Screw expander

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、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、内部における給気圧力と排気圧力との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。

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が、スライド弁を駆動する機構が必要であり、装置が複雑で大きくなるという欠点がある。

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、低沸点の熱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。

特許文献３には、吸込圧力および吐出圧力を駆動力として、吸込側空間と中間圧力部とを連通させられるピストンバルブを設けることによって、簡単な構造で、起動トルクの軽減が可能となり、モータの過負荷を生じることなく円滑に起動することができるスクリュ圧縮機が記載されている。 この特許文献３は、起動時のみ機械的圧縮比（内部圧縮比）が変化するスクリュ圧縮機を開示するものとはいえるが、そのままスクリュ膨張機に適用できる技術を開示するものではない。

前記ニーズを踏まえ、本願発明は、安価且つ小型でありながら効率の高い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、
循環流路に凝縮器、ポンプ及び蒸発器とともに介設されたバイナリー発電システムのスクリュ膨張機であって、
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、給気流路から前記ロータ室に供給される高圧の気体の膨張力を前記スクリュロータによって回転力に変換し、 該回転力を出力軸に接続された発電機により電力に変換し、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において 、
前記ロータ室内の空間であって、前記給気流路および前記排気流路から前記スクリュロータによって隔離され得る中間圧力部と、 給気側の前記循環流路に接続されて前記高圧の前記気体が供給されるバイパス流路とを連通させられるバルブ機構と、
前記給気流路の圧力の前記排気流路の圧力に対する比である運転膨張比が予め定められた設定値以下である場合に、前記バルブ機構を制御して前記中間圧力部と前記バイパス流路とを連通させる制御手段とを備え、
前記中間圧力部は、前記スクリュロータの角度によっては、前記給気流路に連通し、
前記バルブ機構は、前記中間圧力部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循環流路を通じ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により前記中間圧力部と前記バイパス流路とを隔離するピストンとを備えるものとする。

この構成によれば、バルブ機構によってバイパス流路から中間圧力部に高圧の気体を供給するので、中間圧力部から隔離された瞬間から膨張行程が開始する。 これにより、実質的に内部膨張比を小さくすることができるので、運転膨張比に応じて内部膨張比を変化させることによって運転効率を高められる。 また、スライド弁のようにケーシングの形状を実質的に変化させる必要がなく、構成が簡単であるため、高効率でありながら、小型で安価なスクリュ膨張機を提供できる。

前記中間圧力部は、前記スクリュロータの角度によっては、前記給気流路に連通するので、給気流路に連通する空間と、中間空間との間で気体の圧力が変動せず、給気口を大きくして、膨張開始時の行程体積を大きくしたのと同じ効果がある。 また、給気流路と中間空間との間で流体が膨張しないので再圧縮によるロスがない。

前記制御手段は、前記運転膨張比が予め定められた設定値以下である場合に、前記バルブ機構により前記中間圧力部と前記バイパス流路とを連通させたので、内部膨張比を運転膨張比に近づけることで、損失の発生を低減できる。

前記バルブ機構は、前記中間圧力部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中間圧力部と前記バイパス流路とを隔離するピストンとを備え、前記給気流路の圧力および前記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２のスクリュ膨張機の軸直角方向部分断面図である。

図２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２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。

本発明の第２実施形態のスクリュ膨張機の軸直角方向部分断面図である。

図６のスクリュ膨張機のスクリュロータ展開図である。

本発明の第３実施形態のスクリュ膨張機の軸直角方向部分断面図である。

図８のスクリュ膨張機のスクリュロータ展開図である。

本発明の第４実施形態のスクリュ膨張機の軸方向部分断面図である。

本発明の第５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を有する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２、ポンプ３および蒸発器４を介設してなる熱媒体循環流路５に、例えばＲ２４５ｆａのような熱媒を封入してなる。 スクリュ膨張機１は、後述するピストンバルブ（バルブ機構）６を備え、ピストンバルブ６には、給気弁７を介して熱媒がスクリュ膨張機に供給されるのと同じ高い圧力Ｐｓで供給、或いは、排気弁８を介して熱媒がスクリュ膨張機から排気されるのと同じ低い圧力Ｐｄで供給されるようになっている。 また、スクリュ膨張機１の出力軸には、発電機９が接続されている。

このバイナリー発電システムは、ポンプ３によって液体である熱媒を圧力Ｐｓに昇圧して蒸発器４に供給し、蒸発器４において熱媒を蒸発させて気体にする。 そして、スクリュ膨張機１の内部で熱媒を膨張させることによりその膨張力を回転力に変換し、発電機９によって電力に変換する。 スクリュ膨張機１内で膨張して圧力が低下した熱媒は、凝縮器２において冷却されて液化し、液体となった熱媒は、ポンプ３によって蒸発器４に再供給される。

図２に、スクリュ膨張機１の詳細を示す。 スクリュ膨張機１は、ケーシング１１内に形成したロータ室１２に、互いに咬合する雌雄一対のスクリュロータ１３，１４が収容されている。 ロータ室１２には、給気流路１５から高圧の熱媒が供給され、スクリュロータ１３，１４の歯溝内で膨張することにより、スクリュロータ１３，１４を回転させる。 ロータ室１２において膨張した熱媒は、排気流路１６を介して排気される。

ここで、ピストンバルブ６の構成を説明する。 ピストンバルブ６は、ケーシング１１に形成した柱状空間１７と、柱状空間１７内に摺動可能に嵌装されたピストン１８とを有する。 柱状空間１７の一端は、ロータ室１２内の空間であってスクリュロータ１４の歯によって給気流路１５から隔離され得る中間圧力部に連通するように、ロータ室１２の給気側端面の辺縁に開口する機能端面１７ａである。 また、機能端面１７ａは、ロータ室１２の外側のケーシング１１に形成され、軸方向に延伸するバイパス流路１９にも開口している。 ピストン１８は、機能端面１７ａに当接することで、ロータ室１２の中間圧力部とバイパス流路１９とを隔離できる。

柱状空間１７は、ピストン１８を挟んで機能端面１７ａと反対側の駆動部１７ｂにおいて、給気弁７を介して、循環流路５を通じて給気流路１５に連通可能であり、排気弁８を介して、排気流路１６に連通することもできるようになっている。 また、バイパス流路１９は、給気側の循環流路５に接続されており、高圧（Ｐｓ）の熱媒が供給されている。

図３に、ロータ室１２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１７が連通する中間圧力部は、スクリュロータ１４の歯によって給気流路１５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１７が連通する中間圧力部は、スクリュロータ１４の回転角度によっては、給気流路１５に連通し得る。

給気弁７を開いて排気弁８を閉じると、柱状空間１７の駆動部１７ｂは、圧力が給気圧力Ｐｓと等しくなる。 中間圧力部がスクリュロータ１４の歯によって給気流路１５から隔離されているとき、中間圧力部内の熱媒は、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１７の機能端面１７ａ側の圧力が、駆動部１７ｂ側の圧力よりも若干低くなり、ピストン１８を機能端面１７ａに向かって移動させる。 ピストン１８は、機能端面１７ａに当接すると、機能端面１７ａを封止して、バイパス流路１９と中間圧力部とを隔離する。 これにより、スクリュ膨張機１は、バイパス流路１９のない通常の膨張機と同じ構成となる。

給気弁７を閉じて排気弁８を開くと、柱状空間１７の駆動部１７ｂは、圧力が排気圧力Ｐｄと等しくなり、圧力Ｐｓのバイパス流路１９と、給気流路１５と同じ圧力Ｐｓまたは熱媒が少し膨張して僅かにＰｓより低い圧力の中間圧力部とに連通する機能端面１７ａの圧力よりも低くなる。 これにより、ピストン１８は、機能端面１７ａから離れる方向に移動し、バイパス流路１９と中間圧力部との連通を確保して、バイパス流路１９から中間圧力部に熱媒が流入できるようにする。 すると、中間圧力部がスクリュロータ１４の歯によって給気流路１５から隔離されているときにも、中間圧力部内の圧力が給気圧力Ｐｓに維持される。

図４に、ピストンバルブ６を閉鎖（ピストン１８で機能端面１７ａを封止）した状態のスクリュロータ１３，１４の展開図を示す。 給気流路１５からは、スクリュロータ１３，１４の歯溝に給気圧力Ｐｓの熱媒が供給される。 スクリュロータ１３，１４の歯溝がケーシング１１によって給気流路１５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の熱媒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１１から解放されて、排気流路１６に連通する瞬間の歯溝の容積Ｖｄが、熱媒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、熱媒の比熱比をＫで示すと、Ｖｉ＝πｉ ^１／Ｋの関係がある。 よって、Ｖｓ１がＶｄの３７％である場合、比熱比Ｋを１．２とすると、容積比Ｖｉ＝２．７であり、内部膨張比πｉ＝３．３となる。

図５に、ピストンバルブ６を開放（ピストン１８を駆動部１７ｂ側に移動）した状態のスクリュロータ１３，１４の展開図を示す。 この場合、給気流路１５から隔離されても、ピストンバルブ６に連通している歯溝には、バイパス流路１９を介して給気圧力Ｐｓの熱媒が供給される。 つまり、ピストンバルブ６を開くと、実質的に給気流路１５を拡大したのと同じ効果がある。 したがって、ピストンバルブ６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の熱媒が膨張を開始する時点の容積である。 熱媒が膨張を終了する時点の容積Ｖｄは、ピストンバルブ６を閉鎖した場合と同じである。 Ｖｓ２がＶｄの４７％である場合、容積比Ｖｉ＝２．１であり、内部膨張比πｉ＝２．５となる。

スクリュ膨張機１では、運転膨張比Ｐｓ／Ｐｄが、予め定めた設定値πｔｈ（例えば２．５）より大きい場合は、ピストンバルブ６を閉鎖して、内部膨張比πｉ＝３．３にして運転するが、運転膨張比Ｐｓ／Ｐｄが設定値πｔｈ以下になると、ピストンバルブ６を開放して、内部膨張比πｉ＝２．５にして運転する。 これにより、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ことができ、ひいては、バイナリー発電システムの発電効率を高めることができる。

また、スクリュ膨張機１は、簡素なピストンバルブ６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。

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の軸直角断面図を示す。 尚、以降の実施形態の説明において、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。

本実施形態のスクリュ膨張機１ａは、第１実施形態と同じピストンバルブ６に加え、スクリュロータ１４のさらに回転が進んだ位置の歯溝に対応する位置（中間圧力部）に、ピストンバルブ６ａが設けられている。 ピストンバルブ６ａの構成は、角度位置を除いて、ピストンバルブ６と同じである。

図７に、スクリュ膨張機１ａのスクリュロータ１３，１４の展開図を示す。 本実施形態では、ピストンバルブ６に加えて、ピストンバルブ６ａも開放することにより、給気流路１５を実質的にさらに拡大して、圧力Ｐｓの熱媒が膨張を開始する時点の容積をさらに大きいＶｓ３にすることができる。 Ｖｓ３がＶｄの５６％である場合、容積比Ｖｉ＝１．８であり、内部膨張比πｉ＝２．０となる。

本実施形態では、運転膨張比Ｐｓ／Ｐｄが設定値πｔｈ１＝２．５以下になると、ピストンバルブ６を開放し、さらに、運転膨張比Ｐｓ／Ｐｄが設定値πｔｈ２＝２．０以下になると、ピストンバルブ６ａを開放する。 このように、運転膨張比Ｐｓ／Ｐｄの変化に合わせて、内部膨張比πｉを段階的に変化させることで、より広範な運転膨張比Ｐｓ／Ｐｄにおいて、高い変換効率を達成できる。

さらに、図８に、本発明に第３実施形態のスクリュ膨張機１ｂの軸直角断面図を示す。 本実施形態のスクリュ膨張機１ｂにおいて、ピストンバルブ６ｂが設けられている位置は、給気流路１５からスクリュロータ１４の歯周方向ピッチよりも大きく離れている。 つまり、本実施形態において、ピストンバルブ６ｂを介して給気圧力Ｐｓの熱媒が供給され得る中間圧力部は、スクリュロータ１４がいかなる角度位置にあっても、ピストンバルブ６ｂを開放しない限りは、決して給気流路１５と連通しない。

図９に、スクリュ膨張機１ｂのスクリュロータ１３，１４の展開図を示す。 本実施形態では、ピストンバルブ６ｂを開放したとしても、給気流路１５から隔離された瞬間の歯溝に封入された熱媒は、その歯溝がピストンバルブ６ｂに達するまでの間に膨張をする。 そして、ピストンバルブ６ｂに達すると、その歯溝内にさらに給気圧力Ｐｓの熱媒が補充される。 ここまでの行程では、給気流路１５から供給された熱媒を一度膨張させてから再圧縮することになるので、トータルとしては僅かに損失を生じる。 そして、ピストンバルブ６ｂから隔離された後が、スクリュ膨張機１ｂの実質的膨張行程である。

図１０に、本発明の第４実施形態のスクリュ膨張機１ｃを示す。 本実施形態では、ロータ室１２の側面に開口する連通流路２０に連通するように、ピストンバルブ６ｃが設けられている。 便宜上、ピストンバルブ６ｃは、スクリュロータ１３，１４の軸と同じ平面上に描かれているが、スクリュロータ１４の軸周りの角度位置は、連通する歯溝の位置を適切なものとするように定められる。 本実施形態では、連通流路２０のロータ室１２に対する開口範囲によって、ピストンバルブ６ｃを介して歯溝に給気圧力Ｐｓの熱媒を供給する角度範囲を自由に設計できる。

さらに、図１１に、本発明の第５実施形態のスクリュ膨張機１ｄを有するバイナリー発電システムを示す。 このバイナリー発電システムは、出力がｋＷ級の小型の発電システムを企図している。 したがって、本実施形態のスクリュ膨張機１ｄでは、中間圧力部に供給すべき熱媒の流量が少ないため、バルブ機構として、ピストンバルブ６のような構成は必要なく、電磁弁２１のみによって、直接、中間圧力部と供給流路１４とを循環流路５を介して連通させられる。 やや規模の大きいバイナリー発電システム用のスクリュ膨張機であれば、電磁弁２１に代えて、制御電源（ＤＣ１２／２４Ｖ）で駆動できるモーターバルブを使用してもよい。

また、本発明の第１実施形態から第４実施形態のスクリュ膨張機では、ピストンバルブは雌のスクリュロータ１４側のみに設けられている。 すなわち、ピストンバルブは、そのピストンバルブの開放によって、直接にはバイパス流路１９と雌のスクリュロータ１４側の中間圧力部が連通するよう構成されている。 ただし、２つ以上のピストンバルブを雌のスクリュロータ１４側のほか、雄のスクリュロータ１３側にも設け、各々のピストンバルブの開放によって、バイパス流路１９と雌のスクリュロータ１４側の中間圧力部が連通すると同時に、バイパス流路１９と雄のスクリュロータ１３側の中間圧力部が連通するよう構成しても良い。

１，１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ…スクリュ膨張機 ２…凝縮器 ３…ポンプ ４…蒸発器 ５…循環流路 ６，６ａ，６ｂ，６ｃ…ピストンバルブ（バルブ機構）
７… 給気弁 ８…排気弁 ９…発電機 １０…制御装置 １１…ケーシング １２…ロータ室 １３，１４…スクリュロータ １５…給気流路 １６…排気流路 １７…柱状空間 １７ａ…機能端面 １７ｂ…駆動部 １８…ピストン １９…バイパス流路 ２０…連通流路 ２１…電磁弁（バルブ機構）