JP2008202481A

JP2008202481A - 流体機械

Info

Publication number: JP2008202481A
Application number: JP2007038711A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Sakuragi; 淳櫻木; Kumar Dotto Oshitto; クマールドットオシット
Original assignee: Fujitsu General Ltd
Current assignee: Fujitsu General Ltd
Priority date: 2007-02-20
Filing date: 2007-02-20
Publication date: 2008-09-04

Abstract

【課題】膨張機のサイズを大型化することなく、膨張室における高圧側膨張室及び低圧側膨張室の容積を適宜、変更して過膨張現象あるいは膨張不足現象を防止することが可能な膨張機を提供することを目的とする。
【解決手段】ケーシング６と、シリンダ７と、動力回収シャフト８に支持された偏心ロータ１０と、ベーン収納部１５とからなる膨張機４において、前記ベーン収納部１５の側面に、ベーン１６を回動させるピストン収納部１８を設け、膨張不足現象及び膨張不足現象が発生した際、前記ベーン１６を前記ピストン収納部１８により回動させ、高圧側膨張室１１ａあるいは低圧側膨張室１１ｂの容積を変更する。
【選択図】図２

Description

本発明は、高圧流体の膨張により動力を発生させ、エネルギ回収を行う膨張機に係わり、より詳細には、エネルギ回収効率低下の原因となる、高圧流体の過膨張現象及び膨張不足現象を防止する構成に関する。

従来の膨張機は、例えば図６で示すように、シリンダ７０と、同シリンダ７０内を公転運動する偏心ロータ７１と、同偏心ロータ７１が連結された動力回収シャフト７２とから構成されている。前記偏心ロータ７１には半径方向へ延びるブレード７３が一体に設けられており、前記シリンダ７０には、前記ブレード７３を摺動自在に支持するとともに、回動可能な一対のブッシュ７４が設けられている。また、前記シリンダ７０には、高圧流体を同シリンダ７０内に導入する流入ポート７５と、膨張し低圧となった流体を前記シリンダ７０外に導出する流出ポート７６とが設けられている。また、前記シリンダ７０には、同シリンダ７０内の容積を変更するための容積変更機構が設けられており、同容積変更機構は、補助シリンダ７８と、同補助シリンダ７８内に前後摺動自在に収納されたピストン７９とからなっている。

前記流入ポート７５から導入された高圧流体は、前記シリンダ７０の内壁面と、前記偏心ロータ７１と前記ブレード７３とで区画される膨張室７７に流入し、同膨張室７７で膨張することにより前記偏心ロータ７１を公転運動させるようになっている。続いて、膨張室７７で膨張し、低圧となった流体は前記流出ポート７６から外部に導出されるようになっている。

膨張機を空調機の冷凍サイクルに用いている場合には、冷房運転と暖房運転の切り換えや外気温度の変化などの運転条件の変動により、冷凍サイクルの膨張比が膨張機の設計膨張比と異なる場合が生じる。運転条件の変化により冷凍サイクルの実際の膨張比が、膨張機の設計膨張比よりも小さくなると、前記膨張室７７の圧力が冷凍サイクルの低圧側圧力よりも低くなる状態が生じ、所謂、膨張機の膨張室で過膨張現象が発生し、動力回収効率が低下してしまうこととなる。

前記ピストン７９は、前記膨張室７７で、流体の過膨張現象あるいは膨張不足現象が生ずる場合、前記補助シリンダ７８の容積を増減するように移動するようになっている。前記ピストン７９は、補助シリンダ７８の開口端に最も前進した状態において、前記シリンダ７０の内周面にほぼ一致し、前記補助シリンダ７８の容積は実質的に零となる。一方、前記ピストン７９が補助シリンダ７８の閉塞端に最も後退した状態においては、前記補助シリンダ７８の容積が最大となる。そして、前記ピストン７９は、運転条件等に対応して補助シリンダ７８内での位置が、適宜制御されるようになっている。

前記補助シリンダ７８により、前記膨張室７７の容積を適宜増減させることにより、同膨張室７７で過膨張現象あるいは膨張不足現象が生じたとしても、流入する流体流量を調節することにより、これらの現象を防止あるいは抑制することができるようになっている。

しかしながら、前記補助シリンダ７８は、冷媒の膨張容積は変更できるものの、前記膨張室７７に前記流入ポート７５から高圧の冷媒が導入された際、前記偏心ロータ７１の回転に伴って、高圧の冷媒と、前記補助シリンダ７８に滞留する低圧の冷媒とが混合して冷媒の圧力が急激に低下し、前記偏心ロータ７１の回動を付勢する付勢力が変化してしまうというような問題があった。
特開２００６−４６２５７号（７頁、図４）

本発明は、上記問題点に鑑み、偏心ロータの回動を付勢する付勢力が変動することなく、過膨張現象あるいは膨張不足現象に的確に対応することのできる膨張機を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、シリンダと、同シリンダ内に収納され、シャフトに支持された偏心ロータと、同偏心ロータに先端部を摺接させ、往復運動を行うベーンとからなり、前記シリンダ内に高圧室及び低圧室を形成してなる流体機械において、前記ベーンの角度を変更させる角度変更機構を設け、同角度変更機構により前記高圧室及び前記低圧室の容積比率を変更できるようにした構成となっている。

前記角度変更機構が、前記シリンダに回動自在に支持され、前記ベーンが摺動する摺動孔を設けたブッシュと、前記ベーンを収納するベーン収納部に付設され前記ベーンの側面を押圧するピストンを収納したピストン収納部とからなる構成となっている。

また、前記ピストンは、前記ピストン収納部に導入された高圧冷媒により作動する構成となっている。

本発明によると、高圧室及び低圧室との容積比率を変更して過膨張現象及び膨張不足現象を抑制することができるようになっている。

以下、本発明の実施の形態を、添付図面に基づいた実施例として詳細に説明する。

図１は本発明による膨張機を備えた冷媒回路を示す説明図であり、図２は動力回収シャフトに垂直な面で切断した本発明による膨張機の断面図である。図３はその要部詳細図であり、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）はベーンの動作を示す説明図である。

本願は、流体機械として膨張機を説明しているが、これに限定されるものでなく、例えばロータリー圧縮機等も含まれるようになっている。以下、本願は膨張機について説明する。本発明による膨張機４を備えた冷媒回路１は、図１で示すように、圧縮機２と、放熱器３と、膨張機４と、吸熱器５とを順次接続して構成されており、同冷媒回路１には、例えば、自然冷媒としての二酸化炭素冷媒が循環するようになっている。前記圧縮機２はスクロール圧縮機、あるいはロータリー圧縮機で構成され、前記放熱器３と、前記吸熱器５とは、平行して並べられた多数のフィンと、同フィンに直交するように配設された蛇行状のチューブとからなる、所謂クロスフィン型のフィン・アンド・チューブ熱交換器で構成されている。

前記圧縮機２で圧縮され、高温高圧となった二酸化炭素冷媒は、前記放熱器３に流入し、同放熱器３で熱を放出する。熱を放出した冷媒は、前記膨張機４に流入し、同膨張機４内で膨張して低温低圧となる。低温低圧となった冷媒は前記吸熱器５で熱を吸収した後、前記圧縮機２に還流するようになっている。ここで、前記膨張機４内で膨張した冷媒は、膨張するエネルギにより同膨張機４に設けられた、後述する動力回収シャフト８を回転駆動させるようになっている。

膨張機４は、図２の動力回収シャフト８に垂直な面で切断した断面図で示すように、円筒状に形成されたケーシング６と、同ケーシング６の内壁に密着して形成された円筒状のシリンダ７と、前記動力回収シャフト８に形成されたクランク部９と、同クランク部９の外周縁に嵌着されたリング状の偏心ロータ１０とからなっている。同偏心ロータ１０は前記クランク部９により前記動力回収シャフト８に対し偏心して軸支されることにより、外周面一端を前記シリンダ７の内壁面に摺接させながら同シリンダ７の内部空間を公転運動するようになっている。
また、開閉弁１３を備え、高圧の冷媒を前記シリンダ７内に導入する流入ポート１２が前記ケーシング６から突設されるとともに、膨張し低圧となった冷媒を外部に導出する流出ポート１４が前記ケーシング６から突設されている。前記流入ポート１２に備えられた開閉弁１３は、前記偏心ロータ１０及びこれに連結された動力回収シャフト８が回転した際、予め定められた同動力回収シャフト８の回転角度範囲内で開閉動作を行うようになっている。

後述するベーン１６と、前記偏心ロータ１０の外周面と、前記シリンダ７の内壁面とで囲まれる空間には高圧側膨張室１１ａ及び低圧側膨張室１１ｂが形成されるようになっている。前記高圧側膨張室１１ａには高圧の冷媒が流入するようになっており、冷媒が膨張する際のエネルギにより、前記偏心ロータ１０を反時計方向に公転運動させ、前記動力回収シャフト８で動力回収を行うようになっている。また、膨張して低圧となった冷媒は、前記偏心ロータ１０の公転運動に伴って、前記低圧側膨張室１１ｂに設けられた前記流出ポート１４から流出していくようになっている。このように、前記シリンダ７内には、高圧側膨張室１１ａと低圧側膨張室１１ｂとが連続的に形成されるようになっている。前記流入ポート１２に備えられた前記開閉弁１３は、前記偏心ロータ１０が所定角度回転するまで開放されて、同高圧側膨張室１１ａに高圧の冷媒を導入し、所定角度を超えると閉鎖され、高圧冷媒の導入を遮断するようになっている。

また、前記偏心ロータ１０に連結された前記動力回収シャフト８は、例えば、その一端を、発電機等に接続されており、前記高圧側膨張室１１ａが流入する高圧冷媒により容積を増大させることにより、前記偏心ロータ１０が公転運動し、これに伴い前記動力回収シャフト８が回転駆動されると、同動力回収シャフト８に接続された発電機等が発電作用を行い、これにより、冷媒の膨張エネルギが無駄に廃棄されることなく有効に利用することができるようになっている。

前記ケーシング６には、外方に突出してベーン収納部１５が形成されており、同ベーン収納部１５内には、鋭角状となった下端部を前記偏心ロータ１０の外周面に摺接させる平板状に形成されたベーン１６が設けられている。同ベーン１６は、図３の要部拡大図で示すように、前記シリンダ７に形成された断面円形状の凹部７ａに回動自在に支持される左右一対のブッシュ１７ａ及びブッシュ１７ｂにより摺動自在に支持されている。これらブッシュ１７ａ及びブッシュ１７ｂが回動すると、前記ベーン１６は角度が変更されて前記偏心ロータ１０に下端部を当接させるようになっている。また、前記ベーン１６の上端部と、前記ベーン収納部１５の上部内壁との間には、押圧手段としての第一スプリング２２が設けられており、同第一スプリング２２に押圧されて前記ベーン１６は下端部を前記偏心ロータ１０の外周面に摺接させるようになっており、同偏心ロータ１０の公転運動に伴って上下運動するようになっている。また、前記ベーン１６の側面部と、前記ベーン収納部１５の内側壁との間には、同ベーン１６を後述するピストン収納部１８側に押圧する第二スプリング２３が設けられている。

また、前記ベーン収納部１５の側面には、図３の要部拡大図で示すように、ピストン収納部１８が突設されている。同ピストン収納部１８内には、円筒状のリング１９ａと、同リング１９ａから突設されたロッド１９ｂとからなるピストン１９が移動自在に収納されており、前記ロッド１９ｂの先端部には、前記ベーン１６の側面に当接するとともに、回動自在なローラー２０が軸支されている。また、前記リング１９ａと前記ベーン収納部１５の側面との間には、前記リング１９ａを前記ベーン収納部１５から離間する方向に押圧するスプリング２１が設けられ、前記ピストン収納部１８の内壁面には、前記リング１９ａの移動を掛止するストッパ１８ｂが設けられている。

前記流入ポート１２と前記ピストン収納部１８との間には、図２で示すように、導入側開閉弁２５を備えた高圧冷媒導入パイプ２４が接続され、また、前記ピストン収納部１８と前記流出ポート１４との間には、排出側開閉弁２７を備えた排出パイプ２６が接続されている。前記導入側開閉弁２５及び前記排出側開閉弁２７は、膨張機４が通常の運転状態では共に閉鎖されるようになっているが、前記導入側開閉弁２５が開放されると、前記流入ポート１２から高圧の冷媒が前記高圧冷媒導入パイプ２４を通り、前記ピストン収納部１８の充填空間１８ａに充填されるようになっている。

前記ピストン収納部１８の充填空間１８ａに高圧冷媒が充填されると、前記ピストン１９が、前記スプリング２１の反力に抗して前記ベーン収納部１５側に押圧され移動するようになっている。前記ピストン１９が移動すると、前記ロッド１９ｂの先端部に設けられた前記ローラー２０が前記ベーン１６の側面部を押圧し、これにより同ベーン１６は回動自在に支持された前記ブッシュ１７ａ及びブッシュ１７ｂにより時計方向に回動するようになっている。

続いて、前記導入側開閉弁２５が閉鎖され、前記排出側開閉弁２７が開放されると、前記ピストン収納部１８の充填空間１８ａに充填された高圧冷媒は、前記排出パイプ２６を通り、低圧側の前記流出ポート１４に排出されるようになっている。これにより、前記ピストン収納部１８に収納された前記ピストン１９は、前記スプリング２１の押圧力により左方側に移動し、前記ローラー２０は前記ベーン１６の側面部から離間するようになっている。前記ローラー２０が離間すると前記ベーン１６は第二スプリング２３に押圧され、回動自在に支持された前記ブッシュ１７ａ及びブッシュ１７ｂにより反時計方向に回動するようになっている。

前記流入ポート１２には、図２で示すように、前記放熱器３から流出し前記膨張機４に流入する高圧冷媒の圧力を検出する高圧側圧力センサ２８が設けられ、前記流出ポート１４には、膨張し低圧となった冷媒の圧力を検出する低圧側圧力センサ２９が設けられている。前記高圧側圧力センサ２８で検出された冷媒圧力は信号線２８ａにより制御部３０に送出され、同様に、前記低圧側圧力センサ２９で検出された冷媒圧力は信号線２９ａにより制御部３０に送出されるようになっている。尚、前記低圧側圧力センサ２９は、前記流出ポート１４に必ずしも設けられる必要はなく、低圧側であれば任意の位置に設置することができる。

また、前記制御部３０は制御信号線２５ａにより前記導入側開閉弁２５に接続されるとともに、制御信号線２７ａにより前記排出側開閉弁２７に接続されており、前記高圧側圧力センサ２８で検出された冷媒圧力は信号線２８ａにより制御部３０に送出され、同制御部３０は、前記高圧側圧力センサ２８で検出された検出値及び前記低圧側圧力センサ２９で検出された検出値を基に、前記制御信号線２５ａ及び前記制御信号線２７ａを介して制御信号を送出し、前記導入側開閉弁２５及び前記排出側開閉弁２７の開閉を制御するようになっている。

次に、図２により膨張機４の動作について説明する。同膨張機４では、前記流入ポート１２から流入する流入冷媒と、前記流出ポート１４から流出する流出冷媒の密度比、所謂、膨張比が一定となるように設計されている。そして、所定の容積で高圧冷媒を前記高圧側膨張室１１ａに導入し、膨張過程で定められた膨張比で膨張させ、前記動力回収シャフト８に回転動力を回収するようになっている。しかしながら、本願のような冷凍サイクルでは冷却対象の温度変化や加熱対象の温度変化により冷凍サイクルの高圧圧力と低圧圧力が変化するため、圧力比が変動し、それに伴って前記膨張機４の流入冷媒と流出冷媒の密度も夫々変動する。このような場合、膨張した冷媒の圧力が設定値以下に低下してしまう所謂、過膨張現象が発生し、前記膨張機４の動力回収効率が低下してしまう状態を生じる。あるいは設定した膨張比まで到達せず、膨張不足を生じてエネルギ回収効率が低下してしまう状態を生じる。

前記冷媒回路１での動作環境等の変化により、前記膨張機４において過膨張現象が発生した際は、前記流出ポート１４での冷媒圧力が所定設定値より低くなり前記低圧側圧力センサ２９の圧力検出値が低下する。上記したように、前記制御部３０は前記高圧側圧力センサ２８の検出値と、前記低圧側圧力センサ２９の検出値との差が、所定範囲外となった場合は、過膨張現象が発生していると判断するようになっている。また、前記膨張機４において膨張不足現象が発生した際は、前記流出ポート１４での冷媒圧力が所定設定値より高くなり前記低圧側圧力センサ２９の圧力検出値が上昇する。前記制御部３０は前記高圧側圧力センサ２８の検出値と、前記低圧側圧力センサ２９の検出値との差が所定範囲より小さくなった場合は、膨張不足現象が発生していると判断するようになっている。

例えば、膨張不足現象が発生した際、前記制御部３０は、前記制御信号線２５ａを介して制御信号を送出し、前記導入側開閉弁２５を開放させるようになっている。これにより、上記したように、前記流入ポート１２から高圧の冷媒が前記高圧冷媒導入パイプ２４を通り、前記ピストン収納部１８の充填空間１８ａに充填されるようになっている。前記ピストン収納部１８の充填空間１８ａに高圧冷媒が充填されると、図４（Ａ）で示すように、前記ピストン１９が前記ベーン収納部１５側に移動し、前記ローラー２０が前記ベーン１６の側面部を押圧して、同ベーン１６を時計方向に回動させるようになっている。これにより、前記高圧側膨張室１１ａの容積が狭まる一方、前記低圧側膨張室１１ｂの容積が増大し、前記高圧側膨張室１１ａの容積と、前記低圧側膨張室１１ｂの容積との比である膨張比が増加することにより、膨張不足現象を抑制することができるようになっている。

また、過膨張現象が発生した際は、前記制御部３０は、前記制御信号線２７ａを介して制御信号を送出し、前記排出側開閉弁２７を開放させるようになっている。これにより、前記ピストン収納部１８の充填空間１８ａから冷媒が前記排出パイプ２６を通り、低圧側の前記流出ポート１４に排出されるようになっている。図４（Ｂ）で示すように、前記ピストン１９は、前記スプリング２１により左方側に移動し、これに伴って前記ベーン１６は前記第二スプリング２３の押圧力に押圧されて反時計方向に回動するようになっている。これにより、前記高圧側膨張室１１ａの容積が増大する一方、前記低圧側膨張室１１ｂの容積が減少し、前記高圧側膨張室１１ａの容積と、前記低圧側膨張室１１ｂの容積との比である膨張比が低下することにより、膨張不足現象を抑制することができるようになっている。

上記したように、前記ベーン１６を前記ブッシュ１７ａ及びブッシュ１７ｂにより回動させることにより前記高圧側膨張室１１ａあるいは低圧側膨張室１１ｂの容積比を変更して過膨張現象及び膨張不足現象を抑制することができるようになっており、また、前記偏心ロータ１０を回動させる冷媒の膨張による付勢力が変動することなく、前記動力回収シャフト８において円滑な回転を得ることができるようになっている。また、圧縮機等に応用した場合には、圧縮機サイクルの状態に応じて圧縮容量を適宜、変更することが可能となっている。

次に、第二実施例について説明する。第二実施例は図５で示すように、前記ベーン１６を支持するブッシュ１７ｂの外周面一部に、歯型を形成したラック部１７ｃを設けるとともに、これに噛合するギア３２を前記シリンダ７に軸支している。同ギア３２は、点線で示す駆動モータ３１に接続されており、同モータ３１が駆動されると、ギア３２が回動し、これに伴って前記ブッシュ１７ｂが回動するようになっている。これにより前記ベーン１６は任意の角度に傾斜することができ、前記高圧側膨張室１１ａと前記低圧側膨張室１１ｂとの容積比率を変更することができるようになっている。ギア３２を用いることにより、精度が高く前記ベーン１６の角度変更を行えるとともに、前記ベーン１６は高圧側膨張室１１ａの高圧の冷媒により前記ブッシュ１７ｂ側に常に押圧されていることにより、同ブッシュ１７ｂを回動させることにより、更に正確な角度位置決めが行えるようになっている。

本発明による膨張機を備えた冷媒回路を示す説明図である。動力回収シャフトに垂直な面で切断した本発明の第一実施例による膨張機の断面図である。その要部詳細図である。（Ａ）及び（Ｂ）はベーンの動作を示す説明図である。動力回収シャフトに垂直な面で切断した本発明の第二実施例による膨張機の断面図である。従来の膨張機の動力回収シャフトに垂直な面で切断した断面図である。

符号の説明

１冷媒回路
２圧縮機
３放熱器
４膨張機
５吸熱器
６ケーシング
７シリンダ
７ａ凹部
８動力回収シャフト
９クランク部
１０偏心ロータ
１１ａ高圧側膨張室
１１ｂ低圧側膨張室
１２流入ポート
１３開閉弁
１４流出ポート
１５ベーン収納部
１６ベーン
１７ａ、１７ｂブッシュ
１７ｃラック部
１８ピストン収納部
１８ａ充填空間
１８ｂストッパ
１９ピストン
１９ａリング
１９ｂロッド
２０ローラー
２１スプリング
２２第一スプリング
２３第二スプリング
２４高圧冷媒導入パイプ
２５導入側開閉弁
２６排出パイプ
２７排出側開閉弁
２７ａ制御信号線
２８高圧側圧力センサ
２８ａ信号線
２９低圧側圧力センサ
２９ａ信号線
３０制御部
３１駆動モータ
３２ギヤ

Claims

シリンダと、同シリンダ内に収納され、シャフトに支持された偏心ロータと、同偏心ロータに先端部を摺接させ、往復運動を行うベーンとからなり、前記シリンダ内に高圧室及び低圧室を形成してなる流体機械において、
前記ベーンの角度を変更させる角度変更機構を設け、同角度変更機構により前記高圧室及び前記低圧室の容積比率を変更できるようにしたことを特徴とする流体機械。
前記角度変更機構が、前記シリンダに回動自在に支持され、前記ベーンが摺動する摺動孔を設けたブッシュと、前記ベーンを収納するベーン収納部に付設され前記ベーンの側面を押圧するピストンを収納したピストン収納部とからなることを特徴とする請求項１に記載の流体機械。
前記ピストンは、前記ピストン収納部に導入された高圧冷媒により作動することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の流体機械。