JP2003232202A - 回転式流体機械 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 回転式流体機械に設けられたロータリバルブ
のロータリバルブ本体の外周面とロータの内周面との間
のシール性を高める。 【解決手段】 回転式流体機械の作動部に対する作動媒
体の吸入・排出を制御するロータリバルブは、ロータの
軸線Ｌ上に配置したロータリバルブ本体の外周に設けた
シール手段７０を備えており、シール手段７０は円周方
向に分割された３個の摺動部材９１Ａ，９１Ｂ，９１Ｃ
と、これら摺動部材９１Ａ，９１Ｂ，９１Ｃをロータの
内周の摺動面に密着させるべく、ロータリバルブ本体の
外周面から半径方向外側に弾発付勢するスパイラルスプ
リング１００とを備える。３個の摺動部材９１Ａ，９１
Ｂ，９１Ｃが噛み合う合口９２，９３は、合口カバー９
６Ａ，９６Ｂ，９６Ｃで覆われてシールされる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ケーシングと、ケ
ーシングに回転自在に支持されたロータと、ロータに設
けられた作動部と、ケーシングおよびロータ間に設けら
れ、ロータの軸線を中心とする円筒状の摺動面を介して
作動部に対する作動媒体の吸入・排出を制御するロータ
リバルブとを備えた回転式流体機械に関する。

【０００２】

【従来の技術】かかる回転式流体機械は、本出願人が特
願２００１−６１４２４号により既に提案している。こ
の回転式流体機械はランキンサイクル装置に用いられる
アキシャル型の膨張機を構成するもので、ロータに設け
た複数のシリンダにロータリバルブを介して蒸気を供給
・排出するようになっている。ロータリバルブは、ロー
タの軸線上に固定した円筒状のロータリバルブ本体を、
ロータに形成した円形断面の内周面に相対回転自在に嵌
合させたもので、その摺動面に開口する蒸気通路を介し
て蒸気の供給・排出を制御するようになっている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記従来の
ものは、ロータリバルブ本体の外周面に超硬合金やセラ
ミックス等の耐久性に優れた材質で構成した摺動部材を
装着し、この摺動部材の外周面をロータの内周面に摺接
させて蒸気をシールしているが、摺動部材の外周面とロ
ータの内周面との間のクリアランスが熱膨張によって変
化したり、ロータの回転軸が振れたりすることで、摺動
部材およびロータの摺動面を貫通する蒸気通路から蒸気
の漏れが発生する可能性があった。

【０００４】本発明は前述の事情に鑑みてなされたもの
で、回転式流体機械に設けられたロータリバルブのバル
ブ本体部の外周面とロータの内周面との間のシール性を
高めることを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に記載された発明によれば、ケーシング
と、ケーシングに回転自在に支持されたロータと、ロー
タに設けられた作動部と、ケーシングおよびロータ間に
設けられ、ロータの軸線を中心とする円筒状の摺動面を
介して作動部に対する作動媒体の吸入・排出を制御する
ロータリバルブとを備えた回転式流体機械であって、前
記ロータリバルブは、前記軸線上に配置されたバルブ本
体部と、円周方向に分割されてバルブ本体部の外周面に
支持された複数の摺動部材と、複数の摺動部材を前記摺
動面に密着させるべく、バルブ本体部の外周面から半径
方向外側に弾発付勢する弾発部材とを備え、前記摺動部
材に、作動部に作動媒体を吸入・排出する作動媒体通路
を形成したことを特徴とする回転式流体機械が提案され
る。

【０００６】上記構成によれば、回転式流体機械の作動
部に対する作動媒体の吸入・排出を制御するロータリバ
ルブが、円周方向に分割した複数の摺動部材をバルブ本
体部の外周面に支持し、これら複数の摺動部材を弾発部
材でバルブ本体部の外周面から半径方向外側に弾発付勢
してロータの摺動面に密着させるので、ロータリバルブ
の熱膨張・熱収縮に伴う摺動面のクリアランス変化や、
ロータが回転する際の芯振れを補償し、摺動部材に形成
した作動媒体通路を介しての作動媒体の吸入・排出を正
確に行うとともに、前記摺動面からの作動媒体の漏れを
最小限に抑えることができる。

【０００７】また請求項２に記載された発明によれば、
請求項１の構成に加えて、前記複数の摺動部材を合口を
介して接近・離間自在に接合するとともに、合口の半径
方向外側部分を合口カバーでシールしたことを特徴とす
る回転式流体機械が提案される。

【０００８】上記構成によれば、複数の摺動部材を合口
を介して接近・離間自在に接合し、合口の半径方向外側
部分を合口カバーでシールしたので、合口によるシール
作用と合口カバーによるシール作用との相乗効果で作動
媒体の漏れを効果的に防止することができる。

【０００９】また請求項３に記載された発明によれば、
請求項１または請求項２の構成に加えて、前記複数の摺
動部材の少なくとも一つを、位置決め部材でバルブ本体
部に対して半径方向に移動可能かつ円周方向に移動不能
に位置決めしたことを特徴とする回転式流体機械が提案
される。

【００１０】上記構成によれば、位置決め部材で摺動部
材をバルブ本体部に対して半径方向に移動可能かつ円周
方向に移動不能に位置決めしたので、摺動部材を半径方
向に移動させてロータの摺動面に密着させることを可能
にしながら、バルブ本体部に対する摺動部材の円周方向
の位置を正確に保持して作動媒体通路を介しての作動媒
体の吸入・排出を正確に行うことができる。

【００１１】尚、実施例の第２のアキシャルピストンシ
リンダ群５７は本発明の作動部に対応し、また実施例の
ロータリバルブ本体６２は本発明のバルブ本体部に対応
し、実施例のスパイラルスプリング１００は本発明の弾
発部材に対応し、実施例のノックピン１０３は本発明の
位置決め部材に対応し、実施例の第１０蒸気通路Ｐ１０
および第１６蒸気通路Ｐ１９は本発明の作動媒体通路に
対応する。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、添
付図面に示した本発明の実施例に基づいて説明する。

【００１３】図１〜図１４は本発明の一実施例を示すも
ので、図１は膨張機の縦断面図、図２は図１の２−２線
断面図、図３は図１の３部拡大図、図４は図１の４部拡
大断面図（図８の４−４線断面図）、図５は図４の５−
５線矢視図、図６は図４の６−６線矢視図、図７は図４
の７−７線断面図、図８は図４の８−８線断面図、図９
は図４の９−９線断面図、図１０はシール手段の分解斜
視図、図１１は出力軸のトルク変動を示すグラフ、図１
２は高圧段の吸入系を示す作用説明図、図１３は高圧段
の排出系および低圧段の吸入系を示す作用説明図、図１
４は低圧段の排出系を示す作用説明図である。

【００１４】図１〜図３に示すように、本実施例の回転
式流体機械は例えばランキンサイクル装置に使用される
膨張機Ｍであって、作動媒体としての高温高圧蒸気の熱
エネルギーおよび圧力エネルギーを機械エネルギーに変
換して出力する。膨張機Ｍのケーシング１１は、ケーシ
ング本体１２と、ケーシング本体１２の前面開口部にシ
ール部材１３を介して嵌合して複数本のボルト１４…で
結合される前部カバー１５と、ケーシング本体１２の後
面開口部にシール部材１６を介して嵌合して複数本のボ
ルト１７…で結合される後部カバー１８とから構成され
る。ケーシング本体１２の下面開口部にオイルパン１９
がシール部材２０を介して当接し、複数本のボルト２１
…で結合される。またケーシング本体１２の上面にブリ
ーザ室隔壁２３が重ね合わされ、更にその上面にブリー
ザ室カバー２５が重ね合わされ、複数本のボルト２６…
で共締めされる。

【００１５】ケーシング１１の中央を前後方向に延びる
軸線Ｌまわりに回転可能なロータ２７と出力軸２８とが
溶接で一体化されており、ロータ２７の後部がアンギュ
ラボールベアリング２９およびシール部材３０を介して
ケーシング本体１２に回転自在に支持されるとともに、
出力軸２８の前部がアンギュラボールベアリング３１お
よびシール部材３２を介して前部カバー１５に回転自在
に支持される。前部カバー１５の後面に２個のシール部
材３３，３４およびノックピン３５を介して嵌合する斜
板ホルダ３６が複数本のボルト３７…で固定されてお
り、この斜板ホルダ３６にアンギュラボールベアリング
３８を介して斜板３９が回転自在に支持される。斜板３
９の回転軸線は前記ロータ２７および出力軸２８の軸線
Ｌに対して傾斜しており、その傾斜角は固定である。

【００１６】ロータ２７と別部材で構成された７本のス
リーブ４１…が、ロータ２７の内部に軸線Ｌを囲むよう
に円周方向に等間隔で配置される。ロータ２７のスリー
ブ支持孔２７ａ…に支持されたスリーブ４１…の内周に
形成された高圧シリンダ４２…に高圧ピストン４３…が
摺動自在に嵌合しており、高圧シリンダ４２…の前端開
口部から前方に突出する高圧ピストン４３…の半球状部
が、斜板３９の後面に凹設した７個のディンプル３９ａ
…にそれぞれ突き当てられる。スリーブ４１…の後端と
ロータ２７のスリーブ支持孔２７ａ…との間には耐熱金
属性のシール部材４４…が装着され、この状態でスリー
ブ４１…の前端を押さえる単一のセットプレート４５が
複数本のボルト４６…でロータ２７の前面に固定され
る。スリーブ支持孔２７ａ…の底部近傍は僅かに大径に
なっており、スリーブ４１…の外周面との間に間隙α
（図３参照）が形成される。

【００１７】高圧ピストン４３…は高圧シリンダ４２…
との摺動面をシールする圧力リング４７…およびオイル
リング４８…を備えており、圧力リング４７…の摺動範
囲とオイルリング４８…の摺動範囲とは相互にオーバー
ラップしないように設定されている。高圧ピストン４３
…を高圧シリンダ４２…に挿入するとき、圧力リング４
７…およびオイルリング４８…を高圧シリンダ４２…に
スムーズに係合させるべく、セットプレート４５に前面
側が広がるようにテーパした開口部４５ａ…が形成され
る。

【００１８】以上のように、圧力リング４７…の摺動範
囲とオイルリング４８…の摺動範囲とが相互にオーバー
ラップしないように設定したので、オイルリング４８…
が摺動する高圧シリンダ４２…の内壁に付着したオイル
が、圧力リング４７…の摺動により高圧作動室８２…に
取り込まれないようにし、蒸気にオイルが混入するのを
確実に防止することができる。特に、高圧ピストン４３
…は圧力リング４７…およびオイルリング４８…に挟ま
れた部分が若干小径になっているため（図３参照）、オ
イルリング４８…の摺動面に付着したオイルが圧力リン
グ４７…の摺動面に移動するのを効果的に防止すること
ができる。

【００１９】また７本のスリーブ４１…をロータ２７の
スリーブ支持孔２７ａ…に装着して高圧シリンダ４２…
を構成したので、スリーブ４１…に熱伝導性、耐熱性、
耐摩耗性、強度等に優れた材質を選択することができ
る。これにより性能および信頼性の向上が可能になるだ
けでなく、ロータ２７に直接高圧シリンダ４２…を加工
する場合に比べて加工が容易になり、加工精度も向上す
る。しかも何れかのスリーブ４１が摩耗・損傷した場合
に、ロータ２７全体を交換することなく、異常のあるス
リーブ４１だけを交換すれば良いので経済的である。

【００２０】またスリーブ支持孔２７ａ…の底部近傍を
僅かに大径にしてスリーブ４１…の外周面とロータ２７
との間に間隙αを形成したので、高圧作動室８２…に供
給された高温高圧蒸気によりロータ２７が熱変形して
も、その影響がスリーブ４１…に及び難くして高圧シリ
ンダ４２…の歪みを防止することができる。

【００２１】前記７本の高圧シリンダ４２…と、そこに
嵌合する７本の高圧ピストン４３…とは、第１のアキシ
ャルピストンシリンダ群４９を構成する。

【００２２】ロータ２７の外周部に７本の低圧シリンダ
５０…が軸線Ｌおよび高圧シリンダ４２…の半径方向外
側を囲むように円周方向に等間隔で配置される。これら
低圧シリンダ５０…は高圧シリンダ４２…よりも大きな
直径を有しており、かつ低圧シリンダ５０…の円周方向
の配列ピッチは高圧シリンダ４２…の円周方向の配列ピ
ッチに対して半ピッチ分ずれている。これにより、隣接
する低圧シリンダ５０…間に形成される空間に高圧シリ
ンダ４２…を配置することが可能になり、スペースを有
効利用してロータ２７の直径の小型化に寄与することが
できる。

【００２３】７本の低圧シリンダ５０…にはそれぞれ低
圧ピストン５１…が摺動自在に嵌合しており、これら低
圧ピストン５１…はリンク５２…を介して斜板３９に接
続される。即ち、リンク５２…の前端の球状部５２ａは
斜板３９にナット５３…で固定した球面軸受５４…に揺
動自在に支持され、リンク５２…の後端の球状部５２ｂ
は低圧ピストン５１…にクリップ５５…で固定した球面
軸受５６…に揺動自在に支持される。低圧ピストン５１
…の頂面近傍の外周面には、圧力リング７８…およびオ
イルリング７９…が隣接して装着される。圧力リング７
８…およびオイルリング７９…の摺動範囲は相互にオー
バーラップするので、圧力リング７８…の摺動面に油膜
を形成してシール性および潤滑性を高めることができ
る。

【００２４】前記７本の低圧シリンダ５０…と、そこに
嵌合する７本の低圧ピストン４１…とは、第２のアキシ
ャルピストンシリンダ群５７を構成する。

【００２５】以上のように、第１のアキシャルピストン
シリンダ群４９の高圧ピストン４３…の前端を半球状に
形成し、その前端を斜板３９に形成したディンプル３９
ａ…に当接させたので、高圧ピストン４３…を斜板３９
に機械的に連結する必要がなくなって、部品点数の削減
と組付性の向上とが可能になる。一方、第２のアキシャ
ルピストンシリンダ群５７の低圧ピストン５１…はリン
ク５２…および前後の球面軸受５４…，５６…を介して
斜板３９に連結されているので、第２のアキシャルピス
トンシリンダ群５７に供給される中温中圧蒸気の温度お
よび圧力が不足して低圧作動室８４…が負圧になって
も、低圧ピストン５１…と斜板３９とが離れて打音や損
傷が発する虞がない。

【００２６】また斜板３９は前部カバー１５にボルト３
７…で締結されるが、そのときの斜板３９の軸線Ｌまわ
りの締結位相を変化させることで、第１のアキシャルピ
ストンシリンダ群４９および第２のアキシャルピストン
シリンダ群５７に対する蒸気の供給・排出タイミングを
ずらして膨張機Ｍの出力特性を変更することができる。

【００２７】また一体化されたロータ２７および出力軸
２８は、それぞれケーシング本体１２に設けたアンギュ
ラボールベアリング２９および前部カバー１５に設けた
アンギュラボールベアリング３１に支持されるが、ケー
シング本体１２およびアンギュラボールベアリング２９
間に介装するシム５８の厚さと、前部カバー１５および
アンギュラボールベアリング３１間に介装するシム５９
の厚さとを調整することにより、軸線Ｌに沿うロータ２
７の位置を前後方向に調整することができる。このロー
タ２７の軸線Ｌ方向の位置の調整により、斜板３９に案
内される高圧・低圧ピストン４３…，５１…とロータ２
７に設けられた高圧・低圧シリンダ４２…，５０…との
軸線Ｌ方向の相対的な位置関係が変化し、高圧・低圧作
動室８２…，８４…における蒸気の膨張比を調整するこ
とができる。

【００２８】仮に、斜板３９を支持する斜板ホルダ３６
が前部カバー１５に対して一体に形成されていると、前
部カバー１５にアンギュラボールベアリング３１やシム
５９を着脱するためのスペースを確保するのが困難にな
るが、斜板ホルダ３６を前部カバー１５に対し着脱可能
にしたことで、上記問題が解消される。また仮に斜板ホ
ルダ３６が前部カバー１５と一体であると、膨張機Ｍの
分解・組立時に予め前部カバー１５側に組み付けた斜板
３９に、ケーシング１１内の狭い空間で７本のリンク５
２…を連結・分離する面倒な作業が必要となるが、斜板
ホルダ３６を前部カバー１５に対し着脱可能にしたこと
で、予めロータ２７側に斜板３９および斜板ホルダ３６
を組み付けてサブアセンブリを構成することが可能とな
り、組付性が大幅に向上する。

【００２９】次に、第１のアキシャルピストンシリンダ
群４９および第２のアキシャルピストンシリンダ群５７
に対する蒸気の供給・排出系統を、図４〜図９に基づい
て説明する。

【００３０】図４に示すように、ロータ２７の後端面に
開口する円形断面の凹部２７ｂおよび後部カバー１８の
前面に開口する円形断面の凹部１８ａに、ロータリバル
ブ６１が収納される。軸線Ｌに沿うように配置されたロ
ータリバルブ６１は、ロータリバルブ本体６２と、固定
側バルブプレート６３と、可動側バルブプレート６４と
を備える。可動側バルブプレート６４は、ロータ２７の
凹部２７ｂの底面にガスケット６５を介して嵌合した状
態で、ノックピン６６およびボルト６７でロータ２７に
固定される。可動側バルブプレート６４に平坦な摺動面
６８を介して当接する固定側バルブプレート６３はノッ
クピン６９を介してロータリバルブ本体６２に相対回転
不能に結合される。従って、ロータ２７が回転すると、
可動側バルブプレート６４および固定側バルブプレート
６３は摺動面６８において相互に密着しながら相対回転
する。固定側バルブプレート６３および可動側バルブプ
レート６４は、超硬合金やセラミックス等の耐久性に優
れた材質で構成されており、その摺動面６８に耐熱性、
潤滑性、耐蝕性、耐摩耗性を有する部材を介在させたり
コーティングしたりすることが可能である。

【００３１】ロータリバルブ本体６２は、大径部６２
ａ、中径部６２ｂおよび小径部６２ｃを備えた段付き円
柱状の部材であって、その大径部６２ａの外周に嵌合す
る環状のシール手段７０が、ロータ２７の凹部２７ｂに
円筒状の摺動面７１を介して摺動自在に嵌合するととも
に、その中径部６２ｂおよび小径部６２ｃが後部カバー
１８の凹部１８ａにシール部材７２，７３を介して嵌合
する。ロータリバルブ本体６２の外周に植設されたノッ
クピン７４が、後部カバー１８の凹部１８ａに軸線Ｌ方
向に形成された長孔１８ｂに係合しており、従ってロー
タリバルブ本体６２は後部カバー１８に対して相対回転
不能、かつ軸線Ｌ方向に移動可能に支持される。

【００３２】図８および図１０から明らかなように、シ
ール手段７０は１２０°の中心角を有して円周方向に分
割された３個の摺動部材９１Ａ，９１Ｂ，９１Ｃを備え
ており、各々の摺動部材９１Ａ，９１Ｂ，９１Ｃの接合
部はクランク状に屈曲する合口９２，９３を介して相互
に噛み合っている。摺動部材９１Ａ，９１Ｂ，９１Ｃの
外周面には、合口９２，９３に対応する部分に切欠９
４，９５が形成されており、この切欠９４，９５に円弧
状の合口カバー９６Ａ，９６Ｂ，９６Ｃが装着される。
摺動部材９１Ａ，９１Ｂ，９１Ｃに合口カバー９６Ａ，
９６Ｂ，９６Ｃを装着した状態で、それらの外周面は円
周方向に段差のない円筒状になる。また摺動部材９１
Ａ，９１Ｂ，９１Ｃの内周面には円周方向に延びる２本
のシールリング溝９７，９７が形成されており、両シー
ルリング溝９７，９７の間にスプリング受け部９８が形
成される。また一体化した摺動部材９１Ａ，９１Ｂ，９
１Ｃおよび合口カバー９６Ａ，９６Ｂ，９６Ｃの外周面
の軸線Ｌ方向両端に、円周方向に延びる２本のガーター
スプリング溝９９，９９が形成される。摺動部材９１
Ａ，９１Ｂ，９１Ｃおよび合口カバー９６Ａ，９６Ｂ，
９６Ｃはカーボン等の自己潤滑性に優れた材料で構成さ
れる。

【００３３】ロータリバルブ本体６２の外周面にはシー
ル手段７０を保持する環状溝６２ｅが形成されており、
この環状溝６２ｅの外周面とシール手段７０のスプリン
グ受け部９８の内周面との間にスパイラルスプリング１
００が装着される。スパイラルスプリング１００は断面
長方形のスプリング材をスパイラル状に巻いたもので、
半径方向外側に向けて弾発力を発生するものである。

【００３４】またシール手段７０の内周面に形成した２
本のシールリング溝９７，９７には、例えばテフロン
(登録商標）のような低摩擦材で構成した、エンジンの
ピストンリング形状のシールリング１０１，１０１が装
着される。シールリング１０１，１０１は摺動部材９１
Ａ，９１Ｂ，９１Ｃの内周面を通しての蒸気の漏れを防
止するとともに、それらの対向する二つの側面にスパイ
ラルスプリング１００の軸方向両端部を当接させて位置
決めする機能を有している。

【００３５】シール手段７０の外周面に形成した２本の
ガータースプリング溝９９，９９に、長方形断面を有す
るスプリング材を円形に巻いた一対のガータースプリン
グ１０２，１０２が装着される。ガータースプリング１
０２，１０２は半径方向内向きの弾発力を発生して摺動
部材９１Ａ，９１Ｂ，９１Ｃおよび合口カバー９６Ａ，
９６Ｂ，９６Ｃを一体に保持する機能を有するもので、
その半径方向内向きの弾発力は、スパイラルスプリング
１００の半径方向外向きの弾発力よりも弱く設定され
る。そしてシール手段７０の２個の摺動部材９１Ｂ，９
１Ｃが、ロータリバルブ本体６２に半径方向に植設した
ノックピン１０３，１０３により、半径方向に移動可能
かつ円周方向および軸方向に移動不能に係止される。

【００３６】後部カバー１８に軸線Ｌを囲むように複数
個（例えば、７個）のプリロードスプリング７５…が支
持されており、これらプリロードスプリング７５…に中
径部６２ｂおよび小径部６２ｃ間の段部６２ｄを押圧さ
れたロータリバルブ本体６２は、固定側バルブプレート
６３および可動側バルブプレート６４の摺動面６８を密
着させるべく前方に向けて付勢される。後部カバー１８
の凹部１８ａの底面とロータリバルブ本体６２の小径部
６２ｃの後端面との間に圧力室７６が区画されており、
後部カバー１８を貫通するように接続された蒸気供給パ
イプ７７が前記圧力室７６に連通する。従って、ロータ
リバルブ本体６２は前記プリロードスプリング７５…の
弾発力に加えて、圧力室７６に作用する蒸気圧によって
も前方に付勢される。

【００３７】第１のアキシャルピストンシリンダ群４９
に高温高圧蒸気を供給する高圧段の蒸気吸入経路が、図
１２に網かけして示される。図１２と図５〜図９とを併
せて参照すると明らかなように、蒸気供給パイプ７７か
ら高温高圧蒸気が供給される圧力室７６に上流端が連通
する第１蒸気通路Ｐ１が、ロータリバルブ本体６２を貫
通して固定側バルブプレート６３との合わせ面に開口
し、固定側バルブプレート６３を貫通する第２蒸気通路
Ｐ２に連通する。ロータリバルブ本体６２および固定側
バルブプレート６３の合わせ面からの蒸気のリークを防
止すべく、該合わせ面に装着されたシール部材８１（図
７および図１２参照）により第１、第２蒸気通路Ｐ１，
Ｐ２の接続部の外周がシールされる。

【００３８】可動側バルブプレート６４およびロータ２
７にはそれぞれ７本の第３蒸気通路Ｐ３…（図５参照）
および第４蒸気通路Ｐ４…が円周方向に等間隔に形成さ
れており、第４蒸気通路Ｐ４…の下流端は第１のアキシ
ャルピストンシリンダ群４９の高圧シリンダ４２…およ
び高圧ピストン４３間に区画された７個の高圧作動室８
２…に連通する。図６から明らかなように、固定側バル
ブプレート６３に形成された第２蒸気通路Ｐ２の開口
は、高圧ピストン４３の上死点ＴＤＣの前後に均等に開
口せずに矢印Ｒで示すロータ２７の回転方向進み側に僅
かにずれて開口している。これにより、できるだけ長い
膨張期間、即ち充分な膨張比を確保でき、かつ上死点Ｔ
ＤＣの前後に均等に開口を設定した場合に生じる負の仕
事を極力少なくし、更に高圧作動室８２…内に残留する
膨張蒸気を減少して充分な出力（効率）が得られる。

【００３９】第１のアキシャルピストンシリンダ群４９
から中温中圧蒸気を排出して第２のアキシャルピストン
シリンダ群５７に供給する高圧段の蒸気排出経路および
低圧段の蒸気吸入経路が、図１３に網かけして示され
る。図１３と図５〜図８とを併せて参照すると明らかな
ように、固定側バルブプレート６３の前面には円弧状の
第５蒸気通路Ｐ５（図６参照）が開口しており、この第
５蒸気通路Ｐ５は固定側バルブプレート６３の後面に開
口する円形の第６蒸気通路Ｐ６（図７参照）に連通す
る。第５蒸気通路Ｐ５は、高圧ピストン４３の下死点Ｂ
ＤＣに対して矢印Ｒで示すロータ２７の回転方向進み側
に僅かにずれた位置から、上死点ＴＤＣに対して回転方
向遅れ側に僅かにずれた位置に亘って開口している。こ
れにより、可動側バルブプレート６４の第３蒸気通路Ｐ
３…は下死点ＢＤＣから第２蒸気通路Ｐ２と重複しない
（好ましくは第２蒸気通路Ｐ２と重複する直前の）角度
範囲に亘って固定側バルブプレート６３の第５蒸気通路
Ｐ５に連通することができ、その間に第３蒸気通路Ｐ３
…から第５蒸気通路Ｐ５への蒸気の排出が行われる。

【００４０】ロータリバルブ本体６２には、軸線Ｌ方向
に延びる第７蒸気通路Ｐ７と、略半径方向に延びる第
８、第９蒸気通路Ｐ８，Ｐ９とが形成されており、第７
蒸気通路Ｐ７の上流端は前記第６蒸気通路Ｐ６の下流端
に連通するとともに、第９蒸気通路Ｐ９の下流端はシー
ル手段７０の摺動部材９１Ａを貫通する第１０蒸気通路
Ｐ１０に連通する。そして第１０蒸気通路Ｐ１０は、ロ
ータ２７に放射状に形成した７本の第１１蒸気通路Ｐ１
１…を介して、第２のアキシャルピストンシリンダ群５
７の低圧シリンダ５０…および低圧ピストン４１…間に
区画された７個の低圧作動室８４…に連通する。

【００４１】ロータリバルブ本体６２と固定側バルブプ
レート６３との合わせ面からの蒸気のリークを防止すべ
く、該合わせ面に装着されたシール部材８５（図７およ
び図１３参照）により第６、第７蒸気通路Ｐ６，Ｐ７の
接続部の外周がシールされる。

【００４２】ロータ２７および出力軸２８の内部は肉抜
きされて調圧室８９が区画されており、この調圧室８９
と第８蒸気通路Ｐ８とが、ロータリバルブ本体６２に形
成した第１２蒸気通路Ｐ１２および第１３蒸気通路Ｐ１
３と、固定側バルブプレート６３に形成した第１４蒸気
通路Ｐ１４と、ボルト６７の内部を貫通する第１５蒸気
通路Ｐ１５とを介して連通する。７本の第３蒸気通路Ｐ
３…から第５蒸気通路Ｐ５に排出される中温中圧蒸気の
圧力はロータ２７の１回転につき圧力が７回脈動する
が、その中温中圧蒸気を第２のアキシャルピストンシリ
ンダ群５７に供給する途中の第８蒸気通路Ｐ８を調圧室
８９に連通させたことで、前記圧力の脈動を緩衝して一
定圧の蒸気を第２のアキシャルピストンシリンダ群５７
に供給し、低圧作動室８４…への蒸気の充填効率を高め
ることができる。

【００４３】また調圧室８９はロータ２７および出力軸
２８の中心のデッドスペースを利用して形成されている
ので膨張機Ｍの大型化を招くこともなく、肉抜きによる
軽量化の効果も持ち、しかも調圧室８９の外周は高温高
圧蒸気で作動する第１のアキシャルピストンシリンダ群
４９で取り囲まれるので、第２のアキシャルピストンシ
リンダ群５７に供給される中温中圧蒸気の熱損失が生じ
ることもない。更に、第１のアキシャルピストンシリン
ダ群４９に取り囲まれたロータ２７の中心部が温度上昇
した場合には、調圧室８９の中温中圧蒸気でロータ２７
の冷却を図ることができ、その結果として加熱された中
温中圧蒸気で第２のアキシャルピストンシリンダ群５７
の出力向上を図ることができる。

【００４４】第２のアキシャルピストンシリンダ群５７
から低温低圧蒸気を排出する蒸気排出経路が、図１４に
網かけして示される。図１４および図８〜図１０を併せ
て参照すると明らかなように、シール手段７０の１個の
摺動部材９１Ｃの側面と２個の合口カバー９６Ｂ，９６
Ｃの側面とに、ロータ２７に形成した７個の第１１蒸気
通路Ｐ１１…に連通可能な円弧状の第１６蒸気通路Ｐ１
６が切り欠かれており、この第１６蒸気通路Ｐ１６はロ
ータ２７の凹部２７ｂ内に形成した空間１０４を介し
て、ロータリバルブ本体６２に形成した第１７蒸気通路
Ｐ１７に連通する。第１６蒸気通路Ｐ１６は、低圧ピス
トン５１の下死点ＢＤＣに対して矢印Ｒで示すロータ２
７の回転方向進み側に僅かにずれた位置から、上死点Ｔ
ＤＣに対して回転方向遅れ側に僅かにずれた位置に亘っ
て開口している。これにより、ロータ２７の第１１蒸気
通路Ｐ１１…は下死点ＢＤＣから第１０蒸気通路Ｐ１０
と重複しない（好ましくは第１０蒸気通路Ｐ１０と重複
する直前の）角度範囲に亘ってシール手段７０の第１６
蒸気通路Ｐ１６に連通することができ、その間に第１１
蒸気通路Ｐ１１…から第１６蒸気通路Ｐ１６への蒸気の
排出が行われる。

【００４５】更に第１７蒸気通路Ｐ１７は、ロータリバ
ルブ本体６２の内部に形成された第１８蒸気通路Ｐ１８
〜第２０蒸気通路Ｐ２０および後部カバー１８の切欠１
８ｄを介して、ロータリバルブ本体６２および後部カバ
ー１８間に形成された蒸気排出室９０に連通し、この蒸
気排出室９０は後部カバー１８に形成した蒸気排出孔１
８ｃに連通する。

【００４６】以上のように、第１のアキシャルピストン
シリンダ群４９への蒸気の供給・排出と第２のアキシャ
ルピストンシリンダ群５７への蒸気の供給・排出とを共
通のロータリバルブ６１で制御するので、各々別個のロ
ータリバルブを用いる場合に比べて膨張機Ｍを小型化す
ることができる。しかも第１のアキシャルピストンシリ
ンダ群４９に高温高圧蒸気を供給するバルブを、ロータ
リバルブ本体６２と一体の固定側バルブプレート６３の
前端の平坦な摺動面６８に形成したので、高温高圧蒸気
のリークを効果的に防止することができる。なぜなら
ば、平坦な摺動面６８は高精度の加工が容易なため、円
筒状の摺動面に比べてクリアランスの管理が容易である
からである。

【００４７】特に、複数本のプリロードスプリング７５
…でロータリバルブ本体６２にプリセット荷重を与えて
軸線Ｌ方向前方に付勢し、更に蒸気供給パイプ７７から
圧力室７６に供給した高温高圧蒸気でロータリバルブ本
体６２を軸線Ｌ方向前方に付勢することにより、固定側
バルブプレート６３および可動側バルブプレート６４の
摺動６８に高温高圧蒸気の圧力に応じた面圧を発生さ
せ、その摺動面６８からの蒸気のリークを一層効果的に
抑制することができる。

【００４８】また第２のアキシャルピストンシリンダ群
５７に中温中圧蒸気を供給し、かつ第２のアキシャルピ
ストンシリンダ群５７から低温低圧蒸気を排出すべく、
ロータリバルブ本体６２に設けられてロータ２７と相対
回転するシール手段７０が円周方向に分割した３個の摺
動部材９１Ａ，９１Ｂ，９１Ｃを備え、それら３個の摺
動部材９１Ａ，９１Ｂ，９１Ｃをスパイラルスプリング
１００で半径方向外側に付勢してロータ２７との間の摺
動面７１に密着させるので、温度変化による前記摺動面
７１のクリアランスの変動やロータ２７の芯振れの影響
を補償して、摺動抵抗の増加を抑えながら蒸気の漏れを
防止することができる。特に、半径方向の厚さが小さい
スパイラルスプリング１００を用いて摺動部材９１Ａ，
９１Ｂ，９１Ｃを付勢するので、ロータリバルブ６１の
径方向の寸法が大型化するのを防止することができる。

【００４９】また３個の摺動部材９１Ａ，９１Ｂ，９１
Ｃをクランク状の合口９２，９３を介して接合したの
で、それら摺動部材９１Ａ，９１Ｂ，９１Ｃの半径方向
の移動を許容しながら、合口９２，９３からの蒸気漏れ
を最小限に抑えることができる。しかも合口９２，９３
の半径方向外側を合口カバー９６Ａ，９６Ｂ，９６Ｃで
覆ったので、合口９２，９３からの蒸気漏れを一層効果
的に防止することができる。

【００５０】また３個の摺動部材９１Ａ，９１Ｂ，９１
Ｃのうちの２個をノックピン１０３，１０３でロータリ
バルブ本体６２に係止しているので、ロータリバルブ本
体６２に対するシール手段７０の位相を一定に保持して
蒸気の吸入・排出タイミングのずれを防止することがで
きる。尚、ノックピン１０３，１０３は２個の摺動部材
９１Ｂ，９１Ｃの円周方向および軸方向の移動を規制す
るだけで半径方向の移動を許容するので、３個の摺動部
材９１Ａ，９１Ｂ，９１Ｃの摺動面７１に対する密着性
が阻害されることはない。

【００５１】またロータリバルブ本体６２に内部に、高
温高圧蒸気が流れる第１蒸気通路Ｐ１と、中温中圧蒸気
が流れる第７蒸気通路Ｐ７および第８蒸気通路Ｐ８と、
低温低圧蒸気が流れる第１７蒸気通路Ｐ１７〜第２０蒸
気通路Ｐ２０とを集約して形成したので蒸気温度の低下
を防止できるだけでなく、高温高圧蒸気のシール部（例
えば、シール部材８１）を低温低圧蒸気で冷却して耐久
性を高めることができる。

【００５２】更に、後部カバー１８をケーシング本体１
２から取り外すだけで、ケーシング本体１２に対してロ
ータリバルブ６１を着脱することができるので、修理、
清掃、交換等のメンテナンス作業性が大幅に向上する。
また高温高圧蒸気が通過するロータリバルブ６１は高温
になるが、オイルによる潤滑が必要な斜板３９や出力軸
２８がロータ２７を挟んでロータリバルブ６１の反対側
に配置されるので、高温となるロータリバルブ６１の熱
でオイルが加熱されて斜板３９や出力軸２８の潤滑性能
が低下するのを防止することができる。またオイルはロ
ータリバルブ６１を冷却して過熱を防止する機能も発揮
する。

【００５３】次に、上記構成を備えた本実施例の膨張機
Ｍの作用を説明する。

【００５４】図１２に示すように、蒸発器で水を加熱し
て発生した高温高圧蒸気は蒸気供給パイプ７７を介して
膨張機Ｍの圧力室７６に供給され、そこからロータリバ
ルブ６１のロータリバルブ本体６２に形成した第１蒸気
通路Ｐ１と、このロータリバルブ本体６２と一体の固定
側バルブプレート６３に形成した第２蒸気通路Ｐ２とを
経て、可動側バルブプレート６４との摺動面６８に達す
る。そして摺動面６８に開口する第２蒸気通路Ｐ２はロ
ータ２７と一体に回転する可動側バルブプレート６４に
形成した第３蒸気通路Ｐ３に瞬間的に連通し、高温高圧
蒸気は第３蒸気通路Ｐ３からロータ２７に形成した第４
蒸気通路Ｐ４を経て、第１のアキシャルピストンシリン
ダ群４９の７個の高圧作動室８２…のうちの上死点に在
る高圧作動室８２に供給される。

【００５５】ロータ２７の回転に伴って第２蒸気通路Ｐ
２および第３蒸気通路Ｐ３の連通が絶たれた後も高圧作
動室８２内で高温高圧蒸気が膨張することで、スリーブ
４１の高圧シリンダ４２に嵌合する高圧ピストン４３が
上死点から下死点に向けて前方に押し出され、その前端
が斜板３９のディンプル３９ａを押圧する。その結果、
高圧ピストン４３が斜板３９から受ける反力でロータ２
７に回転トルクが与えられる。そしてロータ２７が７分
の１回転する毎に、新たな高圧作動室８２内に高温高圧
蒸気が供給されてロータ２７が連続的に回転駆動され
る。

【００５６】図１３に示すように、ロータ２７の回転に
伴って下死点に達した高圧ピストン４３が上死点に向か
って後退する間に、高圧作動室８２から押し出された中
温中圧蒸気は、ロータ２７の第４蒸気通路Ｐ４と、可動
側バルブプレート６４の第３蒸気通路Ｐ３と、摺動面６
８と、固定側バルブプレート６３の第５蒸気通路Ｐ５お
よび第６蒸気通路Ｐ６と、ロータリバルブ本体６２の第
７蒸気通路Ｐ７〜第１０蒸気通路Ｐ１０と、摺動面７１
とを経て、ロータ２７の回転に伴って上死点に達した第
２のアキシャルピストンシリンダ群５７の低圧作動室８
４に連なる第１１蒸気通路Ｐ１１に供給される。低圧作
動室８４に供給された中温中圧蒸気は第１０蒸気通路Ｐ
１０と第１１蒸気通路Ｐ１１との連通が絶たれた後も低
圧作動室８４内で膨張することで、低圧シリンダ５０に
嵌合する低圧ピストン５１が上死点から下死点に向けて
前方に押し出され、低圧ピストン５１に接続されたリン
ク５２が斜板３９を押圧する。その結果、低圧ピストン
５１の押圧力がリンク５２を介して斜板３９の回転力に
変換され、この回転力は斜板３９のディンプル３９ａを
介して高圧ピストン４３からロータ２７に回転トルクを
伝える。即ち、斜板３９と同期回転するロータ２７に回
転トルクが伝達されることになる。尚、リンク５２は膨
張行程での負圧発生時に低圧ピストン５１が斜板３９か
ら離脱するのを防止すべく、低圧ピストン５１と斜板３
９との結合を維持する機能を果たすもので、膨張作用に
よる回転トルクは、上述の如く斜板３９のディンプル３
９ａを介して高圧ピストン４３から斜板３９と同期回転
するロータ２７に伝達される構成となっている。そして
ロータ２７が７分の１回転する毎に、新たな低圧作動室
８４内に中温中圧蒸気が供給されてロータ２７が連続的
に回転駆動される。

【００５７】このとき、前述したように、第１のアキシ
ャルピストンシリンダ群４９の高圧作動室８２…から排
出される中温中圧蒸気の圧力はロータ２７の１回転につ
き圧力が７回脈動するが、その脈動を調圧室８９で緩衝
することにより、一定圧の蒸気を第２のアキシャルピス
トンシリンダ群５７に供給して低圧作動室８４…への蒸
気の充填効率を高めることができる。

【００５８】図１４に示すように、ロータ２７の回転に
伴って下死点に達した低圧ピストン５１が上死点に向か
って後退する間に、低圧作動室８４から押し出された低
温低圧蒸気は、ロータ２７の第１１蒸気通路Ｐ１１と、
摺動面７１と、シール手段７０の第１６蒸気通路Ｐ１６
と、空間１０４と、ロータリバルブ本体６２の第１７蒸
気通路Ｐ１７〜第２０蒸気通路Ｐ２０を経て蒸気排出室
９０に排出され、そこから蒸気排出孔１８ｃを経て凝縮
器に供給される。

【００５９】上述のようにして膨張機Ｍが作動すると
き、第１のアキシャルピストンシリンダ群４９の７本の
高圧ピストン４３…と、第２のアキシャルピストンシリ
ンダ群５７の７本の低圧ピストン５１…とが共通の斜板
３９に接続されるので、第１、第２のアキシャルピスト
ンシリンダ群４９，５７の出力を合成して出力軸２８を
駆動することができ、膨張機Ｍを小型化しながら高出力
を得ることができる。このとき、第１のアキシャルピス
トンシリンダ群４９の７本の高圧ピストン４３…と、第
２のアキシャルピストンシリンダ群５７の７本の高圧ピ
ストン５１…とが円周方向に半ピッチずれて配置されて
いるため、図１１に示すように、第１のアキシャルピス
トンシリンダ群４９の出力トルクの脈動と、第２のアキ
シャルピストンシリンダ群５７の出力トルクの脈動とが
相互に打ち消しあい、出力軸２８の出力トルクがフラッ
トになる。

【００６０】またアキシャル型の回転式流体機械はラジ
アル式の回転式流体機械に比べてスペース効率が高いと
いう特徴があるが、それを半径方向に２段に配置したこ
とでスペース効率を更に高めることができる。特に、体
積が小さい高圧の蒸気で作動するために小直径で済む第
１のアキシャルピストンシリンダ群４９を半径方向内側
に配置し、体積が大きい低圧の蒸気で作動するために大
直径となる第２のアキシャルピストンシリンダ群５７を
半径方向外側に配置したので、空間を有効利用して膨張
機Ｍの一層の小型化が可能となる。しかも円形断面を有
することで加工精度を高くできるシリンダ４２…，５０
…およびピストン４３…，５１…を用いたことにより、
ベーンを用いた場合に比べて蒸気のリーク量が少なくな
り、更なる高出力を望むことができる。

【００６１】また高温の蒸気で作動する第１のアキシャ
ルピストンシリンダ群４９を半径方向内側に配置し、低
温の蒸気で作動する第２のアキシャルピストンシリンダ
群５７を半径方向外側に配置したので、第２のアキシャ
ルピストンシリンダ群５７とケーシング１１の外部との
温度差を最小限に抑え、ケーシング１１の外部への熱逃
げを最小限に抑えて膨張機Ｍの効率を高めることができ
る。また半径方向内側の高温の第１のアキシャルピスト
ンシリンダ群４９から逃げた熱を、半径方向外側の低温
の第２のアキシャルピストンシリンダ群５７で回収する
ことができるので、膨張機Ｍの効率を更に高めることが
できる。

【００６２】また軸線Ｌに対して直角方向に見たとき、
第１のアキシャルピストンシリンダ群４９の後端は第２
のアキシャルピストンシリンダ群５７の後端よりも前方
に位置しているので、第１のアキシャルピストンシリン
ダ群４９から軸線Ｌ方向後方に逃げた熱を第２のアキシ
ャルピストンシリンダ群５７で回収し、膨張機Ｍの効率
を更に高めることができる。更に、高圧側の摺動面６８
が低圧側の摺動面７１よりもロータ２７の凹部２７ｂの
奥側に在るので、ケーシング１１の外部の圧力と低圧側
の摺動面７１との差圧を最小限に抑えて低圧側の摺動面
７１からの蒸気のリーク量を減少させることができ、し
かも高圧側の摺動面６８から漏れた蒸気圧を低圧側の摺
動面７１で回収して有効に利用することができる。

【００６３】以上、本発明の実施例を説明したが、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。

【００６４】例えば、本発明の作動部は実施例のアキシ
ャルピストンシリンダ群に限定されず、ラジアルピスト
ンシリンダ式のものやベーン式のものであっても良い。

【００６５】また実施例ではシール手段７０の摺動部材
９１Ａ、９１Ｂ，９１Ｃを３分割にしているが、その他
の任意の個数に分割することができる。

【００６６】

【発明の効果】以上のように請求項１に記載された発明
によれば、回転式流体機械の作動部に対する作動媒体の
吸入・排出を制御するロータリバルブが、円周方向に分
割した複数の摺動部材をバルブ本体部の外周面に支持
し、これら複数の摺動部材を弾発部材でバルブ本体部の
外周面から半径方向外側に弾発付勢してロータの摺動面
に密着させるので、ロータリバルブの熱膨張・熱収縮に
伴う摺動面のクリアランス変化や、ロータが回転する際
の芯振れを補償し、摺動部材に形成した作動媒体通路を
介しての作動媒体の吸入・排出を正確に行うとともに、
前記摺動面からの作動媒体の漏れを最小限に抑えること
ができる。

【００６７】また請求項２に記載された発明によれば、
複数の摺動部材を合口を介して接近・離間自在に接合
し、合口の半径方向外側部分を合口カバーでシールした
ので、合口によるシール作用と合口カバーによるシール
作用との相乗効果で作動媒体の漏れを効果的に防止する
ことができる。

【００６８】また請求項３に記載された発明によれば、
位置決め部材で摺動部材をバルブ本体部に対して半径方
向に移動可能かつ円周方向に移動不能に位置決めしたの
で、摺動部材を半径方向に移動させてロータの摺動面に
密着させることを可能にしながら、バルブ本体部に対す
る摺動部材の円周方向の位置を正確に保持して作動媒体
通路を介しての作動媒体の吸入・排出を正確に行うこと
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】膨張機の縦断面図

【図２】図１の２−２線断面図

【図３】図１の３部拡大図

【図４】図１の４部拡大断面図（図８の４−４線断面
図）

【図５】図４の５−５線矢視図

【図６】図４の６−６線矢視図

【図７】図４の７−７線断面図

【図８】図４の８−８線断面図

【図９】図４の９−９線断面図

【図１０】シール手段の分解斜視図

【図１１】出力軸のトルク変動を示すグラフ

【図１２】高圧段の吸入系を示す作用説明図

【図１３】高圧段の排出系および低圧段の吸入系を示す
作用説明図

【図１４】低圧段の排出系を示す作用説明図

【符号の説明】

１１ ケーシング ２７ ロータ ５７ 第２のアキシャルピストンシリンダ群（作
動部） ６１ ロータリバルブ ６２ ロータリバルブ本体（バルブ本体部） ７１ 摺動面 ９１Ａ，９１Ｂ，９１Ｃ 摺動部材 ９２ 合口 ９３ 合口 ９６Ａ，９６Ｂ，９６Ｃ 合口カバー １００ スパイラルスプリング（弾発部材） １０３ ノックピン（位置決め部材） Ｌ 軸線 Ｐ１０ 第１０蒸気通路（作動媒体通路） Ｐ１６ 第１６蒸気通路（作動媒体通路）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ケーシング（１１）と、 ケーシング（１１）に回転自在に支持されたロータ（２
   ７）と、 ロータ（２７）に設けられた作動部（５７）と、 ケーシング（１１）およびロータ（２７）間に設けら
   れ、ロータ（２７）の軸線（Ｌ）を中心とする円筒状の
   摺動面（７１）を介して作動部（５７）に対する作動媒
   体の吸入・排出を制御するロータリバルブ（６１）と、
   を備えた回転式流体機械であって、 前記ロータリバルブ（６１）は、前記軸線（Ｌ）上に配
   置されたバルブ本体部（６２）と、円周方向に分割され
   てバルブ本体部（６２）の外周面に支持された複数の摺
   動部材（９１Ａ，９１Ｂ，９１Ｃ）と、複数の摺動部材
   （９１Ａ，９１Ｂ，９１Ｃ）を前記摺動面（７１）に密
   着させるべく、バルブ本体部（６２）の外周面から半径
   方向外側に弾発付勢する弾発部材（１００）とを備え、 前記摺動部材（９１Ａ，９１Ｂ，９１Ｃ）に、作動部
   （５７）に作動媒体を吸入・排出する作動媒体通路（Ｐ
   １０，Ｐ１６）を形成したことを特徴とする回転式流体
   機械。
2. 【請求項２】 前記複数の摺動部材（９１Ａ，９１Ｂ，
   ９１Ｃ）を合口（９２，９３）を介して接近・離間自在
   に接合するとともに、合口（９２，９３）の半径方向外
   側部分を合口カバー（９６Ａ，９６Ｂ，９６Ｃ）でシー
   ルしたことを特徴とする、請求項１に記載の回転式流体
   機械。
3. 【請求項３】 前記複数の摺動部材（９１Ａ，９１Ｂ，
   ９１Ｃ）の少なくとも一つを、位置決め部材（１０３）
   でバルブ本体部（６２）に対して半径方向に移動可能か
   つ円周方向に移動不能に位置決めしたことを特徴とす
   る、請求項１または請求項２に記載の回転式流体機械。