(57)【要約】【課題】膨張機のピストンが斜板から受ける曲げモーメントやラジアル方向の偏荷重を低減して摺動抵抗の増加や異常摩耗の発生を最小限に抑える。【解決手段】アキシャルピストンシリンダ群のピストン４２の先端に形成した球状凸部６１ａを、斜板３１に形成した球状凹部３１ａに当接させ、球状凹部３１ａと球状凸部６１ａとが接する接点ｐの楕円状の接点軌跡Ｔを、アキシャルピストンシリンダ群の膨張行程側にオフセットする。これにより、ピストン４２の速度が大きくなり、かつ前記接点ｐの面圧が大きくなる膨張行程の中間領域において、該接点ｐの位置を球状凹部３１ａの軸線Ｌ３およびピストン４２の軸線Ｌ２にできるだけ接近させ、ピストン４２に作用する曲げモーメントやラジアル方向の偏荷重を軽減して摺動抵抗の増加や異常摩耗の発生を最小限に抑えることができる。【選択図】　　　図１５
2004027862.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）にその軸線（Ｌ）を囲むように環状に配置されたアキシャルピストンシリンダ群（５６）と、
前記軸線（Ｌ）に対して所定角度傾斜する軸線（Ｌ１）を有してケーシング（１１）に回転自在に支持された斜板（３１）と、
を備え、
アキシャルピストンシリンダ群（５６）のピストン（４２）の先端に形成した球状凸部（６１ａ）を、斜板（３１）に該斜板（３１）の軸線（Ｌ１）を同心に囲むように形成した球状凹部（３１ａ）に当接させ、
アキシャルピストンシリンダ群（５６）のピストン（４２）およびシリンダスリーブ（４１）間に区画された膨張室（４３）にロータリバルブ（７１）を介して高温高圧蒸気を供給することでロータ（２２）を回転駆動する膨張機において、
斜板（３１）の球状凹部（３１ａ）とピストン（４２）の球状凸部（６１ａ）との接点軌跡（Ｔ）を、アキシャルピストンシリンダ群（５６）の膨張行程側にオフセットしたことを特徴とする膨張機。
【請求項２】
斜板（３１）の軸線（Ｌ１）をロータ（２２）の軸線（Ｌ）に対してアキシャルピストンシリンダ群（５６）の排気行程側にオフセットしたことを特徴とする、請求項１に記載の膨張機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ケーシングに回転自在に支持したロータにその軸線を囲むようにアキシャルピストンシリンダ群を環状に配置し、アキシャルピストンシリンダ群のピストンの先端に形成した球状凸部を斜板に形成した球状凹部に当接させた膨張機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アキシャルピストンシリンダ群のピストンの先端に形成した球状凸部を斜板に形成した球状凹部に当接させた油圧装置が、特開昭６１−２７４１６６号公報により公知である。球状凸部および球状凹部を当接させることにより、両者の当接部の面圧を低下させるとともに、斜板とピストンとの相対回転を防止することができ、斜板およびピストンの摩耗低減に寄与することができる。しかもピストンによって斜板に調芯作用が与えられるので、斜板を支持する斜板ホルダの負荷を軽減して耐久性の向上を図ることができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところでアキシャルピストンシリンダ群を支持するロータの軸線に対して斜板の軸線が傾斜しているため、斜板の軸線を中心とする円周上に複数の球状凹部を配置しても、それらの球状凹部に対する複数のピストンの球状凸部の接点の軌跡は楕円状となる。つまり各ピストンの球状凸部が斜板の球状凹部に当接する接点は、ピストンの軸線および球状凹部の軸線から偏心した位置となり、斜板の球状凹部からピストンの球状凸部が受ける荷重の方向はピストンの軸線の方向からずれることになる。その結果、ピストンに曲げモーメントやラジアル方向の偏荷重が作用し、それらの曲げモーメントやラジアル方向の偏荷重によってピストンおよびシリンダの摺動面にコジリが発生して摺動抵抗の増加や異常摩耗の発生の原因となる問題があった。
【０００４】
本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、膨張機のピストンが斜板から受ける曲げモーメントやラジアル方向の偏荷重を低減して摺動抵抗の増加や異常摩耗の発生を最小限に抑えることを目的とする。
【０００５】
【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、ロータにその軸線を囲むように環状に配置されたアキシャルピストンシリンダ群と、前記軸線に対して所定角度傾斜する軸線を有してケーシングに回転自在に支持された斜板とを備え、アキシャルピストンシリンダ群のピストンの先端に形成した球状凸部を、斜板に該斜板の回転軸線を同心に囲むように形成した球状凹部に当接させ、アキシャルピストンシリンダ群のピストンおよびシリンダスリーブ間に区画された膨張室にロータリバルブを介して高温高圧蒸気を供給することでロータを回転駆動する膨張機において、斜板の球状凹部とピストンの球状凸部との接点軌跡を、アキシャルピストンシリンダ群の膨張行程側にオフセットしたことを特徴とする膨張機が提案される。
【０００６】
上記構成によれば、アキシャルピストンシリンダ群を備えた膨張機の斜板の球状凹部とピストンの球状凸部との接点軌跡を、アキシャルピストンシリンダ群の膨張行程側にオフセットしたので、ピストンの速度が大きくなり、かつピストンと斜板との接点の面圧が大きくなる膨張行程の中間領域で、斜板の球状凹部とピストンの球状凸部との接点の位置を球状凹部の軸線およびピストンの軸線にできるだけ接近させ、ピストンに作用する曲げモーメントやラジアル方向の偏荷重を軽減して摺動抵抗の増加や異常摩耗の発生を最小限に抑えることができる。
【０００７】
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、斜板の軸線をロータの軸線に対してアキシャルピストンシリンダ群の排気行程側にオフセットしたことを特徴とする膨張機が提案される。
【０００８】
上記構成によれば、斜板の軸線をロータの軸線に対してアキシャルピストンシリンダ群の排気行程側にオフセットするだけの簡単な構成で、斜板の球状凹部とピストンの球状凸部との接点軌跡をアキシャルピストンシリンダ群の膨張行程側にオフセットすることができる。
【０００９】
【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。
【００１０】
図１〜図１７は本発明の一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１０−１０線断面図、図１１は図５の１１−１１線断面図、図１２は図５の１２−１２線断面図、図１３は図５の１３−１３線断面、図１４は図４の１４−１４線矢視図、図１５は作用説明図（オフセット有りの場合）、図１６は作用説明図（オフセット無しの場合）、図１７はオフセットの効果を説明するグラフである。
【００１１】
図１〜図９に示すように、本実施例の膨張機Ｍ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Ｍ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。
【００１２】
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に設けたボールベアリング２３によって支持され、その後部をケーシング本体１２に設けたボールベアリング２４によって支持される。前部カバー１５の後面に２個のシール部材２５，２６およびノックピン２７を介して嵌合する斜板ホルダ２８が複数本のボルト２９…で固定されており、この斜板ホルダ２８にアンギュラボールベアリング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Ｌ１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。
【００１３】
図１４に最も良く示されるように、斜板３１の軸線Ｌ１は、ロータ２２の軸線Ｌに対して、後述するアキシャルピストンシリンダ群５６の排気行程側（図中左側）に距離αだけオフセットされている。
【００１４】
ロータ２２は、前記ボールベアリング２３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、前記ボールベアリング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。
【００１５】
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の前端の球状凹部６１ａは斜板３１に形成したディンプルよりなる球状凹部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。
【００１６】
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。
【００１７】
前部カバー１５の前面に設けた凹部１５ａと、前部カバー１５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１５ａ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および前部カバー１５のオイル通路１５ｂ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は前部カバー１５のオイル通路１５ｃを介して出力軸３２の環状溝３２ｂに連通する。
【００１８】
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の球状凹部３１ａに当接する球状凸部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。
【００１９】
ピストンのエンド部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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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１３に基づいて説明する。
【００２４】
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、バルブ本体部７２と、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。
【００２５】
図５から明らかなように、可動側バルブプレート７４に平坦な摺動面７７を介して当接する固定側バルブプレート７３は、バルブ本体部７２の前面の中心に１本のボルト７８で固定されるとともに、バルブ本体部７２の外周部に環状の固定リング７９および複数本のボルト８０で固定される。その際に、固定リング７９の内周に形成した段部７９ａが固定側バルブプレート７３の外周にインロウ嵌合するように圧入され、かつ固定リング７９の外周に形成した段部７９ｂがバルブ本体部７２の外周にインロウ嵌合することで、バルブ本体部７２に対する固定側バルブプレート７３の同軸性が確保される。またバルブ本体部７２と固定側バルブプレート７３との間に、固定側バルブプレート７３を回転方向に位置決めするノックピン８１が配置される。
【００２６】
従って、ロータ２２が回転すると、可動側バルブプレート７４および固定側バルブプレート７３は摺動面７７において相互に密着しながら相対回転する。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は、カーボンやセラミックス等の耐久性に優れた材質で構成されており、更にまたその摺動面７７に耐熱性、潤滑性、耐蝕性、耐摩耗性を有する部材を介在させたりコーティングしたりすれば更に耐久性を向上できる。
【００２７】
ステンレス製のバルブ本体部７２は、大径部７２ａおよび小径部７２ｂを備えた段付き円柱状の部材であって、その大径部７２ａおよび小径部７２ｂの外周面が、それぞれシール部材８２，８３を介して後部カバー１８の円形断面の支持面１８ａ，１８ｂに軸線Ｌ方向に摺動自在に嵌合し、バルブ本体部７２の外周面に植設したピン８４が後部カバー１８に軸線Ｌ方向に形成した切欠１８ｃに嵌合することで回転方向に位置決めされる。後部カバー１８に軸線Ｌを囲むように複数個のプリロードスプリング８５…が支持されており、これらプリロードスプリング８５…に大径部７２ａおよび小径部７２ｂ間の段部７２ｃを押圧されたバルブ本体部７２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の摺動面７７を密着させるべく前方に向けて付勢される。
【００２８】
バルブ本体部７２の後面に接続された蒸気供給パイプ８６は、バルブ本体部７２の内部に形成した第１蒸気通路Ｐ１と、固定側バルブプレート７３に形成した第２蒸気通路Ｐ２とを介して摺動面７７に連通する。またケーシング本体１２および後部カバー１８とロータ２２との間にはシール部材８７でシールされた蒸気排出室８８が形成されており、この蒸気排出室８８はバルブ本体部７２の内部に形成した第６、第７蒸気通路Ｐ６，Ｐ７と、固定側バルブプレート７３に形成した第５蒸気通路Ｐ５とを介して摺動面７７に連通する。バルブ本体部７２と固定側バルブプレート７３との合わせ面には、第１、第２蒸気通路Ｐ１，Ｐ２の接続部を囲むシール部材８９と、第５、第６蒸気通路Ｐ５，Ｐ６の接続部を囲むシール部材９０とが設けられる。
【００２９】
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。
【００３０】
次に、上記構成を備えた本実施例の膨張機Ｍの作用を説明する。
【００３１】
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８６からロータリバルブ７１のバルブ本体部７２に形成した第１蒸気通路Ｐ１と、このバルブ本体部７２と一体の固定側バルブプレート７３に形成した第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。
【００３２】
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の球状凸部６１ａが斜板３１の球状凹部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。
【００３３】
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の円弧状の第５蒸気通路Ｐ５と、バルブ本体部７２の第６、第７蒸気通路Ｐ６，Ｐ７とを経て蒸気排出室８８に排出され、そこから凝縮器に供給される。
【００３４】
さて、ロータ２２の軸線Ｌに対して斜板３１の軸線Ｌ１が傾斜していることで、ピストン４２の球状凸部６１ａと斜板３１の球状凹部６１ａとの接点ｐの軌跡（接点軌跡Ｔ）は楕円状になる。図１６は、ロータ２２の軸線Ｌに対して斜板３１の軸線Ｌ１がオフセットされていないと仮定した場合を示しており、この場合には、図中右半分の膨張行程側と左半分の排気行程側とで接点軌跡Ｔの形状は左右対称となる。そして膨張行程の中間位置および排気行程の中間位置では、ピストン４２の球状凸部６１ａと斜板３１の球状凹部３１ａとの接点ｐは、共に球状凹部６１ａの軸線Ｌ３から内側にずれている。
【００３５】
特に、膨張行程では高温高圧蒸気によって駆動されたピストン４２の球状凸部６１ａが斜板３１の球状凹部３１ａに強く押し付けられるため、球状凸部６１ａと球状凹部３１ａとの接点ｐがピストン４２の軸線Ｌ２あるいは球状凹部６１ａの軸線Ｌ３から偏心していると、ピストン４２に曲げモーメントやラジアル方向の偏荷重が作用してしまい、ピストン４２およびシリンダスリーブ４１の摺動面の摩擦抵抗が増加したり異常摩耗が発生したりする問題がある。
【００３６】
しかしながら本実施例では、図１５に示すように、ロータ２２の軸線Ｌに対して斜板３１の軸線Ｌ１が排気行程側（図中左側）にオフセットされているため、接点軌跡Ｔは逆に膨張行程側（図中右側）にオフセットされることになり、膨張行程の中間位置においてピストン４２の球状凸部６１ａと斜板３１の球状凹部３１ａとの接点ｐを、ピストン４２の軸線Ｌ２および球状凹部６１ａの軸線Ｌ３に合致させることが可能となる。その結果、ピストン４２は斜板３１から該ピストン４２の軸線Ｌ２に沿う方向の荷重を受けることになり、ピストン４２に作用する曲げモーメントやラジアル方向の偏荷重を軽減して摩擦抵抗の増加や異常摩耗の発生を防止することができる。このとき、ピストン４２から斜板３１が受ける偏荷重も減少するので、斜板３１やそれを斜板ホルダ２８に支持するアンギュラボールベアリング３０の耐久性向上にも寄与することができる。
【００３７】
尚、本実施例の如くロータ２２の軸線Ｌに対して斜板３１の軸線Ｌ１を排気行程側にオフセットすると、膨張行程の中間位置において球状凸部６１ａと球状凹部３１ａとの接点ｐをシリンダ４２の軸線Ｌ２および球状凹部６１ａの軸線Ｌ３に合致させることができるが、排気行程の中間位置において球状凸部６１ａと球状凹部３１ａとの接点ｐがシリンダ４２の軸線Ｌ２および球状凹部６１ａの軸線Ｌ３から大きく離れてしまう（図１５参照）。しかしながら、排気行程ではピストン４２に加わる負荷がもともと小さいため、それに伴う曲げモーメントやラジアル方向の偏荷重は微小なものとなって特に支障はない。
【００３８】
図１７において、横軸はピストン４２の上死点から測ったロータ２２の回転角度であり、縦軸は斜板３１からの反力荷重によってピストン４２に作用する曲げ応力である。同図から明らかなように、ピストン４２の速度が大きくなる領域（上死点からの角度が６０°〜１４０の領域）では、つまりピストン４２およびシリンダスリーブ４１間の潤滑条件が最も厳しくなる領域では、実線で示すオフセット有りのものの曲げ応力が、破線で示すオフセット無しのものの曲げ応力よりも小さくなっており、本実施例の効果が有効に発揮されていることが分かる。
【００３９】
尚、上死点直後の０°〜６０°の領域では、逆に実線で示すオフセット有りのものの曲げ応力が、破線で示すオフセット無しのものの曲げ応力より大きくなっているが、この領域ではピストン４２の速度が比較的に小さいために潤滑条件が緩やかであり、実用上支障が発生することはない。
【００４０】
またロータ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、前部カバー１５のオイル通路１５ｂ、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、前部カバー１５のオイル通路１５ｃ、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。
【００４１】
供給された高温高圧蒸気の一部が凝縮した水が内部に生じた膨張室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。
【００４２】
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。
【００４３】
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の容積が減少する排気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。
【００４４】
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Ｍ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。
【００４５】
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、シールまわりの無駄ボリュームを減らすことができ、これにより膨張機Ｍ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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。しかも複数本のプリロードスプリング８５…でバルブ本体部７２にプリセット荷重を与えて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に面圧を発生させるので、摺動面７７からの蒸気のリークを一層効果的に抑制することができる。
【００４８】
またロータリバルブ７１のバルブ本体部７２が熱膨張係数の大きいステンレス製であり、このバルブ本体７２に固定される固定側バルブプレート７３が熱膨張係数の小さいカーボン製あるいはセラミックス製であるため、熱膨張係数の差によって両者間のセンタリングがずれる可能性があるが、固定リング７９の内周の段部７９ａを固定側バルブプレート７３の外周に圧入によりインロウ嵌合させ、かつ固定リング７９の外周の段部７９ｂをバルブ本体部７２の外周にインロウ嵌合させた状態で、固定リング７９を複数本のボルト８０…でバルブ本体部７２に固定したので、インロウ嵌合の調芯作用により固定側バルブプレート７３をバルブ本体部７２に対して精密にセンタリングし、蒸気の供給・排出タイミングのずれを防止して膨張機Ｍの性能低下を防止することができる。しかもボルト８０…の締結力で固定側バルブプレート７３とバルブ本体部７２との当接面を均一に密着させ、その当接面からの蒸気の漏れを抑制することができる。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
例えば、実施例ではランキンサイクル装置の膨張機Ｍを例示したが、本発明の膨張機Ｍは他の任意の用途に適用可能である。
【００５２】
【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、アキシャルピストンシリンダ群を備えた膨張機の斜板の球状凹部とピストンの球状凸部との接点軌跡を、アキシャルピストンシリンダ群の膨張行程側にオフセットしたので、ピストンの速度が大きくなり、かつピストンと斜板との接点の面圧が大きくなる膨張行程の中間領域で、斜板の球状凹部とピストンの球状凸部との接点の位置を球状凹部の軸線およびピストンの軸線にできるだけ接近させ、ピストンに作用する曲げモーメントやラジアル方向の偏荷重を軽減して摺動抵抗の増加や異常摩耗の発生を最小限に抑えることができる。
【００５３】
また請求項２に記載された発明によれば、斜板の軸線をロータの軸線に対してアキシャルピストンシリンダ群の排気行程側にオフセットするだけの簡単な構成で、斜板の球状凹部とピストンの球状凸部との接点軌跡をアキシャルピストンシリンダ群の膨張行程側にオフセットすることができる。
【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１０−１０線断面図
【図１１】図５の１１−１１線断面図
【図１２】図５の１２−１２線断面図
【図１３】図５の１３−１３線断面図
【図１４】図４の１４−１４線矢視図
【図１５】作用説明図（オフセット有りの場合）
【図１６】作用説明図（オフセット無しの場合）
【図１７】オフセットの効果を説明するグラフ
【符号の説明】
１１　　　　ケーシング
２２　　　　ロータ
３１　　　　斜板
３１ａ　　　球状凹部
４１　　　　シリンダスリーブ
４２　　　　ピストン
４３　　　　膨張室
５６　　　　アキシャルピストンシリンダ群
６１ａ　　　球状凸部
７１　　　　ロータリバルブ
Ｌ　　　　　ロータの軸線
Ｌ１　　　　斜板の軸線
Ｔ　　　　　接点軌跡
【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】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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