JP2006170035A - 膨張機及びこれを用いたランキンシステム - Google Patents

Abstract

【課題】別体の発電機を他の動力伝達機構を介して連結する必要がなく、しかも二つの膨張機構の流通経路を外部配管を用いることなく切換えることのできる膨張機及びこれを用いたランキンシステムを提供する。
【解決手段】膨張機本体２ａの一端側に第１の発電機２ｄを一体に設けるとともに、その他端側には第２の発電機２ｅを一体に設けたので、別体の発電機を動力伝達機構を介して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、膨張機本体２ａに設けた第１、第２及び第３の開閉弁１５，１６，１７により、第１及び第２の膨張機構２ｂ，２ｃを互いに直列に連通する流通経路と、第１及び第２の膨張機構２ｂ，２ｃの何れか一方のみに作動流体を流通する流通経路とを外部配管を用いることなく切換えることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば太陽光等の自然界で発生する熱、内燃機関やボイラの廃熱、工場廃熱等を熱源として蒸発した流体によって動力を発生する膨張機及びこれを用いたランキンシステムに関するものである。

従来、この種のランキンシステムとしては、作動流体を所定の熱源により加熱して蒸発させる蒸発器と、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タービン等の動力発生機と、動力発生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蒸発器側に吐出するポンプとを備え、動力発生機によって発電機を駆動するとともに、凝縮器を流通する作動流体の熱により給湯や暖房に用いる温水を生成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。）。

前記ランキンシステムでは、一台の膨張機で発電を行う場合、発電能力が不足する場合が多く、しかも膨張機の回転数が高回転になり易いため、膨張機への負荷が過大になるという問題点がある。

また、二台の発電機に連結された二台の膨張機を直列に接続し、一方の膨張機で膨張した流体を一方の膨張機から他方の膨張機に流入させ、他方の膨張機で更に膨張させることにより、各膨張機によって各発電機を駆動するようにしたものも提案されている。

更に、給湯能力の不足時に給湯側への作動流体の熱量を増加させたい場合など、一方の膨張機のみを使用できるように他方の膨張機の流入側にバイパス回路を接続したものが提案されている。

また、互いに同軸に連結された二つの膨張機構を一体に備え、各膨張機構によって発電機を駆動することにより、二台分の膨張機の能力を備えつつ小型化を可能としたスクロール型膨張機が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
特開２００４−６０５５０号公報 特開２００２−１７４１８６号公報

しかしながら、前述のように二台の膨張機を用いる場合には、一台の膨張機を用いる場合に比べて発電能力を高めることができるが、膨張機の台数が多くなるとともに、各膨張機を直列に接続するための回路と、他方の膨張機をバイパスするための回路をそれぞれ外部配管によって構成しているため、システム全体が大型化するという問題点があった。

また、二つの膨張機構を一体に備えた膨張機では、二つの膨張機構を互いに同軸に連結しているため、例えば給湯能力の不足時に一方の膨張機構のみの運転に切換えることができず、発電と給湯の使用状況に的確に対応することができないという問題点があった。

更に、何れの膨張機においても、膨張機に別途発電機を連結しているため、膨張機及び発電機の設置スペースをそれぞれ必要とし、発電装置全体として十分な小型化を図ることができないという問題点があった。この場合、膨張機と発電機とを別部品からなる回転軸や歯車等の他の動力伝達機構を介して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もあった。

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、別体の発電機を他の動力伝達機構を介して連結する必要がなく、しかも二つの膨張機構の流通経路を外部配管を用いることなく切換えることのできる膨張機及びこれを用いたランキンシステム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、膨張機本体の一端側に配置され、膨張機本体内の一端側に流入した流体の膨張により回転軸を回転させる第１の膨張機構と、膨張機本体の他端側に配置され、膨張機本体内の他端側に流入した流体の膨張により回転軸を回転させる第２の膨張機構とを備えた膨張機において、前記膨張機本体の一端側に一体に設けられ、第１の膨張機構の回転軸によって駆動される第１の発電機と、膨張機本体の他端側に一体に設けられ、第２の膨張機構の回転軸によって駆動される第２の発電機とを備え、前記膨張機本体には、第１の膨張機構側に流体を流入させる第１の流入口と、第１の膨張機構側から流体を流出させる第１の流出口と、第２の膨張機構側に流体を流入させる第２の流入口と、第２の膨張機構側から流体を流出させる第２の流出口と、第１の膨張機構の流出側と第２の膨張機構の流入側とを連通する連通路と、第２の流入口を開閉する第１の開閉弁と、第１の流出口を開閉する第２の開閉弁と、連通路を開閉する第３の開閉弁とを設けている。

これにより、膨張機本体の一端側及び他端側にそれぞれ第１及び第２の膨張機構によって駆動される第１及び第２の発電機が一体に設けられることから、別体の発電機を動力伝達機構を介して連結する必要がない。この場合、第１の開閉弁及び第２の開閉弁を閉鎖し、第３の開閉弁を開放すると、作動流体が第１の流入口から第１の膨張機構に流入するとともに、第１の膨張機構から流出した作動流体が連通路を介して第２の膨張機構に流入し、第２の流出口から外部に流出することから、外部配管によって接続することなく各膨張機構を互いに直列に連通することができる。また、第１の開閉弁及び第３の開閉弁を閉鎖し、第２の開閉弁を開放することにより、作動流体が第１の流入口から第１の膨張機構に流入し、第１の膨張機構から流出した作動流体が第１の流出口から外部に流出することから、外部配管によってバイパスさせることなく第１の膨張機構のみに作動流体を流通させることができる。更に、第１の開閉弁を開放し、第２の開閉弁及び第３の開閉弁を閉鎖することにより、作動流体が第２の流入口から第２の膨張機構に流入し、第２の膨張機構から流出した作動流体が第２の流出口から外部に流出することから、外部配管によってバイパスさせることなく第２の膨張機構のみに作動流体を流通させることができる。

また、本発明は前記目的を達成するために、作動流体を所定の熱源により加熱して蒸発させる蒸発器と、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動力発生機と、動力発生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蒸発器側に吐出するポンプとを備え、動力発生機を駆動源として発電を行うランキンシステムにおいて、前記動力発生機として前記構成の膨張機を用いている。

これにより、動力発生機として前記構成の膨張機が用いられることから、前述と同様、膨張機に別体の発電機を動力伝達機構を介して連結する必要がなく、しかも二つの膨張機構を互いに直列に連通する流通経路と、何れか一方の膨張機構のみに流通する流通経路とを外部配管を用いることなく切換えることが可能となる。

本発明によれば、二つの膨張機構のうち一方の膨張機構による運転をバイパス回路を用いることなく行うことができるので、システム全体の小型化を図ることができるとともに、使用状況に的確に対応することができる。また、別体の発電機を動力伝達機構を介して連結する必要がないので、構造の簡素化及び低コスト化を図ることができる。

図１乃至図７は本発明の一実施形態を示すもので、図１は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はロータ及び磁石の正面図、図４はランキンシステムの概略構成図、図５乃至図７は作動流体の流通経路を示す膨張機の要部側面断面図である。

本実施形態のランキンシステムは、作動流体を蒸発させる蒸発器１と、蒸発器１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動力発生機としての膨張機２と、膨張機２から流出する作動流体を凝縮させる凝縮器３と、凝縮器３から流出した作動流体を吸入して蒸発器１側に吐出するポンプ４と、凝縮器３に作動流体と熱交換する熱媒体を流通する熱媒体回路５と、蒸発器１の下流側流路から分岐するバイパス流路６と、熱媒体回路５を流通する熱媒体の加熱によって温水を生成する流体加熱手段としての給湯器７と、給湯器７内の流体を加熱可能な補助ヒータ８とを備え、膨張機２を駆動源として発電するようになっている。

蒸発器１は内部を流通する作動流体を外部の熱媒体（水、ブライン等）との熱交換によって蒸発させるように構成され、熱媒体は図示しない所定の熱源（例えば太陽光等の自然エネルギー、工場廃熱等）から熱媒体回路１ａを介して供給されるようになっている。

膨張機２は後述するスクロール型膨張機からなり、作動流体の流入側を蒸発器１に接続され、その流出側を凝縮器３に接続されている。

凝縮器３は内部を流通する作動流体を熱媒体回路５の熱媒体（水、ブライン等）との熱交換によって凝縮させるように構成されている。

ポンプ４は作動流体を圧送する周知の機器からなり、蒸発器１と凝縮器３との間に設けられている。

熱媒体回路５は凝縮器３及び給湯器７に熱媒体を循環するように構成され、凝縮器３の流入側には熱媒体循環用のポンプ５ａが設けられている。

バイパス流路６は一端を蒸発器１と膨張機２との間の流路に接続され、その他端は凝縮器３の上流側に接続されている。バイパス流路６の一端には流路切換弁としての三方弁６ａが設けられ、蒸発器１から流出した作動流体を三方弁６ａによって膨張機２側及びバイパス流路６側の何れか一方に流通させるようになっている。

給湯器７は、温水Ａを貯溜するタンク７ａと、タンク７ａ内に配設された熱媒体回路５の一部からなる加熱部７ｂと、タンク７ａ内の温水を外部に吐出する吐出弁７ｃとから構成され、吐出弁７ｃから所定温度の温水を任意に吐出可能になっている。

補助ヒータ８は給湯器７のタンク７ａ内に設けられた電熱線からなり、図示しない電源から任意に通電可能になっている。

次に、前記ランキンシステムに用いる膨張機２について説明する。即ち、この膨張機２は、中空状に形成された膨張機本体２ａと、膨張機本体２ａの一端側に配置された第１の膨張機構２ｂと、膨張機本体２ａの他端側に配置された第２の膨張機構２ｃと、膨張機本体２ａの一端側に配置された第１の発電機２ｄと、膨張機本体２ａの他端側に配置された第２の発電機２ｅとを備えている。

膨張機本体２ａは、軸方向両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の両端開口部をそれぞれ閉塞する一対の第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。

第１のハウジング１１の軸方向中央側の上部には、第１の膨張機構２ｂ側に流体を流入させる第１の流入口１１ａと、第２の膨張機構２ｃ側に流体を流入させる第２の流入口１１ｂが設けられ、第１及び第２の流入口１１ａ，１１ｂは互いに膨張機本体２ａの軸方向に近接して配置されている。また、第１のハウジング１１の軸方向中央側の下部には、第１の膨張機構２ｂ側から流体を流出させる第１の流出口１１ｃと、第２の膨張機構２ｃ側から流体を流出させる第２の流出口１１ｄが設けられ、第１及び第２の流出口１１ｃ，１１ｄは互いに膨張機本体２ａの軸方向に近接して配置されている。第１のハウジング１１内はその軸方向中央に設けた仕切壁１１ｅによって軸方向一端側と他端側に仕切られており、仕切壁１１ｅの軸方向一端側と他端側にはそれぞれ第１及び第２の流入口１１ａ，１１ｂに連通する流入室１１ｆが設けられている。第１のハウジング１１の周面側には、一端側を第１及び第２の膨張機構２ｂ，２ｃの流出側にそれぞれ連通する流出路１１ｇが設けられ、各流出路１１ｇの他端側は第１及び第２の流出口１１ｃ，１１ｄにそれぞれ連通している。また、第１のハウジング１１には、第１の膨張機構２ｂの流出路１１ｇと第２の膨張機構２ｃの流入室１１ｆとを連通する連通路１１ｈが設けられている。更に、第１のハウジング１１には、第１及び第２の流入口１１ａ，１１ｂに連通する第１の配管接続部材１３が取付けられており、第１の配管接続部材１３には外部配管が接続される一つの接続口１３ａが設けられている。また、第１のハウジング１１には第１及び第２の流出口１１ｃ，１１ｄに連通する第２の配管接続部材１４が取付けられており、第２の配管接続部材１４には外部配管が接続される一つの接続口１４ａが設けられている。更に、第１のハウジング１１には、第２の流入口１１ｂを開閉する第１の開閉弁１５と、第１の流出口１１ｃを開閉する第２の開閉弁１６と、連通路１１ｈを開閉する第３の開閉弁１７が設けられている。この場合、各開閉弁１５，１６，１７は、例えばソレノイド等の駆動機構によって自動で開閉するように構成されたものでもよいが、手動で開閉するものであってもよい。

第１及び第２の膨張機構２ｂ，２ｃは、膨張機本体２ａ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とからそれぞれ構成されている。この場合、膨張機２においては、第１の膨張機構２ｂの流出量と第２の膨張機構２ｃの流入量が互いに同等になるように構成されている。また、膨張機２においては、第１の膨張機構２ｂにおける流入量と流出量の比（容積比）と第２の膨張機構２ｃにおける流入量と流出量の比とが互いに異なるように構成され、例えば第１の膨張機構２ｂの容積比は１：５、第２の膨張機構２ｃの容積比は１：３に設定されている。

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の径方向中央には第１のハウジング１１の流入室１１ｆの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。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。

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。

第１及び第２の発電機２ｄ，２ｅは、膨張機本体２ａ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。

以上のように構成された膨張機２においては、第１または第２の膨張機構２ｂ，２ｃの流入室１１ｆに流入した作動流体が流通孔２０ｂ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間で膨張し、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。第１及び第２の膨張機構２ｂ，２ｃの出力シャフト４０が回転すると、第１及び第２の発電機２ｄ，２ｅのロータ５３がそれぞれ出力シャフト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。

次に、前記ランキンシステムの動作について説明する。即ち、前記ランキンシステムにおいて発電及び給湯を行う場合は、第２の三方弁６ａによって蒸発器１の下流側を膨張機２に連通する。その際、膨張機２の第１の開閉弁１５及び第２の開閉弁１６を閉鎖し、第３の開閉弁１７を開放すると、図５に示すように膨張機本体２ａに流入する作動流体が第１の流入口１１ａから第１の膨張機構２ｂの流入室１１ｆに流入し、第１の膨張機構２ｂで膨張した後、第１の膨張機構２ｂから流出する。第１の膨張機構２ｂから流出した作動流体は、流出路１１ｇ及び連通路１１ｈを介して第２の膨張機構２ｃの流入室１１ｆに流入し、第２の膨張機構２ｃで膨張した後、第２の流出口１１ｄから外部に流出する。これにより、各膨張機構２ｂ，２ｃが作動流体の膨張により回転し、膨張機２の第１及び第２の発電機２ｄ，２ｅが駆動される。膨張機２から流出した作動流体は凝縮器３に流入し、凝縮器３によって凝縮する。その際、凝縮器３内を流通する作動流体は熱媒体回路５の熱媒体と熱交換され、この熱交換により加熱された熱媒体が熱媒体回路５を介して給湯器７の加熱部７ｂを流通し、タンク７ａ内の温水Ａが加熱部７ｂを流通する熱媒体によって加熱される。その際、補助ヒータ８を作動することにより、補助ヒータ８によってもタンク７ａ内の温水Ａが加熱される。一方、凝縮器３から流出した作動流体はポンプ４に吸入されて蒸発器１側に吐出され、蒸発器１によって再び蒸発する。

また、前記発電及び給湯を行う際、膨張機２の第１の開閉弁１５及び第３の開閉弁１７を閉鎖し、第２の開閉弁１６を開放すると、図６に示すように膨張機本体２ａに流入する作動流体が第１の膨張機構２ｂのみに流入し、第１の膨張機構２ｂから流出した作動流体は第１の流出口１１ｃから外部に流出する。これにより、第１の発電機２ｄのみによる発電が行われ、各膨張機構２ｂ，２ｃの両方で作動流体を膨張させる場合よりも膨張機２の流出側の温度が高くなり、熱媒体回路５の熱媒体に加わる熱量が増加する。また、第１の開閉弁１６を開放し、第２の開閉弁１６及び第３の開閉弁１７を閉鎖すると、図７に示すように膨張機本体２ａに流入する作動流体が第２の膨張機構２ｃのみに流入し、第２の膨張機構２ｃから流出した作動流体は第２の流出口１１ｄから外部に流出する。これにより、第２の発電機２ｅのみによる発電が行われる。この場合、第１及び第２の膨張機構２ｂ，２ｃは互いに容積比が異なるため、必要とされる発電能力及び給湯能力に応じて何れか一方の膨張機構２ｂ，２ｃを選択することが可能である。

更に、前記ランキンシステムにおいて給湯のみを行う場合は、三方弁６ａによって蒸発器１の下流側をバイパス流路６に連通する。これにより、蒸発器１から流出した作動流体がバイパス流路６を介して凝縮器３の上流側に流入し、凝縮器３で加熱された熱媒体が熱媒体回路５を介して給湯器７の加熱部７ｂを流通し、タンク７ａ内の温水Ａが加熱部６ｂを流通する熱媒体によって加熱される。その際、補助ヒータ８を作動することにより、補助ヒータ８によってもタンク７ａ内の温水Ａが加熱される。

このように、本実施形態の膨張機によれば、膨張機本体２ａの一端側に第１の発電機２ｄを一体に設けるとともに、その他端側には第２の発電機２ｅを一体に設けたので、別体の発電機を動力伝達機構を介して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。この場合、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、ランキンシステム全体の小型化を図ることができる。

更に、膨張機本体２ａの第１の開閉弁１５及び第２の開閉弁１６を閉鎖し、第３の開閉弁１７を開放することにより、作動流体を第１の流入口１１ａから第１の膨張機構２ｂに流入させるとともに、第１の膨張機構２ｂから流出した作動流体を連通路１１ｈを介して第２の膨張機構２ｃに流入させ、第２の流出口１１ｄから外部に流出させるようにしたので、外部配管によって接続することなく各膨張機構２ｂ，２ｃを互いに直列に連通させることができ、システム全体の小型化を図ることができる。この場合、膨張機本体２ａに設けた各開閉弁１５，１６，１７によって作動流体の流通経路を切換えることができるので、例えば外部の配管に高価な三方弁や電磁弁を設けた場合に比べてコストを低減することができる。

また、膨張機本体２ａの第１の開閉弁１５及び第３の開閉弁１７を閉鎖し、第２の開閉弁１６を開放することにより、作動流体を第１の流入口１１ａから第１の膨張機構２ｂに流入させ、第１の膨張機構２ｂから流出した作動流体を第１の流出口１１ｃから外部に流出させるようにしたので、外部配管によってバイパスさせることなく第１の膨張機構２ｂのみに作動流体を流通させることができ、システム全体の小型化に極めて有利である。

更に、膨張機本体２ａの第１の開閉弁１５を開放し、第２の開閉弁１６及び第３の開閉弁１７を閉鎖することにより、作動流体を第２の流入口１１ｂから第２の膨張機構２ｃに流入させ、第２の膨張機構２ｃから流出した作動流体を第２の流出口１１ｄから外部に流出させるようにしたので、前述と同様、外部配管によってバイパスさせることなく第２の膨張機構２ｃのみに作動流体を流通させることができ、システム全体の小型化に極めて有利である。

また、第１の膨張機構２ｂの流出量と第２の膨張機構２ｃの流入量が互いに同等になるように構成したので、第１の膨張機構２ｂと第２の膨張機構２ｃとを合わせた全体の容積比を大きくすることができ、発電効率の向上を図ることができる。この場合、第１の膨張機構２ｂの流出量と第２の膨張機構２ｃの流入量が互いに同等であるため、作動流体を第１の膨張機構２ｂの流入側から第２の膨張機構２ｃの流出側まで膨張率を変動させることなく流通させることができ、第１及び第２の発電機２ｄ，２ｅの回転数をほぼ均一にすることができる。即ち、同一容積比の膨張機を直列に接続した場合のように、各発電機の回転アンバランスにより一方の発電機のみが高回転になることがなく、耐久性の面で好都合である。

更に、第１の膨張機構２ｂの容積比と第２の膨張機構２ｃの容積比とが互いに異なるように構成したので、第１の膨張機構２ｂのみに作動流体を流通する場合と、第２の膨張機構２ｃのみに作動流体を流通する場合において、それぞれ発電機２ｄ，２ｅの回転数や作動流体の流出温度が異なるようにすることができる。これにより、第１及び第２の膨張機構２ｂ，２ｃの一方のみを用いる場合、必要とされる発電能力や給湯能力に応じて膨張機構２ｂ，２ｃを選択することができ、使用状況に応じた最適な運転が可能となる。

また、膨張機本体２ａの第１及び第２の流入口１１ａ，１１ｂを互いに近接して配置し、第１及び第２の流出口１１ｃ，１１ｄを互いに近接して配置したので、流入側の外部配管及び流出側の外部配管を容易に接続することができる。この場合、流入側配管との接続口１３ａを第１及び第２の流入口１１ａ，１１ｂのそれぞれに連通するように形成し、流出側配管の接続口１４ａを第１及び第２の流出口１１ｃ，１１ｄのそれぞれに連通するように形成したので、外部配管を分岐させずに接続することができ、配管の簡素化を図ることができる。

更に、第１及び第２の発電機２ｄ，２ｅを、膨張機本体２ａ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とからそれぞれ構成したので、構造の簡単な磁石発電機を一体に構成することができ、小型化及び低コスト化に極めて有利である。

また、第１及び第２の膨張機構２ｂ，２ｃを、膨張機本体２ａ内に配置された固定スクロール部材２０と、固定スクロール部材２０との間に流入した流体の膨張によって偏心揺動することにより出力シャフト４０を回転させる可動スクロール部材３０とからそれぞれ構成したので、小型で効率のよいスクロール型膨張機を構成することができ、実用化に際して極めて有利である。

また、本実施形態のランキンシステムは、凝縮器３に作動流体と熱交換する熱媒体を流通する熱媒体回路５と、熱媒体回路５を流通する熱媒体によってタンク７ａ内の温水Ａを加熱する給湯器７とを備えているので、凝縮器３の作動流体から吸収した凝縮熱を利用して給湯器７の温水Ａを生成することができ、作動流体の熱を発電及び給湯にそれぞれ効率的に利用することができる。

更に、蒸発器１から流出した作動流体を三方弁６ａにより流路を切換えてバイパス流路６に流通させることにより、膨張機２を介さずに凝縮器３に流入させるようにしたので、膨張機２から流出する作動流体よりも高温の作動流体によって給湯器７の温水Ａを加熱することができ、必要な温度の温水を迅速に生成することができる。

尚、前記実施形態では、膨張機２としてスクロール型の構成からなるものを示したが、例えばピストン及び傾斜板を用いたレシプロ型膨張機等、他のタイプの膨張機と同等の構造によって第１及び第２の膨張機構を構成することも可能である。

また、前記実施形態では、流体加熱手段としての給湯器７を備えたランキンシステムを示したが、例えば暖房用の空気を加熱する熱交換器など、他の流体を加熱する流体加熱手段を備えたランキンシステムであってもよい。

更に、前記実施形態では、発電及び給湯を行うランキンシステムに膨張機２を用いたものを示したが、発電のみを行うものに用いるようにしてもよい。

本発明の一実施形態を示す膨張機の側面断面図 膨張機の要部分解側面断面図 ロータ及び磁石の正面図 本発明の膨張機を用いたランキンシステムの概略構成図 作動流体の流通経路を示す膨張機の要部側面断面図 作動流体の流通経路を示す膨張機の要部側面断面図 作動流体の流通経路を示す膨張機の要部側面断面図

符号の説明

１…蒸発器、２…膨張機、２ａ…膨張機本体、２ｂ…第１の膨張機構、２ｃ…第２の膨張機構、２ｄ…第１の発電機、２ｅ…第２の発電機、３…凝縮器、４…ポンプ、５…熱媒体回路、６…バイパス回路、６ａ…三方弁、７…給湯器、１１ａ…第１の流入口、１１ｂ…第２の流入口、１１ｃ…第１の流出口、１１ｄ…第２の流出口、１１ｈ…連通路、１３ａ…第１の接続口、１４ａ…第２の接続口、１５…第１の開閉弁、１６…第２の開閉弁、１７…第３の開閉弁、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、５１…発電コイル、５２…磁石、５３…ロータ。

Claims (12)

1. 膨張機本体の一端側に配置され、膨張機本体内の一端側に流入した流体の膨張により回転軸を回転させる第１の膨張機構と、膨張機本体の他端側に配置され、膨張機本体内の他端側に流入した流体の膨張により回転軸を回転させる第２の膨張機構とを備えた膨張機において、
   前記膨張機本体の一端側に一体に設けられ、第１の膨張機構の回転軸によって駆動される第１の発電機と、
   膨張機本体の他端側に一体に設けられ、第２の膨張機構の回転軸によって駆動される第２の発電機とを備え、
   前記膨張機本体には、第１の膨張機構側に流体を流入させる第１の流入口と、第１の膨張機構側から流体を流出させる第１の流出口と、第２の膨張機構側に流体を流入させる第２の流入口と、第２の膨張機構側から流体を流出させる第２の流出口と、第１の膨張機構の流出側と第２の膨張機構の流入側とを連通する連通路と、第２の流入口を開閉する第１の開閉弁と、第１の流出口を開閉する第２の開閉弁と、連通路を開閉する第３の開閉弁とを設けた
   ことを特徴とする膨張機。
2. 前記第１の膨張機構の流出量と第２の膨張機構の流入量が互いに同等になるように構成した
   ことを特徴とする請求項１記載の膨張機。
3. 前記第１の膨張機構における流入量と流出量の比と第２の膨張機構における流入量と流出量の比とが互いに異なるように構成した
   ことを特徴とする請求項１または２記載の膨張機。
4. 前記第１及び第２の流入口を互いに近接して配置した
   ことを特徴とする請求項１、２または３記載の膨張機。
5. 前記膨張機本体内に流体を流入させる配管との接続口を第１及び第２の流入口のそれぞれに連通するように形成した
   ことを特徴とする請求項４記載の膨張機。
6. 前記第１及び第２の流出口を互いに近接して配置した
   ことを特徴とする請求項１、２、３、４または５記載の膨張機。
7. 前記膨張機本体内から流体を流出させる配管との接続口を第１及び第２の流出口のそれぞれに連通するように形成した
   ことを特徴とする請求項６記載の膨張機。
8. 前記第１の発電機を、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、第１の膨張機構の回転軸によって各磁石と一体に回転する回転体とから構成し、
   第２の発電機を、膨張機本体の他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、第２の膨張機構の回転軸によって各磁石と一体に回転する回転体とから構成した
   ことを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６または７記載の膨張機。
9. 前記第１及び第２の膨張機構を、膨張機本体内に配置された固定スクロール部材と、固定スクロール部材との間に流入した流体の膨張によって偏心揺動することにより回転軸を回転させる可動スクロール部材とからそれぞれ構成した
   ことを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７または８記載の膨張機。
10. 作動流体を所定の熱源により加熱して蒸発させる蒸発器と、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動力発生機と、動力発生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蒸発器側に吐出するポンプとを備え、動力発生機を駆動源として発電を行うランキンシステムにおいて、
    前記動力発生機として請求項１、２、３、４、５、６、７、８または９記載の膨張機を用いた
    ことを特徴とするランキンシステム。
11. 前記凝縮器に作動流体と熱交換する熱媒体を流通する熱媒体回路と、
    熱媒体回路を流通する熱媒体によって他の所定の流体を加熱する流体加熱手段とを備えた
    ことを特徴とする請求項１０記載のランキンシステム。
12. 一端を蒸発器と動力発生機との間の流路に接続され、他端を凝縮器の流入側に接続されたバイパス流路と、
    蒸発器から流出した作動流体を動力発生機側及びバイパス流路側の何れか一方に流通させる流路切換弁とを備えた
    ことを特徴とする請求項１１記載のランキンシステム。

Images