CN1494632A - 膨胀机 - Google Patents

Abstract

采用蒸汽作为工作介质的膨胀机(M)具有环状地设置在转子(27)中以便围绕输出轴(28)的轴线(L)的半径方向内侧的第一轴向活塞汽缸组(49)，和环状地设置以便围绕其外侧的半径方向外侧的第二轴向活塞汽缸组(57)，第一、第二轴向活塞汽缸组(49，57)由共同的斜板(39)驱动，而且第一、第二轴向活塞汽缸组(49，57)沿圆周方向错开间距(pitch)地布置。高温高压蒸汽首先作用第一轴向活塞汽缸组(49)，然后作用第二轴向活塞汽缸组(57)，而且两者的输出被结合起来以驱动输出轴(28)。这能实现轴向型膨胀机(M)的进一步小型化和高输出。

Description

膨胀机

技术领域

本发明涉及一种膨胀机，该膨胀机具有一外壳；一输出驱动力的输出轴；一和输出轴一体并可转动地支承在外壳中的转子；多个轴向活塞汽缸组，它们沿半径方向内外呈环状地设置在转子中以便围绕输出轴的轴线；以及一公共的斜板，其固定在外壳中并沿前述轴线方向引导多个轴向活塞汽缸组的活塞。

背景技术

日本特许第2874300号公报和日本实开昭48-54702号公报中披露了一种活塞泵或活塞马达，其具有沿半径方向内侧和半径方向外侧设置的两个轴向活塞汽缸组。这些中的任一个都使用和油一样的非压缩性流体作为工作介质，并且半径方向内侧和半径方向外侧的轴向活塞汽缸组沿圆周方向错开相位地设置，而且以前的情况是半径方向内侧的轴向活塞汽缸组的活塞直径比半径方向外侧的轴向活塞汽缸组的活塞直径小。

另外，在日本特开2000-320453号公报中披露了一种膨胀机，其中在转子的半径方向内侧和半径方向外侧上分别设置轴向活塞汽缸组和叶片组，而且经轴向活塞汽缸组将高温高压蒸汽供给叶片组，将压力能转换为机械能。

而且，在将高温高压蒸汽作为工作介质的膨胀机中，有叶片型的，其中可滑动地支承叶片的转子设置在凸轮环中；径向型的，其中多个汽缸和活塞相对于轴向放射状地设置；和轴向型的，其中多个汽缸和活塞相对于轴向平行地设置。

尽管叶片型膨胀机具有可以得到大膨胀比的优点，但相对于叶片的前端和凸轮环的内周面之间的容积需要长的密封长度，并且由于密封困难而具有蒸汽泄漏量大的问题。

而且在径向型膨胀机中，由于汽缸和活塞相对于轴线放射状地设置，所以不仅形成在相邻汽缸之间的扇形无用空间使尺寸增加，而且在用于将蒸汽分配到汽缸中的回转阀的滑动面是圆筒面、并设有滑动间隙的情况中，与具有平坦的滑动面的回转阀相比，会有蒸汽泄漏量增加的问题。

与此相反，在轴向型膨胀机中，由于汽缸和活塞沿轴向设置，所以能使汽缸间的无用空间更小而且能使径向截面布置紧凑，因此与无用空间大的径向型膨胀机相比，能实现小型化。另外，汽缸和活塞之间的蒸汽泄漏量比叶片和凸轮环之间的蒸汽泄漏量少，而且由于能采用具有平坦的滑动面且蒸汽泄漏量小的回转阀，所以与叶片型或径向型膨胀机相比，能实现更高的输出。

发明内容

本发明根据上述情况提出，而且本发明的目的是实现轴向型膨胀机的进一步小型化和高输出。

为了实现上述目的，根据本发明的第一特征，提出了一种膨胀机，包括：外壳；输出驱动力的输出轴；和输出轴一体并可转动地支承在外壳中的转子；多个轴向活塞汽缸组，该轴向活塞汽缸组沿半径方向内外环状地设置在转子中以便围绕输出轴的轴线；以及公共的斜板，其固定在外壳中并沿前述轴线方向引导多个轴向活塞汽缸组，其特征在于：多个轴向活塞汽缸组的活塞越靠半径方向外侧设置直径越大，而且多个轴向活塞汽缸组直列布置，高温高压的工作介质从半径方向内侧的轴向活塞汽缸组依次供给半径方向外侧的轴向活塞汽缸组。

根据上述构成，由于多个轴向活塞汽缸组相对于输出轴沿半径方向内外布置，而且各轴向活塞汽缸组的活塞由共同的斜板引导，能使多个级连续起作用，所以与叶片型膨胀机相比，不仅工作介质的泄漏量减少，而且与叶片型或径向型膨胀机相比，本来空间效率就高的轴向型膨胀机的空间效率能进一步提高，从而能得到小型且高输出的膨胀机。

另外，由于多个轴向活塞汽缸组的活塞越靠半径方向外侧设置直径越大，而且多个轴向活塞汽缸组直列布置，高温高压的工作介质从直列布置的半径方向内侧的轴向活塞汽缸组依次供给半径方向外侧的轴向活塞汽缸组，所以不仅能将无用空间的产生限制到最小并因此实现膨胀机的小型化，而且由于体积小的高压工作介质作用在半径方向内侧的小直径轴向活塞汽缸组上，体积大的低压工作介质作用在半径方向内侧的小直径轴向活塞汽缸组上，所以工作介质的压力能可以没有损失地被转换为机械能。而且，能将半径方向内侧的轴向活塞汽缸组的滑动部的面积限制到最小，其中在所述内侧由于高压工作介质作用而易于发生泄漏，从而能进一步减少工作介质的泄漏。

而且，由于膨胀前的高温工作介质作用在半径方向内侧的轴向活塞汽缸组上，膨胀后的低温工作介质作用在半径方向外侧的轴向活塞汽缸组上，所以从高温工作介质作用的半径方向内侧的轴向活塞汽缸组散发的热量可以被低温工作介质作用的半径方向外侧的轴向活塞汽缸组回收，从而使热损失减少。

另外，根据本发明提出的一种膨胀机的第二特征，除第一特征之外，其特征还在于：沿半径方向内外邻接的轴向活塞汽缸组的布置间距(pitch)沿圆周方向错开。

根据上述构成，由于沿径向邻接的轴向活塞汽缸组的布置间距(pitch)沿圆周方向错开，所以不仅能将半径方向内侧的汽缸布置在半径方向外侧的汽缸之间的空间中，从而进一步减小膨胀机的外径尺寸，而且能使多个轴向活塞汽缸组的输出扭矩的变动减少。

另外，根据本发明提出的一种膨胀机的第三特征，除第一或第二特征之外，其特征还在于：由用于将工作介质供给多个轴向活塞汽缸组或从其中排出的吸气/排气阀构成的工作介质供给/排出部、由转子构成的动力转换部、由输出轴和斜板构成的输出部从前述轴线的一端到另一端依次设置。

根据上述构成，由于工作介质供给/排出部和输出部设置在动力转换部两侧的相隔开的位置处，所以润滑输出部的滑动部的油由于被通过高温高压蒸汽的工作介质供给/排出部加热而能防止变质，从而能确保输出部的润滑性能。

另外，实施例中的回转阀61与本发明的吸气/排气阀对应。

附图说明

图1至图18是表示本发明第一实施例的图，其中图1是膨胀机的纵剖面图，图2是图1沿2-2线的剖面图，图3是图1的部分3的放大图，图4是图1的部分4的放大剖面图(图8的4-4线剖面图)，图5是图4的5-5线向视图，图6是图4的6-6线向视图，图7是图4沿7-7线的剖面图，图8是图4沿8-8线的剖面图，图9是图4沿9-9线的剖面图，图10是图1的10-10线向视图，图11是图1的11-11线向视图，图12是图10沿12-12线的剖面图，图13是图1沿13-13线的剖面图，图14是图10沿14-14线的剖面图，图15是表示输出轴的扭矩变化的曲线图，图16是表示高压级的吸入系统的操作的说明图，图17是表示高压级的排出系统和低压级的吸入系统的操作的说明图，图18是表示低压级的排出系统的操作的说明图。

图19是表示本发明的第二实施例并和前述图6对应的视图。

图20是表示本发明的第三实施例并和前述图6对应的视图。

实施发明的最佳形式

下面，根据图1～图18说明本发明的第一实施例。

如图1～图3所示，该实施例的膨胀机M用在如蒸汽循环装置中，作为工作介质的高温高压蒸汽的热能及压力能被转换成机械能并被输出。膨胀机M的外壳11由外壳主体12和前部罩15及后部罩18构成，其中前部罩15通过密封部件13配合在外壳主体12的前开口部中并通过多个螺栓14连接在一起，后部罩18通过密封部件16配合在外壳主体12的后开口部中并通过多个螺栓17连接在一起。油盘19通过密封部件20抵靠外壳主体12的下开口部并通过多个螺栓21连接到那里。而且，通气室(ブリ一ザ)隔壁23通过密封部件22(参照图12)叠置在外壳主体12的上面，通气室隔壁25通过密封部件24(参照图12)又叠置在隔壁23的上面(参照图12)，并通过多个螺栓26…将它们一起紧固到外壳主体上。

可绕一在外壳11中央沿前后方向延伸的轴线L转动的转子27和输出轴28通过焊接而成为一体，转子27的后部通过径向止推滚珠轴承29和密封部件30可转动地支承在外壳主体12内，而且输出轴28的前部通过径向止推滚珠轴承31和密封部件32可转动地支承在前部罩15内。通过两个密封部件33、34及定位销35配合在前部罩15的后面的斜板夹具36由多个螺栓37……固定，斜板39通过止推滚珠轴承38可转动地支承在所述斜板夹具36中。斜板39的旋转轴线相对于前述转子27和输出轴28倾斜，而且所述倾斜角是固定的。

由和转子27不同的部件构成的七个套筒41……围绕轴线L沿圆周方向等间隔地布置在转子27内部。高压活塞43……可滑动地配合在高压汽缸42中，其中高压汽缸形成在支承在转子27的套筒支承孔27a……中的套筒41……的内周，从高压汽缸42……的前端开口部向前突出的高压活塞43……的半球状部紧邻并压靠凹设在斜板39后面的7个凹坑39a……。在套筒41…的后端和转子27的套筒支承孔27a……之间安装耐热金属密封部件44……，在这种状态下压住套筒41……前端的单个压板45由多个螺栓46……固定到转子27的前面。套筒支承孔27a……的底部附近直径稍稍变大，从而在底部附近和套筒41……的外周面之间形成间隙α(参见图3)。

高压活塞43……具有密封其和高压汽缸42……的滑动面的耐压环47……和油环48……，耐压环47……的滑动范围和油环48……的滑动范围彼此不重叠地设置。当高压活塞43……插入高压汽缸42……中时，为了使耐压环47……和油环48……与高压汽缸42……平滑地接合，在压板45中以前面侧变宽的方式形成锥形开口部45a……。

如上所述，由于耐压环47……的滑动范围和油环48……的滑动范围以互相不重叠的方式设置，所以附着到油环滑动的高压汽缸42……内壁上的油由于耐压环的滑动而不会被带入高压工作室82……中，因此能确实防止油混入蒸汽中。特别是，由于高压活塞43……在耐压环47……和油环48……之间具有稍变小的直径部分(参见图3)，所以能有效地防止附着到油环48……的滑动面上的油运动到耐压环47……的滑动面上。

另外，由于高压汽缸42……通过将七个套筒41……安装在转子27的套筒支承孔27a……中而形成，所以能为套筒41……选择热传导性、耐热性、耐磨损性和强度等优良的材料。这样不仅能提高性能及可靠性，而且比起在转子27上直接加工高压汽缸42……的情况而言加工更容易，而且加工精度提高。而且在任何一个套筒41磨损或损坏的情况下，不用替换整个转子27，可以仅替换异常的那个套筒41，因此这是经济的。

另外，由于通过使套筒支承孔27a……的底部附近直径稍变大而在套筒41……的外周表面和转子27之间形成间隙α，所以即使转子27由于供给高压工作室82……的高温高压蒸汽而热变形，也能防止这影响套筒41……，从而能防止高压汽缸42……变形。

前述七个高压汽缸42……以及配合在其中的七个高压活塞43……构成第一轴向活塞汽缸组49。

七个低压汽缸50……沿圆周方向等间隔地设置在转子27的外周部，以便围绕轴线L和高压汽缸42……的半径方向外侧。这些低压汽缸50……具有比高压汽缸42……大的直径，而且低压汽缸50……沿圆周方向的布置间距相对于高压汽缸42……沿圆周方向的布置间距偏离半个间距。这样，能将高压汽缸42……设置在相邻低压汽缸50……之间形成的空间中，所以能有效地利用空间并有助于转子27的直径小型化。

低压活塞51……分别可滑动地配合在七个低压汽缸50……中，这些低压活塞51……通过连杆52……连接到斜板39。即，连杆52……前端的球状部52a可摇摆地支承在球面轴承54……上，连杆52……后端的球状部52b可摇摆地支承在球面轴承56……上，其中轴承54……通过螺母53……固定到斜板39上，轴承56……通过卡箍55……固定到低压活塞51……上。在低压活塞51……的顶面附近的外周面，彼此邻接地安装耐压环78……和油环79……。由于耐压环78……和油环79……的滑动范围相互重叠，所以在耐压环78……的滑动面上形成油膜，从而能增强密封性和润滑性。

前述七个低压汽缸50……和配合在其中的七个低压活塞41……构成第二轴向活塞汽缸组57。

如上所述，由于第一轴向活塞汽缸组49的高压活塞43……的前端形成为半球状，而且使所述前端抵靠形成在斜板39中的凹坑39a……，所以不必将高压活塞43……机械地连接到斜板39上，能减少零件的数量和提高组装性。另一方面，由于第二轴向活塞汽缸组57的低压活塞51……通过连杆52……及前、后球面轴承54……、56……连接到斜板39，所以即使在供给第二活塞汽缸组57的中温中压蒸汽的温度和压力不足，并且低压工作室84……变成负压时，低压活塞51……和斜板39也不会分离，而且不会发生噪音(敲缸/打音)和损坏。

另外，当斜板39通过螺栓37……固定到前部罩15上时，改变斜板39围绕轴线L紧固的相位能使相对第一轴向活塞汽缸组49和第二轴向活塞汽缸组57的蒸汽供给和排出定时错开，从而改变膨胀机M的输出特性。

而且，一体化的转子27和输出轴28分别支承在径向止推滚珠轴承29和径向止推滚珠轴承31上，其中轴承29和轴承31分别设置在外壳主体12和前部罩15上，通过调整外壳主体12和径向止推滚珠轴承29之间安装的垫片58的厚度以及前部罩15和径向止推滚珠轴承31之间安装的垫片59的厚度，可以在前后方向调整转子27沿轴线L的位置。通过调整所述转子27沿轴线L方向的位置，可以改变由斜板39引导的高压、低压活塞43……、51……和设置在转子27中的高压、低压汽缸42……、50……沿轴线L方向的相对位置，从而能调整高压、低压工作室82……、84……中的蒸汽膨胀比。

如果支承斜板39的斜板夹具36与前部罩15一体形成，那么将难以确保用于在前部罩15上装卸止推滚珠轴承31或垫片59的空间，但是因为斜板夹具36相对前部罩15制成可拆卸的，所以可以消除上述问题。而且如果斜板夹具36和前部罩15是一体的，那么在膨胀机M的组装和分解期间必需在外壳11的窄空间内进行将七个连杆52……连接到预先安装在前部罩15侧的斜板39上和从其分离的麻烦操作，但是由于斜板夹具36相对前部罩15制成可拆卸的，所以可以通过预先将斜板39和斜板夹具36安装在转子27侧而形成副组件，从而大大提高组装性。

下面，基于图4～图9说明用于第一轴向活塞汽缸组49和第二轴向活塞汽缸组57的蒸汽供给/排出系统。

如图4所示，回转阀61容纳在开口在转子27后端面上的、具有圆形横截面的凹部27b和开口在后部罩18的前表面上的、具有圆形横截面的凹部18a中。沿轴线L设置的回转阀61具有回转阀主体62、固定侧阀板63和可动侧阀板64。在可动侧阀板64通过垫圈65配合在转子27的凹部27b的底面上的状态中，用定位销66和螺栓67将其固定到转子27上。固定侧阀板63通过定位销69不可相对转动地连接到回转阀主体62上，其中阀板63通过平坦的滑动面68抵靠可动侧阀板64。所以，当转子27转动时，可动侧阀板64和固定侧阀板63在滑动面68上即相互密切接触又相对转动。固定侧阀板63和可动侧阀板64由具有优良耐用性的材料如超硬合金或陶瓷等构成，而且可在滑动面68上设置或覆盖具有耐热性、润滑性、耐腐蚀性、耐磨性的部件。

回转阀主体62是具有大直径部62a、中直径部62b和小直径部62c的阶梯圆柱状部件，配合在所述大直径部62a外周的环形滑动部件70通过圆筒状的滑动面71可滑动地配合在转子27的凹部27b中，同时所述中直径部62b和小直径部62c通过密封部件72、73配合在后部罩18的凹部18a中。滑动部件70由超硬合金或陶瓷等耐用性优良的材料制成。嵌入回转阀主体62外周的定位销74与沿轴线L方向形成在后部罩18的凹部18a中的长孔18b结合，因此回转阀主体62被如此支承，以便相对于后部罩18不能转动，而能沿轴线L移动。

多个(例如，七个)预载弹簧75……如此支承在后部罩18中，以便围绕轴线L，回转阀主体62为了紧密接触固定侧阀板63和可动侧阀板64的滑动面68而被向前偏压(弹压)，其中在回转阀主体62中，预载弹簧75……推压中直径部62b和小直径部62c之间的阶梯部62d。在后部罩18的凹部18a底面和回转阀主体62的小直径部62c的后端面之间限定了一个压力室76，与后部罩18贯通地连接的蒸汽供给管77与前述压力室76连通。因此，回转阀主体62由前述预载弹簧75……的弹力以及作用在压力室76上的蒸汽压力向前偏压。

用于将高温高压蒸汽供给到第一轴向活塞汽缸组49的高压级蒸汽吸入路线在图16中由网状图案示出。参照图16及图5～图9可以清楚地看出，上游端和压力室76连通的第一蒸汽通路P1贯通回转阀主体62并开口在与固定侧阀板63的接合面上，而且与贯通固定侧阀板63的第二蒸汽通路P2连通，其中高温高压蒸汽被从蒸汽供给管77供给压力室76。为了防止蒸汽从回转阀主体62与固定侧阀板63的接合面泄漏，通过安装在该接合表面上的密封部件81(参照图7和图16)密封第一、第二蒸汽通路P1、P2的连接部的外周。

七个第三蒸汽通路P3……(参照图5)和第四蒸汽通路P4……分别沿圆周方向等间隔地形成在可动侧阀板64和转子27中，第四蒸汽通路P4……的下游端与七个高压工作室82……连通，所述工作室82……被限定在第一轴向活塞汽缸组49的高压汽缸42……及高压活塞43之间。从图6可以清楚地看出，形成在固定侧阀板63中的第二蒸汽通路P2的开口不是均匀地开口到高压活塞43的上死点TDC前后，而是沿箭头R所示的转子27的旋转方向向前稍偏移地开口。因此，能确保尽可能长的膨胀期间，即充分的膨胀比，而且使负功最小化，其中的负功发生于在开口被均匀地设定到TDC的前后的时候，而且减少了残留在高压作功室82……中的膨胀蒸汽，因此得到充分的输出(效率)。

用于从第一轴向活塞汽缸组49排出中温中压蒸汽并将所述蒸汽供给第二轴向活塞汽缸组57的高压级蒸汽排出路线和低压级蒸汽吸入路线在图17中由网状图案示出。参照图17以及图5～图8可以清楚地看出，圆弧状的第五蒸汽通路P5(参照图6)开口在固定侧阀板63的前表面上，该第五蒸汽通路P5与开口在固定侧阀板63后表面上的圆形第六蒸汽通路P6(参照图7)连通。第五蒸汽通路P5从一位置到另一位置开口，所述一位置为相对于高压活塞43的下死点BDC沿箭头R标示的转子27的旋转方向稍向前偏移的位置；所述另一位置为相对于上死点TDC沿旋转方向稍向后偏移的位置。这能使可动侧阀板64的第三蒸汽通路P3……在从下死点BDC到不和第二蒸汽通路P2重叠(最好是，就在和第二蒸汽通路P2重复之前)的角度范围内与固定侧阀板63的第五蒸汽通路P5连通，期间进行蒸汽从第三蒸汽通道P3……向第五蒸汽通道P5的排出。

在回转阀主体62中形成沿轴线L方向延伸的第七蒸汽通道P7和沿大致径向延伸的第八蒸汽通道P8，第七蒸汽通道P7的上游端和前述第六蒸汽通道P6的下游端连通，而且第七蒸汽通道P7的下游端经过跨设在回转阀主体62和滑动部件70之间的联接部件83内的第九蒸汽通道P9与第十蒸汽通道P10连通，其中通道P10沿半径方向贯通滑动部件70。而且第十蒸汽通道P10通过放射状地形成在转子27中的七个第十一蒸汽通路P11……与七个低压工作室84……连通，其中低压工作室84限定在第二轴向活塞汽缸组57的低压汽缸50……和低压活塞41……之间。

为了防止蒸汽从回转阀主体62与固定侧阀板63接合的表面泄漏，通过安装在该接合表面上的密封部件85(参照图7和图17)密封第六、第七蒸汽通路P6、P7的连接部的外周。滑动部件70的内周面和回转阀主体62之间由两个密封部件86和87密封，联接部件83的外周面和滑动部件70之间由密封部件88密封。

转子27和输出轴28的内部是空的，从而限定调压室89，该调压室89通过第十二蒸气通路P12、第十三蒸气通路P13、第十四蒸气通路P14和第十五蒸气通路P15与第八蒸气通路P8连通，其中通路P12和P13形成在回转阀主体62内，通路P14形成在固定侧阀板63中，通路P15贯通螺栓67的内部。从七个第三蒸气通路P3……排入第五蒸气通路P5的中温中压蒸气的压力随着转子27的每一转脉动七次，但是，由于使第八蒸气通路P8与调压室89连通，所以衰减了所述压力脉动，并将恒定压力的蒸气供给第二轴向活塞汽缸组57，而且能提高向低压工作室84……填充蒸汽的效率，其中通路P8位于将所述中温中压蒸气供给第二轴向活塞汽缸组57的中途。

而且由于调压室89是利用转子27和输出轴28中央的无用空间/死空间(dead space)形成的，所以不会招致膨胀机M的大型化，并且由于中空而带来重量轻的效果，而且由于调压室89的外周由第一轴向活塞汽缸组49围绕，所以供给到第二轴向活塞汽缸组57的中温中压蒸气的热损失不会产生，其中活塞汽缸组49通过高温高压蒸气工作(动作)。另外，在由第一轴向活塞汽缸组49围绕的转子27的中央部温度上升时，能实现转子27通过调压室89的中温中压蒸气的冷却，而且能通过产生的被加热的中温中压蒸气使第二轴向活塞汽缸组57的输出增加。

从第二轴向活塞汽缸组57排出低温低压蒸汽的蒸汽排出路线在图18中由网状图案示出。参照图18、图8及图9可以清楚地看出，可与形成在转子27中的七个第十一通路P11连通的圆弧状第十六蒸汽通路P16被在滑动部件70的滑动面71上切出(开口)，而且该第十六蒸汽通路P16与在回转阀主体62的外周圆弧状地切出(开口)的第十七蒸汽通路P17连通。第十六蒸汽通路P16从一位置到另一位置开口，所述一位置为相对于低压活塞51的下死点BDC沿箭头R标示的转子27的旋转方向稍向前偏移的位置；所述另一位置为相对于上死点TDC沿旋转方向稍向后偏移的位置。这能使转子27的第十一蒸汽通路P11……在从下死点BDC到不和第十蒸汽通路P10重叠(最好是，就在和第十蒸汽通路P10重复之前)的角度范围内与滑动部件70的第十六蒸汽通路P16连通，期间进行蒸汽从第十一蒸汽通道P11……向第十六蒸汽通道P16的排出。

而且，第十七蒸汽通路P17通过第十八蒸汽通路P18～第二十蒸汽通路P20和后部罩18的切口18d与形成在回转阀主体62和后部罩18之间的蒸汽排出室90连通，而且该蒸汽排出室90与形成在后部罩18中的蒸汽排出孔18c连通，其中所述通路P18～P20形成在回转阀主体62的内部。

如上所述，由于第一轴向活塞汽缸组49的蒸汽供给/排出和第二轴向活塞汽缸组57的蒸汽供给/排出通过共同的回转阀61控制，所以比起使用单独的回转阀的场合，能使膨胀机M小型化。而且，由于用于将高温高压蒸汽供给第一轴向活塞汽缸组49的阀形成在平坦的滑动面68上，其中滑动面68位于和回转阀主体62一体的固定侧阀板63的前端，所以能有效地防止高温高压蒸汽的泄漏。这是因为，平坦的滑动部68容易高精度地加工，而且比圆筒状的滑动面容易控制。

特别是，因为多个预载弹簧75施加预定载荷给回转阀主体62并使它沿轴线L方向向前弹压，而且从蒸汽供给管77供给压力室76的高温高压蒸汽使回转阀主体62沿轴线L方向向前弹压，所以在固定侧阀板63和可动侧阀板64的滑动面68上产生与高温高压蒸汽的压力相对应的表面压力，从而能更有效地防止蒸汽从该滑动面68泄漏。

而且，尽管用于将中温中压蒸汽供给第二轴向活塞汽缸组57的阀形成在回转阀主体62外周的圆筒状滑动面71上，但是由于通过那里的中温中压蒸汽比前述高温高压蒸汽的压力低，所以在滑动面71上不产生表面压力时，如果保持预定的间隙，也可以使蒸汽泄漏不成为实用上的问题。

而且，由于在回转阀主体62内部，高温高压蒸汽流经的第一蒸汽通路P1、中温中压蒸汽流经的第七蒸汽通路P7和第八蒸汽通路P8以及低温低压蒸汽流经的第十七蒸汽通路P17～第二十蒸汽通路P20集中形成，所以不仅能防止蒸汽温度下降，而且能通过低温低压蒸汽冷却高温高压蒸汽的密封部(例如，密封部件81)，从而提高耐用性。

而且，由于可以仅通过从外壳主体12取下后部罩18来进行回转阀61相对于外壳主体12的装卸，所以能大幅度提高修理、清洁和替换等维修操作的容易性。另外，尽管高温高压蒸汽通过的回转阀61的温度变高，但由于必需用油润滑的斜板39和输出轴28以夹住转子27的方式设置在回转阀61的相反侧，所以能防止高温回转阀61的热量加热所述油而导致斜板39和输出轴28的润滑性能下降。而且所述油能发挥冷却回转阀61，并因此防止过热的功能。

下面参照图10～图14说明通气装置的构造。

外壳主体12的上壁12a和通气室隔壁23之间限定的下部通气室101通过连通孔12b与外壳11内的润滑室102连通，其中连通孔12b形成在外壳主体12的上壁12a中。在位于润滑室102底部的油盘19内储存有油，而且油面比转子27的下端略高(参照图1)。在下部通气室101的内部设有三个向上突出的隔壁12c～12e，所述隔壁的上端接触通气室隔壁23的下表面，前述连通孔12b开口在由这些隔壁12c～12e形成的曲径的一端，而且四个贯通前述上壁12a的回油孔12f……形成在朝向曲径另一端的路线的中途。回油孔12f……形成在下部通气室101的最低位置(参见图14)，因此凝结在下部通气室101内的油能确实地返回润滑室102。

在通气室隔壁23和通气室罩25之间限定了一个上部通气室103，该上部通气室103和下部通气室101通过四个连通孔23a...23b连通，所述连通孔贯通通气室隔壁23并在上部通气室103中烟囱状地突起。在贯通通气室隔壁23的冷凝水的回水孔23c下方的位置处，在外壳主体12的上壁12a中形成一个凹部12g，该凹部12g的周围由密封部件104密封。

形成在通气室隔壁23中的第一通气通路B1的一端开口在上部通气室103的中高部。第一通气通路B1的另一端通过第二通气通路B2和第三通气通路B3与蒸汽排出室90连通，所述通路B2形成在外壳主体12中，通路B3形成在后部罩18中。而且，形成在上壁12a中的凹部12g通过第四通气通路B4和上述第三通气通路B3与蒸汽排出室90连通，所述通路B4形成在外壳主体12中。第一通气通路B1和第二通气通路B2的连通部的外周由密封部件105密封。

如图2所示，与下部通气室101连通的接头106及与油盘19连通的接头107通过透明的油面计108连接在一起，通过该油面计108的油面可以从外部得知润滑室102内的油面。即，润滑室102具有密封结构，从维持密封性的观点看，难以将油面计从外部插入，而且结构将不可避免地变得复杂。但是由于油面计108，可以维持润滑室102的密闭状态，并且可从外部容易地知道油面。

下面，说明具有上述构成的本实施例的膨胀机M。

如图16所示，通过在蒸发器中加热水而产生的高温高压蒸汽通过蒸汽供给管77供给膨胀机M的压力室76，从那里经过形成在回转阀61的回转阀主体62中的第一蒸汽通路P1，以及形成在和所述回转阀主体62一体的固定侧阀板63中的第二蒸汽通路P2，到达和可动侧阀板64的滑动面68。开口在滑动面68上的第二蒸汽通路P2与第三蒸汽通路P3瞬间连通，其中通路P3形成在和转子27一体转动的可动侧阀板64中，高温高压蒸汽从第三蒸汽通路P3经过形成在转子27中的第四蒸汽通路P4，被供给第一轴向活塞汽缸组49的七个高压工作室82……中位于上死点的高压工作室82。

由于在第二蒸汽通路P2与第三蒸汽通路P3之间的连通伴随转子27的旋转而断开之后，高压工作室82内的高温高压蒸汽还膨胀，所以从上死点到下死点向前推动配合在套筒41的高压汽缸42中的高压活塞43，而且活塞43的前端推压斜板39。结果，高压活塞43从斜板39受到的反力施加旋转扭矩给转子27。而且转子27每七分之一转，高温高压蒸汽被供给新的高压工作室82，从而使转子27连续地转动。

如图17所示，在伴随转子27的转动而到达下死点的高压活塞43向上死点回退期间，被从高压工作室82推出的中温中压蒸汽经过转子27的第四蒸汽通路P4、可动侧阀板64的第三蒸汽通路P3、滑动面68、固定侧阀板63的第五蒸汽通路P5和第六蒸汽通路P6、回转阀主体62的第七蒸汽通路P7～第十蒸汽通路P10和滑动面71，被供给与伴随转子27的转动而到达上死点的第二轴向活塞汽缸组57的低压工作室84连通的第十一蒸汽通路P11。由于在第十蒸汽通路P10与第十一蒸汽通路P11之间的连通断开之后，供给低压工作室84内的中温中压蒸汽还在低压工作室84内膨胀，所以从上死点到下死点向前推动配合低压汽缸50中的低压活塞51，而且与低压活塞51连接的连杆52推压斜板39。结果，低压活塞51的推压力通过连杆52转换为斜板39的旋转力，而且该旋转力通过斜板39的凹坑39a从高压活塞43传递旋转扭矩到转子27。即，旋转扭矩被传递给与斜板39同时转动的转子27。另外，为了防止在膨胀行程期间产生负压时低压活塞51从斜板39脱离，连杆52还实行维持低压活塞51和斜板39之间结合的功能，所以如上所述，即由膨胀作用引起的旋转扭矩通过斜板39的凹坑39a从高压活塞43传递到与斜板39同时转动的转子27。而且转子27每七分之一转，中温中压蒸汽被供给新的低压工作室84，从而使转子27连续地转动。

期间，如上所述，转子27的每转，从第一轴向活塞汽缸组49的高压工作室82……排出的中温中压蒸气的压力脉动七次，但是通过在调压室89衰减这些脉动，能将恒定压力的蒸气供给第二轴向活塞汽缸组57，从而能提高向低压工作室84……填充蒸汽的效率。

如图18所示，在伴随转子27的转动而到达下死点的低压活塞51向上死点回退期间，被从低压工作室84推出的低温低压蒸汽经过转子27的第十一蒸汽通路P11、滑动面71、滑动部件70的第十六蒸汽通路P16、回转阀主体62的第十七蒸汽通路P17～第二十蒸汽通路P20，被排出到蒸汽排出室90，从那里经蒸汽排出孔18c供给冷凝器。

如上所述，当膨胀机M作功时，由于第一轴向活塞汽缸组49的七个高压活塞43……和第二轴向活塞汽缸组57的七个低压活塞51……连接到共同的斜板39上，所以第一、第二轴向活塞汽缸组49、57的输出可以被合成以驱动输出轴28，而且在膨胀机M小型化的同时能得到高的输出。期间，由于第一轴向活塞汽缸组49的七个高压活塞43……和第二轴向活塞汽缸组57的七个低压活塞51……沿圆周方向偏移半个间距地设置，如图15所示，所以第一轴向活塞汽缸组49的输出扭矩的脉动和第二轴向活塞汽缸组57的输出扭矩的脉动互相抵消，从而使输出轴28的输出扭矩变得平坦。

另外，虽然轴向式膨胀机具有比径向式膨胀机的空间效率高的特征，但是通过沿半径方向两级地设置能进一步提高空间效率。特别是，因为第一轴向活塞汽缸组49沿半径方向的内侧布置，其中活塞汽缸组49为了通过体积小的高压蒸汽工作而具有小的直径；第二轴向活塞汽缸组57沿半径方向的外侧布置，其中活塞汽缸组57为了通过体积大的低压蒸汽工作而具有大的直径，所以能有效地利用空间，从而能使膨胀机M进一步小型化。而且，因为使用汽缸42……、50……和活塞43……、51……，其中它们因具有圆形横截面而能使加工高精度地进行，所以比起使用叶片的情况，蒸汽泄漏量少，而且能期望得到更高的输出。

另外，由于通过高温蒸汽工作的第一轴向活塞汽缸组49沿半径方向的内侧布置，通过低温蒸汽工作的第二轴向活塞汽缸组57沿半径方向的外侧布置，所以能将第二轴向活塞汽缸组57和外壳11的外部之间的温差限制到最小程度，而且能将散失到外壳11外部的热量限制到最小程度，从而能提高膨胀机M的效率。而且，由于从半径方向内侧的高温第一轴向活塞汽缸组49散失的热量可以由半径方向外侧的低温第二轴向活塞汽缸组57回收，所以能进一步提高膨胀机M的效率。

而且，当沿和轴线L垂直的方向看去时，由于第一轴向活塞汽缸组49的后端还比第二轴向活塞汽缸组57的后端设置得靠前，所以从第一轴向活塞汽缸组49沿轴线L方向向后散失的热量可以由第二轴向活塞汽缸组57回收，从而能进一步提高膨胀机M的效率。另外，由于高压侧滑动面68比低压侧滑动面71还更靠里地位于转子27的凹部27b中，所以能将外壳11外部和低压侧的滑动面71之间的压差限制到最小，从而能使从低压侧滑动面71泄漏的蒸汽的压力减小，而且从高压侧滑动面68泄漏的蒸汽的压力可以被低压侧滑动面71回收并有效地利用。

在膨胀机M的运转期间，储存在油盘19中的油被在外壳11的润滑室102内转动的转子27搅拌并溅起，润滑高压汽缸42……和高压活塞43……之间的滑动部、低压汽缸50……和低压活塞51……的滑动部，支承输出轴28的径向止推滚珠轴承31、支承转子27的径向止推滚珠轴承29、支承斜板39的径向止推滚珠轴承38、高压活塞43和斜板39之间的滑动部，以及连杆52两端的球面轴承54……和56……等。

在润滑室102的内部，充满由油的搅拌而产生的飞溅油雾以及在转子27的高温部被加热而蒸发的油蒸汽，在这里它们与从高压工作室82……和低压工作室84……泄漏到润滑室102的蒸汽混合。当润滑室102的压力由于蒸汽的泄漏而变得比蒸汽排出室90的压力高时，前述油分和蒸汽的混合物从连通孔12b流入下部通气室101，其中连通孔12b形成在外壳主体12的上壁12a中。下部通气室101的内部具有由隔壁12c～12e形成的曲径结构，经过那里时冷凝的油从形成在外壳主体12的上壁12a中的四个回油孔12f……落下，并返回润滑室102。

油分被除去的蒸汽通过通气室隔壁23的四个连通孔23a…，23b流入上部通气室103，并经通气室罩25将热量散失到外部空气中而冷凝，其中通气室罩25限定上部通气室103的上壁。在上部通气室103中冷凝的水不流入在上部通气室103中烟囱状地突起的四个连通孔23a...，23b，而是通过形成在通气室隔壁23中的冷凝水回水孔23c并落入凹部12g，从那里经第四通气通路B4和第三通气通路B3排出到蒸汽排出室90。期间，返回蒸汽排出室90的冷凝水的量对应于从高压工作室82……和低压工作室84……泄漏到润滑室102的蒸汽的量。而且，因为蒸汽排出室90和上部通气室103通过第一蒸汽通路B1～第三蒸汽通路B3常时连通，所以能确保蒸汽排出室90和润滑室102之间的压力平衡，其中所述通路B1～B3发挥压力平衡通路的作用。

在暖机结束前的过渡期，在润滑室102的压力比蒸汽排出室90的压力低的情况中，尽管希望蒸汽排出室90的蒸汽经过第三通气通路B3、第二通气通路B2及第一通气通路B1、上部通气室103及下部通气室101流入润滑室102，但是在暖机结束后，因为润滑室102的压力由于蒸汽泄漏到润滑室102中而比蒸汽排出室90的压力高，所以开始上述油和蒸汽的分离。

在作为工作介质的蒸汽(或水)在闭回路中循环的蒸汽循环系统中，其中闭回路由蒸发器、膨胀机、冷凝器和循环泵组成，必需极力避免油混入工作介质中并污染系统，通过分离油的下部通气室101和分离冷凝水的上部通气室103，可以将混入蒸汽(或水)的油限制到最少，从而能减小用于分离油的过滤器的负担，并能实现小型化和低成本，而且能防止油的污染和变劣。

下面，参照图19说明本发明的第二实施例。

图19示出固定侧阀板63的滑动面68，与表示第一实施例的图6相对应。虽然预载弹簧75……的弹力和作用在压力室上的高温高压蒸汽的压力在滑动面68上施加了密封表面压力，但是难以在滑动面68的整个区域上确保均匀的密封表面压力。这是因为，高温高压蒸汽被供给通过滑动面68的第二蒸汽通路P2和第三蒸汽通路P3……，而且所述高温高压蒸汽引起固定侧阀板63和可动侧阀板64的分离并因此使密封表面压力降低。另一方面，因为中温中压蒸汽被供给通过滑动面68的第五蒸汽通路P5和第三蒸汽通路P3……，而且其压力比前述高温高压蒸汽的低，所以其使滑动面68分离和密封表面压力降低的作用也小。结果，前述第二蒸汽通路P2和第三蒸汽通路P3……以及第五蒸汽通路P5的蒸汽压力施加不平衡的负载到滑动面上，这是使滑动面68的密封性能下降的主要因素。

在该第二实施例中，在固定侧阀板63的滑动面68上，加工有环状的第一压力沟槽G1，其中沟槽G1围绕通过轴线L的第十四蒸汽通道P14，使该第一压力沟槽G1与通过中温中压蒸汽的第五蒸汽通路P5连通，而且加工有围绕第一压力沟槽G1外周的第二压力沟槽G2，使该第二压力沟槽G2与通过高温高压蒸汽的第二蒸汽通路P2连通。前述第一、第二压力沟槽G1、G2缓和了滑动面68的密封表面压力不均匀的现象，而且能防止由和滑动面68的不均匀接触而引起的密封性下降和磨损发生。另外，当从高压第二压力沟槽G2泄漏的蒸汽流入低压第一压力沟槽G1时，磨损的粉末被排出到第一压力沟槽G1中，从而发挥防止它流入高压工作室82……的作用。而且，蒸汽被均匀地分布在不希望通过油润滑的滑动面68上，从而能提高润滑性能。

下面，参照图20说明本发明的第三实施例。

第三实施例是第二实施例的变型，省略了和通过高温高压蒸汽的第二蒸汽通路P2连通的第二压力沟槽G2，仅设有与通过中温中压蒸汽的第五蒸汽通路P15连通的第一压力沟槽G1。根据该第三实施例，不仅使结构变得比第二实施例简单，而且回收磨损粉末的效果也能提高，而且蒸汽的泄漏量比第二实施例的少。

以上，尽管说明了本发明的实施例，但是在不偏离本发明精神和范围的前提下可以进行种种变化。

例如，尽管在所述实施例中设置了第一轴向活塞汽缸组49和第二轴向活塞汽缸组57，但是也可以设置三个或更多的轴向活塞汽缸组。

工业实用性

如上所述，虽然涉及本发明的膨胀机可以按需应用到蒸汽循环系统中，但是它对于蒸汽循环装置以外的任何用途也能适用。

Claims (3)

1.一种膨胀机，包括：

外壳(11)；

输出驱动力的输出轴(28)；

与输出轴(28)呈一体并可转动地支承在外壳(11)中的转子(27)；

多个轴向活塞汽缸组(49，57)，该轴向活塞汽缸组沿半径方向内外环状地设置在转子(27)中、围绕输出轴(28)的轴线(L)；以及

公共的斜板(39)，该斜板固定在外壳(11)中并沿前述轴线(L)方向引导多个轴向活塞汽缸组(49，57)，

其特征在于：

多个轴向活塞汽缸组(49，57)的活塞(43，51)越靠半径方向外侧设置直径越大，

而且多个轴向活塞汽缸组(49，57)直列布置，高温高压的工作介质从半径方向内侧的轴向活塞汽缸组(49)依次供给半径方向外侧的轴向活塞汽缸组(57)。

2.根据权利要求1所述的膨胀机，其特征在于：沿径向邻接的轴向活塞汽缸组(49，57)的布置间距沿圆周方向错开。

3.根据权利要求1或2所述的膨胀机，其特征在于：由用于将工作介质供给多个轴向活塞汽缸组(49，57)或从该轴向活塞汽缸组排出的吸气/排气阀(61)构成的工作介质供给/排出部、由转子(27)构成的动力转换部、由输出轴(28)和斜板(39)构成的输出部从前述轴线(L)的一端到另一端依次设置。

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