CN103375177A - 涡旋膨胀机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种双旋转型涡旋膨胀机，其中，在驱动轴上设有工作介质导入孔时，为了保护支承驱动轴等的轴承免受工作介质的热量的影响，在驱动轴(20)上贯穿设有工作介质导入孔(66)，通过工作介质导入孔(66)将高温高压的工作介质(w)向膨胀室(e1、e2)供给。在对驱动轴(20)及从动涡旋体(42)进行支承并使其旋转的滚动轴承(30b及32b)的内侧区域，在驱动轴(20)上安装有形成工作介质导入孔(66)的一部分的绝热套筒(74)。通过绝热套筒(74)抑制工作介质(w)的热量向滚动轴承(30b及32b)传导，从而防止滚动轴承(30b及32b)的劣化。
Description
技术领域
本发明涉及与驱动轴一体的驱动涡旋体和从动涡旋体同步旋转的双旋转型涡旋膨胀机。
背景技术
现有的发电系统以数百kW以上的大型设备为主，小型发电中以简单构造的发动机驱动式发电机等为主流。但是，最近因节能意愿增强、再生能量特别措施法成立等使小型发电的需要和市场增大。一方面，太阳能发电或风力发电还未提高性价比。另一方面，开发出将75～150℃的热水或蒸汽用于热源，经由低沸点的工作介质驱动小型发电机的双燃料发电系统。
在这样的应对措施中，涡旋膨胀机由于转矩变动少，所以作为适合于小型发电系统的膨胀机而受到瞩目。涡旋型流体机械是通过一对涡旋体的端板和螺旋形状的卷板形成月牙形的压缩室或膨胀室的结构。专利文献1中公开了一种单侧回旋方式的涡旋膨胀机，其一方为固定涡旋体，另一方为回旋涡旋体，使回旋涡旋体相对于固定涡旋体回旋，从而形成膨胀室。在所述结构的涡旋型流体机械中，由于成为动态密封，所以呈在形成膨胀室的端板或卷板的接触部位产生明显的噪音或磨损的趋势。由此，膨胀室的密封性可能会受损。
专利文献2中公开了一种双旋转型涡旋型流体机械。双旋转型涡旋型流体机械通过使驱动涡旋体和从动涡旋体经由连动机构同步旋转而能够降低接触部位的噪音或磨损。在双旋转型结构中，相对于驱动涡旋体使从动涡旋体偏心旋转来形成压缩室或膨胀室。
专利文献2中公开的双旋转型涡旋型流体机械具有在从动涡旋体的端板的两面形成有压缩室或膨胀室的所谓“双卷板·涡旋构造”。如此，通过在两侧形成压缩室或膨胀室，能够增加高压流体的供给量或输出(转矩)。另外，由于能够使施加在驱动涡旋体和从动涡旋体上的推力方向载荷抵消，所以具有能够使驱动涡旋体和从动涡旋体的支承构造简化的优点。
专利文献3公开了一种具备固定涡旋体和回旋涡旋体的涡旋型流体机械中在回旋涡旋体的端板埋设有绝热材料的结构。由此，防止压缩室或膨胀室的热量向支承回旋涡旋体的驱动轴的轴承传导。专利文献4中公开了如下结构，即，在驱动涡旋体的端板形成风扇叶片，通过该风扇叶片从外部向壳体内导入冷却空气，从而对壳体内进行冷却。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2009-299653号公报
专利文献2：日本特开平6-341381号公报
专利文献3：日本特开昭59-34494号公报
专利文献4：日本特开2004-286025号公报
发明概要
发明所要解决的问题
在涡旋膨胀机中，在向膨胀室供给的高温高压的工作介质的膨胀力的作用下使驱动轴旋转。因此，若在向膨胀室供给前发生工作介质的泄漏或温度下降所引起的事先膨胀，则驱动轴的输出(转矩)下降。因此，为了获得高输出，需要使向膨胀室供给的工作介质的供给路的密封性良好，防止事先膨胀。但是，在采用双旋转型涡旋膨胀机的情况下，由于驱动涡旋体和从动涡旋体都旋转，所以不容易确保工作介质的供给路。尤其是在双卷板·涡旋构造的涡旋膨胀机中，由于需要向双膨胀室导入工作介质，所以更加难以确保供给路。
在将专利文献2中公开的涡旋压缩机用作膨胀机的情况下，从驱动轴上设置的导入孔向膨胀室供给高温高压的工作介质。但是，在该供给机构中，支承驱动轴或从动涡旋体并使其能够旋转的轴承暴露在工作介质的热量中而劣化，可能会使轴承及轴承内封入的润滑脂的寿命下降。
发明内容
本发明鉴于上述问题而提出，其目的在于，在双旋转型涡旋膨胀机中，当在驱动轴上设有工作介质导入孔时，保护对驱动轴等进行支承并使其旋转的轴承免受工作介质的热量的影响，防止该轴承及轴承内封入的润滑脂的劣化。
解决方案
为了实现上述目的，本发明的涡旋膨胀机包括：驱动轴；在该驱动轴上一体地设置的驱动涡旋体；具有相对于该驱动轴的旋转轴偏心的旋转轴线的从动涡旋体；使驱动涡旋体和该从动涡旋体同步旋转的连动机构；将驱动轴及从动涡旋体旋转自如地支承于固定框架的轴承。从动涡旋体通过所述连动机构与驱动涡旋体同步旋转，通过驱动涡旋体和从动涡旋体形成月牙形的膨胀室。
此外，在驱动轴上设有向膨胀室的径向中心部开口的工作介质导入孔，且在轴承与工作介质导入孔之间的区域设有包围工作介质导入孔的绝热层。通过该绝热层能够抑制工作介质的热量向轴承传导，能够防止轴承及轴承内封入的润滑脂的劣化，从而能够防止上述各部分的寿命下降。绝热层例如可以采用具有绝热性及耐热性的氟树脂、或者具有绝热性的其他的工程塑料。或者也可以将由与驱动轴的材料不同种类的金属构成的套筒安装在驱动轴上。由此，能够抑制驱动轴与该空间之间的热传递，从而抑制向轴承的热传递。
本发明可以是，所述绝热层以其内表面与所述工作介质导入孔相面对的方式配置，且所述绝热层与该工作介质导入孔的和该绝热层邻接的区域无高低差地连接设置。由此，由于绝热层直接与工作介质相接，所以能够保护在绝热层的外侧配置的驱动轴及轴承免受工作介质的热量的影响。另外，由于在该绝热层的边界处，在工作介质导入孔中没有形成高低差，所以工作介质的流动不会紊乱，不会发生压力损失。或者，作为绝热层的其他的结构，也可以在轴承内侧的驱动轴的外周面安装具有绝热性的圆筒形状套环。
除所述绝热层之外，可以在轴承收容于壳体时，在该壳体的外表面形成冷却片。通过该冷却片的冷却效果，能够进一步促进轴承的冷却效果。
应用本发明的涡旋膨胀机可以是，在设有收容驱动涡旋体及从动涡旋体的壳体时，驱动轴由在该壳体的内部区域中贯通的单一且一体的驱动轴构成，驱动涡旋体具有在从动涡旋体的两侧配置的两片第一端板、从该两片第一端板分别向内方突出的螺旋形状的第一卷板，从动涡旋体具有配置在所述两片第一端板间的第二端板、从第二端板的两面突出的第二卷板，通过第一端板、第二端板、第一卷板及第二卷板在第二端板的两侧形成膨胀室。
在所述结构的涡旋膨胀机中，通过形成双膨胀室，能够增大输出(转矩)，并且能够使施加在驱动涡旋体及从动涡旋体上的推力方向载荷抵消，所以能够简化驱动涡旋体及从动涡旋体的支承构造。另外，由于驱动轴由在壳体的内部区域中贯通的单一的驱动轴构成，所以在壳体的内部不需要驱动轴的轴心对位。另外，通过在所述结构的驱动轴上形成工作介质导入孔，能够提高密封性能，且能够消除工作介质的温度下降所引起的事先膨胀而将高压的工作介质向膨胀室供给，所以能够增大输出。另外，在双膨胀室中设置的工作介质导入孔的开口的定位变得容易，并且通过适当选择开口位置，能够向两膨胀室均等地供给工作介质。
另外，作为与所述涡旋膨胀机不同的结构，可以代替在壳体的内部贯通的单一且一体的贯通轴，使得驱动轴由相互同轴配置的第一驱动轴和第二驱动轴构成，第一驱动轴及第二驱动轴的一方与驱动涡旋体的两片第一端板的一方结合，另一方与两片第一端板的另一方结合，在第一驱动轴或第二驱动轴上贯穿设置工作介质导入孔。
若形成所述结构的驱动轴，则能够在膨胀室的中心部消除驱动轴，所以相应地能够增大膨胀室的空间。因此，能够增大膨胀室中的工作介质的膨胀比，由此能够增大涡旋膨胀机的输出。
发明效果
根据本发明的涡旋膨胀机，由于是双旋转型且在驱动轴上贯穿设有向膨胀室的径向中心部开口的工作介质导入孔，在对驱动轴等进行支承并使其旋转的轴承与工作介质导入孔之间的区域形成有包围工作介质导入孔的绝热层，所以通过该绝热层能够防止工作介质的热量向轴承传导。由此，能够防止轴承及轴承内封入的润滑脂的劣化及寿命下降。
附图说明
图1是本发明装置的第一实施方式所涉及的涡旋膨胀机的正面观察剖视图。
图2是图1中的局部放大图。
图3是本发明装置的第二实施方式所涉及的涡旋膨胀机的正面观察剖视图。
具体实施方式
以下，利用附图示出的实施方式对本发明进行详细的说明。但是，该实施方式中记载的结构部件的尺寸、材质、形状、其相对配置等只要没有特别的特定性的记载，就不是将该发明的范围仅限定于此的意思。
(实施方式1)
结合图1及图2对本发明装置的第一实施方式进行说明。本实施方式的涡旋膨胀机例如可应用于所述的双燃料发电系统。在该发电系统中，将加压后的低沸点的工作介质导入涡旋膨胀机，利用工作介质的膨胀力使驱动轴旋转，通过与涡旋膨胀机的驱动轴连接的发电机进行发电。在图1中，涡旋膨胀机10A的壳体12包括呈中空圆筒形的一对外壳12a及12b。外壳12a及12b的端部相互对接，在内部形成有中空空间。在外壳12b的端面外周侧部位设有将膨胀后的工作介质w向壳体12的外部喷出的喷出口14。
在外壳12a及12b的中心轴线上形成有开口16及18，在该开口中贯通配置有圆形截面的驱动轴20。驱动轴20的一端设有发电机22，通过驱动轴20的旋转能够进行发电。在开口16及18与驱动轴20之间插入有密封用的垫圈24。在开口16、18附近的外壳12a、12b上形成有阶梯部26a、28a及26b、28b，在所述阶梯部26a、28a及26b、28b的内侧配置有滚动轴承30a、32a及30b、32b。
在驱动轴20上一体地结合有驱动涡旋体34。驱动涡旋体34包括一对分割涡旋体34a及34b。分割涡旋体34a包括环状的端板36a和从端板36a沿垂直方向竖立设置的螺旋形状的卷板38a，端板36a的内周缘与驱动轴20结合。分割涡旋体34b包括环状的端板36b和从端板36b沿垂直方向竖立设置的螺旋形状的卷板38b，端板36b的内周缘与驱动轴20结合。分割涡旋体34a及34b的外周部彼此通过螺栓40结合。在卷板38a及38b的前端设有能够供后述的从动涡旋体42的端板44插入的间隔。
从动涡旋体42包括：配置在卷板38a、38b间的圆形的端板44；从端板44的两面向垂直方向竖立设置的两个螺旋形状的卷板46a及46b；在端板36a、36b的外侧配置在驱动轴20的周围的毂部48a及48b。在毂部48a上一体地设有从毂部48a向一方向延伸设置的臂49a，臂49a和卷板46a的外周部通过螺栓50a结合。同样，在毂部48b上一体地设有从毂部48b向一方向延伸设置的臂49b，臂49b和卷板46b的外周部通过螺栓50b结合。如此一来，通过驱动涡旋体34及从动涡旋体42的端板36a、36b、44和卷板38a、38b、46a、46b，在端板44的两侧形成膨胀室e1及e2。
驱动轴20被滚动轴承30a及30b支承为旋转自如。从动涡旋体42的毂部48a被滚动轴承32a支承为旋转自如，毂部48b被滚动轴承32b支承为旋转自如。毂部48a及48b的旋转轴线C2相对于驱动轴20的旋转轴线C1偏心t。如此一来，从动涡旋体42在相对于驱动轴20偏心t的位置旋转。
驱动涡旋体34和从动涡旋体42经由连动机构52相互同步旋转。连动机构52例如在驱动轴20的周围以等间隔设有4个。以下，根据图2，以设置在毂部48a与分割涡旋体34a间的连动机构52为例，对连动机构52的结构进行说明。在图2中，在与分割涡旋体34a面对的臂49a上划刻设有圆筒形的凹部54。在凹部54中插入短轴圆筒体56，在短轴圆筒体56与凹部54之间夹装有滚动轴承58。短轴圆筒体56通过滚动轴承58的作用在凹部54内旋转自如。
在短轴圆筒体56上，在从中心轴线C3偏心的区域贯穿设有圆形的孔56a，在该孔56a中压入构成销构造体60的圆形的销60a。销构造体60包括一体的销60a、大径的圆板60b和圆筒形的基部60c。在与短轴圆筒体56面对的端板36a的外表面突出形成有毂部62，在毂部62上形成有圆筒形状的凹部64。在该凹部64中压入销构造体60的基部60c。销60a的中心轴线C4与短轴圆筒体56的中心轴线C3以偏心量t偏心。该偏心量t与驱动轴20的旋转轴线C1和毂部48a的旋转轴线C2之间的偏心量t相同。
在驱动轴20上，沿轴向贯穿设有工作介质导入孔66。工作介质导入孔66的一端向驱动轴20的端面20a开口，并且另一端连接设有径向孔68，径向孔68的开口68a向膨胀室e1及e2的中心部开口。在端板44上，为了容许从动涡旋体42相对于驱动轴20的偏心运动，在与驱动轴20面对的部位形成有凹部44a，在凹部44a与驱动轴20之间形成有间隙s。开口68a在端板36a与36b的中间，在均等地跨着端板44的位置朝向间隙s开口。另外，在驱动轴20的端面20a设有罩70，罩70上设有工作介质导入孔72。
在滚动轴承30b及32b的内侧区域，在与工作介质导入孔66相面对的驱动轴20的内周面安装有圆筒形状的绝热套筒74。绝热套筒74的材质可以是具有绝热性及耐热性的氟树脂。绝热套筒74与和绝热套筒74邻接的工作介质导入孔66之间的边界形成没有高低差的曲面。另外，在壳体12的阶梯部26b及28b的外周面设有多个冷却片76。多个冷却片76沿驱动轴20的轴线方向延伸设置，且相互隔开间隔呈放射状配置。
在所述结构中，若高温高压的工作介质w从工作介质导入孔72及66经径向孔68导入膨胀室e1及e2，则在工作介质w的膨胀力的作用下，与驱动涡旋体34一起向驱动轴20赋予转矩，使驱动轴20旋转。通过使驱动涡旋体34旋转，经由连动机构52使从动涡旋体42也同步旋转。通过使驱动轴20旋转，与驱动轴20连接的发电机22进行发电。在膨胀室e1、e2中膨胀后的工作介质w从喷出口14向壳体12的外部喷出。
根据本实施方式，由于在滚动轴承30b及32b的内侧区域，在驱动轴20上形成的工作介质导入孔66的周围安装有绝热套筒74，所以能够抑制工作介质w的热量向滚动轴承30b及32b传导。因此，能够防止滚动轴承30b、32b及滚动轴承30b、32b的内部封入的润滑脂的劣化，从而能够防止上述部分的寿命下降。另外，由于在壳体12的阶梯部26b及28b的外周面设有多个冷却片76，所以能够进一步提高滚动轴承30b及32b的冷却效果。
另外，由于形成有两列的膨胀室e1、e2，所以能够增加工作介质w的供给量，能够增大施加在驱动轴20上的转矩，所以能够增大发电机22的发电量。另外，由于在端板44的两侧形成有膨胀室e1、e2，所以能够使施加在驱动涡旋体34和从动涡旋体42上的推力抵消，从而能够简化驱动涡旋体34及从动涡旋体42的支承构造。
另外，由于驱动轴20由在双膨胀室e1、e2中贯通的单一且一体的驱动轴构成，所以不需要轴心对位，并且由于在所述贯通轴上设有工作介质导入孔66，所以能够形成密封性良好且不会发生温度下降所引起的事先膨胀的导入孔。由此，能够向双膨胀室e1、e2供给高压的工作介质w，涡旋膨胀机10A的输出不会下降。另外，由于驱动轴20由单一的贯通轴构成，所以径向孔68的定位变得容易，并且由于径向孔68的开口68在均等地跨着端板44的位置朝向间隙s开口，所以能够向膨胀室e1及e2均等地供给工作介质w。因此，只设置一个开口68a即可，所以能够减少径向孔68的加工工时。
另外，由于采用了简单结构的连动机构52，所以能够降低驱动涡旋体34或从动涡旋体42的旋转所需的转矩，相应地能够增加发电机22的发电量。另外，由于从动涡旋体42的毂部48a、48b与端板36a、36b经由臂49a、49b结合，所以不需要专利文献2那样的覆盖整个膨胀室形成部的壳体。因此，能够减轻从动涡旋体42的重量，所以能够减少从动涡旋体42的旋转所需的驱动力，相应地能够增加发电机22的发电量。需要说明的是，在本实施方式中，由于驱动轴20为贯通轴，所以膨胀室e1、e2的膨胀比无法取得大值，而在双燃料发电系统中不需要大的膨胀比。
(实施方式2)
接着，根据图3对本发明装置的第二实施方式进行说明。在本实施方式的涡旋膨胀机10B中，驱动轴分离成第一驱动轴20b和第二驱动轴20c。第一驱动轴20b与驱动涡旋体34的端板36a连结。第二驱动轴20c与驱动涡旋体34的端板36b连结。第一驱动轴20b和第二驱动轴20c以它们的中心轴线C5及C6相一致的方式配置。在端板36b的中心部设有使工作介质导入孔66和膨胀室e2连通的开口37，在端板44上设有使膨胀室e1和膨胀室e2连通的开口44b。其他结构与第一实施方式相同。
在所述结构中，高温高压的工作介质w从工作介质导入孔72及66经开口37导入膨胀室e2，进而从膨胀室e2经开口44b导入膨胀室e1。在进入到膨胀室e1、e2的工作介质w的膨胀力的作用下，第一驱动轴20b及第二驱动轴20c与驱动涡旋体34一起旋转。通过使驱动涡旋体34旋转，经由连动机构52使从动涡旋体42也以相对于驱动涡旋体34偏心的状态从动旋转。通过使驱动轴20b旋转，与驱动轴20b连接的发电机22进行发电。在膨胀室e1、e2中膨胀后的工作介质w从喷出口14向壳体外喷出。
根据本实施方式，由于在驱动涡旋体34及从动涡旋体42的中心部没有驱动轴，在此能够形成膨胀室e1及e2，所以能够增大工作介质w的膨胀比。因此，能够增大涡旋膨胀机10B的输出，从而能够增大发电机22的发电量。
产业上的可利用性
根据本发明，在双旋转型涡旋膨胀机中，当将高温高压的工作介质通过设在驱动轴上的导入孔而进行导入时，能够防止对驱动轴等进行支承并使其旋转的轴承的劣化。
Claims (5)
1.一种涡旋膨胀机，其特征在于，
所述涡旋膨胀机包括：驱动轴；在该驱动轴上一体地设置的驱动涡旋体；具有相对于该驱动轴的旋转轴线偏心的旋转轴线的从动涡旋体；使该驱动涡旋体和该从动涡旋体同步旋转的连动机构；将所述驱动轴及从动涡旋体支承为相对于固定框架旋转自如的轴承，
通过所述驱动涡旋体和所述从动涡旋体形成膨胀室，在所述驱动轴上设有向所述膨胀室的径向中心部开口的工作介质导入孔，且在所述轴承与该工作介质导入孔之间的区域设有包围该工作介质导入孔的绝热层。
2.根据权利要求1所述的涡旋膨胀机，其特征在于，
所述绝热层以其内表面与所述工作介质导入孔相面对的方式配置，且所述绝热层与该工作介质导入孔的和该绝热层邻接的区域无高低差地连接设置。
3.根据权利要求1所述的涡旋膨胀机，其特征在于，
所述固定框架为收容所述轴承的外壳，在该外壳的外表面形成有冷却片。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的涡旋膨胀机，其特征在于，
所述涡旋膨胀机设有收容所述驱动涡旋体及从动涡旋体的壳体，所述驱动轴由在所述壳体的内部区域贯通的单一且一体的驱动轴构成，
所述驱动涡旋体具有在所述从动涡旋体的两侧配置的两片第一端板、从该两片第一端板分别向内方突出的螺旋形状的第一卷板，所述从动涡旋体具有配置在所述两片第一端板间的第二端板、从该第二端板的两面突出的第二卷板，通过所述第一端板、第一卷板、第二端板及第二卷板在第二端板的两侧形成膨胀室。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的涡旋膨胀机，其特征在于，
所述驱动涡旋体具有在所述从动涡旋体的两侧配置的两片第一端板、从该两片第一端板向内方突出的螺旋形状的第一卷板，所述从动涡旋体具有配置在所述两片第一端板间的第二端板、从该第二端板的两面突出的第二卷板，通过所述第一端板、第一卷板、第二端板及第二卷板这些端板和卷板在第二端板的两侧形成两个膨胀室，
所述驱动轴由相互同轴配置的第一驱动轴及第二驱动轴构成，第一驱动轴及第二驱动轴中的一方与所述驱动涡旋体的两片第一端板的一方结合，第一驱动轴及第二驱动轴中的另一方与所述两片第一端板的另一方结合，在第一驱动轴或第二驱动轴上贯穿设有所述工作介质导入孔。
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