JP2006057568A

JP2006057568A - スクロール型膨張機

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Publication number: JP2006057568A
Application number: JP2004241865A
Authority: JP
Inventors: Hideo Kashima; 秀雄加島; Yasuaki Kano; 靖明狩野
Original assignee: Sanden Corp
Current assignee: Sanden Corp
Priority date: 2004-08-23
Filing date: 2004-08-23
Publication date: 2006-03-02

Abstract

【課題】発電装置に用いる場合においても発電機に別途連結する必要のないスクロール型膨張機を提供する。
【解決手段】膨張機本体１０の一端側に固定された発電コイル５１と、発電コイル５１の周囲に環状に配置された複数の磁石５２と、出力シャフト４０によって各磁石５２と一体に回転するロータ５３とからなる発電機５０を備えているので、膨張機本体１０に発電機５０を一体に構成することができる。これにより、例えばランキンサイクル発電装置に用いる場合においても発電機に別途連結する必要がなく、膨張機と発電機とを連結する動力伝達機構を別途必要とせず、構造の簡素化及び低コスト化を図ることができる。また、膨張機及び発電機の設置スペースをそれぞれ必要としないので、発電装置全体の小型化を図ることができ、ランキンサイクル発電装置をハイブリッド車等に搭載する場合に極めて有利である。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えばランキンサイクルを用いた発電装置に備わるスクロール型膨張機に関するものである。

従来、ランキンサイクルを用いた発電装置としては、作動流体を所定の熱源により加熱して蒸発させる流体蒸発器と、流体蒸発器によって蒸発した作動流体の膨張により動力を発生する膨張機と、膨張機から流出する作動流体を凝縮させる凝縮器と、凝縮器から流出する作動流体を吸入して流体蒸発器側に吐出するポンプとを備え、膨張機の回転軸に発電機を連結し、膨張機の動力によって発電機を駆動するようにしたものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

前記膨張機としてはタービンが用いられのが一般的であるが、比較的小規模の発電装置に用いるものとして、いわゆるスクロール型膨張機が提案されている。このスクロール型膨張機は、膨張機本体内に互いに対向して配置された固定スクロール部材及び可動スクロール部材と、可動スクロール部材の偏心揺動運動によって回転する回転軸とを備え、各スクロール部材間に流入した流体の膨張により可動スクロール部材を偏心揺動させて回転軸を回転させるようになっている（例えば、特許文献２参照。）。
特開平１１−２２３１０６号公報特開２０００−２２７０８０号公報

しかしながら、前述のようにスクロール型膨張機を用いた発電装置では、タービンを用いる場合と同様、膨張機に発電機を連結しているため、膨張機と発電機とを動力伝達機構を介して別途連結する必要があり、構造が複雑でコストが高くつくという問題点があった。また、膨張機及び発電機の設置スペースをそれぞれ必要とするため、発電装置全体が大型化し、いわゆるハイブリッド車等に搭載する場合に不利であった。

本発明は前記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、発電装置に用いる場合においても発電機に別途連結する必要のないスクロール型膨張機を提供することにある。

本発明は前記目的を達成するために、膨張機本体内に互いに対向して配置された固定スクロール部材及び可動スクロール部材と、可動スクロール部材の偏心揺動運動によって回転する回転軸とを備え、各スクロール部材間に流入した流体の膨張により可動スクロール部材を偏心揺動させて回転軸を回転させるようにしたスクロール型膨張機において、前記膨張機本体の一端側に固定された発電コイルと、発電コイルの周囲に環状に配置された複数の磁石と、前記回転軸によって各磁石と一体に回転する回転体とからなる発電機を備えている。

これにより、膨張機本体の一端側に発電機の発電コイルが固定され、発電機の回転体が膨張機本体側の回転軸によって各磁石と一体に回転することから、発電機が膨張機本体に一体に構成される。

本発明によれば、膨張機本体に発電機を一体に構成することができるので、例えばランキンサイクル発電装置に用いる場合においても発電機に別途連結する必要がなく、構造の簡素化及び低コスト化を図ることができる。また、膨張機及び発電機の設置スペースをそれぞれ必要としないので、発電装置全体の小型化を図ることができ、ランキンサイクル発電装置をハイブリッド車等に搭載する場合に極めて有利である。

図１乃至図３は本発明の一実施形態を示すもので、図１はスクロール型膨張機の側面断面図、図２はその要部分解側面断面図、図３はロータの斜視図である。

このスクロール型膨張機は、中空状に形成された膨張機本体１０と、膨張機本体１０内に互いに軸方向に対向して配置された固定スクロール部材２０及び可動スクロール部材３０と、可動スクロール部材３０の偏心揺動運動によって回転する回転軸としての出力シャフト４０と、膨張機本体１０の軸方向一端側に設けられた発電機５０とを備えている。

膨張機本体１０は、軸方向一端を開口した円筒状の第１のハウジング１１と、第１のハウジング１１の開口部を閉塞する第２のハウジング１２とからなり、第１及び第２のハウジング１１，１２は図示しないボルトによって互いに連結されている。第１のハウジング１１の他端面には流体の流入口１１ａが設けられ、その側面には図示しない流出口が設けられている。第２のハウジング１２の一端側には軸方向に円筒状に延出する延出部１２ａが設けられ、その他端面の径方向一端側には径方向に延びる長孔１２ｂが設けられている。

固定スクロール部材２０は第１のハウジング１１の他端側に固定され、その一端面には可動スクロール部材３０に対向する渦巻体２０ａが設けられている。また、固定スクロール部材２０のほぼ中央には第１のハウジング１１の流入口１１ａから流入した流体を流通する流通孔２０ｂが設けられている。

可動スクロール部材３０は一端面に固定スクロール部材３０に対向する渦巻体３０ａを有し、可動スクロール部材３０の渦巻体３０ａは固定スクロール部材２０の渦巻体２０ａに偏心揺動可能に噛み合っている。この場合、可動スクロール部材３０の重心Ｇ1 は出力シャフト４０の軸線Ａに対して径方向に距離Ｙ1 だけ偏位している。可動スクロール部材３０の他端面の径方向一端側には第２のハウジング１２の長孔１２ｂに径方向に移動自在に係合する係合ピン３１が設けられ、係合ピン３１と長孔１２ｂとの係合により可動スクロール部材３０の自転が規制されるようになっている。また、可動スクロール部材３０の他端面中央にはボス部３０ｂが設けられ、ボス部３０ｂ内には偏心ブシュ３２が回動自在に設けられている。偏心ブシュ３２の一端側には出力シャフト４０と同軸状をなす支軸３２ａが突設され、支軸３２ａには静バランスを修正するためのバランスウエイト３３が取付けられている。バランスウエイト３３はボス部３０ｂの外周面側に略Ｌ字状に延び、その重心Ｇ2 は出力シャフト４０の軸線Ａに対して径方向に距離Ｙ2 だけ可動スクロール部材３０の重心Ｇ1 の反対方向に偏位している。

出力シャフト４０は一端側を第１のハウジング１１の延出部１２ａの内周面に回動自在に支持され、その他端側に設けた大径部４０ａを第１のハウジング１１内に回動自在に支持されている。大径部４０ａの径方向中央には偏心ブシュ３２の支軸３２ａが回動自在に挿入され、大径部４０ａの径方向一端側には偏心ブシュ３２の径方向一端側に回動自在に係合する偏心ピン４０ｂが突設されている。また、出力シャフト４０の一端にはネジ部４０ｃが設けられている。

発電機５０は、膨張機本体１０の一端側に固定された発電コイル５１と、発電コイル５１の周囲に環状に配置された複数の磁石５２と、出力シャフト４０によって各磁石５２と一体に回転する回転体としての円筒状のロータ５３とからなる。

発電コイル５１は環状に形成されたステータ５４に巻装されており、ステータ５４の内周面側には第１のハウジング１１の延出部１２ａが挿入されている。ステータ５４には軸方向に延びる複数のボルト挿通孔５４ａが周方向に間隔をおいて設けられ、各ボルト挿通孔５４ａに挿入された複数のボルト５５を第２のハウジング１２のネジ孔１２ｃに螺合することにより、ステータ５４が第１のハウジング１１に固定されている。

各磁石５２はフェライト磁石等の永久磁石からなり、それぞれロータ５３の内周面に沿って湾曲するように形成されている。各磁石５２はロータ５３の周方向に配列され、ロータ５３の内周面に固定されている。

ロータ５３は軸方向一端側を開口しており、その内側に発電コイル５１を収容可能に形成されている。ロータ５３の他端面中央には出力シャフト４０の一端側を挿通する孔５３ａが設けられ、孔５３ａを挿通した出力シャフト４０のネジ部４０ｃにナット５６を螺合することにより、ロータ５３が出力シャフト４０に固定されている。また、ロータ５３の他端面には動バランス修正部としてのバランスウエイト５７が径方向一端側に取付けられており、バランスウエイト５７の重心Ｇ3 は出力シャフト４０の軸線Ａに対して径方向に距離Ｙ3 だけ可動スクロール部材３０の重心Ｇ1 と同一方向に偏位している。

前記スクロール型膨張機における静バランスをとるためには、可動スクロール部材３０、膨張機本体１０側のバランスウエイト３３及び発電機５０側のバランスウエイト５７の出力シャフト４０の軸線Ａに対するモーメントＭ1 ，Ｍ2 ，Ｍ3 がつり合うようにすればよい。即ち、
Ｍ1 ＋Ｍ2 ＋Ｍ3 ≒０ …(1)
となれば、静バランスをとることができる。ここで、可動スクロール部材３０及び各バランスウエイト３３，５７の重さをＷ1 ，Ｗ2 ，Ｗ3 とすると、
Ｍ1 ＝Ｗ1 ×Ｙ1 …(2)
Ｍ2 ＝Ｗ2 ×Ｙ2 …(3)
Ｍ3 ＝Ｗ3 ×Ｙ3 …(4)
によってモーメントＭ1 ，Ｍ2 ，Ｍ3 が求まる。

また、前記スクロール型膨張機における動バランスをとるためには、出力シャフト４０の大径部４０ａの軸方向中心点Ｂから可動スクロール部材３０、膨張機本体１０側のバランスウエイト３３及び発電機５０側のバランスウエイト５７の重心Ｇ1 ，Ｇ2 ，Ｇ3 までの距離をＺ1 ，Ｚ2 ，Ｚ3 とすると、
Ｍ1 ×Ｚ1 ＋Ｍ2 ×Ｚ2 ＋Ｍ3 ×Ｚ3 ≒０ …(5)
となれば、動バランスをとることができる。

以上のように構成されたスクロール型膨張機は、例えばランキンサイクル発電装置に用いられる。即ち、ランキンサイクル発電装置の蒸発器で蒸発した作動流体が膨張機本体１０の流入口１１ａを介して各スクロール部材２０，３０間に流入すると、作動流体が各渦巻体２０ａ，３０ａ間で膨張することにより、可動スクロール部材３０が各渦巻体２０ａ，３０ａ間の容積を拡大させるように係合ピン３１を中心に偏心揺動運動を行う。これにより、可動スクロール部材３０のボス部３０ｂ内の偏心ブシュ３２が支軸３２ａを中心に回転するとともに、偏心ブシュ３２に係合する偏心ピン４０ｂが偏心ブシュ３２によって出力シャフト４０の軸線Ａを中心に回転し、偏心ピン４０ｂによって出力シャフト４０が回転する。また、出力シャフト４０が回転すると、発電機５０のロータ５３が出力シャフト４０と一体に回転し、各磁石５２が発電コイル５１の周囲を出力シャフト４０を中心に公転する。これにより、発電コイル５１に各磁石５２の磁束による交番電圧が誘起されて電力が発生する。

このように、本実施形態のスクロール型膨張機によれば、膨張機本体１０の一端側に固定された発電コイル５１と、発電コイル５１の周囲に環状に配置された複数の磁石５２と、出力シャフト４０によって各磁石５２と一体に回転するロータ５３とからなる発電機５０を備えているので、膨張機本体１０に発電機５０を一体に構成することができる。これにより、例えばランキンサイクル発電装置に用いる場合においても発電機に別途連結する必要がなく、膨張機と発電機とを連結する動力伝達機構を別途必要とせず、構造の簡素化及び低コスト化を図ることができる。また、膨張機及び発電機の設置スペースをそれぞれ必要としないので、発電装置全体の小型化を図ることができ、ランキンサイクル発電装置をハイブリッド車等に搭載する場合に極めて有利である。

更に、発電機５０側に出力シャフト４０の回転に対する動バランスをとるバランスウエイト５７を設けたので、可動スクロール部材３０の偏心揺動運動による動バランスの崩れを確実に防止することができ、出力シャフト４０の回転時における振動の低減を図ることができる。

この場合、バランスウエイト５７をロータ５３の周方向所定位置に取付けることにより動バランスを修正するようにしたので、簡単な構造によって確実に動バランスをとることができる。

また、発電機５０のロータ５３を出力シャフト４０の一端に設けたネジ部４０ｃに螺合するナット５６によって固定するようにしたので、ロータ５３を出力シャフト４０に極めて容易に取付けることができ、生産性の向上を図ることができる。

更に、発電機５０の発電コイル５１を環状のステータ５４に巻装するとともに、膨張機本体１０の一端側にはステータ５４に軸方向に挿入される延出部１２ａを設け、ステータ５４をボルト５５によって膨張機本体１０に固定するようにしたので、発電コイル５１を膨張機本体１０に極めて容易に装着及び固定することができ、生産性の向上を図ることができる。

尚、前記実施形態では、ロータ５３の周方向所定位置に取付けたバランスウエイト５７によって動バランス修正部を形成したものを示したが、図４及び図５に示すように発電機５０の周方向の一部の磁石５２′の軸方向寸法Ｌ1 を他の磁石５２の軸方向寸法Ｌ2 よりも小さく形成することによって動バランス修正部を形成するようにしてもよい。この場合、動バランスを修正するための別部品を必要としないので、製造コストの低減を図ることができる。

更に、図６に示すようにロータ５３の周面の周方向所定位置に複数の孔５３ｂを設けたり、或いは図７に示すようにロータ５３の一端面の周方向所定位置に複数の孔５３ｃを設けることにより、動バランス修正部を形成するようにしてもよい。この場合も動バランスを修正するための別部品を必要としないので、製造コストの低減を図ることができる。また、各孔５３ｂ，５３ｃはそれぞれ一つであってもよい。

また、前記実施形態では、ステータ５４をボルト５５によって膨張機本体１０に固定するようにしたものを示したが、図８に示すように延出部１２ａの外周面に周方向に延びる溝１２ｄを設けるとともに、ステータ５４に延出部１２ａを挿入し、延出部１２ａの溝１２ｄにＣ字形の固定リング５８を装着することによって発電コイル５１を膨張機本体１０に固定するように構成すれば、発電コイル５１の装着及び固定作業をより簡単に行うことができる。この場合、ステータ５４の内周面に径方向内側に向かって突出するキー５４ｂが設けられとともに、延出部１２ａの外周面には軸方向に延びるキー溝１２ｅが設けられており、キー５４ｂとキー溝１２ｅとの嵌合によりステータ５４の周方向の回転が規制されるようになっている。

本発明の一実施形態を示すスクロール型膨張機の側面断面図スクロール型膨張機の要部分解側面断面図ロータの斜視図動バランス修正部の他の実施形態を示すスクロール型膨張機の要部側面断面図動バランス修正部の他の実施形態を示すロータ及び磁石の正面図動バランス修正部の他の実施形態を示すロータの斜視図動バランス修正部の他の実施形態を示すロータの斜視図発電コイルの他の固定構造を示すスクロール型膨張機の要部側面断面図発電コイルの他の固定構造を示すスクロール型膨張機の要部分解斜視図

符号の説明

１０…膨張機本体、２０…固定スクロール部材、３０…可動スクロール部材、４０…出力シャフト、５０…発電機、５１…発電コイル、５２，５２′…磁石、５３…ロータ、５３ｂ，５３ｃ…孔、５４…ステータ、５５…ボルト、５６…ナット、５７…バランスウエイト、５８…固定リング。

Claims

膨張機本体内に互いに対向して配置された固定スクロール部材及び可動スクロール部材と、可動スクロール部材の偏心揺動運動によって回転する回転軸とを備え、各スクロール部材間に流入した流体の膨張により可動スクロール部材を偏心揺動させて回転軸を回転させるようにしたスクロール型膨張機において、
前記膨張機本体の一端側に固定された発電コイルと、発電コイルの周囲に環状に配置された複数の磁石と、前記回転軸によって各磁石と一体に回転する回転体とからなる発電機を備えた
ことを特徴とするスクロール型膨張機。
前記発電機側に回転軸の回転に対する動バランスをとる動バランス修正部を設けた
ことを特徴とする請求項１記載のスクロール型膨張機。
前記動バランス修正部を回転体の周方向所定位置に取付けられたバランスウエイトによって形成した
ことを特徴とする請求項２記載のスクロール型膨張機。
前記動バランス修正部を回転体の周方向所定位置の磁石を他の磁石よりも小さくすることによって形成した
ことを特徴とする請求項２記載のスクロール型膨張機。
前記動バランス修正部を回転体の周方向所定位置に設けられた少なくとも一つの孔によって形成した
ことを特徴とする請求項２記載のスクロール型膨張機。
前記回転体を回転軸の一端に設けたネジ部に螺合するナットによって固定した
ことを特徴とする請求項１、２、３、４または５記載のスクロール型膨張機。
前記発電コイルを環状のステータに巻装するとともに、膨張機本体の一端側にはステータに軸方向に挿入される延出部を設け、
延出部が挿入されたステータをボルトによって膨張機本体に固定した
ことを特徴とする請求項１、２、３、４または５記載のスクロール型膨張機。
前記発電コイルを環状のステータに巻装するとともに、膨張機本体の一端側にはステータに軸方向に挿入される延出部を設け、
延出部が挿入されたステータを延出部の外周面に装着される固定リングによって延出部に固定した
ことを特徴とする請求項１、２、３、４または５記載のスクロール型膨張機。