JP2001336492A - 回転式流体機械 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ベーン型の回転型流体機械のベーンを効率的
に潤滑して焼き付きや摩耗の発生を防止する。 【解決手段】 ロータ３１に放射状に配置されて放射方
向に移動する板状のベーン４２は、その両側面を一対の
サイドプレート４０に挟まれて支持される。サイドプレ
ート４０のベーン摺動面１２１には、ロータ３１の中心
部から加圧液相流体通路Ｗ１４，Ｗ１５およびオリフィ
ス形成部材１２４を介して高圧の加圧液相流体が供給さ
れ、サイドプレート４０のベーン摺動面１２１とベーン
４２との間に加圧液相流体の液膜を形成して該ベーン４
２を浮動状態で支持する。ベーン４２を介してロータ３
１を駆動する作動媒体である蒸気と同じ水でベーン４２
を静圧支持するので、作動媒体に潤滑油が混入すること
により発生する悪影響を回避することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高圧の気相作動媒
体の持つ圧力エネルギーを機械エネルギーに変換して出
力軸から取り出す回転式流体機械に関する。

【０００２】

【従来の技術】特開昭５８−４８７０６号公報には、蒸
発器で液相作動媒体を加熱して発生した高圧の気相作動
媒体を膨張機で膨張させて機械エネルギーを取り出し、
その結果発生した低圧の気相作動媒体を凝縮器で冷却し
て液相作動媒体に戻し、その液相作動媒体をポンプで蒸
発器に再度供給するランキンサイクル装置が記載されて
いる。上記従来のものは、その膨張機を構成する回転型
流体機械としてベーン型の膨張機を用いている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、ベーン型の
膨張機では、ロータに放射状に設けたスロット状空間に
往復動自在に支持したベーンを、ロータチャンバに供給
された気相作動媒体で円周方向に押圧してロータを回転
駆動するため、スロット状空間とベーンとの摺動部にコ
ジリが発生して焼き付きや摩耗が発生するのを防止すべ
く、特別な潤滑手段が必要となる。

【０００４】本発明は前述の事情に鑑みてなされたもの
で、ベーン型の回転型流体機械のベーンを浮動状態に支
持してロータとの固体接触を防止することにより、潤滑
効果を発揮させて焼き付きや摩耗の発生を防止すること
を目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に記載された発明によれば、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
射状に形成したスロット状空間に往復動自在に支持され
た複数のベーンとを備え、ロータチャンバ内に供給され
た高圧の気相作動媒体の膨張によりベーンを介しロータ
を回転させる回転式流体機械において、ロータおよびベ
ーン間に静圧軸受けを構成し、この静圧軸受けでベーン
を浮動状態で支持することを特徴とする回転式流体機械
が提案される。

【０００６】上記構成によれば、ロータおよびベーン間
に構成した静圧軸受けでベーンを浮動状態で支持するの
で、ロータに対するベーンの固体接触を回避して潤滑効
果を発揮させ、摺動部における焼き付きや摩耗の発生を
防止することができる。

【０００７】また請求項２に記載された発明によれば、
請求項１の構成に加えて、前記静圧軸受けは、ロータ側
からベーンの表面に加圧液相流体を噴出して該記ベーン
を浮動状態で支持することを特徴とする回転式流体機械
が提案される。

【０００８】上記構成によれば、ロータ側からベーンの
表面に加圧液相流体を噴出して浮動状態で支持するの
で、ベーンと静圧軸受けとの間に加圧液相流体の液膜を
形成して確実に潤滑することができる。

【０００９】また請求項３に記載された発明によれば、
請求項１または請求項２の構成に加えて、ベーンの表面
に加圧液相流体を保持するリセスを形成したことを特徴
とする回転式流体機械が提案される。

【００１０】上記構成によれば、ベーンの表面に加圧液
相流体を保持するリセスを形成して圧力溜まりとして機
能させることにより、ベーンと静圧軸受けとの間に加圧
液相流体の液膜を保持してベーンがロータに固体接触す
るのを確実に防止することができる。

【００１１】また請求項４に記載された発明によれば、
請求項２または請求項３の構成に加えて、前記加圧液相
流体が前記気相作動媒体と同じ流体であることを特徴と
する回転式流体機械が提案される。

【００１２】上記構成によれば、ベーンを静圧支持する
加圧液相流体がロータを駆動する気相作動媒体と同じ流
体であるので、特別の潤滑油を必要とすることなく回転
式流体機械の各潤滑部を潤滑して焼き付きや摩耗の発生
を防止することができるだけでなく、作動媒体に潤滑油
が混入することにより発生する悪影響を回避することが
できる。

【００１３】尚、実施例の蒸気および水は、それぞれ本
発明の高圧の気相作動媒体および加圧液相流体に対応す
る。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、添
付図面に示した本発明の実施例に基づいて説明する。

【００１５】図１〜図１９は本発明の一実施例を示すも
ので、図１は内燃機関の廃熱回収装置の概略図、図２は
図６の２−２線断面図に相当する膨張機の縦断面図、図
３は図５の３−３線断面図に相当する膨張機の縦断面
図、図４は図２の回転軸線周りの拡大断面図、図５は図
２の５−５線断面図、図６は図２の６−６線矢視図、図
７はロータチャンバおよびロータの断面形状を示す説明
図、図８は図６の８−８線矢視図、図９は図８の９方向
矢視図、図１０は図８の１０−１０線断面図、図１１は
図５の要部拡大図、図１２は図６の１２−１２線矢視
図、図１３は図１２の１３方向矢視図、図１４は図１３
の１４−１４線断面図、図１５は図１４の１５−１５線
断面図、図１６は図１１の１６−１６線断面図、図１７
は図５の回転軸線周りの拡大図、図１８はロータの位相
に対するスロット状空間の圧力ＰＦおよびロータチャン
バの圧力ＰＱの関係を示すグラフ、図１９はロータの位
相に対するベーンに加わる荷重の関係を示すグラフであ
る。

【００１６】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、高圧状態の作動媒体、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張によって出力を発生
する膨張機４と、その膨張機４から排出される、前記膨
張後の、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からの水を蒸発
器３および後述する静圧軸受けに加圧供給する供給ポン
プ６とを有する。

【００１７】膨張機４は特殊な構造を有するもので、次
のように構成される。

【００１８】図２〜図６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１２，１７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１１，
１６間には中継チャンバ２０が形成される。

【００１９】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が静圧軸受け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。

【００２０】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。

【００２１】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。

【００２２】図１１および図１６に最も良く示されるよ
うに、各スロット状空間３４（図４参照）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字形のスロット状間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の半径方
向内側に形成された小径部ａ端面は出力軸２３の大径部
２４外周面に当接し、前記小径部ａの内部を半径方向に
貫通する小径孔ｂが大径部２４外周面に開口する通孔ｃ
に連通する（図４参照）。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面対称に形
成された一対のサイドプレート４０が配置される。相互
に対向する一対のサイドプレート４０はシリンダ部材３
９の半径方向外側に配置され、一対のサイドプレート４
０の軸線はシリンダ部材３９の軸線に一致している。そ
してセラミック製のピストン４１がシリンダ部材３９お
よび相互に対向する一対のサイドプレート４０によって
半径方向移動可能に案内されると共に、第１〜第１２ベ
ーンピストンユニットＵ１〜Ｕ１２が、対向する一対の
サイドプレート４０間に形成された前記スロット状空間
３４に半径方向移動可能に案内される。

【００２３】図２および図７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７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７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。

【００２４】図２および図８〜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（図２参照）とより構成される。

【００２５】ベーン本体４３は一定の厚さを有する板状
部材であり、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。一方の対向内端面４７から半円弧状部
４６を経て他方の対向内端面４７に延び、ベーン本体４
３の外方に向かって開放するＵ字溝５２に、例えばＰＴ
ＦＥより構成された前記シール部材４４が嵌合して保持
される。各平行部４８の端部側に在って左右外方へ突出
する一対の短軸５１が設けられており、これら短軸５１
にそれぞれボールベアリング構造のローラ５９が取付け
られる。ベーン本体４３の表裏には、各短軸５１に隣接
するように、静圧軸受けに供給する加圧液相流体（実施
例では加圧された水）を保持する所定の面積を有する四
角形（実施例では四角形であるが形状は任意）の浅いリ
セス４９が合計４個形成される。

【００２６】図８における軸線Ｌ１は、シリンダ部材３
９およびピストン４１の軸線であって、その軸線Ｌ１上
にピストン４１の半径方向外端が当接する一対の板状の
突条５３が設けられる。一対の板状の突条５３の間から
軸線Ｌ１に沿ってベーン本体４３の内部に延びる盲状の
加圧液相流体通路Ｗ１が形成されており、その先端から
直角に折れ曲がった加圧液相流体通路Ｗ２がベーン本体
４３の一側面に開口する。

【００２７】次に、図１１〜図１６を参照してサイドプ
レート４０の構造を説明する。

【００２８】サイドプレート４０はベーン本体４３に類
似したＵ字状の外形を持ち、ベーン本体４３が摺接する
ベーン摺動面１２１を有する内側部材１２２と、この内
側部材１２２に積層されてロータ３１に保持される外側
部材１２３と、ロータ３１の半径方向外側において両部
材１２２，１２３間に支持されて外側部材１２３の外面
に突出するオリフィス形成部材１２４とを備える。また
ロータ３１の半径方向内側に対応するサイドプレート４
０は、ベーン摺動面１２１に対してテーパーした傾斜面
１２５を持ち、この傾斜面１２５によりロータ３１の半
径方向内側の狭い空間への装着を容易にしている。サイ
ドプレート４０の内側部材１２２はベーン摺動面１２１
に連なる部分円筒状のピストンガイド部１２６を備えて
おり、シリンダ部材３９から半径方向外側に移動したピ
ストン４１は、一対のサイドプレート４０のピストンガ
イド部１２６内に非接触で収納される（図１１および図
１６参照）。

【００２９】内側部材１２２の外側部材１２３への合わ
せ面には、前記オリフィス形成部材１２４から放射状に
延びる合計８本の加圧液相流体通路Ｗ３，Ｗ４が刻設さ
れており、その内の６本の加圧液相流体通路Ｗ３の先端
は内側部材１２２のベーン摺動面１２１に加圧液相流体
吐出孔１２７として開口し、残りの２本の加圧液相流体
通路Ｗ４は内側部材１２２の外側面に加圧液相流体吐出
孔１２８として開口する（図１２参照）。尚、オリフィ
ス形成部材１２４は前記８本の加圧液相流体通路Ｗ３，
Ｗ４に対してオリフィス機能を発揮するようになってい
る。

【００３０】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の両側面は相対向する一対のサイドプレート４
０のベーン摺動面１２１に挟まれて半径方向に摺動す
る。このとき、ベーン４２の一対の突条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。ベーン
４２に設けた両ローラ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。

【００３１】このローラ５９と環状溝６０との協働で、
図６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、ベーン本体４３
に装着したシール部材４４はロータチャンバ１４の内周
面に密着してシール作用を行う。このとき、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。

【００３２】ところで、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、弾性材よりなる
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。

【００３３】図２および図４において、出力軸２３の大
径部２４は第２半体９の静圧軸受け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
の静圧軸受け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。

【００３４】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を介して複数本のボル
ト５０で取付けられる。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７６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７８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１５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８
０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。

【００３５】図２〜図４および図１１に示すように、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
張後の第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、固定軸６５の大径中実部６６に次のよう
に設けられている。

【００３６】図１７には膨張機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
製の第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，
９５の先端側外周面に嵌合した第１、第２シール筒９
６，９７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９
２，９３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。

【００３７】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。

【００３８】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。

【００３９】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。

【００４０】図２および図６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から第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間での膨張によ
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。

【００４１】図５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。

【００４２】例えば、図１７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５
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。

【００４３】この状態からロータ３１を僅かに、図５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内で膨張して
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張は第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４参照）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６
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
膨張してロータ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。

【００４４】このように、高温高圧蒸気の膨張によりピ
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
蒸気の膨張によりベーン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。

【００４５】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。

【００４６】前記膨張機４を圧縮機として使用する場合
には、出力軸２３によりロータ３１を図５時計方向に回
転させて、ベーン４２により、流体としての外気を第
１、第２導出孔群１１０，１１１からロータチャンバ１
４内に吸込み、このようにして得られた低圧縮空気を第
１、第２導入孔群１０７，１０８から中継チャンバ２
０、各通孔ｔ、通路ｓ、第１、第２排出孔１０４，１０
５、第１、第２凹状排出部１０２，１０３、通孔ｃを経
て大径シリンダ孔ｆに供給し、またベーン４２によりピ
ストン４１を作動させて低圧空気を高圧空気に変換し、
その高圧空気を通孔ｃ、供給口９０，９１、および第
１、第２供給管９４，９５を経て導入管８０に導入する
ものである。

【００４７】次に、前記膨張機４の各摺動部の加圧液相
流体を媒体とする静圧軸受けによる潤滑について説明す
る。

【００４８】図４に示すように第２半体９の中空軸受筒
２２に形成された加圧液相流体供給孔１２９に加圧液相
流体供給管１３０が接続される。尚、加圧液相流体供給
管１３０への加圧液相流体の供給は、凝縮器５からの水
を蒸発器３に加圧供給する供給ポンプ６（図１参照）か
ら行なわれるもので、この供給ポンプ６を膨張機４の各
部の静圧軸受けへの加圧液相流体の供給に利用すること
により、特別の加圧液相流体供給用ポンプが不要になっ
て部品点数が削減される。

【００４９】加圧液相流体供給孔１２９から供給された
高圧の加圧液相流体は、第２半体９側の静圧軸受け２５
に形成した加圧液相流体通路Ｗ５を通り、静圧軸受け２
５の内周面と出力軸２３の大径部２４の外周面との摺動
部に達し、そこに形成された液膜によって出力軸２３の
外周面を浮動状態で支持することにより、出力軸２３と
静圧軸受け２５との固体接触を防止して焼き付きや摩耗
が発生しないように潤滑する。加圧液相流体供給孔１２
９は出力軸２３の大径部２４に軸方向に穿設した複数の
加圧液相流体通路Ｗ６を介して、出力軸２３の大径部２
４の外周に形成した環状の加圧液相流体通路Ｗ７と、出
力軸２３の大径部２４の内周に形成した複数の加圧液相
流体通路Ｗ８と連通する。加圧液相流体通路Ｗ８を通過
した加圧液相流体は、固定軸６５の大径中実部６６の外
周面と中空軸６４の内周面との摺動部、並びに固定軸６
５の小径中実部６９の外周面と出力軸２３の孔部６７の
内周面との摺動部を潤滑する。

【００５０】環状の加圧液相流体通路Ｗ７は、中空軸６
４の外周に形成した複数の加圧液相流体通路Ｗ９（図１
７参照）を介して、ロータ３１を挟んで前記環状の加圧
液相流体通路Ｗ７の反対側に対称に形成された環状の加
圧液相流体通路Ｗ１０に連通する。この環状の加圧液相
流体通路Ｗ１０からの加圧液相流体は、出力軸２３の大
径部２４と中空軸６４との間に形成された加圧液相流体
通路Ｗ１１に供給され、第１半体８側の静圧軸受け２５
に形成した加圧液相流体通路Ｗ１２を通り、静圧軸受け
２５の内周面と出力軸２３の大径部２４の外周面との摺
動部に達し、そこに形成された液膜によって出力軸２３
の外周面を浮動状態で支持することにより、出力軸２３
と静圧軸受け２５との固体接触を防止して焼き付きや摩
耗が発生しないように潤滑する。また加圧液相流体通路
Ｗ１１を出た加圧液相流体は、固定軸６５の外周面と中
空軸６４の内周面との摺動部を潤滑し、更に固定軸６５
の左端外周面と第１半体８の中空軸受筒２１の左端内周
面との摺動部を潤滑する。

【００５１】尚、左右の静圧軸受け２５と出力軸２３と
の摺動部の潤滑を終えた加圧液相流体は、ロータ３１と
第１、第２半体８，９との間に形成された左右の加圧液
相流体通路Ｗ１３を通り、第１、第２導出口群１１０，
１１１（図６参照）からケーシング７の外部に排出され
る。

【００５２】固定軸６５の大径中実部６６の外周面と中
空軸６４の内周面との摺動部を潤滑した加圧液相流体
は、固定軸６５の内部に収納した第１、第２シールブロ
ック９２，９３の外周を囲むように該固定軸６５の外周
面にそれぞれ形成されたシール溝５５，５６（図４およ
び図１７参照）に捕捉される。この加圧液相流体の圧力
は、シリンダ部材３９から排出された蒸気よりも高圧で
あるため、前記蒸気の漏れをシール溝５５，５６内の加
圧液相流体でシールすることができる。シール溝５５，
５６は固定軸６５の第１，第２凹状排出部１０２，１０
３（図１７参照）に連通しているため、前記加圧液相流
体は第１，第２凹状排出部１０２，１０３から第１、第
２排出孔１０４，１０５を経て中継チャンバ２０に供給
され、そこから第１、第２導入口群１０７，１０８、ロ
ータチャンバ１４および第１、第２導出口群１１０，１
１１を経てケーシング７の外部に排出される。

【００５３】前記加圧液相流体通路Ｗ１３を通る加圧液
相流体の一部はベーン本体４３が摺動するスロット状空
間３４に流入し、そこからベーン本体４３の一対の突状
５３間に開口する加圧液相流体通路Ｗ１，Ｗ２に流入す
る。ベーン本体４３の半径方向外端に開口する加圧液相
流体通路Ｗ２は、ベーン本体４３がロータ３１から最も
突出する所定角度範囲でロータチャンバ１４に開口する
（図１１参照）。図１８に示すように、スロット状空間
３４の圧力は一定値ＰＦであり、この圧力ＰＦは第１半
体８に設けられて中継チャンバ２０に連通するオリフィ
ス５４（図２参照）の開度により任意に設定可能であ
る。一方、ロータチャンバ１４内の圧力ＰＱはロータ３
１の回転に伴って変化するため、スロット状空間３４の
圧力ＰＦがロータチャンバ１４内の圧力ＰＱを上回る範
囲（ＰＦ＞ＰＱ）でベーン本体４３の加圧液相流体通路
Ｗ２がロータチャンバ１４に開口するように設定すれ
ば、スロット状空間３４に溜まった加圧液相流体をベー
ン本体４３の加圧液相流体通路Ｗ１，Ｗ２を通してロー
タチャンバ１４に排出することができる。

【００５４】図３および図１１から明らかなように、出
力軸２３の外周に形成した環状の加圧液相流体通路Ｗ７
から、ロータ２１の内部を１２本の加圧液相流体通路Ｗ
１４が放射状に延びており、その外端は二股に分岐した
加圧液相流体通路Ｗ１５となって各サイドプレート４０
のオリフィス形成部材１２４に接続される。従って、加
圧液相流体供給管１３０（図４参照）から供給された加
圧液相流体は、ロータ２１に設けた加圧液相流体通路Ｗ
１４および加圧液相流体通路Ｗ１５を遠心力で更に加圧
されながら半径方向外側に移動してサイドプレート４０
のオリフィス形成部材１２４に供給され、そこからサイ
ドプレート４０の加圧液相流体通路Ｗ３を経てベーン摺
動面１２１に開口する加圧液相流体吐出孔１２７から噴
出し、ベーン４２のベーン摺動面１２１との間に静圧軸
受けを構成して該ベーン４２を浮動状態で支持し、サイ
ドプレート４０とベーン４２との固体接触を防止して焼
き付きおよび摩耗の発生を防止する。このように、ベー
ン４２のベーン摺動面１２１を潤滑する加圧液相流体を
ロータ３１の内部に設けた加圧液相流体通路Ｗ１４，Ｗ
１５およびサイドプレート４０の内部に設けた加圧液相
流体通路Ｗ３を介して供給することにより、加圧液相流
体を遠心力で加圧することができるだけでなく、ロータ
３２周辺の温度を安定させて熱膨張による影響を少なく
し、設定したクリアランスを維持して蒸気のリークを最
小限に抑えることができる。

【００５５】図１９に示すように、各々のベーン４２に
加わる円周方向の荷重（板状のベーン本体４３に対して
直交する方向の荷重）には、ロータチャンバ１４内のベ
ーン本体４３の前後面に加わる蒸気圧の差圧による荷重
と、ベーン本体４３に設けたローラ５９が環状溝６０か
ら受ける反力の前記円周方向の成分との合力になるが、
それらの荷重はロータ３１の位相に応じて周期的に変化
する。従って、この偏荷重を受けたベーン４２は、それ
を挟持する一対のサイドプレート４０の間で傾くような
挙動を周期的に示すことになる。

【００５６】このようにして前記偏荷重でベーン本体４
３が傾くと、各々のサイドプレート４０に開口する６個
の加圧液相流体吐出孔１２７とベーン本体４３との隙間
が変化するため、隙間が広がった部分の液膜が流失して
しまい、かつ隙間が狭まった部分に加圧液相流体が供給
され難くなるために摺動部に圧力が立たなくなり、ベー
ン本体４３がサイドプレート４０のベーン摺動面１２１
に直接接触して摩耗が発生する可能性がある。しかしな
がら、本実施例によれば、サイドプレート４０に設けた
オリフィス形成部材１２４により６個の加圧液相流体吐
出孔１２７に連なる６本の加圧液相流体通路Ｗ３のそれ
ぞれに連通するオリフィス１１２が形成されるため、上
記不具合が解消される。

【００５７】即ち、加圧液相流体吐出孔１２７とベーン
本体４３との隙間が広がった場合、加圧液相流体の供給
圧力が一定であるので、定常状態でオリフィス１１２の
前後に発生する一定の差圧に対し、前記隙間からの流出
量の増大により加圧液相流体の流量が増大することによ
り、オリフィス効果でオリフィス１１２の前後の差圧が
増大して前記隙間の圧力が減少することとなり、その結
果、広がった隙間を狭めて元に戻す力が発生する。また
加圧液相流体吐出孔１２７とベーン本体４３との隙間が
狭まった場合、前記隙間からの流出量が減少してオリフ
ィス１１２の前後の差圧が減少するため、その結果、前
記隙間の圧力が増大して狭まった隙間を広げて元に戻す
力が発生する。

【００５８】このように、ベーン４２に加わる荷重で加
圧液相流体吐出孔１２７とベーン本体４３との隙間が変
化しても、その隙間の大きさの変化に応じて該隙間に供
給される加圧液相流体の圧力をオリフィス１１２が自動
的に調整するので、ベーン本体４３およびサイドプレー
ト４０間のクリアランスを所望の大きさに安定して維持
することができる。これにより、ベーン本体４３および
サイドプレート４０間に常時液膜を保持してベーン本体
４３を浮動状態で支持し、ベーン本体４３がサイドプレ
ート４０のベーン摺動面１２１に固体接触して摩耗が発
生するのを確実に回避することができる。

【００５９】またベーン本体４３の両面に各２個ずつ形
成されたリセス４９に加圧液相流体が保持されるため、
このリセス４９が圧力溜まりとなって加圧液相流体のリ
ークによる圧力低下を抑制する。その結果、一対のサイ
ドプレート４０のベーン摺動面１２１に挟まれたベーン
本体４３が加圧液相流体によって浮動状態になり、摺動
抵抗を皆無に近い状態まで低減することが可能になる。
またベーン４２が往復運動するとロータ２１に対するベ
ーン４２の半径方向の相対位置が変化するが、前記リセ
ス４９はサイドプレート４０側でなくベーン本体４３側
に設けられており、かつベーン本体４３に最も荷重の掛
かるローラ５９の近傍に設けられているため、往復運動
するベーン４２を常に浮動状態に保持して摺動抵抗を効
果的に低減することが可能となる。

【００６０】尚、サイドプレート４０に対するベーン４
２の摺動面を潤滑した加圧液相流体は遠心力で半径方向
外側に移動し、ベーン本体３２の端部外周面に設けたシ
ール部材４４とロータチャンバ１４の内周面との摺動部
を潤滑する。そして潤滑を終えた加圧液相流体は、ロー
タチャンバ１４から第１、第２導出口群１１０，１１１
（図６参照）を介して排出される。

【００６１】図３から明らかなように、ケーシング７の
第１、第２半体８，９の内周面には軸線Ｌを中心とする
環状溝１３１，１３２が刻設されており、これら環状溝
１３１，１３２の内部に一対のシール部材１３３を備え
た環状のリングシール１３４，１３５が嵌合する。ベー
ン本体４３の一対の平行部４８に対向するリングシール
１３４，１３５の内側端には、ベーン本体４３に設けた
加圧液相流体通路Ｗ４の加圧液相流体吐出孔１２８が対
向するように開口する。一方、第２半体９に設けた加圧
液相流体供給口１３７は、加圧液相流体通路Ｗ１６，Ｗ
１７，Ｗ１８を介して環状溝１３１，１３２の外端の圧
力室１３６に連通する。リングシール１３４，１３５に
加圧液相流体を供給する加圧液相流体供給口１３７は、
膨張機４の各部に加圧液相流体を供給するための前記加
圧液相流体供給孔１２９（図４参照）とは独立した別系
統である。

【００６２】而して、環状溝１３１，１３２の底部に形
成した付勢手段としての圧力室１３６に供給された加圧
液相流体でリングシール１３４，１３５をロータ３１の
両端面３５に向けて押し付け、かつリングシール１３
４，１３５の内周面とベーン本体４３の平行部４８との
摺動面に、ベーン本体４３の加圧液相流体吐出孔１２８
から加圧液相流体を供給して静圧軸受けを構成すること
により、環状溝１３１，１３２の内部で浮動状態にある
リングシール１３４，１３５でロータ３１の両端面３５
をシールすることができ、その結果ロータチャンバ１４
内の蒸気がロータ３１の両端面３５からリークするのを
防止することができる。このとき、リングシール１３
４，１３５とロータ３１の両端面３５とは加圧液相流体
吐出孔１２８から供給された加圧液相流体の液膜で隔絶
されて固体接触することがなく、またロータ３１が傾い
ても、それに追従して環状溝１３１，１３２内でリング
シール１３４，１３５が傾くことにより、摩擦力を最小
限に抑えながら安定したシール性能を確保することがで
きる。

【００６３】前記リングシール１３４，１３５は非接触
シールであるために摩擦力が極めて小さいだけでなく、
接触型のシールに比べて寿命は半永久的であり、しかも
ロータ３１との間に液膜が介在するので焼き付きが発生
する虞もない。またリングシール１３４，１３５を設け
たことにより固定軸６５の周囲のスロット状空間３４は
閉じられた空間となるため、前記オリフィス５４（図２
参照）でスロット状空間３４の圧力を調整することによ
り、ロータチャンバ１４内の蒸気がロータ３１の両端面
３５からリークするにを更に減少させることができる。
リングシール１３４，１３５とロータ３１の両端面３５
との摺動部を潤滑した加圧液相流体は、遠心力でロータ
チャンバ１４に供給され、そこから第１、第２導出口群
１１０，１１１を経てケーシング７の外部に排出され
る。

【００６４】尚、リングシール１３４，１３５を加圧液
相流体でロータ３１に向けて付勢する代わりに、金属ば
ねやゴムの弾発力で付勢することも可能である。

【００６５】以上説明した本実施例では、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機４と、膨張
機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
張機４として容積型のものを採用している。この容積型
の膨張機４は、タービンのような非容積型の膨張機に比
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。しかも膨張機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、膨張機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。

【００６６】また膨張機４を作動させる作動媒体である
水を潤滑用の加圧液相流体に兼用しているので、特別の
潤滑油を必要とすることなく膨張機４の各潤滑部を静圧
軸受けにより潤滑して焼き付きや摩耗の発生を防止する
ことができる。しかも作動媒体である水に潤滑油が混入
することがないため、水と潤滑油との混合による悪影響
を回避することができる。更に、ロータ３１を回転自在
に支持する出力軸２３の支持と、スロット状空間３４に
対するベーン４２の支持と、ロータ３１の両端面３５に
対するリングシール１３４，１３５の支持とを静圧軸受
けにより行なうので、摺動部の固体接触を防止して焼き
付きおよび摩耗の発生を確実に防止することができる。

【００６７】以上、本発明の実施例を詳述したが、本発
明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行う
ことが可能である。

【００６８】例えば、実施例では膨張機４を作動させる
作動媒体である水を静圧軸受け用の加圧液相流体に兼用
しているが、静圧軸受け用の加圧液相流体として膨張機
４の作動媒体と異なるオイル等を使用することができ、
これによりベーン４２、ロータ３１、ケーシング７、出
力軸２３等の部材間の潤滑性やシール性を更に高めるこ
とができる。この場合、膨張機４の作動媒体に、この作
動媒体と異なるオイル等の静圧軸受け用の加圧液相流体
が混合する場合もあるが、作動媒体および加圧液相流体
を分離する分離装置を設ければ支障はない。尚、上述し
た実施例のように、膨張機４の作動媒体を静圧軸受け用
の加圧液相流体に兼用すれば、作動媒体および加圧液相
流体の分離装置は不要になる。

【００６９】

【発明の効果】以上のように請求項１に記載された発明
によれば、ロータおよびベーン間に構成した静圧軸受け
でベーンを浮動状態で支持するので、ロータに対するベ
ーンの固体接触を回避して潤滑効果を発揮させ、摺動部
における焼き付きや摩耗の発生を防止することができ
る。

【００７０】また請求項２に記載された発明によれば、
ロータ側からベーンの表面に加圧液相流体を噴出して浮
動状態で支持するので、ベーンと静圧軸受けとの間に加
圧液相流体の液膜を形成して確実に潤滑することができ
る。

【００７１】また請求項３に記載された発明によれば、
ベーンの表面に加圧液相流体を保持するリセスを形成し
て圧力溜まりとして機能させることにより、ベーンと静
圧軸受けとの間に加圧液相流体の液膜を保持してベーン
がロータに固体接触するのを確実に防止することができ
る。

【００７２】また請求項４に記載された発明によれば、
ベーンを静圧支持する加圧液相流体がロータを駆動する
気相作動媒体と同じ流体であるので、特別の潤滑油を必
要とすることなく回転式流体機械の各潤滑部を潤滑して
焼き付きや摩耗の発生を防止することができるだけでな
く、作動媒体に潤滑油が混入することにより発生する悪
影響を回避することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】内燃機関の廃熱回収装置の概略図

【図２】図６の２−２線断面図に相当する膨張機の縦断
面図

【図３】図５の３−３線断面図に相当する膨張機の縦断
面図

【図４】図２の回転軸線周りの拡大断面図

【図５】図２の５−５線断面図

【図６】図２の６−６線矢視図

【図７】ロータチャンバおよびロータの断面形状を示す
説明図

【図８】図６の８−８線矢視図

【図９】図８の９方向矢視図

【図１０】図８の１０−１０線断面図

【図１１】図５の要部拡大図

【図１２】図６の１２−１２線矢視図

【図１３】図１２の１３方向矢視図

【図１４】図１３の１４−１４線断面図

【図１５】図１４の１５−１５線断面図

【図１６】図１１の１６−１６線断面図

【図１７】図５の回転軸線周りの拡大図

【図１８】ロータの位相に対するスロット状空間の圧力
ＰＦおよびロータチャンバの圧力ＰＱの関係を示すグラ
フ

【図１９】ロータの位相に対するベーンに加わる荷重の
関係を示すグラフ

【符号の説明】

７ ケーシング １４ ロータチャンバ ３１ ロータ ３４ スロット状空間 ４ ２ ベーン ４９ リセス Ｌ 軸線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 堀村 弘幸 埼玉県和光市中央１丁目４番１号 株式会 社本田技術研究所内 (72)発明者 本間 健介 埼玉県和光市中央１丁目４番１号 株式会 社本田技術研究所内 (72)発明者 木村 安成 埼玉県和光市中央１丁目４番１号 株式会 社本田技術研究所内 Ｆターム(参考） 3H040 AA10 BB05 BB11 CC06 CC09 DD08 DD13 DD19 DD21 DD31 3H076 AA03 AA10 AA16 AA37 BB17 BB21 CC28 CC31 CC36 CC76

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 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）回りに放射状に形成したスロット状空間
   （３４）に往復動自在に支持された複数のベーン（４
   ２）とを備え、ロータチャンバ（１４）内に供給された
   高圧の気相作動媒体の膨張によりベーン（４２）を介し
   ロータ（３１）を回転させる回転式流体機械において、 ロータ（３１）およびベーン（４２）間に静圧軸受けを
   構成し、この静圧軸受けでベーン（４２）を浮動状態で
   支持することを特徴とする回転式流体機械。
2. 【請求項２】 前記静圧軸受けは、ロータ（３１）側か
   らベーン（４２）の表面に加圧液相流体を噴出して該記
   ベーン（４２）を浮動状態で支持することを特徴とす
   る、請求項１に記載の回転式流体機械。
3. 【請求項３】 ベーン（４２）の表面に加圧液相流体を
   保持するリセス（４９）を形成したことを特徴とする、
   請求項１または請求項２に記載の回転式流体機械。
4. 【請求項４】 前記加圧液相流体が前記気相作動媒体と
   同じ流体であることを特徴とする、請求項２または請求
   項３に記載の回転式流体機械。