(57)【要約】【課題】従来の２段ロータリ型膨張機では、第１のベーンに作用する差圧力が不足し、第１のベーンの先端側が第１のピストンから乖離してしまう。【解決手段】多段ロータリ型膨張機において、第１のベーン３０１の先端側と第１のピストン２０９の接点の揺動運動の平均位置が、第１のベーン３０１の幅方向中央よりも吸入側になるように構成することにより、第１のベーン３０１の先端側のＲ形状面３０１ａにおいて、吸入側の作動室２１５ａの圧力が作用する面積よりも、吐出側の作動室２１５ｂの圧力が作用する面積が増し、第１のベーン３０１の先端側と背面側の間の差圧力を増加させることができるので、第１のベーン３０１の先端が第１のピストン２０９から乖離して作動流体が漏れることを防止し、高効率な多段ロータリ型膨張機を提供する。【選択図】図３
2007077946.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内側に円筒面を有するシリンダと、偏心部を有するシャフトと、前記偏心部に嵌合し、前記シリンダの内部で偏心回転するピストンと、前記シリンダに設けられたベーン溝に嵌合するとともに、先端部に形成されたＲ形状面で前記ピストンと接しながら前記シリンダと前記ピストンとの間の空間を吸入側空間と吐出側空間とに仕切るベーンと、を有するロータリ型の流体機構をｎ個（ｎは２以上の整数）備えた多段ロータリ型膨張機であって、
１段目の前記流体機構の前記吸入側空間へ作動流体を吸入する吸入孔と、
ｋ段目（ｋは１からｎ−１までの整数）の前記流体機構の前記吐出側空間と（ｋ＋１）段目の前記流体機構の前記吸入側空間とを連通させて１つの空間を形成する連通孔と、
ｎ段目の前記流体機構の前記吐出側空間から作動流体を吐出する吐出孔と、を備え、
１段目の前記流体機構の前記ベーンと前記ピストンとの接点の位置が、前記ベーンの幅方向の中心線よりも吸入側寄りである、
多段ロータリ型膨張機。
【請求項２】
１段目の前記ベーンの前記Ｒ形状面の曲率中心が、１段目の前記ベーンの幅方向の中心線よりも吸入側にオフセットしている、
請求項１に記載の多段ロータリ型膨張機。
【請求項３】
１段目の前記流体機構の前記溝の位置が、前記シャフトの中心軸を含む前記ベーン溝に平行な平面を基準とし、１段目の前記流体機構の吐出側にオフセットしている、
請求項１に記載の多段ロータリ型膨張機。
【請求項４】
１段目の前記ベーンの前記Ｒ形状面と前記ピストンの接点の位置が、常に１段目の前記ベーンの先端の前記Ｒ形状面に位置している、
請求項１〜３のいずれかに記載の多段ロータリ型膨張機。
【請求項５】
二酸化炭素を作動流体とする、請求項１〜４のいずれかに記載の多段ロータリ型膨張機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高圧の圧縮性流体の膨張エネルギーを回収することによって動力等を発生させるロータリ型膨張機に関し、特に、複数のシリンダを備えた多段ロータリ型膨張機に関する。
【背景技術】
【０００２】
冷凍サイクル装置の冷媒が膨張する際の膨張エネルギーを回収する目的で用いられる膨張機として、特許文献１に示すようなロータリ型、あるいは、特許文献２に示すような２段ロータリ型の膨張機が知られている。
【０００３】
特許文献１に示される従来のロータリ型膨張機の構成について以下に説明する。図９は、従来のロータリ型膨張機１００の構成を示す縦断面図であり、図１０は、図９のロータリ型膨張機のＤ１−Ｄ１線における横断面図である。
【０００４】
発電機１０１は、密閉容器１０２に固定されたステータ１０１ａと、シャフト１０３に固定されたロータ１０１ｂからなり、ロータ１０１ｂの回転によってステータ１０１ａの巻き線との間に起電力を発生させて電力を得る。シャフト１０３は、シリンダ１０４を貫通し、軸受１０５、１０６によって回転自在に支持されている。シャフト１０３には偏心部１０３ａが設けられ、偏心部１０３ａにはシリンダ１０４の内部に配置されたピストン１０７が嵌合する。シャフト１０３の中には、シャフト１０３の長軸方向に沿って軸方向流路１０３ｂが、偏心部１０３ａの上側には、軸方向流路１０３ｂとシャフト１０３の表面を結ぶ、径方向流路１０３ｃが設けられている。また、軸受１０５には、シリンダ１０４側の端面に開口する吸入孔１０５ａと、一方がシャフト１０３との摺動面に開口し、一方が吸入孔１０５ａに開口する吸入路１０５ｂが設けられている。
【０００５】
図１０に示すように、シリンダ１０４にはベーン溝１０４ａが形成されており、ベーン溝１０４ａにより往復動自在に保持されたベーン１０８は、後述する差圧力により、先端側がピストン１０７に密着している。なお、起動時には差圧力が作用しないので、ベーン１０８の背面側には、補助的にばね１０９を設けている。シリンダ１０４とピストン１０７により形成される三日月形状の空間は、ベーン１０８により２つの作動室１１０ａ、１１０ｂに区画される。軸受１０５に設けられた吸入孔１０５ａは作動室１１０ａに連通しており、シリンダ１０４に設けられた吐出孔１０４ｂは作動室１１０ｂに連通している。
【０００６】
高圧の作動流体は、吸入管１１１から密閉容器１０２の内部に流入した後、シャフト１０３の軸方向流路１０３ｂを経て径方向流路１０３ｃに達する。径方向流路１０３ｃはシャフト１０３とともに回転運動するが、吸入路１０５ｂは軸受１０５に固定されているので、シャフト１０３の回転運動に伴い、径方向流路１０３ｃと吸入路１０５ｂは連通と非連通を繰り返す。径方向流路１０３ｃと吸入路１０５ｂが連通している間に、作動流体は作動室１１０ａに吸入される。その後、径方向流路１０３ｃと吸入路１０５ｂが非連通となると、吸入行程が終了する。作動流体は減圧しながら膨張し、作動室１１０ａの容積が拡大する方向へとシャフト１０３を回転させ、発電機１０１を駆動する。シャフト１０３の回転に伴い、作動室１１０ａは、吐出孔１０４ｂに連通する作動室１１０ｂへと移行し、膨張行程が終了する。そして、低圧となった作動流体は吐出行程において吐出孔１０４ｂから吐出管１１２へと吐出される。
【０００７】
図１１に、図９のロータリ型膨張機１００を、二酸化炭素を作動流体とする冷凍サイクルに用いた場合の、シャフト１０３の回転角と作動室１１０ａ、１１０ｂの圧力との関係を示す。なお、シャフト１０３の回転角は、ベーン１０８がベーン溝１０４ａに最も押し込まれた状態を基準としている。ロータリ型膨張機１００は超臨界状態の二酸化炭素を吸入圧力Ｐｓで吸入し、気液二相状態の二酸化炭素を吐出圧力Ｐｄで吐出する。作動室１１０ａの圧力は、吸入行程の間は吸入圧力Ｐｓで一定であり、膨張行程の間は吸入圧力Ｐｓから吐出圧力Ｐｄへと減圧する。その際、最初の単相膨張では圧力が急激に下がり、その後、相変化を伴う膨張では圧力の変化が緩やかになる。作動室１１０ｂの圧力は、吐出行程のみが行われるので吐出圧力Ｐｄで一定である。
【０００８】
図１２は、図９のロータリ型膨張機のＤ１−Ｄ１線における作動室近傍の拡大横断面図である。Ａ、Ｂはベーン１０８の先端側のＲ形状面１０８ａと側面から成るエッジ、Ｃ、Ｄはベーン１０８の背面と側面から成るエッジであり、ベーン１０８の先端側のＲ形状面１０８ａとピストン１０７は、接点Ｅで接触している。ベーン１０８の先端側のＡ−Ｅに作用する圧力は、作動室１１０ａの圧力であり、同じく先端側のＢ−Ｅに作用する圧力は、作動室１１０ｂの圧力である。背面側Ｃ−Ｄに作用する圧力は、密閉容器１０２の内部圧力である吸入圧力Ｐｓである。
【０００９】
図１３に、シャフト１０３の回転角とベーン１０８に作用する差圧力、および、ベーン１０８の位置の関係を示す。なお、差圧力は、ベーン１０８をピストン１０７に押し付ける方向を正としており、シャフト１０３の回転角は、ベーン１０８がベーン溝１０４ａに最も押し込まれた状態を基準としている。図１１に示した作動室１１０ａ、１１０ｂの圧力の変化を考慮し、ベーン１０８の先端側Ａ−Ｅ、および、先端側Ｂ−Ｅに働く圧力と、背面側Ｃ−Ｄに働く圧力のバランスを考えると、先端側Ｂ−Ｅと背面側Ｃ−Ｄの間には、図１３中のＦ１で示す一定の差圧力が作用する。また、先端側Ａ−Ｅと背面側Ｃ−Ｄの間には、図１１に示した作動室１１０ａの圧力の変化に対応した差圧力が作用する。ベーン１０８に作用する差圧力はこれらの和となる。一方、ベーン１０８は３６０ｄｅｇ周期でベーン溝１０４ａに沿って往復運動する。ベーン１０８がベーン溝１０４ａへ引き込まれる際には、ベーン１０８の先端側がピストン１０７によって押し込まれるために、ベーン１０８の先端側とピストン１０７は密着する。また、ベーン１０８がベーン溝１０４ａから押し出される際には、ベーン１０８に働く差圧力によりベーン１０８の先端側はピストン１０７に密着する。
【００１０】
次に、特許文献２に示される従来の２段ロータリ型膨張機の構成について以下に説明する。図１４は、従来の２段ロータリ型膨張機２００の構成を示す縦断面図であり、図１５（ａ）は、図１４の２段ロータリ型膨張機のＤ２−Ｄ２線における横断面図、図１５（ｂ）は、図１４の２段ロータリ型膨張機のＤ３−Ｄ３線における横断面図である。
【００１１】
発電機２０１は、密閉容器２０２に固定されたステータ２０１ａと、シャフト２０３に固定されたロータ２０１ｂからなる。シャフト２０３は、中板２０４によってそれぞれ独立するように仕切られた第１のシリンダ２０５と第２のシリンダ２０６を貫通し、軸受２０７、２０８によって回転自在に支持されている。シャフト２０３には、シャフト２０３の軸に対する偏心方向が同じである第１の偏心部２０３ａと第２の偏心部２０３ｂが設けられ、第１の偏心部２０３ａには第１のシリンダ２０５の内部に配置された第１のピストン２０９が、第２の偏心部２０３ｂには第２のシリンダ２０６の内部に配置された第２のピストン２１０が嵌合する。
【００１２】
第１のシリンダ２０５と第１のピストン２０９、および、第２のシリンダ２０６と第２のピストン２１０の高さや径は、第１のシリンダ２０５と第１のピストン２０９により形成される三日月形状の空間が、第２のシリンダ２０６と第２のピストン２１０により形成される三日月形状の空間よりも小さくなるように設定する。第１のシリンダ２０５および第２のシリンダ２０６には、ベーン溝２０５ａおよび２０６ａがそれぞれ形成されている。ベーン溝２０５ａ、２０６ａにより、それぞれ往復動自在に保持された第１のベーン２１１および第２のベーン２１２は、後述する差圧力により、先端側が各ピストン２０９、２１０に密着している。なお、起動時には差圧力が作用しないので、第１のベーン２１１、第２のベーン２１２の背面側には、補助的にばね２１３、２１４を設けている。第１のシリンダ２０５と第１のピストン２０９により形成される三日月形状の空間は、第１のベーン２１１により２つの作動室２１５ａ、２１５ｂに、また、第２のシリンダ２０６と第２のピストン２１０により形成される三日月形状の空間は、第２のベーン２１２により２つの作動室２１６ａ、２１６ｂに区画される。第１のシリンダ２０５に設けられた吸入孔２０５ｂは、作動室２１５ａに連通しており、作動室２１５ｂと作動室２１６ａは、中板２０４に斜め方向に第１のベーン２１１と第２のベーン２１２の間を通過するように設けられた連通孔２０４ａで連通して１つの空間を形成している。また、第２のシリンダ２０６に設けられた吐出孔２０６ｂは、作動室２１６ｂに連通している。
【００１３】
高圧の作動流体は、吸入管２１７から密閉容器２０２の内部に流入した後、吸入孔２０５ｂから、第１のシリンダ２０５の作動室２１５ａに吸入される。シャフト２０３の回転運動に伴って作動室２１５ａの容積は拡大し、やがて、作動室２１５ｂへと移行し、吸入行程が終了する。作動室２１５ｂは、連通孔２０４ａを通じて第２のシリンダ２０６の作動室２１６ａと連通して１つの作動室を形成しており、高圧の作動流体は、連通した作動室全体の容積が増加する方向、すなわち、作動室２１５ｂの容積が減少し、作動室２１６ａの容積が増加する方向へとシャフト２０３を回転させ、発電機２０１を駆動する。シャフト２０３の回転に伴って作動室２１５ｂは消滅し、作動室２１６ａは吐出孔２０６ｂと連通する作動室２１６ｂへと移行し、膨張行程が終了する。そして、低圧となった作動流体は吐出孔２０６ｂから吐出管２１８へと吐出される。
【００１４】
図１６は、図１４の２段ロータリ型膨張機２００を、二酸化炭素を作動流体とする冷凍サイクルに用いた場合の、シャフト２０３の回転角と作動室２１５ａ、２１５ｂ、２１６ａ、２１６ｂの圧力との関係を示す。なお、シャフト２０３の回転角は、第１のベーン２１１、および、第２のベーン２１２が、ベーン溝２０５ａ、２０６ａに最も押し込まれた状態を基準としている。ロータリ型膨張機２００は超臨界状態の二酸化炭素を吸入圧力Ｐｓで吸入し、気液二相状態の二酸化炭素を吐出圧力Ｐｄで吐出する。作動室２１５ａでは吸入行程が行われるので、圧力は吸入圧力Ｐｓで一定である。連通孔２０４ａを通じて１つの作動室を形成する作動室２１５ｂと作動室２１６ａでは膨張行程が行われ、吸入圧力Ｐｓから吐出圧力Ｐｄへと減圧する。その際、最初の単相膨張では圧力が急激に下がり、その後、相変化を伴う膨張では圧力の変化が緩やかになる。作動室２１６ｂの圧力は、吐出行程が行われるので吐出圧力Ｐｄで一定である。
【００１５】
図１７（ａ）は、図１４のロータリ型膨張機のＤ２−Ｄ２線における作動室近傍の拡大横断面図である。Ａ１、Ｂ１は第１のベーン２１１の先端側のＲ形状面２１１ａと側面から成るエッジ、Ｃ１、Ｄ１は第１のベーン２１１の背面と側面から成るエッジであり、第１のベーン２１１の先端側のＲ形状面２１１ａと第１のピストン２０９は、接点Ｅ１で接触している。第１のベーン２１１の先端側のＡ１−Ｅ１に作用する圧力は、作動室２１５ａの圧力であり、同じく先端側のＢ１−Ｅ１に作用する圧力は、作動室２１５ｂの圧力である。背面側Ｃ１−Ｄ１に作用する圧力は、密閉容器２０２の内部圧力である吸入圧力Ｐｓである。
【００１６】
図１７（ｂ）は、図１４のロータリ型膨張機のＤ３−Ｄ３線における作動室近傍の拡大横断面図である。Ａ２、Ｂ２は第２のベーン２１２の先端側のＲ形状面２１２ａと側面から成るエッジ、Ｃ２、Ｄ２は第２のベーン２１２の背面と側面から成るエッジであり、第２のベーン２１２の先端側のＲ形状面２１２ａと第２のピストン２１０は、接点Ｅ２で接触している。第２のベーン２１２の先端側のＡ２−Ｅ２に作用する圧力は、作動室２１６ａの圧力であり、同じく先端側のＢ２−Ｅ２に作用する圧力は、作動室２１６ｂの圧力である。背面側Ｃ２−Ｄ２に作用する圧力は、密閉容器２０２の内部圧力である吸入圧力Ｐｓである。
【００１７】
図１８（ａ）に、シャフト２０３の回転角と第１のベーン２１１に作用する差圧力、および、第１のベーン２１１の位置の関係を示す。なお、差圧力は、第１のベーン２１１を第１のピストン２０９に押し付ける方向を正としており、シャフト２０３の回転角は、第１のベーン２１１がベーン溝２０５ａに最も押し込まれた状態を基準としている。図１６に示した作動室２１５ａ、２１５ｂの圧力の変化を考慮し、第１のベーン２１１の先端側Ａ１−Ｅ１、および、先端側Ｂ１−Ｅ１に働く圧力と、背面側Ｃ１−Ｄ１に働く圧力のバランスを考えると、先端側Ａ１−Ｅ１と背面側Ｃ１−Ｄ１の間には差圧力は作用しない。また、先端側Ｂ１−Ｅ１と背面側Ｃ１−Ｄ１の間には、図１６に示した作動室２１５ｂの圧力の変化に対応した差圧力が作用する。一方、第１のベーン２１１は３６０ｄｅｇ周期でベーン溝２０５ａに沿って往復運動する。第１のベーン２１１がベーン溝２０５ａへ引き込まれる際には、第１のベーン２１１の先端側が第１のピストン２０９によって押し込まれるために、第１のベーン２１１の先端側と第１のピストン２０９は密着する。また、第１のベーン２１１がベーン溝２０５ａから押し出される際には、第１のベーン２１１に働く差圧力により第１のベーン２１１の先端側は第１のピストン２０９に密着する。
【００１８】
図１８（ｂ）に、シャフト２０３の回転角と第２のベーン２１２に作用する差圧力、および、第２のベーン２１２の位置の関係を示す。なお、差圧力は、第２のベーン２１２を第２のピストン２１０に押し付ける方向を正としており、シャフト２０３の回転角は、第２のベーン２１２がベーン溝２０６ａに最も押し込まれた状態を基準としている。図１６に示した作動室２１６ａ、２１６ｂの圧力の変化を考慮し、第２のベーン２１２の先端側Ａ２−Ｅ２、および、先端側Ｂ２−Ｅ２に働く圧力と、背面側Ｃ２−Ｄ２に働く圧力のバランスを考えると、先端側Ｂ２−Ｅ２と背面側Ｃ２−Ｄ２の間には、図１８（ｂ）中のＦ２で示す一定の差圧力が作用する。また、先端側Ａ２−Ｅ２と背面側Ｃ２−Ｄ２の間には、図１６に示した作動室２１６ａの圧力の変化に対応した差圧力が作用する。第２のベーン２１２に作用する差圧力はこれらの和となる。一方、第２のベーン２１２は３６０ｄｅｇ周期でベーン溝２０６ａに沿って往復運動する。第２のベーン２１２がベーン溝２０６ａへ引き込まれる際には、第２のベーン２１２の先端側が第２のピストン２１０によって押し込まれるために、第２のベーン２１２の先端側と第２のピストン２１０は密着する。また、第２のベーン２１２がベーン溝２０６ａから押し出される際には、第２のベーン２１２に働く差圧力により第２のベーン２１２の先端側は第２のピストン２１０に密着する。
【特許文献１】特開平８−８２２９６号公報
【特許文献２】特開２００５−１０６０４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
図１４〜図１８に示す従来の２段ロータリ型膨張機では、図１８（ｂ）に示す第２のベーン２１２に作用する差圧力は、図１３に示す従来のロータリ型膨張機のベーン１０８に作用する差圧力と同程度であるのに対し、図１８（ａ）に示す第１のベーン２１１に作用する差圧力は非常に小さく、図１３の従来のロータリ型膨張機のベーン１０８に作用する差圧力の約半分となる。各ベーン１０８、２１１、２１２がそれぞれのベーン溝１０４ａ、２０５ａ、２０６ａから押し出される際には、摩擦力や、自身の慣性力等が、各ベーン１０８、２１１、２１２の先端をそれぞれのピストン１０７、２０９、２１０から乖離させる方向に作用するが、差圧力によって乖離することを防止している。しかしながら、従来の２段ロータリ型膨張機では、第１のベーン２１１に作用する差圧力が不足し、第１のベーン２１１の先端側が第１のピストン２０９から乖離してしまうという課題が生じていた。
【００２０】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、第１のベーンに作用する差圧力を増して、先端がピストンから乖離することを防止することにより、低コストな構成で作動流体の漏れを防止した高効率な多段ロータリ型膨張機を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上述した課題を解決するために、本発明の多段ロータリ型膨張機は、内側に円筒面を有するシリンダと、偏心部を有するシャフトと、前記偏心部に嵌合し、前記シリンダの内部で偏心回転するピストンと、前記シリンダに設けられたベーン溝に嵌合するとともに、先端部に形成されたＲ形状面で前記ピストンと接しながら前記シリンダと前記ピストンとの間の空間を吸入側空間と吐出側空間とに仕切るベーンと、を有するロータリ型の流体機構をｎ個（ｎは２以上の整数）備えた多段ロータリ型膨張機であって、１段目の前記流体機構の前記吸入側空間へ作動流体を吸入する吸入孔と、ｋ段目（ｋは１からｎ−１までの整数）の前記流体機構の前記吐出側空間と（ｋ＋１）段目の前記流体機構の前記吸入側空間とを連通させて１つの空間を形成する連通孔と、ｎ段目の前記流体機構の前記吐出側空間から作動流体を吐出する吐出孔と、を備え、１段目の前記流体機構の前記ベーンと前記ピストンとの接点の位置が、前記ベーンの幅方向の中心線よりも吸入側寄りであることを特徴とする。
【００２２】
また、本発明の多段ロータリ型膨張機において、１段目の前記ベーンの前記Ｒ形状面の曲率中心が、１段目の前記ベーンの幅方向の中心線よりも吸入側にオフセットしていることを特徴とする。
【００２３】
また、本発明の多段ロータリ型膨張機において、１段目の前記流体機械の前記ベーン溝の位置が、前記シャフトの中心軸を含む前記溝に平行な平面を基準とし、１段目の前記シリンダの吐出側にオフセットしていることを特徴とする。
【００２４】
本発明の多段ロータリ型膨張機は、１段目の前記ベーンの先端と１段目の前記ピストンの接点の位置が、常に１段目の前記ベーンの先端のＲ形状面に位置することを特徴とする。
【００２５】
本発明の多段ロータリ型膨張機は、二酸化炭素を作動流体とすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、第１のベーンの先端側のＲ形状面において、吸入側の作動室の圧力が作用する面積よりも、吐出側の作動室の圧力が作用する面積が大きくなるため、第１のベーンの先端側圧力と背面側圧力との差が増加することにより、従来の２段ロータリ型膨張機での第１のベーンがピストンから乖離しやすく、作動流体が漏れるという課題を解決し、高効率な多段ロータリ型膨張機を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２８】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１の多段ロータリ型膨張機３００の構成は、第１のベーン３０１およびそのＲ形状面３０１ａを除いて、図１４、図１５、図１７を用いて説明した従来の２段ロータリ型膨張機２００と同様の構成である。同一機能部品については同一番号を使用し、従来例と同一の構成および作用の説明は省くことにする。
【００２９】
図１は、本発明の実施の形態１の２段ロータリ型膨張機３００の構成を示す縦断面図であり、図２は、図１の２段ロータリ型膨張機３００のＤ４−Ｄ４線における横断面図である。また図３は、図１の２段ロータリ型膨張機３００のＤ４−Ｄ４線における作動室近傍の拡大横断面図である。
【００３０】
従来の２段ロータリ型膨張機２００では、第１のシリンダ２０５のベーン溝２０５ａに嵌合する第１のベーン２１１の先端のＲ形状面２１１ａは、Ｒ形状面２１１ａの中心Ｐが第１のベーン２１１の幅方向の中心線上に位置する形状であったが、本実施の形態１の２段ロータリ型膨張機３００では、第１のシリンダ２０５のベーン溝２０５ａに嵌合する第１のベーン３０１の先端のＲ形状面３０１ａは、Ｒ形状面３０１ａの中心Ｐ´が第１のベーン３０１の幅方向の中心線Ｌ１よりも、吸入孔２０５ｂが連通する作動室２１５ａ側に距離ｓ（以下、オフセット量ｓ）だけオフセットした形状としている。
【００３１】
このような形状とすることにより、第１のピストン２０９と第１のベーン３０１の動きに伴う、第１のベーン３０１の先端のＲ形状面３０１ａと第１のピストン２０９の接点Ｅ１のＲ形状面３０１ａ上での揺動運動の平均位置が、第１のベーン３０１の幅方向中央よりも吸入側に位置するので、従来の２段ロータリ型膨張機２００と較べて、差圧力の作用しない第１のベーン３０１の先端のＲ形状面３０１ａのエッジＡ１と接点Ｅ１の距離は短くなり、差圧力が作用するエッジＢ１と接点Ｅ１の距離は長くなる。
【００３２】
従って、本実施の形態１では、第１のベーン３０１の先端側を第１のピストン２０９に密着させるための差圧力が増すために、第１のベーン３０１が第１のピストン２０９から乖離して隙間が生じ、作動流体が作動室２１５ａから作動室２１５ｂに漏れることによる性能の低下を防止することができるので、高効率な多段ロータリ型膨張機を提供することができる。
【００３３】
本実施の形態１の２段ロータリ型膨張機３００においては、Ｒ形状面３０１ａの中心Ｐ´のオフセット量ｓを大きくすれば、差圧力が増す効果が大きくなる。しかし、第１のベーン３０１と第１のピストン２０９の接点Ｅ１は、第１のピストン２０９の偏心回転運動に伴い、第１のベーン３０１の先端のＲ形状面３０１ａ上を揺動運動するので、オフセット量ｓをあまり大きくしすぎると、作動室２１５ａ側のエッジＡ１が第１のピストン２０９に接触して摩耗させ、信頼性を低下させてしまう。これを防止するためのオフセット量ｓの範囲を以下に説明する。
【００３４】
第１のベーン３０１の中心線Ｌ１を基準とした、接点Ｅ１のエッジＡ１側への最大の揺動角度φは、図３を参照して以下のように計算できる。なお、接点Ｅ１の揺動角度φが最大となるのは、Ｒ形状面３０１ａの中心Ｐ´と第１の偏心部２０３ａの中心Ｏ´を結ぶ線分Ｐ´−Ｏ´と、第１の偏心部２０３ａの偏心方向Ｏ−Ｏ´が直角を成す場合である。図３中のφ１は、Ｒ形状面３０１ａの中心Ｐ´から見た、シャフト２０３の中心Ｏと第１の偏心部２０３ａの中心Ｏ´が成す角度であり、（数１）で表される。ここで、ｒはＲ形状面３０１ａの半径、Ｒは第１のピストン２０９の半径、εは第１の偏心部２０３ａの偏心量である。
【００３５】
【数１】
2007077946.tif 000003
【００３６】
図３中のφ２は、シャフト２０３の中心Ｏから見た、第１のベーン３０１の中心線Ｌ１とオフセットしたＲ形状面３０１ａの中心Ｐ´が成す角度であり、（数２）で表される。
【００３７】
【数２】
2007077946.tif 000004
【００３８】
最大の揺動角度φは、角度φ１およびφ２を用いて（数３）で表される。
【００３９】
【数３】
2007077946.tif 000005
【００４０】
図４は、第１のベーン３０１の先端部の拡大図である。θは、Ｒ形状面３０１ａの中心Ｐ´から見たエッジＡ１の方向の中心角であり、（数４）で表される。ここで、ｔは第１のベーン３０１の幅である。
【００４１】
【数４】
2007077946.tif 000006
【００４２】
作動室２１５ａ側のエッジＡ１が第１のピストン２０９に接触しないためには、エッジＡ１の中心角θが接点Ｅ１の揺動角度φより大きければ良い。すなわち、オフセット量ｓが（数５）を満たせば良い。
【００４３】
【数５】
2007077946.tif 000007
【００４４】
（数５）を満たすようにオフセット量ｓを設定すれば、作動室２１５ａ側のエッジＡ１が第１のピストン２０９に接触して傷つけ摩耗させ、信頼性を低下させてしまうことを防止することができる。
【００４５】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２の多段ロータリ型膨張機４００の構成は、第１のシリンダ４０１およびベーン溝４０１ａを除いて、図１４、図１５、図１７を用いて説明した従来の２段ロータリ型膨張機２００と同様の構成である。同一機能部品については同一番号を使用し、従来例と同一の構成および作用の説明は省くことにする。
【００４６】
図５は、本発明の実施の形態２の２段ロータリ型膨張機４００の構成を示す縦断面図であり、図６は、図５の２段ロータリ型膨張機４００のＤ５−Ｄ５線における横断面図である。また図７は、図５の２段ロータリ型膨張機４００のＤ５−Ｄ５線における作動室近傍の拡大横断面図である。
【００４７】
従来の２段ロータリ型膨張機２００の第１のシリンダ２０５のベーン溝２０５ａは、ベーン溝２０５ａの幅方向の中心線がシャフト２０３の中心Ｏを通る位置に配置されていたが、本実施の形態２の２段ロータリ型膨張機４００では、第１のシリンダ４０１のベーン溝４０１ａは、第１のベーン２１１の中心線Ｌ３の位置を、従来の２段ロータリ型膨張機２００の第１のベーン２１１の中心線Ｌ２よりも、第１のシリンダ４０１の吐出孔に相当する連通孔２０４ａが連通する作動室２１５ｂ側に距離ｕだけオフセットした形状としている（以下、オフセット量ｕ)。
【００４８】
このような形状とすることにより、第１のピストン２０９と第１のベーン２１１の動きに伴う、第１のベーン２１１の先端のＲ形状面２１１ａと第１のピストン２０９の接点Ｅ１のＲ形状面２１１ａ上での揺動運動の平均位置が、第１のベーン２１１の幅方向中央よりも吸入側に位置するので、従来の２段ロータリ型膨張機２００と較べて、差圧力の作用しない第１のベーン２１１の先端のＲ形状面２１１ａのエッジＡ１と接点Ｅ１の距離は短くなり、差圧力が作用するエッジＢ１と接点Ｅ１の距離は長くなる。
【００４９】
従って、本実施の形態２では、第１のベーン２１１の先端側を第１のピストン２０９に密着させるための差圧力が増すために、第１のベーン２１１が第１のピストン２０９から乖離して隙間が生じ、作動流体が作動室２１５ａから作動室２１５ｂに漏れることによる性能の低下を防止することができるので、高効率な２段ロータリ型膨張機を提供することができる。
【００５０】
本実施の形態２の２段ロータリ型膨張機４００においては、第１のベーン２１１の中心線Ｌ３のオフセット量ｕを大きくすれば、差圧力が増す効果が大きくなる。しかし、第１のベーン２１１と第１のピストン２０９の接点Ｅ１は、第１のピストン２０９の偏心回転運動に伴い、第１のベーン２１１の先端のＲ形状面２１１ａ上を揺動運動するので、オフセット量ｕをあまり大きくしすぎると、作動室２１５ａ側のエッジＡ１が第１のピストン２０９に接触して摩耗させ、信頼性を低下させてしまう。これを防止するためのオフセット量ｕの範囲を以下に説明する。
【００５１】
第１のベーン２１１の中心線Ｌ３を基準とした、接点Ｅ１のエッジＡ１側への最大の揺動角度ξは、図７を参照して以下のように計算できる。なお、接点Ｅ１の揺動角度ξが最大となるのは、Ｒ形状面２１１ａの中心Ｑ´と第１の偏心部２０３ａの中心Ｏ´を結ぶ線分Ｑ´−Ｏ´と、第１の偏心部２０３ａの偏心方向Ｏ−Ｏ´が直角を成す場合である。図７中のξ１は、Ｒ形状面２１１ａの中心Ｑ´から見た、シャフト２０３の中心Ｏと第１の偏心部２０３ａの中心Ｏ´が成す角度であり、（数６）で表される。ここで、ｒはＲ形状面２１１ａの半径、Ｒは第１のピストン２０９の半径、εは第１の偏心部２０３ａの偏心量である。
【００５２】
【数６】
2007077946.tif 000008
【００５３】
図７中のξ２は、シャフト２０３の中心Ｏから見たベーン溝４０１ａと平行な線Ｌ２とＲ形状面２１１ａの中心Ｑ´が成す角度であり、（数７）で表される。なお、図７中のＱは従来の２段ロータリ型膨張機２００における第１のベーン２１１の中心線であるＬ２上に位置するＲ形状面２１１ａの中心である。
【００５４】
【数７】
2007077946.tif 000009
【００５５】
最大の揺動角度ξは、角度ξ１およびξ２を用いて（数８）で表される。
【００５６】
【数８】
2007077946.tif 000010
【００５７】
図８は、第１のベーン２１１の先端部の拡大図である。δは、Ｒ形状面２１１ａの中心Ｑ´から見たエッジＡ１の方向の中心角であり、（数９）で表される。ここで、ｔは第１のベーン２１１の幅である。
【００５８】
【数９】
2007077946.tif 000011
【００５９】
作動室２１５ａ側のエッジＡ１が第１のピストン２０９に接触しないためには、エッジＡ１の中心角δが接点Ｅ１の揺動角度ξより大きければ良い。すなわち、オフセット量ｕが（数１０）を満たせば良い。
【００６０】
【数１０】
2007077946.tif 000012
【００６１】
（数１０）を満たすようにオフセット量ｕを設定すれば、作動室２１５ａ側のエッジＡ１が第１のピストン２０９に接触して傷つけ摩耗させ、信頼性を低下させてしまうことを防止することができる。
【００６２】
なお、本発明の実施の形態２の第１のシリンダ４０１のベーン溝４０１ａのオフセットと、本発明の実施の形態１で説明した第１のベーン３０１の先端側のＲ形状面３０１ａの中心Ｐ´のオフセットは、同時に実施したとしても同様の効果が得られることは言うまでも無い。
【００６３】
なお、本発明の実施の形態１および２において、二酸化炭素を作動流体として利用する場合、吸入圧力Ｐｓと吐出圧力Ｐｄの差圧が大きくなるので、接点Ｅ１の位置を吸入側の作動室２１５ａ側に移動させることにより差圧力を増す効果がより顕著になることは言うまでも無い。
【００６４】
なお、本発明の実施の形態１および２において、２段ロータリ型膨張機を例に説明したが、シリンダが３段以上の多段ロータリ型膨張機の１段目に本発明を用いても同様の効果が得られることは言うまでも無い。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
本発明の２段ロータリ型膨張機は、冷凍サイクルにおける冷媒の膨張エネルギーを回収して動力回収手段として有用であるとともに、冷凍サイクル以外の圧縮性流体からのエネルギー回収手段として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の実施の形態１における２段ロータリ型膨張機の縦断面図
【図２】図１に示す２段ロータリ型膨張機のＤ４−Ｄ４線における横断面図
【図３】図１に示す２段ロータリ型膨張機のＤ４−Ｄ４線における作動室近傍の拡大横断面図
【図４】図１に示す２段ロータリ型膨張機の第１のベーンの先端部の拡大図
【図５】本発明の実施の形態２における２段ロータリ型膨張機の縦断面図
【図６】図５に示す２段ロータリ型膨張機のＤ５−Ｄ５線における横断面図
【図７】図５に示す２段ロータリ型膨張機のＤ５−Ｄ５線における作動室近傍の拡大横断面図
【図８】図５に示す２段ロータリ型膨張機の第１のベーンの先端部の拡大図
【図９】従来のロータリ型膨張機の縦断面図
【図１０】図９に示すロータリ型膨張機のＤ１−Ｄ１線における横断面図
【図１１】図９に示すロータリ型膨張機のシャフトの回転角と作動室の圧力の関係を示す図
【図１２】図９に示すロータリ型膨張機のＤ１−Ｄ１線における拡大横断面図
【図１３】図９に示すロータリ型膨張機のシャフトの回転角とベーンに作用する差圧力およびベーン位置の関係を示す図
【図１４】従来の２段ロータリ型膨張機の縦断面図
【図１５】（ａ）図１４に示す２段ロータリ型膨張機のＤ２−Ｄ２線における横断面図（ｂ）図１４に示す２段ロータリ型膨張機のＤ３−Ｄ３線における横断面図
【図１６】図１４に示す２段ロータリ型膨張機のシャフトの回転角と作動室の圧力の関係を示す図
【図１７】（ａ）図１４に示す２段ロータリ型膨張機のＤ２−Ｄ２線における拡大横断面図（ｂ）図１４に示す２段ロータリ型膨張機のＤ３−Ｄ３線における拡大横断面図
【図１８】（ａ）図１４に示す２段ロータリ型膨張機のシャフトの回転角と第１のベーンに作用する差圧力および第１のベーンの位置の関係を示す図（ｂ）図１４に示す２段ロータリ型膨張機のシャフトの回転角と第２のベーンに作用する差圧力および第２のベーンの位置の関係を示す図
【符号の説明】
【００６７】
１００，２００，３００，４００    ロータリ型膨張機
１０１，２０１    発電機
１０１ａ，２０１ａ    ステータ
１０１ｂ，２０１ｂ    ロータ
１０２，２０２    密閉容器
１０３，２０３    シャフト
１０３ａ    偏心部
１０３ｂ    軸方向流路
１０３ｃ    径方向流路
１０４    シリンダ
１０４ａ，２０５ａ，２０６ａ，４０１ａ    ベーン溝
１０４ｂ，２０６ｂ    吐出孔
１０５，１０６，２０７，２０８    軸受
１０５ａ，２０５ｂ    吸入孔
１０５ｂ    吸入路
１０７    ピストン
１０８    ベーン
１０８ａ，２１１ａ，２１２ａ，３０１ａ    Ｒ形状面
１０９，２１３，２１４    ばね
１１０ａ，１１０ｂ，２１５ａ，２１５ｂ，２１６ａ，２１６ｂ    作動室
１１１，２１７    吸入管
１１２，２１８    吐出管
２０３ａ    第１の偏心部
２０３ｂ    第２の偏心部
２０４    中板
２０４ａ    連通孔
２０５，４０１    第１のシリンダ
２０６    第２のシリンダ
２０９    第１のピストン
２１０    第２のピストン
２１１，３０１    第１のベーン
２１２    第２のベーン
【図１】
2007077946.tif 000013
【図２】
2007077946.tif 000014
【図３】
2007077946.tif 000015
【図４】
2007077946.tif 000016
【図５】
2007077946.tif 000017
【図６】
2007077946.tif 000018
【図７】
2007077946.tif 000019
【図８】
2007077946.tif 000020
【図９】
2007077946.tif 000021
【図１０】
2007077946.tif 000022
【図１１】
2007077946.tif 000023
【図１２】
2007077946.tif 000024
【図１３】
2007077946.tif 000025
【図１４】
2007077946.tif 000026
【図１５】
2007077946.tif 000027
【図１６】
2007077946.tif 000028
【図１７】
2007077946.tif 000029
【図１８】
2007077946.tif 000030