CN102418622A - 朗肯循环系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种朗肯循环系统，安装在车辆上的朗肯循环系统包括朗肯循环回路、压力检测器、温度检测器和控制器。朗肯循环回路包括流体膨胀装置、流体传输装置、第一和第二通道、加热器、冷却装置、旁路通道和节流阀。旁路通道连接第一通道和第二通道，并且节流阀设置在旁路通道内以打开和关闭旁路通道。控制器连接到节流阀以控制节流阀的操作，并且连接到压力检测器和温度检测器以分别从压力检测器和温度检测器接收压力和温度的信号。控制器基于根据压力和温度的信号计算出的工作流体的过热度，控制节流阀的操作。

Description

朗肯循环系统
技术领域
本发明涉及一种具有朗肯循环回路的朗肯循环系统。
背景技术
已开发了如下的朗肯循环系统：其将从内燃机排出的热转换成用于电动发电机的电力。朗肯循环回路具有：锅炉(加热器)，以恒压对液体形式的工作流体加热，以产生过热蒸汽；膨胀装置(流体膨胀装置)，以绝热方式使过热蒸汽膨胀，以产生电力；冷凝器(冷却装置)，以恒压使膨胀的蒸汽冷却，以将蒸汽冷凝成液体；以及泵，将处于液体状态下的工作流体输送到锅炉。膨胀装置使得工作流体膨胀，从而使用于将工作流体的膨胀能量转换成转动电力的装置(诸如，涡轮机)的转子转动，并且转动电力被传输作为用于电力发电机的电力。
然而，当工作流体未能在锅炉内吸收足够的热时，在湿蒸汽状态(气液混合物状态)下的工作流体流入膨胀装置中，或者工作流体的液体部分流回到膨胀装置中。在膨胀装置中，工作流体的液体部分冲掉润滑油，通过与润滑油混合而减小润滑油的黏度，或者通过附着于涡轮机而腐蚀涡轮机。
日本专利申请公布第8-68501号公开了一种汽水分离器(moistureseparator)，其产生湿蒸汽的漩涡以利用离心力从湿蒸汽中分离水分。汽水分离器具有湿蒸汽流过的圆柱形管道以及布置在管道中且由多个定子叶片形成的喷嘴。汽水分离器还具有在管道中布置在如在制冷剂的流动方向上看到的喷嘴下游的位置处的涡轮机、以及布置在涡轮机的下游位置处并可与涡轮机一起转动的压缩机。流过管道的湿蒸汽经受喷嘴产生的旋流。涡轮机加强旋流，从而利用离心力从湿蒸汽中分离液体部分。然后，压缩机压缩分离出的液体，从而增加液体的干燥度和过热度。
然而，上述公布中具有管道以及都布置在管道中的喷嘴、涡轮机和压缩机的汽水分离器的结构复杂，因此，制造成本高。
本发明旨在提供一种具有简化结构的朗肯循环系统，以防止工作流体的液体部分流回到朗肯循环系统中的流体膨胀装置。
发明内容
根据本发明，一种安装在车辆上的朗肯循环系统包括朗肯循环回路、压力检测器、温度检测器和控制器。工作流体流通经过的朗肯循环回路包括流体膨胀装置、流体传输装置、第一通道、第二通道、加热器、冷却装置、旁路通道(bypass passage)和节流阀。流体膨胀装置使工作流体膨胀以产生功。流体传输装置将工作流体传输到流体膨胀装置。第一通道将流体传输装置连接到流体膨胀装置。第二通道将流体膨胀装置连接到流体传输装置。加热器设置在第一通道内以对工作流体进行加热。冷却装置设置在第二通道内以冷却工作流体。旁路通道将第一通道连接到第二通道。节流阀设置在旁路通道内以打开和关闭旁路通道。压力检测器设置在第一通道内以检测工作流体的压力。温度检测器设置在加热器与流体膨胀装置之间的第一通道内，以检测工作流体的温度。控制器连接到节流阀以控制节流阀的操作，并且连接到压力检测器和温度检测器以从压力检测器和温度检测器接收压力和温度的信号。控制器基于根据压力和温度的信号计算出的、工作流体的过热度，控制节流阀的操作。
根据结合附图得到的、通过示例说明本发明的原理的以下描述，本发明的其他方面和优点将变得明显。
附图说明
通过参考目前优选的实施例的以下描述以及附图，本发明及其目的和优点将更好理解，在附图中：
图1是示出根据本发明的第一优选实施例的朗肯循环系统的示意图；
图2是其数据存储在图1的朗肯循环系统的ECU中的制冷剂的p-h图；
图3是示出根据本发明的第二优选实施例的朗肯循环系统的示意图；以及
图4是示出图3的朗肯循环系统的节流阀的放大示意图。
具体实施方式
以下将参照图1和图2描述根据本发明的第一优选实施例的朗肯循环系统。以下描述将论述朗肯循环系统用于具有内燃机的车辆的示例。参照图1，附图标记10表示装配有具有朗肯循环回路100的朗肯循环系统101的发动机。
朗肯循环系统100具有泵111、冷却水锅炉112、废气锅炉113、膨胀装置114和冷凝器115。制冷剂作为工作流体流过朗肯循环回路100。泵111用作本发明的流体传输装置，冷却水锅炉112和废气锅炉113用作加热器，膨胀装置114用作流体膨胀装置，以及冷凝器115用作冷却装置。
泵111被操作以抽吸并传输流体，即，在本发明的第一优选实施例中为液体制冷剂。泵111在其出口(未示出)处通过通道1A连接到用作换热器的冷却水锅炉112，并且泵111传输的制冷剂流过冷却水锅炉112。
冷却水锅炉112连接到冷却水通道10A，在该冷却水通道中，连接了散热器20，并且作为由来自发动机10的余热加热的流体的发动机冷却水流过该冷却水通道。在冷却水锅炉112中，通过与发动机冷却水的热交换来加热制冷剂。通过泵(未示出)从发动机10传输到冷却水通道10A的发动机冷却水流过冷却水锅炉112，在该冷却水锅炉中，通过与冷却水锅炉112中的制冷剂的热交换来冷却发动机冷却水，然后，冷却后的发动机冷却水返回到发动机10。同时，通过与冷却水锅炉112中的发动机冷却水的热交换来加热制冷剂。
冷却水锅炉112在其出口处通过通道1B连接到用作换热器的废气锅炉113，并且来自冷却水锅炉112的制冷剂流过废气锅炉113。废气锅炉113连接到旁路通道30A。旁路通道30A是从排气系统30分支并且返回到该排气系统30的通道，其中，排气系统30从车辆里排出作为由来自发动机10的余热加热的流体的废气。在废气锅炉113中，在制冷剂与废气之间进行热交换。从发动机10排进排气系统30中的废气的一部分流进旁路通道30A，并且接着流过废气锅炉113，在该废气锅炉113中，通过与废气锅炉113中的制冷剂的热交换冷却废气。然后，冷却后的废气返回到排气系统30，并且从车辆里排出。同时，在废气锅炉113中，通过与温度比发动机冷却水的温度高的废气的热交换来加热制冷剂。因而，制冷剂的温度进一步升高。
废气锅炉113在其出口处通过通道1C连接到膨胀装置114的入口，以使得在冷却水锅炉112和废气锅炉113中加热的高温高压制冷剂流过膨胀装置114。膨胀装置114使高温高压制冷剂膨胀，以使装置(诸如涡轮机)(未示出)的转子和膨胀装置114的驱动轴114A转动，以使得转动的驱动力产生功。膨胀装置114通过驱动轴114A连接到可操作为电力发电机的电动发电机116。
电动发电机116通过泵111的驱动轴111A连接到泵111。在电动发电机116中，泵111的驱动轴111A和膨胀装置114的驱动轴114A彼此连接，以使得其转动的驱动力传送至彼此。电动发电机116电连接到可操作为逆变器或变流器的逆变器117，并且逆变器117电连接到车辆电池118。
因此，膨胀装置114进行驱动以使驱动轴114A转动，从而启动电动发电机116的操作。因此，电动发电机116作为用于产生交流电力并且将交流电力提供给逆变器117的电力发电机进行工作。在这种情况下，逆变器117起到将交流电力变换成直流电力并将直流电力提供给车辆电池118的变流器的作用。直流电力储存在车辆电池118中，或者用直流电力对车辆电池118充电。
当逆变器117起逆变器的作用时，储存在车辆电池118中的直流电力被转换成交流电力，并且交流电力被提供给电动发电机116。因而，电动发电机116可操作为电力发电机。通道1A、1B和1C组成朗肯循环回路100的第一通道1。
膨胀装置114在其出口(未示出)处通过通道2A连接到用作换热器的冷凝器115，并且从膨胀装置114流出的制冷剂流过冷凝器115。在冷凝器115中，在流过其的制冷剂与周围空气之间进行热交换。通过与周围空气的热交换来冷却冷凝器115中的制冷剂，从而使其冷凝。冷凝器115在其出口处通过通道2B连接到泵111的入口(未示出)。从冷凝器115流出的液体制冷剂被抽进泵111中，并且泵111再次将制冷剂传输到冷却水锅炉112。因此，制冷剂在朗肯循环回路100中循环。通道2A和2B组成朗肯循环回路100的第二通道2。
朗肯循环回路100具有将第一通道1连接到第二通道2的旁路通道3。根据本发明的第一优选实施例，旁路通道3的一端连接到第一通道1的通道1A，并且旁路通道3的另一端连接到第二通道2的通道2A。由电磁阀组成的节流阀120设置在旁路通道3中，以打开和关闭旁路通道3并且控制旁路通道3的流道区域。
朗肯循环系统101具有在第一通道1的通道1C中布置在邻近于膨胀装置114的位置处的压力传感器121和温度传感器122。压力传感器121和温度传感器122分别在刚好在制冷剂流进膨胀装置114前的位置处检测流过通道1C的制冷剂的压力和温度。由于制冷剂在第一通道1中在第一通道1与旁路通道3之间的连接点的下游的压力变化小，因此，压力传感器121可布置在第一通道1中第一通道1与旁路通道3之间的连接的下游的任何位置。例如，压力传感器121可布置在通道1C中通道1A与旁路通道3之间的连接的下游的位置处、或者布置在通道1B中。压力传感器121用作压力检测器，并且温度传感器122用作本发明的温度检测器。
ECU 119电连接到节流阀120并且还电连接到逆变器117，以分别控制节流阀120和逆变器117的操作。ECU 119还电连接到压力传感器121和温度传感器122，以分别从压力传感器121和温度传感器122接收压力传感器121和温度传感器122检测到的制冷剂的压力数据和温度数据。
以下将描述根据本发明的第一优选实施例的朗肯循环系统101的操作。参照图1，在发动机10的操作期间，通过泵(未示出)传输发动机10中的发动机冷却水，以在连接发动机10和冷却水锅炉112的冷却水通道10A中流通。然后，在冷却水锅炉112中的发动机冷却水与在朗肯循环回路100中流通的制冷剂之间进行热交换。同时，废气从发动机10被排出到排气系统30中，并且排气系统30中的废气的一部分流过旁路通道30A并接着返回到排气系统30，以从车辆排出，其中，废气流过排气系统30。因而，在废气锅炉113中，在旁路通道30A中流动的废气与在朗肯循环回路100中流通的制冷剂之间进行热交换。
当从发动机10排出的废气的温度升高到高于预定温度水平，并且发动机冷却水的温度也升高到高于另一预定温度水平时，启动朗肯循环回路100。此时，ECU 119启动逆变器117以如逆变器一样进行工作，以使得来自车辆电池118的直流电力被转换成交流电力以提供给电力发电机116，并且电动发电机116如电力发电机那样工作。
电动发电机116进行驱动以使分别用于驱动泵111和膨胀装置114的驱动轴111A和驱动轴114A转动。此时，旁路通道3中的节流阀120关闭。由电动发电机116驱动的泵111以恒定温度压缩液体制冷剂，并且将压缩后的制冷剂传输到冷却水锅炉112。同时，由电动发电机116驱动的膨胀装置114使涡轮机(未示出)的转子转动，从而将制冷剂从通道1C传输到通道2A。
由泵111传输的低温液体制冷剂通过通道1A流到冷却水锅炉112。在冷却水锅炉112中，通过与在冷却水锅炉112中流通的发动机冷却水的热交换而以恒压加热制冷剂，从而使制冷剂蒸发。结果，制冷剂变为具有高压和较高温度的气液混合物。
气液制冷剂从冷却水锅炉112流出，并且接着通过通道1B进入废气锅炉113中。在废气锅炉113中，通过与流过废气锅炉113并且温度高于发动机冷却水的温度的废气的热交换而以恒压加热制冷剂，从而使制冷剂蒸发。结果，制冷剂变成具有高温和高压的过热蒸汽。
过热蒸汽制冷剂从废气锅炉113流出并且通过通道1C，接着进入膨胀装置114。在膨胀装置114中，以绝热方式使高温高压过热蒸汽制冷剂膨胀，并且将制冷剂在降低其压力时的膨胀能量转换成作为可再生能量的转动能量。在膨胀装置114中，由电动发电机116驱动以转动的转子(未示出)接收上述转动能量产生的其他转动驱动力，并且转动驱动力通过驱动轴114A被传送到电动发电机116和驱动轴111A。ECU 119将逆变器117作为逆变器的操作切换为作为变流器的操作，以使得停止从车辆电池118到电动发电机116的供电。通过驱动轴114A和驱动轴111A、利用从膨胀装置114传输的转动驱动力驱动泵111，并且通过驱动轴114A、利用从膨胀装置114传输的转动驱动力驱动电动发动机116作为电力发电机，以产生交流电力。逆变器117将电动发电机116产生的交流电力转换成直流电力，并且以直流电力对车辆电池118充电。
流过膨胀装置114的制冷剂从该膨胀装置114中作为高温低压制冷剂排出，并且通过通道2A流进冷凝器115中。在冷凝器115中，通过与冷凝器115附近的周围空气的热交换而以恒压冷却制冷剂，从而使其冷凝成液体。液体制冷剂通过通道2B流进泵111中，并且接着从泵111流出。因而，制冷剂在朗肯循环回路100中流通。
在朗肯循环回路100的工作期间，ECU 119不断地接收分别由压力传感器121和温度传感器122检测到的制冷剂的压力数据和温度数据。图2中的p-h图(莫里尔图)的数据预先存储在ECU 119中或者在ECU 119中计算出。ECU 119基于所存储或所计算出的数据、以及分别从压力传感器121和温度传感器122接收到的制冷剂的压力和温度的数据，计算制冷剂的过热度，并且基于所计算出的制冷剂的过热度控制节流阀120的操作。
以下将详细地描述图2的p-h图。p-h图示出笛卡尔坐标系的图，其中，纵轴表示制冷剂的压力，以及横轴表示制冷剂的焓。由参考符号SL表示的区域表示制冷剂处于过冷液相的过冷液体区域，由参考符号WS表示的区域表示制冷剂处于湿蒸汽相的湿蒸汽区域，以及由参考符号SS表示的区域表示制冷剂处于过热蒸汽相的过热蒸汽区域。作为过冷液体区域SL与湿蒸汽区域WS之间的边界的饱和液体线由实线A表示，其中，该饱和液体线的临界点K在实线A的顶点处，并且作为湿蒸汽区域WS与过热蒸汽区域SS之间的边界的饱和蒸汽线由虚线B表示，其中，该饱和蒸汽线的临界点K在虚线B的顶点处。
ECU 119预先存储过冷液体区域SL、湿蒸汽区域WS、过热蒸汽区域SS、饱和液体线A、干饱和蒸汽线B和包括各温度的等温线(未示出)或者被配置为计算数据的等温线TL的数据。从压力传感器121接收到表示制冷剂的压力P的信号后，ECU 119计算干饱和蒸汽线B上与压力P对应的点Bp的坐标，并且从等温线TL中选择经过点Bp的等温线TLp。然后，ECU 119确定在所选等温线TLp上的干饱和蒸汽温度Tp是制冷剂在点Bp处的温度、或者制冷剂在压力P处的干饱和蒸汽温度。ECU 119还根据所计算出的干饱和蒸汽温度Tp与从温度传感器122接收到的温度T之间的温度差以及压力P计算过热度SH，如SH＝T-Tp表示。
然后，ECU 119将过热度SH与过热度的基准值SHt(例如，在该优选实施例中为3开尔文)进行比较。基准值SHt用作本发明的过热度基准值。当过热度SH高于基准值SHt时，ECU 119确定通道1C中的制冷剂处于足以使制冷剂成为过热蒸汽或者制冷剂的干燥度足够的状态下，并且进行控制以使节流阀120保持关闭。另一方面，当过热度SH低于基准值SHt时，ECU 119确定通道1C中的制冷剂处于不足以使制冷剂成为过热水汽或者制冷剂的干燥度不足够的状态下，并且接着进行控制以使节流阀120打开。
过热度和干燥度彼此相关。具体地，当过热度为零或者以上时，干燥度是为其最大水平的干燥度，并且当过热度小于零时，干燥度大于或等于零且小于一。因而，干燥度随着过热度的减小而减小。当干燥度为一时，制冷剂处于过热蒸汽相或者干饱和蒸汽相，当干燥度为零时，制冷剂处于过冷液相或者饱和液相，并且当干燥度大于零且小于一时，制冷剂处于湿蒸汽相。因而，基于所计算出的制冷剂过热度对节流阀120的操作的控制与基于干燥度对节流阀120的操作的控制基本相同。
返回到图1，当节流阀120打开时，从泵111输送到通道1A中的高压制冷剂的一部分通过旁路通道3流到通道2A，其中，刚好在经膨胀装置114减压后的低压制冷剂流过通道2A。流过旁路通道3的制冷剂与流过通道1A、1B和1C的制冷剂在通道2A处合并，并且接着与来自通道1A、1B和1C的制冷剂一起流进冷凝器115中。
流过通道1B和1C的制冷剂的流速降低，因此，通道1C中在膨胀装置114的上游的制冷剂的压力也降低。由冷却水锅炉112和废气锅炉113加热的制冷剂的流速降低，因此，流过膨胀装置114的制冷剂的温度升高。由压力传感器121检测到的压力降低，并且由温度传感器122检测到的温度升高。膨胀装置114的入口与出口之间的压力差减小，因此，膨胀装置114上的负荷降低。节流阀120的开口增大，从而增大了旁路通道3的流道区域，以使得流过旁路通道3的制冷剂的流速增大。因而，由压力传感器121检测到的压力的降低量增加，并且温度传感器122检测到的温度的升高量增加。
返回到图2，P1描绘了由压力传感器121检测到的第一压力，以及T1描绘了由温度传感器122检测到的第一温度，并且当节流阀120关闭时，ECU 119基于第一压力P1和第一温度T1计算第一过热度SH1。在图2的p-h图上的点P1T1处的压力和温度分别对应于第一压力P1和第一温度T1。然后，从等温线TL中选择经过位于干饱和蒸汽线B上并具有第一压力P1的点Bp1的等温线TLp1，ECU 119计算干饱和蒸汽温度Tp1，并且根据该干饱和蒸汽温度Tp1计算第一过热度SH1，即SH1＝T1-Tp1。当第一过热度SH1小于基准值SHt时，ECU 119使节流阀120以与第一过热度SH1对应或与基准值SHt和第一过热度SH1之间的差对应的开度打开。即，第一过热度SH1越小，节流阀120的开口越大。
结果，压力传感器121检测到的压力从第一压力P1降低到第二压力P2，并且由温度传感器122检测到的温度从第一温度T1升高到第二温度T2。在图2的p-h图上的点P2T2处的压力和温度分别对应于第二压力P2和第二温度T2。
从等温线TL中选择经过位于干饱和蒸汽线B上并具有第二压力P2的点Bp2的等温线TLp2，ECU 119计算干饱和蒸汽温度Tp2，并且根据该干饱和蒸汽温度Tp2计算第二过热度SH2，即SH2＝T2-Tp2。干饱和蒸汽温度Tp2低于干饱和蒸汽温度Tp1，或者等温线TLp2的温度低于等温线TLp1的温度。第二过热度SH2与图2的p-h图上的点P2T2与点Bp2之间的距离相关，并且第一过热度SH1与p-h图上的点P1T1与点Bp1之间的距离相关。因而，第二过热度SH2大于第一过热度SH1。如图2的p-h图所示，即使当制冷剂的温度处于恒定水平并且制冷剂的压力降低时以及当制冷剂的压力处于恒定水平并且制冷剂的温度升高时，制冷剂的过热度也会增加。根据本发明的第一优选实施例，过热度的增加量随着制冷剂压力的降低和制冷剂温度的升高而增大，以使得利于过热度的控制。
ECU 119将第二过热度SH2与基准值SHt进行比较，并且当第二过热度SH2大于基准值SHt时，维持节流阀120的开口。另一方面，当第二过热度SH2小于基准值SHt时，ECU 119以增大节流阀120的开口的这种方式进行控制，以使得流过旁路通道3的制冷剂的流速增大。
然后，当所计算出的过热度高于基准值SHt时，维持节流阀120的开口，并且当所计算出的过热度低于基准值SHt时，进一步增大节流阀120的开口。ECU 119使节流阀120重复上述调节，直到过热度变得高于基准值SHt。ECU 119重复计算过热度，同时维持节流阀120的开口。另外，ECU 119以保持过热度高于基准值SHt的这种方式控制节流阀120的操作。
因此，ECU 119控制节流阀120的开口，以使根据分别从压力传感器121和温度传感器122接收到的制冷剂压力以及温度计算出的制冷剂的过热度高于基准值SHt。
即使维持节流阀120的开口不变，制冷剂的过热度也可能由于车辆的任何工作条件而改变，从而过热度可能相对于基准值SHt变得极其大。因此，节流阀120的开口变得极其大，并且流过膨胀装置114的制冷剂的流速变得极其小，因此，膨胀装置114的入口与出口之间的压力差变得极其小，并且再生能量变得极其小。为了减少再生能量的这种降低，可设置过热度的任意适当的上限SHmax。
在这种情况下，ECU 119可操作用于在所计算出的过热度变得大于上限SHmax时减小节流阀120的开口，从而减小流过旁路通道3的制冷剂的流速并增大流过通道1C的制冷剂的流速。当在减小节流阀120的开口后所计算出的过热度大于上限SHmax时，调节节流阀120，以进一步减小其开口。当所计算出的过热度变得低于上限SHmax时，维持节流阀120的开口。ECU 119使节流阀120重复执行上述调节，直到过热度变得小于上限SHmax。ECU 119在维持节流阀120的开度的同时适当地计算制冷剂的过热度，并且控制节流阀120的开口，以使过热度维持为小于上限SHmax。
如上所述，根据本发明的第一优选实施例的朗肯循环系统101包括制冷剂流过的朗肯循环回路100，并且朗肯循环回路100具有允许制冷剂膨胀从而产生功的膨胀装置114、将制冷剂传输到膨胀装置114的泵111、将泵111连接到膨胀装置114的第一通道1、将膨胀装置114连接到泵111的第二通道2、设置在第一通道1中用于加热制冷剂的冷却水锅炉112和废气锅炉113、设置第二通道2中用于冷却制冷剂的冷凝器115、将第一通道1连接到第二通道2的旁路通道3、以及设置在旁路通道3中用于打开和关闭旁路通道3的节流阀120。朗肯循环系统101具有布置在第一通道1中用于检测制冷剂的压力的压力传感器121、布置在废气锅炉113与膨胀装置114之间的第一通道1中用于检测制冷剂的温度的温度传感器122、以及ECU 119，该ECU 119与节流阀120连接以控制节流阀120的操作，并且与压力传感器121和温度传感器122连接以从其接收分别由压力传感器121和温度传感器122检测到的压力和温度的信号。ECU 119基于根据压力和温度的上述信号计算出的过热度控制节流阀120的操作。旁路通道3将在泵111与冷却水锅炉112之间延伸的第一通道1连接到第二通道2。
在朗肯循环系统101中，当节流阀120打开时，制冷剂流过旁路通道3，以使得流进膨胀装置114中的制冷剂的流速减小。因而，由压力传感器121检测到的、流进膨胀装置114中的制冷剂的压力减小。通过冷却水锅炉112和废气锅炉113流到膨胀装置114的制冷剂的流速减小，以使得由温度传感器122检测到的、流进膨胀装置114中的制冷剂的温度增大。由于流过膨胀装置114的制冷剂处于水汽相，因此，可通过减小制冷剂的压力以及/或者升高制冷剂的温度来增大制冷剂的过热度。调节节流阀120的开口以控制流过膨胀装置114的制冷剂的压力和温度并因此控制制冷剂的过热度，可将制冷剂维持在过热蒸汽相或者在干饱和蒸汽相，以使得防止液体制冷剂流回到膨胀装置114。可仅通过设置旁路通道3和节流阀120来防止液体制冷剂流回到膨胀装置114。因而，可简化防止液体制冷剂倒流进膨胀装置114中的朗肯循环系统101的结构。压力传感器121和温度传感器122可布置在可检测到流进膨胀装置114中的制冷剂的压力和温度的位置处，优选地，布置在邻近于膨胀装置114的入口的位置处。
当根据所监控的制冷剂的压力和温度计算出的制冷剂过热度低于基准值SHt时，ECU 119使得节流阀120打开。当基准值SHt被设置为大于零时，过热度为基准值SHt的制冷剂处于仍然在干饱和蒸汽相的过热蒸汽相。进行控制以使得制冷剂的过热度大于基准值SHt，可将制冷剂稳定地维持在过热水汽相。这可预先防止制冷剂的干燥度小于一或者制冷剂的过热度小于零。与在干饱和蒸汽相或在过热蒸汽相的制冷剂的干燥度为一的情况相比，可以通过如下操作来确保液体制冷剂的流回安全：通过为用与制冷剂的干饱和水汽相和过热水汽相的各个相对应的数字表示的过热度引入阈值，控制制冷剂的相。
在朗肯循环系统101中，当制冷剂的过热度小于基准值SHt时，ECU119以节流阀120的开口随着制冷剂的过热度的减小而增大的这种方式进行控制，从而增大流过旁路通道3的制冷剂的流速。因而，ECU 119控制朗肯循环系统101，以使得所计算出的制冷剂过热度越小，制冷剂的压力降低得越多，并且制冷剂的温度升高得越多，从而有效地将制冷剂的过热度增大到大于基准值SHt。
在朗肯循环系统101的朗肯循环回路100中，旁路通道3将在泵111与冷却水锅炉112之间的第一通道1连接到第二通道2。由于允许流过旁路通道3的制冷剂之前被加热并且因此具有高浓度，所以即使当旁路通道3以小直径形成并且使得节流阀120较小时，也可适当地确保制冷剂在旁路通道3中的流速。也就是说，旁路通道3和节流阀120可形成为较小。由于使得由冷却水锅炉112和废气锅炉113加热的全部制冷剂流过膨胀装置114，因此，可有效地利用从冷却水锅炉112和废气锅炉113接收到的热能，以转换成制冷剂在膨胀装置114中的膨胀能量，而不会浪费。因而，可在朗肯循环系统101中有效地利用从冷却水锅炉112和废气锅炉113接收到的热。
在朗肯循环系统101的朗肯循环回路100中，旁路通道3将第一通道1连接到膨胀装置114与冷凝器115之间的第二通道2。因而，第二通道2中的全部制冷剂流过冷凝器115以进行冷却。这可降低传输到泵111中的过冷制冷剂的缺乏，因此，可防止泵111空化(cavitation)。
以下将描述根据本发明第二优选实施例的朗肯循环系统201。第二优选实施例不同于第一优选实施例之处在于，替代节流阀120，节流阀布置在旁路通道3中。以下描述将相同的附图标记用于第一和第二实施例中共同的元件或部件，并且将省略这样的元件或部件的描述。
返回到图3，第二实施例的朗肯循环系统201具有朗肯循环回路200，该朗肯循环回路200具有上述的旁路通道3中的节流阀220和在通道1C中布置在邻近于膨胀装置114的位置处的热敏筒体(temperature sensitivecylinder)221。节流阀220可操作用于在连接到通道1A的通道3A与连接到通道2A的通道3B之间连接以及断开，以调节通道3A与通道3B之间的流道区域。
图4详细地示出了节流阀220的结构。节流阀220具有形成在其中的、将旁路通道3的通道3A连接到通道3B的阀室220C。节流阀220在阀室220C中还具有阀座220D、以及布置在阀座220D的通道3A侧的阀体220A、用于将阀体220A推向阀座220D的第一弹簧220B1以及用于将阀体220A推离阀座220D的第二弹簧220B2。节流阀220在其中还具有连接轴220G，该连接轴220G沿第一弹簧220B1的推动方向延伸并且在其一端连接到阀体220A并且在其另一端连接到隔板220F。第二弹簧220B2利用阀体220A推动连接轴220G。
如从图4认识到，当阀体220A位于阀座220D上时，阻断通道3A与通道3B之间的流体连通或者旁路通道3关闭，并且当阀体220A移动远离阀座220D时，通道3A与通道3B连通或者旁路通道3打开。节流阀220具有形成在其中的压力室220E，该压力室220E与阀室220C隔离且位于节流阀220的、通过第一弹簧220B1使阀体220A朝向其移动的侧。
压力室220E被上述隔板220F分隔为第一压力室220E1和第二压力室220E2，其中该隔板220F布置在压力室220E中，从而在与第一弹簧220B1和第二弹簧220B2的推动方向垂直的方向上延伸。第一压力室220E1和第二压力室220E2以彼此并排的关系按该顺序沿第一弹簧220B1的推动方向形成。连接轴220G延伸通过压力室220E，并且连接到隔板220F。隔板220F可沿着第一弹簧220B1和第二弹簧220B2的推动方向与阀体220A一起移动。
第一压力室220E1通过通道221A连接到热敏筒体221，并且第二压力室220E2在邻近于热敏筒体221的位置处通过连通通道222连接到通道1C。因而，流过朗肯循环回路100的制冷剂的一部分流进第二压力室220E2中，并且第二压力室220E2中的制冷剂的温度和压力(压力Pb)基本上与通道1C中的制冷剂的温度和压力相同。连通通道222用作本发明的压力检测器。
热敏筒体221填充有作为热敏流体的、类型与在朗肯循环回路100中流通的制冷剂相同的制冷剂。热敏筒体221中的制冷剂处于气液混合物状态下。包含在热敏筒体221中并用于感测制冷剂在通道1C中的温度的制冷剂的温度可以基本上与制冷剂在通道1C中的温度相同。因而，制冷剂在热敏筒体221中和第一压力室220E1中的温度基本上与制冷剂在通道1C中的温度相同，并且制冷剂的压力(压力Pa)为与制冷剂在通道1C中的温度对应的饱和蒸汽压力。热敏筒体221用作本发明的温度检测器。
参照图2的等温线TL，当制冷剂的温度处于恒定水平时，处于气液混合物相(湿水汽相)的制冷剂的压力基本上与制冷剂的饱和水汽压力相同，并且高于处于过热水汽相的制冷剂的压力。第一压力室220E1的压力Pa比第二压力室220E2的压力Pb高出由通道1C中的制冷剂的过热度影响的量。因而，通道1C中的制冷剂的过热度由压力Pa与Pb之间的差(即，Pa-Pb)确定。当与过热度的基准值SHt对应的压力差由基准值Pdt表示，并且通道1C中的制冷剂的过热度大于基准值SHt时，压力差(Pa-Pb)大于基准值Pdt。基准值Pdt用作本发明的压力差基准值。
操作节流阀220，以使得当压力差(Pa-Pb)为基准值Pdt时，由在关闭阀体220A的方向上起作用的第一弹簧220B1的推力和在关闭阀体220A的方向上通过隔板220F和连接轴220G对阀体220A起作用的压力差(Pa-Pb)的推力合成得到的力基本上与第二弹簧220B2在打开阀体220A的方向上的推力相同。
因而，当压力差(Pa-Pb)大于基准值Pdt时，第一弹簧220B1的推力与压力差(Pa-Pb)的合成力大于第二弹簧220B2的推力，以使得阀体220A关闭，因此，阻断了通道3A与通道3B之间的流体连通。同时，当压力差(Pa-Pb)小于基准值Pdt时，第一弹簧220B1的推力与压力差(Pa-Pb)的合成力大于第二弹簧220B2的推力，阀体220A打开，因此，通道3A与通道3B连通。操作节流阀220以在压力差(Pa-Pb)小于基准值Pdt时打开。此外，进一步操作节流阀220以在压力差(Pa-Pb)小于预定值Pdt时打开，压力差(Pa-Pb)越小，或者制冷剂的过热度越小，阀体220A的开口越大，以使得在旁路通道3中流动的制冷剂的流速增大，并且在通道1C中流动的制冷剂的过热度的增加量增大。
因而，节流阀220可基于热敏筒体221检测到的制冷剂温度以及制冷剂的压力而检测制冷剂的过热度，并且根据所检测到的制冷剂过热度控制阀体220A的开口。节流阀220可通过改变第一弹簧220B1和第二弹簧220B2的强度，调节阀体220A打开时的制冷剂过热度，并且根据制冷剂过热度调节阀体220A的开口。因此，节流阀220具有与第一优选实施例的ECU 119的功能相同的功能，并且如在第一优选实施例的节流阀120的情况下那样，该节流阀220还具有控制在通道1C中流动的制冷剂的过热度大于基准值SHt而不用ECU 119控制的功能。也就是说，节流阀220兼任ECU 119，其基于在连通通道222中的工作流体的压力与在热敏筒体221中的热敏流体的压力之间的压力差、根据工作流体的过热度SH而工作。
根据第二优选实施例的朗肯循环系统201的其余结构和操作基本上与根据第一优选实施例的朗肯循环系统101相同，因此，省略对其的描述。根据第二优选实施例的朗肯循环系统201提供了与根据第一优选实施例的朗肯循环系统101相同的有益效果。
在本发明的第一优选实施例的朗肯循环系统101和第二优选实施例的朗肯循环系统201中，旁路通道3的连接点不限于图1和图3所示的图示。旁路通道3可在为冷却水锅炉112或废气锅炉113的上游的位置处连接到第一通道1，或者连接到通道1A或通道1B，以使得流过旁路通道3的制冷剂减少，从而降低流过冷却水锅炉112和/或废气锅炉113的制冷剂的流速并因此减少在膨胀装置114中流动的制冷剂的量。因而，通过旁路通道3将泵111与冷却水锅炉112之间的第一通道1连接到第二通道2意味着，旁路通道3可在其一端处连接到第一通道1，并且在其另一端处连接到泵111与冷却水锅炉112之间的点或泵111与废气锅炉113之间的点。旁路通道3还可在通道2A或2B处连接到第二通道2。
在根据本发明的第一和第二优选实施例的朗肯循环系统101和201中，旁路通道3可在通道1C处连接到第一通道1。在这种情况下，由于允许制冷剂流过旁路通道3，因此，降低了制冷剂在通道1C中的压力。参照图2的p-h图，在制冷剂的温度处于恒定水平时在蒸汽相的制冷剂的压力减小，从而增大了制冷剂的过热度。因而，使制冷剂流过旁路通道3，以使得制冷剂过热度允许制冷剂流过旁路通道3，可增大从通道1C流进膨胀装置114中的制冷剂的过热度。在根据本发明的第一和第二优选实施例的朗肯循环系统101和201中，多个旁路通道可设置在朗肯循环回路中。
在根据本发明的第一和第二优选实施例的朗肯循环系统101和201中，泵111、电动发电机116和膨胀装置114彼此连接，但本发明不限于这样的结构。仅电动发电机116和膨胀装置114可彼此连接。在这种情况下，泵111可被配置为通过传动带、利用来自车辆电池118的电力或来自发动机10的电力驱动。这消除了泵111的操作对膨胀装置114的操作的影响。因而，为了控制流过膨胀装置114的制冷剂的过热度，除了使制冷剂流过旁路通道3外，可通过调节从泵111流出的制冷剂的流速来控制通过冷却水锅炉112和废气锅炉113流进膨胀装置114中的制冷剂的流速。
在根据本发明的第一优选实施例的朗肯循环系统101中，ECU 119可仅基于由温度传感器122检测到的制冷剂温度，控制节流阀120。在根据本发明的第一优选实施例的朗肯循环系统101中，泵111和膨胀装置114通过驱动轴111A和114A连接，并且驱动轴111A和114A彼此连接，以使泵111和膨胀装置114以相同速度转动。在该结构中，第一通道1中的制冷剂的压力变化变得更小以落入包括与泵111和膨胀装置114的转动速度对应的压力的预定范围内。因而，与泵111和膨胀装置114的转动速度对应的、第一通道1中的制冷剂的压力的预测水平可被设置并存储在ECU119中。因此，ECU 119可基于来自温度传感器122的制冷剂温度数据和存储在ECU 119中的制冷剂压力数据，计算制冷剂的过热度，并且基于所计算出的制冷剂的过热度，控制节流阀120。
在根据本发明的第一优选实施例的朗肯循环系统101中，ECU 119可直接根据分别来自压力传感器121和温度传感器122的制冷剂压力和温度计算制冷剂的干燥度。在这种情况下，ECU 119可基于通过利用图2的p-h图对制冷剂落入过冷液体区域SL、湿蒸汽区域WS和过热蒸汽区域SS中的哪一个中的确定，计算制冷剂的干燥度。制冷剂的干燥度在制冷剂在过热蒸汽区域SS内时为一并且也在干饱和蒸汽线B上，当制冷剂在过冷液体区域SL内时为零并且也在饱和液体线A上，以及在湿蒸汽区域WS内大于零且小于一。
如图2的p-h图所示，在干燥度为零时的干燥度线以作为饱和蒸汽线A的干燥度线D0示出，并且在干燥度为一时的干燥度线以作为干饱和蒸汽线B的干燥度线D10示出。类似地，在干燥度为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8和0.9时的干燥度线在湿蒸汽区域WS内分别以干燥度线D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8和D9示出。ECU 119可存储各干燥度线的数据，或者ECU 119可计算数据，以使得ECU 119可更详细地计算制冷剂的干燥度。
ECU 119可操作用于进行控制以使得当如上所述通过计算确定的制冷剂的干燥度小于一时节流阀120打开，并且此外，使得节流阀120的开口随着干燥度的减小而减小。
在根据本发明的第一和第二优选实施例的朗肯循环系统101和201中，电动发电机116可由交流发电机替代，而逆变器117可由调节器替代。在该配置中，交流发电机可通过传动带连接到泵111和膨胀装置114。

Claims (10)

1.一种安装在车辆上的朗肯循环系统(101，201)，包括：
工作流体流通经过的朗肯循环回路(100，200)，所述朗肯循环回路(100，200)包括：
流体膨胀装置(114)，使所述工作流体膨胀以产生功；
流体传输装置(111)，将所述工作流体传输到所述流体膨胀装置(114)；
第一通道(1)，将所述流体传输装置(111)连接到所述流体膨胀装置(114)；
第二通道(2)，将所述流体膨胀装置(114)连接到所述流体传输装置(111)；
加热器(112，113)，设置在所述第一通道(1)中以对所述工作流体进行加热；
冷却装置(115)，设置在所述第二通道(2)中以冷却所述工作流体；
旁路通道(3)，将所述第一通道(1)连接到所述第二通道(2)；以及
节流阀(120，220)，设置在所述旁路通道(3)中以打开和关闭所述旁路通道(3)，
压力检测器(121，222)，设置在所述第一通道(1)中以检测所述工作流体的压力；
温度检测器(122，221)，设置在所述加热器(112，113)与所述流体膨胀装置(114)之间的所述第一通道(1)中以检测所述工作流体的温度；以及
控制器(119，220)，连接到所述节流阀(120)以控制所述节流阀(120，220)的操作，并且连接到所述压力检测器(121，222)和所述温度检测器(122，221)以从所述压力检测器(121，222)和所述温度检测器(122，221)接收压力和温度的信号，所述控制器(119)基于根据所述压力和所述温度的信号计算出的所述工作流体的过热度(SH)，控制所述节流阀(120，220)的操作。
2.根据权利要求1所述的朗肯循环系统(101)，其特征在于，当所述工作流体的过热度(SH)低于过热度基准值(SHt)时，所述控制器(119)使所述节流阀(120)打开。
3.根据权利要求2所述的朗肯循环系统(101)，其特征在于，当所述工作流体的过热度(SH)小于所述过热度基准值(SHt)时，所述控制器(119)以所述节流阀(120)的开口随着所述工作流体的过热度(SH)的减小而增大的这种方式进行控制，从而提高流过所述旁路通道(3)的所述工作流体的流速。
4.根据权利要求1所述的朗肯循环系统(201)，其特征在于，所述压力检测器(222)是将所述第一通道(1)连接到所述节流阀(120)的连通通道，所述温度检测器(221)是热敏筒体，所述热敏筒体连接到所述节流阀(220)并且填充有在气液混合物相的、与在所述朗肯循环回路(200)中流通的所述工作流体相同类型的热敏流体，并且所述节流阀(220)兼任所述控制器，其中，所述控制器基于所述连通通道中的所述工作流体的压力与所述热敏筒体内的所述热敏流体的压力之间的压力差、根据所述工作流体的过热度(SH)而工作。
5.根据权利要求4所述的朗肯循环系统(201)，其特征在于，所述节流阀(220)被操作以在所述压力差小于压力差基准值(Pdt)时打开。
6.根据权利要求5所述的朗肯循环系统(201)，其特征在于，当所述压力差小于第二基准值(Pdt)时，所述节流阀(220)的开口随着所述工作流体的过热度(SH)的减小而增大，从而提高流过所述旁路通道(3)的所述工作流体的流速。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的朗肯循环系统(101，201)，其特征在于，所述节流阀(220)包括：
设置在所述旁路通道(3)中的阀室(220C)，所述阀室(220C)包括：
阀座(220D)；
阀体(220A)，被配置成使得当所述阀体(220A)位于所述阀座(220D)上时关闭所述旁路通道(3)，并且当所述阀体(220A)移动远离所述阀座(220D)时打开所述旁路通道(3)；
第一弹簧(220B1)，将所述阀体(220A)推向所述阀座(220D)，以使所述阀体(220A)位于所述阀座(220D)上；以及
第二弹簧(220B2)，将所述阀体(220A)推离所述阀座(220D)，
压力室(220E)，包括：
第一压力室(220E1)；
第二压力室(220E2)；以及
隔板(220F)，将所述压力室(220E)分隔成所述第一压力室(220E1)和所述第二压力室(220E2)，
连接轴(220G)，延伸穿过所述阀室(220C)和所述压力室(220E)并且连接到所述阀体(220A)和所述隔板(220F)，所述连接轴(220G)是由所述第二弹簧(220B2)推动的。
8.根据权利要求1所述的朗肯循环系统(101，201)，其特征在于，所述旁路通道(3)将所述流体传输装置(111)与所述加热器(112，113)之间的所述第一通道(1)连接到所述第二通道(2)。
9.根据权利要求1所述的朗肯循环系统(101，201)，其特征在于，所述旁路通道(3)将所述第一通道(1)连接到所述流体膨胀装置(114)与所述冷却装置(115)之间的所述第二通道(2)。
10.根据权利要求1所述的朗肯循环系统(101，201)，其特征在于，所述旁路通道(3)将所述加热器(112，113)与所述流体膨胀装置(114)之间的所述第一通道(1)连接到所述第二通道(2)。
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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