JP5715111B2 - 発電装置及び発電システム - Google Patents

Description

本発明は、発電装置及び発電システムに関するものである。

従来、低温の廃熱から動力を回収するための発電システムとして、沸点の低い作動媒体（冷媒）を廃熱により蒸発させてこの作動媒体の蒸気により膨張機ロータを回転駆動させるとともに、この膨張機ロータの回転により発電機を駆動させることで発電を行うバイナリー発電システムが知られている。下記特許文献１には、このような発電システムの一例が開示されている。

下記特許文献１に開示された発電システムは、膨張機と、発電機と、凝縮器と、冷媒送出用のポンプと、蒸発器と、分離タンクと、潤滑油送出用のポンプと、潤滑油加熱用の熱交換器とを備えている。

膨張機は、ケーシングと、そのケーシング内に収容された一対の膨張機ロータ（スクリュロータ）とを有している。ケーシング内には、蒸発器によって生成された冷媒の蒸気が吸入され、この吸入された蒸気は、その膨張力により一対の膨張機ロータを回転駆動させる。この膨張機ロータの回転に伴って、膨張機ロータに連結された発電機が駆動して発電を行うようになっている。また、ケーシング内には、膨張機ロータの回転軸を支持するベアリングの潤滑や、ケーシング内の各部のシールのために潤滑油が供給される。

このケーシング内に供給された潤滑油は、膨張機ロータを回転駆動させた後の冷媒の蒸気と一緒にケーシング内から排出されるため、ケーシング内から排出された冷媒の蒸気と潤滑油との混合流体は、分離タンクにおいて冷媒の蒸気と潤滑油とに分離される。分離タンクで分離された冷媒の蒸気は、分離タンクから排出された後、凝縮器で冷却されて凝縮され、液状の冷媒になる。そして、この液状の冷媒は、冷媒送出用のポンプにより蒸発器に送られ、その蒸発器で廃熱を利用して加熱されて冷媒の蒸気が生成される。この蒸発器で生成された冷媒の蒸気は、膨張機のケーシング内へ供給される。このようにして冷媒が循環するようになっている。一方、分離タンクで分離された潤滑油は、分離タンクから排出された後、潤滑油送出用のポンプにより、熱交換器を経て膨張機のケーシング内へ送られる。

特開昭６０−５６１０４号公報

上記の従来の発電システムでは、膨張機のケーシングから排出された混合流体を冷媒の蒸気と潤滑油とに分離するために分離タンクを設けているとともに、その分離タンクで分離した潤滑油を膨張機のケーシングへ戻すために潤滑油送出用のポンプを設けているため、構成が複雑化するとともに大型化し、また、その製造コストが増大するという問題点がある。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、構成の簡略化及び小型化を図るとともに製造コストを削減することが可能な発電装置及び発電システムを提供することである。

上記目的を達成するために、本発明による発電装置は、液状の潤滑油と作動媒体の蒸気との混合流体が内部に流入するケーシングと、前記ケーシング内に設けられ、当該ケーシング内に流入した前記混合流体から潤滑油を分離するための分離手段と、前記ケーシング内に設けられ、前記分離手段によって潤滑油が分離された後の前記混合流体中の作動媒体の蒸気から膨張力を受けることにより回転駆動される膨張機ロータと、前記膨張機ロータに連結されて当該膨張機ロータの回転に伴って回転する発電機ロータを有し、当該発電機ロータの回転により発電を行う発電機と、前記ケーシング内に設けられ、前記膨張機ロータ及び前記発電機ロータがその軸回りに回転自在となるように前記膨張機ロータの回転軸を支持する軸受と、前記ケーシング内に設けられ、前記軸受を内部に収容してその軸受を保持する軸受保持部と、前記ケーシング内の空間のうち前記分離手段によって分離された潤滑油が溜まる箇所と、前記軸受が収容され、前記ケーシング内の前記潤滑油が溜まる箇所の圧力よりも低い圧力になっている前記軸受保持部の内部空間とを繋ぐ潤滑油供給路とを備え、前記ケーシングは、当該ケーシング内に前記混合流体を流入させるための流入口を有し、前記分離手段は、前記流入口を通じて前記ケーシング内に流入する前記混合流体が当たるように前記流入口に対向して配置された分離部材からなる。

この発電装置では、ケーシング内に流入した混合流体から潤滑油が分離手段によって分離されて、その分離された潤滑油がケーシング内に溜まる。すなわち、発電装置のケーシング内で潤滑油を分離できるので、外部に潤滑油の分離タンクを別途設ける必要がない。このため、潤滑油の分離タンクを別途設けている従来の発電装置に比べて、構成を簡略化及び小型化することができるとともに発電装置の製造コストを削減することができる。また、この発電装置では、潤滑油供給路によってケーシング内の潤滑油が溜まる箇所と軸受保持部の軸受を収容する内部空間とが繋がれているとともに、軸受保持部の内部空間がケーシング内の潤滑油が溜まる箇所の圧力よりも低い圧力になっているため、ケーシング内で分離手段によって分離された潤滑油は、ケーシング内でその潤滑油が溜まる箇所と軸受保持部の内部空間との圧力差により、潤滑油供給路を通じて軸受保持部の内部空間へ流れて軸受に供給される。このため、従来の発電装置のように分離した潤滑油を圧送するためのポンプを別途設ける必要がない。このことからも、この発電装置では、構成を簡略化及び小型化することができるとともに発電装置の製造コストを削減することができる。また、この構成では、流入口を通じてケーシング内に流入した混合流体が分離部材に当たり、それによってその混合流体中の潤滑油の流入方向への移動が分離部材によって阻止されてその潤滑油が自重により下方へ流れ落ちる。このため、ケーシング内に流入した混合流体中の潤滑油の分離が促進される。従って、この構成では、ケーシング内に流入した混合流体から潤滑油を分離するための分離手段を具体的に構成することができる。

上記分離手段が分離部材からなる構成において、前記分離部材は、前記ケーシング内に流入して当該分離部材に当たった前記混合流体中の潤滑油を捕捉するデミスタを有することが好ましい。

デミスタは網目状に形成されていて気流中の液滴状又はミスト状の液体について高い捕捉効果を発揮するため、この構成のように分離部材がデミスタを有していれば、その分離部材のデミスタに衝突した混合流体中の潤滑油を良好に捕捉することができる。このため、ケーシング内に流入した混合流体からの潤滑油の分離効率を向上させることができる。

上記分離手段が分離部材からなる構成において、前記分離部材は、前記流入口を通じて前記ケーシング内に流入する前記混合流体が当たるように前記流入口に対して対向配置された対向面を有し、前記対向面は、前記流入口を通じて前記ケーシング内に流入する前記混合流体の流入方向に対して傾斜していることが好ましい。

この構成では、ケーシングの流入口に対して対向配置された分離部材の対向面が混合流体の流入方向に対して傾斜しているため、流入口を通じてケーシング内に流入した混合流体は、分離部材の対向面に当たってその対向面の傾斜に沿って向きを変え、旋回流を形成する。その結果、混合流体からの潤滑油の分離が促進される。このため、ケーシング内に流入した混合流体からの潤滑油の分離効率を向上させることができる。

上記発電装置において、前記ケーシング内には、前記膨張機ロータが一対設けられていて、その一対の膨張機ロータ間にそれらの膨張機ロータを回転駆動させる作動媒体の蒸気が流入する膨張室が形成され、前記ケーシング内で潤滑油が分離された後の作動媒体の蒸気を前記膨張室へ導入するための蒸気入口が、前記ケーシング内の上部に設けられていることが好ましい。

この構成では、膨張室へ作動媒体の蒸気を導入するための蒸気入口がケーシング内の上部に設けられているので、ケーシング内で分離手段によって分離されて流れ落ちる潤滑油が、その潤滑油と分離されて蒸気入口に供給される作動媒体の蒸気に混入するのを阻止することができる。

上記発電装置において、前記軸受保持部の前記内部空間と膨張室から作動媒体の蒸気が排出される蒸気出口とを直接的又は間接的に繋ぐ潤滑油排出路をさらに備えることが好ましい。

また、本発明による発電システムは、上記いずれかの発電装置を備えた発電システムであって、前記発電装置の前記ケーシングは、前記膨張機ロータを回転駆動した後の作動媒体の蒸気と前記軸受を潤滑した後の潤滑油との混合流体を当該ケーシング内から排出するための排出口を有し、前記発電システムは、前記排出口と前記流入口とを繋ぐ循環流路と、前記循環流路に設けられ、前記排出口から排出された混合流体中の作動媒体の蒸気を凝縮させて液状の作動媒体を生成する凝縮器と、前記循環流路のうち前記凝縮器の下流側の箇所に設けられ、前記凝縮器によって生成された液状の作動媒体を含む混合流体を圧送する循環ポンプと、前記循環流路のうち前記循環ポンプの下流側の箇所に設けられ、前記循環ポンプによって圧送された混合流体中の液状の作動媒体を蒸発させて前記流入口へ供給する作動媒体の蒸気を含んだ混合流体を生成する蒸発器とを備える。

この発電システムでは、上記の発電装置を備えているので、構成を簡略化及び小型化することができるとともに製造コストを削減することができるという上記発電装置と同様の効果を得ることができる。

上記発電システムにおいて、当該発電システム内に導入されている作動媒体と潤滑油の総量に対する潤滑油の重量比は、５重量％以上２０重量％以下であることが好ましい。

この構成によれば、軸受保持部の内部空間に収容された軸受に確実に潤滑油を供給するために必要な潤滑油の量を確保しつつ、膨張機ロータを回転駆動させるのに十分な量の作動媒体の蒸気を得ることができる。具体的には、本構成では、発電システム内に導入されている作動媒体と潤滑油の総量に対する潤滑油の重量比が５重量％以上あることによって、前記軸受に確実に潤滑油を供給可能な潤滑油の量を確保することができる。一方、蒸発器では、混合流体中の液状の作動媒体を蒸発させて作動媒体の蒸気を生成するが、この混合流体中の潤滑油の含有量が多くて作動媒体の含有量が少ない場合には、混合流体中の液状の作動媒体への伝熱がその混合流体中の潤滑油によって阻害されて蒸発器で十分な量の作動媒体を蒸発させることができなくなる。これに対して、本構成のように発電システム内に導入されている作動媒体と潤滑油の総量に対する潤滑油の重量比が２０重量％以下であれば、蒸発器において混合流体中の作動媒体に対する伝熱がその混合流体中の潤滑油によって多少阻害されたとしても、膨張機ロータを回転駆動させるのに十分な量の作動媒体の蒸気を生成することができる。

以上説明したように、本発明によれば、構成の簡略化及び小型化を図るとともに製造コストを削減することが可能な発電装置及び発電システムを提供することができる。

本発明の第１実施形態による発電システムの全体構成を示す概略図である。 第１実施形態による発電システムの発電装置の図１中のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。 第１実施形態による発電システムの発電装置の図１中のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。 第１実施形態による発電システムの発電装置における潤滑油供給路の構成を模式的に示す図である。 本発明の第２実施形態による発電システムの発電装置の混合流体の流入口近傍の構造を示す縦断面図である。 本発明の第３実施形態による発電システムの発電装置の混合流体の流入口近傍の構造を示す縦断面図である。 図６に示した第３実施形態による発電装置の流入口近傍の部分の横断面図である（第１軸受保持部内の構造については図示略）。 本発明の第３実施形態の変形例による発電装置の混合流体の流入口近傍の構造を示す縦断面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。

（第１実施形態）
まず、図１〜図４を参照して、本発明の第１実施形態による発電装置２及びそれを用いた発電システムの構成について説明する。

この第１実施形態による発電システムは、ランキンサイクルを利用した発電システムであり、沸点の低い作動媒体を利用して、低温の廃熱から動力を回収するバイナリー発電方式の発電システムである。前記作動媒体としては、例えばＲ２４５ｆａ（１，１，１，３，３−ペンタフルオロプロパン）等の冷媒が用いられる。

そして、この第１実施形態による発電システムは、図１に示すように、発電装置２と、循環流路４と、凝縮器６と、循環ポンプ８と、蒸発器１０とを備えている。

発電装置２は、当該発電装置２に供給される作動媒体の蒸気を利用して発電を行うためのものである。この発電装置２の詳細は後述するが、この発電装置２は、スクリュ式膨張機１４（以下、単に膨張機１４という）と、発電機１６とを有しており、作動媒体の蒸気の膨張力により膨張機１４の後述する膨張機ロータ３２が回転駆動され、その膨張機ロータ３２の回転に伴って発電機１６の後述する発電機ロータ３８が回転して発電が行われるようになっている。発電装置２において発電に利用された作動媒体の蒸気は、後述する混合流体排出口３０ｅから循環流路４に排出される。

循環流路４は、発電装置２の後述する混合流体排出口３０ｅと流入口３０ｄとを繋いでいる（連通させている）。発電装置２の混合流体排出口３０ｅからは、後述するように、発電に利用後の作動媒体の蒸気と潤滑油とが排出される。循環流路４は、その作動媒体の蒸気と潤滑油との混合流体が流入口３０ｄ側へ戻るようにその混合流体を流通させる流路である。

凝縮器６は、循環流路４に設けられている。この凝縮器６は、発電装置２の混合流体排出口３０ｅから循環流路４に排出されて当該凝縮器６に流入する前記混合流体を冷却してその混合流体中の作動媒体の蒸気を凝縮させ、それによってこの蒸気を液化させて液状の作動媒体を生成するものである。凝縮器６は、低温の冷却水と前記混合流体とに熱交換させることで、前記混合流体を冷却する。前記混合流体中の作動媒体の蒸気が液化されることにより、凝縮器６から排出される混合流体は、液状の作動媒体と液状の潤滑油とが混ざったものとなる。

循環ポンプ８は、循環流路４のうちその循環流路４を流れる前記混合流体の流通方向において凝縮器６の下流側の箇所に設けられている。この循環ポンプ８は、凝縮器６によって生成された液状の作動媒体を含む混合流体を下流側へ圧送するものである。

蒸発器１０は、循環流路４のうち前記作動媒体の流通方向において循環ポンプ８の下流側の箇所に設けられている。この蒸発器１０は、循環ポンプ８により圧送された混合流体中の液状の作動媒体を廃熱により蒸発させて、発電装置２の流入口３０ｄへ供給する作動媒体の蒸気を生成するものである。具体的には、蒸発器１０には、工場等からの排熱により作動媒体の沸点よりも高い温度となっている温水や水蒸気といった流体が外部から供給され、蒸発器１０内では、その外部から供給された流体と混合流体とに熱交換させることにより混合流体を加熱してその混合流体中の液状の作動媒体を蒸発させる。これにより、蒸発器１０から排出されて発電装置２の流入口３０ｄへ供給される混合流体は、作動媒体の蒸気と液状の潤滑油とが混ざったものとなる。

以上の構成により、この第１実施形態による発電システムでは、作動媒体が循環流路４を通じて蒸発器１０から発電装置２に供給され、その発電装置２から循環流路４に排出された作動媒体が凝縮器６に供給され、その凝縮器６に供給された作動媒体が循環ポンプ８を介して蒸発器１０に戻るという循環回路が構成されている。そして、作動媒体がこの循環回路を循環することで廃熱から電気エネルギが生成される。この発電システムには、以上のように作動媒体と潤滑油が導入されているが、この発電システム内に導入された作動媒体と潤滑油の総量に対する潤滑油の重量比は、５重量％以上２０重量％以下になるように設定されている。

次に、この第１実施形態の発電システムのうちの発電装置２の構成について詳細に説明する。

発電装置２は、ケーシング１２と、膨張機１４と、発電機１６と、複数の第１軸受１８と、複数の第２軸受２０と、第１軸受保持部２２と、第２軸受保持部２４と、分離部材２６と、潤滑油供給路２８と、潤滑油排出路２９とを有する。

ケーシング１２は、発電装置２の外面を構成するものであり、水平方向に延在するように設置されている。このケーシング１２は、その内部の空間に膨張機１４及び発電機１６を収容している。具体的には、ケーシング１２は、膨張機１４を内部に収容する膨張機ケーシング３０と、発電機１６を内部に収容する発電機ケーシング３１とを有する。膨張機ケーシング３０と発電機ケーシング３１は、互いに締結されることによりケーシング１２を形成している。

膨張機ケーシング３０は、発電機ケーシング３１に締結され、膨張機１４の後述する膨張機ロータ３２を内部に収容する膨張機ケーシング本体３０ａと、その膨張機ケーシング本体３０ａに対して発電機ケーシング３１と反対側に配置されて膨張機ケーシング本体３０ａに締結された膨張機ケーシング蓋部３０ｂとを有する。

膨張機ケーシング蓋部３０ｂは、有底の略円筒状を呈しており、その軸方向がケーシング１２の延在方向（水平方向）に一致するように配置されている。膨張機ケーシング蓋部３０ｂは、ケーシング１２の延在方向における一端を構成する端部壁３０ｃを有しており、この端部壁３０ｃの中央部には、膨張機ケーシング蓋部３０ｂの軸方向に延びて端部壁３０ｃを貫通する流入口３０ｄが設けられている。この流入口３０ｄは、膨張機ケーシング３０内に作動媒体の蒸気と潤滑油の混合流体を流入させるためのものである。具体的には、流入口３０ｄには、前記循環流路４の一端が接続されており、前述のように蒸発器１０で生成された作動媒体の蒸気と液状の潤滑油との混合流体がその循環流路４から供給され、その混合流体が当該流入口３０ｄを通じて膨張機ケーシング３０内に流入するようになっている。

膨張機ケーシング本体３０ａには、下方に開口する混合流体排出口３０ｅが設けられている。この混合流体排出口３０ｅは、膨張機１４の後述する膨張機ロータ３２を回転駆動させた後の作動媒体の蒸気と、第１軸受１８及び第２軸受２０に供給されてそれらの軸受１８，２０を潤滑した後の潤滑油とを膨張機ケーシング３０の外部へ排出するためのものである。

具体的には、後述する蒸気出口３６ｂを通じて前記膨張室から排出された作動媒体の蒸気と後述するようにその蒸気出口３６ｂに排出された潤滑油排出路２９からの潤滑油とが、当該混合流体排出口３０ｅから外部へ排出されるようになっている。また、膨張機ケーシング本体３０ａ内には、混合流体排出口３０ｅと発電機１６側の空間との間に隔壁３０ｇが設けられていて、その隔壁３０ｇに混合流体排出口３０ｅ内と発電機１６側の空間とを連通させる連通口３０ｈが形成されている。後述するように第２軸受２０を潤滑した後の潤滑油が、発電機１６側の空間に流れるとともに、連通口３０ｈを通じて混合流体排出口３０ｅ内に流れて外部へ排出されるようになっている。混合流体排出口３０ｅには、循環流路４の前記流入口３０ｄに接続された端部と反対側の端部が接続されている。これにより、膨張機ケーシング３０内から混合流体排出口３０ｅを通じて循環流路４へ作動媒体の蒸気と液状の潤滑油との混合流体が排出されるようになっている。また、膨張機ケーシング本体３０ａの下部には、膨張機ケーシング３０内の空間の下部に溜まった潤滑油を排出するための潤滑油出口３０ｆ（図３参照）が設けられている。この潤滑油出口３０ｆは、膨張機ケーシング本体３０ａにおいて混合流体排出口３０ｅの流入口３０ｄ側の位置に設けられており、膨張機ケーシング３０内の潤滑油が溜まるスペースと連通している。

膨張機１４は、互いに噛み合って各々の軸回りに回転する一対の膨張機ロータ３２（図３参照）を有している。これらの膨張機ロータ３２は、スクリュロータである。各膨張機ロータ３２には、その膨張機ロータ３２から軸方向の一方側に延びる第１回転軸３４ａと、その膨張機ロータ３２から軸方向の他方側に延びる第２回転軸３４ｂとが設けられている。この第１回転軸３４ａ及び第２回転軸３４ｂと膨張機ロータ３２とは、それらの軸心の位置が一致するように構成されている。一対の膨張機ロータ３２は、膨張機ケーシング３０内に設けられていて、それらの軸方向がケーシング１２の延在方向と一致するように配置されているとともに、流入口３０ｄ側から見て左右に並ぶように配置されている。

各膨張機ロータ３２は、その外周面に沿って形成された螺旋形の歯を有しており、一対の膨張機ロータ３２のこの歯が噛み合うことによってそれらの間に膨張室が形成される。膨張機ケーシング本体３０ａ内の空間の上部、具体的には膨張機ケーシング本体３０ａ内の空間のうち一対の膨張機ロータ３２の上側で且つ両膨張機ロータ３２の流入口３０ｄ側の端部近傍の領域には、膨張室へ作動媒体の蒸気を導入するための蒸気入口３６ａが設けられている。この蒸気入口３６ａは、膨張機ケーシング蓋部３０ｂ内の空間と連通している。また、膨張機ケーシング本体３０ａ内において一対の膨張機ロータ３２の下側で且つ両膨張機ロータ３２の流入口３０ｄと反対側（発電機１６側）の端部近傍から両膨張機ロータ３２の軸方向の中間部に亘る領域には、膨張室から作動媒体の蒸気が排出される蒸気出口３６ｂが設けられている。この蒸気出口３６ｂは、混合流体排出口３０ｅと連通している。前記流入口３０ｄを通じて膨張機ケーシング３０内に流入した混合流体のうちの作動媒体の蒸気は、蒸気入口３６ａを通って膨張室に導入され、その蒸気の膨張力により膨張室を拡大させるように両膨張機ロータ３２を各々の軸回りに回転させる。この両膨張機ロータ３２の回転に伴って、膨張室は、発電機１６側へ移動し、蒸気出口３６ｂと連通してその膨張室内の作動媒体の蒸気を蒸気出口３６ｂを通じて混合流体排出口３０ｅへ排出する。

発電機１６は、前記一方の膨張機ロータ３２に連結された発電機ロータ３８と、その発電機ロータ３８の回転径方向の外側にこの発電機ロータ３８の周りを囲むように配置されたステータ４０とを有している。発電機ロータ３８は、前記一方の膨張機ロータ３２と同軸となるように配置されており、その一方の膨張機ロータ３２と連結されている。具体的には、発電機ロータ３８は、第２回転軸３４ｂを介して前記一方の膨張機ロータ３２と連結されている。この構成により、発電機ロータ３８は、前記一方の膨張機ロータ３２の回転に伴ってその膨張機ロータ３２と一体的に回転するようになっている。そして、発電機ロータ３８が回転することによって、当該発電機ロータ３８とステータ４０との間で発電が行われるようになっている。

複数の第１軸受１８は、膨張機ケーシング蓋部３０ｂ内の空間に配設されており、複数の第２軸受２０は、膨張機ケーシング本体３０ａ内の空間に配設されている。第１軸受１８は、第１回転軸３４ａを軸支するものであり、第２軸受２０は、第２回転軸３４ｂを軸支するものである。具体的には、図２に示すように、複数の第１軸受１８のうち前記一方の膨張機ロータ３２の第１回転軸３４ａを軸支する第１軸受１８は、前記一方の膨張機ロータ３２及び発電機ロータ３８がそれらの軸心回りに回転自在となるようにその第１回転軸３４ａを支持しており、複数の第１軸受１８のうちもう一方の膨張機ロータ３２の第１回転軸３４ａを軸支する第１軸受１８は、そのもう一方の膨張機ロータ３２がその軸心回りに回転自在となるようにその第１回転軸３４ａを支持している。また、複数の第２軸受２０のうち前記一方の膨張機ロータ３２の第２回転軸３４ｂを軸支する第２軸受２０は、前記一方の膨張機ロータ３２及び発電機ロータ３８がそれらの軸心回りに回転自在となるようにその第２回転軸３４ｂを支持しており、複数の第２軸受２０のうちもう一方の膨張機ロータ３２の第２回転軸３４ｂを軸支する第２軸受２０は、そのもう一方の膨張機ロータ３２がその軸心回りに回転自在となるようにその第２回転軸３４ｂを支持している。

第１軸受保持部２２は、複数の第１軸受１８を内部に収容してそれらの第１軸受１８を保持するものである。具体的には、第１軸受保持部２２は、膨張機ケーシング蓋部３０ｂ内の空間に配置されており、膨張機ケーシング本体３０ａのうちその内部に延びて膨張機ケーシング蓋部３０ｂ側に面する部分に締結されて固定されている。第１軸受保持部２２は、一方の膨張機ロータ３２の第１回転軸３４ａを支持する第１軸受１８ともう一方の膨張機ロータ３２の第１回転軸３４ａを支持する第１軸受１８とをそれらが横並びに配置された状態で収容する内部空間を有しており、その両端が開口している。この第１軸受保持部２２の内部空間には、一対の膨張機ロータ３２の一対の第１回転軸３４ａがそれぞれ対応する第１軸受１８によって支持された状態で挿入されている。

第２軸受保持部２４は、複数の第２軸受２０を内部に収容してそれらの第２軸受２０を保持するものである。具体的には、第２軸受保持部２４は、膨張機ケーシング本体３０ａ内の空間に配置されて、その膨張機ケーシング本体３０ａに結合されている。第２軸受保持部２４は、一方の膨張機ロータ３２の第２回転軸３４ｂを支持する第２軸受２０ともう一方の膨張機ロータ３２の第２回転軸３４ｂを支持する第２軸受２０とをそれらが横並びに配置された状態で収容する内部空間を有しており、その両端が開口している。この第２軸受保持部２４の内部空間には、一対の膨張機ロータ３２の一対の第２回転軸３４ｂがそれぞれ対応する第２軸受２０によって支持された状態で挿入されている。また、この第２軸受保持部２４の内部空間には、第２軸受２０と膨張機ロータ３２の発電機１６側の端部との間に第２軸封室２４ａが形成されている。この第２軸封室２４ａは、前記膨張室から発電機１６側への蒸気の漏れを防止するために設けられている。

分離部材２６は、膨張機ケーシング蓋部３０ｂ内の空間に配置されている。この分離部材２６は、膨張機ケーシング３０内（膨張機ケーシング蓋部３０ｂ内）に流入した混合流体から潤滑油を分離させるものである。具体的には、分離部材２６は、流入口３０ｄを通じて膨張機ケーシング３０内に流入する混合流体が当たるように流入口３０ｄに対向して配置された板状の部材である。分離部材２６は、第１軸受保持部２２の流入口３０ｄ側の端部の開口を閉塞するようにその端部に取り付けられている。

分離部材２６は、流入口３０ｄを通じて膨張機ケーシング３０内に流入する混合流体が当たるように流入口３０ｄに対して対向配置された対向面２６ａを有している。この対向面２６ａは、流入口３０ｄを通じて膨張機ケーシング３０内に流入する混合流体の蒸気の流入方向、すなわち流入口３０ｄの軸線の延びる方向に対して直交するように配置されている。流入口３０ｄを通じて膨張機ケーシング３０内に流入した混合流体は、分離部材２６の対向面２６ａに衝突し、それによって、混合流体中の潤滑油が、対向面２６ａに沿って自重により流れ落ちる。この流れ落ちた潤滑油は、膨張機ケーシング３０の内部空間のうちの下部のスペースに溜まる。また、潤滑油が分離された後の混合流体、すなわち作動媒体の蒸気は、膨張機ケーシング３０（膨張機ケーシング蓋部３０ｂ）内の空間のうち第１軸受保持部２２の上側のスペースを通って蒸気入口３６ａへ流れ、その蒸気入口３６ａから前記膨張室へ導入される。

潤滑油供給路２８は、膨張機ケーシング３０内の空間のうち潤滑油が溜まる下部のスペースと、第１軸受保持部２２の内部空間及び第２軸受保持部２４内の第２軸封室２４ａとを繋いでいる（連通させている）。この潤滑油供給路２８は、膨張機ケーシング３０内の下部のスペースに溜まった潤滑油が第１軸受保持部２２の内部空間及び第２軸受保持部２４内の第２軸封室２４ａへ供給されるようにその潤滑油を流通させるものである。

具体的には、潤滑油供給路２８は、図３に示す外部配管２８ａと、図４に示す内部流路２８ｂとによって構成されている。

外部配管２８ａは、ケーシング１２の外部に設けられた配管である。外部配管２８ａの一端は、膨張機ケーシング本体３０ａに設けられた前記油排出口３０ｆに接続され、外部配管２８ａの他端は、内部流路２８ｂに接続されている。

内部流路２８ｂは、導入路２８ｃと、その導入路２８ｃから分岐する第１供給路２８ｄ及び第２供給路２８ｅとによって構成されている。前記外部配管２８ａの他端は、導入路２８ｃの開口端に接続される。なお、導入路２８ｃ、並びに、第１供給路２８ｄ及び第２供給路２８ｅの一部は、膨張機ケーシング３０の壁部内に設けられてもよい。第１供給路２８ｄは、第１軸受保持部２２の内部空間のうち第１軸受１８に隣接する第１軸封室２２ａに繋がっている。また、第２供給路２８ｅは、第２軸封室２４ａに繋がっている。

潤滑油排出路２９は、第１軸受保持部２２の内部空間と膨張室の蒸気出口３６ｂ近傍の部位（具体的には、膨張機ロータ３２の蒸気出口３６ｂに接する部分よりも膨張機ロータ３２の１歯分だけ第１軸受保持部２２側にずれた部位）とを繋ぐ（連通させる）ように膨張機ケーシング３０内に設けられている。この潤滑油排出路２９は、第１軸受保持部２２の内部空間から蒸気出口３６ｂへ潤滑油を流すためのものである。具体的には、潤滑油排出路２９の一端は、第１軸受保持部２２の内部空間のうち第１軸受１８を収容する部分に対して膨張機ロータ３２と反対側に位置する箇所に接続されており、潤滑油排出路２９の他端は、蒸気出口３６ｂ近傍の膨張室に接続されている。潤滑油排出路２９は、第１軸受１８に供給されてその第１軸受１８を潤滑した後の潤滑油を蒸気出口３６ｂへ流す。

また、第１軸受保持部２２の内部空間の圧力及び第２軸受保持部２４の内部空間の圧力は、膨張機ケーシング３０内の潤滑油が溜まる下部のスペースの圧力よりも低い圧力になっている。

具体的には、膨張機ケーシング３０内の潤滑油が溜まる下部のスペースは、作動媒体の蒸気を含む混合流体が流入する膨張機ケーシング３０の内部空間の一部であるため、当該スペースの圧力は、膨張機ケーシング３０の内部空間の圧力と等しく、比較的高い圧力になっている。

一方、第１軸受保持部２２は、蒸気入口３６ａ近傍での前記膨張室内の圧力に近い圧力になっている。詳しくは、前記膨張室内の圧力は、蒸気入口３６ａ側から蒸気出口３６ｂ側へ向かって作動媒体の蒸気の膨張が進むにつれて低下するので、蒸気入口３６ａ近傍での前記膨張室内の圧力の方が蒸気出口３６ｂ近傍での前記膨張室内の圧力よりも高くなっているが、第１軸受保持部２２の内部空間は、蒸気入口３６ａ側で前記膨張室に隣接しているとともに潤滑油排出路２９を介して蒸気出口３６ｂと連通しているので、当該第１軸受保持部２２の内部空間の圧力は、蒸気入口３６ａ近傍での前記膨張室内の圧力とその圧力よりも低い蒸気出口３６ｂにおける圧力との中間の圧力になっている。従って、第１軸受保持部２２の内部空間の圧力は、蒸気入口３６ａに導入される作動媒体の蒸気の圧力、すなわち膨張機ケーシング３０の内部空間の圧力よりも低い圧力になっている。なお、潤滑油排出路２９が接続される蒸気出口３６ｂ近傍の部位の圧力は、第１軸受保持部２２の内部空間の圧力よりも低く、かつ、蒸気出口３６ｂの圧力よりも僅かに高い。

また、第２軸受保持部２４は、蒸気出口３６ｂ近傍での前記膨張室内の圧力に近い圧力になっている。詳しくは、第２軸受保持部２４の内部空間は、蒸気出口３６ｂ側で前記膨張室に隣接しているとともに、発電機１６側の空間及び連通口３０ｈを通じて混合流体排出口３０ｅと連通しているので、当該第２軸受保持部２４の内部空間の圧力は、蒸気出口３６ｂ近傍での前記膨張室内の圧力とその圧力よりも低い混合流体排出口３０ｅにおける圧力との中間の圧力になっている。従って、第２軸受保持部２４の内部空間の圧力は、蒸気入口３６ａに導入される作動媒体の蒸気の圧力、すなわち膨張機ケーシング３０の内部空間の圧力よりもかなり低い圧力になっている。

以上のことから、第１及び第２軸受保持部２２，２４の内部空間の圧力は、膨張機ケーシング３０内の潤滑油が溜まる下部のスペースの圧力よりも低い圧力になっており、膨張機ケーシング３０内の潤滑油が溜まる下部のスペースと第１及び第２軸受保持部２２，２４の内部空間との間には圧力差が生じている。この圧力差により、膨張機ケーシング３０内の下部のスペースに溜まった潤滑油は、潤滑油出口３０ｆを通じて排出されるとともに潤滑油供給路２８の外部配管２８ａを通じて内部流路２８ｂの導入路２８ｃに流入し、その導入路２８ｃから第１供給路２８ｄを通って第１軸受保持部２２の内部空間に流入するとともに、導入路２８ｃから第２供給路２８ｅを通って第２軸受保持部２４内の第２軸封室２４ａに流入する。第１軸受保持部２２の内部空間に流入した潤滑油は、その内部空間内における圧力差により当該内部空間内を膨張機ロータ３２と反対側へ移動しつつ第１軸受１８に供給されてその第１軸受１８を潤滑する。また、第２軸封室２４ａに流入した潤滑油は、その第２軸封室２４ａ内で第２回転軸３４ｂの周りをシールして前記膨張室から発電機１６側への作動媒体の蒸気の漏れを抑制する。この潤滑油は、第２軸封室２４ａよりも発電機１６側が低圧であることに起因して第２軸封室２４ａから第２軸受２０へ供給されてその第２軸受２０を潤滑する。

そして、蒸気出口３６ｂ内の圧力は、第１軸受保持部２２の内部空間の圧力よりも低いので、その圧力差により、第１軸受１８を潤滑した潤滑油は、第１軸受保持部２２の内部空間から潤滑油排出路２９を通って膨張室の蒸気出口３６ｂ近傍の部位へと向かう。このとき、潤滑油の圧力が蒸気出口３６ｂの圧力よりも僅かに高いため、膨張機ロータ３２の駆動を補助する。これにより、発電効率をより向上することができる。そして、潤滑油は膨張室から蒸気出口３６ｂへと排出されるとともに、その蒸気出口３６ｂから混合流体排出口３０ｅへ排出される。また、発電機ケーシング３１の内部空間の圧力は、第２軸受保持部２４の内部空間の圧力よりも低く、混合流体排出口３０ｅ内の圧力は、発電機ケーシング３１の内部空間の圧力よりもさらに低いため、第２軸受２０を潤滑した潤滑油は、第２軸受保持部２４の内部空間から発電機ケーシング３１の内部空間に流れるとともに、その発電機ケーシング３１の内部空間から連通口３０ｈを通じて混合流体排出口３０ｅへ排出される。そして、混合流体排出口３０ｅへ排出された潤滑油は、前記膨張室から蒸気出口３６ｂを通じて混合流体排出口３０ｅに排出される作動媒体の蒸気と混合流体を形成し、循環流路４へ排出される。

以上説明したように、この第１実施形態では、膨張機ケーシング３０内に流入した混合流体から潤滑油が分離部材２６によって分離され、その分離された潤滑油が膨張機ケーシング３０内の下部のスペースに溜まる。すなわち、この第１実施形態では、膨張機ケーシング３０内で潤滑油を分離できるので、外部に潤滑油の分離タンクを別途設ける必要がない。このため、当該第１実施形態では、潤滑油の分離タンクを別途設けている従来の発電装置及び発電システムに比べて、発電装置２及び発電システムの構成を簡略化及び小型化することができるとともに発電装置２及び発電システムの製造コストを削減することができる。

また、この第１実施形態では、上記のように、膨張機ケーシング３０内で混合流体から分離されて膨張機ケーシング３０内の下部のスペースに溜まった潤滑油は、このスペースと第１軸受保持部２２の内部空間との圧力差により自動的に潤滑油供給路２８を通じて第１軸受保持部２２の内部空間へ流れて第１軸受１８に供給されるとともに、前記スペースと第２軸受保持部２４の内部空間との圧力差により自動的に潤滑油供給路２８を通じて第２軸受保持部２４の内部空間（第２軸封室２４ａ）へ流れて第２軸受２０に供給される。このため、この第１実施形態による発電装置２及び発電システムでは、従来の発電装置及び発電システムのように分離した潤滑油を圧送するためのポンプを別途設ける必要がない。このことからも、当該第１実施形態では、発電装置２及び発電システムの構成を簡略化及び小型化することができるとともに発電装置２及び発電システムの製造コストを削減することができる。

また、この第１実施形態では、前記膨張室へ作動媒体の蒸気を導入するための蒸気入口３６ａが膨張機ケーシング３０内の上部に設けられているので、膨張機ケーシング３０内の空間で分離部材２６によって分離されて流れ落ちる潤滑油が、その潤滑油と分離された後、蒸気入口３６ａに供給される作動媒体の蒸気に混入するのを阻止することができる。

また、この第１実施形態では、発電システム内に導入されている作動媒体と潤滑油の総量に対する潤滑油の重量比は、５重量％以上２０重量％以下であることから、第１軸受１８及び第２軸受２０に確実に潤滑油を供給するために必要な潤滑油の量を確保しつつ、膨張機ロータ３２を回転駆動させるのに十分な量の作動媒体の蒸気を得ることができる。

具体的には、この第１実施形態では、発電システム内に導入されている作動媒体と潤滑油の総量に対する潤滑油の重量比が５重量％以上あることによって、第１軸受１８と第２軸受２０に確実に潤滑油を供給可能な十分な潤滑油の量を確保することができる。一方、蒸発器１０では、混合流体中の液状の作動媒体を蒸発させて作動媒体の蒸気を生成するが、この混合流体中の潤滑油の含有量が多くて作動媒体の含有量が少ない場合には、混合流体中の液状の作動媒体への伝熱がその混合流体中の潤滑油によって阻害されて蒸発器１０で十分な量の作動媒体を蒸発させることができなくなる。これに対して、当該第１実施形態のように発電システム内に導入されている作動媒体と潤滑油の総量に対する潤滑油の重量比が２０重量％以下であれば、蒸発器１０において混合流体中の作動媒体に対する伝熱がその混合流体中の潤滑油によって多少阻害されたとしても、膨張機ロータ３２を回転駆動させるのに十分な量の作動媒体の蒸気を生成することができる。なお、この作動媒体と潤滑油の総量に対する潤滑油の重量比（５重量％以上２０重量％以下）は、本願発明者が実験を繰り返して上記の効果が得られることを確認して設定した値である。

（第２実施形態）
次に、図５を参照して、本発明の第２実施形態による発電装置及び発電システムの構成について説明する。

この第２実施形態では、膨張機ケーシング３０内に設けられた分離部材４２がデミスタによって構成されている。具体的には、デミスタは、金網等の網目状の部材を複数重ね合わせることによって形成されたものであり、気流に含まれるミスト状の液体を捕捉する機能を有する。この第２実施形態では、このデミスタからなる分離部材４２が、第１軸受保持部２２の流入口３０ｄ側の端部の開口を閉塞する端板４４の流入口３０ｄ側の面に取り付けられている。なお、端板４４の構成は、上記第１実施形態の分離部材２６の構成と同様である。

この第２実施形態では、流入口３０ｄを通じて膨張機ケーシング３０内に流入した混合流体は、デミスタからなる分離部材４２に当たり、その混合流体に含まれる液滴状又はミスト状の潤滑油が分離部材４２によって捕捉される。これにより、膨張機ケーシング３０内に流入した混合流体から潤滑油が分離される。分離部材４２によって捕捉された潤滑油は、下方へ流れ落ち、膨張機ケーシング３０内の下部のスペースに溜まる。

この第２実施形態による発電装置及び発電システムの上記以外の構成は、上記第１実施形態による発電装置２及び発電システムの構成と同様である。

この第２実施形態では、分離部材４２がデミスタによって構成されているため、膨張機ケーシング３０内に流入して分離部材４２に衝突する混合流体中の潤滑油を分離部材４２によって良好に捕捉することができる。このため、膨張機ケーシング３０内に流入した混合流体からの潤滑油の分離効率を向上させることができる。

この第２実施形態の発電装置及び発電システムによって得られる上記以外の効果は、上記第１実施形態の発電装置２及び発電システムによって得られる効果と同様である。

（第３実施形態）
次に、図６及び図７を参照して、本発明の第３実施形態による発電装置及び発電システムの構成について説明する。

この第３実施形態では、膨張機ケーシング３０内に設けられた分離部材２６は板状の部材であり、その分離部材２６の流入口３０ｄに対する対向面２６ａが、膨張機ケーシング３０内に流入した混合流体に旋回流を形成させる傾斜面となっている。

具体的には、この第３実施形態では、分離部材２６は、上記第１実施形態の場合と同様、第１軸受保持部２２の流入口３０ｄ側の端部の開口を閉塞する端板として共用されている。この分離部材２６の流入口３０ｄに対して対向配置された対向面２６ａは、図７に示すように、その対向面２６ａに向かって左側から右側へ行くに従って流入口３０ｄから遠ざかる方向（膨張機１４側）へ向かうように傾斜している。この構成により、流入口３０ｄを通じて膨張機ケーシング３０内に流入した混合流体は、分離部材２６の対向面２６ａに衝突してその対向面２６ａの傾斜に沿って向きを変えつつ鉛直軸回りの旋回流を形成する。

この第３実施形態による発電装置及び発電システムの上記以外の構成は、上記第１実施形態による発電装置２及び発電システムの構成と同様である。

この第３実施形態では、上記のように膨張機ケーシング３０内に流入した混合流体が旋回流を形成することによって、その混合流体からの潤滑油の分離が促進される。このため、膨張機ケーシング３０内に流入した混合流体からの潤滑油の分離効率を向上することができる。

この第３実施形態の発電装置及び発電システムによって得られる上記以外の効果は、上記第１実施形態の発電装置２及び発電システムによって得られる効果と同様である。

なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれる。

例えば、上記第２実施形態では、分離部材４２全体がデミスタによって構成されているが、分離部材のうちの一部のみがデミスタによって構成されていてもよい。

また、上記第３実施形態では、分離部材２６の対向面２６ａはその対向面２６ａに向かって左側から右側へ行くに従って流入口３０ｄから遠ざかる方向へ向かうように傾斜しているが、分離部材２６の対向面２６ａの傾斜の向きはこのような向きに限定されるものではない。例えば、図８に示されている上記第３実施形態の変形例のように、分離部材２６の対向面２６ａは、上側から下側へ行くに従って流入口３０ｄから遠ざかる方向へ向かうように傾斜していてもよい。この変形例によれば、流入口３０ｄを通じて膨張機ケーシング３０内に流入した混合流体は、分離部材２６の対向面２６ａに衝突して下方へ向きを変えて膨張機ケーシング３０内の下部のスペースに導かれる。これにより、その下部のスペースに導かれた混合流体中の潤滑油は、その下部のスペースに溜まり、その混合流体中の作動媒体の蒸気は、膨張機ケーシング３０内の第１軸受保持部２２の左右両側のスペースを通じて第１軸受保持部２２の上側のスペースへ流れて蒸気入口３６ａに供給される。この変形例の構成でも、膨張機ケーシング３０内に流入した混合流体からの潤滑油の分離効率を向上することができる。上記実施形態では、潤滑油排出路２９が蒸気出口３０ｅに直接的に接続されてもよい。

４ 循環流路
６ 凝縮器
８ 循環ポンプ
１０ 蒸発器
１２ ケーシング
１６ 発電機
１８ 第１軸受
２０ 第２軸受
２２ 第１軸受保持部
２４ 第２軸受保持部
２６、４２ 分離部材（分離手段）
２６ａ 対向面
２８ 潤滑油供給路
２９ 潤滑油排出路
３０ｄ 流入口
３０ｅ 混合流体排出口（排出口）
３２ 膨張機ロータ
３４ａ 第１回転軸
３４ｂ 第２回転軸
３６ａ 蒸気入口
３６ｂ 蒸気出口
３８ 発電機ロータ

Claims (7)

1. 液状の潤滑油と作動媒体の蒸気との混合流体が内部に流入するケーシングと、
   前記ケーシング内に設けられ、当該ケーシング内に流入した前記混合流体から潤滑油を分離するための分離手段と、
   前記ケーシング内に設けられ、前記分離手段によって潤滑油が分離された後の前記混合流体中の作動媒体の蒸気から膨張力を受けることにより回転駆動される膨張機ロータと、
   前記膨張機ロータに連結されて当該膨張機ロータの回転に伴って回転する発電機ロータを有し、当該発電機ロータの回転により発電を行う発電機と、
   前記ケーシング内に設けられ、前記膨張機ロータ及び前記発電機ロータがその軸回りに回転自在となるように前記膨張機ロータの回転軸を支持する軸受と、
   前記ケーシング内に設けられ、前記軸受を内部に収容してその軸受を保持する軸受保持部と、
   前記ケーシング内の空間のうち前記分離手段によって分離された潤滑油が溜まる箇所と、前記軸受が収容され、前記ケーシング内の前記潤滑油が溜まる箇所の圧力よりも低い圧力になっている前記軸受保持部の内部空間とを繋ぐ潤滑油供給路とを備え、
   前記ケーシングは、当該ケーシング内に前記混合流体を流入させるための流入口を有し、
   前記分離手段は、前記流入口を通じて前記ケーシング内に流入する前記混合流体が当たるように前記流入口に対向して配置された分離部材からなる、発電装置。
2. 前記分離部材は、前記ケーシング内に流入して当該分離部材に当たった前記混合流体中の潤滑油を捕捉するデミスタを有する、請求項１に記載の発電装置。
3. 前記分離部材は、前記流入口を通じて前記ケーシング内に流入する前記混合流体が当たるように前記流入口に対して対向配置された対向面を有し、
   前記対向面は、前記流入口を通じて前記ケーシング内に流入する前記混合流体の流入方向に対して傾斜している、請求項１に記載の発電装置。
4. 前記ケーシング内には、前記膨張機ロータが一対設けられていて、その一対の膨張機ロータ間にそれらの膨張機ロータを回転駆動させる作動媒体の蒸気が流入する膨張室が形成され、
   前記ケーシング内で潤滑油が分離された後の作動媒体の蒸気を前記膨張室へ導入するための蒸気入口が、前記ケーシング内の上部に設けられている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の発電装置。
5. 前記軸受保持部の前記内部空間と膨張室から作動媒体の蒸気が排出される蒸気出口とを直接的又は間接的に繋ぐ潤滑油排出路をさらに備える、請求項１〜４のいずれか１項に記載の発電装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の発電装置を備えた発電システムであって、
   前記発電装置の前記ケーシングは、前記膨張機ロータを回転駆動した後の作動媒体の蒸気と前記軸受を潤滑した後の潤滑油との混合流体を当該ケーシング内から排出するための排出口を有し、
   前記発電システムは、前記排出口と前記流入口とを繋ぐ循環流路と、前記循環流路に設けられ、前記排出口から排出された混合流体中の作動媒体の蒸気を凝縮させて液状の作動媒体を生成する凝縮器と、前記循環流路のうち前記凝縮器の下流側の箇所に設けられ、前記凝縮器によって生成された液状の作動媒体を含む混合流体を圧送する循環ポンプと、前記循環流路のうち前記循環ポンプの下流側の箇所に設けられ、前記循環ポンプによって圧送された混合流体中の液状の作動媒体を蒸発させて前記流入口へ供給する作動媒体の蒸気を含んだ混合流体を生成する蒸発器とを備える、発電システム。
7. 前記発電システム内に導入されている作動媒体と潤滑油の総量に対する潤滑油の重量比は、５重量％以上２０重量％以下である、請求項６に記載の発電システム。

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