CN104074566B - 发电装置及发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明的发电装置具备膨胀机、发电机和壳体；所述发电机具有由膨胀机驱动的发电机转子、以及配置在发电机转子的径向外侧的定子；所述壳体具有收容膨胀机的膨胀机收容室、以及收容发电机的发电机收容室。壳体具备第1连通部和第2连通部；所述第1连通部将膨胀机收容室中的通过膨张机使动作介质逐渐膨胀的膨胀室、和发电机收容室中的位于比发电机靠膨胀室侧的发电机前方部连通；所述第2连通部将是比膨胀室靠下游侧的部位且位于相对于发电机靠膨胀室侧的部位、与发电机前方部连通。

Description

发电装置及发电系统

技术领域

本发明涉及发电装置及发电系统。

背景技术

以往，已知有下述发电装置：用动作介质驱动膨胀机，由直接连结在膨胀机上的发电机进行发电。在日本·特开2004－353571号中公开的发电装置中，设有将由冷凝器冷凝后的动作介质向发电机的冷却器引导的冷却用配管。由此能够进行发电机的有效率的冷却。但是，有需要用来将动作介质向发电机的冷却器引导的冷却用配管的问题。相对于此，在日本·特开2012－147567号所公开的发电装置中，能够不设置冷却用配管而进行发电机的冷却。即，在该发电装置中，为膨胀机和发电机收容在壳体内的结构，在该壳体上设有隔壁部，所述隔壁部分隔为收容膨胀机的第1空间、和收容发电机的第2空间。并且，在隔壁部上，形成有使第1空间与第2空间连通的连通部。连通部从由膨胀机膨胀后的动作介质被吐出的吐出口朝向第2空间延伸。由此，在第1空间内被膨胀机膨胀后的动作介质经过连通部被向第2空间导入。在第2空间中收容着发电机，而夹着该发电机在与连通部相反侧，设有动作介质的排出部。因此，经过连通部被导入到第2空间内的动作介质穿过发电机内（例如定子与转子之间的间隙）而被从排出部向壳体的外部排出。

在日本·特开2012－147567号所公开的发电装置中，虽然能够不设置冷却用配管而进行发电机的冷却，但是尚存在以下的问题。即，在该发电装置中，由于以动作介质穿过发电机内（例如定子与转子之间的间隙）的方式构成，所以动作介质的流通阻力增大，有发电效率下降的问题。此外，在万一在动作介质中包含异物的情况下，还有异物进入到发电机的转子与定子之间的缝隙中的问题。

发明内容

所以，本发明是鉴于上述以往技术而做出的，其目的在于提供一种能够在抑制将发电机冷却时的动作介质的流通阻力的同时以简单的结构进行发电机的冷却的发电装置。

为了达到上述目的，本发明是一种发电装置，具备膨胀机、发电机和壳体；所述发电机具有由上述膨胀机驱动的转子、以及配置在上述转子的径向外侧的定子；所述壳体具有收容上述膨胀机的膨胀机收容室、以及收容上述发电机的发电机收容室；上述壳体具备第1连通部和第2连通部；所述第1连通部将上述膨胀机收容室中的通过上述膨张机使动作介质逐渐膨胀的膨胀室、与上述发电机收容室中的位于比上述发电机靠上述膨胀室侧的发电机前方部连通；所述第2连通部将关于上述动作介质的流动是比上述膨胀室靠下游侧的部位且位于相对于上述发电机靠上述膨胀室侧的部位、与上述发电机前方部连通。

在本发明中，膨胀室与发电机收容室通过第1连通部连通。另一方面，发电机收容室与比膨胀室靠下游侧的部位通过第2连通部连通。由于比膨胀室靠下游侧的部位比处于膨胀过程的中途的膨胀室内低压，所以通过两者的压力差，膨胀室内的动作介质经过第1连通部向发电机收容室流动，然后，经过第2连通部向比膨胀室靠下游侧的部位流动。因此，能够通过发电机收容室内的动作介质将发电机冷却。因而，能够不新设置冷却用的配管、而通过简单的结构实现由动作介质进行的发电机的冷却。此外，由于第2连通部将位于相对于发电机靠膨胀室侧且比膨胀室靠下游侧的部位与发电机前方部连通，所以动作介质不在发电机内流动（或者即使有在发电机内流动的情况也很少）而在发电机收容室内流动。因此，在发电机收容室内流动时的动作介质的流通阻力不会变大。因而，能够通过上述压力差使动作介质有效地流动，能够防止发电效率下降。并且，由于动作介质不在发电机内流动，或者即使有在发电机内流动的情况也很少，所以即使是在动作介质中包含异物的情况，异物进入到发电机内的可能性也较小。

这里，上述定子的线圈也可以在上述发电机前方部内，面向动作介质流动的流路。在该形态中，由于定子的线圈面向动作介质的流路，所以能够将容易发热的线圈有效率地冷却。

上述壳体也可以具备阶差部，所述阶差部位于上述定子的后方且向径向内侧突出。在此情况下，上述定子的定子铁芯也可以具备：径向抵接部，在径向上抵接在上述壳体的内周面上；和轴向抵接部，与上述阶差部在轴向上抵接。

在该形态中，虽然定子铁芯的热直接向壳体传递，但能够使该热经过壳体散热。

此外，通过在壳体上设置阶差部，能够容易地进行轴向的定子的定位。通过调整阶差部的轴向的位置，流路的宽度的设计变容易。

比上述膨胀室靠下游侧的部位也可以是上述膨胀机的吐出室。在该形态中，由于为第2连通部将发电机收容室与吐出室连通的结构，所以能够抑制壳体内的结构复杂化，在成本方面变得有利。

本发明是一种发电系统，具备：蒸发器，使动作介质蒸发；上述发电装置；冷凝器，使由上述发电装置的上述膨胀机膨胀后的动作介质冷凝；和泵，使由上述冷凝器冷凝后的动作介质向上述蒸发器导入。在本发明中，能够一边使动作介质在蒸发器、膨胀机及冷凝器间循环，一边在发电装置中进行发电。

上述发电系统也可以是车载用的系统。在该形态中，由于搭载到车辆中利用，所以能够作为在车辆中需要的电力的供给源利用。

如以上说明，根据本发明，能够抑制将发电机冷却时的动作介质的流通阻力，并且能够以简单的结构进行发电机的冷却。

附图说明

图1是概略地表示有关本发明的实施方式的发电系统的整体结构的图。

图2是图1的II－II线的剖面图。

图3是图1的III－III线的剖面图。

图4是将设在上述发电系统中的发电装置部分地放大表示的图。

图5是概略地表示本发明的其他实施方式的膨胀机的图。

具体实施方式

以下，一边参照附图一边对用来实施本发明的形态详细地说明。

木实施方式的发电系统1是利用兰肯循环的发电系统，如图1所示，具备发电装置2、冷凝器6、循环泵8和蒸发器10。发电装置2、冷凝器6、循环泵8及蒸发器10依次设在循环流路4中。动作介质在循环流路4中循环。作为动作介质，例如使用R245fa（1，1，1，3，3－五氟丙烷）等沸点较低的制冷剂。因而，发电系统为从低温的废热回收动力的二元发电方式。另外，本发电系统作为车载用的系统而构成。

发电装置2具备螺旋式膨胀机（以下，单称作膨胀机）14、发电机16、和将这些膨胀机14及发电机16以相互连结的状态收容的壳体12。发电装置2通过在膨胀机14中使气态的动作介质膨胀，将驱动发电机16的力取出。另外，关于发电装置2的详细情况在后面叙述。

冷凝器6使从膨胀机14排出的气态的动作介质冷凝而成为液态的动作介质。冷凝器6具有气态的动作介质流动的动作介质流路6a、和通过与从外部供给的冷却介质流动的流路61连接而该冷却介质流动的冷却介质流路6b。在动作介质流路6a中流动的动作介质通过与在冷却介质流路6b中流动的冷却介质热交换而冷凝。

循环泵8设在循环流路4的冷凝器6的下游侧（蒸发器10与冷凝器6之间），用来使动作介质在循环流路4内循环。循环泵8将由冷凝器6冷凝后的液态的动作介质加压到规定的压力并向蒸发器10送出。作为循环泵8，使用具备叶轮作为转子的离心泵、或转子由一对齿轮构成的齿轮泵等。

蒸发器10设在循环流路4中的循环泵8的下游侧（循环泵8与发电装置2之间）。蒸发器10具有动作介质流动的动作介质流路10a、和加热介质流动的加热介质流路10b。加热介质流路10b连接在加热介质回路62上，从外部的热源供给的加热介质在该加热介质流路10b中流动。在动作介质流路10a中流动的动作介质与在加热介质流路10b中流动的加热介质热交换而蒸发。

通过以上的结构，在本实施方式的发电系统中，构成了动作介质经过循环流路4依次流过蒸发器10、发电装置2、冷凝器6及循环泵8的循环回路。

接着，对发电装置2的结构详细地说明。

发电装置2的膨胀机14具有分别绕轴旋转的一对膨胀机转子32。各膨胀机转子32由螺旋转子构成，所述螺旋转子具有沿着其外周面形成为螺旋状的齿。如图2所示，两膨胀机转子32的齿相互啮合，随着各转子32旋转，啮合的部位在轴向上逐渐移动。

各膨张机转子32如图1所示，分别具有旋转轴34。旋转轴34分别具有从膨胀机转子32向轴向的一方延伸的第1轴部34a、和从膨胀机转子32向轴向的另一方延伸的第2轴部34b。

发电机16具有经由第2轴部34b与一方的膨胀机转子32连结的发电机转子38、和以将发电机转子38包围的方式配置的定子40。即，发电机16构成为发电机转子38配置在定子40的内侧的内转子型的发电机。定子40具有定子铁芯40a和安装在定子铁芯40a上的线圈40b。发电机转子38具有铁芯及绕线。发电机转子38与膨胀机转子32一体地旋转。

收容膨胀机14及发电机16的壳体12具有两端开口的筒状的躯体部22、以将躯体部22的一端侧的开口堵塞的方式结合在躯体部22的一端部上的第1盖部23、和以将躯体部22的另一端侧的开口堵塞的方式结合在躯体部22的另一端部上的第2盖部24。躯体部22、第1盖部23及第2盖部24都是金属制。第1盖部23形成为有底的筒状，在第1盖部23的底部23a上，形成有连接循环流路4的导入端口26。第2盖部24形成为有底的筒状，第2盖部24的底部与第1盖部23不同，被堵塞。在躯体部22上，形成有连接循环流路4的吐出端口27。

在躯体部22上，在其轴向中间部形成有隔壁部22a。通过隔壁部22a，在壳体12内形成收容膨胀机14的膨胀机收容室12a、和收容发电机16的发电机收容室12b。在隔壁部22a上，形成有在轴向上贯通的贯通孔，在该贯通孔中，嵌入着旋转自如地支承第2轴部34b的轴承28。该轴承28位于膨胀机转子32与发电机转子38之间，对应于各第2轴部34b而设有两个。

膨胀机收容室12a被分隔部22b分隔为流入室29和吐出室30。分隔部22b相对于隔壁部22a位于与发电机16相反侧，并且设置为，在与隔壁部22a之间形成空间。流入室29是由分隔部22b和第1盖部23区划出的空间，是导入端口26在膨胀机收容室12a内开口的空间。吐出室30是由分隔部22b和隔壁部22a区划出的空间，是吐出端口27在膨胀机收容室12a内开口的空间。

在分隔部22b上形成有开口部，在该开口部中配置有膨胀机转子32。分隔部22b具有以从躯体部22主体的上壁向内侧（图1中的下侧）突出的方式形成的上侧部、和以从躯体部22主体的底壁向内侧（图1中的上侧）延伸的下侧部。如图2所示，上侧部的下表面22c形成为与膨胀机转子32的外形形状对应的两个圆弧状，下侧部的上表面22d形成为与膨胀机转子32的外形形状对应的两个圆弧状。并且，在形成在上侧部的下表面22c与下侧部的上表面22d之间的开□部内配置有一对膨胀机转子32。膨胀机转子32与上侧部的下表面22c和下侧部的上表面22d之间的空间为被导入动作介质的空间，在该空间内，在相互啮合的齿彼此之间形成的空间为膨胀室44。膨胀室44随着膨胀机转子32的旋转而在轴向上移动并且容积逐渐变大。因此，在膨胀室44内，动作介质逐渐膨胀。

在分隔部22b的轴向一端部上，如图1及图3所示，固定着保持第1轴部34a的轴承46的轴承保持部47。在轴承保持部47上，如图3所示，安装着一对轴承46，经由这些轴承46旋转自如地支承着一对第1轴部34a。

在分隔部22b的上侧部，通过将轴向的一端部（第1盖部23侧的端部）切掉而形成流入口49。流入口49将流入室29与分隔部22b的开口部内连通，流入室29内的动作介质经过位于膨胀机转子32的一端部（第1盖部23侧的端部）的上侧的流入口49被向开口部内导入。

分隔部22b的下侧部支承着膨胀机转子32的一端部侧。因此，在膨胀机转子32的另一端部（第2盖部24侧的端部），膨胀室44与吐出室30连通。将膨胀室44与吐出室30连通的开口（流出口50）位于膨胀机转子32的下侧，在膨胀室44内膨胀后的动作介质经过该流出口50被向吐出室30排出。

发电机收容室12b是由躯体部22的隔壁部22a和第2盖部24区划出的空间。收容在发电机收容室12b中的发电机16在发电机收容室12b内配置在轴向的中间部。因而，发电机收容室12b的内部被发电机16分为前方部12c和后方部12d。前方部12c是位于比发电机16靠前方（相对于发电机16靠膨胀室44侧）的空间。后方部12d是位于比发电机16靠后方（相对于发电机16与膨胀室44相反侧）的空间。前方部12c和后方部12d经过定子铁芯40a与发电机转子38之间的缝隙连通。

发电机16的定子铁芯40a如图4所示，在由形成在壳体12的第2盖部24上的阶差部52定位后，固定在第2盖部24上。阶差部52以向径向内侧突出的方式，形成在第2盖部24中的、形成于底部24a的周缘部上的筒部24b上。阶差部52在筒部24b的周向上遍及整体连续形成，但也可以在周向上断续地形成。阶差部52的躯体部22侧的端面52a为与轴向大致垂直的面。

定子铁芯40a被压入到第2盖部24中，定子铁芯40a的外周面（径向抵接部）抵接在第2盖部24的筒部24b的内周面上，定子铁芯40a的一端面（轴向抵接部）抵接在阶差部52的躯体部22侧的端面52a上。因而，发电机16被第2盖部24保持在壳体12内的规定位置。

在壳体12上，如图1所示，设有第1连通部53和第2连通部54。第1连通部53由在比膨胀机转子32靠上侧的位置将隔壁部22a贯通的贯通孔构成。第1连通部53的一端部在分隔部22b的上侧部，面向膨胀机转子32的轴向中间部。因此，第1连通部53与处于膨胀过程的中途的膨胀室44连通。第1连通部53的另一端部面向发电机收容室12b的前方部12c。因而，第1连通部53将膨胀室44与发电机收容室12b的前方部12c连通。

第2连通部54由在比膨胀机转子32靠下侧的位置将隔壁部22a贯通的贯通孔构成。第2连通部54的一端部面向吐出室30，另一端部面向发电机收容室12b的前方部12c。因而，第2连通部54将发电机收容室12b的前方部12c与吐出室30连通。

这里，对本实施方式的发电系统的运转动作进行说明。如果驱动循环泵8，则从循环泵8送出的液态的动作介质向蒸发器10的动作介质流路10a流入。该动作介质被在加热介质流路10b中流动的加热介质加热而蒸发。由蒸发器10蒸发后的动作介质被从导入端口26向发电装置2的流入室29内导入。流入到流入室29中的动作介质被从形成在分隔部22b上的流入口49向膨胀室44导入。通过动作介质被导入到膨胀室44内，膨胀机转子32被旋转驱动，发电机16的发电机转子38旋转而进行发电。此时，随着膨胀机转子32的旋转，膨胀室44一边在轴向上移动一边使动作介质逐渐膨胀。因而，膨胀室44内的动作介质的压力逐渐下降。并且，被用于发电后的动作介质被从流出口50向吐出室30内吐出。膨胀室44由于在膨胀过程的中途第1连通部53连通，所以膨胀室44内的动作介质的一部分经过第1连通部53被向发电机收容室12b内的前方部12c导入。该动作介质在前方部12c内流动，此时，将定子40的线圈40b、发电机转子38冷却。并且，前方部12c内的动作介质经过第2连通部54被向吐出室30内的动作介质合流。即，由于处于膨胀过程的中途的膨胀室44内的压力比吐出室30内的压力高，所以通过两者的压力差，动作介质在发电机收容室12b内流通。此时，在发电机收容室12b中，由于构成后方部12d的第2盖部24被堵塞，所以前方部12c内的动作介质几乎不向后方部12d内流入。

吐出室30内的动作介质经过吐出端口27被向循环流路4排出。被从发电装置2排出的气态的动作介质被向冷凝器6的动作介质流路6a导入。在冷凝器6中，动作介质被在冷却介质流路6b中流动的冷却介质冷却而冷凝。该液态的动作介质在循环流路4中流动，被循环泵8吸入。在循环流路4中，这样的循环被重复，在发电装置2中进行发电。

如以上说明，在本实施方式中，膨胀室44和发电机收容室12b通过第1连通部53连通。另一方面，发电机收容室12b和比膨胀室44靠下游侧的部位通过第2连通部54连通。由于比膨胀室44靠下游侧的部位比处于膨胀过程的中途的膨胀室44内低压，所以通过两者的压力差，膨胀室44内的动作介质经过第1连通部53向发电机收容室12b流动，然后，经过第2连通部54向比膨胀室44靠下游侧的部位流动。因此，能够通过发电机收容室12b内的动作介质将发电机16冷却。因而，能够不新设置冷却用的配管，而通过简单的结构实现由动作介质进行的发电机的冷却。此外，由于第2连通部54相对于发电机16位于膨胀室44侧，并且将比膨胀室44靠下游侧的部位与发电机前方部12c连通，所以动作介质不在发电机16内流动（或者即使有在发电机16内流动的情况也很少）而在发电机收容室12b内流动。因此，在发电机收容室12b内流动时的动作介质的流通阻力不会变大。因而，能够通过上述压力差使动作介质有效地流动，能够防止发电效率下降。并且，由于动作介质不在发电机16内流动，或者即使有在发电机16内流动的情况也很少，所以即使是动作介质中包含异物的情况，异物进入到发电机16内的可能性也较小。

此外，在本实施方式中，由于定子40的线圈40b在发电机收容室12b的前方部12c内，面向动作介质流动的流路，所以能够将容易发热的线圈40b有效率地冷却。

此外，在本实施方式中，由于定子铁芯40a接合在壳体12上，所以虽然定子铁芯40a的热向壳体12直接传递，但能够使该热经过壳体12散热。此外，由于在壳体12上设有阶差部52，所以能够容易地进行轴向上的定子40的定位。此外，通过调整阶差部52的轴向的位置，流路的宽度的设计变容易。因而，能够调整在前方部12c内流动的动作介质的流量，将发电机16效率良好地冷却，并且能够防止驱动膨胀机14的动作介质量过度地下降。

此外，在本实施方式中，由于第2连通部54连接在吐出室30上，所以能够抑制壳体12内的结构复杂化，在成本方面变得有利。

另外，本发明并不限定于上述实施方式，在不脱离其主旨的范围内能够进行各种变更、改良等。上述实施方式的发电系统1作为车载用的系统而构成，但并不限定于此。例如，也可以作为下述发电系统而构成：除了从坑井（蒸汽井）采取的蒸汽、从工厂等排出的蒸汽以外、还将通过以太阳能为热源的集热器生成的蒸汽、或从发动机、压缩机等的排热生成的蒸汽或温水、从以生物物质或化石燃料为热源的锅炉生成的蒸汽、温水等作为加热介质，将这些蒸汽等的热回收而进行发电。

在上述实施方式中，为第2连通部54连接到吐出室30的结构，但并不限定于此。例如，也可以是第2连通部54不将隔壁部22a贯通而将壳体12的躯体部22贯通并通过配管连接到循环流路4的结构，或者是将躯体部22贯通而通过配管直接连接到冷凝器6的结构。

在上述实施方式中，膨胀机14具有一对膨胀机转子32，所述一对膨胀机转子32由具有形成为螺旋状的齿的螺旋转子构成，但并不限定于该结构。例如，如图5所示，膨胀机14也可以构成为涡旋型的膨胀机。在此情况下，膨胀机14具有形成为旋涡状的固定涡旋件65、在一部分接触在该固定涡旋件65上的状态下工作的旋绕涡旋件66、和收容两涡旋件65、66的壳体12。在壳体12的径向中央部形成有导入端口26，在壳体12的外周部形成有吐出端口27。并且，经过导入端口26被导入到固定涡旋件65及旋绕涡旋件66间的膨胀室44中的动作介质使旋绕涡旋件66动作。通过旋绕涡旋件66转动，膨胀室44内的容积逐渐变大，动作介质逐渐膨胀。由于第1连通部53的一端部在壳体12的径向中间部开口，所以处于膨胀过程的动作介质的一部分经过第1连通部53被向发电机收容室12b内的前方部12c引导。在该结构中，也能够通过膨胀室44内的动作介质的压力与吐出室30内的动作介质的压力的压力差使动作介质流通到发电机收容室12b内。

Claims (6)

1.一种发电装置，

具备膨胀机、发电机和壳体；

所述发电机具有由上述膨胀机驱动的转子、以及配置在上述转子的径向外侧的定子；

所述壳体具有收容上述膨胀机的膨胀机收容室、以及收容上述发电机的发电机收容室；

其特征在于，

上述壳体具备第1连通部和第2连通部；

所述第1连通部将上述膨胀机收容室中的通过上述膨胀机使动作介质逐渐膨胀的膨胀室、与上述发电机收容室中的位于比上述发电机靠上述膨胀室侧的发电机前方部连通；

所述第2连通部将关于上述动作介质的流动是比上述膨胀室靠下游侧部位且位于相对于上述发电机靠上述膨胀室侧的部位、与上述发电机前方部连通。

2.如权利要求1所述的发电装置，其特征在于，

上述定子的线圈在上述发电机前方部内，面向动作介质流动的流路。

3.如权利要求2所述的发电装置，其特征在于，

上述壳体具备阶差部，所述阶差部位于上述定子的后方且向径向内侧突出；

上述定子的定子铁芯具备：

径向抵接部，在径向上抵接在上述壳体的内周面上；和

轴向抵接部，与上述阶差部在轴向上抵接。

4.如权利要求1所述的发电装置，其特征在于，

比上述膨胀室靠下游侧的部位是上述膨胀机的吐出室。

5.一种发电系统，其特征在于，具备：

蒸发器，使动作介质蒸发；

权利要求1所述的发电装置；

冷凝器，使由上述发电装置的上述膨胀机膨胀后的动作介质冷凝；和

泵，使由上述冷凝器冷凝后的动作介质向上述蒸发器导入。

6.如权利要求5所述的发电系统，其特征在于，

上述发电系统是车载用的系统。