JP2627001B2 - スクリュ膨張機の給油装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、スクリュ膨張機、特にオイルインジェクシ
ョン型スクリュ膨張機に対する給油技術に関するもので
ある。

〔従来の技術〕

製鉄所、化学プラント等の蒸気、温水等の排熱源のあ
るところ、或は地熱、温泉熱のあるところなどで、それ
らの排熱、地熱等を利用してエネルギを回収するシステ
ムとしてスクリュ膨張機が利用されている。

従来、この種のスクリュ膨張機においては、おす、め
すスクリュ・ロータを収容したシリンダ内部の潤滑及び
シールと、前記各ロータ軸を支承する両軸端のベアリン
グの潤滑のためにシリンダ内に油を噴射・給油する装置
を設けている。

この種の給油装置の一例を、第３図を用いて説明する
と、図はスクリュ膨張機を原動機として使用した温水排
熱利用発電システムの系統図を示し、図中、熱交換器S₁
の一方の管路にはポンプp₃によって工場から排出される
高温流体（高温水）を通すパイプ１が接続し、その他方
の管路にはポンプp₁を介して送給される液状の冷媒（こ
こではフレオンガスＲ−114）を通過せしめ、前記高温
流体と熱交換（熱交換器S₁で冷媒ガスを加熱する熱量、
Δq₁）加熱し気化させ、高温・高圧ガスに変えるパイプ
２が設置されている。また、他の熱交換器であるオイル
ヒータS₂には、パイプ１と同様にポンプP₄を介して高温
流体（高温水）を通すパイプ11と、オイルポンプP₂を介
して送給される潤滑油を加熱（熱交換器S₂で潤滑油を加
熱する熱量、Δq₂）するための加熱パイプ12とが設けら
れる。

なお、パイプ1,11を通って送られた高温流体の熱エネ
ルギは、熱交換器S₁,S₂によって冷媒の気化および加
熱、昇圧ならびに潤滑油の加熱のために用いられ熱交換
器S₁,S₂より、それぞれ排出される。

熱交換器S₁内で気化し高温，高圧にされた冷媒ガス
は、スクリュ膨張機４の吸入口５側に導かれ作用室内で
膨張してスクリュ・ロータを回転させた後、低温・低圧
になって膨張機の吐出口６側から排出され、吐出パイプ
16を経てオイルセパレータ７内に送り込まれ、ここで冷
媒ガスと潤滑油とを分離し、冷媒ガスは熱交換器S₃内に
設置したパイプ８を通る過程でポンプP₅（駆動エネルギ
ー、Δq₇）からパイプを介して送給される冷却水と熱交
換（熱交換器S₃で冷媒ガスを冷却する熱量、Δq₅）して
冷却され液化し、フロンタンク10に戻り、その後ポンプ
P₁の吸込側から吸込まれて、再び熱交換器S₁のパイプ２
内に送給される。

一方、高温・高圧の冷媒ガスによって駆動された膨張
機４のスクリュ・ロータ軸と直結する発電機９を回して
所望の発電を行う。

前記熱交換器S₃内には、さきに述べたとおり別に冷却
水等の低温熱源となる流体を導入して、冷媒ガスの通る
パイプ８を冷却（冷却する熱量、Δq₅）し、これを凝
縮、液化させている。

他方、熱交換器S₂内でも工場から排出される高温流体
を通すパイプ11によって、加熱パイプ12内の潤滑油が加
熱（加熱する熱量Δq₂）され、加熱された高温潤滑油を
次記のＩ、IIの二つの系統に分けて膨張機内に供給し、
シリンダ、ロータ間等の摺動面の潤滑およびシール作用
及びベアリングの潤滑等を行う。すなわち、そのＩは、
高温・高圧の冷媒ガスのスクリュ膨張機４の吸入５側端
面シールのために、膨張機の吸入室のガス流体内に噴射
ノズル14によって噴射し、そのIIは、膨張機のスクリュ
回転軸の高圧側ベアリング潤滑用に膨張機端板内に給油
孔15を介して送給、圧入する。従来の給油装置において
は、IIの高圧側ベアリングの潤滑のために給油された油
は、ベアリングを強制潤滑し、回転に伴なう発熱を吸収
した後、油回収孔24から回収され、パイプ25を通って低
圧側ベアリング潤滑用給油孔26に送給し、低圧側ベアリ
ングを潤滑後、最終的に吐出口６に連通するパイプ16へ
排油され、系統Ｉの潤滑油と共に冷媒ガスに混入、排出
されていた。

以上のように、Ｉ、IIの二系統から膨張機内に送給さ
れた潤滑油は、冷媒ガスに混入したまま膨張機内部を移
動し、吐出口６からガスと共に排出され、吐出パイプ16
を経てオイルセパレータ７に達し、オイルセパレータ７
内に収容されている間に気液分離が行われ、ここで分離
された潤滑油はオイルタンク13に送られ、さらにタンク
13からオイルポンプP₂によって吸入・加圧されて、再び
熱交換器S₂の潤滑油加熱パイプ12に送給される。熱交換
器S₂の加熱パイプ12に送給され、高温加熱（加熱する熱
量、Δq₂）された潤滑油のその後の作動は前述したとお
りである。その間の、潤滑油の循環経路をブロック図に
より表示すると、第４図示のような閉回路を構成する。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述、従来の給油装置において潤滑油を予め加熱して
供給する理由は、膨張機の冷媒ガスの吸入部に対し該冷
媒ガスよりも高い温度の油を射出する事により、特開昭
60−56104号公報に示すように膨張機出力の向上を図る
ためと、高圧側ベアリングへの給油に関しては、低温の
油を給油すると入口の冷媒ガスの持つ熱エネルギの一部
が低温の潤滑油の加熱に使われてしまい、膨張機の効率
が低下することを防止するためである。

しかしながら、従来の給油装置においては、低圧側ベ
アリングへの給油に高圧側ベアリングの潤滑後の排油を
直接、利用しているため、そこには加熱された油が給油
されることとなり、低圧側ベアリングを潤滑したとき
に、その高温潤滑油が、膨脹機を作動させた後の冷えた
低圧冷媒ガスと一緒に吐出口６、パイプ16へ排出される
結果、吐出口６からオイルセパレータ７までの吐出パイ
プ16内で高温の潤滑油のミストにより膨張後の低温冷媒
ガスが暖められていた。

そのため、従来装置においては、膨張後の冷媒ガスは
暖められた分だけ熱交換器S₃で余計に冷却する必要が生
じ、その分だけ熱エネルギの回収効率が低下することと
なる。

一方、冷媒ガスを暖めた分だけ、潤滑油は冷えてしま
うので、その分だけ熱交換器（オイルヒータ）S₂で余計
に加熱する必要があって、これ又、排熱エネルギの回収
が不充分になる。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、前記課題を解決し、従来装置における無駄
な冷媒ガスの冷却と潤滑油の加熱とを解消し、排熱回収
システム全体の熱エネルギの回収効率を高めることを目
的とするもので、その構成を実施例に対応する第１、２
図を用いて説明すると、本発明のスクリュ膨張機の給油
装置は、次のとおりの要件を具備するものである。

（１）ケーシング内に配置されたスクリュ・ロータ相互
と作用室との間のシールおよび潤滑を行うと共に、前記
ロータ回転軸のベアリングに対して強制潤滑を行うよう
にしたオイルインジェクション型スクリュ膨張機４の給
油装置であって、前記膨張機の高温・高圧ガス流体の吸
入口側ロータ回転軸のベアリングに対しては熱交換器を
介して加熱された高温潤滑油を供給する給油路12,15と
前記ベアリング潤滑後の潤滑油を直接オイルタンク13に
排出する排油路17,18とを設けると共に、ガス流体が低
温・低圧で吐出される低圧側のロータ回転軸のベアリン
グに対しては、加熱されない低温の潤滑油を供給する給
油路19,20を設けたことを特徴とするスクリュ膨張機の
給油装置。

〔作用〕

本発明は以上のように構成したので、高圧側ベアリン
グを潤滑した油は高温状態で直ちにオイルタンク13へ戻
され、また、加熱される前の状態で供給され低圧側ベア
リングを潤滑した油は低温を保ったまま吐出口側へ排出
されるので、吐出パイプの中で冷媒ガスを不必要に加熱
することがなくなる。

〔実 施 例〕

次に、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は、本発明の給油装置を施したスクリュ膨張機
を原動機として使用した温水熱利用の発電システムの系
統図を示した、従来技術を示す第３図と対応する図面
で、同図と第３図との間で格別変りのない部分について
は、構成部分の名称、符号を同一とし、その説明につい
ても簡略にした。

先ず、本実施例の給油装置においても高温潤滑油を噴
射ノズル14を介して膨張機４の吸入室の冷媒ガス中に噴
射する点は、従来装置と同様である。しかし、高圧側ベ
アリングに対する油の供給は、熱交換器（オイルヒー
タ）S₂にて加熱した油のみを給油孔15から送給し、同ベ
アリングの潤滑後、油回収孔17より回収し、油回収パイ
プ18を介して直接オイルタンク13に戻すようにする。一
方、低圧側ベアリングに対する潤滑油の供給は、熱交換
器S₂で加熱される前で分岐した低温状態のままの油を給
油パイプ19を介して給油孔20から給油し、図示してない
低圧側ベアリングを潤滑した後、そのまま吐出口６から
パイプ16に排出し、膨張後の低温・低圧冷媒ガスと共に
オイルセパレータ７に送り、以後、従来装置と同様にオ
イルセパレータ７内にて気液分離を行い、分離された潤
滑油をオイルタンク13に回収し、ここで高圧側ベアリン
グを潤滑し、油回収パイプ18を通って送られてきた油と
混合され、再びオイルポンプP₂によって前述のとおり、
循環、給油を行うものである。その際、低圧側ベアリン
グの潤滑油についても、高圧側と同様に潤滑後、直接排
油路を用いて、オイルタンク13に回収するようにしても
良い。この間の潤滑油の循環経路をブロック図で示す
と、第２図示フローのとおりである。

なお、以上の説明において、熱交換器S₁とS₂を別体の
ものとして説明したが両者を一体化し、パイプ1,11を共
通とし、その共通のパイプを通る高温流体によってパイ
プ２中の冷媒ガスの加熱と加熱パイプ12を通る潤滑油の
加熱を同時に行うようにしてもよい。

次に、上述の本考案実施例に基づいて熱エネルギの授
受について説明すると、 第１図示の装置において、 Δq₁＝熱交換器S₁においてパイプ１を通る高温水によっ
て冷媒ガスの受ける熱量、 Δq₂＝熱交換器S₂においてパイプ11を通過する高温水に
よって潤滑油が受ける熱量、 Δq₃＝膨脹器の高圧側ベアリングの発熱によって潤滑油
が受ける熱量、 Δq₄＝膨脹器の低圧側ベアリングの発熱によって潤滑油
が受ける熱量、 Δq₅＝熱交換器S₃において冷却水によって外部に捨てら
れる熱量、 Δq₆＝熱交換器S₁及びS₂に対し、外部よりポンプP₃,P₄
によって高温水を供給するための、ポンプ駆動エネル
ギ、 Δq₇＝熱交換器S₃対し冷却水を供給するためのポンプP₅
の駆動エネルギ、 とすれば、これを第３図に示す、従来装置における熱エ
ネルギの授受関係と比較して示したものが、下記第１表
である。

ここで本件実施例において説明した排熱回収システム
のサイクル中における有効回収エネルギは、外部から受
ける熱量−外部に捨てる熱量＋システム内部で発熱する
熱量−本システムのサイクルを稼働させるための熱量 で表わされるところから、上記比較表中、右欄に示し
た従来技術と本発明装置との差、つまり本発明による有
効エネルギの増加分（効率向上分）の合計は、２×Δq₃
＋Δq₈ということになる（第１表右欄下参照）。

換言すれば、スクリュ膨張機の効率を向上させるため
には、冷媒ガスが外部から受熱する熱量が同一であろう
とすると、外部に捨てる熱量を可及的に減少させて、本
発明閉サイクルを稼働させるために必要な動力（ポンプ
等を駆動する動力）を低減するようにすれば良い。

〔発明の効果〕

本発明の装置は、以上のような構成と作用を有してい
るので、加熱して給油された高圧側ベアリング用の潤滑
油は、潤滑後オイルタンクに直接、高温を保ったまま回
収され、一方加熱されることなく給油された低圧側ベア
リング用の潤滑油は潤滑後、膨張機の吐出口、吐出パイ
プ中へ低温になった膨張後の冷媒ガスに混入、排出され
るため、冷媒ガスが還流される吐出パイプには高温の潤
滑油が混入することがない。そのため、膨張機の吐出口
における冷媒ガスが加熱されて吐出口圧を高め、膨張機
の効率を低下させるようなことがない。

また、従来装置において吐出パイプ内で高温潤滑油に
よって冷媒ガスが暖められれていた熱量をΔq₃とする
と、本発明の装置によれば従来装置に比べて次のような
利点を生じる。

排出後の冷媒ガスの熱交換器S₃における冷却に必要な
熱量のうちΔq₃が不要になる。すなわち、熱交換器S₃冷
却水量が少なくて済む。

潤滑油の再加熱に必要な熱量Δq₃が不要になる。すな
わち、熱交換器S₂での加熱の熱量が少なくて済む。

上記で説明したように、膨張機から吐出された冷媒
ガスの冷却熱量が少なくなった分、熱交換器S₃へ送給す
る冷却水量も少なくて済むので、それだけ冷却水ポンプ
P₅の容量を小さくでき、その駆動エネルギ（動力）Δq₈
を軽減することができる。

以上のとおりであるから、システム全体のエネルギ回
収効率の向上が図れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置が施されたスクリュ膨張機を原動機
として使用した温水熱利用発電システムの系統図、第２
図は本発明装置における潤滑油の循環フローを示す回路
図、第３図は従来装置が施された第１図に対応する温水
熱利用発電システムの系統図、第４図は従来装置におけ
る潤滑油の循環フローを示す回路図である。 ４……スクリュ膨張機、12……加熱パイプ、 13……オイルタンク、15……給油孔、 17……油回収孔、18……油回収パイプ、 19……給油パイプ、20……給油孔。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ケーシング内に配置されたスクリュ・ロー
   タ相互と作用室との間のシールおよび潤滑を行うと共
   に、前記ロータ回転軸のベアリングに対し強制潤滑を行
   うようにしたオイルインジェクション型スクリュ膨張機
   の給油装置であって、前記膨張機の高温・高圧ガス流体
   の吸入口側ロータ回転軸のベアリングに対しては、熱交
   換器を介して加熱された高温潤滑油を供給する給油路と
   前記ベアリング潤滑後の潤滑油を直接オイルタンクに排
   出する排油路とを設けると共に、ガス流体が低温・低圧
   で吐出される低圧側のロータ回転軸のベアリングに対し
   ては、加熱されない低温の潤滑油を供給する給油路を設
   けたことを特徴とするスクリュ膨張機の給油装置。