スクロール形膨張機及びランキンサイクル動力回収システム
【課題】凝縮器の小型化や熱損失の低減を可能にするスクロール形膨張機及び該スクロール形膨張機を備えたランキンサイクル動力回収システムを提供する。
【解決手段】スクロール本体が密閉ケース内に収納されたスクロール形膨張機であって、作動媒体の蒸気が密閉ケース内で凝結することによって生成された作動媒体の液体を溜めておく液溜まりを、スクロール形膨張機の設置位置に合わせて、前記密閉ケースの底部に配設する。
【解決手段】スクロール本体が密閉ケース内に収納されたスクロール形膨張機であって、作動媒体の蒸気が密閉ケース内で凝結することによって生成された作動媒体の液体を溜めておく液溜まりを、スクロール形膨張機の設置位置に合わせて、前記密閉ケースの底部に配設する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スクロール形膨張機及び該スクロール形膨張機を備えたランキンサイクル動力回収システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、水（水蒸気）等の作動媒体における気相及び液相の間の相変化を伴うランキンサイクル動力回収システムは、事業用発電として大形のもので実用化されており、その膨張機としては、一般に、蒸気タービンが使用されている。
【０００３】
例えば、発電機の駆動部として蒸気タービンを備えたランキンサイクル動力回収システムでは、蒸気タービンに高温・高圧の気相の作動媒体、たとえば水蒸気を供給するための作動媒体循環経路には、蒸気発生器と、復水ポンプと、凝縮器と、が配設されている。蒸気発生器で発生した高温・高圧の水蒸気は蒸気タービンに供給され、該蒸気タービンを駆動することより発電に利用され、その後、凝縮器で冷却されて液相の水に凝縮される。この凝縮水は、復水ポンプにより蒸気発生器に供給され、加熱されることにより、気相の水蒸気に変化し、再び発電機の蒸気タービンに供給される。
【０００４】
蒸気タービンは、大形のものであれば効率良く作動するが、小形のものになると効率が低下するため、小出力のランキンサイクル動力回収システムには、不向きである。このような蒸気タービンに替えて、スクロール形流体機械を膨張機として利用した場合、小形のものであっても効率良く発電できることが知られている。スクロール形流体機械として、鏡板の両側にスクロールラップの形成された両歯式の外周駆動形スクロール流体機械が特許文献１及び２に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−２２７４８１号公報
【特許文献２】特開２０００−２７７７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ランキンサイクル動力回収システムにおいてスクロール形膨張機を使用する場合、できるだけ凝縮器を小型化したり熱損失を低減したりすることが求められている。
【０００７】
したがって、本発明の解決すべき技術的課題は、凝縮器の小型化や熱損失の低減を可能にするスクロール形膨張機及び該スクロール形膨張機を備えたランキンサイクル動力回収システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記技術的課題を解決するために、本発明によれば、以下のスクロール形膨張機及びランキンサイクル動力回収システムが提供される。
【０００９】
すなわち、本発明の請求項１に係るスクロール形膨張機は、
スクロール本体が密閉ケース内に収納されたスクロール形膨張機であって、作動媒体の蒸気が密閉ケース内で凝結することによって生成された作動媒体の液体を溜めておく液溜まりを、スクロール形膨張機の設置位置に合わせて、前記密閉ケースの底部に配設することを特徴とする。
【００１０】
本発明の請求項２に係るスクロール形膨張機では、
液溜まりは、溜められた作動媒体の液体の液面を大略一定に保つ液面保持手段を有することを特徴とする。
【００１１】
本発明の請求項３に係るスクロール形膨張機では、
スクロール本体が、鏡板の両側に渦巻状の旋回側スクロールラップを有する旋回スクロールと、該旋回スクロールの両側に配置されて前記旋回側スクロールラップと噛み合う固定側スクロールラップを有する固定スクロールと、該旋回スクロールの外周側に配置された第一クランク軸及び第二クランク軸と、を備える外周駆動形であることを特徴とする。
【００１２】
本発明の請求項４に係るランキンサイクル動力回収システムでは、
蒸気発生器と、該蒸気発生器で発生した作動媒体の蒸気により駆動される一つのスクロール形膨張機と、スクロール形膨張機から排出された作動媒体の蒸気を凝縮する凝縮器と、該凝縮器で凝縮された作動媒体の液体を蒸気発生器に供給するポンプと、を備えるランキンサイクル動力回収システムにおいて、
前記スクロール形膨張機が請求項１乃至３のいずれか一つに記載のものであることを特徴とする。
【００１３】
本発明の請求項５に係るランキンサイクル動力回収システムでは、
蒸気発生器と、該蒸気発生器で発生した作動媒体の蒸気により駆動される複数のスクロール形膨張機と、スクロール形膨張機から排出された作動媒体の蒸気を凝縮する凝縮器と、該凝縮器で凝縮された作動媒体の液体を蒸気発生器に供給するポンプと、を備えるランキンサイクル動力回収システムにおいて、
前記複数のスクロール形膨張機として、高温・高圧蒸気が供給される高圧段スクロール形膨張機と、該高圧段膨張機から排出された低圧蒸気が供給される低圧段スクロール形膨張機と、が連設されて、
前記複数のスクロール形膨張機が請求項１乃至３のいずれか一つに記載のものであることを特徴とする。
【００１４】
本発明の請求項６に係るランキンサイクル動力回収システムでは、
高圧段スクロール形膨張機の液溜まりに溜まった作動媒体の液体を、低圧段スクロール形膨張機の予混合室に導入することを特徴とする。
【００１５】
本発明の請求項７に係るランキンサイクル動力回収システムでは、
高圧段スクロール形膨張機のクランク軸と低圧段スクロール形膨張機のクランク軸とが、カップリングを介して連結されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１に係る本発明では、スクロール本体で使用された作動媒体の蒸気、すなわちスクロール本体から排出される及び／又は漏出する作動媒体の蒸気が密閉ケースのチャンバー内で凝結した高温の作動媒体の液体が液溜まりに溜められる。密閉ケースの壁面が凝結作用を提供するために、凝結器だけで使用後の作動媒体蒸気を液化する場合よりも、凝結器を小型化することが可能になるという効果を奏する。
【００１７】
請求項２に係る本発明では、液面保持手段によって液溜まりにおける液面が大略一定に保たれているので、スクロール形膨張機における熱バランスが大略一定に保たれて、スクロール本体の動作が安定するという効果を奏する。
【００１８】
片歯式で駆動軸が中心にあるタイプや、片歯式で駆動軸が外周にあるタイプに対しても本願発明を適用することができるが、請求項３に係る本発明では、両歯式で駆動軸が外周にある外周駆動形のスクロール形膨張機に対して適用される。
【００１９】
請求項４に係る本発明では、上記スクロール形膨張機が単一で使用される形態でランキンサイクル動力回収システムに適用される。
【００２０】
請求項５に係る本発明では、上記スクロール形膨張機が複数台で使用される形態でランキンサイクル動力回収システムに適用される。
【００２１】
請求項６に係る本発明では、高圧段スクロール形膨張機の液溜まりに溜められた高温の作動媒体の液体が、低圧段スクロール形膨張機における旋回スクロールラップと固定スクロールラップとの間隙をシールするシール剤等に有効利用することもできるという効果を奏する。
【００２２】
請求項７に係る本発明では、低圧側の両クランク軸の同期をとる装置が不要になるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第一実施形態に係るスクロール形膨張機及びランキンサイクル動力回収システムの説明図である。
【図２】本発明の第二実施形態に係るスクロール形膨張機及びランキンサイクル動力回収システムの説明図である。
【図３】本発明の第三実施形態に係るスクロール形膨張機及びランキンサイクル動力回収システムの説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下に、本発明の第一実施形態に係るスクロール形膨張機１０及び該スクロール形膨張機１０を備えたランキンサイクル動力回収システム１について、図１を参照しながら詳細に説明する。
【００２５】
図１に示すように、ランキンサイクル動力回収システム１は、不図示の発電機を駆動するための装置として、単一のスクロール形膨張機１０を備えている。該スクロール形膨張機１０に設けられた水平方向に延在するクランク軸（駆動軸）２６，２８が、発電機の発電機軸に連結されており、スクロール形膨張機１０のクランク軸（駆動軸）２６，２８の回転駆動力で発電機の発電機軸を回転させることにより、発電を行うようになっている。
【００２６】
スクロール形膨張機１０を駆動するための作動媒体としては、たとえば水（水蒸気）が用いられる。この作動媒体の循環経路には、蒸気発生器３と、逆止弁（不図示）と、作動媒体供給ポンプ（復水ポンプ）９と、凝縮器５と、冷却水供給ポンプ７と、が配置されており、それらは後述する配管群によって接続されている。
【００２７】
蒸気発生器３は、液体収納部３ｂに蓄えられた作動媒体の液体（水）を加熱することによって、蒸気収納部３ａにおいて高温・高圧の作動媒体の蒸気（水蒸気）を発生させる。蒸気発生器３で発生した水蒸気が、膨張用の作動媒体の蒸気３１として、スクロール形膨張機１０の中心部に形成された左右の蒸気供給部３０に蒸気供給管１０３を通じて供給される。
【００２８】
このランキンサイクル動力回収システム１は、前記膨張用の作動媒体の蒸気（水蒸気）３１の循環経路に加えて、作動媒体の液体（水）をスクロール形膨張機１０の膨張室のシール及び潤滑を行うために蒸気と液体とが混合した循環経路を備えている。蒸気供給部３０に対して同軸に配置された予混合装置３２は、高温の作動媒体の蒸気（水蒸気）３１と液体のシール剤とを混合するための部屋である。ここで、シール剤は、水やオイル等であり、本発明では、蒸気発生器３の液体収納部３ｂで生成される高温の液体（水）が好適である。
【００２９】
凝縮器５は、蒸気回収管１０７を流通する作動媒体の蒸気（水蒸気）を、液体回収管１０９を流通する液体（水）に変換する熱交換器である。冷却水は、冷却水供給ポンプ７によって送出され、冷却水供給管１１３を通じて凝縮器５に導入され、熱交換後の冷却水が冷却水排出管１１５から排出される。
【００３０】
次に、スクロール形膨張機１０の構造について説明する。
【００３１】
図１に示した外周駆動形のスクロール形膨張機１０は、第一固定スクロール１６と第二固定スクロール１８と揺動スクロール２０とを備えるスクロール本体１２と、該スクロール本体を密閉状態で収納する密閉ケース１４と、該スクロール本体１２を密閉ケース１４に固定支持する支持部３４と、から構成されている。
【００３２】
第一固定スクロール１６及び第二固定スクロール１８の中央部には、それぞれ、蒸気供給部３０が軸方向に延在するように配置されている。第一固定スクロール１６及び第二固定スクロール１８の上部には、それぞれ、蒸気排出部１９が配置されている。
【００３３】
ボックス状の密閉ケース１４は、樹脂又は金属からなる第一ケース１４ａ及び第二ケース１４ｂから構成されている。第一ケース１４ａ及び第二ケース１４ｂの中央部下側には、開口した蒸気排出口３６が設けられている。蒸気放出口１９から排出された及び／又はスクロール本体１２から漏出した使用後の作動媒体蒸気（水蒸気）３３が、スクロール本体１２の外面と密閉ケース１４の内面とで形成された密閉空間２５を満たしている。作動媒体の蒸気（水蒸気）の大部分が、蒸気排出口３６から排出される。作動媒体の蒸気（水蒸気）の一部分が、密閉ケース１４の内面やスクロール本体１２の外面等の各種表面に接して冷やされることによって使用後の作動媒体の蒸気（水蒸気）３３が凝結して液化する。液化した作動媒体は、各種表面に沿って滴り落ちて、密閉ケース１４の底部に設けられた液溜まり部４４で受け止められる。当該液溜まり部４４には、９０乃至１００℃の作動媒体の液体（水）４６が溜められる。
【００３４】
密閉ケース１４の最下部には、開口した液体排出口３８が設けられている。液体排出口３８から軸直交方向に円筒壁状に延在する液体排出部４０が形成されている。液体排出部４０の外壁面と密閉ケース１４の内壁面とによって、液溜まり部４４が密閉ケース１４の底部に形成されている。液体排出部４０の上端には、液面制御用の浮き４２が設置されている。液溜まり部４４における作動媒体の液体４６の量が少ないときには、液面制御用の浮き４２が液体排出部４０の上端開口部を閉止している。液溜まり部４４が作動媒体の液体４６で一杯に満たされると、液面制御用の浮き４２が浮力によって持ち上げられて、液体排出部４０の上端開口部を開放する。その結果、液体排出部４０の上端レベルを超える作動媒体の液体４６が、液体排出部４０の上端開口部及び液体排出口３８を通じて排出される。したがって、液溜まり部４４における作動媒体の液体４６の溜まりレベルが、大略一定に保たれる。例えば、液溜まり部４４の容積は、密閉空間２５の容積に対しておおよそ１／８乃至１／４であるように構成される。
【００３５】
第一固定スクロール１６及び第二固定スクロール１８は、それぞれ、渦巻状のスクロールラップを鏡板上に有し、これらのスクロールラップが対向するように並行に配置されている。揺動スクロール２０の鏡板のおもて面及び裏面には、渦巻状のスクロールラップが形成されている。揺動スクロール２０のスクロールラップと、第一固定スクロール１６と第二固定スクロール１８のスクロールラップとがそれぞれ噛み合うことにより、揺動スクロール２０の鏡板のおもて面及び裏面には膨張室が形成されている。
【００３６】
揺動スクロール２０の鏡板の第一外周部２２には、所定の偏心量の偏心部を有する第一クランク軸２６が配置されているとともに、揺動スクロール２０の鏡板の第二外周部２４には、所定の偏心量の偏心部を有する第二クランク軸２８が配置されている。第一クランク軸２６及び第二クランク軸２８の両方が水平方向に延在している。揺動スクロール２０は、第一クランク軸２６及び第二クランク軸２８の偏心部において、軸受を介して旋回可能に軸支されている。第一クランク軸２６及び第二クランク軸２８は、それぞれ、第一固定スクロール１６及び第二固定スクロール１８の保持された軸受によって回転可能に支持されている。第一クランク軸２６及び第二クランク軸２８は、タイミングベルトによって同期回転可能に連結されている。第一クランク軸２６及び第二クランク軸２８が発電機の発電機軸に連結されており、回転動力が発電機に提供される。
【００３７】
次に、スクロール形膨張機１０及びランキンサイクル動力回収システム１における流通構造及び作動媒体の働きについて説明する。
【００３８】
まず、蒸気発生器３において、液体収納部３ｂに蓄えられた作動媒体の液体（水）を加熱することによって、高温・高圧の作動媒体の蒸気（水蒸気）３１が蒸気収納部３ａで生成される。蒸気発生器３で生成された作動媒体の蒸気（水蒸気）３１が、蒸気供給管１０３を通じて蒸気供給部３０に供給される。作動媒体の蒸気（水蒸気）３１がスクロール本体１０の膨張室で膨張することで、揺動スクロール２０が揺動する。揺動スクロール２０の揺動によって、水平方向に延在する第一クランク軸２６及び第二クランク軸２８が回動して、回転動力が出力される。膨張室での膨張によって圧力及び温度の低下した使用後の作動媒体蒸気（水蒸気）３３は、蒸気放出口１９から密閉空間２５に放出される。また、スクロール本体１２から漏出した使用後の作動媒体蒸気（水蒸気）３３も密閉空間２５に放出される。なお、膨張室での膨張途中において、飽和状態の作動媒体の蒸気（水蒸気）３１が湿り域に入り、作動媒体の蒸気（水蒸気）３１の一部分が液相に変化する。この液相の作動媒体も摺動部分の潤滑及びシールに供される。
【００３９】
密閉空間２５に放出された使用後の作動媒体蒸気（水蒸気）３３の大部分が、蒸気排出口３６からスクロール膨張機１０の外に排出される。スクロール膨張機１０の外に排出された使用後の作動媒体蒸気（水蒸気）３３は、蒸気回収管１０７を通じて凝縮部５に送られて液体（水）に凝縮される。凝縮部５で凝縮された作動媒体の液体（水）は、液体回収管１０９を通じて作動媒体供給ポンプ９に送られる。
【００４０】
他方、密閉空間２５に放出された使用後の作動媒体蒸気（水蒸気）３３の一部分が、密閉ケース１４の内面やスクロール本体１２の外面等の各種表面に接して冷やされることによって使用後の作動媒体蒸気（水蒸気）３３が凝結して液化する。液化した作動媒体は、各種表面に沿って滴り落ちて液溜まり部４４で受け止められて、作動媒体の液体４６として液溜まり部４４に蓄えられる。液溜まり部４４が作動媒体の液体４６で一杯に満たされると、液面制御用の浮き４２が浮力によって持ち上げられて、液体排出部４０の上端開口部を開放する。その結果、液体排出部４０の上端レベルを超える作動媒体の液体４６が、液体排出部４０の上端開口部及び液体排出口３８を通じてスクロール膨張機１０の外に排出される。したがって、液溜まり部４４における作動媒体の液体４６の溜まりレベルが、大略一定に保たれる。そして、液体排出口３８に接続された液体排出管１１１に排出された作動媒体の液体４６は、液体回収管１０９を通じて作動媒体供給ポンプ９に送られる。したがって、作動媒体は、蒸気（水蒸気）と液体（水）との間で相状態を変えながらランキンサイクル動力回収システム１内を循環する。
【００４１】
作動媒体供給ポンプ９から吐出された作動媒体の液体（水）は、不図示の逆止弁及び液体供給管１０１を通じて蒸気発生器３に供給されて、加熱及び蒸発処理が行われる。蒸気収納部３ａで得られた高温・高圧の作動媒体の蒸気（水蒸気）３１が、蒸気供給管１０３を通じて蒸気供給部３０に供給される。蒸発時に飽和によって蒸発することなく液体収納部３ｂに蓄えられた高温の作動媒体の液体（水）は、シール液用供給管１０５を通じて予混合装置３２に供給される。
【００４２】
上記のように、スクロール本体１２で使用された作動媒体の蒸気（水蒸気）３１、すなわちスクロール本体１２から排出された及び／又は漏出した使用後の作動媒体蒸気（水蒸気）３３が、密閉ケース１４の密閉空間２５内で凝結し、凝結した高温の作動媒体の液体４６が液溜まり４４に溜められる。密閉ケース１４の壁面が凝結作用を提供するために、凝結器５だけで使用後の作動媒体蒸気（水蒸気）３３を液化する場合よりも、凝結器５を小型化することができる。また、スクロール膨張機１０及びランキンサイクル動力回収システム１における熱損失をできるだけ少なくすることができる。
【００４３】
次に、本発明の第二実施形態に係るスクロール形膨張機１０，５０及び該スクロール形膨張機１０，５０を備えたランキンサイクル動力回収システム１について、図２を参照しながら説明するが、上述した第一実施形態との相違点を中心に説明する。
【００４４】
上述した第一実施形態は、単一のスクロール形膨張機１０を用いたランキンサイクル動力回収システム１であるのに対して、第二実施形態は、複数台のスクロール形膨張機１０，５０を用いたランキンサイクル動力回収システム１に関する。スクロール形膨張機１０，５０の基本構造は、第一実施形態における単一のスクロール形膨張機１０と実質的に同じであるので、それとの相違点を以下に説明する。
【００４５】
図２に示したランキンサイクル動力回収システム１は、不図示の発電機を駆動するための装置として、高圧段スクロール形膨張機５０及び低圧段スクロール形膨張機１０という二つのスクロール形膨張機１０を備えている。図２に示した低圧段スクロール形膨張機１０は、第一実施形態におけるスクロール形膨張機１０と実質的に同じであるので、その説明を省略する。
【００４６】
高圧段スクロール形膨張機５０は、第一固定スクロール５６と第二固定スクロール５８と揺動スクロール６０とを備えるスクロール本体５２と、該スクロール本体５２を密閉状態で収納する密閉ケース５４と、該スクロール本体５２を密閉ケース５４に固定支持する支持部７４と、から構成されている。
【００４７】
第一固定スクロール５６及び第二固定スクロール５８の中央部には、それぞれ、蒸気供給部７０が軸方向に延在するように配置されている。第一固定スクロール５６及び第二固定スクロール５８の中央部下側には、それぞれ、蒸気排出部５９が配置されている。
【００４８】
ボックス状の密閉ケース５４は、樹脂又は金属からなる第一ケース５４ａ及び第二ケース５４ｂから構成されている。第一ケース５４ａ及び第二ケース５４ｂの中央部下側には、蒸気排出部５９を挿通するための開口部が設けられている。スクロール本体５２で使用された作動媒体の蒸気（水蒸気）の大部分が、蒸気排出部５９から排出される。スクロール本体５２から漏出した作動媒体の蒸気（水蒸気）が、スクロール本体５２の外面と密閉ケース５４の内面とで形成された密閉空間６５を満たしている。密閉空間６５を充満している作動媒体の蒸気（水蒸気）が、密閉ケース５４の内面やスクロール本体５２の外面等の各種表面に接して冷やされることによって使用後の作動媒体蒸気（水蒸気）３３が凝結して液化する。液化した作動媒体は、各種表面に沿って滴り落ちて、密閉ケース５４の底部に設けられた液溜まり部８４で受け止められる。当該液溜まり部８４には、例えば、９０乃至１００℃の作動媒体の液体（水）８６が溜められる。
【００４９】
密閉ケース５４の最下部には、開口した液体排出口７８が設けられている。液体排出口７８から軸直交方向に円筒壁状に延在する液体排出部８０が形成されている。液体排出部８０の外壁面と密閉ケース５４の内壁面とによって、液溜まり部８４が密閉ケース５４の底部に形成されている。液体排出部８０の上端には、液面制御用の浮き８２が設置されている。液溜まり部８４における作動媒体の液体８６の量が少ないときには、液面制御用の浮き８２が液体排出部８０の上端開口部を閉止している。液溜まり部８４が作動媒体の液体８６で一杯に満たされると、液面制御用の浮き８２が浮力によって持ち上げられて、液体排出部８０の上端開口部を開放する。その結果、液体排出部８０の上端レベルを超える作動媒体の液体８６が、液体排出部８０の上端開口部及び液体排出口７８を通じて排出される。したがって、液溜まり部８４における作動媒体の液体８６の溜まりレベルが、大略一定に保たれる。例えば、液溜まり部８４の容積は、密閉空間６５の容積に対しておおよそ１／８乃至１／４であるように構成されるが、スクロール本体５２から漏出した少量の作動媒体の蒸気（水蒸気）を液溜まり部８４での捕集対象にしているので、より好適には、密閉空間６５の容積に対しておおよそ１／１０乃至１／６であるように構成される。
【００５０】
第一固定スクロール５６及び第二固定スクロール５８は、それぞれ、渦巻状のスクロールラップを鏡板上に有し、これらのスクロールラップが対向するように並行に配置されている。揺動スクロール６０の鏡板のおもて面及び裏面には、渦巻状のスクロールラップが形成されている。揺動スクロール６０のスクロールラップと、第一固定スクロール５６と第二固定スクロール５８のスクロールラップとがそれぞれ噛み合うことにより、揺動スクロール６０の鏡板のおもて面及び裏面には膨張室が形成されている。
【００５１】
揺動スクロール６０の鏡板の第一外周部６２には、所定の偏心量の偏心部を有する第一クランク軸６６が配置されているとともに、揺動スクロール６０の鏡板の第二外周部６４には、所定の偏心量の偏心部を有する第二クランク軸６８が配置されている。揺動スクロール６０は、第一クランク軸６６及び第二クランク軸６８の偏心部において、軸受を介して旋回可能に軸支されている。第一クランク軸６６及び第二クランク軸６８は、それぞれ、第一固定スクロール５６及び第二固定スクロール５８の保持された軸受によって回転可能に支持されている。
【００５２】
高圧段スクロール形膨張機５０の第一クランク軸６６及び第二クランク軸６８は、それぞれ、第一カップリング９１及び第二カップリング９３を介して、低圧段スクロール形膨張機１０の第一クランク軸２６及び第二クランク軸２８に連結されている。連結されたこれらのクランク軸２６，２８，６６，６８は、タイミングベルトによって同期回転可能に連結されているとともに、発電機の発電機軸に連結されており、回転動力が発電機に提供される。
【００５３】
次に、図２に示したスクロール形膨張機１０，５０及びランキンサイクル動力回収システム１における流通構造及び作動媒体の働きについて説明する。
【００５４】
まず、蒸気発生器３において、液体収納部３ｂに蓄えられた作動媒体の液体（水）を加熱することによって、高温・高圧の作動媒体の蒸気（水蒸気）７１が蒸気収納部３ａで生成される。蒸気発生器３で生成された作動媒体の蒸気（水蒸気）７１が、蒸気供給管１２３を通じて高圧段スクロール形膨張機５０の蒸気供給部７０に供給される。作動媒体の蒸気（水蒸気）７１が高圧段のスクロール本体５０の膨張室で膨張することで、揺動スクロール６０が揺動する。揺動スクロール６０の揺動によって、第一クランク軸６６及び第二クランク軸６８が回動して、回転動力が出力される。膨張室での膨張によって圧力及び温度の低下した作動媒体の蒸気（水蒸気）は、蒸気排出部５９及び蒸気回収管１２７を通じて低圧段スクロール形膨張機１０の蒸気供給部３０に供給される。
【００５５】
また、高圧段のスクロール本体５２から漏出した使用後の作動媒体蒸気（水蒸気）７３は、密閉空間６５に放出される。なお、膨張室での膨張途中において、飽和状態の作動媒体の蒸気（水蒸気）７１が湿り域に入り、作動媒体の蒸気（水蒸気）７１の一部分が液相に変化する。この液相の作動媒体も摺動部分の潤滑及びシールに供される。
【００５６】
高圧段スクロール形膨張機５０の密閉空間６５に漏出した使用後の作動媒体蒸気（水蒸気）７３が、密閉ケース５４の内面やスクロール本体５２の外面等の各種表面に接して冷やされることによって使用後の作動媒体蒸気（水蒸気）７３が凝結して液化する。液化した作動媒体は、各種表面に沿って滴り落ちて液溜まり部８４で受け止められて、作動媒体の液体８６として液溜まり部８４に蓄えられる。液溜まり部８４が作動媒体の液体（例えば、９０乃至１００℃）８６で一杯に満たされると、液面制御用の浮き８２が浮力によって持ち上げられて、液体排出部８０の上端開口部を開放する。その結果、液体排出部８０の上端レベルを超える作動媒体の液体８６が、液体排出部８０の上端開口部及び液体排出口７８を通じて、高圧段スクロール形膨張機５０の外に排出される。したがって、液溜まり部８４における作動媒体の液体８６の溜まりレベルが、大略一定に保たれる。そして、液体排出口７８から排出された高温の作動媒体の液体８６は、シール液用供給管１３１を通じて、低圧段スクロール形膨張機１０の予混合装置３２に送られる。また、蒸発時に飽和によって蒸発することなく液体収納部３ｂに蓄えられた高温の作動媒体の液体（水）は、シール液用供給管１２５を通じて、高圧段スクロール形膨張機５０の予混合装置７２に供給される。
【００５７】
高圧段スクロール形膨張機５０の膨張室での膨張によって圧力及び温度の低下した使用後の作動媒体蒸気（水蒸気）７３は、蒸気回収管１２７を通じて、低圧段スクロール形膨張機１０の蒸気供給部３０に作動媒体の蒸気（水蒸気）３１として供給される。作動媒体の蒸気（水蒸気）３１がスクロール本体１０の膨張室で膨張することで、揺動スクロール２０が揺動する。揺動スクロール２０の揺動によって、第一クランク軸２６及び第二クランク軸２８が回動して、回転動力が出力される。膨張室での膨張によって圧力及び温度の低下した使用後の作動媒体蒸気（水蒸気）３３は、蒸気放出口１９から密閉空間２５に放出される。また、スクロール本体１２から漏出した使用後の作動媒体蒸気（水蒸気）３３も密閉空間２５に放出される。なお、膨張室での膨張途中において、飽和状態の作動媒体の蒸気（水蒸気）３１が湿り域に入り、作動媒体の蒸気（水蒸気）３１の一部分が液相に変化する。この液相の作動媒体も摺動部分の潤滑及びシールに供される。
【００５８】
密閉空間２５に放出された使用後の作動媒体蒸気（水蒸気）３３の大部分が、蒸気排出口３６から低圧段スクロール膨張機１０の外に排出される。低圧段スクロール膨張機１０の外に排出された使用後の作動媒体蒸気（水蒸気）３３は、蒸気回収管１０７を通じて凝縮部５に送られて液体（水）に凝縮される。凝縮部５で凝縮された作動媒体の液体（水）は、液体回収管１０９を通じて作動媒体供給ポンプ９に送られる。
【００５９】
他方、密閉空間２５に放出された使用後の作動媒体蒸気（水蒸気）３３の一部分が、密閉ケース１４の内面やスクロール本体１２の外面等の各種表面に接して冷やされることによって使用後の作動媒体蒸気（水蒸気）３３が凝結して液化する。液化した作動媒体は、各種表面に沿って滴り落ちて液溜まり部４４で受け止められて、作動媒体の液体４６として液溜まり部４４に蓄えられる。液溜まり部４４が作動媒体の液体（例えば、８０乃至９０℃）４６で一杯に満たされると、液面制御用の浮き４２が浮力によって持ち上げられて、液体排出部４０の上端開口部を開放する。その結果、液体排出部４０の上端レベルを超える作動媒体の液体４６が、液体排出部４０の上端開口部及び液体排出口３８を通じてスクロール膨張機１０の外に排出される。したがって、液溜まり部４４における作動媒体の液体４６の溜まりレベルが、大略一定に保たれる。そして、液体排出口３８に接続された液体排出管１１１に排出された作動媒体の液体４６は、液体回収管１０９を通じて作動媒体供給ポンプ９に送られる。
【００６０】
作動媒体供給ポンプ９から吐出された作動媒体の液体（水）は、不図示の逆止弁及び液体供給管１０１を通じて蒸気発生器３に供給されて、加熱及び蒸発処理が行われる。蒸気収納部３ａで得られた高温・高圧の作動媒体の蒸気（水蒸気）７１が、蒸気供給管１２３を通じて、高圧段スクロール膨張機５０の蒸気供給部７０に供給される。したがって、作動媒体は、蒸気（水蒸気）と液体（水）との間で相状態を変えながらランキンサイクル動力回収システム１内を循環する。
【００６１】
上記のように、高圧段スクロール膨張機５０のスクロール本体５２で使用後の作動媒体蒸気（水蒸気）７３が低圧段スクロール膨張機１０のスクロール本体１２においても使用されるとともに、高圧段スクロール膨張機５０のスクロール本体５２から漏出した使用後の作動媒体蒸気（水蒸気）７３が密閉ケース５４の密閉空間６５内で凝結し、凝結した高温の作動媒体の液体が液溜まり８４に溜められて低圧段スクロール膨張機１０の予混合装置３２のシール剤として利用される。さらにまた、低圧段スクロール膨張機１０のスクロール本体１２から排出された及び／又は漏出した使用後の作動媒体蒸気（水蒸気）３３が、密閉ケース１４の密閉空間２５内で凝結し、凝結した高温の作動媒体の液体４６が液溜まり４４に溜められる。密閉ケース１４の壁面が凝結作用を提供するために、凝結器５だけで使用後の作動媒体蒸気（水蒸気）３３を液化する場合よりも、凝結器５を小型化することができる。また、スクロール膨張機１０，５０及びランキンサイクル動力回収システム１における熱損失をできるだけ少なくすることができる。
【００６２】
次に、本発明の第三実施形態に係るスクロール形膨張機１０及び該スクロール形膨張機１０を備えたランキンサイクル動力回収システム１について、図３を参照しながら説明するが、上述した第一実施形態との相違点を中心に説明する。
【００６３】
上述した第一実施形態は、スクロール形膨張機１０のクランク軸２６，２８が水平方向に延在するのに対して、第三実施形態は、スクロール形膨張機１０のクランク軸２６，２８が垂直方向に延在していることを特徴としている。したがって、第三実施形態におけるスクロール形膨張機１０の基本構造は、第一実施形態におけるスクロール形膨張機１０と類似しているところが多いので、相違点を中心に以下に説明する。
【００６４】
図３に示すように、第三実施形態に係るランキンサイクル動力回収システム１は、不図示の発電機を駆動するための装置として、単一のスクロール形膨張機１０を備えている。該スクロール形膨張機１０に設けられた垂直方向に延在するクランク軸（駆動軸）２６，２８が、発電機の発電機軸に連結されており、スクロール形膨張機１０のクランク軸（駆動軸）２６，２８の回転駆動力で発電機の発電機軸を回転させることにより、発電を行うようになっている。
【００６５】
図３に示した外周駆動形のスクロール形膨張機１０は、第一固定スクロール１６と第二固定スクロール１８と揺動スクロール２０とを備えるスクロール本体１２と、該スクロール本体を密閉状態で収納する密閉ケース１４と、該スクロール本体１２を密閉ケース１４に固定支持する支持部３４と、から構成されている。
【００６６】
第一固定スクロール１６及び第二固定スクロール１８の中央部には、それぞれ、蒸気供給部３０が軸方向に延在するように配置されている。第一固定スクロール１６及び第二固定スクロール１８の上部には、それぞれ、蒸気排出部１９が配置されている。
【００６７】
ボックス状の密閉ケース１４は、樹脂又は金属からなる第一ケース１４ａ及び第二ケース１４ｂから構成されている。第一ケース１４ａ及び第二ケース１４ｂの右側には、開口した蒸気排出口３６が設けられている。蒸気放出口１９から排出された及び／又はスクロール本体１２から漏出した使用後の作動媒体蒸気（水蒸気）３３が、スクロール本体１２の外面と密閉ケース１４の内面とで形成された密閉空間２５を満たしている。作動媒体の蒸気（水蒸気）の大部分が、蒸気排出口３６から排出される。作動媒体の蒸気（水蒸気）の一部分が、密閉ケース１４の内面やスクロール本体１２の外面等の各種表面に接して冷やされることによって使用後の作動媒体の蒸気（水蒸気）３３が凝結して液化する。液化した作動媒体は、各種表面に沿って滴り落ちて、密閉ケース１４の第二ケース１４ｂの底部に設けられて半円環状に凹んだ液溜まり部４４で受け止められる。半円環状に凹んだ液溜まり部４４には、９０乃至１００℃の作動媒体の液体（水）４６が溜められる。
【００６８】
液溜まり部４４の最下部には、開口した液体排出口３８が設けられている。液溜まり部４４内に設けられたフロースイッチやレベルスイッチ等の液面センサが、作動媒体の液体４６の液面レベルの変動に応じてオン・オフして、液体排出口３８の直上に設けられた電磁バルブを開閉させることによって、液溜まり部４４における作動媒体の液体４６の溜まりレベルが大略一定に保たれるように構成されている。その結果、液面センサによって検出される所定の液面レベルを超える作動媒体の液体４６が、液体排出口３８を通じてスクロール形膨張機１０の外に排出される。例えば、液溜まり部４４の容積は、密閉空間２５の容積に対しておおよそ１／８乃至１／４であるように構成される。
【００６９】
第一固定スクロール１６及び第二固定スクロール１８は、それぞれ、渦巻状のスクロールラップを鏡板上に有し、これらのスクロールラップが対向するように並行に配置されている。揺動スクロール２０の鏡板の上面及び下面には、渦巻状のスクロールラップが形成されている。揺動スクロール２０のスクロールラップと、第一固定スクロール１６と第二固定スクロール１８のスクロールラップとがそれぞれ噛み合うことにより、揺動スクロール２０の鏡板の上面及び下面には膨張室が形成されている。
【００７０】
揺動スクロール２０の鏡板の第一外周部２２には、所定の偏心量の偏心部を有する第一クランク軸２６が配置されているとともに、揺動スクロール２０の鏡板の第二外周部２４には、所定の偏心量の偏心部を有する第二クランク軸２８が配置されている。第一クランク軸２６及び第二クランク軸２８の両方が垂直方向に延在している。揺動スクロール２０は、第一クランク軸２６及び第二クランク軸２８の偏心部において、軸受を介して旋回可能に軸支されている。第一クランク軸２６及び第二クランク軸２８は、それぞれ、第一固定スクロール１６及び第二固定スクロール１８の保持された軸受によって回転可能に支持されている。第一クランク軸２６及び第二クランク軸２８は、タイミングベルトによって同期回転可能に連結されている。第一クランク軸２６及び第二クランク軸２８が発電機の発電機軸に連結されており、回転動力が発電機に提供される。
【００７１】
次に、第三実施形態に係るスクロール形膨張機１０及びランキンサイクル動力回収システム１における流通構造及び作動媒体の働きについて説明する。
【００７２】
まず、蒸気発生器３において、液体収納部３ｂに蓄えられた作動媒体の液体（水）を加熱することによって、高温・高圧の作動媒体の蒸気（水蒸気）３１が蒸気収納部３ａで生成される。蒸気発生器３で生成された作動媒体の蒸気（水蒸気）３１が、蒸気供給管１０３を通じて蒸気供給部３０に供給される。作動媒体の蒸気（水蒸気）３１がスクロール本体１０の膨張室で膨張することで、揺動スクロール２０が揺動する。揺動スクロール２０の揺動によって、垂直方向に延在する第一クランク軸２６及び第二クランク軸２８が回動して、回転動力が出力される。膨張室での膨張によって圧力及び温度の低下した使用後の作動媒体蒸気（水蒸気）３３は、蒸気放出口１９から密閉空間２５に放出される。また、スクロール本体１２から漏出した使用後の作動媒体蒸気（水蒸気）３３も密閉空間２５に放出される。なお、膨張室での膨張途中において、飽和状態の作動媒体の蒸気（水蒸気）３１が湿り域に入り、作動媒体の蒸気（水蒸気）３１の一部分が液相に変化する。この液相の作動媒体も摺動部分の潤滑及びシールに供される。
【００７３】
密閉空間２５に放出された使用後の作動媒体蒸気（水蒸気）３３の大部分が、蒸気排出口３６からスクロール膨張機１０の外に排出される。スクロール膨張機１０の外に排出された使用後の作動媒体蒸気（水蒸気）３３は、蒸気回収管１０７を通じて凝縮部５に送られて液体（水）に凝縮される。凝縮部５で凝縮された作動媒体の液体（水）は、液体回収管１０９を通じて作動媒体供給ポンプ９に送られる。
【００７４】
他方、密閉空間２５に放出された使用後の作動媒体蒸気（水蒸気）３３の一部分が、密閉ケース１４の内面やスクロール本体１２の外面等の各種表面に接して冷やされることによって使用後の作動媒体蒸気（水蒸気）３３が凝結して液化する。液化した作動媒体は、各種表面に沿って滴り落ちて液溜まり部４４で受け止められて、作動媒体の液体４６として液溜まり部４４に蓄えられる。液溜まり部４４が作動媒体の液体４６で所定レベルまで満たされると、液面センサによって作動媒体の液体４６の液面レベルが検出されて電磁バルブを開くことによって、作動媒体の液体４６が、液体排出口３８を通じてスクロール形膨張機１０の外に排出される。したがって、液溜まり部４４における作動媒体の液体４６の溜まりレベルが、大略一定に保たれる。そして、液体排出口３８に接続された液体排出管１１１に排出された作動媒体の液体４６は、液体回収管１０９を通じて作動媒体供給ポンプ９に送られる。したがって、作動媒体は、蒸気（水蒸気）と液体（水）との間で相状態を変えながらランキンサイクル動力回収システム１内を循環する。
【００７５】
作動媒体供給ポンプ９から吐出された作動媒体の液体（水）は、不図示の逆止弁及び液体供給管１０１を通じて蒸気発生器３に供給されて、加熱及び蒸発処理が行われる。蒸気収納部３ａで得られた高温・高圧の作動媒体の蒸気（水蒸気）３１が、蒸気供給管１０３を通じて蒸気供給部３０に供給される。蒸発時に飽和によって蒸発することなく液体収納部３ｂに蓄えられた高温の作動媒体の液体（水）は、シール液用供給管１０５を通じて予混合装置３２に供給される。
【００７６】
上記のように、スクロール本体１２で使用された作動媒体の蒸気（水蒸気）３１、すなわちスクロール本体１２から排出された及び／又は漏出した使用後の作動媒体蒸気（水蒸気）３３が、密閉ケース１４の密閉空間２５内で凝結し、凝結した高温の作動媒体の液体４６が液溜まり４４に溜められる。密閉ケース１４の壁面が凝結作用を提供するために、凝結器５だけで使用後の作動媒体蒸気（水蒸気）３３を液化する場合よりも、凝結器５を小型化することができる。また、スクロール膨張機１０及びランキンサイクル動力回収システム１における熱損失をできるだけ少なくすることができる。
【００７７】
第二実施形態のように、第三実施形態において説明したスクロール形膨張機１０を二台準備して、それらを垂直方向に連結配置した低圧段及び高圧段からなるランキンサイクル動力回収システム１とすることもできる。なお、この場合及び上述した第二実施形態において、３台や４台のスクロール形膨張機１０を、それぞれ、垂直方向及び水平方向に連結配置することもできる。
【００７８】
上述した本発明の実施形態では、いずれも、両歯式で駆動軸が外周にある外周駆動形のスクロール形膨張機を適用した場合について説明したが、片歯式で駆動軸が中心にあるタイプのスクロール形膨張機や、片歯式で駆動軸が外周にあるタイプのスクロール形膨張機に対しても本願発明を適用することができる。
【００７９】
また、スクロール形膨張機を作動させる作動媒体として、アンモニア及び水、あるいはアルコール及び水を混合した混合媒体を用いることもできる。
【符号の説明】
【００８０】
１ ランキンサイクル動力回収システム
３ 蒸気発生器
３ａ 蒸気収納部
３ｂ 液体収納部
５ 凝縮器
７ 冷却水供給ポンプ
９ 作動媒体供給ポンプ（復水ポンプ）
１０ スクロール形膨張機（低圧段）
１２ スクロール本体（低圧段）
１４ 密閉ケース
１４ａ 第一ケース
１４ｂ 第二ケース
１６ 第一固定スクロール
１８ 第二固定スクロール
１９ 蒸気放出口
２０ 揺動スクロール
２２ 第一外周部
２４ 第二外周部
２５ 密閉空間
２６ 第一クランク軸
２８ 第二クランク軸
３０ 蒸気供給部
３１ 作動媒体の蒸気
３２ 予混合装置
３３ 使用後の作動媒体蒸気
３４ 支持部
３６ 蒸気排出口
３８ 液体排出口
４０ 液体排出部
４２ 液面制御浮き
４４ 液溜まり部
４６ 作動媒体の液体
５０ スクロール形膨張機（高圧段）
５２ スクロール本体（高圧段）
５４ 密閉ケース
５４ａ 第一ケース
５４ｂ 第二ケース
５６ 第一固定スクロール
５８ 第二固定スクロール
５９ 蒸気排出口
６０ 揺動スクロール
６２ 揺動軸部
６４ 揺動軸部
６６ 第一クランク軸
６８ 第二クランク軸
７０ 蒸気供給部
７１ 作動媒体の蒸気
７２ 予混合装置
７３ 使用後の作動媒体蒸気
７４ 支持部
７８ 液体排出口
８０ 液体排出部
８２ 液面制御浮き
８４ 液溜まり
８６ 作動媒体の液体
９１ 第一カップリング
９３ 第二カップリング
１０１ 液体供給管
１０３ 蒸気供給管
１０５ シール液用供給管
１０７ 蒸気回収管
１０９ 液体回収管
１１３ 冷却水供給管
１１５ 冷却水排出管
１２３ 蒸気供給管
１２５ シール液用供給管
１２７ 蒸気回収管
１３１ シール液用供給管
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スクロール形膨張機及び該スクロール形膨張機を備えたランキンサイクル動力回収システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、水（水蒸気）等の作動媒体における気相及び液相の間の相変化を伴うランキンサイクル動力回収システムは、事業用発電として大形のもので実用化されており、その膨張機としては、一般に、蒸気タービンが使用されている。
【０００３】
例えば、発電機の駆動部として蒸気タービンを備えたランキンサイクル動力回収システムでは、蒸気タービンに高温・高圧の気相の作動媒体、たとえば水蒸気を供給するための作動媒体循環経路には、蒸気発生器と、復水ポンプと、凝縮器と、が配設されている。蒸気発生器で発生した高温・高圧の水蒸気は蒸気タービンに供給され、該蒸気タービンを駆動することより発電に利用され、その後、凝縮器で冷却されて液相の水に凝縮される。この凝縮水は、復水ポンプにより蒸気発生器に供給され、加熱されることにより、気相の水蒸気に変化し、再び発電機の蒸気タービンに供給される。
【０００４】
蒸気タービンは、大形のものであれば効率良く作動するが、小形のものになると効率が低下するため、小出力のランキンサイクル動力回収システムには、不向きである。このような蒸気タービンに替えて、スクロール形流体機械を膨張機として利用した場合、小形のものであっても効率良く発電できることが知られている。スクロール形流体機械として、鏡板の両側にスクロールラップの形成された両歯式の外周駆動形スクロール流体機械が特許文献１及び２に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−２２７４８１号公報
【特許文献２】特開２０００−２７７７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ランキンサイクル動力回収システムにおいてスクロール形膨張機を使用する場合、できるだけ凝縮器を小型化したり熱損失を低減したりすることが求められている。
【０００７】
したがって、本発明の解決すべき技術的課題は、凝縮器の小型化や熱損失の低減を可能にするスクロール形膨張機及び該スクロール形膨張機を備えたランキンサイクル動力回収システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記技術的課題を解決するために、本発明によれば、以下のスクロール形膨張機及びランキンサイクル動力回収システムが提供される。
【０００９】
すなわち、本発明の請求項１に係るスクロール形膨張機は、
スクロール本体が密閉ケース内に収納されたスクロール形膨張機であって、作動媒体の蒸気が密閉ケース内で凝結することによって生成された作動媒体の液体を溜めておく液溜まりを、スクロール形膨張機の設置位置に合わせて、前記密閉ケースの底部に配設することを特徴とする。
【００１０】
本発明の請求項２に係るスクロール形膨張機では、
液溜まりは、溜められた作動媒体の液体の液面を大略一定に保つ液面保持手段を有することを特徴とする。
【００１１】
本発明の請求項３に係るスクロール形膨張機では、
スクロール本体が、鏡板の両側に渦巻状の旋回側スクロールラップを有する旋回スクロールと、該旋回スクロールの両側に配置されて前記旋回側スクロールラップと噛み合う固定側スクロールラップを有する固定スクロールと、該旋回スクロールの外周側に配置された第一クランク軸及び第二クランク軸と、を備える外周駆動形であることを特徴とする。
【００１２】
本発明の請求項４に係るランキンサイクル動力回収システムでは、
蒸気発生器と、該蒸気発生器で発生した作動媒体の蒸気により駆動される一つのスクロール形膨張機と、スクロール形膨張機から排出された作動媒体の蒸気を凝縮する凝縮器と、該凝縮器で凝縮された作動媒体の液体を蒸気発生器に供給するポンプと、を備えるランキンサイクル動力回収システムにおいて、
前記スクロール形膨張機が請求項１乃至３のいずれか一つに記載のものであることを特徴とする。
【００１３】
本発明の請求項５に係るランキンサイクル動力回収システムでは、
蒸気発生器と、該蒸気発生器で発生した作動媒体の蒸気により駆動される複数のスクロール形膨張機と、スクロール形膨張機から排出された作動媒体の蒸気を凝縮する凝縮器と、該凝縮器で凝縮された作動媒体の液体を蒸気発生器に供給するポンプと、を備えるランキンサイクル動力回収システムにおいて、
前記複数のスクロール形膨張機として、高温・高圧蒸気が供給される高圧段スクロール形膨張機と、該高圧段膨張機から排出された低圧蒸気が供給される低圧段スクロール形膨張機と、が連設されて、
前記複数のスクロール形膨張機が請求項１乃至３のいずれか一つに記載のものであることを特徴とする。
【００１４】
本発明の請求項６に係るランキンサイクル動力回収システムでは、
高圧段スクロール形膨張機の液溜まりに溜まった作動媒体の液体を、低圧段スクロール形膨張機の予混合室に導入することを特徴とする。
【００１５】
本発明の請求項７に係るランキンサイクル動力回収システムでは、
高圧段スクロール形膨張機のクランク軸と低圧段スクロール形膨張機のクランク軸とが、カップリングを介して連結されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１に係る本発明では、スクロール本体で使用された作動媒体の蒸気、すなわちスクロール本体から排出される及び／又は漏出する作動媒体の蒸気が密閉ケースのチャンバー内で凝結した高温の作動媒体の液体が液溜まりに溜められる。密閉ケースの壁面が凝結作用を提供するために、凝結器だけで使用後の作動媒体蒸気を液化する場合よりも、凝結器を小型化することが可能になるという効果を奏する。
【００１７】
請求項２に係る本発明では、液面保持手段によって液溜まりにおける液面が大略一定に保たれているので、スクロール形膨張機における熱バランスが大略一定に保たれて、スクロール本体の動作が安定するという効果を奏する。
【００１８】
片歯式で駆動軸が中心にあるタイプや、片歯式で駆動軸が外周にあるタイプに対しても本願発明を適用することができるが、請求項３に係る本発明では、両歯式で駆動軸が外周にある外周駆動形のスクロール形膨張機に対して適用される。
【００１９】
請求項４に係る本発明では、上記スクロール形膨張機が単一で使用される形態でランキンサイクル動力回収システムに適用される。
【００２０】
請求項５に係る本発明では、上記スクロール形膨張機が複数台で使用される形態でランキンサイクル動力回収システムに適用される。
【００２１】
請求項６に係る本発明では、高圧段スクロール形膨張機の液溜まりに溜められた高温の作動媒体の液体が、低圧段スクロール形膨張機における旋回スクロールラップと固定スクロールラップとの間隙をシールするシール剤等に有効利用することもできるという効果を奏する。
【００２２】
請求項７に係る本発明では、低圧側の両クランク軸の同期をとる装置が不要になるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第一実施形態に係るスクロール形膨張機及びランキンサイクル動力回収システムの説明図である。
【図２】本発明の第二実施形態に係るスクロール形膨張機及びランキンサイクル動力回収システムの説明図である。
【図３】本発明の第三実施形態に係るスクロール形膨張機及びランキンサイクル動力回収システムの説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下に、本発明の第一実施形態に係るスクロール形膨張機１０及び該スクロール形膨張機１０を備えたランキンサイクル動力回収システム１について、図１を参照しながら詳細に説明する。
【００２５】
図１に示すように、ランキンサイクル動力回収システム１は、不図示の発電機を駆動するための装置として、単一のスクロール形膨張機１０を備えている。該スクロール形膨張機１０に設けられた水平方向に延在するクランク軸（駆動軸）２６，２８が、発電機の発電機軸に連結されており、スクロール形膨張機１０のクランク軸（駆動軸）２６，２８の回転駆動力で発電機の発電機軸を回転させることにより、発電を行うようになっている。
【００２６】
スクロール形膨張機１０を駆動するための作動媒体としては、たとえば水（水蒸気）が用いられる。この作動媒体の循環経路には、蒸気発生器３と、逆止弁（不図示）と、作動媒体供給ポンプ（復水ポンプ）９と、凝縮器５と、冷却水供給ポンプ７と、が配置されており、それらは後述する配管群によって接続されている。
【００２７】
蒸気発生器３は、液体収納部３ｂに蓄えられた作動媒体の液体（水）を加熱することによって、蒸気収納部３ａにおいて高温・高圧の作動媒体の蒸気（水蒸気）を発生させる。蒸気発生器３で発生した水蒸気が、膨張用の作動媒体の蒸気３１として、スクロール形膨張機１０の中心部に形成された左右の蒸気供給部３０に蒸気供給管１０３を通じて供給される。
【００２８】
このランキンサイクル動力回収システム１は、前記膨張用の作動媒体の蒸気（水蒸気）３１の循環経路に加えて、作動媒体の液体（水）をスクロール形膨張機１０の膨張室のシール及び潤滑を行うために蒸気と液体とが混合した循環経路を備えている。蒸気供給部３０に対して同軸に配置された予混合装置３２は、高温の作動媒体の蒸気（水蒸気）３１と液体のシール剤とを混合するための部屋である。ここで、シール剤は、水やオイル等であり、本発明では、蒸気発生器３の液体収納部３ｂで生成される高温の液体（水）が好適である。
【００２９】
凝縮器５は、蒸気回収管１０７を流通する作動媒体の蒸気（水蒸気）を、液体回収管１０９を流通する液体（水）に変換する熱交換器である。冷却水は、冷却水供給ポンプ７によって送出され、冷却水供給管１１３を通じて凝縮器５に導入され、熱交換後の冷却水が冷却水排出管１１５から排出される。
【００３０】
次に、スクロール形膨張機１０の構造について説明する。
【００３１】
図１に示した外周駆動形のスクロール形膨張機１０は、第一固定スクロール１６と第二固定スクロール１８と揺動スクロール２０とを備えるスクロール本体１２と、該スクロール本体を密閉状態で収納する密閉ケース１４と、該スクロール本体１２を密閉ケース１４に固定支持する支持部３４と、から構成されている。
【００３２】
第一固定スクロール１６及び第二固定スクロール１８の中央部には、それぞれ、蒸気供給部３０が軸方向に延在するように配置されている。第一固定スクロール１６及び第二固定スクロール１８の上部には、それぞれ、蒸気排出部１９が配置されている。
【００３３】
ボックス状の密閉ケース１４は、樹脂又は金属からなる第一ケース１４ａ及び第二ケース１４ｂから構成されている。第一ケース１４ａ及び第二ケース１４ｂの中央部下側には、開口した蒸気排出口３６が設けられている。蒸気放出口１９から排出された及び／又はスクロール本体１２から漏出した使用後の作動媒体蒸気（水蒸気）３３が、スクロール本体１２の外面と密閉ケース１４の内面とで形成された密閉空間２５を満たしている。作動媒体の蒸気（水蒸気）の大部分が、蒸気排出口３６から排出される。作動媒体の蒸気（水蒸気）の一部分が、密閉ケース１４の内面やスクロール本体１２の外面等の各種表面に接して冷やされることによって使用後の作動媒体の蒸気（水蒸気）３３が凝結して液化する。液化した作動媒体は、各種表面に沿って滴り落ちて、密閉ケース１４の底部に設けられた液溜まり部４４で受け止められる。当該液溜まり部４４には、９０乃至１００℃の作動媒体の液体（水）４６が溜められる。
【００３４】
密閉ケース１４の最下部には、開口した液体排出口３８が設けられている。液体排出口３８から軸直交方向に円筒壁状に延在する液体排出部４０が形成されている。液体排出部４０の外壁面と密閉ケース１４の内壁面とによって、液溜まり部４４が密閉ケース１４の底部に形成されている。液体排出部４０の上端には、液面制御用の浮き４２が設置されている。液溜まり部４４における作動媒体の液体４６の量が少ないときには、液面制御用の浮き４２が液体排出部４０の上端開口部を閉止している。液溜まり部４４が作動媒体の液体４６で一杯に満たされると、液面制御用の浮き４２が浮力によって持ち上げられて、液体排出部４０の上端開口部を開放する。その結果、液体排出部４０の上端レベルを超える作動媒体の液体４６が、液体排出部４０の上端開口部及び液体排出口３８を通じて排出される。したがって、液溜まり部４４における作動媒体の液体４６の溜まりレベルが、大略一定に保たれる。例えば、液溜まり部４４の容積は、密閉空間２５の容積に対しておおよそ１／８乃至１／４であるように構成される。
【００３５】
第一固定スクロール１６及び第二固定スクロール１８は、それぞれ、渦巻状のスクロールラップを鏡板上に有し、これらのスクロールラップが対向するように並行に配置されている。揺動スクロール２０の鏡板のおもて面及び裏面には、渦巻状のスクロールラップが形成されている。揺動スクロール２０のスクロールラップと、第一固定スクロール１６と第二固定スクロール１８のスクロールラップとがそれぞれ噛み合うことにより、揺動スクロール２０の鏡板のおもて面及び裏面には膨張室が形成されている。
【００３６】
揺動スクロール２０の鏡板の第一外周部２２には、所定の偏心量の偏心部を有する第一クランク軸２６が配置されているとともに、揺動スクロール２０の鏡板の第二外周部２４には、所定の偏心量の偏心部を有する第二クランク軸２８が配置されている。第一クランク軸２６及び第二クランク軸２８の両方が水平方向に延在している。揺動スクロール２０は、第一クランク軸２６及び第二クランク軸２８の偏心部において、軸受を介して旋回可能に軸支されている。第一クランク軸２６及び第二クランク軸２８は、それぞれ、第一固定スクロール１６及び第二固定スクロール１８の保持された軸受によって回転可能に支持されている。第一クランク軸２６及び第二クランク軸２８は、タイミングベルトによって同期回転可能に連結されている。第一クランク軸２６及び第二クランク軸２８が発電機の発電機軸に連結されており、回転動力が発電機に提供される。
【００３７】
次に、スクロール形膨張機１０及びランキンサイクル動力回収システム１における流通構造及び作動媒体の働きについて説明する。
【００３８】
まず、蒸気発生器３において、液体収納部３ｂに蓄えられた作動媒体の液体（水）を加熱することによって、高温・高圧の作動媒体の蒸気（水蒸気）３１が蒸気収納部３ａで生成される。蒸気発生器３で生成された作動媒体の蒸気（水蒸気）３１が、蒸気供給管１０３を通じて蒸気供給部３０に供給される。作動媒体の蒸気（水蒸気）３１がスクロール本体１０の膨張室で膨張することで、揺動スクロール２０が揺動する。揺動スクロール２０の揺動によって、水平方向に延在する第一クランク軸２６及び第二クランク軸２８が回動して、回転動力が出力される。膨張室での膨張によって圧力及び温度の低下した使用後の作動媒体蒸気（水蒸気）３３は、蒸気放出口１９から密閉空間２５に放出される。また、スクロール本体１２から漏出した使用後の作動媒体蒸気（水蒸気）３３も密閉空間２５に放出される。なお、膨張室での膨張途中において、飽和状態の作動媒体の蒸気（水蒸気）３１が湿り域に入り、作動媒体の蒸気（水蒸気）３１の一部分が液相に変化する。この液相の作動媒体も摺動部分の潤滑及びシールに供される。
【００３９】
密閉空間２５に放出された使用後の作動媒体蒸気（水蒸気）３３の大部分が、蒸気排出口３６からスクロール膨張機１０の外に排出される。スクロール膨張機１０の外に排出された使用後の作動媒体蒸気（水蒸気）３３は、蒸気回収管１０７を通じて凝縮部５に送られて液体（水）に凝縮される。凝縮部５で凝縮された作動媒体の液体（水）は、液体回収管１０９を通じて作動媒体供給ポンプ９に送られる。
【００４０】
他方、密閉空間２５に放出された使用後の作動媒体蒸気（水蒸気）３３の一部分が、密閉ケース１４の内面やスクロール本体１２の外面等の各種表面に接して冷やされることによって使用後の作動媒体蒸気（水蒸気）３３が凝結して液化する。液化した作動媒体は、各種表面に沿って滴り落ちて液溜まり部４４で受け止められて、作動媒体の液体４６として液溜まり部４４に蓄えられる。液溜まり部４４が作動媒体の液体４６で一杯に満たされると、液面制御用の浮き４２が浮力によって持ち上げられて、液体排出部４０の上端開口部を開放する。その結果、液体排出部４０の上端レベルを超える作動媒体の液体４６が、液体排出部４０の上端開口部及び液体排出口３８を通じてスクロール膨張機１０の外に排出される。したがって、液溜まり部４４における作動媒体の液体４６の溜まりレベルが、大略一定に保たれる。そして、液体排出口３８に接続された液体排出管１１１に排出された作動媒体の液体４６は、液体回収管１０９を通じて作動媒体供給ポンプ９に送られる。したがって、作動媒体は、蒸気（水蒸気）と液体（水）との間で相状態を変えながらランキンサイクル動力回収システム１内を循環する。
【００４１】
作動媒体供給ポンプ９から吐出された作動媒体の液体（水）は、不図示の逆止弁及び液体供給管１０１を通じて蒸気発生器３に供給されて、加熱及び蒸発処理が行われる。蒸気収納部３ａで得られた高温・高圧の作動媒体の蒸気（水蒸気）３１が、蒸気供給管１０３を通じて蒸気供給部３０に供給される。蒸発時に飽和によって蒸発することなく液体収納部３ｂに蓄えられた高温の作動媒体の液体（水）は、シール液用供給管１０５を通じて予混合装置３２に供給される。
【００４２】
上記のように、スクロール本体１２で使用された作動媒体の蒸気（水蒸気）３１、すなわちスクロール本体１２から排出された及び／又は漏出した使用後の作動媒体蒸気（水蒸気）３３が、密閉ケース１４の密閉空間２５内で凝結し、凝結した高温の作動媒体の液体４６が液溜まり４４に溜められる。密閉ケース１４の壁面が凝結作用を提供するために、凝結器５だけで使用後の作動媒体蒸気（水蒸気）３３を液化する場合よりも、凝結器５を小型化することができる。また、スクロール膨張機１０及びランキンサイクル動力回収システム１における熱損失をできるだけ少なくすることができる。
【００４３】
次に、本発明の第二実施形態に係るスクロール形膨張機１０，５０及び該スクロール形膨張機１０，５０を備えたランキンサイクル動力回収システム１について、図２を参照しながら説明するが、上述した第一実施形態との相違点を中心に説明する。
【００４４】
上述した第一実施形態は、単一のスクロール形膨張機１０を用いたランキンサイクル動力回収システム１であるのに対して、第二実施形態は、複数台のスクロール形膨張機１０，５０を用いたランキンサイクル動力回収システム１に関する。スクロール形膨張機１０，５０の基本構造は、第一実施形態における単一のスクロール形膨張機１０と実質的に同じであるので、それとの相違点を以下に説明する。
【００４５】
図２に示したランキンサイクル動力回収システム１は、不図示の発電機を駆動するための装置として、高圧段スクロール形膨張機５０及び低圧段スクロール形膨張機１０という二つのスクロール形膨張機１０を備えている。図２に示した低圧段スクロール形膨張機１０は、第一実施形態におけるスクロール形膨張機１０と実質的に同じであるので、その説明を省略する。
【００４６】
高圧段スクロール形膨張機５０は、第一固定スクロール５６と第二固定スクロール５８と揺動スクロール６０とを備えるスクロール本体５２と、該スクロール本体５２を密閉状態で収納する密閉ケース５４と、該スクロール本体５２を密閉ケース５４に固定支持する支持部７４と、から構成されている。
【００４７】
第一固定スクロール５６及び第二固定スクロール５８の中央部には、それぞれ、蒸気供給部７０が軸方向に延在するように配置されている。第一固定スクロール５６及び第二固定スクロール５８の中央部下側には、それぞれ、蒸気排出部５９が配置されている。
【００４８】
ボックス状の密閉ケース５４は、樹脂又は金属からなる第一ケース５４ａ及び第二ケース５４ｂから構成されている。第一ケース５４ａ及び第二ケース５４ｂの中央部下側には、蒸気排出部５９を挿通するための開口部が設けられている。スクロール本体５２で使用された作動媒体の蒸気（水蒸気）の大部分が、蒸気排出部５９から排出される。スクロール本体５２から漏出した作動媒体の蒸気（水蒸気）が、スクロール本体５２の外面と密閉ケース５４の内面とで形成された密閉空間６５を満たしている。密閉空間６５を充満している作動媒体の蒸気（水蒸気）が、密閉ケース５４の内面やスクロール本体５２の外面等の各種表面に接して冷やされることによって使用後の作動媒体蒸気（水蒸気）３３が凝結して液化する。液化した作動媒体は、各種表面に沿って滴り落ちて、密閉ケース５４の底部に設けられた液溜まり部８４で受け止められる。当該液溜まり部８４には、例えば、９０乃至１００℃の作動媒体の液体（水）８６が溜められる。
【００４９】
密閉ケース５４の最下部には、開口した液体排出口７８が設けられている。液体排出口７８から軸直交方向に円筒壁状に延在する液体排出部８０が形成されている。液体排出部８０の外壁面と密閉ケース５４の内壁面とによって、液溜まり部８４が密閉ケース５４の底部に形成されている。液体排出部８０の上端には、液面制御用の浮き８２が設置されている。液溜まり部８４における作動媒体の液体８６の量が少ないときには、液面制御用の浮き８２が液体排出部８０の上端開口部を閉止している。液溜まり部８４が作動媒体の液体８６で一杯に満たされると、液面制御用の浮き８２が浮力によって持ち上げられて、液体排出部８０の上端開口部を開放する。その結果、液体排出部８０の上端レベルを超える作動媒体の液体８６が、液体排出部８０の上端開口部及び液体排出口７８を通じて排出される。したがって、液溜まり部８４における作動媒体の液体８６の溜まりレベルが、大略一定に保たれる。例えば、液溜まり部８４の容積は、密閉空間６５の容積に対しておおよそ１／８乃至１／４であるように構成されるが、スクロール本体５２から漏出した少量の作動媒体の蒸気（水蒸気）を液溜まり部８４での捕集対象にしているので、より好適には、密閉空間６５の容積に対しておおよそ１／１０乃至１／６であるように構成される。
【００５０】
第一固定スクロール５６及び第二固定スクロール５８は、それぞれ、渦巻状のスクロールラップを鏡板上に有し、これらのスクロールラップが対向するように並行に配置されている。揺動スクロール６０の鏡板のおもて面及び裏面には、渦巻状のスクロールラップが形成されている。揺動スクロール６０のスクロールラップと、第一固定スクロール５６と第二固定スクロール５８のスクロールラップとがそれぞれ噛み合うことにより、揺動スクロール６０の鏡板のおもて面及び裏面には膨張室が形成されている。
【００５１】
揺動スクロール６０の鏡板の第一外周部６２には、所定の偏心量の偏心部を有する第一クランク軸６６が配置されているとともに、揺動スクロール６０の鏡板の第二外周部６４には、所定の偏心量の偏心部を有する第二クランク軸６８が配置されている。揺動スクロール６０は、第一クランク軸６６及び第二クランク軸６８の偏心部において、軸受を介して旋回可能に軸支されている。第一クランク軸６６及び第二クランク軸６８は、それぞれ、第一固定スクロール５６及び第二固定スクロール５８の保持された軸受によって回転可能に支持されている。
【００５２】
高圧段スクロール形膨張機５０の第一クランク軸６６及び第二クランク軸６８は、それぞれ、第一カップリング９１及び第二カップリング９３を介して、低圧段スクロール形膨張機１０の第一クランク軸２６及び第二クランク軸２８に連結されている。連結されたこれらのクランク軸２６，２８，６６，６８は、タイミングベルトによって同期回転可能に連結されているとともに、発電機の発電機軸に連結されており、回転動力が発電機に提供される。
【００５３】
次に、図２に示したスクロール形膨張機１０，５０及びランキンサイクル動力回収システム１における流通構造及び作動媒体の働きについて説明する。
【００５４】
まず、蒸気発生器３において、液体収納部３ｂに蓄えられた作動媒体の液体（水）を加熱することによって、高温・高圧の作動媒体の蒸気（水蒸気）７１が蒸気収納部３ａで生成される。蒸気発生器３で生成された作動媒体の蒸気（水蒸気）７１が、蒸気供給管１２３を通じて高圧段スクロール形膨張機５０の蒸気供給部７０に供給される。作動媒体の蒸気（水蒸気）７１が高圧段のスクロール本体５０の膨張室で膨張することで、揺動スクロール６０が揺動する。揺動スクロール６０の揺動によって、第一クランク軸６６及び第二クランク軸６８が回動して、回転動力が出力される。膨張室での膨張によって圧力及び温度の低下した作動媒体の蒸気（水蒸気）は、蒸気排出部５９及び蒸気回収管１２７を通じて低圧段スクロール形膨張機１０の蒸気供給部３０に供給される。
【００５５】
また、高圧段のスクロール本体５２から漏出した使用後の作動媒体蒸気（水蒸気）７３は、密閉空間６５に放出される。なお、膨張室での膨張途中において、飽和状態の作動媒体の蒸気（水蒸気）７１が湿り域に入り、作動媒体の蒸気（水蒸気）７１の一部分が液相に変化する。この液相の作動媒体も摺動部分の潤滑及びシールに供される。
【００５６】
高圧段スクロール形膨張機５０の密閉空間６５に漏出した使用後の作動媒体蒸気（水蒸気）７３が、密閉ケース５４の内面やスクロール本体５２の外面等の各種表面に接して冷やされることによって使用後の作動媒体蒸気（水蒸気）７３が凝結して液化する。液化した作動媒体は、各種表面に沿って滴り落ちて液溜まり部８４で受け止められて、作動媒体の液体８６として液溜まり部８４に蓄えられる。液溜まり部８４が作動媒体の液体（例えば、９０乃至１００℃）８６で一杯に満たされると、液面制御用の浮き８２が浮力によって持ち上げられて、液体排出部８０の上端開口部を開放する。その結果、液体排出部８０の上端レベルを超える作動媒体の液体８６が、液体排出部８０の上端開口部及び液体排出口７８を通じて、高圧段スクロール形膨張機５０の外に排出される。したがって、液溜まり部８４における作動媒体の液体８６の溜まりレベルが、大略一定に保たれる。そして、液体排出口７８から排出された高温の作動媒体の液体８６は、シール液用供給管１３１を通じて、低圧段スクロール形膨張機１０の予混合装置３２に送られる。また、蒸発時に飽和によって蒸発することなく液体収納部３ｂに蓄えられた高温の作動媒体の液体（水）は、シール液用供給管１２５を通じて、高圧段スクロール形膨張機５０の予混合装置７２に供給される。
【００５７】
高圧段スクロール形膨張機５０の膨張室での膨張によって圧力及び温度の低下した使用後の作動媒体蒸気（水蒸気）７３は、蒸気回収管１２７を通じて、低圧段スクロール形膨張機１０の蒸気供給部３０に作動媒体の蒸気（水蒸気）３１として供給される。作動媒体の蒸気（水蒸気）３１がスクロール本体１０の膨張室で膨張することで、揺動スクロール２０が揺動する。揺動スクロール２０の揺動によって、第一クランク軸２６及び第二クランク軸２８が回動して、回転動力が出力される。膨張室での膨張によって圧力及び温度の低下した使用後の作動媒体蒸気（水蒸気）３３は、蒸気放出口１９から密閉空間２５に放出される。また、スクロール本体１２から漏出した使用後の作動媒体蒸気（水蒸気）３３も密閉空間２５に放出される。なお、膨張室での膨張途中において、飽和状態の作動媒体の蒸気（水蒸気）３１が湿り域に入り、作動媒体の蒸気（水蒸気）３１の一部分が液相に変化する。この液相の作動媒体も摺動部分の潤滑及びシールに供される。
【００５８】
密閉空間２５に放出された使用後の作動媒体蒸気（水蒸気）３３の大部分が、蒸気排出口３６から低圧段スクロール膨張機１０の外に排出される。低圧段スクロール膨張機１０の外に排出された使用後の作動媒体蒸気（水蒸気）３３は、蒸気回収管１０７を通じて凝縮部５に送られて液体（水）に凝縮される。凝縮部５で凝縮された作動媒体の液体（水）は、液体回収管１０９を通じて作動媒体供給ポンプ９に送られる。
【００５９】
他方、密閉空間２５に放出された使用後の作動媒体蒸気（水蒸気）３３の一部分が、密閉ケース１４の内面やスクロール本体１２の外面等の各種表面に接して冷やされることによって使用後の作動媒体蒸気（水蒸気）３３が凝結して液化する。液化した作動媒体は、各種表面に沿って滴り落ちて液溜まり部４４で受け止められて、作動媒体の液体４６として液溜まり部４４に蓄えられる。液溜まり部４４が作動媒体の液体（例えば、８０乃至９０℃）４６で一杯に満たされると、液面制御用の浮き４２が浮力によって持ち上げられて、液体排出部４０の上端開口部を開放する。その結果、液体排出部４０の上端レベルを超える作動媒体の液体４６が、液体排出部４０の上端開口部及び液体排出口３８を通じてスクロール膨張機１０の外に排出される。したがって、液溜まり部４４における作動媒体の液体４６の溜まりレベルが、大略一定に保たれる。そして、液体排出口３８に接続された液体排出管１１１に排出された作動媒体の液体４６は、液体回収管１０９を通じて作動媒体供給ポンプ９に送られる。
【００６０】
作動媒体供給ポンプ９から吐出された作動媒体の液体（水）は、不図示の逆止弁及び液体供給管１０１を通じて蒸気発生器３に供給されて、加熱及び蒸発処理が行われる。蒸気収納部３ａで得られた高温・高圧の作動媒体の蒸気（水蒸気）７１が、蒸気供給管１２３を通じて、高圧段スクロール膨張機５０の蒸気供給部７０に供給される。したがって、作動媒体は、蒸気（水蒸気）と液体（水）との間で相状態を変えながらランキンサイクル動力回収システム１内を循環する。
【００６１】
上記のように、高圧段スクロール膨張機５０のスクロール本体５２で使用後の作動媒体蒸気（水蒸気）７３が低圧段スクロール膨張機１０のスクロール本体１２においても使用されるとともに、高圧段スクロール膨張機５０のスクロール本体５２から漏出した使用後の作動媒体蒸気（水蒸気）７３が密閉ケース５４の密閉空間６５内で凝結し、凝結した高温の作動媒体の液体が液溜まり８４に溜められて低圧段スクロール膨張機１０の予混合装置３２のシール剤として利用される。さらにまた、低圧段スクロール膨張機１０のスクロール本体１２から排出された及び／又は漏出した使用後の作動媒体蒸気（水蒸気）３３が、密閉ケース１４の密閉空間２５内で凝結し、凝結した高温の作動媒体の液体４６が液溜まり４４に溜められる。密閉ケース１４の壁面が凝結作用を提供するために、凝結器５だけで使用後の作動媒体蒸気（水蒸気）３３を液化する場合よりも、凝結器５を小型化することができる。また、スクロール膨張機１０，５０及びランキンサイクル動力回収システム１における熱損失をできるだけ少なくすることができる。
【００６２】
次に、本発明の第三実施形態に係るスクロール形膨張機１０及び該スクロール形膨張機１０を備えたランキンサイクル動力回収システム１について、図３を参照しながら説明するが、上述した第一実施形態との相違点を中心に説明する。
【００６３】
上述した第一実施形態は、スクロール形膨張機１０のクランク軸２６，２８が水平方向に延在するのに対して、第三実施形態は、スクロール形膨張機１０のクランク軸２６，２８が垂直方向に延在していることを特徴としている。したがって、第三実施形態におけるスクロール形膨張機１０の基本構造は、第一実施形態におけるスクロール形膨張機１０と類似しているところが多いので、相違点を中心に以下に説明する。
【００６４】
図３に示すように、第三実施形態に係るランキンサイクル動力回収システム１は、不図示の発電機を駆動するための装置として、単一のスクロール形膨張機１０を備えている。該スクロール形膨張機１０に設けられた垂直方向に延在するクランク軸（駆動軸）２６，２８が、発電機の発電機軸に連結されており、スクロール形膨張機１０のクランク軸（駆動軸）２６，２８の回転駆動力で発電機の発電機軸を回転させることにより、発電を行うようになっている。
【００６５】
図３に示した外周駆動形のスクロール形膨張機１０は、第一固定スクロール１６と第二固定スクロール１８と揺動スクロール２０とを備えるスクロール本体１２と、該スクロール本体を密閉状態で収納する密閉ケース１４と、該スクロール本体１２を密閉ケース１４に固定支持する支持部３４と、から構成されている。
【００６６】
第一固定スクロール１６及び第二固定スクロール１８の中央部には、それぞれ、蒸気供給部３０が軸方向に延在するように配置されている。第一固定スクロール１６及び第二固定スクロール１８の上部には、それぞれ、蒸気排出部１９が配置されている。
【００６７】
ボックス状の密閉ケース１４は、樹脂又は金属からなる第一ケース１４ａ及び第二ケース１４ｂから構成されている。第一ケース１４ａ及び第二ケース１４ｂの右側には、開口した蒸気排出口３６が設けられている。蒸気放出口１９から排出された及び／又はスクロール本体１２から漏出した使用後の作動媒体蒸気（水蒸気）３３が、スクロール本体１２の外面と密閉ケース１４の内面とで形成された密閉空間２５を満たしている。作動媒体の蒸気（水蒸気）の大部分が、蒸気排出口３６から排出される。作動媒体の蒸気（水蒸気）の一部分が、密閉ケース１４の内面やスクロール本体１２の外面等の各種表面に接して冷やされることによって使用後の作動媒体の蒸気（水蒸気）３３が凝結して液化する。液化した作動媒体は、各種表面に沿って滴り落ちて、密閉ケース１４の第二ケース１４ｂの底部に設けられて半円環状に凹んだ液溜まり部４４で受け止められる。半円環状に凹んだ液溜まり部４４には、９０乃至１００℃の作動媒体の液体（水）４６が溜められる。
【００６８】
液溜まり部４４の最下部には、開口した液体排出口３８が設けられている。液溜まり部４４内に設けられたフロースイッチやレベルスイッチ等の液面センサが、作動媒体の液体４６の液面レベルの変動に応じてオン・オフして、液体排出口３８の直上に設けられた電磁バルブを開閉させることによって、液溜まり部４４における作動媒体の液体４６の溜まりレベルが大略一定に保たれるように構成されている。その結果、液面センサによって検出される所定の液面レベルを超える作動媒体の液体４６が、液体排出口３８を通じてスクロール形膨張機１０の外に排出される。例えば、液溜まり部４４の容積は、密閉空間２５の容積に対しておおよそ１／８乃至１／４であるように構成される。
【００６９】
第一固定スクロール１６及び第二固定スクロール１８は、それぞれ、渦巻状のスクロールラップを鏡板上に有し、これらのスクロールラップが対向するように並行に配置されている。揺動スクロール２０の鏡板の上面及び下面には、渦巻状のスクロールラップが形成されている。揺動スクロール２０のスクロールラップと、第一固定スクロール１６と第二固定スクロール１８のスクロールラップとがそれぞれ噛み合うことにより、揺動スクロール２０の鏡板の上面及び下面には膨張室が形成されている。
【００７０】
揺動スクロール２０の鏡板の第一外周部２２には、所定の偏心量の偏心部を有する第一クランク軸２６が配置されているとともに、揺動スクロール２０の鏡板の第二外周部２４には、所定の偏心量の偏心部を有する第二クランク軸２８が配置されている。第一クランク軸２６及び第二クランク軸２８の両方が垂直方向に延在している。揺動スクロール２０は、第一クランク軸２６及び第二クランク軸２８の偏心部において、軸受を介して旋回可能に軸支されている。第一クランク軸２６及び第二クランク軸２８は、それぞれ、第一固定スクロール１６及び第二固定スクロール１８の保持された軸受によって回転可能に支持されている。第一クランク軸２６及び第二クランク軸２８は、タイミングベルトによって同期回転可能に連結されている。第一クランク軸２６及び第二クランク軸２８が発電機の発電機軸に連結されており、回転動力が発電機に提供される。
【００７１】
次に、第三実施形態に係るスクロール形膨張機１０及びランキンサイクル動力回収システム１における流通構造及び作動媒体の働きについて説明する。
【００７２】
まず、蒸気発生器３において、液体収納部３ｂに蓄えられた作動媒体の液体（水）を加熱することによって、高温・高圧の作動媒体の蒸気（水蒸気）３１が蒸気収納部３ａで生成される。蒸気発生器３で生成された作動媒体の蒸気（水蒸気）３１が、蒸気供給管１０３を通じて蒸気供給部３０に供給される。作動媒体の蒸気（水蒸気）３１がスクロール本体１０の膨張室で膨張することで、揺動スクロール２０が揺動する。揺動スクロール２０の揺動によって、垂直方向に延在する第一クランク軸２６及び第二クランク軸２８が回動して、回転動力が出力される。膨張室での膨張によって圧力及び温度の低下した使用後の作動媒体蒸気（水蒸気）３３は、蒸気放出口１９から密閉空間２５に放出される。また、スクロール本体１２から漏出した使用後の作動媒体蒸気（水蒸気）３３も密閉空間２５に放出される。なお、膨張室での膨張途中において、飽和状態の作動媒体の蒸気（水蒸気）３１が湿り域に入り、作動媒体の蒸気（水蒸気）３１の一部分が液相に変化する。この液相の作動媒体も摺動部分の潤滑及びシールに供される。
【００７３】
密閉空間２５に放出された使用後の作動媒体蒸気（水蒸気）３３の大部分が、蒸気排出口３６からスクロール膨張機１０の外に排出される。スクロール膨張機１０の外に排出された使用後の作動媒体蒸気（水蒸気）３３は、蒸気回収管１０７を通じて凝縮部５に送られて液体（水）に凝縮される。凝縮部５で凝縮された作動媒体の液体（水）は、液体回収管１０９を通じて作動媒体供給ポンプ９に送られる。
【００７４】
他方、密閉空間２５に放出された使用後の作動媒体蒸気（水蒸気）３３の一部分が、密閉ケース１４の内面やスクロール本体１２の外面等の各種表面に接して冷やされることによって使用後の作動媒体蒸気（水蒸気）３３が凝結して液化する。液化した作動媒体は、各種表面に沿って滴り落ちて液溜まり部４４で受け止められて、作動媒体の液体４６として液溜まり部４４に蓄えられる。液溜まり部４４が作動媒体の液体４６で所定レベルまで満たされると、液面センサによって作動媒体の液体４６の液面レベルが検出されて電磁バルブを開くことによって、作動媒体の液体４６が、液体排出口３８を通じてスクロール形膨張機１０の外に排出される。したがって、液溜まり部４４における作動媒体の液体４６の溜まりレベルが、大略一定に保たれる。そして、液体排出口３８に接続された液体排出管１１１に排出された作動媒体の液体４６は、液体回収管１０９を通じて作動媒体供給ポンプ９に送られる。したがって、作動媒体は、蒸気（水蒸気）と液体（水）との間で相状態を変えながらランキンサイクル動力回収システム１内を循環する。
【００７５】
作動媒体供給ポンプ９から吐出された作動媒体の液体（水）は、不図示の逆止弁及び液体供給管１０１を通じて蒸気発生器３に供給されて、加熱及び蒸発処理が行われる。蒸気収納部３ａで得られた高温・高圧の作動媒体の蒸気（水蒸気）３１が、蒸気供給管１０３を通じて蒸気供給部３０に供給される。蒸発時に飽和によって蒸発することなく液体収納部３ｂに蓄えられた高温の作動媒体の液体（水）は、シール液用供給管１０５を通じて予混合装置３２に供給される。
【００７６】
上記のように、スクロール本体１２で使用された作動媒体の蒸気（水蒸気）３１、すなわちスクロール本体１２から排出された及び／又は漏出した使用後の作動媒体蒸気（水蒸気）３３が、密閉ケース１４の密閉空間２５内で凝結し、凝結した高温の作動媒体の液体４６が液溜まり４４に溜められる。密閉ケース１４の壁面が凝結作用を提供するために、凝結器５だけで使用後の作動媒体蒸気（水蒸気）３３を液化する場合よりも、凝結器５を小型化することができる。また、スクロール膨張機１０及びランキンサイクル動力回収システム１における熱損失をできるだけ少なくすることができる。
【００７７】
第二実施形態のように、第三実施形態において説明したスクロール形膨張機１０を二台準備して、それらを垂直方向に連結配置した低圧段及び高圧段からなるランキンサイクル動力回収システム１とすることもできる。なお、この場合及び上述した第二実施形態において、３台や４台のスクロール形膨張機１０を、それぞれ、垂直方向及び水平方向に連結配置することもできる。
【００７８】
上述した本発明の実施形態では、いずれも、両歯式で駆動軸が外周にある外周駆動形のスクロール形膨張機を適用した場合について説明したが、片歯式で駆動軸が中心にあるタイプのスクロール形膨張機や、片歯式で駆動軸が外周にあるタイプのスクロール形膨張機に対しても本願発明を適用することができる。
【００７９】
また、スクロール形膨張機を作動させる作動媒体として、アンモニア及び水、あるいはアルコール及び水を混合した混合媒体を用いることもできる。
【符号の説明】
【００８０】
１ ランキンサイクル動力回収システム
３ 蒸気発生器
３ａ 蒸気収納部
３ｂ 液体収納部
５ 凝縮器
７ 冷却水供給ポンプ
９ 作動媒体供給ポンプ（復水ポンプ）
１０ スクロール形膨張機（低圧段）
１２ スクロール本体（低圧段）
１４ 密閉ケース
１４ａ 第一ケース
１４ｂ 第二ケース
１６ 第一固定スクロール
１８ 第二固定スクロール
１９ 蒸気放出口
２０ 揺動スクロール
２２ 第一外周部
２４ 第二外周部
２５ 密閉空間
２６ 第一クランク軸
２８ 第二クランク軸
３０ 蒸気供給部
３１ 作動媒体の蒸気
３２ 予混合装置
３３ 使用後の作動媒体蒸気
３４ 支持部
３６ 蒸気排出口
３８ 液体排出口
４０ 液体排出部
４２ 液面制御浮き
４４ 液溜まり部
４６ 作動媒体の液体
５０ スクロール形膨張機（高圧段）
５２ スクロール本体（高圧段）
５４ 密閉ケース
５４ａ 第一ケース
５４ｂ 第二ケース
５６ 第一固定スクロール
５８ 第二固定スクロール
５９ 蒸気排出口
６０ 揺動スクロール
６２ 揺動軸部
６４ 揺動軸部
６６ 第一クランク軸
６８ 第二クランク軸
７０ 蒸気供給部
７１ 作動媒体の蒸気
７２ 予混合装置
７３ 使用後の作動媒体蒸気
７４ 支持部
７８ 液体排出口
８０ 液体排出部
８２ 液面制御浮き
８４ 液溜まり
８６ 作動媒体の液体
９１ 第一カップリング
９３ 第二カップリング
１０１ 液体供給管
１０３ 蒸気供給管
１０５ シール液用供給管
１０７ 蒸気回収管
１０９ 液体回収管
１１３ 冷却水供給管
１１５ 冷却水排出管
１２３ 蒸気供給管
１２５ シール液用供給管
１２７ 蒸気回収管
１３１ シール液用供給管
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スクロール本体が密閉ケース内に収納されたスクロール形膨張機であって、作動媒体の蒸気が密閉ケース内で凝結することによって生成された作動媒体の液体を溜めておく液溜まりを、スクロール形膨張機の設置位置に合わせて、前記密閉ケースの底部に配設することを特徴とするスクロール形膨張機。
【請求項２】
前記液溜まりは、溜められた作動媒体の液体の液面を大略一定に保つ液面保持手段を有することを特徴とする、請求項１に記載のスクロール形膨張機。
【請求項３】
前記スクロール本体が、鏡板の両側に渦巻状の旋回側スクロールラップを有する旋回スクロールと、該旋回スクロールの両側に配置されて前記旋回側スクロールラップと噛み合う固定側スクロールラップを有する固定スクロールと、該旋回スクロールの外周側に配置された第一クランク軸及び第二クランク軸と、を備える外周駆動形であることを特徴とする、請求項１又は２に記載のスクロール形膨張機。
【請求項４】
蒸気発生器と、該蒸気発生器で発生した作動媒体の蒸気により駆動される一つのスクロール形膨張機と、スクロール形膨張機から排出された作動媒体の蒸気を凝縮する凝縮器と、該凝縮器で凝縮された作動媒体の液体を蒸気発生器に供給するポンプと、を備えるランキンサイクル動力回収システムにおいて、
前記スクロール形膨張機が請求項１乃至３のいずれか一つに記載のものであることを特徴とする、ランキンサイクル動力回収システム。
【請求項５】
蒸気発生器と、該蒸気発生器で発生した作動媒体の蒸気により駆動される複数のスクロール形膨張機と、スクロール形膨張機から排出された作動媒体の蒸気を凝縮する凝縮器と、該凝縮器で凝縮された作動媒体の液体を蒸気発生器に供給するポンプと、を備えるランキンサイクル動力回収システムにおいて、
前記複数のスクロール形膨張機として、高温・高圧蒸気が供給される高圧段スクロール形膨張機と、該高圧段膨張機から排出された低圧蒸気が供給される低圧段スクロール形膨張機と、が連設されて、
前記複数のスクロール形膨張機が請求項１乃至３のいずれか一つに記載のものであることを特徴とする、ランキンサイクル動力回収システム。
【請求項６】
前記高圧段スクロール形膨張機の液溜まりに溜まった作動媒体の液体を、低圧段スクロール形膨張機の予混合室に導入することを特徴とする、請求項５に記載のランキンサイクル動力回収システム。
【請求項７】
前記高圧段スクロール形膨張機のクランク軸と低圧段スクロール形膨張機のクランク軸とが、カップリングを介して連結されていることを特徴とする、請求項５又は６に記載のランキンサイクル動力回収システム。
【請求項１】
スクロール本体が密閉ケース内に収納されたスクロール形膨張機であって、作動媒体の蒸気が密閉ケース内で凝結することによって生成された作動媒体の液体を溜めておく液溜まりを、スクロール形膨張機の設置位置に合わせて、前記密閉ケースの底部に配設することを特徴とするスクロール形膨張機。
【請求項２】
前記液溜まりは、溜められた作動媒体の液体の液面を大略一定に保つ液面保持手段を有することを特徴とする、請求項１に記載のスクロール形膨張機。
【請求項３】
前記スクロール本体が、鏡板の両側に渦巻状の旋回側スクロールラップを有する旋回スクロールと、該旋回スクロールの両側に配置されて前記旋回側スクロールラップと噛み合う固定側スクロールラップを有する固定スクロールと、該旋回スクロールの外周側に配置された第一クランク軸及び第二クランク軸と、を備える外周駆動形であることを特徴とする、請求項１又は２に記載のスクロール形膨張機。
【請求項４】
蒸気発生器と、該蒸気発生器で発生した作動媒体の蒸気により駆動される一つのスクロール形膨張機と、スクロール形膨張機から排出された作動媒体の蒸気を凝縮する凝縮器と、該凝縮器で凝縮された作動媒体の液体を蒸気発生器に供給するポンプと、を備えるランキンサイクル動力回収システムにおいて、
前記スクロール形膨張機が請求項１乃至３のいずれか一つに記載のものであることを特徴とする、ランキンサイクル動力回収システム。
【請求項５】
蒸気発生器と、該蒸気発生器で発生した作動媒体の蒸気により駆動される複数のスクロール形膨張機と、スクロール形膨張機から排出された作動媒体の蒸気を凝縮する凝縮器と、該凝縮器で凝縮された作動媒体の液体を蒸気発生器に供給するポンプと、を備えるランキンサイクル動力回収システムにおいて、
前記複数のスクロール形膨張機として、高温・高圧蒸気が供給される高圧段スクロール形膨張機と、該高圧段膨張機から排出された低圧蒸気が供給される低圧段スクロール形膨張機と、が連設されて、
前記複数のスクロール形膨張機が請求項１乃至３のいずれか一つに記載のものであることを特徴とする、ランキンサイクル動力回収システム。
【請求項６】
前記高圧段スクロール形膨張機の液溜まりに溜まった作動媒体の液体を、低圧段スクロール形膨張機の予混合室に導入することを特徴とする、請求項５に記載のランキンサイクル動力回収システム。
【請求項７】
前記高圧段スクロール形膨張機のクランク軸と低圧段スクロール形膨張機のクランク軸とが、カップリングを介して連結されていることを特徴とする、請求項５又は６に記載のランキンサイクル動力回収システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１１−１３２９２８（Ｐ２０１１−１３２９２８Ａ）
【公開日】平成２３年７月７日（２０１１．７．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２９５１７０（Ｐ２００９−２９５１７０）
【出願日】平成２１年１２月２５日（２００９．１２．２５）
【出願人】（０００００６７８１）ヤンマー株式会社 (3,810)
【公開日】平成２３年７月７日（２０１１．７．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１２月２５日（２００９．１２．２５）
【出願人】（０００００６７８１）ヤンマー株式会社 (3,810)
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