スクロール膨張機

本発明は、駆動スクロール体と従動スクロール体とが同期回転する両回転型スクロール膨張機に関する。

従来の発電システムは、数百kW以上の大型プラントが主で、小型発電は簡易構造のエンジン発電機等が主流であった。しかし、最近では、省エネ志向が浸透し、再生エネルギー特措法が成立するなど、小型発電のニーズと市場は広がりつつある。一方、太陽光発電や風力発電は、未だ費用対効果が向上していない。他方、75〜150℃のお湯や蒸気を熱源に用い、低沸点の作動媒体を介して小型発電機を駆動させるバイナリー発電システムが開発されている。

このような動きの中で、スクロール膨張機は、膨張室に高圧の作動媒体を供給して駆動軸の回転トルクを得るものであるが、トルク変動が少ないことから、小型発電システムに好適な膨張機として注目されてきている。スクロール型流体機械は、一対のスクロール体の端板と螺旋形状のラップとで圧縮室や膨張室を形成するものである。特許文献1には、一方が固定スクロール体で、他方が旋回スクロール体であり、固定スクロール体に対して旋回スクロール体を旋回させて、膨張室を形成する片側旋回方式のスクロール膨張機が開示されている。かかる構成のスクロール型流体機械では、動的シールとなるので、膨張室を形成する端板やラップの接触部位で騒音や摩耗が激しくなる傾向がある。これによって、膨張室のシール性が損なわれるおそれがある。

特許文献2には、両回転型スクロール型流体機械が開示されている。両回転型スクロール型流体機械は、駆動スクロール体と従動スクロール体とを連動機構を介して同期回転させることで、接触部位での騒音や摩耗を低減可能にしている。両回転型では、駆動スクロール体に対して従動スクロール体を偏心回転させて圧縮室や膨張室を形成している。

特許文献2に開示された両回転型スクロール型流体機械は、従動スクロール体の端板の両面に圧縮室又は膨張室を形成した、所謂「ダブルラップ・スクロール構造」を有している。このように、両側に圧縮室又は膨張室を形成することで、作動流体の処理容量や出力(回転トルク)を増加できる。また、駆動スクロール体や従動スクロール体に加わるスラスト方向荷重を相殺できるため、駆動スクロール体や従動スクロール体の支持構造を簡素化できるという利点がある。

特開2009−299653号公報

特開平6−341381号公報

しかし、両回転型スクロール膨張機の場合、駆動スクロール体及び従動スクロール体を同期回転させるため、片側旋回方式と比べて、大きな駆動力を必要とする。そのため、高出力を得るためには、膨張室に供給する前の作動媒体の漏れや温度低下による事前膨張を防いで膨張室に供給する必要がある。しかし両回転型では、片側旋回方式と比べて、前記条件に合致した作動媒体供給路の確保は容易ではない。

特許文献2に開示された両回転型スクロール型流体機械は、駆動軸が軸方向で2つに分断されている。そのため、分断された2つの駆動軸の軸心合わせが面倒になるという問題がある。また、スクロール膨張機として用いる場合、分断された一方の駆動軸に設けられた高圧流体導入孔からまず一方の膨張室に高圧の作動媒体が供給され、次に、膨張室の隔壁に設けられた孔を通して他方の膨張室へ作動媒体を供給する構成であるため、作動媒体が該孔を通る際に圧力損失が発生し、作動媒体が両膨張室に均等に供給されないという問題がある。また、従動スクロール体は、膨張室形成部を覆うハウジングを備えているので、重量が大きくなり、従動スクロール体を回転させるのに大きな駆動力を必要とする。

本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、両回転型でかつダブル膨張室を有するスクロール膨張機において、駆動軸の軸心合わせを不要にすると共に、作動媒体の漏れや温度低下による事前膨張のない作動媒体供給路を形成し、かつダブル膨張室に作動媒体を均等に供給可能にすることを目的とする。

かかる目的を達成するため、本発明のスクロール膨張機は、駆動軸と、該駆動軸に一体に設けられた駆動スクロール体と、該駆動軸の回転軸に対して偏心した回転軸線を有する従動スクロール体と、動スクロール体と該従動スクロール体とを同期回転させる連動機構と、駆動軸及び従動スクロール体を固定フレームに回転自在に支持する軸受とで構成されている。前記連動機構によって駆動スクロール体と従動スクロール体とは同期回転する。

さらに、駆動スクロール体は、従動スクロール体の両側に配置される2枚の第1の端板と、該2枚の第1の端板から内方へ突出する螺旋形状の第1のラップとを有し、従動スクロール体は、駆動スクロール体の2枚の第1の端板間に配置された第2の端板と、第2の端板の両面から突出する第2のラップとを有している。駆動スクロール体及び従動スクロール体の端板とラップとで第2の端板の両側に、中心部から半径方向に向かう膨張室を形成している。このように、ダブル膨張室を形成することで、出力(回転トルク)を増大できると共に、駆動スクロール体及び従動スクロール体に加わるスラスト方向荷重を相殺でき、駆動スクロール体及び従動スクロール体の支持構造を簡素化できる。

駆動軸は、ダブル膨張室を貫通した単一の駆動軸で構成され、該駆動軸にダブル膨張室の径方向中心部に開口する作動媒体導入孔が設けられている。このように、駆動軸がダブル膨張室を貫通した単一の駆動軸で構成されているので、軸心合わせを要しない。また、かかる構成の駆動軸に作動媒体導入孔を設けたので、シール性が良くかつ温度低下による事前膨張をなくすことができる。また、ダブル膨張室に設けられる作動媒体導入孔の開口の位置決めが容易になると共に、開口位置を適宜選択することで、両膨張室へ作動媒体を均等に供給できる。

本発明において、従動スクロール体は、前記軸受に回転支持されるボス部と、該ボス部から外側へ延設され、第2の端板に結合されたアームとを備えているとよい。これによって、特許文献2の従動スクロール体に設けられた、膨張室形成部全体を覆うハウジングをなくすことができる。そのため、従動スクロール体の重量を軽減でき、従動スクロール体の回転に要する駆動力を軽減できるので、その分スクロール膨張機の出力を増大できる。

本発明において、従動スクロール体の第2の端板と駆動軸との間に従動スクロール体の偏心運動を許容する隙間を形成し、作動媒体導入孔の開口を該隙間に面しかつ第2の端板を均等に跨いだ位置に配置させるとよい。これによって、1つの開口でダブル膨張室に作動媒体を均等に供給でき、該開口の加工工数を低減できる。

本発明において、駆動スクロール体と従動スクロール体とを同期回転させる連動機構は、駆動スクロール体又は従動スクロール体の一方に回転自在に装着された円筒体と、これらスクロール体の他方に固定された軸体とで構成され、軸体は、円筒体の回転中心に対して偏心した位置に結合され、円筒体に対する軸体の偏心量は駆動軸の回転軸線と従動スクロール体の回転軸線との偏心量と同一となるようにするとよい。

かかる構成の連動機構を用いることで、連動機構を簡素化かつ軽量化できる。そのため、回転部位の構成を簡素化かつ軽量化できる。従って、その分スクロール膨張機の出力を増大できる。

本発明のスクロール膨張機によれば、駆動軸が、ダブル膨張室を貫通した単一の駆動軸で構成されているので、軸心合わせが不要になると共に、該駆動軸に作動媒体導入孔を設けたので、シール性が良くかつ温度低下による事前膨張のない供給路を形成できる。また、ダブル膨張室に設けられる作動媒体導入孔の開口の位置決めが容易になると共に、開口位置を適宜選択することで、両膨張室へ作動媒体を均等に供給できる。

本発明装置の第1実施形態に係るスクロール膨張機の正面視断面図である。

図1中の一部拡大図である。

本発明装置の第2実施形態に係るスクロール膨張機の正面視断面図である。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。

(実施形態1) 本発明装置の第1実施形態を図1及び図2に基づいて説明する。本実施形態のスクロール膨張機は、例えば、前述のバイナリー発電システムに適用可能である。この発電システムでは、加圧された低沸点の作動媒体をスクロール膨張機に導入し、作動流体の膨張力を利用してスクロール膨張機の駆動軸を回転させ、この駆動軸に接続された発電機で発電を行う。図1において、スクロール膨張機10Aのハウジング12は、中空円筒形をなす一対のケーシング12a及び12bで構成されている。ケーシング12a及び12bの端部が互いに突き合わされ、内部に中空空間を形成している。ケーシング12bの端面外周側部位に、膨張後の作動媒体wをハウジング12の外部へ吐出する吐出口14が設けられている。

ケーシング12a及び12bの中心軸線上に開口16及び18が形成され、該開口に円形断面を有し、単一かつ一体の駆動軸20が貫通配置されている。駆動軸20の一端には発電機22が設けられ、駆動軸20の回転によって発電が可能になる。開口16及び18と駆動軸20との間に、シール用のパッキン24が挿入されている。開口16、18付近のハウジング12a、12bには、段部26a、28a及び26b、28bが形成され、これら段部26a、28a及び26b、28bの内側に転がり軸受30a、32a及び30b、32bが配置されている。

駆動軸20には駆動スクロール体34が一体に結合されている。駆動スクロール体34は、一対の分割スクロール体34a及び34bで構成されている。分割スクロール体34aは、環状の端板36aと、端板36aから垂直方向に立設された螺旋形状のラップ38aとで構成され、端板36aの内周縁が駆動軸20に結合されている。分割スクロール体34bは、環状の端板36bと、端板36bから垂直方向に立設された螺旋形状のラップ38bとで構成され、端板36bの内周縁が駆動軸20に結合されている。分割スクロール体34a及び34bの外周部同士はボルト40で結合されている。ラップ38a及び38bの先端には、後述する従動スクロール体42の端板44が挿入可能な間隔が設けられている。

従動スクロール体42は、ラップ38a、38b間に配置される円形の端板44と、端板44の両面から垂直方向へ立設される2つの螺旋形状のラップ46a及び46bと、端板36a、36bの外側で、駆動軸20の周囲に配置されたボス部48a及び48bとで構成されている。ボス部48aには、ボス部48aから一方向に延設されたアーム49aが一体に設けられ、アーム49aはラップ46aの外周部とボルト50aで結合されている。同様に、ボス部48bには、ボス部48bから一方向に延設されたアーム49bが一体に設けられ、アーム49bはラップ46bの外周部とボルト50bで結合されている。こうして、駆動スクロール体34及び従動スクロール体42の端板36a、36b、44とラップ38a、38b、46a、46bとで、端板44の両面側に膨張室e1及びe2が、ハウジング12の半径方向へ形成される。

駆動軸20は、転がり軸受30a及び30bで回転自在に支持されている。従動スクロール体42のボス部48aは、転がり軸受32aで回転自在に支持され、ボス部48bは転がり軸受32bで回転自在に支持されている。ボス部48a及び48bの回転軸線C₂は、駆動軸20の回転軸線C₁に対してtだけ偏心し、従動スクロール体42は、駆動軸20に対してtだけ偏心した位置で回転する。

駆動スクロール体34と従動スクロール体42とは、連動機構52を介して連動し互いに同期回転する。連動機構52は、例えば、駆動軸20の周囲に等間隔に4個設けられている。以下、図2により、アーム49aと分割スクロール体34a間に設けられた連動機構52を例に取って、連動機構52の構成を説明する。図2において、分割スクロール体34aに対面するアーム49aに、円筒形の凹部54が刻設されている。凹部54に短軸円筒体56が挿入され、短軸円筒体56と凹部54との間に転がり軸受58が介装されている。短軸円筒体56は、転がり軸受58によって凹部54内で回転自在である。

短軸円筒体56には、中心軸線C₃から偏心した領域に円形の孔56aが穿設され、該孔56aにピン構造体60を構成する円形のピン60aが圧入されている。ピン構造体60は、ピン60aと、大径の円板60bと、円筒形の基部60cとが一体に構成されている。短軸円筒体56に対面した端板36aの外面にボス部62が形成され、ボス部62に円筒形状の凹部64が形成されている。該凹部64にピン構造体60の基部60cが圧入されている。ピン60aの中心軸線C₄は、短軸円筒体56の中心軸線C₃と偏心量tだけ偏心している。この偏心量tは、駆動軸20の回転軸線C₁とボス部48aの回転軸線C₂との偏心量tと同一である。

駆動軸20には、軸方向に作動媒体導入孔66が穿設されている。作動媒体導入孔66の一端は、駆動軸20の端面20aに開口すると共に、他端には径方向孔68が連設され、径方向孔68の開口68aは、膨張室e1及びe2の半径方向中心部に開口している。端板44には、駆動軸20に対して従動スクロール体42の偏心運動を許容させるため、駆動軸20に対面した部位に凹部44aが形成され、凹部44aと駆動軸20との間に隙間sが形成されている。径方向孔68の開口68aは、端板36aと36bとの中間で、端板44を均等に跨いだ位置で隙間sに向かって開口している。また、駆動軸20の端面20aにカバー70が設けられ、カバー70には、作動媒体導入孔72が設けられている。

かかる構成において、高圧の作動媒体wが作動媒体導入孔72及び66から膨張室e1及びe2に導入されると、作動媒体wの膨張力で駆動スクロール体34と従動スクロール体42とが同期回転し、かつ駆動軸20が回転する。駆動軸20が回転することで、駆動軸20に接続された発電機22が発電を行う。膨張室e1、e2で膨張した後の作動媒体wは、吐出口14からハウジング12の外部へ吐出する。

本実施形態によれば、ダブル膨張室e1及びe2を形成しているので、作動媒体wの供給量を増加でき、これによって、駆動軸20に加わる回転トルクを増大できるので、発電機22による発電量を増大できる。また、端板44の両側に膨張室e1、e2を形成しているので、駆動スクロール体34や従動スクロール体42に加わるスラスト力を相殺でき、そのため、駆動スクロール体34や従動スクロール体42の支持構造を簡素化できる。加えて、簡素な構成の連動機構52を用いたので、駆動スクロール体34や従動スクロール体42の回転に要するトルクを低減でき、その分発電機22の発電量を増加できる。

また、駆動軸20がダブル膨張室e1、e2を貫通した単一かつ一体の駆動軸で構成されているので、軸心合わせが不要になると共に、かかる貫通軸に作動媒体導入孔66を設けているので、シール性の良くかつ温度低下による事前膨張が起らない導入孔を形成できる。これによって、ダブル膨張室e1、e2に高圧の作動媒体wを供給でき、スクロール膨張機10Aの出力が低下しない。また、駆動軸20が単一の貫通軸で構成されているので、径方向孔68の位置決めが容易になると共に、径方向孔68の開口68aを端板44を均等に跨いだ位置で隙間sに向かって開口しているので、膨張室e1及びe2に均等に作動媒体wを供給できる。そのため、1つの開口68aを設けるだけで済むので、径方向孔68の加工工数を低減できる。

また、従動スクロール体42のボス部48a、48bと端板36a、36bとはアーム49a、49bを介して結合されているので、特許文献2のような膨張室形成部全体を覆うハウジングを必要としない。そのため、従動スクロール体42の重量を軽減できる。従って、従動スクロール体42の回転に要する駆動力を軽減できるので、その分発電機22の発電量を増加できる。なお、本実施形態では、駆動軸20が貫通軸であるため、膨張室e1、e2の膨張比を大きく取れないが、バイナリー発電システムでは、大きな膨張比を必要としない。

(実施形態2) 次に、本発明装置の第2実施形態を図3により説明する。本実施形態のスクロール膨張機10Bは、作動媒体導入孔66に、膨張室e1及びe2の夫々に開口する2つの径方向孔74及び76を連設している。径方向孔74の開口74aは膨張室e1の軸方向中央に開口し、径方向孔76の開口76aは膨張室e2の軸方向中央に開口している。開口74aの開口面積と開口76aの開口面積は同一である。その他の構成は第1実施形態と同一である。

本実施形態によれば、膨張室e1に径方向孔74から供給する作動媒体wの供給量と膨張室e2に径方向孔76から供給する作動媒体wの供給量を均一にできる。また、第1実施形態のように、隙間sに向けて開口68を配置する必要がなくなり、径方向孔74、76及びこれらの開口74a、76aの配置位置及び配置方向に関し、設計の自由度を広げることができる。

本発明によれば、両回転型でかつダブル膨張室を有するスクロール膨張機において、シール性の良い作動媒体供給路を形成できると共に、駆動軸の軸心合わせを不要にし、ダブル膨張室に作動媒体を均等に供給できる。

10A、10B スクロール膨張機 12 ハウジング 12a、12b ケーシング 14 吐出口 16,18 開口 20 駆動軸 22 発電機 24 パッキン 26a、26b、28a、28b 段部 30a、30b、32a、32b 転がり軸受 34 駆動スクロール体 34a、34b 分割スクロール体 36a、36b 端板(第1の端板) 38a、38b ラップ(第1のラップ) 40 ボルト 42 従動スクロール体 44 端板(第2の端板) 44a 凹部 46a、46b ラップ(第2のラップ) 48a、48b ボス部 49a、49b アーム 50a、50b ボルト 52 連動機構 54 凹部 56 短軸円筒体 56a 孔 58 転がり軸受 60 ピン構造体 60a ピン(軸体) 60b 円板 60c 基部 62 ボス部 64 凹部 66、72 作動媒体導入孔 68,74,76 径方向孔 68a、74a、76a 開口 70 カバー C₁、C₂ 回転軸線 C₃、C₄ 中心軸線 e1、e2 膨張室 s 隙間 t 偏心量 w 作動媒体