JP2020153268A - スクロール蒸気膨張システム - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で、膨張機上流側に混入する水の量を適切に制御して十分なシール効果を得ることができるスクロール蒸気膨張システムを提供すること。【解決手段】配管Ｌ３から吸入した高圧蒸気ＨＷを膨張して配管Ｌ５から低圧蒸気を吐出するスクロール膨張機１０を有したスクロール蒸気膨張システム１であって、高圧蒸気ＨＷを気相と液相とに分離するドレンタンク３０と、ドレンタンク３０内の気相をスクロール膨張機１０に導出する配管Ｌ３と、配管Ｌ３に接続され、ドレンタンク３０内の液相を気相に混入させる配管Ｌ４と、配管Ｌ４に設けられた流量調整弁２０と、流量調整弁２０の開度の増減を行う制御部５０と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、簡易な構成で、膨張機上流側に混入する水の量を適切に制御して十分なシール効果を得ることができるスクロール蒸気膨張システムに関する。

従来、潤滑油を用いないスクロール膨張機は、膨張室間の微小隙間をシールすることができず、漏れ流量が増加するため、膨張機効率が低いという問題があった。そこで、膨張過程で生じる水を潤滑油の代替としてシールに用いることで、膨張機効率を向上するようにしている。

しかし、膨張に伴って生じる水は、膨張機入口付近ではシールに必要な十分な水量を確保できないため、シール効果が不十分であった。このため、特許文献１では、膨張機内部に放熱機構を設け、膨張過程で温度低下する蒸気と熱交換により凝縮水を発生し、膨張機内部に混入させてシール効果を上げるようにしている。

特開２０１３−１８１５０６号公報

しかしながら、特許文献１のスクロール膨張機では、熱交換部の大きさが一定であるため、蒸気流量の変動に伴って熱交換量が変動し、生成される凝縮水量も変化する。このため、凝縮水の混入量を制御することができず、凝縮水量が少ないとシール効果を発揮できず、膨張機効率が低下してしまい、凝縮水量が多いと膨張過程における蒸気流量が減り、出力が低下してしまうという問題があった。

また、特許文献１のスクロール膨張機では、膨張機内部に熱交換機構や水混入機構を設ける必要があるため、装置が複雑なものとなる。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、簡易な構成で、膨張機上流側に混入する水の量を適切に制御して十分なシール効果を得ることができるスクロール蒸気膨張システムを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかるスクロール蒸気膨張システムは、入口配管から吸入した高圧蒸気を膨張して出口配管から低圧蒸気を吐出するスクロール膨張機を有したスクロール蒸気膨張システムであって、前記高圧蒸気を気相と液相とに分離するドレンタンクと、前記ドレンタンク内の気相を前記スクロール膨張機に導出する気相側配管と、前記気相側配管に接続され、前記ドレンタンク内の前記液相を前記気相に混入させる液相側配管と、前記液相側配管に設けられた流量調整弁と、前記流量調整弁の開度を調整する制御部と、を備えたことを特徴とする。

また、本発明にかかるスクロール蒸気膨張システムは、上記の発明において、前記制御部は、前記スクロール膨張機の回転数に応じて前記流量調整弁の開度を調整することを特徴とする。

また、本発明にかかるスクロール蒸気膨張システムは、上記の発明において、前記ドレンタンク内の液位を検出する液位センサと、前記ドレンタンク内に水を供給する水供給手段と、をさらに備え、前記水供給手段は、前記液位センサの検出液位に応じて前記ドレンタンク内に流入する水の流量を調整することを特徴とする。

また、本発明にかかるスクロール蒸気膨張システムは、上記の発明において、前記水供給手段は、熱交換により前記高圧蒸気の少なくとも一部を凝縮させる熱交換器と、前記熱交換器に流入する高圧蒸気をバイパスさせるバイパス配管と、前記熱交換器に流入する高圧蒸気の流量を調整する高圧蒸気流量調整弁と、前記液位センサの検出液位に応じて前記高圧蒸気流量調整弁の開度を調整する蒸気流量制御部と、を備えることを特徴とする。

また、本発明にかかるスクロール蒸気膨張システムは、上記の発明において、前記熱交換器は、前記ドレンタンクに流入する高圧蒸気と前記スクロール膨張機によって膨張された低圧蒸気とを熱交換させることを特徴とする。

また、本発明にかかるスクロール蒸気膨張システムは、上記の発明において、前記水供給手段は、前記ドレンタンクまたは前記ドレンタンク上流側の配管に接続された水供給配管と、前記水供給配管を流通する水の流量を調整する水流量調整弁と、前記液位センサの検出液位に応じて前記水流量調整弁の開度を調整する水流量制御部と、を備えることを特徴とする。

また、本発明にかかるスクロール蒸気膨張システムは、上記の発明において、前記ドレンタンクの水を排水する排水配管と、前記排水配管に設けられた排水流量調整弁と、前記液位センサの検出液位に応じて前記排水流量調整弁の開度を調整する排水流量制御部と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、簡易な構成で、膨張機上流側に混入する水の量を適切に制御して十分なシール効果を得ることができる。

図１は、本発明の実施の形態であるスクロール蒸気膨張システムの構成を示す図である。 図２は、制御部による流量調整弁の開度制御処理手順を示すフローチャートである。 図３は、スクロール膨張機による膨張過程を説明するためのＰ−ｈ線図である。 図４は、本発明の実施の形態の変形例であるスクロール蒸気膨張システムの構成を示す図である。 図５は、水混入率に対する蒸気漏れ流量の変化を示す図である。

以下、添付図面を参照してこの発明を実施するための形態について説明する。

＜スクロール蒸気膨張システムの構成＞
図１は、本発明の実施の形態であるスクロール蒸気膨張システム１の構成を示す図である。図１に示すように、スクロール蒸気膨張システム１は、スクロール膨張機１０、流量調整弁２０、ドレンタンク３０、熱交換器４０及び制御部５０を有する。

スクロール膨張機１０は、入口１０ａに気相側配管である配管Ｌ３が接続され、液相側配管である配管Ｌ４から導出される水が混入された高圧蒸気ＨＷが吸入される。また、スクロール膨張機１０は、出口１０ｂに配管Ｌ５が接続され、膨張された低圧蒸気ＬＷが熱交換器４０側に吐出される。熱交換器４０によって吸熱した低圧蒸気ＬＷは、配管Ｌ６を介して外部出力される。

スクロール膨張機１０は、固定スクロールと旋回スクロールとを有する。固定スクロールと旋回スクロールとは、それぞれ板状渦巻歯が互いに噛み合わされた状態で、旋回スクロールが固定スクロールの中心を公転運動する旋回を行い、この旋回に伴って中心の吸入口から吸入される高圧蒸気ＨＷを、固定スクロールと旋回スクロールとの間に形成される膨張室によって膨張させて低圧蒸気ＬＷを生成する。なお、この膨張室を形成する際、固定スクロールの板状渦巻歯壁面と旋回スクロールの板状渦巻歯壁面との当接位置におけるシールを行うため、高圧蒸気ＨＷに水が混入される。スクロール膨張機１０は、膨張過程に伴って旋回スクロールの回転軸１０ｃが回転駆動される。この回転軸１０ｃの回転エネルギーは外部出力される。

高圧蒸気ＨＷは、配管Ｌ０を介して導入され、分岐点Ｐ１によって高圧蒸気流量調整弁５２側とバイパス配管Ｌ１側とに分岐する。高圧蒸気流量調整弁５２側に流れた高圧蒸気ＨＷは、高圧蒸気流量調整弁５２によって流量調整されて熱交換器４０に導入され、配管Ｌ２を介してドレンタンク３０に導出される。一方、バイパス配管Ｌ１側に流れた高圧蒸気ＨＷは、配管Ｌ２上の合流点Ｐ２を介して熱交換器４０から導出された高圧蒸気ＨＷと合流する。なお、高圧蒸気流量調整弁５２及び蒸気流量制御部５２ａは、熱交換器４０に導入される高圧蒸気ＨＷの流量調整ができればよく、例えば高圧蒸気流量調整弁５２は、バイパス配管Ｌ１上に設けてもよい。また、熱交換器４０、バイパス配管Ｌ１、高圧蒸気流量調整弁５２及び蒸気流量制御部５２ａは、水供給手段である。

ドレンタンク３０は、配管Ｌ２を介して導入された高圧蒸気ＨＷを気相と液相とに気液分離する。配管Ｌ２を流れる高圧蒸気は、熱交換器４０や配管Ｌ２などによって一部が凝縮された水となる。

ドレンタンク３０の気相である高圧蒸気ＨＷは、配管Ｌ３を介してスクロール膨張機１０側に導出される。一方、ドレンタンク３０の液相である水は、配管Ｌ４及び流量調整弁２０を介して、配管Ｌ３の合流点Ｐ３から高圧蒸気ＨＷに水を混入する。そして、上記したように、水が混入した高圧蒸気ＨＷがスクロール膨張機１０に導入される。

流量調整弁２０は、開度調整機構２１を介して開度Ａが調整される。制御部５０は、スクロール膨張機１０の回転軸１０ｃの回転数Ｎを回転数検出部１１によって検出し、検出した回転数Ｎの増減に対応した開度Ａの増減制御を行う。回転数Ｎの増減は、スクロール膨張機１０に吸入される高圧蒸気ＨＷの蒸気流量に影響するため、制御部５０は、高圧蒸気ＨＷの蒸気流量の増減に対応して開度Ａの増減を行うことになる。これにより、高圧蒸気ＨＷの流量に対する水の混入率が常に一定値とすることができる。すなわち、水の混入量は、スクロール膨張機１０に吸入される蒸気流量に追随した値となる。この結果、蒸気流量の変動によって、水の混入量が少なくてシール効果が得られないという事態を回避し、水の混入量が多くて膨張過程における蒸気流量が減って膨張機効率が低下してしまう事態も回避することができる。

ドレンタンク３０には、水位（液位）を検出する液位センサである水位センサ３１，３２を有する。また、ドレンタンク３０には、水位が所定値を超える場合にドレンタンク３０内の水を排水する排水配管Ｌ１０と排水流量調整弁５１とを有する。水位センサ３１がドレンタンク３０内の水位の上昇を検出すると、その情報が排水流量制御部５１ａに通知され、排水流量制御部５１ａは、通知内容に対応して排水流量調整弁５１の開度を調整して水を排水する。一方、水位センサ３２がドレンタンク３０内の水位の低下を検出すると、その情報が蒸気流量制御部５２ａに通知され、蒸気流量制御部５２ａは、通知内容に対応して、ドレンタンク３０内の水を増やすべく、高圧蒸気流量調整弁５２の開度を大きくして高圧蒸気ＨＷから生成される凝縮水の量を増やす。

また、水位センサ３１，３２に替えて、フロート式水位計などのレベル計によってドレンタンク３０内の水位を測定し、排水流量調整弁５１及び高圧蒸気流量調整弁５２の開度調整を行ってもよい。

また、排水流量調整弁５１及び高圧蒸気流量調整弁５２は、ＯＮ／ＯＦＦ制御によって開閉のみを制御するものであってもよい。

＜制御部による流量調整弁の開度制御処理＞
図２は、制御部５０による流量調整弁２０の開度制御処理手順を示すフローチャートである。また、図３は、スクロール膨張機１０による膨張過程を説明するためのＰ−ｈ線図である。図２に示すように、制御部５０は、まず配管Ｌ３の高圧蒸気ＨＷの温度Ｔ１を温度センサ１２から取得する（ステップＳ１０１）。その後、制御部５０は、次式（１）を用いて入口密度ρinを算出する（ステップＳ１０２）。
ρin＝ｆsatg（Ｔ１） ・・・（１）
ｆsatgは、図３に示した飽和蒸気線Ｌ１２に対応する飽和蒸気関数である。

その後、次式（２）を用いて水混入量Ｇ２を算出する（ステップＳ１０３）。
Ｇ２＝Ｇ１（１−ｘ） ・・・（２）
Ｇ１は、吐出流量である。また、ｘは、目標乾き度である。

さらに、開度Ａと流量との関係を示す関数ｆを用いて次式（３）のように、開度Ａ
を算出し（ステップＳ１０４）、本処理を終了する。
Ａ＝ｆ（Ｇ２） ・・・（３）

これにより、図３に示すように、スクロール膨張機１０の入口１０ａにおける乾き度ｘは、凝縮水の混入によって飽和蒸気線Ｌ１２上から湿り蒸気内にシフトし、高圧蒸気ＨＷは、等エントロピ線Ｌ上で膨張する。この結果、スクロール膨張機１０内の高圧蒸気ＨＷには、入口１０ａから常に適切な量の水が含まれ、潤滑油がなくても十分なシール効果を得ることができる。また、蒸気流量が変動しても、流量調整弁２０の開度Ａの調整により、常に適切な量の水が混入されているため、十分なシール効果とともに、膨張すべき蒸気流量が減少することもない。

本実施の形態では、ドレンタンク３０及び流量調整弁２０を設けるのみという簡易な構成で、水の混入量を調整することができる。また、ドレンタンク３０への水の補充は、熱交換器４０、バイパス配管Ｌ１、高圧蒸気流量調整弁５２を設けるのみという簡易な構成で、水の補充を行うことができるとともに、エネルギー効率も低下しない。

＜変形例＞
図４は、本発明の実施の形態の変形例であるスクロール蒸気膨張システムの構成を示す図である。図１のスクロール蒸気膨張システム１では、ドレンタンク３０の水を熱交換器４０によって生成するようにしていたが、本変形例では、図４に示すように、外部あるいは低圧蒸気ＬＷの使用済みの水を貯留する外部入力用ドレンタンク１３０から、水流量調整弁１３１が設けられる水供給配管Ｌ１１を介してドレンタンク３０に水を供給するようにしている。水流量調整弁１３１は、外部入力用ドレンタンク１３０から供給すべき水の流量調整を行う。なお、図４では、水供給配管Ｌ１１は、ドレンタンク３０に直接接続されているが、水供給配管Ｌ１１を高圧蒸気が流れる配管Ｌ０に接続する（不図示）ようにしても良い。

水流量制御部１３１ａは、水位センサ３２から水位の低下が通知されると、ドレンタンク３０内の水を増やすべく、水流量調整弁１３１の開度を大きくする開度調整を行い、外部入力用ドレンタンク１３０から供給する水の量を増やす。他の構成は、図１の構成と同じである。なお、水供給配管Ｌ１１、水流量制御部１３１ａ及び水流量調整弁１３１は、水供給手段である。

また、水位センサ３２に替えて、フロート式レベルスイッチなどのレベル計によってドレンタンク３０内の水位を測定し、水流量調整弁１３１の開度調整を行ってもよい。

また、水流量調整弁１３１は、ＯＮ／ＯＦＦ制御によって開閉のみを制御するものであってもよい。

本変形例では、外部入力用ドレンタンク１３０の水を利用することができるので、さらに簡易な構成とすることができる。

なお、図５に示すように、スクロール膨張機１０内の蒸気漏れ量は、蒸気流量に対する水Ｗの混入率が増大することによって減少するが、水混入率がＷａ以上になると、蒸気漏れ量の減少傾きは急激に小さくなる。ここで、水混入率がＷａ以上になると、蒸気漏れ量は、ほぼ飽和状態となるので、水混入率がＷａのときの蒸気漏れ量を飽和量Ｌａと記す。

したがって、制御部５０は、水の混入率が、スクロール膨張機１０の蒸気漏れ流量の飽和量Ｌａと一致する水混入率が最小値Ｗａとなるように流量調整弁２０の開度を調整してもよい。

なお、上記の実施の形態及び変形例で図示した各構成は機能概略的なものであり、必ずしも物理的に図示の構成をされていることを要しない。すなわち、各装置及び構成要素の分散・統合の形態は図示のものに限られず、その全部又は一部を各種の使用状況などに応じて、任意の単位で機能的又は物理的に分散・統合して構成することができる。

１ スクロール蒸気膨張システム
１０ スクロール膨張機
１０ａ 入口
１０ｂ 出口
１０ｃ 回転軸
１１ 回転数検出部
１２ 温度センサ
２０ 流量調整弁
２１ 開度調整機構
３０ ドレンタンク
３１，３２ 水位センサ
４０ 熱交換器
５０ 制御部
５１ 排水流量調整弁
５１ａ 排水流量制御部
５２ 高圧蒸気流量調整弁
５２ａ 蒸気流量制御部
１３０ 外部入力用ドレンタンク
１３１ 水流量調整弁
１３１ａ 水流量制御部
Ａ 開度
ｆ 関数
Ｇ２ 水混入量
ＨＷ 高圧蒸気
Ｌ 等エントロピ線
Ｌ０，Ｌ２〜Ｌ６ 配管
Ｌ１ バイパス配管
Ｌ１０ 排水配管
Ｌ１１ 水供給配管
Ｌ１２ 飽和蒸気線
ＬＷ 低圧蒸気
Ｎ 回転数
Ｐ１ 分岐点
Ｐ２，Ｐ３ 合流点
Ｔ１ 温度
ｘ 目標乾き度
ρin 入口密度

Claims (7)

1. 入口配管から吸入した高圧蒸気を膨張して出口配管から低圧蒸気を吐出するスクロール膨張機を有したスクロール蒸気膨張システムであって、
   前記高圧蒸気を気相と液相とに分離するドレンタンクと、
   前記ドレンタンク内の気相を前記スクロール膨張機に導出する気相側配管と、
   前記気相側配管に接続され、前記ドレンタンク内の前記液相を前記気相に混入させる液相側配管と、
   前記液相側配管に設けられた流量調整弁と、
   前記流量調整弁の開度を調整する制御部と、
   を備えたことを特徴とするスクロール蒸気膨張システム。
2. 前記制御部は、前記スクロール膨張機の回転数に応じて前記流量調整弁の開度を調整することを特徴とする請求項１に記載のスクロール蒸気膨張システム。
3. 前記ドレンタンク内の液位を検出する液位センサと、
   前記ドレンタンク内に水を供給する水供給手段と、
   をさらに備え、
   前記水供給手段は、前記液位センサの検出液位に応じて前記ドレンタンク内に流入する水の流量を調整することを特徴とする請求項１に記載のスクロール蒸気膨張システム。
4. 前記水供給手段は、
   熱交換により前記高圧蒸気の少なくとも一部を凝縮させる熱交換器と、
   前記熱交換器に流入する高圧蒸気をバイパスさせるバイパス配管と、
   前記熱交換器に流入する高圧蒸気の流量を調整する高圧蒸気流量調整弁と、
   前記液位センサの検出液位に応じて前記高圧蒸気流量調整弁の開度を調整する蒸気流量制御部と、
   を備えることを特徴とする請求項３に記載のスクロール蒸気膨張システム。
5. 前記熱交換器は、前記ドレンタンクに流入する高圧蒸気と前記スクロール膨張機によって膨張された低圧蒸気とを熱交換させることを特徴とする請求項４に記載のスクロール蒸気膨張システム。
6. 前記水供給手段は、
   前記ドレンタンクまたは前記ドレンタンク上流側の配管に接続された水供給配管と、
   前記水供給配管を流通する水の流量を調整する水流量調整弁と、
   前記液位センサの検出液位に応じて前記水流量調整弁の開度を調整する水流量制御部と、
   を備えることを特徴とする請求項３に記載のスクロール蒸気膨張システム。
7. 前記ドレンタンクの水を排水する排水配管と、
   前記排水配管に設けられた排水流量調整弁と、
   前記液位センサの検出液位に応じて前記排水流量調整弁の開度を調整する排水流量制御部と、
   を備えることを特徴とする請求項３〜６のいずれか一つに記載のスクロール蒸気膨張システム。

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