JP2006283699A

JP2006283699A - 熱エネルギ回収装置

Info

Publication number: JP2006283699A
Application number: JP2005106311A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Mitani; 信一三谷; Daisaku Sawada; 大作澤田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-04-01
Filing date: 2005-04-01
Publication date: 2006-10-19
Also published as: US20060218919A1; EP1754877A1

Abstract

【課題】熱源の熱膨張に伴って発生する引張応力や圧縮応力を緩和すること。
【解決手段】吸入した作動ガスを圧縮するピストン１２を備えた圧縮機１０と、この圧縮機１０で圧縮された作動ガスに高温流体の熱を吸熱させる熱交換器２０と、その吸熱された作動ガスの膨張により押動されるピストン３２を備えた膨張機３０とを有し、その圧縮機１０で圧縮された作動ガスを熱交換器２０へと導く作動ガス排出管１５の少なくとも一部に熱交換器２０の熱膨張の方向Ａと略平行な作動ガス排出路１５ａを設け、その熱交換器２０の熱膨張に伴って作動ガス排出路１５ａに引張応力が発生する場合には当該熱交換器２０が熱膨張する際に当該熱膨張２０の方向と同一方向へと伸長可能な伸長手段（ベローズ１８）を作動ガス排出路１５ａ上に設けること。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱交換器で吸熱した熱エネルギを機械エネルギに変換する熱エネルギ回収装置に関する。

従来、熱エネルギを機械エネルギに変換する熱サイクル機関が存在する。

例えば、この種の熱サイクル機関としては、吸入した作動流体（作動ガス）をピストンで断熱圧縮する圧縮機と、この圧縮機で断熱圧縮された作動ガスに高温流体の熱を等圧力で吸熱させる熱交換器（熱源）と、この熱交換器で等圧受熱された作動ガスの断熱膨張によりピストンを押動させる膨張機とを備え、その膨張力を利用してクランクシャフトから出力を取り出すブレイトンサイクル機関があり、下記の特許文献１に開示されている。

このように、熱サイクル機関は、熱を加えた作動ガスの膨張力を利用して出力を得るものであり、例えば、内燃機関の排気ガスの排気熱を用いることによって内燃機関の排気熱回収装置（熱エネルギ回収装置）として構築することができる。

尚、そのような熱サイクル機関としては、作動流体（作動ガス）を封入したシリンダに対する外部の熱源からの加熱とこの加熱により膨張した作動ガスの冷却とを繰り返し、温度上昇した作動ガスの膨張力によるピストンの押下と膨張した作動ガスの冷却によるピストンの上昇を繰り返させてクランクシャフトから出力を取り出すスターリングサイクル機関もあり、下記の特許文献２に開示されている。

特開平６−２５７４６２号公報特開２００２−２６６７０１号公報

ところで、上述した熱源には例えば内燃機関から排出された排気ガス等の高温流体が流入するので、その流入時には熱交換器が熱膨張を起こしている。

一方、例えば、上述したブレイトンサイクル機関（熱エネルギ回収装置）においては、圧縮機から排出された作動ガスに熱交換器の熱を受熱させ、その受熱後の作動ガスを膨張機へと供給する為に、圧縮機と熱交換器との間及び膨張機と熱交換器との間を夫々配管を介して接続している。

ここで、その夫々の配管においては圧縮された作動ガスが流動し、更に、膨張機側の配管においては高温の作動ガスが流動するので、一般に、その作動ガスの圧や温度の影響が少ない金属製の配管が用いられている。これが為、その熱交換器と圧縮機や膨張機との間，又はその熱交換器とクランクシャフトとの間における相対的な位置関係が固定されている場合には、熱交換器の熱膨張に伴って圧縮機や膨張機に引張応力又は圧縮応力が発生する。特に、その引張応力や圧縮応力は、圧縮機や膨張機における上述した配管に発生し、その配管に曲がりや捻れ等を生じさせてしまう。また、その配管に発生した引張応力又は圧縮応力に伴って、圧縮機や膨張機のコネクティングロッドやクランクシャフトにも曲がりや捻れ等を生じさせてしまう。そして、そのような曲がりや捻れ等は、熱エネルギ回収装置の歪みを引き起こしてしまう。

そこで、本発明は、かかる従来例の有する不都合を改善し、熱源の熱膨張に伴って発生する引張応力や圧縮応力を緩和し得る熱エネルギ回収装置を提供することを、その目的とする。

上記目的を達成する為、請求項１記載の発明では、吸入した作動ガスを圧縮するピストンを備えた圧縮機と、この圧縮機で圧縮された作動ガスに高温流体の熱を吸熱させる熱交換器と、その吸熱された作動ガスの膨張により押動されるピストンを備えた膨張機とを有している。そして、その圧縮機で圧縮された作動ガスを熱交換器へと導く作動ガス排出管の少なくとも一部に熱交換器の熱膨張の方向と略平行な作動ガス排出路を設け、その熱交換器の熱膨張に伴って前記作動ガス排出路に引張応力が発生する場合には当該熱交換器が熱膨張する際に当該熱膨張の方向と同一方向へと伸長可能な伸長手段を前記作動ガス排出路上に設け、熱交換器の熱膨張に伴って前記作動ガス排出路に圧縮応力が発生する場合には当該熱交換器が熱膨張する際に当該熱膨張の方向と同一方向へと収縮可能な収縮手段を前記作動ガス排出路上に設けている。

この請求項１記載の発明によれば、熱交換器が熱膨張を起こした際に、その熱膨張の方向と伸長手段の伸長方向又は収縮手段の収縮方向とが同一であるので、その熱膨張に伴って発生する作動ガス排出路の引張応力又は圧縮応力を吸収することができる。

また、上記目的を達成する為、請求項２記載の発明では、上記請求項１記載の熱エネルギ回収装置において、前記熱交換器を内燃機関の排気流路上に配置し、その熱交換器で受熱された作動ガスを前記膨張機へと導く作動ガス供給管の少なくとも一部に前記排気流路の熱膨張の方向と略平行な作動ガス供給路を設けている。そして、その排気流路の熱膨張に伴って前記作動ガス供給路に引張応力が発生する場合には当該排気流路が熱膨張する際に当該熱膨張の方向と同一方向へと伸長可能な伸長手段を前記作動ガス供給路上に設け、排気流路の熱膨張に伴って前記作動ガス供給路に圧縮応力が発生する場合には当該排気流路が熱膨張する際に当該熱膨張の方向と同一方向へと収縮可能な収縮手段を前記作動ガス供給路上に設けている。

この請求項２記載の発明によれば、熱交換器の熱膨張に伴って発生する作動ガス排出路の引張応力又は圧縮応力を吸収するだけでなく、内燃機関の排気流路の熱膨張に伴って発生する作動ガス供給路の引張応力又は圧縮応力も吸収することができる。

ここで、上述した伸長手段としては、請求項３記載の発明の如く、作動ガスの流入に伴って当該伸長手段の伸長方向に圧力が掛かるものを利用することができる。

この請求項３記載の発明によれば、熱交換器が熱膨張を起こした際には、その熱膨張と同一の方向へと伸長手段に圧力が掛かるので作動ガス排出路に発生する引張応力を緩和することができ、内燃機関の排気流路が熱膨張を起こした際には、その熱膨張と同一の方向へと伸長手段に圧力が掛かるので作動ガス供給路に発生する引張応力を緩和することができる。

また、上述した伸長手段としては、請求項４記載の発明の如く、作動ガスの流入に伴って当該作動ガスの流動方向へと加圧膨張するベローズを利用することができる。

この請求項４記載の発明によれば、熱交換器が熱膨張を起こした際には、その熱膨張と同一の方向へと伸長手段（ベローズ）が伸長するので作動ガス排出路に発生する引張応力を効率良く吸収することができ、内燃機関の排気流路が熱膨張を起こした際には、その熱膨張と同一の方向へと伸長手段（ベローズ）が伸長するので作動ガス供給路に発生する引張応力を効率良く吸収することができる。

本発明に係る熱エネルギ回収装置は、上述したが如く、熱交換器や内燃機関の排気流路が熱膨張しても、圧縮機の作動ガス排出管や膨張機の作動ガス供給路に発生する引張応力又は圧縮応力を吸収又は緩和することができるので、その作動ガス排出管や作動ガス供給路の曲がりや捻れ等を抑制することができる。また、これに伴って、圧縮機や膨張機のコネクティングロッドやクランクシャフトの曲がりや捻れ等も抑制することができる。これが為、本発明に係る熱エネルギ回収装置によれば、熱エネルギ回収装置における歪みを抑制することができ、その破損も回避することができる。

以下に、本発明に係る熱エネルギ回収装置の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。尚、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

本発明に係る熱エネルギ回収装置の実施例１を図１に基づいて説明する。

本実施例１の熱エネルギ回収装置は、高温流体の熱を利用して作動流体を断熱圧縮→等圧受熱→断熱膨張→等圧放熱させて駆動力を得るブレイトンサイクル機関であって、図１に示す如く、吸入した作動流体を断熱圧縮する圧縮機１０と、この圧縮機１０にて断熱圧縮された作動流体に高温流体の熱を等圧力で吸熱させる熱交換器２０と、この熱交換器２０で等圧受熱された作動流体を断熱膨張させる膨張機３０とを備えている。

ここでは、その高温流体として図１に示す内燃機関６０から排出された排気ガスを使用し、その排気ガスの排気熱を回収して機械エネルギへと変換させる。即ち、ここで例示する熱エネルギ回収装置は、内燃機関６０の排気熱を回収する排気熱回収装置である。また、本実施例１にあっては、圧縮機１０へと吸入される作動流体として空気等の気体（以下「作動ガス」という。）を例示する。

先ず、本実施例１の熱交換器２０について説明する。

この熱交換器２０は、高温流体が流れる第１流路２１と、圧縮機１０で断熱圧縮された作動ガスが流れる第２流路２２とを例えば円筒状の筐体２０ａの内部に備えている。ここで、その第１及び第２の流路２１，２２は、作動ガスへの吸熱効率（熱交換器効率）を高める為に、本実施例１の如く高温流体の流動方向と作動ガスの流動方向とが逆になるよう配置することが好ましい。

ここでは内燃機関６０の排気ガスを高温流体として利用するので、本実施例１の熱交換器２０は、その排気ガスを第１流路２１に流入させるよう内燃機関６０の排気流路６１上に配置されている。ここで、その排気ガスの排気熱を有効利用する為には、熱交換器２０が可能な限り内燃機関６０の燃焼室に近い位置（排気流路６１の上流側）へ配置されることが好ましい。そこで、本実施例１の熱交換器２０は、例えば排気マニホルドの集合部分に配置する。

続いて、本実施例１の圧縮機１０について説明する。

この圧縮機１０は、容積Ｖ_compが一定のシリンダ１１と、このシリンダ１１内を往復運動するピストン１２とを備えている。このピストン１２は、コネクティングロッド１３を介してクランクシャフト４０に連結される。尚、そのクランクシャフト４０には、フライホイール５０が配設されている。本実施例１の圧縮機１０は、図１に示す如く、熱交換器２０の筐体２０ａの外周面２０ａ₁から間隔を空けた位置で且つ当該熱交換器２０の軸線長さＬの範囲内に配置される。

また、この圧縮機１０には、大気圧の作動ガスをシリンダ１１内に導く作動ガス供給管１４と、そのシリンダ１１内でピストン１２により断熱圧縮された作動ガスを熱交換器２０の第２流路２２へと導く作動ガス排出管１５とが設けられている。本実施例１の作動ガス排出管１５は、熱交換器２０における高温流体の出口側の外周面２０ａ₁にて当該熱交換器２０と接続されている。

ここで、その作動ガス供給管１４と作動ガス排出管１５には、夫々に吸気側開閉弁１６と排気側開閉弁１７が配備されている。本実施例１の吸気側開閉弁１６としては、作動ガス供給管１４とシリンダ１１内の圧力差により作動ガスをシリンダ１１内に流入させる一方、その作動ガスの作動ガス供給管１４への逆流を防ぐ逆止弁（吸気側リード弁）を用いる。また、本実施例１の排気側開閉弁１７としては、作動ガス排出管１５とシリンダ１１内の圧力差により断熱圧縮後の作動ガスを熱交換器２０の第２流路２２に流入させる一方、シリンダ１１内への逆流を防ぐ逆止弁（排気側リード弁）を用いる。

続いて、上記膨張機３０について説明する。

この膨張機３０は、容積Ｖ_exp（ここではＶ_exp≧Ｖ_comp）が一定のシリンダ３１と、このシリンダ３１内を往復運動するピストン３２とを備えている。このピストン３２は、コネクティングロッド３３を介して圧縮機１０と同一のクランクシャフト４０に連結される。本実施例１の膨張機３０についても、上述した圧縮機１０と同様に、熱交換器２０の筐体２０ａの外周面２０ａ₁から間隔を空けた位置で且つ当該熱交換器２０の軸線長さＬの範囲内に配置される。

また、この膨張機３０には、熱交換器２０で等圧受熱された作動ガスをシリンダ３１内に導く作動ガス供給管３４と、断熱膨張後の作動ガスをシリンダ３１の外に導く作動ガス排出管３５とが設けられている。本実施例１の作動ガス排出管３５は、熱交換器２０における高温流体の入口側の外周面２０ａ₁にて当該熱交換器２０と接続されている。

ここで、その作動ガス供給管３４と作動ガス排出管３５には、夫々に吸気側開閉弁３６と排気側開閉弁３７が配備されている。本実施例１の吸気側開閉弁３６及び排気側開閉弁３７としては、例えばチェーンやスプロケット等を介することによりクランクシャフト４０の回転に同期して開閉動作を行う回転同期弁を用いる。

この排気熱回収装置においては、図２−１のＰ−Ｖ線図や図２−２のＴ−ｓ線図に示す如く、圧力Ｐ１（＝大気圧）の作動ガスが作動ガス供給管１４から圧縮機１０のシリンダ１１内に吸入され、この圧縮機１０にて圧力Ｐ１，体積Ｖ１（＝Ｖ_comp），温度Ｔ１，エントロピｓ１の作動ガスをピストン１２が断熱圧縮する。しかる後、この断熱圧縮された圧力Ｐ２，体積Ｖ２，温度Ｔ２，エントロピｓ１の作動ガスが作動ガス排出管１５から排出され、熱交換器２０で排気ガスの排気熱と等圧受熱される。

そして、その等圧受熱された圧力Ｐ２，体積Ｖ３，温度Ｔ３，エントロピｓ２の作動ガスは、作動ガス供給管３４を介して膨張機３０のシリンダ３１内へと流入し、断熱膨張しながらピストン３２を下降させる。その断熱膨張後の圧力Ｐ１，体積Ｖ４，温度Ｔ４，エントロピｓ２の作動ガスは、作動ガス排出管３５を介して膨張機３０から排出（等圧放熱）される。

この排気熱回収装置においては、そのようにして排気ガスの排気熱を回収し、膨張機３０の断熱膨張行程においてクランクシャフト４０を回転させる。

ところで、上述したが如く、熱交換器２０には内燃機関６０の排気流路６１から高温流体（排気ガス）が流入するので、その熱交換器２０の筐体２０ａは、その高温流体の熱の影響を受けて熱膨張を起こす。そして、そのような熱膨張が発生すると、その筐体２０ａに接続されている圧縮機１０の作動ガス排出管１５や膨張機３０の作動ガス供給管３４に引張応力や圧縮応力が発生し、前述したが如く、その作動ガス排出管１５や作動ガス供給管３４、コネクティングロッド１３，３３やクランクシャフト４０に曲がりや捻れ等が発生してしまう。また、その引張応力や圧縮応力如何では、それらが破損してしまう虞もある。

そこで、その引張応力や圧縮応力が発生している圧縮機１０の作動ガス排出管１５や膨張機３０の作動ガス供給管３４の少なくとも一部分に熱交換器２０の熱膨張の方向と略平行な作動ガス排出路を設ける。そして、その作動ガス排出路に引張応力が発生する場合には熱交換器２０が熱膨張する際に当該熱膨張の方向と同一方向へと伸長可能な伸長手段を当該作動ガス排出路上に設け、その作動ガス排出路に圧縮応力が発生する場合には熱交換器２０が熱膨張する際に当該熱膨張の方向と同一方向へと収縮可能な収縮手段を当該作動ガス排出路上に設ける。

その伸長手段としては、例えば、圧縮作動ガスの流入に伴ってその流動方向へと加圧膨張するベローズが考えられる。

また、その収縮手段としては、例えば、作動ガスが流動する蛇腹状の筒体内に当該作動ガスの圧により可倒し得るダイヤフラムの如き部材を配置し、その部材と蛇腹状の筒体の一端とを弾性部材で連結する。そして、作動ガスが筒体内へと流入した際にダイヤフラムが可倒し、弾性部材を介して筒体の一端を引っ張り収縮させるものが考えられる。

本実施例１にあっては、熱交換器２０の筐体２０ａが図１に示す矢印Ａの方向（熱交換器２０の筐体２０ａの軸線方向）へと熱膨張し、圧縮機１０の作動ガス排出管１５に矢印Ａの方向の引張応力を発生させてしまう場合について例示する。これが為、本実施例１においては、図１に示す如く、その熱膨張の方向（矢印Ａ）と略平行な作動ガス排出路１５ａを作動ガス排出管１５に設け、その作動ガス排出路１５ａ上に圧縮作動ガスの流入に伴って矢印Ａの方向へと加圧膨張可能なベローズ１８を伸長手段として設ける。

ここで、本実施例１のベローズ１８は、熱膨張時における矢印Ａの方向への筐体２０ａの伸長量を予め実験やシミュレーションによって求め、圧縮作動ガスが流入した際にその伸長量を相殺し得るだけの伸長量で加圧膨張を行うように設定されたものを使用する。

これにより、高温流体（排気ガス）が熱交換器２０に流入し、その高温流体の熱で熱交換器２０の筐体２０ａが矢印Ａの方向へと熱膨張を起こすときには、圧縮機１０で生成された圧縮作動ガスがベローズ１８に流入して、そのベローズ１８が矢印Ａの方向へと加圧膨張する。即ち、その筐体２０ａが熱膨張により矢印Ａの方向へと伸長する際に、ベローズ１８が加圧膨張によって略同程度の伸長量で伸長する。

このように、本実施例１によれば、圧縮機１０の圧縮作動ガスをベローズ１８に流入させて作動ガス排出管１５の引張応力と同一の方向へと加圧膨張させることにより、熱交換器２０の熱膨張に伴って発生する作動ガス排出管１５の引張応力を吸収することができる。これが為、その作動ガス排出管１５，コネクティングロッド１３やクランクシャフト４０の曲がりや捻れ等の排気熱回収装置における歪みを抑制することができ、また、それらの破損も回避することができる。

ここで、本実施例１にあっては作動ガスの流入に伴いその流動方向へと加圧膨張する（即ち、熱交換器２０の熱膨張と同一の方向へと伸長する）ベローズ１８を伸長手段の一例として示したが、その伸長手段は、必ずしもベローズ１８のみに限定するものではない。

例えば、その伸長手段としては、作動ガスの流入に伴って当該伸長手段の伸長方向（熱交換器２０の熱膨張と同一の方向）に圧力が掛かるものを利用することができる。これによれば、熱交換器２０が熱膨張を起こした際に、その熱膨張と同一の方向へと伸長手段に圧力が掛かるので、作動ガス排出管１５に発生する引張応力を緩和することができ、排気熱回収装置の歪みの抑制や、その破損の回避が可能になる。即ち、上述したベローズ１８の如く実際に伸長せずとも当該ベローズ１８と同様の効果を奏することができる。かかる伸長手段は、僅かな熱膨張しか起こらない熱交換器２０の場合に特に有用である。

本発明に係る熱エネルギ回収装置の実施例２を図３及び図４に基づいて説明する。尚、ここでも、その熱エネルギ回収装置として、内燃機関６０の排気熱を回収する排気熱回収装置を例に挙げる。

本実施例２の排気熱回収装置は、前述した実施例１の排気熱回収装置において熱交換器２０を図３に示す熱交換器１２０に変更したものである。

具体的に、本実施例２の熱交換器１２０は、内燃機関６０の排気流路６１から流入した高温流体（排気ガス）が流れる第１流路１２１と、圧縮機１０で断熱圧縮された作動ガスが流れる第２流路１２２とを備えている。

この熱交換器１２０は、図３及び図４に示す如く、内燃機関６０の排気流路６１に連通する円筒状の第１配管１２０ａと、この第１配管１２０ａと略同心円上に配置された当該第１配管１２０ａの外径よりも内径が大きい第２配管１２０ｂとで構成されており、その第１配管１２０ａの内部を第１流路１２１として使用し、その第１配管１２０ａの外周面と第２配管１２０ｂの内周面との間の環状の空間を第２流路１２２として使用する。

ここで、本実施例２にあっても、作動ガスへの吸熱効率（熱交換器効率）を高める為に、その第１及び第２の流路１２１，１２２は、高温流体の流動方向と作動ガスの流動方向とが逆になるよう配置している。また、本実施例２にあっても、高温流体（排気ガス）の排気熱を有効利用する為に、可能な限り内燃機関６０の燃焼室に近い位置（排気流路６１の上流側）に熱交換器１２０を配置することが好ましく、例えば、排気マニホルドの集合部分に配置している。

本実施例２にあっては、そのように構成された熱交換器１２０に対して実施例１と同等の位置関係で，即ち、その熱交換器１２０の第２配管１２０ｂから間隔を空けた位置で且つ当該熱交換器１２０の軸線長さＬの範囲内に圧縮機１０と膨張機３０が配置されている。

その圧縮機１０と膨張機３０は、前述した実施例１と同様に、各々の作動ガス排出管１５と作動ガス供給管３４とが熱交換器１２０に接続されている。

ここで、本実施例２にあっても、熱交換器１２０の第２配管１２０ｂが図３に示す矢印Ａの方向（第２配管１２０ｂの軸線方向）へと熱膨張し、圧縮機１０の作動ガス排出管１５に矢印Ａの方向の引張応力を発生させてしまう場合について例示する。これが為、本実施例２にあっても、その圧縮機１０の作動ガス排出管１５には熱交換器１２０の熱膨張の方向（矢印Ａ）と略平行な作動ガス排出路１５ａが設けられており、この作動ガス排出路１５ａ上には圧縮作動ガスの流入に伴って矢印Ａの方向へと加圧膨張可能なベローズ１８が配備されている。

これにより、高温流体（排気ガス）が熱交換器１２０に流入し、その高温流体の熱で熱交換器１２０の第２配管１２０ｂが矢印Ａの方向へと熱膨張を起こすときには、前述した実施例１と同様に、圧縮機１０で生成された圧縮作動ガスがベローズ１８に流入して、そのベローズ１８が矢印Ａの方向へと加圧膨張する。即ち、その第２配管１２０ｂが熱膨張により矢印Ａの方向へと伸長する際に、ベローズ１８が加圧膨張によって略同程度の伸長量で伸長する。

このように、本実施例２にあっても、圧縮機１０の圧縮作動ガスをベローズ１８に流入させて引張応力と同一の方向へと加圧膨張させることにより、熱交換器１２０の熱膨張に伴って発生する作動ガス排出管１５の引張応力を吸収することができる。これが為、その作動ガス排出管１５、コネクティングロッド１３やクランクシャフト４０の曲がりや捻れ等の排気熱回収装置における歪みを抑制することができ、また、それらの破損も回避することができる。

更に、本実施例２の熱交換器１２０は、同心円上に配置された第１配管１２０ａと第２配管１２０ｂとからなる簡便且つ小型化可能な二重管構造であり、狭小な搭載空間であっても排気熱回収装置の配置が容易になる。

尚、本実施例２の熱交換器１２０は他の部品と別体の第１配管１２０ａと第２配管１２０ｂとで構成したが、その第１配管１２０ａについては、内燃機関６０の排気流路６１をそのまま利用してもよい。即ち、内燃機関６０の排気流路６１に第２配管１２０ｂを覆い被せて本実施例２の熱交換器１２０を構成してもよい。

ここで、本実施例２にあっても、そのベローズ１８に替えて、前述した実施例１にて例示した作動ガスの流入に伴って熱交換器１２０の熱膨張と同一の方向に圧力が掛かる伸長手段を適用してもよく、これによってもそのベローズ１８を適用した場合と同様の効果を奏することができる。

本発明に係る熱エネルギ回収装置の実施例３を図５に基づいて説明する。尚、ここでも、その熱エネルギ回収装置として、内燃機関６０の排気熱を回収する排気熱回収装置を例に挙げる。

ここで、内燃機関６０側の排気流路６１には熱交換器１２０よりも高温の排気ガスが流れており、かかる部位においても熱膨張が起こる。これが為、例えば、前述した実施例２の排気熱回収装置において、その排気流路６１と排気熱回収装置の膨張機３０やその作動ガス供給管３４との間の相対的な位置関係が固定されていた場合には、その内燃機関６０の排気流路６１の熱膨張に伴って膨張機３０の作動ガス供給管３４に引張応力や圧縮応力が発生してしまう。

そこで、本実施例３の排気熱回収装置は、その内燃機関６０の排気流路６１における熱膨張の影響も考慮し、前述した実施例２の排気熱回収装置において、その熱膨張に起因する引張応力や圧縮応力が発生している作動ガス供給管３４の少なくとも一部分に排気流路６１の熱膨張の方向と略平行な作動ガス供給路を設け、その作動ガス供給路に引張応力が発生する場合には排気流路６１が熱膨張する際に当該熱膨張の方向と同一方向へと伸長可能な伸長手段を当該作動ガス供給路上に設け、その作動ガス供給路に圧縮応力が発生する場合には排気流路６１が熱膨張する際に当該熱膨張の方向と同一方向へと収縮可能な収縮手段を当該作動ガス供給路上に設ける。

本実施例３にあっては、内燃機関６０の排気流路６１が図５に示す矢印Ｂの方向へと熱膨張し、膨張機３０の作動ガス供給管３４に矢印Ｂの方向の引張応力を発生させてしまう場合について例示する。これが為、本実施例３においては、図５に示す如く、熱交換器１２０よりもその軸線方向において内燃機関６０の排気流路６１側に膨張機３０を配置し、その作動ガス供給管３４に排気流路６１の熱膨張の方向（矢印Ｂ）と略平行な作動ガス供給路３４ａを設ける。そして、その作動ガス供給路３４ａ上に圧縮作動ガスの流入に伴って矢印Ｂの方向へと加圧膨張可能なベローズ３８を伸長手段として設ける。

ここで、本実施例３のベローズ３８は、熱膨張時における矢印Ｂの方向への内燃機関６０の排気流路６１の伸長量を予め実験やシミュレーションによって求め、圧縮作動ガスが流入した際にその伸長量を相殺し得るだけの伸長量で加圧膨張を行うように設定する。

これにより、内燃機関６０の排気流路６１が矢印Ｂの方向へと熱膨張を起こすときには、熱交換器１２０の第２流路１２２を経て膨張機３０の作動ガス供給管３４に流入した圧縮作動ガスがベローズ３８に流入し、そのベローズ３８が矢印Ｂの方向へと加圧膨張する。即ち、その排気流路６１が熱膨張により矢印Ｂの方向へと伸長する際に、ベローズ３８が加圧膨張によって略同程度の伸長量で伸長する。

このように、本実施例３によれば、圧縮作動ガスをベローズ３８に流入させて作動ガス供給管３４の引張応力と同一の方向へと加圧膨張させることにより、内燃機関６０の排気流路６１の熱膨張に伴って発生する作動ガス供給管３４の引張応力を吸収することができる。これが為、内燃機関６０の排気流路６１と排気熱回収装置の膨張機３０やその作動ガス供給管３４との間の相対的な位置関係が固定されていても、その作動ガス供給管３４，コネクティングロッド３３やクランクシャフト４０の曲がりや捻れ等の排気熱回収装置における歪みを回避することができ、また、それらの破損も回避することができる。

尚、本実施例３にあっては、熱交換器１２０の第２配管１２０ｂも矢印Ａの方向へと熱膨張するが、その際には圧縮機１０の作動ガス排出管１５に設けたベローズ１８が圧縮作動ガスの流入に伴って加圧膨張するので、圧縮機１０側の作動ガス排出管１５，コネクティングロッド１３やクランクシャフト４０の曲がりや捻れ等の排気熱回収装置における歪みを回避することができ、また、それらの破損も回避することができる。

ここで、本実施例３にあっても、圧縮機１０の作動ガス排出管１５に設けたベローズ１８に替えて、前述した実施例１にて例示した作動ガスの流入に伴って熱交換器１２０の熱膨張と同一の方向に圧力が掛かる伸長手段を適用してもよく、これによってもそのベローズ１８を適用した場合と同様の効果を奏することができる。

また、これと同様に、膨張機３０の作動ガス供給管３４に設けたベローズ３８に替えて、作動ガスの流入に伴って内燃機関６０の排気流路６１の熱膨張と同一の方向に圧力が掛かる伸長手段を作動ガス供給管３４に設けてもよい。これによれば、排気流路６１が熱膨張を起こした際に、その熱膨張と同一の方向へと伸長手段に圧力が掛かるので、作動ガス供給管３４に発生する引張応力を緩和することができ、排気熱回収装置の歪みの抑制や、その破損の回避が可能になる。即ち、上述したベローズ３８の如く実際に伸長せずとも当該ベローズ３８と同様の効果を奏することができる。かかる伸長手段は、僅かな熱膨張しか起こらない排気流路６１の場合に特に有用である。

本発明に係る熱エネルギ回収装置の実施例４を図６に基づいて説明する。尚、ここでも、その熱エネルギ回収装置として、内燃機関６０の排気熱を回収する排気熱回収装置を例に挙げる。

前述した実施例３においては、内燃機関６０の排気流路６１と排気熱回収装置の膨張機３０やその作動ガス供給管３４との間の相対的な位置関係が固定されている場合について例示したが、本実施例４にあっては、内燃機関６０と排気熱回収装置のクランクシャフト４０との間の相対的な位置関係が固定されている場合を例示する。即ち、本実施例４においては、内燃機関６０のクランクシャフトと排気熱回収装置のクランクシャフト４０とが共用されている又は夫々のクランクシャフトが例えばチェーンやスプロケット等を介して連結されている場合について例示する。

かかる場合においても、内燃機関６０の排気流路６１に排気ガスが流入し、その排気流路６１が矢印Ｂの方向へと熱膨張を起こすときには、熱交換器１２０から膨張機３０の作動ガス供給管３４に流入した圧縮作動ガスがベローズ３８へと流入し、そのベローズ３８が矢印Ｂの方向へと加圧膨張して、内燃機関６０の排気流路６１の熱膨張に伴って発生する作動ガス供給管３４の引張応力を吸収することができる。これが為、内燃機関６０と排気熱回収装置のクランクシャフト４０との間の相対的な位置関係が固定されていても、その作動ガス供給管３４，コネクティングロッド３３やクランクシャフト４０の曲がりや捻れ等の排気熱回収装置における歪みを回避することができ、また、それらの破損も回避することができる。

また、その排気ガスが熱交換器１２０に流入し、その熱交換器１２０の第２配管１２０ｂが矢印Ａの方向へと熱膨張を起こすときには、圧縮機１０で生成された圧縮作動ガスがベローズ１８へと流入し、そのベローズ１８が矢印Ａの方向へと加圧膨張して、熱交換器１２０の第２配管１２０ｂの熱膨張に伴って発生する作動ガス排出管１５の引張応力を吸収することができる。これが為、圧縮機１０側の作動ガス排出管１５，コネクティングロッド１３やクランクシャフト４０の曲がりや捻れ等の排気熱回収装置における歪みを回避することができ、また、それらの破損も回避することができる。

ここで、本実施例４にあっても、圧縮機１０の作動ガス排出管１５に設けたベローズ１８に替えて、前述した実施例１にて例示した作動ガスの流入に伴って熱交換器１２０の熱膨張と同一の方向に圧力が掛かる伸長手段を適用してもよく、これによってもそのベローズ１８を適用した場合と同様の効果を奏することができる。また、膨張機３０の作動ガス供給管３４に設けたベローズ３８に替えて、前述した実施例３にて例示した作動ガスの流入に伴って内燃機関６０の排気流路６１の熱膨張と同一の方向に圧力が掛かる伸長手段を適用してもよく、これによってもそのベローズ３８を適用した場合と同様の効果を奏することができる。

以上のように、本発明に係る熱エネルギ回収装置は、熱源の熱膨張に伴い発生する熱エネルギ回収装置への引張応力又は圧縮応力を吸収又は緩和させ、その歪みを抑制させる技術に適している。

本発明に係る熱エネルギ回収装置の実施例１の構成を示す図である。ブレイトンサイクル機関について説明するＰ−Ｖ線図である。ブレイトンサイクル機関について説明するＴ−ｓ線図である。本発明に係る熱エネルギ回収装置の実施例２の構成を示す図である。図３に示すＸ−Ｘ線で切った熱交換器の断面図である。本発明に係る熱エネルギ回収装置の実施例３の構成を示す図である。本発明に係る熱エネルギ回収装置の実施例４の構成を示す図である。

符号の説明

１０圧縮機
１１シリンダ
１２ピストン
１３コネクティングロッド
１４作動ガス供給管
１５作動ガス排出管
１５ａ作動ガス排出路
１８ベローズ
２０，１２０熱交換器
３０膨張機
３１シリンダ
３２ピストン
３３コネクティングロッド
３４作動ガス供給管
３４ａ作動ガス供給路
３５作動ガス排出管
３８ベローズ
４０クランクシャフト
６０内燃機関
６１排気流路

Claims

吸入した作動ガスを圧縮するピストンを備えた圧縮機と、該圧縮機で圧縮された作動ガスに高温流体の熱を吸熱させる熱交換器と、該吸熱された作動ガスの膨張により押動されるピストンを備えた膨張機とを有し、
前記圧縮機で圧縮された作動ガスを前記熱交換器へと導く作動ガス排出管の少なくとも一部に前記熱交換器の熱膨張の方向と略平行な作動ガス排出路を設け、前記熱交換器の熱膨張に伴って前記作動ガス排出路に引張応力が発生する場合には当該熱交換器が熱膨張する際に当該熱膨張の方向と同一方向へと伸長可能な伸長手段を前記作動ガス排出路上に設け、前記熱交換器の熱膨張に伴って前記作動ガス排出路に圧縮応力が発生する場合には当該熱交換器が熱膨張する際に当該熱膨張の方向と同一方向へと収縮可能な収縮手段を前記作動ガス排出路上に設けたことを特徴とする熱エネルギ回収装置。
前記熱交換器を内燃機関の排気流路上に配置し、前記熱交換器で受熱された作動ガスを前記膨張機へと導く作動ガス供給管の少なくとも一部に前記排気流路の熱膨張の方向と略平行な作動ガス供給路を設け、前記排気流路の熱膨張に伴って前記作動ガス供給路に引張応力が発生する場合には当該排気流路が熱膨張する際に当該熱膨張の方向と同一方向へと伸長可能な伸長手段を前記作動ガス供給路上に設け、前記排気流路の熱膨張に伴って前記作動ガス供給路に圧縮応力が発生する場合には当該排気流路が熱膨張する際に当該熱膨張の方向と同一方向へと収縮可能な収縮手段を前記作動ガス供給路上に設けたことを特徴とする請求項１記載の熱エネルギ回収装置。
前記伸長手段は、前記作動ガスの流入に伴って当該伸長手段の伸長方向に圧力が掛かるものであることを特徴とした請求項１又は２に記載の熱エネルギ回収装置。
前記伸長手段は、前記作動ガスの流入に伴って当該作動ガスの流動方向へと加圧膨張するベローズであることを特徴とした請求項１，２又は３に記載の熱エネルギ回収装置。