CN103375174B

CN103375174B - 涡旋膨胀机

Info

Publication number: CN103375174B
Application number: CN201310130916.4A
Authority: CN
Inventors: 宇波厚; 藤冈完
Original assignee: Anest Iwata Corp
Current assignee: Anest Iwata Corp
Priority date: 2012-04-25
Filing date: 2013-04-16
Publication date: 2017-04-12
Anticipated expiration: 2033-04-16
Also published as: CN103375174A; JP2013227905A; JP5931563B2; US9316224B2; US20130302199A1

Abstract

本发明提供一种双旋转型且具有双膨胀室的涡旋膨胀机，其中，目的在于不需要驱动轴的轴心对位，并且提高工作介质供给路的密封性来防止事先膨胀，且能够向双膨胀室均等地供给工作介质，在壳体(12)的内部贯通配置有单一且一体的驱动轴(20)。通过驱动涡旋体(34)和从动涡旋体(42)形成有双膨胀室(e1、e2)。沿驱动轴(20)的轴向设有工作介质导入孔(66)，从工作介质导入孔(66)经径向孔(68)向双膨胀室(e1、e2)均等地供给工作介质(w)。由此，驱动轴(20)及与驱动轴(20)一体的驱动涡旋体(34)旋转，从动涡旋体(42)经由连动机构(52)与驱动涡旋体(34)同步旋转。

Description

涡旋膨胀机

技术领域

本发明涉及驱动涡旋体和从动涡旋体同步旋转的双旋转型涡旋膨胀机。

背景技术

现有的发电***以数百kW以上的大型设备为主，小型发电中以简单构造的发动机驱动式发电机等为主流。但是，最近因节能意愿增强、再生能量特别措施法成立等使小型发电的需要和市场增大。一方面，太阳能发电或风力发电还未提高性价比。另一方面，开发出将75～150℃的热水或蒸汽用于热源，经由低沸点的工作介质驱动小型发电机的双燃料发电***。

在这样的应对措施中，涡旋膨胀机为向膨胀室供给高压的工作介质而获得驱动轴的转矩的结构，由于转矩变动少，所以作为适合于小型发电***的膨胀机而受到瞩目。涡旋型流体机械是通过一对涡旋体的端板和螺旋形状的卷板形成压缩室或膨胀室的结构。专利文献1中公开了一种单侧回旋方式的涡旋膨胀机，其一方为固定涡旋体，另一方为回旋涡旋体，使回旋涡旋体相对于固定涡旋体回旋，从而形成膨胀室。在所述结构的涡旋型流体机械中，由于成为动态密封，所以呈在形成膨胀室的端板或卷板的接触部位产生明显的噪音或磨损的趋势。由此，膨胀室的密封性可能会受损。

专利文献2中公开了一种双旋转型涡旋型流体机械。双旋转型涡旋型流体机械通过使驱动涡旋体和从动涡旋体经由连动机构同步旋转而能够降低在接触部位的噪音或磨损。在双旋转型结构中，相对于驱动涡旋体使从动涡旋体偏心旋转来形成压缩室或膨胀室。

专利文献2中公开的双旋转型涡旋型流体机械具有在从动涡旋体的端板的两面形成有压缩室或膨胀室的所谓“双卷板·涡旋构造”。如此，通过在两侧形成压缩室或膨胀室，能够增加工作流体的处理容量或输出(转矩)。另外，由于能够使施加在驱动涡旋体和从动涡旋体上的推力方向载荷抵消，所以具有能够使驱动涡旋体和从动涡旋体的支承构造简化的优点。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2009-299653号公报

专利文献2：日本特开平6-341381号公报

发明概要

发明所要解决的问题

但是，在采用双旋转型涡旋膨胀机的情况下，由于使驱动涡旋体及从动涡旋体同步旋转，所以与单侧回旋方式相比，需要较大的驱动力。因此，为了获得高输出，需要防止向膨胀室供给前的工作介质的泄漏或温度下降所引起的事先膨胀而向膨胀室供给。但是，在双旋转型结构中，与单侧回旋方式相比，难以确保符合所述条件的工作介质供给路。

在专利文献2中公开的双旋转型涡旋型流体机械中，驱动轴在轴向上分割成两个。因此，存在分割后的两个驱动轴的轴心对位困难的问题。另外，在作为涡旋膨胀机而使用的情况下，由于是从分割后的一方的驱动轴上设置的高压流体导入孔首先向一方的膨胀室供给高压的工作介质，接着通过在膨胀室的隔壁上设置的孔而向另一方的膨胀室供给工作介质的结构，所以存在工作介质通过该孔时产生压力损失，工作介质无法向两膨胀室均等地供给的问题。另外，从动涡旋体具备覆盖膨胀室形成部的壳体，所以重量增加，使从动涡旋体旋转需要较大的驱动力。

发明内容

本发明鉴于上述现有技术的问题而提出，其目的在于在双旋转型且具有双膨胀室的涡旋膨胀机中，不需要驱动轴的轴心对位，并且形成没有工作介质的泄漏或温度下降所引起的事先膨胀的工作介质供给路，且能够向双膨胀室均等地供给工作介质。

解决方案

为了实现上述目的，本发明的涡旋膨胀机包括：驱动轴；在该驱动轴上一体地设置的驱动涡旋体；具有相对于该驱动轴的旋转轴偏心的旋转轴线的从动涡旋体；使该驱动涡旋体和该从动涡旋体同步旋转的连动机构；将驱动轴及从动涡旋体旋转自如地支承于固定框架的轴承。通过所述连动机构使驱动涡旋体和从动涡旋体同步旋转。

进而，驱动涡旋体具有在从动涡旋体的两侧配置的两片第一端板、从该两片第一端板向内方突出的螺旋形状的第一卷板，从动涡旋体具有配置在驱动涡旋体的两片第一端板间的第二端板、从第二端板的两面突出的第二卷板。通过驱动涡旋体及从动涡旋体的端板和卷板在第二端板的两侧形成从中心部朝向半径方向的膨胀室。如此，通过形成双膨胀室，能够增大输出(转矩)，并且能够使施加在驱动涡旋体及从动涡旋体上的推力方向载荷抵消，从而能够简化驱动涡旋体及从动涡旋体的支承构造。

驱动轴由在双膨胀室中贯通的单一的驱动轴构成，在该驱动轴上设有向双膨胀室的径向中心部开口的工作介质导入孔。如此，由于驱动轴由在双膨胀室中贯通的单一的驱动轴构成，所以不需要轴心对位。另外，由于在上述结构的驱动轴上设有工作介质导入孔，所以密封性良好且能够消除温度下降所引起的事先膨胀。另外，在双膨胀室中设置的工作介质导入孔的开口的定位变得容易，并且通过适当选择开口位置能够向两膨胀室均等地供给工作介质。

在本发明中，从动涡旋体可以具备旋转支承于所述轴承的毂部、从该毂部向外侧延伸设置且与第二端板结合的臂。由此，能够消除设置在专利文献2的从动涡旋体上的覆盖整个膨胀室形成部的壳体。因此，能够减轻从动涡旋体的重量，减少从动涡旋体的旋转所需的驱动力，所以相应地能够增大涡旋膨胀机的输出。

在本发明中，可以在从动涡旋体的第二端板与驱动轴之间形成容许从动涡旋体的偏心运动的间隙，将工作介质导入孔的开口配置在面向该间隙且均等地跨着第二端板的位置。由此，能够通过一个开口向双膨胀室均等地供给工作介质，从而能够降低该开口的加工工时。

在本发明中，可以是使驱动涡旋体和从动涡旋体同步旋转的连动机构包括旋转自如地安装在驱动涡旋体或从动涡旋体的一方上的圆筒体、固定在这些涡旋体的另一方上的轴体，轴体与圆筒体的相对于该圆筒体的旋转中心偏心的位置结合，轴体相对于圆筒体的偏心量与驱动轴的旋转轴线和从动涡旋体的旋转轴线之间的偏心量相同。

通过采用上述结构的连动机构，能够将连动机构简化且实现轻量化。因此，能够将旋转部位的结构简化且实现轻量化。因此，能够相应地增大涡旋膨胀机的输出。

发明效果

根据本发明的涡旋膨胀机，由于驱动轴由在双膨胀室中贯通的单一的驱动轴构成，所以不需要轴心对位，并且由于在该驱动轴上设有工作介质导入孔，所以能够形成密封性良好且没有温度下降所引起的事先膨胀的供给路。另外，在双膨胀室中设置的工作介质导入孔的开口的定位变得容易，并且通过适当选择开口位置能够向两膨胀室均等地供给工作介质。

附图说明

图1是本发明装置的第一实施方式涉及的涡旋膨胀机的正面观察剖视图。

图2是图1中的局部放大图。

图3是本发明装置的第二实施方式涉及的涡旋膨胀机的正面观察剖视图。

具体实施方式

以下，利用附图示出的实施方式对本发明进行详细的说明。其中，该实施方式中记载的结构部件的尺寸、材质、形状、其相对配置等只要没有特别的特定性的记载，就不是将该发明的范围仅限定于此的意思。

(实施方式1)

根据图1及图2对本发明装置的第一实施方式进行说明。本实施方式的涡旋膨胀机例如可应用于所述的双燃料发电***。在该发电***中，将加压后的低沸点的工作介质导入涡旋膨胀机，利用工作流体的膨胀力使涡旋膨胀机的驱动轴旋转，通过与该驱动轴连接的发电机进行发电。在图1中，涡旋膨胀机10A的壳体12包括呈空心圆筒形的一对外壳12a及12b。外壳12a及12b的端部相互对接，在内部形成有空心空间。在外壳12b的端面外周侧部位设有将膨胀后的工作介质w向壳体12的外部喷出的喷出口14。

在外壳12a及12b的中心轴线上形成有开口16及18，在该开口中贯通配置有具有圆形截面、单一且一体的驱动轴20。驱动轴20的一端设有发电机22，通过驱动轴20的旋转能够进行发电。在开口16及18与驱动轴20之间***有密封用的垫圈24。在开口16、18附近的外壳12a、12b上形成有阶梯部26a、28a及26b、28b，在所述阶梯部26a、28a及26b、28b的内侧配置有滚动轴承30a、32a及30b、32b。

在驱动轴20上一体地结合有驱动涡旋体34。驱动涡旋体34包括一对分割涡旋体34a及34b。分割涡旋体34a包括环状的端板36a和从端板36a沿垂直方向竖立设置的螺旋形状的卷板38a，端板36a的内周缘与驱动轴20结合。分割涡旋体34b包括环状的端板36b和从端板36b沿垂直方向竖立设置的螺旋形状的卷板38b，端板36b的内周缘与驱动轴20结合。分割涡旋体34a及34b的外周部彼此通过螺栓40结合。在卷板38a及38b的前端设有能够供后述的从动涡旋体42的端板44***的间隔。

从动涡旋体42包括：配置在卷板38a、38b间的圆形的端板44；从端板44的两面向垂直方向竖立设置的两个螺旋形状的卷板46a及46b；在端板36a、36b的外侧配置在驱动轴20的周围的毂部48a及48b。在毂部48a上一体地设有从毂部48a向一方向延伸设置的臂49a，臂49a和卷板46a的外周部通过螺栓50a结合。同样，在毂部48b上一体地设有从毂部48b向一方向延伸设置的臂49b，臂49b和卷板46b的外周部通过螺栓50b结合。如此一来，通过驱动涡旋体34及从动涡旋体42的端板36a、36b、44和卷板38a、38b、46a、46b，在端板44的两面侧向壳体12的半径方向形成膨胀室e1及e2。

驱动轴20被滚动轴承30a及30b支承为旋转自如。从动涡旋体42的毂部48a被滚动轴承32a支承为旋转自如，毂部48b被滚动轴承32b支承为旋转自如。毂部48a及48b的旋转轴线C₂相对于驱动轴20的旋转轴线C₁偏心t，从动涡旋体42在相对于驱动轴20偏心t的位置进行旋转。

驱动涡旋体34和从动涡旋体42经由连动机构52连动并相互同步旋转。连动机构52例如在驱动轴20的周围以等间隔设有4个。以下，根据图2，以设置在臂49a与分割涡旋体34a间的连动机构52为例，对连动机构52的结构进行说明。在图2中，在与分割涡旋体34a面对的臂49a上划刻设有圆筒形的凹部54。在凹部54中***短轴圆筒体56，在短轴圆筒体56与凹部54之间夹设安装有滚动轴承58。短轴圆筒体56通过滚动轴承58的作用在凹部54内旋转自如。

在短轴圆筒体56上，在从中心轴线C₃偏心的区域贯穿设有圆形的孔56a，在该孔56a中压入构成销构造体60的圆形的销60a。销构造体60包括一体的销60a、大径的圆板60b和圆筒形的基部60c。在与短轴圆筒体56面对的端板36a的外表面形成有毂部62，在毂部62上形成有圆筒形状的凹部64。在该凹部64中压入销构造体60的基部60c。销60a的中心轴线C₄与短轴圆筒体56的中心轴线C₃以偏心量t偏心。该偏心量t与驱动轴20的旋转轴线C₁和毂部48a的旋转轴线C₂之间的偏心量t相同。

在驱动轴20上，沿轴向贯穿设有工作介质导入孔66。工作介质导入孔66的一端向驱动轴20的端面20a开口，并且另一端连接设有径向孔68，径向孔68的开口68a向膨胀室e1及e2的半径方向中心部开口。在端板44上，为了容许从动涡旋体42相对于驱动轴20的偏心运动，在与驱动轴20面对的部位形成有凹部44a，在凹部44a与驱动轴20之间形成有间隙s。径向孔68的开口68a在端板36a与36b的中间，在均等地跨着端板44的位置朝向间隙s开口。另外，在驱动轴20的端面20a设有罩70，罩70上设有工作介质导入孔72。

在所述结构中，若高压的工作介质w从工作介质导入孔72及66导入膨胀室e1及e2，则在工作介质w的膨胀力的作用下驱动涡旋体34和从动涡旋体42同步旋转，且驱动轴20旋转。通过驱动轴20的旋转，与驱动轴20连接的发电机22进行发电。在膨胀室e1、e2内膨胀后的工作介质w从喷出口14向壳体12的外部喷出。

根据本实施方式，由于形成有双膨胀室e1及e2，所以能够增加工作介质w的供给量，由此，能够增大施加在驱动轴20上的转矩，从而能够增大发电机22的发电量。另外，由于在端板44的两侧形成有膨胀室e1、e2，所以能够使施加在驱动涡旋体34和从动涡旋体42上的推力抵消，因此，能够简化驱动涡旋体34和从动涡旋体42的支承构造。此外，由于采用了简单结构的连动机构52，所以能够降低驱动涡旋体34和从动涡旋体42的旋转所需的转矩，相应地能够增加发电机22的发电量。

另外，由于驱动轴20由贯通双膨胀室e1、e2的单一且一体的驱动轴构成，所以不需要轴心对位，并且由于在所述贯通轴上设有工作介质导入孔66，所以能够形成密封性良好且不会发生温度下降所引起的事先膨胀的导入孔。由此，能够向双膨胀室e1、e2供给高压的工作介质w，涡旋膨胀机10A的输出不会下降。另外，由于驱动轴20由单一的贯通轴构成，所以径向孔68的定位变得容易，并且由于径向孔68的开口68a在均等地跨着端板44的位置朝向间隙s开口，所以能够向膨胀室e1及e2均等地供给工作介质w。因此，由于只设置一个开口68a即可，所以能够减少径向孔68的加工工时。

另外，由于从动涡旋体42的毂部48a、48b与端板36a、36b经由臂49a、49b结合，所以不需要专利文献2那样的覆盖整个膨胀室形成部的壳体。因此，能够减轻从动涡旋体42的重量。因此，能够减少从动涡旋体42的旋转所需的驱动力，所以相应地能够增加发电机22的发电量。需要说明的是，在本实施方式中，由于驱动轴20为贯通轴，所以膨胀室e1、e2的膨胀比无法取得大值，而在双燃料发电***中不需要大的膨胀比。

(实施方式2)

接着，根据图3对本发明装置的第二实施方式进行说明。在本实施方式的涡旋膨胀机10B中，在工作介质导入孔66上连接设有分别向膨胀室e1及e2开口的两个径向孔74及76。径向孔74的开口74a向膨胀室e1的轴向中央开口，径向孔76的开口76a向膨胀室e2的轴向中央开口。开口74a的开口面积与开口76a的开口面积相同。其他结构与第一实施方式相同。

根据本实施方式，能够使从径向孔74向膨胀室e1供给的工作介质w的供给量和从径向孔76向膨胀室e2供给的工作介质w的供给量均匀。另外，无需像第一实施方式那样朝向间隙s配置开口68，对于径向孔74、76及上述开口74a、76a的配置位置及配置方向来说，能够提高设计的自由度。

产业上的可利用性

根据本发明，在双旋转型且具有双膨胀室的涡旋膨胀机中，能够形成密封性良好的工作介质供给路，并且不需要驱动轴的轴心对位，能够向双膨胀室均等地供给工作介质。

Claims

1.一种涡旋膨胀机，其特征在于，

所述涡旋膨胀机包括：驱动轴；在该驱动轴上一体地设置的驱动涡旋体；具有相对于该驱动轴的旋转轴线偏心的旋转轴线的从动涡旋体；使该驱动涡旋体和该从动涡旋体同步旋转的连动机构；将所述驱动轴及从动涡旋体支承为相对于固定框架旋转自如的轴承，

所述驱动涡旋体具有在所述从动涡旋体的两侧配置的两片第一端板、从该两片第一端板向内方突出的螺旋形状的第一卷板，所述从动涡旋体具有配置在所述两片第一端板间的第二端板、从该第二端板的两面突出的第二卷板，通过这些端板和卷板在第二端板的两侧形成膨胀室，

所述驱动轴由在所述膨胀室中贯通的单一的驱动轴构成，在该驱动轴上设有向所述膨胀室的径向中心部开口的工作介质导入孔，

在所述从动涡旋体的第二端板与所述驱动轴之间形成有容许从动涡旋体的偏心运动的间隙，所述工作介质导入孔的开口配置在面向该间隙且均等地跨着第二端板的位置。

2.根据权利要求1所述的涡旋膨胀机，其特征在于，

所述从动涡旋体具备旋转支承于所述轴承的毂部、从该毂部向外侧延伸设置且与所述第二端板结合的臂。

3.根据权利要求1所述的涡旋膨胀机，其特征在于，

所述连动机构包括旋转自如地安装在所述驱动涡旋体或所述从动涡旋体的一方上的圆筒体、固定在这些涡旋体的另一方上的轴体，

所述轴体与所述圆筒体的相对于该圆筒体的旋转中心偏心的区域结合，该轴体相对于该圆筒体的偏心量与所述驱动轴的旋转轴线和所述从动涡旋体的旋转轴线之间的偏心量相同。