CN105569736B - 涡旋膨胀机 - Google Patents

Abstract

提供能够维持良好的旋转状态的涡旋膨胀机。作为工作介质而被供给蒸汽(V)的涡旋膨胀机(1)具备以第一轴线(A1)为旋转轴线的驱动涡旋体(6)、以相对于第一轴线(A1)偏心的第二轴线(A2)为旋转轴线的从动涡旋体(7)、具有与从动涡旋体(7)连结的一对板(21)且以第二轴线(A2)为旋转轴线的轴承板(8)、安装于驱动涡旋体(6)的圆筒状的驱动销(22)、安装于轴承板(8)且具有比驱动销(22)的外径大的内径的圆筒状的导向环(23)。驱动销(22)具有与导向环(23)的内周面(23a)接触的外周面(22s)。在外周面(22s)，形成有包含类金刚石碳的硬质膜(27)。导向环(23)的内周面(23a)由具有自润滑性的高分子树脂材料构成。

Description

涡旋膨胀机

技术领域

本发明涉及作为工作介质而被供给蒸汽的涡旋(scroll)膨胀机。

背景技术

涡旋流体机械通过使具有螺旋状的卷(lap)的涡旋体彼此相对地运动而使工作介质压缩或膨胀。涡旋膨胀机是涡旋流体机械的一种。涡旋膨胀机具有由一对涡旋体形成的膨胀室。涡旋膨胀机通过在膨胀室内使高压的工作介质膨胀，从而将该膨胀时的能量转换成旋转能量。作为这样的领域的技术，已知有专利文献1所记载的涡旋膨胀机。

专利文献1所记载的涡旋膨胀机具有固定涡旋和回旋涡旋。该回旋涡旋通过自转限制机构来限制自转运动，所以仅可以进行公转运动。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2011-252434号公报

但是，近年来，研究探讨小型的发电设备。涡旋膨胀机由于扭矩变动少且装置结构比较简单，所以期待作为能够适当地应用于小型发电设备的装置。对于向小型发电设备输入的能量源来说，例如，有从工厂等排出的蒸汽。蒸汽在膨胀过程中一部分产生凝结。凝结液在利用了润滑油的旋转部件间有可能妨碍良好的旋转状态。另外，对于旋转部件的支承来说有时会利用轴承。在此，如果轴承的数量多，则有可能增大机械的能量损耗。于是，对于涡旋膨胀机这样的旋转机械来说，从减少能量损耗的观点出发，要求具有转动体的轴承数量的减少、旋转部件间的良好的旋转状态的维持。

发明内容

本发明是有鉴于上述课题而完成的发明，其目的在于，提供一种能够维持良好的旋转状态的涡旋膨胀机。

本发明的一个方式是一种涡旋膨胀机，是作为工作介质而被供给蒸汽的涡旋膨胀机，具备：驱动涡旋体，其具有一对驱动端板及自驱动端板竖立设置的驱动卷，以第一轴线为旋转轴线；从动涡旋体，其具有从动端板及自从动端板竖立设置的从动卷，配置于一对驱动端板之间并且以相对于第一轴线偏心的第二轴线为旋转轴线；轴承板，其具有以夹着从动涡旋体的方式配置且与从动涡旋体连结的一对板，以第二轴线为旋转轴线；圆筒状的驱动销，其安装于驱动涡旋体，从驱动端板朝向轴承板突出；圆筒状的导向环，其安装于轴承板，具有比驱动销的外径大的内径，在与导向环的内周面接触的驱动销的外周面，形成有包含类金刚石碳的膜，导向环的内周面由具有自润滑性的高分子树脂材料构成。

本发明的一个方式所涉及的涡旋膨胀机具备驱动销和导向环。驱动销和导向环限制从动涡旋体相对于驱动涡旋体的相对的自转运动。再有，在驱动销的外周面与导向环的内周面抵接的状态下，在驱动销的外周面和导向环的内周面之间产生向内周面或外周面的切线方向的滑动。该滑动容许从动涡旋体相对于驱动涡旋体的相对的公转运动。根据该结构，涡旋膨胀机没有必要为了规定驱动涡旋体和从动涡旋体的相对运动而使用包含转动体的轴承。因此，涡旋膨胀机能够抑制机械的能量损耗的增大。另外，在驱动销的外周面形成有包含类金刚石碳的膜。导向环的内周面由具有自润滑性的高分子树脂材料构成。根据包含类金刚石碳的膜和具有自润滑性的高分子树脂材料的接触，获得了良好的滑动状态。另外，在驱动销和导向环之间存在凝结液的情况下，驱动销和导向环之间的摩擦系数减小，所以进一步抑制了机械的能量损耗的增大。因此，根据本发明的一个方式所涉及的涡旋膨胀机，能够维持良好的旋转状态。

在一个方式中，驱动销也可以具有凝结液供给部。凝结液供给部也可以向驱动销和导向环之间供给由蒸汽的凝结形成的凝结液。根据该凝结液供给部，由于在驱动销和导向环之间被供给有凝结液，所以驱动销和导向环的润滑状态变得良好。因此，根据凝结液供给部，能够适当地抑制伴随着驱动涡旋体和从动涡旋体的相对的旋转运动的机械的能量损耗的增大。

在一个方式中，驱动销及导向环的至少一方也可以具有凝结液保持部。凝结液保持部也可以将由蒸汽的凝结形成的凝结液保持在驱动销和导向环之间。根据该凝结液保持部，在驱动销和导向环之间保持有凝结液。该凝结液能够有助于驱动销和导向环的良好的润滑状态。因此，根据凝结液保持部，能够适当地抑制伴随着驱动涡旋体和从动涡旋体的相对的旋转运动的机械性的能量损耗的增大。

根据本发明的一个方式所涉及的涡旋膨胀机，能够维持良好的旋转状态。

附图说明

图1是本发明的一个方式所涉及的涡旋膨胀机的剖面图。

图2是表示驱动销及导向环的配置的正面图。

图3是将驱动销及导向环放大表示的剖面图。

图4A、图4B及图4C是将变形例所涉及的涡旋膨胀机的驱动销及导向环放大表示的剖面图。

符号的说明

1…涡旋膨胀机、2…外壳、3…输入驱动轴(驱动轴)、4…输出驱动轴(驱动轴)、6…驱动涡旋体、7…从动涡旋体、8…轴承板、9…联动机构、12…壳体、13…盖、14…油封、16…驱动端板、17…驱动卷、17a、17b…驱动卷部、18…从动端板、19…从动卷、21…板、22、22A、22B、22C…驱动销、22a、22b…凝结液供给孔(凝结液供给部)、22c…螺旋槽(凝结液供给部)、22d…凹窝(凝结液保持部)、23、23A…导向环、27…硬质膜、31、32…亲水膜(凝结液保持部)、100…发电系统、101…发电机、102…工作介质供给部、A1…第一轴线、A2…第二轴线、S1…收纳空间、S2…膨胀室、V…蒸汽、W…凝结液膜。

具体实施方式

以下，参照附图，详细地说明用于实施本发明的方式。在附图的说明中，对相同的要素标记相同的符号，省略重复的说明。

如图1所示，具有涡旋膨胀机1的发电系统100将涡旋膨胀机1作为动力源而驱动发电机101。在涡旋膨胀机1，从工作介质供给部102作为工作介质而被供给蒸汽V。作为该蒸汽V，例如可以举出水蒸汽、或兰金循环所使用的制冷剂。涡旋膨胀机1通过使所供给的蒸汽V在涡旋膨胀机1的内部膨胀，从而将膨胀时所产生的能量转换成旋转能量。涡旋膨胀机1经由驱动轴将旋转能量传递至发电机101。膨胀后的蒸汽V排出到涡旋膨胀机1的外部。排出的蒸汽V的温度比供给的蒸汽V的温度低。涡旋膨胀机1取出与供给时的蒸汽V的温度和排出时的蒸汽V的温度的温度差相对应的能量来作为旋转能量。

涡旋膨胀机1，作为主要的构成部件而具备外壳(housing)2、输入驱动轴3、输出驱动轴4、驱动涡旋体6、从动涡旋体7、轴承板8、以及联动机构9。

外壳2具有一对壳体(case)11、12。外壳2形成收纳空间S1。在收纳空间S1，收纳有驱动涡旋体6、从动涡旋体7、轴承板8、以及联动机构9。壳体11具有轴孔11a。在轴孔11a，穿通(插入)有输入驱动轴3。轴孔11a的中心轴线规定第一轴线A1。在壳体11，配置有驱动轴承11b以及从动轴承11c。驱动轴承11b旋转支承输入驱动轴3。从动轴承11c旋转支承轴承板8。驱动轴承11b的中心轴线与第一轴线A1一致。另一方面，从动轴承11c的中心轴线与第二轴线A2一致。第二轴线A2相对于第一轴线A1仅以距离t进行偏心。第二轴线A2由轴承保持部11f的中心轴线来规定。从动轴承11c嵌入到轴承保持部11f。在壳体11的开口端11d，安装有盖13。盖13是与工作介质供给部102的接口(interface)。在第一轴线A1的方向上，在驱动轴承11b和开口端11d之间，配置有油封14。壳体12具有与壳体11大致相同的构造。即，壳体12具有轴孔11a。在壳体12，配置有驱动轴承11b及从动轴承11c。另外，壳体12具有排出口11e。排出口11e排出膨胀后的蒸汽V。

输入驱动轴3穿通(插入)于壳体11的轴孔11a。因此，输入驱动轴3的旋转轴线与第一轴线A1一致。输入驱动轴3的一端安装于驱动涡旋体6。输入驱动轴3具有工作介质导入孔3a。工作介质导入孔3a导入蒸汽V。工作介质导入孔3a从输入驱动轴3的一端贯通到另一端。输出驱动轴4穿通(插入)于壳体12的轴孔11a。因此，输出驱动轴4的旋转轴线与第一轴线A1一致。输出驱动轴4的一端安装于驱动涡旋体6。另外，输出驱动轴4的另一端与发电机101连结。

驱动涡旋体6被收纳于收纳空间S1。驱动涡旋体6能够绕第一轴线A1旋转。驱动涡旋体6具有一对驱动端板16、以及一对驱动卷17。一对驱动端板16分别具有圆盘形状。在一方的驱动端板16的外周缘部16c，连结有另一方的驱动端板16的外周缘部16c。在一方的驱动端板16的外表面16a，安装有输入驱动轴3。另外，一方的驱动端板16具有工作介质导入孔16b。工作介质导入孔16b导入蒸汽V。工作介质导入孔16b与输入驱动轴3的工作介质导入孔3a连通。在另一方的驱动端板16的外表面16a，安装有输出驱动轴4。在驱动端板16的内表面16d，竖立设置有驱动卷17。驱动卷17具有螺旋形状或涡卷形状。即，驱动卷17配置于一对驱动端板16之间。上述的输入驱动轴3及输出驱动轴4经由驱动涡旋体6而被一体化。输入驱动轴3、输出驱动轴4及驱动涡旋体6绕第一轴线A1成为一体地进行旋转。

从动涡旋体7收纳于收纳空间S1。从动涡旋体7能够绕第二轴线A2旋转。从动涡旋体7具有从动端板18和从动卷19。从动端板18具有圆盘形状。从动端板18配置于驱动涡旋体6的驱动端板16之间。从动端板18相对于轴承板8被连结。在从动端板18的两个面，在朝向驱动端板16的方向上竖立设置有从动卷19。从动卷19具有螺旋形状或涡卷形状。驱动端板16、从动端板18、驱动卷17及从动卷19形成膨胀室S2。用于使蒸汽V膨胀的膨胀室S2具有螺旋形状或涡卷形状。

轴承板8能够绕第二轴线A2旋转地支承从动涡旋体7。轴承板8具有一对板21。板21具有大致圆盘形状。一对板21在第一轴线A1(或第二轴线A2)的方向上分别配置于驱动端板16和壳体11、12之间。即，轴承板8以夹着驱动涡旋体6及从动涡旋体7的方式配置。板21的外周缘部相对于从动端板18的外周缘部被连结。板21具有旋转轴部21a。旋转轴部21a的旋转中心轴为第二轴线A2。旋转轴部21a形成于与壳体11相对的板21的表面侧。旋转轴部21a与从动轴承11c嵌合。因此，轴承板8和从动涡旋体7绕第二轴线A2进行旋转。该从动涡旋体7与轴承板8连结。

联动机构9使驱动涡旋体6和从动涡旋体7联动。具体来说，联动机构9使驱动涡旋体6和从动涡旋体7互相同步旋转。联动机构9具有驱动销22和导向环23。驱动销22安装于驱动涡旋体6。导向环23安装于轴承板8。如图2所示，涡旋膨胀机1具有三个联动机构9。联动机构9沿着围绕第一轴线A1的圆周方向大致等间隔地配置。在与第一轴线A1平行的假想轴线上，配置有联动机构9。一方的联动机构9配置于输入驱动轴3侧。另一方的联动机构9配置于输出驱动轴4侧。

如图3所示，驱动销22的一端侧安装于驱动涡旋体6的驱动端板16。驱动销22的另一端侧配置于导向环23内。驱动销22具有销部24和凸缘部26。销部24具有沿着第一轴线A1的方向延伸的圆柱形状。凸缘部26形成于驱动销22的一端侧。销部24和凸缘部26形成为一体。驱动销22由金属材料(例如，SUS303材料)构成。销部24的一端被嵌入到驱动端板16的凹部。凸缘部26例如通过螺栓而固定于驱动端板16的外表面16a。销部24的另一端侧配置于导向环23内。

销部24的另一端侧的外周面22s与导向环23的内周面23a接触。外周面22s具有硬质膜27。硬质膜27主要通过由碳化氢或碳的同位体构成的非结晶(非晶质)材料而被形成。具体来说，硬质膜27为类金刚石碳(Diamond-Like Carbon：DLC)。硬质膜27的膜厚例如为1μm以上且5μm以下。由类金刚石碳构成的硬质膜27相对于驱动销22中的与导向环23的接触部分赋予润滑性及耐磨损性。硬质膜27除了作为主成分的碳化氢或碳的同位体以外，作为添加材料还可以包含其它成分。在形成硬质膜27时，例如，使用等离子体CVD法或PVD法。

驱动销22具有作为凝结液供给部的凝结液供给孔22a。凝结液供给孔22a将蒸汽V或凝结液引导至导向环23的内部。凝结液供给孔22a向导向环23和驱动销22之间供给凝结液。在蒸汽V是水蒸汽的情况下，凝结液为水。凝结液供给孔22a是从销部24的一端面贯通至另一端面的贯通孔。销部24的一端侧被嵌入到驱动端板16。凝结液供给孔22a在销部24的一端侧与驱动端板16的凝结液供给孔16e连通。膨胀室S2经由凝结液供给孔16e及凝结液供给孔22a而与导向环23的内部相连。因此，膨胀室S2内的蒸汽V或凝结液被导入到导向环23的内部。此外，优选在导向环23内，膨胀后的蒸汽V被导入。因此，驱动端板16的凝结液供给孔16e可以设置于与在驱动卷17之间形成的空间S2a连通的位置。所谓空间S2a，是驱动涡旋体6的最外周的驱动卷部17a和与驱动卷部17a邻接的驱动卷部17b之间的空间。另外，具有与凝结液供给孔16e连通的凝结液供给孔22a的驱动销22可以安装于驱动端板16上的与凝结液供给孔16e同样的位置。具体来说，以凝结液供给孔16e的轴线配置于驱动卷部17a、17b之间的方式，将驱动销22安装于驱动端板16。

导向环23安装于板21的内表面21b。板21的内表面21b与驱动涡旋体6的外表面16a面对面。导向环23由具有自润滑性的高分子树脂材料构成。对于高分子树脂材料而言，可以举出聚醚醚酮(PEEK)树脂。此外，导向环23也可以为聚苯硫醚(PPS)树脂。导向环23具有圆筒形状。导向环23具有环部28和凸缘部29。凸缘部29在环部28的一端侧形成。环部28嵌入到板21的凹部。凸缘部29通过螺栓而固定于板21。环部28具有导向孔23b。在导向孔23b，配置有驱动销22。导向孔23b由内周面23a划分。导向孔23b的内径比驱动销22的销部24的外径大。驱动销22的中心轴线相对于导向环23的中心轴线偏心。该偏心量与第二轴线A2相对于第一轴线A1的偏心量(距离t：参照图1)相同。因此，驱动销22的硬质膜27与环部28的内周面23a接触。

如图1所示，在具有上述结构的涡旋膨胀机1，从工作介质供给部102经由盖13而被供给蒸汽V。蒸汽V经由盖13的贯通孔及输入驱动轴3的工作介质导入孔3a而导入到膨胀室S2。被导入到膨胀室S2的蒸汽V在由驱动卷17及从动卷19形成的空间膨胀。然后，蒸汽V从膨胀室S2的中心朝向外周移动。从膨胀室S2排出到外壳2内的蒸汽V从排出口11e排气。通过该膨胀而产生从动涡旋体7相对于驱动涡旋体6的相对的公转运动(回旋运动)。该公转运动，从外壳2观察时，能看见驱动涡旋体6绕第一轴线A1的旋转运动和从动涡旋体7绕第二轴线A2的旋转运动。因此，安装于驱动涡旋体6的输出驱动轴4围绕第一轴线A1旋转。该输出驱动轴4的旋转运动被传递至发电机101。

该涡旋膨胀机1通过驱动销22和导向环23，限制从动涡旋体7相对于驱动涡旋体6的相对的自转运动并且容许相对的公转运动。基于该原理的涡旋膨胀机1简单且构成要素少。因此，降低了制造成本。再有，驱动销22和导向环23限制从动涡旋体7相对于驱动涡旋体6的相对的自转运动。再有，在驱动销22的外周面22s与导向环23的内周面23a抵接的状态下，在驱动销22的外周面22s和导向环23的内周面23a之间产生向内周面23a或外周面22s的切线方向的滑动。该滑动容许从动涡旋体7相对于驱动涡旋体6的公转运动。因此，涡旋膨胀机1没有必要为了规定驱动涡旋体6和从动涡旋体7的相对的运动而使用包含转动体的轴承。因此，涡旋膨胀机1能够抑制机械的能量损耗的增大。另外，在驱动销22的外周面22s形成有包含类金刚石碳的硬质膜27。导向环23由聚醚醚酮树脂构成。根据这些硬质膜27和聚醚醚酮树脂的接触，获得了良好的滑动状态。因此，能够遍及长期间地实现低摩耗且稳定的回旋动作。另外，在驱动销22和导向环23之间存在凝结液的情况下，减小了驱动销22和导向环23的摩擦系数，所以，机械的能量损耗进一步减少。因此，根据涡旋膨胀机1，可以维持良好的旋转状态。

驱动销22具有凝结液供给孔22a。凝结液供给孔22a向驱动销22和导向环23之间供给由蒸汽V的凝结形成的凝结液。根据凝结液供给孔22a，通过膨胀室S2中的蒸汽V的膨胀压，朝向驱动销22的前端侧的开口强制性地供给蒸汽V或凝结液。因此，向驱动销22和导向环23之间强制性地供给凝结液。根据该凝结液，驱动销22和导向环23的润滑状态变得良好，所以，可以减少伴随着从动涡旋体7相对于驱动涡旋体6的相对的旋转运动的机械的能量损耗。再有，根据稳定的凝结液的供给，可以减少必要动力及工作噪声。总之，涡旋膨胀机1将通过被蒸汽化的气体由膨胀而被凝结从而生成的凝结液用作润滑剂。

以上，对本发明的一个实施方式进行了说明，但是，本发明不限于上述实施方式，也可以在不变更各权利要求所记载的要旨的范围内进行变形。

例如，如图4A所示，驱动销22A除了凝结液供给孔22a以外，也可以具有作为凝结液供给部的其他的凝结液供给孔22b。凝结液供给孔22b沿着驱动销22A的直径方向从凝结液供给孔22a延伸到外周面22s。根据凝结液供给孔22b，能够直接对驱动销22A的外周面22s供给蒸汽V或凝结液。驱动销22A与驱动涡旋体6一起绕第一轴线A1旋转。因此，利用旋转所产生的离心力，可以高效地从凝结液供给孔22b向外周面22s供给蒸汽V或凝结液。因此，在驱动销22A和导向环23之间，被稳定且连续地供给作为润滑液的凝结液，所以可以保持良好的润滑状态。

另外，驱动销22A除了凝结液供给孔22a、22b以外，也可以具有作为凝结液供给部的螺旋槽22c。螺旋槽22c被形成于与导向环23的内周面23a接触的外周面22s。根据该结构，从膨胀室S2排出的膨胀后的蒸汽V在驱动销22A的周围凝结时，通过毛细管现象而可以将蒸汽V或凝结液遍布螺旋槽22c的整体。因此，在驱动销22A和导向环23之间被稳定且连续地供给作为润滑液的凝结液，所以能够保持良好的润滑状态。

如图4B所示，驱动销22B也可以具有作为凝结液保持部的凹窝(dimple)22d。凹窝22d保持在驱动销22B和导向环23的接触界面产生的凝结液膜W。如图4C所示，驱动销22C也可以具有形成于驱动销22C的外周面22s上的亲水膜31。具体来说，亲水膜31在硬质膜27上形成。另外，导向环23A也可以具有形成于导向环23A的内周面23a的亲水膜32。涡旋膨胀机1可以具有这些亲水膜31、32双方，也可以具有任意一方。即，涡旋膨胀机1只要是具有亲水膜31、32的至少一方即可。根据这些凹窝22d及亲水膜31、32，抑制了作为润滑液的凝结液膜W的飞溅，所以能够保持良好的润滑状态。

Claims (3)

1.一种涡旋膨胀机，其特征在于，

是作为工作介质而被供给蒸汽的涡旋膨胀机，

具备：

驱动涡旋体，其具有一对驱动端板及自所述驱动端板竖立设置的驱动卷，以第一轴线为旋转轴线；

从动涡旋体，其具有从动端板及自所述从动端板竖立设置的从动卷，配置于一对所述驱动端板之间并且以相对于所述第一轴线偏心的第二轴线为旋转轴线；

轴承板，其具有以夹着所述从动涡旋体的方式配置且与所述从动涡旋体连结的一对板，以所述第二轴线为旋转轴线；

圆筒状的驱动销，其安装于所述驱动涡旋体，从所述驱动端板朝向所述轴承板突出；以及

圆筒状的导向环，其安装于所述轴承板，具有比所述驱动销的外径大的内径，

在与所述导向环的内周面接触的所述驱动销的外周面，形成有包含类金刚石碳的膜，

所述导向环的内周面由具有自润滑性的高分子树脂材料构成。

2.根据权利要求1所述的涡旋膨胀机，其特征在于，

所述驱动销具有凝结液供给部，

所述凝结液供给部向所述驱动销和所述导向环之间供给由所述蒸汽的凝结形成的凝结液。

3.根据权利要求1或2所述的涡旋膨胀机，其特征在于，

所述驱动销及所述导向环中的至少一方具有凝结液保持部，

所述凝结液保持部将由所述蒸汽的凝结形成的凝结液保持于所述驱动销和所述导向环之间。