JP2022088109A - 膨張機及びランキンサイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本開示は、高い膨張比を実現しつつ始動させやすい膨張機を提供する。【解決手段】本開示の膨張機１ａは、高圧空間１１と、複数の作動室２０と、低圧空間１２と、吸入通路３１と、吐出通路３２と、バルブ４０ａと、連通路５０とを備える。吸入通路３１は、高圧空間１１と作動室２０とを連通させる。吐出通路３２は、低圧空間１２と作動室２０とを連通させる。バルブ４０ａは、吸入通路３１の開閉期間及び吐出通路３２の開閉期間を調整して、吸入行程と、膨張行程と、吐出行程とを切り替える。吸入行程において、作動流体が作動室２０へ吸入される。膨張行程にある作動室２０において作動流体が膨張する。吐出行程において、作動流体が作動室２０から吐出通路３２を通って吐出される。連通路５０は、高圧空間１１と、膨張行程にある作動室２０とを連通させる。【選択図】図３

Description

本開示は、膨張機及びランキンサイクル装置に関する。

従来、流体の膨張のために膨張機が用いられている。

例えば、特許文献１には、冷凍空調機において冷媒を膨張させるための膨張機が記載されている。この膨張機は、シリンダと、ピストンとを有する。シリンダには、冷媒が導入される。ピストンは、シリンダの内部を往復可能に配設されている。導入開始タイミングにおいて、シリンダの内部へ冷媒を導入し始める。ピストンは、上死点到達タイミングにおいて上死点に達する。膨張機は、導入開始タイミングが上死点到達タイミングよりも早いタイミングとなるように構成されている。

特開２００１－２５５０３１号公報

本開示は、高い膨張比を実現しつつ始動させやすい膨張機を提供する。

本開示における膨張機は、
外部から供給された作動流体を受け入れる高圧空間と、
前記作動流体が膨張する複数の作動室と、
前記複数の前記作動室で膨張した外部へ排出されるべき前記作動流体を受け入れる低圧空間と、
前記高圧空間と前記作動室とを連通させる吸入通路と、
前記低圧空間と前記作動室とを連通させる吐出通路と、
前記吸入通路の開閉期間及び前記吐出通路の開閉期間を調整して、前記作動流体が前記作動室へ吸入される吸入行程と、前記作動室において前記作動流体が膨張する膨張行程と、前記作動流体が前記作動室から前記吐出通路を通って吐出される吐出行程とを順次切り替えるバルブと、
前記高圧空間と、前記膨張行程にある前記作動室とを連通させる連通路と、を備える。

本開示における膨張機の始動において、連通路によって、高圧空間と、膨張行程にある作動室とが連通し、その作動室に高圧空間から作動流体が流入して作動室の内部の圧力が上昇し、大きなトルクが発生しやすい。そのため、本開示における膨張機は、高い膨張比を実現しつつ始動させやすい。

実施の形態１における膨張機の断面図 実施の形態１における膨張機の機構部を拡大した断面図 図２のIII-III線を切断線とする機構部の断面図 実施の形態１における膨張機のバルブの斜視図 実施の形態１における膨張機のバルブの断面図 実施の形態１における膨張機におけるトルクとクランク角との関係を示すグラフ 実施の形態１における膨張機におけるトルクと角度θ₁との関係を示すグラフ 実施の形態２におけるランキンサイクル装置の構成図。 他の実施の形態における膨張機のバルブの斜視図

（本開示の基礎となった知見）
本発明者らが本開示を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があった。このようなランキンサイクルでは、例えば、高温かつ高圧の作動流体によって膨張機を作動させ、膨張機によって生成された動力によって発電がなされる。

膨張機に関する技術として、シリンダと、ピストンとを有し、導入開始タイミングが上死点到達タイミングよりも早いタイミングとなるように膨張機を構成する技術があった。この技術では、導入開始タイミングにおいて、シリンダの内部へ冷媒を導入し始める。加えて、ピストンは、上死点到達タイミングにおいて上死点に達する。

ランキンサイクルにおいて、膨張機が既に作動している状態では、例えば、複数の作動室は、バルブによって、順次、吸入通路及び吐出通路のそれぞれと所定時間連通する。特定の作動室において、吸入行程では、例えば、ピストンが上死点近傍に位置するときに吸入通路が作動室と連通し、高圧の作動流体が作動室の内部へ吸入され、作動流体の圧力によりピストンが下死点に向かって移動する。その後、膨張行程では、吸入通路が閉じて作動室が閉塞状態になり、作動室の内部の高圧の作動流体が膨張する。加えて、依然として膨張後の作動流体の圧力より高い作動室の内部の作動流体によってピストンが押されながら下死点まで移動する。その後、吐出行程では、作動室が吐出通路に連通している期間に、ピストンが上死点に向かって移動し、作動室の内部の流体が吐出通路を通って排出される。このように、作動室の内部の流体からピストンが受ける圧力によってピストンに下死点に向かって力が作用し、この力がトルクに変換される。さらに、このトルクは、例えば、発電機にて電力として回収される。

一方、膨張機が静止した状態から膨張機を始動する場合、膨張機を作動させるために十分な大きさのトルクが得られない可能性がある。吸入行程では、吸入通路が作動室に連通しているので、高圧の作動流体が作動室に吸入され、上死点近傍にあるピストンには作動流体の圧力によって下死点に向かって力が作用する。膨張行程にある作動室には、高圧の作動流体が吸入されないことに加えて、作動室が閉塞されているので、作動室の容積が拡大すると作動流体の圧力が低下する。この場合、膨張機の始動を阻むトルクが発生しうる。吐出行程にある作動室は、吐出通路に連通しており、ピストンの移動方向両端において圧力差は発生しにくい。膨張機を作動させるトルクは複数の作動室においてピストンに作用する力の合計となるので、膨張機が既に作動している場合に比べて、膨張機の始動において小さいトルクしか得ることができない。

高効率化のために、膨張機において高い膨張比を実現する場合、吸入行程が短く、膨張行程が長くなるので、膨張機の始動において得られるトルクは小さくなりやすく、膨張機の始動が困難であるという課題があった。また、機構各部の摩擦又は発電機による抵抗によって静止した状態から膨張機を始動させることが難しい場合があった。

このように、本発明者らは、作動流体が膨張する複数の作動室と、吸入通路の開閉期間及び吐出通路の開閉期間を調整するバルブとを備えた膨張機では、作動流体の圧力差のみで膨張機を始動することが困難であるという課題を発見した。その課題を解決するために、本発明者らは、本開示の主題を構成するに至った。

そこで、本開示は、高い膨張比を実現しつつ始動させやすい膨張機を提供する。

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２、図３、図４、図５、図６、及び図７を用いて、実施の形態１を説明する。

［１－１．構成］
図１、図２、及び図３に示す通り、膨張機１ａは、高圧空間１１と、複数の作動室２０と、低圧空間１２と、吸入通路３１と、吐出通路３２と、バルブ４０ａと、連通路５０とを備えている。高圧空間１１は、膨張機１ａの外部から供給された作動流体を受け入れる空間である。複数の作動室２０において作動流体が膨張する。低圧空間１２は、複数の作動室２０で膨張した外部へ排出されるべき作動流体を受け入れる空間である。吸入通路３１は、高圧空間１１と作動室２０とを連通させる。吐出通路３２は、低圧空間１２と作動室２０とを連通させる。バルブ４０ａは、吸入通路３１の開閉期間及び吐出通路３２の開閉期間を調整して、吸入行程と、膨張行程と、吐出行程とを順次切り替える。吸入行程において、作動流体が作動室２０へ吸入される。膨張行程にある作動室２０において作動流体が膨張する。吐出行程において、作動流体が作動室２０から吐出通路３２を通って吐出される。連通路５０は、高圧空間１１と、膨張行程にある作動室２０とを連通させる。

図１に示す通り、膨張機１ａは、例えば、密閉容器６０と、機構部２５と、発電機８０とを備えている。機構部２５及び発電機８０は、密閉容器６０の内部に配置されている。機構部２５の内部には、高圧空間１１と、低圧空間１２の一部をなす上部空間１２ａが形成されている。また、密閉容器６０の内部には、低圧空間１２の別の一部をなす下部空間１２ｂが形成されている。密閉容器６０の内部空間には、作動流体が封入されている。作動流体は、特定の流体に限定されない。作動流体は、例えば、ランキンサイクルで使用可能な作動流体である。ランキンサイクルで使用可能な作動流体は、例えば、ハイドロフルオロオレフィン（ＨＦＯ）系の作動流体、ハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）系の作動流体、又はイソペンタン等の炭化水素系の作動流体である。

図１に示す通り、下部空間１２ｂの下方にはオイル９０が貯留されている。機構部２５は、シャフト７０と、給油機構９５とを備えている。給油機構９５は、オイル９０に浸漬している。密閉容器６０には、供給管６１と、排出管６２とが取り付けられている。供給管６１の内部は、高圧空間１１につながっており、排出管６２の内部は、下部空間１２ｂにつながっている。

発電機８０は、例えば、固定子８１と、回転子８２とを備えている。固定子８１は、例えば、鉄心と、その鉄心に巻かれた銅線とを備えている。回転子８２には、例えば、永久磁石が内蔵されている。固定子８１は、例えば、密閉容器６０の内面に固定されている。回転子８２は、固定子８１の内面に面して配置されており、シャフト７０に取り付けられている。

図２に示す通り、機構部２５は、例えば、シリンダブロック２１ａと、下ブロック２１ｂとを備えている。下ブロック２１ｂは、例えば板状の部品であり、下ブロック２１ｂの周縁は、溶接等の方法によって密閉容器６０の内面に接合されている。これにより、機構部２５が密閉容器６０に固定されている。下ブロック２１ｂは、例えば、下軸受２９ｂを有する。下ブロック２１ｂの中央部分は、例えば、円筒状に形成されている。下軸受２９ｂは、下ブロック２１ｂの中央部分に形成された孔をなす面によって構成されている。下ブロック２１ｂは、例えば、連通穴１２ｃを有する。連通穴１２ｃは、下ブロック２１ｂの上方の空間と下ブロック２１ｂの下方の下部空間１２ｂとを連通させている。下軸受２９ｂは、例えば滑り軸受である。

シリンダブロック２１ａは、下ブロック２１ｂの上面に固定されている。これにより、シリンダブロック２１ａの下端に形成された開口が下ブロック２１によって塞がれ、シリンダブロック２１ａと下ブロック２１ｂとによって囲まれた空間として上部空間１２ａが形成されている。シリンダブロック２１ａは、例えば、上軸受２９ａを有する。上軸受２９ａは、例えば、シリンダブロック２１ａの中央部分に形成された孔をなす面によって構成されている。その孔は、シリンダブロック２１ａの中央における円筒状の部分によって形成されている。上軸受２９ａは、例えば滑り軸受である。シリンダブロック２１ａは、例えばアルミニウム合金で形成されている。

図２に示す通り、シリンダブロック２１ａには、例えば、ハウジング２７が形成されている。ハウジング２７は、円環状の空間であり、ハウジング２７の軸線は、上軸受２９ａの軸線上に位置する。ハウジング２７の底部には、吐出通路３２の一部をなす底部空間３２ｂが形成されている。シリンダブロック２１ａは、例えば、吐出通路３２の一部をなす縦通路３２ｃを有する。縦通路３２ｃは、上軸受２９ａの周囲に形成されており、ハウジング２７の底部空間３２ｂと上部空間１２ａとを連通させている。

機構部２５は、例えば、斜板２８ａ及びホルダ２８ｈをさらに備えている。斜板２８ａは、円盤状の部品であり、ホルダ２８ｈによってシャフト７０に固定されている。斜板２８ａは、シャフト７０の周囲において環状の平面部を有し、その平面部の法線はシャフト７０の軸線に対して傾斜している。加えて、斜板２８ａのその平面部は、シャフト７０の軸線に垂直な平面に対しても傾斜している。

シャフト７０は、上軸受２９ａ及び下軸受２９ｂとの間に小さなクリアランスを形成した状態で回転可能に上軸受２９ａ及び下軸受２９ｂに挿入されている。これにより、シャフト７０が半径方向に支持される。

機構部２５は、例えば、スラスト軸受２８ｋをさらに備えている。スラスト軸受２８ｋは、例えば、玉軸受である。スラスト軸受２８ｋは、シャフト７０の軸線方向において、ホルダ２８ｈと下ブロック２１ｂとの間に配置されている。スラスト軸受２８ｋは、例えば、転動体として鋼球を備えている。

機構部２５は、例えば、ヘッド２６をさらに備えている。ヘッド２６は、例えば、環状かつ板状の部品である。ヘッド２６は、シリンダブロック２１ａの上端に取り付けられている。

図２及び３に示す通り、機構部２５において、シリンダブロック２１ａの上軸受２９ａの周囲には、例えば、６つのシリンダ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ、２４ｅ、及び２４ｆが等間隔で配置されている。シリンダ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ、２４ｅ、及び２４ｆのそれぞれは、円柱状の孔をなしている。機構部２５は、例えば、ピストン２２を備えている。ピストン２２は、作動室２０の容積を変動させる。シリンダ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ、２４ｅ、及び２４ｆのそれぞれには、ピストン２２が往復動可能な状態で挿入されている。ピストン２２は、例えばアルミニウム合金で形成されている。機構部２５は、６つのシリンダ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ、２４ｅ、及び２４ｆに対応して６つのピストン２２を備えている。複数の作動室２０のそれぞれは、シリンダ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ、２４ｅ、又は２４ｆと、ピストン２２と、ヘッド２６とによって囲まれた空間として形成されている。シリンダブロック２１ａのシリンダ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ、２４ｅ、及び２４ｆのそれぞれとハウジング２７との間には、吸入吐出口２０ａが形成されている。吸入吐出口２０ａは、シリンダブロック２１ａのシリンダ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ、２４ｅ、及び２４ｆのそれぞれとハウジング２７との間に形成された開口である。吸入吐出口２０ａは、作動室２０の一部をなす。

図２に示す通り、機構部２５は、例えば、シュー２８ｂをさらに備えている。シュー２８ｂは、上シュー２８ｍ及び下シュー２８ｎを含む。シュー２８ｂは、斜板２８ａの周縁部に取り付けられている。各ピストン２２は、シュー２８ｂによって斜板２８ａに揺動可能に連結されている。斜板２８ａは、シャフト７０とともに回転する。斜板２８ａの回転位置により、シャフト７０の軸線方向における各ピストン２２の位置が定まる。加えて、斜板２８ａの傾斜角度により、ピストン２２のストロークが定まる。６つのピストン２２は、シャフト７０の軸線周りに等間隔で配置されているので、これらのピストン２２は、シャフト７０の回転に伴い、所定の位相差で互いに連動して往復動する。

図２に示す通り、バルブ４０ａは、例えば、ハウジング２７に回転可能な状態で収納されている。機構部２５は、例えば、カバー２７ａをさらに備えている。カバー２７ａによって、ハウジング２７が覆われている。供給管６１は、例えば、カバー２７ａに取り付けられている。高圧空間１１は、例えば、ハウジング２７において、カバー２７ａ及びバルブ４０ａによって囲まれた空間である。

バルブ４０ａは、例えばロータリバルブであり、バルブ４０ａの回転により吸入通路３１の開閉期間及び吐出通路３２の開閉期間を調整する。バルブ４０ａは、例えば、シャフト７０の回転及びピストン２２の往復動と同期して回転する。バルブ４０ａの回転軸は、例えば、シャフト７０の回転軸と平行である。バルブ４０ａの回転軸は、例えば、シャフト７０の回転軸と一致している。バルブ４０ａは、例えば、シャフト７０の一端部に取り付けられている。バルブ４０ａが取り付けられたシャフト７０の一端部の直径は、例えば、その一端部に隣接する部分の直径よりも小さい。

図４に示す通り、バルブ４０ａは、例えば円筒状である。バルブ４０ａは、例えば、第一凹部４１と、第二凹部４２とを有する。第一凹部４１は、例えば、バルブ４０ａの回転軸線方向に延びる外周面４５とバルブ４０ａの上面４６とに跨る凹部として形成されている。第一凹部４１は、吸入通路３１をなす。第二凹部４２は、バルブ４０ａの下面と外周面４５とに跨る凹部として形成されている。第二凹部４２は、吐出通路３２の一部をなす。バルブ４０ａの中央には、バルブ４０ａの回転軸線方向に延びる貫通孔４７が形成されている。例えば、この貫通孔４７にシャフト７０の一端部が挿入された状態でバルブ４０ａがシャフト７０に取り付けられる。

連通路５０は、例えば、バルブ４０ａに形成されている。図４に示す通り、バルブ４０ａは、例えば、溝４３ａを有する。溝４３ａは、バルブ４０ａの回転方向に延びており、連通路５０をなす。溝４３ａは、例えば、第一凹部４１からバルブ４０ａの回転方向に延びている。換言すると、溝４３ａは、第一凹部４１につながっている。溝４３ａは、例えば、外周面４５に形成されている。

例えば、所定のタイミングで吸入吐出口２０ａの開閉がなされるように、バルブ４０ａの回転方向において第一凹部４１が形成される範囲及び第二凹部４２が形成される範囲が定められている。

図５は、バルブ４０ａの回転軸線に垂直な特定の平面を切断面とするバルブ４０ａの断面図である。例えば、その特定の平面は、連通路５０と交差する。図５において、バルブ４０ａは、矢印に示す通り、反時計回りに回転する。図５において、バルブ４０ａの外周上の位置Ｂは、ピストン２２の上死点に対応している。例えば、バルブ４０ａの位置Ｂが、バルブ４０ａの回転方向における吸入吐出口２０ａの中心と向かい合っているときに、その吸入吐出口２０ａを含む作動室２０の容積を変動させるピストン２２が上死点にある。バルブ４０ａの回転方向において、位置Ｂは、バルブ４０ａの外周上の位置Ｇと位置Ｃとの間に存在する。バルブ４０ａの回転方向において位置Ｇと位置Ｃとの間には、吸入通路３１及び吐出通路３２は存在していない。このため、ピストン２２の上死点では吸入吐出口２０ａはバルブ４０ａによって閉塞される。なお、上死点において作動室２０の容積は最小となる。しかし、ピストン２２とヘッド２６との間には小さな隙間が形成されており、作動室２０の容積は零にはならない。この上死点における作動室２０の容積と吸入吐出口２０ａの容積との合計は、死容積と呼ばれる。

図５に示す通り、バルブ４０ａの回転方向において、位置Ｃと位置Ｄとの間に吸入通路３１が形成されている。吸入通路３１と吸入吐出口２０ａとが向かい合うことによって高圧空間１１と作動室２０とが連通する。バルブ４０ａの回転方向において、例えば、位置Ｄと位置Ｅとの間に連通路５０が形成されている。位置Ｅは、バルブ４０ａの回転方向における連通路５０の端に対応している。吸入吐出口２０ａがバルブ４０ａの位置Ｄと位置Ｅとの間の部分と向かい合っているとき、その吸入吐出口２０ａを含む作動室２０は連通路５０を通過する作動流体の影響を受ける。しかし、吸入吐出口２０ａは、バルブ４０ａによって概ね閉塞される。

吸入吐出口２０ａがバルブ４０ａの位置Ｅと位置Ｆとの間の部分と向かい合っているとき、吸入吐出口２０ａはバルブ４０ａによって閉塞されている。

図５に示す通り、バルブ４０ａの回転方向において、位置Ｆと位置Ｇとの間に吐出通路３２が形成されている。吐出通路３２と吸入吐出口２０ａとが向かい合うことによって低圧空間１２と作動室２０とが連通する。

図５に示す通り、バルブ４０ａの回転軸線Ｏに垂直な特定の平面において、第一直線Ｌ１と、第二直線Ｌ２とがなす角θ₁は、例えば１５０°以下であり、９０°以上１２０°以下であってもよい。第一直線Ｌ１は、その特定の平面において、位置Ｂとバルブの回転軸線Ｏとを結ぶ直線である。第二直線Ｌ２は、その特定の平面において、位置Ｅと回転軸線Ｏとを結ぶ直線である。

図５に示す通り、上記の特定の平面において、位置Ｃと回転軸線Ｏとを結ぶ第三直線Ｌ３と、第一直線Ｌ１とがなす角は、例えば１０°以上２０°以下である。上記の特定の平面において、位置Ｄと回転軸線Ｏとを結ぶ第四直線Ｌ４と第一直線Ｌ１とがなす角は、例えば５０°以上６０°以下である。上記の特定の平面において、位置Ｆと回転軸線Ｏとを結ぶ第四直線Ｌ５と第一直線Ｌ１とがなす角は、例えば１８０°以上２００°以下である。上記の特定の平面において、位置Ｇと回転軸線Ｏとを結ぶ第四直線Ｌ６と第一直線Ｌ１とがなす角は、例えば３３０°以上３５０°以下である。これらの角度は、第一直線Ｌ１を起点に時計回り方向に正の値をもたらすように定義される。

バルブ４０ａの回転方向における吸入吐出口２０ａの端部がバルブ４０ａの位置Ｃと向かい合って、吸入通路３１が吸入吐出口２０ａと向かい合わない状態となりうる。このとき、その吸入吐出口２０ａを含む作動室２０の容積を変動させるピストン２２の作動室２０に接する端面とヘッド２６との間の距離は、例えば、ピストン２２の往復動のストロークＬの約１／４である。このため、バルブ４０ａによって吸入吐出口２０ａが閉塞される。吸入吐出口２０ａがバルブ４０ａの位置Ｃと向かい合った状態から吸入吐出口２０ａがバルブ４０ａの位置Ｄと向かい合った状態になるようにバルブ４０ａが回転する間に、作動室２０の容積が拡大するようにピストン２２が移動する。また、吸入吐出口２０ａがバルブ４０ａの位置Ｆと向かい合った状態における作動室２０の容積は、例えば、吸入吐出口２０ａがバルブ４０ａの位置Ｄと向かい合った状態における作動室２０の容積の約４倍である。

膨張機１ａにおいて、膨張比は、例えば２以上である。膨張比は、吸入通路３１が閉じた時点の作動室２０の容積に対する、吐出通路３２が開いた時点の作動室２０の容積の比である。このように、膨張機１ａの膨張比は高い。なお、上記の通り、吸入吐出口２０ａは、作動室２０の一部であり、作動室２０の容積は、吸入吐出口２０ａの容積を含む。

膨張機１ａにおいて、膨張比は、例えば２以上６以下である。

図５に示す通り、連通路５０の断面積は、吸入通路３１の断面積よりも小さい。高圧空間１１に供給された作動流体は、例えば、バルブ４０ａの回転軸線に平行な方向に沿って吸入通路３１の入口を通過する。このため、吸入通路３１の断面積は、例えば、バルブ４０ａの回転軸線に垂直な平面における吸入通路３１の入口の面積である。連通路５０において、作動流体は溝４３ａが延びる方向に沿って連通路５０の入口を通過する。このため、連通路５０の断面積は、バルブ４０ａの回転軸線を含む平面における連通路５０の入口の面積である。

連通路５０の断面積は、例えば、吸入通路３１の断面積の１０分の１以下である。連通路５０の断面積は、吸入通路３１の断面積の１００分の１以下であってもよい。連通路５０の断面積は、例えば、吸入通路３１の断面積の１００００分の１以上である。

［１－２．動作］
以上のように構成された膨張機１ａについて、その動作を以下説明する。膨張機１ａが停止している状態から膨張機１ａを始動するとき、供給管６１を通って高圧空間１１に作動流体が供給される。例えば、図３に示す状態から膨張機１ａを始動させることを想定する。

図３において、シリンダ２４ｄに対応する作動室２０と吸入通路３１とが連通しており、この作動室２０は吸入行程にある。このため、この作動室２０の圧力は高くなる。シリンダ２４ｅに対応する作動室２０は、膨張行程にある。この作動室２０は、吸入通路３１及び連通路５０によって、高圧空間１１と連通している。このため、この作動室２０には、連通路５０を通って高圧の作動流体が流入し、この作動室２０の圧力も高くなる。このように、図３において、シリンダ２４ｄ及び２４ｅに対応する作動室２０における圧力が高くなる。一方、シリンダ２４ｄ及び２４ｅに対応するピストン２２の下面は低圧空間１２に接している。その結果、これらのピストン２２には、低圧空間１２に向かって下向きの力が作用する。

図３に示す通り、シリンダ２４ｆに対応する作動室２０は、シリンダ２４ｅに対応する作動室２０と同様に、膨張行程にある。しかし、シリンダ２４ｆに対応する作動室２０は、高圧空間１１には連通していない。この作動室２０の圧力は、膨張機１ａが停止している状態では、シリンダ２４ｆに対応するピストン２２の下面に接する低圧空間１２と同様に低い。このため、膨張機１ａの始動直後において、シリンダ２４ｆに対応するピストン２２には、作動流体の圧力に伴う特定方向への力は作用しない。

図３に示す通り、シリンダ２４ａ、２４ｂ、及び２４ｃに対応する作動室２０は、吐出通路３２に連通しており、吐出行程にある。吐出通路３２の縦通路３２ｃは、低圧空間１２に接している。これらの作動室２０の圧力は低圧空間１２と同様に低く、シリンダ２４ａ、２４ｂ、及び２４ｃに対応するピストン２２には、作動流体の圧力に伴う特定方向への力は作用しない。

シリンダ２４ｄ及び２４ｅに対応するピストン２２に作用する下向きの力は、それらのピストン２２に対応するシュー２８ｂによって斜板２８ａに伝わる。これにより、斜板２８ａが固定されているシャフト７０が図３における反時計回りに回転する。膨張機１ａが連通路５０を備えていないと仮定した場合には、作動流体の圧力により下向きの力が作用するピストン２２は、シリンダ２４ｄに対応するピストン２２のみとなる。これに対し、膨張機１ａでは、連通路５０によってシリンダ２４ｅに対応するピストン２２にも下向きの力が作用する。加えて、斜板２８ａによって得られるトルクは、バルブ４０ａの回転方向に上記の直線Ｌ１から離れた位置で大きくなる。シリンダ２４ｄに対応するピストン２２の下降に伴い、高圧空間１１から吸入通路３１を通ってシリンダ２４ｄに対応する作動室２０に高温高圧の作動流体が吸入される。一方、シリンダ２４ａ、２４ｂ、及び２４ｃに対応するピストン２２は上昇するので、シリンダ２４ａ、２４ｂ、及び２４ｃに対応する作動室２０から吐出通路３２を通って、低圧空間１２の上部空間１２ａへ低温低圧の作動流体が吐出される。その後、作動流体は、連通穴１２ｃ、下部空間１２ｂ、及び排出管６２を通って膨張機１ａの外部に排出される。

シリンダ２４ｅに対応する作動室２０には、連通路５０を通って高圧の作動流体がわずかに供給されるものの、この作動室２０における吸入吐出口２０ａは、バルブ４０ａによってほぼ閉塞されている。これら作動室２０の容積は拡大する状態にある。このため、膨張機１ａが一旦回転し始めると、この作動室２０の容積の拡大に伴い、この作動室２０において作動流体が膨張し、この作動室２０における圧力は徐々に低下する。しかし、これらの作動室２０における圧力がピストン２２の下面に働く圧力より高くなるようにバルブ４０ａの開閉期間が調整されている。このため、シリンダ２４ｅに対応するピストン２２には下向きの力が作用する。このように、図３に示す状態から膨張機１ａを始動させる場合、シリンダ２４ｄ及び２４ｅに対応するピストン２２に下向きの力が作用し、シャフト７０を回転させる駆動力が発生する。シャフト７０の回転に伴い、順次、各作動室２０に作動流体が吸入され、膨張機１ａを作動させるための駆動力が連続的に得られる。シャフト７０の回転とともに、発電機８０の回転子８２が回転することにより、発電機８０が発電して電力が得られる。

［１－３．効果等］
以上のように、本実施の形態において、膨張機１ａは、高圧空間１１と、複数の作動室２０と、低圧空間１２と、吸入通路３１と、吐出通路３２と、バルブ４０ａと、連通路５０とを備える。連通路５０は、高圧空間１１と、膨張行程にある作動室２０とを連通させる。

これにより、膨張機１ａの始動において、高圧空間１１における作動流体が連通路５０を通って膨張行程にある作動室２０へ流入する。このため、この作動室２０の圧力が上昇し、膨張機１ａを作動させるために大きなトルクが得られやすい。その結果、膨張機１ａにおいて高い膨張比を実現しつつ、膨張機１ａを始動させやすい。

図６において、実線のグラフは膨張機１ａにおいて発生するトルクとクランク角との関係を示している。このトルクは、全てのピストン２２によって発生するトルクの合計である。クランク角０°は、特定のピストン２２が上死点にある状態に対応している。図６において、破線のグラフは、膨張機１ａが連通路５０を備えていない場合に膨張機１ａにおいて発生するトルクとクランク角との関係を示している。膨張機１ａが連通路５０を備えていることにより、クランク角によらずに大きなトルクが得られることが理解される。

また、本実施の形態のように、膨張機１ａにおいて、連通路５０の断面積は、吸入通路３１の断面積よりも小さくてもよい。これにより、膨張機１ａの始動において作動流体が連通路５０を通って膨張行程にある作動室２０の圧力が高くなり、大きなトルクが得られる。一方、膨張機１ａにおいてバルブ４０ａの回転速度が大きくなると、吸入行程、膨張行程、及び吐出行程を含む１サイクル中に連通路５０を通って作動室２０へ流入する作動流体の量は減少する。そのため、膨張機１ａの始動のしやすさを向上させつつ、定常運転における連通路５０から作動室２０への作動流体の流入を抑制でき、膨張機１ａが高い運転効率を発揮しやすい。

また、本実施の形態のように、膨張機１ａにおいて、連通路５０の断面積は、吸入通路３１の断面積の１０分の１以下であってもよい。これにより、より確実に、膨張機１ａが高い発電効率を発揮しやすい。

また、本実施形態のように、膨張機１ａにおいて、連通路５０は、バルブ４０ａに形成されていてもよい。これにより、得られるトルクを大きくするのに寄与する膨張行程にある作動室２０により確実に作動流体を導くことができ、膨張機１ａより確実に始動させやすい。このため、膨張機１ａにおいて高い膨張比を実現しやすい。加えて、バルブ４０ａの加工によって連通路５０を容易に形成しやすい。

また、本実施の形態のように、膨張機１ａはピストン２２をさらに備え、バルブ４０ａは、バルブ４０ａの回転により吸入通路３１の開閉期間及び吐出通路３２の開閉期間を調整してもよい。加えて、膨張機１ａにおいて、第一直線Ｌ１と第二直線Ｌ２とがなす角θ₁は、１５０°以下であってもよい。これにより、連通路５０によって膨張行程にある作動室２０により確実に作動流体を導くことができ、得られるトルクが大きくなりやすい。加えて、高圧空間１１から低圧空間１２への作動流体の漏れを低減でき、膨張機１ａの運転効率を向上できる。

図７は、トルクと第一直線Ｌ１と第二直線Ｌ２とがなす角θ₁の大きさとの関係を示す。角θ₁の大きさが１５０°以下の場合、角θ₁の増加に伴い得られるトルクの大きさが増加する。しかし、角θ₁が１５０°を超えると、角θ₁が増加してもトルクの大きさはほとんど変わらない。一方、角θ₁が大きいほど、連通路５０における流量が大きくなりやすいと考えられる。このため、角θ₁の大きさが１５０°以下であることが有利であると理解される。

また、本実施の形態のように、膨張機１ａにおいて、バルブ４０ａは、バルブ４０ａの回転により吸入通路３１の開閉期間及び吐出通路３２の開閉期間を調整してもよい。加えて、バルブ４０ａは、バルブ４０ａの回転方向に延びている、連通路５０をなす溝４３ａを有していてもよい。これにより、連通路５０の断面積が小さくなりやすく、膨張機１ａの定常運転において連通路５０における作動流体の流量を少なくできる。このため、高圧空間１１から低圧空間１２への作動流体の漏れが少なくなり、膨張機１ａの運転効率を向上できる。

また、本実施の形態のように、膨張機１ａにおいて、バルブ４０ａは、吸入通路３１をなす凹部である第一凹部４１を有し、溝４３ａは、第一凹部４１からバルブ４０ａの回転方向に延びていてもよい。これにより、高圧空間１１から吸入通路３１に導かれた作動流体の一部が溝４３ａによって形成された連通路５０を通って膨張行程にある作動室２０に供給される。これにより、連通路５０における作動流体の流量を所望の値に調整しやすく、膨張機１ａを始動させやすく、かつ、膨張機１ａの運転効率を向上させやすい。

また、本実施の形態のように、膨張機１ａにおいて、吸入通路３１が閉じた時点の作動室２０の容積に対する、吐出通路３２が開いた時点の作動室２０の容積の比は、２以上であってもよい。これにより、膨張機１ａにおいて高膨張比が実現されやすく、より多くの動力を得ることができ、膨張機１ａの運転効率が向上しやすい。加えて、膨張機１ａがこのように高い膨張比を有していても、膨張機１ａの始動において連通路５０によって大きなトルクが得られやすい。

（実施の形態２）
以下、図８を用いて、実施の形態２を説明する。

［２－１．構成］
図８において、ランキンサイクル装置１００は、膨張機１ａを備えている。ランキンサイクル装置１００は、例えば、蒸発器２、凝縮器３と、ポンプ４、及び内部熱交換器５をさらに備えている。ランキンサイクル装置１００において、蒸発器２、膨張機１ａ、内部熱交換器５、凝縮器３、ポンプ４、内部熱交換器５、及び蒸発器２の順で、これらが配管によって接続され、作動流体が流れる閉じたサイクルが形成されている。

蒸発器２は、熱源６で生成された熱エネルギーを吸収する熱交換器である。蒸発器２は、例えばフィンチューブ熱交換器である。蒸発器２において、熱源６から供給された高温蒸気等の高温の熱媒体とランキンサイクル装置１００における作動流体とが熱交換する。これにより、ランキンサイクル装置１００の作動流体が加熱され、蒸発する。

凝縮器３は、例えば、外気と膨張機１ａから排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させ、外気へ熱を放出する。凝縮器３として、フィンチューブ熱交換器等の公知の熱交換器を使用できる。

ポンプ４は、凝縮器３から排出され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５を経由させて蒸発器２に向かって供給する。ポンプ４として、例えば、容積型のギヤポンプを用いることができる。

内部熱交換器５は、再生熱交換器である。内部熱交換器５において、膨張機１ａから排出された作動流体とポンプ４から吐出された作動流体とが熱交換する。内部熱交換器５は、第一流路５ａと、第二流路５ｂとを有する。ポンプ４から吐出された作動流体が第一流路５ａを流れる。膨張機１ａから排出された作動流体が第二流路５ｂを流れる。内部熱交換器５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１００の作動流体は、有機作動流体であってもよい。有機作動流体の沸点は通常低い。そのため、ランキンサイクル装置１００の作動流体として有機作動流体を使用した場合、熱源６から供給された熱媒体の温度が３００℃未満の場合であっても、ランキンサイクル装置１００において、発電効率が高くなりやすい。

［２－２．動作］
ランキンサイクル装置１００は、例えば、以下の手順で運転される。まず、ポンプ４を作動させてランキンサイクル装置１００の運転が開始する。ランキンサイクル装置１００における作動流体の循環量が所定の値に達したら、熱源６から蒸発器２に熱媒体を供給する。ランキンサイクル装置１００の作動流体は、蒸発器２において熱媒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１ａに送られる。膨張機１ａの機構部２５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８０が駆動される。これにより、発電機８０において電力が生成される。膨張機１ａから排出された作動流体は、内部熱交換器５の第二流路５ｂを通過して凝縮器３に導かれる。作動流体は、凝縮器３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４によって加圧され、内部熱交換器５の第一流路５ａを通過して再び蒸発器２に送られる。

［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１００は、実施の形態１に記載の膨張機１ａを備えている。

これにより、高膨張比の条件で膨張機１ａが運転される場合でも、膨張機１ａの始動において連通路５０によって大きなトルクが得られやすい。

（他の実施の形態）
実施の形態１では、連通路５０に関し、バルブ４０ａの外周面４５において第一凹部４１からバルブ４０ａの回転方向に溝４３ａが延びている例を示した。しかし、連通路５０は、このような例に限定されない。バルブ４０ａは、例えば、図９に示すバルブ４０ｂのように変更されてもよい。バルブ４０ｂは、特に説明する部分を除き、バルブ４０ａと同様に構成されている。バルブ４０ａの構成要素と同一又は対応するバルブ４０ｂの構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。バルブ４０ａに関する説明は、技術的に矛盾しない限り、バルブ４０ｂにも当てはまる。

図８に示す通り、バルブ４０ｂは、連通路５０をなす溝４３ｂを有する。溝４３ｂは、バルブ４０ｂの回転方向において第一凹部４１から離れている。溝４３ｂは、第一溝４３ｍ及び第二溝４３ｎを含む。第一溝４３ｍは、バルブ４０ｂの回転方向に延びている。第二溝４３ｎは、高圧空間１１に接するバルブ４０ｂの上面４６からバルブ４０ｂの回転軸線に平行な方向に延びて第一溝４３ｍとつながっている。

これにより、膨張機１ａの始動において、溝４３ｂによって形成された連通路５０を通って高圧空間１１から膨張行程にある作動室２０に作動流体が流入する。このため、膨張行程にある作動室２０の圧力が高くなり、連通路５０によって高圧空間１１と連通している膨張行程の作動室２０の圧力にも起因してトルクが得られ、膨張機１ａを作動させるためのトルクを大きくできる。その結果、膨張機１ａにおいて高い膨張比を実現しつつ、膨張機１ａを始動させやすい。

実施の形態１では、上軸受２９ａ及び下軸受２９ｂとして、滑り軸受を示した。しかし、上軸受２９ａ及び下軸受２９ｂのそれぞれはこれには限定されない。上軸受２９ａ及び下軸受２９ｂのそれぞれは、例えば、ブッシュ等の高耐久性の摺動部材を用いた軸受であってもよい。また、上軸受２９ａ及び下軸受２９ｂのそれぞれは、転がり軸受であってもよい。この場合、滑り軸受に比べ摩擦損失の低減が可能である。

実施の形態１では、スラスト軸受２８ｋとして、転動体として鋼球を備えた玉軸受を示した。しかし、スラスト軸受２８ｋはこれに限定されない。スラスト軸受２８ｋは、転動体として円筒状のころを用いたころ軸受及び流体の動圧又は静圧を利用した滑り軸受等の他の形式の軸受であってもよい。

実施の形態１では、膨張機１ａの一例として、６つの作動室２０を備えた例を示した。しかし、膨張機はこの例に限定されない。膨張機は、７つの作動室を備えていてもよいし、６個及び７個以外の複数の作動室を備えていてもよい。

実施の形態１では、膨張機１ａの一例として、連通路５０がバルブ４０ａに形成された例を示した。しかし、膨張機はこの例に限定されない。連通路５０は、例えば、シリンダブロック２１ａ等のバルブ４０ａ以外の部品に形成されていてもよい。

実施の形態２では、蒸発器２の一例として、フィンチューブ熱交換器を示した。しかし、蒸発器２は、これに限定されない。例えば、蒸発器２は、プレート式熱交換器及び二重管式熱交換器等の公知の熱交換器であってもよい。

実施の形態２では、凝縮器３の一例として、フィンチューブ熱交換器を示した。しかし、凝縮器３はこれに限定されない。凝縮器３は、プレート式熱交換器及び二重管式熱交換器等の熱交換器であってもよい。この場合、凝縮器３、別途設けられた熱媒体回路を流れる水等の熱媒体と作動流体とを熱交換させ作動流体を冷却するように構成されていてもよい。

実施の形態２では、ポンプ４の一例として、容積型のギヤポンプを示した。しかし、ポンプ４はこれに限定されない。ポンプ４は、ギヤポンプ以外の容積型のポンプ又はターボ型のポンプであってもよい。容積型のポンプは、ピストンポンプ、ベーンポンプ、又はロータリポンプであってもよい。ターボ型のポンプは、遠心ポンプ、斜流ポンプ、又は軸流ポンプであってもよい。

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。

本開示は、例えば、回転式のバルブを有する膨張機及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も、本開示は適用可能である。

１ａ 膨張機
１１ 高圧空間
１２ 低圧空間
２０ 作動室
２２ ピストン
３１ 吸入通路
３２ 吐出通路
４０ａ、４０ｂ バルブ
４１ 第一凹部
４３ａ、４３ｂ 溝
５０ 連通路
１００ ランキンサイクル装置
Ｌ１ 第一直線
Ｌ２ 第二直線

Claims (9)

1. 外部から供給された作動流体を受け入れる高圧空間と、
   前記作動流体が膨張する複数の作動室と、
   前記複数の前記作動室で膨張した外部へ排出されるべき前記作動流体を受け入れる低圧空間と、
   前記高圧空間と前記作動室とを連通させる吸入通路と、
   前記低圧空間と前記作動室とを連通させる吐出通路と、
   前記吸入通路の開閉期間及び前記吐出通路の開閉期間を調整して、前記作動流体が前記作動室へ吸入される吸入行程と、前記作動室において前記作動流体が膨張する膨張行程と、前記作動流体が前記作動室から前記吐出通路を通って吐出される吐出行程とを順次切り替えるバルブと、
   前記高圧空間と、前記膨張行程にある前記作動室とを連通させる連通路と、を備えた、
   膨張機。
2. 前記連通路の断面積は、前記吸入通路の断面積よりも小さい、請求項１に記載の膨張機。
3. 前記連通路の前記断面積は、前記吸入通路の前記断面積の１０分の１以下である、請求項２に記載の膨張機。
4. 前記連通路は、前記バルブに形成されている、請求項１から３のいずれか１項に記載の膨張機。
5. 前記作動室の容積を変動させるピストンをさらに備え、
   前記バルブは、前記バルブの回転により前記吸入通路の前記開閉期間及び前記吐出通路の前記開閉期間を調整し、
   前記バルブの回転軸線に垂直な特定の平面において、前記ピストンの上死点に対応する前記バルブの外周上の位置と前記バルブの回転軸線とを結ぶ第一直線と、前記バルブの回転方向における前記連通路の端と前記バルブの回転軸線とを結ぶ第二直線とがなす角は、１５０°以下である、
   請求項４に記載の膨張機。
6. 前記バルブは、前記バルブの回転により前記吸入通路の前記開閉期間及び前記吐出通路の前記開閉期間を調整し、
   前記バルブは、前記バルブの回転方向に延びている、前記連通路をなす溝を有する、請求項１から５のいずれか１項に記載の膨張機。
7. 前記バルブは、前記吸入通路をなす凹部を有し、
   前記溝は、前記凹部から前記バルブの回転方向に延びている、請求項６に記載の膨張機。
8. 前記吸入通路が閉じた時点の前記作動室の容積に対する、前記吐出通路が開いた時点の前記作動室の容積の比は、２以上である、請求項１から７のいずれか１項に記載の膨張機。
9. 請求項１から８のいずれか１項に記載の膨張機を備えた、ランキンサイクル装置。

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