JP2004197711A - 回転流体機械 - Google Patents
回転流体機械 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2004197711A JP2004197711A JP2002370179A JP2002370179A JP2004197711A JP 2004197711 A JP2004197711 A JP 2004197711A JP 2002370179 A JP2002370179 A JP 2002370179A JP 2002370179 A JP2002370179 A JP 2002370179A JP 2004197711 A JP2004197711 A JP 2004197711A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- energy conversion
- rotor
- pressure
- energy
- water
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01C—ROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
- F01C11/00—Combinations of two or more machines or engines, each being of rotary-piston or oscillating-piston type
- F01C11/006—Combinations of two or more machines or engines, each being of rotary-piston or oscillating-piston type of dissimilar working principle
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01C—ROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
- F01C1/00—Rotary-piston machines or engines
- F01C1/30—Rotary-piston machines or engines having the characteristics covered by two or more groups F01C1/02, F01C1/08, F01C1/22, F01C1/24 or having the characteristics covered by one of these groups together with some other type of movement between co-operating members
- F01C1/34—Rotary-piston machines or engines having the characteristics covered by two or more groups F01C1/02, F01C1/08, F01C1/22, F01C1/24 or having the characteristics covered by one of these groups together with some other type of movement between co-operating members having the movement defined in group F01C1/08 or F01C1/22 and relative reciprocation between the co-operating members
- F01C1/344—Rotary-piston machines or engines having the characteristics covered by two or more groups F01C1/02, F01C1/08, F01C1/22, F01C1/24 or having the characteristics covered by one of these groups together with some other type of movement between co-operating members having the movement defined in group F01C1/08 or F01C1/22 and relative reciprocation between the co-operating members with vanes reciprocating with respect to the inner member
- F01C1/3446—Rotary-piston machines or engines having the characteristics covered by two or more groups F01C1/02, F01C1/08, F01C1/22, F01C1/24 or having the characteristics covered by one of these groups together with some other type of movement between co-operating members having the movement defined in group F01C1/08 or F01C1/22 and relative reciprocation between the co-operating members with vanes reciprocating with respect to the inner member the inner and outer member being in contact along more than one line or surface
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01C—ROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
- F01C19/00—Sealing arrangements in rotary-piston machines or engines
- F01C19/005—Structure and composition of sealing elements such as sealing strips, sealing rings and the like; Coating of these elements
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01C—ROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
- F01C19/00—Sealing arrangements in rotary-piston machines or engines
- F01C19/02—Radially-movable sealings for working fluids
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01C—ROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
- F01C21/00—Component parts, details or accessories not provided for in groups F01C1/00 - F01C20/00
- F01C21/08—Rotary pistons
- F01C21/0809—Construction of vanes or vane holders
- F01C21/0818—Vane tracking; control therefor
- F01C21/0827—Vane tracking; control therefor by mechanical means
- F01C21/0836—Vane tracking; control therefor by mechanical means comprising guiding means, e.g. cams, rollers
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)
Abstract
【課題】第１、第２エネルギー変換手段のうち、高圧側の第１エネルギー変換手段から漏れだした気相作動媒体を低圧側の第２エネルギー変換手段で有効利用できるようにする。
【解決手段】シリンダ４４およびピストン４７で構成された第１エネルギー変換手段と、ロータ４１から放射方向に出没するベーン４８で構成された第２エネルギー変換手段とを備えた回転流体機械において、高圧側の第１エネルギー変換手段から溜まり部７８に漏れた気相作動媒体を一方向弁７９および中継チャンバ１９を介して低圧側の第２エネルギー変換手段に供給することで、前記漏れた気相作動媒体を無駄に捨てることなく有効利用することができ、しかも溜まり部７８の圧力が中継チャンバ１９の圧力よりも低い場合に、一方向弁７９で気相作動媒体の逆流を阻止して第２エネルギー変換手段の効率低下を防止することができる。
【選択図】 図２
【解決手段】シリンダ４４およびピストン４７で構成された第１エネルギー変換手段と、ロータ４１から放射方向に出没するベーン４８で構成された第２エネルギー変換手段とを備えた回転流体機械において、高圧側の第１エネルギー変換手段から溜まり部７８に漏れた気相作動媒体を一方向弁７９および中継チャンバ１９を介して低圧側の第２エネルギー変換手段に供給することで、前記漏れた気相作動媒体を無駄に捨てることなく有効利用することができ、しかも溜まり部７８の圧力が中継チャンバ１９の圧力よりも低い場合に、一方向弁７９で気相作動媒体の逆流を阻止して第２エネルギー変換手段の効率低下を防止することができる。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、気相作動媒体の圧力エネルギーとロータの回転エネルギーとを相互に変換することで膨張機あるいは圧縮機として機能することが可能な回転流体機械に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シリンダおよびピストンで構成された第１エネルギー変換手段と、ベーンで構成された第２エネルギー変換手段とを備えており、これら第１、第２エネルギー変換手段で気相作動媒体の圧力エネルギーとロータを回転させる機械エネルギーとを相互に変換する回転流体機械が、下記特許文献により公知である。
【０００３】
この回転流体機械は、ロータの内周部に形成されてシリンダから漏れた高圧の気相作動媒体が溜まる溜まり部と、第１、第２エネルギー変換手段の間に形成され気相作動媒体を中継する中継チャンバと、溜まり部および中継チャンバを接続するオリフィスとを備えており、溜まり部に漏れ出した気相作動媒体をオリフィスを介して中継チャンバに供給することで、その気相作動媒体の圧力エネルギーを第２エネルギー変換手段で再利用するようになっている。
【０００４】
【特許文献】
特開２００１−３３６４９１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来の回転流体機械は、溜まり部の圧力が中継チャンバの圧力よりも高い場合に溜まり部の気相作動媒体をオリフィスを介して中継チャンバに供給することが可能であるが、溜まり部の圧力が中継チャンバの圧力よりも低くなると、中継チャンバの気相作動媒体がオリフィスを介して溜まり部に逆流してしまい、第２エネルギー変換手段に気相作動媒体を供給する中継チャンバの圧力が低下して該第２エネルギー変換手段のエネルギー変換効率が低下する問題があった。
【０００６】
本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、第１、第２エネルギー変換手段のうち、高圧側のエネルギー変換手段から漏れだした気相作動媒体を低圧側のエネルギー変換手段で有効利用できるようにすることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、少なくとも第１エネルギー変換手段および第２エネルギー変換手段を備え、圧力エネルギーを有する気相作動媒体を第１、第２エネルギー変換手段に入力して前記圧力エネルギーを機械エネルギーに変換することにより、第１、第２エネルギー変換手段がそれぞれ発生した機械エネルギーを統合して出力する膨張機として機能することが可能であり、あるいは機械エネルギーを第１、第２エネルギー変換手段に入力して前記機械エネルギーを気相作動媒体の圧力エネルギーに変換することにより、第１、第２エネルギー変換手段がそれぞれ発生した気相作動媒体の圧力エネルギーを統合して出力する圧縮機として機能することが可能である回転流体機械において、第１、第２エネルギー変換手段のうち、高圧側のエネルギー変換手段から漏れた気相作動媒体を一方向弁を介して低圧側のエネルギー変換手段に供給することを特徴とする回転流体機械が提案される。
【０００８】
上記構成によれば、第１、第２エネルギー変換手段がそれぞれ発生する機械エネルギーを統合して出力する膨張機として機能し、あるいは第１、第２エネルギー変換手段がそれぞれ発生する圧力エネルギーを統合して出力する圧縮機として機能する回転流体機械が、高圧側のエネルギー変換手段から漏れた気相作動媒体を一方向弁を介して低圧側のエネルギー変換手段に供給するので、前記漏れた気相作動媒体を無駄に捨てることなく低圧側のエネルギー変換手段で有効に利用してエネルギーの変換効率を高めることができる。しかも高圧側のエネルギー変換手段から漏れた気相作動媒体の圧力が低圧側のエネルギー変換手段の気相作動媒体の圧力よりも低い場合に、一方向弁で気相作動媒体の逆流を阻止して低圧側のエネルギー変換手段の効率低下を防止することができる。
【０００９】
また請求項２に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、前記第１、第２エネルギー変換手段は順次連続して共通の気相作動媒体で作動することを特徴とする回転流体機械が提案される。
【００１０】
上記構成によれば、第１、第２エネルギー変換手段が順次連続して共通の気相作動媒体で作動するので、気相作動媒体の供給・排出経路を簡素化できるだけでなく、機械エネルギーあるいは圧力エネルギーの発生効率を高めることができる。
【００１１】
また請求項３に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、前記第１エネルギー変換手段は、ロータチャンバ内に回転自在に収容されたロータに放射状に形成されたシリンダと、このシリンダ内を摺動するピストンとから構成され、前記第２エネルギー変換手段は、ロータから放射方向に出没し、その外周面がロータチャンバの内周面に摺接するベーンとから構成されたことを特徴する回転流体機械が提案される。
【００１２】
上記構成によれば、第１エネルギー変換手段を、ロータチャンバの内部に回転自在に収容されたロータに放射状に形成されたシリンダと、このシリンダ内を摺動するピストンとから構成したので、高圧の気相作動媒体のシール性を高めてリークによる効率低下を最小限に抑えることができ、また第２エネルギー変換手段を、ロータに放射方向に移動自在に支持されてロータチャンバの内周面に摺接するベーンから構成したので、圧力エネルギーおよび機械エネルギーの変換機構の構造が簡単であり、コンパクトな構造でありながら大流量の気相作動媒体を処理できる。このように、ピストンおよびシリンダを持つ第１エネルギー変換手段とベーンを持つ第２エネルギー変換手段とを組み合わせたことにより、両者の特長を兼ね備えた高性能な回転流体機械を得ることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１〜図１４は本発明の一実施例を示すもので、図１は内燃機関の廃熱回収装置の概略図、図２は図４の２−２線断面図に相当する膨張機の縦断面図、図３は図２の軸線周りの拡大断面図、図４は図２の４−４線断面図、図５は図２の５−５線断面図、図６は図２の６−６線断面図、図７は図５の７−７線断面図、図８は図５の８−８線断面図、図９は図８の９−９線断面図、図１０は図３の１０−１０線断面図、図１１はロータの分解斜視図、図１２はロータの潤滑水分配部の分解斜視図、図１３はシール補助部材、スプリングおよびベーンシールの端部の斜視図、図１４はロータチャンバおよびロータの断面形状を示す模式図である。
【００１４】
図１に示すように、内燃機関１の排気ガスの熱エネルギーを回収して機械エネルギーを出力する廃熱回収装置２は、内燃機関１の排気ガスを熱源として水を加熱することにより高温高圧蒸気を発生させる蒸発器３と、その高温高圧蒸気の膨張によって軸トルクを出力する膨張機４と、その膨張機４から排出された降温降圧蒸気を冷却して液化する凝縮器５と、凝縮器５から排出された水を貯留するタンク６と、タンク６内の水を再び蒸発器３に供給する低圧ポンプ７および高圧ポンプ８とを有する。
【００１５】
タンク６内の水は通路Ｐ１上に配置された低圧ポンプ７で２〜３ＭＰａに加圧され、内燃機関１の排気管１０１に設けられた熱交換器１０２を通過して予熱される。熱交換器１０２を通過して予熱された水は、通路Ｐ２を経て内燃機関１のシリンダブロック１０３およびシリンダヘッド１０４内に形成されたウオータジャケット１０５に供給され、そこを通過する間に内燃機関１の発熱部を冷却し、それ自身は前記発熱部の熱を奪って更に昇温する。ウオータジャケット１０５を出た水は通路Ｐ３を経て分配弁１０６に供給され、そこで通路Ｐ４に連なる第１の系統と、通路Ｐ５に連なる第２の系統と、通路Ｐ６に連なる第３の系統と、通路Ｐ７に連なる第４の系統とに分配される。
【００１６】
分配弁１０６で通路Ｐ４よりなる第１の系統に分配された水は、高圧ポンプ８で１０ＭＰａ以上の高圧に加圧されて蒸発器３に供給され、そこで高温の排気ガスとの間で熱交換して高温高圧蒸気になって膨張機４の高圧部（後述する膨張機４のシリンダ４４…）に供給される。一方、分配弁１０６で通路Ｐ５に連なる第２の系統に分配された水は、そこに介装された減圧弁１０７を通過して前記高温高圧に比較して低温低圧の蒸気となり膨張機４の低圧部（後述する膨張機４のベーン室７５…）に供給される。このように、分配弁１０６からの加熱された水を減圧弁１０７で蒸気に変換して膨張機４の低圧部に供給するので、水が内燃機関１のウオータジャケット１０５で受け取った熱エネルギーを有効利用して膨張機４の出力を増加させることができる。また通路Ｐ６に連なる第３の系統に分配された水は膨張機４の被潤滑部に供給される。このときウオータジャケット１０５で加熱された高温の水を用いて膨張機４の被潤滑部を潤滑するので、膨張機４が過冷却するのを防止していわゆる冷却損失を低減することができる。膨張機４から排出された水を含む降温降圧蒸気は通路Ｐ８に介装した凝縮器５に供給され、電動モータ１０８で駆動される冷却ファン１０９からの冷却風との間で熱交換し、凝縮水はタンク６に排出される。更に、複数の通路Ｐ７に連なる第４の系統に分配された水は、車室暖房用のヒーターや熱電素子等の補機１１０に供給されて放熱し、温度低下した水は通路Ｐ９に介装したチェック弁１１１を経てタンク６に排出される。
【００１７】
低圧ポンプ７、高圧ポンプ８、分配弁１０６および電動モータ１０８は、内燃機関１の運転状態、膨張機４の運転状態、補機１１０の運転状態、タンク６内の水の温度等に応じて電子制御ユニット１１２により制御される。
【００１８】
図２および図３に示すように、膨張機４のケーシング１１は金属製の第１、第２ケーシング半体１２，１３より構成される。第１、第２ケーシング半体１２，１３は、協働してロータチャンバ１４を構成する本体部１２ａ，１３ａと、それら本体部１２ａ，１３ａの外周に一体に連なる円形フランジ１２ｂ，１３ｂとよりなり、両円形フランジ１２ｂ，１３ｂが金属ガスケット１５を介して結合される。第１ケーシング半体１２の外面は深い鉢形をなす中継チャンバ外壁１６により覆われており、その外周に一体に連なる円形フランジ１６ａが第１ケーシング半体１２の円形フランジ１２ｂの左側面に重ね合わされる。第２ケーシング半体１３の外面は、膨張機４の出力を外部に伝達するマグネットカップリング（図示せず）を収納する排気チャンバ外壁１７により覆われており、その外周に一体に連なる円形フランジ１７ａが第２ケーシング半体１３の円形フランジ１３ｂの右側面に重ね合わされる。そして前記４個の円形フランジ１２ｂ，１３ｂ，１６ａ，１７ａは、円周方向に配置された複数本のボルト１８…で共締めされる。中継チャンバ外壁１６および第１ケーシング半体１２間に中継チャンバ１９が区画され、排気チャンバ外壁１７および第２ケーシング半体１３間に排気チャンバ２０が区画される。排気チャンバ外壁１７には，膨張機４で仕事を終えた降温降圧蒸気を凝縮器５に導く排出口（図示せず）が設けられる。
【００１９】
両ケーシング半体１２，１３の本体部１２ａ，１３ａは左右外方へ突出する中空軸受筒１２ｃ，１３ｃを有しており、それら中空軸受筒１２ｃ，１３ｃに、中空部２１ａを有する回転軸２１が一対の軸受部材２２，２３を介して回転可能に支持される。これにより、回転軸２１の軸線Ｌは略楕円形をなすロータチャンバ１４における長径と短径との交点を通る。
【００２０】
第２ケーシング半体１３の右端に螺合する潤滑水導入部材２４の内部にシールブロック２５が収納されてナット２６で固定される。シールブロック２５の内部に回転軸２１の右端の小径部２１ｂが支持されており、シールブロック２５および小径部２１ｂ間に一対のシール部材２７，２７が配置され、シールブロック２５および潤滑水導入部材２４間に一対のシール部材２８，２８が配置され、更に潤滑水導入部材２４および第２ケーシング半体１３間にシール部材２９が配置される。また第２ケーシング半体１３の中空軸受筒１３ｃの外周に形成された凹部にフィルター３０が嵌合し、第２ケーシング半体１３に螺合するフィルターキャップ３１により抜け止めされる。フィルターキャップ３１および第２ケーシング半体１３間に一対のシール部材３２，３３が設けられる。
【００２１】
図４および図１４から明らかなように、疑似楕円状を成すロータチャンバ１４の内部に、円形を成すロータ４１が回転自在に収納される。ロータ４１は回転軸２１の外周に嵌合して一体に結合されており、回転軸２１の軸線Ｌに対してロータ４１の軸線およびロータチャンバ１４の軸線は一致している。軸線Ｌ方向に見たロータチャンバ１４の形状は４つの頂点を丸めた菱形に類似した疑似楕円状であり、その長径ＤＬと短径ＤＳとを備える。軸線Ｌ方向に見たロータ４１の形状は真円であり、ロータチャンバ１４の短径ＤＳよりも僅かに小さい直径ＤＲを備える。
【００２２】
軸線Ｌと直交する方向に見たロータチャンバ１４およびロータ４１の断面形状は何れも陸上競技のトラック状を成している。即ち、ロータチャンバ１４の断面形状は、距離ｄを存して平行に延びる一対の平坦面１４ａ，１４ａと、これら平坦面１４ａ，１４ａの外周を滑らかに接続する中心角１８０°の円弧面１４ｂとから構成され、同様にロータ４１の断面形状は、距離ｄを存して平行に延びる一対の平坦面４１ａ，４１ａと、これら平坦面４１ａ，４１ａの外周を滑らかに接続する中心角１８０°の円弧面４１ｂとから構成される。従って、ロータチャンバ１４の平坦面１４ａ，１４ａとロータ４１の平坦面４１ａ，４１ａとは相互に接触し、ロータチャンバ１４内周面とロータ４１外周面との間には三日月形を成す一対の空間（図４参照）が形成される。
【００２３】
次に、図３〜図６および図１１を参照してロータ４１の構造を詳細に説明する。
【００２４】
ロータ４１は回転軸２１の外周に一体に形成されたロータコア４２と、ロータコア４２の周囲を覆うように固定されてロータ４１の外郭を構成する１２個のロータセグメント４３…とから構成される。ロータコア４２にセラミック（またはカーボン）製の１２本のシリンダ４４…が３０°間隔で放射状に装着されてクリップ４５…で抜け止めされる。各々のシリンダ４４の内端には小径部４４ａが突設されており、小径部４４ａの基端はＣシール４６を介してスリーブ８４との間をシールされる。小径部４４ａの先端は中空のスリーブ８４の外周面に嵌合しており、シリンダボア４４ｂは小径部４４ａおよび回転軸２１を貫通する１２個の第３蒸気通路Ｓ３…を介して該回転軸２１の内部の第１、第２蒸気通路Ｓ１；Ｓ２，Ｓ２に連通する。各々のシリンダ４４の内部にはセラミック製のピストン４７が摺動自在に嵌合する。ピストン４７が最も半径方向内側に移動するとシリンダボア４４ｂの内部に完全に退没し、最も半径方向外側に移動すると全長の約半分がシリンダボア４４ｂの外部に突出する。
【００２５】
各々のロータセグメント４３は３０°の中心角を有する中空の楔状部材であって、ロータチャンバ１４の一対の平坦面１４ａ，１４ａに対向する面には軸線Ｌを中心として円弧状に延びる２本のリセス４３ａ，４３ｂが形成されており、このリセス４３ａ，４３ｂの中央に潤滑水噴出口４３ｃ，４３ｄが開口する。またロータセグメント４３の端面、つまり後述するベーン４８に対向する面には４個の潤滑水噴出口４３ｅ，４３ｅ；４３ｆ，４３ｆが開口する。
【００２６】
ロータ４１の組み立ては次のようにして行なわれる。予めシリンダ４４…、クリップ４５…およびＣシール４６…組み付けたロータコア４２の外周に１２個のロータセグメント４３…を嵌合させ、隣接するロータセグメント４３…間に形成された１２個のベーン溝４９…にベーン４８…を嵌合させる。このとき、ベーン４８…およびロータセグメント４３…間に所定のクリアランスを形成すべく、ベーン４８…の両面に所定厚さのシムを介在させておく。この状態で、治具を用いてロータセグメント４３…およびベーン４８…をロータコア４２に向けて半径方向内向きに締めつけ、ロータコア４２に対してロータセグメント４３…を精密に位置決めした後、各々のロータセグメント４３…を仮止めボルト５０…（図８参照）でロータコア４２に仮り止めする。続いて各々のロータセグメント４３にロータコア４２を貫通する２個のノックピン孔５１，５１を共加工し、それらノックピン孔５１，５１に４本のノックピン５２…を圧入してロータコア４２にロータセグメント４３…を結合する。
【００２７】
図８、図９および図１２から明らかなように、ロータセグメント４３およびロータコア４２を貫通する貫通孔５３が２個のノックピン孔５１，５１の間に形成されており、この貫通孔５３の両端にそれぞれ凹部５４，５４が形成される。貫通孔５３の内部には２本のパイプ部材５５，５６がシール部材５７〜６０を介して嵌合するとともに、各々の凹部５４内にオリフィス形成プレート６１および潤滑水分配部材６２が嵌合してナット６３で固定される。オリフィス形成プレート６１および潤滑水分配部材６２は、オリフィス形成プレート６１のノックピン孔６１ａ，６１ａを貫通して潤滑水分配部材６２のノックピン孔６２ａ，６２ａに嵌合する２本のノックピン６４，６４でロータセグメント４３に対して回り止めされ、かつ潤滑水分配部材６２およびナット６３間はＯリング６５によりシールされる。
【００２８】
一方のパイプ部材５５の外端部に形成された小径部５５ａは貫通孔５５ｂを介してパイプ部材５５の内部の第６水通路Ｗ６に連通し、かつ小径部５５ａは潤滑水分配部材６２の一側面に形成した放射状の分配溝６２ｂに連通する。潤滑水分配部材６２の分配溝６２ｂは６つの方向に延びており、その先端がオリフィス形成プレート６１の６個のオリフィス６１ｂ，６１ｂ；６１ｃ，６１ｃ；６１ｄ，６１ｄに連通する。他方のパイプ部材５６の外端部に設けらられたオリフィス形成プレート６１、潤滑水分配部材６２およびナット６３の構造は、前述したオリフィス形成プレート６１、潤滑水分配部材６２およびナット６３の構造と同一である。
【００２９】
そしてオリフィス形成プレート６１の２個のオリフィス６１ｂ，６１ｂの下流側は、ロータセグメント４３の内部に形成した第７水通路Ｗ７，Ｗ７を介して、ベーン４８に対向するように開口する前記２個の潤滑水噴出口４３ｅ，４３ｅに連通し、他の２個のオリフィス６１ｃ，６１ｃの下流側は、ロータセグメント４３の内部に形成した第８水通路Ｗ８，Ｗ８を介して、ベーン４８に対向するように開口する前記２個の潤滑水噴出口４３ｆ，４３ｆに連通し、更に他の２個のオリフィス６１ｄ，６１ｄの下流側は、ロータセグメント４３の内部に形成した第９水通路Ｗ９，Ｗ９を介して、ロータチャンバ１４に対向するように開口する前記２個の潤滑水噴出口４３ｃ，４３ｄに連通する。
【００３０】
図５を併せて参照すると明らかなように、シリンダ４４の外周に一対のＯリング６６，６６で区画された環状溝６７が形成されており、一方のパイプ部材５５の内部に形成した第６水通路Ｗ６は、そのパイプ部材５５を貫通する４個の貫通孔５５ｃ…およびロータコア４２の内部に形成した第１０水通路Ｗ１０を介して前記環状溝６７に連通する。そして環状溝６７はオリフィス４４ｃを介してシリンダボア４４ｂおよびピストン４７の摺動面に連通する。シリンダ４４のオリフィス４４ｃの位置は、ピストン４７が上死点および下死点間を移動するときに、そのピストン４７の摺動面から外れない位置に設定されている。
【００３１】
図３および図９から明らかなように、潤滑水導入部材２４に形成した第１水通路Ｗ１は、シールブロック２５に形成した第２水通路Ｗ２、回転軸２１の小径部２１ｂに形成した第３水通路Ｗ３…、回転軸２１の中心に嵌合する水通路形成部材６８の外周に形成した環状溝６８ａ、回転軸２１に形成した第４水通路Ｗ４、ロータコア４２およびロータセグメント４３に跨がるパイプ部材６９およびロータセグメント４３の半径方向内側のノックピン５２を迂回するように形成した第５水通路Ｗ５，Ｗ５を介して、前記一方のパイプ部材５５の小径部５５ａに連通する。
【００３２】
図５、図７、図９および図１１に示すように、ロータ４１の隣接するロータセグメント４３…間に放射方向に延びる１２個のベーン溝４９…が形成されており、これらベーン溝４９…に板状のベーン４８…がそれぞれ摺動自在に嵌合する。各々のベーン４８はロータチャンバ１４の平行面１４ａ，１４ａに沿う平行面４８ａ，４８ａと、ロータチャンバ１４の円弧面１４ｂに沿う円弧面４８ｂと、両平行面４８ａ，４８ａ間に位置する切欠４８ｃとを備えて概略Ｕ字状に形成されており、両平行面４８ａ，４８ａから突出する一対の支軸４８ｄ，４８ｄにローラベアリング構造のローラ７１，７１が回転自在に支持される。
【００３３】
ベーン４８の円弧面４８ｂから一対の平行面４８ａ，４８ａに亘ってスリット状のシール保持溝４８ｆが形成される。このシール保持溝４８ｆにはＵ字状に形成された合成樹脂製のベーンシール７２が保持されており、このベーンシール７２の先端はベーン４８の外周面から僅かに突出してロータチャンバ１４の内周面に摺接する。ベーンの一対の平行面４８ａ，４８ａに前記シール保持溝４８ｆの半径方向内端に連なる円形断面の係止孔４８ｇ，４８ｇが軸線Ｌ方向に形成されており、これらの係止孔４８ｇ，４８ｇに円筒状のシール補助部材７６，７６が隙間なく嵌合する。図１３から明らかなように、シール補助部材７６，７６は半径方向外側および軸方向外側に開口するスリット７６ａ，７６ａが形成されており、これらのスリット７６ａ，７６ａにベーンシール７２の半径方向内端が隙間なく嵌合する。そして係止孔４８ｇ，４８ｇの底部に配置したスプリング７７，７７でシール補助部材７６，７６が軸線Ｌ方向外側（係止孔４８ｇ，４８ｇから突出する方向）に付勢される。
【００３４】
ベーン４８の両側面には各々２個のリセス４８ｅ，４８ｅが形成されており、これらのリセス４８ｅ，４８ｅは、ロータセグメント４３の端面に開口する半径方向内側の２個の潤滑水噴出口４３ｅ，４３ｅに対向する。またベーン４８の内部には半径方向内外に延びる捕捉室４８ｈが形成されており、捕捉室４８ｈの半径方向内側はベーン４８の両側面に開口する吸入口４８ｉ，４８ｉを介してロータコア４２およびロータセグメント４３…間に形成された溜まり部７８に連通するとともに、捕捉室４８ｈの半径方向外側はベーン４８の回転方向Ｒの進み側の側面に開口する排出口４８ｊを介してベーン室７５に連通する。そしてベーン４８の切欠４８ｃの中央に半径方向内向きに突設したピストン受け部材７３が、ピストン４７の半径方向外端に当接する。
【００３５】
図２から明らかなように、ロータコア４２およびロータセグメント４３…間に形成された前記溜まり部７８と中継チャンバ１９とは第１ケーシング１２を貫通する連通孔１２ｄで連通しており、この連通孔１２ｄに溜まり部７８から中継チャンバ１９への蒸気の移動を許容し、中継チャンバ１９から溜まり部７８への蒸気の移動を規制する一方向弁７９が配置される。
【００３６】
図４から明らかなように、第１、第２ケーシング半体１２，１３により区画されるロータチャンバ１４の平坦面１４ａ，１４ａには、４つの頂点を丸めた菱形に類似した疑似楕円状の環状溝７４，７４が凹設されており、両環状溝７４，７４に各々のベーン４８の一対のローラ７１，７１が転動自在に係合する。これら環状溝７４，７４およびロータチャンバ１４の円弧面１４ｂ間の距離は全周に亘り一定である。従って、ロータ４１が回転するとローラ７１，７１を環状溝７４，７４に案内されたベーン４８がベーン溝４９内を半径方向に往復動し、ベーン４８の円弧面４８ｂに装着したベーンシール７２が一定量だけ圧縮された状態でロータチャンバ１４の円弧面１４ｂに沿って摺動する。これにより、ロータチャンバ１４およびベーン４８…が直接固体接触するのを防止し、摺動抵抗の増加や摩耗の発生を防止しながら、隣接するベーン４８…間に区画されるベーン室７５…を確実にシールすることができる。
【００３７】
図２、図３および図１０から明らかなように、中継チャンバ外壁１６の中心に開口１６ｂが形成されており、軸線Ｌ上に配置された固定軸支持部材８１のボス部８１ａが前記開口１６ｂの内面に複数のボルト８２…で固定され、かつナット８３で第１ケーシング半体１２に固定される。回転軸２１の中空部２１ａにはセラミックで円筒状に形成したスリーブ８４が固定されており、このスリーブ８４の内周面に固定軸支持部材８１と一体化された固定軸８５の外周面が相対回転自在に嵌合する。固定軸８５の左端は第１ケーシング半体１２との間をシール部材８６によりシールされ、固定軸８５の右端は回転軸２１との間をシール部材８７によりシールされる。
【００３８】
軸線Ｌ上に配置された固定軸支持部材８１の内部に蒸気供給パイプ８８が嵌合してナット８９で固定されており、この蒸気供給パイプ８８の右端は固定軸８５の中心に圧入される。固定軸８５の中心には蒸気供給パイプ８８に連なる第１蒸気通路Ｓ１が軸方向に形成され、また固定軸８５には一対の第２蒸気通路Ｓ２，Ｓ２が１８０°の位相差をもって半径方向に貫通する。前述したように、回転軸２１に固定したロータ４１に３０°間隔で保持された１２個のシリンダ４４…の小径部４４ａ…およびスリーブ８４を１２本の第３蒸気通路Ｓ３…が貫通しており、これら第３蒸気通路Ｓ３…の半径方向内端部は、前記第２蒸気通路Ｓ２，Ｓ２の半径方向外端部に連通可能に対向する。
【００３９】
固定軸８５の外周面には一対の切欠８５ａ，８５ａが１８０°の位相差をもって形成されており、これら切欠８５ａ，８５ａは前記第３蒸気通路Ｓ３…に連通可能である。切欠８５ａ，８５ａと中継チャンバ１９とは、固定軸８５に軸方向に形成した一対の第４蒸気通路Ｓ４，Ｓ４と、固定軸支持部材８１に軸方向に形成した環状の第５蒸気通路Ｓ５と、固定軸支持部材８１のボス部８１ａ外周に開口する通孔８１ｂ…とを介して相互に連通する。
【００４０】
図２および図４に示すように、第１ケーシング半体１２および第２ケーシング半体１３には、ロータチャンバ１４の短径方向を基準にしてロータ４１の回転方向Ｒの進み側１５°の位置に、放射方向に整列した複数の吸気ポート９０…が形成される。この吸気ポート９０…により、ロータチャンバ１４の内部空間が中継チャンバ１９に連通する。また第２ケーシング半体１３には、ロータチャンバ１４の短径方向を基準にしてロータ４１の回転方向Ｒの遅れ側１５°〜７５°の位置に、複数の排気ポート９１…が形成される。この排気ポート９１…により、ロータチャンバ１４の内部空間が排気チャンバ２０に連通する。ベーン４８…のベーンシール７２…が排気ポート９１…のエッジで傷付かないように、それら排気ポート９１…は第２ケーシング半体１３の内部に形成した浅い凹部１３ｄ，１３ｄに開口する。
【００４１】
第２蒸気通路Ｓ２，Ｓ２および第３蒸気通路Ｓ３…、並びに固定軸８５の切欠８５ａ，８５ａおよび第３蒸気通路Ｓ３…は、固定軸８５および回転軸２１の相対回転により周期的に連通する回転バルブＶを構成する（図１０参照）。
【００４２】
図２から明らかなように、第１、第２ケーシング半体１２，１３に形成された第１１水通路Ｗ１１は、パイプよりなる第１４水通路Ｗ１４を介して環状のフィルター３０の外周面に連通し、フィルター３０の内周面は第２ケーシング半体１３に形成した第１５水通路Ｗ１５を介して第２ケーシング半体１３に形成した第１６水通路Ｗ１６に連通する。第１６水通路Ｗ１６に供給された水は固定軸８５およびスリーブ８４の摺動面を潤滑する。またフィルター３０の内周面から第１７水通路Ｗ１７を介して軸受部材２３の外周に供給された水は、軸受部材２３を貫通するオリフィスを通して回転軸２１の外周面を潤滑する。一方、第１１水通路Ｗ１１からパイプよりなる第１８水通路Ｗ１８を介して軸受部材２２の外周に供給された水は、軸受部材２２を貫通するオリフィスを通して回転軸２１の外周面を潤滑した後に、固定軸８５およびスリーブ８４の摺動面を潤滑する。
【００４３】
次に、上記構成を備えた本実施例の作用について説明する。
【００４４】
先ず、膨張機４の作動について説明する。図３において、蒸発器３からの高温高圧蒸気は蒸気供給パイプ８８、固定軸８５の中心を通る第１蒸気通路Ｓ１、固定軸８５を半径方向に貫通する一対の第２蒸気通路Ｓ２，Ｓ２とに供給される。図１０において、ロータ４１および回転軸２１と一体に矢印Ｒ方向に回転するスリーブ８４が固定軸８５に対して所定の位相に達すると、ロータチャンバ１４の短径位置からロータ４１の回転方向Ｒの進み側に在る一対の第３蒸気通路Ｓ３，Ｓ３が一対の第２蒸気通路Ｓ２，Ｓ２に連通し、第２蒸気通路Ｓ２，Ｓ２の高温高圧蒸気が前記第３蒸気通路Ｓ３，Ｓ３を経て一対のシリンダ４４，４４の内部に供給され、ピストン４７，４７を半径方向外側に押圧する。図４において、これらピストン４７，４７に押圧されたベーン４８，４８が半径方向外側に移動すると、ベーン４８，４８に設けた一対のローラ７１，７１と環状溝７４，７４との係合により、ピストン４７，４７の前進運動がロータ４１の回転運動に変換される。
【００４５】
ロータ４１の回転に伴って第２蒸気通路Ｓ２，Ｓ２と前記第３蒸気通路Ｓ３，Ｓ３との連通が遮断された後も、シリンダ４４，４４内の高温高圧蒸気が更に膨張を続けることによりピストン４７，４７をなおも前進させ、これによりロータ４１の回転が続行される。ベーン４８，４８がロータチャンバ１４の長径位置に達すると、対応するシリンダ４４，４４に連なる第３蒸気通路Ｓ３，Ｓ３が固定軸８５の切欠８５ａ，８５ａに連通し、ローラ７１，７１を環状溝７４，７４に案内されたベーン４８，４８に押圧されたピストン４７，４７が半径方向内側に移動することにより、シリンダ４４，４４内の蒸気は第３蒸気通路Ｓ３，Ｓ３、切欠８５ａ，８５ａ、第４蒸気通路Ｓ４，Ｓ４、第５蒸気通路Ｓ５および通孔８１ｂ…を通り、第１の降温降圧蒸気となって中継チャンバ１９に供給される。第１の降温降圧蒸気は、蒸気供給パイプ８８から供給された高温高圧蒸気がピストン４７，４７を駆動する仕事を終えて温度および圧力が低下したものである。第１の降温降圧蒸気の持つ熱エネルギーおよび圧力エネルギーは高温高圧蒸気に比べて低下しているが、依然としてベーン４８…を駆動するのに充分な熱エネルギーおよび圧力エネルギーを有している。
【００４６】
中継チャンバ１９内の第１の降温降圧蒸気は第１、第２ケーシング半体１２，１３の吸気ポート９０…からロータチャンバ１４内のベーン室７５…に供給され、そこで更に膨張することによりベーン４８…を押圧してロータ４１を回転させる。そして仕事を終えて更に温度および圧力が低下した第２の降温降圧蒸気は、第２ケーシング半体１３の排気ポート９１…から排気チャンバ２０に排出され、そこから凝縮器５に供給される。
【００４７】
このように、高温高圧蒸気の膨張により１２個のピストン４７…を次々に作動させてローラ７１，７１および環状溝７４，７４を介しロータ４１を回転させ、また高温高圧蒸気が降温降圧した第１の降温降圧蒸気の膨張によりベーン４８…を介しロータ４１を回転させるので、ピストン４７…により発生した機械エネルギーとベーン４８…により発生した機械エネルギーとを統合して回転軸２１より出力を得ることができ、しかも高温高圧蒸気の圧力エネルギーを余すところ無く機械エネルギーに変換することができる。
【００４８】
更に、ロータチャンバ１４の内部に回転自在に収容されたロータ４１に放射状に形成されたシリンダ４４…と、このシリンダ４４…内を摺動するピストン４７…とから第１エネルギー変換手段を構成したので、高温高圧の気相作動媒体のシール性を高めてリークによる効率低下を最小限に抑えることができる。またロータ４１に放射方向に移動自在に支持されてロータチャンバ１４の内周面に摺接するベーン４８…から第２エネルギー変換手段を構成したので、圧力エネルギーおよび機械エネルギーの変換機構の構造が簡単であり、コンパクトな構造でありながら大流量の気相作動媒体を処理できる。而して、シリンダ４４…およびピストン４７…を持つ第１エネルギー変換手段と、ベーン４８…を持つ第２エネルギー変換手段とを組み合わせたことにより、両者の特長を兼ね備えた高性能な回転流体機械を得ることができる。
【００４９】
次に、前記膨張機４のベーン４８…およびピストン４７…の水による潤滑について説明する。
【００５０】
膨張機４の各部を潤滑する水には、ウオータジャケット１０５で加熱された後に分配弁１０６で通路Ｐ６に分配された高温の水が用いられる。
【００５１】
図３および図８において、潤滑水導入部材２４の第１水通路Ｗ１に供給された水は、シールブロック２５の第２水通路Ｗ２…、回転軸２１の第３水通路Ｗ３…、水通路形成部材６８の環状溝６８ａ、回転軸２１の第４水通路Ｗ４、パイプ部材６９およびロータセグメント４３に形成した第５水通路Ｗ５，Ｗ５を経て一方のパイプ部材５５の小径部５５ａに流入し、また前記小径部５５ａに流入した水は一方のパイプ部材５５の貫通孔５５ｂ、両パイプ部材５５，５６に形成した第６水通路Ｗ６および他方のパイプ部材５６に形成した貫通孔５６ｂを経て、該他方のパイプ部材５６の小径部５６ａに流入する。
【００５２】
各々のパイプ部材５５，５６の小径部５５ａ，５６ａから各々の潤滑水分配部材６２の分配溝６２ｂを経てオリフィス形成プレート６１の６個のオリフィス６１ｂ，６１ｂ；６１ｃ，６１ｃ；６１ｄ，６１ｄを通過した水の一部は、ロータセグメント４３の端面に開口する４個の潤滑水噴出口４３ｅ，４３ｅ；４３ｆ，４３ｆから噴出し、他の一部はロータセグメント４３の側面に形成した円弧状のリセス４３ａ，４３ｂ内の潤滑水噴出口４３ｃ，４３ｄから噴出する。
【００５３】
而して、各々のロータセグメント４３の端面の潤滑水噴出口４３ｅ，４３ｅ；４３ｆ，４３ｆからベーン溝４９内に噴出した水は、ベーン溝４９に摺動自在に嵌合するベーン４８との間に静圧軸受けを構成して該ベーン４８を浮動状態で支持し、ロータセグメント４３の端面とベーン４８との固体接触を防止して焼き付きおよび摩耗の発生を防止する。このように、ベーン４８の摺動面を潤滑する水をロータ４１の内部に放射状に設けた水通路を介して供給することにより、水を遠心力で加圧することができるだけでなく、ロータ４１周辺の温度を安定させて熱膨張による影響を少なくし、設定したクリアランスを維持して蒸気のリークを最小限に抑えることができる。
【００５４】
またベーン４８の両面に各２個ずつ形成されたリセス４８ｅ，４８ｅに水が保持されるため、このリセス４８ｅ，４８ｅが圧力溜まりとなって水のリークによる圧力低下を抑制する。その結果、一対のロータセグメント４３，４３の端面に挟まれたベーン４８が水によって浮動状態になり、摺動抵抗を効果的に低減することが可能になる。またベーン４８が往復運動するとロータ４１に対するベーン４８の半径方向の相対位置が変化するが、前記リセス４８ｅ，４８ｅはロータセグメント４３側でなくベーン４８側に設けられており、かつベーン４８に最も荷重の掛かるローラ７１，７１の近傍に設けられているため、往復運動するベーン４８を常に浮動状態に保持して摺動抵抗を効果的に低減することが可能となる。
【００５５】
ロータ４１と共に各々のベーン４８が回転すると、そのシール保持溝４８ｆに嵌合するベーンシール７２が遠心力で半径方向外側に付勢されることで、ベーン４８の円弧面４８ｂに対応する部分でベーンシール７２がロータチャンバ１４の内周面に押し付けられてシール性が発揮される。ベーン４８…の平行面４８ａ，４８ａに対応する部分では遠心力によるベーンシール７２の押し付け力が期待できないが、高圧側のベーン室７５からベーン４８のシール保持溝４８ｆの底部に導入された圧力でベーンシール７２が該シール保持溝４８ｆから押し出される方向に付勢されるため、ベーンシール７２の外周面の全域がロータチャンバ１４の内周面に押し付けられてシール性が発揮される。
【００５６】
このとき、シール保持溝４８ｆの両端部から圧力が逃げてしまうとベーンシール７２の押し付け力が消滅してしまうが、本実施例ではシール保持溝４８ｆの両端部に連なる係止孔４８ｇ，４８ｇに嵌合するシール補助部材７６，７６のスリット７６ａ，７６ａにベーンシール７２の端部が嵌合しており、かつシール補助部材７６，７６のスリット７６ａ，７６ａは半径方向外側に開口して半径方向内側に閉塞しており、かつ前記スリット７６ａ，７６ａが開口するシール補助部材７６，７６の軸線Ｌ方向外端面はスプリング７７，７７の弾発力でロータチャンバ１４の内周面に向けて付勢されているため、ベーンシール７２の端部をシール補助部材７６，７６のスリット７６ａ，７６ａに密着させ、シール保持溝４８ｆの両端部からの圧力逃げを防止してベーンシール７２のシール性を確保することができる。
【００５７】
特に、膨張機４の冷間時であってシール保持溝４８ｆの底部の圧力が充分に立ち上がらないとき、スプリング７７，７７の弾発力でシール補助部材７６，７６およびベーンシール７２を端部をロータチャンバ１４の内周面に押し付けてシール性を確保することができる。
【００５８】
更に、図５において、パイプ部材５５の内部の第６水通路Ｗ６からロータセグメント４３の内部の第１０水通路Ｗ１０およびシリンダ４４の外周の環状溝６７を経てシリンダ４４およびピストン４７の摺動面に供給された水は、その摺動面に形成される水膜の粘性によりシール機能を発揮し、シリンダ４４に供給された高温高圧蒸気がピストン４７との摺動面を通ってリークするのを効果的に防止する。このとき、高温状態にある膨張機４の内部を通ってシリンダ４４およびピストン４７の摺動面に供給された水は加温されているため、その水によってシリンダ４４に供給された高温高圧蒸気が冷却されて膨張機４の出力が低下するのを最小限に抑えることができる。
【００５９】
また第１水通路Ｗ１と第１１水通路Ｗ１１とは独立しており、各々の潤滑部において必要とする圧力で水を供給している。具体的には、第１水通路Ｗ１から供給される水は、前述したように主にベーン４８…やロータ４１を静圧軸受けで浮動状態に支持するものであるため、荷重変動に拮抗し得る高圧が必要とされる。それに対して、第１１水通路Ｗ１１から供給される水は、主に固定軸８５まわりを水潤滑するとともに、第３蒸気通路Ｓ３，Ｓ３から固定軸８５の外周にリークする高温高圧蒸気を封止して固定軸８５、回転軸２１、ロータ４１等の熱膨張の影響を低減するものであるため、少なくとも中継チャンバー１９の圧力よりも高い圧力であれば良い。
【００６０】
このように、高圧の水を供給する第１水通路Ｗ１と、それよりも低圧の水を供給する第１１水通路Ｗ１１との二つの水供給系統を設けたので、高圧の水を供給する一つの水供給系統だけを設けた場合の不具合を解消することができる。つまり固定軸８５まわりに過剰な圧力の水が供給されて中継チャンバー１９への水の流出量が増加したり、固定軸８５、回転軸２１、ロータ４１等が過冷却されて蒸気温度が低下したりする不具合を防止することができ、水の供給量を削減しながら膨張機４の出力を増加させることができる。
【００６１】
しかもシール用の媒体として蒸気と同一物質である水を用いたことにより、蒸気に水が混入しても何ら問題はない。仮に、シリンダ４４およびピストン４７の摺動面をオイルでシールした場合には、水あるいは蒸気にオイルが混入するのが避けられないため、オイルを分離する特別のフィルター装置が必要となってしまう。またベーン４８およびベーン溝４９の摺動面を潤滑する水の一部を兼用してバイパスさせることでシリンダ４４およびピストン４７の摺動面をシールするので、その水を前記摺動面に導く水通路を別途特別に設ける必要をなくして構造を簡素化することができる。
【００６２】
ところで、ベーン４８とベーン溝４９との摺動面に供給されて静圧軸受けを構成する液相作動媒体は、その機能を終えた後にロータコア４２およびロータセグメント４３…間に形成された溜まり部７８に溜まってしまう。この溜まり部７８にはベーン４８に設けたローラ７１，７１を案内する環状溝７４，７４が連通しているため、環状溝７４，７４に流入した液相作動媒体によってローラ７１，７１が移動する際に大きな抵抗が発生してしまい、膨張機４の出力が低下する懸念がある。
【００６３】
しかしながら、本実施例によれば、ベーン４８に設けた捕捉室４８ｈの機能で、溜まり部７８の液相作動媒体をベーン室７５を経て排気ポート９１…に排出することができる。即ち、図５の右側に示すように、ベーン４８がベーン溝４９の内部に最も退没したとき、その捕捉室４８ｈの半径方向内端に連なる吸入口４８ｉ，４８ｉが溜まり部７８に連通することで、溜まり部７８内の液相作動媒体が捕捉室４８ｈに捕捉される。ロータ４１が矢印Ｒ方向に回転すると、図５の下側に示すように、ベーン４８がベーン溝４９から半径方向外側に突出し、その捕捉室４８ｈの半径方向外端に連なる排出口４８ｊが排気工程にあるベーン室７５に連通することで、捕捉室４８ｈに捕捉された液相作動媒体が前記ベーン室７５に排出される。
【００６４】
このようにしてロータ４１が矢印Ｒ方向に回転するのに伴い、各々のベーン４８に設けた捕捉室４８ｈによって溜まり部７８内の液相作動媒体をベーン室７５に排出し、溜まり部７８に溜まった液相作動媒体の抵抗によりロータ４１の回転が制動されるのを防止することができる。しかも吸入口４８ｉ，４８ｉが溜まり部７８に連通するときには排出口４８ｊがベーン室７５に連通せず、排出口４８ｊがベーン室７５に連通するときには吸入口４８ｉ，４８ｉが溜まり部７８に連通しないので、つまり吸入口４８ｉ，４８ｉおよび排出口４８ｊが同時に溜まり部７８およびベーン室７５に連通することがないので、シリンダ４４およびピストン４７の摺動面から漏れ出して溜まり部７８に捕捉された圧力エネルギーを有する高温高圧蒸気が、捕捉室４８ｈを通してベーン室７５に無駄に捨てられることがない。
【００６５】
またシリンダ４４およびピストン４７の摺動面から漏れ出して溜まり部７８に捕捉された圧力エネルギーを有する高温高圧蒸気は、第１ケーシング１２の連通孔１２ｄおよび一方向弁７９（図２参照）を経て中継チャンバ１９に供給されるので、その高温高圧蒸気を吸気ポート９０…からベーン室７５…に供給して有効に再利用することができる。何らかの理由で溜まり部７８の圧力が中継チャンバ１９の圧力よりも低くなると、一方向弁７９が閉弁して中継チャンバ１９の降温降圧蒸気が溜まり部７８に逆流するのを防止するため、中継チャンバ１９から圧力が逃げるのを阻止して膨張機４の効率低下を防止することができる。
【００６６】
次に、廃熱回収装置２を含む内燃機関１の冷却系の作用を、主として図１および図２を参照しながら説明する。
【００６７】
低圧ポンプ７でタンク６から汲み上げられた水は通路Ｐ１を経て排気管１０１に設けた熱交換器１０２に供給され、そこで予熱された後に通路Ｐ２を経て内燃機関１のウオータジャケット１０５に供給される。ウオータジャケット１０５内を流れる水は内燃機関１の発熱部であるシリンダブロック１０３およびシリンダヘッド１０４を冷却し、温度上昇した状態で分配弁１０６に供給される。このように、排気管１０１の熱交換器１０２で予熱した水をウオータジャケット１０５に供給するので、内燃機関１の低温時にはその暖機を促進することができ、また内燃機関１の過冷却を防止して排気ガス温度を上昇させることで蒸発器３の性能を高めることができる。
【００６８】
分配弁１０６で分配された高温の水の一部は通路Ｐ４に介装した高圧ポンプ８で加圧されて蒸発器３に供給され、そこで排気ガスとの間で熱交換して高温高圧蒸気になる。蒸発器３で発生した高温高圧蒸気は、膨張機４の蒸気供給パイプ８８に供給されてシリンダ４４…およびベーン室７５…を通過して回転軸２１を駆動した後に凝縮器５に排出される。
【００６９】
分配弁１０６で分配された高温の水の他の一部は通路Ｐ５に介装した減圧弁１０７で減圧されて蒸気となり、膨張機４の中継チャンバ１９に供給される。中継チャンバ１９に供給された蒸気は、蒸気供給パイプ８８から供給されてシリンダ４４…を通過した第１の降温降圧蒸気と合流し、回転軸２１を駆動した後に凝縮器５に排出される。このように、分配弁１０６からの高温の水の一部を減圧弁１０７で蒸気化して膨張機４に供給するので、水が内燃機関１のウオータジャケット１０５で受け取った熱エネルギーを有効利用して膨張機４の出力を増加させることができる。また分配弁１０６で分配された高温の水の他の一部は通路Ｐ６を経て膨張機４の第１水通路Ｗ１に供給され、各被潤滑部を潤滑する。このように高温の水を用いて膨張機４の被潤滑部を潤滑するので、膨張機４が過冷却するのを防止していわゆる冷却損失を低減することができる。また潤滑後に膨張行程のベーン室７５…に入った水は、ベーン室７５…の蒸気と混合することで加熱されて蒸気化し、その膨張作用で膨張機４の出力を増加させる。そして膨張機４から通路Ｐ８に排出された第２の降温降圧蒸気は凝縮器５に供給され、そこで冷却ファン１０９により冷却されて水になり、タンク６に戻される。また分配弁１０６で分配された高温の水の他の一部は通路Ｐ７に介装した補機１１０との間で熱交換して冷却された後に、チェックバルブ１１１を経てタンク６に戻される。
【００７０】
以上のように、低圧ポンプ７でタンク６から汲み上げた水をウオータジャケット１０５に供給して内燃機関１の発熱部を冷却した後に、その水を補機１１０に供給して冷却してからタンク６に戻す水循環経路と、ウオータジャケット１０５を出た水の一部を作動媒体として分配し、その水を高圧ポンプ８、蒸発器３、膨張機４および凝縮器５を経てタンク６に戻す廃熱回収装置２の水循環経路とを複合させ、かつウオータジャケット１０５および補機１１０を通過する内燃機関１の冷却系の水循環経路を低圧大流量とし、廃熱回収装置２の水循環経路と高圧小流量としたので、内燃機関１の冷却系および廃熱回収装置２にそれぞれ適した流量および圧力の水を供給することが可能となり、廃熱回収装置２の性能を維持しながら内燃機関１の発熱部を充分に冷却してラジエータを廃止することができる。しかも低圧ポンプ７からウオータジャケット１０５に供給される水を排気管１０１に設けた熱交換器１０２で予熱するので、内燃機関１の廃熱を一層有効に利用することができる。
【００７１】
また低圧ポンプ７から低温の水が供給される熱交換器１０２を、蒸発器３の位置より排気ガスの温度が低下している排気管１０１の下流に設けたので、排気ガスの持つ余剰の廃熱を余すところなく効率的に回収することができる。更に、熱交換器１０２で予熱された水をウオータジャケット１０５に供給するので、内燃機関１の過冷却を防止するとともに、燃焼熱、即ち排気ガスを更に高温化して排気ガスの熱エネルギーを高め、廃熱回収効率を向上させることができる。
【００７２】
以上、本発明の実施例を詳述したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。
【００７３】
例えば、実施例では回転流体機械として膨張機４を例示したが、本発明は圧縮機としても適用することができる。
【００７４】
また実施例では気相作動媒体および液相作動媒体として蒸気および水を用いているが、他の適宜の作動媒体を用いることができる。
【００７５】
【発明の効果】
以上のように請求項１に記載された発明によれば、第１、第２エネルギー変換手段がそれぞれ発生する機械エネルギーを統合して出力する膨張機として機能し、あるいは第１、第２エネルギー変換手段がそれぞれ発生する圧力エネルギーを統合して出力する圧縮機として機能する回転流体機械が、高圧側のエネルギー変換手段から漏れた気相作動媒体を一方向弁を介して低圧側のエネルギー変換手段に供給するので、前記漏れた気相作動媒体を無駄に捨てることなく低圧側のエネルギー変換手段で有効に利用してエネルギーの変換効率を高めることができる。しかも高圧側のエネルギー変換手段から漏れた気相作動媒体の圧力が低圧側のエネルギー変換手段の気相作動媒体の圧力よりも低い場合に、一方向弁で気相作動媒体の逆流を阻止して低圧側のエネルギー変換手段の効率低下を防止することができる。
【００７６】
また請求項２に記載された発明によれば、第１、第２エネルギー変換手段が順次連続して共通の気相作動媒体で作動するので、気相作動媒体の供給・排出経路を簡素化できるだけでなく、機械エネルギーあるいは圧力エネルギーの発生効率を高めることができる。
【００７７】
また請求項３に記載された発明によれば、第１エネルギー変換手段を、ロータチャンバの内部に回転自在に収容されたロータに放射状に形成されたシリンダと、このシリンダ内を摺動するピストンとから構成したので、高圧の気相作動媒体のシール性を高めてリークによる効率低下を最小限に抑えることができ、また第２エネルギー変換手段を、ロータに放射方向に移動自在に支持されてロータチャンバの内周面に摺接するベーンから構成したので、圧力エネルギーおよび機械エネルギーの変換機構の構造が簡単であり、コンパクトな構造でありながら大流量の気相作動媒体を処理できる。このように、ピストンおよびシリンダを持つ第１エネルギー変換手段とベーンを持つ第２エネルギー変換手段とを組み合わせたことにより、両者の特長を兼ね備えた高性能な回転流体機械を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】内燃機関の廃熱回収装置の概略図
【図２】図４の２−２線断面図に相当する膨張機の縦断面図
【図３】図２の軸線周りの拡大断面図
【図４】図２の４−４線断面図
【図５】図２の５−５線断面図
【図６】図２の６−６線断面図
【図７】図５の７−７線断面図
【図８】図５の８−８線断面図
【図９】図８の９−９線断面図
【図１０】図３の１０−１０線断面図
【図１１】ロータの分解斜視図
【図１２】ロータの潤滑水分配部の分解斜視図
【図１３】シール補助部材、スプリングおよびベーンシールの端部の斜視図
【図１４】ロータチャンバおよびロータの断面形状を示す模式図
【符号の説明】
４ 膨張機
１４ ロータチャンバ
４１ ロータ
４４ シリンダ
４７ ピストン
４８ ベーン
７９ 一方向弁
【発明の属する技術分野】
本発明は、気相作動媒体の圧力エネルギーとロータの回転エネルギーとを相互に変換することで膨張機あるいは圧縮機として機能することが可能な回転流体機械に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シリンダおよびピストンで構成された第１エネルギー変換手段と、ベーンで構成された第２エネルギー変換手段とを備えており、これら第１、第２エネルギー変換手段で気相作動媒体の圧力エネルギーとロータを回転させる機械エネルギーとを相互に変換する回転流体機械が、下記特許文献により公知である。
【０００３】
この回転流体機械は、ロータの内周部に形成されてシリンダから漏れた高圧の気相作動媒体が溜まる溜まり部と、第１、第２エネルギー変換手段の間に形成され気相作動媒体を中継する中継チャンバと、溜まり部および中継チャンバを接続するオリフィスとを備えており、溜まり部に漏れ出した気相作動媒体をオリフィスを介して中継チャンバに供給することで、その気相作動媒体の圧力エネルギーを第２エネルギー変換手段で再利用するようになっている。
【０００４】
【特許文献】
特開２００１−３３６４９１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来の回転流体機械は、溜まり部の圧力が中継チャンバの圧力よりも高い場合に溜まり部の気相作動媒体をオリフィスを介して中継チャンバに供給することが可能であるが、溜まり部の圧力が中継チャンバの圧力よりも低くなると、中継チャンバの気相作動媒体がオリフィスを介して溜まり部に逆流してしまい、第２エネルギー変換手段に気相作動媒体を供給する中継チャンバの圧力が低下して該第２エネルギー変換手段のエネルギー変換効率が低下する問題があった。
【０００６】
本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、第１、第２エネルギー変換手段のうち、高圧側のエネルギー変換手段から漏れだした気相作動媒体を低圧側のエネルギー変換手段で有効利用できるようにすることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、少なくとも第１エネルギー変換手段および第２エネルギー変換手段を備え、圧力エネルギーを有する気相作動媒体を第１、第２エネルギー変換手段に入力して前記圧力エネルギーを機械エネルギーに変換することにより、第１、第２エネルギー変換手段がそれぞれ発生した機械エネルギーを統合して出力する膨張機として機能することが可能であり、あるいは機械エネルギーを第１、第２エネルギー変換手段に入力して前記機械エネルギーを気相作動媒体の圧力エネルギーに変換することにより、第１、第２エネルギー変換手段がそれぞれ発生した気相作動媒体の圧力エネルギーを統合して出力する圧縮機として機能することが可能である回転流体機械において、第１、第２エネルギー変換手段のうち、高圧側のエネルギー変換手段から漏れた気相作動媒体を一方向弁を介して低圧側のエネルギー変換手段に供給することを特徴とする回転流体機械が提案される。
【０００８】
上記構成によれば、第１、第２エネルギー変換手段がそれぞれ発生する機械エネルギーを統合して出力する膨張機として機能し、あるいは第１、第２エネルギー変換手段がそれぞれ発生する圧力エネルギーを統合して出力する圧縮機として機能する回転流体機械が、高圧側のエネルギー変換手段から漏れた気相作動媒体を一方向弁を介して低圧側のエネルギー変換手段に供給するので、前記漏れた気相作動媒体を無駄に捨てることなく低圧側のエネルギー変換手段で有効に利用してエネルギーの変換効率を高めることができる。しかも高圧側のエネルギー変換手段から漏れた気相作動媒体の圧力が低圧側のエネルギー変換手段の気相作動媒体の圧力よりも低い場合に、一方向弁で気相作動媒体の逆流を阻止して低圧側のエネルギー変換手段の効率低下を防止することができる。
【０００９】
また請求項２に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、前記第１、第２エネルギー変換手段は順次連続して共通の気相作動媒体で作動することを特徴とする回転流体機械が提案される。
【００１０】
上記構成によれば、第１、第２エネルギー変換手段が順次連続して共通の気相作動媒体で作動するので、気相作動媒体の供給・排出経路を簡素化できるだけでなく、機械エネルギーあるいは圧力エネルギーの発生効率を高めることができる。
【００１１】
また請求項３に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、前記第１エネルギー変換手段は、ロータチャンバ内に回転自在に収容されたロータに放射状に形成されたシリンダと、このシリンダ内を摺動するピストンとから構成され、前記第２エネルギー変換手段は、ロータから放射方向に出没し、その外周面がロータチャンバの内周面に摺接するベーンとから構成されたことを特徴する回転流体機械が提案される。
【００１２】
上記構成によれば、第１エネルギー変換手段を、ロータチャンバの内部に回転自在に収容されたロータに放射状に形成されたシリンダと、このシリンダ内を摺動するピストンとから構成したので、高圧の気相作動媒体のシール性を高めてリークによる効率低下を最小限に抑えることができ、また第２エネルギー変換手段を、ロータに放射方向に移動自在に支持されてロータチャンバの内周面に摺接するベーンから構成したので、圧力エネルギーおよび機械エネルギーの変換機構の構造が簡単であり、コンパクトな構造でありながら大流量の気相作動媒体を処理できる。このように、ピストンおよびシリンダを持つ第１エネルギー変換手段とベーンを持つ第２エネルギー変換手段とを組み合わせたことにより、両者の特長を兼ね備えた高性能な回転流体機械を得ることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１〜図１４は本発明の一実施例を示すもので、図１は内燃機関の廃熱回収装置の概略図、図２は図４の２−２線断面図に相当する膨張機の縦断面図、図３は図２の軸線周りの拡大断面図、図４は図２の４−４線断面図、図５は図２の５−５線断面図、図６は図２の６−６線断面図、図７は図５の７−７線断面図、図８は図５の８−８線断面図、図９は図８の９−９線断面図、図１０は図３の１０−１０線断面図、図１１はロータの分解斜視図、図１２はロータの潤滑水分配部の分解斜視図、図１３はシール補助部材、スプリングおよびベーンシールの端部の斜視図、図１４はロータチャンバおよびロータの断面形状を示す模式図である。
【００１４】
図１に示すように、内燃機関１の排気ガスの熱エネルギーを回収して機械エネルギーを出力する廃熱回収装置２は、内燃機関１の排気ガスを熱源として水を加熱することにより高温高圧蒸気を発生させる蒸発器３と、その高温高圧蒸気の膨張によって軸トルクを出力する膨張機４と、その膨張機４から排出された降温降圧蒸気を冷却して液化する凝縮器５と、凝縮器５から排出された水を貯留するタンク６と、タンク６内の水を再び蒸発器３に供給する低圧ポンプ７および高圧ポンプ８とを有する。
【００１５】
タンク６内の水は通路Ｐ１上に配置された低圧ポンプ７で２〜３ＭＰａに加圧され、内燃機関１の排気管１０１に設けられた熱交換器１０２を通過して予熱される。熱交換器１０２を通過して予熱された水は、通路Ｐ２を経て内燃機関１のシリンダブロック１０３およびシリンダヘッド１０４内に形成されたウオータジャケット１０５に供給され、そこを通過する間に内燃機関１の発熱部を冷却し、それ自身は前記発熱部の熱を奪って更に昇温する。ウオータジャケット１０５を出た水は通路Ｐ３を経て分配弁１０６に供給され、そこで通路Ｐ４に連なる第１の系統と、通路Ｐ５に連なる第２の系統と、通路Ｐ６に連なる第３の系統と、通路Ｐ７に連なる第４の系統とに分配される。
【００１６】
分配弁１０６で通路Ｐ４よりなる第１の系統に分配された水は、高圧ポンプ８で１０ＭＰａ以上の高圧に加圧されて蒸発器３に供給され、そこで高温の排気ガスとの間で熱交換して高温高圧蒸気になって膨張機４の高圧部（後述する膨張機４のシリンダ４４…）に供給される。一方、分配弁１０６で通路Ｐ５に連なる第２の系統に分配された水は、そこに介装された減圧弁１０７を通過して前記高温高圧に比較して低温低圧の蒸気となり膨張機４の低圧部（後述する膨張機４のベーン室７５…）に供給される。このように、分配弁１０６からの加熱された水を減圧弁１０７で蒸気に変換して膨張機４の低圧部に供給するので、水が内燃機関１のウオータジャケット１０５で受け取った熱エネルギーを有効利用して膨張機４の出力を増加させることができる。また通路Ｐ６に連なる第３の系統に分配された水は膨張機４の被潤滑部に供給される。このときウオータジャケット１０５で加熱された高温の水を用いて膨張機４の被潤滑部を潤滑するので、膨張機４が過冷却するのを防止していわゆる冷却損失を低減することができる。膨張機４から排出された水を含む降温降圧蒸気は通路Ｐ８に介装した凝縮器５に供給され、電動モータ１０８で駆動される冷却ファン１０９からの冷却風との間で熱交換し、凝縮水はタンク６に排出される。更に、複数の通路Ｐ７に連なる第４の系統に分配された水は、車室暖房用のヒーターや熱電素子等の補機１１０に供給されて放熱し、温度低下した水は通路Ｐ９に介装したチェック弁１１１を経てタンク６に排出される。
【００１７】
低圧ポンプ７、高圧ポンプ８、分配弁１０６および電動モータ１０８は、内燃機関１の運転状態、膨張機４の運転状態、補機１１０の運転状態、タンク６内の水の温度等に応じて電子制御ユニット１１２により制御される。
【００１８】
図２および図３に示すように、膨張機４のケーシング１１は金属製の第１、第２ケーシング半体１２，１３より構成される。第１、第２ケーシング半体１２，１３は、協働してロータチャンバ１４を構成する本体部１２ａ，１３ａと、それら本体部１２ａ，１３ａの外周に一体に連なる円形フランジ１２ｂ，１３ｂとよりなり、両円形フランジ１２ｂ，１３ｂが金属ガスケット１５を介して結合される。第１ケーシング半体１２の外面は深い鉢形をなす中継チャンバ外壁１６により覆われており、その外周に一体に連なる円形フランジ１６ａが第１ケーシング半体１２の円形フランジ１２ｂの左側面に重ね合わされる。第２ケーシング半体１３の外面は、膨張機４の出力を外部に伝達するマグネットカップリング（図示せず）を収納する排気チャンバ外壁１７により覆われており、その外周に一体に連なる円形フランジ１７ａが第２ケーシング半体１３の円形フランジ１３ｂの右側面に重ね合わされる。そして前記４個の円形フランジ１２ｂ，１３ｂ，１６ａ，１７ａは、円周方向に配置された複数本のボルト１８…で共締めされる。中継チャンバ外壁１６および第１ケーシング半体１２間に中継チャンバ１９が区画され、排気チャンバ外壁１７および第２ケーシング半体１３間に排気チャンバ２０が区画される。排気チャンバ外壁１７には，膨張機４で仕事を終えた降温降圧蒸気を凝縮器５に導く排出口（図示せず）が設けられる。
【００１９】
両ケーシング半体１２，１３の本体部１２ａ，１３ａは左右外方へ突出する中空軸受筒１２ｃ，１３ｃを有しており、それら中空軸受筒１２ｃ，１３ｃに、中空部２１ａを有する回転軸２１が一対の軸受部材２２，２３を介して回転可能に支持される。これにより、回転軸２１の軸線Ｌは略楕円形をなすロータチャンバ１４における長径と短径との交点を通る。
【００２０】
第２ケーシング半体１３の右端に螺合する潤滑水導入部材２４の内部にシールブロック２５が収納されてナット２６で固定される。シールブロック２５の内部に回転軸２１の右端の小径部２１ｂが支持されており、シールブロック２５および小径部２１ｂ間に一対のシール部材２７，２７が配置され、シールブロック２５および潤滑水導入部材２４間に一対のシール部材２８，２８が配置され、更に潤滑水導入部材２４および第２ケーシング半体１３間にシール部材２９が配置される。また第２ケーシング半体１３の中空軸受筒１３ｃの外周に形成された凹部にフィルター３０が嵌合し、第２ケーシング半体１３に螺合するフィルターキャップ３１により抜け止めされる。フィルターキャップ３１および第２ケーシング半体１３間に一対のシール部材３２，３３が設けられる。
【００２１】
図４および図１４から明らかなように、疑似楕円状を成すロータチャンバ１４の内部に、円形を成すロータ４１が回転自在に収納される。ロータ４１は回転軸２１の外周に嵌合して一体に結合されており、回転軸２１の軸線Ｌに対してロータ４１の軸線およびロータチャンバ１４の軸線は一致している。軸線Ｌ方向に見たロータチャンバ１４の形状は４つの頂点を丸めた菱形に類似した疑似楕円状であり、その長径ＤＬと短径ＤＳとを備える。軸線Ｌ方向に見たロータ４１の形状は真円であり、ロータチャンバ１４の短径ＤＳよりも僅かに小さい直径ＤＲを備える。
【００２２】
軸線Ｌと直交する方向に見たロータチャンバ１４およびロータ４１の断面形状は何れも陸上競技のトラック状を成している。即ち、ロータチャンバ１４の断面形状は、距離ｄを存して平行に延びる一対の平坦面１４ａ，１４ａと、これら平坦面１４ａ，１４ａの外周を滑らかに接続する中心角１８０°の円弧面１４ｂとから構成され、同様にロータ４１の断面形状は、距離ｄを存して平行に延びる一対の平坦面４１ａ，４１ａと、これら平坦面４１ａ，４１ａの外周を滑らかに接続する中心角１８０°の円弧面４１ｂとから構成される。従って、ロータチャンバ１４の平坦面１４ａ，１４ａとロータ４１の平坦面４１ａ，４１ａとは相互に接触し、ロータチャンバ１４内周面とロータ４１外周面との間には三日月形を成す一対の空間（図４参照）が形成される。
【００２３】
次に、図３〜図６および図１１を参照してロータ４１の構造を詳細に説明する。
【００２４】
ロータ４１は回転軸２１の外周に一体に形成されたロータコア４２と、ロータコア４２の周囲を覆うように固定されてロータ４１の外郭を構成する１２個のロータセグメント４３…とから構成される。ロータコア４２にセラミック（またはカーボン）製の１２本のシリンダ４４…が３０°間隔で放射状に装着されてクリップ４５…で抜け止めされる。各々のシリンダ４４の内端には小径部４４ａが突設されており、小径部４４ａの基端はＣシール４６を介してスリーブ８４との間をシールされる。小径部４４ａの先端は中空のスリーブ８４の外周面に嵌合しており、シリンダボア４４ｂは小径部４４ａおよび回転軸２１を貫通する１２個の第３蒸気通路Ｓ３…を介して該回転軸２１の内部の第１、第２蒸気通路Ｓ１；Ｓ２，Ｓ２に連通する。各々のシリンダ４４の内部にはセラミック製のピストン４７が摺動自在に嵌合する。ピストン４７が最も半径方向内側に移動するとシリンダボア４４ｂの内部に完全に退没し、最も半径方向外側に移動すると全長の約半分がシリンダボア４４ｂの外部に突出する。
【００２５】
各々のロータセグメント４３は３０°の中心角を有する中空の楔状部材であって、ロータチャンバ１４の一対の平坦面１４ａ，１４ａに対向する面には軸線Ｌを中心として円弧状に延びる２本のリセス４３ａ，４３ｂが形成されており、このリセス４３ａ，４３ｂの中央に潤滑水噴出口４３ｃ，４３ｄが開口する。またロータセグメント４３の端面、つまり後述するベーン４８に対向する面には４個の潤滑水噴出口４３ｅ，４３ｅ；４３ｆ，４３ｆが開口する。
【００２６】
ロータ４１の組み立ては次のようにして行なわれる。予めシリンダ４４…、クリップ４５…およびＣシール４６…組み付けたロータコア４２の外周に１２個のロータセグメント４３…を嵌合させ、隣接するロータセグメント４３…間に形成された１２個のベーン溝４９…にベーン４８…を嵌合させる。このとき、ベーン４８…およびロータセグメント４３…間に所定のクリアランスを形成すべく、ベーン４８…の両面に所定厚さのシムを介在させておく。この状態で、治具を用いてロータセグメント４３…およびベーン４８…をロータコア４２に向けて半径方向内向きに締めつけ、ロータコア４２に対してロータセグメント４３…を精密に位置決めした後、各々のロータセグメント４３…を仮止めボルト５０…（図８参照）でロータコア４２に仮り止めする。続いて各々のロータセグメント４３にロータコア４２を貫通する２個のノックピン孔５１，５１を共加工し、それらノックピン孔５１，５１に４本のノックピン５２…を圧入してロータコア４２にロータセグメント４３…を結合する。
【００２７】
図８、図９および図１２から明らかなように、ロータセグメント４３およびロータコア４２を貫通する貫通孔５３が２個のノックピン孔５１，５１の間に形成されており、この貫通孔５３の両端にそれぞれ凹部５４，５４が形成される。貫通孔５３の内部には２本のパイプ部材５５，５６がシール部材５７〜６０を介して嵌合するとともに、各々の凹部５４内にオリフィス形成プレート６１および潤滑水分配部材６２が嵌合してナット６３で固定される。オリフィス形成プレート６１および潤滑水分配部材６２は、オリフィス形成プレート６１のノックピン孔６１ａ，６１ａを貫通して潤滑水分配部材６２のノックピン孔６２ａ，６２ａに嵌合する２本のノックピン６４，６４でロータセグメント４３に対して回り止めされ、かつ潤滑水分配部材６２およびナット６３間はＯリング６５によりシールされる。
【００２８】
一方のパイプ部材５５の外端部に形成された小径部５５ａは貫通孔５５ｂを介してパイプ部材５５の内部の第６水通路Ｗ６に連通し、かつ小径部５５ａは潤滑水分配部材６２の一側面に形成した放射状の分配溝６２ｂに連通する。潤滑水分配部材６２の分配溝６２ｂは６つの方向に延びており、その先端がオリフィス形成プレート６１の６個のオリフィス６１ｂ，６１ｂ；６１ｃ，６１ｃ；６１ｄ，６１ｄに連通する。他方のパイプ部材５６の外端部に設けらられたオリフィス形成プレート６１、潤滑水分配部材６２およびナット６３の構造は、前述したオリフィス形成プレート６１、潤滑水分配部材６２およびナット６３の構造と同一である。
【００２９】
そしてオリフィス形成プレート６１の２個のオリフィス６１ｂ，６１ｂの下流側は、ロータセグメント４３の内部に形成した第７水通路Ｗ７，Ｗ７を介して、ベーン４８に対向するように開口する前記２個の潤滑水噴出口４３ｅ，４３ｅに連通し、他の２個のオリフィス６１ｃ，６１ｃの下流側は、ロータセグメント４３の内部に形成した第８水通路Ｗ８，Ｗ８を介して、ベーン４８に対向するように開口する前記２個の潤滑水噴出口４３ｆ，４３ｆに連通し、更に他の２個のオリフィス６１ｄ，６１ｄの下流側は、ロータセグメント４３の内部に形成した第９水通路Ｗ９，Ｗ９を介して、ロータチャンバ１４に対向するように開口する前記２個の潤滑水噴出口４３ｃ，４３ｄに連通する。
【００３０】
図５を併せて参照すると明らかなように、シリンダ４４の外周に一対のＯリング６６，６６で区画された環状溝６７が形成されており、一方のパイプ部材５５の内部に形成した第６水通路Ｗ６は、そのパイプ部材５５を貫通する４個の貫通孔５５ｃ…およびロータコア４２の内部に形成した第１０水通路Ｗ１０を介して前記環状溝６７に連通する。そして環状溝６７はオリフィス４４ｃを介してシリンダボア４４ｂおよびピストン４７の摺動面に連通する。シリンダ４４のオリフィス４４ｃの位置は、ピストン４７が上死点および下死点間を移動するときに、そのピストン４７の摺動面から外れない位置に設定されている。
【００３１】
図３および図９から明らかなように、潤滑水導入部材２４に形成した第１水通路Ｗ１は、シールブロック２５に形成した第２水通路Ｗ２、回転軸２１の小径部２１ｂに形成した第３水通路Ｗ３…、回転軸２１の中心に嵌合する水通路形成部材６８の外周に形成した環状溝６８ａ、回転軸２１に形成した第４水通路Ｗ４、ロータコア４２およびロータセグメント４３に跨がるパイプ部材６９およびロータセグメント４３の半径方向内側のノックピン５２を迂回するように形成した第５水通路Ｗ５，Ｗ５を介して、前記一方のパイプ部材５５の小径部５５ａに連通する。
【００３２】
図５、図７、図９および図１１に示すように、ロータ４１の隣接するロータセグメント４３…間に放射方向に延びる１２個のベーン溝４９…が形成されており、これらベーン溝４９…に板状のベーン４８…がそれぞれ摺動自在に嵌合する。各々のベーン４８はロータチャンバ１４の平行面１４ａ，１４ａに沿う平行面４８ａ，４８ａと、ロータチャンバ１４の円弧面１４ｂに沿う円弧面４８ｂと、両平行面４８ａ，４８ａ間に位置する切欠４８ｃとを備えて概略Ｕ字状に形成されており、両平行面４８ａ，４８ａから突出する一対の支軸４８ｄ，４８ｄにローラベアリング構造のローラ７１，７１が回転自在に支持される。
【００３３】
ベーン４８の円弧面４８ｂから一対の平行面４８ａ，４８ａに亘ってスリット状のシール保持溝４８ｆが形成される。このシール保持溝４８ｆにはＵ字状に形成された合成樹脂製のベーンシール７２が保持されており、このベーンシール７２の先端はベーン４８の外周面から僅かに突出してロータチャンバ１４の内周面に摺接する。ベーンの一対の平行面４８ａ，４８ａに前記シール保持溝４８ｆの半径方向内端に連なる円形断面の係止孔４８ｇ，４８ｇが軸線Ｌ方向に形成されており、これらの係止孔４８ｇ，４８ｇに円筒状のシール補助部材７６，７６が隙間なく嵌合する。図１３から明らかなように、シール補助部材７６，７６は半径方向外側および軸方向外側に開口するスリット７６ａ，７６ａが形成されており、これらのスリット７６ａ，７６ａにベーンシール７２の半径方向内端が隙間なく嵌合する。そして係止孔４８ｇ，４８ｇの底部に配置したスプリング７７，７７でシール補助部材７６，７６が軸線Ｌ方向外側（係止孔４８ｇ，４８ｇから突出する方向）に付勢される。
【００３４】
ベーン４８の両側面には各々２個のリセス４８ｅ，４８ｅが形成されており、これらのリセス４８ｅ，４８ｅは、ロータセグメント４３の端面に開口する半径方向内側の２個の潤滑水噴出口４３ｅ，４３ｅに対向する。またベーン４８の内部には半径方向内外に延びる捕捉室４８ｈが形成されており、捕捉室４８ｈの半径方向内側はベーン４８の両側面に開口する吸入口４８ｉ，４８ｉを介してロータコア４２およびロータセグメント４３…間に形成された溜まり部７８に連通するとともに、捕捉室４８ｈの半径方向外側はベーン４８の回転方向Ｒの進み側の側面に開口する排出口４８ｊを介してベーン室７５に連通する。そしてベーン４８の切欠４８ｃの中央に半径方向内向きに突設したピストン受け部材７３が、ピストン４７の半径方向外端に当接する。
【００３５】
図２から明らかなように、ロータコア４２およびロータセグメント４３…間に形成された前記溜まり部７８と中継チャンバ１９とは第１ケーシング１２を貫通する連通孔１２ｄで連通しており、この連通孔１２ｄに溜まり部７８から中継チャンバ１９への蒸気の移動を許容し、中継チャンバ１９から溜まり部７８への蒸気の移動を規制する一方向弁７９が配置される。
【００３６】
図４から明らかなように、第１、第２ケーシング半体１２，１３により区画されるロータチャンバ１４の平坦面１４ａ，１４ａには、４つの頂点を丸めた菱形に類似した疑似楕円状の環状溝７４，７４が凹設されており、両環状溝７４，７４に各々のベーン４８の一対のローラ７１，７１が転動自在に係合する。これら環状溝７４，７４およびロータチャンバ１４の円弧面１４ｂ間の距離は全周に亘り一定である。従って、ロータ４１が回転するとローラ７１，７１を環状溝７４，７４に案内されたベーン４８がベーン溝４９内を半径方向に往復動し、ベーン４８の円弧面４８ｂに装着したベーンシール７２が一定量だけ圧縮された状態でロータチャンバ１４の円弧面１４ｂに沿って摺動する。これにより、ロータチャンバ１４およびベーン４８…が直接固体接触するのを防止し、摺動抵抗の増加や摩耗の発生を防止しながら、隣接するベーン４８…間に区画されるベーン室７５…を確実にシールすることができる。
【００３７】
図２、図３および図１０から明らかなように、中継チャンバ外壁１６の中心に開口１６ｂが形成されており、軸線Ｌ上に配置された固定軸支持部材８１のボス部８１ａが前記開口１６ｂの内面に複数のボルト８２…で固定され、かつナット８３で第１ケーシング半体１２に固定される。回転軸２１の中空部２１ａにはセラミックで円筒状に形成したスリーブ８４が固定されており、このスリーブ８４の内周面に固定軸支持部材８１と一体化された固定軸８５の外周面が相対回転自在に嵌合する。固定軸８５の左端は第１ケーシング半体１２との間をシール部材８６によりシールされ、固定軸８５の右端は回転軸２１との間をシール部材８７によりシールされる。
【００３８】
軸線Ｌ上に配置された固定軸支持部材８１の内部に蒸気供給パイプ８８が嵌合してナット８９で固定されており、この蒸気供給パイプ８８の右端は固定軸８５の中心に圧入される。固定軸８５の中心には蒸気供給パイプ８８に連なる第１蒸気通路Ｓ１が軸方向に形成され、また固定軸８５には一対の第２蒸気通路Ｓ２，Ｓ２が１８０°の位相差をもって半径方向に貫通する。前述したように、回転軸２１に固定したロータ４１に３０°間隔で保持された１２個のシリンダ４４…の小径部４４ａ…およびスリーブ８４を１２本の第３蒸気通路Ｓ３…が貫通しており、これら第３蒸気通路Ｓ３…の半径方向内端部は、前記第２蒸気通路Ｓ２，Ｓ２の半径方向外端部に連通可能に対向する。
【００３９】
固定軸８５の外周面には一対の切欠８５ａ，８５ａが１８０°の位相差をもって形成されており、これら切欠８５ａ，８５ａは前記第３蒸気通路Ｓ３…に連通可能である。切欠８５ａ，８５ａと中継チャンバ１９とは、固定軸８５に軸方向に形成した一対の第４蒸気通路Ｓ４，Ｓ４と、固定軸支持部材８１に軸方向に形成した環状の第５蒸気通路Ｓ５と、固定軸支持部材８１のボス部８１ａ外周に開口する通孔８１ｂ…とを介して相互に連通する。
【００４０】
図２および図４に示すように、第１ケーシング半体１２および第２ケーシング半体１３には、ロータチャンバ１４の短径方向を基準にしてロータ４１の回転方向Ｒの進み側１５°の位置に、放射方向に整列した複数の吸気ポート９０…が形成される。この吸気ポート９０…により、ロータチャンバ１４の内部空間が中継チャンバ１９に連通する。また第２ケーシング半体１３には、ロータチャンバ１４の短径方向を基準にしてロータ４１の回転方向Ｒの遅れ側１５°〜７５°の位置に、複数の排気ポート９１…が形成される。この排気ポート９１…により、ロータチャンバ１４の内部空間が排気チャンバ２０に連通する。ベーン４８…のベーンシール７２…が排気ポート９１…のエッジで傷付かないように、それら排気ポート９１…は第２ケーシング半体１３の内部に形成した浅い凹部１３ｄ，１３ｄに開口する。
【００４１】
第２蒸気通路Ｓ２，Ｓ２および第３蒸気通路Ｓ３…、並びに固定軸８５の切欠８５ａ，８５ａおよび第３蒸気通路Ｓ３…は、固定軸８５および回転軸２１の相対回転により周期的に連通する回転バルブＶを構成する（図１０参照）。
【００４２】
図２から明らかなように、第１、第２ケーシング半体１２，１３に形成された第１１水通路Ｗ１１は、パイプよりなる第１４水通路Ｗ１４を介して環状のフィルター３０の外周面に連通し、フィルター３０の内周面は第２ケーシング半体１３に形成した第１５水通路Ｗ１５を介して第２ケーシング半体１３に形成した第１６水通路Ｗ１６に連通する。第１６水通路Ｗ１６に供給された水は固定軸８５およびスリーブ８４の摺動面を潤滑する。またフィルター３０の内周面から第１７水通路Ｗ１７を介して軸受部材２３の外周に供給された水は、軸受部材２３を貫通するオリフィスを通して回転軸２１の外周面を潤滑する。一方、第１１水通路Ｗ１１からパイプよりなる第１８水通路Ｗ１８を介して軸受部材２２の外周に供給された水は、軸受部材２２を貫通するオリフィスを通して回転軸２１の外周面を潤滑した後に、固定軸８５およびスリーブ８４の摺動面を潤滑する。
【００４３】
次に、上記構成を備えた本実施例の作用について説明する。
【００４４】
先ず、膨張機４の作動について説明する。図３において、蒸発器３からの高温高圧蒸気は蒸気供給パイプ８８、固定軸８５の中心を通る第１蒸気通路Ｓ１、固定軸８５を半径方向に貫通する一対の第２蒸気通路Ｓ２，Ｓ２とに供給される。図１０において、ロータ４１および回転軸２１と一体に矢印Ｒ方向に回転するスリーブ８４が固定軸８５に対して所定の位相に達すると、ロータチャンバ１４の短径位置からロータ４１の回転方向Ｒの進み側に在る一対の第３蒸気通路Ｓ３，Ｓ３が一対の第２蒸気通路Ｓ２，Ｓ２に連通し、第２蒸気通路Ｓ２，Ｓ２の高温高圧蒸気が前記第３蒸気通路Ｓ３，Ｓ３を経て一対のシリンダ４４，４４の内部に供給され、ピストン４７，４７を半径方向外側に押圧する。図４において、これらピストン４７，４７に押圧されたベーン４８，４８が半径方向外側に移動すると、ベーン４８，４８に設けた一対のローラ７１，７１と環状溝７４，７４との係合により、ピストン４７，４７の前進運動がロータ４１の回転運動に変換される。
【００４５】
ロータ４１の回転に伴って第２蒸気通路Ｓ２，Ｓ２と前記第３蒸気通路Ｓ３，Ｓ３との連通が遮断された後も、シリンダ４４，４４内の高温高圧蒸気が更に膨張を続けることによりピストン４７，４７をなおも前進させ、これによりロータ４１の回転が続行される。ベーン４８，４８がロータチャンバ１４の長径位置に達すると、対応するシリンダ４４，４４に連なる第３蒸気通路Ｓ３，Ｓ３が固定軸８５の切欠８５ａ，８５ａに連通し、ローラ７１，７１を環状溝７４，７４に案内されたベーン４８，４８に押圧されたピストン４７，４７が半径方向内側に移動することにより、シリンダ４４，４４内の蒸気は第３蒸気通路Ｓ３，Ｓ３、切欠８５ａ，８５ａ、第４蒸気通路Ｓ４，Ｓ４、第５蒸気通路Ｓ５および通孔８１ｂ…を通り、第１の降温降圧蒸気となって中継チャンバ１９に供給される。第１の降温降圧蒸気は、蒸気供給パイプ８８から供給された高温高圧蒸気がピストン４７，４７を駆動する仕事を終えて温度および圧力が低下したものである。第１の降温降圧蒸気の持つ熱エネルギーおよび圧力エネルギーは高温高圧蒸気に比べて低下しているが、依然としてベーン４８…を駆動するのに充分な熱エネルギーおよび圧力エネルギーを有している。
【００４６】
中継チャンバ１９内の第１の降温降圧蒸気は第１、第２ケーシング半体１２，１３の吸気ポート９０…からロータチャンバ１４内のベーン室７５…に供給され、そこで更に膨張することによりベーン４８…を押圧してロータ４１を回転させる。そして仕事を終えて更に温度および圧力が低下した第２の降温降圧蒸気は、第２ケーシング半体１３の排気ポート９１…から排気チャンバ２０に排出され、そこから凝縮器５に供給される。
【００４７】
このように、高温高圧蒸気の膨張により１２個のピストン４７…を次々に作動させてローラ７１，７１および環状溝７４，７４を介しロータ４１を回転させ、また高温高圧蒸気が降温降圧した第１の降温降圧蒸気の膨張によりベーン４８…を介しロータ４１を回転させるので、ピストン４７…により発生した機械エネルギーとベーン４８…により発生した機械エネルギーとを統合して回転軸２１より出力を得ることができ、しかも高温高圧蒸気の圧力エネルギーを余すところ無く機械エネルギーに変換することができる。
【００４８】
更に、ロータチャンバ１４の内部に回転自在に収容されたロータ４１に放射状に形成されたシリンダ４４…と、このシリンダ４４…内を摺動するピストン４７…とから第１エネルギー変換手段を構成したので、高温高圧の気相作動媒体のシール性を高めてリークによる効率低下を最小限に抑えることができる。またロータ４１に放射方向に移動自在に支持されてロータチャンバ１４の内周面に摺接するベーン４８…から第２エネルギー変換手段を構成したので、圧力エネルギーおよび機械エネルギーの変換機構の構造が簡単であり、コンパクトな構造でありながら大流量の気相作動媒体を処理できる。而して、シリンダ４４…およびピストン４７…を持つ第１エネルギー変換手段と、ベーン４８…を持つ第２エネルギー変換手段とを組み合わせたことにより、両者の特長を兼ね備えた高性能な回転流体機械を得ることができる。
【００４９】
次に、前記膨張機４のベーン４８…およびピストン４７…の水による潤滑について説明する。
【００５０】
膨張機４の各部を潤滑する水には、ウオータジャケット１０５で加熱された後に分配弁１０６で通路Ｐ６に分配された高温の水が用いられる。
【００５１】
図３および図８において、潤滑水導入部材２４の第１水通路Ｗ１に供給された水は、シールブロック２５の第２水通路Ｗ２…、回転軸２１の第３水通路Ｗ３…、水通路形成部材６８の環状溝６８ａ、回転軸２１の第４水通路Ｗ４、パイプ部材６９およびロータセグメント４３に形成した第５水通路Ｗ５，Ｗ５を経て一方のパイプ部材５５の小径部５５ａに流入し、また前記小径部５５ａに流入した水は一方のパイプ部材５５の貫通孔５５ｂ、両パイプ部材５５，５６に形成した第６水通路Ｗ６および他方のパイプ部材５６に形成した貫通孔５６ｂを経て、該他方のパイプ部材５６の小径部５６ａに流入する。
【００５２】
各々のパイプ部材５５，５６の小径部５５ａ，５６ａから各々の潤滑水分配部材６２の分配溝６２ｂを経てオリフィス形成プレート６１の６個のオリフィス６１ｂ，６１ｂ；６１ｃ，６１ｃ；６１ｄ，６１ｄを通過した水の一部は、ロータセグメント４３の端面に開口する４個の潤滑水噴出口４３ｅ，４３ｅ；４３ｆ，４３ｆから噴出し、他の一部はロータセグメント４３の側面に形成した円弧状のリセス４３ａ，４３ｂ内の潤滑水噴出口４３ｃ，４３ｄから噴出する。
【００５３】
而して、各々のロータセグメント４３の端面の潤滑水噴出口４３ｅ，４３ｅ；４３ｆ，４３ｆからベーン溝４９内に噴出した水は、ベーン溝４９に摺動自在に嵌合するベーン４８との間に静圧軸受けを構成して該ベーン４８を浮動状態で支持し、ロータセグメント４３の端面とベーン４８との固体接触を防止して焼き付きおよび摩耗の発生を防止する。このように、ベーン４８の摺動面を潤滑する水をロータ４１の内部に放射状に設けた水通路を介して供給することにより、水を遠心力で加圧することができるだけでなく、ロータ４１周辺の温度を安定させて熱膨張による影響を少なくし、設定したクリアランスを維持して蒸気のリークを最小限に抑えることができる。
【００５４】
またベーン４８の両面に各２個ずつ形成されたリセス４８ｅ，４８ｅに水が保持されるため、このリセス４８ｅ，４８ｅが圧力溜まりとなって水のリークによる圧力低下を抑制する。その結果、一対のロータセグメント４３，４３の端面に挟まれたベーン４８が水によって浮動状態になり、摺動抵抗を効果的に低減することが可能になる。またベーン４８が往復運動するとロータ４１に対するベーン４８の半径方向の相対位置が変化するが、前記リセス４８ｅ，４８ｅはロータセグメント４３側でなくベーン４８側に設けられており、かつベーン４８に最も荷重の掛かるローラ７１，７１の近傍に設けられているため、往復運動するベーン４８を常に浮動状態に保持して摺動抵抗を効果的に低減することが可能となる。
【００５５】
ロータ４１と共に各々のベーン４８が回転すると、そのシール保持溝４８ｆに嵌合するベーンシール７２が遠心力で半径方向外側に付勢されることで、ベーン４８の円弧面４８ｂに対応する部分でベーンシール７２がロータチャンバ１４の内周面に押し付けられてシール性が発揮される。ベーン４８…の平行面４８ａ，４８ａに対応する部分では遠心力によるベーンシール７２の押し付け力が期待できないが、高圧側のベーン室７５からベーン４８のシール保持溝４８ｆの底部に導入された圧力でベーンシール７２が該シール保持溝４８ｆから押し出される方向に付勢されるため、ベーンシール７２の外周面の全域がロータチャンバ１４の内周面に押し付けられてシール性が発揮される。
【００５６】
このとき、シール保持溝４８ｆの両端部から圧力が逃げてしまうとベーンシール７２の押し付け力が消滅してしまうが、本実施例ではシール保持溝４８ｆの両端部に連なる係止孔４８ｇ，４８ｇに嵌合するシール補助部材７６，７６のスリット７６ａ，７６ａにベーンシール７２の端部が嵌合しており、かつシール補助部材７６，７６のスリット７６ａ，７６ａは半径方向外側に開口して半径方向内側に閉塞しており、かつ前記スリット７６ａ，７６ａが開口するシール補助部材７６，７６の軸線Ｌ方向外端面はスプリング７７，７７の弾発力でロータチャンバ１４の内周面に向けて付勢されているため、ベーンシール７２の端部をシール補助部材７６，７６のスリット７６ａ，７６ａに密着させ、シール保持溝４８ｆの両端部からの圧力逃げを防止してベーンシール７２のシール性を確保することができる。
【００５７】
特に、膨張機４の冷間時であってシール保持溝４８ｆの底部の圧力が充分に立ち上がらないとき、スプリング７７，７７の弾発力でシール補助部材７６，７６およびベーンシール７２を端部をロータチャンバ１４の内周面に押し付けてシール性を確保することができる。
【００５８】
更に、図５において、パイプ部材５５の内部の第６水通路Ｗ６からロータセグメント４３の内部の第１０水通路Ｗ１０およびシリンダ４４の外周の環状溝６７を経てシリンダ４４およびピストン４７の摺動面に供給された水は、その摺動面に形成される水膜の粘性によりシール機能を発揮し、シリンダ４４に供給された高温高圧蒸気がピストン４７との摺動面を通ってリークするのを効果的に防止する。このとき、高温状態にある膨張機４の内部を通ってシリンダ４４およびピストン４７の摺動面に供給された水は加温されているため、その水によってシリンダ４４に供給された高温高圧蒸気が冷却されて膨張機４の出力が低下するのを最小限に抑えることができる。
【００５９】
また第１水通路Ｗ１と第１１水通路Ｗ１１とは独立しており、各々の潤滑部において必要とする圧力で水を供給している。具体的には、第１水通路Ｗ１から供給される水は、前述したように主にベーン４８…やロータ４１を静圧軸受けで浮動状態に支持するものであるため、荷重変動に拮抗し得る高圧が必要とされる。それに対して、第１１水通路Ｗ１１から供給される水は、主に固定軸８５まわりを水潤滑するとともに、第３蒸気通路Ｓ３，Ｓ３から固定軸８５の外周にリークする高温高圧蒸気を封止して固定軸８５、回転軸２１、ロータ４１等の熱膨張の影響を低減するものであるため、少なくとも中継チャンバー１９の圧力よりも高い圧力であれば良い。
【００６０】
このように、高圧の水を供給する第１水通路Ｗ１と、それよりも低圧の水を供給する第１１水通路Ｗ１１との二つの水供給系統を設けたので、高圧の水を供給する一つの水供給系統だけを設けた場合の不具合を解消することができる。つまり固定軸８５まわりに過剰な圧力の水が供給されて中継チャンバー１９への水の流出量が増加したり、固定軸８５、回転軸２１、ロータ４１等が過冷却されて蒸気温度が低下したりする不具合を防止することができ、水の供給量を削減しながら膨張機４の出力を増加させることができる。
【００６１】
しかもシール用の媒体として蒸気と同一物質である水を用いたことにより、蒸気に水が混入しても何ら問題はない。仮に、シリンダ４４およびピストン４７の摺動面をオイルでシールした場合には、水あるいは蒸気にオイルが混入するのが避けられないため、オイルを分離する特別のフィルター装置が必要となってしまう。またベーン４８およびベーン溝４９の摺動面を潤滑する水の一部を兼用してバイパスさせることでシリンダ４４およびピストン４７の摺動面をシールするので、その水を前記摺動面に導く水通路を別途特別に設ける必要をなくして構造を簡素化することができる。
【００６２】
ところで、ベーン４８とベーン溝４９との摺動面に供給されて静圧軸受けを構成する液相作動媒体は、その機能を終えた後にロータコア４２およびロータセグメント４３…間に形成された溜まり部７８に溜まってしまう。この溜まり部７８にはベーン４８に設けたローラ７１，７１を案内する環状溝７４，７４が連通しているため、環状溝７４，７４に流入した液相作動媒体によってローラ７１，７１が移動する際に大きな抵抗が発生してしまい、膨張機４の出力が低下する懸念がある。
【００６３】
しかしながら、本実施例によれば、ベーン４８に設けた捕捉室４８ｈの機能で、溜まり部７８の液相作動媒体をベーン室７５を経て排気ポート９１…に排出することができる。即ち、図５の右側に示すように、ベーン４８がベーン溝４９の内部に最も退没したとき、その捕捉室４８ｈの半径方向内端に連なる吸入口４８ｉ，４８ｉが溜まり部７８に連通することで、溜まり部７８内の液相作動媒体が捕捉室４８ｈに捕捉される。ロータ４１が矢印Ｒ方向に回転すると、図５の下側に示すように、ベーン４８がベーン溝４９から半径方向外側に突出し、その捕捉室４８ｈの半径方向外端に連なる排出口４８ｊが排気工程にあるベーン室７５に連通することで、捕捉室４８ｈに捕捉された液相作動媒体が前記ベーン室７５に排出される。
【００６４】
このようにしてロータ４１が矢印Ｒ方向に回転するのに伴い、各々のベーン４８に設けた捕捉室４８ｈによって溜まり部７８内の液相作動媒体をベーン室７５に排出し、溜まり部７８に溜まった液相作動媒体の抵抗によりロータ４１の回転が制動されるのを防止することができる。しかも吸入口４８ｉ，４８ｉが溜まり部７８に連通するときには排出口４８ｊがベーン室７５に連通せず、排出口４８ｊがベーン室７５に連通するときには吸入口４８ｉ，４８ｉが溜まり部７８に連通しないので、つまり吸入口４８ｉ，４８ｉおよび排出口４８ｊが同時に溜まり部７８およびベーン室７５に連通することがないので、シリンダ４４およびピストン４７の摺動面から漏れ出して溜まり部７８に捕捉された圧力エネルギーを有する高温高圧蒸気が、捕捉室４８ｈを通してベーン室７５に無駄に捨てられることがない。
【００６５】
またシリンダ４４およびピストン４７の摺動面から漏れ出して溜まり部７８に捕捉された圧力エネルギーを有する高温高圧蒸気は、第１ケーシング１２の連通孔１２ｄおよび一方向弁７９（図２参照）を経て中継チャンバ１９に供給されるので、その高温高圧蒸気を吸気ポート９０…からベーン室７５…に供給して有効に再利用することができる。何らかの理由で溜まり部７８の圧力が中継チャンバ１９の圧力よりも低くなると、一方向弁７９が閉弁して中継チャンバ１９の降温降圧蒸気が溜まり部７８に逆流するのを防止するため、中継チャンバ１９から圧力が逃げるのを阻止して膨張機４の効率低下を防止することができる。
【００６６】
次に、廃熱回収装置２を含む内燃機関１の冷却系の作用を、主として図１および図２を参照しながら説明する。
【００６７】
低圧ポンプ７でタンク６から汲み上げられた水は通路Ｐ１を経て排気管１０１に設けた熱交換器１０２に供給され、そこで予熱された後に通路Ｐ２を経て内燃機関１のウオータジャケット１０５に供給される。ウオータジャケット１０５内を流れる水は内燃機関１の発熱部であるシリンダブロック１０３およびシリンダヘッド１０４を冷却し、温度上昇した状態で分配弁１０６に供給される。このように、排気管１０１の熱交換器１０２で予熱した水をウオータジャケット１０５に供給するので、内燃機関１の低温時にはその暖機を促進することができ、また内燃機関１の過冷却を防止して排気ガス温度を上昇させることで蒸発器３の性能を高めることができる。
【００６８】
分配弁１０６で分配された高温の水の一部は通路Ｐ４に介装した高圧ポンプ８で加圧されて蒸発器３に供給され、そこで排気ガスとの間で熱交換して高温高圧蒸気になる。蒸発器３で発生した高温高圧蒸気は、膨張機４の蒸気供給パイプ８８に供給されてシリンダ４４…およびベーン室７５…を通過して回転軸２１を駆動した後に凝縮器５に排出される。
【００６９】
分配弁１０６で分配された高温の水の他の一部は通路Ｐ５に介装した減圧弁１０７で減圧されて蒸気となり、膨張機４の中継チャンバ１９に供給される。中継チャンバ１９に供給された蒸気は、蒸気供給パイプ８８から供給されてシリンダ４４…を通過した第１の降温降圧蒸気と合流し、回転軸２１を駆動した後に凝縮器５に排出される。このように、分配弁１０６からの高温の水の一部を減圧弁１０７で蒸気化して膨張機４に供給するので、水が内燃機関１のウオータジャケット１０５で受け取った熱エネルギーを有効利用して膨張機４の出力を増加させることができる。また分配弁１０６で分配された高温の水の他の一部は通路Ｐ６を経て膨張機４の第１水通路Ｗ１に供給され、各被潤滑部を潤滑する。このように高温の水を用いて膨張機４の被潤滑部を潤滑するので、膨張機４が過冷却するのを防止していわゆる冷却損失を低減することができる。また潤滑後に膨張行程のベーン室７５…に入った水は、ベーン室７５…の蒸気と混合することで加熱されて蒸気化し、その膨張作用で膨張機４の出力を増加させる。そして膨張機４から通路Ｐ８に排出された第２の降温降圧蒸気は凝縮器５に供給され、そこで冷却ファン１０９により冷却されて水になり、タンク６に戻される。また分配弁１０６で分配された高温の水の他の一部は通路Ｐ７に介装した補機１１０との間で熱交換して冷却された後に、チェックバルブ１１１を経てタンク６に戻される。
【００７０】
以上のように、低圧ポンプ７でタンク６から汲み上げた水をウオータジャケット１０５に供給して内燃機関１の発熱部を冷却した後に、その水を補機１１０に供給して冷却してからタンク６に戻す水循環経路と、ウオータジャケット１０５を出た水の一部を作動媒体として分配し、その水を高圧ポンプ８、蒸発器３、膨張機４および凝縮器５を経てタンク６に戻す廃熱回収装置２の水循環経路とを複合させ、かつウオータジャケット１０５および補機１１０を通過する内燃機関１の冷却系の水循環経路を低圧大流量とし、廃熱回収装置２の水循環経路と高圧小流量としたので、内燃機関１の冷却系および廃熱回収装置２にそれぞれ適した流量および圧力の水を供給することが可能となり、廃熱回収装置２の性能を維持しながら内燃機関１の発熱部を充分に冷却してラジエータを廃止することができる。しかも低圧ポンプ７からウオータジャケット１０５に供給される水を排気管１０１に設けた熱交換器１０２で予熱するので、内燃機関１の廃熱を一層有効に利用することができる。
【００７１】
また低圧ポンプ７から低温の水が供給される熱交換器１０２を、蒸発器３の位置より排気ガスの温度が低下している排気管１０１の下流に設けたので、排気ガスの持つ余剰の廃熱を余すところなく効率的に回収することができる。更に、熱交換器１０２で予熱された水をウオータジャケット１０５に供給するので、内燃機関１の過冷却を防止するとともに、燃焼熱、即ち排気ガスを更に高温化して排気ガスの熱エネルギーを高め、廃熱回収効率を向上させることができる。
【００７２】
以上、本発明の実施例を詳述したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。
【００７３】
例えば、実施例では回転流体機械として膨張機４を例示したが、本発明は圧縮機としても適用することができる。
【００７４】
また実施例では気相作動媒体および液相作動媒体として蒸気および水を用いているが、他の適宜の作動媒体を用いることができる。
【００７５】
【発明の効果】
以上のように請求項１に記載された発明によれば、第１、第２エネルギー変換手段がそれぞれ発生する機械エネルギーを統合して出力する膨張機として機能し、あるいは第１、第２エネルギー変換手段がそれぞれ発生する圧力エネルギーを統合して出力する圧縮機として機能する回転流体機械が、高圧側のエネルギー変換手段から漏れた気相作動媒体を一方向弁を介して低圧側のエネルギー変換手段に供給するので、前記漏れた気相作動媒体を無駄に捨てることなく低圧側のエネルギー変換手段で有効に利用してエネルギーの変換効率を高めることができる。しかも高圧側のエネルギー変換手段から漏れた気相作動媒体の圧力が低圧側のエネルギー変換手段の気相作動媒体の圧力よりも低い場合に、一方向弁で気相作動媒体の逆流を阻止して低圧側のエネルギー変換手段の効率低下を防止することができる。
【００７６】
また請求項２に記載された発明によれば、第１、第２エネルギー変換手段が順次連続して共通の気相作動媒体で作動するので、気相作動媒体の供給・排出経路を簡素化できるだけでなく、機械エネルギーあるいは圧力エネルギーの発生効率を高めることができる。
【００７７】
また請求項３に記載された発明によれば、第１エネルギー変換手段を、ロータチャンバの内部に回転自在に収容されたロータに放射状に形成されたシリンダと、このシリンダ内を摺動するピストンとから構成したので、高圧の気相作動媒体のシール性を高めてリークによる効率低下を最小限に抑えることができ、また第２エネルギー変換手段を、ロータに放射方向に移動自在に支持されてロータチャンバの内周面に摺接するベーンから構成したので、圧力エネルギーおよび機械エネルギーの変換機構の構造が簡単であり、コンパクトな構造でありながら大流量の気相作動媒体を処理できる。このように、ピストンおよびシリンダを持つ第１エネルギー変換手段とベーンを持つ第２エネルギー変換手段とを組み合わせたことにより、両者の特長を兼ね備えた高性能な回転流体機械を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】内燃機関の廃熱回収装置の概略図
【図２】図４の２−２線断面図に相当する膨張機の縦断面図
【図３】図２の軸線周りの拡大断面図
【図４】図２の４−４線断面図
【図５】図２の５−５線断面図
【図６】図２の６−６線断面図
【図７】図５の７−７線断面図
【図８】図５の８−８線断面図
【図９】図８の９−９線断面図
【図１０】図３の１０−１０線断面図
【図１１】ロータの分解斜視図
【図１２】ロータの潤滑水分配部の分解斜視図
【図１３】シール補助部材、スプリングおよびベーンシールの端部の斜視図
【図１４】ロータチャンバおよびロータの断面形状を示す模式図
【符号の説明】
４ 膨張機
１４ ロータチャンバ
４１ ロータ
４４ シリンダ
４７ ピストン
４８ ベーン
７９ 一方向弁
Claims (3)
- 少なくとも第１エネルギー変換手段および第２エネルギー変換手段を備え、
圧力エネルギーを有する気相作動媒体を第１、第２エネルギー変換手段に入力して前記圧力エネルギーを機械エネルギーに変換することにより、第１、第２エネルギー変換手段がそれぞれ発生した機械エネルギーを統合して出力する膨張機（４）として機能することが可能であり、
あるいは機械エネルギーを第１、第２エネルギー変換手段に入力して前記機械エネルギーを気相作動媒体の圧力エネルギーに変換することにより、第１、第２エネルギー変換手段がそれぞれ発生した気相作動媒体の圧力エネルギーを統合して出力する圧縮機として機能することが可能である回転流体機械において、
第１、第２エネルギー変換手段のうち、高圧側のエネルギー変換手段から漏れた気相作動媒体を一方向弁（７９）を介して低圧側のエネルギー変換手段に供給することを特徴とする回転流体機械。 - 前記第１、第２エネルギー変換手段は順次連続して共通の気相作動媒体で作動することを特徴とする、請求項１に記載の回転流体機械。
- 前記第１エネルギー変換手段は、ロータチャンバ（１４）内に回転自在に収容されたロータ（４１）に放射状に形成されたシリンダ（４４）と、このシリンダ（４４）内を摺動するピストン（４７）とから構成され、
前記第２エネルギー変換手段は、ロータ（４１）から放射方向に出没し、その外周面がロータチャンバ（１４）の内周面に摺接するベーン（４８）とから構成されたことを特徴する、請求項１に記載の回転流体機械。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002370179A JP2004197711A (ja) | 2002-12-20 | 2002-12-20 | 回転流体機械 |
| US10/739,151 US20050025633A1 (en) | 2002-12-20 | 2003-12-19 | Rotating fluid machine |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002370179A JP2004197711A (ja) | 2002-12-20 | 2002-12-20 | 回転流体機械 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2004197711A true JP2004197711A (ja) | 2004-07-15 |
Family
ID=32766179
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002370179A Withdrawn JP2004197711A (ja) | 2002-12-20 | 2002-12-20 | 回転流体機械 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20050025633A1 (ja) |
| JP (1) | JP2004197711A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007255363A (ja) * | 2006-03-24 | 2007-10-04 | Osaka Gas Co Ltd | 動力システム |
| JP2007309252A (ja) * | 2006-05-19 | 2007-11-29 | Denso Corp | 回転出力発生装置 |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004197710A (ja) * | 2002-12-20 | 2004-07-15 | Honda Motor Co Ltd | 回転流体機械 |
| MX2010011603A (es) * | 2008-04-30 | 2011-01-25 | Wellstat Therapeutics Corp | Compuestos de tetrazol para reducir el acido urico. |
| EP3074630A4 (en) * | 2013-11-27 | 2017-07-12 | George Konrad | Multi-piston motor/pump |
| KR102215296B1 (ko) * | 2017-03-24 | 2021-02-16 | 현대자동차주식회사 | 컴프레서 |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US2316318A (en) * | 1939-07-08 | 1943-04-13 | Davidson William Ward | Rotary liquid pump |
| GB1289479A (ja) * | 1968-12-18 | 1972-09-20 | ||
| US3976403A (en) * | 1974-06-24 | 1976-08-24 | Jensen Robert L | Rotary vane fluid pressure machine |
| JPS5920501A (ja) * | 1982-07-23 | 1984-02-02 | Mitsuhiro Kanao | ロ−タリ−機関のシ−ルシステム |
| CN1178001C (zh) * | 1999-03-05 | 2004-12-01 | 本田技研工业株式会社 | 回转式流体机械、叶片式流体机械及内燃机的废热回收装置 |
-
2002
- 2002-12-20 JP JP2002370179A patent/JP2004197711A/ja not_active Withdrawn
-
2003
- 2003-12-19 US US10/739,151 patent/US20050025633A1/en not_active Abandoned
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007255363A (ja) * | 2006-03-24 | 2007-10-04 | Osaka Gas Co Ltd | 動力システム |
| JP2007309252A (ja) * | 2006-05-19 | 2007-11-29 | Denso Corp | 回転出力発生装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US20050025633A1 (en) | 2005-02-03 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6845618B2 (en) | Rankine cycle device of internal combustion engine | |
| KR100417677B1 (ko) | 회전식 유체기계, 베인식 유체기계, 및 내연기관의 폐열회수장치 | |
| US6910333B2 (en) | Rankine cycle device of internal combustion engine | |
| JP2004197710A (ja) | 回転流体機械 | |
| KR20030066604A (ko) | 회전 유체기계 | |
| JP2004197711A (ja) | 回転流体機械 | |
| JP2004197709A (ja) | 回転流体機械 | |
| JP2002070501A (ja) | 回転流体機械 | |
| JP2003097212A (ja) | 回転流体機械 | |
| JP2003097205A (ja) | 回転流体機械 | |
| JP4647857B2 (ja) | 内燃機関のランキンサイクル装置 | |
| JP2003097207A (ja) | 回転流体機械 | |
| JP2003097211A (ja) | 回転流体機械 | |
| JP2003097208A (ja) | 回転流体機械 | |
| JP2003097209A (ja) | 回転流体機械 | |
| JP4344453B2 (ja) | 回転式流体機械 | |
| JP4344451B2 (ja) | 回転式流体機械 | |
| JP2003097202A (ja) | 回転流体機械 | |
| JP4344452B2 (ja) | 回転式流体機械 | |
| JP2003097210A (ja) | 回転流体機械 | |
| JP2003097206A (ja) | 回転流体機械 | |
| JP2003097204A (ja) | 回転流体機械 | |
| JP2003074301A (ja) | 回転流体機械 | |
| JP2003097203A (ja) | 回転流体機械 | |
| JP2003074302A (ja) | 回転流体機械 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20041129 |
|
| A761 | Written withdrawal of application |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A761 Effective date: 20060919 |