JP2005163576A - 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圧力室に収納されたシール部材が、圧力室が低圧の場合にも充分なシール機能を発揮できるようにする。
【解決手段】 ロータリバルブ７１のバルブ本体部７２の固定側バルブプレート７３との合わせ面８３に高温高圧蒸気が導入される圧力室８４を開口させ、この圧力室８４に収納したＶパッキン８８により合わせ面８３への蒸気の漏れを阻止するとともに、圧力室８４に作用する圧力で固定側バルブプレート７３および可動側バルブプレート７４を摺動面７７において密着させる。Ｖパッキン８８の背面に設けたバックアップリング９０で該Ｖパッキン８８を少なくとも径方向外側に押圧するので、圧力室８４が低圧の状態にあってＶパッキン８８がシール機能を発揮し難い場合でも、バックアップリング９０の押圧力でＶパッキン８８のシールリップＳ２を圧力室８４の内周面８４ａに押し付けてシール機能を確保し、高温高圧蒸気の漏洩を阻止することができる。
【選択図】 図４

Description

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。

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１により公知である。
実開昭６１−１５５６１０号公報

ところで、バルブ本体部に支持した固定側バルブプレートとロータに支持した可動側バルブプレートとを摺動面において接触させて作動媒体の供給・排出を制御する膨張機用のロータリバルブにおいて、バルブ本体部に固定側バルブプレートとの合わせ面に開口する圧力室を形成し、この圧力室に収納したＶパッキンのような可撓性を有するシール部材の背面に作動媒体の圧力を作用させることで、固定側バルブプレートを可動側バルブプレートに押し付けて摺動面のシール性を確保することが考えられる。

しかしながら、圧力室に供給される作動媒体の圧力が低い場合には、Ｖパッキンの外周面を圧力室の内周面に強く押し付けることができず、そのシール機能が低下して作動媒体が圧力室から漏洩することがあり、この漏洩が一旦発生すると作動媒体の圧力が増加しても漏洩を止めることができず、膨張機の運転を停止してから再始動する必要があった。このような不具合を解消するために、コイルスプリングでＶパッキンを軸線方向に押圧してシール性を高めることが考えられるが、軸線方向に配置したコイルスプリングでＶパッキンを径方向外側に付勢することは難しく、しかも作動媒体が高温になるとコイルスプリングの弾発力が低下するために充分な効果を期待することができなかった。

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圧力室に収納されたシール部材が、圧力室が低圧の場合にも充分なシール機能を発揮できるようにすることを目的とする。

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・排出を制御するロータリバルブとを備え、ロータリバルブは、ケーシング側に固定したバルブ本体部に回転不能にフローティング支持された固定側バルブプレートとロータ側に支持された可動側バルブプレートとを軸線に直交する摺動面において接触させ、バルブ本体部の固定側バルブプレートとの合わせ面に高圧の作動媒体が導入される圧力室を開口させ、この圧力室に収納したシール部材により該圧力室から合わせ面への作動媒体の漏れを阻止するとともに、圧力室に作用する作動媒体の圧力で固定側バルブプレートおよび可動側バルブプレートを摺動面において密着させる回転流体機械であって、シール部材の背面に該シール部材を少なくとも径方向外側に押圧する押圧部材を設けたことを特徴とする回転流体機械が提案される。

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、押圧部材は与荷重をもってシール部材を押圧することを特徴とする回転流体機械が提案される。

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、押圧部材を金属製としたことを特徴とする回転流体機械が提案される。

尚、実施例のアキシャルピストンシリンダ群Ａは本発明の作動部に対応し、実施例のＶパッキン８８は本発明のシール部材に対応し、実施例のバックアップリング９０は本発明の押圧部材に対応する。

請求項１の構成によれば、ロータリバルブのバルブ本体部の固定側バルブプレートとの合わせ面に高圧の作動媒体が導入される圧力室を開口させ、この圧力室に収納したシール部材により該圧力室から合わせ面への作動媒体の漏れを阻止するとともに、圧力室に作用する作動媒体の圧力で固定側バルブプレートおよび可動側バルブプレートを摺動面において密着させる際に、シール部材の背面に設けた押圧部材で該シール部材を少なくとも径方向外側に押圧するので、圧力室が低圧の状態にあってシール部材がシール機能を発揮し難い場合でも、押圧部材の押圧力でシール部材の外周面を圧力室の内周面に押し付けてシール機能を確保し、作動媒体の漏洩を阻止することができる。

請求項２の構成によれば、押圧部材は与荷重をもってシール部材を押圧するので、その与荷重でシール部材にシール機能を発揮させて作動媒体の漏洩を確実に阻止することができる。

請求項３の構成によれば、押圧部材を金属製としたので、圧力室が高温になると押圧部材が熱膨張してシール部材をより強く押圧することで、そのシール性を一層高めることができる。

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

図１〜図９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部拡大図、図３はロータの分解斜視図、図４は図１の４部拡大図、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線矢視図、図８は図４の８−８線矢視図、図９はコイルスプリング、パッキンリテーナ、バックアップリングおよびＶパッキンの斜視図である。

図１〜図３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。

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２３，２３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。

ロータ２２は、組み合わせアンギュラベアリング２３，２３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。

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。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。

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４〜図９に基づいて説明する。

図４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、カーボン製の固定側バルブプレート７３と、カーボン製、テフロン（登録商標）製、金属製等の可動側バルブプレート７４とを備える。可動側バルブプレート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２参照）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。

バルブ本体部７２は、そ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９１を介して当接し、複数本のボルト９２…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７９が複数本のボルト８０…で固定されており、このホルダ７９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、テフロン（登録商標）コーティングしたノックピン８１，８１で回り止めされる。固定側バルブプレート７３はノックピン８１，８１によって回転方向に位置決めされるが、径方向および軸線Ｌ方向には僅かに移動可能にフローティング支持される。

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８３に、円形断面の圧力室８４が開口する。バルブ本体部７２をシール部材９３を介して貫通する蒸気供給パイプ８５が圧力室８４の中心を通って合わせ面８３まで延びており、圧力室８４の内部において、蒸気供給パイプ８５の外周にコイルスプリング８６、パッキンリテーナ８７、バックアップリング９０およびＶパッキン８８が順次配置される。

蒸気供給パイプ８５の先端と固定側バルブプレート７３の合わせ面８３との間には僅かな隙間が設定されており、蒸気供給パイプ８５が軸線Ｌ方向に熱膨張しても、その先端が合わせ面８３と干渉しないようになっている。蒸気供給パイプ８５に形成した１個の通孔８５ａが圧力室８４の後部に連通する。圧力室８４に供給された高温高圧蒸気は固定側バルブプレート７３を可動側バルブプレート７４に向けて付勢し、両者の摺動面７７を密着させてシール性を高める機能を発揮する。通孔８５ａの数は、蒸気供給パイプ８５の強度および圧力室８４への必要蒸気供給量に応じて複数個としても良い。

図４および図９から明らかなように、テーパーしていない等径のコイルスプリング８６により付勢されるパッキンリテーナ８７は、コイルスプリング８６が当接する平坦面８７ａと、平坦面８７ａの反対側に形成された円錐面８７ｂと、蒸気供給パイプ８５の外周に緩く嵌合する貫通孔８７ｃとを備える。

弾性を有する薄肉のステンレス板をプレス成形して表面に銀メッキを施した裁頭円錐状のバックアップリング９０は、パッキンリテーナ８７の円錐面８７ｂに対向する内面９０ａと、後述するＶパッキン８８の円錐面８８ａに対向する外面９０ｂとを有しており、自由状態での断面形状は内面９０ａ側から外面９０ｂ側に凸になるように湾曲している。

バックアップリング９０を介してパッキンリテーナ８７に支持されるＶパッキン８８には、バックアップリング９０の外面９０ｂに対向する円錐面８８ａと、固定側バルブプレート７３の合わせ面８３との間をシールする第１のシールリップＳ１と、圧力室８４の内周面８４ａとの間をシールする第２のシールリップＳ２とが形成される。

このＶパッキン８８は圧力室８４の内周面８４ａとの間のシールを主要な目的とするもので、第２のシールリップＳ２を圧力室８４の蒸気圧で径方向外側に変形させて内周面８４ａに密着させるようになっている。従って、第２のシールリップＳ２はバルブ本体部７２の熱伸びによる圧力室８４の内周面８４ａの内径の拡大に良く追従してシール性を確保することができる。

コイルスプリング８６は、高温高圧蒸気の圧力が立ち上がる前にＶパッキン８８を固定側バルブプレート７３との合わせ面８３に押し付ける予荷重を与えるとともに、固定側バルブプレート７３の振動をシール部材８２と圧力室８４内の高温高圧蒸気の圧力との協働により減衰させる機能を有する。パッキンリテーナ８７はＶパッキン８８を圧力室８４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８８の耐久性を高める機能を有する。

またコイルスプリング８６を、圧力室８４の小さい空間内にスプリング巻き数を多く取るためにスプリングシートを廃止した構造とし、かつ直接Ｖパッキン８８に当接させることなく、Ｖパッキン８８との間に介在するパッキンリテーナ８７をスプリングシートとして利用することで、Ｖパッキン８８に特別のスプリングシートを設ける必要をなくし、コイルスプリング８６の長さを最大限に確保しながら圧力室８４の軸線Ｌ方向の寸法を小型化することができる。

図４〜図８から明らかなように、ロータ２２の軸線Ｌ上に蒸気供給パイプ８５が配置され、その径方向外側に偏倚して蒸気排出パイプ８９が配置される。蒸気供給パイプ８５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。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…が可動側バルブプレート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が摺動面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が摺動面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。

また固定側バルブプレート７３の摺動面７７には、相互に連通する円弧状の第５蒸気通路Ｐ５および２個の円弧状の第６蒸気通路Ｐ６，Ｐ６が凹設されており、第６蒸気通路Ｐ６，Ｐ６は合わせ面８３においてバルブ本体部７２に形成された２個の第７蒸気通路Ｐ７，Ｐ７に連通する。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９４が形成されており、この蒸気排出室９４は蒸気排出パイプ８９に連通するとともに、バルブ本体部７２に形成した２個の第７蒸気通路Ｐ７，Ｐ７に連通する。

図６から明らかなように、ロータリバルブ７１の固定側バルブプレート７３の摺動面７７には高温高圧蒸気を供給する円形の第２蒸気通路Ｐ２と、低温低圧蒸気を排出する円弧状の第５蒸気通路Ｐ５とが開口しており、可動側バルブプレート７４の５個の第３蒸気通路Ｐ３…の一つが円形の第２蒸気通路Ｐ２に連通した瞬間が吸気行程となり、前記第３蒸気通路Ｐ３が第２蒸気通路Ｐ２との連通を遮断されてから円弧状の第５蒸気通路Ｐ５に連通するまでの間が膨張行程となり、前記第３蒸気通路Ｐ３が円弧状の第５蒸気通路Ｐ５に連通している間が排気行程となる。

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。

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８５内の第１蒸気通路Ｐ１と、合わせ面８３と、固定側バルブプレート７３の第２蒸気通路Ｐ２とを経て可動側バルブプレート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と一体に回転する可動側バルブプレート７４に形成した５個の第３蒸気通路Ｐ３…に所定のタイミングで瞬間的に連通し、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。

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。

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、可動側バルブプレート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の第５蒸気通路Ｐ５および第６蒸気通路Ｐ６，Ｐ６と、合わせ面８３と、バルブ本体部７２の第７蒸気通路Ｐ７，Ｐ７と、蒸気排出室９４と、蒸気排出パイプ８９とを経て凝縮器に供給される。

ロータリバルブ７１は固定側バルブプレート７３および可動側バルブプレート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Ａ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。しかも膨張機Ｅに供給される高温高圧蒸気の圧力が高まると、固定側バルブプレート７３および可動側バルブプレート７４の摺動面７７から高温高圧蒸気が漏れ易くなるが、その圧力の増加に応じて圧力室８４が発生する押圧荷重が増加して摺動面７７の面圧を高めるので、高温高圧蒸気の圧力に応じたシール性を発揮させることができる。

ところで、圧力室８４に供給される蒸気の圧力が低い場合には、蒸気の圧力でＶパッキン８８の第２のシールリップＳ２を圧力室８４の内周面８４ａに強く押し付けることができず、そのシール機能が低下して圧力室８４から蒸気が漏洩する可能性がある。コイルスプリング８６は主としてＶパッキン８８を軸線Ｌ方向に押圧してＶパッキン８８の第１のシールリップＳ１を固定側バルブプレート７３に押し付ける機能を有するため、第２のシールリップＳ２のシール性を向上させる効果はあまり期待できない。

しかしながら、パッキンリテーナ８７とＶパッキン８８との間に挟まれたバックアップリング９０が圧力室８４の圧力およびコイルスプリング８６の弾発力で軸線Ｌ方向に圧縮され、その断面形状が湾曲状態から直線状態に変化することで、Ｖパッキン８８を斜め前方に付勢する予荷重を発生し、その予荷重の径方向外向きの成分でＶパッキン８８の第２のシールリップＳ２を圧力室８４の内周面８４ａに押し付けてシール機能を発揮することができる。

また圧力室８４の内部が高温状態になると、コイルスプリング８６の弾発力が低下するため、バックアップリング９０を軸線方向に圧縮する荷重も減少するが、金属製のバックアップリング９０が径方向に熱膨張し、かつバックアップリング９０の外周面が圧力室８４の内周面８４ａに当接して径方向の移動を阻止されるため、バックアップリング９０は湾曲度が増加する方向に熱変形してＶパッキン８８を押圧する荷重が増加し、その荷重の径方向外向きの成分で第２のシールリップＳ２を圧力室８４の内周面８４ａに押し付けてシール性を高めることができる。

このように、アイドリング時のような蒸気の高温低圧時であって、Ｖパッキン８８の第２のシールリップＳ２と圧力室８４の内周面８４ａとの間のシール性が低下し易いときに、バックアップリング９０の作用でＶパッキン８８の第２のシールリップＳ２を圧力室８４の内周面８４ａに強く押し付け、蒸気の漏洩を効果的に抑制して膨張機Ｅの性能低下を防止することができる。

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。

例えば、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Ａ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。

またバックアップリング９０の形状は、製作上や加工上の簡便さを得るために、図４および図９に示した湾曲形状に限らず、パッキンリテーナ８７の円錐面８７ｂおよびＶパッキン８８の円錐面８８ａに類似の直線状の内面９０ａおよび外面９０ｂを有するものでも良い。要するに、その曲率等を変えて、シール部材（Ｖパッキン８８）の外周面（円錐面８８ａ）を圧力室８４の内周面８４ａに押し付けてシール機能を発揮する押圧力を発生するものであれば良い。

また本発明の回転流体機械は膨張機Ｅに限定されず、圧縮機にも適用することができる。

膨張機の縦断面図 図１の２部拡大図 ロータの分解斜視図 図１の４部拡大図 図４の５−５線矢視図 図４の６−６線矢視図 図４の７−７線矢視図 図４の８−８線矢視図 コイルスプリング、パッキンリテーナ、バックアップリングおよびＶパッキンの斜視図

符号の説明

１１ ケーシング
２２ ロータ
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 可動側バルブプレート
７７ 摺動面
８３ 合わせ面
８４ 圧力室
８８ Ｖパッキン（シール部材）
９０ バックアップリング（押圧部材）
Ａ アキシャルピストンシリンダ群（作動部）
Ｌ 軸線

Claims (3)

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（Ａ）と、
   ケーシング（１１）およびロータ（２２）間に設けられて作動部（Ａ）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（７１）とを備え、
   ロータリバルブ（７１）は、ケーシング（１１）側に固定したバルブ本体部（７２）に回転不能にフローティング支持された固定側バルブプレート（７３）とロータ（２２）側に支持された可動側バルブプレート（７４）とを軸線（Ｌ）に直交する摺動面（７７）において接触させ、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（８３）に高圧の作動媒体が導入される圧力室（８４）を開口させ、この圧力室（８４）に収納したシール部材（８８）により該圧力室（８４）から合わせ面（８３）への作動媒体の漏れを阻止するとともに、圧力室（８４）に作用する作動媒体の圧力で固定側バルブプレート（７３）および可動側バルブプレート（７４）を摺動面（７７）において密着させる回転流体機械であって、
   シール部材（８８）の背面に該シール部材（８８）を少なくとも径方向外側に押圧する押圧部材（９０）を設けたことを特徴とする回転流体機械。
2. 押圧部材（９０）は与荷重をもってシール部材（８８）を押圧することを特徴とする、請求項１に記載の回転流体機械。
3. 押圧部材（９０）を金属製としたことを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の回転流体機械。
   

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