JP2007239588A - Multi-stage rotary fluid machine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、冷凍冷蔵庫や空調機等の圧縮機や膨張機に代表される多段ロータリ型流体機械に関する。 The present invention relates to a multistage rotary fluid machine represented by a compressor and an expander such as a refrigerator-freezer and an air conditioner.
冷媒の膨張エネルギーを膨張機で回収し、その回収したエネルギーを圧縮機の仕事の一部として利用する動力回収式の冷凍サイクル装置が提案されている。例えば、そうした冷凍サイクル装置に適用する膨張機として、特開2005−106046号公報に示すような2段ロータリ型膨張機が検討されている。 A power recovery type refrigeration cycle apparatus has been proposed in which the expansion energy of the refrigerant is recovered by an expander and the recovered energy is used as part of the work of the compressor. For example, as an expander applied to such a refrigeration cycle apparatus, a two-stage rotary expander as shown in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-106046 has been studied.
図10A,図10Bは、従来の2段ロータリ型膨張機200の横断面図である。図10Aの方が1段目のシリンダ205(第1シリンダ)を示しており、図10Bの方が2段目のシリンダ206(第2シリンダ)を示している。第1シリンダ205に吸入された冷媒は、第1シリンダ205の作動室215bと、第2シリンダ206の作動室216aと、両作動室215b,216aを連通する連通孔204aとによって構成される膨張室で膨張する。第1シリンダ205と第2シリンダ206とは、中板によって仕切られており、この中板を厚さ方向に貫通するように連通孔204aが形成されている。このような構造を採用すると、冷媒を吸入する作動室と、冷媒を膨張させる作動室と、冷媒を吐出する作動室とを簡単に仕切ることができると同時に、吸入側の作動室では360°連続吸入が可能となり、吸入脈動の低減を図ることができる。
上記のような2段ロータリ型膨張機200において、第1シリンダ205の作動室215bと第2シリンダ206の作動室216aとを連通する連通孔204aの断面形状は、通常、円形である。以下、図11A〜図11Dを参照しながら、円形の連通孔204aの作用について説明する。図11A〜図11Dは、シャフト203が反時計回りに回転するときの、第1シリンダ205の作動室215bと連通孔204aとの連通状態を示している。
In the two-stage rotary expander 200 as described above, the cross-sectional shape of the
図11Aは、第1シリンダ205の作動室215bと連通孔204aとが連通する瞬間を表している。第1シリンダ205の作動室215bと第2シリンダ206の作動室216aとの連通は、シャフト203の回転運動に伴って連通孔204aが閉じた状態から徐々に開くことで始まる。連通孔204aが円形の場合、第1シリンダ205の作動室215bと連通孔204aとが連通する瞬間は、連通孔204aと第1シリンダ205との接点Pが、第1ピストン209と第1シリンダ205との接点Qに一致する瞬間である。
FIG. 11A shows a moment when the working
図11Bは、作動室215bと連通孔204aとが連通してからシャフト203が20°回転した状態を表している。図11Cは、作動室215bと連通孔204aとが連通してからシャフト203が40°回転した状態を表している。図11Dは、作動室215bと連通孔204aとが連通してからシャフト203が60°回転した状態を表している。各図において、連通部分を斜線で示している。
FIG. 11B shows a state in which the
図12は、第1シリンダ205の作動室215bと第2シリンダ206の作動室216aとの連通が始まった時点を基準として、シャフト203の回転角と、連通孔204aのうち第1ピストン209と重なっていない部分の面積(以降、連通面積という)の割合との関係を示すグラフである。図11A〜図11Dおよび図12から理解できるように、第1シリンダ205の作動室215bと連通孔204aとが連通してからシャフト203が20°回転した状態で、連通面積は連通孔204aの開口面積の約1.3%であり、シャフト203が40°回転した状態でも10%弱で、連通面積はなかなか大きくならない。
In FIG. 12, the rotation angle of the
一般に、膨張機を熱家電機器に導入する場合、その能力的な理由から膨張機の作動室の容積は1cc以下が望ましい。具体的にいえば、第1シリンダ205の内径は20〜40mmというオーダの大きさであり、連通孔204aの直径は3〜4mm程度となる。したがって、作動室215bと連通孔204aとが連通してから、シャフト203が30°〜40°程度回転するまでは、微小隙間を通じて作動室215bから連通孔204aに冷媒が漏れ入る状態となっている。
Generally, when an expander is introduced into a thermal home appliance, the capacity of the working chamber of the expander is preferably 1 cc or less because of its capability. Specifically, the inner diameter of the
また、従来の2段ロータリ型膨張機200においては、作動室215bと連通孔204aとが連通する瞬間、作動室215b側の冷媒の圧力は吸入圧力と同等で高圧であり、連通孔204a側の冷媒の圧力は吐出圧力と同等で低圧となっている。例えば、冷媒を二酸化炭素とする場合、その圧力差は50気圧に達する。このような大きな差圧が存在する状態で微小隙間に作動流体を流すと、大きな流体抵抗が発生し、作動流体の圧力損失が顕著となる。圧力損失の拡大は、膨張エネルギーの回収効率低下に直結する問題である。また、こうした問題は、2段ロータリ型膨張機だけでなく、2段ロータリ型圧縮機のような他の多段ロータリ型流体機械でも起こる可能性がある。
Further, in the conventional two-stage rotary expander 200, at the moment when the working
上記の問題に鑑み、本発明は、第1シリンダから第2シリンダに作動流体(冷媒)が移動する際の圧力損失が小さい多段ロータリ型流体機械を提供することを目的とする。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a multi-stage rotary fluid machine having a small pressure loss when a working fluid (refrigerant) moves from a first cylinder to a second cylinder.
すなわち、本発明は、
第1シリンダと、
第1シリンダの内外を貫くシャフトと、
シャフトに取り付けられ、第1シリンダ内で偏心回転する第1ピストンと、
シャフトを共有する形で第1シリンダと同心状に配置された第2シリンダと、
シャフトに取り付けられ、第2シリンダ内で偏心回転する第2ピストンと、
第1シリンダに形成された第1溝に進退可能に装着され、第1シリンダと第1ピストンの間の空間を第1吸入側空間と第1吐出側空間とに仕切る第1仕切り部材と、
第2シリンダに形成された第2溝に進退可能に装着され、第2シリンダと第2ピストンの間の空間を第2吸入側空間と第2吐出側空間とに仕切る第2仕切り部材と、
第1吐出側空間と第2吸入側空間とを連通して1つの作動室を形成する連通孔を有するとともに、第1シリンダと第2シリンダとを隔てる中板とを備え、
第1ピストンの外径をd1、第1シリンダの内径をD1と定義したとき、
連通孔は、第1シリンダ側の開口縁の一部が、第1シリンダと第1角度位置で内接する直径がd1以上D1未満の仮想円の一部をなし、第1角度位置から第1ピストンの回転方向とは反対方向に延びるように、その形状および位置が設定されている、多段ロータリ型流体機械を提供する。
That is, the present invention
A first cylinder;
A shaft that penetrates the inside and outside of the first cylinder;
A first piston attached to the shaft and rotating eccentrically in the first cylinder;
A second cylinder arranged concentrically with the first cylinder in a shared shaft;
A second piston attached to the shaft and rotating eccentrically in the second cylinder;
A first partition member that is movably mounted in a first groove formed in the first cylinder and partitions a space between the first cylinder and the first piston into a first suction side space and a first discharge side space;
A second partition member that is movably mounted in a second groove formed in the second cylinder, and divides a space between the second cylinder and the second piston into a second suction side space and a second discharge side space;
A communication hole that communicates the first discharge side space and the second suction side space to form one working chamber, and includes a middle plate that separates the first cylinder and the second cylinder;
When the outer diameter of the first piston is defined as d 1 and the inner diameter of the first cylinder is defined as D 1 ,
In the communication hole, a part of the opening edge on the first cylinder side forms a part of a virtual circle having a diameter d 1 or more and less than D 1 inscribed in the first cylinder at the first angle position. Provided is a multistage rotary fluid machine whose shape and position are set so as to extend in a direction opposite to the rotation direction of one piston.
また、本発明の他の側面において、連通孔は、シャフトの回転軸に平行な方向において、第1シリンダ側の開口縁の一部が、第1シリンダの内周面に沿うように、その形状および位置が設定される。 In another aspect of the present invention, the communication hole is shaped so that a part of the opening edge on the first cylinder side is along the inner peripheral surface of the first cylinder in a direction parallel to the rotation axis of the shaft. And position are set.
上記本発明の多段ロータリ型流体機械によれば、第1シリンダの第1吐出側空間と連通孔との連通面積は、少なくとも連通孔が円形状である場合に比べて、連通初期から急速に増大するようになる。すなわち、作動流体が微小隙間を通る時間を短縮することができるため、作動流体の圧力損失を低減することができ、ひいては多段ロータリ型流体機械の高効率化に資する。 According to the multistage rotary fluid machine of the present invention, the communication area between the first discharge side space of the first cylinder and the communication hole is rapidly increased from the beginning of communication compared to at least the case where the communication hole is circular. To come. That is, since the time required for the working fluid to pass through the minute gap can be shortened, the pressure loss of the working fluid can be reduced, which contributes to higher efficiency of the multistage rotary fluid machine.
以下、添付の図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。ロータリ型膨張機やロータリ型圧縮機に代表されるロータリ型流体機械は、ローリングピストン方式またはスイング方式に細分されるが、本発明はそのいずれに対しても適用可能である。本明細書ではローリングピストン方式を例にして説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. A rotary fluid machine represented by a rotary expander or a rotary compressor is subdivided into a rolling piston system or a swing system, but the present invention can be applied to either of them. In this specification, a rolling piston system will be described as an example.
(第1実施形態)
図1は、本発明の一実施形態である2段ロータリ型膨張機の構成を示す縦断面図である。図2Aは、図1の2段ロータリ型膨張機のX1−X1横断面図、図2Bは、X2−X2横断面図である。図1に示す2段ロータリ型膨張機100は、密閉容器102、発電機101および膨張機構部120を備えている。
(First embodiment)
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a configuration of a two-stage rotary expander that is an embodiment of the present invention. 2A is an X1-X1 cross-sectional view of the two-stage rotary expander of FIG. 1, and FIG. 2B is an X2-X2 cross-sectional view. A two-
発電機101は、密閉容器102に固定されたステータ101aと、シャフト103と、シャフト103に固定されたロータ101bとを含む。
The
膨張機構部120は、上軸受部材107、第1シリンダ105、中板104、第2シリンダ106、下軸受部材108、第1ピストン109、第2ピストン110、第1ベーン111、第2ベーン112、第1バネ113、第2バネ114およびシャフト103を備えており、いわゆる2段ロータリ型の構成になっている。シャフト103は、発電機101と共用であって、中板104によってそれぞれ独立するように隔てられた第1シリンダ105と第2シリンダ106を貫通し、上軸受部材107および下軸受部材108によって回転自在に支持されている。シャフト103には、半径方向の外向きに突出する形で、第1偏心部103aと第2偏心部103bとが設けられている。第1偏心部103aには、第1シリンダ105の内部に配置されたリング状の第1ピストン109が嵌合している。第2偏心部103bには、第2シリンダ106の内部に配置された第2ピストン110が嵌合している。
The
図2Aに示すごとく、第1シリンダ105には第1ベーン溝105aが形成されている。第1ベーン溝105aには、第1ベーン111がスライド自在、言い換えれば、長手方向に進退可能に装着されている。第1バネ113は、第1ベーン111の背面側に配置されており、一端が第1シリンダ105に接触し他端が第1ベーン111に接触して第1ベーン111を第1ピストン109に押し付けている。また、図2Bに示すごとく、第2シリンダ106には第2ベーン溝106aが形成されている。第2ベーン溝106aには、第2ベーン112がスライド自在、言い換えれば、長手方向に進退可能に装着されている。第2バネ114は、第2ベーン112の背面側に配置されており、一端が第2シリンダ106に接触し他端が第2ベーン112に接触して第2ベーン112を第2ピストン110に押し付けている。
As shown in FIG. 2A, the
第1シリンダ105と第1ピストン109により形成される三日月形状の空間は、仕切り部材である第1ベーン111により吸入側の作動室である第1吸入側作動室115aと、吐出側の作動室である第1吐出側作動室115bとに仕切られている。また、第2シリンダ106と第2ピストン110により形成される三日月形状の空間は、仕切り部材である第2ベーン112により吸入側の作動室である第2吸入側作動室116aと、吐出側の作動室である第2吐出側作動室116bとに仕切られている。第2吸入側作動室116aと第2吐出側作動室116bの合計体積は、第1吸入側作動室115aと第1吐出側作動室115bの合計体積よりも大である。
The crescent-shaped space formed by the
第1シリンダ105に形成されている吸入孔105bは、第1吸入側作動室115aに連通している。また、中板104には、厚さ方向に貫通する形で連通孔104bが形成されており、その連通孔104bにより、第1シリンダ105の第1吐出側作動室115bと第2シリンダ106の第2吸入側作動室116aとが連通して一つの空間、つまり膨張室を形成している。また、第2シリンダ106に形成されている吐出孔106bは、第2吐出側作動室116bに連通している。
A
第1シリンダ105の内径D1と、第2シリンダ106の内径D2とは等しい。また、第1シリンダ105と第2シリンダ106とは、同心状の配置となっている。ただし、シャフト103の回転軸O周りにおける第1ベーン111の配置位置と、同じく第2ベーン112の配置位置とは所定角度、例えば数10度ずらしてある。また、シャフト103の第1偏心部103aと第2偏心部103bとは、シャフト103の回転軸O周りにおいて突出する向きが相違している。この突出向きの相違は、第1ベーン111と第2ベーン112の角度差に一致している。つまり、第1ピストン109が上死点(第1ベーン111を最も押し上げる位置)に到来するタイミングと、第2ピストン110が上死点(第1ベーン112を最も押し上げる位置)に到来するタイミングとは一致する。このような構成は、第1シリンダ105の第1吐出側作動室115bと第2シリンダ106の第2吸入側作動室116aで形成される膨張室の体積を円滑に増加させることができ、膨張機100の回収動力を最大化する。また、連通孔104bは、第1ベーン111と第2ベーン112とによって挟まれた角度領域内において、第1シリンダ105から第2シリンダ106に向かって延びるように、中板104に形成されている。このような構成とすることにより、シャフト103の回転軸Oに平行な方向に関する連通孔104bの長さを最短とすることができ、連通孔104bを冷媒(作動流体)が通過する際の圧力損失の低減を図ることができる。ただし、後述するように、第1ベーン111と第2ベーン112とを、回転軸Oに対して同一角度に位置させてもよい。
The inner diameter D 1 of the
次に、膨張機100の作用について説明する。
高圧の冷媒は、図2Aに示した吸入管117から吸入孔105bを経て、第1シリンダ105の第1吸入側作動室115aに吸入される。シャフト103の回転運動に伴って第1吸入側作動室115aの容積は拡大し、やがて、第1吐出側作動室115bへと移行し、吸入行程が終了する。高圧の冷媒は、連通孔104bを通じて第1シリンダ105の第1吐出側作動室115bから第2シリンダ106の第2吸入側作動室116aに移動する。これにともない、連通孔104bで連通した作動室全体の容積が増加する方向、すなわち、第1シリンダ105の第1吐出側作動室115bの容積が減少し、第2シリンダ106の第2吸入側作動室116aの容積が増加する方向にシャフト103が回転し、発電機101を駆動する。シャフト103の回転に伴って第1シリンダ105の第1吐出側作動室115bは消滅する。第2シリンダ106の第2吸入側作動室116aは、吐出孔106bと連通する第2吐出作動室116bへと移行し、膨張行程が終了する。そして、低圧となった冷媒は吐出孔106bから吐出管118に吐出される。
Next, the operation of the
The high-pressure refrigerant is sucked into the first suction
図3Aに、第1シリンダ105側における連通孔104bの拡大図を示す。図3Aは、第1ベーン111が最も押し出された状態、すなわち下死点における、第1ベーン111、第1ピストン109および連通孔104bの三者の位置関係を示している。第1シリンダ105側において、連通孔104bは、第1シリンダ105の周方向に関する最大開口幅が、シャフト103の回転軸Oに向かう方向に関する最大開口幅よりも大となっている。具体的に、連通孔104bの開口縁の一部(開口縁H1I1)は、第1シリンダ105の内径D1未満、かつ第1ピストン109の外径d1以上の直径を有する仮想円の一部をなし、その円弧状の開口縁H1I1が第1シリンダ105の内周面に隣接する形となっている。このような開口形状および位置の連通孔104bを形成することにより、第1シリンダ105の第1吐出側作動室115bと連通孔104bとの連通面積が、連通初期から急速に増大するようになる。
FIG. 3A shows an enlarged view of the
次に、連通孔104bの形状および位置を決定する手順について説明する。
まず、図3Aに示すごとく、第1シリンダ105の内径中心O1から、第1シリンダ105と第1ベーン溝105aの側面とが交差する点H1に向けて仮想線を引く。第1シリンダ105の内径中心O1は、シャフト103の回転軸Oに一致している。次に、線分O1H1上に中心を持ち、直径が第1ピストン109の外径d1と同一、かつ第1シリンダ105と点H1(第1角度位置)で内接する仮想円を描く。この仮想円のうち、点H1から第1ピストン109の回転方向とは反対方向(図3Aで言えば時計回り)に延びる一部を、連通孔104bの開口縁H1I1に設定する。つまり、第1ピストン109が点H1で第1シリンダ105と内接するとき、連通孔104bの開口縁H1I1は、第1ピストン109の外周縁に一致することとなる。連通孔104bの開口縁H1I1を第1ピストン109の外周縁に合わせることにより、第1シリンダ105の第1吐出側作動室115bと連通孔104bとの連通を円滑化することができる。
Next, a procedure for determining the shape and position of the
First, as shown in FIG. 3A, the inner diameter of the center O 1 of the
連通孔104bの開口縁H1I1以外の開口縁I1J1,J1K1,K1H1に関しては、ある程度任意に設定することができる。本実施形態では、次のように設定している。すなわち、開口縁H1I1の角度が20°となるよう点I1を設定し、次に点I1から第1シリンダ105の内径中心O1に向けて仮想線を引き、この仮想線上に開口縁I1J1を設定する。また、点H1から第1ベーン111の長手方向に沿って仮想線(第1ベーン溝105aの延長線でもある)を引き、この仮想線上に開口縁H1K1を設定する。さらに、連通孔104bの開口面積が、従来例で示した円形の連通孔204a(図11A参照)と等しくなるように、点O1を中心とした仮想円を描き、点J1と点K1を設定する。ただし、開口縁J1K1が曲線である必然性は無く、例えば直線状など、連通孔104bの開口面積を調節しやすいように適宜設定することができる。
For the opening edge H 1 I 1 opening edge I 1 J 1 except, J 1 K 1, K 1 H 1 of the
なお、本実施形態においては、第1シリンダ105側の一部の開口縁H1K1が第1ベーン111の可動域(第1ベーン111が動作しうる範囲)に沿うように、連通孔104bの形状および位置を設定している。このようにすれば、図11A等で説明した円形の連通孔に比べて、以下に説明する動力回収ロスを防ぐことができる。
In the present embodiment, the
図11A等から分かるように、従来の円形の連通孔を採用する場合、ベーンと連通孔との間にどうしても空間が生ずる。第2シリンダに送り込まれずにこの空間にとどまる冷媒は微量であるが、ピストンの回転に応じて圧縮作用を受け、ピストンの回転にブレーキをかけるトルクを発生させ、膨張エネルギーの回収ロスを生む。これに対し、本実施形態の連通孔104bを採用することにより、冷媒が取り残される空間をほとんど無くすることができるので、従来の円形の連通孔に比べて、より多くのエネルギーを回収できるようになる。
As can be seen from FIG. 11A and the like, when a conventional circular communication hole is employed, a space is inevitably generated between the vane and the communication hole. A very small amount of refrigerant stays in this space without being sent to the second cylinder, but receives a compression action according to the rotation of the piston, generates a torque that brakes the rotation of the piston, and causes a recovery loss of expansion energy. On the other hand, by adopting the
次に、第2シリンダ106側について説明する。図3Bに示すごとく、第2シリンダ106側において、連通孔104bは、第2シリンダ106の内周面に一致する開口縁h1i1と、第2ベーン112の可動域に沿う開口縁i1j1とを含むように、その形状および位置を設定することができる。その他の開口縁h1k1,j1k1は、開口面積を十分確保できるように、適宜定めることができる。例えば、本実施形態では、連通孔104bの開口縁h1i1j1k1が回転軸Oを中心とした扇形の一部をなす形となっている。連通孔104bの開口形状および位置をこのように調整することにより、次のような効果が見込める。
Next, the
図10A,Bに示すごとく、従来の円形の連通孔204aの場合、ベーンに目一杯近づけたとしても、どうしても連通孔204aとベーンとの間に空間が生ずる。この問題については、既に説明した通りである。第2シリンダ206側にこのような空間がある場合、第1シリンダ205の作動室215bと第2シリンダ206の作動室216aとの連通タイミングを如何に最適化したとしても、第2シリンダ206においては、その連通タイミングが到来する直前まで、連通孔104bから冷媒が供給されず、冷媒がほとんど存在しない状態から容積が増大させられる状態になる。このような現象は、ピストンの回転方向とは逆方向にブレーキトルクを発生させる。また、この結果として非常に低圧になった第2シリンダ206側の作動室に連通孔104bが連通すると、冷媒の膨張エネルギーは自由膨張によって消費され、動力回収できない。このように、連通孔104bとベーンとの間の空間は、膨張機の性能を低下させる原因となる。
As shown in FIGS. 10A and 10B, in the case of the conventional
ところが、本実施形態における連通孔104bによれば、開口縁h1i1j1k1と第2ベーン112との間の空間の体積がほぼゼロに等しい。したがって、第1ピストン109と第2ピストン110との位相差、ならびに第1ベーン111と第2ベーン112の位置を適切に調整することにより、ブレーキをかけるトルクの発生が起こらないようにする、または十分低減することが可能となる。
However, according to the
なお、第2シリンダ106側における開口形状および位置を、第1シリンダ105側と同様のルールにて定めた連通孔104b’も採用できる。すなわち、図3Cに破線で示すごとく、第2シリンダ106側の開口縁h2i2が、第2シリンダ106と周方向における点h2(第2角度位置)で内接して第2ピストン110の外径d2と同一直径の仮想円の一部をなすように、連通孔104b’の形状および位置(開口縁h2i2j2k2の形状および位置)を設定することができる。この場合、図2Aから容易に理解できるように、図3Aに記した点H1(第1角度位置)と、図3Cに記した点h2(第2角度位置)とは、シャフト103の回転軸O周りにおいて一致する。つまり、連通孔104b’は、回転軸Oに沿う方向において横断面形状が一定となるように、シャフト103の回転軸Oに沿って第1シリンダ105から第2シリンダ106に向かって真っ直ぐ延びている。このような形状であれば、中板104の加工も容易であるし、連通孔104bが第1シリンダ105と第2シリンダ106とを最短距離でつなぐので、圧力損失を最小にすることができる。
Note that a
また、第1シリンダ105側と第2シリンダ側106とで開口位置が異なるような連通孔も採用できる。すなわち、中板104を斜めに穿孔することにより、第1シリンダ105の第1吐出側作動室115bと第2シリンダ106の第2吸入側作動室116aとを連通する連通孔を形成することも可能である。そうする場合には、第1シリンダ105側の点H1(第1角度位置)と、第2シリンダ106側の点h1(第2角度位置)とは一致せず、所定角度だけ離間することとなる。
Also, a communication hole having different opening positions on the
また、回転軸Oに垂直な方向における連通孔104bの断面形状(横断面形状)は、回転軸Oに沿う方向において一定であってもよいし、そうでなくともよい。具体的には、図3Dに示すように、中板104を厚さ方向に貫き、横断面形状が円形の貫通孔THを形成したのち、貫通孔THの両端を座ぐることにより、開口縁H1I1J1K1(第1シリンダ105側)および開口縁h1i1j1k1(第2シリンダ106側)を有する連通孔134bを形成する。このようにすれば、中板104の加工も容易である。
In addition, the cross-sectional shape (transverse cross-sectional shape) of the
以上のような形状の連通孔104bにおいて、シャフト103が反時計回りに回転した場合、第1吐出側作動室115bと連通孔104bとの連通の状態は、図4A〜図4Dに示すようになる。第1吐出側作動室115bと連通孔104bとが連通する瞬間は、第1ピストン109と第1シリンダ105との接点が点H1と一致する時である。図4Aは第1吐出側作動室115bと連通孔104bとが連通する瞬間を表している。連通孔104bの開口縁H1I1が第1ピストン109の外周縁に一致している様子が分かる。図4Bは、第1吐出側作動室115bと連通孔104bとが連通してからシャフト103が20°回転した状態を表している。図4Cは、第1吐出側作動室115bと連通孔104bとが連通してからシャフト103が40°回転した状態を表している。図4Dは、第1吐出側作動室115bと連通孔104bとが連通してからシャフト103が60°回転した状態を表している。各図において、第1吐出側作動室115bと連通孔104bとの連通部分を斜線で表している。連通開始直後より、開口縁H1I1に沿う領域が直ちに連通部分として現れる様子が理解できる。
When the
図5に、シャフト103の回転角と、第1吐出側作動室115bと連通孔104bとの連通面積の割合との関係を示す。第1シリンダ105の第1吐出側作動室115bと連通孔104bとの連通が始まった時点(連通開始時点)を、シャフト103の回転角ゼロとしている。本発明では、第1吐出側作動室115bと連通孔104bとが連通してからシャフト103が20°回転した状態で、連通面積は連通孔104bの開口面積の14%に達し、40°回転した状態では約40%に達している。つまり、連通開始から初期の段階で、連通面積が急激に増大している。そして、連通開始からシャフト103が約80°回転する頃には、第1吐出側作動室115bと連通孔104bが完全に連通する。したがって、本実施形態の連通孔104bを採用することにより、冷媒が微小隙間を通る時間を極力短くして圧力損失の低減を図ることが可能である。なお、従来の円形の連通孔204aの場合には、連通面積の増加速度が本発明に比べて格段に小さいことが分かる。
FIG. 5 shows the relationship between the rotation angle of the
(第2実施形態)
図6は、シャフト103から開口縁H2I2を第1シリンダ105に沿うように設定した連通孔104cを示している。連通孔104cの開口縁のうち、シャフト103から最も離れて位置する開口縁H2I2は、第1シリンダ105の内径D1と同一の直径を有する円の一部をなし、シャフト103の回転軸Oに平行な方向において、その円弧状の開口縁H2I2が第1シリンダ105の内周面に一致している。この点については第2シリンダ106側においても同様である。また、第1シリンダ105と第2シリンダ106との位置関係等についても、第1実施形態と同様である。
(Second Embodiment)
FIG. 6 shows a
シャフト103が反時計回りに回転した場合、第1吐出側作動室115bと連通孔104cとの連通の状態は、図7A〜図7Dに示すようになる。第1吐出側作動室115bと連通孔104cとが連通する瞬間は、第1ピストン109と第1シリンダ105との接点が点I2と一致する時である。図7Aは、第1吐出側作動室115bと連通孔104cとが連通する瞬間を表している。図7Bは、第1吐出側作動室115bと連通孔104cとが連通してからシャフト103が20°回転した状態を表している。図7Cは、第1吐出側作動室115bと連通孔104cとが連通してからシャフト103が40°回転した状態を表している。図7Dは、第1吐出側作動室115bと連通孔104cとが連通してからシャフト103が60°回転した状態を表している。各図において、連通部分を斜線で示している。
When the
図8に、シャフト103の回転角と、第1吐出側作動室115bと連通孔104cとの連通面積の割合との関係を示す。本実施形態の連通孔104cを採用した場合の連通面積の増加速度は、従来の円形の連通孔204aと比べれば十分に大きい。
FIG. 8 shows the relationship between the rotation angle of the
(第3実施形態)
図9は、一部が第1シリンダ105の陰に隠れた形の連通孔104dを示している。図9のような連通孔104dは、中板104を穿孔するドリルを第1シリンダ105の周方向に沿って移動させるようにして形成することができる。この連通孔104dは、第1シリンダ105によって部分的に塞がれているものの、実質的な開口縁は、第1シリンダ105の内周面105pに一致する円弧H3I3である。
(Third embodiment)
FIG. 9 shows the
第1シリンダ105の周方向に沿う方向を長手方向とすると、連通孔104dは、長手方向両端に位置する開口縁H3K3,I3J3が共に等しい径の円弧をなしている。長手方向に沿う開口縁H3I3は、第1シリンダ105の内周面105pに一致する。さらに、長手方向に沿う他の一つの開口縁であって、第1シリンダ105の内周面105pに一致する開口縁H3I3の反対側に位置する開口縁J3K3についても、第1シリンダ105の内径と同一直径の仮想円の一部をなす。このような形状の連通孔104dとしても、連通面積の増加速度は、従来の円形の連通孔204aと比べれば十分に大きい。こうした点は、第2シリンダ106側についても同様である。
Assuming that the direction along the circumferential direction of the
以上、本実施形態で説明した連通孔104b,104b’,104c,104d,134を採用することにより、第1シリンダ105の吐出側作動室115aと第2シリンダ106の吸入側作動室116aとの連通を速やかに行うことができる。すなわち、連通している部分の微小隙間からが漏れ入る状態が短時間となるので、圧力損失の低減を図ることができ、ひいては膨張機の効率を向上させることが可能となる。また、本発明は、第1シリンダ105の吐出側作動室115aと第2シリンダ106の吸入側作動室116aとの間に50気圧に達する大きな圧力差が生ずる二酸化炭素を冷媒とする場合に、特に有効である。
As described above, the
また、本実施形態では、連通孔104b,104b’,104c,104dの開口形状について言及したが、連通孔104b,104b’,104c,104dの断面形状は特に限定されず、開口形状をそのまま中板104の内部に反映させる必要はない。例えば、図3Dでも触れたように、開口形状は本実施形態のように設定し、中板の内部は円筒形とした連通孔も、本実施形態と同様の効果を得ることができる。
In the present embodiment, the opening shapes of the
また、本実施形態では、2段ロータリ型膨張機の場合を例に説明したが、3段以上の多段型でも同様の効果が得られる。 In the present embodiment, the case of a two-stage rotary expander has been described as an example, but the same effect can be obtained even in a multistage type having three or more stages.
本発明の2段ロータリ型膨張機100は、冷凍サイクルにおける冷媒の膨張エネルギーを回収する動力回収手段として有用であるとともに、冷媒以外の圧縮性流体からのエネルギー回収手段としても有用である。
The two-
100 2段ロータリ型膨張機
101 発電機
102 密閉容器
103 シャフト
104 中板
105 第1シリンダ
106 第2シリンダ
109 第1ピストン
110 第2ピストン
104b,104b’,104c,104d,134 連通孔
115b 第1吐出側作動室
116a 第2吸入側作動室
120 膨張機構部
100 Two-
Claims (6)
前記第1シリンダの内外を貫くシャフトと、
前記シャフトに取り付けられ、前記第1シリンダ内で偏心回転する第1ピストンと、
前記シャフトを共有する形で前記第1シリンダと同心状に配置された第2シリンダと、
前記シャフトに取り付けられ、前記第2シリンダ内で偏心回転する第2ピストンと、
前記第1シリンダに形成された第1溝に進退可能に装着され、前記第1シリンダと前記第1ピストンの間の空間を第1吸入側空間と第1吐出側空間とに仕切る第1仕切り部材と、
前記第2シリンダに形成された第2溝に進退可能に装着され、前記第2シリンダと前記第2ピストンの間の空間を第2吸入側空間と第2吐出側空間とに仕切る第2仕切り部材と、
前記第1吐出側空間と前記第2吸入側空間とを連通して1つの作動室を形成する連通孔を有するとともに、前記第1シリンダと前記第2シリンダとを隔てる中板とを備え、
前記第1ピストンの外径をd1、前記第1シリンダの内径をD1と定義したとき、
前記連通孔は、前記第1シリンダ側の開口縁の一部が、前記第1シリンダと第1角度位置で内接する直径がd1以上D1未満の仮想円の一部をなし、前記第1角度位置から前記第1ピストンの回転方向とは反対方向に延びるように、その形状および位置が設定されている、多段ロータリ型流体機械。 A first cylinder;
A shaft penetrating the inside and outside of the first cylinder;
A first piston attached to the shaft and rotating eccentrically in the first cylinder;
A second cylinder disposed concentrically with the first cylinder so as to share the shaft;
A second piston attached to the shaft and rotating eccentrically in the second cylinder;
A first partition member that is movably mounted in a first groove formed in the first cylinder and partitions a space between the first cylinder and the first piston into a first suction side space and a first discharge side space. When,
A second partition member that is movably mounted in a second groove formed in the second cylinder and partitions a space between the second cylinder and the second piston into a second suction side space and a second discharge side space. When,
The first discharge side space and the second suction side space communicate with each other to form a working chamber, and include a middle plate that separates the first cylinder from the second cylinder,
When the outer diameter of the first piston is defined as d 1 and the inner diameter of the first cylinder is defined as D 1 ,
In the communication hole, a part of an opening edge on the first cylinder side forms a part of a virtual circle having a diameter d 1 or more and less than D 1 inscribed in the first cylinder at a first angular position. A multi-stage rotary fluid machine whose shape and position are set so as to extend from an angular position in a direction opposite to the rotation direction of the first piston.
前記第1シリンダの内外を貫くシャフトと、
前記シャフトに取り付けられ、前記第1シリンダ内で偏心回転する第1ピストンと、
前記シャフトを共有する形で前記第1シリンダと同心状に配置された第2シリンダと、
前記シャフトに取り付けられ、前記第2シリンダ内で偏心回転する第2ピストンと、
前記第1シリンダに形成された第1溝に進退可能に装着され、前記第1シリンダと前記第1ピストンの間の空間を第1吸入側空間と第1吐出側空間とに仕切る第1仕切り部材と、
前記第2シリンダに形成された第2溝に進退可能に装着され、前記第2シリンダと前記第2ピストンの間の空間を第2吸入側空間と第2吐出側空間とに仕切る第2仕切り部材と、
前記第1吐出側空間と前記第2吸入側空間とを連通して1つの作動室を形成する連通孔を有するとともに、前記第1シリンダと前記第2シリンダとを隔てる中板とを備え、
前記シャフトの回転軸に平行な方向において、前記連通孔は、前記第1シリンダ側の開口縁の一部が、前記第1シリンダの内周面に沿うように、その形状および位置が設定されている、多段ロータリ型流体機械。 A first cylinder;
A shaft penetrating the inside and outside of the first cylinder;
A first piston attached to the shaft and rotating eccentrically in the first cylinder;
A second cylinder disposed concentrically with the first cylinder so as to share the shaft;
A second piston attached to the shaft and rotating eccentrically in the second cylinder;
A first partition member that is movably mounted in a first groove formed in the first cylinder and partitions a space between the first cylinder and the first piston into a first suction side space and a first discharge side space. When,
A second partition member that is movably mounted in a second groove formed in the second cylinder and partitions a space between the second cylinder and the second piston into a second suction side space and a second discharge side space. When,
The first discharge side space and the second suction side space communicate with each other to form a working chamber, and include an intermediate plate that separates the first cylinder and the second cylinder;
In the direction parallel to the rotation axis of the shaft, the communication hole is set in shape and position so that a part of the opening edge on the first cylinder side is along the inner peripheral surface of the first cylinder. Multistage rotary fluid machine.
前記第1仕切り部材と前記第2仕切り部材とによって挟まれた角度領域内において、前記第1シリンダから前記第2シリンダに向かって延びるように、前記中板に前記連通孔が形成されている、請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の多段ロータリ型流体機械。 The first partition member and the second partition member are arranged at a predetermined angle around the rotation axis of the shaft,
The communication hole is formed in the intermediate plate so as to extend from the first cylinder toward the second cylinder in an angular region sandwiched between the first partition member and the second partition member. The multistage rotary fluid machine according to any one of claims 1 to 3.
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