JP4537948B2 - スクロール形膨張機及びランキンサイクル発電システム - Google Patents

Description

本発明は、スクロール形膨張機及びスクロール形膨張機を備えたランキンサイクル発電システムに関する。

現在、水（水蒸気）等の作動媒体の相変化を伴うランキンサイクル発電システムは、事業用発電として大形のもので実用化されており、その膨張機としては、一般に、蒸気タービンが使用されている。図１０は、発電機３００の駆動部として蒸気タービン３０１を備えたランキンサイクル発電システムの概念図であり、蒸気タービン３０１に高温高圧の気相の作動媒体、たとえば水蒸気を供給するための作動媒体循環経路には、蒸気発生器３０３と、復水ポンプ３０４と、凝縮器３０５が配設されている。なお、図１０において、水蒸気（気体）が通過する循環通路は白抜きの太い矢印で示し、水（液体）が通過する循環通路は太い実線の矢印で示している。

蒸気発生器３０３で発生する高温高圧の水蒸気は蒸気タービン３０１に供給され、該蒸気タービン３０１を駆動することより発電に利用され、その後、凝縮器３０５で冷却されて水に凝縮される。この凝縮水は、復水ポンプ３０４により蒸気発生器３０３に供給され、加熱されることにより、水蒸気に変化し、再び発電機３００の蒸気タービン３０１に供給される。

蒸気タービン３０１は、大形のものであれば効率良く作動するが、小形のものになると効率が低下するため、小出力のランキンサイクル発電システムには、不向きである。

このような蒸気タービン３０１に替えて、スクロール形流体機械を膨張機として利用した場合、小形のものであっても効率良く発電できることが知られている（特許文献１）。なお、スクロール形膨張機を、ランキンサイクル発電システム以外のシステムに、膨張機として利用した具体的な例としては、特許文献２がある。
特開２００１−２４８５３９号公報 特開平８−２８４６１号公報

一般に、スクロール形流体機械で高効率を得ようとすれば、固定スクロールと揺動スクロールとで形成される膨張室の摺動部、具体的には固定スクロール台板の鏡面と揺動スクロールラップの先端面との間の摺動部（隙間）、固定スクロールラップの先端面と揺動スクロール台板の鏡面との間の摺動部（隙間）及び両スクロールラップ同士の径方向の摺動部（隙間）に、液膜を介在させることにより、シール性と潤滑性を確保する必要がある。このことは、ランキンサイクル発電システムにおいても、スクロール形流体機械を、蒸気発生器（飽和蒸気ボイラ）からの蒸気を膨張させて、膨張後、湿り状態で排出する膨張機として利用する場合、蒸気タービンよりも有利に働く。

商品化されているスクロール形流体機械は、現在、多くは圧縮機として利用されており、代表的なものとして空調用のスクロール形圧縮機があり、このような圧縮機において、圧縮室の各摺動部のシール性と潤滑性を確保するための液膜として、媒体（冷媒）と潤滑油の混合物を用いている。すなわち、媒体と潤滑油を混ぜた状態でスクロールの圧縮室内に供給することにより、圧縮室のシール性と潤滑性を確保している。圧縮後、圧縮機出口では、媒体（冷媒）は気体の状態であり、一方、潤滑油は液体の状態となっているので、圧縮機出口にて、金網等で潤滑油を捕集することにより、気体状態の冷媒と潤滑油を簡単に分離することができる。

ところが、スクロール形流体機械を膨張機として利用し、膨張後に湿り状態となる場合には、膨張機出口では、作動媒体は液相と気相とが混じった状態となり、液相の作動媒体と共に液体の潤滑油が排出される。作動媒体に潤滑油が混じり合った状態で凝縮器に入れば、両者の凝縮温度の相違から、作動媒体の熱交換機能が阻害されることになる。そのため、膨張機出口において、液体状態の作動媒体から潤滑油を分離する必要が生じる。すなわち、膨張室から排出される潤滑油及び作動媒体全体を、適当な分離手段に通し、作動媒体全体から潤滑油を分離する必要性が生じ、大形の分離装置が必要となり、不経済である。

なお、前記特許文献１には、ランキンサイクル発電システムに用いられているスクロール形膨張機の潤滑及びシール構造については、全く記載されておらず、また、前記特許文献２に記載されているスクロール形膨張機は、他の気体の圧縮機の駆動部として利用しているが、膨張室には、作動媒体とは別に潤滑油を供給し、該潤滑油で膨張室の各摺動部をシールし、潤滑している。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、次の目的を有している。
（１）スクロール形膨張機において、作動媒体自体を膨張室のシール及び潤滑に利用することにより、膨張室のシール性及び潤滑性を維持しながらも、潤滑油の使用量を減らすと共に、作動媒体及び潤滑油の管理を及び処理を容易にする。

（２）小形のランキンサイクル発電システムにおいて、潤滑油の使用量を低減しながら、発電効率を向上させることができるシステムを提供する。

前記課題を解決するため、請求項１にかかる発明は、スクロール台板の鏡面に渦巻き状のスクロールラップを形成してなる固定スクロールと揺動スクロールとを、互いのスクロールラップが噛み合うように軸方向に対向配置し、両スクロールの鏡面とスクロールラップにより膨張室を形成し、略水平な駆動軸を有する前記揺動スクロールを、前記固定スクロールに対して偏芯配置すると共に、揺動スクロール台板の外周端部を、前記固定スクロールの環状外周壁の揺動スクロール側の端面とスラスト軸受との間で摺動可能に挟持し、前記膨張室内に供給された気相の作動媒体の膨張により、前記揺動スクロールを駆動軸芯回りに公転し、前記駆動軸を回転させるスクロール形膨張機において、前記揺動スクロール台板の鏡面側とは反対の背面側に、前記膨張室以外の摺動部分に潤滑油を供給する潤滑油供給機構を備え、前記固定スクロールの中央部に形成された作動媒体入口は、作動媒体のみを供給する作動媒体供給部に連通し、膨張室内に供給される作動媒体の液相部分により、前記膨張室の摺動部のシール用及び潤滑用の液膜を形成するようにしている。

上記構成によると、スクロール形膨張機において、膨張室以外の摺動部、たとえば、駆動軸の嵌合部並びにスラスト軸受の摺動部の潤滑は、作動媒体とは別に、潤滑油を供給することにより行い、膨張室の各摺動部、すなわち、スクロール台板の鏡面と相手側スクロールラップの先端面との摺動部並びにスクロールラップ同士の摺動部のシール及び潤滑は、作動媒体の液相部分で液膜を形成することにより行うようにしているので、潤滑油の使用量を減らしながらも、膨張機の効率を高く維持でき、かつ、膨張に利用後の作動媒体全体から、潤滑油を分離する必要もなく、作動媒体及び潤滑油の管理及び処理が容易である。

請求項２記載の発明は、請求項１記載のスクロール形膨張機において、前記固定スクロールの前記環状外周壁に膨張後の作動媒体を排出する作動媒体出口を形成し、前記揺動スクロール台板の外周端面の径方向外方側に、前記作動媒体出口の圧力と略等しい圧力の揺動スクロール外周空間を形成し、前記揺動スクロール外周空間の下端部は、前記膨張室内から漏れる液相の作動媒体を排出するための作動媒体排出口と、前記揺動スクロール台板の背面側の潤滑油を排出する潤滑油排出口とに連通している。

上記構成によると、揺動スクロールの背面を伝って径方向の外方に流れる潤滑油は潤滑油排出口から排出され、膨張室内から径方向の外方に漏れる液相の作動媒体は、作動媒体排出口から排出されるので、潤滑油と液相の作動媒体が混じり合って排出されることは殆どなく、作動媒体の管理が、一層容易になる。

請求項３記載の発明は、請求項２記載のスクロール形膨張機において、前記固定スクロールの環状外周壁には、前記揺動スクロールの外周端面に径方向の外方から対向すると共に前記揺動スクロール外周空間内に突出する環状突起と、前記揺動スクロール外周空間に開口すると共に前記環状突起の軸方向の固定スクロール側に位置する環状Ｕ字溝と、を形成し、前記Ｕ字溝の下端部を前記作動媒体排出口に連通している。

上記構成によると、膨張室のシール及び潤滑に利用されて後に外方に漏出する液相の作動媒体を、潤滑油に混ざることなく、速やかに、かつ、確実に、膨張機外に排出することができる。

請求項４記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載のスクロール形膨張において、前記スラスト軸受には、前記揺動スクロール台板の背面との摺動部よりも径方向の外方位置に、径方向の外方に向かって前記揺動スクロール台板から離れるように傾斜するテーパ面が形成されている。

上記構成によると、揺動スクロールの背面側に供給される潤滑油が、液相の作動媒体に混ざるのを確実に防ぐことができる。

請求項５記載の発明は、請求項４記載のスクロール形膨張機において、前記スラスト軸受の前記テーパ面の下端部よりも下方のスラスト軸受部分に、前記揺動スクロール外周空間から前記潤滑油排出口に潤滑油を導く潤滑油排出孔を形成している。

上記構成によると、テーパ面に沿って流れるようにガイドされた潤滑油を、作動媒体に混ぜることなく、速やかに膨張機外部に排出することができる。

請求項６記載の発明は、請求項１〜５のいずれかに記載のスクロール形膨張機において、前記固定スクロールの前記環状外周壁の前記揺動スクロール側の端面であって、前記揺動スクロール台板の外周端部が前記揺動スクロールの公転により間欠的に摺接する部分に、作動媒体を一時的に逃がす環状逃がし溝を形成している。

上記構成によると、膨張室から漏れ出して固定スクロールの環状外周壁の揺動スクロール側の端面を流れる液相の作動媒体を、一旦環状逃がし溝に溜めた後、揺動する揺動スクロールの外周端部により、揺動スクロール外周空間に掻き落とすことができ、これにより、膨張室から漏出する液相の作動媒体を、飛び散らすことなく、確実に、前記Ｕ字溝から作動媒体排出口へと排出することができる。

請求項７記載の発明は、請求項２〜６のいずれかに記載のスクロール形膨張機において、前記潤滑油排出口は、潤滑油に混じっている液相の作動媒体を潤滑油から分離する分離貯留部に接続し、該分離貯留部の潤滑油出口部は、潤滑油供給ポンプを介して前記潤滑油供給機構に接続している。

上記構成によると、揺動スクロールの背面側に供給した潤滑油に、たとえば作動媒体が混入したとしても、潤滑油中の作動媒体を排除して、容易に、潤滑油を再利用することができる。この場合、作動媒体全体を分離装置等の通す必要がなく、分離貯留部が大形化することもない。

請求項８記載の発明は、発電機駆動用の膨張機と、該膨張機の膨張室に高温の気相の作動媒体を供給する蒸気発生器と、前記膨張室から排出される膨張後の作動媒体を凝縮する凝縮器と、該凝縮器から前記蒸気発生器に液相の作動媒体を供給する作動媒体供給ポンプと、を備えたランキンサイクル発電システムにおいて、前記膨張機として、前記請求項１乃至７のいずれかに記載のスクロール形膨張機を備えている。

これによると、作動媒体自体で膨張室のシールと潤滑を行うようにしているので、かかるスクロール形膨張機を、ランキンサイクル発電システムの駆動部として利用した場合に、従来のスクロール形膨張機のように、膨張に利用後、膨張機から排出される液相を含む作動媒体全体から潤滑油を分離するための大がかりな分離装置は必要無くなり、膨張機から排出される作動媒体を凝縮器で凝縮する際に、潤滑油を含む場合よりも効率良く凝縮させることができる。

請求項９記載の発明は、請求項８記載のランキンサイクル発電システムにおいて、前記膨張室から漏出する液相の作動媒体を排出する前記作動媒体排出口は、前記凝縮器より下流側の作動媒体供給ポンプの入口に連通している。

上記構成は、作動媒体排出口から排出される液相の作動媒体の温度が低いランキンサイクル発電システムの場合に適している。すなわち、膨張機から排出される温度の低い液相の作動媒体を、凝縮器に入れずに、且つ、潤滑油の分離等の作業を行うことなく、直接、作動媒体ポンプに戻し、蒸発させて再利用することができる。

請求項１０記載の発明は、請求項８記載のランキンサイクル発電システムにおいて、前記膨張機から漏出する液相の作動媒体が排出される前記作動媒体排出口は、前記凝縮器の入口に連通している。

上記構成は、作動媒体排出口から排出される液相の作動媒体の温度が高いランキンサイクル発電システムの場合に適している。すなわち、膨張機から排出される温度の高い液相の作動媒体を、凝縮器に戻し、一旦凝縮した後、蒸気発生器に供給することにより、潤滑油の分離等の作業を行うことなく、蒸発させて再利用することができる。

請求項１１記載の発明は、請求項８記載のランキンサイクル発電システムにおいて、前記膨張機から漏出する液相の作動媒体が排出される前記作動媒体排出口は、ドレンタンクに連通している。

上記構成は、作動媒体排出口から排出される液相の作動媒体が非常に少量であり、また、若干の潤滑油が混入するようなランキンサイクル発電システムに適している。すなわち、上記のような潤滑油を含む液相作動媒体を、再利用することなく、排出するので、凝縮器の機能を低下させることがない。

［発明の第１の実施の形態］
図１〜図６は本発明の第１の実施の形態であり、本発明にかかるスクロール形膨張機及びこのスクロール形膨張機を備えたランキンサイクル発電システムを示しており、また、図７は、該実施の形態におけるＴ−Ｓ（温度−エントロピ）線図を示している。
）線図いる。

（ランキンサイクル発電システムの全体の概要）
図４は、ランキンサイクル発明システムの概要を示しており、発電機１の駆動部としてスクロール形膨張機２を備えており、該スクロール形膨張機２に設けられた水平な駆動軸５は発電機１の発電機軸４に連結し、スクロール形膨張機２で駆動軸５及び発電機軸４を回転することにより、発電を行うようになっている。

スクロール形膨張機２を駆動するための作動媒体としては、たとえば水（水蒸気）が用いられており、この作動媒体の循環経路には、蒸気発生器７と、作動媒体供給ポンプ（復水ポンプ）８と、凝縮器９が配置されている。スクロール形膨張機２の中心部に形成された作動媒体入口１１は、作動媒体通路１２を介して蒸気発生器７の蒸気出口７ｂに接続し、蒸気発生器７の入口７ａは、作動媒体通路１３を介して作動媒体供給ポンプ８の吐出口８ｂに接続し、作動媒体供給ポンプ８の吸込口８ａは、作動媒体通路１４を介して凝縮器９の出口９ｂに接続し、凝縮器９の入口９ａは、作動媒体通路１５を介してスクロール形膨張機２の外周端部近傍に形成された作動媒体出口１６に接続している。

スクロール形膨張機２は、前記作動媒体循環経路とは別に、潤滑油供給装置５９、潤滑油ポンプ２１及び潤滑油タンク２２等からなる潤滑油循環経路を備えており、潤滑油供給装置５９はスクロール形膨張機２の駆動室４２内に配置され、スクロール形膨張機２の上端部に形成された潤滑油入口２０は、潤滑油通路２５を介して潤滑油ポンプ２１の吐出口２１ｂに接続し、潤滑油ポンプ２１の吸込口２１ａは、潤滑油通路２６を介して潤滑油タンク２２の潤滑油出口２２ｂに接続し、潤滑油タンク２２の入口２２ａは、潤滑油通路２７を介してスクロール形膨張機２の下端部近傍に形成された潤滑油出口２８に接続している。

更に、このスクロール形膨張機２は、後で詳しく説明するが、膨張機２の前記作動媒体出口１６及び潤滑油出口２８よりもさらに下方位置に、スクロール形膨張機２の膨出室４０内から漏出する液相の作動媒体を排出するための作動媒体排出口３１と、膨張機２の駆動室４２内から漏出する潤滑油を排出するための潤滑油排出口３２を備えている。前記作動媒体排出口３１は、作動媒体通路３３を介して、前記凝縮器９の出口９ｂと作動媒体供給ポンプ８の吸込口８ａとの間の作動媒体通路１４に接続し、前記潤滑油排出口３２は、前記潤滑油タンク２２に併設された比重分離方式の分離タンク部３５に接続している。分離タンク部３５の底壁にはドレン弁３６が設けられている。

（スクロール形膨張機の構造）
図１はスクロール形膨張機２の縦断面拡大図であり、この図１において、スクロール形膨張機２は、軸方向に対向配置された固定スクロール５１及び揺動スクロール５２と、環状のスラスト軸受５３と、揺動軸部（偏芯軸部）５ａを一体に有するクランク状の前記駆動軸５と、該駆動軸５を回転自在に支持するころ軸受５と、該ころ軸受５６及び前記スラスト軸受５３を支持する軸受ハウジング５７と、バランサ５８と、前記潤滑油供給装置５９と、から主構成されている。

説明の都合上、軸芯方向の固定スクロール配置側を、矢印のように「前方」として、以下説明する。固定スクロール５１は、円板状の台板６１と、該台板６１の鏡面（後面）６１ａに形成された渦巻き状の固定スクロールラップ６２と、台板６１の外周端部に形成された環状外周壁６４とを一体に備えており、環状外周壁６４は外向きフランジ部６４ａを一体に有している。前記固定スクロールラップ６２は鏡面６１ａから後方へ突出している。

揺動スクロール５２は、円板状の台板７１と、該台板７１の鏡面（前面）７１ａに形成された渦巻き状の揺動スクロールラップ７２とを一体に備えている。前記揺動スクロールラップ７２は鏡面７１ａから前方に突出している。

両スクロール５１，５２は、両スクロールラップ６２，７２が互いに噛み合うように軸方向に対向配置され、各スクロールラップ６２，７２の軸方向の先端面６２ａ，７２ａは、それぞれ相手スクロール５１，５２の鏡面６１，７１に微小隙間を置いて対向しており、これにより、両スクロールラップ６２，７２と鏡面６１ａ，７１ａとの間で、複数の三日月状の膨張室４０を形成している。

スラスト軸受５３は、外周端部が、固定スクロール５１の環状外周壁６４のフランジ部６４ａと軸受ハウジング５７の外向きフランジ部５７ａとの間に挟持され、複数のボルト６６により締結されており、内周端部には前方に突出する環状のランド部６７が形成され、該ランド部６７により、揺動スクロール５２の背面の外周端部近傍を摺動自在に支持している。前記環状のランド部６７の径方向の外方側には、径方向の外方に向かって後方に傾斜するテーパ面６８が形成されている。

揺動スクロール５２の背面の中央部には、後方に突出するボス部７５が一体に形成されており、該ボス部７５の内周面に、ニードル軸受（又は軸受メタル）７６を介して前記駆動軸５の揺動軸部５ａが回転自在に嵌合している。揺動軸部５ａの軸芯Ｏ2は、駆動軸５の軸芯Ｏ1から一定量εだけ変位しており、揺動軸部５ａが揺動スクロール５２と共に駆動軸芯Ｏ1回りに公転することにより、駆動軸５及び発電機軸４を回転するようになっている。揺動スクロール５２の背面と、軸受ハウジング５７の内周面に固着された潤滑油供給装置５９の環状ノズル本体７７との間には、揺動スクロール５２の公転時に、揺動スクロール５２が自転するのを防止するために、リング状のオルダム継手８０が介装されている。

図５はオルダム継手８０の分解斜視図であり、オルダム継手８０には、前面の上下端部に前方に突出する第１の突起８０ａが形成され、後面の左右端部に後方に突出する第２の突起８０ｂが形成されている。一方、揺動スクロール台板７１の背面には、補強用の環状突起（環状リブ）８１が形成され、該環状突起８１の上下端部に、上下方向に貫通する係合溝８１ａがそれぞれ形成され、該係合溝８１ａに前記オルダム継手８０の第１の突起８０ａが上下方向移動可能に係合している。また、環状ノズル本体７７の前面の左右端部には、左右に貫通する係合溝７７ａがそれぞれ形成され、該係合溝７７ａにオルダム継手８０の第２の突起８０ｂが左右方向移動可能に係合している。

（膨張機内の作動媒体及び潤滑油の通路構造）
図１において、前記作動媒体入口１１は、固定スクロール５１の台板６１の中心部（略駆動軸芯Ｏ1上）に形成され、中心部近傍の膨張室４０に略常時連通しており、作動媒体出口１６は、固定スクロール５１の外周壁６４の下端部に形成されている。揺動スクロール５２の外周端面の径方向の外方部分には、環状外周空間Ｓ１が形成されており、固定スクロール５１の環状外周壁６４には、揺動スクロール台板７１の外周端面に径方向の外方から対向すると共に、前記揺動スクロール外周空間Ｓ１内へ径方向の内方に突出する環状突起８２が形成され、該環状突起８２の前面には環状のＵ字溝８３が形成されている。

潤滑油供給装置５９のノズル本体７７には、周方向に間隔をおいて複数の噴油ノズル孔９３が形成されており、各噴油ノズル孔９３は、たとえばスラスト軸受５３のランド部６７の摺動面に向いて開口すると共に、前記潤滑油入口２０に環状油路８９を介して連通している。

図２は図１の下端部分の拡大図であり、この図２において、該環状のＵ字溝８３は、断面形状が径方向の外方に向かって前方に傾斜しており、固定スクロール５１のフランジ部６４ａの前面に形成された座繰り８４を介して前記作動媒体排出口３１に連通している。前記揺動スクロール外周空間Ｓ１は、図示しないが固定スクロール５１の作動媒体出口１６の圧力と略同じ圧力となるように、作動媒体出口１６と連通している。

環状突起８２の後側には、環状突起８２よりも下方へ広がる潤滑油排出室８５が形成されており、該潤滑油排出室８５は、スラスト軸受５３の下端部に形成された排油孔８６及び軸受ハウジング５７の下端部の排油孔８７を介して前記潤滑油排出口３２に連通している。軸受ハウジング５７の駆動室４２の下端部は、スラスト軸受５３のランド部６７まで亘る潤滑油溜まり９２となっており、該潤滑油溜まり９２は軸受ハウジング５７の下端部に形成された潤滑油通路９４を介して前記潤滑油出口２８に連通している。

また、固定スクロール５１の外周壁６４の後端面には、揺動スクロール台板７１の外周端部が揺動スクロール５２の公転により間欠的に摺動する位置に、環状の逃がし溝９１が形成されている。

（膨張機の基本的な作動）
図６の（ａ）〜（ｆ）は、膨張機の作動を段階的に示してものであり、説明を容易にするために、説明の対象としている膨張室４０をクロスハッチングで示しているが、対称位置にある膨張室４０も同様の作用を行う。図６の（ａ）の状態は、中心部の一対の膨張室４０に作動媒体入口１１から高温高圧の気相作動媒体（水蒸気）を導入した直後の状態である。図６の（ｂ）の状態は、図６の（ａ）の状態から揺動スクロール５２が矢印Ｒ方向へ少し公転し、作動媒体入口１１が閉じられた状態である。図６の（ｃ）〜図６の（ｅ）は、作動媒体の膨張により、膨張室４０が容積を広げながら径方向の外方に移動し、それより揺動スクロール５２が公転する過程を示している。そして、図６の（ｆ）の状態は、前記膨張室４０が最も径方向の外方まで移動し、作動媒体出口１６に連通し、膨張室４０内の作動媒体が作動媒体出口１６から排出される状態を示している。

このように、中心部の膨張室４０に導入された高温高圧の気相の作動媒体が膨張して行くことにより、膨張室４０は拡張しながら径方向の外方移動し、それにより揺動スクロールを矢印Ｒ方向の公転し、それにより、図１の駆動軸を回転させて、発電を行うのである。

（ランキンサイクル発電システムのおける作動媒体の相変化）
図７は本実施の形態におけるＴ−Ｓ線図（温度−エントロピ線図）であり、太い実線の矢印（Ａ１→Ａ２→Ａ３→Ａ４）が作動媒体（水及び水蒸気）のランキンサイクルを示している。温度Ｔ１は凝縮器入口温度、温度Ｔ２は高圧水蒸気温度であり、点Ａ１は蒸気発生器７の入口７ａ（凝縮器９の出口９ｂ）、点Ａ２は蒸気発生器７内での蒸発開始点、点Ａ３は蒸気発生器７の出口７ｂ（スクロール形膨張機２の作動媒体入口１１）、点Ａ４はスクロール形膨張機２の作動媒体出口１６（凝縮器９の入口９ａ）の状態を示している。区間Ａ３−Ａ４はスクロール形膨張機２内での膨張行程となり、飽和曲線Ｂの内方に位置しているので、この膨張行程において作動媒体は一部液相になる。

（作動媒体及び潤滑油の流れ）
（１）図４に示す前記作動媒体通路１２，１３，１４，１５のうち、液相の作動媒体が通過する通路１３，１４は太い実線で示し、気相の作動媒体が通過する通路１２は白抜き線で示し、気相と液相が混じり合っている作動媒体が通過する通路１５は太い破線で示している。この図４において、蒸気発生器７で蒸発した高温高圧の気相の作動媒体は、スクロール形膨張機２の中心部の作動媒体入口１１から中心部付近の膨張室４０内に圧入される。一方、潤滑油ポンプ２１から吐出される潤滑油は、スクロール形膨張機２の上端潤滑油入口２０から潤滑油供給装置５９に送られ、噴油ノズル孔９３からスラスト軸受５３のランド部６７に向けて噴射される。

（２）図１において、作動媒体入口１１から膨張室４０内に圧入された気相の作動媒体は、前述のように膨張室４０内で膨張することにより、揺動スクロール５２を公転させるが、飽和状態の気相作動媒体は、前述のように膨張する過程で湿り域に入り、気相の作動媒体の一部は液相に変化する。この液相の作動媒体は、固定スクロール台板６１の鏡面６１ａと揺動スクロールラップ７２の先端面７２ａとの間の隙間、揺動スクロール台板７１の鏡面７１ａと固定スクロールラップ６２の先端面６２ａとの間の隙間並びに両スクロールラップ６２，７２の径方向の摺動部の隙間に入り込み、それら摺動部（隙間）に作動媒体の液膜をつくり、それにより、それら摺接部をシールし、かつ、潤滑する。

（３）図２において、上記のように膨張室４０の各摺動部を潤滑した液相の作動媒体は、部分的には気相の作動媒体と共に作動媒体出口１６から排出されるが、一部は、固定スクロール５１の外周壁６４の後端面と揺動スクロール台板７１の外周端部の鏡面７１ａとの隙間から外方に漏出し、そして、固定スクロール５１の外周壁６４の環状逃がし溝９１に一旦逃がされ、揺動する揺動スクロール台板７１の外周端部により、上記逃がし溝９１内から外方に掻き出され、環状突起８２及びＵ字溝８３にガイドされながら、座繰り８４を経て、液相作動媒体排出口３１から排出される。

この作動媒体排出作用において、揺動スクロール外周空間Ｓ１は、作動媒体出口１６と略同じ圧力に保たれているので、揺動スクロール台板７１の鏡面７１ａと固定スクロール５１の外周壁６４の後端面との隙間を通過した液相作動媒体は、揺動スクロール外周空間Ｓ１に噴出することなく、かつ、上記のように、逃がし溝９１に一旦蓄えられた後、揺動スクロール台板７１の外周端部にて、Ｕ字溝８３内に掻き落とされる。また、Ｕ字溝８３は、径方向の外方に向かって前方へ傾斜しているので、液相の作動媒体は、速やかに作動媒体排出口３１に導かれる。また、Ｕ字溝８３の入口に、揺動スクロール外周空間Ｓ１に向かって突出する環状突起８２を形成しているので、環状突起８２が堰の役目を果たし、前記液相の冷却媒体が、潤滑油排出口潤滑油排出室８５側へ流れ込むことはない。

（４）一方、図１の潤滑油供給装置５９の噴油ノズル孔９３から噴出されてランド部６７を潤滑した潤滑油は、駆動室４２内の揺動軸部５ａのニードル軸受７６及び駆動軸５のころ軸受５６及びオルダム継手８９等を潤滑した後、駆動室４２の底部の潤滑油溜まり９２に溜まり、潤滑油路９４を介して潤滑油出口２８から排出されるが、図２において、一部は、スラスト軸受５３のランド部６７と揺動スクロール台板７１との隙間を通り、外方に漏出する。この漏出した潤滑油は、スラスト軸受５３のテーパ面６８に沿って後方へとガイドされ、環状突起８２の後側に形成された潤滑油排出室８５に溜まり、そこから排出孔８６，８７を通り、潤滑油排出口３２から排出される。

（５）すなわち、スクロール形膨張機２内において、膨張室４０を構成するスクロールラップ６２，７２及び鏡面６１ａ，７１ａの各隙間は、液相の作動媒体によりシールされ、且つ潤滑され、一方、駆動室４２内のスラスト軸受５３、揺動軸部５ａの嵌合部、駆動軸５のころ軸受５６及びオルダム継手８０は、作動媒体とは別の潤滑油供給装置５９からの潤滑油で潤滑されており、これにより、潤滑油の使用量を減らすことができ、しかも、液相の作動媒体と潤滑油とを、環状突起８２等により、略完全に分離した状態で排出するので、排出後の作動媒体及び潤滑油の管理及び処理が容易になる。

（６）図４において、スクロール型膨張機２の作動媒体出口１６から排出される作動媒体は、液相と気相が混じり合っており、作動媒体通路１５を通り、凝縮器９に供給され、凝縮される。この場合、潤滑油は混じっていないので、効率良く凝縮される。

（７）凝縮器９で液相に凝縮された作動媒体は、作動媒体通路１４を通り、作動媒体供給ポンプ８に吸い込まれる。一方、スクロール形膨張機２の作動媒体排出口３１から排出された液相の作動媒体は、凝縮器９の出口側の作動媒体通路１４に供給され、前記凝縮器９からの液相作動媒体と合流して、作動媒体供給ポンプ８に吸い込まれる。このように、作動媒体排出口３１から排出される液相の作動媒体を凝縮器９の出口側に接続する構造は、作動媒体排出口３１から排出される作動媒体の温度が低い場合に有効であり、凝縮器９を小さくすることができる。

（８）作動媒体供給ポンプ８から吐出される液相の作動媒体は、作動媒体通路１３を通り、蒸気発生器７に供給され、加熱され、蒸発する。そして、高温高圧の気相状態で、蒸気出口７ｂから作動媒体通路１２を介してスクロール膨張機２の作動媒体入口１１に再度供給される。

（９）一方、スクロール形膨張機２の潤滑油出口２８から排出される潤滑油は、潤滑油タンク２２に貯められた後、潤滑油通路２６を介して潤滑油ポンプ２１に吸い込まれ、潤滑油通路２５を介して再度スクロール形膨張機２の潤滑油入口２０に供給される。また、潤滑油排出口３２から排出された潤滑油は、作動媒体が混合している可能性があるので、潤滑油と作動媒体との比重差を利用した分離タンク部３５により、比重の大きい作動媒体を潤滑油から分離し、分離後の潤滑油を潤滑油タンク２２に供給する。分離タンク部３５の下層に溜まる作動媒体（水）は、ドレン弁３６を介して外部に排出される。

「第２の実施の形態］
図８は、ランキンサイクル発電システムの別の例を示しており、スクロール形膨張機２の下端部に形成された作動媒体排出口３１を、スクロール膨張機２の作動媒体出口１６と凝縮器９の入口９ａと間の作動媒体通路１５に合流させている。これにより、別途圧力連通路を形成しなくとも、揺動スクロール外周空間Ｓ１を作動媒体出口１６の圧力と同じ圧力に保つことができる。その他の構造は、前記図１〜図６で説明した実施の形態と同じであり、同じ部品には同じ符号を付してある。

図８の実施の形態は、作動媒体排出口３１から排出される液相の作動媒体の温度が高くなっている場合に好都合であり、上記温度の高い作動媒体を凝縮器９に供給し、作動媒体の主流と共に冷却する。

「第３の実施の形態］
図９は、ランキンサイクル発電システムのさらに別の例を示しており、スクロール形膨張機２の下端部に形成された作動媒体排出口３１を、一旦排出タンク９７に溜めドレン弁９８を介して外部に排出する構造となっている。その他の構造は、前記図１〜図７で説明した実施の形態と同じであり、同じ部品には同じ符号を付してある。

図９の実施の形態は、作動媒体排出口３１から排出される液相の作動媒体が、非常に少量であり、また、若干の潤滑油を混入している場合に、好都合である。

［その他の実施の形態］
（１）スクロール形膨張機を作動させる作動媒体としては、前述の水（水蒸気）の他に、アンモニア混合媒体等を用いることも可能である。

本発明に係るランキンサイクル発電システムに備えられるスクロール形膨張機の縦断面図である。 図１の下端部分の拡大図である。 図２のIII-III断面図である。 図１のスクロール形膨張機を備えたランキンサイクル発電システムの第１の実施の形態の概要図である。 図１のオルダム継手の分解斜視図である。 図１のスクロール形膨張機の作動説明図である。 図４のランキンサイクル発電システムの作動媒体のＴ−Ｓ（温度−エントロピ）線図である。 本発明のランキンサイクル発電システムの第２の実施の形態の概要図である。 本発明のランキンサイクル発電システムの第３の実施の形態の概要図である。 蒸気タービンを備えた従来のランキンサイクル発電システムの概要図である。

符号の説明

１ 発電機
２ スクロール形膨張機
５ 駆動軸
５ａ 揺動軸部
７ 蒸気発生器
８ 作動媒体供給ポンプ
９ 凝縮器
１１ 作動媒体入口
１６ 作動媒体出口
２０ 潤滑油入口
２１ 潤滑油ポンプ
２２ 潤滑油タンク
２８ 潤滑油出口
３１ 作動媒体排出口
３２ 潤滑油排出口
３５ 分離タンク部（分離貯留部）
４０ 膨張室
４２ 駆動室
５１ 固定スクロール
５２ 揺動スクロール
５３ スラスト軸受
５７ 軸受ハウジング
５９ 潤滑油供給装置
６１ 固定スクロール台板
６１ａ 固定スクロールの鏡面
６２ 固定スクロールラップ
６８ テーパ面
７１ 揺動スクロール台板
７１ａ 揺動スクロールの鏡面
７２ 揺動スクロールラップ
８２ 環状突起
８３ 環状Ｕ字溝
Ｓ１ 揺動スクロール外周空間

Claims (11)

1. スクロール台板の鏡面に渦巻き状のスクロールラップを形成してなる固定スクロールと揺動スクロールとを、互いのスクロールラップが噛み合うように軸方向に対向配置し、両スクロールの鏡面とスクロールラップにより膨張室を形成し、略水平な駆動軸を有する前記揺動スクロールを、前記固定スクロールに対して偏芯配置すると共に、揺動スクロール台板の外周端部を、前記固定スクロールの環状外周壁の揺動スクロール側の端面とスラスト軸受との間で摺動可能に挟持し、前記膨張室内に供給された気相の作動媒体の膨張により、前記揺動スクロールを駆動軸芯回りに公転し、前記駆動軸を回転させるスクロール形膨張機において、
   前記揺動スクロール台板の鏡面側とは反対の背面側に、前記膨張室以外の摺動部分に潤滑油を供給する潤滑油供給機構を備え、
   前記固定スクロールの中央部に形成された作動媒体入口は、作動媒体のみを供給する作動媒体供給部に連通し、膨張室内に供給される作動媒体の液相部分により、前記膨張室の摺動部のシール用及び潤滑用の液膜を形成するようにしていることを特徴とするスクロール形膨張機。
2. 前記固定スクロールの前記環状外周壁に膨張後の作動媒体を排出する作動媒体出口を形成し、
   前記揺動スクロール台板の外周端面の径方向外方側に、前記作動媒体出口の圧力と略等しい圧力の揺動スクロール外周空間を形成し、
   前記揺動スクロール外周空間の下端部は、前記膨張室内から漏れる液相の作動媒体を排出するための作動媒体排出口と、前記揺動スクロール台板の背面側の潤滑油を排出する潤滑油排出口とに連通していることを特徴とする請求項１記載のスクロール形膨張機。
3. 前記固定スクロールの環状外周壁には、前記揺動スクロールの外周端面に径方向の外方から対向すると共に前記揺動スクロール外周空間内に突出する環状突起と、前記揺動スクロール外周空間に開口すると共に前記環状突起の軸方向の固定スクロール側に位置する環状Ｕ字溝と、を形成し、
   前記Ｕ字溝の下端部を前記作動媒体排出口に連通していることを特徴とする請求項２記載のスクロール形膨張機。
4. 前記スラスト軸受には、前記揺動スクロール台板の背面との摺接部より径方向の外方側に、径方向の外方に向かって前記揺動スクロール台板から離れるように傾斜するテーパ面が形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のスクロール形膨張機。
5. 前記スラスト軸受の前記テーパ面の下端部よりも下方のスラスト軸受部分に、前記揺動スクロール外周空間から前記潤滑油排出口に潤滑油を導く潤滑油排出孔を形成していることを特徴とする請求項４記載のスクロール形膨張機。
6. 前記固定スクロールの前記環状外周壁の前記揺動スクロール側の端面であって、前記揺動スクロール台板の外周端部が前記揺動スクロールの公転により間欠的に摺接する部分に、作動媒体を一時的に逃がす環状逃がし溝を形成していることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のスクロール形膨張機。
7. 前記潤滑油排出口は、潤滑油に混じっている液相の作動媒体を潤滑油から分離する分離貯留部に接続し、該分離貯留部の潤滑油出口部は、潤滑油供給ポンプを介して前記潤滑油供給機構に接続していることを特徴とする請求項２〜６のいずれかに記載のスクロール形膨張機。
8. 発電機駆動用の膨張機と、該膨張機の膨張室に高温の気相の作動媒体を供給する蒸気発生器と、前記膨張室から排出される膨張後の作動媒体を凝縮する凝縮器と、該凝縮器から前記蒸気発生器に液相の作動媒体を供給する作動媒体供給ポンプと、を備えたランキンサイクル発電システムにおいて、
   前記膨張機として、前記請求項１乃至７のいずれかに記載のスクロール形膨張機を備えていることを特徴とするランキンサイクル発電システム。
9. 前記膨張室から漏出する液相の作動媒体を排出する前記作動媒体排出口は、前記凝縮器より下流側の作動媒体供給ポンプの入口に連通していることを特徴とする請求項８記載のランキンサイクル発電システム。
10. 前記膨張機から漏出する液相の作動媒体が排出される前記作動媒体排出口は、前記凝縮器の入口に連通していることを特徴とする請求項８記載のランキンサイクル発電システム。
11. 前記膨張機から漏出する液相の作動媒体が排出される前記作動媒体排出口は、ドレンタンクに連通していることを特徴とする請求項８記載のランキンサイクル発電システム。
    

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