JP5794612B2 - 内接歯車型膨張機及びその製造方法 - Google Patents
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Description
内歯を有したアウターロータと、
前記アウターロータ内に回転可能に設けられかつ前記内歯と噛合する外歯を有したインナーロータと、
前記インナーロータ内の軸穴に挿通されかつ前記インナーロータを軸支するロータ軸と、
前記インナーロータと前記アウターロータとを収容するロータケーシングと、
前記インナーロータ及び前記アウターロータの一側面に近接した側面を有し、かつ、吸入ポートと吐出ポートとが形成されたポート本体と、
前記インナーロータ及び前記アウターロータの他側面に近接した側面を有し、かつ、前記ポート本体とともに前記ロータ間に作動流体が前記吸入ポートから前記吐出ポートへ流通する流路を区画するベアリングホルダと、
を備えた内接歯車型膨張機であって、かつ、
前記ロータケーシングは、前記ロータケーシングの内周面に、前記アウターロータを回転可能に支持する複数の針状ころ軸受又は玉軸受のいずれか一方をさらに備え、
前記アウターロータ及び前記インナーロータには、トロコイド曲線を形成する一対の内接歯車を使用し、
該膨張機用の前記作動流体には低沸点の有機熱媒体を使用し、
前記ポート本体の前記側面又は前記ベアリングホルダの前記側面と、前記ロータの前記一側面又は前記他側面との隙間を0.015mm〜0.025mmに設定し、
前記内歯と前記外歯との最小隙間を0.03mm以下にし、かつ、
前記ロータ軸と前記インナーロータの軸穴との隙間を0.1mm〜0.2mmにし、
前記ポート本体の原料には鋳鉄を採用したことを特徴とする内接歯車型膨張機。
図1及び図2は、本発明の内接歯車型膨張機1(以下、単に「膨張機」とも呼ぶ)の概略を示した斜視図及び断面図である。なお、図2においては、後述する台座63は説明の便宜上、図示していない。膨張機1は、図1に示すように、ほぼ同一外径を有した円筒形を成す複数の部材から構成される。これらの部材は、具体的には、エンドカバー66、ポート本体40、ロータケーシング30、ベアリングホルダ61、シールケース62である。これらの部材66,40,30,61,62には、複数本(例えば4本)のボルト64が挿通されて互いに一体に組み付けられる。また、ボルト64は台座63にも挿通されるので、部材66,40,30,61,62は安定した状態で固定される。部材66,40,30,61,62の円筒断面中央には、ロータ軸50が挿通されている。
上述したように、本発明の目的に適した膨張機は存在しなかった為に、本発明者らは、トロコイドポンプ用歯車として実績のあるトロコイドロータ(トロコイド曲線を使用した歯車)を本発明の膨張機1としてそのまま転用できないか、先ず、検討した。その結果、トロコイドポンプと本発明の膨張機1とには、以下のような使用環境の違いがあることが分かった。
トロコイドポンプ用の作動流体には液体(オイル等)を使用するのに対し、本発明の膨張機1用の作動流体には、低沸点の有機熱媒体(例えば、HFC系冷媒、アンモニア、二酸化炭素CO2など)を使用する。
比較対象となるトロコイドポンプ一機当たりの出力は広範囲であるのに対して、本発明にて目標とする膨張機一機当たりの出力は、100W〜10kW程度(さらに好ましくは100W〜1kW)であり、比較的小さい出力である。なお、出力が小さくなる程、摩擦損失の低減を図る必要がある。また、本発明の膨張機1内で回転するインナーロータ10の回転数は、最大で10,000rpm程度にまで及ぶため、公知のトロコイドポンプのロータ回転数(最大で3,500rpm程度)に比べて非常に高速となる。従って、本発明の膨張機1には、高速なロータ回転に対応可能な構造を採用すべきである。
先ず、本発明では、図3及び図5に示すように、ロータケーシング30は、ロータケーシング30の内周面に、アウターロータ20を回転可能に支持する複数の針状ころ軸受31又は玉軸受(図示せず)を備えていることを特徴とする。トロコイドポンプでは、一般に、ロータケーシング30の内周面には何も設けず、オイルを介してロータケーシング30とアウターロータ20とを「滑り接触」させる。本発明者らは、トロコイドポンプ用の公知のロータケーシングを本発明の膨張機1に組み付けて動作させようと試みたが、全く回転しなかった。そこで、上述のように、ロータケーシング30とアウターロータ20とを「ころがり接触」させる構造を取り入れることにした。これにより、摩擦抵抗やスターティングトルクを飛躍的に低減させることができる。特に、膨張比が大きくなる程、この低減効果がさらに向上する。また、高速回転時にもこの低減効果が大きくなり、同時に発熱も抑えられる。
本発明では、上述のように、二相流又は気体の状態下の作動流体を用いるため、作動流体が膨張機1から漏れ出てしまうことを極力抑える措置を講じる必要がある。そこで、ロータ10,20の歯面11,21間の最小隙間(つまり、図6(a)及び(b)に示すような、内歯21の最も内側に張り出した部分21aと外歯11の最も外側に張り出した部分11aとの隙間)を0.03mm以下と、可能な限り小さく設定することが好ましい。なお、実際の加工精度も考慮すると、最小隙間の上記範囲は上限である0.03mm近くに設定することが最も好ましい。一方、作動流体としてオイルを用いるトロコイドポンプでは、通常、対応する隙間は0.1mm程度に設定する。
上述のように、本発明の膨張機1においては、双方のロータ10,20を高速に回転させるため、ロータ10,20同士の接触面やロータ10,20とポート本体40との接触面にて摩耗やかじりが発生するおそれがある。特に、作動流体の候補として挙げられるHFC系冷媒は、環境問題に配慮して塩素を含ませていないために非常に潤滑性の低い媒体であり、この問題がより顕著になる。
以上説明した膨張機1の性能を確認するために、図7に示す熱機関サイクル(オーガニックランキンサイクル)に組み込んで、その動作確認と効率の測定を行った。作動流体にはHFC245faを選択した。蒸発器及び凝縮器には積層プレート式熱交換器を用いた。熱源流体には高温側及び低温側ともに水を用いた。高温側の熱源流体は抵抗式ヒーターで60〜100℃に加熱しながら温水用ポンプにより循環を行い、低温側の熱源流体はチラーを用いて約10℃に冷却しながら循環を行った。なお、本実証試験では、吐出容積を吸込容積で除した容積比が1で設計された膨張機と、容積比が2で設計された膨張機と、を使用した。ポンプの消費電力Wpは電力計で測定され、膨張機の回転数NとトルクTとは、回転計とトルク計で測定される。蒸発器で作動流体が受け取る熱量Qin、膨張機の出力We、膨張機の断熱効率ηeは、次の(1)〜(3)式で計算される。
Thermodynamic and Transport Properties Database, REFPROP)を用いて計算した。
図8に実証試験により得られたトロコイド膨張機における断熱効率ηeの結果を示す。具体的には、横軸は、膨張機入口の作動流体温度(高温側熱源温度)Te,inであり、縦軸が膨張機の断熱効率ηeである。実線で示された曲線は容積比が1の場合であり、破線で示された曲線は容積比2の場合である。いずれの場合とも、断熱効率ηeが、温度Te,inに対する依存性があることがわかる。容積比が1の場合の結果では、Te,inが70℃付近で、断熱効率ηeが最大となった(ηe≒65%)。一方、容積比が2の場合の結果では、Te,inが75℃付近で、断熱効率ηeが最大となった(ηe≒80%)。従って、使用する作動流体の温度レベルに応じて膨張機の容積比を設定することにより、熱機関サイクルの更なる高効率化を図ることができるものと考えられる。
2 発電機
10 インナーロータ
11 外歯
12 軸穴
13 キー溝
20 アウターロータ
21 内歯
30 ロータケーシング
31 針状ころ軸受
40 ポート本体
41 吸入ポート
42 吐出ポート
43 外周側面
44 吸入通路
45 吐出通路
46 軸穴
47,48 貫通穴
49 内部空間
49b ボールベアリング
50 ロータ軸
51 キー
61 ベアリングケース
61a 内部空間
61b ボールベアリング
62 シールケース
62a シールケースの円筒凸部
62b シールケースの内部空間
62c シール材
63 台座
64 ボルト
66 エンドカバー
Claims (5)
- 内歯を有したアウターロータと、
前記アウターロータ内に回転可能に設けられかつ前記内歯と噛合する外歯を有したインナーロータと、
前記インナーロータ内の軸穴に挿通されかつ前記インナーロータを軸支するロータ軸と、
前記インナーロータと前記アウターロータとを収容するロータケーシングと、
前記インナーロータ及び前記アウターロータの一側面に近接した側面を有し、かつ、吸入ポートと吐出ポートとが形成されたポート本体と、
前記インナーロータ及び前記アウターロータの他側面に近接した側面を有し、かつ、前記ポート本体とともに前記ロータ間に作動流体が前記吸入ポートから前記吐出ポートへ流通する流路を区画するベアリングホルダと、
を備えた内接歯車型膨張機であって、かつ、
前記ロータケーシングは、前記ロータケーシングの内周面に、前記アウターロータを回転可能に支持する複数の針状ころ軸受又は玉軸受のいずれか一方をさらに備え、
前記アウターロータ及び前記インナーロータには、トロコイド曲線を形成する一対の内接歯車を使用し、
該膨張機用の前記作動流体には低沸点の有機熱媒体を使用し、
前記ポート本体の前記側面又は前記ベアリングホルダの前記側面と、前記ロータの前記一側面又は前記他側面との隙間を0.015mm〜0.025mmに設定し、
前記内歯と前記外歯との最小隙間を0.03mm以下にし、かつ、
前記ロータ軸と前記インナーロータの軸穴との隙間を0.1mm〜0.2mmにし、
前記ポート本体の原料には鋳鉄を採用したことを特徴とする内接歯車型膨張機。 - 前記吸入ポートと前記吐出ポートとは、前記吸入ポートの開口領域及び前記吐出ポートの開口領域と、前記アウターロータの前記内歯と前記インナーロータの前記外歯との噛合によって形成される容積の一部と、が重なるように形成され、かつ、
前記吐出ポートの開口面積を、前記吸入ポートの開口面積よりも大きくしたことを特徴とする請求項1に記載の内接歯車型膨張機。 - 前記吸入ポートと前記吐出ポートとは、前記吸入ポートの開口領域及び前記吐出ポートの開口領域と、前記アウターロータの前記内歯と前記インナーロータの前記外歯との噛合によって形成される容積の一部と、が重なるように形成され、かつ、
前記吐出ポートの開口面積を、前記吸入ポートの開口面積と同一にしたことを特徴とする請求項1に記載の内接歯車型膨張機。 - 前記ロータ軸に接続可能な発電機を収容可能な内部空間を有した耐圧容器をさらに備え、かつ、前記耐圧容器は前記内部空間に最大100気圧の作動流体が充満されても耐え得る構造を有していることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の内接歯車型膨張機。
- 請求項1〜4のいずれかに記載の内接歯車型膨張機を製造するための製造方法であって、前記アウターロータ及び前記インナーロータ並びに前記ポート本体には、軟窒化法、塩浴窒化法、又はプラズマ窒化法のいずれかによる窒化処理を施すことを特徴とする内接歯車型膨張機の製造方法。
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