专利名称：废热再生系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种废热再生系统，更具体的涉及一种利用朗肯循环(Rankine cycle)的废热再生系统。
背景技术：
已经开发了利用朗肯循环将由车辆发动机产生的废热转变成动力的废热再生系 统。一般地，朗肯循环具有朗肯循环回路，朗肯循环回路包括用于泵送液体制冷剂的泵、用 于通过与由车辆发动机产生的废热进行热交换来蒸发液体制冷剂的蒸发器、用于膨胀气体 制冷剂由此产生动力的膨胀装置和用于冷凝气体制冷剂的冷凝器。日本专利申请公开No. 2007-85195中公开了一种具有冷却水蒸发器和废气蒸发 器的废热再生系统。参照本公开的图1，废热再生系统包括具有第一热交换器15和第二热 交换器3的朗肯循环回路17，第一热交换器15作为用于通过与由散热器的冷却水进行热交 换来加热制冷剂的冷却水蒸发器，第二热交换器3作为用于通过与由车辆发动机1放出的 废气进行热交换来加热制冷剂的废气蒸发器。在朗肯循环回路17中，由制冷剂泵4排出的 制冷剂吸收第一和第二热交换器15、3中的热量，然后由膨胀装置5膨胀由此产生动力，制 冷剂由冷却器(冷凝器)6冷凝由此释放热量。在传统朗肯循环回路中，将驱动力转变成电力的电动发电机与膨胀装置的输出轴 连接，膨胀装置的输出轴的转速由控制装置控制以产生电力。在这种结构的废热再生系统 中，当断开车辆的起动-停止开关以停止车辆发动机时，朗肯循环回路也停止运行。如果为 了防止转速增大超过容许值而对电动发电机的转速进行的控制在朗肯循环停止的同时突 然停止，由于在膨胀装置的上游侧和下游侧之间保持有压差，因此，电动发电机的转速可能 增大而超过容许值，由此引起车辆噪音振动(NV)的加重以及对电动发电机的损坏和破坏。本发明旨在提供一种包括朗肯循环回路的废热再生系统，该朗肯循环回路具有连 接到电动发电机上用于控制电动发电机的转速的膨胀装置，由此在断开起动-停止开关以 停止车辆发动机时防止电动发电机的转速增大而超过容许值。
发明内容
根据本发明，用于车辆的废热再生系统具有由起动-停止开关启动的车辆发动 机。该废热再生系统包括朗肯循环回路、电动发电机、旁通回路和控制装置。朗肯循环回路 包括用于泵送热介质的泵、通过与由车辆发动机产生的废热进行热交换来加热热介质的蒸 发器、用于膨胀热介质以产生运动动力的膨胀装置和用于冷凝热介质的冷凝器。电动发电 机将运动动力转换成电力。旁通回路在冷凝器的上游侧和下游侧处与朗肯循环回路连接， 以便使热介质流过或不流过旁通回路。控制装置控制电动发电机的转速和废热再生系统的 运行。当断开车辆发动机的起动-停止开关时，控制装置控制旁通回路以使热介质流过旁 通回路，并保持控制电动发电机的转速，直到膨胀装置的上游与下游之间的压差减小到预 定水平，然后停止控制。
通过结合附图以例举方式说明本发明原理的下述说明，将更清晰地理解本发明的 其它方面和优势。
通过参考当前优选实施例的以下说明以及附图可以更好地理解本发明及其目的 和优势，其中图1是示出根据本发明的第一优选实施例的废热再生系统的结构的例示示意图；图2是示出根据本发明的第二优选实施例的废热再生系统的结构的例示示意图；图3是示出根据本发明的第三优选实施例的废热再生系统的结构的例示示意图； 以及图4是示出根据本发明的第四优选实施例的废热再生系统的结构的例示示意图。
具体实施例方式以下参照图1说明根据本发明的第一优选实施例的废热再生系统100。参照图1， 废热再生系统100具有朗肯循环回路110、散热器130、车辆发动机140和控制装置150。朗 肯循环回路110包括具有驱动轴IllA的齿轮泵111、冷却水蒸发器112、废气蒸发器113、具 有输出轴114A的膨胀装置114和制冷剂循环通过的冷凝器115。制冷剂用作热介质。具体 地，齿轮泵111绝热地压缩液体制冷剂并排出已压缩的液体制冷剂。冷却水蒸发器112通 过与散热器130的冷却水进行热交换来以恒定压力加热液体制冷剂。废气蒸发器113通过 与由车辆发动机140排出的废气进行热交换来以恒定压力加热液体制冷剂。因此，冷却水 蒸发器112和废气蒸发器113以恒定压力加热制冷剂以蒸发液体制冷剂。膨胀装置114绝 热地膨胀已蒸发的制冷剂或气体制冷剂，由此产生动力。气体制冷剂由冷凝器115以恒定 压力冷凝。在以下说明中，朗肯循环回路110中位于齿轮泵111下游并且位于膨胀装置114 上游的区域以下称为“高压区域”，位于膨胀装置114下游并且位于齿轮泵111上游的区域 称为“低压区域”。当气体制冷剂由膨胀装置114膨胀时产生的动力旋转膨胀装置114的输出轴 114A，输出轴114A通过电动发电机116连接到齿轮泵111的驱动轴IllA上。电动发电机 116将旋转动力转换成电力并电连接到控制装置150。控制装置150控制废热再生系统100 的运行。具体地，控制装置150控制电动发电机116的转速，以便防止电动发电机116的转 速增大而超过容许值。控制装置150还控制使得膨胀装置114的进口的温度变为预定值。 控制装置150中结合有用于计时的内置计时器。旁通通路117与朗肯循环回路110连接，用作旁通回路。旁通通路117的一端与 冷凝器115的上游侧连接，旁通通路117的另一端与冷凝器115的下游侧连接。如此调整 以使旁通通路117的压力损失充分地小于冷凝器115的压力损失。换句话说，旁通通路117 在冷凝器115的上游侧和下游侧与朗肯循环回路110连接，以便使制冷剂流过或不流过旁 通通路117，流经旁通通路117的制冷剂的压力损失小于流经冷凝器115的制冷剂的压力损 失。阀118布置在旁通通路117上并电连接至控制装置150。控制装置150控制阀118的 运行，由此打开或关闭旁通通路117。以下说明根据本发明的第一优选实施例的废热再生系统100的运行。
当车辆的车辆发动机140运转并控制电动发电机116的转速时，关闭阀118，因此 关闭旁通通路117。这种情况下，从齿轮泵111排出的制冷剂在流经冷却水蒸发器112和废 气蒸发器113时蒸发成高温气体制冷剂。然后，气体制冷剂由膨胀装置114膨胀以产生动 力，气体制冷剂并由冷凝器115冷凝成液体制冷剂。液体制冷剂被引回到齿轮泵111内。如果操作者断开车辆发动机140的起动-停止开关，则控制装置150控制阀118 打开，旁通通路117打开。同时，控制装置150的内置计时器开始计时，控制装置150等待 直到经过预定时间T (随后说明)。预定时间T是直到到达控制装置150停止控制电动发电 机116的转速之后电动发电机116的转速不超过容许值的状态所经过的时间的长度。在这段时间期间，从齿轮泵111排出的制冷剂在流经冷却水蒸发器112和废气蒸 发器113时蒸发，然后由膨胀装置114膨胀。由于那时打开旁通通路117，旁通通路117的 压力损失调整为充分地小于冷凝器115的压力损失，如前所述，来自膨胀装置114的气体制 冷剂不流入冷凝器115，而流经旁通通路117并回到齿轮泵111。齿轮泵111的吸入容量小 于膨胀装置114的吸入容量，因此，两个进口之间存在容量差。由于该吸入容量差，朗肯循 环回路110的低压区域的压力逐渐增大，因此，膨胀装置114的上游存在的压力Pl与膨胀 装置114的下游存在的压力P2之间的压差ΔΡ(ΔΡ = Ρ1-Ρ2)逐渐减小到接近于零。上述压差Δ P减小到预定水平δ P (大约0. 2MPa)所需的时间长度预先通过实验 得出，并预先将这些时间数据存储在控制装置150的存储器内，在所述预定水平δΡ，电动 发电机116的转速在停止控制电动发电机116的转速之后不会超过容许水平。在经过时间 T之后，控制装置150停止控制电动发电机116的转速。换句话说，控制装置150预先存储 压差减小到预定水平所需的时间长度，控制装置150在所述时间长度内保持控制电动发电 机116的转速。因此，防止电动发电机116的转速增大而超过容许值。如上所述，根据本发明的第一优选实施例的废热再生系统100具有用于在冷凝器 115的上游侧与下游侧之间连通的旁通通路117。当断开车辆发动机140的起动-停止开 关时，旁通通路117打开，且仅在膨胀装置114的上游侧与下游侧之间的压差ΔΡ变成预定 值水平δ P以下之后停止控制电动发电机116的转速。换句话说，当断开车辆发动机140 的起动-停止开关时，控制装置150控制旁通回路117以使热介质流过旁通回路117，并保 持控制电动发电机116的转速，直到膨胀装置114的上游与下游之间的压差减小到预定水 平，然后停止控制。因此，当断开车辆发动机140的起动-停止开关时，防止电动发电机116 的转速增大而超过容许值。根据膨胀装置114和齿轮泵111，由于膨胀装置114与齿轮泵111之间的吸入容量 差，所以压差Δ P不会减小到接近于零，而接近于值δΡ’。这种情况下，如果值δΡ'在预 定值水平S P之下，则防止电动发电机116的转速增大而超过容许值。以下将参照图2说明根据本发明的第二优选实施例的废热再生系统200。在根据本发明的第二优选实施例的废热再生系统200中，连接用于齿轮泵111的 下游侧与膨胀装置114的下游侧之间的连通的旁通通路220取代根据本发明的第一优选实 施例的连接用于冷凝器115的上游侧与下游侧之间的连通的旁通通路117，因此，朗肯循环 回路210的高压区域与低压区域相互连通。换句话说，旁通通路220在齿轮泵111的下游 侧和膨胀装置114的下游侧与朗肯循环回路210连接，朗肯循环回路210中的高压区域与 低压区域之间是可连通的，旁通通路220用作旁通回路。
当断开车辆发动机140的起动-停止开关时，控制装置250控制旁通通路220上 的阀221打开，因此旁通通路220打开，朗肯循环回路210的高压区域和低压区域相互连 通。然后，从齿轮泵111排出的高压液体制冷剂流过旁通通路220，并入膨胀装置114的下 游侧的低压气体制冷剂内。换句话说，当断开车辆发动机140的起动-停止开关时，控制装 置250控制旁通回路220使制冷剂流过旁通回路220。然后，低压制冷剂的一部分通过高压 液体制冷剂蒸发，因此高压区域和低压区域的压力瞬间平衡。因此，膨胀装置114的上游侧 与下游侧之间的压差ΔΡ迅速变为零。因此，控制装置250可在打开旁通通路220的同时 控制电动发电机116的转速停止。如上所述，根据本发明的第二优选实施例的废热再生系统200具有用于在齿轮泵 111的下游侧与膨胀装置114的下游侧之间连通的旁通通路220，因此朗肯循环回路210的 高压区域和低压区域相互连通。因此，防止电动发电机116的转速增大而超过容许值。可 在打开旁通通路220的同时停止控制电动发电机116的转速，。以下将参照图3说明根据本发明的第三优选实施例的废热再生系统300。在根据本发明的第三优选实施例的废热再生系统300中，连接旁通通路322用于 在齿轮泵111的上游侧与膨胀装置114的上游侧之间连通，替代本发明的第二优选实施例 的旁通通路220，因此，朗肯循环回路310的高压区域和低压区域相互连通。换句话说，旁通 通路322在齿轮泵111的上游侧和膨胀装置114的上游侧与朗肯循环回路310连接，在朗 肯循环回路310中的高压区域与低压区域之间是可连通的，旁通通路322用作旁通回路。当断开车辆发动机140的起动-停止开关时，控制装置350控制旁通通路322上的 阀323打开，因此旁通通路322打开，朗肯循环回路310的高压区域和低压区域相互连通。 换句话说，当断开车辆发动机140的起动-停止开关时，控制装置350控制旁通通路322使 制冷剂流过旁通通路322。然后，膨胀装置114的上游侧的高压气体制冷剂流过旁通通路 322，并入齿轮泵111的上游侧的低压液体制冷剂内。然后，高压气体制冷剂的一部分通过 低压液体制冷剂冷凝，因此高压区域和低压区域的压力瞬间平衡。因此，膨胀装置114的上 游侧与下游侧之间的压差Δ P迅速变为零。因此，控制装置350可在打开旁通通路322的 同时控制电动发电机116的转速停止。如上所述，根据本发明的第三优选实施例的废热再生系统300具有用于在齿轮泵 111的上游侧与膨胀装置114的上游侧之间连通的旁通通路322，因此朗肯循环回路310的 高压区域和低压区域相互连通。因此，防止电动发电机116的转速增大而超过容许值。可 在打开旁通通路322的同时停止控制电动发电机116的转速。以下将参照图4说明根据本发明的第四优选实施例的废热再生系统400。在根据本发明的第四优选实施例的废热再生系统400中，形成旁通通路似4用于 在齿轮泵111的下游侧与齿轮泵111的上游侧之间连通，替代本发明的第二优选实施例的 旁通通路220，因此，朗肯循环回路410的高压区域和低压区域相互连通。换句话说，旁通通 路似4在齿轮泵111的上游侧和齿轮泵111的下游侧与朗肯循环回路410连接，在朗肯循 环回路410中的高压区域与低压区域之间是可连通的，旁通通路4Μ用作旁通回路。当断开车辆发动机140的起动-停止开关时，控制装置450可控制旁通通路424 上的阀425打开，因此旁通通路似4打开，朗肯循环回路410的高压区域和低压区域相互连 通。换句话说，当断开车辆发动机140的起动-停止开关时，控制装置450控制旁通通路424使制冷剂流过旁通通路424。然后，从齿轮泵111排出的高压气体制冷剂流经旁通通路 424，并入齿轮泵111的上游侧的低压液体制冷剂中，因此，朗肯循环回路410的高压区域和 低压区域的压力瞬间平衡。因此，膨胀装置114的上游侧与下游侧之间的压差ΔΡ迅速变 为零。因此，控制装置450可在打开旁通通路424的同时控制电动发电机116的转速停止。如上所述，根据本发明的第四优选实施例的废热再生系统400具有用于在齿轮泵 111的下游侧与齿轮泵111的上游侧之间连通的旁通通路424，因此，朗肯循环回路410的 高压区域和低压区域相互连通。因此，防止电动发电机116的转速增大而超过容许值。可 在打开旁通通路424的同时停止控制电动发电机116的转速。本发明可以以多种方式实施。比如，在本发明的第一优选实施例中，膨胀装置114 的上游侧和下游侧可设置压力传感器，用于检测膨胀装置114的上游侧的压力Pl和膨胀装 置114的下游侧的压力P2，以计算压差ΔΡ(ΔΡ = Ρ1-Ρ2)，基于压差ΔΡ可确定压差ΔΡ 是否变成在预定值水平SP以下。根据本发明的第二至第四优选实施例，旁通通路220、322、似4分别形成在齿轮泵 111的下游侧与膨胀装置114的下游侧之间、齿轮泵111的上游侧与膨胀装置114的上游侧 之间以及齿轮泵111的下游侧与上游侧之间，用于在朗肯循环回路的高压区域与低压区域 之间连通。可选择地，可形成任意旁通通路，以便通过这种旁通通路相互连通高压区域和低 压区域。
权利要求
1.一种废热再生系统(100)，用于具有由起动-停止开关启动的车辆发动机(140)的 车辆，所述废热再生系统(100)包括朗肯循环回路(110)，包括 用于泵送热介质的泵(111)；蒸发器(113)，所述蒸发器(11 通过与由所述车辆发动机(140)产生的废热进行热交 换来加热所述热介质；用于膨胀所述热介质以产生运动动力的膨胀装置(114)；和 用于冷凝所述热介质的冷凝器(115)；以及 将所述运动动力转换成电力的电动发电机(116)，其特征在于，所述废热再生系统(100)具有旁通回路(117、118)和控制装置(150)，所 述旁通回路(117、118)在所述冷凝器(11 的上游侧和下游侧处连接到所述朗肯循环回路 (110)上以使所述热介质流过或不流过所述旁通回路(117、118)，所述控制装置(150)控制 所述电动发电机(116)的转速和所述废热再生系统(100、200、300、400)的运行，当断开所述车辆发动机(140)的起动-停止开关时，所述控制装置(150)控制所述旁 通回路(117、118)以使所述热介质流过旁通回路(117、118)，并保持控制所述电动发电机 (116)的转速，直到所述膨胀装置(114)的上游与下游之间的压差减小到预定水平，然后停 止所述控制。
2.根据权利要求1所述的废热再生系统(100)，其特征在于，所述旁通回路包括阀 (118)，所述控制装置(150)控制所述阀(118)打开以使所述热介质流过所述旁通回路 (117,118)。
3.根据权利要求1所述的废热再生系统(100)，其特征在于，流过所述旁通回路(117) 的所述热介质的压力损失小于流过所述冷凝器(11 的所述热介质的压力损失。
4.根据权利要求1所述的废热再生系统(100)，其特征在于，所述泵(111)的吸入容量 小于所述膨胀装置(114)的吸入容量。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的废热再生系统(100)，其特征在于，所述控制装 置(150)预先存储所述压差减小到所述预定水平所需的时间长度，所述控制装置(150)在 所述时间长度内保持控制所述电动发电机(116)的转速。
6.一种废热再生系统O00、300、400)，用于具有由起动-停止开关启动的车辆发动机 (140)的车辆，所述废热再生系统(200、300、400)包括朗肯循环回路(210、310、410)，包括: 用于泵送热介质的泵(111)；蒸发器(113)，所述蒸发器(11 通过与由所述车辆发动机(140)产生的废热进行交换 来加热所述热介质；用于膨胀所述热介质以产生运动动力的膨胀装置(114)；和 用于冷凝所述热介质的冷凝器(11 ；以及 将所述运动动力转换成电力的电动发电机(116)，其特征在于，所述废热再生系统(200、300、400)具有旁通回路(220、322、424)和控制 装置(250、；350、450)，所述旁通回路(220,322,424)连接到所述朗肯循环回路(210,310, 410)上，并且在位于所述朗肯循环回路O20、322、4M)中的在所述泵(111)的下游且在所述膨胀装置(114)的上游的区域与在所述膨胀装置(114)的下游且在所述泵(111)的上游 的区域之间能够连通，所述控制装置(250、350、450)控制所述电动发电机(116)的转速和 所述废热再生系统000、300、400)的运行，当断开所述车辆发动机(140)的起动-停止开关时，所述控制装置(250、350、450)控 制所述旁通回路O20、322、4M)以使所述热介质流过所述旁通回路O20、322、4M)。
7.根据权利要求6所述的废热再生系统O00、300、400)，其特征在于，所述旁通回路 (220,322,424)包括阀(221、323、425)，所述控制装置(250,350,450)控制所述阀(221、 323,425)打开以使所述热介质流过所述旁通回路020、322、似4)。
8.根据权利要求6或7所述的废热再生系统000)，其特征在于，所述旁通回路(220) 在所述泵(111)的下游侧和所述膨胀装置(114)的下游侧处连接到所述朗肯循环回路 (210)上。
9.根据权利要求6或7所述的废热再生系统(300)，其特征在于，所述旁通回路(322) 在所述泵(111)的上游侧和所述膨胀装置(114)的上游侧处连接到所述朗肯循环回路 (310)上。
10.根据权利要求6或7所述的废热再生系统000)，其特征在于，所述旁通回路(424) 在所述泵(111)的上游侧和所述泵(111)的下游侧处连接到所述朗肯循环回路G10)上。
全文摘要
一种用于具有由起动-停止开关启动的车辆发动机的车辆的废热再生系统，包括朗肯循环回路、电动发电机、旁通回路和控制装置。朗肯循环回路包括泵、与由车辆发动机产生的废热进行热交换来加热热介质的蒸发器、膨胀装置和冷凝器。旁通回路在冷凝器的上游侧和下游侧与朗肯循环回路连接，能够打开和关闭热介质在旁通回路中的流通。当断开车辆发动机的起动-停止开关时，控制装置控制旁通回路以使热介质流过旁通回路，并保持控制电动发电机的转速，直到膨胀装置的上游与下游之间的压差减小到预定水平，然后停止控制。
文档编号F01D15/10GK102042120SQ20101051307
公开日2011年5月4日 申请日期2010年10月12日 优先权日2009年10月15日
发明者井口雅夫, 川口真广, 森英文, 榎岛史修 申请人:株式会社丰田自动织机