JP5931564B2 - 両回転型スクロール膨張機及び該膨張機を備えた発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、２つの駆動スクロールと従動スクロールとが同期回転する両回転型のダブルラップのスクロール膨張機、及び、該膨張機を備える発電装置に関する。

従来の発電システムは、数百ｋＷ以上の大型プラントが主で、小型発電は簡易構造のエンジン発電機等が主流であった。しかし、最近では、省エネ志向が浸透し、再生エネルギー特措法が成立するなど、小型発電のニーズと市場は広がりつつある。
かかる状況下において、太陽光発電や風力発電は、費用対効果が小さく、汎用レベルに到達するには更なる改良が必要である。

これに対し、特許文献１は、費用対効果が相対的に大きいバイナリー発電システムを開示している。このバイナリー発電システムは、スクロール膨張機及び発電機を有し、８５〜１５０℃のお湯や蒸気を熱源に用いて低沸点の作動媒体を高圧にし、該作動媒体をスクロール膨張機で膨張させて小型発電機を駆動させる。

ここで、スクロール膨張機は、トルク変動が少ないことから、小型発電システムに好適である。しかしながら、固定スクロールと駆動スクロールとを有するスクロール膨張機では、静止している固定スクロールに対し駆動スクロールが摺接するため、動的なシールが必要であり、良好なシール性を確保するのが困難である。また、駆動スクロールにスラスト荷重が加わるため、駆動スクロールを回転可能に支持する軸受が損傷し易い。

これに対し、特許文献２が開示するスクロール型流体装置は、両回転型でダブルラップのスクロール型流体機械であり、この種のスクロール型流体機械は良好なシール性を有するとともに、スラスト荷重が低減されて高い信頼性を有する。

具体的には、両回転型のスクロール型流体機械は、駆動スクロールと従動スクロールとを有し、駆動スクロール及び従動スクロールが同期して回転する。このため、動的なシールが不要になり良好なシール性を確保できる。また、ダブルラップのスクロール型流体機械を膨張機として使用した場合、従動スクロールの両側に膨張室が存在するため、駆動スクロールや従動スクロールに加わるスラスト荷重が相殺されて低減される。

特開２００９−２０９７０６号公報 特開平６−３４１３８１号公報

特許文献２が開示するスクロール型流体機械では、駆動スクロールに対して従動スクロールを旋回させる旋回機構としてオルダムリングが用いられているが、オルダムリングは一般的に樹脂からなる。このため、オルダムリングは耐熱性が低く、オルダムリングに高温の水蒸気雰囲気下で荷重が加わると、オルダムリングが変形してしまう。このため、オルダムリングを用いたスクロール膨張機で高温の水蒸気を膨張させた場合、オルダムリングの変形により従動スクロールの旋回が阻害され、出力の低下や故障が生じる虞がある。

本発明は、かかる従来技術の課題に鑑みなされ、その目的とするところは、高い耐熱性を有する両回転型スクロール膨張機、及び、該両回転型スクロール膨張機を備える発電装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一態様によれば、蒸気を膨張させる両回転型スクロール膨張機において、蒸気を流入させる流入孔、第１シャフト孔が設けられた第１端壁、及び、前記第１シャフト孔と同軸にて第２シャフト孔が設けられた第２端壁を有するハウジングと、前記第１シャフト孔を貫通して延び、前記ハウジング内に内端を有する第１駆動軸と、前記ハウジングと前記第１駆動軸との間に設けられる第１駆動軸受と、前記ハウジング内に前記第１駆動軸と同軸に設けられて前記第２シャフト孔の内側に一部が配置され、前記第１駆動軸の第１内端から離間した第２内端及び前記第２内端に開口するとともに前記流入孔に連通した連通孔を有する第２駆動軸と、前記ハウジングと前記第２駆動軸との間に設けられる第２駆動軸受と、前記第１駆動軸の第１内端に連結された第１駆動端板、及び、前記第１駆動端板の前記第１駆動軸とは反対側から突出する第１駆動ラップを有する第１駆動スクロールと、前記第２駆動軸の第２内端に連結され且つ前記連通孔に連通する駆動貫通孔を有する第２駆動端板、及び、前記第２駆動端板の前記第２駆動軸とは反対側から突出する第２駆動ラップを有する第２駆動スクロールと、
前記第１駆動ラップと前記第２駆動ラップとの間に配置され且つ中央に従動貫通孔を有する従動端板、及び、前記従動端板の両面からそれぞれ突出する従動ラップを有し、前記第１駆動スクロール及び前記第２駆動スクロールと協働して前記従動端板の両側に前記蒸気を膨張させるための膨張室を形成する従動スクロールと、前記第１駆動スクロールと前記第２駆動スクロールとを一体に回転可能に連結する駆動連結部材と、前記第１駆動軸及び前記第２駆動軸をそれぞれ囲み且つ前記第１駆動軸及び前記第２駆動軸に対しそれぞれ偏心して配置される第１従動ボス及び第２従動ボス、前記第１従動ボス及び前記第２従動ボスから前記第１従動ボス及び前記第２従動ボスの径方向にそれぞれ延びる第１従動アーム及び第２従動アーム、前記第１従動アームと前記従動スクロールとの間及び前記第２従動アームと前記従動スクロールとの間をそれぞれ連結する第１従動連結部材及び第２従動連結部材、並びに、前記ハウジングと前記第１従動ボスとの間及び前記ハウジングと前記第２従動ボスとの間にそれぞれ設けられる第１従動軸受及び第２従動軸受を有し、前記従動スクロールを回転可能に支持する回転機構と、前記第１駆動端板と前記第１従動アームとの間及び前記第２駆動端板と前記第２従動アームとの間にそれぞれ設けられる金属製の複数の旋回ピン、及び、前記旋回ピンの各々と対応して設けられて対応する旋回ピンが偏心して連結される金属製の複数の旋回ディスクを有し、前記第１駆動スクロールと前記従動スクロール、及び、前記第２駆動スクロールと前記従動スクロールとを相対的に旋回可能に連結する旋回機構とを備える両回転型スクロール膨張機が提供される。

一態様の両回転型スクロール膨張機では、旋回機構の旋回ピン及び旋回ディスクがそれぞれ金属製であって耐熱性が高い。このため、この両回転型スクロール膨張機は、例えば水蒸気の膨張に適用されても長寿命であり、また、第１駆動スクロール及び第２駆動スクロールに対して従動スクロールが円滑に旋回するので、第１駆動軸から外部に出力される回転力が向上する。

その上、この両回転型スクロール膨張機では、第１駆動スクロールと第１従動アームとの間、及び、第２駆動スクロールと第２従動アームとの間が、旋回ピンによって相対的に旋回可能にそれぞれ連結されている。つまり、旋回機構が、第１駆動スクロール及び第２駆動スクロールの両側に設けられている。両側の旋回機構によって案内されることで、第１駆動スクロール及び第２駆動スクロールに対して従動スクロールが円滑に旋回するので、第１駆動軸から外部に出力される回転力が向上する。

更に、この両回転型スクロール膨張機では、従動スクロールの従動端板の両側に膨張室が設けられているので、蒸気の流入量を多くし、出力される回転力を大きくすることができるとともに、回転機構及び旋回機構にスラスト荷重が加わるのを防止することができる。

上記両回転型スクロール膨張機は、前記第２駆動軸受と前記連通孔の内周面との間に断熱層を更に備えていてもよい。
この構成によれば、高温の蒸気が第２駆動軸に設けられた連通孔を流れていても、断熱層によって、連通孔から第２駆動軸受への熱の流れが妨げられ、第２駆動軸受の温度上昇が抑制される。このため、第２駆動軸受の信頼性が高くなり、両回転型スクロール膨張機の寿命が更に長くなる

また、上記目的を達成するために、本発明の一態様によれば、上記した両回転型スクロール膨張機と、前記第１駆動軸に連結された発電機とを備える発電装置が提供される。
この発電装置に用いられる両回転型スクロール膨張機は、例えば水蒸気を膨張させても耐久性が高く、出力が大きい。このため、この発電装置は、水等の蒸気を利用して高効率にて発電することができ、費用対効果が大である。

本発明によれば、高い耐熱性を有する両回転型スクロール膨張機、及び、該両回転型スクロール膨張機を備える発電装置が提供される。

本発明の一実施形態に係るスクロール膨張機の概略的な縦断面図である。 図１中の旋回機構を拡大して示す部分拡大図である。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。

図１は、一実施形態のスクロール膨張機を概略的に示す縦断面図である。スクロール膨張機は、両回転型のダブルラップのスクロール膨張機であり、高圧の作動媒体ｗを膨張させることにより、回転力を出力する。スクロール膨張機は、作動媒体ｗとして、水や冷媒等を膨張させることができ、高温の蒸気を膨張させるのに適する。特に、スクロール膨張機は、例えば約１７０℃〜１８０℃の温度の高温の水蒸気を膨張させるのに適する。水蒸気は、過熱蒸気であっても飽和蒸気であってもよい。スクロール膨張機は、図１中に２点鎖線で示した発電機１０に接続され、発電機１０とともに発電装置を構成する。発電装置では、スクロール膨張機が作動媒体ｗを動力源として発電機１０を駆動し、発電機１０に発電させる。

スクロール膨張機は略円筒形状のハウジング１２を有し、ハウジング１２は、第１ケーシング１４及び第２ケーシング１６からなる。第１ケーシング１４及び第２ケーシング１６は、それぞれ略円形状の第１端壁１４ａ及び第２端壁１６ａを有するとともに、第１端壁１４ａ及び第２端壁１６ａとそれぞれ一体の略円筒形状の第１周壁１４ｂ及び第２周壁，１６ｂを有する。第１周壁１４ｂ及び第２周壁１６ｂの先端は相互に気密に接続され、第１ケーシング１４及び第２ケーシング１６は、ハウジング１２内に中空空間を規定している。
第１端壁１４ａ及び第２端壁１６ａの中央には、段付きの円筒部１４ｃ，１６ｃがそれぞれ一体に設けられ、円筒部１４ｃ，１６ｃは第１端壁１４ａ及び第２端壁１６ａを貫通する第１シャフト孔１４ｄ及び第２シャフト孔１６ｄをそれぞれ規定している。

第１シャフト孔１４ｄを貫通して、第１駆動軸１８が設けられている。第１駆動軸１８は、第１駆動軸１８と円筒部１４ｃとの間に配置された第１駆動軸受２０によって、第１駆動軸１８及び第１駆動軸受２０の軸線Ｃ_１を中心として回転可能に支持されている。第１駆動軸１８は、ハウジング１２の内側に位置する内端（第１内端）及びハウジング１２の外側に位置する外端を有し、第１駆動軸１８の外端に発電機１０が接続されている。
円筒部１４ｃの外端の内周面と第１駆動軸１８の外周面との隙間には、シール部材２１が配置され、シール部材２１は、該隙間の気密性を確保している。

第１駆動軸１８と同軸に、第２駆動軸２２が設けられている。第２駆動軸２２はハウジング１２の内側を延び、第１駆動軸１８側に位置する内端（第２内端）と、円筒部１６ｃの内側に位置する外端を有する。第２駆動軸２２は、第２駆動軸２２と円筒部１６ｃとの間に配置された第２駆動軸受２４によって回転可能に支持されている。第２駆動軸受２４は第１駆動軸受２０と同軸に配置されており、第２駆動軸２２は、第１駆動軸１８と同様に軸線Ｃ_１を中心として回転可能に支持されている。
第２駆動軸２２には連通孔２６が形成されている。連通孔２６は、第２駆動軸２２の径方向中央部を軸線方向に貫通し、第２駆動軸２２の内端面及び外端面にて開口している。

円筒部１６ｃの外端の内周面と第２駆動軸２２の外周面との隙間には、シール部材２７が配置され、シール部材２７は、該隙間の気密性を確保している。
円筒部１６ｃの外端には、カバー２８が気密に取り付けられ、カバー２８の中央には流入孔３０が形成されている。流入孔３０は、カバー２８を貫通しており、連通孔２６と同軸に配置されている。カバー２８は、第１ケーシング１４及び第２ケーシング１６とともにハウジング１２の一部を構成している。

第１駆動軸１８の内端と第２駆動軸２２の内端との間には、第１駆動スクロール３２、第２駆動スクロール３４、及び、従動スクロール３６が配置されている。
第１駆動スクロール３２及び第２駆動スクロール３４は、略円形状の第１駆動端板３２ａ及び第２駆動端板３４ａをそれぞれ有する。第１駆動端板３２ａ及び第２駆動端板３４ａの中央に対し、第１駆動軸１８の内端及び第２駆動軸２２の内端が一体に回転可能にそれぞれ固定されている。なお、第１駆動端板３２ａ及び第２駆動端板３４ａの法線方向は軸線Ｃ_１にそれぞれ平行である。

第１駆動端板３２ａ及び第２駆動端板３４ａには、それぞれ一体に第１駆動ラップ３２ｂ及び第２駆動ラップ３４ｂが設けられている。第１駆動ラップ３２ｂは、第１駆動軸１８とは反対側の第１駆動端板３２ａの内面から一体に突出し、第２駆動ラップ３４ｂは、第２駆動軸２２とは反対側の第２駆動端板３４ａの内面から一体に突出している。

つまり、第１駆動端板３２ａ及び第２駆動端板３４ａは、所定の間隔を存して相互に対向しており、第１駆動ラップ３２ｂは第１駆動端板３２ａから第２駆動端板３４ａに向けて突出し、第２駆動ラップ３４ｂは第２駆動端板３４ａから第１駆動端板３２ａに向けて突出している。第１駆動ラップ３２ｂの先端と第２駆動ラップ３４ｂの先端とは、所定の間隔を存して離隔している。

従動スクロール３６は、略円形状の従動端板３６ａを有し、従動端板３６ａは、第１駆動ラップ３２ｂの先端と第２駆動ラップ３４ｂの先端との間に位置し、従動端板３６ａの両面に対し、第１駆動ラップ３２ｂの先端及び第２駆動ラップ３４ｂの先端がそれぞれ摺接する。
そして、従動端板３６ａの両面からは、それぞれ従動ラップ３６ｂが一体に突出し、従動ラップ３６ｂの先端は、第１駆動端板３２ａの内面及び第２駆動端板３４ａの内面にそれぞれ摺接する。

第１駆動ラップ３２ｂ、第２駆動ラップ３４ｂ及び従動ラップ３６ｂは、第１駆動軸１８及び第２駆動軸２２の軸線方向に沿ってみたとき、渦巻き形状、即ちインボリュート形状の平面形状を有し、第１駆動ラップ３２ｂと従動ラップ３６ｂ、及び、第２駆動ラップ３４ｂと従動ラップ３６ｂはそれぞれ噛み合うように配置されている。

なお、第１駆動ラップ３２ｂ及び第２駆動ラップ３４ｂは、相互に同じ渦巻き形状を有し、第１駆動軸１８の軸線方向に沿ってみたときに相互に重なる。同様に、従動端板３６ａの両側の従動ラップ３６ｂも相互に同じ渦巻き形状を有し、第１駆動軸１８の軸線方向に沿ってみたときに相互に重なる。

かくして、第１駆動スクロール３２と従動スクロール３６との間には第１膨張室ｅ１が形成され、第２駆動スクロール３４と従動スクロール３６との間には第２膨張室ｅ２が形成される。つまり、第１駆動スクロール３２、第２駆動スクロール３４及び従動スクロール３６は、互いに協働して従動端板３６ａの両側に第１膨張室ｅ１及び第２膨張室ｅ２を形成している。

第１膨張室ｅ１及び第２膨張室ｅ２の容積は、従動端板３６ａの径方向中央に位置しているときに最も小さく、第１膨張室ｅ１及び第２膨張室ｅ２がそれぞれ２つの三日月形状のポケットに分かれて従動ラップ３６ｂの内面及び外面に沿って従動端板３６ａの径方向外側に向かうに連れて、徐々に大きくなる。

従動端板３６ａの中央には、第２駆動軸２２と同軸に従動貫通孔３８が形成されており、第１膨張室ｅ１及び第２膨張室ｅ２は、第２駆動軸２２の軸線Ｃ_１上に位置しているとき、則ち従動端板３６ａの径方向にて中央に位置しているときに、従動貫通孔３８を通じて相互に連通する。

また、第２駆動端板３４ａの中央には、第２駆動軸２２と同軸に駆動貫通孔４０が形成されており、駆動貫通孔４０は連通孔２６と連通している。従って、第２膨張室ｅ２は、第２駆動端板３４ａの径方向にて中央に位置しているときに、連通孔２６及び駆動貫通孔４０を通じて流入孔３０と連通する。このとき、第１膨張室ｅ１は、従動端板３６ａの径方向にて中央に位置して従動貫通孔３８を通じて第２膨張室ｅ２と連通し、更に、第２膨張室ｅ２を通じて流入孔３０と連通する。

第１膨張室ｅ１及び第２膨張室ｅ２は、従動端板３６ａの外周部に到達すると、ハウジング１２内における、第１駆動スクロール３２、第２駆動スクロール３４及び従動スクロール３６を囲む囲繞空間４２と連通する。
第２ケーシング１６の第２端壁１６ａには、流出孔４４が形成され、囲繞空間４２は、流出孔４４を通じてハウジング２２の外部と連通している。

第１駆動スクロール３２及び第２駆動スクロール３４において、外周側に位置する第１駆動ラップ３２ｂ及び第２駆動ラップ３４ｂの第１外周部３２ｃ及び第２外周部３４ｃは、内周側よりも厚肉に形成されている。そして、第１外周部３２ｃ及び第２外周部３４ｃは、駆動連結螺子４６によって相互連結されている。駆動連結螺子４６は、第１駆動スクロール３２と第２駆動スクロール３４とを一体に回転可能に連結する連結部材である。

かくして、第１駆動軸１８、第１駆動スクロール３２、第２駆動スクロール３４、及び、第２駆動軸２２は同軸にて一体に連結され、第１駆動スクロール３２及び第２駆動スクロール３４を挟む２つの第１駆動軸受２０及び第２駆動軸受２４によって、両持ち状態で回転可能に支持されている。

従動スクロール３６は、第１駆動スクロール３２及び第２駆動スクロール３４と同期して回転可能であるが、従動スクロール３６の回転中心は、第１駆動軸１８及び第２駆動軸２２の回転中心から従動端板３６ａの径方向に所定距離だけ離間している。
そして、従動スクロール３６は、第１駆動スクロール３２及び第２駆動スクロール３４と同期して回転しながら、第１駆動スクロール３２及び第２駆動スクロール３４に対して旋回可能である。

具体的には、従動スクロール３６を同期回転可能に支持する回転機構は、従動スクロール３６を挟む第１回転ユニット及び第２回転ユニットを有する。
第１回転ユニットは、第１従動軸受５０ａ、第１従動ボス５２ａ、第１従動アーム５４ａ、及び、第１従動連結螺子５６ａを有し、第２回転ユニットは、第２従動軸受５０ｂ、第２従動ボス５２ｂ、第２従動アーム５４ｂ、及び、第２従動連結螺子５６ｂを有する。

第１従動ボス５２ａ及び第２従動ボス５２ｂは、それぞれ円筒形状をなし、円筒部１４ｃ及び円筒部１６ｃによってそれぞれ囲まれている。第１従動ボス５２ａと円筒部１４ｃとの間、及び、第２従動ボス５２ｂと円筒部１６ｃとの間に、それぞれ転がり軸受からなる第１従動軸受５０ａ及び第２従動軸受５０ｂがそれぞれ配置されている。第１従動軸受５０ａ及び第２従動軸受５０ｂは相互に同軸に配置されている。

従って、第１従動ボス５２ａ及び第２従動ボス５２ｂは、第１従動軸受５０ａ及び第２従動軸受５０ｂによって、第１従動軸受５０ａ及び第２従動軸受５０ｂの軸線Ｃ_２を中心として回転可能に支持されている。軸線Ｃ_２は、軸線Ｃ_１と平行であるが、軸線Ｃ_１から所定距離（偏心量）ｔだけ離間している。

第１従動アーム５４ａ及び第２従動アーム５４ｂは、第１従動ボス５２ａ及び第２従動ボス５２ｂとそれぞれ一体に設けられ、第１従動ボス５２ａ及び第２従動ボス５２ｂから、その径方向外側に向かって延びている。

従動スクロール３６において、外周側に位置する従動ラップ３６ｂ，３６ｂの外周部３６ｃ，３６ｃは、内周側よりも厚肉にそれぞれ形成されている。そして、外周部３６ｃ，３６ｃは、第１従動連結螺子５６ａ及び第２従動連結螺子５６ｂによって、第１従動アーム５４ａ及び第２受動アーム５４ｂにそれぞれ連結されている。つまり、第１従動連結螺子５６ａは、第１従動アーム５４ａと従動スクロール３６とを一体に回転可能に連結する連結部材であり、第２従動連結螺子５６ｂは、第２従動アーム５４ｂと従動スクロール３６とを一体に回転可能に連結する連結部材である。

また、第１駆動スクロール３２及び第２駆動スクロール３４に対し、従動スクロール３６を旋回させる旋回機構は、第１駆動スクロール３２と第１回転ユニットとの間に設けられた複数の第１旋回ユニット６０、及び、第２駆動スクロール３４と第２回転ユニットとの間に設けられた複数の第２旋回ユニット６２を有する。例えば、３つの第１旋回ユニット６０が、第１駆動軸１８の周りに周方向にて等間隔にて設けられ、３つの第２旋回ユニット６２が、第２駆動軸２２の周りに周方向にて等間隔にて設けられている。

図２は、図１中の１つの第１旋回ユニット６０を拡大して示しており、第１旋回ユニット６０は、金属製の円柱形状の旋回ピン６３を有し、旋回ピン６３の軸線Ｃ_３は、第１駆動軸１８の軸線Ｃ_１と平行に延びている。
一方、第１回転ユニットの従動アーム５４ａには、第１駆動端板３２ａに向けて開口した円筒形状の凹所６４が形成され、凹所６４は、円筒形状の周面６４ａと端面６４ｂによって規定されている。凹所６４内には、円盤形状の旋回ディスク６６が同心にて配置され、旋回ディスク６６は、凹所６４の深さと同程度の厚さを有する。旋回ディスク６６の外周面と凹所６４の周面６４ａとの間には、金属製の転がり軸受からなる旋回軸受６８が配置されている。旋回ディスク６６は、第１駆動軸１８の軸線Ｃ_１と平行な自身の中央を通る軸線Ｃ_４の周りにて、凹所６４内で回転可能である。

旋回ディスク６６には、ピン挿入孔６６ａが設けられ、ピン挿入孔６６ａは、軸線Ｃ_４から径方向に離間した位置にて、旋回ディスク６６を厚さ方向に貫通している。従動アーム５４ａ側の旋回ピン６３の一端は、ピン挿入孔６６ａに圧入されており、旋回ピン６３は、該旋回ピン６３に対応して設けられた旋回ディスク６６に偏心して連結されている。旋回ピン６３は、旋回ディスク６６が回転すると、旋回ディスク６６の軸線Ｃ_４の周りで旋回する。

一方、第１駆動端板３２ａには、従動アーム５４ａに向けて開口した円筒形状のボス部７０が一体に形成されている。第１駆動端板３２ａ側の旋回ピン６３の他端は、一端側よりも大径の大径端部６３ａとして形成され、旋回ピン６３には大径端部６３ａに隣接して鍔部６３ｂが一体に形成されている。

鍔部６３ｂがボス部７０の先端に当接した状態で、旋回ピン６３の大径端部６３ａはボス部７０に圧入されており、旋回ピン６３はボス部７０に一体に固定されている。従って、ボス部７０は、旋回ディスク６６の軸線Ｃ_４を中心として旋回可能であり、ひいては、従動スクロール３６は第１駆動スクロール３２に対して旋回可能である。

旋回ピン６３の軸線Ｃ_３は、旋回ディスク６６の軸線Ｃ_４と平行であるが、軸線Ｃ_４から所定距離（偏心量）ｔだけ離間している。軸線Ｃ_３からの軸線Ｃ_４の偏心量ｔは、軸線Ｃ_１からの軸線Ｃ_２の偏心量ｔと同一である。
第２旋回ユニットの構成については、第２駆動端板３４ａと第２従動アーム５４ｂとの間に設けられている以外は第１旋回ユニットの構成と同じであるので説明を省略する。

また、本実施形態では、好ましい態様として、作動媒体ｗの流路である連通孔２６の内周面と第２駆動軸受２４との間に、断熱層が設けられている。
具体的には、第２駆動軸２２には、段付きの軸方向貫通孔７２が形成されており、第２駆動軸２２は、外端側に大径内周面７２ａを有し、内端側に小径内周面７２ｂを有する。そして、大径内周面７２ａには、例えば樹脂製の円筒形状のスリーブ７４が一体且つ同心に嵌合・固定され、スリーブ７４の壁の厚さは、大径内周面７２ａと小径内周面７２ｂとの間の半径の差に等しい。

従って、連通孔２６の内周面は、段差無く相互に連なったスリーブ７４の内周面と軸方向貫通孔７２の小径内周面７２ｂとによって形成され、スリーブ７４が、連通孔２６の内周面と第２駆動軸受２４との間の断熱層として機能する。

更に、本実施形態では、好ましい態様として、円筒部１６ｃの外周面と一体に複数の放熱板７６が設けられている。放熱板７６は、円筒部１６ｃの周りに放射状に配置されている。

以下、上述したスクロール膨張機の動作について説明する。
作動媒体ｗとしての高温高圧の過熱蒸気は、流入孔３０から、連通孔２６及び駆動貫通孔４０を経て第２膨張室ｅ２に流入し、更に、従動貫通孔３８を経て第１膨張室ｅ１に流入する。流入孔３０に流入するときの過熱蒸気の温度は例えば１７０℃〜１８０℃である。

作動媒体ｗの圧力（膨張力）により、第１膨張室ｅ１及び第２膨張室ｅ２の容積が増大するように、第１駆動スクロール３２、第２駆動スクロール３４、及び、従動スクロール３６が運動する。
具体的には、第１駆動スクロール３２及び第２駆動スクロール３４が、第１駆動軸１８及び第２駆動軸２２の軸線Ｃ_１の周りにて回転する。そして、第１駆動スクロール３２及び第２駆動スクロール３４が１周回転する間に、従動スクロール３６が、第１従動ボス５２ａ及び第２従動ボス５２ｂの軸線Ｃ_２の周りにて１周回転するとともに、旋回ディスク６６の軸線Ｃ_４の周りにて１周旋回する。

第１膨張室ｅ１及び第２膨張室ｅ２は、容積の増大とともに、従動端板３６ａの径方向でみて外側に移動する。そして、第１膨張室ｅ１及び第２膨張室ｅ２は、最終的に囲繞空間４２と連通し、第１膨張室ｅ１及び第２膨張室ｅ２内で膨張した低圧の作動媒体ｗは、囲繞空間４２及び流出孔４４を通じてハウジング１２の外部に流出する。この間、第１膨張室ｅ１及び第２膨張室ｅ２で作動媒体ｗの膨張力により発生した第１駆動軸１８の回転力は、発電機１０に入力され、これにより発電機１０が発電する。

上述した一実施形態のスクロール膨張機では、旋回機構の旋回ピン６３及び旋回ディスク６６がそれぞれ金属製であって耐熱性が高い。このため、このスクロール膨張機は、過熱蒸気の膨張に適用されても長寿命であり、また、第１駆動スクロール３２及び第２駆動スクロール３４に対して従動スクロール３６が円滑に旋回するので、第１駆動軸１８から外部に出力される回転力が向上する。

その上、このスクロール膨張機では、第１駆動スクロール３２と第１従動アーム５４ａとの間、及び、第２駆動スクロール３４と第２従動アーム５４ｂとの間が、旋回ピン６３によって相対的に旋回可能にそれぞれ連結されている。つまり、旋回機構が、第１駆動スクロール３２及び第２駆動スクロール３４の両側に設けられている。両側の旋回機構によって案内されることで、第１駆動スクロール３２及び第２駆動スクロール３４に対して従動スクロール３６が円滑に旋回するので、第１駆動軸１８から外部に出力される回転力が向上する。

更に、このスクロール膨張機では、従動スクロール３６の従動端板３６ａの両側に第１膨張室ｅ１及び第２膨張室ｅ２が設けられているので、過熱蒸気の流入量を多くし、出力される回転力を大きくすることができるとともに、回転機構及び旋回機構にスラスト荷重が加わるのを防止することができる。

また、このスクロール膨張機では、第１駆動スクロール３２及び第２駆動スクロール３４に対して従動スクロール３６が円滑に旋回するので、第１駆動スクロール３２及び第２駆動スクロール３４と従動スクロール３６との間の隙間を常に微小に保つことができる。このため、このスクロール膨張機はオイルフリーとしてもよく、この場合、作動媒体ｗにオイルが混入することを防止することが出来る。

また、本実施形態では、好ましい態様として断熱層が設けられており、高温の過熱蒸気が第２駆動軸２２に設けられた連通孔２６を流れていても、断熱層によって、連通孔２６から第２駆動軸受２４への熱の流れが妨げられる。このため、第２駆動軸受２４の温度上昇が抑制され、第２駆動軸受２４及び第２駆動軸受２４の内部に封入されたグリースの劣化を防止し、もって第２駆動軸受２４及びグリースの寿命低下を防止できる。この結果として、第２駆動軸受２４の信頼性が高くなり、スクロール膨張機の寿命が更に長くなる。

更に、本実施形態では、断熱層が、貫通孔７２の大径内周面７２ａに嵌合されたスリーブ７４によって形成され、スリーブ７４の内周面と小径内周面７２ｂとの間に段差がない。このため、連通孔２６内を作動媒体ｗが円滑に流れる。

また、本実施形態では、好ましい態様として、円筒部１６ｃの周囲に放熱板７６が設けられ、円筒部１６ｃの熱が外部に効率的に放出される。これによっても、円筒部１６ｃの内側に配置された第２駆動軸受２４の温度上昇が抑制され、第２駆動軸受２４の信頼性が高くなり、スクロール膨張機の寿命が更に長くなる。

そして、一実施形態のスクロール膨張機を備える発電装置では、スクロール膨張機が、高温の水蒸気を膨張させても高い耐久性を有し、大きな出力を有する。このため、この発電装置は、高温の水蒸気を利用して高効率にて発電することができ、費用対効果が大である。

本発明は上述した一実施形態に限定されることはなく、一実施形態に変形を加えた形態も含む。
例えば、断熱層としてのスリーブ７４は、連通孔２６の全域に渡って設けられていてもよい。また、スリーブ７４の材質は、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂や他のエンジニアリングプラスチックであってもよいが、第２駆動軸２２と異なる金属であってもよい。また、断熱層として、第２駆動軸２２の外周の一部又は全域に、金属製の円筒状のカラーを嵌合してもよい。
一方、第２駆動軸受２４の耐久性が確保できれば、断熱層及び放熱板７６は必ずしも必要ではない。
また、スクロール膨張機では、相互に一体に連結されている二つの部材が、一体に成形された一つの部材によって構成されてもよく、あるいは、一体に成形されている部材が別体の部材を相互に連結して構成されてもよい。

本発明によれば、両回転型でダブルラップのスクロール膨張機であって、高い耐熱性を有するスクロール膨張機が提供され、また、該スクロール膨張機を備える発電装置が提供される。

１０ 発電機
１２ ハウジング
１４ 第１ケーシング
１６ 第２ケーシング
１４ａ 第１端壁
１６ａ 第２端壁
１４ｂ 第１周壁
１６ｂ 第２周壁
１４ｃ，１６ｃ 円筒部
１４ｄ 第１シャフト孔
１６ｄ 第２シャフト孔
１８ 第１駆動軸
２０ 第１駆動軸受
２１ シール部材
２２ 第２駆動軸
２４ 第２駆動軸受
２６ 連通孔
２７ シール部材
２８ カバー
３０ 流入孔
３２ 第１駆動スクロール
３２ａ 第１駆動端板
３２ｂ 第１駆動ラップ
３２ｃ 第１外周部
３４ 第２駆動スクロール
３４ａ 第２駆動端板
３４ｂ 第２駆動ラップ
３４ｃ 第２外周部
３６ 従動スクロール
３６ａ 従動端板
３６ｂ 従動ラップ
３６ｃ 外周部
３８ 従動貫通孔
４０ 駆動貫通孔
４２ 囲繞空間
４４ 流出孔
４６ 駆動連結螺子
５０ａ 第１従動軸受
５０ｂ 第２従動軸受
５２ａ 第１従動ボス
５２ｂ 第２従動ボス
５４ａ 第１従動アーム
５４ｂ 第２従動アーム
５６ａ 第１従動連結螺子
５６ｂ 第２従動連結螺子
６０ 第１回転ユニット
６２ 第２回転ユニット
６３ 旋回ピン
６３ａ 大径端部
６３ｂ 鍔部
６４ 凹所
６６ 旋回ディスク
６８ 旋回軸受
７０ ボス部
７２ 軸方向貫通孔
７２ａ 大径内周面
７２ｂ 小径内周面
７４ スリーブ（断熱層）
７６ 放熱板
Ｃ_１ 第１駆動軸の軸線（回転中心）
Ｃ_２ 第１従動ボス及び第２従動ボスの軸線（回転中心）
Ｃ_３ 旋回ピンの軸線
Ｃ_４ 旋回ディスクの軸線（旋回中心）
ｅ１ 第１膨張室
ｅ２ 第２膨張室
ｔ 偏心量
ｗ 作動媒体

Claims (5)

1. 蒸気を膨張させる両回転型スクロール膨張機において、
   蒸気を流入させる流入孔、第１シャフト孔が設けられた第１端壁、及び、前記第１シャフト孔と同軸にて第２シャフト孔が設けられた第２端壁を有するハウジングと、
   前記第１シャフト孔を貫通して延び、前記ハウジング内に内端を有する第１駆動軸と、
   前記ハウジングと前記第１駆動軸との間に設けられる第１駆動軸受と、
   前記ハウジング内に前記第１駆動軸と同軸に設けられて前記第２シャフト孔の内側に一部が配置され、前記第１駆動軸の第１内端から離間した第２内端及び前記第２内端に開口するとともに前記流入孔に連通した連通孔を有する第２駆動軸と、
   前記ハウジングと前記第２駆動軸との間に設けられる第２駆動軸受と、
   前記第１駆動軸の第１内端に連結された第１駆動端板、及び、前記第１駆動端板の前記第１駆動軸とは反対側から突出する第１駆動ラップを有する第１駆動スクロールと、
   前記第２駆動軸の第２内端に連結され且つ前記連通孔に連通する駆動貫通孔を有する第２駆動端板、及び、前記第２駆動端板の前記第２駆動軸とは反対側から突出する第２駆動ラップを有する第２駆動スクロールと、
   前記第１駆動ラップと前記第２駆動ラップとの間に配置され且つ中央に従動貫通孔を有する従動端板、及び、前記従動端板の両面からそれぞれ突出する従動ラップを有し、前記第１駆動スクロール及び前記第２駆動スクロールと協働して前記従動端板の両側に前記蒸気を膨張させるための膨張室を形成する従動スクロールと、
   前記第１駆動スクロールと前記第２駆動スクロールとを一体に回転可能に連結する駆動連結部材と、
   前記第１駆動軸及び前記第２駆動軸をそれぞれ囲み且つ前記第１駆動軸及び前記第２駆動軸に対しそれぞれ偏心して配置される第１従動ボス及び第２従動ボス、前記第１従動ボス及び前記第２従動ボスから前記第１従動ボス及び前記第２従動ボスの径方向にそれぞれ延びる第１従動アーム及び第２従動アーム、前記第１従動アームと前記従動スクロールとの間及び前記第２従動アームと前記従動スクロールとの間をそれぞれ連結する第１従動連結部材及び第２従動連結部材、並びに、前記ハウジングと前記第１従動ボスとの間及び前記ハウジングと前記第２従動ボスとの間にそれぞれ設けられる第１従動軸受及び第２従動軸受を有し、前記従動スクロールを回転可能に支持する回転機構と、
   前記第１駆動端板と前記第１従動アームとの間に設けられる第１旋回ピン、及び、前記第１旋回ピンが偏心して連結される第１旋回ディスクを有し、前記第１駆動スクロールと前記従動スクロールを相対的に旋回可能に連結する第１旋回機構と、
   前記第２駆動端板と前記第２従動アームとの間に設けられる第２旋回ピン、及び、前記第２旋回ピンが偏心して連結される第２旋回ディスクを有し、前記第２駆動スクロールと前記従動スクロールを相対的に旋回可能に連結する第２旋回機構と、
   を備え、
   前記第１旋回ディスク及び前記第２旋回ディスクは、前記第１従動アームのうち前記第１駆動端板に対向する側、及び、前記第２従動アームのうち前記第２駆動端板に対向する側にそれぞれ設けられた凹部に、旋回軸受を介して回転可能に収容されており、
   前記第１旋回ピン及び前記第２旋回ピンは、一端が前記第１駆動端板及び前記第２駆動端板にそれぞれ固定されるとともに、他端が前記第１旋回ディスク及び前記第２旋回ディスクにそれぞれ固定されることを特徴とする両回転型スクロール膨張機。
2. 前記第１旋回ピンは、
   前記第１旋回ディスクに圧入され、第１の径を有する連結部と、
   前記連結部より前記第１駆動端板側に設けられ、第１の径より大きな第２の径を有する鍔部と、
   前記鍔部より前記第１駆動端板側に設けられ、前記第１の径より大きく、且つ、前記第２の径より小さい第３の径を有する大径端部と、
   を備え、
   前記第１駆動端板には前記第１従動アームに向けて開口した円筒形状のボス部が形成されており、
   前記第１旋回ピンは、前記鍔部が前記ボス部の先端に当接するとともに前記大径端部が前記ボス部に圧入されることにより、前記第１駆動端板に固定されていることを特徴とする請求項１に記載の両回転型スクロール膨張機。
3. 前記第２旋回ピンは、
   前記第２旋回ディスクに圧入され、第１の径を有する連結部と、
   前記連結部より前記第２駆動端板側に設けられ、第１の径より大きな第２の径を有する鍔部と、
   前記鍔部より前記第２駆動端板側に設けられ、前記第１の径より大きく、且つ、前記第２の径より小さい第３の径を有する大径端部と、
   を備え、
   前記第２駆動端板には前記第２従動アームに向けて開口した円筒形状のボス部が形成されており、
   前記第２旋回ピンは、前記鍔部が前記ボス部の先端に当接するとともに前記大径端部が前記ボス部に圧入されることにより、前記第２駆動端板に固定されていることを特徴とする請求項１に記載の両回転型スクロール膨張機。
4. 前記第２駆動軸受と前記連通孔の内周面との間に断熱層を更に備える
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の両回転型スクロール膨張機。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の両回転型スクロール膨張機と、
   前記第１駆動軸に連結された発電機と
   を備える発電装置。

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