JPWO2005080756A1 - Brayton cycle device and exhaust heat energy recovery device for internal combustion engine - Google Patents

Brayton cycle device and exhaust heat energy recovery device for internal combustion engine Download PDF

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正宏 小川
三谷 信一
信一 三谷
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愛子 杉浦
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Abstract

内燃機関の排気背圧を上昇させることなく、効率良く排気熱エネルギを回収することができる内燃機関の排気熱エネルギ回収装置、及びこのような排気熱エネルギ回収装置に利用できるブレイトンサイクル装置を提供する。ブレイトンサイクル装置1はスクロール型圧縮機4及びスクロール型膨張機6を用いる。よって、ブレイトンサイクル装置1の構造は簡単で小型化できる。作動流体は、固定スクロール及び旋回スクロールの組み合わせにより分割されて密閉された状態で、スクロール型圧縮機4で圧縮され、スクロール型膨張機6で膨張する。このため熱エネルギから運動エネルギへの変換効率も優れている。更に、流路30aの管壁及びスクロール型膨張機6の膨張機ケース12を介して排気から作動流体に熱が伝えられて熱交換される。よって、ブレイトンサイクル装置1は更に小型化でき、排気などのエネルギ源の背圧には影響しない。An exhaust heat energy recovery device for an internal combustion engine that can efficiently recover exhaust heat energy without increasing the exhaust back pressure of the internal combustion engine, and a Brayton cycle device that can be used for such an exhaust heat energy recovery device . The Brayton cycle apparatus 1 uses a scroll compressor 4 and a scroll expander 6. Therefore, the structure of the Brayton cycle apparatus 1 is simple and can be miniaturized. The working fluid is compressed by the scroll compressor 4 and expanded by the scroll expander 6 in a state of being divided and sealed by a combination of the fixed scroll and the orbiting scroll. For this reason, the conversion efficiency from thermal energy to kinetic energy is also excellent. Further, heat is transferred from the exhaust to the working fluid through the tube wall of the flow path 30a and the expander case 12 of the scroll expander 6, and heat exchange is performed. Therefore, the Brayton cycle apparatus 1 can be further reduced in size and does not affect the back pressure of an energy source such as exhaust.

Description

本発明は、ブレイトンサイクルを実現する装置及びブレイトンサイクルを利用した内燃機関の排気熱エネルギ回収装置に関する。  The present invention relates to an apparatus for realizing a Brayton cycle and an exhaust heat energy recovery apparatus for an internal combustion engine using the Brayton cycle.

内燃機関の燃費を向上させるために、燃料燃焼後に機関から排出される排気エネルギを回収する装置が知られている。例えば車両に内燃機関と共にランキンサイクル装置が搭載される。ランキンサイクル装置中に配置されている蒸発器は、排気熱エネルギにより装置内部の水を加熱して高温高圧蒸気を発生させる。この蒸気を利用して、膨張器にて動力が発生させられる(例えば特開2003−120281号公報参照)。
これ以外にはスターリングエンジンなどの熱利用エンジンを内燃機関に組み合わせたり(例えば特開2001−99003号公報参照)、あるいはスクロール型膨張機内に直接排気を導入して(例えば特開2003−138933号公報参照)、排気エネルギを回収することが提案されている。
しかし、前記特開2003−120281号公報のような装置では蒸発器、膨張器、凝縮器、ポンプ、及び、作動流体としての水が必要となるため、装置の容積や重量が大きくならざるを得ない。したがって排気熱エネルギを効率良く回収できたとしても、装置の駆動エネルギや車両重量が過大となってほとんど燃費が改善されなくなるおそれがある。このことは前記特開2001−99003号公報のようなスターリングエンジンなどの熱利用エンジンを用いる場合も同じである。
更に、特開2003−138933号公報では、スクロール型膨張機に排気を導入するため、どうしても内燃機関の排気背圧が高まり機関出力が低下するので、全体として燃費が改善されなくなるおそれがある。
発明の概要
本発明の目的は、内燃機関の排気背圧を上昇させることなく、効率良く排気熱エネルギを回収することができる内燃機関の排気熱エネルギ回収装置、及びこのような排気熱エネルギ回収装置に利用できるブレイトンサイクル装置を提供することにある。
以下、上記目的を達成するための手段及びその利点について記載する。
本発明はブレイトンサイクル装置を提供する。このブレイトンサイクル装置は、スクロール型圧縮機と、該スクロール型圧縮機の旋回運動に連動するスクロール型膨張機と、前記スクロール型圧縮機から前記スクロール型膨張機へ送られる圧縮された作動流体を加熱する加熱装置とを備える。
このブレイトンサイクル装置は、従来のガスタービン型のブレイトンサイクル装置とは異なり、圧縮機及び膨張機がスクロール型であるため、構造としては簡単で小型化できる。しかもブレイトンサイクル装置内においては、作動流体は分割されて密閉された状態で圧縮機及び膨張機の内部を移動し、圧縮され、且つ膨張される。よって、熱エネルギから運動エネルギへの変換効率も優れている。
更に、加熱装置は、伝熱にて作動流体を加熱することで本発明のブレイトンサイクル装置を駆動することが可能となる。よって、エネルギ源の圧力自体は問題とならず、排気などのエネルギ源の背圧には影響しない。
このように本発明のブレイトンサイクル装置は、エネルギ源の背圧を上昇させることなく、効率良く熱エネルギを運動エネルギに変換できる。よって、本発明のブレイトンサイクル装置を内燃機関などに適用した場合も、排気背圧を上昇させることなく、効率良く排気熱エネルギを回収することができる。
好ましくは、前記スクロール型圧縮機の圧縮旋回スクロール及びスクロール型膨張機の膨張旋回スクロールは、前記旋回隔壁を挟んで互いに反対側となるように、前記旋回隔壁の両側に設けられる。前記旋回隔壁の前記圧縮旋回スクロールは、内部に圧縮固定スクロールが形成された圧縮機ケースと摺動可能に密着あるいは狭い空隙を挟んで対峙する。よって、前記圧縮旋回スクロールは前記圧縮固定スクロールと組み合わされて前記スクロール型圧縮機を形成する。前記旋回隔壁の前記膨張旋回スクロールは、内部に膨張固定スクロールが形成された膨張機ケースと摺動可能に密着あるいは狭い空隙を挟んで対峙する。よって、前記膨張旋回スクロールは前記膨張固定スクロールと組み合わされて前記スクロール型膨張機を形成する。
このようにスクロール型圧縮機及びスクロール型膨張機が形成されていることにより、一層、ブレイトンサイクル装置を簡単化かつ小型化することが可能となる。
好ましくは、前記スクロール型圧縮機は、前記スクロール型膨張機から前記旋回隔壁へ伝えられる熱を、前記圧縮機ケースを介して外界に放出する。
スクロール型圧縮機は旋回隔壁を介してスクロール型膨張機と接触している。よって、低温側である圧縮機ケースは、高温側であるスクロール型膨張機から伝達されてきた旋回隔壁の熱を受けて、その熱を外界に放出することができる。このような圧縮機ケースによる放熱作用により、旋回隔壁の高温化を抑制できる。よって、旋回隔壁の熱変形を抑制して旋回隔壁の寸法精度を維持できる。従って、作動流体の漏洩を防止し、旋回隔壁の旋回時に摩擦係数が高くなるのを防止して、高いエネルギ変換効率を維持できる。
このことにより、特に旋回隔壁や圧縮機ケースに、耐熱性が低いが軽量の材料を用いることが可能となり、装置の一層の軽量化に貢献できる。
好ましくは、前記スクロール型膨張機は、導入された作動流体が膨張する前に、前記膨張機ケースに設けた吸熱室にその作動流体を導入することにより、該吸熱室の壁部を介して、膨張中の作動流体を加熱する。
このようにスクロール型膨張機を構成することにより、圧縮前の作動流体の熱によって、スクロール型膨張機内で膨張中の作動流体を加熱することができる。このため構成を複雑化せずに、ブレイトンサイクル装置において一層効率良く熱エネルギを運動エネルギに変換できる。
好ましくは、前記スクロール型圧縮機は作動流体として大気を取り込んで圧縮し、前記スクロール型膨張機は膨張後の作動流体を大気に放出する。
このように大気を作動流体として利用しているので、作動流体の放熱装置は不要である。よって、装置の構成がより簡単化及び小型化する。
好ましくは、前記加熱装置は、熱交換により外部の熱を作動流体に伝達する熱交換器として形成されている。
このように加熱装置を熱交換器として形成することによって、装置をより簡単化及び小型化できる。更に、本発明のブレイトンサイクル装置を内燃機関などの排気熱エネルギ回収に利用しても排気背圧を上昇させることがない。
更に本発明は、容積型圧縮機と、該容積型圧縮機の圧縮運動に連動して旋回運動するスクロール型膨張機と、前記容積型圧縮機から前記スクロール型膨張機へ送られる圧縮された作動流体を加熱する加熱装置とを備えるブレイトンサイクル装置を提供する。
このブレイトンサイクル装置は、従来のガスタービン型のブレイトンサイクル装置とは異なり、圧縮機が容積型であり、膨張機がスクロール型である。よって、ブレイトンサイクル装置の構造が簡単になり、小型化できる。しかもこのブレイトンサイクル装置内においては、作動流体は分割されて密閉された状態で圧縮機及び膨張機の内部を移動し、圧縮され、かつ膨張される。よって、このブレイトンサイクル装置は熱エネルギから運動エネルギへの変換効率も優れている。
更に加熱装置は、伝熱にて作動流体を加熱することで本発明のブレイトンサイクル装置を駆動することが可能となる。よって、エネルギ源の圧力自体は問題とならず、排気などのエネルギ源の背圧には影響しない。
このように、本発明のブレイトンサイクル装置は、エネルギ源の背圧を上昇させることなく、効率良く熱エネルギを運動エネルギに変換できる。よって、本発明のブレイトンサイクル装置を内燃機関などに適用した場合も、排気背圧を上昇させることなく、効率良く排気熱エネルギを回収することができるようになる。
好ましくは、前記ブレイトンサイクル装置では、前記膨張機の壁面が保温されている。
このように膨張機の壁面が保温されていることにより、膨張機から熱エネルギが漏出するのが防止される。よって、膨張機は、一層効率良く熱エネルギを運動エネルギに変換できる。
更に本発明は、内燃機関の排気熱エネルギ回収装置を提供する。このエネルギ回収装置は、圧縮機から膨張機へ送られる圧縮された作動流体を、内燃機関の排気流路の流路壁から伝達される熱により加熱するブレイトンサイクル装置を用いる。よって、熱エネルギ回収装置は排気熱エネルギを運動エネルギとして回収することができる。
このように、この発明の排気熱エネルギ回収装置は、内燃機関の排気熱エネルギを回収するために、ブレイトンサイクル装置を利用して伝熱にて作動流体を加熱している。よって、この発明の排気熱エネルギ回収装置は、内燃機関の排気背圧を上昇させることなく、効率良く排気熱エネルギを回収することができる。
好ましくは、前記熱エネルギ回収装置において、ブレイトンサイクル装置が備える加熱装置は、熱交換により外部の熱を作動流体に伝達する熱交換器として形成されている。この熱交換器は、内燃機関の排気に接触するように配置される。
このように構成することにより、排気熱エネルギ回収装置は簡単化及び小型化でき、車両などに搭載することが容易となる。この排気熱エネルギ回収装置は、内燃機関の排気背圧を上昇させることなく、効率良く排気熱エネルギを回収することができる。
好ましくは、前記排気流路は内側通路及び外側通路を備える二重管として構成される。該二重管の内側通路及び外側通路の一方を通る排気と、他方を通る作動流体との間で熱交換が行われる。
このように排気流路を二重管として形成して熱交換することにより、圧縮された作動流体を排気熱エネルギで容易に加熱することができる。
したがって簡単で小型の構成にて、内燃機関の排気背圧を上昇させることなく、効率良く排気熱エネルギを回収することができる。
好ましくは、前記ブレイトンサイクル装置は、旋回隔壁に関して互いに反対側に配置されるスクロール型圧縮機及びスクロール型膨張機を備える。旋回隔壁及び圧縮機ケースは高熱伝導性材料にて形成され、膨張機ケースは耐熱性材料にて形成される。
高熱伝導性材料の圧縮機ケースはブレイトンサイクル装置において低温側であり、旋回隔壁も高熱伝導性材料にて形成される。よって、ブレイトンサイクル装置は圧縮機ケースから冷却される。このことにより、旋回隔壁及び圧縮機ケースは耐熱性材料とする必要がない。したがって、高温の作動流体が直接接触する膨張機ケースを耐熱性材料にて形成することにより、内燃機関の排気熱エネルギ回収装置を形成することができる。
好ましくは、前記高熱伝導性材料としてアルミニウム合金が用いられ、前記耐熱性材料として鉄合金が用いられる。
このように高熱伝導性材料としてアルミニウム合金を用いることによって、排気熱エネルギ回収装置の軽量化に貢献できる。
好ましくは、前記膨張機の壁面が保温されている。
このように膨張機の壁面が保温されたブレイトンサイクル装置を用いることにより、一層効率良く熱エネルギを運動エネルギに変換して、高効率な排気熱エネルギ回収が可能となる。
更に本発明は、膨張旋回スクロールに膨張固定スクロールを組み合わせて形成されたスクロール型膨張機と、作動流体を圧縮するべく前記膨張旋回スクロールの旋回運動に連動する圧縮機と、前記圧縮機から前記スクロール型膨張機へ作動流体を供給する圧縮作動流体経路と、前記スクロール型膨張機内の作動流体を伝熱により加熱する熱源とを備えるブレイトンサイクル装置を提供する。
即ち、ブレイトンサイクル装置は、圧縮機からスクロール型膨張機へ作動流体を供給する圧縮作動流体経路にて作動流体を加熱する構成に限らず、スクロール型膨張機内の作動流体を熱源から伝えられる熱にて加熱する構成でもよい。
この場合、熱源から伝えられる熱にてスクロール型膨張機内の作動流体を加熱することで、本発明のブレイトンサイクル装置を駆動することが可能となる。よって、熱源の圧力自体は問題とならず、熱源の背圧には影響せずに、効率良く熱エネルギを運動エネルギに変換できる。よって、本発明のブレイトンサイクル装置を内燃機関などに適用した場合も、排気背圧を上昇させることなく、効率良く排気熱エネルギを回収することができるようになる。
更に、圧縮作動流体経路においては作動流体を加熱しないので、圧縮作動流体経路自体を簡易な構成にできる。スクロール型膨張機の構成を利用して伝熱により作動流体を加熱できることから、ブレイトンサイクル装置は、より簡素化かつ小型化される。
好ましくは、前記圧縮機は容積型圧縮機である。
このように容積型圧縮機を用いた場合も、スクロール型膨張機内の作動流体の加熱が上述したごとくに行われる。よって、この場合のブレイトンサイクル装置を内燃機関などに適用した場合も、排気背圧を上昇させることなく、効率良く排気熱エネルギを回収することができるようになる。
更に本発明は、片面に圧縮旋回スクロールが形成され且つもう一方の片面に膨張旋回スクロールが形成された旋回隔壁と、前記圧縮旋回スクロールに圧縮固定スクロールを組み合わせて形成されたスクロール型圧縮機と、前記膨張旋回スクロールに膨張固定スクロールを組み合わせて形成されたスクロール型膨張機と、前記スクロール型圧縮機から前記スクロール型膨張機へ作動流体を供給する圧縮作動流体経路と、前記スクロール型膨張機内の作動流体を伝熱により加熱する熱源とを備えるブレイトンサイクル装置を提供する。
即ち、ブレイトンサイクル装置は、スクロール型圧縮機からスクロール型膨張機へ作動流体を供給する圧縮作動流体経路において作動流体を加熱する構成に限らず、スクロール型膨張機内の作動流体を熱源からの伝熱によって加熱する構成でもよい。
このブレイトンサイクル装置は、従来のガスタービン型のブレイトンサイクル装置とは異なり、圧縮機及び膨張機がスクロール型であるため、構造としては簡単で小型化できる。しかもブレイトンサイクル装置内においては、作動流体は分割された状態で圧縮機及び膨張機の内部を移動し、圧縮され、かつ膨張される。よって、熱エネルギから運動エネルギへの変換効率も優れている。
更に、熱源から伝えられる熱によって作動流体が加熱されることで本発明のブレイトンサイクル装置は駆動される。よって、熱源の圧力自体は問題とならず、排気などの熱源の背圧には影響しない。
このように本発明のブレイトンサイクル装置は、熱源の背圧を上昇させることなく、効率良く熱エネルギを運動エネルギに変換できる。このことから、このブレイトンサイクル装置を内燃機関などに適用した場合も、排気背圧を上昇させることなく、効率良く排気熱エネルギを回収することができるようになる。
更に、圧縮作動流体経路にては作動流体を加熱していないので圧縮作動流体経路自体が簡易な構成となる。更に、スクロール型膨張機の構成を利用して作動流体を伝熱によって加熱する構成が可能となることから、ブレイトンサイクル装置が、より簡素化かつ小型化される。
好ましくは、前記圧縮作動流体経路は、前記旋回隔壁に形成される貫通孔である。この貫通孔は、前記スクロール型圧縮機のケース内部を、スクロール型圧縮機とは前記旋回隔壁を挟んで形成された前記スクロール型膨張機のケース内部に連通する。
この旋回隔壁の貫通孔は、圧縮作動流体経路の機能を果たすことができる。よって、圧縮作動流体経路は極めて簡易な構成となり、ブレイトンサイクル装置全体としても一層、簡素化かつ小型化される。
好ましくは、前記熱源は前記スクロール型膨張機のケースに接触する。これにより、熱源は、該スクロール型膨張機のケース又は該ケースに固定されている膨張固定スクロールを介して、前記スクロール型膨張機内の作動流体を加熱する。
この場合、膨張固定スクロールを利用して、伝熱により作動流体を加熱することができる。よって、ブレイトンサイクル装置が一層、簡素化かつ小型化される。
本発明は、膨張機へ送られた作動流体を、内燃機関の排気流路の流路壁から伝達される熱により加熱するブレイトンサイクル装置を用いた内燃機関の排気熱エネルギ回収装置を提供する。
この場合、内燃機関の排気熱エネルギを回収するために、ブレイトンサイクル装置を利用して、伝熱にて作動流体が加熱される。よって、内燃機関の排気背圧を上昇させることなく、効率良く排気熱エネルギを回収することができる。
更に、この排気熱エネルギ回収装置は、膨張機へ送られた作動流体を、内燃機関の排気流路の流路壁から伝達される熱により加熱する。よって、排気熱エネルギ回収装置全体としても簡素化かつ小型化される。
好ましくは、排気熱エネルギ回収装置は、スクロール型膨張機と、スクロール型膨張機内の作動流体を伝熱によって加熱する熱源とを備える。前記熱源として内燃機関の排気が用いられる。よって、排気熱エネルギ回収装置全体としても一層、簡素化かつ小型化される。
In order to improve the fuel consumption of an internal combustion engine, a device for recovering exhaust energy discharged from the engine after fuel combustion is known. For example, a Rankine cycle device is mounted on a vehicle together with an internal combustion engine. The evaporator disposed in the Rankine cycle apparatus heats water inside the apparatus by exhaust heat energy to generate high-temperature and high-pressure steam. Power is generated by an expander using this steam (see, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-120281).
In addition to this, a heat-utilizing engine such as a Stirling engine is combined with an internal combustion engine (for example, see Japanese Patent Laid-Open No. 2001-99003), or exhaust is directly introduced into a scroll type expander (for example, Japanese Patent Laid-Open No. 2003-138933). For example, it has been proposed to recover exhaust energy.
However, an apparatus such as the aforementioned Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-120281 requires an evaporator, an expander, a condenser, a pump, and water as a working fluid, so that the volume and weight of the apparatus must be increased. Absent. Therefore, even if exhaust heat energy can be recovered efficiently, the driving energy of the device and the vehicle weight may be excessive, and the fuel efficiency may hardly be improved. The same applies to the case of using a heat-utilizing engine such as a Stirling engine as described in JP-A-2001-99003.
Further, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-138933, exhaust is introduced into the scroll expander, and therefore, the exhaust back pressure of the internal combustion engine is inevitably increased and the engine output is decreased.
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an exhaust thermal energy recovery device for an internal combustion engine that can efficiently recover exhaust thermal energy without increasing the exhaust back pressure of the internal combustion engine, and such an exhaust thermal energy recovery device. An object of the present invention is to provide a Brayton cycle apparatus that can be used in the future.
The means for achieving the above object and its advantages will be described below.
The present invention provides a Brayton cycle apparatus. This Brayton cycle apparatus heats a scroll type compressor, a scroll type expander interlocking with the turning motion of the scroll type compressor, and a compressed working fluid sent from the scroll type compressor to the scroll type expander. Heating device.
Unlike the conventional gas turbine type Brayton cycle device, this Brayton cycle device has a scroll and a compressor and an expander, so that the structure is simple and can be miniaturized. Moreover, in the Brayton cycle apparatus, the working fluid is divided and sealed, moves inside the compressor and the expander, and is compressed and expanded. Therefore, the conversion efficiency from thermal energy to kinetic energy is also excellent.
Furthermore, the heating device can drive the Brayton cycle device of the present invention by heating the working fluid by heat transfer. Therefore, the pressure of the energy source itself does not matter and does not affect the back pressure of the energy source such as exhaust.
Thus, the Brayton cycle device of the present invention can efficiently convert thermal energy into kinetic energy without increasing the back pressure of the energy source. Therefore, even when the Brayton cycle device of the present invention is applied to an internal combustion engine or the like, the exhaust heat energy can be efficiently recovered without increasing the exhaust back pressure.
Preferably, the compression orbiting scroll of the scroll type compressor and the expansion orbiting scroll of the scroll type expander are provided on both sides of the orbiting partition so as to be opposite to each other across the orbiting partition. The compression orbiting scroll of the orbiting partition faces a compressor case having a compression-fixed scroll formed therein and is slidably in contact with or sandwiching a narrow gap. Therefore, the compression orbiting scroll is combined with the compression fixed scroll to form the scroll compressor. The inflatable orbiting scroll of the orbiting partition faces the expander case in which an inflatable fixed scroll is formed, and slidably contacts or sandwiches a narrow gap. Therefore, the expansion orbiting scroll is combined with the expansion fixed scroll to form the scroll type expander.
By forming the scroll compressor and the scroll expander in this way, the Brayton cycle apparatus can be further simplified and miniaturized.
Preferably, the scroll type compressor releases heat transferred from the scroll type expander to the orbiting partition wall to the outside through the compressor case.
The scroll type compressor is in contact with the scroll type expander through the rotating partition. Therefore, the compressor case on the low temperature side can receive the heat of the swirling partition wall transmitted from the scroll expander on the high temperature side and release the heat to the outside. Due to the heat radiation effect of such a compressor case, it is possible to suppress the high temperature of the swirling partition wall. Therefore, the thermal deformation of the swirl partition can be suppressed and the dimensional accuracy of the swirl partition can be maintained. Accordingly, the leakage of the working fluid is prevented, the friction coefficient is prevented from being increased when the swirling partition wall is swung, and high energy conversion efficiency can be maintained.
This makes it possible to use a lightweight material with low heat resistance, particularly for the swirling partition wall and the compressor case, which can contribute to further weight reduction of the apparatus.
Preferably, the scroll-type expander introduces the working fluid into the heat absorption chamber provided in the expander case before the introduced working fluid expands, and through the wall portion of the heat absorption chamber, Heat the working fluid during expansion.
By configuring the scroll expander in this way, the working fluid being expanded in the scroll expander can be heated by the heat of the working fluid before compression. Therefore, heat energy can be converted into kinetic energy more efficiently in the Brayton cycle apparatus without complicating the configuration.
Preferably, the scroll compressor takes air as working fluid and compresses it, and the scroll expander releases the expanded working fluid to the atmosphere.
Since the atmosphere is used as the working fluid in this way, a heat radiating device for the working fluid is unnecessary. Therefore, the configuration of the apparatus is further simplified and reduced in size.
Preferably, the heating device is formed as a heat exchanger that transfers external heat to the working fluid by heat exchange.
By forming the heating device as a heat exchanger in this way, the device can be simplified and miniaturized. Furthermore, even if the Brayton cycle device of the present invention is used for exhaust heat energy recovery of an internal combustion engine or the like, the exhaust back pressure does not increase.
The present invention further relates to a positive displacement compressor, a scroll expander that orbits in conjunction with a compression motion of the positive displacement compressor, and a compressed operation that is sent from the positive displacement compressor to the scroll expander. There is provided a Brayton cycle device including a heating device for heating a fluid.
In this Brayton cycle device, unlike the conventional gas turbine type Brayton cycle device, the compressor is a positive displacement type and the expander is a scroll type. Therefore, the structure of the Brayton cycle device is simplified and the size can be reduced. Moreover, in this Brayton cycle apparatus, the working fluid is divided and sealed, moves inside the compressor and the expander, and is compressed and expanded. Therefore, this Brayton cycle apparatus is also excellent in conversion efficiency from thermal energy to kinetic energy.
Furthermore, the heating device can drive the Brayton cycle device of the present invention by heating the working fluid by heat transfer. Therefore, the pressure of the energy source itself does not matter and does not affect the back pressure of the energy source such as exhaust.
Thus, the Brayton cycle device of the present invention can efficiently convert thermal energy into kinetic energy without increasing the back pressure of the energy source. Therefore, even when the Brayton cycle device of the present invention is applied to an internal combustion engine or the like, the exhaust heat energy can be efficiently recovered without increasing the exhaust back pressure.
Preferably, in the Brayton cycle apparatus, the wall surface of the expander is kept warm.
Since the wall surface of the expander is thus kept warm, leakage of heat energy from the expander is prevented. Therefore, the expander can convert thermal energy into kinetic energy more efficiently.
Furthermore, the present invention provides an exhaust heat energy recovery device for an internal combustion engine. This energy recovery device uses a Brayton cycle device that heats the compressed working fluid sent from the compressor to the expander by heat transmitted from the flow path wall of the exhaust flow path of the internal combustion engine. Therefore, the thermal energy recovery device can recover the exhaust heat energy as kinetic energy.
As described above, the exhaust heat energy recovery device of the present invention uses the Brayton cycle device to heat the working fluid by heat transfer in order to recover the exhaust heat energy of the internal combustion engine. Therefore, the exhaust heat energy recovery device of the present invention can efficiently recover the exhaust heat energy without increasing the exhaust back pressure of the internal combustion engine.
Preferably, in the thermal energy recovery device, the heating device included in the Brayton cycle device is formed as a heat exchanger that transfers external heat to the working fluid by heat exchange. This heat exchanger is arranged so as to contact the exhaust gas of the internal combustion engine.
With this configuration, the exhaust heat energy recovery device can be simplified and downsized, and can be easily mounted on a vehicle or the like. This exhaust heat energy recovery device can efficiently recover exhaust heat energy without increasing the exhaust back pressure of the internal combustion engine.
Preferably, the exhaust flow path is configured as a double pipe having an inner passage and an outer passage. Heat exchange takes place between the exhaust passing through one of the inner and outer passages of the double pipe and the working fluid passing through the other.
By forming the exhaust passage as a double pipe and exchanging heat in this way, the compressed working fluid can be easily heated with exhaust heat energy.
Therefore, exhaust heat energy can be efficiently recovered with a simple and small configuration without increasing the exhaust back pressure of the internal combustion engine.
Preferably, the Brayton cycle apparatus includes a scroll compressor and a scroll expander disposed on opposite sides with respect to the orbiting partition. The swirling partition and the compressor case are made of a highly heat conductive material, and the expander case is made of a heat resistant material.
The compressor case of the high thermal conductivity material is on the low temperature side in the Brayton cycle apparatus, and the swirl partition is also formed of the high thermal conductivity material. Thus, the Brayton cycle device is cooled from the compressor case. As a result, the swirling partition wall and the compressor case need not be made of a heat resistant material. Therefore, an exhaust heat energy recovery device for an internal combustion engine can be formed by forming the expander case in direct contact with the high temperature working fluid with a heat resistant material.
Preferably, an aluminum alloy is used as the high thermal conductivity material, and an iron alloy is used as the heat resistant material.
Thus, by using an aluminum alloy as a highly heat conductive material, it can contribute to weight reduction of an exhaust thermal energy recovery apparatus.
Preferably, the wall surface of the expander is kept warm.
Thus, by using the Brayton cycle device in which the wall surface of the expander is kept warm, it is possible to more efficiently convert heat energy into kinetic energy and to recover exhaust heat energy with high efficiency.
Furthermore, the present invention relates to a scroll type expander formed by combining an expanded orbiting scroll with an expanded fixed scroll, a compressor that is linked to the orbiting motion of the expanded orbiting scroll to compress working fluid, and the scroll from the compressor to the scroll. There is provided a Brayton cycle apparatus comprising a compressed working fluid path for supplying a working fluid to a type expander and a heat source for heating the working fluid in the scroll type expander by heat transfer.
That is, the Brayton cycle device is not limited to a configuration in which the working fluid is heated in the compressed working fluid path that supplies the working fluid from the compressor to the scroll type expander, but the working fluid in the scroll type expander is converted into heat transmitted from the heat source. It may be configured to be heated.
In this case, it becomes possible to drive the Brayton cycle device of the present invention by heating the working fluid in the scroll expander with the heat transmitted from the heat source. Therefore, the pressure of the heat source itself does not matter, and heat energy can be efficiently converted into kinetic energy without affecting the back pressure of the heat source. Therefore, even when the Brayton cycle device of the present invention is applied to an internal combustion engine or the like, the exhaust heat energy can be efficiently recovered without increasing the exhaust back pressure.
Further, since the working fluid is not heated in the compressed working fluid path, the compressed working fluid path itself can have a simple configuration. Since the working fluid can be heated by heat transfer using the configuration of the scroll expander, the Brayton cycle apparatus is further simplified and miniaturized.
Preferably, the compressor is a positive displacement compressor.
Even when a positive displacement compressor is used in this manner, the working fluid in the scroll expander is heated as described above. Therefore, even when the Brayton cycle device in this case is applied to an internal combustion engine or the like, the exhaust heat energy can be efficiently recovered without increasing the exhaust back pressure.
Furthermore, the present invention provides a rotating partition in which a compression orbiting scroll is formed on one side and an expansion orbiting scroll is formed on the other side, and a scroll compressor formed by combining a compression fixed scroll with the compression orbiting scroll, A scroll type expander formed by combining an expansion fixed scroll with an expansion fixed scroll, a compression working fluid path for supplying a working fluid from the scroll type compressor to the scroll type expander, and an operation in the scroll type expander A Brayton cycle apparatus is provided that includes a heat source that heats a fluid by heat transfer.
That is, the Brayton cycle device is not limited to a configuration in which the working fluid is heated in the compression working fluid path for supplying the working fluid from the scroll compressor to the scroll expander, but the working fluid in the scroll expander is transferred from the heat source. The structure which heats by may be sufficient.
Unlike the conventional gas turbine type Brayton cycle device, this Brayton cycle device has a scroll and a compressor and an expander, so that the structure is simple and can be miniaturized. Moreover, in the Brayton cycle apparatus, the working fluid moves in the divided state inside the compressor and the expander, and is compressed and expanded. Therefore, the conversion efficiency from thermal energy to kinetic energy is also excellent.
Furthermore, the Brayton cycle device of the present invention is driven by heating the working fluid by the heat transferred from the heat source. Therefore, the pressure of the heat source itself does not matter and does not affect the back pressure of the heat source such as exhaust.
Thus, the Brayton cycle device of the present invention can efficiently convert thermal energy into kinetic energy without increasing the back pressure of the heat source. Therefore, even when this Brayton cycle device is applied to an internal combustion engine or the like, exhaust heat energy can be efficiently recovered without increasing the exhaust back pressure.
Further, since the working fluid is not heated in the compressed working fluid path, the compressed working fluid path itself has a simple configuration. Furthermore, since the configuration of heating the working fluid by heat transfer using the configuration of the scroll expander is possible, the Brayton cycle apparatus is further simplified and miniaturized.
Preferably, the compressed working fluid path is a through hole formed in the swirling partition wall. The through-hole communicates with the inside of the case of the scroll type compressor and the inside of the case of the scroll type expander formed with the orbiting partition wall interposed between the scroll type compressor and the scroll type compressor.
The through hole of the swirling partition wall can serve as a compressed working fluid path. Therefore, the compressed working fluid path has a very simple configuration, and the Brayton cycle apparatus as a whole is further simplified and downsized.
Preferably, the heat source contacts a case of the scroll expander. Thus, the heat source heats the working fluid in the scroll expander via the case of the scroll expander or the expansion fixed scroll fixed to the case.
In this case, the working fluid can be heated by heat transfer using the expansion fixed scroll. Therefore, the Brayton cycle apparatus is further simplified and miniaturized.
The present invention provides an exhaust heat energy recovery device for an internal combustion engine using a Brayton cycle device that heats the working fluid sent to the expander by heat transmitted from the flow passage wall of the exhaust flow passage of the internal combustion engine.
In this case, in order to recover the exhaust heat energy of the internal combustion engine, the working fluid is heated by heat transfer using the Brayton cycle device. Therefore, exhaust heat energy can be efficiently recovered without increasing the exhaust back pressure of the internal combustion engine.
Further, the exhaust heat energy recovery device heats the working fluid sent to the expander by heat transmitted from the flow path wall of the exhaust flow path of the internal combustion engine. Therefore, the exhaust heat energy recovery apparatus as a whole is simplified and downsized.
Preferably, the exhaust heat energy recovery device includes a scroll type expander and a heat source that heats the working fluid in the scroll type expander by heat transfer. An exhaust gas from an internal combustion engine is used as the heat source. Therefore, the exhaust heat energy recovery apparatus as a whole is further simplified and downsized.

図1は、本発明を具体化した第1の実施形態のブレイトンサイクル装置の概略構成図、
図2は、図1のブレイトンサイクル装置における断熱処理装置の外観説明図、
図3は、図2の断熱処理装置の外観説明図、
図4は、図1の装置における圧縮機ケースの平面図、
図5は、図1の装置における膨張機ケースの平面図、
図6は、図4の圧縮機ケースの斜視図、
図7は、図5の膨張機ケースの斜視図、
図8は、図1の装置における旋回隔壁の構成説明図、
図9は、図8の旋回隔壁の斜視図、
図10は、図1の装置におけるスクロール型圧縮機の内部構成説明図、
図11は、図1の装置におけるスクロール型膨張機の内部構成説明図、
図12は、図1の装置におけるブレイトンサイクルのPV線図、
図13は、図1のブレイトンサイクル装置駆動時の圧縮固定スクロールと圧縮旋回スクロールとの位置関係の説明図、
図14は、図1のブレイトンサイクル装置駆動時の膨張固定スクロールと膨張旋回スクロールとの位置関係の説明図、
図15は、本発明の第2の実施形態のブレイトンサイクル装置及び排気熱エネルギ回収装置の概略構成図、
図16は、図15の装置の圧縮機ケースにおける放熱フィンの構成説明図、
図17は、図15の装置の膨張機ケースにおける吸熱フィンの構成説明図、
図18は、本発明の第3の実施形態のブレイトンサイクル装置の概略構成図、
図19は、図18のブレイトンサイクル装置における断熱処理装置の外観説明図、
図20は、図19の断熱処理装置の外観説明図、
図21は、図18の装置における圧縮機ケースの平面図、
図22は、図18の装置における膨張機ケースの平面図、
図23は、図21の圧縮機ケースの斜視図、
図24は、図22の膨張機ケースの斜視図、
図25は、図18の装置における旋回隔壁の斜視図、
図26は、図25の旋回隔壁の構成説明図、
図27は、図18のブレイトンサイクル装置駆動時の圧縮固定スクロールと圧縮旋回スクロールとの位置関係の説明図、
図28は、図18のブレイトンサイクル装置駆動時の膨張固定スクロールと膨張旋回スクロールとの位置関係の説明図、
図29は、図18の装置に関して、加熱手法の違いによる熱エネルギ変換効率の比較を示すグラフ、
図30は、本発明の第4の実施形態のブレイトンサイクル装置の概略構成図、
図31は、本発明の他のクランク機構の例の構成説明図。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a Brayton cycle apparatus according to a first embodiment embodying the present invention.
FIG. 2 is an external explanatory view of a heat treatment apparatus in the Brayton cycle apparatus of FIG.
FIG. 3 is an external explanatory diagram of the heat treatment apparatus of FIG.
4 is a plan view of a compressor case in the apparatus of FIG.
FIG. 5 is a plan view of an expander case in the apparatus of FIG.
6 is a perspective view of the compressor case of FIG.
FIG. 7 is a perspective view of the expander case of FIG.
FIG. 8 is a diagram illustrating the configuration of a swirling partition wall in the apparatus of FIG.
9 is a perspective view of the swirling partition wall of FIG.
10 is an explanatory diagram of the internal configuration of the scroll compressor in the apparatus of FIG.
FIG. 11 is an explanatory diagram of the internal configuration of the scroll expander in the apparatus of FIG.
12 is a PV diagram of the Brayton cycle in the apparatus of FIG.
FIG. 13 is an explanatory diagram of the positional relationship between the compression fixed scroll and the compression orbiting scroll when the Brayton cycle device of FIG. 1 is driven.
14 is an explanatory diagram of the positional relationship between the expansion fixed scroll and the expansion orbiting scroll when the Brayton cycle device of FIG. 1 is driven,
FIG. 15 is a schematic configuration diagram of a Brayton cycle device and an exhaust heat energy recovery device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 16 is a diagram illustrating the configuration of the heat dissipating fins in the compressor case of the apparatus shown in FIG.
FIG. 17 is a diagram illustrating the configuration of heat sink fins in the expander case of the apparatus shown in FIG.
FIG. 18 is a schematic configuration diagram of a Brayton cycle apparatus according to the third embodiment of the present invention.
FIG. 19 is an external explanatory diagram of a heat treatment apparatus in the Brayton cycle apparatus of FIG.
20 is an external explanatory diagram of the heat treatment apparatus of FIG.
21 is a plan view of a compressor case in the apparatus of FIG.
FIG. 22 is a plan view of an expander case in the apparatus of FIG.
FIG. 23 is a perspective view of the compressor case of FIG.
24 is a perspective view of the expander case of FIG.
FIG. 25 is a perspective view of a swirling partition wall in the apparatus of FIG.
FIG. 26 is a diagram illustrating the configuration of the swirling partition wall of FIG.
27 is an explanatory diagram of a positional relationship between the compression fixed scroll and the compression orbiting scroll when the Brayton cycle device of FIG. 18 is driven,
FIG. 28 is an explanatory diagram of the positional relationship between the expansion fixed scroll and the expansion turning scroll when the Brayton cycle device of FIG. 18 is driven;
FIG. 29 is a graph showing a comparison of thermal energy conversion efficiencies due to differences in heating methods for the apparatus of FIG.
FIG. 30 is a schematic configuration diagram of a Brayton cycle apparatus according to the fourth embodiment of the present invention.
FIG. 31 is a configuration explanatory view of another example of the crank mechanism of the present invention.

以下、本発明を具体化した第1の実施形態を説明する。図1はブレイトンサイクル装置1の概略構成を示す。ブレイトンサイクル装置1内の断熱処理装置2を図2及び図3に示す。図2(A)は断熱処理装置2の正面図、図2(B)は背面図(B)を表し、図3(A)は右側面図、図3(B)は左側面図を表している。
断熱処理装置2はスクロール型圧縮機4及びスクロール型膨張機6から構成されている。スクロール型圧縮機4は図4の平面図に示すごとくの圧縮機ケース8を備える。この圧縮機ケース8の内部空間9には圧縮固定スクロール10が形成されている。圧縮固定スクロール10の中心部に相当する圧縮機ケース8の部分には圧縮作動流体排出ポート9aが設けられている。圧縮固定スクロール10の最外周部分には作動流体導入ポート9bが設けられている。圧縮機ケース8の斜視図を図6に示す。
スクロール型膨張機6は図5の平面図に示すごとくの膨張機ケース12を備え、この膨張機ケース12の内部空間13には膨張固定スクロール14が形成されている。膨張固定スクロール14の中心部に相当する膨張機ケース12の部分には圧縮作動流体吸入ポート13aが設けられる。膨張固定スクロール14の最外周部分には作動流体放出ポート13bが設けられている。膨張機ケース12の斜視図を図7に示す。
圧縮機ケース8の接合面8aの内側には円形の旋回凹部8bが設けられ、膨張機ケース12の接合面12aの内側にも円形の旋回凹部12bが設けられている。接合面8a,12a同士が図2のごとく当接してボルトBtにて圧縮機ケース8が膨張機ケース12と締結された場合に、2つの旋回凹部8b,12bは断熱処理装置2の内部に、旋回隔壁18を収容する収納室を区画する。収納室においては、図8に示す旋回隔壁18は摺動しつつ旋回するか、あるいは狭い空隙を介して旋回できる。
図8(A)に示す旋回隔壁18の圧縮機側の面18aには圧縮旋回スクロール20が突出形成されている。図8(B)に示す旋回隔壁18の膨張機側の面18bには膨張旋回スクロール22が突出形成されている。旋回隔壁18の斜視図を図9に示す。
旋回隔壁18の周縁部には、円盤状に形成された3つのクランク機構24がクランクピン24bにて回転可能に取り付けられている。各クランク機構24は圧縮機ケース8に3つ設けられたクランク収納部8cに収納される。各クランク機構24の中心部にはクランク軸24aが設けられている。クランク軸24aは、クランク収納部8cの中心に設けられたクランク軸受孔8dに挿入されて圧縮機ケース8に回転可能に支持される。このようにクランク機構24が圧縮機ケース8に支持されることで、旋回隔壁18全体が圧縮機ケース8に旋回可能に支持される。
断熱処理装置2を組み立てた状態では、3つのクランク軸24aの内の2つが図1及び図2に示したごとく断熱処理装置2の外部に突出している。第1のクランク軸24aがブレイトンサイクル装置1の始動時におけるクランキングトルクを断熱処理装置2の外部から受ける。第2のクランク軸24aは、ブレイトンサイクル装置1が発生するトルクを断熱処理装置2の外部に出力している。なお、断熱処理装置2の外部に突出するクランク軸24aを2本ではなく1本に変更して、クランキングトルク入力と発生トルク出力との両方の機能を一本のクランク軸24aに兼ねさせてもよい。
上述した構成の旋回隔壁18の片面(圧縮機側の面18a(表面))にある圧縮旋回スクロール20を圧縮機ケース8(図4,図6)の圧縮固定スクロール10に組み合わせ、他の片面(膨張機側の面18b(裏面))の膨張旋回スクロール22を膨張機ケース12(図5,図7)の膨張固定スクロール14に組み合わせる。そして圧縮機ケース8、膨張機ケース12、及び旋回隔壁18をボルトBtにて締結することで、断熱処理装置2が形成される。
このように構成された断熱処理装置2において、スクロール型圧縮機4の内部構成を図10に示す。図10は旋回隔壁18の圧縮機側の面18a(表面)にある圧縮旋回スクロール20と、これに組み合わされている圧縮機ケース8とを示している。圧縮機ケース8(圧縮旋回スクロール20)を上、膨張機ケース12(膨張旋回スクロール22)を下にした状態において、旋回隔壁18より上側にある圧縮機ケース8については一点鎖線にて示している。圧縮旋回スクロール20は黒く塗りつぶして示している。
断熱処理装置2の内で、スクロール型膨張機6の内部構成を図11に示す。図11は旋回隔壁18の膨張機側の面18b(裏面)にある膨張旋回スクロール22と、これに組み合わされている膨張機ケース12とを、スクロール型圧縮機4側から、旋回隔壁18を透過した状態で示している。旋回隔壁18より下側にある膨張固定スクロール14及び膨張旋回スクロール22については破線で示している。
図10,図11において示されているごとく、クランク軸24aは図示のごとく圧縮機ケース8側からみて時計回りに回転して、旋回隔壁18が時計回りに旋回運動する。よって、図12に示すブレイトンサイクルのPV線図における断熱圧縮行程がスクロール型圧縮機4によって実現され、断熱膨張行程がスクロール型膨張機6によって実現される。
旋回状態の説明を図13,図14により説明する。図13は圧縮固定スクロール10と圧縮旋回スクロール20との位置関係を説明するために、圧縮機ケース8側から見た旋回隔壁18及びその上の圧縮機ケース8の構成を重ねて表示したものである。同様に、図14は膨張固定スクロール14と膨張旋回スクロール22との位置関係を説明するために、圧縮機ケース8側から見た旋回隔壁18及びその下の膨張機ケース12の構成を重ねて表示したものである。圧縮旋回スクロール20及び膨張旋回スクロール22は旋回隔壁18の表裏に存在して同一の旋回運動を生じるので、図13の旋回及び図14の旋回は旋回隔壁18の表裏において同時に生じる。
旋回隔壁18は前述したごとくスクロール型圧縮機4側から見て時計回りに旋回するので、図13に(1)から(8)へ順次示すごとく、圧縮旋回スクロール20の位置が圧縮固定スクロール10に対して変化する。このことにより作動流体導入ポート9bから作動流体(ここでは大気)が、圧縮機ケース8の内部空間9に初期容積Va1で導入されて、次第に容積を縮小させつつ圧縮機ケース8の中心に向かって運搬される。そして作動流体が圧縮機ケース8の中心部にて最終容積Va2(Va1>Va2)となった時に圧縮作動流体排出ポート9aが開放されて、圧縮された作動流体が圧縮作動流体排出ポート9aから加熱装置30(図1)へ送り出される。
圧縮旋回スクロール20の旋回と同時にスクロール型膨張機6では、図14に(1)から(8)へ順次示すごとく、膨張旋回スクロール22の位置が膨張固定スクロール14に対して変化する。よって、加熱装置30で加熱された作動流体は、圧縮作動流体吸入ポート13aから膨張機ケース12の内部空間13に初期容積Vb2で導入されて、次第に容積を拡大させつつ膨張機ケース12の外周側へ運搬される。そして作動流体は、膨張機ケース12の周辺部にて最終容積Vb1(Vb1>Vb2)となった時に、膨張固定スクロール14及び膨張旋回スクロール22による拘束から解放されて作動流体放出ポート13bから膨張機ケース12の外部へ放出される。
膨張固定スクロール14及び膨張旋回スクロール22の軸方向寸法は、圧縮固定スクロール10及び圧縮旋回スクロール20の軸方向寸法よりも大きく、Va1<Vb1、Va2<Vb2の関係に設計されている。
このように構成されている断熱処理装置2と加熱装置30との組み合わせにより、図1に示したブレイトンサイクル装置1が完成する。加熱装置30は二重管を利用し、内側通路である熱源の流路30aと、流路30aの周囲に設けられた外側通路30bとを備える。加熱装置30は外側通路30bに作動流体を流す。よって、外側通路30bの作動流体は、熱源の流路30aの管壁(流路壁)を介して、熱源の流路30aを流れる流体と熱交換される。具体的には熱源の流路30aとして内燃機関の排気管を用いれば、内燃機関の排気熱エネルギを回収できる。つまり、熱源の流路30aには排気が流れ、この排気の熱が、外側通路30bを流れる作動流体(空気)に伝達される。
上記容積Va1,Va2,Vb1,Vb2の値は、作動流体導入ポート9bにおける作動流体温度、加熱装置30における熱交換器効率、圧縮作動流体吸入ポート13aにおける作動流体温度、スクロール型圧縮機4及びスクロール型膨張機6における断熱効率を考慮して、ブレイトンサイクル装置1について最大の熱効率が得られるように設計される。
以上説明した第1の実施形態は以下の利点を有する。
(1).本実施形態のブレイトンサイクル装置1は、従来のガスタービン型のブレイトンサイクル装置とは異なり、スクロール型圧縮機4及びスクロール型膨張機6を用いているため、構造としては簡単で小型化できる。
特に断熱処理装置2においては、作動流体は固定スクロール10,14及び旋回スクロール20,22の組み合わせにより分割されて密閉された状態でスクロール型圧縮機4及びスクロール型膨張機6の内部を移動して、圧縮されかつ膨張する。このため熱エネルギから運動エネルギへの変換効率も優れている。
外部のエネルギ源は、作動流体に流路30aの管壁を介して伝熱して熱交換するのみでよいことから、更に小型化できる。更に、エネルギ源の圧力自体は問題とならず、排気などのエネルギ源の背圧には影響しない。
したがって、本実施形態のブレイトンサイクル装置1はエネルギ源の背圧を上昇させることなく、効率良く熱エネルギを運動エネルギに変換できる。このことから、本実施形態のブレイトンサイクル装置1を内燃機関に適用した場合において、内燃機関の排気背圧を上昇させることなく、効率良く排気熱エネルギを回収することができる。
(2).スクロール型圧縮機4の圧縮旋回スクロール20及びスクロール型膨張機6の膨張旋回スクロール22は、クランク軸24aによって旋回運動する旋回隔壁18の両側に設けられている。旋回隔壁18の圧縮旋回スクロール20側には、内部に圧縮固定スクロール10が形成された圧縮機ケース8が摺動可能に密着状態あるいは狭い空隙を挟んで対峙する状態で取り付けられる。よって、圧縮旋回スクロール20及び圧縮固定スクロール10が組み合わされてスクロール型圧縮機4が形成されている。旋回隔壁18の膨張旋回スクロール22側には、内部に膨張固定スクロール14が形成された膨張機ケース12が摺動可能に密着状態あるいは狭い空隙を挟んで対峙する状態で取り付けられる。よって、膨張旋回スクロール22及び膨張固定スクロール14が組み合わされてスクロール型膨張機6が形成されている。
このようにスクロール型圧縮機4及びスクロール型膨張機6が形成されていることにより、一層、ブレイトンサイクル装置1を簡単化かつ小型化することが可能となる。
(3).上述のごとく旋回隔壁18は膨張機ケース12を覆っている。よって、旋回隔壁18は、スクロール型膨張機6に導入される高温の作動流体に曝される。しかし旋回隔壁18には、膨張機ケース12と反対側から圧縮機ケース8が接触可能である。よって、スクロール型膨張機6から旋回隔壁18へ伝えられる熱は、圧縮機ケース8によって奪われて外界に放出される。
このような圧縮機ケース8による放熱作用により旋回隔壁18の高温化を抑制できる。よって、旋回隔壁18の熱変形を抑制して旋回隔壁18の寸法精度を維持できる。したがって、作動流体の断熱処理装置2からの漏洩を防止し、旋回隔壁18の旋回時の摩擦係数が高くなるのを防止して高いエネルギ変換効率を維持できる。
このことにより、特に旋回隔壁18やスクロール型圧縮機4に、耐熱性が低い軽合金を用いることも可能となり、ブレイトンサイクル装置1の一層の軽量化に貢献できる。
(4).スクロール型圧縮機4は作動流体導入ポート9bから大気(空気)を取り込んで作動流体とし、スクロール型膨張機6は膨張後の作動流体を作動流体放出ポート13bから大気中に放出している。このように大気を作動流体として利用しているので、作動流体の放熱装置は不要であり、ブレイトンサイクル装置1の構成がより簡単化及び小型化する。
次に、本発明の第2の実施形態を説明する。本実施形態では、図15に示すごとく構成されたブレイトンサイクル装置51を利用して、車載用内燃機関Engの排気熱エネルギの回収する。断熱処理装置52はスクロール型圧縮機54及びスクロール型膨張機56からなるが、スクロール型圧縮機54及びスクロール型膨張機56の内部構成は前記第1の実施形態にて説明したスクロール型圧縮機4及びスクロール型膨張機6の構成と同じである。
本実施形態は以下の点で前記第1の実施形態と異なる。即ち、圧縮機ケース58の端面58aには、図15及び図16に示すごとく突起状の放熱フィン58bが多数設けられている。放熱フィン58bにより、内部の旋回隔壁18から圧縮機ケース58に伝達される熱を外部に放出している。すなわち放熱フィン58bは、旋回隔壁18が高温のスクロール型膨張機56から受けた熱を、圧縮機ケース58を介して放熱する放熱効率を高めるために設けられている。
更に膨張機ケース62の端面62aにも図15及び図17に示すごとく突起状の吸熱フィン62bが多数設けられている。膨張機ケース62の端面62aにはカバー62cが配置されている。カバー62cは圧縮作動流体吸入ポート63a及び吸熱フィン62bを覆って、吸熱室62dを区画する。加熱装置80にて加熱された作動流体は吸熱室62dに導入される。よって、吸熱室62dに導入された作動流体により吸熱フィン62bが加熱される。吸熱室62dに開口している圧縮作動流体吸入ポート63aは、加熱された作動流体を吸入できる。このため、吸熱室62dに導入された作動流体により、吸熱フィン62bから、吸熱室62dの壁部の端面62aを介して、膨張機ケース62内部の作動流体が加熱される。よって、スクロール型膨張機56における作動流体の膨張による圧力低下が少ない。したがって、スクロール型膨張機56における膨張率が高くても、作動流体を大気圧状態にして作動流体放出ポート63bから放出できる。したがって、ブレイトンサイクル装置51は、一層、高効率にて排気熱エネルギを回収できる。
加熱装置80は、作動流体を二重管80bの全長に通過させるための経路80cと、二重管80bの一部のみに作動流体を通過させるための経路80dとの2つの作動流体用経路を有する。分配弁80eにより、スクロール型圧縮機54から供給される圧縮作動流体の経路分配状態が調整可能となっている。本実施形態における経路80c,80dの分配率は、吸熱室62dにおける圧縮作動流体吸入ポート63aの開口部分に設けられた温度センサ81から検出される作動流体供給温度が、予め設定した基準温度になるように調節される。すなわち、吸熱フィン62bによって作動流体が吸熱された後に、圧縮作動流体吸入ポート63aに到達した時の作動流体の温度が、スクロール型膨張機56における膨張開始に適切な基準温度となるように、分配弁80eの分配率が調節される。
ブレイトンサイクル装置51のクランク軸74aは、内燃機関Engの出力によりブレイトンサイクル装置51の駆動開始時に回転される。しかし、ブレイトンサイクル装置51の駆動開始後は、クランク軸74aは加熱装置80を通過する排気の熱エネルギにより、内燃機関Engの出力に対して自立して回転するので、クランク軸74aは内燃機関Engから切り離される必要がある。このため、内燃機関Engの出力軸64とブレイトンサイクル装置51のクランク軸74aとの間には電磁クラッチ92が設けられている。
上記分配弁80eの分配率制御及び電磁クラッチ92の係合・解放制御は、電子制御ユニット(ECU)94により、内燃機関Engの運転状態に基づいて実行される。
例えば、内燃機関Engの始動前では電磁クラッチ92を解放状態とし、内燃機関Engの始動後に十分に内燃機関排気温度が上昇したタイミングで、電磁クラッチ92を係合して内燃機関Engの出力でブレイトンサイクル装置51のクランク軸74aを回転させる。ECU94は、温度センサ81にて検出される作動流体温度が例えば350℃となるように、バルブアクチュエータ80fを駆動して分配弁80eを調節する。
この後、ECU94は電磁クラッチ92を解放する。よって、ブレイトンサイクル装置51のクランク軸74aの自立回転により、排気熱エネルギ回収のための装置、ここでは発電機96がクランク軸74aによって回転させられる。よって、排気熱エネルギは電気エネルギとして回収されて、車両用電源として使用されたりバッテリに蓄えられる。
上述した構成において、膨張機ケース62は、高温の作動流体に直接接触するので耐熱性材料(例えば鋳鉄などの鉄合金)製である。圧縮機ケース58は、作動流体が比較的低温なので高熱伝導性材料(特にアルミニウム合金などの軽合金)製である。旋回隔壁18は、圧縮機ケース58に熱を伝えることによって冷却されるように高熱伝導性材料製とする。
以上説明した第2の実施形態は以下の利点を有する。
(1).圧縮機ケース58には放熱フィン58bが形成されている。よって、圧縮機ケース58は熱を外界に放出しやすいので、前記第1の実施形態の(3)に述べた利点が顕著となる。
(2).膨張機ケース62の端面62aがカバー62cによって覆われて吸熱室62dが区画されている。よって、前述したごとく膨張機ケース62の端面62aを有する膨張機ケース62の壁部を介して、スクロール型膨張機56内部で膨張中の作動流体を加熱できる。しかも端面62aには吸熱フィン62bが形成されている。よって、端面62aにおける熱伝達が良好となり、構成を複雑化せずに、ブレイトンサイクル装置51において一層効率良く熱エネルギを運動エネルギに変換できる。
(3).排気管は二重管80bである。加熱装置80は、高温気体(ここでは内燃機関Engの排気)と作動流体との間で熱交換を行うための熱交換器として構成される。ブレイトンサイクル装置51は排気熱エネルギを運動エネルギとして回収している。このため内燃機関Engの排気背圧を上昇させることなく、効率良く排気熱エネルギを運動エネルギに変換できる。
(4).上述したごとく圧縮機ケース58及び旋回隔壁18を軽合金化できる。よって、ブレイトンサイクル装置51全体も軽量化できる。したがって、ブレイトンサイクル装置51を車載用内燃機関に適用して、より燃費を向上させることができる。
(5).前記第1の実施形態の(1)、(2)、(4)の利点を生じる。
次に、本発明の第3の実施形態を説明する。図18にブレイトンサイクル装置101の概略構成を示す。このブレイトンサイクル装置101の断熱処理装置102を図19,図20に示す。図19(A)は断熱処理装置102の正面図、図19(B)は背面図を表し、図20(A)は右側面図、図20(B)は左側面図を表している。
作動流体導入ポート109bはスクロール型圧縮機104の外周部に突出して設けられ、作動流体放出ポート113bはスクロール型膨張機106の外周部に突出して設けられている点は前記第1の実施形態と同じである。
ただし前記第1の実施形態と異なり、図21〜図24に示すごとく、圧縮機ケース108には圧縮作動流体排出ポート9aは設けられておらず、膨張機ケース112には圧縮作動流体吸入ポート13aは設けられていない。ここで図21は圧縮機ケース108の平面図、図22は膨張機ケース112の平面図、図23は圧縮機ケース108の斜視図、図24は膨張機ケース112の斜視図である。
これら圧縮作動流体排出ポート9a及び圧縮作動流体吸入ポート13aの代わりに、図25,26に示すごとく旋回隔壁118の中心部に貫通孔118cが形成されている。図25は旋回隔壁118の斜視図、図26(A)は旋回隔壁118の圧縮機側の面118aを示す旋回隔壁118の平面図、図26(B)は旋回隔壁118の膨張機側の面118bを示す旋回隔壁118の裏面図である。
スクロール型圧縮機104内では、図27の(1)〜(8)に示すごとく旋回隔壁118が旋回する。圧縮機ケース108の圧縮固定スクロール110に対して旋回隔壁118の圧縮旋回スクロール120が運動することにより、作動流体導入ポート109bからスクロール型圧縮機104に導入された作動流体が圧縮されて、旋回隔壁118の中心部にある貫通孔118cに到達する。図27は圧縮固定スクロール110と圧縮旋回スクロール120との位置関係を説明するために、圧縮機ケース108側から見た旋回隔壁118とその上の圧縮機ケース108とを重ねて表示したものである。したがって、図21に対して図27は左右逆転して示されている。
圧縮状態の作動流体は、貫通孔118cを通過することにより、図18にて破線Apで示したごとくスクロール型圧縮機104からスクロール型膨張機106へ直ちに導入される。
スクロール型膨張機106内では、図28の(1)〜(8)に示すごとく旋回隔壁118が旋回する。膨張機ケース112の膨張固定スクロール114に対して旋回隔壁118の膨張旋回スクロール122が運動することにより、貫通孔118cからスクロール型膨張機106に導入された作動流体が膨張して、作動流体放出ポート113bに到達する。
図28は膨張固定スクロール114と膨張旋回スクロール122との位置関係を説明するために、圧縮機ケース108側から見た旋回隔壁118とその下の膨張機ケース112とを重ねて表示したものである。
膨張機ケース112は熱源である流路130a(図18)に接触あるいは接合されている。よって、膨張機ケース112は、流路130aを流れる流体と、流路130aの管壁(流路壁)を介して熱交換している。よって、作動流体は膨張機ケース112又は膨張固定スクロール114との接触による熱伝達により加熱されつつ膨張する。
このような構成にて旋回隔壁118が図27,28における時計回りに旋回運動することにより、前記図12に示したブレイトンサイクルのPV線図における断熱圧縮行程、等圧加熱行程、断熱膨張行程が実現されている。
上述した構成において、膨張機ケース112は高温の流路130aに接触し伝熱されて高温化する。よって、膨張機ケース112及び膨張固定スクロール114により作動流体が加熱される。よって、膨張機ケース112及び膨張固定スクロール114は耐熱性材料(例えば鋳鉄などの鉄合金)製である。膨張機ケース112及び膨張固定スクロール114は、アルミニウム合金などの軽合金製でもよい。圧縮機ケース108内の作動流体は比較的低温なので、圧縮機ケース108は高熱伝導性材料(特にアルミニウム合金などの軽合金)製である。旋回隔壁118は、圧縮機ケース108に熱を伝えることによって冷却されるように高熱伝導性材料製である。
上述した構成により、流路130aから膨張機ケース112に伝達される熱エネルギはクランク軸124aの回転エネルギに変換される。
本実施形態のごとく膨張機ケース112を加熱した場合と、前記第1の実施形態のごとくに膨張機ケース112は加熱せずに別途作動流体を加熱した後に作動流体をスクロール型膨張機106に導入する場合との熱エネルギ変換効率の実験による比較を、図29のグラフに示す。本グラフは、加熱手法の違いによるスクロール型膨張機106でのトルク利得の差異を正確に示すために、スクロール型膨張機106のみをブレイトンサイクル装置101から切り離して、膨張機ケース112自体を加熱した場合のクランク軸124aの出力トルクと、膨張機ケース112に導入される作動流体を加熱した場合のクランク軸124aの出力トルクとを比較している。グラフの横軸は加熱による膨張機ケース112又は作動流体の上昇温度差ΔTであり、縦軸はトルク利得(N・m)である。
図示したごとく、アルミニウム合金製膨張機ケース112を加熱する方が、作動流体を加熱する場合よりも熱エネルギ変換効率が高い。鋳鉄にて膨張機ケース112を作成した場合には、スクロール型膨張機106の機構のクリアランスが小さくでき、熱エネルギ変換効率が更に高くなっている。
以上説明した第3の実施形態によれば、以下の利点が得られる。
(1).前記第1の実施形態の(1)〜(4)の利点を生じる。
(2).本実施の形態のブレイトンサイクル装置101は、作動流体を別途加熱するための加熱装置を設けることなく、スクロール型膨張機106内の作動流体を、熱源(流路130a)により伝熱にて加熱するように構成している。
このため圧縮作動流体経路が簡易な構成である。実際には圧縮作動流体経路は、旋回隔壁118に形成された貫通孔118cである。
更に、スクロール型膨張機106の構成部材である膨張機ケース112及び膨張固定スクロール114を利用して、作動流体に熱を伝えて作動流体を加熱することができる。よって、ブレイトンサイクル装置101は一層簡素化かつ小型化される。
次に、本発明の第4の実施形態を説明する。図30に示すように本実施形態のブレイトンサイクル装置201は、前記第1の実施形態の図1に示した構成に対して、断熱処理装置2において、膨張機ケース12の周りに断熱材201aが配置されて、膨張機ケース12を保温している。他の構成は、前記第1の実施形態と同じであるので、同一の部材については同一の符号を付している。
以上説明した第4の実施形態によれば、以下の利点が得られる。
(1).前記第1の実施形態の(1)〜(4)の利点を生じる。
(2).断熱材201aが膨張機ケース12の壁面を保温する。よって、スクロール型膨張機6内にて作動流体が断熱膨張する際に、膨張機ケース12を介して伝熱により外部へ熱が放出されるのを防止できる。
このように膨張機ケース12の壁面が保温されていることにより、スクロール型膨張機6から熱エネルギが漏出するのを防止できる。よって、一層効率良く熱エネルギを運動エネルギに変換できる。
上記各実施形態は、以下のように変更可能である。
(a).前記第2の実施形態において用いたブレイトンサイクル装置の代わりに、図1、図18あるいは図30に示したブレイトンサイクル装置を、内燃機関の排気熱エネルギ回収装置に用いてもよい。
上記各実施形態においては、内燃機関の排気熱エネルギ回収用に利用されるブレイトンサイクル装置は、スクロール型圧縮機及びスクロール型膨張機を用いた。この内、スクロール型圧縮機の代わりに他の圧縮機、例えばスクリュー型、ベーン型、ターボ型を用いることができる。スクロール型膨張機の代わりにタービン型を用いることができる。
スクロール型圧縮機及びスクロール型膨張機の代わりに容積型圧縮機や容積型膨張機を用いてもよい。作動流体を圧縮するための容積型圧縮機の運動にスクロール型膨張機を連動させることにより容積型圧縮機及びスクロール型膨張機を組み合わせたブレイトンサイクル装置としてもよい。
(b).図8に示したごとく旋回隔壁18は、3つのクランク機構24にて支持されていたが、これに限らず、2つのクランク機構24で旋回隔壁18を支持してもよく、4つ以上のクランク機構24で支持してもよい。クランク機構24は円形であったが、図31に示すごとくクランク機構にバランサ100を設けて、ブレイトンサイクル装置駆動時の振動抑制効果を、より強めてもよい。前記第3の実施形態の旋回隔壁118についても同じである。
(c).図16,17に示したごとく放熱フィン58b及び吸熱フィン62bはそれぞれ突起状に形成していたが、平板や湾曲した板状に形成してもよい。
(d).前記第3の実施形態の圧縮機ケース108に、図15,16に示したごとくの放熱フィン58bを設けてもよい。このように構成すると圧縮機ケース108の熱を外界に放出しやすくできるので、前記第1の実施形態の(3)に述べた利点が顕著となる。
前記第3の実施形態では図18に示したごとく膨張機ケース112は熱源である流路130aに接触あるいは接合されていることにより、流路130aの管壁(流路壁)を介して熱交換される。しかし、膨張機ケース112に最初から排気を通すための流路を形成しておき、この流路に排気を導いてもよい。
前記第3の実施形態の膨張機ケース112に関して、流路130aに接触あるいは接合している部分以外の圧縮機ケース112の外周部分を断熱材にて覆って保温してもよい。
(e).前記各実施形態では作動流体導入ポート及び作動流体放出ポートは大気に開放されており作動流体は大気を用いていた。しかし、作動流体の経路を密閉型として、大気以外の気体を用いてもよい。この場合、放熱装置を設けるとよい。
(f).前記各実施形態では、旋回隔壁を挟むようにして圧縮旋回スクロール及び膨張旋回スクロールを形成することにより、圧縮機の運動に膨張機を連動させていた。この「連動」は、圧縮機及び膨張機の運動が統一的に行われるように圧縮機を膨張機に連結することを意味する。したがって、圧縮機の運動に膨張機を連動させるとは、膨張機の運動に圧縮機を連動させることと同意である。ただし、前記各実施形態とは異なり、圧縮機を膨張機に直接、連結する構成に限らない。特に第1、第2、第4実施形態では、圧縮機と膨張機との間に軸やギアなどを配置することにより、圧縮機の運動に膨張機を連動させてもよい。
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 shows a schematic configuration of a Brayton cycle apparatus 1. The heat insulation processing device 2 in the Brayton cycle device 1 is shown in FIGS. 2A is a front view of the heat treatment apparatus 2, FIG. 2B is a rear view, FIG. 3A is a right side view, and FIG. 3B is a left side view. Yes.
The heat insulation processing device 2 includes a scroll compressor 4 and a scroll expander 6. The scroll compressor 4 includes a compressor case 8 as shown in the plan view of FIG. A compression fixed scroll 10 is formed in the internal space 9 of the compressor case 8. A compressed working fluid discharge port 9 a is provided in a portion of the compressor case 8 corresponding to the center portion of the compression fixed scroll 10. A working fluid introduction port 9 b is provided on the outermost peripheral portion of the compression fixed scroll 10. A perspective view of the compressor case 8 is shown in FIG.
The scroll type expander 6 includes an expander case 12 as shown in the plan view of FIG. 5, and an expansion fixed scroll 14 is formed in the internal space 13 of the expander case 12. A portion of the expander case 12 corresponding to the center portion of the expansion fixed scroll 14 is provided with a compressed working fluid suction port 13a. A working fluid discharge port 13 b is provided on the outermost peripheral portion of the expansion fixed scroll 14. A perspective view of the expander case 12 is shown in FIG.
A circular swivel recess 8 b is provided inside the joint surface 8 a of the compressor case 8, and a circular swivel recess 12 b is also provided inside the joint surface 12 a of the expander case 12. When the joint surfaces 8a and 12a come into contact with each other as shown in FIG. 2 and the compressor case 8 is fastened to the expander case 12 with the bolt Bt, the two swivel recesses 8b and 12b are located inside the heat treatment apparatus 2. A storage chamber for storing the swivel partition 18 is defined. In the storage chamber, the swiveling partition wall 18 shown in FIG. 8 can swivel while sliding, or can swivel through a narrow gap.
A compression orbiting scroll 20 is formed to protrude on the compressor-side surface 18a of the orbiting partition wall 18 shown in FIG. An expandable orbiting scroll 22 is formed to project on the expander side surface 18b of the orbiting partition wall 18 shown in FIG. A perspective view of the swirling partition wall 18 is shown in FIG.
Three crank mechanisms 24 formed in a disc shape are rotatably attached to the peripheral edge of the swivel partition wall 18 by crank pins 24b. Each crank mechanism 24 is housed in three crank housing portions 8 c provided in the compressor case 8. A crankshaft 24 a is provided at the center of each crank mechanism 24. The crankshaft 24a is inserted into a crank bearing hole 8d provided at the center of the crank housing portion 8c and is rotatably supported by the compressor case 8. Thus, the crank mechanism 24 is supported by the compressor case 8, so that the entire turning partition wall 18 is supported by the compressor case 8 so as to be turnable.
In the state where the heat insulation processing device 2 is assembled, two of the three crankshafts 24a protrude outside the heat treatment processing device 2 as shown in FIGS. The first crankshaft 24a receives cranking torque from the outside of the heat insulation processing device 2 when the Brayton cycle device 1 is started. The second crankshaft 24 a outputs the torque generated by the Brayton cycle device 1 to the outside of the heat insulation processing device 2. In addition, the crankshaft 24a which protrudes outside the heat insulation processing device 2 is changed to one instead of two, and both functions of cranking torque input and generated torque output are combined into one crankshaft 24a. Also good.
The compression orbiting scroll 20 on one side (surface 18a (surface) on the compressor side) of the orbiting partition wall 18 having the above-described configuration is combined with the compression fixed scroll 10 of the compressor case 8 (FIGS. 4 and 6), and the other side ( The expansion orbiting scroll 22 on the expander side surface 18b (back surface) is combined with the expansion fixed scroll 14 of the expander case 12 (FIGS. 5 and 7). And the heat insulation processing apparatus 2 is formed by fastening the compressor case 8, the expander case 12, and the turning partition 18 with the volt | bolt Bt.
FIG. 10 shows an internal configuration of the scroll compressor 4 in the heat treatment apparatus 2 configured as described above. FIG. 10 shows the compression orbiting scroll 20 on the compressor-side surface 18a (surface) of the orbiting partition wall 18 and the compressor case 8 combined therewith. In the state where the compressor case 8 (compression orbiting scroll 20) is up and the expander case 12 (expanding orbiting scroll 22) is down, the compressor case 8 above the orbiting partition wall 18 is indicated by a one-dot chain line. . The compression orbiting scroll 20 is shown in black.
FIG. 11 shows an internal configuration of the scroll type expander 6 in the heat insulation processing device 2. FIG. 11 shows the expandable orbiting scroll 22 on the expander side surface 18b (rear surface) of the orbiting partition wall 18 and the expander case 12 combined therewith through the orbiting partition wall 18 from the scroll compressor 4 side. Shown in the state. The expanded fixed scroll 14 and the expanded orbiting scroll 22 below the orbiting partition wall 18 are indicated by broken lines.
As shown in FIGS. 10 and 11, the crankshaft 24a rotates clockwise as seen from the compressor case 8 side as shown in the drawing, and the swirling partition wall 18 swivels clockwise. Therefore, the adiabatic compression process in the PV diagram of the Brayton cycle shown in FIG. 12 is realized by the scroll compressor 4, and the adiabatic expansion process is realized by the scroll expander 6.
The turning state will be described with reference to FIGS. FIG. 13 shows the configuration of the orbiting partition wall 18 viewed from the compressor case 8 side and the compressor case 8 thereover in order to explain the positional relationship between the compression fixed scroll 10 and the compression orbiting scroll 20. is there. Similarly, FIG. 14 shows the configuration of the orbiting partition wall 18 and the expander case 12 below the structure as viewed from the compressor case 8 side, in order to explain the positional relationship between the expansion fixed scroll 14 and the expansion orbiting scroll 22. It is a thing. Since the compression orbiting scroll 20 and the expansion orbiting scroll 22 exist on the front and back of the orbiting partition wall 18 and cause the same orbiting motion, the orbiting of FIG. 13 and the orbiting of FIG.
Since the orbiting partition wall 18 orbits clockwise as viewed from the scroll compressor 4 side as described above, the position of the compression orbiting scroll 20 is changed to the compression fixed scroll 10 as shown in the order from (1) to (8) in FIG. Change. As a result, the working fluid (here, air) is introduced from the working fluid introduction port 9b into the internal space 9 of the compressor case 8 with the initial volume Va1, and gradually decreases in volume toward the center of the compressor case 8. Transported. When the working fluid reaches the final volume Va2 (Va1> Va2) at the center of the compressor case 8, the compressed working fluid discharge port 9a is opened, and the compressed working fluid is heated from the compressed working fluid discharge port 9a. It is sent out to the device 30 (FIG. 1).
Simultaneously with the turning of the compression orbiting scroll 20, in the scroll type expander 6, the position of the inflating orbiting scroll 22 changes with respect to the inflatable fixed scroll 14 as shown sequentially from (1) to (8) in FIG. 14. Therefore, the working fluid heated by the heating device 30 is introduced from the compressed working fluid suction port 13a into the internal space 13 of the expander case 12 with the initial volume Vb2, and gradually expands the volume while gradually expanding the volume. Transported to When the final volume Vb1 (Vb1> Vb2) is reached at the peripheral portion of the expander case 12, the working fluid is released from the restraint by the expansion fixed scroll 14 and the expansion orbiting scroll 22 and is expanded from the working fluid discharge port 13b. It is discharged to the outside of the case 12.
The axial dimensions of the inflatable fixed scroll 14 and the inflatable orbiting scroll 22 are larger than the axial dimensions of the compression fixed scroll 10 and the compressive orbiting scroll 20 and are designed to have a relationship of Va1 <Vb1 and Va2 <Vb2.
The Brayton cycle apparatus 1 shown in FIG. 1 is completed by the combination of the heat treatment apparatus 2 and the heating apparatus 30 thus configured. The heating device 30 uses a double tube, and includes a heat source flow path 30a which is an inner passage, and an outer passage 30b provided around the flow path 30a. The heating device 30 causes the working fluid to flow through the outer passage 30b. Therefore, the working fluid in the outer passage 30b is heat-exchanged with the fluid flowing in the heat source flow path 30a via the tube wall (flow path wall) of the heat source flow path 30a. Specifically, if an exhaust pipe of an internal combustion engine is used as the heat source flow path 30a, the exhaust heat energy of the internal combustion engine can be recovered. That is, the exhaust flows through the flow path 30a of the heat source, and the heat of the exhaust is transmitted to the working fluid (air) flowing through the outer passage 30b.
The values of the volumes Va1, Va2, Vb1, and Vb2 are as follows: the working fluid temperature at the working fluid introduction port 9b, the heat exchanger efficiency at the heating device 30, the working fluid temperature at the compression working fluid suction port 13a, the scroll compressor 4 and the scroll. In consideration of the heat insulation efficiency in the mold expander 6, the Brayton cycle apparatus 1 is designed to obtain the maximum thermal efficiency.
The first embodiment described above has the following advantages.
(1). Unlike the conventional gas turbine type Brayton cycle device, the Brayton cycle device 1 according to the present embodiment uses the scroll compressor 4 and the scroll type expander 6, and thus has a simple structure and can be downsized.
In particular, in the heat insulation processing device 2, the working fluid moves inside the scroll compressor 4 and the scroll expander 6 in a state where the working fluid is divided and sealed by a combination of the fixed scrolls 10 and 14 and the orbiting scrolls 20 and 22. Compressed and expanded. For this reason, the conversion efficiency from thermal energy to kinetic energy is also excellent.
Since the external energy source only needs to transfer heat to the working fluid through the tube wall of the flow path 30a to exchange heat, the size of the external energy source can be further reduced. Furthermore, the pressure of the energy source itself does not matter and does not affect the back pressure of the energy source such as exhaust.
Therefore, the Brayton cycle apparatus 1 of the present embodiment can efficiently convert thermal energy into kinetic energy without increasing the back pressure of the energy source. From this, when the Brayton cycle device 1 of the present embodiment is applied to an internal combustion engine, exhaust heat energy can be efficiently recovered without increasing the exhaust back pressure of the internal combustion engine.
(2). The compression orbiting scroll 20 of the scroll type compressor 4 and the expansion orbiting scroll 22 of the scroll type expander 6 are provided on both sides of the orbiting partition wall 18 that orbits around the crankshaft 24a. A compressor case 8 having a compression-fixed scroll 10 formed therein is slidably attached to the side of the orbiting partition wall 18 on the side of the orbiting orbiting scroll 20 so as to be slidable in close contact with each other with a narrow gap therebetween. Therefore, the scroll type compressor 4 is formed by combining the compression turning scroll 20 and the compression fixed scroll 10. An expander case 12 having an expansion fixed scroll 14 formed therein is slidably attached to the side of the orbiting partition wall 18 on the side of the orbiting orbiting scroll 22 in a close contact state or in a state of confronting with a narrow gap. Therefore, the scroll type expander 6 is formed by combining the expansion orbiting scroll 22 and the expansion fixed scroll 14.
By forming the scroll compressor 4 and the scroll expander 6 in this way, the Brayton cycle apparatus 1 can be further simplified and reduced in size.
(3). As described above, the swirling partition wall 18 covers the expander case 12. Therefore, the swirling partition wall 18 is exposed to a high-temperature working fluid introduced into the scroll expander 6. However, the compressor case 8 can contact the swirling partition wall 18 from the side opposite to the expander case 12. Therefore, the heat transmitted from the scroll type expander 6 to the revolving partition wall 18 is taken away by the compressor case 8 and released to the outside.
Due to the heat radiation effect of the compressor case 8, the temperature rise of the swivel partition wall 18 can be suppressed. Therefore, the thermal deformation of the swirling partition wall 18 can be suppressed and the dimensional accuracy of the swirling partition wall 18 can be maintained. Therefore, leakage of the working fluid from the heat insulation processing device 2 can be prevented, and the friction coefficient during turning of the turning partition wall 18 can be prevented from being increased, and high energy conversion efficiency can be maintained.
This makes it possible to use a light alloy with low heat resistance, particularly for the revolving partition wall 18 and the scroll compressor 4, thereby contributing to further weight reduction of the Brayton cycle apparatus 1.
(4). The scroll compressor 4 takes in the atmosphere (air) from the working fluid introduction port 9b and makes it a working fluid, and the scroll expander 6 discharges the expanded working fluid from the working fluid discharge port 13b to the atmosphere. Since the atmosphere is used as the working fluid in this way, a heat radiating device for the working fluid is unnecessary, and the configuration of the Brayton cycle device 1 is further simplified and miniaturized.
Next, a second embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, the exhaust heat energy of the in-vehicle internal combustion engine Eng is recovered by using the Brayton cycle device 51 configured as shown in FIG. The heat insulation processing device 52 includes a scroll compressor 54 and a scroll expander 56. The internal configuration of the scroll compressor 54 and the scroll expander 56 is the scroll compressor 4 described in the first embodiment. And the structure of the scroll type expander 6 is the same.
This embodiment is different from the first embodiment in the following points. That is, the end surface 58a of the compressor case 58 is provided with a number of protrusion-like heat radiating fins 58b as shown in FIGS. The heat dissipated from the internal revolving partition wall 18 to the compressor case 58 is released to the outside by the radiation fins 58b. That is, the radiating fins 58 b are provided in order to increase the radiating efficiency of radiating the heat received by the revolving partition wall 18 from the high temperature scroll expander 56 through the compressor case 58.
Furthermore, as shown in FIGS. 15 and 17, a large number of protrusion-like heat absorption fins 62 b are provided on the end surface 62 a of the expander case 62. A cover 62 c is disposed on the end surface 62 a of the expander case 62. The cover 62c covers the compressed working fluid suction port 63a and the heat absorption fins 62b, and defines the heat absorption chamber 62d. The working fluid heated by the heating device 80 is introduced into the heat absorption chamber 62d. Therefore, the heat absorption fins 62b are heated by the working fluid introduced into the heat absorption chamber 62d. The compressed working fluid suction port 63a opened to the heat absorbing chamber 62d can suck the heated working fluid. For this reason, the working fluid introduced into the endothermic chamber 62d heats the working fluid inside the expander case 62 from the endothermic fin 62b through the end surface 62a of the wall portion of the endothermic chamber 62d. Therefore, the pressure drop due to the expansion of the working fluid in the scroll expander 56 is small. Therefore, even if the expansion rate in the scroll type expander 56 is high, the working fluid can be discharged from the working fluid discharge port 63b in an atmospheric pressure state. Therefore, the Brayton cycle apparatus 51 can recover the exhaust heat energy with higher efficiency.
The heating device 80 has two working fluid paths, a path 80c for passing the working fluid through the entire length of the double pipe 80b and a path 80d for passing the working fluid through only a part of the double pipe 80b. Have. The distribution valve 80e can adjust the path distribution state of the compressed working fluid supplied from the scroll compressor 54. The distribution ratio of the paths 80c and 80d in the present embodiment is such that the working fluid supply temperature detected from the temperature sensor 81 provided at the opening portion of the compressed working fluid suction port 63a in the heat absorbing chamber 62d is a preset reference temperature. Adjusted as follows. That is, after the working fluid has absorbed heat by the heat absorbing fins 62b, the temperature of the working fluid when reaching the compressed working fluid suction port 63a becomes a reference temperature appropriate for the start of expansion in the scroll expander 56. The distribution ratio of the valve 80e is adjusted.
The crankshaft 74a of the Brayton cycle device 51 is rotated at the start of driving of the Brayton cycle device 51 by the output of the internal combustion engine Eng. However, after the drive of the Brayton cycle device 51 is started, the crankshaft 74a rotates independently of the output of the internal combustion engine Eng by the heat energy of the exhaust gas that passes through the heating device 80. Need to be separated from Therefore, an electromagnetic clutch 92 is provided between the output shaft 64 of the internal combustion engine Eng and the crankshaft 74a of the Brayton cycle device 51.
The distribution ratio control of the distribution valve 80e and the engagement / release control of the electromagnetic clutch 92 are executed by an electronic control unit (ECU) 94 based on the operating state of the internal combustion engine Eng.
For example, before starting the internal combustion engine Eng, the electromagnetic clutch 92 is released, and at the timing when the exhaust temperature of the internal combustion engine sufficiently rises after starting the internal combustion engine Eng, the electromagnetic clutch 92 is engaged and the output of the internal combustion engine Eng The crankshaft 74a of the cycle device 51 is rotated. The ECU 94 adjusts the distribution valve 80e by driving the valve actuator 80f so that the working fluid temperature detected by the temperature sensor 81 becomes 350 ° C., for example.
Thereafter, the ECU 94 releases the electromagnetic clutch 92. Thus, the self-sustaining rotation of the crankshaft 74a of the Brayton cycle device 51 causes the exhaust heat energy recovery device, here the generator 96, to be rotated by the crankshaft 74a. Therefore, the exhaust heat energy is recovered as electric energy and used as a vehicle power source or stored in a battery.
In the above-described configuration, the expander case 62 is made of a heat resistant material (for example, an iron alloy such as cast iron) because it directly contacts the high-temperature working fluid. The compressor case 58 is made of a highly thermally conductive material (especially a light alloy such as an aluminum alloy) because the working fluid is at a relatively low temperature. The swirling partition wall 18 is made of a highly thermally conductive material so as to be cooled by transferring heat to the compressor case 58.
The second embodiment described above has the following advantages.
(1). The compressor case 58 is formed with heat radiation fins 58b. Therefore, since the compressor case 58 easily releases heat to the outside, the advantage described in (3) of the first embodiment becomes remarkable.
(2). An end surface 62a of the expander case 62 is covered with a cover 62c to define a heat absorption chamber 62d. Therefore, the working fluid being expanded inside the scroll type expander 56 can be heated via the wall portion of the expander case 62 having the end surface 62a of the expander case 62 as described above. In addition, endothermic fins 62b are formed on the end face 62a. Therefore, heat transfer at the end face 62a is good, and heat energy can be converted into kinetic energy more efficiently in the Brayton cycle device 51 without complicating the configuration.
(3). The exhaust pipe is a double pipe 80b. The heating device 80 is configured as a heat exchanger for exchanging heat between a high-temperature gas (exhaust gas from the internal combustion engine Eng here) and the working fluid. The Brayton cycle device 51 collects exhaust heat energy as kinetic energy. Therefore, the exhaust heat energy can be efficiently converted into kinetic energy without increasing the exhaust back pressure of the internal combustion engine Eng.
(4). As described above, the compressor case 58 and the rotating partition wall 18 can be made into a light alloy. Therefore, the entire Brayton cycle device 51 can also be reduced in weight. Therefore, the fuel economy can be further improved by applying the Brayton cycle device 51 to the in-vehicle internal combustion engine.
(5). The advantages (1), (2), and (4) of the first embodiment are produced.
Next, a third embodiment of the present invention will be described. FIG. 18 shows a schematic configuration of the Brayton cycle apparatus 101. 19 and 20 show an adiabatic treatment apparatus 102 of the Brayton cycle apparatus 101. FIG. 19A is a front view of the heat insulation processing apparatus 102, FIG. 19B is a rear view, FIG. 20A is a right side view, and FIG. 20B is a left side view.
The working fluid introduction port 109b is provided so as to protrude from the outer peripheral portion of the scroll compressor 104, and the working fluid discharge port 113b is provided so as to protrude from the outer peripheral portion of the scroll type expander 106 as in the first embodiment. The same.
However, unlike the first embodiment, as shown in FIGS. 21 to 24, the compressor case 108 is not provided with the compressed working fluid discharge port 9a, and the expander case 112 is provided with the compressed working fluid suction port 13a. Is not provided. 21 is a plan view of the compressor case 108, FIG. 22 is a plan view of the expander case 112, FIG. 23 is a perspective view of the compressor case 108, and FIG. 24 is a perspective view of the expander case 112.
Instead of the compressed working fluid discharge port 9a and the compressed working fluid suction port 13a, a through hole 118c is formed at the center of the swivel partition wall 118 as shown in FIGS. 25 is a perspective view of the swirling partition wall 118, FIG. 26A is a plan view of the swirling partition wall 118 showing the compressor-side surface 118a of the swirling partition wall 118, and FIG. It is a reverse view of the turning partition 118 which shows 118b.
In the scroll compressor 104, as shown in (1) to (8) of FIG. When the compression orbiting scroll 120 of the orbiting partition 118 moves relative to the compression fixed scroll 110 of the compressor case 108, the working fluid introduced into the scroll compressor 104 from the working fluid introduction port 109b is compressed, and the orbiting partitioning wall is compressed. The through hole 118c at the center of 118 is reached. FIG. 27 shows the revolving partition wall 118 viewed from the compressor case 108 side and the compressor case 108 on top of each other in order to explain the positional relationship between the compression fixed scroll 110 and the compression turning scroll 120. . Accordingly, FIG. 27 is shown reversed left and right with respect to FIG.
The compressed working fluid is immediately introduced from the scroll compressor 104 to the scroll expander 106 as shown by the broken line Ap in FIG. 18 by passing through the through hole 118c.
In the scroll type expander 106, as shown in (1) to (8) of FIG. When the expansion orbiting scroll 122 of the orbiting partition wall 118 moves relative to the expansion fixed scroll 114 of the expander case 112, the working fluid introduced into the scroll type expander 106 from the through hole 118c expands, and the working fluid discharge port 113b is reached.
FIG. 28 shows the revolving partition wall 118 viewed from the compressor case 108 side and the expander case 112 thereunder in an overlapping manner in order to explain the positional relationship between the expansion fixed scroll 114 and the expansion revolving scroll 122. .
The expander case 112 is in contact with or joined to a flow path 130a (FIG. 18) that is a heat source. Therefore, the expander case 112 exchanges heat with the fluid flowing through the flow path 130a via the tube wall (flow path wall) of the flow path 130a. Therefore, the working fluid expands while being heated by heat transfer due to contact with the expander case 112 or the expansion fixed scroll 114.
With such a configuration, the swirling partition wall 118 pivots clockwise in FIGS. 27 and 28, so that the adiabatic compression stroke, the isobaric heating stroke, and the adiabatic expansion stroke in the Brayton cycle PV diagram shown in FIG. It has been realized.
In the above-described configuration, the expander case 112 is brought into contact with the high-temperature channel 130a and transferred to heat. Therefore, the working fluid is heated by the expander case 112 and the expansion fixed scroll 114. Therefore, the expander case 112 and the expansion fixed scroll 114 are made of a heat resistant material (for example, an iron alloy such as cast iron). The expander case 112 and the expansion fixed scroll 114 may be made of a light alloy such as an aluminum alloy. Since the working fluid in the compressor case 108 is relatively low temperature, the compressor case 108 is made of a highly heat conductive material (especially a light alloy such as an aluminum alloy). The swirl partition 118 is made of a highly thermally conductive material so that it is cooled by transferring heat to the compressor case 108.
With the above-described configuration, the thermal energy transmitted from the flow path 130a to the expander case 112 is converted into rotational energy of the crankshaft 124a.
When the expander case 112 is heated as in this embodiment, and the expander case 112 is not heated as in the first embodiment, and the working fluid is separately heated and then introduced into the scroll expander 106. FIG. 29 is a graph showing a comparison of the thermal energy conversion efficiency by the experiment and the case of performing the experiment. In this graph, in order to accurately show the difference in torque gain in the scroll type expander 106 due to the difference in heating method, only the scroll type expander 106 is separated from the Brayton cycle device 101 and the expander case 112 itself is heated. The output torque of the crankshaft 124a in this case is compared with the output torque of the crankshaft 124a when the working fluid introduced into the expander case 112 is heated. The horizontal axis of the graph is the temperature difference ΔT of the expander case 112 or the working fluid due to heating, and the vertical axis is the torque gain (N · m).
As shown in the figure, heating the aluminum alloy expander case 112 has higher thermal energy conversion efficiency than heating the working fluid. When the expander case 112 is made of cast iron, the clearance of the scroll expander 106 can be reduced, and the thermal energy conversion efficiency is further increased.
According to the third embodiment described above, the following advantages can be obtained.
(1). The advantages (1) to (4) of the first embodiment are produced.
(2). The Brayton cycle apparatus 101 of the present embodiment heats the working fluid in the scroll expander 106 by heat transfer using a heat source (flow path 130a) without providing a heating device for separately heating the working fluid. It is configured as follows.
For this reason, the compressed working fluid path has a simple configuration. Actually, the compressed working fluid path is a through-hole 118 c formed in the swirl partition wall 118.
Furthermore, the working fluid can be heated by transferring heat to the working fluid by using the expander case 112 and the expansion fixed scroll 114 which are constituent members of the scroll type expander 106. Therefore, the Brayton cycle apparatus 101 is further simplified and downsized.
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. As shown in FIG. 30, the Brayton cycle apparatus 201 of the present embodiment is different from the configuration shown in FIG. 1 of the first embodiment in that a heat insulating material 201 a is provided around the expander case 12 in the heat treatment apparatus 2. Arranged to keep the expander case 12 warm. Since other configurations are the same as those of the first embodiment, the same members are denoted by the same reference numerals.
According to the fourth embodiment described above, the following advantages can be obtained.
(1). The advantages (1) to (4) of the first embodiment are produced.
(2). The heat insulating material 201a keeps the wall surface of the expander case 12 warm. Therefore, when the working fluid is adiabatically expanded in the scroll type expander 6, heat can be prevented from being released to the outside through the expander case 12 due to heat transfer.
As described above, since the wall surface of the expander case 12 is kept warm, leakage of thermal energy from the scroll expander 6 can be prevented. Therefore, heat energy can be converted into kinetic energy more efficiently.
Each said embodiment can be changed as follows.
(A). Instead of the Brayton cycle device used in the second embodiment, the Brayton cycle device shown in FIG. 1, FIG. 18 or FIG. 30 may be used for an exhaust heat energy recovery device of an internal combustion engine.
In each of the above embodiments, the Brayton cycle device used for exhaust heat energy recovery of the internal combustion engine uses a scroll compressor and a scroll expander. Of these, other compressors such as screw type, vane type, and turbo type can be used instead of the scroll type compressor. A turbine type can be used instead of the scroll type expander.
Instead of the scroll compressor and the scroll expander, a positive displacement compressor or a positive displacement expander may be used. It is good also as a Brayton cycle device which combined a positive displacement compressor and a scroll type expander by making a scroll type expander interlock | cooperate with the motion of the positive displacement compressor for compressing a working fluid.
(B). As shown in FIG. 8, the swiveling partition wall 18 is supported by the three crank mechanisms 24, but the present invention is not limited to this, and the swiveling partition wall 18 may be supported by the two crank mechanisms 24. It may be supported by the mechanism 24. Although the crank mechanism 24 is circular, as shown in FIG. 31, a balancer 100 may be provided in the crank mechanism to further enhance the vibration suppressing effect when the Brayton cycle device is driven. The same applies to the swivel partition wall 118 of the third embodiment.
(C). As shown in FIGS. 16 and 17, the heat radiating fins 58b and the heat absorbing fins 62b are each formed in a protruding shape, but may be formed in a flat plate shape or a curved plate shape.
(D). The compressor case 108 of the third embodiment may be provided with heat radiation fins 58b as shown in FIGS. With this configuration, the heat of the compressor case 108 can be easily released to the outside, so that the advantage described in (3) of the first embodiment becomes significant.
In the third embodiment, as shown in FIG. 18, the expander case 112 is in contact with or joined to the flow path 130a, which is a heat source, so that heat exchange is performed via the tube wall (flow path wall) of the flow path 130a. Is done. However, it is also possible to form a flow path for exhaust gas from the beginning in the expander case 112 and guide the exhaust gas to this flow path.
Regarding the expander case 112 of the third embodiment, the outer peripheral portion of the compressor case 112 other than the portion in contact with or joined to the flow path 130a may be covered with a heat insulating material to keep the temperature.
(E). In each of the embodiments described above, the working fluid introduction port and the working fluid discharge port are open to the atmosphere, and the working fluid uses the atmosphere. However, a gas other than the atmosphere may be used with the working fluid path being sealed. In this case, a heat dissipation device may be provided.
(F). In each of the above embodiments, the expander is linked to the movement of the compressor by forming the compression orbiting scroll and the expansion orbiting scroll so as to sandwich the orbiting partition. This “interlocking” means connecting the compressor to the expander so that the movement of the compressor and the expander is performed uniformly. Therefore, linking the expander to the movement of the compressor is equivalent to linking the compressor to the movement of the expander. However, unlike the above embodiments, the present invention is not limited to the configuration in which the compressor is directly connected to the expander. In particular, in the first, second, and fourth embodiments, the expander may be linked to the movement of the compressor by arranging a shaft, a gear, or the like between the compressor and the expander.

Claims (23)

作動流体を圧縮するスクロール型圧縮機と、
該スクロール型圧縮機の旋回運動に連動するスクロール型膨張機であって、前記スクロール型圧縮機で圧縮された作動流体は前記スクロール型膨張機へ送られることと、
前記スクロール型圧縮機から前記スクロール型膨張機へ送られる圧縮された作動流体を加熱する加熱装置と。
を備えたことを特徴とするブレイトンサイクル装置。
A scroll compressor that compresses the working fluid;
A scroll type expander interlocking with the turning motion of the scroll type compressor, wherein the working fluid compressed by the scroll type compressor is sent to the scroll type expander;
A heating device for heating the compressed working fluid sent from the scroll compressor to the scroll expander;
A Brayton cycle apparatus characterized by comprising:
請求項1において、前記スクロール型圧縮機は、圧縮機ケースと、この圧縮機ケースの内部に形成された圧縮固定スクロールと、圧縮機ケースに摺動可能に密着あるいは狭い空隙を挟んで対峙するように圧縮固定スクロールと組み合わされる圧縮旋回スクロールとを有し、
前記スクロール型膨張機は、膨張機ケースと、この膨張機ケースの内部に形成された膨張固定スクロールと、膨張機ケースに摺動可能に密着あるいは狭い空隙を挟んで対峙するように膨張固定スクロールと組み合わされる膨張旋回スクロールとを有し、
ブレイトンサイクル装置は更に、旋回運動する旋回隔壁を備え、前記圧縮旋回スクロール及び膨張旋回スクロールは、前記旋回隔壁を挟んで互いに反対側となるように前記旋回隔壁に設けられることを特徴とするブレイトンサイクル装置。
2. The scroll compressor according to claim 1, wherein the scroll compressor is opposed to the compressor case, a compression fixed scroll formed inside the compressor case, and slidably in contact with the compressor case or with a narrow gap interposed therebetween. A compression orbiting scroll combined with a compression fixed scroll,
The scroll type expander includes an expander case, an expansion fixed scroll formed inside the expander case, and an expansion fixed scroll so as to be slidably attached to the expander case or opposed to each other with a narrow gap therebetween. An inflatable orbiting scroll to be combined,
The Brayton cycle device further includes a turning partition that orbits, and the compression turning scroll and the expansion turning scroll are provided on the turning partition so as to be opposite to each other across the turning partition. apparatus.
請求項2において、前記スクロール型圧縮機は、前記スクロール型膨張機から前記旋回隔壁へ伝えられた熱を、前記圧縮機ケースを介して外界に放出することを特徴とするブレイトンサイクル装置。  3. The Brayton cycle apparatus according to claim 2, wherein the scroll type compressor releases heat transferred from the scroll type expander to the orbiting partition wall to the outside through the compressor case. 請求項2又は3において、前記膨張機ケースは、スクロール型膨張機に導入された膨張前の作動流体が導入される吸熱室を備え、該吸熱室を区画する壁部を介して、膨張中の作動流体が加熱されることを特徴とするブレイトンサイクル装置。  The expander case according to claim 2, wherein the expander case includes a heat absorption chamber into which a working fluid before expansion introduced into the scroll expander is introduced, and the expansion unit case is being expanded through a wall section that defines the heat absorption chamber. A Brayton cycle device, wherein the working fluid is heated. 請求項1〜4のいずれか一項において、前記スクロール型圧縮機は作動流体として大気を取り込んで圧縮し、前記スクロール型膨張機は膨張後の作動流体を大気に放出することを特徴とするブレイトンサイクル装置。  5. The Brayton according to claim 1, wherein the scroll compressor takes in air as a working fluid and compresses it, and the scroll expander discharges the expanded working fluid to the atmosphere. Cycle equipment. 請求項1〜5のいずれか一項において、前記加熱装置は、熱交換により外部の熱を作動流体に伝達する熱交換器であることを特徴とするブレイトンサイクル装置。  6. The Brayton cycle device according to claim 1, wherein the heating device is a heat exchanger that transfers external heat to the working fluid by heat exchange. 請求項1〜6のいずれか一項において、前記膨張機の壁面が保温されていることを特徴とするブレイトンサイクル装置。  The Brayton cycle device according to any one of claims 1 to 6, wherein a wall surface of the expander is kept warm. 作動流体を圧縮する容積型圧縮機と、
該容積型圧縮機の圧縮運動に連動して旋回運動するスクロール型膨張機であって、容積型圧縮機で圧縮された作動流体は前記スクロール型膨張機へ送られることと、
前記容積型圧縮機から前記スクロール型膨張機へ送られる圧縮された作動流体を加熱する加熱装置と
を備えたことを特徴とするブレイトンサイクル装置。
A positive displacement compressor that compresses the working fluid;
A scroll type expander that swirls in conjunction with the compression movement of the positive displacement compressor, wherein the working fluid compressed by the positive displacement compressor is sent to the scroll expander;
A Brayton cycle apparatus comprising: a heating device that heats the compressed working fluid sent from the positive displacement compressor to the scroll expander.
請求項8において、前記膨張機の壁面が保温されていることを特徴とするブレイトンサイクル装置。  The Brayton cycle device according to claim 8, wherein a wall surface of the expander is kept warm. 内燃機関の排気熱エネルギを運動エネルギとして回収する内燃機関の排気熱エネルギ回収装置であって、この排気熱エネルギ回収装置はブレイトンサイクル装置を含み、該ブレイトンサイクル装置は、
作動流体を圧縮する圧縮機と、
圧縮機で圧縮された作動流体が送られる膨張機であって、圧縮機から膨張機へ送られる圧縮された作動流体は、内燃機関の排気流路の流路壁から伝達される熱により加熱されることと
を備えることを特徴とする内燃機関の排気熱エネルギ回収装置。
An exhaust heat energy recovery device for an internal combustion engine that recovers exhaust heat energy of an internal combustion engine as kinetic energy, the exhaust heat energy recovery device including a Brayton cycle device,
A compressor for compressing the working fluid;
An expander to which a working fluid compressed by a compressor is sent, and the compressed working fluid sent from the compressor to the expander is heated by heat transmitted from the flow path wall of the exhaust flow path of the internal combustion engine. And an exhaust heat energy recovery device for an internal combustion engine.
請求項10において、前記圧縮機はスクロール型圧縮機であり、前記膨張機はスクロール型膨張機であり、
前記ブレイトンサイクル装置は、前記スクロール型圧縮機から前記スクロール型膨張機へ送られる圧縮された作動流体を加熱する加熱装置を備え、この加熱装置は、熱を前記流路壁から作動流体に伝達するべく内燃機関の排気に接触するように配置される熱交換器であることを特徴とする内燃機関の排気熱エネルギ回収装置。
In Claim 10, the compressor is a scroll compressor, the expander is a scroll expander,
The Brayton cycle device includes a heating device that heats the compressed working fluid sent from the scroll compressor to the scroll expander, and the heating device transfers heat from the flow path wall to the working fluid. An exhaust heat energy recovery device for an internal combustion engine, characterized in that the heat exchanger is disposed so as to come into contact with the exhaust of the internal combustion engine.
請求項10又は11において、前記排気流路は、内側通路及び外側通路を有する二重管として構成され、内側通路及び外側通路の一方を通る排気が、他方を通る作動流体との間で熱交換されることを特徴とする内燃機関の排気熱エネルギ回収装置。  12. The exhaust passage according to claim 10, wherein the exhaust passage is configured as a double pipe having an inner passage and an outer passage, and the exhaust passing through one of the inner passage and the outer passage exchanges heat with the working fluid passing through the other. An exhaust heat energy recovery device for an internal combustion engine. 請求項10において、前記圧縮機は、圧縮機ケースと、この圧縮機ケースの内部に形成された圧縮固定スクロールと、前記圧縮機ケースに摺動可能に密着あるいは狭い空隙を挟んで対峙するように前記圧縮固定スクロールと組み合わされる圧縮旋回スクロールとを有するスクロール型圧縮機であり、
前記膨張機は、膨張機ケースと、この膨張機ケースの内部に形成された膨張固定スクロールと、前記膨張機ケースに摺動可能に密着あるいは狭い空隙を挟んで対峙するように前記膨張固定スクロールと組み合わされる膨張旋回スクロールとを有するスクロール型膨張機であり、
ブレイトンサイクル装置は更に、前記スクロール型圧縮機から前記スクロール型膨張機へ送られる圧縮された作動流体を前記流路壁からの熱を用いて加熱する加熱装置と、旋回運動する旋回隔壁とを備え、前記圧縮旋回スクロール及び膨張旋回スクロールは前記旋回隔壁を挟んで互いに反対側となるように前記旋回隔壁に設けられ、
前記旋回隔壁及び前記圧縮機ケースは高熱伝導性材料にて形成され、前記膨張機ケースは耐熱性材料にて形成されていることを特徴とする内燃機関の排気熱エネルギ回収装置。
11. The compressor according to claim 10, wherein the compressor is opposed to the compressor case, a compression fixed scroll formed inside the compressor case, and slidably in contact with the compressor case or with a narrow gap therebetween. A scroll type compressor having a compression turning scroll combined with the compression fixed scroll;
The expander includes an expander case, an expansion fixed scroll formed inside the expander case, and the expansion fixed scroll so as to be slidably in contact with the expander case or to face each other with a narrow gap therebetween. A scroll type expander having an inflated orbiting scroll to be combined;
The Brayton cycle apparatus further includes a heating device that heats the compressed working fluid sent from the scroll compressor to the scroll expander by using heat from the flow path wall, and a swirl partition that swirls. The compression turning scroll and the expansion turning scroll are provided on the turning partition so as to be opposite to each other across the turning partition,
The exhaust heat energy recovery apparatus for an internal combustion engine, wherein the swirling partition wall and the compressor case are made of a highly heat conductive material, and the expander case is made of a heat resistant material.
請求項13において、前記高熱伝導性材料としてアルミニウム合金が用いられ、前記耐熱性材料として鉄合金が用いられたことを特徴とする内燃機関の排気熱エネルギ回収装置。  14. The exhaust heat energy recovery apparatus for an internal combustion engine according to claim 13, wherein an aluminum alloy is used as the high thermal conductivity material and an iron alloy is used as the heat resistant material. 請求項10〜14のいずれか一項において、前記膨張機の壁面が保温されていることを特徴とする内燃機関の排気熱エネルギ回収装置。  The exhaust heat energy recovery device for an internal combustion engine according to any one of claims 10 to 14, wherein a wall surface of the expander is kept warm. 膨張旋回スクロールと、この膨張旋回スクロールに組み合わされた膨張固定スクロールとを有するスクロール型膨張機と、
前記膨張旋回スクロールの旋回運動に連動して作動流体を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機から前記スクロール型膨張機へ圧縮された作動流体を供給するための圧縮作動流体経路と、
前記スクロール型膨張機内の作動流体を伝熱により加熱する熱源と
を備えたことを特徴とするブレイトンサイクル装置。
A scroll type expander having an inflatable orbiting scroll and an inflatable fixed scroll combined with the inflatable orbiting scroll;
A compressor that compresses the working fluid in conjunction with the orbiting motion of the expansion orbiting scroll;
A compressed working fluid path for supplying compressed working fluid from the compressor to the scroll expander;
A Brayton cycle apparatus comprising: a heat source for heating the working fluid in the scroll expander by heat transfer.
請求項16において、前記圧縮機は容積型圧縮機であることを特徴とするブレイトンサイクル装置。  The Brayton cycle apparatus according to claim 16, wherein the compressor is a positive displacement compressor. 請求項16又は17において、前記スクロール型膨張機は前記膨張固定スクロールに固定されるケースを有し、
前記熱源は前記ケースに接触することにより該ケース又は前記膨張固定スクロールを介して前記スクロール型膨張機内の作動流体を加熱することを特徴とするブレイトンサイクル装置。
In Claim 16 or 17, the scroll type expander has a case fixed to the expansion fixed scroll,
The Brayton cycle device according to claim 1, wherein the heat source heats the working fluid in the scroll type expander through the case or the expansion fixed scroll by contacting the case.
圧縮旋回スクロールが形成される第1の片面と、膨張旋回スクロールが形成される第2の片面とを有する旋回隔壁と、
前記圧縮旋回スクロールと、この圧縮旋回スクロールに組み合わせられる圧縮固定スクロールとを備えるスクロール型圧縮機と、
前記膨張旋回スクロールと、この膨張固定スクロールに組み合わせられる膨張固定スクロールとを備えるスクロール型膨張機と、
前記スクロール型圧縮機から前記スクロール型膨張機へ圧縮された作動流体を供給するための圧縮作動流体経路と、
前記スクロール型膨張機内の作動流体を伝熱により加熱する熱源と
を備えたことを特徴とするブレイトンサイクル装置。
A orbiting partition having a first one side on which a compression orbiting scroll is formed and a second one side on which an inflating orbiting scroll is formed;
A scroll compressor comprising the compression orbiting scroll and a compression fixed scroll combined with the compression orbiting scroll;
A scroll type expander comprising the inflatable orbiting scroll and an inflatable fixed scroll combined with the inflatable fixed scroll;
A compressed working fluid path for supplying compressed working fluid from the scroll compressor to the scroll expander;
A Brayton cycle apparatus comprising: a heat source for heating the working fluid in the scroll expander by heat transfer.
請求項19において、前記スクロール型圧縮機は前記第1の片面に設けられる圧縮機ケースを有し、スクロール型膨張機は前記第2の片面に設けられる膨張機ケースを有し、前記圧縮作動流体経路は前記旋回隔壁に形成される貫通孔を有し、該貫通孔は前記圧縮機ケース内部を前記膨張機ケース内部に連通させることを特徴とするブレイトンサイクル装置。  20. The scroll type compressor according to claim 19, wherein the scroll compressor has a compressor case provided on the first side, and the scroll type expander has an expander case provided on the second side, and the compression working fluid. The path has a through hole formed in the swirling partition wall, and the through hole communicates the inside of the compressor case with the inside of the expander case. 請求項19において、前記スクロール型膨張機は前記膨張固定スクロールに固定されるケースを有し、
前記熱源は前記ケースに接触することにより、該ケース又は前記膨張固定スクロールを介して前記スクロール型膨張機内の作動流体を加熱することを特徴とするブレイトンサイクル装置。
In Claim 19, the scroll type expander has a case fixed to the expansion fixed scroll,
The Brayton cycle apparatus according to claim 1, wherein the heat source heats the working fluid in the scroll type expander through the case or the expansion fixed scroll by contacting the case.
排気流路を通じて内燃機関から排出される排気熱エネルギを運動エネルギとして回収する排気熱エネルギ回収装置であって、排気熱エネルギ回収装置は、作動流体が送られる膨張機を有するブレイトンサイクル装置を備え、
前記膨張機へ送られた作動流体は、排気流路の流路壁から伝達される熱により加熱されることを特徴とする内燃機関の排気熱エネルギ回収装置。
An exhaust thermal energy recovery device that recovers exhaust thermal energy discharged from an internal combustion engine through an exhaust passage as kinetic energy, the exhaust thermal energy recovery device including a Brayton cycle device having an expander to which a working fluid is sent,
The exhaust heat energy recovery apparatus for an internal combustion engine, wherein the working fluid sent to the expander is heated by heat transmitted from a flow path wall of the exhaust flow path.
請求項22において、
前記膨張機は、膨張旋回スクロールと、膨張旋回スクロールに組み合わされた膨張固定スクロールとを有するスクロール型膨張機であり、
前記ブレイトンサイクル装置は更に、
作動流体を圧縮するべく、前記膨張旋回スクロールの旋回運動に連動する圧縮機と、
前記圧縮機から前記スクロール型膨張機へ作動流体を供給するための圧縮作動流体経路と、
前記スクロール型膨張機内の作動流体を伝熱により加熱する熱源であって、この熱源として内燃機関の排気が用いられることと
を備えることを特徴とする内燃機関の排気熱エネルギ回収装置。
In claim 22,
The expander is a scroll type expander having an expanded orbiting scroll and an expansion fixed scroll combined with the expanded orbiting scroll,
The Brayton cycle device further includes:
A compressor that interlocks with the orbiting motion of the expansion orbiting scroll to compress the working fluid;
A compressed working fluid path for supplying working fluid from the compressor to the scroll expander;
An exhaust heat energy recovery apparatus for an internal combustion engine, comprising: a heat source for heating the working fluid in the scroll expander by heat transfer, wherein the exhaust of the internal combustion engine is used as the heat source.
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