(57)【要約】【課題】  膨張機のアキシャルピストンシリンダ群の膨張室に供給された高温高圧蒸気の熱がピストンを介して逃げるのを抑制するとともに、ピストンとシリンダスリーブとの摺動部の潤滑性能を確保する。【解決手段】  トップ６１部、スカート部６２およびランド部６３で構成されたピストン４２が、その内部に形成された中空の断熱空間６４によって熱伝達し難くなっているため、膨張室４３の高温高圧蒸気に接触するランド部６３を高温状態に維持し、前記高温高圧蒸気の温度低下を最小限に抑えて膨張機の効率低下を阻止しながら、シリンダスリーブ４１に摺接するスカート部４２の温度上昇を抑制して潤滑性能を確保することができる。しかもランド部６３に設けたピストンリング６５，６６で膨張室４３の高温高圧蒸気とスカート部６２のオイルとを区画したので、高温高圧蒸気とオイルとが混合するのを阻止することができる。【選択図】        図８
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【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）を囲むように配置されたアキシャルピストンシリンダ群（Ａ）とを備え、
アキシャルピストンシリンダ群（Ａ）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）を回転駆動するとともに、ピストン（４２）およびシリンダスリーブ（４１）の摺動部をオイルで潤滑する膨張機において、
アキシャルピストンシリンダ群（Ａ）のピストン（４２）は、膨張室（４３）の高温高圧蒸気に晒されるランド部（６３）と、斜板（３１）に当接するトップ部（６１）と、ランド部（６３）およびトップ部（６１）に挟まれてシリンダスリーブ（４１）に摺接するスカート部（６２）とを有するとともに、内部に中空の断熱空間（６４）を有しており、かつランド部（６３）に設けたピストンリング（６５，６６）で膨張室（４３）の高温高圧蒸気とスカート部（６２）のオイルとを区画したことを特徴とする膨張機。
【請求項２】
ピストンリング（６５，６６）をピストン（４２）の長手方向に複数設けたことを特徴とする、請求項１に記載の膨張機。
【請求項３】
複数のピストンリング（６５，６６）の間に凹部（６３ｅ）を設けたことを特徴とする、請求項２に記載の膨張機。
【請求項４】
ピストン（４２）のスカート部（６２）の外周面およびシリンダスリーブ（４１）の内周面の少なくとも一方にオイル溝（６２ｅ）を設け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】
【技術分野】
【０００１】
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、ロータにその軸線を囲むように配置されたアキシャルピストンシリンダ群とを備え、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高温高圧蒸気を供給することでロータを回転駆動するとともに、ピストンおよびシリンダスリーブの摺動部をオイルで潤滑する膨張機に関する。
【背景技術】
【０００２】
かかる膨張機は、下記特許文献１により公知である。この膨張機は径方向内側に配置された第１のアキシャルピストンシリンダ群と、径方向外側に配置された第２のアキシャルピストンシリンダ群とを備えており、第１のアキシャルピストンシリンダ群のピストンは中実構造であって、その一端側が高温高圧蒸気が供給される膨張室に対向するとともに他端側が斜板に当接し、かつシリンダスリーブとの摺動部がオイルにより潤滑されるようになっている。
【特許文献１】特開２００２−２５６８０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、膨張機のアキシャルピストンシリンダ群のピストンは、膨張室に供給された高温高圧蒸気が温度低下しないように膨張室に対向する端部が高温に保たれていることが望ましいが、シリンダスリーブとの摺動部は潤滑性能を確保するために低温状態に保たれていることが望ましい。しかしながら、ピストンを中実構造にすると高温側から低温側への熱伝達が速やかに行われるため、高温であるべき膨張室側の端部が温度低下し易くなり、また低温であるべきシリンダスリーブとの摺動部が温度上昇し易くなる問題がある。
【０００４】
本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、膨張機のアキシャルピストンシリンダ群の膨張室に供給された高温高圧蒸気の熱がピストンを介して逃げるのを抑制するとともに、ピストンとシリンダスリーブとの摺動部の潤滑性能を確保することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
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配置されたアキシャルピストンシリンダ群とを備え、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高温高圧蒸気を供給することでロータを回転駆動するとともに、ピストンおよびシリンダスリーブの摺動部をオイルで潤滑する膨張機において、アキシャルピストンシリンダ群のピストンは、膨張室の高温高圧蒸気に晒されるランド部と、斜板に当接するトップ部と、ランド部およびトップ部に挟まれてシリンダスリーブに摺接するスカート部とを有するとともに、内部に中空の断熱空間を有しており、かつランド部に設けたピストンリングで膨張室の高温高圧蒸気とスカート部のオイルとを区画したことを特徴とする膨張機が提案される。
【０００６】
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、ピストンリングをピストンの長手方向に複数設けたことを特徴とする膨張機が提案される。
【０００７】
また請求項３に記載された発明によれば、請求項２の構成に加えて、複数のピストンリングの間に凹部を設けたことを特徴とする膨張機が提案される。
【０００８】
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、ピストンのスカート部の外周面およびシリンダスリーブの内周面の少なくとも一方にオイル溝を設けたことを特徴とする膨張機が提案される。
【０００９】
尚、実施例のセカンドランド溝６３ｅは本発明の凹部に対応し、実施例のトップリング６５およびセカンドリング６６は本発明のピストンリングに対応する。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１の構成によれば、膨張室の高温高圧蒸気に晒されるランド部と、斜板に当接するトップ部と、ランド部およびトップ部に挟まれてシリンダスリーブに摺接するスカート部とで構成されたアキシャルピストンシリンダ群のピストンが、その内部に形成された中空の断熱空間によって熱伝達し難くなっているため、膨張室に供給される高温高圧蒸気に接触するランド部を高温状態に維持し、前記高温高圧蒸気の温度低下を最小限に抑えて膨張機の効率低下を阻止しながら、シリンダスリーブに摺接するスカート部の温度上昇を抑制して潤滑性能を確保することができる。しかもランド部に設けたピストンリングで膨張室の高温高圧蒸気とスカート部のオイルとを区画したので、オイルが膨張室側に浸入してランド部が冷却されるのを阻止し、また高温高圧蒸気がスカート部側に浸入してオイルの潤滑効果が損なわれるのを阻止することができる。
【００１１】
請求項２の構成によれば、ピストンリングをピストンの長手方向に複数設けたので、ランド部からスカート部への高温高圧蒸気の吹き抜けを一層確実に阻止することができるだけでなく、膨張室から遠い側のピストンリングにオイルリングの機能を持たせることで、オイルと高温高圧蒸気との混合を効果的に阻止することができる。
【００１２】
請求項３の構成によれば、複数のピストンリングの間に凹部を設けたので、膨張室側のピストンリングを若干の高温高圧蒸気が吹き抜けた場合でも、凹部の容積の作用で前記ピストンリングの膨張室側および凹部側の圧力差が急激に減少しないようにし、その圧力差で前記ピストンリングを径方向外側に付勢してシリンダスリーブの内周面およびピストンリング溝面から浮き上がるのを防止し、シール性を確保することができる。
【００１３】
請求項４の構成によれば、ピストンのスカート部の外周面およびシリンダスリーブの内周面の少なくとも一方に間にオイル溝を設けたので、このオイル溝にオイルを保持してピストンおよびシリンダスリーブの摺動面の潤滑性能を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を、添付の図面に示した本発明の実施例に基づいて説明する。
【００１５】
図１〜図８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はロータの分解斜視図、図６は図４の６−６線断面図、図７は図４の７−７線断面図、図８は図４の８部拡大図である。
【００１６】
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。
【００１７】
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２３，２３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。
【００１８】
ロータ２２は、組み合わせアンギュラベアリング２３，２３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８参照）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。
【００１９】
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８参照）。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。
【００２０】
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２３，２３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。
【００２１】
組み合わせアンギュラベアリング２３，２３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２３，２３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２３，２３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２３，２３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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
次に、図５〜図８を参照してピストン４２の構造を詳細に説明する。
【００２５】
ピストン４２はトップ部６１、スカート部６２およびランド部６３からなる。トップ部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、スカート部６２の先端に溶接で結合される。ランド部６３およびスカート６２は一体に形成されており、その内部に大容積かつ真空の断熱空間６４が区画される。シリンダスリーブ４１の内周面に摺動自在に嵌合するスカート部６２の中間には僅かに小径になった環状のオイル溝６２ａが形成されるとともに、オイル溝６２ａよりも前側のスカート部６２の外周部に複数本の螺旋溝６２ｂ…が形成される。
【００２６】
ランド部６３は膨張室４３側のトップランド６３ａとスカート部６２側のセカンドランド６３ｂとを有しており、トップランド６３ａおよびセカンドランド６３ｂの間にトップリング６５が嵌合するトップリング溝６３ｃが形成され、セカンドランド６３ｂおよびスカート部６２の間にセカンドリング６６が嵌合するセカンドリング溝６３ｄが形成され、更にセカンドランド６３ｂの中間部にセカンドランド溝６３ｅが形成される。トップランド６３ａおよびセカンドランド６３ｂの外径は、スカート部６２の外径に比べて若干小径になっており、トップランド６３ａおよびセカンドランド６３ｂの外周面とシリンダスリーブ４１の内周面との間には隙間αが形成される。従って、ロータ２２を回転させる円周方向のスラスト荷重は、ランド部６３を介さずにスカート部６２からシリンダスリーブ４１に伝達される。
【００２７】
ピストン４２の頂部に比較的に近い位置（ピストン４２の直径の１０％程度）に配置されたトップリング６５は矩形状の断面を有しており、シリンダスリーブ４１に摺接するフェース面は湾曲したバレルフェースとされ、その表面にはＴｉＮやＣｒＮ等のセラミック系の硬質皮膜が形成される。セカンドリング６６は矩形状の断面（あるいはインターナルベベルカット付きの断面）を有しており、シリンダスリーブ４１に摺接するフェース面は湾曲したバレルフェースとされ、その表面にはＴｉＮやＣｒＮ等のセラミック系の硬質皮膜が形成される。トップリング６５およびセカンドリング６６の何れについても、その合口隙間は熱間時に接触しない最小寸法とし、その厚さはできるだけ小さく（ピストン４２の直径の３％程度）し、かつ初期張力は小さめに設定する。
【００２８】
トップリング６５およびセカンドリング６６に硬質皮膜を施すことで摩耗量を減少させるとともに蒸気の漏洩量を減少させることができる。またトップリング６５およびセカンドリング６６の初期張力を小さく設定し、かつ厚さを薄くして蒸気の圧力によるシリンダスリーブ４１の内周面に対する押付荷重を低減することで、トップリング６５およびセカンドリング６６のシリンダスリーブ４１への追従性を向上させてシール効果を高めながら、シリンダスリーブ４１との間の摩擦力を低減することができる。
【００２９】
シリンダスリーブ４１の中間部外周に環状溝４１ｂ（図５および図８参照）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。そしてスカート部６２の中間に形成したオイル溝６２ａがシリンダスリーブ４１のオイル孔４１ｃ…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８参照）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】
図１に示すように、ケーシング１１の後部カバー１８とロータ２２のシリンダヘッド３８との間にロータリバルブ７１が設けられる。ロータリバルブ７１は、蒸気供給パイプ６７からの高温高圧蒸気をロータ２２の回転に伴って５個の膨張室４３に順次供給し、膨張室４３からの低温低圧蒸気は本体ケーシング１２および後部カバー１８間に区画された蒸気排出室６８に排出される。
【００３２】
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Ａを構成する。
【００３３】
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。
【００３４】
蒸発器で水を加熱して発生した高温高圧蒸気が蒸気供給パイプ８５からロータリバルブ７１を経てシリンダスリーブ４１内の膨張室４３に供給されると、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。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リバルブ７１を介して蒸気排出室６８に排出される。
【００３５】
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のスカート部６２に形成したオイル溝６２ａに供給される。そしてオイル溝６２ａに保持されたオイルの一部は、ピストン４２のスカート部６２に形成した螺旋溝６２ｂ…に流れてシリンダスリーブ４１との摺動面を潤滑した後にオイルパン２１に戻され、また前記オイルの他の一部はピストン４２のランド部６３に設けたトップリング６５およびセカンドリング６６とシリンダスリーブ４１との摺動面を潤滑する。スカート部６２に形成したオイル溝６２ａはオイルを一時的に保持する機能を有するため、ピストン４２およびシリンダスリーブ４１の摺動部にオイルを途切れなく供給して潤滑条件を改善することができる。
【００３６】
ピストン４２の内部に真空の断熱空間６４を形成したので、ピストン４２の頂部に対向する膨張室４３に供給された高温高圧蒸気の熱がピストン４２を介して逃げるのを抑制し、膨張室４３の高温高圧蒸気の温度低下を最小限に抑えて膨張機Ｅの出力を増加させることができる。更に、ピストン４２の頂部の温度が高温に保たれるため、ピストン４２のランド部６３とシリンダスリーブ４１との間で蒸気が凝縮して液化し難くなり、ランド部６３の潤滑条件を改善してトップリング６５およびセカンドリング６６のシール性および耐摩耗性を向上させることができる。
【００３７】
ピストン４２のランド部６３のトップリング溝６３ｃの後方側は高圧の膨張室４３に連通し、前方側は低圧のセカンドランド溝６３ｅに連通するため、その圧力差によってトップリング溝６３ｃの底部から押し上げられたトップリング６５がシリンダスリーブ４１の内周面およびトップリング溝６３ｃの側面に密着してシール性が向上する。膨張室４３の高温高圧蒸気がトップリング６５をセカンドランド溝６３ｅ側に多少吹き抜けても、セカンドランド溝６３ｅの容積によって前記圧力差が急激に減少するのを抑制してトップリング６５の張りを確保し、シール性の低下を防止することができる。しかもセカンドランド溝６３ｅはオイルを保持する機能も有するため、潤滑性能の向上にも寄与することができる。
【００３８】
セカンドリング６６は高温高圧蒸気がトップリング６５を吹き抜けた場合にコンプレッションを維持するとともに、シリンダスリーブ４１の内周面に付着したオイルを掻き取るオイルリングの機能を有する。このように、ランド部６３に設けたトップリング６５およびセカンドリング６６で膨張室４３の高温高圧蒸気とスカート部６２のオイルとを区画したので、オイルが膨張室４３側に浸入してランド部６３が冷却されるのを阻止し、また高温高圧蒸気がスカート部６２側に浸入してオイルの潤滑効果が損なわれるのを防止することができる。
【００３９】
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。
【００４０】
例えば、実施例のアキシャルピストンシリンダ群Ａは各５個のピストン４２…およびシリンダスリーブ４１…を備えているが、その数は実施例に限定されるものではない。
【００４１】
また実施例の断熱空間６４は真空にされているが、空気等の気体が封入されていても良い。
【００４２】
また実施例ではピストン４２の外周面にオイル溝４２ａを設けているが、シリンダスリーブ４１の内周面にオイル溝を設けても良い。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【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】ロータの分解斜視図
【図６】図４の６−６線断面図
【図７】図４の７−７線断面図
【図８】図４の８部拡大図
【符号の説明】
【００４４】
１１        ケーシング
２２        ロータ
３１        斜板
４１        シリンダスリーブ                                                    ４２        ピストン
４３        膨張室
６１        トップ部
６２        スカート部
６２ａ      オイル溝
６３        ランド部
６３ｅ      セカンドランド溝（凹部）
６４        断熱空間
６５        トップリング（ピストンリング）
６６        セカンドリング（ピストンリング）
Ａ          アキシャルピストンシリンダ群
Ｌ          軸線
【図１】
2005155381.tif 000003
【図２】
2005155381.tif 000004
【図３】
2005155381.tif 000005
【図４】
2005155381.tif 000006
【図５】
2005155381.tif 000007
【図６】
2005155381.tif 000008
【図７】
2005155381.tif 000009
【図８】
2005155381.tif 000010