具有在轴向热交换器装置中的冷却空气通道和液体冷却剂通道的压缩机的制作方法

1.本公开大体涉及压缩机，并且更具体而言，涉及具有布置在轴向热交换器装置中的冷却空气通道和液体冷却剂通道的压缩机。


背景技术：

2.各种系统包括用于供应压缩流体的压缩机。例如，燃料电池系统通常包括燃料电池压缩机，用于在空气被供给到燃料电池堆之前压缩空气。这可以提高燃料电池系统的操作效率。
3.然而，常规压缩机可能遭受各种缺陷。例如，一些压缩机可包括流体冷却的轴承。冷却(一个或多个)轴承可能证明是具有挑战性的，导致低效的操作和/或过早磨损。另外，常规压缩机内的冷却系统可能体积庞大。此外，这些压缩机的制造可能是昂贵且低效的。
4.因此，期望提供一种具有轴承冷却系统的压缩机，该轴承冷却系统提供改进的冷却性能。还期望轴承冷却系统高度紧凑且可制造。结合附图和该背景技术讨论，从随后的具体实施方式和所附权利要求中，本公开的其它期望的特征和特性将变得显而易见。


技术实现要素：

5.在一个实施例中，公开了一种压缩机装置，其包括壳体、具有压缩机叶轮的旋转组和支撑旋转组在壳体内绕旋转轴线旋转的轴承。压缩机装置还包括驱动旋转组绕旋转轴线旋转的马达。此外，压缩机装置包括马达冷却系统，马达冷却系统提供穿过壳体的第一流体的第一流，用于冷却马达。马达冷却系统包括在第一轴向位置处的第一流体流动区段。第一流体流动区段相对于旋转轴线沿下游方向径向延伸。此外，压缩机装置包括轴承冷却系统，其提供穿过壳体的第二流体的第二流，用于冷却轴承。轴承冷却系统包括在第二轴向位置处的第二流动区段，第二轴向位置与第一轴向位置轴向地间隔开。第二流动区段相对于旋转轴线沿下游方向径向延伸。此外，第一流动区段和第二流动区段设置在构造成在第二流体和第一流体之间传递热量的热交换器装置中。
6.在另一实施例中，公开了一种制造压缩机装置的方法。该方法包括将压缩机装置的旋转组容纳在压缩机装置的壳体内，其中旋转组包括压缩机叶轮。该方法还包括将压缩机装置的马达容纳在壳体中，其中马达构造成驱动旋转组绕旋转轴线旋转。此外，该方法包括利用压缩机装置的轴承来支撑旋转组在壳体内绕旋转轴线的旋转。此外，该方法包括提供马达冷却系统，该马达冷却系统提供穿过壳体的第一流体的第一流，用于冷却马达。马达冷却系统包括在第一轴向位置处的第一流体流动区段。第一流体流动区段相对于旋转轴线沿下游方向径向延伸。该方法还包括提供轴承冷却系统，该轴承冷却系统提供穿过壳体的第二流体的第二流，用于冷却轴承。轴承冷却系统包括在第二轴向位置处的第二流动区段，第二轴向位置与第一轴向位置轴向地间隔开。第二流动区段相对于旋转轴线沿下游方向径向延伸。该方法另外包括将第一流动区段和第二流动区段设置在构造成在第二流体和第一
流体之间传递热量的热交换器装置中。
7.在另一个实施例中，一种压缩机装置包括壳体，该壳体包括压缩机壳体、马达壳体和内部构件，其中，压缩机壳体具有入口、扩散器区域和蜗壳通道，并且其中，内部构件具有推力轴承部分以及靠近扩散器区域的扩散器部分。该压缩机装置还包括具有压缩机叶轮的旋转组以及支撑旋转组在壳体内绕旋转轴线旋转的轴承。该压缩机装置还包括马达，该马达驱动旋转组绕旋转轴线旋转，使得压缩机叶轮压缩从入口流动通过扩散器区域并进入蜗壳通道的空气。此外，压缩机装置包括马达冷却系统，该马达冷却系统提供第一液体冷却剂流，其穿过马达壳体以用于冷却马达并且部分地穿过壳体的内部构件。马达冷却系统包括在第一轴向位置处的第一流体流动区段。第一流体流动区段相对于旋转轴线沿下游方向径向延伸。此外，压缩机装置包括轴承冷却系统，该轴承冷却系统从蜗壳通道接收一定量的空气并且提供穿过壳体的第二空气流，用于冷却轴承。轴承冷却系统包括在第二轴向位置处的第二流动区段，第二轴向位置与第一轴向位置轴向地间隔开。第二流动区段相对于旋转轴线沿下游方向径向延伸。第一流动区段和第二流动区段设置在构造成将热从空气传递至液体冷却剂的热交换器装置中。
附图说明
8.下文将结合以下附图描述本公开，其中相同的附图标记表示相同的元件，并且其中：图1是根据本公开的示例性实施例的压缩机装置的示意图，所述压缩机装置显示为结合在燃料电池系统内；图2是图1的压缩机装置的第一纵向截面图；图3是图1的压缩机装置的第二纵向截面图；图4是沿图1的线4
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4截取的压缩机装置的轴向截面图；图5是根据另外的示例性实施例的压缩机装置的轴向截面图；图6是根据另外的示例性实施例的压缩机装置的轴向截面图；以及图7是根据本公开的另外的示例性实施例的压缩机装置的轴向截面图。
具体实施方式
9.以下具体实施方式本质上仅是示例性的，并且不旨在限制本公开或本公开的应用和使用。此外，不意图受前述背景技术或以下具体实施方式中呈现的任何理论的约束。
10.宽泛地，本文公开的示例性实施例包括具有轴承冷却系统的压缩机装置，诸如电充电器或电动压缩机，该轴承冷却系统提供改进的轴承冷却，并且因此提供用于压缩机装置的轴承的改进的操作和磨损保护。压缩机装置也是紧凑的和高度可制造的。
11.该压缩机装置可包括壳体和在壳体内绕旋转轴线旋转的旋转组。压缩机装置可包括轴承，诸如空气轴承，其支撑旋转组在壳体内的旋转。压缩机装置还可包括驱动旋转组绕旋转轴线旋转的马达，诸如电动马达。此外，压缩机装置可包括马达冷却系统，第一冷却剂流体流过该马达冷却系统以冷却马达。压缩机装置可另外包括轴承冷却系统，第二冷却剂流体流过该轴承冷却系统以冷却轴承。马达冷却系统和轴承冷却系统可包括在壳体内的热交换器装置中一起设置的相应部分，用于在第一流体和第二流体之间传递热量。在一些实
施例中，马达冷却系统的一个或多个流动区段可以与轴承冷却系统的一个或多个流动区段一起设置在热交换器装置中，其中，流动区段沿压缩机装置的轴线间隔开。在另外的实施例中，流动区段可相对于旋转轴线设置在马达冷却系统的第一流动区段和第二流动区段之间。马达冷却系统和轴承冷却系统可构造成使得热量从（轴承冷却系统的）第二冷却剂流体传递到（马达冷却系统的）第一冷却剂流体，以冷却第二冷却剂流体。最终，这可以提高操作效率并为压缩机装置提供磨损保护。
12.此外，在一些实施例中，一个或多个部件可限定压缩机装置的多个区域。例如，单个部件可限定压缩机流动通道的至少一部分（例如，扩散器区域和/或蜗壳流动通道的部分），并且还可限定支撑压缩机装置的轴承的部分。此外，在一些实施例中，该部件可限定轴承冷却系统的部分和/或马达冷却系统的部分。这些特征可以改善可制造性、较低的部件数量和/或提供附加的优点。
13.首先参考图1，根据示例性实施例示出了压缩机装置102。压缩机装置102可以是电充电器或电动压缩机装置。同样，如图所示，压缩机装置102可结合在燃料电池系统100内；然而，将理解的是，压缩机装置102可结合在另一系统中，而不脱离本公开的范围。
14.在一些实施例中，燃料电池系统100可以包括在车辆中，诸如汽车、卡车、运动型多功能车、厢式货车、摩托车等。然而，将理解的是，燃料电池系统100可被构造成用于不同的用途，而不脱离本公开的范围。
15.燃料电池系统100可包括包含多个燃料电池的燃料电池堆104。氢气可从罐106供应到燃料电池堆104，且氧气可供应到燃料电池堆104以通过已知的化学反应发电。燃料电池堆104可为诸如电动马达105的电气装置发电。如所述的，燃料电池系统100可以包括在车辆中；因此，在一些实施例中，电动马达105可将电功率转换成机械功率以驱动和旋转车辆的轮轴（且因此驱动和旋转一个或多个车轮）。氧气可至少部分地由压缩机装置102提供给燃料电池堆104。
16.如图1
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图3中所示，压缩机装置102通常可包括旋转组118和容纳并包封旋转组118的壳体119。旋转组118由一个或多个轴承121支撑，以在壳体119内绕旋转轴线120旋转。
17.旋转组118通常可包括具有第一端142和第二端144的细长的柱形轴140。旋转组118还可包括固定到轴140的第一端142的压缩机叶轮130。压缩机叶轮130可包括具有多个叶片147的前侧146和面向第二端144的相对的后侧148。在一些实施例中，(一个或多个)轴承121可以被构造为滑动轴承、空气轴承和/或无油轴承。
18.压缩机装置102可限定马达区段112。马达区段112可包括容纳在壳体119的马达壳体150内的电动马达134。马达134通常可包括已知类型的转子136和定子138。转子136可以安装在轴140上，并且定子138可以环绕转子136。转子136和定子138可以容纳并封装在薄壁马达外壳139内。马达134的马达外壳139可以固定并支撑在马达壳体150内，其间具有一个或多个间隙。轴140的第一端142和第二端144可延伸出马达外壳139的相应侧，并且可通过轴承121支撑在马达壳体150中。因此，马达134可操作性地附接到旋转组118，以驱动旋转组118在壳体119内绕轴线120旋转。
19.压缩机装置102还可包括压缩机区段110。压缩机区段110可包括容纳在壳体119的压缩机壳体152内的压缩机叶轮130。压缩机壳体152可限定具有以轴线120为中心的管状入口153的压缩机流动路径151。入口153可具有多种形状和轮廓，而不脱离本公开的范围。压
缩机壳体152的流动路径151还可以限定绕轴线120延伸的蜗壳通道154的至少一部分。在一些实施例中，压缩机壳体152可以是通过铸造操作、通过增材制造工艺或以其他方式制造的整体(单件)部件。压缩机壳体152可以固定地附接到马达壳体150的轴向面156上并且可以覆盖在压缩机叶轮130的前侧146上。压缩机叶轮130可由马达134驱动而在压缩机区段110的压缩机壳体152内绕轴线120旋转。
20.在一些实施例中，压缩机装置102可包括中间壳体构件158。在一些实施例中，中间壳体构件158可以限定壳体119的部分以及轴承121的部分。因此，中间壳体构件158可被称为“推力盖”，并且将在下文中这样被称为推力盖。在一些实施例中，推力盖158可以是整体的、单件的、盘状部件。推力盖158可包括第一轴向面160和第二轴向面162。推力盖158可设置在压缩机区段110与马达区段112之间的过渡部处和/或之间。第一轴向面160可面向压缩机壳体152和压缩机叶轮130的后侧148。第一外径向边缘部分163可与压缩机壳体152相对、接合和/或固定地附接，并且第二外径向边缘部分164可与马达壳体150相对、接合和/或固定地附接。第二轴向面162可与马达壳体150的轴向面156相对、接合和/或固定地附接。这样，推力盖158的扩散器部分170与压缩机壳体152协作，可限定压缩机装置102的扩散器区域172，其从压缩机叶轮130的外径向边缘径向向外设置。进一步向外，推力盖158的第一轴向面160可协作地限定进入蜗壳通道154的入口。同样，第二轴向面162以及推力盖158的其它部分可限定一个或多个流体通路、部段、腔室等，如将在下文中详细描述的那样。此外，推力盖158可包括在其内径向部分上的推力轴承部分174，用于限定和/或支撑轴承121。如图所示，推力轴承部分174可轴向地接收在环形压缩机轴环176与轴承121的推力盘178之间。
21.在压缩机装置102的操作期间，入口气流（由图1中的箭头122表示）可流入入口153，且入口气流122可在其在压缩机叶轮130与压缩机壳体152之间向下游流动时被压缩，穿过扩散器区域172，且进入蜗壳通道154中。压缩空气流（由箭头124表示）可离开蜗壳通道154，且可被引导至中间冷却器128，且然后引导至燃料电池堆104，以用于提高燃料电池系统100的操作效率。
22.此外，来自燃料电池堆104的排气流（由箭头132表示）可被排出到大气，如图1中所示。换句话说，排气流132可被引导离开压缩机装置102。因此，旋转组118可被驱动成旋转而不需要涡轮机。换句话说，在一些实施例中，旋转组118可以是无涡轮机的，并且可以仅由电动马达134驱动。在其它实施例中，排气流132可被引导回到压缩机装置102，例如，以驱动包括在旋转组118中的涡轮机叶轮的旋转。这又可驱动压缩机叶轮130的旋转，例如，以辅助电动马达134。
23.此外，压缩机装置102可包括马达冷却系统180。通常，马达冷却系统180可提供穿过壳体119的第一流体（例如，液体冷却剂）的第一流，用于冷却马达134。马达冷却系统180也可以被引导穿过壳体119，用于冷却轴承121和周围结构，如将要讨论的。马达冷却系统180可包括入口181和出口182（两者在图1中示意性地示出）以及多个通道、腔室等，其形成连接入口181和出口182的一个或多个连续的流体路径。
24.如图1中所示，马达冷却系统180可以包括由马达外壳139和马达壳体150之间的间隙限定的冷却剂夹套184。冷却剂夹套184可被细分成共同围绕马达134的外直径部分186、第一轴向端部部分188和第二轴向端部部分189。如图3中所示，马达冷却系统180还可包括第一轴向通道190，其从外直径部分186朝向压缩机区段110大致轴向地延伸穿过马达壳体
150。第一轴向通道190可以是直的，并且可以具有圆形（圆的）截面（垂直于流动方向）。而且，第一轴向通道190可以相对于轴线120成角度191轴向地延伸到马达壳体150的轴向面156。第一轴向通道190可在轴向面156处敞开，在该处第一轴向通道190与马达冷却系统180的径向流动区段192流体地连接且相交。
25.径向流动区段192可至少部分地由推力盖158中的环形凹槽194限定。凹槽194可限定在推力盖158的第一和第二外径向边缘部分163、164之间。这样，凹槽194可从推力盖158的外直径边缘径向向内延伸。而且，径向流动区段192可绕轴线120周向地延伸。径向流动区段192可与马达冷却系统180的第二轴向通道196 (图3)流体连接。第二轴向通道196可从轴向面156延伸并延伸到马达壳体150中，大致轴向地远离压缩机区段110以流体地连接回冷却夹套184的外直径部分186。如图3中所示，第二轴向通道196可设置在轴线120的与第一轴向通道190相对的一侧上（例如，绕轴线120间隔开180度）。而且，第二轴向通道196可以以一定角度（例如，第一轴向通道190的角度191的倒转（inverse））设置。
26.因此，马达冷却系统180可限定用于第一冷却剂（例如，液体冷却剂）沿下游方向从入口181流到出口182的一个或多个流体流动路径。在操作期间，第一流体可以从入口181流动到冷却剂夹套184。从那里，第一流体可以流动通过第一轴向通道190并且进入径向流动区段192。在那里，流体可绕轴线120周向地且径向向内地朝向轴线120流动通过推力盖158。进一步向下游移动，流体可流至第二轴向通道196，返回至冷却剂夹套184，并且然后流至出口182。
27.另外，压缩机装置102可包括轴承冷却系统200。通常，轴承冷却系统200可提供通过壳体119的第二流体（例如，空气或其它气体冷却剂）的第二流，用于冷却轴承121。轴承冷却系统200也可以被引导穿过壳体119，以便与马达冷却系统180一起设置在热交换器装置中，如将讨论的那样。
28.轴承冷却系统200可包括入口202和出口204。在一些实施例中，入口202和/或出口204可与压缩机流动路径151流体连通。例如，如图1中所示，入口202可流体连接到压缩机流动路径151 （例如，在蜗壳通道154处）以从其接收气流，并且出口204可流体连接成使流动返回到压缩机流动路径151（例如，在入口153处）。此外，轴承冷却系统200可包括多个通道、腔室等，其形成连接入口202和出口204的一个或多个连续的流体路径。
29.如图2中所示，入口202可以包括皮托管(“反向”皮托管)，该皮托管设置在蜗壳通道154内并且流体地连接到该蜗壳通道。此外，轴承冷却系统200包括形成通道的一个或多个孔206，该通道从轴向面156延伸并径向向内延伸通过马达壳体150。
30.轴承冷却系统200还可包括流动区段210。在一些实施例中，流动区段210可由推力盖158的第二轴向面162和马达壳体150的轴向面156协作地限定。例如，第二轴向面162和/或轴向面156可包括限定在一个或多个壁214之间的一个或多个凹部212。在所示实施例中，例如，轴向面156、162两者均包括轴向地（即，沿着轴线120）对准以限定穿过轴承冷却系统200的流动区段210的各种部段的相应凹部212和壁214。换句话说，如图2中所示，轴向面156可包括第一凹部220，其与轴向面162的第二凹部222轴向对准，以协作地限定流动区段210的部段224。如图所示，可存在限定在轴向面156、162之间的流动区段210的多个部段224。
31.如图4
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图7所示，流动区段210的部段224可一起布置成连续的流动路径。如图所示，在不脱离本公开的范围的情况下，部段224可以具有各种布置结构。在图4
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图7的每个实
施例中，通过流动区段210的流动路径以及流动路径的下游方向由箭头226表示。如图所示，流动路径226可相对于旋转轴线120沿径向沿下游方向延伸。更具体地，在一些实施例中，流动路径226可相对于旋转轴线120沿下游方向径向向内延伸。而且，流动区段210的流动路径226可从旋转轴线120的一侧延伸到旋转轴线120的相对侧，如图4
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图7中所示。在一些实施例中，流动路径226可绕旋转轴线120径向和周向延伸。流动路径226可随着其沿下游方向延伸而弧形地和/或线性地且笔直地延伸。
32.特别地，在图4的实施例中，穿过流动区段210的流动路径226包括多个弧形部段，其包括各自绕轴线120弧形地延伸的第一弧形部段232、第二弧形部段234和第三弧形部段236。弧形部段232、234、236可各自具有不同的半径，并且每个弧形部段的半径可相对于旋转轴线120保持基本上恒定。弧形部段232、234、236可以是同心的并且以轴线120为中心，其中第二弧形部段234径向地设置在第一弧形部段232与第三弧形部段236之间。此外，在壁214中的一个中可存在第一周向间隙238，并且间隙238可流体地连接第一弧形部段232和第二弧形部段234。同样，在另一壁214中可存在第二周向间隙240，并且间隙240可流体地连接第二弧形部段234和第三弧形部段236。流动路径226可具有限定在第一（外）弧形部段232内的输入区域228，并且流动路径226可沿着曲折路径向下游延伸，沿相反方向周向穿过第一弧形部段232，然后径向向内穿过间隙238进入第二弧形部段234，然后沿相反方向周向穿过第二弧形部段234，然后径向向内穿过间隙240进入第三弧形部段236，并且最终到达流动区段210的输出区域230。
33.在图5中所示的另外的实施例中，流动区段210可包括弧形部段242，其沿周向且沿径向向内延伸，从而从其输入区域228至其输出区域230朝轴线120螺旋。在图6中所示的其它实施例中，流动区段210可包括多个纵向直部段244，它们端对端地连接，以便从轴线120的一侧延伸到另一侧，从其输入区域228延伸到其输出区域230。如图6中所示，当流动路径226绕轴线120延伸时，流动路径226可以相对于轴线120逐渐径向向内延伸（即，逐渐靠近轴线120）。此外，在图7中所示的实施例中，流动区段210可包括多个纵向直的部段246，其端对端地连接，以便从轴线120的一侧延伸到另一侧并返回。如图所示，输入区域228可以在一侧上并且径向地设置在外侧。流动路径226可以从输入区域228沿相反方向分开，垂直转向并延伸到轴线120的相对侧，再次垂直转向并延伸回到轴线120的原始侧。如图所示，流动路径226可相对于轴线120逐渐径向向内延伸（即，逐渐靠近轴线120）。
34.如图3中所示，轴承冷却系统200还可包括将输出区域230流体地连接到轴承121的推力和/或轴颈部件的第一轴承喷射路径250。例如，第一轴承喷射路径250可为径向向内延伸穿过推力盖158的内直径部分的通道，以将流动区段210的输出区域230流体地连接到推力盘178的一个轴向侧上的间隙。因此，来自压缩机流动路径151的流体（空气）可通过轴承冷却系统200被提供以冷却轴承121。此外，轴承冷却系统200还可包括第二轴承喷射路径251，其将输出区域230流体地连接到轴承121的推力和/或轴颈部件。例如，第二轴承喷射路径251可以包括朝向马达134轴向延伸的孔，以将流动区段210的输出区域230流体地连接到马达外壳139和马达壳体150之间的间隙。（可以存在环形密封构件255，其将第一轴向端部部分188中的液体冷却剂与由第二轴承喷射路径251提供的空气密封并分离）。还可以存在限定在轴140与马达壳体150的内径向唇缘254之间的轴向路径253，其将空气从第二轴承喷射路径251供给到推力盘178的另一轴向侧。在该区域中的空气也可以流到轴承121的轴颈
元件。此外，轴承冷却系统200可包括限定更下游的流动路径的特征。
35.因此，在操作期间，轴承冷却系统200的入口202可接收来自压缩机流动路径151的空气。该空气可向下游流动通过孔206（图2），并且流到流动区段210的输入区域228。流动可以沿着流动区段210的流动路径226径向向内继续，并且可以通过第一轴承喷射路径250和第二轴承喷射路径251流到轴承121。空气可最终流到出口204。
36.出口204在图1和2中示意性地示出。如所示，出口204可以是细长通道，其被限定为穿过壳体119的一个或多个部分并且延伸回以流体地连接到压缩机流动路径151的入口153。在一些实施例中，出口204可从邻近轴140的第二端144的区域延伸，穿过马达壳体150和/或压缩机壳体152以流体地连接到入口153。还可以存在第一端出口分支260 （图2）。分支260可以是径向延伸的孔。分支260可以在马达134和轴向面156之间的轴向位置处延伸穿过马达壳体150。分支260可与从第二端144延伸的出口204的部分相交。这样，来自分支260的流可返回到入口153。此外，在一些实施例中，出口204的至少一部分可沿着壳体119的外部延伸。因此，出口204可使轴承冷却系统200的第二流体返回到压缩机流动路径151的入口153、在压缩机叶轮130的上游。
37.轴承冷却系统200和马达冷却系统180可一起设置在热交换器装置中，使得在它们之间进行热传递。例如，轴承冷却系统200的流动区段210和马达冷却系统180的轴向端部部分188可沿着轴线120设置在不同的轴向位置处，并且热量可在轴向(即，大致沿着轴线120)穿过马达壳体150的中间部分270的流体之间交换。流动区段210以及马达冷却系统180的径向流动区段192还可沿轴线120设置在不同的轴向位置处，并且热量可在轴向地穿过推力盖158的中间部分272的流体之间交换。例如，在一些实施例中和/或在一些操作条件下，轴承冷却系统200的流动区段210中的空气比马达冷却系统180的径向流动区段192和轴向端部部分188中的液体冷却剂更热地运行。因此，液体冷却剂可以是散热器，并且可以在这样的操作期间从流动区段210中的空气接收热量。
38.因此，轴承和马达冷却系统180、200的热交换器装置可为轴承121提供有效的冷却。这可最终提高压缩机装置102的操作效率。这些特征还可使压缩机装置102在压缩机装置102的长操作寿命期间具有鲁棒性。此外，由于上述特征，压缩机装置102可以是紧凑的和轻重量的。另外，本公开的压缩机装置102高度可制造的，具有相对低的部件数量和方便的组装过程。
39.虽然在上述具体实施方式中已经呈现了至少一个示例性实施例，但是应当理解的是，存在大量的变型。还应当理解的是，一个或多个示例性实施例仅是示例，并且不旨在以任何方式限制本公开的范围、适用性或构造。相反，上述具体实施方式将为本领域技术人员提供用于实现本公开的示例性实施例的方便的路线图。应当理解的是，在不脱离所附权利要求中阐述的本公开的范围的情况下，可以对示例性实施例中描述的元件的功能和布置结构进行各种改变。