JP2012225241A - Screw expander - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はスクリュ膨張機に関する。 The present invention relates to a screw expander.
水蒸気のフラッシュによって発電機を駆動する発電システムが広く導入されているが、従来は、ターボ型や軸流型のタービンを用いた大規模な設備が多かった。しかしながら、昨今、省エネルギーの観点から、排熱を回収して発電を行う小規模な発電システムへのニーズが高まっている。 Although a power generation system that drives a generator by a flash of steam has been widely introduced, conventionally, there are many large-scale facilities using a turbo type or an axial flow type turbine. However, recently, from the viewpoint of energy saving, there is an increasing need for a small-scale power generation system that recovers exhaust heat and generates power.
小規模な設備では、例えば非特許文献1に記載されているように、タービンに代えてスクリュ膨張機を用いる方が効率的であることが知られている。一般的に、スクリュ膨張機では、ロータ室内の空間をスクリュロータによって分割してなる膨張空間の給気時の容積と排気時の容積との比が機械的形状によって定められるため、給気流路から隔離された瞬間(膨張開始時)の膨張空間内の圧力と排気流路に連通する瞬間(膨張完了時)の膨張空間内の圧力と比である内部膨張比が一定である。 In small-scale facilities, for example, as described in Non-Patent Document 1, it is known that it is more efficient to use a screw expander instead of a turbine. In general, in a screw expander, the ratio of the volume during expansion and the volume during exhaust of an expansion space obtained by dividing the space in the rotor chamber by the screw rotor is determined by the mechanical shape. The internal expansion ratio, which is the ratio between the pressure in the expansion space at the time of isolation (at the start of expansion) and the pressure in the expansion space at the time of communication with the exhaust flow path (at the completion of expansion), is constant.
このため、非特許文献1に記載されているように、スクリュ膨張機の内部膨張比が給気側の圧力と排気側の圧力との比である運転膨張比と一致しない場合には、損失が生じる。具体的には、スクリュ膨張機において、内部膨張比が運転膨張比よりも大きく、膨張完了時の膨張空間内の圧力が排気流路の圧力よりも低くなる場合には、スクリュロータの回転力が低減されるように負の力(負の仕事)が作用し、損失が生じる。 For this reason, as described in Non-Patent Document 1, when the internal expansion ratio of the screw expander does not coincide with the operation expansion ratio that is the ratio of the pressure on the air supply side and the pressure on the exhaust side, the loss is reduced. Arise. Specifically, in the screw expander, when the internal expansion ratio is larger than the operation expansion ratio and the pressure in the expansion space at the completion of expansion is lower than the pressure in the exhaust passage, the rotational force of the screw rotor is reduced. A negative force (negative work) acts to reduce the loss.
スクリュ膨張機の内部膨張比を調整する手段として、特許文献1に記載されているように、スライド弁によって排気位置を変化させる方法がある。しかしながら、特許文献1は、いかなる情報に基づいてどのようにスライド弁を調整すれば、内部膨張比と運転膨張比との不一致により生じる損失を低減できるかを具体的に明らかにはしていない。 As a means for adjusting the internal expansion ratio of the screw expander, there is a method of changing the exhaust position by a slide valve as described in Patent Document 1. However, Patent Document 1 does not clarify in detail how to adjust the slide valve based on what information can reduce the loss caused by the mismatch between the internal expansion ratio and the operation expansion ratio.
また、フラッシュ発電が利用できないような低温の熱によって発電するシステムとして、例えば特許文献2に記載されているように、低沸点の作動媒体(作動媒体)によってタービンや膨張機(エキスパンダ)を駆動するバイナリー発電システムがある。バイナリー発電システムは原理的に発電効率が低いため、地熱発電のように水蒸気をフラッシュさせられない温度ではあるが大容量の熱源があるような場合を除いて、殆ど実用化には至っていない。
In addition, as a system that generates power by low-temperature heat that cannot use flash power generation, for example, as described in
しかしながら、小型のバイナリー発電システムを安価に提供できれば、従来、全く利用されていなかった熱、例えば、内燃エンジンのシリンダブロックの冷却のために廃棄されていた熱を電気エネルギーとして回収することも可能になる。そのような発電システムに経済的な合理性を与えるためには、スクリュ膨張機の効率化が非常に重要である。 However, if a small binary power generation system can be provided at low cost, heat that has not been used at all, for example, heat that has been discarded for cooling the cylinder block of an internal combustion engine, can be recovered as electric energy. Become. In order to give economic rationality to such a power generation system, the efficiency of the screw expander is very important.
排熱を回収するバイナリー発電システムでは、スクリュ膨張機の給気圧力は、スクリュ膨張機の上流側に配される蒸発機に供給される余剰蒸気等の加作動媒体体の熱量(排熱)に大きく依存して決定される一方、スクリュ膨張機の排気圧力は、スクリュ膨張機の下流側に配される凝縮機に供給される冷却水等の冷却媒体の熱量(冷熱)に大きく依存して決定される。したがって、バイナリー発電システムでは、上述の内部膨張比と運転膨張比との不一致により生じる損失が発生しやすいという問題がある。 In the binary power generation system that recovers exhaust heat, the supply pressure of the screw expander is the amount of heat (exhaust heat) of the working medium body such as surplus steam supplied to the evaporator disposed upstream of the screw expander. On the other hand, the exhaust pressure of the screw expander is determined largely depending on the amount of heat (cold heat) of the cooling medium such as cooling water supplied to the condenser disposed downstream of the screw expander. Is done. Therefore, the binary power generation system has a problem that a loss caused by the mismatch between the internal expansion ratio and the operation expansion ratio is likely to occur.
前記問題点に鑑みて、本願発明は、内部膨張比と運転膨張比との不一致により生じる損失、特に膨張完了時の膨張空間内の圧力が排気流路の圧力よりも低くなる場合に生じる損失を低減し得るスクリュ膨張機を提供することを課題とする。 In view of the above problems, the present invention has a loss caused by a mismatch between the internal expansion ratio and the operation expansion ratio, particularly a loss caused when the pressure in the expansion space when the expansion is completed is lower than the pressure in the exhaust passage. It is an object to provide a screw expander that can be reduced.
前記課題を解決するために、本発明によるスクリュ膨張機は、ケーシング内に形成したロータ室に互いに咬合する雌雄一対のスクリュロータを収容し、前記ロータ室内の空間を前記スクリュロータで区分することにより前記スクリュロータの回転にしたがって容積が増大する膨張空間を形成し、給気流路から高圧の気体を前記膨張空間に供給し、前記膨張空間内で前記気体を膨張させることによって前記スクリュロータを回転させ、排気流路に膨張した低圧の前記気体を排気するスクリュ膨張機であって、前記排気流路に連通する直前における前記膨張空間の圧力を検出する内部排気圧力検出器と、前記排気流路の圧力を検出する運転排気圧力検出器と、前記給気流路および前記排気流路から隔離され得る位置における前記膨張空間と前記給気流路とを連通させるバイパス流路と、前記バイパス流路を遮断し得るバルブ機構と、前記内部排気圧力検出手段の検出値と前記運転排気圧力検出手段の検出値とに基づいて、前記バルブ機構を制御する制御装置とを有し、前記制御装置は、前記内部排気圧力検出手段の検出値が前記運転排気圧力検出手段の検出値以上であるときは、前記バルブ機構に前記バイパス流路を閉鎖させ、前記内部排気圧力検出手段の検出値が前記運転排気圧力検出手段の検出値よりも小さいときは、前記バルブ機構に前記バイパス流路を開放させるものとする。 In order to solve the above problems, a screw expander according to the present invention accommodates a pair of male and female screw rotors that mesh with each other in a rotor chamber formed in a casing, and divides the space in the rotor chamber by the screw rotor. An expansion space whose volume increases with the rotation of the screw rotor is formed, a high-pressure gas is supplied to the expansion space from an air supply passage, and the gas is expanded in the expansion space to rotate the screw rotor. A screw expander that exhausts the low-pressure gas expanded in the exhaust flow path, and an internal exhaust pressure detector that detects the pressure in the expansion space immediately before communicating with the exhaust flow path; and An operating exhaust pressure detector for detecting pressure, the air supply passage and the expansion space at a position that can be isolated from the exhaust passage; The valve mechanism based on a bypass flow path communicating with the flow path, a valve mechanism capable of blocking the bypass flow path, a detection value of the internal exhaust pressure detection means, and a detection value of the operating exhaust pressure detection means And the control device closes the bypass flow path to the valve mechanism when the detected value of the internal exhaust pressure detecting means is equal to or higher than the detected value of the operating exhaust pressure detecting means. When the detected value of the internal exhaust pressure detecting means is smaller than the detected value of the operating exhaust pressure detecting means, the bypass mechanism is opened by the valve mechanism.
この構成によれば、給気流路に連通している位置における膨張空間の圧力は給気流路の圧力と等しいため、前記内部排気圧力検出手段の検出値が前記運転排気圧力検出手段の検出値よりも小さいときは、内部膨張比が運転膨張比よりも大きく、気体が過剰に膨張している。その場合、バイパス流路を開放することで、給気流路に連通している位置よりも容積が増大した膨張空間に給気流路から高圧の気体を供給することで、実質的に、内部膨張比を低下させる。これにより、内部膨張比と運転膨張比との差によって生じる損失を低減する。 According to this configuration, since the pressure in the expansion space at the position communicating with the supply air flow path is equal to the pressure in the supply air flow path, the detection value of the internal exhaust pressure detection means is greater than the detection value of the operating exhaust pressure detection means. Is smaller than the operating expansion ratio, the gas is excessively expanded. In that case, the internal expansion ratio is substantially increased by supplying the high-pressure gas from the supply air flow path to the expansion space whose volume is larger than the position communicating with the supply air flow path by opening the bypass flow path. Reduce. This reduces the loss caused by the difference between the internal expansion ratio and the operating expansion ratio.
また、本発明のスクリュ膨張機において、前記バルブ機構は、前記膨張空間および前記バイパス流路に連通する機能端面を有し、前記機能端面と反対側において、給気弁を介して前記給気流路に連通し、且つ、排気弁を介して前記排気流路に連通する柱状空間と、前記柱状空間内に嵌装され、前記機能端面に当接することより前記膨張空間と前記バイパス流路とを隔離できるピストンとを備え、前記制御装置は、前記内部排気圧力検出手段の検出値が前記運転排気圧力検出手段の検出値以上であるときは、前記給気弁を開いて前記排気弁を閉じ、前記内部排気圧力検出手段の検出値が前記運転排気圧力検出手段の検出値よりも小さいときは、前記給気弁を閉じて前記排気弁を開くようにしてもよい。 In the screw expander of the present invention, the valve mechanism has a functional end surface communicating with the expansion space and the bypass flow path, and the air supply flow path is provided via an air supply valve on the side opposite to the functional end face. A columnar space that communicates with the exhaust flow path via an exhaust valve, and is fitted in the columnar space and abuts against the functional end surface to isolate the expansion space and the bypass flow path. The control device, when the detected value of the internal exhaust pressure detecting means is equal to or higher than the detected value of the operating exhaust pressure detecting means, opens the air supply valve and closes the exhaust valve, When the detected value of the internal exhaust pressure detecting means is smaller than the detected value of the operating exhaust pressure detecting means, the air supply valve may be closed and the exhaust valve opened.
この構成によれば、給気流路の圧力および排気流路の圧力によってバルブ機構を駆動するので、バルブ機構のための駆動源が不要である。 According to this configuration, the valve mechanism is driven by the pressure of the air supply passage and the pressure of the exhaust passage, so that a drive source for the valve mechanism is unnecessary.
また、本発明のスクリュ膨張機において、前記機能端面は、前記ロータ室の給気側端面の辺縁に開口してもよい。 Moreover, the screw expander of this invention WHEREIN: The said functional end surface may open to the edge of the air supply side end surface of the said rotor chamber.
この構成によれば、一般的な分割構成のケーシングに、比較的容易にバルブ機構を組み込むことができ、スクリュ膨張機が大型化しない。 According to this configuration, the valve mechanism can be relatively easily incorporated into the casing having a general divided configuration, and the screw expander is not increased in size.
これより、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。図1に、本発明の第1実施形態であるスクリュ膨張機1を示す。 Embodiments of the present invention will now be described with reference to the drawings. In FIG. 1, the screw expander 1 which is 1st Embodiment of this invention is shown.
スクリュ膨張機1は、ケーシング2内に形成したロータ室3に、互いに咬合する雌雄一対のスクリュロータ4,5を収容してなる膨張機本体6を有する。ロータ室3には、外部流路7が接続された給気流路8から高圧の気体が供給される。そして、ロータ室3からは、排気流路9を介して気体が排気される。
The screw expander 1 has an
スクリュロータ4,5は、その歯によってロータ室3内の空間を区分し、給気流路8と排気流路9との間に複数の膨張空間を画定する。膨張空間は、スクリュロータ4,5の回転にしたがって、給気流路8から排気流路9に向かって、次第に容積が増大する。このため、給気流路8から膨張空間に供給された高圧の気体は、膨張空間の中で膨張することにより、スクリュロータ4,5を回転させる。したがって、排気流路9には、圧力が低下した気体が排気される。
The
また、スクリュ膨張機1は、ケーシング2のロータ室3の給気側端面を封止する部分に、バルブ機構10が形成されている。バルブ機構10は、ロータ室3の辺縁に開口するように、ケーシング2に形成した柱状空間11と、柱状空間11内に摺動可能に嵌装されたピストン12とを有する。
In the screw expander 1, a
ここでは、柱状空間11のロータ室3に開口する端面を、機能端面11aと呼ぶ。機能端面11aは、膨張空間に開口するとともに、ロータ室3の径方向外側のケーシング2に軸方向に延伸して形成されたバイパス流路13にも開口している。膨張空間とバイパス流路13とは、柱状空間11を介して連通するが、ピストン12が機能端面11aに密接することで隔離される。
Here, the end surface opened to the rotor chamber 3 of the
バイパス流路13は、接続流路14を介して外部流路7に接続されることにより、給気流路8に連通している。つまり、バイパス流路13は、給気流路8と、該給気流路8から隔離され得る位置にある膨張空間とを連通させるが、バルブ機構10によって遮断され得る。
The
また、柱状空間11は、機能端面11aと反対側の駆動部11bにおいて、操作流路15が接続されている。操作流路15には、給気弁16を介して接続流路14(ひいては給気流路8)に連通する高圧流路17と、排気弁18を介して排気流路9に連通する低圧流路19とが接続されている。
Further, the
図2に、ロータ室3の給気側端面におけるスクリュ膨張機1の軸直角方向の断面を示す。図示するように、柱状空間11が連通する圧縮空間は、スクリュロータ5の歯によって給気流路8から隔離された歯溝内の空間である。しかしながら、柱状空間11が連通する圧縮空間は、スクリュロータ5の回転角度によっては、給気流路8に連通し得る。
FIG. 2 shows a cross section in the direction perpendicular to the axis of the screw expander 1 at the air supply side end face of the rotor chamber 3. As shown in the figure, the compression space in which the
さらに、図1に示すように、スクリュ膨張機1は、排気流路9に連通する直前の膨張空間の圧力(内部排気圧力Pf)を検出する内部排気圧力検出器20と、排気流路9に連通する低圧流路19において実質的に排気流路9の圧力(運転排気圧力Pd)を検出する運転排気圧力検出器21と、内部排気圧力検出器20の検出値Pfおよび運転排気圧力検出器21の検出値Pdが入力され、吸気弁15および排気弁18の開閉を制御する制御装置22とを有する。
Further, as shown in FIG. 1, the screw expander 1 includes an internal
図には、以後の説明を分かりやすくするために、接続流路14における圧力、つまり、実質的に給気流路8の圧力である給気圧力Psを検出する給気圧力検出器23を図示しているが、実際の構成において必ずしも必要な要素ではない。また、運転排気圧力検出器21は、排気流路9または排気流路9に接続された流路に設けてもよい。
In the figure, for easy understanding of the following description, a
内部排気圧力Pfは、給気圧力Psと、給気流路8から隔離された瞬間の膨張空間の容積に対する排気流路9に接続される瞬間の膨張空間の容積の比と、気体の物性とによって決定される。一方、運転排気圧力Pdは、排気流路9に接続される外部の流路の圧力と等しくなる。
The internal exhaust pressure Pf depends on the supply air pressure Ps, the ratio of the instantaneous expansion space volume connected to the
制御装置22は、内部排気圧力検出器20の検出値Pfが運転排気圧力検出器21の検出値Pd以上であるときには、給気弁16を閉じて排気弁18を開く。すると、柱状空間11の駆動部11bは、圧力が排気圧力Pdと等しくなり、給気流路8と同じ圧力Psのバイパス流路13と、給気流路8と同じ圧力Psまたは気体が少し膨張して僅かにPsより低い圧力の膨張空間とに連通する機能端面11aの圧力よりも低くなる。これにより、ピストン12は、機能端面11aから離れる方向に移動し、バイパス流路13と膨張空間との連通を確保して、バイパス流路13から膨張空間に気体が流入できるようにする。すると、膨張空間がスクリュロータ5の歯によって給気流路8から隔離されているときにも、膨張空間内の圧力が給気圧力Psに維持される。
When the detected value Pf of the internal
制御装置22は、内部排気圧力検出器20の検出値Pfが運転排気圧力検出器21の検出値Pdよりも小さいときには、給気弁16を開いて排気弁18を閉じる。すると、柱状空間11の駆動部11bは、圧力が給気圧力Psと等しくなる。膨張空間がスクリュロータ5の歯によって給気流路8から隔離されているとき、膨張空間内の気体は、僅かに膨張して給気圧力Psから圧力が低下している。これにより、柱状空間11の機能端面11a側の圧力が、駆動部11b側の圧力よりも若干低くなり、ピストン12を機能端面11aに向かって移動させる。ピストン12は、機能端面11aに当接すると、機能端面11aを封止して、バイパス流路13と膨張空間とを隔離する。これにより、スクリュ膨張機1は、バイパス流路13のない通常の膨張機と同じ構成となる。
When the detected value Pf of the internal
図3に、バルブ機構10を閉鎖(ピストン12で機能端面11aを封止)した状態のスクリュロータ4,5の展開図を示す。給気流路8からは、スクリュロータ4,5の歯溝に給気圧力Psの気体が供給される。スクリュロータ4,5の歯溝がケーシング2によって給気流路8から隔離された瞬間の歯溝の容積Vs1が、スクリュ膨張機1において圧力Psの気体が膨張を開始する時点の容積である。そして、吐出側のケーシング2から解放されて、排気流路9に連通する瞬間の歯溝の容積Vdが、気体が膨張を終了する時点の容積である。そしてこの容積の比Vi=Vd/Vs1と内部膨張比πiとの間には、気体の比熱比をKで示すと、Vi=πi1/Kの関係がある。
FIG. 3 is a development view of the
図4に、バルブ機構10を開放(ピストン12を駆動部11b側に移動)した状態のスクリュロータ4,5の展開図を示す。この場合、給気流路8から隔離されても、バルブ機構10に連通している歯溝には、バイパス流路13を介して給気圧力Psの気体が供給される。つまり、バルブ機構10を開くと、実質的に給気流路8を拡大したのと同じ効果がある。したがって、バルブ機構10から隔離された瞬間の歯溝の容積Vs2がスクリュ膨張機1において圧力Psの気体が膨張を開始する時点の容積である。気体が膨張を終了する時点の容積Vdは、バルブ機構10を閉鎖した場合と同じである。
FIG. 4 is a development view of the
スクリュ膨張機1では、内部排気圧力検出器20の検出値Pfが運転排気圧力検出器21の検出値Pd以上であるときには、バルブ機構10を開放して、実質的に給気流路8を拡大した状態とすることで、内部膨張比を小さくする。これにより、内部排気圧力Pfを運転排気圧力Pdよりも高くし、膨張空間から排気流路9に流出する際に気体を再圧縮することによって生じる損失を防止する。つまり、内部膨張比πiを運転膨張比Ps/Pdに近づけて熱エネルギーの回転エネルギーへの変換効率を高める。
In the screw expander 1, when the detected value Pf of the internal
また、スクリュ膨張機1は、簡素なバルブ機構10により内部膨張比πiを変化させるので、装置が大きくならず、比較的安価に提供できる。
Moreover, since the screw expander 1 changes internal expansion ratio (pi) by the
図5に、本実施形態のスクリュ膨張機1を使用したバイナリー発電システムの構成を示す。バイナリー発電システムは、スクリュ膨張機1、凝縮器24、ポンプ25および蒸発器26を介設してなる作動媒体循環流路27に、例えばR245faのような作動媒体を封入してなるランキンサイクル熱機関である。作動媒体循環流路27の一部が、スクリュ膨張機1の上流側部分が、前記外部流路7である。また、スクリュ膨張機1の出力軸には、発電機28が接続されている。
FIG. 5 shows a configuration of a binary power generation system using the screw expander 1 of the present embodiment. The binary power generation system includes a Rankine cycle heat engine in which a working
凝縮器24は、スクリュ膨張機1から排気された低圧の作動媒体を、外部から供給される冷却媒体(例えば、河川やクーリングタワーから供給される安価な冷却水)によって冷却して凝縮させる熱交換器である。ポンプ25は、凝縮器24において液体になった作動媒体を加圧して蒸発器26に供給する。蒸発器26は、外部から供給される加熱媒体(例えば、坑井から採取される蒸気やボイラで製造した蒸気)で加熱して蒸発させる。蒸発器26で蒸発して高圧の気体となった作動媒体は、スクリュ膨張機1に供給され、スクリュ膨張機1を駆動する。バイナリー発電システムは、このスクリュ膨張機1の回転力によって発電機28を回して発電する。
The
本実施形態のバイナリー発電システムでは、加熱媒体や冷却媒体から供給される熱量が変化して給気圧力Psや排気圧力Pdが変化したとしても、スクリュ膨張機1がバルブ機構10を操作し、膨張空間から排気流路9に流出する際に作動媒体を再圧縮することによって生じる損失を防止するので、発電効率を高く維持することができる。
In the binary power generation system of this embodiment, even if the amount of heat supplied from the heating medium or the cooling medium changes and the supply air pressure Ps and the exhaust pressure Pd change, the screw expander 1 operates the
続いて、図6に、本発明の第2実施形態のスクリュ膨張機1aを有するバイナリー発電システムを示す。本実施形態に関し、第1実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付して重複する説明を省略する。 Next, FIG. 6 shows a binary power generation system having a screw expander 1a according to a second embodiment of the present invention. With respect to the present embodiment, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
スクリュ膨張機1aは、2つの膨張機本体6a,6bが直列に接続されてなる。本実施形態において、膨張機本体6a,6bの給気流路から隔離され得る位置の膨張空間と給気流路とを接続するバイパス流路13a,13bは、外部配管により構成され、バイパス流路13a,13bを遮断し得るバルブ機構10a,10bは、外部配管に設けられ、制御装置22の制御電圧で駆動可能なモータバルブである。
The screw expander 1a is formed by connecting two
また、スクリュ膨張機1aは、1段目の膨張機本体6aの排気流路と2段目の膨張機本体6bの給気流路とを中間圧力流路29で接続している。そして、スクリュ膨張機1aは、1段目の膨張機本体6aの排気流路に連通する直前の膨張空間の圧力Pf1を検出する第1段内部排気圧力検出器20aと、1段目の膨張機本体6aの運転排気圧力であり、2段目の膨張機本体6bの給気圧力でもある中間圧力流路29の圧力(中間圧力Pm)を検出する第1段運転排気圧力検出器21aと、2段目の膨張機本体6bの排気流路に連通する直前の膨張空間の圧力Pf2を検出する第2段内部排気圧力検出器20bと、2段目の膨張機本体6bの排気流路の直後の作動媒体循環流路27において実質的に2段目の膨張機本体6bの運転排気圧力Pdを検出する第2段運転排気圧力検出器21bとを有する。
Further, the screw expander 1 a connects the exhaust flow path of the first-
本実施形態の制御装置22は、第1段内部排気圧力検出器20aの検出値Pf1が、第1段運転排気圧力検出器21aの検出値Pm以上であるときには、バルブ機構10aを開放し、第1段内部排気圧力検出器20aの検出値Pf1が、第1段運転排気圧力検出器21aの検出値Pmより小さいときには、バルブ機構10aを閉鎖して、1段目の圧縮機本体6aの内部膨張比を低下させる。
When the detection value Pf1 of the first stage internal
また、制御装置22は、第2段内部排気圧力検出器20bの検出値Pf2が、第2段運転排気圧力検出器21bの検出値Pd以上であるときには、バルブ機構10bを開放し、第2段内部排気圧力検出器20bの検出値Pf2が、第2段運転排気圧力検出器21bの検出値Pdより小さいときには、バルブ機構10bを閉鎖して、2段目の圧縮機本体6bの内部膨張比を低下させる。
Further, when the detected value Pf2 of the second stage internal
このように本発明は、1段の膨張機本体で構成されたスクリュ膨張機だけではなく、2段の膨張機本体で構成されたスクリュ膨張機にも適用できる。また、本発明のスクリュ膨張機を使用すれば、バイナリー発電装置の発電効率を高めることができる。 Thus, the present invention can be applied not only to a screw expander configured with a single-stage expander body but also to a screw expander configured with a two-stage expander body. Moreover, if the screw expander of this invention is used, the power generation efficiency of a binary power generation device can be improved.
1,1a…スクリュ膨張機
2…ケーシング
3…ロータ室
4,5…スクリュロータ
6,6a,6b…膨張機本体
7…外部流路
8…給気流路
9…排気流路
10,10a,10b…バルブ機構
11…柱状空間
11a…機能端面
11b…駆動部
12…ピストン
13,13a,13b…バイパス流路
14…接続流路
15…操作流路
16…給気弁
17…高圧流路
18…排気弁
19…低圧流路
20…内部排気圧力検出器
20a…第1段内部排気圧力検出器
20b…第2段内部排気圧力検出器
21…運転排気圧力検出器
21a…第1段内部排気圧力検出器
21b…第2段内部排気圧力検出器
22…制御装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,1a ...
制御装置22は、内部排気圧力検出器20の検出値Pfが運転排気圧力検出器21の検出値Pdよりも小さいときには、給気弁16を閉じて排気弁18を開く。すると、柱状空間11の駆動部11bは、圧力が排気圧力Pdと等しくなり、給気流路8と同じ圧力Psのバイパス流路13と、給気流路8と同じ圧力Psまたは気体が少し膨張して僅かにPsより低い圧力の膨張空間とに連通する機能端面11aの圧力よりも低くなる。これにより、ピストン12は、機能端面11aから離れる方向に移動し、バイパス流路13と膨張空間との連通を確保して、バイパス流路13から膨張空間に気体が流入できるようにする。すると、膨張空間がスクリュロータ5の歯によって給気流路8から隔離されているときにも、膨張空間内の圧力が給気圧力Psに維持される。
When the detected value Pf of the internal
制御装置22は、内部排気圧力検出器20の検出値Pfが運転排気圧力検出器21の検出値Pd以上であるときには、給気弁16を開いて排気弁18を閉じる。すると、柱状空間11の駆動部11bは、圧力が給気圧力Psと等しくなる。膨張空間がスクリュロータ5の歯によって給気流路8から隔離されているとき、膨張空間内の気体は、僅かに膨張して給気圧力Psから圧力が低下している。これにより、柱状空間11の機能端面11a側の圧力が、駆動部11b側の圧力よりも若干低くなり、ピストン12を機能端面11aに向かって移動させる。ピストン12は、機能端面11aに当接すると、機能端面11aを封止して、バイパス流路13と膨張空間とを隔離する。これにより、スクリュ膨張機1は、バイパス流路13のない通常の膨張機と同じ構成となる。
When the detected value Pf of the internal
スクリュ膨張機1では、内部排気圧力検出器20の検出値Pfが運転排気圧力検出器21の検出値Pdよりも小さいときには、バルブ機構10を開放して、実質的に給気流路8を拡大した状態とすることで、内部膨張比を小さくする。これにより、内部排気圧力Pfを運転排気圧力Pdよりも高くし、膨張空間から排気流路9に流出する際に気体を再圧縮することによって生じる損失を防止する。つまり、内部膨張比πiを運転膨張比Ps/Pdに近づけて熱エネルギーの回転エネルギーへの変換効率を高める。
In the screw expander 1, when the detected value Pf of the internal
本実施形態の制御装置22は、第1段内部排気圧力検出器20aの検出値Pf1が、第1段運転排気圧力検出器21aの検出値Pm以上であるときには、バルブ機構10aを閉鎖し、第1段内部排気圧力検出器20aの検出値Pf1が、第1段運転排気圧力検出器21aの検出値Pmより小さいときには、バルブ機構10aを開放して、1段目の圧縮機本体6aの内部膨張比を低下させる。
When the detection value Pf1 of the first stage internal
また、制御装置22は、第2段内部排気圧力検出器20bの検出値Pf2が、第2段運転排気圧力検出器21bの検出値Pd以上であるときには、バルブ機構10bを閉鎖し、第2段内部排気圧力検出器20bの検出値Pf2が、第2段運転排気圧力検出器21bの検出値Pdより小さいときには、バルブ機構10bを開放して、2段目の圧縮機本体6bの内部膨張比を低下させる。
In addition, when the detected value Pf2 of the second stage internal
Claims (3)
前記排気流路に連通する直前における前記膨張空間の圧力を検出する内部排気圧力検出器と、
前記排気流路の圧力を検出する運転排気圧力検出器と、
前記給気流路および前記排気流路から隔離され得る位置における前記膨張空間と前記給気流路とを連通させるバイパス流路と、
前記バイパス流路を遮断し得るバルブ機構と、
前記内部排気圧力検出手段の検出値と前記運転排気圧力検出手段の検出値とに基づいて、前記バルブ機構を制御する制御装置とを有し、
前記制御装置は、前記内部排気圧力検出手段の検出値が前記運転排気圧力検出手段の検出値以上であるときは、前記バルブ機構に前記バイパス流路を閉鎖させ、前記内部排気圧力検出手段の検出値が前記運転排気圧力検出手段の検出値よりも小さいときは、前記バルブ機構に前記バイパス流路を開放させることを特徴とするスクリュ膨張機。 A pair of male and female screw rotors that mesh with each other is accommodated in a rotor chamber formed in the casing, and an expansion space whose volume increases with the rotation of the screw rotor is formed by dividing the space in the rotor chamber by the screw rotor. , Screw expansion for supplying high-pressure gas from an air supply channel to the expansion space, rotating the screw rotor by expanding the gas in the expansion space, and exhausting the low-pressure gas expanded in the exhaust channel Machine,
An internal exhaust pressure detector for detecting the pressure of the expansion space immediately before communicating with the exhaust flow path;
An operating exhaust pressure detector for detecting the pressure of the exhaust flow path;
A bypass flow path that connects the expansion space and the supply flow path at a position that can be isolated from the supply flow path and the exhaust flow path;
A valve mechanism capable of blocking the bypass flow path;
A control device for controlling the valve mechanism based on the detection value of the internal exhaust pressure detection means and the detection value of the operating exhaust pressure detection means;
When the detected value of the internal exhaust pressure detecting means is equal to or greater than the detected value of the operating exhaust pressure detecting means, the control device causes the valve mechanism to close the bypass flow path and detect the internal exhaust pressure detecting means. When the value is smaller than the detected value of the operating exhaust pressure detecting means, the valve expander opens the bypass flow path.
前記制御装置は、前記内部排気圧力検出手段の検出値が前記運転排気圧力検出手段の検出値以上であるときは、前記給気弁を開いて前記排気弁を閉じ、前記内部排気圧力検出手段の検出値が前記運転排気圧力検出手段の検出値よりも小さいときは、前記給気弁を閉じて前記排気弁を開くことを特徴とする請求項1に記載のスクリュ膨張機。 The valve mechanism has a functional end face communicating with the expansion space and the bypass flow path, and communicates with the air supply flow path via an air supply valve on the side opposite to the functional end face, and via an exhaust valve. A columnar space that communicates with the exhaust flow path, and a piston that is fitted in the columnar space and that can isolate the expansion space and the bypass flow path by contacting the functional end surface,
When the detected value of the internal exhaust pressure detecting means is equal to or higher than the detected value of the operating exhaust pressure detecting means, the control device opens the air supply valve and closes the exhaust valve, and the internal exhaust pressure detecting means The screw expander according to claim 1, wherein when the detected value is smaller than the detected value of the operating exhaust pressure detecting means, the air supply valve is closed and the exhaust valve is opened.
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