(57)【要約】シリンダ内壁（２１ａ、４１ａ）の周方向に複数の吐出孔（２８、２９、４８、４９、５０）を設け、そのうち作動室（２５、４５）が吐出過程の初期の段階で連通する吐出孔（２８、４８）を、シリンダ（２１、４１）とロータ（２３、４３）の小隙間（２２、４２）からシャフトの回転方向に｛１８０×（１＋１／ｎ）｝度の位置に設け、かつ、バルブ機構（３０ａ，３０ｂ、５１ａ，５１ｂ、５２ａ，５２ｂ）を備えることにより、容積比を可変として不完全膨張損失や過膨張損失を防止し、高効率なベーンロータリ膨張機を提供する。
2003089766.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも、高圧の作動流体を膨張させる複数の作動室（２５、４５）と、前記作動室（２５、４５）内における作動流体の膨張により回転動力を得るシャフト（２６、４６）とを有する膨張機において、
吐出過程を行う作動室（２５、４５）に最初に連通する吐出孔（２８、４８）と同作動室（２５、４５）に後続して連通する吐出孔（２９、４９、５０）からなる複数の吐出孔（２８、２９、４８、４９、５０）を設け、少なくとも、前記最初に連通する吐出孔（２８、４８）に、作動流体の逆流を阻止するバルブ機構（３０ａ，３０ｂ、５１ａ，５１ｂ）を設けることを特徴とする膨張機。
【請求項２】
筒状内壁（２１ａ、４１ａ）を有するシリンダ（２１、４１）と、その両端を閉塞する側板と、前記シリンダ（２１、４１）の内部に配設され、外周の一部が前記シリンダ内壁（２１ａ、４１ａ）と小隙間（２２、４２）を形成するロータ（２３、４３）と、前記ロータ（２３、４３）に設けられたベーン溝内（２３ａ、４３ａ）に一端が摺動自在に挿入され、他端が前記シリンダ内壁（２１ａ、４１ａ）と接触し、前記シリンダ（２１、４１）と前記ロータ（２３、４３）の間に複数の作動室（２５、４５）を形成するベーン（２４、４４）と、前記ロータ（２３、４３）と一体的に形成され回転自在に軸支持されるシャフト（２６、４６）から構成され、高圧の作動流体を前記作動室（２５、４５）内で膨張させることにより、前記シャフト（２６、４６）の回転動力を得るベーンロータリ膨張機において、
前記シリンダ（２１、４１）の周方向に、吐出過程を行う作動室（２５、４５）に最初に連通する吐出孔（２８、４８）と同作動室（２５、４５）に後続して連通する吐出孔（２９、４９、５０）からなる複数の吐出孔（２８、２９、４８、４９、５０）を設け、少なくとも、前記最初に連通する吐出孔（２８、４８）に、作動流体の逆流を阻止するバルブ機構（３０ａ，３０ｂ、５１ａ，５１ｂ）を設けることを特徴とするベーンロータリ膨張機。
【請求項３】
前記ベーン（２４、４４）がｎ枚のとき、前記最初に連通する吐出孔（２８、４８）は、前記小隙間（２２、４２）から前記シャフト（２６、４６）の回転方向に略｛１８０×（１＋１／ｎ）｝度の位置の前記シリンダ（２１、４１）に設けるとともに、前記後続して連通する吐出孔（２９、４９、５０）は、前記小隙間（２２、４２）から前記シャフト（２６、４６）の回転方向に略｛１８０×（１＋１／ｎ）｝度から３６０度の間の前記シリンダ（２１、４１）に設けることを特徴とする請求の範囲第２項に記載のベーンロータリ膨張機。
【請求項４】
前記最初に連通する吐出孔（２８、４８）と前記後続して連通する吐出孔（２９、４９、５０）の間ならびに／もしくは前記後続して連通する吐出孔（４９、５０）同士に挟まれた前記シリンダ（２１、４１）の前記シャフト（２６、４６）の周りの中心角が、（３６０／ｎ）度以下であることを特徴とする請求の範囲第３項に記載のベーンロータリ膨張機。
【請求項５】
液相あるいは超臨界相から気液二相に膨張する作動流体を用いて運転することを特徴とする請求の範囲第１から第４項のいずれか１項に記載のベーンロータリ膨張機。
【請求項６】
二酸化炭素を主成分とする作動流体を用いて運転することを特徴とする請求の範囲第１から第４項のいずれか１項に記載のベーンロータリ膨張機。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、高圧の圧縮性流体によって作動して回転動力を発生する原動機としての膨張機に関するものである。
背景技術
ベーンロータリ膨張機は容積型流体機械の一種であり、その基本構成は、例えば特開昭５７−２１０１０１号公報に記載されている。
ベーンロータリ膨張機の構成を説明する。図４は従来のベーンロータリ膨張機の横断面図である。１は筒状の内壁１ａを有するシリンダであり、その両端には側板（図示せず）が設けられている。シリンダ１の内部には、外周の一部がシリンダ１の内壁１ａと小隙間２を形成する円柱形状のロータ３が配設されている。ロータ３には９０度のピッチで上下端面に垂直な溝３ａが設けられている。溝３ａにはベーン４が、その一端側を摺動自在に挿入されており、ベーン４の他端はシリンダ１の内壁１ａと接している。作動室５は、シリンダ１の内壁１ａ、ロータ３およびベーン４に囲まれた空間５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅに形成される。シャフト６はロータ３と一体的に形成され、回転自在に軸支持されている。シリンダ１には作動室５に作動流体を流入させる吸入孔７と、作動室５から作動流体を流出させる吐出孔８が設けられている。なお、吐出孔８にはシリンダ１の内壁１ａに対してある周方向の範囲で開口させるべく、開口部８ａが設けられている。開口部８ａを設ける範囲は、ベーン４の枚数をｎとすると、小隙間２からシャフト６の矢印で示す回転方向に｛１８０×（１＋１／ｎ）｝度の位置に始まり、小隙間２の近傍に終る範囲である。なお、図４における開口部８ａの開始位置は、ベーン４が４枚なので、２２５度である。シリンダ１の側方にはカバー９が備えられており、カバー９の内部には吸入孔７に作動流体を導く吸入経路１０と、吐出孔８から流出した作動流体を一旦蓄える吐出室１１と、吐出室１１から作動流体を外部へ流出させる吐出経路１２が形成されている。
次に、ベーンロータリ膨張機の動作を、作動室５に着目して説明する。作動室５は小隙間２の吸入孔７側の空間５ａで生成する。その後、ロータ３の回転に伴い容積を増加しつつ、吸入孔７から高圧側の圧力Ｐｓの作動流体を吸入する過程、すなわち、吸入過程を行う。作動室５が空間５ｂの位置に達すると、吸入孔７との連通が断たれて密閉空間となる。その後、ロータ３の回転に伴い容積は増加し、内部の作動流体の圧力が低下してゆく過程、すなわち、膨張過程を行う。作動室５は空間５ｃの位置で容積が最大となり、その直後、吐出孔８の開口部８ａと連通する。その後、ロータ３の回転に伴い容積を減少させつつ、吐出孔８から吐出室１１へ作動流体を吐出する過程、すなわち、吐出過程を行う。
ベーンロータリ膨張機は、膨張過程において作動流体が膨張減圧してゆく際に、隣り合う作動室５の圧力差によりベーン４に働く力を利用してロータ３を回転させ、ロータ３と一体に形成されたシャフト６の回転動力を得るものである。
以上の構成を有する従来のベーンロータリ膨張機においては、吸入容積は吸入過程終了直後の作動室５である空間５ｂの容積Ｖｂであり、吐出容積は吐出過程開始直前の作動室５である空間５ｃの容積Ｖｃである。Ｖｂ、Ｖｃは膨張機に固有であるため、容積比（Ｖｂ／Ｖｃ）は一定となる。作動流体の断熱指数をκ、吐出過程開始直前の作動室５である空間５ｃの圧力をＰｃとし、吸入過程終了直後の作動室５である空間５ｂの圧力は吸入圧力Ｐｓであることを考慮すると、式（１）の関係が成り立つ。
2003089766.tif 000003
上式より、吐出過程開始直前の圧力Ｐｃは、膨張機入口の圧力である吸入圧力Ｐｓと容積比（Ｖｂ／Ｖｃ）により決まる。しかし、膨張機出口の低圧側の圧力Ｐｄは膨張機の組込まれたシステムにより決まるため、一定とは限らない。従って、完全膨張（Ｐｃ＝Ｐｄ）以外に、不完全膨張（Ｐｃ＞Ｐｄ）、あるいは、過膨張（Ｐｃ＜Ｐｄ）が起こると想定される。図５Ａ〜５Ｂに作動室５のＰＶ線図を示す。図５Ａは不完全膨張（Ｐｃ＞Ｐｄ）の場合を示し、図５Ｂは過膨張（Ｐｃ＜Ｐｄ）の場合を示す。
不完全膨張（Ｐｃ＞Ｐｄ）の場合を図５Ａを用いて説明する。吸入過程はＡＢであり、作動室５は、吸入圧力Ｐｓで容積をＶｂまで増加しながら、吸入孔７より作動流体を吸入する。膨張過程はＢＣであり、作動室５内部の作動流体は圧力Ｐｃ、容積Ｖｃまで断熱膨張する。Ｃでは作動室５は図４の空間５ｃに位置しており、そこからロータ３が僅かに回転すると、作動室５は吐出孔８の開口部８ａと連通する。このとき、作動室５の圧力Ｐｃは、不完全膨張のため吐出室１１の圧力Ｐｄよりも高くなっており、作動流体は吐出孔８から吐出室１１へと流出する。従って、作動室５は容積がＶｃで一定のまま、圧力がＰｃからＰｄへと低下する。これは図５ＡのＣＦに相当する。吐出過程はＦＧであり、作動室５は、吐出圧力Ｐｄで容積を減らす。以上の過程で膨張機が得た動力はＡＢＣＦＧの面積に相当する。一方、完全膨張（Ｐｃ＝Ｐｄ）が行われた場合に得られる動力はＡＢＥＧの面積に相当する。従って、膨張機ではＣＥＦの面積に相当する不完全膨張損失が発生したことになる。
次に、過膨張（Ｐｃ＜Ｐｄ）の場合を図５Ｂを用いて説明する。吸入過程はＡＢであり、作動室５は、吸入圧力Ｐｓで容積をＶｂまで増加しながら、吸入孔７より作動流体を吸入する。膨張過程はＢＣであり、作動室５内部の作動流体は圧力Ｐｃ、容積Ｖｃまで断熱膨張する。Ｃでは作動室５が図４の５ｃに位置しており、そこからロータ３が僅かに回転すると、作動室５は吐出孔８の開口部８ａと連通する。このとき、過膨張のため作動室５の圧力Ｐｃは吐出室１１の圧力Ｐｄよりも低くなっており、吐出室１１の作動流体が吐出孔８から作動室５へと逆流する。従って、作動室５は容積がＶｃで一定のまま、圧力がＰｃからＰｄへと増加する。これは図５ＢのＣＨに相当する。吐出過程はＨＪであり、作動室５は、吐出圧力Ｐｄで容積を減らす。吸入、膨張過程で膨張機が得た動力はＡＢＣＤの面積に相当するが、過膨張による逆流により吐出過程にＪＨＣＤの面積に相当する動力を要するため、全過程で得られる動力はこれらの差である。一方、完全膨張（Ｐｃ＝Ｐｄ）が行われた場合に得られる動力はＡＢＩＪの面積に相当する。従って、膨張機ではＩＨＣの面積に相当する過膨張損失が発生したことになる。
以上のように、従来のベーンロータリ膨張機においては、容積比（Ｖｃ／Ｖｂ）が一定であるために不完全膨張損失や過膨張損失が発生し、完全膨張の場合に作動流体から得ることができる動力よりも少ない動力しか得ることができないという課題があった。
そこで本発明は、上記従来の課題を解決するもので、シリンダ内壁の周方向に複数の吐出孔を設け、容積比を可変として動力損失を無くすことにより、高効率なベーンロータリ膨張機を提供することを目的とする。
発明の開示
上記の課題を解決するために、本発明のベーンロータリ膨張機は、少なくとも、高圧の作動流体を膨張させる複数の作動室と、前記作動室内における作動流体の膨張により回転動力を得るシャフトとを有する膨張機において、吐出過程を行う作動室に最初に連通する吐出孔と同作動室に後続して連通する吐出孔からなる複数の吐出孔を設け、少なくとも、前記最初に連通する吐出孔に、作動流体の逆流を阻止するバルブ機構を設けることを特徴とする。
また、本発明のベーンロータリ膨張機は、筒状内壁を有するシリンダと、その両端を閉塞する側板と、前記シリンダの内部に配設され、外周の一部が前記シリンダ内壁と小隙間を形成するロータと、前記ロータに設けられたベーン溝内に一端が摺動自在に挿入され、他端が前記シリンダ内壁と摺動し、前記シリンダと前記ロータの間に複数の作動室を形成するベーンと、前記ロータと一体的に形成され回転自在に軸支持されるシャフトから構成され、高圧の作動流体を前記作動室内で膨張させることにより、前記シャフトの回転動力を得るベーンロータリ膨張機において、前記シリンダの周方向に、吐出過程を行う作動室に最初に連通する吐出孔と同作動室に後続して連通する吐出孔からなる複数の吐出孔を設け、少なくとも、前記最初に連通する吐出孔に、作動流体の逆流を阻止するバルブ機構を設けることを特徴とする。
また、本発明のベーンロータリ膨張機は、前記ベーンがｎ枚のとき、前記最初に連通する吐出孔は、前記小隙間から前記シャフトの回転方向に略｛１８０×（１＋１／ｎ）｝度の位置の前記シリンダに設けるとともに、前記後続して連通する吐出孔は、前記小隙間から前記シャフトの回転方向に略｛１８０×（１＋１／ｎ）｝度から３６０度の間の前記シリンダに設けることを特徴とする。
また、本発明のベーンロータリ膨張機は、前記最初に連通する吐出孔と前記後続して連通する吐出孔の間ならびに／もしくは前記後続して連通する吐出孔同士に挟まれた前記シリンダの前記シャフトの周りの中心角が、（３６０／ｎ）度以下であることを特徴とする。
また、本発明のベーンロータリ膨張機は、液相あるいは超臨界相から気液二相に膨張する作動流体を用いて運転することを特徴とする。
また、本発明のベーンロータリ膨張機は、二酸化炭素を主成分とする作動流体を用いて運転することを特徴とする。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
（実施の形態１）
図１は実施の形態１のベーンロータリ膨張機の横断面図である。２１は筒状の内壁２１ａを有するシリンダであり、その上下端には側板（図示せず）が設けられている。シリンダ２１の内部には、外周の一部がシリンダ２１の内壁２１ａと小隙間２２を形成する円柱形状のロータ２３が配設されている。ロータ２３には９０度のピッチで上下端面に垂直な溝２３ａが設けられている。溝２３ａにはベーン２４が、その一端側を摺動自在に挿入されており、ベーン２４の他端はシリンダ２１の内壁２１ａと接している。作動室２５は、シリンダ２１の内壁２１ａ、ロータ２３およびベーン２４に囲まれた空間２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄ、２５ｅに形成される。シャフト２６はロータ２３と一体的に形成され、回転自在に軸支持されている。シリンダ２１には作動室２５に作動流体を流入させる吸入孔２７と、作動室２５から作動流体を流出させる第１の吐出孔２８、第２の吐出孔２９が設けられている。第１の吐出孔２８は、ベーン２４の枚数をｎとすると、小隙間（ロータ２３とシリンダ内壁２１ａとの隙間が最小の位置）２２からシャフト２６の矢印で示す回転方向に｛１８０×（１＋１／ｎ）｝度の位置に設けられている。図１では、ベーン２４が４枚なので、２２５度の位置である。また、第１の吐出孔２８には、リードバルブ３０ａとバルブストップ３０ｂから成るバルブ機構が備えられている。第２の吐出孔２９は、小隙間２２の近傍に設けられており、かつ、第２の吐出孔２９の一部が小隙間２２からシャフト２６の回転方向に３１５度の位置を含む形状としており、バルブ機構は備えられていない。なお、第２の吐出孔２９の位置はこの限りではなく、第１、第２の吐出孔２８、２９の間のシリンダ２１の内壁２１ａのシャフト２６周りの中心角が、ベーン２４の枚数をｎ枚とすると（３６０／ｎ）度以下であり、かつ、第２の吐出孔２９が小隙間２２の近傍を含めば良い。
吸入孔２７は、膨張機が組み込まれるシステムで想定される膨張比の最大値Ｒｍａｘと、作動流体の断熱指数κを用いて、吸入過程終了時の作動室２５である空間２５ｂの容積Ｖｂと容積最大時の作動室２５である空間２５ｃの容積Ｖｃが式（２）の関係を持つような位置に設ける。
2003089766.tif 000004
なお、吸入過程終了時の作動室２５である空間２５ｂの容積Ｖｂは、吸入孔２７の位置を小隙間２２に近づけると小さくなり、遠ざけると大きくなる。上記式（２）を満たすような位置に吸入孔２７を設けることにより、不完全膨張（Ｐｃ＞Ｐｄ）は起こらず、常に過膨張（Ｐｃ＜Ｐｄ）が生じることになる。
シリンダ２１の側方にはカバー３１が備えられており、カバー３１の内部には吸入孔２７に作動流体を導く吸入経路３２と、第１、第２の吐出孔２８、２９から流出した作動流体を一旦蓄える吐出室３３と、吐出室３３から作動流体を外部へ流出させる吐出経路３４が形成されている。
次に、本実施の形態のベーンロータリ膨張機の動作を、作動室２５に着目して説明する。図２は実施の形態１のベーンロータリ膨張機の作動室２５のＰＶ線図である。作動室２５は小隙間２２の吸入孔２７側の空間２５ａで生成する。その後、ロータ２３の回転に伴い容積を増加しつつ、吸入孔２７から高圧側の圧力Ｐｓの作動流体を吸入する過程、すなわち、吸入過程を行う。吸入過程は図２のＡＢに相当する。作動室２５が空間２５ｂの位置に達すると、吸入孔２７との連通が断たれて密閉空間となり、その後、ロータ２３の回転に伴い容積は増加し、内部の作動流体の圧力は低下してゆく過程、すなわち、膨張過程を行う。膨張過程は図２のＢＣに相当する。作動室２５は空間２５ｃの位置で容積が最大となる。
この時点は、図２のＣに相当し、作動室２５の圧力Ｐｃが吐出圧力Ｐｄよりも低くなる過膨張が起こっている。そして、ロータ２３が僅かに回転した瞬間、空間２５ｃに位置する作動室２５は第１の吐出孔２８と連通する。ここで、第１の吐出孔２８にリードバルブ３０ａを設けていなければ、圧力Ｐｄの吐出室３３から作動室２５に作動流体が流れ込み、容積がＶｃで一定のまま作動室２５の圧力がＰｃからＰｄまで上昇する。すなわち、図２のＣからＨに移行する。しかし、本実施の形態では、第１の吐出孔２８にリードバルブ３０ａを設けており、リードバルブ３０ａは吐出室３３の圧力Ｐｄと作動室２５の圧力Ｐｃの圧力差により第１の吐出孔２８を閉じているため、吐出室３３から作動室２５に作動流体が流れ込むことを防止できる。その後、作動室２５は、ロータ３の回転に伴い容積を減少させてゆくが、第１の吐出孔２８がリードバルブ３０ａによって閉じられたままなので、作動室２５では圧縮が起こり、圧力は再び図２のＣＢを辿って上昇する。そして、作動室２５の圧力がＰｄを超えた瞬間、すなわち、図２のＩで、初めてリードバルブ３０ａが開く。このＣＩに相当する過程を再圧縮過程と呼ぶ。その後、ロータ２３の回転に伴い作動室２５は容積を減少させつつ、第１の吐出孔２８から低圧側の圧力Ｐｄの作動流体を吐出する過程、すなわち、吐出過程を行う。吐出過程において、作動室２５が空間２５ｄから空間２５ｅの位置まで移動する間に第１の吐出孔２８との連通が無くなるが、第２の吐出孔２９の一部が小隙間２２からシャフト２６の回転方向に３１５度の位置、すなわち、ベーンをｎ枚とすると、第１の吐出孔２８からベーン２４のピッチである（３６０／ｎ）度だけ周方向に移動した位置を含む形状としたため、作動室２５からの吐出は第２の吐出孔２９から継続して行われる。吐出過程は図２のＩＪに相当する。
本実施の形態では、二つの吐出孔２８、２９を設けたことにより、ロータ２３の回転に伴い、空間２５ｄに位置する作動室２５と第１の吐出孔２８との連通が断たれても、もう一方の第２の吐出孔２９と連通するため、吐出過程の作動室２５から作動流体が吐出できなくなることを防止できる。なお、第１、第２の吐出孔２８、２９はシリンダ２１外部から加工するキリ穴でよく、従来のベーンロータリ膨張機においてシリンダ１の内壁１ａに吐出孔８の開口部８ａを設けるよりも加工が簡単であり、低コストのベーンロータリ膨張機を提供できる。
また、第１、第２の吐出孔２８、２９の間のシリンダ２１の内壁２１ａのシャフト２６周りの中心角が、ベーン２４をｎ枚とすると（３６０／ｎ）度以下であり、かつ、第２の吐出孔２９が小隙間２２の近傍を含むように第１、第２の吐出孔２８、２９を配置したことにより、吐出過程の作動室２５は少なくとも第１、第２の吐出孔２８、２９のいずれかと連通しているため、吐出過程の途中で作動室２５が密閉空間となり圧縮による損失が発生することを防止することができる。
また、第１の吐出孔２８にリードバルブ３０ａとバルブストップ３０ｂから成るバルブ機構を備えたことにより、過膨張の際に吐出室３３から作動室２５に作動流体が流れ込むことを防止し、吐出圧力Ｐｄまで再圧縮させることが可能になるので、従来の膨張機で生じていた過膨張損失（図２のＩＨＣの面積に相当）は生じず、高効率なベーンロータリ膨張機を提供できる。
また、リードバルブ３０ａとバルブストップ３０ｂから成るバルブ機構を第１の吐出孔２８にのみ備え、第２の吐出孔２９には備えなくてもいいので、高効率で低コストなベーンロータリ膨張機を提供できる。
また、第１の吐出孔２８を小隙間２２からシャフト２６の回転方向に｛１８０×（１＋１／ｎ）｝度の位置に設けたことにより、作動室２５の容積が最大となった直後に第１の吐出孔２８と連通し、膨張比Ｒｍａｘを大きくできる。
従って、積極的に過膨張を起こして、不完全膨張損失を防止しながら、バルブ機構による再圧縮過程の効果を利用することができるので、高効率なベーンロータリ膨張機を提供できる。
（実施の形態２）
図３は実施の形態２のベーンロータリ膨張機の横断面図である。４１は筒状の内壁４１ａを有するシリンダであり、その上下端には側板（図示せず）が設けられている。シリンダ４１の内部には、外周の一部がシリンダ４１の内壁４１ａと小隙間４２を形成する円柱形状のロータ４３が配設されている。ロータ４３には６０度のピッチで上下端面に垂直な溝４３ａが設けられている。溝４３ａにはベーン４４が、その一端側を摺動自在に挿入されており、ベーン４４の他端はシリンダ４１の内壁４１ａと接している。作動室４５は、シリンダ４１の内壁４１ａ、ロータ４３およびベーン４４に囲まれた空間４５ａ、４５ｂ、４５ｃ、４５ｄ、４５ｅ、４５ｆ、４５ｇに形成される。シャフト４６はロータ４３と一体的に形成され、回転自在に軸支持されている。シリンダ４１には作動室４５に作動流体を流入させる吸入孔４７と、作動室４５から作動流体を流出させる第１、第２、第３の吐出孔４８、４９、５０が設けられている。第１の吐出孔４８は、実施の形態１と同様、ベーン４４の枚数をｎとすると、小隙間４２からシャフト４６の矢印で示す回転方向に｛１８０×（１＋１／ｎ）｝度の位置に設けられている。図３では、ベーン４４が６枚なので、２１０度の位置である。また、第１の吐出孔４８には、リードバルブ５１ａとバルブストップ５１ｂから成るバルブ機構が備えられている。第２の吐出孔４９は、２７０度に設けられており、同じく、リードバルブ５２ａとバルブストップ５２ｂから成るバルブ機構が備えられている。第３の吐出孔５０は、３３０度に設けられており、バルブ機構は備えられていない。なお、第２、第３の吐出孔４９、５０の位置はこの限りではなく、第１、第２、第３の吐出孔４８、４９、５０の間のシリンダ４１の内壁４１ａのシャフト４６の周りの中心角が、ベーン４４をｎ枚とすると（３６０／ｎ）度以下であり、かつ、第３の吐出孔５０が小隙間４２の近傍を含めば良い。
本実施の形態では実施の形態１と同様に、膨張機が組み込まれるシステムで想定される膨張比の最大値においても過膨張が生じるような容積比としておく。
本実施の形態の動作は、ベーン４４の枚数が異なることを除いて、実施の形態１と概略同様であり、吸入過程、膨張過程、再圧縮過程、吐出過程を行う。
本実施の形態では、ベーン４４の枚数を６枚にしたことにより、吸入孔４７の位置を実施の形態１の吸引孔２７の位置と同じとした場合、実施の形態１の４枚の場合よりも、吸入過程終了直後の作動室４５である空間４５ｂの容積Ｖｂと、吐出過程開始直前の作動室４５である空間４５ｄの容積Ｖｄの比である容積比（Ｖｄ／Ｖｂ）を大きくすることができる。従って、より膨張比の大きなシステムに対してもベーンロータリ膨張機を用いることができる。
また、三つの吐出孔４８、４９、５０を設け、第１、第２、第３の吐出孔４８、４９、５０の間のシリンダ４１の内壁４１ａのシャフト４６の周りの中心角が、ベーン４４をｎ枚とすると（３６０／ｎ）度以下であり、かつ、第３の吐出孔５０を小隙間４２の近傍としたことにより、ロータ４３の回転に伴い、空間４５ｅに位置する作動室４５と第１の吐出孔４８との連通が断たれる前に第２の吐出孔４９と連通し、同様に、第２の吐出孔４９との連通が断たれる前に第３の吐出孔５０と連通するため、ベーン４４の枚数が６枚の場合でも、吐出過程の途中で作動室４５が密閉空間となり圧縮による損失が発生することを防止することができる。第１、第２、第３の吐出孔４８、４９、５０はシリンダ４１外部から加工するキリ穴でよく、従来のベーンロータリ膨張機においてシリンダ１の内壁１ａに吐出孔８の開口部８ａを設けるよりも加工が簡単であり、低コストのベーンロータリ膨張機を提供できる。
なお、ベーン４４の枚数が６枚よりも多い場合には、吐出孔の数をさらに増やすことで同様の効果を得ることができることは言うまでもない。
また、第１の吐出孔４８にリードバルブ５１ａとバルブストップ５１ｂから成るバルブ機構を、第２の吐出孔４９にリードバルブ５２ａとバルブストップ５２ｂから成るバルブ機構をそれぞれ備えたことにより、膨張機が組み込まれるシステムで想定される膨張比の変化範囲が大きい場合にでも過膨張の際に吐出室５５から作動室４５に作動流体が流れ込むことを防止し、吐出圧力Ｐｄまで再圧縮させることが可能になるので、従来の膨張機で生じていた過膨張損失は生じず、高効率なベーンロータリ膨張機を提供できる。
また、膨張機が組み込まれるシステムで想定される膨張比の変化範囲が小さい場合は、図２のＰｄとＰｃの差である過膨張が小さくなり、再圧縮過程（図２のＣＩに相当）が短くなるので、第１の吐出孔４８のみにリードバルブ５１ａとバルブストップ５１ｂから成るバルブ機構を設ければ良く、第２の吐出孔４９のリードバルブ５２ａとバルブストップ５２ｂは不要となり、低コストのベーンロータリ膨張機を提供することができる。
なお、作動流体が液相あるいは超臨界相から気液二相に膨張する場合、膨張機出口の作動流体の密度は乾き度により大きく変化するため、膨張機の膨張比は容積比が一定でも乾き度により敏感に変化し、従来のベーンロータリ膨張機では過膨張損失や不完全膨張損失が特に発生しやすくなる。従って、本発明のベーンロータリ膨張機の効果がより顕著になる。
また、二酸化炭素を主成分とする作動流体を用いる場合、作動圧力が高く圧力差が大きいので、膨張機の組み込まれたシステムの膨張比が僅かに変化した場合でも、大きな過膨張や不完全膨張が発生することになる。従って、本発明のベーンロータリ膨張機の効果がより顕著になる。
産業上の利用可能性
以上のとおり本発明によれば、シリンダの周方向に複数の吐出孔を設け、また、吐出孔にバルブ機構を備えたことにより、過膨張の際に吐出室から作動室に作動流体が流れ込むことを防止して、吐出圧力まで再圧縮させることが可能になることから、従来の膨張機で生じていた過膨張損失は生じさせない、高効率なベーンロータリ膨張機を提供することに適している。
また、シリンダ内壁における複数の吐出孔の間の角度を（３６０／ｎ）度以下（ｎ＝ベーン枚数）とし、かつ、複数の吐出孔の１つを小隙間の近傍を含むように配置したことによって、吐出過程の作動室が少なくともいずれかの吐出孔と連通して吐出過程の途中で密閉空間とならないことから、圧縮による損失の発生を防止することに適している。
また、吐出孔を小隙間からシャフトの回転方向に｛１８０×（１＋１／ｎ）｝度の位置に設けたことにより、作動室をその容積が最大となった直後に吐出孔と連通させて膨張比の最大値を大きくすることが出来ることから、積極的に過膨張を起こして、不完全膨張損失を防止しながら、バルブ機構による再圧縮の効果を利用する、高効率なベーンロータリ膨張機を構成することに適している。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の実施の形態１におけるベーンロータリ膨張機の横断面図であり、
図２は、本発明の実施の形態１におけるベーンロータリ膨張機の作動室のＰＶ線図であり、
図３は、本発明の実施の形態２におけるベーンロータリ膨張機の横断面図であり、
図４は、従来のベーンロータリ膨張機の横断面図であり、
図５は、従来のベーンロータリ膨張機の作動室のＰＶ線図である。
【図１】
2003089766.tif 000005
【図２】
2003089766.tif 000006
【図３】
2003089766.tif 000007
【図４】
2003089766.tif 000008
【図５Ａ】
2003089766.tif 000009
【図５Ｂ】
2003089766.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成15年10月31日(2003.10.31)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧の作動流体を膨張させる複数の作動室（２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄ、２５ｅ）と、前記作動室内における作動流体の膨張により回転動力を得るシャフト（２６）とを有する膨張機において、
吐出過程を行う作動室に最初に連通する第１の吐出孔（２８）と、同作動室に後続して連通する第２の吐出孔（２９）と、
前記第１の吐出孔に設けられた、作動流体の逆流を阻止するバルブ機構（３０ａ、３０ｂ）と、
前記第１および第２の吐出孔から流出した作動流体を一旦蓄える吐出室（３３）とを備え、
前記第１の吐出孔に達する直前にその容積が最大となる作動室（２５ｃ）内における圧力（Ｐｃ）が前記吐出室内における圧力（Ｐｄ）よりも低くなるように設定されるとともに、前記第１の吐出孔に達した直後に作動室の容積が再び圧縮されて、再圧縮された圧力が前記吐出室内の圧力を超えた際に前記バルブ機構が開放されるように設定されたことを特徴とする膨張機。
【請求項２】
筒状内壁（２１ａ）を有するシリンダ（２１）と、その両端を閉塞する側板と、前記シリンダの内部に配設され、外周の一部が前記シリンダ内壁と小隙間（２２）を形成するロータ（２３）と、前記ロータに設けられたベーン溝内（２３ａ）に一端が摺動自在に挿入され、他端が前記シリンダ内壁と接触し、前記シリンダと前記ロータの間に複数の作動室（２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄ、２５ｅ）を形成するベーン（２４）と、前記ロータと一体的に形成され回転自在に軸支持されるシャフト（２６）から構成され、高圧の作動流体を前記作動室内で膨張させることにより、前記シャフトの回転動力を得るベーンロータリ膨張機において、
前記シリンダの周方向に設けられた、吐出過程を行う作動室に最初に連通する第１の吐出孔（２８）と、同作動室に後続して連通する第２の吐出孔（２９）と、
前記第１の吐出孔に設けられた、作動流体の逆流を阻止するバルブ機構（３０ａ、３０ｂ）と、
前記第１および第２の吐出孔から流出した作動流体を一旦蓄える吐出室（３３）とを備え、
前記第１の吐出孔に達する直前にその容積が最大となる作動室（２５ｃ）内における圧力（Ｐｃ）が前記吐出室内における圧力（Ｐｄ）よりも低くなるように設定されるとともに、前記第１の吐出孔に達した直後に作動室の容積が再び圧縮されて、再圧縮された圧力が前記吐出室内の圧力を超えた際に前記バルブ機構が開放されるように設定されたことを特徴とするベーンロータリ膨張機。
【請求項３】
前記ベーンがｎ枚のとき、前記第１の吐出孔（２８）は、前記小隙間から前記シャフトの回転方向に略｛１８０×（１＋１／ｎ）｝度の位置の前記シリンダに設けるとともに、前記第２の吐出孔（２９）は、前記小隙間から前記シャフトの回転方向に略｛１８０×（１＋１／ｎ）｝度から３６０度の間の前記シリンダに設けることを特徴とする請求の範囲第２項に記載のベーンロータリ膨張機。
【請求項４】
前記第１の吐出孔（２８）と前記第２の吐出孔（２９）の間ならびに／もしくは前記第２の吐出孔（４９、５０）同士に挟まれた前記シリンダの前記シャフトの周りの中心角が、（３６０／ｎ）度以下であることを特徴とする請求の範囲第３項に記載のベーンロータリ膨張機。
【請求項５】
液相あるいは超臨界相から気液二相に膨張する作動流体を用いて運転することを特徴とする請求の範囲第１から第４項のいずれか１項に記載のベーンロータリ膨張機。
【請求項６】
二酸化炭素を主成分とする作動流体を用いて運転することを特徴とする請求の範囲第１から第４項のいずれか１項に記載のベーンロータリ膨張機。
【手続補正書】
【提出日】平成16年5月21日(2004.5.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧の作動流体を膨張させる複数の作動室（２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄ、２５ｅ）と、前記作動室内における作動流体の膨張により回転動力を得るシャフト（２６）とを有する膨張機において、
吐出過程を行う作動室に最初に連通する第１の吐出孔（２８）と、同作動室に後続して連通する第２の吐出孔（２９）と、
前記第１の吐出孔に設けられた、作動流体の逆流を阻止するバルブ機構（３０ａ、３０ｂ）と、
前記第１および第２の吐出孔から流出した作動流体を一旦蓄える吐出室（３３）とを備え、
前記第１の吐出孔に達する直前にその容積が最大となる作動室（２５ｃ）内における圧力（Ｐｃ）が前記吐出室内における圧力（Ｐｄ）よりも低くなるように設定されるとともに、前記第１の吐出孔に達した直後に作動室の容積が再び圧縮されて、再圧縮された圧力が前記吐出室内の圧力を超えた際に前記バルブ機構が開放されるように設定されたことを特徴とする膨張機。
【請求項２】
筒状内壁（２１ａ）を有するシリンダ（２１）と、その両端を閉塞する側板と、前記シリンダの内部に配設され、外周の一部が前記シリンダ内壁と小隙間（２２）を形成するロータ（２３）と、前記ロ−タに設けられたベーン溝内（２３ａ）に一端が摺動自在に挿入され、他端が前記シリンダ内壁と接触し、前記シリンダと前記ロータの間に複数の作動室（２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄ、２５ｅ）を形成するベーン（２４）と、前記ロータと一体的に形成され回転自在に軸支持されるシャフト（２６）から構成され、高圧の作動流体を前記作動室内で膨張させることにより、前記シャフトの回転動力を得るベーンロータリ膨張機において、
前記シリンダの周方向に設けられた、吐出過程を行う作動室に最初に連通する第１の吐出孔（２８）と、同作動室に後続して連通する第２の吐出孔（２９）と、
前記第１の吐出孔に設けられた、作動流体の逆流を阻止するバルブ機構（３０ａ、３０ｂ）と、
前記第１および第２の吐出孔から流出した作動流体を一旦蓄える吐出室（３３）とを備え、
前記第１の吐出孔に達する直前にその容積が最大となる作動室（２５ｃ）内における圧力（Ｐｃ）が前記吐出室内における圧力（Ｐｄ）よりも低くなるように設定されるとともに、前記第１の吐出孔に達した直後に作動室の容積が再び圧縮されて、再圧縮された圧力が前記吐出室内の圧力を超えた際に前記バルブ機構が開放されるように設定されたことを特徴とするベーンロータリ膨張機。
【請求項３】
前記ベーンがｎ枚のとき、前記第１の吐出孔（２８）は、前記小隙間から前記シャフトの回転方向に略｛１８０×（１＋１／ｎ）｝度の位置の前記シリンダに設けるとともに、前記第２の吐出孔（２９）は、前記小隙間から前記シャフトの回転方向に略｛１８０×（１＋１／ｎ）｝度から３６０度の間の前記シリンダに設けることを特徴とする請求項２に記載のベーンロータリ膨張機。
【請求項４】
前記第１の吐出孔（２８）と前記第２の吐出孔（２９）の間ならびに／もしくは前記第２の吐出孔（４９、５０）同士に挟まれた前記シリンダの前記シャフトの周りの中心角が、（３６０／ｎ）度以下であることを特徴とする請求項３に記載のベーンロータリ膨張機。
【請求項５】
液相あるいは超臨界相から気液二相に膨張する作動流体を用いて運転することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のベーンロータリ膨張機。
【請求項６】
二酸化炭素を主成分とする作動流体を用いて運転することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のベーンロータリ膨張機。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高圧の圧縮性流体によって作動して回転動力を発生する原動機としての膨張機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ベーンロータリ膨張機は容積型流体機械の一種であり、その基本構成は、例えば特開昭５７−２１０１０１号公報に記載されている。
【０００３】
ベーンロータリ膨張機の構成を説明する。図４は従来のベーンロータリ膨張機の横断面図である。１は筒状の内壁１ａを有するシリンダであり、その両端には側板（図示せず）が設けられている。シリンダ１の内部には、外周の一部がシリンダ１の内壁１ａと小隙間２を形成する円柱形状のロータ３が配設されている。ロータ３には９０度のピッチで上下端面に垂直な溝３ａが設けられている。溝３ａにはベーン４が、その一端側を摺動自在に挿入されており、ベーン４の他端はシリンダ１の内壁１ａと接している。作動室５は、シリンダ１の内壁１ａ、ロータ３およびベーン４に囲まれた空間５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅに形成される。シャフト６はロータ３と一体的に形成され、回転自在に軸支持されている。シリンダ１には作動室５に作動流体を流入させる吸入孔７と、作動室５から作動流体を流出させる吐出孔８が設けられている。なお、吐出孔８にはシリンダ１の内壁１ａに対してある周方向の範囲で開口させるべく、開口部８ａが設けられている。開口部８ａを設ける範囲は、ベーン４の枚数をｎとすると、小隙間２からシャフト６の矢印で示す回転方向に｛１８０×（１＋１／ｎ）｝度の位置に始まり、小隙間２の近傍に終る範囲である。なお、図４における開口部８ａの開始位置は、ベーン４が４枚なので、２２５度である。シリンダ１の側方にはカバー９が備えられており、カバー９の内部には吸入孔７に作動流体を導く吸入経路１０と、吐出孔８から流出した作動流体を一旦蓄える吐出室１１と、吐出室１１から作動流体を外部へ流出させる吐出経路１２が形成されている。
【０００４】
次に、ベーンロータリ膨張機の動作を、作動室５に着目して説明する。作動室５は小隙間２の吸入孔７側の空間５ａで生成する。その後、ロータ３の回転に伴い容積を増加しつつ、吸入孔７から高圧側の圧力Ｐｓの作動流体を吸入する過程、すなわち、吸入過程を行う。作動室５が空間５ｂの位置に達すると、吸入孔７との連通が断たれて密閉空間となる。その後、ロータ３の回転に伴い容積は増加し、内部の作動流体の圧力が低下してゆく過程、すなわち、膨張過程を行う。作動室５は空間５ｃの位置で容積が最大となり、その直後、吐出孔８の開口部８ａと連通する。その後、ロータ３の回転に伴い容積を減少させつつ、吐出孔８から吐出室１１へ作動流体を吐出する過程、すなわち、吐出過程を行う。
【０００５】
ベーンロータリ膨張機は、膨張過程において作動流体が膨張減圧してゆく際に、隣り合う作動室５の圧力差によりベーン４に働く力を利用してロータ３を回転させ、ロータ３と一体に形成されたシャフト６の回転動力を得るものである。
【０００６】
以上の構成を有する従来のベーンロータリ膨張機においては、吸入容積は吸入過程終了直後の作動室５である空間５ｂの容積Ｖｂであり、吐出容積は吐出過程開始直前の作動室５である空間５ｃの容積Ｖｃである。Ｖｂ、Ｖｃは膨張機に固有であるため、容積比（Ｖｂ／Ｖｃ）は一定となる。作動流体の断熱指数をκ、吐出過程開始直前の作動室５である空間５ｃの圧力をＰｃとし、吸入過程終了直後の作動室５である空間５ｂの圧力は吸入圧力Ｐｓであることを考慮すると、式（１）の関係が成り立つ。
【０００７】
【数１】
2003089766.tif 000011
上式より、吐出過程開始直前の圧力Ｐｃは、膨張機入口の圧力である吸入圧力Ｐｓと容積比（Ｖｂ／Ｖｃ）により決まる。しかし、膨張機出口の低圧側の圧力Ｐｄは膨張機の組込まれたシステムにより決まるため、一定とは限らない。従って、完全膨張（Ｐｃ＝Ｐｄ）以外に、不完全膨張（Ｐｃ＞Ｐｄ）、あるいは、過膨張（Ｐｃ＜Ｐｄ）が起こると想定される。図５（ａ）、（ｂ）に作動室５のＰＶ線図を示す。図５（ａ）は不完全膨張（Ｐｃ＞Ｐｄ）の場合を示し、図５（ｂ）は過膨張（Ｐｃ＜Ｐｄ）の場合を示す。
【０００８】
不完全膨張（Ｐｃ＞Ｐｄ）の場合を図５（ａ）を用いて説明する。吸入過程はＡＢであり、作動室５は、吸入圧力Ｐｓで容積をＶｂまで増加しながら、吸入孔７より作動流体を吸入する。膨張過程はＢＣであり、作動室５内部の作動流体は圧力Ｐｃ、容積Ｖｃまで断熱膨張する。Ｃでは作動室５は図４の空間５ｃに位置しており、そこからロータ３が僅かに回転すると、作動室５は吐出孔８の開口部８ａと連通する。このとき、作動室５の圧力Ｐｃは、不完全膨張のため吐出室１１の圧力Ｐｄよりも高くなっており、作動流体は吐出孔８から吐出室１１へと流出する。従って、作動室５は容積がＶｃで一定のまま、圧力がＰｃからＰｄへと低下する。これは図５（ａ）のＣＦに相当する。吐出過程はＦＧであり、作動室５は、吐出圧力Ｐｄで容積を減らす。以上の過程で膨張機が得た動力はＡＢＣＦＧの面積に相当する。一方、完全膨張（Ｐｃ＝Ｐｄ）が行われた場合に得られる動力はＡＢＥＧの面積に相当する。従って、膨張機ではＣＥＦの面積に相当する不完全膨張損失が発生したことになる。
【０００９】
次に、過膨張（Ｐｃ＜Ｐｄ）の場合を図５（ｂ）を用いて説明する。吸入過程はＡＢであり、作動室５は、吸入圧力Ｐｓで容積をＶｂまで増加しながら、吸入孔７より作動流体を吸入する。膨張過程はＢＣであり、作動室５内部の作動流体は圧力Ｐｃ、容積Ｖｃまで断熱膨張する。Ｃでは作動室５が図４の５ｃに位置しており、そこからロータ３が僅かに回転すると、作動室５は吐出孔８の開口部８ａと連通する。このとき、過膨張のため作動室５の圧力Ｐｃは吐出室１１の圧力Ｐｄよりも低くなっており、吐出室１１の作動流体が吐出孔８から作動室５へと逆流する。従って、作動室５は容積がＶｃで一定のまま、圧力がＰｃからＰｄへと増加する。これは図５（ｂ）のＣＨに相当する。吐出過程はＨＪであり、作動室５は、吐出圧力Ｐｄで容積を減らす。吸入、膨張過程で膨張機が得た動力はＡＢＣＤの面積に相当するが、過膨張による逆流により吐出過程にＪＨＣＤの面積に相当する動力を要するため、全過程で得られる動力はこれらの差である。一方、完全膨張（Ｐｃ＝Ｐｄ）が行われた場合に得られる動力はＡＢＩＪの面積に相当する。従って、膨張機ではＩＨＣの面積に相当する過膨張損失が発生したことになる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
以上のように、従来のベーンロータリ膨張機においては、容積比（Ｖｃ／Ｖｂ）が一定であるために不完全膨張損失や過膨張損失が発生し、完全膨張の場合に作動流体から得ることができる動力よりも少ない動力しか得ることができないという課題があった。
【００１１】
そこで本発明は、上記従来の課題を解決するもので、シリンダ内壁の周方向に複数の吐出孔を設け、容積比を可変として動力損失を無くすことにより、高効率なベーンロータリ膨張機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の課題を解決するために、本発明のベーンロータリ膨張機は、少なくとも、高圧の作動流体を膨張させる複数の作動室と、前記作動室内における作動流体の膨張により回転動力を得るシャフトとを有する膨張機において、吐出過程を行う作動室に最初に連通する吐出孔と同作動室に後続して連通する吐出孔からなる複数の吐出孔を設け、少なくとも、前記最初に連通する吐出孔に、作動流体の逆流を阻止するバルブ機構を設けることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明のベーンロータリ膨張機は、筒状内壁を有するシリンダと、その両端を閉塞する側板と、前記シリンダの内部に配設され、外周の一部が前記シリンダ内壁と小隙間を形成するロ−タと、前記ロ−タに設けられたベ−ン溝内に一端が摺動自在に挿入され、他端が前記シリンダ内壁と摺動し、前記シリンダと前記ロータの間に複数の作動室を形成するベ−ンと、前記ロ−タと一体的に形成され回転自在に軸支持されるシャフトから構成され、高圧の作動流体を前記作動室内で膨張させることにより、前記シャフトの回転動力を得るベーンロータリ膨張機において、前記シリンダの周方向に、吐出過程を行う作動室に最初に連通する吐出孔と同作動室に後続して連通する吐出孔からなる複数の吐出孔を設け、少なくとも、前記最初に連通する吐出孔に、作動流体の逆流を阻止するバルブ機構を設けることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明のベーンロータリ膨張機は、前記ベーンがｎ枚のとき、前記最初に連通する吐出孔は、前記小隙間から前記シャフトの回転方向に略｛１８０×（１＋１／ｎ）｝度の位置の前記シリンダに設けるとともに、前記後続して連通する吐出孔は、前記小隙間から前記シャフトの回転方向に略｛１８０×（１＋１／ｎ）｝度から３６０度の間の前記シリンダに設けることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明のベーンロータリ膨張機は、前記最初に連通する吐出孔と前記後続して連通する吐出孔の間ならびに／もしくは前記後続して連通する吐出孔同士に挟まれた前記シリンダの前記シャフトの周りの中心角が、（３６０／ｎ）度以下であることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明のベーンロータリ膨張機は、液相あるいは超臨界相から気液二相に膨張する作動流体を用いて運転することを特徴とする。
【００１７】
また、本発明のベーンロータリ膨張機は、二酸化炭素を主成分とする作動流体を用いて運転することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
以上のとおり本発明によれば、シリンダの周方向に複数の吐出孔を設け、また、吐出孔にバルブ機構を備えたことにより、過膨張の際に吐出室から作動室に作動流体が流れ込むことを防止して、吐出圧力まで再圧縮させることが可能になることから、従来の膨張機で生じていた過膨張損失は生じさせない、高効率なベーンロータリ膨張機を提供することができる。
【００１９】
また、シリンダ内壁における複数の吐出孔の間の角度を（３６０／ｎ）度以下（ｎ＝ベーン枚数）とし、かつ、複数の吐出孔の１つを小隙間の近傍を含むように配置したことによって、吐出過程の作動室が少なくともいずれかの吐出孔と連通して吐出過程の途中で密閉空間とならないことから、圧縮による損失の発生を防止することができる。
【００２０】
また、吐出孔を小隙間からシャフトの回転方向に｛１８０×（１＋１／ｎ）｝度の位置に設けたことにより、作動室をその容積が最大となった直後に吐出孔と連通させて膨張比の最大値を大きくすることが出来ることから、積極的に過膨張を起こして、不完全膨張損失を防止しながら、バルブ機構による再圧縮の効果を利用する、高効率なベーンロータリ膨張機を構成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２２】
（実施の形態１）
図１は実施の形態１のベーンロータリ膨張機の横断面図である。２１は筒状の内壁２１ａを有するシリンダであり、その上下端には側板（図示せず）が設けられている。シリンダ２１の内部には、外周の一部がシリンダ２１の内壁２１ａと小隙間２２を形成する円柱形状のロータ２３が配設されている。ロータ２３には９０度のピッチで上下端面に垂直な溝２３ａが設けられている。溝２３ａにはベーン２４が、その一端側を摺動自在に挿入されており、ベーン２４の他端はシリンダ２１の内壁２１ａと接している。作動室２５は、シリンダ２１の内壁２１ａ、ロータ２３およびベーン２４に囲まれた空間２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄ、２５ｅに形成される。シャフト２６はロータ２３と一体的に形成され、回転自在に軸支持されている。シリンダ２１には作動室２５に作動流体を流入させる吸入孔２７と、作動室２５から作動流体を流出させる第１の吐出孔２８、第２の吐出孔２９が設けられている。第１の吐出孔２８は、ベーン２４の枚数をｎとすると、小隙間（ロータ２３とシリンダ内壁２１ａとの隙間が最小の位置）２２からシャフト２６の矢印で示す回転方向に｛１８０×（１＋１／ｎ）｝度の位置に設けられている。図１では、ベーン２４が４枚なので、２２５度の位置である。また、第１の吐出孔２８には、リードバルブ３０ａとバルブストップ３０ｂから成るバルブ機構が備えられている。第２の吐出孔２９は、小隙間２２の近傍に設けられており、かつ、第２の吐出孔２９の一部が小隙間２２からシャフト２６の回転方向に３１５度の位置を含む形状としており、バルブ機構は備えられていない。なお、第２の吐出孔２９の位置はこの限りではなく、第１、第２の吐出孔２８、２９の間のシリンダ２１の内壁２１ａのシャフト２６周りの中心角が、ベーン２４の枚数をｎ枚とすると（３６０／ｎ）度以下であり、かつ、第２の吐出孔２９が小隙間２２の近傍を含めば良い。
【００２３】
吸入孔２７は、膨張機が組み込まれるシステムで想定される膨張比の最大値Ｒｍａｘと、作動流体の断熱指数κを用いて、吸入過程終了時の作動室２５である空間２５ｂの容積Ｖｂと容積最大時の作動室２５である空間２５ｃの容積Ｖｃが式（２）の関係を持つような位置に設ける。
【００２４】
【数２】
2003089766.tif 000012
なお、吸入過程終了時の作動室２５である空間２５ｂの容積Ｖｂは、吸入孔２７の位置を小隙間２２に近づけると小さくなり、遠ざけると大きくなる。上記式（２）を満たすような位置に吸入孔２７を設けることにより、不完全膨張（Ｐｃ＞Ｐｄ）は起こらず、常に過膨張（Ｐｃ＜Ｐｄ）が生じることになる。
【００２５】
シリンダ２１の側方にはカバー３１が備えられており、カバー３１の内部には吸入孔２７に作動流体を導く吸入経路３２と、第１、第２の吐出孔２８、２９から流出した作動流体を一旦蓄える吐出室３３と、吐出室３３から作動流体を外部へ流出させる吐出経路３４が形成されている。
【００２６】
次に、本実施の形態のベーンロータリ膨張機の動作を、作動室２５に着目して説明する。図２は実施の形態１のベーンロータリ膨張機の作動室２５のＰＶ線図である。作動室２５は小隙間２２の吸入孔２７側の空間２５ａで生成する。その後、ロータ２３の回転に伴い容積を増加しつつ、吸入孔２７から高圧側の圧力Ｐｓの作動流体を吸入する過程、すなわち、吸入過程を行う。吸入過程は図２のＡＢに相当する。作動室２５が空間２５ｂの位置に達すると、吸入孔２７との連通が断たれて密閉空間となり、その後、ロータ２３の回転に伴い容積は増加し、内部の作動流体の圧力は低下してゆく過程、すなわち、膨張過程を行う。膨張過程は図２のＢＣに相当する。作動室２５は空間２５ｃの位置で容積が最大となる。
【００２７】
この時点は、図２のＣに相当し、作動室２５の圧力Ｐｃが吐出圧力Ｐｄよりも低くなる過膨張が起こっている。そして、ロータ２３が僅かに回転した瞬間、空間２５ｃに位置する作動室２５は第１の吐出孔２８と連通する。ここで、第１の吐出孔２８にリードバルブ３０ａを設けていなければ、圧力Ｐｄの吐出室３３から作動室２５に作動流体が流れ込み、容積がＶｃで一定のまま作動室２５の圧力がＰｃからＰｄまで上昇する。すなわち、図２のＣからＨに移行する。しかし、本実施の形態では、第１の吐出孔２８にリードバルブ３０ａを設けており、リードバルブ３０ａは吐出室３３の圧力Ｐｄと作動室２５の圧力Ｐｃの圧力差により第１の吐出孔２８を閉じているため、吐出室３３から作動室２５に作動流体が流れ込むことを防止できる。その後、作動室２５は、ロータ３の回転に伴い容積を減少させてゆくが、第１の吐出孔２８がリードバルブ３０ａによって閉じられたままなので、作動室２５では圧縮が起こり、圧力は再び図２のＣＢを辿って上昇する。そして、作動室２５の圧力がＰｄを超えた瞬間、すなわち、図２のＩで、初めてリードバルブ３０ａが開く。このＣＩに相当する過程を再圧縮過程と呼ぶ。その後、ロータ２３の回転に伴い作動室２５は容積を減少させつつ、第１の吐出孔２８から低圧側の圧力Ｐｄの作動流体を吐出する過程、すなわち、吐出過程を行う。吐出過程において、作動室２５が空間２５ｄから空間２５ｅの位置まで移動する間に第１の吐出孔２８との連通が無くなるが、第２の吐出孔２９の一部が小隙間２２からシャフト２６の回転方向に３１５度の位置、すなわち、ベーンをｎ枚とすると、第１の吐出孔２８からベーン２４のピッチである（３６０／ｎ）度だけ周方向に移動した位置を含む形状としたため、作動室２５からの吐出は第２の吐出孔２９から継続して行われる。吐出過程は図２のＩＪに相当する。
【００２８】
本実施の形態では、二つの吐出孔２８、２９を設けたことにより、ロータ２３の回転に伴い、空間２５ｄに位置する作動室２５と第１の吐出孔２８との連通が断たれても、もう一方の第２の吐出孔２９と連通するため、吐出過程の作動室２５から作動流体が吐出できなくなることを防止できる。なお、第１、第２の吐出孔２８、２９はシリンダ２１外部から加工するキリ穴でよく、従来のベーンロータリ膨張機においてシリンダ１の内壁１ａに吐出孔８の開口部８ａを設けるよりも加工が簡単であり、低コストのベーンロータリ膨張機を提供できる。
【００２９】
また、第１、第２の吐出孔２８、２９の間のシリンダ２１の内壁２１ａのシャフト２６周りの中心角が、ベーン２４をｎ枚とすると（３６０／ｎ）度以下であり、かつ、第２の吐出孔２９が小隙間２２の近傍を含むように第１、第２の吐出孔２８、２９を配置したことにより、吐出過程の作動室２５は少なくとも第１、第２の吐出孔２８、２９のいずれかと連通しているため、吐出過程の途中で作動室２５が密閉空間となり圧縮による損失が発生することを防止することができる。
【００３０】
また、第１の吐出孔２８にリードバルブ３０ａとバルブストップ３０ｂから成るバルブ機構を備えたことにより、過膨張の際に吐出室３３から作動室２５に作動流体が流れ込むことを防止し、吐出圧力Ｐｄまで再圧縮させることが可能になるので、従来の膨張機で生じていた過膨張損失（図２のＩＨＣの面積に相当）は生じず、高効率なベーンロータリ膨張機を提供できる。
【００３１】
また、リードバルブ３０ａとバルブストップ３０ｂから成るバルブ機構を第１の吐出孔２８にのみ備え、第２の吐出孔２９には備えなくてもいいので、高効率で低コストなベーンロータリ膨張機を提供できる。
【００３２】
また、第１の吐出孔２８を小隙間２２からシャフト２６の回転方向に｛１８０×（１＋１／ｎ）｝度の位置に設けたことにより、作動室２５の容積が最大となった直後に第１の吐出孔２８と連通し、膨張比Ｒｍａｘを大きくできる。
【００３３】
従って、積極的に過膨張を起こして、不完全膨張損失を防止しながら、バルブ機構による再圧縮過程の効果を利用することができるので、高効率なベーンロータリ膨張機を提供できる。
【００３４】
（実施の形態２）
図３は実施の形態２のベーンロータリ膨張機の横断面図である。４１は筒状の内壁４１ａを有するシリンダであり、その上下端には側板（図示せず）が設けられている。シリンダ４１の内部には、外周の一部がシリンダ４１の内壁４１ａと小隙間４２を形成する円柱形状のロータ４３が配設されている。ロータ４３には６０度のピッチで上下端面に垂直な溝４３ａが設けられている。溝４３ａにはベーン４４が、その一端側を摺動自在に挿入されており、ベーン４４の他端はシリンダ４１の内壁４１ａと接している。作動室４５は、シリンダ４１の内壁４１ａ、ロータ４３およびベーン４４に囲まれた空間４５ａ、４５ｂ、４５ｃ、４５ｄ、４５ｅ、４５ｆ、４５ｇに形成される。シャフト４６はロータ４３と一体的に形成され、回転自在に軸支持されている。シリンダ４１には作動室４５に作動流体を流入させる吸入孔４７と、作動室４５から作動流体を流出させる第１、第２、第３の吐出孔４８、４９、５０が設けられている。第１の吐出孔４８は、実施の形態１と同様、ベーン４４の枚数をｎとすると、小隙間４２からシャフト４６の矢印で示す回転方向に｛１８０×（１＋１／ｎ）｝度の位置に設けられている。図３では、ベーン４４が６枚なので、２１０度の位置である。また、第１の吐出孔４８には、リードバルブ５１ａとバルブストップ５１ｂから成るバルブ機構が備えられている。第２の吐出孔４９は、２７０度に設けられており、同じく、リードバルブ５２ａとバルブストップ５２ｂから成るバルブ機構が備えられている。第３の吐出孔５０は、３３０度に設けられており、バルブ機構は備えられていない。なお、第２、第３の吐出孔４９、５０の位置はこの限りではなく、第１、第２、第３の吐出孔４８、４９、５０の間のシリンダ４１の内壁４１ａのシャフト４６の周りの中心角が、ベーン４４をｎ枚とすると（３６０／ｎ）度以下であり、かつ、第３の吐出孔５０が小隙間４２の近傍を含めば良い。
【００３５】
本実施の形態では実施の形態１と同様に、膨張機が組み込まれるシステムで想定される膨張比の最大値においても過膨張が生じるような容積比としておく。
【００３６】
本実施の形態の動作は、ベーン４４の枚数が異なることを除いて、実施の形態１と概略同様であり、吸入過程、膨張過程、再圧縮過程、吐出過程を行う。
【００３７】
本実施の形態では、ベーン４４の枚数を６枚にしたことにより、吸入孔４７の位置を実施の形態１の吸引孔２７の位置と同じとした場合、実施の形態１の４枚の場合よりも、吸入過程終了直後の作動室４５である空間４５ｂの容積Ｖｂと、吐出過程開始直前の作動室４５である空間４５ｄの容積Ｖｄの比である容積比（Ｖｄ／Ｖｂ）を大きくすることができる。従って、より膨張比の大きなシステムに対してもベーンロータリ膨張機を用いることができる。
【００３８】
また、三つの吐出孔４８、４９、５０を設け、第１、第２、第３の吐出孔４８、４９、５０の間のシリンダ４１の内壁４１ａのシャフト４６の周りの中心角が、ベーン４４をｎ枚とすると（３６０／ｎ）度以下であり、かつ、第３の吐出孔５０を小隙間４２の近傍としたことにより、ロータ４３の回転に伴い、空間４５ｅに位置する作動室４５と第１の吐出孔４８との連通が断たれる前に第２の吐出孔４９と連通し、同様に、第２の吐出孔４９との連通が断たれる前に第３の吐出孔５０と連通するため、ベーン４４の枚数が６枚の場合でも、吐出過程の途中で作動室４５が密閉空間となり圧縮による損失が発生することを防止することができる。第１、第２、第３の吐出孔４８、４９、５０はシリンダ４１外部から加工するキリ穴でよく、従来のベーンロータリ膨張機においてシリンダ１の内壁１ａに吐出孔８の開口部８ａを設けるよりも加工が簡単であり、低コストのベーンロータリ膨張機を提供できる。
【００３９】
なお、ベーン４４の枚数が６枚よりも多い場合には、吐出孔の数をさらに増やすことで同様の効果を得ることができることは言うまでもない。
【００４０】
また、第１の吐出孔４８にリードバルブ５１ａとバルブストップ５１ｂから成るバルブ機構を、第２の吐出孔４９にリードバルブ５２ａとバルブストップ５２ｂから成るバルブ機構をそれぞれ備えたことにより、膨張機が組み込まれるシステムで想定される膨張比の変化範囲が大きい場合にでも過膨張の際に吐出室５５から作動室４５に作動流体が流れ込むことを防止し、吐出圧力Ｐｄまで再圧縮させることが可能になるので、従来の膨張機で生じていた過膨張損失は生じず、高効率なベーンロータリ膨張機を提供できる。
【００４１】
また、膨張機が組み込まれるシステムで想定される膨張比の変化範囲が小さい場合は、図２のＰｄとＰｃの差である過膨張が小さくなり、再圧縮過程（図２のＣＩに相当）が短くなるので、第１の吐出孔４８のみにリードバルブ５１ａとバルブストップ５１ｂから成るバルブ機構を設ければ良く、第２の吐出孔４９のリードバルブ５２ａとバルブストップ５２ｂは不要となり、低コストのベーンロータリ膨張機を提供することができる。
【００４２】
なお、作動流体が液相あるいは超臨界相から気液二相に膨張する場合、膨張機出口の作動流体の密度は乾き度により大きく変化するため、膨張機の膨張比は容積比が一定でも乾き度により敏感に変化し、従来のベーンロータリ膨張機では過膨張損失や不完全膨張損失が特に発生しやすくなる。従って、本発明のベーンロータリ膨張機の効果がより顕著になる。
【００４３】
また、二酸化炭素を主成分とする作動流体を用いる場合、作動圧力が高く圧力差が大きいので、膨張機の組み込まれたシステムの膨張比が僅かに変化した場合でも、大きな過膨張や不完全膨張が発生することになる。従って、本発明のベーンロータリ膨張機の効果がより顕著になる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の実施の形態１におけるベーンロータリ膨張機の横断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１におけるベーンロータリ膨張機の作動室のＰＶ線図である。
【図３】本発明の実施の形態２におけるベーンロータリ膨張機の横断面図である。
【図４】従来のベーンロータリ膨張機の横断面図である。
【図５】従来のベーンロータリ膨張機の作動室のＰＶ線図である。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2003089766.tif 000013
【図２】
2003089766.tif 000014
【図３】
2003089766.tif 000015
【図４】
2003089766.tif 000016
【図５】
2003089766.tif 000017
【国際調査報告】
2003089766.tif 000018
2003089766.tif 000019
2003089766.tif 000020
2003089766.tif 000021