JP2003097207A - 回転流体機械 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 回転流体機械のベーンピストンユニットに設
けられるローラをグリースレス化しながら、その潤滑性
能を確保して耐久性を高める。 【解決手段】 回転流体機械は、ロータチャンバ１４
と、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４
４に摺動自在に嵌合するピストン４７とを備える。ピス
トン４７の往復運動とロータ４１の回転運動とを相互に
変換すべく、ベーン４８の支軸４８ｄに設けたグリース
レスベアリング構造のローラ７１がケーシング１１の環
状溝７４に転動自在に嵌合する。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水を、ベーン４８の
リセス４８ｅから水通路Ｗ１９〜Ｗ２２を介してローラ
７１の静圧軸受け７０に導き、ローラ７１のインナー部
材７１ａに対してアウター部材７１ｂを浮動状態で支持
する。

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。前記動力変換装置のローラはベーンの左右に
突設した支軸に設けられたグリース封入型のボールベア
リングから構成されており、そのインナーレースが支軸
に固定され、そのアウターレースが環状溝に転動可能に
係合している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、かかる回転
流体機械のベーンピストンユニットは高温高圧の気相作
動媒体に晒される厳しい環境で作動するため、ローラに
封入されたグリースが漏れ出してローラ自体の耐久性が
低下するだけでなく、ローラから漏れ出したグリースが
作動媒体に混入する問題がある。作動媒体に混入したオ
イルは比較的に低温（例えば１８０℃）で炭化するた
め、その炭化物がランキンサイクル装置の蒸発器や凝縮
器に蓄積して性能低下の要因となる問題がある。しかも
作動媒体に混入したオイルは低温で気化するため、作動
媒体から気化したオイルを除去するには大がかりなフィ
ルター装置が必要になる問題がある。

【０００４】本発明は前述の事情に鑑みてなされたもの
で、回転流体機械のベーンピストンユニットに設けられ
るローラをグリースレス化しながら、その潤滑性能を確
保して耐久性を高め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、ロータに半径方向に移動自在に
支持した複数のベーンピストンユニットとを備え、ベー
ンピストンユニットは、ロータに形成したベーン溝に案
内されてロータチャンバ内を摺動するベーンと、ロータ
に設けたシリンダに摺動自在に嵌合するピストンと、ケ
ーシングに形成した環状溝に転動自在に係合するローラ
とよりなり、ピストンの往復動によりローラおよび環状
溝を介して気相作動媒体の圧力エネルギーおよびロータ
の回転エネルギーを相互に変換するとともに、ベーンの
回転により気相作動媒体の圧力エネルギーおよびロータ
の回転エネルギーを相互に変換する回転流体機械におい
て、液相作動媒体を用いた静圧軸受けを介してローラを
支持するとともに、他の静圧軸受けに供給する液相作動
媒体の一部を前記ローラを支持する静圧軸受けに供給す
る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、回転流体機械のベーン
ピストンユニットに設けられるローラを液相作動媒体を
用いた静圧軸受けを介して支持するので、グリース封入
型のローラを使用した場合に発生するグリース流出の問
題が解決され、ローラの耐久性を高めるとともにグリー
スによる作動媒体の汚染を防止することができる。しか
も他の静圧軸受けに供給する液相作動媒体の一部をロー
ラを支持する静圧軸受けに供給するので、ローラの静圧
軸受けに液相作動媒体を供給する通路の構造を簡素化す
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、前記他の静圧軸受けは、ベー
ン溝にベーンを支持するものであ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、ベーン溝にベーンを支
持する静圧軸受けに供給される液相作動媒体の一部を、
前記静圧軸受けに近い位置にあるローラを支持する静圧
軸受けに供給するので、ローラの静圧軸受けに液相作動
媒体を供給する通路を短縮することができる。

【０００９】また請求項３に記載された発明によれば、
請求項２の構成に加えて、ローラはベーンの側縁に支持
されており、ベーンの表面に凹設したリセスの内部空間
を通路を介して前記ローラを支持する静圧軸受けに連通
させた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、ベーンの表面に凹設し
たリセスの内部空間をベーンの側縁に支持したローラの
静圧軸受けに通路を介して連通させたので、ベーン自体
に通路を形成するだけ静圧軸受けに液相作動媒体を供給
することができ、前記静圧軸受けに対する液相作動媒体
の供給を極めて簡単に行うことができる。

【００１１】尚、実施例の第１９水通路Ｗ１９〜第２２
水通路Ｗ２２は本発明の通路に対応し、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。

【００１２】

【発明の実施の形態】図１〜図１４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は図７の１４−１４線拡
大断面図である。

【００１３】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）を気化させた高温高圧
状態の蒸気を発生する蒸発器３と、その蒸気の膨張によ
って出力を発生する膨張機４と、その膨張機４において
圧力エネルギーを機械エネルギーに変換して温度および
圧力が降下した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）を加圧して再度蒸発器３に供給す
る供給ポンプ６とを有する。

【００１４】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。

【００１５】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。

【００１６】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。

【００１７】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。

【００１８】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。

【００１９】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。

【００２０】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。

【００２１】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。

【００２２】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。

【００２３】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。

【００２４】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。

【００２５】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。

【００２６】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。

【００２７】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。

【００２８】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にグリースレスベアリング構造のローラ７１，７１が
回転自在に支持される。

【００２９】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。

【００３０】図７、図９および図１４から明らかなよう
に、各々のローラ７１はベーン４８の支軸４８ｄに圧入
されるインナー部材７１ａと、このインナー部材７１ａ
の外周に静圧軸受け７０を介して回転自在に支持される
アウター部材７１ｂとを備える。ベーン４８の両面に形
成されたリセス４８ｅ，４８ｅは第１９水通路Ｗ１９で
相互に連通し、第１９水通路Ｗ１９は支軸４８ｄの内部
を軸方向に延びる第２０水通路Ｗ２０と、支軸４８ｄの
内部を放射方向に延びる３本の第２１水通路Ｗ２１…
と、第２１水通路Ｗ２１の半径方向外側に連なる３個の
オリフィス４８ｆ…とを介して、ローラ７１のインナー
部材７１ａの内部を放射方向に延びてアウター部材７１
ｂとの摺動面に形成される静圧軸受け７０に連通する３
本の第２２水通路Ｗ２２…に連通する。

【００３１】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。

【００３２】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。

【００３３】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。

【００３４】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。

【００３５】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。

【００３６】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。

【００３７】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）。

【００３８】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。

【００３９】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。

【００４０】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。

【００４１】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。

【００４２】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。

【００４３】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。

【００４４】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。

【００４５】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。

【００４６】潤滑用の水の供給は凝縮器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）を利用
して行われるもので、供給ポンプ６が吐出する水の一部
が潤滑用としてケーシング１１の第１水通路Ｗ１に供給
される。このように供給ポンプ６を膨張機４の各部の静
圧軸受けへの水の供給に利用することにより、特別のポ
ンプが不要になって部品点数が削減される。

【００４７】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。

【００４８】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。

【００４９】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。

【００５０】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。

【００５１】更に、ベーン４８の両面に形成したリセス
４８ｅ，４８ｅに保持された水は第１９水通路Ｗ１９、
第２０水通路Ｗ２０、第２１水通路Ｗ２１…、オリフィ
ス４８ｆ…および第２２水通路Ｗ２２…を経てローラ７
１の静圧軸受け７０に供給され、ローラ７１のインナー
部材７１ａに対してアウター部材７１ｂを浮動状態にし
て摺動抵抗を皆無に近い状態まで低減することができ
る。

【００５２】このように、ローラ７１を従来のグリース
封入型のものからグリースレス型のものに変更したの
で、高温高圧の厳しい条件下でローラ７１からグリース
が流出して該ローラ７１の耐久性が低下するのを防止で
きるだけでなく、流出したグリースにより作動媒体が汚
染するのを防止できるので、グリースを除去するための
フィルター装置を設ける必要がない。しかもベーン溝４
９に対してベーン４８を浮動状態に支持する静圧軸受け
に供給される水の一部を利用し、その水をローラ７１の
静圧軸受け７０に導くので、水通路の一部を共用して構
造を簡素化することができる。更に、ローラ７１の静圧
軸受け７０に供給される水は、そのローラ７１が設けら
れたベーン４８のリセス４８ｅ，４８ｅから導かれるの
で、リセス４８ｅ，４８ｅおよび静圧軸受け７０を接続
する水通路の長さを最小限に抑えることができる。

【００５３】尚、ベーン溝４９およびベーン４８間の静
圧軸受けを潤滑した水は遠心力で半径方向外側に移動
し、ベーン４８の円弧面４８ｂに設けたシール部材７２
とロータチャンバ１４の円弧面１４ｂとの摺動部を潤滑
する。そして潤滑を終えた水は、ロータチャンバ１４か
ら排気ポート９１…を介して排出される。

【００５４】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。

【００５５】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。

【００５６】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。

【００５７】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。

【００５８】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。

【００５９】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。

【００６０】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。

【００６１】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。

【００６２】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。

【００６３】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。

【００６４】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。

【００６５】

【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、回転流体機械のベーンピストンユニットに設
けられるローラを液相作動媒体を用いた静圧軸受けを介
して支持するので、グリース封入型のローラを使用した
場合に発生するグリース流出の問題が解決され、ローラ
の耐久性を高めるとともにグリースによる作動媒体の汚
染を防止することができる。しかも他の静圧軸受けに供
給する液相作動媒体の一部をローラを支持する静圧軸受
けに供給するので、ローラの静圧軸受けに液相作動媒体
を供給する通路の構造を簡素化することができる。

【００６６】また請求項２に記載された発明によれば、
ベーン溝にベーンを支持する静圧軸受けに供給される液
相作動媒体の一部を、前記静圧軸受けに近い位置にある
ローラを支持する静圧軸受けに供給するので、ローラの
静圧軸受けに液相作動媒体を供給する通路を短縮するこ
とができる。

【００６７】また請求項３に記載された発明によれば、
ベーンの表面に凹設したリセスの内部空間をベーンの側
縁に支持したローラの静圧軸受けに通路を介して連通さ
せたので、ベーン自体に通路を形成するだけ静圧軸受け
に液相作動媒体を供給することができ、前記静圧軸受け
に対する液相作動媒体の供給を極めて簡単に行うことが
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】図７の１４−１４線拡大断面図

【符号の説明】

１１ ケーシング １４ ロータチャンバ ４１ ロータ ４４ シリンダ ４７ ピストン ４８ ベーン ４８ｅ リセス ４９ ベーン溝 ７０ 静圧軸受け ７１ ローラ ７４ 環状溝 Ｗ１９ 第１９水通路（通路） Ｗ２０ 第２０水通路（通路） Ｗ２１ 第２１水通路（通路） Ｗ２２ 第２２水通路（通路）

フロントページの続き (72)発明者 新倉 裕之 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 高橋 勤 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 (3)

【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）に半径
   方向に移動自在に支持した複数のベーンピストンユニッ
   トとを備え、 ベーンピストンユニットは、ロータ（４１）に形成した
   ベーン溝（４９）に案内されてロータチャンバ（１４）
   内を摺動するベーン（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（４
   ７）と、ケーシング（１１）に形成した環状溝（７４）
   に転動自在に係合するローラ（７１）とよりなり、 ピストン（４７）の往復動によりローラ（７１）および
   環状溝（７４）を介して気相作動媒体の圧力エネルギー
   およびロータ（４１）の回転エネルギーを相互に変換す
   るとともに、ベーン（４８）の回転により気相作動媒体
   の圧力エネルギーおよびロータ（４１）の回転エネルギ
   ーを相互に変換する回転流体機械において、 液相作動媒体を用いた静圧軸受け（７０）を介してロー
   ラ（７１）を支持するとともに、他の静圧軸受けに供給
   する液相作動媒体の一部を前記ローラ（７１）を支持す
   る静圧軸受け（７０）に供給することを特徴とする回転
   流体機械。
2. 【請求項２】 前記他の静圧軸受けは、ベーン溝（４
   ９）にベーン（４８）を支持するものであることを特徴
   とする、請求項１に記載の回転流体機械。
3. 【請求項３】 ローラ（７１）はベーン（４８）の側縁
   に支持されており、ベーン（４８）の表面に凹設したリ
   セス（４８ｅ）の内部空間を通路（Ｗ１９〜Ｗ２２）を
   介して前記ローラ（７１）を支持する静圧軸受け（７
   ０）に連通させたことを特徴とする、請求項２に記載の
   回転流体機械。