JP5597589B2

JP5597589B2 - スクリュ膨張機

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Publication number: JP5597589B2
Application number: JP2011093019A
Authority: JP
Inventors: 昇壷井; 昌義松村
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2011-04-19
Filing date: 2011-04-19
Publication date: 2014-10-01
Anticipated expiration: 2031-04-19
Also published as: JP2012225241A; KR20130137684A; WO2012144308A1; CN103492675A; KR101511890B1; CN103492675B

Description

本発明はスクリュ膨張機に関する。

水蒸気のフラッシュによって発電機を駆動する発電システムが広く導入されているが、従来は、ターボ型や軸流型のタービンを用いた大規模な設備が多かった。しかしながら、昨今、省エネルギーの観点から、排熱を回収して発電を行う小規模な発電システムへのニーズが高まっている。

小規模な設備では、例えば非特許文献１に記載されているように、タービンに代えてスクリュ膨張機を用いる方が効率的であることが知られている。一般的に、スクリュ膨張機では、ロータ室内の空間をスクリュロータによって分割してなる膨張空間の給気時の容積と排気時の容積との比が機械的形状によって定められるため、給気流路から隔離された瞬間（膨張開始時）の膨張空間内の圧力と排気流路に連通する瞬間（膨張完了時）の膨張空間内の圧力と比である内部膨張比が一定である。

このため、非特許文献１に記載されているように、スクリュ膨張機の内部膨張比が給気側の圧力と排気側の圧力との比である運転膨張比と一致しない場合には、損失が生じる。具体的には、スクリュ膨張機において、内部膨張比が運転膨張比よりも大きく、膨張完了時の膨張空間内の圧力が排気流路の圧力よりも低くなる場合には、スクリュロータの回転力が低減されるように負の力（負の仕事）が作用し、損失が生じる。

スクリュ膨張機の内部膨張比を調整する手段として、特許文献１に記載されているように、スライド弁によって排気位置を変化させる方法がある。しかしながら、特許文献１は、いかなる情報に基づいてどのようにスライド弁を調整すれば、内部膨張比と運転膨張比との不一致により生じる損失を低減できるかを具体的に明らかにはしていない。

また、フラッシュ発電が利用できないような低温の熱によって発電するシステムとして、例えば特許文献２に記載されているように、低沸点の作動媒体（作動媒体）によってタービンや膨張機（エキスパンダ）を駆動するバイナリー発電システムがある。バイナリー発電システムは原理的に発電効率が低いため、地熱発電のように水蒸気をフラッシュさせられない温度ではあるが大容量の熱源があるような場合を除いて、殆ど実用化には至っていない。

しかしながら、小型のバイナリー発電システムを安価に提供できれば、従来、全く利用されていなかった熱、例えば、内燃エンジンのシリンダブロックの冷却のために廃棄されていた熱を電気エネルギーとして回収することも可能になる。そのような発電システムに経済的な合理性を与えるためには、スクリュ膨張機の効率化が非常に重要である。

排熱を回収するバイナリー発電システムでは、スクリュ膨張機の給気圧力は、スクリュ膨張機の上流側に配される蒸発機に供給される余剰蒸気等の加作動媒体体の熱量（排熱）に大きく依存して決定される一方、スクリュ膨張機の排気圧力は、スクリュ膨張機の下流側に配される凝縮機に供給される冷却水等の冷却媒体の熱量（冷熱）に大きく依存して決定される。したがって、バイナリー発電システムでは、上述の内部膨張比と運転膨張比との不一致により生じる損失が発生しやすいという問題がある。

特開昭６２−６０９０２号公報特開昭６０−１４４５９４号公報

金子達司、平山直道、「スクリュ膨張機の基本性能に関する研究」日本機械学会論文集（Ｂ編）、昭和６０年１月、第５１巻、第４６１号、ｐ．１３４−１４２

前記問題点に鑑みて、本願発明は、内部膨張比と運転膨張比との不一致により生じる損失、特に膨張完了時の膨張空間内の圧力が排気流路の圧力よりも低くなる場合に生じる損失を低減し得るスクリュ膨張機を提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明によるスクリュ膨張機は、ケーシング内に形成したロータ室に互いに咬合する雌雄一対のスクリュロータを収容し、前記ロータ室内の空間を前記スクリュロータで区分することにより前記スクリュロータの回転にしたがって容積が増大する膨張空間を形成し、給気流路から高圧の気体を前記膨張空間に供給し、前記膨張空間内で前記気体を膨張させることによって前記スクリュロータを回転させ、排気流路に膨張した低圧の前記気体を排気するスクリュ膨張機であって、前記排気流路に連通する直前における前記膨張空間の圧力を検出する内部排気圧力検出器と、前記排気流路の圧力を検出する運転排気圧力検出器と、前記給気流路および前記排気流路から隔離され得る位置における前記膨張空間と前記給気流路とを連通させるバイパス流路と、前記バイパス流路を遮断し得るバルブ機構であって、前記膨張空間および前記バイパス流路に連通する機能端面を有し、前記機能端面と反対側において、給気弁を介して前記給気流路に連通し、且つ、排気弁を介して前記排気流路に連通する柱状空間と、前記柱状空間内に嵌装され、前記機能端面に当接することより前記膨張空間と前記バイパス流路とを隔離できるピストンとを備えるバルブ機構と、前記内部排気圧力検出器の検出値と前記運転排気圧力検出器の検出値とに基づいて、前記バルブ機構を制御する制御装置とを有し、前記制御装置は、前記内部排気圧力検出器の検出値が前記運転排気圧力検出器の検出値以上であるときは、前記給気弁を開いて前記排気弁を閉じることにより前記バルブ機構に前記バイパス流路を閉鎖させ、前記内部排気圧力検出器の検出値が前記運転排気圧力検出器の検出値よりも小さいときは、前記給気弁を閉じて前記排気弁を開くことにより前記バルブ機構に前記バイパス流路を開放させるものとする。

この構成によれば、給気流路に連通している位置における膨張空間の圧力は給気流路の圧力と等しいため、前記内部排気圧力検出手段の検出値が前記運転排気圧力検出手段の検出値よりも小さいときは、内部膨張比が運転膨張比よりも大きく、気体が過剰に膨張している。その場合、バイパス流路を開放することで、給気流路に連通している位置よりも容積が増大した膨張空間に給気流路から高圧の気体を供給することで、実質的に、内部膨張比を低下させる。これにより、内部膨張比と運転膨張比との差によって生じる損失を低減する。

また、前記構成によれば、給気流路の圧力および排気流路の圧力によってバルブ機構を駆動するので、バルブ機構のための駆動源が不要である。

また、本発明のスクリュ膨張機において、前記機能端面は、前記ロータ室の給気側端面の辺縁に開口してもよい。

この構成によれば、一般的な分割構成のケーシングに、比較的容易にバルブ機構を組み込むことができ、スクリュ膨張機が大型化しない。

本発明の第１実施形態のスクリュ膨張機の軸方向部分断面図である。図１のスクリュ膨張機の軸直角方向部分断面図である。図１のスクリュ膨張機のバルブ機構閉時のスクリュロータ展開図である。図１のスクリュ膨張機のバルブ機構開時のスクリュロータ展開図である。図１のスクリュ膨張機を有するバイナリー発電システムの構成図である。本発明の第２実施形態のスクリュ膨張機を有するバイナリー発電システムの構成図である。

これより、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１に、本発明の第１実施形態であるスクリュ膨張機１を示す。

スクリュ膨張機１は、ケーシング２内に形成したロータ室３に、互いに咬合する雌雄一対のスクリュロータ４，５を収容してなる膨張機本体６を有する。ロータ室３には、外部流路７が接続された給気流路８から高圧の気体が供給される。そして、ロータ室３からは、排気流路９を介して気体が排気される。

スクリュロータ４，５は、その歯によってロータ室３内の空間を区分し、給気流路８と排気流路９との間に複数の膨張空間を画定する。膨張空間は、スクリュロータ４，５の回転にしたがって、給気流路８から排気流路９に向かって、次第に容積が増大する。このため、給気流路８から膨張空間に供給された高圧の気体は、膨張空間の中で膨張することにより、スクリュロータ４，５を回転させる。したがって、排気流路９には、圧力が低下した気体が排気される。

また、スクリュ膨張機１は、ケーシング２のロータ室３の給気側端面を封止する部分に、バルブ機構１０が形成されている。バルブ機構１０は、ロータ室３の辺縁に開口するように、ケーシング２に形成した柱状空間１１と、柱状空間１１内に摺動可能に嵌装されたピストン１２とを有する。

ここでは、柱状空間１１のロータ室３に開口する端面を、機能端面１１ａと呼ぶ。機能端面１１ａは、膨張空間に開口するとともに、ロータ室３の径方向外側のケーシング２に軸方向に延伸して形成されたバイパス流路１３にも開口している。膨張空間とバイパス流路１３とは、柱状空間１１を介して連通するが、ピストン１２が機能端面１１ａに密接することで隔離される。

バイパス流路１３は、接続流路１４を介して外部流路７に接続されることにより、給気流路８に連通している。つまり、バイパス流路１３は、給気流路８と、該給気流路８から隔離され得る位置にある膨張空間とを連通させるが、バルブ機構１０によって遮断され得る。

また、柱状空間１１は、機能端面１１ａと反対側の駆動部１１ｂにおいて、操作流路１５が接続されている。操作流路１５には、給気弁１６を介して接続流路１４（ひいては給気流路８）に連通する高圧流路１７と、排気弁１８を介して排気流路９に連通する低圧流路１９とが接続されている。

図２に、ロータ室３の給気側端面におけるスクリュ膨張機１の軸直角方向の断面を示す。図示するように、柱状空間１１が連通する圧縮空間は、スクリュロータ５の歯によって給気流路８から隔離された歯溝内の空間である。しかしながら、柱状空間１１が連通する圧縮空間は、スクリュロータ５の回転角度によっては、給気流路８に連通し得る。

さらに、図１に示すように、スクリュ膨張機１は、排気流路９に連通する直前の膨張空間の圧力（内部排気圧力Ｐｆ）を検出する内部排気圧力検出器２０と、排気流路９に連通する低圧流路１９において実質的に排気流路９の圧力（運転排気圧力Ｐｄ）を検出する運転排気圧力検出器２１と、内部排気圧力検出器２０の検出値Ｐｆおよび運転排気圧力検出器２１の検出値Ｐｄが入力され、吸気弁１５および排気弁１８の開閉を制御する制御装置２２とを有する。

図には、以後の説明を分かりやすくするために、接続流路１４における圧力、つまり、実質的に給気流路８の圧力である給気圧力Ｐｓを検出する給気圧力検出器２３を図示しているが、実際の構成において必ずしも必要な要素ではない。また、運転排気圧力検出器２１は、排気流路９または排気流路９に接続された流路に設けてもよい。

内部排気圧力Ｐｆは、給気圧力Ｐｓと、給気流路８から隔離された瞬間の膨張空間の容積に対する排気流路９に接続される瞬間の膨張空間の容積の比と、気体の物性とによって決定される。一方、運転排気圧力Ｐｄは、排気流路９に接続される外部の流路の圧力と等しくなる。

制御装置２２は、内部排気圧力検出器２０の検出値Ｐｆが運転排気圧力検出器２１の検出値Ｐｄよりも小さいときには、給気弁１６を閉じて排気弁１８を開く。すると、柱状空間１１の駆動部１１ｂは、圧力が排気圧力Ｐｄと等しくなり、給気流路８と同じ圧力Ｐｓのバイパス流路１３と、給気流路８と同じ圧力Ｐｓまたは気体が少し膨張して僅かにＰｓより低い圧力の膨張空間とに連通する機能端面１１ａの圧力よりも低くなる。これにより、ピストン１２は、機能端面１１ａから離れる方向に移動し、バイパス流路１３と膨張空間との連通を確保して、バイパス流路１３から膨張空間に気体が流入できるようにする。すると、膨張空間がスクリュロータ５の歯によって給気流路８から隔離されているときにも、膨張空間内の圧力が給気圧力Ｐｓに維持される。

制御装置２２は、内部排気圧力検出器２０の検出値Ｐｆが運転排気圧力検出器２１の検出値Ｐｄ以上であるときには、給気弁１６を開いて排気弁１８を閉じる。すると、柱状空間１１の駆動部１１ｂは、圧力が給気圧力Ｐｓと等しくなる。膨張空間がスクリュロータ５の歯によって給気流路８から隔離されているとき、膨張空間内の気体は、僅かに膨張して給気圧力Ｐｓから圧力が低下している。これにより、柱状空間１１の機能端面１１ａ側の圧力が、駆動部１１ｂ側の圧力よりも若干低くなり、ピストン１２を機能端面１１ａに向かって移動させる。ピストン１２は、機能端面１１ａに当接すると、機能端面１１ａを封止して、バイパス流路１３と膨張空間とを隔離する。これにより、スクリュ膨張機１は、バイパス流路１３のない通常の膨張機と同じ構成となる。

図３に、バルブ機構１０を閉鎖（ピストン１２で機能端面１１ａを封止）した状態のスクリュロータ４，５の展開図を示す。給気流路８からは、スクリュロータ４，５の歯溝に給気圧力Ｐｓの気体が供給される。スクリュロータ４，５の歯溝がケーシング２によって給気流路８から隔離された瞬間の歯溝の容積Ｖｓ１が、スクリュ膨張機１において圧力Ｐｓの気体が膨張を開始する時点の容積である。そして、吐出側のケーシング２から解放されて、排気流路９に連通する瞬間の歯溝の容積Ｖｄが、気体が膨張を終了する時点の容積である。そしてこの容積の比Ｖｉ＝Ｖｄ／Ｖｓ１と内部膨張比πｉとの間には、気体の比熱比をＫで示すと、Ｖｉ＝πｉ^１／Ｋの関係がある。

図４に、バルブ機構１０を開放（ピストン１２を駆動部１１ｂ側に移動）した状態のスクリュロータ４，５の展開図を示す。この場合、給気流路８から隔離されても、バルブ機構１０に連通している歯溝には、バイパス流路１３を介して給気圧力Ｐｓの気体が供給される。つまり、バルブ機構１０を開くと、実質的に給気流路８を拡大したのと同じ効果がある。したがって、バルブ機構１０から隔離された瞬間の歯溝の容積Ｖｓ２がスクリュ膨張機１において圧力Ｐｓの気体が膨張を開始する時点の容積である。気体が膨張を終了する時点の容積Ｖｄは、バルブ機構１０を閉鎖した場合と同じである。

スクリュ膨張機１では、内部排気圧力検出器２０の検出値Ｐｆが運転排気圧力検出器２１の検出値Ｐｄよりも小さいときには、バルブ機構１０を開放して、実質的に給気流路８を拡大した状態とすることで、内部膨張比を小さくする。これにより、内部排気圧力Ｐｆを運転排気圧力Ｐｄよりも高くし、膨張空間から排気流路９に流出する際に気体を再圧縮することによって生じる損失を防止する。つまり、内部膨張比πｉを運転膨張比Ｐｓ／Ｐｄに近づけて熱エネルギーの回転エネルギーへの変換効率を高める。

また、スクリュ膨張機１は、簡素なバルブ機構１０により内部膨張比πｉを変化させるので、装置が大きくならず、比較的安価に提供できる。

図５に、本実施形態のスクリュ膨張機１を使用したバイナリー発電システムの構成を示す。バイナリー発電システムは、スクリュ膨張機１、凝縮器２４、ポンプ２５および蒸発器２６を介設してなる作動媒体循環流路２７に、例えばＲ２４５ｆａのような作動媒体を封入してなるランキンサイクル熱機関である。作動媒体循環流路２７の一部が、スクリュ膨張機１の上流側部分が、前記外部流路７である。また、スクリュ膨張機１の出力軸には、発電機２８が接続されている。

凝縮器２４は、スクリュ膨張機１から排気された低圧の作動媒体を、外部から供給される冷却媒体（例えば、河川やクーリングタワーから供給される安価な冷却水）によって冷却して凝縮させる熱交換器である。ポンプ２５は、凝縮器２４において液体になった作動媒体を加圧して蒸発器２６に供給する。蒸発器２６は、外部から供給される加熱媒体（例えば、坑井から採取される蒸気やボイラで製造した蒸気）で加熱して蒸発させる。蒸発器２６で蒸発して高圧の気体となった作動媒体は、スクリュ膨張機１に供給され、スクリュ膨張機１を駆動する。バイナリー発電システムは、このスクリュ膨張機１の回転力によって発電機２８を回して発電する。

本実施形態のバイナリー発電システムでは、加熱媒体や冷却媒体から供給される熱量が変化して給気圧力Ｐｓや排気圧力Ｐｄが変化したとしても、スクリュ膨張機１がバルブ機構１０を操作し、膨張空間から排気流路９に流出する際に作動媒体を再圧縮することによって生じる損失を防止するので、発電効率を高く維持することができる。

続いて、図６に、本発明の第２実施形態のスクリュ膨張機１ａを有するバイナリー発電システムを示す。本実施形態に関し、第１実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付して重複する説明を省略する。

スクリュ膨張機１ａは、２つの膨張機本体６ａ，６ｂが直列に接続されてなる。本実施形態において、膨張機本体６ａ，６ｂの給気流路から隔離され得る位置の膨張空間と給気流路とを接続するバイパス流路１３ａ，１３ｂは、外部配管により構成され、バイパス流路１３ａ，１３ｂを遮断し得るバルブ機構１０ａ，１０ｂは、外部配管に設けられ、制御装置２２の制御電圧で駆動可能なモータバルブである。

また、スクリュ膨張機１ａは、１段目の膨張機本体６ａの排気流路と２段目の膨張機本体６ｂの給気流路とを中間圧力流路２９で接続している。そして、スクリュ膨張機１ａは、１段目の膨張機本体６ａの排気流路に連通する直前の膨張空間の圧力Ｐｆ１を検出する第１段内部排気圧力検出器２０ａと、１段目の膨張機本体６ａの運転排気圧力であり、２段目の膨張機本体６ｂの給気圧力でもある中間圧力流路２９の圧力（中間圧力Ｐｍ）を検出する第１段運転排気圧力検出器２１ａと、２段目の膨張機本体６ｂの排気流路に連通する直前の膨張空間の圧力Ｐｆ２を検出する第２段内部排気圧力検出器２０ｂと、２段目の膨張機本体６ｂの排気流路の直後の作動媒体循環流路２７において実質的に２段目の膨張機本体６ｂの運転排気圧力Ｐｄを検出する第２段運転排気圧力検出器２１ｂとを有する。

本実施形態の制御装置２２は、第１段内部排気圧力検出器２０ａの検出値Ｐｆ１が、第１段運転排気圧力検出器２１ａの検出値Ｐｍ以上であるときには、バルブ機構１０ａを閉鎖し、第１段内部排気圧力検出器２０ａの検出値Ｐｆ１が、第１段運転排気圧力検出器２１ａの検出値Ｐｍより小さいときには、バルブ機構１０ａを開放して、１段目の圧縮機本体６ａの内部膨張比を低下させる。

また、制御装置２２は、第２段内部排気圧力検出器２０ｂの検出値Ｐｆ２が、第２段運転排気圧力検出器２１ｂの検出値Ｐｄ以上であるときには、バルブ機構１０ｂを閉鎖し、第２段内部排気圧力検出器２０ｂの検出値Ｐｆ２が、第２段運転排気圧力検出器２１ｂの検出値Ｐｄより小さいときには、バルブ機構１０ｂを開放して、２段目の圧縮機本体６ｂの内部膨張比を低下させる。

このように本発明は、１段の膨張機本体で構成されたスクリュ膨張機だけではなく、２段の膨張機本体で構成されたスクリュ膨張機にも適用できる。また、本発明のスクリュ膨張機を使用すれば、バイナリー発電装置の発電効率を高めることができる。

１，１ａ…スクリュ膨張機
２…ケーシング
３…ロータ室
４，５…スクリュロータ
６，６ａ，６ｂ…膨張機本体
７…外部流路
８…給気流路
９…排気流路
１０，１０ａ，１０ｂ…バルブ機構
１１…柱状空間
１１ａ…機能端面
１１ｂ…駆動部
１２…ピストン
１３，１３ａ，１３ｂ…バイパス流路
１４…接続流路
１５…操作流路
１６…給気弁
１７…高圧流路
１８…排気弁
１９…低圧流路
２０…内部排気圧力検出器
２０ａ…第１段内部排気圧力検出器
２０ｂ…第２段内部排気圧力検出器
２１…運転排気圧力検出器
２１ａ…第１段内部排気圧力検出器
２１ｂ…第２段内部排気圧力検出器
２２…制御装置

Claims

ケーシング内に形成したロータ室に互いに咬合する雌雄一対のスクリュロータを収容し、前記ロータ室内の空間を前記スクリュロータで区分することにより前記スクリュロータの回転にしたがって容積が増大する膨張空間を形成し、給気流路から高圧の気体を前記膨張空間に供給し、前記膨張空間内で前記気体を膨張させることによって前記スクリュロータを回転させ、排気流路に膨張した低圧の前記気体を排気するスクリュ膨張機であって、
前記排気流路に連通する直前における前記膨張空間の圧力を検出する内部排気圧力検出器と、
前記排気流路の圧力を検出する運転排気圧力検出器と、
前記給気流路および前記排気流路から隔離され得る位置における前記膨張空間と前記給気流路とを連通させるバイパス流路と、
前記バイパス流路を遮断し得るバルブ機構であって、前記膨張空間および前記バイパス流路に連通する機能端面を有し、前記機能端面と反対側において、給気弁を介して前記給気流路に連通し、且つ、排気弁を介して前記排気流路に連通する柱状空間と、前記柱状空間内に嵌装され、前記機能端面に当接することより前記膨張空間と前記バイパス流路とを隔離できるピストンとを備えるバルブ機構と、
前記内部排気圧力検出器の検出値と前記運転排気圧力検出器の検出値とに基づいて、前記バルブ機構を制御する制御装置とを有し、
前記制御装置は、前記内部排気圧力検出器の検出値が前記運転排気圧力検出器の検出値以上であるときは、前記給気弁を開いて前記排気弁を閉じることにより前記バルブ機構に前記バイパス流路を閉鎖させ、前記内部排気圧力検出器の検出値が前記運転排気圧力検出器の検出値よりも小さいときは、前記給気弁を閉じて前記排気弁を開くことにより前記バルブ機構に前記バイパス流路を開放させることを特徴とするスクリュ膨張機。
前記機能端面は、前記ロータ室の給気側端面の辺縁に開口することを特徴とする請求項１に記載のスクリュ膨張機。