JP5986453B2 - Brayton cycle engine - Google Patents

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Description

本発明は、ブレイトンサイクル機関に関する。   The present invention relates to a Brayton cycle engine.

従来、排熱回生のためのブレイトンサイクル機関に関する技術文献として、例えば下記の特許文献1が知られている。特許文献1には、作動媒体を圧縮するスクロール型圧縮器と、作動媒体を膨張させるスクロール型膨張器と、を備えたスクロール型のブレイトンサイクル機関が示されている。   Conventionally, for example, the following Patent Document 1 is known as a technical document related to a Brayton cycle engine for exhaust heat regeneration. Patent Document 1 discloses a scroll-type Brayton cycle engine including a scroll-type compressor that compresses a working medium and a scroll-type expander that expands the working medium.

国際公開WO2005/080756号パンフレットInternational Publication WO2005 / 080756 Pamphlet

ところで、ブレイトンサイクル機関においては、排熱回生の効率の向上だけではなく、少ないスペースで配置するための小型化及び一体化が強く望まれている。この点、従来のブレイトンサイクル機関には未だ改善の余地がある。   By the way, in the Brayton cycle engine, not only the improvement of the efficiency of exhaust heat regeneration but also the downsizing and integration for arranging in a small space are strongly desired. In this regard, the conventional Brayton cycle engine still has room for improvement.

そこで、本発明は、排熱回生の効率を向上させることができ、小型化及び一体化に有利なブレイトンサイクル機関を提供することを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide a Brayton cycle engine that can improve the efficiency of exhaust heat regeneration and is advantageous for downsizing and integration.

上記課題を解決するため、本発明は、ケーシング内に配置された複数のスクリューロータを有するブレイトンサイクル機関であって、一体的に回転する第1の基準スクリューロータ及び第2の基準スクリューロータと、第1の基準スクリューロータと噛み合った状態で回転することにより、作動媒体が圧縮されながら運ばれる圧縮スクリューロータと、第2の基準スクリューロータと噛み合った状態で回転することにより、作動媒体が膨張しながら運ばれる膨張スクリューロータと、圧縮スクリューロータにおいて圧縮された作動媒体が加熱器に向かって流れる第1流路、及び、膨張スクリューロータにおいて膨張した作動媒体が冷却器に向かって流れる第2流路を有する再生器と、を備え、ケーシング内には、第1の基準スクリューロータ及び圧縮スクリューロータが配置された圧縮室と、第2の基準スクリューロータ及び膨張スクリューロータが配置された膨張室とが形成されており、第1の基準スクリューロータ及び第2の基準スクリューロータは、圧縮室と膨張室の両方にわたって延在する基準回転軸と一体的に回転し、加熱器は、ケーシングの膨張室側で、ケーシングから見て基準回転軸の延在方向と直交する方向に配置され、冷却器は、ケーシングの圧縮室側で、ケーシングから見て基準回転軸の延在方向と直交する方向に配置され、再生器は、ケーシングから見て基準回転軸の延在方向と直交する方向であって加熱器及び冷却器と異なる方向に配置され、ケーシングの圧縮室及び膨張室の両方にわたって延在し、再生器内では、圧縮された作動媒体と膨張した作動媒体とが対向する方向に流れることを特徴とする。 In order to solve the above problems, the present invention is a Brayton cycle engine having a plurality of screw rotors arranged in a casing, the first reference screw rotor and the second reference screw rotor rotating integrally, By rotating in a state of being engaged with the first reference screw rotor, the working medium is expanded by rotating in a state of being engaged with the compression screw rotor in which the working medium is compressed and being engaged with the second reference screw rotor. An expansion screw rotor that is carried while the working medium compressed in the compression screw rotor flows toward the heater, and a second flow path that the working medium expanded in the expansion screw rotor flows toward the cooler and a regenerator having, in a casing, a first reference screw rotor And a compression chamber in which a compression screw rotor is arranged, and an expansion chamber in which a second reference screw rotor and an expansion screw rotor are arranged, and the first reference screw rotor and the second reference screw rotor are: The heater rotates integrally with the reference rotation shaft extending over both the compression chamber and the expansion chamber, and the heater is arranged on the expansion chamber side of the casing in a direction orthogonal to the extending direction of the reference rotation shaft as viewed from the casing. The cooler is arranged on the compression chamber side of the casing in a direction orthogonal to the extending direction of the reference rotation shaft as viewed from the casing, and the regenerator is a direction orthogonal to the extending direction of the reference rotation shaft as viewed from the casing. a is disposed to the heater and cooler different directions, it extends over both of the compression chambers and expansion chamber of the casing, operating medium in the regenerator, inflated with compressed working medium DOO, characterized in that the flow in opposite directions.

本発明に係るブレイトンサイクル機関によれば、複数のスクリューロータを用いて作動媒体の圧縮又は膨張を行う構成とすることで、従来のブレイトンサイクル機関と比べて構成を一体的に配置することができ、小型化に有利である。しかも、このブレイトンサイクル機関によれば、圧縮された作動媒体と膨張した作動媒体とが互いに対向する方向に流れる熱交換器を備えることで、加熱器に入る前の低温の作動媒体と冷却器に入る前の高温の作動媒体の熱交換を効率的に行うことができるので、排熱回生の効率を向上させることができる。従って、このブレイトンサイクル機関によれば、排熱回生の効率を向上させることができ、小型化及び一体化に有利である。   According to the Brayton cycle engine according to the present invention, the configuration can be integrally arranged as compared with the conventional Brayton cycle engine by adopting a configuration in which the working medium is compressed or expanded using a plurality of screw rotors. This is advantageous for downsizing. Moreover, according to this Brayton cycle engine, the heat exchanger in which the compressed working medium and the expanded working medium flow in directions opposite to each other is provided, so that the low-temperature working medium and the cooler before entering the heater can be provided. Since heat exchange of the high-temperature working medium before entering can be performed efficiently, the efficiency of exhaust heat regeneration can be improved. Therefore, according to this Brayton cycle engine, the efficiency of exhaust heat regeneration can be improved, which is advantageous for downsizing and integration.

本発明に係るブレイトンサイクル機関においては、圧縮スクリューロータの回転軸又は第1の基準スクリューロータの回転軸に接続された発電機を更に備え、発電機は冷却器により冷却されていてもよい。
このブレイトンサイクル機関によれば、発電機を備えることによりスクリューロータの回転動力を電力として取り出すことが可能となる。また、このブレイトンサイクル機関では、圧縮スクリューロータ又は第1の基準スクリューロータの回転軸に発電機を接続する構成とすることで、圧縮スクリューロータ近傍に配置される冷却器による発電機の冷却ができる。この構成によれば、発電機の冷却用配管を短くすることができるので、ブレイトンサイクル機関の小型化にも寄与する。
The Brayton cycle engine according to the present invention may further include a generator connected to the rotating shaft of the compression screw rotor or the rotating shaft of the first reference screw rotor, and the generator may be cooled by a cooler .
According to this Brayton cycle engine, it becomes possible to take out the rotational power of a screw rotor as electric power by providing a generator. In this Brayton cycle engine, the generator is connected to the rotating shaft of the compression screw rotor or the first reference screw rotor so that the generator can be cooled by a cooler disposed in the vicinity of the compression screw rotor. The According to this configuration, the cooling pipe of the generator can be shortened, which contributes to the downsizing of the Brayton cycle engine.

本発明に係るブレイトンサイクル機関においては、圧縮スクリューロータの回転軸と膨張スクリューロータの回転軸は、同一軸線上に配置されていてもよい。
このブレイトンサイクル機関によれば、圧縮スクリューロータ及び膨張スクリューロータの回転軸を同一軸線上に配置することで、各回転軸をずらして配置する場合と比べてケーシングの構成を簡素化することができ、機関の小型化及び一体化に有利である。
In the Brayton cycle engine according to the present invention, the rotation shaft of the compression screw rotor and the rotation shaft of the expansion screw rotor may be arranged on the same axis.
According to this Brayton cycle engine, by arranging the rotation shafts of the compression screw rotor and the expansion screw rotor on the same axis line, the configuration of the casing can be simplified as compared with the case where the rotation shafts are shifted and arranged. This is advantageous for downsizing and integration of the engine.

本発明に係るブレイトンサイクル機関においては、圧縮スクリューロータ及び膨張スクリューロータは、共通の回転軸を有してもよい。
このブレイトンサイクル機関によれば、圧縮スクリューロータ及び膨張スクリューロータの回転軸を共通とすることで、回転軸の軸方向力を受けるスラスト軸受けの個数を減らすことができるので、機関の構成の簡素化及び低コスト化に有利である。
In the Brayton cycle engine according to the present invention, the compression screw rotor and the expansion screw rotor may have a common rotating shaft.
According to this Brayton cycle engine, since the rotation shafts of the compression screw rotor and the expansion screw rotor are made common, the number of thrust bearings that receive the axial force of the rotation shaft can be reduced, so that the configuration of the engine is simplified. And it is advantageous for cost reduction.

本発明によれば、排熱回生の効率を向上させることができ、小型化及び一体化に有利なブレイトンサイクル機関を提供できる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the efficiency of exhaust heat regeneration can be improved and the Brayton cycle engine advantageous to size reduction and integration can be provided.

第1の実施形態に係るブレイトンサイクル機関を示す概略平面図である。1 is a schematic plan view showing a Brayton cycle engine according to a first embodiment. 図1のブレイトンサイクル機関を示す概略側面図である。It is a schematic side view which shows the Brayton cycle engine of FIG. 回転軸方向から見た図1のブレイトンサイクル機関を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the Brayton cycle engine of FIG. 1 seen from the rotating shaft direction. 第2の実施形態に係るブレイトンサイクル機関を示す概略平面図である。It is a schematic plan view which shows the Brayton cycle engine which concerns on 2nd Embodiment. 図4のブレイトンサイクル機関を示す概略側面図である。It is a schematic side view which shows the Brayton cycle engine of FIG. (a)図4のVIa−VIa線に沿った概略断面図である。(b)図4のVIb−VIb線に沿った概略断面図である。(A) It is a schematic sectional drawing in alignment with the VIa-VIa line | wire of FIG. (B) It is a schematic sectional drawing in alignment with the VIb-VIb line | wire of FIG. 第3の実施形態に係るブレイトンサイクル機関を示す概略平面図である。It is a schematic plan view which shows the Brayton cycle engine which concerns on 3rd Embodiment.

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。   DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, in each figure, the same code | symbol is attached | subjected to the same or an equivalent part, and the overlapping description is abbreviate | omitted.

[第1の実施形態]
図1〜図3に示す第1の実施形態のブレイトンサイクル機関1は、車両に搭載され、作動媒体の循環によりエンジンの排熱を回生するスクリュー式の外燃機関である。作動媒体は、ヘリウムHe等の比熱比の大きな媒体が望ましい。
[First Embodiment]
The Brayton cycle engine 1 according to the first embodiment shown in FIGS. 1 to 3 is a screw-type external combustion engine that is mounted on a vehicle and regenerates exhaust heat of the engine by circulation of a working medium. The working medium is preferably a medium having a large specific heat ratio such as helium He.

ブレイトンサイクル機関1は、ケーシング2に収容された複数のスクリューロータ3〜5と、スクリューロータ3〜5によって圧縮又は膨張される作動媒体の加熱・冷却を行う加熱器6及び冷却器7と、加熱器6又は冷却器7に流れる作動媒体の熱交換を行う再生器(熱交換器)8と、スクリューロータ3〜5の回転動力を電力に変える発電機9を備えている。   The Brayton cycle engine 1 includes a plurality of screw rotors 3 to 5 housed in a casing 2, a heater 6 and a cooler 7 that heat and cool a working medium compressed or expanded by the screw rotors 3 to 5, and heating A regenerator (heat exchanger) 8 that performs heat exchange of the working medium flowing in the cooler 6 or the cooler 7 and a generator 9 that converts the rotational power of the screw rotors 3 to 5 into electric power.

スクリューロータ3〜5は、基準スクリューロータ3、圧縮スクリューロータ4、膨張スクリューロータ5に分けられる。以下、順に説明を行う。   The screw rotors 3 to 5 are divided into a reference screw rotor 3, a compression screw rotor 4, and an expansion screw rotor 5. Hereinafter, description will be made in order.

基準スクリューロータ3は、基準回転軸10、第1の基準スクリューロータ11、及び第2の基準スクリューロータ12を有する回転体である。   The reference screw rotor 3 is a rotating body having a reference rotation shaft 10, a first reference screw rotor 11, and a second reference screw rotor 12.

基準回転軸10は、水平方向に延在する軸部材であり、ケーシング2の壁に取付けられた軸受部材によって回転自在に支持されている。ケーシング2内には、作動媒体を圧縮するための圧縮室Cと作動媒体を膨張させるための膨張室Eが別々に形成されており、基準回転軸10は、隣り合う圧縮室C及び膨張室Eの両方にわたって延在している。すなわち、基準回転軸10は、圧縮室C及び膨張室Eを隔てる壁2aを貫いて延在している。なお、ケーシング2は十分な断熱性、耐久性、気密性を有する筐体である。   The reference rotation shaft 10 is a shaft member extending in the horizontal direction, and is rotatably supported by a bearing member attached to the wall of the casing 2. In the casing 2, a compression chamber C for compressing the working medium and an expansion chamber E for expanding the working medium are formed separately, and the reference rotation shaft 10 has the adjacent compression chamber C and expansion chamber E. Extends over both. That is, the reference rotation shaft 10 extends through the wall 2a separating the compression chamber C and the expansion chamber E. The casing 2 is a casing having sufficient heat insulation, durability, and airtightness.

第1の基準スクリューロータ11及び第2の基準スクリューロータ12は、スクリュー歯溝(スクリュー状の凹凸)が側面に形成された円柱状の部分である。第1の基準スクリューロータ11及び第2の基準スクリューロータ12は、基準回転軸10と一体的に回転する。   The first reference screw rotor 11 and the second reference screw rotor 12 are cylindrical portions in which screw tooth grooves (screw-like irregularities) are formed on the side surfaces. The first reference screw rotor 11 and the second reference screw rotor 12 rotate integrally with the reference rotation shaft 10.

第1の基準スクリューロータ11は、ケーシング2内の圧縮室Cに設けられており、圧縮スクリューロータ4と噛み合っている。一方、第2の基準スクリューロータ12は、ケーシング2内の膨張室Eに設けられており、膨張スクリューロータ5と噛み合っている。なお、第1の基準スクリューロータ11のスクリュー歯溝と第2の基準スクリューロータ12のスクリュー歯溝は、同一形状である必要はなく、形状やピッチが異なっていてもよい。   The first reference screw rotor 11 is provided in the compression chamber C in the casing 2 and meshes with the compression screw rotor 4. On the other hand, the second reference screw rotor 12 is provided in the expansion chamber E in the casing 2 and meshes with the expansion screw rotor 5. Note that the screw tooth groove of the first reference screw rotor 11 and the screw tooth groove of the second reference screw rotor 12 do not need to have the same shape, and may have different shapes and pitches.

圧縮スクリューロータ4は、圧縮室C内に配置され、基準回転軸10と平行に延在する回転軸4aを中心として回転する円柱状の部材である。圧縮スクリューロータ4の側面には、第1の基準スクリューロータ11と噛み合うスクリュー歯溝が形成されている。   The compression screw rotor 4 is a cylindrical member that is disposed in the compression chamber C and rotates around a rotation shaft 4 a that extends in parallel with the reference rotation shaft 10. A screw tooth groove that meshes with the first reference screw rotor 11 is formed on the side surface of the compression screw rotor 4.

圧縮スクリューロータ4は、第1の基準スクリューロータ11と噛み合った状態で回転することにより、各ロータのスクリュー歯溝により形成される間隙内の作動媒体を運びながら圧縮する。圧縮スクリューロータ4のうち第1の基準スクリューロータ11と噛み合っている部分以外は、僅かな隙間(例えばミクロン単位の隙間)を介してケーシング2に覆われている。   The compression screw rotor 4 rotates while meshing with the first reference screw rotor 11, thereby compressing the working medium in the gap formed by the screw tooth groove of each rotor. The portion other than the portion of the compression screw rotor 4 that meshes with the first reference screw rotor 11 is covered with the casing 2 through a slight gap (for example, a gap in units of microns).

圧縮室Cには、作動媒体の出入口となる圧縮室入口Q1及び圧縮室出口Q2が形成されている。圧縮室入口Q1は、圧縮室Cのうち膨張室E側の下部に形成されており、圧縮室出口Q2は、圧縮室Cのうち膨張室Eと反対側(発電機9側)の上部に形成されている。圧縮スクリューロータ4及び第1の基準スクリューロータ11は、回転軸4aの延在方向で圧縮室入口Q1から圧縮室出口Q2に向かって作動媒体を運ぶ。   In the compression chamber C, there are formed a compression chamber inlet Q1 and a compression chamber outlet Q2 which are outlets and outlets for the working medium. The compression chamber inlet Q1 is formed in the lower portion of the compression chamber C on the expansion chamber E side, and the compression chamber outlet Q2 is formed in the upper portion of the compression chamber C on the side opposite to the expansion chamber E (generator 9 side). Has been. The compression screw rotor 4 and the first reference screw rotor 11 carry the working medium from the compression chamber inlet Q1 toward the compression chamber outlet Q2 in the extending direction of the rotating shaft 4a.

圧縮スクリューロータ4のスクリュー歯溝は、作動媒体の送り方向(運び方向)に向かって第1の基準スクリューロータ11のスクリュー歯溝と形成する間隙(クリアランス)が小さくなるように形成されている。これにより、圧縮スクリューロータ4及び第2の基準スクリューロータ12の間隙内の作動媒体は、断熱性のケーシング2内で運ばれながら次第に圧縮される。   The screw tooth groove of the compression screw rotor 4 is formed so that a gap (clearance) formed with the screw tooth groove of the first reference screw rotor 11 becomes smaller in the working medium feeding direction (carrying direction). Thereby, the working medium in the gap between the compression screw rotor 4 and the second reference screw rotor 12 is gradually compressed while being conveyed in the heat insulating casing 2.

膨張スクリューロータ5は、膨張室E内に配置され、基準回転軸10と平行に延在する回転軸5aを中心として回転する円柱状の部材である。膨張スクリューロータ5の回転軸5aは、圧縮スクリューロータ4の回転軸4aから見て基準回転軸10の反対側に位置している。膨張スクリューロータ5の側面には、第2の基準スクリューロータ12と噛み合うスクリュー歯溝が形成されている。   The expansion screw rotor 5 is a cylindrical member that is disposed in the expansion chamber E and rotates around a rotation shaft 5 a that extends parallel to the reference rotation shaft 10. The rotation shaft 5 a of the expansion screw rotor 5 is located on the opposite side of the reference rotation shaft 10 when viewed from the rotation shaft 4 a of the compression screw rotor 4. A screw tooth groove that meshes with the second reference screw rotor 12 is formed on the side surface of the expansion screw rotor 5.

膨張スクリューロータ5は、第2の基準スクリューロータ12と噛み合った状態で回転することにより、各ロータのスクリュー歯溝が形成する間隙内の作動媒体を運びながら膨張させる。膨張スクリューロータ5のうち第2の基準スクリューロータ12と噛み合っている部分以外は、僅かな隙間(例えばミクロン単位の隙間)を介してケーシング2に覆われている。   The expansion screw rotor 5 rotates while meshing with the second reference screw rotor 12, thereby expanding the working medium in the gap formed by the screw tooth groove of each rotor. A portion of the expansion screw rotor 5 other than the portion engaged with the second reference screw rotor 12 is covered with the casing 2 through a slight gap (for example, a gap in units of microns).

膨張室Eには、作動媒体の出入口となる膨張室入口P1及び膨張室出口P2が形成されている。膨張室入口P1は、膨張室Eのうち圧縮室C側の下部に形成されており、膨張室出口P2は、膨張室Eのうち圧縮室Cと反対側の上部に形成されている。膨張スクリューロータ5及び第2の基準スクリューロータ12は、回転軸5aの延在方向で膨張室入口P1から膨張室出口P2に向かって作動媒体を運ぶ。すなわち、圧縮室C内の作動媒体と膨張室E内の作動媒体とは、互いに離れる方向(壁2aから離れる方向)に運ばれる。   The expansion chamber E is formed with an expansion chamber inlet P1 and an expansion chamber outlet P2 that serve as the inlet / outlet of the working medium. The expansion chamber inlet P1 is formed in the lower portion of the expansion chamber E on the compression chamber C side, and the expansion chamber outlet P2 is formed in the upper portion of the expansion chamber E opposite to the compression chamber C. The expansion screw rotor 5 and the second reference screw rotor 12 carry the working medium from the expansion chamber inlet P1 toward the expansion chamber outlet P2 in the extending direction of the rotation shaft 5a. That is, the working medium in the compression chamber C and the working medium in the expansion chamber E are conveyed in a direction away from each other (a direction away from the wall 2a).

膨張スクリューロータ5のスクリュー歯溝は、作動媒体の送り方向(運び方向)に向かって第2の基準スクリューロータ12のスクリュー歯溝と形成する間隙(クリアランス)が大きくなるように形成されている。これにより、膨張スクリューロータ5及び第2の基準スクリューロータ12の間隙内の作動媒体は、断熱性のケーシング2内で運ばれながら次第に膨張される。   The screw tooth groove of the expansion screw rotor 5 is formed such that a gap (clearance) formed with the screw tooth groove of the second reference screw rotor 12 is increased in the feed direction (carrying direction) of the working medium. Thereby, the working medium in the gap between the expansion screw rotor 5 and the second reference screw rotor 12 is gradually expanded while being conveyed in the heat insulating casing 2.

加熱器6は、回収熱源(車両のエンジンの排気ガス)により作動媒体を等圧加熱するものである。加熱器6は、ケーシング2の膨張室E側(膨張スクリューロータ5側)の下方に設けられている。加熱器6は、配管を通じてケーシング2の膨張室入口P1及び再生器8と接続されている。加熱器6の構成は、圧力変動なしに回収熱源から作動媒体に熱移動できるものであれば特に限定されず、一般的な熱交換器の構成を採用することができる。   The heater 6 heats the working medium at an equal pressure by using a recovered heat source (exhaust gas from a vehicle engine). The heater 6 is provided below the expansion chamber E side (expansion screw rotor 5 side) of the casing 2. The heater 6 is connected to the expansion chamber inlet P1 of the casing 2 and the regenerator 8 through a pipe. The configuration of the heater 6 is not particularly limited as long as it can transfer heat from the recovered heat source to the working medium without pressure fluctuation, and a general heat exchanger configuration can be adopted.

冷却器7は、冷却熱源(冷却水や空気)により作動媒体を等圧冷却するものである。冷却器7は、ケーシング2の圧縮室C側(圧縮スクリューロータ4側)の上方に設けられている。冷却器7は、配管を通じてケーシング2の圧縮室入口Q1及び再生器8と接続されている。冷却器7の構成は、圧力変動なしに作動媒体から冷却熱源に熱移動できるものであれば特に限定されず、一般的な熱交換器の構成を採用することができる。   The cooler 7 cools the working medium at a constant pressure with a cooling heat source (cooling water or air). The cooler 7 is provided above the compression chamber C side (compression screw rotor 4 side) of the casing 2. The cooler 7 is connected to the compression chamber inlet Q1 of the casing 2 and the regenerator 8 through a pipe. The configuration of the cooler 7 is not particularly limited as long as it can transfer heat from the working medium to the cooling heat source without pressure fluctuation, and a general heat exchanger configuration can be adopted.

再生器(熱交換器)8は、作動媒体が流れる第1流路8a及び第2流路8bを有しており、加熱器6又は冷却器7に向かう作動媒体を熱交換させるものである。再生器8は、ケーシング2の側方に設けられている。   The regenerator (heat exchanger) 8 includes a first flow path 8a and a second flow path 8b through which the working medium flows, and heat exchange is performed on the working medium toward the heater 6 or the cooler 7. The regenerator 8 is provided on the side of the casing 2.

第1流路8aは、圧縮スクリューロータ4で圧縮された低温の作動媒体が流れる流路であり、ケーシング2の圧縮室出口Q2と加熱器6とを結んでいる。第2流路8bは、膨張スクリューロータ5で膨張した高温の作動媒体が流れる流路であり、ケーシング2の膨張室出口P2と冷却器7とを結んでいる。   The first flow path 8 a is a flow path through which a low-temperature working medium compressed by the compression screw rotor 4 flows, and connects the compression chamber outlet Q <b> 2 of the casing 2 and the heater 6. The second flow path 8 b is a flow path through which a high-temperature working medium expanded by the expansion screw rotor 5 flows, and connects the expansion chamber outlet P <b> 2 of the casing 2 and the cooler 7.

再生器8は、第1流路8aを流れる作動媒体と第2流路8bを流れる作動媒体とが互いに対向する方向に流れるクロスフローの構成となっている。第1流路8a内の作動媒体と第2流路8b内の作動媒体は、水平方向及び上下方向のいずれも対向するように流れている。再生器8の構成は、クロスフローの構成であれば特に限定されず、一般の様々な熱交換器の構成を採用することができる。   The regenerator 8 has a cross flow configuration in which the working medium flowing through the first flow path 8a and the working medium flowing through the second flow path 8b flow in directions opposite to each other. The working medium in the first flow path 8a and the working medium in the second flow path 8b flow so as to oppose both in the horizontal direction and the vertical direction. The configuration of the regenerator 8 is not particularly limited as long as it is a cross flow configuration, and various general heat exchanger configurations can be adopted.

例えば、二重配管において、その内側流路及び外側流路の一方を第1流路8a、他方を第2流路8bとしてもよい。第1流路8a及び第2流路8bはそれぞれ一本又は複数本の配管から構成されてもよい。また、各配管は、蛇行するなどして流路同士の接触面積を増やす構成であってもよい。   For example, in a double pipe, one of the inner channel and the outer channel may be the first channel 8a and the other may be the second channel 8b. Each of the first flow path 8a and the second flow path 8b may be composed of one or a plurality of pipes. Each pipe may be configured to meander and increase the contact area between the flow paths.

発電機9は、圧縮スクリューロータ4の回転軸4aと接続されており、圧縮スクリューロータ4の回転動力を電力に変換する。これにより、排気ガスの熱エネルギーの電力回生が行われる。発電機9は、生じた電力を図示しないバッテリー等に蓄積する。発電機9は、圧縮スクリューロータ4の上方に位置する冷却器7により冷却されている。   The generator 9 is connected to the rotating shaft 4a of the compression screw rotor 4 and converts the rotational power of the compression screw rotor 4 into electric power. Thereby, the electric power regeneration of the thermal energy of the exhaust gas is performed. The generator 9 stores the generated power in a battery or the like (not shown). The generator 9 is cooled by a cooler 7 located above the compression screw rotor 4.

なお、ブレイトンサイクル機関1は、必ずしも発電機9を備える必要はなく、スクリューロータ3〜5の回転を動力として出力してもよい。この場合、動力の出力は、いずれの回転軸からも行うことができる。   The Brayton cycle engine 1 does not necessarily include the generator 9, and may output the rotation of the screw rotors 3 to 5 as power. In this case, power can be output from any rotating shaft.

また、発電機9は、圧縮スクリューロータ4の回転軸4aではなく、第1の基準スクリューロータ11の基準回転軸10に接続されていてもよい。この場合においても、発電機9を圧縮室C側に配置することで、冷却器7との距離を短くして効果的な冷却が行える。   Further, the generator 9 may be connected to the reference rotation shaft 10 of the first reference screw rotor 11 instead of the rotation shaft 4 a of the compression screw rotor 4. Even in this case, by disposing the generator 9 on the compression chamber C side, the distance from the cooler 7 can be shortened and effective cooling can be performed.

次に、ブレイトンサイクル機関1における排熱回生について図面を参照して説明する。   Next, exhaust heat regeneration in the Brayton cycle engine 1 will be described with reference to the drawings.

図1〜図3に示されるように、ブレイトンサイクル機関1では、車両のエンジンから排出された排気ガスが回収熱源として加熱器6に送られ、加熱器6において作動媒体が等圧加熱される。   As shown in FIGS. 1 to 3, in the Brayton cycle engine 1, exhaust gas discharged from the vehicle engine is sent to the heater 6 as a recovery heat source, and the working medium is heated at an equal pressure in the heater 6.

加熱器6において加熱された作動媒体は、ケーシング2の膨張室入口P1から膨張室E内へ送られる。膨張室Eでは、膨張スクリューロータ5及び第2の基準スクリューロータ12の回転により作動媒体は膨張しながら膨張室出口P2へ向かって運ばれる。   The working medium heated in the heater 6 is sent from the expansion chamber inlet P1 of the casing 2 into the expansion chamber E. In the expansion chamber E, the working medium is conveyed toward the expansion chamber outlet P2 while being expanded by the rotation of the expansion screw rotor 5 and the second reference screw rotor 12.

膨張室Eでは、膨張の過程において作動媒体に与えられた熱エネルギーが動力として回収される。動力の一部は、基準スクリューロータ3及び圧縮スクリューロータ4の回転に使用され、残りは発電機9によって電力に変換される。   In the expansion chamber E, thermal energy given to the working medium in the expansion process is recovered as power. A part of the power is used to rotate the reference screw rotor 3 and the compression screw rotor 4, and the rest is converted into electric power by the generator 9.

断熱性のケーシング2内で膨張した高温の作動媒体は、膨張室出口P2から送り出された後、再生器8の第2流路8bを流れて上方の冷却器7へと向かう。このとき、第2流路8b流れる高温の作動媒体と第1流路8aを流れる低温の作動媒体との間で熱交換が行われる。   The high-temperature working medium expanded in the heat insulating casing 2 is sent out from the expansion chamber outlet P2, and then flows through the second flow path 8b of the regenerator 8 toward the upper cooler 7. At this time, heat exchange is performed between the high temperature working medium flowing through the second flow path 8b and the low temperature working medium flowing through the first flow path 8a.

冷却器7では、冷却水等の冷却熱源と熱交換することで作動媒体が等圧冷却される。冷却器7において冷却された作動媒体は、ケーシング2の圧縮室入口Q1から圧縮室C内へ送られる。   In the cooler 7, the working medium is cooled at an equal pressure by exchanging heat with a cooling heat source such as cooling water. The working medium cooled in the cooler 7 is sent from the compression chamber inlet Q1 of the casing 2 into the compression chamber C.

圧縮室Cでは、圧縮スクリューロータ4及び第1の基準スクリューロータ11の回転により作動媒体は圧縮されながら圧縮室出口Q2へ向かって運ばれる。断熱性のケーシング2内で圧縮される低温の作動媒体は、圧縮室出口Q2から送り出された後、再生器8の第1流路8aを流れて下方の加熱器6へと向かう。このとき、第1流路8aを流れる高温の作動媒体と第2流路8b流れる低温の作動媒体との間で熱交換が行われる。その後、加熱器6へと入り込んだ作動媒体は加熱され、再び循環を行う。   In the compression chamber C, the working medium is conveyed toward the compression chamber outlet Q2 while being compressed by the rotation of the compression screw rotor 4 and the first reference screw rotor 11. The low-temperature working medium compressed in the heat insulating casing 2 is sent out from the compression chamber outlet Q2, and then flows through the first flow path 8a of the regenerator 8 toward the heater 6 below. At this time, heat exchange is performed between the high temperature working medium flowing through the first flow path 8a and the low temperature working medium flowing through the second flow path 8b. Thereafter, the working medium that has entered the heater 6 is heated and circulated again.

以上説明した第1の実施形態に係るブレイトンサイクル機関1によれば、複数のスクリューロータ3〜5を用いて作動媒体の圧縮又は膨張を行う構成とすることで、従来のブレイトンサイクル機関と比べて、構成を一体的に配置することができ、小型化に有利である。   According to the Brayton cycle engine 1 according to the first embodiment described above, the working medium is compressed or expanded by using a plurality of screw rotors 3 to 5, compared with the conventional Brayton cycle engine. The structure can be arranged integrally, which is advantageous for downsizing.

しかも、このブレイトンサイクル機関1では、圧縮された作動媒体と膨張した作動媒体とが互いに対向する方向に流れる再生器8を備えることで、加熱器6に入る前の作動媒体と冷却器7に入る前の作動媒体の熱交換を効率的に行うことができるので、排熱回生の効率を向上させることができる。従って、このブレイトンサイクル機関1によれば、排熱回生の効率を向上させることができ、小型化及び一体化に有利である。   Moreover, the Brayton cycle engine 1 includes the regenerator 8 in which the compressed working medium and the expanded working medium flow in directions opposite to each other, thereby entering the working medium and the cooler 7 before entering the heater 6. Since heat exchange of the previous working medium can be performed efficiently, the efficiency of exhaust heat regeneration can be improved. Therefore, according to the Brayton cycle engine 1, the efficiency of exhaust heat regeneration can be improved, which is advantageous for downsizing and integration.

また、このブレイトンサイクル機関1によれば、加熱器6及び冷却器7がケーシング2の上下に独立して設けられると共に、再生器8がケーシング2の側方に設けられることで、配管設計を最短にすることができる。このことは、ブレイトンサイクル機関1の小型化及び一体化に有利である。   Further, according to the Brayton cycle engine 1, the heater 6 and the cooler 7 are provided independently on the upper and lower sides of the casing 2, and the regenerator 8 is provided on the side of the casing 2, so that the piping design is minimized. Can be. This is advantageous for downsizing and integration of the Brayton cycle engine 1.

また、このブレイトンサイクル機関1によれば、発電機9を備えることにより圧縮スクリューロータ4の回転を電力として取り出すことが可能となる。更に、このブレイトンサイクル機関1では、発電機9を圧縮スクリューロータ4の回転軸4aに接続する構成とすることで、圧縮スクリューロータ4の近傍に配置される冷却器7により発電機9を容易に冷却することができる。この構成は、発電機9の冷却用配管を短くすることができるので、ブレイトンサイクル機関1の小型化に有利である。   Moreover, according to this Brayton cycle engine 1, by providing the generator 9, it becomes possible to take out rotation of the compression screw rotor 4 as electric power. Furthermore, in this Brayton cycle engine 1, the generator 9 can be easily connected to the rotary shaft 4a of the compression screw rotor 4 by the cooler 7 disposed in the vicinity of the compression screw rotor 4 by connecting the generator 9 to the rotary shaft 4a of the compression screw rotor 4. Can be cooled. This configuration is advantageous in reducing the size of the Brayton cycle engine 1 because the cooling pipe of the generator 9 can be shortened.

[第2の実施形態]
図4〜図6に示す第2の実施形態のブレイトンサイクル機関21は、第1の実施形態に係るブレイトンサイクル機関1と比べて、圧縮スクリューロータ24の回転軸24aと膨張スクリューロータ25の回転軸25aが同一軸線上に配置されている点などが大きく異なっている。
[Second Embodiment]
The Brayton cycle engine 21 according to the second embodiment shown in FIGS. 4 to 6 is different from the Brayton cycle engine 1 according to the first embodiment in that the rotation shaft 24 a of the compression screw rotor 24 and the rotation shaft of the expansion screw rotor 25. The point etc. which 25a is arrange | positioned on the same axis line differ greatly.

第2の実施形態のブレイトンサイクル機関21は、圧縮スクリューロータ24の回転軸24aと膨張スクリューロータ25の回転軸25aの軸線がずれておらず、同一軸線上にある。このため、ケーシング22を略直方体の簡素な形状にすることができる。なお、圧縮スクリューロータ24の回転軸24aと膨張スクリューロータ25の回転軸25aとは、ケーシング22の壁22a(圧縮室Cと膨張室Eとを分ける壁)を挟んで別々に配置されている。   In the Brayton cycle engine 21 according to the second embodiment, the axes of the rotation shaft 24a of the compression screw rotor 24 and the rotation shaft 25a of the expansion screw rotor 25 are not shifted from each other and are on the same axis. For this reason, the casing 22 can be made into a substantially rectangular parallelepiped simple shape. In addition, the rotating shaft 24a of the compression screw rotor 24 and the rotating shaft 25a of the expansion screw rotor 25 are disposed separately with a wall 22a of the casing 22 (a wall separating the compression chamber C and the expansion chamber E) interposed therebetween.

また、第2の実施形態のブレイトンサイクル機関21では、第1の実施形態のブレイトンサイクル機関1と比べて、作動媒体の流れが異なっている。具体的には、加熱器26及び冷却器27がいずれもケーシング22の上方に配置されている。   Further, in the Brayton cycle engine 21 of the second embodiment, the flow of the working medium is different from that of the Brayton cycle engine 1 of the first embodiment. Specifically, both the heater 26 and the cooler 27 are disposed above the casing 22.

また、ケーシング22の圧縮室入口Q1は、圧縮室Cのうち膨張室Eと反対側(発電機9側)の上部に形成されており、圧縮室出口Q2は、圧縮室Cのうち膨張室E側の下部に形成されている。膨張室入口P1は、膨張室Eのうち圧縮室C側の上部に形成されており、膨張室出口P2は、膨張室Eのうち圧縮室Cと反対側の下部に形成されている。   In addition, the compression chamber inlet Q1 of the casing 22 is formed in the upper portion of the compression chamber C on the opposite side (the generator 9 side) of the expansion chamber E, and the compression chamber outlet Q2 is the expansion chamber E of the compression chamber C. It is formed in the lower part of the side. The expansion chamber inlet P1 is formed in the upper portion of the expansion chamber E on the compression chamber C side, and the expansion chamber outlet P2 is formed in the lower portion of the expansion chamber E opposite to the compression chamber C.

再生器28は、作動媒体が水平方向で対向するように流れる点で第1の実施形態と同じであるが、上下方向においてはいずれの作動媒体も下から上に向かって流れる点が異なっている。   The regenerator 28 is the same as in the first embodiment in that the working medium flows so as to face each other in the horizontal direction, but the point that any working medium flows from the bottom to the top in the vertical direction is different. .

また、第2の実施形態のブレイトンサイクル機関21では、発電機9が基準スクリューロータ23の基準回転軸30に接続されている。なお、基準スクリューロータ23の構成自体は、第1の実施形態と同じである。発電機9は、圧縮室C側すなわち冷却器27側に配置されている。   In the Brayton cycle engine 21 of the second embodiment, the generator 9 is connected to the reference rotation shaft 30 of the reference screw rotor 23. The configuration itself of the reference screw rotor 23 is the same as that of the first embodiment. The generator 9 is disposed on the compression chamber C side, that is, on the cooler 27 side.

以上説明した第2の実施形態のブレイトンサイクル機関21によれば、再生器28を備えることで第1の実施形態と同様に排熱回生の効率を向上させることができる。しかも、このブレイトンサイクル機関21によれば、圧縮スクリューロータ4の回転軸4a及び膨張スクリューロータ5の回転軸5aを同一軸線上に配置することで、各回転軸をずらして配置する場合と比べてケーシング22の構成を簡素化することができ、機関の小型化及び一体化に有利である。   According to the Brayton cycle engine 21 of the second embodiment described above, the efficiency of exhaust heat regeneration can be improved by providing the regenerator 28 as in the first embodiment. Moreover, according to the Brayton cycle engine 21, the rotation shaft 4a of the compression screw rotor 4 and the rotation shaft 5a of the expansion screw rotor 5 are arranged on the same axis line, compared to the case where the rotation shafts are arranged to be shifted. The configuration of the casing 22 can be simplified, which is advantageous for downsizing and integration of the engine.

[第3の実施形態]
図7に示す第3の実施形態のブレイトンサイクル機関41は、第2の実施形態のブレイトンサイクル機関21と比べて、圧縮スクリューロータ24及び膨張スクリューロータ25が共通の回転軸42を有している点のみが異なる。
[Third Embodiment]
The Brayton cycle engine 41 of the third embodiment shown in FIG. 7 has a common rotating shaft 42 for the compression screw rotor 24 and the expansion screw rotor 25 compared to the Brayton cycle engine 21 of the second embodiment. Only the point is different.

具体的には、回転軸42は、圧縮室C及び膨張室Eを隔てる壁22aを貫いて延在している。圧縮スクリューロータ24及び膨張スクリューロータ25は、共通の回転軸42と共に一体的に回転する。   Specifically, the rotating shaft 42 extends through the wall 22a separating the compression chamber C and the expansion chamber E. The compression screw rotor 24 and the expansion screw rotor 25 rotate integrally with a common rotating shaft 42.

以上説明した第3の実施形態のブレイトンサイクル機関41によれば、圧縮スクリューロータ24及び膨張スクリューロータ25の回転軸42を共通とすることで、回転軸の軸方向を受けるスラスト軸受けの個数を減らすことができ、機関の構成の簡素化及び低コスト化に有利である。   According to the Brayton cycle engine 41 of the third embodiment described above, the rotation shaft 42 of the compression screw rotor 24 and the expansion screw rotor 25 is made common, thereby reducing the number of thrust bearings that receive the axial direction of the rotation shaft. This is advantageous for simplification of the engine configuration and cost reduction.

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、本発明は、車載用に限定されるものではなく、船舶その他の移動体、又は固定施設に適用することもできる。また、発電機は必ず備える必要はない。作動媒体はHeに限られず、他の気体や液体であってもよい。   The present invention is not limited to the embodiment described above. For example, the present invention is not limited to in-vehicle use, and can also be applied to a ship or other moving body or a fixed facility. Moreover, it is not always necessary to provide a generator. The working medium is not limited to He, but may be other gas or liquid.

また、加速器、冷却器、及び再生器の配置は、上述したものに限られず、様々な配置を採用可能である。   Further, the arrangement of the accelerator, the cooler, and the regenerator is not limited to that described above, and various arrangements can be employed.

更に、スクリューロータの形状は上述したものに限られず、例えばテーパ状に形成されていてもよい。また、スクリューロータの配置は、上述したものに限られずスクリューロータが上下方向に延在するように配置してもよい。   Furthermore, the shape of the screw rotor is not limited to that described above, and may be formed in a tapered shape, for example. Further, the arrangement of the screw rotor is not limited to that described above, and the screw rotor may be arranged so as to extend in the vertical direction.

1,21,41…ブレイトンサイクル機関 2,22…ケーシング 2a,22a…壁 3,23…基準スクリューロータ 4,24…圧縮スクリューロータ 4a,24a…回転軸 5,25…膨張スクリューロータ 5a,25a…回転軸 6,26…加熱器 7,27…冷却器 8,28…再生器 8a,28a…第1流路 8b,28b…第2流路 9…発電機 10…基準回転軸 11…第1の基準スクリューロータ 12…第2の基準スクリューロータ 42…回転軸(共通の回転軸) C…圧縮室 E…膨張室 P1…膨張室入口 P2…膨張室出口 Q1…圧縮室入口 Q2…圧縮室出口   1, 2, 41 ... Brayton cycle engine 2, 22 ... Casing 2a, 22a ... Wall 3, 23 ... Reference screw rotor 4, 24 ... Compression screw rotor 4a, 24a ... Rotating shaft 5, 25 ... Expansion screw rotor 5a, 25a ... Rotating shaft 6, 26 ... Heater 7, 27 ... Cooler 8, 28 ... Regenerator 8a, 28a ... First flow path 8b, 28b ... Second flow path 9 ... Generator 10 ... Reference rotating shaft 11 ... First Reference screw rotor 12 ... Second reference screw rotor 42 ... Rotating shaft (common rotating shaft) C ... Compression chamber E ... Expansion chamber P1 ... Expansion chamber inlet P2 ... Expansion chamber outlet Q1 ... Compression chamber inlet Q2 ... Compression chamber outlet

Claims (4)

ケーシング内に配置された複数のスクリューロータを有するブレイトンサイクル機関であって、
一体的に回転する第1の基準スクリューロータ及び第2の基準スクリューロータと、
前記第1の基準スクリューロータと噛み合った状態で回転することにより、作動媒体が圧縮されながら運ばれる圧縮スクリューロータと、
前記第2の基準スクリューロータと噛み合った状態で回転することにより、作動媒体が膨張しながら運ばれる膨張スクリューロータと、
前記圧縮スクリューロータにおいて圧縮された作動媒体が加熱器に向かって流れる第1流路、及び、前記膨張スクリューロータにおいて膨張した作動媒体が冷却器に向かって流れる第2流路を有する再生器と、を備え、
前記ケーシング内には、前記第1の基準スクリューロータ及び前記圧縮スクリューロータが配置された圧縮室と、前記第2の基準スクリューロータ及び前記膨張スクリューロータが配置された膨張室とが形成されており、
前記第1の基準スクリューロータ及び前記第2の基準スクリューロータは、前記圧縮室と前記膨張室の両方にわたって延在する基準回転軸と一体的に回転し、
前記加熱器は、前記ケーシングの前記膨張室側で、前記ケーシングから見て前記基準回転軸の延在方向と直交する方向に配置され、
前記冷却器は、前記ケーシングの前記圧縮室側で、前記ケーシングから見て前記基準回転軸の延在方向と直交する方向に配置され、
前記再生器は、前記ケーシングから見て前記基準回転軸の延在方向と直交する方向であって前記加熱器及び前記冷却器と異なる方向に配置され、前記ケーシングの前記圧縮室及び前記膨張室の両方にわたって延在し、
前記再生器内では、前記圧縮された作動媒体と前記膨張した作動媒体とが対向する方向に流れることを特徴とするブレイトンサイクル機関。
A Brayton cycle engine having a plurality of screw rotors arranged in a casing,
A first reference screw rotor and a second reference screw rotor that rotate integrally;
A compression screw rotor in which the working medium is conveyed while being compressed by rotating in a state of meshing with the first reference screw rotor;
An expansion screw rotor in which the working medium is conveyed while being expanded by rotating in a state of meshing with the second reference screw rotor;
A regenerator having a first flow path through which the working medium compressed in the compression screw rotor flows toward the heater, and a second flow path through which the working medium expanded in the expansion screw rotor flows toward the cooler; With
A compression chamber in which the first reference screw rotor and the compression screw rotor are arranged and an expansion chamber in which the second reference screw rotor and the expansion screw rotor are arranged are formed in the casing. ,
The first reference screw rotor and the second reference screw rotor rotate integrally with a reference rotation shaft extending over both the compression chamber and the expansion chamber,
The heater is disposed on the expansion chamber side of the casing in a direction orthogonal to the extending direction of the reference rotation shaft as viewed from the casing.
The cooler is disposed on the compression chamber side of the casing in a direction orthogonal to the extending direction of the reference rotation shaft as viewed from the casing.
The regenerator is disposed in a direction orthogonal to the extending direction of the reference rotation shaft as viewed from the casing and in a direction different from the heater and the cooler, and the regenerator of the compression chamber and the expansion chamber of the casing Extending over both,
The Brayton cycle engine characterized in that the compressed working medium and the expanded working medium flow in opposite directions in the regenerator .
前記圧縮スクリューロータの回転軸又は前記第1の基準スクリューロータの回転軸に接続された発電機を更に備え、前記発電機は前記冷却器により冷却されることを特徴とする請求項1に記載のブレイトンサイクル機関。 Further comprising the connected generator to the rotating shaft or the rotating shaft of the first reference screw rotors of the compression screw rotor, the generator according to claim 1, characterized in Rukoto is cooled by the cooler Brayton cycle agency. 前記圧縮スクリューロータの回転軸と前記膨張スクリューロータの回転軸は、同一軸線上に配置されていることを特徴とする請求項1又は2に記載のブレイトンサイクル機関。   3. The Brayton cycle engine according to claim 1, wherein the rotation shaft of the compression screw rotor and the rotation shaft of the expansion screw rotor are arranged on the same axis. 前記圧縮スクリューロータ及び前記膨張スクリューロータは、共通の回転軸を有することを特徴とする請求項3に記載のブレイトンサイクル機関。   The Brayton cycle engine according to claim 3, wherein the compression screw rotor and the expansion screw rotor have a common rotating shaft.
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