JP4344452B2 - 回転式流体機械 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、膨脹器あるいは圧縮器として使用可能な回転式流体機械に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特開昭５９−４１６０２号公報には二重マルチベーン型回転機械が記載されている。このものは、楕円形の外側カムリングと楕円形の内側カムリングとの間に円形のベーン支持リングを配置し、このベーン支持リングに半径方向に摺動自在に支持した複数のベーンの外端および内端を、それぞれ外側のカムリングの内周面および内側のカムリングの外周面に当接させたものである。従って、外側カムリングおよび内側カムリングに対してベーン支持リングが相対回転すると、外側カムリングおよびベーン支持リング間でベーンにより区画された複数の作動室の容積が拡大・縮小して膨張器あるいは圧縮器として機能し、また内側カムリングおよびベーン支持リング間でベーンにより区画された複数の作動室の容積が拡大・縮小して膨張器あるいは圧縮器として機能するようになっている。
【０００３】
この二重マルチベーン型回転機械では、外側および内側の回転機械をそれぞれ独立した膨張器として使用したり、外側および内側の回転機械をそれぞれ独立した圧縮器として使用したり、外側および内側の回転機械の一方および他方をそれぞれ膨張器および圧縮器として使用したりすることができる。
【０００４】
また特開昭６０−２０６９９０号公報には膨張器あるいは圧縮器として使用可能なベーン型回転機械が記載されている。このものは、同心に配置した円形の外側カムリングと円形の内側カムリングとの間に円形の中間シリンダを偏心させて配置し、この中間シリンダに半径方向に摺動自在に支持した複数のベーンの外端および内端を、それぞれ外側のカムリングの内周面および内側のカムリングの外周面に当接させたものである。従って、外側カムリングおよび内側カムリングに対して中間シリンダが相対回転すると、外側カムリングおよびベーン支持リング間でベーンにより区画された複数の作動室の容積が拡大・縮小して膨張器あるいは圧縮器として機能し、また内側カムリングおよびベーン支持リング間でベーンにより区画された複数の作動室の容積が拡大・縮小して膨張器あるいは圧縮器として機能するようになっている。
【０００５】
このベーン型回転機械では、外側および内側の回転機械をそれぞれ独立した膨張器として使用したり、外側および内側の回転機械をそれぞれ独立した圧縮器として使用したりできるほか、外側および内側の回転機械の一方を通過した作動流体を他方を通過させることにより、外側および内側の回転機械を直列に接続して２段膨張器あるいは２段圧縮器として作動させることができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、膨張器として機能するベーン型回転機械に供給された高温高圧蒸気は、その圧力エネルギー（熱エネルギー）がベーンで機械エネルギーに変換されるに伴って温度および圧力が低下する。一方、圧縮器として機能するベーン型回転機械では、機械エネルギーで駆動されるベーンで圧縮された作動流体の温度および圧力が次第に増加する。
【０００７】
従って、複数の回転機械を半径方向内外に配置した場合に、内側の回転機械に低圧の作動流体が供給され、外側の回転機械に高圧の作動流体が供給されると、高圧の作動流体がケーシングの外部にリークし易いために作動流体の圧力が無駄に消費されてしまう問題がある。また複数の回転機械を半径方向内外に配置した場合に、内側の回転機械に低温の作動流体が供給され、外側の回転機械に高温の作動流体が供給されると、作動流体の熱がケーシングの外部にリークし易いために熱効率が低下してしまう問題がある。
【０００８】
本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、少なくとも第１エネルギー変換手段および第２エネルギー変換手段を半径方向内外に配置した回転式流体機械において、作動流体の熱および圧力のリークを最小限に抑えて回転式流体機械の効率を高めることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため請求項１に記載された発明によれば、少なくとも第１エネルギー変換手段および第２エネルギー変換手段を備え、圧力エネルギーを有する作動流体を第１、第２エネルギー変換手段に入力して前記圧力エネルギーを機械エネルギーに変換することにより、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膨張器として機能することが可能であり、かつ機械エネルギーを第１、第２エネルギー変換手段に入力して前記機械エネルギーを作動流体の圧力エネルギーに変換することにより、第１、第２エネルギー変換手段がそれぞれ発生した作動流体の圧力エネルギーを統合して出力する圧縮器として機能することが可能である回転式流体機械において、前記第１エネルギー変換手段を、ロータチャンバの内部に回転自在に収容されたロータに放射状に形成されたシリンダと、このシリンダ内を摺動するピストンとから構成して、高圧の作動流体が供給されるロータチャンバの中心側に配置し、前記第２エネルギー変換手段を、ロータから放射方向に出没し、外周面がロータチャンバの内周面にシール部材を介して摺接するベーンから構成して、低圧の作動流体が供給されるロータチャンバの外周側に配置し、これらベーンおよびピストンに連動するローラを、ロータチャンバを区画するケーシングに形成した非円形の環状溝に係合させ、その係合により、ピストンの往復運動とロータの回転運動とを相互に変換すると共に、ベーンの外周面とロータチャンバの内周面との間隙を規制したことを特徴とする回転式流体機械が提案される。
【００１０】
上記構成によれば、ロータを回転自在に収納するロータチャンバの中心側に配置された第１エネルギー変換手段および外周側に配置された第２エネルギー変換手段に、それぞれ高圧の作動流体および低圧の作動流体を供給したので、ロータチャンバの中心側からリークした高圧の作動流体をロータチャンバの外周側の低圧の作動流体で捕捉回収し、リークした前記高圧の作動流体を無駄なく利用して回転式流体機械全体の効率を高めることができ、しかもロータチャンバから外部への作動流体のリークを防止するためのシールが容易になる。しかも、第１エネルギー変換手段を、ロータチャンバの内部に回転自在に収容されたロータに放射状に形成されたシリンダと、このシリンダ内を摺動するピストンとから構成したので、高圧の作動流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、また第２エネルギー変換手段を、ロータに放射方向移動自在に支持されてロータチャンバの内周面にシール部材を介して摺接するベーンから構成したので、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作動流体を処理できる。このように、ピストンおよびシリンダを持つ第１エネルギー変換手段とベーンを持つ第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式流体機械を得ることができる。
【００１１】
また請求項２に記載された発明によれば、少なくとも第１エネルギー変換手段および第２エネルギー変換手段を備え、圧力エネルギーを有する作動流体を第１、第２エネルギー変換手段に入力して前記圧力エネルギーを機械エネルギーに変換することにより、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膨張器として機能することが可能であり、かつ機械エネルギーを第１、第２エネルギー変換手段に入力して前記機械エネルギーを作動流体の圧力エネルギーに変換することにより、第１、第２エネルギー変換手段がそれぞれ発生した作動流体の圧力エネルギーを統合して出力する圧縮器として機能することが可能である回転式流体機械において、前記第１エネルギー変換手段を、ロータチャンバの内部に回転自在に収容されたロータに放射状に形成されたシリンダと、このシリンダ内を摺動するピストンとから構成して、高温の作動流体が供給されるロータチャンバの中心側に配置し、前記第２エネルギー変換手段を、ロータから放射方向に出没し、外周面がロータチャンバの内周面にシール部材を介して摺接するベーンから構成して、低温の作動流体が供給されるロータチャンバの外周側に配置し、これらベーンおよびピストンに連動するローラを、ロータチャンバを区画するケーシングに形成した非円形の環状溝に係合させ、その係合により、ピストンの往復運動とロータの回転運動とを相互に変換すると共に、ベーンの外周面とロータチャンバの内周面との間隙を規制したことを特徴とする回転式流体機械が提案される。
【００１２】
上記構成によれば、ロータを回転自在に収納するロータチャンバの中心側に配置された第１エネルギー変換手段および外周側に配置された第２エネルギー変換手段に、それぞれ高温の作動流体および低温の作動流体を供給したので、ロータチャンバの中心側からリークした高温の作動流体をロータチャンバの外周側の低温の作動流体で捕捉回収し、リークした前記高温の作動流体を無駄なく利用して回転式流体機械全体の効率を高めることができ、しかもロータチャンバから外部への熱のリークを防止するための断熱が容易になる。しかも、第１エネルギー変換手段を、ロータチャンバの内部に回転自在に収容されたロータに放射状に形成されたシリンダと、このシリンダ内を摺動するピストンとから構成したので、高温の作動流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、また第２エネルギー変換手段を、ロータに放射方向移動自在に支持されてロータチャンバの内周面にシール部材を介して摺接するベーンから構成したので、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作動流体を処理できる。このように、ピストンおよびシリンダを持つ第１エネルギー変換手段とベーンを持つ第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式流体機械を得ることができる。
【００１３】
また請求項３に記載された発明によれば、少なくとも第１エネルギー変換手段および第２エネルギー変換手段を備え、圧力エネルギーを有する作動流体を第１、第２エネルギー変換手段に入力して前記圧力エネルギーを機械エネルギーに変換することにより、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膨張器として機能することが可能であり、かつ機械エネルギーを第１、第２エネルギー変換手段に入力して前記機械エネルギーを作動流体の圧力エネルギーに変換することにより、第１、第２エネルギー変換手段がそれぞれ発生した作動流体の圧力エネルギーを統合して出力する圧縮器として機能することが可能である回転式流体機械において、前記第１エネルギー変換手段を、ロータチャンバの内部に回転自在に収容されたロータに放射状に形成されたシリンダと、このシリンダ内を摺動するピストンとから構成して、高圧かつ高温の作動流体が供給されるロータチャンバの中心側に配置し、前記第２エネルギー変換手段を、ロータから放射方向に出没し、外周面がロータチャンバの内周面にシール部材を介して摺接するベーンから構成して、低圧かつ低温の作動流体が供給されるロータチャンバの外周側に配置し、これらベーンおよびピストンに連動するローラを、ロータチャンバを区画するケーシングに形成した非円形の環状溝に係合させ、その係合により、ピストンの往復運動とロータの回転運動とを相互に変換すると共に、ベーンの外周面とロータチャンバの内周面との間隙を規制したことを特徴とする回転式流体機械が提案される。
【００１４】
上記構成によれば、ロータを回転自在に収納するロータチャンバの中心側に配置された第１エネルギー変換手段および外周側に配置された第２エネルギー変換手段に、それぞれ高圧かつ高温の作動流体および低圧かつ低温の作動流体を供給したので、ロータチャンバの中心側からリークした高圧かつ高温の作動流体をロータチャンバの外周側の低圧かつ低温の作動流体で捕捉回収し、リークした前記高圧かつ高温の作動流体を無駄なく利用して回転式流体機械全体の効率を高めることができる。しかもロータチャンバの外周側に低圧かつ低温の作動流体を供給したので、ロータチャンバから外部への作動流体のリークを防止するためのシールが容易になると共に、ロータチャンバから外部への熱のリークを防止するための断熱が容易になる。しかも、第１エネルギー変換手段を、ロータチャンバの内部に回転自在に収容されたロータに放射状に形成されたシリンダと、このシリンダ内を摺動するピストンとから構成したので、高圧かつ高温の作動流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、また第２エネルギー変換手段を、ロータに放射方向移動自在に支持されてロータチャンバの内周面にシール部材を介して摺接するベーンから構成したので、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作動流体を処理できる。このように、ピストンおよびシリンダを持つ第１エネルギー変換手段とベーンを持つ第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式流体機械を得ることができる。
【００１５】
尚、実施例のシリンダ部材３９は本発明のシリンダに対応する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１において、内燃機関１の廃熱回収装置２は、内燃機関１の廃熱、例えば排気ガスを熱源として、高圧状態の液体、例えば水から温度上昇を図られた高圧状態の蒸気、つまり高温高圧蒸気を発生する蒸発器３と、その高温高圧蒸気の膨脹によって出力を発生する膨脹器４と、その膨脹器４から排出される、前記膨脹後の、温度および圧力が降下した蒸気、つまり降温降圧蒸気を液化する凝縮器５と、凝縮器５からの液体、例えば水を蒸発器３に加圧供給する供給ポンプ６とを有する。
【００１７】
膨脹器４は特殊な構造を有するもので、次のように構成される。
【００１８】
図２〜図５において、ケーシング７は金属製第１、第２半体８，９より構成される。両半体８，９は、略楕円形の凹部１０を有する主体１１と、それら主体１１と一体の円形フランジ１２とよりなり、両円形フランジ１２を金属ガスケット１３を介し重ね合せることによって略楕円形のロータチャンバ１４が形成される。また第１半体８の主体１１外面は、シェル形部材１５の深い鉢形をなす主体１６により覆われており、その主体１６と一体の円形フランジ１７が第１半体８の円形フランジ１２にガスケット１８を介して重ね合せられ、３つの円形フランジ１２，１２，１７は、それらの円周方向複数箇所においてボルト１９によって締結される。これにより、シェル形部材１５および第１半体８の両主体１１，１６間には中継チャンバ２０が形成される。
【００１９】
両半体８，９の主体１１は、それらの外面に外方へ突出する中空軸受筒２１，２２を有し、それら中空軸受筒２１，２２に、ロータチャンバ１４を貫通する中空の出力軸２３の大径部２４が軸受メタル（または樹脂製軸受）２５を介して回転可能に支持される。これにより出力軸２３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。また出力軸２３の小径部２６は、第２半体９の中空軸受筒２２に存する孔部２７から外部に突出して伝動軸２８とスプライン結合２９を介して連結される。小径部２６および孔部２７間は２つのシールリング３０によりシールされる。
【００２０】
ロータチャンバ１４内に円形のロータ３１が収容され、その中心の軸取付孔３２と出力軸２３の大径部２４とが嵌合関係にあって、両者３１，２４間にはかみ合い結合部３３が設けられている。これによりロータ３１の回転軸線は出力軸２３の軸線Ｌと合致するので、その回転軸線の符号として「Ｌ」を共用する。
【００２１】
ロータ３１に、その回転軸線Ｌを中心に軸取付孔３２から放射状に延びる複数、この実施例では１２個のスロット状空間３４が円周上等間隔に形成されている。各空間３４は、円周方向幅が狭く、且つロータ３１の両端面３５および外周面３６に一連に開口するように、両端面３５に直交する仮想平面内において略Ｕ字形をなす。
【００２２】
各スロット状空間３４内に、同一構造の第１〜第１２ベーンピストンユニットＵ１〜Ｕ１２が、次のように放射方向に往復動自在に装着される。略Ｕ字形の空間３４において、その内周側を区画する部分３７に段付孔３８が形成され、その段付孔３８に、セラミック（またはカーボン）よりなる段付形シリンダ部材３９が嵌入される。シリンダ部材３９の小径部ａ端面は出力軸２３の大径部２４外周面に当接し、その小径孔ｂが大径部２４外周面に開口する通孔ｃに連通する。またシリンダ部材３９の外側に、その部材３９と同軸上に位置するようにガイド筒４０が配置される。そのガイド筒４０の外端部は、ロータ３１外周面に存する空間３４の開口部に係止され、また内端部は段付孔３８の大径孔ｄに嵌入されてシリンダ部材３９に当接する。またガイド筒４０は、その外端部から内端部近傍まで相対向して延びる一対の長溝ｅを有し、両長溝ｅは空間３４に面する。シリンダ部材３９の大径シリンダ孔ｆ内にセラミックよりなるピストン４１が摺動自在に嵌合され、そのピストン４１の先端部側は常時ガイド筒４０内に位置する。
【００２３】
図２および図６に示すように、ロータ３１の回転軸線Ｌを含む仮想平面Ａ内におけるロータチャンバ１４の断面Ｂは、直径ｇを相互に対向させた一対の半円形断面部Ｂ１と、両半円形断面部Ｂ１の両直径ｇの一方の対向端相互および他方の対向端相互をそれぞれ結んで形成される四角形断面部Ｂ２とよりなり、略競技用トラック形をなす。図６において、実線示の部分が長径を含む最大断面を示し、一方、一部を２点鎖線で示した部分が短径を含む最小断面を示す。ロータ３１は、図６に点線で示したように、ロータチャンバ１４の短径を含む最小断面よりも若干小さな断面Ｄを有する。
【００２４】
図２および図７〜図１０に明示するように、ベーン４２は略Ｕ字板形（馬蹄形）をなすベーン本体４３と、そのベーン本体４３に装着された略Ｕ字板形をなすシール部材４４と、ベーンスプリング５８とより構成される。
【００２５】
ベーン本体４３は、ロータチャンバ１４の半円形断面部Ｂ１による内周面４５に対応した半円弧状部４６と、四角形断面部Ｂ２による対向内端面４７に対応した一対の平行部４８とを有する。各平行部４８の端部側にコ字形の切欠き４９と、それらの底面に開口する四角形の盲孔５０と、各切欠き４９よりも、さらに端部側に在って外方へ突出する短軸５１とが設けられる。また半円弧状部４６および両平行部４８の外周部分に、外方に向って開口するＵ字溝５２が一連に形成され、そのＵ字溝５２の両端部は両切欠き４９にそれぞれ連通する。さらに半円弧状部４６の両平面部分にそれぞれ欠円形断面の一対の突条５３が設けられている。両突条５３は、それらによる仮想円柱の軸線Ｌ１が、両平行部４８間の間隔を２等分し、且つ半円弧状部４６を周方向に２等分する直線に一致するように配置されている。また両突条５３の内端部は両平行部４８間の空間に僅か突出している。
【００２６】
シール部材４４は、例えばＰＴＦＥより構成されたもので、ロータチャンバ１４の半円形断面部Ｂ１による内周面４５を摺動する半円弧状部５５と、四角形断面部Ｂ２による対向内端面４７を摺動する一対の平行部５６とを有する。また半円弧状部５５の内周面側に一対の弾性爪５７が、内方へ反るように設けられている。
【００２７】
ベーン本体４３のＵ字溝５２にシール部材４４が装着され、また各盲孔５０にベーンスプリング５８が嵌め込まれ、さらに各短軸５１にボールベアリング構造のローラ５９が取付けられる。各ベーン４２はロータ３１の各スロット状空間３４に摺動自在に収められており、その際、ベーン本体４３の両突条５３はガイド筒４０内に、また両突条５３の両側部分はガイド筒４０の両長溝ｅ内にそれぞれ位置し、これにより両突条５３の内端面がピストン４１の外端面と当接することができる。両ローラ５９は第１、第２半体８，９の対向内端面４７に形成された略楕円形の環状溝６０にそれぞれ転動自在に係合される。これら環状溝６０およびロータチャンバ１４間の距離はそれらの全周に亘り一定である。またピストン４１の前進運動をベーン４２を介してローラ５９と環状溝６０との係合によりロータ３１の回転運動に変換する。
【００２８】
このローラ５９と環状溝６０との協働で、図５に明示するように、ベーン本体４３の半円弧状部４６における半円弧状先端面６１はロータチャンバ１４の内周面４５から、また両平行部４８はロータチャンバ１４の対向内端面４７からそれぞれ常時離間し、これによりフリクションロスの軽減が図られている。そして、２条一対で構成されている環状溝６０により軌道を規制されるため、左右の軌道誤差によりローラ５９を介してベーン４２は軸方向に微小変位角の回転を生じ、ロータチャンバ１４の内周面４５との接触圧力を増大させる。このとき、略Ｕ字板形（馬蹄形）をなすベーン本体４３では、方形（長方形）ベーンに比べてケーシング７との接触部の径方向長さが短いので、その変位量を大幅に小さくできる。また図２に明示するように、シール部材４４において、その両平行部５６は各ベーンスプリング５８の弾発力によりロータチャンバ１４の対向内端面４７に密着し、特に両平行部５６の端部とベーン４２間を通しての環状溝６０へのシール作用を行う。また半円弧状部５５は、両弾性爪５７がベーン本体４３およびロータチャンバ１４内の内周面４５間で押圧されることによって、その内周面４５に密着する。即ち、方形（長方形）ベーンに対し略Ｕ字板形のベーン４２の方が変曲点を持たないので、密着が良好となる。方形ベーンは角部があり、シール性維持は困難となる。これによりベーン４２およびロータチャンバ１４間のシール性が良好となる。さらに熱膨脹にともない、ベーン４２とロータチャンバ１４は変形する。このとき方形ベーンに対し略Ｕ字形のベーン４２は、より均一に相似形を持って変形するため、ベーン４２とロータチャンバ１４とのクリアランスのバラツキが少なく、シール性も良好に維持可能となる。
【００２９】
ベーン本体４３とロータチャンバ１４の内周面との間のシール作用は、シール部材４４自体のばね力と、シール部材４４自体に作用する遠心力と、高圧側のロータチャンバ１４からベーン本体４３のＵ字溝５２に浸入した蒸気がシール部材４４を押し上げる蒸気圧とにより発生する。このように、前記シール作用は、ロータ３１の回転数に応じてベーン本体４３に作用する過度の遠心力の影響を受けないので、シール面圧はベーン本体４３に加わる遠心力に依存せず、常に良好なシール性と低フリクション性とを両立させることができる。
【００３０】
図２および図３において、出力軸２３の大径部２４は第２半体９の軸受メタル２５に支持された厚肉部分６２と、その厚肉部分６２から延びて第１半体８の軸受メタル２５に支持された薄肉部分６３とを有する。その薄肉部分６３内にセラミック（または金属）よりなる中空軸６４が、出力軸２３と一体に回転し得るように嵌着される。その中空軸６４の内側に固定軸６５が配置され、その固定軸６５は、ロータ３１の軸線方向厚さ内に収まるように中空軸６４に嵌合された大径中実部６６と、出力軸２３の厚肉部分６２に存する孔部６７に２つのシールリング６８を介して嵌合された小径中実部６９と、大径中実部６６から延びて中空軸６４内に嵌合された薄肉の中空部７０とよりなる。その中空部７０の端部外周面と第１半体８の中空軸受筒２１内周面との間にシールリング７１が介在される。
【００３１】
シェル形部材１５の主体１６において、その中心部内面に、出力軸２３と同軸上に在る中空筒体７２の端壁７３がシールリング７４を介して取付けられる。その端壁７３の外周部から内方へ延びる短い外筒部７５の内端側は第１半体８の中空軸受筒２１に連結筒７６を介して連結される。端壁７３に、それを貫通するように小径で、且つ長い内管部７７が設けられ、その内管部７７の内端側は、そこから突出する短い中空接続管７８と共に固定軸６５の大径中実部６６に存する段付孔ｈに嵌着される。内管部７７の外端部分はシェル形部材１５の孔部７９から外方へ突出し、その外端部分から内管部７７内に挿通された第１の高温高圧蒸気用導入管８０の内端側が中空接続管７８内に嵌着される。内管部７７の外端部分にはキャップ部材８１が螺着され、そのキャップ部材８１によって、導入管８０を保持するホルダ筒８２のフランジ８３が内管部７７の外端面にシールリング８４を介して圧着される。
【００３２】
図２〜図４および図１１に示すように、固定軸６５の大径中実部６６に、第１〜第１２ベーンピストンユニットＵ１〜Ｕ１２のシリンダ部材３９に、中空軸６４および出力軸２３に一連に形成された複数、この実施例では１２個の通孔ｃを介して高温高圧蒸気を供給し、またシリンダ部材３９から膨脹後の第１の降温降圧蒸気を通孔ｃを介して排出する回転バルブＶが次のように設けられている。
【００３３】
図１１には膨張器４の各シリンダ部材３９に所定のタイミングで蒸気を供給・排出する回転バルブＶの構造が示される。大径中実部６６内において、中空接続管７８に連通する空間８５から互に反対方向に延びる第１、第２孔部８６，８７が形成され、第１、第２孔部８６，８７は大径中実部６６の外周面に開口する第１、第２凹部８８，８９の底面に開口する。第１、第２凹部８８，８９に、供給口９０，９１を有するカーボン製第１、第２シールブロック９２，９３が装着され、それらの外周面は中空軸６４内周面に摺擦する。第１、第２孔部８６，８７内には同軸上に在る短い第１、第２供給管９４，９５が遊挿され、第１、第２供給管９４，９５の先端側外周面に嵌合した第１、第２シール筒９６，９７のテーパ外周面ｉ，ｊが第１、第２シールブロック９２，９３の供給口９０，９１よりも内側に在ってそれに連なるテーパ孔ｋ，ｍ内周面に嵌合する。また大径中実部６６に、第１、第２供給管９４，９５を囲繞する第１、第２環状凹部ｎ，ｏと、それに隣接する第１、第２盲孔状凹部ｐ，ｑとが第１、第２シールブロック９２，９３に臨むように形成され、第１、第２環状凹部ｎ，ｏには一端側を第１、第２シール筒９６，９７外周面に嵌着した第１、第２ベローズ状弾性体９８，９９が、また第１、第２盲孔状凹部ｐ，ｑには第１、第２コイルスプリング１００，１０１がそれぞれ収められ、第１、第２ベローズ状弾性体９８，９９および第１、第２コイルスプリング１００，１０１の弾発力で第１、第２シールブロック９２，９３を中空軸６４内周面に押圧する。
【００３４】
また大径中実部６６において、第１コイルスプリング１００および第２ベローズ状弾性体９９間ならび第２コイルスプリング１０１および第１ベローズ状弾性体９８間に、常時２つの通孔ｃに連通する第１、第２凹状排出部１０２，１０３と、それら排出部１０２，１０３から導入管８０と平行に延びて固定軸６５の中空部ｒ内に開口する第１、第２排出孔１０４，１０５とが形成されている。
【００３５】
これら第１シールブロック９２と第２シールブロック９３といったように、同種部材であって、「第１」の文字を付されたものと「第２」の文字を付されたものとは、固定軸６５の軸線に関して点対称の関係にある。
【００３６】
固定軸６５の中空部ｒ内および中空筒体７２の外筒部７５内は第１の降温降圧蒸気の通路ｓであり、その通路ｓは、外筒部７５の周壁を貫通する複数の通孔ｔを介して中継チャンバ２０に連通する。
【００３７】
図２および図５に示すように、第１半体８の主体１１外周部において、ロータチャンバ１４の短径の両端部近傍に、半径方向に並ぶ複数の導入孔１０６よりなる第１、第２導入孔群１０７，１０８が形成され、中継チャンバ２０内の第１の降温降圧蒸気がそれら導入孔群１０７，１０８を経てロータチャンバ１４内に導入される。また第２半体９の主体１１外周部において、ロータチャンバ１４の長径の一端部と第２導入孔群１０８との間に、半径方向および周方向に並ぶ複数の導出孔１０９よりなる第１導出孔群１１０が形成され、また長径の他端部と第１導入孔群１０７との間に、半径方向および周方向に並ぶ複数の導出孔１０９よりなる第２導出孔群１１１が形成される。これら第１、第２導出孔群１１０，１１１からは、相隣る両ベーン４２間での膨脹により、さらに温度および圧力が降下した第２の降温降圧蒸気が外部に排出される。
【００３８】
出力軸２３等は水により潤滑されるようになっており、その潤滑水路は次のように構成される。即ち、図２および図３に示すように第２半体９の中空軸受筒２２に形成された給水孔１１２に給水管１１３が接続される。給水孔１１２は、第２半体９側の軸受メタル２５が臨むハウジング１１４に、またそのハウジング１１４は出力軸２３の厚肉部分６２に形成された通水孔ｕに、さらにその通水孔ｕは中空軸６４の外周面母線方向に延びる複数の通水溝ｖ（図１１も参照）に、さらにまた各通水溝ｖは第２半体８側の軸受メタル２５が臨むハウジング１１５にそれぞれ連通する。また出力軸２３の厚肉部分６２内端面に、通水孔ｕと、中空軸６４および固定軸６５の大径中実部６６間の摺動部分とを連通する環状凹部ｗが設けられている。
【００３９】
これにより、各軸受メタル２５および出力軸２３間ならびに中空軸６４および固定軸６５間が水により潤滑され、また両軸受メタル２５および出力軸２３間の間隙からロータチャンバ１４内に進入した水によって、ケーシング７と、シール部材４４および各ローラ５９との間の潤滑が行われる。
【００４０】
図４において、ロータ３１の回転軸線Ｌに関して点対称の関係にある第１および第７ベーンピストンユニットＵ１，Ｕ７は同様の動作を行う。これは、点対称の関係にある第２、第８ベーンピストンユニットＵ２，Ｕ８等についても同じである。
【００４１】
例えば、図１１も参照して、第１供給管９４の軸線がロータチャンバ１４の短径位置Ｅよりも図４において反時計方向側に僅かずれており、また第１ベーンピストンユニットＵ１が前記短径位置Ｅに在って、その大径シリンダ孔ｆには高温高圧蒸気は供給されておらず、したがってピストン４１およびベーン４２は後退位置に在るとする。
【００４２】
この状態からロータ３１を僅かに、図４反時計方向に回転させると、第１シールブロック９２の供給口９０と通孔ｃとが連通して導入管８０からの高温高圧蒸気が小径孔ｂを通じて大径シリンダ孔ｆに導入される。これによりピストン４１が前進し、その前進運動はベーン４２がロータチャンバ１４の長径位置Ｆ側へ摺動することによって、ベーン４２を介して該ベーン４２と一体のローラ５９と環状溝６０との係合によりロータ３１の回転運動に変換される。通孔ｃが供給口９０からずれると、高温高圧蒸気は大径シリンダ孔ｆ内で膨脹してピストン４１をなおも前進させ、これによりロータ３１の回転が続行される。この高温高圧蒸気の膨脹は第１ベーンピストンユニットＵ１がロータチャンバ１４の長径位置Ｆに至ると終了する。その後は、ロータ３１の回転に伴い大径シリンダ孔ｆ内の第１の降温降圧蒸気は、ベーン４２によりピストン４１が後退させられることによって、小径孔ｂ、通孔ｃ、第１凹状排出部１０２、第１排出孔１０４、通路ｓ（図３参照）および各通孔ｔを経て中継チャンバ２０に排出され、次いで図２および図５に示すように、第１導入孔群１０７を通じてロータチャンバ１４内に導入され、相隣る両ベーン４２間でさらに膨脹してロータ３１を回転させ、その後第２の降温降圧蒸気が第１導出孔群１１０より外部に排出される。
【００４３】
このように、高温高圧蒸気の膨脹によりピストン４１を作動させてベーン４２を介しロータ３１を回転させ、また高温高圧蒸気の圧力降下による降温降圧蒸気の膨脹によりベーン４２を介しロータ３１を回転させることによって出力軸２３より出力が得られる。
【００４４】
尚、実施例以外にも、ピストン４１の前進運動をロータ３１の回転運動に変換する構成として、ベーン４２を介さず、ピストン４１の前進運動を直接ローラ５９で受け、環状溝６０との係合で回転運動に変換することもできる。またベーン４２もローラ５９と環状溝６０との協働により、前述の如くロータチャンバ１４の内周面４５および対向内端面４７から略一定間隔で常時離間していればよく、ピストン４１とローラ５９、およびベーン４２とローラ５９との各々が格別に環状溝６０と協働しても良い。
【００４５】
前記膨脹器４を圧縮機として使用する場合には、出力軸２３によりロータ３１を図４時計方向に回転させて、ベーン４２により、流体としての外気を第１、第２導出孔群１１０，１１１からロータチャンバ１４内に吸込み、このようにして得られた低圧縮空気を第１、第２導入孔群１０７，１０８から中継チャンバ２０、各通孔ｔ、通路ｓ、第１、第２排出孔１０４，１０５、第１、第２凹状排出部１０２，１０３、通孔ｃを経て大径シリンダ孔ｆに供給し、またベーン４２によりピストン４１を作動させて低圧空気を高圧空気に変換し、その高圧空気を通孔ｃ、供給口９０，９１、および第１、第２供給管９４，９５を経て導入管８０に導入するものである。
【００４６】
以上説明した膨張器４では、シリンダ部材３９およびピストン４１から構成される第１エネルギー変換手段がロータチャンバ１４の中心側に配置されており、ベーン４２から構成される第２エネルギー変換手段が前記第１エネルギー変換手段を囲むように半径方向外側に配置されている。従って、高温高圧蒸気が先ず中心側の第１エネルギー変換手段（シリンダ部材３９およびピストン４１）に供給され、そこで機械エネルギーに変換された後の第１の降温降圧蒸気が外周側の第２エネルギー変換手段（ベーン４２）に供給されることになる。このように、第１、第２エネルギー変換手段を半径方向内外に配置した場合に、内側の第１エネルギー変換手段に高温高圧蒸気を供給し、外側の第２エネルギー変換手段に降温降圧蒸気を供給することにより、内側の第１エネルギー変換手段からリークした高温高圧蒸気の圧力や熱を外側の第２エネルギー変換手段で捕捉回収し、リークした高温高圧蒸気を無駄なく利用して膨張器４全体の効率を高めることができる。しかもロータチャンバ１４の外周側に比較的に低圧かつ低温の第１の降温降圧蒸気が供給される第２エネルギー変換手段を配置したので、ロータチャンバ１４から外部への作動流体のリークを防止するためのシールが容易になるだけでなく、ロータチャンバ１４から外部への熱のリークを防止するための断熱も容易になる。
【００４７】
尚、本発明の回転式流体機械を圧縮器として使用する場合には、外側の第２エネルギー変換手段であるベーン４２により第１段の圧縮を受けて圧縮された圧縮空気は圧力および温度が上昇し、その圧縮空気は内側の第１エネルギー変換手段であるシリンダ手段３９およびピストン４１で第２段の圧縮を受けて圧力および温度が更に上昇する。従って、回転式流体機械を圧縮器として使用した場合にも、内側の第１エネルギー変換手段からリークした高温高圧の圧縮空気の圧力や熱を外側の第２エネルギー変換手段で捕捉回収して圧縮器全体の効率を高めることができるだけでなく、ロータチャンバ１４から外部への圧縮空気のリークを防止するためのシールが容易になり、しかもロータチャンバ１４から外部への熱のリークを防止するための断熱も容易になる。
【００４８】
而して、本実施例では内燃機関１の排気ガスの熱エネルギーで水を加熱して高温高圧蒸気を発生する蒸発器３と、蒸発器３から供給された高温高圧蒸気を一定トルクの軸出力に変換する膨張器４と、膨張器４が排出した降温降圧蒸気を液化する凝縮器５と、凝縮器５で液化された水を蒸発器３に供給する供給ポンプ６とから構成されるランキンサイクルにおいて、その膨張器４として容積型のものを採用している。この容積型の膨張器４は、タービンのような非容積型の膨張器に比べて、低速から高速までの広い回転数領域において高い効率でエネルギー回収を行うことが可能であるばかりか、内燃機関１の回転数の増減に伴う排気ガスの熱エネルギーの変化（排気ガスの温度変化や流量変化）に対する追従性や応答性にも優れている。しかも膨張器４を、シリンダ部材３９およびピストン４１から構成される第１エネルギー変換手段と、ベーン４２から構成される第２エネルギー変換手段とを直列に接続して半径方向内外に配置した二重膨張型としたので、膨張器４を小型軽量化してスペース効率の向上を図りながらランキンサイクルによる熱エネルギーの回収効率を更に向上させることができる。
【００４９】
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。
【００５０】
例えば、実施例では回転式流体機械として膨張器４を例示したが、本発明は圧縮器としても適用することができる。
【００５１】
また実施例の膨張器４では、先ず第１エネルギー変換手段であるシリンダ部材３９およびピストン４１に高温高圧蒸気を供給した後に、それが降温降圧した第１の降温降圧蒸気を第２エネルギー変換手段であるベーン４２に供給しているが、例えば、図２で示す第１エネルギー変換手段からの第１の降温降圧蒸気を排出する通孔ｔと、中継チャンバ２０とを連通または非連通とし、更に中継チャンバ２０にシェル型部材１６を介して第２エネルギー変換手段に独立して蒸気を個別に供給可能とする手段を構成することにより、第１、第２エネルギー変換手段にそれぞれ温度および圧力の異なる蒸気を個別に供給しても良い。更に、第１、第２エネルギー変換手段にそれぞれ温度および圧力の異なる蒸気を個別に供給すると共に、第１エネルギー変換手段を通過して降温降圧した蒸気を続いて第２エネルギー変換手段に供給して再利用しても良い。
【００５２】
【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、ロータを回転自在に収納するロータチャンバの中心側に配置された第１エネルギー変換手段および外周側に配置された第２エネルギー変換手段に、それぞれ高圧の作動流体および低圧の作動流体を供給したので、ロータチャンバの中心側からリークした高圧の作動流体をロータチャンバの外周側の低圧の作動流体で捕捉回収し、リークした前記高圧の作動流体を無駄なく利用して回転式流体機械全体の効率を高めることができ、しかもロータチャンバから外部への作動流体のリークを防止するためのシールが容易になる。しかも、第１エネルギー変換手段を、ロータチャンバの内部に回転自在に収容されたロータに放射状に形成されたシリンダと、このシリンダ内を摺動するピストンとから構成したので、高圧の作動流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、また第２エネルギー変換手段を、ロータに放射方向移動自在に支持されてロータチャンバの内周面にシール部材を介して摺接するベーンから構成したので、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作動流体を処理できる。このように、ピストンおよびシリンダを持つ第１エネルギー変換手段とベーンを持つ第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式流体機械を得ることができる。
【００５３】
また請求項２に記載された発明によれば、ロータを回転自在に収納するロータチャンバの中心側に配置された第１エネルギー変換手段および外周側に配置された第２エネルギー変換手段に、それぞれ高温の作動流体および低温の作動流体を供給したので、ロータチャンバの中心側からリークした高温の作動流体をロータチャンバの外周側の低温の作動流体で捕捉回収し、リークした前記高温の作動流体を無駄なく利用して回転式流体機械全体の効率を高めることができ、しかもロータチャンバから外部への熱のリークを防止するための断熱が容易になる。しかも、第１エネルギー変換手段を、ロータチャンバの内部に回転自在に収容されたロータに放射状に形成されたシリンダと、このシリンダ内を摺動するピストンとから構成したので、高温の作動流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、また第２エネルギー変換手段を、ロータに放射方向移動自在に支持されてロータチャンバの内周面にシール部材を介して摺接するベーンから構成したので、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作動流体を処理できる。このように、ピストンおよびシリンダを持つ第１エネルギー変換手段とベーンを持つ第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式流体機械を得ることができる。
【００５４】
また請求項３に記載された発明によれば、ロータを回転自在に収納するロータチャンバの中心側に配置された第１エネルギー変換手段および外周側に配置された第２エネルギー変換手段に、それぞれ高圧かつ高温の作動流体および低圧かつ低温の作動流体を供給したので、ロータチャンバの中心側からリークした高圧かつ高温の作動流体をロータチャンバの外周側の低圧かつ低温の作動流体で捕捉回収し、リークした前記高圧かつ高温の作動流体を無駄なく利用して回転式流体機械全体の効率を高めることができる。しかもロータチャンバの外周側に低圧かつ低温の作動流体を供給したので、ロータチャンバから外部への作動流体のリークを防止するためのシールが容易になると共に、ロータチャンバから外部への熱のリークを防止するための断熱が容易になる。しかも、第１エネルギー変換手段を、ロータチャンバの内部に回転自在に収容されたロータに放射状に形成されたシリンダと、このシリンダ内を摺動するピストンとから構成したので、高圧かつ高温の作動流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、また第２エネルギー変換手段を、ロータに放射方向移動自在に支持されてロータチャンバの内周面にシール部材を介して摺接するベーンから構成したので、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作動流体を処理できる。このように、ピストンおよびシリンダを持つ第１エネルギー変換手段とベーンを持つ第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式流体機械を得ることができる。
【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５の２−２線断面図に相当する膨脹器の縦断面図
【図３】図２の回転軸線周りの拡大断面図
【図４】図２の４−４線断面図
【図５】要部を拡大した図２の５−５線断面図
【図６】ロータチャンバおよびロータの断面形状を示す説明図
【図７】ベーン本体の正面図
【図８】ベーン本体の側面図
【図９】図７の９−９線断面図
【図１０】シール部材の正面図
【図１１】図４の回転軸線周りの拡大図
【符号の説明】
４ 膨脹器
１４ ロータチャンバ
３１ ロータ
３９ シリンダ部材（シリンダ）
４１ ピストン
４２ ベーン

Claims (3)

1. 少なくとも第１エネルギー変換手段および第２エネルギー変換手段を備え、
   圧力エネルギーを有する作動流体を第１、第２エネルギー変換手段に入力して前記圧力エネルギーを機械エネルギーに変換することにより、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膨張器（４）として機能することが可能であり、
   かつ機械エネルギーを第１、第２エネルギー変換手段に入力して前記機械エネルギーを作動流体の圧力エネルギーに変換することにより、第１、第２エネルギー変換手段がそれぞれ発生した作動流体の圧力エネルギーを統合して出力する圧縮器として機能することが可能である回転式流体機械において、
   前記第１エネルギー変換手段を、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（３１）に放射状に形成されたシリンダ（３９）と、このシリンダ（３９）内を摺動するピストン（４１）とから構成して、高圧の作動流体が供給されるロータチャンバ（１４）の中心側に配置し、前記第２エネルギー変換手段を、ロータ（３１）から放射方向に出没し、外周面がロータチャンバ（１４）の内周面にシール部材（４４）を介して摺接するベーン（４２）から構成して、低圧の作動流体が供給されるロータチャンバ（１４）の外周側に配置し、これらベーン（４２）およびピストン（４１）に連動するローラ（５９）を、ロータチャンバ（１４）を区画するケーシング（７）に形成した非円形の環状溝（６０）に係合させ、その係合により、ピストン（４１）の往復運動とロータ（３１）の回転運動とを相互に変換すると共に、ベーン（４２）の外周面とロータチャンバ（１４）の内周面との間隙を規制したことを特徴とする回転式流体機械。
2. 少なくとも第１エネルギー変換手段および第２エネルギー変換手段を備え、
   圧力エネルギーを有する作動流体を第１、第２エネルギー変換手段に入力して前記圧力エネルギーを機械エネルギーに変換することにより、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膨張器（４）として機能することが可能であり、
   かつ機械エネルギーを第１、第２エネルギー変換手段に入力して前記機械エネルギーを作動流体の圧力エネルギーに変換することにより、第１、第２エネルギー変換手段がそれぞれ発生した作動流体の圧力エネルギーを統合して出力する圧縮器として機能することが可能である回転式流体機械において、
   前記第１エネルギー変換手段を、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（３１）に放射状に形成されたシリンダ（３９）と、このシリンダ（３９）内を摺動するピストン（４１）とから構成して、高温の作動流体が供給されるロータチャンバ（１４）の中心側に配置し、前記第２エネルギー変換手段を、ロータ（３１）から放射方向に出没し、外周面がロータチャンバ（１４）の内周面にシール部材（４４）を介して摺接するベーン（４２）から構成して、低温の作動流体が供給されるロータチャンバ（１４）の外周側に配置し、これらベーン（４２）およびピストン（４１）に連動するローラ（５９）を、ロータチャンバ（１４）を区画するケーシング（７）に形成した非円形の環状溝（６０）に係合させ、その係合により、ピストン（４１）の往復運動とロータ（３１）の回転運動とを相互に変換すると共に、ベーン（４２）の外周面とロータチャンバ（１４）の内周面との間隙を規制したことを特徴とする回転式流体機械。
3. 少なくとも第１エネルギー変換手段および第２エネルギー変換手段を備え、
   圧力エネルギーを有する作動流体を第１、第２エネルギー変換手段に入力して前記圧力エネルギーを機械エネルギーに変換することにより、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膨張器（４）として機能することが可能であり、
   かつ機械エネルギーを第１、第２エネルギー変換手段に入力して前記機械エネルギーを作動流体の圧力エネルギーに変換することにより、第１、第２エネルギー変換手段がそれぞれ発生した作動流体の圧力エネルギーを統合して出力する圧縮器として機能することが可能である回転式流体機械において、
   前記第１エネルギー変換手段を、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（３１）に放射状に形成されたシリンダ（３９）と、このシリンダ（３９）内を摺動するピストン（４１）とから構成して、高圧かつ高温の作動流体が供給されるロータチャンバ（１４）の中心側に配置し、前記第２エネルギー変換手段を、ロータ（３１）から放射方向に出没し、外周面がロータチャンバ（１４）の内周面にシール部材（４４）を介して摺接するベーン（４２）から構成して、低圧かつ低温の作動流体が供給されるロータチャンバ（１４）の外周側に配置し、これらベーン（４２）およびピストン（４１）に連動するローラ（５９）を、ロータチャンバ（１４）を区画するケーシング（７）に形成した非円形の環状溝（６０）に係合させ、その係合により、ピストン（４１）の往復運動とロータ（３１）の回転運動とを相互に変換すると共に、ベーン（４２）の外周面とロータチャンバ（１４）の内周面との間隙を規制したことを特徴とする回転式流体機械。

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