CN102811010A - 废热回收机构和废热回收设备 - Google Patents

Abstract

一种废热回收机构和废热回收设备，即使当联接至燃烧式发动机从而输出旋转驱动力的膨胀器被锁定时，所述废热回收机构和废热回收设备也产生电。该废热回收机构包括交流发电机以及膨胀器，交流发电机具有联接至燃烧式发动机并且由该燃烧式发动机驱动以旋转的旋转轴，膨胀器具有联接至交流发电机的旋转轴的输出轴。输出轴向旋转轴施加旋转驱动力，由此辅助旋转轴的旋转。交流发电机的旋转轴与膨胀器的输出轴之间设有扭矩限制器。

Description

废热回收机构和废热回收设备

技术领域

本发明涉及一种废热回收机构和废热回收设备，其包括联接至燃烧式发动机的交流发电机以及向交流发电机施加旋转驱动力的膨胀器。

背景技术

例如在日本专利公报特开No.2004-340139中公开了这种废热回收机构（流体机械）（参照该公报的图10）。该公报中公开的废热回收机构包括经由带联接至发动机的带轮、兰金循环中的膨胀器和交流发电机。带轮、膨胀器和交流发电机具有共用旋转轴。在此构型中，发动机的旋转驱动力经由带轮和共用旋转轴传送至交流发电机。此外，膨胀器将热能转换为旋转驱动力，该旋转驱动力进而在内部被传送至交流发电机。因此，交流发电机产生电。

然而，由于带轮、膨胀器和交流发电机联接至上述废热回收机构中的共用旋转轴，故而当膨胀器被锁定时，该交流发电机不能由发动机的旋转驱动力操作。在此情况下，交流发电机不能产生电。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种废热回收机构和废热回收设备，即使当连接至燃烧式发动机从而输出旋转驱动力的膨胀器被锁定时，所述废热回收机构和废热回收设备也能够产生电。

为了实现上述目的，并且根据本发明的一方面，提供了一种包括交流发电机和膨胀器的废热回收机构。交流发电机具有旋转轴，该旋转轴联接至燃烧式发动机并且由该燃烧式发动机驱动以旋转。膨胀器具有输出轴，该输出轴联接至交流发电机的旋转轴。该输出轴向旋转轴施加旋转驱动力，由此辅助旋转轴的旋转。交流发电机的旋转轴与膨胀器的输出轴之间设有扭矩限制器。

由结合以示例方式示出本发明原理的附图进行的下文描述，本发明的其它方面和优点将变得显而易见。

附图说明

参照目前优选实施方式的如下描述以及附图，可以使本发明及其目的和优点得到最佳理解，图中：

图1是示出了根据本发明第一实施方式的废热回收机构的截面图；

图2是示出了根据第一实施方式的废热回收设备的示意图；

图3是示出了根据本发明第二实施方式的废热回收机构的截面图；

图4是示出了根据第二实施方式的废热回收设备的示意图；以及

图5是示出了根据本发明第三实施方式的废热回收机构的截面图。

具体实施方式

<第一实施方式>

现在将参照图1和图2描述本发明的第一实施方式。

如图2中示出的，废热回收设备11包括发动机12（燃烧式发动机）和兰金循环回路13，发动机12安装在车辆上，兰金循环回路13包括废热回收机构34。在兰金循环回路13中，制冷剂由作为废热源的发动机12加热并循环。如图1中示出的，废热回收机构34的壳体35包括中央壳体构件36、前壳体构件37和后壳体构件38，前壳体构件37被紧固至中央壳体构件36的前端（如图1中观察的左端），后壳体构件38被紧固至中央壳体构件36的后端（如图1中观察的右端）。

中央壳体构件36的前端（如图1中观察的左端）中形成有分隔部361，而前壳体构件37的前端（如图1中观察的左端）处形成有前端壁371。分隔部361和前端壁371经由轴承51、52旋转地支承旋转轴40。旋转轴40在对应于前壳体构件37的中央的位置处固定有转子41。前壳体构件37的内周表面的中央固定有具有线圈421的定子42以环绕转子41。旋转轴40、定子42和转子41形成交流发电机43（发电机）。旋转轴40是交流发电机43的转子轴，并且旋转轴40的后端（如图1中观察的右端）处形成有圆筒部44。

在交流发电机43中，当转子41旋转时在定子42的线圈421中产生电。交流发电机43电连接有电池45。由交流发电机43产生的电存储在电池45中。

旋转轴40延伸穿过前壳体构件37的前端壁371，并且从前壳体构件37向外伸出。旋转轴40的伸出部固定有带轮56。另一方面，带轮69（见图2）被固定至曲轴68（见图2），该曲轴68是发动机12的输出轴。带57围绕带轮56和带轮69形成路径。

中央壳体构件36中固定有支承块63。支承块63经由轴承71旋转地支承输出轴70。输出轴70延伸穿过分隔部361，并且输出轴70的前端（如图1中观察的左端）处的端面701面对旋转轴40的圆筒部44的端面441。

从输出轴70的端面701突出有小直径端59，并且该小直径端59容纳在圆筒部44的筒内空间440中。圆筒部44的内周表面442和小直径端59的外周表面591之间设有扭矩限制器58。输出轴70经由扭矩限制器58同轴地联接至旋转轴40。当输出轴70不能旋转时，扭矩限制器58允许旋转轴40相对于输出轴70旋转。

支承块63和后壳体构件38之间设有涡旋式膨胀器72。

现在将描述膨胀器72的结构。

输出轴70的后端上设置有偏心轴73。输出轴70旋转时，偏心轴73绕输出轴70的旋转轴线公转。偏心轴73经由衬套75和轴承76旋转地支承绕动涡旋件74。绕动涡旋件74包括绕动端板741和绕动螺旋形壁742，绕动端板741由轴承76支承，绕动螺旋形壁742从绕动端板741突出。

定涡旋件77被固定在中央壳体构件36的后端的内部，以面对绕动涡旋件74。定涡旋件77具有定端板771和定螺旋形壁772，并且定螺旋形壁772从定端板771朝向支承块63伸出。绕动涡旋件74的绕动螺旋形壁742和定涡旋件77的定螺旋形壁772相互啮合，以限定容积可变的膨胀室78。

定端板771和后壳体构件38之间限定有供给室79。定端板771的中央中形成有供给口773，该供给口773与供给室79连通。后壳体构件38中形成有引入口381。中央壳体构件36和支承块63之间形成有排出室80。膨胀室78中的制冷剂被排出至排出室80。中央壳体构件36的周壁中形成有排出口362，该排出口362与排出室80连通。

现在将描述废热回收设备11中的兰金循环回路13。

如图2中示出的，兰金循环回路13包括膨胀器72、冷凝器29、泵61、第一烧热器20和第二烧热器21，膨胀器72构成废热回收机构34。

第一烧热器20包括吸热器202和散热器201。散热器201布置在连接至发动机12的冷却剂循环路径23上。冷却剂循环路径23中设置有发动机放热器24。在冷却车辆发动机12之后，冷却剂经过冷却剂循环路径23循环，并且在散热器201和发动机放热器24处放热。

第二烧热器21包括吸热器212和散热器211。第二烧热器21的吸热器212经由连接通道25连接至第一烧热器20的吸热器202的传送侧。散热器211布置在连接至发动机12的排气通道26中。来自发动机12的废气在经过消声器27被排出之前在散热器211处放热。从泵61传送的处于加压状态的制冷剂流过第一烧热器20的吸热器202，以便由发动机12的流经散热器201的冷却剂加热。此后，制冷剂流经第二烧热器21的吸热器212，以便由发动机12的流经散热器211的废气进一步加热。即，从泵61以加压状态传送的制冷剂通过在第一烧热器20和第二烧热器21处发生的热交换、由发动机12的废热加热。

膨胀器72的引入口381经由供给通道28连接至第二烧热器21的吸热器212的传送口。已经在第一烧热器20和第二烧热器21处加热的高温高压制冷剂经由供给通道28引入到膨胀器72中。冷凝器29经由排出通道30连接至靠近膨胀器72的排出口362。已经在膨胀器72处膨胀的低压制冷剂经由排出通道30排出至冷凝器29。泵61经由第二通道31连接至冷凝器29的下游侧。第一烧热器20经由第一通道22连接泵61的下游侧。

第二通道31、第一通道22、连接通道25、供给通道28和排出通道30构成兰金循环回路13的制冷剂循环通道。泵61促使制冷剂依次循环经过第一通道22、第一烧热器20、第二烧热器21、膨胀器72、冷凝器29和第二通道31。

现在将描述第一实施方式的操作。

在由泵61送至第一通道22之后，制冷剂经由第一烧热器20的吸热器202、连接通道25、和第二烧热器21的吸热器212传送至供给通道28。流过第一烧热器20的吸热器202和第二烧热器21的吸热器212的制冷剂由来自发动机12的废热加热。

已经在烧热器20、21处加热的高压制冷剂经由引入口381和膨胀器72的供给室79引入到膨胀室78中随后膨胀。通过制冷剂的膨胀，膨胀器72输出机械能（旋转力），该机械能（旋转力）进而辅助输出轴70和旋转轴40的旋转。通过膨胀减低压力的制冷剂被排出至排出通道30。排出至排出通道30的制冷剂经由冷凝器29返回泵61。

当膨胀器72被锁定时，即，当输出轴70不能旋转时，位于输出轴70和交流发电机43的旋转轴40之间的扭矩限制器58允许旋转轴40旋转。因此，交流发电机43由来自发动机12的旋转驱动力操作并产生电。

第一实施方式提供了如下优点：如果膨胀器72被锁定，则扭矩限制器58允许旋转轴40旋转。因此，即使膨胀器72被锁定，交流发电机43也可靠地操作以产生电。

<第二实施方式>

现在将参照图3至图4描述第二实施方式。对于与第一实施方式的相应部件相同的那些部件给予相同的附图标记，并省略详细说明。

如图3中示出的，中央壳体构件36中固定有侧板62以使该侧板62面对分隔部361。分隔部361和侧板62之间形成有泵室64，并且该泵室64中设有齿轮泵67。输出轴70延伸穿过分隔部361和侧板62。

齿轮泵67包括驱动齿轮65和从动齿轮66，驱动齿轮65固定至输出轴70，从动齿轮66与驱动齿轮65啮合。泵室64的吸入侧（如图3中观察的下侧）连接有吸入通道46，而泵室64的传送侧（如图3中观察的上侧）连接有传送通道47。吸入通道46构成第二通道31的一部分，并且传送通道47构成第一通道22的一部分。泵室64、传送通道47和吸入通道46通过在分隔部361的端面中制出凹部而形成。

传送通道47连接有分支通道48，并且在该分支通道48的端部处形成有限制部49。限制部49向前壳体构件37的内部空间K敞开。该内部空间K是壳体35中用于容置交流发电机43的区域。

流出通道50形成为延伸穿过中央壳体构件36的分隔部361和侧板62。内部空间K通过该流出通道50与排出室80连通。

从齿轮泵47的泵室64排出的制冷剂中的一些在流过第一通道22、第一烧热器20、第二烧热器21、膨胀器72和冷凝器29之后返回齿轮泵67。从泵室64排出的制冷剂的其余部分经由分支通道48和限制部49流入内部空间K。已经流过冷凝器29的制冷剂被冷却以液化，并且从齿轮泵67排出。由于从齿轮泵67排出的制冷剂的温度低，故而当制冷剂流入内部空间K时冷却交流发电机43。交流发电机43的冷却有助于改进发电效率。

已经冷却交流发电机43的制冷剂经由流出通道50流入排出室80。排出至排出室80的制冷剂经过排出通道30和冷凝器29返回齿轮泵67。

此外，在本实施方式中，当齿轮泵67被锁定时，即，当输出轴70不能旋转时，扭矩限制器58允许旋转轴40旋转。因此，即使齿轮泵67被锁定时，交流发电机43也由来自发电机12的旋转驱动力操作并以可靠地方式产生电。

<第三实施方式>

现在将参照图5描述第三实施方式。对于与第二实施方式的相应部件相同的那些部件给予相同的附图标记，并省略详细说明。

在圆筒部44的筒内空间440的底部中凹入有插入空间443。插入空间443容纳输出轴70的小直径端59。小直径端59的远端的外周表面与插入空间443的内周表面之间设有作为辅助轴承的平面轴承60。平面轴承60比扭矩限制器58更靠近输出轴70的远端。

膨胀器72中气态制冷剂的沿径向方向的气体压力经由轴承76传输至输出轴70。轴承76的位置X是施加沿径向方向的气体压力的力的点。假设平面轴承60的位置Y用作支点，则作为输出轴70的主轴承的轴承71的位置Z用作作用点。

当分别以L1、L2、Fx和Fz表示位置X和位置Z之间沿输出轴70的轴向方向的距离、位置Z和位置Y之间沿输出轴70的轴向方向的距离、在位置X处作用在轴承76上的载荷、和在位置Z处作用在轴承71上的力时，满足如下表达式（1）。

Fz×L2=Fx×（L1+L2）…（1）

该表达式（1）能够改写如下：

Fz=Fx×（L1+L2）/L2=Fx×（L1/L2+1）…（2）

在表达式（2）中，假设载荷Fx和距离L1恒定，则随着距离L2增大，力Fz减小。换言之，平面轴承60与轴承76越分离，作用在轴承71上的力Fz变得越小。作用在轴承71上的力Fz的减小有助于轴承71的寿命延长和尺寸减小中的至少一个。因此，将平面轴承60设在相对于扭矩限制器58与轴承71相反的一侧的构型是优选的。

本发明可以修改如下。

旋转轴40可以是中空轴。

圆筒部可以形成在输出轴70的端部中，而小直径端可以形成在旋转轴40的端面上。在此情况下，小直径端容纳在圆筒部中，并且扭矩限制器位于圆筒部的内周表面与小直径端的外周表面之间。

在第三实施方式中，平面轴承可以由滚针轴承替代。

本发明可以应用于不在车辆中使用的废热回收设备。

可以将叶片式膨胀器用作膨胀器。

Claims (7)

1.一种废热回收机构（34），包括：

交流发电机（43），所述交流发电机（43）具有旋转轴（40），所述旋转轴（40）联接至燃烧式发动机（12）并且由所述燃烧式发动机（12）驱动以旋转；以及

膨胀器（72），所述膨胀器（72）具有输出轴（70），所述输出轴（70）联接至所述交流发电机（43）的所述旋转轴（40），其中，所述输出轴（70）向所述旋转轴（40）施加旋转驱动力，由此辅助所述旋转轴（40）的旋转，

所述废热回收机构（34）的特征在于：

在所述交流发电机（43）的所述旋转轴（40）与所述膨胀器（72）的所述输出轴（70）之间设有扭矩限制器（58）。

2.如权利要求1所述的废热回收机构（34），其特征在于，当所述膨胀器（72）的所述输出轴（70）不能旋转时，所述扭矩限制器（58）允许所述交流发电机（43）的所述旋转轴（40）相对于所述输出轴（70）旋转。

3.如权利要求1所述的废热回收机构（34），其特征在于，还包括泵（67），所述泵（67）用于在压力下传送由所述膨胀器（72）排出的制冷剂，其中，所述泵（67）联接至所述膨胀器（72）的所述输出轴（70）以被驱动和旋转。

4.如权利要求1所述的废热回收机构（34），其特征在于：

在所述交流发电机（43）的所述旋转轴（40）的端部处形成有圆筒部（44），

所述膨胀器（72）的所述输出轴（70）的端部插入到所述圆筒部（44）中，以及

所述扭矩限制器（58）位于所述圆筒部（44）的内周表面（442）与所述输出轴（70）的所述端部的外周表面（591）之间。

5.如权利要求1所述的废热回收机构（34），其特征在于：

在所述膨胀器（72）的所述输出轴（70）的端部处形成有圆筒部，

所述交流发电机（43）的所述旋转轴（40）的端部插入到所述圆筒部（44）中，以及

所述扭矩限制器（58）位于所述圆筒部的内周表面与所述旋转轴（40）的所述端部的外周表面之间。

6.如权利要求4或5所述的废热回收机构（34），其特征在于：

所述膨胀器（72）的所述输出轴（70）由主轴承（71）和辅助轴承（60）旋转地支承，以及

所述辅助轴承（60）位于所述输出轴（70）的所述端部的所述外周表面或所述旋转轴（40）的所述端部的所述外周表面与所述圆筒部的所述内周表面之间，并且相对于所述扭矩限制器（58）位于与所述主轴承（71）相反的一侧。

7.一种废热回收设备（11），其特征在于，所述废热回收设备（11）包括燃烧式发动机（12）以及兰金循环回路（13），所述燃烧式发动机（12）是废热源，所述兰金循环回路（13）包括如权利要求1所述的废热回收机构（34）。

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