CN102678208A - 兰金循环装置 - Google Patents

Abstract

一种兰金循环装置，包括具有泵、热交换器以及膨胀部分的回路，所述泵用于泵送工作流体，所述热交换器用于在所述工作流体与从废热源供应的流体之间引起热交换，所述膨胀部分使已进行热交换的所述工作流体膨胀以产生机械能。所述膨胀部分包括定涡旋、动涡旋以及背压室，所述动涡旋相对于所述定涡旋绕动，所述背压室布置于与所述动涡旋的背侧对应的一侧，所述动涡旋的背侧与面向所述定涡旋的表面相反。所述兰金循环装置进一步包括导入机构，所述导入机构用于将所述工作流体从高压区域引入至所述背压室以产生使所述动涡旋压靠于所述定涡旋的背压，所述高压区域从所述泵的出口侧延伸至所述热交换器的入口。

Description

兰金循环装置

技术领域

本发明涉及一种兰金循环装置，其具有包括泵、热交换器以及膨胀部分的回路，该泵用于泵送工作流体，该热交换器用于在从泵输送的工作流体与来自废热源的流体之间引起热交换，膨胀部分使已在热交换器中进行热交换的工作流体膨胀以产生机械能。

背景技术

用在兰金循环装置中的涡旋式膨胀部分包括通过驱动轴的旋转而绕动的动涡旋以及固定至壳体的定涡旋。涡形部分形成于该动涡旋的端板上。另一涡形部分布置于该定涡旋的端板上。膨胀室形成于涡形部分之间。在热交换器中获得热能之后，工作流体经由膨胀部分的吸入室流入膨胀室中并在该膨胀室中膨胀。这种膨胀引起动涡旋的绕动运动，因此产生了机械能(驱动力)。

为了改进用于通过涡旋式膨胀部分产生机械能的效率，重要的是工作流体在膨胀室中有效地膨胀。因此，重要的是防止工作流体从膨胀室泄漏，或者，换言之，改进膨胀室的密封性能。日本特开专利公开No.10-184567描述了一种用于改进涡旋式膨胀部分中的膨胀室的密封性能的技术。

在该公开文献所述的技术中，背压室形成于与动涡旋的端板的背侧(与面向定涡旋的表面相反的表面)对应的一侧。增大背压室中的压力以将背压施加至动涡旋的背侧上。该背压使动涡旋沿驱动轴的轴向方向压靠于定涡旋。结果，该动涡旋的涡形部分的远端压靠于该定涡旋的端板，而该动涡旋的端板压靠于该定涡旋的涡形部分的远端。这提高了膨胀室的密封性能。

然而，根据该技术，背压通过将一些来自膨胀室的工作流体经由气体通道引入背压室中而产生。已经被输送至背压室中的工作流体的热能因此不被用来利用涡旋式膨胀部分产生机械能。结果，虽然该技术改进了利用涡旋式膨胀部分的兰金循环装置中的膨胀室的密封性能，但在从热能至机械能的转化中引起损失。这降低了用于输出机械能的效率。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种兰金循环系统，其通过将背压施加至动涡旋上而改进了膨胀室的密封性能，并防止用于产生机械能的效率的降低。

为了实现上述目的并且根据本发明的一个方面，提供一种兰金循环装置，该兰金循环装置具有回路。该回路包括用于泵送工作流体的泵、用于在从泵接收的工作流体与从废热源供应的流体之间引起热交换的热交换器、以及使已在热交换器中进行热交换的工作流体膨胀的膨胀部分由此通过膨胀产生机械能。该膨胀部分包括定涡旋、动涡旋以及背压室，该动涡旋随着驱动轴旋转而相对于定涡旋绕动，该背压室布置于与动涡旋的背侧对应的一侧，该背侧与面向定涡旋的表面相反。该兰金循环装置进一步包括导入机构，该导入机构用于将工作流体从高压区域引入至背压室，由此产生使动涡旋沿着驱动轴的轴向方向压靠于定涡旋的背压。该高压区域是从泵的出口侧延伸至热交换器的入口的区域。

结合通过示例示出本发明原理的附图，从下文的描述中，本发明的其它方面及优点将变得显而易见。

附图说明

通过参考下文的对目前优选实施方式的描述以及附图，可最清楚地理解本发明及其目的和优点，在所述附图中：

图1A是示出了根据本发明的第一实施方式的复合流体机械以及兰金循环装置的示意图；

图1B是示出了图1A中所示的导入通道的放大示意图；

图1C是示出了图1A中所示的导出通道的放大示意图；

图2是沿着图1A的2-2线剖切的剖视图；

图3是示出了根据本发明的第二实施方式的复合流体机械以及兰金循环装置的示意图；

图4是示出了根据本发明的第三实施方式的复合流体机械以及兰金循环装置的示意图；

图5是示出了根据本发明的第四实施方式的复合流体机械以及兰金循环装置的示意图；

图6A是示出了图5中所示的导入通道的入口附近的放大示意图；

图6B是示出了图5中所示的导入通道的出口附近的放大示意图；

图6C是示出了图5中所示的板以及汽化通道的平面图；

图7A是示出了根据本发明的第五实施方式的复合流体机械以及兰金循环装置的示意图；

图7B是示出了图7A中所示的导入通道的出口附近的放大示意图；以及

图7C是示出了图7A中所示的导入通道的入口附近的放大示意图。

具体实施方式

(第一实施方式)

现将参考图1A至图1C以及图2描述本发明的第一实施方式。

如图1A所示，复合流体机械11的壳体12包括管状中央壳体构件13、前部壳体构件14、以及后部壳体构件15。中央壳体构件13的第一端(在图1A中观察时为左侧)连结至前部壳体构件14。第二端(在该视图中观察时为右侧)连结至后部壳体构件15。分隔壁13a从中央壳体构件13的内圆周表面向内径向地延伸以将壳体12的内部分为两个区段。

在这两个区段中，由分隔壁13a以及前部壳体构件14限定的空间容置用作旋转电机的马达-发电机20。由分隔壁13a以及后部壳体构件15限定的空间容纳支承块25以及膨胀部分40。

马达-发电机20包括驱动轴21、马达转子20a以及位于该马达转子20a周围的定子20b，该马达转子20a以可一体旋转的方式固定至驱动轴21。驱动轴21由三个轴承16支承，这三个轴承各自由前部壳体构件14、分隔壁13a以及支承块25中的对应一个支承。定子20b固定至中央壳体构件13的内圆周表面。

马达-发电机20能够起使马达转子20a通过供应至定子20b的线圈20c的电流旋转的马达以及通过该马达转子20a的旋转在定子20b的线圈20c中产生电力的发电机的作用。电池23通过逆变器22连接至马达-发电机20。由该马达-发电机20产生的电力通过逆变器22存储在电池23中。

分隔壁13a的面向后部壳体构件15的表面(在图1A中观察时为右表面)具有围绕驱动轴21布置的椭圆形凹部13c。侧板17固定至该表面以封闭凹部13c。这在分隔壁13a与侧板17之间形成了泵室18。如图2所示，泵室18容置主动齿轮21a以及从动齿轮19，该主动齿轮21a附接于驱动轴21。从动齿轮19的轴部分19a由分隔壁13a以及侧板17旋转地支承。主动齿轮21a以及从动齿轮19彼此啮合。泵室18、从动齿轮19以及主动齿轮21a构成了齿轮泵30。

分隔壁13a具有从泵室18向下延伸的吸入通道13d。该吸入通道13d的第一端在中央壳体构件13的外表面(下表面)中具有开口。该吸入通道13d的第二端连接至泵室18。分隔壁13a还具有从泵室18向上延伸的排放通道13e。该排放通道13e的第一端连接至泵室18。该排放通道13e的第二端在位于侧板17的周缘上方的、由分隔壁13a以及后部壳体构件15限定的空间中开口。

参考图1A至图1C，如前所述，支承块25固定在由分隔壁13a以及后部壳体构件15限定的空间中。是涡旋式的膨胀部分40布置于由支承块25以及后部壳体构件15限定的空间中。驱动轴21延伸穿过支承块25。由O型环形成的轴密封件28安装于支承块25的内圆周表面中。轴密封件28密封驱动轴21的圆周表面与支承块25的内圆周表面之间的空隙。

偏心轴41形成于延伸穿过支承块25的驱动轴21的远端，并位于关于驱动轴21的轴线L偏心的位置处。当驱动轴21旋转时，偏心轴41绕轴线L公转。轴套42固定至偏心轴41并与偏心轴41一体地绕轴线L公转。轴套42通过轴承43旋转地支承动涡旋44。配重45固定至轴套42。

动涡旋44具有由轴承43支承的盘形端板44a以及从该端板44a伸出的涡形部分44b。定涡旋46固定至支承块25的与后部壳体构件15对应的一侧并面向动涡旋44。环形板49布置于支承块25与定涡旋46的相对端表面之间。

动涡旋44布置于支承块25与定涡旋46之间并在沿着轴线L(沿轴向方向)观察时与板49对应的范围内绕动。由O型环形成的密封构件52布置于面向板49的、动涡旋44的外周部分的端表面中。因此，该密封构件52密封板49与动涡旋44之间的空隙。

背压室51由通过动涡旋44的位于密封构件52的径向内侧的部分与支承块25的内表面限定的空间形成。背压室51由布置于动涡旋44中的密封构件52以及形成于支承块25中的轴密封件28气密密封。动涡旋44的与面向定涡旋46的表面相反的表面(动涡旋44的面向支承块25的表面)，该表面是暴露于背压室51中的表面，是动涡旋44的背侧44c。

定涡旋46一体地包括盘形端板46a以及从该端板46a朝向动涡旋44伸出的涡形部分46b。动涡旋44的涡形部分44b以及定涡旋46的涡形部分46b彼此啮合，因此在动涡旋44与定涡旋46之间形成了具有可变容积的膨胀室47。

吸入孔46c形成于定涡旋46的端板46a的中央部分中。吸入室48形成于由端板46a以及后部壳体构件15限定的空间中。通过吸入孔46c，吸入室48与膨胀之前的膨胀室47连通。与吸入室48连通的吸入端口15a形成于后部壳体构件15中。排放室50形成于由定涡旋46的内圆周表面以及动涡旋44的涡形部分44b的最外圆周表面限定的空间中以及靠近吸入室48的外周的区段中。与排放室50连通的排放端口13g形成于中央壳体构件13中。

复合流体机械11具有保持部分53，其由中央壳体构件13的内表面、侧板17以及支承块25形成。保持部分53在驱动轴21的周围形成为环形形状。保持部分53通过形成于分隔壁13a中的排放通道13e与泵室18连通。因此，已经从泵室18泵送至排放通道13e中的高压工作流体经由排放通道13e被输送至保持部分53中。与背压室51中的压力相比，这升高了保持部分53中的压力。也就是，保持部分53是高压区域。与保持部分53连通的排放孔13h形成于中央壳体构件13的上部中。保持部分53中的工作流体通过排放孔13h被引入兰金循环装置60中的热交换器62中，稍后将描述这一点。

现将描述结合有复合流体机械11的兰金循环装置60。如图1A所示，与保持部分53连通的排放孔13h通过第一通道60a连接至热交换器62的吸热器62a。除吸热器62a外，热交换器62还具有放热器62b。该放热器62b布置于冷却剂循环路径65中，该冷却剂循环路径65连接至用作废热源的发动机64。散热器65a形成于冷却剂循环路径65中。冷却水，是来自用作废热源的发动机64的流体，在该冷却剂循环路径65中循环。

热交换器62的吸热器62a的出口侧通过第二通道60c连接至膨胀部分40的吸入端口15a。膨胀部分40的排放端口13g通过第三通道60d连接至冷凝器61。冷凝器61的出口侧通过第四通道60e连接至齿轮泵30的吸入通道13d。

在兰金循环装置60中，通过逆变器22将电力从电池23供应至马达-发电机20，从而使马达-发电机20被致动为马达，因此驱动齿轮泵30。齿轮泵30通过排放通道13e、保持部分53以及排放孔13h输送工作流体。然后，工作流体经由第一通道60a进入热交换器62。在第一实施方式中，排放通道13e、保持部分53以及排放孔13h构成了主通道，工作流体通过该主通道从齿轮泵30被输送至热交换器62。

热交换器62在吸热器62a与放热器62b之间引起热交换，从而工作流体被来自发动机64的废热加热以接收热能。被加热的高温高压工作流体流经第二通道60c并通过吸入端口15a进入膨胀部分40的膨胀室47。工作流体因此膨胀并引起膨胀部分40产生机械能(驱动力)。该驱动力引起动涡旋44绕动。当马达-发电机20的驱动轴21旋转时，齿轮泵30被致动。

在这一阶段，如果已经由发动机64供应大量的废热并且由膨胀部分40产生大量的机械能，那么驱动轴21将以超过预定速度的速度旋转。如果是这样的话，马达-发电机20起发电机的作用以降低驱动轴21的旋转速度。与过量旋转速度对应的机械能的过量部分被转化为电能并且通过逆变器22被充在电池23中。

处于减小的压力以及高温下的膨胀的工作流体被输送至排放室50中并通过排放端口13g被引入第三通道60d中。然后该工作流体在冷凝器61中被液化并经由第四通道60e从吸入通道13d被输送至泵室18。齿轮泵30由膨胀部分40产生的机械能驱动，因此通过排放通道13e将工作流体从泵室18输送至保持部分53。

在保持部分53填充有工作流体之后，溢出的工作流体通过排放孔13h流入第一通道60a中并通过第一通道60a被输送至热交换器62。之后，该工作流体在膨胀部分40、冷凝器61以及齿轮泵30中流动，如已经描述的那样。只要发动机64在操作中，工作流体就在兰金循环装置60的回路中循环。

接下来，将描述用于将由齿轮泵30泵送出的工作流体引入背压室51中以使动涡旋44压靠于定涡旋46的导入机构。

如图1A以及图1B所示，用作导入机构的导入通道54形成于支承块25中。导入通道54将来自齿轮泵30的出口侧与热交换器62的入口之间的高压区域(保持部分53)的工作流体引入至背压室51。导入通道54从主通道(排放通道13e、保持部分53以及排放孔13h)分支，工作流体通过该主通道从齿轮泵30被输送至热交换器62。

过滤器55固定至导入通道54的在与保持部分53对应的一侧处的开口端。过滤器55将异物从工作流体去除，该工作流体从保持部分53被输送至背压室51。在导入通道54中，限制板56固定在过滤器55与背压室51之间的位置处。限制板56具有限制孔56a，该限制孔56a减小(限制)了导入通道54的直径。

参考图1C，定涡旋46具有导出通道57，该导出通道57布置于排放室50的外侧的、位于与动涡旋44的外周对应的一侧处的位置处。导出通道57的第一端经由形成于板49中的连通孔49a连接至背压室51。导出通道57的第二端连接至靠近吸入室48的外周的区段中的前述排放室50。排放室50是用于接收已经在膨胀室47中膨胀的低压工作流体的区域。结果，排放室50中的压力低于背压室51中的压力。因此排放室50是低压区域。

在导出通道57中，阀座57a由通过沿着从板49朝向排放室50延伸的方向增大导出通道57的直径而形成的台阶构成。弹簧座58固定在导出通道57中并支承处于压缩状态的盘簧59的第一端。流出通道58a形成于弹簧座58中并允许弹簧座58的面向盘簧59的一侧上与弹簧座58的面向排放室50的一侧上的空间之间的连通。球阀59a固定至盘簧59的第二端。当盘簧59伸长或收缩时，球阀59a接触阀座57a或与阀座57a分离。

盘簧59的推挤力被设定为使得：当背压室51中的压力超过预定值时，盘簧59收缩。当球阀59a通过盘簧59的操作选择性地接触阀座57a并与阀座57a分离时，背压室51与排放室50之间的压力差被调节至预定的适当值。具体地，如果背压室51中的压力超过预定值并且背压室51与排放室50之间的压力差变得高于预定的适当值，那么球阀59a与阀座57a分离以降低背压室51中的压力，因此减小压力差。在这一阶段，已经从背压室51被输送至导出通道57的工作流体通过流出通道58a被引入至排放室50中。

相反，当背压室51中的压力下降至预定值以下并且压力差对应地变得低于预定的适当值时，球阀59a坐置在阀座57a上以升高背压室51中的压力，因此增大压力差。因此，在第一实施方式中，阀座57a、盘簧59、球阀59a以及弹簧座58构成了出口侧压力差调节机构70。

下文将描述结合有复合流体机械11的兰金循环装置60的操作。在兰金循环装置60中，保持部分53保持高压工作流体。保持部分53经由导入通道54与背压室51连通。导入通道54中的限制孔56a将来自保持部分53的工作流体注入背压室51中。换言之，在工作流体被输送至热交换器62之前，具体地，在工作流体从热交换器62接收热能之前，背压室51接收工作流体。

当高压工作流体被引入至背压室51中时，背压施加至动涡旋44的端板44a的背侧44c上。这将动涡旋44轴向地压靠于定涡旋46，因此使动涡旋44的端板44a压靠于定涡旋46的涡形部分46b的远端并且使动涡旋44的涡形部分44b的远端压靠于定涡旋46的端板46a。这改进了膨胀室47的密封性能，从而防止工作流体从膨胀室47泄漏并允许工作流体在膨胀室47中有效地膨胀。

当工作流体流入背压室51中时，作用在背侧44c上的背压变化。然而，背压室51与排放室50之间的压力差由出口侧压力差调节机构70调节至前述的适当值。这适当地调节了背压，因此使动涡旋44压靠于定涡旋46的力稳定。

第一实施方式具有下文所述的优点。

(1)背压室51面向膨胀部分40中的动涡旋44的背侧44c。背压室51接收来自齿轮泵30的出口侧与热交换器62的入口之间的高压区域的工作流体。这增大了作用在背侧44c上的背压，因此使动涡旋44压靠于定涡旋46以改进膨胀室47的密封性能。具体地，在工作流体被输送至热交换器62以接收热能之前，工作流体被引入至背压室51中以产生背压。在已经在热交换器62中接收热能之后，工作流体不被输送至背压室51。因此，防止在热交换器62中传送至工作流体的热能被消耗以产生背压，而是使其在膨胀部分40中转化为机械能。不像具有热能的工作流体被用来产生背压的情况那样，这防止了从热能至机械能的转化中的损失。结果，即使通过背压提高了膨胀室47的密封性能，也防止用于产生机械能的效率降低。

(2)兰金循环装置60结合有复合流体机械11，该复合流体机械11具有齿轮泵30以及容置在壳体12中的膨胀部分40。导入通道54形成于壳体12中并且高压工作流体通过该导入通道54被输送至背压室51中。与例如齿轮泵30以及膨胀部分40彼此分离地布置并且通过壳体12外部的管道将工作流体从该齿轮泵30引入至背压室51的情况相比，这减少了管道的数量。结果，减小了用于安装兰金循环装置60的空间。

(3)齿轮泵30以及膨胀部分40容纳于复合流体机械11的壳体12中，该复合流体机械11结合于兰金循环装置60中。齿轮泵30以及膨胀部分40沿该复合流体机械11的轴向方向平行地布置于该壳体中并相邻地定位。因此，与齿轮泵30、马达-发电机20以及膨胀部分40以这种顺序沿复合流体机械11的轴向方向顺序地布置的情况相比，由于马达-发电机20不布置于齿轮泵30与膨胀部分40之间，齿轮泵30与膨胀部分40之间的距离被对应地缩短。这对应地减小了导入通道54的长度，因此允许工作流体快速地从齿轮泵30流至背压室51。

(4)背压室51经由导出通道57与排放室50连通，排放室50中的压力低于背压室51中的压力。阀座57a、盘簧59、球阀59a以及弹簧座58作为出口侧压力差调节机构70布置于导出通道57中。通过球阀59a与阀座57a之间的选择性的接触与分离，背压室51与排放室50之间的压力差被调节至适当值。这稳定了动涡旋44压靠于定涡旋46的力。

(5)限制板56布置于导入通道54中并且具有更小直径的限制孔56a形成于该限制板56中。工作流体从齿轮泵30的出口侧与热交换器62的入口之间的高压区域经由导入通道54被引入至背压室51中。过滤器55布置于导入通道54中。过滤器55将异物从工作流体去除，因此防止限制孔56a被异物堵塞。

(6)壳体12具有用于保持已经由齿轮泵30泵送出的工作流体的保持部分53。排放孔13h，工作流体通过该排放孔13h从保持部分53被输送至热交换器62，形成于壳体12中。保持部分53形成了主通道的一部分，工作流体通过该主通道从齿轮泵30流至热交换器62。从保持部分53(主通道)分支的导入通道54面向保持部分53地形成于支承块25中。导入通道54将高压工作流体输送至背压室51。过滤器55布置于导入通道54中。具体地，工作流体流经保持部分53(主通道)并到达热交换器62。也就是，包含于工作流体中的大多数异物由主通道中的工作流体流输送至热交换器62。这大大地防止了异物进入导入通道54，因此允许过滤器55具有小表面积。换言之，过滤器55的尺寸减小。

(7)背压室51中由高压工作流体产生的背压作用于动涡旋44的背侧44c上，因此使动涡旋44压靠于定涡旋46。出口侧压力差调节机构70适当地调节了背压。因此，与使用诸如推挤弹簧的机械结构的情况相比，使动涡旋44的挤压力稳定。这减小了由动涡旋44施加至定涡旋46的挤压力不足引起的工作流体的泄漏损失以及由过量挤压力引起的机械损失。

(第二实施方式)

现将参考图3描述本发明的第二实施方式。第二实施方式的与第一实施方式的对应部件相同或相似的部件具有相同或相似的附图标记。在本文中，省略或简化了这些部件的重复描述。与第一实施方式不同，第二实施方式不具有构成导入机构的导入通道54。

如图3所示，复合流体机械71的壳体72具有管状中央壳体构件73、侧板74、前部壳体构件75以及后部壳体构件76。侧板74连结至中央壳体构件73的第一端(在图3中观察时为左端)。前部壳体构件75连结至侧板74。后部壳体构件76连结至中央壳体构件73的第二端(在图1A中观察时为右端)。支承块25固定在中央壳体构件73中。膨胀部分40容置于由支承块25与后部壳体构件76限定的空间中。中央壳体构件73容纳马达-发电机20。

布置于驱动轴21周围的圆形凹部74a形成于侧板74的面向前部壳体构件75的表面中。前部壳体构件75连结至该表面以封闭凹部74a。这在侧板74与前部壳体构件75之间形成了泵室77。泵室77容置安装于驱动轴21上的主动齿轮80以及从动齿轮(未示出)。主动齿轮80以及从动齿轮彼此啮合。泵室77、从动齿轮以及主动齿轮80构成了齿轮泵90。在第二实施方式的复合流体机械71中，齿轮泵90、马达-发电机20以及膨胀部分40以这种顺序沿着轴向方向顺序地布置。

从泵室77向下延伸的吸入通道74b形成于侧板74中。吸入通道74b的第一端(在图3中观察时为下端)在侧板74的外圆周表面中具有开口。吸入通道74b的第二端连接至泵室77。从泵室77向上延伸的排放通道74c形成于侧板74中。排放通道74c的第一端连接至泵室77，而排放通道74c的第二端在侧板74的外圆周表面中具有开口。吸入通道74b通过第四通道60e与冷凝器61连通。排放通道74c经由第一通道60a与热交换器62的吸热器62a连通。

第一连通通道82在侧板74以及中央壳体构件73中延伸。第一连通通道82连接至排放通道74c，该排放通道74c是齿轮泵90的出口侧与热交换器62的入口之间的区域的一部分。第二连通通道83形成于支承块25中。第一连通通道82通过第二连通通道83与背压室51连通。高压工作流体从齿轮泵90的出口附近经由第一连通通道82以及第二连通通道83被引入至背压室51。因此，在第二实施方式中，第一连通通道82以及第二连通通道83构成了导入机构，该导入机构用于将来自齿轮泵90的出口侧与热交换器62的入口之间的高压区域的工作流体引入至背压室51中。未示出的过滤器布置于第一连通通道82或第二连通通道83中。

除与第一实施方式的优点(1)、(2)、(4)、(6)以及(7)相同的优点外，第二实施方式具有下文所述的优点。

(8)一体地具有齿轮泵90以及膨胀部分40的复合流体机械71结合于兰金循环装置60中。齿轮泵90、马达-发电机20以及膨胀部分40以这种顺序沿该复合流体机械71的轴向方向顺序地布置。第一连通通道82形成于壳体72的壁中并且第二连通通道83在支承块25中延伸。齿轮泵90通过第一连通通道82以及第二连通通道83连接至背压室51。结果，尽管马达-发电机20布置于齿轮泵90与膨胀部分40之间，由齿轮泵90泵送出的工作流体还是被引入至背压室51中。

(第三实施方式)

在下文中将参考图4描述本发明的第三实施方式。第三实施方式的与第一实施方式的对应部件相同或相似的部件具有相同或相似的附图标记。在本文中，省略或简化了这些部件的重复描述。与第一实施方式不同，第三实施方式构造成不具有构成导入机构的导入通道54。

如图4所示，在复合流体机械91中，取代第一实施方式的由O型环形成的轴密封件28，由V型装填件形成的轴密封件93安装于支承块25的内圆周表面中。轴密封件93密封驱动轴21的圆周表面与支承块25的内圆周表面之间的空隙。由O型环形成的密封构件94布置于侧板17与支承块25的远端之间的空隙中以包围驱动轴21。密封构件94密封支承块25与侧板17之间的空隙。在第三实施方式中，排放通道13e在中央壳体构件13的外表面中具有开口，而不与保持部分53连通。

在齿轮泵30的出口侧(与排放通道13e对应的一侧)处，驱动轴21附近的压力略高于与吸入通道13d对应的一侧处的低压与与排放通道13e对应的一侧处的高压之间的压力中值，并且高于背压室51中的压力。这驱使驱动轴21附近的工作流体从齿轮泵30流至背压室51。具体地，轴密封件93关于驱动轴21的密封力被设定为适度的值以便允许工作流体从齿轮泵30沿着驱动轴21泄漏至背压室51。这将来自齿轮泵30中的驱动轴21附近的工作流体沿着驱动轴21输送至背压室51。工作流体增加了由流入背压室51中的工作流体产生的背压。因此，在第三实施方式中，驱动轴21以及轴密封件93构成了用于将来自齿轮泵30的出口侧与热交换器62的入口之间的高压区域的工作流体引入至背压室51中的导入机构。

除与第一实施方式的优点(1)、(2)、(3)、(4)以及(7)相同的优点外，第三实施方式具有下文所述的优点。

(9)工作流体从齿轮泵30中的驱动轴21附近沿着驱动轴21被引入背压室51。与导入通道形成于壳体12或支承块25中以将高压工作流体从齿轮泵30输送至背压室51的情况相比，这简化了导入机构的构造。

(第四实施方式)

在下文中将参考图5以及图6A至图6C描述本发明的第四实施方式。第四实施方式的与第一实施方式的复合流体机械11的对应部件相同或相似的部件具有相同或相似的附图标记。在此，省略或简化了这些部件的重复描述。与第一实施方式不同，第四实施方式不包括构成了导入机构的导入通道54。

如图5及图6A所示，供应通道100沿支承块25的厚度方向(轴向方向)延伸穿过支承块25。供应通道100的第一端具有面向保持部分53的开口。供应通道100的第二端在板49中具有开口。参考图6A以及图6C，板49具有汽化通道49b，其沿板49的圆周方向形成以覆盖板49的圆周的一半并沿板49的厚度方向(轴向方向)延伸穿过板49。板49布置于支承块25与定涡旋46的面向端表面之间。因此，面向表面密封了汽化通道49b。

汽化通道49b的第一端连接至供应通道100的第二端。汽化通道49b的第二端连接至背压室51。这允许保持部分53与背压室51之间的通过供应通道100以及汽化通道49b的连通。在第四实施方式中，供应通道100与汽化通道49b构成了用作导入机构的导入通道。

保持部分53中的高压工作流体(液体)通过保持部分53与背压室51之间的压力差由供应通道100限制并提供至汽化通道49b。限定了汽化通道49b的定涡旋46由已经在膨胀部分40中膨胀的被加热的工作流体加热。结果，在汽化通道49b中流动的呈液体形态的工作流体在流经汽化通道49b时通过工作流体与定涡旋46之间热交换被加热并且被汽化。因此，在第四实施方式中，定涡旋46起热交换部分的作用，该热交换部分引起膨胀部分40的出口侧处的工作流体与已液化的工作流体之间的热交换。背压室51因此容纳已汽化的工作流体。

除与第一实施方式的优点(1)至(4)以及(7)相同的优点外，第四实施方式具有下文所述的优点。

(10)保持部分53中的已液化的工作流体经由形成于支承块25中的供应通道100以及形成于板49中的汽化通道49b被提供至背压室51。板49与被加热的定涡旋46热联结。这使当工作流体在汽化通道49b中流动时工作流体能够通过定涡旋46的热汽化。背压室51因此接收了已汽化的工作流体。与背压室51接收已液化的工作流体的情况相比，这降低了当配重45以及偏心轴41在背压室51中旋转时作用于配重45以及偏心轴41上的工作流体的阻力。因此降低了马达-发电机20的功率损失。

(11)板49具有沿板49的圆周方向延伸以覆盖板49的圆周的一半的汽化通道49b。当经过汽化通道49b时，工作流体使板49压靠于动涡旋44，因此使动涡旋44压靠于定涡旋46。结果，通过由板49施加的工作流体的挤压力、结合由被引入至背压室51中的工作流体产生的背压，使动涡旋44进一步强烈地压靠于定涡旋46。

(12)汽化通道49b形成于板49中以使保持于保持部分53中的已液化的工作流体汽化。具体地，使用板49时，通过背压使动涡旋44压靠于定涡旋46。板49的材料可选择为改进板49关于动涡旋44的端表面的滑动性能。与汽化通道49b形成于支承块25或定涡旋46中的情况相比，由于板49是金属板，可容易地形成汽化通道49b。

(13)保持部分53中的呈液体形态的工作流体通过工作流体与定涡旋46之间的热交换汽化。定涡旋46由已经由发动机64加热的高温工作流体加热。结果，该工作流体使用定涡旋46汽化，而不利用额外的部件，该定涡旋46是膨胀部分40的一部分。

(第五实施方式)

在下文中将参考图7A至图7C描述本发明的第五实施方式。第五实施方式的与第一实施方式的对应部件相同或相似的部件具有相同或相似的附图标记。在此，省略或简化了这些部件的重复描述。与第一实施方式不同，第五实施方式构造成不具有构成导入机构的导入通道54。

如图7A及图7B所示，支承块25包括面向板49的盘形第一压配合部分25a以及第二压配合部分25b，第二压配合部分25b布置为比第一压配合部分25a更靠近齿轮泵30，并且其直径小于第一压配合部分25a的直径。环形供应空间25c，工作流体从膨胀部分40被提供至该环形供应空间25c，形成于第一压配合部分25a的与板49相反的端表面中(与齿轮泵30对应的一侧处)。支承表面25d形成于供应空间25c的开口端处。参考图7C，连接至供应空间25c以及排放室50的供应通道102形成于中央壳体构件13中。供应空间25c通过供应通道102接收已膨胀且被加热的工作流体。

如图7B及7C所示，中央壳体构件13具有面向第一压配合部分25a的外圆周表面的第一壁部分131。膨胀部分40布置于第一壁部分131的径向内侧。中央壳体构件13具有第二壁部分132，第二壁部分132比第一壁部分131更加靠近齿轮泵30定位并且其直径小于第一壁部分131的直径。利用第一壁部分131与第二壁部分132之间的内径差，第一环形台阶133形成于中央壳体构件13的内圆周表面。中央壳体构件13还包括第三壁部分134，该第三壁部分134比第二壁部分132更加靠近齿轮泵30布置并且其直径小于第二壁部分132的直径。利用第二壁部分132与第三壁部分134之间的内径差，第二环形台阶135形成于中央壳体构件13的内圆周表面中。

第一压配合部分25a压配合至第一壁部分131中，而第二压配合部分25b压配合至第三壁部分134中。用作热交换部分的热交换构件的热交换板101的外周部分布置于支承块25的支承表面25d与中央壳体构件13的第一台阶131之间。具有径向波纹形状的热交换翅片101a形成于热交换板101中。

环形入口空间103形成于由第二压配合部分25b的外圆周表面、第二壁部分132的内圆周表面、第二台阶135以及热交换板101限定的空间中。入口空间103定位于与支承块25的供应空间25c相对的位置处。

参考图7C，连接至保持部分53以及入口空间103的第一导入通道104形成于中央壳体构件13中。如图7B所示，连接至入口空间103以及背压室51的第二导入通道108形成于支承块25中。保持部分53因此通过第一导入通道104、入口空间103以及第二导入通道108与背压室51连通。因此，在第五实施方式中，第一导入通道104、入口空间103以及第二导入通道108构成了用作导入机构的导入通道。

用于调节背压室51与排放室50之间的压力差的入口侧压力差调节机构110形成于第一导入通道104中。入口侧压力差调节机构110构造为外部控制阀并且包括布置于第一导入通道104中的控制阀以及信号连接至该控制阀的控制器。背压室51中的压力以及排放室50(低压区域)中的压力各自由压力传感器检测。控制器通过基于由压力传感器检测的背压室51中的压力以及排放室50中的压力调节控制阀的打开程度来调节前述压力差。

这样，背压室51与排放室50之间的压力差被调节至适当值。换言之，当背压室51中压力超过预定值并且适当的检测机构检测到该压力差高于预定的适当值时，入口侧压力差调节机构110就增大第一导入通道104的限制量，因此限制第一导入通道104。这减少了被引入之背压室51中的工作流体以降低背压室51中的压力，因此降低了压力差。

相反，当背压室51中的压力下降至预定值以下并且压力差降低至小于预定的适当值时，入口侧压力差调节机构110减少第一导入通道104的限制量。这增大了排放至背压室51中的工作流体以升高背压室51中的压力，因此增大压力差。

保持部分53中的高压工作流体(液体)由第一导入通道104中的入口侧压力差调节机构110限制并被引入至入口空间103中。在热交换板101布置于入口空间103与供应空间25c之间的情况下，面向入口空间103的供应空间25c接收已经由膨胀部分40膨胀的被加热的工作流体。

热交换板101由被排放至供应空间25c中的工作流体加热。这通过工作流体与热交换板101之间的热交换加热并汽化了入口空间103中的工作流体。在第五实施方式中，热交换板101起热交换部分的热交换构件的作用。已汽化的工作流体被引导至背压室51中。

被引入至背压室51中的工作流体使作用于背侧44c上的背压变化。然而，入口侧压力差调节机构110将背压室51与排放室50之间的压力差调节至适当值。这适当地调节了背压，因此使动涡旋44施加于定涡旋46的挤压力稳定。

除与第一实施方式的优点(1)至(3)以及(7)相同的优点外，第五实施方式具有下文所述的优点。

(14)保持部分53中的已液化的工作流体经由形成于中央壳体构件13中的第一导入通道104、入口空间103以及第二导入通道108被引入至背压室51中。在热交换板101布置于入口空间103与供应空间25c之间的情况下，入口空间103面向供应空间25c。供应空间25c接收已经由膨胀部分40膨胀的被加热的工作流体。热交换板101因此由被加热的工作流体加热从而使入口空间103中的工作流体被汽化。然后，已汽化的工作流体流入背压室51中，因此，与已液化的工作流体被引入至背压室51中的情况相比，降低了当配重45以及偏心轴41在背压室51中旋转时作用于配重45以及偏心轴41上的工作流体的阻力。结果，降低了由马达-发电机20产生的功率的损失。

(15)为了汽化工作流体，通过热交换板101在工作流体与已膨胀的工作流体之间引起热交换。改进了热交换速率的热交换翅片101a形成于热交换板101中。由于热交换板101以及膨胀部分40彼此独立，可根据需要设定工作流体与已膨胀的工作流体之间的热交换面积而忽略膨胀部分40的设计。这确保了工作流体的有效汽化。

可根据下文所述的形式修改所示的实施方式。

在第四实施方式中，汽化通道49b形成于板49中。然而，汽化通道49b可形成于支承块25或定涡旋46中。

在第四实施方式中，可根据需要改变汽化通道49b的宽度。例如，与相反端的直径相比，可减小汽化通道49b的面向供应通道100的端部的直径，因此形成了汽化通道49b的限制。

如图3中的由一对短线与较长虚线交替形成的线所示，分支通道95可形成于第一通道60a中热交换器62的入口附近处。在这种情况下，第一通道60a通过分支通道95与第二连通通道83连通。已经由齿轮泵90泵送出但尚未提供至热交换器62的高压工作流体经由第一通道60a、分支通道95以及第二连通通道83被引入至背压室51。在这种构造中，分支通道95以及第二连通通道83构成了导入机构。用于调节背压室51与排放室50之间的压力差的入口侧压力差调节机构可形成于分支通道95或第二连通通道83中。

在第一及第二实施方式中，布置于导出通道57中的出口侧压力差调节机构70调节背压室51与排放室50之间的压力差至适当值。然而，为了调节该压力差，出口侧压力差调节机构70可由第一实施方式中的布置于导入通道54中的入口侧压力差调节机构或第二实施方式中的形成于第一连通通道82或第二连通通道83中的入口侧压力差调节机构取代。

在第三实施方式中，驱动轴21以及轴密封件93构成了导入机构。替代地，轴密封件93可以是能够利用压力差改变其作用于驱动轴21上的接触力(密封力)的入口侧压力差调节机构。在这些情况中，出口侧压力差调节机构70被省略。

在第四实施方式中，布置于导出通道57中的出口侧压力差调节机构70将背压室51与排放室50之间的压力差调节至适当值。然而，出口侧压力差调节机构70可由形成于供应通道100中的入口侧压力差调节机构取代以调节背压室51与排放室50之间的压力差。

在第五实施方式中，第一导入通道104中的入口侧压力差调节机构110将背压室51与排放室50之间的压力差调节至适当值。然而，取代入口侧压力差调节机构110，布置于导出通道57中的出口侧压力差调节机构70，如第一实施方式中那样，可调节压力差。

在所示的实施方式中，在兰金循环装置60中，通过结合有复合流体机械11、71、91而构造回路，该回路一体地包括马达-发电机20、齿轮泵30、90以及膨胀部分40。然而，马达-发电机、齿轮泵以及膨胀部分可结合于彼此独立的回路中。可替代地，膨胀部分中的齿轮泵以及背压室可通过用作导入机构的管道彼此连接。在这种情况下，高压工作流体由齿轮泵泵送并通过该管道被提供至背压室中。

在所示的每个实施方式中，复合流体机械11、71、91的壳体容置有马达-发电机20、齿轮泵30、90、膨胀部分40以及导入机构。然而，在齿轮泵30、90布置于壳体外部的情况下，该复合流体机械11、71、91的壳体可容纳马达-发电机20、膨胀部分40以及导入机构。与齿轮泵30、90位于壳体中的情况相比，这种布置减少了复合流体机械11、71、91的长度。

除齿轮泵30、90外，所示的每个实施方式可利用任何合适类型的泵。

在所示的实施方式中，尽在兰金循环装置60中使用复合流体机械11、71、91。然而，压缩部分以及夹紧机构可与该复合流体机械11、71、91一体形成从而提供冷却循环。

从废热源供应的流体可以是从发动机64排放的废气。

驱动轴21可从壳体12向外伸出。在这种情况下，驱动轴21的伸出端通过动力传输机构(离合器、皮带轮、或皮带)连接至发动机64。

马达-发电机20可由交流发电机取代。

Claims (11)

1.一种兰金循环装置，所述兰金循环装置包括回路，所述回路包括：

泵，所述泵用于泵送工作流体；

热交换器，所述热交换器用于在从所述泵接收的所述工作流体与从废热源供应的流体之间引起热交换；

膨胀部分，所述膨胀部分使已在所述热交换器中进行热交换的所述工作流体膨胀，由此通过膨胀产生机械能，其中，

所述膨胀部分包括定涡旋、动涡旋以及背压室，所述动涡旋随着驱动轴旋转而相对于所述定涡旋绕动，所述背压室布置于与所述动涡旋的背侧对应的一侧，所述动涡旋的背侧与面向所述定涡旋的表面相反；

并且，所述兰金循环装置进一步包括导入机构，所述导入机构用于将所述工作流体从高压区域引入至所述背压室，由此产生使所述动涡旋沿着所述驱动轴的轴向方向压靠于所述定涡旋的背压，所述高压区域是从所述泵的出口侧延伸至所述热交换器的入口的区域。

2.根据权利要求1所述的兰金循环装置，其中，所述导入机构是导入通道，所述高压区域通过所述导入通道与所述背压室连通，并且用于汽化呈液化形态的所述工作流体的热交换部分布置在所述导入通道中。

3.根据权利要求2所述的兰金循环装置，其中，所述热交换部分是热从已在所述热交换器中进行热交换的所述工作流体传送至其上的部分。

4.根据权利要求2所述的兰金循环装置，其中，所述热交换部分是在所述膨胀部分的出口侧处的所述工作流体与呈液化形态的所述工作流体之间引起热交换的热交换构件。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的兰金循环装置，其中，所述导入机构包括入口侧压力差调节机构，所述入口侧压力差调节机构用于将所述背压室与低压区域之间的压力差调节至适当值，所述低压区域的压力低于所述背压室中的压力。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的兰金循环装置，其中，所述背压室通过导出通道与低压区域连通，所述低压区域的压力低于所述背压室中的压力，并且在所述导出通道中布置有出口侧压力差调节机构，所述出口侧压力差调节机构将所述背压室与所述低压区域之间的压力差调节至适当值。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的兰金循环装置，其中，所述膨胀部分和所述导入机构位于构成复合流体机械的壳体中。

8.根据权利要求1至4中任一项所述的兰金循环装置，其中，所述膨胀部分和所述泵位于构成复合流体机械的壳体中，并且所述导入机构位于所述壳体中。

9.根据权利要求8所述的兰金循环装置，其中，所述膨胀部分和所述泵沿所述轴向方向平行地布置在所述壳体中并相邻地定位。

10.根据权利要求1至4中任一项所述的兰金循环装置，其中，所述导入机构包括过滤器。

11.一种结合在兰金循环装置中的复合流体机械，所述兰金循环装置具有回路，所述回路包括用于泵送工作流体的泵、用于在从所述泵接收的所述工作流体与从废热源供应的流体之间引起热交换的热交换器、以及使已在所述热交换器中进行热交换的所述工作流体膨胀由此通过膨胀产生机械能的膨胀部分，所述复合流体机械包括用于容置所述膨胀部分和所述泵的壳体，其中

所述膨胀部分包括定涡旋、动涡旋以及背压室，所述动涡旋随着驱动轴旋转而相对于所述定涡旋绕动，所述背压室布置于与所述动涡旋的背侧对应的一侧，所述动涡旋的背侧与面向所述定涡旋的表面相反，

并且，所述复合流体机械进一步包括导入机构，所述导入机构用于将所述工作流体从高压区域引入至所述背压室，由此产生使所述动涡旋沿着所述驱动轴的轴向方向压靠于所述定涡旋的背压，所述高压区域从所述泵的出口侧延伸至所述热交换器的入口。

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