JP3923331B2

JP3923331B2 - 膨張機

Info

Publication number: JP3923331B2
Application number: JP2002035614A
Authority: JP
Inventors: 博行牧野; 誠宇田
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2002-02-13
Filing date: 2002-02-13
Publication date: 2007-05-30
Anticipated expiration: 2022-02-13
Also published as: JP2003239702A; WO2003069126A1; US20050147507A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ケーシングと、ケーシングに回転自在に支持されたロータと、ロータにその軸線を囲むように環状に配置されたアキシャルピストンシリンダ群とを備え、アキシャルピストンシリンダ群のピストンおよびシリンダスリーブ間に区画された膨張室に高温高圧蒸気を供給することでロータを回転駆動するとともに、ピストンおよびシリンダスリーブの摺動面をオイルで潤滑する膨張機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
かかる膨張機は、本出願人が特願２００１−６１４２４号により既に提案している。この膨張機はランキンサイクル装置に用いられるもので、ロータにその軸線を囲むように環状に配置されたアキシャルピストンシリンダ群を備えており、ピストンおよびシリンダスリーブの摺動部の潤滑は、その膨張機の作動媒体である蒸気（水）とは別個のオイルによって行われるようになっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、かかる膨張機のピストンのトップ部は、シリンダスリーブの膨張室に供給される高温高圧蒸気に晒されて酸化し易いだけでなく、蒸気が凝縮した水と接触して腐蝕する可能性がある。またピストンのエンド部は、斜板との当接により大きな荷重を受けて損傷を受ける可能性がある。またシリンダスリーブに対して摺動するピストンの中間部はオイルにより潤滑されるが、シリンダスリーブの膨張室から漏れた蒸気が凝縮した水となり摺動面に付着すると、オイルに水が混入して油膜の維持が困難になり、異常摩耗が発生する可能性がある。
【０００４】
しかしながら、上記従来のものは、ピストンのトップ部、エンド部および中間部が同一材料で一体に構成されているため、その各部に要求される耐熱性、耐蝕性、耐高面圧性、耐摩耗性等を全て満たすことが困難であった。
【０００５】
本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、アキシャルピストンシリンダ式の膨張機のピストンの耐久性を高めることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、ケーシングと、ケーシングに回転自在に支持されたロータと、ロータにその軸線を囲むように環状に配置されたアキシャルピストンシリンダ群とを備え、アキシャルピストンシリンダ群のピストンおよびシリンダスリーブ間に区画された膨張室に高温高圧蒸気を供給することでロータを回転駆動するとともに、ピストンおよびシリンダスリーブの摺動面をオイルで潤滑する膨張機において、前記ピストンは膨張室の高温高圧蒸気に晒されるトップ部と、斜板に当接するエンド部と、エンド部およびトップ部間に挟まれてシリンダスリーブに摺接する中間部とからなり、前記トップ部を耐熱・耐蝕性材料で構成し、前記エンド部を耐面圧性の高い材料で構成し、前記中間部を耐摩耗性の高い材料で構成し、かつ前記トップ部および前記中間部の間に断熱空間を設けたことを特徴とする膨張機が提案される。
【０００７】
上記構成によれば、膨張機のエンド部、トップ部および中間部からなるピストンのうち、膨張室に供給される高温高圧蒸気に晒されるトップ部を耐熱・耐蝕性材料で構成したので、トップ部が熱により酸化したり、蒸気が液化した水に接触して腐食したりするのを防止することができる。また斜板に当接するピストンのエンド部を耐面圧性の高い材料で構成したので、斜板から受ける強い面圧でエンド部が損傷するのを防止することができる。またシリンダスリーブに摺接するピストンの中間部を耐摩耗性の高い材料で構成したので、蒸気が凝縮した水が摺動面のオイルに混入して潤滑性が低下しても異常摩耗の発生を防止することができる。しかもピストンのトップ部および中間部の間に断熱空間を設けたので、膨張室に供給され高温高圧蒸気の熱がトップ部から中間部を経てシリンダスリーブに逃げるのを抑制し、膨張機の熱効率の低下を最小限に抑えることができる。
【０００８】
また請求項２に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、前記中間部に中空空間を形成し、前記トップ部の外周面に形成したオイルリング溝を第１のオイル孔を介して前記中空空間に連通させるとともに、前記中間部の外周面に形成した小径部を第２のオイル孔を介して前記中空空間に連通させたことを特徴とする膨張機が提案される。
【０００９】
上記構成によれば、ピストンの中間部に中空空間を形成したので、ピストンを軽量化できるだけでなく、中空空間を断熱層として機能させてピストンからシリンダスリーブへの熱逃げを抑制し、膨張機の熱効率の低下を最小限に抑えることができる。またピストンの中空空間に、トップ部に形成したオイルリング溝の底部を第１のオイル孔を介して連通させ、かつ中間部に形成した小径部を第２のオイル孔を介して連通させたので、オイルリング溝から第１のオイル孔を介して中空空間に回収したオイルを第２のオイル孔を介してピストンの小径部に排出し、ピストンおよびシリンダスリーブの摺動面の潤滑に供することができる。
【００１０】
尚、実施例のオイル孔６３ｃ，６２ｃはそれぞれ本発明の第１のオイル孔および第２のオイル孔に対応する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面に示した本発明の実施例に基づいて説明する。
【００１２】
図１〜図１３は本発明の一実施例を示すもので、図１は膨張機の縦断面図、図２は図１の２−２線断面図、図３は図１の３−３線矢視図、図４は図１の４部拡大図、図５は図１の５部拡大図、図６はロータの分解斜視図、図７は図４の７−７線断面図、図８は図４の８−８線断面図、図９は図４の９部拡大図、図１０は図５の１０−１０線断面図、図１１は図５の１１−１１線断面図、図１２は図５の１２−１２線断面図、図１３は図５の１３−１３線断面である。
【００１３】
図１〜図９に示すように、本実施例の膨張機Ｍは例えばランキンサイクル装置に使用されるもので、作動媒体としての高温高圧蒸気の熱エネルギーおよび圧力エネルギーを機械エネルギーに変換して出力する。膨張機Ｍのケーシング１１は、ケーシング本体１２と、ケーシング本体１２の前面開口部にシール部材１３を介して複数本のボルト１４…で結合される前部カバー１５と、ケーシング本体１２の後面開口部にシール部材１６を介して複数本のボルト１７…で結合される後部カバー１８と、ケーシング本体１２の下面開口部にシール部材１９を介して複数本のボルト２０…で結合されるオイルパン２１とで構成される。
【００１４】
ケーシング１１の中央を前後方向に延びる軸線Ｌまわりに回転可能に配置されたロータ２２は、その前部を前部カバー１５に設けたボールベアリング２３によって支持され、その後部をケーシング本体１２に設けたボールベアリング２４によって支持される。前部カバー１５の後面に２個のシール部材２５，２６およびノックピン２７を介して嵌合する斜板ホルダ２８が複数本のボルト２９…で固定されており、この斜板ホルダ２８にアンギュラボールベアリング３０を介して斜板３１が回転自在に支持される。斜板３１の軸線は前記ロータ２２の軸線Ｌに対して傾斜しており、その傾斜角は固定である。
【００１５】
ロータ２２は、前記ボールベアリング２３で前部カバー１５に支持された出力軸３２と、出力軸３２の後部に相互に所定幅の切欠５７，５８（図４および図９参照）を介して一体に形成された３個のスリーブ支持フランジ３３，３４，３５と、後側のスリーブ支持フランジ３５にメタルガスケット３６を介して複数本のボルト３７…で結合され、前記ボールベアリング２４でケーシング本体１２に支持されたロータヘッド３８と、３個のスリーブ支持フランジ３３，３４，３５に前方から嵌合して複数本のボルト３９…で前側のスリーブ支持フランジ３３に結合された断熱カバー４０とを備える。
【００１６】
３個のスリーブ支持フランジ３３，３４，３５には各々５個のスリーブ支持孔３３ａ…，３４ａ…，３５ａ…が軸線Ｌまわりに７２°間隔で形成されており、それらのスリーブ支持孔３３ａ…，３４ａ…，３５ａ…に５本のシリンダスリーブ４１…が後方から嵌合する。各々のシリンダスリーブ４１の後端にはフランジ４１ａが形成されており、このフランジ４１ａが後側のスリーブ支持フランジ３５のスリーブ支持孔３５ａに形成した段部３５ｂに嵌合した状態でメタルガスケット３６に当接して軸方向に位置決めされる（図９参照）。各々のシリンダスリーブ４１の内部にピストン４２が摺動自在に嵌合しており、ピストン４２の前端は斜板３１に形成したディンプル３１ａに当接するとともに、ピストン４２の後端とロータヘッド３８との間に蒸気の膨張室４３が区画される。
【００１７】
ロータ２２と一体の出力軸３２内部に軸線Ｌ上に延びるオイル通路３２ａが形成されており、このオイル通路３２ａの前端は径方向に分岐して出力軸３２の外周の環状溝３２ｂに連通する。ロータ２２の中央のスリーブ支持フランジ３４の径方向内側位置において、前記オイル通路３２ａの内周にシール部材４４を介してオイル通路閉塞部材４５が螺合しており、その近傍のオイル通路３２ａから径方向外側に延びる複数のオイル孔３２ｃ…が出力軸３２の外周面に開口する。
【００１８】
前部カバー１５の前面に設けた凹部１５ａと、前部カバー１５の前面にシール部材４６を介して複数本のボルト４７…で固定したポンプカバー４８との間に配置されたトロコイド型のオイルポンプ４９は、前記凹部１５ａに回転自在に嵌合するアウターロータ５０と、出力軸３２の外周に固定されてアウターロータ５０に噛合するインナーロータ５１とを備える。オイルパン２１の内部空間はオイルパイプ５２および前部カバー１５のオイル通路１５ｂを介してオイルポンプ４９の吸入ポート５３に連通し、オイルポンプ４９の吐出ポート５４は前部カバー１５のオイル通路１５ｃを介して出力軸３２の環状溝３２ｂに連通する。
【００１９】
シリンダスリーブ４１に摺動自在に嵌合するピストン４２はエンド部６１、中間部６２およびトップ部６３からなる。エンド部６１は斜板３１のディンプル３１ａに当接する球面部６１ａを有する部材であって、中間部６２の先端に溶接で結合される。中間部６２は大容積の中空空間６２ａを有する円筒状の部材であって、トップ部６３に近い外周部に直径が僅かに減少した小径部６２ｂを有しており、そこを半径方向に貫通するように複数のオイル孔６２ｃ…が形成されるとともに、小径部６２ｂよりも前方の外周部に複数本の螺旋状のオイル溝６２ｄ…が形成される。膨張室４３に臨むトップ部６３は中間部６２と一体に形成されており、その内面に形成された隔壁６３ａと、その後端面に嵌合して溶接された蓋部材６４との間に断熱空間６５（図９参照）が形成される。トップ部６３の外周には２本の圧縮リング６６，６６と１本のオイルリング６７とが装着されており、オイルリング６７が嵌合するオイルリング溝６３ｂは複数のオイル孔６３ｃ…を介して中間部６２の中空空間６２ａに連通する。
【００２０】
ピストンのエンド部６１および中間部６２は高炭素鋼製、トップ部６３はステンレス製であり、そのうちエンド部６１には高周波焼入れが、中間部６２には焼入れが施される。その結果、斜板３１に大きな面圧で当接するエンド部６１の耐高面圧性と、厳しい潤滑条件でシリンダスリーブ４１に摺接する中間部６２の耐摩耗性と、膨張室４３に臨んで高温高圧に晒されるトップ部６３の耐熱・耐蝕性とが満たされる。
【００２１】
シリンダスリーブ４１の中間部外周に環状溝４１ｂ（図６および図９参照）が形成されており、この環状溝４１ｂに複数のオイル孔４１ｃ…が形成される。シリンダスリーブ４１の回転方向の取付位置に関わらず、出力軸３２に形成したオイル孔３２ｃ…と、ロータ２２の中央のスリーブ支持フランジ３４に形成したオイル孔３４ｂ…（図４および図６参照）とが環状溝４１ｂに連通する。ロータ２２の前側および後側のスリーブ支持フランジ３３，３５と断熱カバー４０との間に形成された空間６８は、断熱カバー４０に形成したオイル孔４０ａ…（図４および図７参照）を介してケーシング１１の内部空間に連通する。
【００２２】
ロータ２２の前側のスリーブ支持フランジ３３の後面にボルト３７…で結合されたロータヘッド３８の前側もしくは膨張室４３…側に環状の蓋部材６９が溶接されており、蓋部材６９の背面もしくは後面に環状の断熱空間７０（図９参照）が区画される。ロータヘッド３８はノックピン５５により後側のスリーブ支持フランジ３５に対して回転方向に位置決めされる。
【００２３】
尚、５個のシリンダスリーブ４１…と５個のピストン４２…とは本発明のアキシャルピストンシリンダ群５６を構成する。
【００２４】
次に、ロータ２２の５個の膨張室４３…に蒸気を供給・排出するロータリバルブ７１の構造を、図５および図１０〜図１３に基づいて説明する。
【００２５】
図５に示すように、ロータ２２の軸線Ｌに沿うように配置されたロータリバルブ７１は、バルブ本体部７２と、固定側バルブプレート７３と、可動側バルブプレート７４とを備える。可動側バルブプレート７４は、ロータ２２の後面にノックピン７５で回転方向に位置決めされた状態で、オイル通路閉塞部材４５（図４参照）に螺合するボルト７６で固定される。尚、ボルト７６はロータヘッド３８を出力軸３２に固定する機能も兼ね備えている。
【００２６】
図５から明らかなように、可動側バルブプレート７４に平坦な摺動面７７を介して当接する固定側バルブプレート７３は、バルブ本体部７２の前面の中心に１本のボルト７８で固定されるとともに、バルブ本体部７２の外周部に環状の固定リング７９および複数本のボルト８０で固定される。その際に、固定リング７９の内周に形成した段部７９ａが固定側バルブプレート７３の外周にインロウ嵌合するように圧入され、かつ固定リング７９の外周に形成した段部７９ｂがバルブ本体部７２の外周にインロウ嵌合することで、バルブ本体部７２に対する固定側バルブプレート７３の同軸性が確保される。またバルブ本体部７２と固定側バルブプレート７３との間に、固定側バルブプレート７３を回転方向に位置決めするノックピン８１が配置される。
【００２７】
従って、ロータ２２が回転すると、可動側バルブプレート７４および固定側バルブプレート７３は摺動面７７において相互に密着しながら相対回転する。固定側バルブプレート７３および可動側バルブプレート７４は、カーボンやセラミックス等の耐久性に優れた材質で構成されており、更にまたその摺動面７７に耐熱性、潤滑性、耐蝕性、耐摩耗性を有する部材を介在させたりコーティングしたりすれば更に耐久性を向上できる。
【００２８】
ステンレス製のバルブ本体部７２は、大径部７２ａおよび小径部７２ｂを備えた段付き円柱状の部材であって、その大径部７２ａおよび小径部７２ｂの外周面が、それぞれシール部材８２，８３を介して後部カバー１８の円形断面の支持面１８ａ，１８ｂに軸線Ｌ方向に摺動自在に嵌合し、バルブ本体部７２の外周面に植設したピン８４が後部カバー１８に軸線Ｌ方向に形成した切欠１８ｃに嵌合することで回転方向に位置決めされる。後部カバー１８に軸線Ｌを囲むように複数個のプリロードスプリング８５…が支持されており、これらプリロードスプリング８５…に大径部７２ａおよび小径部７２ｂ間の段部７２ｃを押圧されたバルブ本体部７２は、固定側バルブプレート７３および可動側バルブプレート７４の摺動面７７を密着させるべく前方に向けて付勢される。
【００２９】
バルブ本体部７２の後面に接続された蒸気供給パイプ８６は、バルブ本体部７２の内部に形成した第１蒸気通路Ｐ１と、固定側バルブプレート７３に形成した第２蒸気通路Ｐ２とを介して摺動面７７に連通する。またケーシング本体１２および後部カバー１８とロータ２２との間にはシール部材８７でシールされた蒸気排出室８８が形成されており、この蒸気排出室８８はバルブ本体部７２の内部に形成した第６、第７蒸気通路Ｐ６，Ｐ７と、固定側バルブプレート７３に形成した第５蒸気通路Ｐ５とを介して摺動面７７に連通する。バルブ本体部７２と固定側バルブプレート７３との合わせ面には、第１、第２蒸気通路Ｐ１，Ｐ２の接続部を囲むシール部材８９と、第５、第６蒸気通路Ｐ５，Ｐ６の接続部を囲むシール部材９０とが設けられる。
【００３０】
軸線Ｌを囲むように等間隔で配置された５個の第３蒸気通路Ｐ３…が可動側バルブプレート７４を貫通しており、軸線Ｌを囲むようにロータ２２に形成された５個の第４蒸気通路Ｐ４…の両端が、それぞれ前記第３蒸気通路Ｐ３…および前記膨張室４３…に連通する。第２蒸気通路Ｐ２の摺動面７７に開口する部分は円形であるのに対し、第５蒸気通路Ｐ５の摺動面７７に開口する部分は軸線Ｌを中心とする円弧状に形成される。
【００３１】
次に、上記構成を備えた本実施例の膨張機Ｍの作用を説明する。
【００３２】
蒸発器で水を加熱して発生した高温高圧蒸気は蒸気供給パイプ８６からロータリバルブ７１のバルブ本体部７２に形成した第１蒸気通路Ｐ１と、このバルブ本体部７２と一体の固定側バルブプレート７３に形成した第２蒸気通路Ｐ２とを経て、可動側バルブプレート７４との摺動面７７に達する。そして摺動面７７に開口する第２蒸気通路Ｐ２はロータ２２と一体に回転する可動側バルブプレート７４に形成した対応する第３蒸気通路Ｐ３に所定の吸気期間において瞬間的に連通し、高温高圧蒸気は第３蒸気通路Ｐ３からロータ２２に形成した第４蒸気通路Ｐ４を経てシリンダスリーブ４１内の膨張室４３に供給される。
【００３３】
ロータ２２の回転に伴って第２蒸気通路Ｐ２および第３蒸気通路Ｐ３の連通が絶たれた後も膨張室４３内で高温高圧蒸気が膨張することで、シリンダスリーブ４１に嵌合するピストン４２が上死点から下死点に向けて前方に押し出され、その前端のエンド部６１が斜板３１のディンプル３１ａを押圧する。その結果、ピストン４２が斜板３１から受ける反力でロータ２２に回転トルクが与えられる。そしてロータ２２が５分の１回転する毎に、相隣り合う新たな膨張室４３内に高温高圧蒸気が供給されてロータ２２が連続的に回転駆動される。
【００３４】
ロータ２２の回転に伴って下死点に達したピストン４２が斜板３１に押圧されて上死点に向かって後退する間に、膨張室４３から押し出された低温低圧蒸気は、ロータ２２の第４蒸気通路Ｐ４と、可動側バルブプレート７４の第３蒸気通路Ｐ３と、摺動面７７と、固定側バルブプレート７３の円弧状の第５蒸気通路Ｐ５と、バルブ本体部７２の第６、第７蒸気通路Ｐ６，Ｐ７とを経て蒸気排出室８８に排出され、そこから凝縮器に供給される。
【００３５】
ロータ２２の回転に伴って出力軸３２に設けたオイルポンプ４９が作動し、オイルパン２１からオイルパイプ５２、前部カバー１５のオイル通路１５ｂ、吸入ポート５３を経て吸入されたオイルが吐出ポート５４から吐出され、前部カバー１５のオイル通路１５ｃ、出力軸３２のオイル通路３２ａ、出力軸３２の環状溝３２ｂ、出力軸３２のオイル孔３２ｃ…、シリンダスリーブ４１の環状溝４１ｂおよびシリンダスリーブ４１のオイル孔４１ｃ…を経て、ピストン４２の中間部６２に形成した小径部６２ｂとシリンダスリーブ４１との間の空間に供給される。そして前記小径部６２ｂに保持されたオイルの一部は、ピストン４２の中間部６２に形成した螺旋状のオイル溝６２ｄ…に流れてシリンダスリーブ４１との摺動面を潤滑し、また前記オイルの他の一部はピストン４２のトップ部６３に設けた圧縮リング６６，６６およびオイルリング６７とシリンダスリーブ４１との摺動面を潤滑する。
【００３６】
供給された高温高圧蒸気の一部が凝縮した水が内部に生じた膨張室４３からシリンダスリーブ４１およびピストン４２の摺動面に浸入してオイルに混入することは避けられず、そのために前記摺動面の潤滑条件は厳しいものとなるが、必要量のオイルをオイルポンプ４９から出力軸３２の内部を通してシリンダスリーブ４１およびピストン４２の摺動面に直接供給することで、充分な油膜を維持して潤滑性能を確保するとともにオイルポンプ４９の小型化を図ることができる。
【００３７】
シリンダスリーブ４１およびピストン４２の摺動面からオイルリング６７によって掻き取られたオイルは、オイルリング溝６３ｂの底部に形成したオイル孔６３ｃ…からピストン４２の内部の中空空間６２ａに流入する。前記中空空間６２ａはピストン４２の中間部６２を貫通する複数のオイル孔６２ｃ…を介してシリンダスリーブ４１の内部に連通しており、かつシリンダスリーブ４１の内部は複数のオイル孔４１ｃ…を介して該シリンダスリーブ４１の外周の環状溝４１ｂに連通している。環状溝４１ｂの周囲はロータ２２の中央のスリーブ支持フランジ３４によって覆われているが、スリーブ支持フランジ３４にはオイル孔３４ｂが形成されているため、ピストン４２の中空空間６２ａ内のオイルは遠心力で半径方向外側に付勢され、スリーブ支持フランジ３４のオイル孔３４ｂを通して断熱カバー４０内の空間６８に排出され、そこから断熱カバー４０のオイル孔４０ａ…を通してオイルパン２１に戻される。その際に、前記オイル孔３４ｂはスリーブ支持フランジ３４の半径方向外端よりも軸線Ｌ寄りに偏倚した位置にあるため、そのオイル孔３４ｂよりも半径方向外側にあるオイルは遠心力でピストン４２の中空空間６２ａに保持される。
【００３８】
このように、ピストン４２の内部の中空空間６２ａに保持されたオイルとピストン４２の外周の小径部６２ｂとに保持されたオイルとは、膨張室４３の容積が増加する膨張行程において前記小径部６２ｂからトップ部６３側に供給され、また膨張室４３の容積が減少する圧縮行程において前記小径部６２ｂからエンド部６１側に供給されるため、ピストン４２の軸方向全域を確実に潤滑することができる。またピストン４２の中空空間６２ａの内部でオイルが流動することで、高温高圧蒸気に晒されるトップ部６３の熱を低温のエンド部６１に伝えてピストン４２の温度が局部的に上昇するのを回避することができる。
【００３９】
第４蒸気通路Ｐ４から高温高圧蒸気が膨張室４３に供給されたとき、膨張室４３に臨むピストン４２のトップ部６３と中間部６２との間には断熱空間６５が形成されており、また膨張室４３に臨むロータヘッド３８にも断熱空間７０が形成されているため、膨張室４３からピストン４２およびロータヘッド３８への熱逃げを最小限に抑えて膨張機Ｍの性能向上に寄与することができる。またピストン４２の内部に大容積の中空空間６２ａを形成したので、ピストン４２の重量を低減することができるだけでなく、ピストン４２の熱マスを減少させて膨張室４３からの熱逃げを更に効果的に低減することができる。
【００４０】
後側のスリーブ支持フランジ３５とロータヘッド３８との間にメタルガスケット３６を介在させて膨張室４３をシールしたので、肉厚の大きい環状のシール部材を介して膨張室４３をシールする場合に比べて、シールまわりの無駄ボリュームを減らすことができ、これにより膨張機Ｍの容積比（膨張比）を大きく確保し、熱効率を高めて出力の向上を図ることができる。またシリンダスリーブ４１をロータ２２と別体で構成したので、ロータ２２の材質に制約されずに熱伝導性、耐熱性、強度、耐摩耗性等を考慮してシリンダスリーブ４１の材質を選択することができ、しかも摩耗・損傷したシリンダスリーブ４１だけを交換することができるので経済的である。
【００４１】
またロータ２２の外周面に円周方向に形成した２個の切欠５７，５８からシリンダスリーブ４１の外周面が露出するので、ロータ２２の重量を軽減できるだけでなく、ロータ２２の熱マスを減少させて熱効率の向上を図ることができ、しかも前記切欠５７，５８を断熱空間として機能させることでシリンダスリーブ４１からの熱逃げを抑制することができる。更に、ロータ２２の外周部を断熱カバー４０で覆ったので、シリンダスリーブ４１からの熱逃げを一層効果的に抑制することができる。
【００４２】
ロータリバルブ７１は固定側バルブプレート７３および可動側バルブプレート７４間の平坦な摺動面７７を介してアキシャルピストンシリンダ群５６に蒸気を供給・排出するので、蒸気のリークを効果的に防止することができる。なぜならば、平坦な摺動面７７は高精度の加工が容易なため、円筒状の摺動面に比べてクリアランスの管理が容易であるからである。しかも複数本のプリロードスプリング８５…でバルブ本体部７２にプリセット荷重を与えて固定側バルブプレート７３および可動側バルブプレート７４の摺動面７７に面圧を発生させるので、摺動面７７からの蒸気のリークを一層効果的に抑制することができる。
【００４３】
またロータリバルブ７１のバルブ本体部７２が熱膨張係数の大きいステンレス製であり、このバルブ本体７２に固定される固定側バルブプレート７３が熱膨張係数の小さいカーボン製あるいはセラミックス製であるため、熱膨張係数の差によって両者間のセンタリングがずれる可能性があるが、固定リング７９の内周の段部７９ａを固定側バルブプレート７３の外周に圧入によりインロウ嵌合させ、かつ固定リング７９の外周の段部７９ｂをバルブ本体部７２の外周にインロウ嵌合させた状態で、固定リング７９を複数本のボルト８０…でバルブ本体部７２に固定したので、インロウ嵌合の調芯作用により固定側バルブプレート７３をバルブ本体部７２に対して精密にセンタリングし、蒸気の供給・排出タイミングのずれを防止して膨張機Ｍの性能低下を防止することができる。しかもボルト８０…の締結力で固定側バルブプレート７３とバルブ本体部７２との当接面を均一に密着させ、その当接面からの蒸気の漏れを抑制することができる。
【００４４】
更に、後部カバー１８をケーシング本体１２から取り外すだけで、ケーシング本体１２に対してロータリバルブ７１を着脱することができるので、修理、清掃、交換等のメンテナンス作業性が大幅に向上する。また高温高圧蒸気が通過するロータリバルブ７１は高温になるが、オイルによる潤滑が必要な斜板３１や出力軸３２がロータ２２を挟んでロータリバルブ７１の反対側に配置されるので、高温となるロータリバルブ７１の熱でオイルが加熱されて斜板３１や出力軸３２の潤滑性能が低下するのを防止することができる。またオイルはロータリバルブ７１を冷却して過熱を防止する機能も発揮する。
【００４５】
以上、本発明の実施例を説明したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。
【００４６】
例えば、実施例ではランキンサイクル装置の膨張機Ｍを例示したが、本発明の膨張機Ｍは他の任意の用途に適用可能である。
【００４７】
またピストン４２のエンド部６１、中間部６２およびトップ部６３の材質、熱処理、表面処理等の内容は実施例に限定されず、それらが所望の特性を維持する範囲で適宜変更可能である。
【００４８】
【発明の効果】
以上のように請求項１に記載された発明によれば、膨張機のエンド部、トップ部および中間部からなるピストンのうち、膨張室に供給される高温高圧蒸気に晒されるトップ部を耐熱・耐蝕性材料で構成したので、トップ部が熱により酸化したり、蒸気が液化した水に接触して腐食したりするのを防止することができる。また斜板に当接するピストンのエンド部を耐面圧性の高い材料で構成したので、斜板から受ける強い面圧でエンド部が損傷するのを防止することができる。またシリンダスリーブに摺接するピストンの中間部を耐摩耗性の高い材料で構成したので、蒸気が凝縮した水が摺動面のオイルに混入して潤滑性が低下しても異常摩耗の発生を防止することができる。しかもピストンのトップ部および中間部の間に断熱空間を設けたので、膨張室に供給され高温高圧蒸気の熱がトップ部から中間部を経てシリンダスリーブに逃げるのを抑制し、膨張機の熱効率の低下を最小限に抑えることができる。
【００４９】
また請求項２に記載された発明によれば、ピストンの中間部に中空空間を形成したので、ピストンを軽量化できるだけでなく、中空空間を断熱層として機能させてピストンからシリンダスリーブへの熱逃げを抑制し、膨張機の熱効率の低下を最小限に抑えることができる。またピストンの中空空間に、トップ部に形成したオイルリング溝の底部を第１のオイル孔を介して連通させ、かつ中間部に形成した小径部を第２のオイル孔を介して連通させたので、オイルリング溝から第１のオイル孔を介して中空空間に回収したオイルを第２のオイル孔を介してピストンの小径部に排出し、ピストンおよびシリンダスリーブの摺動面の潤滑に供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】膨張機の縦断面図
【図２】図１の２−２線断面図
【図３】図１の３−３線矢視図
【図４】図１の４部拡大図
【図５】図１の５部拡大図
【図６】ロータの分解斜視図
【図７】図４の７−７線断面図
【図８】図４の８−８線断面図
【図９】図４の９部拡大図
【図１０】図５の１０−１０線断面図
【図１１】図５の１１−１１線断面図
【図１２】図５の１２−１２線断面図
【図１３】図５の１３−１３線断面図
【符号の説明】
１１ケーシング
２２ロータ
３１斜板
４１シリンダスリーブ
４２ピストン
４３膨張室
５６アキシャルピストンシリンダ群
６１エンド部
６２中間部
６２ａ中空空間
６２ｂ小径部
６２ｃオイル孔（第２のオイル孔）
６３トップ部
６３ｂオイルリング溝
６３ｃオイル孔（第１のオイル孔）
６５断熱空間
Ｌ軸線

Claims

ケーシング（１１）と、
ケーシング（１１）に回転自在に支持されたロータ（２２）と、
ロータ（２２）にその軸線（Ｌ）を囲むように環状に配置されたアキシャルピストンシリンダ群（５６）と、
を備え、
アキシャルピストンシリンダ群（５６）のピストン（４２）およびシリンダスリーブ（４１）間に区画された膨張室（４３）に高温高圧蒸気を供給することでロータ（２２）を回転駆動するとともに、ピストン（４２）およびシリンダスリーブ（４１）の摺動面をオイルで潤滑する膨張機において、
前記ピストン（４２）は膨張室（４３）の高温高圧蒸気に晒されるトップ部（６３）と、斜板（３１）に当接するエンド部（６１）と、エンド部（６１）およびトップ部（６３）間に挟まれてシリンダスリーブ（４１）に摺接する中間部（６２）とからなり、前記トップ部（６３）を耐熱・耐蝕性材料で構成し、前記エンド部（６１）を耐面圧性の高い材料で構成し、前記中間部（６２）を耐摩耗性の高い材料で構成し、かつ前記トップ部（６３）および前記中間部（６２）の間に断熱空間（６５）を設けたことを特徴とする膨張機。
前記中間部（６２）に中空空間（６２ａ）を形成し、前記トップ部（６３）の外周面に形成したオイルリング溝（６３ｂ）を第１のオイル孔（６３ｃ）を介して前記中空空間（６２ａ）に連通させるとともに、前記中間部（６２）の外周面に形成した小径部（６２ｂ）を第２のオイル孔（６２ｃ）を介して前記中空空間（６２ａ）に連通させたことを特徴とする、請求項１に記載の膨張機。