用于产生有用功的系统、体积流体膨胀器和能量回收系统
阅读：911发布：2021-05-12
专利汇可以提供用于产生有用功的系统、体积流体膨胀器和能量回收系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本实用新型涉及一种体积膨胀器，其构造为转移 工作 流体 和产生有用功，并包括壳体。该壳体包括构造为接纳相对高压的工作流体的入口端和构造为排出相对低压的工作流体的出口端。该膨胀器还包括第一和第二扭转 啮合 转子 ，其可旋转地设置在壳体中并构造为使相对高压的工作流体膨胀成为相对低压的工作流体。每个转子具有多个 叶片 ，当第一转子的一个叶片相对于入口端超前时，第二转子的一个叶片相对于入口端拖后。该膨胀器还包括 输出轴 ，该输出轴在工作流体膨胀时由相对高压的工作流体驱动旋转。本实用新型还公开了一种在 朗肯循环 中使用膨胀器以产生功的系统。，下面是用于产生有用功的系统、体积流体膨胀器和能量回收系统专利的具体信息内容。
1.一种用于经由闭环朗肯循环产生有用功的系统，该系统包括：
构造为冷凝工作流体的冷凝器；
构造为对工作流体加压的流体泵；
构造为加热工作流体的热交换器；以及
体积流体膨胀器，所述膨胀器构造为接收来自热交换器的工作流体，产生功，并将工作流体转移到冷凝器，所述膨胀器包括：
壳体，所述壳体具有构造为接纳相对高压的工作流体的入口端，和构造为排出相对低压的工作流体的出口端；
第一和第二扭转啮合转子，所述转子可旋转地设置在壳体中，并构造为使相对高压的工作流体膨胀成为相对低压的工作流体，其中，每个转子具有多个叶片；以及 输出轴，所述输出轴操作性地连接到第一和第二转子之一，并且在工作流体进行膨胀时被工作流体驱动旋转。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，没有过热沸腾器，所述过热沸腾器用于使工作流体进入过热范围，并且从工作流体中蒸发所有的液体。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括负载存储装置，其中，由膨胀器产生的机械功被积累在负载存储装置中以用于随后在需要时释放。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述入口端包括相对于拖后叶片入射的入口角，当所述拖后叶片被旋转并呈现于工作流体时，所述入口角基本平行于所述拖后叶片的表面平面。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述膨胀器包括第一和第二啮合定时齿轮，所述齿轮相对于第一和第二啮合转子被分别固定，并且构造为防止转子之间的接触。
6.一种体积流体膨胀器，所述膨胀器构造为转移工作流体并产生有 用功，所述膨胀器包括：
壳体，所述壳体具有构造为接纳相对高压的工作流体的入口端，和构造为排出相对低压的工作流体的出口端；
第一和第二扭转啮合转子，所述转子可转动地设置在壳体中，并构造为使相对高压的工作流体膨胀成为相对低压的工作流体，其中，每个转子具有多个限定螺旋角的叶片；以及 具有旋转轴线的输出轴，所述输出轴构造为在工作流体进行膨胀时由相对高压的工作流体驱动旋转；
其中，所述螺旋角在大约25度和大约40度之间，并且入口角相对于输出轴的旋转轴线是倾斜的，并具有在所述螺旋角的大约15度以内的值。
7.根据权利要求6所述的流体膨胀器，其特征在于，所述入口角大约为30度。
8.根据权利要求6所述的流体膨胀器，其特征在于，所述螺旋角大约为35度。
9.根据权利要求6所述的流体膨胀器，其特征在于，每个转子具有大约120度的扭曲角。
10.根据权利要求6所述的流体膨胀器，其特征在于，所述出口端包括相对于转子的纵向轴线倾斜的出口角。
11.一种能量回收系统，包括：
产生废热流的动力源，所述动力源具有动力输入位置；
构造为将能量从废热流转移到动力输入位置的体积能量回收装置，该体积能量回收装置包括：
具有入口端和出口端的壳体；
与入口端和出口端流体连通的第一和第二扭转啮合转子，所述转子可旋转地设置在壳体内，其中，第一扭转转子的第一旋转轴线平行于第二扭转转子的第二旋转轴线； 输出轴，所述输出轴操作性地连接到第一和第二转子之一并连接到动力源的动力输入位置，所述输出轴由来自废热流的功率驱动旋转。
12.根据权利要求11所述的能量回收系统，其特征在于，所述废热流与工作流体流体连通，其中，所述工作流体经由入口端和出口端与体积能量回收装置流体连通。
13.根据权利要求11所述的能量回收系统，其特征在于，所述工作流体是有机流体。
14.根据权利要求11所述的能量回收系统，其特征在于，所述动力源是内燃发动机，并且所述废热流是发动机的排气流。
15.根据权利要求11所述的能量回收系统，其特征在于，所述动力输入位置是负载存储装置。
16.根据权利要求15所述的能量回收系统，其特征在于，所述负载存储装置是燃料电池。
17.根据权利要求11所述的能量回收系统，其特征在于，所述动力输入位置是发动机输出轴。
用于产生有用功的系统、体积流体膨胀器和能量回收系统
技术领域
背景技术
[0002] 朗肯循环是一种将热能转化为机械功的发电循环。朗肯循环通常用于热发动机中，并且通过使工作物质从较高温度状态转到较低温度状态来完成上述转化。经典的朗肯循环是基于蒸汽发动机的操作的基本热力学过程。
[0003] 在朗肯循环中，热“源”产生热能，该热能使工作物质达到较高温度状态。工作物质在发动机的“工作体”中做功，同时将热量传递到较冷的“散热器（sink）”直到工作物质达到较低的温度状态。在此过程中，通过利用工作物质的特性，一些热能被转化为功。热量在外面被供给到闭合回路中的工作物质，其中，所述工作物质是具有非零热容的流体，其可以是气体或液体，例如水。朗肯循环的效率通常被工作流体所限制。
[0004] 朗肯循环通常采用单独的子系统，如冷凝器、流体泵、诸如沸腾器的热交换器、以及膨胀器式涡轮机。所述泵常常用于加压从冷凝器中接收的作为液体而不是气体的工作流体。通常，所有的能量在泵送工作流体通过完整循环的过程中损失，沸腾器中的工作流体的大部分汽化能也是如此。能量因此在循环中损失，主要因为在涡轮机中可以发生的冷凝被限制在约10％，以使涡轮叶片的侵蚀最小化，而汽化能被该循环拒绝通过冷凝器。另一方面，与在压缩机内压缩作为气体的流体相比，泵送作为液体的工作流体通过该循环需要输送流体所需的能量的相对较小份额。
[0005] 经典的朗肯循环的一个变型是有机朗肯循环（ORC），其命名是由于 使用有机高分子质量流体，并具有比水-汽相变更低的温度下发生的液-汽相变或沸点。这样，作为经典的朗肯循环中的水和蒸汽的替代，在ORC中的工作流体可以是溶剂，例如正戊烷（n-pentane）或甲苯。ORC工作流体允许从较低温度源的朗肯循环热回收，如生物质燃烧、工业废热、地热、太阳池等。低温热然后可被转化为有用功，该有用功继而可被转化为电力。 实用新型内容
[0006] 概括地说，本实用新型所要解决的一个技术问题是提高产生废热的车辆内燃发动机的工作效率。更具体地说，本实用新型所提出的技术方案旨在提高与内燃发动机一起使用的现有的废热回收系统的效率。
[0007] 构造为转移工作流体并产生有用功的体积或容积式膨胀器包括一个壳体。该壳体包括构造为接纳相对高压的工作流体的入口端，和构造为排出相对低压的工作流体的出口端。该膨胀器还包括第一和第二扭转啮合转子，其可旋转地设置在壳体中并且构造为使相对高压的工作流体膨胀为相对低压的工作流体。每个转子都具有多个叶片（lobe），并且当第一转子的一个叶片相对于入口端超前时，第二转子的一个叶片相对于该入口端拖后。膨胀器另外还包括输出轴，其构造为在相对高压的工作流体进行膨胀时由该工作流体驱动旋转。
[0008] 本公开的另一个实施例针对一种用于经由闭环的朗肯循环产生有用功的系统，其中，该系统包括上述的体积膨胀器。
[0009] 本公开的另一个实施例针对一种车辆，该车辆包括发电设备（power-plant）并采用上述系统以增加该发电设备所产生的电力。
[0010] 具体地，本实用新型涉及一种用于经由闭环朗肯循环产生有用功的系统，该系统包括：构造为冷凝工作流体的冷凝器；构造为对工作流体加压的流体泵；构造为加热工作流体的热交换器；以及体积流体膨胀器，所述膨胀器构造为接收来自热交换器的工作流体，产生功，并将工作流体转移到冷凝器，所述膨胀器包括：壳体，所述壳体具有构造为接纳相对高压的 工作流体的入口端，和构造为排出相对低压的工作流体的出口端；第一和第二扭转啮合转子，所述转子可旋转地设置在壳体中，并构造为使相对高压的工作流体膨胀成为相对低压的工作流体，其中，每个转子具有多个叶片；以及输出轴，所述输出轴操作性地连接到第一和第二转子之一，并且在工作流体进行膨胀时被工作流体驱动旋转。 [0011] 优选地，所述入口端包括相对于拖后叶片入射的入口角，当所述拖后叶片被旋转并呈现于工作流体时，所述入口角基本平行于所述拖后叶片的表面平面。 [0012] 本实用新型还涉及一种体积流体膨胀器，所述膨胀器构造为转移工作流体并产生有用功，所述膨胀器包括：壳体，所述壳体具有构造为接纳相对高压的工作流体的入口端，和构造为排出相对低压的工作流体的出口端；第一和第二扭转啮合转子，所述转子可转动地设置在壳体中，并构造为使相对高压的工作流体膨胀成为相对低压的工作流体，其中，每个转子具有多个限定螺旋角的叶片；以及具有旋转轴线的输出轴，所述输出轴构造为在工作流体进行膨胀时由相对高压的工作流体驱动旋转；其中，所述螺旋角在大约25度和大约40度之间，并且入口角相对于输出轴的旋转轴线是倾斜的，并具有在所述螺旋角的大约15度以内的值。
[0013] 本实用新型另外涉及一种能量回收系统，包括：产生废热流的动力源，所述动力源具有动力输入位置；构造为将能量从废热流转移到动力输入位置的体积能量回收装置，该体积能量回收装置包括：具有入口端和出口端的壳体；与入口端和出口端流体连通的第一和第二扭转啮合转子，所述转子可旋转地设置在壳体内，其中，第一扭转转子的第一旋转轴线平行于第二扭转转子的第二旋转轴线；输出轴，所述输出轴操作性地连接到第一和第二转子之一并连接到动力源的动力输入位置，所述输出轴由来自废热流的功率驱动旋转。 [0014] 当结合附图和所附的权利要求考虑时，从以下对用于实施所述实用新型的实施例和最佳模式的详细说明中，本公开的上述特征和优点以及其它的特征和优点将是显而易见的。
附图说明
[0015] 图1是采用朗肯循环以产生有用功的系统的示意性图示，该系统具有作为根据本公开原理的各个方面的示例的特征。
[0016] 图2是图1所示系统所使用的膨胀器的示意性透视俯视图。
[0017] 图3是图2所示的膨胀器的示意性剖面侧视图。
[0018] 图4是示出图1所示系统所采用的朗肯循环的图表。
[0019] 图5是图1所示系统的示意图，该系统正被具有内燃（IC）发动机的车辆用作车辆发电设备。
[0021] 图7是图1所示系统中可使用的膨胀器的构造的侧视图。
[0022] 图8是沿膨胀器的轴向中心线截取的图7所示的膨胀器的剖视图。 [0023] 图9是示出图7所示的膨胀器的转子的几何参数的示意图。
[0024] 图10是图7所示的膨胀器的示意性剖面图。
具体实施方式
[0025] 参照附图，其中在多个附图中相同的附图标记对应于相同或类似的部件。图1-10示出了一种系统，在该系统中，具有双交错扭转转子的体积能量回收装置20从来自否则将被浪费的动力源的废热流中提取能量，例如从来自内燃发动机52的排气流。如所构造的，体积能量回收装置20将所提取的能量经由装置20的输出轴38返回到发动机52。在一个实施例中，利用齿轮减速器19在输出轴38和发动机52的动力输入位置（如发动机的驱动轴）之间转移能量。因此，体积能量回收装置20进行操作以增加发动机52的总体效率。 [0026] 在一些实施例中，利用中间工作流体12-1在发动机废气和装置20之间转移能量。参照图1，系统10被示意性示出，其中在朗肯循环中利用工作流体12-1。一般地，朗肯循环在闭环中使用工作物质，通常为流体，以 操作动力产生系统和用于将热能转化为机械功的热发动机。在朗肯循环中，热“源”产生热能，该热能使工作物质到达升温状态。工作物质在热发动机的“工作体”中产生功，同时将热能转移到较冷的“散热器”，直到工作物质到达较低的温度状态。在此过程中，通过利用工作物质的特性，一些热能转化为机械功。 [0027] 如图1中示意性示出的，系统10采用工作流体12作为用于闭环循环的工作物质，同时利用朗肯循环产生机械功。该系统10包括构造为压缩或冷凝工作流体12的冷凝器14。
系统10还包括流体泵16。泵16构造为接收来自冷凝器14的工作流体12，并对经冷凝的工作流体12加压。系统10还包括热交换器18。热交换器18构造为接收来自泵16的工作流体12，并使该工作流体沸腾。系统10另外还包括体积旋转膨胀装置或膨胀器20。膨胀器20构造为接收来自热交换器18的工作流体12，产生功，并通过将工作流体转移回冷凝器
14完成朗肯循环中的环。
系统10还包括流体泵16。泵16构造为接收来自冷凝器14的工作流体12，并对经冷凝的工作流体12加压。系统10还包括热交换器18。热交换器18构造为接收来自泵16的工作流体12，并使该工作流体沸腾。系统10另外还包括体积旋转膨胀装置或膨胀器20。膨胀器20构造为接收来自热交换器18的工作流体12，产生功，并通过将工作流体转移回冷凝器
14完成朗肯循环中的环。
[0028] 体积能量回收装置-综述
[0029] 一般地，体积能量回收装置20依靠工作流体12-1的动能和静态压力来旋转输出轴38。在装置20被用于膨胀应用的情况下（例如与朗肯循环一起），经由流体膨胀从工作流体中提取额外的能量。在这些情况下，装置20可以被称为膨胀器或膨胀装置，如在下面段落中所称谓的。然而，可以理解的是，装置20并不限于工作流体在该装置内膨胀的应用。 [0030] 膨胀装置20具有带流体入口24和流体出口26的壳体22，通过流体出口26的工作流体12-1承受压降以将能量转移到输出轴38。输出轴38由同步连接的第一和第二交错反向旋转的转子30、32所驱动，所述转子设置在壳体22的腔体28内。每个转子30、32具有被扭曲的或沿转子30、32的长度螺旋地设置的叶片。在转子30、32旋转时，叶片相对于壳体的内侧至少部分地密封工作流体12-1，从而工作流体12-1的膨胀在转子叶片上赋予进一步的旋转力。与一些当流体被密封时改变工作流体体积的膨胀装置相反，由于工作流体12-1横穿转子30、32的长度，在叶片和装置20的壳体22的内侧之间所限定的体积是恒定的。因此，膨胀装置20可被称 为“体积装置（volumetric device）”，因为被密封或部分密封的工作流体体积不改变。应当指出，本领域技术人员在研究本公开后将会清楚的是，所描述的膨胀器20的几何形状和结构不同于典型的罗茨式压缩机的几何形状和结构。 [0031] 在图2和图3中详细示出了膨胀器20。膨胀器20包括壳体22。如图2所示，壳体22包括入口端24，该入口端24构造为从热交换器18（图1所示）接纳相对高压的工作流体12-1。壳体22还包括出口端26，该出口端26构造为排出相对低压的工作流体12-2到冷凝器14（图1所示）。参照图8，入口端和出口端24、26可分别设置有连接器25、27，用于相对于其他系统部件提供流体紧密封，以确保工作流体12-1、12-2（其可为乙醇）不会危险地泄漏到膨胀器20外部。
[0032] 如图3另外所示，每个转子30、32对于转子30具有四个叶片30-1、30-2、30-3和30-4，并且对于转子32具有四个叶片32-1、32-2、32-3和32-4。尽管示出了每个转子30和
32的四个叶片，但是两个转子中的每一个都可以具有等于或大于2的任意数目的叶片，只要叶片的数目对于两个转子是相同的就可以。因此，当转子30的一个叶片，如叶片30-1，相对于入口端24超前时，转子32的叶片，如叶片30-2，相对于入口端24并因此相对于高压工作流体12-1的流是拖后的。
32的四个叶片，但是两个转子中的每一个都可以具有等于或大于2的任意数目的叶片，只要叶片的数目对于两个转子是相同的就可以。因此，当转子30的一个叶片，如叶片30-1，相对于入口端24超前时，转子32的叶片，如叶片30-2，相对于入口端24并因此相对于高压工作流体12-1的流是拖后的。
[0033] 如图所示，第一和第二转子30和32固定到各自的转子轴上，第一转子固定到输出轴38上并且第二转子固定到轴40上。每个转子轴38、40分别安装成围绕轴线X1、X2在一组轴承（图中未示出）上旋转。应当注意的是，轴线X1和X2大致彼此平行。第一和第二转子30和32交错并连续地啮合以便彼此一体旋转。再次参照图2，膨胀器20还包括啮合的定时齿轮42和44，其中，定时齿轮42固定成与转子30一起旋转，而定时齿轮44固定成与转子32一起旋转。定时齿轮42、44构造为保持转子30、32的指定位置，并防止在膨胀器20的操作过程中转子之间的接触。
[0034] 由于工作流体承受从相对高压的工作流体12-1到相对低压的工作流体12-2的膨胀，输出轴38被工作流体12驱动旋转。如在图2和图3中可 以另外看到的，输出轴38延伸超出壳体22的边界。因此，输出轴38构造为在工作流体12的膨胀期间（该膨胀在入口端24和出口端26之间的转子腔体28内发生）获取由膨胀器20产生的功或功率，并将所述功作为输出转矩从膨胀器20转移。尽管输出轴38示出为操作性地连接到第一转子30，但是在替代方案中，输出轴38可以操作性地连接到第二转子32。输出轴38可以联接到发动机52，使得来自废气的能量能够被重新捕获。如图1所示，设置齿轮减速器19以便在发动机52和轴38的转速之间提供更好的匹配。
[0035] 膨胀器—几何形状
[0036] 在膨胀器20的几何形状的一个方面中，每个转子叶片30-1至30-4以及32-1至32-4都具有凸角的几何形状，其中，第一和第二转子30和32中的每一个的扭曲沿着它们基本匹配的长度34是恒定的。如图9示意性示出的，凸角几何形状的一个参数是螺旋角HA。
根据定义，应理解的是，下文中对转子叶片的“螺旋角”的称谓是指在转子30和32的节圆直径PD（或节距圆）处的螺旋角。术语“节圆直径（pitch diameter）”及其识别对齿轮和转子领域的技术人员来说非常了解，本文将不再进一步讨论。如本文所用的，螺旋角HA可计算如下：螺旋角（HA）=（180/.pi.*arctan（PD/导程）），其中：PD=转子叶片的节圆直径，导程（Lead）=叶片完成360度扭曲所需的叶片长度。应当注意的是，导程是叶片30、32各自的扭曲角和长度L1、L2的函数。扭曲角对本领域技术人员来说已知为叶片的角位移，以度衡量，其在从转子后端向转子前端沿叶片长度“行进”时发生。如图所示，扭曲角约为120度，但是扭曲角的角度可以更少或更多，例如160度。
根据定义，应理解的是，下文中对转子叶片的“螺旋角”的称谓是指在转子30和32的节圆直径PD（或节距圆）处的螺旋角。术语“节圆直径（pitch diameter）”及其识别对齿轮和转子领域的技术人员来说非常了解，本文将不再进一步讨论。如本文所用的，螺旋角HA可计算如下：螺旋角（HA）=（180/.pi.*arctan（PD/导程）），其中：PD=转子叶片的节圆直径，导程（Lead）=叶片完成360度扭曲所需的叶片长度。应当注意的是，导程是叶片30、32各自的扭曲角和长度L1、L2的函数。扭曲角对本领域技术人员来说已知为叶片的角位移，以度衡量，其在从转子后端向转子前端沿叶片长度“行进”时发生。如图所示，扭曲角约为120度，但是扭曲角的角度可以更少或更多，例如160度。
[0037] 在膨胀器几何形状的另一个方面中，如图2可示意性地看出的，以及在图7所示的实施例中，入口端24包括入口角24-1。在一个实施例中，入口角24-1被定义为入口端24的内表面24a（例如，如图8所示的前侧内表面）的常规角或平均角。在一个实施例中，入口角24-1被定义为入口端24的一般中心线的角度，例如图2所示出的。在一个实施例中，入口角 24-1被定义为进入转子30、32的工作流体12-1由于与前侧内表面24a接触而总体产生的方向，如图2和图8可看出的。如图所示，入口角24-1既不垂直于也不平行于转子30、32的旋转轴线X1、X2。因此，入口端24的前侧内表面24a使工作流体12-1的主要部分在相对于转子30、32的旋转轴线X1、X2成倾斜角的方向上被成形，从而大致平行于入口角
24-1。
24-1。
[0038] 此外，如图2和图8所示，入口端24可以成形为使得工作流体12-1被引向转子30、32的第一轴向端部30a、30b，以及从侧向被引向转子叶片的前导和拖后表面（在以下讨论）。
然而，可以理解的是，入口角24-1可以大致平行或大致垂直于轴线X1、X2，尽管对于某些转子构造可能预期产生效率损失。此外，应当注意的是，入口端24可以成形为朝向入口开口
24b变窄，如图2和图8所示。参照图10，可以看出，入口端24具有略小于转子30、32的组合直径距离的宽度W。组合转子直径等于轴线X1和X2之间的距离加上从中心线轴线X1或X2到相应叶片的末端的距离的两倍。在一些实施例中，宽度W等于或大于组合转子直径。 [0039] 在膨胀器几何形状的另一个方面中，如图2中示意性地看出的，以及在图7所示的实施例中，出口端26包括出口角26-1。在一个实施例中，出口角26-1被定义为出口端26的内表面26a的常规角或平均角，例如图8所示。在一个实施例中，出口角26-1被定义为出口端26的一般中心线的角度，例如图2所示。在一个实施例中，出口角26-1被定义为离开转子30、32的工作流体12-2由于与内表面26a接触而总体产生的方向，如图2和图8可看出的。如图所示，出口角26-1既不垂直于也不平行于转子30、32的旋转轴线X1、X2。因此，出口端26的内表面26a以倾斜角从转子30、32接纳离开的工作流体12-2，该倾斜角能减小出口端26处的背压。在一个实施例中，入口角24-1和出口角26-1大致相等或平行，如图2所示。在一个实施例中，入口角24-1和出口角26-1相对于彼此倾斜。可以理解的是，出口角26-1可以大致垂直于轴线X1、X2，尽管对于某些转子构造可能预期产生效率损失。还应当注意的是，出口角26-1可以垂直于轴线X1、X2。如所构造的，出口端26-1的取向和尺寸确定为使得离开的工 作流体12-2能够尽可能容易地排出每个转子腔体28，以便尽可能多地降低背压。
然而，可以理解的是，入口角24-1可以大致平行或大致垂直于轴线X1、X2，尽管对于某些转子构造可能预期产生效率损失。此外，应当注意的是，入口端24可以成形为朝向入口开口
24b变窄，如图2和图8所示。参照图10，可以看出，入口端24具有略小于转子30、32的组合直径距离的宽度W。组合转子直径等于轴线X1和X2之间的距离加上从中心线轴线X1或X2到相应叶片的末端的距离的两倍。在一些实施例中，宽度W等于或大于组合转子直径。 [0039] 在膨胀器几何形状的另一个方面中，如图2中示意性地看出的，以及在图7所示的实施例中，出口端26包括出口角26-1。在一个实施例中，出口角26-1被定义为出口端26的内表面26a的常规角或平均角，例如图8所示。在一个实施例中，出口角26-1被定义为出口端26的一般中心线的角度，例如图2所示。在一个实施例中，出口角26-1被定义为离开转子30、32的工作流体12-2由于与内表面26a接触而总体产生的方向，如图2和图8可看出的。如图所示，出口角26-1既不垂直于也不平行于转子30、32的旋转轴线X1、X2。因此，出口端26的内表面26a以倾斜角从转子30、32接纳离开的工作流体12-2，该倾斜角能减小出口端26处的背压。在一个实施例中，入口角24-1和出口角26-1大致相等或平行，如图2所示。在一个实施例中，入口角24-1和出口角26-1相对于彼此倾斜。可以理解的是，出口角26-1可以大致垂直于轴线X1、X2，尽管对于某些转子构造可能预期产生效率损失。还应当注意的是，出口角26-1可以垂直于轴线X1、X2。如所构造的，出口端26-1的取向和尺寸确定为使得离开的工 作流体12-2能够尽可能容易地排出每个转子腔体28，以便尽可能多地降低背压。
[0040] 通过协调入口角24-1的几何形状和转子30、32的几何形状，可以优化膨胀器20的效率。例如，转子30、32的螺旋角HA以及入口角24-1能够以互补方式配置在一起。由于入口端24引导工作流体12-1到每个转子30、32的前导表面和拖后表面两者，因此工作流体12-1在膨胀器20上执行正功和负功二者。
[0041] 为便于说明，图3示出叶片30-1、30-4、32-1和32-2均通过入口端的开口24b暴露于工作流体12-1。每个叶片具有前导表面和拖后表面，这两个表面都在相关转子的不同旋转点处暴露于工作流体。前导表面是转子在方向Rl、R2上旋转时叶片的最朝前的一侧，而拖后表面是与前导表面相对的叶片一侧。例如，转子30在方向Rl上旋转从而导致侧面30-1a为叶片30-1的前导表面，而侧面30-1b为拖后表面。当转子32在与方向R1相反的方向R2上旋转时，前导和拖后表面成镜像，使得侧面32-2a是叶片32-2的前导表面，而侧面32-2b是拖后表面。
[0042] 概括地说，工作流体12-1在叶片的拖后表面通过入口端的开口24b时撞击在叶片的拖后表面上，并且在每个转子30、32上执行正功。通过使用术语“正功（positive work）”，它是指工作流体12-1引起转子在所需的方向上转动：对于转子30为方向Rl，并且对于转子32为方向R2。如图所示，工作流体12-1将进行操作以将正功施加到转子32-2的拖后表面32-2b上，例如，在表面部分47上。工作流体12-1也将正功施加到转子30-1的拖后表面30-4b上，例如表面部分46上。然而，当叶片的前导表面通过入口端的开口24b时，工作流体12-1也撞击叶片的前导表面，例如表面30-1和32-1，因此导致在每个转子30、32上执行负功。通过使用术语“负功（negative work）”，它是指工作流体12-1引起转子在与所需方向Rl、R2相反方向上的旋转。
[0043] 因此，期望将转子30、32成形和定向以及将入口端24成形和定向为使得尽可能多的工作流体12-1撞击叶片的拖后表面，并且尽可能少的工作 流体12-1撞击前导叶片，以便能够由膨胀器20执行最高的净正功。
[0044] 用于优化膨胀器20的效率和净正功的一种有利的构造是大约35度的转子叶片螺旋角HA和大约30度的入口角24-1。这种构造起作用以使叶片上的拖后表面的撞击区域最大化，同时使叶片的前导表面的撞击区域最小化。在一个实施例中，螺旋角在大约25度和大约40度之间。在一个实施例中，入口角24-1设定为在螺旋角HA的（正或负）15度之内。在一个实施例中，螺旋角在大约25度和大约40度之间。在一个实施例中，入口角24-1设定为在螺旋角HA的（正或负）10度之内。在一个实施例中，螺旋角在大约25度和大约40度之间。在一个实施例中，入口角24-1设定为在螺旋角HA的（正或负）5度之内。在一个实施例中，入口角24-1设定为在螺旋角HA的（正或负）15％之内，而在一个实施例中，入口角24-1在螺旋角的10％之内。
[0045] 朗肯循环操作
[0046] 图4示出了描述代表性的朗肯循环的图表48，该朗肯循环可适用于如参考图1描述的系统10。图表48描绘了朗肯循环的不同阶段，其示出相对于熵“S”标示的摄氏温度，其中，熵被定义为能量（以千焦耳计）除以开尔文温度并进一步除以千克质量（kilogram of mass）（kJ/kg*K）。图4所示的朗肯循环具体地为闭环的有机朗肯循环（ORC），其可以使用有机高分子量工作流体，该工作流体具有在比经典朗肯循环的水-汽相变更低的温度下发生的液-汽相变或沸点。因此，在系统10中，工作流体12可以是溶剂，例如乙醇、正戊烷或甲苯。
[0047] 在图4的图表48中，术语“Q”表示流向或来自系统10的热流，并且通常表示为单位时间的能量。术语“W”表示由系统10消耗的或提供给系统10的机械功率，并且也通常表示为单位时间的能量。由图4另外可以看出，ORC中有四个不同的过程或阶段48-1、48-2、48-3和48-4。在阶段48-1期间，湿蒸汽形式的工作流体12进入并通过冷凝器14，在其中工作流体在恒定温度下被冷凝以变成饱和液体。在阶段48-1之后，工作流体12在阶段48-2期间由泵16从低压泵送到高压。在阶段48-2期间，工作流 体12处于液体状态。 [0048] 工作流体从阶段48-2被转移到阶段48-3。在阶段48-3期间，加压的工作流体12进入并通过热交换器18，在该处工作流体在恒定压力下被外部热源加热以变成两相流体，即，液体与蒸汽一起。工作流体12从阶段48-3被转移到阶段48-4。在阶段48-4期间，两相流体形式的工作流体12膨胀通过膨胀器20，产生有用功或功率。通过膨胀器20的部分蒸发的工作流体12的膨胀减小了两相流体的温度和压力，使得可能出现两相工作流体12的一些额外的冷凝。在阶段48-4之后，工作流体12返回到在阶段48-1的冷凝器14，在该点处循环随后完成并通常将重新启动。
[0049] 通常，朗肯循环采用构造为使工作流体在阶段48-4期间膨胀的涡轮机。在这种情况下，实际的朗肯循环另外需要过热沸腾器以使工作流体进入过热范围，以便从中除去或蒸发所有的液体。这种额外的过热过程通常是需要的，以便存留在工作流体中的任何液体将不会积聚在涡轮机处从而导致涡轮机叶片的腐蚀、点蚀和最终损坏。如图所示，图4的ORC的特征在于，没有这种过热沸腾器和从工作流体中蒸发所有液体所需的附带过热过程。由于膨胀器20构造为双交错转子装置的事实，上述的省略是允许的，所述双交错转子装置不会受到在工作流体12中存在液体的不利影响。此外，膨胀器20受益于这种液体的存在，这主要是因为，通过密封第一和第二转子30、32之间以及转子和壳体22之间的间隙，残留的液体趋向于提高膨胀器的操作效率。因此，当系统10中的膨胀器20产生有用功时，膨胀器内的工作流体12呈现两相，即，液-汽，使得ORC的转化效率提高。然而，可以理解的是，回收装置20可以用于涉及过热气体的配置中。
[0050] 此外，可以在系统10中使用尺寸较小的膨胀器，以达到所需的功输出。效率将决不会在63％的卡诺效率以上，因为这是最大的卡诺效率eff=1-Tcold/Thot。工作流体可能是乙醇，其具有在开始分解之前的最高温度350℃。膨胀器的效率将小于涡轮机的峰值效率，但是在较大的流量范围上，效率岛（efficiency islands）显著大于涡轮膨胀器，因此循环的总体效率较大。
[0051] 如图5所示，系统10可以用在具有内燃（IC）发动机52的车辆50中作为车辆发电设备。如图所示，该内燃发动机52包括排气系统54。排气系统54可以进一步包括废气再循环（EGR）特征结构。根据本公开，排气系统54的EGR可以作为系统10的朗肯循环的热交换器18操作。此外，如图6所示，系统10可用于包括燃料电池58例如固体氧化物燃料电池的车辆56，其构造为作为车辆发电设备运行。图5和图6所示的每个车辆都可通过皮带轮或齿轮传动系19直接地连接做功能量（work energy），或者可以包括负载存储装置60，使得膨胀器20所产生的功可以积累在负载存储装置60中以用于随后根据需要释放。还要注意的是，负载存储装置60可以为蓄能器，其中，回收装置20提供轴功率到泵或本领域中已知的其他类型的装置。
[0052] 以上详细说明和附图支持本实用新型并且是对本实用新型的描述，但是本实用新型的范围仅由权利要求限定。虽然已经详细描述了用于实施本实用新型的一些最佳模式和其他的实施例，但是存在用于实施所附权利要求限定的本实用新型的各种替代设计和实施例。
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