车辆中的热力系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种车辆中的热力系统。提供了一种车辆，所述车辆具有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、泵和加热器。热力循环被设置用于车辆中的废热回收。导热管包含相变材料，并具有冷凝区域和蒸发区域。蒸发区域与车辆系统的再循环流体热接触。加热器提供工作流体与导热管的冷凝区域之间的热接触。
【专利说明】
车辆中的热力系统
技术领域
[0001]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】
[0002]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)来回收来自与各种车辆系统或部件一起使用的废热流体的废热。通常，使用与大气热接触的热交换器来另外冷却废热流体，从而使用周围或外界空气冷却废热流体。
【发明内容】
[0003]在一个实施例中，提供了一种车辆，所述车辆具有带有排气系统的发动机。所述车辆还具有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、栗、第一加热器和第二加热器。所述第二加热器与所述排气系统中的排气热接触。提供了导热管，所述导热管包含相变材料。所述导热管具有蒸发区域和冷凝区域，所述冷凝区域与第一加热器中的工作流体热接触。所述导热管限定由芯吸层分开的蒸汽空间和液体空间。车辆系统被配置为将来自车辆部件的废热经由再循环流体提供至导热管的蒸发区域。
[0004]在另一个实施例中，提供了一种车辆，所述车辆具有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、栗、和加热器。导热管包含相变材料并且具有冷凝区域和蒸发区域，所述蒸发区域与车辆系统的再循环流体热接触。所述加热器提供工作流体与导热管的冷凝区域之间的热接触。
[0005]根据本发明的一个实施例，所述加热器是第一加热器，所述热力循环具有位于第一加热器之后的第二加热器，所述车辆还包括:另一导热管，包含另一相变材料并具有另一冷凝区域和另一蒸发区域，所述另一蒸发区域与另一车辆系统的另一再循环流体热接触；其中，第二加热器提供工作流体与所述另一导热管的另一冷凝区域之间的热接触。
[0006]在又一个实施例中，提供了一种方法。在导热管的蒸发区域中利用车辆冷却系统的再循环流体加热相变材料。在与热力循环中的膨胀器、冷凝器和栗顺序地流体连通的加热器中利用导热管的冷凝区域加热混合相态的工作流体。利用工作流体驱动膨胀器的轴以用于车辆中的能量回收。
[0007]本公开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提高车辆效率。热力循环可以是兰金循环。提供有从车辆系统中的车辆系统流体回收废热并且加热热力循环中的工作流体的导热管。导热管提供了一种用于车辆系统流体和工作流体之间热传递的被动装置。车辆系统流体可以是电气系统冷却剂、燃料、润滑剂(例如，发动机润滑剂)等。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性提供了一种加热循环中的工作流体以及从车辆系统和部件回收废热的可靠且有效的方式。
【附图说明】
[0008]图1示出了根据实施例的车辆的系统的示意图；
[0009]图2示出了用于图1的兰金循环的简化压-焓图；
[0010]图3示出了用于图1的兰金循环在多个工况下的简化压-焓图；
[0011]图4示出了根据实施例的用于图1的车辆的导热管；
[0012]图5示出了图4的导热管的截面示意图；
[0013]图6示出了根据实施例的用于具有导热管的车辆的兰金循环的示意图；
[0014]图7示出了根据另一实施例的用于具有导热管的车辆的兰金循环的另一示意图。
【具体实施方式】
[0015]根据需要，在此公开了本发明的详细实施例；然而，应理解，公开的实施例仅为本发明的示例，其可以多种和替代形式实施。附图无需按比例绘制;可以放大或最小化一些特征以示出特定部件的细节。因此，在此公开的具体结构和功能细节不应解释为限制，而仅为教导本领域技术人员以多种形式应用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。本公开中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。
[0016]可以使用热力循环(比如兰金循环)将热能转化成机械功率或电功率。由于排气丢弃车辆中的废热，因此已经付出努力以从发动机排气更有效地收集热能。本公开提供具有导热管的兰金循环，所述导热管设置在车辆冷却系统和循环的蒸发器之间以从车辆系统或部件中的流体回收废热。导热管包含在运转期间具有相态分离的另一种工作流体。废热流体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被蒸发而冷凝成液相。
[0017]图1说明根据示例的车辆10内的多个系统的简化示意图。经由与兰金循环的热交换器内的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(ambient air)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。
[0018]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。在示出的示例中，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(Μ/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。
[0019]电机52从牵弓I电池58接收电功率以向车轮55提供扭矩。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。
[0020]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式发动机。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)。
[0021]车辆10还具有车辆系统62，例如，用于发动机的润滑系统62。车辆系统62包含在车辆运转期间需要冷却的车辆系统流体。在整个本公开中车辆系统流体可以称为废热流体或系统流体。在示出的示例中，润滑系统62包括再循环系统流体，例如，润滑流体(可包括石油基流体、非石油基流体和/或其它流体)，用以在运转期间润滑发动机50和/或从发动机50去除热。发动机50可以设有内部套或外部套，该内部套或外部套具有通向发动机50的多个区域的润滑流体通道。润滑系统62可以包括栗64、用于冷却系统流体的热交换器装置66和贮液器(未不出)。
[0022]在另一示例中，如下所述，车辆系统62可以是传动装置润滑系统、柴油冷却系统、电池或有关的电气冷却系统等。
[0023]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不只一个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循环内是混合相态的流体。工作流体可以是R-134a、R-245或者基于期望的循环运转参数的另一种有机或无机化学制冷剂(refrigerant)。
[0024]循环70具有栗72、压缩机或者配置用于增加工作流体的压力的其它装置。栗72可以是离心栗、正排量栗等。工作流体从栗72流动至一个或更多个热交换器。热交换器可以是预热器、蒸发器、过热器以及配置用于将热量传输至工作流体的类似装置。
[0025]示出的示例具有第一热交换器74，该热交换器被配置为预热器。提供有第二热交换器76并且该热交换器可被配置为蒸发器。在其它示例中，可以在栗72的下游设置更多或更少的热交换器。例如，循环70可以设置有三个或更多个热交换器以(例如)使用来自发动机排气和两种不同的车辆系统流体的废热加热工作流体。此外，栗72下游的热交换器可相对于彼此以多种方式(例如并联、如示出的串联或者串联和并联流动的组合)布置或定位。
[0026]热交换器74、76被配置为传输来自外部热源的热量以加热循环70内的工作流体。在不出的不例中，热交换器74、76被配置为将热量分别从车辆系统流体和发动机排气传输至循环70中的工作流体。经由热交换器74降低车辆系统流体的温度并提高循环70的工作流体的温度。经由热交换器76降低发动机排气的温度而类似地提高循环70的工作流体的温度。车辆系统流体和/或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。
[0027]热交换器76设置在循环70中。热交换器76设置为使得排气系统60中的排气可以流过热交换器76以将热量直接传输至循环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76或者与热交换器76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76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76的排气量的阀门82，阀门82继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76，例如，热交换器76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。热交换器76可被设置为循环70中的蒸发器。
[0028]热交换器74可被设置为预热器，并由室形成。热交换器74配置用于导热管84和循环70中的工作流体之间的热传递。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的工作流体的化学溶液和混合物，或者在其它示例中，相变材料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密封结构。导热管84具有与车辆系统62中的系统流体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，以加热循环70中的工作流体。液体随后返回至蒸发区域86并且该循环重复。
[0029]导热管84可以设置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循环70的热传递要求的多种几何形状和构造。在下文参考图4和图5更详细地描述导热管84。
[0030]在各个示例中，导热管84和热交换器74被配置为将热量从各种车辆系统中的系统流体向循环70的工作流体传输，这些系统流体包括但不限于发动机润滑流体、传动装置润滑流体、电池冷却流体和发动机燃料(诸如柴油燃料)。导热管84和热交换器74代替用于这些系统的每个中的流体的外界空气冷却式热交换器，从而回收在兰金循环70中使用的废热，并去掉用于车辆中的系统的空冷式热交换器。
[0031]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将足够的热量传输至循环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。本公开总体上描述了通过使用发动机排气60而将热交换器76用作为蒸发器;然而，热交换器74也可以用作蒸发器。热交换器74相对于热交换器76的定位可基于车辆系统流体的平均温度或可用热量以及排气温度。
[0032]膨胀器90可以是涡轮，比如离心或轴流涡轮或者另外的类似装置。随着工作流体膨胀通过工作流体旋转膨胀器90以产生功率。膨胀器90可以连接至马达/发电机92以旋转马达/发电机从而产生电力，或者连接至另外的机械联动装置(mechanical linkage)以提供额外的功率至驱动轴和车轮55。膨胀器90可以通过轴或另外的机械联动装置连接至发电机92。发电机92连接至电池58以提供电力给电池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。
[0033]循环70中的工作流体离开膨胀器90并且流动至热交换器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，并且使用值或其它机制通过循环70所需的多个级可以控制工作流体的流动。
[0034]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可以设置为用于循环70中的工作流体的流体或液体贮液器。栗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。
[0035]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存储装置或介质通信的微处理器或中央处理器(CPU)。计算机可读存储装置或介质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永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PROM(可编程只读存储器)、EPR0M(电可编程只读存储器)、EEPR0M(电可擦除可编程只读存储器)、闪存或者能存储数据(该数据中的一些数据代表控制车辆或循环70的控制器所使用的可执行的指令)的任何其它电子、磁性、光学或者组合存储器装置)实现计算机可读存储装置或介质。
[0036]图2示出了用于如图1所示的兰金循环或热力循环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/kgo
[0037]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，液相和汽相的混合物)。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。
[0038]根据实施例在图上说明图1的兰金循环70。为了本公开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示出循环70或系统中的任何损失。损失可以包括栗送损失、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中示出的循环70的运转简化为假定恒定压力、绝热、可逆和/或等熵处理步骤，视情况的且如在下文描述的;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可以不同于这些假设。循环描绘为在高压Ph和低压Pl之间运转。图上也示出了恒温线，例如，Th和Tl。
[0039]循环70在工作流体进入栗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摄氏度或低更多的温度。工作流体在点132处以较高的压力Ph并且以液相离开栗72。在示出的示例中，从130至132的栗送过程被建模为等熵的或者绝热的且可逆的。
[0040]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内使用来自车辆系统和发动机排气的废热加热工作流体。工作流体在点134处作为蒸汽或过热蒸汽离开热交换器。从132至134的加热过程建模为恒定压力的过程。如从图中可见的，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。
[0041]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率。工作流体在点136处以压力Pl离开膨胀器90。如所示出的，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区域124内的混合相。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。在示出的示例中，从134至136的膨胀过程被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。
[0042]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栗72。循环70中还可以包括储存器。从136至130的加热过程被建模为恒定压力的过程。如从附图可见的，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处作为过热蒸汽或蒸汽-液体混合相开始并且在130处作为液体离开热交换器96。
[0043]在一个示例中，循环70被配置为通过约为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可以适于在车辆及其周围环境所需的多个外界环境中运转。在一个示例中，循环70被配置为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摄氏度的外界或环境温度与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/或更低的外界温度下运转。
[0044]由循环70提供的功率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，对于提供废热源的车辆系统流体和排气，循环70提供的功率是通过热交换器76的排气的质量流率、进入热交换器76的排气的温度、导热管84中蒸汽的相变材料的温度、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输出的功率约为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率约为I kW。
[0045]可以基于发电机92产生的电力以及来自废热源(例如发动机排气)的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差的函数。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。
[0046]对于系统运转和保持系统效率而言在循环7O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被设计为用于液相、混合相流体和汽相流体。在循环中工作流体在点130处可能需要是液相的以防止栗72内的气塞(air lock)。此外，基于膨胀器90的构建，可能期望在点134和136之间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车速和外界气温，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的量和/或速率。
[0047]如图3中示出的，可以在多个工况下运转循环70。图3示出了用于循环70的两个工况。循环150示出为在最小外界空气运转温度(Tl MIN)处或附近运转。循环152示出为在最大外界空气运转温度(Th max)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中的每个循环的点130为压缩的液体，如由虚线154所示的)来选择工作流体。此外，通过使用阀82修改通过热交换器76的排气的流率可以控制循环70在期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的量及其温度。阀82可以是二位阀或者可以被控制为提供可变的流量。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温度。此外，可以通过栗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的热量或从工作流体传出的热量。
[0048]图4示出导热管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具有与车辆系统205热连通以从其接收废热的蒸发区域204。蒸发区域204可以与车辆系统205热接触。车辆系统205中的车辆系统流体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。
[0049]在一个非限制性示例中，车辆系统205是如上所述的关于图1的发动机润滑系统62，车辆系统流体是发动机润滑剂。
[0050]在一个示例中，如所示出的，蒸发区域204与车辆系统205的表面物理接触使得热量至少部分经由热传导来传输。蒸发区域204可以设置为套(jacket)、盘或者与车辆系统205的内表面或外表面物理接触的类似装置。蒸发区域可以包住车辆系统205的一部分(例如，管道)，或者可以用作车辆系统205内的衬套。在进一步的示例中，蒸发区域集成到车辆系统205中，例如，与汽缸盖中的套集成在一起，使得导热管200还可以提供发动机冷却。
[0051]在另一个示例中，蒸发区域204延伸进车辆系统205的内部区域，使得车辆系统流体或发动机润滑剂流过蒸发区域204以将热量至少部分经由对流传输至导热管200。蒸发区域204可以设置有翅片(fin)或其它延伸的表面以增加导热管200的表面积并因此增加从车辆系统流体传输至导热管200的热量。在该示例中，蒸发区域204可被设计成限制对车辆系统流体的流动的妨碍。
[0052]蒸发区域204示出为具有单个分支;然而，可以预想蒸发区域204可以具有多个分支或分叶。
[0053]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74)热接触的冷凝区域208。在一个示例中，如所示出的，冷凝区域208延伸进限定热交换器74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使得热量至少部分经由对流从导热管200的表面传输。冷凝区域208可以设置有翅片或其它延伸表面214以增加导热管200的冷凝区域208的表面积并因此增加从冷凝区域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74的配置及其运转，工作流体212也可以经历相变或相态转变。
[0054]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热量至少部分经由热传导传输。冷凝区域208可以设置为套、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。
[0055]中间区域216可以设置在蒸发区域204和冷凝区域208之间并且连接这两者。当车辆系统205和热交换器74在车辆10内分开一定距离时可以设置中间区域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。
[0056]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下转变为蒸汽从而提供对传输至循环70的热量的控制。
[0057]图5示出根据示例的导热管200的截面示意图。导热管200的一部分是从车辆系统接收废热的蒸发区域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之间设置有中间区域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。此外，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。
[0058]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(或机械功率或电功率)而运转。
[0059]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可以设置在导热管200的中央区域中。
[0000]可以由导热材料(比如金属或类似物)形成外壳202。在一个不例中，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。
[0061 ]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于驱动流体循环中相变材料的压力差。
[0062]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可以由用于转移并输送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(mass transfer)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。
[0063]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。
[0064]基于用于车辆系统205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且基于与车辆系统205中的车辆系统流体和/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是用于低温应用的水。在另一个示例中，外壳包含铜和/或钢而PCM是制冷剂，比如R-134a。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。
[0065]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中使用车辆系统205的废热来加热液体PCM。车辆系统流体经由与外壳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PCM13PCM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。
[0066]如箭头指示的，蒸汽PCM随后流动跨过芯吸层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。
[0067]在冷凝区域208内，经由至循环70中工作流体的热传导来冷却蒸汽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。如箭头所指示的，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PCM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。
[0068]图6示出了用于车辆(诸如车辆10)的兰金循环250的另一示例。循环中的与上述的关于图1的那些元件类似的元件设置有相同的标号。循环250具有将热量从车辆系统62传输至循环250的导热管84。车辆系统62是用于车辆中各种电气部件(例如，牵引电池58、逆变器94和/或马达52)的电气冷却系统252。还可使用冷却系统252冷却其它车辆电气部件。冷却系统252可以是包含再循环冷却剂(诸如水、乙二醇和/或另外的流体)以从电气部件去除热的闭环系统。冷却系统252可流动经过冷却套等以将热量从电气部件传输到冷却剂。随后冷却剂流过与导热管84的蒸发部分86热接触的室或管道66。热量从冷却剂传输到导热管84的蒸发部分86处的PCM。因此，冷却剂温度降低，并且冷却剂可被引导返回到电气部件以用于继续冷却。冷却系统252还可设置有栗64和贮液器(未示出)。
[0069]导热管84可以是设置在冷却系统252中的唯一的散热器，忽略系统252中的任何热损失。因此，冷却系统252可设置在车辆中而不使用空冷式热交换器。在传统的系统中，散热器或其它热交换器经由与外界空气的热传递来冷却冷却剂流体。
[0070]导热管84中的PCM在热交换器74中加热循环250中的工作流体。发动机排气还可在热交换器76中向循环250提供热量。膨胀器90通过汽相工作流体而旋转以向车辆提供电功率或机械功率。工作流体随后在热交换器96中冷却并返回到栗72以完成该循环。
[0071]图7示出了用于车辆(诸如车辆10)的兰金循环270的另一示例。循环中的与上述的关于图1的那些元件类似的元件设置有相同的标号。循环270具有将热量从车辆系统62传输至循环270的导热管84。车辆系统62是燃料输送系统272。燃料输送系统272被控制为向发动机50的燃烧室提供燃料。使用燃料栗276从燃料箱274栗送燃料。燃料箱可包含诸如柴油、汽油、生物柴油、醇基燃料(例如，乙醇、甲醇)等的燃料。在示出的示例中，发动机50是压燃式发动机或柴油发动机，燃料箱274包含柴油燃料。栗276可位于箱274的外部(如所示出的)或者在另一示例中栗276可设置在箱274中。
[0072]栗将燃料提供至燃料供应线路或系统278。燃料供应线路278可包括燃料分配管(fuel rail)、燃料喷嘴等。燃料喷嘴可被电控制或机械控制。在供应线路278中，燃料可由于邻近发动机50而被加热。
[0073]燃料输送系统272还具有流体地连接供应线路278与燃料箱274的燃料返回线路280，以使任何未使用的燃料返回到箱274。燃料返回线路280包括与导热管84的蒸发部分86热接触的室或管道282。热量从返回的燃料传输至导热管84的蒸发部分86处的PCM。在返回线路280中可通过导热管84冷却未使用的燃料，以降低燃料在其返回到箱274之前的温度。通过降低未使用的燃料在其返回到燃料箱之前的温度，可提高发动机效率并且可延长燃料系统部件的寿命。
[0074]导热管84可以是设置在燃料输送系统272中的唯一的散热器，忽略系统272中的任何热损失。因此系统272可设置在车辆中而不使用空冷式热交换器来冷却返回的燃料。在传统的系统中，空冷式热交换器可经由与外界空气的热传递而用于冷却未使用的燃料。
[0075]导热管84中的PCM在热交换器74中加热循环270中的工作流体。发动机排气还可在热交换器76中向循环270提供热量。膨胀器90通过汽相工作流体而旋转以向车辆提供电功率或机械功率。工作流体随后在热交换器96中冷却并返回到栗72以完成该循环。
[0076]本公开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提高车辆效率。热力循环可以是兰金循环。提供有从车辆系统中的车辆系统流体回收废热并且加热热力循环中工作流体的导热管。导热管提供了一种用于车辆系统流体和工作流体之间热传递的被动装置。车辆系统流体可以是电气系统冷却剂、燃料、润滑剂(例如发动机润滑剂)等。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性提供了一种加热循环中的工作流体以及从车辆系统和部件回收废热的可靠且有效的方式。
[0077]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。
【主权项】
1.一种车辆，包括: 发动机，具有排气系统； 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、栗、第一加热器和第二加热器，所述第二加热器与所述排气系统中的排气热接触； 导热管，包含相变材料和芯吸层并且具有蒸发区域和冷凝区域，所述冷凝区域与第一加热器中的工作流体热接触，所述导热管限定蒸汽空间和液体空间； 车辆系统，被配置为将来自车辆部件的废热经由再循环流体提供至导热管的蒸发区域。2.根据权利要求1所述的车辆，其中，所述车辆系统是用于发动机的润滑系统，所述再循环流体是发动机润滑剂。3.根据权利要求1所述的车辆，还包括电机和牵引电池； 其中，所述车辆系统是用于牵引电池的电气冷却系统，再循环流体是冷却剂。4.根据权利要求1所述的车辆，其中，所述车辆系统是用于发动机的燃料输送系统，再循环流体是燃料； 其中，导热管的蒸发区域与燃料输送系统的返回线路中的燃料热接触。5.根据权利要求1所述的车辆，其中，所述导热管的冷凝区域位于所述热力循环的第一加热器的内部区域中，使得所述工作流体流过所述冷凝区域的外表面。6.根据权利要求1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，所述芯吸层位于所述外壁和所述蒸汽空间之间。7.根据权利要求1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二加热器和旁通管道之间的流动的阀门。8.—种车辆，包括: 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、栗、和加热器； 导热管，包含相变材料并且具有冷凝区域和蒸发区域，所述蒸发区域与车辆系统的再循环流体热接触； 其中，所述加热器提供工作流体与导热管的冷凝区域之间的热接触。9.根据权利要求8所述的车辆，还包括具有排气系统的发动机； 其中，所述加热器是第一加热器，所述热力循环具有位于第一加热器之后的第二加热器； 其中，第二加热器提供工作流体与排气系统中的排气之间的热接触。10.根据权利要求8所述的车辆，其中，所述加热器是第一加热器，所述热力循环具有位于第一加热器之后的第二加热器，所述车辆还包括: 另一导热管，包含另一相变材料并具有另一冷凝区域和另一蒸发区域，所述另一蒸发区域与另一车辆系统的另一再循环流体热接触； 其中，第二加热器提供工作流体与所述另一导热管的另一冷凝区域之间的热接触。11.根据权利要求8所述的车辆，其中，所述车辆系统是发动机润滑系统、电气冷却系统和燃料输送系统中的一个。12.根据权利要求8所述的车辆，其中，导热管的蒸发区域被配置为将热量从再循环流体被动地传输到相变材料。13.根据权利要求12所述的车辆，其中，导热管的蒸发区域位于车辆系统的内部区域内，使得再循环流体流过蒸发区域并以对流的方式加热蒸发区域。14.根据权利要求12所述的车辆，其中，导热管的蒸发区域沿着车辆系统的外表面设置，使得再循环流体以对流的方手加热蒸发区域。15.根据权利要求8所述的车辆，其中，导热管包含芯吸层并具有蒸汽空间和液体空间。16.根据权利要求15所述的车辆，其中，导热管具有外壁，液体空间与外壁相邻，芯吸层位于外壁与蒸汽空间之间。17.根据权利要求8所述的车辆，其中，导热管的冷凝区域被配置为将热量从相变材料被动地传输至工作流体； 其中，导热管的冷凝区域位于加热器中，使得热力循环的工作流体流过冷凝区域的外表面。18.一种方法，包括: 在导热管的蒸发区域中利用车辆冷却系统的再循环流体加热相变材料； 在与热力循环中的膨胀器、冷凝器和栗顺序地流体连通的加热器中利用导热管的冷凝区域加热混合相态的工作流体； 利用工作流体驱动膨胀器的轴以用于车辆中的能量回收。19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述加热器是预热器，所述方法进一步包含: 利用发动机排气加热位于热力循环中的预热器与膨胀器之间的蒸发器中的工作流体。20.根据权利要求18所述的方法，还包括:使用导热管的蒸发区域冷却车辆冷却系统的再循环流体； 利用来自车辆部件的废热加热车辆冷却系统的再循环流体，再循环流体为润滑剂、冷却剂和燃料中的一种。
【文档编号】F02G5/04GK105822375SQ201610045147
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年1月22日
【发明人】周时光
【申请人】福特全球技术公司