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 (moisture separator)， 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 sensitive cylinder)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。