JP2006336597A - 膨張機 - Google Patents

Abstract

【課題】偏心部からピストンの上下端面を通過して作動室に流入したオイルが作動流体と混合することにより、膨張機のオイル吐出量が増加していた。
【解決手段】ピストン１０７の上下端面と摺動する軸受１０５、１０６に環状溝４０１、４０２を設け、その中にシール材４０３を設置することにより、偏心部１０３ａ近傍から作動室１１０ａ、１１０ｂに流入するオイルを低減する。また、冷凍サイクルに用いる膨張機は、作動流体が超臨界相あるいは液相から気液二相へと膨張するために、オイルが液相の作動流体に希釈されて粘度が下がり、シール材４０３の摩耗が懸念される。このため、ピストン１０７の外周面にベーン１０８の先端が嵌合する係合溝１０７ａなどの自転防止機構を設けることにより、シール材４０３とピストン１０７の上下端面との間の摺動速度を低減し、シール材４０３の摩耗を防止する。
【選択図】図１

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する膨張機に関し、特に、冷凍サイクルにおける絞り機構部と置き換えて冷媒の膨張動力を回収する膨張機に関するものである。

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、ロータリ型の膨張機が知られている（例えば、特許文献１、非特許文献１参照）。

従来の特許文献１に示されるようなロータリ型膨張機の構成について、以下に説明する。ただし、説明を簡略化するために、１ピストンタイプとしている。

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の膨張機１００のＤ１−Ｄ１線における横断面図である。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。また、シャフト１０３の縦軸方向には軸方向流路１０３ｂが、偏心部１０３ａには、軸方向流路１０３ｂと開口部１０３ｃを結ぶ、径方向流路１０３ｄが設けられている。

図１０に示すように、ピストン１０７の外周面には係合溝１０７ａが形成されるとともに、シリンダ１０４にはベーン溝１０４ａが形成されている。ベーン溝１０４ａにより往復動自在に保持されたベーン１０８は、先端が係合溝１０７ａに係合し、ばね１０９による力や、ベーン１０８の先端側と背面側の圧力差による力によって、常時、ピストン１０７側に密着している。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。ピストン１０７に設けられた吸入孔１０７ｂ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。

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と径方向流路１０３ｄを経て開口部１０３ｃに達する。開口部１０３ｃはシャフト１０３の回転運動とともに回転するが、ピストン１０７は自転運動を伴わない偏心回転運動、いわゆる揺動運動を行う。このため、ピストン１０７に設けられた吸入孔１０７ｂと、偏心部１０３ａに設けられた開口部１０３ｃは、シャフト１０３の回転運動に伴い、連通と非連通を繰り返す。開口部１０３ｃと吸入孔１０７ｂ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、開口部１０３ｃと吸入孔１０７ｂが非連通となると、吸入行程が終了する。作動流体は圧力を下げながら膨張し、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は作動室１１０ｂへと移行し、吐出孔１０４ｂに連通すると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１０４ｂから吐出管１１２へと吐出される。

膨張機を潤滑するためのオイルは、密閉容器１０２の下部のオイル溜り１１３に蓄えられており、シャフト１０３の回転に伴い、軸受１０５、１０６のシャフト１０３との摺動面に設けた螺旋形状のオイル溝１０５ａ、１０６ａによって発生する動圧により汲み上げられ、シャフト１０３と軸受１０５、１０６との間の摺動面、偏心部１０３ａとピストン１０７内面との間を潤滑する。また、偏心部１０３ａ付近のオイルは、より圧力の低くなる作動室１１０ａ、１１０ｂへと流れる際にピストン１０７の上下面の摺動面の潤滑を行う。そして、ピストン１０７の上下端面を潤滑したオイルは作動室１１０ａ、１１０ｂに流入し、作動流体と混合され、共に吐出管１１２から吐出される。

次に、従来の非特許文献１に示されるようなロータリ型膨張機の構成について、以下に説明する。なお、非特許文献１のロータリ型膨張機は、特許文献２に示される圧縮機に対して、冷媒の流れとシャフトの回転方向が逆であるが、基本構成は同じである。

図１１は従来のロータリ型膨張機２００の構成を示す縦断面図であり、図１２（ａ）は図１１の膨張機２００のＤ２−Ｄ２線における横断面図、図１２（ｂ）は図１１の膨張機２００のＤ３−Ｄ３線における横断面図である。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。

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、ばね２１３、２１４による力や、各ベーン２１１、２１２の先端側と背面側の圧力差による力によって、それぞれ各ピストン２０９、２１０側に密着している。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、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、中板２０４に斜め方向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。

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内の作動室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、第１のシリンダ２０５側の連通孔２０４ａと連通する作動室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の回転に伴い、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。

膨張機を潤滑するためのオイルは、密閉容器２０２の下部のオイル溜り２１９に蓄えられており、シャフト２０３の回転に伴い、軸受２０７、２０８のシャフト２０３との摺動面に設けた螺旋形状のオイル溝２０７ａ、２０８ａによって発生する動圧により汲み上げられ、シャフト２０３と軸受２０７、２０８との間の各摺動面、第１の偏心部２０３ａと第１のピストン２０９内面との間、第２の偏心部２０３ｂと第２のピストン２１０内面との間を潤滑する。また、各偏心部２０３ａ、２０３ｂ付近のオイルは、より圧力の低くなる作動室２１５ａ、２１５ｂ、２１６ａ、２１６ｂへと順に流れる際に、各ピストン２０９、２１０の上下端面の摺動面の潤滑を行う。そして、各ピストン２０９、２１０の上下端面を潤滑したオイルは作動室２１５ａ、２１５ｂ、２１６ａ、２１６ｂへと順に流入し、作動流体と混合され、共に吐出管２１８から吐出される。

上述した特許文献１の膨張機と、非特許文献１の膨張機において、吐出管から作動流体と共にオイルが吐出されると、密閉容器１０２、２０２下部のオイル溜り１１３、２１９のオイルが枯渇し、摺動部の潤滑ができなくなり、膨張機の信頼性が低下する。また、同様の理由で隙間をシールするオイルが不足し、膨張機の性能も低下する。従って、各ピストン１０７、２０９、２１０の上下端面から作動室に流入するオイルの量を減らす必要がある。

従来の膨張機と類似の構成を有する従来の圧縮機において、特許文献３、特許文献４にピストンの上下端面から作動室に流入するオイルの量を減らす構成が開示されている。図１３に特許文献３の従来の圧縮機を示す。本構成では、ピストン３０１の上下端面に対向する軸受部材３０２、３０３の摺動面にシール材３０４、３０５を設けている。図１４に特許文献４の従来の圧縮機を示す。本構成では、スウィングピストン３０６の上下端面にシール材３０７、３０８を設けている。
特開平０８−３３８３５６号公報 特開２００３−３４３４６７号公報 特開昭６１−２１５４８２号公報 特開平０９−１００７９１号公報 「エネルギー有効利用基盤技術先導研究開発 ＣＯ２空調機用二相流膨張機・圧縮機の開発」成果報告書 平成１６年３月 （独）新エネルギー・産業総合開発機構

しかしながら、冷凍サイクルに用いる膨張機においては、作動流体が液相あるいは超臨界相から気液二相へと膨張するため、オイルが液相の作動流体に希釈され、オイル粘度が大幅に低下する。図１３に示す特許文献３の圧縮機のような構成でシール材を用いると、ピストンの自転により、シール材とピストンの上下端面との間の摺動速度が非常に大きくなるので、特に膨張機の場合はシール材の摩耗が顕著となり、信頼性が低下していた。

また、図１４に示す特許文献４の圧縮機のような構成でシール材を用いる場合、ピストンの上下端面にシール材と嵌合する溝を設ける必要があるが、ピストン端面は狭いために加工が難しく、加工コストの上昇や、加工精度の確保が課題となる。また、溝を設けたことにより、ピストンの上下端面の内外周のエッジ近傍の強度が低下し、ピストンに作用する作動流体の圧力で変形することにより、ピストンのエッジが相手側摺動面をこじて異常摩耗の原因となる。

また、図１３、図１４に示す従来の圧縮機では、作動室を出た作動流体は一旦、密閉容器の内部空間に吐出され、遠心力や重力などにより作動流体からオイルを分離させた後、混合するオイルを十分に低減させた作動流体が吐出管から圧縮機の外部に吐出されるため、オイル溜りのオイルは常に保持されるが、図９〜図１２に示す特許文献１や非特許文献１に記載される従来の膨張機では、作動室を出た作動流体は、遠心力や重力などによりオイルを分離することなしに、吐出管から吐出される。従って、従来の膨張機は従来の圧縮機に比べて、密閉容器下部のオイル溜りのオイルが枯渇しやすくなり、潤滑不足による信頼性の低下や、シール不足による性能の低下が顕著であった。また、膨張機から吐出されたオイルは冷凍サイクルの熱交換器の伝熱管の内部に付着し、伝熱性能を低下させるため、冷凍サイクルのＣＯＰが低下していた。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、冷凍サイクルに用いる膨張機において、簡単で信頼性の高い構成によりオイル吐出量を低減し、高効率で高信頼性の膨張機、および、高効率の冷凍サイクルを提供することを目的としている。

上述した課題を解決するために、本発明の膨張機は、少なくとも、偏心部を有するシャフトと、前記シャフトの前記偏心部に連結されて偏心回転運動するピストンと、内面が円筒形状であるとともに前記内面の一部が前記ピストンと接するように配設されたシリンダと、前記シリンダの両端面を塞ぐ閉塞部材と、前記シリンダと前記ピストンと前記閉塞部材により構成される三日月形状の空間を吸入側空間と吐出側空間に分割する仕切り部材と、前記ピストンの自転を防止する機構とを備え、前記閉塞部材の前記ピストンとの摺動面に設けた溝と、前記溝にシール材を設けたことを特徴とする。

また、本発明の膨張機に、前記ピストンの外周面に凹部を設け、前記仕切り部材の先端が前記凹部に嵌合することにより前記ピストンの自転を防止することを特徴とする。

また、本発明の膨張機に、前記ピストンと前記仕切り部材が一体形成されていることを特徴とする。

本発明の膨張機は、前記ピストンの径方向の幅は、前記シャフトの偏心部の偏心量の幅の２倍に、前記溝の径方向の幅を加えた値より大きいことを特徴とする。

本発明の膨張機は、前記閉塞部材の前記溝に設けたばねにより、前記シール材を前記ピストンの摺動面に押し付けることを特徴とする。

本発明の膨張機は、前記閉塞部材の前記溝の外周側壁面にテーパを設けたことを特徴とする。

本発明の膨張機は、二酸化炭素を作動流体とすることを特徴とする。

本発明の膨張機によれば、簡単な構成でオイルが作動室に流入する量を大幅に低減することが可能であるので、膨張機のオイル吐出量を低減し、高効率で高信頼性の膨張機、および、高効率の冷凍サイクルを実現することができる。

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。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１の膨張機４００の構成を示す縦断面図であり、図２は図１の膨張機４００のＤ１−Ｄ１線における横断面図、図３は図１の膨張機４００のシール材の斜視図である。本実施の形態１の膨張機４００の構成は、シール材を設置したことを除いて、図９、図１０を用いて説明した従来の膨張機１００と同様の構成である。また、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。

本実施の形態１の膨張機４００では、軸受１０５、１０６のピストン１０７の上下端面との摺動面に環状溝４０１、４０２を設け、その中にシール材４０３を設置している。シール材４０３は、ポリイミド（べスペルＰＳ−１）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）などの樹脂製が望ましい。また、図３（ａ）のような環状のシール材４０３でも良いが、図３（ｂ）のように１箇所に切れ目４０３ａを設けたシール材４０３の方がより望ましい。ピストン１０７の径方向の幅ｗの範囲は、シャフト１０３の軸から偏心部１０３ａの軸までの距離である偏心量ｅと、シール材４０３の幅ｓとの間で、ｗ＞２ｅ＋ｓの関係を満たすようにする。

このような構成とすることにより、シール材４０３は、その内面側に圧力を受けて環状溝４０１、４０２の外周面に密着する。そして、環状溝４０１、４０２の外周面に密着することにより、環状溝４０１、４０２の底面とシール材４０３との間に入り込んだ高圧のオイルが圧力の低い作動室１１０ａ、１１０ｂに漏れることを防止する。また、これら高圧のオイルは、シール材４０３をピストン１０７の上下端面に押し付ける。このため、シール材４０３とピストン１０７の上下面との間を通過し、偏心部１０３ａから作動室１１０ａ、１１０ｂに流れ込むオイルの量を大幅に低減することができる。このとき、シール材４０３の幅ｓを調整することにより、流れ込むオイル量をコントロールし、潤滑に必要な最低限のオイルのみを流すことにより、信頼性を確保することができる。従って、オイルが作動流体と混合して吐出管１１２から流出する量、すなわち、オイル吐出量を大幅に低減し、高効率で信頼性の高い膨張機となるとともに、オイルによる冷凍サイクルの性能低下を防止することができる。

また、切れ目４０３ａを設けることにより、シール材４０３の直径と環状溝４０１、４０２の外周面の直径に加工誤差による差がある場合でも、確実にシール材４０３を環状溝４０１、４０２の外周面に密着させることができる。

また、本実施の形態１では、ピストン１０７の自転運動は、ベーン１０８がピストン１０７の係合溝１０７ａに嵌合することによって防止されているので、シール材４０３とピストン１０７の上下端面の摺動速度を抑えることができ、シール材４０３の摩耗を防止し、信頼性を高めることができる。

また、ピストン１０７の径方向の幅ｗと、偏心量ｅおよびシール材４０３の幅ｓが、ｗ＞２ｅ＋ｓの関係を満たすことにより、図２に破線で示すピストン１０７の内周側の点Ｑの軌跡と、ピストン１０７の外周側の点Ｐの軌跡がシール材４０３の上を通過しない構成でシール材４０３を設置することが可能となる。言い換えれば、シール材４０３はシャフト１０３の回転角度に関わらず、ピストン１０７の内周側の点Ｑと外周側の点Ｐとの間、すなわち、ピストン１０７の上下端面上の範囲内にある。従って、シール材４０３による、軸受１０５、１０６とピストン１０７の上下端面との間のシールを確実にするとともに、ピストン１０７の上下端面の内周側あるいは外周側のエッジが、シール材４０３に擦れてシール材４０３を破損させることを防止することができる。

なお、シール材４０３は必ずしも環状である必要はなく、軸受１０５、１０６に形成する溝４０１、４０２の形状をシール材４０３と同じにし、シール材４０３がピストン１０７の上下端面と接していれば、同様の効果が得られることは言うまでもない。

なお、本実施の形態１の膨張機は、ベーン１０８の先端がピストン１０７の係合溝１０７ａに嵌合することにより、ピストン１０７が自転しない構成となっているが、ベースとなる膨張機にピストン１０７が自転する構造が備わっていない場合は、ピストン１０７に係合溝１０７ａを追加するなどして、ピストン１０７の自転を防止する必要がある。

なお、冷凍サイクルが、作動流体として二酸化炭素を用いる超臨界サイクルの場合には、冷凍サイクルの高圧側と低圧側の圧力差が非常に大きくなるため、膨張機４００においてシール材４０３を設ける効果がより顕著になることは言うまでもない。

（実施の形態２）
本実施の形態２は、シール材４０３と共に、ばね４０４を環状溝４０１、４０２に設置した点を除き、実施の形態１と同様の構成である。

図４は、本発明の実施の形態２における膨張機の軸受１０６、シール材４０３、およびばね４０４の斜視図である。本実施の形態２では、軸受１０６の環状溝４０２に、初めにばね４０４を挿入し、その後にシール材４０３を嵌合させる。ばね４０４は、リング形状かつ波状の凹凸を有する薄板ばねである。軸受１０５の環状溝４０１にも同様に、ばね４０４を挿入した後に、シール材４０３を嵌合させる。

このような構成とすることにより、ばね４０４によりシール材４０３をピストン１０７の上下端面に押し付ける効果があることは言うまでもなく、さらに、ばね４０４により環状溝４０１、４０２の底面とシール材４０３との間に確実に隙間が生じるので、シール材４０３と環状溝４０１、４０２の底面との間に高圧のオイルが流れ込むことでシール材４０３をピストン１０７の上下端面に押しつけるという、実施の形態１で説明した効果を、より確実なものとすることができる。このため、シール材４０３とピストン１０７の上下面との間を通過し、偏心部１０３ａから作動室１１０ａ、１１０ｂに流れ込むオイルの量をさらに低減することができる。

なお、ばね４０４は、必ずしも薄板ばねである必要はない。環状溝４０１、４０２の底面とシール材４０３との間に隙間を設けることができれば、同様の効果を得ることができることは言うまでもない。

（実施の形態３）
本発明の実施の形態３は、シール材４１３の外周面と、環状溝４１１、４１２の外周面をテーパ面とした点を除き、実施の形態１と同様の構成である。

図５は、本発明の実施の形態３における膨張機の膨張機構部の拡大縦断面図である。本実施の形態３では、シール材４１３は、実施の形態１と同様に環状であるが、シール材４１３の外周面４１３ａは、外周面４１３ａの直径がピストン１０７側に近づくほど大きくなるようなテーパ面となっている。同様に、軸受１０５、１０６に設けた環状溝４１１、４１２の外周面４１１ａ、４１２ａも、シール材４１３の外周面４１３ａと同じ傾斜を持つテーパ面とする。

このような構成とすることにより、シール材４１３は、その内面側に圧力を受けて環状溝４１１、４１２の外周面４１１ａ、４１２ａにそれぞれ密着するが、そのとき、シール材４１３の外周面４１３ａが環状溝４１１、４１２の外周面４１１ａ、４１２ａから受ける反力は、シール材４１３の外周面４１３ａに対して垂直であり、ピストン１０７側への分力を有するため、この分力によりシール材４１３はピストン１０７の上下端面に押し付けられる。このため、環状溝４１１、４１２の底面とシール材４１３との間に確実に隙間が生じるので、シール材４１３と環状溝４１１、４１２の底面との間に高圧のオイルが流れ込むことでシール材４１３をピストン１０７の上下端面に押しつけるという、実施の形態１で説明した効果を、より確実なものとすることができる。このため、シール材４１３とピストン１０７の上下面との間を通過し、偏心部１０３ａから作動室１１０ａ、１１０ｂに流れ込むオイルの量をさらに低減することができる。

（実施の形態４）
本発明の実施の形態４は、シール材４２３の形状を除き、実施の形態１と同様の構成である。

図６は、本発明の実施の形態４における膨張機の膨張機構部の拡大縦断面図である。本実施の形態４では、シール材４２３は、実施の形態１と同様に環状であるが、シール材４２３の内周側断面を凹形状となるように形成している。

このような構成とすることにより、シール材４２３の内周側の凹部に高圧が作用し、外周側に低圧が作用するので、シール材４２３は上下に押し広げられ、ピストン１０７の上下端面と環状溝４２１、４２２の底面の双方に密着する。従って、シール材４２３とピストン１０７の上下面との間を通過し、偏心部１０３ａから作動室１１０ａ、１１０ｂに流れ込むオイルの量を大幅に低減することができる。

（実施の形態５）
図７は、本発明の実施の形態５の膨張機４３０の構成を示す縦断面図であり、図８（ａ）は図７の膨張機のＤ２−Ｄ２線における横断面図、図８（ｂ）は図７の膨張機のＤ３−Ｄ３線における横断面図である。本実施の形態５の膨張機４３０の構成は、各ピストン２０９、２１０が自転しない構成としたことと、シール材４３５を設置したことを除いて、図１１、図１２を用いて説明した従来の膨張機２００と同様の構成である。また、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。

本実施の形態５の膨張機４３０では、軸受２０７、中板２０４の第１のピストン２０９の上下端面との各摺動面に環状溝４３１、４３２を、軸受２０８、中板２０４の第２のピストン２１０の上下端面との各摺動面に環状溝４３３、４３４を設け、その中にシール材４３５をそれぞれ設置している。シール材４３５の材質は実施の形態１と同様である。また、第１のピストン２０９の外周面に第１のベーン２１１の先端が嵌合する係合溝４３６、第２のピストン２１０の外周面に第２のベーン２１２の先端が嵌合する係合溝４３７を設置する。各ピストン２０９、２１０の径方向の幅ｗと偏心量ｅ、およびシール材４３５の幅ｓの関係は、実施の形態１と同様である。

このような構成とすることにより、シール材４３５を設けたため、実施の形態１と同様の理由で、オイルが作動室２１５ａ、２１５ｂ、２１６ａ、２１６ｂの作動流体と混合して吐出管２１８から流出する量、すなわち、オイル吐出量を大幅に低減し、高効率で信頼性の高い膨張機となるとともに、オイルによる冷凍サイクルの性能低下を防止することができる。

また、各ピストン２０９、２１０の自転運動は、各ベーン２１１、２１２が係合溝４３６、４３７にそれぞれ嵌合することで防止されるので、シール材４３５と各ピストン２０９、２１０の上下端面との間の摺動速度を抑えて、シール材４３５の摩耗を低減し、信頼性を確保することができる。

なお、本実施の形態５では、第１のピストン２０９と第２のピストン２１０の両方に対してシール材４３５を設置したが、第２のシリンダ２０６の吐出孔２０６ｂ側に形成される作動室２１６ｂの圧力が、全ての作動室２１５ａ、２１５ｂ、２１６ａ、２１６ｂの中で圧力が最も低くなるため、各偏心部２０３ａ、２０３ｂ側との差圧が大きい。従って、作動室２１６ｂに隣接する第２のピストン２１０のみにシール材４３５を設置すると、第１のピストン２０９のみにシール材４３５を設置する場合よりも、より顕著なオイル吐出量の低減効果が得られる。

なお、本実施の形態５では、第１のピストン２０９と第２のピストン２１０の自転を防止するために、係合溝４３６、４３７を設けたが、各ピストン２０９、２１０と各ベーン２１１、２１２がそれぞれ一体形成されるスウィングピストンのような構成を用いても、同様の効果が得られることは言うまでもない。

本発明の膨張機は、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。

本発明の実施の形態１における膨張機の縦断面図 図１に示す膨張機のＤ１−Ｄ１線における横断面図 （ａ）図１に示す膨張機のシール材の斜視図（ｂ）図１に示す膨張機の別のシール材の斜視図 本発明の実施の形態２における膨張機の軸受、シール材、およびばねの斜視図 本発明の実施の形態３における膨張機の膨張機構部の拡大縦断面図 本発明の実施の形態４における膨張機の膨張機構部の拡大縦断面図 本発明の実施の形態５における膨張機の縦断面図 （ａ）図７に示す膨張機のＤ２−Ｄ２線における横断面図（ｂ）図７に示す膨張機のＤ３−Ｄ３線における横断面図 従来の膨張機の縦断面図 図９に示す膨張機のＤ１−Ｄ１線における横断面図 従来の膨張機の縦断面図 （ａ）図１１に示す膨張機のＤ２−Ｄ２線における横断面図（ｂ）図１１に示す膨張機のＤ３−Ｄ３線における横断面図 従来の圧縮機の圧縮機構部の拡大縦断面図 従来の圧縮機のピストンおよびシール材の斜視図

符号の説明

１００，２００，４００，４３０ 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 開口部
１０３ｄ 径方向流路
１０４ シリンダ
１０４ａ，２０５ａ，２０６ａ ベーン溝
１０４ｂ，２０６ｂ 吐出孔
１０５，１０６，２０７，２０８ 軸受
１０５ａ，１０６ａ，２０７ａ，２０８ａ オイル溝
１０７ ピストン
１０７ａ，４３６，４３７ 係合溝
１０７ｂ，２０５ｂ 吸入孔
１０８ ベーン
１０９，２１３，２１４，４０４ ばね
１１０ａ，１１０ｂ，２１５ａ，２１５ｂ，２１６ａ，２１６ｂ 作動室
１１１，２１７ 吸入管
１１２，２１８ 吐出管
１１３，２１９ オイル溜り
２０３ａ 第１の偏心部
２０３ｂ 第２の偏心部
２０４ 中板
２０４ａ 連通孔
２０５ 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 第１のベーン
２１２ 第２のベーン
３０１ ピストン
３０２，３０３ 軸受部材
３０４，３０５，３０７，３０８，４０３，４１３，４２３，４３５ シール材
３０６ スウィングピストン
４０１，４０２，４１１，４１２，４２１，４２２，４３１，４３２，４３３，４３４ 環状溝
４０３ａ 切れ目
４１１ａ，４１２ａ 環状溝の外周面
４１３ａ シール材の外周面

Claims (7)

1. 少なくとも、偏心部を有するシャフトと、
   前記シャフトの前記偏心部に連結されて偏心回転運動するピストンと、
   内面が円筒形状であるとともに前記内面の一部が前記ピストンと接するように配設されたシリンダと、
   前記シリンダの両端面を塞ぐ閉塞部材と、
   前記シリンダと前記ピストンと前記閉塞部材により構成される三日月形状の空間を吸入側空間と吐出側空間に分割する仕切り部材と、
   前記ピストンの自転を防止する機構とを備え、
   前記閉塞部材の前記ピストンとの摺動面に設けた溝と、前記溝にシール材を設けたことを特徴とする膨張機。
2. 前記ピストンの外周面に凹部を設け、前記仕切り部材の先端が前記凹部に嵌合することにより前記ピストンの自転を防止することを特徴とする、
   請求項１に記載の膨張機。
3. 前記ピストンと前記仕切り部材が一体形成されていることを特徴とする、
   請求項１に記載の膨張機。
4. 前記ピストンの径方向の幅は、前記シャフトの偏心部の偏心量の幅の２倍に、前記溝の径方向の幅を加えた値より大きいことを特徴とする、
   請求項１〜３のいずれかに記載の膨張機。
5. 前記閉塞部材の前記溝に設けたばねにより、前記シール材を前記ピストンの摺動面に押し付けることを特徴とする、
   請求項１〜４のいずれかに記載の膨張機。
6. 前記閉塞部材の前記溝の外周側壁面にテーパを設けたことを特徴とする、
   請求項１〜５のいずれかに記載の膨張機。
7. 二酸化炭素を作動流体とすることを特徴とする、
   請求項１〜６のいずれかに記載の膨張機。

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