JP6865043B2 - スクロール式流体機械 - Google Patents

Description

本発明は、容積型の膨張機または圧縮機として用いられるスクロール式流体機械に関するものである。

従来より、温泉熱や工場排熱等の低温熱源を利用したバイナリ発電システムが開発されている。バイナリ発電システムは、水よりも沸点の低い作動媒体を加圧した状態で加熱してガス状の高圧気体とした後、膨張工程を担う流体機械に供給することで、作動媒体の膨張力により発電機を回転して発電を行う。バイナリ発電システムの一つとして、内燃機関による排熱を熱源として発電する排熱回収発電装置が開示されている（特許文献１）。

また、バイナリ発電システムで使用される作動媒体として、アンモニア系媒体、ペンタン、代替フロン等が用いられている。これらの作動媒体は、可燃性や毒性を有するものや、高温になると熱分解して有害物質を発生するものなどのように、システム外への漏洩が認められないものが多い。そのため、バイナリ発電システムでは、特許文献１の排熱回収装置のようなクローズドランキンサイクルが採用されている。

更に、近年では、バイナリ発電システムにおいて、高効率且つ省スペースの観点から小型化の要求があり、流体機械として、タービン機構に代わって、スクリュー式やスクロール式などの容積型膨張機が用いられている。特に、スクロール式流体機械をバイナリ発電システム内の膨張機として用いた場合、小型で且つ高効率なシステムを構成できる。ところで、スクロール式流体機械には、摺動部分に潤滑油を供給させる給油式のものがあり、給油式を採用したスクロール式流体機械として、ベローズによるシール機構を備えたものが提案されている（特許文献２参照）。

特開２０１６−０９４８８１号公報 特公平０５−０８３７５３号公報

特許文献２のスクロール式流体機械は、圧縮機に採用されているものであるが、バイナリ発電システムにおける膨張機にスクロール式流体機械を採用した場合、ベローズ内の圧力がベローズ外の圧力よりも高くなり、その差圧が大きくなると、ベローズのシール性が低下するだけでなく、ベローズが破損する恐れがある。また、特許文献２のスクロール式流体機械のように、給油式を採用した場合、潤滑油を循環させる機構を設ける必要があり、装置が大型化する。更に、無給油方式のスクロール式流体機械としてグリス潤滑式のものを採用し、代替フロンを作動媒体とした場合、グリスが代替フロンに反応して潤滑箇所からグリスが漏洩し、装置寿命の低下を招く。

本願発明は、上記のような現状を検討して改善を施したスクロール式流体機械を提供することを技術的課題としている。

本願発明は、渦巻き状の固定ラップを立設させた固定スクロールと、前記固定ラップと噛合する揺動ラップを立設させた揺動スクロールと、前記揺動スクロールと連結する動力伝達機構とをケーシング内に密封させたスクロール式流体機械であって、前記ケーシングが、ベローズによって、前記固定スクロール及び前記揺動スクロールが収容されるとともに作動媒体を密封させた第１空間と、前記動力伝達機構が収容されるとともに作動媒体と異なる反応性の低い気体が充填された第２空間とで仕切られており、前記ベローズは、前記固定スクロールと前記ケーシングとの間に挿入されており、前端が前記ケーシングに固定される一方、後端が前記揺動スクロールと連結され、前記第２空間の圧力が前記第１空間内の圧力より低く、前記第１空間と前記第２空間との圧力差が所定圧力以下であって、前記所定圧力がベローズの破損を防止する圧力であり、前記ケーシングは、蓋板外周から後方に向けて筒状の外周壁が立設された前蓋で、前記固定スクロール及び前記揺動スクロールを覆っており、前記蓋板中央部から後方に突設した台座に、前記固定スクロールが固定されるとともに、前記台座外周と前記外周壁との間に前記ベローズが挿入され、前記蓋板後面に前記ベローズ前端が固定される一方、前記ベローズ後端が前記揺動スクロールと連結されている、というものである。

上記スクロール式流体機械において、前記揺動スクロールが、支持板を介して、前記動力伝達機構と連結している連結板に固定されており、前記支持板が前記揺動スクロールで覆われる開口穴を貫通させた形状を有するとともに、前記支持板前面の外周部分に前記ベローズ後端が固定されるものとしてもよい。

上記スクロール式流体機械において、動力伝達機構のメインシャフトが回転機のロータ軸と連結しており、前記ケーシングが前記回転機の回転機ケーシングと連結することで、前記メインシャフトと前記ロータ軸との連結部分を前記ケーシングで覆うものとしてもよい。

上記スクロール式流体機械において、前記揺動ラップと前記固定ラップとの閉鎖空間を通過して膨張した作動媒体が冷却されるべく、凝縮器に排気される構成を有しており、前記凝縮器に排気される作動媒体の圧力が高い場合に、前記凝縮器に供給される冷却媒体が冷却されるものとしてもよい。

上記スクロール式流体機械において、前記揺動ラップと前記固定ラップとの閉鎖空間を通過して膨張した作動媒体が液化されて復水器に貯留される構成を有しており、排気される作動媒体の圧力が高い場合に、前記復水器に連結させた真空ポンプが作動されるものとしてもよい。

本願発明によると、ケーシング内において、ベローズにより第１空間と第２空間とを密封空間として仕切ることにより、動力伝達機構を収容した第２空間への作動媒体の漏洩を防止できる。従って、動力伝達機構の摺動部への潤滑剤としてグリスを採用した場合に、グリスの漏洩を抑制して、動力伝達機構での焼きつけなどを防止できる。また、第１空間の圧力が第２空間の圧力より高い膨張機として採用される場合であっても、第１空間と第２空間との差圧を所定圧力以下とすることで、ベローズの破損を防止して、ベローズによる密閉性を維持できる。

本願発明によると、ベローズにより、固定スクロール及び揺動スクロールとともに台座を覆う形状とすることで、作動媒体を第１空間内に確実に密封することができる。また、ベローズの軸方向長さが長くなり、揺動スクロールの旋回運動によるベローズの変形量が低減されるため、ベローズの耐性が向上して、ベローズによるシール性を良好なまま維持できる。

本願発明によると、揺動スクロール、支持板、及び連結板を重ねて連結することで、支持板の開口穴により断熱空間を形成できるため、高温の作動媒体が密封されている第１空間と第２空間とを断熱して、動力伝達機構の昇温を抑制できる。これにより、動力伝達機構における軸受に封入されたグリスの劣化を低減できる。

本願発明によると、回転機ケーシングとケーシングとを連結して、メインシャフトとローラ軸との連結部分をケーシング内に収容させることで、複雑なシール構造が不要となり、低コストで構成できるとともに、スクロール式流体機械をコンパクトに構成できる。

本願発明によると、凝縮器に供給される冷却媒体の温度を制御することで、第１空間内の作動媒体圧力を最適化できる。従って、作動媒体圧力が高い場合であっても、冷却媒体温度を制御することで、第１空間と第２空間との差圧を所定圧力以下とし、ベローズの破損を防止して、ベローズによる密閉性を維持できる。

本願発明によると、復水器における気相部分の圧力を制御することで、第１空間内の作動媒体圧力を最適化できる。従って、作動媒体圧力が高い場合であっても、真空ポンプを作動することで、第１空間と第２空間との差圧を所定圧力以下とし、ベローズの破損を防止して、ベローズによる密閉性を維持できる。

第１実施形態におけるスクロール式流体機械を備えた排熱回収発電システムの構成を示すブロック図である。 同スクロール式流体機械の構成を示す側面断面図である。 同スクロール式流体機械の外観斜視図である。 同スクロール式流体機械における揺動スクロールの固定部分の分解斜視図である。 同スクロール式流体機械における揺動スクロールと固定スクロールとの関係を示す斜視図である。 同スクロール式流体機械の内部構成を示す拡大断面図である。 図６の拡大図である。 第２実施形態におけるスクロール式流体機械の構成を示す側面断面図である。 第３実施形態におけるスクロール式流体機械を備えた発電システムの構成を示すブロック図である。 第４実施形態におけるスクロール式流体機械を備えた発電システムの構成を示すブロック図である。

＜第１実施形態＞
１．発電システムの構成
以下に、本願発明の第１実施形態となるスクロール式流体機械を膨張機として備えた排熱回収発電システムの構成について、図面に基づいて説明する。図１は、本実施形態における排熱回収発電システムの構成を示すブロック図である。

図１に示す如く、本実施形態における排熱回収発電システム１は、エンジン２内部のシリンダなどを冷却するエンジン冷却システム３を循環するエンジン冷却水から作動媒体に熱回収し、スクロール式流体機械による膨張機５で動力変換することで、膨張機５に連結した発電機６を回転させて発電を実行する。排熱回収発電システム１は、水よりも沸点の低いアンモニア系媒体、ペンタン、代替フロン等の作動媒体を循環させるため、クローズドランキンサイクルを採用している。

排熱回収発電システム１は、クローズドランキンサイクルを構成するべく、エンジン冷却システム３によりエンジン２内部を通過して昇温されたエンジン冷却水の熱により作動媒体を加熱する蒸発器４と、蒸発器４で加熱されて気化した作動媒体により回転駆動する膨張機５と、膨張機５から排気された作動媒体を液化させる凝縮器７と、凝縮器７で液化された作動媒体を受けて貯留する復水器８と、復水器８から蒸発器４に作動媒体を送り込む循環ポンプ９とを備える。

蒸発器４は、熱媒体であるエンジン冷却水との熱交換によって、循環ポンプ９より送られた作動媒体を加熱して気化し、高温・高圧の作動媒体を膨張機５に供給する。膨張機５は、高温・高圧の作動媒体を受けると、作動媒体が断熱膨張することで回転動力を発生させて、連結した発電機６を回転させる。膨張機５で膨張して低圧となった作動媒体は、凝縮器７に排気される。凝縮器７は、断熱膨張した後の作動媒体を、冷却媒体との熱交換によって冷却して凝縮すると、凝縮して液化した作動媒体を復水器８に送る。

２．スクロール式流体機械
次いで、排熱回収発電システム１における膨張機５に採用されるスクロール式流体機械１０について、図２〜図７を参照して以下に説明する。図２〜図７に示す如く、スクロール式流体機械１０は、渦巻き状の固定ラップ１２を立設させた固定スクロール１１と、固定ラップ１２と噛合する揺動ラップ１４を立設させた揺動スクロール１３と、揺動スクロール１３と連結する動力伝達機構１５とをケーシング１６内に密封させている。

ケーシング１６が、ベローズ１７によって、固定スクロール１１及び揺動スクロール１３が収容されるとともに作動媒体を密封させた第１空間１０ａと、動力伝達機構１５が収容されるとともに作動媒体と異なる反応性の低い気体が充填された第２空間１０ｂとで仕切られている。第２空間１０ｂの圧力が第１空間１０ａ内の圧力より低く、第１空間１０ａと第２空間１０ｂとの圧力差が所定圧力Ｐ以下である。なお、第２空間１０ｂに充填される気体は、潤滑剤となるグリスとの反応性が低い気体が好ましく、例えば、空気や、希ガス（ヘリウムガス、アルゴンガスなど）又は窒素といった不活性ガスが好ましい。また、所定圧力Ｐは、３０ｋＰａ以下で設定されることが好ましく、１０ｋＰａ以下とすることが更に好ましい。

ケーシング１６内において、ベローズ１７により第１空間１０ａと第２空間１０ｂとを密封空間として仕切ることにより、動力伝達機構１５を収容した第２空間１０ｂへの作動媒体の漏洩を防止できる。従って、動力伝達機構１５の摺動部への潤滑剤としてグリスを採用した場合に、グリスの漏洩を抑制して、動力伝達機構１５での焼きつけなどを防止できる。また、第１空間１０ａの圧力が第２空間１０ｂの圧力より高い膨張機５として採用される場合であっても、第１空間１０ａと第２空間１０ｂとの差圧を所定圧力Ｐ以下とすることで、ベローズ１７の破損を防止して、ベローズ１７による密閉性を維持できる。

ケーシング１６は、固定スクロール１１及び揺動スクロール１３を覆う前蓋１８と、動力伝達機構１５と揺動スクロール１２との連結部分を覆う中空円筒形の前段ケース１９と、動力伝達機構１５の構成要素の一つであるメインシャフト２１を覆う中空円筒型の後段ケース２０とを互いに連結して構成されている。前段ケース１９の前端面が前蓋１８と連結して、前段ケース１９の前端面における大径開口部が前蓋１８で覆われる。一方、前段ケース１９の後端面の中心部が後段ケース２０の前端面と連結して、前段ケース１９の後端面の中心部における小径開口部が後段ケース２０における前端面の開口部と連通する。

前蓋１８は、中央部分を前方に突設させた形状を有しており、外周部分のフランジ２２が前段ケース１９前端面外周のフランジ２３とボルト締結される。フランジ２２及びフランジ２３の一方には、環状のＯリング溝（図示省略）が形成されており、当該Ｏリング溝にＯリング（図示省略）が挿入されることで、前蓋１８と前段ケース１９との連結部分が密閉される。前蓋１８は、フランジ２３内周縁から円筒状の外周壁２４を立設させるとともに、外周壁２４前端を蓋板２５で被覆させている。蓋板２５中央には、高圧の作動媒体が流入する吸気穴２６が設けられる一方、蓋板２５外周側に、低圧の作動媒体を排出する排気穴２７が設けられる。

前蓋１８は、蓋板２５後面の中央部分を後方に突設させた台座２８を有しており、吸気穴２６及び排気穴２７が台座２８を貫通するように穿設されている。この蓋板２５後面における台座２８の後端面に、固定スクロール１１の台板２９前端面が固着され、固定ラップ１２が、固定スクロール１１後方に対向配置された揺動スクロール１３の台板３０に向かって延設される。また、固定スクロール１１の台板２９は、台座２８の吸気穴２６と連通する吸気口３１を中央部分に有するとともに、台座２８の排気穴２７と連通する排気口３２を外周部分に有している。

ケーシング１６は、蓋板２５外周から後方に向けて筒状の外周壁２４が立設された前蓋１８で、固定スクロール１１及び揺動スクロール１３を覆っており、蓋板２５中央部から後方に突設した台座２８に、固定スクロール１１が固定される。そして、台座２８外周と外周壁２４との間に蛇腹管状のベローズ１７が挿入され、蓋板２５後面にベローズ１７前端が固定される一方、ベローズ１７後端が揺動スクロール１３と連結されている。ベローズ１７により、固定スクロール１１及び揺動スクロール１３とともに台座２８を覆う形状とすることで、作動媒体を第１空間１０ａ内に確実に密封することができる。また、ベローズ１７の軸方向長さが長くなり、揺動スクロール１３の旋回運動によるベローズの変形量が低減されるため、ベローズ１７の耐性が向上して、ベローズ１７によるシール性を良好なまま維持できる。

固定スクロール１１は、略円形の台板２９の後端面から後方に渦巻き形状（インボリュート曲線状）の固定ラップ１２を立設させて構成されている。一方、揺動スクロール１３は、固定スクロール１１後方で、固定スクロール１１に対向配置されており、略円形の台板３０の前端面から前方に渦巻き形状（インボリュート曲線状）の揺動ラップ１４を立設させて構成されている。即ち、固定スクロール１１及び揺動スクロール１３は、固定ラップ１２及び揺動ラップ１４を互いに噛合させる方向に対向配置されており、固定ラップ１２及び揺動ラップ１４で囲まれた複数の三日月形状の閉鎖空間を形成している。

固定スクロール１１は、上記三日月形状閉鎖空間のうち中心部に形成された閉鎖空間に作動媒体を流入させる吸気口３１を台板２９中心部に穿設するとともに、膨張して仕事を終えた作動媒体を排出する排気口３２を台板２９外周部に穿設している。なお、不図示であるが、固定ラップ１２及び揺動ラップ１４の先端面には渦巻き形状のシール溝が形成されており、該シール溝にフッ素樹脂等からなる自己潤滑性のチップシール（図示省略）が挿入されている。

揺動スクロール１３は、遮熱板となる支持板３３前面に固定されており、支持板３３前面における揺動スクロール１３の外周部分にベローズ１７後端が固定されている。支持板３３後面（背面）には、メインシャフト２１の前端を軸支する軸受ハウジング（連結板）３４が固定されている。即ち、揺動スクロール１３は、支持板３３を介して、動力伝達機構１５と連結している軸受ハウジング３４に固定されており、支持板３３前面の外周部分にベローズ１７後端が固定される。支持板３３は、中央部分に開口穴３５を貫通させており、開口穴３５前側が揺動スクロール１３により覆われる。

支持板３３は、開口穴３５外周に段差を設けることで、揺動スクロール１３が嵌着されるスクロール固定凹部３６が構成されている。スクロール固定凹部３６は、揺動スクロール１３の台板３０と同一形状で構成されており、揺動スクロール１３の台板３０がスクロール固定凹部３６に嵌め込まれることで、支持板３３に揺動スクロール１３が開口穴３５前方を覆うように固定される。台板３０外周面とスクロール固定凹部３６内周面の一方には、環状のＯリング溝（図示省略）が形成されており、当該Ｏリング溝にＯリング（図示省略）が挿入されることで、揺動スクロール１３と支持板３３との連結部分が密閉される。

また、支持板３３後面に軸受ハウジング３４が固定されることで、支持板３３の開口穴３５後方が覆われる。支持板３３と軸受ハウジング３４との連結部分において、開口穴３５外周部分にＯリング（図示省略）が嵌装された密閉構造を構成することで、開口穴３５から第２空間１０ｂへの作動媒体の漏洩を防止する。揺動スクロール１３、支持板３３、及び軸受ハウジング３４を重ねて連結することで、支持板３３の開口穴３５により断熱空間３７を形成する。そのため、高温の作動媒体が密封されている第１空間１０ａと第２空間１０ｂとを断熱空間３７により断熱して、動力伝達機構１５の昇温を抑制し、動力伝達機構１５における軸受に封入されたグリスの劣化を低減できる。

支持板３３は、固定ラップ１２及び揺動ラップ１４による複数の閉鎖空間のうち外側の閉鎖空間４０から開口穴３５に作動媒体を供給する作動媒体供給路３８と、固定ラップ１２外側の排気口３２と連通する排気空間４１へ開口穴３５内の作動媒体を排出する作動媒体排出路３９とを備える。支持板３３の開口穴３５により形成される断熱空間３７に、固定ラップ１２及び揺動ラップ１４の閉鎖空間で膨張して温度低下した作動媒体の一部が、外側の閉鎖空間４０より作動媒体供給路３８を通じて供給される。一方、断熱空間３７内の作動媒体は、作動媒体排出路３９を通じて排気空間４１に排出され、固定ラップ１２及び揺動ラップ１４の閉鎖空間で膨張した作動媒体と合流して、排気口３２より排気穴２７を通じて排気される。

支持板３３において、温度低下した作動媒体が、作動媒体供給路３８より供給されるとともに作動媒体排出路３９より排出されることで、開口穴３５における断熱空間３７を通過する。開口穴３５は、固定スクロール１１の吸気口３１に対向する位置に配置されており、吸気口３１から吸気される高温の作動媒体からの軸受ハウジング３４への伝熱を低減させて、軸受ハウジング３４の温度上昇を抑制できる。なお、揺動スクロール１３は、台板３０を貫通する作動媒体供給穴３８ａ及び作動媒体排出穴３９ａを備えており、作動媒体供給穴３８ａ及び作動媒体排出穴３９ａそれぞれが作動媒体供給路３８及び作動媒体排出路３９それぞれと連通している。

軸受ハウジング３４の後面（背面）には、その中心部に中心ボス部４２が一体に形成されており、その外周部に複数の外周ボス部４３が一体に形成されている。メインシャフト２１前端部が、中心ボス部４２の内部に挿入され、コロ軸受４４を介して回転自在に軸支されている。メインシャフト２１は、発電機６のロータ軸６ａと連結する出力軸４５を後方に備える一方、出力軸４５と平行であって半径方向へ偏心させた偏心軸４６を前方に備える。従って、メインシャフト２１の偏心軸４６先端が、中心ボス部４２内に嵌合されたコロ軸受４４に挿入されている。

中心ボス部４２後端に固定リング４７が固着されることで、中心ボス部４２内にコロ軸受４４が収納されている。また、固定リング４７内周面の溝部には、環状のグリス漏れ止め用シール４８が嵌装されており、グリス漏れ止め用シール４８内周面をメインシャフト２１の偏心軸４６外周面に接触させることで、コロ軸受４４に封入されたグリスが外部へ漏れ出るのを防止している。

動力伝達機構１５は、揺動スクロール１３と連結したメインシャフト２１の外周部分の複数箇所に、揺動スクロール１３の自転を防止する自転防止機構であるピンクランク機構４９を備える。本実施形態では、ピンクランク機構４９は、メインシャフト２１を中心として周方向に１２０°間隔で３個配設されている。ピンクランク機構４９は、前段ケース１９及び軸受ハウジング３４により両端が軸支されたクランク軸によるサブシャフト５０を備えている。サブシャフト５０は、メインシャフト２１の外周でメインシャフト２１と平行に配設されており、メインシャフト４２における出力軸４５と偏心軸４６と同様に偏心させている。

３本のサブシャフト５０それぞれの前端部が、軸受ハウジング３４後面（背面）の３箇所に設けられた外周ボス部４３の内部に挿入され、２つの玉軸受５１を介して回転自在に軸支されている。外周ボス部４３後端に固定リング５２が固着されることで、外周ボス部４３内に玉軸受５１が収納されている。また、固定リング５２内周面の溝部には、環状のグリス漏れ止め用シール５３が嵌装されており、グリス漏れ止め用シール５３内周面をサブシャフト５０外周面に接触させることで、玉軸受５１に封入されたグリスが外部へ漏れ出るのを防止している。

前段ケース１９は、後端部となる底板５４外周から側壁５５を前方に立設させており、側壁５５前端外周にフランジ２３を備える。前段ケース１９の底板５４は、メインシャフト２１が挿通されるメインシャフト用穴５６を中心に穿設するとともに、サブシャフト５０が挿通されるサブシャフト用穴５７をメインシャフト用穴５６の外周に穿設している。前段ケース１９は、底板５４において、メインシャフト用穴５６の貫通部分にメインシャフト軸支部５８を有し、サブシャフト用穴５７の貫通部分にサブシャフト収納部５９を有する。

メインシャフト２１の中途部である出力軸４５の前方部分は、前段ケース１９の底板５４のメインシャフト軸支部５８において、２つの玉軸受６０を介して軸支される。メインシャフト軸支部５８におけるメインシャフト用穴５６内に２つの玉軸受６０を前後に並べて配設しており、メインシャフト軸支部５８前面に固定リング６１が固着されることで、玉軸受６０がメインシャフト軸支部５８内に収容されている。

固定リング６１は、前段ケース１９の底板５４前面のメインシャフト用穴５６外周部分にボルト締結されている。固定リング６１内周面の溝部には、環状のグリス漏れ止め用シール６２が嵌装されており、グリス漏れ止め用シール６２内周面をメインシャフト２１の出力軸４５外周面に接触させることで、玉軸受６０に封入されたグリスが外部へ漏れ出るのを防止している。

サブシャフト５０の後端部分は、前段ケース１９の底板５４のサブシャフト収納部５９において、２つの玉軸受６３を介して軸支される。サブシャフト収納部５９におけるサブシャフト用穴５７内に２つの玉軸受６３を前後に並べて配設しており、サブシャフト収納部５９前面に固定リング６４が固着される一方、サブシャフト収納部５９後面を蓋体６６で覆うことで、玉軸受６３がサブシャフト収納部５９内に収容されている。

固定リング６４は、前段ケース１９の底板５４前面のサブシャフト用穴５７外周部分にボルト締結される。固定リング６４内周面の溝部には、環状のグリス漏れ止め用シール６５が嵌装されており、グリス漏れ止め用シール６５内周面をサブシャフト５０外周面に接触させることで、玉軸受６３に封入されたグリスが外部へ漏れ出るのを防止している。また、前段ケース１９のサブシャフト収納部５９と蓋体６６との連結部分は、Ｏリング（図示省略）が嵌装された密閉構造とされている。

後段ケース２０は、前端に前フランジ６７を備えており、前段ケース１９の底板５４中心のメインシャフト軸支部５８と連結しており、メインシャフト２１の出力軸４５を収容している。後段ケース２０の前フランジ６７が、前段ケース１９の底板５４後面（背面）のメインシャフト用穴５６外周部分にボルト締結されることで、後段ケース２０が前段ケース１９の底板５４に固定されている。

後段ケース２０は、後端に後フランジ６８を備えるとともに、その後端内周部に玉軸受６９を介してメインシャフト２１の後端側を軸支している。メインシャフト２１の出力軸４５後端が、後段ケース２０後端より突出しており、発電機６のロータ軸６ａに同一軸線上でカップリング７２により結合されている。メインシャフト２１の出力軸４５後端側が挿通する封止リング７０が、後段ケース２０の後フランジ６８端面に固着されることで、玉軸受６９が後段ケース２０後端部分内に収容されている。

封止リング７０内周面の溝部には、環状のグリス漏れ止め用シール７１が嵌装されており、グリス漏れ止め用シール７１内周面をメインシャフト２１の出力軸４５外周面に接触させることで、玉軸受６９に封入されたグリスがケーシング１６（後段ケース６８）外部への漏洩を防止している。なお、グリス漏れ止め用シール７１は、オイルシール又はメカニカルシールなどによって構成される。

かかる構成において、蒸発器４で蒸発して高圧となった作動媒体は、ケーシング１６の前蓋１８中央の吸気穴２６を通じて、固定スクロール１１の吸気口３１に供給される。固定スクロール１１の吸気口３１を通過する作動媒体は、固定スクロール１１及び揺動スクロール１３の中心部に形成された閉鎖空間に供給される。固定ラップ１２及び揺動ラップ１４で構成された閉鎖空間で作動媒体が膨張することで、閉鎖空間を拡大しながら固定ラップ１２及び揺動ラップ１４に沿って作動媒体が外側へ移動する。

この作動媒体の膨張力によって揺動スクロール１３が旋回（公転運動）する。このとき、揺動スクロール１３は、ピンクランク機構４９によって自転が阻止され、公転運動のみ行う。揺動スクロール１３が公転運動を行うと、その公転運動がメインシャフト２１に伝達されると、メインシャフト２１において、偏心軸４６を介して出力軸４５に回転運動として伝達される。固定ラップ１２及び揺動ラップ１４で構成された閉鎖空間４０で膨張して仕事をした作動媒体は、固定ラップ１２及び揺動ラップ１４外周部分の排気空間４１に到達し、ケーシング１６の前蓋１８外周部の排気穴２７を通じて、凝縮器７に排出される。

また、固定ラップ１２及び揺動ラップ１４で構成された閉鎖空間で膨張した作動媒体の一部は、支持板３３における作動媒体供給路３８より開口穴３５による断熱空間３７に供給される。これにより、温度低下した作動媒体が断熱空間３７を通過することで、軸受ハウジング３４を冷却する。また、断熱空間３７内の作動媒体は、作動媒体排出路３９より排気空間４１に排出されて、固定ラップ１２及び揺動ラップ１４で構成された閉鎖空間４０で膨張して排気空間４１に到達した作動媒体と合流して、排気穴２７に向けて排気される。

また、ベローズ１７は、前端がケーシング１６の前蓋１８に固定される一方、後端が支持板３３に固定されるため、ベローズ１７前端が固定されたままでありながら、ベローズ１７後端が揺動スクロール１３の回転に追従する。これにより、作動媒体の膨張作用による揺動スクロール１３を回転させた場合であっても、ベローズ１７内の第１空間１０ａを作動媒体の密封空間として維持できる。

＜第２実施形態＞
次いで、図８を参照して、本願発明の第２実施形態となるスクロール式流体機械について、以下に説明する。図８に示す如く、メインシャフト２１が回転機である発電機６のロータ軸６ａと連結しており、ケーシング１６が発電機６の発電機ケーシング（回転機ケーシング）６ｂと連結することで、メインシャフト２１とロータ軸６ａとの連結部分をケーシング１６で覆う。発電機ケーシング６ｂとケーシング１６とを連結して、メインシャフト２１とロータ軸６ａとの連結部分をケーシング１６内に収容させることで、複雑なシール構造が不要となり、低コストで構成できるとともに、スクロール式流体機械１０をコンパクトに構成できる。

本実施形態では、ケーシング１６における後段ケース２０の後フランジ６８が発電機ケーシング６ｂに連結し、発電機ケーシング６ｂ前面と後段ケース２０とによる空間内に、メインシャフト２１の出力軸４５とロータ軸６ａとの連結部分を収容する。このとき、後段ケース２０の後フランジ６８後端面と発電機ケーシング６ｂ前面との一方に、環状のＯリング溝（図示省略）を形成して、当該Ｏリング溝にＯリング（図示省略）を挿入することで、後段ケース２０と発電機ケーシング６ｂとの連結部分が密閉される。

また、ケーシング１６の前段ケース１９は、側壁５５の一部に気体導入口７３が開口しており、第１空間１０ａの作動媒体圧力よりも所定圧力Ｐだけ低い圧力まで加圧された気体が導入される。パージをかけた気体が気体導入口７３を通じてケーシング１６の第２空間１０ｂに導入されると、封止蓋７４によって気体導入口７３が密閉される。

＜第３実施形態＞
次いで、図９を参照して、本願発明の第３実施形態となるスクロール式流体機械を膨張機として備えた排熱回収発電システムの構成について、以下に説明する。図９に示す如く、凝縮器７の冷却媒体を冷却するクーラ１００を備えており、クーラ１００により冷却媒体の温度を最適化することで、膨張機５から凝縮器７に排気される作動媒体の圧力を、第２空間１０ｂの圧力との差圧が所定圧力Ｐ１以下となるように低下させる。

本実施形態では、制御部１０１が、膨張機５を構成するスクロール式流体機械１０の排気穴２７から排気される作動媒体圧力を圧力センサ１０２から受けるとともに、スクロール式流体機械１０のケーシング１６内における第２空間１０ｂの気体圧力を圧力センサ１０３から受ける。制御部１０１は、圧力センサ１０２，１０３それぞれから、スクロール式流体機械１０における排気側の作動媒体圧力Ｐｘと、第２空間１０ｂの気体圧力Ｐｙとを受けると、差圧Ｐｘ−Ｐｙと所定圧力Ｐ１とを比較する。

制御部１０１は、差圧Ｐｘ−Ｐｙが所定圧力Ｐ１より大きい場合、凝縮器７に供給する冷却媒体の温度を低下するようにクーラ１００を制御する。即ち、制御部１０１は、差圧Ｐｘ−Ｐｙと所定圧力Ｐ１との関係より冷却媒体の温度Ｔｘを設定するとともに、クーラ１００から凝縮器７へ供給する冷却媒体の温度を温度センサ１０４からの信号を受けて確認し、凝縮器７へ供給する冷却媒体の温度が設定温度Ｔｘとなるまで、クーラ１００においける冷却を実行させる。

本実施形態では、揺動ラップ１４（図７参照）と固定ラップ１２（図７参照）との閉鎖空間を通過して膨張した作動媒体が冷却されるべく、凝縮器７に排気される構成を有しており、凝縮器７に排気される作動媒体の圧力が高い場合に、凝縮器７に供給される冷却媒体が冷却される。即ち、凝縮器７に供給される冷却媒体の温度を制御することで、第１空間１０ａ内の作動媒体圧力を最適化できる。従って、作動媒体圧力が高い場合であっても、冷却媒体温度を制御することで、第１空間１０ａと第２空間１０ｂとの差圧を所定圧力Ｐ１以下とし、ベローズ１７の破損を防止して、ベローズ１７による密閉性を維持できる。

＜第４実施形態＞
次いで、図１０を参照して、本願発明の第４実施形態となるスクロール式流体機械を膨張機として備えた排熱回収発電システムの構成について、以下に説明する。図１０に示す如く、復水器８の気相部分を減圧させる真空ポンプ１０５を備えており、真空ポンプ１０５により復水器８内圧力を減圧することで、膨張機５から凝縮器７に排気される作動媒体の圧力を、第２空間１０ｂの圧力との差圧が所定圧力Ｐ１以下となるように低下させる。

本実施形態では、制御部１０１が、圧力センサ１０２，１０３それぞれから、スクロール式流体機械１０における排気側の作動媒体圧力Ｐｘと、第２空間１０ｂの気体圧力Ｐｙとを受けると、差圧Ｐｘ−Ｐｙと所定圧力Ｐ１とを比較する。そして、制御部１０１は、差圧Ｐｘ−Ｐｙが所定圧力Ｐ１より大きい場合、差圧Ｐｘ−Ｐｙが所定圧力Ｐ１以下となるように、真空ポンプ１０５を作動させて、復水器８における気相部分を減圧し、膨張機５から凝縮器７に排気される作動媒体の圧力を低下させる。

本実施形態では、揺動ラップ１４（図７参照）と固定ラップ１２（図７参照）との閉鎖空間を通過して膨張した作動媒体が液化されて排気された復水器８に貯留される構成を有しており、排気される作動媒体の圧力が高い場合に、復水器８に連結させた真空ポンプ１０５が作動されて減圧される。即ち、復水器８における気相部分の圧力を制御することで、第１空間１０ａ内の作動媒体圧力を最適化できる。従って、作動媒体圧力が高い場合であっても、真空ポンプ１０５を作動することで、第１空間１０ａと第２空間１０ｂとの差圧を所定圧力Ｐ１以下とし、ベローズ１７の破損を防止して、ベローズ１７による密閉性を維持できる。

また、本願発明における各部の構成は図示の実施形態に限定されるものではなく、本願
発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更が可能である。

１０ スクロール式流体機械
１０ａ 第１空間
１０ｂ 第２空間
１１ 固定スクロール
１２ 固定ラップ
１３ 揺動スクロール
１４ 揺動ラップ
１５ 動力伝達機構
１６ ケーシング
１７ ベローズ
１８ 前蓋
１９ 前段ケース
２０ 後段ケース
３３ 支持板
３４ 軸受ハウジング
３５ 開口穴
３６ スクロール固定凹部
３７ 断熱空間
３８ 作動媒体供給路
３９ 作動媒体排出路

Claims (5)

1. 渦巻き状の固定ラップを立設させた固定スクロールと、前記固定ラップと噛合する揺動ラップを立設させた揺動スクロールと、前記揺動スクロールと連結する動力伝達機構とをケーシング内に密封させたスクロール式流体機械であって、
   前記ケーシングが、ベローズによって、前記固定スクロール及び前記揺動スクロールが収容されるとともに作動媒体を密封させた第１空間と、前記動力伝達機構が収容されるとともに作動媒体と異なる反応性の低い気体が充填された第２空間とで仕切られており、
   前記ベローズは、前記固定スクロールと前記ケーシングとの間に挿入されており、前端が前記ケーシングに固定される一方、後端が前記揺動スクロールと連結され、
   前記第２空間の圧力が前記第１空間内の圧力より低く、前記第１空間と前記第２空間との圧力差が所定圧力以下であって、前記所定圧力がベローズの破損を防止する圧力であり、
   前記ケーシングは、蓋板外周から後方に向けて筒状の外周壁が立設された前蓋で、前記固定スクロール及び前記揺動スクロールを覆っており、
   前記蓋板中央部から後方に突設した台座に、前記固定スクロールが固定されるとともに、前記台座外周と前記外周壁との間に前記ベローズが挿入され、前記蓋板後面に前記ベローズ前端が固定される一方、前記ベローズ後端が前記揺動スクロールと連結されていることを特徴とするスクロール式流体機械。
2. 前記揺動スクロールが、支持板を介して、前記動力伝達機構と連結している連結板に固定されており、
   前記支持板が前記揺動スクロールで覆われる開口穴を貫通させた形状を有するとともに、前記支持板前面の外周部分に前記ベローズ後端が固定されることを特徴とする請求項１に記載のスクロール式流体機械。
3. 動力伝達機構のメインシャフトが回転機のロータ軸と連結しており、前記ケーシングが前記回転機の回転機ケーシングと連結することで、前記メインシャフトと前記ロータ軸との連結部分を前記ケーシングで覆うことを特徴とする請求項１又は２に記載のスクロール式流体機械。
4. 前記揺動ラップと前記固定ラップとの閉鎖空間を通過して膨張した作動媒体が冷却されるべく、凝縮器に排気される構成を有しており、前記凝縮器に排気される作動媒体の圧力が高い場合に、前記凝縮器に供給される冷却媒体が冷却され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式流体機械。
5. 前記揺動ラップと前記固定ラップとの閉鎖空間を通過して膨張した作動媒体が液化されて復水器に貯留される構成を有しており、排気される作動媒体の圧力が高い場合に、前記復水器に連結させた真空ポンプが作動され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式流体機械。

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