(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動軸と、該駆動軸に一体に設けられた駆動スクロール体と、該駆動軸の回転軸線に対して偏心した回転軸線を有する従動スクロール体と、該駆動スクロール体と該従動スクロール体とを同期回転させる連動機構と、前記駆動軸及び従動スクロール体を固定フレームに対して回転自在に支持する軸受とで構成され、
前記駆動スクロール体は、前記従動スクロール体の両側に配置される２枚の第１の端板と、該２枚の第１の端板から内方へ突出する螺旋形状の第１のラップとを有し、前記従動スクロール体は、前記２枚の第１の端板間に配置された第２の端板と、該第２の端板の両面から突出する第２のラップとを有し、これら端板とラップとで第２の端板の両側に膨張室を形成し、
前記駆動軸は前記膨張室を貫通した単一の駆動軸で構成され、該駆動軸に前記膨張室の径方向中心部に開口する作動媒体導入孔が設けられており、
前記従動スクロール体の第２の端板と前記駆動軸との間に従動スクロール体の偏心運動を許容する隙間が形成され、前記作動媒体導入孔の開口が該隙間に面しかつ第２の端板を均等に跨いだ位置に配置されていることを特徴とするスクロール膨張機。
【請求項２】
前記従動スクロール体は、前記軸受に回転支持されるボス部と、該ボス部から外側へ延設され、前記第２の端板に結合されたアームとを備えていることを特徴とする請求項１に記載のスクロール膨張機。
【請求項３】
前記連動機構は、前記駆動スクロール体又は前記従動スクロール体の一方に回転自在に装着された円筒体と、これらスクロール体の他方に固定された軸体とで構成され、
前記軸体は、前記円筒体の回転中心に対して偏心した領域に結合され、該円筒体に対する該軸体の偏心量は前記駆動軸の回転軸線と前記従動スクロール体の回転軸線との偏心量と同一であることを特徴とする請求項１に記載のスクロール膨張機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、駆動スクロール体と従動スクロール体とが同期回転する両回転型スクロール膨張機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の発電システムは、数百ｋＷ以上の大型プラントが主で、小型発電は簡易構造のエンジン発電機等が主流であった。しかし、最近では、省エネ志向が浸透し、再生エネルギー特措法が成立するなど、小型発電のニーズと市場は広がりつつある。一方、太陽光発電や風力発電は、未だ費用対効果が向上していない。他方、７５〜１５０℃のお湯や蒸気を熱源に用い、低沸点の作動媒体を介して小型発電機を駆動させるバイナリー発電システムが開発されている。
【０００３】
このような動きの中で、スクロール膨張機は、膨張室に高圧の作動媒体を供給して駆動軸の回転トルクを得るものであるが、トルク変動が少ないことから、小型発電システムに好適な膨張機として注目されてきている。スクロール型流体機械は、一対のスクロール体の端板と螺旋形状のラップとで圧縮室や膨張室を形成するものである。特許文献１には、一方が固定スクロール体で、他方が旋回スクロール体であり、固定スクロール体に対して旋回スクロール体を旋回させて、膨張室を形成する片側旋回方式のスクロール膨張機が開示されている。かかる構成のスクロール型流体機械では、動的シールとなるので、膨張室を形成する端板やラップの接触部位で騒音や摩耗が激しくなる傾向がある。これによって、膨張室のシール性が損なわれるおそれがある。
【０００４】
特許文献２には、両回転型スクロール型流体機械が開示されている。両回転型スクロール型流体機械は、駆動スクロール体と従動スクロール体とを連動機構を介して同期回転させることで、接触部位での騒音や摩耗を低減可能にしている。両回転型では、駆動スクロール体に対して従動スクロール体を偏心回転させて圧縮室や膨張室を形成している。
【０００５】
特許文献２に開示された両回転型スクロール型流体機械は、従動スクロール体の端板の両面に圧縮室又は膨張室を形成した、所謂「ダブルラップ・スクロール構造」を有している。このように、両側に圧縮室又は膨張室を形成することで、作動流体の処理容量や出力（回転トルク）を増加できる。また、駆動スクロール体や従動スクロール体に加わるスラスト方向荷重を相殺できるため、駆動スクロール体や従動スクロール体の支持構造を簡素化できるという利点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−２９９６５３号公報
【特許文献２】特開平６−３４１３８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、両回転型スクロール膨張機の場合、駆動スクロール体及び従動スクロール体を同期回転させるため、片側旋回方式と比べて、大きな駆動力を必要とする。そのため、高出力を得るためには、膨張室に供給する前の作動媒体の漏れや温度低下による事前膨張を防いで膨張室に供給する必要がある。しかし両回転型では、片側旋回方式と比べて、前記条件に合致した作動媒体供給路の確保は容易ではない。
【０００８】
特許文献２に開示された両回転型スクロール型流体機械は、駆動軸が軸方向で２つに分断されている。そのため、分断された２つの駆動軸の軸心合わせが面倒になるという問題がある。また、スクロール膨張機として用いる場合、分断された一方の駆動軸に設けられた高圧流体導入孔からまず一方の膨張室に高圧の作動媒体が供給され、次に、膨張室の隔壁に設けられた孔を通して他方の膨張室へ作動媒体を供給する構成であるため、作動媒体が該孔を通る際に圧力損失が発生し、作動媒体が両膨張室に均等に供給されないという問題がある。また、従動スクロール体は、膨張室形成部を覆うハウジングを備えているので、重量が大きくなり、従動スクロール体を回転させるのに大きな駆動力を必要とする。
【０００９】
本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、両回転型でかつダブル膨張室を有するスクロール膨張機において、駆動軸の軸心合わせを不要にすると共に、作動媒体の漏れや温度低下による事前膨張のない作動媒体供給路を形成し、かつダブル膨張室に作動媒体を均等に供給可能にすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
かかる目的を達成するため、本発明のスクロール膨張機は、駆動軸と、該駆動軸に一体に設けられた駆動スクロール体と、該駆動軸の回転軸に対して偏心した回転軸線を有する従動スクロール体と、動スクロール体と該従動スクロール体とを同期回転させる連動機構と、駆動軸及び従動スクロール体を固定フレームに回転自在に支持する軸受とで構成されている。前記連動機構によって駆動スクロール体と従動スクロール体とは同期回転する。
【００１１】
さらに、駆動スクロール体は、従動スクロール体の両側に配置される２枚の第１の端板と、該２枚の第１の端板から内方へ突出する螺旋形状の第１のラップとを有し、従動スクロール体は、駆動スクロール体の２枚の第１の端板間に配置された第２の端板と、第２の端板の両面から突出する第２のラップとを有している。駆動スクロール体及び従動スクロール体の端板とラップとで第２の端板の両側に、中心部から半径方向に向かう膨張室を形成している。このように、ダブル膨張室を形成することで、出力（回転トルク）を増大できると共に、駆動スクロール体及び従動スクロール体に加わるスラスト方向荷重を相殺でき、駆動スクロール体及び従動スクロール体の支持構造を簡素化できる。
【００１２】
駆動軸は、ダブル膨張室を貫通した単一の駆動軸で構成され、該駆動軸にダブル膨張室の径方向中心部に開口する作動媒体導入孔が設けられている。このように、駆動軸がダブル膨張室を貫通した単一の駆動軸で構成されているので、軸心合わせを要しない。また、かかる構成の駆動軸に作動媒体導入孔を設けたので、シール性が良くかつ温度低下による事前膨張をなくすことができる。また、ダブル膨張室に設けられる作動媒体導入孔の開口の位置決めが容易になると共に、開口位置を適宜選択することで、両膨張室へ作動媒体を均等に供給できる。
【００１３】
本発明において、従動スクロール体は、前記軸受に回転支持されるボス部と、該ボス部から外側へ延設され、第２の端板に結合されたアームとを備えているとよい。これによって、特許文献２の従動スクロール体に設けられた、膨張室形成部全体を覆うハウジングをなくすことができる。そのため、従動スクロール体の重量を軽減でき、従動スクロール体の回転に要する駆動力を軽減できるので、その分スクロール膨張機の出力を増大できる。
【００１４】
本発明において、従動スクロール体の第２の端板と駆動軸との間に従動スクロール体の偏心運動を許容する隙間を形成し、作動媒体導入孔の開口を該隙間に面しかつ第２の端板を均等に跨いだ位置に配置させるとよい。これによって、１つの開口でダブル膨張室に作動媒体を均等に供給でき、該開口の加工工数を低減できる。
【００１５】
本発明において、駆動スクロール体と従動スクロール体とを同期回転させる連動機構は、駆動スクロール体又は従動スクロール体の一方に回転自在に装着された円筒体と、これらスクロール体の他方に固定された軸体とで構成され、軸体は、円筒体の回転中心に対して偏心した位置に結合され、円筒体に対する軸体の偏心量は駆動軸の回転軸線と従動スクロール体の回転軸線との偏心量と同一となるようにするとよい。
【００１６】
かかる構成の連動機構を用いることで、連動機構を簡素化かつ軽量化できる。そのため、回転部位の構成を簡素化かつ軽量化できる。従って、その分スクロール膨張機の出力を増大できる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明のスクロール膨張機によれば、駆動軸が、ダブル膨張室を貫通した単一の駆動軸で構成されているので、軸心合わせが不要になると共に、該駆動軸に作動媒体導入孔を設けたので、シール性が良くかつ温度低下による事前膨張のない供給路を形成できる。また、ダブル膨張室に設けられる作動媒体導入孔の開口の位置決めが容易になると共に、開口位置を適宜選択することで、両膨張室へ作動媒体を均等に供給できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明装置の第１実施形態に係るスクロール膨張機の正面視断面図である。
【図２】図１中の一部拡大図である。
【図３】本発明装置の第２実施形態に係るスクロール膨張機の正面視断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。
【００２０】
（実施形態１）
本発明装置の第１実施形態を図１及び図２に基づいて説明する。本実施形態のスクロール膨張機は、例えば、前述のバイナリー発電システムに適用可能である。この発電システムでは、加圧された低沸点の作動媒体をスクロール膨張機に導入し、作動流体の膨張力を利用してスクロール膨張機の駆動軸を回転させ、この駆動軸に接続された発電機で発電を行う。図１において、スクロール膨張機１０Ａのハウジング１２は、中空円筒形をなす一対のケーシング１２ａ及び１２ｂで構成されている。ケーシング１２ａ及び１２ｂの端部が互いに突き合わされ、内部に中空空間を形成している。ケーシング１２ｂの端面外周側部位に、膨張後の作動媒体ｗをハウジング１２の外部へ吐出する吐出口１４が設けられている。
【００２１】
ケーシング１２ａ及び１２ｂの中心軸線上に開口１６及び１８が形成され、該開口に円形断面を有し、単一かつ一体の駆動軸２０が貫通配置されている。駆動軸２０の一端には発電機２２が設けられ、駆動軸２０の回転によって発電が可能になる。開口１６及び１８と駆動軸２０との間に、シール用のパッキン２４が挿入されている。開口１６、１８付近のハウジング１２ａ、１２ｂには、段部２６ａ、２８ａ及び２６ｂ、２８ｂが形成され、これら段部２６ａ、２８ａ及び２６ｂ、２８ｂの内側に転がり軸受３０ａ、３２ａ及び３０ｂ、３２ｂが配置されている。
【００２２】
駆動軸２０には駆動スクロール体３４が一体に結合されている。駆動スクロール体３４は、一対の分割スクロール体３４ａ及び３４ｂで構成されている。分割スクロール体３４ａは、環状の端板３６ａと、端板３６ａから垂直方向に立設された螺旋形状のラップ３８ａとで構成され、端板３６ａの内周縁が駆動軸２０に結合されている。分割スクロール体３４ｂは、環状の端板３６ｂと、端板３６ｂから垂直方向に立設された螺旋形状のラップ３８ｂとで構成され、端板３６ｂの内周縁が駆動軸２０に結合されている。分割スクロール体３４ａ及び３４ｂの外周部同士はボルト４０で結合されている。ラップ３８ａ及び３８ｂの先端には、後述する従動スクロール体４２の端板４４が挿入可能な間隔が設けられている。
【００２３】
従動スクロール体４２は、ラップ３８ａ、３８ｂ間に配置される円形の端板４４と、端板４４の両面から垂直方向へ立設される２つの螺旋形状のラップ４６ａ及び４６ｂと、端板３６ａ、３６ｂの外側で、駆動軸２０の周囲に配置されたボス部４８ａ及び４８ｂとで構成されている。ボス部４８ａには、ボス部４８ａから一方向に延設されたアーム４９ａが一体に設けられ、アーム４９ａはラップ４６ａの外周部とボルト５０ａで結合されている。同様に、ボス部４８ｂには、ボス部４８ｂから一方向に延設されたアーム４９ｂが一体に設けられ、アーム４９ｂはラップ４６ｂの外周部とボルト５０ｂで結合されている。こうして、駆動スクロール体３４及び従動スクロール体４２の端板３６ａ、３６ｂ、４４とラップ３８ａ、３８ｂ、４６ａ、４６ｂとで、端板４４の両面側に膨張室ｅ１及びｅ２が、ハウジング１２の半径方向へ形成される。
【００２４】
駆動軸２０は、転がり軸受３０ａ及び３０ｂで回転自在に支持されている。従動スクロール体４２のボス部４８ａは、転がり軸受３２ａで回転自在に支持され、ボス部４８ｂは転がり軸受３２ｂで回転自在に支持されている。ボス部４８ａ及び４８ｂの回転軸線Ｃ２は、駆動軸２０の回転軸線Ｃ１に対してｔだけ偏心し、従動スクロール体４２は、駆動軸２０に対してｔだけ偏心した位置で回転する。
【００２５】
駆動スクロール体３４と従動スクロール体４２とは、連動機構５２を介して連動し互いに同期回転する。連動機構５２は、例えば、駆動軸２０の周囲に等間隔に４個設けられている。以下、図２により、アーム４９ａと分割スクロール体３４ａ間に設けられた連動機構５２を例に取って、連動機構５２の構成を説明する。図２において、分割スクロール体３４ａに対面するアーム４９aに、円筒形の凹部５４が刻設されている。凹部５４に短軸円筒体５６が挿入され、短軸円筒体５６と凹部５４との間に転がり軸受５８が介装されている。短軸円筒体５６は、転がり軸受５８によって凹部５４内で回転自在である。
【００２６】
短軸円筒体５６には、中心軸線Ｃ３から偏心した領域に円形の孔５６ａが穿設され、該孔５６ａにピン構造体６０を構成する円形のピン６０ａが圧入されている。ピン構造体６０は、ピン６０ａと、大径の円板６０ｂと、円筒形の基部６０ｃとが一体に構成されている。短軸円筒体５６に対面した端板３６ａの外面にボス部６２が形成され、ボス部６２に円筒形状の凹部６４が形成されている。該凹部６４にピン構造体６０の基部６０ｃが圧入されている。ピン６０ａの中心軸線Ｃ４は、短軸円筒体５６の中心軸線Ｃ３と偏心量ｔだけ偏心している。この偏心量ｔは、駆動軸２０の回転軸線Ｃ１とボス部４８ａの回転軸線Ｃ２との偏心量ｔと同一である。
【００２７】
駆動軸２０には、軸方向に作動媒体導入孔６６が穿設されている。作動媒体導入孔６６の一端は、駆動軸２０の端面２０ａに開口すると共に、他端には径方向孔６８が連設され、径方向孔６８の開口６８ａは、膨張室ｅ１及びｅ２の半径方向中心部に開口している。端板４４には、駆動軸２０に対して従動スクロール体４２の偏心運動を許容させるため、駆動軸２０に対面した部位に凹部４４ａが形成され、凹部４４ａと駆動軸２０との間に隙間ｓが形成されている。径方向孔６８の開口６８ａは、端板３６ａと３６ｂとの中間で、端板４４を均等に跨いだ位置で隙間ｓに向かって開口している。また、駆動軸２０の端面２０ａにカバー７０が設けられ、カバー７０には、作動媒体導入孔７２が設けられている。
【００２８】
かかる構成において、高圧の作動媒体ｗが作動媒体導入孔７２及び６６から膨張室ｅ１及びｅ２に導入されると、作動媒体ｗの膨張力で駆動スクロール体３４と従動スクロール体４２とが同期回転し、かつ駆動軸２０が回転する。駆動軸２０が回転することで、駆動軸２０に接続された発電機２２が発電を行う。膨張室ｅ１、ｅ２で膨張した後の作動媒体ｗは、吐出口１４からハウジング１２の外部へ吐出する。
【００２９】
本実施形態によれば、ダブル膨張室ｅ１及びｅ２を形成しているので、作動媒体ｗの供給量を増加でき、これによって、駆動軸２０に加わる回転トルクを増大できるので、発電機２２による発電量を増大できる。また、端板４４の両側に膨張室ｅ１、ｅ２を形成しているので、駆動スクロール体３４や従動スクロール体４２に加わるスラスト力を相殺でき、そのため、駆動スクロール体３４や従動スクロール体４２の支持構造を簡素化できる。加えて、簡素な構成の連動機構５２を用いたので、駆動スクロール体３４や従動スクロール体４２の回転に要するトルクを低減でき、その分発電機２２の発電量を増加できる。
【００３０】
また、駆動軸２０がダブル膨張室ｅ１、ｅ２を貫通した単一かつ一体の駆動軸で構成されているので、軸心合わせが不要になると共に、かかる貫通軸に作動媒体導入孔６６を設けているので、シール性の良くかつ温度低下による事前膨張が起らない導入孔を形成できる。これによって、ダブル膨張室ｅ１、ｅ２に高圧の作動媒体ｗを供給でき、スクロール膨張機１０Ａの出力が低下しない。また、駆動軸２０が単一の貫通軸で構成されているので、径方向孔６８の位置決めが容易になると共に、径方向孔６８の開口６８ａを端板４４を均等に跨いだ位置で隙間ｓに向かって開口しているので、膨張室ｅ１及びｅ２に均等に作動媒体ｗを供給できる。そのため、１つの開口６８ａを設けるだけで済むので、径方向孔６８の加工工数を低減できる。
【００３１】
また、従動スクロール体４２のボス部４８ａ、４８ｂと端板３６ａ、３６ｂとはアーム４９ａ、４９ｂを介して結合されているので、特許文献２のような膨張室形成部全体を覆うハウジングを必要としない。そのため、従動スクロール体４２の重量を軽減できる。従って、従動スクロール体４２の回転に要する駆動力を軽減できるので、その分発電機２２の発電量を増加できる。なお、本実施形態では、駆動軸２０が貫通軸であるため、膨張室ｅ１、ｅ２の膨張比を大きく取れないが、バイナリー発電システムでは、大きな膨張比を必要としない。
【００３２】
（実施形態２）
次に、本発明装置の第２実施形態を図３により説明する。本実施形態のスクロール膨張機１０Ｂは、作動媒体導入孔６６に、膨張室ｅ１及びｅ２の夫々に開口する２つの径方向孔７４及び７６を連設している。径方向孔７４の開口７４ａは膨張室ｅ１の軸方向中央に開口し、径方向孔７６の開口７６ａは膨張室ｅ２の軸方向中央に開口している。開口７４ａの開口面積と開口７６ａの開口面積は同一である。その他の構成は第１実施形態と同一である。
【００３３】
本実施形態によれば、膨張室ｅ１に径方向孔７４から供給する作動媒体ｗの供給量と膨張室ｅ２に径方向孔７６から供給する作動媒体ｗの供給量を均一にできる。また、第１実施形態のように、隙間ｓに向けて開口６８を配置する必要がなくなり、径方向孔７４、７６及びこれらの開口７４ａ、７６ａの配置位置及び配置方向に関し、設計の自由度を広げることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明によれば、両回転型でかつダブル膨張室を有するスクロール膨張機において、シール性の良い作動媒体供給路を形成できると共に、駆動軸の軸心合わせを不要にし、ダブル膨張室に作動媒体を均等に供給できる。
【符号の説明】
【００３５】
１０Ａ、１０Ｂ                スクロール膨張機
１２                          ハウジング
１２ａ、１２ｂ                ケーシング
１４                          吐出口
１６，１８                    開口
２０                          駆動軸
２２                          発電機
２４                          パッキン
２６ａ、２６ｂ、２８ａ、２８ｂ    段部
３０ａ、３０ｂ、３２ａ、３２ｂ    転がり軸受
３４                          駆動スクロール体
３４ａ、３４ｂ                分割スクロール体
３６ａ、３６ｂ                端板（第１の端板）
３８ａ、３８ｂ                ラップ（第１のラップ）
４０                          ボルト
４２                          従動スクロール体
４４                          端板（第２の端板）
４４ａ                        凹部
４６ａ、４６ｂ                ラップ（第２のラップ）
４８ａ、４８ｂ                ボス部
４９ａ、４９ｂ                アーム
５０ａ、５０ｂ                ボルト
５２                          連動機構
５４                          凹部
５６                          短軸円筒体
５６ａ                        孔
５８                          転がり軸受
６０                          ピン構造体
６０ａ                        ピン（軸体）
６０ｂ                        円板
６０ｃ                        基部
６２                          ボス部
６４                          凹部
６６、７２                    作動媒体導入孔
６８，７４，７６              径方向孔
６８ａ、７４ａ、７６ａ        開口
７０                          カバー
Ｃ１、Ｃ２                      回転軸線
Ｃ３、Ｃ４                      中心軸線
ｅ１、ｅ２                    膨張室
ｓ                            隙間
ｔ                            偏心量
ｗ                            作動媒体
【図１】
0005931563.tif 000002
【図２】
0005931563.tif 000003
【図３】
0005931563.tif 000004