JP4071552B2 - ランキンサイクル装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、作動媒体循環回路に沿って蒸発器、膨張機、凝縮器および圧送ポンプを設けたランキンサイクル装置に関し、特にその膨張機の潤滑媒体に混入した作動媒体としての水を分離する手段を備えたランキンサイクル装置、あるいは作動媒体としての水に混入した膨張機の潤滑媒体を分離する手段を備えたランキンサイクル装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ランキンサイクル装置の閉回路を循環する作動媒体に膨張機の潤滑媒体が混入すると、膨張機における潤滑媒体の量が不足して膨張機の効率低下や焼き付きが生じるため、気液分離器において作動媒体から潤滑媒体を分離して膨張機に戻すものが、実公昭６１−８１７０号公報により公知である。
【０００３】
また超極細の繊維で構成したフィルターに油および水の混合物を供給することにより、繊維に付着した油滴を粗粒化して水との比重差により水から分離し、あるいは繊維に付着した水滴を粗粒化して油との比重差により油から分離する、いわゆるコアレッサー式の油水分離フィルターが、特開昭６３−１５６５０８号公報により公知である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記実公昭６１−８１７０号公報に記載されたランキンサイクル装置は、作動媒体および潤滑媒体の混合物が閉回路を循環しているため、閉回路を循環する作動媒体中の潤滑媒体が熱でガス化してランキンサイクル装置の性能や耐久性に悪影響を及ぼす可能性がある。またボイラから気液分離器に液相の作動媒体、気相の作動媒体および潤滑媒体の混合物が供給され、しかも気液分離器は重力で潤滑媒体を分離する構造であるため、その潤滑媒体に液相の作動媒体が混入することが避けられない問題がある。
【０００５】
本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、潤滑媒体で潤滑される膨張機を備えたランキンサイクル装置において、膨張機の潤滑媒体に混入した作動媒体としての水を確実に分離して潤滑媒体の再生を図り、あるいは膨張機で水に混入した潤滑媒体を確実に分離して水の再生を図ることを目的とする。
【０００６】
【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、自動車の内燃機関の廃熱で作動媒体である水を加熱して高温・高圧の蒸気を発生させる蒸発器と、蒸発器から供給された蒸気の熱および圧力を機械エネルギーに変換する膨張機と、膨張機において降温・降圧した蒸気を冷却して水に戻す凝縮器と、凝縮器から排出された水を蒸発器に供給する圧送ポンプとを含む作動媒体循環回路を備えたランキンサイクル装置において、前記ランキンサイクル装置は、自動車に搭載された環境下で振動が発生し、前記膨張機の摺動部は水と異なる潤滑媒体により潤滑され、膨張機において潤滑媒体に混入した水を該潤滑媒体から分離する水分離手段を備え、この水分離手段は作動媒体が水の状態にある位置に設けられ、水分離手段は、潤滑媒体に含まれる水を粗粒化し、粗粒化した水と潤滑媒体との比重差により該水を分離するものであることを特徴とするランキンサイクル装置が提案される。
【０００７】
上記構成によれば、ランキンサイクル装置の膨張機の潤滑媒体に含まれる水を分離する際に、作動媒体が水の状態にあるときに潤滑媒体を分離することで、水の状態および蒸気の状態が混在する作動媒体から潤滑媒体を分離する場合に比べて、水をより完全に分離することができる。また水分離手段が潤滑媒体に含まれる水を粗粒化して潤滑媒体との比重差により分離するので、少ない圧力損失で潤滑媒体から水を効果的に分離することができる。しかも液相状態になった潤滑媒体および水を比重差によって分離するため、振動が発生するような環境下に置かれたランキンサイクル装置であっても確実に潤滑媒体と水とを分離することができる。
【０００８】
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、水分離手段は所定温度範囲で水の分離機能を発揮するものであり、この水分離手段は潤滑媒体が前記所定温度範囲にある位置に設けられたことを特徴とするランキンサイクル装置が提案される。
【０００９】
上記構成によれば、所定温度範囲で水の分離機能を発揮する水分離手段を潤滑媒体の温度が前記所定温度範囲にある位置に設けたので、水分離手段の損傷を防止しながら水の分離機能を安定して発揮させることができる。
【００１０】
また請求項３に記載された発明によれば、請求項１または請求項２の構成に加えて、水分離手段は、少なくとも２台の水分離装置を直列に接続して構成されることを特徴とするランキンサイクル装置が提案される。
【００１１】
上記構成によれば、少なくとも２台の水分離装置を直列に接続して水分離手段を構成したので、各々の水分離装置の分離特性に変化を持たせることが可能となり、１台の水分離装置で水分離手段を構成する場合に比べて、分離性能の向上および水分離手段の小型化を図ることができる。
【００１２】
また請求項４に記載された発明によれば、自動車の内燃機関の廃熱で作動媒体である水を加熱して高温・高圧の蒸気を発生させる蒸発器と、蒸発器から供給された蒸気の熱および圧力を機械エネルギーに変換する膨張機と、膨張機において降温・降圧した蒸気を冷却して水に戻す凝縮器と、凝縮器から排出された水を蒸発器に供給する圧送ポンプとを含む作動媒体循環回路を備えたランキンサイクル装置において、前記ランキンサイクル装置は、自動車に搭載されるとともに閉回路を構成し、前記膨張機の摺動部は水と異なる潤滑媒体により潤滑され、膨張機において水に混入した潤滑媒体を該水から分離する潤滑媒体分離手段を備え、この潤滑媒体分離手段は膨張機の下流側であって作動媒体が水の状態にある位置に設けられ、潤滑媒体分離手段は、水に含まれる潤滑媒体を粗粒化し、粗粒化した潤滑媒体と水との比重差により該潤滑媒体を分離するものであることを特徴とするランキンサイクル装置が提案される。
【００１３】
上記構成によれば、ランキンサイクル装置の水に含まれる潤滑媒体を分離する際に、作動媒体が水の状態にあるときに潤滑媒体を分離することで、水の状態および蒸気の状態が混在する作動媒体から潤滑媒体を分離する場合に比べて、潤滑媒体をより完全に分離することができる。また潤滑媒体分離手段が水に含まれる潤滑媒体を粗粒化して水との比重差により分離するので、少ない圧力損失で水から潤滑媒体を効果的に分離することができる。しかも液相状態になった潤滑媒体および水を比重差によって分離するため、潤滑媒体がランキンサイクル回路の水内に絶対に混入してはならないランキンサイクル装置であっても確実に潤滑媒体と水とを分離することができる。
【００１４】
また請求項５に記載された発明によれば、請求項４の構成に加えて、潤滑媒体分離手段は所定温度範囲で潤滑媒体の分離機能を発揮するものであり、この潤滑媒体分離手段は水が前記所定温度範囲にある位置に設けられたことを特徴とするランキンサイクル装置が提案される。
【００１５】
上記構成によれば、所定温度範囲で潤滑媒体の分離機能を発揮する潤滑媒体分離手段を水の温度が前記所定温度範囲にある位置に設けたので、潤滑媒体分離手段の損傷を防止しながら潤滑媒体の分離機能を安定して発揮させることができる。
【００１６】
また請求項６に記載された発明によれば、請求項４または請求項５の構成に加えて、膨張機から作動媒体循環回路に排出された作動媒体に含まれる水を分離する気液分離器を備え、この気液分離器で分離した水を潤滑媒体分離手段に供給することを特徴とするランキンサイクル装置が提案される。
【００１７】
上記構成によれば、膨張機から作動媒体循環回路に排出された作動媒体に含まれる水を気液分離器で分離して潤滑媒体分離手段に供給するので、潤滑媒体分離手段に供給される作動媒体を確実に水にして潤滑媒体の分離機能を高めることができる。
【００１８】
また請求項７に記載された発明によれば、請求項１、請求項２、請求項４および請求項５の何れか１項の構成に加えて、膨張機から作動媒体循環回路に排出されて液相状態に戻された水に含まれる陽イオンや溶存気体を除去する水浄化手段を備えたことを特徴とするランキンサイクル装置が提案される。
【００１９】
上記構成によれば、膨張機から作動媒体循環回路に排出されて液相状態に戻された水に含まれる陽イオンや溶存気体を水浄化手段で除去するので、作動媒体が流通する作動媒体循環回路の各部の汚染や腐食を一層確実に防止することができる。
【００２０】
また請求項８に記載された発明によれば、請求項１、請求項２、請求項４および請求項５の何れか１項の構成に加えて、水分離手段で水を分離された潤滑媒体は膨張機に戻されることを特徴とするランキンサイクル装置が提案される。
【００２１】
上記構成によれば、水分離手段で水を分離した潤滑媒体を膨張機に戻すので、水が潤滑媒体に混入して潤滑性能が低下するのを防止でき、しかも膨張機に潤滑媒体を補充する必要がない。
【００２２】
また請求項９に記載された発明によれば、請求項１、請求項２、請求項４および請求項５の何れか１項の構成に加えて、水分離手段で潤滑媒体から分離された水は作動媒体循環回路に戻されることを特徴とするランキンサイクル装置が提案される。
【００２３】
上記構成によれば、水分離手段で潤滑媒体から分離した水を作動媒体循環回路に戻すので、潤滑媒体の混入による作動媒体循環回路の損傷を防止でき、しかも作動媒体循環回路に水を補充する必要がない。
【００２４】
また請求項１０に記載された発明によれば、請求項１、請求項２、請求項４および請求項５の何れか１項の構成に加えて、水分離手段は、コアレッサー式のものであることを特徴とするランキンサイクル装置が提案される。
【００２５】
上記構成によれば、水分離手段がコアレッサー式のものであるので、少ない圧力損失で潤滑媒体から水を効果的に分離することができる。
【００２６】
また請求項１１に記載された発明によれば、請求項１０の構成に加えて、水分離手段は疎水性繊維よりなるフィルターエレメントを備えたことを特徴とするランキンサイクル装置が提案される。
【００２７】
上記構成によれば、水分離手段のフィルターエレメントが疎水性繊維で構成されるので、水および潤滑媒体の分離能力を高めることができる。
【００２８】
尚、実施例のオイルは本発明の潤滑媒体に対応し、実施例のオイル分離手段１３７は本発明の潤滑媒体分離手段に対応する。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面に示した本発明の実施例に基づいて説明する。
【００３０】
図１〜図２５は本発明の一実施例を示すもので、図１は膨張機の縦断面図、図２は図１の２−２線断面図、図３は図１の３部拡大図、図４は図１の４部拡大断面図（図８の４−４線断面図）、図５は図４の５−５線矢視図、図６は図４の６−６線矢視図、図７は図４の７−７線断面図、図８は図４の８−８線断面図、図９は図４の９−９線断面図、図１０は図１の１０−１０線矢視図、図１１は図１の１１−１１線矢視図、図１２は図１０の１２−１２線断面図、図１３は図１１の１３−１３線断面図、図１４は図１０の１４−１４線断面図、図１５は出力軸のトルク変動を示すグラフ、図１６は高圧段の吸入系を示す作用説明図、図１７は高圧段の排出系および低圧段の吸入系を示す作用説明図、図１８は低圧段の排出系を示す作用説明図、図１９はランキンサイクル装置の全体構成を示す図、図２０は水分離手段の構造を示す図、図２１は図２０の２１−２１線断面図、図２２は図２０の２２−２２線断面図、図２３は水を分離するコアレッサー式フィルターの作用を示す図、図２４はオイルを分離するコアレッサー式フィルターの作用を示す図、図２５はオイル分離手段の構造を示す図である。
【００３１】
先ず、ランキンサイクル装置の膨張機１１３の概略構造を、図１〜図３に基づいて説明する。
【００３２】
膨張機１１３は作動媒体としての高温高圧蒸気の熱エネルギーおよび圧力エネルギーを機械エネルギーに変換して出力するもので、そのケーシング１１は、ケーシング本体１２と、ケーシング本体１２の前面開口部にシール部材１３を介して嵌合して複数本のボルト１４…で結合される前部カバー１５と、ケーシング本体１２の後面開口部にシール部材１６を介して嵌合して複数本のボルト１７…で結合される後部カバー１８とから構成される。ケーシング本体１２の下面開口部にオイルパン１９がシール部材２０を介して当接し、複数本のボルト２１…で結合される。またケーシング本体１２の上面にシール部材２２（図１２参照）を介してブリーザ室隔壁２３が重ね合わされ、更にその上面にシール部材２４（図１２参照）を介してブリーザ室カバー２５が重ね合わされ、複数本のボルト２６…で共締めされる。
【００３３】
ケーシング１１の中央を前後方向に延びる軸線Ｌまわりに回転可能なロータ２７と出力軸２８とが溶接で一体化されており、ロータ２７の後部がアンギュラボールベアリング２９およびシール部材３０を介してケーシング本体１２に回転自在に支持されるとともに、出力軸２８の前部がアンギュラボールベアリング３１およびシール部材３２を介して前部カバー１５に回転自在に支持される。前部カバー１５の後面に２個のシール部材３３，３４およびノックピン３５を介して嵌合する斜板ホルダ３６が複数本のボルト３７…で固定されており、この斜板ホルダ３６にアンギュラボールベアリング３８を介して斜板３９が回転自在に支持される。斜板３９の回転軸線は前記ロータ２７および出力軸２８の軸線Ｌに対して傾斜しており、その傾斜角は固定である。
【００３４】
ロータ２７と別部材で構成された７本のスリーブ４１…が、ロータ２７の内部に軸線Ｌを囲むように円周方向に等間隔で配置される。ロータ２７のスリーブ支持孔２７ａ…に支持されたスリーブ４１…の内周に形成された高圧シリンダ４２…に高圧ピストン４３…が摺動自在に嵌合しており、高圧シリンダ４２…の前端開口部から前方に突出する高圧ピストン４３…の半球状部が、斜板３９の後面に凹設した７個のディンプル３９ａ…にそれぞれ突き当てられる。スリーブ４１…の後端とロータ２７のスリーブ支持孔２７ａ…との間には耐熱金属性のシール部材４４…が装着され、この状態でスリーブ４１…の前端を押さえる単一のセットプレート４５が複数本のボルト４６…でロータ２７の前面に固定される。スリーブ支持孔２７ａ…の底部近傍は僅かに大径になっており、スリーブ４１…の外周面との間に間隙α（図３参照）が形成される。
【００３５】
高圧ピストン４３…は高圧シリンダ４２…との摺動面をシールする圧力リング４７…およびオイルリング４８…を備えており、圧力リング４７…の摺動範囲とオイルリング４８…の摺動範囲とは相互にオーバーラップしないように設定されている。高圧ピストン４３…を高圧シリンダ４２…に挿入するとき、圧力リング４７…およびオイルリング４８…を高圧シリンダ４２…にスムーズに係合させるべく、セットプレート４５に前面側が広がるようにテーパした開口部４５ａ…が形成される。
【００３６】
以上のように、圧力リング４７…の摺動範囲とオイルリング４８…の摺動範囲とが相互にオーバーラップしないように設定したので、オイルリング４８…が摺動する高圧シリンダ４２…の内壁に付着した潤滑媒体としてのオイルが、圧力リング４７…の摺動により高圧作動室８２…に取り込まれないようにし、蒸気にオイルが混入するのを確実に防止することができる。特に、高圧ピストン４３…は圧力リング４７…およびオイルリング４８…に挟まれた部分が若干小径になっているため（図３参照）、オイルリング４８…の摺動面に付着したオイルが圧力リング４７…の摺動面に移動するのを効果的に防止することができる。
【００３７】
また７本のスリーブ４１…をロータ２７のスリーブ支持孔２７ａ…に装着して高圧シリンダ４２…を構成したので、スリーブ４１…に熱伝導性、耐熱性、耐摩耗性、強度等に優れた材質を選択することができる。これにより性能および信頼性の向上が可能になるだけでなく、ロータ２７に直接高圧シリンダ４２…を加工する場合に比べて加工が容易になり、加工精度も向上する。しかも何れかのスリーブ４１が摩耗・損傷した場合に、ロータ２７全体を交換することなく、異常のあるスリーブ４１だけを交換すれば良いので経済的である。
【００３８】
またスリーブ支持孔２７ａ…の底部近傍を僅かに大径にしてスリーブ４１…の外周面とロータ２７との間に間隙αを形成したので、高圧作動室８２…に供給された高温高圧蒸気によりロータ２７が熱変形しても、その影響がスリーブ４１…に及び難くして高圧シリンダ４２…の歪みを防止することができる。
【００３９】
前記７本の高圧シリンダ４２…と、そこに嵌合する７本の高圧ピストン４３…とは、第１のアキシャルピストンシリンダ群４９を構成する。
【００４０】
ロータ２７の外周部に７本の低圧シリンダ５０…が軸線Ｌおよび高圧シリンダ４２…の半径方向外側を囲むように円周方向に等間隔で配置される。これら低圧シリンダ５０…は高圧シリンダ４２…よりも大きな直径を有しており、かつ低圧シリンダ５０…の円周方向の配列ピッチは高圧シリンダ４２…の円周方向の配列ピッチに対して半ピッチ分ずれている。これにより、隣接する低圧シリンダ５０…間に形成される空間に高圧シリンダ４２…を配置することが可能になり、スペースを有効利用してロータ２７の直径の小型化に寄与することができる。
【００４１】
７本の低圧シリンダ５０…にはそれぞれ低圧ピストン５１…が摺動自在に嵌合しており、これら低圧ピストン５１…はリンク５２…を介して斜板３９に接続される。即ち、リンク５２…の前端の球状部５２ａは斜板３９にナット５３…で固定した球面軸受５４…に揺動自在に支持され、リンク５２…の後端の球状部５２ｂは低圧ピストン５１…にクリップ５５…で固定した球面軸受５６…に揺動自在に支持される。低圧ピストン５１…の頂面近傍の外周面には、圧力リング７８…およびオイルリング７９…が隣接して装着される。圧力リング７８…およびオイルリング７９…の摺動範囲は相互にオーバーラップするので、圧力リング７８…の摺動面に油膜を形成してシール性および潤滑性を高めることができる。
【００４２】
前記７本の低圧シリンダ５０…と、そこに嵌合する７本の低圧ピストン４１…とは、第２のアキシャルピストンシリンダ群５７を構成する。
【００４３】
ところで、レシプロエンジン等に用いられるオイルには、界面活性剤と極圧剤とを添加している。この極圧剤には、代表的なものとしてモリブデン硫化物（例えば、二硫化モリブデン等）に代表されるモリブデン化合物があげられる。極圧剤を添加したオイル（親水性オイル）は、強攪拌した場合に水の周囲をこれらの親水基を有する界面活性剤と極圧剤とが取り囲み、潤滑油としての機能低下を招くだけでなく、乳化した混合物は安定化するので水との分離も難しくなる。このため、本実施例では親水性添加物を含まない疎水性オイルを膨張機１１３の潤滑媒体として使用している。
【００４４】
以上のように、第１のアキシャルピストンシリンダ群４９の高圧ピストン４３…の前端を半球状に形成し、その前端を斜板３９に形成したディンプル３９ａ…に当接させたので、高圧ピストン４３…を斜板３９に機械的に連結する必要がなくなって、部品点数の削減と組付性の向上とが可能になる。一方、第２のアキシャルピストンシリンダ群５７の低圧ピストン５１…はリンク５２…および前後の球面軸受５４…，５６…を介して斜板３９に連結されているので、第２のアキシャルピストンシリンダ群５７に供給される中温中圧蒸気の温度および圧力が不足して低圧作動室８４…が負圧になっても、低圧ピストン５１…と斜板３９とが離れて打音や損傷が発する虞がない。
【００４５】
また斜板３９は前部カバー１５にボルト３７…で締結されるが、そのときの斜板３９の軸線Ｌまわりの締結位相を変化させることで、第１のアキシャルピストンシリンダ群４９および第２のアキシャルピストンシリンダ群５７に対する蒸気の供給・排出タイミングをずらして膨張機１１３の出力特性を変更することができる。
【００４６】
また一体化されたロータ２７および出力軸２８は、それぞれケーシング本体１２に設けたアンギュラボールベアリング２９および前部カバー１５に設けたアンギュラボールベアリング３１に支持されるが、ケーシング本体１２およびアンギュラボールベアリング２９間に介装するシム５８の厚さと、前部カバー１５およびアンギュラボールベアリング３１間に介装するシム５９の厚さとを調整することにより、軸線Ｌに沿うロータ２７の位置を前後方向に調整することができる。このロータ２７の軸線Ｌ方向の位置の調整により、斜板３９に案内される高圧・低圧ピストン４３…，５１…とロータ２７に設けられた高圧・低圧シリンダ４２…，５０…との軸線Ｌ方向の相対的な位置関係が変化し、高圧・低圧作動室８２…，８４…における蒸気の膨張比を調整することができる。
【００４７】
仮に、斜板３９を支持する斜板ホルダ３６が前部カバー１５に対して一体に形成されていると、前部カバー１５にアンギュラボールベアリング３１やシム５９を着脱するためのスペースを確保するのが困難になるが、斜板ホルダ３６を前部カバー１５に対し着脱可能にしたことで、上記問題が解消される。また仮に斜板ホルダ３６が前部カバー１５と一体であると、膨張機１１３の分解・組立時に予め前部カバー１５側に組み付けた斜板３９に、ケーシング１１内の狭い空間で７本のリンク５２…を連結・分離する面倒な作業が必要となるが、斜板ホルダ３６を前部カバー１５に対し着脱可能にしたことで、予めロータ２７側に斜板３９および斜板ホルダ３６を組み付けてサブアセンブリを構成することが可能となり、組付性が大幅に向上する。
【００４８】
次に、第１のアキシャルピストンシリンダ群４９および第２のアキシャルピストンシリンダ群５７に対する蒸気の供給・排出系統を、図４〜図９に基づいて説明する。
【００４９】
図４に示すように、ロータ２７の後端面に開口する円形断面の凹部２７ｂおよび後部カバー１８の前面に開口する円形断面の凹部１８ａに、ロータリバルブ６１が収納される。軸線Ｌに沿うように配置されたロータリバルブ６１は、ロータリバルブ本体６２と、固定側バルブプレート６３と、可動側バルブプレート６４とを備える。可動側バルブプレート６４は、ロータ２７の凹部２７ｂの底面にガスケット６５を介して嵌合した状態で、ノックピン６６およびボルト６７ａでロータ２７に固定される。可動側バルブプレート６４に平坦な摺動面６８を介して当接する固定側バルブプレート６３はノックピン６９およびボルト６７ｂを介してロータリバルブ本体６２に相対回転不能に結合される。従って、ロータ２７が回転すると、可動側バルブプレート６４および固定側バルブプレート６３は摺動面６８において相互に密着しながら相対回転する。固定側バルブプレート６３および可動側バルブプレート６４は、超硬合金やセラミックス等の耐久性に優れた材質で構成されており、その摺動面６８に耐熱性、潤滑性、耐蝕性、耐摩耗性を有する部材を介在させたりコーティングしたりすることが可能である。
【００５０】
ロータリバルブ本体６２は、大径部６２ａ、中径部６２ｂおよび小径部６２ｃを備えた段付き円柱状の部材であって、その大径部６２ａの外周に嵌合する環状の摺動部材７０が、ロータ２７の凹部２７ｂに円筒状の摺動面７１を介して摺動自在に嵌合するとともに、その中径部６２ｂおよび小径部６２ｃが後部カバー１８の凹部１８ａにシール部材７２，７３を介して嵌合する。摺動部材７０は、超硬合金やセラミックス等の耐久性に優れた材質で構成される。ロータリバルブ本体６２の外周に植設されたノックピン７４が、後部カバー１８の凹部１８ａに軸線Ｌ方向に形成された長孔１８ｂに係合しており、従ってロータリバルブ本体６２は後部カバー１８に対して相対回転不能、かつ軸線Ｌ方向に移動可能に支持される。
【００５１】
後部カバー１８に軸線Ｌを囲むように複数個（例えば、７個）のプリロードスプリング７５…が支持されており、これらプリロードスプリング７５…に中径部６２ｂおよび小径部６２ｃ間の段部６２ｄを押圧されたロータリバルブ本体６２は、固定側バルブプレート６３および可動側バルブプレート６４の摺動面６８を密着させるべく前方に向けて付勢される。後部カバー１８の凹部１８ａの底面とロータリバルブ本体６２の小径部６２ｃの後端面との間に圧力室７６が区画されており、後部カバー１８を貫通するように接続された蒸気供給パイプ７７が前記圧力室７６に連通する。従って、ロータリバルブ本体６２は前記プリロードスプリング７５…の弾発力に加えて、圧力室７６に作用する蒸気圧によっても前方に付勢される。
【００５２】
第１のアキシャルピストンシリンダ群４９に高温高圧蒸気を供給する高圧段の蒸気吸入経路が、図１６に網かけして示される。図１６と図５〜図９とを併せて参照すると明らかなように、蒸気供給パイプ７７から高温高圧蒸気が供給される圧力室７６に上流端が連通する第１蒸気通路Ｐ１が、ロータリバルブ本体６２を貫通して固定側バルブプレート６３との合わせ面に開口し、固定側バルブプレート６３を貫通する第２蒸気通路Ｐ２に連通する。ロータリバルブ本体６２および固定側バルブプレート６３の合わせ面からの蒸気のリークを防止すべく、該合わせ面に装着されたシール部材８１（図７および図１６参照）により第１、第２蒸気通路Ｐ１，Ｐ２の接続部の外周がシールされる。
【００５３】
可動側バルブプレート６４およびロータ２７にはそれぞれ７本の第３蒸気通路Ｐ３…（図５参照）および第４蒸気通路Ｐ４…が円周方向に等間隔に形成されており、第４蒸気通路Ｐ４…の下流端は第１のアキシャルピストンシリンダ群４９の高圧シリンダ４２…および高圧ピストン４３間に区画された７個の高圧作動室８２…に連通する。図６から明らかなように、固定側バルブプレート６３に形成された第２蒸気通路Ｐ２の開口は、高圧ピストン４３の上死点ＴＤＣの前後に均等に開口せずに矢印Ｒで示すロータ２７の回転方向進み側に僅かにずれて開口している。これにより、できるだけ長い膨張期間、即ち充分な膨張比を確保でき、かつ上死点ＴＤＣの前後に均等に開口を設定した場合に生じる負の仕事を極力少なくし、更に高圧作動室８２…内に残留する膨張蒸気を減少して充分な出力（効率）が得られる。
【００５４】
第１のアキシャルピストンシリンダ群４９から中温中圧蒸気を排出して第２のアキシャルピストンシリンダ群５７に供給する高圧段の蒸気排出経路および低圧段の蒸気吸入経路が、図１７に網かけして示される。図１７と図５〜図８とを併せて参照すると明らかなように、固定側バルブプレート６３の前面には円弧状の第５蒸気通路Ｐ５（図６参照）が開口しており、この第５蒸気通路Ｐ５は固定側バルブプレート６３の後面に開口する円形の第６蒸気通路Ｐ６（図７参照）に連通する。第５蒸気通路Ｐ５は、高圧ピストン４３の下死点ＢＤＣに対して矢印Ｒで示すロータ２７の回転方向進み側に僅かにずれた位置から、上死点ＴＤＣに対して回転方向遅れ側に僅かにずれた位置に亘って開口している。これにより、可動側バルブプレート６４の第３蒸気通路Ｐ３…は下死点ＢＤＣから第２蒸気通路Ｐ２と重複しない（好ましくは第２蒸気通路Ｐ２と重複する直前の）角度範囲に亘って固定側バルブプレート６３の第５蒸気通路Ｐ５に連通することができ、その間に第３蒸気通路Ｐ３…から第５蒸気通路Ｐ５への蒸気の排出が行われる。
【００５５】
ロータリバルブ本体６２には、軸線Ｌ方向に延びる第７蒸気通路Ｐ７と、略半径方向に延びる第８蒸気通路Ｐ８とが形成されており、第７蒸気通路Ｐ７の上流端は前記第６蒸気通路Ｐ６の下流端に連通するとともに、第７蒸気通路Ｐ７の下流端はロータリバルブ本体６２および摺動部材７０に跨がって配置された継ぎ手部材８３の内部の第９蒸気通路Ｐ９を経て、摺動部材７０を半径方向に貫通する第１０蒸気通路Ｐ１０に連通する。そして第１０蒸気通路Ｐ１０は、ロータ２７に放射状に形成した７本の第１１蒸気通路Ｐ１１…を介して、第２のアキシャルピストンシリンダ群５７の低圧シリンダ５０…および低圧ピストン４１…間に区画された７個の低圧作動室８４…に連通する。
【００５６】
ロータリバルブ本体６２と固定側バルブプレート６３との合わせ面からの蒸気のリークを防止すべく、該合わせ面に装着されたシール部材８５（図７および図１７参照）により第６、第７蒸気通路Ｐ６，Ｐ７の接続部の外周がシールされる。摺動部材７０の内周面とロータリバルブ本体６２との間は２個のシール部材８６，８７でシールされ、継ぎ手部材８３の外周面と摺動部材７０との間はシール部材８８でシールされる。
【００５７】
第２のアキシャルピストンシリンダ群５７から低温低圧蒸気を排出する蒸気排出経路が、図１８に網かけして示される。図１８、図８および図９を併せて参照すると明らかなように、摺動部材７０の摺動面７１に、ロータ２７に形成した７個の第１１蒸気通路Ｐ１１…に連通可能な円弧状の第１６蒸気通路Ｐ１６が切り欠かれており、この第１６蒸気通路Ｐ１６はロータリバルブ本体６２の外周に円弧状に切り欠かれた第１７蒸気通路Ｐ１７に連通する。第１６蒸気通路Ｐ１６は、低圧ピストン５１の下死点ＢＤＣに対して矢印Ｒで示すロータ２７の回転方向進み側に僅かにずれた位置から、上死点ＴＤＣに対して回転方向遅れ側に僅かにずれた位置に亘って開口している。これにより、ロータ２７の第１１蒸気通路Ｐ１１…は下死点ＢＤＣから第１０蒸気通路Ｐ１０と重複しない（好ましくは第１０蒸気通路Ｐ１０と重複する直前の）角度範囲に亘って摺動部材７０の第１６蒸気通路Ｐ１６に連通することができ、その間に第１１蒸気通路Ｐ１１…から第１６蒸気通路Ｐ１６への蒸気の排出が行われる。
【００５８】
更に第１７蒸気通路Ｐ１７は、ロータリバルブ本体６２の内部に形成された第１８蒸気通路Ｐ１８〜第２０蒸気通路Ｐ２０および後部カバー１８の切欠１８ｄを介して、ロータリバルブ本体６２および後部カバー１８間に形成された蒸気排出室９０に連通し、この蒸気排出室９０は後部カバー１８に形成した蒸気排出孔１８ｃに連通する。
【００５９】
以上のように、第１のアキシャルピストンシリンダ群４９への蒸気の供給・排出と第２のアキシャルピストンシリンダ群５７への蒸気の供給・排出とを共通のロータリバルブ６１で制御するので、各々別個のロータリバルブを用いる場合に比べて膨張機１１３を小型化することができる。しかも第１のアキシャルピストンシリンダ群４９に高温高圧蒸気を供給するバルブを、ロータリバルブ本体６２と一体の固定側バルブプレート６３の前端の平坦な摺動面６８に形成したので、高温高圧蒸気のリークを効果的に防止することができる。なぜならば、平坦な摺動面６８は高精度の加工が容易なため、円筒状の摺動面に比べてクリアランスの管理が容易であるからである。
【００６０】
特に、複数本のプリロードスプリング７５…でロータリバルブ本体６２にプリセット荷重を与えて軸線Ｌ方向前方に付勢し、更に蒸気供給パイプ７７から圧力室７６に供給した高温高圧蒸気でロータリバルブ本体６２を軸線Ｌ方向前方に付勢することにより、固定側バルブプレート６３および可動側バルブプレート６４の摺動６８に高温高圧蒸気の圧力に応じた面圧を発生させ、その摺動面６８からの蒸気のリークを一層効果的に抑制することができる。
【００６１】
また第２のアキシャルピストンシリンダ群５７に中温中圧蒸気を供給するバルブはロータリバルブ本体６２の外周の円筒状の摺動面７１に形成されているが、そこを通過する中温中圧蒸気は前記高温高圧蒸気に比べて圧力が低下しているため、摺動面７１に対する面圧を発生させなくとも、所定のクリアランス管理を施せば蒸気のリークは実用上問題ない。
【００６２】
またロータリバルブ本体６２に内部に、高温高圧蒸気が流れる第１蒸気通路Ｐ１と、中温中圧蒸気が流れる第７蒸気通路Ｐ７および第８蒸気通路Ｐ８と、低温低圧蒸気が流れる第１７蒸気通路Ｐ１７〜第２０蒸気通路Ｐ２０とを集約して形成したので蒸気温度の低下を防止できるだけでなく、高温高圧蒸気のシール部（例えば、シール部材８１）を低温低圧蒸気で冷却して耐久性を高めることができる。
【００６３】
更に、後部カバー１８をケーシング本体１２から取り外すだけで、ケーシング本体１２に対してロータリバルブ６１を着脱することができるので、修理、清掃、交換等のメンテナンス作業性が大幅に向上する。また高温高圧蒸気が通過するロータリバルブ６１は高温になるが、オイルによる潤滑が必要な斜板３９や出力軸２８がロータ２７を挟んでロータリバルブ６１の反対側に配置されるので、高温となるロータリバルブ６１の熱でオイルが加熱されて斜板３９や出力軸２８の潤滑性能が低下するのを防止することができる。またオイルはロータリバルブ６１を冷却して過熱を防止する機能も発揮する。
【００６４】
図１から明らかなように、オイルパン１９に貯留されたオイルは、オイル通路９１と、出力軸２８により駆動されるオイルポンプ９２と、出力軸２８の内部に形成されたオイル溜８９とを経て膨張機１１３に戻され、その間にオイルに含まれる水が分離される。その詳細は後から説明する。
【００６５】
次に、図１０〜図１４を参照してブリーザの構造を説明する。
【００６６】
ケーシング本体１２の上壁１２ａとブリーザ室隔壁２３との間に区画された下部ブリーザ室１０１はケーシング本体１２の上壁１２ａに形成された連通孔１２ｂを介してケーシング１１内の潤滑室１０２に連通する。潤滑室１０２の底部に設けたオイルパン１９にはオイルが貯留されており、その油面はロータ２７の下端よりも僅かに高くなっている（図１参照）。下部ブリーザ室１０１の内部には上端がブリーザ室隔壁２３の下面に接触する３枚の隔壁１２ｃ〜１２ｅが上向きに突設されており、これら隔壁１２ｃ〜１２ｅにより構成された迷路の一端に前記連通孔１２ｂが開口するとともに、迷路の他端に向かう経路の途中に前記上壁１２ａを貫通する４個のオイル戻し孔１２ｆ…が形成される。オイル戻し孔１２ｆ…は下部ブリーザ室１０１の最も低い位置に形成されており（図１４参照）、従って下部ブリーザ室１０１内で凝縮したオイルを潤滑室１０２に確実に戻すことができる。
【００６７】
ブリーザ室隔壁２３とブリーザ室カバー２５との間に上部ブリーザ室１０３が区画されており、この上部ブリーザ室１０３と下部ブリーザ室１０１とが、ブリーザ室隔壁２３を貫通して上部ブリーザ室１０３内に煙突状に突出する４個の連通孔２３ａ…，２３ｂにより連通する。ブリーザ室隔壁２３を貫通する凝縮水戻し孔２３ｃの下方に位置するケーシング本体１２の上壁１２ａに凹部１２ｇが形成されており、この凹部１２ｇの周囲がシール部材１０４でシールされる。
【００６８】
ブリーザ室隔壁２３に形成された第１ブリーザ通路Ｂ１の一端が上部ブリーザ室１０３の高さ方向中間部に開口する。第１ブリーザ通路Ｂ１の他端は、ケーシング本体１２に形成した第２ブリーザ通路Ｂ２および後部カバー１８に形成した第３ブリーザ通路Ｂ３を介して蒸気排出室９０に連通する。また上壁１２ａに形成した凹部１２ｇはケーシング本体１２に形成した第４ブリーザ通路Ｂ４および前記第３ブリーザ通路Ｂ３を介して蒸気排出室９０に連通する。第１ブリーザ通路Ｂ１および第２ブリーザ通路Ｂ２の連通部の外周はシール部材１０５によりシールされる。
【００６９】
図２に示すように、下部ブリーザ室１０１に連通する継ぎ手１０６とオイルパン１９に連通する継ぎ手１０７とが透明なオイルレベルゲージ１０８で接続されており、このオイルレベルゲージ１０８内のオイルの油面により潤滑室１０２内のオイルの油面を外部から知ることができる。即ち、潤滑室１０２は密閉構造となっており、外部からオイルレベルゲージを挿入することはシール性の維持から難しく、構造が複雑化することが避けられない。しかしながら、このオイルレベルゲージ１０８によって、潤滑室１０２の密閉状態を維持しつつ外部からオイルの油面を容易に知ることができる。
【００７０】
次に、上記構成を備えた膨張機１１３の作用を説明する。
【００７１】
図１６に示すように、蒸発器で水を加熱して発生した高温高圧蒸気は蒸気供給パイプ７７を介して膨張機１１３の圧力室７６に供給され、そこからロータリバルブ６１のロータリバルブ本体６２に形成した第１蒸気通路Ｐ１と、このロータリバルブ本体６２と一体の固定側バルブプレート６３に形成した第２蒸気通路Ｐ２とを経て、可動側バルブプレート６４との摺動面６８に達する。そして摺動面６８に開口する第２蒸気通路Ｐ２はロータ２７と一体に回転する可動側バルブプレート６４に形成した第３蒸気通路Ｐ３に瞬間的に連通し、高温高圧蒸気は第３蒸気通路Ｐ３からロータ２７に形成した第４蒸気通路Ｐ４を経て、第１のアキシャルピストンシリンダ群４９の７個の高圧作動室８２…のうちの上死点に在る高圧作動室８２に供給される。
【００７２】
ロータ２７の回転に伴って第２蒸気通路Ｐ２および第３蒸気通路Ｐ３の連通が絶たれた後も高圧作動室８２内で高温高圧蒸気が膨張することで、スリーブ４１の高圧シリンダ４２に嵌合する高圧ピストン４３が上死点から下死点に向けて前方に押し出され、その前端が斜板３９のディンプル３９ａを押圧する。その結果、高圧ピストン４３が斜板３９から受ける反力でロータ２７に回転トルクが与えられる。そしてロータ２７が７分の１回転する毎に、新たな高圧作動室８２内に高温高圧蒸気が供給されてロータ２７が連続的に回転駆動される。
【００７３】
図１７に示すように、ロータ２７の回転に伴って下死点に達した高圧ピストン４３が上死点に向かって後退する間に、高圧作動室８２から押し出された中温中圧蒸気は、ロータ２７の第４蒸気通路Ｐ４と、可動側バルブプレート６４の第３蒸気通路Ｐ３と、摺動面６８と、固定側バルブプレート６３の第５蒸気通路Ｐ５および第６蒸気通路Ｐ６と、ロータリバルブ本体６２の第７蒸気通路Ｐ７〜第１０蒸気通路Ｐ１０と、摺動面７１とを経て、ロータ２７の回転に伴って上死点に達した第２のアキシャルピストンシリンダ群５７の低圧作動室８４に連なる第１１蒸気通路Ｐ１１に供給される。低圧作動室８４に供給された中温中圧蒸気は第１０蒸気通路Ｐ１０と第１１蒸気通路Ｐ１１との連通が絶たれた後も低圧作動室８４内で膨張することで、低圧シリンダ５０に嵌合する低圧ピストン５１が上死点から下死点に向けて前方に押し出され、低圧ピストン５１に接続されたリンク５２が斜板３９を押圧する。その結果、低圧ピストン５１の押圧力がリンク５２を介して斜板３９の回転力に変換され、この回転力は斜板３９のディンプル３９ａを介して高圧ピストン４３からロータ２７に回転トルクを伝える。即ち、斜板３９と同期回転するロータ２７に回転トルクが伝達されることになる。尚、リンク５２は膨張行程での負圧発生時に低圧ピストン５１が斜板３９から離脱するのを防止すべく、低圧ピストン５１と斜板３９との結合を維持する機能を果たすもので、膨張作用による回転トルクは、上述の如く斜板３９のディンプル３９ａを介して高圧ピストン４３から斜板３９と同期回転するロータ２７に伝達される構成となっている。そしてロータ２７が７分の１回転する毎に、新たな低圧作動室８４内に中温中圧蒸気が供給されてロータ２７が連続的に回転駆動される。
【００７４】
図１８に示すように、ロータ２７の回転に伴って下死点に達した低圧ピストン５１が上死点に向かって後退する間に、低圧作動室８４から押し出された低温低圧蒸気は、ロータ２７の第１１蒸気通路Ｐ１１と、摺動面７１と、摺動部材７０の第１６蒸気通路Ｐ１６と、ロータリバルブ本体６２の第１７蒸気通路Ｐ１７〜第２０蒸気通路Ｐ２０を経て蒸気排出室９０に排出され、そこから蒸気排出孔１８ｃを経て凝縮器に供給される。
【００７５】
上述のようにして膨張機１１３が作動するとき、第１のアキシャルピストンシリンダ群４９の７本の高圧ピストン４３…と、第２のアキシャルピストンシリンダ群５７の７本の低圧ピストン５１…とが共通の斜板３９に接続されるので、第１、第２のアキシャルピストンシリンダ群４９，５７の出力を合成して出力軸２８を駆動することができ、膨張機１１３を小型化しながら高出力を得ることができる。このとき、第１のアキシャルピストンシリンダ群４９の７本の高圧ピストン４３…と、第２のアキシャルピストンシリンダ群５７の７本の高圧ピストン５１…とが円周方向に半ピッチずれて配置されているため、図１５に示すように、第１のアキシャルピストンシリンダ群４９の出力トルクの脈動と、第２のアキシャルピストンシリンダ群５７の出力トルクの脈動とが相互に打ち消しあい、出力軸２８の出力トルクがフラットになる。
【００７６】
またアキシャル型の回転式流体機械はラジアル式の回転式流体機械に比べてスペース効率が高いという特徴があるが、それを半径方向に２段に配置したことでスペース効率を更に高めることができる。特に、体積が小さい高圧の蒸気で作動するために小直径で済む第１のアキシャルピストンシリンダ群４９を半径方向内側に配置し、体積が大きい低圧の蒸気で作動するために大直径となる第２のアキシャルピストンシリンダ群５７を半径方向外側に配置したので、空間を有効利用して膨張機１１３の一層の小型化が可能となる。しかも円形断面を有することで加工精度を高くできるシリンダ４２…，５０…およびピストン４３…，５１…を用いたことにより、ベーンを用いた場合に比べて蒸気のリーク量が少なくなり、更なる高出力を望むことができる。
【００７７】
また高温の蒸気で作動する第１のアキシャルピストンシリンダ群４９を半径方向内側に配置し、低温の蒸気で作動する第２のアキシャルピストンシリンダ群５７を半径方向外側に配置したので、第２のアキシャルピストンシリンダ群５７とケーシング１１の外部との温度差を最小限に抑え、ケーシング１１の外部への熱逃げを最小限に抑えて膨張機１１３の効率を高めることができる。また半径方向内側の高温の第１のアキシャルピストンシリンダ群４９から逃げた熱を、半径方向外側の低温の第２のアキシャルピストンシリンダ群５７で回収することができるので、膨張機１１３の効率を更に高めることができる。
【００７８】
また軸線Ｌに対して直角方向に見たとき、第１のアキシャルピストンシリンダ群４９の後端は第２のアキシャルピストンシリンダ群５７の後端よりも前方に位置しているので、第１のアキシャルピストンシリンダ群４９から軸線Ｌ方向後方に逃げた熱を第２のアキシャルピストンシリンダ群５７で回収し、膨張機１１３の効率を更に高めることができる。更に、高圧側の摺動面６８が低圧側の摺動面７１よりもロータ２７の凹部２７ｂの奥側に在るので、ケーシング１１の外部の圧力と低圧側の摺動面７１との差圧を最小限に抑えて低圧側の摺動面７１からの蒸気のリーク量を減少させることができ、しかも高圧側の摺動面６８から漏れた蒸気圧を低圧側の摺動面７１で回収して有効に利用することができる。
【００７９】
さて、膨張機１１３の運転中にケーシング１１の潤滑室１０２内で回転するロータ２７によってオイルパン１９に貯留されたオイルが攪拌されて撥ね上げられ、高圧シリンダ４２…と高圧ピストン４３…との摺動部、低圧シリンダ５０…と低圧ピストン５１…との摺動部、出力軸２８を支持するアンギュラボールベアリング３１、ロータ２７を支持するアンギュラボールベアリング２９、斜板３９を支持するアンギュラボールベアリング３８、高圧ピストン４３…と斜板３９との摺動部、リンク５２…の両端の球面軸受５４…，５６…等を潤滑する。
【００８０】
潤滑室１０２の内部には、オイルの攪拌により飛散したオイルミストと、ロータ２７の高温部に加熱されて蒸発したオイルの蒸気とが充満しており、これに高圧作動室８２…および低圧作動室８４…から潤滑室１０２に漏出した蒸気が混合する。蒸気の漏出により潤滑室１０２の圧力が蒸気排出室９０の圧力よりも高くなると、前記オイル分および蒸気の混合物はケーシング本体１２の上壁１２ａに形成した連通孔１２ｂから下部ブリーザ室１０１に流入する。下部ブリーザ室１０１の内部は隔壁１２ｃ〜１２ｅにより迷路構造になっており、そこを通過する間に凝縮したオイルは、ケーシング本体１２の上壁１２ａに形成した４個のオイル戻し孔１２ｆ…から落下して潤滑室１０２に戻される。
【００８１】
オイル分を除去された蒸気はブリーザ室隔壁２３の４個の連通孔２３ａ…，２３ｂを通過して上部ブリーザ室１０３に流入し、その上壁を区画するブリーザ室カバー２５を介して外部の空気に熱を奪われて凝縮する。上部ブリーザ室１０３内で凝縮した水は、上部ブリーザ室１０３内に煙突状に突出する４個の連通孔２３ａ…，２３ｂに流入することなく、ブリーザ室隔壁２３に形成した凝縮水戻し孔２３ｃを通過して凹部１２ｇに落下し、そこでから第４ブリーザ通路Ｂ４および第３ブリーザ通路Ｂ３を経て蒸気排出室９０に排出される。このとき、蒸気排出室９０に戻される凝縮水の量は、高圧作動室８２…および低圧作動室８４…から潤滑室１０２に漏出した蒸気の量に見合った量となる。また蒸気排出室９０と上部ブリーザ室１０３とは圧力平衡通路として機能する第１蒸気通路Ｂ１〜第３蒸気通路Ｂ３で常時連通しているので、蒸気排出室９０と潤滑室１０２との圧力平衡を確保することができる。
【００８２】
暖機完了前の過渡期において、潤滑室１０２の圧力が蒸気排出室９０の圧力よりも低くなった場合には、蒸気排出室９０の蒸気が第３ブリーザ通路Ｂ３、第２ブリーザ通路Ｂ２および第１ブリーザ通路Ｂ１、上部ブリーザ室１０３および下部ブリーザ室１０１を経て潤滑室１０２に流入することが考えられるが、暖機完了後は潤滑室１０２への蒸気の漏出により潤滑室１０２の圧力が蒸気排出室９０の圧力よりも高くなるため、上述したオイルおよび蒸気の分離作用が開始される。
【００８３】
作動媒体である蒸気（あるいは水）が閉回路を循環するランキンサイクル装置では、作動媒体にオイルが混入してシステムが汚損されるのを極力回避することが必要であるが、オイルを分離する下部ブリーザ室１０１および凝縮水を分離する上部ブリーザ室１０３により、蒸気（あるいは水）へのオイルの混入を最小限に抑え、オイルを分離するフィルターの負担を軽減して小型化およびコストダウンを図ることができ、しかもオイルの汚れや劣化を防止することができる。
【００８４】
ところで、各摺動部の潤滑媒体としてオイルを用いた膨張機１１３では、上述した各種の対策を講じてもオイルに作動媒体としての水が僅かに混入することが避けられない。このようにオイルに水が混入すると潤滑性能の低下を来すため、オイルから水を分離し、その水をランキンサイクル装置の閉回路に戻す必要がある。一方、膨張機１１３において作動媒体としての水に潤滑媒体としてのオイルが混入することも避けられず、オイルが混入した水がランキンサイクル装置の閉回路を循環すると、そのオイルが蒸発器や凝縮器の性能や耐久性に悪影響を及ぼすため、水からオイルを分離し、そのオイルを膨張機１１３の潤滑系に戻す必要がある。
【００８５】
次に、図１９に基づいて、上記膨張機１１３を含むランキンサイクル装置の全体構成を説明する。
【００８６】
ランキンサイクル装置の作動媒体循環回路１１０上には、内燃機関１１１の排気ガスを熱源として水を加熱して温高圧蒸気を発生させる蒸発器１１２と、その蒸発器１１２で発生した高温高圧蒸気で機械エネルギーを発生させる膨張機１１３と、膨張機１１３から排出された降温降圧蒸気を冷却して水に戻す凝縮器１１４と、凝縮器１１４から排出された水を再度蒸発器１１２に供給する圧送ポンプ１１５とが配置される。また凝縮器１１４と圧送ポンプ１１５との間には、水を送るための水ポンプ１３５ａが配置される。
【００８７】
膨張機１１３のオイルをオイルポンプ９２で循環させるオイル通路９１には、ラジエータ１１６、プレフィルター１１７および水分離手段１１８が設けられており、この水分離手段１１８で分離された水は一方向弁１１９を介装した水戻し通路１２０を経てランキンサイクル装置の作動媒体循環回路１１０に戻される。一方、水分離手段１１８で水を分離されたオイルは、オイル通路９１およびオイルポンプ９２を経て膨張機１１３に戻される。
【００８８】
図２０〜図２２に示すように、水分離手段１１８は何れもコアレッサー式の上流側水分離装置１２１および下流側水分離装置１２２を直列に備えている。上流側水分離装置１２１は、膨張機１１３から供給されるオイルに僅かな水が混入したオイル−水混合物から水を分離するもので、ケーシング１２３の内部に疎水性を有する超極細のナイロン繊維で構成した円筒状のフィルターエレメント１２４を配置し、その内部に前記オイル−水混合物が供給される。下流側水分離装置１２２は、上流側水分離装置１２１から供給される水に僅かなオイルが混入した水−オイル混合物からオイルを分離するもので、ケーシング１２５の内部に疎水性を有する超極細のナイロン繊維で構成した円筒状のフィルターエレメント１２６を配置し、その内部に前記水−オイル混合物が供給される。上流側水分離装置１２１の水出口には上流側開閉弁１２７が設けられ、下流側水分離装置１２２の水出口には下流側開閉弁１２８が設けられる。
【００８９】
通常、上流側開閉弁１２７および下流側開閉弁１２８は閉じており、この状態で膨張機１１３からオイルに僅かな水が混入したオイル−水混合物を供給すると、図２３から明らかなように、オイル−水混合物が上流側水分離装置１２１のフィルターエレメント１２４を内側から外側に通過するとき、オイルに含まれる微量の水が超極細のナイロン繊維に捕捉されて次第に成長し、直径が２〜３ｍｍ程度の水滴になったところで、水よりも軽いオイルとの比重差で水滴だけが下方に沈下して上方のオイルから分離される。そして水を分離されたオイルは、オイル通路９１に設けたオイルポンプ９２で膨張機１１３の潤滑系に戻される。
【００９０】
尚、ランキンサイクル装置を搭載した自動車の走行に伴う振動等により、上流側水分離装置１２１のケーシング１２３の底部に溜まった水がオイルと再度混合しないように、ケーシング１２３の底部に多数の隔壁１２３ａ…を設けて水の自由な流動を抑制している。この隔壁１２３ａ…に代えて、ケーシング１２３の底部にスポンジのような吸水性に優れた物質を配置し、それに水を吸い込ませて自由な流動を抑制することもできる。
【００９１】
このようにして上流側水分離装置１２１の底部に溜まった水の量が増加すると、膨張機１１３に戻されるオイルに水が再び混入する前に上流側開閉弁１２７を開弁し、上流側水分離装置１２１の底部に溜まった水を下流側水分離装置１２２に供給する。上流側水分離装置１２１の底部に溜まった水には未だ若干のオイルが含まれているため、そのオイルを下流側水分離装置１２２において更に分離する。図２４から明らかなように、下流側水分離装置１２２では、水−オイル混合物がフィルターエレメント１２６を内側から外側に通過するとき、水に含まれる微量のオイルが超極細のナイロン繊維に捕捉されて次第に成長し、直径が２〜３ｍｍ程度のオイル滴になったところで、オイルよりも重い水との比重差でオイル滴だけが上方に浮上して下方の水から分離される。
【００９２】
尚、ランキンサイクル装置を搭載した自動車の走行に伴う振動等により、下流側水分離装置１２２ケーシング１２５の頂部に溜まったオイルが水と再度混合しないように、ケーシング１２５の頂部に多数の隔壁１２５ａ…を設けてオイルの自由な流動を抑制している。この隔壁１２５ａ…に代えてスポンジ等を配置しても、同等の効果を得ることができる。
【００９３】
下流側水分離装置１２２において水−オイル混合物から分離されたオイルは、オイル通路９１に設けたオイルポンプ９２で膨張機１１３の潤滑系に戻される。そして下流側水分離装置１２２の底部にオイルを分離された水が所定量溜まると下流側開閉弁１２８が開弁し、その水は一方向弁１１９を介装した水戻し通路１２０を経てランキンサイクル装置の作動媒体循環回路１１０に戻される。このとき、下流側水分離装置１２２の底部に溜まった水が完全に排出される前に下流側開閉弁１２８を閉弁することで、オイルがランキンサイクル装置の作動媒体循環回路１１０に流入するのが防止される。
【００９４】
上流側開閉弁１２７および下流側開閉弁１２８の開閉制御は、例えば上流側水分離装置１２１および下流側水分離装置１２２に溜まった水のオイル含有率に基づいて行うことができる。具体的には、水が導電性であり、オイルが非導電性であることから、水に対するオイル含有率が増加するほど電気抵抗が増加することに基づいて、前記オイル含有率を検出することができる。
【００９５】
ナイロン繊維で構成された上流側水分離装置１２１および下流側水分離装置１２２のフィルターエレメント１２４，１２６は耐熱温度が約８０℃であるのに対し、膨張機１１３のオイルパン１９に滞留したオイルの温度は約１２０℃に達している。そこで水分離手段１１８の上流側に設けたラジエータ１１６でオイルの温度をフィルターエレメント１２４，１２６は耐熱温度以下に冷却することで、上流側水分離装置１２１および下流側水分離装置１２２の機能を確保するとともに耐久性を高めることができる。
【００９６】
しかもラジエータ１１６を通過したオイルに含まれる作動媒体は冷却されて液相の水の状態になるため、その作動媒体を蒸気および水が混在する状態でオイルから分離する場合に比べて、水分離手段１１８における水の分離性能を高めることができる。またラジエータ１１６の下流のプレフィルター１１７でオイル−水混合物中の塵を除去することで、上流側水分離装置１２１および下流側水分離装置１２２のフィルターエレメント１２４，１２６の目詰まりを防止して耐久性を高めることができる。尚、水分離手段１１８は、膨張機１１３の外部であって該膨張機１１３と別体に取り付けることも可能であり、膨張機１１３と一体化することもできる。
【００９７】
ところで、内燃機関１１１の出力状態に応じて膨張機１１３に供給される蒸気量が変化し、また内燃機関１１１が始動直後で膨張機１１３の暖機が未完了であると、各摺動部のクリアランスから漏れ出す蒸気の量も増加するため、膨張機１３から水分離手段１１８に供給されるオイル−水混合物の混合比率も変動する。この場合、単一の水分離装置を用いてオイルから水を分離しようとすると、水分離装置の容量が不足して分離した水にオイルが混入したり、容量を増加させることで水分離装置が大型化したりする問題がある。しかしながら、本実施例の如く、特性の異なる上流側水分離装置１２１および下流側水分離装置１２２を２段階に配置することにより、水分離手段１１８を小型化しながら水の分離性能を高めることができる。
【００９８】
また通常時は上流側開閉弁１２７および下流側開閉弁１２８が閉弁状態にあるため、膨張器１１３から大量のオイル−水混合物が一気に流入した場合でも、水分離手段１１８からオイルを含む水がランキンサイクル装置の作動媒体循環回路１１０に流入するのが防止される。しかも水およびオイルの比重差を利用して分離を行うコアレッサー式の水分離手段１１８は、他の膜方式のフィルターに比べて圧力損失が小さいため、オイルポンプ９２の負荷を軽減することができる。
【００９９】
以上、膨張機１１３のオイルから水を分離する手法について説明したが、以下にランキンサイクル装置の作動媒体循環回路１１０を循環する水からオイルを分離する手法について説明する。
【０１００】
図１９に示すように、ランキンサイクル装置の水が循環する作動媒体循環回路１１０における膨張機１１３および圧送ポンプ１１５間には、気液分離器１３１、前記凝縮器１１４、水浄化手段１３２およびタンク１３３が直列に配置される。気液分離器１３１から分岐して凝縮器１１４を迂回するバイパス通路１３４には、水を含んだ油を送るオイルポンプ１３５ｂ、プレフィルター１３６、オイル分離手段１３７およびフルター１３８が直列に配置される。
【０１０１】
膨張機１１３から排出される作動媒体は飽和蒸気（水を含む蒸気）であり、膨張機１１３において混入した微量のオイルと、膨張機１１３の各摺動部で発生した微量の摩耗粉（スラッジ）とが含まれる。気液分離器１３１は、前記飽和蒸気から気相の蒸気を分離して凝縮器１１４に供給するとともに、オイルおよびスラッジを含む液相の水を分離する。このように気液分離器１３１でオイルやスラッジを含まぬ蒸気をだけを分離して凝縮器１１４に供給することで、凝縮器１１４内で凝縮した水の過冷却を防止するとともに、凝縮器１１４の汚染による凝縮性能の低下を防止することができる。凝縮器１１４では、水に含まれる非凝縮性ガスの脱気処理も併せて行われる。気液分離器１３１で分離されたオイルおよびスラッジを含む水はバイパス通路１３４のオイルポンプ１３５ｂでプレフィルター１３６に供給され、その下流側のオイル分離手段１３７の目詰まりを防止すべく、予め水に含まれる比較的に大きいスラッジが除去される。
【０１０２】
図２５に示すように、オイル分離手段１３７は水に含まれるオイルを分離するもので、その構造は前記水分離手段１１８の下流側水分離装置１２２と実質的に同じのコアレッサー式のものであり、ケーシング１３９の内部に疎水性を有する超極細のナイロン繊維で構成した円筒状のフィルターエレメント１４０を配置し、その内部に水に僅かなオイルが混入した水−オイル混合物が供給される。オイル分離手段１３７では、水−オイル混合物がフィルターエレメント１４０を内側から外側に通過するとき、水に含まれる微量のオイルが超極細のナイロン繊維に捕捉されて次第に成長し、直径が２〜３ｍｍ程度のオイル滴になったところで、オイルよりも重い水との比重差でオイル滴だけが上方に浮上して下方の水から分離される。ランキンサイクル装置を搭載した自動車の走行に伴う振動等により、オイル分離手段１３７のケーシング１３９の頂部に溜まったオイルが水と再度混合しないように、ケーシング１３９の頂部に多数の隔壁１３９ａ…を設けてオイルの自由な流動を抑制している。この隔壁１３９ａ…に代えてスポンジ等を配置しても、同等の効果を得ることができる。
【０１０３】
このように、気液分離器１３１で気相の蒸気を分離した液相の水をオイル分離手段１３７に供給するので、蒸気および水が混在する状態でオイルを分離する場合に比べて、オイル分離手段１３７におけるオイルの分離性能を高めることができる。しかも気液分離器１３１を通過した水はオイル分離手段１３７のフィルターエレメント１４０の耐熱温度である８０℃以下に冷却されているため、オイル分離手段１３７のオイル分離性能および耐久性を確保することができる。またオイル分離手段１３７に水およびオイルの比重差を利用して分離を行うコアレッサー式のものを採用したので、他の膜方式のフィルターを採用した場合に比べて圧力損失が小さくなり、オイルポンプ１３５ｂの負荷を軽減することができる。そしてオイル分離手段１３７で水から分離されたオイルは、一方向弁１４１を介装したオイル戻し通路１４２を介して膨張機１１３のオイル通路９１に戻される。
【０１０４】
オイル分離手段１３７からバイパス通路１３４に排出された水には、オイル分離手段１３７で分離できなかった微小なオイル滴（１μｍ以下）が含まれるが、このオイル滴は活性炭を濾過材に用いたフイルター１３８に吸着されて除去される。フイルター１３８を通過した水と、膨張機１１３から水戻し通路１２０を経て戻された水とは水浄化手段１３２に供給される。水浄化手段１３２は精密濾過膜（ＭＦ）、限外濾過膜（ＵＦ）、逆浸透膜（ＲＯ）等を含み、プレフィルター１３６で分離できなかった微小なスラッジが水から除去される。更に水浄化手段１３２では、イオン交換による純水化処理、アルカリ化処理、溶存酸素除去処理等を行うことにより、ランキンサイクル装置の各部の汚染および腐食を防止する。そして水浄化手段１３２を通過した水はタンク１３３を経て圧送ポンプ１１５に供給される。
【０１０５】
以上のように、膨張機１１３を潤滑するオイルに混入した作動媒体を分離する水分離手段１１８を、前記作動媒体が液相の水の状態にある位置に設けたことにより、その水分離手段１１８を効果的に機能させてオイルから水を分離することができる。同様に、ランキンサイクル装置の作動媒体からオイルを分離するオイル分離手段１３７を、前記作動媒体が液相の水の状態にある位置に設けたことにより、そのオイル分離手段１３７を効果的に機能させて水からオイル分離することができる。
【０１０６】
そして水分離手段１１８およびオイル分離手段１３７においてオイルから分離された水は作動媒体循環回路１１０に戻されるので、作動媒体循環回路１１０に水を補給する必要がなくなり、また水から分離されたオイルを膨張機１１３に戻すので、膨張機１１３にオイルを補給する必要がなくなる。
【０１０７】
以上、本発明の実施例を説明したが、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。
【０１０８】
例えば、実施例では水分離手段１１８が上流側水分離装置１２１および下流側水分離装置１２２を備えているが、３個以上の水分離装置を設けることも可能である。
【０１０９】
【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、ランキンサイクル装置の膨張機の潤滑媒体に含まれる水を分離する際に、作動媒体が水の状態にあるときに潤滑媒体を分離することで、水の状態および蒸気の状態が混在する作動媒体から潤滑媒体を分離する場合に比べて、水をより完全に分離することができる。また水分離手段が潤滑媒体に含まれる水を粗粒化して潤滑媒体との比重差により分離するので、少ない圧力損失で潤滑媒体から水を効果的に分離することができる。しかも液相状態になった潤滑媒体および水を比重差によって分離するため、振動が発生するような環境下に置かれたランキンサイクル装置であっても確実に潤滑媒体と水とを分離することができる。
【０１１０】
また請求項２に記載された発明によれば、所定温度範囲で水の分離機能を発揮する水分離手段を潤滑媒体の温度が前記所定温度範囲にある位置に設けたので、水分離手段の損傷を防止しながら水の分離機能を安定して発揮させることができる。
【０１１１】
また請求項３に記載された発明によれば、少なくとも２台の水分離装置を直列に接続して水分離手段を構成したので、各々の水分離装置の分離特性に変化を持たせることが可能となり、１台の水分離装置で水分離手段を構成する場合に比べて、分離性能の向上および水分離手段の小型化を図ることができる。
【０１１２】
また請求項４に記載された発明によれば、ランキンサイクル装置の水に含まれる潤滑媒体を分離する際に、作動媒体が水の状態にあるときに潤滑媒体を分離することで、水の状態および蒸気の状態が混在する作動媒体から潤滑媒体を分離する場合に比べて、潤滑媒体をより完全に分離することができる。また潤滑媒体分離手段が水に含まれる潤滑媒体を粗粒化して水との比重差により分離するので、少ない圧力損失で水から潤滑媒体を効果的に分離することができる。しかも液相状態になった潤滑媒体および水を比重差によって分離するため、潤滑媒体がランキンサイクル回路の水内に絶対に混入してはならないランキンサイクル装置であっても確実に潤滑媒体と水とを分離することができる。
【０１１３】
また請求項５に記載された発明によれば、所定温度範囲で潤滑媒体の分離機能を発揮する潤滑媒体分離手段を水の温度が前記所定温度範囲にある位置に設けたので、潤滑媒体分離手段の損傷を防止しながら潤滑媒体の分離機能を安定して発揮させることができる。
【０１１４】
また請求項６に記載された発明によれば、膨張機から作動媒体循環回路に排出された作動媒体に含まれる水を気液分離器で分離して潤滑媒体分離手段に供給するので、潤滑媒体分離手段に供給される作動媒体を確実に水にして潤滑媒体の分離機能を高めることができる。
【０１１５】
また請求項７に記載された発明によれば、膨張機から作動媒体循環回路に排出されて液相状態に戻された水に含まれる陽イオンや溶存気体を水浄化手段で除去するので、作動媒体が流通する作動媒体循環回路の各部の汚染や腐食を一層確実に防止することができる。
【０１１６】
また請求項８に記載された発明によれば、水分離手段で水を分離した潤滑媒体を膨張機に戻すので、水が潤滑媒体に混入して潤滑性能が低下するのを防止でき、しかも膨張機に潤滑媒体を補充する必要がない。
【０１１７】
また請求項９に記載された発明によれば、水分離手段で潤滑媒体から分離した水を作動媒体循環回路に戻すので、潤滑媒体の混入による作動媒体循環回路の損傷を防止でき、しかも作動媒体循環回路に水を補充する必要がない。
【０１１８】
また請求項１０に記載された発明によれば、水分離手段がコアレッサー式のものであるので、少ない圧力損失で潤滑媒体から水を効果的に分離することができる。
【０１１９】
また請求項１１に記載された発明によれば、水分離手段のフィルターエレメントが疎水性繊維で構成されるので、水および潤滑媒体の分離能力を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 膨張機の縦断面図
【図２】 図１の２−２線断面図
【図３】 図１の３部拡大図
【図４】 図１の４部拡大断面図（図８の４−４線断面図）
【図５】 図４の５−５線矢視図
【図６】 図４の６−６線矢視図
【図７】 図４の７−７線断面図
【図８】 図４の８−８線断面図
【図９】 図４の９−９線断面図
【図１０】 図１の１０−１０線矢視図
【図１１】 図１の１１−１１線矢視図
【図１２】 図１０の１２−１２線断面図
【図１３】 図１１の１３−１３線断面図
【図１４】 図１０の１４−１４線断面図
【図１５】 出力軸のトルク変動を示すグラフ
【図１６】 高圧段の吸入系を示す作用説明図
【図１７】 高圧段の排出系および低圧段の吸入系を示す作用説明図
【図１８】 低圧段の排出系を示す作用説明図
【図１９】 ランキンサイクル装置の全体構成を示す図
【図２０】 水分離手段の構造を示す図
【図２１】 図２０の２１−２１線断面図
【図２２】 図２０の２２−２２線断面図
【図２３】 水を分離するコアレッサー式フィルターの作用を示す図
【図２４】 オイルを分離するコアレッサー式フィルターの作用を示す図
【図２５】 オイル分離手段の構造を示す図
【符号の説明】
１１０ 作動媒体循環回路
１１１ 内燃機関
１１２ 蒸発器
１１３ 膨張機
１１４ 凝縮器
１１５ 圧送ポンプ
１１８ 水分離手段
１２１ 上流側水分離装置（水分離装置）
１２２ 下流側水分離装置（水分離装置）
１２４ フィルターエレメント
１２６ フィルターエレメント
１３１ 気液分離器
１３２ 水浄化手段
１３７ オイル分離手段（潤滑媒体分離手段）

Claims (11)

1. 自動車の内燃機関（１１１）の廃熱で作動媒体である水を加熱して高温・高圧の蒸気を発生させる蒸発器（１１２）と、蒸発器（１１２）から供給された蒸気の熱および圧力を機械エネルギーに変換する膨張機（１１３）と、膨張機（１１３）において降温・降圧した蒸気を冷却して水に戻す凝縮器（１１４）と、凝縮器（１１４）から排出された水を蒸発器（１１２）に供給する圧送ポンプ（１１５）とを含む作動媒体循環回路（１１０）を備えたランキンサイクル装置において、
   前記ランキンサイクル装置は、自動車に搭載された環境下で振動が発生し、
   前記膨張機（１１３）の摺動部は水と異なる潤滑媒体により潤滑され、膨張機（１１３）において潤滑媒体に混入した水を該潤滑媒体から分離する水分離手段（１１８）を備え、この水分離手段（１１８）は作動媒体が水の状態にある位置に設けられ、
   水分離手段（１１８）は、潤滑媒体に含まれる水を粗粒化し、粗粒化した水と潤滑媒体との比重差により該水を分離するものであることを特徴とするランキンサイクル装置。
2. 水分離手段（１１８）は所定温度範囲で水の分離機能を発揮するものであり、この水分離手段（１１８）は潤滑媒体が前記所定温度範囲にある位置に設けられたことを特徴とする、請求項１に記載のランキンサイクル装置。
3. 水分離手段（１１８）は、少なくとも２台の水分離装置（１２１，１２２）を直列に接続して構成されることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載のランキンサイクル装置。
4. 自動車の内燃機関（１１１）の廃熱で作動媒体である水を加熱して高温・高圧の蒸気を発生させる蒸発器（１１２）と、蒸発器（１１２）から供給された蒸気の熱および圧力を機械エネルギーに変換する膨張機（１１３）と、膨張機（１１３）において降温・降圧した蒸気を冷却して水に戻す凝縮器（１１４）と、凝縮器（１１４）から排出された水を蒸発器（１１２）に供給する圧送ポンプ（１１５）とを含む作動媒体循環回路（１１０）を備えたランキンサイクル装置において、
   前記ランキンサイクル装置は、自動車に搭載されるとともに閉回路を構成し、
   前記膨張機（１１３）の摺動部は水と異なる潤滑媒体により潤滑され、膨張機（１１３）において水に混入した潤滑媒体を該水から分離する潤滑媒体分離手段（１３７）を備え、この潤滑媒体分離手段（１３７）は膨張機（１１３）の下流側であって作動媒体が水の状態にある位置に設けられ、
   潤滑媒体分離手段（１３７）は、水に含まれる潤滑媒体を粗粒化し、粗粒化した潤滑媒体と水との比重差により該潤滑媒体を分離するものであることを特徴とするランキンサイクル装置。
5. 潤滑媒体分離手段（１３７）は所定温度範囲で潤滑媒体の分離機能を発揮するものであり、この潤滑媒体分離手段（１３７）は水が前記所定温度範囲にある位置に設けられたことを特徴とする、請求項４に記載のランキンサイクル装置。
6. 膨張機（１１３）から作動媒体循環回路（１１０）に排出された作動媒体に含まれる水を分離する気液分離器（１３１）を備え、この気液分離器（１３１）で分離した水を潤滑媒体分離手段（１３７）に供給することを特徴とする、請求項４または請求項５に記載のランキンサイクル装置。
7. 膨張機（１１３）から作動媒体循環回路（１１０）に排出されて液相状態に戻された水に含まれる陽イオンや溶存気体を除去する水浄化手段（１３２）を備えたことを特徴とする、請求項１、請求項２、請求項４および請求項５の何れか１項に記載のランキンサイクル装置。
8. 水分離手段（１１８）で水を分離された潤滑媒体は膨張機（１１３）に戻されることを特徴とする、請求項１、請求項２、請求項４および請求項５の何れか１項に記載のランキンサイクル装置。
9. 水分離手段（１１８）で潤滑媒体から分離された水は作動媒体循環回路（１１０）に戻されることを特徴とする、請求項１、請求項２、請求項４および請求項５の何れか１項に記載のランキンサイクル装置。
10. 水分離手段（１１８）は、コアレッサー式のものであることを特徴とする、請求項１、請求項２、請求項４および請求項５の何れか１項に記載のランキンサイクル装置。
11. 水分離手段（１１８）は疎水性繊維よりなるフィルターエレメント（１２４，１２６）を備えたことを特徴とする、請求項１０に記載のランキンサイクル装置。

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