CN1664471A

CN1664471A - 流体机械

Info

Publication number: CN1664471A
Application number: CN200510052699.7A
Authority: CN
Inventors: 岩波重树; 麻弘知; 宇野庆一; 武内康浩; 小川博史
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2004-03-03
Filing date: 2005-03-03
Publication date: 2005-09-07
Anticipated expiration: 2025-03-03
Also published as: JP2005248809A; DE102005009752A1; CN1321301C; US20050193734A1; US7263828B2

Abstract

一种流体机械的膨胀和压缩机装置(100)，具有：泵模式运转，其中膨胀和压缩机装置通过来自驱动源(20)的驱动力被旋转以压缩工作流体；和发动机模式运转，其中液压被转换成动能以输出动能。流体机械还具有传动装置(400)，当膨胀和压缩机装置(100)在泵模式运转中运转时，以提高的转动速度传送来自驱动源(20)的驱动力。

Description

流体机械

技术领域

本发明涉及一种流体机械，其具有用于加压和排出流体的泵模式运转和用于在液体膨胀过程中将液体压力转换成运动能量并用于输出动能的发动机模式运转，其中，此流体机械被优选地用作膨胀和压缩机装置，用于具有兰金循环的废热收集系统以收集热能。

背景技术

如公开的流体机械的现有技术，例如，日本专利公开出版物NO.2540738中，用于蒸汽压缩制冷系统的压缩机装置通常被用作膨胀装置，且当能量通过兰金循环被收集时，压缩机装置被用作膨胀装置。

在上述流体机械中，其中膨胀装置和压缩机装置通常被使用，用于流体机械的容量通常被设定至压缩机装置在制冷循环可以有效地运转的情况下所必需的量。结果，用于用作膨胀装置的流体机械的容量不可避免地由这个量决定。因此，对于膨胀装置的设计适应性被降低且用于收集废热的流体机械的最佳效率很难达到。

例如，兰金循环运转中制冷剂的压力比制冷循环中制冷剂的压力高，用于兰金循环的体积流速变得比制冷循环的小，即使制冷剂的量(重量)相同。这样，当其用作膨胀装置运转时，流体机械的转动速度变低，每转制冷剂泄漏的影响将变大(泄漏速度高于膨胀速度)，因此，膨胀装置的效率降低。

发明内容

因此，鉴于上述问题，本发明的一个目标是提供一种流体机械，其不仅可以满足用于泵模式运转的性能也可以提高其用于发动机模式运转的效率，其中流体机械具有用于加压和排出流体的泵模式运转及用于在液体膨胀过程中将液体压力转换成运动能量并用于输出动能的发动机模式运转。

根据本发明的一个特征，流体机械包括膨胀和压缩机装置(expansion-and-compressor device)，其具有：泵模式运转，其中流体通过来自驱动源的旋转力被加压；和发动机模式运转，其中流体压力在液体膨胀过程中被转换成运动能量且动能被输出。所述流体机械还包括传动装置，用于在泵模式运转中以提高的转动速度从驱动源传送旋转力至膨胀和压缩机装置。

在上述流体机械中，膨胀和压缩机装置的工作室的容量被设计得更小，这样即使当体积流速由于发动机模式运转中比泵模式运转中更高的运转压而降低时，膨胀和压缩机装置可以在最佳状态运转以有效地输出动能。在工作室的容量如上被降低的情况下，当膨胀和压缩机装置在泵模式运转中用作压缩机装置运转时，足够的制冷运转可能达不到。但是，制冷运转(泵模式运转)的性能的这种降低通过以更高的转动速度驱动压缩机装置可以被避免。

根据上述特征，因此，即使当膨胀和压缩机装置的每转容量被设定至更小的量时，泵模式运转中压缩的制冷剂的必需的排出量通过提高的转动速度可以达到。结果，因为膨胀和压缩机装置可以通过适合于发动机模式运转中制冷剂的体积流速的容量操作，转动速度的降低可以避免，因此每转泄漏的影响可以被降低(通过使膨胀速度高于制冷剂的泄漏速度)以最终提高流体机械的运转效率。

因此，流体机械不仅可以满足用于泵模式运转的性能，也可以提高其用于发动机模式运转的效率。

根据本发明的另一特征，所述驱动源为优选地外源，如内燃机。

根据本发明的另一特征，再生装置(例如电力发电机)被安装，当流体机械在发动机模式运转中运转时，用于将动能转换成优选或需要形式的能量。

根据本发明另一特征，膨胀和压缩机装置、传动装置和电力旋转装置被安装在相同的轴上，或这些部件被整体容纳。因此，流体机械10可以被制作成小尺寸结构。

附图说明

本发明的上述和其它目标、特征和优点通过参照附图的具体描述变得显而易见，其中：

图1是显示被应用至根据本发明的流体机械的制冷循环和废热收集循环的示意图；

图2是根据本发明第一实施例的流体机械的截面图；

图3是显示根据第一实施例的流体机械的运转的图表；及

图4是显示制冷剂在泵模式和发动机模式运转的情况下的压力—焓图。

具体实施方式

第一实施例

现在将参照图1至图3说明本发明的第一实施例。例如，本发明的流体机械被用于机动车辆，所述机动车辆配备空气调节系统和废热利用系统。废热利用系统由兰金循环构成，其收集自产生用于机动车辆的驱动力的内燃机的废热。此外，在本发明的流体机械中，通过流体机械产生的热(热能或冷却能)被利用于执行用于机动车辆的空气调节运转。

在图1中，附图标记10表示包括膨胀和压缩机装置的流体机械，这样流体机械作为压缩机运转用于压缩气相制冷剂(此处称作泵模式运转)，也可以作为电力发电机用于通过将过热蒸汽的液体压力转换成动能产生机械驱动力(此处称作发动机模式运转)。附图标记11表示连接至流体机械10输出侧(后面描述的高压端口110)的热辐射装置，用于通过热辐射冷却制冷剂气体(热辐射装置11也被称作冷凝器)。

附图标记12表示用于将从冷凝器11中制冷剂分成气相制冷剂和液相制冷剂的接收器。附图标记13是与温度有关的膨胀阀，用于扩大和降低从接收器的气相制冷剂的压力，更优选地用于以等焓的方式降低制冷剂的压力并控制用于制冷剂的通道的打开程度，这样，当流体机械10在泵模式运转中运转时，吸入流体机械10的制冷剂的过热程度将被维持在预定值。

附图标记14表示热吸收装置(也被称作蒸发器)，用于蒸发从膨胀阀13的减压的制冷剂并由此吸收热。以上的流体机械10、冷凝器11、接收器12、膨胀阀13和蒸发器14组成制冷循环，用于将热从低温侧传送至高温侧。

加热装置30被设置在连接于流体机械10和冷凝器11之间的制冷剂通道，通过用发动机冷却水流过加热装置30热交换制冷剂，加热流过制冷剂通道的制冷剂。三通阀的转换阀21被安装在用于发动机冷却水的回路(热水回路)中，这样，通过加热装置30的冷却水的流动被开或关。转换阀21通过电子控制设备40被控制。

第一旁路通道31被连接在接收器12(气—液分离器)和加热装置30之间，这样，当液泵32运转时，气相制冷剂将从接收器12流至加热装置30的入口侧。止回阀31a被安装在第一旁路通道31内，为了仅使从接收器12至加热装置30的流动被允许。此实施例中的液泵32是电力驱动泵并通过电子控制设备40被控制。

当其以发动机模式运转时，第二旁路通道33被连接在流体机械10的出口侧之间(后来描述的低压端口111)，冷凝器11的入口侧和止回阀33a被安装在此旁路通道33内，这样，仅当流体机械10以发动机模式运转而运转时，制冷剂被允许从流体机械10流至冷凝器11。

止回阀14a被安装在制冷循环内，这样，当流体机械10以泵模式运转而运转时，制冷剂被允许从蒸发器14的出口侧流至流体机械10的入口侧(低压端口111)。开关阀34是电磁型，用于开和关用于制冷剂通道的通道，并通过电子控制设备40控制。

水泵22使发动机冷却水循环，散热器23是用于将发动机冷却水的热与周围空气热交换以冷却发动机冷却水的热交换器。水泵22在此实施例中是通过发动机20驱动的机械型泵。但是，其可能被电动机驱动的电动型泵替换。用于使散热器23旁通的旁路通路和用于控制发动机冷却水流过散热器23的流速控制阀在图1中被省略。

现在，将参照图2说明流体机械10。根据此实施例的流体机械10包括：用于选择地膨胀和压缩制冷剂(此实施例中的气相制冷剂)的膨胀压缩机装置100；电子转动装置200，当旋转力被应用在其上时产生电力，并当电力被应用于其上时产生旋转力；用于控制(开或关)从发动机20至膨胀和压缩机装置100的旋转力的动力传动的电磁离合器300；传动装置400，其包括用于改变膨胀和压缩机装置100、电转动装置200和电磁离合器300之间的动力传动路径的行星齿轮驱动装置，并用于提高和降低将被传动的转动速度。

电转动装置200包括定子210和在定子210的空间内转动的转子220，其中，线圈被绕在定子210上且永久磁铁被固定至转子220。

当电力被施加至定子210上时，转子220将被转动以作为电动机运转，这样其驱动膨胀和压缩机装置100，其中，当旋转力被应用至转子220时其将作为电力发电机运转。

电磁离合器300包括将通过三角皮带连接至发动机20的滑轮310、电磁感应圈320和摩擦片330，其将通过电磁感应圈320被激发时产生的电磁力被移动。当自发动机20的旋转力被传送至流体机械10时感应圈320被激发，且当旋转力的传送将被切断时，至感应圈320的电力供应将被切断。

膨胀和压缩机装置100具有与众所周知的涡管式压缩机(scroll typecompressor)相同的结构，并包括固定至电转动装置200的定子壳230的中间壳101、连接至中间壳101的固定涡管102和位于由中间壳101和固定壳102限定的空间内的可移动涡管103。可移动涡管103在空间内以轨道运动旋转以形成多个工作室V。装置100还包括高压室104、操可作地将工作室V与高压室104连通的通道105和106以及用于控制通道105、106开和关的阀机构107。

固定涡管102包括底板102a和从底板102a向中间壳101突出的螺旋槽罩102b，其中，可移动涡管同样也具有底板103a和从底板103a向固定涡管突出的螺旋槽罩103b，其中，螺旋槽罩102b和103b的壁部分相互接触以形成工作室V。当可移动涡管103被转动时，工作室V的空间将被扩大或减小。

轴108通过中间壳101被旋转地支撑并安装有环形齿轮403，其为传动装置400的部分。轴108还安装有离心轴108a，其从轴108的转动轴离心以作为曲柄臂运转，并通过套管103d和轴承103c可操作地连接至可移动涡管103。

套管103d以这种方式被连接至离心轴108a，即套管103d在与离心轴108a的轴垂直的平面移动一定的小距离，这样以至于可移动涡管103在涡管罩102b和103b之间的接点压力通过用于压缩的反应力方式将被提高的方向移动。

附图标记109表示自动旋转防止机构，用于防止可移动涡管103自动旋转并允许其轨道运动。当轴108转动一周时，可移动涡管103以轨道运动绕轴108运动，随着工作室从外部向内部运动，工作室V的容量将被降低。装置109包括环和一对销钉。

通道105作为出口运转，用于通过连通工作室V和高压室104泵出压缩的制冷剂，在泵模式运转中工作室V将达到最小容量，其中通道106作为入口运转，用于引导高温和高压制冷剂(即制冷剂的过热蒸汽)，从高压室104进入工作室V，工作室V的容量在发动机模式运转过程中变为最小值。

高压室104具有通过使通过通道105(也相当于排出口105)泵出的制冷剂平滑而平衡制冷剂压力的功能。高压端口110在形成高压室104的壳内被形成，且高压端口110被连接至加热装置30和热辐射装置11。

低压端口111形成在定子壳230中，用于将由定子壳230和固定涡管102限定的空间与蒸发器14及第二旁路通道33连通。

排出阀107a和阀塞107b通过螺栓107c被固定至固定涡管102的底板102a，其中阀107a是簧片阀型的止回阀，用于防止泵出的制冷剂从高压室104回流入工作室V，塞107b是板，用于限制止回阀107a的运动。

卷轴107d是用于开和关通道106(也相当于入口106)的阀，电磁阀107e是控制阀，用于通过控制反压室107f和高压室104或低压端口111侧上的空间之间的联系控制反压室107f内的压力。弹簧107g被置于反压室107f内以在关闭入口106的方向推动卷轴107d，具有一定流阻的开口107h形成在连接高压室104和反压室107f之间的通道内。

当电磁阀107e被打开时，反压室107f被连通至由定子壳230(低压侧)限定的空间，然后反压室107f内的压力将被降低，低于高压室104内的压力，且最终卷轴107d克服弹簧107g的弹簧弹力沿打开入口106的方向被移动。因为在开口107h的压力的降低如此高，以至于从高压室104流入反压室107f的制冷剂的量很小，可以忽略。

另一方面，当电磁阀17e关闭时，反压室107f内的压力变得与高压室104内的压力相等，随后卷轴107d将在关闭入口106的方向移动。如上，卷轴107d、电磁阀107e、反压室107f和开口107h组成控制型(pilot-type)电动阀用于打开和关闭入口106。

传动装置400包括安装在装置400中心的中心齿轮401、具有多个绕中心齿轮401运动并在它们自己轴上旋转的小齿轮402a的行星齿轮架402和安装在小齿轮402a的外围的环形内齿轮(环形齿轮)。

中心齿轮401与电动旋转装置200的转子220被整体地形成，行星齿轮架402被整体地固定至连接了摩擦片330的轴331，且环形齿轮403被连接至轴108上。

单向离合器500将滑轮310的旋转力沿一个旋转方向(滑轮310的转动方向)传送至轴331，轴承404相对于轴331旋转地支撑中心齿轮401，即转子220，轴承405相对于轴108旋转地支撑轴331(行星齿轮架402)，轴承108b相对于中间壳101旋转地支撑轴108。

裂口密封333是用于防止制冷剂通过轴331和定子壳230之间的缝隙从定子壳230流出的密封。

现在，上述流体机械10的运转将被说明。

1、泵模式运转

泵模式运转是旋转力被施加至轴108的运转，膨胀压缩机装置100由此被运转，通过以轨道运动旋转可移动涡管103，从而压缩制冷剂。

即，当液泵维持在其非运转时开—关阀34被打开，且发动机冷却水被防止通过转换阀21流过加热装置30。此外，作为关闭电磁阀107e的结果，入口106通过卷轴107d被关闭。且轴108在上述情况下被旋转。

因此，以与众所周知的涡管压缩机相同的方式，膨胀压缩机装置100(也被简称为压缩机装置100)从低压端口111吸入制冷剂，通过工作室V压缩制冷剂，通过排出口105泵出压缩的制冷剂至高压室104，并通过高压端口110最终排出高压制冷剂至热辐射装置(冷凝器)11。

在此运转中，有两种方法用于将旋转力施加至轴108，即其中之一为压缩机装置100通过电磁离合器300被机械地连接至发动机20的方法，并由此自发动机20的驱动力被施加于压缩机装置100。在另一方法中，电磁离合器300的电力供应被切断，由此压缩机装置100被机械地从滑轮310分离，然后电动旋转装置200通过提供至其的电力作为电动机被运转，所以装置200的旋转力将被施加至压缩机装置100。

在电磁离合器300被提供电力以机械地连接压缩机装置100和发动机20并将自发动机20的旋转力传送至压缩机装置100的情况下，电力也被供应至电力旋转装置200以在定子产生电磁力，并由此将转矩施加至转子220，所以，中心齿轮401和转子220不能旋转。

结果，自发动机20传送至滑轮310的旋转力通过由此被提高转动速度的传动装置400还将被传送至压缩机装置100(请参照图3中“通过发动机运转压缩”)。

在压缩机装置100通过电磁离合器300自发动机20断离且旋转力通过电力旋转装置200被施加的情况下，至电磁离合器300的电力的供应被切断，同时电力被供应至电力旋转装置200以在相对滑轮转动的方向旋转转子220，且由此压缩机装置100作为压缩机被运转。

在此运转中，因为轴331(行星齿轮架402)由于单向离合器500而不被旋转，电力旋转装置200的旋转力通过由此降低转动速度的传动装置400被传送至压缩机装置100(也请参照图3中“通过电力旋转装置的压缩”)。

从高压端口100排出的制冷剂在制冷循环中循环，其包括加热装置30、开—关阀34、热辐射装置(冷凝器)11、气—液分离器(接收器)12、膨胀阀(减压装置)13、蒸发器14、止回阀14a和压缩机装置100的低压端口111，其中通过在蒸发器14的热吸收的冷却运转(或通过在热辐射装置11的热辐射的加热运转)将被执行。因为发动机冷却水不流过加热装置30，制冷剂在加热装置30不被加热，在此运转模式中其仅作为制冷剂通道的部分运转。

2、发动机模式运转

在发动机模式运转中，通过加热装置30被过热的高压和制冷剂的过热蒸汽被引导入膨胀压缩机装置100，且制冷剂在工作室V内被膨胀，所以旋转力通过在相对其用于泵模式运转的不同转动方向上以轨道运动旋转可移动涡管103产生。在此运转中，膨胀压缩机100也被称为膨胀装置100。

在膨胀装置100产生的旋转力被用于旋转转子220，以在电力旋转装置200产生电力，且产生的电力将被充入电池。

电力旋转装置200也被称为能量再生装置，用于将在膨胀装置100产生的动能转换成电力。

即，开—关阀34被关闭且液泵32被运转，发动机冷却水通过转换阀21被循环进入加热装置30。此外，作为打开电磁阀107e的结果，入口106通过卷轴107d被打开，所以通过加热装置30被加热且供应入高压室104的高压过热制冷剂通过入口106被引导入工作室V以在其内膨胀制冷剂。

可移动涡管103通过过热蒸汽的膨胀将在与其泵模式运转相反的方向被旋转。给予可移动涡管103的转动能量通过由此具有提高的转动速度的传动装置400传送至电力旋转装置200的转子220。膨胀后压力被降低的制冷剂气体通过低压端口111流出至热辐射装置11。

在上述运转中，因为轴331(行星齿轮架402)由于单向离合器500而不被旋转，可移动涡管103的旋转力通过具有提高的转动速度的传动装置400传送至电力旋转装置200(也请参照图3中“通过膨胀产生的能量”)。

自低压端口111流出的制冷剂在兰金循环中循环，其包括第二旁路通道33、止回阀33a、热辐射装置11、气—液分离器12、止回阀31a、第一旁路通道31、液泵32、加热装置30和膨胀装置100的高压端口110。液泵32以这样的压力推动液相制冷剂进入加热装置30，即在加热装置30加热的过热制冷剂在此压力下不能回流至气液分离器12。

在上述膨胀和压缩机装置100中，膨胀装置和压缩机装置通常在在具有兰金循环的制冷循环中被形成并被使用，兰金循环运转中的制冷剂的压力比其在制冷循环运转中的高，如图4所示。

在具有相同制冷剂的循环量的两个循环都运转的情况下(用于泵模式和发动机模式)，用于发动机模式运转的体积流速通过运转压差异比其用于泵模式运转的小(即，制冷剂密度变高)，由此在发动机模式运转中膨胀压缩机装置100的转动速度变低。结果，泄漏速度将变得高于膨胀速度。即使泄漏空间相同，泄漏的影响将变高。因此，最佳效率将很难达到。

但是，根据本发明，自发动机20传送至电磁离合器300的旋转力通过传动装置400使转动速度被提高，并被传送至膨胀和压缩机装置100。因此，压缩的制冷剂的必需的排出量通过提高的转动速度将被获得，且膨胀和压缩机装置100的每转排出量由此可以被设定至更小的量。

即使当制冷剂的体积流速在发动机模式运转中被提高时，响应于制冷剂降低的体积流速，流体机械10(膨胀和压缩机装置100)可以以最佳方式运转(即，膨胀装置速容量被制得更小以在最佳条件下运转)。转动速度的降低可以避免，由此每转泄漏的影响可以被降低(通过使膨胀速度高于制冷剂的泄漏速度)以最终提高流体机械10的运转效率。

流体机械10(膨胀和压缩机装置100)通过在更高的转动速度旋转压缩机装置100，可以满足用于泵模式运转的制冷容量，并同时提高用于发动机模式运转的运转效率。

因为通过发动机模式运转得到的动能在电力旋转装置200被用于产生电力，且产生的电力被充入电池，自发动机20的废热可以被有效地利用。

因为膨胀和压缩机装置100、传动装置400和电力旋转装置200被安装在相同的轴上，且这些部件被整体地容纳在壳102，230和固定涡管102内，流体机械10可以被制成小尺寸结构。

其它实施例

行星齿轮系的传动装置400可以被任何种类的其它传动装置替换，如CVT(连续变速传动)，或没有使用皮带的环型传动装置及类似物。

涡管型的膨胀和压缩机装置100也可以被任何其它类型的膨胀和压缩机装置替换，如回转式、活塞式和叶片式等。

尽管在上述实施例中，自发动机收集的废热能通过膨胀和压缩机装置100被转换成电力并被充入电池，收集的废热可以被转换成机械能，例如，通过调速轮变为动能，或通过弹簧变为弹性势能。

所述流体机械不限与用于机动车辆。

Claims

1.一种流体机械，包括：

膨胀和压缩机装置(100)，具有：泵模式运转，其中膨胀和压缩机装置通过来自驱动源(20)的驱动力被旋转以压缩工作流体；和发动机模式运转，其中工作流体的液压被转换成运动能量以输出动能；及

传动装置(400)，当膨胀和压缩机装置(100)在泵模式运转中运转时，以提高的转动速度从驱动源(20)至膨胀和压缩机装置(100)传送驱动力。

2.根据权利要求1所述的流体机械，其中

驱动源(20)是设置在流体机械外部的驱动源。

3.根据权利要求1所述的流体机械，还包括：

能量再生装置(200)，用于将所述动能再生为预定形式的能量。

4.根据权利要求3所述的流体机械，其中

所述能量再生装置(200)是电力旋转机械，用于将动能转换成电能。

5.根据权利要求3所述的流体机械，其中

所述膨胀和压缩机装置(100)、传动装置(400)和能量再生装置(200)在壳内(101、102、230)整体地形成。

6.根据权利要求3所述的流体机械，其中

所述膨胀和压缩机装置(100)、传动装置(400)和能量再生装置(200)都相互同轴地设置。

7.根据权利要求1所述的流体机械，其中

所述膨胀和压缩机装置(100)具有工作室，且当工作流体被压缩时，作为压缩装置运转，及

当所述膨胀和压缩机装置(100)在发动机模式运转中运转时，所述膨胀和压缩机装置(100)作为膨胀装置运转以膨胀在上述工作室内的工作流体，以将液压转换成运动能量。