JP2009138684A - ランキンサイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】潤滑油で潤滑される膨張機及びポンプを備えたランキンサイクル装置において、膨張機及びポンプで作動流体に混入した潤滑油を分離回収し、この潤滑油を膨張機及びポンプの各々に適量ずつ供給できるようにする。
【解決手段】作動流体を圧送する圧送ポンプ２、加熱器（再生熱交換器１６，蒸発器５）、膨張機１、及び凝縮器６を流路で順次接続して成る作動流体循環回路２０と、膨張機１及び圧送ポンプ２にて作動流体に混入した潤滑油を作動流体から分離するオイル分離器１１と、潤滑油を貯留する一つのオイル貯留タンク１２と、オイル貯留タンク１２から膨張機１へ潤滑油を供給する第一潤滑油供給路３１と、オイル貯留タンク１２から圧送ポンプ２へ潤滑油を供給する第二潤滑油供給路３２とを、ランキンサイクル装置１０に備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、潤滑油で潤滑される膨張機及びポンプを備えたランキンサイクル装置において、作動流体に混入した潤滑油を分離回収して、この潤滑油を膨張機及びポンプに供給する技術に関する。

従来、圧送ポンプ、蒸発器、膨張機、及び凝縮器を順に流路で接続して成る作動流体循環回路を設けて、廃熱等の熱源からエネルギーを回収するランキンサイクル装置が知られている。一般に、ランキンサイクル装置に具備される流体機械のうち軸受などの機械的摺動部を有するものは膨張機と圧送ポンプであり、これらの機械的摺動部は潤滑油で潤滑されている。ところが、膨張機や圧送ポンプを潤滑している潤滑油は、これらを通過する作動流体に微量ずつ混入して流出してしまい、この結果、膨張機や圧送ポンプでは潤滑油量不足に起因する効率低下や焼き付きが生じる。そこで、特許文献１では、作動流体から潤滑油を分離して膨張機に戻す技術が提案され、また、特許文献２では、作動流体から潤滑油を分離して膨張機及び圧送ポンプへ戻す技術が提案されている。

図８に示すように、特許文献１に記載されたランキンサイクル装置１００は、蒸発器５、膨張機１、凝縮器６、及び圧送ポンプ２を含む作動流体循環回路２０と、膨張機１を潤滑する潤滑油が循環するオイル通路９５と、オイル通路９５に設けられて潤滑油から作動流体である水を分離する水分離手段９６と、圧送ポンプ２と凝縮器６との間に配置された気液分離器９８から分岐して凝縮器６を迂回するバイパス通路９３と、該バイパス通路９３に設けられて作動流体から潤滑油を分離するオイル分離手段９４とが備えられている。このランキンサイクル装置１００では、水分離手段９６にてオイル通路９５を循環している潤滑油から作動流体が分離されて作動流体循環回路２０に戻され、オイル分離手段９４にて作動流体循環回路２０を循環している作動流体から潤滑油が分離されて膨張機１に戻される。

また、図９に示すように、特許文献２に記載されたランキンサイクル装置１０１は、作動流体循環回路２０において膨張機１の出口側と圧送ポンプ２の入口側とを連通させるオイル供給通路９１を設け、該オイル供給通路９１に設けられた貯油室９２で気相作動流体より分離した潤滑油を、膨張機１出口側の背圧と、圧送ポンプ２入口側の背圧との圧力差を利用して圧送ポンプ２に供給するものである。前記膨張機１と前記圧送ポンプ２とは一体型とされ、圧送ポンプ２に供給された潤滑油は、膨張機１の軸受を経由して圧送ポンプ２の軸受まで至り、膨張機１と圧送ポンプ２の双方の機械的摺動部を潤滑するように構成されている。
特開２００３−９７２２２号公報 特開２００６−３２９１８２号公報

図１０は一般的な流体機械の回転数に対する最適潤滑油流量（潤滑油の供給量）の関係を示している。図１０に示されるように、流体機械が最適な潤滑状態を示す潤滑油流量は回転数により決定され、回転数が増加するにつれ最適潤滑油流量も増加する。潤滑油量が不足すれば、流体機械の機械損失の発生や耐久性の低下を招く。一方、潤滑油量が過剰であれば、膨張機での回収動力の低減や、圧送ポンプの駆動力の増加を招き、さらには作動流体の潤滑油含有量の増大に繋がる。作動流体の潤滑油含有量が増大すると、熱交換器（蒸発器及び凝縮器）では、熱交換効率が低下したり、潤滑油の加熱又は冷却のためのエネルギーロスが生じたりしてランキンサイクル装置の性能に悪影響を及ぼすおそれがある。以上を鑑みれば、回転数が相互に異なる膨張機と圧送ポンプとを、ともに最適な潤滑状態で動作させるためには、膨張機と圧送ポンプとに対して適量の潤滑油を個別に供給する必要がある。

上記特許文献１に記載のランキンサイクル装置１００は、膨張機１を潤滑できるが、圧送ポンプ２を潤滑することについては、言及されていない。つまり、ランキンサイクル装置に具備される膨張機１の機械的摺動部と圧送ポンプ２の機械的摺動部のうち、双方の機械的摺動部を潤滑する技術については言及されていないのである。

また、上記特許文献２に記載のランキンサイクル装置１０１では、膨張機１と圧送ポンプ２の双方の機械的摺動部に潤滑油が供給されるが、これらへの潤滑油供給経路は一筋の経路で構成されている。つまり、潤滑油が一つの経路を通じて膨張機１及び圧送ポンプ２に供給されるため、これらに供給される潤滑油量は同一になり、各機械的摺動部に対して個別に最適な潤滑油量を供給できない。

本発明は上記のような課題を解決するためになされたものであって、ランキンサイクル装置において、膨張機と圧送ポンプの各流体機械に含まれる機械的摺動部に対して、個別に最適な量の潤滑油を供給するための技術を提供する。これにより、ランキンサイクル装置に具備される各流体機械の高効率化及び耐久性の向上を図り、もって、ランキンサイクル装置の高効率化を実現することを目的とする。

本発明に係るランキンサイクル装置は、作動流体を圧送する圧送ポンプ、前記圧送ポンプより圧送された作動流体を加熱する加熱器、前記圧送ポンプ及び前記加熱器で昇圧、昇温された作動流体を膨張させてその動力を取り出す膨張機、並びに前記膨張機で降温及び降圧した作動流体を冷却する凝縮器を流路で順次接続して成る作動流体循環回路と、前記膨張機及び前記圧送ポンプにて作動流体に混入した潤滑油を前記作動流体から分離するオイル分離器と、前記オイル分離器で分離された潤滑油を貯留するオイル貯留タンクと、前記オイル貯留タンクから前記膨張機へ潤滑油を供給する第一潤滑油供給路と、前記オイル貯留タンクから前記圧送ポンプへ潤滑油を供給する第二潤滑油供給路とを、備えているものである。

また、本発明は、前記ランキンサイクル装置において、前記第一潤滑油供給路及び前記第二潤滑油供給路に、潤滑油の流量を調整する流量調整装置を備えているものである。

本発明は、以下に示すような効果を奏する。

本発明のランキンサイクル装置によれば、膨張機及び圧送ポンプに対し各々に最適な量の潤滑油を供給可能となる。膨張機及び圧送ポンプの各流体機械に対して最適な量の潤滑油が供給されることにより、各流体機械の機械損失の低減を図ることができる。また、潤滑油は不足や偏りなく一つのオイル貯留タンクに貯留されるので管理が容易となり、膨張機と圧送ポンプとに潤滑油が安定供給されることにより、装置の信頼性向上を図ることができる。また、作動流体に混入する潤滑油量を必要最低限とできるので、蒸発器や凝縮器等の熱交換器の性能低下を防止して、サイクルの高効率化を図ることができる。

以下、本発明の好ましい実施の形態を図面を参照しながら説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複説明を省略する。

実施の形態１

本発明の実施の形態１について説明する。図１は実施の形態１に係るランキンサイクル装置の構成を示す図である。

図１に示すように、実施の形態１に係るランキンサイクル装置１０は、作動流体が循環する作動流体循環回路２０と、オイル分離供給機構３０とを備えている。なお、本実施の形態に係るランキンサイクル装置１０では、作動流体として二酸化炭素又は水の自然冷媒が使用されている。以下、作動流体循環回路２０とオイル分離供給機構３０とに分けて、その構造を説明する。

［作動流体循環回路２０］
まず、作動流体循環回路２０の構成について説明する。作動流体循環回路２０は、圧送ポンプ２、再生熱交換器１６、蒸発器５、膨張機１、及び凝縮器６が流路２１，２２，２３，２４，２５，２６で順次接続されて構成されている。作動流体循環回路２０の高圧側において再生熱交換器１６と蒸発器５との間には、オイル分離供給機構３０に具備され作動流体から潤滑油を分離除去するオイル分離器１１が設けられている。従って、より詳細には、圧送ポンプ２と再生熱交換器１６は流路２１で接続され、再生熱交換器１６とオイル分離器１１は流路２２で接続され、オイル分離器１１と蒸発器５は流路２３で接続され、蒸発器５と膨張機１は流路２４で接続され、膨張機１と凝縮器６は流路２５で接続され、さらに、凝縮器６と圧送ポンプ２は流路２６で接続されて、作動流体が循環する作動流体循環回路２０が構成されている。

圧送ポンプ２はランキンサイクルの圧力上昇部であり、制御装置５０により駆動が制御されているモータ１４に回転駆動されて、作動流体を再生熱交換器１６へ圧送する。なお、制御装置５０は、プログラマブルロジックコントローラ又はコンピュータであって、予め設定されたプログラムに則ってモータ１４及び後述する発電機４の動作を制御するように構成されている。

再生熱交換器１６はランキンサイクルの第一の加熱部（加熱器）であり、圧送ポンプ２の出口から膨張機１の入口までの作動流体と、膨張機１の出口から凝縮器６の入口までの作動流体とを熱交換させることにより、圧送ポンプ２より吐出された作動流体を加熱し、膨張機１より吐出された作動流体を冷却する。膨張機１の出口と凝縮器６の入口とを接続している流路２５は、その途中に再生熱交換器１６を経由する熱交換流路２８が含まれている。膨張機１から流路２５に吐出された作動流体は熱交換流路２８に流入し、該熱交換流路２８を通じるうちに再生熱交換器１６において圧送ポンプ２から吐出された作動流体と熱交換し、さらに、流路２５に戻って凝縮器６へ流入する。

蒸発器５はランキンサイクルの第二の加熱部（加熱器）であり、再生熱交換器１６にて加熱された作動流体を、高温熱源と熱交換することにより更に加熱して高温及び高圧とする。このように、ランキンサイクル装置１０には、再生熱交換器１６と蒸発器５との二つの加熱器が備えられて、作動流体は段階的に加熱される。

膨張機１はランキンサイクルの出力取出部であり、高温及び高圧となった作動流体を膨張して、その熱及び圧力を機械エネルギーに変換する。膨張機１で取り出された機械エネルギーは、膨張機１と動力取出軸で接続されている発電機４で電気エネルギーに変換される。発電機４で取り出される電気エネルギーは、制御装置５０により制御されている。

凝縮器６はランキンサイクルの冷却部であり、膨張機１で降温及び降圧され、再生熱交換器１６で冷却された作動流体を、低温熱源と熱交換することにより更に冷却する。

次に、上記構成の作動流体循環回路２０の作動流体の流れを説明する。圧送ポンプ２で加圧された作動流体は、再生熱交換器１６を通じて加熱されたのち、オイル分離器１１を通じて潤滑油含有量が低減され、更に、蒸発器５を通じて加熱されて高温となる。高温及び高圧となった作動流体は、膨張機１を通じて膨張するうちにその膨張エネルギーが動力として回収されて低温及び低圧となる。低温及び低圧となった作動流体は、再生熱交換器１６を通じて冷却され、さらに、凝縮器６を通じて冷却されて圧送ポンプ２に戻る。

［オイル分離供給機構３０］
続いて、オイル分離供給機構３０の構成について説明する。オイル分離供給機構３０は、ランキンサイクルの高圧側において再生熱交換器１６の出口と蒸発器５の入口との間に配置されたオイル分離器１１と、オイル分離器１１で分離回収された潤滑油を貯留するオイル貯留タンク１２と、ランキンサイクル装置１０に具備される流体機械１，２の機械的摺動部に潤滑油を供給する潤滑油供給路３１，３２とを、備えている。

なお、ランキンサイクル装置１０に具備される流体機械は、膨張機１と圧送ポンプ２であり、また、機械的摺動部とは、軸受やピストン等の潤滑油で潤滑されている部分である。本実施の形態に係るランキンサイクル装置１０では、潤滑油としてＰＡＧ（ポリアルキレングリコール）が使用されている。潤滑油は機械的摺動部の微少隙間よりサイクル内に流出し、作動流体が膨張機１又は圧送ポンプ２を通過するうちに該作動流体に潤滑油が混入する。

オイル分離器１１は、潤滑油が混入した作動流体から潤滑油を分離し、潤滑油が分離除去された作動流体を作動流体循環回路２０へ戻し、作動流体から分離された潤滑油を回収してオイル貯留タンク１２へ貯留する。

オイル分離器１１として、作動流体と潤滑油との密度差を利用してこれらを分離する遠心分離式のオイル分離器が用いられている。遠心分離式のオイル分離器は、潤滑油が混入した作動流体を容器内で旋回運動させて油滴を遠心力で分離するものであり、分離された潤滑油はオイル分離器１１の容器の下部に回収され、潤滑油が分離された作動流体は容器の上部から流出する。

オイル貯留タンク１２には、膨張機１の機械的摺動部へ潤滑油を供給する第一潤滑油供給路３１と、圧送ポンプ２の機械的摺動部へ潤滑油を供給する第二潤滑油供給路３２とが設けられている。膨張機１の機械的摺動部に対する最適な潤滑油流量と、圧送ポンプ２の機械的摺動部に対する最適な潤滑油流量とは、実験的又は理論的に予め求められており、これらの潤滑油流量に応じて、第一潤滑油供給路３１と第二潤滑油供給路３２との流路面積がそれぞれ個別に定められている。ここで、「最適な潤滑油流量」とは、その流体機械が最適に動作するために機械的摺動部に対して過不足なく供給される潤滑油量をいう。ランキンサイクル装置１０においては、通常、圧送ポンプ２よりも膨張機１の方が回転数が高いため最適な潤滑油流量も多く（図１０参照）、従って、第二潤滑油供給路３２よりも第一潤滑油供給路３１の方が流路面積は大きいこととなる。

次に、オイル分離供給機構３０の潤滑油の流れを説明する。オイル分離器１１で作動流体から分離回収された潤滑油は、オイル貯留タンク１２に貯留される。オイル貯留タンク１２に貯留された潤滑油は、第一潤滑油供給路３１を通じて膨張機１の機械的摺動部へ供給され、第二潤滑油供給路３２を通じて圧送ポンプ２の機械的摺動部へ供給される。このように流体機械１，２の機械的摺動部に供給された潤滑油は、当該機械的摺動部の微少隙間よりサイクル内に流出して作動流体と混合することになるが、再びオイル分離器１１で分離回収されて機械的摺動部に供給される。このように潤滑油は循環しているので、ランキンサイクル装置１０の流体機械１，２の機械的摺動部への潤滑油の補充作業は不要である。

以下、上記の通り構成されるランキンサイクル装置１０の特徴を説明する。

上記ランキンサイクル装置１０では、オイル分離器１１は、ランキンサイクルの高圧側に配置されている。つまり、オイル分離器１１は、作動流体循環回路２０の圧送ポンプ２の出口から膨張機１の入口までの間に配置されている。これにより、オイル分離器１１にて作動流体から分離された潤滑油は高圧であり、オイル貯留タンク１２内も高圧となる。よって、オイル貯留タンク１２や潤滑油供給路３１，３２にポンプ等の圧送手段を設けなくとも、オイル貯留タンク１２の潤滑油が潤滑油供給路３１，３２を流れて各機械的摺動部へ供給される。従って、オイル分離供給機構の構成は簡易なものとなり、また、コスト削減にも寄与することができる。

また、上記ランキンサイクル装置１０では、オイル分離器１１は再生熱交換器１６の出口と蒸発器５の入口との間に配置されている。つまり、ランキンサイクル装置１０は二つの加熱器（再生熱交換器１６と蒸発器５）を備え、これらの加熱器の間にオイル分離器１１が配置されている。かかる構成により、作動流体は、蒸発器５に流入する前で潤滑油含有量が低減されるので、蒸発器５での熱交換性能の低下を防止することができる。また、作動流体は、再生熱交換器１６で加熱されて作動流体と潤滑油との密度差がより大きい状態でオイル分離器１１に流入するので、作動流体と潤滑油とがより高精度に分離される。なお、潤滑油と比較して作動流体は温度上昇に伴う密度減少割合が大きく、通常のランキンサイクル作動温度範囲（１００〜５００℃）では、温度が上昇するほど作動流体と潤滑油との密度差が大きくなり、両者の密度差を利用して分離するオイル分離器１１では分離精度が良好となる。

さらに、上記ランキンサイクル装置１０では、具備される二つの流体機械１，２の各機械的摺動部に対して、それぞれに独立した潤滑油供給路３１，３２が設けられている。これにより、各機械的摺動部に対して最適な量の潤滑油を供給することが可能となる。さらに、潤滑油供給路３１，３２の流路面積により潤滑油流量が調整されており、各機械的摺動部に対して最適な量の潤滑油が供給される。よって、潤滑不足による膨張機１及び圧送ポンプ２の機械損失を低減し、潤滑油の供給過多による蒸発器５及び凝縮器６の性能低下を防止することができる。

また、上記ランキンサイクル装置１０では、一つのオイル貯留タンク１２が設けられている。このようにランキンサイクル装置１０に設けるオイル貯留タンク１２を一つとすることで、潤滑油を一元的に管理することができ、潤滑油貯留量の過不足が発生し難くなり、また、ランキンサイクル装置１０内にオイル貯留部を複数設置した場合に発生する潤滑油貯留量の偏りも発生しない。よって、潤滑油を各機械的摺動部に対して安定的して供給することができ、膨張機１及び圧送ポンプ２の効率低下を防ぎ、動作の信頼性を向上させることができる。

実施の形態２

本発明の実施の形態２について説明する。図２は実施の形態２に係るランキンサイクル装置の構成を示す図、図３は流路の絞り量と潤滑油流量との関係を示す図である。

図２に示すように、実施の形態２に係るランキンサイクル装置は、オイル分離供給機構に含まれる潤滑油供給路を除いて、実施の形態１に係るランキンサイクル装置と同一の構成である。よって、ここではオイル分離供給機構に関し、特に実施の形態１と異なる潤滑油供給路について詳細に説明し、他の説明を省略する。

オイル分離供給機構３０は、ランキンサイクルの高圧側において再生熱交換器１６の出口と蒸発器５の入口との間に配置されたオイル分離器１１と、オイル分離器１１で分離回収された潤滑油を貯留するオイル貯留タンク１２と、ランキンサイクル装置１０に具備される流体機械１，２の機械的摺動部に潤滑油を供給する潤滑油供給路３３とを、備えている。

オイル貯留タンク１２には、潤滑油供給路３３が接続されている。潤滑油供給路３３は、途中で、膨張機１の機械的摺動部へ潤滑油を供給する第一潤滑油供給路３１と、圧送ポンプ２の機械的摺動部へ潤滑油を供給する第二潤滑油供給路３２とに分岐している。第一潤滑油供給路３１と、第二潤滑油供給路３２とには、それぞれに潤滑油の流量を調整する流量調整手段３４，３５が設けられている。流量調整手段３４，３５として可変絞り機構が設けられて、潤滑油供給路３１，３２の絞り量を調整することにより、膨張機１と圧送ポンプ２に供給する潤滑油流量を個別に調整できるように構成されている。本実施の形態においては、可変絞り機構として、制御装置５０の制御を受けて入力電流を変化させることにより流路面積が変化する電磁比例制御式可変オリフィスが用いられている。

図３は、流路の絞り量と、潤滑油流量との関係を示している。図３に示すように、潤滑油流量Ｑｉに対する流路の絞り量Ａｉは一義的に決まり、流路の絞り量の増大に伴って、潤滑油流量は減少する。従って、流体機械の回転数と当該回転数で稼動している流体機械の機械的摺動部に対する最適な潤滑油流量との関係を実験的又は理論的に求めれば、この流体機械の回転数と最適な潤滑油流量との関係から流体機械の回転数と流路の絞り量との関係を導き出すことができる。

膨張機１と圧送ポンプ２には、回転数を検出し、その検出信号を制御装置５０へ伝達する回転数センサ１ａ，２ａが、それぞれに設けられている。また、制御装置５０には、膨張機１の機械的摺動部及び圧送ポンプ２の機械的摺動部について、回転数と最適潤滑油流量との関係を予め実験的又は理論的に求め、これから導き出される回転数と流路の絞り量との関係と、流路の絞り量と入力電流との関係とが、記憶されている。さらに、制御装置５０には、回転数センサ１ａ，２ａで検出された回転数に応じて可変オリフィスへの入力電流を制御するプログラムが設定されている。

上記構成において、制御装置５０は、回転数センサ１ａ，２ａにより検出された回転数に応じて可変オリフィスへの入力電流を変化させる制御を行う。これにより、各流体機械１，２の機械的摺動部に対して最適な量の潤滑油が供給されるように可変オリフィスの絞り量が調整される。よって、各流体機械１，２の回転数に対応して最適な量の潤滑油が流体機械１，２の機械的摺動部に供給されるので、当該機械的摺動部は常に最適な潤滑状態が維持され、流体機械１，２の機械損失を低減することができる。

なお、本実施の形態においては、流量調整手段３４，３５として可変絞り機構を備えているが、流量調整手段３４，３５として流路の絞り量が固定されている固定絞りを設けてもよい。この場合、各流体機械１，２の機械的摺動部の最適潤滑油流量と、該最適潤滑油流量に対する流路の絞り量との関係から、最適潤滑油流量を供給できる絞り量を有する固定絞りが選定され、当該固定絞りが流量調整手段３４，３５として用いられる。

また、本実施の形態においては、流量調整手段３４，３５として可変絞り機構を備えているが、可変絞り機構に代えてオイルポンプを設置してもよい。この場合、流体機械１，２の回転数に対する最適潤滑油量の関係と該最適潤滑油量に対するオイルポンプの吐出量の関係とが制御装置５０に記憶され、当該制御装置５０は検出された流体機械１，２の回転数に応じてオイルポンプの吐出量を変化させる制御を行うように構成される。

実施の形態３

本発明の実施の形態３について説明する。図４は実施の形態３に係るランキンサイクル装置の構成を示す図、図５は実施の形態３に係るランキンサイクル装置の変形例を示す図である。

図４に示すように、実施の形態３に係るランキンサイクル装置は、オイル分離供給機構３０を除いて、実施の形態１に係るランキンサイクル装置と同一の構成である。よって、ここではオイル分離供給機構３０に関し、特に実施の形態１と異なる部分について詳細に説明し、他の説明を省略する。

オイル分離供給機構３０は、ランキンサイクルの低圧側において膨張機１の出口と凝縮器６の入口との間に配置されたオイル分離器１１と、オイル分離器１１で分離回収された潤滑油を貯留するオイル貯留タンク１２と、オイル分離器１１からオイル貯留タンク１２へ潤滑油を送る油路３８と、油路３８に設けられた加圧ポンプ３９と、オイル貯留タンク１２からランキンサイクル装置１０に具備される流体機械１，２の機械的摺動部に潤滑油を供給する潤滑油供給路３１，３２とを、備えている。

オイル分離器１１は、ランキンサイクルの低圧側、すなわち、作動流体循環回路２０において膨張機１の出口から圧送ポンプ２の入口までの間に配置されている。ランキンサイクルの低圧側には、再生熱交換器１６と凝縮器６との二つの熱交換器が設けられており、熱交換器では作動流体の潤滑油含有量が低い方が熱交換効率がよいことから、これらの熱交換器に流入する前に作動流体から潤滑油を除去して潤滑油含有量を低減することが好ましい。よって、オイル分離器１１は、作動流体循環回路２０においてランキンサイクルの低圧側であって膨張機１の出口から再生熱交換器１６の入口までの間に設けられている。但し、オイル分離器１１は作動流体循環回路２０において膨張機１の出口と凝縮器６の入口までの間に配置されればよいので、再生熱交換器１６の出口と凝縮器６の入口との間にオイル分離器１１を設けることもできる。

一般的なランキンサイクル装置においては、膨張機１から吐出された作動流体は、作動流体は気相であり、該作動流体に混入している潤滑油は液相であることから、作動流体循環回路２０において膨張機１と再生熱交換器１６（凝縮器６）との間では、作動流体と潤滑油との密度差が比較的大きい。オイル分離器１１は密度差を利用して作動流体と潤滑油とを分離するしくみであるので、膨張機１と再生熱交換器１６（凝縮器６）との間に配置されているオイル分離器１１では、より高精度に作動流体と潤滑油を分離することができる。

オイル分離器１１で作動流体から分離回収された潤滑油は、油路３８を通じてオイル貯留タンク１２まで送られて貯留される。オイル分離器１１はランキンサイクルの低圧側に配置されているので、該オイル分離器１１で分離回収される潤滑油も低圧である。そこで、潤滑油が油路３８を通じるうちに加圧ポンプ３９で加圧されることによって、オイル貯留タンク１２に貯留される潤滑油を、ランキンサイクルの高圧側の圧力と同一又はそれよりも高い圧力に昇圧している。このようにオイル貯留タンク１２に貯留される潤滑油はランキンサイクルの高圧側の圧力と同一又はそれよりも高い圧力であるので、ポンプ等の圧送手段を要することなく、潤滑油供給路３１，３２を通じて流体機械１，２の機械的摺動部へ供給される。

なお、本実施の形態の変形例として、図５に示すように、オイル分離器１１とオイル貯留タンク１２を接続している油路３８に加圧ポンプ３９を設ける代わりに、第一潤滑油供給路３１と第二潤滑油供給路３２のそれぞれに定量ポンプ４４，４５を設けることもできる。この場合、オイル貯留タンク１２に貯留されている潤滑油は低圧であるが、定量ポンプ４４，４５で潤滑油の昇圧と流量の調整を行って、潤滑油供給路３１，３２を通じて各流体機械１，２の機械的摺動部へ最適な量の潤滑油を供給することができる。

実施の形態４

本発明の実施の形態４について説明する。図６は実施の形態４に係るランキンサイクル装置の構成を示す図である。

図６に示すように、実施の形態４に係るランキンサイクル装置１０は、オイル分離供給機構３０を除いて、実施の形態１に係るランキンサイクル装置と同一の構成である。よって、ここではオイル分離供給機構３０に関し、特に実施の形態１と異なる部分について詳細に説明し、他の説明を省略する。

オイル分離供給機構３０は、ランキンサイクルの高圧側において再生熱交換器１６の出口と蒸発器５の入口との間に配置された第一のオイル分離器１１ａと、ランキンサイクルの低圧側において膨張機１の出口と凝縮器６の入口との間に配置された第二のオイル分離器１１ｂと、これらのオイル分離器１１ａ，１１ｂで分離回収された潤滑油を貯留するオイル貯留タンク１２と、第二のオイル分離器１１ｂからオイル貯留タンク１２へ潤滑油を送る油路３８と、油路３８に設けられた加圧ポンプ３９と、オイル貯留タンク１２からランキンサイクル装置１０に具備される流体機械１，２の機械的摺動部に潤滑油を供給する潤滑油供給路３１，３２とを、備えている。

第一のオイル分離器１１ａは、ランキンサイクルの高圧側、すなわち、作動流体循環回路２０において圧送ポンプ２の出口から膨張機１の入口までの間に設けられている。作動流体循環回路２０には高圧側の熱交換器として、再生熱交換器１６と蒸発器５とが備えられており、第一のオイル分離器１１ａは、これらの熱交換器の間に配置されている。このように第一のオイル分離器１１ａを配置することにより、蒸発器５に流入する作動流体の潤滑油含有量を低減して熱交換の効率低下を防止するとともに、第一のオイル分離器１１ａに流入する作動流体を再生熱交換器１６で加熱して作動流体と潤滑油の密度差を拡大することにより第一のオイル分離器１１ａでの分離精度の向上が図られている。

第二のオイル分離器１１ｂは、ランキンサイクルの低圧側、すなわち、作動流体循環回路２０において膨張機１の出口から圧送ポンプ２の入口までの間に設けられている。作動流体循環回路２０には低圧側の熱交換器として、再生熱交換器１６と凝縮器６とが備えられており、第二のオイル分離器１１ｂは膨張機１と再生熱交換器１６との間に配置されている。このように第二のオイル分離器１１ｂを配置することにより、再生熱交換器１６と凝縮器６に流入する作動流体の潤滑油含有量を低減して熱交換の効率低下を防止している。

第二のオイル分離器１１ｂで作動流体から分離回収された潤滑油は、油路３８を通じてオイル貯留タンク１２まで送られて貯留される。潤滑油は油路３８を通じるうちに加圧ポンプ３９で、ランキンサイクルの高圧側の圧力と同一又はそれよりも高い圧力に昇圧される。そして、第一のオイル分離器１１ａと第二のオイル分離器１１ｂとで作動流体から分離回収されて、オイル貯留タンク１２に貯留されている潤滑油は、第一潤滑油供給路３１を通じて膨張機１の機械的摺動部へ供給され、第二潤滑油供給路３２を通じて圧送ポンプ２の機械的摺動部へ供給される。

本実施の形態に係るランキンサイクル装置１０では、ランキンサイクルの高圧側と低圧側の双方において、作動流体循環回路２０に具備されている熱交換器５，１６，６の上流にオイル分離器１１ａ，オイル分離器１１ｂが設けられている。よって、作動流体循環回路２０に具備されている熱交換器には、潤滑油含有量が低減された作動流体が流入することとなり、熱交換器における熱交換の効率低下を防止することができる。

実施の形態５

本発明の実施の形態５について説明する。図７は実施の形態５に係るランキンサイクル装置の構成を示す図である。

図７に示すように、実施の形態５に係るランキンサイクル装置１０は、作動流体を循環させてエネルギーを取り出す作動流体循環回路２０と、ランキンサイクル装置１０に具備される流体機械の機械的摺動部から作動流体に混入した潤滑油を分離回収して前記機械的摺動部へ供給するオイル分離供給機構３０とを、備えている。

まず、作動流体循環回路２０の構成について説明する。作動流体循環回路２０は、圧送ポンプ２、再生熱交換器１６、蒸発器５、膨張機１、及び凝縮器６が流路２１，２２，２３，２４，２５，２６で順次接続されて構成されている。作動流体循環回路２０において再生熱交換器１６と蒸発器５との間には、密閉容器４１と、該密閉容器４１内に配置されたオイル分離器１１とが設けられている。また、膨張機１と凝縮器６を接続する流路２５は、その途中で再生熱交換器１６を経由するための熱交換流路２８が含まれており、膨張機１から流路２５に吐出された作動流体は熱交換流路２８に流入して再生熱交換器１６を通じたのち、流路２５に戻って凝縮器６へ流入する。

膨張機１の動力軸と、圧送ポンプ２の動力軸とは伝動軸４０で一軸に連結されており、膨張機１において作動流体が膨張する際に回収される動力が圧送ポンプ２の駆動に利用される。このように、圧送ポンプ２が膨張機１で回収された動力で駆動されるので、圧送ポンプ２モータにより駆動される場合と比較して、ランキンサイクルの高効率化と、装置の簡素化及び小型化を図ることができる。また、伝動軸４０上には発電機４が設けられており、膨張機１において作動流体が膨張する際に回収される動力が発電機４で電気エネルギーに変換されて取り出される。

次に、オイル分離供給機構３０の構成について説明する。オイル分離供給機構３０は、オイル分離器１１と、オイル貯留タンク１２と、第一潤滑油供給路３１と、第二潤滑油供給路３２とにより構成されている。オイル分離器１１は、作動流体から該作動流体に混入している潤滑油を分離する遠心分離式のオイル分離器であり、オイル分離器１１で分離回収された潤滑油は、オイル貯留タンク１２に貯留される。オイル貯留タンク１２には、オイル貯留タンク１２から膨張機１の機械的摺動部へ潤滑油を供給する第一潤滑油供給路３１と、オイル貯留タンク１２から圧送ポンプ２の機械的摺動部へ潤滑油を供給する第二潤滑油供給路３２とが設けられている。

上記において、膨張機１、圧送ポンプ２、及び発電機４、オイル分離器１１、オイル貯留タンク１２、第一潤滑油供給路３１及び第二潤滑油供給路３２は、密閉容器４１内に設けられている。この密閉容器４１には、再生熱交換器１６で加熱された作動流体が流路２２を通じて流入しており、密閉容器４１の内部は作動流体で満たされている。また、密閉容器４１内はオイル分離器１１の入口と連通され、オイル分離器１１の出口は、流路２３を介して蒸発器５の入口と接続されている。

上記の通り、密閉容器４１内にオイル分離供給機構３０が設けられているので、オイル分離器１１及びオイル貯留タンク１２の外容器を廃止することができ、コストの低減及び装置全体の小型化を図ることができる。なお、オイル分離器１１は作動流体循環回路２０のうち、密閉容器４１の内部と蒸発器５との間に設けられているが、再生熱交換器１６と密閉容器４１の内部との間に設けることもできる。また、オイル分離器１１は密閉容器４１内に配置されているが、密閉容器４１そのものに潤滑油分離機能を備えたり、或いは、オイル分離器１１を密閉容器４１の外部に配置したりすることもできる。

また、密閉容器４１内は、再生熱交換器１６から流出した大気温度よりも高温の作動流体で満たされており、膨張機１の部材温度とその周囲の温度の差を、膨張機１の部材温度と大気温度との温度差よりも小さくすることができるので、膨張機１からの放熱による熱損失の低減を図ることができる。さらに、膨張機１で放出される熱エネルギーを作動流体の加熱に利用することができるので、サイクル全体の熱損失を低減させることができる。

ここで、上記構成のランキンサイクル装置１０の作動流体の流れを説明する。圧送ポンプ２で加圧された作動流体は、再生熱交換器１６を通じて加熱されたのち、密閉容器４１に流入する。密閉容器４１に流入した作動流体は、この密閉容器４１内に配置されているオイル分離器１１を通じて混入している潤滑油が分離されたのち、蒸発器５を通じて更に加熱され、高温となる。高温及び高圧となった作動流体は、膨張機１を通じて膨張され、この膨張エネルギーは圧送ポンプ２の駆動と発電機４での発電に利用される。膨張機１から流出した低温及び低圧の作動流体は、再生熱交換器１６を通じて高圧側の作動流体と熱交換することにより冷却され、さらに、凝縮器６を通じて冷却されて、液相の作動流体となって圧送ポンプ２へ戻る。

次に、ランキンサイクル装置１０の潤滑油の流れを説明する。オイル分離器１１で作動流体から分離された潤滑油は、オイル貯留タンク１２に貯留される。オイル貯留タンク１２に貯留されている潤滑油は、第一潤滑油供給路３１を通じて膨張機１の機械的摺動部へ供給され、第二潤滑油供給路３２を通じて圧送ポンプ２の機械的摺動部へ供給される。このようにして機械的摺動部へ供給された潤滑油は、該機械的摺動部の微小間隙よりサイクル内に流出して作動流体と混合する。

本発明のランキンサイクル装置は、潤滑油で潤滑される膨張機及び圧送ポンプを有し、例えば、太陽熱発電システムや自動車の廃熱エネルギー回生システム等に備えられるランキンサイクル装置として有用である。

実施の形態１に係るランキンサイクル装置の構成を示す図である。 実施の形態２に係るランキンサイクル装置の構成を示す図である。 流路の絞り量と潤滑油流量との関係を示す図である。 実施の形態３に係るランキンサイクル装置の構成を示す図である。 実施の形態３に係るランキンサイクル装置の変形例を示す図である。 実施の形態４に係るランキンサイクル装置の構成を示す図である。 実施の形態５に係るランキンサイクル装置の構成を示す図である。 従来のランキンサイクル装置の構成を示す図である。 従来のランキンサイクル装置の構成を示す図である。 流体機械の回転数と最適潤滑油流量との関係を示す図である。

符号の説明

１ 膨張機
２ 圧送ポンプ
４ 発電機
５ 蒸発器
６ 凝縮器（第二の加熱器）
１０ ランキンサイクル装置
１１ オイル分離器
１２ オイル貯留タンク
１４ モータ
１６ 再生熱交換器（第一の加熱器）
２０ 作動流体循環回路
２８ 熱交換流路
３０ オイル分離供給機構
３１ 第一潤滑油供給路
３２ 第二潤滑油供給路
３４，３５ 流量調整手段
５０ 制御装置

Claims (14)

1. 作動流体を圧送する圧送ポンプ、前記圧送ポンプより圧送された作動流体を加熱する加熱器、前記圧送ポンプ及び前記加熱器で昇圧、昇温された作動流体を膨張させてその動力を取り出す膨張機、並びに前記膨張機で降温及び降圧した作動流体を冷却する凝縮器を流路で順次接続して成る作動流体循環回路と、
   前記膨張機及び前記圧送ポンプにて作動流体に混入した潤滑油を前記作動流体から分離するオイル分離器と、
   前記オイル分離器で分離された潤滑油を貯留するオイル貯留タンクと、
   前記オイル貯留タンクから前記膨張機へ潤滑油を供給する第一潤滑油供給路と、
   前記オイル貯留タンクから前記圧送ポンプへ潤滑油を供給する第二潤滑油供給路とを、備えている、
   ランキンサイクル装置。
2. 前記オイル分離器は、前記作動流体循環回路において前記圧送ポンプの出口と前記膨張機の入口との間に配設されている、
   請求項１に記載のランキンサイクル装置。
3. 前記作動流体循環回路は、前記加熱器を複数直列に備え、前記加熱器同士の間に前記オイル分離器が配設されている、
   請求項１又は請求項２に記載のランキンサイクル装置。
4. 前記複数の加熱器のうち少なくとも一つは、前記圧送ポンプの出口から前記膨張機の入口までの作動流体と、前記膨張機の出口から前記凝縮器の入口までの作動流体とを熱交換させる再生熱交換器である、
   請求項３に記載のランキンサイクル装置。
5. 前記オイル分離器は、前記作動流体循環回路において前記膨張機の出口と前記凝縮器の入口との間に配設されている、
   請求項１又は請求項２に記載のランキンサイクル装置。
6. 前記オイル分離器で分離された潤滑油を前記オイル貯留タンクへ送る油路に、潤滑油加圧用ポンプを備えている、
   請求項５に記載のランキンサイクル装置。
7. 前記第一潤滑油供給路及び前記第二潤滑油供給路に、潤滑油の流量を調整する流量調整装置を備えている、
   請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載のランキンサイクル装置。
8. 前記流量調整装置は、潤滑油の流路面積を所定値とする固定絞りである、
   請求項７に記載のランキンサイクル装置。
9. 前記流量調整装置は、絞り量を変化させることのできる可変絞り機構である、
   請求項７に記載のランキンサイクル装置。
10. 前記流量調整装置は、所定量の潤滑油を送り出す定量ポンプである、
    請求項７に記載のランキンサイクル装置。
11. 前記膨張機と前記圧送ポンプとの動力軸が連結されている、
    請求項１〜請求項１０のいずれか一項に記載のランキンサイクル装置。
12. 前記膨張機と前記圧送ポンプとが一つの密閉容器内に設けられている、
    請求項１〜請求項１１のいずれか一項に記載のランキンサイクル装置。
13. 前記密閉容器内は、前記作動流体循環回路において前記圧送ポンプの出口から前記膨張機の入口までの流路の一部を形成し、作動流体で満たされている、
    請求項１２に記載のランキンサイクル装置。
14. 前記作動流体は、水又は二酸化炭素の自然冷媒である、
    請求項１〜請求項１３のいずれか一項に記載のランキンサイクル装置。

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