JP2007170290A - スクロール形膨張機及びランキンサイクル発電システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】スクロール形膨張機(2)は、スクロール台板(61,71)の鏡面(61a,71a)に渦巻き状のスクロールラップ(62,72)を形成してなる固定スクロール(51)と揺動スクロール(52)とを備え、スクロールラップ(62,72)と鏡面(61a,71a)とで形成された膨張室(40)内に供給された気相の作動媒体の膨張により、揺動スクロール(52)を駆動軸芯回りに公転させる。各スクロールラップ(62,72)の軸心方向の先端面(62a,72a)に第1及び第2の液相作動媒体供給溝(120,121)を形成する。固定スクロール(51)には、第1及び第2の液相作動媒体供給溝(120,121)にそれぞれ連通する第1及び第2の作動媒体入口(106,107)を設け、液相の作動媒体供給部に連通する。
【選択図】図1
Description
(1)スクロール形膨張機において、膨張に利用される気相作動媒体と同じ媒体で、液相状態のものを、膨張室の各摺動部に強制的に供給し、シール及び潤滑に利用することにより、膨張室のシール性及び潤滑性を維持しながらも、潤滑油の使用量を減らすと共に、作動媒体及び潤滑油の管理を及び処理を容易にする。
図1〜図9は本発明の第1の実施の形態であり、本発明に係るスクロール形膨張機及びこのスクロール形膨張機を備えたランキンサイクル発電システムを示しており、また、図10は、該実施の形態におけるT−S(温度−エントロピ)線図を示している。
)線図いる。
図8は、ランキンサイクル発明システムの概要を示しており、発電機1の駆動部としてスクロール形膨張機2を備えており、該スクロール形膨張機2に設けられた水平な駆動軸5は発電機1の発電機軸4に連結し、スクロール形膨張機2で駆動軸5及び発電機軸4を回転することにより、発電を行うようになっている。
図1はスクロール形膨張機2の縦断面拡大図であり、この図1において、スクロール形膨張機2は、軸方向に対向配置された固定スクロール51及び揺動スクロール52と、環状のスラスト軸受53と、揺動軸部(偏芯軸部)5aを一体に有するクランク状の前記駆動軸5と、該駆動軸5を回転自在に支持するころ軸受56と、該ころ軸受56及び前記スラスト軸受53を支持する軸受ハウジング57と、バランサ58と、前記潤滑油供給装置59と、から主構成されている。
図1において、前記主作動媒体入口11は、固定スクロール51の台板61の中心部(略駆動軸芯O1上)に形成され、中心部近傍の膨張室40に連通しており、前記作動媒体出口16は、固定スクロール51の外周壁64に形成されている。
図4において、揺動スクロール52の外周端面の径方向の外方部分には、環状外周空間S1が形成されており、固定スクロール51の環状外周壁64には、揺動スクロール台板71の外周端面に径方向の外方から対向すると共に、前記揺動スクロール外周空間S1内へ径方向の内方に突出する環状突起82が形成され、該環状突起82の前面には環状のU字溝83が形成されている。該環状のU字溝83は、断面形状が径方向の外方に向かって前方に傾斜しており、固定スクロール51のフランジ部64aの前面に形成された座繰り84を介して前記作動媒体排出口31に連通している。前記揺動スクロール外周空間S1は、図示しないが固定スクロール51の作動媒体出口16の圧力と略同じ圧力となるように、作動媒体出口16と連通している。
図1において、潤滑油供給装置59のノズル本体77には、周方向に間隔をおいて複数の噴油ノズル孔93が形成されており、各噴油ノズル孔93は、たとえばスラスト軸受53のランド部67の摺動面に向いて開口すると共に、前記潤滑油入口20に環状油路89を介して連通している。
図9の(a)〜(f)は、膨張機の作動を段階的に示してものであり、説明を容易にするために、説明の対象としている膨張室40をクロスハッチングで示しているが、対称位置にある膨張室40も同様の作用を行う。図9の(a)の状態は、中心部の一対の膨張室40に作動媒体入口11から高温高圧の気相作動媒体(水蒸気)及び高温高圧の液相作動媒体(水)を導入した直後の状態である。図9の(b)の状態は、図9の(a)の状態から揺動スクロール52が矢印R方向へ少し公転し、作動媒体入口11が閉じられた状態である。図9の(c)〜図9の(e)は、気相作動媒体の膨張により、膨張室40が容積を広げながら径方向の外方に移動し、それより揺動スクロール52が公転する過程を示している。そして、図9の(f)の状態は、前記膨張室40が最も径方向の外方まで移動し、作動媒体出口16に連通し、膨張室40内の作動媒体が作動媒体出口16から排出される状態を示している。
図10は本実施の形態におけるT−S線図(温度−エントロピ線図)であり、太い実線の矢印(A1→A2→A3→A4)が作動媒体(水及び水蒸気)のランキンサイクルを示している。温度T1は凝縮器入口温度、温度T2は高圧水蒸気温度であり、点A1は蒸気発生器7の入口7a(凝縮器9の出口9b)、点A2は蒸気発生器7内での蒸発開始点、点A3は蒸気発生器7の出口7b(スクロール形膨張機2の作動媒体入口11)、点A4はスクロール形膨張機2の作動媒体出口16(凝縮器9の入口9a)の状態を示している。区間A3−A4はスクロール形膨張機2内での膨張行程となり、飽和曲線Bの内方に位置しているので、この膨張行程において作動媒体は一部液相となる。
(1)図8に示す膨張機外の作動媒体通路12,13,14,15,17,18,33のうち、液相作動媒体が通過する通路13,14,17,33は実線で示し、気相作動媒体が通過する通路12は白抜き線で示し、気相と液相が混じり合っている作動媒体が通過する通路15は破線で示している。この図8において、蒸気発生器7で蒸発した高温高圧の気相作動媒体(水蒸気)は、予混合装置101の気相作動媒体取入口104から気相作動媒体通路110を経て円筒形の混合通路103内に供給され、混合通路103内で駆動軸回転方向Rと同方向に旋回する旋回流Gとなり、後方に流れる。一方、蒸気発生器7の液相作動媒体収納部7c内の高温の液相作動媒体は、液相作動媒体通路17を通り、一部は予混合装置101の液相作動媒体取入口105から液相作動媒体通路111に入り、図6のように、混合通路103内に供給される。混合通路103内に供給された液相作動媒体は、前記気相作動媒体の旋回流Gに混入し、旋回しながら後方へ移動し、図3に示すように固定スクロール51の主作動媒体入口11から、スクロール中心部の膨張室40に供給される。
(1)図8において、潤滑油ポンプ21から吐出される潤滑油は、スクロール形膨張機2の上端潤滑油入口20から潤滑油供給装置59に送られ、図1の噴油ノズル孔93からスラスト軸受53のランド部67に向けて噴射される。
図11は、本発明の第2の実施の形態であり、前記第1の実施の形態と異なる構造は、第1の液相作動媒体入口106は、液相作動媒体通路17a、18を介して、作動媒体供給ポンプ8と蒸気発生器7の入口7aとの間の作動媒体通路13に連通し、低温の液相作動媒体が供給されるようになっていることである。その他の構造は第1の実施の形態と同じであり、同じ部品には同じ符号を付している。勿論、スクロール形膨張機2内に構造も同様であるが、図面のスペース的な制限により、第1の実施の形態で付したすべての符号を記載することが困難であるので、主要な部品及び部材のみに、符号を付している。
(1)スクロール形膨張機を作動させる作動媒体としては、前述の水(水蒸気)の他に、アンモニアと水の混合媒体を用いることも可能である。
2 スクロール形膨張機
5 駆動軸
5a 揺動軸部
7 蒸気発生器
8 作動媒体供給ポンプ
9 凝縮器
11 主作動媒体入口
16 作動媒体出口
40 膨張室
51 固定スクロール
52 揺動スクロール
61 固定スクロール台板
61a 固定スクロールの鏡面
62 固定スクロールラップ
71 揺動スクロール台板
71a 揺動スクロールの鏡面
72 揺動スクロールラップ
101 予混合装置
104 気相作動媒体取入口
105 液相作動媒体取入口
106 第1の液相作動媒体入口
107 第2の液相作動媒体入口
120 第1の液相作動媒体供給溝
121 第2の液相作動媒体供給溝
135 媒体溜まり
136 連通孔
Claims (10)
- スクロール台板(61,71)の鏡面(61a,71a)に渦巻き状のスクロールラップ(62,72)を形成してなる固定スクロール(51)と揺動スクロール(52)とを、互いのスクロールラップ(62,72)が噛み合うように軸方向に対向配置し、両スクロール(51,52)の鏡面(61a,71a)とスクロールラップ(62,72)により膨張室(40)を形成し、略水平な駆動軸(5)を有する前記揺動スクロール(52)を、前記固定スクロール(51)に対して偏芯配置し、前記固定スクロール(51)に形成された主作動媒体入口(11)から前記膨張室(40)内に供給された気相の作動媒体の膨張により、前記揺動スクロール(52)を駆動軸芯回りに公転し、前記駆動軸(5)を回転させるスクロール形膨張機において、
前記固定スクロールラップ(62)の軸心方向の先端面(62a)に、前記固定スクロールラップ(62)の渦巻き形状に沿って延びると共に、延び方向の両端部が閉じられた第1の液相作動媒体供給溝(120)を形成し、
前記揺動スクロールラップ(72)の軸心方向の先端面(72a)に、前記揺動スクロールラップ(72)の渦巻き形状に沿って延びると共に、延び方向の両端部が閉じられた第2の液相作動媒体供給溝(121)を形成し、
前記第1の液相作動媒体供給溝(120)は、前記固定スクロール(51)内の液相作動媒体通路(113)を介して液相作動媒体供給部に連通し、
前記第2の液相作動媒体供給溝(121)は、前記揺動スクロール(52)内の液相作動媒体通路(133,134)及び前記固定スクロール(51)内の液相作動媒体通路(131)を介して液相作動媒体供給部に連通していることを特徴とするスクロール形膨張機。 - 前記固定スクロールラップ(62)の中心部付近の位置で、前記第1の液相作動媒体供給溝(120)に前記固定スクロール(51)内の液相作動媒体通路(113)が連通していることを特徴とする請求項1記載のスクロール形膨張機。
- 前記揺動スクロールラップ(72)の外周端部付近の位置で、前記第2の液相作動媒体供給溝(121)に前記揺動スクロール(52)内の液相作動媒体通路(133,134)が連通していることを特徴とする請求項1又は2記載のスクロール形膨張機。
- 前記第2の液相作動媒体供給溝(121)に連通する前記揺動スクロール(52)内の液相作動媒体通路(134)は、固定スクロール台板側に向いて開口する連通孔(136)を有し、
一方、前記固定スクロール(51)内の液相作動媒体通路(131)は、前記連通孔(136)に対応する位置に、揺動スクロール台板側に向いて開口する媒体溜まり(135)を有し、
該媒体溜まり(135)の開口領域は、前記揺動スクロール(52)の公転中に、前記連通孔(136)が常時媒体溜まり(135)に連通した状態を保てる大きさとしていることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のスクロール形膨張機。 - 前記媒体溜まり(135)の開口は円形状に形成され、該開口の直径は、前記連通孔(136)の直径に、前記揺動スクロール(52)の公転半径の2倍の値を加えた値以上に設定していることを特徴とする請求項4記載のスクロール形膨張機。
- 前記固定スクロール(51)の主作動媒体入口(11)に予混合装置(101)を設け、
該予混合装置(101)には、気相作動媒体供給部に連通する気相作動媒体取入口(104)と、液相作動媒体供給部に連通する液相作動媒体取入口(105)とを設け、
前記予混合装置(101)内で気相作動媒体に液相作動媒体を混入して、前記主作動媒体入口(11)から膨張室(40)に供給するように構成されていることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載のスクロール形膨張機。 - 前記予混合装置(101)は、前記固定スクロール(51)の前記主作動媒体入口(11)に連通する円筒形の混合通路(103)を備えており、
該混合通路(103)に対し、前記気相作動媒体取入口(104)に連通する気相作動媒体通路(110)を、前記混合通路(103)内で前記駆動軸(5)の回転方向と同じ方向に旋回流が生じる方向に開口すると共に、前記液相作動媒体取入口(105)に連通する液相作動媒体通路(111)を、前記気相作動媒体通路(110)よりも下流側で開口していることを特徴とする請求項6記載のスクロール形膨張機。 - 発電機駆動用の膨張機(2)と、該膨張機(2)の膨張室(40)に高温の気相作動媒体を供給する蒸気発生器(7)と、前記膨張室(40)から排出される膨張後の作動媒体を凝縮する凝縮器(9)と、該凝縮器(9)から前記蒸気発生器(7)に液相作動媒体を供給する作動媒体供給ポンプと、を備えたランキンサイクル発電システムにおいて、
前記膨張機(2)として、前記請求項1〜7のいずれかに記載のスクロール形膨張機を備えていることを特徴とするランキンサイクル発電システム。 - 前記主作動媒体入口(11)に連通する前記液相作動媒体取入口(105)と前記第1の液相作動媒体溝(120)に連通する液相作動媒体通路(113)とは、前記蒸気発生器(7)の高温の液相作動媒体収納部(7c)に連通し、
前記第2の液相作動媒体供給溝(121)に連通する液相作動媒体通路(131)は、前記蒸気発生器(7)の入口側の通路に連通していることを特徴する請求項8記載のスクロール形膨張機。 - 前記主作動媒体入口(11)に連通する液相作動媒体取入口(105)は、前記蒸気発生器(7)の高温の液相作動媒体収納部(7c)に連通し、
前記第1及び第2の液相作動媒体供給溝(120,121)にそれぞれ連通する液相作動媒体通路(113,131)は、前記蒸気発生器(7)の入口側の通路に連通していることを特徴する請求項8記載のスクロール形膨張機。
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