(57)【要約】【課題】容積型の膨張機に連結された発電電動機を効果的に冷却すると同時に、前記膨張機からの熱逃げを最小限に抑えて効率の向上を図る。【解決手段】ランキンサイクル装置の容積型の膨張機のケーシング１５に発電電動機ＭＧのケーシング１１１を結合し、膨張機から発電電動機ケーシング１１１内に延びる出力軸３２の軸端に発電電動機ＭＧのロータ１１７を支持する。膨張機の膨張室からの漏れ蒸気が存在する膨張機ケーシング１５の内部空間と、発電電動機ケーシング１１１の内部空間とを連通孔１５ａを介して連通させることで、コイル１２４の発熱で高温になった発電電動機ＭＧを連通孔１５ａから浸入する漏れ蒸気で冷却し、また低温の膨張機ケーシング１５を高温の発電電動機ケーシング１１１で覆うことで、膨張機ケーシング１５からの熱逃げを最小限に抑えて膨張機の効率を高めることができる。【選択図】　　　図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温高圧蒸気の断熱膨張作用を機械仕事に変換する容積型の膨張機（Ｅ）の出力軸（３２）に発電電動機（ＭＧ）を連結した発電電動機装置において、
オイルで潤滑される膨張機（Ｅ）を収納する膨張機ケーシング（１１）と発電電動機（ＭＧ）を収納する発電電動機ケーシング（１１１）とを外気に対して密封状態で結合するとともに、膨張室（４３）からの漏れ蒸気が存在する膨張機ケーシング（１１）の内部空間と発電電動機ケーシング（１１１）の内部空間とを連通孔（１５ａ）を介して連通させたことを特徴とする発電電動機装置。
【請求項２】
前記連通孔（１５ａ）は膨張機ケーシング（１１）および発電電動機ケーシング（１１１）の内部空間の上部を連通させることを特徴とする、請求項１に記載の発電電動機装置。
【請求項３】
膨張機ケーシング（１１）および発電電動機ケーシング（１１１）の下部に、発電電動機ケーシング（１１１）内に滞留した水およびオイルを膨張機ケーシング（１１）に戻す液体戻し通路（１３２）を設けたことを特徴とする、請求項１に記載の発電電動機装置。
【請求項４】
膨張機ケーシング（１１）に設けた出力軸支持部（１５，１０２，１０４）を覆うように発電電動機ケーシング（１１１）を着脱自在に結合したことを特徴とする、請求項１に記載の発電電動機装置。
【請求項５】
発電電動機（ＭＧ）は出力軸（３２）の軸端に固定されたロータ（１１７）を備え、ロータ（１１７）の外周面に永久磁石（１２１）を支持することで形成されたロータ（１１７）の凹部（１２０ａ）に、出力軸（３２）の軸端を膨張機ケーシング（１１）に片持ち支持するベアリング（１０５）を収納したことを特徴とする、請求項１に記載の発電電動機装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高温高圧蒸気の断熱膨張作用を機械仕事に変換する容積型の膨張機の出力軸に発電電動機を連結した発電電動機装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特開平５−９８９０２号公報には、ランキンサイクル装置の容積型膨張機のケーシングと、前記膨張機の出力軸により駆動される電動機のケーシングとを一体化するとともに大気に対して密封構造とすることで、膨張機のケーシングおよび発電機のケーシングから作動媒体であるアンモニアやフロンが大気に漏洩するのを防止するものが記載されている。その電動機はいわゆるキャン型であり、電動機のケーシングの一部を構成するキャンでロータの外周を覆ってステータから隔絶することにより、ステータを通しての作動媒体の漏洩を防止し、かつ作動媒体によるステータコイルの腐食防止と大気によるステータコイルの冷却とを図っている。
【０００３】
また特開昭５２−３６２４２号公報には、フロン等を作動媒体とするランキンサイクル装置の非容積型の膨張機のケーシングの内部空間と、前記膨張機の出力軸により駆動される減速歯車および発電機のケーシングの内部空間とを隔壁で仕切り、減速歯車および発電機のケーシングの内圧を膨張機のケーシングの内圧よりも低くすることで、減速歯車および発電機を潤滑するオイルへの作動媒体の溶解を防止するとともに、発電機のロータの回転抵抗を減少させるものが記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ランキンサイクル装置の膨張機の出力軸に接続されて駆動される発電機は、そのステータコイルが発熱して高温になるため、何らかの手段で冷却することが必要である。
【０００５】
上記特開平５−９８９０２号公報に記載されたものは、発電機をキャン型にしてステータコイルを直接大気に接触させることで冷却を図っているが、それだけで充分な冷却効果を得ることは困難である。
【０００６】
また上記特開昭５２−３６２４２号公報に記載されたものは、高圧側の膨張機のケーシングから低圧側の減速歯車および発電機のケーシングに若干の作動媒体が漏出するため、その漏出作動媒体で発電機を冷却できれば好都合である。しかしながら、非容積型の膨張機から排出される作動媒体は、容積型の膨張機から漏出する作動媒体と異なって高温高圧であるため、現実的には発電機の冷却効果は期待できない。
【０００７】
本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、容積型の膨張機に連結された発電電動機を効果的に冷却すると同時に、前記膨張機からの熱逃げを最小限に抑えて効率の向上を図ることを目的とする。
【０００８】
【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、高温高圧蒸気の断熱膨張作用を機械仕事に変換する容積型の膨張機の出力軸に発電電動機を連結した発電電動機装置において、オイルで潤滑される膨張機を収納する膨張機ケーシングと発電電動機を収納する発電電動機ケーシングとを外気に対して密封状態で結合するとともに、膨張室からの漏れ蒸気が存在する膨張機ケーシングの内部空間と発電電動機ケーシングの内部空間とを連通孔を介して連通させたことを特徴とする発電電動機装置が提案される。
【０００９】
上記構成によれば、膨張機ケーシングと発電電動機ケーシングとを外気に対して密封状態で結合したので、蒸気が膨張機ケーシングおよび発電電動機ケーシングの外部に漏れることを防止するとともに、外気が膨張機ケーシング内の蒸気やオイルに混入するのを防止することができる。また膨張機ケーシングの内部空間と発電電動機ケーシングの内部空間とを連通孔を介して連通させたので、発電機あるいは電動機として機能することで高温になった発電電動機を、膨張機の作動室から膨張機ケーシングの内部に漏れ出して連通孔を通して発電電動機ケーシングの内部に流入する低温の蒸気で冷却できるだけでなく、高温の発電電動機ケーシングと低温の膨張機ケーシングとの結合により、膨張機ケーシングからの熱逃げを最小限に抑えて膨張機の効率を高めることができる。特に、膨張機が容積型であるため、その膨張室からの漏れ蒸気は比較的に低温低圧となり、発電電動機を効果的に冷却することができる。
【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、前記連通孔は膨張機ケーシングおよび発電電動機ケーシングの内部空間の上部を連通させることを特徴とする発電電動機装置が提案される。
【００１１】
上記構成によれば、膨張機ケーシングおよび発電電動機ケーシングの内部空間の上部を連通孔で連通させたので、膨張機ケーシング内のオイルが発電電動機ケーシング内に浸入するのを阻止しながら、蒸気だけを発電電動機ケーシング内に導入することができる。
【００１２】
また請求項３に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、膨張機ケーシングおよび発電電動機ケーシングの下部に、発電電動機ケーシング内に滞留した水およびオイルを膨張機ケーシングに戻す液体戻し通路を設けたことを特徴とする発電電動機装置が提案される。
【００１３】
上記構成によれば、膨張機ケーシングおよび発電電動機ケーシングの下部に液体戻し通路を設けたので、発電電動機ケーシング内に滞留した水およびオイルを膨張機ケーシングに戻して発電電動機の耐久性低下を防止することができる。
【００１４】
また請求項４に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、膨張機ケーシングに設けた出力軸支持部を覆うように発電電動機ケーシングを着脱自在に結合したことを特徴とする発電電動機装置が提案される。
【００１５】
上記構成によれば、膨張機ケーシングに電動機ケーシングを着脱自在に結合したので膨張機および発電電動機のメンテナンス性が向上し、また発電電動機ケーシングが膨張機ケーシングに設けた出力軸支持部を覆うので、発電電動機の熱を膨張機に効率的に伝達することができる。
【００１６】
また請求項５に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、発電電動機は出力軸の軸端に固定されたロータを備え、ロータの外周面に永久磁石を支持することで形成されたロータの凹部に、出力軸の軸端を膨張機ケーシングに片持ち支持するベアリングを収納したことを特徴とする発電電動機装置が提案される。
【００１７】
上記構成によれば、膨張機の出力軸の軸端に固定された発電電動機のロータは、永久磁石を表面に支持したことで凹部を有することができ、その凹部に出力軸の軸端を膨張機ケーシングに片持ち支持するベアリングを収納したので、発電電動機ケーシングに出力軸を支持するベアリングを設ける必要がなくなり、その結果として部品点数の削減および発電電動機の軸方向寸法の小型化が可能となる。また前記ベアリングの廃止により膨張機ケーシング内にオイルを収納する必要がなくなり、オイルによる発電電動機の耐久性低下を防止することができる。
【００１８】
尚、実施例のケーシング１１およびケーシング１１１はそれぞれ本発明の膨張機ケーシングおよび発電電動機ケーシングに対応し、実施例の前部カバー１５、ポンプハウジング１０２およびポンプカバー１０４は本発明の出力軸支持部に対応し、実施例のボールベアリング１０５は本発明のベアリングに対応する。
【００１９】
【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。
【００２０】
図１〜図１５は本発明の一実施例を示すもので、図１は発電電動機を備えた膨張機の外形を示す図、図２は図１のＡ部拡大図、図３は図１のＢ部拡大図、図４は図２の４−４線断面図、図５は図３の５−５線断面図、図６は図２の６部拡大図、図７は図２の７部拡大図、図８はロータの分解斜視図、図９は図６の９−９線断面図、図１０は図６の１０−１０線断面図、図１１は図６の１１部拡大図、図１２は図７の１２−１２線断面図、図１３は図７の１３−１３線断面図、図１４は図７の１４−１４線断面図、図１５は図７の１５−１５線断面である。
【００２１】
図１〜図１１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断熱膨張により機械仕事を出力する。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、前部カバー１５の前面に複数本のボルト１０１…で結合されるポンプハウジング１０２と、ポンプハウジング１０２の前面に複数本のボルト１０３…で結合されるポンプカバー１０４とで構成される。
【００２２】
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およびポンプハウジング１０２に設けたボールベアリング２３，２３と、ポンプカバー１０４に設けたボールベアリング１０５とによって支持され、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。
【００２３】
ロータ２２は、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６および図１１参照）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。
【００２４】
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１１参照）。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。
【００２５】
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。
【００２６】
ポンプハウジング１０２の前面に形成した凹部１０２ａと、ポンプハウジング１０２の前面にシール部材４６を介してボルト１０３…で固定したポンプカバー１０４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１０２ａ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の内部空間はポンプハウジング１０２、前部カバー１５、ケーシング本体１２およびオイルパン２１に形成したオイル通路１０６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はポンプハウジング１０２のオイル通路１０２ｂを介して出力軸３２の環状溝３２ｂに連通する。
【００２７】
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１１参照）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。
【００２８】
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。
【００２９】
シリンダスリーブ４１の中間部外周に環状溝４１ｂ（図８および図１１参照）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６および図８参照）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６および図９参照）を介してケーシング１１の内部空間に連通する。
【００３０】
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１１参照）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。
【００３１】
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。
【００３２】
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７および図１２〜図１５に基づいて説明する。
【００３３】
図７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６参照）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。
【００３４】
図７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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
次に、膨張機Ｅに結合される発電電動機ＭＧの構造を説明する。
【００４０】
図２および図３から明らかなように、直流ブラシレス型の発電電動機ＭＧのケーシング１１１は、概略円筒状のケーシング本体１１２と概略円板状のカバープレート１１３とから構成される。ケーシング本体１１２の後端にはフランジ１１２ａおよび環状凸部１１２ｂが形成されており、環状凸部１１２ｂがシール部材１１４を介して膨張機Ｅのケーシング１１の前部カバー１５の内周面にインロウ嵌合し、同軸性を確保した状態でフランジ１１２ａを貫通する前記ボルト１４…によって前部カバー１５の前面に共締めされる。またケーシング本体１１２の前端にシール部材１１５を介して嵌合するカバープレート１１３が複数本のボルト１１６…で固定される。
【００４１】
発電電動機ＭＧのロータ１１７は、出力軸３２の軸端にキー１１８およびナット１１９で固定されたロータ本体１２０と、ロータ本体１２０の外周に固定された複数個の永久磁石１２１…とを備える。ロータ１１７の外周面に対向するステータ１２２は、ケーシング本体１１２の内周面に圧入されたヨーク１２３と、ヨーク１２３に巻かれた複数個の集中巻型のコイル１２４…とを備える。永久磁石１２１…にはネオジム（ＮｅＦｅＢ）磁石のような強力なものが使用され、ニッケルやクロムでメッキ処理したり、樹脂でコーティングしたりして耐蝕性が高められる。またステータ１２２はワニスを含浸することで耐蝕性および絶縁性が高められる。尚、ステータ１２２を樹脂モールドすれば、冷却性も向上する。
【００４２】
発電電動機ＭＧのロータ１１７を支持する出力軸３２の軸端部は、ポンプカバー１０４に設けた前記ボールベアリング１０５によって片持ち支持されており、発電電動機ＭＧのケーシング１１１には出力軸３２を支持するベアリングが設けられていない。ロータ本体１２０の外周面に永久磁石１２１…を支持したことによりロータ本体１２０の後面に凹部１２０ａを形成することができ、この凹部１２０ａにポンプハウジング１０２の前部およびポンプカバー１０４が収納される。
【００４３】
このように、ロータ本体１２０の凹部１２０ａにポンプハウジング１０２の前部およびポンプカバー１０４を収納し、かつ出力軸３２をボールベアリング１０５で片持ち支持したことにより、発電電動機ＭＧの軸線Ｌ方向の寸法を小型化することができる。仮に、発電電動機ＭＧのケーシング１１１にベアリングを設けたとすると、そのベアリングの分だけ寸法およびフリクションが増加し、しかもケーシング１１１の内部にオイルを収納する必要が生じるため、そのオイルによって発電電動機ＭＧの材料劣化が懸念される。しかしながら、本実施例では発電電動機ＭＧのケーシング１１１にベアリングを設ける必要がないため、上記問題が解決される。
【００４４】
また発電電動機ＭＧに出力密度が大きい直流ブラシレス型のものを採用したことにより、直流ブラシ型のものや誘導型のものに比べて寸法を小型化することができる。更に発電電動機ＭＧのステータ１２２のコイル１２４…の巻線形式を集中巻型としたので、分布巻型のものを採用した場合に比べてコイルエンドを短くしてコイル１２４…の小型化を図ることができ、しかも出力に寄与しないコイルエンドの巻線が短くなるため銅損が減少して効率が高くなる。更にまた、発電電動機ＭＧはマグネットカップリングやキャンを用いない内蔵密閉型であるため、高効率でありながら小型化が可能である。
【００４５】
ケーシング本体１１２の前部に円環状の回転センサホルダ１２５がインロウ嵌合して半径方向に位置決めされ、かつノックピン１２６で回転方向に位置決めされた状態で複数本のボルト１２７…で固定される。回転センサホルダ１２５の中心に形成された開口１２５ａと、その開口１２５ａを貫通する出力軸３２の軸端との間に、該出力軸３２の回転を検出する回転センサ１２８が設けられる。回転センサ１２８のリード線１２９は、シール機能を有するハーメチックシール１３０を介してカバープレート１１３の外部に導かれる。
【００４６】
膨張機Ｅのケーシング１１の内部空間および発電電動機ＭＧのケーシング１１１の内部空間は大気に対して隔絶されているので、膨張機Ｅのケーシング１１および発電電動機ＭＧのケーシング１１１の内部の蒸気が外部に漏れるのを防止することができ、また外気が両ケーシング１１，１１１の内部の蒸気やオイルに混入するのを防止することができる。
【００４７】
膨張機Ｅのケーシング１１の内部空間から発電電動機ＭＧのケーシング１１１の内部空間に延びる出力軸３２の外周部は、ポンプカバー１０４に設けたシール部材１３１によってシールされている。そのため、膨張機Ｅのケーシング１１の内部空間および発電電動機ＭＧのケーシング１１１の内部空間は基本的に隔絶されているが、膨張機Ｅの前部カバー１５の上部に形成した連通孔１５ａによって両内部空間が相互に連通する。また発電電動機ＭＧのケーシング本体１１２の下部に設けた溝１１２ｃおよび連通孔１１２ｄと、オイルパン２１の下部に設けた連通孔２１ａとがパイプ部材よりなる液体戻し通路１３２を介して相互に連通する。
【００４８】
次に、上記構成を備えた実施例の作用を説明する。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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からオイル通路１０６および吸入ポート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、ポンプハウジング１０２のオイル通路１０２ｂ、出力軸３２の環状溝３２ｂ、出力軸３２のオイル通路３２ａ、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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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Ｅ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。
【００６１】
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。
【００６２】
上述のようにして、高温高圧蒸気の断熱膨張作用で膨張機Ｅの出力軸３２が回転すると、出力軸３２に接続された発電電動機ＭＧを発電機として機能させることで発電を行って図示せぬバッテリを充電することができ、また前記バッテリから電力を供給して発電電動機ＭＧを電動機として機能させることで、膨張機Ｅの出力軸３２の回転をアシストすることができる。
【００６３】
発電電動機ＭＧが発電機あるいは電動機として機能すると、そのコイル１２４…が発熱して高温となるため、何らかの手段で発電電動機ＭＧを冷却する必要がある。本実施例では、発電電動機ＭＧのケーシング１１１の内部温度が、膨張機Ｅの膨張室４３…からケーシング１１の内部に漏れ出した蒸気の温度よりも高温になることに鑑み、前記漏れ蒸気で発電電動機ＭＧを冷却するようになっている。即ち、膨張機Ｅのケーシング１１１の内部空間と発電電動機ＭＧの内部空間とは大気に対して隔絶されているが、両内部空間は膨張機Ｅのケーシング１１の前部カバー１５に形成した連通孔１５ａ（図３および図５参照）を介して相互に連通しており、比較的に低温の蒸気が連通孔１５ａを通って膨張機Ｅのケーシング１１の内部空間から発電電動機ＭＧのケーシング１１１の内部空間に浸入し、高温の発電電動機ＭＧを冷却する。発電電動機ＭＧはそのケーシング１１１の表面が外気に接触することによっても冷却されるが、膨張機Ｅ側から供給される蒸気の比熱は空気の比熱よりも大きいため、蒸気による冷却効果は充分に期待できる。
【００６４】
また膨張機Ｅのケーシング１１と発電電動機ＭＧのケーシング１１１とは直接接触しており、高温の膨張機Ｅのケーシング１１１で低温の発電電動機ＭＧのケーシング１１の一部を覆うことで、また発電電動機ＭＧを冷却して温度上昇した蒸気が連通孔１５ａを介して発電電動機ＭＧ側に戻ることで、膨張機Ｅからの熱逃げを抑制するとともに膨張機Ｅの積極的な加熱を図り、膨張機Ｅの効率向上に寄与することができる。更に、前記連通孔１５ａが膨張機Ｅおよび発電電動機ＭＧの内部空間の上部を連通させているので、膨張機Ｅ側の凝縮水やオイルが連通孔１５ａを通って発電電動機ＭＧ側に浸入するのを最小限に抑え、発電電動機ＭＧの各部材が凝縮水やオイルにより劣化するのを抑制することができる。
【００６５】
特に、発電電動機ＭＧのケーシング本体１１２が、膨張機Ｅの出力軸支持部である前部カバー１５、ポンプハウジング１０２およびポンプカバー１０４を覆うように結合されるため、膨張機Ｅからの熱逃げが一層効果的に抑制されるだけでなく、発電電動機ＭＧのケーシング１１１内の無駄ボリュームを最小限に抑えて膨張機Ｅおよび発電電動機ＭＧの軸線Ｌ方向の寸法を小型化することができる。また発電電動機ＭＧはロータ１１７の外周をステータ１２２で覆ったインナーロータ型のものであるため、高温になるステータ１２２とケーシング１１１との接触面積を増加させて該ケーシング１１１からの放熱性を高めることができる。
【００６６】
しかも膨張機Ｅのケーシング１１と発電電動機ＭＧのケーシング１１１とが着脱自在に結合されているため、発電電動機ＭＧと膨張機Ｅとを分離して両者のメンテナンスを容易に行うことができるだけでなく、組付性も向上する。また発電電動機ＭＧのカバープレート１１３および回転センサホルダ１２５がケーシング１１１に対して軸線Ｌ方向に分離可能であるため、発電電動機ＭＧの回転センサ１２８やロータ１１７の交換作業やメンテナンスを容易に行うことができる。
【００６７】
尚、コイル１２４…の端部と回転センサホルダ１２５との間には、絶縁のための微小隙間が設けられる。この場合、隙間に絶縁シートを介在させれば、この隙間を更に小さくすることができ、上述の発電電動機ＭＧの軸線Ｌ方向の寸法を更に小型化することができる。
【００６８】
ところで、膨張機Ｅの内部空間から発電電動機ＭＧの内部空間に浸入する蒸気には若干のオイルミストや水滴が混在しており、それらがオイルや水として発電電動機ＭＧのケーシング１１１の底部に滞留すると、発電電動機ＭＧの各部材が劣化して耐久性が低下する虞がある。しかしながら本実施例では、前記オイルおよび水が、ケーシング本体１１２の溝１１２ｃ、ケーシング本体１１２の連通孔１１２ｄ、液体戻し通路１３２、オイルパン２１の連通孔２１ａを経てオイルパン２１の底部に戻されるため、発電電動機ＭＧの耐久性低下が防止される。
【００６９】
発電電動機ＭＧの永久磁石１２１…には保磁力が最も大きいネオジム磁石が使用されているが、高耐熱でないネオジム磁石が使用可能になったのは、発電電動機ＭＧを蒸気により冷却して温度を低下させた結果である。仮に、発電電動機ＭＧの冷却を行わないと高耐熱でないネオジム磁石は使用不能であり、高耐熱であるが保磁力小さいサマリウム−コバルト（ＳｍＣｏ）磁石を使用する必要があり、発電電動機ＭＧの性能を充分に発揮させることが難しくなる。
【００７０】
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。
【００７１】
例えば、実施例ではランキンサイクル装置の膨張機Ｅを例示したが、本発明の膨張機Ｅは他の任意の用途に適用可能である。
【００７２】
【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、膨張機ケーシングと発電電動機ケーシングとを外気に対して密封状態で結合したので、蒸気が膨張機ケーシングおよび発電電動機ケーシングの外部に漏れることを防止するとともに、外気が膨張機ケーシング内の蒸気やオイルに混入するのを防止することができる。また膨張機ケーシングの内部空間と発電電動機ケーシングの内部空間とを連通孔を介して連通させたので、発電機あるいは電動機として機能することで高温になった発電電動機を、膨張機の作動室から膨張機ケーシングの内部に漏れ出して連通孔を通して発電電動機ケーシングの内部に流入する低温の蒸気で冷却できるだけでなく、高温の発電電動機ケーシングと低温の膨張機ケーシングとの結合により、膨張機ケーシングからの熱逃げを最小限に抑えて膨張機の効率を高めることができる。特に、膨張機が容積型であるため、その膨張室からの漏れ蒸気は比較的に低温低圧となり、発電電動機を効果的に冷却することができる。
【００７３】
また請求項２に記載された発明によれば、膨張機ケーシングおよび発電電動機ケーシングの内部空間の上部を連通孔で連通させたので、膨張機ケーシング内のオイルが発電電動機ケーシング内に浸入するのを阻止しながら、蒸気だけを発電電動機ケーシング内に導入することができる。
【００７４】
また請求項３に記載された発明によれば、膨張機ケーシングおよび発電電動機ケーシングの下部に液体戻し通路を設けたので、発電電動機ケーシング内に滞留した水およびオイルを膨張機ケーシングに戻して発電電動機の耐久性低下を防止することができる。
【００７５】
また請求項４に記載された発明によれば、膨張機ケーシングに電動機ケーシングを着脱自在に結合したので膨張機および発電電動機のメンテナンス性が向上し、また発電電動機ケーシングが膨張機ケーシングに設けた出力軸支持部を覆うので、発電電動機の熱を膨張機に効率的に伝達することができる。
【００７６】
また請求項５に記載された発明によれば、膨張機の出力軸の軸端に固定された発電電動機のロータは、永久磁石を表面に支持したことで凹部を有することができ、その凹部に出力軸の軸端を膨張機ケーシングに片持ち支持するベアリングを収納したので、発電電動機ケーシングに出力軸を支持するベアリングを設ける必要がなくなり、その結果として部品点数の削減および発電電動機の軸方向寸法の小型化が可能となる。また前記ベアリングの廃止により膨張機ケーシング内にオイルを収納する必要がなくなり、オイルによる発電電動機の耐久性低下を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】発電電動機を備えた膨張機の外形を示す図
【図２】図１のＡ部拡大断面図
【図３】図１のＢ部拡大断面図
【図４】図２の４−４線断面図
【図５】図３の５−５線断面図
【図６】図２の６部拡大図
【図７】図２の７部拡大図
【図８】ロータの分解斜視図
【図９】図６の９−９線断面図
【図１０】図６の１０−１０線断面図
【図１１】図６の１１部拡大図
【図１２】図７の１２−１２線断面図
【図１３】図７の１３−１３線断面図
【図１４】図７の１４−１４線断面図
【図１５】図７の１５−１５線断面図
【符号の説明】
Ｅ　　　　　膨張機
ＭＧ　　　　発電電動機
１１　　　　ケーシング（膨張機ケーシング）
１５　　　　前部カバー（出力軸支持部）
１５ａ　　　連通孔
３２　　　　出力軸
４３　　　　膨張室
１０２　　　ポンプハウジング（出力軸支持部）
１０４　　　ポンプカバー（出力軸支持部）
１０５　　　ボールベアリング（ベアリング）
１１１　　　ケーシング（発電電動機ケーシング）
１１７　　　ロータ
１２０ａ　　凹部
１２１　　　永久磁石
１３２　　　液体戻し通路
【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】
2004080937.tif 000012
【図１１】
2004080937.tif 000013
【図１２】
2004080937.tif 000014
【図１３】
2004080937.tif 000015
【図１４】
2004080937.tif 000016
【図１５】
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