JPWO2006132053A1 - 多段ロータリ式膨張機およびそれを備えた冷凍サイクル装置 - Google Patents

多段ロータリ式膨張機およびそれを備えた冷凍サイクル装置 Download PDF

Info

Publication number
JPWO2006132053A1
JPWO2006132053A1 JP2006524997A JP2006524997A JPWO2006132053A1 JP WO2006132053 A1 JPWO2006132053 A1 JP WO2006132053A1 JP 2006524997 A JP2006524997 A JP 2006524997A JP 2006524997 A JP2006524997 A JP 2006524997A JP WO2006132053 A1 JPWO2006132053 A1 JP WO2006132053A1
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
vane
piston
expander
cylinder
eccentric
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2006524997A
Other languages
English (en)
Other versions
JP3904222B2 (ja
Inventor
長谷川　寛
寛 長谷川
松井　大
大 松井
岡市　敦雄
敦雄 岡市
朋一郎 田村
朋一郎 田村
雄司 尾形
雄司 尾形
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Corp
Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Panasonic Corp
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Panasonic Corp, Matsushita Electric Industrial Co Ltd filed Critical Panasonic Corp
Application granted granted Critical
Publication of JP3904222B2 publication Critical patent/JP3904222B2/ja
Publication of JPWO2006132053A1 publication Critical patent/JPWO2006132053A1/ja
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01C—ROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
    • F01C21/00—Component parts, details or accessories not provided for in groups F01C1/00 - F01C20/00
    • F01C21/08—Rotary pistons
    • F01C21/0809—Construction of vanes or vane holders
    • F01C21/0818—Vane tracking; control therefor
    • F01C21/0854—Vane tracking; control therefor by fluid means
    • F01C21/0863—Vane tracking; control therefor by fluid means the fluid being the working fluid
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01C—ROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
    • F01C1/00—Rotary-piston machines or engines
    • F01C1/30—Rotary-piston machines or engines having the characteristics covered by two or more groups F01C1/02, F01C1/08, F01C1/22, F01C1/24 or having the characteristics covered by one of these groups together with some other type of movement between co-operating members
    • F01C1/34—Rotary-piston machines or engines having the characteristics covered by two or more groups F01C1/02, F01C1/08, F01C1/22, F01C1/24 or having the characteristics covered by one of these groups together with some other type of movement between co-operating members having the movement defined in group F01C1/08 or F01C1/22 and relative reciprocation between the co-operating members
    • F01C1/356—Rotary-piston machines or engines having the characteristics covered by two or more groups F01C1/02, F01C1/08, F01C1/22, F01C1/24 or having the characteristics covered by one of these groups together with some other type of movement between co-operating members having the movement defined in group F01C1/08 or F01C1/22 and relative reciprocation between the co-operating members with vanes reciprocating with respect to the outer member
    • F01C1/3562—Rotary-piston machines or engines having the characteristics covered by two or more groups F01C1/02, F01C1/08, F01C1/22, F01C1/24 or having the characteristics covered by one of these groups together with some other type of movement between co-operating members having the movement defined in group F01C1/08 or F01C1/22 and relative reciprocation between the co-operating members with vanes reciprocating with respect to the outer member the inner and outer member being in contact along one line or continuous surface substantially parallel to the axis of rotation
    • F01C1/3564—Rotary-piston machines or engines having the characteristics covered by two or more groups F01C1/02, F01C1/08, F01C1/22, F01C1/24 or having the characteristics covered by one of these groups together with some other type of movement between co-operating members having the movement defined in group F01C1/08 or F01C1/22 and relative reciprocation between the co-operating members with vanes reciprocating with respect to the outer member the inner and outer member being in contact along one line or continuous surface substantially parallel to the axis of rotation the surfaces of the inner and outer member, forming the working space, being surfaces of revolution
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01C—ROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
    • F01C11/00—Combinations of two or more machines or engines, each being of rotary-piston or oscillating-piston type
    • F01C11/002—Combinations of two or more machines or engines, each being of rotary-piston or oscillating-piston type of similar working principle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01C—ROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
    • F01C21/00—Component parts, details or accessories not provided for in groups F01C1/00 - F01C20/00
    • F01C21/08—Rotary pistons
    • F01C21/0809—Construction of vanes or vane holders
    • F01C21/0818—Vane tracking; control therefor
    • F01C21/0827—Vane tracking; control therefor by mechanical means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C23/00—Combinations of two or more pumps, each being of rotary-piston or oscillating-piston type, specially adapted for elastic fluids; Pumping installations specially adapted for elastic fluids; Multi-stage pumps specially adapted for elastic fluids
    • F04C23/008—Hermetic pumps

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Applications Or Details Of Rotary Compressors (AREA)

Abstract

第１シリンダ２０５のベーン溝２０５ａと、第２シリンダ２０６のベーン溝２０６ａに、一体化されたベーン３０１をスライド可能に配置する。ベーン３０１に中板３０４の厚さに略等しい幅の切欠き３０１ａを設け、切欠き３０１ａにより先端側が第１ピストン２０９と接する第１ベーン部３０１ｂと、第２ピストン２１０と接する第２ベーン部３０１ｃに分割する。第１ピストン２０９が上死点にある時、第１ベーン部３０１ｂには圧力差により第１ピストン２０９側に押し出す力が作用しないが、第２ベーン部３０１ｃには圧力差により第２ピストン２１０側に押し出す力が作用するので、第１ベーン部３０１ｂを第１ピストン２０９側に押し出せる。

Description

本発明は、高圧の圧縮性流体の膨張エネルギーを回収することによって機械力や電力を発生する膨張機に関し、特に、冷凍サイクルにおける絞り機構部と置き換えて冷媒の膨張エネルギーを回収する膨張機に関するものである。また、その膨張機を備えた冷凍サイクル装置に関する。
冷凍サイクル装置の冷媒が膨張する際の膨張エネルギーを回収する目的で用いられる膨張機として、ロータリ式膨張機が知られている。
特開平８−３３８３５６号公報に示されるような従来のロータリ式膨張機の構成について以下に説明する。ただし、説明を簡略化するために、１ピストンタイプとしている。
図１４は従来のロータリ式膨張機１００の構成を示す縦断面図であり、図１５は図１４の膨張機のＤ１−Ｄ１線における横断面図である。発電機１０１は、密閉容器１０２に固定されたステータ１０１ａと、シャフト１０３に固定されたロータ１０１ｂからなり、ロータ１０１ｂの回転によってステータ１０１ａの巻き線との間に起電力を発生させて電力を得る。シャフト１０３は、シリンダ１０４を貫通し、軸受１０５、１０６によって回転可能に支持されている。シャフト１０３には偏心部１０３ａが設けられ、偏心部１０３ａにはシリンダ１０４の内部に配置されたピストン１０７が嵌合する。また、シャフト１０３の中には、シャフト１０３の軸方向に沿って軸方向流路１０３ｂが、偏心部１０３ａには、軸方向流路１０３ｂと開口部１０３ｃを結ぶ、径方向流路１０３ｄが設けられている。
図１５に示すように、ピストン１０７の外周面には係合溝１０７ａが形成されるとともに、シリンダ１０４にはベーン溝１０４ａが形成されている。ベーン溝１０４ａにより往復動可能に保持されたベーン１０８は、先端が係合溝１０７ａに係合し、ばね１０９による力や、ベーン１０８の先端側と背面側の圧力差による力によって、常時、ピストン１０７に密着している。シリンダ１０４とピストン１０７により形成される三日月形状の空間は、ベーン１０８により２つの作動室１１０ａ、１１０ｂに区画される。ピストン１０７に設けられた吸入孔１０７ｂは、作動室１１０ａに連通しており、シリンダ１０４に設けられた吐出孔１０４ｂは、作動室１１０ｂに連通している。
高圧の作動流体は、吸入管１１１から密閉容器１０２の内部に流入した後、シャフト１０３の軸方向流路１０３ｂと径方向流路１０３ｄを経て開口部１０３ｃに達する。開口部１０３ｃはシャフト１０３の回転運動とともに回転するが、ピストン１０７は自転運動を伴わない偏心回転運動、いわゆる揺動運動を行う。このため、ピストン１０７に設けられた吸入孔１０７ｂと、偏心部１０３ａに設けられた開口部１０３ｃは、シャフト１０３の回転運動に伴い、連通と非連通を繰り返す。開口部１０３ｃと吸入孔１０７ｂが連通している間に、作動流体は作動室１１０ａに吸入される。その後、開口部１０３ｃと吸入孔１０７ｂが非連通となると、吸入行程が終了する。作動流体は圧力を下げながら膨張し、作動室１１０ａの容積が拡大する方向へとシャフト１０３を回転させ、発電機１０１を駆動する。シャフト１０３の回転に伴い、作動室１１０ａは作動室１１０ｂへと移行し、吐出孔１０４ｂに連通すると膨張行程が終了する。そして、低圧となった作動流体は吐出孔１０４ｂから吐出管１１２へと吐出される。
ベーン１０８がピストン１０７に密着する原理について説明する。図１６は、図１４の膨張機のＤ１−Ｄ１線における拡大横断面図である。図１６において、ピストン１０７はいわゆる上死点にあり、ベーン１０８はベーン溝１０４ａの中に最も押し込まれた状態となっている。Ａ、Ｂはベーン１０８の先端側のＲ面と側面から成るエッジ、Ｃ、Ｄはベーン１０８の背面と側面から成るエッジである。ベーン１０８の先端側のＲ面の半径は、ピストン１０７の係合溝１０７ａの半径よりも小さくしているため、ベーン１０８の先端側のＲ面とピストン１０７の係合溝１０７ａは点Ｅで接触し、ベーン１０８の先端側の面ＡＥ、ＢＥは作動室１１０ａにつながる空間に面している。従って、ベーン１０８の先端側のＲ面（面ＡＢ）に作用する圧力は、作動室１１０ａの圧力である。作動室１１０ａの圧力は、作動室１１０ａが吐出孔１０４ｂに連通しているため、吐出圧力Ｐｄに等しい。一方、ベーン１０８の背面ＣＤに作用する圧力は、密閉容器１０２の内部圧力であり、常に吸入圧力Ｐｓに等しい。従って、これらの圧力差により、ベーン１０８はピストン１０７に密着する方向に力を受ける。上死点においては、ベーン１０８はベーン溝１０４ａに入る方向から出る方向へと運動方向が逆転するので、ベーン１０８に作用する慣性力は、ピストン１０７からベーン１０８の先端を離す方向に作用する。しかし、圧力差による力によって、十分に余裕を持ってベーン１０８をピストン１０７に密着させることができる。
ばね１０９は、起動時に吸入圧力Ｐｓと吐出圧力Ｐｄの差圧が生じるまでの間、ベーン１０８をピストン１０７に密着させるための補助的なものである。仮に、二酸化炭素を作動流体とする冷凍サイクルに用いる膨張機であって、ベーン１０８は鋼製で高さ１０ｍｍ、幅４ｍｍ、長さ２０ｍｍとし、吸入圧力Ｐｓを１００ｋｇｆ／ｃｍ２、吐出圧力Ｐｄを５０ｋｇｆ／ｃｍ２とすると、差圧によりベーン１０８に作用する力は、２０ｋｇｆとなる。また、ばね１０９をコイルばねと仮定し、最大たわみ量を６ｍｍ、ばね１０９の外径をベーン１０８の幅と同じ４ｍｍとすると、このクラスのばねのばね定数は、大きく見積もっても高々０．０５ｋｇｆ／ｍｍであり、ばね力は０．３ｋｇｆ程度となる。一方、ベーン１０８が振幅３ｍｍで９０Ｈｚの単振動する場合の慣性力は、０．６ｋｇｆ程度となる。このように、特に９０Ｈｚのような高速で運転する場合において、ばね１０９の力は、ベーン１０８の往復運動の慣性力より小さく、圧力差によりベーン１０８をピストン１０７に押さえつける力が必須であることがわかる。
次に、２００４年３月に（独）新エネルギー・産業総合開発機構より発行された成果報告書“エネルギー有効利用基盤技術先導研究開発ＣＯ２空調機用二相流膨張機・圧縮機の開発”に示されるような従来のロータリ式膨張機の構成について以下に説明する。なお、上記成果報告書に示されるロータリ式膨張機は、特開２００３−３４３４６７号公報に示される圧縮機に対して、冷媒の流れとシャフトの回転方向が逆であるが、基本構成は同じである。
図１７は従来のロータリ式膨張機２００の構成を示す縦断面図であり、図１８Ａは図１７の膨張機のＤ２−Ｄ２線における横断面図、図１８Ｂは図１７の膨張機のＤ３−Ｄ３線における横断面図である。発電機２０１は、密閉容器２０２に固定されたステータ２０１ａと、シャフト２０３に固定されたロータ２０１ｂからなる。シャフト２０３は、中板２０４によってそれぞれ独立するように仕切られた第１シリンダ２０５と第２シリンダ２０６を貫通し、軸受２０７、２０８によって回転可能に支持されている。シャフト２０３には、シャフト２０３の軸に対する偏心方向が同じである第１偏心部２０３ａと第２偏心部２０３ｂが軸方向に沿った上下に設けられ、第１偏心部２０３ａには第１シリンダ２０５の内部に配置された第１ピストン２０９が、第２偏心部２０３ｂには第２シリンダ２０６の内部に配置された第２ピストン２１０が嵌合する。
第１シリンダ２０５と第１ピストン２０９、および第２シリンダ２０６と第２ピストン２１０の高さや径は、第１シリンダ２０５と第１ピストン２０９により形成される三日月形状の空間が、第２シリンダ２０６と第２ピストン２１０により形成される三日月形状の空間よりも小さくなるように設定する。図１７の例では、第１シリンダ２０５の内径と第２シリンダ２０６の内径は等しく、第１ピストン２０９の外径と第２ピストン２１０の外径とが等しく、かつ第２シリンダ２０６の高さが第１シリンダ２０５の高さよりも大となっている。この構成は、本発明のいくつかの実施の形態でも踏襲されている。
図１８Ａおよび図１８Ｂに示すように、第１シリンダ２０５および第２シリンダ２０６には、ベーン溝２０５ａおよび２０６ａがそれぞれ形成されている。ベーン溝２０５ａ、２０６ａにより、それぞれ往復動可能に保持された第１ベーン２１１および第２ベーン２１２は、ばね２１３、２１４による力や、各ベーン２１１、２１２の先端側と背面側の圧力差による力によって、各ピストン２０９、２１０に密着している。第１シリンダ２０５と第１ピストン２０９により形成される三日月形状の空間は、第１ベーン２１１により２つの作動室２１５ａ、２１５ｂに区画される。また、第２シリンダ２０６と第２ピストン２１０により形成される三日月形状の空間は、第２ベーン２１２により２つの作動室２１６ａ、２１６ｂに区画される。第１シリンダ２０５に設けられた吸入孔２０５ｂ（吸入路）は、作動室２１５ａ（第１吸入側空間）に連通しており、作動室２１５ｂ（第１吐出側空間）と作動室２１６ａ（第２吸入側空間）は、中板２０４に斜め方向に第１ベーン２１１と第２ベーン２１２の間を通過するように設けられた連通孔２０４ａ（連通路）で連通して一つの空間を形成している。また、第２シリンダ２０６に設けられた吐出孔２０６ｂ（吐出路）は、作動室２１６ｂ（第２吐出側空間）に連通している。
高圧の作動流体は、吸入管２１７から密閉容器２０２の内部に流入した後、吸入孔２０５ｂから、第１シリンダ２０５の作動室２１５ａに吸入される。シャフト２０３の回転運動に伴って作動室２１５ａの容積は拡大し、やがて、第１シリンダ２０５の内部の連通孔２０４ａと連通する作動室２１５ｂへと移行し、吸入行程が終了する。作動室２１５ｂは、連通孔２０４ａを通じて第２シリンダ２０６の作動室２１６ａと連通して一つの作動室を形成しており、高圧の作動流体は、連通した作動室全体の容積が増加する方向、すなわち、作動室２１５ｂの容積が減少し、作動室２１６ａの容積が増加する方向へとシャフト２０３を回転させ、発電機２０１を駆動する。シャフト２０３の回転に伴って作動室２１５ｂは消滅し、作動室２１６ａは吐出孔２０６ｂと連通する作動室２１６ｂへと移行し、膨張行程が終了する。そして、低圧となった作動流体は吐出孔２０６ｂから吐出管２１８へと吐出される。
以上の説明で用いた図１８Ａおよび図１８Ｂでは、第１シリンダ２０５と第２シリンダ２０６の各ベーン溝２０５ａ、２０６ａの回転方向位置を同じにしていたが、必ずしもこの限りではない。図１９は各ベーン溝２０５ａ、２０６ａが異なる回転方向位置になる場合の従来のロータリ式膨張機４００の構成を示す縦断面図であり、図２０Ａは図１９の膨張機のＤ４−Ｄ４線における横断面図、図２０Ｂは図１９の膨張機のＤ５−Ｄ５線における横断面図である。ここでいう回転方向位置とは、シャフト２０３の周りにおける角度位置のことである。
第１シリンダ２０５のベーン溝２０５ａの位置は、第２シリンダ２０６のベーン溝２０６ａに対し、約３０ｄｅｇ回転している。このようにすることにより、中板２０４に設ける連通孔２０４ａを中板２０４に垂直に設けることができ、かつ、斜めの連通孔２０４ａのために中板２０４を厚くする必要が無くなるので、連通孔２０４ａの容積を大幅に減らすことができ、連通孔２０４ａの中に残る作動流体の量を低減し、効率低下を抑えることができる。
第１ベーン２１１が第１ピストン２０９に、第２ベーン２１２が第２ピストン２１０に密着する原理について説明する。図２１Ａは図１７の膨張機のＤ２−Ｄ２線における拡大横断面図、図２１Ｂは図１７の膨張機のＤ３−Ｄ３線における拡大横断面図である。
第１ピストン２０９は、図２１Ａにおいていわゆる上死点にあり、第１ベーン２１１は、ベーン溝２０５ａの中に最も押し込まれた状態となっている。Ａ、Ｂは第１ベーン２１１の先端側のＲ面と側面から成るエッジ、Ｃ、Ｄは第１ベーン２１１の背面と側面から成るエッジであり、第１ベーン２１１の先端側のＲ面と第１ピストン２０９は、点Ｅで接触している。第１ベーン２１１の先端側のＲ面に作用する圧力は、作動室２１５ａの圧力である。作動室２１５ａの圧力は、作動室２１５ａが吸入孔２０５ｂに連通しているため、吸入圧力Ｐｓに等しい。一方、第１ベーン２１１の背面ＣＤに作用する圧力は、密閉容器１０２の内部圧力であり、常に吸入圧力Ｐｓに等しい。従って、第１ベーン２１１の先端側と背面側に圧力差は無く、圧力差により第１ベーン２１１を第１ピストン２０９に密着させる力は作用しない。上死点においては、第１ベーン２１１はベーン溝２０５ａに入る方向から出る方向へと運動方向が逆転するので、第１ベーン２１１に作用する慣性力は、第１ピストン２０９から第１ベーン２１１の先端を離す方向に作用する。しかし、圧力差による力が作用しないために、ばね２１３により第１ベーン２１１が第１ピストン２０９から離れないように押さえつける必要がある。図１４〜図１６に示した従来のロータリ式膨張機１００におけるベーン１０８の慣性力とばね１０９の力の試算では、ベーン１０８の慣性力の方が大きくなったことから解るように、ばね２１３の力は第１ベーン２１１を第１ピストン２０９に密着させるのに必ずしも十分とは言えない。このため、第１ベーン２１１の材料を鋼からカーボンに変更したり、形状を小さくすることなどにより質量を小さくし、第１ベーン２１１の慣性力がばね２１３の力より小さくなるように設計しなくてはならない。他の方法として、図２２に示すように、ベーンとピストンを一体形成したスウィングピストン２１９を用いることにより、ベーンがピストンから離れることのない構成としてもよい。
一方の第２ピストン２１０は、図２１Ｂにおいて上死点にあり、第２ベーン２１２は、ベーン溝２０６ａの中に最も押し込まれた状態となっている。Ａ、Ｂは第２ベーン２１２の先端側のＲ面と側面から成るエッジ、Ｃ、Ｄは第２ベーン２１２の背面と側面から成るエッジであり、第２ベーン２１２の先端側のＲ面と第２ピストン２１０は、点Ｅで接触している。第２ベーン２１２の先端側ＡＢに作用する圧力は、作動室２１６ｂの圧力である。作動室２１６ｂは、吐出孔２０６ｂに連通しているため、圧力が吐出圧力Ｐｄに等しい。一方、第２ベーン２１２の背面ＣＤに作用する圧力は、密閉容器２０２の内部圧力であり、常に吸入圧力Ｐｓに等しい。従って、これらの圧力差により、第２ベーン２１２は第２ピストン２１０に密着する方向に力を受ける。上死点においては、第２ベーン２１２はベーン溝２０６ａに入る方向から出る方向へと運動方向が逆転するので、第２ベーン２１２に作用する慣性力は、第２ピストン２１０から第２ベーン２１２の先端を離す方向に作用する。しかし、圧力差による力によって、十分に余裕を持って第２ベーン２１２を第２ピストン２１０に密着させることができる。ばね２１４は、特開平８−３３８３５６号公報に示される膨張機と同様、起動時に吸入圧力Ｐｓと吐出圧力Ｐｄの差圧が生じるまでの間、第２ベーン２１２を第２ピストン２１０に密着させるための補助的なものである。
しかしながら、図１７〜図２１に示す従来のロータリ式膨張機では、第１ベーンの先端側と背面側に作用する圧力の差による押し出し力が得られず、アルミやカーボン等の材料により質量を特別に小さくする場合を除いて、ベーンに作用する慣性力によりベーンの先端がピストンから離れてしまい、作動流体が漏れるために著しく性能が低下し、場合によっては、作動室が形成されず、膨張機として機能しないという課題が生じていた。
また、第１ベーンを軽量化の為にアルミ製やカーボン製にした場合、ベーン溝との間の摺動による信頼性の低下と、材料コストの増加という課題が生じていた。
また、図２２に示すような、スウィングピストンを用いる場合には、従来のピストンやベーンと同等の加工精度に仕上げようとすると、加工コストが高くなるという課題が生じていた。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、ベーンの信頼性の低下や材料コストの増加を伴わず、また、スウィングピストンのように加工コストの増加を伴わずに、第１ベーンの先端がピストンから離れることを防止することにより、作動流体の漏れを防止し、膨張機としての安定した動作を可能とするとともに、ひいては高効率かつ低コスト、高信頼性である多段ロータリ式膨張機を提供することを目的としている。併せて、その膨張機を備えた冷凍サイクル装置を提供する。
すなわち、本発明は、
軸方向に沿った上下に第１偏心部および第２偏心部を有するシャフトと、
第１偏心部に取り付けられ、偏心回転運動する第１ピストンと、
内面の一部が第１ピストンと接するように配置された第１シリンダと、
第１シリンダに設けられた第１ベーン溝に往復動可能に配置され、先端が第１ピストンに接することにより、第１シリンダと第１ピストンとの間の空間を、第１吸入側空間と第１吐出側空間とに区画する第１ベーンと、
第２偏心部に取り付けられ、偏心回転運動する第２ピストンと、
内面の一部が第２ピストンと接するように配置された第２シリンダと、
第２シリンダに設けられた第２ベーン溝に往復動可能に配置され、先端が第２ピストンに接することにより、第２シリンダと第２ピストンとの間の空間を、第２吸入側空間と第２吐出側空間とに区画し、かつ第２シリンダの外部の高圧雰囲気によって第２ピストンに向かう方向の力が加わる第２ベーンと、
第１吸入側空間へ膨張前の作動流体を吸入させる吸入路と、
第１吐出側空間と第２吸入側空間を連通し、作動流体を膨張させるための作動室を形成する連通路と、
第２吐出側空間から膨張後の作動流体を吐出させる吐出路とを備え、
第２ベーンが第２ピストン側に移動する際に、第１ピストンに向かう方向の力を第２ベーンが第１ベーンに加える、多段ロータリ式膨張機を提供する。
上記本発明の多段ロータリ式膨張機（以下、単に膨張機ともいう）は、図１７で説明したロータリ式膨張機の基本構成を踏襲している。第１シリンダ内の吐出側の作動室（第１吐出側空間）と、第２シリンダ内の吸入側の作動室（第２吸入側空間）とからなる１つの作動室（膨張室）で、作動流体を膨張させる。第２ベーンが第２ピストン側に移動する際に、第１ピストンに向かう方向の力を第２ベーンが第１ベーンに加えるので、第１ベーンは第２ベーンに連動して第１ピストンに押し付けられる。つまり、第１ベーンに加わる力の不足分を第２ベーンに加わる力の余分で補うようにする。これにより、第１ベーンの先端側と後端側に圧力差が無かったとしても、第１ベーンと第１ピストンとの接触状態を維持できる。
このように、本発明の膨張機によれば、ベーンの信頼性の低下や材料コストの増加を伴わず、また、スウィングピストンのように加工コストの増加を伴わずに、第１ベーンの先端が第１ピストンから離れることを防止できる。これにより、膨張機としての安定した動作を可能とするとともに、高効率かつ低コスト、高信頼性である膨張機を実現することができる。
本発明の実施の形態１における膨張機の縦断面図 図１Ａに示すベーンの拡大図 図１に示す膨張機を好適に採用できる冷凍サイクル装置のブロック図 本発明の実施の形態２における膨張機の縦断面図 図２に示す膨張機の第１ベーンの正面図および底面図 図２に示す膨張機の連結部材の斜視図 図２に示す膨張機の第２ベーンの平面図および正面図 連結部材の別の例の斜視図 連結部材の別の例の斜視図 本発明の実施の形態３における膨張機の縦断面図 図４に示す膨張機のベーンの拡大図 本発明の実施の形態３における別の膨張機の縦断面図 本発明の実施の形態４における膨張機の縦断面図 本発明の実施の形態５における膨張機の縦断面図 図８に示す膨張機のＤ２−Ｄ２線における横断面図 図８に示す膨張機のＤ３−Ｄ３線における横断面図 本発明の実施の形態６における膨張機の縦断面図 図１０に示す膨張機のＤ４−Ｄ４線における横断面図 図１０に示す膨張機のＤ５−Ｄ５線における横断面図 図１０に示す膨張機の第１ベーンの斜視図 図１０に示す膨張機の第２ベーンの斜視図 本発明の実施の形態７における膨張機の縦断面図 従来の膨張機の縦断面図 図１４の膨張機のＤ１−Ｄ１線における横断面図 図１４の膨張機のＤ１−Ｄ１線における拡大横断面図 従来の膨張機の縦断面図 図１７に示す膨張機のＤ２−Ｄ２線における横断面図 図１７に示す膨張機のＤ３−Ｄ３線における横断面図 従来の膨張機の縦断面図 図１９に示す膨張機のＤ４−Ｄ４線における横断面図 図１９に示す膨張機のＤ５−Ｄ５線における横断面図 図１７に示す膨張機のＤ２−Ｄ２線における拡大横断面図 図１７に示す膨張機のＤ３−Ｄ３線における拡大横断面図 従来の膨張機の膨張機構部における拡大横断面図
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１Ａは、本発明の実施の形態１の膨張機３００の構成を示す縦断面図である。本実施の形態１の膨張機３００の構成は、ベーンおよび中板を除いて図１７、図１８、および図２１を用いて説明した従来のロータリ式膨張機２００と同様の構成である。また、同一機能部品については同一番号を使用し、従来例と同一の構成および作用の説明は省くことにする。
膨張機３００は、空調機や給湯機の心臓部をなす冷凍サイクル装置に適用することができる。図１Ｃに示すように、冷凍サイクル装置５００は、冷媒を圧縮する圧縮機５０１と、圧縮機５０１で圧縮された冷媒を放熱させる放熱器５０２と、放熱器５０２で放熱した冷媒を膨張させる膨張機３００と、膨張機３００で膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器５０３とを備えている。膨張機３００は、冷媒の膨張エネルギーを電力の形で回収する。回収された電力は、圧縮機５０１を作動させるために必要な電力の一部として使用される。ただし、膨張機３００のシャフトと、圧縮機５０１のシャフトとを連結することにより、冷媒の膨張エネルギーを電力に変換せずに、機械力の形で圧縮機５０１に直接伝達する形態も採用することができる。
図１Ａに示すように、本実施の形態１の膨張機３００では、シャフト２０３に対する第１ピストン２０９と第２ピストン２１０の偏心方向および偏心量を等しくしている。ピストン２０９、２１０の偏心方向は、シャフトの２０３の軸からピストン２０９、２１０の中心に向かう方向である。ピストン２０９、２１０の偏心量は、シャフトの２０３の中心とピストン２０９、２１０の中心との距離に等しい。第１シリンダ２０５のベーン溝２０５ａと、第２シリンダ２０６のベーン溝２０６ａには、第１シリンダ２０５用の第１ベーン部３０１ｂと第２シリンダ２０６用の第２ベーン部３０１ｃとが一体化されたベーン３０１が往復動可能（スライド可能）に配置されている。ベーン３０１には、中板３０４の厚さに略等しい幅の切欠き３０１ａが設けられており、切欠き３０１ａにより、先端側が第１ピストン２０９と接する第１ベーン部３０１ｂと、第２ピストン２１０と接する第２ベーン部３０１ｃに分割されている。第１ベーン３０１ｂと、第２ベーン３０１ｃの背面側には、それぞれ、ばね２１３、２１４が配置されている。
中板３０４には、ベーン３０１に対応する位置に、切欠き３０４ｋが形成されている。この切欠き３０４ｋは、ベーン３０１の先端がシャフト２０３の軸に最も接近したとき、中板３０４とベーン３０１とが干渉しないように、径方向の形成長さが調整されている。中板３０４のこのような切欠き３０４ｋにより、ベーン３０１の背面は、シリンダ２０５、２０６の外部の高圧雰囲気、具体的には、密閉容器２０２内に貯留された潤滑油にさらされる。従って、ベーン３０１の背面には、潤滑油の圧力、言い換えれば、密閉容器２０２内を満たす作動流体の圧力が懸かる。
このような構成とすることにより、シャフト２０３の回転に伴って各ピストン２０９、２１０が上死点から下死点に向かって移動する際、ベーン３０１の一部である第２ベーン部３０１ｃには、ばね２１４の力に加えて第２シリンダ２０６の内外の差圧による力が作用し、第２ベーン部３０１ｃが第２ピストン２１０側に押し出される。第２ベーン部３０１ｃが押し出されると、差圧による力が作用しない第１ベーン部３０１ｂも、第２ベーン部３０１ｃと共に第１ピストン２０９側に押し出される。従って、第１ベーン部３０１ｂの先端と第１ピストン２０９の密着を保つことができ、第１ベーン部３０１ｂが第１ピストン２０９から離れて膨張機の作動室２１５ａ、２１５ｂが形成されずにシャフト２０３の回転が不安定になることや、作動流体が漏れることによる性能低下が防止され、高効率で安定した動作の膨張機を提供することができる。
また、ベーン３０１は切欠き３０１ａを設けるだけなので加工が容易であり、図２２のスウィングピストン２１９よりも低コストで作製できる。また、従来２部品だったものを１部品としたので、部品点数減によるコスト削減効果も見込める。
また、図１Ａに示した例では、Ｕ字状のベーン３０１が分離不能な単一部品からなり、第１ベーン部３０１ｂと第２ベーン部３０１ｃとは、それぞれ、そのＵ字状のベーン３０１の一端部と他端部とをなしている。すなわち、第１ベーン部３０１ｂと第２ベーン部３０１ｃとの相対位置関係は不変である。このように、第１ベーン部３０１ｂと第２ベーン部３０１ｃとを有するベーン３０１を用いることにより、両ベーン部３０１ｂ、３０１ｃを簡単かつ完全にシンクロさせることができる。
また、第１ピストン２０９と第２ピストン２１０の外径が異なる場合には、第１ベーン部３０１ｂと第２ベーン部３０１ｃの先端は、それぞれのピストン２０９、２１０の外周面に接するように長さを変えて加工する必要がある。一方、図１Ａに示すように、第１シリンダ２０５と第２シリンダ２０６の内径が等しく、かつ第１ピストン２０９と第２ピストン２１０の外径が等しい場合、第１ベーン部３０１ｂの先端と第２ベーン部３０１ｃの先端とを、まっすぐ揃える必要がある。具体的には、図１Ｂに示すように、第１ベーン部３０１ｂの先端Ｅ１および第２ベーン部３０１ｃの先端Ｅ２は、シャフト２０３の軸方向と平行な仮想直線ＳＬに含まれる、すなわち、シャフト２０３の軸からの距離が常に等しい。単一部品であるベーン３０１は、切欠き３０１ａを設ける前に、先端側を加工しておき、後から切欠き３０１ａを設けるだけで、第１ベーン部３０１ｂと第２ベーン部３０１ｃの先端を同時に形成できる。従って、加工が容易であり、低コスト化を図ることができる。
また、本実施の形態１では、第１ベーン部３０１ｂの背面側にばね２１３を、第２ベーン部３０１ｃの背面側にばね２１４を配置したが、少なくとも一つのばねがベーン３０１の背面側にあれば、膨張機の起動時に第１ベーン部３０１ｂの先端と第２ベーン部３０１ｃの先端を、それぞれ第１ピストン２０９と第２ピストン２１０に密着させることができる。
実施の形態１では、単一部品からなるベーンを用いる例を示したが、第１ベーンと第２ベーンとは、別々の部品で構成することができる。この場合、第１ベーンと第２ベーンとは、相対位置関係の変化が許容されるので、組立誤差や部品の加工誤差を吸収しやすくなる。以下の実施形態では、そうした例について説明を行なう。
（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２の膨張機３１０の構成を示す縦断面図、図３Ａは図２における第１ベーンの正面図および底面図、図３Ｂは図２における連結部材の斜視図、図３Ｃは図２における第２ベーンの平面図および正面図である。本実施の形態２の膨張機３１０の構成は、ベーンおよび中板を除いて図１７、図１８、および図２１を用いて説明した従来のロータリ式膨張機２００と同様の構成である。また、同一機能部品については同一番号を使用し、従来例と同一の構成および作用の説明は省くことにする。
本実施の形態２の膨張機３１０は、第２ベーン３１２に加わる力を第１ベーン３１１に伝達し、第２ベーン３１２の動きに第１ベーン３１１の動きを連鎖させる伝達部材を備えている。こうした伝達部材を用いることにより、第２ベーン３１２によって第１ベーン３１１を確実に押すことができる。より具体的には、第１ベーン３１１と第２ベーン３１２とを連結する連結部材３１３を、上記伝達部材として採用している。
本実施の形態２の膨張機３１０では、シャフト２０３に対する第１ピストン２０９と第２ピストン２１０の偏心方向および偏心量を等しくしている。第１シリンダ２０５のベーン溝２０５ａには第１ベーン３１１が、第２シリンダ２０６のベーン溝２０６ａには第２ベーン３１２が、それぞれ前後にスライド可能に配置されている。第１ベーン３１１の下面には、その下面に垂直な方向に延びる長円孔３１１ａを、第２ベーン３１２の上面には、その上面に垂直な方向に延びる円筒孔３１２ａを設けている。円筒孔３１２ａには、円柱形状の連結部材３１３の一端部が、微小なクリアランスを介して、回転可能、かつ、円筒孔３１２ａの深さ方向にスライド可能に挿入されている。長円孔３１１ａには、連結部材３１３の他端部が、短軸方向に小さなクリアランスを介して、回転可能、長円孔３１１ａの深さ方向にスライド可能、かつ、長円孔３１１ａの長軸方向にもスライド可能に挿入されている。また、第１ベーン３１１と、第２ベーン３１２の背面側にはそれぞれ、ばね２１３、２１４が配置されている。
このような構成とすることにより、シャフト２０３の回転に伴って各ピストン２０９、２１０が上死点から下死点に向かって移動する際、第２ベーン３１２は、ばね２１４の力に加えて第２シリンダ２０６の内外の差圧による力により第２ピストン２１０側に押し出され、先端が第２ピストン２１０に接する。このとき、差圧による力が作用しない第１ベーン３１１も、連結部材３１３により、第２ベーン３１２と共に第１ピストン２０９側に押し出される。従って、第１ベーン３１１の先端と第１ピストン２０９の密着を保つことができ、第１ベーン３１１が第１ピストン２０９から離れて膨張機の作動室２１５ａ、２１５ｂが形成されずにシャフト２０３の回転が不安定になることや、作動流体が漏れることによる性能低下が防止され、高効率で安定した動作の膨張機を提供することができる。
また、実施の形態１の場合、図１Ａにおけるベーン３０１の切欠き３０１ａの幅と中板３０４の厚さの関係は、ベーン３０１を往復動可能であるとともに、クリアランスからの漏れが十分に少なく許容できる範囲（１０〜２０μｍ程度）で切欠き３０１ａの幅を中板３０４の厚みよりも若干大きくする必要がある。従って、中板３０４および切欠き３０１ａの加工精度や、中板３０４と切欠き３０１ａのマッチングが要求される。第１ベーン部３０１ｂの上面から第２ベーン３０１ｃの下面までの幅は、第１シリンダ２０５、第２シリンダ２０６、中板３０４の各厚みの合計よりもクリアランスからの漏れが十分に少なく許容できる範囲（１０〜２０μｍ程度）で小さくする必要がある。これに対し、本実施の形態２では、連結部材３１３が長円孔３１１ａと円筒孔３１２ａの内部で軸方向にスライド可能なので、中板３０４の厚みが多少ばらついた場合にでも、第１ベーン３１１の下面と、第２ベーン３１２の上面の間の幅が可変となり、簡単に加工、組立や、クリアランスの設定が可能となる。
また、本実施の形態２では、第１ベーン３１１に長円孔３１１ａを設け、連結部材３１３が長円孔３１１ａの長軸方向にスライド可能（揺動可能）としている。長円孔３１１ａの長軸方向は、シャフト２０３の回転方向に沿っている。また、連結部材３１３は、第１ベーン３１１の長円孔３１１ａの底面と、第２ベーン３１２の円筒孔３１２ａの底面との距離（最短距離）よりも短く調整されているので、円筒孔３１２ａや長円孔３１１ａの深さ方向にも動くことができる。つまり、連結部材３１３は、第１ベーン３１１や第２ベーン３１２の往復動の方向に対して垂直方向にわずかに動くことができる。言い換えれば、連結部材３１３は、第１ベーン３１１と第２ベーン３１２との相対位置関係の変化を吸収しつつ、第２ベーン３１２に加わる力を第１ベーン３１１に伝達している。従って、第１シリンダ２０５のベーン溝２０５ａと第２シリンダ２０６のベーン溝２０６ａが、組立誤差により回転方向に微小に距離がずれたり、完全に平行では無かったりする場合でも、第１ベーン３１１および第２ベーン３１２は、それぞれのベーン溝２０５ａ、２０６ａの中でねじれることが防止されてスムーズに作動できる。この結果、ベーン３１１、３１２の損傷や摺動面の異常摩耗が防止され、ひいては高信頼性の膨張機の提供できるようになる。
なお、本実施の形態２では、円柱形状の連結部材３１３を用いたが、角柱や楕円柱等の他の柱状の連結部材を用いた場合でも、同様の効果が得られる。また、連結部材３１３は、ベーン３１１、３１２と同様の材料である金属だけでなく、セラミックやエンジニアリングプラスチック等の他の硬質材料によっても構成することができる。また、連結部材３１３の全部がエラストマー等の弾性体で構成されていてもよい。
さらに、一部が弾性体で構成された連結部材を用いることも可能である。例えば、図３Ｄに示すように、棒状の本体部３１６と、その棒状の本体部３１６の端部３１６ｔ、３１６ｔが挿入されたゴム製の筒体３１７、３１７とからなる連結部材３１５を、図３Ｂに示す連結部材３１３に代えて用いることができる。本体部３１６は、例えば金属、セラミック、エンジニアリングプラスチックのような硬質材料によって構成することができる。筒体３１７は、例えばイソプレンゴム、スチレンゴム、ニトリルゴム、ブタジエンゴム、クロロプレンゴム、ウレタンゴムのようなエラストマーによって構成することができる。筒体３１７は、本体部３１６の両方の端部３１６ｔ、３１６ｔに取り付けられていることが望ましいが、一方の端部３１６ｔにのみ取り付けられていてもよい。このような連結部材３１５によれば、ベーン３１１、３１２の孔との間に特に意識してクリアランスを設けなくても、筒体３１７の弾性変形により各種誤差が吸収される。
また、図３Ｅに示すように、第１ベーン３１１の孔３１１ａに係合する棒状の第１本体部３１８ａと、第２ベーン３１２の孔３１２ａに係合する棒状の第２本体部３１８ｂと、それら第１本体部３１８ａと第２本体部３１８ｂとを接続するゴム製の筒体３１８ｃとからなる連結部材３１９を好適に用いることができる。この連結部材３１９によれば、シャフト２０３の軸と平行な方向に関して、筒体３１８ｃが第１シリンダ２０５と第２シリンダ２０６との間に配置されるので、筒体３１８ｃの伸縮量を比較的大きく設定することが可能である。
（実施の形態３）
図４は、本発明の実施の形態３の膨張機３２０の構成を示す縦断面図、図５は、図４の膨張機における第２ベーンの正面図、側面図、および平面図である。本実施の形態３の膨張機３２０の構成は、ベーンおよび中板を除いて図１７、図１８、および図２１を用いて説明した従来のロータリ式膨張機２００と同様の構成である。また、同一機能部品については同一番号を使用し、従来例と同一の構成および作用の説明は省くことにする。
本実施の形態３の膨張機３２０では、シャフト２０３に対する第１ピストン２０９と第２ピストン２１０の偏心方向および偏心量を等しくしている。第１シリンダ２０５のベーン溝２０５ａには第１ベーン３２１が、第２シリンダ２０６のベーン溝２０６ａには第２ベーン３２２が、それぞれ往復動可能に配置されている。第２ベーン３２２の第１ベーン側には突起部３２２ａが設けられている。その突起部３２２ａは第１ベーン３２１の背面に接している。図５に示すように、突起部３２２ａは第２ベーン３２２に設けた孔３２２ｂに嵌合されて、第２ベーン３２２と一体化されている。そして、突起部３２２ａの厚みＷは、第１ベーン３２１の厚みよりも薄くしている。突起部３２２ａや第１ベーン３２１の厚みは、ベーン３２１、３２２のスライド方向とシャフト２０３の軸方向との双方に垂直な方向の厚みのことである。第２ベーン３２２の背面側には、ばね２１４が配置されている。
このような構成とすることにより、シャフト２０３の回転に伴って各ピストン２０９、２１０が上死点から下死点に向かって移動する際、第２ベーン３２２は、第２シリンダ２０６の内外の差圧による力により第２ピストン２１０側に押し出され、先端が第２ピストン２１０に接する。このとき、差圧による力が作用しない第１ベーン３２１も、突起部３２２ａにより、第２ベーン３２２と共に第１ピストン２０９側に押し出される。従って、第１ベーン３２１の先端と第１ピストン２０９の密着を保つことができ、第１ベーン３２１が第１ピストン２０９から離れて膨張機の作動室２１５ａ、２１５ｂが形成されずにシャフト２０３の回転が不安定になることや、作動流体が漏れることによる性能低下が防止され、高効率で安定した動作の膨張機を提供することができる。
また、第１ベーン３２１と、第２ベーン３２２は、別々の部品なので、実施の形態１のように中板の厚さに依存することは無く、簡単に各ベーン３２１、３２２の加工、組立や、クリアランスの設定が可能となる。
また、第２ベーン３２２とは別部品である突起部３２２ａを、第２ベーン３２２に形成された孔３２２ｂに嵌合して一体化する構成としたことにより、第２ベーン３２２の上面を研摩した後に突起部３２２ａを設けることが可能となり、第２ベーン３２２が高精度に加工でき、かつ、加工が容易になる。ただし、第２ベーン３２２と突起部３２２ａをはじめから一体形成しても機能上の差は無い。
また、本実施の形態３では、突起部３２２ａの厚みＷを、第１ベーン３２１の厚みよりも薄くしている。そのため、第１シリンダ２０５のベーン溝２０５ａと第２シリンダ２０６のベーン溝２０６ａが、組立誤差により回転方向に微小に距離がずれたり、完全に平行ではなかったりする場合でも、突起部３２２ａの厚みと第１ベーン３２１の厚みとの差によって、そうした誤差を相殺することができる。この結果、突起部３２２ａがベーン溝２０５ａの中でねじれることが防止され、ベーン３２１、３２２がスムーズに作動できるようになるので、ベーン３２１、３２２の損傷や摺動面の異常摩耗が防止され、ひいては高信頼性の膨張機の提供できるようになる。
なお、本実施の形態３では、第２ベーン３２２に突起部３２２ａを設けたが、図６に示す膨張機３２５のように、第１ベーン３２６の下面に突起部３２６ａを設けて、第２ベーン３２７に設けた切欠き３２７ａに引っ掛ける構成としてもよい。このようにしても、第２ベーン３２７は、突起部３２６ａを介して第１ベーン３２６を第１ピストン２０９側にしっかりと押すので、同様の効果が得られる。
（実施の形態４）
図７は、本発明の実施の形態４の膨張機３３０の構成を示す縦断面図である。本実施の形態４の膨張機３３０の構成は、ベーンおよび中板を除いて図１７、図１８、および図２１を用いて説明した従来のロータリ式膨張機２００と同様の構成である。また、同一機能部品については同一番号を使用し、従来例と同一の構成および作用の説明は省くことにする。
本実施の形態４の膨張機３３０では、シャフト２０３に対する第１ピストン２０９と第２ピストン２１０の偏心方向および偏心量を等しくしている。第１シリンダ２０５のベーン溝２０５ａには第１ベーン３３１が、第２シリンダ２０６のベーン溝２０６ａには第２ベーン３３２が、それぞれ往復動可能に配置されている。第１ベーン３３１の背面側には樹脂製の弾性部３３１ａを設けている。弾性部３３１ａは、例えばイソプレンゴム、スチレンゴム、ニトリルゴム、ブタジエンゴム、クロロプレンゴム、ウレタンゴムのようなエラストマーによって構成される。また、第２ベーン３３２の第１ベーン側には突起部３３２ａがあり、突起部３３２ａは第１ベーン３３１の背面側の弾性部３３１ａに接している。
このような構成とすることにより、シャフト２０３の回転に伴って各ピストン２０９、２１０が上死点から下死点に向かって移動する際、第２ベーン３３２は、第２シリンダ２０６の内外の差圧による力により第２ピストン２１０側に押し出され、先端が第２ピストン２１０に接する。このとき、差圧による力が作用しない第１ベーン３３１も、突起部３３２ａおよび弾性部３３１ａにより、第２ベーン３３２と共に第１ピストン２０９側に押し出される。従って、第１ベーン３３１の先端と第１ピストン２０９の密着を保つことができ、第１ベーン３３１が第１ピストン２０９から離れて膨張機の作動室２１５ａ、２１５ｂが形成されずにシャフト２０３の回転が不安定になることや、作動流体が漏れることによる性能低下が防止され、高効率で安定した動作の膨張機を提供することができる。
また、加工誤差で第１ベーン３３１が短くなり、第２ベーン３３２の突起部３３２ａと第１ベーン３３１の背面の間にクリアランスが生じて、第２ベーン３３２の突起部３３２ａが第１ベーン３３１を押す度に衝突が生じる場合でも、第１ベーン３３１の背面側に弾性部３３１ａを設けたことにより、衝突音の発生が防止され、かつ、衝突によるベーン３３１、３２２の破損を防止することができ、ひいては低騒音で高信頼性の膨張機を提供することができる。
逆に、加工誤差で第１ベーン３３１が長くなる場合には、第２ベーン３３２の先端側と第２ピストン２１０との間にクリアランスが生じると考えられるが、本実施の形態４では、第１ベーン３３１の弾性部３３１ａが変形してクリアランスを吸収するので、第２ベーン３３２の先端側と第２ピストン２１０との間にクリアランスは生じない。従って、作動流体の漏れを防止することができるので、高効率な膨張機を提供することができる。
なお、本実施の形態４では、第１ベーン３３１に弾性部３３１ａを設けたが、第２ベーン３３２の突起部３３２ａに弾性部を設けるか、あるいは、第２ベーン３３２の突起部３３２ａを弾性体で構成しても同様の効果が得られる。
（実施の形態５）
図８は、本発明の実施の形態５の膨張機３４０の構成を示す縦断面図であり、図９Ａは図８の膨張機のＤ２−Ｄ２線における横断面図、図９Ｂは図８の膨張機のＤ３−Ｄ３線における横断面図である。本実施の形態５の膨張機３４０の構成は、ベーン、中板およびピストンの偏心量を除いて図１７、図１８、および図２１を用いて説明した従来のロータリ式膨張機２００と同様の構成である。また、同一機能部品については同一番号を使用し、従来例と同一の構成および作用の説明は省くことにする。
本実施の形態５の膨張機３４０では、シャフト２０３に対する第１ピストン２０９と第２ピストン２１０の偏心方向は等しいが、図９Ａに示す第１ピストン２０９の偏心量ｅ１は、図９Ｂに示す第２ピストン２１０の偏心量ｅ２よりも小さくしており、第１シリンダ２０５のベーン溝２０５ａには第１ベーン３４１が、第２シリンダ２０６のベーン溝２０６ａには第２ベーン３４２が、それぞれ往復動可能に配置されている。第２ベーン３４２の第１ベーン側には突起部３４２ａが設けられ、第１ベーン３４１の背面と第２ベーン３４２の突起部３４２ａの間には、第１ベーン３４１のスライド方向に伸縮する弾性体としてのばね３４３が配置されている。ばね３４３のたわみ量（伸縮長さ）は、第１ピストン２０９の偏心量ｅ１と第２ピストン２１０の偏心量ｅ２の差の２倍以上とする。例えば、第１ピストン２０９の偏心量ｅ１が１．５ｍｍで、第２ピストン２１０の偏心量ｅ２が２．０ｍｍとすれば、１．０ｍｍ以上たわめば良い。ばね定数は十分に大きく設定しておく。具体的には、第２ベーン３４２に作用する差圧による力の１／４程度の力で、最大たわみ量となる程度のばね定数が望ましい。背景技術で説明したように、第２ベーン３４２にはおよそ２０ｋｇｆの力が働くので、その１／４の力で１ｍｍたわむ場合のばね定数は５ｋｇｆ／ｍｍとなる。これを、第１ベーン３４１の背面側と第２ベーン３４２の突起部３４２ａの間に配置するので、ばね３４３は、コイルばねよりも板ばねや皿ばねが望ましい。
このような構成とすることにより、シャフト２０３の回転に伴って各ピストン２０９、２１０が上死点から下死点に向かって移動する際、第２ベーン３４２は、第２シリンダ２０６の内外の差圧による力により第２ピストン２１０側に押し出され、先端が第２ピストン２１０に接する。このとき、差圧による力が作用しない第１ベーン３４１も、突起部３４２ａとばね３４３により、第２ベーン３４２と共に第１ピストン２０９側に押し出される。ここで、第１ベーン３４１の往復運動のストロークは、第１ピストン２０９の偏心量ｅ１の２倍であり、第２ベーン３４２の往復運動のストロークは、第２ピストン２１０の偏心量ｅ２の２倍であるので、上死点を基準に考えると、第２ベーン３４２が第１ベーン３４１を押そうとする距離と、第１ベーン３４１が移動する距離が一致しない。しかし、第１ピストン２０９と第２ピストン２１０の偏心量の差の２倍のストロークを持つばね３４３を配置したことにより、その距離の差を吸収することができる。従って、第１ピストン２０９の偏心量ｅ１と、第２ピストン２１０の偏心量ｅ２が異なる場合においても、第１ベーン３４１の先端と第１ピストン２０９の密着を保つことができ、第１ベーン３４１が第１ピストン２０９から離れて膨張機の作動室２１５ａ、２１５ｂが形成されずにシャフト２０３の回転が不安定になることや、作動流体が漏れることによる性能低下が防止され、高効率で安定した動作の膨張機を提供することができる。
また、第１シリンダ２０５と第１ベーン３４１との間にばね３４３を設けても第１ベーン３４１を押し出す効果は得られるが、第１ベーン３４１の背面と第２ベーン３４２の突起部３４２ａの間にばね３４３を設けたことにより、ばね３４３のストロークが小さくて済み、上述した５ｋｇｆ／ｍｍ程度のばねをよりコンパクトにすることができる。従って、ベーン３４１の背後の限られたスペースの中に配置することができる。
また、ばね３４３のばね定数を、第２ベーン３４２に作用する差圧による力の１／４程度の力とした理由については、第２ベーン３４２に作用する差圧による力は、ばね３４３の反力により１／４程度減少するが、それでも第２ベーン３４２を押し出す力は十分に残っており、かつ、第１ベーン３４１を押し出す力は、第２ベーン３４２に作用する差圧による力の１／４程度の力があれば十分であるからである。
（実施の形態６）
図１０は、本発明の実施の形態６の膨張機３５０の構成を示す縦断面図、図１１Ａは図１０の膨張機のＤ４−Ｄ４線における横断面図、図１１Ｂは図１０の膨張機のＤ５−Ｄ５線における横断面図、また、図１２Ａは図１０の膨張機の第１ベーンの斜視図、図１２Ｂは図１０の膨張機の第２ベーンの斜視図である。本実施の形態６の膨張機３５０の構成は、ベーンおよび中板を除いて図１９、図２０を用いて説明した、第１シリンダ２０５のベーン溝２０５ａと、第２シリンダ２０６のベーン溝２０６ａが異なる回転方向位置になる場合の従来のロータリ式膨張機４００と同様の構成である。また、同一機能部品については同一番号を使用し、従来例と同一の構成および作用の説明は省くことにする。
本実施の形態６の膨張機３５０では、第１シリンダ２０５のベーン溝２０５ａの位置は、第２シリンダ２０６のベーン溝２０６ａの位置に対し、シャフト２０３の回転方向へ３０ｄｅｇ回転させており、かつ、第１ピストン２０９と第２ピストン２１０の偏心量を等しくしている。第１シリンダ２０５のベーン溝２０５ａには第１ベーン３５１が、第２シリンダ２０６のベーン溝２０６ａには第２ベーン３５２が、それぞれ往復動可能に配置されている。図１２Ａに示すように、第１ベーン３５１の下面側には、突起部３５３が、スリット状の溝にはめ込まれた状態で、ピン３５４で固定されている。また、図１２Ｂに示すように、第２ベーン３５２の上面側には、第２ベーン３５２に加わる力を第１ベーン３５１に伝達する伝達部材としてのリンク部材３５５が取り付けられている。リンク部材３５５は、台座部３５５ａ、ばね部３５５ｂから構成されている。リンク部材３５５は、第２ベーン３５２の上面のスリット状の溝に台座部３５５ａがはめ込まれた状態で、ピン３５６で固定されている。リンク部材３５５の一部をなすばね部３５５ｂは、図１０に示すように、第１シリンダ２０５と第２シリンダ２０６の間に位置し、図１１Ａに示すように、第２ベーン３５２側から第１ベーン３５１の背面側へと円弧状に伸び、第１ベーンの下面側に設けた突起部３５３に接する形状となっている。
このような構成とすることにより、シャフト２０３の回転に伴って各ピストン２０９、２１０が上死点から下死点に向かって移動する際、第２ベーン３５２は、ばね２１４の力に加えて第２シリンダ２０６の内外の差圧による力により第２ピストン２１０側に押し出され、先端が第２ピストン２１０に接する。このとき、第２ベーン３５２に固定されたリンク部材３５５が第１ベーン３５１の突起部３５３を押すことにより、差圧による力が作用しない第１ベーン３５１も、第２ベーン３５２と共に第１ピストン２０９側に押し出される。ここで、第１ベーン３５１は、第２ベーン３５２に対して、シャフト２０３の軸から見て回転方向に約３０ｄｅｇ移動した位置にあるので、第２ピストン２１０が上死点になる位置から、シャフト２０３が約３０ｄｅｇ回転した位置で第１ピストン２０９が上死点となる。
本実施の形態６において、第１ベーン３５１は、第２ベーン３５２に対して、シャフト２０３の軸から見て回転方向に約３０ｄｅｇ移動した位置にある一方、第１ピストン２０９と第２ピストン２１０の偏心方向は同一としている。したがって、第２ピストン２１０が上死点になる位置から、シャフト２０３が約３０ｄｅｇ回転した位置で第１ピストン２０９が上死点となる。第１ベーン３５１と第２ベーン３５２は、ベーン溝２０５ａ、２０６ａの回転方向位置が異なるだけでなく、上死点となるタイミング、すなわち、往復運動の位相も異なる。しかし、リンク部材３５５は、第１シリンダ２０５と第２シリンダ２０６の間に位置し、第２ベーン３５２から第１ベーン３５１の背面側に伸びるばね部３５５ｂが設けられているので、ベーン溝２０５ａ、２０６ａの回転方向位置が異なっていたとしても、第１ベーン３５１は、第２ベーン３５２から力を受けて押し出される。さらに、ばね部３５５ｂが台座部３５５ａを支点として、シャフト２０３の軸に接近する方向と遠ざかる方向との双方向に弾性変形することにより、第１ベーン３５１と第２ベーン３５２の往復運動の位相差を吸収することができる。このとき、第２ベーン３５２が第１ベーン３５１よりも先に上死点となるので、第１ベーン３５１は、ばね部３５５ｂによって弾性付勢され、第２ベーン３５２によって押し出される。
また、第１ベーン３５１のベーン溝２０５ａと第２ベーン３５２のベーン溝２０６ａの方向が３０ｄｅｇ異なるために、往復運動に伴い第１ベーン３５１のリンク部材３５５の台座部３５５ａから、第２ベーン３５２の突起部３５３までの距離が変化しても、リンク部材３５５のばね部３５５ｂと第１ベーン３５１の突起部３５３が滑るので、スムーズに第２ベーン３５２により第１ベーン３５１を押し出すことができる。このように、リンク部材３５５は、第１ベーン３５１と第２ベーン３５２との相対位置関係の変化を吸収しつつ、第２ベーン３５２に加わる力を第１ベーン３５１に伝達する。従って、第１シリンダ２０５のベーン溝２０５ａと、第２シリンダ２０６のベーン溝２０６ａが異なる回転方向位置になる場合においても、第１ベーン３５１の先端と第１ピストン２０９の密着を保つことができ、第１ベーン３５１が第１ピストン２０９から離れて膨張機の作動室２１５ａ、２１５ｂが形成されずにシャフト２０３の回転が不安定になることや、作動流体が漏れることによる性能低下が防止され、高効率で安定した動作の膨張機を提供することができる。
ばね部３５５ｂを有するリンク部材３５５は、耐久性の観点から金属製であることが望ましい。例えば、ばねに適した各種ステンレス鋼（ＳＵＳ３０２、３０４、３１６、６３１等）は、リンク部材３５５の材料として好適である。
なお、本実施の形態では、第１シリンダ２０５のベーン溝２０５ａの位置は、第２シリンダ２０６のベーン溝２０６ａに対し、シャフト２０３の回転方向へ３０ｄｅｇ回転させているが、第１ベーン３５１の往復運動のベクトルが、第２ベーン３５２の往復運動のベクトルの方向に対して、正の成分を有する角度の範囲、すなわち、０ｄｅｇから９０ｄｅｇの間の範囲であれば、同様の効果が得られる。しかし、より顕著な効果を生むには、角度が小さいことが望ましい。
なお、本実施の形態では、第１ピストン２０９の偏心量と第２ピストン２１０の偏心量が等しいとしたが、ばね部３５５ｂを有するリンク部材３５５を用いたことにより、第１シリンダ２０５のベーン溝２０５ａと、第２シリンダ２０６のベーン溝２０６ａが異なる方向で、かつ、実施の形態５のように第１ピストン２０９の偏心量と第２ピストン２１０の偏心量が等しくない場合、具体的には、第１ピストン２０９の偏心量が第２ピストン２１０の偏心量よりも小さい場合においても、同様の効果を発揮する。
なお、本実施の形態では、第２ベーン３５２にリンク部材３５５を設け、リンク部材３５５のばね部３５５ｂが第１ベーン３５１に設けた突起部３５３を押す構成としたが、第１ベーン３５１にリンク部材を、第２ベーン３５２に突起部を設け、リンク部材のばね部を第２ベーン３５２に設けた突起部が押す構成にしても、同様の効果が得られる。
（実施の形態７）
図１３は、本発明の実施の形態７の膨張機３６０の構成を示す縦断面図である。本実施の形態７の膨張機３６０の構成は、ベーンおよび中板を除いて図１７、図１８、および図２１を用いて説明した従来のロータリ式膨張機２００と同様の構成である。また、同一機能部品については同一番号を使用し、従来例と同一の構成および作用の説明は省くことにする。
本実施の形態７の膨張機３６０では、シャフト２０３に対する第１ピストン２０９と第２ピストン２１０の偏心方向および偏心量を等しくしている。第１シリンダ２０５のベーン溝２０５ａには第１ベーン３６１が、第２シリンダ２０６のベーン溝２０６ａには第２ベーン３６２が、それぞれ往復動可能に配置されている。第１ベーン３６１の下面には突起部３６１ａを、第２ベーン３６２の上面には突起部３６２ａを設けている。第２ベーン３６２の突起部３６２ａが、第１ベーン３６１の突起部３６１ａを押すことができるように、突起部３６１ａ、３６２ａを互いに接した状態にする。
このような構成とすることにより、シャフト２０３の回転に伴って各ピストン２０９、２１０が上死点から下死点に向かって移動する際、第２ベーン３６２は、ばね２１４の力に加えて第２シリンダ２０６の内外の差圧による力により第２ピストン２１０側に押し出され、先端が第２ピストン２１０に接する。このとき、突起部３６２ａにより突起部３６１ａを介して、差圧による力が作用しない第１ベーン３６１も、第２ベーン３６２と共に第１ピストン２０９側に押し出される。従って、第１ベーン３６１の先端と第１ピストン２０９の密着を保つことができ、第１ベーン３６１が第１ピストン２０９から離れて膨張機の作動室２１５ａ、２１５ｂが形成されずにシャフト２０３の回転が不安定になることや、作動流体が漏れることによる性能低下が防止され、高効率で安定した動作の膨張機を提供することができる。
また、第１ベーン３６１の突起部３６１ａと第２ベーン３６２の突起部３６２ａの間で力を伝達するので、第２ベーン３６２の突起部３６２ａの大きさを、実施の形態１〜６の場合よりも小さくすることができ、突起部３６２ａが第１ベーン３６１を押す力の反作用により第２ベーン３６２に生じるモーメントを小さくすることができる。従って、モーメントにより第２ベーン３６２が傾き、第２シリンダ２０６のベーン溝２０６ａの上下を覆う中板３０４と軸受２０８との間で、第２ベーン３６２がねじれることを防止できる。従って、信頼性の高い膨張機を提供することができる。
以上に説明した本発明の多段ロータリ式膨張機は、冷凍サイクルにおける冷媒の膨張エネルギーを回収する動力回収装置として有用であるとともに、冷媒以外の圧縮性流体（例えば蒸気）からのエネルギー回収装置としても有用である。
また、本明細書は、２段のシリンダによって１つの膨張室を形成する構成の膨張機を例にいくつかの実施の形態を説明したが、３段以上のシリンダによって複数の膨張室を形成し、それら複数の膨張室を用いて冷媒を段階的に膨張させる構成の膨張機にも本発明の要旨を好適に採用できる。
本発明は、高圧の圧縮性流体の膨張エネルギーを回収することによって機械力や電力を発生する膨張機に関し、特に、冷凍サイクルにおける絞り機構部と置き換えて冷媒の膨張エネルギーを回収する膨張機に関するものである。また、その膨張機を備えた冷凍サイクル装置に関する。
冷凍サイクル装置の冷媒が膨張する際の膨張エネルギーを回収する目的で用いられる膨張機として、ロータリ式膨張機が知られている。
特開平８−３３８３５６号公報に示されるような従来のロータリ式膨張機の構成について以下に説明する。ただし、説明を簡略化するために、１ピストンタイプとしている。
図１４は従来のロータリ式膨張機１００の構成を示す縦断面図であり、図１５は図１４の膨張機のＤ１−Ｄ１線における横断面図である。発電機１０１は、密閉容器１０２に固定されたステータ１０１ａと、シャフト１０３に固定されたロータ１０１ｂからなり、ロータ１０１ｂの回転によってステータ１０１ａの巻き線との間に起電力を発生させて電力を得る。シャフト１０３は、シリンダ１０４を貫通し、軸受１０５、１０６によって回転可能に支持されている。シャフト１０３には偏心部１０３ａが設けられ、偏心部１０３ａにはシリンダ１０４の内部に配置されたピストン１０７が嵌合する。また、シャフト１０３の中には、シャフト１０３の軸方向に沿って軸方向流路１０３ｂが、偏心部１０３ａには、軸方向流路１０３ｂと開口部１０３ｃを結ぶ、径方向流路１０３ｄが設けられている。
図１５に示すように、ピストン１０７の外周面には係合溝１０７ａが形成されるとともに、シリンダ１０４にはベーン溝１０４ａが形成されている。ベーン溝１０４ａにより往復動可能に保持されたベーン１０８は、先端が係合溝１０７ａに係合し、ばね１０９による力や、ベーン１０８の先端側と背面側の圧力差による力によって、常時、ピストン１０７に密着している。シリンダ１０４とピストン１０７により形成される三日月形状の空間は、ベーン１０８により２つの作動室１１０ａ、１１０ｂに区画される。ピストン１０７に設けられた吸入孔１０７ｂは、作動室１１０ａに連通しており、シリンダ１０４に設けられた吐出孔１０４ｂは、作動室１１０ｂに連通している。
高圧の作動流体は、吸入管１１１から密閉容器１０２の内部に流入した後、シャフト１０３の軸方向流路１０３ｂと径方向流路１０３ｄを経て開口部１０３ｃに達する。開口部１０３ｃはシャフト１０３の回転運動とともに回転するが、ピストン１０７は自転運動を伴わない偏心回転運動、いわゆる揺動運動を行う。このため、ピストン１０７に設けられた吸入孔１０７ｂと、偏心部１０３ａに設けられた開口部１０３ｃは、シャフト１０３の回転運動に伴い、連通と非連通を繰り返す。開口部１０３ｃと吸入孔１０７ｂが連通している間に、作動流体は作動室１１０ａに吸入される。その後、開口部１０３ｃと吸入孔１０７ｂが非連通となると、吸入行程が終了する。作動流体は圧力を下げながら膨張し、作動室１１０ａの容積が拡大する方向へとシャフト１０３を回転させ、発電機１０１を駆動する。シャフト１０３の回転に伴い、作動室１１０ａは作動室１１０ｂへと移行し、吐出孔１０４ｂに連通すると膨張行程が終了する。そして、低圧となった作動流体は吐出孔１０４ｂから吐出管１１２へと吐出される。
ベーン１０８がピストン１０７に密着する原理について説明する。図１６は、図１４の膨張機のＤ１−Ｄ１線における拡大横断面図である。図１６において、ピストン１０７はいわゆる上死点にあり、ベーン１０８はベーン溝１０４ａの中に最も押し込まれた状態となっている。Ａ、Ｂはベーン１０８の先端側のＲ面と側面から成るエッジ、Ｃ、Ｄはベーン１０８の背面と側面から成るエッジである。ベーン１０８の先端側のＲ面の半径は、ピストン１０７の係合溝１０７ａの半径よりも小さくしているため、ベーン１０８の先端側のＲ面とピストン１０７の係合溝１０７ａは点Ｅで接触し、ベーン１０８の先端側の面ＡＥ、ＢＥは作動室１１０ａにつながる空間に面している。従って、ベーン１０８の先端側のＲ面（面ＡＢ）に作用する圧力は、作動室１１０ａの圧力である。作動室１１０ａの圧力は、作動室１１０ａが吐出孔１０４ｂに連通しているため、吐出圧力Ｐｄに等しい。一方、ベーン１０８の背面ＣＤに作用する圧力は、密閉容器１０２の内部圧力であり、常に吸入圧力Ｐｓに等しい。従って、これらの圧力差により、ベーン１０８はピストン１０７に密着する方向に力を受ける。上死点においては、ベーン１０８はベーン溝１０４ａに入る方向から出る方向へと運動方向が逆転するので、ベーン１０８に作用する慣性力は、ピストン１０７からベーン１０８の先端を離す方向に作用する。しかし、圧力差による力によって、十分に余裕を持ってベーン１０８をピストン１０７に密着させることができる。
ばね１０９は、起動時に吸入圧力Ｐｓと吐出圧力Ｐｄの差圧が生じるまでの間、ベーン１０８をピストン１０７に密着させるための補助的なものである。仮に、二酸化炭素を作動流体とする冷凍サイクルに用いる膨張機であって、ベーン１０８は鋼製で高さ１０ｍｍ、幅４ｍｍ、長さ２０ｍｍとし、吸入圧力Ｐｓを１００ｋｇｆ／ｃｍ2、吐出圧力Ｐｄを５０ｋｇｆ／ｃｍ2とすると、差圧によりベーン１０８に作用する力は、２０ｋｇｆとなる。また、ばね１０９をコイルばねと仮定し、最大たわみ量を６ｍｍ、ばね１０９の外径をベーン１０８の幅と同じ４ｍｍとすると、このクラスのばねのばね定数は、大きく見積もっても高々０．０５ｋｇｆ／ｍｍであり、ばね力は０．３ｋｇｆ程度となる。一方、ベーン１０８が振幅３ｍｍで９０Ｈｚの単振動する場合の慣性力は、０．６ｋｇｆ程度となる。このように、特に９０Ｈｚのような高速で運転する場合において、ばね１０９の力は、ベーン１０８の往復運動の慣性力より小さく、圧力差によりベーン１０８をピストン１０７に押さえつける力が必須であることがわかる。
次に、２００４年３月に（独）新エネルギー・産業総合開発機構より発行された成果報告書“エネルギー有効利用基盤技術先導研究開発 ＣＯ2空調機用二相流膨張機・圧縮機の開発”に示されるような従来のロータリ式膨張機の構成について以下に説明する。なお、上記成果報告書に示されるロータリ式膨張機は、特開２００３−３４３４６７号公報に示される圧縮機に対して、冷媒の流れとシャフトの回転方向が逆であるが、基本構成は同じである。
図１７は従来のロータリ式膨張機２００の構成を示す縦断面図であり、図１８Ａは図１７の膨張機のＤ２−Ｄ２線における横断面図、図１８Ｂは図１７の膨張機のＤ３−Ｄ３線における横断面図である。発電機２０１は、密閉容器２０２に固定されたステータ２０１ａと、シャフト２０３に固定されたロータ２０１ｂからなる。シャフト２０３は、中板２０４によってそれぞれ独立するように仕切られた第１シリンダ２０５と第２シリンダ２０６を貫通し、軸受２０７、２０８によって回転可能に支持されている。シャフト２０３には、シャフト２０３の軸に対する偏心方向が同じである第１偏心部２０３ａと第２偏心部２０３ｂが軸方向に沿った上下に設けられ、第１偏心部２０３ａには第１シリンダ２０５の内部に配置された第１ピストン２０９が、第２偏心部２０３ｂには第２シリンダ２０６の内部に配置された第２ピストン２１０が嵌合する。
第１シリンダ２０５と第１ピストン２０９、および第２シリンダ２０６と第２ピストン２１０の高さや径は、第１シリンダ２０５と第１ピストン２０９により形成される三日月形状の空間が、第２シリンダ２０６と第２ピストン２１０により形成される三日月形状の空間よりも小さくなるように設定する。図１７の例では、第１シリンダ２０５の内径と第２シリンダ２０６の内径は等しく、第１ピストン２０９の外径と第２ピストン２１０の外径とが等しく、かつ第２シリンダ２０６の高さが第１シリンダ２０５の高さよりも大となっている。この構成は、本発明のいくつかの実施の形態でも踏襲されている。
図１８Ａおよび図１８Ｂに示すように、第１シリンダ２０５および第２シリンダ２０６には、ベーン溝２０５ａおよび２０６ａがそれぞれ形成されている。ベーン溝２０５ａ、２０６ａにより、それぞれ往復動可能に保持された第１ベーン２１１および第２ベーン２１２は、ばね２１３、２１４による力や、各ベーン２１１、２１２の先端側と背面側の圧力差による力によって、各ピストン２０９、２１０に密着している。第１シリンダ２０５と第１ピストン２０９により形成される三日月形状の空間は、第１ベーン２１１により２つの作動室２１５ａ、２１５ｂに区画される。また、第２シリンダ２０６と第２ピストン２１０により形成される三日月形状の空間は、第２ベーン２１２により２つの作動室２１６ａ、２１６ｂに区画される。第１シリンダ２０５に設けられた吸入孔２０５ｂ（吸入路）は、作動室２１５ａ（第１吸入側空間）に連通しており、作動室２１５ｂ（第１吐出側空間）と作動室２１６ａ（第２吸入側空間）は、中板２０４に斜め方向に第１ベーン２１１と第２ベーン２１２の間を通過するように設けられた連通孔２０４ａ（連通路）で連通して一つの空間を形成している。また、第２シリンダ２０６に設けられた吐出孔２０６ｂ（吐出路）は、作動室２１６ｂ（第２吐出側空間）に連通している。
高圧の作動流体は、吸入管２１７から密閉容器２０２の内部に流入した後、吸入孔２０５ｂから、第１シリンダ２０５の作動室２１５ａに吸入される。シャフト２０３の回転運動に伴って作動室２１５ａの容積は拡大し、やがて、第１シリンダ２０５の内部の連通孔２０４ａと連通する作動室２１５ｂへと移行し、吸入行程が終了する。作動室２１５ｂは、連通孔２０４ａを通じて第２シリンダ２０６の作動室２１６ａと連通して一つの作動室を形成しており、高圧の作動流体は、連通した作動室全体の容積が増加する方向、すなわち、作動室２１５ｂの容積が減少し、作動室２１６ａの容積が増加する方向へとシャフト２０３を回転させ、発電機２０１を駆動する。シャフト２０３の回転に伴って作動室２１５ｂは消滅し、作動室２１６ａは吐出孔２０６ｂと連通する作動室２１６ｂへと移行し、膨張行程が終了する。そして、低圧となった作動流体は吐出孔２０６ｂから吐出管２１８へと吐出される。
以上の説明で用いた図１８Ａおよび図１８Ｂでは、第１シリンダ２０５と第２シリンダ２０６の各ベーン溝２０５ａ、２０６ａの回転方向位置を同じにしていたが、必ずしもこの限りではない。図１９は各ベーン溝２０５ａ、２０６ａが異なる回転方向位置になる場合の従来のロータリ式膨張機４００の構成を示す縦断面図であり、図２０Ａは図１９の膨張機のＤ４−Ｄ４線における横断面図、図２０Ｂは図１９の膨張機のＤ５−Ｄ５線における横断面図である。ここでいう回転方向位置とは、シャフト２０３の周りにおける角度位置のことである。
第１シリンダ２０５のベーン溝２０５ａの位置は、第２シリンダ２０６のベーン溝２０６ａに対し、約３０ｄｅｇ回転している。このようにすることにより、中板２０４に設ける連通孔２０４ａを中板２０４に垂直に設けることができ、かつ、斜めの連通孔２０４ａのために中板２０４を厚くする必要が無くなるので、連通孔２０４ａの容積を大幅に減らすことができ、連通孔２０４ａの中に残る作動流体の量を低減し、効率低下を抑えることができる。
第１ベーン２１１が第１ピストン２０９に、第２ベーン２１２が第２ピストン２１０に密着する原理について説明する。図２１Ａは図１７の膨張機のＤ２−Ｄ２線における拡大横断面図、図２１Ｂは図１７の膨張機のＤ３−Ｄ３線における拡大横断面図である。
第１ピストン２０９は、図２１Ａにおいていわゆる上死点にあり、第１ベーン２１１は、ベーン溝２０５ａの中に最も押し込まれた状態となっている。Ａ、Ｂは第１ベーン２１１の先端側のＲ面と側面から成るエッジ、Ｃ、Ｄは第１ベーン２１１の背面と側面から成るエッジであり、第１ベーン２１１の先端側のＲ面と第１ピストン２０９は、点Ｅで接触している。第１ベーン２１１の先端側のＲ面に作用する圧力は、作動室２１５ａの圧力である。作動室２１５ａの圧力は、作動室２１５ａが吸入孔２０５ｂに連通しているため、吸入圧力Ｐｓに等しい。一方、第１ベーン２１１の背面ＣＤに作用する圧力は、密閉容器１０２の内部圧力であり、常に吸入圧力Ｐｓに等しい。従って、第１ベーン２１１の先端側と背面側に圧力差は無く、圧力差により第１ベーン２１１を第１ピストン２０９に密着させる力は作用しない。上死点においては、第１ベーン２１１はベーン溝２０５ａに入る方向から出る方向へと運動方向が逆転するので、第１ベーン２１１に作用する慣性力は、第１ピストン２０９から第１ベーン２１１の先端を離す方向に作用する。しかし、圧力差による力が作用しないために、ばね２１３により第１ベーン２１１が第１ピストン２０９から離れないように押さえつける必要がある。図１４〜図１６に示した従来のロータリ式膨張機１００におけるベーン１０８の慣性力とばね１０９の力の試算では、ベーン１０８の慣性力の方が大きくなったことから解るように、ばね２１３の力は第１ベーン２１１を第１ピストン２０９に密着させるのに必ずしも十分とは言えない。このため、第１ベーン２１１の材料を鋼からカーボンに変更したり、形状を小さくすることなどにより質量を小さくし、第１ベーン２１１の慣性力がばね２１３の力より小さくなるように設計しなくてはならない。他の方法として、図２２に示すように、ベーンとピストンを一体形成したスウィングピストン２１９を用いることにより、ベーンがピストンから離れることのない構成としてもよい。
一方の第２ピストン２１０は、図２１Ｂにおいて上死点にあり、第２ベーン２１２は、ベーン溝２０６ａの中に最も押し込まれた状態となっている。Ａ、Ｂは第２ベーン２１２の先端側のＲ面と側面から成るエッジ、Ｃ、Ｄは第２ベーン２１２の背面と側面から成るエッジであり、第２ベーン２１２の先端側のＲ面と第２ピストン２１０は、点Ｅで接触している。第２ベーン２１２の先端側ＡＢに作用する圧力は、作動室２１６ｂの圧力である。作動室２１６ｂは、吐出孔２０６ｂに連通しているため、圧力が吐出圧力Ｐｄに等しい。一方、第２ベーン２１２の背面ＣＤに作用する圧力は、密閉容器２０２の内部圧力であり、常に吸入圧力Ｐｓに等しい。従って、これらの圧力差により、第２ベーン２１２は第２ピストン２１０に密着する方向に力を受ける。上死点においては、第２ベーン２１２はベーン溝２０６ａに入る方向から出る方向へと運動方向が逆転するので、第２ベーン２１２に作用する慣性力は、第２ピストン２１０から第２ベーン２１２の先端を離す方向に作用する。しかし、圧力差による力によって、十分に余裕を持って第２ベーン２１２を第２ピストン２１０に密着させることができる。ばね２１４は、特開平８−３３８３５６号公報に示される膨張機と同様、起動時に吸入圧力Ｐｓと吐出圧力Ｐｄの差圧が生じるまでの間、第２ベーン２１２を第２ピストン２１０に密着させるための補助的なものである。
しかしながら、図１７〜図２１に示す従来のロータリ式膨張機では、第１ベーンの先端側と背面側に作用する圧力の差による押し出し力が得られず、アルミやカーボン等の材料により質量を特別に小さくする場合を除いて、ベーンに作用する慣性力によりベーンの先端がピストンから離れてしまい、作動流体が漏れるために著しく性能が低下し、場合によっては、作動室が形成されず、膨張機として機能しないという課題が生じていた。
また、第１ベーンを軽量化の為にアルミ製やカーボン製にした場合、ベーン溝との間の摺動による信頼性の低下と、材料コストの増加という課題が生じていた。
また、図２２に示すような、スウィングピストンを用いる場合には、従来のピストンやベーンと同等の加工精度に仕上げようとすると、加工コストが高くなるという課題が生じていた。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、ベーンの信頼性の低下や材料コストの増加を伴わず、また、スウィングピストンのように加工コストの増加を伴わずに、第１ベーンの先端がピストンから離れることを防止することにより、作動流体の漏れを防止し、膨張機としての安定した動作を可能とするとともに、ひいては高効率かつ低コスト、高信頼性である多段ロータリ式膨張機を提供することを目的としている。併せて、その膨張機を備えた冷凍サイクル装置を提供する。
すなわち、本発明は、
軸方向に沿った上下に第１偏心部および第２偏心部を有するシャフトと、
第１偏心部に取り付けられ、偏心回転運動する第１ピストンと、
内面の一部が第１ピストンと接するように配置された第１シリンダと、
第１シリンダに設けられた第１ベーン溝に往復動可能に配置され、先端が第１ピストンに接することにより、第１シリンダと第１ピストンとの間の空間を、第１吸入側空間と第１吐出側空間とに区画する第１ベーンと、
第２偏心部に取り付けられ、偏心回転運動する第２ピストンと、
内面の一部が第２ピストンと接するように配置された第２シリンダと、
第２シリンダに設けられた第２ベーン溝に往復動可能に配置され、先端が第２ピストンに接することにより、第２シリンダと第２ピストンとの間の空間を、第２吸入側空間と第２吐出側空間とに区画し、かつ第２シリンダの外部の高圧雰囲気によって第２ピストンに向かう方向の力が加わる第２ベーンと、
第１吸入側空間へ膨張前の作動流体を吸入させる吸入路と、
第１吐出側空間と第２吸入側空間を連通し、作動流体を膨張させるための作動室を形成する連通路と、
第２吐出側空間から膨張後の作動流体を吐出させる吐出路とを備え、
第２ベーンが第２ピストン側に移動する際に、第１ピストンに向かう方向の力を第２ベーンが第１ベーンに加える、多段ロータリ式膨張機を提供する。
上記本発明の多段ロータリ式膨張機（以下、単に膨張機ともいう）は、図１７で説明したロータリ式膨張機の基本構成を踏襲している。第１シリンダ内の吐出側の作動室（第１吐出側空間）と、第２シリンダ内の吸入側の作動室（第２吸入側空間）とからなる１つの作動室（膨張室）で、作動流体を膨張させる。第２ベーンが第２ピストン側に移動する際に、第１ピストンに向かう方向の力を第２ベーンが第１ベーンに加えるので、第１ベーンは第２ベーンに連動して第１ピストンに押し付けられる。つまり、第１ベーンに加わる力の不足分を第２ベーンに加わる力の余分で補うようにする。これにより、第１ベーンの先端側と後端側に圧力差が無かったとしても、第１ベーンと第１ピストンとの接触状態を維持できる。
このように、本発明の膨張機によれば、ベーンの信頼性の低下や材料コストの増加を伴わず、また、スウィングピストンのように加工コストの増加を伴わずに、第１ベーンの先端が第１ピストンから離れることを防止できる。これにより、膨張機としての安定した動作を可能とするとともに、高効率かつ低コスト、高信頼性である膨張機を実現することができる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１Ａは、本発明の実施の形態１の膨張機３００の構成を示す縦断面図である。本実施の形態１の膨張機３００の構成は、ベーンおよび中板を除いて図１７、図１８、および図２１を用いて説明した従来のロータリ式膨張機２００と同様の構成である。また、同一機能部品については同一番号を使用し、従来例と同一の構成および作用の説明は省くことにする。
膨張機３００は、空調機や給湯機の心臓部をなす冷凍サイクル装置に適用することができる。図１Ｃに示すように、冷凍サイクル装置５００は、冷媒を圧縮する圧縮機５０１と、圧縮機５０１で圧縮された冷媒を放熱させる放熱器５０２と、放熱器５０２で放熱した冷媒を膨張させる膨張機３００と、膨張機３００で膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器５０３とを備えている。膨張機３００は、冷媒の膨張エネルギーを電力の形で回収する。回収された電力は、圧縮機５０１を作動させるために必要な電力の一部として使用される。ただし、膨張機３００のシャフトと、圧縮機５０１のシャフトとを連結することにより、冷媒の膨張エネルギーを電力に変換せずに、機械力の形で圧縮機５０１に直接伝達する形態も採用することができる。
図１Ａに示すように、本実施の形態１の膨張機３００では、シャフト２０３に対する第１ピストン２０９と第２ピストン２１０の偏心方向および偏心量を等しくしている。ピストン２０９、２１０の偏心方向は、シャフトの２０３の軸からピストン２０９、２１０の中心に向かう方向である。ピストン２０９、２１０の偏心量は、シャフトの２０３の中心とピストン２０９、２１０の中心との距離に等しい。第１シリンダ２０５のベーン溝２０５ａと、第２シリンダ２０６のベーン溝２０６ａには、第１シリンダ２０５用の第１ベーン部３０１ｂと第２シリンダ２０６用の第２ベーン部３０１ｃとが一体化されたベーン３０１が往復動可能（スライド可能）に配置されている。ベーン３０１には、中板３０４の厚さに略等しい幅の切欠き３０１ａが設けられており、切欠き３０１ａにより、先端側が第１ピストン２０９と接する第１ベーン部３０１ｂと、第２ピストン２１０と接する第２ベーン部３０１ｃに分割されている。第１ベーン３０１ｂと、第２ベーン３０１ｃの背面側には、それぞれ、ばね２１３、２１４が配置されている。
中板３０４には、ベーン３０１に対応する位置に、切欠き３０４ｋが形成されている。この切欠き３０４ｋは、ベーン３０１の先端がシャフト２０３の軸に最も接近したとき、中板３０４とベーン３０１とが干渉しないように、径方向の形成長さが調整されている。中板３０４のこのような切欠き３０４ｋにより、ベーン３０１の背面は、シリンダ２０５、２０６の外部の高圧雰囲気、具体的には、密閉容器２０２内に貯留された潤滑油にさらされる。従って、ベーン３０１の背面には、潤滑油の圧力、言い換えれば、密閉容器２０２内を満たす作動流体の圧力が懸かる。
このような構成とすることにより、シャフト２０３の回転に伴って各ピストン２０９、２１０が上死点から下死点に向かって移動する際、ベーン３０１の一部である第２ベーン部３０１ｃには、ばね２１４の力に加えて第２シリンダ２０６の内外の差圧による力が作用し、第２ベーン部３０１ｃが第２ピストン２１０側に押し出される。第２ベーン部３０１ｃが押し出されると、差圧による力が作用しない第１ベーン部３０１ｂも、第２ベーン部３０１ｃと共に第１ピストン２０９側に押し出される。従って、第１ベーン部３０１ｂの先端と第１ピストン２０９の密着を保つことができ、第１ベーン部３０１ｂが第１ピストン２０９から離れて膨張機の作動室２１５ａ、２１５ｂが形成されずにシャフト２０３の回転が不安定になることや、作動流体が漏れることによる性能低下が防止され、高効率で安定した動作の膨張機を提供することができる。
また、ベーン３０１は切欠き３０１ａを設けるだけなので加工が容易であり、図２２のスウィングピストン２１９よりも低コストで作製できる。また、従来２部品だったものを１部品としたので、部品点数減によるコスト削減効果も見込める。
また、図１Ａに示した例では、Ｕ字状のベーン３０１が分離不能な単一部品からなり、第１ベーン部３０１ｂと第２ベーン部３０１ｃとは、それぞれ、そのＵ字状のベーン３０１の一端部と他端部とをなしている。すなわち、第１ベーン部３０１ｂと第２ベーン部３０１ｃとの相対位置関係は不変である。このように、第１ベーン部３０１ｂと第２ベーン部３０１ｃとを有するベーン３０１を用いることにより、両ベーン部３０１ｂ、３０１ｃを簡単かつ完全にシンクロさせることができる。
また、第１ピストン２０９と第２ピストン２１０の外径が異なる場合には、第１ベーン部３０１ｂと第２ベーン部３０１ｃの先端は、それぞれのピストン２０９、２１０の外周面に接するように長さを変えて加工する必要がある。一方、図１Ａに示すように、第１シリンダ２０５と第２シリンダ２０６の内径が等しく、かつ第１ピストン２０９と第２ピストン２１０の外径が等しい場合、第１ベーン部３０１ｂの先端と第２ベーン部３０１ｃの先端とを、まっすぐ揃える必要がある。具体的には、図１Ｂに示すように、第１ベーン部３０１ｂの先端Ｅ１および第２ベーン部３０１ｃの先端Ｅ２は、シャフト２０３の軸方向と平行な仮想直線ＳＬに含まれる、すなわち、シャフト２０３の軸からの距離が常に等しい。単一部品であるベーン３０１は、切欠き３０１ａを設ける前に、先端側を加工しておき、後から切欠き３０１ａを設けるだけで、第１ベーン部３０１ｂと第２ベーン部３０１ｃの先端を同時に形成できる。従って、加工が容易であり、低コスト化を図ることができる。
また、本実施の形態１では、第１ベーン部３０１ｂの背面側にばね２１３を、第２ベーン部３０１ｃの背面側にばね２１４を配置したが、少なくとも一つのばねがベーン３０１の背面側にあれば、膨張機の起動時に第１ベーン部３０１ｂの先端と第２ベーン部３０１ｃの先端を、それぞれ第１ピストン２０９と第２ピストン２１０に密着させることができる。
実施の形態１では、単一部品からなるベーンを用いる例を示したが、第１ベーンと第２ベーンとは、別々の部品で構成することができる。この場合、第１ベーンと第２ベーンとは、相対位置関係の変化が許容されるので、組立誤差や部品の加工誤差を吸収しやすくなる。以下の実施形態では、そうした例について説明を行なう。
（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２の膨張機３１０の構成を示す縦断面図、図３Ａは図２における第１ベーンの正面図および底面図、図３Ｂは図２における連結部材の斜視図、図３Ｃは図２における第２ベーンの平面図および正面図である。本実施の形態２の膨張機３１０の構成は、ベーンおよび中板を除いて図１７、図１８、および図２１を用いて説明した従来のロータリ式膨張機２００と同様の構成である。また、同一機能部品については同一番号を使用し、従来例と同一の構成および作用の説明は省くことにする。
本実施の形態２の膨張機３１０は、第２ベーン３１２に加わる力を第１ベーン３１１に伝達し、第２ベーン３１２の動きに第１ベーン３１１の動きを連鎖させる伝達部材を備えている。こうした伝達部材を用いることにより、第２ベーン３１２によって第１ベーン３１１を確実に押すことができる。より具体的には、第１ベーン３１１と第２ベーン３１２とを連結する連結部材３１３を、上記伝達部材として採用している。
本実施の形態２の膨張機３１０では、シャフト２０３に対する第１ピストン２０９と第２ピストン２１０の偏心方向および偏心量を等しくしている。第１シリンダ２０５のベーン溝２０５ａには第１ベーン３１１が、第２シリンダ２０６のベーン溝２０６ａには第２ベーン３１２が、それぞれ前後にスライド可能に配置されている。第１ベーン３１１の下面には、その下面に垂直な方向に延びる長円孔３１１ａを、第２ベーン３１２の上面には、その上面に垂直な方向に延びる円筒孔３１２ａを設けている。円筒孔３１２ａには、円柱形状の連結部材３１３の一端部が、微小なクリアランスを介して、回転可能、かつ、円筒孔３１２ａの深さ方向にスライド可能に挿入されている。長円孔３１１ａには、連結部材３１３の他端部が、短軸方向に小さなクリアランスを介して、回転可能、長円孔３１１ａの深さ方向にスライド可能、かつ、長円孔３１１ａの長軸方向にもスライド可能に挿入されている。また、第１ベーン３１１と、第２ベーン３１２の背面側にはそれぞれ、ばね２１３、２１４が配置されている。
このような構成とすることにより、シャフト２０３の回転に伴って各ピストン２０９、２１０が上死点から下死点に向かって移動する際、第２ベーン３１２は、ばね２１４の力に加えて第２シリンダ２０６の内外の差圧による力により第２ピストン２１０側に押し出され、先端が第２ピストン２１０に接する。このとき、差圧による力が作用しない第１ベーン３１１も、連結部材３１３により、第２ベーン３１２と共に第１ピストン２０９側に押し出される。従って、第１ベーン３１１の先端と第１ピストン２０９の密着を保つことができ、第１ベーン３１１が第１ピストン２０９から離れて膨張機の作動室２１５ａ、２１５ｂが形成されずにシャフト２０３の回転が不安定になることや、作動流体が漏れることによる性能低下が防止され、高効率で安定した動作の膨張機を提供することができる。
また、実施の形態１の場合、図１Ａにおけるベーン３０１の切欠き３０１ａの幅と中板３０４の厚さの関係は、ベーン３０１を往復動可能であるとともに、クリアランスからの漏れが十分に少なく許容できる範囲（１０〜２０μｍ程度）で切欠き３０１ａの幅を中板３０４の厚みよりも若干大きくする必要がある。従って、中板３０４および切欠き３０１ａの加工精度や、中板３０４と切欠き３０１ａのマッチングが要求される。第１ベーン部３０１ｂの上面から第２ベーン３０１ｃの下面までの幅は、第１シリンダ２０５、第２シリンダ２０６、中板３０４の各厚みの合計よりもクリアランスからの漏れが十分に少なく許容できる範囲（１０〜２０μｍ程度）で小さくする必要がある。これに対し、本実施の形態２では、連結部材３１３が長円孔３１１ａと円筒孔３１２ａの内部で軸方向にスライド可能なので、中板３０４の厚みが多少ばらついた場合にでも、第１ベーン３１１の下面と、第２ベーン３１２の上面の間の幅が可変となり、簡単に加工、組立や、クリアランスの設定が可能となる。
また、本実施の形態２では、第１ベーン３１１に長円孔３１１ａを設け、連結部材３１３が長円孔３１１ａの長軸方向にスライド可能（揺動可能）としている。長円孔３１１ａの長軸方向は、シャフト２０３の回転方向に沿っている。また、連結部材３１３は、第１ベーン３１１の長円孔３１１ａの底面と、第２ベーン３１２の円筒孔３１２ａの底面との距離（最短距離）よりも短く調整されているので、円筒孔３１２ａや長円孔３１１ａの深さ方向にも動くことができる。つまり、連結部材３１３は、第１ベーン３１１や第２ベーン３１２の往復動の方向に対して垂直方向にわずかに動くことができる。言い換えれば、連結部材３１３は、第１ベーン３１１と第２ベーン３１２との相対位置関係の変化を吸収しつつ、第２ベーン３１２に加わる力を第１ベーン３１１に伝達している。従って、第１シリンダ２０５のベーン溝２０５ａと第２シリンダ２０６のベーン溝２０６ａが、組立誤差により回転方向に微小に距離がずれたり、完全に平行では無かったりする場合でも、第１ベーン３１１および第２ベーン３１２は、それぞれのベーン溝２０５ａ、２０６ａの中でねじれることが防止されてスムーズに作動できる。この結果、ベーン３１１、３１２の損傷や摺動面の異常摩耗が防止され、ひいては高信頼性の膨張機の提供できるようになる。
なお、本実施の形態２では、円柱形状の連結部材３１３を用いたが、角柱や楕円柱等の他の柱状の連結部材を用いた場合でも、同様の効果が得られる。また、連結部材３１３は、ベーン３１１、３１２と同様の材料である金属だけでなく、セラミックやエンジニアリングプラスチック等の他の硬質材料によっても構成することができる。また、連結部材３１３の全部がエラストマー等の弾性体で構成されていてもよい。
さらに、一部が弾性体で構成された連結部材を用いることも可能である。例えば、図３Ｄに示すように、棒状の本体部３１６と、その棒状の本体部３１６の端部３１６ｔ、３１６ｔが挿入されたゴム製の筒体３１７、３１７とからなる連結部材３１５を、図３Ｂに示す連結部材３１３に代えて用いることができる。本体部３１６は、例えば金属、セラミック、エンジニアリングプラスチックのような硬質材料によって構成することができる。筒体３１７は、例えばイソプレンゴム、スチレンゴム、ニトリルゴム、ブタジエンゴム、クロロプレンゴム、ウレタンゴムのようなエラストマーによって構成することができる。筒体３１７は、本体部３１６の両方の端部３１６ｔ、３１６ｔに取り付けられていることが望ましいが、一方の端部３１６ｔにのみ取り付けられていてもよい。このような連結部材３１５によれば、ベーン３１１、３１２の孔との間に特に意識してクリアランスを設けなくても、筒体３１７の弾性変形により各種誤差が吸収される。
また、図３Ｅに示すように、第１ベーン３１１の孔３１１ａに係合する棒状の第１本体部３１８ａと、第２ベーン３１２の孔３１２ａに係合する棒状の第２本体部３１８ｂと、それら第１本体部３１８ａと第２本体部３１８ｂとを接続するゴム製の筒体３１８ｃとからなる連結部材３１９を好適に用いることができる。この連結部材３１９によれば、シャフト２０３の軸と平行な方向に関して、筒体３１８ｃが第１シリンダ２０５と第２シリンダ２０６との間に配置されるので、筒体３１８ｃの伸縮量を比較的大きく設定することが可能である。
（実施の形態３）
図４は、本発明の実施の形態３の膨張機３２０の構成を示す縦断面図、図５は、図４の膨張機における第２ベーンの正面図、側面図、および平面図である。本実施の形態３の膨張機３２０の構成は、ベーンおよび中板を除いて図１７、図１８、および図２１を用いて説明した従来のロータリ式膨張機２００と同様の構成である。また、同一機能部品については同一番号を使用し、従来例と同一の構成および作用の説明は省くことにする。
本実施の形態３の膨張機３２０では、シャフト２０３に対する第１ピストン２０９と第２ピストン２１０の偏心方向および偏心量を等しくしている。第１シリンダ２０５のベーン溝２０５ａには第１ベーン３２１が、第２シリンダ２０６のベーン溝２０６ａには第２ベーン３２２が、それぞれ往復動可能に配置されている。第２ベーン３２２の第１ベーン側には突起部３２２ａが設けられている。その突起部３２２ａは第１ベーン３２１の背面に接している。図５に示すように、突起部３２２ａは第２ベーン３２２に設けた孔３２２ｂに嵌合されて、第２ベーン３２２と一体化されている。そして、突起部３２２ａの厚みＷは、第１ベーン３２１の厚みよりも薄くしている。突起部３２２ａや第１ベーン３２１の厚みは、ベーン３２１、３２２のスライド方向とシャフト２０３の軸方向との双方に垂直な方向の厚みのことである。第２ベーン３２２の背面側には、ばね２１４が配置されている。
このような構成とすることにより、シャフト２０３の回転に伴って各ピストン２０９、２１０が上死点から下死点に向かって移動する際、第２ベーン３２２は、第２シリンダ２０６の内外の差圧による力により第２ピストン２１０側に押し出され、先端が第２ピストン２１０に接する。このとき、差圧による力が作用しない第１ベーン３２１も、突起部３２２ａにより、第２ベーン３２２と共に第１ピストン２０９側に押し出される。従って、第１ベーン３２１の先端と第１ピストン２０９の密着を保つことができ、第１ベーン３２１が第１ピストン２０９から離れて膨張機の作動室２１５ａ、２１５ｂが形成されずにシャフト２０３の回転が不安定になることや、作動流体が漏れることによる性能低下が防止され、高効率で安定した動作の膨張機を提供することができる。
また、第１ベーン３２１と、第２ベーン３２２は、別々の部品なので、実施の形態１のように中板の厚さに依存することは無く、簡単に各ベーン３２１、３２２の加工、組立や、クリアランスの設定が可能となる。
また、第２ベーン３２２とは別部品である突起部３２２ａを、第２ベーン３２２に形成された孔３２２ｂに嵌合して一体化する構成としたことにより、第２ベーン３２２の上面を研摩した後に突起部３２２ａを設けることが可能となり、第２ベーン３２２が高精度に加工でき、かつ、加工が容易になる。ただし、第２ベーン３２２と突起部３２２ａをはじめから一体形成しても機能上の差は無い。
また、本実施の形態３では、突起部３２２ａの厚みＷを、第１ベーン３２１の厚みよりも薄くしている。そのため、第１シリンダ２０５のベーン溝２０５ａと第２シリンダ２０６のベーン溝２０６ａが、組立誤差により回転方向に微小に距離がずれたり、完全に平行ではなかったりする場合でも、突起部３２２ａの厚みと第１ベーン３２１の厚みとの差によって、そうした誤差を相殺することができる。この結果、突起部３２２ａがベーン溝２０５ａの中でねじれることが防止され、ベーン３２１、３２２がスムーズに作動できるようになるので、ベーン３２１、３２２の損傷や摺動面の異常摩耗が防止され、ひいては高信頼性の膨張機の提供できるようになる。
なお、本実施の形態３では、第２ベーン３２２に突起部３２２ａを設けたが、図６に示す膨張機３２５のように、第１ベーン３２６の下面に突起部３２６ａを設けて、第２ベーン３２７に設けた切欠き３２７ａに引っ掛ける構成としてもよい。このようにしても、第２ベーン３２７は、突起部３２６ａを介して第１ベーン３２６を第１ピストン２０９側にしっかりと押すので、同様の効果が得られる。
（実施の形態４）
図７は、本発明の実施の形態４の膨張機３３０の構成を示す縦断面図である。本実施の形態４の膨張機３３０の構成は、ベーンおよび中板を除いて図１７、図１８、および図２１を用いて説明した従来のロータリ式膨張機２００と同様の構成である。また、同一機能部品については同一番号を使用し、従来例と同一の構成および作用の説明は省くことにする。
本実施の形態４の膨張機３３０では、シャフト２０３に対する第１ピストン２０９と第２ピストン２１０の偏心方向および偏心量を等しくしている。第１シリンダ２０５のベーン溝２０５ａには第１ベーン３３１が、第２シリンダ２０６のベーン溝２０６ａには第２ベーン３３２が、それぞれ往復動可能に配置されている。第１ベーン３３１の背面側には樹脂製の弾性部３３１ａを設けている。弾性部３３１ａは、例えばイソプレンゴム、スチレンゴム、ニトリルゴム、ブタジエンゴム、クロロプレンゴム、ウレタンゴムのようなエラストマーによって構成される。また、第２ベーン３３２の第１ベーン側には突起部３３２ａがあり、突起部３３２ａは第１ベーン３３１の背面側の弾性部３３１ａに接している。
このような構成とすることにより、シャフト２０３の回転に伴って各ピストン２０９、２１０が上死点から下死点に向かって移動する際、第２ベーン３３２は、第２シリンダ２０６の内外の差圧による力により第２ピストン２１０側に押し出され、先端が第２ピストン２１０に接する。このとき、差圧による力が作用しない第１ベーン３３１も、突起部３３２ａおよび弾性部３３１ａにより、第２ベーン３３２と共に第１ピストン２０９側に押し出される。従って、第１ベーン３３１の先端と第１ピストン２０９の密着を保つことができ、第１ベーン３３１が第１ピストン２０９から離れて膨張機の作動室２１５ａ、２１５ｂが形成されずにシャフト２０３の回転が不安定になることや、作動流体が漏れることによる性能低下が防止され、高効率で安定した動作の膨張機を提供することができる。
また、加工誤差で第１ベーン３３１が短くなり、第２ベーン３３２の突起部３３２ａと第１ベーン３３１の背面の間にクリアランスが生じて、第２ベーン３３２の突起部３３２ａが第１ベーン３３１を押す度に衝突が生じる場合でも、第１ベーン３３１の背面側に弾性部３３１ａを設けたことにより、衝突音の発生が防止され、かつ、衝突によるベーン３３１、３２２の破損を防止することができ、ひいては低騒音で高信頼性の膨張機を提供することができる。
逆に、加工誤差で第１ベーン３３１が長くなる場合には、第２ベーン３３２の先端側と第２ピストン２１０との間にクリアランスが生じると考えられるが、本実施の形態４では、第１ベーン３３１の弾性部３３１ａが変形してクリアランスを吸収するので、第２ベーン３３２の先端側と第２ピストン２１０との間にクリアランスは生じない。従って、作動流体の漏れを防止することができるので、高効率な膨張機を提供することができる。
なお、本実施の形態４では、第１ベーン３３１に弾性部３３１ａを設けたが、第２ベーン３３２の突起部３３２ａに弾性部を設けるか、あるいは、第２ベーン３３２の突起部３３２ａを弾性体で構成しても同様の効果が得られる。
（実施の形態５）
図８は、本発明の実施の形態５の膨張機３４０の構成を示す縦断面図であり、図９Ａは図８の膨張機のＤ２−Ｄ２線における横断面図、図９Ｂは図８の膨張機のＤ３−Ｄ３線における横断面図である。本実施の形態５の膨張機３４０の構成は、ベーン、中板およびピストンの偏心量を除いて図１７、図１８、および図２１を用いて説明した従来のロータリ式膨張機２００と同様の構成である。また、同一機能部品については同一番号を使用し、従来例と同一の構成および作用の説明は省くことにする。
本実施の形態５の膨張機３４０では、シャフト２０３に対する第１ピストン２０９と第２ピストン２１０の偏心方向は等しいが、図９Ａに示す第１ピストン２０９の偏心量ｅ１は、図９Ｂに示す第２ピストン２１０の偏心量ｅ２よりも小さくしており、第１シリンダ２０５のベーン溝２０５ａには第１ベーン３４１が、第２シリンダ２０６のベーン溝２０６ａには第２ベーン３４２が、それぞれ往復動可能に配置されている。第２ベーン３４２の第１ベーン側には突起部３４２ａが設けられ、第１ベーン３４１の背面と第２ベーン３４２の突起部３４２ａの間には、第１ベーン３４１のスライド方向に伸縮する弾性体としてのばね３４３が配置されている。ばね３４３のたわみ量（伸縮長さ）は、第１ピストン２０９の偏心量ｅ１と第２ピストン２１０の偏心量ｅ２の差の２倍以上とする。例えば、第１ピストン２０９の偏心量ｅ１が１．５ｍｍで、第２ピストン２１０の偏心量ｅ２が２．０ｍｍとすれば、１．０ｍｍ以上たわめば良い。ばね定数は十分に大きく設定しておく。具体的には、第２ベーン３４２に作用する差圧による力の１／４程度の力で、最大たわみ量となる程度のばね定数が望ましい。背景技術で説明したように、第２ベーン３４２にはおよそ２０ｋｇｆの力が働くので、その１／４の力で１ｍｍたわむ場合のばね定数は５ｋｇｆ／ｍｍとなる。これを、第１ベーン３４１の背面側と第２ベーン３４２の突起部３４２ａの間に配置するので、ばね３４３は、コイルばねよりも板ばねや皿ばねが望ましい。
このような構成とすることにより、シャフト２０３の回転に伴って各ピストン２０９、２１０が上死点から下死点に向かって移動する際、第２ベーン３４２は、第２シリンダ２０６の内外の差圧による力により第２ピストン２１０側に押し出され、先端が第２ピストン２１０に接する。このとき、差圧による力が作用しない第１ベーン３４１も、突起部３４２ａとばね３４３により、第２ベーン３４２と共に第１ピストン２０９側に押し出される。ここで、第１ベーン３４１の往復運動のストロークは、第１ピストン２０９の偏心量ｅ１の２倍であり、第２ベーン３４２の往復運動のストロークは、第２ピストン２１０の偏心量ｅ２の２倍であるので、上死点を基準に考えると、第２ベーン３４２が第１ベーン３４１を押そうとする距離と、第１ベーン３４１が移動する距離が一致しない。しかし、第１ピストン２０９と第２ピストン２１０の偏心量の差の２倍のストロークを持つばね３４３を配置したことにより、その距離の差を吸収することができる。従って、第１ピストン２０９の偏心量ｅ１と、第２ピストン２１０の偏心量ｅ２が異なる場合においても、第１ベーン３４１の先端と第１ピストン２０９の密着を保つことができ、第１ベーン３４１が第１ピストン２０９から離れて膨張機の作動室２１５ａ、２１５ｂが形成されずにシャフト２０３の回転が不安定になることや、作動流体が漏れることによる性能低下が防止され、高効率で安定した動作の膨張機を提供することができる。
また、第１シリンダ２０５と第１ベーン３４１との間にばね３４３を設けても第１ベーン３４１を押し出す効果は得られるが、第１ベーン３４１の背面と第２ベーン３４２の突起部３４２ａの間にばね３４３を設けたことにより、ばね３４３のストロークが小さくて済み、上述した５ｋｇｆ／ｍｍ程度のばねをよりコンパクトにすることができる。従って、ベーン３４１の背後の限られたスペースの中に配置することができる。
また、ばね３４３のばね定数を、第２ベーン３４２に作用する差圧による力の１／４程度の力とした理由については、第２ベーン３４２に作用する差圧による力は、ばね３４３の反力により１／４程度減少するが、それでも第２ベーン３４２を押し出す力は十分に残っており、かつ、第１ベーン３４１を押し出す力は、第２ベーン３４２に作用する差圧による力の１／４程度の力があれば十分であるからである。
（実施の形態６）
図１０は、本発明の実施の形態６の膨張機３５０の構成を示す縦断面図、図１１Ａは図１０の膨張機のＤ４−Ｄ４線における横断面図、図１１Ｂは図１０の膨張機のＤ５−Ｄ５線における横断面図、また、図１２Ａは図１０の膨張機の第１ベーンの斜視図、図１２Ｂは図１０の膨張機の第２ベーンの斜視図である。本実施の形態６の膨張機３５０の構成は、ベーンおよび中板を除いて図１９、図２０を用いて説明した、第１シリンダ２０５のベーン溝２０５ａと、第２シリンダ２０６のベーン溝２０６ａが異なる回転方向位置になる場合の従来のロータリ式膨張機４００と同様の構成である。また、同一機能部品については同一番号を使用し、従来例と同一の構成および作用の説明は省くことにする。
本実施の形態６の膨張機３５０では、第１シリンダ２０５のベーン溝２０５ａの位置は、第２シリンダ２０６のベーン溝２０６ａの位置に対し、シャフト２０３の回転方向へ３０ｄｅｇ回転させており、かつ、第１ピストン２０９と第２ピストン２１０の偏心量を等しくしている。第１シリンダ２０５のベーン溝２０５ａには第１ベーン３５１が、第２シリンダ２０６のベーン溝２０６ａには第２ベーン３５２が、それぞれ往復動可能に配置されている。図１２Ａに示すように、第１ベーン３５１の下面側には、突起部３５３が、スリット状の溝にはめ込まれた状態で、ピン３５４で固定されている。また、図１２Ｂに示すように、第２ベーン３５２の上面側には、第２ベーン３５２に加わる力を第１ベーン３５１に伝達する伝達部材としてのリンク部材３５５が取り付けられている。リンク部材３５５は、台座部３５５ａ、ばね部３５５ｂから構成されている。リンク部材３５５は、第２ベーン３５２の上面のスリット状の溝に台座部３５５ａがはめ込まれた状態で、ピン３５６で固定されている。リンク部材３５５の一部をなすばね部３５５ｂは、図１０に示すように、第１シリンダ２０５と第２シリンダ２０６の間に位置し、図１１Ａに示すように、第２ベーン３５２側から第１ベーン３５１の背面側へと円弧状に伸び、第１ベーンの下面側に設けた突起部３５３に接する形状となっている。
このような構成とすることにより、シャフト２０３の回転に伴って各ピストン２０９、２１０が上死点から下死点に向かって移動する際、第２ベーン３５２は、ばね２１４の力に加えて第２シリンダ２０６の内外の差圧による力により第２ピストン２１０側に押し出され、先端が第２ピストン２１０に接する。このとき、第２ベーン３５２に固定されたリンク部材３５５が第１ベーン３５１の突起部３５３を押すことにより、差圧による力が作用しない第１ベーン３５１も、第２ベーン３５２と共に第１ピストン２０９側に押し出される。ここで、第１ベーン３５１は、第２ベーン３５２に対して、シャフト２０３の軸から見て回転方向に約３０ｄｅｇ移動した位置にあるので、第２ピストン２１０が上死点になる位置から、シャフト２０３が約３０ｄｅｇ回転した位置で第１ピストン２０９が上死点となる。
本実施の形態６において、第１ベーン３５１は、第２ベーン３５２に対して、シャフト２０３の軸から見て回転方向に約３０ｄｅｇ移動した位置にある一方、第１ピストン２０９と第２ピストン２１０の偏心方向は同一としている。したがって、第２ピストン２１０が上死点になる位置から、シャフト２０３が約３０ｄｅｇ回転した位置で第１ピストン２０９が上死点となる。第１ベーン３５１と第２ベーン３５２は、ベーン溝２０５ａ、２０６ａの回転方向位置が異なるだけでなく、上死点となるタイミング、すなわち、往復運動の位相も異なる。しかし、リンク部材３５５は、第１シリンダ２０５と第２シリンダ２０６の間に位置し、第２ベーン３５２から第１ベーン３５１の背面側に伸びるばね部３５５ｂが設けられているので、ベーン溝２０５ａ、２０６ａの回転方向位置が異なっていたとしても、第１ベーン３５１は、第２ベーン３５２から力を受けて押し出される。さらに、ばね部３５５ｂが台座部３５５ａを支点として、シャフト２０３の軸に接近する方向と遠ざかる方向との双方向に弾性変形することにより、第１ベーン３５１と第２ベーン３５２の往復運動の位相差を吸収することができる。このとき、第２ベーン３５２が第１ベーン３５１よりも先に上死点となるので、第１ベーン３５１は、ばね部３５５ｂによって弾性付勢され、第２ベーン３５２によって押し出される。
また、第１ベーン３５１のベーン溝２０５ａと第２ベーン３５２のベーン溝２０６ａの方向が３０ｄｅｇ異なるために、往復運動に伴い第１ベーン３５１のリンク部材３５５の台座部３５５ａから、第２ベーン３５２の突起部３５３までの距離が変化しても、リンク部材３５５のばね部３５５ｂと第１ベーン３５１の突起部３５３が滑るので、スムーズに第２ベーン３５２により第１ベーン３５１を押し出すことができる。このように、リンク部材３５５は、第１ベーン３５１と第２ベーン３５２との相対位置関係の変化を吸収しつつ、第２ベーン３５２に加わる力を第１ベーン３５１に伝達する。従って、第１シリンダ２０５のベーン溝２０５ａと、第２シリンダ２０６のベーン溝２０６ａが異なる回転方向位置になる場合においても、第１ベーン３５１の先端と第１ピストン２０９の密着を保つことができ、第１ベーン３５１が第１ピストン２０９から離れて膨張機の作動室２１５ａ、２１５ｂが形成されずにシャフト２０３の回転が不安定になることや、作動流体が漏れることによる性能低下が防止され、高効率で安定した動作の膨張機を提供することができる。
ばね部３５５ｂを有するリンク部材３５５は、耐久性の観点から金属製であることが望ましい。例えば、ばねに適した各種ステンレス鋼（ＳＵＳ３０２、３０４、３１６、６３１等）は、リンク部材３５５の材料として好適である。
なお、本実施の形態では、第１シリンダ２０５のベーン溝２０５ａの位置は、第２シリンダ２０６のベーン溝２０６ａに対し、シャフト２０３の回転方向へ３０ｄｅｇ回転させているが、第１ベーン３５１の往復運動のベクトルが、第２ベーン３５２の往復運動のベクトルの方向に対して、正の成分を有する角度の範囲、すなわち、０ｄｅｇから９０ｄｅｇの間の範囲であれば、同様の効果が得られる。しかし、より顕著な効果を生むには、角度が小さいことが望ましい。
なお、本実施の形態では、第１ピストン２０９の偏心量と第２ピストン２１０の偏心量が等しいとしたが、ばね部３５５ｂを有するリンク部材３５５を用いたことにより、第１シリンダ２０５のベーン溝２０５ａと、第２シリンダ２０６のベーン溝２０６ａが異なる方向で、かつ、実施の形態５のように第１ピストン２０９の偏心量と第２ピストン２１０の偏心量が等しくない場合、具体的には、第１ピストン２０９の偏心量が第２ピストン２１０の偏心量よりも小さい場合においても、同様の効果を発揮する。
なお、本実施の形態では、第２ベーン３５２にリンク部材３５５を設け、リンク部材３５５のばね部３５５ｂが第１ベーン３５１に設けた突起部３５３を押す構成としたが、第１ベーン３５１にリンク部材を、第２ベーン３５２に突起部を設け、リンク部材のばね部を第２ベーン３５２に設けた突起部が押す構成にしても、同様の効果が得られる。
（実施の形態７）
図１３は、本発明の実施の形態７の膨張機３６０の構成を示す縦断面図である。本実施の形態７の膨張機３６０の構成は、ベーンおよび中板を除いて図１７、図１８、および図２１を用いて説明した従来のロータリ式膨張機２００と同様の構成である。また、同一機能部品については同一番号を使用し、従来例と同一の構成および作用の説明は省くことにする。
本実施の形態７の膨張機３６０では、シャフト２０３に対する第１ピストン２０９と第２ピストン２１０の偏心方向および偏心量を等しくしている。第１シリンダ２０５のベーン溝２０５ａには第１ベーン３６１が、第２シリンダ２０６のベーン溝２０６ａには第２ベーン３６２が、それぞれ往復動可能に配置されている。第１ベーン３６１の下面には突起部３６１ａを、第２ベーン３６２の上面には突起部３６２ａを設けている。第２ベーン３６２の突起部３６２ａが、第１ベーン３６１の突起部３６１ａを押すことができるように、突起部３６１ａ、３６２ａを互いに接した状態にする。
このような構成とすることにより、シャフト２０３の回転に伴って各ピストン２０９、２１０が上死点から下死点に向かって移動する際、第２ベーン３６２は、ばね２１４の力に加えて第２シリンダ２０６の内外の差圧による力により第２ピストン２１０側に押し出され、先端が第２ピストン２１０に接する。このとき、突起部３６２ａにより突起部３６１ａを介して、差圧による力が作用しない第１ベーン３６１も、第２ベーン３６２と共に第１ピストン２０９側に押し出される。従って、第１ベーン３６１の先端と第１ピストン２０９の密着を保つことができ、第１ベーン３６１が第１ピストン２０９から離れて膨張機の作動室２１５ａ、２１５ｂが形成されずにシャフト２０３の回転が不安定になることや、作動流体が漏れることによる性能低下が防止され、高効率で安定した動作の膨張機を提供することができる。
また、第１ベーン３６１の突起部３６１ａと第２ベーン３６２の突起部３６２ａの間で力を伝達するので、第２ベーン３６２の突起部３６２ａの大きさを、実施の形態１〜６の場合よりも小さくすることができ、突起部３６２ａが第１ベーン３６１を押す力の反作用により第２ベーン３６２に生じるモーメントを小さくすることができる。従って、モーメントにより第２ベーン３６２が傾き、第２シリンダ２０６のベーン溝２０６ａの上下を覆う中板３０４と軸受２０８との間で、第２ベーン３６２がねじれることを防止できる。従って、信頼性の高い膨張機を提供することができる。
以上に説明した本発明の多段ロータリ式膨張機は、冷凍サイクルにおける冷媒の膨張エネルギーを回収する動力回収装置として有用であるとともに、冷媒以外の圧縮性流体（例えば蒸気）からのエネルギー回収装置としても有用である。
また、本明細書は、２段のシリンダによって１つの膨張室を形成する構成の膨張機を例にいくつかの実施の形態を説明したが、３段以上のシリンダによって複数の膨張室を形成し、それら複数の膨張室を用いて冷媒を段階的に膨張させる構成の膨張機にも本発明の要旨を好適に採用できる。
本発明の実施の形態１における膨張機の縦断面図 図１Ａに示すベーンの拡大図 図１に示す膨張機を好適に採用できる冷凍サイクル装置のブロック図 本発明の実施の形態２における膨張機の縦断面図 図２に示す膨張機の第１ベーンの正面図および底面図 図２に示す膨張機の連結部材の斜視図 図２に示す膨張機の第２ベーンの平面図および正面図 連結部材の別の例の斜視図 連結部材の別の例の斜視図 本発明の実施の形態３における膨張機の縦断面図 図４に示す膨張機のベーンの拡大図 本発明の実施の形態３における別の膨張機の縦断面図 本発明の実施の形態４における膨張機の縦断面図 本発明の実施の形態５における膨張機の縦断面図 図８に示す膨張機のＤ２−Ｄ２線における横断面図 図８に示す膨張機のＤ３−Ｄ３線における横断面図 本発明の実施の形態６における膨張機の縦断面図 図１０に示す膨張機のＤ４−Ｄ４線における横断面図 図１０に示す膨張機のＤ５−Ｄ５線における横断面図 図１０に示す膨張機の第１ベーンの斜視図 図１０に示す膨張機の第２ベーンの斜視図 本発明の実施の形態７における膨張機の縦断面図 従来の膨張機の縦断面図 図１４の膨張機のＤ１−Ｄ１線における横断面図 図１４の膨張機のＤ１−Ｄ１線における拡大横断面図 従来の膨張機の縦断面図 図１７に示す膨張機のＤ２−Ｄ２線における横断面図 図１７に示す膨張機のＤ３−Ｄ３線における横断面図 従来の膨張機の縦断面図 図１９に示す膨張機のＤ４−Ｄ４線における横断面図 図１９に示す膨張機のＤ５−Ｄ５線における横断面図 図１７に示す膨張機のＤ２−Ｄ２線における拡大横断面図 図１７に示す膨張機のＤ３−Ｄ３線における拡大横断面図 従来の膨張機の膨張機構部における拡大横断面図

Claims (18)

  1. 軸方向に沿った上下に第１偏心部および第２偏心部を有するシャフトと、
    前記第１偏心部に取り付けられ、偏心回転運動する第１ピストンと、
    内面の一部が前記第１ピストンと接するように配置された第１シリンダと、
    前記第１シリンダに設けられた第１ベーン溝に往復動可能に配置され、先端が前記第１ピストンに接することにより、前記第１シリンダと前記第１ピストンとの間の空間を、第１吸入側空間と第１吐出側空間とに区画する第１ベーンと、
    前記第２偏心部に取り付けられ、偏心回転運動する第２ピストンと、
    内面の一部が前記第２ピストンと接するように配置された第２シリンダと、
    前記第２シリンダに設けられた第２ベーン溝に往復動可能に配置され、先端が前記第２ピストンに接することにより、前記第２シリンダと前記第２ピストンとの間の空間を、第２吸入側空間と第２吐出側空間とに区画し、かつ前記第２シリンダの外部の高圧雰囲気によって前記第２ピストンに向かう方向の力が加わる第２ベーンと、
    前記第１吸入側空間へ膨張前の作動流体を吸入させる吸入路と、
    前記第１吐出側空間と前記第２吸入側空間を連通し、前記作動流体を膨張させるための作動室を形成する連通路と、
    前記第２吐出側空間から膨張後の前記作動流体を吐出させる吐出路とを備え、
    前記第２ベーンが前記第２ピストン側に移動する際に、前記第１ピストンに向かう方向の力を前記第２ベーンが前記第１ベーンに加える、多段ロータリ式膨張機。
  2. 前記第１ベーンと前記第２ベーンとは、それぞれ、単一部品からなるＵ字状のベーンの一端部と他端部をなし、相対位置関係が不変である、請求項１に記載の多段ロータリ式膨張機。
  3. 前記シャフトの軸からの距離が常に等しくなるように、前記第１ベーンの先端と前記第２ベーンの先端とが揃っている、請求項２に記載の多段ロータリ式膨張機。
  4. 前記第１ベーンと前記第２ベーンとは、別々の部品で構成され、相対位置関係の変化が許容されている、請求項１に記載の多段ロータリ式膨張機。
  5. 前記第２ベーンに加わる力を前記第１ベーンに伝達し、前記第２ベーンの動きに前記第１ベーンの動きを連鎖させる、伝達部材をさらに備えた、請求項４に記載の多段ロータリ式膨張機。
  6. 前記伝達部材が、前記第１ベーンと前記第２ベーンとを連結する連結部材である、請求項５に記載の多段ロータリ式膨張機。
  7. 前記連結部材は、前記第１ベーンの往復動の方向に対して垂直な方向に可動である、請求項６に記載の多段ロータリ式膨張機。
  8. 前記連結部材の少なくとも一部は、弾性体である、請求項６に記載の多段ロータリ式膨張機。
  9. 前記シャフトの軸と平行な方向に関し、前記弾性体が、前記第１シリンダと前記第２シリンダとの間に配置されている、請求項８に記載の多段ロータリ式膨張機。
  10. 前記第２ベーンに設けられた突起が、前記第１ベーンを押す、請求項４に記載の多段ロータリ式膨張機。
  11. 前記第２ベーンが、前記第１ベーンに設けられた突起を押す、請求項４に記載の多段ロータリ式膨張機。
  12. 前記第２ベーンが、前記第１ベーンを、弾性体を介して押す、請求項４に記載の多段ロータリ式膨張機。
  13. 前記第１ピストンの偏心量が、前記第２ピストンの偏心量よりも小さい、請求項１２に記載の多段ロータリ式膨張機。
  14. 前記伝達部材は、前記第１ベーンと前記第２ベーンとの相対位置関係の変化を吸収しつつ、前記第２ベーンに加わる力を前記第１ベーンに伝達する、請求項５記載の多段ロータリ式膨張機。
  15. 前記伝達部材の少なくとも一部が弾性変形可能であり、その弾性変形可能な一部によって前記第１ベーンが弾性付勢される、請求項１４に記載の多段ロータリ式膨張機。
  16. 前記第１ピストンの偏心量が、前記第２ピストンの偏心量よりも小さい、請求項１５に記載の多段ロータリ式膨張機。
  17. 前記第１ベーン溝の回転方向位置と、前記第２ベーン溝の回転方向位置とが異なる、請求項１５に記載の多段ロータリ式膨張機。
  18. 冷媒を圧縮する圧縮機と、
    前記圧縮機で圧縮された冷媒を放熱させる放熱器と、
    前記放熱器で放熱した冷媒を膨張させる膨張機と、
    前記膨張機で膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器とを備え、
    前記膨張機が、請求項１記載の多段ロータリ式膨張機からなる、冷凍サイクル装置。
JP2006524997A 2005-06-08 2006-05-12 多段ロータリ式膨張機およびそれを備えた冷凍サイクル装置 Expired - Fee Related JP3904222B2 (ja)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2005167950 2005-06-08
JP2005167950 2005-06-08
PCT/JP2006/309557 WO2006132053A1 (ja) 2005-06-08 2006-05-12 多段ロータリ式膨張機およびそれを備えた冷凍サイクル装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP3904222B2 JP3904222B2 (ja) 2007-04-11
JPWO2006132053A1 true JPWO2006132053A1 (ja) 2009-01-08

Family

ID=37498259

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2006524997A Expired - Fee Related JP3904222B2 (ja) 2005-06-08 2006-05-12 多段ロータリ式膨張機およびそれを備えた冷凍サイクル装置

Country Status (4)

Country Link
US (1) US8251682B2 (ja)
EP (1) EP1895093A4 (ja)
JP (1) JP3904222B2 (ja)
WO (1) WO2006132053A1 (ja)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008108062A1 (ja) * 2007-03-01 2008-09-12 Panasonic Corporation ２段ロータリ式膨張機、膨張機一体型圧縮機および冷凍サイクル装置
JP5341075B2 (ja) * 2008-05-23 2013-11-13 パナソニック株式会社 流体機械および冷凍サイクル装置
JP2010243148A (ja) * 2009-03-17 2010-10-28 Panasonic Corp 冷凍サイクル装置
CN102472533A (zh) * 2010-03-17 2012-05-23 松下电器产业株式会社 制冷循环装置
JP6099550B2 (ja) * 2013-12-09 2017-03-22 三菱電機株式会社 ベーン型２段圧縮機
CN107989794B (zh) * 2017-11-23 2023-10-03 珠海格力节能环保制冷技术研究中心有限公司 多级压缩机及具有其的空调器

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05149281A (ja) 1991-11-25 1993-06-15 Daikin Ind Ltd 二気筒ロータリー圧縮機
JPH08338356A (ja) * 1995-06-13 1996-12-24 Toshiba Corp ローリングピストン式膨張機
JP3627454B2 (ja) 1997-06-30 2005-03-09 松下電器産業株式会社 ２気筒回転式圧縮機
JP2003343467A (ja) 2002-05-31 2003-12-03 Mitsubishi Heavy Ind Ltd ロータリ圧縮機
JP3674625B2 (ja) * 2003-09-08 2005-07-20 ダイキン工業株式会社 ロータリ式膨張機及び流体機械
JP2005265278A (ja) * 2004-03-18 2005-09-29 Daikin Ind Ltd 冷凍装置

Also Published As

Publication number Publication date
US8251682B2 (en) 2012-08-28
WO2006132053A1 (ja) 2006-12-14
EP1895093A1 (en) 2008-03-05
EP1895093A4 (en) 2010-08-25
US20090229302A1 (en) 2009-09-17
JP3904222B2 (ja) 2007-04-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP3904222B2 (ja) 多段ロータリ式膨張機およびそれを備えた冷凍サイクル装置
JP4407771B2 (ja) 回転式流体機械
JP3757977B2 (ja) 回転式流体機械
JP2013185523A (ja) 圧縮機及び冷凍サイクル装置
JP6028087B2 (ja) 回転式圧縮機および冷凍サイクル装置
JP4143685B2 (ja) 多段ロータリ型流体機械および冷凍サイクル装置
JP4622678B2 (ja) ロータリ圧縮機
JP2002138979A (ja) 複数シリンダロータリ圧縮機
CN110966190A (zh) 压缩机的滑片和具有其的压缩机构以及压缩机
CN111720311A (zh) 旋转压缩机和制冷循环系统
CN110762006B (zh) 旋转式压缩机和制冷设备
JP2009108762A (ja) 回転式流体機械
JP6078393B2 (ja) 回転式圧縮機、冷凍サイクル装置
JP2003328932A (ja) 往復動式圧縮機の二重シリンダ装置
KR102547592B1 (ko) 베인 로터리 압축기
JP2008157101A (ja) ロータリ式圧縮機及び冷凍サイクル装置
WO2018138840A1 (ja) 回転圧縮機
CN104832434B (zh) 旋转式压缩机及具有其的制冷系统装置
JP2006329140A (ja) 膨張機
JP2007077946A (ja) 多段ロータリ型膨張機
KR20120045958A (ko) 압축기
JP2003286978A (ja) ヘリカルブレ−ド式ポンプ
JPH10299679A (ja) 回転式圧縮機
JP5095320B2 (ja) ロータリ流体機械および冷凍サイクル装置
KR20010020815A (ko) 용량고정형 편측사판식 압축기

Legal Events

Date Code Title Description
TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20070104

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20070105

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110119

Year of fee payment: 4

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110119

Year of fee payment: 4

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120119

Year of fee payment: 5

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130119

Year of fee payment: 6

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130119

Year of fee payment: 6

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees