JP2004197710A - Rotary fluid machine - Google Patents

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浩 市川
Tsutomu Takahashi
勤 高橋
Yasushige Kimura
安成 木村
Tsuneo Endo
恒雄 遠藤
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    • F01K23/06Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle
    • F01K23/065Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle the combustion taking place in an internal combustion piston engine, e.g. a diesel engine

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To discharge to a vane chamber only a liquid-phase operating medium from a reservoir part of a rotor from which the liquid phase operating medium and the gas phase operating medium leak. <P>SOLUTION: A supplementary chamber 48h having a suction port 48i opened toward the inside in the radial direction of the rotor and a discharge port 48j opened toward the outside in the radial direction is formed inside a vane 48 slidably fitted to a vane groove 49 of the rotor. When the vane 48 moves inward in the radial direction, only the suction port 48i communicates with the reservoir part 78 to suck the liquid phase operating medium in the supplementary chamber 48h, and when the vane 48 moves outward in the radial direction, only the discharge port 48j communicates with the vane chamber 75 in the exhaust stroke to discharge the liquid phase operating medium in the supplementary chamber 48h. Thus, the suction port 48i and the discharge port 48j do not communicate with the liquid reservoir part 78 and the vane chamber 75 at the same time, whereby the gas phase operating medium in the liquid reservoir part 78 is inhibited from flowing to the vane chamber 75 through the supplementary chamber 48h, and the gas phase operating medium having usable pressure energy can be prevented from being discharged wastefully. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【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ベーン式の回転流体機械に関する。
【0002】
【従来の技術】
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に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回転流体機械が、下記特許文献により公知である。
【0003】
この回転流体機械は、ロータに形成したベーン溝と、そこに摺動自在に嵌合するベーンとの摺動面に加圧した液相作動媒体を供給することで、静圧軸受けを構成してベーンを浮動状態で支持するようになっている。前記静圧軸受けから漏れた液相作動媒体はロータの内周の溜まり部に溜まって回転抵抗が増加する要因となるため、ベーンの内部にロータの半径方向に延びる通路を形成し、この通路の半径方向外端が排気行程のベーン室に連通したときに高圧の溜まり部と低圧のベーン室との圧力差によって、溜まり部に溜まった液相作動媒体をベーンの通路を介してベーン室に排出するようになっている。
【0004】
【特許文献】
特開2001−336491号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来の回転流体機械は、ベーンの通路の両端が溜まり部およびベーン室の両方に同時に連通するため、溜まり部に溜まった気相作動媒体が液相作動媒体と共にベーン室に排出されてしまい、まだ利用可能な圧力エネルギーを有する気相作動媒体が無駄に捨てられてしまう問題があった。
【0006】
本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、液相作動媒体および気相作動媒体が漏れ出したロータの溜まり部から、液相作動媒体だけをベーン室に排出できるようにすることを目的とする。
【0007】
【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の各々に摺動自在に支持した複数のベーンと、ベーン溝およびベーンの摺動面に供給される液相作動媒体でベーンを浮動状態で支持する静圧軸受と、ロータの径方向内側に形成されて前記静圧軸受として機能した液相作動媒体が溜まる溜まり部とを備え、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吸気行程および排気行程をもって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、ベーンの内部に、ロータの径方向内側に開口する吸入口および径方向外側に開口する排出口を有する補足室を形成し、ベーンが径方向内側に移動したときに吸入口だけが溜まり部に連通して補足室に液相作動媒体を吸入し、ベーンが径方向外側に移動したときに排出口だけが吸気行程および排気行程の何れか低圧側の行程のベーン室に連通して補足室の液相作動媒体を排出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、ベーンの内部に吸入口および排出口を有する補足室を形成したので、ベーンが径方向内側に移動したときに吸入口だけが溜まり部に連通して補足室に液相作動媒体を吸入し、ベーンが径方向外側に移動したときに排出口だけが吸気行程および排気行程の何れか低圧側の行程のベーン室に連通して補足室の液相作動媒体を排出することができる。しかも吸入口および排出口は液溜まり部およびベーン室に同時に連通することがないため、液溜まり部の気相作動媒体が補足室を通してベーン室に流出することが阻止され、まだ利用可能な圧力エネルギーを有する気相作動媒体が無駄に排出されることが防止される。
【0009】
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、ロータに設けたシリンダにピストンに摺動自在に嵌合させた第1エネルギー変換手段と、ロータのベーン溝にベーンを摺動自在に嵌合させた前記第2エネルギー変換手段とを備え、膨張機として機能するときには第1、第2エネルギー変換手段がそれぞれ発生した機械エネルギーを統合して出力するとともに、圧縮機として機能するときには第1、第2エネルギー変換手段がそれぞれ発生した圧力エネルギーを統合して出力し、第1、第2エネルギー変換手段のうち、高圧側のエネルギー変換手段から前記溜まり部に漏れた気相作動媒体を一方向弁を介して低圧側のエネルギー変換手段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。
【0010】
上記構成によれば、第1、第2エネルギー変換手段がそれぞれ発生する機械エネルギーを統合して出力する膨張機として機能し、あるいは第1、第2エネルギー変換手段がそれぞれ発生する圧力エネルギーを統合して出力する圧縮機として機能する回転流体機械が、高圧側のエネルギー変換手段から漏れた気相作動媒体を一方向弁を介して低圧側のエネルギー変換手段に供給するので、前記溜まり部に漏れた気相作動媒体を無駄に捨てることなく低圧側のエネルギー変換手段で有効に利用してエネルギーの変換効率を高めることができる。しかも高圧側のエネルギー変換手段から漏れた気相作動媒体の圧力が低圧側のエネルギー変換手段の気相作動媒体の圧力よりも低い場合に、一方向弁で気相作動媒体の逆流を阻止して低圧側のエネルギー変換手段の効率低下を防止することができる。
【0011】
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、前記第1、第2エネルギー変換手段は順次連続して共通の気相作動媒体で作動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、第1、第2エネルギー変換手段が順次連続して共通の気相作動媒体で作動するので、気相作動媒体の供給・排出経路を簡素化できるだけでなく、機械エネルギーあるいは圧力エネルギーの発生効率を高めることができる。
【0013】
【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はシール補助部材、スプリングおよびベーンシールの端部の斜視図、図14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である。
【0014】
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。
【0015】
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P4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。
【0016】
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107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75…)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105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。
【0017】
低圧ポンプ7、高圧ポンプ8、分配弁106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。
【0018】
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12,13より構成される。第1、第2ケーシング半体12,13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17a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。
【0019】
両ケーシング半体12,13の本体部12a,13aは左右外方へ突出する中空軸受筒12c,13c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。
【0020】
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。
【0021】
図4および図14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。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
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44aおよび回転軸21を貫通する12個の第3蒸気通路S3…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。
【0025】
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。
【0026】
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49…にベーン48…を嵌合させる。このとき、ベーン48…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。
【0027】
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63間はOリング65によりシールされる。
【0028】
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;61c,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。
【0029】
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。
【0030】
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47の摺動面に連通する。シリンダ44のオリフィス44c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。
【0031】
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。
【0032】
図5、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,48a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,48d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。
【0033】
ベーン48の円弧面48bから一対の平行面48a,48aに亘ってスリット状のシール保持溝48fが形成される。このシール保持溝48fにはU字状に形成された合成樹脂製のベーンシール72が保持されており、このベーンシール72の先端はベーン48の外周面から僅かに突出してロータチャンバ14の内周面に摺接する。ベーンの一対の平行面48a,48aに前記シール保持溝48fの半径方向内端に連なる円形断面の係止孔48g,48gが軸線L方向に形成されており、これらの係止孔48g,48gに円筒状のシール補助部材76,76が隙間なく嵌合する。図13から明らかなように、シール補助部材76,76は半径方向外側および軸方向外側に開口するスリット76a,76aが形成されており、これらのスリット76a,76aにベーンシール72の半径方向内端が隙間なく嵌合する。そして係止孔48g,48gの底部に配置したスプリング77,77でシール補助部材76,76が軸線L方向外側(係止孔48g,48gから突出する方向)に付勢される。
【0034】
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、これらのリセス48e,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。またベーン48の内部には半径方向内外に延びる捕捉室48hが形成されており、捕捉室48hの半径方向内側はベーン48の両側面に開口する吸入口48i,48iを介してロータコア42およびロータセグメント43…間に形成された溜まり部78に連通するとともに、捕捉室48hの半径方向外側はベーン48の回転方向Rの進み側の側面に開口する排出口48jを介してベーン室75に連通する。そしてベーン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2から明らかなように、ロータコア42およびロータセグメント43…間に形成された前記溜まり部78と中継チャンバ19とは第1ケーシング12を貫通する連通孔12dで連通しており、この連通孔12dに溜まり部78から中継チャンバ19への蒸気の移動を許容し、中継チャンバ19から溜まり部78への蒸気の移動を規制する一方向弁79が配置される。
【0036】
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14b間の距離は全周に亘り一定である。従って、ロータ41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に装着したベーンシール72が一定量だけ圧縮された状態でロータチャンバ14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。
【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82…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,S2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44a…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85a,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81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91…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…のベーンシール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に形成された第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。
【0043】
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。
【0044】
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S1、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48,48に設けた一対のローラ71,71と環状溝74,74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。
【0045】
ロータ41の回転に伴って第2蒸気通路S2,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44,44内の蒸気は第3蒸気通路S3,S3、切欠85a,85a、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。
【0046】
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90…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。
【0047】
このように、高温高圧蒸気の膨張により12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を回転させるので、ピストン47…により発生した機械エネルギーとベーン48…により発生した機械エネルギーとを統合して回転軸21より出力を得ることができ、しかも高温高圧蒸気の圧力エネルギーを余すところ無く機械エネルギーに変換することができる。
【0048】
更に、ロータチャンバ14の内部に回転自在に収容されたロータ41に放射状に形成されたシリンダ44…と、このシリンダ44…内を摺動するピストン47…とから第1エネルギー変換手段を構成したので、高温高圧の気相作動媒体のシール性を高めてリークによる効率低下を最小限に抑えることができる。またロータ41に放射方向に移動自在に支持されてロータチャンバ14の内周面に摺接するベーン48…から第2エネルギー変換手段を構成したので、圧力エネルギーおよび機械エネルギーの変換機構の構造が簡単であり、コンパクトな構造でありながら大流量の気相作動媒体を処理できる。而して、シリンダ44…およびピストン47…を持つ第1エネルギー変換手段と、ベーン48…を持つ第2エネルギー変換手段とを組み合わせたことにより、両者の特長を兼ね備えた高性能な回転流体機械を得ることができる。
【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W3…、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56b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55a,56aから各々の潤滑水分配部材62の分配溝62b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,43f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43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】
ロータ41と共に各々のベーン48が回転すると、そのシール保持溝48fに嵌合するベーンシール72が遠心力で半径方向外側に付勢されることで、ベーン48の円弧面48bに対応する部分でベーンシール72がロータチャンバ14の内周面に押し付けられてシール性が発揮される。ベーン48…の平行面48a,48aに対応する部分では遠心力によるベーンシール72の押し付け力が期待できないが、高圧側のベーン室75からベーン48のシール保持溝48fの底部に導入された圧力でベーンシール72が該シール保持溝48fから押し出される方向に付勢されるため、ベーンシール72の外周面の全域がロータチャンバ14の内周面に押し付けられてシール性が発揮される。
【0056】
このとき、シール保持溝48fの両端部から圧力が逃げてしまうとベーンシール72の押し付け力が消滅してしまうが、本実施例ではシール保持溝48fの両端部に連なる係止孔48g,48gに嵌合するシール補助部材76,76のスリット76a,76aにベーンシール72の端部が嵌合しており、かつシール補助部材76,76のスリット76a,76aは半径方向外側に開口して半径方向内側に閉塞しており、かつ前記スリット76a,76aが開口するシール補助部材76,76の軸線L方向外端面はスプリング77,77の弾発力でロータチャンバ14の内周面に向けて付勢されているため、ベーンシール72の端部をシール補助部材76,76のスリット76a,76aに密着させ、シール保持溝48fの両端部からの圧力逃げを防止してベーンシール72のシール性を確保することができる。
【0057】
特に、膨張機4の冷間時であってシール保持溝48fの底部の圧力が充分に立ち上がらないとき、スプリング77,77の弾発力でシール補助部材76,76およびベーンシール72を端部をロータチャンバ14の内周面に押し付けてシール性を確保することができる。
【0058】
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。
【0059】
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41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。
【0060】
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41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。
【0061】
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47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。
【0062】
ところで、ベーン48とベーン溝49との摺動面に供給されて静圧軸受けを構成する液相作動媒体は、その機能を終えた後にロータコア42およびロータセグメント43…間に形成された溜まり部78に溜まってしまう。この溜まり部78にはベーン48に設けたローラ71,71を案内する環状溝74,74が連通しているため、環状溝74,74に流入した液相作動媒体によってローラ71,71が移動する際に大きな抵抗が発生してしまい、膨張機4の出力が低下する懸念がある。
【0063】
しかしながら、本実施例によれば、ベーン48に設けた捕捉室48hの機能で、溜まり部78の液相作動媒体をベーン室75を経て排気ポート91…に排出することができる。即ち、図5の右側に示すように、ベーン48がベーン溝49の内部に最も退没したとき、その捕捉室48hの半径方向内端に連なる吸入口48i,48iが溜まり部78に連通することで、溜まり部78内の液相作動媒体が捕捉室48hに捕捉される。ロータ41が矢印R方向に回転すると、図5の下側に示すように、ベーン48がベーン溝49から半径方向外側に突出し、その捕捉室48hの半径方向外端に連なる排出口48jが排気工程にあるベーン室75に連通することで、捕捉室48hに捕捉された液相作動媒体が前記ベーン室75に排出される。
【0064】
このようにしてロータ41が矢印R方向に回転するのに伴い、各々のベーン48に設けた捕捉室48hによって溜まり部78内の液相作動媒体をベーン室75に排出し、溜まり部78に溜まった液相作動媒体の抵抗によりロータ41の回転が制動されるのを防止することができる。しかも吸入口48i,48iが溜まり部78に連通するときには排出口48jがベーン室75に連通せず、排出口48jがベーン室75に連通するときには吸入口48i,48iが溜まり部78に連通しないので、つまり吸入口48i,48iおよび排出口48jが同時に溜まり部78およびベーン室75に連通することがないので、シリンダ44およびピストン47の摺動面から漏れ出して溜まり部78に捕捉された圧力エネルギーを有する高温高圧蒸気が、捕捉室48hを通してベーン室75に無駄に捨てられることがない。
【0065】
またシリンダ44およびピストン47の摺動面から漏れ出して溜まり部78に捕捉された圧力エネルギーを有する高温高圧蒸気は、第1ケーシング12の連通孔12dおよび一方向弁79(図2参照)を経て中継チャンバ19に供給されるので、その高温高圧蒸気を吸気ポート90…からベーン室75…に供給して有効に再利用することができる。何らかの理由で溜まり部78の圧力が中継チャンバ19の圧力よりも低くなると、一方向弁79が閉弁して中継チャンバ19の降温降圧蒸気が溜まり部78に逆流するのを防止するため、中継チャンバ19から圧力が逃げるのを阻止して膨張機4の効率低下を防止することができる。
【0066】
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。
【0067】
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102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102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。
【0068】
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44…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。
【0069】
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111を経てタンク6に戻される。
【0070】
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110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。
【0071】
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。
【0072】
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。
【0073】
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。
【0074】
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。
【0075】
【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、ベーンの内部に吸入口および排出口を有する補足室を形成したので、ベーンが径方向内側に移動したときに吸入口だけが溜まり部に連通して補足室に液相作動媒体を吸入し、ベーンが径方向外側に移動したときに排出口だけが吸気行程および排気行程の何れか低圧側の行程のベーン室に連通して補足室の液相作動媒体を排出することができる。しかも吸入口および排出口は液溜まり部およびベーン室に同時に連通することがないため、液溜まり部の気相作動媒体が補足室を通してベーン室に流出することが阻止され、まだ利用可能な圧力エネルギーを有する気相作動媒体が無駄に排出されることが防止される。
【0076】
また請求項2に記載された発明によれば、第1、第2エネルギー変換手段がそれぞれ発生する機械エネルギーを統合して出力する膨張機として機能し、あるいは第1、第2エネルギー変換手段がそれぞれ発生する圧力エネルギーを統合して出力する圧縮機として機能する回転流体機械が、高圧側のエネルギー変換手段から漏れた気相作動媒体を一方向弁を介して低圧側のエネルギー変換手段に供給するので、前記溜まり部に漏れた気相作動媒体を無駄に捨てることなく低圧側のエネルギー変換手段で有効に利用してエネルギーの変換効率を高めることができる。しかも高圧側のエネルギー変換手段から漏れた気相作動媒体の圧力が低圧側のエネルギー変換手段の気相作動媒体の圧力よりも低い場合に、一方向弁で気相作動媒体の逆流を阻止して低圧側のエネルギー変換手段の効率低下を防止することができる。
【0077】
また請求項3に記載された発明によれば、第1、第2エネルギー変換手段が順次連続して共通の気相作動媒体で作動するので、気相作動媒体の供給・排出経路を簡素化できるだけでなく、機械エネルギーあるいは圧力エネルギーの発生効率を高めることができる。
【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】シール補助部材、スプリングおよびベーンシールの端部の斜視図
【図14】ロータチャンバおよびロータの断面形状を示す模式図
【符号の説明】
4 膨張機
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
48h 補足室
48i 吸入口
48j 排出口
49 ベーン溝
75 ベーン室
78 溜まり部
79 一方向弁
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a vane type rotary fluid machine that mutually converts pressure energy of a gas phase working medium and rotational energy of a rotor.
[0002]
[Prior art]
A vane piston unit combining a vane and a piston is provided, and a piston slidably fitted to a cylinder provided on a rotor in a radial direction is driven by a power conversion device including an annular groove and a roller. The vanes, which convert the pressure energy of the phase working medium and the rotational energy of the rotor to each other, and are slidably supported by the rotor in the radial direction, mutually convert the pressure energy of the gas phase working medium and the rotational energy of the rotor to each other. 2. Description of the Related Art A rotating fluid machine is known from the following patent documents.
[0003]
This rotary fluid machine forms a hydrostatic bearing by supplying a pressurized liquid-phase working medium to a sliding surface between a vane groove formed in a rotor and a vane slidably fitted therein. The vane is supported in a floating state. Since the liquid-phase working medium leaked from the hydrostatic bearing accumulates in a pool on the inner periphery of the rotor and causes a rotation resistance to increase, a passage extending in the radial direction of the rotor is formed inside the vane. When the outer end in the radial direction communicates with the vane chamber in the exhaust stroke, the liquid phase working medium accumulated in the pool is discharged to the vane chamber through the vane passage due to the pressure difference between the high pressure reservoir and the low pressure vane chamber. It is supposed to.
[0004]
[Patent Document]
JP 2001-33649 A
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the conventional rotary fluid machine, since both ends of the passage of the vane communicate with both the reservoir and the vane chamber at the same time, the gas phase working medium accumulated in the reservoir is discharged to the vane chamber together with the liquid phase working medium. As a result, there is a problem that the gas-phase working medium having the pressure energy still available is wasted.
[0006]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and has as its object to discharge only a liquid-phase working medium to a vane chamber from a pool portion of a rotor from which a liquid-phase working medium and a gas-phase working medium have leaked. And
[0007]
[Means for Solving the Problems]
According to the first aspect of the present invention, there is provided a rotor chamber formed in a casing, a rotor rotatably accommodated in the rotor chamber, and a plurality of vane grooves radially formed in the rotor. A plurality of vanes slidably supported by each of them, a hydrostatic bearing for supporting the vanes in a floating state with a liquid phase working medium supplied to the vane grooves and the sliding surface of the vanes, and a radially inner side of the rotor. And a reservoir for storing a liquid-phase working medium functioning as the hydrostatic bearing, and a pressure energy of a gas-phase working medium supplied to a vane chamber defined by a rotor, a casing, and a vane through an intake stroke and an exhaust stroke. A rotary fluid machine that mutually converts the rotational energy of a rotor with a rotary fluid machine. A supplementary chamber having a discharge port to be formed is formed, and when the vane moves radially inward, only the suction port communicates with the reservoir and sucks the liquid-phase working medium into the supplementary chamber, and the vane moves radially outward. A rotary fluid machine is proposed in which only the discharge port communicates with the vane chamber in the lower pressure side stroke of either the intake stroke or the exhaust stroke to discharge the liquid-phase working medium in the supplementary chamber.
[0008]
According to the above configuration, since the supplementary chamber having the suction port and the discharge port is formed inside the vane, when the vane moves inward in the radial direction, only the suction port communicates with the accumulation portion and the supplementary chamber operates in the liquid phase. When the medium is sucked in and the vane moves radially outward, only the discharge port may communicate with the vane chamber in the low-pressure side stroke of either the intake stroke or the exhaust stroke to discharge the liquid-phase working medium in the supplementary chamber. it can. Moreover, since the suction port and the discharge port do not communicate with the liquid pool and the vane chamber at the same time, the gas phase working medium in the liquid pool is prevented from flowing out to the vane chamber through the supplementary chamber, and the pressure energy still available Is prevented from being wastefully discharged.
[0009]
According to the second aspect of the present invention, in addition to the configuration of the first aspect, the first energy conversion means slidably fitted to the piston on the cylinder provided on the rotor, and the vane groove of the rotor. The second energy conversion means having a vane slidably fitted therein, and when functioning as an expander, the first and second energy conversion means integrate and output the generated mechanical energy, respectively. When functioning as, the first and second energy conversion means integrate and output the generated pressure energy, and the air leaked from the high-pressure side energy conversion means of the first and second energy conversion means to the reservoir. A rotary fluid machine is proposed in which the phase working medium is supplied to the low-pressure side energy conversion means via a one-way valve.
[0010]
According to the above configuration, the first and second energy conversion means function as an expander that integrates and outputs the mechanical energy generated respectively, or integrates the pressure energy generated by the first and second energy conversion means. The rotary fluid machine that functions as a compressor that outputs the gas phase working medium leaked from the high-pressure side energy conversion means to the low-pressure side energy conversion means through a one-way valve, and thus leaks into the reservoir. The gas-phase working medium can be effectively used by the low-pressure-side energy conversion means without waste and the energy conversion efficiency can be increased. Moreover, when the pressure of the gas-phase working medium leaked from the high-pressure side energy converting means is lower than the pressure of the gas-phase working medium of the low-pressure side energy converting means, the backflow of the gas-phase working medium is prevented by the one-way valve. It is possible to prevent the efficiency of the energy conversion means on the low pressure side from decreasing.
[0011]
According to a third aspect of the present invention, in addition to the configuration of the second aspect, the first and second energy conversion means are sequentially and continuously operated by a common gas phase working medium. A rotary fluid machine is proposed.
[0012]
According to the above configuration, since the first and second energy conversion means operate sequentially and continuously with the common gas-phase working medium, not only can the supply and discharge paths of the gas-phase working medium be simplified, but also the mechanical energy or pressure can be reduced. Energy generation efficiency can be increased.
[0013]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
1 to 14 show an embodiment of the present invention. FIG. 1 is a schematic view of a waste heat recovery device of an internal combustion engine, and FIG. 2 is a longitudinal section of an expander corresponding to a cross-sectional view taken along line 2-2 of FIG. 2, FIG. 3 is an enlarged sectional view around the axis of FIG. 2, FIG. 4 is a sectional view taken along line 4-4 of FIG. 2, FIG. 5 is a sectional view taken along line 5-5 of FIG. 6 is a sectional view taken along line 7-7 of FIG. 5, FIG. 8 is a sectional view taken along line 8-8 of FIG. 5, FIG. 9 is a sectional view taken along line 9-9 of FIG. FIG. 11 is an exploded perspective view of a rotor, FIG. 12 is an exploded perspective view of a lubricating water distributing section of the rotor, FIG. 13 is a perspective view of a seal auxiliary member, an end of a spring and a vane seal, and FIG. It is a schematic diagram which shows the cross section shape of a rotor chamber and a rotor.
[0014]
As shown in FIG. 1, a waste heat recovery device 2 that recovers thermal energy of exhaust gas of an internal combustion engine 1 and outputs mechanical energy includes a high-temperature high-pressure steam by heating water using the exhaust gas of the internal combustion engine 1 as a heat source. Evaporator 3, an expander 4 that outputs an axial torque by expansion of the high-temperature and high-pressure steam, a condenser 5 that cools and cools down the low-temperature and low-pressure steam discharged from the expander 4, and a condenser 5 And a low-pressure pump 7 and a high-pressure pump 8 that supply the water in the tank 6 to the evaporator 3 again.
[0015]
The water in the tank 6 is pressurized to 2 to 3 MPa by the low-pressure pump 7 disposed on the passage P <b> 1, and is preheated through the heat exchanger 102 provided in the exhaust pipe 101 of the internal combustion engine 1. The water preheated by passing through the heat exchanger 102 is supplied to a water jacket 105 formed in a cylinder block 103 and a cylinder head 104 of the internal combustion engine 1 through a passage P2. Is cooled, and the temperature of the heating portion itself rises further by removing the heat of the heating portion. The water exiting the water jacket 105 is supplied to the distribution valve 106 via the passage P3, where a first system connected to the passage P4, a second system connected to the passage P5, and a third system connected to the passage P6, It is distributed to the fourth system connected to the passage P7.
[0016]
The water distributed to the first system composed of the passage P4 by the distribution valve 106 is pressurized to a high pressure of 10 MPa or more by the high-pressure pump 8 and supplied to the evaporator 3, where the water exchanges heat with the high-temperature exhaust gas. As a result, high-temperature high-pressure steam is supplied to a high-pressure section of the expander 4 (a cylinder 44 of the expander 4 described later). On the other hand, the water distributed to the second system connected to the passage P5 by the distribution valve 106 passes through the pressure reducing valve 107 interposed therein and becomes low-temperature and low-pressure steam as compared with the high-temperature and high-pressure steam. It is supplied to a low-pressure section (vane chambers 75 of the expander 4 described later). As described above, the heated water from the distribution valve 106 is converted into steam by the pressure reducing valve 107 and supplied to the low-pressure section of the expander 4, so that the water can effectively use the heat energy received by the water jacket 105 of the internal combustion engine 1. The output of the expander 4 can be increased by utilizing this. The water distributed to the third system connected to the passage P6 is supplied to the lubricated portion of the expander 4. At this time, since the lubricated portion of the expander 4 is lubricated by using the high-temperature water heated by the water jacket 105, it is possible to prevent the expander 4 from being overcooled and reduce the so-called cooling loss. The temperature-reduced pressure-decreasing steam containing water discharged from the expander 4 is supplied to the condenser 5 interposed in the passage P8, exchanges heat with cooling air from a cooling fan 109 driven by the electric motor 108, and condenses. The water is discharged to the tank 6. Further, the water distributed to the fourth system connected to the plurality of passages P7 is supplied to auxiliary equipment 110 such as a heater for heating the vehicle compartment and a thermoelectric element to radiate heat, and the water whose temperature has dropped is interposed in the passage P9. It is discharged to the tank 6 via the checked valve 111.
[0017]
The low-pressure pump 7, the high-pressure pump 8, the distribution valve 106, and the electric motor 108 are electronically controlled according to the operating state of the internal combustion engine 1, the operating state of the expander 4, the operating state of the accessory 110, the temperature of water in the tank 6, and the like. It is controlled by the control unit 112.
[0018]
As shown in FIGS. 2 and 3, the casing 11 of the expander 4 includes first and second casing halves 12 and 13 made of metal. The first and second casing halves 12, 13 are composed of main bodies 12a, 13a which cooperate to form the rotor chamber 14, and circular flanges 12b, 13b integrally connected to the outer periphery of the main bodies 12a, 13a. The two circular flanges 12b and 13b are connected via a metal gasket 15. The outer surface of the first casing half 12 is covered with a relay chamber outer wall 16 having a deep pot shape, and a circular flange 16a integrally connected to the outer periphery thereof is superimposed on the left side of the circular flange 12b of the first casing half 12. . The outer surface of the second casing half 13 is covered by an exhaust chamber outer wall 17 that houses a magnet coupling (not shown) that transmits the output of the expander 4 to the outside, and a circular flange 17a integrally connected to the outer periphery of the exhaust chamber outer wall 17. Are overlapped on the right side surface of the circular flange 13b of the second casing half 13. The four circular flanges 12b, 13b, 16a, 17a are fastened together by a plurality of bolts 18 arranged in a circumferential direction. A relay chamber 19 is defined between the relay chamber outer wall 16 and the first casing half 12, and an exhaust chamber 20 is defined between the exhaust chamber outer wall 17 and the second casing half 13. The exhaust chamber outer wall 17 is provided with an outlet (not shown) for guiding the temperature-reduced pressure-reduced steam, which has been worked by the expander 4, to the condenser 5.
[0019]
The body portions 12a, 13a of the two casing halves 12, 13 have hollow bearing cylinders 12c, 13c projecting outward in the left and right directions, and a rotating shaft 21 having a hollow portion 21a is provided in the hollow bearing cylinders 12c, 13c. It is rotatably supported via a pair of bearing members 22 and 23. Thus, the axis L of the rotating shaft 21 passes through the intersection of the major axis and the minor axis in the rotor chamber 14 having a substantially elliptical shape.
[0020]
A seal block 25 is housed inside a lubricating water introducing member 24 screwed to the right end of the second casing half 13 and fixed with a nut 26. A small-diameter portion 21b at the right end of the rotating shaft 21 is supported inside the seal block 25, and a pair of seal members 27, 27 are disposed between the seal block 25 and the small-diameter portion 21b. A pair of seal members 28, 28 are arranged between them, and a seal member 29 is arranged between the lubricating water introducing member 24 and the second casing half 13. Further, the filter 30 is fitted into a concave portion formed on the outer periphery of the hollow bearing cylinder 13 c of the second casing half 13, and is prevented from falling off by the filter cap 31 screwed to the second casing half 13. A pair of seal members 32 and 33 are provided between the filter cap 31 and the second casing half 13.
[0021]
As is clear from FIGS. 4 and 14, a circular rotor 41 is rotatably housed inside the pseudo-elliptical rotor chamber. The rotor 41 is fitted and integrally connected to the outer periphery of the rotating shaft 21, and the axis of the rotor 41 and the axis of the rotor chamber 14 coincide with the axis L of the rotating shaft 21. The shape of the rotor chamber 14 as viewed in the direction of the axis L is a pseudo-elliptical shape similar to a rhombus with four rounded vertices, and has a major axis DL and a minor axis DS. The shape of the rotor 41 as viewed in the direction of the axis L is a perfect circle, and has a diameter DR slightly smaller than the short diameter DS of the rotor chamber 14.
[0022]
Each of the cross-sectional shapes of the rotor chamber 14 and the rotor 41 as viewed in a direction perpendicular to the axis L has a track-like shape for athletics. That is, the cross-sectional shape of the rotor chamber 14 includes a pair of flat surfaces 14a, 14a extending in parallel at a distance d, and an arc surface 14b having a central angle of 180 ° that smoothly connects the outer circumferences of these flat surfaces 14a, 14a. Similarly, the cross-sectional shape of the rotor 41 has a pair of flat surfaces 41a, 41a extending in parallel at a distance d, and a circular arc having a central angle of 180 ° which smoothly connects the outer circumferences of the flat surfaces 41a, 41a. And a surface 41b. Therefore, the flat surfaces 14a, 14a of the rotor chamber 14 and the flat surfaces 41a, 41a of the rotor 41 are in contact with each other, and a pair of crescent-shaped spaces are formed between the inner peripheral surface of the rotor chamber 14 and the outer peripheral surface of the rotor 41. (See FIG. 4) is formed.
[0023]
Next, the structure of the rotor 41 will be described in detail with reference to FIGS.
[0024]
The rotor 41 is composed of a rotor core 42 integrally formed on the outer periphery of the rotating shaft 21 and twelve rotor segments 43 which are fixed so as to cover the periphery of the rotor core 42 and form an outer shell of the rotor 41. Twelve ceramic (or carbon) cylinders 44 are radially mounted on the rotor core 42 at intervals of 30 ° and are stopped by clips 45. A small diameter portion 44a protrudes from the inner end of each cylinder 44, and the base end of the small diameter portion 44a is sealed with a sleeve 84 via a C seal 46. The tip of the small-diameter portion 44a is fitted to the outer peripheral surface of the hollow sleeve 84, and the cylinder bore 44b is connected to the rotary shaft 21 through the twelve third steam passages S3 penetrating the small-diameter portion 44a and the rotary shaft 21. The internal first and second steam passages S1; S2, S2 communicate with each other. A ceramic piston 47 is slidably fitted inside each cylinder 44. When the piston 47 moves radially inward, it completely retracts inside the cylinder bore 44b, and when it moves radially outward, about half of the entire length projects outside the cylinder bore 44b.
[0025]
Each rotor segment 43 is a hollow wedge-shaped member having a central angle of 30 °, and a surface of the rotor chamber 14 facing the pair of flat surfaces 14a, 14a has two arcs extending in an arc around the axis L. Recesses 43a and 43b are formed, and lubricating water outlets 43c and 43d are opened at the centers of the recesses 43a and 43b. In addition, four lubricating water jets 43e, 43e; 43f, 43f are opened on the end face of the rotor segment 43, that is, the face facing the vane 48 described later.
[0026]
The assembly of the rotor 41 is performed as follows. Twelve rotor segments 43 are fitted around the outer periphery of the rotor core 42 previously assembled with the cylinders 44, clips 45, and C seals 46, and twelve vane grooves 49 formed between adjacent rotor segments 43. Are fitted with the vanes 48. At this time, shims of a predetermined thickness are interposed on both surfaces of the vanes 48 in order to form a predetermined clearance between the vanes 48 and the rotor segments 43. In this state, the rotor segments 43 and the vanes 48 are tightened radially inward toward the rotor core 42 by using a jig, and the rotor segments 43 are precisely positioned with respect to the rotor core 42. 43 are temporarily fixed to the rotor core 42 with temporary fixing bolts 50 (see FIG. 8). Subsequently, two knock pin holes 51, 51 penetrating through the rotor core 42 are co-processed in each rotor segment 43, and four knock pins 52,... Are press-fitted into the knock pin holes 51, 51, and the rotor segments 43,. To join.
[0027]
As is clear from FIGS. 8, 9 and 12, a through hole 53 penetrating through the rotor segment 43 and the rotor core 42 is formed between the two knock pin holes 51, 51, and at both ends of the through hole 53. Recesses 54, 54 are formed respectively. Two pipe members 55 and 56 are fitted inside the through hole 53 via seal members 57 to 60, and an orifice forming plate 61 and a lubricating water distribution member 62 are fitted into each recess 54. It is fixed with a nut 63. The orifice forming plate 61 and the lubricating water distribution member 62 are rotated by two knock pins 64, 64 that penetrate through the knock pin holes 61a, 61a of the orifice forming plate 61 and fit into the knock pin holes 62a, 62a of the lubricating water distribution member 62. The rotation of the lubricating water distribution member 62 and the nut 63 is sealed by an O-ring 65.
[0028]
The small diameter portion 55a formed at the outer end of the one pipe member 55 communicates with the sixth water passage W6 inside the pipe member 55 through the through hole 55b, and the small diameter portion 55a is connected to the lubricating water distribution member 62. It communicates with a radial distribution groove 62b formed on the side surface. The distribution grooves 62b of the lubricating water distribution member 62 extend in six directions, and the ends thereof communicate with the six orifices 61b, 61b; 61c, 61c; 61d, 61d of the orifice forming plate 61. The structures of the orifice forming plate 61, the lubricating water distribution member 62, and the nut 63 provided at the outer end of the other pipe member 56 are the same as the structures of the orifice forming plate 61, the lubricating water distribution member 62, and the nut 63 described above. It is.
[0029]
The two orifices 61b of the orifice forming plate 61 are located downstream of the two orifices 61b through the seventh water passages W7 and W7 formed inside the rotor segment 43 so as to face the vanes 48. The two orifices 61c communicate with the lubricating water jets 43e, and the downstream sides of the other two orifices 61c face the vanes 48 via the eighth water passages W8 and W8 formed inside the rotor segment 43. The other two orifices 61d, 61d communicate with the two lubricating water jets 43f, 43f, which are opened at the downstream side, and the ninth water passages W9, W9 formed inside the rotor segment 43 communicate with the other two orifices 61d, 61d. Thus, it communicates with the two lubricating water jets 43c and 43d which are opened to face the rotor chamber 14.
[0030]
5, an annular groove 67 defined by a pair of O-rings 66 is formed on the outer periphery of the cylinder 44, and the sixth water formed inside one pipe member 55 is formed. The passage W6 communicates with the annular groove 67 via four through holes 55c penetrating the pipe member 55 and a tenth water passage W10 formed inside the rotor core 42. The annular groove 67 communicates with the sliding surface of the cylinder bore 44b and the piston 47 via the orifice 44c. The position of the orifice 44c of the cylinder 44 is set so that the piston 47 does not come off the sliding surface of the piston 47 when moving between the top dead center and the bottom dead center.
[0031]
As is clear from FIGS. 3 and 9, the first water passage W1 formed in the lubricating water introduction member 24 is the second water passage W2 formed in the seal block 25 and the third water passage W2 formed in the small diameter portion 21 b of the rotating shaft 21. The water passages W3 ... straddle the annular groove 68a formed on the outer periphery of the water passage forming member 68 fitted to the center of the rotating shaft 21, the fourth water passage W4 formed on the rotating shaft 21, the rotor core 42 and the rotor segment 43. The pipe member 69 communicates with the small-diameter portion 55a of the one pipe member 55 through fifth water passages W5 and W5 formed so as to bypass the knock pin 52 on the radially inner side of the rotor segment 43.
[0032]
As shown in FIGS. 5, 7, 9 and 11, twelve vane grooves 49 extending in the radial direction are formed between adjacent rotor segments 43 of the rotor 41, and these vane grooves 49 are formed. The plate-like vanes 48 are slidably fitted respectively. Each vane 48 has a parallel surface 48a, 48a along the parallel surface 14a, 14a of the rotor chamber 14, an arc surface 48b along the arc surface 14b of the rotor chamber 14, and a notch 48c located between the parallel surfaces 48a, 48a. The rollers 71 having a roller bearing structure are rotatably supported by a pair of support shafts 48d projecting from the parallel surfaces 48a.
[0033]
A slit-like seal holding groove 48f is formed from the arc surface 48b of the vane 48 to the pair of parallel surfaces 48a, 48a. A V-shaped synthetic resin vane seal 72 is held in the seal holding groove 48f, and the tip of the vane seal 72 slightly projects from the outer peripheral surface of the vane 48 to the inner peripheral surface of the rotor chamber 14. Make sliding contact. A pair of parallel surfaces 48a, 48a of the vane are formed with locking holes 48g, 48g having a circular cross section connected to the radially inner end of the seal holding groove 48f in the direction of the axis L, and these locking holes 48g, 48g are formed in these holes. The cylindrical seal auxiliary members 76, 76 fit without any gap. As is clear from FIG. 13, the seal assisting members 76, 76 are formed with slits 76a, 76a that open radially outward and axially outward, respectively. The radially inner ends of the vane seals 72 are formed in these slits 76a, 76a. Fit without gap. The seal assisting members 76, 76 are urged outward in the direction of the axis L (in the direction protruding from the engaging holes 48g, 48g) by springs 77, 77 disposed at the bottoms of the engaging holes 48g, 48g.
[0034]
Two recesses 48 e, 48 e are formed on both side surfaces of the vane 48, and these recesses 48 e, 48 e are two radially inner lubricating water jets 43 e, opening in the end face of the rotor segment 43. 43e. A trapping chamber 48h extending inward and outward in the radial direction is formed inside the vane 48, and the inside of the trapping chamber 48h in the radial direction is connected to the rotor core 42 and the rotor segment via suction ports 48i, 48i opened on both side surfaces of the vane 48. 43 communicates with the reservoir 78 formed therebetween, and communicates with the vane chamber 75 via a discharge port 48j that opens on the side surface of the vane 48 on the leading side in the rotation direction R in the rotation direction R. Then, a piston receiving member 73 projecting radially inward at the center of the notch 48 c of the vane 48 abuts on the radially outer end of the piston 47.
[0035]
As is clear from FIG. 2, the reservoir 78 formed between the rotor core 42 and the rotor segments 43 and the relay chamber 19 communicate with each other through a communication hole 12d penetrating the first casing 12, and this communication hole 12d A one-way valve 79 is provided to allow the movement of the steam from the reservoir 78 to the relay chamber 19 and regulate the movement of the steam from the relay chamber 19 to the reservoir 78.
[0036]
As is apparent from FIG. 4, the flat surfaces 14a, 14a of the rotor chamber 14, which are defined by the first and second casing halves 12, 13, have a pseudo-elliptical annular shape similar to a rhombus with four rounded vertices. Grooves 74, 74 are recessed, and a pair of rollers 71, 71 of each vane 48 are rotatably engaged with both annular grooves 74, 74. The distance between the annular grooves 74, 74 and the arc surface 14b of the rotor chamber 14 is constant over the entire circumference. Therefore, when the rotor 41 rotates, the vanes 48 guided by the rollers 71, 71 in the annular grooves 74, 74 reciprocate in the radial direction in the vane grooves 49, and the vane seal 72 mounted on the arc surface 48b of the vane 48 is fixed. The slider slides along the arc surface 14b of the rotor chamber 14 in a state of being compressed only. This prevents the rotor chamber 14 and the vanes 48 from coming into direct solid contact, and prevents the increase in sliding resistance and the occurrence of wear, while ensuring that the vane chambers 75 partitioned between the adjacent vanes 48 are formed. Can be sealed.
[0037]
As is clear from FIGS. 2, 3, and 10, an opening 16b is formed at the center of the relay chamber outer wall 16, and the boss portion 81a of the fixed shaft support member 81 disposed on the axis L is connected to the opening 16b. It is fixed to the inner surface with a plurality of bolts 82 and is fixed to the first casing half 12 with nuts 83. A cylindrical sleeve 84 made of ceramic is fixed to the hollow portion 21a of the rotating shaft 21. The outer peripheral surface of the fixed shaft 85 integrated with the fixed shaft support member 81 is fixed to the inner peripheral surface of the sleeve 84. Fits rotatably. The left end of the fixed shaft 85 is sealed with the first casing half 12 by a seal member 86, and the right end of the fixed shaft 85 is sealed with the rotary shaft 21 by a seal member 87.
[0038]
A steam supply pipe 88 is fitted inside a fixed shaft support member 81 arranged on the axis L and fixed with a nut 89. The right end of the steam supply pipe 88 is press-fitted into the center of the fixed shaft 85. A first steam passage S1 connected to the steam supply pipe 88 is formed in the center of the fixed shaft 85 in the axial direction, and a pair of second steam passages S2 and S2 are formed in the fixed shaft 85 in the radial direction with a phase difference of 180 °. Penetrate. As described above, the twelve third steam passages S3 penetrate the small-diameter portions 44a of the twelve cylinders 44 held at intervals of 30 ° by the rotor 41 fixed to the rotating shaft 21 and the sleeve 84. The radially inner ends of the third steam passages S3 are opposed to the radially outer ends of the second steam passages S2 and S2 so as to be able to communicate with each other.
[0039]
A pair of notches 85a, 85a are formed on the outer peripheral surface of the fixed shaft 85 with a phase difference of 180 °, and these notches 85a, 85a can communicate with the third steam passages S3. The notches 85a, 85a and the relay chamber 19 are formed by a pair of fourth steam passages S4, S4 formed in the fixed shaft 85 in the axial direction, and an annular fifth steam passage S5 formed in the fixed shaft support member 81 in the axial direction. Are communicated with each other through through holes 81b, which are opened on the outer periphery of the boss portion 81a of the fixed shaft support member 81.
[0040]
As shown in FIGS. 2 and 4, the first casing half 12 and the second casing half 13 have a position at 15 ° on the leading side in the rotation direction R of the rotor 41 with respect to the minor axis direction of the rotor chamber 14. Are formed, a plurality of intake ports 90 arranged in a radial direction. By the intake ports 90, the internal space of the rotor chamber 14 communicates with the relay chamber 19. A plurality of exhaust ports 91 are formed in the second casing half 13 at positions 15 ° to 75 ° on the delay side in the rotation direction R of the rotor 41 with respect to the minor diameter direction of the rotor chamber 14. The exhaust ports 91 communicate the internal space of the rotor chamber 14 with the exhaust chamber 20. The exhaust ports 91 open into shallow recesses 13d formed inside the second casing half 13, so that the vane seals 72 of the vanes 48 are not damaged by the edges of the exhaust ports 91.
[0041]
The notches 85a, 85a of the fixed shaft 85 and the third steam passages S3,..., And the second steam passages S2, S2, the third steam passage S3,. The valve V is configured (see FIG. 10).
[0042]
As is clear from FIG. 2, the eleventh water passage W11 formed in the first and second casing halves 12, 13 communicates with the outer peripheral surface of the annular filter 30 via the fourteenth water passage W14 formed of a pipe. The inner peripheral surface of the filter 30 communicates with a sixteenth water passage W16 formed in the second casing half 13 via a fifteenth water passage W15 formed in the second casing half 13. The water supplied to the sixteenth water passage W16 lubricates the sliding surfaces of the fixed shaft 85 and the sleeve 84. Further, water supplied from the inner peripheral surface of the filter 30 to the outer periphery of the bearing member 23 via the seventeenth water passage W17 lubricates the outer peripheral surface of the rotary shaft 21 through an orifice penetrating the bearing member 23. On the other hand, water supplied to the outer periphery of the bearing member 22 from the eleventh water passage W11 through the eighteenth water passage W18 formed of a pipe lubricates the outer peripheral surface of the rotary shaft 21 through an orifice penetrating the bearing member 22, The sliding surfaces of the fixed shaft 85 and the sleeve 84 are lubricated.
[0043]
Next, the operation of the present embodiment having the above configuration will be described.
[0044]
First, the operation of the expander 4 will be described. In FIG. 3, high-temperature and high-pressure steam from the evaporator 3 passes through a steam supply pipe 88, a first steam passage S1 passing through the center of the fixed shaft 85, and a pair of second steam passages S2 and S2 penetrating through the fixed shaft 85 in the radial direction. Supplied to In FIG. 10, when the sleeve 84 rotating in the direction of the arrow R integrally with the rotor 41 and the rotation shaft 21 reaches a predetermined phase with respect to the fixed shaft 85, the rotation direction of the rotor 41 in the rotation direction R A pair of third steam passages S3 and S3 on the leading side communicate with a pair of second steam passages S2 and S2, and high-temperature and high-pressure steam in the second steam passages S2 and S2 passes through the third steam passages S3 and S3. Supplied inside the pair of cylinders 44, 44, the pistons 47, 47 are pressed radially outward. In FIG. 4, when the vanes 48, 48 pressed by the pistons 47, 47 move outward in the radial direction, a pair of rollers 71, 71 provided on the vanes 48, 48 engage with the annular grooves 74, 74 to cause the engagement. The forward movement of the pistons 47, 47 is converted into the rotational movement of the rotor 41.
[0045]
Even after the communication between the second steam passages S2 and S2 and the third steam passages S3 and S3 is cut off with the rotation of the rotor 41, the high-temperature and high-pressure steam in the cylinders 44 and 44 continues to expand, thereby causing the piston 47, 47 are still advanced, whereby the rotation of the rotor 41 is continued. When the vanes 48, 48 reach the long diameter position of the rotor chamber 14, the third steam passages S3, S3 communicating with the corresponding cylinders 44, 44 communicate with the notches 85a, 85a of the fixed shaft 85, and connect the rollers 71, 71 with the annular grooves. As the pistons 47, 47 pressed by the vanes 48, 48 guided by 74, 74 move inward in the radial direction, the steam in the cylinders 44, 44 is transferred to the third steam passages S 3, S 3, notches 85 a, 85 a, Through the fourth steam passages S4, S4, the fifth steam passage S5, and the through-holes 81b, the steam is supplied to the relay chamber 19 as the first temperature-lowering steam. The first temperature-decreased pressure-decreased steam is obtained by decreasing the temperature and the pressure after the high-temperature and high-pressure steam supplied from the steam supply pipe 88 finishes the work of driving the pistons 47, 47. Although the heat energy and pressure energy of the first temperature-lowering / low-pressure steam are lower than those of the high-temperature / high-pressure steam, they still have enough heat energy and pressure energy to drive the vanes 48.
[0046]
The first temperature-reduced and reduced-pressure steam in the relay chamber 19 is supplied from the intake ports 90 of the first and second casing halves 12 and 13 to the vane chambers 75 in the rotor chamber 14, where the steam is further expanded so that the vanes 48 are expanded. Are pressed to rotate the rotor 41. After the work is completed, the second reduced-temperature and reduced-pressure steam whose temperature and pressure are further reduced is discharged from the exhaust ports 91 of the second casing half 13 to the exhaust chamber 20 and is supplied to the condenser 5 therefrom.
[0047]
As described above, the twelve pistons 47 are operated one after another by the expansion of the high-temperature and high-pressure steam to rotate the rotor 41 through the rollers 71, 71 and the annular grooves 74, 74. The rotor 41 is rotated via the vanes 48 due to the expansion of the temperature-reduced pressure-reducing steam, so that the mechanical energy generated by the pistons 47 and the mechanical energy generated by the vanes 48 can be integrated to obtain an output from the rotary shaft 21. In addition, the pressure energy of the high-temperature high-pressure steam can be converted into mechanical energy.
[0048]
Further, the first energy conversion means is constituted by the cylinders 44 radially formed on the rotor 41 rotatably accommodated in the rotor chamber 14 and the pistons 47 sliding in the cylinders 44. In addition, the sealing performance of the high-temperature and high-pressure gas-phase working medium can be enhanced to minimize the decrease in efficiency due to leakage. Further, since the second energy conversion means is constituted by the vanes 48 which are movably supported by the rotor 41 in the radial direction and slidably contact the inner peripheral surface of the rotor chamber 14, the structure of the pressure energy and mechanical energy conversion mechanism is simple. With a compact structure, it can process a large amount of the gas-phase working medium. By combining the first energy conversion means having the cylinders 44 and the pistons 47 with the second energy conversion means having the vanes 48, a high-performance rotary fluid machine having both features is provided. Obtainable.
[0049]
Next, lubrication of the vanes 48 and the pistons 47 of the expander 4 with water will be described.
[0050]
As the water for lubricating each part of the expander 4, high-temperature water heated by the water jacket 105 and then distributed to the passage P <b> 6 by the distribution valve 106 is used.
[0051]
3 and 8, the water supplied to the first water passage W1 of the lubricating water introduction member 24 is supplied to the second water passage W2 of the seal block 25, the third water passage W3 of the rotary shaft 21, and the water passage formation. Through the annular groove 68a of the member 68, the fourth water passage W4 of the rotating shaft 21, the pipe member 69, and the fifth water passages W5 and W5 formed in the rotor segment 43, it flows into the small diameter portion 55a of one pipe member 55, The water flowing into the small-diameter portion 55a passes through a through hole 55b of one pipe member 55, a sixth water passage W6 formed in both pipe members 55 and 56, and a through hole 56b formed in the other pipe member 56. Flows into the small diameter portion 56a of the pipe member 56 of FIG.
[0052]
From the small diameter portions 55a, 56a of the respective pipe members 55, 56, the six orifices 61b, 61b; 61c, 61c; 61d, 61d of the orifice forming plate 61 passed through the distribution grooves 62b of the respective lubricating water distribution members 62. Part of the water is jetted from four lubricating water jets 43e, 43e; 43f, 43f opening to the end face of the rotor segment 43, and the other part is an arc-shaped recess 43a formed on the side surface of the rotor segment 43. , 43b from the lubricating water outlets 43c, 43d.
[0053]
Thus, water spouted into the vane groove 49 from the lubricating water ejection ports 43e, 43e; 43f, 43f at the end faces of the respective rotor segments 43 is interposed between the vane 48 slidably fitted in the vane groove 49. The vane 48 is supported in a floating state by forming a static pressure bearing, and solid contact between the end face of the rotor segment 43 and the vane 48 is prevented to prevent seizure and wear. In this way, by supplying the water for lubricating the sliding surface of the vane 48 through the water passage radially provided inside the rotor 41, not only can the water be pressurized by centrifugal force, but also the periphery of the rotor 41 Temperature can be stabilized to reduce the influence of thermal expansion, and the set clearance can be maintained to minimize steam leakage.
[0054]
Further, since water is held in the recesses 48e, 48e formed two on each side of the vane 48, the recesses 48e, 48e serve as pressure pools to suppress a pressure drop due to water leakage. As a result, the vane 48 sandwiched between the end faces of the pair of rotor segments 43, 43 is floated by the water, and the sliding resistance can be effectively reduced. When the vane 48 reciprocates, the relative position of the vane 48 in the radial direction with respect to the rotor 41 changes. However, the recesses 48e, 48e are provided not on the rotor segment 43 side but on the vane 48 side, and , The reciprocating vane 48 is always kept in a floating state, and the sliding resistance can be effectively reduced.
[0055]
When each vane 48 rotates together with the rotor 41, the vane seal 72 fitted in the seal holding groove 48f is urged radially outward by centrifugal force, so that the vane seal 72 is formed at a portion corresponding to the arc surface 48b of the vane 48. Is pressed against the inner peripheral surface of the rotor chamber 14 to exhibit a sealing property. Although the pressing force of the vane seal 72 due to the centrifugal force cannot be expected in the portion corresponding to the parallel surfaces 48a, 48a of the vanes 48, the vane seal is pressed by the pressure introduced from the high pressure side vane chamber 75 to the bottom of the seal holding groove 48f of the vane 48. Since the 72 is urged in the direction of being pushed out from the seal holding groove 48f, the entire outer peripheral surface of the vane seal 72 is pressed against the inner peripheral surface of the rotor chamber 14, and the sealing property is exhibited.
[0056]
At this time, if the pressure escapes from both ends of the seal holding groove 48f, the pressing force of the vane seal 72 disappears, but in this embodiment, it is fitted into the locking holes 48g, 48g connected to both ends of the seal holding groove 48f. The ends of the vane seal 72 are fitted into the slits 76a, 76a of the mating seal auxiliary members 76, 76, and the slits 76a, 76a of the seal auxiliary members 76, 76 open radially outward and radially inward. The outer end surfaces of the seal auxiliary members 76, 76 which are closed and the slits 76a, 76a are opened are urged toward the inner peripheral surface of the rotor chamber 14 by the elastic force of the springs 77, 77. Therefore, the ends of the vane seal 72 are brought into close contact with the slits 76a, 76a of the seal auxiliary members 76, 76, and pressure relief from both ends of the seal holding groove 48f is performed. It can be a by preventing ensure the sealing of the vane seal 72.
[0057]
In particular, when the expander 4 is cold and the pressure at the bottom of the seal holding groove 48f does not rise sufficiently, the ends of the seal assisting members 76, 76 and the vane seal 72 are rotated by the elastic force of the springs 77, 77. The sealing performance can be ensured by pressing against the inner peripheral surface of the chamber 14.
[0058]
Further, in FIG. 5, the sliding surface of the cylinder 44 and the piston 47 extends from the sixth water passage W6 inside the pipe member 55 through the tenth water passage W10 inside the rotor segment 43 and the annular groove 67 on the outer periphery of the cylinder 44. The supplied water exerts a sealing function due to the viscosity of a water film formed on the sliding surface, and the high-temperature and high-pressure steam supplied to the cylinder 44 has an effect of leaking through the sliding surface with the piston 47. Prevention. At this time, since the water supplied to the sliding surfaces of the cylinder 44 and the piston 47 through the inside of the expander 4 in a high temperature state is heated, the high-temperature high-pressure steam supplied to the cylinder 44 by the water is heated. It is possible to minimize a decrease in output of the expander 4 due to cooling.
[0059]
The first water passage W1 and the eleventh water passage W11 are independent of each other, and supply water at a required pressure in each lubricating portion. Specifically, since the water supplied from the first water passage W1 mainly supports the vanes 48 and the rotor 41 in a floating state by the static pressure bearing as described above, the water can antagonize the load variation. High pressure is required. On the other hand, the water supplied from the eleventh water passage W11 mainly lubricates around the fixed shaft 85 and seals the high-temperature and high-pressure steam leaking from the third steam passages S3 and S3 to the outer periphery of the fixed shaft 85. In order to reduce the influence of thermal expansion of the fixed shaft 85, the rotating shaft 21, the rotor 41, and the like, the pressure should be at least higher than the pressure of the relay chamber 19.
[0060]
As described above, since the two water supply systems of the first water passage W1 for supplying the high-pressure water and the eleventh water passage W11 for supplying the lower-pressure water are provided, the first water passage W1 for supplying the high-pressure water is provided. The problem when only one water supply system is provided can be eliminated. That is, excessive pressure of water is supplied around the fixed shaft 85 to increase the amount of water flowing out to the relay chamber 19, or the fixed shaft 85, the rotating shaft 21, the rotor 41, etc. are supercooled and the steam temperature decreases. Trouble can be prevented, and the output of the expander 4 can be increased while reducing the supply amount of water.
[0061]
In addition, since water, which is the same substance as steam, is used as a sealing medium, there is no problem even if water is mixed into steam. If the sliding surfaces of the cylinder 44 and the piston 47 are sealed with oil, it is inevitable that oil is mixed into water or steam, so that a special filter device for separating oil is required. In addition, since the sliding surfaces of the cylinders 44 and the pistons 47 are sealed by bypassing while also using a part of the water for lubricating the sliding surfaces of the vanes 48 and the vane grooves 49, the water is guided to the sliding surfaces. The structure can be simplified by eliminating the need to separately provide a passage.
[0062]
By the way, the liquid-phase working medium supplied to the sliding surface between the vane 48 and the vane groove 49 and constituting the hydrostatic bearing has a reservoir 78 formed between the rotor core 42 and the rotor segments 43 after completing its function. Accumulate in Since the annular grooves 74, 74 for guiding the rollers 71, 71 provided on the vane 48 communicate with the pool 78, the rollers 71, 71 are moved by the liquid-phase working medium flowing into the annular grooves 74, 74. In such a case, a large resistance is generated, and there is a concern that the output of the expander 4 is reduced.
[0063]
However, according to the present embodiment, the function of the trapping chamber 48h provided in the vane 48 allows the liquid-phase working medium in the reservoir 78 to be discharged to the exhaust ports 91 through the vane chamber 75. That is, as shown on the right side of FIG. 5, when the vane 48 is retracted most inside the vane groove 49, the suction ports 48i, 48i communicating with the radially inner end of the trapping chamber 48h communicate with the pool 78. Thus, the liquid-phase working medium in the reservoir 78 is captured by the capturing chamber 48h. When the rotor 41 rotates in the direction indicated by the arrow R, the vane 48 projects radially outward from the vane groove 49 as shown in the lower part of FIG. The liquid-phase working medium trapped in the trapping chamber 48h is discharged to the vane chamber 75 by communicating with the vane chamber 75 located at the position shown in FIG.
[0064]
As the rotor 41 rotates in the direction indicated by the arrow R in this manner, the liquid-phase working medium in the pool 78 is discharged into the vane chamber 75 by the trap chambers 48h provided in the respective vanes 48 and collected in the pool 78. It is possible to prevent the rotation of the rotor 41 from being braked by the resistance of the liquid phase working medium. In addition, when the suction ports 48i, 48i communicate with the pool 78, the discharge port 48j does not communicate with the vane chamber 75, and when the discharge port 48j communicates with the vane chamber 75, the suction ports 48i, 48i do not communicate with the pool 78. That is, since the suction ports 48i and 48i and the discharge port 48j do not communicate with the pool 78 and the vane chamber 75 at the same time, the pressure energy leaked from the sliding surfaces of the cylinder 44 and the piston 47 and captured by the pool 78 Is not wasted to the vane chamber 75 through the capture chamber 48h.
[0065]
Further, the high-temperature and high-pressure steam having the pressure energy leaked from the sliding surfaces of the cylinder 44 and the piston 47 and captured in the pool 78 passes through the communication hole 12d of the first casing 12 and the one-way valve 79 (see FIG. 2). Since the high-temperature and high-pressure steam is supplied to the relay chamber 19, the high-temperature and high-pressure steam can be supplied from the intake ports 90 to the vane chambers 75 and reused effectively. If the pressure in the reservoir 78 becomes lower than the pressure in the relay chamber 19 for any reason, the one-way valve 79 closes to prevent the temperature-reduced and reduced-pressure steam in the relay chamber 19 from flowing back to the reservoir 78. It is possible to prevent the pressure from escaping from 19 and prevent the efficiency of the expander 4 from decreasing.
[0066]
Next, the operation of the cooling system of the internal combustion engine 1 including the waste heat recovery device 2 will be described mainly with reference to FIGS.
[0067]
The water pumped from the tank 6 by the low-pressure pump 7 is supplied to the heat exchanger 102 provided in the exhaust pipe 101 via the passage P1, where it is preheated and then supplied to the water jacket 105 of the internal combustion engine 1 via the passage P2. . The water flowing in the water jacket 105 cools the cylinder block 103 and the cylinder head 104, which are the heat generating parts of the internal combustion engine 1, and is supplied to the distribution valve 106 in a state where the temperature has risen. As described above, since the water preheated by the heat exchanger 102 of the exhaust pipe 101 is supplied to the water jacket 105, the warm-up of the internal combustion engine 1 can be promoted at a low temperature and the supercooling of the internal combustion engine 1 can be prevented. As a result, the performance of the evaporator 3 can be improved by raising the exhaust gas temperature.
[0068]
Part of the high-temperature water distributed by the distribution valve 106 is pressurized by the high-pressure pump 8 interposed in the passage P4 and supplied to the evaporator 3, where it exchanges heat with exhaust gas to form high-temperature high-pressure steam. Become. The high-temperature and high-pressure steam generated in the evaporator 3 is supplied to a steam supply pipe 88 of the expander 4, passes through the cylinders 44 and the vane chambers 75, drives the rotary shaft 21, and is then discharged to the condenser 5.
[0069]
Another part of the high-temperature water distributed by the distribution valve 106 is reduced in pressure by the pressure reducing valve 107 interposed in the passage P5 to become steam, and is supplied to the relay chamber 19 of the expander 4. The steam supplied to the relay chamber 19 is supplied from the steam supply pipe 88 and merges with the first temperature-reduced pressure-reducing steam that has passed through the cylinders 44..., And after being driven on the rotating shaft 21, is discharged to the condenser 5. As described above, a part of the high-temperature water from the distribution valve 106 is vaporized by the pressure reducing valve 107 and supplied to the expander 4, so that the water can effectively utilize the heat energy received by the water jacket 105 of the internal combustion engine 1. The output of the expander 4 can be increased. Another part of the high-temperature water distributed by the distribution valve 106 is supplied to the first water passage W1 of the expander 4 via the passage P6, and lubricates each portion to be lubricated. Since the lubricated portion of the expander 4 is lubricated by using the high-temperature water in this way, it is possible to prevent the expander 4 from being overcooled and reduce the so-called cooling loss. The water that has entered the vane chambers 75 in the expansion stroke after lubrication is heated and vaporized by mixing with the steam in the vane chambers 75, and the output of the expander 4 is increased by the expansion action. Then, the second temperature-reduced pressure-reduced steam discharged from the expander 4 to the passage P8 is supplied to the condenser 5, where it is cooled by the cooling fan 109 to water and returned to the tank 6. Another part of the high-temperature water distributed by the distribution valve 106 is cooled by exchanging heat with the auxiliary device 110 interposed in the passage P7, and then returned to the tank 6 via the check valve 111.
[0070]
As described above, after the water pumped from the tank 6 by the low-pressure pump 7 is supplied to the water jacket 105 to cool the heat generating portion of the internal combustion engine 1, the water is supplied to the auxiliary machine 110 to be cooled, and then the tank 6 is cooled. And a part of the water that has exited the water jacket 105 is distributed as a working medium, and the water is returned to the tank 6 via the high-pressure pump 8, the evaporator 3, the expander 4, and the condenser 5 to recover waste heat. The water circulation path of the internal combustion engine 1 passing through the water jacket 105 and the accessory 110 is combined with the water circulation path of the waste heat recovery apparatus 2 and the water circulation path of the waste heat recovery apparatus 2 and the high pressure small flow rate. Therefore, it is possible to supply water having a flow rate and a pressure suitable for the cooling system of the internal combustion engine 1 and the waste heat recovery device 2, respectively, and to generate the water of the internal combustion engine 1 while maintaining the performance of the waste heat recovery device 2. It is possible to eliminate the radiator part sufficiently cooled. Moreover, since the water supplied from the low-pressure pump 7 to the water jacket 105 is preheated by the heat exchanger 102 provided in the exhaust pipe 101, the waste heat of the internal combustion engine 1 can be used more effectively.
[0071]
Further, since the heat exchanger 102 to which low-temperature water is supplied from the low-pressure pump 7 is provided downstream of the exhaust pipe 101 in which the temperature of the exhaust gas is lower than the position of the evaporator 3, excess waste gas of the exhaust gas is provided. The heat can be efficiently recovered without any excess. Further, since the water preheated by the heat exchanger 102 is supplied to the water jacket 105, the supercooling of the internal combustion engine 1 is prevented, and the combustion heat, that is, the exhaust gas is further heated to increase the heat energy of the exhaust gas. Waste heat recovery efficiency can be improved.
[0072]
Although the embodiments of the present invention have been described in detail, various design changes can be made in the present invention without departing from the gist thereof.
[0073]
For example, in the embodiments, the expander 4 has been exemplified as the rotary fluid machine, but the present invention can also be applied as a compressor.
[0074]
Further, in the embodiment, steam and water are used as the gas phase working medium and the liquid phase working medium, but any other suitable working medium can be used.
[0075]
【The invention's effect】
As described above, according to the first aspect of the present invention, since the supplementary chamber having the suction port and the discharge port is formed inside the vane, only the suction port accumulates when the vane moves radially inward. When the vane moves to the outside in the radial direction, only the discharge port communicates with the vane chamber in the low-pressure side stroke of either the intake stroke or the exhaust stroke when the vane moves radially outward. Liquid working medium can be discharged. Moreover, since the suction port and the discharge port do not communicate with the liquid pool and the vane chamber at the same time, the gas phase working medium in the liquid pool is prevented from flowing out to the vane chamber through the supplementary chamber, and the pressure energy still available Is prevented from being wastefully discharged.
[0076]
According to the invention described in claim 2, the first and second energy conversion means function as an expander for integrating and outputting the mechanical energy generated respectively, or the first and second energy conversion means respectively function as an expander. The rotating fluid machine that functions as a compressor that integrates and outputs the generated pressure energy supplies the gas-phase working medium leaked from the high-pressure side energy conversion means to the low-pressure side energy conversion means via a one-way valve. In addition, the gas-phase working medium leaked to the reservoir can be effectively used by the low-pressure-side energy conversion means without wasting, thereby increasing the energy conversion efficiency. Moreover, when the pressure of the gas-phase working medium leaked from the high-pressure side energy converting means is lower than the pressure of the gas-phase working medium of the low-pressure side energy converting means, the backflow of the gas-phase working medium is prevented by the one-way valve. It is possible to prevent the efficiency of the energy conversion means on the low pressure side from decreasing.
[0077]
According to the third aspect of the present invention, since the first and second energy conversion means operate sequentially and continuously with the common gas-phase working medium, the supply / discharge path of the gas-phase working medium can be simplified. Instead, the efficiency of generating mechanical energy or pressure energy can be increased.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram of a waste heat recovery device for an internal combustion engine.
FIG. 2 is a longitudinal sectional view of the expander corresponding to a sectional view taken along line 2-2 of FIG. 4;
FIG. 3 is an enlarged sectional view around the axis of FIG. 2;
FIG. 4 is a sectional view taken along line 4-4 in FIG. 2;
FIG. 5 is a sectional view taken along line 5-5 in FIG. 2;
FIG. 6 is a sectional view taken along line 6-6 in FIG. 2;
FIG. 7 is a sectional view taken along line 7-7 of FIG. 5;
8 is a sectional view taken along line 8-8 in FIG. 5;
9 is a sectional view taken along line 9-9 in FIG.
FIG. 10 is a sectional view taken along line 10-10 of FIG. 3;
FIG. 11 is an exploded perspective view of a rotor.
FIG. 12 is an exploded perspective view of a lubricant distribution section of the rotor.
FIG. 13 is a perspective view of an end of a seal auxiliary member, a spring, and a vane seal.
FIG. 14 is a schematic diagram showing a cross-sectional shape of a rotor chamber and a rotor.
[Explanation of symbols]
4 Expander
11 Casing
14 Rotor chamber
41 rotor
44 cylinder
47 piston
48 Vane
48h supplementary room
48i suction port
48j outlet
49 Vane Groove
75 Vane Room
78 pool
79 One-way valve

Claims (3)

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)の各々に摺動自在に支持した複数のベーン(48)と、ベーン溝(49)およびベーン(48)の摺動面に供給される液相作動媒体でベーン(48)を浮動状態で支持する静圧軸受と、ロータ(41)の径方向内側に形成されて前記静圧軸受として機能した液相作動媒体が溜まる溜まり部(78)とを備え、
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)に吸気行程および排気行程をもって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、
ベーン(48)の内部に、ロータ(41)の径方向内側に開口する吸入口(48i)および径方向外側に開口する排出口(48j)を有する補足室(48h)を形成し、ベーン(41)が径方向内側に移動したときに吸入口(48i)だけが溜まり部(78)に連通して補足室(48h)に液相作動媒体を吸入し、ベーン(48)が径方向外側に移動したときに排出口(48j)だけが吸気行程および排気行程の何れか低圧側の行程のベーン室(75)に連通して補足室(48h)の液相作動媒体を排出することを特徴とする回転流体機械。
A rotor chamber (14) formed in the casing (11), a rotor (41) rotatably housed in the rotor chamber (14), and a plurality of vane grooves (49) radially formed in the rotor (41). A plurality of vanes (48) slidably supported on the vane, and a static pressure for supporting the vanes (48) in a floating state by a liquid-phase working medium supplied to the vane groove (49) and the sliding surface of the vane (48). A bearing and a reservoir (78) formed radially inward of the rotor (41) and for storing a liquid-phase working medium functioning as the hydrostatic bearing;
The pressure energy of the gas-phase working medium supplied to the vane chamber (75) partitioned by the rotor (41), the casing (11) and the vane (48) during the intake stroke and the exhaust stroke and the rotational energy of the rotor (41). A rotary fluid machine that converts each other,
Inside the vane (48), a supplementary chamber (48h) having a suction port (48i) opening radially inward of the rotor (41) and a discharge port (48j) opening radially outward is formed, and the vane (41) is formed. ) Moves radially inward, only the suction port (48i) communicates with the reservoir (78) to suck the liquid-phase working medium into the supplementary chamber (48h), and the vane (48) moves radially outward. Then, only the discharge port (48j) communicates with the vane chamber (75) in the low pressure side stroke of either the intake stroke or the exhaust stroke to discharge the liquid phase working medium in the supplementary chamber (48h). Rotary fluid machinery.
ロータ(41)に設けたシリンダ(44)にピストン(47)を摺動自在に嵌合させた第1エネルギー変換手段と、ロータ(41)のベーン溝(49)にベーン(48)を摺動自在に嵌合させた前記第2エネルギー変換手段とを備え、
膨張機(4)として機能するときには第1、第2エネルギー変換手段がそれぞれ発生した機械エネルギーを統合して出力するとともに、圧縮機として機能するときには第1、第2エネルギー変換手段がそれぞれ発生した圧力エネルギーを統合して出力し、
第1、第2エネルギー変換手段のうち、高圧側のエネルギー変換手段から前記溜まり部(78)に漏れた気相作動媒体を一方向弁(79)を介して低圧側のエネルギー変換手段に供給することを特徴とする、請求項1に記載の回転流体機械。
First energy conversion means in which a piston (47) is slidably fitted to a cylinder (44) provided in a rotor (41), and a vane (48) slides in a vane groove (49) of the rotor (41). The second energy conversion means fitted freely,
When functioning as the expander (4), the first and second energy conversion means integrate and output the generated mechanical energy, respectively, and when functioning as the compressor, the first and second energy conversion means respectively generate the generated pressure. Integrate and output energy,
Of the first and second energy conversion means, the gas-phase working medium leaked from the high-pressure energy conversion means to the reservoir (78) is supplied to the low-pressure energy conversion means via the one-way valve (79). The rotary fluid machine according to claim 1, wherein:
前記第1、第2エネルギー変換手段は順次連続して共通の気相作動媒体で作動することを特徴とする、請求項2に記載の回転流体機械。3. The rotary fluid machine according to claim 2, wherein the first and second energy conversion units are sequentially and continuously operated with a common gas-phase working medium. 4.
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