JPH0988501A - スクリュータービン及びそれを用いたバイナリー発電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 作動媒体を吸入する際の損失を小さくしてス
クリュータービンの出力を増大させる。 【解決手段】 吸入口15および吐出口16を有するケーシ
ング10と、ケーシング10内に回転自在に収納され互いに
噛み合ったスクリュー状の雄ロータ13および雌ロータ14
とからなり、吸入口15の内端15ａを雄ロータ13および雌
ロータ14の高圧側端部付近の外周面に向かって開口させ
ることにより、作動媒体をロータ噛合い部に直接流入さ
せる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明はスクリュータービ
ン及びそれを作動媒体の膨張機関として使用したバイナ
リー発電装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】スクリュータービンは、一対のスクリュ
ーロータを互いに噛み合った状態で回転自在にケーシン
グ内に収容して構成され、スクリューロータ間に形成さ
れる歯形空間（作用室）に作動媒体を供給し、その作動
媒体の膨張仕事によりロータを回転させて動力を得るよ
うにした容積式膨張機関である。

【０００３】作動媒体の膨張機関としてスクリューター
ビンを使用したバイナリー発電装置は知られている（特
開昭６０−５６１０４号公報、特開昭６０−１４４５９
４号公報、特開平２−２５２９０１号公報等）。

【０００４】特開昭６０−５６１０４号公報には、図
７、図８に示すように、工場廃熱を利用して構成したバ
イナリー発電システムが示されており、熱交換器（Ｓ
１）には一方に工場から排出される高温熱源流体を通す
パイプ（１）が設けられ、他方からポンプ（Ｐ１）を介
して送給される液状の作動媒体を加熱して気化させ、高
温・高圧ガスに変える蒸発器（２）が設置されている。
熱交換器（Ｓ１）にはさらに、ポンプ（Ｐ２）を介して
送給される潤滑油を高温に加熱するためのパイプ（３）
が設けられる。

【０００５】パイプ（１）を通過した高温熱源流体は、
熱交換器（Ｓ１）によって作動媒体の気化および加熱・
昇圧ならびに潤滑油の加熱のために熱エネルギーを用い
尽くされて熱交換器（Ｓ１）より排出される。

【０００６】熱交換器（Ｓ１）内で気化し高温・高圧に
なった作動媒体ガスは、スクリュータービン（４）の吸
込口（１５）側に導かれ、互いに噛み合った一対のスク
リューロータ（１３，１４）によって形成される歯形空
間（作用室）内で膨張し、吐出口（１６）側から排出さ
れて分離タンク（７）内に送り込まれ、ここで作動媒体
ガスと潤滑油とが分離して、作動媒体ガスは熱交換器
（Ｓ２）内に設置した凝縮器（８）を通って液化し、そ
の後ポンプ（Ｐ１）により熱交換器（Ｓ１）の蒸発器
（２）内に送給される。

【０００７】高温・高圧の作動媒体ガスによって駆動さ
れたスクリュータービン（４）のスクリューロータ（１
３，１４）は、発電機（９）を回して電気を起こす。

【０００８】熱交換器（Ｓ２）内には別に低温熱源流体
を導入して、作動媒体ガスの通る凝縮器（８）を冷却
し、これを凝縮、液化させる。

【０００９】他方、熱交換器（Ｓ１）内に設けられた潤
滑油加熱パイプ（３）内を流れて高温に加熱された潤滑
油をスクリュータービン内に供給し（１７）、摺動面の
潤滑およびシール作用等に用いる。

【００１０】スクリュータービン（４）は、吸込口（１
５）と吐出口（１６）を有するケーシング（１０）内
に、互いに噛み合った一対のスクリューロータ（１３，
１４）を回転自在に収容して構成されている。スクリュ
ーロータ（１３，１４）とケーシング（１０）の間に形
成される歯形空間（作用室）は潤滑油でシールされる。
作動媒体蒸気がこの作用室内で膨張する過程でスクリュ
ーロータに回転力を与える。

【００１１】すなわち、雄スクリューロータ（１３）と
雌スクリューロータ（１４）の噛合いによって両者とケ
ーシング内壁（端板を含む）との間に生じる歯形空間
（作用室）は、両スクリューロータが回転して噛合いが
吸入側から吐出側へ移動するに従って容量が増大するよ
うに、両スクリューロータ（１３，１４）の歯形形状を
設定してある。また、ケーシング（１０）の一端に取り
付けた高圧側端板（１１）に設けた吸入口（１５）およ
び他端の低圧側端板（１２）に設けた吐出口（１６）
は、雄スクリューロータ（１３）および雌スクリューロ
ータ（１４）の端面に開口するようにしてあり、かつ、
雄スクリューロータ（１３）および雌スクリューロータ
（１４）の外周は、ケーシング（１０）内壁によって囲
繞されている。

【００１２】スクリュータービン（４）の吸入口（１
５）に流入した作動媒体は、雄スクリューロータ（１
３）と雌スクリューロータ（１４）とケーシング内壁
（端板を含む）との間に形成された歯形空間内に流入し
て、同空間の容積を押し拡げるように作用し、そのため
雄スクリューロータ（１３）および雌スクリューロータ
（１４）を回転させて、歯形空間内で膨張した後、吐出
口（１６）から排出されることになり、この間で動力回
収が行われる。

【００１３】スクリュータービン（４）の作用室には、
スクリュータービン（４）の潤滑ならびに作用室のシー
ル等のために潤滑油が供給される。このために、吸入口
（１５）の任意の位置には、上述した熱交換器（Ｓ１）
の加熱器（２）から送出する作動媒体と同程度に加熱さ
れた潤滑油を噴出するための潤滑油噴射ノズル（１７）
が設けてある。この潤滑油は雄・雌スクリューロータ
（１３，１４）相互およびケーシング内壁・端板との摺
動面の潤滑ならびに各部のシール作用を行うと同時に、
吸入口（１５）からケーシング（１０）内に供給される
作動媒体と直接接触して作動媒体を加熱する。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】従来のスクリューター
ビンは単にスクリュー型圧縮機を膨張機関に転用したも
のが一般的であるため、膨張機関の効率という観点から
は必ずしも適切なものとはいえなかった。

【００１５】すなわち、従来のスクリュータービンは、
タービンの噴口に相当する作動媒体吸入口（１５）から
作動媒体を膨張させる作用室内に吸入し、作動媒体を膨
張させるようにしている。その噴口は、スクリューロー
タ（１３，１４）の端面に向かって回転軸線方向に開口
し、スクリュータービン（４）の内部容積比により形状
が決められている。したがって、作動媒体は限られた面
積の噴口を通過して作用室に流入することになり、その
際の作動媒体の損失が大きくなり、膨張効率の低下を招
いていた。

【００１６】そこで、この発明の目的は、作動媒体の吸
入による損失を小さくすることにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】この発明によるスクリュ
ータービンは、流体の吸入口および吐出口を有するケー
シングと、ケーシング内に回転自在に収納され互いに噛
み合ったスクリュー状の雄ロータおよび雌ロータとから
なり、前記吸入口の内端を雄ロータおよび雌ロータの高
圧側端部付近の外周面に向かって開口させたことを特徴
とする。

【００１８】吸入口の内端を雄ロータおよび雌ロータの
外周面に向かって開口させることにより、作動媒体をロ
ータ噛合い部に直接流入させることができる。したがっ
て、従来のように限られた面積の噴口を経て作用室に流
入するのに比べて作動媒体の流入損失が少なくなる。

【００１９】また、この発明によるバイナリー発電装置
は、上記構成のスクリュータービンと、前記スクリュー
タービンに供給する作動媒体を蒸発させるための蒸発器
と、スクリュータービンに供給する潤滑油を加熱するた
めの加熱器と、スクリュータービンから排出された気・
液混合流体を、それぞれに分離する手段と、分離した作
動媒体を凝縮・液化させるための凝縮器と、上記作動媒
体および潤滑油を、それぞれ循環させるための２つのポ
ンプとによって構成し、前記スクリュータービンによっ
て発電機を駆動するようにしたものである。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照してこの発明の
実施の形態を説明する。なお、説明の簡略化のため、添
付図面中、従来例を示すものを含めたすべての図を通じ
て、実質上同等の要素には同じ符号を付してある。

【００２１】図１ないし図３はスクリュータービンの構
成を例示する断面図、図４は一部を破断した斜視図であ
る。図示するようにスクリュータービン（４）は吸入口
（１５）および吐出口（１６）を有するケーシング（１
０）と、ケーシング（１０）内に回転自在に収納された
雄スクリューロータ（１３）および雌スクリューロータ
（１４）とによって構成されている。雄スクリューロー
タ（１３）と雌スクリューロータ（１４）とは相互に回
転軸が平行であり、かつ、両者の歯形が互いに噛み合っ
て回転するようになっている。

【００２２】雄スクリューロータ（１３）および雌スク
リューロータ（１４）の外周は、ケーシング（１０）の
内壁によって囲繞されている。図５及び図６にケーシン
グ内壁面の展開図を示す。雄スクリューロータ（１３）
と雌スクリューロータ（１４）の噛合いによって両者と
ケーシング内壁（端板を含む）との間に生じる歯形空間
（作用室）は、両スクリューロータが回転して噛合いが
吸入側（高圧側）から吐出側（低圧側）へ移動するに従
って容量が増大するように、両スクリューロータ（１
３，１４）の歯形形状を設定してある。

【００２３】吸入口（１５）はケーシング（１０）の一
端に取り付けた高圧側端板（１１）に設けてあり、その
内端（１５ａ）がスクリューロータ（１３，１４）の高
圧側端部付近においてスクリューロータ（１３，１４）
の外周面に向かって開口している。したがって、スクリ
ュータービン（４）の吸入口（１５）に供給された作動
媒体は、吸入口の内端（１５ａ）から、雄スクリューロ
ータ（１３）と雌スクリューロータ（１４）とケーシン
グ内壁（端板を含む）との間に形成された歯形空間内に
直接流入し、同空間の容積を押し拡げるように作用し、
そのため雄スクリューロータ（１３）および雌スクリュ
ーロータ（１４）を回転させ、この間で動力回収が行わ
れる。

【００２４】歯形空間から流出した排気は、ケーシング
（１０）に設けられた吐出口（１６）に導かれ、そこか
ら排出される。

【００２５】また、吸入口（１５）の任意の位置には、
加熱された潤滑油を噴出するための潤滑油噴射ノズル
（１７）が設けてある。この潤滑油は雄・雌スクリュー
ロータ（１３，１４）相互およびケーシング内壁・端板
との摺動面の潤滑ならびに各部のシール作用を行うと同
時に、吸入口（１５）からケーシング（１０）内に供給
される作動媒体と直接接触して作動媒体を加熱する。

【００２６】上記構成のスクリュータービンは、図７を
参照して既に述べたようなバイナリー発電装置において
作動媒体の膨張機関として用いることができる。

【００２７】同図中、（２）は温排水等の熱源により作
動媒体を加熱し蒸発させるための熱交換器（Ｓ）に設け
られた蒸発器、（３）は、スクリュータービン（４）に
供給する潤滑油を加熱するための加熱器で、前記潤滑油
は蒸発器（２）内で生成した作動媒体と同程度に加熱さ
れる。

【００２８】加熱器（３）の熱源には、図示のように蒸
発器（２）に供給するのと同じ熱源を用いてもよいし、
他の熱源を用いてもよい。（４）は、蒸発器（２）内で
生成した作動媒体と、加熱器（３）内で作動媒体と同程
度に加熱された潤滑油とが供給されるスクリュータービ
ンである。

【００２９】（９）は、スクリュータービン（４）の出
力軸に連結した発電機、（７）は、スクリュータービン
（４）の吐出口（１６）から排出される作動媒体と潤滑
油とを分離するための分離タンク、（８）は、分離タン
ク（７）によって分離された作動媒体蒸気を凝縮するた
めの熱交換器（Ｓ２）に設けた凝縮器であり、この熱交
換器（Ｓ２）には海水などの冷却水が供給される。

【００３０】（Ｐ１）は、気・液分離した作動媒体を蒸
発器（２）、スクリュータービン（４）、分離タンク
（７）および凝縮器（８）間の閉回路内で循環させるた
めの作動媒体ポンプ、（Ｐ２）は、潤滑油を加熱器
（３）、スクリュータービン（４）および分離タンク
（７）間の閉回路内で循環させるための潤滑油ポンプで
ある。

【００３１】発電を行うには、熱源となる例えば温排水
を熱交換器（Ｓ１）の蒸発器（２）および加熱器（３）
に供給すると同時に、熱交換器（Ｓ２）内の凝縮器
（８）に冷却水を供給する。この状態で作動媒体ポンプ
（Ｐ１）および潤滑油ポンプ（Ｐ２）を駆動させ、作動
媒体および潤滑油を循環させる。

【００３２】すると作動媒体ポンプ（Ｐ１）から吐出さ
れ蒸発器（２）に送られた液相の作動媒体は、蒸発器
（２）内で温排水によって加熱され、蒸気となってスク
リュータービン（４）の吸入口（１５）に送られる。

【００３３】また、潤滑油ポンプ（Ｐ２）から吐出され
加熱器（３）に送られた潤滑油も、加熱器（３）内で温
排水によって上述した作動流体蒸気よりも高温に加熱さ
れた後、スクリュータービンの吸入口（１５）付近に穿
設したノズル（１７）に供給され、ノズル先端から吸入
口（１５）内に噴射される。

【００３４】したがって、スクリュータービン（４）の
吸入口（１５）に供給された作動媒体は、高温に加熱さ
れた潤滑油と直接接触し、スクリュータービン（４）の
雄スクリューロータ（１３）と雌スクリューロータ（１
４）との噛合いによって両者とケーシング（端板を含
む）内壁との間に生じる歯形空間（作用室）に潤滑油と
共に流入する。

【００３５】そして、歯形空間内で作動媒体が膨張する
ことにより、前記歯形空間を押し広げるように作用する
結果、雄スクリューロータ（１３）と雌スクリューロー
タ（１４）とを回転させた後、作動媒体および潤滑油は
スクリュータービン（４）の吐出口（１６）から流出
し、分離タンク（７）へ流入する。

【００３６】上述のようにしてスクリュータービン
（４）の雄スクリューロータ（１３）と雌スクリューロ
ータ（１４）とが回転すると、スクリュータービン
（４）の出力軸と連結している発電機（９）も回転する
ため、発電が行われる。

【００３７】また、分離タンク（７）に流入した作動媒
体と潤滑油とはタンク（７）内で分離される。そして、
作動媒体は熱交換器（Ｓ２）の凝縮器（８）に送られ、
凝縮器（８）で冷却水によって冷却されて凝縮し、凝縮
液となった後、作動媒体ポンプ（Ｐ１）を通って再び蒸
発器（２）に送出される。一方、分離タンク（７）内で
蒸気から分離された潤滑油は同タンクから排出され、潤
滑油ポンプ（Ｐ２）によって再び加熱器（３）に送られ
加熱される。

【００３８】上記した操作を連続的に繰返すことによ
り、温排水等の熱源からの動力回収が行われる。

【００３９】

【発明の効果】上述したように、この発明のスクリュー
タービンは、吸入口の内端を雄ロータおよび雌ロータの
高圧側端部付近の外周面に向かって開口させることによ
り、作動媒体をロータ噛合い部すなわち歯形空間（作用
室）に直接流入させることができるため、従来のように
限られた面積の噴口を経てから歯形空間（作用室）に流
入するのに比べて作動媒体の吸入による損失が相当少な
くなり、膨張効率が向上する。

【００４０】また、バイナリー発電装置の作動媒体の膨
張機関としてこのような構成のスクリュータービンを採
用することにより、スクリュータービンの膨張効率が向
上するためバイナリー発電装置の出力が増大する。

【図面の簡単な説明】

【図１】雄スクリューロータの回転軸を含む平面で切断
したスクリュータービンの断面図。

【図２】雄スクリューロータの回転軸及び雌スクリュー
ロータの回転軸を含む平面で切断したスクリュータービ
ンの断面図。

【図３】スクリューロータの回転軸に垂直な平面で切断
したスクリュータービンの断面図。

【図４】スクリュータービンの概略斜視図。

【図５】雄スクリューロータを収容するケーシング内壁
面の展開図。

【図６】雌スクリューロータを収容するケーシング内壁
面の展開図。

【図７】スクリュータービンを膨張機関として使用した
バイナリー発電装置の系統図。

【図８】従来例を示すスクリュータービンの断面図。

【符号の説明】

２ 蒸発器 ３ 加熱器 ４ スクリュータービン ７ 分離タンク ８ 凝縮器 ９ 発電機 10 ケーシング 13 雄スクリューロータ 14 雌スクリューロータ 15 吸入口 15ａ 内端 16 吐出口 17 潤滑油噴射ノズル

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 流体の吸入口および吐出口を有するケー
   シングと、ケーシング内に回転自在に収納され互いに噛
   み合ったスクリュー状の雄ロータおよび雌ロータとから
   なり、前記吸入口の内端を雄ロータおよび雌ロータの高
   圧側端部付近の外周面に向かって開口させたことを特徴
   とするスクリュータービン。
2. 【請求項２】 請求項１のスクリュータービンと、前記
   スクリュータービンに供給する作動媒体を蒸発させるた
   めの蒸発器と、スクリュータービンに供給する潤滑油を
   加熱するための加熱器と、スクリュータービンから排出
   された気・液混合流体をそれぞれに分離する手段と、分
   離した作動媒体を凝縮・液化させるための凝縮器と、上
   記作動媒体および潤滑油をそれぞれ循環させるための２
   つのポンプとによって構成し、前記スクリュータービン
   によって発電機を駆動するようにしたことを特徴とする
   バイナリー発電装置。