JP2005201160A - 回転流体機械 - Google Patents
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Abstract
【課題】 回転流体機械のピストンの球状凸部と斜板の球状凹部との接点のスリップを防止する。
【解決手段】 作動室43に作動媒体が供給されてピストン42がシリンダ41から押し出され、ピストン42の球状凸部42aが斜板31の球状凹部31aを押圧するときの接点CPを、球状凹部31aの曲率中心Oおよび斜板31の軸線Lsを含む平面Pが球状凹部31aと交差する交線CL上に位置させたので、ピストン42が斜板31を強く押圧しても球状凸部42aと球状凹部31aとが接点CPにおいて円周方向および径方向等にスリップすることが防止される。これにより、ロータ22および斜板31の位相がずれて振動や騒音が発生するのを防止することができ、しかもピストン42に大きなサイドスラストが作用してシリンダ41との間にコジリや摺動摩擦による熱が発生しないようにし、異常摩耗や焼き付きを防止することができる。
【選択図】 図2
【解決手段】 作動室43に作動媒体が供給されてピストン42がシリンダ41から押し出され、ピストン42の球状凸部42aが斜板31の球状凹部31aを押圧するときの接点CPを、球状凹部31aの曲率中心Oおよび斜板31の軸線Lsを含む平面Pが球状凹部31aと交差する交線CL上に位置させたので、ピストン42が斜板31を強く押圧しても球状凸部42aと球状凹部31aとが接点CPにおいて円周方向および径方向等にスリップすることが防止される。これにより、ロータ22および斜板31の位相がずれて振動や騒音が発生するのを防止することができ、しかもピストン42に大きなサイドスラストが作用してシリンダ41との間にコジリや摺動摩擦による熱が発生しないようにし、異常摩耗や焼き付きを防止することができる。
【選択図】 図2
Description
本発明は、アキシャルピストンシリンダ群のピストンおよびシリンダ間に形成された作動室に対する作動媒体の供給・排出をロータリバルブにより制御する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。この回転流体機械のロータに配置されたアキシャルピストンシリンダ群のピストンの先端には球状凸部が設けられており、この球状凸部が斜板に設けられた球状凹部に当接する。作動室に供給された高温高圧蒸気によってピストンがシリンダから押し出されると、ピストンの球状凸部が斜板の球状凹部を押圧し、ピストンが斜板から受ける反力でロータに回転トルクが与えられる。
特開2002−256805号公報
ところで、吸気行程の開始時に高温高圧蒸気が供給された作動室の圧力が急激に立ち上がってピストンが強く押し出されると、ピストンの球状凸部と斜板の球状凹部との接触面圧が急激に高まり、球状凸部と球状凹部との接点が斜板の円周方向および径方向等にスリップする可能性がある。このように球状凸部と球状凹部との接点が円周方向および径方向等にスリップすると、ロータおよび斜板の位相が変化してロータの回転角速度が急変し、振動や騒音の原因となるだけでなく、ピストンに大きなサイドスラストが作用してシリンダとの間にコジリや摺動摩擦による熱が発生し、異常摩耗や焼き付きの原因となる問題がある。
本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、回転流体機械のピストンの球状凸部と斜板の球状凹部との接点のスリップを防止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環状に配置されたアキシャルピストンシリンダ群と、ロータの軸線に対して傾斜した軸線上に回転自在に支持された斜板と、アキシャルピストンシリンダ群のピストンおよびシリンダ間に形成された作動室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、ピストンの先端に形成された球状凸部を、斜板にその軸線を囲むように環状に配置された球状凹部に当接させ、作動室に供給された作動媒体の圧力で前進するピストンの球状凸部が斜板の球状凹部から受ける反力でロータを回転駆動する回転流体機械において、ピストンの球状凸部が斜板の球状凹部を押圧するときの接点を、球状凹部の曲率中心および斜板の軸線を含む平面が球状凹部と交差する交線上に位置させ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、作動室に作動媒体が供給された瞬間の前記接点を前記交線上に位置させ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3に記載された発明によれば、請求項2の構成に加えて、作動媒体が圧縮性流体であることを特徴とする回転流体機械が提案される。
請求項1の構成によれば、ピストンの球状凸部が斜板の球状凹部を押圧するときの接点を、球状凹部の曲率中心および斜板の軸線を含む平面が球状凹部と交差する交線上に位置させたので、ピストンが斜板を強く押圧しても球状凸部と球状凹部とが接点において円周方向および径方向等にスリップすることが防止され、ロータおよび斜板の位相がずれて振動、騒音、摺動摩擦や発熱による異常摩耗や焼き付き等が発生するのを防止することができる。
請求項2の構成によれば、作動室に作動媒体が供給された瞬間の前記接点を前記交線上に位置させたので、作動室の圧力が急激に立ち上がった瞬間に、つまりピストンの球状凸部と斜板の球状凹部とが前記交点において最もスリップし易いときに、そのスリップを確実に防止してロータのスムーズな回転を可能にすることができる。
請求項3の構成によれば、作動媒体が圧縮性流体であるために作動室に作動媒体が供給された瞬間に圧力が衝撃的に立ち上がっても、球状凸部と球状凹部とが前記交点においてスリップすることが防止されてロータのスムーズな回転が保証される。
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7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部拡大図(図6の2−2線断面図)、図3はロータの分解斜視図、図4は図2の4−4線矢視図、図5はロータの回転角に対する作動室の圧力変動を示すグラフ、図6は図2の6−6線矢視図、図7は5本のピストンの接触点の軌跡を示す図である。
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Lr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Lsは前記ロータ22の軸線Lrに対して傾斜しており、その傾斜角θ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Lr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41…が後方から嵌合する。各々のシリンダ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の先端に形成された球状凸部42aは斜板31に形成された球状凹部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との間に蒸気の作動室43が区画される。
図1、図2および図4から明らかなように、ロータ22の軸線Lr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。ロータリバルブ71はケーシング11に固定された固定側バルブプレート73と、ロータ22に固定された可動側バルブプレート74とを摺動面77において摺動自在に当接させてなり、蒸気供給パイプ85の内部に形成した第1蒸気通路P1(図1参照)は摺動面77に開口する円形の第2蒸気通路P2に連通するとともに、摺動面77に開口する円弧状の第5蒸気通路P5は蒸気排出パイプ89に連通する。可動側バルブプレート74には、摺動面77において第2蒸気通路P2および第5蒸気通路P5に連通可能な5個の第3蒸気通路P3…が軸線Lrを囲むように等間隔で配置されており、これら5個の第3蒸気通路P3…はロータヘッド38を貫通する5個の第4蒸気通路P4…を介して5個の作動室43…にそれぞれ連通する。
図4から明らかなように、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には、固定側バルブプレート73に形成された円形の第2蒸気通路P2(鎖線図示)および円弧状の第5蒸気通路P5(鎖線図示)と、可動側バルブプレート74に開口する5個の第3蒸気通路P3…のうちの一つ(実線図示)とが開口する。ロータ22と共に回転する可動側バルブプレート74の回転方向は矢印で示されており、その第3蒸気通路P3は上死点よりも角度αだけ手前のP3(1)位置で第5蒸気通路P5との連通を遮断されると同時に第2蒸気通路P2に連通する。そして第3蒸気通路P3は上死点TDCを角度αだけ越えたP3(2)位置で第2蒸気通路P2との連通を絶たれ、P3(1)位置からP3(2)位置までの間が吸気工程となる。また第3蒸気通路P3は下死点BDCよりも角度βだけ手前のP3(3)位置で第5蒸気通路P5と連通し、P3(2)位置からP3(3)位置までの間が膨張工程となり、P3(3)位置からP3(1)位置までの間が排気工程となる。
図5は上死点を基準としたロータ22の回転角に対する作動室43の圧力変化を示すもので、上死点よりも角度αだけ手前で始まって角度αだけ先で終わる吸気行程において第2蒸気通路P2が第3蒸気通路P3に連通して圧力が一気に増加し、続く膨張行程では密閉された作動室43内で高温高圧蒸気が膨張することで圧力が次第に減少して低温低圧蒸気となり、続く排気行程では作動室43が開放されて圧力が低下し、凝縮器の内圧と略同等圧(略大気圧)になる。
図6は斜板31をその軸線Ls方向に見た図であり、5個の球状凹部31a…の曲率中心O…は斜板31の軸線Lsを中心とする円上に等間隔で位置している。一方、ロータ22の軸線Lrは斜板31の軸線Lsに対して角度θだけ傾斜しているため、ロータ22の軸線Lrを取り囲むように等間隔で配置された5本のピストン42…の軸線Lp…は楕円上に位置している。吸気行程の開始時において、球状凹部31aの曲率中心Oおよび斜板31の軸線Lsを含む平面Pが球状凹部31aと交差する交線CL上に、ピストン42の球状凸部42aが斜板31の球状凹部31aに当接する接点CPが位置している。
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、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41内の作動室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作動室43内で高温高圧蒸気が膨張することで、シリンダ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、その球状凸部42aが斜板31の球状凹部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、相隣り合う新たな作動室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、作動室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と、蒸気排出パイプ89とを経て凝縮器に供給される。
図5で説明したように、吸気行程の開始時に作動室43の圧力が急激に立ち上がってピストン42が強く押し出されると、ピストン42の球状凸部42aと斜板31の球状凹部31aとの接触面圧が急激に高まり、球状凸部42aと球状凹部31aとの接点CPが円周方向にスリップし、ロータ22の回転角速度が急変して振動や騒音の原因となる問題がある。しかしながら本実施例では、ピストン42の球状凸部42aが斜板31の球状凹部31aを如何に強く押圧しても、球状凹部31aの曲率中心Oおよび斜板31の軸線Lsを含む平面Pが球状凹部31aと交差する円弧状の交線CL上に、ピストン42の球状凸部42aが斜板31の球状凹部31aに当接する接点CPが位置しているので、球状凸部42aおよび球状凹部31aが接点CPにおいてスリップすることが防止され、ロータ22および斜板31の位相が前記スリップにより変化することが防止される。これにより、ロータ22の回転角速度が変化して振動や騒音が発生するのを防止するとともに、ピストン42に大きなサイドスラストが作用してシリンダ41との間にコジリや摺動摩擦による熱が発生し、異常摩耗や焼き付きの原因となるのを防止することができる。
尚、球状凹部31aの曲率中心Oおよび斜板31の軸線Lsを含む平面Pが球状凹部31aと交差する交線CL上に接点CPが位置する必要があるのは、吸気行程の開始時だけであり、それ以外の時間には接点CPが交線CLから外れることになるが、球状凸部42aおよび球状凹部31aが最もスリップし易いのは衝撃的な荷重が加わる吸気行程の開始時であるため、充分な効果を得ることができる。
図7は5本のピストン42の球状凸部42aの接点CPの移動軌跡を5個の矢印で示すものである。図7(A)に示す従来例では、ロータ22が72°回転して吸気行程が開始される毎に球状凸部42aおよび球状凹部31aが接点CPにおいてスリップし、接点CPの移動軌跡が不連続になっていることが分かる。それに対して、図7(B)に示す実施例では、球状凸部42aおよび球状凹部31aのスリップが防止されるので、接点CPの移動軌跡が連続している。
次に、本発明の第2実施例を説明する。第1実施例の回転流体機械は圧縮性流体を作動媒体とする膨張機Eであるが、第2実施例の回転流体機械は非圧縮性流体を作動媒体とする油圧モータである。
図8に示すように、吸入ポートである第2オイルポートP2′および排出ポートである第5オイルポートP5′は上死点TDCおよび下死点BDCを挟んで対称に形成されており、従って作動室43に連なる第3オイルポートP3′は上死点TDCを角度γだけ越えた位置P3′(1)から下死点BDCよりも角度γだけ手前の位置P3′(2)まで第2オイルポートP2′と連通し、その間が吸入行程となる。そして、図5に鎖線で示すように、作動室43の圧力は吸入行程の開始と同時に急激に立ち上がって一定値に保持され、吸入行程の終了と同時に急激に低下する。
第2実施例では、作動室43の圧力が急激に立ち上がる吸入行程の開始時に、つまり上死点TDCを角度γだけ越えた位置P3′(1)において、球状凹部31aの曲率中心Oおよび斜板31の軸線Lsを含む平面Pが球状凹部31aと交差する交線CL上に、ピストン42の球状凸部42aが斜板31の球状凹部31aに当接する接点CPが位置している。これにより、吸入行程の開始に伴って作動室43の圧力が急激に立ち上がったときに、球状凸部42aおよび球状凹部31aが接点CPにおいて円周方向および径方向等にスリップするのを防止し、ロータ22の回転角速度が変化して振動、騒音、異常摩耗等が発生するの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、交線CL上に接点CPが位置する時期を、第1実施例では吸気行程の開始時に、また第2実施例では吸入行程の開始時に設定しているが、ピストン42が斜板31を押圧する任意に時期に設定することができる。
また球状凸部42aおよび球状凹部31aは厳密な球面をなしている必要はなく、球状の回転面であれば良い。
11 ケーシング
22 ロータ
31 斜板
31a 球状凹部
41 シリンダ
42 ピストン
42a 球状凸部
43 作動室
71 ロータリバルブ
A アキシャルピストンシリンダ群
CL 交線
CP 接点
Lr ロータの軸線
Ls 斜板の軸線
O 球状凹部の曲率中心
P 平面
22 ロータ
31 斜板
31a 球状凹部
41 シリンダ
42 ピストン
42a 球状凸部
43 作動室
71 ロータリバルブ
A アキシャルピストンシリンダ群
CL 交線
CP 接点
Lr ロータの軸線
Ls 斜板の軸線
O 球状凹部の曲率中心
P 平面
Claims (3)
- 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(Lr)を囲むように環状に配置されたアキシャルピストンシリンダ群(A)と、
ロータ(22)の軸線(Lr)に対して傾斜した軸線(Ls)上に回転自在に支持された斜板(31)と、
アキシャルピストンシリンダ群(A)のピストン(42)およびシリンダ(41)間に形成された作動室(43)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、
ピストン(42)の先端に形成された球状凸部(42a)を、斜板(31)にその軸線(Ls)を囲むように環状に配置された球状凹部(31a)に当接させ、作動室(43)に供給された作動媒体の圧力で前進するピストン(42)の球状凸部(42a)が斜板(31)の球状凹部(31a)から受ける反力でロータ(22)を回転駆動する回転流体機械において、
ピストン(42)の球状凸部(42a)が斜板(31)の球状凹部(31a)を押圧するときの接点(CP)を、球状凹部(31a)の曲率中心(O)および斜板(31)の軸線(Ls)を含む平面(P)が球状凹部(31a)と交差する交線(CL)上に位置させたことを特徴とする回転流体機械。 - 作動室(43)に作動媒体が供給された瞬間の前記接点(CP)を前記交線(CL)上に位置させたことを特徴とする、請求項1に記載の回転流体機械。
- 作動媒体が圧縮性流体であることを特徴とする、請求項2に記載の回転流体機械。
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CN105804965A (zh) * | 2015-01-21 | 2016-07-27 | 株式会社丰田自动织机 | 双头活塞式旋转斜板压缩机 |
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US20050169772A1 (en) | 2005-08-04 |
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