JP4662246B2 - 膨張機 - Google Patents

Description

本発明は、ガスを膨張させる膨張機に関する。

現在、冷凍装置の冷媒として二酸化炭素を用いることが検討されているが、エネルギー効率の面から、膨張装置として膨張機を用いることが検討されている。
膨張機と圧縮機とは、構造的には共通するため、従来圧縮機として用いられてきた構造を膨張機として利用することができる。

ところで、ベーン式圧縮機を膨張機として用いる場合には、以下のような問題が発生する。以下に図面を用いて説明する。
図６は、ベーン枚数を変更した場合の供給ポート角度と膨張比との関係を示す特性図、図７は、図６の特性図に用いた膨張機の基本構成を示す説明図である。
図７に示すように、シリンダ半径ＲＣを４０．０ｍｍ、ロータ半径ＲＲを３２．０ｍｍ、ベーン傾き角度ＤＷＡＡを３６．４度、シリンダ厚Ｈを３６．０ｍｍ、ベーン厚ＴＤを５．０ｍｍとして計算を行った。計算においては、流入ポート角度ＤＷＢを１０〜４５度、ベーン枚数を４、５、６、及び８枚で行った。
上記条件で行った結果が図６である。
図６に示すように、膨張比を大きくとって、不足膨張による損失を低減するためには、ベーン枚数を増やして流入ポート角度を小さくすることが有効である。
次に、供給部における供給隙間と圧力損失との関係を図８と図９を用いて説明する。
図８は、供給隙間δと圧力損失との関係を示す特性図、図９は、図８の特性図における供給隙間δを示す説明図である。
図８に示すように、供給隙間δが０．１ｍｍ以下では急激に圧力損失が大きくなってしまうことが分かる。
図１０から図１２は、Ｐ−Ｖ特性図を示し、図１０は回転数Ｎが１５５０ｒｐｍの場合のＰ−Ｖ特性図、図１１は回転数Ｎが１９６０ｒｐｍの場合のＰ−Ｖ特性図、図１２は回転数Ｎが２５００ｒｐｍの場合のＰ−Ｖ特性図である。
図１２に矢印で示す箇所が供給圧力損失を示している。図１０から図１２に示すように回転数が上昇するに従って、供給過程における圧力降下が大きくなる。

そこで本発明は、ベーン枚数を増やして流入ポート角度を小さく構成しても供給圧力損失が少ない膨張機を提供することを目的とする。

請求項１記載の本発明の膨張機は、内部に空間を形成するシリンダと、前記シリンダ内部の前記空間で回転する円筒状のロータと、前記ロータに有するベーン溝内を摺動するベーンと、前記ロータの端面と前記シリンダの端面とを封鎖する端板と、前記シリンダと前記ロータとの間に形成される膨張空間にガスを供給する供給ポートと、前記膨張空間から前記ガスを排出する吐出ポートとを備え、前記ベーンによって前記膨張空間を複数の膨張室に区分し、前記供給ポートから供給したガスを前記膨張室にて膨張させて前記吐出ポートから排出する膨張機であって、前記ロータには前記膨張空間に開口する所定長さのロータ側連通路を形成し、前記端板には前記供給ポートに導かれる前記ガスの通路と連通する端板側連通路を形成し、前記膨張室が前記供給ポートに連通して供給行程にあるときには、前記ロータ側連通路と前記端板側連通路が連通して、当該端板側連通路と前記ロータ側連通路を介し前記供給ポートとともに当該供給ポートと連通している前記膨張室にガスを供給する構成とし、前記膨張室が膨張行程にあるときには、前記ロータ側連通路と前記端板側連通路とは連通しない構成としたことを特徴とする。
請求項２記載の本発明は、請求項１に記載の膨張機において、前記ロータ側連通路は、前記ロータの端面に形成された溝によって形成し、前記端板側連通路は、前記溝が形成された側の前記ロータの端面を封鎖する側の前記端板の端面に形成したことを特徴とする。
請求項３記載の本発明は、請求項１に記載の膨張機において、前記ベーンを等間隔に複数個配置し、前記ロータ側連通路をそれぞれの隣り合う前記ベーン間に配置したことを特徴とする。
請求項４記載の本発明は、請求項１に記載の膨張機において、前記ベーン溝の長さよりも前記ロータ側連通路の長さを短く形成したことを特徴とする。
請求項５記載の本発明は、請求項１に記載の膨張機において、前記ロータ側連通路と前記端板側連通路との連通を、前記供給行程の開始からの所定時間又は前記供給行程の終了前の所定時間において行う構成としたことを特徴とする。
請求項６記載の本発明は、請求項３に記載の膨張機において、前記ベーン溝と前記ロータ側連通路とを、前記ロータの中心に対して放射状に配置したことを特徴とする。

本発明によれば、供給圧力損失が少なく、高速回転時にも高効率で運転を行うことができる。

本発明の第１の実施の形態による膨張機は、ロータには膨張空間に開口する所定長さのロータ側連通路を形成し、端板には供給ポートに導かれるガスの通路と連通する端板側連通路を形成し、膨張室が供給ポートに連通して供給行程にあるときには、ロータ側連通路と端板側連通路が連通して、当該端板側連通路とロータ側連通路を介し供給ポートとともに当該供給ポートと連通している膨張室にガスを供給する構成とし、膨張室が膨張行程にあるときには、ロータ側連通路と端板側連通路とは連通しない構成としたものである。本実施の形態によれば、供給行程において、供給ポート以外にロータ側連通路からもガスを導入することができるため、供給圧力損失が少なく、特に高速回転時にも高効率で運転を行うことができる。
本発明の第２の実施の形態は、第１の実施の形態による膨張機において、ロータ側連通路は、ロータの端面に形成された溝によって形成し、端板側連通路は、溝が形成された側のロータの端面を封鎖する側の端板の端面に形成したものである。本実施の形態によれば、ロータ側連通路をロータの端面に、端板側連通路を端板の端面に形成するために、加工を容易に行うことができる。
本発明の第３の実施の形態は、第１の実施の形態による膨張機において、ベーンを等間隔に複数個配置し、ロータ側連通路をそれぞれの隣り合うベーン間に配置したものである。本実施の形態によれば、ベーン枚数を増やしてもロータ側連通路の形成を容易に行うことができる。
本発明の第４の実施の形態は、第１の実施の形態による膨張機において、ベーン溝の長さよりもロータ側連通路の長さを短く形成したものである。本実施の形態によれば、ベーンに背圧を付与するための背圧供給路と干渉しない位置に、シリンダ側連通路を形成することができる。
本発明の第５の実施の形態は、第１の実施の形態による膨張機において、ロータ側連通路と端板側連通路との連通を、供給行程の開始からの所定時間又は供給行程の終了前の所定時間において行う構成としたものである。本実施の形態によれば、特に供給行程の初期又は後期における圧力損失を低減することができる。
本発明の第６の実施の形態は、第３の実施の形態による膨張機において、ベーン溝とロータ側連通路とを、ロータの中心に対して放射状に配置したものである。本実施の形態によれば、ベーン溝とロータ側連通路とを容易に加工することができる。

以下本発明の一実施例による膨張機について説明する。
図１から図４は本実施例による膨張機の要部平面図であり、図１は一つの膨張室の供給完了状態を示す平面図、図２は次の膨張室が供給行程にあることを示す平面図、図３は同膨張室の供給行程終了直前の状態を示す平面図、図４は同膨張室の供給完了状態を示す平面図である。図５は同膨張機の側断面図である。

まず本実施例による膨張機の構成について説明する。
図１から図４に示すように本実施例による膨張機は、内部に空間を形成するシリンダ１０と、シリンダ１０の内部の空間で回転運動する円筒状のロータ２０とを備えている。シリンダ１０とロータ２０との間には膨張空間１１を形成している。ロータ２０には、放射状に形成された複数のベーン溝２１を有している。そしてこれらのベーン溝２１には、ベーン溝２１内を摺動する複数のベーン２２が配置されている。
これらのベーン２２は、膨張空間１１を複数の膨張室１１Ａ、１１Ｂに区分している。図においては、１０個のベーン２２によって１０個の膨張室１１Ａ、１１Ｂ・・に区分している。シリンダ１０には、これらの膨張室１１Ａ、１１Ｂにガスを供給する供給ポート１２が設けられている。
それぞれの隣り合うベーン２２間には、ロータ側連通路２３が配置されている。このロータ側連通路２３は、ロータ２０の一方の端面に形成した所定長さの溝によって形成され、ベーン溝２１とともに、ロータ２０の中心に対して放射状に配置している。ロータ側連通路２３の長さは、ベーン溝２１の長さよりも短く形成している。
図１から図４に示す吐出ポート３１と端板側連通路３２とは、図５に示す端板３０に設けられている。吐出ポート３１は膨張空間１１からガスを排出する空間である。端板側連通路３２は、所定長さの円弧状の溝によって形成されている。

図５に示すように、ロータ２０の両端面とシリンダ１０の両端面とは、一対の端板３０によって封鎖されている。端板側連通路３２は端板３０の端面に形成され、供給ポート１２に導かれるガスが連通する通路３４が端板３０内に形成されている。端板側連通路３２と通路３４とは連通している。端板側連通路３２が形成された端板３０の端面は、ロータ側連通路２３が形成されたロータ２０の端面と対向している。
一方の端板３０には、環状溝３３が形成され、この環状溝３３は、図１から図４に示すベーン溝２１の中心側端部と連通している。この環状溝３３には、高圧ガスや高圧潤滑油が供給され、ベーン２２に対して背圧を付与する。なお、本実施例による膨張機は、シリンダ１０内の空間が楕円形状をしており、供給ポート１２と吐出ポート３１とが、対称な位置に設けられている。

次に、本実施例による膨張機の動作について説明する。
本実施例による膨張機は、供給ポート１２から供給したガスを膨張室１１Ａ、１１Ｂにて膨張させて吐出ポート３１から排出する。供給ポート１２から供給されるガスが高圧ガスの場合には、このガスの膨張作用によってロータ２０が回転し、供給ポート１２から供給されるガスを膨張させる場合にはロータ２０を回転させる。
図１では、膨張室１１Ａの供給行程が完了した状態を示している。膨張室１１Ａの後端側はベーン２２Ａによって供給ポート１２から隔離されている。このタイミングでロータ側連通路２３Ａは、端板側連通路３２とは連通しない位置に移動している。
一方、図１において、膨張室１１Ａの次の膨張室１１Ｂは、供給ポート１２と連通された状態となっている。また、このタイミングでロータ側連通路２３Ｂは、端板側連通路３２と連通される位置に移動している。この状態では、供給ポート１２からは、供給隙間寸法が十分な間隔を持たないため、供給ポート１２からのガスの導入を十分に行えないが、ロータ側連通路２３Ｂが膨張室１１Ｂに開口することにより、端板側連通路３２からガスが供給される。
図２では、膨張室１１Ｂの供給行程中の状態を示している。膨張室１１Ｂには、供給ポート１２からガスが供給されるとともに、端板側連通路３２と連通しているロータ側連通路２３Ｂからもガスが供給される。
図３では、膨張室１１Ｂでの供給行程終了直前の状態を示している。この状態では、ベーン２２Ｂによって供給ポート１２の膨張室１１Ｂに対する開口面積は狭められてしまい、供給ポート１２と膨張室１１Ｂとの間の供給隙間寸法が十分な間隔を持たないため、供給ポート１２からのガスの導入を十分に行えないが、ロータ側連通路２３Ｂは端板側連通路３２と連通状態にあるため、ロータ側連通路２３Ｂから膨張室１１Ｂにガスが供給される。
図４では、膨張室１１Ｂの供給完了状態を示している。膨張室１１Ｂの後端側はベーン２２Ｂによって供給ポート１２から隔離されている。このタイミングでロータ側連通路２３Ｂも、端板側連通路３２とは連通しない位置に移動している。

以上のように、それぞれの膨張室１１は、供給行程において、供給ポート１２以外に、ロータ側連通路２３からガスが供給されるため、供給ポート１２と膨張室１１との間の供給隙間寸法が十分な間隔を持たないタイミングでも十分なガスが供給される。特に供給行程の開始からの所定時間、及び供給行程の終了前における所定時間の内の少なくとも一方の所定時間、ロータ側連通路２３からガスが供給されるように構成してもよい。
なお、上記実施例では、ベーン溝２１とロータ側連通路２３とを、ロータ２０の中心に対して放射状に設けた場合で説明したが、所定の傾き角度を持たせてもよい。また、上記実施例では、シリンダ１０内の空間を、断面が楕円形状のものを用い、供給ポート１２と吐出ポート３１とを対称な位置に設けたもので説明したが、シリンダ１０内の空間を、断面が円形状のものを用い、供給ポート１２と吐出ポート３１とをそれぞれ一つ設けたものでもよい。
本実施例による膨張機は、圧縮機、放熱器、凝縮器とともに冷凍サイクルを構成し、放熱器で放熱された高圧冷媒ガスを供給ポート１２から供給し、吐出ポート３１から吐出される低圧冷媒ガスを凝縮器に導くことで、ロータ２０が回転し、回転軸４０から動力を出力することができる。

本実施例の膨張機は、二酸化炭素を冷媒として用いた冷凍サイクルを構成する膨張弁の代わりに用いる膨張機として特に有用である。

本発明の一実施例の膨張機における一つの膨張室の供給完了状態を示す平面図 同膨張機における次の膨張室が供給行程にあることを示す平面図 同膨張機における同膨張室の供給行程終了直前の状態を示す平面図 同膨張機における同膨張室の供給完了状態を示す平面図 同膨張機の側断面図 ベーン枚数を変更した場合の供給ポート角度と膨張比との関係を示す特性図 図６の特性図に用いた膨張機の基本構成を示す説明図 供給隙間δと圧力損失との関係を示す特性図 図８の特性図における供給隙間δを示す説明図 回転数Ｎが１５５０ｒｐｍの場合のＰ−Ｖ特性図 回転数Ｎが１９６０ｒｐｍの場合のＰ−Ｖ特性図 回転数Ｎが２５００ｒｐｍの場合のＰ−Ｖ特性図

１０ シリンダ
１１ 膨張空間
２０ ロータ
２１ ベーン溝
２２ ベーン
２３ ロータ側連通路
３０ 端板
３１ 吐出ポート
３２ 端板側連通路

Claims (6)

1. 内部に空間を形成するシリンダと、前記シリンダ内部の前記空間で回転する円筒状のロータと、前記ロータに有するベーン溝内を摺動するベーンと、前記ロータの端面と前記シリンダの端面とを封鎖する端板と、前記シリンダと前記ロータとの間に形成される膨張空間にガスを供給する供給ポートと、前記膨張空間から前記ガスを排出する吐出ポートとを備え、前記ベーンによって前記膨張空間を複数の膨張室に区分し、前記供給ポートから供給したガスを前記膨張室にて膨張させて前記吐出ポートから排出する膨張機であって、前記ロータには前記膨張空間に開口する所定長さのロータ側連通路を形成し、前記端板には前記供給ポートに導かれる前記ガスの通路と連通する端板側連通路を形成し、前記膨張室が前記供給ポートに連通して供給行程にあるときには、前記ロータ側連通路と前記端板側連通路が連通して、当該端板側連通路と前記ロータ側連通路を介し前記供給ポートとともに当該供給ポートと連通している前記膨張室にガスを供給する構成とし、前記膨張室が膨張行程にあるときには、前記ロータ側連通路と前記端板側連通路とは連通しない構成としたことを特徴とする膨張機。
2. 前記ロータ側連通路は、前記ロータの端面に形成された溝によって形成し、前記端板側連通路は、前記溝が形成された側の前記ロータの端面を封鎖する側の前記端板の端面に形成したことを特徴とする請求項１に記載の膨張機。
3. 前記ベーンを等間隔に複数個配置し、前記ロータ側連通路をそれぞれの隣り合う前記ベーン間に配置したことを特徴とする請求項１に記載の膨張機。
4. 前記ベーン溝の長さよりも前記ロータ側連通路の長さを短く形成したことを特徴とする請求項１に記載の膨張機。
5. 前記ロータ側連通路と前記端板側連通路との連通を、前記供給行程の開始からの所定時間又は前記供給行程の終了前の所定時間において行う構成としたことを特徴とする請求項１に記載の膨張機。
6. 前記ベーン溝と前記ロータ側連通路とを、前記ロータの中心に対して放射状に配置したことを特徴とする請求項３に記載の膨張機。