JP2012246872A - 廃熱回収機器及び廃熱回収装置 - Google Patents

Abstract

【課題】膨張機がロックした場合にも発電をすることができる廃熱回収機器を提供する。
【解決手段】オルタネータ４３を構成する回転軸４０は、エンジンからプーリを介して回転駆動力を得る。回転軸４０の内端部には筒部４４が形成されている。出力軸７０には小径端部５９が形成されている。小径端部５９は、筒部４４の筒内に突入されており、筒部４４の筒内４４０の内周面４４２と小径端部５９の外周面５９１との間にはトルクリミッタ５８が介在されている。出力軸７０は、トルクリミッタ５８を介して回転軸４０と同軸に連結されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転駆動力を出力する燃焼機関に直結されるオルタネータと、前記オルタネータに回転駆動力を付与する膨張機とを備えた廃熱回収機器及び廃熱回収装置に関する。

この種の廃熱回収機器（流体機械）が特許文献１の図１０に開示されている。図１０に開示の流体機械では、ベルトを介してエンジンに直結されたプーリと、膨張機と、オルタネータとで回転軸を共有させている。これにより、ランキンサイクルの熱エネルギーが充分に得られない場合にも、エンジンの回転駆動力がプーリ及び共有の回転軸を介してオルタネータに入力されて発電が行なわれる。

特開２００４−３４０１３９号公報

しかし、プーリと膨張機とオルタネータとが共有の回転軸に直結されているため、膨張機がロックした場合には、エンジンの回転駆動力によってオルタネータを駆動することができない。

本発明は、回転駆動力を出力する燃焼機関に直結される膨張機がロックした場合にも発電をすることができる廃熱回収機器及び廃熱回収装置を提供することを目的とする。

請求項１乃至請求項４の発明は、回転駆動力を出力する燃焼機関に直結されるオルタネータと、前記オルタネータに回転駆動力を付与する膨張機とを備えた廃熱回収機器を対象とし、請求項１の発明では、前記オルタネータの回転軸と、前記膨張機の出力軸との間にトルクリミッタが設けられている。

膨張機がロックした場合にも、トルクリミッタがあることによってオルタネータの回転軸が確実に回転する。そのため、燃焼機関から回転駆動力を得るオルタネータが駆動され、発電が確実に行なわれる。

好適な例では、前記膨張機から排出された冷媒を圧送するポンプが備えられており、前記ポンプは、前記出力軸に直結されて前記膨張機から回転駆動力を得る。
ポンプがロックした場合にも、トルクリミッタがあることによってオルタネータの回転軸が回転可能である。そのため、燃焼機関から回転駆動力を得るオルタネータが駆動され、発電が行なわれる。

好適な例では、前記出力軸の端部は、前記回転軸の端部に形成された筒部の筒内に挿入されており、前記トルクリミッタは、前記出力軸の前記端部の周面と前記筒部の内周面との間に設けられている。

好適な例では、前記出力軸は、主軸受によって回転可能に支持されており、前記出力軸の前記端部の周面と前記筒部の内周面との間に補助軸受が設けられており、前記補助軸受は、前記トルクリミッタから見て前記主軸受とは反対側にある。

補助軸受は、出力軸を回転可能に支持する主軸受の負担を減らす。
請求項５の発明は、燃焼機関から回転駆動力を得るオルタネータと、前記燃焼機関の廃熱を利用して前記オルタネータに回転駆動力を付与する膨張機とを備えた廃熱回収機器が備えられており、前記オルタネータが前記燃焼機関に直結されている廃熱回収装置を対象とし、前記廃熱回収機器は、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の廃熱回収機器である。

膨張機がロックした場合にも、燃焼機関の回転駆動力がオルタネータを駆動し、発電が行なわれる。

本発明は、回転駆動力を出力する燃焼機関に直結される膨張機がロックした場合にも発電をすることができる廃熱回収機器及び廃熱回収装置を提供することができるという優れた効果を奏する。

第１の実施形態を示す廃熱回収機器の全体側断面図。 廃熱回収装置を示す模式図。 第２の実施形態を示す廃熱回収機器の全体側断面図。 廃熱回収装置を示す模式図。 第３の実施形態の廃熱回収機器を示す全体側断面図。

以下、本発明を具体化した第１の実施形態を図１及び図２に基づいて説明する。
図２に示すように、廃熱回収装置１１は、廃熱源であるエンジン１２（燃焼機関）と、ランキンサイクル回路１３とを備えている。

ランキンサイクル回路１３では、エンジン１２からの廃熱によって加熱される冷媒が循環する。廃熱回収装置１１を構成する廃熱回収機器３４は、ランキンサイクル回路１３の一部を構成している。

図１に示すように、廃熱回収機器３４を構成する全体ハウジング３５は、センターハウジング３６と、センターハウジング３６の前端〔図１において左端〕に連結されたフロントハウジング３７と、センターハウジング３６の後端〔図１において右端〕に連結されたリヤハウジング３８とから構成されている。

センターハウジング３６に一体形成された隔壁３６１とフロントハウジング３７の前端壁３７１とには回転軸４０が軸受５１，５２を介して回転可能に支持されており、フロントハウジング３７内の回転軸４０にはロータ４１が固定されている。フロントハウジング３７の内周面にはステータ４２がロータ４１を取り囲むように固定されている。回転軸４０、コイル４２１を備えたステータ４２及びロータ４１は、オルタネータ４３（発電機）を構成する。回転軸４０は、オルタネータ４３のロータ軸である。

オルタネータ４３は、ロータ４１が回転することによってステータ４２のコイル４２１に電力を生じさせる機能を有する。
オルタネータ４３にはバッテリ４５が電気的に接続されている。オルタネータ４３で生じた電力は、バッテリ４５に蓄電されるようになっている。

回転軸４０は、フロントハウジング３７の前端壁３７１を貫通してフロントハウジング３７外に突出しており、回転軸４０の突出端部にはプーリ５６が止着されている。プーリ５６にはベルト５７が巻き掛けられている。ベルト５７は、エンジン１２の回転出力軸であるクランク軸６８〔図２参照〕に止着されたプーリ６９〔図２参照〕に巻き掛けられている。回転軸４０の内端部には筒部４４が形成されている。

センターハウジング３６内には支持ブロック６３が固設されている。支持ブロック６３には出力軸７０が軸受７１によって回転可能に支持されている。出力軸７０は、隔壁３６１を貫通しており、隔壁３６１を貫通する出力軸７０の突出端部の端面７０１は、回転軸４０の筒部４４の端面４４１と対向している。

出力軸７０の端面７０１には小径端部５９が突設されている。小径端部５９は、筒部４４の筒内４４０に突入されており、筒内４４０の内周面４４２と小径端部５９の外周面５９１との間にはトルクリミッタ５８が介在されている。出力軸７０は、トルクリミッタ５８を介して回転軸４０と同軸に連結されている。

支持ブロック６３とリヤハウジング３８との間にはスクロール式の膨張機７２が設けられている。
次に、膨張機７２の構成を説明する。

出力軸７０の後端には偏心軸７３が設けられている。偏心軸７３は、出力軸７０の回転により出力軸７０の回転軸線の周りを公転する。偏心軸７３には可動スクロール７４がブッシュ７５及び軸受７６を介して回転可能に支持されている。可動スクロール７４は、軸受７６に支持された可動側端板７４１と、可動側端板７４１から突設された渦巻状の可動側渦巻壁７４２とを備えている。

センターハウジング３６の後部内には固定スクロール７７が可動スクロール７４と対向するように固設されている。固定スクロール７７は、固定側端板７７１と、固定側端板７７１から支持ブロック６３に向けて突設された渦巻状の固定側渦巻壁７７２とを備えている。可動スクロール７４の可動側渦巻壁７４２と、固定スクロール７７の固定側渦巻壁７７２とは、互いに噛み合わされて容積変更可能な膨張室７８を区画する。

固定側端板７７１とリヤハウジング３８との間には供給室７９が区画されており、固定側端板７７１の中央部には供給口７７３が供給室７９に連通するように形成されている。リヤハウジング３８には導入ポート３８１が形成されている。サイドプレート６２と支持ブロック６３との間には排出室８０が形成されている。膨張室７８の冷媒は、排出室８０へ排出される。センターハウジング３６の周壁には排出ポート３６２が排出室８０に連通するように形成されている。

次に、廃熱回収装置１１におけるランキンサイクル回路１３について説明する。
図２に示すように、ランキンサイクル回路１３は、廃熱回収機器３４を構成する膨張機７２、凝縮器２９、ポンプ６１、第１ボイラ２０、及び第２ボイラ２１によって構成されている。

第１ボイラ２０は、吸熱器２０２と放熱器２０１とを備える。放熱器２０１は、エンジン１２に接続された冷却水循環経路２３上に設けられている。冷却水循環経路２３上にはラジエータ２４が設けられている。車両のエンジン１２を冷却した冷却水は、冷却水循環経路２３を循環して放熱器２０１及びラジエータ２４で放熱する。

第２ボイラ２１は、吸熱器２１２と放熱器２１１とを備える。第１ボイラ２０の吸熱器２０２の吐出側には第２ボイラ２１の吸熱器２１２が接続流路２５を介して接続されている。放熱器２１１は、エンジン１２に接続された排気通路２６上に設けられている。エンジン１２からの排気は、放熱器２１１で放熱した後、マフラ２７から排気される。ポンプ６１から圧送された冷媒は、第１ボイラ２０及び第２ボイラ２１の吸熱器２０２，２１２と放熱器２０１，２１１との間での熱交換によりエンジン１２からの廃熱によって加熱される。

第２ボイラ２１の吸熱器２１２の吐出側には膨張機７２の導入ポート３８１〔図１参照〕が供給流路２８を介して接続されている。第１ボイラ２０及び第２ボイラ２１で加熱された高温高圧の冷媒は、供給流路２８を介して膨張機７２に導入される。膨張機７２側の排出ポート３６２〔図１参照〕には凝縮器２９が排出流路３０を介して接続されている。膨張機７２で膨張した低圧の冷媒は、排出流路３０を介して凝縮器２９へ排出される。凝縮器２９の下流側にはポンプ６１が第２流路３１を介して接続されている。ポンプ６１の下流側には第１ボイラ２０が第１流路２２を介して接続されている。

第２流路３１、第１流路２２、接続流路２５、供給流路２８及び排出流路３０は、ランキンサイクル回路の循環冷媒流路を構成する。ポンプ６１のポンプ作用により、第２流路３１内の冷媒は、第１流路２２、第１ボイラ２０、第２ボイラ２１、膨張機７２及び凝縮器２９を通過してポンプ６１へ還流する。

次に、第１の実施形態の作用を説明する。
ポンプ６１の作用によって第１流路２２へ送られた冷媒は、第１ボイラ２０の吸熱器２０２、接続流路２５、及び第２ボイラ２１の吸熱器２１２を通過して供給流路２８へ送られる。第１ボイラ２０の吸熱器２０２及び第２ボイラ２１の吸熱器２１２を通過する冷媒は、エンジン１２からの廃熱によって加熱される。

ボイラ２０，２１で加熱された高圧の冷媒は、導入ポート３８１から膨張機７２の供給室７９を経て膨張室７８に導入されて膨張する。この冷媒の膨張により膨張機７２が機械的エネルギー（回転付与力）を出力し、この回転付与力によって出力軸７０及び回転軸４０の回転がアシストされる。膨張して圧力が低下した冷媒は、排出流路３０へ排出される。排出流路３０へ排出された冷媒は、凝縮器２９を通過してポンプ６１へ還流する。

膨張機７２がロックしてしまった場合、つまり出力軸７０が回転不能になってしまった場合、出力軸７０とオルタネータ４３の回転軸４０との間にトルクリミッタ５８があることによって回転軸４０の回転が可能である。そのため、エンジン１２から回転駆動力を得るオルタネータ４３が駆動され、発電が行なわれる。

第１の実施形態では以下の効果が得られる。
（１）膨張機７２がロックした場合にも、トルクリミッタ５８の存在が回転軸４０の回転を許容する。そのため、膨張機７２がロックした場合にも、オルタネータ４３が確実に駆動されて発電が行なわれる。

次に、図３及び図４の第２の実施形態を説明する。第１の実施形態と同じ構成部には同じ符合を用い、その詳細説明は省略する。
図３に示すように、センターハウジング３６内にはサイドプレート６２が隔壁３６１に対向するように固設されている。隔壁３６１とサイドプレート６２との間にはギヤポンプ６７が設けられている。出力軸７０は、隔壁３６１及びサイドプレート６２を貫通している。

ギヤポンプ６７は、出力軸７０に止着された駆動ギヤ６５と、駆動ギヤ６５に噛合する従動ギヤ６６とを備えている。ギヤポンプ６７を構成するポンプ室６４の吸入室側には吸入通路４６が接続されており、ポンプ室６４の吐出室側には吐出通路４７が接続されている。吸入通路４６は、第２流路３１の一部を構成しており、吐出通路４７は、第１流路２２の一部を構成する。ポンプ室６４、吐出通路４７及び吸入通路４６は、隔壁３６１の端面に凹み形成されている。

吐出通路４７には分岐通路４８が分岐接続されており、分岐通路４８の終端には絞り通路４９が設けられている。絞り通路４９は、フロントハウジング３７内の内部空間Ｋに開口している。内部空間Ｋは、全体ハウジング３５内におけるオルタネータ４３の存在領域である。

センターハウジング３６の隔壁３６１及びサイドプレート６２には流出通路５０が貫設されている。内部空間Ｋは、流出通路５０を介して排出室８０に連通している。
ギヤポンプ６７のポンプ室６４から送り出された冷媒の一部は、第１流路２２、第１ボイラ２０、第２ボイラ２１、膨張機７２及び凝縮器２９を通過してギヤポンプ６７へ還流する。ポンプ室６４から送り出された冷媒の残りは、分岐通路４８及び絞り通路４９を経由して内部空間Ｋへ流入する。凝縮器２９を通過して第２流路３１を流れる冷媒は、冷却されて液化しており、ギヤポンプ６７から送り出された液冷媒は、低温である。従って、内部空間Ｋへ流入した低温の液冷媒は、内部空間Ｋ内でオルタネータ４３を冷却する。オルタネータ４３の冷却は、発電効率の向上に寄与する。

オルタネータ４３を冷却した冷媒は、流出通路５０を経由して排出室８０へ流出し、排出室８０へ流出した冷媒は、排出流路３０及び凝縮器２９を経由してギヤポンプ６７へ還流する。

ギヤポンプ６７がロックしてしまった場合、つまり出力軸７０が回転不能になってしまった場合、出力軸７０とオルタネータ４３の回転軸４０との間にトルクリミッタ５８があることによって回転軸４０の回転が可能である。そのため、ギヤポンプ６７がロックしてしまった場合にも、エンジン１２から回転駆動力を得るオルタネータ４３が回転し、発電が確実に行なわれる。

次に、図５の第３の実施形態を説明する。第２の実施形態と同じ構成部には同じ符合を用い、その詳細説明は省略する。
筒部４４の筒内４４０の底には挿入孔４４３が凹設されており、挿入孔４４３には小径端部５９が挿入されている。小径端部５９の先端側の外周面と挿入孔４４３の内周面との間には補助軸受としてのプレーンメタル軸受６０が介在されている。プレーンメタル軸受６０は、トルクリミッタ５８よりも出力軸７０の先端側にある。

膨張機７２におけるガス状冷媒の径方向へのガス圧力は、軸受７６を介して出力軸７０に掛かる。軸受７６の位置Ｘは、前記径方向へのガス圧力に関する力点となり、プレーンメタル軸受６０の位置Ｙを支点と考えると、出力軸７０の主軸受となる軸受７１の位置Ｚは、作用点となる。

出力軸７０の軸方向における位置Ｘと位置Ｚとの距離をＬ１、出力軸７０の軸方向における位置Ｚと位置Ｙとの距離をＬ２、位置Ｘにおいて軸受７６に掛かる荷重をＦｘ、位置Ｚにおいて軸受７１に掛かる作用力をＦｚとすると、以下の式（１）が成り立つ。

Ｆｚ×Ｌ２＝Ｆｘ×（Ｌ１＋Ｌ２）・・・（１）
式（１）は、次式（２）に書き直せる。
Ｆｚ＝Ｆｘ×（Ｌ１＋Ｌ２）／Ｌ２
＝Ｆｘ×（Ｌ１／Ｌ２＋１）・・・（２）
式（２）において荷重Ｆｘ及び距離Ｌ１を一定とすると、距離Ｌ２が大きくなるほど作用力Ｆｚが小さくなる。つまり、プレーンメタル軸受６０を軸受７６から遠ざけるほど、軸受７１に作用する力Ｆｚが小さくなる。軸受７１に作用する力Ｆｚを小さくすれば、軸受７１の寿命を延ばしたり、あるいは軸受７１の小型化を図ったりすることができる。従って、トルクリミッタ５８から見て軸受７１とは反対側にプレーンメタル軸受６０に配置した構成は、軸受７１の寿命を延ばしたり、あるいは軸受７１の小型化を図ったりする上で、好ましい。

本発明では以下のような実施形態も可能である。
○回転軸４０を中空軸としてもよい。
○出力軸７０の端部に筒部を形成し、回転軸４０の端面に小径端部を形成し、筒部内に小径端部を挿入すると共に、筒部の内周面と小径端部の外周面との間にトルクリミッタを介在してもよい。

○第３の実施形態において、プレーンメタル軸受の代わりに、ニードルベアリングを用いてもよい。
○車両用以外の廃熱回収装置に本発明を適用してもよい。

○膨張機として、ベーン式の膨張機を用いてもよい。
前記した実施形態から把握できる技術思想について以下に記載する。
（イ）前記筒部は、前記回転軸の端部に形成されており、前記出力軸の端部は、前記筒部の筒内に挿入されている請求項３に記載の廃熱回収機器。

１１…廃熱回収装置。１２…燃焼機関としてのエンジン。３４…廃熱回収機器。４０…回転軸。４３…オルタネータ。４４…筒部。４４０…筒内。４４２…内周面。５８…トルクリミッタ。５９…小径端部。５９１…外周面。６０…補助軸受としてのプレーンメタル軸受。６１…ポンプ。６７…ギヤポンプ。７０…出力軸。７２…膨張機。

Claims (5)

1. 回転駆動力を出力する燃焼機関に直結されるオルタネータと、前記オルタネータに回転駆動力を付与する膨張機とを備えた廃熱回収機器において、
   前記オルタネータの回転軸と、前記膨張機の出力軸との間にトルクリミッタが設けられている廃熱回収機器。
2. 前記膨張機から排出された冷媒を圧送するポンプが備えられており、前記ポンプは、前記出力軸に直結されて前記膨張機から回転駆動力を得る請求項１に記載の廃熱回収機器。
3. 前記出力軸の端部と前記回転軸の端部とのいずれか一方に筒部が形成されていると共に、他方が前記筒部の筒内に挿入されており、前記トルクリミッタは、前記筒部の内周面と前記他方の外周面との間に設けられている請求項１及び請求項２のいずれか１項に記載の廃熱回収機器。
4. 前記出力軸は、主軸受によって回転可能に支持されており、前記出力軸の前記端部の周面と前記筒部の内周面との間に補助軸受が設けられており、前記補助軸受は、前記トルクリミッタから見て前記主軸受とは反対側にある請求項３に記載の廃熱回収機器。
5. 燃焼機関から回転駆動力を得るオルタネータと、前記燃焼機関の廃熱を利用して前記オルタネータに回転駆動力を付与する膨張機とを備えた廃熱回収機器が備えられており、前記オルタネータが前記燃焼機関に直結されている廃熱回収装置において、
   前記廃熱回収機器は、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の廃熱回収機器である廃熱回収装置。

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