廢熱回收裝置的制作方法

專利名稱：廢熱回收裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種廢熱回收裝置，用于通過內燃機的廢熱使工作流體進行蒸發而驅 動膨脹器。
背景技術：
為了有效地利用內燃機的廢熱而在該內燃機中組合外燃機來進行復合循環，在發 電設備等中正在廣泛進行(參照專利文獻1以及2等)，近年來也正在車輛的內燃機等中進 行嘗試。專利文獻1 日本特開2004-257601號公報專利文獻2 日本特開昭63-147549號公報然而，能夠成為主要熱源的內燃機的廢氣的熱，還被利用為使后級的催化劑活化 的能量，當從廢氣中過剩地回收熱時，擔心催化劑不能有效地發揮功能。另外，在搭載于車 輛上的內燃機中，除了廢氣以外還具有各種溫度的熱源(內燃機的冷卻水或油等)，在簡單 的系統中，很難從這些熱源中充分地回收熱。另外，根據熱源的不同，有時過剩的熱回收還 會對內燃機的工作產生影響。

發明內容
因此，本發明的目的在于提供一種廢熱回收裝置，能夠從內燃機的各種熱源中效 率良好地回收廢熱。為了達到上述目的，本發明為一種廢熱回收裝置，用于通過內燃機的廢熱使工作 流體蒸發而驅動膨脹器，該廢熱回收裝置具有工作流體循環流路，使上述膨脹器的工作流 體進行循環；高溫側熱交換器，用于通過上述內燃機的廢氣等高溫流體對在上述工作流體 循環流路中流動的工作流體進行加熱；低溫側熱交換器組，將低溫側熱交換器互相并列地 配置而構成，該低溫側熱交換器用于通過上述內燃機的冷卻水或油等低溫流體的任意一種 對在上述工作流體循環流路中流動的工作流體進行加熱，針對每種上述低溫流體具有該低 溫側熱交換器；流量控制閥，對向該低溫側熱交換器組的各個低溫側熱交換器流動的工作 流體的流量進行控制；以及控制單元，控制該流量控制閥。此處，上述低溫側熱交換器組也可以配設在比上述高溫側熱交換器靠工作流體上 游側的上述工作流體循環流路上。另外，也可以具有第一旁通流路，從上述工作流體循環流路分支，對上述低溫側 熱交換器組進行旁通；和第一旁通閥，選擇性地切換到使上述工作流體向上述低溫側熱交 換器組流動的位置、以及使上述工作流體向上述第一旁通流路流動的位置。此處，也可以具有第二旁通流路，從上述工作流體循環流路分支，對上述高溫側 熱交換器進行旁通；和第二旁通閥，選擇性地切換到使上述工作流體向上述高溫側熱交換 器流動的位置、以及使上述工作流體向上述第二旁通流路流動的位置。此處，上述低溫側熱交換器組的各個低溫側熱交換器，也可以通過大致相同程度的溫度的流體對在上述工作流體循環流路中流動的工作流體進行加熱。發明的效果根據本發明可發揮如下出色的效果，能夠從內燃機的各種熱源中效率良好地回收 廢熱。


圖1是本發明的一個實施方式涉及的廢熱回收裝置的概略圖。圖2是表示閥控制的流程圖。圖3是表示附加了熱氣縮短功能的閥控制的流程圖。圖4是其他的實施方式涉及的廢熱回收裝置的概略圖。圖5是表示閥控制的流程圖。圖6是表示熱交換器的配置的一例的圖。圖7是表示熱交換器的配置的一例的圖。符號的說明10廢熱回收裝置11內燃機12高溫側熱交換器13a、13b低溫側熱交換器14膨脹器15工作流體循環流路16低溫側熱交換器組17流量控制閥18控制器(控制單元)24第一旁通流路25第一旁通閥30第二旁通流路31第二旁通閥
具體實施例方式以下，根據附圖對本發明的優選的實施方式進行詳細說明。如圖1所示那樣，本實施方式涉及的廢熱回收裝置10為，用于對搭載于車輛上的 內燃機(柴油機等)11的廢熱進行回收，具有通過在后述的高溫側熱交換器12以及低溫側 熱交換器13a、13b中產生的蒸汽來驅動的膨脹器14。通過膨脹器14使發電機(未圖示) 工作，由發電機發電的電力，在通過后述的控制器18驅動各種機器時被消耗、或被蓄電到 蓄電池中。另外，本實施方式涉及的廢熱回收裝置10具有工作流體循環流路15，使膨脹器 14的工作流體進行循環；高溫側熱交換器12，用于通過高溫流體對在工作流體循環流路 15中流動的工作流體進行加熱；低溫側熱交換器組16，將低溫側熱交換器13a、13b互相并 列地配置而構成，該低溫側熱交換器13a、13b用于通過低溫流體的任意一種對在工作流體循環流路15中流動的工作流體進行加熱，針對每種上述低溫流體具有該低溫側熱交換器 13a、13b ；流量控制閥17，對向低溫側熱交換器組16的各個低溫側熱交換器13a、13b流動 的工作流體的流量進行控制；以及控制單元(控制器)，控制流量控制閥17。在本實施方式中，低溫側熱交換器組16(低溫側熱交換器13a、13b)配設在比高溫 側熱交換器12靠工作流體上游側的工作流體循環流路15上。通過這樣配置低溫側熱交換 器13a、13b以及高溫側熱交換器12，通過由高溫流體對由低溫流體進行了加熱的工作流體 進一步進行加熱，能夠提高廢熱的回收效率。此處，在本實施方式中，將內燃機11中的各種熱源(流體)，根據這些熱源的溫度 (排出溫度)以及冷卻目標溫度，區分(分組)為低溫流體和高溫流體。作為內燃機11中的各種熱源，例如存在來自內燃機11的廢氣(排出溫度 300°C 400°C，冷卻目標溫度沒有特別指定)、內燃機11的冷卻水(排出溫度80°C左右， 冷卻目標溫度60°C左右)、內燃機11的油(發動機油、動力轉向機油、變速器油等)(排出 溫度80°C左右，冷卻目標溫度60°C左右)、以及通過渦輪增壓器的壓縮機被升壓了的吸 氣(排出溫度120°C左右，冷卻目標溫度盡可能低的溫度)等。除了廢氣以外的各個流體(冷卻水、油以及吸氣等)在溫度上沒有較大的差異。 即，除了廢氣以外的各個流體(冷卻水、油以及吸氣等)的溫度互相大致相同，且溫度比廢 氣的溫度低。因此，在本實施方式中，將這些冷卻水、油以及吸氣等區分為低溫流體，而使其 互相并列地流入各個低溫側熱交換器13a、13b(參照圖6以及圖7)。即，在本實施方式中， 各個低溫側熱交換器13a、13b通過冷卻水、油以及吸氣等對在工作流體循環流路15中流動 的工作流體進行加熱。廢氣的溫度比冷卻水、油以及吸氣等的溫度高。因此，在本實施方式中，將廢氣區 分為高溫流體，而使其流入高溫側熱交換器12(參照圖6以及圖7)。即，在本實施方式中， 高溫側熱交換器12通過廢氣對在工作流體循環流路15中流動的工作流體進行加熱。另外，EGR氣體(排出溫度300°C 400°C，冷卻目標溫度盡可能低的溫度)的溫 度比冷卻水、油以及吸氣等的溫度高，且溫度與廢氣的溫度大致相等。但是其反面，EGR氣 體的冷卻目標溫度比廢氣的冷卻目標溫度低，且冷卻目標溫度與冷卻水、油以及吸氣等的 冷卻目標溫度為相同程度。因此可以考慮，在工作流體循環流路15的途中，相對于低溫側 熱交換器13a、13b以及高溫側熱交換器12并列地配置熱交換器19，在該熱交換器19中通 過工作流體從EGR氣體中回收熱(參照圖6)。并且也可以考慮，分為兩個階段從EGR氣體 中回收熱，將氣體下游側的EGR氣體區分為低溫流體，并且將氣體上游側的EGR氣體區分為 高溫流體(參照圖7)。在設定多個高溫流體的情況下，在工作流體循環流路15上互相并列 地配置多個高溫側熱交換器12，并通過這些高溫側熱交換器12來構成高溫側熱交換器組。流量控制閥17配置在與互相并列地配置的低溫側熱交換器13a、13b連接的工作 流體循環流路15的分支部20上。作為流量控制閥17使用方向流量控制閥或者與其類似 的閥。在工作流體循環流路15上設置有對低溫側熱交換器組16的各個低溫側熱交換器 13a、13b的工作流體出口溫度進行檢測的第一溫度傳感器21、22，以及對低溫側熱交換器 組16上游側的工作流體的溫度進行檢測的第二溫度傳感器23。另外，本實施方式涉及的廢熱回收裝置10具有第一旁通流路24，從工作流體循
5環流路15分支，對低溫側熱交換器組16進行旁通；以及第一旁通閥25，選擇性地切換到使 工作流體流入低溫側熱交換器組16的位置、以及使工作流體流入第一旁通流路24的位置。 作為第一旁通閥25使用切換閥。工作流體通過泵26被供給到低溫側熱交換器13a、13b以及高溫側熱交換器12。 對膨脹器14進行了驅動后的工作流體，在冷凝器27中通過由于行駛而產生的風等被冷卻 之后被供給到泵26中，通過該泵26進行循環。根據圖2對控制器18的閥控制進行說明。圖2所示的處理流程，在點火鑰匙不是斷開時(圖2的S11)，即在內燃機11的工 作中被執行。在圖2所示的處理流程中，在由第一溫度傳感器21、22檢測到的各個低溫側熱交 換器13a、13b的工作流體出口的溫度1\、T2，比由第二溫度傳感器23檢測到的低溫側熱交 換器組16上游側的工作流體的溫度T3高的情況下(圖2的S12 > T3orT1 > T2)，控制 器18對流量控制閥17的開度進行調整，以便將第一旁通閥25向低溫側熱交換器組16側 A切換(圖2的S13)，將工作流體向低溫側熱交換器組16的各個低溫側熱交換器13a、13b 供給，并且使各個低溫側熱交換器13a、13b的工作流體出口溫度I\、T2成為互相相等(圖2 的S15)。由此，即使在由低溫側熱交換器組16的各個低溫側熱交換器13a、13b交換的熱 量若干不同的情況下，通過流量控制閥17對向低溫側熱交換器組16的各個低溫側熱交換 器13a、13b流動的工作流體的流量進行控制，而使各個低溫側熱交換器13a、13b的工作流 體出口溫度1\、T2成為互相相等，由此能夠回收更多熱量，能夠效率良好地回收廢熱。另一方面，在由第一溫度傳感器21、22檢測到的各個低溫側熱交換器13a、13b的 工作流體出口溫度I\、T2，為由第二溫度傳感器23檢測到的低溫側熱交換器組16上游側的 工作流體的溫度T3以下的情況下，控制器18將第一旁通閥25向第一旁通流路24側B切換 (圖2的S14)，對低溫側熱交換器組16 (低溫側熱交換器13a、13b)進行旁通地使工作流體 循環。由此，能夠防止在發動機啟動時等通過冷卻水等低溫熱源來冷卻工作流體，能夠避免 熱損失的產生。圖3所示的處理流程在圖2所示的處理流程中附加了熱氣縮短功能。在圖3所示的處理流程中，即使在由第一溫度傳感器21、22檢測到的各個低溫側 熱交換器13a、13b的工作流體出口溫度1\、T2，為由第二溫度傳感器23檢測到的低溫側熱 交換器組16上游側的工作流體的溫度T3以下的情況下，在由第一溫度傳感器21、22檢測 到的各個低溫側熱交換器13a、13b的工作流體出口溫度1\、T2低于規定的低溫側熱交換器 目標下限溫度Tt(圖3的S16 < IVmdTi < Tt)，且熱氣模式許可標志為真的情況下(FH =True)，控制器18也將第一旁通閥25向低溫側熱交換器組16側A切換(圖3的S13)， 將工作流體向低溫側熱交換器組16的各個低溫側熱交換器13a、13b供給。由此，在發動機 啟動時等、冷卻水等低溫熱源的溫度比規定值低的情況下，取消旁通，而工作流體對冷卻水 等進行加熱，由此能夠縮短暖機運行所要的時間。可以考慮，將能夠切換熱氣模式許可標志的專用開關設置在駕駛席的儀表部，以 便駕駛員能夠選擇是否許可熱氣模式。另外，切換熱氣模式許可標志的手段并不限定于上 述專用開關。接著，根據圖4對其他實施方式涉及的廢熱回收裝置10進行說明。
圖4是其他實施方式涉及的廢熱回收裝置的概略圖。對與圖1相同部分賦予相同 符號并省略說明。在工作流體循環流路15上設置有對高溫側熱交換器12的工作流體出口溫度進行 檢測的第二溫度傳感器28、以及對高溫側熱交換器12的工作流體出口壓力進行檢測的壓 力傳感器29。另外，本實施方式涉及的廢熱回收裝置10具有第二旁通流路30，從工作流體循 環流路15分支，對高溫側熱交換器12以及膨脹器14進行旁通；和第二旁通閥31，選擇性地 切換到使工作流體流入高溫側熱交換器12的位置、以及使工作流體流入第二旁通流路30 的位置。作為第二旁通閥31使用方向流量控制閥或者與其類似的閥。根據圖5對控制器18的閥控制進行說明。僅對與圖3的處理流程的不同點進行 說明。在圖5所示的處理流程中，在未輸入對產生了內燃機11的過熱等的情況進行表示 的外部異常信號的情況下(圖5的S17)，控制器18將第二旁通閥31向高溫側熱交換器12 側A切換(圖5的S18)，將工作流體向高溫側熱交換器12供給。然后，在由第二溫度傳感器28檢測到的高溫側熱交換器12的工作流體出口溫度 T4比規定的容許最高溫度Tumit高(T4 > Tlimit)、或者由壓力傳感器29檢測到的高溫側熱交 換器12的工作流體出口壓力Pi比規定的容許最高壓力PUMIT高汜> PLIMIT)、或者由第二溫 度傳感器28檢測到的低溫側熱交換器組16上游側的工作流體的溫度T3比規定的目標溫度 Tc高(T3 > Tc)的情況下(圖5的S19)，控制器18對第二旁通閥31的開度進行調整，以使 向高溫側熱交換器12流動的工作流體的流量增加(圖5的S20)。由此，能夠防止高溫側熱 交換器12等的破損。另一方面，在不滿足圖5的S24所示的條件的情況下，控制器18對第 二旁通閥31的開度進行調整，以使高溫側熱交換器12的工作流體出口溫度T4成為規定的 最高溫度目標值TTAKeET(圖5的S21)。由此，能夠回收更多熱量，能夠效率良好地回收廢熱。另外，在輸入了對產生了內燃機11的過熱等的情況進行表示的外部異常信號的 情況下(圖5的S17)，控制器18將第二旁通閥31向第二旁通流路30側B切換(圖5的 S22、S23)，對高溫側熱交換器12以及膨脹器14進行旁通地使工作流體循環。由此，通過停 止從廢氣等高溫流體的熱回收，并提高工作流體的循環速度，能夠在低溫側熱交換器13a、 13b中通過低溫的工作流體對冷卻水等效率良好地進行冷卻。以上，對本發明的優選的實施方式進行了說明，但本發明并不限定于上述實施方 式，也能夠采取其他的各種實施方式。
權利要求
一種廢熱回收裝置，用于通過內燃機的廢熱使工作流體蒸發而驅動膨脹器，其特征在于，具有工作流體循環流路，使上述膨脹器的工作流體進行循環；高溫側熱交換器，用于通過上述內燃機的廢氣等高溫流體對在上述工作流體循環流路中流動的工作流體進行加熱；低溫側熱交換器組，將低溫側熱交換器互相并列地配置而構成，該低溫側熱交換器用于通過上述內燃機的冷卻水或油等低溫流體的任意一種對在上述工作流體循環流路中流動的工作流體進行加熱，針對每種上述低溫流體具有該低溫側熱交換器；流量控制閥，對向該低溫側熱交換器組的各個低溫側熱交換器流動的工作流體的流量進行控制；以及控制單元，控制該流量控制閥。
2.根據權利要求1所述的廢熱回收裝置，其特征在于，上述低溫側熱交換器組配設在比上述高溫側熱交換器靠工作流體上游側的上述工作 流體循環流路上。
3.根據權利要求1或者2所述的廢熱回收裝置，其特征在于，具有第一旁通流路，從上述工作流體循環流路分支，對上述低溫側熱交換器組進行旁通；和第一旁通閥，選擇性地切換到使上述工作流體向上述低溫側熱交換器組流動的位置、 以及使上述工作流體向上述第一旁通流路流動的位置。
4.根據權利要求1 3的任意一項所述的廢熱回收裝置，其特征在于，具有第二旁通流路，從上述工作流體循環流路分支，對上述高溫側熱交換器進行旁通；和第二旁通閥，選擇性地切換到使上述工作流體向上述高溫側熱交換器流動的位置、以 及使上述工作流體向上述第二旁通流路流動的位置。
5.根據權利要求1 4的任意一項所述的廢熱回收裝置，其特征在于，上述低溫側熱交換器組的各個低溫側熱交換器，通過大致相同程度的溫度的流體對在 上述工作流體循環流路中流動的工作流體進行加熱。
全文摘要
提供一種廢熱回收裝置，能夠從內燃機的多種熱源中高效地回收廢熱，用于通過內燃機(11)的廢熱使工作流體蒸發而驅動膨脹器(14)，其具有工作流體循環流路(15)，使膨脹器(14)的工作流體循環；高溫側熱交換器(12)，用于通過內燃機(11)的廢氣等高溫流體對在工作流體循環流路(15)中流動的工作流體進行加熱；低溫側熱交換器組(16)，將低溫側熱交換器(13a、13b)互相并列地配置而構成，該低溫側熱交換器用于通過內燃機(11)的冷卻水或油等低溫流體的任意一種對在工作流體循環流路(15)中流動的工作流體進行加熱，針對每種低溫流體具有該低溫側熱交換器(13a、13b)；流量控制閥(17)，對向低溫側熱交換器組(16)的各個低溫側熱交換器(13a、13b)流動的工作流體的流量進行控制；以及控制單元(18)，控制流量控制閥(17)。
文檔編號F01K23/06GK101978140SQ20098011025
公開日2011年2月16日 申請日期2009年2月17日 優先權日2008年3月27日
發明者寺島幸士, 山本康, 阿部誠 申請人:五十鈴自動車株式會社