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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Rankine-Zyklussystem, das Abwärme von
einer Brennkraftmaschine nutzt, und insbesondere ein Rankine-Zyklussystem,
das so ausgestaltet ist, dass erhitzte Abschnitte einer Brennkraftmaschine
durch ein Arbeitsmedium gekühlt
werden können.
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TECHNISCHER HINTERGRUND
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In
der japanischen Gebrauchsmuster-Offenlegungsschrift Nr. S59-174308
ist ein Rankine-Zyklussystem beschrieben, das einen Verdampfer zum Erhitzen
einer Flüssigphasen-Arbeitsmediums
durch Abgas von einer Brennkraftmaschine enthält, um ein Gasphasen-Arbeitsmedium
zu erzeugen, einen Expander, der durch das in dem Verdampfer erzeugte Gasphasen-Arbeitsmedium angetrieben
wird, einen Kondensator zum Kühlen
des Gasphasen-Arbeitsmediums, das durch den Expander hindurchgetreten ist,
um es wieder zu dem Flüssigphasen-Arbeitsmedium
zu machen, sowie eine Förderpumpe
zum Zuführen
des Flüssigphasen-Arbeitsmediums
von dem Kondensator unter Druck zu dem Verdampfer.
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In
dem oben beschriebenen herkömmlichen Rankine-Zyklussystem
wird das Wasser als Flüssigphasen-Arbeitsmedium
nicht nur durch die Innenseite des im Auspuffrohr von der Brennkraftmaschine angebrachten
Verdampfers geleitet, sondern auch durch die Innenseite eines Kühlkanals,
der in einem Zylinderkopf und einem Zylinderblock definiert ist,
um erhitzt zu werden, wodurch Abwärme von der Brennkraftmaschine
weiter effizient genutzt wird, und der Zylinderkopf und der Zylinderblock
werden durch das Flüssigphasen- Arbeitsmedium gekühlt, mit
dem Ziel, einen herkömmlichen
Kühler
nicht zu benutzen.
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Allgemein
liegt jedoch die Strömungsrate des
Wassers als Flüssigphasen-Arbeitsmedium in dem
Rankine-Zyklussystem zur Strömungsrate
des Kühlwassers
für die
Brennkraftmaschine in der Größenordnung
von 1 : 100, und daher ist die Strömungsrate des Kühlwassers
für die
Brennkraftmaschine, im Vergleich zur Strömungsrate des Wassers in dem
Rankine-Zyklussystem, viel größer. Der
Druck des dem Verdampfer im Rankine-Zyklussystem zugeführten Wassers
beträgt
etwa das 100-fache des Drucks des Kühlwassers, das dem Wasesrmantel der
Brennkraftmaschine zugeführt
wird, was in einer großen
Differenz resultiert, die zwischen den beiden Drücken vorliegt.
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Daher
ist es wegen der großen
Differenz in der Strömungsrate
und dem Druck zwischen den Wasserzirkulationswegen scheinbar schwierig,
einen Wasserzirkulationsweg in dem Rankine-Zyklussystem und einen
Wasserzirkulationsweg für
die Brennkraftmaschine in Reihe miteinander zu verbinden, mit dem
Ziel, einen Kühler
nicht zu benutzen, und daher eine Möglichkeit besteht, dass die
Brennkraftmaschine überhitzt
werden könnte
und dass das Rankine-Zyklussystem keine ausreichende Leistung erreichen
könnte.
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Weiterer
Stand der Technik ist in der JP 8-144850 und der
US 4 586 338 gezeigt.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung ist im Hinblick auf die obigen Umstände durchgeführt worden,
und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, sicherzustellen,
dass die erhitzten Abschnitte der Brennkraftmaschine durch das Flüssigphasen-Arbeitsmedium ausreichend
gekühlt
werden können,
während
die Leistung des Rankine-Zyklussystems beibehalten wird, mit dem
Ziel, einen Kühler
nicht zu benutzen.
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Zur
Lösung
der obigen Aufgabe wird gemäß einem
ersten Aspekt und Merkmal der vorliegenden Erfindung ein Rankine-Zyklussystem
für eine
Brennkraftmaschine vorgeschlagen, enthaltend einen Verdampfer zum
Erhitzen von Flüssigphasen-Arbeitsmedium
durch Abwärme
von einer Brennkraftmaschine, um ein Gasphasen-Arbeitsmedium zu
erzeugen, einen Expander zum Umwandeln von Wärmeenergie des von dem Verdampfer
ausgegebenen Gasphasen-Arbeitsmediums in mechanische Energie, einen
Kondensator zum Kühlen
des von dem Expander ausgegebenen Gasphasen-Arbeitsmediums, um das Gasphasen-Arbeitsmedium
in das Flüssigphasen-Arbeitsmedium rückzuverwandeln,
einen Tank zur Aufbewahrung des von dem Kondensator ausgegebenen
Flüssigphasen-Arbeitsmediums,
sowie Pumpen zum Zuführen
des Flüssigphasen-Arbeitsmediums
in dem Tank zu dem Verdampfer, dadurch gekennzeichnet, dass die
Pumpen eine Niederdruckpumpe und eine Höherdruckpumpe sind, wobei die
Niederdruckpumpe das Flüssigphasen-Arbeitsmedium
in dem Tank durch ein Kühlmittel
für die
Brennkraftmaschine leitet, um hierdurch das Flüssigphasen-Arbeitsmedium zu erhitzen und einem
Ausgabeventil zuzuführen,
wobei ein Teil des von dem Ausgabeventil ausgegebenen Ffüssigphasen-Arbeitsmediums durch
die Höherdruckpumpe
unter Druck gesetzt und dem Verdampfer zugeführt wird, wobei ein anderer Teil
des von dem Ausgabeventil ausgegebenen Flüssigphasen-Arbeitsmediums,
nach Abgabe seiner Wärme
in ein Hilfsaggregat, zum Tank abgegebem wird.
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Mit
der obigen Anordnung wird das Flüssigphasen-Arbeitsmedium
in dem Tank durch die Niederdruckpumpe dem Kühlmittel für die Brennkraftmaschine zugeführt, um
erhitzte Abschnitte der Brennkraftmaschine zu kühlen, und danach wird ein Teil des
aus dem Kühlmittel
austretenden Flüssigphasen-Arbeitsmediums von
dem Ausgabeventil der Höherdruckpumpe
zugeführt
und wird im unter Druck gesetzten Zustand dem Verdampfer im Rankine-Zyklussystem zugeführt, während ein
anderer Teil des vom Kühlmittel
austretenden Flüssigphasen-Arbeitsmediums
von dem Ausgabeventil dem Hilfsaggregat zugeführt wird, und das Flüssigphasen-Arbeitsmedium,
das aus dem Expander in dem Rankine-Zyklussystem austritt und durch
den Kondensator verflüssigt
ist, und das Flüssigphasen-Arbeitsmedium,
das seine Wärme
in dem Hilfsaggregat verteilt, werden zum Tank rückgeführt. Daher ist es möglich, Flüssigphasen-Arbeitsmedien
mit Strömungsraten
und Drücken,
die jeweils für
das Rankine-Zyklussystem und das Kühlmittel geeignet sind, zuzuführen, während eine
Flüssigphasen-Arbeitsmedium-Zirkulationsleitung
in dem Rankine-Zyklussystem und eine Flüssigphasen-Arbeitsmedium-Zirkulationsleitung
in dem Kühlmittel
für die
Brennkraftmaschine vereinigt werden. Somit ist es möglich, die
erhitzten Abschnitte der Brennktaftmaschine effizient zu kühlen, während die Leistung
des Rankine-Zyklussystems erhalten bleibt, mit dem Ziel, einen Kühler nicht
zu benutzen.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt und Merkmal der vorliegenden Erfindung, zusätzlich zum
ersten Merkmal, wird das von der Niederdruckpumpe austretende Flüssigphasen-Arbeitsmedium
in einem Wärmetauscher,
der in einem Auspuffrohr in der Brennkraftmaschine angebracht ist,
vorgewärmt
wird und dem Kühlmittel
zugeführt.
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Mit
der obigen Anordnung wird das Flüssigphasen-Arbeitsmedium,
das von der Niederdruckpumpe dem Kühlmittel zugeführt wird,
in dem im Auspuffrohr angebrachten Austauscher vorgewärmt, und daher
ist es möglich,
nicht nur Abwärme
von Abgas noch effizienter zu nutzen, sondern auch das Auftreten
der Überkühlung durch
das Flüssigphasen-Arbeitsmedium,
das durch das Kühlmittel
hindurchgetreten ist, zu verhindern, wenn die Brennkraftmaschine
eine geringe Temperatur hat, um hierdurch das Aufwärmen der
Brennkraftmaschine zu fördern.
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Gemäß einem
dritten Aspekt und Merkmal der vorliegenden Erfindung, zusätzlich zum
ersten oder zweiten Merkmal, wird ein Teil des von dem Ausgabeventil
ausgegebenen erhitzten Flüssigphasen-Arbeitsmediums
als Schmiermedium für
den Expander genutzt.
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Mit
der obigen Anordnung wird ein Teil des erhitzten Flüssigphasen-Arbeitsmediums, das
aus dem Ausgabeventil ausgegeben wird, als Schmiermedium für den Expander
genutzt, und daher ist es möglich,
einen Temperaturabfall des Expanders zu verhindern, weil das Schmiermedium,
das eine geringere Temperatur hat, die Reduktion der Expansionsarbeit
senkt, um hierdurch den Wirkungsgrad bei der Wiedergewinnung der
Abwärme
von der Brennkraftmaschine zu verbessern.
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Gemäß einem
vierten Aspekt und Merkmal der vorliegenden Erfindung, zusätzlich zum
dritten Merkmal, wird der als das Schmiermedium zugeführte Teil
des Flüssigphasen-Arbeitsmediums
einem Expansionshub des Expanders zugeführt.
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Mit
der obigen Anordnung wird der als das Schmiermedium zugeführte Anteil
des Flüssigphasen-Arbeitsmediums
in der Form des Gasphasen-Arbeitsmediums
dem Expansionshub des Expanders zugeführt, und daher kann die Wärmeenergie,
die dem als das Schmiermedium dienende Flüssigphasen-Arbeitsmedium eigen
ist, effizient genutzt werden, um die Ausgangsleistung von dem Expander
zu erhöhen.
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Gemäß einem
fünften
Aspekt und Merkmal der vorliegenden Erfindung, zusätzlich zum
zweiten Merkmal, wird ein von dem Ausgabeventil abgegebener Teil
des erhitzten Flüssigphasen-Arbeitsmediums durch
ein Reduzierventil geleitet, um in ein Gasphasen-Arbeitsmedium umgewandelt
zu werden, das einem Expansionshub des Expanders zugeführt.
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Mit
der obigen Anordnung wird der von dem Ausgabeventil ausgegebene
Anteil des erhitzten Flüssigphasen-Arbeitsmediums
durch das Reduzierventil in das Gasphasen-Arbeitsmedium umgewandelt,
das dem Expansionshub des Expanders zugeführt wird, und daher kann die
Wärmeenergie,
die von den erhitzten Abschnittten der Brennkraftmaschine durch
das Flüssigphasen-Arbeitsmedium erhalten wird,
effizient genutzt werden, um die Ausgabe von dem Expander zu erhöhen.
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Gemäß einem
sechsten Aspekt und Merkmal der vorliegenden Erfindung, zusätzlich zu
einem der ersten bis fünften
Merkmale, wird Wasser als das Flüssigphasen-Arbeitsmedium
verwendet.
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Mit
der obigen Anordnung wird als das Flüssigphasen-Arbeitsmedium das
Wasser verwendet, das einen weiten Temperaturbereich hat, indem
es ohne Veränderung
in der Zusammensetzung, wie etwa Carbonisierung und dgl., genutzt
werden kann. Daher kann das dem Expander zugeführte Gasphasen-Arbeitsmedium im
Zustand erhöhter
Temperatur und das von dem Kühlmedium
für die
Brennkraftmaschine abgegebene Flüssigphasen-Arbeitsmedium im
Zustand geringerer Temperatur ohne Einschränkungen miteinander vermischt
werden, wenn das Wasser als das Schmiermedium verwendet wird, wobei
das Arbeitsmedium und das Schmiermedium ohne Einschränkung miteinander
vermischt werden können.
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Wasser
in einer Ausführung
entspricht dem Flüssigphasen-Arbeitsmedium
der vorliegenden Erfindung; Dampf in der Ausführung entspricht dem Gasphasen-Arbeitsmedium der
vorliegenden Erfindung; und ein Wassermantel 105 in der
Ausführung entspricht
dem Kühlmittel
der vorliegenden Erfindung.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 bis 14 zeigen
eine Ausführung der
vorliegenden Erfindung.
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1 ist
eine schematische Darstellung eines Rankine-Zyklussystems für eine Brennkraftmaschine;
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2 ist
eine vertikale Schnittansicht eines Expanders, entsprechend einer
Schnittansicht entlang Linie 2-2 in 4;
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3 ist
eine vergrößerte Schnittansicht
eines eine Drehachse in 2 umgebenden Bereichs;
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4 ist
eine Schnittansicht entlang Linie 4-4 in 2;
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5 ist
eine Schnittansicht entlang Linie 5-5 in 2;
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6 ist
eine vergrößerte Ansicht
eines Abschnitts von 4;
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7 ist
eine vergrößerte Schnittansicht entlang
Linie 7-7 in 3;
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8 ist
ein Diagramm, das Querschnittsformen einer Rotorkammer und eines
Rotors zeigt;
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9 ist
eine Explosionsperspektivansicht des Rotors;
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10 ist
eine Explosionsperspektivansicht eines Rotorsegments;
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11 ist
eine Explosionsperspektivansicht eines Flügels;
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12 ist
eine Explosionsperspektivansicht eines Rotorventils;
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13 ist
ein Graph, der die Beziehung zwischen den Zunahmebeträgen in der
Ausgabe von dem Expander bei Temperaturen von Schmierwasser in Bezug
auf die Phase zeigt, in der das Schmierwasser einem Expansionshub
des Expanders zugeführt wird;
und
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14 ist
ein Graph, der die Beziehung zwischen den Zunahmebeträgen in der
Ausgabe von dem Expander in Beträgen
des zugeführten
Schmierwassers in Bezug auf die Phase zeigt, in der das Schmierwasser
einem Expansionshub des Expanders zugeführt wird.
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BESTE ART ZUR AUSFÜHRUNG DER
ERFINDUNG
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Wie
in 1 gezeigt, enthält ein Rankine-Zyklussystem 2 zum
Wiedergewinnen von Wärmeenergie
von Abgas von einer Brennkraftmaschine 1 zur Ausgabe von
mechanischer Energie einen Verdampfer 3 zum Erzeugen von
Hochtemperatur- und Hochdruckdampf durch Erhitzen von Wasser unter
Verwendung des Abgases von der Brennkraftmaschine 1 als
Wärmequelle,
einen Expander 4 zum Ausgaben eines Wellendrehmoments durch
die Expansion des Hochtemperatur- und Hochdruckdampfs, einen Kondensator 5 zum
Kühlen
von temperaturverringertem und druckverringertem Dampf, der von
dem Expander 4 ausgegeben wird, um diesen zu verflüssigen, einen
Tank 6 zur Aufbewahrung des von dem Kondensator 5 abgegebenen
Wassers, sowie eine Niederdruckpumpe 7 und eine Höherdruckpumpe 8,
um das Wasser in dem Tank 6 wieder dem Verdampfer 3 zuzuführen.
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Das
Wasser in dem Tank 6 wird durch die Niederdruckpumpe 7,
die an einem Kanal P1 angeordnet ist, auf 2 bis 3 MPa unter Druck
gesetzt, und durch einen Wärmetauscher 102 geleitet,
der in einem Auspuffrohr 101 für die Brennkraftmaschine 1 angebracht
ist, wo es vorgewärmt
wird. Das vorgewärmte
Wasser tritt durch den Wärmetauscher 102 hindurch
und wird über
einen Kanal P2 einem Wassermantel 105 zugeführt, der
in einem Zylinderblock 103 und einem Zylinderkopf 104 definiert
ist, und kühlt
erhitzte Abschnitte der Brennkraftmaschine 1 während des
Durchtritts durch den Mantel 105. In diesem Fall nimmt
das Wasser selbst die Wärme
des ganzen Abschnitts auf, wodurch seine Temperatur weiter angehoben
wird. Das aus dem Wassermantel 105 austretende Wasser wird über einen
Kanal P3 einem Ausgabeventil 106 zugeführt, wo das Wasser in ein zu
einem Kanal P4 führendes
erstes System, ein zu einem Kanal P5 führendes zweites System, ein
zu einem Kanal P6 führenden
drittes System und einem zu Kanälen
P7 führenden
vierten System ausgegeben wird.
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Das
Wasser, das durch das Ausgabeventil 106 zu dem zum Kanal
P4 führenden
ersten System ausgegeben wird, wird durch die Höherdruckpumpe 8 auf
einen höheren
Druck, der gleich oder höher
als 10 MPa ist, unter Druck gesetzt und dem Verdampfer 3 zugeführt, wo
es einem Wärmeaustausch
mit Abgas, das eine höhere
Temperatur hat, unterzogen wird, wodurch es in Hochtemperatur- und
Hochdruckdampf umgewandelt wird, und den Höherdruckabschnitten des Expanders 4 zugeführt wird (Zylinder 33 des Expanders 4,
die nachfolgend beschrieben werden). Andererseits wird das Wasser, das
durch das Ausgabeventil 106 dem zum Kanal P5 führenden
zweiten System zugeführt
wird, durch ein Reduzierventil 107 geleitet, das in den
Kanal P5 eingebaut ist, wodurch es in Dampf umgewandelt wird, der
eine geringere Temperatur und einen geringeren Druck als der Höheremperatur- und Höherdruckdampf
hat, und wird den Niederdruckabschnitten des Expanders 4 zugeführt (Flügelkammern 50 in
dem Expander 4). Auf diese Weise wird das erhitzte Wasser
von dem Ausgabeventil 106 durch das Reduzierventil 107 in
Dampf umgewandelt und den Niederdruckteilen des Expanders 4 zugeführt, und
daher kann die Ausgangsleistung von dem Expander 4 durch
effektive Nutzung der Wärmeenergie
erhöht werden,
die durch das Wasser von dem Wassermantel 105 der Brennkraftmaschine 1 aufgenommen wird.
Das Wasser, das zu dem zum Kanal P6 führenden dritten System ausgegeben
wird, wird an Teile des Expanders 4 abgeführt, die
geschmiert werden müssen.
Hierbei werden die zu schmierenden Abschnitte des Expanders 4 mittels
des im Wassermantel 105 erhitzten Hochtemperaturwassers
geschmiert und daher wird der temperaturverringerte und druckverringerte
Dampf, der von dem Expander 4 ausgegeben wird und Wasser
enthält,
dem im Kanal 8 eingebauten Kondensator 5 zugeführt, wo
er einem Wärmeaustausch
mit Kühlluft
von einem Kühlgebläse 109 unterzogen
wird, das von einem Elektromotor 108 angetrieben wird,
und das resultierende Kondenswasser wird in den Tank 6 ausgegeben.
Ferner wird das Wasser, das zu dem vierten System ausgegeben wird,
das zu den mehreren Kanälen
P7 führt, einem
Hilfsaggregat 110 zugeführt,
wie etwa einem Heizer zum Aufwärmen
des Fahrzeuginnenraums, einem thermoelektrischen Element oder dgl.,
wo es Wärme
abführt,
und das resultierende in der Temperatur verringerte Wasser wird
von dem Tank über
ein Rückschlagventil 111,
das in einem Kanal P9 eingebaut ist, ausgegeben.
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Die
Niederdruckpumpe 7, die Höherdruckpumpe 8, das
Ausgabeventil 106 und der Elektromotor 108 werden
durch eine elektronische Steuereinheit 112 gemäß dem Betriebszustand
der Brennkraftmaschine 1, dem Betriebszustand des Expanders 4, dem
Betriebszustand des Hilfsaggregats 110, der Temperatur
des Wassers in dem Tank 6 und dgl. gesteuert bzw. geregelt.
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Nachfolgend
wird die Gesamtstruktur des Expanders 4 in Bezug auf die 2 bis 6 beschrieben.
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Der
Expander 4 hat ein Gehäuse 11,
das aus ersten und zweiten Gehäusehälften 12 und 13 gebildet
ist, die aus Metall hergestellt sind. Die ersten und zweiten Gehäusehälften 12 und 13 bilden
Hauptkörper 12a und 13a,
die gemeinsam eine Rotorkammer 14 definieren, und kreisförmige Flansche 12b und 13b,
die jeweils integral mit Außenumfängen der Hauptkörper 12a und 13a sind.
Die kreisförmigen Flansche 12b und 13b sind
miteinander durch eine Metalldichtung 15 verbunden. Eine
Außenoberfläche der
ersten Gehäusehälfte 12 ist
mit einer tiefen schüsselförmigen Übertragungskammeraußenwand 16 abgedeckt,
und ein kreisförmiger
Flansch 16a, der integral mit einem Außenumfang der Außenwand 16 verbunden
ist, liegt auf einer linken Seite des kreisförmigen Flansches 12b der
ersten Gehäusehälfte 12 auf.
Eine Außenoberfläche der
zweiten Gehäusehälfte 13 ist
mit einer Auslasskammeraußenwand 17 abgedeckt,
in der eine Magnetkupplung (nicht gezeigt) zur Übertragung der Ausgangsleistung
von dem Expander 4 zur Außenseite untergebracht ist,
und ein kreisförmiger
Flansch 17a, der integral mit einem Außenumfang der Außenwand 17 verbunden
ist, liegt auf der rechten Seite des kreisförmigen Flansches 13b der
zweiten Gehäusehälfte 13 auf.
Diese drei kreisförmigen
Flansche 12a, 13a, 16a und 17a sind durch
am Umfang angeordnete Bolzen 19 aneinander befestigt. Eine Übertragungskammer 19 ist
zwischen der Übertragungskammeraußenwand 16 und der
ersten Gehäusehälfte 12 definiert,
und eine Auslasskammer 20 ist zwischen der Auslasskammeraußenwand 17 und
der zweiten Gehäuse 13 definiert. Die
Auslasskammeraußenwand 17 ist
mit einer Auslassbohrung 17b versehen, um den temperaturreduzierten
und druckreduzierten Dampf, der seine Arbeit in dem Expander 4 beendet
hat, zu leiten.
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Die
Hauptkörper 12a und 13a der
Gehäusehälften 12 und 13 haben
hohle Lagerrohre 12c und 13c, die jeweils nach
außen
vorstehen, und eine Drehwelle 21, die eine Aushöhlung 21a aufweist,
ist in den hohlen Lagerrohren 12c und 13c, mit
einem Paar von dazwischen angeordneten Lagerelementen 22 und 23,
drehbar gelagert. Somit geht eine Achse L der Drehwelle 21 durch
einen Schnittpunkt zwischen einem längeren Durchmesser und einem
kürzeren
Durchmesser in der Rotorkammer 14, die eine im Wesentlichen
elliptische Form hat, hindurch. Ein durchmesserkleinerer Abschnitt 21b vom
rechten Ende der Drehwelle 21 steht in die Auslasskammer 2Q durch
das hohle Lagerrohr 13c der zweiten Gehäusehälfte 13 vor, und eine
Rotornabe 24 der Magnetkupplung ist mit dem durchmesserkleineren
Abschnitt 21b keilvernutet. Ein Außenumfang des durchmesserkleineren
Abschnitts 21b am rechten Ende der Drehwelle 21 und
ein Innenumfang des hohlen Lagerrohrs 13c der zweiten Gehäusehälfte 13 sind
durch ein Dichtungselement 25 voneinander abgedichtet,
welches am Innenumfang des hohlen Lagerrohrs 13c mit einer
Mutter 26, die auf diesen Innenumfang geschraubt ist, befestigt.
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Wie
aus den 4 und 8 ersichtlich,
ist ein kreisförmiger
Rotor 27 in der Rotorkammer 14, die eine pseudoelliptische
Form hat, drehbar aufgenommen. Der Rotor 27 ist auf einen
Außenumfang der
Drehwelle 21 aufgesetzt und mit einem Stift 28 integral
gekuppelt, und eine Achse des Rotors 27 und eine Achse
der Rotorkammer 14 fluchten mit der Achse L der Rotorwelle 21.
Die Form der Rotorkammer 14, bei Betrachtung in Richtung
der Achse L, ist eine pseudoelliptische Form, ähnlich einer Rhombenform, deren
vier Scheitel abgerundet sind, und die Rotorkammer 14 hat
einen längeren
Durchmesser DL und einen kürzeren
Durchmesser DS. Die Form des Rotors 27, bei Betrachtung
in Richtung der Achse L, ist eine wahre Kreisform und hat einen Durchmesser
DR, der etwas kleiner ist als der kürzere Durchmesser DS der Rotorkammer 14.
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Beide
Querschnittsformen der Rotorkammer 14 und des Rotors 27,
bei Betrachtung in Richtung orthogonal zur Achse L, ähneln einer
Feldwettbewerbsbahn. Insbesondere ist die Querschnittsform der Rotorkammer 14 aus
einem Paar flacher Flächen 14a, 14a gebildet,
die sich parallel zueinander erstrecken, wobei ein Abstand d dazwischen
belassen ist, und einer bogenförmigen
Fläche 14b,
die einen Mittenwinkel von 180° hat
und Außenumfänge der
flachen Flächen 14a, 14a glattgängig miteinander
verbindet, und die Querschnittsform des Rotors 27 ist aus
einem Paar flacher Flächen 27a, 27a gebildet, die
sich parallel zueinander erstrecken, wobei ein Abstand d dazwischen
belassen ist, sowie einer bogenförmigen
Fläche 27b,
die einen Mittenwinkel von 180° hat
und die die Außenumfänge der
flachen Flächen 27a, 27a glattgängig miteinander
verbindet. Daher stehen die flachen Flächen 14a, 14a der
Rotorkammer 14 und die flachen Flächen 27a, 27a des
Rotors 27 miteinander in Kontakt, und ein Paar von Zwischenräumen (siehe 4),
die eine Sichelform bilden, ist zwischen der Innenumfangsfläche der
Rotorkammer 14 und der Außenumfangsfläche des
Rotors 27 definiert.
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Nachfolgend
wird die Struktur des Rotors 27 im Detail in Bezug auf
die 3, 6, 9 und 10 beschrieben.
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Der
Rotor 27 ist gebildet aus einem Rotorkern 31,
der am Außenumfang
der Drehwelle 21 befestigt ist, und zwölf Rotorsegmenten 32,
die so befestigt sind, dass sie den Umfang des Rotorkerns 31 überdecken
und ein Außenprofil
des Rotors 27 bilden. Der Rotorkern 31 enthält einen
scheibenförmigen
Hauptkörper 31a und
zahnradförmige
Nabenabschnitte 31b, 31b, die in axial entgegengesetzte Richtungen
von einem Mittelabschnitt des Hauptkörpers 31a vorstehen.
Zwölf aus
Keramik (oder Kohlenstoff) hergestellte Zylinder 33 sind
radial mit Abständen
von 30° am
Hauptkörper 31a angebracht
und daran durch Kappen 31 und Keile 35 befestigt,
sodass ein Abziehen derselben verhindert wird. Ein durchmesserkleinerer
Abschnitt 33a steht am Innenende jedes der Zylinder 33 vor,
und ein Basisende des durchmesserkleineren Abschnitts 33a und
der Hauptkörper 31 des
Rotorkerns 31 sind voneinander durch einen O-Ring 36 abgedichtet.
Ein Außenende des
durchmesserkleineren Abschnitts 33a sitzt auf der Außenumfangsoberfläche der
hohlen Drehwelle 21, und Zylinderbohrungen 33b stehen
mit dem Hohlraum 21a der Drehwelle 21 durch zwölf dritte
Dampfkanäle
S3 in Verbindung, die sich durch durchmesserkleinere Abschnitte 33a und
die Drehwelle 21 erstrecken. Ein aus Keramik hergestellter
Kolben 37 ist in jedem der Zylinder 33 verschiebbar
aufgenommen. Wenn der Kolben zur radial innersten Stellung bewegt
wird, wird er vollständig
in die Zylinderbohrung 33b eingefahren und versinkt dort,
und wenn der Kolben 37 zur radial äußersten Stellung bewegt wird,
steht etwa die Hälfte
der Gesamtlänge
davon zur Außenseite
der Zylinderbohrung 33b vor.
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Jedes
der Rotorsegmente 32 ist aus fünf miteinander gekoppelten
Komponenten gebildet. Die fünf
Komponenten sind ein Paar von Blockelementen 38, 38,
die Hohlräume 38a, 38a aufweisen,
ein Paar von Seitenplatten 39, 39, die aus U-förmigen Plattenmaterialien
hergestellt sind, und eine Bodenplatte 40, die aus einem
rechteckigen Plattenmaterial hergestellt ist. Diese Komponenten
sind durch Verlöten
integral miteinander verbunden.
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Zwei
Vertiefungen 38b und 38c sind in einer Außenumfangsoberfläche jedes
der Blockelemente 38 definiert, nämlich einer Oberfläche, die
dem Paar flacher Flächen 14a, 14a der
Rotorkammer 14 gegenüberliegt,
um sich um die Achse L in einer Bogenform zu erstrecken, und Schmierwasserauswurfbohrungen 38b, 38c öffnen sich
in Mittelabschnitte der jeweiligen Vertiefungen 38b und 38c.
Ein zwanzigster Wasserkanal W20 und ein einundzwanzigster Wasserkanal
W21 sind in einer Fläche
des Blockelements 38, die mit der Seitenplatte 39 gekoppelt
ist, vertieft vorgesehen.
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Ein
zwölf Öffnungen
aufweisendes Öffnung-definierendes
Element 41 ist in einem Mittelabschnitt der Bodenplatte 40 eingesetzt,
und ein O-Ring 42, der an der Bodenplatte 14 so
angebracht ist, dass er das Öffnungs-definierende
Element 41 umgibt, dichtet das Öffnungs-definierende Element 41 und die
Außenumfangsoberfläche des
Hauptkörpers 31a des
Rotorkerns 31 voneinander ab. Vierzehnte bis neunzehnte
Wasserkanäle
W14 bis W19 sind paarweise vertieft in einer Oberfläche der
Bodenplatte 40 vorgesehen, die mit dem Blockelement 38 gekoppelt ist,
um sich von dem Öffnungs-definierenden Element 41 nach
radial außen
zu erstrecken. Die vierzehnten bis neunzehnten Wasserkanäle W14 bis W19
erstrecken sich zu der mit der Seitenplatte 39 gekoppelten
Oberfläche
hin.
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Zweiundzwanzigste
bis siebenundzwanzigste Wasserkanäle W22 bis W27 sind in einer
Oberfläche
jeder Seitenplatte 39, die mit den Blockelementen 38, 38 und
der Bodenplatte 40 gekoppelt ist, vertieft vorgesehen.
Der vierzehnte Wasserkanal W14, der fünfzehnte Wasserkanal W15, der
achtzehnte Wasserkanal W18 und der neunzehnte Wasserkanal W19 in
einem Außenbereich
der Bodenplatte 40 stehen mit dem zweiundzwanzigsten Wasserkanal
W22, dem dreiundzwanzigsten Wasserkanal W23, dem sechsundzwanzigsten
Wasserkanal W26 und dem siebenundzwanzigsten Wasserkanal W27 in
der Seitenplatte 39 in Verbindung, und der sechzehnte Wasserkanal
W16 und der siebzehnte Wasserkanal W17 in einem Innenbereich der
Bodenplatte 40 stehen mit dem vierundzwanzigsten Wasserkanal 24 und
dem fünfundzwanzigsten
Wasserkanal W25 in der Seitenplatte 39 durch den zwanzigsten
Wasserkanal W20 und den einundzwanzigsten Wasserkanal W21 in dem
Blockelement 38 in Verbindung. Außenenden des zweiundzwanzigsten
Wasserkanals W22, des fünfundzwanzigsten
Wasserkanals W25, des sechsundzwanzigsten Wasserkanals W26 und des
siebenundzwanzigsten Wasserkanals W27 in der Seitenplatte 39 öffnen sich
als vier Schmierwassereinspritzbohrungen 39a in die Außenoberfläche der
Seitenplatte 39. Die Außenenden des dreiundzwanzigsten Wasserkanals
W23 und des vierundzwanzigsten Wasserkanals W24 in der Seitenplatte 39 stehen
mit den Schmieröleinspritzbohrungen 38d und 38d in den
Vertiefungen 38b und 38c durch einen achtundzwanzigsten
Wasserkanal W28 und einen neunundzwanzgisten Wasserkanal W29 in
Verbindung, die in jedem der Blockelemente 38, 38 jeweils
definiert sind. Eine Kerbe 39b, die einen partiell bogenförmigen Querschnitt
hat, ist in die Außenoberfläche der Seitenplatte 39 ausgebildet,
um eine Störung
mit dem sich radial auswärts
bewegenden Kolben 37 zu vermeiden. Der Grund dafür, warum
der zwanzigste Wasserkanal W20 und der einundzwanzigste Wasserkanal
W21 anstelle in der Seitenplatte 39 in dem Block 38 definiert
sind, ist, dass die Seitenplatte 39 eine durch das Vorsehen
der Kerbe 39b verringerte Dicke hat, und ein zur Definition
des zwanzigsten Wasserkanals W20 und des einundzwanzigsten Wasserkanals
W21 ausreichende Dicke in dem Blockelement 38 sichergestellt
werden kann.
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Wie
in den 2, 5, 9 und 11 gezeigt,
sind zwölf
Flügelnuten 43 zwischen
den benachbarten Rotorsegmenten 32 des Rotors 27 so
definiert, dass sie sich radial erstrecken, und plattenförmige Flügel 44 sind
in den jeweiligen Flügelnuten 43 verschiebbar
aufgenommen. Jeder der Flügel 44 ist angenähert U-förmig ausgebildet
und enthält
parallele Flächen 44a, 44a,
die sich entlang den parallelen Flächen 14a, 14a der
Rotorkammer 14 erstrecken, eine bogenförmige Fläche 44b, die sich
entlang der bogenförmigen
Fläche 14b der
Rotorkammer 14 erstreckt, sowie eine Kerbe 44c,
die zwischen den parallelen Flächen 44a, 44a angeordnet
ist. Rollen 45, 45, die eine Rollenlagerstruktur
haben, sind an einem Paar von Tragwellen 44d, 44d drehbar
gelagert, die jeweils von den parallelen Flächen 44a, 44a vorstehen.
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Ein
Dichtungselement 46, das aus Kunstharz hergestellt ist
und U-förmig
ausgebildet ist, ist mit der bogenförmigen Fläche 44b des Flügels 44 gehalten, und
hat ein Außenende,
das etwas von der bogenförmigen
Fläche 44b des
Flügels 44 vorsteht,
um mit der bogenförmigen
Fläche 14b der
Rotorkammer 14 in Gleitkontakt zu kommen. Gleitelemente 47, 47,
die aus Kunstharz hergestellt sind, sind an den parallelen Flächen 44a, 44a des
Flügels 44 befestigt,
um mit den parallelen Flächen 14a, 14a der
Rotorkammer 14 in Gleitkontakt zu kommen. Gleitelemente 48, 48 aus Kunstharz
sind auch an entgegengesetzten Seiten der Kerbe 44c des
Flügels 44 befestigt,
um mit dem Hauptkörper 31a des
Rotorkerns 31 in Gleitkontakt zu kommen. Zwei Vertiefungen 44e, 44e sind
in jeder der entgegengesetzten Seiten des Flügels 44 definiert
und liegen zwei radial inneren der vier Schmierwassereinspritzbohrungen 39a gegenüber, die
sich in die Außenoberflächen der
Seitenplatten 39, 39 des Rotorsegments 32 öffnen. Ein
Vorsprung 44f, der an einem Mittelabschnitt der Kerbe 44c des
Flügels 44 radial
einwärts
weisend vorsteht, stützt
sich gegen ein radiales Außenende
des Kolbens 37ab. Ein Wasserausgabekanal 44g ist
in dem Flügel
sich radial erstreckend definiert und öffnet sich an ihrem radial
inneren Ende in die Endspitze des Vorsprungs 44f und an
ihrem radialen Außenende
in eine der Seiten des Flügels 44.
Eine Stelle, an der sich der Wasserausgabekanal 44g in
die eine Seite des Flügels 44 öffnet, weist
zu einem Punkt, der radial weiter außen als die bogenförmige Fläche 27b des
Rotors 27 liegt, wenn sich der Flügel 44 so bewegt,
dass er zu der radial äußersten
Stellung vorsteht.
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Ringförmige Nuten 49, 49,
die eine pseudoelliptische Form haben, ähnlich einer Rhombenform mit
vier abgerundeten Scheiteln, sind in den flachen Flächen 14a, 14a der
Rotorkammer 14, die durch die ersten und zweiten Gehäusehälften 12 und 13 definiert
ist, vertieft vorgesehen, und das Rollenpaar 45, 45 jedes
der Flügel 44 steht
mit den ringförmigen
Nuten 49, 49 in Rolleingriff. Der Abstand zwischen
jeder der ringförmigen
Nuten 49, 49 und der bogenförmigen Fläche 14b der Rotorkammer 14 ist über den
Gesamtumfang konstant. Wenn der Rotor 44 gedreht wird,
wird daher der Flügel 44 mit
den in den ringförmigen
Nuten 49, 49 geführten Rollen 45, 45 in
der Flügelnut 43 radial
hin- und herbewegt und entlang der bogenförmigen Fläche 14b der Rotorkammer 14 verschoben,
in einem Zustand, in dem das Dichtungselement 46, das an
der bogenförmigen
Fläche 44b des
Flügels 44 angebracht
ist, um einen gegebenen Betrag komprimiert worden ist. Somit ist
es möglich,
die zwischen den benachbarten Flügeln 44 definierten
Flügelkammern 15 zuverlässig abzudichten, während verhindert
wird, dass die Rotorkammer 14 und die Flügel 44 direkt
in körperlichen
Kontakt miteinander kommen, um eine Zunahme des Gleitwiderstands
und das Auftreten von Verschleiß zu
verhindern.
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Ein
Paar kreisförmiger
Dichtungsnuten 51, 51 ist in den flachen Flächen 14a, 14a der
Rotorkammer 14 so definiert, dass sie die Außenseiten
der ringförmigen
Nuten 49, 49 umgeben. Ein Paar von Ringdichtungen 52,
die jeweils zwei O-Ringe 52 und 53 aufweisen,
sind jeweils in den kreisförmigen
Dichtungsnuten 51 verschiebbar aufgenommen, und haben Dichtflächen, die
den Vertiefungen 38b und 38c gegenüberliegen,
die in jedem der Rotorsegmente 32 definiert sind. Passstifte 55, 55 verhindern,
dass das Paar von Ringdichtungen 54, 54 relativ
zu den ersten und zweiten Gehäusehälfte 12 und 13 verdreht
wird.
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Der
Zusammenbau des Rotors 27 wird folgendermaßen durchgeführt: In 9 werden
die zwölf
Rotorsegmente 32 auf den Außenumfang des Rotorkerns 31 aufgesetzt,
an dem zuvor die Zylinder 33, die Kappen 34 und
die Keile 35 montiert worden sind, und die Flügel 44 werden
in die zwölf
Flügelnuten 43 eingesetzt,
die zwischen den benachbarten Rotorsegmenten 32 definiert
sind. Hierbei wird eine Beilage mit vorbestimmter Dicke an jeder
der entgegengesetzten Seiten des Flügels 44 angeordnet,
um einen Spielraum zwischen jedem der Flügel 44 und jeder der
Seitenplatten 39 der Rotorsegmente 32 zu definieren.
In diesem Zustand werden die Rotorsegmente 32 und die Flügel 44 mittels
eines Spanners radial einwärts
zum Rotorkern 31 dichtgezogen, und die Rotorsegmente 32 werden
relativ zum Rotorkern 31 genau angeordnet. Danach werden
die Rotorsegmente 32 an dem Rotorkern 31 durch
vorübergehendes
Festziehen der Bolzen 58 vorübergehend fixiert (siehe 2).
Dann wird der Rotor 27 von dem Spanner entfernt, und die
Stiftlöcher 56, 56 werden
in jedem der Rotorsegmente 32 hergestellt, sodass sie sich
durch den Rotorkern 31 hindurch erstrecken. Dann werden
die Passstifte 57, 57 in die Stiftlöcher 56, 56 eingepresst,
wodurch die Rotorsegmente 32 mit dem Rotorkern 31 gekoppelt
werden.
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Wie
aus den 3, 7 und 12 ersichtlich,
hat das Paar von Lagerelementen 22 und 23, die
die Außenumfangsoberfläche der
Drehwelle 21 tragen, eine Innenumfangsoberfläche, die
verjüngt
ist, sodass ihr Durchmesser zum Rotor 27 hin zunimmt. Die
axial äußeren Enden
der Lagerelemente 22 und 23 stehen mit den hohlen
Lagerrohren 12c und 13c der ersten und zweiten
Gehäusehälften 12 und 13 in
Eingriff, sodass sie an einer Drehung gehindert sind. Angemerkt
werden sollte, dass der Außenumfang
am linken Ende der Drehwelle 21, das in dem linken hohlen
Lagerrohr 17c abgestützt
ist, aus einem andersartigen Element 21c gebildet ist,
um die Montage des Rotors 27 an der Drehwelle 21 zu
ermöglichen.
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Eine Öffnung 16b ist
in der Mitte der Übertragungskammeraußenwand 16 definiert,
und ein Nabenabschnitt 61a eines an der Achse L angeordneten Ventilgehäuses 61 ist
an einer Innenoberfläche
der Öffnung 16b durch
eine Mehrzahl von Bolzen 62 befestigt und ist auch an der
ersten Gehäusehälfte 12 durch
eine Mutter 63 befestigt. Eine zylindrische erste Festwelle 64 ist
in dem Hohlraum 21a in der Drehwelle 21 relativ
drehbar eingesetzt, und eine zweite Festwelle 65 ist koaxial
in einen Innenumfang vorn rechten Ende der ersten Festwelle 64 eingesetzt.
Ein Außenumfangsabschnitt
am rechten Ende der zweiten Festwelle 65, der von der ersten
Festwelle 64 vorsteht, und der Hohlraum 21a der
Drehwelle 21 sind durch einen O-Ring 66 voneinander
abgedichtet. Das sich innerhalb der ersten Festwelle 64 erstreckende Ventilgehäuse 61 enthält einen
Flansch 61b, und ein O-Ring 67, ein verdickter
Abschnitt 64a der ersten Festwelle 64, ein O-Ring 68,
eine Beilagscheibe 69, eine Mutter 70 und die
zweite Festwelle 65 sind aufeinanderfolgend an der rechten
Seite des Flansches 61b montiert. Die Mutter 70 und
die zweite Festwelle 65 sind mit dem Ventilgehäuse 61 verschraubt,
und daher ist der verdickte Abschnitt 64a der ersten Festwelle 64 zwischen
dem Flansch 61b des Ventilgehäuses 61 und der Beilagscheibe 69 mit
dem Paar der dazwischen angeordneten O-Ringe 66 und 67 angeordnet.
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Die
erste Festwelle 64, die an dem Innenumfang des hohlen Lagerrohrs 12c der
ersten Gehäusehälfte 12 mit
einem dazwischen eingesetzten O-Ring 17 getragen ist, ist
an ihrem linken Ende mit dem Nabenabschnitt 61a des Ventilgehäuses 61 durch
eine ringförmige
Oldham-Kupplung 72 verbunden, und die Auslenkung des Rotors 27,
der am Außenumfang
der ersten Festwelle 64 durch die Drehwelle 21 gelagert ist,
kann durch die radiale Auslenkung der ersten Festwelle 64 durch
die Oldham-Kupplung 72 ermöglicht werden. Zusätzlich wird
eine Relativdrehung der ersten Festwelle 64 zu dem Gehäuse 11 verhindert, indem
Arme 73a, 73a eines Arretierelements 73,
die lose in das linke Ende der ersten Festwelle 64 eingesetzt
sind, an der ersten Gehäusehälfte 12 durch
Bolzen 74, 74 befestigt werden.
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Ein
Dampfzufuhrrohr 75 ist in das an der Achse L angeordnete
Ventilgehäuse 61 eingesetzt und
ist an dem Ventilgehäuse 61 durch
eine Mutter 76 befestigt. Das Dampfzufuhrrohr 75 ist
an seinem rechten Ende mit einem Düsenelement 77 verbunden,
das in das Ventilgehäuse 61 im
Presssitz sitzt. Ein Paar von Vertiefungen 81, 8i (siehe 7)
ist mit einer Phasendifferenz von 180° über das Ventilgehäuse 61 und
ein Außenende
des Düsenelements 77 hinweg
definiert, und ringförmige
Verbindungselemente 78, 78 sind in die Vertiefungen 81, 81 eingesetzt
und sind darin gehalten. Ein erster Dampfkanal S1 ist axial in der
Mitte des Düsenelements 77 definiert,
um zu dem Dampfzufuhrrohr 75 zu führen, und ein Paar zweiter
Dampfkanäle
S2, S2 ist mit einer Phasendifferenz von 180° vorgesehen, um sich axial durch
den verdickten Abschnitt 64a der ersten Festwelle 64 zu
erstrecken. Ein Außenende
des ersten Dampfkanals S1 und radiale Innenenden der zweiten Dampfkanäle S2, S2
stehen durch die Verbindungselemente 78, 78 immer
miteinander in Verbindung. Zwölf
dritte Dampfkanäle
S3 sind so vorgesehen, dass sie sich durch die Drehwelle 21 und
die durchmesserkleineren Abschnitte 33a der zwölf Zylinder 33 erstrecken,
die mit Abständen
von 30° in
dem an der Drehwelle 21 befestigten Rotor 27 gehalten
sind, wie oben beschrieben. Radiale Innenenden der dritten Dampfkanäle S3 liegen
radialen Außenenden
der zweiten Dampfkanäle
S2, S2 gegenüber,
um eine Verbindung damit zu ermöglichen.
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Ein
Paar von Kerben 64b, 64b sind mit einer Phasendifferenz
von 180° in
der Außenumfangsoberfläche des
verdickten Abschnitts 64a der ersten Festwelle 64 definiert,
und sie sind mit den dritten Dampfkanälen S3 in Verbindung bringbar.
Die Kerben 64b, 64b der Übertragungskammer 19 stehen durch
ein Paar vierter Dampfkanäle
S4, S4, die schräg
in der ersten Festwelle 64 definiert sind, einem fünften Dampfkanal
S5, der axial in der ersten Festwelle 64 definiert ist,
einem sechsten Dampfkanal S6, der in dem Nabenabschnitt 61a des
Ventilgehäuses 61 definiert
ist, und Durchgangsbohrungen 61c, die sich in einen Außenumfang
des Nabenabschnitts 61a des Ventilgehäuses 61 öffnen, miteinander
in Verbindung.
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Wie
in 5 gezeigt, sind eine Mehrzahl von Einlassöffnungen 79 in
einer radialen Anordnung in der ersten Gehäusehälfte 12 an Stellen
definiert, die mit einem Winkel von 15° in einer Drehrichtung des Rotors 27 vorverlagert
sind, auf der Basis einer Richtung eines kürzeren Durchmessers der Rotorkammer 14.
Der Innenraum in der Rotorkammer 14 steht mit der Übertragungskammer 19 über die
Einlassöffnungen 79 in
Verbindung. Eine große
Anzahl von Auslassöffnungen 80 sind
in einer Mehrzahl radialer Reihen in der zweiten Gehäusehälfte 13 an
Stellen vorgesehen und angeordnet, die mit einem Winkel von 15° bis 75° in der Drehrichtung
des Rotors 27 rückverlagert
sind, auf der Basis der Richtung des kürzeren Durchmessers der Rotorkammer 14.
Der Innenraum in der Rotorkammer 14 steht über die
Auslassöffnungen 80 mit
der Auslasskammer 20 in Verbindung.
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Ein
Drehventil V ist ausgebildet, um die periodische Verbindung der
zweiten Dampfkanäle
S2, S2 und der dritten Dampfkanäle
S3 miteinander zu gestatten, sowie die periodische Verbindung der
Kerben 64b, 64b in der ersten Festwelle 64 und
der dritten Dampfkanäle
S3 miteinander, durch relative Drehung der ersten Festwelle 64 und
der Drehwelle 21.
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Wie
aus den 2 und 3 ersichtlich, sind
Druckkammern 86, 86 in den Rückseiten der Ringdichtungen 54, 54 definiert,
die in die kreisförmigen
Dichtungsnuten 51, 51 in den ersten und zweiten Gehäusehälften 12 und 13 eingesetzt
sind, und ein erster Wasserkanal W1, der in den ersten und zweiten
Gehäusehälften 12 und 13 definiert
ist, steht mit den beiden Druckkammern 86, 86 durch
einen zweiten Wasserkanal W2 und einen dritten Wasserkanal W3, die
jeweils ein Rohr bilden, in Verbindung. Eine Filterkammer 13d,
die durch einen mit zwei O-Ringen 87 und 88 versehenen
Deckel 89 öffen-
und schließbar
ist, ist radial außerhalb
des hohlen Lagerrohrs 13c der zweiten Gehäusehälfte 13 definiert,
und ein ringförmiger
Filter 90 ist in der Filterkammer 13d untergebracht.
Der erste Wasserkanal W1 in der zweiten Gehäusehälfte 13 steht mit
der Außenumfangsoberfläche des
Filters 90 durch einen ein Rohr bildenden vierten Wasserkanal
W4 in Verbindung, und eine Innenumfangsoberfläche des Filters 90 steht
mit einem sechsten ringförmigen
Wasserkanal W6, der zwischen der zweiten Gehäusehälfte 13 und der Drehwelle 2i definiert
ist, durch einen in der zweiten Gehäusehälfte 13 definierten
fünften
Wasserkanal W5 in Verbindung. Der sechste Wasserkanal W6 steht mit
den zwölf Öffnungs-definierenden
Elementen 41 durch zwölf
siebte Wasserkanäle
W7, eine Ringnut 21d, die in dem Außenumgang der Drehwelle 21 definiert
ist, und zwölf
achte Wasserkanäle
W8, die sich radial innerhalb des Rotorkerns 31 erstrecken,
jeweils in Verbindung.
-
Die
Ringnut 21d, die in dem Außenumfang der Drehwelle 21 definiert
ist, steht mit einer Ringnut 21e, die in dem Außenumfang
der Drehwelle 21 definiert ist, durch zwölf neunte
Wasserkanäle
W9 (siehe 7) in Verbindung, die sich radial
erstrecken, und die Ringnut 21e steht mit einem elften
ringförmigen Wasserkanal
W11, der zwischen dem linken Ende der Drehwelle 21 und
der ersten Gehäusehälfte 12 definiert
ist, durch zwölf
zehnte Wasserkanäle
W10 in Verbindung, die sich axial innerhalb der Drehwelle 21 erstrecken.
Der sechste ringförmige
Wasserkanal W6 und der elfte ringförmige Wasserkanal W11 stehen
mit Gleitoberflächen
zwischen den Innenumfängen
der Lagerelemente 22 und 23 und dem Außenumfang
der Drehwelle 21 durch Öffnungen
um die Außenumfänge von Öffnungs-definierenden
Bolzen 91, die in die Lagerelemente 22 und 23 eingeschraubt
sind, und ferner über
zwölf Wasserkanäle W12,
die in den Lagerelementen 22 und 23 definiert sind,
in Verbindung. Die Gleitoberflächen
zwischen den Innenumfängen
der Lagerelemente 22 und 23 und dem Außenumfang
der Drehwelle 21 stehen mit den Flügelnuten 43 über dreizehnte
Ablaufwasserkanäle
W13 in Verbindung.
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Der
sechste ringförmige
Wasserkanal W6 steht mit Gleitabschnitten zwischen der Innenumfangsoberfläche des
Hohlraums 21a in der Drehwelle 21 und der Außenumfangsoberfläche vom
rechten Ende der ersten Festwelle 64 über zwei dreißigste Wasserkanäle W30,
W30 in Verbindung, die axial in der Drehwelle 21 vorgesehen
sind. Eine Dichtungsnut 64c, die an der rechten Seite des verdickten
Abschnitts 64a der ersten Festwelle 64 definiert
ist, steht mit dem fünften
Dampfkanal S5 durch einunddreißigste
Wasserkanäle
W31, W31 in Verbindung, die schräg
in der ersten Festwelle 64 vorgesehen sind. Der elfte ringförmige Wasserkanal
W11 steht mit Gleitabschnitten zwischen der Innenumfangsoberfläche des
Hohlraums 21a der Drehwelle 21 und der Außenumfangsoberfläche am linken
Ende der ersten Festwelle 64 in Verbindung und eine Dichtungsnut 64d,
die an der linken Seite des verdickten Abschnitts 64a der
ersten Befestigungswelle 64 definiert ist, steht mit dem
fünften
Dampfkanal S5 durch zweiunddreißigste
Wasserkanäle
S32, S32, die sich radial durch die erste Festwelle 64 erstrecken,
und die einunddreißigsten
Wasserkanäle
W31, W31 in Verbindung.
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Wie
aus dem Vergleich der 1 und 2 miteinander
ersichtlich, wird der Hochtemperatur- und Hochdruckdampf von dem
Verdampfer 3 über den
Kanal P4 dem Dampfzufuhrrohr 75 für den Expander 4 zugeführt, der
Dampf von dem Reduzierventil 107, das stromab des Ausgabeventils 106 angeordnet
ist, wird über
den Kanal P5 in die Übertragungskammer 19 in
dem Expander 4 zugeführt,
und das Hochtemperaturwasser von dem Ausgabeventil 106 wird über den
Kanal P6 dem ersten Wasserkanal W1 zugeführt. Der temperaturreduzierte
und druckreduzierte Dampf von der Ausgabebohrung 17 in
dem Expander 4 wird zu dem Kanal P8 ausgegeben.
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Nachfolgend
wird der Betrieb der vorliegenden Ausführung mit der oben beschriebenen
Anordnung beschrieben.
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Zuerst
wird der Betrieb des Expanders 4 beschrieben. In Bezug
auf 3 wird der Hochtemperatur- und Hochdruckdampf
von dem Kanal P4, der zu der stromabwärtigen Seite des Verdampfers 3 führt, dem
Dampfzufuhrrohr 75, dem ersten Dampfkanal S1, der axial
in der Düsenkammer 77 definiert ist,
und dem Paar zweiter Dampfkanäle
S2, S2, die sich radial durch das Düsenelement 77, die
Verbindungselemente 78, 78 und den verdickten
Abschnitt 64a der ersten Festwelle 64 erstrecken,
zugeführt. Wenn,
in Bezug auf die 6 und 7, die Drehwelle 21,
die sich gemeinsam mit dem Rotor 27 dreht, eine vorbestimmte
Phase erreicht, wird das Paar dritter Dampfkanäle S3, S3, das sich an den
Stellen befindet, die in der Drehrichtung des Rotors 27 gemäß Pfeil
von einer Position kürzeren
Durchmessers der Rotorkammer 14 vorverlagert ist, mit dem
Paar zweiter Dampfkanäle
S2, S3 in Verbindung gebracht, wodurch der Hochtemperatur- und Höherdruckdampf
in den zweiten Dampfkanälen
S2, S2 in das Zylinderpaar 32, 33 über die
driten Dampfkanäle
S3, S3 zugeführt
wird, um die Kolben 37, 37 radial auswärts zu drücken. Wenn
die durch die Kolben 37, 37 unter Druck gesetzten
Flügel 44, 44 sich
radial auswärts bewegen,
werden die Ausfahrbewegungen der Kolben 37, 37 durch
Eingriff des an den Flügeln 44, 44 angebrachten
Rollenpaars 45, 45 mit den Ringnuten 49, 49 in
die Drehbewegung des Rotors 27 umgewandelt.
-
Auch
nachdem die Verbindung zwischen den zweiten Dampfkanälen S2,
S2 und den dritten Dampfkanälen
S3, S3 mit der Drehung des Rotors 27 in der mit dem Pfeil
R agnegebenen Richtung blockiert wird, werden die Kolben 37, 37 durch
die weiter fortgesetzte Ausdehnung des Hochtemperatur- und Höherdruckdampfs
innerhalb der Zylinder 33, 33 weiter ausgefahren,
wodurch die Drehung des Rotors 27 fortgesetzt wird. Wenn
die Flügel 44, 44 die
Position längeren
Durchmessers der Rotorkammer 14 erreichen, werden die zu
den entsprechenden Zylindern 33, 33 führenden
dritten Dampfkanäle
S3, S3 mit den Kerben 64b, 64b der ersten Festwelle 64 in
Verbindung gebracht, und die Kolben 37, 37, die
durch die Flügel 44, 44 mit
den in den Ringnuten 49, 49 geführten Rollen 45, 45 unter
Druck gesetzt werden, werden radial einwärts bewegt, wodurch der Dampf
in den Zylindern 33, 33 durch die dritten Dampfkanäle S3, S3,
die Kerben 64b, 64b, die vierten Dampfkanäle S4, S4,
den fünften
Dampfkanal S5, den sechsten Dampfkanal S6 und die Durchgangsbohrungen 61c hindurchgeleitet
und als erster temperaturreduzierter und druckreduzierter Dampf
in die Übertragungskammer 19 gefördert. Der
erste temperaturreduzierte und druckreduzierte Dampf ist ein Dampf,
der sich aus dem Hochtemperatur- und Hochdruckdampf ergibt, der
von dem Dampfzufuhrrohr 75 zugeführt worden ist und seine Arbeit
zum Antrieb der Kolben 37, 37 beendet hat, was
im Abfall seiner Temperatur und seines Drucks resultiert. Die eigene
Wärmeenergie und
die Druckenergie des ersten temperaturreduzierten und druckreduzierten
Dampfs sind reduziert im Vergleich zu jenen des Hochtemperatur-
und Hochdruckdampfs, aber immer noch ausreichend, um die Flügel 44 anzutreiben.
-
Der
Dampf wird von dem stromab des Ausgabeventils 106 angeordneten
Reduzierventil 107 über
den Kanal P5 zu der Übertragungskammer 19 geleitet,
wo er mit dem ersten temperaturreduzierten und druckreduzierten
Dampf vereinigt und homogen vermischt wird.
-
Der
erste temperaturreduzierte und druckreduzierte Dampf und der Dampf
von dem Ausgabeventil 106, die in der Übertragungskammer 19 gemischt
sind, werden von den Einlassöffnungen 79 in der
ersten Gehäusehälfte 12 in
die Flügelkammern 50 in
der Rotorkammer 14 geleitet, nämlich den Raum, der durch die
Rotorkammer 14, den Rotor 27 und das Paar benachbarter
Flügel 44, 44 definiert
ist, wo der Dampf expandiert, um den Rotor 27 zu drehen.
Ein zweiter temperaturreduzierter und druckreduzierter Dampf, der
aus dem ersten temperaturreduzierten und druckreduzierten Dampf
resultiert, der seine Arbeit beendet hat, was im Abfall seiner Temperatur
und seines Drucks resultiert, wird von den Auslassöffnungen 80 in
der zweiten Gehäusehälfte 13 in
die Auslasskammer 20 ausgegeben und von dort über die
Ausgabebohrung 17b in den Kondensator 5 geleitet.
-
Auf
diese Weise werden die zwölf
Kolben 37 sequenziell durch die Ausdehnung des Hochtemperatur-
und Höherdruckdampfs
betätigt,
um den Rotor 27 durch die Rollen 45, 45 und
die Ringnuten 49, 49 zu drehen, und eine Ausgangsleistung
wird von der Drehwelle 21 erzeugt, indem der Rotor 27 durch
die Flügel 44 mit
der Ausdehnung des ersten temperaturreduzierten und druckreduzierten
Dampfs, der aus dem Temperatur- und Druckabfall des Hochtemperatur-
und Höherdruckdampfs
resultiert, und der Ausdehnung des Dampfs von dem Ausgabeventil 106 gedreht
wird.
-
Nachfolgend
wird die Schmierung der verschiedenen Gleitabschnitte des Expanders 4 durch das
Wasser beschrieben. Das Schmierwasser wird von dem Ausgabeventil 106 über den
Kanal P6 zu dem ersten Wasserkanal W1 in dem Gehäuse 11 zugeführt.
-
Das
dem ersten Wasserkanal W1 zugeführte Wasser
wird über
den zweiten Wasserkanal W2 und den dritten Wasserkanal W3, die jeweils
ein Rohr bilden, den Druckkammern 86, 86 in den
Böden der kreisförmigen Dichtungsnuten 51, 51 in
der ersten Gehäusehälfte 12 und
der zweiten Gehäusehälfte 13 zugeführt, um
hierdurch die Ringdichtungen 54, 54 zur Seite
der Rotors 27 zu drücken.
Das Wasser, das von dem ersten Wasserkanal W1 zu dem vierten Wasserkanal
W4, die das Rohr bilden, nach Filterung durch den Filter 90 zur
Entfernung von Fremdstoffen, zugeführt ist, wird dem in der zweiten
Gehäusehälfte 13 definierten
fünften
Wasserkanal W5, dem zwischen der zweiten Gehäusehälfte 13 und der Drehwelle 21 definierten
sechsten Wasserkanal W6, die in der Drehwelle 2i definierten
siebten Waserkanäle W7,
die Ringnut 21d in der Drehwelle 21 und die in dem
Rotorkern 31 definierten achten Wasserkanäle W8 zugeführt, wo
das Wasser durch die mit der Drehung des Rotors 27 erzeugte
Zentrifugalkraft weiter unter Druck gesetzt wird und dann den Öffnungs-definierenden
Elementen 41 der Rotorsegmente 32 zugeführt wird.
-
in
jedem der Rotorsegmente 32 wird das Wasser, das durch das Öffnungs-definierende Element 41 in
den vierzehnten Wasserkanal S14 in der Bodenplatte 40 fließt, tritt
durch den zweiundzwanzigsten Wasserkanal W22 in der Seitenplatte 39 hindurch
und wird von den Schmierwasserauswurfbohrungen 39a ausgeworfen,
und das Wasser, das durch das Öffnungs-definierende
Element 41 in den siebzehnten Wasserkanal W17 in der Bodenplatte 40 fließt, wird
durch den einundzwanzigsten Wasserkanal W21 in dem Blockelement 38 und
den fünfundzwanzigsten
Wasserkanal W25 in der Seitenplatte 39 hindurchgeleitet
und von den Schmierwasserauswurfbohrungen 39a ausgeworfen.
Das Wasser, das durch das Öffnungs-definierende
Element 41 in den achtzehnten Wasserkanal W18 in der Bodenplatte 40 fließt, wird
durch den sechsundzwanzigsten Wasserkanal W26 in der Seitenplatte 39 hindurchgeleitet
und aus den Schmierwasserauswurfbohrungen 39a ausgeworfen,
und das Wasser, das durch das Öffnungs-definierende
Element 41 in den neunzehnten Waserkanal W19 in der Bodenplatte 40 fließt, wird durch
den siebenundzwanzigsten Wasserkanal W27 in der Seitenplatte 39 hindurchgeleitet
und von den Schmierwasserauswurfbohrungen 39a ausgeworfen. Zwei
tiefere der vier Schmierwasserauswurfbohrungen 39a, die
sich in die Oberfläche
der Seitenplatte 39 öffnen,
stehen mit den Innenseiten der Vertiefungen 44e, 44e in
den zwei Flügeln 44 in
Verbindung.
-
Das
Wasser, das durch das Öffnungs-definierende
Element 41 in den fünfzehnten
Wasserkanal W15 in der Bodenplatte 40 fließt, wird
durch den dreiundzwanzigsten Wasserkanal W23 in der Seitenplatte 39 und
den neunundzwanzgisten Wasserkanal W29 in dem Blockelement 38 hindurchgeleitet
und von der Schmierwasserauswurfbohrung 38e in der Vertiefung 38c ausgeworfen,
und das Wasser, das durch das Öffnungs-definierende Element 41 in
den sechzehnten Wasserkanal W16 in der Bodenplatte 40 fließt, wird
durch den zwanzigsten Wasserkanal W20 in dem Blockelement 38,
den vierundzwanzigsten Wasserkanal W24 in der Seitenplatte 39 und
den achtundzwanzigsten Wasserkanal W28 in dem Blockelement W38 durchgeleitet
und von der Schmierwasserauswurfbohrung 38d in der Vertiefung 38b ausgeworfen.
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Das
Wasser, das aus den Schmierwasserauswurfbohrungen 39a in
der Seitenplatte 39 jedes der Rotorsegmente 32 in
die Flügelnut 43 ausgeworfen
ist, bildet ein statisches Drucklager zwischen der Flügelnut 43 und
dem in die Flügelnut 43 verschiebbar
eingesetzten Flügel 44,
um den Flügel 44 im schwimmenden
Zustand zu lagern, um hierdurch den körperlichen Kontakt der Seitenplatte 39 des
Rotorsegments 32 und des Flügels 44 miteinander
zu verhindern, um das Auftreten von Festfressen und Verschleiß zu verhindern.
Durch Zufuhr des Wassers zur Schmierung der Gleitoberfläche des
Flügels 33 durch den
achten Wasserkanal W8, der radial in dem Rotor 27 vorgesehen
ist, in der obigen Weise, kann das Wasser durch die Zentrifugalkraft
unter Druck gesetzt werden, aber es kann auch die Temperatur um
den Rotor 27 herum stabilisiert werden, um den Einfluss aufgrund
der thermischen Expansion zu reduzieren, und der eingestellte Abstand
kann eingehalten werden, um die Leckage des Dampfs auf ein Minimum
zu drücken.
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Eine
auf jeden der Flügel 44 ausgeübte Umfangslast
(eine Last in Richtung orthogonal zum plattenförmigen Flügel 44) ist eine resultierende
Kraft, die sich aus einer Last aufgrund einer Differenz zwischen
Dampfdrücken,
die auf die Vorder- und Rückseiten
des Flügels
innerhalb der Rotorkammer 14 wirken, und Umfangskomponenten
von Reaktionskräften,
die von den Ringnuten 49, 49 über die an dem Flügel 44 angebrachten
Rollen 45, 45 aufgenommen wird, ergibt, aber diese
Lasten verändern sich
periodisch in Abhängigkeit
von der Phase des Rotors 27. Daher zeigt der Flügel 44,
der periodisch diese unausgeglichene Last aufnimmt, ein Verhalten, dass
er innerhalb der Flügelnut 43 verkippt
wird.
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Wenn
der Flügel 44 auf
diese Weise durch die unausgeglichene Last verkippt wird, verändert sich
der Spielraum zwischen dem Flügel 44 und
den vier Schmierwasserauswurfbohrungen 39a, die sich in
die Seitenplatten 39, 39 der Rotorsegmente 32 an entgegengesetzten
Seiten des Flügels 44 öffnen, und daher
wird der Wasserfilm in dem aufgeweiteten Abschnitt des Spielraums
weggetragen, und es ist schwierig, dass das Wasser in den verengten
Abschnitt des Spielraums zugeführt
wird. Aus diesem Grund besteht eine Möglichkeit, dass an den Gleitabschnitten
der Druck nicht aufgebaut wird, wodurch der Flügel 44 in direkten
Kontakt mit den Gleitoberflächen
der Seitenplatten 39, 39 gebracht wird, sodass er
verschleißt.
Jedoch wird das Wasser gemäß der vorliegenden
Ausführung
durch die Öffnungen
in die Schmierwasserauswurfbohrungen 39a durch das am Rotorsegment 32 montierte Öffnungs-definierende Element 41 zugeführt, und
daher wird der oben beschriebene Nachteil überwunden.
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Insbesondere,
wenn der Spielraum zwischen den Schmierwasserauswurfbohrungen 39a und
em Flügel 44 aufgeweitet
wird, ist der Druck des zugeführten
Wassers konstant, und daher wird die Strömungsrate des Wassers um eine
Zunahme der aus dem Spielraum hinausfließenden Wassermenge relativ
zu einer konstanten Druckdifferenz, die über der Öffnung im Dauerzustand erzeugt
wird, erhöht,
wodurch die Druckdifferenz über
der Öffnung
aufgrund eines Drosseleffekts erhöht wird, es zu einer Druckminderung
in dem Spielraum führt,
und im Ergebnis eine Kraft erzeugt wird, um den aufgeweiteten Spielraum
zurück
zur ursprünglichen
Breite zu verengen. Wenn der Spielraum zwischen den Schmierwasserauswurfbohrungen 39a und
dem Flügel 44 verengt ist,
ist die aus dem Spielraum hinausfließende Wassermenge reduziert,
was zu einer Minderung der Druckdifferenz über der Öffnung führt, und im Ergebnis eine Kraft
erzeugt wird, um den Spielraum, der aufgrund des Druckabfalls in
dem Spielraum verengt ist, zurück
zur ursprünglichen
Breite aufzuweiten.
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Selbst
wenn der Spielraum zwischen den Schmierwasserauswurfbohrungen 39a und
dem Flügel 44 durch
die an den Flügel 44 angelegte
Last verändert
wird, wie oben beschrieben, regulieren die Öffnungen den Druck des dem
Spielraum zugeführten
Wassers automatisch in Abhängigkeit
von der Größenveränderung
des Spielraums, und daher kann der Spielraum zwischen dem Flügel 44 und
jeder der Seitenplatten 39, 39 der Rotorsegmente 32 an
den entgegengesetzten Seiten des Flügels 44 auf einer
gewünschten
Größe gehalten
werden. Somit kann der Wasserfilm inmer zwischen dem Flügel 44 und
jeder der Seitenplatten 39, 39 zurückgehalten werden,
um den Flügel
im schwimmenden Zustand zu lagern, um hierdurch zuverlässig zu
vermeiden, dass der Flügel 44 in
körperlichen
Kontakt mit der Gleitoberfläche
jeder der Seitenplatten 39, 39 gebracht wird,
sodass er verschleißt.
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Zusätzlich wird
das Wasser in jeder der zwei Vertiefungen 44e, 44e,
die in jeder der entgegengesetzten Oberflächendes Flügels 44 definiert
sind, zurückgehalten,
und daher dient jede der Vertiefungen 44e, 44e als
Druckbarriere, um einen Druckabfall aufgrund der Leckage des Wassers
zu unterdrücken.
Im Ergebnis wird der Flügel 44,
der zwischen den Gleitoberflächen
des Paars von Seitenplatten 39, 39 eingeklemmt
ist, mittels des Wassers in den schwimmenden Zustand gebracht, wodurch
der Gleitwiderstand auf nahezu null reduziert werden kann. Wenn
der Flügel 44 hin-
und herbewegt wird, wird die radiale Position des Flügels 44 relativ
zum Rotor 27 verändert,
aber der sich hin- und herbewegende Flügel 44 kann immer
im schwimmenden Zustand gehalten werden, um den Gleitwiderstand
wirkungsvoll zu reduzieren, weil die Vertiefungen 44e, 44e in
dem Flügel 44 vorgesehen
sind anstelle in den Seitenplatten 39, 39, und
in der Nähe
der Rollen 45, 45, mit der am stärksten auf
den Flügel 44 ausgeübten Last
vorgesehen sind.
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Das
Wasser, das die Gleitoberflächen
des Flügels
an den Seitenplatten 39, 39 geschmiert hat, wird
durch Zentrifugalkraft nach radial auswärts bewegt, um die Gleitabschnitte
des Dichtungselements 46 zu schmieren, das an der bogenförmigen Fläche 44b des
Flügels 44 und
der bogenförmigen
Fläche 14b der
Rotorkammer 14 angebracht ist. Das Wasser, das die Schmierung
beendet hat, wird aus der Rotorkammer 14 durch die Auslassöffnungen 80 in die
Auslasskammer 20 ausgegeben.
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Teile
des Wassers, die in die Rotorkammer 14 nach Schmierung
der Gleitoberflächen
der Seitenplatten 39, 39 und des Flügels 44 fließen und
in die Flügelkammer 50 in
einem Expansionshub der Rotorkammer 14 fließen, werden
mit dem Hochtemperaturdampf vermischt und verdampft, um hierdurch die
Ausgangsleistung von dem Expander 4 zu erhöhen.
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Die
Achse der Abszissen im in 13 gezeigten
Graph ist die Steuerzeit (Phase) der Zufuhr des Wassers zur Flügelkammer 50,
und die Ordinatenachse ist der Zunahmebetrag in der Ausgangsleistung
von dem Expander 4. Darüber
hinaus beträgt der
Druck des Wassers, das der Flügelkammer 50 durch
die Gleitoberflächen
zugeführt
wird, 2 MPa, und der Prozentsatz der Wassermenge, die der Flügelkammer 50 durch
die Gleitoberflächen
zugeführt wird,
zur Wassermenge, der in dem Verdampfer 3 über den
Kanal P4 zur Flügelkammer 50 in
dem Expander 4 zugeführt
wird, beträgt
60%. In 13 sind Kurven in den Fällen gezeigt,
wo die Temperatur des der Flügelkammer 50 durch
die Gleitoberflächen
zugeführten
Wassers 50° C,
100°C und
200°C beträgt. Aus 3 ist
ersichtlich, dass, je höher
die Temperatur des Wassers ist, desto stärker die Ausgangsleistung von
dem Expander 4 zunimmt, und desto stärker die Phase, in der der
Zunahmebetrag in der Ausgangsleistung eine Spitze einnimmt, festgelegt
wird.
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Die
Achsen der Abszissen und Ordinaten im in 14 gezeigten
Graph sind die gleichen wie in 13. In 14 sind
Kurven in Fällen
gezeigt, wo der Prozentsatz der Wassermenge, die der Flügelkammer 50 durch
die Gleitoberflächen
zugeführt wird,
zur Wassermenge, die von dem Verdampfer 3 über den
Kanal P4 der Flügelkammer 50 im
Expander 4 zugeführt
wird, 0%, 20%, 40% und 60% beträgt. In
diesem Fall beträgt
der Druck des Wassers, das der Flügelkammer 50 durch
die Gleitoberflächen
zugeführt
wird, 2 MPa, und die Temperatur dieses Wassers ist konstant. Es
ist ersichtlich, dass dann, wenn der Prozentsatz der Wassermenge,
die der Flügelkammer 50 durch
die Gleitoberflächen
zugeführt wird,
erhöht
wird, der Zunahmebetrag in der Ausgangsleistung von dem Expander 4 erhöht wird,
aber die Phase, in der der Zunahmebetrag in der Ausgangsleistung
eine Spitze einnimmt, immer konstant ist, ohne sich zu ändern.
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Wie
oben beschrieben, wird das Wasser in Druckkammern 86, 86 in
den Böden
der kreisförmigen
Dichtungsnuten 51, 51 in der ersten Gehäusehälfte 12 und
der zweiten Gehäusehälfte 13 zugeführt, um
die Ringdichtungen 54, 54 zur Seite des Rotors 27 zu
drücken,
und das Wasser wird von den Schmierwasserauswurfbohrungen 38d und 38e,
die innerhalb der Vertiefungen 38b und 38c in
jedem der Rotorsegmente 32 definiert sind, ausgeworfen,
um ein statisches Drucklager an der Gleitoberfläche an den flachen Flächen 14a, 14a der
Rotorkammer 14 zu bilden, wodurch die flachen Flächen 27a, 27a des Rotors 27 durch
die Ringdichtungen 54, 54 abgedichtet werden,
die innerhalb der kreisförmigen
Dichtungsnuten 51, 51 im schwimmenden Zustand
sind. Im Ergebnis kann verhindert werden, dass der Dampf in der
Rotorkammer 14 durch den Spielraum zwischen der Rotorkammer 14 und
dem Rotor 27 leckt. Hierbei werden die Ringdichtungen 54, 54 und
der Rotor 27 durch die Wasserfilme voneinander isoliert, die
von den Schmierwasserauswurfbohrungen 38d und 38e zugeführt werden,
sodass sie nicht in körperlichen
Kontakt miteinander gebracht werden können. Selbst wenn darüber hinaus
der Rotor 27 verkippt wird, werden die Ringdichtungen 54, 54,
der Schrägstellung
des Rotors 27 folgend, innerhalb der kreisförmigen Dichtungsnuten 51, 51 verkippt,
wodurch sich eine stabile Dichtleistung sicherstellen lässt, während die
Reibkraft auf das Minimum gedrückt wird.
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Das
Wasser, das die Gleitabschnitte der Ringdichtungen 54, 54 und
den Rotor 27 geschmiert hat, wird der Rotorkammer 14 durch
die Zentrifugalkraft zugeführt
und wird von dort über
die Auslassöffnungen 80 zur
Außenseite
des Gehäuses 11 ausgegeben.
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Andererseits
fließt
das Wasser, das von dem sechsten Wasserkanal W6 zugeführt ist, über die Öffnungen,
die um die Außenumfänge der Öffnungs-definierenden Bolzen 91 in
dem Lagerelement 23 definiert sind, und die zwölften Wasserkanäle W12 zur Bildung
des Wasserfilms auf Gleitoberflächen
des Innenumfangs des Lagerelements 23 und des Außenumfangs
der Drehwelle 21, um den Außenumfang einer rechten Hälfte der
Drehwelle 21 durch den Wasserfilm im schwimmenden Zustand
zu lagern, um hierdurch die Gleitoberflächen derart zu schmieren, dass
körperliche
Kontakt der Drehwelle 21 und des Lagerelements 23 miteinander
verhindert wird, um das Auftreten von Festfressen und Verschleiß zu verhindern.
Das Wasser, das von dem sechsten Wasserkanal W6 zum siebten Wasserkanal
W7, den neunten Wasserkanälen
W9, den zehnten Wasserkanälen
W10 und dem elften Wasserkanal W11, der in der Drehwelle 21 definiert
ist, zugeführt
wird, fließt über die Öffnungen,
die um die Außenumfänge der Öffnungs-definierenden
Bolzen 91 in dem Lagerelement 22 definiert sind,
und die zwölften
Wasserkanäle
W12 zur Bildung des Wasserfilms auf den Gleitoberflächen des
Innenumfangs des Lagerelements 22 und des Außenumfangs
der Drehwelle 21, um den Außenumfang einer linken Hälfte der
Drehwelle 21 im schwimmenden Zustand durch den Wasserfilm
zu lagern, um hierdurch die Gleitoberflächen derart zu schmieren, dass
der körperliche
Kontakt der Drehwelle 21 und des Lagerelements 23 miteinander
verhindert wird, um das Auftreten von Festfressen und Verschleiß zu verhindern.
Das Wasser, das die Gleitoberflächen
der Lagerelemente 22 und 23 geschmiert hat, wird über die
dreizehnten Wasserkanäle
W13, die in den Lagerelementen 22 und 23 definiert
sind, in die Flügelnuten 43 ausgegeben.
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Das
Wasser, das sich in den Flügelnuten 43 angesammelt
hat, fließt
in die Wasserausgabekanäle 44g,
die die Böden
der Flügel 44 mit
den einen Seiten der Flügel 44 verbinden,
aber weil sich die Wasserausgabekanäle 44g in die Rotorkammer 14 in
einem vorbestimmten Winkelbereich öffnen, wo die Flügel 44 am
stärksten
von dem Rotor 27 vorstehen, wird das Wasser in den Flügelnuten 43 über die
Wasserausgabekanäle 44g in
die Rotorkammer 14 unter der Wirkung einer Druckdifferenz
zwischen den Flügelnuten 43 und
der Rotorkammer 14 ausgegeben.
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Das
Wasser, das von dem sechsten Wasserkanal W6 über den dreißigsten
Wasserkanal W30, der in der Drehwelle 21 definiert ist,
zugeführt
wird, schmiert den Außenumfang
der ersten Festwelle 64 und die rechte Hälfte der
Gleitoberfläche
am Innenumfang der Drehwelle 21, und wird dann von der Dichtungsnut 64c in
der ersten Festwelle 64 über die einunddreißigsten
Wasserkanäle
W31, W31 zu dem fünften
Dampfkanal S5 ausgegeben. Ferner schmiert das Wasser von dem elften
Wasserkanal W11 den Außenumfang
der ersten Festwelle 64 und die linke Hälfte der Gleitoberfläche am Innenumfang
der Drehwelle 21 und wird dann von der Dichtungsnut 64d in der
ersten Festwelle 64 über
den einunddreißigsten Wasserkanal
W31 zu dem fünften
Dampfkanal S5 ausgegeben.
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Wie
oben beschrieben, ist der Rotor 27 des Expanders 4 durch
den Rotorkern 31 und die Mehrzahl von Rotorsegmenten 32 geteilt
aufgebaut und daher kann die Dimensionsgenauigkeit der Flügelnuten 43 in
dem Rotor 27 leicht verbessert werden. In dem einfachen
Rotor 27 ist es extrem schwierig, die Flügelnuten 43 mit
einer Nutbreite guter Genauigkeit herzustellen, um die Oberflächenrauigkeit
der Gleitoberflächen
zu verbessern, aber dieses Problem kann gelöst werden, indem die Mehrzahl
von vorfabrizierten Rotorsegmenten an dem Rotorkern 31 montiert wird.
Selbst wenn sich ein Fehler aufgrund der Montage der Mehrzahl von
Rotorsegmenten 32 akkumuliert, kann die Fehlerakkumulation
durch Regulierung der Größe zumindest
eines der Rotorsegmente 32 absorbiert werden, um hierdurch
den Rotor 27 insgesamt mit einer hohen Genauigkeit herzustellen.
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Der
innere Rotorkern 31, dem der Hochtemperatur- und Hochdruckdampf
zugeführt
wird, und jedes der äußeren Rotorsegmente 32,
die eine relativ niedrige Temperatur haben, sind durch verschiedene Elemente
gebildet. Daher kann die Wärmeübertragung
von dem Rotorkern 31, der die hohe Temperatur hat, zu den
Rotorsegmenten 32 unterdrückt werden, wodurch der Wärmeverlust
zur Außenseite
des Rotors 27 verhindert werden kann, um hierdurch den thermischen
Wirkungsgrad zu verbessern, sondern auch die thermische Verformung
des Rotors 27 gemäßigt werden
kann, um die Genauigkeit zu verbessern. Darüber hinaus können ein
Material und ein Verarbeitungsverfahren, das für jede der Funktionen des Rotorkerns 31 und
der Rotorsegmente 32 geeignet ist, ausgewählt werden,
und daher werden der konstruktive Freiheitsgrad und der Freiheitsgrad
des Verarbeitungsverfahrens erhöht,
und es kann die Verschleißminderung
der Gleitoberflächen
der Rotorsegmente 32 und der Flügel 44, eine Verbesserung der
Haltbarkeit und eine Verbesserung der Abdichteigenschaften erzielt
werden. Ferner, selbst wenn in einem Teil des Rotors 27 ein
Problem auftritt, kann der Rotor 27 repariert werden, indem
lediglich dieses Teil durch ein neues Teil ersetzt wird. Dies kann
zu einer Kostenminderung im Vergleich zu einem Fall beitragen, wo
der gesamte Rotor durch einen neuen Rotor ersetzt wird, oder weggeworfen
wird.
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Nachfolgend
wird der Betrieb eines Kühlsystems
für die
Brennkraftmaschine 1, einschließlich des Rankine-Zyklussystems 2,
hauptsächlich
in Bezug auf die 1 und 2 beschrieben.
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Wasser,
das aus dem Tank 6 durch die Niederdruckpumpe 7 gepumpt
wird, wird über
den Kanal P1 zum im Auspuffrohr 101 angebrachten Wärmetauscher 102 geleitet,
wo es vorgewärmt
wird. Dann wird das Wasser über
den Kanal P2 zum Wassermantel 105 der Brennkraftmaschine 1 geleitet.
Das im Wassermantel 105 fließende Wasser kühlt den
Zylinderblock 103 und den Zylinderkopf 104, die
erhitzte Abschnitte der Brennkraftmaschine 1 sind, und
dieses Wasser wird in einem Zustand erhöhter Temperatur dem Ausgabeventil 106 zugeführt. Das
im Wärmetauscher 102 im
Auspuffrohr 102 vorgewärmte Wasser
wird dem Wassermantel 105 zugeführt, wie oben beschrieben,
und wenn daher die Temperatur der Brennkraftmaschine 1 niedriger
ist, kann das Aufwärmen
der Maschine 1 gefördert
werden. Darüber hinaus
kann die Leistung des Verdampfers 3 erhöht werden, indem das Überkühlen der
Brennkraftmaschine 1 verhindert wird, um die Temperatur
des Abgases anzuheben.
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Ein
Teil des in der Temperatur erhöhten
Wassers, das von dem Ausgabeventil 106 ausgegeben wird,
wird durch die Höherdruckpumpe 108 unter Druck
gesetzt und dem Verdampfer 3 zugeführt, wo es dem Wärmetausch
mit dem Abgas unterzogen und somit in Hochtemperatur- und Höherdruckdampf umgewandelt
wird. Der in dem Verdampfer 3 erzeugte Hochtemperatur-
und Höherdruckdampf
wird dem Dampfzufuhrrohr 75 für den Expander 4 zugeführt; strömt dann
durch die Zylinder 33 und die Flügelkammern 50, um
die Drehwelle 21 anzutreiben, und wird dann von der Ausgabebohrung 17b ausgegeben.
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Ein
anderer Teil des von dem Ausgabeventil 106 ausgegebenen
Hochtemperaturwassers wird durch das in den Kanal P5 eingebaute
Reduzierventil 107 im Druck verringert und somit in Dampf
umgewandelt, der der Übertragungskammer 19 in
dem Expander 4 zugeführt
wird. Der der Übertragungskammer 19 zugeführte Dampf
wird mit dem ersten temperaturverringerten und druckverringerten
Dampf, der von dem Dampfzufuhrrohr 75 zugeführt wird,
vereinigt und strömt
durch die Zylinder 33, und das resultierende Gemisch treibt
die Drehwelle 21 an und wird dann von der Ausgabebohrung 17b ausgegeben. Wie
oben beschrieben, wird ein Teil des Hochtemperaturwassers von dem
Ausgabeventil 106 durch das Reduzierventil 107 verdampft
und dem Expander 4 zugeführt, und daher kann Wärmeenergie,
die in dem Wassermantel 105 der Brennkraftmaschine 1 durch das
Wasser aufgenommen wird, wirkungsvoll genutzt werden, um die Ausgangsleistung
von dem Expander 4 zu erhöhen. Darüber hinaus wird der andere Teil
des durch das Ausgabeventil 106 ausgegebenen Hochtemperaturwassers über den
Kanal P6 dem ersten Wasserkanal W1 in dem Expander 4 zugeführt, um
verschiedene zu schmierende Teile zu schmieren. Weil die zu schmierenden
Teile des Expanders 4 mittels des Hochtemperaturwassers
geschmiert werden, wie oben beschrieben, kann eine Überkühlung des
Expanders 4 verhindert werden, um hierdurch den Kühlverlust
zu reduzieren. Das Wasser, das in die Flügelkammern 50 in dem
Expansionshub nach der Schmierung eintritt, wird mit dem in der
Flügelkammer 50 vorhandenen
Dampf vermischt, wodurch es erhitzt und verdampft wird, um die Ausgangsleistung
von dem Expander 4 durch die Wirkung seiner Expansion zu
erhöhen.
Der zweite temperaturreduzierte und druckreduzierte Dampf, der von
der Ausgabebohrung 17b in dem Expander 4 zu dem
Kanal P8 ausgegeben wird, wird dem Kondensator 5 zugeführt, wo
er durch das Kühlgebläse 19 abgekühlt wird,
sodass er zu Wasser wird und zum Tank 6 zurückfließt. Der
andere Teil des von dem Ausgabeventil 106 ausgegebenen
Hochtemperaturwassers wird durch den Wärmeaustausch mit dem im Kanal
P7 enthaltenen Hilfsaggregat 110 abgekühlt und dann über das
Rückschlagventil 111 zu
dem Tank 6 zurückgeleitet.
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Wie
oben beschrieben, werden die folgenden Wasserzirkulationswege miteinander
kombiniert: Ein Wasserzirkulationsweg, durch den das Wasser, das
von dem Tank 6 mit der Niederdruckpumpe 7 gepumpt
wird, dem Wasermantel 105 zugeführt wird, um die erhitzten
Abschnitte der Brennkraftmaschine zu kühlen, und danach wird das Wasser
dem Hilfsaggregat 110 zugeführt, um es zu kühlen, und
wird dann zum Tank 6 zurückgeführt; und ein Wasserzirkulationsweg
in dem Rankine-Zyklussystem 2, durch den ein Teil des aus
dem Wassermantel 105 austretenden Wassers als das Arbeitsmedium
weggegeben wird und über
die Höherdruckpumpe 8,
den Verdampfer 3, den Expander 4 und den Kondensator 5 zu
dem Tank 6 zurückgeführt wird.
Der Wasserzirkulationsweg in dem Kühlsystem für die Brennkraftmaschine 1 hat
einen niedrigeren Druck und eine größere Strömungsrate, und der Wasserzirkulationsweg
in dem Rankine-Zyklussystem 2 hat einen höheren Druck
und eine geringere Strömungsrate.
Daher kann das Wasser, das eine Strömungsrate und einen Druck hat,
die für
jeweils das Kühlsystem
für die Brennkraftmaschine 1 und
das Rankine-Zyklussystem 2 geeignet sind, zugeführt werden,
wobei die erhitzten Abschnitte der Brennkraftmaschine 1 ausreichend
gekühlt
werden können,
um einen Kühler
nicht benutzen, während
die Leistung des Rankine-Zyklussystems beibehalten wird. Darüber hinaus
wird dann Wasser, das von der Niederdruckpumpe 7 dem Wassermantel 105 zugeführt wird,
durch den im Auspuffrohr 101 angebrachten Wärmetauscher 102 vorgewärmt und
daher kann die Abwärme
von der Brennkraftmaschine 1 noch effizienter genutzt werden.
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Darüber hinaus
ist der Wärmetauscher 102 zur
Aufnahme des von der Niederdruckpumpe 7 zugeführten Niedertemperaturwassers
an einer Stelle stromab des Auspuffrohrs 101 angebracht,
wo die Temperatur des Abgases niedriger ist als an der Stelle des
Verdampfers 3 und daher kann überschüssige Abwärme, die das Abgas besitzt,
effizient und gründlich
wiedergewonnen werden. Weil darüber
hinaus das vom Wärmetauscher 102 vorgewärmte Wasser dem
Wassermantel 105 zugeführt
wird, kann das Überkühlen der
Brennkraftmaschine 1 verhindert werden und die Temperatur
der Verbrennungswärme,
nämlich
des Abgases, kann angehoben werden, wodurch die Wärmeenergie
des Abgases erhöht
werden kann, was zu einer Verbesserung im Wirkungsgrad der Abwärmewiedergewinnung
führt.
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Obwohl
die Ausführung
der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben worden ist, versteht
es sich, dass verschiedene konstruktive Modifikationen vorgenommen
werden können,
ohne vom Gegenstand der Ansprüche
abzuweichen.
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Z.B.
ist in der Ausführung
Wasser (Dampf) als das Arbeitsmedium dargestellt, wobei aber erfindungsgemäß jedes
andere Arbeitsmedium, wie etwa Ammoniak und dgl., verwendet werden
kann. Wegen eines weiteren Temperaturbereichs, in dem das Wasser
ohne Veränderung
in der Zusammensetzung, wie etwa Carbonisierung, verwendet werden
kann, ist jedoch das Wasser als Schmiermittel geeignet, das auch
als Arbeitsmedium dient, und der Hochtemperaturdampf als das dem
Expander 4 zugeführte
Arbeitsmedium und das Wasser als Schmiermedium relativ niedriger
Temperatur, das von dem Wassermantel 105 der Brennkraftmaschine 1 ausgegeben wird,
können
ohne Einschränkung
miteinander vermischt werden.
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INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
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Das
Rankine-Zyklussystem für
die Brennkraftmaschine gemäß der vorliegenden
Erfindung ist für
ein Automobil geeignet, kann aber auch bei jeder anderen Brennkraftmaschine
als für
ein Automobil angewendet werden.