JP3159132U - マルチベーン方式膨張機 - Google Patents

Abstract

【課題】マルチベーン方式の膨張機において別途予め加熱した潤滑油を膨張工程の容積空間にのみ加え作動流体及び膨張機構周辺を直接あるいは間接に加熱し略等温膨張を得て膨張による出力の大幅増大ひいては応用システムの効率向上を図ることを可とする膨張機を提供する。【解決手段】膨張機１から吐出された低圧の作動流体中に混在する潤滑油を分離器１４で分離し外部に設ける圧送ポンプで加圧し外部の熱で加熱後膨張工程中のベーン４の背後に供給しさらにこれを収納するベーンミゾ６との間隙から膨張工程中の容積空間に注入、噴出させ作動流体自体を冷却し略等温膨張を得る。潤滑油を供給する通路を工夫し、ローター３および内部のベーン４とシリンダー２の相対位置関係が膨張行程時のみ連通し、非膨張行程の吐出時には連通しないような構造をフランジとローター相互に設ける。【選択図】図１

Description

本考案は、高圧のガス状作動流体を膨張により低圧の作動ガスに減圧変換する際、等温膨張に限りなく近づけ得られる動力（軸出力）を最大にして高効率膨張を図るマルチベーン方式膨張機に関するものである。

密閉サイクルのランキンエンジンやブレイトンエンジンは高圧力で供給される気体（給気）を膨張機で膨張させ出力を発生させるが、通常断熱膨張で行われる。熱力学的にこの膨張が断熱膨張より等温膨張に近づくほど取り出せる出力は増大し、理想気体を圧縮、膨張の両工程とも等温で行うエリクソンサイクルにでは高温部と低温部の熱を相互熱交換する熱再生器を設ければカルノーサイクルと同等の最高効率が得られる。近年内燃機関や燃料電池等から排出される中高温度（２００から３００℃程度）の熱を高温熱源にして電力や軸出力として回生しエネルギー危機の高効率化を図る動きがある中で上記エンジンの活用が期待されつつある。この際一般民生用機器の用途においてその中核部品としての膨張機は通常冷凍空調機器の作動流体圧縮に用いられる圧縮機であるマルチベーン、ローリングピストン、あるいはスクロール等各方式のいわゆる回転（ロータリー）式容積型機構を基本に逆工程的に作用させ膨張機構として用い得るように改善されることが多い。その理由は主にこれらの方式がコンパクト、簡易、低コスト等の特性を持つため膨張機にも有利なためであるが、実用的には圧縮工程での使用と同様ほとんど断熱状態での作動となっている。

本考案は、前述の膨張機の一種であるマルチベーン方式膨張機において、その構成要素である円筒状平断面形状のシリンダーとその内部に偏心して設けられる円筒状平断面形状ローター、およびこの内部に勘合され摺動する複数のベーンおよびこれらと直交平面両端のフランジで構成される複数の容積空間が、そこに給気される高圧の作動流体（気体）が膨張して該ローターを回転駆動して拡大する膨張工程においてのみ予め加熱された潤滑油を該膨張空間に圧送注入し内部の作動流体ならびに周辺機器部を加熱することにより略等温膨張させる膨張機に関する。

考案を解決しようとする課題

従来ロータリー式容積型膨張機構は主にマルチベーン、ローリングピストンあるいはスクロール方式が検討されているが、いずれも膨張容積空間を作動流体の膨張工程中に加熱するためには特別の工夫が必要である。一般的にはこれらの作動流体中に含まれる膨張機構等駆動部を潤滑するための潤滑油を膨張後の吐出された作動流体から分離して別途設けられる潤滑油加熱器で高温に加熱後、該膨張工程に注入し該作動流体を直接的に、あるいは周辺の機構要素を加熱して間接的に加熱し等温膨張に近づけるように構成される。実用的にはマルチベーン方式は複数のベーンをローターもしくは駆動軸の１回転当たりにおける駆動機構と作動流体の接触面として作動させやすいので、ローリングピストン、及びスクロール各方式等より有利である。いずれの方式も低圧の吐出圧力から高圧の給気圧力に潤滑油を加圧して供給する必要があるため圧送ポンプを用いるが、マルチベーン方式では複数のベーン背面の連通するミゾに該加熱済みの潤滑油を高圧で押し込み、全ての該ベーンとこれを保持するミゾの有する間隙もしくは予め設けられた隙間から該膨張容積空間に漏出させ、所定の作動流体ならびに周辺のシリンダー、フランジあるいはローターの表面を加熱して所期の等温膨張に近づけると同時に該ベーンがシリンダー内壁面に押し付けられ隙間無く密着し漏れを防ぐとともに、潤滑する作用効果も図られる。しかしこの方法では膨張工程後の吐出工程全域までローターの放射状方向にわたり常に該潤滑油が押し出され特に該吐出工程では圧力差が増大し漏出量が必要以上に大きくなり、かつ該ベーンが該シリンダー内壁面に過大に押し付けられ摩擦損失が増えて出力が減少したりする課題があった。

課題を解決するための手段

本考案は、該マルチベーン方式膨張機において、該ローターが回転する時、これの表面と該ベーンおよびその先端部が内接する該シリンダー内側円筒部（内壁面）及びこれらを内包する両フランジ面で構成される容積空間が拡大する膨張行程時にのみ、ベーンが勘合して摺動するよう該ローターに収納される該ベーン背面部ミゾと該フランジに設けられる通路が連接し膨張機に圧送ポンプで供給される潤滑油がここに導かれ連通し、該ベーンとこれを収納する該ミゾの間隙もしくは予め設けられた隙間から該膨張工程中の容積空間に漏出するとともに内部の該ベーンを背面からその先端部が該シリンダー内壁面に圧接するよう押し付ける。給気口から入った高圧の作動流体は上記膨張行程においてその容積を拡大し出力を通常軸動力として発生させ所定の低圧に達して吐出口を経て後潤滑油分離器に排出される。この中で作動流体に混在していた潤滑油はほとんど分離され作動流体はランキンサイクルやブレイトンあるいはエリクソンサイクル等の熱サイクルを用いる本体システムに送り出され、分離された潤滑油は圧送ポンプで加圧されて潤滑油加熱器に達し所定の温度まで加熱されその流量や圧力を調整する調整機構を経てふたたび該ベーン背面部ミゾに供給される。ここに該潤滑油の加熱は膨張機に供給される作動流体の加熱と同じ熱源を用いほぼ同温度まで加熱供給される。

考案の効果

本考案によれば既述のように容積空間が拡大する膨張行程時にのみ、予め加熱された潤滑油が供給され該容積空間内に適宜噴出し場合により噴霧状に拡散して作動流体と接触しこれを直接的に加熱したり、膨張工程にあるベーン、シリンダーあるいはローターに付着してこれらを加熱することにより作動流体を間接的に加熱したりするため等温膨張に近づけることが可能となる。特にマルチベーン方式圧縮機はローターが一回転する間にベーンの数と同じ複数回の膨張工程が行われベーンと作動流体の接触機会も他の方式に比し増大できるので好都合である。この結果膨張で得られる出力は増加し膨張機のみならず応用システムの大幅な効率向上が可能となる。また吐出工程への潤滑油や付随する作動流体の無駄な流出や摩擦力の増大等の懸念は解消される。この結果本膨張機を使用する本体システムにおいて大幅な出力および効率の増加だけでなく、信頼性の向上も可能となる。

以下、本考案につきマルチベーン方式の膨張機につき、図１から図２の応用実施例について説明する。図１は本考案による平断面図、図２は同側断面図であり、図１は図２のＣＣ−ＣＣ断面に沿ったもので、図２は図１のＣ−Ｃ断面に沿ったものである。本考案による膨張機（１）は主にシリンダー（２）、ローター（３）、ベーン（４）（複数）、第１フランジ（２１）および第２フランジ（２２）から構成される。シリンダー（２）の平断面形状は円形の中空筒状を基本とし、その側面に高圧の作動流体の入る給気口（１０）、膨張し低圧となった作動流体が排出される吐出口（１１）が設けられる。ローター（３）はその平断面形状が円形の中実円筒状でその直径はシリンダー（２）の直径より適宜小さく、その軸心方向に該シリンダー（２）の軸心方向厚さとほぼ同じながら内に収まる厚みを有し、外部両端に軸（５）を有している。シリンダー（２）とローター（３）は図１ではそれぞれＡ−ＡおよびＢ−Ｂの中心線、図２ではそれぞれＡＡ−ＡＡおよびＢＢ−ＢＢの軸心線で表されるが、図１のＣ‐−Ｃ対称線の上部でほぼ接するほどの最小隙間で、かつその反対側の同図下部で最大隙間となるよう、互いに適宜偏心して設けられる。このローター（３）には複数（本例では４個）のベーンミゾ（６）がローターの軸（５）と平行な平面上に放射状にほぼ等間隔を置いて設けられ、この内部に同数のベーン（４）が勘合するよう配設される。ベーン（４）は基本的にそれぞれ矩形の同一形状で、ベーンミゾ（６）内部に収納されながらで勘合して摺動でき、ローター（３）の回転とともにベーンミゾ（６）に入る深さが変化する。ベーン（４）のベーンミゾ（６）内での軸（５）側を背部、逆のシリンダー（２）の側壁面側を先端部と呼ぶとき、背部には常にベーンミゾ（６）の空間が存在するよう設けられ、ここには後述する潤滑油が供給可能となっている。また、ベーン（４）の先端部はシリンダー（２）の側壁面側と接触かつ摺動容易なように適宜曲線の形状（図１では省略）に成形される。

第１フランジ（２１）はその平滑な側部端面をシリンダー（２）の側部端面と密接し、第２フランジ（２２）も同様その側部端面をシリンダー（２）の側部端面とそれぞれ密接するように設けられたローターの軸（５）がそれぞれの第１軸受（５１）および第２軸受（５２）で保持されるローター（３）が図１の矢印のように回転する時、中央縦線Ｃ−Ｃの左半分はベーン（４）、シリンダー（２）、ローター（３）及び第１フランジ（２１）と第２フランジ（２２）で構成される各空間容積が最小から最大まで拡大する膨張行程となる。反対に残りの右空間は空間容積が縮小する吐出工程となる。ここに第１フランジ（２１）にはその側部端面に潤滑油供給ミゾ（１２）が穿設され、膨張機（１）の組立て時図１の仮想破線で示すようにローター（３）の膨張行程側（同図の左半分）のベーンミゾ（６）背部に継続的に連結して潤滑油を供給するような略円弧形状に設けられる。図２はその側断面を示し適宜な深さの潤滑油供給ミゾ（１２）に潤滑油供給口（１３）が連結されここに別途予め加熱された潤滑油が供給される。膨張行程の位置にベーン（４）がある時のみベーンミゾ（６）に潤滑油供給ミゾ（１２）が重なり両者が連通して潤滑油が供給されるよう自動的に位置が制御される。なお、この潤滑油は本来本膨張機を用いる本体システムの作動流体と併せ予め封入され本膨張機の駆動部の潤滑及びシールに供されるが、本考案では膨張工程中の作動流体を加熱するためにも用いられる。

なお、既述のように膨張した作動流体は所定の低圧に達し吐出口（１１）から潤滑油を含みながら吐出され圧縮機本体外に設けられた潤滑油分離器（１４）にはいる（以下作動流体及び潤滑油の流れをそれぞれ図１の太線及び２重線矢印で示す）。潤滑油分離器（１４）内では器内底部に潤滑油が分離されて滞留し上部に作動流体が低圧で溜まる。この作動流体は該潤滑油分離器（１４）の作動流体吐出口（１５）から吐出され本体システム（図示せず）に向かい、残りの潤滑油は潤滑油吐出口（１６）から圧送ポンプ（１９）に吸引され低圧から所定の高圧に加圧され潤滑油加熱器（１７）に入る。このため該潤滑油は高圧の膨張工程の空間に浸入することが可能となる。潤滑油加熱器（１７）の熱源は本体システムの加熱工程で用いられる熱源（図示せず）と共通のものを用い作動流体が高圧で加熱されて達する所定の中高温度まで加熱される。また必要に応じて設けられる潤滑油調整器（１８）で潤滑油の流量、圧力等を所定の量に調整され潤滑油供給口（１３）に供給される。なお、該潤滑油調整器（１８）は外部から設定値になるよう調整駆動可能な絞り効果を有する弁や固定的な調整値が得られるノズルもしくはスリットで構成される。この後潤滑油は既述のように潤滑油供給ミゾ（１２）から膨張工程位置にあり連接するベーンミゾ（６）にのみ圧送され内部のベーン（４）をシリンダー（２）の内壁面に押し付けて膨張工程の気密作用を確保しつつベーンミゾ（６）と内部のベーン（４）の隙間から容積空間に流入する。上記隙間は一般的に約１００マイクロメートルで作動流体の圧縮に支障ないよう設定されるが必要に応じてベーンミゾ（６）または内部のベーン（４）に細い流路を設けてもよい。なお、本体システムから戻った作動流体は給気口（１０）から再び膨張工程に送られ本体システム工程が完結する。
特願２００８−１４６２６５

実用新案文献

実願２００９−５７５４

本考案に関わる平断面図である。 本考案に関わる側断面図である。

（１）膨張機
（２）シリンダー
（３）ローター
（４）ベーン
（５）軸
（６）ベーンミゾ
（１０）給気口
（１１）吐出口
（１２）潤滑油供給ミゾ
（１３）潤滑油供給口
（１４）潤滑油分離器
（１５）作動流体吐出口
（１６）潤滑油吐出口
（１７）潤滑油加熱器
（１８）潤滑油調整器
（２１）第１フランジ
（２２）第２フランジ
（５１）第１軸受
（５２）第２軸受

Claims (3)

1. 円ないし楕円状断面を有する中空筒状シリンダーと、その内部にシリンダーの軸方向と平行な軸を中心に回転可能な円筒形状のローター、及びその軸と平行な平面に放射状方向に設けられる複数のベーンミゾ内部に勘合して同方向に密接して摺動するよう設けられる同数の矩形ベーン、及び該ローターの軸受を有しシリンダーの軸方向と直角方向の両端部平面に設けられる２個のフランジで該ローター及びベーンの両端面をはさんで密接内包する形態のマルチベーン膨張機において、該ローターが回転する時、これの外側表面と該ベーン及びその先端部が内接する該シリンダー内側円筒壁面及びこれらを内包する両フランジ壁面で構成される容積空間がシリンダーの回転とともに拡大する膨張行程時にのみ、該ベーンと該ベーンミゾの隙間もしくは通路をとおして予め該膨張機外の設けられた潤滑油圧送ポンプで加圧され更にその後外部からの熱で加熱された潤滑油が該ベーンミゾの該ベーン背面から該ベーン先端方向に圧送され該容積空間に流入して該容積空間及び作動流体を加熱し併せて該ベーン先端部が該シリンダー内接円部に圧接するようベーン先端部の反対側の背面部が存する該ベーンミゾに該膨張機に供給される潤滑油が導かれる潤滑油供給ミゾを該フランジの所定位置に所定形状で設け該ローター内の該ベーンミゾと連接して該潤滑油の供給が可能となるよう構成して成る膨張機と潤滑油供給システム。
2. 請求項１のように構成される膨張機と潤滑油供給システムにおいて該膨張機から膨張行程を終えて吐出される潤滑油を含んだ作動流体を潤滑油分離器に導き両者を分離し、分離された潤滑油のみ潤滑油圧送ポンプに供給されるように構成される膨張機と潤滑油循環システム。
3. 請求項１のように構成される膨張機と潤滑油供給システムにおいて潤滑油圧送ポンプから圧送される潤滑油の流量及び圧力を所定の値になるよう調整できる弁、ノズルあるいはスリットによる潤滑油調整器を設けて構成される膨張機と潤滑油供給システム。

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