JP2006329140A - 膨張機 - Google Patents

Abstract

【課題】高圧の圧縮性流体によって作動することで回転動力を発生する原動機としての膨張機において、ベーン飛び現象を確実に防止して性能向上を図ると共に、騒音を抑え、かつ高信頼性を達成することを目的とする。
【解決手段】膨張機において、ローラと、シリンダとローラと閉塞部材とにより形成される空間を複数の作動室に仕切るベーンとを連結したことを特徴とする。これにより、ベーン飛び現象を確実に防ぐので、ベーン飛び現象に起因する冷媒の漏れを防ぐことで性能を向上させ、また騒音を抑え、かつ信頼性を向上させるという効果が得られる。
【選択図】図１

Description

本発明は、高圧の圧縮性流体によって作動することで回転動力を発生する原動機としての膨張機に関するものである。

従来から、ヒートポンプサイクルに用いられる一般的な膨張機として、特許文献１に開示されているようなロータリー型の膨張機がある。

この膨張機の構成について説明する。図１４は従来の膨張機の縦断面図、図１５は従来の膨張機の横断面図である。図１５は図１４のＺ−Ｚ線における断面図に相当する。なお、説明のため、図１５においてはシャフト３の軸方向経路３ｂおよび径方向経路３ｃ、ローラ４の吸入経路４ａを破線で示す。

膨張機は、密閉容器１と、吸入空間２０と、シリンダ２と、偏心部３ａを有するシャフト３と、シリンダ２の内側で偏心回転運動するローラ４と、ローラ４に設けられた溝４ｈと、ベーン溝２ａの内部を往復運動するベーン５と、ベーン５とベーン溝２ａとで構成されるベーン背面空間６ａに設置されてベーン背面５ｃに接するベーンばね６と、シャフト３を支える第１閉塞部材７および下軸受部材８と、作動流体を吸入する吸入管９と、作動流体を吐出する吐出管１０とから構成される。

そして、シリンダ２、ローラ４、第１閉塞部材７および下軸受部材８の間にベーン５で仕切られた作動室１２が形成されている。ローラ４は、作動室１２側に作動流体を導く吸入経路４ａを備えている。シャフト３は、軸方向経路３ｂと径方向経路３ｃとを備えている。さらに、シリンダ２には作動室１２から吐出管１０へ作動流体を吐出させる吐出孔２ｂが設けられている。

次に、膨張機の動作について説明する。図１６（ａ）〜（ｄ）は膨張機の動作図であり、図１４のＺ−Ｚ線における密閉容器１の断面図を省略したものに相当する。

図１４に示すように、高圧の作動流体は吸入管９より吸入空間２０を経て、シャフト３の軸方向経路３ｂを通り、シャフト３の径方向経路３ｃに流入する。シャフト３の径方向経路３ｃの形状は、図１６に示すようにシャフト３の外周面のある角度範囲のみに開口しており、シャフト３の回転に伴い、ローラ４の吸入経路４ａとの間で連通、非連通を繰り返す流入タイミング制御手段を形成している。

そして、径方向経路３ｃと吸入経路４ａが連通したときに、作動流体は径方向経路３ｃから吸入経路４ａを経て作動室１２に吸入される。

以下、膨張機の動作を、作動室１２に着目して説明する。図１６（ａ）は吸入行程の開始直前の状態を示している。この状態からシャフト３が反時計周りに回転すると、シャフト３の径方向経路３ｃとローラ４の吸入経路４ａが連通することにより、流入タイミング制御手段が開口し、作動室１２に高圧の作動流体が流入する吸入行程が開始される。この時、ベーン５の先端がローラ４の溝４ｈに嵌合していることから、吸入経路４ａがローラ４の自転によって位置を変えることはない。

そして、シャフト３が反時計周りに回転した後の図１６（ｂ）の状態は、シャフト３の径方向経路３ｃとローラ４の吸入経路４ａとの連通が断たれ、流入タイミング制御手段が閉じた直後、すなわち、吸入行程終了の状態を示している。

このときの作動室１２の容積が膨張機の吸入容積Ｖｓとなる。その後、作動室１２に吸入された高圧の作動流体は、作動室１２の容積を増す方向にシャフト３を回転させながら膨張減圧する膨張行程に入り、図１６（ｃ）の状態を経て図１６（ｄ）の状態となる。

この状態は、作動室１２が吐出孔２ｂと連通する直前の状態であり、このときの作動室１２の容積が膨張機の吐出容積Ｖｄとなる。この後、シャフト３が僅かに回転すると作動室１２は吐出孔２ｂと連通し、吐出行程が開始される。

そして、作動室１２の容積が減少するのに伴い、作動流体は吐出孔２ｂから吐出管１０を経て膨張機の外部に吐出される。

以上の説明から明らかなように、本構成の膨張機では、吸入行程から膨張行程への移行は流入タイミング制御手段の開閉に依存しており、従って、流入タイミング制御手段は必須の構成要素であることがわかる。なお、上記の構成以外の流入タイミング制御手段の例は特許文献２、特許文献３にその構成が示されている。ロータリー膨張機は図１６（ａ）〜（ｄ）の状態を反復し、次々に生じる作動室１２が膨張行程において容積を増す方向にシャフト３を回転させることにより、回転動力を取り出すものである。

次に、特許文献４に開示されているような複数シリンダを用いたロータリー圧縮機を、作動流体の流れ方向を逆転させ、膨張機として使用した場合について説明する。図１７は膨張機の縦断面図、図１８（ａ）は図１７のＺ１−Ｚ１線における横断面図、図１８（ｂ）は図１７のＺ２−Ｚ２線における横断面図に相当する。

膨張機は、密閉容器３１と、吸入空間５０と、上シリンダ３２と下シリンダ３３と、上偏心部３４ａと下偏心部３４ｂを有するシャフト３４と、上シリンダ３２と下シリンダ３３の各内側で偏心回転運動する上ローラ３５と下ローラ３６と、上ベーン溝３２ａと下ベーン溝３３ａの各内部を往復運動する上ベーン３７と下ベーン３８と、上ベーン３７および下ベーン３８と上ベーン溝３２ａおよび下ベーン溝３３ａとで各々構成される上ベーン背面空間と下ベーン背面空間に設置される上ベーンばね３９と下ベーンばね４０と、シャフト３４を支える第１閉塞部材４１および下軸受部材４２と、上シリンダ３２と下シリンダ３３とを仕切る中間閉塞部材５１と、作動流体を吸入する吸入管４３と、作動流体を吐出する吐出管４４とから構成される。

そして、上シリンダ３２および下シリンダ３３と、上ローラ３５および下ローラ３６と、第１閉塞部材４１、下軸受部材４２、中間閉塞部材５１とで構成される上空間および下空間を上ベーン３７と下ベーン３８とで各々仕切り、上作動室４５および下作動室４６が形成されている。第１閉塞部材４１は、上作動室４５側の開口部となる吸入孔４１ａとを備えている。中間閉塞部材５１には、上作動室４５と下作動室４６を連通する連通孔４７が設けられている。さらに、下シリンダ３３には、下作動室４６から吐出管４４へ作動流体を吐出させる吐出孔３３ｂが設けられている。

次に、膨張機の動作について説明する。図１９（ａ）〜（ｄ）は膨張機の動作図であり、図１７のＺ１−Ｚ１線、Ｚ２−Ｚ２線における各断面図に相当する。図１７に示すように、高圧の作動流体は吸入管４３より、吸入空間５０、吸入孔４１ａを経て上作動室４５に吸入される。

以下、膨張機の動作を、上作動室４５および下作動室４６内の作動流体に着目して説明する。

作動流体は、吸入孔４１ａから上作動室４５へ導かれる。その吸入開始状態を図１９（ａ）に示す。そして、作動流体は、図１９（ｂ）、（ｃ）と進むにつれて斜線部で示すように吸入され、図１９（ｄ）の状態で吸入過程を完了する。

次に、上作動室４５に吸入が完了した作動流体は、連通孔４７を介して、下作動室４６へ移動する。その様子を図１９（ａ）の横線部で示す。そして、作動流体は、図１９（ｂ）、（ｃ）と進むにつれて横線部で示すように下作動室４６に移動し、図１９（ｄ）の状態で移動が完了する。膨張は、上作動室４５から下作動室４６に移動する間に起こり、上作動室４５と下作動室４６の容積比が膨張比となる。

次に、下作動室４６に移動が完了した作動流体は、吐出孔３３ｂを介して吐出管４４に吐出される。その吐出開始状態を図１９（ａ）の縦線部で示す。そして、作動流体は、図１９（ｂ）、（ｃ）と進むにつれて縦線部で示すように吐出され、図１９（ｄ）の状態で吐出が完了する。

つまり、この構成では、上作動室４５が一種の流入タイミング制御手段として働き、膨張現象は、容積の小さい上作動室４５から容積の大きい下作動室４６に作動流体が移動する過程で起こる。このときの膨張する力でシャフト３４を回転させることにより、回転動力を取り出すものである。また、シャフト３４が回転する過程で作動流体を間欠的に吸入する必要がなく、連続的に吸入を行なえ、また膨張過程も連続的に行なうことが可能となるので脈動が小さく、それに起因する騒音も小さい。

以下に、膨張機をヒートポンプサイクルに用いる例を説明する。図２０に二酸化炭素を作動流体とするヒートポンプサイクルの概念図およびモリエル線図を示す。図２０（ａ）は通常のヒートポンプサイクル、図２０（ｂ）は膨張機を利用したヒートポンプサイクル、図２０（ｃ）はモリエル線図である。

図２０（ａ）に示す通常のヒートポンプサイクルは、圧縮機１３、ガスクーラ１４、膨張弁１５、蒸発器１６から構成される。圧縮機１３は、モータ等の駆動要素１７によって駆動される。この場合のモリエル線図は、図２０（ｃ）のＡＢＣＤに相当する。

それに対し、図２０（ｂ）に示す膨張機を利用したヒートポンプサイクルでは、膨張弁１５の代わりに膨張機１８を用い、駆動要素１７を介して膨張機１８のシャフトを圧縮機１３のシャフトと直結している。この場合のモリエル線図は、膨張機１８における作動流体の膨張行程が近似的に断熱膨張であることを考慮すると、図２０（ｃ）のＡＢＣＤ´となる。

このようなヒートポンプの構成にすることにより、膨張機１８で作動流体の膨張行程において回収した回転動力を用いて、圧縮機１３の駆動を補助することにより、駆動要素１７の負荷を軽減することができると同時に、蒸発器１６のエンタルピー差がモリエル線図上のＤＤ´に相当する部分で増加し、冷凍能力を向上させることができる。
特開平８−３３８３５６号公報 特開２００１−１５３０７７号公報 特開２００３−１７２２４４号公報 特開２００３−３４３４６７号公報

しかしながら、従来の膨張機においては、ベーンの先端がローラに接しているか、または、ローラに設けた溝に接しているだけであった。そのため、間欠的に吸入タイミングを制御するようなロータリー膨張機においては、冷媒の間欠的な流れによって引き起こされる圧力変動とそれよって引き起こされる振動の影響で、ベーン５の先端がローラ４から離れてしまうベーン飛び現象が起こっていた。また、従来例に示したような複数シリンダを備えたロータリー膨張機では、上述のような圧力変動は少ないものの、特に吸入過程において、上ベーン３７の上ベーン先端３７ｃにかかる圧力と上ベーン背面３７ｂにかかる圧力がほぼ等しくなることから、上ベーン３７を上ローラ３５に押し付ける力が上ベーンバネ３９のばね力のみになってしまい、ベーン飛び現象が頻繁に発生していた。このため、ベーン先端部の作動流体の漏れによって性能が低下するという課題、また、ベーン飛び現象によって引き起こされる騒音と信頼性の低下という課題を有していた。

さらに、ヒートポンプサイクルで使用する作動流体を二酸化炭素とする場合には、従来作動流体に比べて高密度となることから、従来作動流体を使用する場合に比べて吸入容積が小さくなり、作動流体の漏れが性能低下に与える影響が顕著になるという課題を有していた。そのため、例えば、特許文献１の図７（ロ）に示すようなベーンとローラを一体形成する構成では、特許文献１の図９における符号「３５」に示すような部材が別途必要となり、部品点数の増加による作動流体漏れ経路の拡大によって性能が低下するという課題を有していた。また、ローラ４の吸入経路４ａが膨張過程においてデッドボリュームとなることが性能低下に与える影響を顕著にするという課題も有していた。

本発明は上記従来の課題を解決するものであり、シンプルな構成によりベーン飛び現象を確実に防止して性能向上を図ると共に、騒音を抑え、かつ信頼性の高い膨張機を提供することを目的とする。

本発明においては、中間閉塞部材と、前記中間閉塞部材の上下に設けられた上シリンダおよび下シリンダと、前記上シリンダおよび前記下シリンダの内側で偏心回転する上ローラおよび下ローラと、前記上ローラおよび前記下ローラに嵌合されたシャフトと、前記上シリンダおよび前記下シリンダの各端面を前記中間閉塞部材と共に閉塞する上閉塞部材および下閉塞部材と、前記上シリンダおよび前記下シリンダと前記上ローラおよび前記下ローラと前記中間閉塞部材と前記上閉塞部材および前記下閉塞部材とにより形成される上空間および下空間を複数の作動室に仕切る上ベーンおよび下ベーンと、前記中間閉塞部材に設けられた前記上空間および前記下空間を連通させる連通孔と、前記上空間または前記下空間のどちらか一方に作動流体を流入させる吸入孔と、他方空間から作動流体を吐出空間へ吐出させる吐出孔と、前記上ローラおよび前記下ローラと前記上ベーンおよび前記下ベーンの少なくとも一対を摺動自在に連結する連結手段とを備えた構成を有する。

これにより、複雑な吸入タイミング機構を必要とせずにデッドボリュームを極めて小さく抑えられることと、連続的な吸入と膨張が可能となり、かつ、ベーン飛び現象を確実に防ぐので、吸入時の脈動を抑えつつ、ベーン飛び現象に起因する冷媒の漏れを防ぐことで性能を向上させ、また、騒音を抑え、かつ信頼性を向上させるという効果を奏する。

また、前記連結手段として、前記上ローラと前記上ベーンのどちらか一方に上凹部を、また、前記下ローラと前記下ベーンのどちらか一方に下凹部を設け、前記上凹部および前記下凹部に嵌合する上凸部および下凸部をそれぞれの他方に設けた構成にしてもよい。

これにより、ベーンとローラだけを用いてベーン飛び現象を確実に防ぐように作用し、ベーン飛び現象に起因する冷媒の漏れを防ぐことで性能を向上させ、また騒音を抑え、かつ信頼性を向上させるという効果を奏する。

また、前記連結手段として、前記上ローラの外径部に上ローラ円筒状凹部を、また、前記下ローラの外径部に下ローラ円筒状凹部を設け、前記上ローラ円筒状凹部に嵌合する上ベーン円筒状凸部を、また、前記下ローラ円筒状凹部に嵌合する下ベーン円筒状凸部を、前記上ベーンおよび前記下ベーンの一部にそれぞれ設けた構成にしてもよい。

これにより、ベーンとローラだけを用いてベーン飛び現象を確実に防ぎ、かつ、ベーン先端とローラとの間が円筒状凹凸面による面シールとなるように作用し、ベーン飛び現象に起因する冷媒の漏れを防ぎつつ、面シールによるシール性向上とで性能を向上させ、また騒音を抑え、かつ信頼性を向上させるという効果を奏する。

また、前記上ローラ円筒状凹部および下ローラ円筒状凹部の中心角が少なくとも１８０°以上である構成にしてもよい。

これにより、上ベーン円筒状凸部および下ベーン円筒状凸部と嵌合したときに、シャフトの軸方向に対してはスライドして取り外し可能であっても、上ローラおよび下ローラの径方向に対しては円筒状連結部の嵌合により離れることがなく、確実にベーン飛び現象を防止するという効果を奏する。

また、前記連結手段として、前記上ローラと前記上ベーンを連結、また、前記下ローラと前記下ベーンを連結する少なくとも１つ以上の連結部材を設けた構成にしてもよい。

これにより、複雑な加工を必要とせずに連結部材を設けることでベーン飛び現象を確実に防ぐように作用し、ベーン飛び現象に起因する冷媒の漏れを防ぐことで性能を向上させ、また騒音を抑え、かつ信頼性を向上させるという効果を奏する。

また、前記連結部材として、板ばねを設けた構成にしてもよい。

これにより、板ばねを設けるだけでベーン飛び現象を確実に防ぐように作用し、ベーン飛び現象に起因する冷媒の漏れを防ぐことで性能を向上させ、また騒音を抑え、かつ信頼性を向上させるという効果を奏する。

また、前記連結部材として、円筒形の固定ピンを設けた構成にしてもよい。

これにより、円筒形の固定ピンを設けるだけでベーン飛び現象を確実に防ぐように作用し、ベーン飛び現象に起因する冷媒の漏れを防ぐことで性能を向上させ、また騒音を抑え、かつ信頼性を向上させるという効果を奏する。

また、前記上ローラと前記上ベーンのどちらか一方に上凹部を設け、また、前記下ローラと前記下ベーンのどちらか一方に下凹部を設け、それぞれの他方に上凸部および下凸部を設けると共に、前記上凹部および前記上凸部に嵌合、また、前記下凹部および前記下凸部に嵌合する少なくとも１つ以上の連結摺動部材をそれぞれ設けた構成にしてもよい。

これにより、複雑な加工を必要とせずに連結摺動部材を設けることでベーン飛び現象を確実に防ぐように作用し、ベーン飛び現象に起因する冷媒の漏れを防ぐことで性能を向上させ、また騒音を抑え、かつ信頼性を向上させるという効果を奏する。

また、前記連結摺動部材として、少なくとも１つ以上のブッシュを設けた構成にしてもよい。

これにより、ローラおよびベーン材との摺動特性のよいブッシュが選択可能で、かつベーン飛び現象を確実に防ぐように作用し、ベーン飛び現象に起因する冷媒の漏れを防ぐことで性能を向上させ、また騒音を抑え、かつ信頼性を向上させるという効果を奏する。

また、前記連結手段に、潤滑油を供給する給油手段を設けた構成にしてもよい。

これにより、連結手段部に選択的に潤滑油を供給するように作用し、連結手段部での潤滑性とシール性が向上するという効果を奏する。

また、前記給油手段として、前記上ローラおよび前記下ローラの内径部と前記連結手段とを連通する溝を前記上ローラおよび前記下ローラに設けた構成にしてもよい。

これにより、ローラに溝を設けるだけで連結手段部に選択的に潤滑油を供給するように作用し、連結手段部での潤滑性とシール性が向上するという効果を奏する。

また、前記給油手段として、前記上ローラおよび前記下ローラの内径部と前記連結手段とを連通する孔を前記上ローラおよび前記下ローラに設けた構成にしてもよい。

これにより、ローラに孔を設けるだけで連結手段部に選択的に潤滑油を供給するように作用し、連結手段部での潤滑性とシール性が向上するという効果を奏する。

また、前記給油手段として、前記上閉塞部材および前記下閉塞部材および前記中間閉塞部材の少なくとも１つ以上に前記上ローラおよび前記下ローラの内径部と前記連通手段とを連通する溝または孔を設けた構成にしてもよい。

これにより、前記上閉塞部材および下閉塞部材の少なくともどちらか一方に溝または孔を設けるだけで連結手段部に選択的に潤滑油を供給するように作用し、連結手段部での潤滑性とシール性が向上するという効果を奏する。

また、ヒートポンプサイクルに用いられる圧縮機のシャフトと、前記膨張機のシャフトとが直結されている構成にしてもよい。

これにより、膨張機での回収動力を直接圧縮機の動力に使用できるように作用し、さらに効率が向上する効果を奏する。

本発明によれば、互いに連通した上シリンダと下シリンダを有し、上ローラおよび下ローラと、上シリンダおよび下シリンダと上ローラおよび下ローラと中間閉塞部材と上閉塞部材および下閉塞部材とにより形成される空間を複数の作動室に仕切る上ベーンおよび下ベーンの少なくとも一対を摺動可能に連結するという構成にしたことにより、複雑な吸入タイミング機構を必要とせずにデッドボリュームを極めて小さく抑えられることと、連続的な吸入と膨張が可能となり、かつ、ベーン飛び現象を確実に防ぐので、吸入時の脈動を抑えつつ、ベーン飛び現象に起因する冷媒の漏れを防ぐことで性能を向上させ、また、騒音を抑え、かつ信頼性を向上させるという効果が得られる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１における膨張機について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態１における膨張機は、ベーンとローラとを摺動可能に連結する連結手段を設けたことを除いて、図１７〜図１９で詳述した従来の膨張機と同様な構成である。また、同一機能部品については同一番号を使用し、同様の構成の説明については省略する。

図１は本実施の形態１の膨張機の縦断面図である。図２は本実施の形態１における膨張機の横断面図である。なお、図２（ａ）は図１のＺ１−Ｚ１線における断面図に、図２（ｂ）は図１のＺ２−Ｚ２線における断面図に相当する。

本実施の形態１における膨張機が図１７〜図１９で記述した従来の膨張機と異なる点は、上ローラ３５および下ローラ３６に設けた上ローラ円筒状凹部３５ａおよび下ローラ円筒状凹部３６ａと、上ベーン円筒状凸部３７ａおよび下ベーン円筒状凸部３８ａとを嵌合し、摺動自在に連結することである。

なお、上ローラ３５および下ローラ３６に設けた上ローラ円筒状凹部３５ａおよび下ローラ円筒状凹部３６ａの形状は、上ベーン円筒状凸部３７ａおよび下ベーン円筒状凸部３８ａと嵌合したときに、シャフトの軸方向に対してはスライドして取り外し可能であっても、上ローラ３５および下ローラ３６の径方向に対しては上記構成による円筒状連結部の嵌合により離れることがないように、上ローラ円筒状凹部３５ａおよび下ローラ円筒状凹部３６ａの扇形の中心角３５ｅおよび３６ｅが少なくとも１８０°以上になるように設計する（図３）。また、上ローラ円筒状凹部３５ａおよび下ローラ円筒状凹部３６ａと上ベーン円筒状凸部３７ａおよび下ベーン円筒状凸部３８ａの隙間は、５０μｍ以下になるように設計する。

以上のように構成された膨張機において、その動作を上作動室４５および下作動室４６内の作動流体に着目して説明する。

作動流体は、吸入孔４１ａから上作動室４５へ導かれる。その吸入開始状態を図４（ａ）に示す。そして、作動流体は、図４（ｂ）、（ｃ）と進むにつれて斜線部で示すように吸入され、図４（ｄ）の状態で吸入過程を完了する。

次に、上作動室４５に吸入が完了した作動流体は、連通孔４７を介して下作動室４６へ移動する。その様子を図４（ａ）の横線部で示す。そして、作動流体は、図４（ｂ）、（ｃ）と進むにつれて横線部で示すように下作動室４６に移動し、図４（ｄ）の状態で移動が完了する。膨張は、上作動室４５から下作動室４６に移動する間に起こり、上作動室４５と下作動室４６の容積比が膨張比となる。

次に、下作動室４６に移動が完了した作動流体は、吐出孔３３ｂを介して吐出管４４に吐出される。その吐出開始状態を図４（ａ）の縦線部で示す。そして、作動流体は、図４（ｂ）、（ｃ）と進むにつれて縦線部で示すように吐出され、図４（ｄ）の状態で吐出が完了する。

以上のように、この構成では、上作動室４５が一種の流入タイミング制御手段として働き、膨張現象は、容積の小さい上作動室４５から容積の大きい下作動室４６に作動流体が移動する過程で起こる。また、図４（ａ）や（ｂ）の状態でも上ベーン３７は上ベーン円筒状凸部３７ａと上ローラ円筒状凹部３５ａとで摺動可能に連結されているので、ベーン飛び現象が生じることなく、連続的に吸入を行なえ、また膨張過程も連続的に行なうことが可能となるので脈動が小さく、それに起因する騒音も小さい。

本実施の形態１によれば、ベーンとローラの連結により構成されている円筒状連結部によってベーン飛び現象の防止、ベーン飛び現象に起因する冷媒の漏れを防ぎ、性能を向上させるという効果を奏する。

また、ベーン飛び現象に起因するベーンとローラとの衝突騒音を防ぐ効果を奏する。

また、ベーンとローラとが円筒状の面で接していることにより、従来のベーン先端がローラに接しているのみの時に比べて広いシール面を確保することができ、ベーンとローラとの隙間からの漏れを低減する効果を奏する。

また、ベーンとローラとが連結されているので、ローラの自転を防ぐことができ、ローラの自転によるベーン先端との摺動を押さえる効果を奏する。

また、ベーンとローラとが連結されているので、ベーンばねを設ける必要はなく、ベーンばねが外れる現象も起こらないことから、信頼性を向上させる効果を奏する。

また、上ローラ３５および下ローラ３６に給油孔３５ｄおよび３６ｄ（図５（ａ））を設けることで、上ローラ３５および下ローラ３６の内径部に存在する潤滑油を上ベーン３７および下ベーン３８と上ローラ３５および下ローラ３６の連結部に供給することができ、潤滑性とシール性を向上させる効果を奏する。

なお、上ローラ３５および下ローラ３６に設ける給油孔３５ｄおよび３６ｄは必ずしも上ローラ３５および下ローラ３６内に設けた孔である必要は無く、図５（ｂ）に示すような切り欠き３５ｆおよび３６ｆや、第１閉塞部材４１や下軸受部材４２、または中間閉塞部材５１に給油用の切り欠き（図示せず）を設けることでも、同様の効果を奏することは言うまでもない。

また、上ベーン円筒状凸部３７ａおよび下ベーン円筒状凸部３８ａか、上ローラ円筒状凹部３５ａおよび下ローラ円筒状凹部３６ａの少なくとも一方に軸方向の溝を設けることで（図６（ａ）、（ｂ））、摺動面積を減らし、摺動損失を押さえ、かつその溝に潤滑油を保持させることで潤滑性を向上させる効果を奏する。

なお、ローラとベーンとを連結する連結手段は、上下作動室４５、４６の両方に設けることでより効果を発揮するが、どちらか一方に設けることでも、同様の効果を得ることができるのは言うまでも無い。

また、中間閉塞部材５１の連通孔４７に面取りを施し、かつ、孔径を小さくすることで、作動流体移動時における圧力損失を抑えつつ、デッドボリュームを低減することができ、さらに性能を向上させる効果を奏する。

なお、本実施の形態１で示した膨張機は、膨張機の縦型や横型に関係なく、また、膨張機のシャフトが圧縮機のシャフトと連結されているタイプや連結されていないタイプに関係なく、同様の効果を得ることができるのは言うまでも無い。

（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２における膨張機について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態２における膨張機は、ベーンの形状が異なることを除けば、実施の形態１の膨張機と同様の構成をとるため、ベーン形状を含む作動室図のみを記載する。また、本実施の形態２では、上ベーン３７と上ローラ３５を例に説明するが、下ベーン３８と下ローラ３６とでも同様の構成は可能である。

図７は本実施の形態２の膨張機の作動室図である。図７に示す上ベーン３７には、上ローラ円筒状凹部先端３５ｂが偏心運動中に上ベーン３７に接触しないような溝深さ３７ｊを備えた溝３７ｇが設けられる。

本実施の形態２によれば、上記の構成により、ベーン側面３７ｈを研磨加工する際に、溝３７ｇの溝長さ３７ｉの距離だけ、研磨部材の可動に自由度が生まれ、研磨工程にて上ベーン円筒状凸部３７ａを損傷することなく、研磨工程を容易に実行できるようになる。

また、膨張動作時には、溝３７ｇは潤滑油を保持する空間として作用し、上ベーン３７と上シリンダ３２に設けた上ベーン溝３２ａとの間のシール性を向上させ、性能を向上させる効果を奏する。

また、図８に示すように、上ベーン円筒状凸部３７ａと上ベーン首部３７ｐとの相対位置を固定したまま、上ベーン中心線Ｌ１に対して連通孔４７方向にずらした構成（上ベーン円筒状凸部３７ａと上ベーン首部３７ｐの中心線はＬ２）にすることによって、上ローラ円筒状凹部先端３５ｂが偏心運動中に上ベーン３７に接触することなく、上ベーン３７と上ベーン溝３２ａとで構成される空間で、連通孔４７に近い空間３７ｏを極めて小さくすることが出来る。

上記の構成により、膨張動作時に常に吸入作動流体にさらされてデッドボリュームではない空間３７ｎとは違い、膨張動作時にデッドボリュームとなってしまう上ベーン３７と上ベーン溝３２ａとで構成される空間で連通孔４７に近い空間３７ｏを極めて小さく出来るので、性能低下を防ぎ、かつ、ベーン側面３７ｈの研磨加工が容易に実行できるという効果を奏する。

なお、下ベーン３８、下ローラ３６、下シリンダ３３とで構成される下作動室空間については、連通孔４７の下ベーン３８に対する位置が、上ベーン３７と連通孔４７との位置関係と逆になるため、下ベーン円筒状凸部と下ベーン首部とを下ベーン中心線からずらす方向は、上ベーン３７の場合と逆になる。

（実施の形態３）
以下、本発明の実施の形態３における膨張機について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態３における膨張機は、ベーンとローラとの連結方法が異なる点を除けば、実施の形態１の膨張機と同様の構成をとるため、連結手段の構造のみを記載する。また、本実施の形態３では、上ベーン３７と上ローラ３５を例に説明するが、下ベーン３８と下ローラ３６とでも同様の構成が可能である。

図９は本実施の形態３の膨張機の連結手段を表す図である。図９に示す連結手段は、上ベーン３７と、上ローラ３５と、そして上ベーン３７および上ローラ３５の切り欠きに嵌合された板ばね２２ａとで構成される。板ばねの両端には膨らみを設け、その膨らみと嵌合する切り欠きを上ベーン３７および上ローラ３５に設けることで、板ばね２２ａが上ベーン３７および上ローラ３５から脱離することを防ぐ。

本実施の形態３によれば、上記の構成により、ベーンとローラに切り欠きを設けるという簡単な加工のみで連結手段を構成することができ、安価な加工と安価な板ばねでベーンとローラを摺動可能に連結することが可能となる。

（実施の形態４）
以下、本発明の実施の形態４における膨張機について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態４における膨張機は、ベーンとローラとの連結方法が異なる点を除けば、実施の形態１の膨張機と同様の構成をとるため、連結手段の構造のみを記載する。また、本実施の形態４では、上ベーン３７と上ローラ３５を例に説明するが、下ベーン３８と下ローラ３６とでも同様の構成が可能である。

図１０（ａ）は本実施の形態４の膨張機の連結手段を表す図であり、図１０（ｂ）は図１０（ａ）のＸ−Ｘ線における断面図に相当する。

図１０に示す連結手段は、上ベーン３７と、上ローラ３５と、そして上ベーン３７および上ローラ３５とを連結するピン２２ｂとで構成される。なお、上ベーン３７と上ローラ３５には互い違いの段差を設けて部品の一部を重ね合わせることで、ピン２２ｂによる連結を可能にしている。また、上ローラ３５には、偏心運動時に上ベーン３７との衝突がないように、切り欠き３５ｇを設ける。

本実施の形態４によれば、上記の構成により、連結手段にピンを用いることで、ロータが偏心回転する際にも、板ばね等を用いた場合に起こる連結部材の変形の繰り返しが無いため、連結部材の劣化が少なく信頼性を向上させる効果を奏する。

（実施の形態５）
以下、本発明の実施の形態５における膨張機について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態５における膨張機は、ベーンとローラとの連結方法が異なる点を除けば、実施の形態１の膨張機と同様の構成をとるため、連結手段の構造のみを記載する。また、本実施の形態５では、上ベーン３７と上ローラ３５を例に説明するが、下ベーン３８と下ローラ３６とでも同様の構成が可能である。

図１１（ａ）および（ｂ）は本実施の形態５の膨張機の連結手段を表す図である。図１１（ａ）に示す連結手段は、上ベーン３７と、上ローラ３５と、そして上ローラ３５の円筒状凹部と上ベーン３７の凸部に嵌合するブッシュ２３ａで構成される。

本実施の形態５によれば、上記の構成により、連結手段にブッシュ２３ａを用いることで、摺動に適した材料を選定できるため、信頼性を向上させる効果を奏する。

また、ブッシュ材に焼結材を用いることで精密な加工が可能となり、上ベーン３７と上ローラ３５の加工も容易なものを選定できるため、安価に信頼性を向上させる効果を奏する。

なお、上ベーン３７の凸部は図１１（ａ）のように、２箇所ある必要はなく、１箇所でも同様の効果を得ることができるのは言うまでもない。

また、図１１（ｂ）に示すように、ブッシュ２３ａと上ベーン３７とをねじ２２ｃによって連結することで、上ベーン３７の加工は、ねじ穴を設けるだけの容易なものでよく、またブッシュ２３ａに設けたねじ穴が潤滑油を保持する空間としても作用するため、信頼性を向上させる効果を奏する。

（実施の形態６）
以下、本発明の実施の形態６における膨張機について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態６における膨張機は、ベーンとローラとの連結方法が異なる点を除けば、実施の形態１の膨張機と同様の構成をとるため、連結手段の構造のみを記載する。また、本実施の形態６では、上ベーン３７と上ローラ３５を例に説明するが、下ベーン３８と下ローラ３６とでも同様の構成が可能である。

図１２（ａ）および（ｃ）は本実施の形態６の膨張機の連結手段を表す図である。図１２（ｂ）は図１２（ａ）のＸ−Ｘ線における断面図に相当する。

図１２（ａ）、（ｂ）に示す連結手段は、上ベーン３７と、上ローラ３５と、ブッシュ２３ｂと、上ベーン３７とブッシュ２３ｂとを固定する固定ピン２２ｄによって構成される。

本実施の形態６によれば、上記の構成により、上ベーン３７とブッシュ２３ｂに穴を設け、固定ピン２２ｄで固定するため、上ベーン３７およびブッシュ２３ｂは突起部のない極めて容易な加工により作成することができる。

また、上ベーン３７と固定するブッシュ２３ｂは左右のどちらか１つでよく、ブッシュ２３ｂのどちらか１つとの位置決めで良いため、加工がより容易になる効果を奏する。

なお、上ベーン３７とブッシュ２３ｂとを板状固定部材２２ｅ（図示せず）で固定することでも、同様の効果を得ることができることは言うまでもない。

また、図１２（ｃ）に示すように、上ベーン３７に突起部を設け、ブッシュ２３ｂと嵌合することで、固定ピン等の部材が不要となる。

（実施の形態７）
以下、本発明の実施の形態７における膨張機について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態７における膨張機は、ベーンとローラとの連結方法が異なる点を除けば、実施の形態１の膨張機と同様の構成をとるため、連結手段の構造のみを記載する。また、本実施の形態７では、上ベーン３７と上ローラ３５を例に説明するが、下ベーン３８と下ローラ３６とでも同様の構成が可能である。

図１３（ａ）および（ｂ）は本実施の形態７の膨張機の連結手段を表す図である。図１３（ａ）に示す本実施の形態７は、上ベーン３７にベーン厚み以下の円筒状凸部３７ｅを設け、それに嵌合する円筒状凹部を上ローラ３５に設けることで、上ベーン３７と上ローラ３５を摺動可能に連結するよう構成される。

本実施の形態７によれば、上記の構成により、連結部材やブッシュを用いることなく、上ベーン３７と上ローラ３５とを摺動可能に連結でき、また実施の形態１の連結手段に比べて、上ローラ３５の円筒状凹部が小さいことから、上ローラ３５の径方向のシール長を大きくすることができる効果を奏する。

なお、図１３（ｂ）に示すように、上ベーン３７に円筒状凹部３７ｆを設け、それに嵌合する円筒状凸部を上ローラ３５に設けることで、ベーンとローラを摺動可能に連結するよう構成しても、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、圧縮性ガスから回転動力を得る原動機や発電機として利用することができる。

本発明の実施の形態１における膨張機の縦断面図 本発明の実施の形態１における膨張機の横断面図 本発明の実施の形態１におけるローラ円筒状凹部形状の図 本発明の実施の形態１における膨張機の作動室の動作図 本発明の実施の形態１における給油孔付きローラの斜視図 本発明の実施の形態１における溝付きベーンおよびローラの斜視図 本発明の実施の形態２における膨張機の作動室図 本発明の実施の形態２における膨張機の作動室図 本発明の実施の形態３における膨張機の連結手段の図 本発明の実施の形態４における膨張機の連結手段の図 本発明の実施の形態５における膨張機の連結手段の図 本発明の実施の形態６における膨張機の連結手段の図 本発明の実施の形態７における膨張機の連結手段の図 従来の膨張機の縦断面図 従来の膨張機の横断面図 従来の膨張機の作動室の動作図 従来の２シリンダ膨張機の縦断面図 従来の２シリンダ膨張機の横断面図 従来の２シリンダ膨張機の作動室の動作図 （ａ）従来のヒートポンプサイクルの概念図（ｂ）従来の膨張機を利用したヒートポンプサイクルの概念図（ｃ）モリエル線図

符号の説明

１，３１ 密閉容器
２ シリンダ
２ａ ベーン溝
２ｂ，３３ｂ 吐出孔
３，３４ シャフト
３ａ 偏心部
３ｂ 軸方向径路
３ｃ 径方向経路
４ ローラ
４ａ 吸入経路
４ｈ，３７ｇ 溝
５ ベーン
５ｃ ベーン背面
６ ベーンばね
６ａ ベーン背面空間
７，４１ 第１閉塞部材
８，４２ 第２閉塞部材
９，４３ 吸入管
１０，４４ 吐出管
１２ 作動室
１３ 圧縮機
１４ ガスクーラ
１５ 膨張弁
１６ 蒸発器
１７ 駆動要素
１８ 膨張機
２０，５０ 吸入空間
２２ａ 板ばね
２２ｂ ピン
２２ｃ ねじ
２２ｄ 固定ピン
２２ｅ 板状固定部材
２３ａ，２３ｂ ブッシュ
３２ 上シリンダ
３２ａ 上ベーン溝
３３ 下シリンダ
３３ａ 下ベーン溝
３４ａ 上偏心部
３４ｂ 下偏心部
３５ 上ローラ
３５ａ 上ローラ円筒状凹部
３５ｂ 上ローラ円筒状凹部先端
３５ｄ，３６ｄ 給油孔
３５ｅ，３６ｅ 中心角
３５ｆ，３５ｇ，３６ｆ 切り欠き
３６ 下ローラ
３６ａ 下ローラ円筒状凹部
３７ 上ベーン
３７ａ 上ベーン円筒状凸部
３７ｂ 上ベーン背面
３７ｃ 上ベーン先端
３７ｅ 円筒状凸部
３７ｆ 円筒状凹部
３７ｈ ベーン側面
３７ｉ 溝長さ
３７ｊ 溝深さ
３７ｎ，３７ｏ 空間
３７ｐ 上ベーン首部
３８ 下ベーン
３８ａ 下ベーン円筒状凸部
３９ 上ベーンばね
４０ 下ベーンばね
４１ａ 吸入孔
４５ 上作動室
４６ 下作動室
４７ 連通孔
５１ 中間閉塞部材

Claims (16)

1. （Ｎ−１）個の中間閉塞部材と（Ｎは２以上の整数）、前記（Ｎ−１）個の中間閉塞部材を順々に挟みこむ位置に設けられたＮ個のシリンダと、前記Ｎ個のシリンダの内側で偏心回転するＮ個のローラと、前記Ｎ個のローラに嵌合されたシャフトと、前記Ｎ個のシリンダの両端面を前記（Ｎ−１）個の中間閉塞部材で閉塞した時に生じる残り２面の端面を閉塞する第１閉塞部材および第２閉塞部材と、前記Ｎ個のシリンダと前記Ｎ個のローラと前記（Ｎ−１）個の中間閉塞部材と前記第１閉塞部材および前記第２閉塞部材とにより形成されるＮ個の空間をそれぞれ複数の作動室に仕切るＮ個のベーンと、前記（Ｎ−１）個の中間閉塞部材に設けられ、前記Ｎ個の空間を任意に連通させる（Ｎ−１）個以下の連通孔と、前記Ｎ個の空間の少なくともどれか１つ以上に作動流体を流入させる吸入孔と、前記Ｎ個の空間の少なくともどれか１つ以上から作動流体を吐出空間へ吐出させる吐出孔と、前記Ｎ個のローラと前記Ｎ個のベーンの少なくとも一対を摺動自在に連結する連結手段とを備えたことを特徴とする膨張機。
2. 中間閉塞部材と、前記中間閉塞部材の上下に設けられた上シリンダおよび下シリンダと、前記上シリンダおよび前記下シリンダの内側で偏心回転する上ローラおよび下ローラと、前記上ローラおよび前記下ローラに嵌合されたシャフトと、前記上シリンダおよび前記下シリンダの各端面を前記中間閉塞部材と共に閉塞する上閉塞部材および下閉塞部材と、前記上シリンダおよび前記下シリンダと前記上ローラおよび前記下ローラと前記中間閉塞部材と前記上閉塞部材および前記下閉塞部材とにより形成される上空間および下空間を複数の作動室に仕切る上ベーンおよび下ベーンと、前記中間閉塞部材に設けられた前記上空間および前記下空間を連通させる連通孔と、前記上空間または前記下空間のどちらか一方に作動流体を流入させる吸入孔と、他方空間から作動流体を吐出空間へ吐出させる吐出孔と、前記上ローラおよび前記下ローラと前記上ベーンおよび前記下ベーンの少なくとも一対を摺動自在に連結する連結手段とを備えたことを特徴とする膨張機。
3. 前記連結手段として、前記上ローラと前記上ベーンのどちらか一方に上凹部を、また、前記下ローラと前記下ベーンのどちらか一方に下凹部を設け、前記上凹部および前記下凹部に嵌合する上凸部および下凸部をそれぞれの他方に設けたことを特徴とする、
   請求項２に記載の膨張機。
4. 前記連結手段として、前記上ローラの外径部に上ローラ円筒状凹部を、また、前記下ローラの外径部に下ローラ円筒状凹部を設け、前記上ローラ円筒状凹部に嵌合する上ベーン円筒状凸部を、また、前記下ローラ円筒状凹部に嵌合する下ベーン円筒状凸部を、前記上ベーンおよび前記下ベーンの一部にそれぞれ設けたことを特徴とする、
   請求項２に記載の膨張機。
5. 前記上ローラ円筒状凹部および下ローラ円筒状凹部の中心角が少なくとも１８０°以上であることを特徴とする、
   請求項４に記載の膨張機。
6. 前記連結手段として、前記上ローラと前記上ベーンを連結、また、前記下ローラと前記下ベーンを連結する少なくとも１つ以上の連結部材を設けたことを特徴する、
   請求項２に記載の膨張機。
7. 前記連結部材として、板ばねを設けたことを特徴とする、
   請求項６に記載の膨張機。
8. 前記連結部材として、円筒形の固定ピンを設けたことを特徴とする、
   請求項６に記載の膨張機。
9. 前記上ローラと前記上ベーンのどちらか一方に上凹部を設け、また、前記下ローラと前記下ベーンのどちらか一方に下凹部を設け、それぞれの他方に上凸部および下凸部を設けると共に、前記上凹部および前記上凸部に嵌合、また、前記下凹部および前記下凸部に嵌合する少なくとも１つ以上の連結摺動部材をそれぞれ設けたことを特徴とする、
   請求項２に記載の膨張機。
10. 前記連結摺動部材として、少なくとも１つ以上のブッシュを設けたことを特徴とする、
    請求項９に記載の膨張機。
11. 前記連結手段に、潤滑油を供給する給油手段を設けたことを特徴とする、
    請求項１〜１０のいずれかに記載の膨張機。
12. 前記給油手段として、前記上ローラおよび前記下ローラの内径部と前記連結手段とを連通する溝を前記上ローラおよび前記下ローラに設けたことを特徴とする、
    請求項１１に記載の膨張機。
13. 前記給油手段として、前記上ローラおよび前記下ローラの内径部と前記連結手段とを連通する孔を前記上ローラおよび前記下ローラに設けたことを特徴とする、
    請求項１１に記載の膨張機。
14. 前記給油手段として、前記上閉塞部材および前記下閉塞部材および前記中間閉塞部材の少なくとも１つ以上に前記上ローラおよび前記下ローラの内径部と前記連通手段とを連通する溝または孔を設けたことを特徴とする、
    請求項１１に記載の膨張機。
15. 作動流体を二酸化炭素とするヒートポンプサイクルに利用することを特徴とする、
    請求項１〜１４のいずれかに記載の膨張機。
16. 前記ヒートポンプサイクルに用いられる圧縮機のシャフトと、前記膨張機のシャフトとが直結されていることを特徴とする、
    請求項１５に記載の膨張機。

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