朗肯循環(huán)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種朗肯循環(huán)（101）。該朗肯循環(huán)（101）在冷媒的循環(huán)路徑上依次設(shè)置有使冷媒與廢氣進(jìn)行熱交換的廢氣鍋爐（113）、膨脹機(jī)（114）、冷凝器（115）、以及泵（111），具備檢測(cè)從廢氣鍋爐（113）流出的冷媒溫度的溫度傳感器（131）、檢測(cè)流經(jīng)廢氣鍋爐（113）的冷媒壓力的壓力傳感器（132）、對(duì)流向廢氣鍋爐113的冷媒流量進(jìn)行調(diào)節(jié)的旁通流路（3）和流量調(diào)整閥（130）、以及控制流量調(diào)整閥（130）的ECU（140）。ECU（140）進(jìn)行控制，使被吸入至膨脹機(jī)（114）的冷媒的溫度和壓力以滿足沿著將目標(biāo)壓力設(shè)定為使冷媒的密度隨冷媒的溫度上升而增加的目標(biāo)壓力線TPL的關(guān)系的方式而變化。
【專利說(shuō)明】朗肯循環(huán)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及朗肯循環(huán)。
【背景技術(shù)】
[0002]人們開(kāi)發(fā)出一種利用將從車輛的內(nèi)燃機(jī)排出的熱量轉(zhuǎn)換為發(fā)電機(jī)等的動(dòng)力的朗肯循環(huán)的技術(shù)。
[0003]朗肯循環(huán)構(gòu)成包括:通過(guò)使包含從內(nèi)燃機(jī)排出的熱量的熱介質(zhì)和工作流體進(jìn)行熱交換來(lái)對(duì)工作流體進(jìn)行過(guò)熱蒸汽化的熱交換器、通過(guò)使過(guò)熱蒸汽狀態(tài)的工作流體膨脹而得到動(dòng)力的膨脹機(jī)、對(duì)膨脹的工作流體進(jìn)行冷卻并使其液化的冷凝器、以及將液化的工作流體壓送至熱交換器的泵等。而且，膨脹機(jī)通過(guò)使工作流體膨脹而使渦輪等旋轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)，由此，將工作流體膨脹時(shí)的能量轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)力，并將該轉(zhuǎn)換后的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)力作為動(dòng)力傳遞至發(fā)電機(jī)等。
[0004]例如，在專利文獻(xiàn)I中記載有如下的朗肯循環(huán)，即，在冷媒泵將冷媒(工作流體)輸送至膨脹機(jī)的流路的中途，依次配置了使冷媒與內(nèi)燃機(jī)的冷卻水進(jìn)行熱交換的第I熱交換器、以及使冷媒與內(nèi)燃機(jī)的廢氣(熱介質(zhì))進(jìn)行熱交換的第2熱交換器。在專利文獻(xiàn)I的朗肯循環(huán)中，冷媒在第I熱交換器中與冷卻水進(jìn)行熱交換成為蒸汽之后，在第2熱交換器中與溫度更高的廢氣進(jìn)行熱交換成為過(guò)熱蒸汽，流入膨脹機(jī)。
[0005]專利文獻(xiàn)1:日本特開(kāi)2011-12625號(hào)公報(bào)
[0006]在專利文獻(xiàn)I的朗肯循環(huán)中，廢氣的溫度根據(jù)內(nèi)燃機(jī)的負(fù)荷，在大約200°C?800°C之間大幅變動(dòng)而成為非常高的溫度，所以，在第2熱交換器中進(jìn)行熱交換的冷媒隨著廢氣的溫度上升，吸熱量增加而成為高溫，該高溫的冷媒被吸入至膨脹機(jī)。因此，在專利文獻(xiàn)I的朗肯循環(huán)中，需要對(duì)膨脹機(jī)、冷媒的配管等進(jìn)行耐熱設(shè)計(jì)，從而存在成本增加這樣的問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明正是為了解決這樣的問(wèn)題而完成的，其目的在于提供一種在冷媒(工作流體)與廢氣(熱介質(zhì))的熱交換中，抑制冷媒的溫度相對(duì)于廢氣的溫度上升而上升的朗肯循環(huán)。
[0008]為了解決上述課題，本發(fā)明的朗肯循環(huán)是在工作流體的循環(huán)路徑中依次設(shè)置有:使工作流體與熱介質(zhì)進(jìn)行熱交換的熱交換器、通過(guò)使工作流體膨脹而產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力的流體膨脹器、使工作流體凝縮的凝縮器、以及將工作流體輸送至熱交換器的流體壓送裝置，并且與熱交換器中的熱介質(zhì)進(jìn)行熱交換后的工作流體的狀態(tài)為過(guò)熱蒸汽的朗肯循環(huán)，在該朗肯循環(huán)中，具備:溫度檢測(cè)器，其檢測(cè)從熱交換器流出的工作流體的溫度；壓力檢測(cè)器，其檢測(cè)流經(jīng)熱交換器的工作流體的壓力；流量調(diào)整單元，其對(duì)流向熱交換器的工作流體的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)；以及控制裝置，其控制流量調(diào)整單元，其中，控制裝置將目標(biāo)壓力設(shè)定為從熱交換器流出的工作流體的密度隨著由溫度檢測(cè)器檢測(cè)出的溫度的上升而增加，并控制流量調(diào)整單元，以使得壓力檢測(cè)器的檢測(cè)壓力成為目標(biāo)壓力。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的朗肯循環(huán)，在工作流體與熱介質(zhì)的熱交換中，能夠抑制工作流體的溫度相對(duì)于熱交換量的增加而上升。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0010]圖1是表示本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的朗肯循環(huán)以及其周邊的構(gòu)成的示意圖。
[0011]圖2是表示圖1的朗肯循環(huán)中的冷媒的狀態(tài)的p-h線圖。
[0012]圖3是表示實(shí)施方式所涉及的朗肯循環(huán)的變形例的圖。
[0013]圖4是表示實(shí)施方式所涉及的朗肯循環(huán)的另一變形例的圖
【具體實(shí)施方式】
[0014]以下，根據(jù)附圖，對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行說(shuō)明。
[0015]實(shí)施方式
[0016]首先，對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的朗肯循環(huán)101以及其周邊的構(gòu)成進(jìn)行說(shuō)明。此外，在以下實(shí)施方式中，對(duì)在安裝內(nèi)燃機(jī)即發(fā)動(dòng)機(jī)10的車輛中使用了朗肯循環(huán)情況下的例子進(jìn)行說(shuō)明。
[0017]參照?qǐng)D1，具備發(fā)動(dòng)機(jī)10的未圖示的車輛具備朗肯循環(huán)101。
[0018]朗肯循環(huán)101形成依次環(huán)狀連接泵111、冷卻水鍋爐112、廢氣鍋爐113、膨脹機(jī)114、冷凝器115、接收器116以及過(guò)冷卻器117的循環(huán)路徑，該朗肯循環(huán)101能使作為工作流體的冷媒(本實(shí)施方式中是Rl34a)流動(dòng)通過(guò)。
[0019]泵111是通過(guò)運(yùn)轉(zhuǎn)來(lái)壓送流體的部件，在本實(shí)施方式中壓送液體。泵111與膨脹機(jī)114共有其驅(qū)動(dòng)軸119。并且，驅(qū)動(dòng)軸119經(jīng)由電磁離合器119a，而與皮帶輪119b連接。皮帶輪119b通過(guò)傳動(dòng)皮帶IOc,而與發(fā)動(dòng)機(jī)皮帶輪IOb連結(jié),該發(fā)動(dòng)機(jī)皮帶輪IOb與從發(fā)動(dòng)機(jī)10延伸的發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)軸IOa連結(jié)。電磁離合器119a能夠連接或者切斷驅(qū)動(dòng)軸119和皮帶輪119b，并通過(guò)與車輛的控制裝置亦即E⑶140電連接，來(lái)控制該連接和斷開(kāi)動(dòng)作。因此，泵111的轉(zhuǎn)速依存于發(fā)動(dòng)機(jī)10或者膨脹機(jī)114的轉(zhuǎn)速。
[0020]此處，泵111構(gòu)成流體壓送裝置。
[0021]另外，泵111的下游側(cè)的吐出口經(jīng)由流路部Ia以及l(fā)b，而與冷卻水鍋爐112的冷媒入口連通。在冷卻水鍋爐112的內(nèi)部，流經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)10的冷卻水回路20的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻用的冷卻水和冷媒流動(dòng)通過(guò)，彼此進(jìn)行熱交換，由此能夠加熱冷媒。
[0022]此外，在冷卻水回路20中，在從發(fā)動(dòng)機(jī)10延伸并與發(fā)動(dòng)機(jī)10 —體的水泵21連接的循環(huán)流路亦即水循環(huán)流路20a的中途設(shè)置有散熱器22，在水循環(huán)流路20a的中途分支并再次與水循環(huán)流路20a匯合的分支水流路20b的中途設(shè)置有冷卻水鍋爐112。散熱器22通過(guò)使流經(jīng)內(nèi)部的冷卻水和周圍的空氣進(jìn)行熱交換來(lái)對(duì)冷卻水進(jìn)行冷卻。
[0023]冷卻水鍋爐112的冷媒出口經(jīng)由流路部lc，而與廢氣鍋爐113的冷媒入口連通。在廢氣鍋爐113的內(nèi)部，從冷卻水鍋爐112流出的冷媒和發(fā)動(dòng)機(jī)10的排氣系統(tǒng)30的廢氣流動(dòng)通過(guò)，彼此進(jìn)行熱交換，由此，能夠加熱冷媒。此外，廢氣鍋爐113被設(shè)置在介于排氣系統(tǒng)30中的連通發(fā)動(dòng)機(jī)10與消聲器30b的排氣流路30a的中途。
[0024]這里，廢氣構(gòu)成熱介質(zhì)，廢氣鍋爐113構(gòu)成熱交換器。[0025]廢氣鍋爐113的冷媒出口經(jīng)由流路部ld，而與作為流體膨脹器的膨脹機(jī)114的入口連通。膨脹機(jī)114是，在其內(nèi)部通過(guò)使在廢氣鍋爐113中加熱后的高溫高壓的冷媒膨脹而使驅(qū)動(dòng)軸119與渦輪等旋轉(zhuǎn)體一起旋轉(zhuǎn)，由此利用旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)力獲得功的流體設(shè)備。另外，在膨脹機(jī)114和泵111之間設(shè)置有具有發(fā)電功能的交流發(fā)電機(jī)118，交流發(fā)電機(jī)118共有驅(qū)動(dòng)軸119。由此，膨脹機(jī)114產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)力能夠經(jīng)由旋轉(zhuǎn)軸119，一體地驅(qū)動(dòng)交流發(fā)電機(jī)118以及泵111，另外，由發(fā)動(dòng)機(jī)10供給的泵111的驅(qū)動(dòng)力能夠經(jīng)由驅(qū)動(dòng)軸119，一體地驅(qū)動(dòng)交流發(fā)電機(jī)118以及膨脹機(jī)114。
[0026]此外，流路部la、lb、lc、以及Id構(gòu)成冷媒的高壓側(cè)流路即第一流路I。
[0027]另外，交流發(fā)電機(jī)118與變流器120電連接，并且，變流器120與電池121電連接。而且，若膨脹機(jī)114對(duì)驅(qū)動(dòng)軸119進(jìn)行驅(qū)動(dòng)使其旋轉(zhuǎn)，則交流發(fā)電機(jī)118產(chǎn)生交流電流并輸送至變流器120，變流器120將輸送來(lái)的交流電流轉(zhuǎn)換成直流電流并供給給電池121來(lái)進(jìn)行充電。
[0028]另外，膨脹機(jī)114的出口經(jīng)由流路部2a，而與冷凝器115的入口連通。在冷凝器115的內(nèi)部，冷媒流動(dòng)通過(guò)并與冷凝器115周圍的空氣進(jìn)行熱交換，由此能夠冷卻凝縮冷媒。
[0029]此處，冷凝器115構(gòu)成凝縮器。
[0030]冷凝器115的出口經(jīng)由流路部2b，而與接收器116的入口連通，并且，接收器116的出口經(jīng)由流路部2c，而與過(guò)冷卻器117的入口連通。
[0031]接收器116是內(nèi)部包含液體的冷媒的氣液分離器，是除去冷媒所包含的冷媒的蒸汽成分、水分、異物等的部件。
[0032]在過(guò)冷卻器117的內(nèi)部，從接收器116輸送來(lái)的液體的冷媒流動(dòng)通過(guò)并與過(guò)冷卻器117周圍的空氣進(jìn)行熱交換，由此能夠過(guò)冷卻冷媒。
[0033]另外，過(guò)冷卻器117的出口經(jīng)由流路部2d，而與泵111的吸入口連通，從過(guò)冷卻器117流出的冷媒被吸入至泵111并再次被壓送，從而循環(huán)朗肯循環(huán)101。
[0034]此外，流路部2a、2b、2c以及2d構(gòu)成冷媒的低壓側(cè)流路即第二流路2。
[0035]另外，朗肯循環(huán)101具有將第一流路I的流路部Ia與第二流路2連通的旁通流路
3。此外，在本實(shí)施方式中，旁通流路3的一方的端部與第一流路I的流路部Ia和流路部Ib的連結(jié)部連接，旁通流路3的另一方的端部與第二流路2的流路部2b連接。并且，朗肯循環(huán)101在旁通流路3的中途具有流量調(diào)整閥130，該流量調(diào)整閥130能夠打開(kāi)或者關(guān)閉旁通流路3且能夠調(diào)節(jié)旁通流路3的流路截面積。此外，流量調(diào)整閥130與E⑶140電連接從而控制其動(dòng)作。
[0036]這里，旁通流路3以及流量調(diào)整閥130構(gòu)成流量調(diào)整單元。
[0037]另外，朗肯循環(huán)101在第一流路I的流路部Id中的膨脹機(jī)114的入口附近，具有:檢測(cè)流經(jīng)流路部Id的冷媒的溫度的溫度傳感器131、和檢測(cè)流經(jīng)流路部Id的冷媒的壓力的壓力傳感器132。溫度傳感器131檢測(cè)膨脹機(jī)114的入口的冷媒的溫度，即從廢氣鍋爐113流出的冷媒的溫度，并向電連接的ECU140發(fā)送所檢測(cè)出的冷媒的溫度信息。另外，壓力傳感器132檢測(cè)膨脹機(jī)114的入口的冷媒的壓力，即流經(jīng)廢氣鍋爐113的冷媒的壓力，并向電連接的ECU140發(fā)送所檢測(cè)出的冷媒的壓力信息。此外，在第一流路I的流路部Ia?Id中，與流量調(diào)整閥130的打開(kāi)以及關(guān)閉無(wú)關(guān)，冷媒的壓力在各流路部之間相等，所以也可以將壓力傳感器132設(shè)置于流路部Ia?Ic的任意一方。
[0038]這里，溫度傳感器131構(gòu)成溫度檢測(cè)器，壓力傳感器132構(gòu)成壓力檢測(cè)器。
[0039]接下來(lái)，對(duì)該發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的朗肯循環(huán)101的動(dòng)作進(jìn)行說(shuō)明。
[0040]參照?qǐng)D1，在發(fā)動(dòng)機(jī)10的運(yùn)轉(zhuǎn)中，水泵21也運(yùn)轉(zhuǎn)來(lái)壓送冷卻水。從發(fā)動(dòng)機(jī)10向外部壓送的冷卻水在冷卻水回路20中，以流經(jīng)冷卻水鍋爐112以及散熱器22并再次返回發(fā)動(dòng)機(jī)10的方式進(jìn)行循環(huán)。
[0041]另外，從運(yùn)轉(zhuǎn)中的發(fā)動(dòng)機(jī)10向排氣系統(tǒng)30排出廢氣。排出的廢氣流經(jīng)廢氣鍋爐113的內(nèi)部后，從消聲器30b被排出至車輛的外部。
[0042]另外，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)10運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，E⑶140使電磁離合器119a連接。由此，發(fā)動(dòng)機(jī)10的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)力經(jīng)由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)軸10a、發(fā)動(dòng)機(jī)皮帶輪10b、傳動(dòng)皮帶10c、皮帶輪119b以及電磁離合器119a，而傳遞至驅(qū)動(dòng)軸119，由此，驅(qū)動(dòng)軸119 一體地驅(qū)動(dòng)泵111、交流發(fā)電機(jī)118以及膨脹機(jī)114。
[0043]驅(qū)動(dòng)的泵111將液體狀態(tài)的冷媒向冷卻水鍋爐112壓送，另外，被驅(qū)動(dòng)的膨脹機(jī)114通過(guò)使渦輪等旋轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)，來(lái)對(duì)第一流路I的流路部Id的冷媒進(jìn)行降壓并輸送至第二流路2的流路部2a。此外，冷媒通過(guò)被泵111壓送而受到隔熱加壓作用。
[0044]被泵111壓送的液體狀態(tài)的冷媒通過(guò)流路部Ia以及Ib而流入到冷卻水鍋爐112，通過(guò)與流經(jīng)該冷卻水鍋爐112內(nèi)部的冷卻水進(jìn)行熱交換，被等壓加熱而升溫并流出。此外，在打開(kāi)了流量調(diào)整閥130的情況下，流路部Ia的冷媒的一部分通過(guò)旁通流路3，與第二流路2的流路部2b匯合。
[0045]從冷卻水鍋爐112流出的冷媒通過(guò)流路部Ic而流入到廢氣鍋爐113，通過(guò)與流經(jīng)該廢氣鍋爐113內(nèi)部的廢氣進(jìn)行熱交換來(lái)進(jìn)行等壓加熱而升溫，成為高溫高壓的過(guò)熱蒸氣后流出。
[0046]并且，從廢氣鍋爐113流出的高溫高壓的過(guò)熱蒸氣狀態(tài)的冷媒通過(guò)流路部ld，被吸入至膨脹機(jī)114。在膨脹機(jī)114中，冷媒利用上游側(cè)的流路部Id與下游側(cè)的流路部2a之間的冷媒的壓力差來(lái)進(jìn)行了隔熱膨脹之后，以高溫低壓的過(guò)熱蒸氣狀態(tài)流出。而且，在膨脹機(jī)114中，冷媒的膨脹能量作為再生能量被轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)能量，并傳遞至驅(qū)動(dòng)軸119。
[0047]此外，傳遞至驅(qū)動(dòng)軸119的再生能量不僅作為旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)力而被供給交流發(fā)電機(jī)118以及泵111，也傳遞至發(fā)動(dòng)機(jī)10來(lái)輔助其旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)。另外，交流發(fā)電機(jī)118通過(guò)施加的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)力來(lái)運(yùn)轉(zhuǎn)并生成交流電流，生成的交流電流由變流器120轉(zhuǎn)換為直流電流之后，向電池121充電。
[0048]從膨脹機(jī)114流出的過(guò)熱蒸氣狀態(tài)的冷媒通過(guò)流路部2a而流入到冷凝器115，通過(guò)在冷凝器115中與周圍的空氣即外部空氣進(jìn)行熱交換來(lái)進(jìn)行等壓冷卻而凝縮，成為液體狀態(tài)流出。
[0049]并且，從冷凝器115流出的液體狀態(tài)的冷媒通過(guò)流路部2b而流入到接收器116，并在儲(chǔ)存于接收器116的內(nèi)部的液體冷媒中通過(guò)而流出至流路部2c。冷媒在通過(guò)接收器116內(nèi)時(shí)，所含有的冷媒的蒸氣成分、水分以及異物等被除去。
[0050]而且，從接收器116流出的冷媒通過(guò)流路部2c而流入到過(guò)冷卻器117，通過(guò)在過(guò)冷卻器117中與外部空氣進(jìn)行熱交換來(lái)進(jìn)一步進(jìn)行等壓冷卻，成為過(guò)冷卻液狀態(tài)而流出至流路部2d。并且，流路部2d的冷媒被吸入至泵111并再次進(jìn)行壓送，循環(huán)朗肯循環(huán)101。[0051]這里，在圖2的冷媒的p-h線圖中表示出在朗肯循環(huán)101的循環(huán)過(guò)程中的冷媒的狀態(tài)變化。P-h線圖具有將縱軸作為冷媒的壓力(單位為MPa)，將橫軸作為冷媒的焓(單位SkJ / kg)的正交坐標(biāo)系。并且，在過(guò)冷卻液區(qū)域SL中表示出冷媒成為過(guò)冷卻液狀態(tài)的區(qū)域，在濕蒸氣區(qū)域WS中表示出冷媒成為濕蒸氣狀態(tài)的區(qū)域，在過(guò)熱蒸氣區(qū)域SS中表示出冷媒成為過(guò)熱蒸氣狀態(tài)的區(qū)域。而且，在過(guò)冷卻液區(qū)域SL與濕蒸氣區(qū)域WS的邊界表示有飽和液線a，在濕蒸氣區(qū)域WS與過(guò)熱蒸氣區(qū)域SS的邊界表示有干飽和蒸氣線3。
[0052]并且，在圖2中，使在發(fā)動(dòng)機(jī)10 (參照?qǐng)D1)負(fù)荷是中度且朗肯循環(huán)101運(yùn)轉(zhuǎn)中的廢氣溫度為平均的狀態(tài)(例如大約500?600°C左右)下的朗肯循環(huán)101進(jìn)行循環(huán)的冷媒的狀態(tài)變化，沿著呈以點(diǎn)A、B、C以及D為頂點(diǎn)的梯形形狀的周期S而進(jìn)行。
[0053]同時(shí)參照?qǐng)D1，在周期S中，從點(diǎn)A到點(diǎn)B的工序表示基于泵111壓送的冷媒的隔熱加壓工序。在該工序中，使冷媒的壓力從壓力Pa上升至壓力Pb，并且使冷媒的溫度上升，其狀態(tài)在過(guò)冷卻液區(qū)域SL內(nèi)維持液體狀態(tài)(過(guò)冷卻液狀態(tài))。
[0054]在從點(diǎn)B到點(diǎn)C的工序中，從點(diǎn)B到點(diǎn)E的工序表示冷卻水鍋爐112中的等壓加熱工序，從點(diǎn)E到點(diǎn)C的工序表示廢氣鍋爐113中的等壓加熱工序。在從點(diǎn)B到點(diǎn)E的工序中，通過(guò)冷媒與冷卻水的熱交換而將冷媒的壓力維持在Pb的同時(shí)使其溫度上升，在從點(diǎn)E到點(diǎn)C的工序中，通過(guò)冷媒與廢氣的熱交換而將冷媒的壓力維持在Pb的同時(shí)使其溫度繼續(xù)上升，成為溫度I。此外，溫度Ttl在本實(shí)施方式中為120°C。此時(shí)，冷媒的狀態(tài)在從點(diǎn)B到點(diǎn)E的工序中，在過(guò)冷卻液區(qū)域SL內(nèi)維持過(guò)冷卻液狀態(tài)，在從點(diǎn)E到點(diǎn)C的工序中，從過(guò)冷卻液區(qū)域SL內(nèi)的過(guò)冷卻液狀態(tài)經(jīng)過(guò)濕蒸氣區(qū)域WS，變化為過(guò)熱蒸氣區(qū)域SS內(nèi)的過(guò)熱蒸氣狀態(tài)。
[0055]從點(diǎn)C到點(diǎn)D的工序表示由膨脹機(jī)114進(jìn)行的隔熱膨脹工序。在該工序中，使冷媒的壓力從壓力Pb下降至壓力Pa，并且使冷媒的溫度降低，其狀態(tài)在過(guò)熱蒸氣區(qū)域SS內(nèi)維持過(guò)熱蒸氣狀態(tài)。
[0056]在從點(diǎn)D到點(diǎn)A的工序中，從點(diǎn)D到點(diǎn)F的工序表示冷凝器115中的等壓冷卻工序，從點(diǎn)F到點(diǎn)A的工序表示過(guò)冷卻器117中的等壓冷卻工序。在從點(diǎn)D到點(diǎn)F的工序中，通過(guò)冷媒與外部空氣的熱交換而將冷媒的壓力維持在Pa的同時(shí)使其溫度下降，在從點(diǎn)F到點(diǎn)A的工序中，通過(guò)冷媒與外部空氣的熱交換而將冷媒的壓力維持在Pa的同時(shí)使其溫度繼續(xù)下降。此時(shí)，冷媒的狀態(tài)在從點(diǎn)D到點(diǎn)F的工序中從過(guò)熱蒸氣區(qū)域SS內(nèi)的過(guò)熱蒸氣狀態(tài)變化為飽和液，在從點(diǎn)F到點(diǎn)A的工序中，從飽和液變化為過(guò)冷卻液區(qū)域SL內(nèi)的過(guò)冷卻液狀態(tài)。
[0057]另外，若發(fā)動(dòng)機(jī)10的負(fù)荷變高而使廢氣的熱量增大導(dǎo)致溫度上升，則在廢氣鍋爐113中冷媒從廢氣吸收的熱量增加，與廢氣進(jìn)行熱交換之后的冷媒的焓增加。而且，由于泵111以及膨脹機(jī)114的轉(zhuǎn)速與發(fā)動(dòng)機(jī)10連動(dòng)而為固定，所以廢氣鍋爐113中進(jìn)行熱交換之后處于點(diǎn)C的冷媒的狀態(tài)例如在通過(guò)點(diǎn)C的等密度線(等比體積線)d0上要向焓的增加方向，即溫度的上升方向即點(diǎn)Cl變化。在從點(diǎn)C向點(diǎn)Cl的狀態(tài)變化中，溫度上升較大。因此，在朗肯循環(huán)101中，為了抑制廢氣鍋爐113中進(jìn)行熱交換后的冷媒即被吸入至膨脹機(jī)114的冷媒的溫度相對(duì)于廢氣的溫度上升而上升，并減少施加給膨脹機(jī)114的熱量，進(jìn)行如下那樣的控制。
[0058]此外，圖2的等密度線d0、dl、d2、d3、d4以及d5隨著從d0向d5，其密度變大，但是與此相反地比體積變小。另外，圖2的曲線Ttl表示溫度Ttl的等溫線。等溫度線隨著從等溫線Ttl向等溫線1\、T2, T3、T4、T5、T6、T7，其溫度以每10°C升高，隨著從等溫線Ttl向等溫線H T_3、T_4、T_5，其溫度以每I (TC降低。
[0059]此時(shí)，E⑶140進(jìn)行控制，以使得在廢氣鍋爐113中進(jìn)行熱交換后的冷媒的溫度以及流經(jīng)廢氣鍋爐113的冷媒的壓力，即被吸入至膨脹機(jī)114的冷媒的溫度以及壓力以滿足沿目標(biāo)壓力線TPL的關(guān)系的方式而變化。即，E⑶140通過(guò)與被吸入至膨脹機(jī)114的冷媒的溫度對(duì)應(yīng)地調(diào)節(jié)被吸入至膨脹機(jī)114的冷媒的壓力來(lái)進(jìn)行控制，以使得冷媒的溫度以及壓力滿足沿目標(biāo)壓力線TPL的關(guān)系。當(dāng)如上所述那樣，在廢氣鍋爐113中冷媒從廢氣吸收的熱量增加，使冷媒的狀態(tài)要從點(diǎn)C向點(diǎn)Cl變化時(shí)，根據(jù)ECU140的控制，冷媒狀態(tài)從點(diǎn)C向點(diǎn)Cl’變化。在點(diǎn)Cl’的冷媒與點(diǎn)Cl的情況相比，焓較小且冷媒溫度較低，但是為了將壓力控制地較高而使冷媒流量變大，冷媒(工作流體)從廢氣(熱介質(zhì))獲得的熱量與點(diǎn)Cl的情況幾乎相等。
[0060]此外，目標(biāo)壓力線TPL是被設(shè)定為冷媒密度隨著冷媒的溫度上升而變大的直線。目標(biāo)壓力與冷媒的焓成比例。即使在發(fā)動(dòng)機(jī)10為低負(fù)荷且廢氣溫度較低的狀態(tài)(靠近圖2的目標(biāo)壓力線TPL上的左端)下，目標(biāo)壓力線TPL也被決定為位于過(guò)熱蒸氣區(qū)域SS。另外，若隨著溫度上升的冷媒密度增加量(冷媒的流量增加)較小，則本發(fā)明的效果變小，若過(guò)于大，則容易擺動(dòng)而難以控制。
[0061]如上述那樣，在溫度以及壓力滿足沿著目標(biāo)壓力線TPL的關(guān)系的控制中，與不存在溫度以及壓力滿足沿著等密度線d0的關(guān)系的控制(過(guò)程)的狀態(tài)相比，使冷媒壓力隨著冷媒溫度的上升而上升的比例增大，因此，為了使流經(jīng)廢氣鍋爐113的冷媒的密度隨著冷媒溫度的上升而增大，使冷媒流量增大。由此，抑制了廢氣鍋爐113中進(jìn)行熱交換后的冷媒的溫度相對(duì)于廢氣的熱量的增加而上升。
[0062]而且，E⑶140使用流路部Id中的膨脹機(jī)114的入口的溫度傳感器131檢測(cè)出的冷媒溫度以及壓力傳感器132檢測(cè)出的冷媒壓力，并調(diào)節(jié)流量調(diào)整閥130而控制旁通流路3的冷媒流量，由此來(lái)進(jìn)行控制，以使得被吸入至膨脹機(jī)114的冷媒的溫度以及壓力與目標(biāo)壓力線TPL —致。
[0063]具體而言，E⑶140中預(yù)先存儲(chǔ)有相對(duì)于溫度傳感器131檢測(cè)出的溫度的冷媒的目標(biāo)壓力(目標(biāo)壓力線TPL)。而且，E⑶140調(diào)節(jié)流量調(diào)整閥130，以使得壓力傳感器132檢測(cè)出的檢測(cè)壓力成為目標(biāo)壓力。即，ECU140在壓力傳感器132的檢測(cè)壓力比目標(biāo)壓力低的情況下，通過(guò)減少流量調(diào)整閥130的開(kāi)度而增加流路部Id的冷媒流量，來(lái)使流路部Id的冷媒壓力(被吸入至膨脹機(jī)114的冷媒壓力)上升。另外，E⑶140在壓力傳感器132的檢測(cè)壓力比目標(biāo)壓力高的情況下，通過(guò)增大流量調(diào)整閥130的開(kāi)度而減少流路部Id的冷媒流量，來(lái)使流路部Id的冷媒壓力(被吸入至膨脹機(jī)114的冷媒壓力)降低。并且，E⑶140與隨著時(shí)間流逝從溫度傳感器131取得的溫度實(shí)時(shí)對(duì)應(yīng)地控制上述冷媒壓力。
[0064]此外，E⑶140也可以根據(jù)點(diǎn)C的冷媒的溫度等來(lái)計(jì)算目標(biāo)壓力線TPL。
[0065]另外，也可以在朗肯循環(huán)101中設(shè)定上限壓力Pc，來(lái)作為高壓側(cè)流路即第一流路I的流路配管、和第一流路I上的構(gòu)成部件即膨脹機(jī)114、冷卻水鍋爐112以及廢氣鍋爐113等的設(shè)計(jì)上限壓力。在該情況下，若冷媒溫度上升至在目標(biāo)壓力線TPL中與上限壓力Pc對(duì)應(yīng)的溫度T5以上，則如虛線TPL’那樣，目標(biāo)壓力被固定為上限壓力Pc。[0066]另外，在廢氣的溫度降低，且被吸入至膨脹機(jī)114的冷媒的溫度比在點(diǎn)C中的溫度T0降低的情況下，ECU140也控制壓力傳感器132中的冷媒壓力，以使得與溫度傳感器131中的降低的冷媒溫度對(duì)應(yīng)地，使冷媒的溫度以及壓力的關(guān)系沿著目標(biāo)壓力線TPL變化。在溫度以及壓力滿足沿著目標(biāo)壓力線TPL的關(guān)系的控制中，與溫度以及壓力滿足等密度線d0的關(guān)系并且冷媒溫度降低的冷媒狀態(tài)相比，ECU140為了隨著冷媒溫度的降低而使流經(jīng)廢氣鍋爐113的冷媒的密度降低，使冷媒流量減少。因此，抑制了廢氣鍋爐113中進(jìn)行熱交換后的冷媒的溫度相對(duì)于廢氣的熱量的降低而降低，并且抑制了膨脹機(jī)114中的液體回流。
[0067]如上述那樣，該發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的朗肯循環(huán)101是在冷媒的循環(huán)路徑依次設(shè)置有使冷媒和廢氣進(jìn)行熱交換的廢氣鍋爐113、通過(guò)使冷媒膨脹來(lái)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力的膨脹機(jī)114、使冷媒凝縮的冷凝器115、以及將冷媒輸送至廢氣鍋爐113的泵111，并且與廢氣鍋爐113中的廢氣進(jìn)行熱交換后的冷媒的狀態(tài)為過(guò)熱蒸氣。朗肯循環(huán)101具備:溫度傳感器131，其檢測(cè)從廢氣鍋爐113流出的冷媒的溫度；壓力傳感器132，其檢測(cè)流經(jīng)廢氣鍋爐113的冷媒的壓力；旁通流路3和流量調(diào)整閥130，它們調(diào)節(jié)流向廢氣鍋爐113的冷媒的流量；以及E⑶140，其控制流量調(diào)整閥130。E⑶140控制流量調(diào)整閥130，以使得在溫度傳感器131的檢測(cè)溫度上升的情況下，冷媒密度隨著冷媒的溫度上升而變大。
[0068]此時(shí)，在廢氣鍋爐113中進(jìn)行熱交換后的過(guò)熱蒸氣狀態(tài)的冷媒，隨著進(jìn)行熱交換的廢氣的溫度上升，吸熱(焓)變多，伴隨于此，被吸入至膨脹機(jī)114的冷媒的壓力以及溫度要沿著過(guò)熱蒸氣區(qū)域SS內(nèi)的等密度線d0向增加的方向變動(dòng)。ECU140進(jìn)行控制，以使得被吸入至膨脹機(jī)114的冷媒的溫度和壓力以滿足沿著將目標(biāo)壓力設(shè)定為冷媒密度隨著冷媒的溫度上升而變大的目標(biāo)壓力線TPL的關(guān)系的方式而變化。由此，在廢氣的溫度上升的情況下，為了使冷媒的密度上升，以增加流經(jīng)廢氣鍋爐113的冷媒流量的方式進(jìn)行控制，所以能夠抑制冷媒溫度的上升并且增大來(lái)自廢氣鍋爐113中的廢氣的吸熱量。即，朗肯循環(huán)101在冷媒和廢氣的熱交換中，能夠抑制冷媒的溫度相對(duì)于廢氣的溫度上升(熱交換量的增加)而上升。
[0069]另外，在朗肯循環(huán)101中，E⑶140控制流量調(diào)整閥130，以使得在溫度傳感器131的檢測(cè)溫度降低的情況下，冷媒密度隨著冷媒的溫度降低而降低。此時(shí)，ECU140控制為被吸入至膨脹機(jī)114的冷媒的溫度和壓力以滿足沿著目標(biāo)壓力線TPL的關(guān)系的方式而變化。由此，抑制了廢氣鍋爐113中進(jìn)行熱交換后的冷媒的溫度相對(duì)于廢氣的熱量的降低而降低，并抑制了膨脹機(jī)114中的液體回流。
[0070]另外，在朗肯循環(huán)101中，E⑶140控制流經(jīng)廢氣鍋爐113的冷媒流量，以使得在溫度傳感器131的檢測(cè)溫度上升至與上限壓力Pc對(duì)應(yīng)的溫度T5以上的情況下，壓力傳感器132的檢測(cè)壓力維持上限壓力Pc，從而降低冷媒密度。由此，能夠防止高壓側(cè)流路即第一流路I的流路配管、和第一流路I上的構(gòu)成部件即膨脹機(jī)114、冷卻水鍋爐112、以及廢氣鍋爐113等處于異常聞壓中。
[0071]另外，在朗肯循環(huán)101中，旁通流路3將從泵111向廢氣鍋爐113的冷媒的流路部Ia與從膨脹機(jī)114向泵111的冷媒的第二流路2連通。由此，在廢氣鍋爐113中加熱的冷媒全部流入到膨脹機(jī)114中，所以在廢氣鍋爐113中獲取的冷媒的熱能不會(huì)在中途被廢棄，而能夠在膨脹機(jī)114中轉(zhuǎn)換為膨脹能量來(lái)利用。因此，朗肯循環(huán)101能夠有效地利用在廢氣鍋爐113中獲取的熱能。[0072]并且，在朗肯循環(huán)101中，旁通流路3在從膨脹機(jī)114向泵111的冷媒的第二流路2中的冷凝器115和泵111之間連接。由此，流經(jīng)旁通流路3的冷媒流入至冷凝器115的下游，所以不使冷凝器115中的壓損增加，而能夠抑制膨脹機(jī)114和冷凝器115之間的流路部2a中的冷媒的壓力的上升。由此，能夠確保膨脹機(jī)114的上游側(cè)的流路部Id和下游側(cè)的流路部2a之間的冷媒的差壓較高，所以能夠充分地確保在膨脹機(jī)114中獲得的再生能量。另外，在冷凝器115和過(guò)冷卻器117之間連接的旁通流路3能夠防止在使過(guò)冷卻器117和泵111之間的流路部2d繞開(kāi)流路部Ia的情況下產(chǎn)生的泵氣蝕(冷媒起泡)。另外，在冷凝器115和泵111之間連接的旁通流路3能夠防止在使膨脹機(jī)114以及冷凝器115之間的流路部2a繞開(kāi)流路部Ia的情況下引起的的流入冷凝器115的冷媒的溫度降低，能夠抑制由于流入冷媒的溫度降低導(dǎo)致的冷凝器115中的放熱量的降低。該冷凝器115中的放熱量的降低使第二流路2的壓力上升，并使膨脹機(jī)114的上游側(cè)的流路部Id和下游側(cè)的流路部2a之間的冷媒的差壓降低，從而使膨脹機(jī)114中得到的再生能量降低。
[0073]雖然在實(shí)施方式的朗肯循環(huán)101中，目標(biāo)壓力線TPL為目標(biāo)壓力與冷媒的焓成比例的直線，但是并不局限于直線。
[0074]另外，在實(shí)施方式中，通過(guò)使用流量調(diào)整閥130來(lái)調(diào)節(jié)旁通流路3的流路截面積，從而調(diào)節(jié)了壓力傳感器132的檢測(cè)壓力(流經(jīng)廢氣鍋爐113的冷媒的壓力)，但是并不局限于此。
[0075]如圖3所示的朗肯循環(huán)201那樣，泵111也可以不與發(fā)動(dòng)機(jī)10、交流發(fā)電機(jī)118以及膨脹機(jī)114連結(jié)，而通過(guò)電動(dòng)機(jī)222來(lái)驅(qū)動(dòng)。在該情況下，通過(guò)控制電動(dòng)機(jī)222的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)泵111的轉(zhuǎn)速，由此能夠調(diào)節(jié)壓力傳感器132的檢測(cè)壓力。此時(shí)，膨脹機(jī)114的驅(qū)動(dòng)軸114a和通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)10驅(qū)動(dòng)而旋轉(zhuǎn)的皮帶輪119b經(jīng)由電磁離合器119a連結(jié)，并且，交流發(fā)電機(jī)118共有驅(qū)動(dòng)軸114a。
[0076]另外，如圖4所示的朗肯循環(huán)301那樣，也可以是，泵111不與發(fā)動(dòng)機(jī)10、交流發(fā)電機(jī)118以及膨脹機(jī)114連結(jié)而通過(guò)電動(dòng)機(jī)222來(lái)驅(qū)動(dòng)，膨脹機(jī)114以及交流發(fā)電機(jī)118不與發(fā)動(dòng)機(jī)10連結(jié)而通過(guò)驅(qū)動(dòng)軸114a相互連結(jié)。此時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)222的轉(zhuǎn)速，來(lái)調(diào)節(jié)泵111的轉(zhuǎn)速，或者，控制交流發(fā)電機(jī)118的負(fù)荷來(lái)調(diào)節(jié)膨脹機(jī)114的轉(zhuǎn)速，由此能夠調(diào)節(jié)壓力傳感器132的檢測(cè)壓力。
[0077]另外，也可以使膨脹機(jī)114成為能夠任意地變更其吸入容積的部件。通過(guò)變更吸入容積，膨脹機(jī)114輸送的冷媒的流量(體積流量)被改變，由此，膨脹機(jī)114的上游側(cè)流路的冷媒壓力被改變，所以能夠調(diào)節(jié)壓力傳感器132的檢測(cè)壓力。
[0078]另外，在實(shí)施方式的朗肯循環(huán)101中，旁通流路3將第一流路I的流路部Ia與第二流路2的流路部2b連通，但是并不局限于此。旁通流路3也可以相對(duì)于第二流路2，與流路部2a、2c以及2d的任意一個(gè)連接。
[0079]另外，在實(shí)施方式的朗肯循環(huán)101中，旁通流路3也可以為多個(gè)。
[0080]另外，實(shí)施方式的朗肯循環(huán)101具備冷卻水鍋爐112和廢氣鍋爐113這兩個(gè)熱交換器，但是并不局限于此，也可以具備三個(gè)以上。朗肯循環(huán)101也可以具備空調(diào)的冷媒與朗肯循環(huán)101的冷媒的熱交換器，還可以具備在混合動(dòng)力汽車中使用的電動(dòng)機(jī)的冷卻水與朗肯循環(huán)101的冷媒的熱交換器。
[0081]符號(hào)說(shuō)明[0082] 3…旁通流路(流量調(diào)整單元);101、201、301…朗肯循環(huán)；111…泵(流體壓送裝置)；113…廢氣鍋爐(熱交換器)；114…膨脹機(jī)(流體膨脹器)；115…冷凝器(凝縮器)；130…流量調(diào)整閥(流量調(diào)整單元)；131…溫度傳感器(溫度檢測(cè)器)；132…壓力傳感器(壓力檢測(cè)器)；140*"ECU (控制裝置)。
【權(quán)利要求】
1.一種朗肯循環(huán)，該朗肯循環(huán)在工作流體的循環(huán)路徑上依次設(shè)置有:使工作流體和熱介質(zhì)進(jìn)行熱交換的熱交換器、通過(guò)使工作流體膨脹而產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力的流體膨脹器、使工作流體凝縮的凝縮器、以及將工作流體輸送至所述熱交換器的流體壓送裝置，該朗肯循環(huán)與所述熱交換器中的熱介質(zhì)進(jìn)行熱交換后的工作流體的狀態(tài)為過(guò)熱蒸氣， 其中，具備: 溫度檢測(cè)器，其檢測(cè)從所述熱交換器流出的工作流體的溫度； 壓力檢測(cè)器，其檢測(cè)流經(jīng)所述熱交換器的工作流體的壓力； 流量調(diào)整單元，其調(diào)節(jié)流向所述熱交換器的工作流體的流量；以及 控制裝置，其控制所述流量調(diào)整單元， 所述控制裝置將目標(biāo)壓力設(shè)定為從所述熱交換器流出的工作流體的密度隨著由所述溫度檢測(cè)器檢測(cè)出的溫度的上升而增加，并控制所述流量調(diào)整單元，以使得所述壓力檢測(cè)器的檢測(cè)壓力成為所述目標(biāo)壓力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的朗肯循環(huán)，其中， 所述控制裝置隨著由所述溫度檢測(cè)器檢測(cè)出的溫度的上升來(lái)控制所述流量調(diào)整單元，使流向所述熱交換器的工作流體的流量增加。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的朗肯循環(huán)，其中， 對(duì)所述目標(biāo)壓力設(shè)定有上限壓力，控制所述流量調(diào)整單元，以使得在由所述溫度檢測(cè)器檢測(cè)出的溫度為規(guī)定溫度以上的情況下，所述壓力檢測(cè)器的檢測(cè)壓力成為所述上限壓力。
4.根據(jù)權(quán)利要求1?3中任意一項(xiàng)所述的朗肯循環(huán)，其中， 所述目標(biāo)壓力與從所述熱交換器流出的所述工作流體的焓成比例。
5.根據(jù)權(quán)利要求1?4中任意一項(xiàng)所述的朗肯循環(huán)，其中， 所述流量調(diào)整單元為旁路和流量調(diào)整閥， 該旁路將從所述流體壓送裝置向所述熱交換器的工作流體的流路與從所述流體膨脹器向所述流體壓送裝置的工作流體的流路連通， 該流量調(diào)整閥能夠調(diào)節(jié)所述旁路中的工作流體的流量。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的朗肯循環(huán)，其中， 所述旁路在從所述流體膨脹器向所述流體壓送裝置的工作流體的流路中的所述凝縮器和所述流體壓送裝置之間連接。
【文檔編號(hào)】F01K23/02GK103608548SQ201280030147
【公開(kāi)日】2014年2月26日 申請(qǐng)日期:2012年6月12日 優(yōu)先權(quán)日:2011年6月30日
【發(fā)明者】榎島史修, 井口雅夫, 森英文 申請(qǐng)人:株式會(huì)社豐田自動(dòng)織機(jī)