本申请要求2017年5月11日提交的韩国专利申请第10-2017-0058406号的优先权，该申请的全部内容结合于此用于通过该引用的所有目的。
本发明涉及用于回收废热的膨胀装置和包括该膨胀装置的废热回收系统。更具体地，本发明涉及用于回收废热的膨胀装置，所述膨胀装置配置成用于稳定地产生电能和/或机械能而不论从废热回收系统的锅炉供应的工作流体的流速，本发明还涉及包括该膨胀装置的废热回收系统。
背景技术
内燃机已经广泛地使用于车辆、船只、小型发电机等，且人们不断地做出许多尝试以增加内燃机的效率。内燃机排放大量的热(如废热)，且已经开发了废热回收系统从而回收废热作为能量并增加内燃机的整体效率。
这些废热回收系统配置成从内燃机回收废热作为能量，将回收的能量转化为电能或机械能，并将转化的电能或机械能供应至车辆的内燃机、附件等。
废热回收系统具有兰金循环以从内燃机有效地回收废热。兰金循环包括工作流体循环通过的循环路径，并沿着兰金循环的循环路径具有锅炉(蒸发器)、膨胀器、冷凝器和泵。锅炉(蒸发器)通过使用来自内燃机的废热(排放气体中的热和/或egr气体中的热)加热并蒸发工作流体。膨胀器膨胀从锅炉供应的高温高压工作流体。冷凝器冷凝从膨胀器排放的工作流体。泵设置在循环路径中以循环工作流体。
膨胀器包括壳体和在壳体内可旋转的膨胀器轮，膨胀器轮通过从锅炉供应的高温高压工作流体而旋转。当膨胀器轮通过高温高压工作流体旋转时，产生旋转能量，然后传递至电动发动机或内燃机的曲轴以产生电能或机械能。
然而，从锅炉供应至膨胀器的工作流体的流速可能取决于内燃机的运行条件而变化，因此膨胀器可能没有规律地产生旋转能量。
此外，因为常规膨胀器具有膨胀器轮的rpm增加的结构，所以产生旋转能量的效率可能不被显著地改进。
公开于该发明背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
技术实现要素：
本发明的各个方面旨在提供用于回收废热的膨胀装置和包括该膨胀装置的废热回收系统，所述膨胀装置配置成通过将产生旋转能量保持均一效率而稳定地产生电能和/或机械能而不论从锅炉供应的工作流体的流速，其中所述流速取决于内燃机的运行条件而变化。
本发明所要解决的技术问题不限于上述技术问题，本发明所属领域的技术人员从如下说明书中将清楚地理解本文中未提及的任何其他技术问题。
根据本发明的各个方面，设置在废热回收系统的锅炉和冷凝器之间的用于回收废热的膨胀装置可以包括分配阀和两个或更多个涡轮，所述分配阀将从锅炉供应的工作流体分配至所述两个或更多个涡轮。所述两个或更多个涡轮可以包括动力涡轮和一个或多个辅助涡轮。动力涡轮可以配置成比所述一个或多个辅助涡轮接收更大量的工作流体。
动力涡轮可以配置成接收第一流速的工作流体以产生机械能。一个或多个辅助涡轮可以配置成接收第二流速的工作流体以产生机械能。第一流速的工作流体的量可以大于第二流速的工作流体的量。
动力涡轮和一个或多个辅助涡轮可以通过离合器可去除地连接。
动力涡轮可以通过第一轴联接至电动发电机，电池可以连接至电动发电机。
动力涡轮和一个或多个辅助涡轮可以在单一壳体中相互结合。
分配阀可以配置成基于工作流体的流速将工作流体分配至动力涡轮和一个或多个辅助涡轮，所述工作流体的流速取决于内燃机的运行条件而变化。
第一分配管线和第二分配管线可以连接至分配阀。第一分配管线可以连接至动力涡轮的入口。第二分配管线可以连接至一个或多个辅助涡轮。旁通管线可以连接在第二分配管线和第一分配管线之间。
一个或多个辅助涡轮可以包括连续连接至第二轴的第一辅助涡轮和第二辅助涡轮。
第一和第二辅助涡轮可以具有不同的容量。
冷凝器可以连接至动力涡轮的出口，第二分配管线可以连接至第一辅助涡轮的入口。连接管线连接在第一辅助涡轮的出口和第二辅助涡轮的入口之间。排放管线可以连接至第二辅助涡轮的出口，排放管线可以接合第一分配管线。
流速计可以设置在第一分配管线和第二分配管线的至少一个中，分配阀的操作可以基于由流速计检测的工作流体的流速变化而受控。
根据本发明的示例性实施方案的用于回收废热的膨胀装置可以进一步包括热交换器，所述热交换器将热传递至从第一辅助涡轮的出口通过连接管线供应至第二辅助涡轮的入口的工作流体。
根据本发明的各个方面，废热回收系统可以包括锅炉、膨胀装置和冷凝器，所述锅炉加热并蒸发工作流体，所述膨胀装置膨胀从锅炉供应的工作流体以产生机械能，所述冷凝器冷凝从膨胀装置排放的工作流体。膨胀装置可以包括分配阀和两个或更多个涡轮，所述分配阀将从锅炉供应的工作流体分配至所述两个或更多个涡轮。所述两个或更多个涡轮可以包括动力涡轮和一个或多个辅助涡轮。动力涡轮可以配置成比所述一个或多个辅助涡轮接收更大量的工作流体。
电动发电机可以通过第一轴连接至动力涡轮。第二轴可以连接至一个或多个辅助涡轮。离合器可以位于第一轴和第二轴之间。
废热回收系统可以进一步包括连接至第一轴和第二轴的至少一个的外部轴。
动力传输机构可以连接至外部轴。
一个或多个辅助涡轮可以具有形成在入口室的内部表面上的导向槽，工作流体被引入所述入口室。
如上所述，根据示例性实施方案的用于回收废热的膨胀装置和包括该膨胀装置的废热回收系统配置成通过将产生旋转能量保持均一效率而稳定地产生电能和/或机械能而不论从锅炉供应的工作流体的流速，所述流速取决于内燃机的运行条件而变化。
本发明的方法和装置具有其它特征和优点，这些特征和优点将在纳入本文的附图以及随后与附图一起用于解释本发明的某些原理的具体实施方式中显现或更详细地阐明。
附图说明
图1显示根据本发明的示例性实施方案的废热回收系统；
图2为根据本发明的示例性实施方案的用于回收废热的膨胀装置的框图；
图3为根据本发明的另一示例性实施方案的用于回收废热的膨胀装置的框图；以及
图4显示根据本发明的示例性实施方案的用于回收废热的膨胀装置的辅助涡轮。
应了解，附图并不必须按比例绘制，其示出了某种程度上经过简化了的本发明的基本原理的各个特征。在此所公开的本发明的特定的设计特征，包括例如特定的尺寸、定向、位置和形状，将部分地由特定目的的应用和使用环境加以确定。
在这些图形中，附图标记在贯穿附图的多幅图形中指代本发明的同样的或等同的部件。
具体实施方式
现在将详细提及本发明的各个实施方案，这些示例性实施方案的示例显示在附图中并描述如下。尽管本发明将与示例性实施方案结合加以描述，但是应当理解，本说明书并非旨在将本发明限制为那些示例性实施方案。相反，本发明旨在不但覆盖这些示例性实施方案，而且覆盖可以被包括在由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围之内的各种选择形式、修改形式、等价形式及其它实施方案。
包括“第一”、“第二”、“a”、“b”、“(a)”、“(b)”等的术语可以在本文中使用以描述本发明的元件。这样的术语仅用于使一个元件区分于另一个元件，这些元件的物质、序列、顺序或数量不受这些术语限制。除非另外限定，在本文中使用包括科技术语的全部术语具有与本发明所属领域的技术人员所理解的相同的含义。如常用字典中所限定，这样的术语被阐释为具有等于相关技术领域中上下文含义的含义，而不阐释为具有理想的或过度正式的含义，除非在本申请中清楚地限定为具有理想的或过度正式的含义。
参考图1，根据本发明的示例性实施方案的废热回收系统可以包括配置成从内燃机回收废热的兰金循环10。
兰金循环10可以包括工作流体循环通过的循环路径11，沿着循环轮径11可以包括锅炉12、膨胀装置20、冷凝器13和循环泵15。锅炉12可以通过使用来自内燃机的废热(排放气体中的热和/或egr气体中的热)加热并蒸发工作流体。膨胀装置20可以膨胀从锅炉12供应的工作流体以产生旋转能量。冷凝器13可以冷凝从膨胀装置20排放的工作流体。循环泵15可以位于循环路径11中以循环工作流体。
储槽14可以设置在冷凝器13和锅炉12之间，被冷凝器13冷凝的工作流体可以储存在储槽14中。
循环泵15可以位于储槽14和锅炉12之间以使储存在储槽14内的工作流体循环。
膨胀装置20可以包括分配阀27以及两个或更多个涡轮21、22、23，分配阀27将从锅炉12供应的工作流体分配至所述两个或更多个涡轮21、22、23。
两个或更多个涡轮21、22、23可以包括动力涡轮21和一个或多个辅助涡轮22和23，动力涡轮21可以接收比一个或多个辅助涡轮22和23更大量的工作流体以产生更高的机械能。
动力涡轮21可以配置成接收第一流速的工作流体以产生机械能(旋转能量)，一个或多个涡轮22和23可以配置成接收第二流速的工作流体以产生机械能(旋转能量)。第一流速的工作流体的量可以大于第二流速的工作流体的量。第一流速可以指从内燃机回收大量的废热时相对大量的工作流体流动的高流速，第二流速可以指从内燃机回收少量的废热时相对少量的工作流体流动的低流速。
动力涡轮21可以配置成将工作流体的膨胀(压降)转化为机械能。动力涡轮21可以配置成将工作流体吸收的热能转化为旋转能量。因此，动力涡轮21是膨胀器，其配置用于通过旋转包括轴的物体将高温高压流体转化为机械能，从而将增压的流体转化为旋转能量。动力涡轮21可以具有涡轮叶轮和连接至涡轮叶轮的第一轴31。
动力涡轮21可以包括或可以是涡轮、增压器、膨胀器，或者接收和膨胀从锅炉12排放的工作流体的其他设备。动力涡轮21可以具有轴向涡轮叶轮或径向涡轮叶轮，并可以是单级设备或多级设备。可以用于动力涡轮21中的示例性的涡轮可以包括膨胀器、盘配流马达(geroler)、内齿轮轴承(gerotor)、阀、其他正位移型设备(如压变)、涡轮、增压器或配置成用于将工作流体的压力或压降/焓降转化成机械能的任何其他设备。各种类型的膨胀器可以运行在本发明的系统中，并可以实现不同的性能特性，通过这些性能特性膨胀器可以用作动力涡轮21。
动力涡轮21可以通过第一轴31联接至电动发电机25。齿轮箱可以位于动力涡轮21和电动发电机25之间。齿轮箱可以与第一轴31相邻，或可以围绕第一轴31。
第一轴31可以为单一组件，或可以包括联接在一起的两个或更多个的组件。根据本发明的各个方面，第一轴31的第一段可以从动力涡轮21延伸至齿轮箱，第一轴31的第二段可以从齿轮箱延伸至电动发电机25。多个齿轮可以设置在第一轴31的第一段和第二段之间，并可以联接至齿轮箱内的第一轴31。在某些构造中，第一轴31可以包括密封组件，其配置成防止或捕捉来自动力涡轮21的任何工作流体的泄漏。
第一轴31可以从电动发电机25向外延伸，如图2中所示。
电动发电机25可以包括产生电能的发电机和通过电能驱动的电动机。发电机和电动机可以机械地联接在一起，电池26可以电力连接至电动发电机25。
一个或多个辅助涡轮22和23可以通过离合器24可释放地连接至动力涡轮21。
一个或多个辅助涡轮22和23可以配置成将工作流体的膨胀(压降)转化为机械能。一个或多个辅助涡轮22和23可以配置成将工作流体吸收的热能转化为旋转能量。因此，一个或多个辅助涡轮22和23是膨胀器，其配置用于通过旋转包括轴的物体将高温高压流体转化为机械能，从而将增压的流体转化为旋转能量。一个或多个辅助涡轮22和23可以具有涡轮叶轮和连接至涡轮叶轮的第二轴32。
一个或多个辅助涡轮22和23可以包括或可以是涡轮、增压器、膨胀器或者接收和膨胀从锅炉12排放的工作流体的其他设备。辅助涡轮22和23可以具有轴向涡轮叶轮或径向涡轮叶轮，并可以是单级设备或多级设备。可以用于辅助涡轮22和23中的示例性的涡轮可以包括膨胀器、盘配流马达、内齿轮轴承、阀、其他正位移型设备(如压变)、涡轮、增压器或配置成用于将工作流体的压力或压降/焓降转化成机械能的任何其他设备。
一个或多个辅助涡轮22和23可以具有比动力涡轮21更小的容量从而通过接收第二流速的工作流体稳定地产生机械能(旋转能量)。例如，一个或多个辅助涡轮22和23的涡轮叶轮可以具有比动力涡轮21更小的尺寸，因此一个或多个辅助涡轮22和23可以接收第二流速的工作流体(低流速)以产生旋转能量。
根据本发明的各个方面，膨胀装置20可以包括相互远离的第一辅助涡轮22和第二辅助涡轮23，第一辅助涡轮22和第二辅助涡轮23可以连续地连接至第二轴32。
第一辅助涡轮22和第二辅助涡轮23可以具有不同的容量，根据本发明各个方面，第二辅助涡轮23可以具有比第一辅助涡轮22更大的容量。
因为一个或多个辅助涡轮22和23包括第一辅助涡轮22和第二辅助涡轮23，如上所述，产生机械能(旋转能量)的效率即使在工作流体以第二流速(低流速)供应时仍可以保持在均一水平。
根据本发明的各个方面，第一轴31的轴线可以与第二轴32的轴线对齐，离合器24可以设置在第一轴31和第二轴32之间。离合器24可以选择性地啮合或分开，因此第一轴31和第二轴32可以选择性地连接在一起或相互分离。
根据本发明的各个方面，当工作流体以第二流速(低流速)从锅炉12供应至一个或多个辅助涡轮22和23时，离合器24可以啮合从而将辅助涡轮22和23产生的机械能(旋转能量)传递至电动发电机25。因此，即使在工作流体以第二流速(低流速)供应至膨胀装置20时也可以稳定地获得电能。
根据另一示例性实施方案，当工作流体以第一流速(高流速)从锅炉12供应至动力涡轮21时，离合器24可以分开从而将动力涡轮21产生的机械能(旋转能量)传递至电动发电机25。因此，可以增强产生电能的效率。
根据本发明的示例性实施方案的膨胀装置20的动力涡轮21、一个或多个辅助涡轮22和23、以及第一轴31和第二轴32可以在单一壳体29内相互结合。这可以促进废热回收系统使其紧凑，在将废热回收系统安装在车辆的发动机室中时改进废热回收系统的组装效率。
分配阀27可以设置在锅炉12的下游。分配阀27可以设置在锅炉12和膨胀装置20之间。分配阀27可以配置成基于工作流体的流速将工作流体分配至动力涡轮21和一个或多个辅助涡轮22和23，所述工作流体的流速取决于内燃机的运行条件而变化。
根据本发明的各个方面，当内燃机以高速运行时，可以从内燃机产生大量的废热，因此工作流体可以以第一流速(高流速)从锅炉12供应。在此条件下，分配阀27可以允许相对大比例(约90％)的工作流体供应至动力涡轮21，并可以允许相对小比例(约10％)的工作流体供应至一个或多个辅助涡轮22和23。
根据本发明的另一示例性实施方案，当内燃机以低速运行或启动时，可以从内燃机产生少量的废热，因此工作流体可以以第二流速(低流速)从锅炉12供应。在此条件下，分配阀27可以允许相对大比例(约90％)的工作流体供应至一个或多个辅助涡轮22和23，并可以允许相对小比例(约10％)的工作流体供应至动力涡轮21。
分配阀27可以包括具有入口和两个出口的三通阀。第一分配管线41和第二分配管线42可以分别连接至两个出口。
第一分配管线41可以连接至动力涡轮21的入口，分配至第一分配管线41的工作流体可以被供应至动力涡轮21。冷凝器13可以连接至动力涡轮21的出口，已经通过动力涡轮21的工作流体可以被供应至冷凝器13。
第二分配管线42可以连接至第一辅助涡轮22的入口，分配至第二分配管线42的工作流体可以被供应至第一辅助涡轮22。连接管线43可以在第一辅助涡轮22的出口和第二辅助涡轮23的入口之间连接，因此第一辅助涡轮22和第二辅助涡轮23可以串联地连接在一起。因此，已经通过第一辅助涡轮22的工作流体可以通过连接管线43供应至第二辅助涡轮23。排放管线44可以连接至第二辅助涡轮23的出口，并接合第一分配管线41的接合部41a。
旁通管线45可以在第一分配管线41和第二分配管线42之间连接。旁通管线45可以从第二分配管线42的接合部42a分出并接合第一分配管线41。通过第二分配管线42的工作流体的一部分可以通过旁通管线45从第二分配管线42流出。
排放管线44和旁通管线45可以接合第一分配管线41。根据本发明的各个方面，排放管线44和旁通管线45可以接合第一分配管线41的接合部41a。
根据本发明的示例性实施方案，流速计28可以设置在第一分配管线41和第二分配管线42的至少一个中，并可以检测通过第一分配管线41或第二分配管线42的工作流体的流速。流速计28可以实时检测对应于内燃机的运行条件的工作流体的流速变化，因此控制器50可以控制分配阀27以适当地将工作流体分配至第一分配管线41或第二分配管线42。
例如，流速计28可以设置在第一分配管线41中，如图2和图3中所示。在另一实施例中，流速计28可以分别设置在第一分配管线41和第二分配管线42中。在另一实施例中，流速计28可以位于锅炉12和分配阀27之间，并可以检测分配阀27上游的工作流体的流速。
根据本发明的示例性实施方案的膨胀装置20可以进一步包括热交换器48。热交换器48可以配置成将热传递至从第一辅助涡轮22的出口通过连接管线43供应至第二辅助涡轮23的入口的工作流体。
热交换器48可以为同流换热器，其包括覆盖一部分的连接管线43和一部分的旁通管线45的壳体，所述部分的连接管线43和所述部分的旁通管线45可以配置成在热交换器48中相互接触，或相互相邻。因此，在热交换器48内，从第一辅助涡轮22的出口排放的低温低压工作流体可以从通过旁通管线45的高温高压工作流体接收热。如上所述，从第一辅助涡轮22的出口排放的工作流体可以通过热交换器48而变为高温状态，而高温状态的工作流体可以被供应至第二辅助涡轮23的入口。亦即，通过热交换器48将第一辅助涡轮22的出口排放的工作流体保持高温，可以保持第二辅助涡轮23产生机械能(旋转能量)的均一效率
膨胀装置20可以包括外部轴35，其连接至第一轴31和第二轴32的至少一个。
例如，外部轴35可以整体地连接至第二轴32，如图2中所示，由动力涡轮21或一个或多个辅助涡轮22和23产生的机械能(旋转能量)可以通过外部轴35传递至内燃机的曲轴或另一机械部分。
在另一实施例中，如图3中所示，动力传输机构38可以连接至外部轴35从而将动力涡轮21和/或一个或多个辅助涡轮22和23产生的机械能(旋转能量)传递至内燃机的曲轴或另一机械部分。
在另一实施例中，外部轴35可以连接至压缩吸入内燃机的空气的压缩机或涡轮增压器。这可以促进额外地改进压缩机或涡轮增压器吸入的空气的压缩效率。
本发明的膨胀装置的上述构造的运行将如下详细描述。
当内燃机以高速运行时，可以从内燃机产生大量的废热，因此工作流体可以以第一流速(高流速)从锅炉12供应。分配阀27可以允许相对大比例(约90％)的工作流体供应至动力涡轮21，并可以允许相对小比例(约10％)的工作流体供应至一个或多个辅助涡轮22和23。
当工作流体以第一流速(高流速)供应至膨胀装置20时，大部分的工作流体可以通过第一分配管线41供应至动力涡轮21，小部分的工作流体可以通过第二分配管线42供应至一个或多个辅助涡轮22和23。因此，机械能(旋转能量)可以由动力涡轮21有效地产生。当离合器24分开时，仅动力涡轮21可以运行，一个或多个辅助涡轮22和23可以为静止状态。经过旁通管线45的一部分工作流体可以通过第一分配管线41供应至动力涡轮21。
当内燃机以低速运行或启动时，可以从内燃机产生少量的废热，因此工作流体可以以第二流速(低流速)从锅炉12供应。分配阀27可以允许相对大比例(约90％)的工作流体供应至一个或多个辅助涡轮22和23，并可以允许相对小比例(约10％)的工作流体供应至动力涡轮21。
当工作流体以第二流速(低流速)供应至膨胀装置20时，相对大部分的工作流体可以通过第二分配管线42供应至一个或多个辅助涡轮22和23，相对小部分的工作流体可以通过第一分配管线41供应至动力涡轮21。因此，机械能(旋转能量)可以由辅助涡轮22和23以及动力涡轮21有效地产生。当离合器24啮合时，动力涡轮21可以处于静止状态，由一个或多个辅助涡轮22和23产生的机械能(旋转能量)可以被传递至电动发电机25或内燃机的曲轴。
如图4中所示，一个或多个辅助涡轮22和23可以具有形成在引入工作流体的入口室65的内表面上的螺旋或正弦导向槽66，工作流体可以通过导向槽66而有效地被引导至各个辅助涡轮22和23的涡轮叶轮64从而增加涡轮叶轮64的离心力，增强产生机械能(旋转能量)的效率。
尽管已经通过示例性实施方案和附图对本发明进行了描述，但本发明不限于此，其可以由本发明所属领域技术人员在不背离本发明的主旨和范围的情况下进行各种修改和变更。
为了方便解释和精确限定所附权利要求，术语“上部”、“下部”、“内”、“外”、“上”、“下”、“向上”、“向下”、“前”、“后”、“背部”、“内侧”、“外侧”、“向内”、“向外”、“内部”、“外部”、“内”、“外”、“向前”和“向后”被用于参考附图中所显示的这些特征的位置来描述示例性实施方式的特征。
前面对本发明具体示例性实施方案所呈现的描述是出于说明和描述的目的。它们并不会毫无遗漏，也不会将本发明限制为所公开的精确形式，显然，根据上述教导很多修改和变化都是可能的。选择示例性实施方案并进行描述是为了解释本发明的特定原理及其它们的实际应用，从而使得本领域的其它技术人员能够实现并利用本发明的各种示例性实施方案及其不同的选择形式和修改形式。本发明的范围旨在由所附权利要求书及其等同方案加以限定。