流体设备及兰肯循环装置制造方法
【专利摘要】流体设备包括第一轴、压缩机膨胀机流体设备、行星齿轮机构、第一离合器、第二离合器和离合器控制元件，其中，所述行星齿轮机构由的太阳齿轮、行星齿轮、行星齿轮架、以及与第一轴连接的环形齿轮构成，所述太阳齿轮连接到与所述压缩机膨胀机流体设备同步旋转的第二轴，所述环形齿轮与第一轴连接，所述第一离合器将行星齿轮架与环形齿轮和太阳齿轮中的任一个连接、释放，所述第二离合器将行星齿轮架与外壳连接、释放，所述离合器控制元件根据使压缩机膨胀机流体设备作为膨胀机工作还是作为压缩机工作，来对第一离合器及第二离合器的连接、释放进行控制。
【专利说明】流体设备及兰肯循环装置
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种流体设备及兰肯循环装置。
【背景技术】
[0002]已知有将兰肯循环装置的膨胀机与空调的压缩机共用的结构的涡盘流体设备(参照JP2005 - 273452A)。在这种流体设备中，在带轮与涡盘流体设备之间包括行星齿轮机构及电动发电机，通过切换该电动发电机的旋转速度，就能够在作为膨胀机工作与作为压缩机工作之间切换。
【发明内容】
[0003]但是，在JP2005 - 273452A的技术中，为了在作为膨胀机工作与作为压缩机工作之间切换，需要设置电动发电机，因而结构变得复杂。
[0004]本发明的目的在于提供一种能够通过简单的结构在作为膨胀机工作与作为压缩机工作之间切换的流体设备。
[0005]一实施方式中的流体设备包括:第一轴，上述第一轴与发动机的曲柄轴同步旋转；压缩机膨胀机流体设备，上述压缩机膨胀机流体设备在朝一方向旋转时作为将制冷剂所具有的能量转换为机械能而旋转的膨胀机工作，并且在朝另一方向旋转时作为对制冷剂进行加压并排出的压缩机工作。上述流体设备还包括:行星齿轮机构，上述行星齿轮机构由太阳齿轮、环形齿轮、多个行星齿轮以及行星齿轮架构成，其中，所述太阳齿轮连接到与压缩机膨胀机流体设备同步旋转的第二轴，所述环形齿轮与第一轴连接，多个所述行星齿轮与环形齿轮和太阳齿轮啮合且在太阳齿轮的周围旋转，所述行星齿轮架对行星齿轮的转轴进行支承；第一离合器，上述第一离合器将行星齿轮架与环形齿轮和太阳齿轮中的任一方连接、释放；第二离合器，上述第二离合器将行星齿轮架与外壳连接、释放；离合器控制元件，上述离合器控制元件根据使压缩机膨胀机流体设备作为膨胀机工作还是作为压缩机工作，来对第一离合器及第二离合器的连接、释放进行控制。
[0006]在附图和以下的描述中，对本发明的实施方式和本发明的优点进行详细说明。
【专利附图】
【附图说明】
[0007]图1是第一实施方式的流体设备的骨架图。
[0008]图2A是使涡盘流体设备作为膨胀机工作时的第一实施方式的流体设备的骨架图。
[0009]图2B是使涡盘流体设备作为压缩机工作时的第一实施方式的流体设备的骨架图。
[0010]图3是涡盘流体设备的工作图。
[0011]图4是对在两个离合器的连接及释放与使用用途的组合下涡盘流体设备的旋转速度为何值进行汇总的表图。
[0012]图5A是表示在将第一离合器释放且将第二离合器连接的状态下的行星齿轮机构的工作的速度线图。
[0013]图5B是表示在将第一离合器连接且将第二离合器释放的状态下的行星齿轮机构的工作的速度线图。
[0014]图5C是表示在将两个离合器释放的状态下的行星齿轮机构的工作的速度线图。
[0015]图6A是与图5A组合来表示实际的行星齿轮机构的各元件的动作的图。
[0016]图6B是与图5B组合来表示实际的行星齿轮机构的各元件的动作的图。
[0017]图6C是与图5C组合来表示实际的行星齿轮机构的各元件的动作的图。
[0018]图7是表示组装有第一实施方式的流体设备的兰肯循环装置的整个系统的示意结构图。
[0019]图8A是使涡盘流体设备作为膨胀机工作时的兰肯循环装置的整个系统的示意结构图。
[0020]图8B是使涡盘流体设备作为压缩机工作时的兰肯循环装置的整个系统的示意结构图。
[0021]图9是第二实施方式的流体设备的骨架图。
[0022]图10是表示组装有第二实施方式的流体设备的兰肯循环装置的整个系统的示意结构图。
[0023]图11是第三实施方式的流体设备的骨架图。
[0024]图12是第三实施方式的行星齿轮机构的示意俯视图。
[0025]图13是第四实施方式的流体设备的骨架图。
[0026]图14A是使涡盘流体设备作为膨胀机工作时的第四实施方式的流体设备的骨架图。
[0027]图14B是使涡盘流体设备作为压缩机工作时的第四实施方式的流体设备的骨架图。
【具体实施方式】
[0028](第一实施方式)
[0029]图1是第一实施方式的流体设备1的骨架图，图2A是使涡盘流体设备11作为膨胀机工作时的骨架图，图2B是使涡盘流体设备11作为压缩机工作时的骨架图。
[0030]第一实施方式的流体设备1包括涡盘流体设备11、行星齿轮31、两个离合器41、42以及带轮51 (第一轴)。
[0031]首先，参照图3对涡盘流体设备11进行概述。图3是涡盘流体设备11的工作图。在图3中，涡盘流体设备11包括圆筒状的壳体12、定涡盘13和动涡盘14。
[0032]定涡盘13包括板状的基板部(未图示)和从基板部向动涡盘14 一侧突出的齿部13a。动涡盘14也包括板状的基板部(未图示)和从基板部向定涡盘13 —侧突出的齿部14a。各涡盘13、14的齿部13a、14a形成为呈朝逆时针方向旋转的涡旋状且曲率半径从一端逐渐增大，将大致同样大小的上述两个齿部13a、14a以使涡旋方向相同的方式组合。此时，两个齿部13a、14a在多个部位处线接触，在相邻的两个线接触之间形成有密闭空间(工作室)。
[0033]定润盘13固定于圆筒状的壳体12。动润盘14以相对于圆筒状的壳体12中心的转轴21 (参照图1)(第二轴)偏心的轴为中心转动。在使动涡盘14朝一方向(在图3中为顺时针方向和逆时针方向中的任一个)转动时，在保持将流体封入形成于相邻的两个线接触部之间的密闭空间(工作室)内的状态下，使两个齿部13a、14a的线接触位置朝相同的方向逐渐移动。因而，例如在使动涡盘14朝图3中逆时针方向进行旋转(正转)时，形成在相邻的两个线接触之间的密闭空间的体积逐渐增大。相反，在使动涡盘14朝图3中顺时针方向进行旋转(反转)时，形成在相邻的两个线接触部之间的密闭空间逐渐减小。
[0034]在图3的最左侧，形成在相邻的两个线接触之间的密闭空间中的最小的密闭空间15产生在两个中央部。若着眼于这两个密闭空间15，随着动涡盘14正转，会像从图3的左侧开始的第二个、第三个这样向两个密闭空间16、17逐渐增大，且密闭空间16、17的位置向外周偏移。接着，在图3的最右侧，成为最大的两个密闭空间18而产生在最外周部。实际上，形成在相邻的两个线接触间的两个密闭空间在其它部位也存在，在其它的密闭空间内也发生同样的变化。
[0035]另一方面，换个视角，在图3的最右侧，形成在相邻的两个线接触间的密闭空间中的最大的密闭空间18产生在两个最外周部。若着眼于这两个密闭空间18，随着动涡盘14反转，会像从图3的右侧开始的第二个、第三个这样向两个密闭空间17、16逐渐减小，且位置向内周偏移。接着，在图3的最左侧，成为最小的两个密闭空间15而产生在中央部。实际上，形成在相邻的两个线接触间的两个密闭空间在其它部位也存在，在其它的密闭空间内也发生同样的变化。
[0036]利用随着动涡盘14的转动而产生的这种性质，能使涡盘流体设备11在正转时作为膨胀机工作，在反转时作为压缩机工作。动涡盘14具有转轴21。
[0037]为了使对涡盘流体设备11进行驱动的流体(制冷剂)从涡盘流体设备11流出或是流入涡盘流体设备11，在壳体12设置有第一出入口 22 (参照图1)，该第一出入口 22能使流体从在图3的最左侧示出的两个最小的密闭空间15内流出或是流入该密闭空间15。另外，在壳体12设置有第二出入口 23 (参照图1)，该第二出入口 23能使流体从在图3的最右侧示出的两个最大的密闭空间18流出或是流入该密闭空间18。
[0038]在使涡盘流体设备11作为膨胀机工作时，如图2A所示，从第一出入口 22导入高温高压的制冷剂气体(流体)。从第一出入口 22流入到密闭空间15内的高温高压的制冷剂气体通过膨胀的压力对动涡盘14进行驱动(使转轴21正转)。上述密闭空间15内的制冷剂随着该密闭空间的扩大(参照图3的朝右方向的状态变化)，而失去对动涡盘14进行驱动的力，随后到达最外周的制冷剂气体如图2A所示，从第二出入口 23排出到外部。通过从第一出入口 22连续地导入高温高压的制冷剂气体，就能持续对动涡盘14进行驱动(转轴21持续正转)。由此，能够将高温高压的制冷剂气体(流体)所具有的热能转换为旋转能(机械能)。
[0039]另一方面，在使涡盘流体设备11作为压缩机工作时，利用来自外部的动力使涡盘流体设备11的转轴21旋转(反转)，并且如图2B所示，将制冷剂气体从第二出入口 23导入。从第二出入口 23流入到密闭空间18内的制冷剂气体随着该密闭空间的缩小(参照图3的朝左向的状态变化)而被压缩，随后到达中央部的、与大气相比处于高温高压的制冷剂气体如图2B所示，从第一出入口 22排出到外部。通过使涡盘流体设备11的转轴21继续反转来将制冷剂气体从第二出入口 23连续地导入，就能从第一出入口 22连续地排出与大气相比处于高温高压的制冷剂气体。
[0040]在此，将在朝一方向旋转时作为将流体所具有的能量转换为机械能而旋转的膨胀机工作、在朝另一方向旋转时作为对流体进行加压并排出的压缩机工作的流体设备定义为“压缩机膨胀机流体设备”。在实施方式中，作为压缩机膨胀机流体设备，例示了涡盘流体设备11，但本发明不局限于此。不局限于涡盘，只要是活塞或叶片等在朝一方向旋转时使密闭空间增大、相反在朝另一方向旋转时使密闭空间减小的、主要为容积式的流体设备，则这些设备也包含在压缩机膨胀机流体设备中。因而，也可以使用这些设备，以代替涡盘流体设备11。
[0041]另外，有时将在朝一方向旋转时作为将流体所具有的能量转换为机械能而旋转的电动机工作、在朝另一方向旋转时作为对流体进行加压并排出的泵工作的流体设备定义为“泵电动机流体设备”。若按照该定义进行说明，则上述涡盘流体设备11也包含在上述泵电动机流体设备中。即，也可以使用上述泵电动机流体设备，以代替压缩机膨胀机流体设备。
[0042]回到图1，在使涡盘流体设备11作为膨胀机工作时，需要使转轴21正转，在使涡盘流体设备11作为压缩机工作时，需要使转轴21反转。因此，提出了通过切换电动发电机的旋转速度，来在作为涡盘流体设备的膨胀机工作与作为涡盘流体设备的压缩机工作之间切换的现有装置。
[0043]但是，在现有装置中，为了在作为膨胀机工作与作为压缩机工作进行切换，需要设置电动发电机，相应地会使结构复杂化。
[0044]另外，在现有装置中，在使涡盘流体设备作为膨胀机工作时，电动发电机作为发电机工作。此时，由于涡盘流体设备的旋转增速后传递到电动发电机，因此，电动发电机(发电机)高速(例如lOOOOrpm)旋转。当电动发电机高速旋转时，摩擦增大，藉此使得再生的效率降低，燃油效率的改善量变小。
[0045]另外，在现有装置中，将使涡盘流体设备作为膨胀机工作时获得的机械能(动力)基本回收作为电力而蓄积在蓄电池中。因而，在利用动力对发动机的旋转进行辅助时，利用电动发电机将由涡盘流体设备获得的动力转换为电力，再将转换后的上述电力转换为动力。也就是说，由转换带来的损失较大，因此，由动力辅助而带来的燃油效率的改善量变小。此外，在使用电动发电机时，需要设置逆变器等的电路，使得成本增加，且需要设置对回收后的电力进行蓄积的大容量的蓄电池。其结果是，现有装置在现实中仅能用在混合动力车中的技术，多机型的展开性降低。
[0046]因此，本发明的发明人在考虑是否不用电动发电机，就不能在作为涡盘流体设备的膨胀机工作与作为涡盘流体设备的压缩机工作之间切换后完成的发明。即，本发明使用行星齿轮机构31及作为控制元件的两个离合器41、42，来在作为涡盘流体设备的膨胀机工作与作为涡盘流体设备的压缩机工作之间切换。
[0047]另外，在本发明中，将使涡盘流体设备11作为膨胀机工作时获得的机械能(动力)直接传递到发动机而辅助发动机的旋转。即，在带轮51与发动机53的曲柄轴带轮54之间挂绕带55，从而构成带传导装置，带轮51与发动机的曲柄轴同步旋转。另外，本发明并不限定于由带轮构成的带传动装置，也能应用在使用链条的传动装置及齿轮传动装置中。
[0048]行星齿轮机构31包括太阳齿轮32、环形齿轮33、多个行星齿轮34以及行星齿轮架35，其中，这些行星齿轮34同时与太阳齿轮32和环形齿轮33啮合且围绕太阳齿轮32的周围，上述行星齿轮架35对这些行星齿轮34的轴进行固定。
[0049]使带轮51的转轴52与环形齿轮33的轴连接，使涡盘流体设备11的转轴21与太阳齿轮32的轴连接。在行星齿轮架35与环形齿轮33之间设置有将这两个元件连接、释放的第一离合器41，另外，在行星齿轮架35与外壳36之间设置有将这两个元件连接、释放的第二离合器42。第一离合器41的配置不局限于于此。例如也可以在行星齿轮架35与太阳齿轮32之间设置第一离合器41’(参照图1的虚线)。
[0050]图4是在带轮52的旋转速度为lOOOrpm的情况下将在两个离合器41、42的连接、释放与使用用途的组合下涡盘流体设备11的旋转速度为何值进行汇总的表图。图5A?图5C是表示行星齿轮机构31的工作的速度线图。图6A?图6C是与图5A?图5C相应地表示实际的行星齿轮机构31的各元件的动作的图。
[0051 ] 另外，在图4、图5A?图5C、图6A?图6C中，将环形齿轮33与太阳齿轮32的齿数的比设定为2:1。这样设定环形齿轮33与太阳齿轮32的齿数的比是基于以下理由。SP，对使涡盘流体设备11作为膨胀机工作的情况下的制冷剂体积流量要求值和使涡盘流体设备11作为压缩机工作的情况下的制冷剂体积流量要求值进行研究，发现要求值的比为1:2。藉此，在使涡盘流体设备11作为压缩机工作的情况下，与使涡盘流体设备11作为膨胀机工作的情况相比，需要2倍的旋转速度。另外，一般来说，也已知使涡盘流体设备11作为压缩机工作的情况下的制冷剂体积流量要求值比使涡盘流体设备11作为膨胀机工作的情况下的制冷剂体积流量要求值多。
[0052]图5A是在将第一离合器41释放且将第二离合器42连接的状态下的速度线图。在这种状态下，利用发动机53的动力对带轮51进行驱动。由于利用第二离合器42的连接而使行星齿轮架35与外壳36连接(参照图2A)，因此，行星齿轮架35的转速成为零[rpm]。为了方便说明，使带轮51与发动机的旋转同步地以1000[rpm]进行旋转。此时，太阳齿轮32的转速根据减速比而增大，成为- 2000[rpm]。2000[rpm]前的负的符号表示太阳齿轮33相对于带轮51反转。
[0053]图5B是在将第一离合器41连接且将第二离合器42释放的状态下的速度线图。另夕卜，为了与图5A进行比较，使带轮51的旋转速度为1000[rpm]。由于利用第一离合器41的连接而使行星齿轮架35与环形齿轮33连接(参照图2B)，因此，环形齿轮33和行星齿轮架35也处于相同的旋转速度(lOOOrpm)。因而，太阳齿轮32的旋转速度也为相同的旋转速度(lOOOrpm)。换言之，涡盘流体设备11的转轴21与带轮51为直接连结的状态。
[0054]图5C是在将两个离合器41、42释放的状态下的速度线图。另外，为了与图5A和图5B进行比较，使带轮51的旋转速度为1000 [rpm]。在该状态下，能消除带轮51与涡盘流体设备11的转轴21之间的扭矩的传递。另外，由于太阳齿轮33的转速为零[rpm]，因此，行星齿轮架35以将该点和带轮51的1000 [rpm]连结的线与行星齿轮架35的竖线相一致的点处的旋转速度进行旋转。
[0055]在图5A中，带轮51位于驱动侧，但在图5B中，涡盘流体设备11处于驱动侧。即，根据图5B可知，在使涡盘流体设备11作为膨胀机工作而使转轴21以1000[rpm]进行正转时，能使带轮51以相同的1000[rpm]进行正转。这样，利用涡盘流体设备11将流体的能量转换为旋转能，将转换后的上述旋转能用于辅助发动机53的旋转。另一方面，根据图5A可知，在利用发动机53的驱动使带轮51以1000 [rpm]进行正转时，能使转轴21以2000 [rpm]进行反转，也就是说，能将涡盘流体设备11用作压缩机。
[0056]如上所述，在本实施方式中，将环形齿轮33与太阳齿轮32的齿数比设定为2倍，但本发明并不局限于这种情况，可以将环形齿轮33与太阳齿轮32的齿数比设定在1.5倍至4倍之间。以下，对此进行说明。
[0057]在装载有发动机的车中，对车(或所装载的发动机的排气量)较大的情况和车(或所装载的发动机的排气量)较小的情况进行比较。若乘客的人数相同，由于所要求的空调能力基本不变，因此，车较大时的压缩机的制冷剂流量要求值与车较小时相比，基本没有变化，与此相对的是，车越大，废热量越大，因此，在想要进一步增加废热回收量时，车较大时的膨胀机的制冷剂流量要求值比车较小时的膨胀机的制冷剂流量要求值大。假设在车越大便越是增大压缩机膨胀机流体设备(的规格)时，车较大的情况下的压缩机的旋转速度不需要那样高，因此，相对地减小齿数比。另一方面，车较小的情况下的压缩机的旋转速度需要设定为比较高，因此，相对地增大齿数比。此外，在实用性的范围内，当考虑车的大小、即实用性的装载发动机的排气量以及压缩机膨胀机流体设备的规格，来研究齿数比的范围后，可知1.5倍至4倍是合适的。
[0058]图7是表示组装有本实施方式的流体设备1的兰肯循环装置61的整个系统的示意结构图。图8A是使涡盘流体设备11作为膨胀机工作时的兰肯循环装置61的整个系统的示意结构图，图8B是使涡盘流体设备作为压缩机工作时的兰肯循环装置61的整个系统的示意结构图。兰肯循环装置61包括制冷剂泵62、蒸发器63、作为膨胀机的涡盘流体设备11以及冷凝器(condenser) 64,各结构元件通过能使制冷剂(R134a等)循环的制冷剂通路71?74连接。
[0059]制冷剂泵62的轴与带轮51的转轴52构成为一体(参照图1)。因而，利用涡盘流体设备11产生的输出(动力)对制冷剂泵62进行驱动，并且将产生的该动力经由带传导装置(51、55、54)传递到发动机53，对发动机53的旋转进行辅助。
[0060]来自制冷剂泵62的制冷剂经由制冷剂通路71供给到蒸发器63。蒸发器63是使高温的介质与来自制冷剂泵62的制冷剂之间进行热交换，使制冷剂汽化来进行加热的热交换器。作为高温的介质，可以使用发动机的冷却水。
[0061]来自蒸发器63的制冷剂经由制冷剂通路72供给到作为膨胀机的涡盘流体设备11。作为膨胀机的涡盘流体设备11通过使汽化且过热的制冷剂膨胀，从而将热转换为旋转能。回收到作为膨胀机的涡盘流体设备11内的动力对制冷剂泵62进行驱动，经由带传导装置传递到发动机53，以对发动机53的旋转进行辅助。
[0062]来自作为膨胀机的涡盘流体设备11的制冷剂经由制冷剂通路73供给到冷凝器64。冷凝器64是使外部空气与制冷剂之间进行热交换，且将制冷剂冷却并液化的热交换器。因而，利用风扇65将该冷凝器64冷却。
[0063]利用冷凝器64液化后的制冷剂经由制冷剂通路74返回到制冷剂泵62中。返回到制冷剂泵62中的制冷剂通过制冷剂泵62再次输送到蒸发器63，以在兰肯循环装置61的各结构元件内循环。
[0064]这样能使涡盘流体设备11作为膨胀机工作。
[0065]接着，对制冷循环80进行说明。由于制冷循环80共用在兰肯循环装置61内循环的制冷剂，因此，与兰肯循环装置61合并。制冷循环80包括作为压缩机的涡盘流体设备11、冷凝器64以及汽化器82。
[0066]设置有从制冷剂通路74分支而与制冷剂通路73合流的第一旁通路81，在上述第一旁通路81内夹装有汽化器82。另外，设置有从制冷剂通路72分支而与第一旁通路81内的、比合流部85更靠下游的制冷剂通路73合流的第二旁通路87。
[0067]作为压缩机的涡盘流体设备11由发动机驱动，将制冷剂压缩而成为高温高压的制冷剂气体。即，发动机53的驱动力经由带传送装置(54、55、51)传递到转轴21，并对涡盘流体设备11进行驱动。
[0068]来自作为压缩机的涡盘流体设备11的制冷剂在经由第二旁通路87而与制冷剂通路73合流之后，被供给到冷凝器64。冷凝器64是通过与外部空气进行热交换来将制冷剂冷凝并液化的热交换器。
[0069]来自冷凝器64的液体制冷剂经由从制冷剂通路74分支的第一旁通路81被供给到汽化器82内。汽化器82与未图示的加热器芯同样地，配置在空调单元的壳体内。汽化器82是使来自冷凝器64的液体制冷剂蒸发，并利用此时的蒸发潜热对来自鼓风风扇的空调空气进行冷却的热交换器。
[0070]利用汽化器82蒸发后的制冷剂经由制冷剂通路73返回到作为压缩机的涡盘流体设备11内。另外，根据空气混合门的开度，改变通过汽化器82冷却后的空调空气与通过加热器芯加热后的空调空气的混合比率，并调节成乘客设定的温度。
[0071]在第二旁通路87的合流部预先设置有具有三个端口 A、B、C的三通阀88。三通阀88是用于切换流路的阀。例如，三通阀88在非通电状态下将端口 A与端口 B连通，并将端口 A与端口 C切断。另一方面，在通电状态下，将端口 A与端口 B的连通切断，将端口 A与端口 C连通。
[0072]在使涡盘流体设备11作为膨胀机工作时，需要如图8A中箭头所示地使制冷剂循环。因而，在第一旁通路81内设置有止回阀89，该止回阀89阻止制冷剂通路73的制冷剂从合流部85向第一旁通路81逆流。
[0073]另一方面，在使涡盘流体设备11作为压缩机工作时，需要如图8B中箭头所示地使制冷剂循环。因而，在制冷剂通路74内设置有打开或关闭制冷剂通路74的开闭阀90，在使涡盘流体设备11作为压缩机工作时，使上述开闭阀90处于全闭状态，将来自冷凝器64的液体制冷剂引导到汽化器82内。另外，在使涡盘流体设备11作为膨胀机工作时，使上述开闭阀90处于全开状态，将来自冷凝器64的液体制冷剂引导到制冷剂泵62中。
[0074]另外，在制冷剂通路72内设置有止回阀91，在使涡盘流体设备11作为压缩机工作时，上述止回阀91阻止来自涡盘流体设备11的制冷剂向蒸发器63逆流。
[0075]对三通阀88、开闭阀90、两个离合器41、42及三通阀88进行控制的是发动机控制器95 (离合器控制元件)。由于预先设定有供兰肯循环装置61运转的运转区域，因此，发动机控制器95对运转条件是否处于兰肯循环装置运转区域内进行判断。在运转条件处于兰肯循环装置运转区域内时，判断为使涡盘流体设备11作为膨胀机工作的情况。在这种情况下，将开闭阀90指示为全开状态，将第一离合器41释放，且将第二离合器42连接。不对三通阀88通电。
[0076]另外，发动机控制器95对是否有空调要求进行监控。在有空调要求且从汽化器82流出的制冷剂的温度超过上限温度的情况下，判断为使涡盘流体设备11作为压缩机工作的情况。在这种情况下，将开闭阀90指示为全闭状态，将第一离合器41连接且将第二离合器42释放。对三通阀88通电。
[0077]在此，对本实施方式的作用效果进行说明。
[0078]在本实施方式中，流体设备包括:带轮51 (第一轴)，该带轮51与发动机53的曲柄轴同步旋转；涡盘流体设备11 (压缩机膨胀机流体设备)，该涡盘流体设备11在朝一方向旋转时作为将制冷剂(流体)所具有的能量转换为机械能而旋转的膨胀机工作，且在朝另一方向旋转时作为对制冷剂(流体)进行加压并排出的压缩机进行工作；行星齿轮机构31，该行星齿轮机构31由太阳齿轮32、环形齿轮33、多个行星齿轮34以及行星齿轮架35构成，其中，上述太阳齿轮32与上述涡盘流体设备11的轴21 (与压缩机膨胀机流体设备同步旋转的第二轴)连接，上述环形齿轮33与带轮51连接，上述多个行星齿轮34与环形齿轮33及太阳齿轮32啮合且在太阳齿轮32的周围旋转，上述行星齿轮架35对上述行星齿轮34的转轴进行支承；第一离合器41，该第一离合器41将行星齿轮架35与环形齿轮33连接、释放；第二离合器42，该第二离合器42将行星齿轮架35与外壳36连接、释放。根据本实施方式，不需要像现有装置那样设置电动发电机，能够利用简单的结构在作为膨胀机工作和作为压缩机工作之间切换。
[0079]另外，在现有装置中，将作为膨胀机工作时获得的机械能(动力)几乎回收作为电力，与此相对的是，在本实施方式中，不将上述机械能转换为电力，而是直接经由带传导装置(51、55、54)传递到发动机来对发动机的旋转进行辅助。根据本实施方式，不存在像现有装置那样从电力向动力转换时的损失，能够利用机械能传递动力，因此效率高。与现有装置相比，即使是相同的膨胀机输出，燃油效率也较高。另外，由于不将机械能回收作为电力，因此，不需要大容量的蓄电池，不限定于能在混合动力车中使用的技术，可以在多机型中展开。
[0080]根据本实施方式，包括发动机控制器95 (离合器控制元件)，在使涡盘流体设备11 (压缩机膨胀机流体设备)作为膨胀机工作的情况下，上述发动机控制器95将第一离合器41连接且将第二离合器42释放，因此，行星齿轮架35与环形齿轮33 —体旋转，因而能使带轮51与涡盘流体设备11朝相同的方向旋转。更详细而言，在使涡盘流体设备11作为膨胀机工作时，在现有装置中，电动发电机(发电机)高速旋转，与此相对的是，在本实施方式中，利用第二离合器42的连接使环形齿轮33与行星齿轮架35 —体化。因而，在本实施方式的结构中，不存在使电动发电机不慎高速旋转的部位，因此不会导致伴随高速旋转而发生的效率下降。
[0081]根据本实施方式，包括发动机控制器95 (离合器控制元件)，在使涡盘流体设备11 (压缩机膨胀机流体设备)作为压缩机工作的情况下，上述发动机控制器95将第一离合器41释放且将第二离合器42连接，因此，行星齿轮架35的旋转停止，因而能使带轮51与涡盘流体设备11朝相反的方向旋转。
[0082]根据本实施方式，环形齿轮33与太阳齿轮32的齿数比为1.5倍至4倍，因此，能够设定与实用性的装载发动机的排气量相符的齿数比。
[0083]根据本实施方式，将环形齿轮33与太阳齿轮32的齿数的比(环形齿轮齿数+太阳齿轮齿数)设定为相当于使涡盘流体设备11 (压缩机膨胀机流体设备)作为膨胀机工作的情况下膨胀机所要求的制冷剂体积流量与使涡盘流体设备11作为压缩机工作的情况下压缩机所要求的制冷剂体积流量之间的比的值。藉此，能够同时满足膨胀机所要求的制冷剂体积流量和压缩机所要求的制冷剂体积流量。
[0084](第二实施方式)
[0085]图9是第二实施方式的流体设备1的骨架图，图10是表示组装有第二实施方式的流体设备1的兰肯循环装置61的整个系统的示意结构图。对于与第一实施方式的图1、图7相同的部分，标注相同的符号。
[0086]在第一实施方式中，制冷剂泵62的轴与带轮51的转轴52构成为一体(参照图1)。因而，在使涡盘流体设备11作为膨胀机工作、以及作为压缩机工作时的任一种情况下均能驱动制冷剂泵62。但是，根据图8B可知，在使涡盘流体设备11作为压缩机进行工作的情况下，实际上不必使制冷剂泵62工作。在利用发动机动力对涡盘流体设备11进行驱动时，对不必驱动的制冷剂泵62也进行驱动，是对发动机动力不必要地浪费。
[0087]因此，在第二实施方式中，在使涡盘流体设备11作为膨胀机工作时，对制冷剂泵62进行驱动，在使涡盘流体设备11作为压缩机工作时，使制冷剂泵62的驱动停止。因而，在第二实施方式中，在行星齿轮架35的转轴35a上设置齿轮101。该齿轮101与行星齿轮架35 —体地动作。此外，使上述齿轮101与用于驱动制冷剂泵62的齿轮102啮合，驱动制冷剂泵62。作为制冷剂泵62，只要使用例如齿轮式的泵即可。
[0088]藉此，在使涡盘流体设备11作为膨胀机工作时，由于第一离合器41连接，因此，行星齿轮架35与带轮51以1:1旋转(参照图5B)。当行星齿轮架35旋转时，利用与行星齿轮架35 —体运动的齿轮101和与该齿轮101啮合的齿轮102来驱动制冷剂泵62。也就是说，在使涡盘流体设备11作为膨胀机工作时，对制冷剂泵62进行驱动。
[0089]另一方面，在使涡盘流体设备11作为压缩机进行工作时，由于第二离合器42连接，因此，行星齿轮架35不旋转(参照图5A)。当行星齿轮架35不旋转时，齿轮101、102也不旋转，制冷剂泵62也不会被驱动。也就是说，在使涡盘流体设备11作为压缩机工作时，不对制冷剂泵62进行驱动。
[0090]这样，根据第二实施方式，其包括第一实施方式的流体设备1，还是包括制冷剂泵62、蒸发器63、膨胀机以及冷凝器64的兰肯循环装置，其中，上述制冷剂泵62供给液体的制冷剂，上述蒸发器63将从制冷剂泵62供给的液体的制冷剂加热而蒸发，上述膨胀机将利用蒸发器63蒸发后的制冷剂的能量转换为机械能而旋转，上述冷凝器64使从膨胀机排出的制冷剂冷凝而返回到液体的制冷剂。在上述兰肯循环装置中，制冷剂泵62通过流体设备1的行星齿轮架35的转轴而被驱动，膨胀机是流体设备1的压缩机膨胀机流体设备11。藉此，由于仅在使兰肯循环装置61运转时对制冷剂泵62进行驱动，因此，能够抑制因在不使兰肯循环装置61运转时也驱动制冷剂泵62而导致的发动机动力的不必要的浪费。
[0091](第三实施方式)
[0092]图11是第三实施方式的流体设备1的骨架图，图12是第三实施方式的行星齿轮机构31的示意俯视图。在图11中，对与第二实施方式的图9相同的部分，标注相同的符号。
[0093]第三实施方式以第二实施方式的结构为前提。即，在第三实施方式中，也是在使涡盘流体设备11作为膨胀机工作时对制冷剂泵62进行驱动，而在使涡盘流体设备11作为压缩机工作时，停止对制冷剂泵62的驱动。此外，在第三实施方式中，在行星齿轮机构31中的所有的行星齿轮34上均设置有单向超越离合器113，而不设置第一离合器41。
[0094]通常是在三个行星齿轮34上都设置单向超越离合器113，但根据情况的不同，也可以省略一部分，而仅在一个行星齿轮上设置单向超越离合器113。在这种情况下，如图12所示，将行星齿轮34中的一个(在图12中为上方的齿轮)设置为分离成转轴111和外齿齿轮112，该外齿齿轮112与该转轴111同轴，且能不受转轴111影响地转动。另外，在上述外齿齿轮112的内周与转轴111的外周之间夹装有单向超越离合器113。另外，在图12中，将单向超越离合器113设置于上方的行星齿轮34，但并不局限于这种结构。即，也可以将单向超越离合器113设置在图12中位于左下方和右下方的行星齿轮34上。
[0095]单向超越离合器113包括外壳114、滚珠115、弹簧116和弹簧定位器117。外壳114形成为沿径向具有厚度的圆弧状，该外壳114的外周114a固定在外齿齿轮112的内周，上述外壳114的内周114b能在转轴11的外周111a上滑动。在外壳114的内周侧形成有两个凹陷部，在各凹陷部中收纳有滚珠115、对该滚珠115沿周向的一方向(图12中逆时针方向)施力的弹簧116以及对该弹簧116进行保持的弹簧定位器114。
[0096]在图12中，在太阳齿轮32朝逆时针方向旋转时，与太阳齿轮32啮合的外齿齿轮112与单向超越离合器113 —并朝顺时针方向旋转。此时，滚珠115嵌入在外壳114与转轴111之间而将这两者固定(锁定)。利用上述单向超越离合器113的锁定使外齿齿轮112与转轴111 一体地动作。因而，行星齿轮架35朝逆时针方向旋转，环形齿轮33也朝逆时针方向旋转。也就是说，如图5B所示，太阳齿轮32、行星齿轮架35及环形齿轮33 —体地旋转。在单向超越离合器113锁定的情况下，起到与第二实施方式的将第一离合器41连接的情况相同的作用。即，涡盘流体设备11作为膨胀机工作。
[0097]另一方面，在太阳齿轮32朝顺时针方向旋转时，在单向超越离合器113中，滚珠115克服弹簧116的施加力而使弹簧116压缩。此时，滚珠115没被固定(锁定)在外壳114与转轴111之间。因而，外齿齿轮112的旋转不会传递到转轴111，行星齿轮架35不发生旋转。也就是说，如图5A所示，即使太阳齿轮32旋转，行星齿轮架35也不旋转。在单向超越离合器113没有锁定的情况下，起到与第二实施方式的将第一离合器41释放的情况相同的作用。即，涡盘流体设备11作为压缩机工作。
[0098]这样，单向超越离合器113由于起到与第二实施方式的第一离合器41相同的作用，因此，在第三实施方式中，如图11所示，在第一离合器的位置标记单向超越离合器113。
[0099]根据第三实施方式，第一实施方式的第一离合器41由在使压缩机膨胀机流体设备11作为膨胀机工作时，将行星齿轮架35与环形齿轮33和太阳齿轮32中任一方固定的单向超越离合器113构成。藉此，除了能够抑制因在不使兰肯循环装置61运转时也驱动制冷剂泵62而导致的不必要的动力的消耗之外，还能形成为更加简单的结构。
[0100](第四实施方式)
[0101]图13是第四实施方式的流体设备1的骨架图。对于与第一实施方式的图1相同的部分，标注相同的符号。在第一实施方式至第三实施方式中，为了在作为膨胀机工作与作为压缩机工作之间切换，使用了行星齿轮机构31。另一方面，在第四实施方式中，使用变速机构121，而不是行星齿轮机构31，来在作为膨胀机工作与作为压缩机工作之间切换。
[0102]如图13所示，由使第一齿轮123、第二齿轮124和第三齿轮125啮合而构成的齿轮列以及使第四齿轮127与第五齿轮128啮合而构成的齿轮列，来构成变速机构121，并将上述这两个齿轮列相对配置。第二齿轮124、第三齿轮125和第五齿轮128的轴固定于外壳36。在此，第一齿轮123?第三齿轮125具有相同的齿数，第四齿轮127比第五齿轮128的齿数多。
[0103]使第一齿轮123的轴与第四齿轮127的轴位于相同的位置，通过第二离合器42将两个齿轮123、127的轴连接。另外，使第三齿轮125的轴与第五齿轮128的轴位于相同的位置，通过第一离合器41将两个齿轮125、128的轴连接。
[0104]在使涡盘流体设备11作为膨胀机工作时，如图14A所示，将第二离合器42连接且将第一离合器41释放。此时，转轴21与带轮51直接连结。也就是说，利用通过作为膨胀机的涡盘流体设备11获得的动力对带轮51进行驱动。
[0105]在使涡盘流体设备11作为压缩机工作时，如图14B所示，将第二离合器42释放且将第一离合器41连接。此时，转轴21在带轮51的作用下反转。也就是说，利用发动机的动力对作为压缩机的涡盘流体设备11进行驱动，从而能将制冷剂气体压缩而形成为与大气相比处于高温高压的制冷剂气体。转轴21不仅相对于带轮51的旋转方向反转，而且由于第四齿轮127比第五齿轮128的齿数多，因此，能使带轮51的旋转增速而传递到转轴21，因而，能使压缩机(涡盘流体设备11)增速而进行旋转。
[0106]本发明并不限定于上述的实施方式。
[0107]本发明对基于2012年4月12日向日本专利局提交申请的日本专利特愿2012 —090907主张优先权，且通过参照的方式将该申请的全部内容纳入本说明书。
【权利要求】
1.一种流体设备，其特征在于，包括: 第一轴，所述第一轴与发动机的曲柄轴同步旋转； 压缩机膨胀机流体设备，所述压缩机膨胀机流体设备在朝一方向旋转时作为将制冷剂所具有的能量转换为机械能而旋转的膨胀机工作，并且在朝另一方向旋转时作为对制冷剂进行加压并排出的压缩机工作； 行星齿轮机构，所述行星齿轮机构由太阳齿轮、环形齿轮、多个行星齿轮以及行星齿轮架构成，其中，所述太阳齿轮连接到与所述压缩机膨胀机流体设备同步旋转的第二轴，所述环形齿轮与所述第一轴连接，多个所述行星齿轮与环形齿轮和太阳齿轮啮合且在太阳齿轮的周围旋转，所述行星齿轮架对行星齿轮的转轴进行支承； 第一离合器，所述第一离合器将所述行星齿轮架与所述环形齿轮和所述太阳齿轮中的任一方连接、释放； 第二离合器，所述第二离合器将所述行星齿轮架与外壳连接、释放； 离合器控制元件，所述离合器控制元件根据使所述压缩机膨胀机流体设备作为所述膨胀机工作还是作为所述压缩机工作，来对所述第一离合器及所述第二离合器的连接、释放进行控制。
2.如权利要求1所述的流体设备，其特征在于， 在使所述压缩机膨胀机流体设备作为所述膨胀机工作的情况下，所述离合器控制元件将所述第一离合器连接，且将所述第二离合器释放。
3.如权利要求1或2所述的流体设备，其特征在于， 在使所述压缩机膨胀机流体设备作为所述压缩机工作的情况下，所述离合器控制元件将所述第一离合器释放，且将所述第二离合器连接。
4.如权利要求1至3中任一项所述的流体设备，其特征在于， 所述环形齿轮的齿数为太阳齿轮的齿数的1.5倍至4倍。
5.如权利要求1至3中任一项所述的流体设备，其特征在于， 将所述环形齿轮与所述太阳齿轮的齿数的比设定成，相当于在使所述压缩机膨胀机流体设备作为所述膨胀机工作的情况下膨胀机所要求的制冷剂体积流量与在使所述压缩机膨胀机流体设备作为所述压缩机工作的情况下压缩机所要求的制冷剂体积流量之间的比的值。
6.如权利要求1至5中任一项所述的流体设备，其特征在于， 所述第一离合器由单向超越离合器构成，在使所述压缩机膨胀机流体设备作为膨胀机工作的情况下，所述单向超越离合器将所述行星齿轮架与所述环形齿轮和所述太阳齿轮中的任一方固定。
7.一种兰肯循环装置，具有权利要求1至6中任一项所述的流体设备，其特征在于，包括: 制冷剂泵，所述制冷剂泵供给液体的制冷剂； 蒸发器，所述蒸发器对从所述制冷剂泵供给的液体的制冷剂进行加热而使所述制冷剂蒸发； 膨胀机，所述膨胀机将利用所述蒸发器蒸发后的制冷剂的能量转换为机械能而进行旋转；以及 冷凝器，所述冷凝器使从所述膨胀机排出的制冷剂冷凝而返回为液体的制冷剂， 利用所述流体设备的行星齿轮架的转轴对所述制冷剂泵进行驱动， 所述膨胀机是所述流体设备的压缩机膨胀机流体设备。
8.一种流体设备，其特征在于，包括: 泵电动机流体设备，所述泵电动机流体设备在朝一方向旋转时作为将制冷剂所具有的能量转换为机械能而进行旋转的电动机工作，且在朝另一方向旋转时作为将制冷剂加压而排出的泵工作； 变速机构，所述变速机构将所述泵电动机流体设备的旋转传递到发动机的曲柄轴，在将所述泵电动机流体设备用作电动机的情况下，所述变速机构使曲柄轴的旋转方向保持相同不变，另外在将所述泵电动机流体设备用作泵的情况下，所述变速机构使曲柄轴的旋转方向反转，且以与使用所述泵电动机流体设备作为电动机的情况相比，使泵电动机流体设备相对于发动机曲柄轴的旋转速度高的方式传递旋转；以及 多个离合器，这些离合器能够切换为在使所述变速机构保持旋转方向相同的状态下传递所述泵电动机流体设备的旋转，或是使旋转方向反转地传递所述泵电动机流体设备的旋转。
【文档编号】F01C20/04GK104350235SQ201380019307
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2013年4月5日 优先权日:2012年4月12日
【发明者】永井宏幸, 中村慎二, 狩野靖明 申请人:三电有限公司