JP7293754B2

JP7293754B2 - スクロール蒸気膨張システム

Info

Publication number: JP7293754B2
Application number: JP2019048639A
Authority: JP
Inventors: 賢哲安嶋; 正道岩崎; 時空吉田
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2019-03-15
Filing date: 2019-03-15
Publication date: 2023-06-20
Anticipated expiration: 2039-03-15
Also published as: JP2020148178A

Description

本発明は、膨張機上流側に混入する水の量を適切に制御して十分なシール効果を得ることができるスクロール蒸気膨張システムに関する。

従来、潤滑油を用いないスクロール膨張機は、膨張室間の微小隙間をシールすることができず、漏れ流量が増加するため、膨張効率が低いという問題があった。そこで、膨張過程で生じる水を潤滑油の代替としてシールに用いることで、膨張機効率を向上するようにしている。

しかし、膨張に伴って生じる水は、膨張機入口付近ではシールに必要な十分な水量を確保できないため、シール効果が不十分であった。このため、特許文献１では、膨張機内部に放熱機構を設け、膨張過程で温度低下する蒸気と熱交換により凝縮水を発生し、膨張機内部に混入させてシール効果を上げるようにしている。

特開２０１３－１８１５０６号公報

しかしながら、特許文献１のスクロール膨張機では、熱交換部の大きさが一定であるため、蒸気流量の変動に伴って熱交換量が変動し、生成される凝縮水量も変化する。このため、凝縮水の混入量を制御することができず、凝縮水量が少ないとシール効果を発揮できず、膨張機効率が低下してしまい、凝縮水量が多いと膨張過程における蒸気流量が減り出力が低下してしまうという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、膨張機上流側に混入する水の量を適切に制御して十分なシール効果を得ることができるスクロール蒸気膨張システムを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかるスクロール蒸気膨張システムは、入口配管から吸入した高圧蒸気を膨張して出口配管から低圧蒸気を吐出するスクロール膨張機を有したスクロール蒸気膨張システムであって、前記スクロール膨張機から吐出された低圧蒸気及び液化水を一時保留して蒸気を外部出力するドレン水タンクと、前記ドレン水タンクの水を前記入口配管に混入させるポンプと、を備えたことを特徴とする。

また、本発明にかかるスクロール蒸気膨張システムは、上記の発明において、前記ポンプは、前記スクロール膨張機の回転軸に接続され、前記スクロール膨張機の回転数に応じて吸水することを特徴とする。

また、本発明にかかるスクロール蒸気膨張システムは、上記の発明において、前記ポンプは、前記入口配管の高圧蒸気の流量に対する水の混入率が、前記スクロール膨張機の蒸気漏れ流量が飽和量と一致する最小値となるように調整する調整機構を有することを特徴とする。

本発明によれば、膨張機上流側に混入する水の量を適切に制御して十分なシール効果を得ることができる。

図１は、本発明の実施の形態であるスクロール蒸気膨張システムの構成を示す図である。図２は、スクロール膨張機による膨張過程を説明するためのＰ－ｈ線図である。図３は、水混入率に対する蒸気漏れ流量の変化を示す図である。

以下、添付図面を参照してこの発明を実施するための形態について説明する。

＜スクロール蒸気膨張システムの構成＞
図１は、本発明の実施の形態であるスクロール蒸気膨張システム１の構成を示す図である。図１に示すように、スクロール蒸気膨張システム１は、スクロール膨張機１０、ドレン水タンク２０及びポンプ３０を有する。

スクロール膨張機１０は、入口１０ａに入口配管Ｌ１が接続され、高圧蒸気ＨＷが吸入される。また、スクロール膨張機１０は、出口１０ｂに出口配管Ｌ２が接続され、膨張された低圧蒸気ＬＷがドレン水タンク２０側に吐出される。

スクロール膨張機１０は、固定スクロールと旋回スクロールとを有する。固定スクロールと旋回スクロールとは、それぞれ板状渦巻歯が互いに噛み合わされた状態で、旋回スクロールが固定スクロールの中心を公転運動する旋回を行い、この旋回に伴って中心の吸入口から吸入される高圧蒸気ＨＷを、固定スクロールと旋回スクロールとの間に形成される膨張室によって膨張させて低圧蒸気ＬＷを生成する。なお、この膨張室を形成する際、固定スクロールの板状渦巻歯壁面と旋回スクロールの板状渦巻歯壁面との当接位置におけるシールを行うため、高圧蒸気ＨＷに水Ｗが混入される。スクロール膨張機１０は、膨張過程に伴って旋回スクロールの回転軸１０ｃが回転駆動される。この回転軸１０ｃは、ポンプ３０に連結される。

ドレン水タンク２０は、出口配管Ｌ２などによる放熱及び減圧によって低圧蒸気ＬＷの一部が液化した液化水を貯留するとともに、低圧蒸気ＬＷを、配管Ｌ３を介して外部出力する。

ポンプ３０は、ドレン水タンク２０中の液化水である水Ｗを、配管Ｌ４を介して吸入し、配管Ｌ５を介して入口配管Ｌ１上の合流点Ｐ１で高圧蒸気ＨＷに混入させる。この際、ポンプ３０は、調整機構３１を介して回転軸１０ｃの回転数に応じた水Ｗの混入量を高圧蒸気ＨＷに吐出する。すなわち、ポンプ３０は、スクロール膨張機１０に吸入される蒸気流量に応じた水Ｗの混入量を高圧蒸気ＨＷに吐出する。なお、ポンプ３０は、スクロール膨張機１０の回転軸１０ｃの回転駆動によって動作するため、モータ等の駆動源は不要である。

これにより、ポンプ３０は、蒸気流量に対して適切な量となるように水Ｗを高圧蒸気ＨＷに混入することができる。すなわち、水Ｗの混入量は、スクロール膨張機１０に吸入される蒸気流量に追随した値となる。この結果、水Ｗの混入量の不足によってシール効果が得られないという事態を回避し、また、過剰な量の水Ｗが混入することにより膨張過程における蒸気流量が減って出力が低下してしまう事態も回避することができる。

図２は、スクロール膨張機１０による膨張過程を説明するためのＰ－ｈ線図である。図２に示すように、スクロール膨張機１０の入口１０ａにおける乾き度は、水Ｗの混入によって飽和蒸気線Ｌ１２上から湿り蒸気内にシフトし、高圧蒸気ＨＷは、等エントロピ線Ｌ上で膨張する。この結果、スクロール膨張機１０内の高圧蒸気ＨＷには、入口１０ａから常に適切な量の水Ｗが含まれ、潤滑油がなくても十分なシール効果を得ることができる。また、蒸気流量が変動しても、常に適切な量の水Ｗが混入されているため、十分なシール効果とともに、膨張すべき蒸気流量が減少することもない。

なお、図３に示すように、スクロール膨張機１０内の蒸気漏れ量は、蒸気流量に対する水Ｗの混入率が増大することによって減少するが、水混入率がＷａ以上になると、蒸気漏れ量の減少傾きは急激に小さくなる。ここで、水混入率がＷａ以上になると、蒸気漏れ量は、ほぼ飽和状態となるので、水混入率がＷａのときの蒸気漏れ量を飽和量Ｌａと記す。

したがって、ポンプ３０の調整機構３１は、入口配管Ｌ１の高圧蒸気ＨＷの流量に対する水Ｗの混入率が、スクロール膨張機１０の蒸気漏れ流量の飽和量Ｌａと一致する水混入率が最小値Ｗａとなるようにポンプ３０の駆動を調整してもよい。

なお、上記の実施の形態及び変形例で図示した各構成は機能概略的なものであり、必ずしも物理的に図示の構成をされていることを要しない。すなわち、各装置及び構成要素の分散・統合の形態は図示のものに限られず、その全部又は一部を各種の使用状況などに応じて、任意の単位で機能的又は物理的に分散・統合して構成することができる。

１スクロール蒸気膨張システム
１０スクロール膨張機
１０ａ入口
１０ｂ出口
１０ｃ回転軸
２０ドレン水タンク
３０ポンプ
３１調整機構
ＨＷ高圧蒸気
Ｌ等エントロピ線
Ｌ１入口配管
Ｌ２出口配管
Ｌ３～Ｌ５配管
Ｌ１２飽和蒸気線
ＬＷ低圧蒸気
Ｐ１合流点
Ｗ水
Ｗａ最小値

Claims

入口配管から吸入した高圧蒸気を膨張して出口配管から低圧蒸気を吐出するスクロール膨張機を有したスクロール蒸気膨張システムであって、
前記スクロール膨張機から吐出された低圧蒸気及び液化水を一時保留して蒸気を外部出力するドレン水タンクと、
前記ドレン水タンクの水を前記入口配管に混入させるポンプと、
前記ポンプの回転数を調整する調整機構と、
を備え、
前記ポンプは、前記スクロール膨張機の回転駆動力を用いて駆動することを特徴とするスクロール蒸気膨張システム。
前記ポンプは、前記調整機構を介して前記スクロール膨張機の回転軸に接続され、前記スクロール膨張機の回転数に応じて給水することを特徴とする請求項１に記載のスクロール蒸気膨張システム。
前記調整機構は、前記入口配管の高圧蒸気の流量に対する水の混入率が、前記スクロール膨張機の蒸気漏れ流量が飽和量と一致する最小値となるように前記ポンプの回転数を調整することを特徴とする請求項１又は２に記載のスクロール蒸気膨張システム。