CN105822456A - 车辆中的热力系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种车辆中的热力系统。一种车辆包括具有排气系统的发动机以及包含相变材料的导热管。导热管具有冷凝区域以及与排气系统热接触的蒸发区域并且限定通过芯吸层分开的蒸汽空间和液体空间。该车辆具有在包含工作流体的热力循环中顺序地连通的膨胀器、冷凝器、泵、第一加热器以及第二加热器。所述第一加热器与排气系统中的排气热接触。所述第二加热器与导热管的冷凝区域热接触。

Description

车辆中的热力系统
技术领域
多个实施例涉及控制车辆中用于废热能量回收的热力系统(比如兰金循环)。
背景技术
包括混合动力车辆的车辆具有产生高温排气的内燃发动机。在车辆运转期间可以使用热力循环(比如兰金(Rankine)循环)回收来自发动机排气的废热。通常，发动机排气可以直接加热在热交换器中的热力循环中的工作流体。
发明内容
在一个实施例中，车辆提供有具有排气系统的发动机以及包含相变材料的导热管(heatpipe)。导热管具有冷凝区域以及与排气系统热接触的蒸发区域。在包含工作流体的热力循环中提供顺次流体连通的膨胀器、第一热交换器、泵和第二热交换器。第二热交换器与导热管的冷凝区域热接触。
在另一个实施例中，车辆提供有具有排气系统的发动机以及包含相变材料的导热管。导热管具有冷凝区域以及与排气系统热接触的蒸发区域。导热管形成通过芯吸层(wickinglayer)分开的蒸汽空间和液体空间。在包含工作流体的热力循环中提供顺序地流体连通的膨胀器、冷凝器、泵、第一加热器和第二加热器。第一加热器与排气系统中的排气热接触。第二加热器与导热管的冷凝区域热接触。
在又一个实施例中，提供了一种方法，所述方法使用混合相态的工作流体控制车辆的闭环中的泵、加热器、膨胀器和冷凝器而用于能量回收。在加热器中通过来自包含相变材料的导热管的冷凝区域的传热来加热工作流体。在导热管的蒸发区域中通过来自发动机排气的传热来加热相变材料。
本发明的多个示例具有关联的非限制优点。例如，车辆中的热力循环可以用于回收废热和能量并且增加车辆效率。热力循环可以是兰金循环。提供有从发动机排气接收废热并且加热热力循环中的工作流体的导热管。导热管提供了一种在排气和工作流体之间传热的被动装置。导热管是包含在液相和汽相之间运转的相变材料的封闭的密封系统。导热管的高效率和热传导提供了一种加热循环中的工作流体以及从排气回收废热的可靠且有效的方式。还可以基于排放系统的要求选择导热管用于排气的选择性冷却。例如，当导热管提供在排放系统上游的排气系统中时，可能希望当排气低于预定温度时不运转导热管。当排气低于预定温度时，排气的任何进一步冷却(例如，利用没有旁通系统的常规气冷或水冷热交换器)在冷机起动状况时可能推迟催化转化器起燃(lightoff)，并且以燃料富化状况运行发动机可能减少车辆的燃料经济性。在低于预定温度时工作流体不会经历相变并且从而热量不会运转，包含基于排气的预定温度选择的工作流体的导热管可仅在该预定温度之上运转。在一个示例中，导热管中的工作流体包含处于一定压力的钠以在700摄氏度之上提供相变，这可以不影响催化转化器的起燃。由于导热管仅在预定的排气温度之上运转，因此不需要旁通系统，并且导热管在不使用额外的控制系统的情况下选择性地提供热量至兰金循环。
附图说明
图1显示了根据实施例的车辆的系统的示意图；
图2显示了用于图1的兰金循环的简化压-焓图；
图3显示了用于图1的兰金循环在多个工况下的简化压-焓图；
图4显示了根据实施例的用于图1的车辆的导热管；
图5显示了图4的导热管的截面示意图。
具体实施方式
根据需要，在此公开了本发明的具体实施例；然而，应理解公开的实施例仅为本发明的示例，其可以多种替代形式实施。附图无需按比例绘制；可以放大或缩小一些特征以显示特定部件的细节。所以，此处所公开的具体结构和功能细节不应解释为限定，而仅为教导本领域技术人员以多种形式实施本发明的代表性基础。以化学术语描述的组分指在添加到本说明书中指定的任何组合中时的组分，并且不一定排除混合物一旦混合后混合物的组分之间的相互化学作用。本发明描述的流体可以指包括汽相、液相、混合的汽相/液相、过热气体、过冷液体等的多种状态或相态的物质。
可以使用热力循环(比如兰金循环)将热能转化成机械或电功率。由于排气丢弃车辆中的废热，因此已经付出努力从发动机排气更有效地收集热能。本发明提供具有设置在排气歧管和循环的蒸发器之间的导热管的兰金循环。导热管包含在运转期间具有相态分离的另一种工作流体。排气加热并蒸发导热管中的工作流体。导热管中的工作流体随后在蒸发器(或导热管冷凝部分)中加热循环中的工作流体使得导热管中的工作流体随着循环中的工作流体蒸发而冷凝成液相。
图1说明根据示例的车辆10内多个系统的简化示意图。经由与兰金循环的热交换器内工作流体的热传递可以冷却多个车辆系统中的流体，并且继而在兰金循环的冷凝器中使用外界空气(ambientair)来冷却工作流体。兰金循环通过将本来会传输至外界空气的车辆中的废热转换成电功率或机械功率而允许能量回收。
车辆可以是具有可用于车轮的多个扭矩源的混合动力车辆。在其它示例中，车辆可以是仅具有发动机的传统车辆。在显示的示例中，车辆具有内燃发动机50和电机52。电机52可以是马达或马达/发电机(M/G)。发动机50和电机52经由传动装置54连接至一个或多个车轮55。传动装置54可以是变速箱、行星齿轮系统或其它传动装置。可以在发动机50、电机52和传动装置54之间设置离合器56。可以以包括并联、串联或串联-并联混合动力车辆的多种方式配置动力传动系统。
电机52从牵引电池58接收电功率以提供扭矩至车轮55。例如在制动运转期间电机52还可以作为发电机运转以提供电功率来给电池58充电。
发动机50可以是内燃发动机，比如压燃式发动机或火花点火发动机。发动机50具有将排气从发动机50的汽缸排放至大气的排气系统60。排气系统60具有连接至发动机汽缸的排气口的排气歧管。排气系统60可以包括用于噪声控制的消声器。排放系统60还可以包括一个或多个排放控制系统，比如三元催化器、催化转化器、微粒过滤器等。在一些示例中，排气系统60还可以包括排气再循环(EGR)系统和/或增压装置(比如涡轮增压器)。
发动机50还具有冷却剂系统。冷却剂系统包含在运转期间从发动机50去除热量的发动机冷却剂流体，该流体可以包括水、乙二醇和/或其它流体。发动机50可以设有具有使用再循环的发动机冷却流体从发动机50的多个区域去除热量的通道的内部冷却套或外部冷却套。冷却剂系统可以包括泵、散热器和贮存器(未显示)。
车辆具有热力循环70。在一个示例中，循环70是兰金循环。在另一个示例中，循环70是变型的兰金循环或者是包括在循环运转期间在一个以上的相态转变的工作流体的另一种热力循环。兰金循环70包含工作流体。在一个示例中，工作流体经历相变并且在系统内是混合相态的流体。工作流体可以是R-134a、R-245或者基于希望的循环运转参数的另一种有机或无机化学制冷剂(refrigerant)。
循环70具有泵72、压缩机或者配置用于增加工作流体的压力的其它装置。泵72可以是离心泵、正排量泵等。工作流体从泵72流至一个或多个热交换器。热交换器可以是预热器、蒸发器、过热器以及配置用于传输热量至工作流体的类似装置。
显示的示例具有第一热交换器74，该热交换器配置为蒸发器。提供有第二热交换器76并且该热交换器配置为过热器。在其它示例中，可以在泵72的下游提供更多或更少的热交换器。例如，循环70可以仅提供有热交换器76或者可以提供有三个或更多个热交换器来加热工作流体。额外地，泵72下游的热交换器可相对于彼此以多种方式(例如并联、如显示的串联或者串联和并联流动的组合)布置或设置。
热交换器74、76配置用于从外部热源传输热量以加热循环70内的工作流体。在显示的示例中，热交换器74、76配置用于从发动机排气传输热量至循环70中的工作流体。经由热交换器74、76减小发动机排气的温度而类似地增加循环70的工作流体的温度。发动机排气可以加热循环70中的工作流体使得工作流体经历从液相到汽相的相变。
对于热交换器74，排气系统60中的发动机排气可以流过热交换器74以直接传输热量至循环70中的工作流体。发动机排气系统60可以具有通过热交换器74或者与热交换器74接触的第一流动路径78。发动机排气系统60还可以具有转移热交换器74周围的排气流的第二流动路径或旁通流动路径80。提供有控制流过热交换器74的排气量的阀门82，从而提供对传输至工作流体的热的量以及膨胀器90上游的工作流体的温度和状态的控制。可以以多种方式配置热交换器74，例如热交换器74可以是单程或多程热交换器，并且可以提供为顺流式、交叉流动式或逆流式。
在循环70中还提供有第二热交换器76。热交换器76由室形成并且配置用于在导热管84和循环70中的工作流体之间传输热量。通常，导热管84是包含相变材料的封闭的传热装置。相变材料可以是不同于循环70中工作流体的化学溶液和混合物，或者在其它示例中可以是相同的化学溶液。导热管84可以具有使用相态转变以在两个界面之间传输热量的密封管或结构。导热管84具有与排气系统60热接触或热连通的热界面或者蒸发区域86。导热管84内的相变材料吸收热量并且在蒸发区域86处变成蒸汽。蒸汽随后流动通过导热管84至冷界面或冷凝区域88并且冷凝成液体且释放潜热。液体随后返回至蒸发区域86并且该循环重复。
导热管84可以提供为单个导热管或多个导热管，并且每个导热管可以具有单个管或者多个分叶(lobe)。导热管84可以具有基于车辆的封装约束以及用于循环70的传热要求的多种几何形状和配置。在下文参考图4和图5更详细地描述导热管84。
如下文进一步描述的，热交换器74、76中的至少一者配置用于传输足够的热量至循环70中的工作流体以蒸发工作流体。蒸发器接收处于液相或液汽混合相溶液的工作流体并且将工作流体加热成汽相或过热汽相。本发明总体上描述了通过使用发动机排气60而将热交换器74用作为蒸发器；然而，热交换器76也可以作为蒸发器运转。
车辆10说明为具有在排气系统60中热交换器74上游的导热管84，该导热管84基于排气温度。在其它示例中，车辆可以配置为排气流穿过导热管84并且通过热交换器74的另一种布置。在保持在本发明的精神和范围内的同时，排气系统中的任何排放控制装置或其它系统或装置相对于导热管84和热交换器74可以多种方式设置。
膨胀器90可以是涡轮，比如离心或轴流涡轮或者另一种类似装置。随着工作流体膨胀通过工作流体旋转膨胀器90以产生功。膨胀器90可以连接至马达/发电机92以旋转马达/发电机以产生电力，或者连接至另一个机械联动(mechanicallinkage)以提供额外的功率至驱动轴和车轮55。膨胀器90可以通过轴或另一种机械联动连接至发电机92。发电机92连接至电池58以提供电力而给电池58充电。可以在发电机92和电池58之间设置逆变器或交流-直流(AC-DC)转换器94。
循环70中的工作流体离开膨胀器90并且流至热交换器96，也称为循环70中的冷凝器96。冷凝器96可以位于车辆10的前部区域。冷凝器96配置用于与外界气流98接触使得热量从工作流体传输至外界气流以从工作流体去除热量并且冷却和/或冷凝工作流体。冷凝器96可以是单级的或多级的，并且通过循环70需要的多个级使用值或其它机制可以控制工作流体的流动。
在一些示例中，循环70包括流体储存器100或者干燥机。储存器100可以提供为在循环70中用于工作流体的流体或液体贮存器。泵72从储存器100汲取流体以完成循环70。如从图1看见的，循环70是闭环循环使得工作流体不与导热管84中的相变材料、车辆中的其它流体或者与外界空气混合。类似地，导热管84是封闭的系统使得导热管中的相变材料不与循环70中的工作流体、车辆中的其它流体或外界空气混合。
如下文描述的，循环70可以包括配置用于在预定参数内运转循环的控制器102。控制器102可以与发动机控制单元(ECU)、传动装置控制单元(TCU)、车辆系统控制器(VSC)等集成或者可以与其通信并且还可以与多个车辆传感器通信。用于车辆10的控制系统可以包括任意数量的控制器并且可以集成进单个控制器或者具有多个模块。可以通过控制器局域网(CAN)或其它系统连接一些或所有控制器。控制器102和车辆控制系统可以包括与多种类型的计算机可读的存储装置或媒介通信的微处理器或中央处理器(CPU)。计算机可读的存储装置或媒介可以包括例如只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)和保活存储器(KAM)中的易失性和非易失性存储。KAM是可以用于当CPU断电时存储多个运转变量的持久或非易失性存储器。可以使用任何数量的已知存储装置(比如可编程只读存储器(PROM)、电可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、闪存或者能存储数据的任何其它电子、磁性、光学或者组合存储器(该数据中的一些数据代表控制车辆或循环70的控制器使用的可执行的指令)实现计算机可读存储装置或媒介。
图2说明了用于如图1显示的兰金或热力循环70的工作流体的压-焓图。该图的竖直轴线上是压力(P)而水平轴线上是焓(h)。焓的单位可以是每单位质量的能量，例如kJ/kg。
圆顶120提供了工作流体的多个相态之间的分离线。在圆顶120左侧的区域122中工作流体是液体或过冷液体。在圆顶120的右侧的区域126中工作流体是蒸汽或过热蒸汽。在圆顶120下面的区域124中工作流体是混合相(例如液相和汽相的混合)。沿圆顶120的左手侧，在区域122和124汇合处，工作流体是饱和液体。沿圆顶120的右手侧，在区域124和126汇合处，工作流体是饱和蒸汽。
根据实施例在图上说明图1的兰金循环70。出于本发明的目的而简化了描绘的循环70，并且尽管在实际应用中可能存在损失但是没有说明循环70或系统中的任何损失。损失可以包括泵送损失、管道损失、压力和摩擦损失、经过多个部件的热量损失以及系统中的其它不可逆性。图2中显示的循环70的运转简化为假定恒定压力、绝热、可逆和/或适当的且如在下文描述的等熵处理步骤；然而，本技术领域的普通技术人员应理解在实际应用中循环70可以从这些假设变化。循环描绘为在高压PH和低压PL之间运转。图上也显示了恒温线，例如，TH和TL。
循环70在工作流体进入泵72的点130处开始。工作流体在130处是流体并且可以被过冷却至比PL处饱和温度低2-3摄氏度或更多的温度。工作流体在点132处以较高的压力(PH)并且以液相离开泵72。在显示的示例中，从130至132的泵送过程建模为等熵的或者绝热的且可逆的。
工作流体在132处进入一个或多个热交换器(例如热交换器74、76)。在热交换器74、76内使用来自发动机排气的废热加热工作流体。工作流体作为蒸汽或过热蒸汽在点134处离开热交换器。从132至134的加热过程建模为恒定压力的过程。如图中可见的，从132至134的过程发生在PH处，并且在134处温度增加至TH。工作流体在132处以液相开始并且在134处以过热汽相离开热交换器74、76。
工作流体在点134处作为过热蒸汽进入膨胀器90(比如涡轮)。工作流体随着它膨胀而驱动或旋转膨胀器以产生功。工作流体在点136处以压力PL离开膨胀器90。如显示的，工作流体在136处可以是过热蒸汽。在其它示例中，工作流体在离开膨胀器90之后可以是饱和蒸汽或者可以是混合相并且在区域124内。在进一步的示例中，工作流体在圆顶120的右手侧的饱和蒸汽线的几摄氏度内。在显示的示例中，从134至136的膨胀过程建模为等熵的或者绝热的并且可逆的。膨胀器90随着工作流体的膨胀而导致装置两边的压力下降以及对应的温度下降。
工作流体在136处进入一个或多个热交换器(例如热交换器96)。在热交换器96内使用通过车辆的前部区域接收的外界空气冷却工作流体。工作流体在点130处离开热交换器并且随后流至泵72。循环70中还可以包括储存器。从136至130的加热过程建模为恒定压力的过程。从附图可见，从136至130的过程发生在PL处。在热交换器96内工作流体的温度可以减小。工作流体在136处作为过热的蒸汽-液体混合相开始并且在130处作为液体离开热交换器96。
在一个示例中，循环70配置用于通过约为3的PH与PL的压力比率或者在进一步的示例中通过约为2.7的压力比率而运转。在其它示例中，压力比率可以更高或更低。循环70可以适于在车辆要求的多个外界环境以及在其周围的环境中运转。在一个示例中，循环70配置用于在一系列可能的外界温度的范围内运转。外界温度可以提供可用于热交换器96中的工作流体的冷却量的限制。在一个示例中，循环70可以在-25摄氏度和40摄氏度的外界或环境温度之间运转。在其它示例中，循环70可以在更高和/或更低的外界温度中运转。
循环70提供的功可以是废热流体的质量流率、废热流体的温度、工作流体在点134处的温度以及外界空气的质量流率的函数。例如，对于提供废热源的排气，循环70提供的功是通过热交换器74的排气的质量流率、进入热交换器74的排气的温度、导热管84中相变材料的蒸汽温度、工作流体在点134处的质量流率和温度以及外界空气的质量流率的函数。在一个示例中，循环70输出的功约为0.5kW-1.5kW的量级，而在进一步的示例中，当排气温度的范围为500-800摄氏度并且排气质量流率的范围为50-125kg/hr时对于一个循环的功约为1kW。
可以基于发电机92产生的电力以及从废热源(例如发动机排气)可用的热传递的速率来确定关于车辆的循环70的效率。可用热量的速率是通过关联的循环热交换器的废热流体的质量流率和热交换器两边的废热流体的温度差异的函数。在一个示例中，仅使用排气热量，循环效率测量为平均在5％以上，而在进一步的示例中，对于仅使用排气废热的循环，循环效率测量为平均在8％以上。
对于系统运转和保持系统效率而言在循环70内的特定运转点保持工作流体的状态或相态可能是关键的。例如，热交换器74、76中的一者或两者可能需要设计为供液相、混合相的流体和汽相流体在其中使用。在循环中的点130处工作流体可能需要是液相的以防止泵72内的气塞(airlock)。额外地，基于膨胀器90的构建在点134和136之间可能需要工作流体保持为蒸汽，这是因为混合相会减小系统效率或者使装置90磨损。基于控制外界气流速率的外界气温和车速，还可以限制可用于热交换器96内的工作流体的冷却的量和/或速率。此外，在车辆启动时当发动机排气和/或发动机冷却剂没有达到它们的运转温度时可以限制可用于加热工作流体的热量和/或速率。
如图3显示的，可以在多个工况下运转循环70。图3说明了用于循环70的两个工况。循环150显示为在最小外界空气运转温度TLMIN处或附近运转。循环152显示为在最大外界空气运转温度THMAX处或附近运转。基于循环中多个点的循环和运转状态以及这些运转状态施加的约束(例如，保持循环150和152中的每个的点130为受压的液体，如由虚线154所示)来选择工作流体。额外地，通过使用阀82修改通过热交换器74的排气的流率可以控制循环70以在希望的温度和压力范围内运转，从而在点134处控制传输至工作流体的热量的量及其温度。阀82可以是二位阀或者可以被控制以提供可变的流。还可通过基于外界空气温度、流率和湿度对流过的工作流体提供额外的级或限制的级而控制热交换器96，从而在点130处控制冷却的量和工作流体的温度。额外地，可以通过泵72控制工作流体的流率，使得工作流体在每个热交换器96、74和76中具有较长或较短的停留时间，从而控制传输至工作流体或从工作流体传输的热量。
图4说明导热管200的示例。导热管200可以实施为循环70中的导热管84。导热管200具有包含在密封环境中的相变材料的外壳202。导热管200具有与排气系统60热连通以从其接收废热的蒸发区域204。蒸发区域204可以与排气系统60热接触。排气系统60中的排气206加热导热管200的蒸发区域204使得导热管200内的相变材料经历相态转变成为蒸汽。
在一个示例中，如显示的，蒸发区域204与排气系统60的表面物理接触使得至少部分经由热传导来传输热量。蒸发区域204可以提供为套(jacket)、盘或者与排气系统60的内表面或外表面物理接触的类似装置。蒸发区域可以包住排气系统60的一部分，或者可以用作排气系统60内的衬套。在进一步的示例中，蒸发区域被包括在排气系统60中集成的排气歧管中，其中排气歧管和汽缸盖集成在一起使得导热管200还可以提供发动机冷却。
在另一个示例中，蒸发区域204延伸进排气系统60的内部区域使得排气流过蒸发区域204以至少部分经由对流传输热量至导热管200。蒸发区域204可以提供有翅片(fin)或其它延伸的表面以增加导热管200的表面积并且从而增加从排气传输至导热管200的热量。在该示例中，蒸发区域204设计成限制对排气的妨碍。
蒸发区域204显示为具有单个分支；然而，可以预想蒸发区域204可以具有多个分支，例如与歧管中每个排气流道关联的分支。
导热管还具有与热力循环的热交换器(比如兰金循环70中的热交换器76)热接触的冷凝区域208。在一个示例中，如显示的，冷凝区域208延伸进限定热交换器76的室210的内部区域。循环70的作为液相、汽相或混合相的工作流体212流过冷凝区域208使得至少部分经由对流从导热管200的表面传输热量。冷凝区域208可以提供有翅片或其它延伸表面214以增加导热管200的冷凝区域208的表面积并且从而增加从冷凝区域208内的相变材料传输至工作流体212的热量。冷凝区域208中蒸汽的相变材料加热工作流体212并且导致导热管200内的相变材料经历相态转变成为液体。取决于循环70中热交换器76的配置及其运转，工作流体212也可以经历相变或转变。
在另一个示例中，冷凝区域208与热交换器76的表面物理接触使得至少部分经由热传导传输热量。冷凝区域208可以提供为套、盘或者与热交换器76的内表面或外表面物理接触的类似装置。冷凝区域可以包住热交换器76的一部分，或者可以用作热交换器内的衬套。
中间区域216可以提供在蒸发区域204和冷凝区域208之间并且连接这两者。当排气系统60和热交换器76在车辆10内相距一定距离时可以提供中间区域216。中间区域216可以总体上用作相变材料的管道使得几乎没有或者没有热量传输至该区域216内的相变材料或者从该区域216内的相变材料传出热量。在一个示例中，中间区域216是基本上绝热的。在一些示例中，中间区域216可以覆盖有隔热材料以提供总体上绝热的部分。
导热管200包括使热能从排气系统传输至循环70的相变材料。可以选择相变材料使得它在预定的排气温度时转变为蒸汽从而提供对传输至循环70的热量的控制。
图5说明根据示例的导热管200的截面示意图。导热管200的一部分是从排气接收热量的蒸发区域204而导热管200的另一部分是提供热量至循环70的工作流体的冷凝区域208。在蒸发区域204和冷凝区域208之间提供有中间区域216。导热管200可以是任何形状和几何结构，并且术语管不是将导热管200限制为空心圆柱管。导热管200可以具有多种截面形状，并且可以包括直的和弧线形的或弯曲的截面以及分支或分叶结构。额外地，导热管200可以包括单个导热管或者可以是一束多个导热管或者一组导热管。
导热管200具有外壳或外壁202、液体空间220、芯吸层222和蒸汽空间224。外壳202包住导热管200的相变材料并且形成封闭的被动系统。导热管200没有移动的机械部件并且不通过机械输入或电力输入(机械功率或电功率)而运转。
液体空间220和芯吸层222可以邻近于外壁202，并且芯吸层222设置在外壁202和蒸汽空间224之间。芯吸层222可以直接设置为邻近于外壁202并且与其接触，或者可以与外壁202分开。在一个示例中，芯吸层222邻近于外壁并且包含液体空间220。蒸汽空间224可以提供在管200的中央区域。
可以由导热材料(比如金属或类似物)形成外壳202。在一个示例中，外壳202由铜、铜合金、铝和铝合金中的至少一者形成。通过外壳202将热量传输至导热管内的相变材料并且从导热管内的相变材料传出热量。
导热管200填充有相变材料(PCM)并且被密封。在运转期间，相变材料在汽相和液相之间运转。在运转的一个示例中，蒸发的潜热在蒸发区域和冷凝区域之间产生用作驱动流体循环中相变材料的压力差。
芯吸层222可以提供液体空间220。在另一个示例中，芯吸层222分离液体空间220和蒸汽空间224。芯吸层222可以由用于转移并传输相变材料的任何适当的材料制成。在一个示例中，芯吸层222辅助蒸汽PCM至蒸汽空间224的质量转移(masstransfer)以及液体PCM至液体空间220的质量转移。芯吸层222可以提供对液体PCM的毛细作用以使PCM在导热管200中循环。当冷凝区域208位于蒸发区域204上面时重力也可以用于产生液体PCM的流体移动并且可以不需要芯吸层；然而，无论重力以及区域204、208的方位如何导热管200都可以运转。
在一个示例中，芯吸层222是涂蜡纤维或者类似的非吸收性材料。在另一个示例中，芯吸层222是多孔层，比如烧结金属粉末、栅(screen)、有槽的芯等。
基于用于排气系统60和循环70的运转温度选择相变材料(PCM)。还基于与外壳和芯吸层的材料兼容性选择PCM。可以基于如何实现导热管200且基于与排气系统60中的排气和/或循环70中工作流体的热传导和材料兼容性来选择外壳。在一个示例中，导热管具有包含铜的壳而PCM是水。在另一个示例中，外壳包含铜和/或钢而PCM是制冷剂，比如用于低温的R-134a以及用于高温的钠。在又一示例中，外壳包含铝而PCM是氨。还可以预想外壳材料和PCM溶液的其它组合，上文提供的示例不意味着限制。
在运转期间，导热管200运转以吸收和释放热量。相变材料(PCM)是邻近于外壳的液体空间或液体层220中的液体。在一个示例中，液体层220可以是液体膜。在蒸发区域204中使用排气系统60中的排气加热液体PCM。排气经由与外壳202的热传导和对流中的至少一者传输热量。在外壳202两边经由热传导传输热量以加热液体PCM。PCM至少通过其蒸发的潜热被加热使得它经历从液体至蒸汽的相变。
如箭头指示的，蒸汽PCM随后流动跨过并且通过芯吸层222并进入蒸汽空间224。蒸汽PCM在蒸汽空间224内从蒸发区域204流动至冷凝区域208、从热的一侧流动至冷的一侧或者从图5中的右边流动至左边。
在冷凝区域208内，经由至循环70中工作流体的传热来冷却蒸汽PCM。经由热传导从PCM以及外壳202两边传输热量以冷却PCM。经由热传导和对流中的至少一者将热量从外壳传输至循环70中的工作流体。如箭头指示的，液体PCM流动跨过并通过芯吸层222并进入液体空间220。至少通过其蒸发的潜热冷却PCM使得其经历从蒸汽至液体的相变。液体PCM在液体空间220内从冷凝区域208流动至蒸发区域204、从冷的一侧流动至热的一侧或者从图5中的左边流动至右边。
本发明的多个示例具有关联的非限制优点。例如，车辆中的热力循环可以用于回收废热和能量并且增加车辆效率。热力循环可以是兰金循环。提供有从发动机排气接收废热并且加热热力循环中工作流体的导热管。导热管提供了一种在排气和工作流体之间传热的被动装置。导热管是包含在液相和汽相之间运转的相变材料的封闭的密封系统。导热管的高效率和热传导提供了一种加热循环中工作流体以及从排气回收废热的可靠且有效的方式。还可以基于排放系统的要求选择导热管用于排气的选择性冷却。例如，当导热管提供在排放系统上游的排气系统中时，可能希望当排气低于预定温度时不运转导热管。当排气低于预定温度时，排气的任何进一步冷却(例如，利用没有旁通系统的常规气冷或水冷热交换器)在冷机起动状况时可能推迟催化转化器起燃，并且以燃料富化状况运行发动机可能减少车辆的燃料经济性。在低于预定温度时工作流体不会经历相变并且从而热量不会运转，包含基于排气的预定温度所选择的工作流体的导热管可能仅在预定温度之上运转。在一个示例中，导热管中的工作流体包含处于一定压力的钠以在700摄氏度之上提供相变，这可以不影响催化转化器的起燃。由于导热管仅在预定的排气温度之上运转，因此不需要旁通系统，并且导热管在不使用额外的控制系统的情况下选择性地提供热量至兰金循环。
尽管上文描述了示例实施例，并非意味着这些实施例描述了本发明的所有可能形式。相反，说明书中使用的词语为描述性词语而非限定性，并且应理解在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以作出各种改变。此外，可以组合各种执行实施例的特征以形成本发明进一步的实施例。

Claims (20)

1.一种车辆，包含：
具有排气系统的发动机；
导热管，包含相变材料，并且具有冷凝区域以及与所述排气系统热接触的蒸发区域；以及
在包含工作流体的热力循环中顺序地流体连通的膨胀器、第一热交换器、泵和第二热交换器，所述第二热交换器与所述导热管的所述冷凝区域热接触。
2.根据权利要求1所述的车辆，其中，所述导热管是封闭的被动式系统。
3.根据权利要求1所述的车辆，其中，所述导热管具有通过芯吸层分开的蒸汽空间和液体空间。
4.根据权利要求3所述的车辆，其中，所述导热管具有外壁，所述液体空间邻近于所述外壁，而所述芯吸层位于所述外壁和所述蒸汽空间之间。
5.根据权利要求1所述的车辆，其中，所述导热管具有位于所述蒸发区域和所述冷凝区域之间并且连接所述蒸发区域和所述冷凝区域的中间区域，所述中间区域总体上绝热。
6.根据权利要求1所述的车辆，其中，所述导热管的蒸发区域配置用于将热量从所述排气系统中的排气被动地传输至所述相变材料。
7.根据权利要求6所述的车辆，其中，所述导热管的所述蒸发区域位于所述排气系统的内部区域内，使得所述排气系统中的排气流过所述蒸发区域。
8.根据权利要求6所述的车辆，其中，沿所述排气系统的外表面设置所述导热管的所述蒸发区域以接收来自所述排气系统中排气的热量。
9.根据权利要求1所述的车辆，其中，所述导热管的所述冷凝区域配置用于将热量从所述相变材料被动地传输至所述工作流体。
10.根据权利要求1所述的车辆，其中，所述导热管的所述冷凝区域位于所述第二热交换器中使得所述热力循环的所述工作流体流过所述冷凝区域的外表面。
11.根据权利要求1所述的车辆，其中，所述第二热交换器是预热器、蒸发器和过热器中的一者。
12.根据权利要求1所述的车辆，进一步包含可驱动地连接至所述膨胀器并且与牵引电池电连接的发电机。
13.一种车辆，包含：
具有排气系统的发动机；
导热管，包含相变材料，并且具有冷凝区域以及与所述排气系统热接触蒸发区域，所述导热管限定通过芯吸层分开的蒸汽空间和液体空间；以及
在包含工作流体的热力循环中顺序地流体连通的膨胀器、冷凝器、泵、第一加热器和第二加热器，所述第一加热器与所述排气系统中的排气热接触，所述第二加热器与所述导热管的所述冷凝区域热接触。
14.根据权利要求13所述的车辆，其中，所述导热管的所述冷凝区域位于所述循环的所述第二加热器的内部区域内使得工作流体流过所述冷凝区域的外表面。
15.根据权利要求14所述的车辆，其中，所述导热管的所述冷凝区域具有从所述冷凝区域向外延伸的翅片。
16.根据权利要求13所述的车辆，其中，所述导热管具有外壁，所述液体空间和所述芯吸层邻近于所述外壁，而所述芯吸层位于所述外壁和所述蒸汽空间之间。
17.根据权利要求13所述的车辆，其中，所述排气系统配置用于引导排气至所述第一加热器之前的所述导热管的所述蒸发区域。
18.根据权利要求13所述的车辆，其中，所述排气系统具有配置用于控制所述排气在所述第一加热器和旁通管之间的流动的阀门。
19.一种方法，包含：
使用混合相态的工作流体控制车辆的闭环中的泵、加热器、膨胀器和冷凝器用于能量回收；
通过来自包含相变材料的导热管的冷凝区域的传热来加热所述加热器中的所述工作流体；以及
通过来自发动机排气的传热来加热所述导热管的蒸发区域中的所述相变材料。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述加热器是过热器，所述方法进一步包含：
使用所述混合相态工作流体控制所述车辆的所述闭环中的所述泵、蒸发器、所述过热器、所述膨胀器以及所述冷凝器用于能量回收；以及
在所述蒸发器中通过来自发动机排气的传热来加热所述工作流体。
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