JP2003161114A - ランキンサイクル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 膨張機１２の摺動部を潤滑するための潤滑油
が冷媒に混じって蒸発器１１等を循環するを防止する。 【解決手段】 膨張機１２で仕事を行った作動流体に該
膨張機１２の軸受等の摺動部を潤滑した潤滑油が混じっ
て吐出された際に、これらを分離する油分離器１４を膨
張機１２と凝縮器１５との間に設ける。そして、分離さ
れた潤滑油をポンプ１３に直接流入させ、また当該油分
離器１４で潤滑油が分離された作動流体を凝縮器１５を
経てポンプ１３に流入させる。その後、このポンプ１３
により潤滑油は膨張機１２の摺動部に供給し、作動流体
は蒸発器１１に供給されるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、蒸発器や凝縮器の
熱交換器が所定の特性を発揮できるようにしたランキン
サイクルに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、図４に示すようなランキンサイク
ル（Ｒａｎｋｉｎ−Ｃｙｃｌｅ）が提案されている。当
該ランキンサイクル１１０には作動流体が循環し、当該
作動流体を蒸発させる蒸発器１１１、該蒸発器１１１か
らの作動流体が供給されて、その膨張仕事により回転す
る膨張機１１２、該膨張機１１２で仕事した作動流体を
凝縮させる凝縮器１１５、凝縮した作動流体を蒸発器１
１１に供給するポンプ１１３等により構成されている。

【０００３】なお、図４に示す膨張機１１２には図示し
ない発電機等が連結されて、膨張機１１２が回転するこ
とにより発電等が行われるようになっている。

【０００４】そして、膨張機１１２の軸受等における摺
動部を潤滑するために、潤滑油が用いられている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな潤滑油は作動流体に溶け込んだり混じったりして、
当該作動流体と共にサイクルを循環するため、蒸発器や
凝縮器における熱交換性能が低下してしまう問題があっ
た。

【０００６】そこで、本発明は、摺動部を潤滑するため
の潤滑油が、蒸発器等の熱交換性能を低下させないよう
にしたランキンサイクルを提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、請求項１にかかる発明は、作動流体を蒸発させる蒸
発器と、該蒸発器から作動流体が供給されて、その膨張
仕事により回転する膨張機と、該膨張機で仕事した作動
流体を凝縮させる凝縮器と、凝縮した作動流体を蒸発器
に供給するポンプとを備えるランキンサイクルにおい
て、膨張機と凝縮器との間に設けられて、該膨張機の軸
受等の摺動部を潤滑した潤滑油が当該膨張機で仕事を行
った作動流体に混じって吐出された際に、これらを分離
して潤滑油を含まない作動流体が凝縮器及び蒸発器に供
給されるようにする油分離器を設けて、凝縮器や蒸発器
に潤滑油が含まれていない作動流体を循環させて、これ
らでの熱交換性能の低下を抑制するようにしたことを特
徴とする。

【０００８】請求項２にかかる発明は、油分離器で作動
流体から分離された潤滑油がポンプに直接流入し、また
当該油分離器で潤滑油が分離された作動流体が凝縮器を
経てポンプに流入して、当該ポンプにより潤滑油は膨張
機の摺動部に圧送供給され、作動流体は蒸発器に圧送供
給されるようにすることにより、凝縮器や蒸発器に潤滑
油が含まれていない作動流体を循環させて、これらで所
望の熱交換性能が得られるようにすると共に、膨張機の
軸受等の摺動部のみに潤滑油が供給できるようにしてこ
れらの摺動部等を冷却、かつ、潤滑できるようにしたこ
とを特徴とする。

【０００９】請求項３にかかる発明は、ポンプが作動流
体を圧送する冷媒圧送部と、潤滑油を圧送する潤滑油圧
送部とにより形成されると共にこれらが歯車ポンプによ
り形成されて、ポンプ駆動源からの動力により当該冷媒
圧送部及び潤滑油圧送部が同時に駆動されて、作動流体
と潤滑油とを１台のポンプで同時に、かつ、それぞれ別
々に圧送できるようにしたことを特徴とする。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図を参照し
て説明する。図１は本発明に係るランキンサイクル１０
の構成を示す図である。

【００１１】当該ランキンサイクル１０は、作動流体を
蒸発させる蒸発器１１、該蒸発器１１から作動流体が供
給されて、その膨張仕事により回転する膨張機１２、該
膨張機１２で仕事した作動流体を凝縮させる凝縮器１
５、凝縮した作動流体を蒸発器１１に供給するポンプ１
３等を有して、これらが冷媒配管１６により接続されて
いる。

【００１２】なお、作動流体として、例えばＲ２４５ｆ
ａのような冷媒が例示でき、以下の説明では当該作動流
体を冷媒と記載して説明する。

【００１３】図１に示す膨張機１２の回転軸には、図示
しない発電機等が連結され発電が行えるようになってお
り、また蒸発器にはエンジン排ガス等の熱源流体が循環
するように形成されて、当該熱源流体と冷媒とが熱交換
して熱回収するようになっている。

【００１４】さらに、本発明にかかるランキンサイクル
１０においては、膨張機１２で仕事をした冷媒に含まれ
る潤滑油を当該冷媒から分離する油分離器１４が設けら
れている。

【００１５】この油分離器１４、ポンプ１３及び膨張機
１２とはバイパス油管１７により接続されて、油分離器
１４で分離された潤滑油が凝縮器１５や蒸発器１１に流
入しないようにしている。

【００１６】このとき、１台のポンプ１３で凝縮器１５
からの冷媒と油分離器１４からの潤滑油とが圧送される
が、その際これらが混じり合わないように、当該ポンプ
１３は図２に示すように冷媒圧送部２１と潤滑油圧送部
２２とから形成されて、ポンプ駆動源である電動機２３
により駆動されるようになっている。

【００１７】なお、この電動機２３への電力供給は図示
しない膨張機１２に連結された発電機から供給されるよ
うにしてもよく、また電動機２３を用いずに膨張機１２
における回転軸の回転力で駆動するようにしてもよい。

【００１８】冷媒圧送部２１及び潤滑油圧送部２２は共
に、図３に示すような歯車ポンプから形成されている。
なお、図２はポンプ１３の内部構成を示す概略断面図で
あり、図３は図２における矢視ＡＡの断面図を示してい
る。

【００１９】この歯車ポンプは、ポンプケーシング２４
にポンプ室２６が形成されて歯合する２つの歯車２１
ａ，２１ｂ（２２ａ，２２ｂ）の歯先Ｐがこのポンプ室
２６の側壁Ｋに接するように取付けられている。

【００２０】そして、一方の歯車２１ａ（２２ａ）に電
動機２３からの動力が伝達されることにより、他方の歯
車２１ｂ（２２ｂ）がこれに従道して、吸込口２１ｃ
（２２ｃ）からの流体が各歯車２１ａ，２１ｂ，２２
ａ，２２ｂとポンプ室２６の側壁Ｋとの空間Ｓに閉じこ
められ、歯車の回転に伴い吐出口２１ｄ（２２ｄ）に送
られる。

【００２１】このような歯車を主要構成とする冷媒圧送
部２１と潤滑油圧送部２２とは、仕切壁２８を隔て設け
られ、各歯車の回転軸２９（３０）が挿通する仕切壁２
８の部分には潤滑油圧送部２２から冷媒圧送部２１に潤
滑油が流入しないように壁シール３１，３２が取付けら
れている。

【００２２】また、電動機２３と連結されている回転軸
２９には、メカニカルシール３３が設けられて潤滑油が
ポンプケーシング２４から漏出しないようになってい
る。

【００２３】なお、先に述べた壁シール３１，３２は、
このメカニカルシール３３より高いシール性能は要求さ
れない。

【００２４】これはメカニカルシール３３から潤滑油が
漏れると装置の回りが汚れたりするため、当該メカニカ
ルシール３３は高いシール性能が要求されるのに対し、
壁シール３１，３２はこのような心配が無く、かつ、壁
シール３１，３２を介して冷媒圧送部２１側に滲み出す
潤滑油で当該壁シール３１，３２が潤滑されるためであ
る。

【００２５】無論、壁シール３１，３２から多量の潤滑
油が冷媒圧送部２１側に漏れることは、本発明の趣旨で
ある冷媒と潤滑油との分離供給に反する場合が生じるの
で好ましくないが、潤滑油圧送部２２の圧力と機外圧力
との差圧に比べ、潤滑油圧送部２２の圧力と冷媒圧送部
２１の圧力との差圧の方が小さくなるので、メカニカル
シール３３より壁シール３１，３２がシール特性の低く
い部材であっても、大きな漏れが発生せず結果として良
好なシール特性が得られる。

【００２６】このような構成で、膨張機１２で仕事をし
た冷媒は当該膨張機１２から吐出されて油分離器１４に
流入する。この際、当該膨張機１２の軸受等の摺動部を
潤滑した潤滑油が冷媒に混じって吐出されるので、油分
離器１４では冷媒と潤滑油とを分離し、冷媒は凝縮器１
５に流動し、潤滑油はポンプ１３に流動する。

【００２７】凝縮器１５に流動する冷媒は、潤滑油が含
まれていない略純粋な冷媒であるので、当該凝縮器１５
で本来の凝縮特性による凝縮が行われて、ポンプ１３に
流動するようになる。

【００２８】ポンプ１３では、電動機２３により冷媒圧
送部２１及び潤滑油圧送部２２が駆動され、冷媒は蒸発
器１１に供給され、また潤滑油は膨張機１２に供給され
るようになる。

【００２９】従って、蒸発器１１には略純粋な冷媒が供
給されるので、所望の蒸発特性が得られて、熱源流体か
らの熱回収効率の低下を防止することが可能になる。

【００３０】そして、蒸発器１１で、熱源流体から熱回
収して蒸発した冷媒は膨張機１２に流入して、ここで膨
張仕事する。その際、当該膨張機１２における摺動部は
ポンプ１３から直接供給された潤滑油により潤滑され
る。

【００３１】このように潤滑油を含まない冷媒が凝縮器
１５や蒸発器１１に供給されて凝縮や蒸発を行うため、
サイクル効率の低下が防止できると共に、摺動部を備え
るポンプ１３や膨張機１２には潤滑油が供給されるの
で、当該サイクル効率を更に向上させることが可能にな
る。

【００３２】また、油分離器１４で分離された潤滑油
は、ポンプ１３から直接膨張機１２に供給されるので、
熱源流体により加熱されず温度が低いので、膨張機１２
において冷却を要する部分（例えば、軸受やメカニカル
シール等）を潤滑油で冷却することが可能になるので、
これらの部材の熱による寿命低下が防止できる利点があ
る。

【００３３】さらに凝縮器１５や蒸発器１１を流動する
冷媒には潤滑油が含まれなくなるので、冷媒に含まれて
循環する潤滑油を考慮する必要が無く、また潤滑油がこ
れら凝縮器１５や蒸発器１１に貯留することもないの
で、潤滑油の総量は膨張機１２等において潤滑に必要と
される量だけで十分な潤滑特性を得ることが可能にな
り、経済性が向上する。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１にかかる
発明によれば、膨張機と凝縮器との間に潤滑油と作動流
体とを分離する油分離器を設けたので、凝縮器や蒸発器
に潤滑油が含まれていない作動流体を循環させることが
でき、これらでの熱交換性能の低下を抑制することが可
能になる。

【００３５】請求項２にかかる発明によれば、油分離器
で作動流体から分離された潤滑油がポンプに直接流入
し、また当該油分離器で潤滑油が分離された作動流体が
凝縮器を経てポンプに流入して、当該ポンプにより潤滑
油は膨張機の摺動部に直接供給され、作動流体は蒸発器
に供給されるようにしたので、凝縮器や蒸発器には潤滑
油が含まれていない作動流体が循環して所望の熱交換性
能が得られるようになると共に、膨張機の軸受等の摺動
部のみに潤滑油が供給できるようになって信頼性が向上
する。

【００３６】請求項３にかかる発明によれば、ポンプが
作動流体を圧送する冷媒圧送部と、潤滑油を圧送する潤
滑油圧送部とにより形成すると共にこれらを歯車ポンプ
により形成してポンプ駆動源からの動力により当該冷媒
圧送部及び潤滑油圧送部を同時に駆動するようにしたの
で、作動流体と潤滑油とを１台のポンプで同時に、か
つ、それぞれ別々に圧送できるようになり経済性が向上
する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の説明に適用されるランキ
ンサイクルの構成図である。

【図２】ポンプの部分断面図である。

【図３】図２における矢視ＡＡ断面図である。

【図４】従来の技術の説明に適用されるランキンサイク
ルの構成図である。

【符号の説明】

１０ ランキンサイクル １１ 蒸発器 １２ 膨張機 １３ ポンプ １４ 油分離器 １５ 凝縮器 １６ 冷媒配管 １７ バイパス油管 ２１ 冷媒圧送部 ２２ 潤滑油圧送部 ３１，３２ 壁シール ３３ メカニカルシール

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 作動流体を蒸発させる蒸発器と、該蒸発
   器から作動流体が供給されて、その膨張仕事により回転
   する膨張機と、該膨張機で仕事した作動流体を凝縮させ
   る凝縮器と、凝縮した作動流体を前記蒸発器に供給する
   ポンプとを備えるランキンサイクルにおいて、 前記膨張機と前記凝縮器との間に設けられて、該膨張機
   の軸受等の摺動部を潤滑した潤滑油が当該膨張機で仕事
   を行った作動流体に混じって吐出された際に、これらを
   分離して潤滑油を含まない作動流体が前記凝縮器及び前
   記蒸発器に供給されるようにする油分離器を設けたこと
   を特徴とするランキンサイクル。
2. 【請求項２】 前記油分離器で作動流体から分離された
   潤滑油が前記ポンプに直接流入し、また当該油分離器で
   潤滑油が分離された作動流体が前記凝縮器を経て前記ポ
   ンプに流入して、当該ポンプにより潤滑油は前記膨張機
   の摺動部に圧送供給され、前記作動流体は前記蒸発器に
   圧送供給されるようにしたことを特徴とする請求項１記
   載のランキンサイクル。
3. 【請求項３】 前記ポンプが作動流体を圧送する冷媒圧
   送部と、前記潤滑油を圧送する潤滑油圧送部とにより形
   成されると共にこれらが歯車ポンプにより形成されて、
   ポンプ駆動源からの動力により当該冷媒圧送部及び潤滑
   油圧送部が同時に駆動されることを特徴とする請求項２
   記載のランキンサイクル。