CN117157453A - 三角循环系统 - Google Patents

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CN117157453A CN202280024073.7A CN202280024073A CN117157453A CN 117157453 A CN117157453 A CN 117157453A CN 202280024073 A CN202280024073 A CN 202280024073A CN 117157453 A CN117157453 A CN 117157453A
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Abstract

一种三角循环系统(10)，包括：膨胀机(14)，其通过从热交换器(13)供给的气液两相流的工作流体进行驱动；以及发电机(16)，其被连结于该膨胀机(14)，在该三角循环系统(10)中，发电机(16)在热交换器(13)及膨胀机(14)之间被配置于供气液两相流的工作流体流通的通道(19)的中途位置，对发电机(16)进行冷却的冷却通道(21)由通道(19)的一部分构成。

Description

三角循环系统
技术领域
本发明涉及一种三角循环系统(trilateral cycle system)，更详细而言，涉及一种包括膨胀机和发电机的三角循环系统，该膨胀机以从热交换器供给的气液两相流的工作流体进行驱动，该发电机被连结于膨胀机。
背景技术
一种朗肯循环系统被提出，其虽然并非三角循环系统，但膨胀机和发电机被收容于密闭容器，密闭容器的配置有发电机的内部空间由泵与加热器(热交换器)之间的流路的一部分构成(例如，参照专利文献1)。该专利文献1所记载的朗肯循环系统通过用由加热器加热前的工作流体对发电机进行冷却，从而抑制发电机的温度上升，并且对流入到加热器前的工作流体进行预热。
先行技术文献
专利文献
专利文献1：日本国特开2009-174494号公报
发明内容
发明要解决的技术问题
另外，已知一种三角循环系统，其在排热回收中，作为从低温的热源回收能量的系统，在温度－熵线图中构成大致三角形。所谓三角循环，也被称为气液两相绝热膨胀循环，是指在从热源向工作流体的热交换后，工作流体成为气液两相状态，在膨胀机内使气液两相状态的工作流体减压沸腾，从而取出能量的循环。
因为即使将上述专利文献1所记载的发明适用于三角循环，也是用以加热器加热前的工作流体对发电机进行冷却的结构，所以在一个密闭容器的内部，会存在温度带不同的工作流体。因此，即使将专利文献1所记载的发明适用于三角循环，在密闭容器的内部，高温的工作流体也会被冷却，或者低温的工作流体也会被加热，因此密闭容器的内部的绝热措施是必要的，密闭容器的内部会复杂化。此外，因为是在密闭容器上连接两条流路的结构，所以对于系统的流路会产生制约。如此，即使将朗肯循环系统的技术事项单纯地利用于三角循环系统，也无法以简易的构成同时达成发电机的冷却与来自发电机的排热的回收。
本申请的发明人着眼于在三角循环中从热交换器供给到膨胀机的工作流体为气液两相状态的情况，发现了利用流入到膨胀机的气液两相流的工作流体。
本公开的目的在于提供一种通过利用气液两相流的工作流体，从而同时达成发电机的冷却与来自发电机的排热的回收的三角循环系统。
用于解决技术问题的技术手段
达成上述目的的本发明的一个方案的三角循环系统的特征在于，包括膨胀机和发电机，该膨胀机通过从热交换器供给的气液两相流的工作流体进行驱动，该发电机被连结于所述膨胀机；在该三角循环系统中，所述发电机在所述热交换器及所述膨胀机之间被配置于供气液两相流的工作流体流通的通道的中途位置，对所述发电机进行冷却的冷却通道由所述通道的一部分构成。
发明效果
根据本发明的一个方案，在气液两相流的工作流体在冷却通道中流动时，该工作流体的液相会因发电机的热而蒸发，由此，能够对发电机进行冷却，同时，对发电机的排热进行回收。
附图说明
图1是例示实施方式的三角循环系统的构成图。
图2是例示图1的壳体的内部的剖视图。
图3是例示图1的壳体的内部的第一变形例的剖视图。
图4是例示图1的壳体的内部的第二变形例的剖视图。
图5是例示图1的壳体的内部的第三变形例的剖视图。
具体实施方式
以下，针对本公开中的三角循环系统的实施方式进行说明。在图中，空心箭头表示排热的流动，涂黑的箭头表示工作流体的流动。在图中，使构件的尺寸变化，以使构成易懂，未都使其与实际制造的一致。以下，在本公开中，所谓通道，表示供工作流体流通的部位，所谓配管，表示构成通道的构件。
如图1例示的那样，实施方式的三角循环系统10是将未图示的发动机的排热转换为电力并回收的系统。作为发动机的排热，例示了冷却水，该冷却水对因燃料的燃烧而产生的排气及燃烧所放出的热量进行冷却。即使在流入到膨胀机14的工作流体的状态不是干蒸汽，而是气液两相的状态，且发动机的排热为100℃以下的低温的情况下，三角循环系统10也能够回收排热。因此，作为三角循环系统10的热源，优选发动机的冷却水，本实施方式的三角循环系统10采用冷却水作为排热。作为三角循环系统10的工作流体，例示了乙醇。
关于三角循环系统10，在供工作流体循环的循环通道11上，与工作流体的流动相关地，依次配置有泵12、热交换器13、膨胀机14及冷凝器15。三角循环系统10包括发电机16，该发电机16被连结于膨胀机14。
通过泵12在循环通道11中循环的工作流体在热交换器13中与发动机的冷却水进行热交换并被加热，成为气液两相流的工作流体。从热交换器13通过后的气液两相流的工作流体对膨胀机14进行驱动。驱动膨胀机14后的工作流体由冷凝器15冷却，并再次返回泵12。通过膨胀机14的驱动，发电机16所发出的电力被储存到未图示的电池。
三角循环系统10被构成为包括壳体20和冷却通道21。三角循环系统10具有如下结构：膨胀机14和发电机16被收纳于一个壳体20的内部，在壳体20的内部中，膨胀机14的输出轴17与发电机16的驱动轴18被配置在同轴上并直接连结。三角循环系统10存在于循环通道11中的热交换器13与膨胀机14之间，在供从热交换器13通过后的气液两相流的工作流体流通的通道19的中途位置，配置有发电机16，对发电机16进行冷却的冷却通道21由通道19的一部分构成。在图中，斜线的部分表示通道19。
在图2中，X方向表示输出轴17及驱动轴18的轴方向，Y方向表示与X方向正交的方向。在本公开中，前端及末端以工作流体的流动为基准，前端表示存在于上游侧的一端，末端表示存在于下游侧的另一端。
如图2所例示的那样，膨胀机14被构成为具有：流体设备14a，其将气液两相流的工作流体的能量转换为输出轴17的旋转运动；以及膨胀机用壳体14b，其收纳该流体设备14a。作为流体设备14a，可例示涡轮型(离心式涡轮或轴流式涡轮)或容积型(叶片膨胀机、涡旋膨胀机、螺杆膨胀机)，并不被特别地限定。本实施方式的膨胀机14采用了旋转式膨胀机，该旋转式膨胀机的流体设备14a为以下结构：叶轮在活塞的外周面或内周面中滑动。
发电机16被构成为具有：转子16a，其被固定于驱动轴18；以及定子16b，其被配置在转子16a的周围，并被固定于壳体20。发电机16介由未图示的逆变器与电池电连接。发电机16在其内部形成有冷却通道21，该冷却通道21对发电机16进行冷却。
壳体20形成密闭结构，关于气液两相流的工作流体的流动，在上游侧收纳发电机16，在下游侧收纳膨胀机14。壳体20连接有入口配管22及出口配管23。
入口配管22为构成通道19的配管之一，是从热交换器13通过后的气液两相流的工作流体向壳体20的内部流入的配管。关于入口配管22，其末端被配置于壳体20的内部。出口配管23是从膨胀机14通过了的工作流体向壳体20的外部流出的配管。
冷却通道21为通道19的一部分，且为一种如下的通道：前端与入口配管22连通，中途位置经由发电机16，末端与膨胀机14的流体设备14a的入口14c连通。冷却通道21为供气液两相流的工作流体流通的通道，与其工作流体的流动有关地，从上游侧起依次配置有驱动轴用通道24、输出轴用通道25、以及连通通道26。
驱动轴用通道24为被形成于驱动轴18的内部的通道，供气液两相流的工作流体流通。关于驱动轴用通道24，其前端与入口配管22连通，末端与输出轴用通道25连通。在内部形成有驱动轴用通道24的驱动轴18由配管构成，在该配管的外周面固定有转子16a。
输出轴用通道25为被形成于输出轴17的内部的通道，供从驱动轴用通道24通过后的气液两相流的工作流体流通。关于输出轴用通道25，其前端与驱动轴用通道24连通，末端与连通通道26连通。在内部形成有输出轴用通道25的输出轴17由配管构成，该配管由流体设备14a旋转驱动。
连通通道26为被形成于膨胀机用壳体14b的通道，供从输出轴用通道25通过后的气液两相流的工作流体流通。关于连通通道26，其前端部与输出轴用通道25连通，末端与流体设备14a的入口14c连通。
驱动轴18的配管外径为入口配管22的配管内径以下。驱动轴18的前端被配置于入口配管22的内部。关于驱动轴18，可旋转地，驱动轴用通道24与入口配管22连通。优选的是，驱动轴18的配管外径小于入口配管22的配管内径。当驱动轴18的配管外径变得比入口配管22的配管内径更小时，驱动轴18的外周面相对于入口配管22的内周面成为“非接触”，对于降低接触所导致的阻力负荷会有利。当驱动轴18的配管外径变得比入口配管22的配管内径更小时，在驱动轴18的外周面与入口配管22的内周面之间会产生间隙。膨胀机14的出口比壳体20的内部的压力更为低压，因此气液两相流的工作流体会从入口配管22流动到驱动轴18，而不会从该间隙漏出。气液两相流的工作流体就算从该间隙漏出，也会存留在壳体20的内部，不会露出到壳体20的外部。
输出轴17的配管外径与驱动轴18的配管内径相同。输出轴17的前端被配置在驱动轴18的内部。输出轴17的外周面被固定于驱动轴18的内周面。优选的是，关于输出轴17，其前端延伸到位于发电机16的中央部分。由于输出轴17的前端位于发电机16的中央部分，因而输出轴17和驱动轴18的固定面积会增加，会有利于旋转的配管彼此的固定。为了增加输出轴17和驱动轴18的固定面积，也可以是，输出轴17的前端与工作流体的流动有关地，被配置于比发电机16的中央部分靠上游侧。此外，也可以是，驱动轴18的末端从发电机16向膨胀机14的一侧突出。
连通通道26的末端部在X方向上侧的通道壁面形成有贯通孔26a，该贯通孔26a沿X方向贯穿。贯通孔26a的孔径为输出轴17的配管外径以上。输出轴17的末端从流体设备14a向X方向下方突出，介由该贯通孔26a被配置于连通通道26的末端部的内部。关于输出轴17，可旋转地，输出轴用通道25与连通通道26连通。优选的是，贯通孔26a的孔径大于输出轴17的配管外径。当贯通孔26a的孔径变得比输出轴17的配管外径更大时，输出轴17的外周面相对于膨胀机用壳体14b会成为“非接触”，对于降低接触所导致的阻力负荷会有利。同样，优选的是，贯通孔14d的孔径也为输出轴17的配管外径以上，该贯通孔14d被形成于膨胀机用壳体14b的X方向上端，使输出轴17插过，其孔径大于输出轴17的配管外径。
从热交换器13通过了的气液两相流的工作流体按照入口配管22、驱动轴用通道24、输出轴用通道25、连通通道26、流体设备14a、以及出口配管23的顺序流通。在从驱动轴用通道24通过时，在发电机16的温度比气液两相流的工作流体的温度更高的情况下，工作流体的液相会蒸发，并在蒸发的过程中，从发电机16中夺走气化热。由此，发电机16被冷却，并且会使气液两相流的工作流体回收发电机16的排热。
像以上那样，本实施方式的三角循环系统10中，供对发电机16进行冷却的冷却通道21由通道19的一部分构成，该通道19供从热交换器13通过后的气液两相流的工作流体流通。因此，根据三角循环系统10，在气液两相流的工作流体在冷却通道21中流动时，该工作流体的液相会因发电机16的热量而蒸发，由此能够与对发电机16进行冷却同时地，回收发电机16的排热。
通过发动机的冷却水对被搭载于车辆的发电机或电动发电机进行冷却的技术为公知惯用技术。本实施方式的三角循环系统10将发动的冷却水用作发动机的排热。因此，如果流入到膨胀机14的气液两相流的工作流体的温度为比发动机的冷却水更低的温度，且当发电机16为公知惯用技术范畴的发电机或电动发电机，则为可充分冷却的状态。另外，本实施方式的发电机16的规格能够适当变更。
优选的是，三角循环系统10中，膨胀机14与发电机16被收纳于一个壳体20的内部。通过像本实施方式这样，将膨胀机14与发电机16收纳于一个壳体20的内部，即使工作流体从膨胀机14的输出轴17漏出，漏出的工作流体也会存留于壳体20的内部，能够防止向外部流出。由此，能够减少因工作流体的流出导致的定期维护的频率。
优选的是，三角循环系统10中，膨胀机14的输出轴17与发电机16的驱动轴18被配置在同轴上，并在这些的轴各自的内部形成有气液两相流的工作流体的通道。当像本实施方式这样，输出轴17与驱动轴18这两者由在内部形成有轴用通道的配管构成时，无需另行设置用于形成冷却通道21的配管。因此，能够使膨胀机14与发电机16被收纳于一个壳体20的内部的一体化结构变得紧凑。
以上，针对本公开的实施方式进行说明，但本公开的三角循环系统10并不被限定于特定的实施方式，能够在本公开的主旨的范围内进行各种变形、变更。
如图3所例示的那样，在膨胀机14的输出轴17与发电机16的驱动轴18被配置在同轴上并相互连结的构成的情况下，三角循环系统10也可以为输出轴17的中途位置与连通通道26连通的构成。输出轴17中，实心轴17a与由配管构成的中空轴17b被连结在同轴上，中空轴17b的末端被配置于连通通道26的内部。驱动轴18的末端也被配置于连通通道26的内部。在中空轴17b的末端部与驱动轴18的末端部的两个配管重叠的管壁上，形成有多个贯通孔27。优选的是，通过在连通通道26的内部中，使中空轴17b的末端部与驱动轴18的末端部重叠而成为双层，从而提高因在它们的末端部形成多个贯通孔27而降低的耐久性。
如图4所例示的那样，也可以是，关于三角循环系统10，在膨胀机14与发电机16由一个输出兼驱动轴28来连结的情况下，在该输出兼驱动轴28的内部形成有轴用通道29，输出兼驱动轴28由配管构成。关于该输出兼驱动轴28，在X方向上侧的部分固定有转子16a，在X方向下侧的部分固定有流体设备14a。
此外，如图5所例示的那样，也可以是如下构成：输出兼驱动轴28由实心的输出轴部28a和将该输出轴部28a配置于轴中心的中空的驱动轴部28b构成，输出轴部28a与驱动轴部28b由连结部28c连结。关于该输出兼驱动轴28，在输出轴部28a上固定有膨胀机14的流体设备14a，在驱动轴部28b上固定有发电机16的转子16a。在具备该输出兼驱动轴28的情况下，关于冷却通道21，输出兼驱动轴28的末端被与膨胀机14的流体设备14a的入口14c直接连结。
像以上这样，膨胀机14及发电机16的连结及冷却通道21的构成能够根据膨胀机14的流体设备14a的规格及各配管的耐久性来适当变更。
本公开的三角循环系统10不被限定于膨胀机14与发电机16被收纳于一个壳体20的内部的一体化的结构，也可以是在三角循环系统10的循环通道11上分别配置的构成。
此外，本公开的三角循环系统10不被限定于在膨胀机14的输出轴17及发电机16的驱动轴18的内部形成有冷却通道21的构成，也可以是它们的轴与冷却通道21被分别配置的构成。
本申请基于2021年3月22日申请的日本国专利申请(特愿2021-046805)，并将其内容作为参照援引于此。
工业可利用性
本公开具有由于在气液两相流的工作流体在冷却通道中流动时，该工作流体的液相因发电机的热量而蒸发，因而能够与对发电机进行冷却同时地回收发电机的排热这样的效果，对三角循环系统等是有用的。
附图标记说明
10 三角循环系统
11 循环通道
12 泵
13 热交换器
14 膨胀机
15 冷凝器
16 发电机
17 输出轴
18 驱动轴
19 通道
20 壳体
21 冷却通道

Claims (9)

1.一种三角循环系统，其特征在于，
包括膨胀机和发电机，该膨胀机通过从热交换器供给的气液两相流的工作流体进行驱动，该发电机被连结于所述膨胀机；
在该三角循环系统中，
所述发电机在所述热交换器及所述膨胀机之间被配置于供气液两相流的工作流体流通的通道的中途位置；
对所述发电机进行冷却的冷却通道由所述通道的一部分构成。
2.如权利要求1所述的三角循环系统，其中，
所述膨胀机与所述发电机被收纳于一个壳体的内部。
3.如权利要求2所述的三角循环系统，其中，
所述壳体由入口配管与出口配管连接而成，该入口配管供从所述热交换器通过后的气液两相流的所述工作流体流入，该出口配管供从所述膨胀机通过后的所述工作流体流出；
所述冷却通道为如下构成：前端与所述壳体的所述入口配管连通，中途位置经由所述发电机，末端与所述膨胀机的入口连通。
4.如权利要求3所述的三角循环系统，其中，
所述膨胀机的输出轴与所述发电机的驱动轴被配置在同轴上，并且被相互连结；
在所述输出轴及所述驱动轴的内部，形成有供气液两相流的所述工作流体流通的轴用通道，所述输出轴及所述驱动轴分别由配管构成；
所述冷却通道被构成为具有所述轴用通道和连通通道，该连通通道使所述轴用通道的出口及所述膨胀机的流体设备的入口连通。
5.如权利要求4所述的三角循环系统，其中，
在所述输出轴及所述驱动轴这两者的内部分别形成有所述轴用通道，所述输出轴及所述驱动轴分别由配管构成；
所述输出轴的配管外径与所述驱动轴的配管内径相同，所述输出轴的前端被配置于所述驱动轴的内部，所述输出轴的外周面被固定于所述驱动轴的内周面。
6.如权利要求4或5所述的三角循环系统，其中，
关于所述入口配管，其末端被配置于所述壳体的内部；
所述驱动轴的配管外径为所述入口配管的配管内径以下；
所述驱动轴的前端被配置在所述入口配管的内部；
以所述驱动轴可旋转的方式，被形成于所述驱动轴的内部的所述轴用通道与所述入口配管的内部连通。
7.如权利要求3所述的三角循环系统，其中，
所述膨胀机与所述发电机由一个输出兼驱动轴连结；
在所述输出兼驱动轴的内部，形成有供气液两相流的所述工作流体流通的轴用通道；
所述输出兼驱动轴由配管构成。
8.如权利要求7所述的三角循环系统，其中，
所述冷却通道仅具有所述轴用通道，并与所述膨胀机的流体设备的入口连通。
9.如权利要求7所述的三角循环系统，其中，
所述冷却通道被构成为具有所述轴用通道、以及连通通道，所述连通通道使所述轴用通道的出口和所述膨胀机的流体设备的入口连通。
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