廢熱回收機構和廢熱回收設備的製作方法

2023-09-22 19:11:05

專利名稱：廢熱回收機構和廢熱回收設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種廢熱回收機構和廢熱回收設備，其包括聯接至燃燒式發動機的交流發電機以及向交流發電機施加旋轉驅動力的膨脹器。
背景技術：
例如在日本專利公報特開No. 2004-340139中公開了這種廢熱回收機構(流體機械)(參照該公報的圖10)。該公報中公開的廢熱回收機構包括經由帶聯接至發動機的帶輪、蘭金循環中的膨脹器和交流發電機。帶輪、膨脹器和交流發電機具有共用旋轉軸。在此構型中，發動機的旋轉驅動力經由帶輪和共用旋轉軸傳送至交流發電機。此外，膨脹器將熱能轉換為旋轉驅動力，該旋轉驅動力進而在內部被傳送至交流發電機。因此，交流發電機產生電。
然而，由於帶輪、膨脹器和交流發電機聯接至上述廢熱回收機構中的共用旋轉軸，故而當膨脹器被鎖定時，該交流發電機不能由發動機的旋轉驅動力操作。在此情況下，交流發電機不能產生電。

發明內容
因此，本發明的目的是提供一種廢熱回收機構和廢熱回收設備，即使當連接至燃燒式發動機從而輸出旋轉驅動力的膨脹器被鎖定時，所述廢熱回收機構和廢熱回收設備也能夠產生電。為了實現上述目的，並且根據本發明的一方面，提供了一種包括交流發電機和膨脹器的廢熱回收機構。交流發電機具有旋轉軸，該旋轉軸聯接至燃燒式發動機並且由該燃燒式發動機驅動以旋轉。膨脹器具有輸出軸，該輸出軸聯接至交流發電機的旋轉軸。該輸出軸向旋轉軸施加旋轉驅動力，由此輔助旋轉軸的旋轉。交流發電機的旋轉軸與膨脹器的輸出軸之間設有扭矩限制器。由結合以示例方式示出本發明原理的附圖進行的下文描述，本發明的其它方面和優點將變得顯而易見。


參照目前優選實施方式的如下描述以及附圖，可以使本發明及其目的和優點得到最佳理解，圖中圖I是示出了根據本發明第一實施方式的廢熱回收機構的截面圖；圖2是示出了根據第一實施方式的廢熱回收設備的示意圖；圖3是示出了根據本發明第二實施方式的廢熱回收機構的截面圖；圖4是示出了根據第二實施方式的廢熱回收設備的示意圖；以及圖5是示出了根據本發明第三實施方式的廢熱回收機構的截面圖。
具體實施例方式〈第一實施方式〉現在將參照圖I和圖2描述本發明的第一實施方式。如圖2中示出的，廢熱回收設備11包括發動機12 (燃燒式發動機)和蘭金循環迴路13，發動機12安裝在車輛上，蘭金循環迴路13包括廢熱回收機構34。在蘭金循環迴路13中，製冷劑由作為廢熱源的發動機12加熱並循環。如圖I中示出的，廢熱回收機構34的殼體35包括中央殼體構件36、前殼體構件37和後殼體構件38，前殼體構件37被緊固至中央殼體構件36的前端(如圖I中觀察的左端)，後殼體構件38被緊固至中央殼體構件36的後端(如圖I中觀察的右端)。中央殼體構件36的前端(如圖I中觀察的左端)中形成有分隔部361，而前殼體構件37的前端(如圖I中觀察的左端)處形成有前端壁371。分隔部361和前端壁371經由 軸承51、52旋轉地支承旋轉軸40。旋轉軸40在對應於前殼體構件37的中央的位置處固定有轉子41。前殼體構件37的內周表面的中央固定有具有線圈421的定子42以環繞轉子41。旋轉軸40、定子42和轉子41形成交流發電機43 (發電機)。旋轉軸40是交流發電機43的轉子軸，並且旋轉軸40的後端(如圖I中觀察的右端)處形成有圓筒部44。在交流發電機43中，當轉子41旋轉時在定子42的線圈421中產生電。交流發電機43電連接有電池45。由交流發電機43產生的電存儲在電池45中。旋轉軸40延伸穿過前殼體構件37的前端壁371，並且從前殼體構件37向外伸出。旋轉軸40的伸出部固定有帶輪56。另一方面，帶輪69 (見圖2)被固定至曲軸68 (見圖2)，該曲軸68是發動機12的輸出軸。帶57圍繞帶輪56和帶輪69形成路徑。中央殼體構件36中固定有支承塊63。支承塊63經由軸承71旋轉地支承輸出軸70。輸出軸70延伸穿過分隔部361，並且輸出軸70的前端(如圖I中觀察的左端)處的端面701面對旋轉軸40的圓筒部44的端面441。從輸出軸70的端面701突出有小直徑端59，並且該小直徑端59容納在圓筒部44的筒內空間440中。圓筒部44的內周表面442和小直徑端59的外周表面591之間設有扭矩限制器58。輸出軸70經由扭矩限制器58同軸地聯接至旋轉軸40。當輸出軸70不能旋轉時，扭矩限制器58允許旋轉軸40相對於輸出軸70旋轉。支承塊63和後殼體構件38之間設有渦旋式膨脹器72。現在將描述膨脹器72的結構。輸出軸70的後端上設置有偏心軸73。輸出軸70旋轉時，偏心軸73繞輸出軸70的旋轉軸線公轉。偏心軸73經由襯套75和軸承76旋轉地支承繞動渦旋件74。繞動渦旋件74包括繞動端板741和繞動螺旋形壁742，繞動端板741由軸承76支承，繞動螺旋形壁742從繞動端板741突出。定渦旋件77被固定在中央殼體構件36的後端的內部，以面對繞動渦旋件74。定渦旋件77具有定端板771和定螺旋形壁772，並且定螺旋形壁772從定端板771朝向支承塊63伸出。繞動渦旋件74的繞動螺旋形壁742和定渦旋件77的定螺旋形壁772相互嚙合，以限定容積可變的膨脹室78。定端板771和後殼體構件38之間限定有供給室79。定端板771的中央中形成有供給口 773，該供給口 773與供給室79連通。後殼體構件38中形成有引入口 381。中央殼體構件36和支承塊63之間形成有排出室80。膨脹室78中的製冷劑被排出至排出室80。中央殼體構件36的周壁中形成有排出口 362，該排出口 362與排出室80連通。現在將描述廢熱回收設備11中的蘭金循環迴路13。如圖2中示出的，蘭金循環迴路13包括膨脹器72、冷凝器29、泵61、第一燒熱器20和第二燒熱器21，膨脹器72構成廢熱回收機構34。第一燒熱器20包括吸熱器202和散熱器201。散熱器201布置在連接至發動機12的冷卻劑循環路徑23上。冷卻劑循環路徑23中設置有發動機放熱器24。在冷卻車輛發動機12之後，冷卻劑經過冷卻劑循環路徑23循環，並且在散熱器201和發動機放熱器24處放熱。第二燒熱器21包括吸熱器212和散熱器211。第二燒熱器21的吸熱器212經由連接通道25連接至第一燒熱器20的吸熱器202的傳送側。散熱器211布置在連接至發動 機12的排氣通道26中。來自發動機12的廢氣在經過消聲器27被排出之前在散熱器211處放熱。從泵61傳送的處於加壓狀態的製冷劑流過第一燒熱器20的吸熱器202，以便由發動機12的流經散熱器201的冷卻劑加熱。此後，製冷劑流經第二燒熱器21的吸熱器212，以便由發動機12的流經散熱器211的廢氣進一步加熱。即，從泵61以加壓狀態傳送的製冷劑通過在第一燒熱器20和第二燒熱器21處發生的熱交換、由發動機12的廢熱加熱。膨脹器72的引入口 381經由供給通道28連接至第二燒熱器21的吸熱器212的傳送口。已經在第一燒熱器20和第二燒熱器21處加熱的高溫高壓製冷劑經由供給通道28引入到膨脹器72中。冷凝器29經由排出通道30連接至靠近膨脹器72的排出口 362。已經在膨脹器72處膨脹的低壓製冷劑經由排出通道30排出至冷凝器29。泵61經由第二通道31連接至冷凝器29的下遊側。第一燒熱器20經由第一通道22連接泵61的下遊側。第二通道31、第一通道22、連接通道25、供給通道28和排出通道30構成蘭金循環迴路13的製冷劑循環通道。泵61促使製冷劑依次循環經過第一通道22、第一燒熱器20、第二燒熱器21、膨脹器72、冷凝器29和第二通道31。現在將描述第一實施方式的操作。在由泵61送至第一通道22之後，製冷劑經由第一燒熱器20的吸熱器202、連接通道25、和第二燒熱器21的吸熱器212傳送至供給通道28。流過第一燒熱器20的吸熱器202和第二燒熱器21的吸熱器212的製冷劑由來自發動機12的廢熱加熱。已經在燒熱器20、21處加熱的高壓製冷劑經由引入口 381和膨脹器72的供給室79引入到膨脹室78中隨後膨脹。通過製冷劑的膨脹，膨脹器72輸出機械能(旋轉力)，該機械能(旋轉力)進而輔助輸出軸70和旋轉軸40的旋轉。通過膨脹減低壓力的製冷劑被排出至排出通道30。排出至排出通道30的製冷劑經由冷凝器29返回泵61。當膨脹器72被鎖定時，即，當輸出軸70不能旋轉時，位於輸出軸70和交流發電機43的旋轉軸40之間的扭矩限制器58允許旋轉軸40旋轉。因此，交流發電機43由來自發動機12的旋轉驅動力操作並產生電。第一實施方式提供了如下優點如果膨脹器72被鎖定，則扭矩限制器58允許旋轉軸40旋轉。因此，即使膨脹器72被鎖定，交流發電機43也可靠地操作以產生電。現在將參照圖3至圖4描述第二實施方式。對於與第一實施方式的相應部件相同的那些部件給予相同的附圖標記，並省略詳細說明。如圖3中示出的，中央殼體構件36中固定有側板62以使該側板62面對分隔部361。分隔部361和側板62之間形成有泵室64，並且該泵室64中設有齒輪泵67。輸出軸70延伸穿過分隔部361和側板62。齒輪泵67包括驅動齒輪65和從動齒輪66，驅動齒輪65固定至輸出軸70，從動齒輪66與驅動齒輪65嚙合。泵室64的吸入側(如圖3中觀察的下側)連接有吸入通道46，而泵室64的傳送側(如圖3中觀察的上側)連接有傳送通道47。吸入通道46構成第二通道31的一部分，並且傳送通道47構成第一通道22的一部分。泵室64、傳送通道47和吸入通道46通過在分隔部361的端面中制出凹部而形成。 傳送通道47連接有分支通道48，並且在該分支通道48的端部處形成有限制部49。限制部49向前殼體構件37的內部空間K敞開。該內部空間K是殼體35中用於容置交流發電機43的區域。流出通道50形成為延伸穿過中央殼體構件36的分隔部361和側板62。內部空間K通過該流出通道50與排出室80連通。從齒輪泵47的泵室64排出的製冷劑中的一些在流過第一通道22、第一燒熱器20、第二燒熱器21、膨脹器72和冷凝器29之後返回齒輪泵67。從泵室64排出的製冷劑的其餘部分經由分支通道48和限制部49流入內部空間K。已經流過冷凝器29的製冷劑被冷卻以液化，並且從齒輪泵67排出。由於從齒輪泵67排出的製冷劑的溫度低，故而當製冷劑流入內部空間K時冷卻交流發電機43。交流發電機43的冷卻有助於改進發電效率。已經冷卻交流發電機43的製冷劑經由流出通道50流入排出室80。排出至排出室80的製冷劑經過排出通道30和冷凝器29返回齒輪泵67。此外，在本實施方式中，當齒輪泵67被鎖定時，即，當輸出軸70不能旋轉時，扭矩限制器58允許旋轉軸40旋轉。因此，即使齒輪泵67被鎖定時，交流發電機43也由來自發電機12的旋轉驅動力操作並以可靠地方式產生電。現在將參照圖5描述第三實施方式。對於與第二實施方式的相應部件相同的那些部件給予相同的附圖標記，並省略詳細說明。在圓筒部44的筒內空間440的底部中凹入有插入空間443。插入空間443容納輸出軸70的小直徑端59。小直徑端59的遠端的外周表面與插入空間443的內周表面之間設有作為輔助軸承的平面軸承60。平面軸承60比扭矩限制器58更靠近輸出軸70的遠端。膨脹器72中氣態製冷劑的沿徑向方向的氣體壓力經由軸承76傳輸至輸出軸70。軸承76的位置X是施加沿徑向方向的氣體壓力的力的點。假設平面軸承60的位置Y用作支點，則作為輸出軸70的主軸承的軸承71的位置Z用作作用點。當分別以LI、L2、Fx和Fz表示位置X和位置Z之間沿輸出軸70的軸向方向的距離、位置Z和位置Y之間沿輸出軸70的軸向方向的距離、在位置X處作用在軸承76上的載荷、和在位置Z處作用在軸承71上的力時，滿足如下表達式(I)。FzXL2=FxX (L1+L2)…(I)該表達式(I)能夠改寫如下Fz=FxX (L1+L2) /L2=FxX (L1/L2+1)…(2)
在表達式(2)中，假設載荷Fx和距離LI恆定，則隨著距離L2增大，力Fz減小。換言之，平面軸承60與軸承76越分離，作用在軸承71上的力Fz變得越小。作用在軸承71上的力Fz的減小有助於軸承71的壽命延長和尺寸減小中的至少一個。因此，將平面軸承60設在相對於扭矩限制器58與軸承71相反的一側的構型是優選的。本發明可以修改如下。旋轉軸40可以是中空軸。圓筒部可以形成在輸出軸70的端部中，而小直徑端可以形成在旋轉軸40的端面上。在此情況下，小直徑端容納在圓筒部中，並且扭矩限制器位於圓筒部的內周表面與小直徑端的外周表面之間。在第三實施方式中，平面軸承可以由滾針軸承替代。本發明可以應用於不在車輛中使用的廢熱回收設備。
可以將葉片式膨脹器用作膨脹器。
權利要求
1.一種廢熱回收機構(34)，包括 交流發電機(43 )，所述交流發電機(43 )具有旋轉軸(40 )，所述旋轉軸(40 )聯接至燃燒式發動機(12)並且由所述燃燒式發動機(12)驅動以旋轉；以及 膨脹器(72 )，所述膨脹器(72 )具有輸出軸(70 )，所述輸出軸(70 )聯接至所述交流發電機(43)的所述旋轉軸(40)，其中，所述輸出軸(70)向所述旋轉軸(40)施加旋轉驅動力，由此輔助所述旋轉軸(40)的旋轉， 所述廢熱回收機構(34)的特徵在於 在所述交流發電機(43)的所述旋轉軸(40)與所述膨脹器(72)的所述輸出軸(70)之間設有扭矩限制器(58)。
2.如權利要求I所述的廢熱回收機構(34)，其特徵在於，當所述膨脹器(72)的所述輸出軸(70 )不能旋轉時，所述扭矩限制器(58 )允許所述交流發電機(43 )的所述旋轉軸(40 )相對於所述輸出軸(70)旋轉。
3.如權利要求I所述的廢熱回收機構(34)，其特徵在於，還包括泵(67)，所述泵(67)用於在壓力下傳送由所述膨脹器(72)排出的製冷劑，其中，所述泵(67)聯接至所述膨脹器(72)的所述輸出軸(70)以被驅動和旋轉。
4.如權利要求I所述的廢熱回收機構(34)，其特徵在於 在所述交流發電機(43)的所述旋轉軸(40)的端部處形成有圓筒部(44)， 所述膨脹器(72)的所述輸出軸(70)的端部插入到所述圓筒部(44)中，以及所述扭矩限制器(58)位於所述圓筒部(44)的內周表面(442)與所述輸出軸(70)的所述端部的外周表面(591)之間。
5.如權利要求I所述的廢熱回收機構(34)，其特徵在於 在所述膨脹器(72)的所述輸出軸(70)的端部處形成有圓筒部， 所述交流發電機(43)的所述旋轉軸(40)的端部插入到所述圓筒部(44)中，以及所述扭矩限制器(58)位於所述圓筒部的內周表面與所述旋轉軸(40)的所述端部的外周表面之間。
6.如權利要求4或5所述的廢熱回收機構(34)，其特徵在於 所述膨脹器(72)的所述輸出軸(70)由主軸承(71)和輔助軸承(60)旋轉地支承，以及所述輔助軸承(60)位於所述輸出軸(70)的所述端部的所述外周表面或所述旋轉軸(40)的所述端部的所述外周表面與所述圓筒部的所述內周表面之間，並且相對於所述扭矩限制器(58)位於與所述主軸承(71)相反的一側。
7.一種廢熱回收設備(11)，其特徵在於，所述廢熱回收設備(11)包括燃燒式發動機(12)以及蘭金循環迴路(13)，所述燃燒式發動機(12)是廢熱源，所述蘭金循環迴路(13)包括如權利要求I所述的廢熱回收機構(34)。
全文摘要
一種廢熱回收機構和廢熱回收設備，即使當聯接至燃燒式發動機從而輸出旋轉驅動力的膨脹器被鎖定時，所述廢熱回收機構和廢熱回收設備也產生電。該廢熱回收機構包括交流發電機以及膨脹器，交流發電機具有聯接至燃燒式發動機並且由該燃燒式發動機驅動以旋轉的旋轉軸，膨脹器具有聯接至交流發電機的旋轉軸的輸出軸。輸出軸向旋轉軸施加旋轉驅動力，由此輔助旋轉軸的旋轉。交流發電機的旋轉軸與膨脹器的輸出軸之間設有扭矩限制器。
文檔編號F02G5/00GK102811010SQ20121016969
公開日2012年12月5日 申請日期2012年5月28日 優先權日2011年5月30日
發明者森英文, 井口雅夫, 榎島史修 申請人:株式會社豐田自動織機