CN102959198A - 废热回收装置 - Google Patents

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Abstract

具备由废气驱动的涡轮（1）和压缩气体的压缩机（8）的废热回收装置，具备：发电机（2），通过涡轮（1）的旋转来进行电力发电；电动机（7），旋转驱动压缩机（8）；以及控制装置（17），以由发电机（2）发电的电力作为动力源而驱动电动机（7）。

Description

废热回收装置
技术领域
本发明涉及由具有热机或热循环的装置使用的废热回收装置。
背景技术
为了在热机或热循环中有效地利用废热，由涡轮将废气所含有的热能转换为动能，利用该动能来驱动压缩机而提高供气压力。作为为此的代表性的装置，存在着涡轮增压机，例如，已知专利文献1所记载的涡轮增压机。
专利文献1所记载的发明是关于故障诊断装置的发明，该故障诊断装置为了检测相当于发动机负载信号的加速器踩踏量、供给至发动机的燃料杆的位置等、各部分是否正确地操作或是否正常地得到涡轮的转速等系统的动作状况，设有针对各部分的检测设备。
专利文献1：日本特开平1－121514号公报，“带有旋转电机的涡轮增压机的故障诊断装置”。
发明内容
发明要解决的课题
如专利文献1所记载的现有的涡轮增压机一般是涡轮和压缩机由轴机械连结而成为整体地旋转的构造。
可是，通常，涡轮增压机的转速高（数万次旋转至数万次以上），因而为了防止轴的振动，有必要尽可能地缩短轴。因此，用于向涡轮引导废气的配管和用于向压缩机引导供气的配管长且弯曲。因此，配管的压力损失变大，配管本身也占据大的地方。
另外，大多将绝热材料缠绕于配管，但存在着绝热材料的必要量多且在弯曲的配管中缠绕绝热材料的人工也大的问题点。
而且，由于涡轮和压缩机以相同的转速旋转，因而存在着有可能涡轮或压缩机的一方在流体性能不是最好的条件下运转而效率下降的问题点。
本发明是鉴于上述的问题点而发明的。即，本发明的目的在于，提供能够缩短向涡轮引导废气的配管和用于向压缩机引导供气的配管的长度且使涡轮和压缩机的双方与流体性能最好的条件一致地运转的废热回收装置。
用于解决课题的手段
提供一种废热回收装置，其特征在于：是具备由废气驱动的涡轮和压缩气体的压缩机的废热回收装置，具备：
发电机，通过所述涡轮的旋转来进行电力发电；
电动机，旋转驱动所述压缩机；以及
控制装置，以所述电力作为动力源而驱动所述电动机。
另外，依照本发明，所述控制装置，具备：
整流器，将来自所述发电机的交流输出整流而转换成直流；
平滑化电路，使紧接在该整流器之后的直流电压平滑；
直流总线，将所述电力从所述涡轮侧向所述压缩机侧输送；
逆变器，驱动所述电动机；
转速检测器，检测所述涡轮和所述发电机的转速；
电压检测器，检测所述直流总线的电压；以及
转速指令器，将基于所述转速和所述电压而算出的所述电动机和所述压缩机的转速指令值输出至所述逆变器。
另外，依照另一实施例，所述控制装置，具备：
整流器，将来自所述发电机的交流输出整流而转换成直流；
平滑化电路，使紧接在该整流器之后的直流电压平滑；
直流总线，将所述电力从所述涡轮侧向所述压缩机侧输送；
逆变器，驱动所述电动机；
转速检测器，检测所述涡轮和所述发电机的转速；
直流电源，将电流供给至所述直流总线；
二极管，在来自所述涡轮和所述发电机的发电电压不满足于所述逆变器能够进行动作的电压的情况下，将所述电流供给至该逆变器；以及
转速指令器，将基于所述转速而算出的所述电动机和所述压缩机的转速指令值输出至所述逆变器。
另外，依照本发明，针对1组所述涡轮和所述发电机，设置多台所述电动机和所述压缩机。
发明的效果
依照上述本发明，由于通过将涡轮和压缩机在机构上分成二个，从而能够任意地配置涡轮和压缩机，因而能够缩短废气和供气的配管且使废气和供气的配管成为直线。另外，由于涡轮和压缩机的转速也可以不同，因而能够将涡轮和压缩机的双方在流体性能最好的条件下运转。
附图说明
图1是本发明中的实施例1的涡轮增压机的图；
图2是本发明中的实施例2的涡轮增压机的图；
图3是本发明中的实施例3的涡轮增压机的图；
图4是本发明中的实施例4的涡轮增压机的图。
附图标记说明
1 涡轮；1a 轴；2 发电机；3 整流器；4 平滑化电路；5直流总线；6 逆变器；7 电动机；8 压缩机；8a 轴；11 转速检测器；12 电压检测器；13 转速指令器；13a 转速指令器；14 涡轮和发电机的转速；15 电压；16 转速指令值；16a 转速指令值；17 控制装置；21 直流电源；22 二极管；33 转速指令器；33a 转速指令器；36 逆变器；37 电动机；38 压缩机；38a 轴；46 转速指令值；46a 转速指令值。
具体实施方式
以下，参照附图，说明本发明的优选的实施例。此外，对各图中共同的部分标记相同的符号，省略重复的说明。
图1是本申请发明中的实施例1的图。
在该图中，1是涡轮，1a是轴，2是发电机，3是整流器，4是平滑化电路，5是直流总线，6是逆变器，7是电动机，8是压缩机，8a是轴，11是转速检测器，12是电压检测器，13是转速指令器，14是转速，15是电压，16是转速指令值，17是控制装置。
由轴1a将发电机2与由来自热机（未图示）的废气旋转的涡轮1直接连结。而且，发电机2与涡轮1成为整体地旋转，进行电力发电。
例如，能够以由三相交流驱动的永久磁铁同步电动机作为发电机2而使用。
控制装置17以由发电机2发电的电力作为动力源，驱动电动机7。另外，本实施例的控制装置17具备整流器3、平滑化电路4、直流总线5、逆变器6、转速检测器11、电压检测器12以及转速指令器13。
整流器3将来自发电机2的交流输出整流而转换成直流。
例如，整流器3由二极管电桥等构成。
由于在紧接在整流器3之后的直流电压中存在着脉动（纹波），因而平滑化电路4平滑化。
例如，平滑化电路4由电抗器和电容器构成。
直流总线5将由发电机2发电的电力从涡轮1侧向压缩机8侧输送。
例如，直流总线5由电缆和铜、铝等导体的母线构成。
逆变器6根据来自转速指令器13的转速指令值16而以可变速度驱动电动机7。
例如，逆变器6对IGBT或功率MOS FET等电力控制元件进行PWM调制，优选作为电压型或电流型逆变器的构成。
或者，作为以可变速度驱动电动机7的方法，也可以进行无传感器矢量控制，也可以由编码器或旋转变压器检测电动机7的旋转而进行矢量控制。
由轴8a将电动机7与压缩向热机（未图示）的供气的压缩机8直接连结，成为在电动机7旋转的情况下压缩机8也一起旋转的构成。
例如，电动机7由利用三相交流来驱动的感应电动机或永久磁铁同步电动机构成。
转速检测器11检测涡轮1和发电机2的转速14。
例如，作为转速检测器11，使用设在涡轮1和发电机2的轴1a的测速发电机或编码器。
在转速检测器11是编码器的情况下，对由编码器检测的旋转角度进行时间微分而变换成转速14。
电压检测器12检测直流总线5的接近逆变器6的一侧的电压15（正负间的电压）。
转速指令器13基于由转速检测器11检测的涡轮1和发电机2的转速14和由电压检测器12检测的直流总线5的电压15而将电动机7和压缩机8的转速指令值16向逆变器6输出。
转速指令器13能够由例如微处理器、存储器以及运算程序构成。
转速指令器13构成为，如下地生成转速指令值16。
（1）在“由电压检测器12检测的电压15”比“逆变器6能够进行动作的最低电压”更低的情况下，将转速指令值16设为0。
（2）在“由电压检测器12检测的电压15”与“逆变器6能够进行动作的最低电压”相同或更高的情况下，将转速指令值16设定为通过“由转速检测器11检测的转速14”×系数而求出的值。
在此，例如，在流体性能方面，如果在使压缩机8的转速和涡轮1的转速14相等的情况下效率良好，则将系数设为1，例如，在流体性能方面，如果在将压缩机8的转速设为涡轮1的转速14的2倍的情况下效率良好，则将系数设为2。或者，例如，在流体性能方面，如果在将压缩机8的转速设为涡轮1的转速14的0.8倍的情况下效率良好，则将系数设为0.8。
即，将在流体性能方面效率最好的压缩机8的转速和涡轮1的转速14的比设为系数。
通过上述构成，从而在热机（未图示）未进行动作时，由于没有废气，因而涡轮1不旋转。因此，与涡轮1同轴的发电机2也不旋转，直流总线5的电压是0。于是，由于“由电压检测器12检测的电压15”比“逆变器6能够进行动作的最低电压”更低，因而转速指令值16成为0，电动机7不旋转，与电动机7同轴的压缩机8也不旋转。
另一方面，在热机（未图示）进行动作时，产生废气，涡轮1旋转。由此，与涡轮1同轴的发电机2也旋转，直流总线5的电压上升。如果“由电压检测器12检测的电压15” 超过“逆变器6能够进行动作的最低电压”，那么，转速指令值16不是零，通过逆变器6中的矢量控制，从而电动机7以与转速指令值16相应的转速旋转。而且，与电动机7同轴的压缩机8也旋转，压缩向热机的供气。
由于转速指令值16与由转速检测器11检测的转速14成比例，因而如果涡轮1低速旋转，则压缩机8也以低速旋转，如果涡轮1高速旋转，则压缩机8也以高速旋转。因此，在热机（未图示）进行动作时，成为与由轴将涡轮和压缩机直接连结的现有的涡轮增压机同样的动作。
而且，由于以转速指令值16作为“由转速检测器11检测的转速14”×系数，因而在流体性能方面，在期望将涡轮1的转速14和压缩机8的转速的比设为例如X倍的情况下，能够以通过预先以系数的值作为X而使压缩机8的转速成为涡轮1的转速14的X倍的方式运转。
图2是本发明中的实施例2的涡轮增压机的图。
在该图中，13a是转速指令器，16a是转速指令值，21是直流电源，22是二极管。对与实施例1相同的构成要素标记与图1相同的号码而省略说明。
控制装置17以由发电机2发电的电力作为动力源，驱动电动机7。另外，本实施例的控制装置17具备整流器3、平滑化电路4、直流总线5、逆变器6、转速检测器11、转速指令器13a、直流电源21以及二极管22。
转速指令器13a基于由转速检测器11检测的涡轮1和发电机2的转速14而将电动机7和压缩机8的转速的指令值16a向逆变器6输出。
直流电源21供给比“逆变器6能够进行动作的最低电压”更大的电压。
例如，也可以使用二次电池或电偶极子层电容器，也可以是对商用交流电源进行整流、平滑化以及恒压化的构成。
二极管22，仅在涡轮1和发电机2的发电电压低的情况下，将电流从直流电源21供给至直流总线5，在由涡轮1和发电机2得到足够的发电电压的情况下，自动地切换为将电流从发电机2供给至直流总线5。
由于将直流电源21和二极管22如图2所示地连接，因而始终将“逆变器6能够进行动作的最低电压”以上的电压施加至直流总线5，逆变器6能够始终进行动作。
转速指令器13a构成为，如下地生成转速指令值16a。
（1）在“由转速检测器11检测的转速14”比常数R1更小的情况下，将转速指令值16a设为常数R2。
（2）在“由转速检测器11检测的转速14”与常数R1相同或更高的情况下，将转速指令值16a设定为“由转速检测器11检测的转速14”×系数。
在此，常数R1是相当于在热机（未图示）怠速的状态下，与涡轮1同轴的发电机2几乎不进行发电的状态的涡轮1的转速14。常数R2是为了进行最低限度的供气而需要的压缩机8的转速。
此外，与实施例1同样地求出上述系数。
通过上述构成，从而在热机未进行动作时或在热机进行动作但怠速的状态时，由于废气少，涡轮1的转速14低，因而符合“‘由转速检测器11检测的转速14’比常数R1更小的情况”，转速指令值16a成为常数R2，压缩机8仅进行最低限度的供气。由于几乎不进行来自与涡轮1同轴的发电机2的发电，因而电流从直流电源21经由二极管22而流入直流总线5，驱动逆变器6。
另一方面，在热机进行动作而进行负载运转时，由于废气多，涡轮1的转速14高，因而符合““由转速检测器11检测的转速14”与常数R1相同或更高的情况”，因此成为与实施例1中的“热机进行动作时”的情况相同的动作。
实施例2尤其适合于即使在热机怠速运转或停止的频度高的情况下也想要将供气维持为最低限度（不想要停止压缩机8）的情况。
图3是本发明中的实施例3的涡轮增压机的图。
在该图中，33是转速指令器，36是逆变器，37是电动机，38是压缩机，38a是轴。对与实施例1相同的构成要素标记与图1相同的号码而省略说明。
控制装置17以由发电机2发电的电力作为动力源，驱动电动机7、37。另外，本实施例的控制装置17具备整流器3、平滑化电路4、直流总线5、逆变器6、36、转速检测器11、电压检测器12以及转速指令器33。
转速指令器33基于由转速检测器11检测的涡轮1和发电机2的转速14以及由电压检测器12检测的直流总线5的电压而针对电动机、压缩机以及逆变器的多个组的各个而将电动机和压缩机的转速的指令值向逆变器输出。即，将电动机7和压缩机8的转速的指令值16向逆变器6输出，将电动机37和压缩机38的转速的指令值46向逆变器36输出。
转速指令器33能够由例如微处理器、存储器以及运算程序构成。
逆变器36、电动机37、压缩机38以及轴38a是与实施例1或实施例2中的逆变器6、电动机7、压缩机8以及轴8a相同的机构。尺寸、形状或转速也可以不同。
在该实施例中，成为这样的构成：针对1组涡轮1和发电机2，准备压缩向分成多台或多个部分的热机或热循环（未图示）的吸气的多台压缩机8、38以及电动机7、37，将由发电机2发电的电力向多台电动机7、37进行电连接。
转速指令器33构成为，如下地生成转速指令值16。
（1）在“由电压检测器12检测的电压15”比“逆变器6能够进行动作的最低电压”更低的情况下，将转速指令值16设为0。
（2）在“由电压检测器12检测的电压15”与“逆变器6能够进行动作的最低电压”相同或更高的情况下，将转速指令值16设定为通过“由转速检测器11检测的转速14”×系数A而求出的值。
在此，例如，在流体性能方面，如果在使压缩机8的转速和涡轮1的转速14相等的情况下效率良好，则将系数A设为1，例如，在流体性能方面，如果在将压缩机8的转速设为涡轮1的转速14的2倍的情况下效率良好，则将系数A设为2。或者，例如，在流体性能方面，如果在将压缩机8的转速设为涡轮1的转速14的0.8倍的情况下效率良好，则将系数A设为0.8。
即，将在流体性能方面效率最好的压缩机8的转速和涡轮1的转速14的比设为系数A。
而且，转速指令器33构成为，如下地生成转速指令值46。
（1）在“由电压检测器12检测的电压15”比“逆变器36能够进行动作的最低电压”更低的情况下，将转速指令值46设为0。
（2）在“由电压检测器12检测的电压15”与“逆变器36能够进行动作的最低电压”相同或更高的情况下，将转速指令值46设定为通过“由转速检测器11检测的转速14”×系数B而求出的值。
在此，例如，在流体性能方面，如果在使压缩机38的转速和涡轮1的转速14相等的情况下效率良好，则将系数B设为1，例如，在流体性能方面，如果在将压缩机38的转速设为涡轮1的转速14的2倍的情况下效率良好，则将系数B设为2。或者，例如，在流体性能方面，如果在将压缩机38的转速设为涡轮1的转速14的0.8倍的情况下效率良好，则将系数B设为0.8。
即，将在流体性能方面效率最好的压缩机38的转速和涡轮1的转速14的比设为系数B。
另一方面，图4是本发明中的实施例4的涡轮增压机的图。
在该图中，33a是转速指令器。对与实施例2或实施例3相同的构成要素标记与图2或图3相同的号码而省略说明。
控制装置17以由发电机2发电的电力作为动力源，驱动电动机7、37。另外，本实施例的控制装置17具备整流器3、平滑化电路4、直流总线5、逆变器6、36、转速检测器11、转速指令器33a、直流电源21以及二极管22。
转速指令器33a基于由转速检测器11检测的涡轮1和发电机2的转速14而针对电动机、压缩机以及逆变器的多个组的各个而将电动机和压缩机的转速的指令值向逆变器输出。即，将电动机7和压缩机8的转速的指令值16a向逆变器6输出，将电动机37和压缩机38的转速的指令值46a向逆变器36输出。
转速指令器33a构成为，如下地生成转速指令值16a。
（1）在“由转速检测器11检测的转速14”比常数R1更小的情况下，将转速指令值16a设为常数R2A。
（2）在“由转速检测器11检测的转速14”与常数R1相同或更高的情况下，将转速指令值16a设定为“由转速检测器11检测的转速14”×系数A。
在此，常数R2A是为了进行最低限度的供气而需要的压缩机8的转速。
而且，转速指令器33a构成为，如下地生成转速指令值46a。
（1）在“由转速检测器11检测的转速14”比常数R1更小的情况下，将转速指令值46a设为常数R2B。
（2）在“由转速检测器11检测的转速14”与常数R1相同或更高的情况下，将转速指令值46a设定为“由转速检测器11检测的转速14”×系数B。
在此，常数R2B是为了进行最低限度的供气而需要的压缩机38的转速。
此外，与上述实施例2同样地求出上述常数R1，与实施例3同样地求出系数A、系数B。
在上述实施例3和实施例4中，将来自分成多台或多个部分的热机或热循环的废气混合而成的废气始终驱动涡轮1，不需要用于废气的不平衡对策的连通管。
另外，例如，在为了应对环境限制而针对分成多台或多个部分的热机或热循环设置共同的废气处理装置的情况下，通过涡轮之前的高压的废气通过配管，因而得到配管足够细的效果。
此外，在本发明中，由于在涡轮1和压缩机8之间的距离长的情况下，为了减小电线中的电位下降，也可以紧接在平滑化电路4之后追加升压型DC-DC转换器而将电压升压。
另外，为了防止过电压，也可以构成为，在直流总线5的正负间经由接触器而追加再生电阻，在直流总线5的电压超过逆变器6的输入容许电压的情况下，关闭接触器。
也可以对发电机2的交流输出的零交叉点进行计数而进行涡轮1和发电机2的转速检测。此外，在这种情况下，不需要外置的测速发电机或编码器。
另外，在实施例3和实施例4中，示出具有2组电动机、压缩机以及逆变器的组的示例，但在3组以上的情况下，也能够是同样的构成。
此外，当然，本发明不限定于上述的实施方式，在不脱离本发明的要旨的范围内，能够添加各种变更。

Claims (4)

1. 一种废热回收装置，具备由废气驱动的涡轮和压缩气体的压缩机，其特征在于，具备：
发电机，通过所述涡轮的旋转来进行电力发电；
电动机，旋转驱动所述压缩机；以及
控制装置，以所述电力作为动力源来驱动所述电动机。
2. 如权利要求1所述的废热回收装置，其特征在于，
所述控制装置，具备：
整流器，将来自所述发电机的交流输出整流而转换成直流；
平滑化电路，使紧接在该整流器之后的直流电压平滑；
直流总线，将所述电力从所述涡轮侧向所述压缩机侧输送；
逆变器，驱动所述电动机；
转速检测器，检测所述涡轮和所述发电机的转速；
电压检测器，检测所述直流总线的电压；以及
转速指令器，将基于所述转速和所述电压而算出的所述电动机和所述压缩机的转速指令值输出至所述逆变器。
3. 如权利要求1所述的废热回收装置，其特征在于，
所述控制装置，具备：
整流器，将来自所述发电机的交流输出整流而转换成直流；
平滑化电路，使紧接在该整流器之后的直流电压平滑；
直流总线，将所述电力从所述涡轮侧向所述压缩机侧输送；
逆变器，驱动所述电动机；
转速检测器，检测所述涡轮和所述发电机的转速；
直流电源，将电流供给至所述直流总线；
二极管，在来自所述涡轮和所述发电机的发电电压不满足于所述逆变器能够进行动作的电压的情况下，将所述电流供给至该逆变器；以及
转速指令器，将基于所述转速而算出的所述电动机和所述压缩机的转速指令值输出至所述逆变器。
4. 如权利要求2至3的任一项所述的废热回收装置，其特征在于，
针对1组所述涡轮和所述发电机，设置多台所述电动机和所述压缩机。
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