JP2020045864A - 膨張機およびバイナリ発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】膨張機およびバイナリ発電装置において、小型化を実現するとともに異なる２つの圧力源を高効率で利用する。【解決手段】膨張機１０は、少なくとも２つの圧力の異なる圧力源に接続される膨張機である。膨張機１０は、第１圧力源５０からガスを給気される１段目給気口１４と、１段目膨張部１１と、１段目排気口１５と、第２圧力源５１からガスを給気される２段目給気口２４と、２段目膨張部２１と、２段目排気口２５と、１段目スクリュロータ１２と、２段目スクリュロータ２２と、中間軸受２６ａと、１段目膨張部１１と２段目膨張部２１を仕切る仕切壁３５と、中間軸受２６ａからカップリング部３４を通って２段目排気口２５近傍に潤滑油を流すオイルライン２７とを備える。また、１段目回転軸１２ｂと２段目回転軸２２ｂとは、中間回転軸を成している。仕切壁３５には、貫通孔３５ａが設けられている。貫通孔３５ａにはシール機構３６が設けられている。【選択図】図１

Description

本発明は、膨張機およびバイナリ発電装置に関する。

特許文献１には、同一ケーシング内で１段目ロータと２段目ロータとが直列に接続されたスクリュ式の膨張機が開示されている。この膨張機は、２種類の異なる圧力条件のガスを同一ケーシング内で膨張させようとするものである。

特開昭６２−２３５０１号公報

特許文献１には、スクリュ式の膨張機に必要となる潤滑油の流路構造（オイルライン）が開示されていない。また、１段目ロータおよび２段目ロータは実質的な閉鎖空間にてガスを膨張させる必要がある。そのため、閉鎖空間からのケーシング外部へのガス漏れを防止して閉鎖空間を維持すべく軸シールが本来必要となるが、特許文献１にはそのような開示もない。従って、オイルラインや軸シールの具体的構造について考慮していない点で特許文献１には改善の余地がある。

本発明は、膨張機およびバイナリ発電装置において、小型化を実現するとともに異なる２つの圧力源を高効率で利用することを課題とする。

本発明の第１の態様は、少なくとも２つの圧力の異なる圧力源に接続される膨張機であって、相対的に高い圧力を有する第１圧力源に流体的に接続され、前記第１圧力源からガスを給気される１段目給気口と、前記１段目給気口から給気されたガスを膨張させる１段目膨張部と、前記１段目膨張部から膨張後のガスを排気する１段目排気口と、相対的に低い圧力を有する第２圧力源に流体的に接続され、前記第２圧力源からガスを給気される２段目給気口と、前記２段目給気口から給気されたガスを膨張させる２段目膨張部と、前記２段目膨張部から膨張後のガスを排気する２段目排気口と、前記１段目膨張部に配置された１段目ロータ本体および前記１段目ロータ本体を支持する１段目回転軸を有する１段目スクリュロータと、前記２段目膨張部に配置された２段目ロータ本体および前記２段目ロータ本体を支持する２段目回転軸を有する２段目スクリュロータと、前記２段目ロータ本体に対して前記２段目給気口側の前記２段目回転軸を回転可能に支持する中間軸受と、前記１段目膨張部と前記中間軸受との間に位置し、前記１段目排気口および前記２段目給気口を除いて前記１段目膨張部と前記２段目膨張部を仕切る仕切壁と、前記中間軸受よりも前記２段目膨張部側から当該中間軸受に潤滑油を供給する第１導油路と、前記中間軸受と前記仕切壁の間で前記中間軸受から流出した前記潤滑油を収集する油溜部と、前記油溜部から前記２段目排気口近傍に前記潤滑油を流す第２導油路とを有するオイルラインとを備え、前記１段目回転軸と前記２段目回転軸とは、同軸状態で接続されて中間回転軸を成しており、前記仕切壁には前記中間回転軸を貫通させる貫通孔が設けられ、前記貫通孔には前記中間回転軸と前記貫通孔の隙間をシールするシール機構が設けられている、膨張機を提供する。

この構成によれば、２つの異なる圧力源をそれぞれ利用する１段目膨張部の１段目スクリュロータと２段目膨張部の２段目スクリュロータとを、中間回転軸を介して接続して一体構造とすることで、膨張機の小型化を実現している。また、仕切壁に中間回転軸が貫通する貫通孔を設けるとともに、貫通孔にはシール機構を設けているためガス漏れを防止でき、高効率で異なる２つの圧力源を利用できる。また、上記構成では、中間軸受から２段目排気口近傍に潤滑油を流すオイルラインを設けている。２段目排気口近傍は、膨張後のガスが流れる部分であり、即ち低圧のガスが流れる部分である。従って、中間軸受に対して２段目排気口近傍は、通常ガスの圧力が低いため、オイルライン中で潤滑油を円滑に流すことができる。ここで、２段目排気口近傍とは、２段目排気口を含み、２段目膨張部での膨張後のガスが流れている部分をいい、端的に言えば２段目排気口と同程度の圧力の部分をいう。よって、１段目膨張部から２段目膨張部への圧縮ガスの一部の漏出防止と、それによる中間軸受に対する給油不良の防止を実現できる。

前記シール機構は、フローティングシールを有してもよい。

この構成によれば、フローティングシールは、１段目回転軸または２段目回転軸に軸の振れが生じたとしても振れに応じて変位する。それにより、フローティングシールの内周面（シール面）と回転軸の外周面との隙間を微小に設定することができるため、良好に貫通孔をシールできる。

前記フローティングシールは、前記中間回転軸に対向するシール面に複数の環状溝が形成されたラビリンス型であってもよい。

この構成によれば、フローティングシールをラビリンス型にすることでシール性能を向上できる。

前記シール機構は、前記中間回転軸に接するリップが形成されたリップシールを有してもよい。

この構成によれば、リップシールは接触型のシールであるため、シール性能を向上できる。

前記リップシールを設置する向きは、前記リップシールに前記１段目膨張部から前記２段目膨張部へ向かう圧力によって、前記リップが前記中間回転軸に押圧される向きであってもよい。

この構成によれば、１段目膨張部の高圧と２段目膨張部の低圧との圧力差を利用してリップシールのリップを中間回転軸に押圧できるため、シール性能を一層向上できる。

前記リップシールを設置する向きは、前記リップシールに前記１段目膨張部から前記２段目膨張部へ向かう圧力が、前記リップを前記中間回転軸に押圧する力として働かない向きであってもよい。

この構成によれば、１段目膨張部の高圧と２段目膨張部の低圧との圧力差によってリップ中間回転軸に押圧されないため、リップシールの摩耗量を低減できる。

前記膨張機は、前記１段目膨張部のケーシングと、前記２段目膨張部のケーシングとを備え、前記仕切壁は、前記１段目膨張部のケーシングおよび前記２段目膨張部のケーシングとは別部材であってもよい。

この構成によれば、１段目膨張部のケーシングと、２段目膨張部のケーシングと、仕切壁とが別部材であるため、加工性および組立性が良好となる。

前記膨張機は、前記１段目回転軸と前記２段目回転軸とを機械的に接続するスプラインカップリングをさらに備え、前記オイルラインは、前記スプラインカップリングを通ってもよい。

この構成によれば、潤滑油を必要とするスプラインカップリングの内部に対してオイルラインから給油できる。なお、ここでのスプラインカップリングとは、１段目回転軸および２段目回転軸に形成されたスプライン溝付き軸に対して、スプラインカップリングに形成されたスプライン溝付き穴が嵌め込まれる機構をいう。

前記膨張機は、前記１段目回転軸と前記２段目回転軸とを機械的に接続するキーカップリングと、前記キーカップリングに隣接して設けられた油導出路とをさらに備え、前記オイルラインは、前記キーカップリングを通らず、前記油導出路を通ってもよい。

この構成によれば、潤滑油を必要としないキーカップリングに対して潤滑油を供給することなく、オイルラインを構成できる。なお、ここでのキーカップリングとは、１段目回転軸および２段目回転軸の外周面に軸方向に形成された凹状のキー溝と、１段目回転軸および２段目回転軸が嵌めこまれる円筒状部材の孔の内周面に軸方向に形成されたもう一つのキー溝とを設け、それらのキー溝に対してキーが嵌め込まれる機構をいう。

本発明の第２の態様は、前記膨張機と、前記膨張機によって駆動される発電機と、前記１段目給気口に給気されるガスを加熱する第１加熱部と、前記２段目給気口に給気されるガスを加熱する第２加熱部と、前記１段目排気口および前記２段目排気口から排気されたガスを凝縮させる凝縮器とを備える、バイナリ発電装置を提供する。

この構成によれば、第１加熱部と第２加熱部の異なる熱源を利用して１段目および２段目の膨張前のガスをそれぞれ加熱できるため、膨張効率を向上できる。従って、発電効率を向上させることができる。また、上記小型の膨張機を使用するため、バイナリ発電装置も小型化できる。

前記バイナリ発電装置は、前記第２加熱部と前記２段目給気口との間に設けられ、ガスから潤滑油を分離して内部に加圧状態で一時的に貯留する気液分離器を備え、前記気液分離器内に加圧状態で一時的に貯留されている潤滑油を前記第１導油路へ供給してもよい。

この構成によれば、気液分離器内に加圧状態で貯留されている潤滑油を第１導油路に供給するため、膨張機の２段目におけるオイルライン内での圧力差を確保できる。従って、オイルラインにおいて潤滑油を一層円滑に流すことができる。

本発明によれば、膨張機およびバイナリ発電装置において、小型化を実現するとともに異なる２つの圧力源を高効率で利用できる。

本発明の一実施形態に係るバイナリ発電装置の概略構成図。 側方から見た膨張機および発電機の断面図。 上方から見た膨張機の一部の断面図。 第１実施形態のシール機構を示す断面図。 第１実施形態の変形例のシール機構を示す断面図。 第２実施形態のシール機構を示す断面図。 第２実施形態の変形例のシール機構を示す断面図。 第３実施形態に係る膨張機および発電機の断面図。 変形例に係るバイナリ発電装置の概略構成図。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

（第１実施形態）
図１を参照して、本実施形態のバイナリ発電装置１は、ランキンサイクルを利用して高効率での発電を可能にするものである。作動媒体となるガスとしてＲ２４５−ｆａ（ＨＣＦ−２４５ｆａ）を用いているが、作動媒体はこれに限定されるものではなくその他の冷媒あるいは水蒸気であってもよい。

まず、本実施形態のバイナリ発電装置１の構成について説明する。本実施形態のバイナリ発電装置１は、膨張機１０と、発電機４０と、第１加熱部５０と、第２加熱部５１と、凝縮器６０と、ポンプ７０，７１とを備える。

膨張機１０は、２段型のスクリュ式である。膨張機１０は、１段目膨張部１１および２段目膨張部２１を有している。１段目膨張部１１には１段目スクリュロータ１２（図２参照）が配置され、２段目膨張部２１には２段目スクリュロータ２２（図２参照）が配置されている。詳細については後述するが、１段目スクリュロータ１２および２段目スクリュロータ２２は機械的に直列接続されており、回転動力を伝達できるようにされている。

図１，２を併せて参照して、発電機４０は、膨張機１０に機械的に接続されている。発電機４０は、膨張機１０によって駆動され、発電する。発電機４０は、発電機ケーシング４４内に回転子４１と固定子４２とを有する。回転子４１は発電機４０の回転軸４３の外周部分に取り付けられ、固定子４２は回転子４１の外側に離間して発電機ケーシング４４の内面に配置されている。後述するように、当該回転軸４３が膨張機１０によって回転駆動され、回転子４１が固定子４２の内側にて回転することによって発電する。

発電機ケーシング４４は、２段目膨張部２１に向かって開口した概ね有底筒状の形状をしている。後述する２段目ケーシング２３は、２段目膨張部２１の外装となっており、発電機ケーシング４４内の空間と、２段目ケーシング２３内の吐出空間（２段目排気口２５）とを連通する連通孔２３ａを有している。本実施形態においては、連通孔２３ａがケーシング２３の上部と下部にそれぞれ形成されている。

凝縮器６０は、１段目膨張部１１および２段目膨張部２１と流体的に接続されている。１段目膨張部１１の１段目排気口１５および２段目膨張部２１の２段目排気口２５から排気された作動媒体は、凝縮器６０にて凝縮される。本実施形態の凝縮器６０は、空冷式または水冷式などの熱交換器である。ただし、電気式のクーラを凝縮器６０として採用してもよい。

ポンプ７０，７１は、凝縮器６０に溜まった低圧の作動媒体液を取り出し、加圧および給液する。ポンプ７０，７１の態様は、特に限定されず、公知のものを使用できる。

第１加熱部５０は、ポンプ７１および１段目膨張部１１の１段目給気口１４と流体的に接続されている。第１加熱部５０は、ポンプ７１から送られた作動媒体液（例えば３０度程度）を加熱し、過熱状態（例えば１２０度程度）として１段目膨張部１１の１段目給気口１４に供給する。本実施形態では、第１加熱部５０は、外部熱源（例えば１３０度程度）とポンプ７１から送られた作動媒体液（例えば３０度程度）との間で熱交換を行い、当該作動媒体液を加熱する熱交換器である。なお、第１加熱部５０は、本発明の第１圧力源の一例である。

第２加熱部５１は、ポンプ７０および２段目膨張部２１の２段目給気口２４と流体的に接続されている。第２加熱部５１は、ポンプ７０から送られた作動媒体液（例えば３０度程度）を加熱し、過熱状態（例えば９０度程度）として２段目膨張部２１の２段目給気口２４に供給する。本実施形態では、第２加熱部５１は、外部熱源（例えば１００度程度）とポンプ７０から送られた作動媒体液（例えば３０度程度）との間で熱交換を行い、当該作動媒体液を加熱する熱交換器である。なお、第２加熱部５１は、本発明の第２圧力源の一例である。

図１，２を参照して膨張機１０の構成について詳細に説明する。

膨張機１０は、１段目膨張部１１と、２段目膨張部２１とを備える。また、２段目膨張部２１に隣接して発電機４０が設けられている。

１段目膨張部１１では、１段目ケーシング１３内に１段目ロータ本体１２ａが収容されている。１段目ケーシング１３には、第１加熱部（第１圧力源）５０と流体的に接続され、矢印Ａ１に示すように過熱状態の作動媒体が給気される１段目給気口１４と、矢印Ａ２に示すように膨張後の作動媒体を排気する１段目排気口１５とが設けられている。１段目膨張部１１では、第１加熱部５０からの過熱状態の作動媒体が膨張される。

１段目ロータ本体１２ａは、１段目回転軸１２ｂによって支持されている。１段目回転軸１２ｂの一端１２ｂ１は軸受１６ａによって回転可能に支持され、他端１２ｂ２は軸受１６ｂによって回転可能に支持されるとともに後述するカップリング部３４まで延びている。なお、１段目ロータ本体１２ａと１段目回転軸１２ｂとによって、１段目スクリュロータ１２が構成されている。

２段目膨張部２１では、２段目ケーシング２３内に２段目ロータ本体２２ａが収容されている。２段目ケーシング２３には、第２加熱部（第２圧力源）５１と流体的に接続され、矢印Ａ３に示すように過熱状態の作動媒体を給気される２段目給気口２４と、矢印Ａ４に示すように膨張後の作動媒体を排気する２段目排気口２５とが設けられている。２段目膨張部２１では、第２加熱部５１からの過熱状態の作動媒体が膨張される。

２段目ロータ本体２２ａは、２段目回転軸２２ｂによって支持されている。２段目回転軸２２ｂの一端２２ｂ１は軸受（中間軸受）２６ａによって回転可能に支持されるとともに後述するカップリング部３４まで延びており、他端２２ｂ２は軸受２６ｂによって回転可能に支持されるとともに発電機４０と機械的に接続されている。軸受（中間軸受）２６ａは、２段目膨張部２１の接続ケーシング３２に設けられた凹部３２ａに収容されている。凹部３２ａには、軸受（中間軸受）２６ａの外輪を固定する蓋体３３が取り付けられている。なお、２段目ロータ本体２２ａと２段目回転軸２２ｂとによって、２段目スクリュロータ２２が構成されている。

１段目膨張部１１と２段目膨張部２１とを比較すると、給気圧力は、１段目膨張部１１の方が２段目膨張部２１よりも高い。即ち、給気圧力に関して、第１加熱部５０は、第２加熱部５０よりも相対的に高い圧力を有する。例えば、１段目膨張部１１への給気圧力は１．１ＭＰａ程度であり、２段目膨張部２１への給気圧力は０．４ＭＰａ程度である。また、排気圧力は１段目膨張部１１および２段目膨張部２１ともに、例えば０．０９ＭＰａ程度である。

２段目膨張部２１の接続ケーシング３２内には、１段目膨張部１１の位置する側の端面に開口した接続空間３１が設けられている。接続空間３１は、凹部３２ａと連通するように設けられている。接続空間３１内にカップリング部３４が設けられている。２段目膨張部２１の接続ケーシング３２と１段目膨張部１１の１段目ケーシング１３との間には板状の仕切壁３５が配置されており、仕切壁３５によって、１段目膨張部１１と２段目膨張部２１とが仕切られている。仕切壁３５には、１段目回転軸１２ｂ（中間回転軸）が貫通する貫通孔３５ａが概ね中央に形成されている。詳細は後述するが、貫通孔３５ａにはシール機構３６が設けられている。

カップリング部３４は、１段目回転軸１２ｂと２段目回転軸２２ｂとを機械的に接続する部分である。１段目回転軸１２ｂと２段目回転軸２２ｂを同軸状態で接続することで中間回転軸が構成される。本実施形態のカップリング部３４では、スプラインカップリング３４ａによって１段目回転軸１２ｂと２段目回転軸２２ｂとが機械的に接続されている。ここでのスプラインカップリング３４ａとは、１段目回転軸１２ｂおよび２段目回転軸２２ｂに形成されたスプライン溝付き軸に対して、スプラインカップリングに形成されたスプライン溝付き穴が嵌め込まれる機構をいう。当該スプラインカップリング３４ａによって、１段目回転軸１２ｂと２段目回転軸２２ｂとの間で回転駆動力の伝達が可能となっている。言い換えると、中間回転軸を介して回転駆動力の伝達が可能となっている。また、スプラインカップリング３４ａは、軸受(中間軸受)２６ａを収容する凹部３２ａを閉じる蓋体３３の中央部に設けられた連通孔３３ａに挿入されている。

図３を併せて参照して、２段目膨張部２１には、潤滑油を流すためのオイルライン２７が設けられている。オイルライン２７は、給油口２７ａと、排油口２７ｂと、第１導油路２７ｃと、油溜部２７ｅと、第２導油路２７ｄとを備える。給油口２７ａは、２段目ケーシング２３に形成されたている。排油口２７ｂは、２段目ケーシング２３の２段目排気口２５近傍に設けられている。第１導油路２７ｃは、給油口２７ａから軸受（中間軸受）２６ａに潤滑油を運ぶ流路である。第２導油路２７ｄは、軸受２６ａを潤滑した後にスプラインカップリング３４ａを潤滑した潤滑油を排油口２７ｂまで運ぶ流路である。排油口２７ｂは、２段目排気口２５に対して２段目スクリュロータ２２の一歯分前（歯の送り方向に対して手前）程度に設けられている。当該排油口２７ｂの設けられた部分は、概ね２段目排気口２５と同程度の圧力の部分である。代替的には、図２において破線で示すように、オイルライン２７の排油口２７ｂは、２段目排気口２５に設けられてもよい。第１導油路２７ｃは、膨張機１０の側部に設けられた給油口２７ａから膨張機１０内部を水平方向に軸受２６ａまで延びている。油溜部２７ｅは、軸受２６ａ乃至はスプラインカップリング３４ａを潤滑した潤滑油を収集するように２段目膨張部２１の接続空間３１下部に設けられている。第２導油路２７ｄは、膨張機１０の下部に設けられ、油溜部２７ｅから排油口２７ｂまで延びている。本実施形態では、第１導油路２７ｃと第２導油路２７ｄは、２段目スクリュロータ２２の周方向において９０度位相差のある位置関係にある。

詳細な説明及び一部の図示を省略するが、その他の軸受１６ａ，１６ｂ，２６ｂ及びスクリュロータ１２，２２にも、潤滑油が供給されるようにされている。潤滑油は、１段目膨張部１１および２段目膨張部２１の潤滑および冷却等にそれぞれ供され、１段目排気口１５および２段目排気口２５へそれぞれ排出されるか、或いはそれら排気口と概ね同程度の圧力の部分へそれぞれ排出される。

図４を参照して、本実施形態のシール機構３６は、フローティングシール３６ａと、仕切壁３５に設けられたシール収容空間とを有する。本実施形態のシール収容空間は、仕切壁３５の貫通孔であって、貫通孔３５ａの一部を拡径して形成した凹部３５ｂに環状の留め板３５ｃで蓋をすることで形成される。本実施形態のフローティングシール３６ａは、例えば鋼製のリング状部材３６ａ１を有しており、シール収容空間内で１段目回転軸１２ｂの周囲に環状に配置されている。フローティングシール３６ａは、１段目膨張部１１の作動媒体が貫通孔３５ａを通って１段目膨張部１１から接続空間３１へ漏出することを防止する機能を有している。シール機構３６は、フローティングシール３６ａのリング状部材３６ａ１がその径方向に移動可能となるように凹部３５ｂに収容されている。すなわち、リング状部材３６ａ１の円筒状の外周面と凹部３５ｂの円筒状の内周面との間に径方向の隙間を有する状態で、リング状部材３６ａ１が凹部３５ｂ内に収容されている。

以上の構成を有する本実施形態のバイナリ発電装置１の動作について説明する。

図１および図２を参照して、バイナリ発電装置１では、第１加熱部５０によって作動媒体液が加熱され、過熱状態の作動媒体が膨張機１０の１段目給気口１４に給気されることによって膨張機１０の１段目膨張部１１が駆動される。即ち、１段目膨張部１１にて１段目スクリュロータ１２が回転駆動される。当該回転駆動力は、膨張機１０に機械的に接続された発電機４０に伝達され、発電機４０にて電力に変換され、即ち発電される。

１段目膨張部１１にて膨張された作動媒体は、１段目排気口１５から排気される。排気された作動媒体は凝縮器６０に送られ、凝縮器６０にて凝縮する。凝縮器６０に溜まった低圧の作動媒体液はポンプ７０にて取り出され、加圧および給液される。そして、第２加熱部５１で過熱状態となるまで加熱蒸発された後に膨張機１０の２段目給気口２４に給気され、２段目膨張部２１が駆動される。即ち２段目膨張部２１にて２段目スクリュロータ２２が回転駆動される。当該回転駆動力は、膨張機１０に機械的に接続された発電機４０に伝達され、発電機４０にて電力に変換され、即ち発電される。

２段目膨張部２１にて膨張された作動媒体は、２段目排気口２５から排気される。排気された作動媒体は凝縮器６０に送られ、凝縮器６０にて凝縮する。凝縮器６０に溜まった低圧の作動媒体液はポンプ７１にて取り出され、加圧および給液される。そして、第１加熱部５０で過熱状態となるまで加熱蒸発された後に膨張機１０の１段目給気口１４に給気される。本実施形態のバイナリ発電装置１は、このサイクルを繰り返している。

特に膨張機１０の動作においては、シール機構３６によって貫通孔３５ａから接続空間３１への作動媒体の漏出が防止されている。即ち、シール機構３６で圧力損失を生じさせることによって、作動媒体が仕切壁３５を通過することを防止している。

また、オイルライン２７によって、軸受（中間軸受）２６ａと、スプラインカップリング３４ａとを潤滑油にて潤滑している。オイルライン２７では、図３を参照して、給油口２７ａから給油された潤滑油が第１導油路２７ｃを通り、軸受２６ａに給油される。軸受２６ａを潤滑した潤滑油は、軸受２６ａに隣接するスプラインカップリング３４ａに流れ、スプラインカップリング３４ａに給油される。図２を参照して、スプラインカップリング３４ａを潤滑した潤滑油は、接続空間３１に流出して油溜部２７ｅに到達し、第２導油路２７ｄを通って排油口２７ｂに流れ、排油口２７ｂから排油される。

本実施形態のバイナリ発電装置１によれば、以下のメリットがある。

２つの異なる圧力源５０，５１をそれぞれ利用する１段目膨張部１１の１段目スクリュロータ１２と２段目膨張部２１の２段目スクリュロータ２２とをカップリング部３４および中間回転軸を介して接続して一体構造とすることで、膨張機１０の小型化を実現している。また、仕切壁３５に１段目回転軸１２ｂ（中間回転軸）が貫通する貫通孔３５ａを設けるとともに、２段目膨張部２１の接続ケーシング３２に接続空間３１を設けることで、カップリング部３４を具体的に構成できる。また、貫通孔３５ａの凹部３５ｂ（シール収容空間）にはシール機構３６を設けているため作動媒体の漏出を防止でき、高効率で異なる２つの圧力源５０，５１を利用できる。また、上記構成では、中間軸受２６ａからカップリング部３４を通って２段目排気口２５近傍に潤滑油を流すオイルライン２７を設けている。２段目排気口２５近傍は、膨張後の作動媒体が流れる部分であり、即ち低圧の作動媒体が流れる部分である。さらに、シール機構３６を設けているため、第１導油路２７ｃの圧力に対して中間軸受２６ａおよびカップリング部３４を挟んだ下流側となる接続空間３１の圧力を低く保つことができる。このようにシール機構３６を設けることで、第１導油路２７ｃ、接続空間３１、２段目排気口２５近傍の順で圧力を低くすることができるため、オイルライン２７中で潤滑油を円滑に流すことができる。よって、１段目膨張部１１から２段目膨張部２１への作動媒体の一部の漏出防止と、それによる中間軸受２６ａに対する給油不良の防止を実現できる。

本実施形態では、シール機構３６がフローティングシール３６ａを有する。フローティングシール３６ａは、１段目回転軸１２ｂまたは２段目回転軸２２ｂに軸の振れが生じたとしても振れに応じて変位する。それにより、フローティングシール３６ａのリング状部材３６ａ１の内周面（シール面）と回転軸の外周面との隙間を微小に設定することができるため、良好に貫通孔３５ａをシールできる。

また、本実施形態では、１段目ケーシング１３と、２段目ケーシング２３と、仕切壁３５とが別部材である。従って、膨張機１０の加工性および組立性が良好となる。

また、潤滑油を必要とするスプラインカップリング３４ａに対してオイルライン２７から給油できる。

第１加熱部５０と第２加熱部５１の異なる熱源を利用して１段目および２段目の膨張前の作動媒体をそれぞれ加熱できるため、膨張効率を向上できる。従って、発電効率を向上させることができる。また、上記小型の膨張機１０を使用するため、バイナリ発電装置１も小型化できる。

（変形例）
図５を参照して、本実施形態の膨張機１０の変形例を説明する。当該変形例は膨張機１０のシール機構３６が上記説明のものと異なるのみである。従って、シール機構３６以外の詳細な説明は省略する。

本変形例では、シール面に複数の環状溝が形成されたラビリンス型のフローティングシール３６ａを使用している。

本実施形態によれば、フローティングシール３６ａをラビリンス型にしているため、前述の実施形態に比べてシール性能を向上できる。また、シール面を小さくすることができるため、万一接触してしまった場合のダメージが軽減され、耐久性能が良くなる。

（第２実施形態）
図６に示す本実施形態のバイナリ発電装置１の膨張機１０は、シール機構３６が第１実施形態と異なる。これに関する構成以外は、第１実施形態の構成と実質的に同じである。従って、第１実施形態と同じ部分については説明を省略する場合がある。

本実施形態では、シール機構３６がリップシール３６ｂを有する。リップシール３６ｂは、リップが例えばテフロン（登録商標）製であり、仕切壁３５に設けられたシール収容空間内で１段目回転軸１２ｂの周囲に環状に配置されている。リップシール３６ｂは、作動媒体が貫通孔３５ａを通って接続空間３１へ漏出することを防止する機能を有している。本実施形態のシール機構３６は、１段目回転軸１２ｂと接触するリップシール３６ｂのリップ３６ｂ１を有するリング状部材３６ｂ２が仕切壁３５に形成された凹部３５ｂに収容されている。詳しくは、リング状部材３６ａ１が仕切壁３５に固定されたピンで廻り止めされた状態で凹部３５ｂ内に収容されている。

リップシール３６ｂを設置する向きは、リップシール３６ｂに１段目膨張部１１（図２参照）から２段目膨張部２１（図２参照）へ向かう圧力によって、リップ３６ｂ１が中間回転軸（本実施形態においては、１段目回転軸１２ｂ）に押圧される向きである。詳細には、リップシール３６ｂの折り曲げられたリップ３６ｂ１が１段目膨張部１１（図２参照）に向けて配置されている。

本実施形態によれば、リップシール３６ｂは接触型のシールであるため、第１実施形態に比べてシール性能を向上できる。

また、リップシールを設置する向きを前述のように規定することにより、１段目膨張部１１の高圧と２段目膨張部２１における接続空間３１の低圧との圧力差を利用してリップシール３６ｂのリップ３６ｂ１を中間回転軸である１段目回転軸１２ｂに押圧できるため、シール性能を一層向上できる。

（変形例）
図７を参照して、本実施形態の膨張機１０の変形例を説明する。当該変形例はリップシール３６ｂを設置する向きが上記第２実施形態のものと異なるのみである。従って、リップシール３６ｂ以外の詳細な説明は省略する。

本変形例では、リップシール３６ｂを設置する向きは、リップシール３６ｂに１段目膨張部１１（図２参照）から２段目膨張部２１（図２参照）へ向かう圧力が、リップ３６ｂ１を中間回転軸である１段目回転軸１２ｂに押圧力として働かない向きである。詳細には、リップシール３６ｂの折り曲げられたリップ３６ｂ１が２段目膨張部２１（図２参照）に向けて配置されている。

本変形例によれば、１段目膨張部１１の高圧と２段目膨張部２１における接続空間の低圧との圧力差によってリップ３６ｂ１が中間回転軸である１段目回転軸１２ｂに押圧されないため、リップシール３６ｂの摩耗量を低減できる。

（第３実施形態）
図８に示す本実施形態のバイナリ発電装置１の膨張機１０は、カップリング部３４と、軸受（中間軸受）２６ａから接続空間３１への潤滑油の流通経路とが第１実施形態および第２実施形態とは異なる。これに関する構成以外は、第１実施形態および第２実施形態と実質的に同じである。従って、第１実施形態および第２実施形態に示した構成と同じ部分については説明を省略する場合がある。なお、図８では、円で囲まれた膨張機１０の一部が拡大して示されている。

本実施形態のカップリング部３４では、キーカップリング３４ｂによって１段目回転軸１２ｂと２段目回転軸２２ｂとが機械的に接続されている。ここでのキーカップリング３４ｂとは、１段目回転軸１２ｂおよび２段目回転軸２２ｂの外周面に軸方向に形成された凹状のキー溝と、１段目回転軸１２ｂおよび２段目回転軸２２ｂがピッタリ嵌め込まれる円筒状部材の孔の内周面に軸方向に形成されたキー溝とを設け、それらのキー溝に対してキーが嵌め込まれる機構をいう。当該キーカップリング３４ｂによって、１段目回転軸１２ｂと２段目回転軸２２ｂとの間で回転駆動力の伝達が可能となっている。言い換えると、中間回転軸を介して回転駆動力の伝達が可能となっている。

キーカップリング３４ｂは、軸受（中間軸受）２６ａを収容する凹部３２ａを閉じる蓋体３３の中央部を貫通するように設けられた連通孔３３ａに挿入されている。蓋体３３には中央部の連通孔３３ａとは別の連通孔（油導出路）３３ｂが設けられている。従って、本実施形態のオイルライン２７は、キーカップリング４ｂを通らず、油導出路となる連通孔３３ｂを通っている（矢印Ａ５参照）。オイルライン２７は、連通孔３３ｂを通った後、第１，第２実施形態と同様に、接続空間３１の油溜部２７ｅから第２導油路２７ｄを通じて排油口２７ｂへ向かって延びている（矢印Ａ６参照）。

本実施形態によれば、潤滑油を必要としないキーカップリング３４ｂに対して潤滑油を供給することなく、オイルライン２７を構成できる。

以上より、本発明の具体的な実施形態およびその変形例について説明したが、本発明は上記形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。例えば、個々の実施形態の内容を適宜組み合わせたものを、この発明の一実施形態としてもよい。

例えば、上記各実施形態では、１段目回転軸１２ｂが貫通孔３５ａを貫通していたが、２段目回転軸２２ｂが貫通孔３５ａを貫通していてもよい。また、１段目ケーシング１３と、２段目ケーシング２３と、仕切壁３５と、接続ケーシング３２とは、それぞれ別部材であってもよいし、一部の隣り合う部材同士が一体であってもよい。

また、フローティングシール３６ａは、軸封に必要な圧力損失を得られるものであれば他のフローティングシールであってもよく、例えばカーボンリングとそれを軸方向に押しつける弾性体をシール収容空間に収容するものであってもよい。

また、図３および図９を参照して、軸受１６ａおよび軸受１６ｂへの導油路（不図示）に供給される潤滑油は、第１加熱部（第１圧力源）５０と１段目給気口１４との間に設けられた１段目気液分離器２８ａで分離され、１段目気液分離器２８ａ内に加圧状態で一時的に貯留されている潤滑油を用いるものであってもよい（図９の破線矢印Ｂ１参照）。

また、図３および図９を参照して、軸受２６ａへの第１導油路２７ｃおよび軸受２６ｂへの第３導油路２７ｆに供給される潤滑油は、第２加熱部（第２圧力源）５１と２段目給気口２４との間に設けられた２段目気液分離器２８ｂで分離され、２段目気液分離器内に加圧状態で一時的に貯留されている潤滑油を用いるものであってもよい（図９の破線矢印Ｂ２参照）。なお、２段目気液分離器２８ｂは、本発明の気液分離器の一例である。これにより、２段目気液分離器２８ｂ内に加圧状態で貯留されている潤滑油を第１導油路２７ｃに供給するため、オイルライン２７内での圧力差を確保できる。従って、オイルライン２７において潤滑油を一層円滑に流すことができる。

１ バイナリ発電装置
１０ 膨張機
１１ １段目膨張部
１２ １段目スクリュロータ
１２ａ １段目ロータ本体
１２ｂ １段目回転軸
１２ｂ１ 一端
１２ｂ２ 他端
１３ １段目ケーシング
１４ １段目給気口
１５ １段目排気口
１６ａ，１６ｂ 軸受
２１ ２段目膨張部
２２ ２段目スクリュロータ
２２ａ ２段目ロータ本体
２２ｂ ２段目回転軸
２２ｂ１ 一端
２２ｂ２ 他端
２３ ２段目ケーシング
２３ａ 連通孔
２４ ２段目給気口
２５ ２段目排気口
２６ａ 軸受（中間軸受）
２６ｂ 軸受
２７ オイルライン
２７ａ 給油口
２７ｂ 排油口
２７ｃ 第１導油路
２７ｄ 第２導油路
２７ｅ 油溜部
２７ｆ 第３導油路
２８ａ １段目気液分離器
２８ｂ ２段目気液分離器（気液分離器）
３１ 接続空間
３２ 接続ケーシング
３２ａ 凹部
３３ 蓋体
３３ａ，３３ｂ 連通孔
３４ カップリング部
３４ａ スプラインカップリング
３４ｂ キーカップリング
３５ 仕切壁
３５ａ 貫通孔
３５ｂ 凹部
３５ｃ 留め板
３６ シール機構
３６ａ フローティングシール
３６ａ１ リング状部材
３６ｂ リップシール
３６ｂ１ リップ
３６ｂ２ リング状部材
４０ 発電機
４１ 回転子
４２ 固定子
４３ 回転軸
４４ 発電機ケーシング
５０ 第１加熱部（第１圧力源）
５１ 第２加熱部（第２圧力源）
６０ 凝縮器
７０，７１ ポンプ

Claims (11)

1. 少なくとも２つの圧力の異なる圧力源に接続される膨張機であって、
   相対的に高い圧力を有する第１圧力源に流体的に接続され、前記第１圧力源からガスを給気される１段目給気口と、
   前記１段目給気口から給気されたガスを膨張させる１段目膨張部と、
   前記１段目膨張部から膨張後のガスを排気する１段目排気口と、
   相対的に低い圧力を有する第２圧力源に流体的に接続され、前記第２圧力源からガスを給気される２段目給気口と、
   前記２段目給気口から給気されたガスを膨張させる２段目膨張部と、
   前記２段目膨張部から膨張後のガスを排気する２段目排気口と、
   前記１段目膨張部に配置された１段目ロータ本体および前記１段目ロータ本体を支持する１段目回転軸を有する１段目スクリュロータと、
   前記２段目膨張部に配置された２段目ロータ本体および前記２段目ロータ本体を支持する２段目回転軸を有する２段目スクリュロータと、
   前記２段目ロータ本体に対して前記２段目給気口側の前記２段目回転軸を回転可能に支持する中間軸受と、
   前記１段目膨張部と前記中間軸受との間に位置し、前記１段目排気口および前記２段目給気口を除いて前記１段目膨張部と前記２段目膨張部を仕切る仕切壁と、
   前記中間軸受よりも前記２段目膨張部側から当該中間軸受に潤滑油を供給する第１導油路と、前記中間軸受と前記仕切壁の間で前記中間軸受から流出した前記潤滑油を収集する油溜部と、前記油溜部から前記２段目排気口近傍に前記潤滑油を流す第２導油路とを有するオイルラインと
   を備え、
   前記１段目回転軸と前記２段目回転軸とは、同軸状態で接続されて中間回転軸を成しており、
   前記仕切壁には前記中間回転軸を貫通させる貫通孔が設けられ、
   前記貫通孔には前記中間回転軸と前記貫通孔の隙間をシールするシール機構が設けられている、膨張機。
2. 前記シール機構は、フローティングシールを有する、請求項１に記載の膨張機。
3. 前記フローティングシールは、前記中間回転軸に対向するシール面に複数の環状溝が形成されたラビリンス型である、請求項２に記載の膨張機。
4. 前記シール機構は、前記中間回転軸に接するリップが形成されたリップシールを有する、請求項１に記載の膨張機。
5. 前記リップシールを設置する向きは、前記リップシールに前記１段目膨張部から前記２段目膨張部へ向かう圧力によって、前記リップが前記中間回転軸に押圧される向きである、請求項４に記載の膨張機。
6. 前記リップシールを設置する向きは、前記リップシールに前記１段目膨張部から前記２段目膨張部へ向かう圧力が、前記リップを前記中間回転軸に押圧する力として働かない向きである、請求項４に記載の膨張機。
7. 前記１段目膨張部のケーシングと、
   前記２段目膨張部のケーシングと
   を備え、
   前記仕切壁は、前記１段目膨張部のケーシングおよび前記２段目膨張部のケーシングとは別部材である、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の膨張機。
8. 前記１段目回転軸と前記２段目回転軸とを機械的に接続するスプラインカップリングをさらに備え、
   前記オイルラインは、前記スプラインカップリングを通る、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の膨張機。
9. 前記１段目回転軸と前記２段目回転軸とを機械的に接続するキーカップリングと、前記キーカップリングに隣接して設けられた油導出路とをさらに備え、
   前記オイルラインは、前記キーカップリングを通らず、前記油導出路を通る、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の膨張機。
10. 請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の膨張機と、
    前記膨張機によって駆動される発電機と、
    前記１段目給気口に給気されるガスを加熱する第１加熱部と、
    前記２段目給気口に給気されるガスを加熱する第２加熱部と、
    前記１段目排気口および前記２段目排気口から排気されたガスを凝縮させる凝縮器と
    を備える、バイナリ発電装置。
11. 前記第２加熱部と前記２段目給気口との間に設けられ、ガスから潤滑油を分離して内部に加圧状態で一時的に貯留する気液分離器を備え、当該気液分離器内に加圧状態で一時的に貯留されている潤滑油を前記第１導油路へ供給する、請求項１０に記載のバイナリ発電装置。

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