JP2000320301A

JP2000320301A - 内燃機関の廃熱回収装置

Info

Publication number: JP2000320301A
Application number: JP2000061849A
Authority: JP
Inventors: Tsuneo Endo; 恒雄遠藤; Kensuke Honma; 健介本間
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1999-03-05
Filing date: 2000-03-02
Publication date: 2000-11-21

Abstract

(57)【要約】【課題】ピストン式のものが持つ利点とベーン式のも
のが持つ利点とを兼備する膨脹器を備えた内燃機関の廃
熱回収装置を提供する。【解決手段】内燃機関の廃熱回収装置は、その機関の
廃熱を熱源として高圧蒸気を発生する蒸発器と、高圧蒸
気の膨脹によって出力を発生する膨脹器４と、その膨脹
器４から排出された低圧蒸気を液化する凝縮器とを有す
る。膨脹器４は、ケーシング７と、ロータ３１と、ロー
タ３１に放射状に配置された複数のベーンピストンユニ
ットＵ１〜Ｕ１２とを備える。各ベーンピストンユニッ
トＵ１〜Ｕ１２は、ロータチャンバ１４内を摺動するベ
ーン４２およびベーン４２の非摺動側に当接するピスト
ン４１とよりなる。高圧蒸気の膨脹によりピストン４１
を作動させてベーン４２を介しロータ３１を回転させる
と共に高圧ガスの圧力降下による低圧ガスの膨脹により
ベーン４２を介しロータ３１を回転させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は内燃機関の廃熱回収
装置、特に、内燃機関の廃熱を熱源として高圧蒸気を発
生する蒸発器と、前記高圧蒸気の膨脹によって出力を発
生する膨脹器と、その膨脹器から排出された低圧蒸気を
液化する凝縮器とを有するものに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の廃熱回収装置としては、
例えば特開平６−８８５２３号公報に開示されたものが
公知である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
ものは膨脹器について難点があり、この点の改良が望ま
れている。つまり、ピストン式膨脹器はシリンダおよび
ピストン間のシール性が良く高圧下での効率が高い、と
いった利点を持つ反面、クランク機構、斜板機構等の回
転変換機構が必要であって構造が複雑化する、といった
欠点を有し、一方ベーン式膨脹器は構造が簡単で大流量
を処理し得る、といった利点を持つ反面、リーク損失が
大きく高圧下での効率が低い、といった欠点を有する。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、ピストン式の
ものが持つ利点とベーン式のものが持つ利点とを兼備す
る膨脹器を備えた前記内燃機関の廃熱回収装置を提供す
ることを目的とする。

【０００５】前記目的を達成するため本発明によれば、
内燃機関の廃熱を熱源として高圧蒸気を発生する蒸発器
と、前記高圧蒸気の膨脹によって出力を発生する膨脹器
と、その膨脹器から排出された低圧蒸気を液化する凝縮
器とを有する内燃機関の廃熱回収装置において、前記膨
脹器は、ロータチャンバを有するケーシングと、そのロ
ータチャンバ内に収容されたロータと、前記ロータに、
その回転軸線回りに放射状に配置されて放射方向に往復
動自在である複数のベーンピストンユニットとを備え、
各ベーンピストンユニットは、前記ロータチャンバ内を
摺動するベーンと、そのベーンの非摺動側に当接するピ
ストンとよりなり、前記高圧蒸気の膨脹により前記ピス
トンを作動させて前記ベーンを介し前記ロータを回転さ
せると共に前記高圧ガスの圧力降下による低圧ガスの膨
脹により前記ベーンを介し前記ロータを回転させるよう
にした、内燃機関の廃熱回収装置が提供される。

【０００６】膨脹器において、前記のように高圧側の仕
事をピストンに担当させると、リーク損失を抑制して効
率を高めることができ、一方、低圧側の仕事をベーンに
担当させると、大流量の処理を能率良く行うことができ
る。これにより内燃機関の廃熱から高い出力を取出すこ
とが可能である。

【０００７】

【発明の実施の形態】図１において、内燃機関１の廃熱
回収装置２は、内燃機関１の廃熱、例えば排気ガスを熱
源として、高圧状態の液体、例えば水から温度上昇を図
られた高圧状態の蒸気、つまり高温高圧蒸気を発生する
蒸発器３と、その高温高圧蒸気の膨脹によって出力を発
生する膨脹器４と、その膨脹器４から排出される、前記
膨脹後の、温度および圧力が降下した蒸気、つまり降温
降圧蒸気を液化する凝縮器５と、凝縮器５からの液体、
例えば水を蒸発器３に加圧供給する供給ポンプ６とを有
する。

【０００８】膨脹器４は特殊な構造を有するもので、次
のように構成される。

【０００９】図２〜図５において、ケーシング７は金属
製第１、第２半体８，９より構成される。両半体８，９
は、略楕円形の凹部１０を有する主体１１と、それら主
体１１と一体の円形フランジ１２とよりなり、両円形フ
ランジ１２を金属ガスケット１３を介し重ね合せること
によって略楕円形のロータチャンバ１４が形成される。
また第１半体８の主体１１外面は、シェル形部材１５の
深い鉢形をなす主体１６により覆われており、その主体
１６と一体の円形フランジ１７が第１半体８の円形フラ
ンジ１２にガスケット１８を介して重ね合せられ、３つ
の円形フランジ１２，１２，１７は、それらの円周方向
複数箇所においてボルト１９によって締結される。これ
により、シェル形部材１５および第１半体８の両主体１
１，１６間には中継チャンバ２０が形成される。

【００１０】両半体８，９の主体１１は、それらの外面
に外方へ突出する中空軸受筒２１，２２を有し、それら
中空軸受筒２１，２２に、ロータチャンバ１４を貫通す
る中空の出力軸２３の大径部２４が軸受メタル（または
樹脂製軸受）２５を介して回転可能に支持される。これ
により出力軸２３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。また出力
軸２３の小径部２６は、第２半体９の中空軸受筒２２に
存する孔部２７から外部に突出して伝動軸２８とスプラ
イン結合２９を介して連結される。小径部２６および孔
部２７間は２つのシールリング３０によりシールされ
る。

【００１１】ロータチャンバ１４内に円形のロータ３１
が収容され、その中心の軸取付孔３２と出力軸２３の大
径部２４とが嵌合関係にあって、両者３１，２４間には
かみ合い結合部３３が設けられている。これによりロー
タ３１の回転軸線は出力軸２３の軸線Ｌと合致するの
で、その回転軸線の符号として「Ｌ」を共用する。

【００１２】ロータ３１に、その回転軸線Ｌを中心に軸
取付孔３２から放射状に延びる複数、この実施例では１
２個のスロット状空間３４が円周上等間隔に形成されて
いる。各空間３４は、円周方向幅が狭く、且つロータ３
１の両端面３５および外周面３６に一連に開口するよう
に、両端面３５に直交する仮想平面内において略Ｕ字形
をなす。

【００１３】各スロット状空間３４内に、同一構造の第
１〜第１２ベーンピストンユニットＵ１〜Ｕ１２が、次
のように放射方向に往復動自在に装着される。略Ｕ字形
の空間３４において、その内周側を区画する部分３７に
段付孔３８が形成され、その段付孔３８に、セラミック
（またはカーボン）よりなる段付形シリンダ部材３９が
嵌入される。シリンダ部材３９の小径部ａ端面は出力軸
２３の大径部２４外周面に当接し、その小径孔ｂが大径
部２４外周面に開口する通孔ｃに連通する。またシリン
ダ部材３９の外側に、その部材３９と同軸上に位置する
ようにガイド筒４０が配置される。そのガイド筒４０の
外端部は、ロータ３１外周面に存する空間３４の開口部
に係止され、また内端部は段付孔３８の大径孔ｄに嵌入
されてシリンダ部材３９に当接する。またガイド筒４０
は、その外端部から内端部近傍まで相対向して延びる一
対の長溝ｅを有し、両長溝ｅは空間３４に面する。シリ
ンダ部材３９の大径シリンダ孔ｆ内にセラミックよりな
るピストン４１が摺動自在に嵌合され、そのピストン４
１の先端部側は常時ガイド筒４０内に位置する。

【００１４】図２および図６に示すように、ロータ３１
の回転軸線Ｌを含む仮想平面Ａ内におけるロータチャン
バ１４の断面Ｂは、直径ｇを相互に対向させた一対の半
円形断面部Ｂ１と、両半円形断面部Ｂ１の両直径ｇの一
方の対向端相互および他方の対向端相互をそれぞれ結ん
で形成される四角形断面部Ｂ２とよりなり、略競技用ト
ラック形をなす。図６において、実線示の部分が長径を
含む最大断面を示し、一方、一部を２点鎖線で示した部
分が短径を含む最小断面を示す。ロータ３１は、図６に
点線で示したように、ロータチャンバ１４の短径を含む
最小断面よりも若干小さな断面Ｄを有する。

【００１５】図２および図７〜図１０に明示するよう
に、ベーン４２は略Ｕ字板形（馬蹄形）をなすベーン本
体４３と、そのベーン本体４３に装着された略Ｕ字板形
をなすシール部材４４と、ベーンスプリング５８とより
構成される。

【００１６】ベーン本体４３は、ロータチャンバ１４の
半円形断面部Ｂ１による内周面４５に対応した半円弧状
部４６と、四角形断面部Ｂ２による対向内端面４７に対
応した一対の平行部４８とを有する。各平行部４８の端
部側にコ字形の切欠き４９と、それらの底面に開口する
四角形の盲孔５０と、各切欠き４９よりも、さらに端部
側に在って外方へ突出する短軸５１とが設けられる。ま
た半円弧状部４６および両平行部４８の外周部分に、外
方に向って開口するＵ字溝５２が一連に形成され、その
Ｕ字溝５２の両端部は両切欠き４９にそれぞれ連通す
る。さらに半円弧状部４６の両平面部分にそれぞれ欠円
形断面の一対の突条５３が設けられている。両突条５３
は、それらによる仮想円柱の軸線Ｌ１が、両平行部４８
間の間隔を２等分し、且つ半円弧状部４６を周方向に２
等分する直線に一致するように配置されている。また両
突条５３の内端部は両平行部４８間の空間に僅か突出し
ている。

【００１７】シール部材４４は、例えばＰＴＦＥより構
成されたもので、ロータチャンバ１４の半円形断面部Ｂ
１による内周面４５を摺動する半円弧状部５５と、四角
形断面部Ｂ２による対向内端面４７を摺動する一対の平
行部５６とを有する。また半円弧状部５５の内周面側に
一対の弾性爪５７が、内方へ反るように設けられてい
る。

【００１８】ベーン本体４３のＵ字溝５２にシール部材
４４が装着され、また各盲孔５０にベーンスプリング５
８が嵌め込まれ、さらに各短軸５１にボールベアリング
構造のローラ５９が取付けられる。各ベーン４２はロー
タ３１の各スロット状空間３４に摺動自在に収められて
おり、その際、ベーン本体４３の両突条５３はガイド筒
４０内に、また両突条５３の両側部分はガイド筒４０の
両長溝ｅ内にそれぞれ位置し、これにより両突条５３の
内端面がピストン４１の外端面と当接することができ
る。両ローラ５９は第１、第２半体８，９の対向内端面
４７に形成された略楕円形の環状溝６０にそれぞれ転動
自在に係合される。これら環状溝６０およびロータチャ
ンバ１４間の距離はそれらの全周に亘り一定である。ま
たピストン４１の前進運動をベーン４２を介してローラ
５９と環状溝６０との係合によりロータ３１の回転運動
に変換する。

【００１９】このローラ５９と環状溝６０との協働で、
図５に明示するように、ベーン本体４３の半円弧状部４
６における半円弧状先端面６１はロータチャンバ１４の
内周面４５から、また両平行部４８はロータチャンバ１
４の対向内端面４７からそれぞれ常時離間し、これによ
りフリクションロスの軽減が図られている。そして、２
条一対で構成されている環状溝６０により軌道を規制さ
れるため、左右の軌道誤差によりローラ５９を介してベ
ーン４２は軸方向に微小変位角の回転を生じ、ロータチ
ャンバ１４の内周面４５との接触圧力を増大させる。こ
のとき、略Ｕ字板形（馬蹄形）をなすベーン本体４３で
は、方形（長方形）ベーンに比べてケーシング７との接
触部の径方向長さが短いので、その変位量を大幅に小さ
くできる。また図２に明示するように、シール部材４４
において、その両平行部５６は各ベーンスプリング５８
の弾発力によりロータチャンバ１４の対向内端面４７に
密着し、特に両平行部５６の端部とベーン４２間を通し
ての環状溝６０へのシール作用を行う。また半円弧状部
５５は、両弾性爪５７がベーン本体４３およびロータチ
ャンバ１４内の内周面４５間で押圧されることによっ
て、その内周面４５に密着する。即ち、方形（長方形）
ベーンに対し略Ｕ字板形のベーン４２の方が変曲点を持
たないので、密着が良好となる。方形ベーンは角部があ
り、シール性維持は困難となる。これによりベーン４２
およびロータチャンバ１４間のシール性が良好となる。
さらに熱膨脹にともない、ベーン４２とロータチャンバ
１４は変形する。このとき方形ベーンに対し略Ｕ字形の
ベーン４２は、より均一に相似形を持って変形するた
め、ベーン４２とロータチャンバ１４とのクリアランス
のバラツキが少なく、シール性も良好に維持可能とな
る。

【００２０】図２および図３において、出力軸２３の大
径部２４は第２半体９の軸受メタル２５に支持された厚
肉部分６２と、その厚肉部分６２から延びて第１半体８
の軸受メタル２５に支持された薄肉部分６３とを有す
る。その薄肉部分６３内にセラミック（または金属）よ
りなる中空軸６４が、出力軸２３と一体に回転し得るよ
うに嵌着される。その中空軸６４の内側に固定軸６５が
配置され、その固定軸６５は、ロータ３１の軸線方向厚
さ内に収まるように中空軸６４に嵌合された大径中実部
６６と、出力軸２３の厚肉部分６２に存する孔部６７に
２つのシールリング６８を介して嵌合された小径中実部
６９と、大径中実部６６から延びて中空軸６４内に嵌合
された薄肉の中空部７０とよりなる。その中空部７０の
端部外周面と第１半体８の中空軸受筒２１内周面との間
にシールリング７１が介在される。

【００２１】シェル形部材１５の主体１６において、そ
の中心部内面に、出力軸２３と同軸上に在る中空筒体７
２の端壁７３がシールリング７４を介して取付けられ
る。その端壁７３の外周部から内方へ延びる短い外筒部
７５の内端側は第１半体８の中空軸受筒２１に連結筒７
６を介して連結される。端壁７３に、それを貫通するよ
うに小径で、且つ長い内管部７７が設けられ、その内管
部７７の内端側は、そこから突出する短い中空接続管７
８と共に固定軸６５の大径中実部６６に存する段付孔ｈ
に嵌着される。内管部７７の外端部分はシェル形部材１
５の孔部７９から外方へ突出し、その外端部分から内管
部７７内に挿通された第１の高温高圧蒸気用導入管８０
の内端側が中空接続管７８内に嵌着される。内管部７７
の外端部分にはキャップ部材８１が螺着され、そのキャ
ップ部材８１によって、導入管８０を保持するホルダ筒
８２のフランジ８３が内管部７７の外端面にシールリン
グ８４を介して圧着される。

【００２２】図２〜図４および図１１に示すように、固
定軸６５の大径中実部６６に、第１〜第１２ベーンピス
トンユニットＵ１〜Ｕ１２のシリンダ部材３９に、中空
軸６４および出力軸２３に一連に形成された複数、この
実施例では１２個の通孔ｃを介して高温高圧蒸気を供給
し、またシリンダ部材３９から膨脹後の第１の降温降圧
蒸気を通孔ｃを介して排出する回転バルブＶが次のよう
に設けられている。

【００２３】図１１には膨張器４の各シリンダ部材３９
に所定のタイミングで蒸気を供給・排出する回転バルブ
Ｖの構造が示される。大径中実部６６内において、中空
接続管７８に連通する空間８５から互に反対方向に延び
る第１、第２孔部８６，８７が形成され、第１、第２孔
部８６，８７は大径中実部６６の外周面に開口する第
１、第２凹部８８，８９の底面に開口する。第１、第２
凹部８８，８９に、供給口９０，９１を有するカーボン
製第１、第２シールブロック９２，９３が装着され、そ
れらの外周面は中空軸６４内周面に摺擦する。第１、第
２孔部８６，８７内には同軸上に在る短い第１、第２供
給管９４，９５が遊挿され、第１、第２供給管９４，９
５の先端側外周面に嵌合した第１、第２シール筒９６，
９７のテーパ外周面ｉ，ｊが第１、第２シールブロック
９２，９３の供給口９０，９１よりも内側に在ってそれ
に連なるテーパ孔ｋ，ｍ内周面に嵌合する。また大径中
実部６６に、第１、第２供給管９４，９５を囲繞する第
１、第２環状凹部ｎ，ｏと、それに隣接する第１、第２
盲孔状凹部ｐ，ｑとが第１、第２シールブロック９２，
９３に臨むように形成され、第１、第２環状凹部ｎ，ｏ
には一端側を第１、第２シール筒９６，９７外周面に嵌
着した第１、第２ベローズ状弾性体９８，９９が、また
第１、第２盲孔状凹部ｐ，ｑには第１、第２コイルスプ
リング１００，１０１がそれぞれ収められ、第１、第２
ベローズ状弾性体９８，９９および第１、第２コイルス
プリング１００，１０１の弾発力で第１、第２シールブ
ロック９２，９３を中空軸６４内周面に押圧する。

【００２４】また大径中実部６６において、第１コイル
スプリング１００および第２ベローズ状弾性体９９間な
らび第２コイルスプリング１０１および第１ベローズ状
弾性体９８間に、常時２つの通孔ｃに連通する第１、第
２凹状排出部１０２，１０３と、それら排出部１０２，
１０３から導入管８０と平行に延びて固定軸６５の中空
部ｒ内に開口する第１、第２排出孔１０４，１０５とが
形成されている。

【００２５】これら第１シールブロック９２と第２シー
ルブロック９３といったように、同種部材であって、
「第１」の文字を付されたものと「第２」の文字を付さ
れたものとは、固定軸６５の軸線に関して点対称の関係
にある。

【００２６】固定軸６５の中空部ｒ内および中空筒体７
２の外筒部７５内は第１の降温降圧蒸気の通路ｓであ
り、その通路ｓは、外筒部７５の周壁を貫通する複数の
通孔ｔを介して中継チャンバ２０に連通する。

【００２７】図２および図５に示すように、第１半体８
の主体１１外周部において、ロータチャンバ１４の短径
の両端部近傍に、半径方向に並ぶ複数の導入孔１０６よ
りなる第１、第２導入孔群１０７，１０８が形成され、
中継チャンバ２０内の第１の降温降圧蒸気がそれら導入
孔群１０７，１０８を経てロータチャンバ１４内に導入
される。また第２半体９の主体１１外周部において、ロ
ータチャンバ１４の長径の一端部と第２導入孔群１０８
との間に、半径方向および周方向に並ぶ複数の導出孔１
０９よりなる第１導出孔群１１０が形成され、また長径
の他端部と第１導入孔群１０７との間に、半径方向およ
び周方向に並ぶ複数の導出孔１０９よりなる第２導出孔
群１１１が形成される。これら第１、第２導出孔群１１
０，１１１からは、相隣る両ベーン４２間での膨脹によ
り、さらに温度および圧力が降下した第２の降温降圧蒸
気が外部に排出される。

【００２８】出力軸２３等は水により潤滑されるように
なっており、その潤滑水路は次のように構成される。即
ち、図２および図３に示すように第２半体９の中空軸受
筒２２に形成された給水孔１１２に給水管１１３が接続
される。給水孔１１２は、第２半体９側の軸受メタル２
５が臨むハウジング１１４に、またそのハウジング１１
４は出力軸２３の厚肉部分６２に形成された通水孔ｕ
に、さらにその通水孔ｕは中空軸６４の外周面母線方向
に延びる複数の通水溝ｖ（図１１も参照）に、さらにま
た各通水溝ｖは第２半体８側の軸受メタル２５が臨むハ
ウジング１１５にそれぞれ連通する。また出力軸２３の
厚肉部分６２内端面に、通水孔ｕと、中空軸６４および
固定軸６５の大径中実部６６間の摺動部分とを連通する
環状凹部ｗが設けられている。

【００２９】これにより、各軸受メタル２５および出力
軸２３間ならびに中空軸６４および固定軸６５間が水に
より潤滑され、また両軸受メタル２５および出力軸２３
間の間隙からロータチャンバ１４内に進入した水によっ
て、ケーシング７と、シール部材４４および各ローラ５
９との間の潤滑が行われる。

【００３０】図４において、ロータ３１の回転軸線Ｌに
関して点対称の関係にある第１および第７ベーンピスト
ンユニットＵ１，Ｕ７は同様の動作を行う。これは、点
対称の関係にある第２、第８ベーンピストンユニットＵ
２，Ｕ８等についても同じである。

【００３１】例えば、図１１も参照して、第１供給管９
４の軸線がロータチャンバ１４の短径位置Ｅよりも図４
において反時計方向側に僅かずれており、また第１ベー
ンピストンユニットＵ１が前記短径位置Ｅに在って、そ
の大径シリンダ孔ｆには高温高圧蒸気は供給されておら
ず、したがってピストン４１およびベーン４２は後退位
置に在るとする。

【００３２】この状態からロータ３１を僅かに、図４反
時計方向に回転させると、第１シールブロック９２の供
給口９０と通孔ｃとが連通して導入管８０からの高温高
圧蒸気が小径孔ｂを通じて大径シリンダ孔ｆに導入され
る。これによりピストン４１が前進し、その前進運動は
ベーン４２がロータチャンバ１４の長径位置Ｆ側へ摺動
することによって、ベーン４２を介して該ベーン４２と
一体のローラ５９と環状溝６０との係合によりロータ３
１の回転運動に変換される。通孔ｃが供給口９０からず
れると、高温高圧蒸気は大径シリンダ孔ｆ内で膨脹して
ピストン４１をなおも前進させ、これによりロータ３１
の回転が続行される。この高温高圧蒸気の膨脹は第１ベ
ーンピストンユニットＵ１がロータチャンバ１４の長径
位置Ｆに至ると終了する。その後は、ロータ３１の回転
に伴い大径シリンダ孔ｆ内の第１の降温降圧蒸気は、ベ
ーン４２によりピストン４１が後退させられることによ
って、小径孔ｂ、通孔ｃ、第１凹状排出部１０２、第１
排出孔１０４、通路ｓ（図３参照）および各通孔ｔを経
て中継チャンバ２０に排出され、次いで図２および図５
に示すように、第１導入孔群１０７を通じてロータチャ
ンバ１４内に導入され、相隣る両ベーン４２間でさらに
膨脹してロータ３１を回転させ、その後第２の降温降圧
蒸気が第１導出孔群１１０より外部に排出される。

【００３３】このように、高温高圧蒸気の膨脹によりピ
ストン４１を作動させてベーン４２を介しロータ３１を
回転させ、また高温高圧蒸気の圧力降下による降温降圧
蒸気の膨脹によりベーン４２を介しロータ３１を回転さ
せることによって出力軸２３より出力が得られる。

【００３４】尚、実施例以外にも、ピストン４１の前進
運動をロータ３１の回転運動に変換する構成として、ベ
ーン４２を介さず、ピストン４１の前進運動を直接ロー
ラ５９で受け、環状溝６０との係合で回転運動に変換す
ることもできる。またベーン４２もローラ５９と環状溝
６０との協働により、前述の如くロータチャンバ１４の
内周面４５および対向内端面４７から略一定間隔で常時
離間していればよく、ピストン４１とローラ５９、およ
びベーン４２とローラ５９との各々が格別に環状溝６０
と協働しても良い。

【００３５】前記各種構成要素を用いて、図５から明ら
かなように、リーク損失が小さく高圧下での効率が高い
ベーン式膨脹器を構成することが可能である。即ち、そ
のベーン式膨脹器は、ロータチャンバ１４を有するケー
シング７と、そのロータチャンバ１４内に収容されたロ
ータ３１と、ロータ３１に、その回転軸線Ｌ回りに放射
状に配置されて放射方向に往復動自在である複数のベー
ン４２とを備え、ロータ３１の回転軸線Ｌを含む仮想平
面Ａにおけるロータチャンバ１４の断面Ｂは、直径ｇを
相互に対向させた一対の半円形断面部Ｂ１と、両直径ｇ
の一方の対向端相互および他方の対向端相互をそれぞれ
結んで形成される四角形断面部Ｂ２とよりなり、各ベー
ン４２はベーン本体４３と、そのベーン本体４３に装着
されてロータチャンバ１４にばね力、遠心力および蒸気
圧を以て押圧されるシール部材４４とよりなり、そのシ
ール部材４４は、ロータチャンバ１４の半円形断面部Ｂ
１による内周面４５を摺動する半円弧状部５５と、四角
形断面部Ｂ２による対向内端面４７をそれぞれ摺動する
一対の平行部５６とを有する。この場合、各ベーン本体
４３は、シール部材４４の両平行部５６に対応する一対
の平行部４８を有し、各ベーン本体４３の先端面をロー
タチャンバ１４の内周面４５から常時離間すべく、両平
行部４８に設けられたローラ５９を、ケーシング７の対
向内端面４７に形成された両環状溝６０にそれぞれ転動
自在に係合させる。

【００３６】従って、ベーン本体４３とロータチャンバ
１４の内周面との間のシール作用は、シール部材４４自
体のばね力と、シール部材４４自体に作用する遠心力
と、高圧側のロータチャンバ１４からベーン本体４３の
Ｕ字溝５２に浸入した蒸気がシール部材４４を押し上げ
る蒸気圧とにより発生する。このように、前記シール作
用は、ロータ３１の回転数に応じてベーン本体４３に作
用する過度の遠心力の影響を受けないので、シール面圧
はベーン本体４３に加わる遠心力に依存せず、常に良好
なシール性と低フリクション性とを両立させることがで
きる。

【００３７】而して、本実施例では内燃機関１の排気ガ
スの熱エネルギーで水を加熱して高温高圧蒸気を発生す
る蒸発器３と、蒸発器３から供給された高温高圧蒸気を
一定トルクの軸出力に変換する膨張器４と、膨張器４が
排出した降温降圧蒸気を液化する凝縮器５と、凝縮器５
で液化された水を蒸発器３に供給する供給ポンプ６とか
ら構成されるランキンサイクルにおいて、その膨張器４
として容積型のものを採用している。この容積型の膨張
器４は、タービンのような非容積型の膨張器に比べて、
低速から高速までの広い回転数領域において高い効率で
エネルギー回収を行うことが可能であるばかりか、内燃
機関１の回転数の増減に伴う排気ガスの熱エネルギーの
変化（排気ガスの温度変化や流量変化）に対する追従性
や応答性にも優れている。しかも膨張器４を、シリンダ
部材３９およびピストン４１から構成される第１エネル
ギー変換手段と、ベーン４２から構成される第２エネル
ギー変換手段とを直列に接続して半径方向内外に配置し
た二重膨張型としたので、膨張器４を小型軽量化してス
ペース効率の向上を図りながらランキンサイクルによる
熱エネルギーの回収効率を更に向上させることができ
る。

【００３８】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、膨脹器に
おいて、前記のように高圧側の仕事をピストンに担当さ
せるようにしたので、リーク損失を抑制して効率を高め
ることができ、一方、低圧側の仕事をベーンに担当させ
るようにしたので、大流量の処理を能率良く行うことが
できる。これにより内燃機関の廃熱から高い出力を取出
すことが可能である。

【００３９】また請求項２記載の発明によれば、前記効
果に加え、膨脹器において、ロータチャンバおよびベー
ン間のシール性を大いに高めることができる。

【００４０】さらに請求項３記載の発明によれば、前記
効果に加え、膨脹器において、ロータチャンバに対する
ベーンの摺動に伴うフリクションロスを軽減することが
できる。また従来のものは、遠心力により各ベーンをロ
ータチャンバ内周面に押付けてシールを行う、つまりシ
ール面圧がロータ回転数に依存するが、請求項３記載の
発明においては、各ベーンの遠心力を各ローラによって
受けるためシール面圧はロータ回転数に依存せず、その
結果、常に良好なシール性と低フリクションとを両立さ
せることができる。

【００４１】さらにまた請求項４記載の発明によれば、
ベーン式膨脹器において、ロータチャンバおよびベーン
間のシール性を十分に高めて、高圧下での効率を大いに
向上させることができる。

【００４２】また請求項５記載の発明によれば、前記効
果に加え、ベーン式膨脹器において、ロータチャンバに
対するベーンの摺動に伴うフリクションロスを軽減する
ことができる。また従来のものは、遠心力により各ベー
ンをロータチャンバ内周面に押付けてシールを行う、つ
まりシール面圧がロータ回転数に依存するが、請求項５
記載の発明においては、各ベーンの遠心力を各ローラに
よって受けるためシール面圧はロータ回転数に依存せ
ず、その結果、常に良好なシール性と低フリクションと
を両立させることができる。

【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である。

【図２】膨脹器の縦断面図で、図５の２−２線断面に相
当する。

【図３】図２の回転軸線周りの拡大断面図である。

【図４】図２の４−４線断面図である。

【図５】要部を拡大した図２の５−５線断面図である。

【図６】ロータチャンバおよびロータの断面形状を示す
説明図である。

【図７】ベーン本体の正面図である。

【図８】ベーン本体の側面図である。

【図９】図７の９−９線断面図である。

【図１０】シール部材の正面図である。

【図１１】図４の回転軸線周りの拡大図である。

【符号の説明】

１………内燃機関３………蒸発器４………膨脹器５………凝縮器７………ケーシング１４……ロータチャンバ３１……ロータ４１……ピストン４２……ベーン４３……ベーン本体４４……シール部材４５……内周面４７……対向内端面４８……平行部５５……半円弧状部５６……平行部６０……環状溝Ａ………仮想平面Ｂ………断面Ｂ₁……半円形断面部Ｂ₂……四角形断面部Ｌ………ロータ３１の回転軸線、出力軸２３の軸線ｇ………直径

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｆ２２Ｂ 1/18 Ｆ２２Ｂ 1/18 Ｒ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内燃機関（１）の廃熱を熱源として高圧
蒸気を発生する蒸発器（３）と、前記高圧蒸気の膨脹に
よって出力を発生する膨脹器（４）と、その膨脹器
（４）から排出された低圧蒸気を液化する凝縮器（５）
とを有する内燃機関の廃熱回収装置において、前記膨脹
器（４）は、ロータチャンバ（１４）を有するケーシン
グ（７）と、そのロータチャンバ（１４）内に収容され
たロータ（３１）と、前記ロータ（３１）に、その回転
軸線（Ｌ）回りに放射状に配置されて放射方向に往復動
自在である複数のベーンピストンユニット（Ｕ１〜Ｕ１
２）とを備え、各ベーンピストンユニット（Ｕ１〜Ｕ１
２）は、前記ロータチャンバ（１４）内を摺動するベー
ン（４２）と、そのベーン（４２）の非摺動側に当接す
るピストン（４１）とよりなり、前記高圧蒸気の膨脹に
より前記ピストン（４１）を作動させて前記前記ベーン
（４２）を介し前記ロータ（３１）を回転させると共に
前記高圧ガスの圧力降下による低圧ガスの膨脹により前
記ベーン（４２）を介し前記ロータ（３１）を回転させ
るようにしたことを特徴とする内燃機関の廃熱回収装
置。
【請求項２】前記ロータ（３１）の回転軸線（Ｌ）を
含む仮想平面（Ａ）における前記ロータチャンバ（１
４）の断面（Ｂ）は、直径（ｇ）を相互に対向させた一
対の半円形断面部（Ｂ１）と、両直径（ｇ）の一方の対
向端相互および他方の対向端相互をそれぞれ結んで形成
される四角形断面部（Ｂ２）とよりなり、各ベーン（４
２）はベーン本体（４３）と、そのベーン本体（４３）
に装着されて前記ロータチャンバ（１４）にばね力を以
て押圧されるシール部材（４４）とよりなり、そのシー
ル部材（４４）は、前記ロータチャンバ（１４）の前記
半円形断面部（Ｂ１）による内周面（４５）を摺動する
半円弧状部（５５）と、前記四角形断面部（Ｂ２）によ
る対向内端面（４７）をそれぞれ摺動する一対の平行部
（５６）とを有する、請求項１記載の内燃機関の廃熱回
収装置。
【請求項３】各ベーン本体（４３）は、前記シール部
材（４４）の両平行部（５６）に対応する一対の平行部
（４８）を有し、各ベーン本体（４３）の先端面を前記
ロータチャンバ（１４）の前記内周面（４５）から常時
離間すべく、両平行部（４８）に設けられたローラ（５
９）を、前記ケーシング（７）の前記対向内端面（４
７）に形成された両環状溝（６０）にそれぞれ転動自在
に係合させた、請求項２記載の内燃機関の廃熱回収装
置。
【請求項４】内燃機関（１）の廃熱を熱源として高圧
蒸気を発生する蒸発器（３）と、前記高圧蒸気の膨脹に
よって出力を発生する膨脹器（４）と、その膨脹器
（４）から排出された低圧蒸気を液化する凝縮器（５）
とを有する内燃機関の廃熱回収装置において、前記膨脹
器（４）は、ロータチャンバ（１４）を有するケーシン
グ（７）と、そのロータチャンバ（１４）内に収容され
たロータ（３１）と、前記ロータ（３１）に、その回転
軸線（Ｌ）回りに放射状に配置されて放射方向に往復動
自在である複数のベーン（４２）とを備え、前記ロータ
（３１）の回転軸線（Ｌ）を含む仮想平面（Ａ）におけ
る前記ロータチャンバ（１４）の断面（Ｂ）は、直径
（ｇ）を相互に対向させた一対の半円形断面部（Ｂ１）
と、両直径（ｇ）の一方の対向端相互および他方の対向
端相互をそれぞれ結んで形成される四角形断面部（Ｂ
２）とよりなり、各ベーン（４２）はベーン本体（４
３）と、そのベーン本体（４３）に装着されて前記ロー
タチャンバ（１４）にばね力を以て押圧されるシール部
材（４４）とよりなり、そのシール部材（４４）は、前
記ロータチャンバ（１４）の前記半円形断面部（Ｂ１）
による内周面（４５）を摺動する半円弧状部（５５）
と、前記四角形断面部（Ｂ２）による対向内端面（４
７）をそれぞれ摺動する一対の平行部（５６）とを有す
ることを特徴とする内燃機関の廃熱回収装置。
【請求項５】各ベーン本体（４３）は、前記シール部
材（４４）の両平行部（５６）に対応する一対の平行部
（４８）を有し、各ベーン本体（４３）の先端面を前記
ロータチャンバ（１４）の前記内周面（４５）から常時
離間すべく、両平行部（４８）に設けられたローラ（５
９）を、前記ケーシング（７）の前記対向内端面（４
７）に形成された両環状溝（６０）にそれぞれ転動自在
に係合させた、請求項４記載の内燃機関の廃熱回収装
置。