JP3771561B2 - 加熱構造を有するスクロール膨張器と、これを利用したスクロール型熱交換システム - Google Patents

Description

本発明はスクロール膨張器及びスクロール圧縮器に関し、より詳しくは固定スクロールと旋回スクロールとを一対で備えて作動流体を連続的に膨張させるスクロール膨張器と、連続的に圧縮させるスクロール圧縮器に関する。また、本発明は前記スクロール膨張器とスクロール圧縮器とを利用して構成されてスターリングエンジンまたは冷凍機として活用されるスクロール型熱交換システムに関する。

一般に、スクロール機器は高効率、低騷音及び低振動、小型で軽量という特徴を有しており、現在圧縮器として広く使用されている。

スクロール圧縮器の原理は、図１に示すように、インボリュート形状の固定スクロール３０と旋回スクロール４０とが互いに１８０゜の位相差を有するように配置され、これによってスクロール圧縮器の内部には一連の三日月形状の密閉空間が存在する。固定スクロール３０の円周に位置した吸入口を通ってガスがスクロール圧縮器内に流入すると、旋回スクロール４０の旋回運動によって三日月形状の密閉空間がスクロール３０と４０との中心部に移動しながら密閉空間の体積が小さくなり、ガスは圧縮されて固定スクロール３０の中心部に位置した吐出口を通って吐出される。この時、スクロール圧縮器内部では三日月形状の複数個の密閉空間によって一連の過程が連続的に進められる。

スクロール膨張器では前記スクロール圧縮器での圧縮過程と逆順に膨張過程が進められるが、固定スクロール３０の中心部に高圧のガスが流入すると旋回スクロール４０を押し出しながら膨張が行われ、固定スクロール３０の円周に吐出されながら旋回スクロール４０の旋回運動による動力が発生する。

スクロール圧縮器は他の圧縮器に比べて構成部品数が少なく、小さくて、重量も軽いが、高効率、低振動で低騷音の長所を有しており、現在冷媒圧縮器及び空気圧縮器として広く使用されている。しかし、スクロール膨張器の場合はスクロール機器の多くの長所にもかかわらず、いまだに広く使用されてはいない。

スクロール膨張器に関する先行技術として、米国特許第４，１９２，１５２号では圧縮器及び膨張器として使用できる外周軸駆動方式のスクロール機器と、圧縮器、燃焼器、膨張器とが結合された熱機関と、圧縮器と膨張器が結合されたブライトンサイクル（Ｂｒａｙｔｏｎ ｃｙｃｌｅ）方式の冷凍サイクルが提示されている。ＥＰ特許第０８４６８４３Ａ１号では圧縮器、再生器、燃焼器、膨張器が結合された熱機関が提示されている。また、最近米国では蒸気タービンの替わりにスクロール膨張器を適用した蒸気サイクル（Ｒａｎｋｉｎｅ ｓｙｓｔｅｍ）が発表されたことがある。

しかし、いままでのスクロール膨張器に関する特許と研究の場合、既存タービンのように高圧のガスまたは蒸気をスクロール膨張器の中心部に供給して動力を発生させることによって、圧縮効率は９０％に達するが、ガスまたは蒸気供給時の圧力損失による効率減少が大きくて膨張効率は６０％〜７０％にしか達していない。また、既存スクロール膨張器ではスクロール膨張器内で作動流体が膨張しながら発生する固定スクロールと旋回スクロールとの温度差だけでなく、同一スクロールラップでも温度勾配が発生して摩擦、漏洩、振動増加による効率の減少が問題点となってきた。

一方、スターリングエンジンは内部に密封した作動ガスを複数個の熱交換機を設置して加熱・冷却することによって動作する外燃機関であって、従来は往復ピストン式の体積型外燃機関が主流をなしていた。

このようなスターリングエンジンは外燃機関であるため、液体燃料、ガス燃料、固体燃料、産業廃熱、太陽熱、ＬＮＧなど多種の熱源を活用でき、ヒーターとクーラーの間に設置される再生器の作用で原理的に最も高い効率を有する。また、バルブがなく圧力変化が滑らかであるために内燃機関に比べて騷音と振動が少なく、連続燃焼であるために燃焼制御が容易であり、排気ガスを清潔にできるために次世代熱機関として注目されている。

従来の往復動式のスターリングエンジン２００の基本的な構成は図８に示すように、ほぼ９０゜程度の位相差を有する共通のクランクシャフトに連結された膨張ピストン２０１と圧縮ピストン２０３を設置し、膨張空間２０５と圧縮空間２０７を作った後、その間を通気性のある蓄熱材を充填させた再生器２０９に接続する構造を有する。この時、伝熱面積の小さいシリンダー壁を通って作動ガスを十分に加熱・冷却することは難しいので、一般に図９に示すように再生器２０９の前後に別途のクーラー２１２とヒーター２１４が取り付けられる。

往復動式のスターリングエンジンの機械的な構造を単純化して振動を減らすために米国特許第６，１０９，０４０号では、ロータリ式の二つのヴァンケルロータ（Ｗａｎｋｅｌ ｒｏｔｏｒ）を利用しながら往復動式のスターリングエンジンと同様に位相差を与えて圧縮と膨張が交互に行われるようにしている。

シリンダー内の２つのピストンが同調して位相から外れずに往復運動をし、これにより作動ガスが往復して循環し、容積および圧力がスターリングサイクルの４工程の順に最大から最小まで変化するため、作動流体が圧縮室と膨張室との間の再生器を往復することによって圧力損失が発生する。このため、回転数の上昇とともにトルクが低下する。また、伝熱面積の小さいシリンダー壁を通って作動ガスを加熱・冷却することが難しいために図９のように再生器２０９の前後にヒーター２１４とクーラー２１２が設置され、エンジンの高出力化または高速化のために熱伝達の速い水素やヘリウムのような低分子量のガスを作動ガスとして使用しなければならない。しかし、このような低分子量のガスを作動ガスとして使用した場合、漏れ易い性質があるためにガスシール（気密性）の高性能化が非常に重要である。

図１０は理想的なスターリングサイクルの作動過程を段階的に示した概念図であり、図１１は理想的なスターリングサイクルに対するＰ−Ｖ線図であり、図１２は実際のスターリングサイクルに対するＰ−Ｖ線図である。

図１０に示されたような理想的スターリングサイクルは原理的に図１１のように低温圧縮部２２３内で等温圧縮（Ｉ−ＩＩ）、再生器２２１を通りながら等積加熱（ＩＩ−ＩＩＩ）、高温膨張部２２４内で等温膨張（ＩＩＩ−ＩＶ）、再生器２２１を通りながら等積放熱（ＩＶ−Ｉ）の過程で構成され、再生器２２１の作用でカルノサイクルのような最も高い効率を有する。しかし、実際のサイクルにおいては図１２のように、理想的な場合より非常に低い効率を示す。このように理想的スターリングサイクルと実際のスターリングサイクルとの差が発生する要因と、理想的スターリングサイクル実現の難しさは次の通りである。

まず、理想的なスターリングサイクルの等温圧縮（Ｉ−ＩＩ）と等温膨張（ＩＩＩ−ＩＶ）の過程を実現するためにはシリンダー内部壁面を通って迅速な熱伝達が起こらなければならないが、シリンダー外部に伝熱フィンを十分に設置するとしても作動ガスと接するシリンダー内部壁面の面積が小さいために内部作動ガスの等温的な加熱と冷却はむずかしい。特に、エンジンが高速化／大型化されるに従って熱伝達は更に難しくなるためシリンダー内部では等温過程ではなく断熱過程に近くなる。

したがって、一般には作動ガスの効果的な加熱・冷却のために作動ガス再生器２０９の前後に別途のヒーター２１４とクーラー２１２が設置されるようになり、これを通して大部分の熱伝達が行われる。しかし、このようなヒーター２１４とクーラー２１２は作動ガスの効果的な加熱・冷却を可能にして比出力を増加させる肯定的な側面がある反面、次のような否定的な側面を有する。

つまり、ヒーター２１４、再生器２０９、クーラー２１２などを含む無効容積（ｄｅａｄ ｖｏｌｕｍｅ）の増加は出力を減少させる要因として作用する。また、ヒーター２１４で加熱された作動ガスがシリンダーで膨張した後、再生器２０９に熱を貯蔵する前にヒーター２１４を通りながら再加熱され、クーラー２１２を通った作動ガスがシリンダーで圧縮された後、再生器２０９から熱を取り戻す前にクーラー２１２を通りながら再冷却される不必要な過程によるサイクルの欠陥が発生して流動抵抗が増加し、熱効率が減少する。それだけでなく、構成部品の熱疲労（ｔｈｅｒｍａｌ ｓｔｒｅｓｓ）を増加させて構成部品の材質選択と製作において相当な制約要因となっている。

一方、図１０に示されたような理想的なスターリングサイクルでは、ピストン２２５、２２７が非連続的に動くために低温部２２３では圧縮過程のみ起こり、高温部２２４では膨張過程のみ起こる。しかし、図９に示すような実際の往復動ピストン式スターリングエンジンでは圧縮ピストン２０３と膨張ピストン２０１とが連動して動くために低温部ピストン２０３による圧縮過程の時に高温部ピストン２０１によっても若干の圧縮が発生し、高温部ピストン２０１による膨張過程の時に低温部ピストン２０３によっても多少の膨張が発生する。これも実際のスターリングエンジンの効率が理想的なカルノサイクルの効率より非常に小さくなる主要因となる。

蒸気サイクルは４つの連続的な変化を有する。この４つの連続的な変化とは、作動流体の加熱、気化、膨張、および圧縮である。ランキンサイクルは、作動流体の圧力および温度における理想的な循環の一連の変化を示す。そして、このランキンサイクルは、蒸気力プラントの性能を評価するための標準として用いられる。

図１３に示されたような蒸気サイクル３００は、給水ポンプ３０３（断熱圧縮）、ボイラー３０５及び再熱器３０７（等圧加熱）、タービン３０９、３１２（断熱膨張）、及び復水器３０１（等圧放熱）の各要素によって実現されている。いままで外燃機関として広く使われている蒸気サイクルの場合、動力出力装置としては蒸気タービンが最も広く使用されている。蒸気タービンは熱エネルギーを運動エネルギーに変化させて高速の蒸気がタービンと衝突しながらタービンの回転力を得る衝突型機器である。

蒸気サイクルで効率を向上させる方法として、図１３に示すように再熱器３０７を備え、膨張過程にある蒸気を湿蒸気区域に入れる前に全量を外部のタービン３０９に抽出して再熱器３０７で加熱した後、過熱蒸気にして、これを再びタービン３１２に送って出口圧力まで膨張させる再熱サイクルが使用されている。この時、再熱段数を増加させるに従って熱効率が向上するが、大量の蒸気をボイラー３０５とタービン３０９、３１２の間で循環させなければならないので、このためには装置が大規模になって設備費が高くなり、運転制御が複雑になる問題点がある。したがって、通常再熱段数は１〜２段が適用され、蒸気サイクルの効率向上には限界がある。

一方、蒸気タービン３０９、３１２の代わりに外燃機関として使用されている既存の容積型膨張器である往復動式またはヴァンケルロータリー機器は容量が増加するほど体積に比べてシリンダー壁面を通じる伝熱面積が小さくなるために大型化されるほど効率が減少する短所がある。

本発明は自分自身に加熱構造を構成して膨張と再熱が同時に起こるようにすることによって、等温膨張に近い高効率の膨張を実現し、スクロール膨張器中心部にガスまたは蒸気のような作動流体を供給する時に発生する圧力損失による効率低下を解決し、固定スクロールと旋回スクロールとの温度差と、スクロールラップの温度勾配を最小化できる高効率のスクロール膨張器を提供する。

また、本発明は加熱構造を有するスクロール膨張器を利用して従来の往復動式のスターリングエンジンまたは冷凍機における往復動式ピストンをスクロール圧縮器とスクロール膨張器に置き換えたスターリングエンジンまたは冷凍機として使用できる熱交換システムを提供する。

更に、本発明は従来の蒸気サイクル（ランキンシステム）における蒸気タービンをスクロール膨張器に置き換えて再熱サイクルと再生サイクルを持つようになった蒸気サイクルを提供する。

本発明によるスクロール膨張器は、外部に加熱面を有して中心部と外周部各々に少なくとも一つずつの作動流体出入口を有する密閉されたハウジング；前記ハウジング内部に固定され、中心部から螺旋形をなして外周部へ伸びる固定スクロール；前記ハウジングの内部で前記固定スクロールと噛み合うように中心部から螺旋形をなして外周部へ伸びて前記ハウジングの内部に流入した作動流体を連続的に膨張させることができるように所定の旋回半径を有して旋回する旋回スクロール；前記ハウジング外側周囲に設置されて前記旋回スクロールが旋回しながら作動流体を膨張させる時に熱を供給できる加熱室；及び前記旋回スクロールと連結されてこれを駆動させる駆動軸を含む。

本発明によるスクロール膨張器は前記ハウジング中心部の作動流体入口から伸びて前記加熱室内を横切って通りながら作動流体が熱を吸収できるように設置される予熱管を更に含むことができ、加熱室内のハウジング外側加熱面に複数個の加熱フィンを更に含むことができる。

前記駆動軸には外側に動力伝達軸が連結されて外部に動力を伝達できる。

本発明によるスクロール膨張器は十分な熱伝達と均一な温度分布のために潜熱によって少ない温度差で大量の熱輸送が可能なように前記加熱室に連結される熱パイプを熱伝達器具として更に含むことができる。

本発明による蒸気サイクルは、前記のように構成されるスクロール膨張器；前記スクロール膨張器から膨張して吐出された高温の作動流体が通る熱交換機；前記熱交換機を通ってきた作動流体を凝縮させる凝縮機；前記凝縮機を通ってきた作動流体が貯蔵される貯蔵タンク；及び前記貯蔵タンクを通ってきた作動流体を加圧するポンプを含む。前記ポンプで加圧された作動流体は再び前記熱交換機を通りながら前記高温の作動流体から熱の伝達を受けて加熱された後、前記スクロール膨張器に再供給されながら循環する。

本発明によるスクロール膨張器によると、膨張器自身で加熱、膨張、再熱が行われるために非常にコンパクトでありながら無限段数の再熱サイクルに近い等温膨張が可能になる効果がある。

また、機械的な構造が簡単でありながらスクロールラップ（ｓｃｒｏｌｌ ｗｒａｐ）による伝熱面積が顕著に広いために外燃機関として非常に効率的で大型化が可能である。

本発明によるスクロール膨張器を利用した蒸気サイクルによると、再生サイクルと再熱サイクルとを有することによって非常に効率の高いサイクルを構成でき、大型車量用エンジン、マイクロ熱併合発電や冷凍機駆動の原動機として活用することもできる。

一方、本発明によるスクロール型熱交換システムは、外部に放熱面を有して中心部と外周部各々に少なくとも一つずつの作動流体出入口を有する密閉されたハウジングと、前記ハウジングの内部に固定され、中心部から螺旋形をなして外周部へ伸びる固定スクロールと、前記ハウジングの内部で前記固定スクロールと噛み合って中心部から螺旋形をなして外周部へ伸びて前記ハウジングの内部に流入した作動流体を連続的に圧縮できるように所定の旋回半径を有して旋回する旋回スクロールとを含むスクロール圧縮器；外部に加熱面を有して中心部と外周部各々に少なくとも一つずつの作動流体出入口を有する密閉されたハウジングと、前記ハウジングの内部に固定されて中心部から螺旋形をなして外周部へ伸びる固定スクロールと、前記ハウジングの内部で前記固定スクロールと噛み合って中心部から螺旋形をなして外周部へ伸びて前記ハウジングの内部に流入した作動流体を連続的に膨張させることができるように所定の旋回半径を有して旋回する旋回スクロールとを含むスクロール膨張器；前記圧縮器と膨張器の旋回スクロール各々に連結されてこれを駆動させる駆動部；前記スクロール圧縮器とスクロール膨張器各々の外周部に形成される作動流体出入口を互いに連結する第１連結部；前記スクロール圧縮器とスクロール膨張器各々の中心部に形成される作動流体出入口を互いに連結する第２連結部；前記第１連結部と第２連結部とが互いに隣接するように内部を貫通しながら作動流体間の熱交換が行われるようにする再生器；及び前記スクロール圧縮器において圧縮されて前記スクロール圧縮器中心部の出口を通って吐出された後、前記第２連結部を通って移動しながら前記再生器を通って前記スクロール膨張器中心部入口を通って流入し、前記スクロール膨張器において膨張して前記スクロール膨張器外周部の出口を通って吐出された後、前記第１連結部を通って移動しながら前記再生器を通って前記スクロール圧縮器外周部入口を通って流入することによって循環する作動流体を含んで構成される。

前記スクロール型熱交換システムは、スクロール圧縮器のハウジング外側周囲に形成されて作動流体が圧縮される時に発する熱を放出させることができる冷却部と、前記スクロール膨張器のハウジング外側周囲に形成されて作動流体が膨張する時に熱を供給できる加熱部とを更に含むことができる。

前記スクロール圧縮器外周部の作動流体入口には前記再生器を経てスクロール圧縮器に流入する作動流体を冷却できるように冷却器を更に形成でき、前記スクロール膨張器中心部の作動流体出口には前記再生器を経て前記スクロール膨張器に流入する作動流体を加熱できるように加熱器を更に形成できる。

本発明によるスクロール型熱交換システムは、前記ハウジングの中心部から所定距離だけ離れた中間圧縮部と、中心部の作動流体出口に連結される連結部の間に連通するように形成されるバイパス管と、前記バイパス管に設置される調節バルブとを更に含むことにより、前記調節バルブによってバイパス量を調節して圧縮容量を変化させることができる。

一方、本発明によるスクロール型熱交換システムは、前記スクロール膨張器に前記スクロール圧縮器より更に高い温度の熱が供給され、前記スクロール膨張器とスクロール圧縮器に連結された駆動部から動力が出力されてスターリングエンジン機能を果たすことができ、反対に前記スクロール膨張器とスクロール圧縮器に連結された駆動部に動力が入力され、前記スクロール膨張器において前記スクロール圧縮器より更に低い温度の熱が吸収されてスターリング冷凍機機能を果たすこともできる。

本発明によるスクロール型熱交換システムによると、機械的な構造が簡単でありながら圧縮及び膨張過程が連続的に行われるためにトルク変化がほとんどなく、作動流体の流動方向が変わらないために流動抵抗が小さくなるように流路及び再生器を構成することが可能である。

また、スクロールラップを通って圧縮器及び膨張器の内部作動流体と接する伝熱面積が非常に広いために理想的なスターリングサイクルに近接した高効率の等温圧縮・膨張過程を可能にし、ヒーターとクーラーをなくしたり最小化することによって無効容積が減って出力を向上させることができ、高価な構成部品であるヒーターを最小化することによって製作費用を節減できる。

本発明によるスクロール型熱交換システムでは作動流体が一方向に移動するためにヒーターにおいて加熱された作動流体が膨張した後に再加熱されず、また、クーラーにおいて加熱された作動流体が圧縮後に再冷却されないためにサイクルの欠陥による熱損失、流動抵抗、熱疲労などを最小化できる。

それだけでなく、低温部圧縮と高温部膨張とが完全に分離されているために理想的なサイクルに近い高効率を得ることができ、圧縮器においてバイパスによる圧縮比制御で容易で効果的なエンジン制御が可能である。

同時に、本発明によるスクロール型熱交換システムは連続的な定常状態で運転されるために、構成部品内で周期的な温度圧力変化がほとんどなく、構成部品の材質選択と製作における制約要因も相当に減らすことができ、低騷音、低振動、小型及び軽量化を達成できる効果がある。

以下、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を容易に実施できる最も好ましい実施例と添付した図面を利用して本発明を詳細に説明する。

図２に示すように、本発明の一実施例によるスクロール膨張器１０は、ハウジング１２の内部に固定スクロール１３と旋回スクロール１５とを含んで、流入する作動流体を膨張させてハウジング１２の外部に吐出させる。

ハウジング１２は外部に加熱面を有して中心部の上下に作動流体の入口である二つの吸気口２７を有し、外周部に作動流体の出口である一つの排出口２３を有する。ハウジング１２は前記吸気口２７と排出口２３とを除いた部分では外部から密閉される。

固定スクロール１３はハウジング１２の内側面に固定され、中心部から螺旋形をなして外周部へ伸びるが、一対が互いに対向するように形成される。この固定スクロール１３の中心部はハウジング１２の吸気口２７と対応するように位置する。

旋回スクロール１５はハウジング１２の内部で固定スクロール１３と噛み合うように中心部から螺旋形になりながら外周部へ伸び、ハウジング１２の内部に流入した作動流体を連続的に膨張させることができるように所定の旋回半径を有して旋回する。一対の旋回スクロール１５は前記対向する一対の固定スクロール１３の間に配置され、各々の固定スクロール１３に噛み合われる。

ハウジング１２の外側周囲には加熱室１７が設置されて、旋回スクロール１５が旋回しながら作動流体を膨張させる時にハウジング１２内部に熱を供給できる。

このような加熱室１７には十分な熱伝達と均一な温度分布のために熱パイプ（図示せず）が連結されてもよい。前記熱パイプは潜熱によって少ない温度差で大量の熱輸送が可能である。

加熱室１７の内部にはハウジング１２中心部の吸気口２７から伸びる予熱管２５が設置される。このような予熱管２５は流入する作動流体が熱を吸収できるように加熱室１７内を横切って通る。

加熱室１７内のハウジング１２外側加熱面には複数個の加熱フィン１９が形成されて、ハウジング１２内部への熱供給効率を高めることができる。

旋回スクロール１５にはこれを駆動するための駆動軸２９が連結される。駆動軸２９は旋回スクロール１５の両端に二つが連結されて駆動し、このような駆動軸２９には外側に動力伝達軸３２が連結されて、スクロール膨張器１０外部に動力を伝達できる。駆動軸２９が締結されて回転する部分にはベアリング３４が各々設置される。

一方、ハウジング１２の駆動軸２９各々の締結部分には軸密封材３６が付着されて潤滑油がこれを通って外部に漏れることを防止し、また、駆動軸２９の前記ハウジング１２との締結部分にはベアリング３４の過熱を防止し、ベアリング３４とハウジング１２との間の断熱のために断熱材３８が付着される。

前記予熱管２５を通って流入する作動流体はこの予熱管２５を通りながら１次加熱され、吸気口２７を通ってハウジング１２の内部に流入して旋回する旋回スクロール１５と固定スクロール１３との間を通りながら次第に膨張する。この時、ハウジング１２の広い加熱面とスクロールラップを通って効果的な熱供給による再熱が行われるので、等温膨張に近い高効率の膨張が起こる。このように膨張した作動流体は排出口２３を通ってハウジング１２外部に吐出される。

本発明の一実施例によるスクロール膨張器１０は、スクロール膨張器１０の温度が供給される作動流体の温度より低い時は外部動力を受け入れて温度が低いスクロール膨張器１０において熱を吸収する冷凍機の膨張器としても活用できる。

図３に示すように、本発明の第１実施例によるスクロール型熱交換システム１００は大別してスクロール圧縮器１１２、スクロール膨張器１３２、及び再生器１２０で構成され、圧縮器１１２と膨張器１３２とは、第１連結部１２１と第２連結部１２３を通って連結されている。

スクロール圧縮器１１２はハウジング１１３の内部に固定スクロール１１４と旋回スクロール１１６とを備えて外周部から流入した作動流体を圧縮し中心部に排出する。このためにハウジング１１３は外周部に一つの作動流体入口を有して中心部に一つの作動流体出口を有しながら外部から密閉されており、固定スクロール１１４がハウジング１１３内部に固定されて中心部から螺旋形をなして外周部へ伸びる。旋回スクロール１１６はハウジング１１３内部で固定スクロール１１４と噛み合って中心部から螺旋形をなして外周部へ伸びて形成され、所定の旋回半径を有し、固定スクロール１１４との間の空間で旋回してハウジング１１３の内部に流入した作動流体を連続的に圧縮する。

スクロール圧縮器１１２のハウジング１１３外側周囲には冷却部１１８が形成されて作動流体が圧縮される時に発生する熱を外部に放出させることができ、このためにハウジング１１３は外部に放熱面を有する。

スクロール膨張器１３２は、ハウジング１３３内部に固定スクロール１３４と旋回スクロール１３６とを備えて中心部から流入した作動流体を膨張させて外周部へ排出する。このためにハウジング１３３は中心部に一つの作動流体入口を有して外周部に一つの作動流体出口を有しながら外部から密閉されており、固定スクロール１３４がハウジング１３３の内部に固定されて中心部から螺旋形をなして外周部へ伸びる。旋回スクロール１３６はハウジング１３３の内部で固定スクロール１３４と噛み合って中心部から螺旋形をなして外周部へ伸びて形成され、所定の旋回半径を有して固定スクロール１３４との間の空間で旋回してハウジング１３３の内部に流入した作動流体を連続的に膨張させる。

スクロール膨張器１３２のハウジング外側周囲には加熱部１３８が形成されて作動流体が膨張する時に熱を供給でき、このためにハウジング１３３は外部に加熱面を有する。

圧縮器１１２と膨張器１３２各々の旋回スクロール１１６、１３６には外部に別途に駆動部（図示せず）が連結されて旋回スクロール１１６、１３６を駆動させる。

スクロール圧縮器１１２とスクロール膨張器１３２とは、第１連結部１２１及び第２連結部１２３によって連結されるが、第１連結部１２１は圧縮器１１２と膨張器１３２各々の外周部に形成される作動流体出入口を互いに連結し、第２連結部１２３は圧縮器１１２と膨張器１３２各々の中心部に形成される作動流体出入口を互いに連結する。

このように形成される第１連結部１２１及び第２連結部１２３は再生器１２０で熱交換が行われるが、再生器１２０内部を第１連結部１２１と第２連結部１２３とが互いに隣接するように貫通しながら作動流体間の熱交換が行われる。

作動流体はスクロール圧縮器１１２で圧縮されて中心部の出口を通って吐出された後、第２連結部１２３を通って移動しながら再生器１２０を通ってスクロール膨張器１３２の中心部入口を通って流入する。流入した作動流体はスクロール膨張器１３２で膨張して外周部の出口を通って吐出された後、第１連結部１２１を通って移動しながら再生器１２０を通ってスクロール圧縮器１１２外周部入口を通って再び流入することによって循環する。このプロセスは、熱交換システム１００による作動流体の循環のために反復される。

図４に示すように、本発明の第１実施例によるスクロール型熱交換システム１００に冷却器１２５と加熱器１２７とを更に設置できる。

つまり、冷却器１２５がスクロール圧縮器１１２外周部の作動流体入口に形成されて再生器１２０を経てスクロール圧縮器１１２に流入する作動流体を冷却させることができる。また、加熱器１２７がスクロール膨張器１３２中心部の作動流体出口に形成されて再生器１２０を経てスクロール膨張器１３２に流入する作動流体を加熱させることができる。

本発明によるスクロール型熱交換システム１００はスクロール圧縮器１１２の温度よりスクロール膨張器１３２の温度が高い時にはスターリングエンジン方式でスクロール膨張器１３２から熱を受け入れてスクロール圧縮器１１２から熱を出力し、膨張後の作動流体と圧縮後の作動流体との間に熱交換が行われながら駆動部を通って動力が出力されるエンジンとして作動する。

これと反対に、スクロール圧縮器１１２の温度よりスクロール膨張器１３２の温度が低い時には、スターリング冷凍機方式で駆動部を通って外部動力を受け入れて温度が低いスクロール膨張器１３２で熱を受け入れてスクロール圧縮器１１２から熱を出力して膨張後の作動流体と圧縮後の作動流体との間に熱交換が行われる冷凍機として作動する。

図５は本発明の第２実施例によるスクロール型熱交換システムを示した断面図である。

図５に示すように、本発明の第２実施例によるスクロール型熱交換システム１４０は第１実施例によるスクロール型熱交換システム１００と全体的な構成は類似しているが、圧縮器１４１と膨張器１５１各々のハウジング１４２、１５２内に上下に一対ずつの固定スクロール１４３、１５３及び旋回スクロール１４５、１５５が設置されて転覆モーメントが発生しない。

また、圧縮器ハウジング１４２の外側面には複数個の冷却フィン１４９が形成され、膨張器ハウジング１５２の外側面には複数個の加熱フィン１５９が形成されて冷却または加熱が更に円滑に行われるようにする。

スクロール圧縮器１４１及びスクロール膨張器１５１の旋回スクロール１４５、１５５は二つの駆動軸１６５に連結されて駆動され、圧縮器の旋回スクロール１４５に連結される駆動軸１６５ａと膨張器の旋回スクロール１５５に連結される駆動軸１６５ｂとは互いに１８０゜の位相差を有するように形成されることにより、回転運動によるアンバランスを減らすことができる。

このような２つの駆動軸１６５は、ベルトまたはチェーンによって連結されて一緒に駆動され、駆動軸１６５が外部に延長された動力軸１６７を通って外部に動力を伝達する。駆動軸１６５が締結されて回転する部分にはベアリング１６９が各々設置される。

本発明の第２実施例による熱交換システム１４０において、再生器１６０を通過して圧縮部の冷却室１４７を通りながら作動流体は更に冷却され、この作動流体は第１連結部１６１を通ってスクロール圧縮器１４１内に流入して旋回スクロール１４５の旋回運動によって圧縮が起こる。圧縮過程の間に冷却室１４７内のハウジング１４２に形成された冷却フィン１４９により引続き冷却が行われる。

このように圧縮された作動流体は、第２連結部１６２を通って再生器１６０を通りながら第１連結部１６１を通る高温の作動流体との熱交換によって加熱された後、膨張部の加熱室１５７を通りながら更に加熱され、スクロール膨張器１５１内に流入して旋回スクロール１５５を押し出しながら膨張が起こる。膨張過程の間に加熱室１５７内のハウジング１５２に形成された加熱フィン１５９によって引続き加熱が起こる。

このように膨張した作動流体は、再び第１連結部１６１を通って再生器１６０を通りながら第２連結部１６２を通る低温の作動流体との熱交換によって冷却された後、スクロール圧縮器１４１内に供給されることによってサイクルを構成する。

この時、スクロール圧縮器１４１の上下冷却室１４７は互いに連結され、スクロール膨張器１５１の上下加熱室１５７も互いに連結される。また、スクロール圧縮器１４１の上下中心部から吐出される作動流体は互いに合流して再生器１６０に供給され、再生器１６０からスクロール膨張器１５１内部に供給される作動流体も互いに連結されて供給される。

図６は本発明の第３実施例によるスクロール型熱交換システムを示した構成図である。

図６に示すように、本実施例による熱交換システムは中央にスクロール圧縮器１７２を中心として一方の側にはこれより高い温度の第１スクロール膨張器１７４が連結され、他方の側にはスクロール圧縮器１７２より低い温度の第２スクロール膨張器１７６が連結される。このように構成される熱交換システムはスターリングエンジン駆動冷凍機として作用する。

つまり、高温の第１スクロール膨張器１７４とスクロール圧縮器１７２との組み合わせはスターリングエンジンとして作動し、低温の第２スクロール膨張器１７６とスクロール圧縮器１７２との組み合わせはスターリング冷凍機として作動する。

このような構成はスクロール圧縮器１７２の作動流体出入口を両側に設置される第１スクロール膨張器１７４及び第２スクロール膨張器１７６が共有することによって可能になる。したがって、作動流体はスクロール圧縮器１７２で圧縮されて中心部の出口を通って吐出された後、一部は第２連結部１８２を通って移動しながら第１再生器１８５を通って第１スクロール膨張器１７４中心部入口を通って流入し膨張して外周部の出口を通って吐出された後、第１連結部１８１を通って移動しながら第１再生器１８５を通ってスクロール圧縮器１７２外周部入口を通って流入して循環する。作動流体の残り一部は第４連結部１８４を通って移動しながら第２再生器１８６を通って第２スクロール膨張器１７６中心部入口を通って流入し膨張して外周部の出口を通って吐出された後、第３連結部１８３を通って移動しながら第２再生器１８６を通ってスクロール圧縮器１７２外周部入口を通って流入することによって循環する。

このようにスターリングエンジンの圧縮部とスターリング冷凍機の圧縮部とを共有することにより非常にコンパクトにスターリングエンジン駆動の冷凍機を構成でき、冷凍機駆動の他に残る動力は発電機を通って電力として生産できるので、冷暖房と同時に発電が可能なシステムを構成できる。

図７は本発明によるバイパス管が設けられたスクロール機構を示した図面である。

従来の往復動式スターリング機器の制御方法は内部作動ガスの圧力変化、無効容積調節、ストローク調節による圧縮比変化などがあったが、全ての装置が複雑で高価であった。本発明によるスクロール機構を適用したスターリングサイクル機器の制御方法は、図７に示すようにスクロール圧縮器の固定スクロール１９１中間圧縮部にバイパス管１９３を設けて圧縮ガスのバイパス量を調節することにより容易に圧縮容量を調節できる。これによってエンジン制御を非常に迅速で効果的に行うことができる。

中間圧縮部はスクロール圧縮器の中心部から所定距離だけ離れた部分に位置し、バイパス管１９３は圧縮器中心部に連結される連結部と中間圧縮部の間に連通するように形成され、調節バルブ１９５を更に含んでバイパス量の調節を可能にする。

図１４は本発明の一実施例によるスクロール膨張器を備えた蒸気サイクルを示した構成図である。

図１４に示すように、本実施例によるスクロール膨張器を備えた蒸気サイクルは、スクロール膨張器４１０の他に熱交換機４４０、凝縮機４４１、貯蔵タンク４４３、及びポンプ４４５を更に含んで構成される。

スクロール膨張器４１０の排出口４２３は熱交換機４４０と連結されてスクロール膨張器４１０から膨張して吐出された高温の作動流体は熱交換機４４０を通る。このような熱交換機４４０は再び凝縮機４４１と連結される。

熱交換機４４０を通ってきた作動流体は凝縮機４４１に流入して凝縮される。このような凝縮機４４１は再び貯蔵タンク４４３と連結される。貯蔵タンク４４３には凝縮機４４１を通ってきた作動流体が臨時貯蔵される。このような貯蔵タンク４４３は気液分離器であって、ポンプ４４５と連結されてポンプ４４５の圧縮効率を高めながら作動流体を補充する役割を果たす。

ポンプ４４５は貯蔵タンク４４３を通ってきた作動流体を加圧する役割を果たす。このようなポンプ４４５は再び熱交換機４４０と連結される。

ポンプ４４５で加圧された作動流体は、熱交換機４４０を通りながらスクロール膨張器４１０から吐出される高温の作動流体から熱が伝達され加熱される。このように加熱された作動流体は予熱管４２５を通ってスクロール膨張器４１０に再供給されることによって循環する。

前記のように構成されるスクロール膨張器を有する蒸気サイクルは、再生サイクルと無限段数の再熱サイクルとを有する蒸気タービンランキンサイクルと類似の作用をする。

以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、特許請求の範囲と発明の詳細な説明及び添付した図面の範囲内で多様に変形して実施でき、これも本発明の範囲に属することは当然である。

スクロール圧縮器の作動を説明するために固定スクロールを中心として旋回スクロールが回転する過程を概略的に示した図 本発明の一実施例によるスクロール膨張器を示した断面図 本発明の第１実施例によるスクロール型熱交換システムを示した構成図 本発明の第１実施例によるスクロール型熱交換システムに冷却器と加熱器を更に備えた熱交換システムを示した構成図 本発明の第２実施例によるスクロール型熱交換システムを示した断面図 本発明の第３実施例によるスクロール型熱交換システムを示した構成図 本発明によるバイパス管が設けられたスクロール機構を示した図 従来の往復動式スターリングエンジンの構成図 ヒーターとクーラーを備えた従来の往復動式スターリングエンジンの構成図 理想的なスターリングサイクルの作動過程を段階的に示した概念図 理想的なスターリングサイクルに対するＰ−Ｖ線図 実際のスターリングサイクルに対するＰ−Ｖ線図 通常の再熱サイクルを有するランキンシステムを示した構成図 本発明の一実施例によるスクロール膨張器を備えた蒸気サイクルを示した構成図

Claims (20)

1. 外部に加熱面を有して中心部と外周部各々に少なくとも一つずつの作動流体出入口を有する密閉されたハウジング；
   前記ハウジングの内部に固定され、中心部から螺旋形で外周部へ伸びる固定スクロール；
   前記ハウジングの内部で前記固定スクロールと噛み合うように中心部から螺旋形をなして外周部へ伸びて、前記ハウジングの内部に流入した作動流体を連続的に膨張させることができるように所定の旋回半径を有して旋回する旋回スクロール；
   前記ハウジング外側周囲に設置されて前記旋回スクロールが旋回しながら作動流体を膨張させる時、熱を供給できる加熱室；及び
   前記旋回スクロールと連結されてこれを駆動させる駆動軸
   を含むスクロール膨張器。
2. 前記ハウジング中心部の作動流体入口から伸びて前記加熱室内を横切って通りながら作動流体が熱を吸収できるように設置される予熱管を更に含むことを特徴とする、請求項１に記載のスクロール膨張器。
3. 前記加熱室に連結されて潜熱によって少ない温度差で大量の熱輸送が可能な熱パイプを更に含むことを特徴とする、請求項１に記載のスクロール膨張器。
4. 前記加熱室内の前記ハウジング外側加熱面に複数個の加熱フィンを更に含むことを特徴とする、請求項１に記載のスクロール膨張器。
5. 前記駆動軸の外側に連結されて外部に動力を伝達できる動力伝達軸を更に含むことを特徴とする、請求項１に記載のスクロール膨張器。
6. 前記旋回スクロールは少なくとも二つの駆動軸に連結されて駆動されることを特徴とする、請求項１に記載のスクロール膨張器。
7. 前記ハウジングの内側面に互いに対向する一対の固定スクロールが形成され、前記固定スクロールと各々噛み合うように配置される一対の旋回スクロールを含むことを特徴とする、請求項１に記載のスクロール膨張器。
8. 前記ハウジングの前記駆動軸各々の締結部分に潤滑油の密封のために軸密封材で密封されることを特徴とする、請求項１に記載のスクロール膨張器。
9. 前記駆動軸の前記ハウジングとの締結部分にベアリング部が取り付けられ、前記ベアリング部の過熱を防止し、前記ハウジング内部の熱が外部に流出しないように前記駆動軸の前記ハウジングとの締結部分に断熱材が付着されることを特徴とする、請求項１に記載のスクロール膨張器。
10. 外部に放熱面を有して中心部と外周部各々に少なくとも一つずつの作動流体出入口を有する密閉されたハウジングと、前記ハウジング内部に固定され、中心部から螺旋形をなして外周部へ伸びる固定スクロールと、前記ハウジング内部で前記固定スクロールと噛み合って中心部から螺旋形をなして外周部へ伸びて前記ハウジングの内部に流入した作動流体を連続的に圧縮できるように所定の旋回半径を有して旋回する旋回スクロールとを含むスクロール圧縮器；
    外部に加熱面を有して中心部と外周部各々に少なくとも一つずつの作動流体出入口を有する密閉されたハウジングと、前記ハウジングの内部に固定され、中心部から螺旋形をなして外周部へ伸びる固定スクロールと、前記ハウジングの内部で前記固定スクロールと噛み合って中心部から螺旋形をなして外周部へ伸びて前記ハウジングの内部に流入した作動流体を連続的に膨張させることができるように所定の旋回半径を有して旋回する旋回スクロールとを含むスクロール膨張器；
    前記圧縮器と膨張器の旋回スクロール各々に連結されてこれを駆動させる駆動部；
    前記スクロール圧縮器とスクロール膨張器各々の外周部に形成される作動流体出入口を互いに連結する第１連結部；
    前記スクロール圧縮器とスクロール膨張器各々の中心部に形成される作動流体出入口を互いに連結する第２連結部；
    前記第１連結部と第２連結部が互いに隣接するように内部を貫通しながら作動流体間の熱交換が行われるようにする再生器；及び
    前記スクロール圧縮器で圧縮されて前記スクロール圧縮器中心部の出口を通って吐出された後、前記第２連結部を通って移動しながら前記再生器を通って前記スクロール膨張器中心部入口を通って流入し、前記スクロール膨張器で膨張して前記スクロール膨張器外周部の出口を通って吐出された後、前記第１連結部を通って移動しながら前記再生器を通って前記スクロール圧縮器外周部入口を通って流入することによって循環する作動流体
    を含むスクロール型熱交換システム。
11. 前記スクロール圧縮器のハウジング外側周囲に形成されて作動流体が圧縮される時に発生する熱を放出させることができる冷却部と、前記スクロール膨張器のハウジング外側周囲に形成されて作動流体が膨張する時に熱を供給できる加熱部とを更に含むことを特徴とする、請求項１０に記載のスクロール型熱交換システム。
12. 前記再生器を経て前記スクロール圧縮器に流入する作動流体を冷却させることができるように前記スクロール圧縮器外周部の作動流体出口に形成される冷却器と、前記再生器を経て前記スクロール膨張器に流入する作動流体を加熱させることができるように前記スクロール膨張器中心部の作動流体入口に形成される加熱器を更に含むことを特徴とする、請求項１０に記載のスクロール型熱交換システム。
13. 前記スクロール圧縮器と前記スクロール膨張器の旋回スクロールは各々二つの駆動軸に連結されて駆動されることを特徴とする、請求項１０に記載のスクロール型熱交換システム。
14. 前記スクロール圧縮器の旋回スクロールに連結される駆動軸と、前記スクロール膨張器の旋回スクロールに連結される駆動軸は互いに１８０゜の位相差を有するように形成されることを特徴とする、請求項１３に記載のスクロール型熱交換システム。
15. 前記スクロール圧縮器のハウジング及び前記スクロール膨張器のハウジングの外部面に形成されて熱吸収または熱放出が更に容易に行われるように複数個の伝熱フィンを更に含むことを特徴とする、請求項１０に記載のスクロール型熱交換システム。
16. 前記ハウジングの中心部から所定距離だけ離れた中間圧縮部と中心部の作動流体出口に連結される連結部との間に連通するように形成されるバイパス管と、前記バイパス管に設置される調節バルブを更に含み、前記調節バルブでバイパス量を調節することによって圧縮容量を変化させることができることを特徴とする、請求項１０に記載のスクロール型熱交換システム。
17. 前記スクロール膨張器に前記スクロール圧縮器より更に高い温度の熱が供給され、前記スクロール膨張器とスクロール圧縮器に連結された駆動部から動力が出力されて、エンジン機能をすることを特徴とする、請求項１０に記載のスクロール型熱交換システム。
18. 前記スクロール膨張器とスクロール圧縮器に連結された駆動部に動力が入力され、前記スクロール膨張器で前記スクロール圧縮器より更に低い温度の熱が吸収されて、冷凍機機能を果たすことができることを特徴とする、請求項１０に記載のスクロール型熱交換システム。
19. 外部に加熱面を有して中心部と外周部各々に少なくとも一つずつの作動流体出入口を有する密閉されたハウジングと、前記ハウジングの内部に固定され中心部から螺旋形をなして外周部へ伸びる固定スクロールと、前記ハウジングの内部で前記固定スクロールと噛み合って中心部から螺旋形をなして外周部へ伸びて前記ハウジングの内部に流入した作動流体を連続的に膨張させることができるように所定の旋回半径を有して旋回する旋回スクロールとを含む第１スクロール膨張器；
    外部に放熱面を有して中心部と外周部各々に少なくとも一つずつの作動流体出入口を有する密閉されたハウジングと、前記ハウジングの内部に固定され、中心部から螺旋形をなして外周部へ伸びる固定スクロールと、前記ハウジングの内部で前記固定スクロールと噛み合って中心部から螺旋形をなして外周部へ伸びて前記ハウジングの内部に流入した作動流体を連続的に圧縮できるように所定の旋回半径を有して旋回する旋回スクロールとを含むスクロール圧縮器；
    外部に加熱面を有して中心部と外周部各々に少なくとも一つずつの作動流体出入口を有する密閉されたハウジングと、前記ハウジングの内部に固定され、中心部から螺旋形をなして外周部へ伸びる固定スクロールと、前記ハウジングの内部で前記固定スクロールと噛み合って中心部から螺旋形をなして外周部へ伸びて前記ハウジングの内部に流入した作動流体を連続的に膨張させることができるように所定の旋回半径を有して旋回する旋回スクロールとを含む第２スクロール膨張器；
    前記スクロール圧縮器とスクロール膨張器の旋回スクロール各々に連結されてこれを駆動させる駆動部；
    前記スクロール圧縮器と第１スクロール膨張器各々の外周部に形成される作動流体出入口を互いに連結する第１連結部；
    前記スクロール圧縮器と第２スクロール膨張器各々の中心部に形成される作動流体出入口を互いに連結する第２連結部；
    前記第１連結部と第２連結部が互いに隣接するように内部を貫通しながら作動流体間の熱交換が行われるようにする第１再生器；
    前記スクロール圧縮器と第２スクロール膨張器各々の外周部に形成される作動流体出入口を互いに連結する第３連結部；
    前記スクロール圧縮器と第２スクロール膨張器各々の中心部に形成される作動流体出入口を互いに連結する第４連結部；
    前記第３連結部と第４連結部が互いに隣接するように内部を貫通しながら作動流体間の熱交換が行われるようにする第２再生器；及び
    前記スクロール圧縮器で圧縮されて前記スクロール圧縮器中心部の出口を通って吐出された後、一部は前記第２連結部を通って移動しながら前記第１再生器を経て前記第１スクロール膨張器中心部入口を通って流入し膨張して外周部の出口を通って吐出された後、前記第１連結部を通って移動しながら前記第１再生器を通って前記スクロール圧縮器外周部入口を通って流入し、残り一部は前記第４連結部を通って移動しながら前記第２再生器を経て前記第２スクロール膨張器中心部入口を通って流入し膨張して外周部の出口を通って吐出された後、前記第３連結部を通って移動しながら前記第２再生器を通って前記スクロール圧縮器外周部入口を通って流入することにより循環する作動流体を含み、
    前記第１スクロール膨張器と前記スクロール圧縮器はエンジン機能を果たすことができ、前記第２スクロール膨張器と前記スクロール圧縮器は冷凍機機能を果たすことができるスクロール型熱交換システム。
20. 外部に加熱面を有して中心部と外周部各々に少なくとも一つずつの作動流体出入口を有する密閉されたハウジングと、前記ハウジングの内部に固定され、中心部から螺旋形をなして外周部へ伸びる固定スクロールと、前記ハウジングの内部で前記固定スクロールと噛み合って中心部から螺旋形をなして外周部へ伸びて前記ハウジングの内部に流入した作動流体を連続的に膨張させることができるように所定の旋回半径を有して旋回する旋回スクロールと、前記ハウジング外側周囲に設置されて前記旋回スクロールが旋回しながら作動流体を膨張させる時に熱を供給できる加熱室と、前記旋回スクロールと連結されてこれを駆動する駆動軸とを含むスクロール膨張器；
    前記スクロール膨張器から膨張して吐出された高温の作動流体が通る熱交換機；
    前記熱交換機を通ってきた作動流体を凝縮させる凝縮機；
    前記凝縮機を通ってきた作動流体が貯蔵される貯蔵タンク；及び
    前記貯蔵タンクを通ってきた作動流体を加圧するポンプを含み、
    前記ポンプで加圧された作動流体は再び前記熱交換機を通りながら前記高温の作動流体から熱を伝達してもらって加熱されることで循環する蒸気サイクル。

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