(57)【要約】【課題】簡易な構成で、膨張機上流側に混入する水の量を適切に制御して十分なシール効果を得ることができるスクロール蒸気膨張システムを提供すること。【解決手段】配管Ｌ６から吸入した高圧蒸気ＨＷを膨張して配管Ｌ７から低圧蒸気を吐出するスクロール膨張機１０を有したスクロール蒸気膨張システム１であって、配管を流れる高圧蒸気ＨＷと配管Ｌ７を流れる低圧蒸気ＬＷとを熱交換する熱交換器２０を備え、熱交換によって高圧蒸気ＨＷ内に凝縮水を生成する。熱交換器２０をバイパスするバイパス配管である配管Ｌ４，Ｌ５と、配管Ｌ４，Ｌ５を流れる高圧蒸気ＨＷの流量を調整する流量調整弁３０と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入口配管から吸入した高圧蒸気を膨張して出口配管から低圧蒸気を吐出するスクロール膨張機を有したスクロール蒸気膨張システムであって、
前記入口配管を流れる高圧蒸気と前記出口配管を流れる低圧蒸気とを熱交換する熱交換器を備え、前記熱交換によって前記高圧蒸気内に凝縮水を生成することを特徴とするスクロール蒸気膨張システム。
【請求項２】
前記入口配管は、前記熱交換器をバイパスするバイパス配管と、
前記バイパス配管を流れる高圧蒸気の流量を調整する流量調整弁と、
前記流量調整弁の開度を調整する制御部と、
を備えたことを特徴とする請求項１に記載のスクロール蒸気膨張システム。
【請求項３】
前記制御部は、前記スクロール膨張機の回転数、前記熱交換に流入する高圧蒸気の温度、及び前記熱交換器から流入する低圧蒸気の温度をもとに、前記流量調整弁の開度を調整することを特徴とする請求項２に記載のスクロール蒸気膨張システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、簡易な構成で、膨張機上流側に混入する水の量を適切に制御して十分なシール効果を得ることができるスクロール蒸気膨張システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、潤滑油を用いないスクロール膨張機は、膨張室間の微小隙間をシールすることができず、漏れ流量が増加するため、膨張機効率が低いという問題があった。そこで、膨張過程で生じる水を潤滑油の代替としてシールに用いることで、膨張機効率を向上するようにしている。
【０００３】
しかし、膨張に伴って生じる水は、膨張機入口付近ではシールに必要な十分な水量を確保できないため、シール効果が不十分であった。このため、特許文献１では、膨張機内部に放熱機構を設け、膨張過程で温度低下する蒸気と熱交換により凝縮水を発生し、膨張機内部に混入させてシール効果を上げるようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−１８１５０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１のスクロール膨張機では、熱交換部の大きさが一定であるため、蒸気流量の変動に伴って熱交換量が変動し、生成される凝縮水量も変化する。このため、凝縮水の混入量を制御することができず、凝縮水量が少ないとシール効果を発揮できず、膨張機効率が低下し、凝縮水量が多いと膨張過程における蒸気流量が減り、出力が低下してしまうという問題があった。
【０００６】
また、特許文献１のスクロール膨張機では、膨張機内部に熱交換機構や水混入機構を設ける必要があるため、装置が複雑なものとなる。
【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、簡易な構成で、膨張機上流側に混入する水の量を適切に制御して十分なシール効果を得ることができるスクロール蒸気膨張システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかるスクロール蒸気膨張システムは、入口配管から吸入した高圧蒸気を膨張して出口配管から低圧蒸気を吐出するスクロール膨張機を有したスクロール蒸気膨張システムであって、前記入口配管を流れる高圧蒸気と前記出口配管を流れる低圧蒸気とを熱交換する熱交換器を備え、前記熱交換によって前記高圧蒸気内に凝縮水を生成することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明にかかるスクロール蒸気膨張システムは、上記の発明において、前記入口配管は、前記熱交換器をバイパスするバイパス配管と、前記バイパス配管を流れる高圧蒸気の流量を調整する流量調整弁と、前記流量調整弁の開度を調整する制御部と、を備えたことを特徴とする。
【００１０】
また、本発明にかかるスクロール蒸気膨張システムは、上記の発明において、前記制御部は、前記スクロール膨張機の回転数、前記熱交換に流入する高圧蒸気の温度、及び前記熱交換器から流入する低圧蒸気の温度をもとに、前記流量調整弁の開度を調整することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、簡易な構成で、膨張機上流側に混入する水の量を適切に制御して十分なシール効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本発明の実施の形態であるスクロール蒸気膨張システムの構成を示す図である。
【図２】図２は、制御部による流量調整弁の開度制御処理手順を示すフローチャートである。
【図３】図３は、スクロール膨張機による膨張過程を説明するためのＰ−ｈ線図である。
【図４】図４は、水混入率に対する蒸気漏れ流量の変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、添付図面を参照してこの発明を実施するための形態について説明する。
【００１４】
＜スクロール蒸気膨張システムの構成＞
図１は、本発明の実施の形態であるスクロール蒸気膨張システム１の構成を示す図である。図１に示すように、スクロール蒸気膨張システム１は、スクロール膨張機１０、熱交換器２０、流量調整弁３０及び制御部５０を有する。
【００１５】
スクロール膨張機１０は、入口１０ａに配管Ｌ６が接続され、凝縮水が混入した高圧蒸気ＨＷが吸入される。また、スクロール膨張機１０は、出口１０ｂに配管Ｌ７が接続され、膨張された低圧蒸気ＬＷが熱交換器２０側に吐出される。
【００１６】
スクロール膨張機１０は、固定スクロールと旋回スクロールとを有する。固定スクロールと旋回スクロールとは、それぞれ板状渦巻歯が互いに噛み合わされた状態で、旋回スクロールが固定スクロールの中心を公転運動する旋回を行い、この旋回に伴って中心の主吸入口から吸入される高圧蒸気ＨＷを、固定スクロールと旋回スクロールとの間に形成される膨張室によって膨張させて低圧蒸気ＬＷを生成する。なお、この膨張室を形成する際、固定スクロールの板状渦巻歯壁面と旋回スクロールの板状渦巻歯壁面との当接位置におけるシールを行うため、高圧蒸気ＨＷに凝縮水が混入される。スクロール膨張機１０は、膨張過程に伴って旋回スクロールの回転軸１０ｃが回転駆動される。この回転軸１０ｃの回転エネルギーは外部出力される。
【００１７】
熱交換器２０は、配管Ｌ７から流入する低圧蒸気ＬＷが、配管Ｌ２を介して流入する高圧蒸気ＨＷから吸熱し、高圧蒸気ＨＷ内に凝縮水を生成する。この凝縮水が含まれた高圧蒸気ＨＷは、配管Ｌ３及び合流点Ｐｂを介して配管Ｌ６に接続され、スクロール膨張機１０内に吸入される。一方、吸熱した低圧蒸気ＬＷは、配管Ｌ８を介して外部出力される。
【００１８】
ここで、スクロール蒸気膨張システム１に流入する高圧蒸気ＨＷは、配管Ｌ１、分岐点Ｐａ及び配管Ｌ２を介して熱交換器２０に流入する。分岐点Ｐａに接続される配管Ｌ４及び合流点Ｐｂに接続される配管Ｌ５は、バイパス配管であり、配管Ｌ４，Ｌ５間に流量調整弁３０が配置される。なお、流量調整弁３０は、配管Ｌ２と熱交換器２０との間、あるいは配管Ｌ２上に設けるようにしてもよい。したがって、流量調整弁３０の開度Ａに応じて、熱交換器２０に流れる高圧蒸気の流量とバイパス配管に流れる高圧蒸気の流量とが調整される。なお、配管Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３，Ｌ６は入口配管であり、配管Ｌ７，Ｌ８は出口配管である。
【００１９】
制御部５０は、スクロール膨張機１０の回転数Ｎ、熱交換器２０に流入する高圧蒸気ＨＷの温度Ｔ１、及び、熱交換器２０から流出する低圧蒸気ＬＷの温度Ｔ２をもとに流量調整弁３０の開度調整機構３１を介して開度Ａを調整し、これにより、高圧蒸気ＨＷから生成される凝縮水の量を調整する。温度Ｔ１は、配管Ｌ１上に設けられた温度センサ４１によって検出する。また、温度Ｔ２は、配管Ｌ８上に設けられた温度センサ４２によって検出する。スクロール膨張機１０の回転数Ｎは、回転数検出部１１によって検出される。
【００２０】
＜制御部による流量調整弁の開度制御処理＞
図２は、制御部５０による流量調整弁３０の開度制御処理手順を示すフローチャートである。また、図３は、スクロール膨張機１０による膨張過程を説明するためのＰ−ｈ線図である。図２に示すように、制御部５０は、まず温度Ｔ１，Ｔ２を取得する（ステップＳ１０１）。その後、制御部５０は、配管Ｌ１を流れる高圧蒸気ＨＷの入力エンタルピｈ１を次式（１）によって算出する（ステップＳ１０２）。
ｈ１＝ｆsatg（Ｔ１）                                      ・・・（１）
ｆsatgは、図３に示した飽和蒸気線Ｌ１２に対応する飽和蒸気関数である。
【００２１】
その後、次式（２）を用いて飽和液エンタルピｈsatlを算出する（ステップＳ１０３）。
ｈsatl＝ｆsatl（Ｔ２）                                      ・・・（２）
ｆsatlは、図３に示した飽和液線Ｌ１１に対応する飽和液関数である。
【００２２】
その後、次式（３）を用いて、配管Ｌ６の目標入口エンタルピｈinを算出する（ステップS１０４）。
ｈin＝ｘ（ｈ1−ｈsatl）＋ｈsatl                            ・・・（３）
ここで、ｘは、目標乾き度である。
【００２３】
その後、次式（４）を用いて入口密度ρinを算出する（ステップＳ１０５）。
ρin＝ｆsatg（Ｔ１）                                        ・・・（４）
【００２４】
その後、次式（５）を用いて配管Ｌ１を流れる高圧蒸気ＨＷの流量Ｇ１を算出する（ステップＳ１０６）。
Ｇ１＝ρin・Ｎ・Ｖ                                          ・・・（５）
Ｎはスクロール膨張機１０の回転数であり、Ｖは膨張機体積である。
【００２５】
その後、次式（６）を用いて、必要な交換熱量Ｑを算出する（ステップＳ１０７）。
Ｑ＝Ｇ１・ｈ1−Ｇ１・ｈin                                    ・・・（６）
【００２６】
その後、熱交換量の関数ｆ１を用いて次式（７）のようにバイパス流量Ｇ２を算出する（ステップＳ１０８）。
Ｇ２＝ｆ１（Ｇ１，Ｑ，Ｔ１、Ｔ２）                            ・・・（７）
【００２７】
さらに、開度Ａと流量との関係を示す関数ｆ２を用いて次式（８）のように、開度Ａ
を算出し（ステップＳ１０９）、本処理を終了する。
Ａ＝ｆ２（Ｇ２）                                              ・・・（８）
【００２８】
これにより、図３に示すように、スクロール膨張機１０の入口１０ａにおける乾き度ｘは、凝縮水の混入によって飽和蒸気線Ｌ１２上から湿り蒸気内にシフトし、高圧蒸気ＨＷは、等エントロピ線Ｌ上で膨張する。この結果、スクロール膨張機１０内の高圧蒸気ＨＷには、入口１０ａから常に適切な量の水が含まれ、潤滑油がなくても十分なシール効果を得ることができる。また、蒸気流量が変動しても、流量調整弁３０の開度Ａの調整により、常に適切な量の水が混入されているため、十分なシール効果とともに、膨張すべき蒸気流量が減少することもない。
【００２９】
本実施の形態では、熱交換器２０、パイパス配管、流量調整弁３０を設けるのみという簡易な構成で、水の混入量を調整することができる。
【００３０】
なお、図４に示すように、スクロール膨張機１０内の蒸気漏れ量は、蒸気流量に対する水Ｗの混入率が増大することによって減少するが、水混入率がＷａ以上になると、蒸気漏れ量の減少傾きは急激に小さくなる。ここで、水混入率がＷａ以上になると、蒸気漏れ量は、ほぼ飽和状態となるので、水混入率がＷａのときの蒸気漏れ量を飽和量Ｌａと記す。
【００３１】
したがって、流量調整弁３０は、水の混入率が、スクロール膨張機１０の蒸気漏れ流量の飽和量Ｌａと一致する水混入率が最小値Ｗａとなるように流量調整弁３０を調整してもよい。
【００３２】
なお、上記の実施の形態及び変形例で図示した各構成は機能概略的なものであり、必ずしも物理的に図示の構成をされていることを要しない。すなわち、各装置及び構成要素の分散・統合の形態は図示のものに限られず、その全部又は一部を各種の使用状況などに応じて、任意の単位で機能的又は物理的に分散・統合して構成することができる。
【符号の説明】
【００３３】
１  スクロール蒸気膨張システム
１０  スクロール膨張機
１０ａ  入口
１０ｂ  出口
１０ｃ  回転軸
１１  回転数検出部
２０  熱交換器
３０  流量調整弁
３１  開度調整機構
４１，４２  温度センサ
５０  制御部
Ａ  開度
ｆ１，ｆ２  関数
Ｇ１  流量
Ｇ２  バイパス流量
ｈ１  入力エンタルピ
ｈin  目標入口エンタルピ
ｈsatl  飽和液エンタルピ
ＨＷ  高圧蒸気
Ｌ  等エントロピ線
Ｌ１〜Ｌ８  配管
Ｌ１１  飽和液線
Ｌ１２  飽和蒸気線
ＬＷ  低圧蒸気
Ｎ  回転数
Ｐａ  分岐点
Ｐｂ  合流点
Ｑ  交換熱量
Ｔ１，Ｔ２  温度
ｘ  目標乾き度
ρin  入口密度
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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