械(130)。
18.根据权利要求10所述的废热利用系统，其特征在于，动力传输装置包括电力转动机械(130)，所述电力转动机械既具有产生转动驱动力的电力电机的功能，又具有在被外部驱动源所驱动时产生电功率的电力发电机的功能，其中膨胀装置(150)、压缩机装置(140)和电力转动机械(130)通过动力分配和传输装置(540)可操作地相互连接，所述动力分配和传输装置将膨胀装置(150)的驱动力分配并传输到压缩机装置(140)和电力转动机械(130)。
19.根据权利要求10-13中任何一项所述的废热利用系统，其特征在于，还包括工作在废热收集循环(300)和制冷循环(200)的冷凝器装置(310)，其中废热收集循环(300)的工作流体与制冷循环(200)的工作流体相同，冷凝器装置(310)在废热收集和制冷循环(300、200)中共同使用。
20.根据权利要求10-13中任何一项所述的废热利用系统，其特征在于，各废热收集循环(300)和制冷循环(200)包括冷凝器(310、210)，其中废热收集循环(300)的工作流体与制冷循环(200)的工作流体相同，其中废热利用系统还包括入口侧通道(260)，所述入口侧通道将冷凝器(310、210)的入口彼此连接；出口侧通道(270)，所述出口侧通道将冷凝器(310、210)的出口彼此连接；以及阀门(261、271)，分别设置在通道(260、270)入口侧和出口侧中以打开和关闭各通道，其中阀门(261、271)只在废热收集循环(300)和制冷循环(200)之一操作时打开，这样废热收集循环(300)和制冷循环(200)的工作流体流经所述两个冷凝器(310、210)。
全文摘要
一种内燃机引擎的废热收集系统，其目的在于收集引擎的废热并最大程度地利用所收集的废热来实现提高燃料消耗比率的最大效果。废热利用系统具有用于收集内燃机引擎的废热的废热收集循环(300)，并具有膨胀装置(150)用于从所收集的废热产生转动驱动力，具有压缩机装置(140)以压缩致冷剂的制冷循环(200)，以及动力传输装置(110、130)，其通过驱动力产生装置(10、130)可转动地驱动，并可操作地连接到压缩机装置(140)以可转动地驱动压缩机装置(140)。在此系统中，膨胀装置(150)可操作地连接到压缩机装置(140)以可转动地驱动压缩机装置(140)。
文档编号F01C1/344GK1532082SQ20041003001
公开日2004年9月29日 申请日期2004年3月17日 优先权日2003年3月25日
发明者岩波重树, 一, 麻弘知, 司, 宇野庆一, 秀, 铃木康, 久永滋, 资, 稻叶淳, 坂矿一, 山中隆, 山中康司, 内田和秀, 堀田忠资 申请人:株式会社电装