JP5173908B2

JP5173908B2 - ロータリ型膨張機及び流体機械

Info

Publication number: JP5173908B2
Application number: JP2009076388A
Authority: JP
Inventors: 卓也平山
Original assignee: Toshiba Carrier Corp
Current assignee: Toshiba Carrier Corp
Priority date: 2009-03-26
Filing date: 2009-03-26
Publication date: 2013-04-03
Anticipated expiration: 2029-03-26
Also published as: JP2010229846A

Description

本発明は、ロータリ型膨張機及び流体機械に関し、特に、構造が簡単で部材間の摺動によるエネルギー損失が少ないロータリ型膨張機及びこのロータリ型膨張機を用いた流体機械に関する。

従来、ロータリ型膨張機及びそのロータリ型膨張機を用いた流体機械の発明としては、例えば、下記特許文献１〜３に記載されたものが知られている。

特許文献１に記載されたロータリ型膨張機は、両端面を閉塞部材により閉塞されたシリンダと、シリンダを貫通する回転軸と、回転軸の偏心部に嵌合されてシリンダ内に収納されることによりシリンダ内に膨張室を形成するロータと、回転軸の副偏心部に嵌合された公転部材とを備えている。公転部材と一方の閉塞部材とは対向する平面が接して摺動するように配置され、回転軸の回転に伴なって公転部材が公転した場合の特定のタイミングで、公転部材に形成された開口と閉塞部材に形成された吸入口とが連通され、膨張室内に高圧の冷媒が供給される。膨張室内に供給された高圧の冷媒は膨張室内で膨張し、膨張して低圧となった後に吐出される。

特許文献２に記載されたロータリ型膨張機は、両端面を閉塞部材により閉塞されたシリンダと、シリンダを貫通する回転軸と、回転軸の偏心部に嵌合されてシリンダ内に収納されることによりシリンダ内に膨張室を形成するロータ（ピストン）と、偏心部に形成された連通路とを備えている。偏心部は、連通路が形成された面が一方の閉塞部材の面に接して摺動するように配置され、回転軸の回転角が所定範囲である間だけ、閉塞部材に形成された導入通路やロータの連通路を介して膨張室内に高圧の冷媒が供給される。膨張室内に供給された高圧の冷媒は膨張室内で膨張し、膨張して低圧となった後に吐出される。

特許文献３に記載されたロータリ型膨張機は、両端面を閉塞部材により変速されたシリンダと、シリンダを貫通する回転軸と、回転軸の偏心部に嵌合されてシリンダ内に収納されることによりシリンダ内に膨張室を形成するロータ（ピストン）と、摺動可能な仕切ベーンと、摺動可能な閉じ込みベーンと、回転軸に連結されて閉じ込みベーンの摺動動作を規制するカムとを備えている。ロータの回転位置により閉止部材に形成されている冷媒の吸込穴が開閉され、吸込穴が開いたタイミングで高圧の冷媒が膨張室内に供給される。膨張室内に供給された冷媒は膨張室内で膨張し、低圧となった後に吐出される。

特開２００１−１５３０７７号公報特開２００４−４４５６９号公報特開２００７−１３８７２８号公報

しかしながら、上述したロータリ型膨張機においては、以下の点について考慮されていない。

特許文献１に記載されたロータリ型膨張機では、回転軸に副偏心部を設ける必要があり、さらに、副偏心部に嵌合させた公転部材の自転を防止するためのオルダム機構を設ける必要があり、構造が複雑になって低コスト化を図ることが困難である。また、公転部材が閉塞部材と面接触した状態で公転しているため、その摺動部分でのエネルギー損失が大きくなっている。

特許文献２に記載されたロータリ型膨張機では、偏心部がその端面を閉塞部材に面接触させた状態で回転しているため、その摺動部分でのエネルギー損失が大きくなっている。さらに、偏心部に連通路を形成するためには、偏心部の偏心量を大きくする必要があり、設計的に制約が大きくなっている。

特許文献３に記載されたロータリ型膨張機では、閉じ込みベーンを摺動させるためのカムが必要であり、構造が複雑になって低コスト化を図ることが困難である。また、閉じ込みベーンがロータに対して接触・非接触を繰り返すため、騒音が発生するという問題や、ロータや閉じ込みベーンが破損して信頼性が低下するという問題がある。

本発明はこのような課題を解決するためになされたもので、その目的は、構造の簡単化を図るとともに、運転時における部材間の摺動によるエネルギー損失を低減させることができるロータリ型膨張機及び流体機械を提供することである。

本発明の実施の形態に係る第１の特徴は、内周面を有するシリンダと、前記シリンダ内を貫通して設けられた回転軸と、前記シリンダの両端面を閉塞して設けられ、前記シリンダ内に膨張室を形成する閉塞部材と、前記回転軸の偏心部に嵌合され、前記シリンダの内周面に接して前記膨張室内を公転するロータと、前記ロータの外周面に当接するように押圧付勢され、前記ロータの公転に対応して往復移動し、前記膨張室を高圧ガスが流入する側と膨張後の低圧ガスが吐出される側とに２分するブレードと、前記ロータの外周面に当接するように押圧付勢され、前記ロータの公転に対応して往復移動する往復移動部材と、前記往復移動部材の往復移動動作により前記膨張室への高圧ガスの流入を断続させる規制手段とを備えるロータリ型膨張機であって、前記規制手段は、前記シリンダに設けられた流入ガス導入通路と、前記シリンダに前記流入ガス導入通路と交差して設けられて前記往復移動部材が摺動可能に収容される溝と、前記往復移動部材に設けられてこの往復移動部材が所定の摺動範囲を摺動する場合に前記流入ガス導入通路を連通状態とする連通路部とを備えることである。

本発明の実施の形態に係る第２の特徴は、流体機械において、第１の特徴に係るロータリ型膨張機と、前記回転軸を回転駆動させる電動機と、前記ロータリ型膨張機と前記電動機とから駆動力を伝達される圧縮機構部と、前記ロータリ型膨張機と前記電動機と前記圧縮機構部とを収納するケースと、を備えることである。

本発明によれば、構造が簡単化され、運転時における部材間の摺動によるエネルギー損失を低減させることができるロータリ型膨張機及び流体機械を提供することができる。

本発明の一実施の形態の流体機械を示す縦断側面図である。流体機械におけるロータリ型膨張機の部分を、図１とは異なる位置で断面にした縦断側面図である。ロータリ型膨張機の回転軸の回転角が０°（３６０°）、４５°の場合の膨張動作図である。ロータリ型膨張機の回転軸の回転角が９０°、１３５°の場合の膨張動作図である。ロータリ型膨張機の回転軸の回転角が１８０°、２２５°の場合の膨張動作図である。ロータリ型膨張機の回転軸の回転角が２７０°、３１５°の場合の膨張動作図である。

以下、本発明の一実施の形態を図面を用いて説明する。

図１に示す流体機械１は、冷凍装置の一部として用いられるもので、ロータリ型膨張機２と、電動機３と、圧縮機構部である圧縮機４と、これらのロータリ型膨張機２と電動機３と圧縮機４とを収納するケース５とを備えている。ケース５には、圧縮機４で圧縮された高温・高圧の冷媒が放熱器（図示せず）等に向けて吐出される吐出管６と、放熱器等で放熱された冷媒がロータリ型膨張機２に向けて流入する流入管７と、ロータリ型膨張機２で膨張された低温・低圧の冷媒が蒸発器（図示せず）に向けて吐出される吐出管８と、蒸発器で吸熱された冷媒が圧縮機４に向けて流入する流入管９とが設けられている。

ロータリ型膨張機２は、シリンダ１０と、閉塞部材１１ａ，１１ｂと、回転軸１２と、ロータ１３と、ブレード１４（図３〜図６参照）と、往復移動部材１５と、規制手段１６とを有している。

シリンダ１０は、略円筒状に形成されて内周面１０ａを有しており、シリンダ１０の一方の端面が閉塞部材１１ａで閉塞され、シリンダ１０の他方の端面が閉塞部材１１ｂで閉塞され、シリンダ１０における閉塞部材１１ａ，１１ｂで閉塞された領域が膨張室１７とされている。

回転軸１２は、シリンダ１０と閉塞部材１１ａ，１１ｂとをシリンダ１０の中心軸方向に貫通して設けられており、回転軸１２における膨張室１７内に位置する部分に偏心部１２ａが形成され、この偏心部１２ａにロータ１３が回転可能に嵌合されている。ロータ１３は、回転軸１２の回転に伴ない、シリンダ１０の内周面１０ａに接しながら膨張室１７内を公転する。

ブレード１４は、図３ないし図６に示すように、シリンダ１０に形成された溝１８内に摺動可能に収容され、摺動方向の一端をロータ１３の外周面に当接するようにスプリング１９により押圧付勢され、ロータ１３の公転に対応して溝１８内を往復移動する。ブレード１４がロータ１３の外周面に当接されることにより、膨張室１７はロータ１３とブレード１４とにより二分され、一方は、流入管７とシリンダ１０に形成された流入通路７ａ及び流入ガス導入通路２３とを経由した高圧の冷媒が流入する流入側膨張室１７ａとされ、他方は、膨張後の低圧の冷媒がシリンダ１０に形成された吐出通路２０と吐出管８とを経由して吐出される吐出側膨張室１７ｂとされている。

往復移動部材１５は、図３ないし図６に示すように、シリンダ１０に形成された溝２１内に摺動可能に収容され、摺動方向の一端をロータ１３の外周面に当接するようにスプリング２２により押圧付勢され、ロータ１３の公転に対応して溝２１内を往復移動する。

規制手段１６は、往復移動部材１５の往復移動動作により流入側膨張室１７ａへの高圧の冷媒の流入を断続させる機構であり、シリンダ１０に形成された流入ガス導入通路２３と、シリンダ１０に流入ガス導入通路２３と交差して設けられて往復移動部材１５が摺動可能に収容される溝２１と、往復移動部材１５に設けられてこの往復移動部材１５が所定の摺動範囲を摺動する場合に流入ガス導入通路２３を連通状態とする連通路部２４とを備えている。なお、往復移動部材１５が所定の摺動範囲以外に位置する場合には、流入ガス導入通路２３は往復移動部材１５により遮断されている。また、連通路部２４は、往復移動部材１５が最も膨張室１７内に入り込んだ場合においても膨張室１７内に連通しない位置に形成されている。

流入ガス導入通路２３は、シリンダ１０の端面に形成された凹状の溝２５を、覆い部材である閉塞部材１１ａで覆うことにより形成されている。

電動機３は、回転軸１２の外周面に固定された回転子２６と、ケース５の内周部に固定されて回転子２６の外周を囲む位置に配置された固定子２７とを備えている。固定子２７には巻線が巻かれており、この巻線に対して通電制御することにより回転軸１２が軸心回りに回転する。

圧縮機４は、内側に圧縮室２８が形成されたシリンダ２９、シリンダ２９をその中心軸方向に貫通して設けられた回転軸１２、回転軸１２の偏心部１２ｂに嵌合されて圧縮室２８内で公転するローラ３０等により構成されている。流入管９が圧縮室２８の流入側に接続され、圧縮室２８内で圧縮されて高温・高圧となった冷媒が吐出マフラ３１からケース５内に吐出される。ケース５内に吐出された高温・高圧の冷媒は、吐出管６を経由して放熱器に向けて吐出される。

このような構成において、ロータリ型膨張機２の膨張動作を図３ないし図６に基づいて説明する。なお、回転軸１２は矢印方向（反時計回り方向）に回転し、ロータ１３はその回転方向と同じ方向（反時計回り方向）に公転している。

図３（ａ）に示すように、回転軸１２の回転角度が略０°（３６０°）になった場合は、往復移動部材１５が膨張室１７から押し出される方向に移動し、往復移動部材１５により遮断されていた流入ガス導入通路２３が連通路部２４を介して連通状態となり、高圧の冷媒が流入ガス導入通路２３を経由して膨張室１７内に流入可能となる。また、この場合には、膨張後の低圧の冷媒が収容されている吐出側膨張室１７ｂが吐出通路２０に連通され、吐出通路２０と吐出管８とを経由して吐出側膨張室１７ｂ内の低圧の冷媒の吐出が開始される。

図３（ｂ）に示すように、回転軸１２の回転角度が略４５°になった場合には、流入ガス導入通路２３が連通路部２４を介して連通状態を維持されるとともに、ロータ１３の公転に伴なって膨張室１７内に流入側膨張室１７ａが生じ、流入側膨張室１７ａへの高圧の冷媒の流入が開始される。なお、流入側膨張室１７ａへの高圧の冷媒の流入は、図４（ａ）に示すように、回転軸１２の回転角度が略９０°になるまで継続される。

回転軸１２の回転角度が９０°を過ぎ、例えば、図４（ｂ）に示すように１３５°になると、流入ガス導入通路２３が往復移動部材１５により遮断され、流入側膨張室１７ａへの高圧の冷媒の流入が終了する。図４（ｂ）に示すように流入側膨張室１７ａへの高圧の冷媒の流入が終了した後は、図５及び図６に示すように回転軸１２の回転に伴なって流入側膨張室１７ａの容積が次第に大きくなり、流入側膨張室１７ａ内の冷媒が膨張し、次第に低圧になる。また、図３から図６に至るまでの間、吐出側膨張室１７ｂは吐出通路２０に連通した状態を維持され、吐出側膨張室１７ｂ内の低圧の冷媒は吐出通路２０と吐出管８とを経由して吐出される。

そして、図６（ｂ）の状態から図３（ａ）の状態に移行する間に、それまで流入側膨張室１７ａであった部分が吐出通路２０に連通し、吐出側膨張室１７ｂに切り換わり、流入側膨張室１７ａに流入して膨張された冷媒が、吐出通路２０と吐出管８とを経由して吐出される。

ここで、このロータリ型膨張機２は、ロータ１３の外周面にブレード１４の一端と往復移動部材１５の一端とを当接させ、ロータ１３の公転に伴なってブレード１４と往復移動部材１５とを摺動させ、さらに、往復移動部材１５の往復移動動作により規制手段１６によって流入側膨張室１７ａへの高圧の冷媒の流入を断続させている。そして、規制手段１６は、往復移動部材１５に連通路部２４を形成し、往復移動部材１５が所定の摺動範囲を摺動する場合に連通路部２４を介して流入ガス導入通路２３を連通させ、往復移動部材１５がその他の摺動範囲に位置する場合には流入ガス導入通路２３を遮断する構成である。したがって、ロータリ型膨張機２の構造を簡単化することができる。また、ロータリ型膨張機２の運転時において、広い面積を接触させながら回転する部分がなく、部材間の摺動によるエネルギー損失を低減することができる。

流入ガス導入通路２３の形成は、シリンダ１０の端面に凹状の溝２５を形成し、この凹状の溝２５を覆い部材である閉塞部材１１ａで覆った構造であるため、流入ガス導入通路２３の形成を簡単に行なうことができる。

なお、凹状の溝２５を覆う部材は、閉塞部材１１ａに限定されるものではなく、他の部材を用いてもよい。

連通路部２４の形成位置に関しては、往復移動部材１５が最も膨張室１７内に入り込んだ場合においても膨張室１７内に連通しない位置とされている。このため、流入ガス導入通路２３を遮断した往復移動部材１５が最も膨張室１７内に入り込んだ場合、例えば、図５（ｂ）の場合においても、高圧の冷媒が残留している連通路部２４が膨張工程にある流入側膨張室１７ａに連通せず、連通路部２４内に残留している高圧の冷媒が流入側膨張室１７ａ内に流入して連通路部２４には低圧の冷媒が入り込むということが防止される。このため、次の工程で流入側膨張室１７ａに流入される冷媒の量が少なくなり、膨張効率が低下するということを防止することができる。この点は、連通路部２４の容積が大きくなるにつれて重要になる。

この流体機械１では、ロータリ型膨張機２と圧縮機４とを同一のケース５内に収容し、ロータリ型膨張機２と圧縮機４とで回転軸１２を共通に使用している。このため、ロータリ型膨張機２において流入側膨張室１７ａ内と吐出側膨張室１７ｂとの圧力差が回転軸１２を回転させる駆動力として回転軸１２に作用するので、その分回転軸１２を回転させる電動機３の小型化を図ることができる。

なお、本実施の形態では、流入ガス導入通路２３と往復移動部材１５が摺動可能に収容される溝２１とを略十字形に交差させた場合を例に挙げて説明したが、流入ガス導入通路２３と溝２１とが交差するということは、略十字形に交差する場合に限られるものではなく、Ｖ字形に交差する場合も含まれる。

また、本実施の形態では、圧縮機構部として圧縮機４を使用した流体機械１を例に挙げて説明したが、圧縮機構部としてポンプを使用した流体機械においても本発明のロータリ型膨張機２を使用することができる。

１…流体機械、２…ロータリ型膨張機、３…電動機、４…圧縮機（圧縮機構部）、５…ケース、１０…シリンダ、１０ａ…内周面、１１ａ，１１ｂ…閉塞部材、１１ａ…閉塞部材（覆い部材）、１２…回転軸、１２ａ…偏心部、１３…ロータ、１４…ブレード、１５…往復移動部材、１６…規制手段、２０…連通路部、２１…溝、２３…流入ガス導入通路、２５…凹状の溝

Claims

内周面を有するシリンダと、前記シリンダ内を貫通して設けられた回転軸と、前記シリンダの両端面を閉塞して設けられ、前記シリンダ内に膨張室を形成する閉塞部材と、前記回転軸の偏心部に嵌合され、前記シリンダの内周面に接して前記膨張室内を公転するロータと、前記ロータの外周面に当接するように押圧付勢され、前記ロータの公転に対応して往復移動し、前記膨張室を高圧ガスが流入する側と膨張後の低圧ガスが吐出される側とに２分するブレードと、前記ロータの外周面に当接するように押圧付勢され、前記ロータの公転に対応して往復移動する往復移動部材と、前記往復移動部材の往復移動動作により前記膨張室への高圧ガスの流入を断続させる規制手段とを備えるロータリ型膨張機であって、
前記規制手段は、
前記シリンダに設けられた流入ガス導入通路と、
前記シリンダに前記流入ガス導入通路と交差して設けられて前記往復移動部材が摺動可能に収容される溝と、
前記往復移動部材に設けられてこの往復移動部材が所定の摺動範囲を摺動する場合に前記流入ガス導入通路を連通状態とする連通路部と
を備えることを特徴とするロータリ型膨張機。
前記流入ガス導入通路は、前記シリンダの端面に形成された凹状の溝を覆い部材で覆うことにより形成されていることを特徴とする請求項１記載のロータリ型膨張機。
前記連通路部は、前記往復移動部材が最も前記膨張室内に入り込んだ場合において前記膨張室内に連通しない位置に設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載のロータリ型膨張機。
請求項１ないし３のいずれか一項に記載されたロータリ型膨張機と、
前記回転軸を回転駆動させる電動機と、
前記ロータリ型膨張機と前記電動機とから駆動力を伝達される圧縮機構部と、
前記ロータリ型膨張機と前記電動機と前記圧縮機構部とを収納するケースと、
を備えることを特徴とする流体機械。