JP2007077946A - Multi-stage rotary expander - Google Patents
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Abstract
【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3In a conventional two-stage rotary expander, a differential pressure acting on a first vane is insufficient, and a tip side of the first vane is separated from a first piston.
In the multistage rotary expander, the average position of the swinging motion of the contact point between the tip end of the first vane 301 and the first piston 209 is closer to the suction side than the center in the width direction of the first vane 301. With this configuration, in the R-shaped surface 301a on the distal end side of the first vane 301, the area in which the pressure in the discharge-side working chamber 215b acts than the area in which the pressure in the suction-side working chamber 215a acts. And the differential pressure between the front end side and the back side of the first vane 301 can be increased, so that the front end of the first vane 301 is separated from the first piston 209 and the working fluid leaks. The present invention provides a multi-stage rotary expander that is highly effective and prevents high-efficiency.
[Selection] Figure 3
Description
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。 The present invention relates to a rotary expander that generates power by recovering expansion energy of a high-pressure compressive fluid, and more particularly to a multi-stage rotary expander including a plurality of cylinders.
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。
As an expander used for the purpose of recovering expansion energy when the refrigerant of the refrigeration cycle apparatus expands, a rotary type as shown in
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。
The structure of the conventional rotary expander shown in
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。
The
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。
As shown in FIG. 10, a
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。
The high-pressure working fluid flows into the sealed
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。
FIG. 11 shows the relationship between the rotation angle of the
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。
12 is an enlarged cross-sectional view of the vicinity of the working chamber taken along line D1-D1 of the rotary expander of FIG. A and B are edges composed of the R-
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。
FIG. 13 shows the relationship between the rotation angle of the
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。
Next, the configuration of the conventional two-stage rotary expander shown in
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。
The
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。
The height and diameter of the
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。
The high-pressure working fluid flows into the sealed
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。
FIG. 16 shows the rotation angle of the
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。
FIG. 17A is an enlarged cross-sectional view of the vicinity of the working chamber taken along line D2-D2 of the rotary expander of FIG. A1 and B1 are edges formed by the R-shaped
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。
FIG. 17B is an enlarged cross-sectional view of the vicinity of the working chamber taken along line D3-D3 of the rotary expander of FIG. A2 and B2 are edges formed by the R-shaped
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。
FIG. 18A shows the relationship between the rotational angle of the
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。
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。
In the conventional two-stage rotary expander shown in FIGS. 14 to 18, the differential pressure acting on the
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。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and by increasing the differential pressure acting on the first vane and preventing the tip from separating from the piston, the working fluid can be manufactured at a low cost. An object of the present invention is to provide a highly efficient multistage rotary expander that prevents leakage.
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。 In order to solve the above-described problems, a multistage rotary expander according to the present invention includes a cylinder having a cylindrical surface inside, a shaft having an eccentric portion, and the eccentric portion, and is eccentrically rotated inside the cylinder. And a piston between the piston and the vane groove provided in the cylinder, and a space between the cylinder and the piston between the suction side space and the discharge side while being in contact with the piston with an R-shaped surface formed at the tip. A multi-stage rotary expander having n rotary-type fluid mechanisms (n is an integer of 2 or more) having a vane partitioning into a space, and operating to the suction side space of the first-stage fluid mechanism The suction hole for sucking fluid communicates with the discharge side space of the fluid mechanism at the k-th stage (k is an integer from 1 to n−1) and the suction side space of the fluid mechanism at the (k + 1) -th stage. Let one shape A communication hole, and a discharge hole for discharging the working fluid from the discharge side space of the nth stage fluid mechanism, the position of the contact point between the vane and the piston of the first stage fluid mechanism, The vane is closer to the suction side than the center line in the width direction of the vane.
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。 In the multistage rotary expander of the present invention, the center of curvature of the R-shaped surface of the first stage vane is offset to the suction side from the center line in the width direction of the first stage vane. It is characterized by.
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。 In the multi-stage rotary expander of the present invention, the position of the vane groove of the fluid machine at the first stage is based on a plane parallel to the groove including the central axis of the shaft, and the cylinder at the first stage It is characterized by being offset to the discharge side.
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。 The multistage rotary expander of the present invention is characterized in that the position of the contact point between the tip of the first stage vane and the first stage of the piston is always located on the R-shaped surface of the tip of the first stage vane. And
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。 The multistage rotary expander of the present invention is characterized in that carbon dioxide is used as a working fluid.
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。 According to the present invention, in the R-shaped surface on the tip side of the first vane, the area on which the pressure on the discharge side working chamber acts is larger than the area on which the pressure on the suction side working chamber acts, The difference between the tip side pressure and the back side pressure of one vane increases, so that the first vane in the conventional two-stage rotary expander is easily separated from the piston, and the working fluid leaks. A highly efficient multi-stage rotary expander can be provided.
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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(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。
(Embodiment 1)
The configuration of the multistage
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。
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a configuration of a two-
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。
In the conventional two-
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。
By adopting such a shape, the R-shaped
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。
Accordingly, in the first embodiment, since the differential pressure for bringing the front end side of the
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。
In the two-
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。
The maximum swing angle φ of the contact E1 toward the edge A1 with respect to the center line L1 of the
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。
In FIG. 3, φ2 is an angle formed by the center line L1 of the
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。 The maximum swing angle φ is expressed by (Equation 3) using the angles φ1 and φ2.
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。
FIG. 4 is an enlarged view of the distal end portion of the
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。
In order for the edge A1 on the working
(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。
If the offset amount s is set so as to satisfy (Equation 5), it is possible to prevent the edge A1 on the working
(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。
(Embodiment 2)
The configuration of the multi-stage
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。
FIG. 5 is a longitudinal sectional view showing a configuration of a two-
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)。
The
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。
By adopting such a shape, the R-shaped
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。
Therefore, in the second embodiment, since the differential pressure for bringing the front end side of the
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。
In the two-
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。
The maximum swing angle ξ of the contact E1 toward the edge A1 with respect to the center line L3 of the
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。
In FIG. 7, ξ2 is an angle formed by a line L2 parallel to the
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。 The maximum swing angle ξ is expressed by (Equation 8) using the angles ξ1 and ξ2.
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。
FIG. 8 is an enlarged view of the distal end portion of the
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。
In order for the edge A1 on the working
(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。
If the offset amount u is set so as to satisfy (Equation 10), it is possible to prevent the edge A1 on the working
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。
Note that the offset of the
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。
In the first and second embodiments of the present invention, when carbon dioxide is used as the working fluid, the differential pressure between the suction pressure Ps and the discharge pressure Pd increases, so the position of the contact point E1 is set to the suction-
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。 In the first and second embodiments of the present invention, a two-stage rotary expander has been described as an example. However, even if the present invention is used for the first stage of a multistage rotary expander having three or more cylinders, the same applies. Needless to say, an effect can be obtained.
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。 The two-stage rotary expander of the present invention is useful as a power recovery means by recovering the expansion energy of the refrigerant in the refrigeration cycle, and is also useful as an energy recovery means from a compressive fluid other than the refrigeration cycle.
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
100, 200, 300, 400
Claims (5)
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。 A cylinder having an inner cylindrical surface, a shaft having an eccentric portion, a piston that fits into the eccentric portion and rotates eccentrically inside the cylinder, and a vane groove provided in the cylinder, and a tip N (n) rotary fluid mechanisms having vanes that divide the space between the cylinder and the piston into a suction-side space and a discharge-side space while being in contact with the piston on an R-shaped surface formed in a portion Is a multistage rotary expander equipped with an integer of 2 or more,
A suction hole for sucking a working fluid into the suction side space of the fluid mechanism at the first stage;
The discharge-side space of the fluid mechanism at the k-th stage (k is an integer from 1 to n−1) and the suction-side space of the fluid mechanism at the (k + 1) -th stage are connected to form one space. A communication hole,
a discharge hole for discharging the working fluid from the discharge side space of the fluid mechanism of the nth stage,
The position of the contact point between the vane and the piston of the fluid mechanism in the first stage is closer to the suction side than the center line in the width direction of the vane.
Multi-stage rotary expander.
請求項1に記載の多段ロータリ型膨張機。 The center of curvature of the R-shaped surface of the first stage vane is offset to the suction side from the center line in the width direction of the first stage vane;
The multistage rotary expander according to claim 1.
請求項1に記載の多段ロータリ型膨張機。 The position of the groove of the fluid mechanism at the first stage is offset to the discharge side of the fluid mechanism at the first stage with reference to a plane parallel to the vane groove including the central axis of the shaft.
The multistage rotary expander according to claim 1.
請求項1〜3のいずれかに記載の多段ロータリ型膨張機。 The position of the R-shaped surface of the first-stage vane and the contact point of the piston is always located on the R-shaped surface of the tip of the first-stage vane.
The multistage rotary expander according to any one of claims 1 to 3.
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