特許 7031360 ピストン式膨張機の運転システム及びピストン式膨張機の運転方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-02-28

(45)【発行日】2022-03-08

(54)【発明の名称】ピストン式膨張機の運転システム及びピストン式膨張機の運転方法

(51)【国際特許分類】

   F01B 3/02 20060101AFI20220301BHJP

   F01B 27/02 20060101ALI20220301BHJP

   F16H 25/12 20060101ALI20220301BHJP

【ＦＩ】

F01B3/02

F01B27/02

F16H25/12 D

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2018028949

(22)【出願日】2018-02-21

(65)【公開番号】P2019143542

(43)【公開日】2019-08-29

【審査請求日】2020-12-29

(73)【特許権者】

【識別番号】000000170

【氏名又は名称】いすゞ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001368

【氏名又は名称】清流国際特許業務法人

(74)【代理人】

【識別番号】100129252

【弁理士】

【氏名又は名称】昼間 孝良

(74)【代理人】

【識別番号】100155033

【弁理士】

【氏名又は名称】境澤 正夫

(74)【代理人】

【識別番号】100163061

【弁理士】

【氏名又は名称】山田 祐樹

(72)【発明者】

【氏名】加藤 晃太

(72)【発明者】

【氏名】福永 晋

(72)【発明者】

【氏名】阿部 誠

(72)【発明者】

【氏名】松浮 朋冬

【審査官】池田 匡利

(56)【参考文献】

【文献】実開昭５３－１３０３０１（ＪＰ，Ｕ）

【文献】実開昭５５－１３０００１（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開２０１１－１２７５０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－０１５８７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１４－５１５０６９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０１Ｂ ３／０２

Ｆ０１Ｂ ２７／０２－２７／０８

Ｆ１６Ｈ ２５／１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ピストン式膨張機の運転システムにおいて、
ピストン式膨張機の出力軸に固定されて前記出力軸と共に回転し、かつ、第１傾斜面を有する第１係合部材と、前記出力軸に回転自在に配置されて、かつ、第２傾斜面を有する第２係合部材と、前記第２係合部材の前記出力軸周りの回転方向を固定したままで、前記第２係合部材を前記出力軸の軸方向に移動して前記第２傾斜面を前記第１傾斜面に押圧して、前記第２係合部材の前記出力軸の軸方向の押圧力を、前記第２傾斜面と前記第１傾斜面との当接面において前記第１係合部材と前記出力軸の回転トルクに変換して、前記第１係合部材を前記出力軸と共に回動させる駆動装置とを設けて、前記出力軸の回転トルクをピストンに伝達することで前記ピストンの位置調整をする構成であるピストン式膨張機の運転システム。

【請求項2】

前記ピストン式膨張機の運転停止中に、前記駆動装置により、前記第２係合部材を前記第１係合部材に押圧することで発生する前記第１係合部材と前記出力軸の回転トルクを、前記出力軸に連結された回転斜板を介して複数のピストンに伝達することで、前記複数のピストンの位置調整をする制御を行う制御装置を備えている請求項１に記載のピストン式膨張機の運転システム。

【請求項3】

前記制御装置が、
前記ピストン式膨張機の始動前に、前記駆動装置を駆動して、前記第２傾斜面を前記第１傾斜面に押圧して複数のピストンの位置調整をした後に、前記第２傾斜面を前記第１傾斜面から離間して、前記駆動装置を停止してから、前記ピストン式膨張機を始動する制御を行うように構成される請求項２に記載のピストン式膨張機の運転システム。

【請求項4】

請求項１～３のいずれかに記載のピストン式膨張機の運転システムにおけるピストン式膨張機の運転方法であって、
前記ピストン式膨張機の始動前に、前記ピストン式膨張機のピストンの位置調整をする必要があるか否かを判定して、前記ピストンの位置調整をする必要があると判定したときには、前記第２係合部材を前記第１係合部材に押圧して、この押圧で発生する前記第１係合部材の回転トルクで前記出力軸を回転させることで、前記ピストンの位置調整をすることを特徴とするピストン式膨張機の運転方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、ピストン式膨張機の運転システム及びピストン式膨張機の運転方法に関する。

【背景技術】

【0002】

内燃機関のクランク軸が所定の限界回転速度を下回ったときに、クランク軸に備わる２つの対向するディスクを接近させ、これらのディスクにそれぞれ形成されたはめあい結合部分どうしをはめ合わせることで、クランク軸を希望の始動位置に調整する内燃機関の運転方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１の技術では、惰性停止過程の回転しているクランク軸に対して相互のはめあい部分を係合して直ちにクランク軸の回転運動を停止し、急激に回転運動を強制停止している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００７－２９２０７６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、内燃機関のランキンサイクルシステムで用いられるピストン式膨張機でも、ピストンの位置（位相）によっては、膨張機の始動性が不安定となるため、ピストン式膨張機の始動前にピストンの位置調整をする技術が求められている。

【0005】

本開示の目的は、ピストン式膨張機のピストンの位置（位相）を調整することができるピストン式膨張機の運転システム及びピストン式膨張機の運転方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記の目的を達成するための本発明の態様のピストン式膨張機の運転システムは、ピストン式膨張機の運転システムにおいて、ピストン式膨張機の出力軸に固定されて前記出力軸と共に回転し、かつ、第１傾斜面を有する第１係合部材と、前記出力軸に回転自在に配置されて、かつ、第２傾斜面を有する第２係合部材と、前記第２係合部材の前記出力軸周りの回転方向を固定したままで、前記第２係合部材を前記出力軸の軸方向に移動して前記第２傾斜面を前記第１傾斜面に押圧して、前記第２係合部材の前記出力軸の軸方向の押圧力を、前記第２傾斜面と前記第１傾斜面との当接面において前記第１係合部材と前記出力軸の回転トルクに変換して、前記第１係合部材を前記出力軸と共に回動させる駆動装置とを設けて、前記出力軸の回転トルクをピストンに伝達することで前記ピストンの位置調整をする構成である。

【0007】

また、上記の目的を達成するための本発明の態様のピストン式膨張機の運転方法は、上記のピストン式膨張機の運転システムにおけるピストン式膨張機の運転方法であって、前記ピストン式膨張機の始動前に、前記ピストン式膨張機のピストンの位置調整をする必要があるか否かを判定して、前記ピストンの位置調整をする必要があると判定したときには、前記第２係合部材を前記第１係合部材に押圧して、この押圧で発生する前記第１係合部材の回転トルクで前記出力軸を回転させることで、前記ピストンの位置調整をすることを特徴とする方法である。

【発明の効果】

【0008】

本開示によれば、ピストン式膨張機のピストンの位置（位相）を調整することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明の実施形態のピストン式膨張機の運転システムの構成を例示する模式図である。

【図2】第１係合部材の構成を例示する図である。

【図3】第２係合部材を第１係合部材に押圧することで、第１係合部材のみが回転する状態を例示する図である。

【図4】本発明の実施形態のピストン式膨張機の運転方法における制御フローを例示する図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本開示の実施形態のピストン式膨張機の運転システム１及びピストン式膨張機の運転方法について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施形態の図面では、ピストン式膨張機２のピストン３の往復動方向をＸ方向、ピストン式膨張機２の出力軸５の軸方向をＭ方向、出力軸５の回転方向をα方向とする。また、本実施形態のピストン式膨張機の運転システム１は、車両走行用の動力源としてエンジンを備えた車両に備わる。

【0011】

図１に示すように、本発明の実施形態のピストン式膨張機の運転システム１は、ピストン式膨張機２と、位相決め機構９と、ワンウエイクラッチ８と、を備えて構成される。

【0012】

ピストン式膨張機２としては、図１に示すような斜板式（アキシャル形）ピストンを例示できるが、これに限定されない。この斜板式ピストンでは、ピストン３（図１では、３ａ、３ｂ）と、回転斜板４と、出力軸５と、流体入口６と、流体出口７と、を備える。ピストン３は、作動流体Ｗの動力により、端位置ＥＰ１と端位置ＥＰ２の間をＸ方向に往復動する装置である。ピストン３は、膨張機２の内部で出力軸５の軸方向（Ｍ方向）を囲んでこの出力軸５に平行に配置されており、通常複数備わっている。

【0013】

回転斜板４は、出力軸５の軸方向（Ｍ方向）に対して傾斜している面を有し、この面に複数のピストン３の先端が当接して摺動するように構成されるとともに、出力軸５に連結（接続）されて、複数のピストン３の往復運動（直線力）を回転運動（回転トルク）に変換して出力軸５に伝達する機能と、逆に出力軸５の回転運動をピストン３の往復運動に変換する機能を持つ装置である。

【0014】

複数のピストン３の各々が、対応する回転斜板４の傾斜している面をＸ方向に押圧することで、回転斜板４は回転し、この回転斜板４の回転と連動して出力軸５が回転する。この出力軸５の回転動力が膨張機２の出力となる。逆に、出力軸５が回転すると、この回転に連動して回転斜板４が回転し、この回転斜板４の回転により複数のピストン３がＸ方向に往復動する。そして、回転斜板４に接続する出力軸５の位相と各ピストン３のＸ方向の位置（位相）とは互いに対応している。

【0015】

出力軸５は、回転斜板４に連結されて、回転斜板４と連動して回転する装置である。流体入口６は、作動流体Ｗを膨張機２の内部に流入するために、膨張機２の筐体に形成された管口である。流体出口７は、作動流体Ｗを膨張機２の外部に流出するために、流体入口６とは別に、膨張機２の筐体に形成された管口である。流体入口６及び流体出口７を介して、作動流体Ｗを膨張機２の内部に流入及び流出させることで、各ピストン３に往復動をさせる。

【0016】

ワンウエイクラッチ８は、出力軸５と車両用の動力軸１５の間に配置される装置で、出力軸５がある一方向（ロック方向）に回転したときにロックされて、出力軸５と車両用の動力軸１５を連結して、この方向に関しては両軸５、１５間の動力Ｐの伝達を可能にする装置である。なお、出力軸５がロック方向とは逆方向（非ロック方向）に回転すると、ワンウエイクラッチ８のロックが外れて、この逆方向に関しては両軸５、１５間の動力Ｐの伝達はできなくなる。

【0017】

本実施形態のピストン式膨張機の運転システム１では、位相決め機構９を備える。位相決め機構９は、出力軸５に固定されて出力軸５と共に回転し、かつ、第１傾斜面１０ａを有する第１係合部材１０と、出力軸５に回転自在に配置されて、かつ、第２傾斜面１１ａを有する第２係合部材１１と、第２係合部材１１の出力軸５回りの回転方向を固定したままで、第２係合部材１１を出力軸５の軸方向（Ｍ方向）に移動して第２傾斜面１１ａを第１傾斜面１０ａに押圧する油圧シリンダ（駆動装置）１２とを備える。

【0018】

この第１係合部材１０と第２係合部材１１は、円板状に形成され、その互いに向き合う面側に第１傾斜面１０ａと第２傾斜面１１ａが形成され、比較的緩やかな傾斜面と略直立に近い直立面との組み合わせ形状である鋸刃状の凹凸を有している。この第１傾斜面１０ａと第２傾斜面１１ａは互いに向かい合った面に形成され、面状で当接可能に形成されている。

【0019】

より詳細には、この第１係合部材１０の第１傾斜面１０ａは、第２係合部材１１に向かい合う面に形成され、円周方向に沿って高低となる鋸刃状の傾斜面で形成される。つまり、円周方向で見た場合に、最も高い（最も突出している）部分から徐々に低くなり、最低の位置から、次の傾斜面に向かって切り立った面で最も高くなり、また、徐々に低くなり、最低の位置になる。これが円周方向に連続するように構成されている。

【0020】

また、同様に、第２係合部材１１の第２傾斜面１１ａは、第１係合部材１０に向かい合う面に形成され、円周方向に沿って高低となる傾斜面で形成される。そして、円周方向に関して最も高い（最も突出している）部分から徐々に低くなり、最低の位置から、次の傾斜面に向かって切り立った面で最も高くなり、また、徐々に低くなり、最低の位置になる。これが円周方向に連続するように構成されている。

【0021】

この第１傾斜面１０ａと第２傾斜面１１ａは互いに面状で当接する必要があるので、それぞれの円周方向に関しては同じ数で形成される。また、第１傾斜面１０ａと第２傾斜面１１ａの出力軸５の軸方向に対する角度は同じ角度とされる。

【0022】

なお、図３では、出力軸５の図示を省略して示してある。この出力軸５は、第１係合部材１０に固定され、第２係合部材１１の中心孔を貫通し、第２係合部材１１とは回転自在に構成されている。一方、第２係合部材１１は、油圧シリンダ１２の押圧部の伸縮により、出力軸５の軸方向Ｍに往復動するように構成され、更に、回転方向は、位相決め機構９に対して固定されている。この回転方向の固定は、油圧シリンダ１２の押圧部を第２係合部材１１に固定または接続することによって行ってもよいし、他の構造で行ってもよい。

【0023】

そして、図３に示すように、出力軸５に対して回転自在に設けられた第２係合部材１１を、油圧シリンダ１２で、出力軸５の軸方向Ｍに移動させて、第１係合部材１０に押圧することで、第２傾斜面１１ａが第１傾斜面１０ａを押圧し、この当接面（１０ａ，１１ａ）が出力軸５の軸方向Ｍと傾斜しているため、回転方向（非ロック方向）αの回転トルクが発生し、これにより、第１係合部材１０が回転し、この第１係合部材１０に固定されている出力軸５が回動する。つまり、第２係合部材１１の出力軸５の軸方向（Ｍ方向）の押圧力を、第２傾斜面１１ａと第１傾斜面１０ａとの当接面において第１係合部材１０の回転トルク（出力軸５の回転トルク）に変換して、第１係合部材１０を出力軸５と共に回動させる。なお、この回動方向は、ワンウエイクラッチ８のロック方向とは逆方向（非ロック方向）とする。

【0024】

この回動により、出力軸５の位相を変化させると共に、ピストン３の位置（位相）を変化させることができるので、第２係合部材１１の出力軸５の軸方向Ｍ回りの初期設定の位相と第２係合部材１１の押し込み量により、第１係合部材１０の出力軸５回りの位相調整をすることができ、ピストン３の位置調整をすることができる。なお、押し込み量が最大のときに、希望する出力軸５の目標位相（ピストン３の目標位置）になるように第２係合部材１１の回転方向を固定しておくと、押し込み量を最大にするだけで、この目標位相に出力軸５を回動させることができる。

【0025】

また、出力軸の回動量、言い換えればピストン３の移動量は、膨脹機２の始動に適した出力軸５の目標位相（ピストン３の目標位置）になればよいので、出力軸５は、最大で３６０度／ピストン数Ｎｐだけ回動できればよいことになる。従って、第１傾斜面１０ａと第２傾斜面１１ａの数Ｎｓをピストン３の数Ｎｐ以下にすればよいことになる。

【0026】

本実施形態のピストン式膨張機の運転システム１には、制御装置１３が備わる。制御装置１３は、各種情報処理を行うＣＰＵ、その各種情報処理を行うために用いられるプログラムや情報処理結果を読み書き可能な内部記憶装置、及び各種インターフェースなどから構成されるハードウエアである。制御装置１３は、後述する油温センサ１４や、油圧シリンダ１２等の各種装置に信号線を介して電気的に接続されている。また、本実施形態のピストン式膨張機の運転システム１には、油温センサ１４が備わる。油温センサ１４は、エンジン用の潤滑油の温度を取得する装置である。

【0027】

本実施形態における、膨張機２の始動の際の制御の流れを説明する。本実施形態の運転システム１を備える車両の運転者が運転席のイグニッションキースイッチをオンにしたときに、エンジンの暖機が開始される。エンジンの暖機開始後、油温センサ１４の取得値が実験等により予め設定された設定温度以上となったときに、制御装置１３が、膨張機２の始動を開始できる程度に、作動流体Ｗの温度及び圧力が上昇したと判定する。なお、エンジンの排気通路に排気ガス温度センサを設けて、油温センサ１４の取得値の代わりに、排気ガス温度センサの取得値を基に、上記判定を行ってもよい。あるいは、油温センサ１４の取得値と排気ガス温度センサの取得値の両方を基に、上記判定を行ってもよい。

【0028】

本実施形態のピストン式膨張機の運転システム１では、上記の判定成立後に、以下の制御を行う。すなわち、図３に示すように、膨張機２の運転停止中に（例えば、始動前、または、停止直後等に）、油圧シリンダ１２により、第２係合部材１１を第１係合部材１０に押圧することで発生する第１係合部材１０と出力軸５の回転トルクを回転斜板４を介して複数のピストン３に伝達することで、複数のピストン３の位置調整をする制御を行う。このとき、第１係合部材１０と出力軸５はワンウエイクラッチ８の非ロック方向に回転する。

【0029】

この押圧に伴い発生する第１係合部材１０の回転トルクは、出力軸５及び回転斜板４を介して、ピストン３用の往復方向の力に変換されて、複数のピストン３に伝達される。この往復方向の力により、複数のピストン３はＸ方向に移動する。各ピストン３の位置（位相）は、この移動により調整される。

【0030】

制御装置１３は、各ピストン３の位置調整（位相調整）が完了したと判定した後に、作動流体Ｗを流体入口６及び流体出口７を介して膨張機２の内部に流入及び流出させて、膨張機２の始動を開始する制御を行う。各ピストン３の位置調整が完了したか否かの判定は、例えば、出力軸５の回転方向の位相を検出することで容易に行うことができ、出力軸５の位相が予め設定された目標位相になるように、油圧シリンダ１２で第２係合部材の押し込み量を調整することで容易に行うことができる。なお、押し込み量が最大のときに目標位相になるように設定されている場合は押し込み量を最大とする。

【0031】

また、本実施形態では、第１傾斜面１０ａの出力軸５の軸方向Ｍに対する傾斜角を第２傾斜面１１ａの傾斜角と同じ角度とするので、第１係合部材１０と第２係合部材１１には同じ形状の部材を用いることができるが、第１傾斜面１０ａと第２傾斜面１１ａが当接できて、効率よく第１係合部材１０を回転できて、ピストン３の位置調整が可能であればよく、異なる形状の部材としてもよい。例えば、それぞれの厚さ（Ｍ方向の幅）を異ならせてもよい。

【0032】

本実施形態のピストン式膨張機の運転システム１を基にした制御フローについて、言い換えれば、ピストン式膨張機の運転方法の一例について、図４を参照しながら説明する。図４に示す制御フローは、膨張機２の運転を行う場合に行われる制御フローである。

【0033】

図４に示す制御フローがスタートすると、ステップＳ１０の「ピストン位置調整判定」にて、ピストン３の位置調整を行うか否かを判定する。ピストン３の位置調整を行うか否かの判定は、出力軸５の位相が予め設定した始動時用の目標位相になっているか否かにより行う。これは、出力軸の回転角度（位相）を検出することで容易に行うことができる。

【0034】

ステップＳ１０にて、ピストン３の位置調整（位相調整）を行わないと判定した場合（ＮＯ）には、ピストン位置調整を行わずに、ステップ４０に行き、膨脹機２の運転を開始する。この運転が終了したら、リターンする。

【0035】

一方、ステップＳ１０にて、ピストン３の位置調整を行うと判定した場合（ＹＥＳ）には、ステップＳ２０の「ピストン位置調整」に進み、ステップＳ２０にて、油圧シリンダ（駆動装置）１２を駆動して（伸展して）、第２係合部材１１を第１係合部材１０に押圧して、出力軸５の位相調整と共にピストン３の位置調整をする。このステップＳ２０を実施後、ステップＳ３０に進む。

【0036】

ステップＳ３０の「駆動装置の復帰」にて、油圧シリンダ（駆動装置）１２を駆動する。このステップＳ３０にて、油圧シリンダ１２を逆方向に駆動して（収縮させて）、第２係合部材１１を第１係合部材１０から離間し、定位置に戻してから、油圧シリンダ１２の駆動を停止する。次にステップＳ４０の「膨張機運転」に行き、膨張機２を始動して運転を開始する。このステップＳ４０の膨張機２の運転を実施して終了後、リターンに進んで、本制御フローを終了する。

【0037】

上記の制御により、膨張機（ピストン式膨張機）２の運転停止中に、油圧シリンダ（駆動装置）１２により、第２係合部材１１を第１係合部材１０に押圧することで発生する第１係合部材１０と出力軸５の回転トルクを回転斜板４を介してピストン３に伝達することで、ピストン３の位置調整をする制御を行うことができる。

【0038】

また、上記の制御により、膨張機２の始動前に油圧シリンダ１２を駆動して、第２傾斜面１１ａを第１傾斜面１０ａに押圧して複数のピストン３の位置調整をした後に、第２傾斜面１１ａを第１傾斜面１０ａから離間して、油圧シリンダ１２の駆動を停止してから、膨張機２を始動する制御を行うことができる。

【0039】

なお、第２傾斜面１１ａを第１傾斜面１０ａに押圧して複数のピストン３の位置調整をした後に、油圧シリンダ１２を停止してから、膨張機２を始動して、この始動時に発生する出力軸５及び第１係合部材１０のワンウエイクラッチ８のロック方向への回転トルクにより、第２傾斜面１１ａを第１傾斜面１０ａから離間するように制御することもできる。この場合、油圧シリンダ１２を復帰位置に戻す動力が不要になるため、エネルギー消費量を節約するには有利になる。ただし、油圧シリンダ１２が正確に復帰位置まで戻るわけではないので、ピストン３の位置調整時に、出力軸５の位相に応じて、油圧シリンダ１２による第２係合部材１１の押し込み量をその都度調整する必要がある。

【0040】

また、本発明の実施形態のピストン式膨張機の運転方法では、ピストン式膨張機２の始動前に、ピストン式膨張機２のピストン３の位置調整をする必要があるか否かを判定して、ピストン３の位置調整をする必要があると判定したときには、第２係合部材１１を第１係合部材１０に押圧して、この押圧で発生する第１係合部材１０の回転トルクで出力軸５を回転させることで、ピストン３の位置調整をすることができる。

【0041】

これにより、ピストン式膨張機２の停止中、例えば、始動前や停止直後などに、第２係合部材１１を出力軸５の軸方向Ｍに押圧するという比較的単純な構成と操作により、出力軸５の位相調整とピストン３の位置調整をすることができる。

【符号の説明】

【0042】

１ ピストン式膨張機の運転システム
２ ピストン式膨張機
３ ピストン
４ 回転斜板
５ 出力軸
６ 流体入口
７ 流体出口
８ ワンウエイクラッチ
９ 位相決め機構
１０ 第１係合部材
１０ａ 第１傾斜面
１１ 第２係合部材
１１ａ 第２傾斜面
１２ 油圧シリンダ（駆動装置）
１３ 制御装置
１４ 油温センサ
１５ 車両用の動力軸
Ｗ 作動流体
Ｐ 車両用の動力

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】