JP2008190723A - Expansion machine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、高圧の圧縮性流体により作動して動力を発生させる膨張機に関し、特に冷凍サイクルにおける絞り機構部に置き換えて冷媒の膨張動力を回収する膨張機に関するものである。 The present invention relates to an expander that operates by a high-pressure compressive fluid to generate power, and particularly relates to an expander that replaces a throttle mechanism in a refrigeration cycle and collects expansion power of a refrigerant.
従来から冷凍サイクルに用いられる膨張機として、ロータリ型の膨張機が開示されている(例えば、特許文献1、特許文献2、特許文献3参照)。
Conventionally, rotary expanders have been disclosed as expanders used in refrigeration cycles (see, for example,
従来のこのような膨張機の一例を図12〜図14に示す。図13は、図12のZ−Z線断面図であり、図14は膨張機の動作を説明するための説明図である。 An example of such a conventional expander is shown in FIGS. 13 is a cross-sectional view taken along the line ZZ in FIG. 12, and FIG. 14 is an explanatory diagram for explaining the operation of the expander.
図12、図13に示すように、膨張機は、密閉容器701と、シリンダ702と、偏心部703aを有するシャフト703と、シリンダ702の内側で偏心回転運動をするピストン704と、シリンダ702に設けられたベーン溝702aと、このベーン溝702aの内部を往復運動するベーン705と、ベーンばね706と、シャフト703を支える上軸受部材707および下軸受部材708と、冷媒を吸入する吸入管709と、冷媒を吐出する吐出管710などから構成されている。そして、シリンダ702、ピストン704、上軸受部材707および下軸受部材708で囲まれた空間にベーン705で仕切られた膨張室712が形成されている。上軸受部材707には、吸入空間707aと、吸入経路707bと、吸入経路707bの膨張室712側の開口部となる吸入孔707cとを備えている。シャフト703には、軸方向経路703bと径方向経路703cとが備えられている。さらに、シリンダ702には膨張室712から吐出空間720へ冷媒を吐出させる吐出孔702bがベーン705を挟んで吸入孔707cとは反対側に設けられている。
As shown in FIGS. 12 and 13, the expander is provided in a sealed
このような従来の膨張機の動作について説明する。図12に示すように、高圧の冷媒は吸入管709より吸入空間707a、シャフト703の軸方向経路703bを経てシャフト703の径方向経路703cに流入する。図13に示すように、シャフト703の径方向経路703cはシャフト703の外周面のある範囲のみに開口しており、シャフト703の回転に伴って上軸受部材707の吸入経路707bとの間で連通、非連通を繰り返す。径方向経路703cと吸入経路707bが連通したときに、冷媒は径方向経路703cから吸入経路707b、吸入孔707cを経て膨張室712に吸入される。
The operation of such a conventional expander will be described. As shown in FIG. 12, the high-pressure refrigerant flows from the
以下、膨張機の動作を図14(a)〜(d)を用い、膨張室712に着目して説明する。図14(a)は、吸入行程の開始直前の状態を示している。この状態からシャフト703が反時計周りに回転すると、シャフト703の径方向経路703cと上軸受部材707の吸入経路707bとが連通し、膨張室712に高圧の冷媒を流入させる吸入行程が開始される。さらに、シャフト703が反時計方向に回転した後の図14(b)の状態では、シャフト703の径方向経路703cと上軸受部材707の吸入経路707bの連通が断たれて吸入行程が終了する。このときの膨張室712の容積が膨張機の吸入容積Vsとなる。その後、膨張室712に吸入された高圧の冷媒は、膨張室712の容積が増す方向にシャフト703を回転させながら膨張減圧する膨張行程に入り、図14(c)の状態を経て図14(d)の状態となる。この状態は、膨張室712が吐出孔702bと連通する直前の状態であり、このときの膨張室712の容積が膨張機の吐出容積Vdとなる。この後、シャフト703がわずかに回転すると膨張室712は吐出孔702bと連通して吐出行程が開始される。膨張室712の容積が減少するのに伴い、冷媒は吐出孔702bから吐出空間720に吐出される。吐出空間720に蓄えられた低圧の冷媒は吐出管710から膨張機の外部に吐出される。
Hereinafter, the operation of the expander will be described using FIGS. 14A to 14D and focusing on the
すなわち、上記膨張機では、吸入行程から膨張行程への移行はシャフト703に設けた径方向経路703cと膨張室712との連通による流入タイミング制御手段の開閉に依存している。
That is, in the above expander, the transition from the suction stroke to the expansion stroke depends on the opening and closing of the inflow timing control means by the communication between the
このような膨張機を冷凍サイクルに用いた例が開示され、特にフロン系冷媒よりも温暖化防止に効果的な二酸化炭素を冷媒として使用した例が開示されている(例えば、特許文献4参照)。 An example in which such an expander is used in a refrigeration cycle is disclosed, and an example in which carbon dioxide that is more effective in preventing global warming than a chlorofluorocarbon refrigerant is used as a refrigerant is disclosed (for example, see Patent Document 4). .
図15は二酸化炭素を冷媒とする冷凍サイクルの概念図であり、図15(a)は通常の冷凍サイクル、図15(b)は膨張機を利用した冷凍サイクル、図15(c)はこれらの冷凍サイクルの圧力とエンタルピーとの関係を示すモリエル線図である。 FIG. 15 is a conceptual diagram of a refrigeration cycle using carbon dioxide as a refrigerant. FIG. 15 (a) is a normal refrigeration cycle, FIG. 15 (b) is a refrigeration cycle using an expander, and FIG. It is a Mollier diagram which shows the relationship between the pressure of a refrigerating cycle, and enthalpy.
図15(a)に示す通常の冷凍サイクルは、圧縮機801、ガスクーラ802、膨張弁803、蒸発器804から構成され、圧縮機801はモータなどの駆動要素805によって駆動される。この場合のモリエル線図は、図15(c)のA−B−C−Dに相当する。
15A includes a
一方、図15(b)に示す膨張機を利用した冷凍サイクルでは、図15(a)の膨張弁803の代わりに膨張機806を用い、駆動要素805を介して膨張機806のシャフトを圧縮機801のシャフトと直結している。この場合のモリエル線図は、膨張機806における冷媒の膨張行程が近似的に断熱膨張であることを考慮すると、図15(c)のA−B−C−D´となる。このような冷凍サイクルの構成とすることにより、膨張機806の冷媒の膨張行程において回収した回転動力を用いて、圧縮機801の駆動を補助することにより、駆動要素805の負荷を軽減することができる。
On the other hand, in the refrigeration cycle using the expander shown in FIG. 15B, the
さらに、蒸発器804へ流入する冷媒のエンタルピー差がモリエル線図上のD−D´に相当する部分で増加し、冷凍能力を向上させることができる。図15(c)において、点Rは冷媒である二酸化炭素の臨界点であり、それより圧力の高い超臨界状態で放熱器であるガスクーラ802が作動する。ガスクーラ802の出口が点Cの状態で膨張機806に冷媒が流入し、C−Q´−D´のように状態変化して冷媒のエンタルピー差D−D´分を膨張機806で動力回収している。
このような従来の膨張機においては、冷媒の吸入完了時、すなわち膨張開始時の吸入容積をVs、吐出開始時、すなわち膨張終了時の吐出容積をVdとすると、VsとVdはそれぞれ流入タイミング制御手段と吐出孔により決定されて固有の膨張比Vd/Vsとなる。図16に図15(c)の膨張行程C−D´における時間に対する圧力および容積の関係を示す。ここでは、冷媒の膨張行程開始時の膨張室の圧力をPs、膨張行程終了時の膨張室の圧力をPdとしている。 In such a conventional expander, when the suction of refrigerant is completed, that is, the suction volume at the start of expansion is Vs, and when the discharge is started, that is, the discharge volume at the end of expansion is Vd, Vs and Vd are respectively controlled in inflow timing. The specific expansion ratio Vd / Vs is determined by the means and the discharge hole. FIG. 16 shows the relationship between pressure and volume with respect to time in the expansion stroke CD ′ of FIG. Here, the pressure in the expansion chamber at the start of the expansion stroke of the refrigerant is Ps, and the pressure in the expansion chamber at the end of the expansion stroke is Pd.
図16(a)に示すように、従来の膨張機は膨張比(Vd/Vs)が一定で、かつその容積増加割合は正弦波状である。冷媒が超臨界状態から膨張する場合の膨張圧力変化は、理想的には図16(b)の実線に示すように、超臨界状態から飽和液付近までの単相の状態変化をし、その後、気液二相状態へと膨張する。しかしながら、実際には変曲点圧力Pm付近で破線部に示すような相変化遅れによる圧力低下が発生する。 As shown in FIG. 16A, the conventional expander has a constant expansion ratio (Vd / Vs), and the volume increase rate is sinusoidal. The change in expansion pressure when the refrigerant expands from the supercritical state ideally changes in a single-phase state from the supercritical state to the vicinity of the saturated liquid, as shown by the solid line in FIG. It expands into a gas-liquid two-phase state. However, in reality, a pressure drop due to a phase change delay as shown by the broken line portion occurs in the vicinity of the inflection point pressure Pm.
すなわち、図15(c)に示すように、超臨界状態の点Cから飽和液点Q´までの膨張は単相膨張であるため、その膨張率は10%以下である。一方、飽和液点Q´から気液二相状態の点D´までの膨張は、液体から気体と液体を含む気液二相状態へ膨張する複相膨張であるため、膨張率は200%程度にもなる。したがって、従来のように膨張行程の全領域にわたって同一の膨張率で膨張させようとすると、図16(b)に示すように、点Cから飽和液点Q´までの圧力降下は、点Q´から点D´までの圧力降下に要する時間の1/20程度の非常に短い時間で起こる。このため、点Q´から始まる液から気体への相変化において、相変化速度が圧力降下の速度に追い付かず、いわゆる相変化遅れを生じ、図16(b)の破線に示すような圧力低下をきたす。膨張機の回収動力は、膨張行程での冷媒の圧力と容積の関係を示す線図(PV線)の面積によって決定されるため、このような相変化遅れが発生する場合には、その圧力低下分だけ回収できる動力が減少するという課題を有していた。 That is, as shown in FIG. 15C, since the expansion from the point C in the supercritical state to the saturated liquid point Q ′ is a single-phase expansion, the expansion rate is 10% or less. On the other hand, since the expansion from the saturated liquid point Q ′ to the point D ′ in the gas-liquid two-phase state is a multiphase expansion that expands from a liquid to a gas-liquid two-phase state containing gas and liquid, the expansion rate is about 200%. It also becomes. Therefore, if an attempt is made to expand at the same expansion rate over the entire region of the expansion stroke as in the prior art, as shown in FIG. 16 (b), the pressure drop from the point C to the saturated liquid point Q ' Occurs in a very short time of about 1/20 of the time required for the pressure drop from to D ′. For this reason, in the phase change from liquid to gas starting from the point Q ′, the phase change speed does not catch up with the pressure drop speed, causing a so-called phase change delay, and the pressure drop as shown by the broken line in FIG. Come on. Since the recovery power of the expander is determined by the area of the diagram (PV line) showing the relationship between the pressure and volume of the refrigerant in the expansion stroke, when such a phase change delay occurs, the pressure drop The problem was that the power that could be recovered by the amount decreased.
そこで本発明は、上記従来の課題を解決するとともに、簡単な構成で膨張行程における相変化遅れの発生を抑制し、動力回収効率に優れた膨張機を実現することを目的としている。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to solve the above-described conventional problems, and to suppress the occurrence of a phase change delay in the expansion stroke with a simple configuration, and to realize an expander excellent in power recovery efficiency.
上述した課題を解決するため、本発明の膨張機は、3個以上の偏心部を有するシャフトと、偏心部それぞれに嵌合して偏心回転する3個以上のピストンと、内面が円筒形状であるとともに内面の一部がピストンと接するように配設された3個以上のシリンダと、ピストンとシリンダとにより形成される各空間を冷媒を吸入する吸入部と冷媒を吐出する吐出部とに仕切る3個以上の仕切部材とを備え、シャフトの長手方向にシリンダを連接し、冷媒経路の上流側の空間よりも冷媒経路の下流側の空間の方が大きくなるよう形成している。 In order to solve the above-described problems, the expander of the present invention has a shaft having three or more eccentric portions, three or more pistons that are fitted to the eccentric portions and rotated eccentrically, and an inner surface is cylindrical. And three or more cylinders arranged so that a part of the inner surface is in contact with the piston, and each space formed by the piston and the cylinder is divided into a suction portion for sucking refrigerant and a discharge portion for discharging refrigerant. And a plurality of partition members, and cylinders are connected in the longitudinal direction of the shaft so that the space on the downstream side of the refrigerant path is larger than the space on the upstream side of the refrigerant path.
このような構成によれば、冷媒の膨張特性に合致した膨張室の容積増加となり、動力回収効率の高い膨張機を実現できる。 According to such a configuration, the expansion chamber volume increases in accordance with the expansion characteristics of the refrigerant, and an expander with high power recovery efficiency can be realized.
さらに、シリンダは同一内径を有するとともにピストンは同一外径を有し、冷媒経路の上流側から下流側に行くにしたがって、シリンダの円筒高さを大きくしてもよく、簡単な構成で膨張機の膨張室容積を可変とすることができる。 Further, the cylinder has the same inner diameter and the piston has the same outer diameter, and the cylinder height of the cylinder may be increased from the upstream side to the downstream side of the refrigerant path. The expansion chamber volume can be made variable.
さらに、シリンダは同一の円筒高さを有するとともにピストンは同一外径を有し、冷媒経路の上流側から下流側に行くにしたがって、シリンダの内径を大きくしてもよく、小型の膨張機を実現して容易に膨張機の膨張室容積を可変とすることができる。 Furthermore, the cylinder has the same cylindrical height and the piston has the same outer diameter, and the cylinder inner diameter may be increased from the upstream side to the downstream side of the refrigerant path, thereby realizing a small expander. Thus, the expansion chamber volume of the expander can be easily made variable.
さらに、シリンダは同一内径と同一円筒高さを有し、冷媒経路の上流側から下流側に行くにしたがってピストンの外径を小さくしてもよく、容易に膨張機の膨張室容積を可変とすることができる。 Further, the cylinder has the same inner diameter and the same cylinder height, and the outer diameter of the piston may be reduced from the upstream side to the downstream side of the refrigerant path, and the expansion chamber volume of the expander can be easily made variable. be able to.
さらに、冷媒経路の最上流側の第1シリンダの吐出部と前記第1シリンダに連接した第2シリンダの吸入部とで形成される膨張室において、冷媒を超臨界状態または液状態から飽和液線近傍の気液二相域まで膨張させても良い。 Further, in the expansion chamber formed by the discharge portion of the first cylinder on the most upstream side of the refrigerant path and the suction portion of the second cylinder connected to the first cylinder, the refrigerant is changed from the supercritical state or the liquid state to the saturated liquid line. You may make it expand | swell to the gas-liquid two-phase area | region of the vicinity.
このような構成によれば、冷凍サイクルの冷房運転や暖房運転の切り替えなどにも対応して、単相域での膨張と気体への相変化を伴う膨張とを分離して、相変化遅れによる圧力低下が発生しない膨張機を実現することができる。 According to such a configuration, in response to switching between cooling operation and heating operation of the refrigeration cycle, the expansion in the single phase region and the expansion accompanied by the phase change to the gas are separated, and due to the phase change delay An expander that does not cause a pressure drop can be realized.
本発明の膨張機によれば、冷媒の膨張特性に合致した膨張室の容積増加を実現し、動力回収効率の高い膨張機を実現することができる。 According to the expander of the present invention, an increase in the volume of the expansion chamber that matches the expansion characteristics of the refrigerant can be realized, and an expander with high power recovery efficiency can be realized.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1における膨張機の縦断面図である。図2は、図1の横断面図であり、図2(a)は図1のA−A線断面図、図2(b)は図1のB−B線断面図、図2(c)は図1のC−C線断面図を示す。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a longitudinal sectional view of an expander according to
本発明の実施の形態1の膨張機は、密閉容器1内に、膨張機構部500と動力回収機構部600とが配置されており、膨張機構部500と動力回収機構部600とはシャフト31で連結されている。シャフト31は、密閉容器1に固定されている下軸受82と上軸受81とに軸支されており、密閉容器1の下部に貯留する潤滑油104をシャフト31の回転により吸い上げて、上軸受81や下軸受82、さらには膨張機構部500などの摺動部へ給油して潤滑させるように構成している。密閉容器1には、膨張させる冷媒を吸入する吸入管9と、膨張した冷媒を吐出する吐出管10が設けられている。吸入管9から膨張機構部500に吸入された冷媒は、膨張機構部500で膨張した後、吐出管10から密閉容器1外に吐出され、冷凍サイクルの蒸発器に供給される。また、冷媒としては二酸化炭素を用いている。
In the expander according to
膨張機構部500において冷媒が膨張する際、シャフト31に回転力を発生させる。シャフト31に連結された動力回収機構部600は、ロータ100とステータ101からなる発電モータ102を構成してシャフト31の回転力を電力として回収し、密閉容器1に設けた密閉端子103を介して外部へ電力として供給する。
When the refrigerant expands in the
膨張機構部500は、複数段のシリンダとシリンダ内部で偏心回転する複数のピストンにより構成されている。以下、本実施の形態における膨張機構部500の構成の詳細をシリンダが3段の場合を例に図1〜図3を用いて説明する。
The
膨張機構部500は、下軸受82の上に第3シリンダ23、第2中間部材72、第2シリンダ22、第1中間部材71、第1シリンダ21、上軸受81が順に積層されて締結されている。また、シャフト31には、第1シリンダ21の位置に対応する第1偏心部31a、第2シリンダ22の位置に対応する第2偏心部31b、第3シリンダ23の位置に対応する第3偏心部31cが設けられている。第1偏心部31aには第1ピストン41、第2偏心部31bには第2ピストン42、また第3偏心部31cには第3ピストン43が嵌合されている。第1偏心部31a、第2偏心部31b、第3偏心部31cはシャフト31の円周方向の同じ位置で、かつシャフト31の軸心から同一量だけ偏心して設けられている。
In the
本実施の形態では、第1シリンダ21、第2シリンダ22、第3シリンダ23の円筒の内径は同一で、その円筒高さをそれぞれ異ならせることによって、それぞれのシリンダ容積を異ならせている。さらに、それぞれの偏心部に嵌合されたピストンの外径は第1ピストン41、第2ピストン42、第3ピストン43とも同一としている。そのため、各シリンダ容積とピストンとによって形成される空間容積が、各シリンダの円筒高さによって異なるようにしている。したがって、吸入管9から膨張機に吸入された高圧の冷媒は、膨張機構部500の第1シリンダ21に吸入されて、その後、第2シリンダ22、第3シリンダ23を経由して低圧の冷媒に膨張し、吐出管10から吐出される。
In the present embodiment, the inner diameters of the cylinders of the
次に、各シリンダ内の構成についてその詳細を説明する。第1シリンダ21上部に位置する上軸受81には、吸入管9と連通する第1吸入孔21aが設けられ、図2(a)に示すように第1シリンダ21の円筒内に開口している。また、図1および図3に示すように、第1シリンダ21の下部に位置する第1中間部材71には、第1シリンダ21の円筒内に開口する第1吐出孔21bが設けられている。したがって、第1シリンダ21は上下両端を上軸受81と第1中間部材71とによって挟まれて構成されている。
Next, details of the configuration in each cylinder will be described. The
図2(a)に示すように、第1シリンダ21の円筒内面に、シャフト31の第1偏心部31aに嵌合された第1ピストン41の外周面の一部が接触するように配置され、シャフト31の回転によって第1ピストン41が円筒内面と接触しながら偏心回転するようにしている。さらに、第1吸入孔21aと第1吐出孔21bとの間には、第1シリンダ21の円筒と第1ピストン41とによって形成される空間を、第1吸入部121aと第1吐出部121bとに仕切る第1ベーン51が仕切部材として配置されている。第1ベーン51は、その先端部が偏心回転する第1ピストン41の外周面に接しながら、第1ピストン41の偏心回転に応じて往復動するように、第1シリンダ21に設けられたベーン溝21dに挿入されてベーンばね61によって押圧されている。
As shown in FIG. 2 (a), the cylindrical inner surface of the
第2シリンダ22、第3シリンダ23の構成も第1シリンダ21と同様である。図1に示すように、第2シリンダ22は、その上部に位置する第1中間部材71と下部に位置する第2中間部材72とに挟まれて構成されている。図2(b)に示すように、第1中間部材71に第2吸入孔22aが第2シリンダ22の円筒内に開口して設けられ、第2中間部材72に第2吐出孔22bが第2シリンダ22の円筒内に開口して設けられている。したがって、第2吸入孔22aは第1シリンダ21の円筒内に開口する第1吐出孔21bと連通するように、第1中間部材71に通路が形成されている。第2シリンダ22の円筒内面には、シャフト31の第2偏心部31bに嵌合された第2ピストン42の外周面の一部が接触して設けられ、シャフト31の回転によって第2ピストン42が円筒内面と接触しながら偏心回転するようにしている。さらに、第2吸入孔22aと第2吐出孔22bとの間には、第2シリンダ22の円筒と第2ピストン42とによって形成される空間を、第2吸入部122aと第2吐出部122bとに仕切る第2ベーン52が仕切部材として配置されている。第2ベーン52は、その先端部が偏心回転する第2ピストン42の外周面に接しながら、第2ピストン42の偏心回転に応じて往復動するように、第2シリンダ22に設けられたベーン溝22dに挿入されてベーンばね62によって押圧されている。
The configurations of the
次に、第3シリンダ23の構成について説明する。図1に示すように、第3シリンダ23は、その上部に位置する第2中間部材72と下部に位置する下軸受82とに挟まれている。第2中間部材72に第3吸入孔23aが第3シリンダ23の円筒内に開口して設けられ、下軸受82に第3吐出孔23bが第3シリンダ23の円筒内に開口して設けられている。したがって、第3吸入孔23aは第2シリンダ22の円筒内に開口する第2吐出孔22bと連通するように、第2中間部材72に通路が形成されている。さらに、第3吐出孔23bは密閉容器1内の空間に連通し、吐出管10から外部に吐出される。
Next, the configuration of the
図2(c)に示すように、第3シリンダ23の円筒内面には、シャフト31の第3偏心部31cに嵌合された第3ピストン43の外周面の一部が接触して設けられ、シャフト31の回転によって第3ピストン43が円筒内面と接触しながら偏心回転するようにしている。さらに、第3吸入孔23aと第3吐出孔23bとの間には、第3シリンダ23の円筒と第3ピストン43とによって形成される空間を、第3吸入部123aと第3吐出部123bとに仕切る第3ベーン53が仕切部材として配置されている。第3ベーン53は、その先端部が偏心回転する第3ピストン43の外周面に接しながら、第3ピストン43の偏心回転に応じて往復動するように、第3シリンダ23に設けられたベーン溝23dに挿入されてベーンばね63によって押圧されている。
As shown in FIG. 2 (c), the cylindrical inner surface of the
図3は第1中間部材71の構成を示す図であり、図3(a)は平面図、図3(b)は図3(a)のD−D線断面図である。また、図4は第2中間部材72の構成を示す図であり、図4(a)は平面図、図4(b)は図4(a)のE−E線断面図である。
3A and 3B are diagrams showing the configuration of the first
図3に示すように、第1中間部材71に設けられた第1シリンダ21側の第1吐出孔21bと第2シリンダ22側の第2吸入孔22aとを接続する第1連通路90が、第1中間部材71に斜め方向に形成されている。また、図4に示すように、第2中間部材72に設けられた第2シリンダ22側の第2吐出孔22bと第3シリンダ23側の第3吸入孔23aとを接続する第2連通路91が、第2中間部材72に斜め方向に形成されている。
As shown in FIG. 3, the
以上のように構成した本実施の形態の膨張機の動作を図5、図6を用いて説明する。図5にはシャフト31の回転角度に対する第1シリンダ21と第2シリンダ22における動作状況を示し、図6には同様に第3シリンダ23における動作状況を示している。また、図7には本発明の実施の形態1の膨張機における膨張特性を示す。図7(a)にシャフト31の回転角度と膨張容積との関係を示し、図7(b)にシャフト31の回転角度と膨張圧力との関係を示している。
The operation of the expander of the present embodiment configured as described above will be described with reference to FIGS. FIG. 5 shows an operation state in the
膨張機に吸入された冷媒は、第1シリンダ21、第2シリンダ22、第3シリンダ23の順に冷媒経路を通過する。本実施の形態では、図3に示す第1中間部材71の第1連通路90で接続される第1シリンダ21の第1吐出部121bと第2シリンダ22の第2吸入部122aとにより第1膨張室を形成し、さらに、図4に示す第2中間部材72の第2連通路91で接続される第2シリンダ22の第2吐出部122bと第3シリンダ23の第3吸入部123aとにより第2膨張室を形成している。
The refrigerant sucked into the expander passes through the refrigerant path in the order of the
密閉容器1に取付けられた吸入管9から流入してきた二酸化炭素の超臨界状態の高圧冷媒は、上軸受81に設けられた流入通路(図示せず)を通じて第1吸入孔21aより第1シリンダ21に流入する。シャフト31が図5(a)に示す回転角度0°の位置から反時計周りに回転するとともに第1吸入部121aへの吸入行程が開始され、図5(d)に示す回転角度270°の状態を経て1回転し、吸入行程が終了する。このとき、図7に示すように、超臨界状態の冷媒で満たされた第1吐出部121bは容積Vs1、吸入圧力Psである。
The supercritical high-pressure refrigerant of carbon dioxide flowing in from the
その後、第1吐出部121bの冷媒は、シャフト31が回転角度360°を過ぎると第1吐出孔21bに連通し、第1中間部材71に設けられた第1連通路90から第2シリンダ22側の第2吸入孔22aを経て第2吸入部122aへと連通する。第2吸入部122aに吸入された冷媒は、シャフト31がさらに360°回転した後に、第2吐出孔22bに連通し、第2中間部材72に設けられた第2連通路91から第3シリンダ23側の第3吸入孔23aを経て第3吸入部123aへと連通する。そして、シャフト31がさらに360°回転することによって、第3吐出部123bから第3吐出孔23bを経由して吐出される。
Thereafter, the refrigerant in the
なお、本発明の実施の形態1では、第1シリンダ21の高さを8mm、第2シリンダ22の高さを8.8mm、第3シリンダ23の高さを20mmとしている。第1シリンダ21において吸入が完了した時点での容積をVs1、第2シリンダ22において吸入が完了した時点での容積をVs2、第3シリンダ23において吸入が完了した時点での容積をVs3とすると、Vs1:Vs2:Vs3=1:1.1:2.5となる。したがって、第1膨張室の容積は前述のように第1吐出部121bと第2吸入部122aの合計であることから、Vs1からVs2まで膨張する第1膨張室の膨張比(Vs2/Vs1)は1.1となる。一方、第2膨張室の容積は第2吐出部122bと第3吸入部123aの合計であることから、Vs2からVs3まで膨張する第2膨張室の膨張比(Vs3/Vs2)は約2.3となる。通常、二酸化炭素を冷媒とする冷凍サイクルにおいて膨張機を用いる場合、超臨界状態から飽和液を経て気液二相域へと膨張するが、超臨界状態から飽和液までの膨張比は、給湯機やエアコンなど冷凍サイクルの用途や、それらにおける様々な温度条件などを考慮しても、1.1未満である。したがって、このようなシリンダ高さにすることによって、第1膨張室において超臨界流体から飽和液をわずかに超えた気液二相域まで膨張させることができる。
In the first embodiment of the present invention, the height of the
図7(a)に示すように、第1吐出部121bと第2吸入部122aとにより形成される第1膨張室は、容積を増しながらシャフト31を回転させて膨張減圧する膨張行程に入る。そして、シャフト31の回転角度720°の状態で第1吐出部121bの容積はゼロになり、第2吐出部122bの容積Vs2まで膨張する。このとき、第1膨張室(第2吸入部122a)の圧力はPmとなる。この過程で第1段階の膨張行程が行われる。すなわち、第1膨張室では膨張比がわずか1.1程度の緩やかな膨張を実現することができる。
As shown in FIG. 7A, the first expansion chamber formed by the
したがって、二酸化炭素を冷媒として使用した場合に、高圧の超臨界状態から飽和液、あるいは飽和液線を超えた気液二相域まで膨張比の小さい膨張を実現することができる。したがって、気液二相域での相変化速度が圧力降下速度に追い付かないことにより発生する圧力降下を抑制することができる。 Therefore, when carbon dioxide is used as a refrigerant, expansion with a small expansion ratio can be realized from a high-pressure supercritical state to a saturated liquid or a gas-liquid two-phase region exceeding the saturated liquid line. Therefore, it is possible to suppress the pressure drop that occurs when the phase change speed in the gas-liquid two-phase region does not catch up with the pressure drop speed.
第2吐出部122bの冷媒は、シャフト31の回転角度が720°を過ぎると第2吐出孔22bに連通し、第2中間部材72に設けられた第2連通路91を介して第3シリンダ23の第3吸入孔23aから第3シリンダ23の第3吸入部123aに連通する。そして、第2吐出部122bと第3吸入部123aとより形成される第2膨張室が図7(a)に示すように、容積を増しながらシャフト31を回転させて膨張減圧する膨張行程に入る。さらに、シャフト31が1回転した1080°の状態では、第2吐出部122bの容積はゼロになり、第3吐出部123bの容積Vs3まで膨張する。このとき、第2膨張室となる第3吸入部123aの圧力はPdまで減圧する。この過程で第2段階の膨張行程が行われ、飽和液近傍から気液二相状態への膨張比が約2.3程度の大きな容積膨張が行われて冷媒特性に合った効率の良い膨張が行われる。
The refrigerant of the
その後、冷媒は第3吐出孔23bに通じ、下軸受82に設けられた排出路(図示せず)を経て密閉容器1内へ吐出され、さらに吐出管10より外へ吐出される。すなわち、本発明の実施の形態1のように、第1シリンダ21、第2シリンダ22、第3シリンダ23の3段構成の膨張機によれば、膨張機に吸入された冷媒はシャフト31の1回転目で第1シリンダ21に吸入され、2回転目で第1膨張室において膨張する。3回転目で第2膨張室において膨張することになり、シャフト31が3回転することによって膨張機へ吸入された冷媒の膨張行程と吐出行程とが完了することになる。
Thereafter, the refrigerant passes through the
以上の動作によって明らかなように、本発明は膨張室への吸入タイミング機構などを必要とせず、連続的に膨張機への冷媒の吸入と膨張機からの冷媒の吐出を実現することができ、連続的に安定した膨張動作の可能な膨張機を実現できる。特に、膨張行程を多段階とすることによって、膨張する過程で発生する冷媒の相変化に最適な膨張容積にすることができる。そのため、膨張過程での冷媒の急激な相変化を抑制して、膨張エネルギーを効率的に回収し、動力回収効率の高い膨張機を実現することができる。 As is apparent from the above operation, the present invention does not require a suction timing mechanism or the like to the expansion chamber, and can continuously suck the refrigerant into the expander and discharge the refrigerant from the expander. An expander capable of a continuously stable expansion operation can be realized. In particular, by making the expansion stroke multistage, it is possible to obtain an expansion volume that is optimal for the phase change of the refrigerant that occurs during the expansion process. Therefore, the rapid phase change of the refrigerant in the expansion process can be suppressed, the expansion energy can be efficiently recovered, and an expander with high power recovery efficiency can be realized.
さらに、第1膨張室での膨張率を小さくし、高圧の超臨界状態から飽和液、あるいは飽和液線をわずかに超えた気液二相域までの膨張としている。そのため、少なくとも、図15(c)の点Cから点Q´までの膨張率に対する圧力降下が非常に大きい領域を含む領域において圧力降下の速度を抑えることができる。したがって、相変化速度が圧力降下の速度に十分に追い付くことができて相変化遅れによる圧力低下に起因する回収動力の減少を確実に防ぎ、高効率な膨張機を実現することができる。 Furthermore, the expansion rate in the first expansion chamber is reduced, and the expansion is from a high-pressure supercritical state to a saturated liquid or a gas-liquid two-phase region slightly exceeding the saturated liquid line. Therefore, at least in a region including a region where the pressure drop with respect to the expansion rate from point C to point Q ′ in FIG. Therefore, the phase change speed can sufficiently catch up with the pressure drop speed, and the reduction of the recovered power due to the pressure drop due to the phase change delay can be surely prevented, thereby realizing a highly efficient expander.
なお、図1に示すように、本発明の実施の形態1では、冷媒経路が膨張機の上方から下方に向かうように、第1シリンダ21、第2シリンダ22、第3シリンダ23を上方から順に配置している。このような構成によれば、密度の大きな液冷媒が第1中間部材71に設けた第1連通路90や第2中間部材72に設けた第2連通路91内を重力落下する。密度の大きな液冷媒が膨張機内のデッドスペースとなる各連通路に滞留すると、膨張機の膨張効率を小さくするが、本発明の実施の形態1によればそのような現象を防止し、膨張効率の高い膨張機をより確実に実現することができる。
As shown in FIG. 1, in
(実施の形態2)
図8は、本発明の実施の形態2における膨張機の縦断面図である。図9は、図8の断面図であり、図9(a)は図8のA−A線断面図、図9(b)は図8のB−B線断面図、図9(c)は図8のC−C線断面図を示す。
(Embodiment 2)
FIG. 8 is a longitudinal sectional view of the expander according to Embodiment 2 of the present invention. 9 is a cross-sectional view of FIG. 8, FIG. 9 (a) is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG. 8, FIG. 9 (b) is a cross-sectional view taken along the line BB of FIG. The CC sectional view taken on the line of FIG.
本発明の実施の形態2における膨張機は、実施の形態1に記載の膨張機と基本構成は同じであり、同一構成要素には同一の符号を付与している。本実施の形態は実施の形態1と以下の点で異なる。 The expander according to the second embodiment of the present invention has the same basic configuration as the expander described in the first embodiment, and the same reference numerals are given to the same components. This embodiment is different from the first embodiment in the following points.
実施の形態1では、各シリンダに形成される容積を、各シリンダの高さを変えることで異ならせていたが、本実施の形態では以下のように各シリンダに形成される容積を異ならせている。 In the first embodiment, the volume formed in each cylinder is varied by changing the height of each cylinder. However, in the present embodiment, the volume formed in each cylinder is varied as follows. Yes.
図8、図9に示すように、本実施の形態における膨張機は、第1シリンダ21、第2シリンダ22、第3シリンダ23にそれぞれ設けられた第1ベーン51、第2ベーン52、第3ベーン53の位置、あるいはシャフト31に設けられた第1偏心部31a、第2偏心部31b、第3偏心部31cのシャフト31の円周方向の位置を、実施の形態1と同じにしている。さらに、第1シリンダ21、第2シリンダ22、第3シリンダ23の高さをそれぞれ同じにしている。しかしながら、第1シリンダ21、第2シリンダ22、第3シリンダ23の内径、および第1偏心部31a、第2偏心部31b、第3偏心部31cのシャフト31の軸心に対する偏心量、さらには第1ピストン41、第2ピストン42、第3ピストン43の外径寸法などを異ならせ、各シリンダと各ピストンによって形成される容積を異ならせている。
As shown in FIGS. 8 and 9, the expander in the present embodiment includes a
すなわち、実施の形態1と同じように、第1シリンダ21において吸入が完了した時点での容積をVs1、第2シリンダ22において吸入が完了した時点での容積をVs2、第3シリンダ23において吸入が完了した時点での容積をVs3として、Vs1:Vs2:Vs3=1:1.1:2.5となるように上記の寸法を決定している。
That is, as in the first embodiment, the volume at the time when suction is completed in the
具体的には、本実施の形態では、第1シリンダ21、第2シリンダ22、第3シリンダ23の高さを一定として、第1シリンダ21の内径D1と第2シリンダ22の内径D2、および第1偏心部31aの偏心量E1と第2偏心部31bの偏心量E2をそれぞれ同じにし、第2ピストン42の外径Dp2を第1ピストン41の外径Dp1よりも小さくしている。一方、第3シリンダ23では、その内径D3と第3偏心部31cの偏心量E3、さらには第3ピストン43の外径Dp3を、第2シリンダ22の各構成要素の寸法よりもさらに大きくしている。これらの寸法は、Vs1:Vs2:Vs3=1:1.1:2.5の比となるように決定している。
Specifically, in the present embodiment, the heights of the
また、図10は本発明の実施の形態2の他の実施例における膨張機の各シリンダの横断面図であり、実施の形態2のより具体的な実施例である。本実施例では、第1シリンダ21、第2シリンダ22、第3シリンダ23の高さを同じにするとともに、第1ピストン41、第2ピストン42、第3ピストン43の外径寸法を同じにし、各シリンダの内径を変えることによって上述の容積がVs1:Vs2:Vs3=1:1.1:2.5の比となるようにしている。具体的には各構成要素は図8、図9と同様であり、各シリンダ高さを同一として、各ピストンの外径をDp1=Dp2=Dp3とし、各シリンダの内径をD1<D2<D3としている。また、図10に示すように、同一シャフト31を用い各ピストンの外径を同じとし各シリンダの内径を変えているため、各偏心部の偏心量をE1<E2<E3としている。
FIG. 10 is a cross-sectional view of each cylinder of the expander in another example of the second embodiment of the present invention, which is a more specific example of the second embodiment. In the present embodiment, the heights of the
また、図11は本発明の実施の形態2の他の実施例における膨張機の各シリンダの横断面図である。本実施例では、第1シリンダ21、第2シリンダ22、第3シリンダ23の高さを同じにするとともにそれぞれの内径を同一とし、第1ピストン41、第2ピストン42、第3ピストン43の外径寸法を変えることによって上述の容積がVs1:Vs2:Vs3=1:1.1:2.5の比となるようにしている。具体的には各構成要素は図8、図9と同様であり、各シリンダ高さを同一とし、各シリンダの内径をD1=D2=D3とし、各ピストンの外径をDp1>Dp2>Dp3としている。また、各偏心部の偏心量E1、E2、E3は適宜調整しているピストンとシリンダとの最適なクリアランスを確保するように調整している。
FIG. 11 is a cross-sectional view of each cylinder of the expander in another example of Embodiment 2 of the present invention. In the present embodiment, the
このように構成した本実施の形態における膨張機の動作は、実施の形態1と同様であるため、説明は省略する。また、本実施の形態における膨張機の膨張過程における作用は、実施の形態1と同じであるため、同様の効果を発現することは当然であるが、さらに本実施の形態によれば、各シリンダあるいは各ピストンなどを同一の厚み素材から加工することができるため、加工生産性が向上し、さらには、膨張機の全体高さを小さくして小型コンパクトな膨張機を実現することができる。 Since the operation of the expander in the present embodiment configured as described above is the same as that of the first embodiment, description thereof is omitted. In addition, since the operation in the expansion process of the expander in the present embodiment is the same as that in the first embodiment, it is natural that the same effect is exhibited. However, according to the present embodiment, each cylinder Or since each piston etc. can be processed from the raw material of the same thickness, processing productivity improves, Furthermore, the whole height of an expander can be made small and a compact compact expander can be implement | achieved.
また、上記の実施の形態1および実施の形態2では、シリンダが3個の場合について説明したが、シリンダが3個に限らないことは当然である。すなわち、シリンダをさらに増加させ、例えば図7に示す第2膨張室をさらに多段階にすることによって、冷媒が膨張する際の冷媒状態により最適な膨張過程を実現することや、超臨界状態から飽和液線までの膨張過程、あるいは飽和液線近傍の膨張過程をさらに細かに制御することも可能である。 In the first embodiment and the second embodiment described above, the case where there are three cylinders has been described. However, the number of cylinders is not limited to three. That is, by further increasing the number of cylinders and, for example, further increasing the number of stages of the second expansion chamber shown in FIG. 7, it is possible to achieve an optimal expansion process depending on the refrigerant state when the refrigerant expands, It is also possible to finely control the expansion process up to the liquid line or the expansion process near the saturated liquid line.
また、上記の実施の形態1および実施の形態2では、冷媒を二酸化炭素として説明したが、冷媒をフロンなどとし、液単相から飽和液を経て気液二相へ膨張させる場合に適用しても同様の効果が得られることはいうまでもない。 In the first embodiment and the second embodiment described above, the refrigerant is described as carbon dioxide. However, the present invention is applied to the case where the refrigerant is flon or the like and is expanded from a liquid single phase to a gas-liquid two phase through a saturated liquid. Needless to say, the same effect can be obtained.
本発明の膨張機は、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ことで動力回収手段として有用であるとともに、冷凍サイクル以外の圧縮性流体からの動力を回収する手段として有用である。 The expander of the present invention is useful as a power recovery means by recovering the expansion energy of the refrigerant in the refrigeration cycle, and is also useful as a means for recovering power from a compressible fluid other than the refrigeration cycle.
1 密閉容器
9 吸入管
10 吐出管
21 第1シリンダ
21a 第1吸入孔
21b 第1吐出孔
21d,22d,23d ベーン溝
22 第2シリンダ
22a 第2吸入孔
22b 第2吐出孔
23 第3シリンダ
23a 第3吸入孔
23b 第3吐出孔
31 シャフト
31a 第1偏心部
31b 第2偏心部
31c 第3偏心部
41 第1ピストン
42 第2ピストン
43 第3ピストン
51 第1ベーン
52 第2ベーン
53 第3ベーン
61,62,63 ベーンばね
71 第1中間部材
72 第2中間部材
81 上軸受
82 下軸受
90 第1連通路
91 第2連通路
100 ロータ
101 ステータ
102 発電モータ
103 密閉端子
104 潤滑油
121a 第1吸入部
121b 第1吐出部
122a 第2吸入部
122b 第2吐出部
123a 第3吸入部
123b 第3吐出部
500 膨張機構部
600 動力回収機構部
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記偏心部それぞれに嵌合して偏心回転する3個以上のピストンと、
内面が円筒形状であるとともに前記内面の一部が前記ピストンと接するように配設された3個以上のシリンダと、
前記ピストンと前記シリンダとにより形成される各空間を冷媒を吸入する吸入部と前記冷媒を吐出する吐出部とに仕切る3個以上の仕切部材とを備え、
前記シャフトの長手方向に前記シリンダを連接し、
冷媒経路の上流側の前記空間よりも冷媒経路の下流側の前記空間の方が大きくなるよう形成したことを特徴とする膨張機。 A shaft having three or more eccentric parts;
Three or more pistons that rotate eccentrically with each of the eccentric parts;
Three or more cylinders, the inner surface of which is cylindrical and disposed so that a part of the inner surface is in contact with the piston;
Comprising three or more partition members that partition each space formed by the piston and the cylinder into a suction portion that sucks refrigerant and a discharge portion that discharges the refrigerant;
Connecting the cylinder in the longitudinal direction of the shaft;
An expander characterized in that the space on the downstream side of the refrigerant path is larger than the space on the upstream side of the refrigerant path.
請求項1に記載の膨張機。 The cylinder has the same inner diameter and the piston has the same outer diameter, and the cylinder height of the cylinder increases as it goes from the upstream side to the downstream side of the refrigerant path.
The expander according to claim 1.
請求項1に記載の膨張機。 The cylinders have the same cylindrical height and the pistons have the same outer diameter, and the inner diameter of the cylinder is increased from the upstream side to the downstream side of the refrigerant path.
The expander according to claim 1.
請求項1に記載の膨張機。 The cylinder has the same inner diameter and the same cylinder height, and the outer diameter of the piston is reduced from the upstream side to the downstream side of the refrigerant path,
The expander according to claim 1.
請求項1から請求項4のいずれかに記載の膨張機。 In the expansion chamber formed by the discharge part of the first cylinder on the most upstream side of the refrigerant path and the suction part of the second cylinder connected to the first cylinder, the refrigerant is changed from the supercritical state or liquid state to the vicinity of the saturated liquid line. It is characterized by expanding to the gas-liquid two-phase region,
The expander according to any one of claims 1 to 4.
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