WO2002031320A1 - Dispositif a cycle de rankine de moteur a combustion interne - Google Patents

Dispositif a cycle de rankine de moteur a combustion interne Download PDF

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WO2002031320A1
WO2002031320A1 PCT/JP2001/008825 JP0108825W WO0231320A1 WO 2002031320 A1 WO2002031320 A1 WO 2002031320A1 JP 0108825 W JP0108825 W JP 0108825W WO 0231320 A1 WO0231320 A1 WO 0231320A1
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rankine cycle
water
steam
working medium
rotor
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PCT/JP2001/008825
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Masahiko Minemi
Hiroyuki Miura
Kazuo Yoshida
Masakatsu Miyao
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Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha
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Definitions

  • the present invention relates to a Rankine cycle device for an internal combustion engine including a first Rankine cycle operated by a first working medium and a second Rankine cycle operated by a second working medium.
  • Heat exchangers are provided upstream and downstream of the exhaust gas purification device provided in the exhaust passage of the internal combustion engine, respectively, and water is supplied as a working medium to both heat exchangers to exchange heat with the exhaust gas.
  • a waste heat recovery apparatus for performing the above is known from Japanese Patent Application Laid-Open No. 60-93110 and Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-68318. Further, in a Rankine cycle device equipped with an evaporator, an expander, a condenser and a supply pump, a system using a mixture of a high-boiling medium and a low-boiling medium as the working medium is disclosed in Japanese Patent No. 2650600. It is publicly known by public notice.
  • the catalyst of the exhaust gas purification device is in a low temperature state immediately after starting and is not activated, and the exhaust gas purification performance is temporarily reduced. It is necessary to heat the catalyst with the heat of the gas and quickly activate it.
  • the evaporator of the Rankine cycle device is arranged on the upstream side of the exhaust gas purifying device, heat of exhaust gas is deprived by the evaporator, so that there is a problem that activation of the catalyst is delayed.
  • the present invention has been made in view of the above-mentioned circumstances, and aims to maximize the efficiency of recovering waste heat of an internal combustion engine by a Rankine cycle device and promote the activation of a catalyst of an exhaust gas purification device. I do.
  • a first Rankine cycle that operates with a first working medium
  • a second Rankine cycle that operates with a second working medium.
  • Each Rankine cycle heats the liquid working medium with the waste heat of the internal combustion engine to generate steam, an expander that converts the heat energy of the steam discharged by the evaporator into mechanical energy, and an expander that discharges
  • a Rankine cycle device for an internal combustion engine comprising: a condenser for cooling the recovered steam and returning it to a liquid phase working medium; and a supply pump for supplying water discharged from the condenser to the evaporator.
  • the evaporator of the first Rankine cycle and the evaporator of the second Rankine cycle are arranged on the upstream and downstream sides of the exhaust gas purifying device provided at the same time, and the boiling point of the first working medium is adjusted to the second working medium.
  • the variable capacity of the feed pump is proposed.
  • the supply amount of the first working medium to the evaporator of the first Rankine cycle provided upstream of the exhaust gas purification device is reduced, or When the supply is stopped, the thermal energy of the exhaust gas can be effectively applied to the exhaust gas purifying device to activate the catalyst of the exhaust gas purifying device, thereby enhancing the exhaust gas purifying effect.
  • the second working medium flowing through the evaporator of the second Rankine cycle provided downstream of the exhaust gas purification device has a low boiling point, it can be easily supplied by low-temperature exhaust gas immediately after the start of the internal combustion engine or during low-load operation. It becomes steam and the expander can be operated without any trouble.
  • the evaporator of the first Rankine cycle installed on the upstream side of the exhaust gas purification device and the evaporator of the second Rankine cycle installed on the downstream side respectively operate
  • the thermal energy of the exhaust gas can be recovered to the maximum and the output of the expander can be increased.
  • the first working medium flowing through the upstream evaporator having a high exhaust gas temperature has a high boiling point
  • the second working medium flowing through the downstream evaporator having a low exhaust gas temperature has a low boiling point. Therefore, the heat energy of the exhaust gas can be more effectively recovered.
  • the expander in addition to the first aspect, includes a high-pressure expansion operating section and a low-pressure expansion operating section, and integrates the outputs of both expansion operating sections to share a common circuit.
  • the internal combustion engine is capable of outputting power from a rotating shaft, the high-pressure expansion operating section is supplied with steam of a first working medium, and the low-pressure expansion operating section is supplied with steam of a second working medium.
  • a Rankine cycle device is proposed.
  • the expander includes the high-pressure expansion operation section to which the steam of the first working medium is supplied and the low-pressure expansion operation section to which the steam of the second working medium is supplied.
  • vane chambers 50 of the embodiment correspond to the high-pressure expansion operation chamber and the low-pressure expansion operation chamber of the present invention, respectively.
  • FIG. 1 is a schematic view of a Rankine cycle device of an internal combustion engine
  • FIG. 2 is a longitudinal section of an expander corresponding to a sectional view taken along line 2-2 of FIG.
  • FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view around the rotation axis of FIG. 2
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of line 4-4 in FIG. 2
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of line 5-5 in FIG.
  • Fig. 7 is an enlarged cross-sectional view taken along line 7-7 in Fig. 3.
  • Fig. 8 is a schematic diagram showing the cross-sectional shape of the rotor chamber and rotor.
  • Fig. 9 is an exploded perspective view of the mouth.
  • Fig. 10 is the mouth.
  • FIG. 11 is an exploded perspective view of a vane
  • FIG. 12 is an exploded perspective view of a rotary valve.
  • a Rankine cycle device using exhaust gas of an internal combustion engine 1 as a heat source includes a first Rankine cycle 2A and a second Rankine cycle 2B whose working media are mutually independent.
  • the exhaust passage 7 of the internal combustion engine 1 is provided with an exhaust gas purifier 8 of a three-way catalytic converter type.
  • a first evaporator 3A is provided on the upstream side of the exhaust gas purifier 8 and on the downstream side.
  • a second evaporator 3B is provided.
  • the first Rankine cycle 2A is composed of the first evaporator 3A that vaporizes a first working medium having a high boiling point (in the embodiment, water) by the heat of exhaust gas to generate steam in a high-temperature and high-pressure state.
  • An expander 4 that generates an output by expanding the steam; and a first condenser 5A that converts pressure energy into mechanical energy in the expander 4 to liquefy the steam whose temperature and pressure have dropped.
  • the water from the first condenser 5A is pressurized again and the second A first supply pump 6A for supplying one evaporator 3A.
  • the evaporator 3A, the expander 4, the condenser 5A and the supply pump 6A of the first Rankine cycle 2A are connected by passages A1 to A4 to form a closed loop.
  • the second Rankine cycle 2B is configured to vaporize a second working medium having a low boiling point (pentane or alternative chlorofluorocarbon in the embodiment) by the heat of the exhaust gas to generate steam in a high temperature and high pressure state.
  • a second condenser for converting pressure energy into mechanical energy in the expander 4 to liquefy the vapor having a reduced temperature and pressure.
  • a second supply pump 6B that pressurizes the water from the second condenser 5B and supplies the pressurized water to the second evaporator 3B again.
  • the evaporator 3B, expander 4, condenser 5B and supply pump 6B of the second Rankine cycle 2B are connected by passages B1 to B4 to form a closed loop.
  • the expander 4 is shared by the first Rankine cycle 2A and the second Rankine cycle 2B, but the first working medium and the second working medium do not mix inside the expander 4. That is, the first working medium of the first Rankine cycle 2A generates an axial torque in the cylinders 33, which are high-pressure expansion working sections of the expander 4, and the second working medium of the second Rankine cycle 2B. Generates an axial torque in the vane chambers 50... Which are the low-pressure expansion operation sections of the expander 4, and both shaft torques are integrated inside the expander 4 and output from the common rotary shaft 21.
  • the flow rate of the working medium of the first Rankine cycle 2 A is determined based on the temperature of the catalyst of the exhaust gas purification device 8 detected by the temperature sensor 9. Is controlled by
  • the casing 11 of the inflator 4 is composed of first and second casing halves 12 and 13 made of metal.
  • the first and second casing halves 12 and 13 cooperate with each other to form a main body 12 a and 13 a constituting the rotor channel A 14 and an outer periphery of the main bodies 12 a and 13 a.
  • Circular flanges 1 2b, 13 b are integrally connected to each other, and both circular flanges 1 2b, 13 b are connected via a metal gasket 15.
  • the outer surface of the first casing half 1 2 is covered with a deep bowl-shaped intake champ outer wall 16, and a circular flange 16 a is integrally formed on the outer periphery thereof. b Superimposed on the left side.
  • the outer surface of the second casing half 13 is covered by an exhaust chamber outer wall 17 containing a magnet coupling (not shown) for transmitting the output of the expander 4 to the outside, and a circular flange 17 integrally connected to the outer periphery thereof. a is superimposed on the right side surface of the circular flange 13 b of the second casing half 13.
  • the four circular flanges 12a, 13a, 16a, 17a are fastened together by a plurality of polylets 18 arranged circumferentially.
  • An intake chamber 19 is defined between the intake chamber outer wall 16 and the first casing half 12, and an exhaust chamber 20 is defined between the exhaust chamber outer wall 17 and the second casing half 13.
  • the exhaust chamber outer wall 17 is provided with an exhaust outlet 17b that guides the temperature-reduced pressure-reduced steam, which has been completed in the expander 4, to the second condenser 5B.
  • the body portions 12a, 13a of the two casing halves 12, 13 have hollow shaft receiving cylinders 12c, 13c protruding outward, and the hollow bearing cylinders 12c, 13c have hollow portions 21c, 13c.
  • a rotating shaft 21 having a is rotatably supported via a pair of bearing members 22, 23. Thereby, the axis L of the rotating shaft 21 passes through the intersection of the major axis and the minor axis in the rotor chamber 14 having a substantially elliptical shape.
  • the small diameter portion 21b at the right end of the rotating shaft 21 extends through the hollow bearing cylinder 13c of the second casing half 13 into the exhaust champ 20, where the rotor boss 24 of the magnetic coupling is spline-coupled. .
  • a seal member 25 seals between the outer periphery of the small diameter portion 21b at the right end of the rotating shaft 21 and the inner periphery of the hollow shaft receiving cylinder 13c of the second casing half 13, and the seal member 25 is hollow. It is fixed by a nut 26 screwed into the inner circumference of the bearing cylinder 13c.
  • a circular rotor 27 is rotatably housed in the pseudo-elliptical chamber 14.
  • the rotor 27 is fitted on the outer periphery of the rotating shaft 21 and integrally connected by a pin 28, and the axis of the mouth 27 and the axis of the rotor chamber 14 coincide with the axis L of the rotating shaft 21.
  • the shape of the rotor chamber 14 as viewed in the axial direction is a pseudo-elliptical shape similar to a diamond with four rounded vertices, and has an S diameter DL and a short diameter DS.
  • the shape of the rotor 27 as viewed in the direction of the axis L is a perfect circle, and has a diameter DR slightly smaller than the short diameter DS of the rotor champer 14.
  • Cross-sectional shape of rotor chamber 14 and rotor 27 viewed in a direction perpendicular to axis L Are all track-type tracks for athletics. That is, the cross-sectional shape of the rotor chamber 14 is such that a pair of flat surfaces 14a, 14a extending in parallel at a distance d and the outer circumferences of these flat surfaces 14a, 14a are smoothly connected. Similarly, the cross-sectional shape of the rotor 27 has a pair of flat surfaces 27 a and 27 a extending in parallel with a distance d. The flat surfaces 27a and 27a have an arc surface 27b having a central angle of 180 ° and smoothly connecting the outer periphery of the flat surfaces 27a and 27a.
  • the flat surfaces 14a, 14a of the mouth channel 14 and the flat surfaces 27a, 27a of the rotor 27 are mutually corroded, and the inner peripheral surface of the rotor champer 14 and the rotor A pair of crescent-shaped spaces (see Fig. 4) are formed between the outer peripheral surface and the outer peripheral surface.
  • the mouth 27 is a rotor core 31 fixed to the outer periphery of the rotating shaft 21, and the rotor core 31 is fixed so as to cover the periphery of the rotor core 31 to form an outer shell of the rotor 27 1 two mouth segments 3 2 ...
  • the rotor core 31 includes a disk-shaped main body 31a, and gear-shaped bosses 31 and 31b protruding from the center of the main body 31a on both axial sides.
  • Two ceramic (or bonbon) cylinders 33 are mounted radially at 30 ° intervals on the main body 31a, and are secured by caps 34 and keys 35....
  • each cylinder 33 a small-diameter portion 3 3a is protruded, and the base end of the small-diameter portion 3 3a is via the O-ring 36. Sealed between and.
  • the tip of the small-diameter portion 33 a is fitted on the outer peripheral surface of the hollow rotary shaft 21, and the cylinder bore 33 b has one or two third steam passages passing through the small-diameter portion 33 a and the rotary shaft 21. It communicates with the hollow portion 21 a of the rotating shaft 21 via S 3.
  • a ceramic piston 37 is slidably fitted inside each cylinder 33. When the piston 37 moves most inward in the radial direction, it retracts completely inside the cylinder pore 33b, and when it moves most radially outward, about half of the entire length projects outside the cylinder pore 33b.
  • Each rotor segment 32 is formed by connecting five parts.
  • the five parts are a pair of block members 38, 38 having hollow portions 38a, 38a, a pair of side plates 39, 39 made of a U-shaped plate, and a rectangular plate. With a bottom plate of 40 , They are integrated by brazing.
  • Two recesses 38 b and 38 c are formed on the outer peripheral surface of each block member 38, that is, on the surface opposed to the pair of flat surfaces 14 a and 14 a of the rotor chamber 14, extending in an arc around the axis L.
  • the lubricating water outlets 38d and 38e open at the center of the recesses 38b and 38c.
  • a twentieth water passage W20 and a twenty-first water passage W21 are recessed on the joint surface of the block member 38 with the side plate 39.
  • An orifice forming member 41 having twelve orifices is fitted in the center of the bottom plate 40, and the O-ring 42 mounted on the bottom plate 40 so as to surround the orifice forming member 41 has a main body 31a of the rotor core 31a.
  • the fourteenth to nineteenth water passages Wl4 to W19 each extending in the radial direction from the orifice forming member 41 are recessed on the surface of the bottom plate 40 connected to the block member 38, and the fourteenth to fourteenth water passages Wl4 to W19 are recessed.
  • the nineteenth water passages Wl4 to W19 extend toward the joint surface with the side plate 39.
  • Second to twenty-seventh water passages W22 to W27 are formed in the connecting surfaces of the respective side plates 39 with the block members 38, 38 and the bottom plate 40.
  • the fourteenth water passage W14, the fifteenth water passage W15, the eighteenth water passage W18, and the nineteenth water passage W19 outside the bottom plate 40 are the twenty-second water passage W22, the twenty-third water passage W23, and the twenty-sixth water passage W26 of the side plate 39.
  • the 16th water passage W16 and the 17th water passage W17 inside the bottom plate 40 communicate with the 27th water passage W27 and the 20th water passage W20 and the 21st water passage W21 of the block member 38.
  • the side plate 39 communicates with the 24th water passage W24 and the 25th water passage W25.
  • the outer ends of the 22nd water passage W22, the 25th water passage W25, the 26th water passage W26 and the 27th water passage W27 of the side plate 39 are formed as four lubricating water jets 39a on the outer surface of the side plate 39. Open.
  • the outer ends of the 23rd water passage W23 and the 24th water passage W24 of the side plate 39 are recessed through the 28th water passage W28 and the 29th water passage W29 formed inside the block members 38, 38. b and 38c communicate with the lubrication water outlets 38d and 38e, respectively.
  • a notch 39 b having a partially arc-shaped cross section is formed on the outer surface of the side plate 39. Note that the 20th water passage W20 and the 21st water passage W21 are not
  • the reason for forming the member 38 is that the side plate 39 is thin due to the notch 39b This is because the thickness of the 20th water passage W20 and the 21st water passage W21 cannot be secured.
  • each vane 4 4 has a parallel surface 4 4 a, 4 4 a along the parallel surface 14 a, 14 a of the mouth chamber 14 and an arc along the circular surface 14 b of the rotor chamber 14. It is formed in a substantially U-shape with a surface 44b and a notch 44c located between both parallel surfaces 44a, 44a, and protrudes from both parallel surfaces 44a, 44a. Rollers 45, 45 having a roller bearing structure are rotatably supported on a pair of supporting shafts 44d, 44d.
  • the arc surface 44b of the vane 44 holds a seal member 46 made of a synthetic resin formed in a U-shape, and the tip of the seal member 46 is attached to the arc surface of the vane 44. It slightly protrudes from 44 and comes into sliding contact with the arc surface 14 b of the rotor chamber 14.
  • Synthetic resin sliding members 47, 47 are fixed to the parallel portions 44a, 44a of the vane 44, and these sliding members 47, 47 are Sliding contact is made with parallel surfaces 14a and 14a.
  • sliding members 4 8, 4 8 made of synthetic resin are fixed. These sliding members 4 8, 4 8 are Sliding contact with main body 3 1 a.
  • Two recesses 44 e and 44 e are formed on both sides of the vane 44, respectively, and these recesses 44 e and 44 e are formed on the respective side plates 39 of the rotor segment 32. , 39 oppose the radially inner two of the four lubricating water jets 39 a ... that open to the outer surface.
  • a projection 44 f projecting radially inward at the center of the notch 44 c of the vane 44 abuts the radially outer end of the piston 37.
  • a radially extending water discharge passage 44 g is formed in the inside of the vane 44, and its radial inner end is open at the tip of the projection 44 f, and its radial outer end is the vane 44. 4 Open to one side of 4. The position where the water discharge passage 44 g opens on one side of the vane 44 is positioned more radially than the arc surface 27 b of the rotor 27 when the vane 44 projects the most radially outward. It faces the outside.
  • the flat surfaces 14a and 14a of the rotor chamber 14 defined by the first and second casing halves 12 and 13 include a pseudo-elliptical ring similar to a rhombus with four rounded vertices.
  • the grooves 49, 49 are recessed, and a pair of rollers 45, 45 of each vane 4 is rotatably engaged with both annular grooves 49, 49.
  • the distance between the annular grooves 49, 49 and the circular arc surface 14b of the mouth and night champ 14 is constant over the entire circumference. Therefore, when the mouth 27 rotates, the vanes 4 4 guided by the annular grooves 49, 49 reciprocate the rollers 45, 45 in the vane grooves 43 in the radial direction.
  • the seal member 46 attached to the arc surface 44 b of the rotor 44 slides along the arc surface 14 b of the rotor chamber 14 while being compressed by a certain amount.
  • the rotor chamber 14 and the vanes 44 are prevented from coming into direct solid contact with each other, and are separated between the adjacent vanes 44 while preventing an increase in sliding resistance and wear.
  • the sealing chamber 50 can be reliably sealed. 'A pair of circular seal grooves 51, 51 are formed on the flat surfaces 14a, 14a of the rotor chamber 14 so as to surround the outer sides of the annular grooves 49, 49.
  • a pair of ring seals 54 each having two O-rings 52 and 53 are fitted in each circular seal groove 51 in a sliding manner, and the sealing surfaces thereof are in each rotor segment. It faces the recesses 38b, 38c formed in 32.
  • the pair of ring seals 54, 54 are respectively prevented from rotating with respect to the first and second casing halves 12, 13 by dowel pins 55, 55, respectively.
  • Assembling the mouth 27 is performed as follows.
  • 12 mouth opening segments 3 2 are fitted around the outer periphery of the rotor core 31 to which the cylinders 3 3 ′, the caps 34, and the keys 35, have been previously assembled.
  • the vanes 4 4 are fitted into the 12 vane grooves 4 3 formed between the rotor segments 3 2.
  • shims of a predetermined thickness are interposed on both sides of the vanes 44.
  • the rouge segments 3 2 and vanes 4 4 are tightened inward in the radial direction toward the rota core 31 by using a jig.
  • the pair of bearing members 22 and 23 that support the outer peripheral surface of the rotating shaft 21 are tapered so that the diameter increases toward the opening 27 side. Inner peripheral surface, and its axially outer end is unevenly engaged with the hollow bearing cylinders 12 c and 13 c of the first and second casing halves 12 and 13 and is prevented from rotating. .
  • the outer periphery of the left end of the rotating shaft 21 supported by the left hollow bearing cylinder 12 c is made of a separate member 21 c so that the rotor 27 can be assembled to the rotating shaft 21. .
  • An opening 16 b is formed in the center of the outer wall 16 of the intake chamber, and a boss 61 a of the valve housing 61 arranged on the axis L has a plurality of ports 6 2 on the inner surface of the opening 16 b.
  • And is fixed to the first casing half 12 by a nut 63.
  • a cylindrical first fixed shaft 64 is rotatably fitted into the hollow portion 21 a of the rotating shaft 21, and a second fixed shaft 6 5 is fitted around the inner right end of the first fixed shaft 64.
  • An O-ring 66 seals between the outer periphery of the right end of the second fixed shaft 65 projecting from the first fixed shaft 64 and the hollow portion 21 a of the rotating shaft 21.
  • the valve housing 61 extending inside the first fixed shaft 64 has a flange 61b, an O-ring 67 on the right side of the flange 6lb, and a thick portion 64a of the first fixed shaft 64.
  • the ring 68, the washer 69, the nut 70, and the second fixed shaft 65 are sequentially fitted.
  • the nut 70 and the second fixed shaft 65 are screwed to the valve housing 61, so that the thick portion 64a of the first fixed shaft 64 is flush with the flange 61b of the valve housing 61. 6 and 9 via a pair of O-rings 66, 67.
  • the left end of the first fixed shaft 64 supported on the inner periphery of the hollow bearing cylinder 1 2c of the first casing half 1 2 via the 0 ring 71 is a valve housing with a ring-shaped Oldham coupling 72. 6 is connected to the boss 6 1 a of the first fixed shaft 6 1.
  • the Oldham coupling 7 2 allows the first fixed shaft 6 4 to oscillate in the radial direction.
  • the run-out of the rotor 27 supported through the shaft can be allowed.
  • the arm portions 7 3 a, 73 a of the detent member 73 loosely fitted to the left end of the first fixed shaft 64 to the first casing half 12 with ports 7 4, 7 4, 1st fixed axis
  • a steam supply pipe 75 is fitted inside the valve housing 61 arranged on the axis L. Together, the nut 76 is fixed to the valve housing 61 by a nut 76. The right end of the steam supply pipe 75 is connected to a nozzle member 77 press-fitted inside the valve housing 61.
  • a pair of recesses 81, 81 are formed with a phase difference of 180 ° over the valve housing 61 and the tip of the nozzle member 77, and annular joint members 78, 78 are formed there. Fitted and held.
  • a first steam passage S1 connected to the steam supply pipe 75 is formed in the axial direction, and a thick portion 64a of the first fixed shaft 64 has a pair of second steam passages S2, S 2 penetrates radially with a phase difference of 180 °.
  • the end of the first steam passage S1 and the radially inner end of the second steam passages S2, S2 are always in communication via the joint members 78, 78.
  • the twelve third steam passages S 3 pass through the small-diameter portions 33 a of the twelve cylinders 33 held by the rotor 27 fixed to the rotating shaft 21 at 30 ° intervals and the rotating shaft 21.
  • the radially inner ends of the third steam passages S3 are opposed to the radially outer ends of the second steam passages S2.
  • a pair of notches 64b, 64b are formed on the outer peripheral surface of the thick portion 64a of the first fixed shaft 64 with a phase difference of 180 °, and these notches 64b, 64b are provided in the third steam passage S. Communication with 3 ... is possible.
  • the notches 64b and 64b are a pair of fourth steam passages S4 and S4 formed obliquely in the first fixed shaft 64, a fifth steam passage S5 formed in the first fixed shaft 64 in the axial direction, and a valve.
  • the first casing half 12 has a plurality of radially aligned intake ports 79 at a position 15 ° on the leading side in the rotational direction of the rotor 27 with respect to the minor axis direction of the rotor chamber 14. Are formed.
  • the internal space of the rotor champ 14 communicates with the intake chamber 19 through the intake ports 79.
  • the second casing half 13 has a large number of exhaust ports 80 arranged in a plurality of rows in the radial direction at positions 15 ° to 75 ° on the rotation delay side of the rotor 27 with respect to the minor diameter direction of the rotor chamber 14. Are formed.
  • the exhaust ports 80 communicate the interior space of the vacuum chamber 14 with the exhaust chamber 20.
  • pressure chambers 86, 86 are formed on the back surfaces of the ring seals 54, 54 that fit into the circular seal grooves 51, 51 of the first and second casing halves 12, 13.
  • the first water passage W1 formed in the first and second casing halves 12, 13 is connected to the two pressure chambers 86 via a second water passage W2 and a third water passage W3 formed of pipes. , 86.
  • a filter chamber 13 d which is opened and closed by a cover 89 having two O-rings 87 and 88 is formed on the radial outer side of the hollow bearing cylinder 13 of the second casing half 13.
  • An annular filter 90 is housed.
  • the first water passage W1 of the second casing half 13 communicates with the outer peripheral surface of the filter 90 via the fourth water passage W4 formed of a pipe, and the inner peripheral surface of the filter 90 is the second casing half.
  • a fifth water passage W5 formed in 13 the second casing half 13 and an annular sixth water passage W6 formed between the rotating shaft 21 are communicated.
  • the sixth water passage W6 extends through the inside of the rotating shaft 21 in the axial direction.Twelve seventh water passages W7, the annular groove 2 Id formed on the outer periphery of the rotating shaft 21 and the rotor core 31
  • Each of the twelve orifice forming members 4 "communicates with each other via twelve eighth water passages W8 extending radially in the interior.
  • the annular groove 21 d formed on the outer periphery of the rotating shaft 21 communicates with the annular groove 21 e formed on the outer periphery of the rotating shaft 21 through twelve ninth water passages W9 (see FIG. 7) extending in the axial direction.
  • An annular groove 21 e is formed between the left end of the rotary shaft 21 e and the first housing 12 through twelve tenth water passages W10 extending axially inside the rotary shaft 21. Communicates with passage Wl 1.
  • the annular sixth water passage W6 and the first water passage W11 pass through the orifices on the outer periphery of the orifice forming ports 91 screwed into the bearing members 22, 23, and are further formed in the bearing members 22, 23.
  • the annular sixth water passage W6 passes through the two 30th water passages W30 and 30 formed in the rotating shaft 21 in the axial direction, and passes through the inner peripheral surface of the hollow portion 21a of the rotating shaft 21 and the first fixed shaft 64. End It communicates with the sliding part with the outer peripheral surface.
  • the seal groove 6 4 c formed on the right side of the thick portion 6 4 a of the first fixed shaft 64 is a third water passage W 31, 31 that is obliquely formed inside the first fixed shaft 64.
  • the annular first water passage W l 1 communicates with a sliding portion between the inner peripheral surface of the hollow shaft 21 a of the rotating shaft 21 and the outer peripheral surface of the left end of the first fixed shaft 64.
  • the high-temperature and high-pressure steam from the first evaporator 3 A is supplied to the steam supply pipe 75 of the expander 4 through the passage A 1, and the temperature is reduced.
  • the reduced-pressure steam is discharged from the steam discharge pipe 61c of the expander 4 to the first condenser 5A via the passage A2.
  • the high-temperature and high-pressure steam from the second evaporator 3B is supplied to the intake chamber 19 of the expander 4 via the passage B1, and the temperature-reduced pressure-reduced steam is supplied to the outlet 17B of the exhaust chamber 20 of the expander 4.
  • the passage B2 to the second condenser 5B Through the passage B2 to the second condenser 5B.
  • the high-temperature and high-pressure steam from a passage A1 downstream of the first evaporator 3A is supplied to a steam supply pipe 75 and a first steam passage S1 formed in a nozzle member 77 in an axial direction.
  • the nozzle member 77, the joint members 78, 78 and the pair of second steam passages S2, S2 penetrating in the radial direction through the thick portion 64a of the first fixed shaft 64 are supplied. .
  • the high-temperature and high-pressure steam from the passage B 1 connected to the downstream side of the second evaporator 3 B passes through the intake chamber 19 and the intake port 79 of the first casing half 12, and enters the rotor channel 14.
  • the air is supplied to a space defined by the vane chamber 50, that is, the rotor chamber 14, the rotor 27, and a pair of adjacent vanes 44, 44, and expands there to rotate the rotor 27.
  • the temperature-reduced pressure-reduced steam is exhausted from the exhaust port 80 of the second casing half 13 to the exhaust chamber 20, and from there through the exhaust port 1 ⁇ b and the passage B 2, to the second condenser. Supplied to 5B.
  • the supply of water for lubrication is performed using a first supply pump 6A (see Fig. 1) that pressurizes and supplies water from the first condenser 5A to the first evaporator 3A.
  • a part of the water discharged from the first supply pump 6A is supplied to the first water passage W1 of the casing 11 for lubrication.
  • the water supplied to the first water passage W1 is supplied to the second water passage W2 composed of a pipe and the third water passage W2. It is supplied to the pressure chamber 8 6, 8 6 of the first Ke one single half 1-circular sheet Lumpur groove 5 1 2 and the second Ke one single half 3, 5 1 of the bottom via the passage W 3, ring seal 5 and 54 are urged toward the side of the rotor 27. Further, the water supplied from the first water passage W1 to the fourth water passage W4, which is a pipe, is filtered through a filter 190 for foreign substances, and then the fifth water formed in the second casing half 13 is formed.
  • each row segment 32 the water that has passed through the orifice forming member 41 and flowed out into the 14th water passage W14 of the bottom plate 40 flows through the second water passage W22 of the side plate 39.
  • the orifice forming member 41 and into the 17th water passage W17 of the bottom plate 40 the water flowing out of the lubricating water outlet 39a.
  • the lubricating water is spouted from the lubricating water outlet 39a, passes through the orifice forming member 41, and passes through the orifice forming member 41, the 18th water of the bottom plate 40.
  • the water that has flowed out into the passage W 18 is ejected from the lubricating water ejection port 39 a through the 26th water passage W 26 of the side plate 39, passes through the orifice forming member 41, and passes through the bottom plate 40.
  • the water that has flowed into the 19th water passage W19 of the first plate passes through the 27th water passage W27 of the side plate 39 and is ejected from the lubricating water outlet 39a.
  • the lower two of the four lubricating water outlets 39a which open on the surface of the side plate 39, communicate with the recesses 44e, 44e of the vane 44.
  • the water spouted from the lubricating water spouts 3 9a of the side plates 39 of each mouth segment 32 into the vane grooves 43 is slidably fitted into the vane grooves 43.
  • the vane 4 4 A static pressure bearing between them to support the vane 44 in a floating state and prevent solid contact between the side plate 39 of the rotor segment 32 and the vane 44 to prevent seizure and wear. I do.
  • the water is pressurized by centrifugal force.
  • the temperature around the rotor 27 can be stabilized to reduce the influence of thermal expansion, and the set clearance can be maintained to minimize steam leakage.
  • each vane 44 the load in the direction perpendicular to the plate-like vane 44
  • the load due to the differential pressure of the applied steam pressure and the resultant force in the circumferential direction of the reaction force received by the rollers 45, 45 provided on the vanes 44 from the annular grooves 49, 49 are obtained.
  • These loads change periodically in accordance with the phase of the lowway 27. Accordingly, the vane 44 subjected to the eccentric load periodically exhibits a behavior of tilting in the vane groove 43. In this way, when the vanes 44 tilt due to the eccentric load, the four lubricating water discharge holes 3 9 a ...
  • the recesses 44 e and 44 e serve as pressure pools to form water. Suppress pressure drop due to leak.
  • the vane 44 sandwiched between the sliding surfaces of the pair of side plates 39, 39 is floated by the water, so that the sliding resistance can be reduced to a state near zero.
  • the vane 44 reciprocates the relative position of the vane 44 in the radial direction with respect to the mouth 27 changes, but the recesses 44 e and 44 e are not provided on the side plates 39 and 39 but on the side plates 39 and 39.
  • the rollers 45, 45 where the load is most applied to the vane 44, so that the vane 44 reciprocating always floats. And the sliding resistance can be effectively reduced.
  • water is supplied to the pressure chambers 86, 86 at the bottoms of the circular sealing grooves 51, 51 of the first casing half 12 and the second casing half 13.
  • Water is ejected from the outlets 38d and 38e to form static pressure bearings on the sliding surface of the rotor chamber 14 with the flat surfaces 14a and 14a, so that the circular seal grooves 51 and 5 are formed.
  • the ring seals 54, 54 floating inside 1 can seal the flat surfaces 27a, 27a of the rotor 27, so that the steam in the rotor chamber 14 Leakage through the gap with evening 27 can be prevented.
  • the ring seals 54, 54 and the rotor 27 Are not separated by the water film supplied from the lubricating water jets 38d and 38e and do not come into solid contact. Even if the rotor 27 is inclined, the circular seal grooves 51 By inclining the ring seals 54, 54 in 51, stable sealing performance can be secured while minimizing frictional force.
  • the water lubricating the sliding portion between the ring seals 54, 54 and the mouth 27 is supplied to the rotor champ 14 by centrifugal force, from which the casing 1 passes through the exhaust port 80, and through the exhaust port 80. 1 is discharged outside.
  • the water supplied from the sixth water passage W 6 passes through the orifice formed on the outer periphery of the orifice forming port 91 of the bearing member 23 and the first water passage W 1 2.
  • a water film is formed on the sliding surface of the inner circumference and the outer circumference of the rotating shaft 21, and the outer circumference of the right half of the rotating shaft 21 is supported by the water film in a floating state, so that the rotating shaft 21 and the rotating shaft 21 are separated from each other. Lubricate to prevent solid contact with the bearing members 23 and to prevent seizure and wear.
  • the water supplied to the bearing member 22 passes through an orifice formed on the outer periphery of the orifice forming port 91 of the bearing member 22 and the first water passage W 12 ... and the inner periphery of the bearing member 22 and the outer periphery of the rotating shaft 21.
  • a water film is formed on the sliding surface of the shaft, and the water film supports the outer periphery of the left half of the rotating shaft 21 in a floating state, thereby preventing solid contact between the rotating shaft 21 and the bearing member 22.
  • the water lubricated on the sliding surfaces of the two bearing members 22 and 23 is discharged into the vane grooves 43 through the first water passages W13 formed therein.
  • the water collected in the grooves 4 3 flows into the water discharge passage 4 4 g connecting the bottom of the vane 4 4 to one side of the vane 4 4. g... opens the rotor chamber 14 in a predetermined angle range where the vanes 4 4 project most from the mouth 27, so that the vane groove 4 3... and the pressure difference between the rotor chambers 14 cause the vanes to open.
  • the water in the grooves 43 is discharged into the mouth chamber 14 through the water discharge passages 4 g.
  • the water supplied from the sixth water passage W6 through the 30th water passage W30 formed on the rotating shaft 21 slides on the outer periphery of the first fixed shaft 64 and the inner periphery of the rotating shaft 21.
  • the opening 27 of the expander 4 is divided into the rotor core 31 and the plurality of opening segments 32, the groove 27 of the rotor 27 is formed.
  • the dimensional accuracy can be easily increased. That is, it is extremely difficult to increase the surface roughness of the sliding surface by precisely processing the groove widths of the vane grooves 4 3.
  • the above problem can be solved by assembling 3 2.
  • the inner rotor core 31 to which high-temperature and high-pressure steam is supplied and the relatively low-temperature outer rotor segment 32 are composed of separate members, the high-temperature low-core core 31 to the mouth-to-mouth segment 3 Heat conduction to the outside of the rotor 27 can be suppressed, and heat dissipation to the outside of the rotor 27 can be prevented and thermal efficiency can be increased. Can be increased.
  • the material and the processing method can be selected according to the functions of the rotor core 31 and the rotor segment 32, the degree of freedom in design and the processing method can be increased, and the rotor segment 32 and the vane 4 can be selected.
  • the catalyst of the exhaust gas purification device 8 When the warm-up operation of the internal combustion engine 1 is not completed or during low-load operation of the internal combustion engine 1, the catalyst of the exhaust gas purification device 8 does not sufficiently rise in temperature and becomes inactive, so that the exhaust gas It is necessary to heat and activate the catalyst quickly with heat. In this state, the temperature of the catalyst detected by the temperature sensor 9 provided in the exhaust gas purification device 8 becomes equal to or lower than the set temperature, so that the first Rankine cycle 2A of the first Rankine cycle 2A is commanded by the electronic control unit 10.
  • the supply pump 6A stops or the capacity decreases, and the water does not circulate in the first evaporator 3A, or the circulation amount decreases.
  • the exhaust gas of the internal combustion engine 1 is supplied to the exhaust gas purification device 8 with almost no loss of heat when passing through the first evaporator 3A, and the catalyst is quickly heated and activated.
  • pentane or alternative chlorofluorocarbon which is the second working medium flowing through the second evaporator 3B of the second Rankine cycle 2B provided on the downstream side of the exhaust gas purification device 8, has a low boiling point. Immediately after the start of the combustion engine 1 or during low-load operation, the low-temperature exhaust gas easily turns into steam, and the expander 4 can be operated without any trouble.
  • the temperature of the catalyst of the exhaust gas purification device 8 rises sufficiently to be activated, and the temperature of the catalyst detected by the temperature sensor 9 exceeds the set temperature.
  • the first supply pump 6 A of the first Rankine cycle 2 A is driven by a command from the unit 10.
  • water is supplied to the first evaporator 3A of the first Rankine cycle 2A provided on the upstream side of the exhaust gas purification device 8, and the steam is supplied to the cylinder, which is the high-pressure expansion operation section of the expander 4. 3 3... to drive the rotating shaft 21.
  • pen-iron / CFC substitute is supplied to the second evaporator 3 B of the second Rankine cycle 2 B provided downstream of the exhaust gas purification device 8, and the steam is supplied to the expander 4. It is supplied to the vane chambers 50... Which are low-pressure expansion operating sections, and drives the rotating shaft 1.
  • the first working medium flowing through the first evaporator 3A on the upstream side where the temperature of the exhaust gas is high has a high boiling point and the second working medium flowing through the second evaporator on the downstream side where the temperature of the exhaust gas is low is low. Since the working medium 2 has a low boiling point, the thermal energy of the exhaust gas can be recovered more effectively.
  • the shaft torque generated by the cylinders 33 and the shaft torque generated by the vane chambers 50 are integrated inside the expander 4 and output to the common rotary shaft 21. It becomes unnecessary and the structure is simplified.
  • the Rankine cycle device for an internal combustion engine according to the present invention can be suitably used as a power source for driving a vehicle, but can also be used for any other purpose. It is.

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Description

明 細 内燃機関（
発明の分野
本発明は、 第 1の作動媒体で作動する第 1のランキンサイクルと第 2の作動媒 体で作動する第 2のランキンサイクルとを備えた内燃機関のランキンサイクル装 置に関する。
背景技術
内燃機関の排気通路に設けた排気ガス浄化装置の上流側および下流側にそれぞ れ熱交換器を設け、 両熱交換器に作動媒体としての水を供給して排気ガスとの間 で熱交換を行う廃熱回収装置が、 日本特開昭 6 0 - 9 3 1 1 0号公報、 日本特開 平 8— 6 8 3 1 8号公報により公知である。 また蒸発器、 膨張機、 凝縮器および 供給ポンプを備えたランキンサイクル装置において、 その作動媒体として高沸点 媒体および低沸点媒体の混合物を用いたものが、 日本特許第 2 6 5 0 6 6 0号公 報により公知である。
ところで、 排気通路に排気ガス浄化装置を備えた内燃機関では、 始動直後に排 気ガス浄化装置の触媒が低温状態にあって活性化せず、 排気ガス浄化性能が一時 的に低下するため、 排気ガスの熱で触媒を加熱して速やかに活性化させる必要が ある。 しかしながら、 ランキンサイクル装置の蒸発器が排気ガス浄化装置の上流 側に配置されていると排気ガスの熱が前記蒸発器に奪われてしまうため、 触媒の 活性化が遅れてしまう問題がある。 また排気ガス浄化装置の上流側に加えて下流 側にも蒸発器を配置した場合、 内燃機関の始勲直後には排気ガスの熱が上流側の 蒸発器や排気ガス浄化装置に奪われてしまうため、 下流側の蒸発器は充分な蒸気 を発生することができず、 ランキンサイクル装置を効果的に作動させることが難 しくなる。
発明の開示
本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、 ランキンサイクル装置による内 燃機関の廃熱の回収効率を最大限に高めるとともに排気ガス浄化装置の触媒の活 性化を促進することを目的とする。 上記目的を達成するために、 本発明の第 1の特徴によれば、 第 1の作動媒体で 作動する第 1のランキンサイクルと第 2の作動媒体で作動する第 2のランキンサ ィクルとを備え、 各々のランキンサイクルは内燃機関の廃熱で液相作動媒体を加 熱して蒸気を発生させる蒸発器と、 蒸発器が排出した蒸気の熱エネルギーを機械 エネルギーに変換する膨張機と、 膨張機が排出した蒸気を冷却して液相作動媒体 に戻す凝縮器と、 凝縮器が排出した水を蒸発器に供給する供給ポンプとから構成 される内燃機関のランキンサイクル装置であって、 内燃機関の排気通路に設けた 排気ガス浄化装置の上流側および下流側にそれぞれ第 1のランキンサイクルの蒸 発器および第 2のランキンサイクルの蒸発器を配置し、 第 1の作動媒体の沸点を 第 2の作動媒体の沸点よりも高沸点とし、 かつ少なくとも第 1のランキンサイク ルの供給ポンプの容量を可変としたことを特徴とする内燃機関のランキンサイク ル装置が提案される。
上記構成によれば、 内燃機関の始動直後や低負荷運転時に、 排気ガス浄化装置 の上流側に設けた第 1のランキンサイクルの蒸発器への第 1の作動媒体の供給量 を減少させ、 あるいは供給を停止すれば、 排気ガスの熱エネルギーを排気ガス浄 化装置に効果的に作用させて該排気ガス浄化装置の触媒を活性化し、 排気ガス浄 化効果を高めることができる。 しかも排気ガス浄化装置の下流側に設けた第 2の ランキンサイクルの蒸発器を流れる第 2の作動媒体は低沸点であるため、 内燃機 関の始動直後や低負荷運転時における低温の排気ガスによって容易に蒸気になり 、 膨張機を支障なく作動させることができる。
また内燃機関の暧機完了後の高負荷運転時に、 排気ガス浄化装置の上流側に設 けた第 1のランキンサイクルの蒸発器および下流側に設けた第 2のランキンサイ クルの蒸発器にそれぞれ作動媒体を供給すれば、 排気ガスの熱エネルギーを最大 限に回収して膨張機の出力を増加させることができる。 しかも排気ガスの温度が 高い上流側の蒸発器を流れる第 1の作動媒体が高沸点であり、 かつ排気ガスの温 度が低い下流側の蒸発器を流れる第 2の作動媒体が低沸点であるため、 排気ガス の熱エネルギ一を更に効果的に回収することができる。
また本発明の第 2の特徴によれば、 上記第 1の特徴に加えて、 膨張機は高圧膨 張作動部および低圧膨張作動部を備えて両膨張作動部の出力を統合して共通の回 転軸から出力可能であり、 高圧膨張作動部には第 1の作動媒体の蒸気が供給され 、 低圧膨張作動部には第 2の作動媒体の蒸気が供給されることを特徴とする内燃 機関のランキンサイクル装置が提案される。
上記構成によれば、 膨張機は第 1の作動媒体の蒸気が供給される高圧膨張作動 部と第 2の作動媒体の蒸気が供給される低圧膨張作動部とを備えており、 両膨張 作動部の出力が統合して回転軸から出力されるので、 特別の出力統合手段を設け る必要がなくなって構造が簡素化される。
尚、 実施例のシリンダ 3 3…およびべーン室 5 0…は、 本発明の高圧膨張作動 室および低圧膨張作動室にそれぞれ対応する。
図面の簡単な説明
図 1〜図 1 2は本発明の一実施例を示すもので、 図 1は内燃機関のランキンサ ィクル装置の概略図、 図 2は図 4の 2— 2線断面図に相当する膨脹器の縦断面図 、 図 3は図 2の回転軸線周りの拡大断面図、 図 4は図 2の 4一 4線断面図、 図 5 は図 2の 5— 5線断面図、 図 6は図 4の一部拡大図、 図 7は図 3の 7— 7線拡大 断面図、 図 8はロー夕チャンバおよびロータの断面形状を示す模式図、 図 9は口 一夕の分解斜視図、 図 1 0は口一夕セグメントの分解斜視図、 図 1 1はべ一ンの 分解斜視図、 図 1 2は回転バルブの分解斜視図である。
発明を実施するための最適の形態
以下、 本発明の実施例を図 1〜図 1 2に基づいて説明する。
図 1において、 内燃機関 1の排気ガスを熱源とするランキンサイクル装置は、 その作動媒体が相互に独立した第 1のランキンサイクル 2 Aと第 2のランキンサ ィクル 2 Bとから構成される。 内燃機関 1の排気通路 7には三元触媒方式の排気 ガス浄化装置 8が設けられており、 その排気ガス浄化装置 8の上流側に第 1の蒸 発器 3 Aが設けられ、 下流側に第 2の蒸発器 3 Bが設けられる。
第 1のランキンサイクル 2 Aは、 高沸点を有する第 1の作動媒体 （実施例では 水） を排気ガスの熱で気化させて高温高圧状態の蒸気を発生する前記第 1の蒸発 器 3 Aと、 その蒸気の膨脹によって出力を発生する膨脹器 4と、 その膨脹器 4に おいて圧力エネルギーを機械エネルギーに変換して温度および圧力が降下した蒸 気を液化する第 1の凝縮器 5 Aと、 第 1の凝縮器 5 Aからの水を加圧して再度第 1の蒸発器 3 Aに供給する第 1の供給ポンプ 6 Aとを有する。 第 1のランキンサ ィクル 2 Aの蒸発器 3 A、 膨脹器 4、 凝縮器 5 Aおよび供給ポンプ 6 Aは通路 A 1〜A 4で接続されて閉ループを構成する。
また第 2のランキンサイクル 2 Bは、 低沸点を有する第 2の作動媒体 （実施例 ではペンタンあるいは代替フロン） を排気ガスの熱で気化させて高温高圧状態の 蒸気を発生する前記第 2の蒸発器 3 Bと、 その蒸気の膨脹によって出力を発生す る前記膨脹器 4と、 その膨脹器 4において圧力エネルギーを機械エネルギーに変 換して温度および圧力が降下した蒸気を液化する第 2の凝縮器 5 Bと、 第 2の凝 縮器 5 Bからの水を加圧して再度第 2の蒸発器 3 Bに供給する第 2の供給ポンプ 6 Bとを有する。 第 2のランキンサイクル 2 Bの蒸発器 3 B、 膨脹器 4、 凝縮器 5 Bおよび供給ポンプ 6 Bは通路 B 1〜B 4で接続されて閉ループを構成する。 膨張機 4は第 1のランキンサイクル 2 Aおよび第 2のランキンサイクル 2 Bに 共有されるが、 第 1の作動媒体および第 2の作動媒体は膨張機 4の内部で混合す ることはない。 即ち、 第 1のランキンサイクル 2 Aの第 1の作動媒体は膨張機 4 の高圧膨張作動部であるシリンダ 3 3…で軸トルクを発生し、 第 2のランキンサ ィクル 2 Bの第 2の作動媒体は膨張機 4の低圧膨張作動部であるべーン室 5 0… で軸トルクを発生し、 両方の軸トルクが膨張機 4の内部で統合されて共通の回転 軸 2 1から出力される。
また第 1のランキンサイクル 2 Aの作動媒体の流量、 つまり第 1の供給ポンプ 6 Aの容量は、 温度センサ 9で検出した排気ガス浄化装置 8の触媒の温度に基づ いて電子制御ュニット 1 0により制御される。
次に、 膨脹器 4の全体的な構造を図 2〜図 6に基づいて説明する。
膨脹器 4のケーシング 1 1は金属製の第 1、 第 2ケーシング半体 1 2 , 1 3よ り構成される。 第 1、 第 2ケーシング半体 1 2 , 1 3は、 協働してロータチャン A 1 4を構成する本体部 1 2 a , 1 3 aと、 それら本体部 1 2 a , 1 3 aの外周 に一体に連なる円形フランジ 1 2 b , 1 3 bとよりなり、 両円形フランジ 1 2 b ， 1 3 bが金属ガスケット 1 5を介して結合される。 第 1ケーシング半体 1 2の 外面は深い鉢形をなす吸気チャンパ外壁 1 6により覆われており、 その外周に一 体に連なる円形フランジ 1 6 aが第 1ケーシング半体 1 2の円形フランジ 1 2 b の左側面に重ね合わされる。 第 2ケーシング半体 13の外面は、 膨脹器 4の出力 を外部に伝達するマグネットカップリング （図示せず） を収納する排気チャンバ 外壁 17により覆われており、 その外周に一体に連なる円形フランジ 17 aが第 2ケーシング半体 13の円形フランジ 13 bの右側面に重ね合わされる。 そして 前記 4個の円形フランジ 12 a, 13 a， 16 a, 17 aは、 円周方向に配置さ れた複数本のポリレト 18…で共締めされる。 吸気チャンバ外壁 16および第 1ケ 一シング半体 12間に吸気チャンバ 19が区画され、 排気チャンバ外壁 17およ び第 2ケ一シング半体 13間に排気チャンバ 20が区画される。 排気チャンバ外 壁 17には， 膨脹器 4で仕事を終えた降温降圧蒸気を第 2の凝縮器 5 Bに導く排 出口 17 bが設けられる。
両ケーシング半体 12， 13の本体部 12 a, 13 aは外方へ突出する中空軸 受筒 12 c， 13 cを有しており、 それら中空軸受筒 12 c, 13 cに、 中空部 21 aを有する回転軸 21がー対の軸受部材 22, 23を介して回転可能に支持 される。 これにより、 回転軸 21の軸線 Lは略楕円形をなすロータチャンバ 14 における長径と短径との交点を通る。 また回転軸 21の右端の小径部 21 bは、 第 2ケーシング半体 13の中空軸受筒 13 cを貫通して排気チャンパ 20の内部 に延び、 そこにマグネットカップリングのロータボス 24がスプライン結合され る。 回転軸 21の右端の小径部 21 bの外周と第 2ケーシング半体 13の中空軸 受筒 13 cの内周との間はシール部材 25でシールされており、 そのシ一ル部材 25は中空軸受筒 13 c内周に螺合するナツト 26により固定される。
図 4および図 8から明らかなように、 疑似楕円状を成すロー夕チャンバ 14の 内部に、 円形を成すロータ 27が回転自在に収納される。 ロータ 27は回転軸 2 1の外周に嵌合してピン 28で一体に結合されており、 回転軸 21の軸線 Lに対 して口一タ 27の軸線およびロータチヤンバ 14の軸線は一致している。 軸線 方向に見たロータチャンバ 14の形状は 4つの頂点を丸めた菱形に類似した疑似 楕円状であり、 S径 DLと短径 DSとを備える。 軸線 L方向に見たロータ 27の 形状は真円であり、 ロータチャンパ 14の短径 DSよりも僅かに小さい直径 DR を備える。
軸線 Lと直交する方向に見たロータチャンバ 14およびロータ 27の断面形状 は何れも陸上競技のトラック状を成している。 即ち、 ロータチャンバ 1 4の断面 形状は、 距離 dを存して平行に延びる一対の平坦面 1 4 a , 1 4 aと、 これら平 坦面 1 4 a， 1 4 aの外周を滑らかに接続する中心角 1 8 0 ° の円弧面 1 4 bと から構成され、 同様にロータ 2 7の断面形状は、 距離 dを存して平行に延びる一 対の平坦面 2 7 a , 2 7 aと、 これら平坦面 2 7 a , 2 7 aの外周を滑らかに接 続する中心角 1 8 0 ° の円弧面 2 7 bとから構成される。 従って、 口一夕チャン ノ 1 4の平坦面 1 4 a , 1 4 aとロータ 2 7の平坦面 2 7 a， 2 7 aとは相互に 接蝕し、 ロータチャンパ 1 4内周面とロータ 2 7外周面との間には三日月形を成 す一対の空間 （図 4参照） が形成される。
次に、 図 3、 図 6、 図 9および図 1 0を参照してロータ 2 7の構造を詳細に説 明する。
口一夕 2 7は回転軸 2 1の外周に固定されるロータコア 3 1と、 ロータコア 3 1の周囲を覆うように固定されてロータ 2 7の外郭を構成する 1 2個の口一タセ グメント 3 2…とから構成される。 ロータコア 3 1は円板状の本体部 3 1 aと、 本体部 3 1 aの中心部から軸方向両側に突出するギヤ状のボス部 3 1 , 3 1 b とを備える。 本体部 3 1 aにセラミック （または力一ボン） 製の 1 2本のシリン ダ 3 3…が 3 0 ° 間隔で放射状に装着されてキャップ 3 4…およびキー 3 5…で 抜け止めされる。 各々のシリンダ 3 3の内端には小径部 3 3 aが突設されており 、 小径部 3 3 aの基端は 0リング 3 6を介して口一夕コア 3 1の本体部 3 1 aと の間をシールされる。 小径部 3 3 aの先端は中空の回転軸 2 1の外周面に嵌合し ており、 シリンダボア 3 3 bは小径部 3 3 aおよび回転軸 2 1を貫通する 1 2個 の第 3蒸気通路 S 3…を介して該回転軸 2 1の中空部 2 1 aに連通する。 各々の シリンダ 3 3の内部にはセラミック製のピストン 3 7が摺動自在に嵌合する。 ピ ストン 3 7が最も半径方向内側に移動するとシリンダポア 3 3 bの内部に完全に 退没し、 最も半径方向外側に移動すると全長の約半分がシリンダポア 3 3 bの外 部に突出する。
各々のロータセグメント 3 2は 5個の部品を結合して構成される。 5個の部品 は、 中空部 3 8 a , 3 8 aを有する一対のブロック部材 3 8 , 3 8と、 U字状の 板体よりなる一対の側板 3 9 , 3 9と、 矩形状の板体よりなる底板 4 0とであり 、 それらはロー付けにより一体化される。
各々のブロック部材 38の外周面、 つまりロータチャンバ 14の一対の平坦面 14 a, 14 aに対向する面には軸線 Lを中心として円弧状に延びる 2本のリセ ス 38 b, 38 cが形成されており、 このリセス 38 b, 38 cの中央に潤滑水 噴出口 38 d， 38 eが開口する。 またブロック部材 38の側板 39との結合面 には、 第 20水通路 W20および第 21水通路 W21が凹設される。
底板 40の中央には 12個のオリフィスを有するオリフィス形成部材 41が嵌 合しており、 オリフィス形成部材 41を囲むように底板 40に装着された Oリン グ 42は、 ロータコア 31の本体部 31 aの外周面との間をシールする。 プロッ ク部材 38に結合される底板 40の表面には、 オリフィス形成部材 41から放射 方向に延びる各 2本の第 14〜第 19水通路 Wl 4〜W19が凹設されており、 それら第 14〜第 19水通路 Wl 4〜W19は側板 39との結合面に向けて延び ている。
各々の側板 39のプロック部材 38， 38および底板 40への結合面には第 2 2〜第 27水通路 W 22〜W 27が凹設される。 底板 40の外側の第 14水通路 W14、 第 15水通路 W15、 第 18水通路 W18および第 19水通路 W19は 、 側板 39の第 22水通路 W22、 第 23水通路 W23、 第 26水通路 W26お よび第 27水通路 W27に連通し、 底板 40の内側の第 16水通路 W16および 第 17水通路 W 17は、 ブロック部材 38の第 20水通路 W 20および第 21水 通路 W 21を介して側板 39の第 24水通路 W 24および第 25水通路 W 25に 連通する。 側板 39の第 22水通路 W 22、 第 25水通路 W 25、 第 26水通路 W 26および第 27水通路 W 27の外端は側板 39の外面に 4個の潤滑水噴出口 39 a…として開口する。 また側板 39の第 23水通路 W23および第 24水通 路 W 24の外端は、 プロック部材 38， 38の内部に形成した第 28水通路 W 2 8および第 29水通路 W29を介してリセス 38 b， 38 c内の潤滑水噴出口 3 8 d, 38 eにそれぞれ連通する。 半径方向外側に移動したピストン 37との干 渉を回避すべく、 側板 39の外面には部分円弧状の断面を有する切欠 39 bが形 成される。 尚、 第 20水通路 W20および第 21水通路 W21を側板 39ではな
'部材 38に形成した理由は、 前記切欠 39 bによって側板 39が薄肉 になり、 第 2 0水通路 W 2 0および第 2 1水通路 W 2 1を形成する肉厚を確保で きないからである。
図 2、 図 5、 図 9および図 1 1に示すように、 ロータ 2 7の隣接するロータセ グメント 3 2…間に放射方向に延びる 1 2個のベーン溝 4 3…が形成されており 、 これらべ一ン溝 4 3…に板状のベーン 4 4…がそれぞれ摺動自在に嵌合する。 各々のべーン 4 4は口一夕チャンバ 1 4の平行面 1 4 a , 1 4 aに沿う平行面 4 4 a , 4 4 aと、 ロータチャンバ 1 4の円弧面 1 4 bに沿う円弧面 4 4 bと、 両 平行面 4 4 a , 4 4 a間に位置する切欠 4 4 cとを備えて概略 U字状に形成され ており、 両平行面 4 4 a， 4 4 aから突出する一対の支軸 4 4 d , 4 4 dにロー ラベアリング構造のローラ 4 5， 4 5が回転自在に支持される。
ベーン 4 4の円弧面 4 4 bには U字状に形成された合成樹脂製のシール部材 4 6が保持されており、 このシ一ル部材 4 6の先端はべ一ン 4 4の円弧面 4 4 か ら僅かに突出してロータチャンバ 1 4の円弧面 1 4 bに摺接する。 ベーン 4 4の 平行部 4 4 a , 4 4 aには合成樹脂製の摺動部材 4 7 , 4 7が固定されており、 これら摺動部材 4 7 , 4 7は口一夕チャンバ 1 4の平行面 1 4 a， 1 4 aに摺接 する。 またべ一ン 4 4の切欠 4 4 cの両側には合成樹脂製の摺動部材 4 8 , 4 8 が固定されており、 これら摺動部材 4 8， 4 8は口一夕コア 3 1の本体部 3 1 a に摺接する。 ベ一ン 4 4の両側面には各々 2個のリセス 4 4 e , 4 4 eが形成さ れており、 これらリセス 4 4 e , 4 4 eは、 ロータセグメント 3 2の各々の側板 3 9 , 3 9の外面に開口する 4個の潤滑水噴出口 3 9 a…の半径方向内側の 2個 に対向する。 ベーン 4 4の切欠 4 4 cの中央に半径方向内向きに突設した突起 4 4 fが、 ピストン 3 7の半径方向外端に当接する。 ベーン 4 4の内部には半径方 向に延びる水排出通路 4 4 gが形成されており、 その半径方向内端は前記突起 4 4 f の先端に開口し、 その半径方向外端はべーン 4 4の一方の側面に開口する。 水排出通路 4 4 gがべーン 4 4の一方の側面に開口する位置は、 ベーン 4 4が最 も半径方向外側に突出したときに、 ロータ 2 7の円弧面 2 7 bよりも半径方向外 側に臨んでいる。
第 1、 第 2ケーシング半体 1 2 , 1 3により区画されるロータチャンバ 1 4の 平坦面 1 4 a， 1 4 aには、 4つの頂点を丸めた菱形に類似した疑似楕円状の環 状溝 4 9， 4 9が凹設されており、 両環状溝 4 9， 4 9に各々のべーン 4 4の一 対のローラ 4 5， 4 5が転動自在に係合する。 これら環状溝 4 9 , 4 9および口 一夕チャンパ 1 4の円弧面 1 4 b間の距離は全周に亘り一定である。 従って、 口 一夕 2 7が回転するとローラ 4 5 , 4 5を環状溝 4 9 , 4 9に案内されたべーン 4 4がべーン溝 4 3内を半径方向に往復動し、 ベ一ン 4 4の円弧面 4 4 bに装着 したシール部材 4 6がー定量だけ圧縮された状態でロータチヤンバ 1 4の円弧面 1 4 bに沿って摺動する。 これにより、 ロータチャンバ 1 4およびべ一ン 4 4〜 が直接固体接触するのを防止し、 摺動抵抗の増加や摩耗の発生を防止しながら、 隣接するべーン 4 4…間に区画されるべ一ン室 5 0…を確実にシールすることが できる。 ' ロータチャンバ 1 4の平坦面 1 4 a， 1 4 aには、 前記環状溝 4 9 , 4 9の外 側を囲むように一対の円形シール溝 5 1， 5 1が形成される。 各々の円形シール 溝 5 1には 2個の Oリング 5 2 , 5 3を備えた一対のリングシ一ル 5 4が摺動自 在に各々嵌合しており、 そのシール面は各々のロータセグメント 3 2に形成した リセス 3 8 b , 3 8 cに対向している。 一対のリングシール 5 4， 5 4は、 それ ぞれノックピン 5 5， 5 5で第 1、 第 2ケーシング半体 1 2， 1 3に対して回り 止めされる。
口一夕 2 7の組み立ては次のようにして行なわれる。 図 9において、 予めシリ ンダ 3 3 '··、 キャップ 3 4…およびキー 3 5…を組み付けたロータコア 3 1の外 周に 1 2個の口一夕セグメント 3 2…を嵌合させ、 隣接するロータセグメント 3 2…間に形成された 1 2個のベ一ン溝 4 3…にべ一ン 4 4…を嵌合させる。 この とき、 ベーン 4 4…およびロータセグメント 3 2…の側板 3 9…間に所定のクリ ァランスを形成すべく、 ベーン 4 4…の両面に所定厚さのシムを介在させておく 。 この状態で、 治具を用いてロー夕セグメント 3 2…およびべ一ン 4 4…をロー 夕コア 3 1に向けて半径方向内向きに締めつけ、 ロータコア 3 1に対してロー夕 セグメント 3 2…を精密に位置決めした後、 各々のロータセグメント 3 2…を仮 止めポルト 5 8 ··· (図 2参照） で口一夕コア 3 1に仮り止めする。 続いてロータ 2 7を治具から取り外し、 各々のロータセグメント 3 2に口一夕コア 3 1を貫通 するピン孔 5 6 , 5 6を共加工し、 それらピン孔 5 6 , 5 6にノックピン 5 7 , 5 7を圧入してロータコア 3 1にロータセグメント 3 2…を結合する。
図 3、 図 7および図 1 2から明らかなように、 回転軸 2 1の外周面を支持する 一対の軸受部材 2 2 , 2 3は口一夕 2 7側に向かって拡径するようにテーパした 内周面を備えており、 その軸方向外端部が第 1、 第 2ケーシング半体 1 2 , 1 3 の中空軸受筒 1 2 c， 1 3 cに凹凸係合して回り止めされる。 尚、 回転軸 2 1に 対するロータ 2 7の組み付けを可能にすべく、 左側の中空軸受筒 1 2 cに支持さ れる回転軸 2 1の左端外周部は別部材 2 1 cで構成されている。
吸気チヤンバ外壁 1 6の中心に開口 1 6 bが形成されており、 軸線 L上に配置 されたバルブハウジング 6 1のボス部 6 1 aが前記開口 1 6 bの内面に複数のポ ルト 6 2…で固定され、 かつナット 6 3で第 1ケーシング半体 1 2に固定される 。 回転軸 2 1の中空部 2 1 aには円筒状の第 1固定軸 6 4が相対回転自在に嵌合 しており、 この第 1固定軸 6 4の右端内周に第 2固軸 6 5が同軸に嵌合する。 第 1固定軸 6 4から突出する第 2固定軸 6 5の右端外周部と回転軸 2 1の中空部 2 1 aとの間が Oリング 6 6によりシールされる。 第 1固定軸 6 4の内部に延びる バルブハウジング 6 1はフランジ 6 1 bを備えており、 このフランジ 6 l bの右 側に Oリング 6 7、 第 1固定軸 6 4の厚肉部 6 4 a、 〇リング 6 8、 ヮッシャ 6 9、 ナット 7 0および前記第 2固定軸 6 5が順次嵌合する。 バルブハウジング 6 1に対してナツト 7 0および第 2固定軸 6 5はネジ結合されており、 従って第 1 固定軸 6 4の厚肉部 6 4 aはバルブハウジング 6 1のフランジ 6 1 bとヮッシャ 6 9との間に一対の Oリング 6 6， 6 7を介して位置決めされる。
第 1ケーシング半体 1 2の中空軸受筒 1 2 cの内周に 0リング 7 1を介して支 持された第 1固定軸 6 4の左端は、 リング状のオルダム継ぎ手 7 2によってバル ブハウジング 6 1のボス部 6 1 aに連結されており、 このオルダム継ぎ手 7 2で 第 1固定軸 6 4の半径方向の振れを許容することにより、 第 1固定軸 6 4の外周 に回転軸 2 1を介して支持したロータ 2 7の振れを許容することができる。 また 第 1固定軸 6 4の左端に緩く嵌合する回り止め部材 7 3の腕部 7 3 a , 7 3 aを ポルト 7 4， 7 4で第 1ケーシング半体 1 2に固定することにより、 第 1固定軸
6 4がケーシング 1 1に対して回り止めされる。
軸線 L上に配置されたバルブハウジング 6 1の内部に蒸気供給パイプ 7 5が嵌 合してナツト 76でバルブハウジング 61に固定されており、 この蒸気供給パイ プ 75の右端はバルブハウジング 61の内部に圧入されたノズル部材 77に接続 される。 バルブハウジング 61とノズル部材 77の先端部とに跨がって一対の凹 部 81， 81 (図 7参照） が 180° の位相差をもって形成されており、 そこに 環状のジョイント部材 78, 78が嵌合して保持される。 ノズル部材 77の中心 には蒸気供給パイプ 75に連なる第 1蒸気通路 S 1が軸方向に形成され、 また第 1固定軸 64の厚肉部 64 aには一対の第 2蒸気通路 S 2 , S 2が 180 ° の位 相差をもって半径方向に貫通する。 そして第 1蒸気通路 S 1の末端部と第 2蒸気 通路 S 2, S 2の半径方向内端部とが前記ジョイント部材 78， 78を介して常 時連通する。 前述したように、 回転軸 21に固定したロータ 27に 30° 間隔で 保持された 12個のシリンダ 33…の小径部 33 aおよび回転軸 21を 12本の 第 3蒸気通路 S 3…が貫通しており、 これら第 3蒸気通路 S 3…の半径方向内端 部は、 前記第 2蒸気通路 S 2， S 2の半径方向外端部に連通可能に対向する。 第 1固定軸 64の厚肉部 64 aの外周面には一対の切欠 64 b, 64 bが 18 0° の位相差をもって形成されており、 これら切欠 64b, 64bは前記第 3蒸 気通路 S 3…に連通可能である。 切欠 64 b, 64bは、 第 1固定軸 64に斜め に形成した一対の第 4蒸気通路 S 4， S4と、 第 1固定軸 64に軸方向に形成し た第 5蒸気通路 S 5と、 バルブハウジング 61のボス部 61 aに形成した第 6蒸 気通路 S 6とを介して、 吸気チャンバ外壁 17を貫通する蒸気排出パイプ 61 c に連通する。
図 5に示すように、 第 1ケーシング半体 12には、 ロータチャンバ 14の短径 方向を基準にしてロータ 27の回転方向進み側 15° の位置に、 放射方向に整列 した複数の吸気ポート 79…が形成される。 この吸気ポート 79…により、 ロー タチャンパ 14の内部空間が吸気チャンバ 19に連通する。 また第 2ケーシング 半体 13には、 ロータチャンバ 14の短径方向を基準にしてロータ 27の回転方 向遅れ側 15° 〜75° の位置に、 放射方向複数列に整列した多数の排気ポート 80…が形成される。 この排気ポート 80…により、 ロー夕チャンバ 14の内部 空間が排気チヤンバ 20に連通する。
第 2蒸気通路 S 2， S 2および第 3蒸気通路 S 3…ゝ 並びに第 1固定軸 64の 切欠 64b, 64 bおよび第 3蒸気通路 S 3…は、 第 1固定軸 64および回転軸 21の相対回転により周期的に連通する回転バルブ Vを構成する。
図 2および図 3から明らかなように、 第 1、 第 2ケーシング半体 12， 13の 円形シール溝 51， 51に嵌合するリングシール 54, 54の背面に圧力室 86 ， 86が形成されており、 第 1、 第 2ケ一シング半体 12， 13に形成された第 1水通路 W 1は、 パイプよりなる第 2水通路 W 2および第 3水通路 W 3を介して 両圧力室 86， 86に連通する。 第 2ケーシング半体 13の中空軸受筒 13じの 半径方向外側に、 2個の Oリング 87， 88を備えたカバ一 89で開閉されるフ ィルター室 13 dが形成されており、 その内部に環状のフィルタ一 90が収納さ れる。 第 2ケ一シング半体 13の第 1水通路 W1は、 パイプよりなる第 4水通路 W4を介してフィルター 90の外周面に連通し、 フィルター 90の内周面は第 2 ケ一シング半体 13に形成した第 5水通路 W 5を介して、 第 2ケーシング半体 1 3および回転軸 21間に形成した環状の第 6水通路 W6に連通する。 そして第 6 水通路 W6は回転軸 21の内部を軸方向に延びる 12本の第 7水通路 W 7···、 回 転軸 21の外周に形成した環状溝 2 I dおよびロー夕コア 31の内部を半径方向 に延びる 12本の第 8水通路 W 8…を介して 12個のオリフィス形成部材 4 " にそれぞれ連通する。
また回転軸 21の外周に形成した環状溝 21 dは軸方向に延びる 12本の第 9 水通路 W9— (図 7参照） を介して回転軸 21の外周に形成した環状溝 21 eに 連通し、 環状溝 21 eは回転軸 21の内部を軸方向に延びる 12本の第 10水通 路 W10…を介して回転軸 21 eの左端および第 1ハウジング 12間に形成した 環状の第 1 1水通路 Wl 1に連通する。 環状の第 6水通路 W 6および第 1 1水通 路 W11は、 軸受部材 22, 23に螺合したオリフィス形成ポルト 91…の外周 のオリフィスを通過し、 更に軸受部材 22， 23内に形成した第 12水通路 W1 …を経て、 軸受部材 22, 23内周および回転軸 21の外周間の搢動面に連通 する。 そして軸受部材 22, 23の内周および回転軸 21の外周間の摺動部面は ドレン用の第 13水通路 W13…を経てべ一ン溝 43…に連通する。
環状の第 6水通路 W6は、 回転軸 21に軸方向に穿設した 2本の第 30水通路 W30, 30を経て、 回転軸 21の中空部 21 a内周面と第 1固定軸 64のお端 外周面との摺動部に連通する。 第 1固定軸 6 4の厚肉部 6 4 aの右側に形成され たシール溝 6 4 cは第 1固定軸 6 4の内部に斜めに穿設した第 3 1水通路 W 3 1 , 3 1を介して第 5蒸気通路 S 5に連通する。 環状の第 1 1水通路 W l 1は回転 軸 2 1の中空部 2 1 a内周面と第 1固定軸 6 4の左端外周面との摺動部に連通し ており、 第 1固定軸 6 4の厚肉部 6 4 aの左側に形成されたシール溝 6 4 dは、 第 1固定軸 6 4を半径方向に貫通する第 3 2水通路 W 3 2 , 3 2および前記第 3 1水通路 W 3 1， 3 1を介して第 5蒸気通路 S 5に連通する。
而して、 図 1および図 2を比較すると明らかなように、 第 1の蒸発器 3 Aから の高温高圧蒸気は通路 A 1を経て膨張機 4の蒸気供給パイプ 7 5に供給され、 降 温降圧蒸気は膨張機 4の蒸気排出パイプ 6 1 cから通路 A 2を経て第 1の凝縮器 5 Aに排出される。 また第 2の蒸発器 3 Bからの高温高圧蒸気は通路 B 1を経て 膨張機 4の吸気チヤンバ 1 9に供給され、 降温降圧蒸気は膨張機 4の排気チヤン バ 2 0の排出口 1 7 Bから通路 B 2を経て第 2の凝縮器 5 Bに排出される。
次に、 上記構成を備えた本実施例の作用について説明する。
先ず、 膨張機 4の作動について説明する。 図 3において、 第 1の蒸発器 3 Aの 下流側に連なる通路 A 1からの高温高圧蒸気は蒸気供給パイプ 7 5と、 ノズル部 材 7 7に軸方向に形成した第 1蒸気通路 S 1と、 ノズル部材 7 7、 ジョイント部 材 7 8， 7 8および第 1固定軸 6 4の厚肉部 6 4 aを半径方向に貫通する一対の 第 2蒸気通路 S 2， S 2とに供給される。 図 6および図 7において、 ロータ 2 7 と一体に回転する回転軸 2 1が所定の位相に達すると、 ロータチヤンバ 1 4の短 径位置から矢印 Rで示すロータ 2 7の回転方向進み側に在る一対の第 3蒸気通路 S 3 , S 3がー対の第 2蒸気通路 S 2 , S 2に連通し、 第 2蒸気通路 S 2， S 2 の高温高圧蒸気が前記第 3蒸気通路 S 3， S 3を経て一対のシリンダ 3 3， 3 3 の内部に供給され、 ピストン 3 7 , 3 7を半径方向外側に押圧する。 これらピス トン 3 7 , 3 7に押圧されたベ一ン 4 4 , 4 4が半径方向外側に移動すると、 ベ ーン 4 4 , 4 4に設けた一対のローラ 4 5， 4 5と環状溝 4 9 , 4 9との係合に より、 ピストン 3 7， 3 7の前進運動がロー夕 2 7の回転運動に変換される。 ロータ 2 7の矢印 R方向の回転に伴って第 2蒸気通路 S 2 , S 2と前記第 3蒸 気通路 S 3 , S 3との連通が遮断された後も、 シリンダ 3 3 , 3 3内の高温高圧 蒸気が更に膨張を続けることによりピストン 3 7 , 3 7をなおも前進させ、 これ によりロータ 2 7の回転が続行される。 ベ一ン 4 4， 4 4がロータチャンバ 1 4 の長径位置に達すると、 対応するシリンダ 3 3， 3 3に連なる第 3蒸気通路 S 3 , S 3が第 1固定軸 6 4の切欠 6 4 b， 6 4 bに連通し、 ローラ 4 5 , 4 5を環 状溝 4 9 , 4 9に案内されたべーン 4 4， 4 4に押圧されたピストン 3 7， 3 7 が半径方向内側に移動することにより、 シリンダ 3 3， 3 3内の蒸気は第 3蒸気 通路 S 3 , S 3、 切欠 6 4 b， 6 4 b、 第 4蒸気通路 S 4， S 4、 第 5蒸気通路 S 5、 第 6蒸気通路 S 6および蒸気排出パイプ 6 1 c…を通り、 仕事を終えた降 温降圧蒸気となつて通路 A 2に排出される。
第 2の蒸発器 3 Bの下流側に連なる通路 B 1からの高温高圧蒸気は、 吸気チヤ ンバ 1 9および第 1ケーシング半体 1 2の吸気ポート 7 9…を経てロータチャン ノ 1 4内のベ一ン室 5 0、 つまりロータチャンバ 1 4、 ロータ 2 7および隣接す る一対のベーン 4 4 , 4 4により区画された空間に供給され、 そこで膨張するこ とによりロータ 2 7を回転させる。 そして仕事を終えた降温降圧蒸気は第 2ケー シング半体 1 3の排気ポート 8 0…から排気チャンバ 2 0に排出され、 そこから 排出口 1 Ί bおよび通路 B 2を経て第 2の凝縮器 5 Bに供給される。
このように、 第 1の蒸発器 3 Aからの高温高圧蒸気の膨脹により 1 2個のピス トン 3 7…を次々に作動させてローラ 4 5， 4 5および環状溝 4 9 , 4 9を介し ロー夕 2 7を回転させ、 また第 2の蒸発器 3 Bからの高温高圧蒸気によりべーン 4 4…を介し口一夕 2 7を回転させることによって回転軸 2 1より出力が得られ る。
次に、 前記膨張機 4の各摺動部の水による潤滑について説明する。
潤滑用の水の供給は第 1の凝縮器 5 Aからの水を第 1の蒸発器 3 Aに加圧供給 する第 1の供給ポンプ 6 A (図 1参照） を利用して行われるもので、 第 1の供給 ポンプ 6 Aが吐出する水の一部が潤滑用としてケ一シング 1 1の第 1水通路 W 1 に供給される。 このように第 1の供給ポンプ 6 Aを膨張機 4の各部の静圧軸受け への水の供給に利用することにより、 特別のポンプが不要になって部品点数が削 減される。
第 1水通路 W 1に供給された水はパイプよりなる第 2水通路 W 2および第 3水 通路 W 3を経て第 1ケ一シング半体 1 2および第 2ケ一シング半体 3の円形シ ール溝 5 1， 5 1の底部の圧力室 8 6 , 8 6に供給され、 リングシール 5 4， 5 4をロータ 2 7の側面に向けて付勢する。 また第 1水通路 W 1からパイプょりな る第 4水通路 W 4に供給された水はフィルタ一 9 0で異物を濾過された後に、 第 2ケーシング半体 1 3に形成された第 5水通路 W 5、 第 2ケーシング半体 1 3お よび回転軸 2 1間に形成された第 6水通路 W 6、 回転軸 2 1内に形成された第 7 水通路 W 7 、 回転軸 2 1の環状溝 2 1 dおよびロータコア 3 1に形成された第 8水通路 W 8…に供給され、 そこでロー夕 2 7の回転に伴う遠心力で更に加圧さ れて口一タセグメント 3 2…のオリフィス形成部材 4 1…に供給される。
各々のロー夕セグメント 3 2において、 オリフィス形成部材 4 1を通過して底 板 4 0の第 1 4水通路 W 1 4に流出した水は、 側板 3 9の第 2 2水通路 W 2 2を 通って潤滑水噴出口 3 9 a…から噴出し、 オリフィス形成部材 4 1を通過して底 板 4 0の第 1 7水通路 W 1 7に流出した水は、 プロック部材 3 8の第 2 1水通路 W 2 1および側板 3 9の第 2 5水通路 W 2 5を通って潤滑水噴出口 3 9 a…から 噴出し、 オリフィス形成部材 4 1を通過して底板 4 0の第 1 8水通路 W 1 8に流 出した水は、 側板 3 9の第 2 6水通路 W 2 6を通って潤滑水噴出口 3 9 a…から 噴出し、 オリフィス形成部材 4 1を通過して底板 4 0の第 1 9水通路 W 1 9に流 出した水は、 側板 3 9の第 2 7水通路 W 2 7を通って潤滑水噴出口 3 9 a…から 噴出する。 側板 3 9の表面に開口する前記 4個の潤滑水噴出口 3 9 a…のうち、 下側の 2個はべーン 4 4のリセス 4 4 e， 4 4 e内に連通する。
オリフィス形成部材 4 1を通過して底板 4 0の第 1 5水通路 W 1 5に流出した 水は、 側板 3 9の第 2 3水通路 W 2 3およびプロック部材 3 8の第 2 9水通路 W 2 9を通ってリセス 3 8 c内の潤滑水噴出口 3 8 eから噴出し、 オリフィス形成 部材 4 1を通過して底板 4 0の第 1 6水通路 W 1 6に流出した水は、 ブロック部 材 3 8の第 2 0水通路 W 2 0、 側板 3 9の第 2 4 τΚ通路 W 2 4およびプロック部 材 3 8の第 2 8水通路 W 2 8を通ってリセス 3 8 b内の潤滑水噴出口 3 8 dから 噴出する。
而して、 各々の口一夕セグメント 3 2の側板 3 9の潤滑水噴出口 3 9 a…から ベ一ン溝 4 3内に噴出した水は、 ベーン溝 4 3に摺動自在に嵌合するベーン 4 4 との間に静圧軸受けを構成して該ベーン 4 4を浮動状態で支持し、 ロータセグメ ント 3 2の側板 3 9とべーン 4 4との固体接触を防止して焼き付きおよび摩耗の 発生を防止する。 このように、 ベーン 4 4の摺動面を潤滑する水を口一夕 2 7の 内部に放射状に設けた第 8水通路 W 8を介して供給することにより、 水を遠心力 で加圧することができるだけでなく、 ロータ 2 7周辺の温度を安定させて熱膨張 による影響を少なくし、 設定したクリアランスを維持して蒸気のリークを最小限 に抑えることができる。
ところで、 各々のべーン 4 4に加わる円周方向の荷重 （板状のベーン 4 4に対 して直交する方向の荷重） には、 ロー夕チャンバ 1 4内のベーン 4 4の前後面に 加わる蒸気圧の差圧による荷重と、 ベ一ン 4 4に設けたローラ 4 5 , 4 5が環状 溝 4 9 , 4 9から受ける反力の前記円周方向の成分との合力になるが、 それらの 荷重はロー夕 2 7の位相に応じて周期的に変化する。 従って、 この偏荷重を受け たべーン 4 4はべーン溝 4 3内で傾くような挙動を周期的に示すことになる。 このようにして前記偏荷重でベーン 4 4が傾くと、 両側のロータセグメント 3 2の側板 3 9 , 3 9に開口する各 4個の潤滑水吐出孔 3 9 a…とべーン 4 4との 隙間が変化するため、 隙間が広がった部分の水膜が流失してしまい、 かつ隙間が 狭まった部分に水が供給され難くなるために摺動部に圧力が立たなくなり、 ベー ン 4 4が側板 3 9 , 3 9の摺動面に直接接触して摩耗が発生する可能性がある。 しかしながら、 本実施例によれば、 口一夕セグメント 3 2に設けたオリフィス形 成部材 4 1により潤滑水吐出孔 3 9 a…にオリフィスを介して水が供給されるた め、 上記不具合が解消される。
即ち、 潤滑水吐出孔 3 9 a…とべーン 4 4との隙間が広がった場合、 水の供給 圧力が一定であるので、 定常状態でオリフィスの前後に発生する一定の差圧に対 し、 前記隙間からの流出量の増大により水の流量が増大することにより、 オリフ イス効果でオリフィスの前後の差圧が増大して前記隙間の圧力が減少することと なり、 その結果、 広がった隙間を狭めて元に戻す力が発生する。 また潤滑水吐出 孔 3 9 a…とべーン 4 4との隙間が狭まった場合、 前記隙間からの流出量が減少 してオリフィスの前後の差圧が減少するため、 その結果、 前記隙間の圧力が増大 して狭まった隙間を広げて元に戻す力が発生する。 このように、 ベーン 4 4に加わる荷重で潤滑水吐出孔 3 9 a…とべーン 4 4と の隙間が変化しても、 その隙間の大きさの変化に応じて該隙間に供給される水の 圧力をオリフィスが自動的に調整するので、 ベ一ン 4 4および両側のロータセグ メント 3 2の側板 3 9 , 3 9間のクリアランスを所望の大きさに安定して維持す ることができる。 これにより、 ベ一ン 4 4および側板 3 9， 3 9間に常時水膜を 保持してベーン 4 4を浮動状態で支持し、 ベ一ン 4 4が側板 3 9， 3 9の摺動面 に固体接触して摩耗が発生するのを確実に回避することができる。
またべーン 4 4の両面に各 2個ずつ形成されたリセス 4 4 e , 4 4 eに水が保 持されるため、 このリセス 4 4 e， 4 4 eが圧力溜まりとなって水のリークによ る圧力低下を抑制する。 その結果、 一対の側板 3 9 , 3 9の摺動面に挟まれたベ —ン 4 4が水によって浮動状態になり、 摺動抵抗を皆無に近い状態まで低減する ことが可能になる。 またべーン 4 4が往復運動すると口一夕 2 7に対するベーン 4 4の半径方向の相対位置が変化するが、 前記リセス 4 4 e， 4 4 eは側板 3 9 ， 3 9側でなくべーン 4 4側に設けられており、 かつべーン 4 4に最も荷重の掛 かるローラ 4 5 , 4 5の近傍に設けられているため、 往復運動するべーン 4 4を 常に浮動状態に保持して摺動抵抗を効果的に低減することが可能となる。
尚、 側板 3 9 , 3 9に対するベーン 4 4の摺動面を潤滑した水は遠心力で半径 方向外側に移動し、 ベ一ン 4 4の円弧面 4 4 bに設けたシール部材 4 6と口一夕 チャンバ 1 4の円弧面 1 4 bとの摺動部を潤滑する。 そして潤滑を終えた水は、 口一タチャンバ 1 4から排気ポート 8 0…を介して排出される。
前述したように、 第 1ケ一シング半体 1 2および第 2ケ一シング半体 1 3の円 形シ一ル溝 5 1 , 5 1の底部の圧力室 8 6 , 8 6に水を供給してリングシール 5 4 , 5 4を口一夕 2 7の側面に向けて付勢し、 かつ各々の口一夕セグメント 3 2 のリセス 3 8 b , 3 8 cの内部に形成した潤滑水噴出口 3 8 d， 3 8 eから水を 噴出してロータチャンバ 1 4の平坦面 1 4 a , 1 4 aとの摺動面に静圧軸受けを 構成することにより、 円形シール溝 5 1， 5 1の内部で浮動状態にあるリングシ ール 5 4 , 5 4でロー夕 2 7の平坦面 2 7 a , 2 7 aをシールすることができ、 その結果ロータチャンバ 1 4内の蒸気が口一夕 2 7との隙間を通ってリークする のを防止することができる。 このとき、 リングシール 5 4， 5 4とロータ 2 7と は潤滑水噴出口 3 8 d， 3 8 eから供給された水膜で隔絶されて固体接触するこ とがなく、 またロー夕 2 7が傾いても、 それに追従して円形シール溝 5 1 , 5 1 内のリングシール 5 4， 5 4が傾くことにより、 摩擦力を最小限に抑えながら安 定したシール性能を確保することができる。
尚、 リングシール 5 4 , 5 4と口一夕 2 7との摺動部を潤滑した水は、 遠心力 でロータチャンパ 1 4に供給され、 そこから排気ポート 8 0…を経てケ一シング 1 1の外部に排出される。
一方、 第 6水通路 W 6から供給された水は、 軸受部材 2 3のオリフィス形成ポ ルト 9 1…の外周に形成されたオリフィスおよび第 1 2水通路 W 1 2…を経て、 軸受部材 2 3内周および回転軸 2 1外周の摺動面に水膜を形成し、 その水膜によ つて回転軸 2 1の右半部の外周を浮動状態で支持することにより、 回転軸 2 1と 軸受部材 2 3との固体接触を防止して焼き付きや摩耗が発生しないように潤滑す る。 第 6水通路 W 6から回転軸 2 1に形成した第 7水通路 W 7〜、 第 9水通路 W 9 ···、 第 1 0水通路 W 1 0…および第 1 1水通路 W 1 1に供給された水は、 軸受 部材 2 2のオリフィス形成ポルト 9 1…の外周に形成されたオリフィスおよび第 1 2水通路 W 1 2…を経て、 軸受部材 2 2内周および回転軸 2 1外周の摺動面に 水膜を形成し、 その水膜によって回転軸 2 1の左半部の外周を浮動状態で支持す ることにより、 回転軸 2 1と軸受部材 2 2との固体接触を防止して焼き付きや摩 耗が発生しないように潤滑する。 両軸受部材 2 2 , 2 3の摺動面を潤滑した水は 、 その内部に形成した第 1 3水通路 W 1 3…を経てべ一ン溝 4 3…に排出される 尚、 ベ一ン溝 4 3…に溜まった水はべ一ン 4 4…の底部とベ一ン 4 4…の一側 面とを接続する水排出通路 4 4 g…に流入するが、 この水排出通路 4 4 g…はべ ーン 4 4…が口一夕 2 7から最も突出する所定角度範囲でロータチャンバ 1 4に 開口するため、 ベーン溝 4 3…とロータチャンバ 1 4との圧力差によりべーン溝 4 3…内の水は水排出通路 4 4 g…を経て口一夕チャンバ 1 4に排出される。 また第 6水通路 W 6から回転軸 2 1に形成した第 3 0水通路 W 3 0…を経て供 給された水は、 第 1固定軸 6 4外周および回転軸 2 1内周の摺動面の右半部を潤 滑し、 第 1固定軸 6 4のシール溝 6 4 cから第 3 1水通路 W 3 1， W 3 1を経て 第 5蒸気通路 S 5に排出される。 更に、 前記第 1 1水通路 W l 1からの水は、 第 1固定軸 6 4外周および回転軸 2 1内周の摺動面の左半部を潤滑し、 第 1固定軸 6 4のシール溝 6 4 dから第 3 1水通路 W 3 1を経て第 5蒸気通路 S 5に排出さ れる。
以上のように、 膨張機 4の口一夕 2 7をロータコア 3 1と複数の口一夕セグメ ント 3 2…とに分割して構成したので、 ロータ 2 7のべ一ン溝 4 3…の寸法精度 を容易に高めることができる。 即ち、 単体の口一夕 2 7においてベーン溝 4 3… の溝幅を精度良く加工して摺動面を面粗度を高めることは極めて困難であるが、 予め製作した複数の口一夕セグメント 3 2…を口一夕コア 3 1に組み付けること により上記問題を解決することができる。 しかも複数の口一夕セグメント 3 2 の組み付けにより誤差が集積されても、 最後の 1個のロー夕セグメント 3 2の寸 法を調整することにより前記誤差の集積を吸収して全体として高精度の口一夕 2 7を得ることができる。
また高温高圧蒸気が供給される内側のロータコア 3 1と、 比較的に低温である 外側のロータセグメント 3 2…とを別部材で構成したので、 高温のロー夕コア 3 1から口一夕セグメント 3 2…への熱伝導を抑制することができ、 ロータ 2 7外 部への熱の放散を防止して熱効率を高めることが可能となるだけでなく、 ロータ 2 7の熱変形を緩和して精度を高めることができる。 しかもロータコア 3 1およ びロータセグメント 3 2…の各々の機能に見合った材質や加工方法を選択できる ので設計自由度や加工方法の自由度が増加し、 ロータセグメント 3 2…およびべ —ン 4 4…の摺動面の摩耗軽減、 耐久性の向上、 シール性の向上を図ることがで きる。 更に口一夕 2 7の一部に不具合が生じた場合でも、 その一部を交換するだ けで補修することができるので、 ロータ 2 7全体を交換あるいは廃棄する場合に 比べてコストの削減に寄与することができる。
さて、 内燃機関 1の暖機運転の未完了時や内燃機関 1の低負荷運転時には、 排 気ガス浄化装置 8の触媒が充分に温度上昇せずに不活性の状態になるため、 排気 ガスの熱で速やかに触媒を加熱して活性化する必要がある。 この状態では排気ガ ス浄化装置 8に設けた温度センサ 9で検出した触媒の温度が設定温度以下になる ため、 電子制御ユニット 1 0からの指令で第 1のランキンサイクル 2 Aの第 1の 供給ポンプ 6 Aが停止あるいは容量減少し、 第 1の蒸発器 3 A内を水が循環しな くなり、 あるいは循環量が減少する。 その結果、 内燃機関 1の排気ガスは第 1の 蒸発器 3 Aを通過する際に殆ど熱を奪われることなく排気ガス浄化装置 8に供給 され、 その触媒を速やかに加熱して活性化することができる。 しかも排気ガス浄 化装置 8の下流側に設けた第 2のランキンサイクル 2 Bの第 2の蒸発器 3 Bを流 れる第 2の作動媒体であるペンタンあるいは代替フロンは低沸点であるため、 内 燃機関 1の始動直後や低負荷運転時における低温の排気ガスによって容易に蒸気 になり、 膨張機 4を支障なく作動させることができる。
また内燃機関 1の暖機完了後の高負荷運転時には、 排気ガス浄化装置 8の触媒 は充分に温度上昇して活性化し、 温度センサ 9で検出した触媒の温度が設定温度 を越えるため、 電子制御ュニット 1 0からの指令で第 1のランキンサイクル 2 A の第 1の供給ポンプ 6 Aが駆動される。 これにより、 排気ガス浄化装置 8の上流 側に設けた第 1のランキンサイクル 2 Aの第 1の蒸発器 3 Aには水が供給され、 その蒸気が膨張機 4の高圧膨張作動部であるシリンダ 3 3…に供給されて回転軸 2 1を駆動する。 これと同時に、 排気ガス浄化装置 8の下流側に設けた第 2のラ ンキンサイクル 2 Bの第 2の蒸発器 3 Bにはペン夕ンゃ代替フロンが供給され、 その蒸気が膨張機 4の低圧膨張作動部であるべーン室 5 0…に供給されて回転軸 1を駆動する。 このとき排気ガスの温度が高い上流側の第 1の蒸発器 3 Aを流 れる第 1の作動媒体が高沸点であり、 かつ排気ガスの温度が低い下流側の第 2の 蒸発器を流れる第 2の作動媒体が低沸点であるため、 排気ガスの熱エネルギーを 更に効果的に回収することができる。 またシリンダ 3 3…で発生した軸トルクと ベーン室 5 0…で発生した軸トルクとは膨張機 4の内部で統合されて共通の回転 軸 2 1に出力されるので、 特別の動力統合手段が不要になって構造が簡素化され る。
以上、 本発明の実施例を詳述したが、 本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種 々の設計変更を行うことが可能である。
産業上の利用可能性
以上のように、 本発明に係る内燃機関のランキンサイクル装置は車両の走行用 動力源として好適に利用可能であるが、 その他の任意の用途に対しても利用可能 である。

Claims

請求の範囲
1. 第 1の作動媒体で作動する第 1のランキンサイクル （2A) と第 2の作動媒 体で作動する第 2のランキンサイクル （2B) とを備え、 各々のランキンサイク ル （2A, 2B) は内燃機関 （1) の廃熱で液相作動媒体を加熱して蒸気を発生 させる蒸発器 （3A, 3B) と、 蒸発器 （3A, 3B) が排出した蒸気の熱エネ ルギーを機械エネルギーに変換する膨張機 （4) と、 膨張機 （4) が排出した蒸 気を冷却して液相作動媒体に戻す凝縮器 （5A, 5B) と、 凝縮器 （5A, 5B ) が排出した水を蒸発器 （3A， 3B) に供給する供給ポンプ （6A， 6B) と から構成される内燃機関のランキンサイクル装置であつて、
内燃機関 （1) の排気通路 （7) に設けた排気ガス浄化装置 （8) の上流側お よび下流側にそれぞれ第 1のランキンサイクル （2A) の蒸発器 （3A) および 第 2のランキンサイクル (2B) の蒸発器 （3B) を配置し、 第 1の作動媒体の 沸点を第 2の作動媒体の沸点よりも高沸点とし、 かつ少なくとも第 1のランキン サイクル （2A) の供給ポンプ （6A) の容量を可変としたことを特徴とする内
2. 膨張機 （4) は高圧膨張作動部 （33) および低圧膨張作動部 （50) を備 えて両膨張作動部 （33， 50) の出力を統合して共通の回転軸 （21) から出 力可能であり、 高圧膨張作動部 （33) には第 1の作動媒体の蒸気が供給され、 低圧膨張作動部 （50) には第 2の作動媒体の蒸気が供給されることを特徴とす る、 請求項 1に記載の内燃機関のランキンサイクル装置。
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