用于朗肯循环废热回收系统的工作流体收集装置及方法与流程

本申请要求于2015年7月13日提交给韩国知识产权局的韩国专利申请号10-2015-0099300的优先权权益，通过引用将其全部公开内容结合于此。

技术领域

本公开涉及使用朗肯(Rankine)循环将内燃机的废热回收为能量的朗肯循环废热回收系统，且更具体地，涉及用于朗肯循环废热回收系统的工作流体收集装置，其能够通过在朗肯循环废热回收系统的操作的停止和/或问题现象发生时通过将朗肯循环废热回收系统中的工作流体收集到存储罐中来防止工作流体的泄漏、冷冻等。

背景技术：

发动机已被广泛应用于汽车、船舶、小型发电机等，并持续进行对提高发动机的效率的尝试。在发动机中，大量热量通常作为废热排出，且已经开发了通过将废热回收为能量来提高发动机的整体效率的废热回收系统。

废热回收系统被配置为将发动机的废热回收为能量、将回收的能量转化为电能或机械能，并利用车辆的发动机、其它电子附件等中的电能或机械能。

作为废热回收系统的典型的实施技术，将发动机的废热回收为能量的朗肯循环废热回收系统与朗肯循环发动机结合使用。朗肯循环包括通过其循环工作流体的循环路径，且朗肯循环的循环路径上设有用于通过发动机的废热(废气的热和/或废气再循环(EGR)气体的热)加热和膨胀工作流体的锅炉、用于膨胀从锅炉供应的工作流体以产生旋转动力的膨胀器(expander)、用于冷凝从膨胀器排出的工作流体的冷凝器、和用于在循环路径上循环工作流体的泵。

同时，水、乙醇、制冷剂等已被用作朗肯循环发动机的工作流体。在工作流体泄漏的情况下，会引起各种风险，并且在工作流体保持在循环路径或主要组件上的情况下，可能会由于冷冻等发生对主要组件的损坏。

例如，由于水具有在0度或更低的温度下冻结时膨胀的体积，所以在水在主要组件(诸如热交换器)中冻结的情况下，主要组件会被损坏，且当乙醇泄漏时，存在可能引起火灾的风险。当制冷剂泄漏时，可能会由于制冷剂的毒性、高全球变暖潜能值(GWP)等而发生各种问题。

技术实现要素：

已经作出本公开以解决现有技术中出现的上述问题，同时由现有技术实现的优点被保持完整。

本公开的一方面提供了一种能够防止朗肯循环的工作流体泄漏的用于朗肯循环废热回收系统的工作流体收集装置，从而有效地监测工作流体是否泄漏，并有效地防止由于工作流体的残留而引起的工作流体的冻结等。

根据本公开的示例性实施例，一种用于朗肯循环废热回收系统的工作流体收集装置包括：存储罐，其被配置为将在朗肯循环中循环的工作流体存储在其中；和收集装置，其被配置为将工作流体收集到存储罐中。

收集装置可包括：方向控制阀，其被配置为控制工作流体在朗肯循环中的流动方向；和收集线路，其被配置为通过方向控制阀的控制将工作流体引入存储罐中。

方向控制阀可包括允许工作流体流到存储罐的一个或多个收集端口，且收集线路可从方向控制阀的收集端口连接至存储罐。

方向控制阀可包括第一收集端口和第二收集端口，且收集线路可包括连接至第一收集端口的第一收集线路和连接至第二收集端口的第二收集线路。

第一收集端口和第二收集端口可按顺序打开，使得工作流体通过第一收集线路和第二收集线路被逐步收集到存储罐中。

根据本公开的另一示例性实施例，一种用于朗肯循环废热回收系统的工作流体收集装置，朗肯循环废热回收系统包括：循环路径，工作流体通过循环路径循环；和锅炉，通过发动机的废热加热并蒸发工作流体；膨胀器，膨胀从锅炉供应的工作流体以产生旋转动力；冷凝器，冷凝从膨胀器排出的工作流体；以及循环泵，在循环路径上循环工作流体，所述工作流体收集装置包括：存储罐，安装在冷凝器和循环泵之间且被配置为将工作流体存储在其中；方向控制阀，安装在循环泵和锅炉之间、被配置为控制工作流体的流动方向、且具有允许工作流体流动到存储罐的一个或多个收集端口；以及一个或多个收集线路，从方向控制阀的收集端口连接到存储罐。

方向控制阀可包括：连接到存储罐的入口端口；连接到锅炉的出口端口；以及第一和第二收集端口，其被打开和关闭使得工作流体从蒸发器流向存储罐。

收集线路可包括从第一收集端口连接到存储罐的第一收集线路、和从第二收集端口连接到存储罐的第二收集线路。

朝向存储罐强迫传送工作流体的收集泵可安装在第二收集线路中。

第一收集线路和第二收集线路可在循环路径上连接在存储罐上游的某一点处。

第一收集线路和第二收集线路连接的结点可定位在膨胀器和冷凝器之间。

防止工作流体从冷凝器反向流到膨胀器的反向流动防止阀可安装在膨胀器和冷凝器之间。

方向控制阀可具有第一位置，入口端口和出口端口在第一位置处彼此连通；第二位置，出口端口和第一收集端口在第二位置处彼此连通；和第三位置，出口端口和第二收集端口在第三位置处彼此连通。

存储罐可定位在冷凝器下面。

方向控制阀和收集泵可定位在存储罐下面。

锅炉可包括：废气锅炉，其布置在发动机的排气管中；和废气再循环(EGR)气体锅炉，其布置在发动机的EGR路径中。

废气锅炉和EGR气体锅炉可相对于循环路径彼此串联连接。

废气锅炉和EGR气体锅炉可相对于循环路径彼此并联连接。

切换通道使得工作流体朝向废气锅炉和EGR气体锅炉中的至少一个流动的通道切换阀可连接到方向控制阀。

根据本公开的另一示例性实施例，一种使用用于朗肯循环废热回收系统的工作流体收集装置的用于朗肯循环废热回收系统的工作流体收集方法，所述工作流体收集装置包括：存储罐，其用于存储通过循环路径(锅炉、膨胀器、冷凝器和循环泵安装在其中)循环的工作流体；方向控制阀，其安装在膨胀器和循环泵之间且被配置为切换工作流体的收集方向流；以及收集线路，其被配置为引导工作流体从方向控制阀到存储罐的传送，所述方法包括：第一收集步骤：通过锅炉的压力将工作流体收集到存储罐中；和第二收集步骤：在锅炉的压力下降到设定水平之后，通过强制泵送动作将工作流体收集到存储罐中。

方向控制阀可包括：入口端口，其连接到存储罐；出口端口，其连接到锅炉；以及第一和第二收集端口，其被打开和关闭使得工作流体从蒸发器流向存储罐，收集线路可包括连接到第一收集端口的第一收集线路和连接到第二收集端口的第二收集线路，且在第一收集步骤中，方向控制阀的出口端口和第一收集端口可彼此连通，使得工作流体通过第一收集线路被收集到存储罐中。

收集泵可安装在第二收集线路中，且在第二收集步骤中，当在执行第一收集步骤之后锅炉的压力减小到收集泵的容许压力或更小时，方向控制阀的出口端口和第二收集端口可彼此连通，使得工作流体通过第二收集线路被收集到存储罐中。

用于朗肯循环废热回收系统的工作流体收集方法还可包括在第一收集步骤之前感测问题状况的发生或朗肯循环废热回收系统的操作的停止的步骤。

当在第二收集步骤之后存储罐中的水位的变化是设定值或更小时，方向控制阀的入口端口和出口端口可彼此连通。

当在第二收集步骤之后存储罐中的水位的变化是设定值或更大时，执行工作流体泄漏的警告。

附图说明

通过结合附图的以下详细描述，本公开的上述和其它目的、特征和优点将更加明显。

图1(其是示出根据本公开的示例性实施例的用于朗肯循环废热回收系统的工作流体收集装置的视图)示出了在正常废热回收操作时的工作流体的流动。

图2是示出在第一收集操作时的根据本公开的示例性实施例的用于朗肯循环废热回收系统的工作流体收集装置中的工作流体的收集流的视图。

图3是示出在第二收集操作时的根据本公开的示例性实施例的用于朗肯循环废热回收系统的工作流体收集装置中的工作流体的收集流的视图。

图4(其是示出根据本公开的另一示例性实施例的用于朗肯循环废热回收系统的工作流体收集装置的视图)示出了在正常废热回收操作时的工作流体的流动。

图5是示出在第一收集操作时的根据本公开的另一示例性实施例的用于朗肯循环废热回收系统的工作流体收集装置中的工作流体的收集流的视图。

图6是示出在第二收集操作时的根据本公开的另一示例性实施例的用于朗肯循环废热回收系统的工作流体收集装置中的工作流体的收集流的视图。

图7是示出根据本公开的用于朗肯循环废热回收系统的工作流体收集方法的流程图。

具体实施方式

在下文中，将参考附图详细描述本公开的示例性实施例。为了参考，在描述本公开时参考的附图中所示的组件的尺寸、线的厚度等可被夸大以便于理解。此外，由于在本公开的描述中使用的术语是考虑到本公开的功能而被定义的，所以它们可根据用户、操作人员的意图、客户等而改变。因此，这些术语应基于本公开的全部内容来定义。

参考图1至图3，朗肯循环废热回收系统可包括用于将从发动机排出的废热回收为能量的朗肯循环100。

朗肯循环100可包括工作流体通过其循环的循环路径105、以及锅炉(蒸发器)110和120、膨胀器130、冷凝器140、存储罐150，并且泵160可安装在循环路径105中。

一个或多个锅炉110和120可被配置为通过发动机的废热(废气的热和/或废气再循环(EGR)气体的热)加热并蒸发工作流体以产生蒸发的工作流体。例如，锅炉110和120可包括布置在发动机的排气管中的废气锅炉110、布置在发动机的EGR路径中的EGR气体锅炉120等。

膨胀器130可被配置为膨胀从蒸发器110和120供应的工作流体以产生旋转动力。

冷凝器140可被配置为冷凝从膨胀器130排出的工作流体以产生液相工作流体。

循环泵160可被配置为将工作流体从冷凝器140供应到蒸发器110。

根据本公开的工作流体收集装置可包括安装在冷凝器140和循环泵160之间的存储罐150、控制工作流体的流动方向的方向控制阀10、以及用于通过方向控制阀10的控制将工作流体引导到存储罐150中的收集线路21和22。

存储罐150可安装在循环路径105中。存储罐150可位于冷凝器140的下游。在这种情况下，工作流体可被冷却到适合于由冷凝器140存储且然后存储在存储罐150中的温度，使得工作流体可被容易地存储，并且可防止由于高温等对存储罐150的损坏。

此外，循环泵160可位于存储罐150的下游，使得存储罐150可安装在冷凝器140和循环泵160之间以将工作流体临时存储在其中或平滑地循环工作流体。

方向控制阀10可包括入口端口15、出口端口16以及一个或多个收集端口17和18。

入口端口15可被配置为连接到循环泵160的出口以直接接收由循环泵160排出的工作流体。因此，通过存储罐150和循环泵160传送的工作流体可被引入至入口端口15。

出口端口16可被配置为被连接到锅炉110和120以将工作流体排到锅炉110和120。

收集端口17和18可被配置为连接到存储罐150以将工作流体排到存储罐150。

方向控制阀10可包括阀构件(未示出)(诸如卷轴(spool)等)、与上述的端口15至18连通的通道(未示出)、以及致动阀构件(未示出)的致动器(未示出)。因此，阀构件可被致动以选择性地打开和关闭入口端口15、出口端口16以及收集端口17和18并改变通道。

同时，通过图1至图3的实例示出其中方向控制阀10可由具有第一位置11、第二位置12和第三位置13的三位置阀形成的实例。

特别地，方向控制阀10可具有入口端口15和出口端口16在其处彼此连通的第一位置11(见图1)、出口端口16和第一收集端口17在其处彼此连通的第二位置12(见图2)、以及出口端口16和第二收集端口18在其处彼此连通的第三位置13(见图3)。

在方向控制阀10的第一位置11处，如图1所示，当第一和第二收集端口17和18关闭且入口端口15和出口端口16打开时，可形成内部通道，使得入口端口15和出口端口16彼此连通。

在方向控制阀10的第二位置12处，如图2所示，当入口端口15和第二收集端口18关闭且出口端口16和第一收集端口17打开时，可形成内部通道，使得出口端口16和第一收集端口17彼此连通。

在方向控制阀10的第三位置13处，如图3所示，当入口端口15和第一收集端口17关闭且出口端口16和第二收集端口18打开时，可形成内部通道，使得出口端口16和第二收集端口18彼此连通。

收集线路21和22可被配置为将在循环路径105中残留的工作流体以及锅炉110和120中的工作流体引入到存储罐150中。

特别地，收集线路21和22可包括连接到方向控制阀10的第一收集端口17的第一收集线路21和连接到方向控制阀10的第二收集端口18的第二收集线路22。

第一收集线路21的一端可连接到方向控制阀10的第一收集端口17，且第一收集线路21的另一端部可连接在循环路径105上的存储罐150的上游点处。

第二收集线路22的一端可连接到方向控制阀10的第二收集端口18，且第二收集线路22的另一端部可连接在循环路径105上的存储罐150的上游点处。此外，被配置为通过强制泵送动作朝向存储罐150传送工作流体的收集泵23可被布置在第二收集线路22中。

如图1至图3所示，第一收集线路21的另一端和第二收集线路22的另一端可被配置为连接在位于冷凝器140的上游点处的结点25处。

特别地，结点25可定位在膨胀器130和冷凝器140之间。因此，由第一和第二收集线路21和22传送的工作流体可通过冷凝器140被收集到存储罐150中。因此，在朗肯循环废热回收系统的操作停止的状态下收集在循环路径105中残留的工作流体或者在问题情况发生时收集来自锅炉110和120的工作流体的情况下，由于工作流体可被冷却到适合于由冷凝器140存储且然后存储在存储罐150中的温度，所以工作流体可被容易地存储，并且可防止由于工作流体的高温对存储罐150的损坏。

此外，反向流动防止阀180可安装在冷凝器140和存储罐150之间。反向流动防止阀180可被配置为防止工作流体从存储罐150反向流到冷凝器140。

同时，冷凝器140、存储罐150、收集泵23、方向控制阀10等可按顺序堆叠在垂直方向上，以便于工作流体的回收。特别地，存储罐150可定位在冷凝器140下面，且收集泵23和方向控制阀10可定位在存储罐150下面。因此，工作流体可通过重力平稳地从冷凝器140传送到存储罐150，从而可提高回收效率。

此外，用于防止收集的工作流体从冷凝器140反向流到膨胀器130的反向流动防止阀170也可安装在膨胀器130和冷凝器140之间。

根据示例性实施例，反向流动防止阀170可由止回阀形成。

根据替代示例性实施例，反向流动防止阀170也可由简单地阻断或打开通道的开/关阀来形成。反向流动防止阀170可以由开/关阀形成的原因是在反向流动防止阀170由止回阀形成的情况下会产生大的流动阻力。

此外，可提供用于控制方向控制阀10和收集泵23的操作的控制器40。控制器40可连接至车辆的电子控制单元(ECU)、锅炉110和120的传感器、膨胀器130的传感器、用于感测工作流体的泄漏的泄漏感测传感器、用于产生工作流体的收集信号的收集开关等。因此，控制器40可接收关于车辆的各种信息、关于(由空气泄漏传感器等的检测的)工作流体的泄漏的信息、关于锅炉110和120的压力的信息、关于膨胀器130的每分钟转数(RPM)的信息、工作流体的收集信号等，并且可基于如上所述接收到的信息控制方向控制阀10和收集泵23的操作。

在根据如上所述配置的本公开的工作流体收集装置中，第一收集端口17和第二收集端口18可通过方向控制阀10的控制按顺序打开，使得工作流体可通过第一收集线路21和第二收集线路22以两个步骤被逐步收集到存储罐中。原因是由于锅炉110和120中的初始压力处于其中其超过收集泵23可忍受的容许压力的高压状态，所以在其中高压状态下的工作流体由收集泵23直接从锅炉110和120收集的情况下，收集泵23会由于高压力状态下的工作流体而很容易被损坏。

因此，在本公开中，可执行通过锅炉110和120的初始高压经由第一收集端口17和第一收集线路21收集工作流体的第一收集操作，并且当在第一收集操作之后锅炉110和120中的压力下降到收集泵23的容许压力或更小的时候，可执行通过第二收集端口18和第二收集线路22强制收集工作流体的二次收集操作。

将在下面更详细地描述上述两步骤收集过程。

首先，在其中朗肯循环废热回收系统如图1所示的正常操作的情况下，方向控制阀10可被切换到第一位置11。因此，第一和第二收集端口17和18可被关闭且入口端口15和出口端口16可被打开，使得入口端口15和出口端口16彼此连通。因此，工作流体可通过朗肯循环100的循环路径105上的循环泵160经由锅炉110和120、膨胀器130、冷凝器140、存储罐150等顺序传递和循环，使得执行正常废热回收操作。

此外，在问题情况发生时或在朗肯循环废热回收系统的操作停止之后旨在将循环路径105中残留的工作流体、锅炉110和120中残留的工作流体等收集到存储罐150中的情况下，方向控制阀10可被切换到第二位置12，如图2所示。因此，入口端口15和第二收集端口18可被关闭，且出口端口16和第一收集端口17可被打开，使得出口端口16和第一收集端口17可彼此连通。在这种状态下，锅炉110和120或循环路径105中残留的工作流体可由锅炉110和120中的高压通过第一收集端口17和第一收集线路21被传送到冷凝器140且然后可由重力从冷凝器140收集到存储罐150(第一收集操作)。

然后，在其中锅炉110和120中的压力减小到收集泵23的容许压力或更小的情况下，方向控制阀10可切换到第三位置13，如图3所示。因此，入口端口15和第一收集端口17可被关闭且出口端口16和第二收集端口18可被打开，使得出口端口16和第二收集端口18彼此连通。在这种状态下，在锅炉110和120或循环路径105中残留的工作流体可通过收集泵23的强制泵送动作经由第二收集端口18和第二收集线路22被传送到冷凝器140且然后可通过重力从冷凝器140收集到存储罐150(第二收集操作)。

已经在图1至图3中示出了其中废气锅炉110和EGR气体锅炉120可相对于膨胀器130和循环泵160之间的循环路径105通过串联管105A彼此串联连接的实例。

图4至图6是示出根据本公开的另一示例性实施例的用于朗肯循环废热回收系统的工作流体收集装置。

在图4至图6中已经示出了其中废气锅炉110和EGR气体锅炉120可相对于膨胀器130和循环泵160之间的循环路径105通过并联管105b和105c彼此连接的实例。

此外，通道切换阀30可连接到方向控制阀10。通道切换阀30可被配置为切换通道，使得工作流体朝向废气锅炉110和EGR气体锅炉120中的至少一个流动。

控制器40可电连接到方向控制阀10、收集泵23和通道切换阀30以控制方向控制阀10、收集泵23和通道切换阀30的操作。

由于除上述配置和操作之外的配置和操作类似于上述示例性实施例的配置和操作，所以将省略详细描述。

图7是示出使用上述用于朗肯循环废热回收系统的工作流体收集装置将工作流体收集存储罐中的工作流体收集方法的流程图。

首先，检测到问题情况的发生、朗肯循环废热回收系统的操作停止等(S1)。问题情况的发生的实例可包括其中由泄漏感测传感器感测到工作流体的泄漏的情况、其中乘客感测到工作流体的泄漏等以打开收集开关的情况、其中通过气囊的传感器等严重感测到外部冲击的情况。

当问题情况发生或如上所述朗肯循环废热回收系统的操作停止时，可执行第一收集(S2)。

在上述第一收集步骤(S2)中，方向控制阀10可切换到第二位置12，如上所述。因此，方向控制阀10的出口端口16和第一收集端口17可彼此连通，使得工作流体可通过锅炉110和120的压力(高压)经由第一收集线路21被收集到存储罐150中。

在执行第一收集步骤之后，可判定锅炉110和120的压力是否降低到收集泵23的容许压力或更小(S3)，并且在锅炉110和120的压力降低到收集泵23的容许压力或更小时可执行第二收集(S4)。

在上述第二收集步骤(S4)中，方向控制阀10可切换到第三位置13，如上所述。因此，方向控制阀10的出口端口16和第二收集端口18可彼此连通，使得工作流体可通过收集泵23的强制泵送动作经由第二收集线路22被收集到存储罐150中。

在上述第二收集步骤(S4)之后，当存储罐150中的水位的变化等于或小于用于判定工作流体是否已经泄露的设定值时，方向控制阀10可切换到第一位置11。因此，第一和第二收集端口17和18可被关闭，且入口端口15和出口端口16可被打开，使得入口端口15和出口端口16彼此连通。因此，工作流体可通过朗肯循环100的循环路径105上的循环泵160经由锅炉110和120、膨胀器130、冷凝器140、存储罐150等顺序传递和循环，使得执行正常废热回收操作(S6)。

此外，在上述第二收集步骤之后，当存储罐150中的水位变化等于或大于用于判定工作流体是否泄露的设定值时，可通过视觉或听觉装置等执行工作流体已经泄露的警告(S7)。

如上所述，根据本公开的实施例，在朗肯循环中循环的工作流体可在紧急情况发生或朗肯循环废热回收系统的操作停止时收集到存储罐中，从而使得可以防止朗肯循环的工作流体泄露、有效地监控工作流体是否泄漏、并有效地防止由于工作流体的残留而引起的工作流体的冻结等。

在上文中，虽然已经参考示例性实施例和附图描述了本公开，但是本公开不限于此，而是在不脱离在所附权利要求中要求保护的本公开的精神和范围的情况下，可由本公开所属的领域的技术人员进行各种修改和改变。

附图中每个元件的符号

10：方向控制阀

21：第一收集线路

22：第二收集线路

23：收集泵

100：朗肯循环

110：废气锅炉

120：EGR气体锅炉

130：膨胀器

140：冷凝器

150：存储罐

160：循环泵

170、180：反向流动防止阀。