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技術 膨張機およびバイナリ発電装置

出願人 株式会社神戸製鋼所
発明者 壷井昇垣内哲也松村昌義足立成人
出願日 2018年9月20日 (2年3ヶ月経過) 出願番号 2018-176286
公開日 2020年3月26日 (8ヶ月経過) 公開番号 2020-045864
状態 未査定
技術分野 回転機械
主要キーワード 留め板 中間回転軸 カーボンリング 膨張効率 オイルライン 発電機ケーシング 接続空間 中間軸受
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2020年3月26日)のものです。
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図面 (10)

課題

膨張機およびバイナリ発電装置において、小型化を実現するとともに異なる2つの圧力源を高効率で利用する。

解決手段

膨張機10は、少なくとも2つの圧力の異なる圧力源に接続される膨張機である。膨張機10は、第1圧力源50からガス給気される1段目給気口14と、1段目膨張部11と、1段目排気口15と、第2圧力源51からガスを給気される2段目給気口24と、2段目膨張部21と、2段目排気口25と、1段目スクリュロータ12と、2段目スクリュロータ22と、中間軸受26aと、1段目膨張部11と2段目膨張部21を仕切仕切壁35と、中間軸受26aからカップリング部34を通って2段目排気口25近傍に潤滑油を流すオイルライン27とを備える。また、1段目回転軸12bと2段目回転軸22bとは、中間回転軸を成している。仕切壁35には、貫通孔35aが設けられている。貫通孔35aにはシール機構36が設けられている。

概要

背景

特許文献1には、同一ケーシング内で1段目ロータと2段目ロータとが直列に接続されたスクリュ式膨張機が開示されている。この膨張機は、2種類の異なる圧力条件ガスを同一ケーシング内で膨張させようとするものである。

概要

膨張機およびバイナリ発電装置において、小型化を実現するとともに異なる2つの圧力源を高効率で利用する。膨張機10は、少なくとも2つの圧力の異なる圧力源に接続される膨張機である。膨張機10は、第1圧力源50からガスを給気される1段目給気口14と、1段目膨張部11と、1段目排気口15と、第2圧力源51からガスを給気される2段目給気口24と、2段目膨張部21と、2段目排気口25と、1段目スクリュロータ12と、2段目スクリュロータ22と、中間軸受26aと、1段目膨張部11と2段目膨張部21を仕切仕切壁35と、中間軸受26aからカップリング部34を通って2段目排気口25近傍に潤滑油を流すオイルライン27とを備える。また、1段目回転軸12bと2段目回転軸22bとは、中間回転軸を成している。仕切壁35には、貫通孔35aが設けられている。貫通孔35aにはシール機構36が設けられている。

目的

本発明は、膨張機およびバイナリ発電装置において、小型化を実現するとともに異なる2つの圧力源を高効率で利用することを課題とする

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

少なくとも2つの圧力の異なる圧力源に接続される膨張機であって、相対的に高い圧力を有する第1圧力源に流体的に接続され、前記第1圧力源からガス給気される1段目給気口と、前記1段目給気口から給気されたガスを膨張させる1段目膨張部と、前記1段目膨張部から膨張後のガスを排気する1段目排気口と、相対的に低い圧力を有する第2圧力源に流体的に接続され、前記第2圧力源からガスを給気される2段目給気口と、前記2段目給気口から給気されたガスを膨張させる2段目膨張部と、前記2段目膨張部から膨張後のガスを排気する2段目排気口と、前記1段目膨張部に配置された1段目ロータ本体および前記1段目ロータ本体を支持する1段目回転軸を有する1段目スクリュロータと、前記2段目膨張部に配置された2段目ロータ本体および前記2段目ロータ本体を支持する2段目回転軸を有する2段目スクリュロータと、前記2段目ロータ本体に対して前記2段目給気口側の前記2段目回転軸を回転可能に支持する中間軸受と、前記1段目膨張部と前記中間軸受との間に位置し、前記1段目排気口および前記2段目給気口を除いて前記1段目膨張部と前記2段目膨張部を仕切仕切壁と、前記中間軸受よりも前記2段目膨張部側から当該中間軸受に潤滑油を供給する第1導油路と、前記中間軸受と前記仕切壁の間で前記中間軸受から流出した前記潤滑油を収集する油溜部と、前記油溜部から前記2段目排気口近傍に前記潤滑油を流す第2導油路とを有するオイルラインとを備え、前記1段目回転軸と前記2段目回転軸とは、同軸状態で接続されて中間回転軸を成しており、前記仕切壁には前記中間回転軸を貫通させる貫通孔が設けられ、前記貫通孔には前記中間回転軸と前記貫通孔の隙間をシールするシール機構が設けられている、膨張機。

請求項2

前記シール機構は、フローティングシールを有する、請求項1に記載の膨張機。

請求項3

前記フローティングシールは、前記中間回転軸に対向するシール面に複数の環状溝が形成されたラビリンス型である、請求項2に記載の膨張機。

請求項4

前記シール機構は、前記中間回転軸に接するリップが形成されたリップシールを有する、請求項1に記載の膨張機。

請求項5

前記リップシールを設置する向きは、前記リップシールに前記1段目膨張部から前記2段目膨張部へ向かう圧力によって、前記リップが前記中間回転軸に押圧される向きである、請求項4に記載の膨張機。

請求項6

前記リップシールを設置する向きは、前記リップシールに前記1段目膨張部から前記2段目膨張部へ向かう圧力が、前記リップを前記中間回転軸に押圧する力として働かない向きである、請求項4に記載の膨張機。

請求項7

前記1段目膨張部のケーシングと、前記2段目膨張部のケーシングとを備え、前記仕切壁は、前記1段目膨張部のケーシングおよび前記2段目膨張部のケーシングとは別部材である、請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の膨張機。

請求項8

前記1段目回転軸と前記2段目回転軸とを機械的に接続するスプラインカップリングをさらに備え、前記オイルラインは、前記スプラインカップリングを通る、請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の膨張機。

請求項9

前記1段目回転軸と前記2段目回転軸とを機械的に接続するキーカップリングと、前記キーカップリングに隣接して設けられた油導出路とをさらに備え、前記オイルラインは、前記キーカップリングを通らず、前記油導出路を通る、請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の膨張機。

請求項10

請求項1から請求項9のいずれか1項に記載の膨張機と、前記膨張機によって駆動される発電機と、前記1段目給気口に給気されるガスを加熱する第1加熱部と、前記2段目給気口に給気されるガスを加熱する第2加熱部と、前記1段目排気口および前記2段目排気口から排気されたガスを凝縮させる凝縮器とを備える、バイナリ発電装置

請求項11

前記第2加熱部と前記2段目給気口との間に設けられ、ガスから潤滑油を分離して内部に加圧状態で一時的に貯留する気液分離器を備え、当該気液分離器内に加圧状態で一時的に貯留されている潤滑油を前記第1導油路へ供給する、請求項10に記載のバイナリ発電装置。

技術分野

0001

本発明は、膨張機およびバイナリ発電装置に関する。

背景技術

0002

特許文献1には、同一ケーシング内で1段目ロータと2段目ロータとが直列に接続されたスクリュ式の膨張機が開示されている。この膨張機は、2種類の異なる圧力条件ガスを同一ケーシング内で膨張させようとするものである。

先行技術

0003

特開昭62−23501号公報

発明が解決しようとする課題

0004

特許文献1には、スクリュ式の膨張機に必要となる潤滑油流路構造オイルライン)が開示されていない。また、1段目ロータおよび2段目ロータは実質的な閉鎖空間にてガスを膨張させる必要がある。そのため、閉鎖空間からのケーシング外部へのガス漏れを防止して閉鎖空間を維持すべく軸シールが本来必要となるが、特許文献1にはそのような開示もない。従って、オイルラインや軸シールの具体的構造について考慮していない点で特許文献1には改善の余地がある。

0005

本発明は、膨張機およびバイナリ発電装置において、小型化を実現するとともに異なる2つの圧力源を高効率で利用することを課題とする。

課題を解決するための手段

0006

本発明の第1の態様は、少なくとも2つの圧力の異なる圧力源に接続される膨張機であって、相対的に高い圧力を有する第1圧力源に流体的に接続され、前記第1圧力源からガスを給気される1段目給気口と、前記1段目給気口から給気されたガスを膨張させる1段目膨張部と、前記1段目膨張部から膨張後のガスを排気する1段目排気口と、相対的に低い圧力を有する第2圧力源に流体的に接続され、前記第2圧力源からガスを給気される2段目給気口と、前記2段目給気口から給気されたガスを膨張させる2段目膨張部と、前記2段目膨張部から膨張後のガスを排気する2段目排気口と、前記1段目膨張部に配置された1段目ロータ本体および前記1段目ロータ本体を支持する1段目回転軸を有する1段目スクリュロータと、前記2段目膨張部に配置された2段目ロータ本体および前記2段目ロータ本体を支持する2段目回転軸を有する2段目スクリュロータと、前記2段目ロータ本体に対して前記2段目給気口側の前記2段目回転軸を回転可能に支持する中間軸受と、前記1段目膨張部と前記中間軸受との間に位置し、前記1段目排気口および前記2段目給気口を除いて前記1段目膨張部と前記2段目膨張部を仕切仕切壁と、前記中間軸受よりも前記2段目膨張部側から当該中間軸受に潤滑油を供給する第1導油路と、前記中間軸受と前記仕切壁の間で前記中間軸受から流出した前記潤滑油を収集する油溜部と、前記油溜部から前記2段目排気口近傍に前記潤滑油を流す第2導油路とを有するオイルラインとを備え、前記1段目回転軸と前記2段目回転軸とは、同軸状態で接続されて中間回転軸を成しており、前記仕切壁には前記中間回転軸を貫通させる貫通孔が設けられ、前記貫通孔には前記中間回転軸と前記貫通孔の隙間をシールするシール機構が設けられている、膨張機を提供する。

0007

この構成によれば、2つの異なる圧力源をそれぞれ利用する1段目膨張部の1段目スクリュロータと2段目膨張部の2段目スクリュロータとを、中間回転軸を介して接続して一体構造とすることで、膨張機の小型化を実現している。また、仕切壁に中間回転軸が貫通する貫通孔を設けるとともに、貫通孔にはシール機構を設けているためガス漏れを防止でき、高効率で異なる2つの圧力源を利用できる。また、上記構成では、中間軸受から2段目排気口近傍に潤滑油を流すオイルラインを設けている。2段目排気口近傍は、膨張後のガスが流れる部分であり、即ち低圧のガスが流れる部分である。従って、中間軸受に対して2段目排気口近傍は、通常ガスの圧力が低いため、オイルライン中で潤滑油を円滑に流すことができる。ここで、2段目排気口近傍とは、2段目排気口を含み、2段目膨張部での膨張後のガスが流れている部分をいい、端的に言えば2段目排気口と同程度の圧力の部分をいう。よって、1段目膨張部から2段目膨張部への圧縮ガスの一部の漏出防止と、それによる中間軸受に対する給油不良の防止を実現できる。

0008

前記シール機構は、フローティングシールを有してもよい。

0009

この構成によれば、フローティングシールは、1段目回転軸または2段目回転軸に軸の振れが生じたとしても振れに応じて変位する。それにより、フローティングシールの内周面(シール面)と回転軸の外周面との隙間を微小に設定することができるため、良好に貫通孔をシールできる。

0010

前記フローティングシールは、前記中間回転軸に対向するシール面に複数の環状溝が形成されたラビリンス型であってもよい。

0011

この構成によれば、フローティングシールをラビリンス型にすることでシール性能を向上できる。

0012

前記シール機構は、前記中間回転軸に接するリップが形成されたリップシールを有してもよい。

0013

この構成によれば、リップシールは接触型のシールであるため、シール性能を向上できる。

0014

前記リップシールを設置する向きは、前記リップシールに前記1段目膨張部から前記2段目膨張部へ向かう圧力によって、前記リップが前記中間回転軸に押圧される向きであってもよい。

0015

この構成によれば、1段目膨張部の高圧と2段目膨張部の低圧との圧力差を利用してリップシールのリップを中間回転軸に押圧できるため、シール性能を一層向上できる。

0016

前記リップシールを設置する向きは、前記リップシールに前記1段目膨張部から前記2段目膨張部へ向かう圧力が、前記リップを前記中間回転軸に押圧する力として働かない向きであってもよい。

0017

この構成によれば、1段目膨張部の高圧と2段目膨張部の低圧との圧力差によってリップ中間回転軸に押圧されないため、リップシールの摩耗量を低減できる。

0018

前記膨張機は、前記1段目膨張部のケーシングと、前記2段目膨張部のケーシングとを備え、前記仕切壁は、前記1段目膨張部のケーシングおよび前記2段目膨張部のケーシングとは別部材であってもよい。

0019

この構成によれば、1段目膨張部のケーシングと、2段目膨張部のケーシングと、仕切壁とが別部材であるため、加工性および組立性が良好となる。

0020

前記膨張機は、前記1段目回転軸と前記2段目回転軸とを機械的に接続するスプラインカップリングをさらに備え、前記オイルラインは、前記スプラインカップリングを通ってもよい。

0021

この構成によれば、潤滑油を必要とするスプラインカップリングの内部に対してオイルラインから給油できる。なお、ここでのスプラインカップリングとは、1段目回転軸および2段目回転軸に形成されたスプライン溝付き軸に対して、スプラインカップリングに形成されたスプライン溝付き穴が嵌め込まれる機構をいう。

0022

前記膨張機は、前記1段目回転軸と前記2段目回転軸とを機械的に接続するキーカップリングと、前記キーカップリングに隣接して設けられた油導出路とをさらに備え、前記オイルラインは、前記キーカップリングを通らず、前記油導出路を通ってもよい。

0023

この構成によれば、潤滑油を必要としないキーカップリングに対して潤滑油を供給することなく、オイルラインを構成できる。なお、ここでのキーカップリングとは、1段目回転軸および2段目回転軸の外周面に軸方向に形成された凹状のキー溝と、1段目回転軸および2段目回転軸が嵌めこまれる円筒状部材の孔の内周面に軸方向に形成されたもう一つのキー溝とを設け、それらのキー溝に対してキーが嵌め込まれる機構をいう。

0024

本発明の第2の態様は、前記膨張機と、前記膨張機によって駆動される発電機と、前記1段目給気口に給気されるガスを加熱する第1加熱部と、前記2段目給気口に給気されるガスを加熱する第2加熱部と、前記1段目排気口および前記2段目排気口から排気されたガスを凝縮させる凝縮器とを備える、バイナリ発電装置を提供する。

0025

この構成によれば、第1加熱部と第2加熱部の異なる熱源を利用して1段目および2段目の膨張前のガスをそれぞれ加熱できるため、膨張効率を向上できる。従って、発電効率を向上させることができる。また、上記小型の膨張機を使用するため、バイナリ発電装置も小型化できる。

0026

前記バイナリ発電装置は、前記第2加熱部と前記2段目給気口との間に設けられ、ガスから潤滑油を分離して内部に加圧状態で一時的に貯留する気液分離器を備え、前記気液分離器内に加圧状態で一時的に貯留されている潤滑油を前記第1導油路へ供給してもよい。

0027

この構成によれば、気液分離器内に加圧状態で貯留されている潤滑油を第1導油路に供給するため、膨張機の2段目におけるオイルライン内での圧力差を確保できる。従って、オイルラインにおいて潤滑油を一層円滑に流すことができる。

発明の効果

0028

本発明によれば、膨張機およびバイナリ発電装置において、小型化を実現するとともに異なる2つの圧力源を高効率で利用できる。

図面の簡単な説明

0029

本発明の一実施形態に係るバイナリ発電装置の概略構成図。
側方から見た膨張機および発電機の断面図。
上方から見た膨張機の一部の断面図。
第1実施形態のシール機構を示す断面図。
第1実施形態の変形例のシール機構を示す断面図。
第2実施形態のシール機構を示す断面図。
第2実施形態の変形例のシール機構を示す断面図。
第3実施形態に係る膨張機および発電機の断面図。
変形例に係るバイナリ発電装置の概略構成図。

実施例

0030

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

0031

(第1実施形態)
図1を参照して、本実施形態のバイナリ発電装置1は、ランキンサイクルを利用して高効率での発電を可能にするものである。作動媒体となるガスとしてR245−fa(HCF−245fa)を用いているが、作動媒体はこれに限定されるものではなくその他の冷媒あるいは水蒸気であってもよい。

0032

まず、本実施形態のバイナリ発電装置1の構成について説明する。本実施形態のバイナリ発電装置1は、膨張機10と、発電機40と、第1加熱部50と、第2加熱部51と、凝縮器60と、ポンプ70,71とを備える。

0033

膨張機10は、2段型のスクリュ式である。膨張機10は、1段目膨張部11および2段目膨張部21を有している。1段目膨張部11には1段目スクリュロータ12(図2参照)が配置され、2段目膨張部21には2段目スクリュロータ22(図2参照)が配置されている。詳細については後述するが、1段目スクリュロータ12および2段目スクリュロータ22は機械的に直列接続されており、回転動力を伝達できるようにされている。

0034

図1,2を併せて参照して、発電機40は、膨張機10に機械的に接続されている。発電機40は、膨張機10によって駆動され、発電する。発電機40は、発電機ケーシング44内に回転子41と固定子42とを有する。回転子41は発電機40の回転軸43の外周部分に取り付けられ、固定子42は回転子41の外側に離間して発電機ケーシング44の内面に配置されている。後述するように、当該回転軸43が膨張機10によって回転駆動され、回転子41が固定子42の内側にて回転することによって発電する。

0035

発電機ケーシング44は、2段目膨張部21に向かって開口した概ね有底筒状の形状をしている。後述する2段目ケーシング23は、2段目膨張部21の外装となっており、発電機ケーシング44内の空間と、2段目ケーシング23内の吐出空間(2段目排気口25)とを連通する連通孔23aを有している。本実施形態においては、連通孔23aがケーシング23の上部と下部にそれぞれ形成されている。

0036

凝縮器60は、1段目膨張部11および2段目膨張部21と流体的に接続されている。1段目膨張部11の1段目排気口15および2段目膨張部21の2段目排気口25から排気された作動媒体は、凝縮器60にて凝縮される。本実施形態の凝縮器60は、空冷式または水冷式などの熱交換器である。ただし、電気式クーラを凝縮器60として採用してもよい。

0037

ポンプ70,71は、凝縮器60に溜まった低圧の作動媒体液を取り出し、加圧および給液する。ポンプ70,71の態様は、特に限定されず、公知のものを使用できる。

0038

第1加熱部50は、ポンプ71および1段目膨張部11の1段目給気口14と流体的に接続されている。第1加熱部50は、ポンプ71から送られた作動媒体液(例えば30度程度)を加熱し、過熱状態(例えば120度程度)として1段目膨張部11の1段目給気口14に供給する。本実施形態では、第1加熱部50は、外部熱源(例えば130度程度)とポンプ71から送られた作動媒体液(例えば30度程度)との間で熱交換を行い、当該作動媒体液を加熱する熱交換器である。なお、第1加熱部50は、本発明の第1圧力源の一例である。

0039

第2加熱部51は、ポンプ70および2段目膨張部21の2段目給気口24と流体的に接続されている。第2加熱部51は、ポンプ70から送られた作動媒体液(例えば30度程度)を加熱し、過熱状態(例えば90度程度)として2段目膨張部21の2段目給気口24に供給する。本実施形態では、第2加熱部51は、外部熱源(例えば100度程度)とポンプ70から送られた作動媒体液(例えば30度程度)との間で熱交換を行い、当該作動媒体液を加熱する熱交換器である。なお、第2加熱部51は、本発明の第2圧力源の一例である。

0040

図1,2を参照して膨張機10の構成について詳細に説明する。

0041

膨張機10は、1段目膨張部11と、2段目膨張部21とを備える。また、2段目膨張部21に隣接して発電機40が設けられている。

0042

1段目膨張部11では、1段目ケーシング13内に1段目ロータ本体12aが収容されている。1段目ケーシング13には、第1加熱部(第1圧力源)50と流体的に接続され、矢印A1に示すように過熱状態の作動媒体が給気される1段目給気口14と、矢印A2に示すように膨張後の作動媒体を排気する1段目排気口15とが設けられている。1段目膨張部11では、第1加熱部50からの過熱状態の作動媒体が膨張される。

0043

1段目ロータ本体12aは、1段目回転軸12bによって支持されている。1段目回転軸12bの一端12b1は軸受16aによって回転可能に支持され、他端12b2は軸受16bによって回転可能に支持されるとともに後述するカップリング部34まで延びている。なお、1段目ロータ本体12aと1段目回転軸12bとによって、1段目スクリュロータ12が構成されている。

0044

2段目膨張部21では、2段目ケーシング23内に2段目ロータ本体22aが収容されている。2段目ケーシング23には、第2加熱部(第2圧力源)51と流体的に接続され、矢印A3に示すように過熱状態の作動媒体を給気される2段目給気口24と、矢印A4に示すように膨張後の作動媒体を排気する2段目排気口25とが設けられている。2段目膨張部21では、第2加熱部51からの過熱状態の作動媒体が膨張される。

0045

2段目ロータ本体22aは、2段目回転軸22bによって支持されている。2段目回転軸22bの一端22b1は軸受(中間軸受)26aによって回転可能に支持されるとともに後述するカップリング部34まで延びており、他端22b2は軸受26bによって回転可能に支持されるとともに発電機40と機械的に接続されている。軸受(中間軸受)26aは、2段目膨張部21の接続ケーシング32に設けられた凹部32aに収容されている。凹部32aには、軸受(中間軸受)26aの外輪を固定する蓋体33が取り付けられている。なお、2段目ロータ本体22aと2段目回転軸22bとによって、2段目スクリュロータ22が構成されている。

0046

1段目膨張部11と2段目膨張部21とを比較すると、給気圧力は、1段目膨張部11の方が2段目膨張部21よりも高い。即ち、給気圧力に関して、第1加熱部50は、第2加熱部50よりも相対的に高い圧力を有する。例えば、1段目膨張部11への給気圧力は1.1MPa程度であり、2段目膨張部21への給気圧力は0.4MPa程度である。また、排気圧力は1段目膨張部11および2段目膨張部21ともに、例えば0.09MPa程度である。

0047

2段目膨張部21の接続ケーシング32内には、1段目膨張部11の位置する側の端面に開口した接続空間31が設けられている。接続空間31は、凹部32aと連通するように設けられている。接続空間31内にカップリング部34が設けられている。2段目膨張部21の接続ケーシング32と1段目膨張部11の1段目ケーシング13との間には板状の仕切壁35が配置されており、仕切壁35によって、1段目膨張部11と2段目膨張部21とが仕切られている。仕切壁35には、1段目回転軸12b(中間回転軸)が貫通する貫通孔35aが概ね中央に形成されている。詳細は後述するが、貫通孔35aにはシール機構36が設けられている。

0048

カップリング部34は、1段目回転軸12bと2段目回転軸22bとを機械的に接続する部分である。1段目回転軸12bと2段目回転軸22bを同軸状態で接続することで中間回転軸が構成される。本実施形態のカップリング部34では、スプラインカップリング34aによって1段目回転軸12bと2段目回転軸22bとが機械的に接続されている。ここでのスプラインカップリング34aとは、1段目回転軸12bおよび2段目回転軸22bに形成されたスプライン溝付き軸に対して、スプラインカップリングに形成されたスプライン溝付き穴が嵌め込まれる機構をいう。当該スプラインカップリング34aによって、1段目回転軸12bと2段目回転軸22bとの間で回転駆動力の伝達が可能となっている。言い換えると、中間回転軸を介して回転駆動力の伝達が可能となっている。また、スプラインカップリング34aは、軸受(中間軸受)26aを収容する凹部32aを閉じる蓋体33の中央部に設けられた連通孔33aに挿入されている。

0049

図3を併せて参照して、2段目膨張部21には、潤滑油を流すためのオイルライン27が設けられている。オイルライン27は、給油口27aと、排油口27bと、第1導油路27cと、油溜部27eと、第2導油路27dとを備える。給油口27aは、2段目ケーシング23に形成されたている。排油口27bは、2段目ケーシング23の2段目排気口25近傍に設けられている。第1導油路27cは、給油口27aから軸受(中間軸受)26aに潤滑油を運ぶ流路である。第2導油路27dは、軸受26aを潤滑した後にスプラインカップリング34aを潤滑した潤滑油を排油口27bまで運ぶ流路である。排油口27bは、2段目排気口25に対して2段目スクリュロータ22の一歯分前(歯の送り方向に対して手前)程度に設けられている。当該排油口27bの設けられた部分は、概ね2段目排気口25と同程度の圧力の部分である。代替的には、図2において破線で示すように、オイルライン27の排油口27bは、2段目排気口25に設けられてもよい。第1導油路27cは、膨張機10の側部に設けられた給油口27aから膨張機10内部を水平方向に軸受26aまで延びている。油溜部27eは、軸受26a乃至はスプラインカップリング34aを潤滑した潤滑油を収集するように2段目膨張部21の接続空間31下部に設けられている。第2導油路27dは、膨張機10の下部に設けられ、油溜部27eから排油口27bまで延びている。本実施形態では、第1導油路27cと第2導油路27dは、2段目スクリュロータ22の周方向において90度位相差のある位置関係にある。

0050

詳細な説明及び一部の図示を省略するが、その他の軸受16a,16b,26b及びスクリュロータ12,22にも、潤滑油が供給されるようにされている。潤滑油は、1段目膨張部11および2段目膨張部21の潤滑および冷却等にそれぞれ供され、1段目排気口15および2段目排気口25へそれぞれ排出されるか、或いはそれら排気口と概ね同程度の圧力の部分へそれぞれ排出される。

0051

図4を参照して、本実施形態のシール機構36は、フローティングシール36aと、仕切壁35に設けられたシール収容空間とを有する。本実施形態のシール収容空間は、仕切壁35の貫通孔であって、貫通孔35aの一部を拡径して形成した凹部35bに環状の留め板35cで蓋をすることで形成される。本実施形態のフローティングシール36aは、例えば鋼製リング状部材36a1を有しており、シール収容空間内で1段目回転軸12bの周囲に環状に配置されている。フローティングシール36aは、1段目膨張部11の作動媒体が貫通孔35aを通って1段目膨張部11から接続空間31へ漏出することを防止する機能を有している。シール機構36は、フローティングシール36aのリング状部材36a1がその径方向に移動可能となるように凹部35bに収容されている。すなわち、リング状部材36a1の円筒状の外周面と凹部35bの円筒状の内周面との間に径方向の隙間を有する状態で、リング状部材36a1が凹部35b内に収容されている。

0052

以上の構成を有する本実施形態のバイナリ発電装置1の動作について説明する。

0053

図1および図2を参照して、バイナリ発電装置1では、第1加熱部50によって作動媒体液が加熱され、過熱状態の作動媒体が膨張機10の1段目給気口14に給気されることによって膨張機10の1段目膨張部11が駆動される。即ち、1段目膨張部11にて1段目スクリュロータ12が回転駆動される。当該回転駆動力は、膨張機10に機械的に接続された発電機40に伝達され、発電機40にて電力に変換され、即ち発電される。

0054

1段目膨張部11にて膨張された作動媒体は、1段目排気口15から排気される。排気された作動媒体は凝縮器60に送られ、凝縮器60にて凝縮する。凝縮器60に溜まった低圧の作動媒体液はポンプ70にて取り出され、加圧および給液される。そして、第2加熱部51で過熱状態となるまで加熱蒸発された後に膨張機10の2段目給気口24に給気され、2段目膨張部21が駆動される。即ち2段目膨張部21にて2段目スクリュロータ22が回転駆動される。当該回転駆動力は、膨張機10に機械的に接続された発電機40に伝達され、発電機40にて電力に変換され、即ち発電される。

0055

2段目膨張部21にて膨張された作動媒体は、2段目排気口25から排気される。排気された作動媒体は凝縮器60に送られ、凝縮器60にて凝縮する。凝縮器60に溜まった低圧の作動媒体液はポンプ71にて取り出され、加圧および給液される。そして、第1加熱部50で過熱状態となるまで加熱蒸発された後に膨張機10の1段目給気口14に給気される。本実施形態のバイナリ発電装置1は、このサイクルを繰り返している。

0056

特に膨張機10の動作においては、シール機構36によって貫通孔35aから接続空間31への作動媒体の漏出が防止されている。即ち、シール機構36で圧力損失を生じさせることによって、作動媒体が仕切壁35を通過することを防止している。

0057

また、オイルライン27によって、軸受(中間軸受)26aと、スプラインカップリング34aとを潤滑油にて潤滑している。オイルライン27では、図3を参照して、給油口27aから給油された潤滑油が第1導油路27cを通り、軸受26aに給油される。軸受26aを潤滑した潤滑油は、軸受26aに隣接するスプラインカップリング34aに流れ、スプラインカップリング34aに給油される。図2を参照して、スプラインカップリング34aを潤滑した潤滑油は、接続空間31に流出して油溜部27eに到達し、第2導油路27dを通って排油口27bに流れ、排油口27bから排油される。

0058

本実施形態のバイナリ発電装置1によれば、以下のメリットがある。

0059

2つの異なる圧力源50,51をそれぞれ利用する1段目膨張部11の1段目スクリュロータ12と2段目膨張部21の2段目スクリュロータ22とをカップリング部34および中間回転軸を介して接続して一体構造とすることで、膨張機10の小型化を実現している。また、仕切壁35に1段目回転軸12b(中間回転軸)が貫通する貫通孔35aを設けるとともに、2段目膨張部21の接続ケーシング32に接続空間31を設けることで、カップリング部34を具体的に構成できる。また、貫通孔35aの凹部35b(シール収容空間)にはシール機構36を設けているため作動媒体の漏出を防止でき、高効率で異なる2つの圧力源50,51を利用できる。また、上記構成では、中間軸受26aからカップリング部34を通って2段目排気口25近傍に潤滑油を流すオイルライン27を設けている。2段目排気口25近傍は、膨張後の作動媒体が流れる部分であり、即ち低圧の作動媒体が流れる部分である。さらに、シール機構36を設けているため、第1導油路27cの圧力に対して中間軸受26aおよびカップリング部34を挟んだ下流側となる接続空間31の圧力を低く保つことができる。このようにシール機構36を設けることで、第1導油路27c、接続空間31、2段目排気口25近傍の順で圧力を低くすることができるため、オイルライン27中で潤滑油を円滑に流すことができる。よって、1段目膨張部11から2段目膨張部21への作動媒体の一部の漏出防止と、それによる中間軸受26aに対する給油不良の防止を実現できる。

0060

本実施形態では、シール機構36がフローティングシール36aを有する。フローティングシール36aは、1段目回転軸12bまたは2段目回転軸22bに軸の振れが生じたとしても振れに応じて変位する。それにより、フローティングシール36aのリング状部材36a1の内周面(シール面)と回転軸の外周面との隙間を微小に設定することができるため、良好に貫通孔35aをシールできる。

0061

また、本実施形態では、1段目ケーシング13と、2段目ケーシング23と、仕切壁35とが別部材である。従って、膨張機10の加工性および組立性が良好となる。

0062

また、潤滑油を必要とするスプラインカップリング34aに対してオイルライン27から給油できる。

0063

第1加熱部50と第2加熱部51の異なる熱源を利用して1段目および2段目の膨張前の作動媒体をそれぞれ加熱できるため、膨張効率を向上できる。従って、発電効率を向上させることができる。また、上記小型の膨張機10を使用するため、バイナリ発電装置1も小型化できる。

0064

(変形例)
図5を参照して、本実施形態の膨張機10の変形例を説明する。当該変形例は膨張機10のシール機構36が上記説明のものと異なるのみである。従って、シール機構36以外の詳細な説明は省略する。

0065

本変形例では、シール面に複数の環状溝が形成されたラビリンス型のフローティングシール36aを使用している。

0066

本実施形態によれば、フローティングシール36aをラビリンス型にしているため、前述の実施形態に比べてシール性能を向上できる。また、シール面を小さくすることができるため、万一接触してしまった場合のダメージが軽減され、耐久性能が良くなる。

0067

(第2実施形態)
図6に示す本実施形態のバイナリ発電装置1の膨張機10は、シール機構36が第1実施形態と異なる。これに関する構成以外は、第1実施形態の構成と実質的に同じである。従って、第1実施形態と同じ部分については説明を省略する場合がある。

0068

本実施形態では、シール機構36がリップシール36bを有する。リップシール36bは、リップが例えばテフロン登録商標)製であり、仕切壁35に設けられたシール収容空間内で1段目回転軸12bの周囲に環状に配置されている。リップシール36bは、作動媒体が貫通孔35aを通って接続空間31へ漏出することを防止する機能を有している。本実施形態のシール機構36は、1段目回転軸12bと接触するリップシール36bのリップ36b1を有するリング状部材36b2が仕切壁35に形成された凹部35bに収容されている。詳しくは、リング状部材36a1が仕切壁35に固定されたピン廻り止めされた状態で凹部35b内に収容されている。

0069

リップシール36bを設置する向きは、リップシール36bに1段目膨張部11(図2参照)から2段目膨張部21(図2参照)へ向かう圧力によって、リップ36b1が中間回転軸(本実施形態においては、1段目回転軸12b)に押圧される向きである。詳細には、リップシール36bの折り曲げられたリップ36b1が1段目膨張部11(図2参照)に向けて配置されている。

0070

本実施形態によれば、リップシール36bは接触型のシールであるため、第1実施形態に比べてシール性能を向上できる。

0071

また、リップシールを設置する向きを前述のように規定することにより、1段目膨張部11の高圧と2段目膨張部21における接続空間31の低圧との圧力差を利用してリップシール36bのリップ36b1を中間回転軸である1段目回転軸12bに押圧できるため、シール性能を一層向上できる。

0072

(変形例)
図7を参照して、本実施形態の膨張機10の変形例を説明する。当該変形例はリップシール36bを設置する向きが上記第2実施形態のものと異なるのみである。従って、リップシール36b以外の詳細な説明は省略する。

0073

本変形例では、リップシール36bを設置する向きは、リップシール36bに1段目膨張部11(図2参照)から2段目膨張部21(図2参照)へ向かう圧力が、リップ36b1を中間回転軸である1段目回転軸12bに押圧力として働かない向きである。詳細には、リップシール36bの折り曲げられたリップ36b1が2段目膨張部21(図2参照)に向けて配置されている。

0074

本変形例によれば、1段目膨張部11の高圧と2段目膨張部21における接続空間の低圧との圧力差によってリップ36b1が中間回転軸である1段目回転軸12bに押圧されないため、リップシール36bの摩耗量を低減できる。

0075

(第3実施形態)
図8に示す本実施形態のバイナリ発電装置1の膨張機10は、カップリング部34と、軸受(中間軸受)26aから接続空間31への潤滑油の流通経路とが第1実施形態および第2実施形態とは異なる。これに関する構成以外は、第1実施形態および第2実施形態と実質的に同じである。従って、第1実施形態および第2実施形態に示した構成と同じ部分については説明を省略する場合がある。なお、図8では、円で囲まれた膨張機10の一部が拡大して示されている。

0076

本実施形態のカップリング部34では、キーカップリング34bによって1段目回転軸12bと2段目回転軸22bとが機械的に接続されている。ここでのキーカップリング34bとは、1段目回転軸12bおよび2段目回転軸22bの外周面に軸方向に形成された凹状のキー溝と、1段目回転軸12bおよび2段目回転軸22bがピッタリ嵌め込まれる円筒状部材の孔の内周面に軸方向に形成されたキー溝とを設け、それらのキー溝に対してキーが嵌め込まれる機構をいう。当該キーカップリング34bによって、1段目回転軸12bと2段目回転軸22bとの間で回転駆動力の伝達が可能となっている。言い換えると、中間回転軸を介して回転駆動力の伝達が可能となっている。

0077

キーカップリング34bは、軸受(中間軸受)26aを収容する凹部32aを閉じる蓋体33の中央部を貫通するように設けられた連通孔33aに挿入されている。蓋体33には中央部の連通孔33aとは別の連通孔(油導出路)33bが設けられている。従って、本実施形態のオイルライン27は、キーカップリング4bを通らず、油導出路となる連通孔33bを通っている(矢印A5参照)。オイルライン27は、連通孔33bを通った後、第1,第2実施形態と同様に、接続空間31の油溜部27eから第2導油路27dを通じて排油口27bへ向かって延びている(矢印A6参照)。

0078

本実施形態によれば、潤滑油を必要としないキーカップリング34bに対して潤滑油を供給することなく、オイルライン27を構成できる。

0079

上より、本発明の具体的な実施形態およびその変形例について説明したが、本発明は上記形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。例えば、個々の実施形態の内容を適宜組み合わせたものを、この発明の一実施形態としてもよい。

0080

例えば、上記各実施形態では、1段目回転軸12bが貫通孔35aを貫通していたが、2段目回転軸22bが貫通孔35aを貫通していてもよい。また、1段目ケーシング13と、2段目ケーシング23と、仕切壁35と、接続ケーシング32とは、それぞれ別部材であってもよいし、一部の隣り合う部材同士が一体であってもよい。

0081

また、フローティングシール36aは、軸封に必要な圧力損失を得られるものであれば他のフローティングシールであってもよく、例えばカーボンリングとそれを軸方向に押しつけ弾性体をシール収容空間に収容するものであってもよい。

0082

また、図3および図9を参照して、軸受16aおよび軸受16bへの導油路(不図示)に供給される潤滑油は、第1加熱部(第1圧力源)50と1段目給気口14との間に設けられた1段目気液分離器28aで分離され、1段目気液分離器28a内に加圧状態で一時的に貯留されている潤滑油を用いるものであってもよい(図9の破線矢印B1参照)。

0083

また、図3および図9を参照して、軸受26aへの第1導油路27cおよび軸受26bへの第3導油路27fに供給される潤滑油は、第2加熱部(第2圧力源)51と2段目給気口24との間に設けられた2段目気液分離器28bで分離され、2段目気液分離器内に加圧状態で一時的に貯留されている潤滑油を用いるものであってもよい(図9の破線矢印B2参照)。なお、2段目気液分離器28bは、本発明の気液分離器の一例である。これにより、2段目気液分離器28b内に加圧状態で貯留されている潤滑油を第1導油路27cに供給するため、オイルライン27内での圧力差を確保できる。従って、オイルライン27において潤滑油を一層円滑に流すことができる。

0084

1バイナリ発電装置
10膨張機
11 1段目膨張部
12 1段目スクリュロータ
12a 1段目ロータ本体
12b 1段目回転軸
12b1 一端
12b2 他端
13 1段目ケーシング
14 1段目給気口
15 1段目排気口
16a,16b軸受
21 2段目膨張部
22 2段目スクリュロータ
22a 2段目ロータ本体
22b 2段目回転軸
22b1 一端
22b2 他端
23 2段目ケーシング
23a連通孔
24 2段目給気口
25 2段目排気口
26a 軸受(中間軸受)
26b 軸受
27オイルライン
27a給油口
27b排油口
27c 第1導油路
27d 第2導油路
27e油溜部
27f 第3導油路
28a 1段目気液分離器
28b 2段目気液分離器(気液分離器)
31接続空間
32 接続ケーシング
32a 凹部
33蓋体
33a,33b 連通孔
34カップリング部
34aスプラインカップリング
34bキーカップリング
35仕切壁
35a貫通孔
35b 凹部
35c留め板
36シール機構
36aフローティングシール
36a1リング状部材
36bリップシール
36b1リップ
36b2 リング状部材
40発電機
41回転子
42固定子
43 回転軸
44発電機ケーシング
50 第1加熱部(第1圧力源)
51 第2加熱部(第2圧力源)
60凝縮器
70,71 ポンプ

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