JPH03182628A - 内燃機関用の圧力交換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ ６゜ ７゜ ８゜ ９゜ 本発明は、１本の中心軸線と、該中心軸線上に配置され
ていて複数のセルを有する少なくともｌセル段のセル車
とを備え、該セル車のセルが一方では高熱ガス案内ケー
シング内の通路とまた他方では空気案内ケーシング内の
通路と、所定の時間的順序で協働する形式の、内燃機関
用の圧力交換器Ｉこ関するものである。

【従来の技術１ スイス国特許＄５５０　９３７号明細書に基づいて圧力
交換器は公知になっている。セル車は空気案内ケーシン
グ及び高熱ガス案内ケーシングと協働する。セル内で吸
込まれた空気は公知の形式で圧縮され、次いで空気案内
ケーシングの高圧空気通路を通って内燃機関の燃焼室内
へ導かれる。圧力交換器のために使用された高熱ガスは
、公知のように、セル車のセルから流出しかつ高熱ガス
案内ケーシング内の通路を通って更にガスタービン内へ
流入する。同時に新気が吸込まれてセル車の相応のセル
に再び充填される。この圧力交換動作は公知のように反
転プロセス又は通流プロセスで行われる。

セル車の回転数が比較的高い場合にはセル車のセルから
高熱ガスの流出が掃気エネルギの不足に基づいて妨げら
れることがあり、その結果ごく少量の新気がセル内へ伴
流することになる。新気と高熱ガスとの間の分離ゾーン
において両戊分がセル内で混合し、このため過度に少量
の清浄新気が内燃機関に達し、その結果内燃機関の効率
が低下することになる。セル車並びにケーシングは概し
てきわめて正確に製作されねばならない。それというの
は、正確な製作の場合にしかセル車とケーシングとの間
の遊びを申し分なく小さくすることができないからであ
る。遊びを小さくし、ひいては圧力交換器の効率を高め
るためには、手間のかかるチエツク測定と構成部分の機
械的な再補正とが必要であり、これによって製作費が高
くなる。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明の課題は、掃気エネルギを高めるように圧力交換
器を構成することである。

［課題を解決するための手段］ 前記課題を解決する本発明の構成手段は、（イ）各セル
が、中心軸線に角度（ａ）で交わる縦軸線をそれぞれ有
し、 （ロ）高熱ガス案内ケーシングの方に向いた、セル車の
面が第１円筒体の外周面のリング状セグメントとして構
成されており、 （ハ）空気案内ケーシングの方に向いた、セル車の面が
１２円筒体の外周面のリング状セグメントとして構成さ
れており、 （ニ）前記第１と第２の円筒体が前記中心軸線を共通の
軸線として有し、かつ （ホ）前記セル車に向いた、高熱ガス案内ケーシング及
び空気案内ケーシングの面が、前記セル車の対応した前
記面に平行に延びている点にある。

更に本発明の別の構成は、 （イ）各セルが、中心軸線に角度（α）で交わる縦軸線
をそれぞれ有し、 （ロ）高熱ガス案内ケーシングの方に向いた、セル車の
面が第１円錐体の外周面のリング状セグメントとして構
成されており、 （ハ）空気案内ケーシングの方に向いた、セル車の面が
第２円錐体の外周面のリング状セグメントとして構成さ
れており、 （ニ）前記第１円錐体の円錐頂点並びに前記第２円錐体
の円錐頂点が共に前記中心軸線上に位置し、 （ホ）前記セル車の各側に前記両日錐体の円錐頂点の１
つがそれぞれ位置し、かつ （へ）前記セル車に向いた、高熱ガス案内ケーシング及
び空気案内ケーシングの面が、前記セル車の対応しＩ；
前記面に平行に延びていることを特徴としている。

［作用］ 本発明によって得られる顕著な利点は、圧力交換器の稼
働時に発生する力を該圧力交換器の運転特性及びその効
率を改善するために活用できることである。しかもセル
車の組付けが著しく簡便になってスピードアップされ、
かつ圧力交換器の効率は簡単な手段で一層高められる。

本発明のその他の有利な構成は請求項３以降に記載した
手段によって得られる。

［実施例１ 次に図面に基づいて本発明の実施例を詳説する。

第１図の断面図には、内燃機関のエアフィルタ及び排気
管へ通じる接続導管並びに保持体を省いて示した本発明
の圧力交換器が示されている。空気案内ケーシングｌは
ピン２を支持し、該ピン上には、多部分から成るセル車
４のハブとして構成された支持フランジ３が回転可能に
支承されている。支持７ランジ３は一側ではＶベルトを
取付けるために設計されたベルトプリー５と固定的に結
合されており、他側ではセル車４の、複数のセル（隔室
）６を含む部分７とねじ締結されている。部分７は空気
案内ケーシングｌ並びに高熱ガス案内ケーシング８と作
用接続し、該高熱ガス案内ケーシングは部分７を外側で
取囲みかつ空気案内ケーシングｌと固定的に結合されて
いる。従って高熱ガス案内ケーシング８は空気案内ケー
シングｌと相俟って、セル車４の一方の端面７ａと外面
とを周辺外気から仕切っており、他方の端面７ｂは周辺
外気に対してカバー９によって遮蔽される。空気案内ケ
ーシングｌと高熱ガス案内ケーシング８との間には、例
えば酸化ジルコニウムリングから成る断熱材１０が設け
られている。

空気案内ケーシングｌは吸込み接続管部１１を有し、該
吸込み接続管部はエアフィルタ（図示せず）を通して吸
込まれた新気を環状通路１２内へ導入し、該環状通路は
該新気をセル６に分配する。また空気案内ケーシング１
は通路１３を有し、該通路は、セル６から吐出する圧縮
新気を集合させて内燃機関の燃焼室（図示せず）へ導く
。内燃機関から出る高熱排ガスは接続管部１４を通って
高熱ガス案内ケーシング８の通路１５内へ入り、そこか
らセル６内へ達する。別の通路１６は、セル６から掃気
された排ガスを集めて排気管（図示せず）へ導く。

圧力交換器は中心軸線２０を有し、該中心軸線を中心と
してセル車４が回転する。図面ではセル車４はただ１段
のセル６を有している。しかし２段以上のセル６を有す
るようにセル車４を構成することも勿論可能である。セ
ル６はそれぞれ１本の縦軸線２１を有している。１つの
セル段のすべての縦軸線２１は前記中心輪線２０の点Ａ
において該中心軸線２０に対して等しい角度αを戊して
交わっている。角度ａは約１５°〜９０’の角度範囲に
あるのが有利である。セル車４が２段以上のセル段を備
えている場合には原則として第２段・第３段・・・のセ
ル６の縦軸線２１は中心軸線２０に対して同じ角度αを
形成することになる。しかしながら第２段・第３段・・
・のセル縦軸線を、それぞれ中心軸線２０に対して、第
１段のセ、ル縦軸線とは異なった角度を形成することも
可能である。

縦軸線２１に沿って延びるセル６はおおむねその全長に
わたって同一横断面形状を有しているが、これらのセル
横断面は狭窄部及び膨出部又はそのいずれかを有するこ
ともできる。第１図ではセル６は外方Ｉこ向って連続的
に先細になっているが、セル断面形状は不変である。セ
ル６の囲壁も、高熱ガス及び新気用の各流入・流出通路
も、流動技術的に有利に構成されているセル車４の部分
７は高熱ガス案内ケーシング８と空気案内ケーシングｌ
との間に正確に嵌込まれているので、最小限のギャップ
２２が形成されるにすぎない。高熱ガス案内ケーシング
８に面した方の、セル車４の部分７の面２３は第１円錐
体の外周面のリング状セグメントとして構成されており
、その場合該第１円錐体の円錐頂点はセル車４の左手で
中心軸線２０の延長線上に位置している。前記面２３に
対面した、高熱ガス案内ケーシング８の面は対応した円
錐形に構成されておりかつ前記面２３に平行に延びてい
る。空気案内ケーシングｌに面した方の、部分７の面２
４は第２円錐体の外周面のリング状セグメントとして構
成されており、その場合該第２円錐体の円錐頂点はセル
車の右手で中心軸線２０の延長線上に位置している。前
記面２４に対面した、空気案内ケーシングｌの面は対応
した円錐形に構成されておりかつ前記面２４に平行に延
びている。各関連円錐体の円錐頂点は各ギャップ２２の
幅に比例してずれて中心軸線２０上に位置している。

ギャップ２２を通ってガスは流出することがある。空気
案内ケーシングｌと部分７との間に環状室２５．２６が
設けられており、咳環状室内には、セル車４の前記ギャ
ップの側でガス損失が発生するのを周知のように阻止す
るシール媒体を装入することも可能である。該シール媒
体は温度安定性でなければならない。高熱ガス案内ケー
シング８と部分７との間には環状室２７．２８が設けら
れており、該環状室内にはガス損失を避けるためにシー
ル媒体を装入することが可能である。シール媒体はここ
では高温耐性でなければならない。シール媒体としては
例えば種々の材料から成るピストンリング又はうビリン
スパッキンが使用される。

セル車４の前記のような別個のシール装置を省く場合、
あるいは万一シールにも拘らずガス損失が生じる場合、
損失ガスは漏れガスポンピング装置３０によって通路１
６へ導かれ、そこから排気管へ導出される。第１図では
漏れガスポンピング装置３０は、空気案内ケーシングｌ
から離反した方の、セル車４の部分７の側だけに設けら
れているが、セル車４の両端面７ａ。

７ｂにも設けることもできる。部分７には複数の羽根３
１が一体戒形されており、該羽根は半径方向（放射状）
に延在しかつ部分７とカバー９との間のほぼ全自由横断
面をおおっている。

支持７ランジ３とカバー９との間には、外気の伴流を可
能にするために、比較的小さな環状ギャップ３８があい
たままになっている。羽根３１の外端に続いて、環状に
構成された容積部３２が設けられていて前記環状室２８
へ開口している。環状室２８から、全周に配分された連
通口３３が通路１６に通じ、肱通路は排気管に連通して
いる。

カバー９は、羽根３１によって負荷された容積全制限し
ている。またカバー９は吸音・断熱部としても使用され
るので、それ自体振動することがないように構成されて
いる。

セル車４は圧力交換器のタイプに応じて自由回転式又は
外部駆動式で回転することができるが、しかし又、セル
車を胎動期と部分負荷運転中又はそのいずれかの間だけ
外部から駆動し、その後は自転させるようにすることも
考えられる。回転速度は内燃機関の各運転状態に調和さ
れている。

本発明の圧力交換器の作用態様を第１図に基づいて簡単
に説明する。矢印３４が示すように新気は空気案内ケー
シングｌを通って圧力交換器内へ入り、更にセル車４の
セル内へ流入する。大抵は環状通路１２から２つ又はそ
れ以上のセル６に同時に新気が充填される。これらのセ
ルはセル車の異なったセル段に位置していてもよい。流
入する新気は矢印３５によって示したように排ガスを掃
気して通路１６内へ入り、そこから排気管へ達する。セ
ル車４は比較的高い速度で回転するので、当該セル６内
で新気にも排ガスにも遠心力が作用し、該遠心力は前記
掃気動作を効果的に助成する。セル長が予め規定されて
いる場合には角度σを小さく選ぶに応じてセル車の外径
はそれだけ小さく選ばれる。セル６内へ流入した新気は
、矢印３６で示したように、通路１５からの圧力のかか
った高熱排ガスによって負荷され、その際圧力波によっ
てエネルギが新気に伝達され、その結果、新気は圧縮さ
れかつ遠心力に抗して半径方向内向きに加速されること
になる。圧縮された新気は次いで矢印３７で示したよう
にセル６から通路１３内へ流入する。

前記のエネルギ交換のメカニズムは公知であり、従って
ここではその詳細な説明は省いた。

またセル車の回転速度とセル６の長さを確定するための
限界条件も公知であり、あるいは軸方向に構成された公
知の圧力交換器から導き出すことができる。しかしなが
ら、ここで記載した反転プロセス以外に、圧力交換器を
通流プロセスで行うことも可能である。なお念のために
ここで付記しておくが、排ガスと新気との経路を明示す
るために高熱ガス案内ケーシング８は回動して図示され
ている。

セルの縦軸線を中心軸線２０とそれぞれ１つの平面内に
位置させることが可能であり、これによってセル車４の
自転のためのエネルギが高められる。またこの構成では
セル車４の寸法が決まっている場合にはセルを、より長
く構威しこれによって圧力交換器の効率を高めることが
可能である。

部分７は楔状横断面を有するリングとして構成されてい
るのが特に有利である。狭い組付は許容誤差を必要とす
るにも拘らず、このように構成することによってセル車
４の迅速かつ確実な組付けが可能である。更に又、圧力
波機械における熱膨張を、セル車４を両方の軸方向にシ
フトすることによって補償することも考えられる。比較
的大型の圧力交換器では特に、高熱ガス案内ケーシング
８と空気案内ケーシングｌとの間におけるセル車４の係
合を、温度に関連して制御することによって、ギャップ
２２における漏れ損失が小さくされ、ひいては圧力交換
器の効率が決定的に高められることになる。

高熱ガス案内ケーシング８は、加熱時に外方へ向って膨
張しうるようにするために、圧力交換器のその他の部分
よりも中心軸線２０から、より離れて位置している。該
高熱ガス案内ケーシング８はセル車４の部分７を外側か
らリング状に包囲している。

羽根３１間の容積部内へ達する漏れガスは漏れガスポン
ピング装置３０によって、無管制に流出するのを防止さ
れる。漏れガスは、羽根３１によって連行・加速される
ので、遠心力の作用によって外方に向って迅速に容積部
３２内へ達する。この漏れガスの流動は、支持７ランジ
３とカバー９との間の環状ギャップ３８を通って外部か
らの空気が伴流することによって容易になる。漏れガス
は前記容積部３２から連通口３３と環状室２８とを経て
通路１６へ流入し、そこからその他の排ガスと共に排気
管へ流れるこの排気管への途中に排ガスクリーナを設け
ることも可能であり、該排ガスクリーナによって今や漏
れガスもやはり清浄化されることになる。

漏れガスポンピング装置３０を設けた場合には特に強く
なるセル車４の回転ノズルはカバー９によって有利に低
減される。その上に該カバー９はセル車４の部分７の不
均等な冷却及びこれに伴う部分７の内部応力を防止する
。

セル車４の２つの面２３．２４はそれぞれ、円錐体の外
周面のリング状セグメントとして構成されている。該円
錐体の開き角は、設計上の理由から１０〜２５°の角度
範囲であるのが有利である。セル車４の組付けとギャッ
プ２２の調整とを考慮すれば周円錐体の開き角を等しく
選ぶのが有利である。例えば開き角を１６°に選んだ場
合、セル車４を中心軸線２０の方向に０．５ｍｍだけシ
フトすれば、ギャップ２２において７／１００　ａｍの
遊び補正が得られる。この１６°前後の角度範囲におい
て、技術的に有利な遊び補正可能性が生じる。しかしな
がら、それぞれの温度事情に基づいて周円錐体が異なっ
た開き角を有していることも考えられる。セル車４のシ
フトは制御式の保持体によって行われ、その場合制御は
センサを介して温度に関連して又はギャップ２２の厚さ
に関連して行うことができる。また再制御方式のコンビ
ネーションも考えられる。更に又、圧力波機械の組立時
におけるギャップ調整は、ビン２とセル車４との間にシ
ムを間挿することによって行うことができる。しかしこ
の場合、その後のギャップ変更は圧力波機械の解体を条
件とする。

第２図は、中心軸線２０に対して垂直なｌ平面に投影さ
れたセル車４の概略原理図である。

第２図では３種のセル６の構成が示されているが、しか
し原則としてこれらの異なった構成が同一のセル車４に
共在する訳ではない。セル隔壁４０をセル車４の中心に
対して純半径方向に延在させることが可能である。また
セル隔壁４１が接線方向に延びるようにセルを構成する
ことも可能であり、その場合破線による延長線から判る
ようにセル隔壁４１は、セル車４の支持フランジ３より
も小さな直径を有する鎖線内４２に対して接線方向に延
在している。該鎖線内４２の直径は、圧力交換器に課さ
れる稼働要件に相応して選ばれる。矢印４３はセル車４
の回転方向を表わす。またセル隔壁４４を第２１３０か
ら判るように前記回転方向に湾曲させることも可能であ
る。セル６はそれぞれセル車４の円周に均等配分されて
いてもよいが、発生ノイズを低減するために、セル６を
不規則に、あるいは部分的に不規則に配置することも可
能である。

両面２３．２４がそれぞれ１つの円筒体の外周面のリン
グ状セグメントを威すようにセル車４を構成する場合に
は、構造的により簡単な圧力交換器の構成が生じる。例
えば空調器の場合のように圧力交換器プロセスのためＩ
こ冷媒を使４ 用する場合には特に、この構成の圧力交換器は特に有利
である。周円筒体は、中心軸線２０と合致した共通の中
心軸線を有しており、従ってギャップ２２は前記中心軸
線２０に平行に延びる。高熱ガス案内ケーシング８及び
空気案内ケーシングｌの、セル車４に向いた面は、それ
ぞれ対面した面２３．２４に適合されており、つまり円
筒面の部分として構成されている。圧力交換器のその他
の構造は、作用態様についても説明した第１図の構造に
相応している。

【図面の簡単な説明】

第１図は圧力交換器の第１実施例の暗示原理図、第２図
はセル車の３種の構成を示す正面図である。 １・・・空気案内ケーシング、２・・・ピン、３・・・
支持フランジ、４・・・セル車、５・・・ベルトプリー
６・・・セル、７・・・部分、７ａ、７ｂ・・・端面、
８・・・高熱ガス案内ケーシング、９・・・カバー　１
０・・・断熱材、１１・・・吸込み接続管部、１２・・
・環状通路、１３・・・通路、１４・・・接続管部、１
５．１６・・・通路、２０・・・中心軸線、２１・・・
縦軸線、２２・・・ギャップ、２３．２４・・・面、２
５．２６；２７．２８・・・環状室、３０・・・漏れガ
スポンピング装置、３１・・・羽根、３２・・・容積部
、３３・・・連通口、３４．３５．３６．３７・・・流
動方向を示す矢印、３８・・・環状ギャップ、４０．４
１・・・セル隔壁、４２・・・鎖線円、４３・・・セル
車の回転方向を示す矢印、４４・・・セル隔壁 １／２ ０ ６ ＦＩＧ、２

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、１本の中心軸線（２０）と、該中心軸線（２０）上
   に配置されていて複数のセル（６）を有する少なくとも
   １セル段のセル車（４）とを備え、該セル車のセル（６
   ）が一方では高熱ガス案内ケーシング（８）内の通路（
   １５、１６）と、また他方では空気案内ケーシング（１
   ）内の通路と、所定の時間的順序で協働する形式の、内
   燃機関用の圧力交換器において、 （イ）各セル（６）が、前記中心軸線（２０）に角度（
   ａ）で交わる縦軸線をそれぞ れ有し、 （ロ）高熱ガス案内ケーシング（８）の方に向いた、セ
   ル車（４）の面（２３）が第 １円筒体の外周面のリング状セグメント として構成されており、 （ハ）空気案内ケーシング（１）の方に向いた、セル車
   （４）の面（２４）が第２円 筒体の外周面のリング状セグメントとし て構成されており、 （ニ）前記第１と第２の円筒体が前記中心軸線（２０）
   を共通の軸線として有し、か つ （ホ）前記セル車（４）に向いた、高熱ガス案内ケーシ
   ング（８）及び空気案内ケー シング（１）の面が、前記セル車（４） の対応した前記面（２３、２４）に平行 に延びていることを特徴とする、 内燃機関用の圧力交換器。 ２、１本の中心軸線（２０）と、該中心軸線（２０）上
   に配置されていて複数のセル（６）を有する少なくとも
   １セル段のセル車（４）とを備え、該セル車のセル（６
   ）が一方では高熱ガス案内ケーシング（８）内の通路（
   １５、１６）と、また他方では空気案内ケーシング（１
   ）内の通路と、所定の時間的順序で協働する形式の、内
   燃機関用の圧力交換器において、 （イ）各セル（６）が、前記中心軸線（２０）に角度（
   ａ）で交わる縦軸線をそれぞ れ有し、 （ロ）高熱ガス案内ケーシング（８）の方に向いた、セ
   ル車（４）の面（２３）が第 １円錐体の外周面のリング状セグメント として構成されており、 （ハ）空気案内ケーシング（１）の方に向いた、セル車
   （４）の面（２４）が第２円 錐体の外周面のリング状セグメントとし て構成されており、 （ニ）前記第１円錐体の円錐頂点並びに前記第２円錐体
   の円錐頂点が共に前記中心軸 線（２０）上に位置し、 （ホ）前記セル車（４）の各側に前記両円錐体の円錐頂
   点の１つがそれぞれ位置し、 かつ （ヘ）前記セル車（４）に向いた、高熱ガス案内ケーシ
   ング（８）及び空気案内ケー シング（１）の面が、前記セル車（４） の対応した前記面（２３、２４）に平行 に延びていることを特徴とする、 内燃機関用の圧力交換器。 ３、高熱ガス案内ケーシング（８）がセル車（４）の部
   分（７）を外側からリング状に包囲している、請求項２
   記載の圧力交換器。 ４、セル車（４）の少なくとも一方の端面（７ｂ）が漏
   れガスポンピング装置（３０）を有し、該漏れガスポン
   ピング装置が、前記セル車（４）の少なくとも外面に一
   体成形された実質的に半径方向に延在する複数の羽根（
   ３１）と、前記高熱ガス案内ケーシング（８）の排気管
   寄りの通路（１６）に通じる少なくとも１の連通口（３
   ３）とを有している、請求項２記載の圧力交換器。 ５、セル車（４）の範囲に、カバー（９）として構成さ
   れた吸音・断熱部が設けられている、請求項２記載の圧
   力交換器。 ６、セル車（４）が自由輪式又は外部駆動式に、あるい
   は始動期間中のみ外部駆動されるように、構成されてい
   る、請求項２記載の圧力交換器。 ７、セル（６）が、半径方向又は接線方向に延在するセ
   ル隔壁、又はセル車（４）の回転運動方向に湾曲して構
   成されたセル隔壁を有している、請求項２記載の圧力交
   換器。 ８、すべてのセル（６）の縦軸線（２１）がそれぞれ中
   心軸線（２０）に対して等しい角度（ａ）を形成し、か
   つ該角度（α）が約１５〜９０°の角度範囲である、請
   求項２記載の圧力交換器。 ９、第１円錐体も第２円錐体もそれぞれ等しい開き角又
   は異なった開き角を有している、請求項２記載の圧力交
   換器。 １０、開き角が１０〜２５°の角度範囲、特に１６°で
   ある、請求項９記載の圧力交換器。