专利名称：内燃机的废热利用装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种内燃机的废热利用装置，详细而言，涉及在车辆内装设的理想的 内燃机的废热利用装置。
背景技术：
这种内燃机的废热利用装置例如装设在车辆内，包括朗肯循环(RC回路)，该朗 肯循环通过对车辆的发动机冷却的冷却水来对废热进行回收；以及空调循环(AC回路)，该 空调循环进行车室内的空气调节。RC回路具有膨胀器，该膨胀器使被所回收的废热加热的蒸发制冷剂膨胀来产生 驱动力；以及朗肯循环冷凝器(RC冷凝器)，该朗肯循环冷凝器通过外部气体使流过上述膨 胀器的制冷剂冷凝。另一方面，AC回路具有压缩机，该压缩机通过外部动力对被车室内的空气加热 的蒸发制冷剂进行压缩；以及空调循环冷凝器(AC冷凝器)，该空调循环冷凝器利用外部气 体使流过上述压缩机的制冷剂冷凝。此外，公开了如下技术设置一个RC冷凝器和AC冷凝器的共用冷凝器，将该共用 冷凝器选择使用以作为RC冷凝器或AC冷凝器(例如，参照日本专利特开昭63-96449号公 报)。然而，由于这种冷凝器一般重叠设置在受到来自车辆前方的行驶风来对发动机冷 却的散热器前侧，因此散热器前方的通风阻力增大从而使朝散热器的通风量减少，存在使 散热器的热交换性能变差的问题。在上述现有技术中，虽然能通过将RC冷凝器和AC冷凝器这两个冷凝器作为一个 共用冷凝器来减小散热器前方的通风阻力，但是无法在AC回路和RC回路中同时使用共用 冷凝器，在空调运转时无法使废热利用装置运转，因此在提高废热利用装置的能量回收效 率上仍然存在着技术问题。
发明内容
本发明为解决上述技术问题发明而成，其目的在于提供一种能大幅提高废热利用 装置的能量回收效率的内燃机的废热利用装置。为实现上述目的，本发明的内燃机的废热利用装置包括冷却水回路，该冷却水回 路具有利用外部气体的通风使被内燃机的废热加热的冷却水冷却的散热器；朗肯循环，该 朗肯循环具有膨胀器和第一冷凝器，其中，上述膨胀器使被冷却水加热的制冷剂膨胀来产 生驱动力，上述第一冷凝器使流过上述膨胀器的制冷剂冷凝；以及制冷循环，该制冷循环具 有压缩机和第二冷凝器，其中，上述压缩机对被热源加热的制冷剂进行压缩，上述第二冷凝 器使流过上述压缩机的制冷剂冷凝，其特征在于，第一冷凝器和第二冷凝器是水冷热交换 器，内燃机的废热利用装置还包括水回路，该水回路具有利用外部气体的通风使流过第一 冷凝器和第二冷凝器的水冷却的空气冷热交换器；以及热交换单元，该热交换单元由空气冷热交换器和散热器构成。根据上述内燃机的废热利用装置，由于通过一个空气冷热交换器就能用第一冷凝 器和第二冷凝器使朗肯循环、制冷循环各自的制冷剂同时冷凝，因此不仅能减小热交换单 元的通风阻力，还能提高废热利用装置的能量回收效率。较为理想的是，在上述内燃机的废热利用装置中，水回路中第一冷凝器和第二冷 凝器分别与空气冷热交换器并联连接，并且该水回路具有流量分配元件，上述流量分配元 件根据在朗肯循环和制冷循环中所要求的制冷剂的冷凝能力对流入第一冷凝器和第二冷 凝器的水进行分配。根据这种结构，由于能根据需要对第一冷凝器和第二冷凝器赋予所需的冷凝能 力，因此能进一步提高第一冷凝器和第二冷凝器中的制冷剂的冷凝性能，进而能进一步提 高废热利用装置的能量回收效率。较为理想的是，在上述内燃机的废热利用装置中，水回路中，第一冷凝器和第二冷 凝器与空气冷热交换器从水的流动方向观察按第二冷凝器、第一冷凝器的顺序串联连接。根据这种结构，由于在水回路中循环的水按第二冷凝器、第一冷凝器的顺序流入 来阶段性地进行热交换，因此不仅能提高制冷循环的效率，还能提高废热利用装置的能量 回收效率。较为理想的是，在上述内燃机的废热利用装置中，第一冷凝器和第二冷凝器是一 体形成的。根据这种结构，不仅能实现第一冷凝器、第二冷凝器的小型化以及废热利用装置 的空间保证，还能提高废热利用装置的能量回收效率。较为理想的是，在上述内燃机的废热利用装置中，热交换单元通过在外部气体的 通风方向依次重叠空气冷热交换器、散热器而成。此外，热交换单元通过将空气冷热交换器 和散热器在与外部气体的通风方向大致垂直的方向一体连接而成。根据这些结构，与将第一冷凝器和第二冷凝器配置在散热器前方的结构相比，不 仅能减小热交换单元的通风阻力，还能提高废热利用装置的能量回收效率。较为理想的是，在上述内燃机的废热利用装置中，热交换单元具有对空气冷热交 换器和散热器中的外部气体的通风量分别独立地进行控制的送风机。根据这种结构，由于能实现与空气冷热交换器和散热器各自的热负荷相应的送风 量控制，因此不仅能防止送风机动力的浪费，还能提高废热利用装置的能量回收效率。较为理想的是，在上述内燃机的废热利用装置中，热交换单元包括空气冷热交换 器和散热器中的分别独立地进行热交换的热交换部；以及共用热交换部，该共用热交换部 用作上述各热交换部中的任意一方。根据这种结构，由于能根据各热交换部的热负荷使散热器和空气冷热交换器的传 热面积增减，因此能进一步提高散热器和空气冷热交换器中的水的冷却性能、第一冷凝器 和第二冷凝器中的制冷剂的冷凝性能，进而能进一步提高废热利用装置的能量回收效率。较为理想的是，在上述内燃机的废热利用装置中，热交换单元包括流路切换元件， 该流路切换元件为了将共用热交换器用作各热交换部的任意一方而对水的流路进行切换。根据这种结构，由于能根据各热交换部的热负荷使散热器和空气冷热交换器的传 热面积进一步流畅地增减，因此能进一步提高散热器和空气冷热交换器中的水的冷却性能、第一冷凝器和第二冷凝器中的制冷剂的冷凝性能，进而能进一步提高废热利用装置的 能量回收效率。较为理想的是，在上述内燃机的废热利用装置中，热交换单元包括多个共用热交 换部。根据这种结构，由于能增大散热器和空气冷热交换器的传热面积增减幅度，因此 能更进一步提高散热器和空气冷热交换器中的水的冷却性能、第一冷凝器和第二冷凝器中 的制冷剂的冷凝性能，进而能更进一步提高废热利用装置的能量回收效率。
图1是简略地表示本发明第一实施方式的内燃机的废热利用装置的示意图。图2是只简略地表示装设有图1的废热利用装置的车辆的前侧的纵剖图。图3是从上方只简略地表示图2的车辆的前侧的透视图。图4是从上方只简略地表示本发明第二实施方式的车辆的前侧的透视图。图5是表示图4的散热器和空气冷热交换器各自的热交换部的示意图。图6是从上方只简略地表示将图5的共用热交换部用作空气冷热交换器的热交换 部时的车辆的前侧的透视图。图7是从上方只简略地表示增大图5的共用热交换部、或形成多个图5的共用热 交换部来用作空气冷热交换器的热交换部时的车辆的前侧的透视图。图8是只简略地表示本发明变形例的内燃机的废热利用装置中的水回路的示意 图。图9是简略地表示图8的AC冷凝器和RC冷凝器的一体型冷凝器的示意图。
具体实施例方式以下，利用附图首先从第一实施方式开始对本发明一实施方式进行说明。图1是简略地表示本实施方式的内燃机的废热利用装置的结构的示意图。废热利 用装置装设在车辆内，包括冷却水回路4，该冷却水回路4对车辆的发动机2冷却；朗肯循 环回路(朗肯循环)6 (以下称为RC回路)，该RC回路6对发动机2的废热进行回收；以及 空调循环回路(制冷循环)8 (以下称为AC回路)，该AC回路8进行车辆的未图示的车室内 的空气调节。冷却水回路4在从发动机2延设的冷却水的循环路5中从冷却水的流动方向依次 连接有蒸发器10、散热器12、恒温箱14、水泵16来构成封闭回路。通过将冷却水回路4的冷却水与RC回路6的制冷剂进行热交换，蒸发器10将被 发动机2加热的冷却水即温水作为热介质而在RC回路6侧吸收发动机2的废热来加以回 收。另一方面，经过蒸发器10而被制冷剂吸热后的冷却水通过对发动机2冷却被再次加热 成为温水。散热器12与蒸发器10串联配置，利用与外部气体的热交换来对通过蒸发器10而 被制冷剂吸热后的冷却水进一步冷却。恒温箱14是根据冷却水温度对向散热器12供水的冷却水量进行控制的机械式三 通阀，具有两个入口端口和一个出口端口。在两个入口端口上分别连接有流路5a和旁路
65c，其中，上述流路5a从散热器12延设，上述旁路5c是从蒸发器10与散热器12之间的流 路5b绕过散热器12来连接的，藉此，能根据冷却水温度来增减向散热器12供水的冷却水 量从而防止发动机2的过热或过冷却。水泵16安装于发动机2上，根据发动机2的转速来驱动从而使冷却水在冷却水回 路4中理想地循环。另一方面，RC回路6在制冷剂的循环路7中从制冷剂的流动方向依次连接有蒸发 器10、加热器18、膨胀器20、再生器22、朗肯循环冷凝器(第一冷凝器)24 (以下称为RC冷 凝器)、气液分离器26、制冷剂泵28来构成封闭回路。加热器18是利用在排气管19中流动的发动机4的排气对制冷剂进行加热的排气 热交换器，对被蒸发器10加热后的制冷剂进一步加热。膨胀器20是使被蒸发器10加热而成为过热蒸汽的状态的制冷剂膨胀从而产生旋 转驱动力的流体设备，在膨胀器20上机械连结有发电机30，该发电机30对所产生的旋转驱 动力进行电力变换，从而可在废热利用装置外部得以利用。再生器22是利用膨胀器20出口的制冷剂对蒸发器10入口的制冷剂进行加热的 RC回路6的内部热交换器，通过将膨胀器20出口侧的热量积极地供给至蒸发器10入口侧， 从而使RC回路6中的回收能量增大。RC冷凝器24是使经由再生器22的制冷剂冷凝液化的热交换器。气液分离器26是将被RC冷凝器24冷凝的制冷剂分离成气体液体两层的储罐，只 使在此被分离的液体制冷剂流出至制冷剂泵28侧。制冷剂泵28是根据输入至其驱动部的信号来进行驱动的电动泵，从气液分离器 26流出的液体制冷剂通过制冷剂泵28压力传送至蒸发器10侧而在RC回路6中理想地循 环。另一方面，AC回路8在制冷剂的循环路9中从制冷剂的流动方向依次连接有空调 循环蒸发器32、压缩机34、空调循环冷凝器(第二冷凝器)36 (以下称为AC冷凝器)、气液 分离器38、膨胀阀40来构成封闭回路。空调循环蒸发器32是使车辆的车室内的空气与在AC回路8中循环的制冷剂进行 热交换的热交换器，通过将车室内的空气作为热源来使制冷剂蒸发，藉此在AC回路8侧对 车室内的空气的热进行回收，并将车室内调整至所希望的空调温度。压缩机34被与之机械连结的动力源42驱动，将用蒸发器32蒸发的制冷剂压缩从 而成为过热蒸汽的状态。AC冷凝器36是将从压缩机34排出的制冷剂冷凝液化的热交换器，被AC冷凝器 36冷凝的液体制冷剂经过气液分离器38送出至膨胀阀40，并在经过膨胀阀40膨胀之后朝 向蒸发器32送出。在此，在本实施方式中，RC冷凝器24和AC冷凝器36的热交换方式是水冷式的， 废热利用装置还包括在上述回路4、6、8之外连接有各冷凝器24、36的水回路44。水回路44连接有空气冷热交换器46，该空气冷热交换器46利用外部气体对在各 冷凝器24、36中使制冷剂冷凝液化的水进行冷却。各冷凝器24、36在水的循环路45中与空气冷热交换器46并联连接来构成水回路 44，在从空气冷热交换器46向各冷凝器24、36的分岔部位上设有可线性驱动的三通阀(流量分配元件)48，此外，在空气冷热交换器46的水入口安装有水泵50。此外，各冷凝器24、36以流入各冷凝器24、36的水的流动与制冷剂的流动成为相 对流的形态构成。另外，虽未图示，但也可以将各冷凝器24、36—体形成。图2中只简略地表示了装设有废热利用装置的车辆52的前方52a侧的纵剖图。车 辆52的发动机罩52b的下部装设有发动机2，在发动机2的前方52a侧，从前方52a侧开始 依次沿车辆52的前后方向重叠配置空气冷热交换器46、散热器12来构成热交换单元53。热交换单元53伴随着车辆52的行驶有行驶风54穿过，并在水回路44中循环的 水与在冷却水回路4中循环的冷却水之间进行热交换。若参照从上方观察图3所示的车辆52的前方52a侧的透视图，则在散热器12的 背面侧配置有空气冷热交换器46和散热器12的共用的风扇(送风机)56a、56b，风扇56a、 56b对行驶风54流过空气冷热交换器46和散热器12的通风量进行控制。这样构成的废热利用装置根据在各回路6、8中所要求的制冷剂的冷凝能力来驱 动三通阀48从而对流入各冷凝器24、36的水进行分配，以此进行流量分配控制。具体而言，三通阀48的驱动部与对车辆52和废热利用装置进行控制的未图示的 电子控制器单元(EOT)电连接，E⑶在例如冬季选择不使用AC回路8的情况下，通过将三 通阀48切换至RC冷凝器24侧，从而使在水回路44中循环的水全部流入RC冷凝器24。另一方面，为了应对夏季AC冷凝器36的热负荷增大，E⑶在选择不进行RC回路6 中来自发动机2的废热回收的情况下，通过将三通阀48切换至AC冷凝器36侧，从而使在 水回路44中循环的水全部流入AC冷凝器36。而且，当发电机30的发电量超过要求发电量而过大的情况下，E⑶为了使流入RC 冷凝器24的水减少，驱动三通阀48在AC冷凝器36侧打开。这样，E⑶根据车辆52和废热利用装置的动作状况来进行水在各冷凝器24、36中 的流量分配控制。如上所述，在本实施方式中，通过提高各冷凝器24、36中制冷剂的冷凝性能，从而 能提高废热利用装置的能量回收效率。具体而言，由于通过一个空气冷热交换器46就能用各冷凝器24、36使各回路6、 8各自的制冷剂同时冷凝，因此不仅能减小热交换单元53的通风阻力，还能提高各冷凝器 24,36中制冷剂的冷凝性能。此外，由于E⑶通过进行水在各冷凝器24、36中的流量分配控制，藉此能对各冷凝 器24、36根据需要赋予所需的冷凝性能，因此能进一步提高各冷凝器24、36中制冷剂的冷 凝性能。而且，由于通过使流入各冷凝器24、36的水的流动与制冷剂的流动为相对流，藉 此提高各冷凝器24、36中的热交换效率，因此能更进一步提高各冷凝器24、36中制冷剂的 冷凝性能。而且，由于能同时独立地使用各冷凝器24、36还能减小散热器12的通风阻力，因 此能可靠地防止发动机2过热。此外，若将各冷凝器24、36—体形成，则能促就这些冷凝器24、36的小型化，进而 还能实现废热利用装置的空间保证。接着，对第二实施方式进行说明。
该第二实施方式构成为将上述第一实施方式的空气冷热交换器46和散热器12在 车辆52的宽度方向上一体连接的热交换单元57，其他则制成与上述第一实施方式相同的 结构。图4表示了从上方观察本实施方式的车辆52的前方52a侧的透视图，散热器12形 成得比空气冷热交换器46大，分别配置于空气冷热交换器46和散热器12背面的风扇56a、 56b分别独立地控制转速。此外，图5是表示散热器12和空气冷热交换器46各自的热交换部12a、46a的示 意图，在各热交换部12a、46a中分别独立地进行水与外部气体的热交换。在此，热交换部12a的传热面积形成得比热交换部46a的传热面积大，在热交换 部12a与热交换部46a之间形成有可用作各交换部12a、46a中的任意一方的共用热交换部 58。共用热交换部58通过使从发动机2延伸的循环路5延长来与热交换部12a并联 连接，并且通过使从RC冷凝器24或AC冷凝器36延伸的循环路45延伸来与热交换部46a 并联连接。此外，在循环路5、45各自的延长路60、62中分别在共用热交换部58的前后连接 有开闭阀64a、64b、开闭阀66a、66b。在此，各开闭阀(流路切换元件)64a、64b、66a、66b与E⑶电连接，E⑶根据各热 交换部12a、46a的热负荷，通过一并驱动开闭阀64a、64b或开闭阀66a、66b打开、关闭来切 换延长路60、62中水的流路，从而进行使共用热交换部58用作热交换部12a、46a中的任意 一个的流路切换控制。具体而言，在图5的情况下，使开闭阀64a、64b—并关闭而使开闭阀66a、66b—并 打开，为了在散热器12的热负荷中留有余量，将共用热交换部58用作空气冷热交换器46 的热交换部46a，如图6所示，增大了空气冷热交换器46的传热面积从而提高了冷却能力。在此，在上述流路切换控制中，当在将共用热交换部58用作散热器12的热交换部 12a使用之后将共用热交换部58用作空气冷热交换器46的热交换器46a进行使用时，例 如，由于冷却了发动机2之后的冷却水为大约90°C左右，而用RC冷凝器24或AC冷凝器36 冷凝之后的水为大约40°C左右，因此，较为理想的是，将开闭阀64a、64b —并关闭，当经过 规定时间以使留在共用热交换部58中的冷却水的水温充分下降之后，将开闭阀66a、66b — 并打开来切换水的流路。而且，通过将共用热交换部58的传热面积形成得比图5所示的更大，或通过形成 多个共用热交换部58，如图7所示，能使散热器12和空气冷热交换器46的传热部的大小、 换言之能使各热交换部12a、46a的传热面积的大小根据这些热负荷进一步灵活地变化。这样，与上述第一实施方式一样，在第二实施方式中，也通过提高各冷凝器24、36 中制冷剂的冷凝性能，从而能提高废热利用装置的能量回收效率。尤其是在该第二实施方式中，能提高散热器12和空气冷热交换器46中水的冷却 性能，进而提高废热利用装置的能量回收效率。具体而言，由于能根据散热器12和空气冷热交换器46各自的热交换部12a、46a 的热负荷来使散热器12和空气冷热交换器46的传热面积增减，因此能提高散热器12和空 气冷热交换器46中水的冷却性能。
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而且，由于能将使发动机2冷却的冷却水在其温度降低之后用于空气冷热交换器 46的热交换部46a中水的冷却，因此能防止AC循环或RC循环的效率变差。而且，由于通过增大共用热交换部58或设置多个共用热交换部58，能增大散热器 12和空气冷热交换器46的传热面积的增减幅度，因此能更进一步提高散热器12和空气冷 热交换器46中水的冷却性能，因而较为理想。虽然结束了以上对本发明第一实施方式、第二实施方式的说明，但本发明不限定 于上述各实施方式，只要在不脱离本发明的思想的范围内能进行各种改变。例如，在上述各实施方式中，各冷凝器24、36与空气冷热交换器46并联连接，但不 限定于此，还可以如图8所示，将各冷凝器24、36对于空气冷热交换器从水的流动方向观察 按AC冷凝器36、RC冷凝器24的顺序串联连接。此时，不需要三通阀48，并且按AC冷凝器 36、RC冷凝器24的顺序流入在水回路44中循环的水来阶段性地进行热交换，不仅能优先 考虑车辆52中使用者的舒适性，还能减小热交换单元53的通风阻力，因而较为理想。此外，在上述各实施方式中，各冷凝器24、36作为分体的冷凝器进行了说明，但不 限定于此，还可以如图9所示形成一体型的冷凝器68，该冷凝器68使循环路45分岔、合流 从而形成由两个系统构成的水流路，并将各冷凝器24、36 —体形成，此时，能在车辆52中保 证有更大的空间，因而较为理想。
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权利要求
一种内燃机的废热利用装置，包括冷却水回路，该冷却水回路具有利用外部气体的通风使被内燃机的废热加热的冷却水冷却的散热器；朗肯循环，该朗肯循环具有膨胀器和第一冷凝器，所述膨胀器使被所述冷却水加热的制冷剂膨胀来产生驱动力，所述第一冷凝器使流过所述膨胀器的制冷剂冷凝；以及制冷循环，该制冷循环具有压缩机和第二冷凝器，所述压缩机对被热源加热的制冷剂进行压缩，所述第二冷凝器使流过所述压缩机的制冷剂冷凝，所述内燃机的废热利用装置的特征在于，所述第一冷凝器和所述第二冷凝器是水冷热交换器，所述内燃机的废热利用装置还包括水回路，该水回路具有利用外部气体的通风使流过所述第一冷凝器和所述第二冷凝器的水冷却的空气冷热交换器；以及热交换单元，该热交换单元由所述空气冷热交换器和所述散热器构成。
2.如权利要求1所述的内燃机的废热利用装置，其特征在于，在所述水回路中，所述第一冷凝器和所述第二冷凝器分别与空气冷热交换器并联连 接，并且所述水回路具有流量分配元件，所述流量分配元件根据在所述朗肯循环和所述制 冷循环中所要求的制冷剂的冷凝能力对流入所述第一冷凝器和所述第二冷凝器的水进行 分配。
3.如权利要求1所述的内燃机的废热利用装置，其特征在于，在所述水回路中，所述第一冷凝器和所述第二冷凝器对于所述空气冷热交换器从水的 流动方向观察按所述第二冷凝器、所述第一冷凝器的顺序串联连接。
4.如权利要求1至3中任一项所述的内燃机的废热利用装置，其特征在于， 所述第一冷凝器和所述第二冷凝器是一体形成的。
5.如权利要求1至4中任一项所述的内燃机的废热利用装置，其特征在于，所述热交换单元通过在外部气体的通风方向依次重叠所述空气冷热交换器和所述散 热器而成。
6.如权利要求1至4中任一项所述的内燃机的废热利用装置，其特征在于，所述热交换单元是通过将所述空气冷热交换器和所述散热器在与外部气体的通风方 向大致垂直的方向一体连接而构成的。
7.如权利要求6所述的内燃机的废热利用装置，其特征在于，所述热交换单元具有对所述空气冷热交换器和所述散热器中的外部气体的通风量分 别独立地进行控制的送风机。
8.如权利要求6或7所述的内燃机的废热利用装置，其特征在于， 所述热交换单元包括所述空气冷热交换器和所述散热器中的分别独立地进行热交换的热交换部；以及 共用热交换部，该共用热交换部用作所述各热交换部中的任意一方。
9.如权利要求8所述的内燃机的废热利用装置，其特征在于，所述热交换单元包括流路切换元件，该流路切换元件为了将所述共用热交换器用作所 述各热交换部的任意一方而对水的流路进行切换。
10.如权利要求8或9所述的内燃机的废热利用装置，其特征在于， 所述热交换单元包括多个所述共用热交换部。
全文摘要
一种内燃机(2)的废热利用装置，其包括冷却水回路(4)，该冷却水回路(4)具有利用外部气体的通风使冷却水冷却的散热器(12)；朗肯循环(6)，该朗肯循环(6)具有使制冷剂冷凝的第一冷凝器(24)；以及制冷循环(8)，该制冷循环(8)具有使制冷剂冷凝的第二冷凝器(36)，其特征在于，第一冷凝器(24)和第二冷凝器(36)是水冷热交换器，内燃机(2)的废热利用装置包括水回路(44)，该水回路(44)具有利用外部气体的通风使流过第一冷凝器(24)和第二冷凝器(36)的水冷却的空气冷热交换器(46)；以及热交换单元(53)，该热交换单元(53)由空气冷热交换器(46)和散热器(12)构成。
文档编号F01P3/18GK101918695SQ20098010318
公开日2010年12月15日 申请日期2009年1月19日 优先权日2008年1月21日
发明者德田正章, 粕谷润一郎, 荻原智, 齐藤智彦 申请人:三电有限公司