JP2016035219A - 一軸偏心型ガス膨張機、一軸偏心型ガス圧縮機、一軸偏心型ガス膨張機を用いた熱エネルギー回収システムおよび発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】小規模システムに適し、かつ構造が簡潔で、低コストの一軸偏心型ガス膨張機ガス膨張機、一軸偏心型ガス圧縮機、エネルギー回収システム、および発電システムを提供する。
【解決手段】一方端１ａ側から他方端１ｂ側に向かって、断面積が徐々に大きくなる内部空間を有するステータ１と、ステータの内部空間に偏心回転可能に挿入され、一方端２ａ側から他方端２ｂ側に向かって断面積が徐々に大きくなり、かつ、ステータとの間に所定のキャビティ２０が形成されるように構成されたロータ２と、ユニバーサルジョイント３を介してロータに接続され、偏心回転するロータにより回転駆動される回転軸４とを備えた構成とし、キャビティの断面積が、一方端側から他方端側に向かって、所定のプロファイルに沿って大きくなるようにし、ステータの内部空間内でロータが偏心回転することにより、被処理ガスを、所定のプロファイルに沿って膨張するように構成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ガスを膨張させるのに用いられるガス膨張機、ガスを圧縮するのに用いられるガス圧縮機、上述のガス膨張機を用いた熱エネルギー回収システム、および発電システムに関する。

従来より、焼却施設や工場などにおいて放出される排熱エネルギーを回収するための方法として種々の方法が提案されており、その一つに排熱エネルギーを回収して発電を行う方法がある。

ところで、排熱エネルギーを回収して発電機を駆動するためには、高圧の蒸気が利用しやすいため、従来は、例えば３００℃以上というような高温の排熱を回収して、高圧の蒸気を発生させ、これを発電に用いることが行われている。そのような理由から、低温排熱はその多くが依然として回収されることなく廃棄されているのが実情である。

そこで、近年、低沸点作動媒体を用いたランキンサイクルによって、例えば２００℃以下の低温の排熱エネルギーを用いて発電を行う排熱発電システム、すなわち、バイナリー発電システムが提案されている。

このような低沸点作動媒体を用いた排熱発電システムにおいては、排熱エネルギーを用いて蒸発させて得た作動媒体の蒸気を回転エネルギーに変換することが行われるが、そのための設備としては、作動媒体の蒸気を効率よく膨張させることが可能なガス膨張機が必要になる。

そして、そのようなガス膨張機は、型式として速度型と容積型に分類され、速度型ではターボ型や軸流型タービン、容積型ではツインスクリュー式やスクロール式などのガス膨張機が実用化されている。

例えば、特許文献１には、ケーシング内で互いに咬合する雌雄一対のスクリューロータによってガスを膨張させるツインスクリュー式ガス膨張機が開示されている。

しかしながら、このツインスクリュー式ガス膨張機には、構造が複雑で非常に高い機械精度が要求され、コストが高くなるという問題点がある。

また、特許文献２および３には、渦巻き状の固定スクロールの間を作動媒体の膨張に伴って旋回スクロールが旋回することによりガスを膨張させるスクロール式ガス膨張機が開示されている。

しかしながら、スクロール式ガス膨張機の場合、固定スクロールと旋回スクロールの隙間などを精度よく調整するために精密な機械加工が必要で、構造も複雑であることから、コストが高くなるという問題点がある。

また、特許文献４には、流体からの動力回収量が高いとされるラジアルタービンを用いたバイナリー発電システムが開示されている。

しかし、この発電システムに用いられる高速回転するラジアルタービンは効率の良い作動領域が狭く、かつ、十分なメンテナンスが必要という問題点がある。

また、液化した作動媒体が回転体に衝突すると機械的破損を招くおそれがあるという問題点がある。

特開２０１２−７７７０４号公報 特開２００９−２０９７０６号公報 特開２０１３−２２７９０５号公報 特開２０１３−７３６７号公報

本発明は、上記課題を解決するものであり、従来のスクリュー式、スクロール式などの容積式のガス膨張機とは異なる、小規模システムに適し、かつ構造が簡潔で、低コストのガス膨張機、ガス圧縮機、前記ガス膨張機を用いた熱エネルギー回収システム、および発電システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のガス膨張機は、
膨張させる対象である被処理ガスが供給される一方端側から、膨張した被処理ガスが排出される他方端側に向かって、断面積が徐々に大きくなるように構成された雌ねじ状の内部空間を有するステータと、
前記ステータの前記内部空間に偏心回転可能に挿入され、前記ステータの前記一方端側に対応する一方端側から、前記ステータの前記他方端側に対応する他方端側に向かって断面積が徐々に大きくなり、かつ、前記ステータとの間に所定のキャビティが形成されるように構成された雄ねじ状のロータと、
ユニバーサルジョイントを介して前記ロータに接続され、偏心回転する前記ロータにより回転駆動される回転軸と
を備え、
前記ステータと、偏心回転する前記ロータとの間に形成される前記キャビティの断面積が、前記ステータおよび前記ロータの前記一方端側から前記他方端側に向かって、所定のプロファイルに沿って大きくなるように構成されており、
前記ステータの前記内部空間内で前記ロータが偏心回転することにより、前記キャビティ内に位置する前記被処理ガスが、前記ステータおよび前記ロータの前記一方端側から前記他方端側に搬送されつつ、所定のプロファイルに沿って膨張するように構成されていること、
を特徴としている。

また、本発明のガス圧縮機は、
圧縮する対象である被処理ガスが供給される一方端側から、圧縮された被処理ガスが排出される他方端側に向かって、断面積が徐々に小さくなるように構成された雌ねじ状の内部空間を有するステータと、
前記ステータの前記内部空間に偏心回転可能に挿入され、前記ステータの前記一方端側に対応する一方端側から、前記ステータの前記他方端側に対応する他方端側に向かって断面積が徐々に小さくなり、かつ、前記ステータとの間に所定のキャビティが形成されるように構成された雄ねじ状のロータと、
ユニバーサルジョイントを介して前記ロータに接続された回転軸と、
前記回転軸を回転させる駆動手段と
を備え、
前記ステータと、偏心回転する前記ロータとの間に形成される前記キャビティの断面積が、前記ステータおよび前記ロータの前記一方端側から前記他方端側に向かって、所定のプロファイルに沿って小さくなるように構成されており、
前記ステータの前記内部空間内で前記ロータが偏心回転することにより、前記キャビティ内に位置する前記被処理ガスが、前記ステータおよび前記ロータの前記一方端側から前記他方端側に搬送されつつ、所定のプロファイルに沿って圧縮されるように構成されていること
を特徴としている。

また、本発明の熱エネルギー回収システムは、
排熱源が有する熱エネルギーにより蒸発させることが可能な作動媒体と、
前記作動媒体を排熱源と熱交換させて前記作動媒体を蒸発させる蒸発器と、
前記蒸発器で蒸発した前記作動媒体の蒸気を被処理ガスとして膨張させる請求項１記載の一軸偏心型ガス膨張機と、
前記一軸偏心型ガス膨張機により膨張させた前記作動媒体の蒸気を凝縮させる凝縮器と、
前記凝縮器で凝縮させた作動媒体を前記蒸発器に送るポンプとを備え、
前記作動媒体の蒸気を被処理ガスとして前記一軸偏心型ガス膨張機により膨張させ、前記回転軸を回転させることにより、前記排熱源が有する熱エネルギーを回転エネルギーとして回収するように構成されていること
を特徴としている。

また、本発明の熱エネルギー回収システムにおいては、
前記一軸偏心型ガス膨張機の前記回転軸を、前記ガス膨張機の外側に設けた外部回転軸に、マグネットカップリングを介して接続することにより、前記回転軸の回転を前記外部回転軸に伝達するように構成することが好ましい。

また、本発明の発電システムは、
排熱源が有する熱エネルギーにより蒸発させることが可能な作動媒体と、
前記作動媒体を排熱源と熱交換させて前記作動媒体を蒸発させる蒸発器と、
前記蒸発器で蒸発した前記作動媒体の蒸気を被処理ガスとして膨張させる請求項１記載の一軸偏心型ガス膨張機と、
前記一軸偏心型ガス膨張機により膨張させた前記作動媒体の蒸気を凝縮させる凝縮器と、
前記凝縮器で凝縮させた作動媒体を前記蒸発器に送るポンプと、
前記一軸偏心型ガス膨張機の前記回転軸から伝えられる回転エネルギーにより駆動されて電力を発生させる発電機と
を備えていることを特徴としている。

また、本発明の発電システムにおいては、前記一軸偏心型ガス膨張機の前記回転軸を、前記ガス膨張機の外側に設けた、前記発電機を駆動させるための外部回転軸に、マグネットカップリングを介して接続するように構成することが好ましい。

本発明のガス膨張機は、上述のように、被処理ガスが供給される一方端側から、膨張した被処理ガスが排出される他方端側に向かって、断面積が徐々に大きくなる雌ねじ状の内部空間を有するステータと、ステータの内部空間に偏心回転可能に挿入され、一方端側から他方端側に向かって断面積が徐々に大きくなり、かつ、ステータとの間に所定のキャビティが形成されるように構成された雄ねじ状のロータと、ユニバーサルジョイントを介してロータに接続され、偏心回転するロータにより回転駆動される回転軸とを備えているとともに、キャビティの断面積が、一方端側から他方端側に向かって、所定のプロファイルに沿って大きくなるように構成され、かつ、ステータと、偏心回転するロータとの間に形成されるキャビティの断面積が、ステータおよびロータの一方端側から他方端側に向かって、所定のプロファイルに沿って大きくなるように構成されているとともに、ステータの内部空間内でロータが偏心回転することにより、キャビティ内に位置する被処理ガスが、ステータおよびロータの一方端側から他方端側に搬送されつつ、所定のプロファイルに沿って膨張するように構成されているので、従来のスクリュー式、スクロール式などの容積式のガス膨張機とは異なる、小規模システムに適し、かつ構造が簡潔で、低コストのガス膨張機を提供することが可能になる。
なお、本発明において、ステータの内部空間の断面積とは、内部空間の軸方向と直交する方向の断面についての面積をいう。
また、ロータの断面積も、ロータの軸方向と直交する方向の断面についての面積をいう。
また、キャビティの断面積も、ステータおよびロータの軸方向に直交する方向の断面についての面積をいう。

また、本発明のガス圧縮機は、上述のように、被処理ガスが供給される一方端側から、被処理ガスが排出される他方端側に向かって、断面積が徐々に小さくなる雌ねじ状の内部空間を有するステータと、ステータの内部空間に偏心回転可能に挿入され、一方端側から他方端側に向かって断面積が徐々に小さくなり、かつ、ステータとの間にキャビティが形成されるように構成された雄ねじ状のロータと、ユニバーサルジョイントを介してロータに接続された回転軸と、回転軸を回転させる駆動手段とを備えているとともに、ステータと、ロータとの間に形成されるキャビティの断面積が、ステータおよびロータの一方端側から他方端側に向かって、所定のプロファイルに沿って小さくなるように構成されているとともに、ステータの内部空間内でロータが偏心回転することにより、キャビティ内に位置する被処理ガスが、ステータおよびロータの一方端側から他方端側に搬送されつつ、所定のプロファイルに沿って圧縮されるように構成されているので、従来のスクリュー式、スクロール式などの容積式のガス圧縮機とは異なる、小規模システムに適し、かつ構造が簡潔で、低コストのガス圧縮機を提供することが可能になる。

また、本発明の熱エネルギー回収システムは、排熱源が有する熱エネルギーにより蒸発させることが可能な作動媒体と、作動媒体を排熱源と熱交換させて作動媒体を蒸発させる蒸発器と、蒸発器で蒸発した作動媒体の蒸気を被処理ガスとして膨張させる本発明の一軸偏心型ガス膨張機（請求項１記載の一軸偏心型ガス膨張機）と、一軸偏心型ガス膨張機により膨張させた作動媒体の蒸気を凝縮させる凝縮器と、凝縮器で凝縮させた作動媒体を蒸発器に送るポンプとを備え、作動媒体の蒸気を被処理ガスとして一軸偏心型ガス膨張機により膨張させ、回転軸を回転させるようにしているので、排熱源が有する熱エネルギーを回転エネルギーとして効率よく回収することが可能になる。

また、本発明の熱エネルギー回収システムにおいて、一軸偏心型ガス膨張機の回転軸を、ガス膨張機の外側に設けた外部回転軸に、マグネットカップリングを介して接続することにより、回転軸の回転を外部回転軸に伝達するようにした場合、回転軸の回転を確実に一軸偏心型ガス膨張機の外部に設けられた外部回転軸に伝達することが可能になり、排熱源が有する熱エネルギーを回転エネルギーとして効率よく回収することが可能になる。

また、本発明の発電システムは、排熱源が有する熱エネルギーにより蒸発させることが可能な作動媒体と、作動媒体を排熱源と熱交換させて作動媒体を蒸発させる蒸発器と、蒸発器で蒸発した作動媒体の蒸気を被処理ガスとして膨張させる本発明の一軸偏心型ガス膨張機（請求項１記載の一軸偏心型ガス膨張機）と、一軸偏心型ガス膨張機により膨張させた作動媒体の蒸気を凝縮させる凝縮器と、凝縮器で凝縮させた作動媒体を蒸発器に送るポンプと、一軸偏心型ガス膨張機の回転軸から伝えられる回転エネルギーにより駆動されて電力を発生させる発電機とを備えているので、排熱源が有する熱エネルギーを電気エネルギーとして効率よく回収することが可能になる。

また、本発明の発電システムにおいて、一軸偏心型ガス膨張機の回転軸を、ガス膨張機の外側に設けた、発電機を駆動させるための外部回転軸軸に、マグネットカップリングを介して接続するようにした場合、回転軸の回転を確実に一軸偏心型ガス膨張機の外部に設けられた外部回転軸に伝達するが可能になり、排熱源が有する熱エネルギーを利用して、効率よく発電を行うことが可能になる。

本発明の一実施形態（実施形態１）にかかる一軸偏心型ガス膨張機の構成を模式的に示す正面断面図である。 本発明の実施形態１にかかる一軸偏心型ガス膨張機の要部を示す断面図である。 本発明の実施形態１にかかる一軸偏心型ガス膨張機の膨張プロファイルを示す図である。 本発明の一実施形態（実施形態１）にかかる一軸偏心型ガス圧縮機の構成を模式的に示す正面断面図である。 本発明の実施形態２にかかる発電システムの構成を模式的に示す図である。 （ａ）の各図は、ねじ式のスクリューポンプのロータの回転角度を０゜、９０°、１８０°、２７０゜、３６０゜とした状態の正面断面図、（ｂ）の各図は、ロータの回転角度を上述のように異ならせたときのｂ−ｂ線断面図である。 ねじ式のスクリューポンプのロータとステータの幾何形状を示す図である。 実施形態２にかかる発電システムにおける、回転軸の回転数と出力の関係を示す図である。

本発明の実施形態について説明を行うのに先立って、本発明の一軸偏心型ガス膨張機の原理について簡単に説明する。

従来より、例えば、図６（ａ），（ｂ）に示すような構造を有するねじ式のスクリューポンプが種々の用途に用いられている。そして、このねじ式のスクリューポンプの名称は様々であるが、例えば、Progressing Cavity Pump（ＰＣＰ）、ねじ式ポンプ、スクリューポンプなどと呼ばれている。
なお、図６（ａ）の各図（ａ１），（ａ２），（ａ３），（ａ４），（ａ５）は、ロータの回転角度を０゜、９０°、１８０°、２７０゜、３６０゜とした状態の正面断面図、図６（ｂ）の各図（ｂ１），（ｂ２），（ｂ３），（ｂ４），（ｂ５）は、ロータの回転角度を上述のように異ならせたときのｂ−ｂ線断面図である。

このねじ式のスクリューポンプは、図６（ａ），（ｂ）に示すように、ステータ２０１と、ステータの内部空間内に配設されて偏心回転するロータ（スクリュー）２０２を備えている。

上述のステータ２０１とロータ２０２の構造は、スクリュー（ボルト）とナットの関係に似ており、一般的なスクリューは、その中心軸がナットの中心軸と一致しているが、このねじ式のスクリューポンプ（ＰＣＰ）においては、ロータ（スクリュー）２０２の中心軸は軸方向で変化（偏心）する。

ステータ２０１の内部空間は３６０°を１ピッチとする２条ねじ（雌ねじ）構造となっており、らせん状ロータ２０２はその間で偏心回転する一条ねじ（雄ねじ）構造とされている。

ステータ２０１とロータ２０２の間にはキャビティ（空間）２０（図１，４）が生じ、その体積はステータ１の内面積からロータ２の断面積を引いた面積（４Ｅ×Ｄ）とステータのピッチ（Ｐｓ）の積となることが知られている。
すなわち、このねじ式のスクリューポンプ（ＰＣＰ）の、ロータ２の１回転当たりの体積（理論吐出量）Ｑは、図６（ａ），（ｂ）および図７を参照して、
Ｄ：ローター断面直径
Ｅ：ローターの偏心距離（Ｏ₁〜Ｏ₂）
Ｐｓ：ステータのピッチ
Ｏ₁：ステータ軸の中心
Ｏ₂：ロータ軸の中心
とした場合において、下記の式（１）で表される量となる。
Ｑ＝ ４Ｅ×Ｄ×Ｐｓ ……（１）

本発明の一軸偏心型ガス膨張機の構成および作動原理は、このねじ式のスクリューポンプに類似している。すなわち、図１に示すような構造を有する本発明の一軸偏心型ガス膨張機１０１においても、ステータ１およびロータ２の軸方向の任意の箇所におけるキャビティ２０の断面積を算出して、区間毎に積分することで各箇所での空間体積を求めて膨張プロファイルを作成し、ステータ１とロータ２の軸方向の各箇所で、所定の膨張プロファイルに沿ったキャビティ（空間）２０を実現することにより、膨張させる対象である被処理ガスについて、意図するようなガス膨張を行わせることができる。

以下に本発明の実施形態について説明し、本発明の特徴とするところをさらに詳しく説明する。

［実施形態１］
図１は、本発明の一実施形態（実施形態１）にかかるガス膨張機の構成を示す断面図、図２はそのメカニズムを説明するための要部を拡大して示す要部断面図である。

この一軸偏心型ガス膨張機１０１は、図１および２に示すように、膨張させる対象である被処理ガス（例えば、本発明の発電システムの場合は、作動媒体の蒸気）が供給される一方端１ａ側から、被処理ガスが排出される他方端１ｂ側に向かって、断面積が徐々に大きくなるように構成された雌ねじ状の内部空間１１を有するステータ１と、ステータ１の内部空間１１に偏心回転可能に挿入され、ステータ１の一方端１ａ側に対応する一方端２ａ側から、ステータ１の他方端１ｂ側に対応する他方端２ｂに向かって断面積が徐々に大きくなり、かつ、ステータ１との間にキャビティ２０が形成されるように構成された雄ねじ状のロータ２と、一端側がユニバーサルジョイント３を介してロータ２に接続され、偏心回転するロータ２により回転駆動される回転軸４とを備えている。

回転軸４の他方側の端部は、第２のユニバーサルジョイント３ａを介して第２の回転軸１４に接続され、第２の回転軸１４はベアリング（ベアリングユニット）３１により保持されている。

また、回転軸４の他端側の端部に第２のユニバーサルジョイント３ａを介して接続された第２の回転軸１４は、マグネットカップリング（非接触動力伝達機構）３２により、外部回転軸（例えば発電機駆動用回転軸）３４に連結されており、回転軸４の回転により、外部回転軸（例えば発電機駆動用回転軸）３４が回転するように構成されている。

この実施形態１にかかる一軸偏心型ガス膨張機１０１において、ステータ１と、偏心回転するロータ２との間に形成されるキャビティ２０の断面積が、ステータ１およびロータ２の一方端１ａ，２ａ側から他方端１ｂ，２ｂ側に向かって、所定のプロファイルに沿って大きくなるように構成されている。

そして、上述のステータ１、ロータ２、回転軸４、ユニバーサルジョイント３、第２の回転軸１４、第２のユニバーサルジョイント３ａ、ベアリング３１などの各構成部材は、ハウジング５０内に収容されている。

また、ハウジング５０の内側の、ステータ１、ロータ２などにより形成されるガス膨張領域５１よりも上流側の領域である前室５２の端部には、ガス導入口５４が配設されているとともに、前室５２の内部には、被処理ガスをステータ１およびロータ２の中心付近に導くためのガイド部５６が配設されている。

また、ハウジング５０の内側の、ステータ１、ロータ２などにより形成されるガス膨張領域５１よりも下流側の領域である後室５３には、膨張させたガスを排出するための膨張ガス排出口５５が配設されている。

さらに、上述の回転軸４および第２の回転軸１４は、後室５３を貫通するように配設されている。また、第２の回転軸１４を回転可能に支持するベアリング（ベアリングユニット）３１も後室５３内に配設されている。

ハウジング５０の後室５３には、内部を目視することができるように覗き窓６１が配設されている。
なお、ハウジング５０は、領域ごとに分割して形成されていてもよく、一体形成されていてもよい。

この一軸偏心型ガス膨張機１０１は、高圧の被処理ガスを断熱膨張させるものであり、上述のねじ式のスクリューポンプ（ＰＣＰ）のように液体を被処理対象物として搬送するものではなく、高圧の被処理ガスを断熱膨張させるものである。
この一軸偏心型ガス膨張機１０１は、図１および図２に示す、ステータ１と、偏心回転するロータ２との間に形成されるキャビティ（空間）２０の大きさを変化させることで、ガスの膨張を行うことを特徴とするものである。

具体的な手法としては、軸方向の任意の箇所におけるキャビティ２０の断面積を算出して、区間毎に積分することで各箇所でのキャビティの体積（空間体積）を求め、図３に示すような膨張プロファイルを作成する。なお、図３は、ロータ回転角度とキャビティ体積の関係を示す図である。図３において、初期膨張とは、ガス膨張領域５１のガス導入口５４に近い領域における膨張を意味する概念であり、一定膨張とは、ガス膨張領域５１の中央部の、安定した膨張が行われる領域における膨張を意味する概念であり、末期膨張とはガス膨張領域５１の膨張ガス排出口５５に近い領域における膨張を意味する概念である。

そして、ステータ１とロータ２の軸方向の各箇所で、例えば、図３に模式的に示すようなプロファイルに沿ったキャビティ（空間）を実現することによりガスを膨張させる。
これを実現するためには、図２に模式的に示すように、３次元でロータ２とステータ１を設計・製作することが必要になる。なお、ロータ２とステータ１の設計・製作は、具体的なガスの条件などに対応した膨張プロファイルとなるように行われる。

次に、この実施形態１にかかる一軸偏心型ガス膨張機１０１の動作を、図１および図２を参照しつつ説明する。
まず、膨張させる対象となる被処理ガス（蒸気化した高圧の低沸点媒体（作動媒体））が、ガス導入口５４から、ガイド部５６を経て、ステータ１およびロータ２の一方端１ａ，２ａ側の中心付近に導かれ、ステータ１とロータ２を備えたガス膨張領域５１に導入される。

導入された被処理ガス（作動媒体の蒸気）は、ステータ１とロータ２の間に形成されるキャビティ（空間）２０を通過しながら、上述の膨張プロファイルに沿って膨張する。

そして、この工程で、被処理ガス（作動媒体の蒸気）が断熱膨張することにより、作動媒体の蒸気が有するエネルギーが、ロータ２の回転力に変換される。

一方、断熱膨張することにより低圧となった被処理ガス（作動媒体の蒸気）は、上述の後室５３に配設された膨張ガス排出口５５から系外へ排出される。

そして、ロータ２が回転することにより、ユニバーサルジョイント３を介してロータ２に接続された回転軸４が回転し、回転軸４の回転は、第２のユニバーサルジョイント３ａを介して回転軸４に接続され、ベアリング（ベアリングユニット）３１により保持された第２の回転軸１４に伝えられる。

第２の回転軸１４の回転力は、マグネットカップリング（非接触動力伝達機構）３２を経て、外部回転軸３４に伝えられ、系外に取り出される。
マグネットカップリング（非接触動力伝達機構）を経て系外に取り出された回転力は、例えば、発電機の駆動に利用されることにより、発電を行うことが可能になる。

上述のように構成されたこの実施形態１にかかる一軸偏心型ガス膨張機１０１は、容積式のガス膨張機であって、小流量の被処理ガスを処理するのに適しており、従来の２軸スクリュー式のガス膨張機や、スクロール式のガス膨張機とは機構を異にする一軸型の容積式ガス膨張機である。

一軸型の容積式ガス膨張機である、本発明の一実施形態にかかるガス膨張機１０１は、図１に示すように、ステータ１およびロータ２の軸方向が縦方向（垂直方向）となるように設置することで、導入する被処理ガスの圧力がステータ１とロータ２との間に、均等に分散されて供給され、ロータ２を回転させた場合にも軸ぶれの発生が抑制され、安定した操業を継続して行うことができる。すなわち、重力の影響が軸方向である垂直方向のみであることから、従来の他のガス膨張機よりも簡潔な構造とすることができる。

また、構造がシンプルであることから、従来の２軸スクリュー式のガス膨張機やスクロース式のガス膨張機に比べて、低コストで製造することができる。

また、ロータ２の位置を上下方向に調整することにより、ステータ１とのクリアランスを容易に変更することが可能で、条件変更への対応性に優れている。
なお、従来の２軸スクリュー式のガス膨張機や、スクロール式のガス膨張機などの、他形式のガス膨張機の場合には、このような微調整を行うことは不可能である。

また、ステータ１とロータ２のクリアランスを調整することができるため、被処理ガスの漏れ量や、ロータ２とステータ１との摩擦力を調整して、最適な効率が得られるクリアランスとすることが可能で、エネルギーの回収効率を向上させることができる。

また、上述のように構成された一軸偏心型ガス膨張機１０１は、以下に説明するような変更を加えるだけで、一軸偏心型ガス圧縮機（コンプレッサー）としても用いることができる。

すなわち、上述の実施形態１にかかる一軸偏心型ガス膨張機１０１の膨張ガス排出口５５（図１）を図４に示すようにガス導入口７４とし、また、ガス導入口５４（図１）を図４に示すように圧縮ガス排出口７５とするとともに、マグネットカップリング（非接触動力伝達機構）３２により連結された外部回転軸（例えば発電機の駆動用回転軸）３４（図１）を、図４に示すように駆動手段（例えばモータ）８０に接続された駆動軸７６に変更することにより、ガス圧縮機１１１として用いることができる。

［実施形態２］
この実施形態２では、実施形態１で説明した一軸偏心型ガス膨張機１０１を用いて構成される発電システムについて説明する。
図５は、本発明の実施形態２にかかる発電システムの構成を模式的に示す図である。

この発電システムは、図５に示すように、例えば工場から排出される温水などの排熱源が有する熱エネルギーにより蒸発させることが可能な作動媒体（例えば、１，１，１，３，３−ペンタフルオロプロパン（Ｒ２４５ｆａ）などの低沸点物質）１０２と、作動媒体１０２を循環させる循環ポンプ１０４を備えた循環経路１０５と、この作動媒体１０２と温水（排熱源）とを熱交換させて作動媒体１０２の蒸気を発生させる蒸発器（熱交換器）１０３と、蒸発器１０３で蒸発した作動媒体１０２の蒸気を膨張させる一軸偏心型ガス膨張機１０１とを備えている。
さらにこの発電システムは、一軸偏心型ガス膨張機１０１で膨張した膨張ガスを冷却して凝縮させる凝縮器（熱交換器）１０６と、一軸偏心型ガス膨張機１０１において回収した回転エネルギーにより駆動され、発電を行う発電機１１０を備えている。
なお、図５の発電システムにおいて、作動媒体１０２は循環経路１０５に封入されている。

そして、この発電システムにおいては、図１に示す一軸偏心型ガス膨張機１０１の回転軸４の回転エネルギーが、ユニバーサルジョイント３、第２のユニバーサルジョイント３ａ、第２の回転軸１４、マグネットカップリング３２を経て、発電機を駆動するための駆動軸（発電機駆動用回転軸）３４（図１および図５）に伝えられることにより、発電機１１０が発電を行う。

すなわち、液体である作動媒体１０２は、循環ポンプ１０４によって昇圧され蒸発器１０３で蒸発して高圧の蒸気（膨張させる対象である高圧作動媒体蒸気（被処理ガス））になる。

この高圧作動媒体蒸気は、一軸偏心型ガス膨張機１０１のガス導入口５４（図１）を経て、ガス膨張領域５１へ導かれる。そして、断熱膨張しながらガス膨張領域５１を通過し、その過程で圧力が低下する。

一軸偏心型ガス膨張機１０１内で膨張した高圧作動媒体蒸気はロータ２（図１）の回転力に変換され、ユニバーサルジョイント３、第２のユニバーサルジョイント３ａ、第２の回転軸１４、マグネットカップリング３２を経て、発電機駆動用回転軸３４（図１および図５）に伝えられることにより、発電機１１０において発電が行われる。

一軸偏心型ガス膨張機１０１で膨張した高圧作動媒体蒸気（膨張ガス）は、一軸偏心型ガス膨張機１０１から排出され、凝縮器１０６により冷却されて液化し、液体となった作動媒体は、再び循環ポンプ４によって蒸発器１０３に供給される。

この実施形態２の発電システムにおいては、上記工程を繰り返すことにより、連続して安定した発電を行うことができる。

なお、上述のように構成された発電システムにより発電を行った場合、回転軸の回転数（すなわち、発電機駆動用回転軸３４の回転数）と出力の関係は、図８に示すようになる。この結果からも、本発明の発電システムが、実施可能であることがわかる。

なお、この実施形態２では、高圧作動媒体蒸気を、一軸偏心型ガス膨張機１０１により膨張させ、回転軸４を回転させることにより、高圧作動媒体蒸気（排熱源）が有する熱エネルギーを利用して発電を行うようにした場合について説明したが、作動媒体の蒸気を本発明の一軸偏心型ガス膨張機を用いて膨張させ、回転軸を回転させることにより、排熱源が有する熱エネルギーを回転エネルギーとして回収し、回収したエネルギーを発電以外の用途に用いるように構成することも可能である。

本発明は、さらにその他の点においても、上記実施形態に限定されるものではなく、発明の範囲内において、種々の応用、変形を加えることが可能である。

１ ステータ
１ａ ステータの一方端
１ｂ ステータの他方端
２ ロータ
２ａ ロータの一方端
２ｂ ロータの他方端
３ ユニバーサルジョイント
３ａ 第２のユニバーサルジョイント
４ 回転軸
１１ ステータの内部空間
１４ 第２の回転軸
２０ キャビティ
３１ ベアリング（ベアリングユニット）
３２ マグネットカップリング（非接触動力伝達機構）
３４ 外部回転軸（例えば発電機駆動用回転軸）
５０ ハウジング
５１ ガス膨張領域
５２ 前室
５３ 後室
５４ ガス導入口
５５ 膨張ガス排出口
５６ ガイド部
６１ 覗き窓
７４ ガス導入口
７５ 圧縮ガス排出口
７６ 駆動軸
８０ 駆動手段（モータなど）
１０１ 一軸偏心型ガス膨張機
１０２ 作動媒体
１０３ 蒸発器（熱交換器）
１０４ 循環ポンプ
１０５ 循環経路
１０６ 凝縮器（熱交換器）
１１０ 発電機
１１１ 一軸偏心型ガス圧縮機

Claims (6)

1. 膨張させる対象である被処理ガスが供給される一方端側から、膨張した被処理ガスが排出される他方端側に向かって、断面積が徐々に大きくなるように構成された雌ねじ状の内部空間を有するステータと、
   前記ステータの前記内部空間に偏心回転可能に挿入され、前記ステータの前記一方端側に対応する一方端側から、前記ステータの前記他方端側に対応する他方端側に向かって断面積が徐々に大きくなり、かつ、前記ステータとの間に所定のキャビティが形成されるように構成された雄ねじ状のロータと、
   ユニバーサルジョイントを介して前記ロータに接続され、偏心回転する前記ロータにより回転駆動される回転軸と
   を備え、
   前記ステータと、偏心回転する前記ロータとの間に形成される前記キャビティの断面積が、前記ステータおよび前記ロータの前記一方端側から前記他方端側に向かって、所定のプロファイルに沿って大きくなるように構成されており、
   前記ステータの前記内部空間内で前記ロータが偏心回転することにより、前記キャビティ内に位置する前記被処理ガスが、前記ステータおよび前記ロータの前記一方端側から前記他方端側に搬送されつつ、所定のプロファイルに沿って膨張するように構成されていること、
   を特徴とする一軸偏心型ガス膨張機。
2. 圧縮する対象である被処理ガスが供給される一方端側から、圧縮された被処理ガスが排出される他方端側に向かって、断面積が徐々に小さくなるように構成された雌ねじ状の内部空間を有するステータと、
   前記ステータの前記内部空間に偏心回転可能に挿入され、前記ステータの前記一方端側に対応する一方端側から、前記ステータの前記他方端側に対応する他方端側に向かって断面積が徐々に小さくなり、かつ、前記ステータとの間に所定のキャビティが形成されるように構成された雄ねじ状のロータと、
   ユニバーサルジョイントを介して前記ロータに接続された回転軸と、
   前記回転軸を回転させる駆動手段と
   を備え、
   前記ステータと、偏心回転する前記ロータとの間に形成される前記キャビティの断面積が、前記ステータおよび前記ロータの前記一方端側から前記他方端側に向かって、所定のプロファイルに沿って小さくなるように構成されており、
   前記ステータの前記内部空間内で前記ロータが偏心回転することにより、前記キャビティ内に位置する前記被処理ガスが、前記ステータおよび前記ロータの前記一方端側から前記他方端側に搬送されつつ、所定のプロファイルに沿って圧縮されるように構成されていること、
   を特徴とする一軸偏心型ガス圧縮機。
3. 排熱源が有する熱エネルギーにより蒸発させることが可能な作動媒体と、
   前記作動媒体を排熱源と熱交換させて前記作動媒体を蒸発させる蒸発器と、
   前記蒸発器で蒸発した前記作動媒体の蒸気を被処理ガスとして膨張させる請求項１記載の一軸偏心型ガス膨張機と、
   前記一軸偏心型ガス膨張機により膨張させた前記作動媒体の蒸気を凝縮させる凝縮器と、
   前記凝縮器で凝縮させた作動媒体を前記蒸発器に送るポンプとを備え、
   前記作動媒体の蒸気を被処理ガスとして前記一軸偏心型ガス膨張機により膨張させ、前記回転軸を回転させることにより、前記排熱源が有する熱エネルギーを回転エネルギーとして回収するように構成されていること
   を特徴とする熱エネルギー回収システム。
4. 前記一軸偏心型ガス膨張機の前記回転軸を、前記一軸偏心型ガス膨張機の外側に設けた外部回転軸に、マグネットカップリングを介して接続することにより、前記回転軸の回転を前記外部回転軸に伝達するようにしたことを特徴とする請求項３記載の熱エネルギー回収システム。
5. 排熱源が有する熱エネルギーにより蒸発させることが可能な作動媒体と、
   前記作動媒体を排熱源と熱交換させて前記作動媒体を蒸発させる蒸発器と、
   前記蒸発器で蒸発した前記作動媒体の蒸気を被処理ガスとして膨張させる請求項１記載の一軸偏心型ガス膨張機と、
   前記一軸偏心型ガス膨張機により膨張させた前記作動媒体の蒸気を凝縮させる凝縮器と、
   前記凝縮器で凝縮させた作動媒体を前記蒸発器に送るポンプと、
   前記一軸偏心型ガス膨張機の前記回転軸から伝えられる回転エネルギーにより駆動されて電力を発生させる発電機と
   を備えていることを特徴とする発電システム。
6. 前記一軸偏心型ガス膨張機の前記回転軸を、前記一軸偏心型ガス膨張機の外側に設けた、前記発電機を駆動させるための外部回転軸に、マグネットカップリングを介して接続するようにしたことを特徴とする請求項５記載の発電システム。

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