JP2003097205A - 回転流体機械 - Google Patents

回転流体機械

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JP2003097205A JP2001289391A JP2001289391A JP2003097205A JP 2003097205 A JP2003097205 A JP 2003097205A JP 2001289391 A JP2001289391 A JP 2001289391A JP 2001289391 A JP2001289391 A JP 2001289391A JP 2003097205 A JP2003097205 A JP 2003097205A
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裕之 新倉
Hiroshi Ichikawa
浩 市川
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安成 木村
Yuichiro Tajima
雄一郎 田島
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ベーンおよびベーン溝間に供給された静圧軸
受け用の液相作動媒体の持つ熱エネルギーを有効に利用
して回転流体機械の性能を向上させる。 【解決手段】 回転流体機械は、ロータチャンバ１４
と、ロータチャンバ１４に収納されたロータ４１と、ロ
ータ４１に形成したベーン溝に案内されるベーン４８
と、ロータ４１に設けたシリンダ４４に摺動自在に嵌合
するピストン４７とを備える。ベーン４８をベーン溝に
浮動状態で支持する静圧軸受けの高温の水を、ベーン４
８の表面に凹設した複数のポケット４８ｆに保持し、ロ
ータ４１の回転に伴うベーン４８の半径方向外側への移
動により、ポケット４８ｆに保持した高温の水を膨張行
程にあるロータチャンバ１４に供給する。ロータチャン
バ１４に供給された高温の水は気化して蒸気になり、そ
の圧力エネルギーで回転流体機械の性能を向上させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、気相作動媒体の圧
力エネルギーとロータの回転エネルギーとを相互に変換
する回転流体機械に関する。
【０００２】
【従来の技術】特開２０００−３２０５４３号公報に開
示された回転流体機械はベーンおよびピストンを複合し
たベーンピストンユニットを備えており、ロータに半径
方向に設けられたシリンダに摺動自在に嵌合するピスト
ンが、環状溝とローラとで構成された動力変換装置を介
して気相作動媒体の圧力エネルギーとロータの回転エネ
ルギーとを相互に変換し、かつロータに半径方向摺動自
在に支持されたベーンが気相作動媒体の圧力エネルギー
とロータの回転エネルギーとを相互に変換するようにな
っている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところで、かかる回転
流体機械のベーンはロータに放射状に形成したベーン溝
に摺動自在に支持されているが、その摺動面に高圧の液
相作動媒体を供給して静圧軸受けを構成することによ
り、ベーンを浮動状態にして摺動抵抗を大幅に減少させ
ることができる。前記静圧軸受けに供給される液相作動
媒体が比較的に高温であって充分な熱エネルギーを持っ
ている場合に、その熱エネルギーを無駄に捨てることな
く有効に利用することができれば、回転流体機械の性能
を一層向上させることが可能となる。
【０００４】本発明は前述の事情に鑑みてなされたもの
で、ベーンおよびベーン溝間に供給された静圧軸受け用
の液相作動媒体の持つ熱エネルギーを有効に利用して回
転流体機械の性能を向上させ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、ケーシングに
形成したロータチャンバと、ロータチャンバ内に回転自
在に収容したロータと、ロータに放射状に形成した複数
のベーン溝と、各々のベーン溝に摺動自在に支持した複
数のベーンとを備え、ベーン溝およびベーンの摺動面に
液相作動媒体を供給して構成した静圧軸受けでベーンを
浮動状態で支持し、ロータ、ケーシングおよびベーンに
より区画されたベーン室に供給される気相作動媒体の圧
力エネルギーとロータの回転エネルギーとを相互に変換
する回転流体機械であって、静圧軸受け用の液相作動媒
体をベーン室に導入する液相作動媒体案内手段をベーン
の摺動面に設けるとともに、液相作動媒体案内手段によ
りベーン室に導入される液相作動媒体の温度および圧力
を、その液相作動媒体がベーン室において気相作動媒体
に気化し得るように設定したことを特徴とする回転流体
機械が提案される。
【０００６】上記構成によれば、ベーンの摺動面に設け
た液相作動媒体案内手段により、ベーン溝にベーンを浮
動状態で支持する静圧軸受け用の液相作動媒体をベーン
室に導入し、かつベーン室に導入される液相作動媒体の
温度および圧力をベーン室において気化し得る温度およ
び圧力に設定したので、ベーン室において気化した気相
作動媒体の圧力エネルギーを有効利用して回転流体機械
の性能を向上させることができる。
【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、液相作動媒体案内手段はベー
ンの摺動面に液相作動媒体を保持し得るように凹設され
たポケットよりなり、ロータの回転に伴うベーンの半径
方向外側への移動によりポケットがベーン室に連通した
とき、ベーン室の内圧よりも高圧の液相作動媒体を該ベ
ーン室に導入することを特徴とする回転流体機械が提案
される。
【０００８】上記構成によれば、ベーンの摺動面に液相
作動媒体を保持し得るように凹設したポケットにより液
相作動媒体案内手段を構成したので、ロータの回転によ
りベーンが半径方向外側に移動してポケットがベーン室
に連通したとき、ポケットに保持された高圧の液相作動
媒体をベーン室に導入することができる。従って、ポケ
ットの半径方向の位置を適宜設定することにより、ポケ
ットがベーン室に連通するタイミングを任意に調整し、
連通の瞬間にポケットの内圧をベーン室の内圧よりも高
圧にして液相作動媒体を確実にベーン室に供給すること
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、静圧軸受け用
の液相作動媒体は、ベーン室に導入されたときに気化し
得るように予め加熱されることを特徴とする回転流体機
械が提案される。
【００１０】上記構成によれば、静圧軸受け用の液相作
動媒体を予め加熱しておくことにより、その液相作動媒
体がベーン室に導入されたときに確実に気化させること
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３の構成に加えて、内燃機関の廃熱を利用して静
圧軸受け用の液相作動媒体を予め加熱することを特徴と
する回転流体機械が提案される。
【００１２】上記構成によれば、内燃機関の廃熱を利用
して静圧軸受け用の液相作動媒体を予め加熱するので、
特別の熱源が不要になって燃料消費量の低減に寄与する
ことができる。
【００１３】尚、実施例のポケット４８ｆおよびスリッ
ト４８ｇは本発明の液相作動媒体案内手段に対応し、実
施例の蒸気および水はそれぞれ本発明の気相作動媒体お
よび液相作動媒体に対応する。
【００１４】
【発明の実施の形態】図１〜図１６は本発明の第１実施
例を示すもので、図１は内燃機関の廃熱回収装置の概略
図、図２は図４の２−２線断面図に相当する膨張機の縦
断面図、図３は図２の軸線周りの拡大断面図、図４は図
２の４−４線断面図、図５は図２の５−５線断面図、図
６は図２の６−６線断面図、図７は図５の７−７線断面
図、図８は図５の８−８線断面図、図９は図８の９−９
線断面図、図１０は図３の１０−１０線断面図、図１１
はロータの分解斜視図、図１２はロータの潤滑水分配部
の分解斜視図、図１３はロータチャンバおよびロータの
断面形状を示す模式図、図１４は膨張機の膨張行程に潤
滑水を供給する位相に対する膨張機の出力の増加量の関
係を、潤滑水の温度毎に示すグラフ、図１５は膨張機の
膨張行程に潤滑水を供給する位相に対する膨張機の出力
の増加量の関係を、潤滑水の供給量毎に示すグラフ、図
１６は図７に対応する作用説明図である。
【００１５】図１に示すように、内燃機関１の排気ガス
の熱エネルギーを回収して機械エネルギーを出力する廃
熱回収装置２は、内燃機関１の排気ガスを熱源として水
を加熱することにより高温高圧蒸気を発生させる蒸発器
３と、その高温高圧蒸気の膨張によって軸トルクを出力
する膨張機４と、その膨張機４から排出された降温降圧
蒸気を冷却して液化する凝縮器５と、凝縮器５から排出
された水を貯留するタンク６と、タンク６内の水を再び
蒸発器３に供給する低圧ポンプ７および高圧ポンプ８と
を有する。
【００１６】タンク６内の水は通路Ｐ１上に配置された
低圧ポンプ７で２〜３ＭＰａに加圧され、内燃機関１の
排気管１０１に設けられた熱交換器１０２を通過して予
熱される。熱交換器１０２を通過して予熱された水は、
通路Ｐ２を経て内燃機関１のシリンダブロック１０３お
よびシリンダヘッド１０４内に形成されたウオータジャ
ケット１０５に供給され、そこを通過する間に内燃機関
１の発熱部を冷却し、それ自身は前記発熱部の熱を奪っ
て更に昇温する。ウオータジャケット１０５を出た水は
通路Ｐ３を経て分配弁１０６に供給され、そこで通路Ｐ
４に連なる第１の系統と、通路Ｐ５に連なる第２の系統
と、通路Ｐ６に連なる第３の系統と、通路Ｐ７に連なる
第４の系統とに分配される。
【００１７】分配弁１０６で通路Ｐ４よりなる第１の系
統に分配された水は、高圧ポンプ８で１０ＭＰａ以上の
高圧に加圧されて蒸発器３に供給され、そこで高温の排
気ガスとの間で熱交換して高温高圧蒸気になって膨張機
４の高圧部（後述する膨張機４のシリンダ４４…）に供
給される。一方、分配弁１０６で通路Ｐ５に連なる第２
の系統に分配された水は、そこに介装された減圧弁１０
７を通過して前記高温高圧に比較して低温低圧の蒸気と
なり膨張機４の低圧部（後述する膨張機４のベーン室７
５…）に供給される。このように、分配弁１０６からの
加熱された水を減圧弁１０７で蒸気に変換して膨張機４
の低圧部に供給するので、水が内燃機関１のウオータジ
ャケット１０５で受け取った熱エネルギーを有効利用し
て膨張機４の出力を増加させることができる。また通路
Ｐ６に連なる第３の系統に分配された水は膨張機４の被
潤滑部に供給される。このときウオータジャケット１０
５で加熱された高温の水を用いて膨張機４の被潤滑部を
潤滑するので、膨張機４が過冷却するのを防止していわ
ゆる冷却損失を低減することができる。膨張機４から排
出された水を含む降温降圧蒸気は通路Ｐ８に介装した凝
縮器５に供給され、電動モータ１０８で駆動される冷却
ファン１０９からの冷却風との間で熱交換し、凝縮水は
タンク６に排出される。更に、複数の通路Ｐ７に連なる
第４の系統に分配された水は、車室暖房用のヒーターや
熱電素子等の補機１１０に供給されて放熱し、温度低下
した水は通路Ｐ９に介装したチェック弁１１１を経てタ
ンク６に排出される。
【００１８】低圧ポンプ７、高圧ポンプ８、分配弁１０
６および電動モータ１０８は、内燃機関１の運転状態、
膨張機４の運転状態、補機１１０の運転状態、タンク６
内の水の温度等に応じて電子制御ユニット１１２により
制御される。
【００１９】図２および図３に示すように、膨張機４の
ケーシング１１は金属製の第１、第２ケーシング半体１
２，１３より構成される。第１、第２ケーシング半体１
２，１３は、協働してロータチャンバ１４を構成する本
体部１２ａ，１３ａと、それら本体部１２ａ，１３ａの
外周に一体に連なる円形フランジ１２ｂ，１３ｂとより
なり、両円形フランジ１２ｂ，１３ｂが金属ガスケット
１５を介して結合される。第１ケーシング半体１２の外
面は深い鉢形をなす中継チャンバ外壁１６により覆われ
ており、その外周に一体に連なる円形フランジ１６ａが
第１ケーシング半体１２の円形フランジ１２ｂの左側面
に重ね合わされる。第２ケーシング半体１３の外面は、
膨張機４の出力を外部に伝達するマグネットカップリン
グ（図示せず）を収納する排気チャンバ外壁１７により
覆われており、その外周に一体に連なる円形フランジ１
７ａが第２ケーシング半体１３の円形フランジ１３ｂの
右側面に重ね合わされる。そして前記４個の円形フラン
ジ１２ｂ，１３ｂ，１６ａ，１７ａは、円周方向に配置
された複数本のボルト１８…で共締めされる。中継チャ
ンバ外壁１６および第１ケーシング半体１２間に中継チ
ャンバ１９が区画され、排気チャンバ外壁１７および第
２ケーシング半体１３間に排気チャンバ２０が区画され
る。排気チャンバ外壁１７には，膨張機４で仕事を終え
た降温降圧蒸気を凝縮器５に導く排出口（図示せず）が
設けられる。
【００２０】両ケーシング半体１２，１３の本体部１２
ａ，１３ａは左右外方へ突出する中空軸受筒１２ｃ，１
３ｃを有しており、それら中空軸受筒１２ｃ，１３ｃ
に、中空部２１ａを有する回転軸２１が一対の軸受部材
２２，２３を介して回転可能に支持される。これによ
り、回転軸２１の軸線Ｌは略楕円形をなすロータチャン
バ１４における長径と短径との交点を通る。
【００２１】第２ケーシング半体１３の右端に螺合する
潤滑水導入部材２４の内部にシールブロック２５が収納
されてナット２６で固定される。シールブロック２５の
内部に回転軸２１の右端の小径部２１ｂが支持されてお
り、シールブロック２５および小径部２１ｂ間に一対の
シール部材２７，２７が配置され、シールブロック２５
および潤滑水導入部材２４間に一対のシール部材２８，
２８が配置され、更に潤滑水導入部材２４および第２ケ
ーシング半体１３間にシール部材２９が配置される。ま
た第２ケーシング半体１３の中空軸受筒１３ｃの外周に
形成された凹部にフィルター３０が嵌合し、第２ケーシ
ング半体１３に螺合するフィルターキャップ３１により
抜け止めされる。フィルターキャップ３１および第２ケ
ーシング半体１３間に一対のシール部材３２，３３が設
けられる。
【００２２】図４および図１３から明らかなように、疑
似楕円状を成すロータチャンバ１４の内部に、円形を成
すロータ４１が回転自在に収納される。ロータ４１は回
転軸２１の外周に嵌合して一体に結合されており、回転
軸２１の軸線Ｌに対してロータ４１の軸線およびロータ
チャンバ１４の軸線は一致している。軸線Ｌ方向に見た
ロータチャンバ１４の形状は４つの頂点を丸めた菱形に
類似した疑似楕円状であり、その長径ＤＬと短径ＤＳと
を備える。軸線Ｌ方向に見たロータ４１の形状は真円で
あり、ロータチャンバ１４の短径ＤＳよりも僅かに小さ
い直径ＤＲを備える。
【００２３】軸線Ｌと直交する方向に見たロータチャン
バ１４およびロータ４１の断面形状は何れも陸上競技の
トラック状を成している。即ち、ロータチャンバ１４の
断面形状は、距離ｄを存して平行に延びる一対の平坦面
１４ａ，１４ａと、これら平坦面１４ａ，１４ａの外周
を滑らかに接続する中心角１８０°の円弧面１４ｂとか
ら構成され、同様にロータ４１の断面形状は、距離ｄを
存して平行に延びる一対の平坦面４１ａ，４１ａと、こ
れら平坦面４１ａ，４１ａの外周を滑らかに接続する中
心角１８０°の円弧面４１ｂとから構成される。従っ
て、ロータチャンバ１４の平坦面１４ａ，１４ａとロー
タ４１の平坦面４１ａ，４１ａとは相互に接触し、ロー
タチャンバ１４内周面とロータ４１外周面との間には三
日月形を成す一対の空間（図４参照）が形成される。
【００２４】次に、図３〜図６および図１１を参照して
ロータ４１の構造を詳細に説明する。
【００２５】ロータ４１は回転軸２１の外周に一体に形
成されたロータコア４２と、ロータコア４２の周囲を覆
うように固定されてロータ４１の外郭を構成する１２個
のロータセグメント４３…とから構成される。ロータコ
ア４２にセラミック（またはカーボン）製の１２本のシ
リンダ４４…が３０°間隔で放射状に装着されてクリッ
プ４５…で抜け止めされる。各々のシリンダ４４の内端
には小径部４４ａが突設されており、小径部４４ａの基
端はＣシール４６を介してスリーブ８４との間をシール
される。小径部４４ａの先端は中空のスリーブ８４の外
周面に嵌合しており、シリンダボア４４ｂは小径部４４
ａおよび回転軸２１を貫通する１２個の第３蒸気通路Ｓ
３…を介して該回転軸２１の内部の第１、第２蒸気通路
Ｓ１；Ｓ２，Ｓ２に連通する。各々のシリンダ４４の内
部にはセラミック製のピストン４７が摺動自在に嵌合す
る。ピストン４７が最も半径方向内側に移動するとシリ
ンダボア４４ｂの内部に完全に退没し、最も半径方向外
側に移動すると全長の約半分がシリンダボア４４ｂの外
部に突出する。
【００２６】各々のロータセグメント４３は３０°の中
心角を有する中空の楔状部材であって、ロータチャンバ
１４の一対の平坦面１４ａ，１４ａに対向する面には軸
線Ｌを中心として円弧状に延びる２本のリセス４３ａ，
４３ｂが形成されており、このリセス４３ａ，４３ｂの
中央に潤滑水噴出口４３ｃ，４３ｄが開口する。またロ
ータセグメント４３の端面、つまり後述するベーン４８
に対向する面には４個の潤滑水噴出口４３ｅ，４３ｅ；
４３ｆ，４３ｆが開口する。
【００２７】ロータ４１の組み立ては次のようにして行
なわれる。予めシリンダ４４…、クリップ４５…および
Ｃシール４６…組み付けたロータコア４２の外周に１２
個のロータセグメント４３…を嵌合させ、隣接するロー
タセグメント４３…間に形成された１２個のベーン溝４
９…にベーン４８…を嵌合させる。このとき、ベーン４
８…およびロータセグメント４３…間に所定のクリアラ
ンスを形成すべく、ベーン４８…の両面に所定厚さのシ
ムを介在させておく。この状態で、治具を用いてロータ
セグメント４３…およびベーン４８…をロータコア４２
に向けて半径方向内向きに締めつけ、ロータコア４２に
対してロータセグメント４３…を精密に位置決めした
後、各々のロータセグメント４３…を仮止めボルト５０
…（図８参照）でロータコア４２に仮り止めする。続い
て各々のロータセグメント４３にロータコア４２を貫通
する２個のノックピン孔５１，５１を共加工し、それら
ノックピン孔５１，５１に４本のノックピン５２…を圧
入してロータコア４２にロータセグメント４３…を結合
する。
【００２８】図８、図９および図１２から明らかなよう
に、ロータセグメント４３およびロータコア４２を貫通
する貫通孔５３が２個のノックピン孔５１，５１の間に
形成されており、この貫通孔５３の両端にそれぞれ凹部
５４，５４が形成される。貫通孔５３の内部には２本の
パイプ部材５５，５６がシール部材５７〜６０を介して
嵌合するとともに、各々の凹部５４内にオリフィス形成
プレート６１および潤滑水分配部材６２が嵌合してナッ
ト６３で固定される。オリフィス形成プレート６１およ
び潤滑水分配部材６２は、オリフィス形成プレート６１
のノックピン孔６１ａ，６１ａを貫通して潤滑水分配部
材６２のノックピン孔６２ａ，６２ａに嵌合する２本の
ノックピン６４，６４でロータセグメント４３に対して
回り止めされ、かつ潤滑水分配部材６２およびナット６
３間はＯリング６５によりシールされる。
【００２９】一方のパイプ部材５５の外端部に形成され
た小径部５５ａは貫通孔５５ｂを介してパイプ部材５５
の内部の第６水通路Ｗ６に連通し、かつ小径部５５ａは
潤滑水分配部材６２の一側面に形成した放射状の分配溝
６２ｂに連通する。潤滑水分配部材６２の分配溝６２ｂ
は６つの方向に延びており、その先端がオリフィス形成
プレート６１の６個のオリフィス６１ｂ，６１ｂ；６１
ｃ，６１ｃ；６１ｄ，６１ｄに連通する。他方のパイプ
部材５６の外端部に設けらられたオリフィス形成プレー
ト６１、潤滑水分配部材６２およびナット６３の構造
は、前述したオリフィス形成プレート６１、潤滑水分配
部材６２およびナット６３の構造と同一である。
【００３０】そしてオリフィス形成プレート６１の２個
のオリフィス６１ｂ，６１ｂの下流側は、ロータセグメ
ント４３の内部に形成した第７水通路Ｗ７，Ｗ７を介し
て、ベーン４８に対向するように開口する前記２個の潤
滑水噴出口４３ｅ，４３ｅに連通し、他の２個のオリフ
ィス６１ｃ，６１ｃの下流側は、ロータセグメント４３
の内部に形成した第８水通路Ｗ８，Ｗ８を介して、ベー
ン４８に対向するように開口する前記２個の潤滑水噴出
口４３ｆ，４３ｆに連通し、更に他の２個のオリフィス
６１ｄ，６１ｄの下流側は、ロータセグメント４３の内
部に形成した第９水通路Ｗ９，Ｗ９を介して、ロータチ
ャンバ１４に対向するように開口する前記２個の潤滑水
噴出口４３ｃ，４３ｄに連通する。
【００３１】図５を併せて参照すると明らかなように、
シリンダ４４の外周に一対のＯリング６６，６６で区画
された環状溝６７が形成されており、一方のパイプ部材
５５の内部に形成した第６水通路Ｗ６は、そのパイプ部
材５５を貫通する４個の貫通孔５５ｃ…およびロータコ
ア４２の内部に形成した第１０水通路Ｗ１０を介して前
記環状溝６７に連通する。そして環状溝６７はオリフィ
ス４４ｃを介してシリンダボア４４ｂおよびピストン４
７の摺動面に連通する。シリンダ４４のオリフィス４４
ｃの位置は、ピストン４７が上死点および下死点間を移
動するときに、そのピストン４７の摺動面から外れない
位置に設定されている。
【００３２】図３および図９から明らかなように、潤滑
水導入部材２４に形成した第１水通路Ｗ１は、シールブ
ロック２５に形成した第２水通路Ｗ２、回転軸２１の小
径部２１ｂに形成した第３水通路Ｗ３…、回転軸２１の
中心に嵌合する水通路形成部材６８の外周に形成した環
状溝６８ａ、回転軸２１に形成した第４水通路Ｗ４、ロ
ータコア４２およびロータセグメント４３に跨がるパイ
プ部材６９およびロータセグメント４３の半径方向内側
のノックピン５２を迂回するように形成した第５水通路
Ｗ５，Ｗ５を介して、前記一方のパイプ部材５５の小径
部５５ａに連通する。
【００３３】図７、図９および図１１に示すように、ロ
ータ４１の隣接するロータセグメント４３…間に放射方
向に延びる１２個のベーン溝４９…が形成されており、
これらベーン溝４９…に板状のベーン４８…がそれぞれ
摺動自在に嵌合する。各々のベーン４８はロータチャン
バ１４の平行面１４ａ，１４ａに沿う平行面４８ａ，４
８ａと、ロータチャンバ１４の円弧面１４ｂに沿う円弧
面４８ｂと、両平行面４８ａ，４８ａ間に位置する切欠
４８ｃとを備えて概略Ｕ字状に形成されており、両平行
面４８ａ，４８ａから突出する一対の支軸４８ｄ，４８
ｄにローラベアリング構造のローラ７１，７１が回転自
在に支持される。
【００３４】ベーン４８の円弧面４８ｂにはＵ字状に形
成された合成樹脂製のシール部材７２が保持されてお
り、このシール部材７２の先端はベーン４８の円弧面４
８ｂから僅かに突出してロータチャンバ１４の円弧面１
４ｂに摺接する。ベーン４８の両側面には各々２個のリ
セス４８ｅ，４８ｅが形成されており、これらリセス４
８ｅ，４８ｅは、ロータセグメント４３の端面に開口す
る半径方向内側の２個の潤滑水噴出口４３ｅ，４３ｅに
対向する。ベーン４８の両側面には放射方向に延びる複
数本（実施例では５本）のポケット４８ｆ…（図７参
照）がそれぞれ凹設される。ポケット４８ｆ…の位置
は、ベーン４８がベーン溝４９から所定距離だけ突出す
ると、その半径方向外端がロータチャンバ１４内に開口
するように設定される。ベーン４８の切欠４８ｃの中央
に半径方向内向きに突設したピストン受け部材７３が、
ピストン４７の半径方向外端に当接する。
【００３５】図４から明らかなように、第１、第２ケー
シング半体１２，１３により区画されるロータチャンバ
１４の平坦面１４ａ，１４ａには、４つの頂点を丸めた
菱形に類似した疑似楕円状の環状溝７４，７４が凹設さ
れており、両環状溝７４，７４に各々のベーン４８の一
対のローラ７１，７１が転動自在に係合する。これら環
状溝７４，７４およびロータチャンバ１４の円弧面１４
ｂ間の距離は全周に亘り一定である。従って、ロータ４
１が回転するとローラ７１，７１を環状溝７４，７４に
案内されたベーン４８がベーン溝４９内を半径方向に往
復動し、ベーン４８の円弧面４８ｂに装着したシール部
材７２が一定量だけ圧縮された状態でロータチャンバ１
４の円弧面１４ｂに沿って摺動する。これにより、ロー
タチャンバ１４およびベーン４８…が直接固体接触する
のを防止し、摺動抵抗の増加や摩耗の発生を防止しなが
ら、隣接するベーン４８…間に区画されるベーン室７５
…を確実にシールすることができる。
【００３６】図２から明らかなように、ロータチャンバ
１４の平坦面１４ａ，１４ａには、前記環状溝７４，７
４の外側を囲むように一対の円形シール溝７６，７６が
形成される。各々の円形シール溝７６には２個のＯリン
グ７７，７８を備えた一対のリングシール７９が摺動自
在に嵌合しており、そのシール面は各々のロータセグメ
ント４３に形成したリセス４３ａ，４３ｂ（図４参照）
に対向している。一対のリングシール７９，７９は、そ
れぞれノックピン８０，８０で第１、第２ケーシング半
体１２，１３に対して回り止めされる。
【００３７】図２、図３および図１０から明らかなよう
に、中継チャンバ外壁１６の中心に開口１６ｂが形成さ
れており、軸線Ｌ上に配置された固定軸支持部材８１の
ボス部８１ａが前記開口１６ｂの内面に複数のボルト８
２…で固定され、かつナット８３で第１ケーシング半体
１２に固定される。回転軸２１の中空部２１ａにはセラ
ミックで円筒状に形成したスリーブ８４が固定されてお
り、このスリーブ８４の内周面に固定軸支持部材８１と
一体化された固定軸８５の外周面が相対回転自在に嵌合
する。固定軸８５の左端は第１ケーシング半体１２との
間をシール部材８６によりシールされ、固定軸８５の右
端は回転軸２１との間をシール部材８７によりシールさ
れる。
【００３８】軸線Ｌ上に配置された固定軸支持部材８１
の内部に蒸気供給パイプ８８が嵌合してナット８９で固
定されており、この蒸気供給パイプ８８の右端は固定軸
８５の中心に圧入される。固定軸８５の中心には蒸気供
給パイプ８８に連なる第１蒸気通路Ｓ１が軸方向に形成
され、また固定軸８５には一対の第２蒸気通路Ｓ２，Ｓ
２が１８０°の位相差をもって半径方向に貫通する。前
述したように、回転軸２１に固定したロータ４１に３０
°間隔で保持された１２個のシリンダ４４…の小径部４
４ａ…およびスリーブ８４を１２本の第３蒸気通路Ｓ３
…が貫通しており、これら第３蒸気通路Ｓ３…の半径方
向内端部は、前記第２蒸気通路Ｓ２，Ｓ２の半径方向外
端部に連通可能に対向する。
【００３９】固定軸８５の外周面には一対の切欠８５
ａ，８５ａが１８０°の位相差をもって形成されてお
り、これら切欠８５ａ，８５ａは前記第３蒸気通路Ｓ３
…に連通可能である。切欠８５ａ，８５ａと中継チャン
バ１９とは、固定軸８５に軸方向に形成した一対の第４
蒸気通路Ｓ４，Ｓ４と、固定軸支持部材８１に軸方向に
形成した環状の第５蒸気通路Ｓ５と、固定軸支持部材８
１のボス部８１ａ外周に開口する通孔８１ｂ…とを介し
て相互に連通する。
【００４０】図２および図４に示すように、第１ケーシ
ング半体１２および第２ケーシング半体１３には、ロー
タチャンバ１４の短径方向を基準にしてロータ４１の回
転方向Ｒの進み側１５°の位置に、放射方向に整列した
複数の吸気ポート９０…が形成される。この吸気ポート
９０…により、ロータチャンバ１４の内部空間が中継チ
ャンバ１９に連通する。また第２ケーシング半体１３に
は、ロータチャンバ１４の短径方向を基準にしてロータ
４１の回転方向Ｒの遅れ側１５°〜７５°の位置に、複
数の排気ポート９１…が形成される。この排気ポート９
１…により、ロータチャンバ１４の内部空間が排気チャ
ンバ２０に連通する。ベーン４８…のシール部材７２…
が排気ポート９１…のエッジで傷付かないように、それ
ら排気ポート９１…は第２ケーシング半体１３の内部に
形成した浅い凹部１３ｄ，１３ｄに開口する。
【００４１】第２蒸気通路Ｓ２，Ｓ２および第３蒸気通
路Ｓ３…、並びに固定軸８５の切欠８５ａ，８５ａおよ
び第３蒸気通路Ｓ３…は、固定軸８５および回転軸２１
の相対回転により周期的に連通する回転バルブＶを構成
する（図１０参照）。
【００４２】図２から明らかなように、第１、第２ケー
シング半体１２，１３の円形シール溝７６，７６に嵌合
するリングシール７９，７９の背面に圧力室９２，９２
が形成されており、第１、第２ケーシング半体１２，１
３に形成された第１１水通路Ｗ１１は、パイプよりなる
第１２水通路Ｗ１２および第１３水通路Ｗ１３を介して
両圧力室９２，９２に連通し、両圧力室９２，９２に加
わった水圧でリングシール７９，７９はロータ４１の側
面に向けて付勢される。
【００４３】第１１水通路Ｗ１１は、パイプよりなる第
１４水通路Ｗ１４を介して環状のフィルター３０の外周
面に連通し、フィルター３０の内周面は第２ケーシング
半体１３に形成した第１５水通路Ｗ１５を介して第２ケ
ーシング半体１３に形成した第１６水通路Ｗ１６に連通
する。第１６水通路Ｗ１６に供給された水は固定軸８５
およびスリーブ８４の摺動面を潤滑する。またフィルタ
ー３０の内周面から第１７水通路Ｗ１７を介して軸受部
材２３の外周に供給された水は、軸受部材２３を貫通す
るオリフィスを通して回転軸２１の外周面を潤滑する。
一方、第１１水通路Ｗ１１からパイプよりなる第１８水
通路Ｗ１８を介して軸受部材２２の外周に供給された水
は、軸受部材２２を貫通するオリフィスを通して回転軸
２１の外周面を潤滑した後に、固定軸８５およびスリー
ブ８４の摺動面を潤滑する。
【００４４】次に、上記構成を備えた本実施例の作用に
ついて説明する。
【００４５】先ず、膨張機４の作動について説明する。
図３において、蒸発器３からの高温高圧蒸気は蒸気供給
パイプ８８、固定軸８５の中心を通る第１蒸気通路Ｓ
１、固定軸８５を半径方向に貫通する一対の第２蒸気通
路Ｓ２，Ｓ２とに供給される。図１０において、ロータ
４１および回転軸２１と一体に矢印Ｒ方向に回転するス
リーブ８４が固定軸８５に対して所定の位相に達する
と、ロータチャンバ１４の短径位置からロータ４１の回
転方向Ｒの進み側に在る一対の第３蒸気通路Ｓ３，Ｓ３
が一対の第２蒸気通路Ｓ２，Ｓ２に連通し、第２蒸気通
路Ｓ２，Ｓ２の高温高圧蒸気が前記第３蒸気通路Ｓ３，
Ｓ３を経て一対のシリンダ４４，４４の内部に供給さ
れ、ピストン４７，４７を半径方向外側に押圧する。図
４において、これらピストン４７，４７に押圧されたベ
ーン４８，４８が半径方向外側に移動すると、ベーン４
８，４８に設けた一対のローラ７１，７１と環状溝７
４，７４との係合により、ピストン４７，４７の前進運
動がロータ４１の回転運動に変換される。
【００４６】ロータ４１の回転に伴って第２蒸気通路Ｓ
２，Ｓ２と前記第３蒸気通路Ｓ３，Ｓ３との連通が遮断
された後も、シリンダ４４，４４内の高温高圧蒸気が更
に膨張を続けることによりピストン４７，４７をなおも
前進させ、これによりロータ４１の回転が続行される。
ベーン４８，４８がロータチャンバ１４の長径位置に達
すると、対応するシリンダ４４，４４に連なる第３蒸気
通路Ｓ３，Ｓ３が固定軸８５の切欠８５ａ，８５ａに連
通し、ローラ７１，７１を環状溝７４，７４に案内され
たベーン４８，４８に押圧されたピストン４７，４７が
半径方向内側に移動することにより、シリンダ４４，４
４内の蒸気は第３蒸気通路Ｓ３，Ｓ３、切欠８５ａ，８
５ａ、第４蒸気通路Ｓ４，Ｓ４、第５蒸気通路Ｓ５およ
び通孔８１ｂ…を通り、第１の降温降圧蒸気となって中
継チャンバ１９に供給される。第１の降温降圧蒸気は、
蒸気供給パイプ８８から供給された高温高圧蒸気がピス
トン４７，４７を駆動する仕事を終えて温度および圧力
が低下したものである。第１の降温降圧蒸気の持つ熱エ
ネルギーおよび圧力エネルギーは高温高圧蒸気に比べて
低下しているが、依然としてベーン４８…を駆動するの
に充分な熱エネルギーおよび圧力エネルギーを有してい
る。
【００４７】中継チャンバ１９内の第１の降温降圧蒸気
は第１、第２ケーシング半体１２，１３の吸気ポート９
０…からロータチャンバ１４内のベーン室７５…に供給
され、そこで更に膨張することによりベーン４８…を押
圧してロータ４１を回転させる。そして仕事を終えて更
に温度および圧力が低下した第２の降温降圧蒸気は、第
２ケーシング半体１３の排気ポート９１…から排気チャ
ンバ２０に排出され、そこから凝縮器５に供給される。
【００４８】このように、高温高圧蒸気の膨張により１
２個のピストン４７…を次々に作動させてローラ７１，
７１および環状溝７４，７４を介しロータ４１を回転さ
せ、また高温高圧蒸気が降温降圧した第１の降温降圧蒸
気の膨張によりベーン４８…を介しロータ４１を回転さ
せることによって回転軸２１より出力が得られる。
【００４９】次に、前記膨張機４のベーン４８…および
ピストン４７…の水による潤滑について説明する。
【００５０】膨張機４の各部を潤滑する水には、ウオー
タジャケット１０５で加熱された後に分配弁１０６で通
路Ｐ６に分配された高温の水が用いられる。
【００５１】図３および図８において、潤滑水導入部材
２４の第１水通路Ｗ１に供給された水は、シールブロッ
ク２５の第２水通路Ｗ２…、回転軸２１の第３水通路Ｗ
３…、水通路形成部材６８の環状溝６８ａ、回転軸２１
の第４水通路Ｗ４、パイプ部材６９およびロータセグメ
ント４３に形成した第５水通路Ｗ５，Ｗ５を経て一方の
パイプ部材５５の小径部５５ａに流入し、また前記小径
部５５ａに流入した水は一方のパイプ部材５５の貫通孔
５５ｂ、両パイプ部材５５，５６に形成した第６水通路
Ｗ６および他方のパイプ部材５６に形成した貫通孔５６
ｂを経て、該他方のパイプ部材５６の小径部５６ａに流
入する。
【００５２】各々のパイプ部材５５，５６の小径部５５
ａ，５６ａから各々の潤滑水分配部材６２の分配溝６２
ｂを経てオリフィス形成プレート６１の６個のオリフィ
ス６１ｂ，６１ｂ；６１ｃ，６１ｃ；６１ｄ，６１ｄを
通過した水の一部は、ロータセグメント４３の端面に開
口する４個の潤滑水噴出口４３ｅ，４３ｅ；４３ｆ，４
３ｆから噴出し、他の一部はロータセグメント４３の側
面に形成した円弧状のリセス４３ａ，４３ｂ内の潤滑水
噴出口４３ｃ，４３ｄから噴出する。
【００５３】而して、各々のロータセグメント４３の端
面の潤滑水噴出口４３ｅ，４３ｅ；４３ｆ，４３ｆから
ベーン溝４９内に噴出した水は、ベーン溝４９に摺動自
在に嵌合するベーン４８との間に静圧軸受けを構成して
該ベーン４８を浮動状態で支持し、ロータセグメント４
３の端面とベーン４８との固体接触を防止して焼き付き
および摩耗の発生を防止する。このように、ベーン４８
の摺動面を潤滑する水をロータ４１の内部に放射状に設
けた水通路を介して供給することにより、水を遠心力で
加圧することができるだけでなく、ロータ４１周辺の温
度を安定させて熱膨張による影響を少なくし、設定した
クリアランスを維持して蒸気のリークを最小限に抑える
ことができる。
【００５４】またベーン４８の両面に各２個ずつ形成さ
れたリセス４８ｅ，４８ｅに水が保持されるため、この
リセス４８ｅ，４８ｅが圧力溜まりとなって水のリーク
による圧力低下を抑制する。その結果、一対のロータセ
グメント４３，４３の端面に挟まれたベーン４８が水に
よって浮動状態になり、摺動抵抗を効果的に低減するこ
とが可能になる。またベーン４８が往復運動するとロー
タ４１に対するベーン４８の半径方向の相対位置が変化
するが、前記リセス４８ｅ，４８ｅはロータセグメント
４３側でなくベーン４８側に設けられており、かつベー
ン４８に最も荷重の掛かるローラ７１，７１の近傍に設
けられているため、往復運動するベーン４８を常に浮動
状態に保持して摺動抵抗を効果的に低減することが可能
となる。
【００５５】またベーン４８を浮動状態で支持する高圧
の水の一部は該ベーン４８の両面に形成した各５本のポ
ケット４８ｆ…に保持され、図１６に示すようにロータ
４１の回転に伴って膨張行程にあるロータチャンバ１４
内にベーン４８が所定距離だけ突出すると、ポケット４
８ｆ…がロータチャンバ１４のベーン室７５に開口する
ことで、ポケット４８ｆ…に保持された高圧の水が、そ
れよりも低圧のベーン室７５に供給される。このとき、
ベーン室７５に供給される水は予め内燃機関１のウオー
タジャケット１０５を通過して加熱されているため、ベ
ーン室７５において容易に気化して蒸気となり、その圧
力エネルギーでベーン４８を駆動することにより膨張機
４の出力を増加させる。
【００５６】図１４および図１５に示すグラフは、膨張
機４の各諸元および気相作動媒体である蒸気の条件等に
より定量的に変化するものであるが、ある特定の諸元お
よび条件での状態を示したものである。
【００５７】図１４に示すグラフの横軸はベーン室７５
に水が供給されるタイミング（位相）であり、縦軸は膨
張機４の出力の増加量である。また摺動面を介してベー
ン室７５に供給される水の圧力は２ＭＰａであり、蒸発
器３から通路Ｐ４を経て膨張機４のベーン室７５に供給
される水の量に対する、摺動面を介してベーン室７５に
供給される水の量の比率は６０％である。図１４には摺
動面を介してベーン室７５に供給される水の温度が５０
℃、１００℃、２００℃の場合が示されており、水の温
度が高いほど膨張機４の出力の増加量が大きくなり、か
つ出力の増加量がピークになる位相が早まることが分か
る。
【００５８】図１５に示すグラフの横軸および縦軸は前
記図１４に示すグラフと同じであり、蒸発器３から通路
Ｐ４を経て膨張機４のベーン室７５に供給される水の量
に対する、摺動面を介してベーン室７５に供給される水
の量の比率が、０％、２０％、４０％、６０％の場合が
示されている。ここで、摺動面を介してベーン室７５に
供給される水の圧力は２ＭＰａ、温度は２００℃で一定
である。摺動面を介してベーン室７５に供給される水の
量の比率が増加すると膨張機４の出力の増加量が増加す
るが、出力の増加量のがピークになる位相は常に一定で
変化しないことが分かる。
【００５９】このように、高温の潤滑水の一部をベーン
４８の往復動に伴って膨張行程にあるベーン室７５…に
所定のタイミングで供給することにより、潤滑水の持つ
熱エネルギーを無駄に捨てることなく、ロータ４１の回
転エネルギーに有効に変換して膨張機４の出力を増加さ
せることができる。ベーン４８のポケット４８ｆ…の位
置、つまりポケット４８ｆ…からベーン室７５…に水を
供給するタイミングは、潤滑水の圧力がベーン室７５…
の圧力よりも高くなることを前提として、膨張機４の出
力の増加量が最大になるように決定される。また潤滑水
の温度が高すぎると、ベーン室７５…に供給される前に
潤滑水が気化して静圧軸受けの機能が失われる虞があ
り、逆に潤滑水の温度が低すぎると、ベーン室７５…に
供給された潤滑水が気化できずに膨張機４の出力増加に
寄与しない虞があるため、それらの条件を考慮して潤滑
水の温度が設定される。
【００６０】尚、ポケット４８ｆ…からベーン室７５…
に供給される水の量は、ポケット４８ｆ…の数や容量を
変化させることで任意に調整することができる。
【００６１】図２において、第１ケーシング半体１２お
よび第２ケーシング半体１３の円形シール溝７６，７６
の底部の圧力室９２，９２に水を供給してリングシール
７９，７９をロータ４１の側面に向けて付勢し、かつ各
々のロータセグメント４３のリセス４３ａ，４３ｂの内
部に形成した潤滑水噴出口４３ｃ，４３ｄから水を噴出
してロータチャンバ１４の平坦面１４ａ，１４ａとの摺
動面に静圧軸受けを構成することにより、円形シール溝
７６，７６の内部で浮動状態にあるリングシール７９，
７９でロータ４１の平坦面４１ａ，４１ａ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４１との隙間を通って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７９，７９とロータ
４１とは潤滑水噴出口４３ｃ，４３ｄから供給された水
膜で隔絶されて固体接触することがなく、またロータ４
１が傾いても、それに追従して円形シール溝７６，７６
内のリングシール７９，７９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。
【００６２】尚、リングシール７９，７９とロータ４１
との摺動部を潤滑した水は、遠心力でロータチャンバ１
４に供給され、そこから排気ポート９１…を経てケーシ
ング１１の外部に排出される。
【００６３】更に、図５において、パイプ部材５５の内
部の第６水通路Ｗ６からロータセグメント４３の内部の
第１０水通路Ｗ１０およびシリンダ４４の外周の環状溝
６７を経てシリンダ４４およびピストン４７の摺動面に
供給された水は、その摺動面に形成される水膜の粘性に
よりシール機能を発揮し、シリンダ４４に供給された高
温高圧蒸気がピストン４７との摺動面を通ってリークす
るのを効果的に防止する。このとき、高温状態にある膨
張機４の内部を通ってシリンダ４４およびピストン４７
の摺動面に供給された水は加温されているため、その水
によってシリンダ４４に供給された高温高圧蒸気が冷却
されて膨張機４の出力が低下するのを最小限に抑えるこ
とができる。
【００６４】また第１水通路Ｗ１と第１１水通路Ｗ１１
とは独立しており、各々の潤滑部において必要とする圧
力で水を供給している。具体的には、第１水通路Ｗ１か
ら供給される水は、前述したように主にベーン４８…や
ロータ４１を静圧軸受けで浮動状態に支持するものであ
るため、荷重変動に拮抗し得る高圧が必要とされる。そ
れに対して、第１１水通路Ｗ１１から供給される水は、
主に固定軸８５まわりを水潤滑するとともに、第３蒸気
通路Ｓ３，Ｓ３から固定軸８５の外周にリークする高温
高圧蒸気を封止して固定軸８５、回転軸２１、ロータ４
１等の熱膨張の影響を低減するものであるため、少なく
とも中継チャンバー１９の圧力よりも高い圧力であれば
良い。
【００６５】このように、高圧の水を供給する第１水通
路Ｗ１と、それよりも低圧の水を供給する第１１水通路
Ｗ１１との二つの水供給系統を設けたので、高圧の水を
供給する一つの水供給系統だけを設けた場合の不具合を
解消することができる。つまり固定軸８５まわりに過剰
な圧力の水が供給されて中継チャンバー１９への水の流
出量が増加したり、固定軸８５、回転軸２１、ロータ４
１等が過冷却されて蒸気温度が低下したりする不具合を
防止することができ、水の供給量を削減しながら膨張機
４の出力を増加させることができる。
【００６６】更にまた、ポケット４８ｆ…に保持される
水は、第１水通路Ｗ１からベーン４８…やロータ４１を
浮動状態に静圧支持し、かつ荷重変動に拮抗し得るよう
に供給された高圧水の一部であるため、特別のポンプを
必要とせずにポケット４８ｆ…に高圧水を供給すること
ができる。
【００６７】しかもシール用の媒体として蒸気と同一物
質である水を用いたことにより、蒸気に水が混入しても
何ら問題はない。仮に、シリンダ４４およびピストン４
７の摺動面をオイルでシールした場合には、水あるいは
蒸気にオイルが混入するのが避けられないため、オイル
を分離する特別のフィルター装置が必要となってしま
う。またベーン４８およびベーン溝４９の摺動面を潤滑
する水の一部を兼用してバイパスさせることでシリンダ
４４およびピストン４７の摺動面をシールするので、そ
の水を前記摺動面に導く水通路を別途特別に設ける必要
をなくして構造を簡素化することができる。
【００６８】次に、廃熱回収装置２を含む内燃機関１の
冷却系の作用を、主として図１および図２を参照しなが
ら説明する。
【００６９】低圧ポンプ７でタンク６から汲み上げられ
た水は通路Ｐ１を経て排気管１０１に設けた熱交換器１
０２に供給され、そこで予熱された後に通路Ｐ２を経て
内燃機関１のウオータジャケット１０５に供給される。
ウオータジャケット１０５内を流れる水は内燃機関１の
発熱部であるシリンダブロック１０３およびシリンダヘ
ッド１０４を冷却し、温度上昇した状態で分配弁１０６
に供給される。このように、排気管１０１の熱交換器１
０２で予熱した水をウオータジャケット１０５に供給す
るので、内燃機関１の低温時にはその暖機を促進するこ
とができ、また内燃機関１の過冷却を防止して排気ガス
温度を上昇させることで蒸発器３の性能を高めることが
できる。
【００７０】分配弁１０６で分配された高温の水の一部
は通路Ｐ４に介装した高圧ポンプ８で加圧されて蒸発器
３に供給され、そこで排気ガスとの間で熱交換して高温
高圧蒸気になる。蒸発器３で発生した高温高圧蒸気は、
膨張機４の蒸気供給パイプ８８に供給されてシリンダ４
４…およびベーン室７５…を通過して回転軸２１を駆動
した後に凝縮器５に排出される。
【００７１】分配弁１０６で分配された高温の水の他の
一部は通路Ｐ５に介装した減圧弁１０７で減圧されて蒸
気となり、膨張機４の中継チャンバ１９に供給される。
中継チャンバ１９に供給された蒸気は、蒸気供給パイプ
８８から供給されてシリンダ４４…を通過した第１の降
温降圧蒸気と合流し、回転軸２１を駆動した後に凝縮器
５に排出される。このように、分配弁１０６からの高温
の水の一部を減圧弁１０７で蒸気化して膨張機４に供給
するので、水が内燃機関１のウオータジャケット１０５
で受け取った熱エネルギーを有効利用して膨張機４の出
力を増加させることができる。また分配弁１０６で分配
された高温の水の他の一部は通路Ｐ６を経て膨張機４の
第１水通路Ｗ１に供給され、各被潤滑部を潤滑する。こ
のように高温の水を用いて膨張機４の被潤滑部を潤滑す
るので、膨張機４が過冷却するのを防止していわゆる冷
却損失を低減することができる。また潤滑後に膨張行程
のベーン室７５…に入った水は、ベーン室７５…の蒸気
と混合することで加熱されて蒸気化し、その膨張作用で
膨張機４の出力を増加させる。そして膨張機４から通路
Ｐ８に排出された第２の降温降圧蒸気は凝縮器５に供給
され、そこで冷却ファン１０９により冷却されて水にな
り、タンク６に戻される。また分配弁１０６で分配され
た高温の水の他の一部は通路Ｐ７に介装した補機１１０
との間で熱交換して冷却された後に、チェックバルブ１
１１を経てタンク６に戻される。
【００７２】以上のように、低圧ポンプ７でタンク６か
ら汲み上げた水をウオータジャケット１０５に供給して
内燃機関１の発熱部を冷却した後に、その水を補機１１
０に供給して冷却してからタンク６に戻す水循環経路
と、ウオータジャケット１０５を出た水の一部を作動媒
体として分配し、その水を高圧ポンプ８、蒸発器３、膨
張機４および凝縮器５を経てタンク６に戻す廃熱回収装
置２の水循環経路とを複合させ、かつウオータジャケッ
ト１０５および補機１１０を通過する内燃機関１の冷却
系の水循環経路を低圧大流量とし、廃熱回収装置２の水
循環経路と高圧小流量としたので、内燃機関１の冷却系
および廃熱回収装置２にそれぞれ適した流量および圧力
の水を供給することが可能となり、廃熱回収装置２の性
能を維持しながら内燃機関１の発熱部を充分に冷却して
ラジエータを廃止することができる。しかも低圧ポンプ
７からウオータジャケット１０５に供給される水を排気
管１０１に設けた熱交換器１０２で予熱するので、内燃
機関１の廃熱を一層有効に利用することができる。
【００７３】また低圧ポンプ７から低温の水が供給され
る熱交換器１０２を、蒸発器３の位置より排気ガスの温
度が低下している排気管１０１の下流に設けたので、排
気ガスの持つ余剰の廃熱を余すところなく効率的に回収
することができる。更に、熱交換器１０２で予熱された
水をウオータジャケット１０５に供給するので、内燃機
関１の過冷却を防止するとともに、燃焼熱、即ち排気ガ
スを更に高温化して排気ガスの熱エネルギーを高め、廃
熱回収効率を向上させることができる。
【００７４】次に、図１７に基づいて本発明の第２実施
例を説明する。
【００７５】本実施例では、ベーン４８に対向するロー
タセグメント４３の端面に、ロータ４１の円弧面４１ｂ
および一対の平坦面４１ａ，４１ａに沿って延びるＵ字
状の潤滑水案内溝４３ｇが形成される。潤滑水案内溝４
３ｇの両端部は、ロータ４１の平坦面４１ａ，４１ａと
ロータチャンバ１４の平坦面１４ａ，１４ａとのクリア
ランスを介してローラ７１，７１を案内する環状溝７
４，７４に連通する。そしてベーン４８の表面に形成し
たポケット４８ｆ…はロータセグメント４３の潤滑水案
内溝４３ｇに連通し、ポケット４８ｆ…には潤滑水案内
溝４３ｇから高圧の水が補給される。
【００７６】而して、ロータセグメント４３の端面とベ
ーン４８との摺動面を潤滑した水は遠心力で半径方向外
側に移動し、その大部分がロータセグメント４３に形成
したＵ字状の潤滑水案内溝４３ｇに捕捉された後、潤滑
水案内溝４３ｇの両端部が連通する低圧の環状溝７４，
７４に排出される。そして潤滑水案内溝４３ｇから高圧
の水が補給されたポケット４８ｆ…がベーン４８の半径
方向外側への移動に伴ってベーン室７５に開口すると、
ポケット４８ｆ…からベーン室７５に供給された水が気
化して蒸気になり、その蒸気がベーン４８を押圧して膨
張機４の出力を増加させる。
【００７７】このように、ベーン４８を浮動状態で支持
する静圧軸受けに用いられた水が無制限にロータチャン
バ１４に流入するのを潤滑水案内溝４３ｇで阻止するこ
とにより、大量の水によってロータチャンバ１４に区画
されたベーン室７５…内の蒸気が冷却されて膨張機４の
出力が低下するのを防止しながら、適量の水を適切なタ
イミングでベーン室７５…に供給することで、膨張機４
の出力を効果的に増加させることができる。
【００７８】尚、第１実施例ではポケット４８ｆ…に保
持された水の圧力は潤滑水の供給圧に等しくなるが、本
第２実施例ではポケット４８ｆ…に保持された水の圧力
は潤滑水案内溝４３ｇの圧力に等しくなり、このは潤滑
水案内溝４３ｇの圧力はそれが連通する環状溝７４，７
４の圧力に等しくなる。従って、環状溝７４，７４の圧
力を所定の位置に在るベーン室７５の圧力よりも高く設
定しておくことにより、ポケット４８ｆ…から所定の位
置に在るベーン室７５に支障なく水を供給することがで
きる。
【００７９】次に、図１８に基づいて本発明の第３実施
例を説明する。
【００８０】第３実施例は第２実施例の変形であって、
第２実施例のポケット４８ｆ…に対応する第３実施例の
スリット４８ｇ…は、主に水を保持する機能を持つ第２
実施例のポケット４８ｆ…と異なり、主に潤滑水案内溝
４３ｇとベーン室７５とを連通させ、潤滑水案内溝４３
ｇに捕捉された水をスリット４８ｇ…を介してベーン室
７５に供給する機能を持つ。これにより、スリット４８
ｇ…の数や容積を増加させることなく、またポケット４
８ｆ…に比べて加工を容易化しながら、ベーン室７５へ
の水の供給量を過不足なく設定することができる。
【００８１】尚、スリット４８ｇ…がベーン室７５に連
通して水の供給が開始されるタイミングは前述の第２実
施例と同様であり、ベーン４８が半径方向外側に移動し
てスリット４８ｇ…の半径方向外端がベーン室７５に開
口したときとなる。またベーン室７５への水の供給が終
了するタイミングは、ベーン４８が更に半径方向外側に
移動してスリット４８ｇ…の半径方向内端が潤滑水案内
溝４３ｇとの連通を絶たれたときとなる。従って、スリ
ット４８ｇ…の半径方向内端の位置を変更することで、
ベーン室７５への水の供給が終了するタイミングを、つ
まりベーン室７５への水の供給量を任意に設定すること
ができる。また排気行程においては、ローラ７１，７１
を案内する環状溝７４，７４に溜まった水を、潤滑水案
内溝４３ｇからスリット４８ｇ…を経てベーン室７５に
排出することができる。
【００８２】以上説明した実施例以外にも、ピストン４
７…の前進運動をロータ４１の回転運動に変換する動力
変換装置の構成として、ベーン４８…を介さず、ピスト
ン４７…の前進運動を直接ローラ７１…で受け、環状溝
７４，７４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４８…もローラ７１…と環状溝７４，７
４との協働により、前述の如くロータチャンバ１４の内
周面から略一定間隔で常時離間していればよく、ピスト
ン４７…およびローラ７１…が、またベーン４８…およ
びローラ７１…が、各々独立して環状溝７４，７４と協
働しても良い。
【００８３】前記膨張機４を圧縮機として使用する場合
には、回転軸２１によりロータ４１を図４の反矢印Ｒ方
向に回転させて、外気をベーン４８…により排気ポート
９１…からロータチャンバ１４内に吸い込んで圧縮し、
このようにして得られた低圧縮空気を吸気ポート９０…
から中継チャンバ１９、通孔８１ｂ…、第５蒸気通路Ｓ
５、第４蒸気通路Ｓ４，Ｓ４、固定軸８５の切欠８５
ａ，８５ａおよび第３蒸気通路Ｓ３…を経てシリンダ４
４…内に吸入し、そこでピストン４７…により圧縮して
高圧縮空気とする。このようにして得られた高圧縮空気
は、シリンダ４４…から第３蒸気通路Ｓ３…、第２蒸気
通路Ｓ２，Ｓ２、第１蒸気通路Ｓ１および蒸気供給パイ
プ８８を経て排出される。尚、膨張機４を圧縮機として
使用する場合には、前記蒸気通路Ｓ１〜Ｓ５および蒸気
供給パイプ８８は、それぞれ空気通路Ｓ１〜Ｓ５および
空気供給パイプ８８と読み変えるものとする。
【００８４】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。
【００８５】例えば、実施例では回転流体機械として膨
張機４を例示したが、本発明は圧縮機としても適用する
ことができる。
【００８６】また実施例では気相作動媒体および液相作
動媒体として蒸気および水を用いているが、他の適宜の
作動媒体を用いることができる。
【００８７】
【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、ベーンの摺動面に設けた液相作動媒体案内手
段により、ベーン溝にベーンを浮動状態で支持する静圧
軸受け用の液相作動媒体をベーン室に導入し、かつベー
ン室に導入される液相作動媒体の温度および圧力をベー
ン室において気化し得る温度および圧力に設定したの
で、ベーン室において気化した気相作動媒体の圧力エネ
ルギーを有効利用して回転流体機械の性能を向上させる
ことができる。
【００８８】また請求項２に記載された発明によれば、
ベーンの摺動面に液相作動媒体を保持し得るように凹設
したポケットにより液相作動媒体案内手段を構成したの
で、ロータの回転によりベーンが半径方向外側に移動し
てポケットがベーン室に連通したとき、ポケットに保持
された高圧の液相作動媒体をベーン室に導入することが
できる。従って、ポケットの半径方向の位置を適宜設定
することにより、ポケットがベーン室に連通するタイミ
ングを任意に調整し、連通の瞬間にポケットの内圧をベ
ーン室の内圧よりも高圧にして液相作動媒体を確実にベ
ーン室に供給することができる。
【００８９】また請求項３に記載された発明によれば、
静圧軸受け用の液相作動媒体を予め加熱しておくことに
より、その液相作動媒体がベーン室に導入されたときに
確実に気化させることができる。
【００９０】また請求項４に記載された発明によれば、
内燃機関の廃熱を利用して静圧軸受け用の液相作動媒体
を予め加熱するので、特別の熱源が不要になって燃料消
費量の低減に寄与することができる。
【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４の２−２線断面図に相当する膨張機の縦断
面図
【図３】図２の軸線周りの拡大断面図
【図４】図２の４−４線断面図
【図５】図２の５−５線断面図
【図６】図２の６−６線断面図
【図７】図５の７−７線断面図
【図８】図５の８−８線断面図
【図９】図８の９−９線断面図
【図１０】図３の１０−１０線断面図
【図１１】ロータの分解斜視図
【図１２】ロータの潤滑水分配部の分解斜視図
【図１３】ロータチャンバおよびロータの断面形状を示
す模式図
【図１４】膨張機の膨張行程に潤滑水を供給する位相に
対する膨張機の出力の増加量の関係を、潤滑水の温度毎
に示すグラフ
【図１５】膨張機の膨張行程に潤滑水を供給する位相に
対する膨張機の出力の増加量の関係を、潤滑水の供給量
毎に示すグラフ
【図１６】前記図７に対応する作用説明図
【図１７】本発明の第２実施例に係る、前記図７に対応
する図
【図１８】本発明の第３実施例に係る、前記図７に対応
する図
【符号の説明】
１ 内燃機関 １１ ケーシング １４ ロータチャンバ ４１ ロータ ４８ ベーン ４８ｆ ポケット（液相作動媒体案内手段） ４８ｇ スリット（液相作動媒体案内手段） ４９ ベーン溝 ７５ ベーン室
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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 (72)発明者 田島 雄一郎 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

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ケーシング（１１）に形成したロータチ
    ャンバ（１４）と、ロータチャンバ（１４）内に回転自
    在に収容したロータ（４１）と、ロータ（４１）に放射
    状に形成した複数のベーン溝（４９）と、各々のベーン
    溝（４９）に摺動自在に支持した複数のベーン（４８）
    とを備え、 ベーン溝（４９）およびベーン（４８）の摺動面に液相
    作動媒体を供給して構成した静圧軸受けでベーン（４
    ８）を浮動状態で支持し、ロータ（４１）、ケーシング
    （１１）およびベーン（４８）により区画されたベーン
    室（７５）に供給される気相作動媒体の圧力エネルギー
    とロータ（４１）の回転エネルギーとを相互に変換する
    回転流体機械であって、 静圧軸受け用の液相作動媒体をベーン室（７５）に導入
    する液相作動媒体案内手段をベーン（４８）の摺動面に
    設けるとともに、液相作動媒体案内手段によりベーン室
    （７５）に導入される液相作動媒体の温度および圧力
    を、その液相作動媒体がベーン室（７５）において気相
    作動媒体に気化し得るように設定したことを特徴とする
    回転流体機械。
  2. 【請求項２】 液相作動媒体案内手段はベーン（４８）
    の摺動面に液相作動媒体を保持し得るように凹設された
    ポケット（４８ｆ）よりなり、ロータ（４１）の回転に
    伴うベーン（４８）の半径方向外側への移動によりポケ
    ット（４８ｆ）がベーン室（７５）に連通したとき、ベ
    ーン室（７５）の内圧よりも高圧の液相作動媒体を該ベ
    ーン室（７５）に導入することを特徴とする、請求項１
    に記載の回転流体機械。
  3. 【請求項３】 静圧軸受け用の液相作動媒体は、ベーン
    室（７５）に導入されたときに気化し得るように予め加
    熱されることを特徴とする、請求項１または請求項２に
    記載の回転流体機械。
  4. 【請求項４】 内燃機関（１）の廃熱を利用して静圧軸
    受け用の液相作動媒体を予め加熱することを特徴とす
    る、請求項３に記載の回転流体機械。
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