JP2005171953A - 回転流体機械 - Google Patents

Abstract

【課題】 回転流体機械のロータの回転角に対するピストンのストロークの関係を任意に設定できるようにする。
【解決手段】 膨張機のアキシャルピストンシリンダ群Ａのピストン４２を駆動すべく、ロータ２２の軸線Ｌを囲むようにケーシングに固定したカム部材２５に軸線Ｌ方向の高さが変化するカム面２５ａを形成し、このカム面２５ａにピストン４２の先端に回転自在に設けたローラ７３を当接させたので、吸気行程、膨張行程、排気行程等の各行程のタイミングや長さを任意に設定し、ピストン４２を任意のタイミングおよび任意の速度で駆動して膨張機の効率を高めることができる。しかもピストン４２に設けたローラ７３がカム面２５ａを転動するので、ロータ２２のトルクに寄与しない反力がカム面２５ａからピストン４２に伝達されるのを最小限に抑え、ピストン４２およびシリンダスリーブ４１の摺動面のコジリを防止して耐久性を向上させることができる。
【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、ロータにその軸線を囲むように配置されたアキシャルピストンシリンダ群とを備えた回転流体機械に関する。

かかる回転流体機械は、下記特許文献１により公知である。この回転流体機械は径方向内側に配置された第１のアキシャルピストンシリンダ群と、径方向外側に配置された第２のアキシャルピストンシリンダ群とを備えており、第１のアキシャルピストンシリンダ群のピストンの先端は斜板のディンプルに当接し、第２のアキシャルピストンシリンダ群のピストンはコネクティングロッドを介して前記斜板に接続されている。
特開２００２−２５６８０５号公報

ところで、膨張機のアキシャルピストンシリンダ群のピストンのストロークを斜板によって制御しようとすると、ロータの回転角に対するピストンのストロークの関係が正弦波状に規制されてしまう問題があった。そのため、例えば膨張行程の長さをロータの回転角の１８０°を越えるように延長して膨張比を増加させようとしても、斜板によって膨張行程の最大長さが１８０°に制限されるために不可能であった。

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の回転角に対するピストンのストロークの関係を任意に設定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、ロータにその軸線を囲むように配置されたアキシャルピストンシリンダ群と、軸線を囲むようにケーシングに固定されて軸線方向の高さが変化するカム面が形成された環状のカム部材と、アキシャルピストンシリンダ群のピストンの先端に設けられてカム部材のカム面に当接するカムフォロアとを備え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、カムフォロアは、軸線を中心として径方向に延びる回転軸を有するローラであ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２の構成に加えて、ピストンをシリンダスリーブに対して回り止めする回り止め手段を備えたことを特徴とする回転流体機械が提案される。

尚、実施例のボール５６、ローラ７６およびローラピン７７は本発明の回り止め手段に対応し、実施例のローラ７３は本発明のカムフォロアに対応する。

請求項１の構成によれば、回転流体機械のアキシャルピストンシリンダ群のピストンを案内すべく、ロータの軸線を囲むようにケーシングに固定した環状のカム部材に軸線方向の高さが変化するカム面を形成し、このカム面にピストンの先端に設けたカムフォロアを当接させたので、吸気行程、膨張行程、排気行程等の各行程のタイミングや長さを任意に設定し、ピストンを任意のタイミングおよび任意の速度で作動させて回転流体機械の効率向上を可能にすることができる。

請求項２の構成によれば、ピストンに設けられてカム部材のカム面に当接するカムフォロアを、軸線を中心として径方向に延びる回転軸を有するローラで構成したので、カム面からピストンに作用する反力をロータの接線方向のみに作用させ、ピストンのコジリや摺動抵抗の増加を最小限に抑えることができる。しかもカムフォロアとカム面との接触が滑り接触でなく転がり接触になるので、カムフォロアやカム面の摩耗を抑制して耐久性を高めることができる。

請求項３の構成によれば、回り止め手段によってピストンをシリンダスリーブに対して回り止めしたので、カムフォロアの回転軸の方向を常に軸線に対する径方向に一致させ、カム面からピストンに作用する反力をロータの接線方向のみに作用させることができる。

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１１は本発明の第１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はロータの分解斜視図、図６は図４の６−６線断面図、図７は図４の７−７線断面図、図８は図４の８−８線矢視図、図９はカム部材とピストンとの関係を示す斜視図、図１０はロータの回転角とピストンのストロークとの関係を示すグラフ、図１１はロータの回転角と各行程との関係を示す図である。

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の後面に円筒状のカム部材２５が軸線Ｌを囲むように複数本のボルト２６…で固定されており、このカム部材２５の後端面に軸線Ｌ方向の高さが変化するエンドレスのカム面２５ａが形成される。

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の後部に相互に所定幅の切欠５７，５８（図４参照）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。

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４参照）。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。

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２３，２３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。

組み合わせアンギュラベアリング２３，２３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２３，２３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２３，２３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２３，２３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。

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。

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。

次に、図４〜図９を参照してピストン４２の構造を詳細に説明する。

ピストン４２は先端部６１および基端部６２を溶接で一体に結合してなり、その内部に大容積かつ真空の断熱空間６４が区画される。基端部６２の膨張室４３側の端部にはトップリング６５およびセカンドリング６６が支持されており、また先端部６１および基端部６２の結合部には僅かに小径になった環状のオイル溝６３が形成されるとともに、オイル溝６３から先端部６１の外周に沿って軸線Ｌ方向に延びる１本のボール案内溝６１ａが形成される。シリンダスリーブ４１の内面には半球状のボール支持孔４１ｄが形成されており、このボール支持孔４１ｄとボール案内溝６１ａとに跨がるように１個のボール５６が配置される。

ピストン４１の先端部６１から前方に突出する一対のブラケット６１ｂ，６１ｂ間に、回転軸７２を介してボールベアリング状のローラ７３が回転自在に支持される。ボール支持孔４１ｄおよびボール案内溝６１ａに係合するボール５６によってピストン４１は軸線Ｌ方向の移動を可能にしながら回転方向に位置決めされており、この位置決め状態でローラ７３の回転軸７２は軸線Ｌに対して径方向に延びている。そしてローラ７３はカム部材２５のカム面２５ａに転動可能に当接する。このとき、ローラ７３とカム面２５ａとは、軸線Ｌに直交する面内で相互に線接触する。

ローラ７３が転動するカム面２５ａを潤滑すべく、図示せぬオイル供給源に連なるオイル供給パイプ７４がカム部材２５の内部に挿入されており、そこから延びるオイル供給孔２５ｂがカム面２５ａに近い位置に開口する。

シリンダスリーブ４１の中間部外周に環状溝４１ｂ（図４および図５参照）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。そしてピストン４２に形成したオイル溝６３がシリンダスリーブ４１のオイル孔４１ｃ…に連通する。

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４参照）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。

図１に示すように、ケーシング１１の後部カバー１８とロータ２２のシリンダヘッド３８との間にロータリバルブ７１が設けられる。ロータリバルブ７１は、蒸気供給パイプ６７からの高温高圧蒸気をロータ２２の回転に伴って５個の膨張室４３に順次供給し、膨張室４３からの低温低圧蒸気は本体ケーシング１２および後部カバー１８間に区画された蒸気排出室６８に排出される。

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Ａを構成する。

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が蒸気供給パイプ６７からロータリバルブ７１を経てシリンダスリーブ４１内の膨張室４３に供給されると、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、その先端部６１に設けたローラ７３がカム部材２５のカム面２５ａを押圧する。その結果、ピストン４２がカム面２５ａ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がカム面２５ａ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リバルブ７１を介して蒸気排出室６８に排出される。

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の外周面に形成したオイル溝６３に供給される。そしてオイル溝６３に保持されたオイルはピストン４２とシリンダスリーブ４１との摺動面を潤滑した後にオイルパン２１に戻される。

図１０に破線で示すように、アキシャルピストンシリンダ群Ａのピストン４２を斜板のディンプルに当接させた従来のものでは、ロータ２２の位相に対するピストン４２のストロークは正弦波状になるように決められてしまうが、本実施例では斜板に代えてカム部材２５を採用したことにより、図１０に実線で示すように、ロータ２２の回転角に対するピストン４２のストロークの関係を任意に設定することができる。

図１１はロータ２２の回転角と、吸気行程、膨張行程および排気行程との関係を示すものであり、図１１（Ａ）に示す従来の斜板を用いたものでは、膨張行程を位相１８０°の下死点の近傍までしかとることができなかったが、図１１（Ｂ）に示す本実施例のカム部材２５を用いたものでは、膨張行程を位相２４０°の下死点の近傍まで長くとることが可能となるので、高温高圧蒸気の膨張比を高めて膨張機Ｅの出力を増加させることができる。

またピストン４２の先端部を斜板のディンプルに当接させた従来のものでは、ロータ２２の回転に伴ってピストン４２と斜板のディンプルとの当接点が移動するため、ピストン４２が斜板から受ける反力が、ロータ２２に有効なトルクを発生させる方向（つまりロータ２２の接線方向）以外の成分を持ってしまい、この不要な反力成分によってピストン４２のコジリや摺動抵抗の増加といった問題が発生してしまう。

それに対して本実施例では。ピストン４２の先端に設けたローラ７３をカム部材２５のカム面２５ａに転動可能に当接させ、かつピストン４２をボール５６で回り止めしてローラ７３およびカム面２５ａを常に軸線Ｌを中心とする放射線上で線接触させるので、ピストン４２にロータ２２の接線方向以外の反力が作用しないようにし、ピストン４２のコジリや摺動抵抗の増加を最小限に抑えて膨張機Ｅの出力向上および耐久性向上を図ることができる。

また従来はピストン４２のストロークを増加させて膨張機Ｅの膨張比を大きく確保するために斜板の傾斜角を大きくしようとしても、その傾斜角には限界があった。そこで斜板の傾斜角を増加させずにピストン４２を大きなピッチ円上に配置してストロークを増加させようとすると、今度は膨張機Ｅの寸法が大型化する問題が発生する。しかしながら本実施例によれば、斜板に代えてカム部材２５を採用したことにより、ピストン４２のストロークを容易に増加させることができるので、膨張機Ｅを大型化することなく膨張比を大きく確保して出力の向上を図ることができる。

またピストンの外周面に形成したボール案内溝６１ａと、シリンダスリーブ４１の内周面に形成したボール支持孔４１ｄとにボール５６を係合させたので、部品点数および加工工数の少ない簡単な構造でピストン４２を確実に回り止めすることができる。

図１２〜図１４はピストン４２の回り止め構造の第２実施例を示すもので、図１２は前記図４に対応する図、図１３は図１２の１３−１３線断面図、図１４は図１２の１４−１４線矢視図である。

第２実施例はピストン４２が先端部６１の一側面に開口する凹部６１ｃを備えており、この凹部６１ｃを貫通する軸孔６１ｄに挿入した回転軸７５にボールベアリング状のローラ７６が回転自在に支持される。ピストン４２の外周面から径方向外側に僅かに突出するローラ７６の外周面は、シリンダスリーブ４１に内周面に軸線Ｌ方向に形成した平坦なガイド溝４１ｅに転動自在に当接する。

しかして、ローラ７６とガイド溝４１ｅとはロータ２２の接線方向に線接触するため、ピストン４２が軸線Ｌ方向にスムーズに摺動するのを可能にしながら、ピストン４２を回転不能に回り止めすることができる。この第２実施例によれば、第１実施例のピストン４２のボール案内溝６１ａがボール５６から受けるヘルツ面圧に比べて、シリンダスリーブ４１のガイド溝４１ｅがローラ７６から受けるヘルツ面圧を大幅に小さくすることができる。

図１５〜図１７はピストン４２の回り止め構造の第３実施例を示すもので、図１５は前記図４に対応する図、図１６は図１５の１６−１６線断面図、図１７は図１５の１７−１７線矢視図である。

第３実施例はシリンダスリーブ４１を貫通するピン孔４１ｆに回転自在に挿入されたローラピン７７を備えており、このローラピン７７が転動自在に当接する平坦なガイド面６１ｅがピストン４２の先端部６１の外周面に軸線Ｌ方向に形成される。

しかして、ローラピン７７とガイド面６１ｅとはロータ２２の接線方向に線接触するため、ピストン４２が軸線Ｌ方向にスムーズに摺動するのを可能にしながら、ピストン４２を回転不能に回り止めすることができる。この第３実施例によれば、第１実施例と同様に簡単な構造でありながら、第１実施例に比べてガイド部のヘルツ面圧を低減することができる。

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。

カム部材２５のカム面２５ａのプロフィールは実施例に限定されず、その目的に応じて適宜変更することができる。例えば、吸気行程後の早い段階で膨張行程をとり、熱損失および機械損失が大きくなる前にエネルギー回収を行ったり、排気ポートが開いてトップリング６５およびセカンドリング６６の張りが弱くなったところから一気に排気を行うことで、排気ポンピングロスおよび機械損失を小さくしたり、ピストン４２の上死点付近のストロークを小さくしてピストンが上死点に達してから排気ポートが閉じるようにすることで、液化した作動媒体を圧縮してマイナストルクが発生するのを抑制したりすることができる。

またカムフォロアは実施例のローラ７３に限定されず、任意の方向に回転可能なボールであっても良い。このようなボールを採用すれば、ピストン４２の回り止めは不要になる。またカムフォロアとしてローラやボールに代えて耐摩耗性を有するスライダを採用することが可能であり、スライダを採用した場合にはカム面との接触は転がり接触でなく滑り接触になる。

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２−２線断面図 図１の３−３線矢視図 図１の４部拡大図 ロータの分解斜視図 図４の６−６線断面図 図４の７−７線断面図 図４の８−８線矢視図 カム部材とピストンとの関係を示す斜視図 ロータの回転角とピストンのストロークとの関係を示すグラフ ロータの回転角と各行程との関係を示す図 本発明の第２実施例に係る、前記図４に対応する図 図１２の１３−１３線断面図 図１２の１４−１４線矢視図 本発明の第３実施例に係る、前記図４に対応する図 図１５の１６−１６線断面図 図１５の１７−１７線矢視図

符号の説明

１１ ケーシング
２２ ロータ
２５ カム部材
２５ａ カム面
４１ シリンダスリーブ
４２ ピストン
５６ ボール（回り止め手段）
７２ 回転軸
７３ ローラ（カムフォロア）
７６ ローラ（回り止め手段）
７７ ローラピン（回り止め手段）
Ａ アキシャルピストンシリンダ群
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）にその軸線（Ｌ）を囲むように配置されたアキシャルピストンシリンダ群（Ａ）と、
   軸線（Ｌ）を囲むようにケーシング（１１）に固定されて軸線（Ｌ）方向の高さが変化するカム面（２５ａ）が形成された環状のカム部材（２５）と、
   アキシャルピストンシリンダ群（Ａ）のピストン（４２）の先端に設けられてカム部材（２５）のカム面（２５ａ）に当接するカムフォロア（７３）と、
   を備えたことを特徴とする回転流体機械。
2. カムフォロアは、軸線（Ｌ）を中心として径方向に延びる回転軸（７２）を有するローラ（７３）であることを特徴とする、請求項１に記載の回転流体機械。
3. ピストン（４３）をシリンダスリーブ（４１）に対して回り止めする回り止め手段（５６，７６，７７）を備えたことを特徴とする、請求項２に記載の回転流体機械。
   

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