CN102444425B

CN102444425B - 螺杆膨胀机

Info

Publication number: CN102444425B
Application number: CN201110293461.9A
Authority: CN
Inventors: 壶井升; 松村昌义
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2010-10-04
Filing date: 2011-09-30
Publication date: 2014-06-25
Anticipated expiration: 2031-09-30
Also published as: KR101387282B1; US20120082580A1; KR20120035117A; JP5318062B2; JP2012077704A; EP2436929B1; EP2436929A1; CN102444425A; US8790100B2

Abstract

一种螺杆膨胀机，在形成于壳体内的转子室中收纳相互啮合的阴阳一对的螺杆转子，将从供气流路供给到转子室中的高压的气体的膨胀力借助螺杆转子而转换为旋转力，在排气流路中将膨胀了的低压的排气排出，其中，设置有将作为转子室内的空间的、能够借助螺杆转子从供气流路以及排气流路隔离的中间压力部、和供给高压气体的旁通流路连通的阀机构；和控制阀机构的控制机构。

Description

螺杆膨胀机

技术领域

本发明涉及一种螺杆膨胀机。

背景技术

利用水蒸气的闪蒸而驱动发电机的发电系统被广泛引入，但是以往，大多是使用涡轮型及轴流型的涡轮机的大规模设备。但是，现在从节能的观点出发，对回收排热而进行发电的小规模的发电系统的需求增高。

在小规模的设备中，公知如例如[关于螺杆膨胀机的基本性能的研究]日本机械学会论文集（B编）昭和60年1月、第51卷、第461号、p.134-142中记载的那样地取代涡轮机而使用螺杆膨胀机时更为有效。一般而言，在螺杆膨胀机中，供气时的容积与排气时的容积的比根据机械上的形状而确定，内部的供气压力和排气压力的比即内部膨胀比一定。因此，在如上述文献所记载的那样，螺杆膨胀机的内部膨胀比与供气侧的压力和排气侧的压力的比即运转膨胀比不一致时，会产生损失。

作为调节螺杆膨胀机的内部膨胀比的方式，如日本特开昭62-60902号中记载的那样，有借助滑动阀令排气位置变化的方法，但是需要驱动滑动阀的机构，存在装置复杂而变大的缺点。

此外，作为借助闪蒸发电无法利用的低温的热来发电的系统，有如例如美国专利第4608829号所记载的那样，借助低沸点的热介质驱动涡轮机及膨胀机（膨胀器）的双循环（binary）发电系统。双循环发电系统在原理上发电效率低，所以除了地热发电这样的为无法令水蒸气闪蒸的温度但具有大容量的热源的情况外，几乎无法实用化。

但是，若能够低价地提供小型的双循环发电系统，则能够将以往完全未被利用的热、例如用于内燃发动机的气缸模块的冷却而废弃掉的热作为电能回收。为了令这样的发电系统具有经济合理性，螺杆膨胀机的效率化是非常重要的。

在日本专利第3904852号中记载了一种螺杆压缩机，其将吸入压力以及排出压力作为驱动力，设置令吸入侧空间和中间压力部连通的活塞阀，从而能够以简单的构造实现启动转矩的减轻，能够顺利地启动而不会产生马达的过负荷。这公开了仅在启动时机械性的压缩比（内部压缩比）变化的螺杆压缩机，但并没有公开原样的应用于螺杆膨胀机的技术。

发明内容

为了满足上述需求，本发明的课题在于提供一种螺杆膨胀机，其低价且小型并且效率高。

为了实现上述课题，本发明的螺杆膨胀机包括：壳体；设置于上述壳体内的供气流路；排气流路，设置于上述壳体内；收纳在形成于上述壳体内的转子室的、相互啮合的阴阳一对的螺杆转子，上述螺杆转子将从上述供气流路向上述转子室供给的高压气体的膨胀力转换为旋转力，将膨胀后的低压气体向上述排气流路排气；旁通流路，设置于上述壳体内而与上述供气流路连通；阀机构，能够选择地使中间压力部和上述旁通流路连通，所示中间压力部为借助上述螺杆转子而被从上述供气流路以及上述排气流路隔离出的上述转子室内的空间；供气压力检测器，检测上述供气流路的压力；排气压力检测器，检测上述排气流路的压力；以及控制装置，根据运转膨胀比来控制上述阀机构，所述运转膨胀比是由上述供气压力检测器检测出的供气流路压力相对于由上述排气压力检测器检测出的上述排气流路压力的比。

根据该构成，借助阀机构从旁通流路向中间压力部供给高压气体，所以在从中间压力部隔离的瞬间起开始膨胀行程。由此，实质上能够减小内部膨胀比，所以通过令内部膨胀比与运转膨胀比对应而变化，能够提高运转效率。此外，无需像滑动阀那样令壳体的形状发生实质变化，构成简单，所以能够提供效率高且小型、低价的螺杆膨胀机。

此外，在本发明的螺杆膨胀机中，也可以构成为上述中间压力部根据上述螺杆的角度而与上述供气流路连通。

根据该构成，在与供气流路连通的空间与中间空间之间，气体的压力不会变动，有与加大供气口、加大膨胀开始时的行程体积相同的效果。此外，在供气流路与中间空间之间流体不膨胀，所以不存在再压缩导致的损耗。

此外，在本发明的螺杆膨胀机中，上述控制装置也可以在上述运转膨胀比为预先设定的设定值以下时，借助上述阀机构令上述中间压力部与上述旁通流路连通。

根据本构成，通过令内部膨胀比接近运转膨胀比，能够降低损失的发生。

此外，在本发明的螺杆膨胀机中，上述阀机构包括：供气阀；排气阀；柱状空间，具有与上述中间压力部以及上述旁通流路连通的功能端面，在上述功能端面的相反侧经由上述供气阀与上述旁通流路连通、并且经由上述排气阀与上述排气流路连通；以及活塞，嵌装于上述柱状空间内，通过与上述功能端面抵接而将上述中间压力部与上述旁通流路隔离。

根据该构成，借助上述供气流路的压力以及上述排气流路的压力来驱动阀机构，所以无需用于驱动阀机构的驱动源。

此外，在本发明的螺杆膨胀机中，上述功能端面也可以在上述转子室的供气侧端面的边缘开口。

根据该构成，能够在一般的分体构成的壳体中比较容易地装入阀机构，螺杆膨胀机不会大型化。

附图说明

图1是具有本发明的第一实施方式的螺杆膨胀机的双循环发电系统。

图2是本发明的第一实施方式的螺杆膨胀机的轴方向局部剖视图。

图3是图2的螺杆膨胀机的轴垂直方向局部剖视图。

图4是图2的螺杆膨胀机的阀机构关闭时的螺杆转子展开图。

图5是图2的螺杆膨胀机的阀机构打开时的螺杆转子展开图。

图6是本发明的第二实施方式的螺杆膨胀机的轴垂直方向局部剖视图。

图7是图6的螺杆膨胀机的螺杆转子展开图。

图8是本发明的第三实施方式的螺杆膨胀机的轴垂直方向局部剖视图。

图9是图8的螺杆膨胀机的螺杆转子展开图。

图10是本发明的第四实施方式的螺杆膨胀机的轴方向局部剖视图。

图11是具有本发明第五实施方式的螺杆膨胀机的双循环发电系统的构成图。

具体实施方式

以下，参照附图说明本发明的实施方式。图1表示具有本发明的第一实施方式的螺杆膨胀机1的双循环发电系统。双循环发电系统中，在夹设有螺杆膨胀机1、冷凝器2、泵3以及蒸发器4的热介质循环流路5中，封入例如R245fa这样的热介质。螺杆膨胀机1的输出轴与发电机9连接。

该双循环发电系统中，借助泵3令作为液体的热介质升压到压力Ps并供给到蒸发器4，在蒸发器4中令热介质蒸发而变为气体。接着，通过令热介质在螺杆膨胀机1的内部膨胀而将其膨胀力变换为旋转力，借助发电机9将其变换为电力。在螺杆膨胀机1内膨胀而压力降低了的热介质在冷凝器2中冷却而液化，变为液体的热介质借助泵3而被再次供给到蒸发器4。

螺杆膨胀机1具有后述的活塞阀（阀机构）6，经由供给阀7将热介质以与向螺杆膨胀机供给的相同高的压力Ps供给到活塞阀6，或者经由排气阀8将热介质以与从螺杆膨胀机排气的相同低的压力Pd供给到活塞阀6。

在螺杆膨胀机1的上游侧的热介质循环流路5中，设置有用于检测上述高压力Ps的值的供气压力检测器22。在螺杆膨胀机1的下游侧的热介质循环流路5中，设置有用于检测上述低压力Pd的值的排气压力检测器23。由供气压力检测器22以及排气压力检测器23检测到的各压力值被输入控制装置10。控制装置10使用这些压力值进行后述的处理，根据其结果对供气阀7以及排气阀8进行开闭控制。

图2详细表示螺杆膨胀机1。螺杆膨胀机1中，在形成于壳体11内的转子室12中，收纳相互啮合的阴阳一对的螺杆转子13、14。从供气流路15向转子室12供给高压的热介质，该高压的热介质在螺杆转子13、14的齿槽内膨胀从而令螺杆转子13、14旋转。在转子室12中膨胀了的热介质经由排气流路16而被排气。

在此，说明活塞阀6的构成。活塞阀6具有形成于壳体11的柱状空间17、和能够滑动地嵌装于该柱状空间17内的活塞18。柱状空间17的一端是以与中间压力部连通的方式在转子室12的供气侧端面的边缘开口的功能端面17a，所述中间压力部是转子室12内的空间、能够借助螺杆转子14的齿而从供气流路15隔离。此外，功能端面17a也向形成于转子室12的外侧的壳体11而沿轴方向延伸的旁通流路19开口。活塞18与功能端面17a抵接从而能够将转子室12的中间压力部与旁通流路19隔离。

柱状空间17为，在隔着活塞18而与功能端面17a相反侧的驱动部17b上，能够经由供气阀7而通过循环流路5与供气流路15连通，也能够经由排气阀8而与排气流路16连通。此外，旁通流路19与供气侧的循环流路5连接，向其供给高压（Ps）的热介质。

图3表示转子室12的供气侧端面的螺杆膨胀机1的轴垂直方向的截面。如图所示，与柱状空间17连通的中间压力部是借助螺杆转子14的齿而从供气流路15隔离的齿槽内的空间。但是，与柱状空间17连通的中间压力部能够根据螺杆转子14的旋转角度而与供气流路15连通。

若打开进气阀7而关闭排气阀8，则柱状空间17的驱动部17b的压力变得与供气压力Ps相等。在中间压力部借助螺杆转子14的齿而从供气流路15隔离时，中间压力部内的热介质稍微膨胀而压力从供气压力Ps下降。由此，柱状空间17的功能端面17a侧的压力比驱动部17b侧的压力稍低，令活塞18向功能端面17a移动。活塞端面18若与功能端面17a抵接，则封闭功能端面17a，旁通流路19与中间压力部隔离。由此，螺杆膨胀机1变为与没有旁通流路19的通常的膨胀机相同的构成。

若关闭进气阀7而打开排气阀8，则柱状空间17的驱动部17b的压力变得与排气压力Pd相等，变得比功能端面17a的压力低，所述功能端面连通压力Ps的旁通流路19、和与供气流路15为相同压力Ps或者热介质稍微膨胀而稍微低于Ps的压力的中间压力部。由此，活塞18向从功能端面17a远离的方向移动，确保旁通流路19与中间压力部的连通，热介质能够从旁通流路19向中间压力部流入。于是，即便在中间压力部借助螺杆转子14的齿而从供气流路15隔离时，也能够将中间压力部内的压力维持为供气压力Ps。

图4表示关闭活塞阀6（用活塞18封闭功能端面17a）的状态的螺杆转子13、14的展开图。供气压力Ps的热介质从供气流路15供给到螺杆转子13、14的齿槽。螺杆转子13、14的齿槽借助壳体11而从供气流路15隔离的瞬间的齿槽的容积Vs1是压力Ps的热介质在螺杆膨胀机1中开始膨胀的时刻的容积。而且，从排出侧的壳体11释放而与排气流路16连通的瞬间的齿槽的容积Vd是热介质膨胀结束的时刻的容积。而且，该容积的比Vi=Vd/Vs1与内部膨胀比πi之间，若以K表示热介质的比热比，则存在Vi=πi^1/k的关系。从而，Vs1为Vd的37%时，比热比K若为1.2，则容积比Vi=2.7，内部膨胀比πi=3.3。

图5表示开放活塞阀6（将活塞18向驱动部17b侧移动）的状态的螺杆转子13、14的展开图。此时，即便中间压力部从供气流路15隔离，也经由旁通流路19向与活塞阀16连通的齿槽供给供气压力Ps的热介质。即，若打开活塞阀6，则实质上具有与放大供气流路15相同的效果。因此，从活塞阀6隔离的瞬间的齿槽的容积Vs2是螺杆膨胀机1中压力Ps的热介质开始膨胀的时刻的容积。热介质膨胀结束的时刻的容积Vd与关闭活塞阀6时相同。Vs2为Vd的47%时，容积比Vi=2.1，内部膨胀比πi=2.5。

在螺杆膨胀机1中，运转膨胀比Ps/Pd大于预定的设定值πth（例如2.5）时，关闭活塞阀6，令内部膨胀比为πi=3.3而进行运转，但若运转膨胀比Ps/Pd变为设定值πth以下，则开放活塞阀6而令内部膨胀比为πi=2.5而运转。由此，能够令内部膨胀比πi接近运转膨胀比Ps/Pd而提高热能向旋转能的转换效果，进而能够提高双循环发电系统的发电效率。

更具体而言，在控制装置10中，作为由供气压力检测器22检测的供气流路压力与由排气压力检测器23检测的排气流路压力的比而运算求出运转膨胀比。在求得的运转膨胀比大于预定的设定值时，控制装置10以打开进气阀7而关闭排气阀8的方式输出指令信号，将旁通流路19与中间压力部隔离。在求得的运转膨胀比小于预定的设定值时，控制装置10以关闭进气阀7而打开排气阀8的方式输出指令的信号，令旁通流路19与中间压力部连通。

螺杆膨胀机1借助简单的活塞阀6令内部膨胀比πi变化，所以能够不使装置大型化而比较低价地提供螺杆膨胀机。

接着，图6表示本发明的第二实施方式的螺杆膨胀机1a的轴垂直剖视图。另外，在以后的实施方式的说明中，对于与第一实施方式相同的构成要素标注相同的附图标记而省略重复说明。

本实施方式的螺杆膨胀机1a除了与第一实施方式相同的活塞阀6外，在与螺杆转子14的进一步旋转前进的位置的齿槽对应的位置（中间压力部）处，设置有活塞阀6a，活塞阀6a的构成除了角度位置与活塞阀6相同。

图7表示螺杆膨胀机1a的螺杆转子13、14的展开图。在本实施方式中，除了活塞阀6，能够通过也开放活塞阀6a而实质地进一步扩大供气流路15，能够令压力Ps的热介质开始膨胀的时刻的容积为更大的Vs3。在Vs3为Vd的56%时，容积比Vi=1.8，内部膨胀比πi=2.0。

在本实施方式中，运转膨胀比Ps/Pd若为设定值πth1=2.5以下，则开放活塞阀6，进而若运转膨胀比Ps/Pd为设定值πth2=2.0以下，则开放活塞阀6a。通过这样地与运转膨胀阀Ps/Pd的变化对应而阶段地改变内部膨胀比πi，能够在更广的范围的运转膨胀比Ps/Pd中实现高转换效率。

进而，图8表示本发明的第三实施方式的螺杆膨胀机1b的轴垂直剖视图。本实施方式的螺杆膨胀机1b中，设置活塞阀6b的位置距供气流路15以比螺杆转子14的齿周方向节距还大的距离远离。即，在本实施方式中，即便螺杆转子14为任意的角度位置，只要活塞阀6b不开放，则能够经由活塞阀6b供给供气压力Ps的热介质的中间压力部绝不会与供气流路15连通。

图9表示螺杆膨胀机1b的螺杆转子13、14的展开图。在本实施方式中，即便活塞阀6开放，在从供气流路15隔离的瞬间的封入齿槽内的热介质在该齿槽到达活塞阀6b之前的期间膨胀。而且，若到达活塞阀6b，则向该槽内进而补充供气压力Ps的热介质。在在此之前的行程中，令从供气流路15供给的热介质一度膨胀，然后再压缩，所以作为转矩稍微发生损失。而且，从活塞阀6b隔离后的工序是螺杆膨胀机1b的实质的膨胀行程。

图10表示本发明的第四实施方式的螺杆膨胀机1c。在本实施方式中，以与在转子室12的侧面开口的连通流路20连通的方式设置活塞阀6c。为了方便，活塞阀6c表示为与螺杆转子13、14的轴位于相同平面上，但绕螺杆转子14的轴的角度位置以令连通的齿槽的位置为适当位置的方式设定。在本实施方式中，能够根据连通流路20对于转子室12的开口范围，自由地设计经由活塞阀6c向齿槽供给供气压力Ps的热介质的角度范围。

进而，图11表示具有本发明的第五实施方式的螺杆膨胀机1d的双循环发电系统。该双循环发电系统实现输出为kW级的小型的发电系统。因此，在本实施方式的螺杆膨胀机1d中，应向中间压力部供给的热介质的流量少，所以作为阀机构，无需活塞阀6这样的构成，仅借助电磁阀21直接经由循环流路5令中间压力部与供气流路15连通。若是规模稍大的双循环发电系统用的螺杆膨胀机，也可以取代电磁阀21而使用能够由控制电源（DC12/24V）驱动的马达阀。

此外，在本发明的第一实施方式至第四实施方式的螺杆膨胀机中，活塞阀仅设置在阴螺杆转子14侧。即，活塞阀构成为利用该活塞阀6的开放而直接地连通旁通流路19和阴螺杆转子14侧的中间压力部。但是，也可以将两个以上的活塞阀设置在阴螺杆转子14侧还有阳螺杆转子13侧，通过开放各活塞阀而令旁通流路19与阴螺杆转子14侧的中间压力部连通，同时令旁通流路19与阳螺杆转子13侧的中间压力部连通。

Claims

1.一种螺杆膨胀机，包括：

壳体；

供气流路，设置于上述壳体内；

排气流路，设置于上述壳体内；

相互啮合的阴阳一对的螺杆转子，收纳在形成于上述壳体内的转子室，上述螺杆转子将从上述供气流路向上述转子室供给的高压气体的膨胀力转换为旋转力，并将膨胀后的低压气体向上述排气流路排气；

旁通流路，设置于上述壳体内而与上述供气流路连通；

阀机构，能够选择地使中间压力部与上述旁通流路连通，所示中间压力部为能够借助上述螺杆转子而从上述供气流路以及上述排气流路隔离出的上述转子室内的空间；

供气压力检测器，检测上述供气流路的压力；

排气压力检测器，检测上述排气流路的压力；

以及控制装置，根据运转膨胀比来控制上述阀机构，所述运转膨胀比是由上述供气压力检测器检测出的供气流路压力相对于由上述排气压力检测器检测出的上述排气流路压力的比，

上述阀机构包括：

供气阀；

排气阀；

柱状空间，具有与上述中间压力部以及上述旁通流路连通的功能端面，在与上述功能端面相反的一侧经由上述供气阀与上述旁通流路连通，并且经由上述排气阀与上述排气流路连通；

以及活塞，嵌装在上述柱状空间内，通过与上述功能端面抵接而将上述中间压力部与上述旁通流路隔离。

2.如权利要求1所述的螺杆膨胀机，其特征在于，

上述螺杆转子以及上述供气流路以使上述中间压力部根据上述螺杆转子的角度而与上述供气流路连通的方式构成。

3.如权利要求1所述的螺杆膨胀机，其特征在于，

上述控制装置在上述运转膨胀比为预先设定的设定值以下时，借助上述阀机构令上述中间压力部与上述旁通流路连通。

4.如权利要求1所述的螺杆膨胀机，其特征在于，

上述功能端面在上述转子室的供气侧端面的边缘开口。