JP2023157795A - 流体膨張機及び流体膨張ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】 取り込む流体の状態量が変動した場合でも、所望の低温空気を得ることができる流体膨張機を提供する。【解決手段】 流体を内部に導入する導入部４１と、流体の圧力を制御可能な絞り装置５と、導入部から内部に導入された流体を膨張させる膨張部４２とを備え、絞り装置は、導入部、または、前記膨張部の上流側に設けられ、前記導入部から導入された流体が、絞り装置を通じて膨張部に供給されることを特徴とする。【選択図】図３

Description

本発明は、流体膨張機及び流体膨張ユニットに関し、詳しくは、冷却空気を必要とする冷凍・空調分野や、作動流体を膨張させてエネルギー回生する動力・エネルギーシステム等に利用可能な流体装置に用いる流体膨張機及び流体膨張ユニットに関する。

流体の冷却を目的とする冷熱サイクルシステムは、環境負荷が少ないことから広い分野での応用が期待され、多くの提案がなされている（例えば、特許文献１）。これらの中でもエアーサイクルシステムを実現する流体装置としては、例えば、図１に示すような、空気を圧縮させて高温高圧空気とする圧縮機２、高温高圧空気を冷却させる熱交換器３、所定の低温空気を得るための流体膨張機４、発電機８で構成された流体装置１を例示することができる。

そして、上記一般的なエアーサイクルシステムの流体装置１による空気冷却は、図２に示すエアーサイクルシステムのサイクル線図における［１］～［４］の行程に沿って行われる。

具体的には、吸入した空気を流体圧縮機２により圧縮して高温・高圧にする工程（［１］～［２］）、高温・高圧の空気を熱交換器３で放熱させて冷却する工程（［２］～［３］）、流体膨張機４によって流体を膨張させて低温空気を得る工程（［３］～［４］）により行われる。また、上記工程に伴う流体圧縮機２及び流体膨張機４の動作により、発電機８を回転させて発電させることもできる。なお、［４］～［１］の工程は、対象物を冷却させる行程で、作動流体を大気とする場合は、密閉サイクルとはせずに開放サイクルとして動作させる場合がある。

特開２００５－２６５３４９号公報

ここで、上記構成の従来のエアーサイクルシステムの流体装置１においては、流体圧縮機２に取り込む空気の状態量（圧力や温度）の変化によって、流体膨張機４により得られる冷却空気の量や温度が変動するため、利用分野が限られるという問題があった。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、取り込む流体の状態量が変動した場合でも、安定して所望の低温空気を得ることが可能な流体膨張機及び流体膨張ユニットを提供することを課題としている。

本発明によれば、上記目的を達成するため、下記の形態を有する流体膨張装置が提供される。

第１に、本発明の流体膨張機は、流体を内部に導入する導入部と、
流体の圧力を制御可能な絞り装置と、
前記導入部から内部に導入された流体を膨張させる膨張部と、
を備え、
前記絞り装置は、前記導入部、または、前記膨張部の上流側に設けられ、
前記導入部から導入された流体が、前記絞り装置を通じて前記膨張部に供給される
ことを特徴とする。
第２に、本発明の流体膨張ユニットは、前記第１の発明の流体膨張機の上流側に位置し、前記流体膨張機に接続された流路を有し、
前記流路を流れる流体が、前記流体膨張機内に供給されることを特徴とする。
第３に、本発明の流体膨張ユニットは、流体を膨張させる膨張部を含む流体膨張機と、
前記流体膨張機の上流側に位置し、前記流体膨張機と接続する流路と、
前記流路に設けられ、流体の圧力を制御可能な絞り装置と
を含み、
前記流路を流れる流体が、前記絞り装置を通じて前記流体膨張機内に供給される
ことを特徴とする。
第４に、上記第２又は第３の発明の流体膨張ユニットにおいて、前記絞り装置に、制御シーケンス装置が設けられ、該制御シーケンス装置により前記絞り装置の動作が制御されていることが好ましい。
第５に、上記第４の発明の流体膨張ユニットにおいて、前記制御シーケンス装置が、前記流体膨張機の吸入側の流体の温度及び／又は圧力の情報に基づいて動作することが好ましい。
第６に、上記第５の発明の流体膨張ユニットにおいて、前記制御シーケンス装置に用いる流体の温度情報が冷媒の温度情報であることが好ましい。
第７に、上記第５の発明の流体膨張ユニットにおいて、前記制御シーケンス装置に用いる温度情報が熱源の温度情報であることが好ましい。
第８に、上記第５の発明の流体膨張ユニットにおいて、前記制御シーケンス装置が、流体膨張機の吸入側の圧力の飽和温度情報及び／又は排出側の圧力の飽和温度情報に基づいて動作することが好ましい。
第９に、上記第２又は第３の発明の流体膨張ユニットにおいて、前記絞り装置に、膨張弁が用いられていることが好ましい。
第１０に、上記第２又は第３の発明の流体膨張ユニットにおいて、前記絞り装置が、パルスモーターバルブを含むことが好ましい。

本発明の流体膨張機及び流体膨張ユニットは、上記の構成により、流体膨張機単体の効率向上に寄与し、所望温度の冷却流体を効率よく提供可能なエアーサイクルシステムを構成して性能向上を図ることができる。これにより、従来地球環境負荷が大きい冷媒を用いて冷却を行っていた、例えば、家庭用空調機やビル空調機、家庭用／業務用冷凍冷蔵庫分野に、環境負荷を与えない冷却空気を効率よく提供することが可能となる。

また、廃熱回収してエネルギー回生させるランキンサイクルシステムに適用することにより、上記と同様の効果が得られるとともに、流体膨張機の流体吸入側における作動流体の状態量変動が起きても、膨張途中で湿り蒸気が発生しないように制御することが可能となり、良好な軸出力を得ることが可能となる。

即ち、本発明の流体膨張機及び流体膨張ユニットによれば、エアーサイクルシステムを利用する冷凍装置等の効率向上を図るとともに、環境負荷がない冷凍装置として、既存の冷凍・冷却分野に置き換えることが可能となる。また、ランキンサイクルを用いたエネルギー回生システムに用いることにより、熱源の温度変動に対応した高効率のシステムを構築することが可能となる。

エアーサイクルシステムに適用した、従来の流体装置を示す概略図である。 一般的な流体膨張機を用いた流体装置をエアーサイクルシステムに適用したサイクル線図と、本発明の流体膨張ユニットを用いた流体装置をエアーサイクルシステムに適用したサイクル線図を示したｐｈ線図である。 エアーサイクルシステムに適用した、本発明の流体膨張ユニットを用いた流体装置の実施形態を示す概略図である。 膨張弁を用いた絞り装置の一実施形態を示す概略図である。 本発明の流体膨張ユニットを用いた流体装置をエアーサイクルシステムに適用したサイクル線図を示したｐｈ線図である。 ランキンサイクルシステムに適用した、一般的な流体装置を示す概略説明図である。 一般的な流体膨張機を用いた流体装置をランキンサイクルシステムに適用したサイクル線図を示したｐｈ線図である。 絞り装置を内蔵した流体膨張機（容積式膨張機）の実施形態を示す概略断面図である。 一般的な流体膨張機を用いた流体装置をランキンサイクルシステムに適用したサイクル線図と、本発明の流体膨張機を用いた流体装置をランキンサイクルシステムに適用したサイクル線図を示したｐｈ線図である。

以下、本発明の流体膨張ユニットを実施形態に基づいて詳細に説明する。本発明の流体膨張ユニットは、エアーサイクルシステムと、ランキンサイクルシステムに適用が可能である。まず、エアーサイクルシステムに適用する流体膨張ユニットについて説明する。図３は、エアーサイクルシステムに本発明の流体膨張ユニットを用いた流体装置の実施形態を示す概略図である。

本実施形態の流体膨張ユニットは、流体を膨張させる膨張部を含む流体膨張機と、流体膨張機の上流側に位置し、流体膨張機と接続する流路と、該流路に設けられ、流体の圧力を制御可能な絞り装置とを含み、流路を流れる流体が、絞り装置を通じて流体膨張機内に供給されるものである。

図３に示すエアーサイクルシステムの流体装置１は、流体の吸入口１１を有する流体圧縮機２と、熱交換器３と、流体膨張ユニット６を備えており、これら各々が流路６１により接続されている。また、流体膨張ユニット６は、流体膨張機４と、流路６１内の流体の圧力を制御するための絞り装置５、また、発電機８を備えている。

エアーサイクルシステムの流体装置１には流体として空気が吸入口１１から導入される。流体装置１における流体圧縮機２は、空気を取り込み、圧縮できる圧縮機であれば特に限定なく用いることができ、例えば、遠心式空気圧縮機を好適に用いることができる。流体圧縮機２は、通常、電動機又は原動機等で駆動させるが、流体圧縮機２の同一回転軸上に連結された流体膨張機４の回転で得られる軸動力を用いて駆動させることもできる。流体圧縮機２により圧縮された空気は高温、高圧となり、この状態で熱交換器３へ導入される。熱交換器３では、空気の熱が放熱器３１（コンデンサ）により放熱されて冷却される。熱交換器３は、高温の空気の熱を効率よく放熱できるものであれば特に制限されるものではなく、図３に示すような空冷式のほか、水冷式や他の冷媒を用いた熱交換器を用いることができる。

冷却された空気は流体膨張ユニット６に導入される。本実施形態の流体膨張ユニット６は、流体を膨張させる膨張部４２を含む流体膨張機４と、流体膨張機４の上流側に接続する流路６１と、該流路６１に設けられた絞り装置５とから構成されている。流体膨張機４は、流体を膨張させる膨張部４２を含むものであれば特に限定されないが、通常、遠心式膨張機や容積式膨張機等の流体膨張機を用いることができ、メンテナンス容易性等の観点から容積式膨張機を好適に用いることができる。容積式膨張機としては、揺動式膨張機、回転ピストン式膨張機、ロータリーベーン式膨張機、スクロール式膨張機、スクリュー式膨張機、ピストン・クランク式膨張機等を例示することができ、これらの中でも、特に揺動式膨張機を好適に用いることができる。流体膨張機４に導入された空気は、急激な膨張により更に冷却され、所定の温度の低温流体として吐出部４３を経て排出口１２から排出され、冷却等に利用される。また、必要に応じて、流体圧縮機２及び流体膨張機４の駆動力により発電機８を回転させて電力を得ることもできる。

本実施形態の流体膨張装置では、流体膨張機４の上流側に接続された流路６１に絞り装置５を設け、絞り装置５により、流体膨張機４に導入される流体の圧力を制御することにより、排出される流体の温度や量を調整することが可能となる。

絞り装置５としては、流体の圧力を制御できれば構造は特に限定されるものではないが、例えば、図４に示すような膨張弁を用いた絞り装置５を好適に用いることができる。図４に示す絞り装置５は、流入口５１０と吐出口５１１を有し、内部にバネ５２２と弁５２１からなる弁機構５２を備えた本体５１と、ベローズ５３１により内部空間が上下に分割された密閉部５３を有している。また、密閉部５３には、流体温度を検知可能な感温筒５４が接続されており、密閉部５３のベローズ５３１の上部空間には、温度変化により体積が変化する体積変化気体５３２が封入されている。

そして、感温筒５４により検知した流体の温度に応じて、ベローズ５３１上部の体積が変化してベローズ５３１が上下し、ベローズ５３１に接続された弁５２１の開閉度が変化する。例えば、感温筒５４が加熱されて密閉部５３内のベローズ５３１上側の体積変化気体５３２が膨張すると、ベローズ５３１が押し下げれて弁５２１の開度が増加する。これにより、流体の流量は増加して圧力比γは減少する。なお、圧力比：γは、流体の膨張弁入力圧力：Ｐｉ、流体の膨張弁出力圧力：Ｐｏにおいて、γ＝Ｐi／Ｐｏで表される。

図２に示すｐｈ線図には、エアーサイクルシステムにおいて、本実施形態の流体膨張ユニット６を用いた流体装置のサイクル線図を示している。図２のサイクル線図において、［１］は吸気時の流体の状態（温度：Ｔ１）、［２］は流体圧縮機２により圧縮された状態（温度：Ｔ２）、［３］は熱交換器３により放熱された状態（温度：Ｔ３）、［３’］は絞り装置５により圧力調整された状態（温度：Ｔ３）、［４’］は流体膨張機４により更に低温に調整された状態（温度：Ｔ４’）を示しており、［３］から［３’］の行程は、絞り装置５による等エンタルピ変化を表している。このように、流体膨張機４の前段の流路６１に設けた絞り装置５により等エンタルピで圧力のみを降下させることにより、［４’］で所望する冷却空気温度Ｔ４’を得ることが可能となる。なお、［３］から［４］は従来の流体膨張機４のサイクル線図であって、膨張による温度制御がなされないため冷却空気温度がＴ４となり、過膨張による過冷却により所望の流体温度が得られていない。

図５のｐｈ線図には、上記図２の工程のより具体的な温度変化を示している。まず、流体圧縮機２に４０℃の空気を取り込み（［１］）、流体圧縮機２で圧縮して１３０℃の圧縮空気としている（［２］）。その後放熱器３１で放熱し（［３］）、流体膨張装置において、絞り装置５で圧力を調整した空気を流体膨張機４に導入して（［３’］）、所望する０℃の低温空気を得ている（［４’］）。これは、絞り装置５により空気の圧力を調整した後に膨張させたことで得られた低温空気であり、絞り装置５を用いない従来の流体膨張機４では、所望する０℃の空気を得ることはできていない（［４］）。このような本発明の流体膨張ユニット６の構成により、例えば、流体圧縮機２に取り込む空気の温度が４０℃以下に低くなっても過冷却されることなく、所望する０℃の低温空気を得ることが可能となる。

絞り装置５の絞り値は、流体膨張機４前段の流体の状態によって適宜設定することができる。例えば、流体膨張ユニット６の前段の流体の状態が、膨張後の作動流体の温度が所望の温度よりも低くなる場合、又は図５における［１］の温度、あるいは［２］又は［３］の温度が所定の温度よりも低くなる場合には、絞り装置５の絞り値を大に設定することが考慮される。また、逆に流体膨張ユニット６の前段の流体の状態が、膨張後の温度が所望の温度よりも高くなる場合、又は［１］の温度、あるいは［２］又は［３］の温度が所定の温度よりも高くなる場合には、絞り装置５の絞り値を小に設定することが考慮される。

なお、絞り装置５の配置は、上記流体膨張ユニット６の構成のように、流体膨張機４とは別体に設ける構成や、流体膨張機４内に設けて一体とした流体膨張機４とする構成等、流体装置１の用途等に応じて適宜設計することができる。絞り装置５を流体膨張機４内に設ける構成とすることにより、流体膨張装置の小形化を図ることができるため好ましい。

また、絞り装置５には絞り値を制御するための制御シーケンス装置を設けることができる。制御シーケンス装置は、流体膨張ユニット６の前段の流体の温度又は圧力の少なくともいずれかを監視し、その情報に基づいて予め設定しておいた条件に基づいて絞り装置５を動作させることができる装置である。また、絞り装置５の動作は、制御シーケンス装置で測定した温度や圧力の情報に基づいてパルスモーターバルブ（ＰＭＶ）を介して膨張弁等を駆動させることにより行うことができる。パルスモーターバルブ（ＰＭＶ）は、ステッピングモータ又はサーボモータ等を用いてバルブの開度を制御する機構を有し、感温筒５４の代わりに温度センサ、圧力センサを用いて所定の開度に調整するものである。これにより、流体装置１に導入される流体の状態量の変動に応じて、流体膨張ユニット６に導入する流体の圧力調整を自動的に行うことができ、より正確かつ確実に所望の低温空気を得ることが可能となる。

エアーサイクルシステムは環境負荷がないことから、広い分野での応用が期待されるシステムである。しかしながら、通常、流体の状態変化に応じて所望の冷却流体を得ることが困難であるため、取り込む空気の状態量が変動しても所望の低温空気が得られる必要がある。そこで、流体膨張機４の流体吸入側に絞り装置５を配設して、エンタルピ損失させずに適切な圧力比に調節可能とすることにより、高効率な冷熱サイクルを有する流体装置１とすることが可能となる。

次に、本発明の流体膨張装置を用いた流体装置１のランキンサイクルシステムへの適用について説明する。図６に、ランキンサイクルシステムに適用した一般的な流体装置１の構成を示し、図７に、ランキンサイクルシステムに適用した一般的な流体装置１のサイクル線図を加筆したｐｈ線図を示す。

図６に示す一般的な流体装置１は、高温領域の廃熱を回収してエネルギー回生させて発電する装置である。具体的には、ポンプ７で昇圧された冷媒（動作流体）に、熱交換器３で１００～２００℃程度の排熱を回収させて高温、高圧のスチーム状態とし（［４］～［１］：熱交換工程）、この冷媒を流体膨張機４に導入して（［１］～［２］：膨張行程）膨張エネルギーにより発電機８の稼働動力を得ている。また、この流体装置１では、冷媒は流体膨張機４での膨張（放熱）後に、排熱器９により更に２０～４５℃に冷却され（［２］～［３］：冷却工程）液体に戻されて再びポンプ７に導入されて循環される。

一方、上記流体装置１においては、流体膨張機４（密閉形容積膨張機）の流体吸入側の温度や圧力が、回収する熱源の温度変動等の影響で変動してしまうことがある。そして、この変動により過膨張が発生してエネルギー損失の原因になったり、膨張過程途中で湿り蒸気になり、発電機８への軸出力が低下することがある。

そこで、本発明では、図８に示すような流体膨張ユニット６として、絞り装置５を内部に設置した流体膨張機４を用い、流体膨張機４前段の流体の温度や圧力に応じて等エンタルピで圧力を制御することで、上記問題を解決している。また、絞り装置５の動作には、パルスモーターバルブ（ＰＭＶ）を好適に用いることができる。

なお、本実施形態のランキンサイクルシステムに適用する流体膨張機４における絞り装置５の構成、配置等に関しては、上記エアーサイクルシステムで用いられる流体膨張ユニット６の絞り装置５と同様の構成のものを用いることができ、例えば、絞り装置５を流体膨張機４前段の流路６１に設けたり、絞り装置５の絞り値を制御するための制御シーケンス装置を設けることができる。

ランキンサイクルシステムに適用する流体膨張装ユニットに設ける制御シーケンス装置は、流体装置１中の流体の温度又は圧力の少なくともいずれかを監視し、その情報に基づいて絞り装置５を動作させることができるほか、流体の温度情報として冷媒の温度情報や熱源の温度情報に基づいて動作させることができる。さらに、制御シーケンス装置は、流体膨張機４の吸入側の圧力の飽和温度情報又は排出側の圧力の飽和温度情報のいずれかに基づいて動作させることもできる。

図９には、ランキンサイクルシステムのｐｈ線図に、一般的な流体装置を適用したサイクル線図と、本発明の流体膨張ユニット６を用いた流体装置１を適用したサイクル線図を示しており、本発明の流体膨張ユニット６を用いた膨張行程のサイクル線図を実線で、従来の流体膨張機を用いた膨張行程のサイクル線図を破線で示している。

このサイクル線図からもわかるように、例えば、流体膨張機４の流体の圧力が低くなったとき、過膨張による損失が発生しないように、絞り装置５により流体の状態を等エンタルピ変化させて流体膨張機４に導入することができる。また、流体膨張機４の前段の流体状態の過熱量が小さいとき、膨張行程の途中から湿ることがないように絞り装置５を制御することによりエネルギー損失を抑制することができ、良好な軸出力を得ることが可能となる。

流体装置１に対して、上記構成の本発明の流体膨張ユニット６を用いることにより、エアーサイクルシステムを利用する冷凍装置等の効率向上を図るとともに、環境負荷が少ない冷凍装置として、既存の冷凍・冷却分野に置き換えることが可能となる。また、ランキンサイクルを用いたエネルギー回生システムに用いることにより、熱源の温度変動に対応した高効率のシステムとすることができる。

１ 流体装置
１１ 吸入口
１２ 排出口
２ 流体圧縮機
３ 熱交換器
３１ 放熱器
４ 流体膨張機
４１ 導入部
４２膨張部
４３ 吐出部
５ 絞り装置
５１ 本体
５１０ 流入口
５１１ 吐出口
５２ 弁機構
５２１ 弁
５２２ バネ
５３ 密閉部
５３１ ベローズ
５３２ 体積変化気体
５４ 感温筒
６ 流体膨張ユニット
６１ 流路
７ ポンプ
８ 発電機
９ 排熱器

Claims (10)

1. 流体を内部に導入する導入部と、
   流体の圧力を制御可能な絞り装置と、
   前記導入部から内部に導入された流体を膨張させる膨張部と、
   を備え、
   前記絞り装置は、前記導入部、または、前記膨張部の上流側に設けられ、
   前記導入部から導入された流体が、前記絞り装置を通じて前記膨張部に供給される
   ことを特徴とする流体膨張機。
2. 請求項１に記載の流体膨張機の上流側に位置し、前記流体膨張機に接続された流路を有し、
   前記流路を流れる流体が、前記流体膨張機内に供給されることを特徴とする流体膨張ユニット。
3. 流体を膨張させる膨張部を含む流体膨張機と、
   前記流体膨張機の上流側に位置し、前記流体膨張機と接続する流路と、
   前記流路に設けられ、流体の圧力を制御可能な絞り装置と
   を含み、
   前記流路を流れる流体が、前記絞り装置を通じて前記流体膨張機内に供給される
   ことを特徴とする流体膨張ユニット。
4. 前記絞り装置に、制御シーケンス装置が設けられ、該制御シーケンス装置により前記絞り装置の動作が制御されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の流体膨張ユニット。
5. 前記制御シーケンス装置が、前記流体膨張機の吸入側の流体の温度及び／又は圧力の情報に基づいて動作することを特徴とする請求項４に記載の流体膨張ユニット。
6. 前記制御シーケンス装置で用いる流体の温度情報が、冷媒の温度情報であることを特徴とする請求項５に記載の流体膨張ユニット。
7. 前記制御シーケンス装置に用いる温度情報が熱源の温度情報であることを特徴とする請求項５に記載の流体膨張ユニット。
8. 前記制御シーケンス装置が、流体膨張機の吸入側の圧力の飽和温度情報及び／又は排出側の圧力の飽和温度情報に基づいて動作することを特徴とする請求項５に記載の流体膨張ユニット。
9. 前記絞り装置に、膨張弁が用いられていることを特徴とする請求項２又は３に記載の流体膨張ユニット。
10. 前記絞り装置が、パルスモーターバルブを含むことを特徴とする請求項２又は３に記載の流体膨張ユニット。