JP2004270524A - 回転流体機械 - Google Patents

Abstract

【課題】回転流体機械のロータリバルブの摺動面を最小の押圧荷重で確実にシールして摩擦損失を軽減し、かつロータリバルブの摺動面の振れに固定側バルブプレートを追従させてシール性を確保するとともに摺動面の偏摩耗を防止する。
【解決手段】ケーシングに回転自在に支持されたロータに対する高温高圧蒸気の供給通路Ｐ１，Ｐ２および排出通路Ｐ５，Ｐ６を切り換えるロータリバルブ７１は、固定側バルブプレート７３と回転側バルブプレート７４とを摺動面７７で当接させてなる。バルブ本体部７２の固定側バルブプレート７３との合わせ面８４に、供給通路Ｐ１から高温高圧蒸気を導入する圧力室８５を開口させ、この圧力室８５に発生する押圧荷重の中心位置を、高温高圧蒸気の圧力により摺動面７７に発生する反力荷重の中心位置に概ね一致させることで、固定側バルブプレート７３の傾きを防止して摺動面７７の密着性を確保するとともに、摺動面７７に過剰な面圧が作用するのを防止して摩擦損失や異常摩耗の発生を防止することができる。
【選択図】 図５

Description

【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て作動部に対する作動媒体の供給・排出を制御するロータリバルブとを備えた回転流体機械に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃焼器で発生した燃焼ガスを分配機構（ロータリバルブ）を介してアキシャルピストンシリンダ群に供給する回転流体機械において、分配機構の摺動面（弁座）のシール性を確保すべく、燃焼ガスが供給されないときはスプリングで押圧部材を押圧して摺動面に密着させ、燃焼ガスが供給されるときは該燃焼ガスの圧力でフリーピストンを介して押圧部材を押圧して摺動面に密着させるものが、下記特許文献により公知である。
【０００３】
【特許文献】
実開昭６１−１５５６１０号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ロータリバルブの摺動面に高圧の作動媒体通路と低圧の作動媒体通路とが開口している回転流体機械では、前記摺動面を引き離そうとする反力荷重が高圧の作動媒体通路の開口部において強く、低圧の作動媒体通路の開口部において弱くなるため、前記反力荷重の中心位置は摺動面の中心位置と一致しなくなる。
【０００５】
このような状況で、前記反力荷重の中心位置を考慮せずに、作動媒体の圧力で摺動面の全域を均一に押圧してシール性を確保しようとすると、摺動面に過剰な押付荷重が加わって摺動抵抗が増加してしまい、回転流体機械の出力が低下する問題がある。
【０００６】
またケーシングにボールベアリングで支持されたロータは回転時に若干の振れが発生するため、ロータリバルブの摺動面にも振れが発生することが避けられない。このとき、押圧部材をスプリングの弾発力や燃焼ガスの圧力で付勢して摺動面みに密着させるだけでは、押圧部材を摺動面に振れに追従させてシール性を確保することが困難であり、摺動面に偏摩耗が発生する虞もある。
【０００７】
本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、回転流体機械のロータリバルブの摺動面を最小の押圧荷重で確実にシールして摩擦損失を軽減し、かつロータリバルブの摺動面の振れに固定側バルブプレートを追従させてシール性を確保するとともに摺動面の偏摩耗を防止することを目的とする。
【０００８】
【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て作動部に対する作動媒体の供給通路および排出通路を切り換えるロータリバルブとを備え、前記ロータリバルブは、ロータに設けられた回転側バルブプレートと、ケーシングに固定したバルブ本体部に回転不能かつロータの軸線方向に移動可能に支持された固定側バルブプレートとを、軸線に直交する摺動面において当接させてなる回転流体機械において、バルブ本体部の固定側バルブプレートとの合わせ面に、作動媒体の供給通路および排出通路のうちの高圧側の通路から作動媒体を導入する圧力室を開口させ、この圧力室に発生する押圧荷重の中心位置を、作動媒体の圧力により摺動面に発生する反力荷重の中心位置に概ね一致させたことを特徴とする回転流体機械が提案される。
【０００９】
上記構成によれば、バルブ本体部の固定側バルブプレートとの合わせ面に形成した圧力室に高圧の作動媒体を導入し、この圧力室に発生する押圧荷重の中心位置を、作動媒体の圧力により固定側バルブプレートおよび回転側バルブプレートの摺動面に発生する反力荷重の中心位置に概ね一致させたので、反力荷重が固定側バルブプレートを傾けようとするモーメントを押圧荷重が固定側バルブプレートを傾けようとするモーメントで打ち消すことで、固定側バルブプレートの傾きを防止して摺動面の密着性を確保するとともに、摺動面の偏摩耗を抑制して作動媒体の漏れを防止することができる。
【００１０】
しかも固定側バルブプレートの合わせ面の全域に高圧の作動媒体の押圧荷重を作用させるのでなく、反力荷重の中心位置に対応する位置だけに圧力室から必要最小限の押圧荷重を作用させて前記反力荷重を打ち消すので、摺動面に過剰な面圧が作用するのを防止して摩擦損失や異常摩耗の発生を防止しながら、摺動面からの作動媒体の漏れを防止することができる。
【００１１】
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、固定側バルブプレートはバルブ本体部に浮動状態で支持されており、圧力室の内部に該圧力室から前記合わせ面への作動媒体の漏れを阻止するシール部材を配置したことを特徴とする回転流体機械が提案される。
【００１２】
上記構成によれば、固定側バルブプレートがバルブ本体部に浮動状態で支持されているので、圧力室からの押圧荷重で固定側バルブプレートを回転側バルブプレート７４との摺動面に押し付けるとき、回転側バルブプレートの傾きに固定側バルブプレートを自由に追従させて摺動面の密着性を高め、摺動面の偏摩耗を防止するとともに摺動面からの作動媒体の漏れを効果的に防止することができる。しかも圧力室の内部に配置したシール部材で該圧力室から合わせ面への作動媒体の漏れを阻止するので、固定側バルブプレートを充分な押圧荷重で回転側バルブプレートに向けて付勢して摺動面の密着性を一層高めることができる。
【００１３】
尚、実施例のアキシャルピストンシリンダ群５６は本発明の作動部に対応し、実施例のＶパッキン９０は本発明のシール部材に対応し、実施例の第１、第２蒸気通路Ｐ１，Ｐ２は本発明の供給通路に対応し、実施例の第５、第６蒸気通路Ｐ５，Ｐ６は本発明の排出通路に対応する。
【００１４】
【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。
【００１５】
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３−３線矢視図、図４は図１の４部拡大図、図５は図１の５部拡大図、図６はロータの分解斜視図、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部拡大図、図１０は図５の１０−１０線断面図、図１１は図５の１１−１１線断面図、図１２は図５の１２−１２線断面図、図１３は図５の１３−１３線断面、図１４はコイルスプリング、パッキンリテーナおよびＶパッキンの斜視図である。
【００１６】
図１〜図９に示すように、本実施例の膨張機Ｅは例えばランキンサイクル装置に使用されるもので、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Ｅ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を介して複数本のボルト１７…で結合される後部カバー１８と、ケーシング本体１２の下面開口部にシール部材１９を介して複数本のボルト２０…で結合されるオイルパン２１とで構成される。
【００１７】
ケーシング１１の中央を前後方向に延びる軸線Ｌまわりに回転可能に配置されたロータ２２は、その前部を前部カバー１５に設けた組み合わせアンギュラベアリング２３ｆ，２３ｒによって支持され、その後部をケーシング本体１２に設けたラジアルベアリング２４によって支持される。前部カバー１５の後面に斜板ホルダ２８が一体に形成されており、この斜板ホルダ２８にアンギュラベアリング３０を介して斜板３１が回転自在に支持される。斜板３１の軸線は前記ロータ２２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。
【００１８】
ロータ２２は、組み合わせアンギュラベアリング２３ｆ，２３ｒで前部カバー１５に支持された出力軸３２と、出力軸３２の後部に相互に所定幅の切欠５７，５８（図４および図９参照）を介して一体に形成された３個のスリーブ支持フランジ３３，３４，３５と、後側のスリーブ支持フランジ３５にメタルガスケット３６を介して複数本のボルト３７…で結合され、前記ラジアルベアリング２４でケーシング本体１２に支持されたロータヘッド３８と、３個のスリーブ支持フランジ３３，３４，３５に前方から嵌合して複数本のボルト３９…で前側のスリーブ支持フランジ３３に結合された断熱カバー４０とを備える。
【００１９】
３個のスリーブ支持フランジ３３，３４，３５には各々５個のスリーブ支持孔３３ａ…，３４ａ…，３５ａ…が軸線Ｌまわりに７２°間隔で形成されており、それらのスリーブ支持孔３３ａ…，３４ａ…，３５ａ…に５本のシリンダスリーブ４１…が後方から嵌合する。各々のシリンダスリーブ４１の後端にはフランジ４１ａが形成されており、このフランジ４１ａが後側のスリーブ支持フランジ３５のスリーブ支持孔３５ａに形成した段部３５ｂに嵌合した状態でメタルガスケット３６に当接して軸方向に位置決めされる（図９参照）。各々のシリンダスリーブ４１の内部にピストン４２が摺動自在に嵌合しており、ピストン４２の前端は斜板３１に形成したディンプル３１ａに当接するとともに、ピストン４２の後端とロータヘッド３８との間に蒸気の膨張室４３が区画される。
【００２０】
前部カバー１５の前面にシール部材９１を介して板状のベアリングホルダ９２が重ね合わされてボルト９３…で固定され、そのベアリングホルダ９２の前面にシール部材９４を介してポンプボディ９５が重ね合わされてボルト９６…で固定される。組み合わせアンギュラベアリング２３ｆ，２３ｒは、前部カバー１５の段部とベアリングホルダ９２との間に挟まれて軸線Ｌ方向に固定される。
【００２１】
組み合わせアンギュラベアリング２３ｆ，２３ｒを支持する出力軸３２に形成したフランジ３２ｄと組み合わせアンギュラベアリング２３ｆ，２３ｒのインナーレースとの間に所定厚さのシム９７が挟持され、出力軸３２の外周に螺合するナット９８で組み合わせアンギュラベアリング２３ｆ，２３ｒのインナーレースが締め付けられる。その結果、出力軸３２は組み合わせアンギュラベアリング２３ｆ，２３ｒに対して、つまりケーシング１１に対して軸線Ｌ方向に位置決めされる。
【００２２】
組み合わせアンギュラベアリング２３ｆ，２３ｒは相互に逆向きに装着されており、出力軸３２を径方向に支持するだけでなく、軸線Ｌ方向にも移動不能に支持している。即ち、一方の組み合わせアンギュラベアリング２３ｆは出力軸３２が前方に移動するのを規制し、他方の組み合わせアンギュラベアリング２３ｒは出力軸３２が後方に移動するのを規制するように配置される。
【００２３】
ロータ２２の前部を支持する軸受けに組み合わせアンギュラベアリング２３ｆ，２３ｒを使用したので、膨張機Ｅの所定の運転状態において膨張室４３…で発生する軸線Ｌ方向両側への荷重は、その一方がロータ２２を介して組み合わせアンギュラベアリング２３ｆ，２３ｒのインナーレースに伝達され、その他方が斜板３１および前部カバー１５の斜板ホルダ２８を介して組み合わせアンギュラベアリング２３ｆ，２３ｒのアウターレースに伝達される。これら二つの荷重は、斜板３１を支持するアンギュラベアリング３０とロータ２２を支持する組み合わせアンギュラベアリング２３ｆ，２３ｒとに挟まれた前部カバー１５の斜板ホルダ２８を圧縮するもので、機構部の剛性は高いものとなる。しかも本実施例の如く、斜板ホルダ２８を前部カバー１５と一体に構成することで、更に剛性が高く簡略な構造となる。
【００２４】
更に、斜板３１を支持するアンギュラベアリング３０とロータ２２を支持する組み合わせアンギュラベアリング２３ｆ，２３ｒとを前部カバー１５に組み込むことにより、「ロータ２２およびピストン４２…」、「前部カバー１５のアセンブリ」、「ポンプボディ９５」というユニット単位で組立作業が行え、ピストン４２…の組み替えやオイルポンプ４９の交換といった作業の効率が改善される。
【００２５】
またロータ２２の後端部を構成するロータヘッド３８を支持するラジアルベア２４は径方向の荷重のみを支持する通常のボールベアリングであって、ロータヘッド３８がラジアルベアリング２４に対して軸線Ｌ方向に摺動できるように、ロータヘッド３８とラジアルベアリング２４のインナーレースとの間に隙間α（図５参照）が形成される。
【００２６】
ロータ２２と一体の出力軸３２内部に軸線Ｌ上に延びるオイル通路３２ａが形成されており、このオイル通路３２ａの前端は径方向に分岐して出力軸３２の外周の環状溝３２ｂに連通する。ロータ２２の中央のスリーブ支持フランジ３４の径方向内側位置において、前記オイル通路３２ａの内周にシール部材４４を介してオイル通路閉塞部材４５が螺合しており、その近傍のオイル通路３２ａから径方向外側に延びる複数のオイル孔３２ｃ…が出力軸３２の外周面に開口する。
【００２７】
ポンプボディ９５の前面に形成した凹部９５ａと、ポンプボディ９５の前面にシール部材４６を介して複数本のボルト４７…で固定したポンプカバー４８との間に配置されたトロコイド型のオイルポンプ４９は、前記凹部９５ａに回転自在に嵌合するアウターロータ５０と、出力軸３２の外周に固定されてアウターロータ５０に噛合するインナーロータ５１とを備える。オイルパン２１の内部空間はオイルパイプ５２およびポンプボディ９５のオイル通路９５ｂを介してオイルポンプ４９の吸入ポート５３に連通し、オイルポンプ４９の吐出ポート５４はポンプボディ９５のオイル通路９５ｃを介して出力軸３２の環状溝３２ｂに連通する。
【００２８】
シリンダスリーブ４１に摺動自在に嵌合するピストン４２はエンド部６１、中間部６２およびトップ部６３からなる。エンド部６１は斜板３１のディンプル３１ａに当接する球面部６１ａを有する部材であって、中間部６２の先端に溶接で結合される。中間部６２は大容積の中空空間６２ａを有する円筒状の部材であって、トップ部６３に近い外周部に直径が僅かに減少した小径部６２ｂを有しており、そこを半径方向に貫通するように複数のオイル孔６２ｃ…が形成されるとともに、小径部６２ｂよりも前方の外周部に複数本の螺旋状のオイル溝６２ｄ…が形成される。膨張室４３に臨むトップ部６３は中間部６２と一体に形成されており、その内面に形成された隔壁６３ａと、その後端面に嵌合して溶接された蓋部材６４との間に断熱空間６５（図９参照）が形成される。トップ部６３の外周には２本の圧縮リング６６，６６と１本のオイルリング６７とが装着されており、オイルリング６７が嵌合するオイルリング溝６３ｂは複数のオイル孔６３ｃ…を介して中間部６２の中空空間６２ａに連通する。
【００２９】
ピストン４２のエンド部６１および中間部６２は高炭素鋼製、トップ部６３はステンレス製であり、そのうちエンド部６１には高周波焼入れが、中間部６２には焼入れが施される。その結果、斜板３１に大きな面圧で当接するエンド部６１の耐高面圧性と、厳しい潤滑条件でシリンダスリーブ４１に摺接する中間部６２の耐摩耗性と、膨張室４３に臨んで高温高圧に晒されるトップ部６３の耐熱・耐蝕性とが満たされる。
【００３０】
シリンダスリーブ４１の中間部外周に環状溝４１ｂ（図６および図９参照）が形成されており、この環状溝４１ｂに複数のオイル孔４１ｃ…が形成される。シリンダスリーブ４１の回転方向の取付位置に関わらず、出力軸３２に形成したオイル孔３２ｃ…と、ロータ２２の中央のスリーブ支持フランジ３４に形成したオイル孔３４ｂ…（図４および図６参照）とが環状溝４１ｂに連通する。ロータ２２の前側および後側のスリーブ支持フランジ３３，３５と断熱カバー４０との間に形成された空間６８は、断熱カバー４０に形成したオイル孔４０ａ…（図４および図７参照）を介してケーシング１１の内部空間に連通する。
【００３１】
ロータ２２の前側のスリーブ支持フランジ３３の後面にボルト３７…で結合されたロータヘッド３８の前側もしくは膨張室４３…側に環状の蓋部材６９が溶接されており、蓋部材６９の背面もしくは後面に環状の断熱空間７０（図９参照）が区画される。ロータヘッド３８はノックピン５５により後側のスリーブ支持フランジ３５に対して回転方向に位置決めされる。
【００３２】
尚、５個のシリンダスリーブ４１…と５個のピストン４２…とは本発明のアキシャルピストンシリンダ群５６を構成する。
【００３３】
次に、ロータ２２の５個の膨張室４３…に蒸気を供給・排出するロータリバルブ７１の構造を、図５および図１０〜図１４に基づいて説明する。
【００３４】
図５に示すように、ロータ２２の軸線Ｌに沿うように配置されたロータリバルブ７１は、バルブ本体部７２と、固定側バルブプレート７３と、回転側バルブプレート７４とを備える。回転側バルブプレート７４は、ロータ２２の後面にノックピン７５で回転方向に位置決めされた状態で、オイル通路閉塞部材４５（図４参照）に螺合するボルト７６で固定される。尚、ボルト７６はロータヘッド３８を出力軸３２に固定する機能も兼ね備えている。
【００３５】
バルブ本体部７２の後部に一体に形成された円形のフランジ７２ａが、後部カバー１８の後面にシール部材７８を介して当接し、複数本のボルト７９…で固定される。このとき、バルブ本体部７２の前部に一体に形成された円形断面の支持部７２ｂが後部カバー１８の支持孔１８ａに嵌合する。後部カバー１８の支持孔１８ａに連なる支持面１８ｂに環状のホルダ８０が複数本のボルト８１…で固定されており、このホルダ８０の内部にシール部材８２を介して保持された固定側バルブプレート７３が、自己潤滑性を有するテフロン等でコーティングされたノックピン８３で軸線Ｌ方向に移動自在として回り止めされる。ホルダ８０に支持された固定側バルブプレート７３は、シール部材８２の潰れ代により径方向に移動可能に、かつノックピン８３により軸線Ｌ方向に移動可能にフローティング支持されており、固定側バルブプレート７３が回転側バルブプレート７４の首振り運動に追従して傾く自由度を持つことで、摺動面７７の密着性を維持するようになっている。
【００３６】
図５に図１４を併せて参照すると明らかなように、バルブ本体部７２が固定側バルブプレート７３に当接する合わせ面８４に、円形断面の圧力室８５がロータ２２の軸線Ｌから偏心するように開口する。バルブ本体部７２をシール部材８６を介して貫通する蒸気供給パイプ８７が圧力室８５の中心を通って合わせ面８４まで延びており、圧力室８５の内部において、蒸気供給パイプ８７の外周にコイルスプリング８８、パッキンリテーナ８９およびＶパッキン９０が順次配置される。蒸気供給パイプ８７に形成した１個の通孔８７ａ（複数個でも良い）が圧力室８５の後部に連通する。
【００３７】
金属製のパッキンリテーナ８９は、コイルスプリング８８が当接する平坦面８９ａと、平坦面８９ａの反対側でＶパッキン９０を支持する円錐面８９ｂと、円錐面８９ｂの前方に連なってＶパッキン９０を貫通する段部８９ｃと、蒸気供給パイプ８７が貫通する貫通孔８９ｄとを備える。合成樹脂製のＶパッキン９０は、パッキンリテーナ８９の円錐面８９ｂに支持される円錐面９０ａと、パッキンリテーナ８９の段部８９ｃが貫通する開口部９０ｂと、その後端部に薄肉に形成されて径方向外側に拡開可能なシールリップ９０ｃとを備える。パッキンリテーナ８９は圧力室８５の円筒状の内周面８５ａおよび蒸気供給パイプ８７の外周面に摺動自在に嵌合し、Ｖパッキン９０のシールリップ９０ｃは圧力室８５の円筒状の内周面８５ａにシール可能に当接する。パッキンリテーナ８９はＶパッキン９０を圧力室８５内で正しい姿勢で保持するとともに、高温高圧蒸気の熱を遮断してＶパッキン９０の耐久性を高める機能を有する。
【００３８】
蒸気供給パイプ８７の内部に形成した第１蒸気通路Ｐ１は、固定側バルブプレート７３に形成した第２蒸気通路Ｐ２を介して摺動面７７に連通する。またケーシング本体１２および後部カバー１８の間には蒸気排出室９９が形成されており、この蒸気排出室９９は蒸気排出パイプ１００に連通するとともに、バルブ本体部７２の内部に形成した第６蒸気通路Ｐ６と、固定側バルブプレート７３に形成した第５蒸気通路Ｐ５とを介して摺動面７７に連通する。
【００３９】
軸線Ｌを囲むように等間隔で配置された５個の第３蒸気通路Ｐ３…が回転側バルブプレート７４を貫通しており、軸線Ｌを囲むようにロータ２２に形成された５個の第４蒸気通路Ｐ４…の両端が、それぞれ前記第３蒸気通路Ｐ３…および前記膨張室４３…に連通する。第２蒸気通路Ｐ２の摺動面７７に開口する部分は円形であるのに対し、第５蒸気通路Ｐ５の摺動面７７に開口する部分は軸線Ｌを中心とする円弧状に形成される。
【００４０】
次に、上記構成を備えた本実施例の膨張機Ｅの作用を説明する。
【００４１】
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８７の第１蒸気通路Ｐ１から、固定側バルブプレート７３に形成した第２蒸気通路Ｐ２を経て回転側バルブプレート７４との摺動面７７に達する。そして摺動面７７に開口する第２蒸気通路Ｐ２はロータ２２と一体に回転する回転側バルブプレート７４に形成した対応する第３蒸気通路Ｐ３に所定の吸気期間において瞬間的に連通し、高温高圧蒸気は第３蒸気通路Ｐ３からロータ２２に形成した第４蒸気通路Ｐ４を経てシリンダスリーブ４１内の膨張室４３に供給される。
【００４２】
ロータ２２の回転に伴って第２蒸気通路Ｐ２および第３蒸気通路Ｐ３の連通が絶たれた後も膨張室４３内で高温高圧蒸気が膨張することで、シリンダスリーブ４１に嵌合するピストン４２が上死点から下死点に向けて前方に押し出され、その前端のエンド部６１が斜板３１のディンプル３１ａを押圧する。その結果、ピストン４２が斜板３１から受ける反力でロータ２２に回転トルクが与えられる。そしてロータ２２が５分の１回転する毎に、相隣り合う新たな膨張室４３内に高温高圧蒸気が供給されてロータ２２が連続的に回転駆動される。
【００４３】
ロータ２２の回転に伴って下死点に達したピストン４２が斜板３１に押圧されて上死点に向かって後退する間に、膨張室４３から押し出された低温低圧蒸気は、ロータ２２の第４蒸気通路Ｐ４と、回転側バルブプレート７４の第３蒸気通路Ｐ３と、摺動面７７と、固定側バルブプレート７３の円弧状の第５蒸気通路Ｐ５と、バルブ本体部７２の第６蒸気通路Ｐ６とを経て蒸気排出室９９に排出され、そこから凝縮器に供給される。
【００４４】
ロータ２２の回転に伴って出力軸３２に設けたオイルポンプ４９が作動し、オイルパン２１からオイルパイプ５２、ポンプボディ９５のオイル通路９５ｂ、吸入ポート５３を経て吸入されたオイルが吐出ポート５４から吐出され、ポンプボディ９５のオイル通路９５ｃ、出力軸３２のオイル通路３２ａ、出力軸３２の環状溝３２ｂ、出力軸３２のオイル孔３２ｃ…、シリンダスリーブ４１の環状溝４１ｂおよびシリンダスリーブ４１のオイル孔４１ｃ…を経て、ピストン４２の中間部６２に形成した小径部６２ｂとシリンダスリーブ４１との間の空間に供給される。そして前記小径部６２ｂに保持されたオイルの一部は、ピストン４２の中間部６２に形成した螺旋状のオイル溝６２ｄ…に流れてシリンダスリーブ４１との摺動面を潤滑し、また前記オイルの他の一部はピストン４２のトップ部６３に設けた圧縮リング６６，６６およびオイルリング６７とシリンダスリーブ４１との摺動面を潤滑する。
【００４５】
供給された高温高圧蒸気の一部が凝縮した水が膨張室４３からシリンダスリーブ４１およびピストン４２の摺動面に浸入してオイルに混入することは避けられず、そのために前記摺動面の潤滑条件は厳しいものとなるが、必要量のオイルをオイルポンプ４９から出力軸３２の内部を通してシリンダスリーブ４１およびピストン４２の摺動面に直接供給することで、充分な油膜を維持して潤滑性能を確保するとともにオイルポンプ４９の小型化を図ることができる。
【００４６】
シリンダスリーブ４１およびピストン４２の摺動面からオイルリング６７によって掻き取られたオイルは、オイルリング溝６３ｂの底部に形成したオイル孔６３ｃ…からピストン４２の内部の中空空間６２ａに流入する。前記中空空間６２ａはピストン４２の中間部６２を貫通する複数のオイル孔６２ｃ…を介してシリンダスリーブ４１の内部に連通しており、かつシリンダスリーブ４１の内部は複数のオイル孔４１ｃ…を介して該シリンダスリーブ４１の外周の環状溝４１ｂに連通している。環状溝４１ｂの周囲はロータ２２の中央のスリーブ支持フランジ３４によって覆われているが、スリーブ支持フランジ３４にはオイル孔３４ｂが形成されているため、ピストン４２の中空空間６２ａ内のオイルは遠心力で半径方向外側に付勢され、スリーブ支持フランジ３４のオイル孔３４ｂを通して断熱カバー４０内の空間６８に排出され、そこから断熱カバー４０のオイル孔４０ａ…を通してオイルパン２１に戻される。その際に、前記オイル孔３４ｂはスリーブ支持フランジ３４の半径方向外端よりも軸線Ｌ寄りに偏倚した位置にあるため、そのオイル孔３４ｂよりも半径方向外側にあるオイルは遠心力でピストン４２の中空空間６２ａに保持される。
【００４７】
このように、ピストン４２の内部の中空空間６２ａに保持されたオイルとピストン４２の外周の小径部６２ｂとに保持されたオイルとは、膨張室４３の容積が増加する膨張行程において前記小径部６２ｂからトップ部６３側に供給され、また膨張室４３の容積が減少する圧縮行程において前記小径部６２ｂからエンド部６１側に供給されるため、ピストン４２の軸方向全域を確実に潤滑することができる。またピストン４２の中空空間６２ａの内部でオイルが流動することで、高温高圧蒸気に晒されるトップ部６３の熱を低温のエンド部６１に伝えてピストン４２の温度が局部的に上昇するのを回避することができる。
【００４８】
第４蒸気通路Ｐ４から高温高圧蒸気が膨張室４３に供給されたとき、膨張室４３に臨むピストン４２のトップ部６３と中間部６２との間には断熱空間６５が形成されており、また膨張室４３に臨むロータヘッド３８にも断熱空間７０が形成されているため、膨張室４３からピストン４２およびロータヘッド３８への熱逃げを最小限に抑えて膨張機Ｅの性能向上に寄与することができる。またピストン４２の内部に大容積の中空空間６２ａを形成したので、ピストン４２の重量を低減することができるだけでなく、ピストン４２の熱マスを減少させて膨張室４３からの熱逃げを更に効果的に低減することができる。
【００４９】
後側のスリーブ支持フランジ３５とロータヘッド３８との間にメタルガスケット３６を介在させて膨張室４３をシールしたので、肉厚の大きい環状のシール部材を介して膨張室４３をシールする場合に比べて、シールまわりのデッドボリュームを減らすことができ、これにより膨張機Ｅの容積比（膨張比）を大きく確保し、熱効率を高めて出力の向上を図ることができる。またシリンダスリーブ４１をロータ２２と別体で構成したので、ロータ２２の材質に制約されずに熱伝導性、耐熱性、強度、耐摩耗性等を考慮してシリンダスリーブ４１の材質を選択することができ、しかも摩耗・損傷したシリンダスリーブ４１だけを交換することができるので経済的である。
【００５０】
またロータ２２の外周面に円周方向に形成した２個の切欠５７，５８からシリンダスリーブ４１の外周面が露出するので、ロータ２２の重量を軽減できるだけでなく、ロータ２２の熱マスを減少させて熱効率の向上を図ることができ、しかも前記切欠５７，５８を断熱空間として機能させることでシリンダスリーブ４１からの熱逃げを抑制することができる。更に、ロータ２２の外周部を断熱カバー４０で覆ったので、シリンダスリーブ４１からの熱逃げを一層効果的に抑制することができる。
【００５１】
ロータリバルブ７１は固定側バルブプレート７３および回転側バルブプレート７４間の平坦な摺動面７７を介してアキシャルピストンシリンダ群５６に蒸気を供給・排出するので、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７７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。
【００５２】
図５および図１１から明らかなように、固定側バルブプレート７３の第２蒸気通路Ｐ２に瞬間的に連通した回転側バルブプレート７４の第３蒸気通路Ｐ３に高温高圧蒸気が供給された後、第２蒸気通路Ｐ２と第３蒸気通路Ｐ３との連通が遮断されても、閉じられた第２蒸気通路Ｐ２内の高温高圧蒸気が回転側バルブプレート７４の摺動面を押圧し、かつ膨張行程が終了するまでの間は第３蒸気通路Ｐ３内の高温高圧蒸気の圧力が固定側バルブプレート７３の摺動面７７を押圧することで、固定側バルブプレート７３を回転側バルブプレート７４から引き離そうとする反力荷重が発生する。この反力荷重の作用位置Ｘは、第２蒸気通路Ｐ２と第３蒸気通路Ｐ３との連通が遮断された後の膨張行程で回転側バルブプレート７４が矢印Ｒ方向に回転するため、第２蒸気通路Ｐ２と第３蒸気通路Ｐ３とが連通する位置を基準として矢印Ｒ方向に所定角度θだけずれた位置となる。
【００５３】
一方、図５および図１３から明らかなように、固定側バルブプレート７３に形成した圧力室８５には蒸気供給パイプ８７の通孔８７ａから高温高圧蒸気が供給され、その高温高圧蒸気はパッキンリテーナ８９と圧力室８５の内周面８５ａとの隙間を通過してＶパッキン９０の背面を押圧し、Ｖパッキン９０の後部にシールリップ９０ｃ（図１４参照）を径方向外側に押圧して圧力室８５の内周面８５ａに密着させる。その結果、圧力室８５内の高温高圧蒸気の圧力が固定側バルブプレート７３を回転側バルブプレート７４に向けて押圧する。圧力室８５により発生する押圧荷重の中心位置Ｙは該圧力室８５の中心に一致しており、この押圧荷重の中心位置Ｙおよび前記反力荷重の中心位置Ｘはロータ２２の軸線Ｌから延びる共通の半径上に存在する。
【００５４】
従って、所定の大きさの押圧荷重が得られるように圧力室８５の直径を調整すれば、反力荷重が固定側バルブプレート７３を傾けようとするモーメントを、押圧荷重が固定側バルブプレート７３を傾けようとするモーメントで打ち消すことで、固定側バルブプレート７３の傾きを防止して摺動面７７からの高温高圧蒸気の漏れや、摺動面７７の偏摩耗を防止することができる。
【００５５】
尚、実施例では押圧荷重の中心位置Ｙが反力荷重の中心位置Ｘよりも径方向内側に存在するが、両中心位置Ｘ，Ｙを一致させれば固定側バルブプレート７３の傾きを一層効果的に防止することができる。
【００５６】
以上のように、固定側バルブプレート７３の合わせ面８４の全域に高温高圧蒸気の圧力を作用させるのでなく、固定側バルブプレート７３の摺動面７７に作用する反力荷重の中心位置Ｘに対応する位置に圧力室８５を形成し、その圧力室８５により発生する必要最小限の押圧荷重で前記反力荷重を打ち消すので、摺動面７７に過剰な面圧が作用するのを防止して摩擦損失や異常摩耗の発生を防止しながら、摺動面７７からの高温高圧蒸気の漏れを防止することができる。
【００５７】
更に、後部カバー１８をケーシング本体１２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７１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７１は高温になるが、オイルによる潤滑が必要な斜板３１や出力軸３２がロータ２２を挟んでロータリバルブ７１の反対側に配置されるので、高温となるロータリバルブ７１の熱でオイルが加熱されて斜板３１や出力軸３２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７１を冷却して過熱を防止する機能も発揮する。
【００５８】
ところで、膨張機Ｅを組み立てる際にシリンダスリーブ４１の底部（即ち、ロータヘッド３８に支持された蓋部材６９）およびピストン４２の頂部間のデッドボリュームの大きさ、つまりピストン４２が上死点にあるときの作動室４３の容積を調整する必要がある。出力軸３２のフランジ３２ｄと組み合わせアンギュラベアリング２３ｆ，２３ｒのインナーレースとの間に介在するシム９７を薄くすると、出力軸３２が前方（図１の右側）に移動するため、ロータヘッド３８も前方に移動するが、ピストン４２は斜板３１に規制されて前方に移動できないため、前記デッドボリュームは減少する。逆に、前記シム９７を厚くすると、出力軸３２と共にロータヘッド３８が後方（図１の左側）に移動するため、前記デッドボリュームは増加する。その結果、シム９７の交換だけでデッドボリュームを任意に調整することが可能になり、デッドボリュームの調整に要する工程を削除して時間を大幅に節減することができる。
【００５９】
また所定の厚さを有する単一のシム９７を出力軸３２のフランジ３２ｄと組み合わせアンギュラベアリング２３ｆ，２３ｒとの間に挟み、斜板３１を支持するアンギュラベアリング３０およびロータ２２を支持する組み合わせアンギュラベアリング２３ｆ，２３ｒを組み込んだ前部カバー１５と、ピストン４２…を組み込んだロータ２２とを一つのナット９８で締め付けるだけでデッドボリュームを調整することができるので、従来の前後２個のシムの厚さをそれぞれ調整する場合に比べて調整作業を簡単に行うことができる。しかもデッドボリュームの調整に際して、ピストン４２…を組み込んだロータ２２をケーシング本体１２に組み付けたままで良いため、、調整後のデッドボリュームの確認作業がピストン４２…および斜板３１の接触状態を直接見ながら行えるようになる。
【００６０】
上述のようにして、シム９７の厚さを変更することで組み合わせアンギュラベアリング２３ｆ，２３ｒに対して出力軸３２の位置を前後に調整すると、ロータ２２の後端部のロータヘッド３８の位置も前後に移動するが、そのロータヘッド３８はケーシング本体１２との間に設けたラジアルベアリング２４のインナーレースに対して軸線Ｌ方向に摺動自在であるため、出力軸３２の位置の調整に支障を来すことがない。
【００６１】
而して、膨張室４３に供給された高温高圧蒸気の圧力でピストン４２がシリンダスリーブ４１から押し出される方向に付勢されると、ピストン４２の押圧力は斜板３１、アンギュラベアリング３０、斜板ホルダ２８および前部カバー１５を介して組み合わせアンギュラベアリング２３ｆ，２３ｒのアウターレースを前方（図１の右側）に押圧し、前記ピストン４２の押圧力と逆向きのシリンダスリーブ４１の押圧力は、ロータヘッド３８および出力軸３２を介して組み合わせアンギュラベアリング２３ｆ，２３ｒのインナーレースを後方（図１の左側）に押圧する。即ち、膨張室４３に供給された高温高圧蒸気により発生する荷重は組み合わせアンギュラベアリング２３ｆ，２３ｒの内部で打ち消され、ケーシング本体１２に伝達されることはない。
【００６２】
出力軸３２、３個のスリーブ支持フランジ３３，３４，３５、ロータヘッド３８および断熱カバー４０で構成されたロータ２２は熱膨張量が比較的に小さい鉄系材料で構成されているのに対し、そのロータ２２を組み合わせアンギュラベアリング２３ｆ，２３ｒおよびラジアルベアリング２４を介して支持するケーシング１１は熱膨張量が比較的に大きいアルミニウム系材料で構成されているため、膨張機Ｅの低温時と高温時とで特に軸線Ｌに沿う方向の熱膨張量に差が発生する。
【００６３】
ロータ２２よりも熱膨張量が大きいケーシング１１は、高温時にはロータ２２よりも余分に膨張して軸線Ｌ方向の寸法が相対的に増加し、逆に低温時には余分に収縮して軸線Ｌ方向の寸法が相対的に減少する。このとき、ケーシング１１とロータ２２とは組み合わせアンギュラベアリング２３ｆ，２３ｒを介して軸線Ｌ方向に位置決めされているため、両者の熱膨張量の差はラジアルベアリング２４のインナーレースに対するロータヘッド３８の摺動により吸収され、組み合わせアンギュラベアリング２３ｆ，２３ｒ、ラジアルベアリング２４およびロータ２２に軸線Ｌ方向の過大な荷重が作用するのが防止される。これにより、組み合わせアンギュラベアリング２３ｆ，２３ｒおよびラジアルベアリング２４の耐久性が向上するだけでなく、ロータ２２の支持を安定させてスムーズな回転を可能にすることができ、しかも温度変化に伴うシリンダスリーブ４１の頂部およびピストン４２の頂部間のデッドボリュームの変動を防止することができる。
【００６４】
なぜならば、仮にロータ２２の両端部がケーシング１１に軸方向に移動不能に拘束されているとすると、低温時にはロータ２２に対してケーシング１１が軸線Ｌ方向に収縮しようとするため、ケーシング１１の一部である斜板ホルダ２８に支持された斜板３１に頭部が当接するピストン４２が後方に押圧され、かつケーシング１１にラジアルベアリング２４を介して支持されたロータヘッド３８が前方に押圧されることで、ピストン４２がシリンダスリーブ４１の内部に押し込まれてデッドボリュームが減少するからである。逆に、高温時にはロータ２２に対してケーシング１１が軸線Ｌ方向に伸長しようとするため、ピストン４２がシリンダスリーブ４１の内部から引き出されてデッドボリュームが増加することになり、暖機完了後の通常運転状態における高温高圧蒸気の初期容積の増大、つまり膨張機Ｅの容積比（膨張比）の低下による熱効率の低下が発生してしまう。
【００６５】
それに対して、本実施例ではロータ２２がケーシング１１に対して軸線Ｌ方向に浮動状態で支持されているため、組み合わせアンギュラベアリング２３ｆ，２３ｒおよびラジアルベアリング２４の軸受間の間隙の増大および予荷重の低下が防止され、温度変化に伴うデッドボリュームの変動が防止される。これにより、膨張機Ｅの容積比（膨張比）の変動を防止して安定した性能を確保することができる。
【００６６】
特に、高温高圧蒸気を作動媒体として使用する膨張機Ｅでは、高温時および低温時の温度差が大きくなるため、上記効果が有効に発揮される。また高温高圧蒸気が供給されるロータリバルブ７１の近傍は高温時および低温時の温度差が大きくなるが、そのロータリバルブ７１に近い側に配置されたラジアルベアリング２４に対してロータヘッド３８が軸線Ｌ方向に摺動可能なため、ケーシング１１およびロータ２２の熱膨張量の差を支障なく吸収することができる。
【００６７】
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。
【００６８】
例えば、実施例では押圧荷重の中心位置Ｙおよび反力荷重の中心位置Ｘをロータ２２の軸線Ｌから延びる共通の半径上に配置しているが、両中心位置Ｘ，Ｙは円周方向に多少ずれていても良い。要するに、両中心位置Ｘ，Ｙは大きくずれることなく、概ね一致していれば良い。
【００６９】
また実施例の膨張機Ｅは作動部としてアキシャルピストンシリンダ群５６を備えているが、作動部の構造はそれに限定されるものではない。
【００７０】
また本発明の回転流体機械は膨張機Ｅに限定されず、圧縮機、液圧ポンプ、液圧モータ等に適用することができる。
【００７１】
【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、バルブ本体部の固定側バルブプレートとの合わせ面に形成した圧力室に高圧の作動媒体を導入し、この圧力室に発生する押圧荷重の中心位置を、作動媒体の圧力により固定側バルブプレートおよび回転側バルブプレートの摺動面に発生する反力荷重の中心位置に概ね一致させたので、反力荷重が固定側バルブプレートを傾けようとするモーメントを押圧荷重が固定側バルブプレートを傾けようとするモーメントで打ち消すことで、固定側バルブプレートの傾きを防止して摺動面の密着性を確保するとともに、摺動面の偏摩耗を抑制して作動媒体の漏れを防止することができる。
【００７２】
しかも固定側バルブプレートの合わせ面の全域に高圧の作動媒体の押圧荷重を作用させるのでなく、反力荷重の中心位置に対応する位置だけに圧力室から必要最小限の押圧荷重を作用させて前記反力荷重を打ち消すので、摺動面に過剰な面圧が作用するのを防止して摩擦損失や異常摩耗の発生を防止しながら、摺動面からの作動媒体の漏れを防止することができる。
【００７３】
また請求項２に記載された発明によれば、固定側バルブプレートがバルブ本体部に浮動状態で支持されているので、圧力室からの押圧荷重で固定側バルブプレートを回転側バルブプレート７４との摺動面に押し付けるとき、回転側バルブプレートの傾きに固定側バルブプレートを自由に追従させて摺動面の密着性を高め、摺動面の偏摩耗を防止するとともに摺動面からの作動媒体の漏れを効果的に防止することができる。しかも圧力室の内部に配置したシール部材で該圧力室から合わせ面への作動媒体の漏れを阻止するので、固定側バルブプレートを充分な押圧荷重で回転側バルブプレートに向けて付勢して摺動面の密着性を一層高めることができる。
【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３−３線矢視図
【図４】図１の４部拡大図
【図５】図１の５部拡大図
【図６】ロータの分解斜視図
【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部拡大図
【図１０】図５の１０−１０線断面図
【図１１】図５の１１−１１線断面図
【図１２】図５の１２−１２線断面図
【図１３】図５の１３−１３線断面図
【図１４】コイルスプリング、パッキンリテーナおよびＶパッキンの斜視図
【符号の説明】
１１ ケーシング
２２ ロータ
５６ アキシャルピストンシリンダ群（作動部）
７１ ロータリバルブ
７２ バルブ本体部
７３ 固定側バルブプレート
７４ 回転側バルブプレート
７７ 摺動面
８４ 合わせ面
８５ 圧力室
９０ Ｖパッキン（シール部材）
Ｌ 軸線
Ｐ１ 第１蒸気供給通路（供給通路）
Ｐ２ 第２蒸気供給通路（供給通路）
Ｐ５ 第５蒸気供給通路（排出通路）
Ｐ６ 第６蒸気供給通路（排出通路）
Ｘ 反力荷重の中心位置
Ｙ 押圧荷重の中心位置

Claims (2)

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（２２）と、
   ロータ（２２）に設けられた作動部（５６）と、
   ケーシング（１１）およびロータ（２２）間に設けられて作動部（５６）に対する作動媒体の供給通路（Ｐ１，Ｐ２）および排出通路（Ｐ５，Ｐ６）を切り換えるロータリバルブ（７１）とを備え、
   前記ロータリバルブ（７１）は、ロータ（２２）に設けられた回転側バルブプレート（７４）と、ケーシング（１１）に固定したバルブ本体部（７２）に回転不能かつロータ（２２）の軸線（Ｌ）方向に移動可能に支持された固定側バルブプレート（７３）とを、軸線（Ｌ）に直交する摺動面（７７）において当接させてなる回転流体機械において、
   バルブ本体部（７２）の固定側バルブプレート（７３）との合わせ面（８４）に、作動媒体の供給通路（Ｐ１，Ｐ２）および排出通路（Ｐ５，Ｐ６）のうちの高圧側の通路から作動媒体を導入する圧力室（８５）を開口させ、この圧力室（８５）に発生する押圧荷重の中心位置（Ｙ）を、作動媒体の圧力により摺動面（７７）に発生する反力荷重の中心位置（Ｘ）に概ね一致させたことを特徴とする回転流体機械。
2. 固定側バルブプレート（７３）はバルブ本体部（７２）に浮動状態で支持されており、圧力室（８５）の内部に該圧力室（８５）から前記合わせ面（８４）への作動媒体の漏れを阻止するシール部材（９０）を配置したことを特徴とする、請求項１に記載の回転流体機械。

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