专利名称：流体机及带有该流体机的废热回收系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及流体机，该流体机可在对流体加压和排放流体的泵模式下操作，并且还可在将流体膨胀时施加的流体压力转化成动能、然后将动能输出的电动机模式下操作，本发明还涉及具有所述流体机的废热回收系统。
背景技术：
在以前提出的具有兰金(Rankine)循环的蒸气压缩致冷系统中，当通过兰金循环回收能量时，正如在日本专利No.2540738中所公开的，蒸气压缩致冷系统的压缩机用作膨胀机。
在压缩机中，气体，诸如气相致冷剂在外部机械能输入至压缩机时被吸入工作室中，并且通过减小工作室的容量使其压缩，其后经压缩的气体从压缩机中排出。在膨胀机中，高压气体引入工作室中，并且在高压气体的压力作用下膨胀，以输出诸如机械能等。这样，当压缩机用作膨胀机时，致冷剂的流动方向需要转换。
然而，在日本专利No.2540738所述的发明中，回收能量时所用的膨胀机(压缩机)的致冷剂入口和致冷剂出口与施加致冷容量于蒸气压缩致冷系统时所用的压缩机(膨胀机)的致冷剂入口和致冷剂出口相同。这样，单个压缩机不能用作膨胀机。结果，兰金循环和蒸气压缩致冷系统之一不能正确地被操作。
更具体地说，在压缩机中，通过位移，即诸如活塞或可移动涡卷(scroll)等可移动件的移动来减小工作室的体积，通过这样压缩气体。这样，止回阀设在排出口中，以防止气体从高压室回流至工作室，其中所述排出口使工作室与高压室(排出室)连通。
另一方面，在膨胀机中，将高压气体从高压室引导至工作室，以产生位移，即驱动可移动件，从而获得机械输出。这样，即使在用于颠倒气体入口和气体出口的装置设置在以上结构中的情况下，当压缩机用作膨胀机时，由于阻碍高压气体流入工作室中的止回阀的存在，高压气体也不会施加于工作室。结果，即使设置用于颠倒气体入口和气体出口的装置，压缩机也不能用作膨胀机。
此外，正常情况下，在操作蒸气压缩致冷系统时确定容量，即压缩机的容量。然而，进行兰金循环操作时施加在压缩机中的压力高于操作蒸气压缩致冷系统时施加在压缩机中的压力。这样，即使在具有相同重量流动速率的气体用在蒸气压缩致冷系统运行期间和兰金循环运行期间的情况下，与蒸气压缩致冷系统的体积流动速率相比，兰金循环的体积流动速率也会降低。结果，用作膨胀机的压缩机的转动速度降低，压缩机每圈转动的流体泄漏量增加，从而降低了膨胀机的效率。
发明内容
本发明解决了上述不利之处。这样，本发明的目的是提供一种新型的流体机，该流体机可在对流体加压和排出流体的泵模式下操作，并且还可在将流体膨胀时施加的流体压力转化成动能、然后将动能输出的电动机模式下操作。本发明的另一个目的是提供一种流体机，该流体机能在以电动机模式进行操作时提高它的效率。本发明的还一个目的是提供一种具有这样的流体机的废热回收系统。
为了实现本发明的目的，提供一种流体机，该流体机可在对流体加压和将经加压的流体从流体机排出的泵模式下操作，并且还可在将流体的流体压力转化成动能、然后将动能输出作为机械能的电动机模式下操作。流体机包括壳体、至少一个可移动件和阀机构。所述至少一个可移动件容装在壳体中，每个可移动件在壳体中限定具有可变体积的工作室。阀机构打开和关闭至少一个设置在壳体中的连通通道。每个连通通道使对应的工作室和高压室连通。当流体机工作在泵模式时，阀机构能使流体从每个工作室流至高压室，并阻碍流体从高压室回流至每个工作室。当流体机工作在电动机模式时，阀机构打开所述至少一个连通通道中的至少一个通道。
每个可移动件可以是活塞，通过活塞的往复运动增加和减少对应工作室的体积。在这种情况下，在泵模式中，阀机构使位于壳体中的低压部分与对应的工作室之间连通，以将流体从低压部分供至相应的工作室，同时阻碍流体从对应的工作室回流至低压部分，然后使对应的工作室连通至高压室，以将流体从对应的工作室供至高压室，同时防止流体从高压室回流至对应的工作室。在电动机模式中，阀机构使高压室连通至对应的工作室，以将流体从高压室供至对应的工作室，同时防止流体从对应的工作室回流至高压室，然后使对应的工作室与低压部分之间连通，以将流体从对应的工作室供至低压部分，同时防止流体从低压部分回流至对应的工作室。
流体机可以进一步包括容量可变机构和控制装置。容量可变机构改变每个工作室的容量，以改变流体的体积，在电动机模式操作中，所述流体在对应的工作室中是可膨胀的。控制装置控制容量可变机构，以改变容量。
此外，为了实现本发明的目的，提供一种废热回收系统，该系统包括以上流体机。废热回收系统回收来自经废热加热的被加热蒸气的能量。
附图简述通过以下的描述、附加的权利要求以及附图，本发明及其附加目的、特征和优点将变得极易理解，其中
图1是示出根据本发明第一实施例的兰金蒸气压缩致冷系统的示意性简图；图2是根据本发明第一实施例的集成压缩机/膨胀机设备的剖视图；图3是根据本发明第二实施例的集成压缩机/膨胀机设备的剖视图；图4是根据本发明第三实施例的集成压缩机/膨胀机设备的剖视图；图5是根据本发明第四实施例的集成压缩机/膨胀机设备的剖视图；图6是根据本发明第五实施例的工作在电动机模式下的集成压缩机/膨胀机设备的剖视图；
图7是用在根据本发明第五实施例的集成压缩机/膨胀机设备中的阀体的透视图；图8是根据本发明第五实施例的集成压缩机/膨胀机设备的剖视图；图9是沿图8中IX-IX线的示意性剖视图；图10是沿图6中X-X线的示意性剖视图；图11A是表示第五实施例的致冷剂流动速率变化的一种情况中，泵用电动机机构(pump motor mechanism)(膨胀机)的转动速度、致冷剂的流动速率以及泵用电动机机构的容量之间的关系的曲线图；以及图11B是表示第五实施例的致冷剂流动速率保持恒定的另一情况中，泵用电动机机构(膨胀机)的转动速度、致冷剂的流动速率以及泵用电动机机构的容量之间的关系的曲线图。
具体实施例方式
下面将参考附图描述本发明的各种实施例。为了便于理解，在以下全部的实施例中，类似的元件用相同的标号表面。
第一实施例在本实施例中，本发明的流体机应用于车辆蒸气压缩致冷系统，所述系统包括兰金循环。图1是本实施例的蒸气压缩致冷系统的示意性简图。
本实施例的包括有兰金循环的蒸气压缩致冷系统回收发动机20产生的废热所具有的能量，其中发动机20用作热机，产生用于运行车辆的驱动力。此外，蒸气压缩致冷系统使用其中产生的冷能和热能，用于车辆的空气调节。下面将描述包括兰金循环的蒸气压缩致冷系统。
集成压缩机/膨胀机设备10是可在泵模式和电动机模式下操作的流体机。在泵模式中，集成压缩机/膨胀机设备10对气相致冷剂加压，并排放经加压的致冷剂。在电动机模式中，集成压缩机/膨胀机设备10将过热蒸气致冷剂膨胀时施加的过热蒸气致冷剂的流体压力转换成动能，并将动能输出作为机械能。散热器11是热释放装置，它连接至集成压缩机/膨胀机设备10的输出并冷却致冷剂，同时释放热量。稍后将详细描述集成压缩机/膨胀机设备10。
气—液分离器12是将散热器11排放的致冷剂分离成气相致冷剂和液相致冷剂的容器。减压器13使在气—液分离器12中分离出的液相致冷剂减压和膨胀。减压器13等熵地使致冷剂减压。此外，在本实施例中，减压器13是热敏膨胀阀，它以这样的方式调节它的开口程度即当集成压缩机/膨胀机设备10以泵模式进行操作时，吸入集成压缩机/膨胀机设备10中的致冷剂的过热程度大致保持在预定的值。
蒸发器14是热吸收装置，用于使在减压器13中减压的经减压致冷剂蒸发，以吸收热量。集成压缩机/膨胀机设备10、散热器11、气—液分离器12、减压器13和蒸发器14形成蒸气压缩致冷系统，所述系统将热从低温侧传递至高温侧。
加热器30是热交换器，其设在用于使集成压缩机/膨胀机设备10和散热器11之间连接的致冷剂回路中，并且通过致冷剂回路中的致冷剂与发动机冷却液之间的热交换来加热致冷剂回路中的致冷剂。三通阀21在循环位置和非循环位置之间切换。在三通阀21的循环位置中，从发动机20输出的发动机冷却液循环至加热器30。在三通阀21的非循环位置中，从发动机20输出的发动机冷却液不循环至加热器30。三通阀21受控于电子控制装置(未示出)。
第一旁路回路31是这样的致冷剂通道它将在气—液分离器12中分离出的液相致冷剂引导至位于加热器30的散热器11一侧上的加热器30的致冷剂入口。用于循环液相致冷剂的液压泵32和止回阀31a设在第一旁路回路31中。止回阀31a只允许致冷剂沿单向从气—液分离器12流至加热器30。在本发明中，液压泵32是电子泵，并且受控于电子控制装置(未示出)。
第二旁路回路33是这样的致冷剂通道它使散热器11的致冷剂入口和集成压缩机/膨胀机设备10的致冷剂出口(即，下面描述的低压室)之间连接，致冷剂在以电动机模式运行集成压缩机/膨胀机设备10时从所述致冷剂出口排出。止回阀33a设在第二旁路回路33中。止回阀33a只允许致冷剂沿单向从集成压缩机/膨胀机设备10流向散热器11的致冷剂入口。
止回阀14a允许致冷剂从蒸发器14的致冷剂出口流向集成压缩机/膨胀机设备10的致冷剂入口，致冷剂在以泵模式运行集成压缩机/膨胀机设备10时从所述致冷剂入口供至集成压缩机/膨胀机设备10。开关阀34是打开和关闭致冷剂通道的螺线管阀。开关阀34和三通阀21受控于电子控制装置(未示出)。
水泵22循环发动机冷却液。散热器23是热交换器，用于交换发动机冷却液与外部空气之间的热量，以冷却发动机冷却液。在图1中，为了简化的缘故去除了旁路回路和流动速率控制阀。旁路回路引导冷却液，同时绕过散热器23。流动速率控制阀控制施加于旁路回路的冷却液的流动速率和施加于散热器23的冷却液的流动速率。
水泵22是由发动机20输送的驱动力驱动的机械泵。然而，请注意，由电子电动机驱动的电子泵能代替机械泵用作水泵22。
接着，将描述第一实施例的集成压缩机/膨胀机设备10。
图2是集成压缩机/膨胀机设备10的剖视图。集成压缩机/膨胀机设备10包括壳体10a、泵用电动机机构100、电动发电机200和电磁离合器300。壳体10a容装泵用电动机机构100和电动发电机200。泵用电动机机构100压缩流体或使流体(在本实施例中为气相致冷剂)膨胀。电动发电机200连接至泵用电动机机构100的轴109。电磁离合器300是驱动力传送机构或结构，能使驱动力从发动机20(用作外部驱动源)传送至泵用电动机机构100或能禁止驱动力从发动机20传送至泵用电动机机构100，更具体地说，至泵用电动机机构100的轴109。
电动发电机200包括定子210和转子220，转子220在定子210中转动。在本实施例中，当电力施加于定子210时，电动发电机200用作电动机，其转动转子220以驱动泵用电动机机构100。此外，当用于转动转子220的扭矩施加于电动发电机200时，电动发电机200用作产生电力的发电机。
电磁离合器300包括带轮310、励磁线圈320和摩擦片330。带轮310通过V形带T接收从发动机20来的驱动力(图1)。励磁线圈320产生磁场。摩擦片330在磁场产生的电磁力的作用下移动。当连接电磁离合器，以使发动机20与集成压缩机膨胀机设备10之间连接时，励磁线圈320受激发。当分离电磁离合器300，以使发动机20与集成压缩机/膨胀机设备10之间分离时，励磁线圈320去除了激励。
泵用电动机机构100的结构与已知的涡卷式压缩机机构的结构大致相同。更具体地说，泵用电动机机构100包括固定涡卷(壳)101、绕动涡卷102和阀机构107，固定涡卷101间接地固定至电动发电机200的定子壳体230，其中电动发电机200的定子壳体230是壳体10a的一部分。绕动涡卷102是可移动件，能发生移动，即能在定子壳体230与固定涡卷101之间限定的空间中转动。阀机构107打开和关闭连通通道105，106，这些连通通道使工作室103与高压室104之间连通。
固定涡卷101包括基板101a和螺旋缠绕(spiral wrap)101b。固定涡卷101的螺旋缠绕101b从基板101a向着定子壳体230突出。绕动涡卷102包括螺旋缠绕102b和基板102a。螺旋缠绕102b形成在基板102a上。此外，绕动涡卷102的螺旋缠绕102b接触并接合固定涡卷101的螺旋缠绕101b。在以上螺旋缠绕101b与螺旋缠绕102b彼此接触的情况下，当绕动涡卷102循环时，由固定涡卷101和绕动涡卷102形成的工作室103的体积减小。
轴109还用作定子220的转动轴，并制成为包括偏心部分109a的曲柄轴。偏心部分109a设在轴109的一个纵向端，并且与轴109的转动轴线不同心。绕动涡卷102通过轴承可转动地连接至偏心部分109a。因此，绕动涡卷102的旋转轴与定子220的旋转轴共轴并也与电磁离合器300的旋转轴共轴(即轴109的旋转轴)。
限制转动机构109b构造为，轴109每转动一次允许绕动涡卷102围绕偏心部分109a转动一个完整的整周转动。这样，当轴109转动时，绕动涡卷102不转动，而是围绕轴109的转动轴线绕转。工作室103的体积从绕动涡卷102的沿径向的外部向绕动涡卷102的沿径向的内部减少。
在本实施例中，销环(销孔)型机构用作转动限制机构109b。
连通通道105是排出口，它使最小体积下的工作室103和高压室104之间连通，从而在以泵模式进行操作时通过它排出经压缩的致冷剂。连通通道106是进入口，它使高压室104与最小体积下的工作室103之间连通，从而在以电动机模式运行时将热的被加压致冷剂，即从高压室104来的过热蒸气引导至工作室103。
高压室104用作排出室，其降低连通通道105(以下称为排出口105)排出的致冷剂的压力波动。高压室104具有高压口110，所述高压口110连接至加热器30和散热器11。
连接至蒸发器14和第二旁路回路34的低压口11设在定子壳体230中，并且通过定子壳体230与定子壳体230和固定涡卷101之间限定的空间连通。
排出阀107a是以簧片阀形式呈现的止回阀，其设置在排出口105的高压室104一侧，以防止从排出口105排入高压室104中的致冷剂回流向工作室103。制动器107b是阀挡板，用于限定排出阀107a的最大开口程度。排出阀107a和阀挡板107b通过螺栓107c安装至基板101a。
绕卷轴(spool)107d是阀体，其打开和关闭连通通道106(以下称为进入口106)。螺线管阀107e是控制阀，其通过控制低压口111与背压室107f之间的连通来控制背压室107f中的压力。弹簧107g是弹性装置，用于沿绕卷轴107d的关闭方向提供弹力至绕卷轴107d，以关闭进入口106。节流阀107h是抵抗装置，用于施加预定的通道阻力以及用于使背压室107f与高压室104之间连通。
当螺线管阀107e打开时，与高压室104相比，背压室107f中的压力降低。这样，绕卷轴107d压缩弹簧107g，并沿图2中的右方向移动。因此，进入口106打开。在节流阀107h处的压力损失非常大，使得从高压室104流至背压室107f的致冷剂的量小得可以忽略。
当螺线管阀107e关闭时，背压室107f的压力变得等于高压室104的压力。这样，绕卷轴107d在弹簧107g的力的作用下沿图2中左方向移动，从而绕卷轴107d关闭进入口106。即，绕卷轴107d、螺线管阀107e、背压室107f、弹簧107g和节流阀107h构成控制型电开关阀，打开和关闭进入口106。
接着，将描述根据本实施例的集成压缩机/膨胀机设备10的操作和优点。
1.泵模式该模式是可通过应用轴109的转动力使泵用电动机机构100的绕动涡卷102回转，从而抽吸和压缩致冷剂的操作模式。
具体地说，在该模式中，螺线管阀107e和进入口106都关闭，轴109转动。因此，与已知涡卷式压缩机类似，在集成压缩机/膨胀机设备10中，致冷剂从低压口111被抽吸，在工作室103中被压缩。然后，经压缩的致冷剂从排出口105排至高压室104，其后，经压缩的致冷剂从高压口110排至散热器11一侧。
转动力可以通过两种方法中的一种施加至轴109。一种方法中，集成压缩机/膨胀机设备10通过电磁离合器300与发动机20分离，转动力从电动发电机200施加至轴109。在另一种方法中，集成压缩机/膨胀机设备10通过电磁离合器300连接至电动机20，转动力通过发动机20的驱动力施加至轴109。
在本实施例中，轴109还用作转子220的转子轴。这样，当轴109在发动机20的驱动力作用下转动时，电动发动机200用作发电机。电动发电机200产生的电力如所希望地存储在电池或电容器中，或者电力如所希望地供至定子210，以减轻发动机20的负载。
2.电动机模式在该模式中，由加热器30加热的过热高压蒸气致冷剂经过高压室104被引入泵用电动机机构100中，并且在泵用电动机机构100中膨胀，以使绕动涡卷102和轴109回转，从而产生机械输出。
在本实施例中，转子220在产生的机械输出的作用下转动，以由电动发电机200产生电力，并且产生的电力储存在电容器中。
更具体地说，螺线管阀107e打开以打开进入口106，由加热器30加热的过热高压蒸气致冷剂从高压室104通过进入口106被引导至工作室103，从而使致冷剂膨胀。
这样，由于过热蒸气致冷剂沿与泵模式下的方向相反的方向膨胀，使得绕动涡卷102回转，其后膨胀的低压致冷剂从低压口111输出至散热器11一侧。
如上所述，在本实施例中，提供一种流体机，该流体机可在对流体加压和排放流体的泵模式下操作，并且还可在将流体压力转化成动能、然后将动能输出作为机械能的电动机模式下操作。
接着，将描述本实施例的蒸气压缩致冷系统。
1.空调操作模式在该操作模式中，致冷能力施加在蒸发器14处，热量在散热器11处从致冷剂中释放出来。在本实施例中，蒸气压缩致冷系统仅用在冷却操作和除湿操作中，这两个操作使用蒸气压缩致冷系统中产生的冷能，即使用吸热容量(heat absorbing capacity)。不实施使用散热器11产生的热的加热操作。然而，即使在进行加热操作时，蒸气压缩致冷系统的操作也大致与冷却操作和除湿操作的操作相同。
更具体地说，在液压泵32停止的状态下，开关阀34打开，集成压缩机/膨胀机设备10以泵模式进行操作。并且，这时，三通阀21操作，以循环冷却液，同时绕过加热器300。
这样，致冷剂经过集成压缩机/膨胀机设备10、加热器30、散热器11、气—液分离器12、减压器13、蒸发器14和集成压缩机/膨胀机设备10，并以这样的顺序循环。这时，电动机冷却液不经过加热器30循环，使得加热器30不加热致冷剂，加热器仅用作致冷剂通道。
这样，利用减压器13减压的低压致冷剂通过从空气吸收热量而被蒸发，并排入车辆的乘客厢中。蒸发的气相致冷剂被集成压缩机/膨胀机设备10压缩，从而具有高温。然后，该热的气相致冷剂由位于乘客厢外部的外部空气作用在散热器11处冷却和凝结。
在本实施例中，含氯氟烃(HFC134a)用作致冷剂。然而，致冷剂不限于HFC134a，可以是任何其他适合的致冷剂，只要致冷剂能在系统的高压侧被液化即可。
2.废热回收操作模式在该操作模式中，空调设备，更具体地说，集成压缩机/膨胀机设备10停止，发动机20的废热被废热回收系统回收作为可再循环能量，其中所述废热回收系统包括集成压缩机/膨胀机设备10。
更具体地说，开关阀34关闭，液压泵32被操作。此外，集成压缩机/膨胀机设备10置于电动机模式中，三通阀21进行操作，使发动机20输出的发动机冷却液循环至加热器30。
这样，致冷剂经过气—液分离器12、第一旁路回路31、加热器30、集成压缩机/膨胀机设备10、第二旁路回路34、散热器11和气—液分离器12，并以此顺序循环。经过散热器11的致冷剂的流动方向与空调操作模式30下的致冷剂流动方向相反。
这样，由加热器30加热的过热蒸气供至集成压缩机/膨胀机设备10。已进入集成压缩机/膨胀机设备10的蒸气致冷剂等熵地在泵用电动机机构100中膨胀，并且损失它的熵。这样，在集成压缩机/膨胀机设备10中，对应熵的减少量的电力储存在电容器中。
从集成压缩机/膨胀机设备10输出的致冷剂由散热器11冷却，从而凝结。凝结的致冷剂积聚在气—液分离器12中。在气—液分离器12中的液相致冷剂由液压泵泵至加热器30。液压泵32利用不会使加热器30中产生的过热蒸气回流至气—液分离器12的压力将液相致冷剂泵至加热器30。
(第二实施例)在第一实施例中，进入口106由控制型开关阀构成。在第二实施例中，如图3所示，使用直接驱动型的开关螺线管阀107i，它直接打开和关闭进入口106。
(第三实施例)在第三实施例中，如图4所示，在以电动机模式进行操作时，排出口105还用作进入口106，包括阀挡板107b的排出阀107a在致动器112的作用下有力地移动，以打开排出口105(进入口106)。
本实施例的致动器112是控制型致动器，其使用压力差的方式与移动绕卷轴107的机构使用压力差的方式相同。
更具体地说，致动器112包括活塞112a、螺线管阀112c、弹簧112d和节流阀112e。包括阀挡板107b的排出阀107a固定至活塞112a。螺线管阀112c通过控制低压口111和背压室112b之间的连通来控制背压室112b中的压力。弹簧112d将弹力施加至活塞112a，以移动排出阀107a，即沿关闭排出口105(进入口106)的关闭方向移动活塞112a。节流阀112e施加预定的通道阻力，并使背压室112b与高压室104之间连通。限制转动销112f是用于限制活塞112a转动的限制转动装置。
当螺线管阀112c打开时，与高压室104相比，背压室112b中的压力减小。这样，活塞112a沿图中的右方向移动，并压缩弹簧112d。结果，排出口105(进入口106)打开。另一方面，当螺线管阀112c关闭时，背压室112b的压力变得与高压室104的压力大致相同。这样，活塞112a在弹簧112d的力的作用下沿图中的左方向移动。结果，排出口105(进入口106)关闭。
在本实施例中，使用控制型致动器112。然而，应该了解，也可替代控制型致动器112，使用直接移动包括有阀挡板107b的排出阀107a的直接驱动型致动器。
(第四实施例)每个上述实施例中的集成压缩机/膨胀机设备10包括电磁离合器300，以允许通过多个驱动源驱动集成压缩机/膨胀机设备10。在第四实施例中，如图5所示，去除了电磁离合器300。在以泵模式进行操作时，泵用电动机100仅由电动发电机200驱动。
图5示出集成压缩机/膨胀机设备10，第一实施例中的电磁离合器300从所述设备10中去除。然而，本发明不局限于此。该结构可同样地应用于第二实施例或第三实施例的集成压缩机/膨胀机设备10。
(第五实施例)下面将描述根据第五实施例的集成压缩机/膨胀机设备10。
图6是集成压缩机/膨胀机设备10的剖视图。集成压缩机/膨胀机设备10包括泵用电动机机构400、电动发电机(电动发电机，motor generator)500和电磁离合器600。泵用电动机机构400和电动发电机500容装在壳体10a中。泵用电动机机构400压缩气相致冷剂(流体)或是气相致冷剂(流体)膨胀。当电动发电机500接收转动能时，电动发电机500输出电能。此外，当电动发电机500接收电能时，电动发电机500输出转动能。电磁离合器600能使来自发动机(用作外部驱动源)20的驱动力传送至泵用电动机机构400，并且能禁止来自发动机20的驱动力传送至泵用电动机机构400。
电动发电机机构500包括定子510和转子520，转子520在定子510中转动。此外，定子510是包括绕线圈的定子线圈。转子520是磁铁转子，它包括嵌入其中的永久磁铁。当电力供至定子510时，电动发电机500运行作为电动机，它使转子520转动以驱动泵用电动机机构400。此外，当转动转子520的扭矩供至电动发电机500时，电动发电机500运行作为发电机，产生电力。
电磁离合器600包括带轮610、励磁线圈620和摩擦片630。带轮610通过V形带T接收从发动机20来的驱动力(图1)。励磁线圈620产生磁场。摩擦片630在磁场产生的电磁力的作用下移动，其中所述电磁场由励磁线圈620感应产生。当电磁离合器600使发动机20与集成压缩机/膨胀机设备10之间连接时，励磁线圈620被激励。当电磁离合器600使电动机20与集成压缩机/膨胀机设备10之间分离开时，励磁线圈620被解除激励。
泵用电动机机构400的结构与已知的斜盘式压缩机机构的结构大致相同，具有可变的体积，即可变的容量。以下将描述泵用电动机机构400的结构。
斜盘402形成为大致呈碟形体，它与轴(用作驱动轴)401一体转动，同时斜盘402相对轴401的轴线方向(纵长方向)倾斜。每个活塞404通过一对导向板(shoe)403以允许摆动的方式连接至斜盘402的沿径向的外部。
多个活塞404(本实施例中，活塞404的数量是5)围绕轴401设置，并且在保持彼此间预定的相位差的同时，同步地往复运动。
在以泵模式进行操作时，斜盘402和导向板403用作将轴401的转动运动转换成往复运动、然后将转换的往复运动引导至活塞404的转换机构。此外，在以泵模式进行操作时，斜盘402和瓦403还用作将活塞404的往复运动转换成转动运动、然后将转换的转动运动引导至轴401的转换机构。
当每个活塞(本发明中的可移动件)404可滑动地在对应的气缸膛405中往复移动时，对应工作室V的体积增加，然后减小。这时，当限定在斜盘402与轴401之间的角度(以下称为倾斜角θ)减小时，活塞404的冲程增加。而当倾斜角θ增加时，活塞404的冲程减小。这样，在本实施例中，通过改变斜盘402的倾斜角θ来改变泵用电动机机构400的体积、即容量。斜盘402对应本发明的容量可变机构。
泵用电动机机构400的容量是轴401每转动一次流体的理论流动速率，其中所述流体从泵用电动机机构400排出，或被吸入(膨胀入)泵用电动机机构400中。即，泵用电动机机构400的容量是体积，它是在活塞404的冲程与活塞404的直径相乘的基础上确定的。
容装斜盘402的空间(以下称为斜盘室406)与高压室(本发明的高压部分)407和低压室(本发明的低压部分)408连通，如图6和8中点虚线所示。压力控制阀(对应本发明的控制装置)416设在使斜盘室406与高压室407之间连接的通道中，压力控制阀416调节高压室407的压力并将经调节的压力引导至斜盘室406。斜盘室406和低压室408总是通过固定节流阀，诸如引起预定压力损失的节流孔彼此连通。
基于斜盘室406中的压力与每个对应工作室V中产生的压缩反作用力之间的平衡设置斜盘402的倾斜角θ。这样，在本实施例中，当倾斜角θ减小时，即当泵用电动机机构400的容量增加时，压力控制阀416的开口程度减小，以减小斜盘室406中的压力。另一方面，当倾斜角θ增加时，即当泵用电动机机构400的容量减少时，压力控制阀416的开口程度增加，以增加斜盘室406中的压力。
高压室407用作这样的空间即在以泵模式进行操作时，从每个工作室V排出的高压流体供至所述空间中。在以电动机模式进行操作时，高压室407用作这样的空间即过热的高压蒸气致冷剂从加热器30供至所述空间中。
低压室408用作这样的空间即在以泵模式进行操作时，从蒸发器14输出的低压蒸气致冷剂供至所述空间中。在以电动机模式进行操作时，低压室408用作这样的空间即在泵用电动机机构400中膨胀的低压流体供至所述空间中。
每个排出口409是连通通道，使高压室407与对应的工作室V之间连通。每个止回阀410防止致冷剂从高压室407回流至对应的工作室V。
本实施例的每个止回阀410是以簧片阀的形式呈现，用作阀体，并放置在高压室407中。当动压从工作室V向着高压室407施加至止回阀410时，止回阀410打开。另一方面，当动压从高压室407向着工作室V施加至止回阀410时，止回阀410关闭。
大致呈圆柱形的阀体(回转阀)412与设置在轴401的一端并具有两个侧面的双侧面部分401a接合，两个侧面大致为扁平的并且彼此平行。因为回转阀412与双侧面部分401a之间的接合，使得回转阀412与轴401一体转动。在以泵模式进行操作时，回转阀412使低压室408与对应的工作室V之间在进气冲程中连通，然后在压缩冲程中阻碍流体从工作室V回流至低压室408。在以电动机模式进行操作时，回转阀412使高压室407与对应的工作室V之间在进气冲程中连通。然后，回转阀412在膨胀冲程中阻碍流体从工作室V回流至高压室407。其后，在排气冲程中，回转阀412使工作室V与低压室408之间连通，同时阻碍流体从低压室408回流至工作室V。
如图7所示，回转阀412包括低压引入通道412a，该低压引入通道412a设在回转阀412内并且总与低压室408连通。低压凹槽412b、高压引入凹槽412c、高压凹槽412d和连通凹槽412e设在回转阀412的外围表面中。
低压凹槽412b设在回转阀412的轴401侧，使得低压凹槽412b沿半圆弧延伸。此外，低压凹槽412b与低压引入通道412a连通。高压引入凹槽412c沿回转阀412的在低压凹槽412b一侧上的整个外围表面设置，所述低压凹槽412b的一侧与轴401相对。高压凹槽412d形成为矩形，并且在对应低压凹槽412b的高压引入凹槽412c侧的位置处。高压引入凹槽412c和高压凹槽412d通过连通凹槽412e彼此连通。
低压凹槽412b通过连通口417与对应的工作室V连通。此外，高压引入凹槽412c通过高压引入孔418总是与高压室407连通。此外，回转阀412向着和远离轴401的移动会产生两种状态。在一种状态中，高压凹槽412d通过连通口417与对应的工作室V连通，如图6所示。在另一种状态中，高压凹槽412d不通过连通口417与对应的工作室V连通，如图8所示。
当回转阀412转动时，低压凹槽412b在轴401转动的同时，即在活塞404往复移动的同时，顺序地与各个连通口417(各个工作室V)连通，如图6和8所示。并且，在回转阀412转动期间，高压凹槽412d在轴401转动的同时，即在活塞404往复移动的同时，顺序地与各个连通口417(各个工作室V)连通，如图8所示。
接收高压室407的高压的背压室414设在回转阀412的一个轴向端，如图6所示。螺线管阀413设置在背压通道414a中，所述螺线管阀413控制使背压室414与高压室407连通的背压通道414a的连通状态。与斜盘室406相类似，背压室414和低压室408通过固定节流阀(未示出)，诸如引起预定压力损失的节流孔总是彼此连通。
施加压力以驱动回转阀412朝向所述一个轴向端的弹簧415设在回转阀412的另一个轴向端处。背压室414的压力通过螺线管阀413调整，以沿平行于轴401的轴向的方向移动回转阀412。
螺线管阀413、背压室414和弹簧415形成致动器，所述致动器使操作模式在泵模式和电动机模式之间切换。
此外，在本实施例中，阀体412、止回阀410、螺线管阀413、背压室414和弹簧415形成所附权利要求所述的阀机构(411)。在以泵模式进行操作时，阀机构(411)使低压部分(408)通过工作室(V)连通至高压部分(407)，同时防止流体回流。在以电动机模式进行操作时，阀机构(411)使高压部分(407)通过工作室(V)连通至低压部分(408)，同时防止流体回流。
接着，将描述本实施例的压缩机/膨胀机设备10的操作。
1.泵模式该模式是通过将转动力施加至轴401以使泵用电动机机构400的活塞404往复移动，来抽吸和压缩致冷剂的操作模式。
具体的说，在液压泵32停止的状态下，开关阀34打开，三通阀进行转换以防止发动机冷却液循环至加热器30。此外，集成压缩机/膨胀机设备10的螺线管413关闭，如图8所示，回转阀412沿图中的右方向移动，以使低压凹槽412b和对应的工作室V之间连通，并防止高压凹槽412d和对应的工作室V之间连通。
在这种方法中，当活塞404从上死点滑动至下死点时，蒸发器14提供的低压蒸气致冷剂经过低压室408、低压引入通道412a、低压凹槽412b和连通口417被吸入工作室V中。这里，低压引入通道412a、低压凹槽412b和连通口417形成使低压室408和对应的工作室V之间连通的连通通道。然后，当活塞404从下死点滑动至上死点时，连通口417由回转阀412的外围表面关闭，低压蒸气致冷剂在工作室V中被压缩。然后，经压缩的高压致冷剂通过排出口409排入高压室407中。
这时，如图9所示，低压凹槽412d在轴401转动的同时，顺序与各个工作室V连通。这样，以连续的方式抽吸致冷剂，并在每个工作室V中压缩致冷剂。当斜盘402的倾斜角θ根据经压缩致冷剂的所需量而由压力控制阀416改变时，泵用电动机机构400的容量被调节。
从高压室407排出的致冷剂经过加热器30、开关阀34、散热器11、气—液分离器12、减压器13、蒸发器14、止回阀14a和集成压缩机/膨胀机设备10的低压室408，并以这样的顺序循环。由于发动机冷却液不循环至加热器30，因此致冷剂不会在加热器30中受热，加热器30简单地用作致冷剂通道。
这时，转动力可以通过两种方法施加于轴401。在一种方法中，电磁离合器600受激励，使电动机20和集成压缩机/膨胀机设备10之间连接，以在电动机的驱动力作用下将转动力提供至轴401。在另一种方法中，电磁离合器600解除激励，使发动机20和集成压缩机/膨胀机设备10之间分离，从而电动发电机500用作电动机，以将转动力施加至轴401。
当转动力在发动机20的驱动力作用下施加至轴401时，转子520与轴401一起转动，以从电动发电机500产生电力。这样，在本实施例中，由电动发电机500产生的电力储存在电池或电容器中。
2.电动机模式这是由加热器30加热的高压过热蒸气致冷剂从高压室407引入泵用电动机机构400中、并在对应的工作室V中膨胀以往复移动对应的活塞404、进而使轴401转动、从而提供机械输出的操作模式。在本实施例中，转子520在产生的机械输出作用下转动，以操作电动发电机500作为发电机，产生电力。然后，产生的电力储存在电容器中。
更具体地说，在开关阀34关闭的状态中，液压泵32进行操作，三通阀21进行转换，以使发动机冷却液循环至加热器30。此外，在供至集成压缩机/膨胀机设备10的电磁离合器600的电源停止，以使电磁离合器600分开时，螺线管阀413打开，以沿图中左方向移动回转阀412，从而使低压凹槽412b和对应的工作室V之间连通，以及使高压凹槽412d和工作室V之间连通，如图6所示。
这样，当活塞404从上死点滑动至下死点时，过热蒸气致冷剂从加热器30经过高压室407、高压引入孔418、高压引入凹槽412c、连通凹槽412e、高压凹槽412d和连通口417供至对应的工作室V。这里，在电动机模式下，高压引入孔418、高压引入凹槽412c、连通凹槽412e、高压凹槽412d和连通口417形成使高压室407和工作室V之间连通的连通通道。回转阀412的外围表面使连通口417关闭，过热蒸气致冷剂在对应的工作室V中膨胀，以使活塞404移向下死点，从而转动轴401。此外，当活塞404从下死点滑动至上死点时，连通口417与低压凹槽412b连通。这样，膨胀的低压致冷剂供至低压引入通道412a，并从低压室408输出至散热器11一侧。
这时，如图10所示，低压凹槽412b在轴401转动运动的同时，与各个工作室V顺序连通。类似地，高压凹槽412d在轴401转动运动的同时，与各个工作室V顺序连通。这样，过热蒸气致冷剂在各个工作室V中顺序膨胀。
此外，对应的止回阀410在高压过热蒸气致冷剂的作用下关闭，其中所述高压过热蒸气致冷剂供至高压室407，并且防止了致冷剂从工作室V回流至高压室407。
在兰金循环中，致冷剂经过气—液分离器12、第一旁路回路31、液压泵32、加热器30、集成压缩机/膨胀机设备10(高压室407至低压室408)、第二旁路回路33、止回阀33a、散热器11和气—液分离器12，并以这个顺序循环。液压泵32以不使在加热器30中加热并产生的过热蒸气致冷剂回流向气—液分离气12的压力将液相致冷剂泵向加热器30。
在以电动机模式进行操作时，如图11A所示，其中图11A示出致冷剂流动速率改变的情况，斜盘402的倾斜角θ根据从加热器30供至高压室407的过热致冷剂的流动速率由压力控制阀416改变，以调整每个工作室V的容量，从而调整在泵用电动机机构400的工作室中膨胀的过热致冷剂的体积。即，当过热致冷剂的流动速率减小时，泵用电动机机构400的容量减小，以保持由致冷剂膨胀引起的泵用电动机机构400的转动速度。
例如，当过热蒸气致冷剂的流动速率较低并且恒定时，容量减小以增加泵用电动机机构400的转动速度，如图11B所示，图11B示出致冷剂的流动速率保持恒定的情况。
请注意，在以电动机模式进行操作时，当回转阀412被改变，使得回转阀412的低压凹槽412b设在回转阀412的外围表面中并且在与图7所示低压凹槽412b完全相反的相反位置处时，转动方向可以变化至相反方向，该相反方向与上述的方向相反。
因为有上述的结构和操作，在集成压缩机/膨胀机设备10中，回转阀412使得能够提供具有泵模式和电动机模式的新型流体机。
在以电动机模式进行操作时，泵用电动机机构400的容量可以改变。这样，使得过热蒸气致冷剂膨胀所需的时间可以调，并可以降低过热蒸气致冷剂泄漏而造成得影响，从而可以改善以电动机模式进行操作时的效率。
更具体地说，当过热蒸气致冷剂的流动速率降低时，容量减少。这样，膨胀时间，即泵用电动机机构400的转动速度在流动速率的基础上保持恒定，从而可以保持电动发电机500产生的预定量电力。
此外，当过热蒸气致冷剂的流动速率较低并且恒定时，泵用电动机机构400的转动速度可以通过增加容量来增加，从而增加由电动发电机500产生的电量。
在以泵模式进行操作时，使用相同的压力控制阀416，以改变斜盘402的倾斜角θ，从而调整容量。这样，不需要附加的控制装置，从而可以简化结构。
当电磁离合器600在以电动机模式进行操作时被连接时，动力辅助装置(power assist)可以提供至发动机20。
在第一至第四实施例中，辊子泵用电动机机构100用作泵用电动机机构100。此外，在第五实施例中，容量可变斜盘机构(在斜盘的一侧处具有活塞404)用作泵用电动机机构400。然而，泵用电动机机构100，400不限于上述的机构。例如，在两侧均具有活塞404的双侧面斜盘机构，或辊子型机构可以用作泵用电动机机构400。并且，其他泵用电动机机构，诸如转动式泵用电动机机构、叶轮泵用电动机机构可以用作泵用电动机机构100，400。
在以上实施例中，电磁离合器用作动力传输机构或结构，它们能传输驱动力和禁止驱动力的传输。然而，本发明不局限于此。例如，可以代替电磁离合器而使用单向离合器。
此外，在以上实施例中，由集成压缩机/膨胀机10回收的能量储存在电容器中。然而，能量也可以以储存在飞轮中的动能形式被储存作为机械能，或可以以储存在弹簧中的弹性能量形成被储存作为机械能。
本发明的流体机应用于具有兰金循环的车辆蒸气压缩致冷剂系统。然而，本发明不局限于此。
在第五实施例中，阀机构411不局限于第五实施例中所述的结构。例如，阀机构411可以是基于电信号进行操作的阀机构。
此外，请注意，集成压缩机/膨胀机设备10的部件可以以任何适当的方式在第一至第五实施例中接合。
对于本领域普通技术人员，附加的优点和修改可以容易地实现。因此，从较广泛的方面来说，本发明不局限于所示和所述的具体的细节、典型的设备以及说明性例子。
权利要求
1.一种流体机，该流体机可在对流体加压和将经加压的流体从流体机排出的泵模式下操作，并且还可在将流体的流体压力转化成动能、然后将动能作为机械能输出的电动机模式下操作，所述流体机的特征在于壳体(10a)；至少一个可移动件(102，404)，所述至少一个可移动件容装在壳体(10a)中，其中每个可移动件(102，404)在壳体(10a)中限定具有可变体积的工作室；以及阀机构(107，411)，所述阀机构打开和关闭至少一个设置在壳体(10a)中的连通通道(105，106，409，412c，412e，412d，417，418)，其中每个连通通道(105，106，409，412c，412e，412d，417，418)使对应的工作室(103，V)和高压室(104，407)连通，其中在流体机工作在泵模式时，阀机构(107，411)能使流体从每个工作室(103，V)流至高压室(104，407)，并阻碍流体从高压室(104，407)回流至每个工作室(103，V)；以及在流体机工作在电动机模式时，阀机构(107，411)打开至少一个连通通道(105，106，409，412c，412e，412d，417，418)中的至少一个通道。
2.根据权利要求1所述的流体机，其特征在于至少一个连通通道(105，106)包括第一连通通道(105)，当流体机工作在泵模式时，所述第一连通通道(105)引导流体；以及第二连通通道(106)，当流体机工作在电动机模式时，所述第二连通通道(106)引导流体；以及阀机构(107)包括止回阀(107a)，所述止回阀(107a)打开和关闭第一连通通道(105)；以及电开关阀(107d-107h，107i)，它们打开和关闭第二连通通道(106)。
3.根据权利要求2所述的流体机，其特征在于，开关阀(107i)是直接驱动型开关阀，它包括有阀体，并且直接移动开关阀(107i)的阀体，以打开和关闭第二连通通道(106)。
4.根据权利要求2所述的流体机，其特征在于，开关阀(107d-107h)是控制型开关阀，它包括有阀体(107d)，并且通过控制施加于阀体(107d)的背压来间接地移动开关阀(107d-107h)的阀体(107d)，以打开和关闭第二连通通道(106)。
5.根据权利要求1所述的流体机，其特征在于，阀机构(107)包括阀体(107a)，所述阀体(107a)设置在高压室(104)中，并且打开和关闭所述至少一个连通通道(105，106)中的至少一个通道；以及致动器(112)，所述致动器(112)相对所述至少一个连通通道(105，106)中的至少一个通道强有力地移动阀体(107a)。
6.根据权利要求1所述的流体机，其进一步特征在于，响应可移动件(102)的位移而转动的电动发电机(200)。
7.根据权利要求6所述的流体机，其特征在于电动发电机(200)位于壳体(10a)中。
8.根据权利要求1所述的流体机，其进一步特征在于，驱动力传送机构(300)，所述驱动力传送机构(300)以这样的方式将驱动源(20)的驱动力传送至可移动件(102)即有选择地使驱动力从驱动源(20)传送至可移动件(102)和禁止驱动力从驱动源(20)传送至可移动件(102)。
9.根据权利要求8所述的流体机，其特征在于驱动力传送机构(300)的旋转轴与可移动件(102)的旋转轴共轴。
10.根据权利要求1所述的流体机，其特征在于可移动件为卷轴(102)。
11.根据权利要求1所述的流体机，其特征在于每个可移动件是活塞(404)，通过活塞(404)的往复运动增加和减少对应工作室(V)的体积；在泵模式中，阀机构(411)使位于壳体(10a)中的低压部分(408)与对应工作室(V)之间连通，以将流体从低压部分(408)供至相应的工作室(V)，同时阻碍流体从对应的工作室(V)回流至低压部分(408)，然后使对应的工作室(V)连通至高压室(407)，以将流体从对应的工作室(V)供至高压室(407)，同时防止流体从高压室(407)回流至对应的工作室(V)；以及在电动机模式中，阀机构(411)使高压室(407)连通至对应的工作室(V)，以将流体从高压室(407)供至对应的工作室(V)，同时防止流体从对应的工作室(V)回流至高压室(407)，然后使对应的工作室(V)与低压部分(408)之间连通，以将流体从对应的工作室(V)供至低压部分(408)，同时防止流体从低压部分(408)回流至对应的工作室(V)。
12.根据权利要求11所述的流体机，其特征在于，阀机构(411)包括阀体(412)，在每个活塞(404)往复运动的同时所述阀体(412)受驱动。
13.根据权利要求11所述的流体机，其进一步特征在于，轴(401)，在轴(401)旋转的同时，通过转换机构(402，403)使每个活塞(404)往复运动，其中所述转换机构(402，403)将轴(401)的转动运动转换成每个活塞(404)的往复运动，其中阀机构(411)包括阀体(412)，所述阀体(412)连接至轴(401)以便与轴(401)一体转动，并且在轴(401)带动阀体(412)转动时，阀体(412)被驱动，同时每个活塞(404)往复运动。
14.根据权利要求13所述的流体机，其特征在于在泵模式下，阀体(412)控制低压部分(408)和对应的工作室(V)之间的连通状态；以及在电动机模式下，阀体(412)控制低压部分(408)和对应的工作室(V)之间的连通状态，并且还控制高压室(407)和对应的工作室(V)之间的连通状态。
15.根据权利要求13所述的流体机，其特征在于，阀机构(411)包括致动器(413-415)，它们通过沿与轴(401)的轴向平行的方向移动阀体(412)，使流体机的控制操作在泵模式与电动机模式之间切换。
16.根据权利要求14所述的流体机，其特征在于，阀机构(411)进一步包括至少一个止回阀(410)，所述止回阀(410)阻碍流体从高压室(407)回流入对应的工作室(V)中。
17.根据权利要求13所述的流体机，其进一步特征在于，电动发电机(500)，所述电动发电机(500)具有牢固地连接至轴(401)的转子(520)。
18.根据权利要求13所述的流体机，其进一步特征在于，驱动力传送装置(600)，它将外部驱动源(20)的驱动力传送至轴(401)。
19.根据权利要求18所述的流体机，其特征在于，驱动力传送装置(600)是离合器，能有选择地使外部驱动源(20)的驱动力传送至轴(401)和禁止外部驱动源(20)的驱动力传送至轴(401)。
20.根据权利要求19所述的流体机，其特征在于在电动机模式下，电动发电机(500)产生电力；以及在泵模式下，通过使用从电动发电机(500)和外部驱动源(20)的至少一种中提供的驱动力，而由流体机压缩并排出流体。
21.根据权利要求1所述的流体机，其进一步特征在于容量可变机构(402)，所述容量可变机构(402)改变每个工作室(V)的容量，以改变流体的体积，其中在工作在电动机模式时，所述流体在对应的工作室(V)中是可膨胀的；以及控制装置(416)，它控制容量可变机构(402)，以改变容量。
22.根据权利要求21所述的流体机，其特征在于，在电动机模式下，供至流体机的流体的流动速率的增加或减少与容量的增加或减少成比例。
23.根据权利要求21所述的流体机，其特征在于，在泵模式下，控制装置(416)以这样的方式控制容量可变机构(402)即容量可变机构(402)也改变从工作室(V)排出的致冷剂的体积。
24.根据权利要求21所述的流体机，其特征在于利用转动驱动轴(401)驱动每个可移动件(404)使其滑动；以及在以电动机模式进行操作时，驱动轴(401)连接至发电机(500)和外部驱动源(20)之一。
25.根据权利要求21所述的流体机，其特征在于利用转动驱动轴(401)驱动每个可移动件(404)使其滑动；以及在泵模式下，驱动轴(401)连接至外部驱动源(20)和电动机(500)之一。
26.一种废热回收系统，该系统回收来自经加热蒸气的能量，其中利用废热加热所述蒸气，废热回收系统的特征在于，根据权利要求1至25中任一项所述的流体机。
全文摘要
一种止回阀设置于每个排出口，所述排出口使集成压缩机/膨胀机设备中的对应工作室和高压室连通。在电动机模式下打开的阀机构设置为，使工作室和高压室之间连通。
文档编号F02G5/04GK1517512SQ20041000243
公开日2004年8月4日 申请日期2004年1月29日 优先权日2003年1月28日
发明者岩波重树, 司, 山中康司, 一, 铃木康, 秀, 稻叶淳, 麻弘知, 宇野庆一, 内田和秀 申请人:株式会社电装