JP4647857B2 - 内燃機関の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、内燃機関の廃熱を利用したランキンサイクル装置に関し、特にその作動媒体で内燃機関の発熱部を冷却し得るランキンサイクル装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
実開昭５９−１７４３０８号公報には、内燃機関の排気ガスで液相作動媒体を加熱して気相作動媒体を発生させる蒸発器と、蒸発器で発生した気相作動媒体で駆動される膨張機と、膨張機を通過した気相作動媒体を冷却して液相作動媒体に戻す凝縮器と、凝縮器からの液相作動媒体を加圧して蒸発器に供給する供給ポンプとを備えたランキンサイクル装置が記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで上記従来のものは、液相作動媒体としての水を内燃機関の排気管に設けた蒸発器の内部だけでなく、シリンダヘッドおよびシリンダブロックに形成した冷却通路の内部を通過させて加熱するようになっており、これにより内燃機関の廃熱を一層有効に利用するとともに、シリンダヘッドおよびシリンダブロックを液相作動媒体で冷却して従来のラジエータの廃止を図っている。
【０００４】
しかしながら、一般にランキンサイクル装置の液相作動媒体としての水の流量と、内燃機関の冷却水の流量との比は１：１００程度であり、内燃機関の冷却水の流量はランキンサイクル装置の水の流量に比べて遙に大きなものとなる。またランキンサイクル装置の蒸発器に供給される水の圧力は、内燃機関のウオータジャケットに供給される冷却水の圧力に比べて約１００倍であり、両者の間には大きな差が存在する。
【０００５】
従って、ランキンサイクル装置の水循環経路と内燃機関の冷却水循環経路とを直列に接続してラジエータの廃止を図ることは、両循環経路における流量および圧力に大きな差が存在することから事実上困難であり、内燃機関がオーバーヒートしたり、ランキンサイクル装置が充分な性能を発揮できなくなったりする可能性がある。
【０００６】
本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、ランキンサイクル装置の性能を維持しながら、その液相作動媒体で内燃機関の発熱部を充分に冷却できるようにしてラジエータの廃止を図ることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前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、内燃機関の廃熱で液相作動媒体を加熱して気相作動媒体を発生させる蒸発器と、蒸発器が排出した気相作動媒体の熱エネルギーを機械エネルギーに変換する膨張機と、膨張機が排出した気相作動媒体を冷却して液相作動媒体に戻す凝縮器と、凝縮器が排出した液相作動媒体を貯留するタンクと、タンク内の液相作動媒体を蒸発器に供給するポンプとを備えた内燃機関のランキンサイクル装置において、前記ポンプは低圧ポンプおよび高圧ポンプからなり、前記低圧ポンプはタンク内の液相作動媒体を内燃機関の冷却手段を通過させることで加熱して分配弁に供給し、分配弁で分配された液相作動媒体の一部は前記高圧ポンプで加圧されて蒸発器に供給され、分配弁で分配された液相作動媒体の他の一部は補機において放熱した後にタンクに排出され、分配弁で分配された加熱された液相作動媒体の一部は膨張機の潤滑媒体として使用されることを特徴とする内燃機関のランキンサイクル装置が提案される。
【０００８】
上記構成によれば、タンク内の液相作動媒体を低圧ポンプで内燃機関の冷却手段に供給して該内燃機関の発熱部を冷却した後、冷却手段を出た液相作動媒体の一部を分配弁から高圧ポンプに供給して加圧した状態でランキンサイクル装置の蒸発器に供給するとともに、冷却手段を出た液相作動媒体の他の一部を分配弁から補機に供給し、ランキンサイクル装置の膨張機を出て凝縮器を介して液化した液相作動媒体と補機で放熱した液相作動媒体とをタンクに戻すので、ランキンサイクル装置の液相作動媒体循環系統と内燃機関の冷却手段の液相作動媒体循環系統とを統合しながら、ランキンサイクル装置および冷却手段にそれぞれ適した流量および圧力の液相作動媒体を供給することが可能となり、ランキンサイクル装置の性能を維持しながら内燃機関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。しかも分配弁で分配された加熱された液相作動媒体の一部は膨張機の潤滑媒体として使用されるので、低温の潤滑媒体による膨張機の温度低下を防止して膨張仕事の低減を抑制し、内燃機関の廃熱回収効率を高めることができる。
【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、低圧ポンプから出た液相作動媒体は内燃機関の排気管に設けた熱交換器で予熱されて冷却手段に供給されることを特徴とする内燃機関のランキンサイクル装置が提案される。
【００１０】
上記構成によれば、低圧ポンプから冷却手段に供給される液相作動媒体を排気管に設けた熱交換器で予熱するので、排気ガスの廃熱を一層有効に利用することができるだけでなく、内燃機関の低温時に冷却手段を通過する液相作動媒体による過冷却の発生を防止して内燃機関の暖機を促進することができる。
【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、潤滑媒体として供給された液相作動媒体の一部を膨張機の膨張行程に気相作動媒体として供給することを特徴とする内燃機関のランキンサイクル装置が提案される。
【００１２】
上記構成によれば、潤滑媒体として供給された液相作動媒体の一部を膨張機の膨張行程に気相作動媒体として供給するので、潤滑媒体としての液相作動媒体が持つ熱エネルギーを有効利用して膨張機の出力を増加させることができる。
【００１３】
また請求項４に記載された発明によれば、請求項２の構成に加えて、分配弁から分配される加熱された液相作動媒体の一部を減圧弁を通過させて気相作動媒体に変換し、この気相作動媒体を膨張機の膨張行程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。
【００１４】
上記構成によれば、分配弁から分配される加熱された液相作動媒体を減圧弁で気相作動媒体に変換して膨張機の膨張行程に供給するので、液相作動媒体が内燃機関の発熱部から受け取った熱エネルギーを有効利用して膨張機の出力を増加させることができる。
【００１５】
また請求項５に記載された発明によれば、請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の構成に加えて、液相作動媒体として水を使用することを特徴とする内燃機関のランキンサイクル装置が提案される。
【００１６】
上記構成によれば、炭化等の組成変化なしに使用できる温度領域が広い水を液相作動媒体として使用するので、膨張機に供給される高温状態の気相作動媒体と内燃機関の冷却手段から排出される低温状態の液相作動媒体とを支障なく融合することができ、しかも潤滑媒体として水を使用した場合に作動媒体および潤滑媒体を支障なく混合することができる。
【００１７】
尚、実施例の水は本発明の液相作動媒体に対応し、実施例の蒸気は本発明の気相作動媒体に対応し、実施例のウオータジャケット１０５は本発明の冷却手段に対応する。
【００１８】
【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。 図１〜図１４は本発明の一実施例を示すもので、図１は内燃機関のランキンサイクル装置の概略図、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の回転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４の一部拡大図、図７は図３の７−７線拡大断面図、図８はロータチャンバおよびロータの断面形状を示す模式図、図９はロータの分解斜視図、図１０はロータセグメントの分解斜視図、図１１はベーンの分解斜視図、図１２は回転バルブの分解斜視図、図１３は膨張機の膨張行程に潤滑水を供給する位相に対する膨張機の出力の増加量の関係を、潤滑水の温度毎に示すグラフ、図１４は膨張機の膨張行程に潤滑水を供給する位相に対する膨張機の出力の増加量の関係を、潤滑水の供給量毎に示すグラフである。
【００１９】
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ランキンサイクル装置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。
【００２０】
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。
【００２１】
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３３…）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５０…）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。
【００２２】
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。
【００２３】
次に、膨張機４の全体的な構造を図２〜図６に基づいて説明する。
【００２４】
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１２ａ，１３ａ，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１７ｂが設けられる。
【００２５】
両ケーシング半体１２，１３の本体部１２ａ，１３ａは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。また回転軸２１の右端の小径部２１ｂは、第２ケーシング半体１３の中空軸受筒１３ｃを貫通して排気チャンバ２０の内部に延び、そこにマグネットカップリングのロータボス２４がスプライン結合される。回転軸２１の右端の小径部２１ｂの外周と第２ケーシング半体１３の中空軸受筒１３ｃの内周との間はシール部材２５でシールされており、そのシール部材２５は中空軸受筒１３ｃ内周に螺合するナット２６により固定される。
【００２６】
図４および図８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２７が回転自在に収納される。ロータ２７は回転軸２１の外周に嵌合してピン２８で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２７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、長径ＤＬと短径ＤＳとを備える。軸線Ｌ方向に見たロータ２７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。
【００２７】
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２７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２７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２７ａ，２７ａと、これら平坦面２７ａ，２７ａの外周を滑らかに接続する中心角１８０°の円弧面２７ｂ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２７の平坦面２７ａ，２７ａとは相互に接触し、ロータチャンバ１４内周面とロータ２７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。
【００２８】
次に、図３、図６、図９および図１０を参照してロータ２７の構造を詳細に説明する。 ロータ２７は回転軸２１の外周に固定されるロータコア３１と、ロータコア３１の周囲を覆うように固定されてロータ２７の外郭を構成する１２個のロータセグメント３２…とから構成される。ロータコア３１は円板状の本体部３１ａと、本体部３１ａの中心部から軸方向両側に突出するギヤ状のボス部３１ｂ，３１ｂとを備える。本体部３１ａにセラミック（またはカーボン）製の１２本のシリンダ３３…が３０°間隔で放射状に装着されてキャップ３４…およびキー３５…で抜け止めされる。各々のシリンダ３３の内端には小径部３３ａが突設されており、小径部３３ａの基端はＯリング３６を介してロータコア３１の本体部３１ａとの間をシールされる。小径部３３ａの先端は中空の回転軸２１の外周面に嵌合しており、シリンダボア３３ｂは小径部３３ａ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の中空部２１ａに連通する。各々のシリンダ３３の内部にはセラミック製のピストン３７が摺動自在に嵌合する。ピストン３７が最も半径方向内側に移動するとシリンダボア３３ｂ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３３ｂの外部に突出する。
【００２９】
各々のロータセグメント３２は５個の部品を結合して構成される。５個の部品は、中空部３８ａ，３８ａを有する一対のブロック部材３８，３８と、Ｕ字状の板体よりなる一対の側板３９，３９と、矩形状の板体よりなる底板４０とであり、それらはロー付けにより一体化される。
【００３０】
各々のブロック部材３８の外周面、つまりロータチャンバ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３８ｂ，３８ｃが形成されており、このリセス３８ｂ，３８ｃの中央に潤滑水噴出口３８ｄ，３８ｅが開口する。またブロック部材３８の側板３９との結合面には、第２０水通路Ｗ２０および第２１水通路Ｗ２１が凹設される。
【００３１】
底板４０の中央には１２個のオリフィスを有するオリフィス形成部材４１が嵌合しており、オリフィス形成部材４１を囲むように底板４０に装着されたＯリング４２は、ロータコア３１の本体部３１ａの外周面との間をシールする。ブロック部材３８に結合される底板４０の表面には、オリフィス形成部材４１から放射方向に延びる各２本の第１４〜第１９水通路Ｗ１４〜Ｗ１９が凹設されており、それら第１４〜第１９水通路Ｗ１４〜Ｗ１９は側板３９との結合面に向けて延びている。
【００３２】
各々の側板３９のブロック部材３８，３８および底板４０への結合面には第２２〜第２７水通路Ｗ２２〜Ｗ２７が凹設される。底板４０の外側の第１４水通路Ｗ１４、第１５水通路Ｗ１５、第１８水通路Ｗ１８および第１９水通路Ｗ１９は、側板３９の第２２水通路Ｗ２２、第２３水通路Ｗ２３、第２６水通路Ｗ２６および第２７水通路Ｗ２７に連通し、底板４０の内側の第１６水通路Ｗ１６および第１７水通路Ｗ１７は、ブロック部材３８の第２０水通路Ｗ２０および第２１水通路Ｗ２１を介して側板３９の第２４水通路Ｗ２４および第２５水通路Ｗ２５に連通する。側板３９の第２２水通路Ｗ２２、第２５水通路Ｗ２５、第２６水通路Ｗ２６および第２７水通路Ｗ２７の外端は側板３９の外面に４個の潤滑水噴出口３９ａ…として開口する。また側板３９の第２３水通路Ｗ２３および第２４水通路Ｗ２４の外端は、ブロック部材３８，３８の内部に形成した第２８水通路Ｗ２８および第２９水通路Ｗ２９を介してリセス３８ｂ，３８ｃ内の潤滑水噴出口３８ｄ，３８ｅにそれぞれ連通する。半径方向外側に移動したピストン３７との干渉を回避すべく、側板３９の外面には部分円弧状の断面を有する切欠３９ｂが形成される。尚、第２０水通路Ｗ２０および第２１水通路Ｗ２１を側板３９ではなくブロック部材３８に形成した理由は、前記切欠３９ｂによって側板３９が薄肉になり、第２０水通路Ｗ２０および第２１水通路Ｗ２１を形成する肉厚を確保できないからである。
【００３３】
図２、図５、図９および図１１に示すように、ロータ２７の隣接するロータセグメント３２…間に放射方向に延びる１２個のベーン溝４３…が形成されており、これらベーン溝４３…に板状のベーン４４…がそれぞれ摺動自在に嵌合する。各々のベーン４４はロータチャンバ１４の平行面１４ａ，１４ａに沿う平行面４４ａ，４４ａと、ロータチャンバ１４の円弧面１４ｂに沿う円弧面４４ｂと、両平行面４４ａ，４４ａ間に位置する切欠４４ｃとを備えて概略Ｕ字状に形成されており、両平行面４４ａ，４４ａから突出する一対の支軸４４ｄ，４４ｄにローラベアリング構造のローラ４５，４５が回転自在に支持される。
【００３４】
ベーン４４の円弧面４４ｂにはＵ字状に形成された合成樹脂製のシール部材４６が保持されており、このシール部材４６の先端はベーン４４の円弧面４４ｂから僅かに突出してロータチャンバ１４の円弧面１４ｂに摺接する。ベーン４４の平行部４４ａ，４４ａには合成樹脂製の摺動部材４７，４７が固定されており、これら摺動部材４７，４７はロータチャンバ１４の平行面１４ａ，１４ａに摺接する。またベーン４４の切欠４４ｃの両側には合成樹脂製の摺動部材４８，４８が固定されており、これら摺動部材４８，４８はロータコア３１の本体部３１ａに摺接する。ベーン４４の両側面には各々２個のリセス４４ｅ，４４ｅが形成されており、これらリセス４４ｅ，４４ｅは、ロータセグメント３２の各々の側板３９，３９の外面に開口する４個の潤滑水噴出口３９ａ…の半径方向内側の２個に対向する。ベーン４４の切欠４４ｃの中央に半径方向内向きに突設した突起４４ｆが、ピストン３７の半径方向外端に当接する。ベーン４４の内部には半径方向に延びる水排出通路４４ｇが形成されており、その半径方向内端は前記突起４４ｆの先端に開口し、その半径方向外端はベーン４４の一方の側面に開口する。水排出通路４４ｇがベーン４４の一方の側面に開口する位置は、ベーン４４が最も半径方向外側に突出したときに、ロータ２７の円弧面２７ｂよりも半径方向外側に臨んでいる。
【００３５】
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４９，４９が凹設されており、両環状溝４９，４９に各々のベーン４４の一対のローラ４５，４５が転動自在に係合する。これら環状溝４９，４９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２７が回転するとローラ４５，４５を環状溝４９，４９に案内されたベーン４４がベーン溝４３内を半径方向に往復動し、ベーン４４の円弧面４４ｂに装着したシール部材４６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４４…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４４…間に区画されるベーン室５０…を確実にシールすることができる。 ロータチャンバ１４の平坦面１４ａ，１４ａには、前記環状溝４９，４９の外側を囲むように一対の円形シール溝５１，５１が形成される。各々の円形シール溝５１には２個のＯリング５２，５３を備えた一対のリングシール５４が摺動自在に各々嵌合しており、そのシール面は各々のロータセグメント３２に形成したリセス３８ｂ，３８ｃに対向している。一対のリングシール５４，５４は、それぞれノックピン５５，５５で第１、第２ケーシング半体１２，１３に対して回り止めされる。
【００３６】
ロータ２７の組み立ては次のようにして行なわれる。図９において、予めシリンダ３３…、キャップ３４…およびキー３５…を組み付けたロータコア３１の外周に１２個のロータセグメント３２…を嵌合させ、隣接するロータセグメント３２…間に形成された１２個のベーン溝４３…にベーン４４…を嵌合させる。このとき、ベーン４４…およびロータセグメント３２…の側板３９…間に所定のクリアランスを形成すべく、ベーン４４…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３２…およびベーン４４…をロータコア３１に向けて半径方向内向きに締めつけ、ロータコア３１に対してロータセグメント３２…を精密に位置決めした後、各々のロータセグメント３２…を仮止めボルト５８…（図２参照）でロータコア３１に仮り止めする。続いてロータ２７を治具から取り外し、各々のロータセグメント３２にロータコア３１を貫通するピン孔５６，５６を共加工し、それらピン孔５６，５６にノックピン５７，５７を圧入してロータコア３１にロータセグメント３２…を結合する。
【００３７】
図３、図７および図１２から明らかなように、回転軸２１の外周面を支持する一対の軸受部材２２，２３はロータ２７側に向かって拡径するようにテーパした内周面を備えており、その軸方向外端部が第１、第２ケーシング半体１２，１３の中空軸受筒１２ｃ，１３ｃに凹凸係合して回り止めされる。尚、回転軸２１に対するロータ２７の組み付けを可能にすべく、左側の中空軸受筒１２ｃに支持される回転軸２１の左端外周部は別部材２１ｃで構成されている。
【００３８】
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上に配置されたバルブハウジング６１のボス部６１ａが前記開口１６ｂの内面に複数のボルト６２…で固定され、かつナット６３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には円筒状の第１固定軸６４が相対回転自在に嵌合しており、この第１固定軸６４の右端内周に第２固軸６５が同軸に嵌合する。第１固定軸６４から突出する第２固定軸６５の右端外周部と回転軸２１の中空部２１ａとの間がＯリング６６によりシールされる。第１固定軸６４の内部に延びるバルブハウジング６１はフランジ６１ｂを備えており、このフランジ６１ｂの右側にＯリング６７、第１固定軸６４の厚肉部６４ａ、Ｏリング６８、ワッシャ６９、ナット７０および前記第２固定軸６５が順次嵌合する。バルブハウジング６１に対してナット７０および第２固定軸６５はネジ結合されており、従って第１固定軸６４の厚肉部６４ａはバルブハウジング６１のフランジ６１ｂとワッシャ６９との間に一対のＯリング６６，６７を介して位置決めされる。
【００３９】
第１ケーシング半体１２の中空軸受筒１２ｃの内周にＯリング７１を介して支持された第１固定軸６４の左端は、リング状のオルダム継ぎ手７２によってバルブハウジング６１のボス部６１ａに連結されており、このオルダム継ぎ手７２で第１固定軸６４の半径方向の振れを許容することにより、第１固定軸６４の外周に回転軸２１を介して支持したロータ２７の振れを許容することができる。また第１固定軸６４の左端に緩く嵌合する回り止め部材７３の腕部７３ａ，７３ａをボルト７４，７４で第１ケーシング半体１２に固定することにより、第１固定軸６４がケーシング１１に対して回り止めされる。
【００４０】
軸線Ｌ上に配置されたバルブハウジング６１の内部に蒸気供給パイプ７５が嵌合してナット７６でバルブハウジング６１に固定されており、この蒸気供給パイプ７５の右端はバルブハウジング６１の内部に圧入されたノズル部材７７に接続される。バルブハウジング６１とノズル部材７７の先端部とに跨がって一対の凹部８１，８１（図７参照）が１８０°の位相差をもって形成されており、そこに環状のジョイント部材７８，７８が嵌合して保持される。ノズル部材７７の中心には蒸気供給パイプ７５に連なる第１蒸気通路Ｓ１が軸方向に形成され、また第１固定軸６４の厚肉部６４ａ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。そして第１蒸気通路Ｓ１の末端部と第２蒸気通路Ｓ２，Ｓ２の半径方向内端部とが前記ジョイント部材７８，７８を介して常時連通する。前述したように、回転軸２１に固定したロータ２７に３０°間隔で保持された１２個のシリンダ３３…の小径部３３ａおよび回転軸２１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。
【００４１】
第１固定軸６４の厚肉部６４ａの外周面には一対の切欠６４ｂ，６４ｂが１８０°の位相差をもって形成されており、これら切欠６４ｂ，６４ｂは前記第３蒸気通路Ｓ３…に連通可能である。切欠６４ｂ，６４ｂと中継チャンバ１９とは、第１固定軸６４に斜めに形成した一対の第４蒸気通路Ｓ４，Ｓ４と、第１固定軸６４に軸方向に形成した第５蒸気通路Ｓ５と、バルブハウジング６１のボス部６１ａに形成した第６蒸気通路Ｓ６と、バルブハウジング６１のボス部６１ａ外周に開口する通孔６１ｃ…とを介して相互に連通する。 図５に示すように、第１ケーシング半体１２には、ロータチャンバ１４の短径方向を基準にしてロータ２７の回転方向進み側１５°の位置に、放射方向に整列した複数の吸気ポート７９…が形成される。この吸気ポート７９…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２７の回転方向遅れ側１５°〜７５°の位置に、放射方向複数列に整列した多数の排気ポート８０…が形成される。この排気ポート８０…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。
【００４２】
第２蒸気通路Ｓ２，Ｓ２および第３蒸気通路Ｓ３…、並びに第１固定軸６４の切欠６４ｂ，６４ｂおよび第３蒸気通路Ｓ３…は、第１固定軸６４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。
【００４３】
図２および図３から明らかなように、第１、第２ケーシング半体１２，１３の円形シール溝５１，５１に嵌合するリングシール５４，５４の背面に圧力室８６，８６が形成されており、第１、第２ケーシング半体１２，１３に形成された第１水通路Ｗ１は、パイプよりなる第２水通路Ｗ２および第３水通路Ｗ３を介して両圧力室８６，８６に連通する。第２ケーシング半体１３の中空軸受筒１３ｃの半径方向外側に、２個のＯリング８７，８８を備えたカバー８９で開閉されるフィルター室１３ｄが形成されており、その内部に環状のフィルター９０が収納される。第２ケーシング半体１３の第１水通路Ｗ１は、パイプよりなる第４水通路Ｗ４を介してフィルター９０の外周面に連通し、フィルター９０の内周面は第２ケーシング半体１３に形成した第５水通路Ｗ５を介して、第２ケーシング半体１３および回転軸２１間に形成した環状の第６水通路Ｗ６に連通する。そして第６水通路Ｗ６は回転軸２１の内部を軸方向に延びる１２本の第７水通路Ｗ７…、回転軸２１の外周に形成した環状溝２１ｄおよびロータコア３１の内部を半径方向に延びる１２本の第８水通路Ｗ８…を介して１２個のオリフィス形成部材４１…にそれぞれ連通する。
【００４４】
また回転軸２１の外周に形成した環状溝２１ｄは軸方向に延びる１２本の第９水通路Ｗ９…（図７参照）を介して回転軸２１の外周に形成した環状溝２１ｅに連通し、環状溝２１ｅは回転軸２１の内部を軸方向に延びる１２本の第１０水通路Ｗ１０…を介して回転軸２１ｅの左端および第１ハウジング１２間に形成した環状の第１１水通路Ｗ１１に連通する。環状の第６水通路Ｗ６および第１１水通路Ｗ１１は、軸受部材２２，２３に螺合したオリフィス形成ボルト９１…の外周のオリフィスを通過し、更に軸受部材２２，２３内に形成した第１２水通路Ｗ１２…を経て、軸受部材２２，２３内周および回転軸２１の外周間の摺動面に連通する。そして軸受部材２２，２３の内周および回転軸２１の外周間の摺動部面はドレン用の第１３水通路Ｗ１３…を経てベーン溝４３…に連通する。
【００４５】
環状の第６水通路Ｗ６は、回転軸２１に軸方向に穿設した２本の第３０水通路Ｗ３０，３０を経て、回転軸２１の中空部２１ａ内周面と第１固定軸６４の右端外周面との摺動部に連通する。第１固定軸６４の厚肉部６４ａの右側に形成されたシール溝６４ｃは第１固定軸６４の内部に斜めに穿設した第３１水通路Ｗ３１，３１を介して第５蒸気通路Ｓ５に連通する。環状の第１１水通路Ｗ１１は回転軸２１の中空部２１ａ内周面と第１固定軸６４の左端外周面との摺動部に連通しており、第１固定軸６４の厚肉部６４ａの左側に形成されたシール溝６４ｄは、第１固定軸６４を半径方向に貫通する第３２水通路Ｗ３２，３２および前記第３１水通路Ｗ３１，３１を介して第５蒸気通路Ｓ５に連通する。
【００４６】
而して、図１および図２を比較すると明らかなように、蒸発器３からの高温高圧蒸気は通路Ｐ４を経て膨張機４の蒸気供給パイプ７５に供給され、分配弁１０６の下流の減圧弁１０７からの蒸気は通路Ｐ５を経て膨張機４の中継チャンバ１９に供給され、分配弁１０６からの高温の水は通路Ｐ６を経て膨張機４の第１水通路Ｗ１に供給され、また膨張機４の排出口１７ｂからの降温降圧蒸気は通路Ｐ８に排出される。
【００４７】
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。
【００４８】
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の下流側に連なる通路Ｐ４からの高温高圧蒸気は蒸気供給パイプ７５と、ノズル部材７７に軸方向に形成した第１蒸気通路Ｓ１と、ノズル部材７７、ジョイント部材７８，７８および第１固定軸６４の厚肉部６４ａ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６および図７において、ロータ２７と一体に回転する回転軸２１が所定の位相に達すると、ロータチャンバ１４の短径位置から矢印Ｒで示すロータ２７の回転方向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３３，３３の内部に供給され、ピストン３７，３７を半径方向外側に押圧する。これらピストン３７，３７に押圧されたベーン４４，４４が半径方向外側に移動すると、ベーン４４，４４に設けた一対のローラ４５，４５と環状溝４９，４９との係合により、ピストン３７，３７の前進運動がロータ２７の回転運動に変換される。
【００４９】
ロータ２７の矢印Ｒ方向の回転に伴って第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３３，３３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３７，３７をなおも前進させ、これによりロータ２７の回転が続行される。ベーン４４，４４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３３，３３に連なる第３蒸気通路Ｓ３，Ｓ３が第１固定軸６４の切欠６４ｂ，６４ｂに連通し、ローラ４５，４５を環状溝４９，４９に案内されたベーン４４，４４に押圧されたピストン３７，３７が半径方向内側に移動することにより、シリンダ３３，３３内の蒸気は第３蒸気通路Ｓ３，Ｓ３、切欠６４ｂ，６４ｂ、第４蒸気通路Ｓ４，Ｓ４、第５蒸気通路Ｓ５、第６蒸気通路Ｓ６および通孔６１ｃ…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７５から供給された高温高圧蒸気がピストン３７，３７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４４…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。
【００５０】
また中継チャンバ１９には分配弁１０６の下流の減圧弁１０７から通路５を経て蒸気が供給され、この蒸気は前記第１の降温降圧蒸気に合流して一体に混合する。
【００５１】
中継チャンバ１９内で混合した第１の降温降圧蒸気および分配弁１０６からの蒸気は第１ケーシング半体１２の吸気ポート７９…からロータチャンバ１４内のベーン室５０、つまりロータチャンバ１４、ロータ２７および隣接する一対のベーン４４，４４により区画された空間に供給され、そこで更に膨張することによりロータ２７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８０…から排気チャンバ２０に排出され、そこから排出口１７ｂを経て凝縮器５に供給される。
【００５２】
このように、高温高圧蒸気の膨張により１２個のピストン３７…を次々に作動させてローラ４５，４５および環状溝４９，４９を介しロータ２７を回転させ、また高温高圧蒸気が降温降圧した第１の降温降圧蒸気および分配弁１０６からの蒸気の膨張によりベーン４４…を介しロータ２７を回転させることによって回転軸２１より出力が得られる。
【００５３】
次に、前記膨張機４の各摺動部の水による潤滑について説明する。尚、潤滑用の水の供給は分配弁１０６から通路Ｐ６を経てケーシング１１の第１水通路Ｗ１に供給される。
【００５４】
第１水通路Ｗ１に供給された水はパイプよりなる第２水通路Ｗ２および第３水通路Ｗ３を経て第１ケーシング半体１２および第２ケーシング半体１３の円形シール溝５１，５１の底部の圧力室８６，８６に供給され、リングシール５４，５４をロータ２７の側面に向けて付勢する。また第１水通路Ｗ１からパイプよりなる第４水通路Ｗ４に供給された水はフィルター９０で異物を濾過された後に、第２ケーシング半体１３に形成された第５水通路Ｗ５、第２ケーシング半体１３および回転軸２１間に形成された第６水通路Ｗ６、回転軸２１内に形成された第７水通路Ｗ７…、回転軸２１の環状溝２１ｄおよびロータコア３１に形成された第８水通路Ｗ８…に供給され、そこでロータ２７の回転に伴う遠心力で更に加圧されてロータセグメント３２…のオリフィス形成部材４１…に供給される。
【００５５】
各々のロータセグメント３２において、オリフィス形成部材４１を通過して底板４０の第１４水通路Ｗ１４に流出した水は、側板３９の第２２水通路Ｗ２２を通って潤滑水噴出口３９ａ…から噴出し、オリフィス形成部材４１を通過して底板４０の第１７水通路Ｗ１７に流出した水は、ブロック部材３８の第２１水通路Ｗ２１および側板３９の第２５水通路Ｗ２５を通って潤滑水噴出口３９ａ…から噴出し、オリフィス形成部材４１を通過して底板４０の第１８水通路Ｗ１８に流出した水は、側板３９の第２６水通路Ｗ２６を通って潤滑水噴出口３９ａ…から噴出し、オリフィス形成部材４１を通過して底板４０の第１９水通路Ｗ１９に流出した水は、側板３９の第２７水通路Ｗ２７を通って潤滑水噴出口３９ａ…から噴出する。側板３９の表面に開口する前記４個の潤滑水噴出口３９ａ…のうち、下側の２個はベーン４４のリセス４４ｅ，４４ｅ内に連通する。
【００５６】
オリフィス形成部材４１を通過して底板４０の第１５水通路Ｗ１５に流出した水は、側板３９の第２３水通路Ｗ２３およびブロック部材３８の第２９水通路Ｗ２９を通ってリセス３８ｃ内の潤滑水噴出口３８ｅから噴出し、オリフィス形成部材４１を通過して底板４０の第１６水通路Ｗ１６に流出した水は、ブロック部材３８の第２０水通路Ｗ２０、側板３９の第２４水通路Ｗ２４およびブロック部材３８の第２８水通路Ｗ２８を通ってリセス３８ｂ内の潤滑水噴出口３８ｄから噴出する。
【００５７】
而して、各々のロータセグメント３２の側板３９の潤滑水噴出口３９ａ…からベーン溝４３内に噴出した水は、ベーン溝４３に摺動自在に嵌合するベーン４４との間に静圧軸受けを構成して該ベーン４４を浮動状態で支持し、ロータセグメント３２の側板３９とベーン４４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４４の摺動面を潤滑する水をロータ２７の内部に放射状に設けた第８水通路Ｗ８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２７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。
【００５８】
ところで、各々のベーン４４に加わる円周方向の荷重（板状のベーン４４に対して直交する方向の荷重）には、ロータチャンバ１４内のベーン４４の前後面に加わる蒸気圧の差圧による荷重と、ベーン４４に設けたローラ４５，４５が環状溝４９，４９から受ける反力の前記円周方向の成分との合力になるが、それらの荷重はロータ２７の位相に応じて周期的に変化する。従って、この偏荷重を受けたベーン４４はベーン溝４３内で傾くような挙動を周期的に示すことになる。
【００５９】
このようにして前記偏荷重でベーン４４が傾くと、両側のロータセグメント３２の側板３９，３９に開口する各４個の潤滑水吐出孔３９ａ…とベーン４４との隙間が変化するため、隙間が広がった部分の水膜が流失してしまい、かつ隙間が狭まった部分に水が供給され難くなるために摺動部に圧力が立たなくなり、ベーン４４が側板３９，３９の摺動面に直接接触して摩耗が発生する可能性がある。しかしながら、本実施例によれば、ロータセグメント３２に設けたオリフィス形成部材４１により潤滑水吐出孔３９ａ…にオリフィスを介して水が供給されるため、上記不具合が解消される。
【００６０】
即ち、潤滑水吐出孔３９ａ…とベーン４４との隙間が広がった場合、水の供給圧力が一定であるので、定常状態でオリフィスの前後に発生する一定の差圧に対し、前記隙間からの流出量の増大により水の流量が増大することにより、オリフィス効果でオリフィスの前後の差圧が増大して前記隙間の圧力が減少することとなり、その結果、広がった隙間を狭めて元に戻す力が発生する。また潤滑水吐出孔３９ａ…とベーン４４との隙間が狭まった場合、前記隙間からの流出量が減少してオリフィスの前後の差圧が減少するため、その結果、前記隙間の圧力が増大して狭まった隙間を広げて元に戻す力が発生する。
【００６１】
このように、ベーン４４に加わる荷重で潤滑水吐出孔３９ａ…とベーン４４との隙間が変化しても、その隙間の大きさの変化に応じて該隙間に供給される水の圧力をオリフィスが自動的に調整するので、ベーン４４および両側のロータセグメント３２の側板３９，３９間のクリアランスを所望の大きさに安定して維持することができる。これにより、ベーン４４および側板３９，３９間に常時水膜を保持してベーン４４を浮動状態で支持し、ベーン４４が側板３９，３９の摺動面に固体接触して摩耗が発生するのを確実に回避することができる。
【００６２】
またベーン４４の両面に各２個ずつ形成されたリセス４４ｅ，４４ｅに水が保持されるため、このリセス４４ｅ，４４ｅ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、一対の側板３９，３９の摺動面に挟まれたベーン４４が水によって浮動状態になり、摺動抵抗を皆無に近い状態まで低減することが可能になる。またベーン４４が往復運動するとロータ２７に対するベーン４４の半径方向の相対位置が変化するが、前記リセス４４ｅ，４４ｅは側板３９，３９側でなくベーン４４側に設けられており、かつベーン４４に最も荷重の掛かるローラ４５，４５の近傍に設けられているため、往復運動するベーン４４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。
【００６３】
尚、側板３９，３９に対するベーン４４の摺動面を潤滑した水は遠心力で半径方向外側に移動し、ベーン４４の円弧面４４ｂに設けたシール部材４６とロータチャンバ１４の円弧面１４ｂとの摺動部を潤滑する。そして潤滑を終えた水は、ロータチャンバ１４から排気ポート８０…を介して排気チャンバ２０に排出される。
【００６４】
側板３９，３９とベーン４４との摺動面を潤滑した後にロータチャンバ１４に流入した水のうち、ロータチャンバ１４の膨張行程のベーン室５０…に流入した水は、そこで高温の蒸気と混合して蒸気化することで膨張機４の出力を増加させる。
【００６５】
図１３に示すグラフの横軸はベーン室５０に水が供給されるタイミング（位相）であり、縦軸は膨張機４の出力の増加量である。また摺動面を介してベーン室５０に供給される水の圧力は２ＭＰａであり、蒸発器３から通路Ｐ４を経て膨張機４のベーン室５０に供給される水の量に対する、摺動面を介してベーン室５０に供給される水の量の比率は６０％である。図１３には摺動面を介してベーン室５０に供給される水の温度が５０℃、１００℃、２００℃の場合が示されており、水の温度が高いほど膨張機４の出力の増加量が大きくなり、かつ出力の増加量がピークになる位相が早まることが分かる。
【００６６】
図１４に示すグラフの横軸および縦軸は前記図１３に示すグラフと同じであり、蒸発器３から通路Ｐ４を経て膨張機４のベーン室５０に供給される水の量に対する、摺動面を介してベーン室５０に供給される水の量の比率が、０％、２０％、４０％、６０％の場合が示されている。ここで、摺動面を介してベーン室５０に供給される水の圧力は２ＭＰａ、温度は２００℃で一定である。摺動面を介してベーン室５０に供給される水の量の比率が増加すると膨張機４の出力の増加量が増加するが、出力の増加量のがピークになる位相は常に一定で変化しないことが分かる。
【００６７】
前述したように、第１ケーシング半体１２および第２ケーシング半体１３の円形シール溝５１，５１の底部の圧力室８６，８６に水を供給してリングシール５４，５４をロータ２７の側面に向けて付勢し、かつ各々のロータセグメント３２のリセス３８ｂ，３８ｃの内部に形成した潤滑水噴出口３８ｄ，３８ｅから水を噴出してロータチャンバ１４の平坦面１４ａ，１４ａとの摺動面に静圧軸受けを構成することにより、円形シール溝５１，５１の内部で浮動状態にあるリングシール５４，５４でロータ２７の平坦面２７ａ，２７ａをシールすることができ、その結果ロータチャンバ１４内の蒸気がロータ２７との隙間を通ってリークするのを防止することができる。このとき、リングシール５４，５４とロータ２７とは潤滑水噴出口３８ｄ，３８ｅから供給された水膜で隔絶されて固体接触することがなく、またロータ２７が傾いても、それに追従して円形シール溝５１，５１内のリングシール５４，５４が傾くことにより、摩擦力を最小限に抑えながら安定したシール性能を確保することができる。
【００６８】
尚、リングシール５４，５４とロータ２７との摺動部を潤滑した水は、遠心力でロータチャンバ１４に供給され、そこから排気ポート８０…を経て排気チャンバ２０に排出される。
【００６９】
一方、第６水通路Ｗ６から供給された水は、軸受部材２３のオリフィス形成ボルト９１…の外周に形成されたオリフィスおよび第１２水通路Ｗ１２…を経て、軸受部材２３内周および回転軸２１外周の摺動面に水膜を形成し、その水膜によって回転軸２１の右半部の外周を浮動状態で支持することにより、回転軸２１と軸受部材２３との固体接触を防止して焼き付きや摩耗が発生しないように潤滑する。第６水通路Ｗ６から回転軸２１に形成した第７水通路Ｗ７…、第９水通路Ｗ９…、第１０水通路Ｗ１０…および第１１水通路Ｗ１１に供給された水は、軸受部材２２のオリフィス形成ボルト９１…の外周に形成されたオリフィスおよび第１２水通路Ｗ１２…を経て、軸受部材２２内周および回転軸２１外周の摺動面に水膜を形成し、その水膜によって回転軸２１の左半部の外周を浮動状態で支持することにより、回転軸２１と軸受部材２２との固体接触を防止して焼き付きや摩耗が発生しないように潤滑する。両軸受部材２２，２３の摺動面を潤滑した水は、その内部に形成した第１３水通路Ｗ１３…を経てベーン溝４３…に排出される。
【００７０】
尚、ベーン溝４３…に溜まった水はベーン４４…の底部とベーン４４…の一側面とを接続する水排出通路４４ｇ…に流入するが、この水排出通路４４ｇ…はベーン４４…がロータ２７から最も突出する所定角度範囲でロータチャンバ１４に開口するため、ベーン溝４３…とロータチャンバ１４との圧力差によりベーン溝４３…内の水は水排出通路４４ｇ…を経てロータチャンバ１４に排出される。
【００７１】
また第６水通路Ｗ６から回転軸２１に形成した第３０水通路Ｗ３０…を経て供給された水は、第１固定軸６４外周および回転軸２１内周の摺動面の右半部を潤滑し、第１固定軸６４のシール溝６４ｃから第３１水通路Ｗ３１，Ｗ３１を経て第５蒸気通路Ｓ５に排出される。更に、前記第１１水通路Ｗ１１からの水は、第１固定軸６４外周および回転軸２１内周の摺動面の左半部を潤滑し、第１固定軸６４のシール溝６４ｄから第３１水通路Ｗ３１を経て第５蒸気通路Ｓ５に排出される。
【００７２】
以上のように、膨張機４のロータ２７をロータコア３１と複数のロータセグメント３２…とに分割して構成したので、ロータ２７のベーン溝４３…の寸法精度を容易に高めることができる。即ち、単体のロータ２７においてベーン溝４３…の溝幅を精度良く加工して摺動面を面粗度を高めることは極めて困難であるが、予め製作した複数のロータセグメント３２…をロータコア３１に組み付けることにより上記問題を解決することができる。しかも複数のロータセグメント３２…の組み付けにより誤差が集積されても、最後の１個のロータセグメント３２の寸法を調整することにより前記誤差の集積を吸収して全体として高精度のロータ２７を得ることができる。
【００７３】
また高温高圧蒸気が供給される内側のロータコア３１と、比較的に低温である外側のロータセグメント３２…とを別部材で構成したので、高温のロータコア３１からロータセグメント３２…への熱伝導を抑制することができ、ロータ２７外部への熱の放散を防止して熱効率を高めることが可能となるだけでなく、ロータ２７の熱変形を緩和して精度を高めることができる。しかもロータコア３１およびロータセグメント３２…の各々の機能に見合った材質や加工方法を選択できるので設計自由度や加工方法の自由度が増加し、ロータセグメント３２…およびベーン４４…の摺動面の摩耗軽減、耐久性の向上、シール性の向上を図ることができる。更にロータ２７の一部に不具合が生じた場合でも、その一部を交換するだけで補修することができるので、ロータ２７全体を交換あるいは廃棄する場合に比べてコストの削減に寄与することができる。
【００７４】
次に、ランキンサイクル装置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。
【００７５】
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。
【００７６】
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７５に供給されてシリンダ３３…およびベーン室５０…を通過して回転軸２１を駆動した後に排出口１７ｂから排出される。
【００７７】
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７５から供給されてシリンダ３３…を通過した第１の降温降圧蒸気と合流し、回転軸２１を駆動した後に排出口１７ｂから排出される。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５０…に入った水は、ベーン室５０…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の排出口１７ｂ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１９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。
【００７８】
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に戻すランキンサイクル装置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、ランキンサイクル装置２の水循環経路と高圧小流量としたので、内燃機関１の冷却系およびランキンサイクル装置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、ランキンサイクル装置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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
例えば、実施例では作動媒体として水（蒸気）を例示したが、本発明ではアンモニア等の他の任意の作動媒体を採用することができる。但し、水は炭化等の組成変化なしに使用できる温度領域が広いことから作動媒体兼潤滑媒体として好適であり、膨張機４に供給される作動媒体としての高温の蒸気と、内燃機関１のウオータジャケット１０５から排出される比較的に低温の潤滑媒体としての水とを支障なく混合することができる。
【００８２】
【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、タンク内の液相作動媒体を低圧ポンプで内燃機関の冷却手段に供給して該内燃機関の発熱部を冷却した後、冷却手段を出た液相作動媒体の一部を分配弁から高圧ポンプに供給して加圧した状態でランキンサイクル装置の蒸発器に供給するとともに、冷却手段を出た液相作動媒体の他の一部を分配弁から補機に供給し、ランキンサイクル装置の膨張機を出て凝縮器を介して液化した液相作動媒体と補機で放熱した液相作動媒体とをタンクに戻すので、ランキンサイクル装置の液相作動媒体循環系統と内燃機関の冷却手段の液相作動媒体循環系統とを統合しながら、ランキンサイクル装置および冷却手段にそれぞれ適した流量および圧力の液相作動媒体を供給することが可能となり、ランキンサイクル装置の性能を維持しながら内燃機関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。しかも分配弁で分配された加熱された液相作動媒体の一部は膨張機の潤滑媒体として使用されるので、低温の潤滑媒体による膨張機の温度低下を防止して膨張仕事の低減を抑制し、内燃機関の廃熱回収効率を高めることができる。
【００８３】
また請求項２に記載された発明によれば、低圧ポンプから冷却手段に供給される液相作動媒体を排気管に設けた熱交換器で予熱するので、排気ガスの廃熱を一層有効に利用することができるだけでなく、内燃機関の低温時に冷却手段を通過する液相作動媒体による過冷却の発生を防止して内燃機関の暖機を促進することができる。
【００８４】
また請求項３に記載された発明によれば、潤滑媒体として供給された液相作動媒体の一部を膨張機の膨張行程に気相作動媒体として供給するので、潤滑媒体としての液相作動媒体が持つ熱エネルギーを有効利用して膨張機の出力を増加させることができる。
【００８５】
また請求項４に記載された発明によれば、分配弁から分配される加熱された液相作動媒体を減圧弁で気相作動媒体に変換して膨張機の膨張行程に供給するので、液相作動媒体が内燃機関の発熱部から受け取った熱エネルギーを有効利用して膨張機の出力を増加させることができる。
【００８６】
また請求項５に記載された発明によれば、炭化等の組成変化なしに使用できる温度領域が広い水を液相作動媒体として使用するので、膨張機に供給される高温状態の気相作動媒体と内燃機関の冷却手段から排出される低温状態の液相作動媒体とを支障なく融合することができ、しかも潤滑媒体として水を使用した場合に作動媒体および潤滑媒体を支障なく混合することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 内燃機関のランキンサイクル装置の概略図
【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】 図２の５−５線断面図
【図６】 図４の一部拡大図
【図７】 図３の７−７線拡大断面図
【図８】 ロータチャンバおよびロータの断面形状を示す模式図
【図９】 ロータの分解斜視図
【図１０】 ロータセグメントの分解斜視図
【図１１】 ベーンの分解斜視図
【図１２】 回転バルブの分解斜視図
【図１３】 膨張機の膨張行程に潤滑水を供給する位相に対する膨張機の出力の増加量の関係を、潤滑水の温度毎に示すグラフ
【図１４】 膨張機の膨張行程に潤滑水を供給する位相に対する膨張機の出力の増加量の関係を、潤滑水の供給量毎に示すグラフ
【符号の説明】
１ 内燃機関
３ 蒸発器
４ 膨張機
５ 凝縮器
６ タンク
７ 低圧ポンプ（ポンプ）
８ 高圧ポンプ（ポンプ）
１０１ 排気管
１０２ 熱交換器
１０５ ウオータジャケット（冷却手段）
１０６ 分配弁
１０７ 減圧弁
１１０ 補機

Claims (5)

1. 内燃機関（１）の廃熱で液相作動媒体を加熱して気相作動媒体を発生させる蒸発器（３）と、蒸発器（３）が排出した気相作動媒体の熱エネルギーを機械エネルギーに変換する膨張機（４）と、膨張機（４）が排出した気相作動媒体を冷却して液相作動媒体に戻す凝縮器（５）と、凝縮器（５）が排出した液相作動媒体を貯留するタンク（６）と、タンク（６）内の液相作動媒体を蒸発器（３）に供給するポンプ（７，８）とを備えた内燃機関のランキンサイクル装置において、
   前記ポンプ（７，８）は低圧ポンプ（７）および高圧ポンプ（８）からなり、前記低圧ポンプ（７）はタンク（６）内の液相作動媒体を内燃機関（１）の冷却手段（１０５）を通過させることで加熱して分配弁（１０６）に供給し、分配弁（１０６）で分配された液相作動媒体の一部は前記高圧ポンプ（８）で加圧されて蒸発器（３）に供給され、分配弁（１０６）で分配された液相作動媒体の他の一部は補機（１１０）において放熱した後にタンク（６）に排出され、分配弁（１０６）で分配された加熱された液相作動媒体の一部は膨張機（４）の潤滑媒体として使用されることを特徴とする内燃機関のランキンサイクル装置。
2. 低圧ポンプ（７）から出た液相作動媒体は内燃機関（１）の排気管（１０１）に設けた熱交換器（１０２）で予熱されて冷却手段（１０５）に供給されることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関のランキンサイクル装置。
3. 潤滑媒体として供給された液相作動媒体の一部を膨張機（４）の膨張行程に供給することを特徴とする、請求項２に記載の内燃機関のランキンサイクル装置。
4. 分配弁（１０６）から分配される加熱された液相作動媒体の一部を減圧弁（１０７）を通過させて気相作動媒体に変換し、この気相作動媒体を膨張機（４）の膨張行程に供給することを特徴とする、請求項２に記載の内燃機関のランキンサイクル装置。
5. 液相作動媒体として水を使用することを特徴とする、請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の内燃機関のランキンサイクル装置。

Images