JP2005201160A - 回転流体機械 - Google Patents

Abstract

【課題】 回転流体機械のピストンの球状凸部と斜板の球状凹部との接点のスリップを防止する。
【解決手段】 作動室４３に作動媒体が供給されてピストン４２がシリンダ４１から押し出され、ピストン４２の球状凸部４２ａが斜板３１の球状凹部３１ａを押圧するときの接点ＣＰを、球状凹部３１ａの曲率中心Ｏおよび斜板３１の軸線Ｌｓを含む平面Ｐが球状凹部３１ａと交差する交線ＣＬ上に位置させたので、ピストン４２が斜板３１を強く押圧しても球状凸部４２ａと球状凹部３１ａとが接点ＣＰにおいて円周方向および径方向等にスリップすることが防止される。これにより、ロータ２２および斜板３１の位相がずれて振動や騒音が発生するのを防止することができ、しかもピストン４２に大きなサイドスラストが作用してシリンダ４１との間にコジリや摺動摩擦による熱が発生しないようにし、異常摩耗や焼き付きを防止することができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、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間に形成された作動室に対する作動媒体の供給・排出をロータリバルブにより制御する回転流体機械に関する。

かかる回転流体機械は、下記特許文献１により公知である。この回転流体機械のロータに配置されたアキシャルピストンシリンダ群のピストンの先端には球状凸部が設けられており、この球状凸部が斜板に設けられた球状凹部に当接する。作動室に供給された高温高圧蒸気によってピストンがシリンダから押し出されると、ピストンの球状凸部が斜板の球状凹部を押圧し、ピストンが斜板から受ける反力でロータに回転トルクが与えられる。
特開２００２−２５６８０５号公報

ところで、吸気行程の開始時に高温高圧蒸気が供給された作動室の圧力が急激に立ち上がってピストンが強く押し出されると、ピストンの球状凸部と斜板の球状凹部との接触面圧が急激に高まり、球状凸部と球状凹部との接点が斜板の円周方向および径方向等にスリップする可能性がある。このように球状凸部と球状凹部との接点が円周方向および径方向等にスリップすると、ロータおよび斜板の位相が変化してロータの回転角速度が急変し、振動や騒音の原因となるだけでなく、ピストンに大きなサイドスラストが作用してシリンダとの間にコジリや摺動摩擦による熱が発生し、異常摩耗や焼き付きの原因となる問題がある。

本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、回転流体機械のピストンの球状凸部と斜板の球状凹部との接点のスリップを防止することを目的とする。

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環状に配置されたアキシャルピストンシリンダ群と、ロータの軸線に対して傾斜した軸線上に回転自在に支持された斜板と、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間に形成された作動室に対する作動媒体の供給・排出を制御するロータリバルブとを備え、ピストンの先端に形成された球状凸部を、斜板にその軸線を囲むように環状に配置された球状凹部に当接させ、作動室に供給された作動媒体の圧力で前進するピストンの球状凸部が斜板の球状凹部から受ける反力でロータを回転駆動する回転流体機械において、ピストンの球状凸部が斜板の球状凹部を押圧するときの接点を、球状凹部の曲率中心および斜板の軸線を含む平面が球状凹部と交差する交線上に位置させたことを特徴とする回転流体機械が提案される。

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、作動室に作動媒体が供給された瞬間の前記接点を前記交線上に位置させたことを特徴とする回転流体機械が提案される。

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、作動媒体が圧縮性流体であることを特徴とする回転流体機械が提案される。

請求項１の構成によれば、ピストンの球状凸部が斜板の球状凹部を押圧するときの接点を、球状凹部の曲率中心および斜板の軸線を含む平面が球状凹部と交差する交線上に位置させたので、ピストンが斜板を強く押圧しても球状凸部と球状凹部とが接点において円周方向および径方向等にスリップすることが防止され、ロータおよび斜板の位相がずれて振動、騒音、摺動摩擦や発熱による異常摩耗や焼き付き等が発生するのを防止することができる。

請求項２の構成によれば、作動室に作動媒体が供給された瞬間の前記接点を前記交線上に位置させたので、作動室の圧力が急激に立ち上がった瞬間に、つまりピストンの球状凸部と斜板の球状凹部とが前記交点において最もスリップし易いときに、そのスリップを確実に防止してロータのスムーズな回転を可能にすることができる。

請求項３の構成によれば、作動媒体が圧縮性流体であるために作動室に作動媒体が供給された瞬間に圧力が衝撃的に立ち上がっても、球状凸部と球状凹部とが前記交点においてスリップすることが防止されてロータのスムーズな回転が保証される。

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。

図１〜図７は本発明の第１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部拡大図（図６の２−２線断面図）、図３はロータの分解斜視図、図４は図２の４−４線矢視図、図５はロータの回転角に対する作動室の圧力変動を示すグラフ、図６は図２の６−６線矢視図、図７は５本のピストンの接触点の軌跡を示す図である。

図１〜図３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。

ケーシング１１の中央を前後方向に延びる軸線Ｌｒ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Ｌｓは前記ロータ２２の軸線Ｌｒに対して傾斜しており、その傾斜角θは固定である。

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。

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Ｌｒ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４１…が後方から嵌合する。各々のシリンダ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。各々のシリンダ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の先端に形成された球状凸部４２ａは斜板３１に形成された球状凹部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との間に蒸気の作動室４３が区画される。

図１、図２および図４から明らかなように、ロータ２２の軸線Ｌｒ上に蒸気供給パイプ８５が配置され、その径方向外側に偏倚して蒸気排出パイプ８９が配置される。ロータリバルブ７１はケーシング１１に固定された固定側バルブプレート７３と、ロータ２２に固定された可動側バルブプレート７４とを摺動面７７において摺動自在に当接させてなり、蒸気供給パイプ８５の内部に形成した第１蒸気通路Ｐ１（図１参照）は摺動面７７に開口する円形の第２蒸気通路Ｐ２に連通するとともに、摺動面７７に開口する円弧状の第５蒸気通路Ｐ５は蒸気排出パイプ８９に連通する。可動側バルブプレート７４には、摺動面７７において第２蒸気通路Ｐ２および第５蒸気通路Ｐ５に連通可能な５個の第３蒸気通路Ｐ３…が軸線Ｌｒを囲むように等間隔で配置されており、これら５個の第３蒸気通路Ｐ３…はロータヘッド３８を貫通する５個の第４蒸気通路Ｐ４…を介して５個の作動室４３…にそれぞれ連通する。

図４から明らかなように、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には、固定側バルブプレート７３に形成された円形の第２蒸気通路Ｐ２（鎖線図示）および円弧状の第５蒸気通路Ｐ５（鎖線図示）と、可動側バルブプレート７４に開口する５個の第３蒸気通路Ｐ３…のうちの一つ（実線図示）とが開口する。ロータ２２と共に回転する可動側バルブプレート７４の回転方向は矢印で示されており、その第３蒸気通路Ｐ３は上死点よりも角度αだけ手前のＰ３（１）位置で第５蒸気通路Ｐ５との連通を遮断されると同時に第２蒸気通路Ｐ２に連通する。そして第３蒸気通路Ｐ３は上死点ＴＤＣを角度αだけ越えたＰ３（２）位置で第２蒸気通路Ｐ２との連通を絶たれ、Ｐ３（１）位置からＰ３（２）位置までの間が吸気工程となる。また第３蒸気通路Ｐ３は下死点ＢＤＣよりも角度βだけ手前のＰ３（３）位置で第５蒸気通路Ｐ５と連通し、Ｐ３（２）位置からＰ３（３）位置までの間が膨張工程となり、Ｐ３（３）位置からＰ３（１）位置までの間が排気工程となる。

図５は上死点を基準としたロータ２２の回転角に対する作動室４３の圧力変化を示すもので、上死点よりも角度αだけ手前で始まって角度αだけ先で終わる吸気行程において第２蒸気通路Ｐ２が第３蒸気通路Ｐ３に連通して圧力が一気に増加し、続く膨張行程では密閉された作動室４３内で高温高圧蒸気が膨張することで圧力が次第に減少して低温低圧蒸気となり、続く排気行程では作動室４３が開放されて圧力が低下し、凝縮器の内圧と略同等圧（略大気圧）になる。

図６は斜板３１をその軸線Ｌｓ方向に見た図であり、５個の球状凹部３１ａ…の曲率中心Ｏ…は斜板３１の軸線Ｌｓを中心とする円上に等間隔で位置している。一方、ロータ２２の軸線Ｌｒは斜板３１の軸線Ｌｓに対して角度θだけ傾斜しているため、ロータ２２の軸線Ｌｒを取り囲むように等間隔で配置された５本のピストン４２…の軸線Ｌｐ…は楕円上に位置している。吸気行程の開始時において、球状凹部３１ａの曲率中心Ｏおよび斜板３１の軸線Ｌｓを含む平面Ｐが球状凹部３１ａと交差する交線ＣＬ上に、ピストン４２の球状凸部４２ａが斜板３１の球状凹部３１ａに当接する接点ＣＰが位置している。

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。

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８５内の第１蒸気通路Ｐ１と、固定側バルブプレート７３の第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５個の第３蒸気通路Ｐ３…に所定のタイミングで瞬間的に連通し、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４１内の作動室４３に供給される。

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作動室４３内で高温高圧蒸気が膨張することで、シリンダ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、その球状凸部４２ａが斜板３１の球状凹部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、相隣り合う新たな作動室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、作動室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の第５蒸気通路Ｐ５と、蒸気排出パイプ８９とを経て凝縮器に供給される。

図５で説明したように、吸気行程の開始時に作動室４３の圧力が急激に立ち上がってピストン４２が強く押し出されると、ピストン４２の球状凸部４２ａと斜板３１の球状凹部３１ａとの接触面圧が急激に高まり、球状凸部４２ａと球状凹部３１ａとの接点ＣＰが円周方向にスリップし、ロータ２２の回転角速度が急変して振動や騒音の原因となる問題がある。しかしながら本実施例では、ピストン４２の球状凸部４２ａが斜板３１の球状凹部３１ａを如何に強く押圧しても、球状凹部３１ａの曲率中心Ｏおよび斜板３１の軸線Ｌｓを含む平面Ｐが球状凹部３１ａと交差する円弧状の交線ＣＬ上に、ピストン４２の球状凸部４２ａが斜板３１の球状凹部３１ａに当接する接点ＣＰが位置しているので、球状凸部４２ａおよび球状凹部３１ａが接点ＣＰにおいてスリップすることが防止され、ロータ２２および斜板３１の位相が前記スリップにより変化することが防止される。これにより、ロータ２２の回転角速度が変化して振動や騒音が発生するのを防止するとともに、ピストン４２に大きなサイドスラストが作用してシリンダ４１との間にコジリや摺動摩擦による熱が発生し、異常摩耗や焼き付きの原因となるのを防止することができる。

尚、球状凹部３１ａの曲率中心Ｏおよび斜板３１の軸線Ｌｓを含む平面Ｐが球状凹部３１ａと交差する交線ＣＬ上に接点ＣＰが位置する必要があるのは、吸気行程の開始時だけであり、それ以外の時間には接点ＣＰが交線ＣＬから外れることになるが、球状凸部４２ａおよび球状凹部３１ａが最もスリップし易いのは衝撃的な荷重が加わる吸気行程の開始時であるため、充分な効果を得ることができる。

図７は５本のピストン４２の球状凸部４２ａの接点ＣＰの移動軌跡を５個の矢印で示すものである。図７（Ａ）に示す従来例では、ロータ２２が７２°回転して吸気行程が開始される毎に球状凸部４２ａおよび球状凹部３１ａが接点ＣＰにおいてスリップし、接点ＣＰの移動軌跡が不連続になっていることが分かる。それに対して、図７（Ｂ）に示す実施例では、球状凸部４２ａおよび球状凹部３１ａのスリップが防止されるので、接点ＣＰの移動軌跡が連続している。

次に、本発明の第２実施例を説明する。第１実施例の回転流体機械は圧縮性流体を作動媒体とする膨張機Ｅであるが、第２実施例の回転流体機械は非圧縮性流体を作動媒体とする油圧モータである。

図８に示すように、吸入ポートである第２オイルポートＰ２′および排出ポートである第５オイルポートＰ５′は上死点ＴＤＣおよび下死点ＢＤＣを挟んで対称に形成されており、従って作動室４３に連なる第３オイルポートＰ３′は上死点ＴＤＣを角度γだけ越えた位置Ｐ３′（１）から下死点ＢＤＣよりも角度γだけ手前の位置Ｐ３′（２）まで第２オイルポートＰ２′と連通し、その間が吸入行程となる。そして、図５に鎖線で示すように、作動室４３の圧力は吸入行程の開始と同時に急激に立ち上がって一定値に保持され、吸入行程の終了と同時に急激に低下する。

第２実施例では、作動室４３の圧力が急激に立ち上がる吸入行程の開始時に、つまり上死点ＴＤＣを角度γだけ越えた位置Ｐ３′（１）において、球状凹部３１ａの曲率中心Ｏおよび斜板３１の軸線Ｌｓを含む平面Ｐが球状凹部３１ａと交差する交線ＣＬ上に、ピストン４２の球状凸部４２ａが斜板３１の球状凹部３１ａに当接する接点ＣＰが位置している。これにより、吸入行程の開始に伴って作動室４３の圧力が急激に立ち上がったときに、球状凸部４２ａおよび球状凹部３１ａが接点ＣＰにおいて円周方向および径方向等にスリップするのを防止し、ロータ２２の回転角速度が変化して振動、騒音、異常摩耗等が発生するのを防止することができる。

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。

例えば、交線ＣＬ上に接点ＣＰが位置する時期を、第１実施例では吸気行程の開始時に、また第２実施例では吸入行程の開始時に設定しているが、ピストン４２が斜板３１を押圧する任意に時期に設定することができる。

また球状凸部４２ａおよび球状凹部３１ａは厳密な球面をなしている必要はなく、球状の回転面であれば良い。

膨張機の縦断面図 図１の２部拡大図（図６の２−２線断面図） ロータの分解斜視図 図２の４−４線矢視図 ロータの回転角に対する作動室の圧力変動を示すグラフ 図２の６−６線矢視図 ５本のピストンの接触点の軌跡を示す図 本発明の第２実施例に係る、前記図４に対応する図

符号の説明

１１ ケーシング
２２ ロータ
３１ 斜板
３１ａ 球状凹部
４１ シリンダ
４２ ピストン
４２ａ 球状凸部
４３ 作動室
７１ ロータリバルブ
Ａ アキシャルピストンシリンダ群
ＣＬ 交線
ＣＰ 接点
Ｌｒ ロータの軸線
Ｌｓ 斜板の軸線
Ｏ 球状凹部の曲率中心
Ｐ 平面

Claims (3)

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（Ｌｒ）を囲むように環状に配置されたアキシャルピストンシリンダ群（Ａ）と、
   ロータ（２２）の軸線（Ｌｒ）に対して傾斜した軸線（Ｌｓ）上に回転自在に支持された斜板（３１）と、
   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（４１）間に形成された作動室（４３）に対する作動媒体の供給・排出を制御するロータリバルブ（７１）とを備え、
   ピストン（４２）の先端に形成された球状凸部（４２ａ）を、斜板（３１）にその軸線（Ｌｓ）を囲むように環状に配置された球状凹部（３１ａ）に当接させ、作動室（４３）に供給された作動媒体の圧力で前進するピストン（４２）の球状凸部（４２ａ）が斜板（３１）の球状凹部（３１ａ）から受ける反力でロータ（２２）を回転駆動する回転流体機械において、
   ピストン（４２）の球状凸部（４２ａ）が斜板（３１）の球状凹部（３１ａ）を押圧するときの接点（ＣＰ）を、球状凹部（３１ａ）の曲率中心（Ｏ）および斜板（３１）の軸線（Ｌｓ）を含む平面（Ｐ）が球状凹部（３１ａ）と交差する交線（ＣＬ）上に位置させたことを特徴とする回転流体機械。
2. 作動室（４３）に作動媒体が供給された瞬間の前記接点（ＣＰ）を前記交線（ＣＬ）上に位置させたことを特徴とする、請求項１に記載の回転流体機械。
3. 作動媒体が圧縮性流体であることを特徴とする、請求項２に記載の回転流体機械。
   

Images