(57)【要約】【課題】回転流体機械のロータリバルブの摺動面の振れに固定側バルブプレートを追従させてシール性を確保する。【解決手段】ケーシングに回転自在に支持されたロータに対する高温高圧蒸気の供給通路Ｐ１，Ｐ２および排出通路Ｐ５〜Ｐ８を切り換えるロータリバルブ７１は、固定側バルブプレート７３と可動側バルブプレート７４とを摺動面７７で当接させてなる。バルブ本体部７２の固定側バルブプレート７３との合わせ面８３に供給通路Ｐ１から高温高圧蒸気を導入する圧力室８４を開口させ、フローティング支持された固定側バルブプレート７３を圧力室８４に発生する押圧荷重で可動側バルブプレート７４に押し付けて摺動面７７を密着させる。圧力室８４の内部にＶパッキン８８を配置することで、圧力室８４からの高温高圧蒸気の漏れを防止する。【選択図】      図５
2004270523.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケーシング（１１）と、
ケーシング（１１）に回転自在に支持されたロータ（２２）と、
ロータ（２２）に設けられた作動部（５６）と、
ケーシング（１１）およびロータ（２２）間に設けられて作動部（５６）に対する作動媒体の供給通路（Ｐ１，Ｐ２）および排出通路（Ｐ５〜Ｐ８）を切り換えるロータリバルブ（７１）とを備え、
前記ロータリバルブ（７１）は、ロータ（２２）に設けられた可動側バルブプレート（７４）と、ケーシング（１１）に固定したバルブ本体部（７２）に回転不能にフローティング支持された固定側バルブプレート（７３）とを、軸線（Ｌ）に直交する摺動面（７７）において当接させてなる回転流体機械において、
バルブ本体部（７２）の固定側バルブプレート（７３）との合わせ面（８３）に、作動媒体の供給通路（Ｐ１，Ｐ２）および排出通路（Ｐ５〜Ｐ８）のうちの高圧側の通路から作動媒体を導入する圧力室（８４）を開口させ、この圧力室（８４）に収納したシール部材（８８）により該圧力室（８４）から前記合わせ面（８３）への作動媒体の漏れをシールするとともに圧力室（８４）に作用する作動媒体の圧力で固定側バルブプレート（７３）を前記摺動面（７７）に向けて押圧することを特徴とする回転流体機械。
【請求項２】
シール部材（８８）は、作動媒体の圧力および熱による軟化で弾性変形可能なシールリップ（Ｓ１，Ｓ２）を有することを特徴とする、請求項１に記載の回転流体機械。
【請求項３】
シール部材（８８）を前記合わせ面（８３）に向けて付勢する弾発付勢手段（８６）を備えたことを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の回転流体機械。
【請求項４】
弾発付勢手段（８６）はシール部材（８８）に向かってテーパーするテーパーコイルスプリングであることを特徴とする、請求項３に記載の回転流体機械。
【請求項５】
作動媒体の供給通路（Ｐ１，Ｐ２）および排出通路（Ｐ５〜Ｐ８）のうちの低温側の通路をバルブ本体部（７２）の中央に設けるとともに、前記低温側の通路の周囲を囲むように環状の圧力室（８４）を形成したことを特徴とする、請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の回転流体機械。
【請求項６】
作動媒体の供給通路（Ｐ１，Ｐ２）および排出通路（Ｐ５〜Ｐ８）のうちの高圧側の通路をバルブ本体部（７２）の中央に設けるとともに、前記高圧側の通路の周囲を囲むように環状の圧力室（８４）を形成したことを特徴とする、請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の回転流体機械。
【請求項７】
シール部材（８８）は、固定側バルブプレート（７３）の合わせ面（８３）との間をシールする第１のシールリップ（Ｓ１）と、圧力室（８４）の内周面（８４ａ）との間をシールする第２のシールリップ（Ｓ２）とを有することを特徴とする、請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の回転流体機械。
【請求項８】
シール部材（８８）は、固定側バルブプレート（７３）の合わせ面（８３）との間をシールする第１のシールリップ（Ｓ１）と、圧力室（８４）内に挿入された作動媒体配管（８５）の外周面との間をシールする第２のシールリップ（Ｓ２）とを有することを特徴とする、請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の回転流体機械。
【請求項９】
摺動面（７７）の面積（Ａ１）に対する、圧力室（８４）の圧力が合わせ面（８３）に作用する面積（Ａ２）の比（Ａ２／Ａ１）により摺動面（７７）の面圧を設定することを特徴とする、請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の回転流体機械。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ケーシングと、ケーシングに回転自在に支持されたロータと、ロータに設けられた作動部と、ケーシングおよびロータ間に設けられて作動部に対する作動媒体の供給・排出を制御するロータリバルブとを備えた回転流体機械に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃焼器で発生した燃焼ガスを分配機構（ロータリバルブ）を介してアキシャルピストンシリンダ群に供給する回転流体機械において、分配機構の摺動面（弁座）のシール性を確保すべく、燃焼ガスが供給されないときはスプリングで押圧部材を押圧して摺動面に密着させ、燃焼ガスが供給されるときは該燃焼ガスの圧力でフリーピストンを介して押圧部材を押圧して摺動面に密着させるものが、下記特許文献により公知である。
【０００３】
【特許文献】
実開昭６１−１５５６１０号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ケーシングにボールベアリングで支持されたロータは回転時に若干の振れが発生するため、ロータリバルブの摺動面にも振れが発生することが避けられない。このとき、押圧部材をスプリングの弾発力、燃焼ガスの圧力、高温高圧の供給ガスの圧力あるいは蒸気の圧力で付勢して摺動面に密着させるだけでは、押圧部材を摺動面の振れに追従させてシール性を確保することが困難である。
【０００５】
本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、回転流体機械のロータリバルブの摺動面の振れに固定側バルブプレートを追従させてシール性を確保することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、ケーシングと、ケーシングに回転自在に支持されたロータと、ロータに設けられた作動部と、ケーシングおよびロータ間に設けられて作動部に対する作動媒体の供給通路および排出通路を切り換えるロータリバルブとを備え、前記ロータリバルブは、ロータに設けられた可動側バルブプレートと、ケーシングに固定したバルブ本体部に回転不能にフローティング支持された固定側バルブプレートとを、軸線に直交する摺動面において当接させてなる回転流体機械において、バルブ本体部の固定側バルブプレートとの合わせ面に、作動媒体の供給通路および排出通路のうちの高圧側の通路から作動媒体を導入する圧力室を開口させ、この圧力室に収納したシール部材により該圧力室から前記合わせ面への作動媒体の漏れをシールするとともに圧力室に作用する作動媒体の圧力で固定側バルブプレートを前記摺動面に向けて押圧することを特徴とする回転流体機械が提案される。
【０００７】
上記構成によれば、ケーシングに固定したバルブ本体部に固定側バルブプレートを回転不能にフローティング支持し、バルブ本体部に固定側バルブプレートとの合わせ面に開口するように形成した圧力室に高圧の作動媒体を供給し、シール部材により合わせ面をシールして高圧の作動媒体の圧力を受圧するので、圧力室の作動媒体の圧力で固定側バルブプレートを可動側バルブプレートとの摺動面に押し付ける押圧荷重を発生させ、その摺動面を密着させて作動媒体の漏れを防止することができる。またフローティング支持により固定側バルブプレートを摺動面の振れに追従させて押圧荷重の摺動面に対する追従性を高め、摺動面のシール性を確保することができる。
【０００８】
特に、作動媒体の圧力が高いために摺動面からの漏れが発生し易いときには、それに応じて圧力室が発生する押圧荷重が大きくなるため、作動媒体の圧力が変動しても摺動面に常に最適の面圧を発生させて作動媒体の漏れを防止しながら、前記面圧の過剰な増加を防止して摺動面の摩擦抵抗を最小限に抑えることができる。
【０００９】
しかもバルブ本体部にフローティング支持された固定側バルブプレートと圧力室との間をシール部材でシールして作動媒体の漏れを防止するので、圧力室が発生する押圧荷重を安定させることができ、また固定側バルブプレートは軸線方向および径方向の移動が可能であるので、シール性を確保しながら首振り運動して摺動面の傾きに対して追従することができる。
【００１０】
また請求項２に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、シール部材は、作動媒体の圧力および熱による軟化で弾性変形可能なシールリップを有することを特徴とする回転流体機械が提案される。
【００１１】
上記構成によれば、シール部材が作動媒体の圧力および熱による軟化で弾性変形するシールリップを有するので、作動媒体の圧力の増加や温度の上昇に応じてシールリップを変形させてシール性を一層高めることができ、かつシールリップの形状から低フリクションで軸線方向に移動することができる。
【００１２】
また請求項３に記載された発明によれば、請求項１または請求項２の構成に加えて、シール部材を前記合わせ面に向けて付勢する弾発付勢手段を備えたことを特徴とする回転流体機械が提案される。
【００１３】
上記構成によれば、シール部材を弾発付勢手段で固定側バルブプレートとの合わせ面に向けて付勢するので、作動媒体の圧力が立ち上がっていないときにシール部材を付勢してシール性を確保することができ、また摺動面の振れに伴う固定側バルブプレートの振動をシール部材の減衰特性と合わせて弾発付勢手段の弾発力で減衰させ、摺動面の密着性を確保することができる。
【００１４】
また請求項４に記載された発明によれば、請求項３の構成に加えて、弾発付勢手段はシール部材に向かってテーパーするテーパーコイルスプリングであることを特徴とする回転流体機械が提案される。
【００１５】
上記構成によれば、弾発付勢手段をシール部材に向かってテーパーするテーパーコイルスプリングで構成したので、そのテーパーコイルスプリングの調芯性により、可動側バルブプレートにより発生する摺動面の振れに伴う固定側バルブプレートのその揺れと異なる揺動に対し、固定側バルブプレートを軸線まわりに首振り運動させて追従させ、弾発付勢手段による減衰特性と合わせて摺動面の密着性を一層効果的に確保することができる。
【００１６】
また請求項５に記載された発明によれば、請求項１〜請求項４の何れか１項の構成に加えて、作動媒体の供給通路および排出通路のうちの低温側の通路をバルブ本体部の中央に設けるとともに、前記低温側の通路の周囲を囲むように環状の圧力室を形成したことを特徴とする回転流体機械が提案される。
【００１７】
上記構成によれば、バルブ本体部の中央に設けた低温側の作動媒体の通路の周囲を囲むように環状の圧力室を形成したので、圧力室に収納したシール部材の温度上昇を抑えてシール性を維持することができる。しかも固定側バルブプレートおよび可動側バルブプレートを低温側の作動媒体で効果的に冷却して摺動面の平滑性および耐摩耗性を維持することができる。
【００１８】
また請求項６に記載された発明によれば、請求項１〜請求項４の何れか１項の構成に加えて、作動媒体の供給通路および排出通路のうちの高圧側の通路をバルブ本体部の中央に設けるとともに、前記高圧側の通路の周囲を囲むように環状の圧力室を形成したことを特徴とする回転流体機械が提案される。
【００１９】
上記構成によれば、バルブ本体部の中央に設けた高圧側の作動媒体の通路の周囲を囲むように環状の圧力室を形成したので、圧力室に発生する押圧荷重を摺動面に均一に作用させることができる。これにより、圧力室を小型化して押圧荷重を小さく設定しても、摺動面の密着性を確保して偏摩耗を防止することができ、しかも摺動面への押圧荷重を適正最小化できるので、摺動面に発生する摩擦抵抗を低減して回転流体機械のロストルクを低減することができる。
【００２０】
また請求項７に記載された発明によれば、請求項１〜請求項４の何れか１項の構成に加えて、シール部材は、固定側バルブプレートの合わせ面との間をシールする第１のシールリップと、圧力室の内周面との間をシールする第２のシールリップとを有することを特徴とする回転流体機械が提案される。
【００２１】
上記構成によれば、シール部材の第１のシールリップで固定側バルブプレートの合わせ面との間をシールし、かつ第２のシールリップで圧力室の内周面との間をシールして圧力室の密封性を維持することができ、特に第２のシールリップはそのリップ構造から作動媒体の圧力の変動および固定側バルブプレートの軸線方向および径方向の変位に対して、圧力室の内周面に追従性良く密着してシール性を高めることができる。
【００２２】
また請求項８に記載された発明によれば、請求項１〜請求項４の何れか１項の構成に加えて、シール部材は、固定側バルブプレートの合わせ面との間をシールする第１のシールリップと、圧力室内に挿入された作動媒体配管の外周面との間をシールする第２のシールリップとを有することを特徴とする回転流体機械が提案される。
【００２３】
上記構成によれば、シール部材の第１のシールリップで固定側バルブプレートの合わせ面との間をシールし、かつ第２のシールリップはそのリップ構造から圧力室内に挿入された作動媒体配管の高温の作動媒体による径方向の熱伸びに対して追従し、作動媒体配管の外周面との間をシールして圧力室の密封性を維持することができ、特に第２のシールリップは圧力室の内周面に比べて小径の作動媒体配管の外周面をシールするので、径方向はシールリップが線接触となり、そのシール部の摩擦抵抗を低減して作動媒体配管の熱伸びにスムーズに追従することができ、更にシール部材を中心にして固定側バルブプレートは摺動面の軸線方向および径方向の首振り運動に追従することができる。
【００２４】
また請求項９に記載された発明によれば、請求項１〜請求項４の何れか１項の構成に加えて、摺動面の面積に対する、圧力室の圧力が合わせ面に作用する面積の比により摺動面の面圧を設定することを特徴とする回転流体機械が提案される。
【００２５】
上記構成によれば、摺動面の面積に対する、圧力室の圧力が合わせ面に作用する面積の比により摺動面の面圧を設定するので、摺動面のシール性を確保しながら該摺動面の摩擦抵抗を低減できる最適の面圧を得ることができる。
【００２６】
尚、実施例のアキシャルピストンシリンダ群５６は本発明の作動部に対応し、実施例のコイルスプリング８６は本発明の弾発付勢手段に対応し、実施例のＶパッキン８８は本発明のシール部材に対応し、実施例の蒸気供給パイプ８５は本発明の作動媒体配管に対応し、実施例の第１、第２蒸気通路Ｐ１，Ｐ２は本発明の供給通路に対応し、実施例の第５〜第８蒸気通路Ｐ５〜Ｐ８は本発明の排出通路に対応し、本発明の第１、第２のシールリップＳ１，Ｓ２は本発明のシールリップに対応する。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面に示した本発明の実施例に基づいて説明する。
【００２８】
図１〜図１５は本発明の第１実施例を示すもので、図１は膨張機の縦断面図、図２は図１の２−２線断面図、図３は図１の３−３線矢視図、図４は図１の４部拡大図、図５は図１の５部拡大図、図６はロータの分解斜視図、図７は図４の７−７線断面図、図８は図４の８−８線断面図、図９は図４の９部拡大図、図１０は図５の１０部拡大図、図１１は図１０の１１−１１線矢視図、図１２は図１０の１２−１２線矢視図、図１３は図５の１３−１３線断面図、図１４は図５の１４−１４線断面図、図１５はコイルスプリング、パッキンリテーナおよびＶパッキンの斜視図である。
【００２９】
図１〜図９に示すように、本実施例の膨張機Ｅは例えばランキンサイクル装置に使用されるもので、作動媒体としての高温高圧蒸気の熱エネルギーおよび圧力エネルギーを機械エネルギーに変換して出力する。膨張機Ｅのケーシング１１は、ケーシング本体１２と、ケーシング本体１２の前面開口部にシール部材１３を介して複数本のボルト１４…で結合される前部カバー１５と、ケーシング本体１２の後面開口部にシール部材１６を介して複数本のボルト１７…で結合される後部カバー１８と、ケーシング本体１２の下面開口部にシール部材１９を介して複数本のボルト２０…で結合されるオイルパン２１とで構成される。
【００３０】
ケーシング１１の中央を前後方向に延びる軸線Ｌまわりに回転可能に配置されたロータ２２は、その前部を前部カバー１５に設けた組み合わせアンギュラベアリング２３ｆ，２３ｒによって支持され、その後部をケーシング本体１２に設けたラジアルベアリング２４によって支持される。前部カバー１５の後面に斜板ホルダ２８が一体に形成されており、この斜板ホルダ２８にアンギュラベアリング３０を介して斜板３１が回転自在に支持される。斜板３１の軸線は前記ロータ２２の軸線Ｌに対して傾斜しており、その傾斜角は固定である。
【００３１】
ロータ２２は、組み合わせアンギュラベアリング２３ｆ，２３ｒで前部カバー１５に支持された出力軸３２と、出力軸３２の後部に相互に所定幅の切欠５７，５８（図４および図９参照）を介して一体に形成された３個のスリーブ支持フランジ３３，３４，３５と、後側のスリーブ支持フランジ３５にメタルガスケット３６を介して複数本のボルト３７…で結合され、前記ラジアルベアリング２４でケーシング本体１２に支持されたロータヘッド３８と、３個のスリーブ支持フランジ３３，３４，３５に前方から嵌合して複数本のボルト３９…で前側のスリーブ支持フランジ３３に結合された断熱カバー４０とを備える。
【００３２】
３個のスリーブ支持フランジ３３，３４，３５には各々５個のスリーブ支持孔３３ａ…，３４ａ…，３５ａ…が軸線Ｌまわりに７２°間隔で形成されており、それらのスリーブ支持孔３３ａ…，３４ａ…，３５ａ…に５本のシリンダスリーブ４１…が後方から嵌合する。各々のシリンダスリーブ４１の後端にはフランジ４１ａが形成されており、このフランジ４１ａが後側のスリーブ支持フランジ３５のスリーブ支持孔３５ａに形成した段部３５ｂに嵌合した状態でメタルガスケット３６に当接して軸方向に位置決めされる（図９参照）。各々のシリンダスリーブ４１の内部にピストン４２が摺動自在に嵌合しており、ピストン４２の前端は斜板３１に形成したディンプル３１ａに当接するとともに、ピストン４２の後端とロータヘッド３８との間に蒸気の膨張室４３が区画される。
【００３３】
前部カバー１５の前面にシール部材９１を介して板状のベアリングホルダ９２が重ね合わされてボルト９３…で固定され、そのベアリングホルダ９２の前面にシール部材９４を介してポンプボディ９５が重ね合わされてボルト９６…で固定される。組み合わせアンギュラベアリング２３ｆ，２３ｒは、前部カバー１５の段部とベアリングホルダ９２との間に挟まれて軸線Ｌ方向に固定される。
【００３４】
組み合わせアンギュラベアリング２３ｆ，２３ｒを支持する出力軸３２に形成したフランジ３２ｄと組み合わせアンギュラベアリング２３ｆ，２３ｒのインナーレースとの間に所定厚さのシム９７が挟持され、出力軸３２の外周に螺合するナット９８で組み合わせアンギュラベアリング２３ｆ，２３ｒのインナーレースが締め付けられる。その結果、出力軸３２は組み合わせアンギュラベアリング２３ｆ，２３ｒに対して、つまりケーシング１１に対して軸線Ｌ方向に位置決めされる。
【００３５】
組み合わせアンギュラベアリング２３ｆ，２３ｒは相互に逆向きに装着されており、出力軸３２を径方向に支持するだけでなく、軸線Ｌ方向にも移動不能に支持している。即ち、一方の組み合わせアンギュラベアリング２３ｆは出力軸３２が前方に移動するのを規制し、他方の組み合わせアンギュラベアリング２３ｒは出力軸３２が後方に移動するのを規制するように配置される。
【００３６】
ロータ２２の前部を支持する軸受けに組み合わせアンギュラベアリング２３ｆ，２３ｒを使用したので、膨張機Ｅの所定の運転状態において膨張室４３…で発生する軸線Ｌ方向両側への荷重は、その一方がロータ２２を介して組み合わせアンギュラベアリング２３ｆ，２３ｒのインナーレースに伝達され、その他方が斜板３１および前部カバー１５の斜板ホルダ２８を介して組み合わせアンギュラベアリング２３ｆ，２３ｒのアウターレースに伝達される。これら二つの荷重は、斜板３１を支持するアンギュラベアリング３０とロータ２２を支持する組み合わせアンギュラベアリング２３ｆ，２３ｒとに挟まれた前部カバー１５の斜板ホルダ２８を圧縮するもので、機構部の剛性は高いものとなる。しかも本実施例の如く、斜板ホルダ２８を前部カバー１５と一体に構成することで、更に剛性が高く簡略な構造となる。
【００３７】
更に、斜板３１を支持するアンギュラベアリング３０とロータ２２を支持する組み合わせアンギュラベアリング２３ｆ，２３ｒとを前部カバー１５に組み込むことにより、「ロータ２２およびピストン４２…」、「前部カバー１５のアセンブリ」、「ポンプボディ９５」というユニット単位で組立作業が行え、ピストン４２…の組み替えやオイルポンプ４９の交換といった作業の効率が改善される。
【００３８】
またロータ２２の後端部を構成するロータヘッド３８を支持するラジアルベア２４は径方向の荷重のみを支持する通常のボールベアリングであって、ロータヘッド３８がラジアルベアリング２４に対して軸線Ｌ方向に摺動できるように、ロータヘッド３８とラジアルベアリング２４のインナーレースとの間に隙間α（図５参照）が形成される。
【００３９】
ロータ２２と一体の出力軸３２内部に軸線Ｌ上に延びるオイル通路３２ａが形成されており、このオイル通路３２ａの前端は径方向に分岐して出力軸３２の外周の環状溝３２ｂに連通する。ロータ２２の中央のスリーブ支持フランジ３４の径方向内側位置において、前記オイル通路３２ａの内周にシール部材４４を介してオイル通路閉塞部材４５が螺合しており、その近傍のオイル通路３２ａから径方向外側に延びる複数のオイル孔３２ｃ…が出力軸３２の外周面に開口する。
【００４０】
ポンプボディ９５の前面に形成した凹部９５ａと、ポンプボディ９５の前面にシール部材４６を介して複数本のボルト４７…で固定したポンプカバー４８との間に配置されたトロコイド型のオイルポンプ４９は、前記凹部９５ａに回転自在に嵌合するアウターロータ５０と、出力軸３２の外周に固定されてアウターロータ５０に噛合するインナーロータ５１とを備える。オイルパン２１の内部空間はオイルパイプ５２およびポンプボディ９５のオイル通路９５ｂを介してオイルポンプ４９の吸入ポート５３に連通し、オイルポンプ４９の吐出ポート５４はポンプボディ９５のオイル通路９５ｃを介して出力軸３２の環状溝３２ｂに連通する。
【００４１】
シリンダスリーブ４１に摺動自在に嵌合するピストン４２はエンド部６１、中間部６２およびトップ部６３からなる。エンド部６１は斜板３１のディンプル３１ａに当接する球面部６１ａを有する部材であって、中間部６２の先端に溶接で結合される。中間部６２は大容積の中空空間６２ａを有する円筒状の部材であって、トップ部６３に近い外周部に直径が僅かに減少した小径部６２ｂを有しており、そこを半径方向に貫通するように複数のオイル孔６２ｃ…が形成されるとともに、小径部６２ｂよりも前方の外周部に複数本の螺旋状のオイル溝６２ｄ…が形成される。膨張室４３に臨むトップ部６３は中間部６２と一体に形成されており、その内面に形成された隔壁６３ａと、その後端面に嵌合して溶接された蓋部材６４との間に断熱空間６５（図９参照）が形成される。トップ部６３の外周には２本の圧縮リング６６，６６と１本のオイルリング６７とが装着されており、オイルリング６７が嵌合するオイルリング溝６３ｂは複数のオイル孔６３ｃ…を介して中間部６２の中空空間６２ａに連通する。
【００４２】
ピストン４２のエンド部６１および中間部６２は高炭素鋼製、トップ部６３はステンレス製であり、そのうちエンド部６１には高周波焼入れが、中間部６２には焼入れが施される。その結果、斜板３１に大きな面圧で当接するエンド部６１の耐高面圧性と、厳しい潤滑条件でシリンダスリーブ４１に摺接する中間部６２の耐摩耗性と、膨張室４３に臨んで高温高圧に晒されるトップ部６３の耐熱・耐蝕性とが満たされる。
【００４３】
シリンダスリーブ４１の中間部外周に環状溝４１ｂ（図６および図９参照）が形成されており、この環状溝４１ｂに複数のオイル孔４１ｃ…が形成される。シリンダスリーブ４１の回転方向の取付位置に関わらず、出力軸３２に形成したオイル孔３２ｃ…と、ロータ２２の中央のスリーブ支持フランジ３４に形成したオイル孔３４ｂ…（図４および図６参照）とが環状溝４１ｂに連通する。ロータ２２の前側および後側のスリーブ支持フランジ３３，３５と断熱カバー４０との間に形成された空間６８は、断熱カバー４０に形成したオイル孔４０ａ…（図４および図７参照）を介してケーシング１１の内部空間に連通する。
【００４４】
ロータ２２の前側のスリーブ支持フランジ３３の後面にボルト３７…で結合されたロータヘッド３８の前側もしくは膨張室４３…側に環状の蓋部材６９が溶接されており、蓋部材６９の背面もしくは後面に環状の断熱空間７０（図９参照）が区画される。ロータヘッド３８はノックピン５５により後側のスリーブ支持フランジ３５に対して回転方向に位置決めされる。
【００４５】
尚、５個のシリンダスリーブ４１…と５個のピストン４２…とは本発明のアキシャルピストンシリンダ群５６を構成する。
【００４６】
次に、ロータ２２の５個の膨張室４３…に蒸気を供給・排出するロータリバルブ７１の構造を、図５および図１０〜図１５に基づいて説明する。
【００４７】
図５に示すように、ロータ２２の軸線Ｌに沿うように配置されたロータリバルブ７１は、後部カバー１８の中央部に一体に形成されたバルブ本体部７２と、カーボン製の固定側バルブプレート７３と、カーボン製、テフロン製、金属製等の可動側バルブプレート７４とを備える。可動側バルブプレート７４は、ロータ２２の後面にノックピン７５（図１０参照）で回転方向に位置決めされた状態で、オイル通路閉塞部材４５（図４参照）に螺合するボルト７６で固定される。尚、ボルト７６はロータヘッド３８を出力軸３２に固定する機能も兼ね備えている。
【００４８】
バルブ本体７２の外周にシール部材７８を介して嵌合する環状のホルダ７９が複数本のボルト８０…で固定されており、このホルダ７９の内部に２本のノックピン８１，８１で回り止めされた固定側バルブプレート７３がシール部材８２を介して支持されている。シール部材８２の後側に配置されたバックアップリング９０は、熱に弱いシール部材８２を高温高圧蒸気の熱から保護する役割を持ち、シール部材８２の前側に配置されたバックアップリング９１は、高温高圧蒸気の圧力でシール部材８２がホルダ７９の前端から脱落するのを阻止する役割を持つ。これらのバックアップリング９０，９１は高温高圧蒸気の温度や圧力に応じて、その両方あるいは一方だけを設けても良い。
【００４９】
ホルダ７９の前端から径方向内向きに突出するフランジ７９ａが固定側バルブプレート７３の前面に隙間β（図１０参照）を介して対向しており、この隙間βの範囲で固定側バルブプレート７３は軸線Ｌ方向に移動可能である。ノックピン８１，８１にはテフロンのような自己潤滑性を有する材料でコーティングが施されているため、固定側バルブプレート７３は軸線Ｌ方向にスムーズに移動することができる。またノックピン８１，８１を固定側バルブプレート７３のほぼ中心位置に設けたので、それに加わる回転トルクが小さくなって小型化ができ、しかも固定側バルブプレート７３の首振り運動に容易に追従することができる。しかも、シール部材８２が径方向の潰れ代を有することで、減衰特性を発揮させながら固定側バルブプレート７３を径方向および軸線Ｌ方向に実質的にフローティング支持することができる。
【００５０】
図５に図１０を併せて参照すると明らかなように、バルブ本体部７２が固定側バルブプレート７３に当接する合わせ面８３に、軸線Ｌを囲む環状の圧力室８４開口する。軸線Ｌから偏心した位置でバルブ本体部７２に結合された蒸気供給パイプ８５が、バルブ本体部７２の内部を貫通する第１蒸気通路Ｐ１を介して圧力室８４に連通する。圧力室８４の内部において、コイルスプリング８６、パッキンリテーナ８７およびＶパッキン８８が軸線Ｌ方向に順次配置される。
【００５１】
従って、圧力室８４内に導入された高温高圧蒸気は合わせ面８３にも導入されて外周のシール部材８２でシールされることにより、固定側バルブプレート７３の背面の合わせ面８３も摺動面７７に対する押圧作用を発揮する領域となる。
【００５２】
図１５から明らかなように、コイルスプリング８６は固定側バルブプレート７３に向かって巻き径が縮小するテーパーコイルスプリングで構成される。金属製のパッキンリテーナ８７は、コイルスプリング８６が当接する円錐面８７ａと、この円錐面８７ａの反対側でＶパッキン８８を支持する円錐面８７ｂと、圧力室８４の内周面８４ａ（図１０参照）に若干の隙間を存して案内される円形の開口部８７ｃとを備える。合成樹脂製のＶパッキン８８は、パッキンリテーナ８７の円錐面８７ｂに支持される円錐面８８ａと、固定側バルブプレート７３との合わせ面８３に当接する平坦面８８ｂと、圧力室８４の内周面８４ａに案内される円形の開口部８８ｃとを備える。
【００５３】
コイルスプリング８６は、高温高圧蒸気の圧力が立ち上がる前にＶパッキン８８を固定側バルブプレート７３との合わせ面８３に押し付ける予荷重を与えるとともに、固定側バルブプレート７３の振動をシール部材８２と圧力室８４内の高温高圧蒸気の圧力との協働により減衰させる機能を有する。パッキンリテーナ８７はＶパッキン８８を圧力室８４内で正しい姿勢で保持するとともに、高温高圧蒸気の熱を遮断してＶパッキン８８の耐久性を高める機能を有する。
【００５４】
またコイルスプリング８６を、圧力室８４の小さい空間内にスプリング巻き数を多く取るためにスプリングシートを廃止した構造とし、かつ直接Ｖパッキン８８に当接させることなく、Ｖパッキン８８との間に介在するパッキンリテーナ８７をスプリングシートとして利用することで、Ｖパッキン８８に特別のスプリングシートを設ける必要をなくし、コイルスプリング８６の長さを最大限に確保しながら圧力室８４の軸線Ｌ方向の寸法を小型化することができる。更に、パッキンリテーナ８７の円錐面８７ａ，８７ｂは、テーパー状のコイルスプリング８６およびＶパッキン８８と協働し、固定側バルブプレート７３の首振り運動に対する追従製を高める機能を発揮する。
【００５５】
バルブ本体部７２に形成した第１蒸気通路Ｐ１は、固定側バルブプレート７３に形成した第２蒸気通路Ｐ２を介して摺動面７７に連通する。また摺動面７７には、相互に連通する円弧状の第５蒸気通路Ｐ５および円形の第６蒸気通路Ｐ６が凹設されており、第６蒸気通路Ｐ６は軸線Ｌ上に形成された第７蒸気通路Ｐ７を介して合わせ面８３に連通する。軸線Ｌ上に位置するようにバルブ本体部７２に形成した第８蒸気通路Ｐ８は、その一端が合わせ面８３において第７蒸気通路Ｐ７に連通するとともに、バルブ本体部７２の後端面で蒸気排出パイプ８９に連通する。膨張後の低温低圧蒸気は膨張前の高温高圧蒸気に比べて容積が増加するため、蒸気排出パイプ８９の径は蒸気供給パイプ８５の径よりも大きくなる。
【００５６】
図１０および図１２に良く示されるように、固定側バルブプレート７３の摺動面７７には第２蒸気通路Ｐ２に連通する円弧状の圧力溝７７ａが凹設されるとともに、固定側バルブプレート７３を貫通して圧力室８４に連通する２個の圧力孔７７ｂ，７７ｂが開口する。
【００５７】
軸線Ｌを囲むように等間隔で配置された５個の第３蒸気通路Ｐ３…が可動側バルブプレート７４を貫通しており、軸線Ｌを囲むようにロータ２２に形成された５個の第４蒸気通路Ｐ４…の両端が、それぞれ前記第３蒸気通路Ｐ３…および前記膨張室４３…に連通する。第２蒸気通路Ｐ２の摺動面７７に開口する部分は円形であるのに対し、第５蒸気通路Ｐ５の摺動面７７に開口する部分は軸線Ｌを中心とする円弧状に形成される。
【００５８】
次に、上記構成を備えた本実施例の膨張機Ｅの作用を説明する。
【００５９】
蒸発器で水を加熱して発生した高温高圧蒸気は蒸気供給パイプ８５から、バルブ本体部７２の第１蒸気通路Ｐ１と、圧力室８４と、合わせ面８３と、固定側バルブプレート７３の第２蒸気通路Ｐ２とを経て可動側バルブプレート７４との摺動面７７に達する。そして摺動面７７に開口する第２蒸気通路Ｐ２はロータ２２と一体に回転する可動側バルブプレート７４に形成した対応する第３蒸気通路Ｐ３に所定の吸気期間において瞬間的に連通し、高温高圧蒸気は第３蒸気通路Ｐ３からロータ２２に形成した第４蒸気通路Ｐ４を経てシリンダスリーブ４１内の膨張室４３に供給される。
【００６０】
ロータ２２の回転に伴って第２蒸気通路Ｐ２および第３蒸気通路Ｐ３の連通が絶たれた後も膨張室４３内で高温高圧蒸気が膨張することで、シリンダスリーブ４１に嵌合するピストン４２が上死点から下死点に向けて前方に押し出され、その前端のエンド部６１が斜板３１のディンプル３１ａを押圧する。その結果、ピストン４２が斜板３１から受ける反力でロータ２２に回転トルクが与えられる。そしてロータ２２が５分の１回転する毎に、相隣り合う新たな膨張室４３内に高温高圧蒸気が供給されてロータ２２が連続的に回転駆動される。
【００６１】
ロータ２２の回転に伴って下死点に達したピストン４２が斜板３１に押圧されて上死点に向かって後退する間に、膨張室４３から押し出された低温低圧蒸気は、ロータ２２の第４蒸気通路Ｐ４と、可動側バルブプレート７４の第３蒸気通路Ｐ３と、摺動面７７と、固定側バルブプレート７３の第５蒸気通路Ｐ５、第６蒸気通路Ｐ６および第７蒸気通路Ｐ７と、合わせ面８３と、バルブ本体部７２の第８蒸気通路Ｐ８と、蒸気排出パイプ８９とを経て凝縮器に供給される。
【００６２】
ロータ２２の回転に伴って出力軸３２に設けたオイルポンプ４９が作動し、オイルパン２１からオイルパイプ５２、ポンプボディ９５のオイル通路９５ｂ、吸入ポート５３を経て吸入されたオイルが吐出ポート５４から吐出され、ポンプボディ９５のオイル通路９５ｃ、出力軸３２のオイル通路３２ａ、出力軸３２の環状溝３２ｂ、出力軸３２のオイル孔３２ｃ…、シリンダスリーブ４１の環状溝４１ｂおよびシリンダスリーブ４１のオイル孔４１ｃ…を経て、ピストン４２の中間部６２に形成した小径部６２ｂとシリンダスリーブ４１との間の空間に供給される。そして前記小径部６２ｂに保持されたオイルの一部は、ピストン４２の中間部６２に形成した螺旋状のオイル溝６２ｄ…に流れてシリンダスリーブ４１との摺動面を潤滑し、また前記オイルの他の一部はピストン４２のトップ部６３に設けた圧縮リング６６，６６およびオイルリング６７とシリンダスリーブ４１との摺動面を潤滑する。
【００６３】
供給された高温高圧蒸気の一部が凝縮した水が膨張室４３からシリンダスリーブ４１およびピストン４２の摺動面に浸入してオイルに混入することは避けられず、そのために前記摺動面の潤滑条件は厳しいものとなるが、必要量のオイルをオイルポンプ４９から出力軸３２の内部を通してシリンダスリーブ４１およびピストン４２の摺動面に直接供給することで、充分な油膜を維持して潤滑性能を確保するとともにオイルポンプ４９の小型化を図ることができる。
【００６４】
シリンダスリーブ４１およびピストン４２の摺動面からオイルリング６７によって掻き取られたオイルは、オイルリング溝６３ｂの底部に形成したオイル孔６３ｃ…からピストン４２の内部の中空空間６２ａに流入する。前記中空空間６２ａはピストン４２の中間部６２を貫通する複数のオイル孔６２ｃ…を介してシリンダスリーブ４１の内部に連通しており、かつシリンダスリーブ４１の内部は複数のオイル孔４１ｃ…を介して該シリンダスリーブ４１の外周の環状溝４１ｂに連通している。環状溝４１ｂの周囲はロータ２２の中央のスリーブ支持フランジ３４によって覆われているが、スリーブ支持フランジ３４にはオイル孔３４ｂが形成されているため、ピストン４２の中空空間６２ａ内のオイルは遠心力で半径方向外側に付勢され、スリーブ支持フランジ３４のオイル孔３４ｂを通して断熱カバー４０内の空間６８に排出され、そこから断熱カバー４０のオイル孔４０ａ…を通してオイルパン２１に戻される。その際に、前記オイル孔３４ｂはスリーブ支持フランジ３４の半径方向外端よりも軸線Ｌ寄りに偏倚した位置にあるため、そのオイル孔３４ｂよりも半径方向外側にあるオイルは遠心力でピストン４２の中空空間６２ａに保持される。
【００６５】
このように、ピストン４２の内部の中空空間６２ａに保持されたオイルとピストン４２の外周の小径部６２ｂとに保持されたオイルとは、膨張室４３の容積が増加する膨張行程において前記小径部６２ｂからトップ部６３側に供給され、また膨張室４３の容積が減少する圧縮行程において前記小径部６２ｂからエンド部６１側に供給されるため、ピストン４２の軸方向全域を確実に潤滑することができる。またピストン４２の中空空間６２ａの内部でオイルが流動することで、高温高圧蒸気に晒されるトップ部６３の熱を低温のエンド部６１に伝えてピストン４２の温度が局部的に上昇するのを回避することができる。
【００６６】
第４蒸気通路Ｐ４から高温高圧蒸気が膨張室４３に供給されたとき、膨張室４３に臨むピストン４２のトップ部６３と中間部６２との間には断熱空間６５が形成されており、また膨張室４３に臨むロータヘッド３８にも断熱空間７０が形成されているため、膨張室４３からピストン４２およびロータヘッド３８への熱逃げを最小限に抑えて膨張機Ｅの性能向上に寄与することができる。またピストン４２の内部に大容積の中空空間６２ａを形成したので、ピストン４２の重量を低減することができるだけでなく、ピストン４２の熱マスを減少させて膨張室４３からの熱逃げを更に効果的に低減することができる。
【００６７】
後側のスリーブ支持フランジ３５とロータヘッド３８との間にメタルガスケット３６を介在させて膨張室４３をシールしたので、肉厚の大きい環状のシール部材を介して膨張室４３をシールする場合に比べて、シールまわりのデッドボリュームを減らすことができ、これにより膨張機Ｅの容積比（膨張比）を大きく確保し、熱効率を高めて出力の向上を図ることができる。またシリンダスリーブ４１をロータ２２と別体で構成したので、ロータ２２の材質に制約されずに熱伝導性、耐熱性、強度、耐摩耗性等を考慮してシリンダスリーブ４１の材質を選択することができ、しかも摩耗・損傷したシリンダスリーブ４１だけを交換することができるので経済的である。
【００６８】
またロータ２２の外周面に円周方向に形成した２個の切欠５７，５８からシリンダスリーブ４１の外周面が露出するので、ロータ２２の重量を軽減できるだけでなく、ロータ２２の熱マスを減少させて熱効率の向上を図ることができ、しかも前記切欠５７，５８を断熱空間として機能させることでシリンダスリーブ４１からの熱逃げを抑制することができる。更に、ロータ２２の外周部を断熱カバー４０で覆ったので、シリンダスリーブ４１からの熱逃げを一層効果的に抑制することができる。
【００６９】
ロータリバルブ７１は固定側バルブプレート７３および可動側バルブプレート７４間の平坦な摺動面７７を介してアキシャルピストンシリンダ群５６に蒸気を供給・排出するので、蒸気のリークを効果的に防止することができる。なぜならば、平坦な摺動面７７は高精度の加工が容易なため、円筒状の摺動面に比べてクリアランスの管理が容易であるからである。
【００７０】
ところで、特に高温時における熱膨張に起因して、ロータ２２はそれを支持する組み合わせアンギュラベアリング２３ｆ，２３ｒおよびラジアルベアリング２４のガタによって多少の傾きが発生することが避けられず、またロータ２２に固定された可動側バルブプレート７４の摺動面７７も軸線Ｌに対して厳密に垂直であるとは限らない。従って、可動側バルブプレート７４に摺動面７７を介して当接する固定側バルブプレート７３はロータ２２の回転に伴って若干の首振り運動を行うことになり、摺動面７７の密着性が損なわれる虞がある。
【００７１】
しかしながら、図１０から明らかなように、バルブ本体部７２の第１蒸気通路Ｐ１から圧力室８４に高温高圧蒸気が供給されると、その圧力室８４の圧力が合わせ面８３に作用する面積Ａ２に応じた大きさの押圧荷重が固定側バルブプレート７３に付与される。そして固定側バルブプレート７３はバルブ本体部７２に対して隙間βの範囲で軸線Ｌ方向に移動可能であるため、前記押圧荷重で固定側バルブプレート７３が可動側バルブプレート７４に向けて付勢されて摺動面７７の密着性が確保される。尚、圧力室８４の圧力が合わせ面８３に作用する面積Ａ２は、シール部材８２でシールされる合わせ面８３の外端まで含まれる。
【００７２】
このとき、圧力室８４に供給された高温高圧蒸気の圧力でＶパッキン８８の外周部の第１のシールリップＳ１が軸線Ｌ方向前方に撓むことで、固定側バルブプレート７３の合わせ面８３との間が効果的にシールされる。そしてバルブ本体部７２が高温高圧蒸気の熱で軸線Ｌ１方向に熱伸びしても、Ｖパッキン８８が軸線Ｌ方向に追従移動し、かつ高温高圧蒸気の圧力で第１のシールリップＳ１が弾性変形することでシール性を維持することができる。その結果、圧力室８４の高温高圧蒸気が合わせ面７３を経て低圧の第７、第８蒸気通路Ｐ７，Ｐ８に漏れるのを確実に阻止し、膨張機Ｅの出力向上に寄与することができる。特にＶパッキン８８の外周部に形成された第１のシールリップＳ１は円周方向の長さが長いため、広い受圧面積を有して効果的に撓むことができ、固定側バルブプレート７３と合わせ面８３に確実に密着して高いシール性を発揮することができる。
【００７３】
尚、Ｖパッキン８８の内周面の第２のシールリップＳ２は圧力室８４の内周面８４ａに当接しているが、その内側に低温低圧の作動媒体が通過する第８蒸気通路Ｐ８が形成されているため、前記内周面８４ａの熱伸びは比較的に小さなものとなり、従ってＶパッキン８８の第２のシールリップＳ２のシール性は特に問題にはならない。
【００７４】
またコイルスプリング８６がパッキンリテーナ８７に向けてテーパーしているので、パッキンリテーナ８７およびＶパッキン８８が軸線Ｌまわりに減衰特性を有して首振り運動するのを許容して摺動面７７の密着性を高めることができる。しかも固定側バルブプレート７３の振動に追従してコイルスプリング８６が伸縮するとき、そのコイルスプリング８６が収納された圧力室８４内の高温高圧蒸気の抵抗により、固定側バルブプレート７３の振動をシール部材８２の減衰特性と協働して効果的に減衰させることができる。
【００７５】
またバルブ本体部７２に軸線Ｌ上に形成された第８排気通路Ｐ８は膨張後の低温低圧蒸気が通過するために直径を小さくすることができず、従って第８排気通路Ｐ８を囲むように形成された圧力室８４の圧力が合わせ面８３に作用する面積Ａ２も必然的に大きくなる。その結果、圧力室８４により発生する押圧荷重も大きくなって摺動面７７の面圧が過剰になる虞がある。しかしながら、固定側バルブプレート７３の摺動面７７に開口する圧力溝７７ａに高温高圧蒸気が通過する第２蒸気通路Ｐ２の高圧を導き、また固定側バルブプレート７３の摺動面７７に開口する圧力孔７７ｂ，７７ｂに圧力室８４の高圧を導くことで摺動面７７に対する押圧荷重を制御し、摺動面７７の面圧が過剰に上昇するのを防止して摩擦力の低減および異常摩耗の防止を図ることができる。
【００７６】
圧力室８４に供給される高温高圧蒸気の圧力が高まると、固定側バルブプレート７３および可動側バルブプレート７４の摺動面７７から高温高圧蒸気が漏れ易くなるが、その圧力の増加に応じて圧力室８４が発生する押圧荷重が増加して摺動面７７の面圧を高めるので、高温高圧蒸気の圧力に応じたシール性を発揮させることができる。特に、図１０において、摺動面７７の面積Ａ１に対する圧力室８４の圧力が合わせ面８３に作用する面積Ａ２の比Ａ２／Ａ１を適宜設定することで、摺動面７７の面圧を任意に調整することができる。具体的には、比Ａ２／Ａ１を大きくすると摺動面７７の面圧が増加し、比Ａ２／Ａ１を小さくすると摺動面７７の面圧が減少する。
【００７７】
即ち、最適押圧荷重とは、摺動面７７での若干のリークを勘案し、膨張機Ｅの出力を最大限に発揮させ、かつ熱効率の良い押圧荷重であり、膨張室４３…へ供給される高温高圧蒸気の圧力と押圧荷重とが同圧のときであって、バランス比Ａ２／Ａ１≒１となる。尚、膨張室４３…へ供給された高温高圧蒸気の圧力は供給後すぐに膨張作用で圧力降下するので、膨張室４３…へ供給される直前の高温高圧の圧力以下の圧力として圧力室８４の圧力を勘案し、摺動面７７への押圧荷重を設定すれば良い。
【００７８】
尚、主として図１０に示される実施例では、回り止めのノックピン８１，８１を固定側バルブプレート７３の背面のほぼ中心位置に設け、また固定側バルブプレート７３を隙間β分だけ軸線Ｌ方向に移動自在とし、かつ固定側バルブプレート７３をシール部材８２の潰れ代分だけ径方向に移動自在としたので、固定側バルブプレート７３の首振り範囲を大きく確保することができ、特に蒸気圧が低い場合に適している。
【００７９】
更に、後部カバー１８をケーシング本体１２から取り外すだけで、ケーシング本体１２に対してロータリバルブ７１を着脱することができるので、修理、清掃、交換等のメンテナンス作業性が大幅に向上する。また高温高圧蒸気が通過するロータリバルブ７１は高温になるが、オイルによる潤滑が必要な斜板３１や出力軸３２がロータ２２を挟んでロータリバルブ７１の反対側に配置されるので、高温となるロータリバルブ７１の熱でオイルが加熱されて斜板３１や出力軸３２の潤滑性能が低下するのを防止することができる。またオイルはロータリバルブ７１を冷却して過熱を防止する機能も発揮する。
【００８０】
ところで、膨張機Ｅを組み立てる際にシリンダスリーブ４１の底部（即ち、ロータヘッド３８に支持された蓋部材６９）およびピストン４２の頂部間のデッドボリュームの大きさ、つまりピストン４２が上死点にあるときの作動室４３の容積を調整する必要がある。出力軸３２のフランジ３２ｄと組み合わせアンギュラベアリング２３ｆ，２３ｒのインナーレースとの間に介在するシム９７を薄くすると、出力軸３２が前方（図１の右側）に移動するため、ロータヘッド３８も前方に移動するが、ピストン４２は斜板３１に規制されて前方に移動できないため、前記デッドボリュームは減少する。逆に、前記シム９７を厚くすると、出力軸３２と共にロータヘッド３８が後方（図１の左側）に移動するため、前記デッドボリュームは増加する。その結果、シム９７の交換だけでデッドボリュームを任意に調整することが可能になり、デッドボリュームの調整に要する工程を削除して時間を大幅に節減することができる。
【００８１】
また所定の厚さを有する単一のシム９７を出力軸３２のフランジ３２ｄと組み合わせアンギュラベアリング２３ｆ，２３ｒとの間に挟み、斜板３１を支持するアンギュラベアリング３０およびロータ２２を支持する組み合わせアンギュラベアリング２３ｆ，２３ｒを組み込んだ前部カバー１５と、ピストン４２…を組み込んだロータ２２とを一つのナット９８で締め付けるだけでデッドボリュームを調整することができるので、従来の前後２個のシムの厚さをそれぞれ調整する場合に比べて調整作業を簡単に行うことができる。しかもデッドボリュームの調整に際して、ピストン４２…を組み込んだロータ２２をケーシング本体１２に組み付けたままで良いため、、調整後のデッドボリュームの確認作業がピストン４２…および斜板３１の接触状態を直接見ながら行えるようになる。
【００８２】
上述のようにして、シム９７の厚さを変更することで組み合わせアンギュラベアリング２３ｆ，２３ｒに対して出力軸３２の位置を前後に調整すると、ロータ２２の後端部のロータヘッド３８の位置も前後に移動するが、そのロータヘッド３８はケーシング本体１２との間に設けたラジアルベアリング２４のインナーレースに対して軸線Ｌ方向に摺動自在であるため、出力軸３２の位置の調整に支障を来すことがない。
【００８３】
而して、膨張室４３に供給された高温高圧蒸気の圧力でピストン４２がシリンダスリーブ４１から押し出される方向に付勢されると、ピストン４２の押圧力は斜板３１、アンギュラベアリング３０、斜板ホルダ２８および前部カバー１５を介して組み合わせアンギュラベアリング２３ｆ，２３ｒのアウターレースを前方（図１の右側）に押圧し、前記ピストン４２の押圧力と逆向きのシリンダスリーブ４１の押圧力は、ロータヘッド３８および出力軸３２を介して組み合わせアンギュラベアリング２３ｆ，２３ｒのインナーレースを後方（図１の左側）に押圧する。即ち、膨張室４３に供給された高温高圧蒸気により発生する荷重は組み合わせアンギュラベアリング２３ｆ，２３ｒの内部で打ち消され、ケーシング本体１２に伝達されることはない。
【００８４】
出力軸３２、３個のスリーブ支持フランジ３３，３４，３５、ロータヘッド３８および断熱カバー４０で構成されたロータ２２は熱膨張量が比較的に小さい鉄系材料で構成されているのに対し、そのロータ２２を組み合わせアンギュラベアリング２３ｆ，２３ｒおよびラジアルベアリング２４を介して支持するケーシング１１は熱膨張量が比較的に大きいアルミニウム系材料で構成されているため、膨張機Ｅの低温時と高温時とで特に軸線Ｌに沿う方向の熱膨張量に差が発生する。
【００８５】
ロータ２２よりも熱膨張量が大きいケーシング１１は、高温時にはロータ２２よりも余分に膨張して軸線Ｌ方向の寸法が相対的に増加し、逆に低温時には余分に収縮して軸線Ｌ方向の寸法が相対的に減少する。このとき、ケーシング１１とロータ２２とは組み合わせアンギュラベアリング２３ｆ，２３ｒを介して軸線Ｌ方向に位置決めされているため、両者の熱膨張量の差はラジアルベアリング２４のインナーレースに対するロータヘッド３８の摺動により吸収され、組み合わせアンギュラベアリング２３ｆ，２３ｒ、ラジアルベアリング２４およびロータ２２に軸線Ｌ方向の過大な荷重が作用するのが防止される。これにより、組み合わせアンギュラベアリング２３ｆ，２３ｒおよびラジアルベアリング２４の耐久性が向上するだけでなく、ロータ２２の支持を安定させてスムーズな回転を可能にすることができ、しかも温度変化に伴うシリンダスリーブ４１の頂部およびピストン４２の頂部間のデッドボリュームの変動を防止することができる。
【００８６】
なぜならば、仮にロータ２２の両端部がケーシング１１に軸方向に移動不能に拘束されているとすると、低温時にはロータ２２に対してケーシング１１が軸線Ｌ方向に収縮しようとするため、ケーシング１１の一部である斜板ホルダ２８に支持された斜板３１に頭部が当接するピストン４２が後方に押圧され、かつケーシング１１にラジアルベアリング２４を介して支持されたロータヘッド３８が前方に押圧されることで、ピストン４２がシリンダスリーブ４１の内部に押し込まれてデッドボリュームが減少するからである。逆に、高温時にはロータ２２に対してケーシング１１が軸線Ｌ方向に伸長しようとするため、ピストン４２がシリンダスリーブ４１の内部から引き出されてデッドボリュームが増加することになり、暖機完了後の通常運転状態における高温高圧蒸気の初期容積の増大、つまり膨張機Ｅの容積比（膨張比）の低下による熱効率の低下が発生してしまう。
【００８７】
それに対して、本実施例ではロータ２２がケーシング１１に対して軸線Ｌ方向に浮動状態で支持されているため、組み合わせアンギュラベアリング２３ｆ，２３ｒおよびラジアルベアリング２４の軸受間の間隙の増大および予荷重の低下が防止され、温度変化に伴うデッドボリュームの変動が防止される。これにより、膨張機Ｅの容積比（膨張比）の変動を防止して安定した性能を確保することができる。
【００８８】
特に、高温高圧蒸気を作動媒体として使用する膨張機Ｅでは、高温時および低温時の温度差が大きくなるため、上記効果が有効に発揮される。また高温高圧蒸気が供給されるロータリバルブ７１の近傍は高温時および低温時の温度差が大きくなるが、そのロータリバルブ７１に近い側に配置されたラジアルベアリング２４に対してロータヘッド３８が軸線Ｌ方向に摺動可能なため、ケーシング１１およびロータ２２の熱膨張量の差を支障なく吸収することができる。
【００８９】
図１６〜図１９は本発明の第２実施例を示すもので、図１６はロータリバルブまわりの拡大断面図、図１７は図１６の１７−１７線矢視図、図１８は図１６の１８−１８線矢視図、図１９はコイルスプリング、パッキンリテーナおよびＶパッキンの斜視図である。
【００９０】
第１実施例ではロータ２２の軸線Ｌ上に蒸気排出パイプ８９を配置し、その径方向外側に偏倚して蒸気供給パイプ８５を配置していたが、第２実施例ではその位置関係を入れ換え、ロータ２２の軸線Ｌ上に蒸気供給パイプ８５を配置し、その径方向外側に偏倚して蒸気排出パイプ８９を配置している。
【００９１】
また第１実施例のバルブ本体部７２は後部カバー１８と一体に形成されていたが、第２実施例のバルブ本体部７２は後部カバー１８に着脱可能に取り付けられる。即ち、バルブ本体部７２の後部に一体に形成された円形のフランジ７２ａが後部カバー１８の後面にシール部材１０１を介して当接し、複数本のボルト１０２…で固定される。このとき、バルブ本体部７２の前部に一体に形成された円形断面の支持部７２ｂが後部カバー１８の支持孔１８ａに嵌合する。後部カバー１８の支持孔１８ａに連なる支持面１８ｂに環状のホルダ７９が複数本のボルト８０…で固定されており、このホルダ７９の内部に、主に固定側バルブプレート７３の首振りに追従する弾性体として機能するシール部材８２を介して保持された固定側バルブプレート７３が、テフロンコーティングしたノックピン８１，８１で回り止めされる。固定側バルブプレート７３はノックピン８１，８１によって回転方向に位置決めされるが、径方向および軸線Ｌ方向には僅かに移動可能にフローティング支持される。
【００９２】
バルブ本体部７２が固定側バルブプレート７３に当接する合わせ面８３に、円形断面の圧力室８４が開口する。バルブ本体部７２をシール部材１０３を介して貫通する蒸気供給パイプ８５が圧力室８４の中心を通って合わせ面８３まで延びており、圧力室８４の内部において、蒸気供給パイプ８５の外周にコイルスプリング８６、パッキンリテーナ８７およびＶパッキン８８が順次配置される。
【００９３】
蒸気供給パイプ８５の先端と固定側バルブプレート７３の合わせ面８３との間には僅かな隙間が設定されており、蒸気供給パイプ８５が軸線Ｌ方向に熱膨張しても、その先端が合わせ面８３と干渉しないようになっている。蒸気供給パイプ８５に形成した１個の通孔８５ａが圧力室８４の後部に連通する。通孔８５ａの数は、蒸気供給パイプ８５の強度および圧力室８４への必要蒸気供給に応じて複数個としても良い。
【００９４】
金属製のパッキンリテーナ８７は、蒸気供給パイプ８５の外周に緩く嵌合する円筒部８７ｄと、テーパーしていない等径のコイルスプリング８６が当接する円錐面８７ｅと、円錐面８７ｅの反対側でＶパッキン８８を支持する円錐面８７ｆとを備える。合成樹脂製のＶパッキン８８は、蒸気供給パイプ８５の外周に緩く嵌合する貫通孔８８ｄと、パッキンリテーナ８７の円錐面８７ｆに支持される円錐面８８ｅと、固定側バルブプレート７３の合わせ面８３に当接する平坦面８８ｆとを備える。
【００９５】
蒸気供給パイプ８５の内部に形成した第１蒸気通路Ｐ１は、固定側バルブプレート７３に形成した第２蒸気通路Ｐ２を介して摺動面７７に連通する。固定側バルブプレート７３に形成されて合わせ面８３に開口する圧力溝７３ａが、連通孔７７ｂを介して固定側バルブプレート７３に形成した第２蒸気通路Ｐ２に連通する。
【００９６】
またケーシング本体１２および後部カバー１８の間には蒸気排出室１０４が形成されており、この蒸気排出室１０４は蒸気排出パイプ８９に連通するとともに、バルブ本体部７２の内部に形成した第７蒸気通路Ｐ７と、固定側バルブプレート７３に形成した第５、第６蒸気通路Ｐ５，Ｐ６とを介して摺動面７７に連通する。尚、第５蒸気通路Ｐ５は円弧状に形成されて摺動面７７に開口し、第５蒸気通路Ｐ５に連通する第６、第７蒸気通路Ｐ６，Ｐ７は各々２個に分割されて合わせ面８３に開口する。
【００９７】
この第２実施例によれば、蒸気供給パイプ８５の通孔８５ａから圧力室８４に供給された高温高圧蒸気は、Ｖパッキン８８の第１のシールリップＳ１を軸線Ｌ方向前方に弾性変形させて固定側バルブプレート７３の合わせ面８３に押し付け、かつＶパッキン８８の第２のシールリップＳ２を径方向内向きに弾性変形させて蒸気供給パイプ８５の外周面に押し付けることでシール性を発揮する。高温高圧蒸気が流れる蒸気供給パイプ８５は大きく熱伸びするが、その直径が比較的に小さいことで第２のシールリップＳ２とのシール面の周長が短くなるため、第２のシールリップＳ２との間に発生する摩擦力を低減することができる。
【００９８】
また第２実施例では、蒸気排出パイプ８９に比べて直径が小さい蒸気供給パイプ８５の周囲を囲むように圧力室８４を形成したため、その圧力室８４の圧力が合わせ面８３に作用する面積Ａ２を小さくすることが容易であり、比Ａ２／Ａ１を小さく設定して固定側バルブプレート７３を押圧する押圧荷重を小さくすることができ、摺動面７７に過剰な面圧が発生するのを抑制する効果がある。それでもなお摺動面７７に過剰な面圧が発生する場合には、摺動面７７の圧力を固定側バルブプレート７３を貫通する連通孔７３ｂから合わせ面８３に開口する圧力溝７３ａに逃がすことにより、摺動面７７の面圧を低減して摺動抵抗を減少させることができる。
【００９９】
尚、この第２実施例は、第１実施例に比べて回り止めのノックピン８１，８１が固定側バルブプレート７３の径方向外側に配置されていることから、固定側バルブプレート７３の径方向の移動量が小で軸線Ｌ方向の移動量が大になり、その結果として固定側バルブプレート７３の首振り範囲が小さくなるため、主に蒸気の圧力が高い状態での高周波の振動に対する追従性に優れている。また第２実施例は、第１実施例と異なって導入された蒸気に合わせ面８３が直接晒されないので、特に蒸気の温度が高温である場合に適している。
【０１００】
第２実施例のその他の作用効果は、上述した第１実施例の作用効果と同じである。
【０１０１】
図２０および図２１は本発明の第３実施例を示すもので、図２０は第３実施例に係るロータリバルブまわりの拡大断面図、図２１はコイルスプリング、パッキンリテーナおよびＶパッキンの斜視図である。
【０１０２】
第３実施例は圧力室８４の内部における構造だけが上記第２実施例と異なっているため、その相違点を中心に説明する。図１６に示す第２実施例では、そのＶパッキン８８の第１のシールリップＳ１が固定側バルブプレート７３の合わせ面８３との間をシールし、その第２のシールリップＳ２が蒸気供給パイプ８５の外周面との間をシールしているが、第３実施例では、そのＶパッキン８８の第１のシールリップＳ１が固定側バルブプレート７３の合わせ面８３との間をシールし、その第２のシールリップＳ２が圧力室８４の内周面８４ａとの間をシールしている。
【０１０３】
即ち、テーパーしていない等径のコイルスプリング８６により付勢されるパッキンリテーナ８７は、コイルスプリング８６が当接する平坦面８７ｇと、平坦面８７ｇの反対側に形成された円錐面８７ｈと、蒸気供給パイプ８５の外周に緩く嵌合する貫通孔８７ｉとを備える。パッキンリテーナ８７により保持されるＶパッキン８８は、パッキンリテーナ８７の円錐面８７ｈに支持される円錐面８８ｇと、円錐面８８ｇの反対側に形成された円錐面８８ｈとを備えており、固定側バルブプレート７３の合わせ面８３との間をシールする第１のシールリップＳ１と、圧力室８４の内周面８４ａとの間をシールする第２のシールリップＳ２とが形成される。
【０１０４】
このＶパッキン８８は圧力室８４の内周面８４ａとの間のシールを主要な目的とするもので、円錐面８８ｈの先端を薄肉にした第２のシールリップＳ２を圧力室８４の蒸気圧で径方向外側に変形させて内周面８４ａに密着させるようになっている。従って、第２のシールリップＳ２はバルブ本体部７２の熱伸びによる圧力室８４の内周面８４ａの内径の拡大に良く追従してシール性を確保することができる。
【０１０５】
第３実施例のその他の作用効果は、上述した第２実施例の作用効果と同じである。
【０１０６】
以上、本発明の実施例を説明したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。
【０１０７】
例えば、実施例の膨張機Ｅは作動部としてアキシャルピストンシリンダ群５６を備えているが、作動部の構造はそれに限定されるものではない。
【０１０８】
またＶパッキン８８の断面形状も実施例に限定されず、適宜変更可能である。一般的に、Ｖパッキン８８に作用する蒸気圧が高い場合にはシールリップの撓みによるシール効果が期待できるので、シールリップをできるだけ薄くして撓み易くすることが望ましい。逆にＶパッキン８８に作用する蒸気圧が低い場合にはシールリップの撓みによるシール効果が期待できないので、シールリップを厚くして該シールリップ自体の弾性でシール効果を得ることが望ましい。
【０１０９】
またＶパッキン８８は実施例の合成樹脂製に限定されず、金属製やセラミック製であっても良い。この場合、シールリップＳ１，Ｓ２を撓み易くするために、図２２に示すように、そのシールリップＳ１，Ｓ２の近傍に環状の溝ｇ１，ｇ２を形成することが望ましい。
【０１１０】
また本発明の回転流体機械は膨張機Ｅに限定されず、圧縮機、液圧ポンプ、液圧モータ等に適用することができる。
【０１１１】
【発明の効果】
以上のように請求項１に記載された発明によれば、ケーシングに固定したバルブ本体部に固定側バルブプレートを回転不能にフローティング支持し、バルブ本体部に固定側バルブプレートとの合わせ面に開口するように形成した圧力室に高圧の作動媒体を供給し、シール部材により合わせ面をシールして高圧の作動媒体の圧力を受圧するので、圧力室の作動媒体の圧力で固定側バルブプレートを可動側バルブプレートとの摺動面に押し付ける押圧荷重を発生させ、その摺動面を密着させて作動媒体の漏れを防止することができる。またフローティング支持により固定側バルブプレートを摺動面の振れに追従させて押圧荷重の摺動面に対する追従性を高め、摺動面のシール性を確保することができる。
【０１１２】
特に、作動媒体の圧力が高いために摺動面からの漏れが発生し易いときには、それに応じて圧力室が発生する押圧荷重が大きくなるため、作動媒体の圧力が変動しても摺動面に常に最適の面圧を発生させて作動媒体の漏れを防止しながら、前記面圧の過剰な増加を防止して摺動面の摩擦抵抗を最小限に抑えることができる。
【０１１３】
しかもバルブ本体部にフローティング支持された固定側バルブプレートと圧力室との間をシール部材でシールして作動媒体の漏れを防止するので、圧力室が発生する押圧荷重を安定させることができ、また固定側バルブプレートは軸線方向および径方向の移動が可能であるので、シール性を確保しながら首振り運動して摺動面の傾きに対して追従することができる。
【０１１４】
また請求項２に記載された発明によれば、シール部材が作動媒体の圧力および熱による軟化で弾性変形するシールリップを有するので、作動媒体の圧力の増加や温度の上昇に応じてシールリップを変形させてシール性を一層高めることができ、かつシールリップの形状から低フリクションで軸線方向に移動することができる。
【０１１５】
また請求項３に記載された発明によれば、シール部材を弾発付勢手段で固定側バルブプレートとの合わせ面に向けて付勢するので、作動媒体の圧力が立ち上がっていないときにシール部材を付勢してシール性を確保することができ、また摺動面の振れに伴う固定側バルブプレートの振動をシール部材の減衰特性と合わせて弾発付勢手段の弾発力で減衰させ、摺動面の密着性を確保することができる。
【０１１６】
また請求項４に記載された発明によれば、弾発付勢手段をシール部材に向かってテーパーするテーパーコイルスプリングで構成したので、そのテーパーコイルスプリングの調芯性により、可動側バルブプレートにより発生する摺動面の振れに伴う固定側バルブプレートのその揺れと異なる揺動に対し、固定側バルブプレートを軸線まわりに首振り運動させて追従させ、弾発付勢手段による減衰特性と合わせて摺動面の密着性を一層効果的に確保することができる。
【０１１７】
また請求項５に記載された発明によれば、バルブ本体部の中央に設けた低温側の作動媒体の通路の周囲を囲むように環状の圧力室を形成したので、圧力室に収納したシール部材の温度上昇を抑えてシール性を維持することができる。しかも固定側バルブプレートおよび可動側バルブプレートを低温側の作動媒体で効果的に冷却して摺動面の平滑性および耐摩耗性を維持することができる。
【０１１８】
また請求項６に記載された発明によれば、バルブ本体部の中央に設けた高圧側の作動媒体の通路の周囲を囲むように環状の圧力室を形成したので、圧力室に発生する押圧荷重を摺動面に均一に作用させることができる。これにより、圧力室を小型化して押圧荷重を小さく設定しても、摺動面の密着性を確保して偏摩耗を防止することができ、しかも摺動面への押圧荷重を適正最小化できるので、摺動面に発生する摩擦抵抗を低減して回転流体機械のロストルクを低減することができる。
【０１１９】
また請求項７に記載された発明によれば、シール部材の第１のシールリップで固定側バルブプレートの合わせ面との間をシールし、かつ第２のシールリップで圧力室の内周面との間をシールして圧力室の密封性を維持することができ、特に第２のシールリップはそのリップ構造から作動媒体の圧力の変動および固定側バルブプレートの軸線方向および径方向の変位に対して、圧力室の内周面に追従性良く密着してシール性を高めることができる。
【０１２０】
また請求項８に記載された発明によれば、シール部材の第１のシールリップで固定側バルブプレートの合わせ面との間をシールし、かつ第２のシールリップはそのリップ構造から圧力室内に挿入された作動媒体配管の高温の作動媒体による径方向の熱伸びに対して追従し、作動媒体配管の外周面との間をシールして圧力室の密封性を維持することができ、特に第２のシールリップは圧力室の内周面に比べて小径の作動媒体配管の外周面をシールするので、径方向はシールリップが線接触となり、そのシール部の摩擦抵抗を低減して作動媒体配管の熱伸びにスムーズに追従することができ、更にシール部材を中心にして固定側バルブプレートは摺動面の軸線方向および径方向の首振り運動に追従することができる。
【０１２１】
また請求項９に記載された発明によれば、摺動面の面積に対する、圧力室の圧力が合わせ面に作用する面積の比により摺動面の面圧を設定するので、摺動面のシール性を確保しながら該摺動面の摩擦抵抗を低減できる最適の面圧を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】膨張機の縦断面図
【図２】図１の２−２線断面図
【図３】図１の３−３線矢視図
【図４】図１の４部拡大図
【図５】図１の５部拡大図
【図６】ロータの分解斜視図
【図７】図４の７−７線断面図
【図８】図４の８−８線断面図
【図９】図４の９部拡大図
【図１０】図５の１０部拡大図
【図１１】図１０の１１−１１線矢視図
【図１２】図１０の１２−１２線矢視図
【図１３】図５の１３−１３線断面図
【図１４】図５の１４−１４線断面図
【図１５】コイルスプリング、パッキンリテーナおよびＶパッキンの斜視図
【図１６】本発明の第２実施例に係るロータリバルブまわりの拡大断面図
【図１７】図１６の１７−１７線矢視図
【図１８】図１６の１８−１８線矢視図
【図１９】コイルスプリング、パッキンリテーナおよびＶパッキンの斜視図
【図２０】本発明の第３実施例に係るロータリバルブまわりの拡大断面図
【図２１】コイルスプリング、パッキンリテーナおよびＶパッキンの斜視図
【図２２】Ｖパッキンの他の実施例を示す図
【符号の説明】
１１        ケーシング
２２        ロータ
５６        アキシャルピストンシリンダ群（作動部）
７１        ロータリバルブ
７２        バルブ本体部
７３        固定側バルブプレート
７４        可動側バルブプレート
７７        摺動面
８３        合わせ面
８４        圧力室
８４ａ      内周面
８５        蒸気供給パイプ（作動媒体配管）
８６        コイルスプリング（弾発付勢手段）
８８        Ｖパッキン（シール部材）
Ａ１        摺動面の面積
Ａ２        圧力室の圧力が合わせ面に作用する面積
Ｌ          軸線
Ｐ１        第１蒸気供給通路（供給通路）
Ｐ２        第２蒸気供給通路（供給通路）
Ｐ５        第５蒸気供給通路（排出通路）
Ｐ６        第６蒸気供給通路（排出通路）
Ｐ７        第７蒸気供給通路（排出通路）
Ｐ８        第８蒸気供給通路（排出通路）
Ｓ１        第１のシールリップ（シールリップ）
Ｓ２        第２のシールリップ（シールリップ）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2004270523.tif 000011
【図１０】
2004270523.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
2004270523.tif 000014
【図１３】
2004270523.tif 000015
【図１４】
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【図１５】
2004270523.tif 000017
【図１６】
2004270523.tif 000018
【図１７】
2004270523.tif 000019
【図１８】
2004270523.tif 000020
【図１９】
2004270523.tif 000021
【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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