專利名稱：膨脹回路的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種包括工作介質和減壓單元的膨脹回路，其中減 壓單元用于通過使工作介質膨脹將內燃發(fā)動機的熱能轉化為電能。 本發(fā)明進一步涉及具有包括這種回路的內燃發(fā)動才幾的車輛、用在這 種回3各中的減壓單元、以及用于將熱能轉化為電能的方法。
背景技術：
例如，乂人美國專利/>開2005229595中已知一種用于將內燃發(fā)動 機的熱能轉化為電能的膨脹回路。
結合內燃發(fā)動機來使用膨脹回路，用于提高燃料效率。在內燃 發(fā)動機中，相當大一部分的燃料能量被轉變?yōu)闊崮芏菣C械能。膨 脹回路將來自(例如)加熱的尾氣和發(fā)動機冷卻液的熱能轉化為機
械或電能，從而最小化能量損失并最優(yōu)化燃料效率。然而，膨脹回 路的 一個問題在于它們體積大且代價高。

發(fā)明內容
本發(fā)明的一個目的在于纟是供一種膨脹回^各，該膨脹回^各至少解 決了這些問題中的一部分。因此，本發(fā)明提供了一種根據(jù)權利要求 1的膨脹回路。本發(fā)明還提供了一種根據(jù)權利要求11的具有內燃發(fā) 動才幾的車輛、才艮據(jù)權利要求12的減壓單元。根據(jù)本發(fā)明的膨脹回路的特征在于，減壓單元在工作介質膨脹 期間以及在工4乍介質壓縮期間在同 一方向上運4亍。減壓單元既可以 被用作發(fā)電機，通過使工作介質膨脹而被驅動以在膨脹回路中產(chǎn)生 電能，也可以^皮用作壓縮器，-故電驅動，用于對空調回-各中的工作 介質進行壓縮。在該上下文中，空調回路應當被解釋為包括壓縮器、 冷凝器、膨"長閥、及蒸發(fā)器的回i 各。
將空調回路的壓縮器用作膨"長回路中的減壓單元、以及用作空 調系統(tǒng)中的壓縮器，相比于^是供減壓單元和壓縮器兩者來i兌成本減 少。此夕卜，膨月長回路和空調回^各可以部分地集成在一起，這相比于 具有單獨的膨脹回路和空調回路來說在空間消耗上要有效得多。
減壓單元在工作介質膨月長期間以及在工作介質壓縮期間在同一 方向上運4于。減壓單元可以:帔用作減壓器和壓縮器而通過減壓單元 的工作介質流無需反向。當在空調模式和膨脹模式之間改變時是有 利的。由于可以在該構造中省略逆止閥，所以當建立膨脹回路和空 調回if各時可以實iE見成本節(jié)約。
在從屬權利要求中給出了本發(fā)明的具體實施例。
本發(fā)明的其他方面、效果和細節(jié)將在參照實例的詳細描述中給 出，其中， 一些實例在附圖中示出。


圖1示意性示出了結合了空調回路的根據(jù)本發(fā)明的膨脹回路的
實施例的實例；
圖2示意性示出了具有突出的空調回^各的圖1的膨月長回路；以
及圖3示意性示出了具有突出的膨脹回i 各的圖1的膨月長回3各。
具體實施例方式
圖1示出了包括結合有空調回路2的根據(jù)本發(fā)明的膨脹回路7 的擴大的膨脹回路l。將這些回路連接起來，以在膨脹回路7和空 調回^各2兩者中使用工作介質。優(yōu)選地，公共的工作介質被用于這 兩個回路，并且切換閥(未示出)被用于使工作介質在膨脹回路7 之內或在空調回3各2之內循環(huán)。
圖3中突出的膨脹回路7包括泵8，該泵用于使工作介質沿箭 頭所指方向循環(huán)。在圖1中，可看到工作介質在膨脹回路7中的流 動與工作介質在空調回路2中的流動沿著相同方向。膨脹回路7進 一步包括冷凝器4，用于使工作介質冷凝；熱交換器9，用于使工 作介質蒸發(fā)；以及減壓單元3，用于通過4吏工作介質膨"長以生成電 能。熱交換器9是內燃發(fā)動才幾10的冷卻系統(tǒng)的一部分，用于利用發(fā) 動機10的熱來使工作介質蒸發(fā)。根據(jù)本發(fā)明的膨脹回路7非常適于 限制(優(yōu)選地)混合動力車輛的內燃發(fā)動機的能量損失。
通過利用蘭金循環(huán)，膨脹回路7能夠將熱能轉變?yōu)闄C械能。通
循環(huán)中有四個過程，每個過程對工作流體的狀態(tài)進行改變，這將在 下面進4亍描述。
通過與周圍氣體熱交換，使工作介質(例如，正常制冷劑，如 R134a)在冷凝器4中冷卻。
隨后，通過循環(huán)泵8 4吏工作介質達到高壓，其中循環(huán)泵還4吏介 質沿箭頭所指方向通過回^各7循環(huán)。然后，加壓的工作介質以恒定壓力在熱交換器9中被加熱并被 蒸發(fā)。例如，通過將交換器9放置在發(fā)動機冷卻回路中，熱交換器 9可以用于將發(fā)動機冷卻液的熱能轉化給工作介質。發(fā)動4幾冷卻液 使熱交換器9回流，從而熱能從冷卻液轉移到膨脹回路7中的工作 介質。因此，取決于工作狀況，優(yōu)選地，該階段中工作介質的溫度 低于發(fā)動機冷卻液的溫度，在進入發(fā)動機10時該溫度典型地為75 攝氏度，而在離開發(fā)動機10時該溫度為90攝氏度。當在工作介質 和冷卻介質之間存在較大的溫度差時，可以使用相對d 、的熱交換器。
接下來，蒸發(fā)的高壓工作介質穿過減壓單元3而被膨脹。工作 介質的膨脹驅動了減壓單元3,將工作介質的能量轉化為可用于產(chǎn) 生電能的才幾械能。
然后，膨脹的工作介質在冷凝器4中被再次冷卻，結束蘭金循環(huán)。
作為將來自發(fā)動機冷卻液的熱轉移給工作介質的替換方式，工 作介質也可以直4妄用作發(fā)動才幾冷卻液。這省略了熱交4奐器9,并允 許發(fā)動機10的更精確的溫度控制且提高了效率。
jt匕夕卜，工作介質可4皮用于冷卻其4也熱源，可能利用R234a經(jīng)由 直4妄冷卻，i者如車輛的部4牛，如，混合動力發(fā)動才幾的電氣部4?；騽x 車系統(tǒng)。此外，例如，工作介質可以(例如)^皮引導通過結合在內 燃發(fā)動機10的排氣系統(tǒng)內的熱交換器。除了熱交換器9之外，該熱 交換器也可以(例如)被集成在膨脹回路7內，并且位于熱交換器 9和減壓單元3之間用于進一步在進入減壓單元3之前對工作介質 力口熱。工作介質還可以在進入熱交才灸器9之前4皮力口熱，侈'H口，通過 《I導工作介質經(jīng)由變速桿箱，或經(jīng)由發(fā)動機10的中間冷卻器和渦輪 之間的額外的熱交換器。膨脹回路7所恢復的電能可以存儲在電池中以重新使用，或可 以直4妻-使用。在混合動力車輛中，可以4吏用該能量，例如，用于補 充再生的剎車能。因此，本來要以其他方式耗費掉的復原的能量用 于(例如)驅動車輛或向纟反上回^各提供能量，并增加了車輛的能效。
圖2中突出的空調回if各2部分地與膨脹回^各7集成在一起。空 調回^各與膨力長回^各7共享減壓單元3 (用作壓縮才幾)和冷凝器4 (用 于冷卻工作介質)。減壓單元3 ^皮布置為在膨"長回if各7中沿著與空調 回路2同一方向工作?？照{回路2還包括用于使工作介質膨脹的膨 脹閥5和用于使工作介質蒸發(fā)的蒸發(fā)器6。
工作介質通過空調回^各2沿箭頭所指方向循環(huán)，該方向與在膨 月長回i 各7中的方向為同一方向。在冷;疑器4中，工^f乍介質^皮液^:, 即，在熱交換器中被周圍氣體冷卻，例如，從60攝氏度的溫度到 40攝氏度的溫度。
然后，液化的介質在閥5中膨脹，并^皮傳輸?shù)秸舭l(fā)器6，在可 替換實施例中，蒸發(fā)器被結合在膨脹閥5中，或與膨脹閥集成在一 起。在蒸發(fā)器中，工作介質通過與周圍氣體熱交換而被蒸發(fā)。冷卻 的周圍氣體可以隨后用于(例如)冷卻車輛的客艙。
在經(jīng)過蒸發(fā)器6之后，被蒸發(fā)的工作介質被減壓單元3壓縮， 其中，當減壓單元用作壓縮器時，其優(yōu)選地^L電驅動。
從蒸發(fā)器6至壓縮單元3的流水線(flow line )被連接到位于 蒸發(fā)器9和減壓單元3之間的減壓單元3的l命入流水線。因此，空 調回路2的輸出流線連接到位于蒸發(fā)器9和壓縮單元3之間的膨脹 回路7的輸出流水線。
因此，減壓單元3可在膨脹回路7中用作減壓器而在空調回路 2中用作壓縮器。減壓單元3 ^皮布置為在工作介質在膨月長回路7中膨月長期間以及工作介質在空調回路2中壓縮期間在同一方向上運 行。這是有利的，因為通過減壓單元3的膨脹回路7和/或空調回路 2的工作介質的流不必需反向。因此，可以在膨脹回路7和/或空調 單元2中省略逆止閥，這導致回路簡化及額外的成本節(jié)約。
膨脹系統(tǒng)1可以包括控制系統(tǒng)，用于將減壓單元3的功能指定 為膨脹回路7的一部分作為減壓器或將減壓單元3的功能指定為空 調回^各2的一部分作為壓縮器?？刂葡到y(tǒng)優(yōu)選地指定將減壓單元3 用作空調回i 各2中的壓縮器的伊乙選4又，并當發(fā)動才幾冷卻液的溫度到 達特定臨界水平時^f又使用減壓單元用于將發(fā)動機熱量復原為電能。
例如，當發(fā)動才幾冷卻液的溫度到達臨界溫度時(例如，工作溫 度)，減壓單元3的功能被從壓縮器單元切換到減壓單元，并且膨脹 回路7 #1用于4吏發(fā)動才幾10和/或發(fā)動才幾冷卻液冷卻。當發(fā)動才幾冷卻 液的溫度低于工作溫度時，例如，當發(fā)動機IO已被關閉或在過度冷 卻之后，減壓單元3可#1再次用作壓縮器，用于對空調回^各2的工 作介質進行壓縮。
可替換地，無i侖何時空調回路2^皮關閉時，膨"長回路7都可以 用于恢復能量。在優(yōu)選實施例中，空調回路2經(jīng)由反復處理,使冷卻 小體積空氣的周期與測量客艙中的空氣溫度改變的周期交替進行， 來對一定體積的空氣(例如，車輛客艙中的空氣)進行冷卻。在測 量溫度的周期期間，減壓單元3的功能可從壓縮器切換為減壓器， 用于復原能量。因此，空調回^各2和減壓回路7可^皮交替^f吏用。由 于通過減壓單元3的工作介質流不必4皮反向，所以可以相對快地完 成空調模式和減壓模式之間的切換。
控制系統(tǒng)優(yōu)選地監(jiān)控發(fā)動機冷卻液溫度和周圍氣體溫度，這給 出了用于再生的可利用能量?；谠搇敘入，可以對壓縮器3和泵8的速度進行控制?？刂葡到y(tǒng)還可以控制發(fā)動機冷卻回路中的自動調 溫器、泵、和風扇，用于控制發(fā)動才幾冷卻液的溫度。
才艮據(jù)本發(fā)明的減壓單元3尤其適于用在具有內燃電動沖幾的車輛 中。這種內燃發(fā)動機的效率相對低，這是因為相當多的燃料能量被 轉變?yōu)闊?。?jīng)由發(fā)動機冷卻液的能量損失和排氣損失可以與那時傳 遞的發(fā)動機功率同一大小。才艮據(jù)經(jīng)驗，傳遞10kW的發(fā)動機經(jīng)由冷 卻液肆毛散10kW，并經(jīng)由排氣將10kW發(fā)出到大氣中。因此，高達 三分之二的燃料能量都會被轉化為熱能。
優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明的膨脹回路7與由混合發(fā)動才幾驅動的車輛 一起使用。當內燃發(fā)動機IO被關閉時，混合發(fā)動機在電驅動期間以 及在停止階_度期間不必冷卻。因此，減壓單元3可#1用作減壓器， 用于在內燃發(fā)動機10運行的同時在減壓回路7內生成能量，以及用 作壓縮器，用于在內燃發(fā)動才幾10關閉時對空調回3各2內的工作介質 進行壓縮。
為了生成電能，通過使在減壓回路7內循環(huán)的被加熱且被壓縮 的工作介質膨爿長，來驅動減壓單元3。減壓單元3作為壓縮器也是 空調回3各2的一部分。為了用作壓縮器，優(yōu)選地，減壓單元被電驅 動。減壓單元3可以是(例如)傳統(tǒng)的電驅動壓縮器，因此該壓縮 器的電動機可被用于生成電能。
因為減壓單元3是空調回路2和膨脹回路7的一部分，所以不 需要單獨的減壓單元和壓縮器。這節(jié)約了空間，例如，在汽車發(fā)動 機罩下發(fā)動機艙的有限空間中。
此外，只有一個單元是必須安裝的，其被高效使用。因此，根 據(jù)本發(fā)明的膨脹回^各7相對昂貴。應當注意到的是，上述實施例舉例而非限制了本發(fā)明，在不背 離所附權利要求的范圍的情況下，各種替換方案是可能的。例如， 膨月長回路和空調回^各可以共享或不可以共享用于冷卻工作介質的冷凝器。
還應當注意到的是，本領域技術人員將能夠在不背離所附權利 要求的范圍的情況下設計替換方案。在權利要求中，放在括號中的
參考標號不應當解釋為對權利要求構成限制。用語"一個(a)"被 用作等價于術語"至少一個"。在互不相同的權利要求中陳述的特定 手段的純粹事實不表明這些手段的組合不能用于產(chǎn)生良好效果。
權利要求
1.一種膨脹回路(7)，包括工作介質和減壓單元(3)，所述減壓單元用于通過使所述工作介質膨脹來將內燃發(fā)動機(10)的熱能轉化為電能，其中，所述減壓單元(3)作為用于壓縮工作介質的壓縮器是空調回路(2)的一部分，其特征在于，在工作介質膨脹期間以及在工作介質壓縮期間，所述減壓單元(3)在同一方向上運行。
2. 根據(jù)權利要求1所述的膨脹回路，其中，所述膨脹回路(7) 和所述空調回路(2)連接在一起，用于使用為所述膨脹回路(7)和所述空調回i 各(2)兩者所共用的工作介質。
3. 根據(jù)權利要求1或2所述的膨脹回路，進一步包括冷凝器(4 )， 所述冷凝器也是所述空調回i 各(2)的一部分。
4. 根據(jù)前述任一權利要求所述的膨脹回路，進一步包括熱交換器(9 )，所述熱交換器用于收集來自所述發(fā)動機(10 )的冷卻回 ^各的熱能。
5. 根據(jù)權利要求1-4所述的膨脹回路，其中，所述膨脹回路(7 ) 連4妄至所述發(fā)動才幾(10)的冷卻回^各，用于在所述膨"長回路(7) 和所述發(fā)動才幾(10)的冷3p回路兩者中Y吏用工作介質。
6. 根據(jù)前述任一權利要求所述的膨脹回路，其中，所述膨脹回路(7)連接至剎車系統(tǒng)的冷卻回路，用于在所述膨脹回路(7) 和所述剎車系統(tǒng)的冷卻回^各兩者中4吏用工作介質。
7. 根據(jù)前述任一權利要求所述的膨脹回路，其中，所述膨脹回路(7 )連接至變速箱的冷卻回路，用于在所述膨脹回路(7 )和 所述變速箱的冷卻回^各兩者中^f吏用工作介質。
8. 根據(jù)前述任一權利要求所述的膨脹回路，其中，所述膨脹回路(7)連接至電機的冷卻回路和/或相關聯(lián)的功率電子器件，用 于在所述膨脹回路(7)和所述電機的冷卻回路和/或所述相關 聯(lián)的電力電子器件兩者中使用工作介質。
9. 根據(jù)前述任一權利要求所述的膨脹回路，進一步包括熱交換 器，所述熱交換器用于收集來自發(fā)動機(10)的排氣系統(tǒng)的熱能。
10. 根據(jù)前述任一權利要求所述的膨脹回路，其中，所述減壓單元(3)作為所述膨脹回路(7)的一部分用作減壓器的功能、或 作為所述空調回路(2)的一部分用作壓縮器的功能由控制系 統(tǒng)來指定。
11. 一種機動車輛，包括內燃發(fā)動機，所述內燃發(fā)動才幾具有4艮據(jù)前 述任一權利要求所述的膨脹回路(7)。
12. —種用在根據(jù)權利要求1-10中任一項所述的膨脹回路(7 )中 的減壓單元(3 )。
全文摘要
一種膨脹回路(7)包括工作介質和減壓單元(3)，減壓單元用通過使工作介質膨脹將內燃發(fā)動機(10)的熱能轉化為電能，其中，減壓單元(3)作為用于壓縮工作介質的壓縮器是空調回路(2)的一部分。減壓單元(3)在工作介質膨脹期間以及在工作介質壓縮期間在同一方向上運行。
文檔編號F02G5/00GK101563249SQ200780047346
公開日2009年10月21日 申請日期2007年12月21日 優(yōu)先權日2006年12月21日
發(fā)明者達雷爾·利·福斯特 申請人:荷蘭應用科學研究會(Tno)