JP6729231B2 - スクロール膨張機 - Google Patents

Description

本発明は、スクロール膨張機に関するものである。

従来、膨張対象の流体として蒸気を用いたスクロール膨張機において、蒸気の漏れを検出する構成が知られている。この種のスクロール膨張機を開示するものとして例えば特許文献１がある。特許文献１には、膨張機として用いられるスクロール流体機械において、固定スクロールの外周ラップの周方向に沿って旋回スクロールの基板部との隙間を埋める複列の外部シールが設けられ、複列の外部シールの内、内周側のシール部から蒸気漏れが発生した際に、その漏れ蒸気を内周側外部シールと外周側外部シールとの間から外部へ導出可能に、固定スクロールに１または複数の貫通穴が形成された構成について記載されている。特許文献１では、蒸気の漏れが発生したり増加したりすることに基づき、外部シールの交換時期の目安等が判断されている。

特開２０１５−１２４７３９号公報

ところで、スクロール膨張機の内部を冷却するため、ハウジングの内部に冷却風を流して外部に排気する構成を採る場合がある。このような換気構造を備えるスクロール膨張機では、シール部材等の破損によって膨張室から漏れ出した蒸気が冷却風に混ざり込んでスクロール膨張機の外部に排出されるおそれがある。また、スクロール膨張機を安定して稼動させるために検出すべき異常として、スクロール膨張機に蒸気を供給する配管等からの蒸気漏れや冷却風を流すためのブロワの故障等もあった。この点、特許文献１では、内周側のシール部からの蒸気漏れを検出できるものの、配管等の蒸気漏れを検出することは難しく、ブロワ故障等による冷却風の送風不良も検出することができなかった。

本発明は、熱損失の原因となる蒸気漏れや装置故障の原因となる換気不良等の異常を検出できるスクロール膨張機を提供することを目的とする。

本発明は、冷却風の給気口が設けられるとともに冷却風の排気口が設けられるハウジングと、前記ハウジングの内部に配置され、旋回側基板部の板面に渦巻き状の旋回ラップが設けられる旋回スクロールと、前記ハウジングの内部で前記旋回スクロールに対向配置され、固定側基板部の板面に前記旋回ラップに噛み合う渦巻き状の固定ラップが設けられるとともに、膨張させる流体として蒸気が導入される固定スクロールと、冷却風の排気温度を検出する排気温度検出部と、前記排気温度検出部で検出される排気温度の変化に基づいて異常を判定する判定部と、を備えるスクロール膨張機に関する。

前記判定部は、前記排気温度検出部の排気温度が予め設定される所定値を上回ることを条件として異常を判定することが好ましい。

前記判定部は、単位時間当たりの温度上昇が予め設定される範囲を上回ることを条件として異常を判定することが好ましい。

前記判定部は、運転開始から定常状態移行後に、単位時間当たりの温度上昇が予め設定される範囲を上回るか否かの判定を開始することが好ましい。

前記スクロール膨張機は、給気温度検出部を更に備え、前記判定部は、前記給気温度検出部の給気温度と前記排気温度検出部の排気温度の差に基づいて異常判定を行うことが好ましい。

本発明のスクロール膨張機によれば、熱損失の原因となる蒸気漏れや装置故障の原因となる換気不良等の異常を検出できる。

本発明の一実施形態に係るスクロール流体機械（スクロール膨張機）が用いられる蒸気利用システムの概略図である。 本実施形態のスクロール膨張機及びスクロール膨張機に接続される蒸気配管の取り回しの一例を示す正面図である。 本実施形態のスクロール膨張機の縦断面図である。 本実施形態の蒸気シール部材及びその近傍を示す拡大断面図である。 第１変形例の蒸気シール部材及びその近傍を示す拡大断面図である。 第２変形例の蒸気シール部材及びその近傍を示す拡大断面図である。 本実施形態のクランク軸の配置及び換気構造を模式的に示す図である。 本実施形態のスクロール膨張機による異常検出の判定ロジックを示す図である。

以下、本発明の好ましい実施形態について、図面を参照しながら説明する。

＜システム構成＞
図１は、本発明の一実施形態に係るスクロール流体機械（スクロール膨張機）が用いられる蒸気利用システム１の概略図である。本実施形態の蒸気利用システム１は、蒸気から駆動力を取り出し、その駆動力を利用して空気圧縮を行う空気圧縮装置でもある。

図１に示すように、本実施形態の蒸気利用システム１は、蒸気を供給する蒸気発生装置２と、蒸気発生装置から供給された蒸気により作動するスクロール膨張機３と、スクロール膨張機３から供給される駆動力によって駆動され、圧縮空気を吐出する圧縮機４と、ブロワ７と、各種の制御を行う制御装置５と、を主要な構成として備える。

蒸気発生装置２は、蒸気ボイラ１１及び蒸気ボイラ１１から蒸気が送られるスチームヘッダ１２を備える。蒸気ボイラ１１は、水道管や地下水源等から供給される水を加熱し、蒸気を生成する。スチームヘッダ１２では、蒸気の凝縮水に起因する配管（蒸気・復水配管）の腐食を防止するために、復水処理剤添加装置１３から復水処理剤が添加される。なお、本実施形態では、スチームヘッダ１２に復水処理剤を添加する構成であるが、ボイラ給水に添加し、ボイラ缶体と蒸気・復水配管の両方を復水処理剤で保護する構成としてもよい。

スクロール膨張機３は、スチームヘッダ１２から給蒸気管１５を通じて供給される蒸気を膨張して駆動力を取り出す原動機である。スクロール膨張機３で駆動力を取り出された蒸気は、回収用のスチームヘッダ（図示省略）に送られる。スクロール膨張機３は、減圧弁としても機能するので、前述の回収用のスチームヘッダに送られた減圧後（膨張後）の蒸気は、低圧蒸気として各種の蒸気使用装置でそのまま利用することもできる。

圧縮機４は、スクロール膨張機３から伝達機構６を通じて伝達された駆動力によって駆動する被動機であり、スクロール膨張機３と略同様の構造を有するスクロール式流体機械である。

ブロワ７は、給気ダクト２４０を介してスクロール膨張機３に冷却風を送る換気装置の給気源である。スクロール膨張機３を冷却した空気（冷却風）は排気ダクト２５０を介して外部に排出される。給気ダクト２４０には給気温度を検出する給気温度センサ２４１が配置されるとともに、排気ダクト２５０には排気温度を検出する排気温度センサ２５１が配置される。

制御装置５は、蒸気利用システム１の各種の制御を行うコンピュータであり、各種センサや開閉弁１７等に電気的に接続されている。

＜蒸気の供給経路及び排出経路＞
図２は、本実施形態のスクロール膨張機３及びスクロール膨張機３に接続される蒸気配管及び換気構造の一例を示す正面図である。図３は、本実施形態のスクロール膨張機３の縦断面図である。図２に示すスクロール膨張機３は、旋回軸が横方向を向く縦置き型のスクロール膨張機３である。以下の説明において、スクロール膨張機３の厚み方向であってクランク軸７０の向く水平方向と平行な方向を「軸方向」として説明することがある。

＜給蒸気管＞
スクロール膨張機３に蒸気を供給する給蒸気管１５について説明する。給蒸気管１５は、スチームヘッダ１２から送られるスクロール膨張機３に蒸気を供給する配管である。給蒸気管１５には、上流側から順に、蒸気から水分を分離する給蒸気セパレータ１６、蒸気の経路を開閉する開閉弁１７等が配置される。

給蒸気管１５は、給蒸気セパレータ１６の上部から上方に延びる直上配管１５１と、直上配管１５１の上端部から水平方向に延びるとともに開閉弁１７が配置される水平配管１５２と、水平配管１５２から下方に傾斜してスクロール膨張機３に接続される接続配管１５３と、を含んで構成される。本実施形態では、給蒸気セパレータ１６から蒸気を取り出す位置となる直上配管１５１と給蒸気セパレータ１６の接続位置が、給蒸気管１５がスクロール膨張機３に接続される接続位置よりも低い位置になっている。なお、本実施形態の接続配管１５３は屈曲部を有するＬ字状の配管である。

＜排蒸気管＞
スクロール膨張機３から減圧後（膨張後）の蒸気を取り出す排蒸気管１８について説明する。排蒸気管１８は、固定スクロール５０と接続配管１５３の接続部分の下方で固定スクロール５０に接続される第１排蒸気管１８１と、固定スクロール５０と接続配管１５３の接続部分の上方で固定スクロール５０に接続される第２排蒸気管１８２と、を含む。

第１排蒸気管１８１及び第２排蒸気管１８２は、何れも固定スクロール５０から水平方向に延出しており、排蒸気セパレータ１９に接続される。第１排蒸気管１８１及び第２排蒸気管１８２を通じて蒸気が排蒸気セパレータ１９に送られ、排蒸気セパレータで蒸気と水分が分離された後、回収用のスチームヘッダ（図示省略）に送られる。

図３に示すように、本実施形態のスクロール膨張機３は、旋回スクロール３０の両側面に１又は複数の旋回ラップ３２が配置されており、この旋回スクロール３０の両側には固定スクロール５０がそれぞれ配置される構成である。上述の給蒸気管１５及び排蒸気管１８は、左右対称な形状となっており、図２において図示されない紙面奥側の固定スクロール５０にも、同じ形状、本数（同様の構成）で接続されている。

＜スクロール膨張機の構成＞
次に、スクロール膨張機３の構成について説明する。図３に示すように、スクロール膨張機３は、ハウジング２０と、このハウジング２０に旋回可能に保持される旋回スクロール３０と、旋回スクロール３０を挟むようにハウジング２０に固定される一対の固定スクロール５０と、旋回スクロール３０を旋回させる複数のクランク軸７０と、を主要な構成として備える。

＜ハウジング＞
ハウジング２０は、その両側面のそれぞれに軸方向（水平方向）に貫通する開口穴２１が形成される。ハウジング２０両側の開口穴２１は、ハウジング２０の内の中空部を介して連通している。各開口穴２１の周壁の内側端部には、径方向内側に延出する円環状のフランジ２２が設けられる。

ハウジング２０の内部に旋回スクロール３０が配置される、また、各固定スクロール５０がフランジ２２を介して旋回スクロール３０の両側に固定される。ハウジング２０の内部には、旋回スクロール３０及び固定スクロール５０を取り囲む環状の中空部が形成されており、この中空部がクランク軸７０の偏芯軸部７１の収容空間２３となる。

ハウジング２０の下部には収容空間２３のクランク軸７０を冷却するための給気口２４が設けられ、上部には冷却後の空気が排気される排気口２５が設けられる。

＜旋回スクロール＞
旋回スクロール３０は、円板状の旋回側基板部３１と、旋回側基板部３１の両面にそれぞれ設けられる旋回ラップ３２と、旋回側基板部３１が着脱可能に固定されるとともに複数のクランク軸７０が連結される旋回スクロールベース３３と、を備える。

旋回ラップ３２は、旋回側基板部３１の板面から垂直（軸方向）に延出するとともに、旋回側基板部３１の中央部から外周部へ向けてインボリュート曲線の渦巻き状に湾曲する板状に構成される。両側の旋回ラップ３２は、互いに対応した形状となっている。各旋回ラップ３２の先端には、固定スクロール５０の固定側基板部５１との隙間を埋めるためのチップシール３４が設けられる。チップシール３４は、旋回ラップ３２の渦巻きに沿って配置される。

旋回スクロールベース３３は、旋回側基板部３１を取り囲む略三角形の枠状に形成されており、その内側に旋回側基板部３１がボルト等の締結部材によって固定される。旋回スクロールベース３３の略三角形の頂点部分（角部）に相当する位置には、クランク軸７０の偏芯軸部７１を連結する旋回軸受部３５が配置される。

＜固定スクロール＞
旋回スクロール３０の両側に配置される各固定スクロール５０は、円板状の固定側基板部５１と、固定側基板部５１における旋回側基板部３１に対向する板面（片面）に設けられる１又は複数の固定ラップ５２と、固定ラップ５２を取り囲む環状の外周ラップ５５と、を備える。

各固定側基板部５１は、その中央に厚み方向に貫通する中央開口部６０が設けられる。中央開口部６０は、スクロール膨張機３の外側と膨張室９０を連通する貫通孔である。また、各固定側基板部５１の外周側には第１開口部６１及び第２開口部６２が設けられる。第１開口部６１と第２開口部６２は、中央開口部６０を挟んで径方向で対向する位置関係にある。本実施形態では、第１開口部６１は固定側基板部５１の下部に配置され、第２開口部６２は固定側基板部５１の上部に配置される。

本実施形態では、中央開口部６０には上述の給蒸気管１５の下流側端部が接続され、第１開口部６１には第１排蒸気管１８１が接続され、第２開口部６２には第２排蒸気管１８２が接続される。

固定ラップ５２は、旋回ラップ３２と対応した個数、形状及び大きさで設けられ、固定側基板部５１の板面から垂直（軸方向）に延出するとともに、固定側基板部５１の中央部から外周部へ向けて、インボリュート曲線の渦巻き状に湾曲して構成される。各固定ラップ５２の先端には、旋回スクロール３０の旋回側基板部３１との隙間を埋めるためのチップシール５４が設けられる。チップシール５４は、固定ラップ５２の渦巻きに沿って配置される。

外周ラップ５５は、固定ラップ５２を取り囲む円筒状に形成される。外周ラップ５５の高さは、固定ラップ５２の高さに略対応している。旋回側基板部３１、固定側基板部５１及び外周ラップ５５に囲まれた空間が蒸気を膨張させる膨張室９０として機能する。

＜蒸気シール部材＞
次に、膨張室９０に導入された蒸気の漏出を防ぐ蒸気シール部材８０について説明する。蒸気シール部材８０は、外周ラップ５５の先端に配置され、膨張室９０を取り囲む環状のシール部材である（図３及び図７参照）。

図４は、本実施形態の蒸気シール部材８０及びその近傍を示す拡大断面図である。図４に示すように、外周ラップ５５の先端面５５１には、蒸気シール部材８０を収容する収容部５６が設けられる。収容部５６は、円筒状の外周ラップ５５の形状に応じて環状の溝であり、蒸気シール部材８０を周方向に沿って配置可能に構成される。

本実施形態の蒸気シール部材８０は、第１シール部８１と、第１シール部８１の内周側に配置される第２シール部８２と、第１シール部８１の基端側(背面側)に配置されるバネ８３と、を備える。

第１シール部８１は、例えばＰＴＦＥ（polytetrafluoroethylene）を主成分とする樹脂材料により、膨張室９０を取り囲む環状に形成される。第１シール部８１は、その先端が旋回側基板部３１の板面（固定側基板部５１との対向面）に接触することにより、旋回側基板部３１と外周ラップ５５の隙間を塞いでいる。

第２シール部８２は、例えばフッ素ゴムによって形成されるＯリングであり、膨張室９０側から第１シール部８１側への蒸気（図４における鎖線）の侵入を防ぐためのものである。収容部５６の内周側の内壁５６１には、第２シール部８２を嵌め込む嵌合溝５７が設けられる。嵌合溝５７は、収容部５６の内周側の内壁５６１の全周にわたって形成される。第２シール部８２は、嵌合溝５７に嵌め込まれた状態で第１シール部８１の内周面８１１に接触して弾性変形し、第１シール部８１の内周面８１１と収容部５６の内壁５６１の隙間をシールする。

収容部５６の底面５６２（第１シール部８１の背面８１２と対向する面）には、バネ８３を収容するためのバネ収容部５８が形成される。バネ８３は、第１シール部８１の基端側の面である背面８１２に接触し、第１シール部８１の先端面８１３を旋回側基板部３１側に付勢する付勢部材である。旋回スクロール３０の旋回によって摺動する旋回側基板部３１と第１シール部８１の先端面８１３との接触が維持されるように、バネ８３の付勢力が調整されている。バネ８３を構成する材料としては、金属又はフッ素ゴム等のゴム材料を用いることができ、例えば、環状の弾性部材に加工して使用される。

以上説明したように、本実施形態のスクロール膨張機３は、冷却風の給気口２４が設けられるとともに冷却風の排気口２５が設けられるハウジング２０と、ハウジング２０の内部に配置され、旋回側基板部３１の板面に渦巻き状の旋回ラップ３２が設けられ、その軸方向が横向きの旋回スクロール３０と、ハウジング２０の内部で旋回スクロール３０に対向配置され、固定側基板部５１の板面に旋回ラップ３２に噛み合う渦巻き状の固定ラップ５２及び固定ラップ５２を取り囲む筒状の外周ラップ５５が設けられる固定スクロール５０と、外周ラップ５５の先端に設けられる凹状の収容部５６に周方向に沿って配置されるシール部材としての蒸気シール部材８０を備える。
蒸気シール部材８０は、収容部５６に収容された状態で旋回側基板部３１に接触して旋回側基板部３１と外周ラップ５５の隙間を埋める第１シール部８１と、収容部５６の内側で第１シール部８１の内周側と収容部５６の隙間を埋める第２シール部８２と、を有する。
これにより、第１シール部８１の背面側への蒸気の侵入を第２シール部８２によって確実に防止できる。背面側に回り込んだ蒸気によって第１シール部８１が旋回側基板部３１側に押し込まれて異常摩耗が生じる事態を回避できるので、蒸気シール部材８０のシール性能を安定的に維持できる。

また、本実施形態では、蒸気シール部材８０は、収容部５６に配置され、第１シール部８１を旋回側基板部３１に付勢する付勢部材としてのバネ８３を更に備える。
これにより、第１シール部８１の背面側への蒸気の回り込みを第２シール部８２によって防ぎつつ、第１シール部８１の押圧力をバネ８３によって調整して第１シール部８１の押圧力が強く過ぎるために生じる異常摩耗や押圧力が弱すぎるために生じる蒸気漏れをより確実に防止できる。

また、本実施形態では、第２シール部８２は、Ｏリングであり、収容部５６の内周側の内壁５６１には第２シール部８２を嵌め込む嵌合溝５７が設けられる。
これにより、Ｏリングである第２シール部８２が嵌合溝５７に嵌り込むことにより、第２シール部８２を収容部５６の適切な位置に容易に組み付けることができる。また、嵌合溝５７によって第２シール部８２が適切な位置で保持されるので、大きな圧力にも十分対抗できる。

以上説明した蒸気シール部材８０は、第１シール部８１と第２シール部８２が別体で構成される例を説明したが、第１シール部と第２シール部を一体的に構成することもできる。図５は、第１変形例の蒸気シール部材２８０及びその近傍を示す拡大断面図である。なお、上記実施形態と同様の構成については同じ符号を付してその説明を省略する。

図５に示すように、第１変形例の蒸気シール部材２８０は、第１シール部２８１と第２シール部２８２が一体的に成形されて構成される。第１シール部２８１はリング状に形成されており、第２シール部２８２は第１シール部２８１の内周面から径方向内側に突出する環状のリブである。蒸気シール部材２８０は、第２シール部２８２の先端が内周側の内壁５６１に接触した状態で収容部５６に収容される。第１変形例は、嵌合溝５７が内壁５６１に形成されていない点も上記実施形態と異なる。

以上説明したように、第１変形例の蒸気シール部材２８０は、第１シール部２８１と第２シール部２８２が一体的な成形品として構成される。この構成によっても、上記実施形態の蒸気シール部材８０と同様に、第１シール部２８１の背面側への蒸気の侵入を確実に防止できる。また、部品点数を削減して組付けの工数を削減できる。

図６は、第２変形例の蒸気シール部材３８０及びその近傍を示す拡大断面図である。図６に示すように、第２変形例の蒸気シール部材３８０は、第１シール部３８１と第２シール部３８２の形状が上記実施形態及び第１変形例と異なっている。なお、第２変形例の蒸気シール部材３８０は、異種ゴム同士や樹脂とゴムの一体成形等、異なる部材を組み合せて一体成形したものであってもよいし、第１シール部３８１と第２シール部３８２を別々に用意し、組み合せて第２変形例の蒸気シール部材３８０とすることもできる。

第２変形例の第２シール部３８２は、その断面形状が略Ｖ字状に形成されており、Ｖ字の一側（径方向外側）が第１シール部３８１の内側に埋設され、Ｖ字の他側（径方向内側）の先端が第１シール部３８１の内周面から径方向内側に飛び出して内周側の内壁５６１に接触している。この第２変形例においても、内壁５６１に接触する第２シール部３８２により、第１シール部３８１の背面側への蒸気の侵入を確実に防止できる。Ｖ字の溝の部分が蒸気の侵入側となっているので、溝の部分に侵入した蒸気によって第２シール部３８２が内壁５６１側に押し付けられ良好なシール性を発揮できる。また、第１変形例と同様に、部品点数を削減して組付けの工数を削減できる。なお、第２変形例においても第１変形例と同様に同じ材料で成形することもできる。

以上説明したように、第１変形例のように第１シール部２８１と第２シール部２８２を同じ材料で構成することもできるし、第２変形例のように異種ゴム同士や樹脂とゴムの一体成形等、異なる部材を組み合せて蒸気シール部材２８０を一体成形することもできる。また、蒸気シール部材８０，２８０，３８０の径方向内側又は外側に蒸気シール部材を更に配置し、二重のシール構造とすることもできる。また、第２シール部８２，２８２，３８２の断面形状も適宜変更することができる。第２シール部８２の断面形状を円やＶ字状以外の形状として例えば矩形状のものに変更することもできる。このように、蒸気シール部材の構成は事情に応じて適宜変更できる。

＜複数のクランク軸＞
図３に示すように、クランク軸７０は、偏芯軸部７１と、この偏芯軸部７１の両側に配置される基軸部７２と、を備える。本実施形態では、基軸部７２には、旋回スクロール３０の回転を円滑にするウェイトバランサ７５が設けられる。ウェイトバランサ７５は、その形状や重さがクランク軸７０の取り付ける位置によって適宜調整されている。

偏芯軸部７１が旋回スクロールベース３３（旋回スクロール３０）に連結されるとともに基軸部７２がハウジング２０のハウジング軸受部２６に回転可能に支持される。ハウジング軸受部２６は、クランク軸７０の数に応じて開口穴２１の周囲に配置される。各ハウジング軸受部２６は、いずれも転がり軸受であり、同心円状に配置された略円筒状の内輪と外輪との間に、その周方向へ配列されて多数の転動体が保持されて構成される。

図７は、本実施形態のクランク軸７０の配置及び換気構造を模式的に示す図である。図７に示すように、クランク軸７０は、周方向で等間隔に合計３本配置されており、正面視で下向きの三角形の頂点に相当する位置に配置される。３本のクランク軸７０は、同一の構造となっており、偏芯軸部７１の位置を揃えた状態で、タイミングベルト又は歯車等によって構成される回転同期機構（図示省略）により同期回転する。３本のクランク軸７０のうち、最も下側に位置するクランク軸７０が圧縮機４に駆動力を伝達する駆動軸となっている。残り２本の上側クランク軸７０Ｂは、出力を直接には行わない従動軸である。

開閉弁１７が開状態になると、給蒸気管１５の給蒸気セパレータ１６から直上配管１５１、水平配管１５２及び接続配管１５３を通って蒸気がスクロール膨張機３の中央開口部６０から膨張室９０に流入する（図２参照）。本実施形態では、給蒸気セパレータ１６から分岐する給蒸気管１５により、左右両側の各固定スクロール５０の中央開口部６０に蒸気がそれぞれ供給される（図３参照）。膨張室９０に流入した蒸気の圧力によって旋回スクロール３０が旋回し、この旋回スクロール３０の回転駆動力が回収動力として下側クランク軸７０Ａから取り出され、伝達機構６を介して圧縮機４に伝達される（図１参照）。

膨張室９０で膨張した蒸気は、膨張しながら各固定スクロール５０の第１開口部６１から第１排蒸気管１８１を通じてスクロール膨張機３の外部に排出されるとともに、第２開口部６２から第２排蒸気管１８２を通じてスクロール膨張機３の外部に排出される。第１排蒸気管１８１及び第２排蒸気管１８２を通過した蒸気は排蒸気セパレータ１９で合流した後、水分が分離されて回収用のスチームヘッダに送られる。

＜停止時のドレン水排出構造＞
開閉弁１７が閉状態になると、給蒸気管１５からの蒸気の供給が停止される。本実施形態では、開閉弁１７が下方に傾斜する接続配管１５３ではなく、水平方向に延びる水平配管１５２に配置されているので、停止時にドレン水が上流から流れてきて開閉弁１７の内部に溜まるような事態を防止できる。また、本実施形態の水平配管１５２は、給蒸気セパレータ１６の上方に位置するので、直上配管１５１から水平配管１５２にドレン水が流れ込むことがなく、開閉弁１７にドレン水が溜まり難い構造となっている。

図３に示すように、スクロール膨張機３は旋回軸が横向きの縦置き型なので、停止時に内部に残る蒸気が凝縮して生じたドレン水は重力により膨張室９０の下部に集まる。ドレン水は、蒸気シール部材８０によって下側に漏れることなく、第１開口部６１から第１排蒸気管１８１を介して外部に排出される。即ち、第１開口部６１は、蒸気を排出する経路であるとともに停止時にはドレン水を排出する経路としても機能することになる。

以上説明したように、本実施形態のスクロール膨張機３は、固定側基板部５１に接続され、旋回スクロール３０と固定スクロール５０によって形成される膨張室９０に膨張対象の蒸気を導入する給蒸気管１５（接続配管１５３）と、外周ラップ５５の先端に設けられ、膨張室９０の外周をシールする蒸気シール部材８０と、固定側基板部５１に接続され、膨張室９０から排出される蒸気を送る第１排蒸気管１８１と、を備え、膨張室９０における蒸気シール部材８０の内側の空間と第１排蒸気管１８１を連通する排出口としての第１開口部６１が、固定側基板部５１の下部に形成される。
これにより、膨張室９０の下限付近に低圧側のポートとして第１開口部６１が配置されるので、稼動時には第１開口部６１を蒸気の排出口として機能させ、停止時には膨張室９０からドレン水を外部に排出するドレン水排出口として機能させることができる。これによって、停止時等にドレン水が膨張室９０の内側に溜まる事態を効果的に防止できる。

また、本実施形態では、スクロール膨張機３は、第１排蒸気管１８１とともに第２排蒸気管１８２が接続される排蒸気セパレータ１９を更に備え、第１排蒸気管１８１は、固定側基板部５１から水平方向に延出して排蒸気セパレータ１９に接続される。
これにより、第１開口部６１から排出されるドレン水の逆流が生じ難くなり、安定してドレン水を膨張室９０の外部に排出できる。なお、本実施形態の第１排蒸気管１８１は、水平方向に延出する構成であるが、下側に傾斜するように構成してもよい。

また、本実施形態では、スクロール膨張機３は、給蒸気管１５が接続される給蒸気セパレータ１６と、給蒸気管１５における給蒸気セパレータ１６と固定側基板部５１の間に配置される開閉弁１７と、を更に備える。給蒸気管１５は、水平方向に延びる水平部としての水平配管１５２及び水平配管１５２の下流側端部から固定側基板部５１の接続部分である中央開口部６０へ下側に傾斜する傾斜部としての接続配管１５３を有し、開閉弁１７は、給蒸気管１５の水平配管１５２に配置される。
これにより、開閉弁１７の内部にドレン水が溜まる事態を効果的に防止でき、より一層安定的に蒸気をスクロール膨張機３に供給することができる。

なお、本実施形態の構成に加えてドレン水を排出するための構成を別途設ける構成としてもよい。例えば、固定スクロール５０の固定側基板部５１又は外周ラップ５５にドレン水を排出するためのドレン水排出口を第１開口部６１とは別に形成することもできる。

＜スクロール膨張機の換気構造＞
次に、スクロール膨張機３の換気構造について説明する。図７に示すように、ハウジング２０の下部には冷却風の給気口２４が設けられ、この給気口２４に給気ダクト２４０が接続される。ハウジング２０の上部には冷却風の排気口２５が設けられ、この排気口２５に排気ダクト２５０が接続される。本実施形態では、給気口２４と排気口２５は、固定スクロール５０を挟んで上下方向に並んで配置される。

ブロワ７から給気ダクト２４０を通じて送られてきた冷却風は給気口２４からハウジング２０の内部（収容空間２３）に送られる。給気口２４からハウジング２０の内部に入った冷却風は下側クランク軸７０Ａの冷却を行った後、固定スクロール５０の外周を沿うように二手に分かれる。二手に分かれた冷却風は、上方に移動して左右の上側クランク軸７０Ｂのそれぞれを冷却した後、排気口２５を通じてハウジング２０の外側に排気される。

このように、本実施形態のスクロール膨張機３は、旋回ラップ３２の外側であって旋回中心又は中央開口部６０よりも上側で旋回スクロール３０に連結される２本の上側クランク軸７０Ｂと、旋回ラップ３２の外側であって旋回中心又は中央開口部６０よりも下側で旋回スクロール３０に連結され、給気口２４に対向する下側クランク軸７０Ａと、を備える。
これにより、給気口２４からハウジング２０の収容空間２３に導入された冷却風は、下側クランク軸７０Ａ及びハウジング軸受部２６を冷却した後、固定スクロール５０の外周に沿って移動し、旋回ラップ３２の外側に位置する２本の上側クランク軸７０Ｂ及びハウジング軸受部２６の冷却を行う。つまり、１つの給気口２４から３箇所の冷却を効率的に行う構成を実現できるのである。

また、本実施形態では、２本の上側クランク軸７０Ｂ及び下側クランク軸７０Ａは、下向きの正三角形の頂点位置に対応するように、旋回スクロール３０の周方向で等間隔に配置され、下側クランク軸７０Ａは、給気口２４の中央の直上に位置している。
これにより、給気口２４からハウジング２０の内部に入った冷却風が下側クランク軸７０Ａを冷却した後に、２本の上側クランク軸７０Ｂにそれぞれ向かう冷却風の量を均等にすることができ、各軸受部の冷却を効率良く行うことができる。

また、本実施形態では、下側クランク軸７０Ａが動力を伝達する駆動軸である。
これにより、動力を伝達する下側クランク軸７０Ａを確実に冷却することができ、駆動力の伝達をより安定的にすることができる。

なお、本実施形態では、下向きの正三角形状にクランク軸７０が配置されているが、場合によっては三角形の向きを斜めに配置することもできる。また、旋回スクロールベース３３の形状が略三角形状に構成されているが、この形状に限定される訳ではなく、円形状等、その形状を適宜変更することもできる。

＜スクロール膨張機の異常検出＞
次に、スクロール膨張機３の異常を検出する制御について説明する。本実施形態の蒸気シール部材８０によれば、蒸気をシールできるものの、組付不良やメンテナンス不良等に起因するシール性能の低下により蒸気が膨張室９０の外側に漏れ出す場合もある。また、ブロワ７の故障によって十分な冷却風がハウジング２０の内部に供給されない場合もある。本実施形態の制御装置５は、給気温度センサ２４１が検出した給気温度及び排気温度検出部２４２が検出した排気温度に基づいてスクロール膨張機３の異常を判定する判定部として機能する。

まず、給気温度センサ２４１及び排気温度センサ２５１の配置について説明する。
本実施形態の給気温度センサ２４１は、ハウジング２０の内部に供給される冷却風の温度を検出し、検出した給気温度情報を制御装置５に送信する。給気温度センサ２４１は、給気ダクト２４０における空気の取込口（図示省略）近傍に配置される。なお、給気温度は、ハウジング２０に送られる前（冷却前）の空気の温度を検出できればよく、給気温度センサ２４１の配置場所は適宜変更することができる。例えば、スクロール膨張機３の周囲温度を検出できる位置に給気温度センサ２４１を配置することもできる。

排気温度センサ２５１は、排気口２５から排気される冷却後の空気（冷却風）の温度を検出し、検出した排気温度情報を制御装置５に送信する。排気温度センサ２５１は、排気ダクト２５０におけるハウジング２０の排気口２５近傍に配置される。なお、排気温度は、スクロール膨張機３の冷却後の空気の温度を検出できればよく、排気温度センサ２５１の配置場所は適宜変更することができる。例えば、排気ダクト２５０の出口に配置することもできる。

次に、制御装置５による判定ロジックについて説明する。本実施形態では、３種類の判定ロジックを用いて異常の検出を行う。各判定ロジックについて説明する。図８は、本実施形態のスクロール膨張機による異常検出の判定ロジックを示す図である。図８中の（ａ）には第１判定ロジックのフローチャートが示され、（ｂ）には第２判定ロジックのフローチャートが示され、（ｃ）には第３判定ロジックのフローチャートが示される。各判定ロジックについて順次説明する。

＜第１判定ロジック＞
第１判定ロジックは、旋回軸受部３５等、スクロール膨張機の装置保護の観点で設定された装置保護温度（例えば、７０℃）と排気温度の比較によって異常を判定する処理である。

図８（ａ）に示すように、第１判定ロジックが開始されると、制御装置５は、排気温度センサ２５１の排気温度を監視し、所定値として設定された保護温度を上回ったか否かを判定する（ステップＳ１０１）。ステップＳ１０１の処理で、保護温度を上回った場合は蒸気の供給を停止（開閉弁１７を閉止）してスクロール膨張機３を停止するインターロック処理を行う（ステップＳ１０２）。

＜第２判定ロジック＞
第２判定ロジックは、運転開始から定常状態移行後に、排気温度の単位時間（例えば、１〜２分）当たりの温度上昇が予め設定される範囲（例えば、５℃）を上回ることを条件として異常を判定する処理である。

図８（ｂ）に示すように、第２判定ロジックが開始されると、制御装置５は、定常状態に移行しているか否かを判定する（ステップＳ２０１）。定常状態に移行したか否かは、開閉弁１７を開放してから所定時間経過して判定する又は各種の温度センサ、圧力センサ等の検出値に基づいて判定する等、適宜の判定基準を設定することができる。

定常状態移行後は、排気温度を監視し、単位時間当たりの温度上昇が予め設定される範囲を上回るか否かを判定する（ステップＳ２０２）。単位時間当たりの温度上昇が高ければ蒸気漏れやブロワ７の故障・異常が考えられるので、インターロック処理を行う（ステップＳ２０３；上述のステップＳ１０２と同様に開閉弁１７を閉止する）。本実施形態では、単位時間当たりの温度上昇の判定を定常状態移行後に行うことにより、運転開始時に蒸気がスクロール膨張機３に導入されることによって温度が上昇する状態を異常と判定する誤判定が回避されている。

＜第３判定ロジック＞
第３判定ロジックは、給気温度センサ２４１の給気温度と排気温度センサ２５１の排気温度の差に基づいて異常を判定する処理である。

図８（ｃ）に示すように、第３判定ロジックが開始されると、制御装置５は、給気温度と排気温度の差を監視する（ステップＳ３０１）。給気温度と排気温度の差が所定範囲から外れた場合は、スクロール膨張機３に異常が生じていると判定し、インターロック処理を行う（ステップＳ３０２；上述のステップＳ１０２と同様に開閉弁１７を閉止する）。

本実施形態の第３判定ロジックは、定常状態では、給気温度と排気温度の差が想定される所定範囲から外れた場合は、スクロール膨張機３に異常が生じていると判定する。例えば、予測よりも高い温度上昇が生じている場合は蒸気漏れによる温度上昇が生じていると考えられるので蒸気漏れの異常と判断する。また、ブロワ７が故障して冷却風の供給が停止している場合はスクロール膨張機３のハウジング２０の内部の温度は上昇するものの、空気の流れが停止しているため、排気温度が変化しない又は温度上昇が正常時よりも緩やかなものとなるのでブロワ７故障が生じていると判断し、異常と判断する。
なお、第３判定ロジックでは、スクロール膨張機３が停止しているときは、給気温度と排気温度の差がほとんどない状態を正常と判定するように判定条件が変更される。スクロール膨張機３が停止しているときは温度上昇が起こらず、排気後の冷却風に温度変化がないことが正常であるためである。スクロール膨張機３の停止後、所定時間経過後も給気温度より排気温度が上昇し続けている場合は異常と判定する。

なお、第３判定ロジックにおいても、第２判定ロジックと同様に定常状態移行後に異常判定を行う構成としてもよい。また、ステップＳ３０２の処理で、給気温度と排気温度の差が予測温度範囲としての所定範囲の上限を超える場合は蒸気漏れ異常と判断し、給気温度と排気温度の差が所定範囲の下限よりも低い場合はブロワ７故障異常と判断し、異常の種類を報知するロジックとすることもできる。

各判定ロジックの処理の流れは以上の通りである。本実施形態の制御装置５は、第１判定ロジック、第２判定ロジック及び第３判定ロジックによる異常検出を並行して行う。従って、第１判定ロジック、第２判定ロジック及び第３判定ロジックのうち、何れか１つでも異常と判定した場合はインターロック処理が行われる（ＯＲ条件）。例えば、第２判定ロジックの単位時間当たりの温度変化を検出する第１時間と第２時間の間（サイクルタイムの間）で、排気温度が第１判定ロジックで設定される所定値を上回った場合は、第２判定ロジックの異常判定の条件を満たしていない場合でもインターロック処理が行われる。

なお、制御装置５による異常を判定する方法は、上記実施形態に限定されるわけではなく、適宜変更することができる。例えば、第１判定ロジック、第２判定ロジック及び第３判定ロジックのうち、１つの判定ロジックだけで異常を検出したり、２つの判定ロジックで並行して異常を検出したりすることができる。また、各判定ロジックをＡＮＤ条件として複数の条件を満たしたときに異常と判定する構成とすることもできる。

以上説明したように、本実施形態のスクロール膨張機３は、冷却風の給気口２４が設けられるとともに冷却風の排気口２５が設けられるハウジング２０と、ハウジング２０の内部に配置され、旋回側基板部３１の板面に渦巻き状の旋回ラップ３２が設けられる旋回スクロール３０と、ハウジング２０の内部で旋回スクロール３０に対向配置され、固定側基板部５１の板面に旋回ラップ３２に噛み合う渦巻き状の固定ラップ５２が設けられるとともに、膨張させる流体として蒸気が導入される固定スクロール５０と、冷却風の排気温度を検出する排気温度センサ２５１と、排気温度センサ２５１で検出される排気温度の変化に基づいて異常を判定する判定部としての制御装置５と、を備える。
これにより、排気温度の温度変化を監視することにより、蒸気シール部材８０からの蒸気漏れだけでなく、給蒸気管１５からの蒸気漏れやブロワ７の冷却不良も検出できるスクロール膨張機をシンプルな構成で実現できる。

また、本実施形態の制御装置５は、排気温度センサ２５１の排気温度が予め設定される所定値を上回ることを条件として異常を判定する（第１判定ロジック）。
これにより、装置保護温度に基づいて設定される所定値を基準として高温状態を略リアルタイムで検出してインターロックすることにより、急激な温度上昇に起因するスクロール膨張機の故障を防止できる。

また、本実施形態の制御装置５は、単位時間当たりの温度上昇が予め設定される範囲を上回ることを条件として異常を判定する（第２判定ロジック）。
これにより、定常状態から外れるような温度変化を検出することにより、蒸気漏れや冷却不良等の異常が放置されることなくスクロール膨張機３の異常を速やかに検出することができる。

また、本実施形態の制御装置５は、運転開始から定常状態移行後に、単位時間当たりの温度上昇が予め設定される範囲を上回るか否かの判定を開始する（第２判定ロジック）。
これにより、運転開始から定常状態移行後に判定を行うので、運転開始時の蒸気導入開始による温度上昇を異常と判定する誤判定を防止でき、運転開始から定常状態移行後も判定ロジックの条件を変えることなく異常の検出を行うことができる。

また、スクロール膨張機３は、給気温度センサ２４１を更に備え、制御装置５は、給気温度センサ２４１の給気温度と排気温度センサ２５１の排気温度の差に基づいて異常判定を行う（第３判定ロジック）。
これにより、冷却風（空気）の冷却前後の温度変化を検出することにより、スクロール膨張機３で生じる異常をより精度良く判定することができる。また、予測温度範囲を設定することにより、蒸気漏れやブロワ故障を判定することもでき、スクロール膨張機３の異常を正確に判定することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上述の実施形態及びその変形例に制限されるものではなく、適宜変更が可能である。

１ 蒸気利用システム
２ 蒸気発生装置
３ スクロール膨張機（スクロール流体機械）
５ 制御装置（判定部）
１５ 給蒸気管
１６ 給蒸気セパレータ
１７ 開閉弁
１９ 排蒸気セパレータ
２０ ハウジング
２４ 給気口
２５ 排気口
３０ 旋回スクロール
３１ 旋回側基板部
３２ 旋回ラップ
５０ 固定スクロール
５１ 固定側基板部
５２ 固定ラップ
５５ 外周ラップ
５６ 収容部
５７ 嵌合溝
８０，２８０，３８０ 蒸気シール部材（シール部材）
８１，２８１，３８１ 第１シール部
８２，２８２，３８２ 第２シール部
８３ バネ（付勢部材）
９０ 膨張室
６０ 中央開口部（接続部分）
６１ 第１開口部（排出口）
１５２ 水平配管（水平部）
１５３ 傾斜部（接続配管）
１８１ 第１排蒸気管（排蒸気管）
２４１ 給気温度センサ（給気温度検出部）
２５１ 排気温度センサ（排気温度検出部）

Claims (5)

1. 冷却風の給気口が設けられるとともに冷却風の排気口が設けられるハウジングと、
   前記ハウジングの内部に配置され、旋回側基板部の板面に渦巻き状の旋回ラップが設けられる旋回スクロールと、
   前記ハウジングの内部で前記旋回スクロールに対向配置され、固定側基板部の板面に前記旋回ラップに噛み合う渦巻き状の固定ラップが設けられるとともに、膨張させる流体として蒸気が導入される固定スクロールと、
   冷却風の排気温度を検出する排気温度検出部と、
   前記排気温度検出部で検出される排気温度の変化に基づいて異常を判定する判定部と、
   を備えるスクロール膨張機。
2. 前記判定部は、
   前記排気温度検出部の排気温度が予め設定される所定値を上回ることを条件として異常を判定する請求項１に記載のスクロール膨張機。
3. 前記判定部は、
   単位時間当たりの温度上昇が予め設定される範囲を上回ることを条件として異常を判定する請求項１に記載のスクロール膨張機。
4. 前記判定部は、
   運転開始から定常状態移行後に、単位時間当たりの温度上昇が予め設定される範囲を上回るか否かの判定を開始する請求項３に記載のスクロール膨張機。
5. 給気温度検出部を更に備え、
   前記判定部は、
   前記給気温度検出部の給気温度と前記排気温度検出部の排気温度の差に基づいて異常判定を行う請求項１に記載のスクロール膨張機。

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