螺杆膨胀的制造方法
【专利摘要】为了降低因内部膨胀比与运转膨胀比的不一致发生的损失，在螺杆膨胀机（1）中，设有：内部排气压力检测器（20），检测马上要连通到排气流路（9）之前的膨胀空间的压力（Pf）；运转排气压力检测器（21），检测排气流路（9）的压力（Pd）；旁通流路（13），使能够从供气流路（8）及排气流路（9）隔离的位置处的膨胀空间与供气流路（8）连通；阀机构（10），能够将旁通流路（13）切断；控制装置（22），当内部排气压力检测机构（20）的检测值（Pf）为运转排气压力检测机构（21）的检测值（Pd）以上时将阀机构（10）闭锁，当内部排气压力检测机构（20）的检测值（Pf）比运转排气压力检测机构（21）的检测值（Pd）小时将阀机构（10）开放。
【专利说明】螺杆膨胀机
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及螺杆膨胀机。
【背景技术】
[0002]通过水蒸汽的闪蒸来驱动发电机的发电系统已被广泛导入，但以往使用涡轮增压型或轴流型的涡轮的大规模的设备较多。但是，近来，从节能的观点，向将排热回收而进行发电的小规模的发电系统的需求变高。
[0003]在小规模的设备中，已知例如如在非专利文献I中记载那样、代替涡轮而使用螺杆膨胀机更有效率。一般而言，在螺杆膨胀机中，将转子室内的空间通过螺杆转子分割而成的膨胀空间的供气时的容积与排气时的容积的比由机械的形状决定，所以被从供气流路隔离的瞬间(膨胀开始时)的膨胀空间内的压力与连通到排气流路的瞬间(膨胀完成时)的膨胀空间内的压力的比即内部膨胀比是一定的。
[0004]因此，如在非专利文献I中记载那样，在螺杆膨胀机的内部膨胀比不与供气侧的压力与排气侧的压力的比即运转膨胀比一致的情况下发生损失。具体而言，在螺杆膨胀机中，在内部膨胀比比运转膨胀比大、膨胀完成时的膨胀空间内的压力比排气流路的压力低的情况下，作用负的力(负的做功)，以降低螺杆转子的旋转力，发生损失。
[0005]作为调整螺杆膨胀机的内部膨胀比的手段，有如在专利文献I中记载那样通过滑阀使排气位置变化的方法。但是，专利文献I并没有具体地明确，基于何种信息怎样调整滑阀能够降低因内部膨胀比与运转膨胀比的不一致发生的损失。
[0006]此外，作为通过闪蒸发电不能利用那样的低温的热发电的系统，例如如在专利文献2中记载那样，有通过低沸点的动作介质(动作介质)驱动涡轮或膨胀机(扩张器)的二元发电系统(binary Cycle power generation system)。二元发电系统在原理上发电效率较低，所以除了虽然如地热发电那样是不能使水蒸汽闪蒸的温度但有大容量的热源那样的情况以外，几乎达不到实用化。
[0007]但是，只要能够便宜地提供小型的二元发电系统，还能够将以往完全没有利用的热、例如为了内燃发动机的缸体的冷却而丢弃的热作为电能回收。为了给这样的发电系统带来经济上的合理性，螺杆膨胀机的效率化是非常重要的。
[0008]在将排热回收的二元发电系统中，螺杆膨胀机的供气压力较大地依存于向配设在螺杆膨胀机的上游侧的蒸发机供给的剩余蒸汽等加动作介质体的热量(排热)而决定，另一方面，螺杆膨胀机的排气压力较大地依存于向配设在螺杆膨胀机的下游侧的冷凝机供给的冷却水等冷却介质的热量(冷热)而决定。因而，在二元发电系统中，有容易发生因上述内部膨胀比与运转膨胀比的不一致发生的损失的问题。
[0009]专利文献1:特开昭62 - 60902号公报 专利文献2:特开昭60 — 144594号公报
非专利文献1:金子达司，平山直道，“关于螺杆膨胀机的基本性能的研究”日本机械学会论文集(B编)，昭和60年I月，第51卷，第461号，p.134 一 142。
【发明内容】
[0010]鉴于上述问题，本申请发明的课题是提供一种能够降低因内部膨胀比与运转膨胀比的不一致发生的损失、特别是在膨胀完成时的膨胀空间内的压力比排气流路的压力低的情况下发生的损失的螺杆膨胀机。
[0011]为了解决上述课题，本发明的螺杆膨胀机在形成在壳体内的转子室中收容相互咬合的阴阳一对的螺杆转子，通过将上述转子室内的空间用上述螺杆转子划分，形成随着上述螺杆转子的旋转而容积增大的膨胀空间，从供气流路将高压的气体向上述膨胀空间供给，通过在上述膨胀空间内使上述气体膨胀，使上述螺杆转子旋转，将膨胀后的低压的上述气体向排气流路排出，所述螺杆膨胀机具有:内部排气压力检测器，检测马上要连通到上述排气流路之前的上述膨胀空间的压力；运转排气压力检测器，检测上述排气流路的压力；旁通流路，使能够从上述供气流路及上述排气流路隔离的位置处的上述膨胀空间与上述供气流路连通；阀机构，能够将上述旁通流路切断；控制装置，基于上述内部排气压力检测机构的检测值和上述运转排气压力检测机构的检测值，控制上述阀机构；上述控制装置当上述内部排气压力检测机构的检测值为上述运转排气压力检测机构的检测值以上时，使上述阀机构将上述旁通流路闭锁，当上述内部排气压力检测机构的检测值比上述运转排气压力检测机构的检测值小时，使上述阀机构将上述旁通流路开放。
[0012]根据该结构，由于连通在供气流路上的位置处的膨胀空间的压力与供气流路的压力相等，所以当上述内部排气压力检测机构的检测值比上述运转排气压力检测机构的检测值小时，内部膨胀比比运转膨胀比大，气体过度地膨胀。在此情况下，通过将旁通流路开放，从供气流路将高压的气体供给到容积比连通在供气流路上的位置增大的膨胀空间，实质上使内部膨胀比下降。由此，将通过内部膨胀比与运转膨胀比的差发生的损失降低。
[0013]此外，在本发明的螺杆膨胀机中，也可以是，上述阀机构具备柱状空间和活塞，所述柱状空间具有连通到上述膨胀空间及上述旁通流路的功能端面，在与上述功能端面相反侧经由供气阀连通到上述供气流路，并且经由排气阀连通到上述排气流路，所述活塞嵌装在上述柱状空间内，通过抵接在上述功能端面上，能够将上述膨胀空间与上述旁通流路隔离；上述控制装置当上述内部排气压力检测机构的检测值为上述运转排气压力检测机构的检测值以上时，将上述供气阀打开而将上述排气阀关闭，当上述内部排气压力检测机构的检测值比上述运转排气压力检测机构的检测值小时，将上述供气阀关闭而将上述排气阀打开。
[0014]根据该结构，由于通过供气流路的压力及排气流路的压力驱动阀机构，所以不需要用于阀机构的驱动源。
[0015]此外，在本发明的螺杆膨胀机中，上述功能端面也可以在上述转子室的供气侧端面的边缘上开口。
[0016]根据该结构，能够在一般的分割结构的壳体中比较容易地装入阀机构，螺杆膨胀机不会大型化。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1是本发明的第I实施方式的螺杆膨胀机的轴向部分剖视图。[0018]图2是图1的螺杆膨胀机的轴直角方向部分剖视图。
[0019]图3是图1的螺杆膨胀机的阀机构闭时的螺杆转子展开图。
[0020]图4是图1的螺杆膨胀机的阀机构开时的螺杆转子展开图。
[0021]图5是具有图1的螺杆膨胀机的二元发电系统的结构图。
[0022]图6是具有本发明的第2实施方式的螺杆膨胀机的二元发电系统的结构图。
【具体实施方式】
[0023]以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。在图1中，表示作为本发明的第I实施方式的螺杆膨胀机I。[0024]螺杆膨胀机I具有膨胀机主体6，所述膨胀机主体6在形成于壳体2内的转子室3中收容相互咬合的阴阳一对螺杆转子4、5而成。对于转子室3，从连接着外部流路7的供气流路8供给高压的气体。并且，从转子室3经由排气流路9将气体排出。
[0025]螺杆转子4、5用其齿将转子室3内的空间划分，在供气流路8与排气流路9之间划分出多个膨胀空间。膨胀空间随着螺杆转子4、5的旋转，从供气流路8朝向排气流路9，容积逐渐增大。因此，通过从供气流路8供给到膨胀空间中的高压的气体在膨胀空间中膨胀，使螺杆转子4、5旋转。因而，将压力下降的气体排出到排气流路9中。
[0026]此外，螺杆膨胀机I在壳体2的将转子室3的供气侧端面封闭的部分上形成有阀机构10。阀机构10具有以在转子室3的边缘上开口的方式形成在壳体2上的柱状空间11、和可滑动地嵌装在柱状空间11内的活塞12。
[0027]这里，将柱状空间11的在转子室3上开口的端面称作功能端面11a。功能端面Ila在膨胀空间上开口，并且也在沿轴向延伸形成在转子室3的径向外侧的壳体2上的旁通流路13上开口。膨胀空间与旁通流路13经由柱状空间11连通，但通过活塞12紧贴在功能端面Ila上而被隔离。
[0028]旁通流路13通过经由连接流路14连接在外部流路7上而连通到供气流路8。即，旁通流路13使供气流路8与处于能够从该供气流路8隔离的位置的膨胀空间连通，但能够被阀机构10切断。
[0029]此外，柱状空间11在与功能端面Ila相反侧的驱动部Ilb连接着操作流路15。在操作流路15上，连接着经由供气阀16连通到连接流路14 (进而是供气流路8)的高压流路
17、和经由排气阀18连通到排气流路9的低压流路19。
[0030]在图2中，表示转子室3的供气侧端面上的螺杆膨胀机I的轴直角方向的截面。如图示那样，柱状空间11连通的压缩空间是被螺杆转子5的齿从供气流路8隔离的齿槽内的空间。但是，柱状空间11连通的压缩空间根据螺杆转子5的旋转角度而能够连通到供气流路8。
[0031]进而，如图1所示，螺杆膨胀机I具有:内部排气压力检测器20，检测马上要连通到排气流路9之前的膨胀空间的压力(内部排气压力Pf);运转排气压力检测器21，在连通到排气流路9的低压流路19中实质上检测排气流路9的压力(运转排气压力Pd);和控制装置22，被输入内部排气压力检测器20的检测值Pf?及运转排气压力检测器21的检测值Pd，控制吸气阀15及排气阀18的开闭。
[0032]在图中，为了容易理解以后的说明，图示了检测连接流路14中的压力、即实质上是供气流路8的压力的供气压力Ps的供气压力检测器23，但在实际的结构中并不一定是必须的元件。此外，运转排气压力检测器21也可以设在连接到排气流路9或排气流路9的流路中。
[0033]内部排气压力Pf由供气压力Ps、连接到排气流路9的瞬间的膨胀空间的容积相对于被从供气流路8隔离的瞬间的膨胀空间的容积的比、和气体的物理性能决定。另一方面，运转排气压力Pd与连接到排气流路9的外部的流路的压力相等。
[0034]控制装置22当内部排气压力检测器20的检测值Pf比运转排气压力检测器21的检测值Pd小时，将供气阀16关闭，将排气阀18打开。于是，柱状空间11的驱动部Ilb的压力变得与排气压力Pd相等，变得比功能端面Ila的压力低，所述功能端面Ila连通到与供气流路8相同的压力Ps的旁通流路13、和与供气流路8相同的压力Ps或气体稍稍膨胀而比Ps稍低的压力的膨胀空间上。由此，活塞12向从功能端面Ila离开的方向移动，确保旁通流路13与膨胀空间的连通，使气体能够从旁通流路13流入到膨胀空间中。于是，即使在膨胀空间被螺杆转子5的齿从供气流路8隔离时，膨胀空间内的压力也被维持为供气压力Ps。
[0035]控制装置22当内部排气压力检测器20的检测值Pf是运转排气压力检测器21的检测值Pd以上时，将供气阀16打开而将排气阀18关闭。于是，柱状空间11的驱动部Ilb的压力变得与供气压力Ps相等。当膨胀空间被螺杆转子5的齿从供气流路8隔离时，膨胀空间内的气体稍稍膨胀，压力从供气压力Ps下降。由此，柱状空间11的功能端面Ila侧的压力变得比驱动部Ilb侧的压力低一些，使活塞12朝向功能端面Ila移动。活塞12如果抵接在功能端面Ila上，则将功能端面Ila封闭，将旁通流路13与膨胀空间隔离。由此，螺杆膨胀机I成为与没有旁通流路13的通常的膨胀机相同的结构。
[0036]在图3中表示将阀机构10闭锁(用活塞12将功能端面Ila封闭)的状态的螺杆转子4、5的展开图。从供气流路8向螺杆转子4、5的齿槽供给供气压力Ps的气体。螺杆转子4、5的齿槽被壳体2从供气流路8隔离的瞬间的齿槽的容积Vsl是在螺杆膨胀机I中压力Ps的气体开始膨胀的时点的容积。并且，被从吐出侧的壳体2释放、连通到排气流路9的瞬间的齿槽的容积Vd是气体结束膨胀的时点的容积。并且，在该容积的比Vi=Vd/Vsl与内部膨胀比i之间，如果将气体的比热比用K表示，则有Vi=Ji i1/K的关系。
[0037]在图4中表示将阀机构10开放(将活塞12移动到驱动部Ilb侦彳)的状态的螺杆转子4、5的展开图。在此情况下，即使被从供气流路8隔离，也对连通在阀机构10上的齿槽经由旁通流路13供给供气压力Ps的气体。即，如果将阀机构10打开，则实质上具有与将供气流路8扩大相同的效果。因而，被从阀机构10隔离的瞬间的齿槽的容积Vs2是在螺杆膨胀机I中压力Ps的气体开始膨胀的时点的容积。气体结束膨胀的时点的容积Vd与将阀机构10闭锁的情况相同。
[0038]在螺杆膨胀机I中，当内部排气压力检测器20的检测值Pf比运转排气压力检测器21的检测值Pd小时，通过将阀机构10开放、成为实质上将供气流路8扩大的状态，使内部膨胀比变小。由此，使内部排气压力Pf变得比运转排气压力Pd高，防止当从膨胀空间向排气流路9流出时将气体再压缩而发生的损失。即，使内部膨胀比接近于运转膨胀比Ps/Pd，提高热能向旋转能的变换效率。
[0039]此外，螺杆膨胀机I由于通过简洁的阀机构10使内部膨胀比i变化，所以不使装置变大，能够比较便宜地提供。
[0040]在图5中表示使用本实施方式的螺杆膨胀机I的二元发电系统的结构。二元发电系统是在夹设有螺杆膨胀机1、冷凝器24、泵25及蒸发器26的动作介质循环流路27中封入例如R245fa那样的动作介质的兰肯循环热机。动作介质循环流路27的一部分、螺杆膨胀机I的上游侧部分是上述外部流路7。此外，在螺杆膨胀机I的输出轴上连接着发电机28。
[0041]冷凝器24是将从螺杆膨胀机I排气的低压的动作介质通过从外部供给的冷却介质(例如，从河流或冷却塔供给的便宜的冷却水)冷却而使其冷凝的热交换器。泵25将在冷凝器24中成为液体的动作介质加压，向蒸发器26供给。蒸发器26通过从外部供给的加热介质(例如从坑井采取的蒸汽或用锅炉制造的蒸汽)进行加热而使其蒸发。由蒸发器26蒸发而成为高压的气体的动作介质被向螺杆膨胀机I供给，将螺杆膨胀机I驱动。二元发电系统通过该螺杆膨胀机I的旋转力使发电机28转动而发电。
[0042]在本实施方式的二元发电系统中，即使从加热介质或冷却介质供给的热量变化而供气压力Ps或排气压力Pd变化，也防止在螺杆膨胀机I操作阀机构10而从膨胀空间向排气流路9流出时通过将动作介质再压缩发生的损失，所以能够将发电效率维持得较高。
[0043]接着，在图6中表示具有本发明的第2实施方式的螺杆膨胀机Ia的二元发电系统。关于本实施方式，对于与第I实施方式相同的构成兀件赋予相同的附图标记，省略重复的说明。
[0044]螺杆膨胀机Ia串联连接着两个膨胀机主体6a、6b。在本实施方式中，将能够从膨胀机主体6a、6b的供气流路隔离的位置的膨胀空间与供气流路连接的旁通流路13a、13b由外部配管构成，能够将旁通流路13a、13b切断的阀机构10a、IOb设在外部配管中，是能够用控制装置22的控制电压驱动的马达阀。
[0045]此外，螺杆膨胀机Ia将第I级的膨胀机主体6a的排气流路与第2级的膨胀机主体6b的供气流路用中间压力流路29连接。并且，螺杆膨胀机Ia具有:第I级内部排气压力检测器20a，检测马上要连通到第I级的膨胀机主体6a的排气流路之前的膨胀空间的压力Pfl ;第I级运转排气压力检测器21a，检测是第I级的膨胀机主体6a的运转排气压力、也是第2级的膨胀机主体6b的供气压力的中间压力流路29的压力(中间压力Pm);第2级内部排气压力检测器20b，检测马上要连通到第2级的膨胀机主体6b的排气流路之前的膨胀空间的压力Pf2 ;和第2级运转排气压力检测器21b，在第2级的膨胀机主体6b的排气流路紧接着之后的动作介质循环流路27中实质上检测第2级的膨胀机主体6b的运转排气压力Pd。
[0046]本实施方式的控制装置22当第I级内部排气压力检测器20a的检测值Pfl是第I级运转排气压力检测器21a的检测值Pm以上时，将阀机构IOa闭锁，当第I级内部排气压力检测器20a的检测值Pfl比第I级运转排气压力检测器21a的检测值Pm小时，将阀机构IOa开放，使第I级的压缩机主体6a的内部膨胀比下降。
[0047]此外，控制装置22当第2级内部排气压力检测器20b的检测值Pf2是第2级运转排气压力检测器21b的检测值Pd以上时，将阀机构IOb闭锁，当第2级内部排气压力检测器20b的检测值Pf2比第2级运转排气压力检测器21b的检测值Pd小时，将阀机构IOb开放，使第2级的压缩机主体6b的内部膨胀比下降。[0048]这样，本发明不仅是由I级的膨胀机主体构成的螺杆膨胀机，在由2级的膨胀机主
体构成的螺杆膨胀机中也能够采用。此外，如果使用本发明的螺杆膨胀机，则能够提高二元
发电装置的发电效率。
[0049]附图标记说明
1、la螺杆膨胀机 2壳体
3转子室
4、5螺杆转子 6、6a、6b膨胀机主体 7外部流路 8供气流路 9排气流路 10、10a、IOb 阀机构 11柱状空间 Ila功能端面 Ilb驱动部 12活塞
13、13a、13b旁通流路
14连接流路
15操作流路
16供气阀
17高压流路
18排气阀
19低压流路
20内部排气压力检测器
20a第I级内部排气压力检测器
20b第2级内部排气压力检测器
21运转排气压力检测器
21a第I级内部排气压力检测器
21b第2级内部排气压力检测器
22控制装置。
【权利要求】
1.一种螺杆膨胀机，在形成在壳体内的转子室中收容相互咬合的阴阳一对的螺杆转子，通过将上述转子室内的空间用上述螺杆转子划分，形成随着上述螺杆转子的旋转而容积增大的膨胀空间，从供气流路将高压的气体向上述膨胀空间供给，通过在上述膨胀空间内使上述气体膨胀，使上述螺杆转子旋转，将膨胀后的低压的上述气体向排气流路排出，其特征在于， 具有: 内部排气压力检测器，检测马上要连通到上述排气流路之前的上述膨胀空间的压力； 运转排气压力检测器，检测上述排气流路的压力； 旁通流路，使能够从上述供气流路及上述排气流路隔离的位置处的上述膨胀空间与上述供气流路连通； 阀机构，能够将上述旁通流路切断； 控制装置，基于上述内部排气压力检测机构的检测值和上述运转排气压力检测机构的检测值，控制上述阀机构； 上述控制装置当上述内部排气压力检测机构的检测值为上述运转排气压力检测机构的检测值以上时，使上述阀机构将上述旁通流路闭锁，当上述内部排气压力检测机构的检测值比上述运转排气压力检测机构的检测值小时，使上述阀机构将上述旁通流路开放。
2.如权利要求1所述的螺杆膨胀机，其特征在于， 上述阀机构具备柱状空间和活塞，所述柱状空间具有连通到上述膨胀空间及上述旁通流路的功能端面，在与上述功能端面相反侧经由供气阀连通到上述供气流路，并且经由排气阀连通到上述排气流路，所述活塞嵌装在上述柱状空间内，通过抵接在上述功能端面上，能够将上述膨胀空间与上述旁通流路隔离； 上述控制装置当上述内部排气压力检测机构的检测值为上述运转排气压力检测机构的检测值以上时，将上述供气阀打开而将上述排气阀关闭，当上述内部排气压力检测机构的检测值比上述运转排气压力检测机构的检测值小时，将上述供气阀关闭而将上述排气阀打开。
3.如权利要求2所述的螺杆膨胀机，其特征在于， 上述功能端面在上述转子室的供气侧端面的边缘上开口。
【文档编号】F01C20/26GK103492675SQ201280019181
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2012年4月2日 优先权日:2011年4月19日
【发明者】壶井升, 松村昌义 申请人:株式会社神户制钢所