JP2007522389A

JP2007522389A - エキスパンダを介する流量の制御方法及び手段

Info

Publication number: JP2007522389A
Application number: JP2006554048A
Authority: JP
Inventors: エーマン，ヘンリク
Original assignee: スベンスカ・ロツタア・マスキナア・アクチボラグ
Priority date: 2004-02-17
Filing date: 2005-02-03
Publication date: 2007-08-09
Also published as: ATE430252T1; WO2005078241A1; AU2005213593A1; AU2005213593B2; KR101141843B1; KR20060131898A; EP1723310B1; SE0400350L; US20070163262A1; RU2358114C2; CN1922388B; RU2006133317A; SE525400C2; US7617681B2; CN1922388A; DE602005014208D1; SE0400350D0; EP1723310A1

Abstract

本発明は、閉じた加熱システムに使用するエキスパンション装置（１）を介して作動媒体の流量を制御する方法に関するものである。前記加熱システムはエキスパンション装置（１）に加えて、コンデンサ（１３）とポンプ（１６）とボイラー（１０）とを備える。エキスパンション装置は入口ポート（２）とそれに接続される入口ライン（１１）と出口ポート（３）とを有する螺旋状ねじローターエキスパンダ（１）で構成される。エキスパンション装置は例えば発電機のようなエネルギー発生装置（Ｇ）を作動させる。本発明による方法は、入口ポート（２）と出口ポート（３）の間に中間圧力ポート（４）を備える螺旋状ねじローターエキスパンダ（１）を備え、入口ラインの分岐ポイント（２１）と中間圧力ポート（４）の間で分岐ライン（１８）を経由して入口ライン（１１）に中間圧力ポート（４）を接続し、及び状態パラメータに応じて弁（１９）を介して中間圧力ポート（４）へ向かう作動媒体の流量を制御することを特徴とする。また本発明は入口ポート（２）と出口ポート（３）との間のエキスパンダ（１）に中間圧力ポート（４）を設け、更には中間圧力ポート（４）と入口ライン（１１）とを分岐ポイント（２１）で接続する分岐ライン（１８）を備え、分岐ライン（１８）に弁（１９）を設けたことを特徴とする設備に関するものである。

Description

本発明は、閉じた加熱システムの一部を構成するエキスパンション装置（expansion device）を介して、作動媒体の流量を制御する方法に関するもので、前記加熱システムがエキスパンション装置に加え、コンデンサ、ポンプ及びボイラーを、上記装置によって媒体の流量を制御するためにエキスパンション装置及び手段を備える設備と共に、直列的に備えることを特徴とする。

この種類の加熱装置は、現在、廃熱から電気エネルギーを発生させるのにしばしば使用されている。一般的にはボイラーで一定の加熱圧力或いは加熱温度を維持するのが望ましい。廃熱へのアクセスがしばしば変化することから、望ましいボイラーの状態を確立するようエキスパンション装置を介して媒体の流量を制御すると有利である。

エキスパンション装置を介する媒体の流量は、回転数を制御することで効果的に制御され得る。しかしながらこの制御を実行する設備は、経済的に妥当でないほど高額な投資コストを簡単に伴う。

代替案として、この制御をスロットル弁或いはチョークによって、流入する流量を絞ることによって達成することができる。しかしながらそのような流量の絞りはシステムの効率をかなり下げてしまう。

本発明の目的は、一般的に、回転数の制御手段を用いることなく、そのような制御手段を使用する時に達成されるのと同じ効率を少なくとも達成するのを可能にする方法を提供することである。

本発明の別の目的は、エキスパンション装置が螺旋状ねじローターエキスパンダ（helical screw rotor expander）で構成される設備を提供し、それによってエキスパンション装置を介する作業媒体を、回転数の制御手段なしで、効率的に制御することである。

第一の目的は、閉じた加熱システムの一部を構成するエキスパンション装置を介して、作動媒体の流量を制御する方法によって達成される。前記方法は、前記加熱システムが、エキスパンション装置に加えてコンデンサ、及びポンプ、及びボイラーとを備え、上記のエキスパンション装置が、入口ポート、及びそこに接続される入口ライン、及び出口ポート（３）とを有する螺旋状ねじローターエキスパンダを備え、上記のエキスパンション装置が、例えば発電機のようなエネルギー発生装置（Ｇ）を作動させる、方法であり
入口ポート（２）と出口ポート（３）の間に中間圧力ポート（４）を有する螺旋状ねじローターエキスパンダ（１）を備え、中間圧力ポート（４）と入口ライン（１１）にある分岐ポイント（２１）との間にある分岐ライン（１８）を経由して、中間圧力ポート（４）と入口ライン（１１）とを接続し、分岐ライン（１８）に弁（１９）を設け、状態パラメータに応じて、中間圧力ポート（４）へ向かう作動媒体の流量を弁（１９）によって制御する、ことを特徴としている。

状態パラメータは、所定の位置における作動媒体の圧力或いは加熱システムの温度であってもよい。好ましくは、状態パラメータはボイラーの下流及び中間圧力ポートへ通じている分岐ラインの上流で測定される。

また状態パラメータは、エキスパンダによって供給されるエネルギー、或いは加熱システムに送り込まれるエネルギーであってもよい。

第二の目的は、加熱システムに使用するエキスパンション装置を介して作動媒体の流量を制御するための設備によって達成される。前記の設備は、エキスパンション装置に加えて必要な接続線と共にコンデンサ、及びポンプ及びボイラーとを備え、上記のエキスパンション装置が、入口ポート、及びそこに接続される入口ライン、及び出口ポートとを有する螺旋状ねじローターエキスパンダを備え、上記のエキスパンション装置が例えば発電機のようなエネルギー発生装置を作動させる設備であり、
螺旋状ねじローターエキスパンダが、入口ポートと出口ポートとの間に中間圧力ポートを備え、上記の設備が、分岐ポイントで中間圧力ポートと入口ラインを接続する分岐ラインを備え、上記の設備が、分岐ラインに弁を設ける、ことを特徴とする。そこでは、弁がスロットル弁或いはチョークでもよい。

本発明を好ましい実施形態及び添付図面を参照してより詳細に説明する。

図１で示されている加熱システムは、加熱媒体を加熱する機能を持ち、ライン１１によってエキスパンダ１の入口ポート２と接続されているボイラー１０を備えている。本発明によると、上記のエキスパンダは螺旋状の回転エキスパンダを備えている。エキスパンダ１はライン１４によってコンデンサ１３と接続されている出口ポート３を備えている。次に、コンデンサ１３はシステムの加熱媒体を循環させるために、ポンプ１６を設けたライン１５によってボイラー１０へ接続している。

螺旋状ねじローターエキスパンダのシャフトは、加熱媒体の膨張により生じた力によって作動される発電機１７に接続している。

また本発明の加熱システムは、分岐ポイント２１に分岐ライン１８を備えている。この分岐はボイラー１０とエキスパンダの入口ポート２との間のライン１１の所定の位置に配置している。分岐ライン１８はエキスパンダ１の中間圧力ポート４に通じている。以下、図２を参照してエキスパンダ１を更に詳細に説明する。ライン１８は、システムの状態パラメータに応じて制御される弁１９という形態でスロットル要素を有している。この状態パラメータは例えば圧力センサー２０のような、システムに備えられた装置によって得ることが可能である。図示の実施例に従い、圧力センサー２０はボイラー１０と分岐ポイント２１との間に位置している。

図２は螺旋状ねじローターエキスパンダの側面図である。エキスパンダのハウジングは、２つの端部壁５、６及びその間に伸長している樽型壁７を備えている。これらの壁が相互に共動する２つのローターを収容する作業チャンバーを、共に画定している。ローターはそれぞれ端部壁５、６の外部に位置付けされた軸受ハウジングにおいて、符号２６及び２８に各々取り付けられている。エキスパンダ１は入口ポート２と中間圧力ポート４と出口ポート３とを備えている。

図３で示されているように、容器で画定された作業チャンバーは相互に交わる２つの筒型の形態をしており、雌型ローター２４と雄型ローター３６を備えている。雄型ローターは４つの螺旋状に伸びた丸型突起部３８と中間部の溝３２を備え、雌型ローター３６は６つの突起部３０と中間の溝３４とを備えている。ローターは相互に突起部３８、３０及び溝３４、３２によって相互に把持し、上記の作業チャンバーがローターとハウジングの壁５、６、７の間で形成される。作業チャンバーはローターが回転するのに応じて、エキスパンダに沿って軸線方法に動き、それらの容積を変化させる。各作業チャンバーは、初期状態においてエキスパンダの一方の端部で容積ゼロであり、逐次最大容積まで増大する。このような容積の変化は、作動媒体を膨張させる際に、複数のポートと共に利用され、膨張サイクルにおける所定の位置でそれらポートを介して、異なる圧力の作動媒体を供給し、且つ射出させるようになっている。

図４は、どのように複数のポートが軸線方向に配置されているかを示している。雄型ローター２４が側面図で示されている。それぞれの突起部の頂部は樽型壁７と共に密封線Ｓを画定し、チャンバーＣは２つの密封する線の間で形成される。チャンバーＣは雌型ローターの突起部によって形成された同様のチャンバーに接続している。そこではチャンバーは相互にＶ型の作業チャンバーを形成する。図示されているように、作業チャンバーの一部分について作業プロセスを理解すれば充分である。動作に関して、各々の作業チャンバーＣは完全な作業サイクルの間、第一の充填段階、第一の膨張段階、第二の充填段階、第二の膨張段階、そして空の段階の５つの段階を経る。

作動媒体は、外気圧より大きい圧力Ｐによってライン１１から（図示されているように）エキスパンダの上部左端部へ運ばれ、入口ポート２との連通が作業チャンバーの次の密封線によって閉ざされた時、ゼロから比較的小さな容積Ｖ_１へ容積が増加する作業チャンバーへ向けて入口ポート２を介して、作動媒体が通過する。これが第一の充填段階を構成している。

その後、作業チャンバーが図中の右側へ更に動くと、その容積が再び増加し、作業チャンバー内の圧力を減少させている。この膨張段階は、先の密封線が中間圧力ポート４に達するまで継続する。この時点において、作業チャンバーの容積は、作業チャンバー内で圧力Ｐよりも低い圧力を生じさせるのに充分高い容積Ｖ_２まで増加する。

先の密封線が中間圧力ポート４に達すると、作業チャンバーは線１９と連通し始め、そこでの圧力はチャンバーの圧力よりも高い。作業チャンバーが中間圧力ポート４と連通している間、その圧力は圧力Ｐまで、つまりライン１８からの媒体流入によって、ライン１８で優勢な圧力と同じ圧力まで上昇する。中間圧力ポート４との連通が次の密封線で断たれるように、（図中の）右側までチャンバーが動くと、この第二の充填段階は終了する。

膨張は、先の密封線が出口ポート３に達するまで継続する。チャンバーがこの出口ポートに接続すると、作業チャンバーの圧力が大気圧のレベルまで落ちるように出口ポート３は位置付けされている。

その後、作動媒体はコンデンサ１３及びそこからボイラー１０まで、ライン１５とポンプ１６を介して通過する。

図１を再び参照して、「通常」の圧力Ｐ或いは（圧力センサー２０で示される）ライン１１の圧力Ｐよりも低い圧力で、作動媒体が入口ポート２へ向かって一方向だけ通過できるようにするため、弁１９は閉じられる。ライン１１の圧力が圧力Ｐを上回ると、副流（sub-flow）がライン１８の弁１９を通過し、中間圧力ポート４及びこのポートに接続しているエキスパンダ１の作業チャンバーまで連続するように、弁１９の設定が変更される。

例えばエキスパンダ１の下流或いはコンデンサ１３の下流など、圧力センサー２０は加熱システムにおいてどこか別の場所に位置付けされてもよい。

圧力の測定に代わるものとして、温度はシステムの様々な場所で測定することが可能である。今後、圧力センサー２０は、ボイラー１０の下流或いはエキスパンダ１の下流或いはコンデンサ１３の下流で、温度を測定可能な温度計が取って代わるであろう。

エキスパンダ１によって供給されるエネルギー、或いはボイラー１０から加熱システムに供給されるエネルギーは、現状で測定され得るその他の状態パラメータの一例である。

本発明のエキスパンション装置を備える閉じた加熱システムを示す概略図螺旋状のエキスパンダを示す側面図図２に示されているエキスパンダの断面図図３に示されているエキスパンダの長手軸方向の断面図

Claims

閉じた加熱システムに使用するエキスパンション装置（１）を介した作動媒体の流量を制御する方法であり、
前記加熱システムが、エキスパンション装置（１）に加えてコンデンサ（１３）及びポンプ（１６）及びボイラー（１０）とを備え、
上記のエキスパンション装置が、入口ポート（２）及びそこに接続される入口ライン（１１）及び出口ポート（３）とを有する螺旋状ねじローターエキスパンダを備え、
上記のエキスパンション装置が、例えば発電機のようなエネルギー発生装置（Ｇ）を作動させる、
方法において、
入口ポート（２）と出口ポート（３）の間に中間圧力ポート（４）を有する螺旋状ねじローターエキスパンダ（１）を備え、
中間圧力ポート（４）と入口ライン（１１）にある分岐ポイント（２１）との間にある分岐ライン（１８）を経由して、中間圧力ポート（４）と入口ライン（１１）とを接続し、
分岐ライン（１８）に弁（１９）を設け、
状態パラメータに応じて、中間圧力ポート（４）へ向かう作動媒体の流量を弁（１９）によって制御する、
ことを特徴とする方法。
作動媒体の圧力を、状態パラメータとして用いることを特徴とする請求項１に記載の方法。
作動媒体の温度を、状態パラメータとして用いることを特徴とする請求項１に記載の方法。
エキスパンダによって供給されるエネルギーを、状態パラメータとして用いることを特徴とする請求項１に記載の方法。
加熱システムへ供給されるエネルギーを、状態パラメータとして用いることを特徴とする請求項１に記載の方法。
閉じた加熱システムに使用するエキスパンション装置（１）を介した作動媒体の流量を制御する設備であり、
前記加熱システムが、エキスパンション装置（１）に加えて必要な接続ライン（１１、１４、１５）と共に、コンデンサ（１３）及びポンプ（１６）及びボイラー（１０）とを備え、
前記のエキスパンション装置が、入口ポート（２）及びそこに接続される入口ライン（１１）及び出口ポート（３）とを有する螺旋状ねじローターエキスパンダを備え、
前記のエキスパンション装置が例えば発電機のようなエネルギー発生装置（Ｇ）を作動させる設備において、
螺旋状ねじローターエキスパンダ（１）が、入口ポート（２）と出口ポート（３）との間に中間圧力ポート（４）を備え、
前記の設備が、中間圧力ポート（４）と入口ライン（１１）とを分岐ポイント（２１）で接続する分岐ライン（１８）を備え、
前記の設備が、分岐ライン（１８）に弁（１９）を設ける、
ことを特徴とする設備。
弁（１９）が、制御弁であることを特徴とする請求項６に記載の設備。