JP2021042914A - 膨張機およびランキンサイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本開示は、高温部から低温部への熱の移動を低減し、効率を向上した膨張機とそれを用いたランキンサイクル装置を提供する。【解決手段】本開示は、略円筒形状をなし、第１の端面から外径面に至る第１の通路及び第１の端面の背面側の第２の端面から外径面に至る第２の通路を有するバルブ１６０と、バルブ１６０に対して外径面の外側に配置され、作動流体を膨張させる作動室とを有し、作動流体は第１の端面が面する第１の空間から第１の通路を経由して作動室へ吸入され、且つ、作動室から第２の通路を経由して第２の端面が面する第２の空間へ吐出される、膨張機とそれを用いたランキンサイクル装置である。【選択図】図２

Description

本開示は、膨張機およびランキンサイクル装置に関する。

特許文献１は、冷凍効率の高い冷凍空調機を開示する。この冷凍空調機は、シリンダ内への冷媒の導入及びシリンダ内からの冷媒の排出を制御するためのロータリーバルブと、該ロータリーバルブを回転可能に挿入保持するための内部空間を有するハウジングとを備え、ロータリーバルブの外側面とこれに面する上記ハウジングの内面との少なくとも一方に固体潤滑材層を形成した膨張機を有する。

特許文献２は、発電効率の高いランキンサイクル装置、熱電併給システム及びランキンサイクル装置の運転方法を開示する。このランキンサイクル装置は、ポンプ、蒸発器、膨張機、凝縮器及び内部熱交換器を備えている。内部熱交換器は、膨張機から吐出された作動流体とポンプから吐出された作動流体とを熱交換させる。膨張機の出口における作動流体の温度がサイクルの高圧側における飽和温度よりも高くなるように、膨張機の入口における作動流体の温度が設定される。

特開２００１−２７２１３９号公報 国際公開第２０１４／０８７６４２号

本開示は、高温部から低温部への熱の移動を低減し、効率、すなわち供給された熱エネルギーに対する発電される電力の比率を向上した膨張機を提供する。

本開示は、略円筒形状をなし、第１の端面から外径面に至る第１の通路と、第１の端面の背面側の第２の端面から外径面に至る第２の通路とを有するバルブと、バルブに対して外径面の外側に配置され、作動流体を膨張させる作動室とを有し、作動流体は第１の端面が面する第１の空間から第１の通路を経由して作動室へ吸入され、且つ、作動室から第２の通路を経由して第２の端面が面する第２の空間へ吐出される膨張機、およびこれを用いたランキンサイクル装置である。

本開示は、膨張機において、バルブの第１の端面側に高温部である吸入空間、反対の第２の端面側に低温部である吐出空間を配置することで、バルブを介して吸入空間と吐出空間とを隔てて、吸入空間と吐出空間との境界部の表面積を小さくすることで、高温部から低温部への熱の移動を低減する。そのため、高温部の温度低下による作動流体の熱エネルギーの損失を低減することで、熱エネルギーを変換して得られる電力の減少を抑制するので、膨張機の効率を向上することができる。

実施の形態１における膨張機の縦断面図 実施の形態１における膨張機構部の拡大図 図２のＡ−Ａ面における水平断面図 バルブの吸入動作を示す模式図 バルブの吐出動作を示す模式図 実施の形態１におけるバルブの斜視図 実施の形態１におけるバルブの正面図 実施の形態１におけるバルブの上面図 実施の形態２におけるランキンサイクル装置の構成図

（本開示の基礎となった知見等）
発明者らが本開示に想到するに至った当時、太陽光などの自然エネルギー又は各種排熱を利用するエネルギーシステムの一つとして、ランキンサイクルを有する発電システムの技術があった。このようなランキンサイクル装置は、一般に、高温かつ高圧の作動流体で膨張機を動作させ、膨張機によって作動流体から取り出した動力で発電を行う。

また、膨張機としては、ピストンの往復により容積が変化する作動室と、ハウジングに収納された円筒状のバルブにより作動室への作動流体の導入及び排出を制御する吸排気機構と、を備え、バルブの外側面とハウジングの内面との少なくとも一方に固体潤滑材層を設けることで、バルブとハウジングとの間の摩擦を小さくする技術があった。

このような膨張機では、小型軽量化の観点から膨張機の外径が大きくならないように、バルブとこれに連通する吸入通路および吐出通路が、作動室より上死点方向に配置されている。また、バルブの外側面には、作動室との連通路を開閉するための開閉溝、および、ハウジングに設けた通路と常に連通するための環状溝、さらに開閉溝および環状溝の気密を維持するため、微小なクリアランスを介してハウジング内面と対向するシール部などを設けている。

開閉溝および環状溝は作動流体が流れる際に抵抗が大きくならように所定の断面積を確保する必要があり、シール部も気密保持のために必要な幅を確保する必要がある。このため、バルブの外側面には開閉溝、環状溝、およびシール部が配置され、これら各々の幅を考慮すると合計の幅が大きくなるので、バルブは直径に比べ軸方向に長い形状になることが一般的であった。また、開閉溝の吸入側は高圧圧力、吐出側は低圧圧力となっているため、バルブにはこれらの圧力差により半径方向の荷重が作用する。バルブが直径に比べ軸方向に長い形状であるため、バルブに作用する圧力差による荷重はシール部とハウジングとの摺動面で支持される。このため、荷重支持に必要な面積を確保する観点でも、バルブの外径面の面積は大きくなる傾向がある。

さらに、バルブに吸入経路と吐出経路とを設けるためには、環状溝とは連通しないようにバルブの内部に通路を設ける必要がある。これらの開閉溝および環状溝に加えて、さらに内部の通路などを複雑に配置しつつ、それぞれの開閉溝、環状溝、および通路が作動流体の流動に必要な断面積を確保する必要がある。この結果、バルブの作動流体と接する表面積が大きくなる。

このような膨張機を高温高圧の作動流体より動力を取り出すランキンサイクルに用いる場合、バルブは作動流体と接する面積が大きいので、高温部である吸入ガスからバルブへの熱移動や、バルブから低温部である吐出ガスへの熱移動が多くなる。さらに、バルブのシール部とハウジングは微小なクリアランスを介して対向し、かつ、シール部の面積が大きいので、バルブからハウジングへの熱移動が多くなり、ハウジングから膨張機全体へ熱が拡散する。

従って、作動室より上死点方向にバルブを設けた膨張機では、高温部から低温部への熱
移動が大きくなり、効率が低下するという課題を発明者らは発見し、その課題を解決するために、本開示の主題を構成するに至った。

そこで本開示は、高温部から低温部への熱の移動を低減し、効率を向上した膨張機を提供する。なお、本明細書において、膨張機は、熱エネルギーを有する作動流体を膨張させる機構部と、作動流体の膨張による運動エネルギーを用いて電力を生成する発電機部とを有するものとし、膨張機の効率とは、供給された熱エネルギーに対する、発電される電力の比率のことを言う。

（本開示に係る一態様の概要）
本開示の第１態様に係る膨張機は、
略円筒形状をなし、第１の端面から外径面に至る第１の通路と、前記第１の端面の背面側の第２の端面から前記外径面に至る第２の通路とを有するバルブと、
前記バルブに対して前記外径面の外側に配置され、作動流体を膨張させる作動室と、
を有し、
前記作動流体は、
前記第１の端面が面する第１の空間から前記第１の通路を経由して前記作動室へ吸入され、且つ、
前記作動室から前記第２の通路を経由して前記第２の端面が面する第２の空間へ吐出される。

この第１態様は、
回転軸に垂直な第１の端面、前記第１の端面の背面側の第２の端面、前記回転軸から一定距離の周方向に形成された外径面、前記第１の端面から前記外径面に至る第１の通路、及び、前記第２の端面から前記外径面に至る第２の通路、を有するバルブと、
前記バルブに対して前記外径面の外側に配置され、作動流体を膨張させる作動室と、
を有し、
前記作動流体は、
前記第１の端面が面する第１の空間から前記第１の通路を経由して前記作動室へ吸入され、且つ、前記作動室から前記第２の通路を経由して前記第２の端面が面する第２の空間へ吐出される、膨張機である。

第１態様に係る技術は、膨張機において、バルブの第１の端面側に高温の作動流体の吸入空間、および、反対側すなわち第１の端面の背面側に形成される第２の端面側に低温の作動流体の吐出空間、が配置されることとなる。このため、バルブを介して吸入空間と吐出空間とを隔てることとなり、吸入空間と吐出空間との境界部分の表面積を小さくすることが可能となるので、高温部から低温部への熱の移動が低減される。このように熱の移動が低減されるため、膨張機の効率を向上することができる。

本開示の第２態様は、例えば、第１態様に係る膨張機において、
前記バルブが、
外径に比べて軸方向の長さが短くてもよい。

第２態様によれば、第１の通路および第２の通路の長さが短くなるとともに、バルブの表面積がより小さくなるので、バルブと冷媒との間の熱伝達が低減される。また、バルブの外径面すなわち側面の面積が小さくなるので、バルブから、作動室を形成するシリンダブロックへの熱伝達が低減される。したがって、高温部から低温部への熱の移動がより低減される。このため、膨張機の効率をさらに向上することができる。

本開示の第３態様は、例えば、第１または第２態様に係る膨張機において、
前記バルブが回転自在に収納されるハウジングと、前記ハウジングの周囲に複数配置される前記作動室と、軸受とを備えたシリンダブロックと、
前記バルブと回転軸を共有し、かつ前記バルブと一体となって、前記軸受により回転自在に支持されるシャフトと、
をさらに備えてもよい。

第３態様によれば、バルブがシャフトと軸受とで回転自在に支持されるため、バルブの外径面と、バルブを収納するハウジングとが接触しないようにバルブを配置することができる。これにより、バルブとハウジングとの間の摩擦が軽減されるため、熱ロスを低減しつつ摩擦による損失を低減して、膨張機の効率を向上することができる。

本開示の第４態様は、例えば、第３態様に係る膨張機において、
前記シリンダブロックが、
前記第１の端面および前記第２の端面のそれぞれとの間に隙間を有してもよい。

第４態様によれば、バルブからシリンダブロックへの熱伝達を低減し、熱の移動をさらに低減することができるため、膨張機の効率をより向上することができる。

本開示の第５態様は、例えば、第３または第４態様に係る膨張機において、
前記バルブの熱伝導率が、
前記シリンダブロックの熱伝導率よりも低くてもよい。

第５態様によれば、バルブの熱伝導率が低いためバルブを経由した熱の移動がさらに小さくなるので、膨張機の効率をより向上できる。

本開示の第６態様は、第１から第５態様のいずれかに係る膨張機を用いたランキンサイクル装置である。

第６態様によれば、効率を向上させた膨張機をランキンサイクル装置に適用するため、ランキンサイクルとしての効率も向上するので、ランキンサイクル装置により発電を行う場合に、発電効率を向上することができる。

以下、図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明、または、実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が必要以上に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。

なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図していない。

（実施の形態１）
以下、図１〜図８を用いて、実施の形態１を説明する。

［１−１．構成］
図１において、膨張機１００は、密閉容器１０２と、密閉容器１０２内に収納される、発電機部１１０と機構部１２０とを備える。機構部１２０内には、吸入室１４６と吐出室１７６が形成されている。また、密閉容器１０２の内部には、下部空間１７８ａ、１７８ｂ、１７８ｃが形成されている。密閉容器１０２内の空間には、作動流体としてＨＦＯ系またはＨＦＣ系、イソペンタンなどの炭化水素系など、通常ランキンサイクルで用いられ
る冷媒が封入されている。

下部空間１７８ｂの底部にはオイル１０４が貯留されている。機構部１２０に具備された給油機構１７４がオイル１０４に浸漬している。密閉容器１０２には吸入管１０６と吐出管１０８が取り付けられている。吸入管１０６は、吸入室１４６に接続されており、吐出管１０８は下部空間１７８ｃに接続されている。

発電機部１１０は、鉄心に銅線を巻いた固定子１１２と、永久磁石を内蔵した回転子１１４とからなる。固定子１１２は、密閉容器１０２の内面に固定される。回転子１１４は固定子１１２の内径側に配置され、機構部１２０のシャフト１２８に取り付けられている。

次に図２から図５を用いて機構部１２０について詳細に説明する。

図２、図３において、機構部１２０は、下ブロック１５０、シリンダブロック１２２などからなる。下ブロック１５０の外径面と密閉容器１０２の内面とを溶接するなどの方法で、機構部１２０は密閉容器１０２に対して固定されている。また、下ブロック１５０は、円筒状の孔部である下軸受１５８を備えている。また、下ブロック１５０は、下ブロック１５０の上下の空間を接続する連通穴１５２を備えている。

シリンダブロック１２２は下ブロック１５０の上面に固定されている。そして、シリンダブロック１２２の下端面を下ブロック１５０で蓋をするようにして、シリンダブロック１２２と下ブロック１５０とで囲まれた吐出室１７６を形成している。また、シリンダブロック１２２は、中心部に円筒状の孔部である、軸受１２５としての上軸受１２６を備えている。上軸受１２６の上方には、上軸受１２６と中心線を共有し、円筒状の内面を有する空間であるハウジング１４２が形成されている。さらに、上軸受１２６の周囲に複数の吐出通路１４８ａ、１４８ｂを設けている。吐出通路１４８ａ、１４８ｂは、ハウジング１４２の底面に設けられた空間１２２ａ、１２２ｂと吐出室１７６とを連通している。

シャフト１２８には、円盤状の斜板１３４が、ホルダ１３５を介して固定されている。斜板１３４は、斜板１３４の外径側に形成された環状の平面部の法線が、シャフト１２８の中心軸に対して傾斜している。シャフト１２８は、上軸受１２６および下軸受１５８に小さなクリアランスを介して回転自在に挿入されている。また、ホルダ１３５と下ブロック１５０との間に玉軸受を用いたスラスト軸受１３８が配置されている。

上軸受１２６の周囲には、６個の円筒状の孔部であるシリンダ１２４ａ〜１２４ｆが等間隔に配置されている。

以下、シリンダ１２４ａ、ピストン１３２ａおよび作動室１４０ａの組み合わせに関して構成を説明するが、他の組み合わせについても構成は同様であるため、対応する構成要素には記号ｂ〜ｆの記号を付して説明は省略する。

主に図３、図４に示すように、ハウジング１４２とシリンダ１２４ａとの間には、吸入吐出孔１４４ａを設けており、ハウジング１４２内の空間とシリンダ１２４ａ内の空間とを連通している。吸入吐出孔１４４ａは、概ね四角形の断面を有する。吸入吐出孔１４４ａの高さすなわち上下方向の幅ＨＨおよび横方向の幅ＷＨにくらべ、奥行ＤＨはこれらの半分以下である。これにより、作動流体の流れ方向の断面積を確保しながら、吸入吐出孔１４４ａ内の空間容積は小さくなっている。

シリンダ１２４ａには、ピストン１３２ａが往復動自在に挿入され、シリンダ１２４ａ
、ピストン１３２ａ、ヘッド１５４とで囲まれた空間である作動室１４０ａを形成している。

斜板１３４の外径側に一対のシュー１３６ａ、１３７ａを介してピストン１３２ａが揺動可能に連結されることで、ピストン１３２ａの、シリンダ１２４ａ内での位置を定めている。そして、斜板１３４の傾斜角度により、ピストン１３２ａのストロークＬ（図示せず）が定まる。

このようなピストン１３２ａ〜１３２ｆ（１３２ｂ、１３２ｃ、１３２ｅ、１３２ｆは図示せず）がシャフト１２８の周囲に等間隔に配置されているので、これらのピストン１３２ａ〜１３２ｆは所定の位相差で互いに連動して往復運動する。

図２に示すように、バルブ１６０は、ハウジング１４２内に収納されており、ハウジング１４２の上側端面にはハウジングカバー１５６が取り付けられている。そして、ハウジング１４２、ハウジングカバー１５６、バルブ１６０で囲まれた吸入室１４６を形成している。

図６および図７に示すように、バルブ１６０は、上側の第１の端面１６２と、下側の第２の端面１６６と、外径面１７０とを有する略円筒形状をなしている。バルブ１６０の高さＨＶは、バルブ１６０の直径すなわち外径ＤＶより小さい。

また、バルブ１６０は、第１の端面１６２と外径面１７０とにまたがる凹部である第１の通路１６４と、第２の端面１６６と外径面１７０とにまたがる凹部である第２の通路１６８を備えている。

図７において、第１の通路１６４の高さ方向の幅は、寸法Ｍと寸法Ｊとの和である。第１の通路１６４の下側に、寸法Ｋの幅の円筒面を設けてシール部を形成している。また、第２の通路１６８の高さ方向の幅は、寸法Ｍと寸法Ｋとの和である。第２の通路１６８の上側に、寸法Ｊの幅の円筒面を設けてシール部を形成している。

なお、シール部の上下幅である寸法Ｊおよび寸法Ｋは、寸法Ｍの半分程度としている。

さらに、寸法Ｍは、吸入吐出孔１４４ａの高さすなわち上下方向の幅ＨＨとほぼ等しい。この寸法Ｍの部位が、吸入吐出孔１４４ａと対向するように、バルブ１６０の上下方向の位置を定めている。

バルブ１６０の高さＨＶは、寸法Ｍと寸法Ｊと寸法Ｋとの和であることから、寸法Ｍの約２倍である。バルブ１６０の高さＨＶは、寸法Ｍの３倍以内であり、吸入吐出孔１４４ａの高さすなわち上下方向の幅ＨＨの３倍以内である。

バルブ１６０は、所定のタイミングで吸入吐出孔１４４ａの開閉が行えるように、第１の通路１６４と第２の通路１６８とを設ける角度の範囲が選択されている。

図８において方向Ｏは、吸入吐出孔１４４ａの中央に方向Ｏが位置するときに、ピストン１３２ａが上死点となる方向である。方向Ｏを中心に方向ＢからＥの範囲は、第１の通路１６４および第２の通路１６８の範囲外である。このため、ピストン１３２ａの上死点では吸入吐出孔１４４ａはバルブ１６０によって閉塞される。なお、上死点において作動室１４０ａの容積は最小となるが、ピストン１３２ａとヘッド１５４との間には小さな隙間を設けており、容積は零にはならない。この上死点における作動室１４０ａの容積と、吸入吐出孔１４４ａ内の容積との合計を死容積と呼ぶことにする。

方向ＢからＣの範囲は第１の通路１６４が配置されており、図４のように、第１の通路１６４に対向する吸入吐出孔１４４ａを経由して吸入室１４６と作動室１４０ａとが連通する。

方向ＣからＤの範囲では吸入吐出孔１４４ａはバルブ１６０により閉塞される。

方向ＤからＥの範囲は第２の通路１６８が配置されており、図５のように、第２の通路１６８に対向する吸入吐出孔１４４ａを経由して吐出室１７６と作動室１４０ａとが連通する。

バルブ１６０に設けた第１の通路１６４および第２の通路１６８の仕様の一例を、方向Ｏを基準に反時計回りの角度で示すと、方向Ｂは１０〜１５度、方向Ｃは５０〜６０度、方向Ｄは１８０〜１９０度、方向Ｅは１６５〜１７０度である。

このバルブ１６０を用いた場合、吸入吐出孔１４４ａの中心とバルブ１６０の方向Ｄとが一致するとき、ピストン１３２ａは下死点に位置し、ピストン１３２ａの上端面は、ヘッド１５４からストロークＬの位置付近にある。

また、吸入吐出孔１４４ａの中心とバルブ１６０の方向Ｃとが一致するとき、ピストン１３２ａの上端面は、ヘッド１５４からストロークＬの約１／４の位置にある。従って、バルブ１６０により吸入吐出孔１４４ａが閉塞される、バルブ１６０が方向ＣからＤに回転する間に、ピストン１３２ａは下向きに変位し、作動室１４０ａの容積は約４倍に増加する。

なお、膨張機１００による作動流体の膨張比は、作動室１４０ａと吸入吐出孔１４４ａとを合わせた容積の、吸入終了時と吐出開始時とを比較した比率である。従って、ピストン１３２ａのストロークＬが同じであっても、死容積が大きくなるほど膨張比が小さくなる。このため、必要な膨張比をより小型の膨張機１００で実現するためには、死容積が小さいことが望ましい。

ＢからＥの角度は２０〜３０度であるが、この弧ＢＥの長さは吸入吐出孔１４４ａの幅ＷＨより長くなっている。このため、吸入吐出孔１４４ａと弧ＢＥとが対向した際に、吸入吐出孔１４４ａを経由して、第１の通路１６４と第２の通路１６８とが連通することはない。

バルブ１６０の外径ＤＶはピストン１３２ａの外径ＤＰより大きい。このため、吸入吐出孔１４４ａの幅ＷＨを大きくして、必要な流路断面積を確保しながら、バルブ１６０で吸入吐出孔１４４ａを封止可能な構成になっている。

シャフト１２８の上端に設けた径小部である保持部１３０と、バルブ１６０の中心部に設けた円筒状の孔部１７２が嵌合することで、バルブ１６０はシャフト１２８に対して回転軸を共有した状態で固定されている。

また、バルブ１６０の下側の端面である第２の端面１６６とハウジング１４２の底面との間には隙間を設けている。上軸受１２６の端部と第２の端面１６６との隙間より、外径側の部位である空間１２２ａ、１２２ｂとの隙間（寸法Ｇ）が大きい。

バルブ１６０とハウジング１４２との隙間は、シャフト１２８と上軸受１２６との隙間より大きい。

ピストン１３２ａとシリンダブロック１２２とはともにアルミ合金で形成されている。また、バルブ１６０はシリンダブロック１２２より熱伝導率の小さいステンレス鋼で形成されている。

吸入吐出孔１４４ａの中心とバルブ１６０の方向Ｃとが一致するとき、ピストン１３２ａの上端面はヘッド１５４から概ねストロークＬの１／４の位置にある。また、吸入吐出孔１４４ａの高さすなわち上下方向の幅ＨＨは、このときのピストン１３２ａとヘッド１５４との幅の全体で開口するように、ストロークＬの約１／４となっている。

第１の通路１６４および第２の通路１６８は流路断面積の確保と、シール部の確保をしながら、バルブ１６０の外径面１７０の面積を最小化する観点から、バルブ１６０の高さＨＶはピストン１３２ａのストロークＬ（図示せず）より小さく、望ましくはピストン１３２ａのストロークＬの７０％以内である。

［１−２．動作］
以上のように構成された膨張機１００について、その動作を以下説明する。

吸入管１０６より吸入室１４６へ高温高圧の作動流体が流入する。

図３に示すバルブ１６０の状態では、第１の通路１６４と、吸入吐出孔１４４ｄおよび作動室１４０ｄとが連通し、図４に示す吸入状態にある（図４の１４０ａ、１３２ａ、１４４ａは１４０ｄ、１３２ｄ、１４４ｄに対応）。このとき、作動室１４０ｄ内の圧力が高圧圧力で、ピストン１３２ｄの下面が低圧圧力なので、ピストン１３２ｄには下向きの力が作用する。

作動室１４０ａ、１４０ｂ、１４０ｃは、それぞれ吸入吐出孔１４４ａ、１４４ｂ、１４４ｃを経由して、第２の通路１６８と連通し、図５に示す吐出状態にある。第２の通路１６８は吐出通路１４８ａ、１４８ｂを経由して吐出室１７６に連通している。この結果、作動室１４０ａ、１４０ｂ、１４０ｃ内は、ピストン下面の吐出室１７６と同じ低圧圧力となり、これらのピストン１３２ａ、１３２ｂ、１３２ｃには、圧力による作用力は働かない。

従って、ピストン１３２ｄに下向きの力が作用することで、ピストン１３２ｄは下降し、シャフト１２８が右回りに駆動される。

この結果、ピストン１３２ｄの下降に伴い、図４の矢印で示すように、吸入室１４６から、第１の通路１６４と吸入吐出孔１４４ｄとを経由して、作動室１４０ｄへ高温高圧の作動流体が流入する。また、ピストン１３２ａ、１３２ｂ、１３２ｃは上昇するので、図５の矢印で示すように、作動室１４０ａから、吸入吐出孔１４４ａと第２の通路１６８とを経由して、吐出室１７６へ低温低圧の作動流体が流出する。吐出室１７６の作動流体は、連通穴１５２を経由して、下部空間１７８ａ、１７８ｂ、１７８ｃを経由して、吐出管１０８より吐出される。

なお、作動室１４０ｅ、１４０ｆは、バルブ１６０によって吸入吐出孔１４４ｅ、１４４ｆが閉塞したのち、作動室１４０ｅ、１４０ｆの容積が拡大した状態である。このため、一旦、膨張機１００が回転し始めると、容積拡大に伴い作動室１４０ｅ、１４０ｆ内の作動流体が膨張するので、作動室１４０ｅ、１４０ｆ内の圧力は高圧圧力から徐々に低下する。ただし、作動室１４０ｅ、１４０ｆ内の圧力は、ピストン１３２ｅ、１３２ｆ下面の低圧圧力より圧力は常に高くなるようにバルブ１６０の開閉タイミングが選択されるの
で、ピストン１３２ｅ、ピストン１３２ｆには下向きの力が作用する。

また、図３に示すバルブ１６０の状態では、ピストン１３２ｄ、１３２ｅ、１３２ｆに下向きの力が作用し、シャフト１２８を回転させる駆動力が発生している。そして、シャフト１２８の回転に伴い、順次、各作動室が作動流体の吸入を行うので、連続して駆動力を得ることができる。しかも、作動室を６個以上配置することで、連続して作動流体の吸入が行えるので、安定的に膨張機を駆動することが可能である。

このようにシャフト１２８とともに、発電機部１１０の回転子１１４が回転することにより、発電機部１１０にて発電を行い、電力を得る。しかも、作動室を６個以上配置することで、膨張機１００で発生するトルクの変動が小さくなり、出力電力が安定する。

また、シャフト１２８の回転に伴い、給油機構１７４により密閉容器１０２の底部に貯留されたオイル１０４が汲み上げられ、下軸受１５８および上軸受１２６とシャフト１２８との摺動部、スラスト軸受１３８、さらにはピストン１３２ａ〜ｆとシリンダ１２４ａ〜ｆとの摺動部へオイル１０４が供給され、潤滑を行う。

次に、バルブ１６０周辺の熱伝達について説明する。

バルブの第１の端面１６２側に高温の作動流体のある吸入室１４６、反対の第２の端面１６６側に低温の作動流体のある吐出室１７６を配置することで、バルブ１６０を介して高温の作動流体と低温の作動流体とを隔てている。高温の作動流体は、第１の端面１６２および第１の通路１６４に接している。第１の通路１６４は、第１の端面１６２と外径面１７０とにまたがる凹部である。第１の通路１６４の高さ方向の幅は寸法Ｍと寸法Ｊとの和である。この寸法は、吸入吐出孔１４４ａの高さすなわち上下方向の幅ＨＨと、上下方向のシール幅とを加えた最小限の値とほぼ等しい。このため第１の通路１６４の経路は短く、高温の作動流体が接する表面積が小さい。

また、低温の作動流体は、第２の端面１６６および第２の通路１６８に接している。第２の通路１６８は、第２の端面１６６と外径面１７０にまたがる凹部である。第２の通路１６８の高さ方向の幅は寸法Ｍと寸法Ｋとの和である。この寸法についても、吸入吐出孔１４４ａの高さすなわち上下方向の幅ＨＨと、上下方向のシール幅とを加えた最小限の値とほぼ等しい。このため第２の通路１６８の経路は短く、低温の作動流体が接する表面積も小さい。

このように高温の作動流体と低温の作動流体との境界部に位置するバルブ１６０の表面積を小さくすることで、高温部から低温部への熱の移動を低減する。

バルブ１６０の高さＨＶは、バルブ１６０の直径すなわち外径ＤＶより小さく、外径面１７０の面積が小さい。また、バルブ１６０の高さＨＶはピストン１３２ａのストロークＬより小さく、望ましくはピストン１３２ａのストロークＬの７０％以内である。これにより、第１の通路１６４および第２の通路１６８がさらに短くなり、バルブ１６０の表面積が小さいので、バルブ１６０と作動流体との間の熱の移動が低減される。また、バルブ１６０の外径面１７０の面積が小さいので、バルブ１６０からハウジング１４２を経由してシリンダブロック１２２に至る熱の移動が低減される。

また、バルブ１６０の高さＨＶは、吸入吐出孔１４４ａの高さすなわち上下方向の幅ＨＨの３倍以内である。これにより、吸入吐出孔１４４ａの高さすなわち上下方向の幅ＨＨとシール幅とを確保しながら、バルブ１６０の外径面１７０の面積は小さくなるので、バルブ１６０からハウジング１４２を経由してシリンダブロック１２２に至る熱の移動が低
減される。

バルブ１６０の第１の通路１６４には高圧圧力、第２の通路１６８には低圧圧力が作用することから、バルブ１６０には半径方向の荷重が作用する。バルブ１６０とハウジング１４２との隙間は、シャフト１２８と上軸受１２６との隙間より大きいので、シャフト１２８が上軸受１２６の隙間内で変位しても、バルブ１６０とハウジング１４２とが接触しない程度の隙間が確保される。このように、圧力差によりバルブ１６０に作用する半径方向の荷重を、シャフト１２８と上軸受１２６とで支持することで、バルブ１６０の外径面１７０と、ハウジング１４２との接触を防止する。

シリンダブロック１２２はバルブ１６０の端面との間に隙間を有する。これにより、バルブ１６０からシリンダブロック１２２への熱伝導を抑制し、熱の移動をさらに低減する。

バルブ１６０はシリンダブロック１２２より熱伝導率が小さい。これにより、バルブ１６０を経由した熱の移動をさらに小さくすることができる。

［１−３．効果等］
以上のように、本実施の形態において、膨張機１００は、バルブ１６０と、作動室１４０ａと、を有する。バルブ１６０は、略円筒形状をなし、第１の端面１６２から外径面１７０に至る第１の通路１６４と、第２の端面１６６から外径面１７０に至る第２の通路１６８とを有する。作動室１４０ａは、バルブ１６０の外径側に配置される。作動流体は前記第１の端面が面する空間から前記第１の通路を経由して前記作動室へ吸入され、前記作動室から前記第２の通路を経由して前記第２の端面が面する空間へ吐出される。

これにより、バルブ１６０を介して吸入空間と吐出空間とを隔てて、吸入空間と吐出空間との境界部であるバルブ１６０の表面積を小さくすることで、高温部から低温部への熱の移動が低減される。そのため、高温部の温度低下による作動流体の熱エネルギーの損失を低減することで、熱エネルギーを変換して得られる電力の減少を抑制するので、膨張機１００の効率を向上することができる。

また、バルブ１６０の第１の通路１６４には高圧圧力、第２の通路１６８には低圧圧力が作用することから、バルブ１６０には半径方向の荷重が作用する。バルブ１６０とハウジング１４２との隙間は、シャフト１２８と上軸受１２６との隙間より大きいので、シャフト１２８が上軸受１２６の隙間内で変位しても、バルブ１６０とハウジング１４２とが接触しない程度の隙間が確保される。このように、圧力差によりバルブ１６０に作用する半径方向の荷重を、シャフト１２８と上軸受１２６とで支持することで、バルブ１６０の外径面１７０と、ハウジング１４２との接触を防止する。

これにより、温度が高く、潤滑が困難であり、しかも外径面１７０に、第１の通路１６４および第２の通路１６８による欠損部があるため、油膜形成が困難な、バルブ１６０とハウジング１４２との間で荷重を支持する必要がないため、摩擦が軽減される。また、バルブ１６０とハウジング１４２とが直接接触しないことで、バルブ１６０からの熱伝導による熱の移動を抑制できる。

本実施の形態のように、膨張機１００は、外径に比べて軸方向の長さが短い円筒形状としてもよい。

これにより、第１の通路１６４および第２の通路１６８が短いため、バルブ１６０の表面積が小さいので、バルブ１６０と作動流体との熱の移動が低減される。また、バルブ１
６０の外径面１７０の面積が小さくなるので、バルブ１６０からハウジング１４２への熱の移動が低減されるため、高温部から低温部への熱の移動が低減される。そのため、熱の移動をさらに低減することで膨張機１００の効率を向上することができる。

本実施の形態のように、膨張機１００は、バルブ１６０が回転自在に収納されるハウジング１４２と、ハウジング１４２の周囲に複数形成される作動室１４０ａ〜ｆと、軸受１２５としての上軸受１２６とを備えたシリンダブロック１２２と、バルブ１６０と回転軸を共有し、かつバルブ１６０と一体となって、上軸受１２６により回転自在に支持されるシャフト１２８と、を備えてもよい。

これにより、バルブ１６０をシャフト１２８と上軸受１２６とで支持することで、バルブ１６０の外径面１７０と、ハウジング１４２との接触を防止し、バルブ１６０とハウジング１４２との間の摩擦が軽減される。そのため、熱損失を低減しつつ、バルブ１６０の摩擦による損失を低減して効率を向上することができる。

本実施の形態のように、膨張機１００は、シリンダブロック１２２はバルブ１６０の端面との間に隙間を有してもよい。

これにより、バルブ１６０からシリンダブロック１２２への熱の移動が低減される。そのため、熱の移動をさらに低減することで膨張機１００の効率を向上することができる。

本実施の形態のように、膨張機１００は、バルブ１６０は、少なくとも一部が作動室１４０ａを形成するシリンダブロック１２２より熱伝導率の低い材料で形成される。

これにより、バルブ１６０を経由した熱の移動がさらに小さくなる。そのため、熱の移動をさらに低減することで、膨張機１００の効率を向上することができる。

（実施の形態２）
以下、図９を用いて、実施の形態２を説明する。

［２−１．構成］
図９において、ランキンサイクル装置２００は、膨張機１００と、蒸発器２０２と、凝縮器２０６と、ポンプ２０８と、内部熱交換器２１０を備える。そして、蒸発器２０２、膨張機１００、内部熱交換器２１０、凝縮器２０６、ポンプ２０８、内部熱交換器２１０、蒸発器２０２の順で配管接続され、作動流体が流れる閉じたサイクルを形成している。

蒸発器２０２は、熱源２０４で生成された熱エネルギーを吸収する熱交換器であり、フィンチューブ熱交換器を使用している。熱源２０４から供給された高温の作動流体（例えば高温蒸気）とランキンサイクル装置２００の作動流体とが蒸発器２０２において熱交換する。これにより、ランキンサイクル装置２００の作動流体が加熱され、蒸発する。

凝縮器２０６は、外気と膨張機１００から吐出された作動流体とを熱交換させることによって、作動流体を冷却して凝縮し、外気へ熱を放出する。凝縮器２０６として、フィンチューブ熱交換器などの公知の熱交換器を使用している。

ポンプ２０８は、凝縮器２０６から流出した作動流体を吸い込んで加圧し、加圧された作動流体を内部熱交換器２１０を経由して蒸発器２０２に供給する。ポンプ２０８として、容積型のギヤポンプを用いている。

内部熱交換器２１０は、いわゆる再生熱交換器であり、膨張機１００から吐出された作
動流体とポンプ２０８から吐出された作動流体とを熱交換させる。具体的に、内部熱交換器２１０は、低温側流路２１２と高温側流路２１４とを有する。低温側流路２１２には、ポンプ２０８から吐出された作動流体が流れる。高温側流路２１４には、膨張機１００から吐出された作動流体が流れる。内部熱交換器２１０として、例えば、プレート式熱交換器を使用できる。

ランキンサイクル装置２００の作動流体として、有機作動流体を好適に使用できる。通常、有機作動流体の沸点は低い。そのため、有機作動流体を使用すれば、熱源２０４から供給された高温流体の温度が約３００℃未満の場合においても高効率で発電することができる。

［２−２．動作］
ランキンサイクル装置２００は、例えば、以下の手順で運転される。

まず、ポンプ２０８を動かしてランキンサイクル装置２００の運転を開始させる。作動流体の循環量が所定の循環量に達したら熱源２０４から蒸発器２０２に高温流体を供給する。ランキンサイクル装置２００の作動流体は、蒸発器２０２において高温流体から熱を受け取り、過熱状態の気相の作動流体へと変化する。高温かつ気相の作動流体は膨張機１００へと送られる。膨張機１００の機構部１２０において、作動流体の圧力エネルギーが機械エネルギーに変換され、発電機部１１０が駆動される。これにより、発電機部１１０において電力が生成される。膨張機１００から吐出された作動流体は、内部熱交換器２１０の高温側流路２１４を経由して凝縮器２０６に流入する。作動流体は、凝縮器２０６において、外気によって冷却され、凝縮する。凝縮した作動流体はポンプ２０８によって加圧され、内部熱交換器２１０の低温側流路２１２を経由して再び蒸発器２０２に送られる。

内部熱交換器２１０を用いたランキンサイクル装置２００では、サイクルの圧力条件（高圧圧力と低圧圧力）が同じであれば、膨張機１００の入口における作動流体の温度を上げるほど、膨張機１００の入口と出口とのエンタルピの差が大きくなる。この結果、ランキンサイクル装置の発電効率の向上させることができる。

［２−３．効果等］
以上のように、本実施の形態において、ランキンサイクル装置２００に、実施の形態１に記載の膨張機１００を用いた。

これにより、膨張機１００に高温の作動流体を吸入させた場合でも、膨張機１００内での高温部から低温部への熱の移動が低減される。そのため、膨張機１００の効率が向上するので、ランキンサイクル装置２００の発電効率を向上することができる。

なお、上述の実施の形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲またはその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。

（他の実施の形態）
実施の形態１では、流体機械の一つである膨張機の一例として、バルブ１６０に、シリンダブロック１２２より熱伝導率の低い材料であるステンレス鋼を用いたものを示した。しかし、これには限定されない。例えば、バルブを樹脂またはそれ以外の熱伝導率の低い材料で形成してもよい。また、バルブの表面のみに熱伝導の小さい層を設けてもよい。また、バルブの内部を中空の構造にすることで、実質的に熱伝導率を低くしてもよい。これらいずれの方法によっても、バルブを介した熱移動を抑制することができる。

実施の形態１では、膨張機（流体機械）の一例として、軸受１２５としての上軸受１２６および下軸受１５８を滑り軸受としたものを示した。しかし、これには限定されない。例えば、ブッシュなどのより耐久性の高い摺動部材を用いた軸受としてもよい。また、転がり軸受を用いてもよく、この場合、滑り軸受に比べ摩擦損失の低減が可能となる。

実施の形態１では、膨張機（流体機械）の一例として、スラスト軸受１３８を、転動体として鋼球を用いる玉軸受としたものを示した。しかし、これには限定されない。例えば転動体として、円筒状のころを用いたころ軸受、あるいは、動圧または静圧を用いた滑り軸受など、他の形式のスラスト軸受を用いてもよい。

実施の形態１では、膨張機（流体機械）の一例として、作動室を６個設けたものを示したが、例えば７個、あるいはこれ以外の複数の個数設けてもよい。

実施の形態２では、発電システムを構成する装置の一つであるランキンサイクル装置の一例として、蒸発器２０２にフィンチューブ熱交換器を用いたものを示した。しかし、これに限らず、例えば蒸発器として、プレート式熱交換器、二重管式熱交換器などの公知の熱交換器を使用できる。

実施の形態２では、ランキンサイクル装置（発電システム）の一例として、凝縮器２０６に、フィンチューブ熱交換器を用いたものを示した。しかし、これに限らず、例えば凝縮器として、プレート式熱交換器、二重管式熱交換器などの熱交換器を用い、別途設けた熱媒体回路を流れる水などの熱媒体と作動流体とで熱交換し、作動流体を冷却することもできる。

実施の形態２では、ランキンサイクル装置（発電システム）の一例として、ポンプ２０８に、容積型のギヤポンプを用いたものを示した。しかし、これに限らず、例えばポンプとして、これ以外の一般的な容積型又はターボ型のポンプを使用できる。例えば、容積型のポンプとして、ピストンポンプ、ベーンポンプ、ロータリポンプなどが使用できる。また、ターボ型のポンプとして、遠心ポンプ、斜流ポンプ、軸流ポンプなどが使用できる。

本開示は、回転式のバルブを有する膨張機およびランキンサイクル装置に適用可能である。具体的には、電力のみを生成するシステムだけでなく、ＣＨＰシステムなどのコジェネレーションシステムなどに、本開示は適用可能である。

１００ 膨張機
１０２ 密閉容器
１０４ オイル
１０６ 吸入管
１０８ 吐出管
１１０ 発電機部
１１２ 固定子
１１４ 回転子
１２０ 機構部
１２２ シリンダブロック
１２４ａ、１２４ｂ、１２４ｃ、１２４ｄ、１２４ｅ、１２４ｆ シリンダ
１２５ 軸受
１２６ 上軸受
１２８ シャフト
１３０ 保持部
１３２ａ、１３２ｂ、１３２ｃ、１３２ｄ、１３２ｅ、１３２ｆ ピストン
１３４ 斜板
１３５ ホルダ
１３６ａ、１３６ｄ、１３７ａ、１３７ｄ シュー
１３８ スラスト軸受
１４０ａ、１４０ｂ、１４０ｃ、１４０ｄ、１４０ｅ、１４０ｆ 作動室
１４２ ハウジング
１４４ａ、１４４ｂ、１４４ｃ、１４４ｄ、１４４ｅ、１４４ｆ 吸入吐出孔
１４６ 吸入室
１４８ａ、１４８ｂ 吐出通路
１５０ 下ブロック
１５２ 連通穴
１５４ ヘッド
１５６ ハウジングカバー
１５８ 下軸受
１６０ バルブ
１６２ 第１の端面
１６４ 第１の通路
１６６ 第２の端面
１６８ 第２の通路
１７０ 外径面
１７２ 孔部
１７４ 給油機構
１７６ 吐出室
１７８ａ、１７８ｂ、１７８ｃ 下部空間
２００ ランキンサイクル装置
２０２ 蒸発器
２０４ 熱源
２０６ 凝縮器
２０８ ポンプ
２１０ 内部熱交換器
２１２ 低温側流路
２１４ 高温側流路

Claims (6)

1. 略円筒形状をなし、第１の端面から外径面に至る第１の通路と、前記第１の端面の背面側の第２の端面から前記外径面に至る第２の通路とを有するバルブと、
   前記バルブに対して前記外径面の外側に配置され、作動流体を膨張させる作動室と、
   を有し、
   前記作動流体は、
   前記第１の端面が面する第１の空間から前記第１の通路を経由して前記作動室へ吸入され、且つ、
   前記作動室から前記第２の通路を経由して前記第２の端面が面する第２の空間へ吐出される、
   膨張機。
2. 前記バルブは、
   外径に比べて軸方向の長さが短い、
   請求項１に記載の膨張機。
3. 前記バルブが回転自在に収納されるハウジングと、前記ハウジングの周囲に複数配置される前記作動室と、軸受とを備えたシリンダブロックと、
   前記バルブと回転軸を共有し、かつ前記バルブと一体となって、前記軸受により回転自在に支持されるシャフトと、
   をさらに備える、
   請求項１または２に記載の膨張機。
4. 前記シリンダブロックは、
   前記第１の端面および前記第２の端面のそれぞれとの間に隙間を有する、
   請求項３に記載の膨張機。
5. 前記バルブの熱伝導率は、
   前記シリンダブロックの熱伝導率よりも低い、
   請求項３または４に記載の膨張機。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の膨張機を用いたランキンサイクル装置。
   

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