CN101240983A - 废热回收系统 - Google Patents

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Abstract

在一种用于内燃机的废热回收系统中，热管(20)包括：蒸发部分(21)，工作流体通过与来自内燃机的废热进行热交换而在蒸发部分(21)中被加热并被蒸发；多个冷凝部分(31，32)，来自蒸发部分的工作流体通过与要被加热的相应对象进行热交换而在多个冷凝部分中被冷却和冷凝；和连接管(25，26，27，33，34，35)，冷凝部分通过该连接管相对于蒸发部分平行地连接到蒸发部分以便形成闭合回路。进一步地，切换部分(28)定位成把工作流体流从蒸发部分切换到多个冷凝部分中的任一个。

Description

废热回收系统
技术领域
本发明涉及一种用于回收从内燃机排出的废热的废热回收系统。
背景技术
专利文献JP-A-3-128719公开一种废热回收系统，通过使用发动机的废热为空调执行辅助加热。该废热回收系统设置有热管，该热管包括位于一端处的蒸发部分(热回收部分)和位于另一端的冷凝部分(热辐射部分)。蒸发部分位于发动机的废气通道中，冷凝部分邻近空调的空调壳中的加热芯。通过使用水循环中的发动机冷却剂(热水)作为热源，加热芯加热那儿通过的空气。
通常，在发动机一启动后的初始时间，废热的温度随发动机冷却剂的温度快速上升。在废热回收系统中，通过使用废气来执行空调的加热操作，以便提高空调的快速加热性能。然而，在上述废热回收系统中，从发动机的废热回收的热量仅用于在冬天加热空调的空气，因此难以有效地使用发动机的废热。
发明内容
鉴于前述问题，本发明的目的是有效使用从内燃机的废气回收的热量。
本发明的另一个目的是提供一种废热回收系统，在该废热回收系统中，多个冷凝部分相对于蒸发部分平行地连接到蒸发部分。
根据本发明的一方面，一种用于内燃机的废热回收系统，包括：热管，工作流体在热管中循环；和切换部分，所述切换部分用于切换工作流体流。所述热管包括：蒸发部分，工作流体通过与来自内燃机的废热进行热交换而在蒸发部分中被加热并被蒸发；多个冷凝部分，来自蒸发部分的工作流体通过与要被加热的相应对象进行热交换而在多个冷凝部分中被冷却和冷凝；和连接管，冷凝部分通过该连接管相对于蒸发部分平行地连接到蒸发部分以便形成闭合回路。进一步地，切换部分定位成把工作流体流从蒸发部分切换到多个冷凝部分中的任一个。因此，从废热回收的热量能够有效地用于任一个冷凝部分。例如，多个冷凝部分可具有彼此不同的相应用途。
所述多个冷凝部分可至少包括第一冷凝部分和第二冷凝部分，所述第一冷凝部分定位成在发动机初始启动时加热内燃机，所述第二冷凝部分定位成加热不同于内燃机的对象。在该情况下，第一冷凝部分和第二冷凝部分相对于蒸发部分平行地连接到蒸发部分；并且切换阀定位成将工作流体流切换成从蒸发部分流到第一和第二冷凝部分中的任一个。
进一步地，所述管可包括：连接到蒸发部分的蒸发管；在分支部分从蒸发管分支出来并分别连接到第一和第二冷凝部分的第一和第二蒸发支路管。在该情况下，所述切换阀可定位在支路部分处。所述管还可包括：分别连接到第一和第二冷凝部分的第一和第二液体管。在该情况下，第一和第二液体管在连接部分处连接到连接管；并且连接管连接到蒸发部分。
作为实例，蒸发部分可定位在发动机的废气管中以便从发动机的废气吸收热量；第一冷凝部分定位在发动机冷却剂回路中以便加热发动机冷却剂；并且第二冷凝部分定位在空调中以便加热空调中的空气。进一步地，可设置控制部分用于基于相对于发动机的废气的温度的温度和环境条件来控制切换阀的操作。
附图说明
当结合附图，根据下面优选实施例的详细说明，本发明的其它目的和优点将更显然。
图1是显示本发明的实施例的废气回收系统的示意图；和
图2A，2B和2C是显示根据实施例的切换阀位于不同切换位置的示意剖视图。
具体实施方式
下面将参考图1-2C来说明本发明的实施例。
如图1所示，废热回收系统1包括：用作车辆行驶的驱动源的发动机(内燃机)11；废气管12，发动机11排出的废气流通过该废气管12。
废热回收系统1设置有热管20，用于回收来自发动机11的废热。例如，热管20是环型热管，热管20的第一和第二冷凝部分31，32连接到蒸发部分21，并且第一和第二冷凝部分31，32相对于蒸发部分21平行。第一和第二冷凝部分31，32位于蒸发部分21的上方并连接到蒸发部分21以便形成工作流体在其中循环的闭合回路。
热管20具有入口(未图示)，从该入口工作流体被引导进入。工作流体从入口导入以便保持在热管中，在热管20内的工作流体减压到例如0.01atm之后，密封入口。例如，水可用作工作流体。在1atm下水的沸点是100℃。然而，当水减压到0.01atm时，热管20中的水的沸点则在5-10℃的范围内。关于工作流体，也可使用其它流体，例如使用酒精、碳氟化合物和四氟乙烯(flon)。
蒸发部分21包括芯部分22，上部和下部连通部分23，24(例如，上部和下部箱)。在芯部分22中，通过与废气管12中的废热进行热交换，密封在热管20中的工作流体被加热并被蒸发。例如，芯部分22包括在竖直方向上延伸的多个平管(上下方向)，和在相邻的平管(flat tubes)之间与平管热连接的散热片。即，平管和散热片在布置方向上交替地布置以便形成芯部分22。下部连通部分23连接到芯部分22的下端部分以便与平管的下端连通，上部连通部分24连接到芯部分22的上端部分以便与平管的上端连通。
蒸发部分21的上部连通部分24连接到蒸发管25的一端，蒸发部分21中蒸发的工作流体通过蒸发管25朝上流动。蒸发管25的另一端连经切换阀28(通道切换部分)连接到蒸发支路管26，27的相应端。
废热回收系统1设置有废热回收回路40(冷却剂循环回路)，在该废热回收回路40中用于冷却发动机11的发动机冷却剂(例如水)被水泵41所循环。如图1所示，水泵可由发动机11驱动，或由发动机11之外的电动力等动力源来驱动。在本实施例中，发动机冷却剂在其中循环的废热回收回路40能够独立于散热器回路(未显示)或加热回路(未显示)设置。废热回收回路40设置有细长的水箱42。
热管20的第一冷凝部分31位于水箱42中，从而使得蒸发部分21中蒸发的工作流体与水箱42中的发动机冷却剂进行热交换。第一冷凝部分31是多个管子层叠的层叠型热交换器。第一冷凝部分31的一端侧连接到蒸发管26的另一端，第一冷凝部分31的另一端侧连接到回流管33的一端。通过与蒸发部分21中已经蒸发的工作流体进行热交换，第一冷凝部分31定位成加热要被加热的对象(例如，本实施例中的发动机冷却剂)。加热的发动机冷却剂用于执行发动机11的加热。
废热回收系统1能够用于空调50。空调50包括用于形成空气通道的空调壳51，空气通过前述空气通道流到车室中。风扇52位于空调壳51中以便产生朝向车室的空气流。热管20的第二冷凝部分32和加热芯或/和蒸发器位于空调壳51中。通过第二冷凝部分32的空气与蒸发部分21中蒸发的工作流体进行热交换，从而使得工作流体被冷却并被冷凝，空调壳51中的空气被加热。第二冷凝部分32能够用于执行初始加热操作，用于在发动机11一启动后到流动到空调50的加热芯的发动机冷却剂的温度增加到预定温度的时间内加热空气。
第二冷凝部分32包括芯部分45，用于在工作流体和空调壳51中流动的空气之间进行热交换。例如，芯部分45包括在竖直方向(上下方向)上延伸的多个平管，和在相邻的平管(flat tubes)之间与平管热连接的散热片。即，平管和散热片在布置方向上交替地布置。上部连通部分46(例如上箱)连接到芯部分45的上端部分以便与芯部分45的平管的上端连通。上部连通部分46连接到蒸发管27的另一端。下部连通部分47(例如下箱)连接到芯部分45的下端部分以便与芯部分45的平管的下端连通。下部连通部分47连接到回流管34的一端。用于切断工作流体的回流的开闭阀37位于回流管34中。回流管33和回流管34在连接部分36处连接，连接部分36连接到回流管35。回流管35连接到蒸发部分21的下部连通部分23。
图2A-2C是不同操作状态(不同切换状态)下的切换阀28的结构的示意剖视图。如图2A-2C所示，切换阀28包括阀体30，和球形阀部分29。三个整个管25，26和27在相同表面上以不同方向连接到阀体30，前述相同表面是平行于图2A-2C的纸面。蒸发管25从图2A-2C的下侧连接到阀体30，蒸发管26从图2A-2C的上侧连接到阀体30，蒸发管27从图2A-2C的右侧连接到阀体30。
阀部分29中形成有流体通道29a，流体通道29a具有与图2A-2C的纸面平行的T形截面。阀部分29通过致动器可转动，前述致动器具有在垂直于前述截面的方向上延伸的轴，阀部分29的旋转位置由控制部分60(ECU)控制。切换阀28能够被切换成导致蒸发部分21中蒸发的工作流体流到第一和第二冷凝部分31，32中任一个。
图2A显示蒸发管25和蒸发管27彼此连通的状态，从而使得蒸发部分21中蒸发的工作流体经蒸发管27流向第二冷凝部分32。图2B显示蒸发管25和蒸发管26彼此连通的状态，从而使得蒸发部分21中蒸发的工作流体经蒸发管26流向第一冷凝部分31。进一步地，图2C显示蒸发管25与蒸发管26，27中的任一个不连通的状态，从而使得蒸发部分21中蒸发的工作流体不流向第一冷凝部分31和第二冷凝部分32。如图2A，2B和2C所示，切换阀28能够从图2C的状态切换到图2A和2B的任一个状态，从而使得蒸发部分21中蒸发的工作流体能够流进第一和第二冷凝部分31，32中的任一个。进一步地，通过使用阀体30，能够操作切换阀28关闭流体通道29a，从而使得蒸发管25不与蒸发管26和27中的任一个连通。
废热回收系统1设置有外部空气温度传感器62和冷却剂温度传感器61，外部空气温度传感器62用于检测外部空气温度(环境条件)和用于输出外部空气温度信号，冷却剂温度传感器61用于检测发动机冷却剂的温度并用于输出冷却剂温度信号。
控制部分60(ECU)包括CPU，ROM，RAM等，这些都是公知的。控制部分60执行切换阀28的通道切换控制和开闭阀37的打开/闭合控制。
接下来，说明本实施例的废热回收系统1的操作。当发动机11工作时，水泵41与发动机11关联运转，从而使得发动机冷却剂循环到废热回收回路40或/和散热回路和加热回路。来自发动机11的废气流进废气管12中，并且在流通过热管20的蒸发部分21之后被排向大气。因此，工作流体在蒸发部分21中与温度相对高于发动机11初始启动时的温度的废气进行热交换，并且被蒸发。蒸发的工作流体从蒸发部分21朝上流向蒸发管25。
控制部分60基于冷却剂温度或/和加热要求来确定是否需要对空调50的空气执行初始加热操作，并基于冷却剂温度来确定是否需要执行发动机11的加热。在实施例中，通过使用第二冷凝部分32对空调50的空气进行加热的初始加热操作可被设置成优先于发动机11的加热。
例如，当空调50需要进行加热操作并且冷却剂温度低于第一阈值Tth1时，控制部分60确定通过使用空调50的第二冷凝部分32来加热空气的初始加热操作是必须。在该情况下，控制部分60使切换阀28切换到图2A所示的状态。
当切换阀28切换到图2A所示状态时，增发部分21中蒸发的工作流体经蒸发管25，27流到第二冷凝部分32。流到第二冷凝部分32的工作流体通过与空调壳51中的流动空气进行热交换而被冷却和冷凝。这样，通过第二冷凝部分32的空气通过与第二冷凝部分32中的工作流体进行热交换而被加热，并且加热的空气被鼓风机52吹进车室中。第二冷凝部分32中冷却和冷凝的工作流体在回流管34，35中流动和下降，并返回到蒸发部分21。
当冷却温度增加到高于第一阈值Tth1时，控制部分60确定不需要通过使用第二冷凝部分32来在空调50中执行初始加热操作。在该情况下，因为能够通过用发动机冷却剂作为加热源的空调50的加热芯来充分地执行空调50中的加热操作，控制部分60使切换阀28切换到图2B所示的状态。
当切换阀28切换到图2B的状态时，蒸发部分21中蒸发的工作流体经蒸发管25，26流进第一冷凝部分31。流进第一冷凝部分31的工作流体通过与水箱42内的发动机冷却剂进行热交换而在第一冷凝部分31中被冷却和冷凝。同时，水箱42中的发动机冷却剂通过与第一冷凝部分31的工作流体进行热交换而被加热，因此便于发动机11的加热。在第一冷凝部分31中冷凝的工作流体在回流管33，35中流动和下降，并返回到蒸发部分21。
进一步地，当发动机冷却剂温度增加到高于第一阈值Tth1的第二阈值Tth2时，控制部分60结束发动机11的加热。此时，控制部分60使切换阀28切换到图2A的状态，并使开闭阀37(opening and closing valve37)处于闭合状态。在该情况下，尽管蒸发部分21中蒸发的工作流体在第二冷凝部分32中被冷却和冷凝，但是回流管34被开闭阀37关闭。因此，冷凝的工作流体不会返回到蒸发部分21。之后，当控制部分6确定发动机11停止或发动机冷却剂减少等导致废气管12中的废气的温度变得低于预定温度时，控制部分60使开闭阀37处于打开状态。这样，工作流体返回到蒸发部分21中。
当需要执行空调的初始加热操作时，通过使用废热回收系统的第二冷凝部分32来执行初始加热操作，以便增加空调50的车室的快速加热性能。进一步地，当确定在除了冬季之外的季节空调50不需要初始加热操作时，通过使用第一冷凝部分31来执行发动机11的加热，以便增加发动机11的快速加热性能。
如上所述，在本实施例中，废热回收系统设置有第一和第二冷凝部分31，32，第一和第二冷凝部分31，32相对于单个蒸发部分21具有不同用途和功能，并且通过切换阀28把蒸发部分21中蒸发的工作流体流切换成流到第一和第二冷凝部分31和32中所选择的任一个。因此，从废气回收的热能够更广泛地使用，因此有效地使用发动机11的废热。
其它变化实施例
尽管参考附图、通过优选实施例详细地说明了本发明，但是各种变化和修改对本领域的熟练技术人员而言是显而易见的。
例如，在上述实施例中，第二冷凝部分32用于加热空调50的空气的初始加热操作直至冷却剂温度增加到第一阈值。然而，第二冷凝部分32可用作在空调的初始加热操作之后加热空调壳51中的空气的辅助加热器，同时空调壳51中的加热芯用作主加热器。
在上述实施例中，具有不同功能和/或用途的两个冷凝部分31和32相对于蒸发部分21设置。然而，可相对于蒸发部分21设置三个或更多个具有不同功能和/或用途的冷凝部分31。在该情况下，废热回收系统中回收的热量能够更有效地使用。例如，废热回收系统包括大于两个的多个冷凝部分，在该多个冷凝部分中来自蒸发部分21的工作流体通过与要加热的相应对象进行热交换而被冷却和冷凝。即使在该情况下，通过使用连接管25，26，27，33，34，35，冷凝部分相对于蒸发部分21平行地连接到蒸发部分21，以便形成闭合回路，并且切换部分能够定位成把工作流体流从蒸发部分21切换到冷凝部分中的任一个。
在上述实施例中，冷凝部分31，32分别用于加热发动机11和用于空调50的空气加热操作。然而，冷凝部分31，32可用于存储车辆的热蓄能器(heat accumulator)中的热水，用于增加发动机11的吸入空气的温度，用于增加电池液体的温度等。
在上述实施例中，管25，26，27，33，34，35在竖直方向(上下)上延伸。然而，如果蒸发的工作流体能够从蒸发部分21流到冷凝部分31，33，并且冷凝的工作流体能够从冷凝部分31，32流到蒸发部分21时，管25，26，27，33，34，35可在与竖直方向倾斜的方向上延伸，或者可在其它方向上延伸。进一步地，蒸发部分21和第二冷凝部分32可布置成相对于竖直方向倾斜，并可以其它状态布置。
可以理解的是，这些变化和修改在本发明的所附权利要求限定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种用于内燃机的废热回收系统，包括：
热管(20)，工作流体在热管中循环，所述热管包括：
蒸发部分(21)，工作流体通过与来自内燃机的废热进行热交换而在蒸发部分(21)中被加热并被蒸发；
多个冷凝部分(31，32)，来自蒸发部分的工作流体通过与要被加热的相应对象进行热交换而在多个冷凝部分中被冷却和冷凝；和
连接管(25，26，27，33，34，35)，冷凝部分通过该连接管相对于蒸发部分平行地连接到蒸发部分以便形成闭合回路，和
切换部分(28)，所述切换部分(28)定位成把工作流体流从蒸发部分切换到多个冷凝部分中的任一个。
2.根据权利要求1的废热回收系统，其中多个冷凝部分具有彼此不同的相应用途。
3.根据权利要求1的废热回收系统，其中
所述多个冷凝部分至少包括第一冷凝部分(31)和第二冷凝部分(32)，所述第一冷凝部分定位成在发动机初始启动时加热内燃机，所述第二冷凝部分定位成加热不同于内燃机的对象；
第一冷凝部分和第二冷凝部分相对于蒸发部分平行地连接到蒸发部分；并且
切换阀(28)定位成把工作流体流切换成从蒸发部分流到第一和第二冷凝部分中的任一个。
4.根据权利要求3的废热回收系统，其中
所述连接管包括：连接到蒸发部分的蒸发管(25)；在分支部分从蒸发管(25)分支出来并分别连接到第一和第二冷凝部分的第一和第二蒸发支路管(26，27)；并且
所述切换阀(28)定位在分支部分处。
5.根据权利要求4的废热回收系统，其中
所述连接管包括：分别连接到第一和第二冷凝部分的第一和第二液体管(33，34)；
在连接部分连接到连接管(35)的第一和第二液体管(33，34)；并且
连接管(35)连接到蒸发部分(21)。
6.根据权利要求3的废热回收系统，其中
蒸发部分(21)定位在发动机的废气管(12)中以便从发动机的废气吸收热量；
第一冷凝部分(31)定位在发动机冷却剂回路中以便加热发动机冷却剂；并且
第二冷凝部分(32)定位在空调中以便加热空调中的空气。
7.根据权利要求1-6中任一个所述的废热回收系统，还包括：
控制部分(60)，所述控制部分用于基于相对于发动机的废气的温度的温度和环境条件来控制切换阀的操作。
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