(57)【要約】【課題】効率よく小型で簡素な構造に構成でき、かつ、より確実に膨張仕事を行わせることが可能な内部機構を備え、しかも、最適な過膨張防止手段を容易に組み込むことが可能な膨張機を提供する。【解決手段】円筒外周面を有する固定体と、固定体との間に膨張室を形成すべく固定体の周りで旋回運動される円筒内周面を有する可動体と、固定体に摺動自在に配置され該摺動により先端部が該固定体の外周面から出没して先端面が可動体の内周面に摺接するように設けられ、該摺接を介して膨張室を周方向に２つの分室に区画する分室体とを備えており、固定体内に、１つの分室へのガスの入口通路を所定のタイミングで開閉可能なロータリーバルブを設けるとともに、可動体に、ロータリーバルブの弁体に係合して該弁体を回動させる第１の係合手段および分室体の後端面に係合して該分室体を固定体の径方向に駆動する第２の係合手段をともに、可動体と一体運動可能に設けた膨張機。【選択図】図３
2009103025.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒外周面を有する固定体と、該固定体の外周面と自身の円筒内周面との間にガスの膨張室を形成すべく固定体の周りで旋回運動される可動体と、前記固定体内に該固定体の径方向に摺動自在に配置され該摺動により先端部が該固定体の外周面から出没して先端面が前記可動体の内周面に摺接するように設けられ、該摺接を介して前記膨張室を周方向に２つの分室に区画する分室体とを備えた膨張機であって、前記固定体内に、１つの分室へのガスの入口通路を所定のタイミングで開閉可能なロータリーバルブを設けるとともに、前記可動体に、前記ロータリーバルブの弁体に係合して該弁体を回動させる第１の係合手段および前記分室体の後端面に係合して該分室体を前記固定体の径方向に駆動する第２の係合手段をともに、前記可動体と一体運動可能に設けたことを特徴とする膨張機。
【請求項２】
前記第１の係合手段が、前記ロータリーバルブの弁体および前記可動体の一方に設けられたクランクピンと、他方に設けられた前記クランクピンに係合する凹部とからなる、請求項１に記載の膨張機。
【請求項３】
前記第２の係合手段が、前記可動体から前記分室体の後端面に係合可能に突出された突出部からなる、請求項１または２に記載の膨張機。
【請求項４】
前記突出部が円柱形状に形成されている、請求項３に記載の膨張機。
【請求項５】
前記固定体に、前記膨張室と膨張室後の膨張ガス通路との差圧に応じて膨張室と膨張室後の膨張ガス通路との連通路を開閉し、膨張室内の圧力が膨張室後の膨張ガス通路内の圧力よりも所定値以上低下したときのみに前記連通路を開く逆止弁が設けられている、請求項１〜４のいずれかに記載の膨張機。
【請求項６】
前記逆止弁がリード弁からなる、請求項５に記載の膨張機。
【請求項７】
膨張機がランキンサイクル中に設けられるものからなる、請求項１〜６のいずれかに記載の膨張機。
【請求項８】
発電機に連結されている、請求項７に記載の膨張機。
【請求項９】
前記可動体が従動クランク機構を介して発電機の回転軸に連結されている、請求項８に記載の膨張機。
【請求項１０】
膨張機を構成する部分と発電機を構成する部分が一つの装置内に納められている、請求項８または９に記載の膨張機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膨張機に関し、とくに、廃熱回収用ランキンサイクルに用いて好適な膨張機に関する。
【背景技術】
【０００２】
廃熱の回収が可能なランキンサイクルは、例えば図４に示すような基本構成を有している。図４において、ランキンサイクル１００は、熱源として機能し循環流体（例えば、冷媒）を蒸発させる蒸発加熱器１０１と、蒸発加熱器１０１により加熱蒸発された流体を膨張させる膨張機１０２と、膨張機１０２で仕事を行った流体を放熱・凝縮させる凝縮器１０３と、サイクル中に流体を循環させるポンプ１０４を備えており、流体の膨張仕事が、例えば膨張器１０２に連結された発電機１０５（例えば、モータジェネレータ）により電気エネルギーとして回収できるようになっている。
【０００３】
このような膨張機、とくにモータジェネレータを組み込んだ一体型装置構成の膨張機には、効率よく小型で簡素な構造に構成できることが要求されることが多い。また、より確実に膨張仕事を行わせることが可能な内部機構、例えば、膨張仕事を行う流体の吸入のタイミングや膨張仕事を行った流体の排出のタイミングが、それぞれ最適なタイミングとなるように、より確実に作動できる内部機構が求められる。さらに、過膨張を防止して膨張機内で最適な膨張仕事を行わせるための過膨張防止手段を、容易に、かつ、より確実に過膨張防止の作動ができるように、組み込むことが可能な構成も求められている。
【０００４】
従来から、各種膨張機の構造が知られているが（例えば、特許文献１〜４）、いずれも、上記のような要求を総合的に満たしているとは言い難い。
【特許文献１】特開平１０−２６６９８０号公報
【特許文献２】特開２００４−１９０５５９号公報
【特許文献３】特開２００５−３０３８６号公報
【特許文献４】特開２００７−１２７０１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで本発明の課題は、上記のような要求を満たすために、効率よく小型で簡素な構造に構成でき、かつ、より確実に膨張仕事を行わせることが可能な内部機構を備え、しかも、最適な過膨張防止手段を容易に組み込むことが可能な、とくにランキンサイクルに用いて最適な膨張機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明に係る膨張機は、円筒外周面を有する固定体と、該固定体の外周面と自身の円筒内周面との間にガスの膨張室を形成すべく固定体の周りで旋回運動される可動体と、前記固定体内に該固定体の径方向に摺動自在に配置され該摺動により先端部が該固定体の外周面から出没して先端面が前記可動体の内周面に摺接するように設けられ、該摺接を介して前記膨張室を周方向に２つの分室に区画する分室体とを備えた膨張機であって、前記固定体内に、１つの分室へのガスの入口通路を所定のタイミングで開閉可能なロータリーバルブを設けるとともに、前記可動体に、前記ロータリーバルブの弁体に係合して該弁体を回動させる第１の係合手段および前記分室体の後端面に係合して該分室体を前記固定体の径方向に駆動する第２の係合手段をともに、前記可動体と一体運動可能に設けたことを特徴とするものからなる。
【０００７】
このような本発明に係る膨張機においては、膨張仕事を行う流体を膨張室内に所定のタイミングで所定量導入するためにロータリーバルブを設けるとともに、そのロータリーバルブを固定体内に設け、かつ、膨張室を２つの分室（主として、流体が導入され内部で膨張する分室と、膨張された流体が排出されるための分室）に区画する分室体を、固定体の外周面から出没される分室体の先端部の先端面を可動体の内周面に摺接させるように、固定体内に摺動自在に配置したので、これら固定体、可動体、分室体、ロータリーバルブを備えた膨張機構が極めてコンパクトに構成され、効率よく小型で簡素な膨張機の構成が達成される。また、第１の係合手段と第２の係合手段をともに可動体と一体運動可能に設けたので、第１の係合手段を介して作動されるロータリーバルブと第２の係合手段を介して作動される分室体が、完全に可動体の運動と連動したタイミングでかつ完全に互いに同期したタイミングで所定の動作を行うことができるようになり、所定の連動動作に関するタイミングのズレが皆無となる。その結果、所望の膨張仕事が膨張機内でより確実に行われるようになる。
【０００８】
この本発明に係る膨張機において、上記第１の係合手段は、例えば、ロータリーバルブの弁体および可動体の一方に設けられたクランクピンと、他方に設けられた前記クランクピンに係合する凹部とから構成することができる。第１の係合手段をこのようなクランク機構から構成することで、可動体の運動に伴ってロータリーバルブの弁体を円滑に回動させることができる。
【０００９】
また、上記第２の係合手段は、例えば、可動体から分室体の後端面に係合可能に突出された突出部から構成することができる。突出部としては、例えば、可動体の中央部にて突出された円柱形状に形成された突出部に構成することができる。第２の係合手段をこのような突出部から構成することで、所望の第２の係合手段を容易に構成でき、かつ、可動体の運動に伴って分室体を円滑に作動させることができる。
【００１０】
また、本発明に係る膨張機においては、最適な過膨張防止手段を容易に組み込むことも可能である。例えば、固定体に、膨張室と膨張室後の膨張ガス通路との差圧に応じて膨張室と膨張室後の膨張ガス通路との連通路を開閉し、膨張室内の圧力が膨張室後の膨張ガス通路内の圧力よりも所定値以上低下したときのみに前記連通路を開く逆止弁が設けられている構造とすることにより、この逆止弁を過膨張防止手段として機能させることができる。過膨張防止手段としての逆止弁が固定体に設けられることで、過膨張防止機構を含めて全体としてコンパクトに構成することが可能となる。さらに、膨張室直近の固定体にこの逆止弁を設けることにより、逆止弁で開閉される上記連通路の通路断面積を容易に比較的大きくすることが可能になり、応答遅れを防止した状態にて十分なガス量を膨張室後の膨張ガス通路から膨張室に迅速に導入でき、膨張室内の圧力の所定値以上の低下、つまり過膨張をより確実に防止できるようになる。
【００１１】
上記逆止弁にリード弁を用いれば、簡単な弁構造でありながら、円滑に所定の弁開閉動作が行われる。
【００１２】
このような本発明に係る膨張機は、とくにランキンサイクル中に設けられて好適なものであり、ランキンサイクル全体として、小型で高効率のサイクル構成が可能となる。
【００１３】
本発明に係る膨張機がランキンサイクル中に設けられる場合には、膨張機を発電機に連結するとよい。これによって、発電機による発電を介し、他用途への使用に極めて便利な電気エネルギーとして、効率のよい廃熱回収が行われることになる。
【００１４】
膨張機と発電機との連結機構としては、例えば、可動体が従動クランク機構を介して発電機の回転軸に連結されている構造を採用することができる。これによって、膨張機における膨張仕事に伴う可動体の運動が、円滑に発電機の回転軸に伝達され、発電機による発電が少ないエネルギーロスで効率よく行われるようになる。
【００１５】
このような膨張機と発電機は一つの装置としてまとめることが可能である。すなわち、膨張機を構成する部分と発電機を構成する部分が一つの装置内に納められている構造を採ることが可能である。
【発明の効果】
【００１６】
このように、本発明に係る膨張機によれば、効率よく小型で簡素な構造に構成でき、かつ、より確実に膨張仕事を行わせることが可能な内部機構を達成できる。さらに、容易に逆止弁等の最適な過膨張防止手段を固定体に組み込むことも可能であり、望ましい性能を備えた膨張機、とくにランキンサイクルに用いて最適な膨張機を、効率よくコンパクトに構成することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下に、本発明の望ましい実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図１〜図３は、本発明の一実施態様に係る膨張機を示しており、とくに図３はその主要部の動作を作動順に示している。本実施態様では、膨張機構成部２と、それに連結された発電機構成部３とが一つの装置にまとめられた発電機一体型膨張機１（以下、単に膨張機１と呼ぶこともある。）として構成されている。なお、図１、図２における矢印は流体（ガス）の流れを示している。
【００１８】
図１、図２において、膨張機構成部２側のハウジング４と発電機構成部３側のハウジング５がセンタープレート６を介して連結されており、ハウジング４に膨張仕事を行う流体を膨張機構成部２に導入するための膨張機入口７が、ハウジング５に膨張仕事を行った流体を発電機構成部３を通過させた後に機外に排出するための膨張機出口８が、それぞれ設けられている。
【００１９】
膨張機１の膨張機構成部２内の構造を、図３も参照しながら説明する。
膨張機１の膨張機構成部２内には、円筒外周面９ａを有する固定体９と、円筒内周面１０ａを有する可動体１０が設けられており、固定体９の外周面９ａと可動体１０の内周面１０ａとの間にガスの膨張室１１を形成すべく、可動体１０が固定体９の周りで旋回運動される。固定体９内には、該固定体９の径方向に摺動自在に配置され該摺動により先端部が該固定体９の外周面９ａから出没してその先端面が可動体１０の内周面１０ａに摺接するように設けられた分室体１２が配置されており、この摺接を介して膨張室１１が周方向に２つの分室１１ａ、１１ｂに区画されるようになっている。可動体１０は、センタープレート６との間に介装されたボールカップリング１３を介して、自身の回転は阻止された状態で、流体の膨張に伴って固定体９の周りで旋回運動を行う。前記膨張機入口７から導入されてきた流体は、固定体９内に形成された膨張室入口通路１４を通して膨張室１１内に流入し、膨張室１１内で膨張された流体は、可動体１０の円筒壁に形成された膨張室出口通路１５を通して膨張室１１外へ流出され、発電機構成部３側のハウジング５内を通過した後、膨張機出口８から外部回路へ排出される。
【００２０】
固定体９内には、１つの分室（分室体１２により区画された分室１１ａ、１１ｂのうちの一方の分室）へのガスの入口通路（膨張室入口通路１４）を所定のタイミングで開閉可能なロータリーバルブ１６が設けられており、可動体１０には、ロータリーバルブ１６の弁体１７に係合して該弁体１７を回動させる第１の係合手段が設けられている。弁体１７には開口部１７ａが形成されており、開口部１７ａは、弁体１７の回動に伴って所定のタイミングで所定の時間、膨張室入口通路１４を開いて膨張室１１内に膨張仕事をさせるべき流体を導入する。本実施態様では、第１の係合手段は、ロータリーバルブ１６の弁体１７側に設けられたクランクピン１８と、可動体１０の対向面側に形成されたクランクピン１８に係合する凹部１９からなるクランク機構から構成されている。また、可動体１０の中央部には、可動体１０から分室体１２の後端面に係合可能に突出された突出部２０からなる第２の係合手段が設けられており、突出部２０によって分室体１２はその先端部が固定体９の外周面９ａから出没するように駆動されるようになっている。これら第１の係合手段および第２の係合手段は、ともに、可動体１０の旋回運動と一体運動可能に設けられている。すなわち、第１の係合手段および第２の係合手段は、可動体１０に対しては常に一定の位置関係を保ちながら、可動体１０の旋回運動に同期して旋回運動する。
【００２１】
膨張室１１と膨張室１１後の膨張ガス通路２１との間には、両者を連通可能な連通路２２が設けられており、連通路２２は、固定体９内に形成されている。また、固定体９には、膨張室１１と膨張室後の膨張ガス通路２１との差圧に応じて連通路２２を開閉し、膨張室１１内の圧力が膨張室後の膨張ガス通路２１内の圧力よりも所定値以上低下したときのみに連通路２２を開く、リード弁からなる逆止弁２３が設けられている。したがって、この逆止弁２３は過膨張防止手段として機能させることができる。過膨張防止手段としての逆止弁２３が固定体９に設けられることで、コンパクトな構成を達成しつつ、逆止弁２３で開閉される連通路２２の通路断面積を容易に比較的大きくすることができ、それによって、過膨張防止の動作を応答遅れなく迅速に行わせることができ、かつ、十分なガス量を膨張室後の膨張ガス通路２１から膨張室１１に迅速に導入できる。したがって、膨張室１１内の圧力の所定値以上の低下、つまり過膨張が確実に防止される。過膨張防止時のガス流れは、図１、図３（Ｄ）に示されている。
【００２２】
可動体１０は、従動クランク部２４を介して発電機２５の回転軸２６に連結されている。従動クランク部２４は、回転軸２６の一端側に設けられたクランクピン２７と、クランクピン２７が回転自在に嵌合され、可動体１０側にベアリング２９を介して回転自在に保持された偏心ブッシュ２８を備えている。この従動クランク部２４を介して、流体の膨張仕事に伴って旋回運動される可動体１０による動力が回転軸２６に伝達され、回転軸２６が回転されて発電機２５により発電される。発電された電気エネルギーが取り出されることにより、膨張流体からの廃熱が回収される。
【００２３】
本実施態様に係る膨張機１、とくに膨張機構成部２の動作を、図３（Ａ）〜（Ｄ）を参照しながら説明する。図３（Ａ）は、膨張室１１が形成され、膨張流体としてのガスを膨張室１１に導入する前の状態を示している。図３（Ｂ）は、膨張流体としてのガスを膨張室１１に導入する時の状態を示しており、可動体１０の旋回運動に同期してクランクピン１８が旋回され、それに伴ってロータリーバルブ１６の弁体１７が回動され、開口部１７ａが所定位置に移動されて、膨張室入口通路１４が開かれ、ガスが膨張室１１に導入される。この時、同時に、分室体１２によって膨張室１１が分室１１ａと分室１１ｂとに区画されており、ガスは分室１１ａに導入される。分室１１ｂ内の前回の導入ガスは、すでに膨張されており、膨張室出口通路１５から排出中となっている。分室１１ａに導入されたガスは、図３（Ｃ）に示すように、可動体１０の旋回運動に伴う分室１１ａの容積拡大にとともに徐々に膨張されていく。このとき、分室１１ｂ内からの膨張ガスの排出は継続中である。図３（Ｄ）は、分室１１ａにおけるガスの膨張がさらに進んだ段階で、かつ、分室１１ｂ内からの膨張ガスの排出の後期状態を示しているが、分室１１ａにおけるガスの膨張が過膨張の場合（つまり、分室１１ａ内の圧力が低下し、分室１１ａ内の圧力と膨張室後の膨張ガス通路２１内の圧力との差圧が所定値以上となった場合）には、逆止弁２３が開き、膨張室後の膨張ガス通路２１内のガスが膨張室１１（分室１１ａ）に導入されて、過膨張が迅速に防止される。
【００２４】
このような本実施態様に係る構成により、前述したように、膨張仕事を行うに必要な構造が極めてコンパクトにまとめられ、膨張機全体として効率よく小型で簡素な構造が構成される。また、とくに第１の係合手段および第２の係合手段がともに、可動体１０の旋回運動に同期して旋回運動されるので、分室体１２による膨張室１１の所定の区画動作が所望の動作として確実に行われ、かつ、膨張室１１の一方の分室１１ａへのガスの導入が、最も望ましいタイミングで確実に行われ、分室体１２の動作、ロータリーバルブ１６の動作に、最適なタイミングからのズレは全く生じない。すなわち、最も望ましい動作が常に可動体１０の旋回運動と同期して確実かつ正確に行われることになる。
【００２５】
さらに、過膨張防止手段としての逆止弁２３を固定体９に容易に望ましい形態で設けることができるので、全体として小型に構成されながら優れた性能を有する膨張機を提供することができる。とくに、図４に示したようなランキンサイクルへの使用に好適な膨張機を提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明に係る膨張機は、あらゆるタイプの膨張機として適用可能であり、とくに、廃熱回収用ランキンサイクルに用いて好適なものである。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の一実施態様に係る膨張機の縦断面図である。
【図２】図１の膨張機の別の部位にて断面表示した縦断面図である。
【図３】図１の膨張機の膨張機構成部の動作を順に示す概略横断面図である。
【図４】ランキンサイクルの基本構成を示す機器系統図である。
【符号の説明】
【００２８】
１  発電機一体型膨張機
２  膨張機構成部
３  発電機構成部
４、５  ハウジング
６  センタープレート
７  膨張機入口
８  膨張機出口
９  固定体
９ａ  円筒外周面
１０  可動体
１０ａ  円筒内周面
１１  膨張室
１１ａ、１１ｂ  分室
１２  分室体
１３  ボールカップリング
１４  膨張室入口通路
１５  膨張室出口通路
１６  ロータリーバルブ
１７  弁体
１７ａ  開口部
１８  クランクピン
１９  凹部
２０  突出部
２１  膨張室後の膨張ガス通路
２２  連通路
２３  逆止弁
２４  従動クランク部
２５  発電機
２６  回転軸
２７  クランクピン
２８  偏心ブッシュ
２９  ベアリング
【図１】
2009103025.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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